(57)【要約】【課題】発光ダイオード（ＬＥＤ）を用いた、発光輝度の高い画像投影装置用の光源（発光装置）を提供する。【解決手段】反射鏡付ＬＥＤ６ｂは、ＬＥＤ６ａの出射した出射光１７を反射する。また、反射鏡付ＬＥＤ６ｂ自身も光を発する。反射鏡付ＬＥＤ６ｂの発する光には直接空間へ発する光１８と、反射鏡付ＬＥＤ６ｂ自身の発した光であって反射鏡で反射して空間へ発する光１９とがある。反射鏡付ＬＥＤ６ｂは、ＬＥＤ６ａの出射光１７と、直接空間へ発する光１８と、自身の発した光であって反射鏡で反射して空間へ発する光１９とを足し合わせて空間へ出射する。【選択図】        図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を発する固体状の第１固体発光素子と、
前記第１固体発光素子が発した光の少なくとも一部を入射して反射する反射部と光を発する発光部とを有し、前記反射部の反射した反射光と前記発光部の発した発光光とを出射する固体状の第２固体発光素子と
を備えたことを特徴とする固体発光素子を用いた発光装置。
【請求項２】
前記第２固体発光素子は、
前記反射部の反射した反射光と前記発光部の発した発光光とを同じ方向に出射することを特徴とする請求項１記載の固体発光素子を用いた発光装置。
【請求項３】
複数の第２固体発光素子を備えるとともに、
前記第１固体発光素子と前記複数の第２固体発光素子とは、開口部を有する立体空間を形成して形成した立体空間に向けて光を発することを特徴とする請求項１または２記載の固体発光素子を用いた発光装置。
【請求項４】
前記第１固体発光素子と前記複数の第２固体発光素子とは、いずれも略直方体形状であることを特徴とする請求項３記載の固体発光素子を用いた発光装置。
【請求項５】
１つの前記第１固体発光素子と４つの前記第２固体発光素子とにより１つの開口部を有する立体空間を形成していることを特徴とする請求項４記載の固体発光素子を用いた発光装置。
【請求項６】
前記固体発光素子を用いた発光装置は、さらに、
前記第１固体発光素子が発した光の少なくとも一部を集光して前記第２固体発光素子に入射させる集光レンズを備えたことを特徴とする請求項１または２記載の固体発光素子を用いた発光装置。
【請求項７】
光を発する固体状の第１固体発光素子と、
光を入射して反射する反射部と光を発する発光部とを有し、前記反射部の反射した反射光と前記発光部の発した発光光とを出射光として出射する固体状の第２固体発光素子と、
前記第１固体発光素子の発した光の少なくとも一部の光を入射して入射した光を前記第２固体発光素子に出射して前記反射部に反射させる第１光学手段と、
前記第２固体発光素子が出射した出射光を入射して出射する第２光学手段と
を備えたことを特徴とする固体発光素子を用いた発光装置。
【請求項８】
前記第２固体発光素子は、
前記反射部の反射した反射光と前記発光部の発した発光光とを同じ方向に出射することを特徴とする請求項７記載の固体発光素子を用いた発光装置。
【請求項９】
前記固体発光素子を用いた発光装置は、さらに、
前記第１固体発光素子が発した光のうち前記第２固体発光素子に入射しない光の少なくとも一部を前記第１固体発光素子へ反射する外部反射器を備え、
前記第１固体発光素子は、
前記外部反射器が反射した光を入射して、入射した少なくとも一部の光を前記第１光学手段を介して前記第２固体発光素子へ反射する第１固体発光素子反射部を備えたことを特徴とする請求項７記載の固体発光素子を用いた発光装置。
【請求項１０】
前記外部反射器は、
光を発する固体状の第３固体発光素子を備えたことを特徴とする請求項９記載の固体発光素子を用いた発光装置。
【請求項１１】
前記第１固体発光素子と前記第２固体発光素子とは、光を反射する反射材に設置されていることを特徴とする請求項１または２記載の固体発光素子を用いた発光装置。
【請求項１２】
前記反射材は、開口部を有する立体形状をなしているとともに、
前記第１固体発光素子と前記第２固体発光素子とは、立体形状の内面に設置されていることを特徴とする請求項１１記載の固体発光素子を用いた発光装置。
【請求項１３】
前記反射材は、開口部を有する略球形の中空形状をなしていることを特徴とする請求項１１記載の固体発光素子を用いた発光装置。
【請求項１４】
請求項１〜請求項１３のいずれかに記載された固体発光素子を用いた発光装置を、画像を投影する投影装置の光源として設置することを特徴とする固体発光素子を用いた発光装置の使用方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体発光素子を用いた発光装置に関する。例えば、画像を投影する投影装置の発光装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、画像投影装置では、透過型液晶、反射型液晶やＤＭＤ（ＤｉｇｉｔａｌＭｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ  Ｄｅｖｉｃｅ）等使用したものが普及している。画像表示素子である透過型液晶、反射型液晶及びＤＭＤ等は、ライトバルブとして働き、別に高輝度の光源が必要である。このため、画像投影装置の明るさは、画像投影装置の光源の光出力に依存することになる。この光源としては、光源の高寿命化、消費電力の低減及び画像投影装置の小型化を図ること等を目的として、ＬＥＤ（発光ダイオード）を使用することが検討されている状況である。
【０００３】
例えば、特開平１１−３２２７８（特許文献１）では、ＬＥＤを用いたプロジェクタ装置が開示されている。特開平１１−３２２７８では、発光素子アレイ部は、赤色ＬＥＤチップ、緑色ＬＥＤチップ、青色ＬＥＤチップからなる複数のＬＥＤランプを備える。赤色ＬＥＤチップ、緑色ＬＥＤチップ、青色ＬＥＤチップが時系列的に発光したＲ、Ｇ、Ｂの３原色光Ｌｒ、Ｌｇ、Ｌｂは、整形光学系によって平行光に整形され、ダイクロイックミラーで反射した後、２次元マイクロ偏向ミラーアレイによって各色の画像信号Ｓｒ、Ｓｇ、Ｓｂに応じて時系列的に空間変調が施され、投影光学系によってスクリーンに拡大投影される。
【０００４】
しかし、ＬＥＤは発光輝度が不足しているため、上記発光素子アレイ部のようにＬＥＤを多数並べても、後述するＥｔｅｎｄｕｅとの関係により、十分な明るさを得られるものではない。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１１−３２２７８号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、発光素子としては発光輝度の低いＬＥＤを使用しても発光輝度の高いＬＥＤ光源を提供することを目的とする。
また、固体発光素子を用いた、高輝度、かつ、長寿命、低消費電力及び省スペースの発光装置を提供することを目的とする。
また、簡単な構成により、ＬＥＤを用いた発光輝度の高い発光装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の固体発光素子を用いた発光装置は、
光を発する固体状の第１固体発光素子と、
前記第１固体発光素子が発した光の少なくとも一部を入射して反射する反射部と光を発する発光部とを有し、前記反射部の反射した反射光と前記発光部の発した発光光とを出射する固体状の第２固体発光素子と
を備えたことを特徴とする。
【０００８】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１から図１８を用いて、実施の形態１に係る固体発光素子を用いた発光装置について説明する。実施の形態１の発光装置の具体的な態様は図８、図１２〜１８に示すが、まず、以下に動作原理を述べる。
【０００９】
図１を用いて、光学系におけるＥｔｅｎｄｕｅの保存について説明する。
図１は、画像投影装置の基本構成を示す図である。光源１から出射された光が照明レンズ２を透過して液晶パネル３に入射し、入射した光が液晶パネル３を透過して投射レンズ４を透過する状態を示している。なお、液晶パネル３を使用しているが、これに代えてＤＭＤ（図示していない）を使用したものであってもよい。
液晶パネル３やＤＭＤなどのライトバルブを用いた画像投影装置（以下、プロジェクタともいう。）では、前記のＤＭＤや液晶パネル３等のパネルの位置により、利用できる光の光束サイズ、発散角は、それぞれ液晶パネルやＤＭＤのパネルサイズ、投射レンズ取り込み角で制限される。
図１で液晶パネル３を照射する光は、光束サイズ、発散角の両方を同時に満たす光でなくては利用できない。液晶パネル３のサイズにぴったりと一致した形状で光照射できても、発散角が大きければ投射レンズ４の外に出てしまうし、発散角が小くても、液晶パネル３よりも大きな範囲を照射していればロスになる。ここに、
照明系倍率Ｍ＝Ｐ／ｓと、発散角変化（αとβ）とは、
Ｓｉｎβ／Ｓｉｎα＝１／Ｍ
の関係がある。すなわち、光源を大きくしても、その分、発散角が小さくならないと投射レンズ４の透過光量は増えない。つまり光源１としてＬＥＤを多数並べても利用できる光量はすぐに飽和する。
光学系では、光学系を伝播する光について、
Ｅｔｅｎｄｕｅ＝（光束面積）×（発散立体角）
として定義されるＥｔｅｎｄｕｅは保存する。
プロジェクタでは、液晶パネルのサイズ＝光束面積であり、発散立体角＝投射レンズ取り込み角β、となって「Ｅｔｅｎｄｕｅ＝（光束面積）×（発散立体角）」の値がきまってしまう。したがって、光源も「Ｅｔｅｎｄｕｅ＝（光束面積）×（発散立体角）」がそれ以下になっている光しか有効に利用できない。
ＬＥＤ光源を用いるとして、１つでは光量が足りないため多数並べて使ったとしても、並べるほど光源面積（光束面積）が増えるため、発光光の立体角が小さな範囲しか利用することができず、利用できる光量は増加しない。
すなわち、使用できる光量の指標として、
「Ｅｔｅｎｄｕｅ＝（光束面積）×（発散立体角）」に拘束されるからである。
例えば、ＤＬＰ（登録商標）形式のプロジェクタ投射系におけるＥｔｅｎｄｕｅを算出すると、光束面積はＤＭＤパネルの面積とし、また、発散立体角は投射レンズ受光角（立体角に換算したもの、単位はステラジアン（ｓｔ））とすればＤＬＰ（登録商標）形式のプロジェクタ投射系におけるＥｔｅｎｄｕｅは、
Ｅｔｅｎｄｕｅ≒１３（ｍｍ２  ・ｓｔ）
程度である。
また、通常のＵＨＰ（Ｕｌｔｒａ  Ｈｉｇｈ  Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ）ランプのＥｔｅｎｄｕｅは、６０００ｌｍにおいて、
Ｅｔｅｎｄｕｅ＝１５（ｍｍ２  ・ｓｔ）
程度である。ここで１個のＬＥＤのＥｔｅｎｄｕｅを見積もると、
Ｅｔｅｎｄｕｅ＝（光束面積）×（発散立体角）
において、光束面積≒１（ｍｍ２  ）、発散立体角≒π（ｓｔ）であるので、
Ｅｔｅｎｄｕｅ≒３．１４（ｍｍ２  ・ｓｔ）
程度である。
ＤＬＰ（登録商標）形式のプロジェクタ投射系のＥｔｅｎｄｕｅである１３（ｍｍ２  ・ｓｔ）と比較すると、約４分の１であるので、ＬＥＤを４個分までは増やしても光は有効に使われる。
しかし、ＬＥＤ１個で出せる光量は２５（ｌｍ）程度である。十分な明るさを得ようとすれば少なくとも１３００（ｌｍ）以上の光量が必要になるが、そのためにはＬＥＤを５２個使わなくてはならい。５２個のＬＥＤを並べるとすると、Ｅｔｅｎｄｕｅは個々のＬＥＤのＥｔｅｎｄｕｅの和として考えることができるので、ＬＥＤ５２個の場合のＥｔｅｎｄｕｅを求めると、上記のように光源面積を１（ｍｍ２  ）、発散立体角≒π（ｓｔ）とし、ＬＥＤは５２個あるので、
Ｅｔｅｎｄｕｅ＝（１ｍｍ２  ）×発散立体角（π）×５２（個）≒１６０（ｍｍ２  ・ｓｔ）
となる。
そうすると、光学系においてＥｔｅｎｄｕｅは保存すること、及び、ＤＬＰ（登録商標）形式のプロジェクタ投射系のＥｔｅｎｄｕｅは１３（ｍｍ２  ・ｓｔ）程度であることを考慮すると、５２個のＬＥＤを並べても、ほとんどの光が利用できないこととなる。
そこで、同じ発光面積（光源面積）で、同じ発散立体角の中により多くの光量を発光するＬＥＤが必要となる。
【００１０】
以下に示す本実施の形態１〜実施の形態３では、ＬＥＤ等の固体発光素子自体の発光効率、発光量を変えることなく、つまり、ＬＥＤ等の固体発光素子自体の改良を要することなく、ＬＥＤ等の固体発光素子の配置や光学系の利用等により、ＬＥＤ等の固体発光素子を用いた発光源の光量を増加させる構成を提供することを目的とする。実施の形態１〜実施の形態３では、固体発光素子を用いた発光装置を提供するものであるが、ここで「固体発光素子」とは、ＬＥＤに限るものではなく、半導体発光素子や、ＥＬ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）現象を利用して発光させるＥＬ発光素子等を含むものである。なお、以下の説明においては、ＬＥＤを固体発光素子の例として発光源の光量を増加させる構成を示しているが、固体発光素子はＬＥＤに限らないのは上記のとおりである。
【００１１】
本実施の形態１に係る、ＬＥＤやＥＬ発光素子等の固体発光素子を用いた発光装置は、後述する図６あるいは図７に示すように、第１のＬＥＤが発する発光光を第２のＬＥＤに当てて反射させ、この反射光と第２のＬＥＤが出射する出射光とを重畳することにより（図７では重畳の連鎖を用いて）ＬＥＤの発光輝度を高めることを特徴とする。以下に、固体発光素子としてＬＥＤを例にとり、光の重畳について述べる。
【００１２】
図２は、ＬＥＤ５を示す図である。ＬＥＤ５は、発光部の一例である発光層と、この発光層を挟むように上下に設けられた基板により層状に構成されている。基板は光を透過するのはもちろんである。
図３は、図２に示したＬＥＤ５に反射部の一例として反射鏡を設けた反射鏡付ＬＥＤ６である。反射鏡付ＬＥＤ６は、発光層の発した光と、発光層が発した光を反射鏡で反射し、反射光として発する。
図４は、図３に示した反射鏡付ＬＥＤ６が発する光の様子を示す図である。反射鏡付ＬＥＤ６は、ほぼ半球状に光を発する。ただし、基板に対して鉛直方向の基準線から左右６０度以内の範囲において出射される光量が多い。図５は、基準線からの左右角度と出射される光量との関係を示す図である。図５に示すように、ＬＥＤは、基準線方向をピークとして左右（実際は３次元の円錐状に出射される）６０度の範囲内において、主として光を発する。
【００１３】
図６は、本実施の形態１におけるＬＥＤ（固体発光素子の一例）を用いた発光装置の特徴である光の重畳を示す概念図である。反射鏡付ＬＥＤ６ａ（第１固体発光素子の一例）が発した光の一部である光１７は、反射鏡付ＬＥＤ６ｂ（第２固体発光素子の一例）に入射して、反射鏡付ＬＥＤ６ｂの反射鏡で反射される。また、反射鏡付ＬＥＤ６ｂは、発光層が発光光１８を発するとともに、発光層の発した光を反射鏡で反射して発光光１９を発する。すなわち、反射鏡付ＬＥＤ６ｂは、反射鏡付ＬＥＤ６ａが発した光を反射するとともに、自身の発光層が発した発光光１８と、発光層が発した光で反射部が反射した発光光１９と、を出射する。ここで「出射」とは、ＬＥＤに関して、他のＬＥＤの発した光を反射した反射光も含めて、ＬＥＤが光を放射する場合をいうものとする。
反射鏡付ＬＥＤ６ｂは、反射鏡付ＬＥＤ６ａが出射した光１７と、反射鏡付ＬＥＤ６ｂ自らが発する光（直接発する発光光１８と反射部で反射して発する発光光１９）とを重畳して出射する。ここで、「重畳」とは、「反射鏡付ＬＥＤ６ａの出射した光１７と、反射鏡付ＬＥＤ６ｂの発する光（発光光１８と発光光１９）とを足し合わせる」ことをいう。重畳により反射鏡付ＬＥＤ６ｂから出射する光量は増加し、発光輝度が高くなる。
なお、反射鏡付ＬＥＤ６ａは反射鏡を有しているが、反射鏡のないＬＥＤであっても構わない。光を重畳する側のＬＥＤが反射鏡を備えていればよい。
また、反射鏡付ＬＥＤ６ｂでは、発光層に反射鏡付ＬＥＤ６ａが発する光１７が入射することにより誘導放出効果によって、反射鏡付ＬＥＤ６ｂ自体が発する光も反射鏡付ＬＥＤ６ａからの光１７と同じ方向へ出射する光の割合が増加すると考えられるため、より効率よく光が重畳される効果も期待できる。
【００１４】
図７は、図６に示した光の重畳を利用して、多重反射により光量の増加を示す概念図である。反射鏡付ＬＥＤ６ａ、６ｃ、６ｅと反射鏡付ＬＥＤ６ｂ、６ｄ、６ｆとを向かい合わせて配置し、ＬＥＤ間を光が多重反射しながら伝播する様子を示している。反射鏡付ＬＥＤ６ａから出射された光は反射鏡付ＬＥＤ６ｂで反射されるとともに、反射鏡付ＬＥＤ６ｂ自身の発する光と重畳される。したがい、反射鏡付ＬＥＤ６ｂから反射鏡付ＬＥＤ６ｃに向けて前記反射光と反射鏡付ＬＥＤ６ｂ自身の発した光とが重畳されて出射される。反射鏡付ＬＥＤ６ａ〜６ｆにおけるの反射の繰り返し（多重反射）により、反射鏡付ＬＥＤ６ｆから出射される出射光は図７に示すような多重に重畳された光となる。このような簡潔な構成により、反射鏡付ＬＥＤ６ｆから出射される光量を増加することができる。
【００１５】
図８は、上記の図６、図７で述べた概念を具体化した本実施の形態１におけるＬＥＤを用いた発光装置の斜視図である。図８は、５ＢＯＸ型発光装置８を示す。ＢＯＸ型（箱型）と呼ぶのは、５つの反射鏡付ＬＥＤ６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ、６ｅにより、箱型形状に構成されていることによる。反射鏡付ＬＥＤ６ａ〜６ｄで側面部分を形成し、反射鏡付ＬＥＤ６ｅが底面を形成し、底面に向かい合う上面に相当する部分が開口部となっている。反射鏡付ＬＥＤ６ａ等は略直方体形状であり、開口部を有する直方体形状の空間（一つの開口部を有する立体空間の一例）を形成している。反射鏡付ＬＥＤ６ａ等のそれぞれは、前記直方体の空間に向けて光を発するとともに、他の反射鏡付ＬＥＤ６ａ〜６ｅが出射した光を反射する。
図９は、図８のＸ−Ｘ断面を示す図である。反射鏡付ＬＥＤ６ａ等のそれぞれが前記直方体の空間に発した光は、他の反射鏡付ＬＥＤ６ａ等により反射され重畳されて、開口部から出射されていく。また、反射されずに開口部から直接出射される光も存在する。以上により、開口部から出射される光は多重反射による重畳に基づき、光量が増加する。
【００１６】
図１０は、前記ＢＯＸ型発光装置について、ＬＥＤ１個の場合に対して、反射鏡付ＬＥＤ６を５個、９個、１３個でＢＯＸ型発光装置にした場合の、それぞれの場合の開口部からの出射光量を机上検討した結果を示す図である。すなわち、縦軸は開口部からの出射光量を示し、横軸はＬＥＤ反射率を示す。「５ＢＯＸ」とは、図８に示す５つの反射鏡付ＬＥＤ６ａ〜６ｅで構成したＢＯＸ型をいう。「９ＢＯＸ」とは、図８において反射鏡付ＬＥＤ６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄを、もう一つずつ図８のＦ方向に延長して、それらを反射鏡付ＬＥＤ６ｅで底面をふたをして、合計９つの反射鏡付ＬＥＤ６ａ等で「５ＢＯＸ」よりも長い直方体空間を作る形式である。「１３ＢＯＸ」とは同様に「９ＢＯＸ」に更に４つの反射鏡付ＬＥＤを追加して「９ＢＯＸ」よりも長い直方体空間をつくる形式をいう。「９ＢＯＸ」、「１３ＢＯＸ」形式の図８のＸ−Ｘ断面に相当する図を図１１に示す。
また、反射率については、例えば、「反射率１」とは、反射鏡付ＬＥＤ６ａ等の反射鏡が、入射した光の全部を反射することを意味する。図３に示したような反射鏡付ＬＥＤ６では光を透過する基板部分には配線などが存在するため、反射率は０．７程度と想定される。そうすると図１０から、反射鏡付ＬＥＤ６の個数を増やしたとしても出射光量は大幅に増加することはない。「５ＢＯＸ」形式が望ましいことがわかる。図１０によれば「５ＢＯＸ」形式を用いれば、ＬＥＤ１個の出射光量に対して２．５倍程度の出射光量の増加を見込むことができる。
【００１７】
図１２は、５ＢＯＸ型発光装置８とレンズ９をアレイ状に配置した構成を示す図である。５ＢＯＸ型発光装置８は、開口部から図９で示したように、１個のＬＥＤに対して約２．５倍の光量に重畳された光を出射するので、発光輝度の高い光源として用いることができる。
【００１８】
以上に示したＢＯＸ型の発光装置は、それぞれの反射鏡付ＬＥＤ６ａ等が直方体であったが、直方体でなくても構わない。上述のＥｔｅｎｄｕｅ保存の関係において、光源面積である開口部面積を規制するものであれば、用いる反射鏡付ＬＥＤ６ａ等の形状や、反射鏡付ＬＥＤ６ａ等が形成する開口部を有する立体空間の形状は、上記の「５ＢＯＸ型」や「９ＢＯＸ型」等に限らず、どのようなものであっても構わない。具体例を示すと、５ＢＯＸ型発光装置８は、図１３に示すように、台形形状の反射鏡付ＬＥＤ６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄで各側面を構成しても構わない。図１４は、図１３のＹ−Ｙ断面を示す図である。
また、反射鏡付ＬＥＤ６ａ等が一つの開口部を有する立体空間を形成するものであれば、形成する立体空間のＹ−Ｙ断面が図１５〜図１７に示す様なものでも構わない。さらに、図３に示した反射鏡付ＬＥＤ６の基板や発光層は平面的な板状であってもよいし、曲面であっても構わない。
【００１９】
図１８は、本実施の形態１におけるＬＥＤを用いた発光装置を使用して、プロジェクタを構成する場合の一例を示す図である。
プロジェクタは、赤色の光を出射する発光装置３３と、緑の光を出射する発光装置３４と、青の光を出射する発光装置３５を備えている。それぞれの発光装置は、図１２に示した様に、５ＢＯＸ型発光装置８がアレイ状に配置されている。すなわち、それぞれの発光装置３３、３４、３５から出射される光は、赤色、緑色、青色のいずれも重畳された光であり、発光輝度の高められた光である。
それぞれの色の光は反射装置６０に向けて出射される。例えば、緑の光は反射装置６０で反射されることなく透過する。また、赤の光はダイクロイックミラー６１で反射され、青の光はダイクロイックミラー６２で反射される。反射装置６０を出た赤、緑、青の光はコンデンサレンズ７０に入射して透過する。
コンデンサレンズ７０を透過すると、液晶パネル８０に入射する。液晶パネル８０に入射した光は、液晶パネル８０により画像を形成する画像形成光として投射レンズ９０に入射し、投射レンズ９０を透過して画像を形成する。
【００２０】
本実施の形態１に係る固体発光素子を用いた発光装置は、反射鏡付ＬＥＤ６ａの出射した光を反射鏡付ＬＥＤ６ｂが反射し自分の発する光と重畳して出射するので、光の重畳により光量を増加することができる。
【００２１】
本実施の形態１に係る固体発光素子を用いた発光装置は、ＬＥＤ自体の発光効率や発光量の改良を必要とせず、ＬＥＤの配置による簡単な構成で光量を増加することができる。
【００２２】
本実施の形態１に係る固体発光素子を用いた発光装置は、複数のＬＥＤが出射する光が多重に重畳される構成であるので、光量を増加することができる。
【００２３】
本実施の形態１に係る固体発光素子を用いた発光装置は、ＬＥＤの出射する光を重畳して光量を増加させる構成であるので、ＬＥＤの使用による、明るく、省電力、長寿命及び省スペースの投影装置を提供することができる。
【００２４】
実施の形態２．
実施の形態２におけるＬＥＤを用いた発光装置は、実施の形態１に対して、さらに反射鏡付ＬＥＤ６と反射鏡付ＬＥＤ６との間に光学手段を構成要素として加えたことを特徴とする。例えば、反射鏡付ＬＥＤ６と反射鏡付ＬＥＤ６との間に、光学手段の一例として、光をリレーするリレーレンズを配置して、反射鏡付ＬＥＤ６の発光面を次の反射鏡付ＬＥＤ６に結像投影することにより、効率的に光を重畳して伝播する構成である。
以下、図１９〜図２６を用いて、実施の形態２におけるＬＥＤを用いた発光装置について説明する。
【００２５】
図１９は、実施の形態２における発光装置の基本原理を示す概念図である。図１９は、実施の形態１の基本概念を示す図６に対して、光を集光してリレーするリレーレンズ１０を備えている。すなわち、図１９において、反射鏡付ＬＥＤ６ａから出射された光の少なくとも一部の光は、リレーレンズ１０を透過して反射鏡付ＬＥＤ６ｂに入射するので、リレーレンズ１０のない場合に比べて多くの光が反射鏡付ＬＥＤ６ｂに入射する。
図２０は、図１９の構成を複数用いた場合の基本概念を示す図である。実施の形態１における図７に対して、リレーレンズ１０を介して、光を重畳させて伝播する形式である。光は、図７に示したのと同様に、反射鏡付ＬＥＤ６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄと多重反射により重畳して光量を増しながら、反射鏡付ＬＥＤ６ｄから出射する。
【００２６】
図２１は、実施の形態２における発光装置の基本構成を示す図である。
構成について説明する。リレーレンズ１０ａ、１０ｂ、１０ｃは、後述する角度分離面をそれぞれの焦点距離の位置としている。そして、リレーレンズ１０ｃは、リレーレンズ１０ａ及びリレーレンズ１０ｂに対向するように配置される。リレーレンズ１０ｃは、リレーレンズ１０ｃの光軸がリレーレンズ１０ａの光軸とリレーレンズ１０ｂの光軸との中央に位置するように配置される。前記３本の光軸は平行で同一平面上にある。
そして、リレーレンズ１０ｂと「リレーレンズ１０ｃの左側部分」で第１光学手段１００を構成している。また、「リレーレンズ１０ｃの右側部分」とリレーレンズ１０ａとで、第２光学手段１１０を構成している。
反射鏡付ＬＥＤ６ｂは、リレーレンズ１０ｂの焦点（角度分離面と反対側の焦点）に配置される。また、反射鏡付ＬＥＤ６ｃは、リレーレンズ１０ｃの焦点（角度分離面と反対側の焦点）に配置される。
【００２７】
次に、図２１における光の伝播について説明する。
例えば、反射鏡付ＬＥＤ６ｂ上の異なる位置から、同じ角度で平行光として出射された光をみると、この平行光はリレーレンズ１０ｂを通過すると「角度分離面」の面上で１点に集光され、リレーレンズ１０ｃを透過するとで再度平行光となって、次の反射鏡付ＬＥＤ６ｃの発光面上に照射される。以下、「平行光」とは、ＬＥＤ上の異なる位置から、同じ角度で平行光として出射された光を意味するものとする。
図２１に示すように、反射鏡付ＬＥＤ６ｂ、６ｃ及びリレーレンズ１０ａ、１０ｂ、１０ｃは、「角度分離面」において平行光と集光光とが入れ替わるように配置されている。反射鏡付ＬＥＤ６ｂと６ｃとを比べると、反射鏡付ＬＥＤ６ｂから出射された平行光は、第１光学手段１００を通過することで、光の角度も位置も同じままに次の反射鏡付ＬＥＤ６であるＣへ伝送されることとなる。
このように、反射鏡付ＬＥＤ６ｂの像が次の反射鏡付ＬＥＤ６ｃに結像するので、効率よく光を伝播し、リレーすることができる。
また、反射鏡付ＬＥＤ６ｃと第２光学手段１１０とは、前記の反射鏡付ＬＥＤ６ｂと第１光学手段１００とによる構成と同様に構成されている。したがって、第１光学手段１００が出射して反射鏡付ＬＥＤ６ｃに入射した光は、反射鏡付ＬＥＤ６ｃで反射されるとともに、反射鏡付ＬＥＤ６ｃ自体が発する光と重畳され、この重畳された光は第２光学手段１１０を介して平行光として出射される。すなわち、反射鏡付ＬＥＤ６ｃから出射された重畳された光は、光の角度も位置も同じ状態で、第２光学手段１１０を構成するリレーレンズ１０ａから出射される。
上記のように、図２１に示す発光装置の基本構成により、光を効率よく重畳してリレーすることが可能となり、ＬＥＤの光量を増加させることができる。
なお、上記図２１に示した発光装置は、図１８に示す発光装置３３〜３５として使用することができるのはもちろんである。
【００２８】
図２２は、図２１の基本構成に対して、さらに、反射鏡付ＬＥＤ６ａとリレーレンズ１０ｄを加えた構成の発光装置を示す。反射鏡付ＬＥＤ６ａが加わったので、重畳され伝播される光の光量が増加する。すなわち、図２１の場合に比べて、第２光学手段１１０を構成するリレーレンズ１０ａを透過した平行光に反射鏡付ＬＥＤ６ａが発する光が重畳されて、リレーレンズ１０ａ、リレーレンズ１０ｄを介してリレーレンズ１０ｄから光が出射されるので光量が増加する。
上記図２２に示した発光装置は、図１８に示す発光装置３３〜３５として使用することができるのはもちろんである。
【００２９】
図２３は、レンズ有効径光量とＬＥＤリレー数との関係を異なる反射率について検討した机上検討結果を示すグラフである。縦軸の「レンズ有効径光量」とは、ＬＥＤが１個のみの場合に対して、何倍の光量が得られるかを示す値である。横軸の「ＬＥＤリレー回数」とは、光が最終的に出射されるまでに通過するＬＥＤの数をいい、最初のＬＥＤも数える。例えば、図２１のＬＥＤリレー回数は２回であり、図２２のＬＥＤリレー回数は３回である。図２３では、反射率０．６〜０．９で計算している。現実の反射率を０．７程度と想定した場合、図２３よりリレー回数は５回程度で飽和するが、縦軸をみると光量は３倍程度を得ることができる。
【００３０】
図２４は、実施の形態２におけるＬＥＤを用いた発光装置の別の構成例を示す図である。図２４は、図２２の構成に対して反射鏡付ＬＥＤ６ｅ、６ｆ、６ｇ及びリレーレンズ１０ｅ、１０ｆ、１０ｇを加えた構成である。図２２の構成に対して、リレーレンズ１０ｄの光軸を基準に左右に図２２の構成を配置した構成となっている。図２４に示すリレーレンズ１０ｄの光軸に関して対象な配置構成により、最終的にリレーレンズ１０ｄから出射される出射光の角度の「非対象性」を解消することができるのが特徴である。また、光量の増加を図ることができる。
角度の非対称性を解消する点について説明する。
図２２に示す構成は、反射鏡付ＬＥＤ６ａ等やリレーレンズ１０ａ等の配置により、リレーレンズ１０ｄからは右方向平行光が出射するに過ぎなかった。しかし、図２４に示すように、リレーレンズ１０ｄの光軸に関して、反射鏡付ＬＥＤ６ｅ、６ｆ、６ｇとリレーレンズ１０ｅ、１０ｆ、１０ｇとを、反射鏡付ＬＥＤ６ａ等及びリレーレンズ１０ａ等と対象に配置した。このため、リレーレンズ１０ｄから出射される光は、右方向平行光に加えて左方向平行光も出射される。これによって、出射光の角度の「非対称性」が解消される。
上記図２４に示した発光装置は、図１８に示す発光装置３３〜３５として使用することができるのはもちろんである。
【００３１】
図２５は、実施の形態２におけるＬＥＤを用いた発光装置の別の構成例を示す図である。図２５は、図２２の構成に対して、外部反射器１２を加えた構成である。外部反射器１２としては反射鏡あるいは反射鏡付ＬＥＤ６等を使用することができる。
外部反射器１２の位置は、リレーレンズ１０ｂの焦点距離の位置である角度分離面上であり、反射鏡付ＬＥＤ６ｂが出射した光のうちで反射鏡付ＬＥＤ６ｃに入射しない左方向の平行光１３がリレーレンズ１０ｂを透過して焦点を結ぶ位置である。
反射鏡付ＬＥＤ６ｂについてみると、左方向へ出射した平行光１３はリレーレンズ１０ｂを透過して外部反射器１２で反射される。この外部反射器１２で反射された光は、リレーレンズ１０ｂ、反射鏡付ＬＥＤ６ｂ、リレーレンズ１０ｂ、リレーレンズ１０ｃ、反射鏡付ＬＥＤ６ｃ、リレーレンズ１０ｃ、リレーレンズ１０ａ、反射鏡付ＬＥＤ６ａ、リレーレンズ１０ａ、リレーレンズ１０ｄを介して最終的にリレーレンズ１０ｄから出射される。
反射鏡付ＬＥＤ６ｃの出射する左方向の平行光１４についても、上記の平行光１３と同様な光路をたどり、最終的にリレーレンズ１０ｄから出射される。
反射鏡付ＬＥＤ６ａの出射する左方向の平行光１５についても，上記の平行光１３と同様な経路をたどり、最終的にリレーレンズ１０ｄから出射される。
したがって、外部反射器１２を設けることで、図２２の構成よりもさらに光量を増加することができる。
上記図２５に示した発光装置は、図１８に示す発光装置３３〜３５として使用することができるのはもちろんである。
【００３２】
図２６は、実施の形態２におけるＬＥＤを用いた発光装置の別の構成例を示す図である。図２６は、光が伝播する経路において、リレーレンズ１０とリレーレンズ１０の間にミラー装置１６を設けたことを構成上の特徴とする。
【００３３】
ミラー装置１６は、４面にミラー１６ａを備えており、光を反射する。図２６の構成は、ミラー装置１６を備えていない構成と比較することができる。例えば図２２の構成と比較すると、図２２に対して図２６の構成は、角度分離面に相当する位置にミラー１６ａを置いて（ミラー装置１６を設置して）、光を折り返す構成である。
すなわち、図２６の反射鏡付ＬＥＤ６ｂとリレーレンズ１０ｂとは図２２の反射鏡付ＬＥＤ６ｂとリレーレンズ１０ｂとに対応し、図２６の反射位置２３は図２２の角度分離面に対応し、図２６の反射鏡付ＬＥＤ６ｃとリレーレンズ１０ｃとは図２２の反射鏡付ＬＥＤ６ｃとリレーレンズ１０ｃとに対応し、図２６の反射鏡付ＬＥＤ６ａとリレーレンズ１０ａとは図２２の反射鏡付ＬＥＤ６ａとリレーレンズ１０ａとに対応し、図２６のリレーレンズ１０ｄは図２２のリレーレンズ１０ｄに対応する。また、例えば、図２６のリレーレンズ１０ｂ（下側半分）、ミラー１６ａ、リレーレンズ１０ｃ（左側半分）は、図２２の第１光学手段１００に対応する。また、図２６のリレーレンズ１０ｃ（右側半分）、ミラー１６ａ、さらにミラー１６ａ、リレーレンズ１０ａ（左側半分）は、図２２の第２光学手段１１０に対応する。
なお、反射鏡付ＬＥＤ６ｂ、リレーレンズ１０ｂと反射鏡付ＬＥＤ６ｅ、リレーレンズ１０ｅと反射鏡付ＬＥＤ６ｆ、リレーレンズ１０ｆとの関係も上記の場合と同様である。
【００３４】
本発光装置の上記構成の特徴は、「どちら向きに回る光も使える」ようにして、ＬＥＤの光量を増加させることにある。「どちら向きに回る光も使える」について、以下に説明する。
図２６を、図２２の構成を左右に有する図２４と比較して説明する。図２４では、反射鏡付ＬＥＤ６ａ、６ｂ、６ｃから出射される左側方向への平行光２４、平行光２５、平行光２６は、光路により、いずれもリレーレンズ１０ｄからは出射されず最終的にリレーレンズ１０ｂから出射されてしまう。同様に、図２４で、反射鏡付ＬＥＤ６ｅ、６ｆ、６ｇから出射される右側方向への平行光２７、平行光２８、平行光２９は、光路により、いずれもリレーレンズ１０ｄからは出射されず最終的にリレーレンズ１０ｆから出射されてしまう。
これに対して、図２６の構成では、角度分離面に相当する位置にミラー１６ａを置いて（ミラー装置１６を設置して）、光を折り返す構成である。したがって、図２６の構成においては、図２４の構成ではリレーレンズ１０ｂ、１０ｆから逃げていた光も光量の増加に使用することができる。すなわち、図２６では時計回りに伝播して行く光も、半時計回りに伝播して行く光も、最終的に出射光としてリレーレンズ１０ｄから出射する。これにより、いっそうの光量の増加を図ることができる。
なお、上記図２６に示した発光装置は、図１８に示す発光装置３３〜３５として使用することができるのはもちろんである。
【００３５】
本実施の形態２に係る固体発光素子を用いた発光装置は、ＬＥＤとＬＥＤとの間にレンズを配置して光を集光するので、より多く光量を増加することができる。
【００３６】
本実施の形態２に係る固体発光素子を用いた発光装置は、第１光学手段１００及び第２光学手段１１０を備えたので、ＬＥＤ像が次のＬＥＤに結像して、反射により重畳した光を効率よく伝搬、リレーし光量を増加することができる。
【００３７】
本実施の形態２に係る固体発光素子を用いた発光装置は、光が最終的に出射するレンズに対して、ＬＥＤ及びリレーレンズ等を対象に配置したので、最終的に出射する光の角度の非対象性をなくし、効率よく光量を増加することができる。
【００３８】
本実施の形態２に係る固体発光素子を用いた発光装置は、外部反射器１２を備えたので、備えない場合には光量の増加に使用できなかった光を使用できるようになり、さらに光量を増加することができる。
【００３９】
本実施の形態２に係る固体発光素子を用いた発光装置は、外部反射器１２も光を発するので、さらに光量を増加することができる。
【００４０】
本実施の形態２に係る固体発光素子を用いた発光装置は、ミラー装置１６を備えたので、ミラー装置１６を備えない場合は光量の増加に使用できなかった光も光量の増加に使用できるので、さらに光量を増加することができる。
【００４１】
実施の形態３．
図２７、図２８は実施の形態３の構成を示す図である。実施の形態３は、図６で示した作用を有する反射鏡付ＬＥＤ６を反射材３２に設置した構成の発光装置である。
図２７は、反射材を中空の球形状として、球内部の内面に反射鏡付ＬＥＤ６を設置した積分球型発光装置３０を示す図である。球内部の内面が光りを反射する。図２８は、Ｚ―Ｚ断面を示す図である。
【００４２】
球の内面に設置された複数の反射鏡付ＬＥＤ６が光を出射すると、球内部において光が散乱多重反射し、開口部３１から出射することで光量を増加することができる。
【００４３】
なお、反射材の形状は球に限るものではない。半球形状でもよいし放物線回転形状などでも構わない。反射鏡付ＬＥＤ６が立体形状の内面に設置され立体形状の内部で散乱多重反射が生じるものであれば構わない。さらに、立体形状の他に、反射材は２枚の平面の板形状であり、これを反射面が向き合うように平行に配置して、このそれぞれの反射面に反射鏡付ＬＥＤ６を設置しても構わない。
上記図２７に示した発光装置は、図１８に示す発光装置３３〜３５として使用することができるのはもちろんである。
【００４４】
本実施の形態３に係る固体発光素子を用いた発光装置は、反射鏡付ＬＥＤ６を反射材に設置するので、反射鏡付ＬＥＤ６は、反射材により反射された光も入射し反射して光を重畳し、光量を増加することができる。
【００４５】
【発明の効果】
本発明によれば、発光素子としては発光輝度の低いＬＥＤを使用しても発光輝度の高い光源を提供することができる。
また、本発明によれば、固体発光素子としてＬＥＤを使用できるので、高輝度、長寿命、低消費電力、及び省スペースの発光装置を提供することができる。
さらに、本発明によば、ＬＥＤ自体の改良をすることなく、簡単な構成により、ＬＥＤを用いた発光輝度の高い発光装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】画像投影装置の基本構成を示す図である。
【図２】ＬＥＤ５を示す図である。
【図３】反射鏡を設けた反射鏡付ＬＥＤ６を示す図である。
【図４】反射鏡付ＬＥＤ６が発する光の様子を示す図である。
【図５】基準線からの左右角度と出射される光量の関係を示す図である。
【図６】本実施の形態１における光の重畳を示す概念図である。
【図７】光がＬＥＤ間を多重反射して伝播する様子を示す概念図である。
【図８】５ＢＯＸ型発光装置を示す図である。
【図９】５ＢＯＸ型発光装置のＸ―Ｘ断面図である。
【図１０】ＢＯＸ型形式の出射光量と反射率の関係を示すグラフである。
【図１１】９ＢＯＸ型発光装置と１３ＢＯＸ型発光装置との断面図である。
【図１２】５ＢＯＸ型発光装置とレンズ９をアレイ状に配置した構成を示す図である。
【図１３】５ＢＯＸ型形式の別の構成を示す図である。
【図１４】Ｙ−Ｙ断面図である。
【図１５】実施の形態１における別の構成を示す図である。
【図１６】実施の形態１における別の構成を示す図である。
【図１７】実施の形態１における別の構成を示す図である。
【図１８】実施の形態１における固体発光素子を用いた発光装置を使用して、プロジェクタを構成する場合の一例を示す図である。
【図１９】実施の形態２の基本原理を示す概念図である。
【図２０】図１９の構成を複数用いた場合の基本概念を示す図である。
【図２１】実施の形態２の基本構成を示す図である。
【図２２】実施の形態２における別の構成を示す図である。
【図２３】レンズ有効径光量と光のリレー数との関係を示す図である。
【図２４】実施の形態２における別の構成を示す図である。
【図２５】実施の形態２における別の構成を示す図である。
【図２６】実施の形態２における別の構成を示す図である。
【図２７】実施の形態３における積分球型発光装置を示す図である。
【図２８】積分球型発光装置のＺ−Ｚ断面図である。
【符号の説明】
１  光源、２  照明レンズ、３  液晶パネル、４  投射レンズ、５  ＬＥＤ、６，６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ，６ｅ，６ｆ，６ｇ  反射鏡付ＬＥＤ、８  ５ＢＯＸ型発光装置、９  レンズ、１０，１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ，１０ｅ，１０ｆ，１０ｇ  リレーレンズ、１２  外部反射器、１３，１４，１５  平行光、１６  ミラー装置、１６ａ  ミラー、１７  光、１８，１９  発光光、２３  反射位置、２４，２５，２６，２７，２８，２９  平行光、３０  積分球型発光装置、３１  開口部、３２  反射材、３３，３４，３５  発光装置、５０  レンズ、６０  反射装置、６１，６２  ダイクロイックミラー、７０  コンデンサレンズ、８０  液晶パネル、９０  投射レンズ、１００  第１光学手段、１１０  第２光学手段。
【図１】
2004221159.tif 000003
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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