(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光束を発する複数の発光ダイオードモジュールと、
複数の入光側より前記複数の発光ダイオードモジュールからの光束がそれぞれ入射され、入射された当該光束を混光し射出側へ射出させる混光ユニットと、
前記複数の発光ダイオードモジュールの各々と前記複数の入光側の各々との間にそれぞれ設けられる複数の第一のレンズ群と、
前記射出側に対応して設けられる第二のレンズ群と、
前記第二のレンズ群に隣接するように設けられる集光レンズ群と、
を含み、
前記集光レンズ群と、前記複数の第一のレンズ群と、前記第二のレンズ群とは、前記複数の発光ダイオードモジュールから発した、前記混光ユニットにより混光された光束をライトバルブに均一に入射させ、
前記複数の発光ダイオードモジュールの各々は、アレイ配列される複数の発光ダイオード及び複数のダイオードレンズを有し、
前記複数の発光ダイオードモジュールの各々の対角線方向に配列される前記発光ダイオードの数をｎとし、前記発光ダイオードの各々の対角線長さをｄｌｅｄとし、前記ライトバルブの対角線長さをＤＤＭＤとし、前記集光レンズ群の絞り値をＦｓとし、前記ダイオードレンズの絞り値をＦｌｅｄとすれば、ｎ、ｄｌｅｄ、ＤＤＭＤ、Ｆｓ及びＦｌｅｄは、ｎ×ｄｌｅｄ＝ＤＤＭＤ×Ｆｌｅｄ／Ｆｓを満足する、
発光ダイオード光源システム。
【請求項２】
前記複数の発光ダイオードモジュールからの複数の光束は、それぞれ、赤色の光束、青色の光束及び緑色の光束であり、前記複数の入光側は、それぞれ、異なる色の当該光束を発する前記発光ダイオードモジュールに対応する、
請求項１に記載の発光ダイオード光源システム。
【請求項３】
前記複数の第一のレンズ群の各々は、レンズアレイ（Lens  Array）であり、前記第二のレンズ群は、レンズアレイである、
請求項１に記載の発光ダイオード光源システム。
【請求項４】
前記混光ユニットは、集光プリズムである、
請求項１に記載の発光ダイオード光源システム。
【請求項５】
前記混光ユニットの一つの入光側は、緑色の光束を発する前記発光ダイオードモジュールに対応し、前記混光ユニットの他の入光側は、赤色の光束及び青色の光束を発する前記発光ダイオードモジュールに対応する、
請求項１に記載の発光ダイオード光源システム。
【請求項６】
前記緑色の光束を発する前記発光ダイオードモジュールは、アレイ配列される複数の緑色発光ダイオードを有し、前記赤色の光束及び前記青色の光束を発する前記発光ダイオードモジュールは、同一の平面にずれるようにアレイ配列される複数の赤色及び青色発光ダイオードを有する、
請求項５に記載の発光ダイオード光源システム。
【請求項７】
前記混光ユニットは、バンドパスフィルターであり、当該バンドパスフィルターは、前記緑色の光束を通過させ、前記赤色及び青色の光束を反射する、
請求項５に記載の発光ダイオード光源システム。
【請求項８】
前記ｎが非整数である場合、実際の発光ダイオードモジュールの各々の、対角線方向に配列される発光ダイオードの数が整数であって且つＮと定義されれば、Ｎ−ｎの絶対値が１より小さい、
請求項１に記載の発光ダイオード光源システム。
【請求項９】
光束を発する複数の発光ダイオードモジュールと、
複数の入光側より前記複数の発光ダイオードモジュールからの光束がそれぞれ入射され、入射された当該光束を混光し当該射出側へ射出させる混光ユニットと、
前記射出側に隣接するように設置され、第一のレンズ群及び第二のレンズ群を有し、当該第一のレンズ群が前記射出側と当該第二のレンズ群との間に設置される光均一化装置と、
前記第二のレンズ群に隣接するように設けられる集光レンズ群と、
を含み、
前記第一のレンズ群と、前記第二のレンズ群と、前記集光レンズ群とは、前記複数の発光ダイオードモジュールから発した、前記混光ユニットにより混光された光束をライトバルブに均一に入射させ、
前記複数の発光ダイオードモジュールの各々は、アレイ配列される複数の発光ダイオード及び複数のダイオードレンズを有し、
前記複数の発光ダイオードモジュールの各々の、対角線方向に配列される前記発光ダイオードの数をｎとし、前記発光ダイオードの各々の対角線長さをｄｌｅｄとし、前記ライトバルブの対角線長さをＤＤＭＤとし、前記集光レンズ群の絞り値をＦｓとし、前記複数のダイオードレンズの各々の絞り値をＦｌｅｄとすれば、ｎ、ｄｌｅｄ、ＤＤＭＤ、Ｆｓ及びＦｌｅｄは、ｎ×ｄｌｅｄ＝ＤＤＭＤ×Ｆｌｅｄ／Ｆｓを満足する、
発光ダイオード光源システム。
【請求項１０】
前記複数の発光ダイオードモジュールからの複数の光束は、それぞれ、赤色の光束、青色の光束及び緑色の光束であり、前記複数の入光側は、それぞれ、異なる色の当該光束を発する前記発光ダイオードモジュールに対応する、
請求項９に記載の発光ダイオード光源システム。
【請求項１１】
前記複数の第一のレンズ群の各々は、レンズアレイ（Lens  Array）であり、前記第二のレンズ群は、レンズアレイである、
請求項９に記載の発光ダイオード光源システム。
【請求項１２】
前記混光ユニットは、集光プリズムである、
請求項９に記載の発光ダイオード光源システム。
【請求項１３】
前記混光ユニットの一つの入光側は、緑色の光束を発する前記発光ダイオードモジュールに対応し、前記混光ユニットの他の入光側は、赤色の光束及び青色の光束を発する前記発光ダイオードモジュールに対応する、
請求項９に記載の発光ダイオード光源システム。
【請求項１４】
前記緑色の光束を発する前記発光ダイオードモジュールは、アレイ配列される複数の緑色の発光ダイオードを有し、前記赤色の光束及び前記青色の光束を発する前記発光ダイオードモジュールは、同一の平面にずれるようにアレイ配列される複数の赤色及び青色の発光ダイオードを有する、
請求項１３に記載の発光ダイオード光源システム。
【請求項１５】
前記混光ユニットは、バンドパスフィルターであり、当該バンドパスフィルターは、前記緑色の光束を通過させ、前記赤色及び青色の光束を反射する、
請求項１３に記載の発光ダイオード光源システム。
【請求項１６】
前記ｎが非整数である場合、実際の発光ダイオードモジュールの各々の対角線方向に配列される発光ダイオードの数が整数であって且つＮと定義されれば、Ｎ−ｎの絶対値が１より小さい、
請求項９に記載の発光ダイオード光源システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光源システムに関し、特に、発光ダイオード光源システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
図１と図２を参照する。図１と図２に示すように、従来の投影装置に用いられる光学エンジンの多くは、高圧ガス放電ランプ１１を光学投影用光源として使用する。高圧ガス放電ランプ１１の反射マスク１２の形状は、放物面と楕円面の二種類がある。反射マスク１２の機能は、高圧ガス放電ランプ１１からの光束を光学システムに有効に反射させることである。光学システムは、レンズアレイ１３（図１のように）であってもよく、または、カラーホイール１８及び積分ロッド１４（図２のように）であっても良い。光束は、光学システムによりフィルターリングと均一化された後にライトバルブ１５に入射し、最後に、ライトバルブ１５により映像光束に変換され、投影レンズ（図示せず）によりスクリーンに投影される。しかし、高圧ガス放電ランプ１１は、価格が高く、使用寿命が長くない（約３０００〜１００００時間）。また、高圧ガス放電ランプ１１が発光したときに紫外線が生じるので、他の素子を損傷しないように高圧ガス放電ランプ１１を隔離しなければならない。さらに、高圧ガス放電ランプ１１の内部には水銀が含まれるため、人や環境に優しい製品の開発トレンドに合致しない。
【０００３】
また、発光ダイオード（Light  Emitting  Diode：LED）は、使用寿命が長く（１０００００時間まで）、人や環境に優しく（水銀が含まれない）、且つ演色性が良いなどの利点を有するので、光源として使用されている。図３を参照する。図３に示すように、複数のＬＥＤ１６が基板１７にマウントされ、積分ロッド１９及びレンズ群１０と一緒に光学システムを構成する。ＬＥＤ１６が発した光束は、積分ロッド１９の入光口から積分ロッド１９に進入し、積分ロッド１９内に均一化された後にライトバルブ１５へ入射する。しかし、積分ロッド１９の入光口が一般的に小さいので、通常、入光口には三つ或いは四つのＬＥＤ１６からの光束しか同時に通過できない。そのため、光学システム全体の輝度が、積分ロッド１９の有限な光束通過量に制限されて向上されることができない。言い換えると、ＬＥＤ１６の数が増えても、光学システムのエタンデュー（Etendue）が限られるので、システムに使用できる光束の量が限定される。よって、ＬＥＤ１６の数が多すぎると、輝度を向上することができないだけでなく浪費も招く。従って、如何にＬＥＤ１６からの光束の使用効率を向上し、光学システム全体の発光輝度を向上し、設計の最適化を達成するかは、今の解決すべき技術問題である。また、ＬＥＤ１６が積分ロッド１９の入光口において密接に配列され、大量の熱が生じやすく且つ放熱しにくいので、ＬＥＤ１６の発光効率にも影響を与える。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の目的は、使用寿命が長く、人や環境に優しく、且つ、輝度を向上することができる発光ダイオード光源システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
前述の目的を達成するために、本発明による発光ダイオード光源システムは、複数の発光ダイオードモジュール、混光ユニット、複数の第一のレンズ群、第二のレンズ群及び集光レンズ群を含む。発光ダイオードモジュールは光束を発する。混光ユニットは複数の入光側及び射出側を有し、各々の入光側は、発光ダイオードモジュールからの光束を入射させる。複数の入光側から混光ユニットに入射した光束は、混光ユニットによって混合された後に射出側から射出する。第一のレンズ群は、それぞれの発光ダイオードモジュールとそれぞれの入光側との間に設けられる。第二のレンズ群は、射出側に対応して設けられる。集光レンズ群は、第二のレンズ群に隣接するように設置される。集光レンズ群、第一のレンズ群及び第二のレンズ群は、互いに合わせることによって、発光ダイオードモジュールから発し混光ユニットにより混光された後の光束をライトバルブに均一に入射させる。
【０００６】
また、本発明による他の発光ダイオード光源システムは、複数の発光ダイオードモジュール、混光ユニット及び光均一化装置を含む。発光ダイオードモジュールは光束を提供する。混光ユニットは複数の入光側と射出側を有し、それぞれの入光側は発光ダイオードモジュールからの光束を入射させる。複数の入光側から混光ユニットに入射した光束は、混光ユニットによって混合された後に射出側から射出する。光均一化装置は射出側に隣接するように設置され、且つ外への順序に第一のレンズ群、第二のレンズ群及び集光レンズ群を有する。第一のレンズ群、第二のレンズ群及び集光レンズ群は、互いに合わせることによって、発光ダイオードモジュールから発した、混光ユニットにより混光された後の光束をライトバルブに均一に入射させる。
【発明の効果】
【０００７】
本発明は、使用寿命が長く、人や環境に優しく、且つ、輝度を向上することができる発光ダイオード光源システムを提供する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
次に、添付した図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態を詳細に説明する。なお、下記説明には、類する素子が同じ番号で表示される。
【０００９】
第一の実施例
図４を参照する。図４に示すように、本発明の発行ダイオード光源システムに係わる第一の好適な実施例は、例えば、複数の発光ダイオードモジュール２、混光ユニット３、光均一化装置４及び集光レンズ群（Condenser  Lens）４３を含む。光均一化装置４は複数の第一のレンズ群４１及び第二のレンズ群４２を含む。
【００１０】
本実施例には、説明が三組の発光ダイオードモジュール２に基づいて行われる。それぞれのＬＥＤモジュール２は、アレイに配列される複数の発光ダイオード２１及び複数のダイオードレンズ２２を含み、且つ、三組の発光ダイオードモジュール２は、それぞれ、赤色光（Ｒ）、緑色光（Ｇ）及び青色光（Ｂ）を発する発光ダイオード２１を含む。そのうち、ダイオードレンズ２２は、高指向性のレンズであり、発光ダイオード２１からの発散光束を収束し平行化した後に射出させ、即ち、その光束をほぼ平行光のように発光ダイオードモジュール２から射出させる。
【００１１】
混光ユニット３は、本実施例において集光プリズム（X-cube）であり、三つの入光側３１及び一つの射出側３２を有し、該三つの入光側３１は、それぞれ、Ｒ、Ｇ及びＢのＬＥＤモジュール２に対応する。入光側３１は、それらのＬＥＤモジュール２からの光束をそれぞれ入射させ、そして、入射した光束は、混光ユニット３によって混光され射出側３２から射出する。なお、集光レンズは幅広く使用されているため、ここではそれについての説明を省略する。
【００１２】
本実施例において三組の第一のレンズ群４１は、それぞれ、各々の入光側３１と各々のＬＥＤモジュール２との間に設置され、ＬＥＤモジュール２からの光束を均一化してから混光ユニット３に入射させ混光させる。第二のレンズ群４２は、射出側３２に対応するように設置され、混光ユニット３から射出した光束を均一化してから集光レンズ群４３に入射させる。集光レンズ群４３は、第二のレンズ群４２の、射出側３２から離れる側に設置される。第一のレンズ群４１と第二のレンズ群４２は共に、レンズアレイ（Lens  Array）であり、且つ集光プリズムの周囲に対称的に設置される。
【００１３】
上述したＬＥＤモジュール２のそれぞれが発したＲ、Ｇ及びＢ光束はまず、第一のレンズ群４１を通過し、そして、入光側３１から混光ユニット３に入射する。そのうちの二つの色を有する二つの光束の伝播経路が混光ユニット３の中央部に偏向され、その他の一つの色を有する光束と混光された後に射出側３２から射出する。そして、射出した光束は順序に第二のレンズ群４２及び集光レンズ群４３に入射する。第一のレンズ群４１と第二のレンズ群４２は互いに合わせて光束を均一化し、集光レンズ群４３は混光された光束を集光光束に変換する。この三つの素子は、当業者にとってよく知られており、且つ幅広く使用されているので、ここでは、その説明を省略する。最後に、混光、均一化及び集光された光束は、ライトバルブ５に入射する。また、実際に設計されたシステムに応じてライトバルブ５の前に反射ミラー或いは全反射プリズム（Total  Internal  Reflection：TIR  Prism）を設置しても良いが、これに限ることがない。
【００１４】
以上は本発明の素子について紹介したが、以下は本発明の発光ダイオード光源システムを用いてＬＥＤの数とＬＥＤの長さとの最適な関係を算出することについて詳細に述べる。
【００１５】
図５を参照する。図５に示すように、それぞれの第一のレンズ群４１と第二のレンズ群４２は、複数の小さい凸レンズ４００をアレイに配列するように構成される。そのため、各々の小さい凸レンズ４００の焦点距離をｆｂとし、集光レンズ群４３の焦点距離をｆｃｒとすれば、拡大率ｍが次のようになる。
【００１６】
ｍ＝ｆｃｒ／ｆｂ    （１）
【００１７】
また、集光レンズ群４３の開口径をＤｃｒとすれば、集光レンズ群４３の絞り（Aperture  Value）Ｆｓが次のようになる。
【００１８】
Ｆｓ＝ｆｃｒ／Ｄｃｒ    （２）
【００１９】
数式（１）と数式（２）によれば、次の式が得られる。
【００２０】
Ｆｓ×Ｄｃｒ＝ｆｃｒ＝ｍ×ｆｂ    （３）
【００２１】
また、ライトバルブ５の対角線の長さをＤＤＭＤとし、且つ各々の小さい凸レンズ４００の対角長さをｌｌｅｎｓとすれば、拡大率ｍがｍ＝ＤＤＭＤ／ｌｌｅｎｓになり、この式を数式（３）に代入すれば、次の式が得られる。
【００２２】
Ｆｓ×Ｄｃｒ＝（ＤＤＭＤ／ｌｌｅｎｓ）×ｆｂ    （４）
【００２３】
図６を参照する。図６に示すように、入光側３１にある第一のレンズ群４１の小さい凸レンズ４００と、射出側３２にある第二のレンズ群４２の小さい凸レンズ４００との間の距離が焦点距離である。即ち、第一のレンズ群４１の小さい凸レンズ４００は、第二のレンズ群４２の小さい凸レンズ４００の焦点位置に位置する。そのため、第一のレンズ群４１の小さい凸レンズ４００から射出した光束は、第二のレンズ群４２の小さい凸レンズ４００に均一に入射することができる。そのうち、θは、ＬＥＤ２１が偏移した時にＬＥＤ２１から射出した光束の偏移角度であり、即ち、ＬＥＤ２１からの光束が小さい凸レンズ４００の光軸となす角度である。ＬＥＤ２１が上あるいは下へθ角偏移した時に、ＬＥＤ２１から射出した光束は第二のレンズ群４２の小さい凸レンズ４００に入射でき、小さい凸レンズ４００の中心点から一端までの距離がｆｂ×ｔａｎ（θ）になる。よって、対角長さは、ｆｂ×ｔａｎ（θ）の２倍であり、次の式で表示されることができる。
【００２４】
ｌｌｅｎｓ＝２×ｆｂ×ｔａｎ（θ）    （５）
【００２５】
式（４）と式（５）によれば、次の式が得られる。
【００２６】
Ｆｓ×Ｄｃｒ＝（ＤＤＭＤ）／（２×ｔａｎ（θ））    （６）
【００２７】
式（６）を整理すれば、次の式が得られる。
【００２８】
ｔａｎ（θ）＝（ＤＤＭＤ）／（２Ｄｃｒ×Ｆｓ）    （７）
【００２９】
また図６を参照する。ＬＥＤ２１は、発光ダイオードレンズ２２の焦点位置に設置され、即ち、ＬＥＤ２１と発光ダイオードレンズ２２との距離は、ダイオードレンズ２２の焦点距離である。そのため、ＬＥＤ２１から射出した光束は、発光ダイオードレンズ２２に均一に入射することができる。各々のＬＥＤ２１の対角線の長さをｄｌｅｄとし、各々のダイオードレンズ２２の焦点距離をｆｌｅｄとし、ＬＥＤ２１からの光束が光軸から偏移した角度を前記θと同様にすれば、ｔａｎ（θ）＝ｄｌｅｄ／２／ｆｌｅｄになり、即ち、ＬＥＤ２１の対角線長さの二分の一（即ち、ｄｌｅｄ／２）をｆｌｅｄで除して得た値がｔａｎ（θ）であるので、対角線長さｄｌｅｄがｄｌｅｄ＝２×ｆｌｅｄ×ｔａｎ（θ）になる。この式より次の式が得られる。
【００３０】
ｔａｎ（θ）＝ｄｌｅｄ／２ｆｌｅｄ    （８）
【００３１】
よって、次の式が得られる。
【００３２】
（ＤＤＭＤ）／（２Ｄｃｒ×Ｆｓ）＝ｄｌｅｄ／２ｆｌｅｄ    （９）
【００３３】
式（９）より次の式が得られる。
【００３４】
（ＤＤＭＤ）／（Ｄｃｒ×Ｆｓ）＝ｄｌｅｄ／ｆｌｅｄ    （１０）
【００３５】
さらに、図７と図５を参照する。ＬＥＤアレイの対角線方向に配列される各々のＬＥＤモジュール２のＬＥＤ２１の数をｎとし、各々のダイオードレンズ２２の長さをｌｌｅｄと定義すれば、且つ、Ｄｃｒ＝ｎ×ｌｌｅｄであるので、この式を式（１０）に代入して得た式が次のようになる。
【００３６】
（ＤＤＭＤ）／（ｎ×ｌｌｅｄ×Ｆｓ）＝ｄｌｅｄ／ｆｌｅｄ    （１１）
【００３７】
さらに式（１１）から次の式が得られる。
【００３８】
（ＤＤＭＤ）／（ｎ×Ｆｓ）＝ｄｌｅｄ×ｌｌｅｄ／ｆｌｅｄ    （１２）
【００３９】
そのうち、各々のダイオードレンズ２２の絞りが次の式で表示される。
【００４０】
Ｆｌｅｄ＝ｆｌｅｄ／ｌｌｅｄ    （１３）
【００４１】
式（１３）を式（１２）に代入して得た式が次のようになる。
【００４２】
（ＤＤＭＤ）／（ｎ×Ｆｓ）＝ｄｌｅｄ／Ｆｌｅｄ    （１４）
【００４３】
最後に、式（１４）から式（１５）が得られる。
【００４４】
ｎ×ｄｌｅｄ＝ＤＤＭＤ×Ｆｌｅｄ／Ｆｓ    （１５）
【００４５】
式（１５）によると、ライトバルブ５の対角線の長さＤＤＭＤ、ダイオードレンズ２２の絞りＦｌｅｄ及び集光レンズ群４３の絞りＦｓの三つのパラメータが先に決まったら、次の式が得られる。
【００４６】
ｎ×ｄｌｅｄ＝ｃｏｎｓｔａｎｔ    （１６）
【００４７】
そのうち、ｃｏｎｓｔａｎｔは常数であり、ｎ×ｄｌｅｄは、ライトバルブ５の対角線の長さＤＤＭＤ、ダイオードレンズ２２の絞りＦｌｅｄ及び集光レンズ群４３の絞りＦｓにより決まる常数である。
【００４８】
即ち、ＬＥＤ光源システムの設計において、ＬＥＤアレイの対角線方向に配列される各々のＬＥＤモジュール２のＬＥＤ２１の数ｎは、各々のＬＥＤ２１の対角線長さｄｌｅｄが常数である時に、ｄｌｅｄと反比例の関係を有する。ｎが決まれば、ｄｌｅｄが決まられる。ｎが大きければ大きいほどｄｌｅｄが小さい（図８を参照する）。ｎが小さければ小さいほどｄｌｅｄが大きい（図７を参照する）。また、式（１６）により算出されたｎが非整数であるときに、ｎに近い整数Ｎを実際のＬＥＤアレイの対角線方向に配列されるＬＥＤ２１の数とし、且つＮ−ｎの絶対値が１より小さくすることが最適である。
【００４９】
従って、設計者が異なるサイズのＬＥＤの発光効率に基づいてＬＥＤの必要な数を算出し、光源の使用効率を最大にすることができ、且つ、光源の使用効率が不足すること、あるいは、ＬＥＤが多すぎで浪費を招くことがない。
【００５０】
表１を参照する。表１は、式（１５）を用いてＬＥＤの光学出力をシミュレーションする評価データ表である。
【００５１】
表１
【００５２】
【表１】
0004584946.tif 000002
表１には、二種類のサイズのＤＭＤがリストされ、それぞれ、対角線長さが０．５５″（即ち１３．９７ｍｍ）及び０．８５″（即ち２１．５９ｍｍ）であり、ｄｌｅｄの単位がｍｍである。表１によると、Ｆｓ＝２．４、Ｆｌｅｄ＝０．５、ＤＤＭＤ＝０．８５″でアレイばＣｏｎｓｔａｎｔ＝４．５になり、ワット数の高い且つ発光面積が０．９ｍｍ×１．２ｍｍ、対角長さが１．５ｍｍであるＬＥＤを使用すればｎが約３になり、そのため、トータルで３×３＝９個のワット数の高いＬＥＤが設けられることができる。一つの緑色ＬＥＤ（サイズは０．９ｍｍ×１．２ｍｍである）は、電流が約３５０ｍＡで、正相電圧が約３．５Ｖで、消費電力が約１ワットであって、約５４ルーメンに達するので、九つの緑色ＬＥＤは、約４８５ルーメンに達する。また、緑光のルーメン値が白光のルーメン値の約６０％であるので、Ｒ、Ｇ及びＢの三つのＬＥＤは、約８００ルーメンに達する。さらに、システムの透過率が約１７．５％であることを考慮すれば、ＬＥＤから発した光束は、混光、均一化及び透過後の光束出力が約１４０ルーメンに達することができる。
【００５３】
また、式（１６）のｃｏｎｓｔａｎｔが常数であることを開示したが、実際に、ｎ×ｄｌｅｄ≧ｃｏｎｓｔａｎｔなら、ＬＥＤ光源システムの光束の出力量が最大ルーメン値に達することができ、しかし、この場合、一部のＬＥＤからの光束が浪費になる恐れがある。一方、ｎ×ｄｌｅｄ≦ｃｏｎｓｔａｎｔなら、ＬＥＤ光源システムの光束の出力量が最大ルーメン値に達しないので、システムの輝度が不足する恐れもある。また、常数ｃｏｎｓｔａｎｔより少し大きい、或いは、常数ｃｏｎｓｔａｎｔより少し小さい応用も本発明の範囲に属する。
【００５４】
ゆえに、式（１５）に基づいてＤＤＭＤ×Ｆｌｅｄ／Ｆｓにより常数ｃｏｎｓｔａｎｔを決めた後に、ｎがｄｌｅｄに反比例するので、ｎとｄｌｅｄを調整することによって発光ダイオード光源システムの光束の出力量を最適に達させることができる。よって、輝度不足或いは光源浪費の従来の光学システムに比較すれば、本発明の発光ダイオード光源システムは、最適な光学効率を有する。
【００５５】
本発明の発光ダイオード光源システムは、従来の光学システムが僅か１５ルーメンを提供することに対して、輝度を大幅に向上させることができる。また、本発明のＬＥＤは分散に配列され、放熱効果が良いので、ＬＥＤの輝度を維持しやすく、熱の累積によりＬＥＤの発光効率に影響を与えることがないため、ＬＥＤの放熱設計に余裕を持たせ、ＬＥＤの放熱問題を処理しやすくなる。また、サイズの小さいＬＥＤを使用すれば、ＬＥＤアレイにより多くのＬＥＤを配列することができるので、ＬＥＤ光源システムの発光効率を更によくさせることができ、輝度がより高くなる。更に、従来技術及び本発明による公式に基づいて最適なＬＥＤ（発光効率が最高となるサイズのＬＥＤ）を求め、輝度の最適化を行うことができる。
【００５６】
第二の実施例
図９を参照する。図９に示すように、本発明による発光ダイオード光源システムに係わる第二の好適な実施例は、複数の発光ダイオードモジュール２′、混光ユニット３′、光均一化装置４′及び集光レンズ群４３′（Ｃｏｎｄｅｎｓｅｒ  Ｌｅｎｓ）を含む。光均一化装置４′は、第一のレンズ群４１′及び第二のレンズ群４２′を含む。混光ユニット３′は、例えば集光レンズである。
【００５７】
上述した第一の好適な実施例との相違点は、本実施例において、第一のレンズ群４１′、第二のレンズ群４２′及び集光レンズ群４３′が射出側３２′の外にあって、即ち、射出側３２′からライトバルブ５′への方向に沿って順序に第一のレンズ群４１′、第二のレンズ群４２′及び集光レンズ群４３′を設置することにある。本実施例の第一レンズ群４１′、第二のレンズ群４２′及び集光レンズ群４３′は前述した実施例の配列位置と異なるが、当業者にとって両実施例は共に混光、均一化及び集光の効果をすることが明らかである。また、本実施例の光源システムは光源の投影方向において長くなるが、光均一化用レンズの数が少なくなるため、コストを削減することができる利点を有する。
【００５８】
第三の実施例
図１０を参照する。図１０に示すように、本発明による発光ダイオード光源システムに係わる第三の好適な実施例は、複数の発光ダイオード２′′、混光ユニット３′′、光均一化装置４′′及び集光レンズ群４３′′を含む。光均一化装置４′′は複数の第一のレンズ群４１′′と第二のレンズ群４２′′を含む。
【００５９】
前述した実施例との相違点は、ホワイトバランスおよびＲ、Ｇ、ＢのＬＥＤの実際の発光効率を考慮した上で、緑色ＬＥＤの使用数が赤色と青色ＬＥＤの数より多くならないとホワイトバランスに達することができないので、本実施例の混光ユニット３′′がバンドパスフィルター（Band  Pass  Filter）を採用することにある。バンドパスフィルターは、緑色光を通過させ、赤色光と青色光を反射し、また、発光ダイオードモジュール２′′の数もそれに対応し二組を分けて設計される。一つは、緑色光を発するＬＥＤアレイ(図面の左側にある)であり、もう一つは、赤色光と青色光を発するＬＥＤアレイ(図面の下側にある)である。好ましくは、赤色ＬＥＤと青色ＬＥＤをアレイにずれるように配列し、緑色光を発するＬＥＤモジュール２′′をバンドパスフィルターの入光側３１′′に配置することによって、バンドパスフィルターを通過した緑色光を入光側３１′′に対応する射出側３２′′から射出させ、また、ずれるように配列される赤色光と青色光を有するＬＥＤモジュール２′′をバンドパスフィルターのもう一つの入光側３１′′に設置し、バンドパスフィルターによって赤色光と青色光を射出側３２′′に反射し射出側３２′′から射出させることである。第一のレンズ群４′′の設置数がＬＥＤモジュール２′′に対応する必要があり、且つ第一のレンズ群４１′′が各々のＬＥＤモジュール２′′及びそれに対応する入光側３１′′の間に設置される。第二のレンズ群４２′′及び集光レンズ群４３′′が射出側３２′′の外に設けられ、Ｒ、Ｇ及びＢの混光を受けて均一化した後にライトバルブ５′′に入射させる。本実施例に使用される第一のレンズ群４１′′、第二のレンズ群４２′′及び集光レンズ群４３′′は、前述した実施例に用いられたものとの相違があまりないが、本実施例には、集光プリズムをバンドパスフィルターに取り替えることにより、コストを削減することができる。
【００６０】
第四の実施例
図１１を参照する。本発明による発光ダイオード光源システムに係わる第四の好適な実施例は、複数の発光ダイオードモジュール２′′′、混光ユニット３′′′、光均一化装置４′′′及び集光レンズ群４３′′′を含む。光均一化装置４′′′は、第一のレンズ群４１′′′及び第二のレンズ群４２′′′を含む。
【００６１】
前述した実施例との相違点は、本実施例が第二の実施例と第三の実施例の改良設計であることにある。そのうち、混光ユニット３′′は、緑色光を通過させて、赤色光と青色光を反射するバンドパスフィルターを採用し、且つ、第一のレンズ群４１′′′、第二のレンズ群４２′′及び集光レンズ群４３′′′は射出側３２′′′の外に位置し、すなわち、射出側から外への順序に第一のレンズ群４１′′′、第二のレンズ群４２′′′及び集光レンズ群４３′′′を設ける。
【００６２】
なお、第一の実施例には、式(１)と式(１６)に示すようにＬＥＤの数とサイズとの関係を詳細的に導出したので、第二から第四実施例のシステムにおける素子の配置が第一の実施例と少し異なるが発明のキーポイントが同じであるため、第二から第四実施例では、ＬＥＤの数とサイズとの関係の導出を省略する。言い換えると、第一の実施例に導出されたＬＥＤ数とサイズとの関係式は、すべての実施例に係わる光学システム構造に適用することができる。
【００６３】
ゆえに、本発明による発光ダイオード光源システムは、従来の発光ダイオード光源(一般的に約１５〜３０ルーメン)に比べ、輝度を大幅に向上(約１４０ルーメン)することができ、且つ、ＬＥＤが離れるように配列されるので、放熱の効果がよく、輝度を容易に維持することができる。さらに、本発明は、システムのライトバルブの対角線長さＤＤＭＤ、ダイオードレンズ２２の絞りＦｌｅｄ及び集光レンズ群４３の絞りＦｓなどのパラメータが決まった後に、発光ダイオードモジュール２の、対角線方向に配列される発光ダイオード２１の数ｎと発光ダイオード２１の対角線長さｄｌｅｄとが、ｎ×ｄｌｅｄ＝ｃｏｎｓｔａｎｔの関係を有し、すなわち、ｎとｄｌｅｄが反比例の関係(ｎが大きければ大きいほどｄｌｅｄが小さく、ｎが小さければ小さいほどｄｌｅｄが大きい)を有することが開示された。これにより、異なるサイズのＬＥＤに基づいて実際に必要となるＬＥＤの数を決定し、発光ダイオード光源システムの光学設計の最適化を実現することができる。
【００６４】
以上、本発明の好ましい実施形態を説明したが、本発明はこの実施形態に限定されず、本発明の趣旨を離脱しない限り、本発明に対するあらゆる変更は本発明の範囲に属する。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】従来の高圧ガス放電ランプの光源システムを示す図である。
【図２】従来の他の高圧ガス放電ランプの光源システムを示す図である。
【図３】従来の発光ダイオード光源システムを示す図である。
【図４】本発明の発光ダイオード光源システムに係わる第一の好適な実施例を示す図である。
【図５】第一のレンズ群と第二のレンズを示す図である。
【図６】発光ダイオード、ダイオードレンズ及び小さい凸レンズを示す図である。
【図７】ｎが小さければ小さいほどｄｌｅｄが大きいことを示す図である。
【図８】ｎが大きければ大きいほどｄｌｅｄが小さいことを示す図である。
【図９】本発明の発光ダイオード光源システムに係わる第二の好適な実施例を示す図である。
【図１０】本発明の発光ダイオード光源システムに係わる第三の好適な実施例を示す図である。
【図１１】本発明の発光ダイオード光源システムに係わる第四の好適な実施例を示す図である。
【符号の説明】
【００６６】
２  発光ダイオードモジュール
３  混光ユニット
４  光均一化装置
２１  発光ダイオード
２２  ダイオードレンズ
３１  入光側
３２  射出側
４１  第一のレンズ群
４２  第二のレンズ群
４３  集光レンズ群
５  ライトバルブ
２′  発光ダイオードモジュール
３′  混光ユニット
４′  光均一化装置
２′′  発光ダイオードモジュール
３′′  混光ユニット
４′′  光均一化装置
２′′′  発光ダイオードモジュール
３′′′  混光ユニット
４′′′  光均一化装置
３２′  射出側
４１′  第一のレンズ群
４２′  第二のレンズ群
４３′  集光レンズ群
３１′′  入光側
３２′′  射出側
４１′′  第一のレンズ群
４２′′  第二のレンズ群
４３′′  集光レンズ群
５′′  ライトバルブ
４００  小さい凸レンズ
３２′′′  射出側
４１′′′  第一のレンズ群
４２′′′  第二のレンズ群
４３′′′  集光レンズ群
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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