(57)【要約】【課題】  光源から射出される光の利用効率が高い光源装置を提供する。【解決手段】  本発明の光源装置は、射出光の強度分布が指向性を有するＬＥＤチップ１００（固体発光光源チップ）を複数個並列配置したことを特徴とする。【選択図】        図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
射出光の強度分布が指向性を有する固体発光光源チップを複数個並列配置したことを特徴とする光源装置。
【請求項２】
前記固体発光光源からの射出光の所定の放射立体角における光強度の最大値が、射出光全体における光束量が前記固体発光光源と等しい等方発光光源の前記所定の放射立体角における光強度の最大値よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の光源装置と、前記光源装置からの光を変調する光変調装置と、前記光変調装置により変調された光を投写する投写レンズとを備えたことを特徴とする画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光源装置、およびこの光源装置を備えたプロジェクタ等の画像表示装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、発光量の大きな発光ダイオード（Light Emitting Diode, 以下ＬＥＤと略す）等の固体発光光源が開発されており、これを光源に用いたプロジェクタが検討されている。ＬＥＤ等の固体発光光源は、従来のプロジェクタの光源として用いられていた熱発光型のハロゲンランプや放電型のメタルハライドランプ等に比べて高効率で消費電力が小さく、長寿命で信頼性が高いという特徴を有するが、未だ開発途上にあり、性能が向上してきているといっても、従来の熱発光型、放電型ランプに比べると発光量が小さく、所望の輝度が得られないという課題を有していた。
そこで、下記の特許文献１には、複数のＬＥＤ光源をアレイ状に配列して高輝度化を図る光源装置の構成が提案されている。
【特許文献１】特開２００１−３０５６５７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、光源の数を増やした場合、発光部全体の面積が増加するが、被照明系側が取り込める光束量には限界があるため、ある数を超えると利用可能な光束量が増えないという問題がある。また、特許文献１ではレンズ機能を持つ砲弾型のパッケージを使って光をコリメート（平行化）し、ある角度範囲の光のみを使用することが記載されている。ところが、ＬＥＤチップから等方的に発光した光をレンズでコリメートすると、確かに放射光の角度分布は狭くなるが、発光部の像が大きくなる、すなわち発光部の面積が増えることと等価になるため、結局のところ、利用可能な光束量が増えないという問題は解決されないままである。
【０００４】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、光源から射出される光の利用効率が高い光源装置を提供することを目的とする。また、上記のような光源装置の採用により明るい表示が可能な画像表示装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記の目的を達成するために、本発明の光源装置は、射出光の強度分布が指向性を有する固体発光光源チップを複数個並列配置したことを特徴とする。
【０００６】
画像表示装置等の光学系において、有効に扱える光束が存在する空間的な広がりを面積と立体角との積（Etendue,以下、エテンデューという）として表すことができ、エテンデューは光学系において保存される。ここで、画像表示装置の光変調装置等の被照明領域の面積をＳ’、被照明領域が取り込める入射光の立体角をΩ’とすると、被照明領域側のエテンデュー、すなわちＳ’×Ω’の値は設計上決まるものである。上述したように、エテンデューは保存されるので、光源装置の発光面積をＳ、射出光の立体角をΩとすると、光源装置側のエテンデュー、すなわちＳ×Ωの値がＳ’×Ω’の値よりも小さければ光源装置からの光は全て利用されることになるが、Ｓ×Ωの値がＳ’×Ω’の値よりも大きくなると大きい分の光は無駄に捨てることになる。したがって、光源装置側のエテンデュー（Ｓ×Ωの値）ができるだけ小さい方が光の有効利用には好適である。
【０００７】
その点、本発明においては、光源装置を構成する固体発光光源（例えばＬＥＤ）チップからの射出光の強度分布が指向性を有している。すなわち、射出光の強度が全ての方向に対して等しい等方発光（ランバート）ではなく、所定の方向にのみ大きくなっており、これは射出光の立体角Ωが小さくなることと等価である。これにより、光源装置のエテンデューを小さくすることができ、ひいては被照明領域側のエテンデュー（Ｓ’×Ω’の値）を超えない範囲で発光面積Ｓを大きくすることができる。したがって、射出光の強度分布が指向性を有する固体発光光源チップを複数個並列配置することができ、光源から射出される光の利用効率が高い光源装置を提供することができる。
【０００８】
また、前記固体発光光源からの射出光の所定の放射立体角における光強度の最大値が、射出光全体における光束量が前記固体発光光源と等しい等方発光光源の前記所定の放射立体角における光強度の最大値よりも大きいことが望ましい。
この構成によれば、射出光全体における光束量が前記固体発光光源と等しい等方発光光源を用いた場合よりも輝度を向上させることができる。
【０００９】
本発明の画像表示装置は、上記本発明の光源装置と、前記光源装置からの光を変調する光変調装置と、前記光変調装置により変調された光を投写する投写レンズとを備えたことを特徴とする。
この構成によれば、上記本発明の光源装置の採用により明るい表示が可能な画像表示装置を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
［光源装置］
以下、本発明の一実施形態としての光源装置を図１〜図６を参照して説明する。
図１は本実施形態の光源装置の平面図、図２は図１のＡ−Ａ’線に沿う断面図、図３は光源装置を構成するＬＥＤチップの斜視図、図４は同ＬＥＤチップの作用を説明するための図、図５はＬＥＤチップからの射出光の強度分布を示す図、である。
なお、以下の各図においては、各構成要素を認識しやすくするため、各構成要素の寸法の比率等は適宜異ならせてある。
【００１１】
本実施形態の光源装置１は、図１および図２に示すように、射出光の強度分布が指向性を有するＬＥＤチップ１００（固体発光光源チップ）がベース基板３上に複数個並列配置されている。この例では、平面視して６個のＬＥＤチップ１００が２行３列にアレイ状に配置されている。通常、単体のＬＥＤチップは基本的に光が等方的に射出されるが、本実施形態の場合、以下の構成により射出光の強度分布が指向性を持つようになっている。なお、図１，図２は、複数個のＬＥＤチップ１００の配列のイメージのみを示す図であり、以下に述べる四角錐プリズム、電極、配線、パッケージ等の具体的な構成は図示を省略している。
【００１２】
図３は本実施形態に係るＬＥＤチップ１００の斜視図である。また、図４はＬＥＤチップ１００の断面構成を示す。図４において、サファイア基板１０２にＧａ、Ｉｎ、Ｎ等の結晶を成長させて面発光部１０１が形成されており、面発光部１０１の端部にボンディングワイヤ１０３が設けられている。面発光部１０１は、平面発光領域１０１ａから光を全ての方向に対して略等しい強度で放射する。すなわち、面発光部１０１自体は、いわゆるランバート面として機能する。そして、面発光部１０１の一方の面側には、反射部である反射金属電極１０６が設けられている。また、面発光部１０１の他方の面側には、高屈折率硝子等の光学的透明部材からなる四角錐プリズム１０４が光学的接着剤で固着されている。四角錐プリズム１０４の底面１０４ａには、入射光を散乱させる拡散板１０７が設けられている。
【００１３】
次に、上述の構成において、面発光部１０１から放射された光の振る舞いについて説明する。四角錐プリズム１０４の底面１０４ａは、略正方形形状である。底面１０４ａは、略正方形形状の平面発光領域１０１ａと略同一の大きさ及び形状である。また、高屈折率硝子からなる四角錐プリズム１０４の屈折率ｎは、サファイア基板１０２の屈折率と略同一、またはそれ以上で有れば良い。好ましくは、四角錐プリズム１０４の屈折率ｎは、少なくとも１．４５以上が望ましい。さらに好ましくは、四角錐プリズム１０４の屈折率ｎ＝１．７７である。これにより、面発光部１０１から放射されサファイア基板１０２内を進行する光は、サファイア基板１０２と四角錐プリズム１０４の底面１０４ａとの間の界面で全反射されることがない。このため、面発光部１０１からの光は、効率良く四角錐プリズム１０４内へ底面１０４ａから入射する。
【００１４】
面発光部１０１は、上述のようにランバート面であるため、発光点から全ての方向に略同一の強度の光を放射する。底面１０４ａから四角錐プリズム１０４内に入射した光は、四角錐プリズム１０４内を進行して、斜面１０５ａに到達する。ここで、斜面１０５ａへの入射角度により、斜面１０５ａと外界の媒質、例えば空気との界面で屈折する場合と、界面で反射する場合がある。例えば、光Ｌ１は、位置Ｐ１において斜面１０５ａの界面で屈折して特定の方向へ射出される。
【００１５】
これに対して、光Ｌ２は、位置Ｐ２において斜面１０５ａの界面で屈折されることなく反射される。位置Ｐ２において反射された光は、さらに四角錐プリズム１０４内を進行する。斜面１０５ａで反射された光Ｌ２は、四角錐プリズム１０４内を進行して他の異なる斜面１０５ｂへ到達する。光Ｌ２が、他の異なる斜面１０５ｂの位置Ｐ３で反射される場合、さらに光路を変換されて四角錐プリズム１０４内を底面１０４ａの方向へ進行する。底面１０４ａを透過して面発光部１０１の方向へ戻った光は、さらに面発光部１０１を透過する。面発光部１０１を透過した光は、面発光部１０１の一方の面側、すなわち四角錐プリズム１０４が設けられている面と反対側の面に設けられている反射部である反射金属電極１０６に入射する。反射金属電極１０６に入射した光Ｌ２は、反射金属電極１０６で四角錐プリズム１０４の方向へ再度反射される。
【００１６】
再度反射された光Ｌ２は、面発光部１０１を透過して、底面１０４ａから再度、四角錐プリズム１０４へ入射する。このような反射を複数回繰り返すうちに、プリズムの斜面１０５ｂへ入射する角度が、第１回目に斜面１０５ｂへ入射する角度と異なってくる。このため、斜面１０５ｂで屈折できる角度となっている光Ｌ２は、斜面１０５ｂで屈折されて特定の方向へ射出される。また、斜面１０５ｂで屈折されずに反射される場合、斜面１０５ａ、１０５ｂで屈折して射出するまで上述の反射工程をさらに繰り返す。従って、四角錐プリズム１０４や反射金属電極１０６における光の吸収を無視すれば、面発光部１０１から放射された光は、全て特定の方向へ射出させることができる。これにより、射出光の強度分布に指向性を持たせることができる。
【００１７】
図５は、本実施形態の四角錐プリズムを備えたＬＥＤチップ１００と通常のＬＥＤチップとの射出光の強度分布の違いを表したものである。通常のＬＥＤチップの射出光の強度分布が破線の正円で示すような等方発光（ランバート）であるのに対し、本実施形態の四角錐プリズムを備えたＬＥＤチップ１００の射出光の強度分布は実線の楕円で示すようなチップ表面（発光面）の法線方向に高い強度分布を持つ指向性を有している。エテンデューの観点から、このことは放射光の立体角Ωが狭まったことと等価になる。よって、エテンデューの保存則からすると放射光の立体角Ωが小さくなった分、面積Ｓを増やすことができる。すなわち、ＬＥＤチップの個数を増やし、本実施形態のように複数のＬＥＤチップをアレイ状に配置することができるのである。
【００１８】
また本実施形態の場合、ＬＥＤチップが単に指向性を有するというだけでなく、図５に示したように、ＬＥＤチップからの射出光の所定の放射立体角Ωにおける光強度の最大値Ｅ１が、射出光全体における光束量がこのＬＥＤチップと等しい等方発光のＬＥＤの所定の放射立体角における光強度の最大値Ｅ２よりも大きくなっている。したがって、等方発光ＬＥＤを用いた場合よりも輝度を向上させることができる。
【００１９】
本発明者は本実施形態のＬＥＤチップを用いた場合と等方発光ＬＥＤチップを用いた場合とについて光源個数に対する光束量の変化をシミュレーションにより求めた。図６はそのシミュレーション結果であり、横軸が光源の個数（個）、縦軸が光束量（無単位、相対量）である。図６において、三角印（△）で示したのが等方発光ＬＥＤチップの場合、丸印（○）で示したのが本実施形態のＬＥＤチップの場合である。図から明らかなように、等方発光ＬＥＤチップの場合には光源の個数を増やしても光束量は増えない、つまり明るさの改善が図れない。それに対して、本実施形態のＬＥＤチップの場合には光源の個数を増やすにつれて光束量が増える、つまり明るさの改善が図れることがわかった。
【００２０】
以上述べたように、本実施形態の光源装置においては、等方発光光源を用いた場合と比べて光の利用効率を向上させることができるとともに、高輝度化を図ることができる。また、複数のＬＥＤチップをアレイ化する際にチップ間の距離を小さくできるため、アレイ化時の損失を小さくすることができる。
【００２１】
［プロジェクタ］
以下、本発明の一実施形態として、上記実施形態の光源装置を備えたプロジェクタ（画像表示装置）について説明する。
図７は、上記実施形態の光源装置を備えたプロジェクタ５００の説明図である。図中、符号５１２、５１３、５１４は上記実施形態の光源装置、５２２、５２３、５２４は液晶ライトバルブ（光変調手段）、５２５はクロスダイクロイックプリズム（色光合成手段）、５２６は投写レンズ（投写手段）を示している。
【００２２】
図７に示すプロジェクタ５００は、本実施形態のように構成した３個の光源装置５１２、５１３、５１４を備えている。各光源装置５１２、５１３、５１４には、それぞれ赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）に発光するＬＥＤチップ１００Ｒ，１００Ｇ，１００Ｂが採用されている。なお、光源光の照度分布を均一化させるための均一照明系として、各光源装置の後方にロッドレンズ５３５Ｒ，５３５Ｇ，５３５Ｂが配置されている。赤色光源装置５１２からの光束は、ロッドレンズ５３５Ｒ、リレーレンズ５３６Ｒを透過して赤色光用液晶ライトバルブ５２２に入射する。また、緑色光源装置５１３からの光束は、ロッドレンズ５３５Ｇ、リレーレンズ５３６Ｇを透過して緑色光用液晶ライトバルブ５２３に入射する。また、青色光源装置５１４からの光束は、ロッドレンズ５３５Ｂ、リレーレンズ５３６Ｂを透過して青色光用液晶ライトバルブ５２４に入射する。
【００２３】
また、各液晶ライトバルブ５２２，５２３，５２４の入射側および出射側には、偏光板（図示せず）が配置されている。そして、各光源装置５１２，５１３，５１４からの光束のうち所定方向の直線偏光のみが入射側偏光板を透過して、各液晶ライトバルブ５２２，５２３，５２４に入射する。また、入射側偏光板の前方に偏光変換手段（図示せず）を設けてもよい。この場合、入射側偏光板で反射された光束をリサイクルして各液晶ライトバルブ５２２，５２３，５２４に入射させることが可能になり、光の利用効率を向上させることができる。
【００２４】
各液晶ライトバルブ５２２、５２３、５２４によって変調された３つの色光は、クロスダイクロイックプリズム５２５に入射する。このプリズムは４つの直角プリズムを貼り合わせて形成され、その内面に赤色光を反射する誘電体多層膜と青色光を反射する誘電体多層膜とが十字状に配置されている。これらの誘電体多層膜によって３つの色光が合成され、カラー画像を表す光が形成される。そして、合成された光は投写光学系である投写レンズ５２６により投写スクリーン５２７上に投写され、拡大された画像が表示される。
【００２５】
上述した本実施形態の光源装置５１２，５１３，５１４は、光の利用効率が高く、高輝度の光を供給できるものである。したがって、上述した光源装置５１２，５１３，５１４を備えることにより、明るい表示が可能なプロジェクタを提供することができる。
【００２６】
なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。例えば上記実施形態においてはＬＥＤからの射出光の強度分布に指向性を持たせる手段として、四角錐プリズムを備えたものを採用したが、これに代えて、例えばＬＥＤチップの光射出面に屈折率分布構造、回折格子などを作り込んだものを用いても良い。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の一実施形態である光源装置の平面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ’線に沿う断面図である。
【図３】同、光源装置を構成するＬＥＤチップの斜視図である。
【図４】同、ＬＥＤチップの作用を説明するための図である。
【図５】同、ＬＥＤチップからの射出光の強度分布を示す図である。
【図６】本実施形態のＬＥＤチップを用いた場合と等方発光ＬＥＤチップを用いた場合とにおける光源個数に対する光束量の変化のシミュレーション結果である。
【図７】本発明の一実施形態のプロジェクタの概略構成図である。
【符号の説明】
【００２８】
１，５１２，５１３，５１４…光源装置、１００，１００Ｒ，１００Ｇ，１００Ｂ…ＬＥＤチップ（固体発光光源チップ）、５００…プロジェクタ（画像表示装置）。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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