JP2007529861A

JP2007529861A - 非コヒーレントな半導体光源を有する高輝度照明装置

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Publication number: JP2007529861A
Application number: JP2007503482A
Authority: JP
Inventors: ゾウ，ハンス; ジェイアンダーソン，ダンカン
Original assignee: Koninklijke Philips NV; Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2004-03-16
Filing date: 2005-03-14
Publication date: 2007-10-25
Also published as: KR20060131887A; US20080247169A1; US7740375B2; TW200602585A; WO2005091035A1; CN1934477A; EP1728113A1

Abstract

照明光源は、総光放射表面積Ｓ_０を有する少なくとも一つの光放射表面（２１２）全体に、光を放射するように適合された非コヒーレントな半導体光源と；前記非コヒーレントな半導体光源からの前記光を受光するように適合された、少なくとも一つの受光表面（２２２）、および第１の表面積Ｓ_１を有する光抽出領域（２２４）を有する光循環装置（２２０）と；Ｓ_１＜Ｓ_０の前記光抽出領域において、前記光抽出装置からの前記光を抽出する光抽出装置（２３０）と；を有する。このように、より小さな領域全体での光の分布によって、光の見かけの輝度が向上する。発光ダイオード（ＬＥＤ）を有する実施例について示した。

Description

本発明は、表示装置用の光源の分野に属し、特に、非コヒーレントな半導体光源をベースとする照明装置に関する。

発光ダイオード（ＬＥＤ）のような半導体装置をベースとする照明装置は、多くの好ましい特性を有する。このため、液晶オンシリコン（ＬＣＯＳ）画像装置等の小型表示装置をベースとする投射型ディスプレイに使用することができるように、そのような照明装置を適合させることが望まれている。例えば、超高圧（ＵＨＰ）アークランプ等のような既存の投写型ディスプレイ光源に比べて、ＬＥＤ系の照明装置は、優れた寿命特性を有し、好ましくない紫外線もしくは赤外線を全くまたは僅かしか含まない、より自然な色を形成することができ、適度な電圧レベルのＤＣ出力で作動する。また、ＬＥＤ系照明装置は、強度変調が可能で、これにより、この装置を連続フレームカラー照明方式に適合させることができる。さらに、分割式カラーＬＥＤ光源の使用により、小型のカラー管理構造体を形成することが可能となる。

しかしながら、投写型表示システムの照明システムには、高輝度レベルに対する強い要望がある。残念ながら、既存のＬＥＤ系照明装置の輝度レベルは、従来のＵＨＰアークランプの輝度レベルに比べて実質的に低い。従って例えば、投射型表示システムに既存のＬＥＤ系照明装置が使用された場合、許容可能な輝度を有する画像を提供することができる被照射スクリーンのサイズは、限定されてしまう。ＬＥＤ光源、ＬＥＤ光源の熱シンク等の製作に使用される基本材料の改良の開発等が、鋭意継続して進められてはいるものの、これらの開発では、限られた結果しか得られていない。

従って、高い輝度レベルを有し、非コヒーレントな半導体光源を使用した照明装置を提供することが望まれている。また、投写型表示システムでの使用に適した、改良された照明装置を提供することが望まれている。本発明は、１または２以上の前述の問題に対応することを目的とする。

本発明のある態様では、照明装置は、総光放射表面積Ｓ_０を有する少なくとも一つの光放射表面全体に、光を放射するように適合された非コヒーレントな半導体光源と；該非コヒーレントな半導体光源からの前記光を受光する入射開口、および前記非コヒーレントな半導体光源からの前記光を出力する光抽出開口を有する反射キャビティと；を有し、前記反射キャビティの前記光抽出開口の表面積Ｓ_１は、前記表面積Ｓ_０よりも小さいことを特徴とする。

本発明の別の態様では、照明装置は、総光放射表面積Ｓ_０を有する少なくとも一つの光放射表面全体に、光を放射するように適合された非コヒーレントな半導体光源と；該非コヒーレントな半導体光源上に直接設置され、前記非コヒーレントな半導体光源を被覆する反射層であって、内部に前記非コヒーレントな半導体光源からの前記光を出力するための開口を有する反射層と；を有し、前記反射層の前記開口の表面積Ｓ_１は、Ｓ_０よりも小さいことを特徴とする。

本発明のさらに別の態様では、照明装置は、総光放射表面積Ｓ_０を有する少なくとも一つの光放射表面全体に、光を放射するように適合された非コヒーレントな半導体光源と；前記非コヒーレントな半導体光源からの前記光を受光するように適合された、少なくとも一つの受光表面、および第２の表面積Ｓ_１を有する光抽出領域を有する光循環装置と；前記光抽出領域において、前記光抽出装置からの前記光を抽出する手段と；を有し、Ｓ_１はＳ_０よりも小さいことを特徴とする。

本願において、「非コヒーレントな半導体光源」という用語は、光を放射する１または２以上の非コヒーレントな半導体装置（例えば、発光ダイオード；有機発光ダイオード等）の配置を意味し、例えば、大面積ＬＥＤチップ、ＬＥＤ配列または１もしくは２以上の延伸直線ＬＥＤを意味する。

図１には、照明装置の第１の実施例１００を示す。

図１の照明装置１００は、非コヒーレントな半導体光源１１０と、入射開口１２２および光抽出開口１２４を有する反射キャビティ１２０とを有する。

非コヒーレントな半導体光源１１０は、単一の延伸されたもしくは大表面積の発光ダイオード（ＬＥＤ）チップ、またはより小型のＬＥＤの配列を有する。非コヒーレントな半導体光源１１０は、総光放射表面積Ｓ_０を有する光放射表面１１２全体に光を放射する。半導体装置では、非コヒーレントな半導体光源１１０は、電子的に容易に制御され（例えば、オンオフの切り替え、強度変調等）、照明装置１００の光出力を所望の通り制御することができる。

一方、反射キャビティ１２０は、光循環装置である。反射キャビティ１２０の上表面１２５および側壁１２７の内部は、非コヒーレントな半導体光源１１０によって放射される光の波長では、高反射性である。例えば、反射キャビティ１２０の内表面は、高反射性ミラーコーティング１２９によってコーティング施工されても良い。このコーティングは、金属コーティングであっても、多層誘電体コーティングであっても良く、高反射性は、全内部反射によって得られても良い。あるいは、反射キャビティ１２０の構造の構成に使用される材料それ自体が、高反射性材料であっても良い。また、反射キャビティ１２０は、入射開口１２２が非コヒーレントな半導体光源１１０の光放射表面１１２を覆うようにして設置される。

特に、反射キャビティ１２０の光抽出開口１２４の表面積Ｓ_１は、非コヒーレントな半導体光源１１０の光放射表面１１２の表面積Ｓ_０よりも実質的に小さい。

照明装置１００は、以下のように作動する。非コヒーレントな半導体光源１１０によって、光放射表面１１２で放射された光は、入射開口１２２を通って反射キャビティ１２０に入射する。最初に光の一部は、反射キャビティ１２０の光抽出開口１２４に到達することにより、反射キャビティ１２０から放出される。非コヒーレントな半導体光源１１０によって放射された残りの光は、反射性内表面によって、キャビティ内に閉じ込められる。光は、光抽出開口１２４に到達して反射キャビティ１２０から放射されるまで、反射キャビティ１２０内で衝突を繰り返す。このように、反射キャビティ１２０の光抽出開口１２４を通過した光は、非コヒーレントな半導体光源１１０の通常の放射領域から、光抽出開口１２４に直接到達した光による寄与と、非コヒーレントな半導体光源１１０の光放射表面１１２の残りの部分からの寄与とを含む。従って、小さな領域全体に光が分布されることにより、光の見かけの輝度が増大する。

あるいは、いかなるキャビティ構造も使用せずに、非コヒーレントな半導体光源１１０の光放射表面１１２に、高反射性ミラーコーティング１２９を直接設置することも可能である。高反射性ミラーコーティング１２９には、光抽出開口１２４用の開口が設けられ、この開口は、非コヒーレントな半導体光源１１０の光放射表面１１２の小さな領域の上部に設置される。高反射性ミラーコーティング１２９によって被覆されていない光放射表面１１２の小さな領域には、流体またはゲル等の屈折率整合材料が設置されることが好ましい。また通常、ＬＥＤ材料は、高屈折性であり、特に、空気クラッドとともに使用される場合、高角度での全内部反射を支援する。従って、別の代替配置では、非コヒーレントな半導体光源１１０は、大表面積ＬＥＤチップを有し、このチップの光放射表面１１２は、流体またはゲル等の屈折率整合材料が提供される光放射表面１１２の小さな領域を除き、空気とのクラッドである。

照明装置１００によって形成される光ビームの所望の形状に整合するように、光抽出開口１２４の形状が任意に選定できることは、有意である。例えば、照明装置１００が、ワイドスクリーン投写型表示システム用の矩形状小型表示装置（例えば、ＬＣＯＳ画像装置）の照射に使用される場合、光抽出開口１２４のアスペクト比は、１６：９に設定される。

図２には、照明装置の第２の実施例を示す。

図２の照明装置２００は、非コヒーレントな半導体光源２１０と、光ガイド２２０と、光抽出装置２３０とを有する。

非コヒーレントな半導体光源２１０には、光放射表面２１２が配置され、この光放射表面２１２は、光ガイド２２０の受光表面２２２に隣接して設置され、光ガイド２２０は、非コヒーレントな半導体光源２１０からの光を受光するように適合されている。光抽出装置２３０は、抽出表面積Ｓ_１を有する光ガイド２２０の光抽出領域２２４を介して、光ガイド２２０に光学的に結合されるように配置されている。

非コヒーレントな半導体光源２１０は、各々が１または２以上の配列に構成された多くのＬＥＤを有しても良く、あるいはより少ない数の大表面積ＬＥＤ、または延伸された直線ＬＥＤを有しても良い。ＬＥＤ系照明装置２００において、非コヒーレントな半導体光源２１０は、２もしくは３以上の大表面積ＬＥＤまたはＬＥＤ配列に物理的に分割されていることが好ましく、各ＬＥＤは、光ガイド２２０の対応する受光表面２２２に隣接して設置された異なる光放射表面２１２を有する。非コヒーレントな半導体光源２１０の光放射表面２１２の総光放射表面積はＳ_０である。

非コヒーレントな半導体光源２１０は、光ガイド２２０に平行光を提供することが好ましい。

光ガイド２２０は、光循環装置である。光ガイド２２０は、屈折率がＮ＞１の、ローパスの固体透明材料で構成されることが好ましい。必要であれば、光ガイド２２０は、中空であっても良い。全内部反射（ＴＩＲ）に寄与しない光ガイド２２０の外表面に、高反射性材料２２９が設置されても良い。高反射性材料２２９は、スペクトラロン（Ｓｐｅｃｔｒａｌｏｎ）、テフロン（登録商標）、または別の好適な材料であっても良い。

光抽出装置２３０は、光平行化構造体であることが好ましく、例えば化合物放物線コリメータ（ＣＰＣ）、または光ガイド２２０からの光を抽出するプリズム型光学部品である。光抽出装置２３０は、光ガイド２２０の固体透明材料に屈折率が整合された材料で製作されることが好ましい。

特に、光ガイド２２０の光抽出領域２２４の表面積Ｓ_１は、非コヒーレントな半導体光源２１０の光放射表面２１２の総表面積Ｓ_０よりも実質的に小さい。

照明装置２００は、以下のように作動する。非コヒーレントな半導体光源２１０によって、光放射表面２１２で放射された光は、１または２以上の対応する受光表面２２２から光ガイド２２０に入射する。最初に光の一部は、光ガイド２２０で結合され、光抽出領域２２４を通過し、光抽出装置２３０で平行光ビームとなる。非コヒーレントな半導体光源２１０によって放射された残りの光は、ＴＩＲによって、およびＴＩＲに寄与しない光ガイド２２０の表面に設置された反射性材料２２９によって、光ガイド２２０内に閉じ込められる。光は、最終的に光ガイド２２０で結合され、光抽出領域２２４を通り、光抽出装置２３０で平行光ビームになるまで、光ガイド２２０内で衝突を繰り返す。このように、光抽出装置２３０を通過して放射される光は、非コヒーレントな半導体光源２１０の光放射表面２１２の全領域からの寄与を含む。従って、光が平行化し、より小さな領域の全体にわたって分布することにより、光の見かけの輝度が向上する。

図１の実施例と同様に、光抽出装置２２４は、照明装置２００によって生成される光ビームの所望の形状に整合するように、任意に選定することができる。例えば、照明装置２００が、ワイドスクリーン投写型表示システム用の矩形状小型表示装置（例えば、ＬＣＯＳ画像装置）の照射に使用される場合、光抽出開口２２４のアスペクト比は、１６：９に設定することができる。

照明装置が、ワイドスクリーン投写型表示システム用の矩形状小型表示装置（例えば、ＬＣＯＳ画像装置）の照射に使用されるようなある用途では、偏向された（すなわち直線偏向された）光ビームを形成することが好ましく、あるいは必要となる場合がある。図３には、偏向光ビームを形成し、出力することが可能な照明装置の第３の実施例３００を示す。

照明装置３００は、照明装置２００と同様であるが、以下の点が異なっている。まず、光ガイド２２０の全内部反射（ＴＩＲ）に寄与しない外表面には、高反射性材料２２９の代わりに、拡散反射体３２９が設置される。第２に、光ガイド２２０と光抽出装置２３０の間には、反射偏光器３４０が設置される。反射偏光器３４０は、ワイヤグリッド偏光器、コレステリック偏光器、または高異方性材料の層を有しても良く、この材料は、ある偏向（例えば、ＴＩＲを介した偏向）を有する光を反射し、これと直交する偏向を有する光を透過する。

前述のように、光ガイド２２０は、光循環装置であり、光ガイド２２０の光抽出領域２２４の表面積Ｓ_１は、非コヒーレントな半導体光源２１０の光放射表面２１２の総表面積Ｓ_０よりも実質的に小さい。

また照明装置３００は、照明装置２００と同様に作動するが、以下の点が異なっている。

非コヒーレントな半導体光源２１０からの光は、最初は、偏向されていないと予想される。光ガイド２２０の光抽出領域２２４に到達した光は、反射偏光器３４０に向かって進行する。所望の偏光を有する光の部分は、反射偏光器３４０を通過し、光抽出装置２３０内で平行偏光ビームとして結合される。所望の偏光を有さない残りの光は、反射偏光器３４０によって逆向きに反射され、光ガイド２２０の方に向かう。一方、拡散反射体３３９は、光ガイド２２０の方に向かって逆向きに反射された光の偏向を変化させるように作動し、その結果、光は、適正な偏向を有する成分を有するようになり、反射偏光器３４０を通過することが可能となる。従って、照射装置３００では、非コヒーレントな半導体光源からの光は、その光が適正な偏向を有した状態で光抽出領域２２４に到達して反射偏光器３４０を通過し、光抽出装置２３０に入射するまで、ローパス光ガイド２２０内で循環する。

このように、光が平行化され、小さな領域全体にわたって分布することにより、光の見かけの輝度が向上する。またこの光は、所望の通り適正に偏向され、元来の不適正な偏向の光の部分が除去されることはない。

別の配置では、拡散反射体３３９は、鏡面反射体３３９に置換され、この鏡面反射体は、光ガイド２２０の全内部反射（ＴＩＲ）に寄与しない外表面に設置され、各鏡面反射体３３９と反射偏光器の間の光路には、１／４波長膜３４５が設置される。ここで、１／４波長膜の軸は、反射偏光器３４０の透過方向に対して約４５゜の傾斜を有する。１／４波長膜３４５は、光ガイド２２０と反射偏光器３４０の間、または各鏡面反射体３３９とこれに対応する光ガイド２２０の側壁の間に設けられても良い。

図４には、偏向光ビームを形成し、出力することが可能な照明装置の、第４の実施例４００の上面図を示す。

照明装置４００は、照明装置２００と同様に、光ガイド２２０の４つの側壁の各々に沿って設置された、大面積ＬＥＤチップまたはＬＥＤ配列を有する。高反射性材料２３９は、ＬＥＤが配置されていない側壁のいかなる領域をも被覆する。照明装置２００とは異なり、照明装置４００では、光ガイド２２０が、光抽出装置４５０を有する一つの表面上に設置されており、光抽出装置４５０は、光抽出および平行化光学素子を有する。

照明装置４００の動作は、照明装置２００の場合と同様である。

図４には、十分に大きな光ガイドを使用した場合、および十分に大きな光放射表面積を有する一つのＬＥＤまたはＬＥＤ配列を光ガイドに結合した場合、照明装置等の実現可能な最高輝度が、極めて高くなり得ることが示されている。最終的な光出力輝度は、非コヒーレントな半導体光源の光放射表面の総表面積Ｓ_０の、光抽出装置が結合された光ガイドの抽出領域の表面積Ｓ_１に対する比に比例する。従って、非コヒーレントな半導体光源から結合された光の割合（すなわち、結合効率）もまた、統合出力輝度を定めるため、この割合を最大化する必要がある。

図５には、照明装置の第５の実施例５００を示す。

照明装置５００は、照明装置２００と同様であるが、以下の点が異なっている。

照明装置５００では、非コヒーレントな半導体光源２１０が結合された光ガイド２２０の受光表面２２２（側壁）に平行な面での断面において、寸法が変化している。すなわち、ある領域では他の領域に比べて、光ガイド２２０の断面が「より厚く」なっている。特に、光ガイド２２０の光抽出領域２２４近傍の部分の断面は、光ガイド２２０の他の領域に比べて小さくなっている。光抽出領域２２４近傍の断面が抑制されていることにより、単一光路での光抽出の機会が高まり、逆反射された光線による反射損失が最小限に抑制される。従って、光ガイド２２０の光結合効率が向上する。

照明装置が、投写型表示システム用の矩形状小型表示装置（例えば、ＬＣＯＳ画像装置）の照射に使用されるようなある用途では、異なる色の光ビームを形成することが好ましくあるいは必要な場合がある。図６には、異なる色の光を出力することが可能な照明装置の第６の実施例６００を示す。

照明装置６００は、２つの異なるスペクトル色（例えば、赤色および青色）を有する光を放射する、２つの異なる非コヒーレントな半導体光源２１０を有する。ただし、３以上の色を有する、３以上の非コヒーレントな半導体光源２１０を使用したり、赤色および青色以外の色を有する非コヒーレントな半導体光源２１０を使用したりすることも可能であることは、当然である。

図２を参照して説明した前述の部品に加えて、照明装置６００は、２つのダイクロイックフィルタ６６０を有し、各フィルタは、対応する非コヒーレントな半導体光源２１０の光放射表面２１２と、光ガイド２２０の対応する受光表面２２２との間に設置される。各ダイクロイックフィルタ６６０は、隣接する非コヒーレントな半導体光源２１０からの発光色に一致する、第１の色を有する光を透過し、光ガイド２２０に結合された他の非コヒーレントな半導体光源２１０によって形成された、他の光波長を有する光を反射する。各非コヒーレントな半導体光源２１０は、（例えば、オンオフの切り替え、強度変調等により）個々に電子的に制御され、光抽出装置２３０での平行光ビームのフルカラー制御が可能になる。

以上のように実施例を示したが、本発明の概念および範囲に属したままで、多くの変更が可能である。例えば、明細書、図面および特許請求の範囲の記載を精査した後には、そのような変更は、当業者にとって明らかである。従って本発明は、添付の特許請求の範囲の概念および範囲以外のものには、限定されない。

本発明の１または２以上の態様による照明装置の第１の実施例を示す図である。本発明の１または２以上の態様による照明装置の第２の実施例を示す図である。本発明の１または２以上の態様による照明装置の第３の実施例を示す図である。本発明の１または２以上の態様による照明装置の第４の実施例を示す図である。本発明の１または２以上の態様による照明装置の第５の実施例を示す図である。本発明の１または２以上の態様による照明装置の第６の実施例を示す図である。

Claims

総光放射表面積Ｓ_０を有する少なくとも一つの光放射表面全体に、光を放射するように適合された非コヒーレントな半導体光源と；
該非コヒーレントな半導体光源からの前記光を受光するように適合された入射開口、および前記非コヒーレントな半導体光源からの前記光を出力するように適合された光抽出開口を有する反射キャビティと；
を有する照明装置であって、
前記反射キャビティの前記光抽出開口の表面積Ｓ_１は、前記表面積Ｓ_０よりも小さいことを特徴とする照明装置。
前記非コヒーレントな半導体光源は、単一の延伸されたＬＥＤで構成されることを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
前記非コヒーレントな半導体光源は、ＬＥＤの配列を有することを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
前記光抽出開口は、矩形状であり、アスペクト比が１６：９であることを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
総光放射表面積Ｓ_０を有する少なくとも一つの光放射表面全体に、光を放射するように適合された非コヒーレントな半導体光源と；
該非コヒーレントな半導体光源上に直接設置され、前記非コヒーレントな半導体光源を被覆する反射層であって、内部に前記非コヒーレントな半導体光源からの前記光を出力するための開口を有する反射層と；
を有する照明装置であって、
前記反射層の前記開口の表面積Ｓ_１は、前記表面積Ｓ_０よりも小さいことを特徴とする照明装置。
さらに、前記反射層で被覆されていない第１の表面の領域に設置された、屈折率整合材料を有することを特徴とする請求項５に記載の照明装置。
前記開口は、矩形状であり、アスペクト比が１６：９であることを特徴とする請求項５に記載の照明装置。
総光放射表面積Ｓ_０を有する少なくとも一つの光放射表面全体に、光を放射するように適合された非コヒーレントな半導体光源と；
前記非コヒーレントな半導体光源からの前記光を受光するように適合された、少なくとも一つの受光表面、および表面積Ｓ_１を有する光抽出領域を有する光循環装置と；
前記光抽出領域において、前記光抽出装置からの前記光を抽出する光抽出手段と；
を有する照明装置であって、
Ｓ_１はＳ_０よりも小さいことを特徴とする照明装置。
前記光循環装置は、固体光ガイドを有することを特徴とする請求項８に記載の照明装置。
さらに前記光循環装置は、前記光ガイドの全内部反射に寄与しない表面に設置された反射性材料を有することを特徴とする請求項９に記載の照明装置。
前記光循環装置は、中空のキャビティを有することを特徴とする請求項８に記載の照明装置。
前記光抽出手段は、光平行化構造を有することを特徴とする請求項８に記載の照明装置。
前記光抽出手段は、化合物放物線コリメータを有することを特徴とする請求項８に記載の照明装置。
前記光抽出手段は、プリズム型の（ｐｒｉｓｍａｔｉｃ）光学部品を有することを特徴とする請求項８に記載の照明装置。
さらに、前記光抽出領域と前記光抽出手段の間の光路に設置された反射偏光器を有し、
前記光循環装置は、該光循環装置の側壁に設置された少なくとも一つの拡散反射体を有することを特徴とする請求項８に記載の照明装置。
前記光循環装置は、該光循環装置の側壁に設置された少なくとも一つの鏡面反射体を有し、当該照明装置は、さらに、
前記光抽出領域と前記光抽出手段の間の光路に設置された反射偏光器と、
前記鏡面反射体と前記反射偏光器の間の光路に設置された１／４波長膜と、
を有することを特徴とする請求項８に記載の照明装置。
前記光循環装置は、少なくとも２つの受光表面を有し、前記非コヒーレントな半導体光源は、少なくとも２つの発光部品を有し、各発光部品は、対応する前記受光表面に隣接して、該対応する前記受光表面と対峙するように設置されることを特徴とする請求項８に記載の照明装置。
前記光循環装置は、前記光抽出領域の近傍での厚さが前記受光表面に比べて小さくなっている断面を有することを特徴とする請求項８に記載の照明装置。
さらに、少なくとも第２の光放射表面全体に光を放射するように適合された、第２の非コヒーレントな半導体光源を有し、
前記光循環装置は、前記第２の非コヒーレントな半導体光源からの前記光を受光するように適合された、少なくとも第２の受光表面を有し、
前記２つの非コヒーレントな半導体光源の各々は、異なるスペクトル色を有する光を放射することを特徴とする請求項８に記載の照明装置。
前記非コヒーレントな半導体光源は、単一の延伸されたＬＥＤで構成されることを特徴とする請求項８に記載の照明装置。