(57)【要約】  プロジェクタは、複数の照明モジュールを含む。各照明モジュールは、半導体発光ダイオードなどの光源と、前記光源から光を受け取り、前記光をコリメートしてビームにするよう構成される光学素子とを含む。前記照明モジュールからの光は、液晶ディスプレイパネルへ供給され、次いで、投影レンズへ供給される。幾つかの実施例においては、前記照明モジュールと、前記液晶ディスプレイパネルとの間に、フレネルレンズのアレイ又は反射偏光子などの二次光学部品が配置される。幾つかの実施例においては、前記液晶ディスプレイパネルは、低温ポリシリコン液晶ディスプレイである。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
各照明モジュールが、光源、及び前記光源から光を受け取り、前記光をコリメートしてビームにするよう構成される光学素子を含む、複数の照明モジュールと、
液晶ディスプレイパネルと、
投影レンズとを有する装置であって、 
前記液晶ディスプレイパネルが、前記複数の照明モジュールと前記投影レンズとの間に配置される装置。
【請求項２】
前記複数の照明モジュール内の各光学素子が、第１光学素子であり、前記装置が、少なくとも１つの第２光学素子を更に有し、前記少なくとも１つの第２光学素子が、前記複数の照明モジュールと前記液晶ディスプレイパネルとの間に配置される請求項１に記載の装置。
【請求項３】
各光源が、白色光を放射する半導体発光装置を有する請求項２に記載の装置。
【請求項４】
各光源が、青色光を放射する半導体発光装置と、緑色光を放射する半導体発光装置と、赤色光を放射する半導体発光装置とを有する請求項２に記載の装置。
【請求項５】
各第１光学素子が、レンズ、複合放物集光器又は反射器を有する請求項２に記載の装置。
【請求項６】
各第１光学素子が、２×１２°と２×６０°との間の光の円錐内の光ビームを放射する請求項２に記載の装置。
【請求項７】
複数の第２光学素子を更に有し、各第２光学素子が照明モジュールと位置合わせされる請求項２に記載の装置。
【請求項８】
各第２光学素子がフレネルレンズを有する請求項７に記載の装置。  
【請求項９】
前記複数の第２光学素子が、単一の材料で形成される請求項７に記載の装置。
【請求項１０】
前記第２光学素子が反射偏光子を有する請求項２に記載の装置。
【請求項１１】
前記第２光学素子と前記液晶ディスプレイとの間に配置されるレンズのアレイを更に有する請求項２に記載の装置。
【請求項１２】
駆動回路を更に有し、前記駆動回路が、前記複数の照明モジュールに接続され、画像データを受け取り、前記画像データに基づいて各照明モジュールに電力を供給するよう構成される請求項１に記載の装置。
【請求項１３】
前記液晶ディスプレイパネルが、低温ポリシリコン液晶ディスプレイパネルである請求項１に記載の装置。
【請求項１４】
前記液晶ディスプレイパネルが、２×３°と２×１８．２°との間の光の円錐内の光ビームを受け取る請求項１に記載の装置。
【請求項１５】
各第２光学素子が、２×３°と２×１８．２°との間の光の円錐内の光ビームを放射するよう構成される請求項２に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プロジェクタなどのシステムにコリメートビームを供給する光源に関する。
【背景技術】
【０００２】
発光ダイオード（ＬＥＤ）などの半導体発光装置は、現在利用可能な、最も効率的な光源である。可視スペクトルにわたって動作可能な高輝度ＬＥＤの製造において現在興味深い材料系は、ＩＩＩ−Ｖ族半導体、とりわけ、ＩＩＩ族窒化物材料とも呼ばれる、ガリウム、アルミニウム、インジウム及び窒素の二元、三元及び四元合金、並びにガリウム、アルミニウム、インジウム、ヒ素及びリンの二元、三元及び四元合金を含む。多くの場合、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）又は他のエピタキシャル技術により、ＩＩＩ族窒化物デバイスは、サファイア、炭化ケイ素又はＩＩＩ族窒化物の基板上にエピタキシャルに成長させられ、ＩＩＩ族リン化物デバイスは、ガリウムヒ素上にエピタキシャルに成長させられる。ＩＩＩ−Ｖ族デバイスは、ｎ型領域とｐ型領域との間に挟まれる発光又は活性領域を含む。
【０００３】
半導体発光装置を或る見込みがある使用法は、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）上の画像が、拡大され、投影されるプロジェクタの光源としての使用法である。一般的な従来技術のプロジェクタにおいては、ＬＣＤは、メタルハライドランプ又はハロゲンランプによって照明される。このようなランプの使用は、光源の大きさが縮小され得る度合いを制限し、それ故、プロジェクタの大きさが縮小され得る度合いを制限する。
【０００４】
図１は、従来技術のプロジェクタの斜視図である。前記従来技術のプロジェクタは、米国特許第7,131,735号に、より詳細に記載されている。点光源としての役割を果たす発光ダイオード（ＬＥＤ）１０３は、導光体１０２（アクリル樹脂の角棒）の端面に面する平面配置で配設される。ダイオードは、導光体１０２から切り離されている。液晶ディスプレイ素子１０１は、導光体１０２の他の端面に面するよう配置される。導光体１０２の発光端面によって放射される光は、液晶ディスプレイ素子１０１に当たる。液晶ディスプレイ素子１０１によって表示される画像は、投影レンズ１０４によって拡大され、スクリーン上に投影される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
液晶ディスプレイ素子１０１を一様に照明するためにＬＥＤ１０３からの光を混ぜ合わせるのに必要である導光体は、プロジェクタを望ましくないほどにかさばらせる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の実施例によれば、プロジェクタは、複数の照明モジュールを含む各照明モジュールは、半導体発光ダイオードなどの光源と、前記光源から光を受け取り、前記光をコリメートしてビームにするよう構成される光学素子とを含む。前記照明モジュールからの光は、液晶ディスプレイパネルへ供給され、次いで、投影レンズへ供給される。  
【０００７】
幾つかの実施例においては、前記照明モジュールと、前記液晶ディスプレイパネルとの間に、フレネルレンズのアレイ又は反射偏光子などの二次光学部品が配置される。幾つかの実施例においては、前記液晶ディスプレイパネルは、低温ポリシリコン液晶ディスプレイである。
【０００８】
各光源が前記各光源自身の一次光学部品と関連づけられることから、前記一次光学部品は、図１に図示されている導光体のような、全ての光源によって共用される一次光学部品より小さくなり得る。その結果として、このような照明モジュールを内蔵するプロジェクタは、従来のプロジェクタより、小さく、薄くなるかもしれず、製造するのに費用がかからなくなるかもしれない。更に、各照明モジュールは、前記液晶ディスプレイパネルの一部を照らすことから、各照明モジュールに供給される電力の量は、表示される前記画像に基づいて調節されてもよく、場合によっては、電力消費量を減らし、投影画像のコントラストを向上させるかもしれない。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】従来技術のプロジェクタの斜視図である。
【図２】本発明の実施例によるプロジェクタの断面図である。
【図３】多数のＬＥＤを備える照明モジュールを図示する。
【図４】偏光子を含むプロジェクタの断面図である。
【図５】画像データの所与のセットのために各照明モジュールの輝度を調節するためのシステムを図示する。
【図６】プロジェクタにおける実際の照度の一様性のために画像データを補正するためのシステムを図示する。
【図７】ＬＣＤを照明する二重小型レンズアレイを備えるプロジェクタの一部の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の実施例によれば、照明モジュールは、光学部品と組み合わされる１つ以上のＬＥＤを含む。各照明モジュールは、コリメートされた白色光ビームを供給することができる。画像を壁部又はスクリーンに投影するために、例えば透過型ＬＣＤパネル及び投影レンズと共に、多数の照明モジュールが用いられ得る。システムは、照明モジュールを追加する又は減じることによって、容易に拡大・縮小される。
【００１１】
図２は、第１実施例によるプロジェクタの断面図である。１つ以上の照明モジュール１５が、設けられ、オプションのヒートシンク１０に取り付けられる。各照明モジュールは、取付台１２に取り付けられる光源１４を含む。一次光学部品１６は、ＬＥＤ１４の上に配置される。各照明モジュール１５は、二次光学部品１８と位置合わせされる。ＬＣＤパネル２０は、二次光学部品１８から光を受け取る。光は、次いで、例えばフレネルレンズであり得るレンズ２２、及び投影レンズ２４に入射する。投影画像が、前記画像が投影される面に対して傾斜している場合には、レンズ２２は、投影画像のキーストーン補正のために傾けられ得る。
【００１２】
各照明モジュール１５は、白色光を放射する光源を含む。適切な光源は、図２に図示されているような単一のＬＥＤ、又は多数のＬＥＤを含む。適切なＬＥＤは、当業界では既知であるように、大部分の光を、ＬＥＤの側部又はＬＥＤの頂部から放射するよう構成され得る。適切な単一のＬＥＤの例は、蛍光体によって放射される光と、場合によりＬＥＤによって放射される光とが、混ざり合い、白色に見えるように１つ以上の蛍光体と組み合わされる青色又はＵＶ放射ＬＥＤである。
【００１３】
図３は、多数ＬＥＤを含む照明モジュールの断面図、及び前記照明モジュールに用いられる４つのＬＥＤの平面図である。４つのＬＥＤ１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ及び１４Ｄは、正方形状に構成される取付台１２に取り付けられ、次いで、一次光学部品１６内に、又は一次光学部品１６の近くに、配置される。より多い又はより少ないＬＥＤが用いられてもよく、正方形以外の構成が用いられてもよい。ＬＥＤ１４Ａ乃至１４Ｄの各々は、白色光を放射する蛍光体変換ＬＥＤであってもよく、又は赤色放射ＬＥＤ、緑色放射ＬＥＤ及び青色放射ＬＥＤの組み合わせが用いられてもよく、又は赤色放射ＬＥＤ、緑色放射ＬＥＤ、青色放射ＬＥＤ及び白色放射ＬＥＤの組み合わせが用いられてもよい。
【００１４】
一次光学部品１６は、光源１４からの光をコリメートして、光錐にする。幾つかの実施例においては、一次光学部品１６は、光をコリメートして、２×６０°（即ち、垂線から６０°）より小さい円錐にする。円錐が２×１２°より小さい場合、一次光学部品１６は、望ましくないほどに大きくなり得る。適切な一次光学部品１６の例は、ガラスレンズ若しくは固形プラスチック、又は例えばアルミニウム若しくは銀などの反射フィルムをプラスチック上に配置することによって形成される複合放物集光器若しくは矩形若しくは正方形開口コリメータを含む。
【００１５】
二次光学部品１８は、各照明モジュールからのビームをコリメートして、例えばＬＣＤの寸法に依存する１．６の照度Ｆ＃に対応する２×１８．２°の円錐より大きくなく、１０のＦ＃に対応する２×３°と同じくらいの小ささであり得る、小さい照明ビームにする。適切な二次光学部品１８の例は、フレネルレンズ又はドームレンズを含む。二次光学部品１８は、例えば、レンズ材料の単一のシート内のレンズのアレイとして形成され得る。
【００１６】
各照明モジュール１５は、ＬＣＤ２０の一部を照らす。図２に図示されているように、ＬＣＤ２０の表面の一部において、隣接する照明モジュール１５からの光ビームが重なり得る。望ましくは、この重なりが、とりわけ、下記のような画像データに依存して各モジュールの輝度を調節するための電子部品を含むシステムにおいて、隣接する照明モジュール間の境界を目立たなくし得る。重なりの量は、二次光学部品１８の焦点距離及び二次光学部品１８とＬＣＤ２０との間の距離の関数である。
【００１７】
ＬＣＤ２０は、例えば、低温ポリシリコン（ＬＴＰＳ）ＬＣＤ、又は他のあらゆる適切なＬＣＤであり得る。図２に示されている投影システムは、カラー投影システムであり、従って、ＬＣＤ２０は、例えば、当業界では既知であるような赤色、緑色及び青色のサブピクセルを作成するカラーフィルタで、カラー画像を生成する。
【００１８】
ＬＴＰＳのＬＣＤは、携帯電話及びＰＤＡ(personal digital assistant)のディスプレイなどの小さいディスプレイにおいて一般に用いられている。適切なＬＴＰＳのＬＣＤは、台湾の竹南のＴＰＯから入手可能である。ＴＰＯから入手可能な適切な矩形のＬＣＤパネルは、例えば２．８インチと４．３インチとの間のものであるが、１インチと同じくらい小さいＬＣＤパネルも用いられ得る。
【００１９】
幾つかの実施例においては、図２に図示されているシステムの投影レンズ２４からの５０ルーメン（ｌｍ）と１０００ルーメン（ｌｍ）との間の輝度が必要とされ得るが、超小型軽量の装置などの幾つかの実施例においては、必要とされる輝度は、許容可能であり得る。ＬＴＰＳのＬＣＤパネルは、多くの場合、偏光されていない白色光に対して５％前後の透過効率を持つ。ＬＣＤパネルの透過効率が５％であり、光学部品（即ち、レンズ２２、投影レンズ２４及びＬＣＤにおける照明オーバーフィルエリア）の効率が５０％である状況で、投影レンズ２４からの５０ｌｍの出力を作成するためには、照明モジュールのアレイは、少なくとも２０００ｌｍを生成しなければならず、２５０ｌｍの出力を作成するためには、前記アレイは、少なくとも１００００ｌｍを生成しなければならない。２．５Ｗの入力電力でチップ面積の１ｍｍ２当たり１００ｌｍを生成する白色ＬＥＤが入手可能である。５０ｌｍのプロジェクタの場合は、このようなＬＥＤが２０個必要とされる。例えば、総電力消費量が５０Ｗである、各々が単一の白色ＬＥＤ１４を備える照明モジュール１５の４個×５個のアレイが用いられ得る。２５０ｌｍのプロジェクタの場合は、総電力消費量が２５０Ｗである、１００個のＬＥＤが必要とされる。
【００２０】
図２に図示されているシステムのエタンデュは、ＬＣＤパネル２０の面積、ＬＥＤ光源１４のチップ面積に対応するであろう投影レンズ２４のＦ値、集光円錐角度、及びＬＣＤにおける照明オーバーフィルエリアなどの照明光学部品設計パラメータに関連する。本発明者は、ランバート放射パターンで光を放射する２０ｍｍ２のチップ面積のＬＥＤで６１ｍｍ２ｓｒのエタンデュを算出した。これは、図２に従うシステムにおける、投影レンズ２４からの５０ｌｍの出力を備えるパフォーマンスに相当する。
【００２１】
従来のプロジェクタは、高温ポリシリコンパネル、又はＤＬＰ(digital light processing)リアプロジェクションテレビなどのＭＥＭＳ(micro-electro-mechanical system)をベースにしたシステムを用い得る。これらのタイプのディスプレイは、高輝度供給源を必要とし、複雑な光学部品、相対的に少ない生産量及び歩留まりにより、高価になり得る。ＬＴＰＳのＬＣＤが用いられる場合は、対照的に、従来のプロジェクタと比較して、ディスプレイのコスト及びサイズが減らされ得る。
【００２２】
幾つかの実施例においては、図４に図示されているように、照明モジュールとＬＣＤとの間に偏光子が含まれる。ほとんどのＬＣＤは、偏光を必要とする。従って、二次光学部品１８とＬＣＤ２０との間に反射偏光子２６を組み込むことで、プロジェクタのパフォーマンスは向上し得る。ＬＣＤ２０では用いられることができない偏光を備える光は、偏光子２６によって、二次光学部品１８の方へ後方反射される。ここで、前記光は、場合によっては、反射されて使用可能な偏光となり、最終的に偏光子２６から抜け出し得る。従って、偏光子２６は、システムの効率を向上させ、電力消費量を減らし得る。
【００２３】
各照明モジュール１５はＬＣＤパネル２０の一部を照明することから、各照明モジュール１５からの輝度は、図５に図示されているように、画像データの所与のセットに対して調節され得る。ＬＣＤ２０が適切な画像を形成することができるようにＬＣＤ制御器２８に供給される画像データ３２は、直接又は間接的に、ＬＥＤ駆動装置３０にも供給される。例えば、所与の画像の場合、前記画像の、照明モジュール１５Ａに対応する部分は、暗いかもしれず、前記画像の、照明モジュール１５Ｂに対応する部分は、明るいかもしれない。ＬＥＤ駆動装置３０は、その画像データを受け取り、それに応じて、照明モジュール１５Ｂに対しては、より多くの光を生成するよう、より多くの電力を供給し、照明モジュール１５Ａに対しては、より少ない光を生成するよう、より少ない電力を供給し得る。画像データに対応するよう各照明モジュールの輝度を調節することで、コントラストが向上するかもしれず、プロジェクタの電力消費量が減るかもしれない。
【００２４】
幾つかの実施例においては、電子的な改良なしでは十分に一様ではないかもしれない高効率光学部品を許容する図６に図示されているシステムなどによって、照度の一様性が電子的に改善され得る。
【００２５】
図６に図示されているシステムにおいては、照明セグメント１５及び二次光学部品１８が、ブロック３６として示されている。ＬＣＤ制御器２８は、画像データ３２、及び測定された照度の一様性のデータ３８を受け取る。ＬＣＤ制御器２８は、ＬＣＤパネル２０の各部の実際の測定照度に合うよう画像データを補正する。次いで、補正したデータ４０が、ＬＣＤ２０に供給される。
【００２６】
図７に図示されている別の実施例においては、二次光学部品１８とＬＣＤパネル２０との間に小型レンズアレイインテグレータ４２が配置される。
【００２７】
上の実施例に記載されているプロジェクタは、図１に図示されているプロジェクタのような従来技術のプロジェクタに優る利点を供給し得る。各光源が一次光学部品と関連づけられることから、前記一次光学部品は、図１に図示されている導光体のような全ての光源によって共用される一次光学部品より小さくなり得る。従って、本発明の実施例に記載されている照明モジュールは、従来の光源より薄くなるかもしれず、例えば０．５インチと１インチとの間の厚さになり得る。その結果として、このような照明モジュールを組み込むプロジェクタは、従来のプロジェクタと比べて、より小さく、より薄く、より安くなり得る。
【００２８】
本発明を詳細に説明したが、当業者には、本開示を鑑みて、ここに記載されている本発明の思想の趣旨から外れない修正が本発明に対してなされ得ることは分かるであろう。それ故、本発明の範囲を、図示及び記載されている特定の実施例に限定する意図はない。
【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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【国際調査報告】
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