(57)【要約】【課題】  ライトバルブ全体を効率よく照らすことができる照射装置、及び投射型表示装置を提供する。【解決手段】  光源（ＬＥＤ１）が発光素子をアレイ状に配してなる発光素子アレイからなり、個々の発光素子（ＬＥＤ１）から出射される光の照度分布をグラディエントフィルタ５により取り除き、照度分布が軽減された出射光を第一のレンズアレイ２及び第二のレンズアレイ３に入射することにより光源（ＬＥＤ１）の輝度むらを分散させて光変調手段（液晶板４）に入射することにより、液晶パネル等のライトバルブ上に照度分布を軽減し、かつライトバルブ全体を効率よく照らすことができる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の発光ダイオードからなる光源と、前記光源からの光を変調する光変調手段とを有する照明装置において、
前記各光源から出射される光をそれぞれ前記光変調手段の光変調領域全体に照射させる光拡散手段と、
前記光源と前記光拡散手段との間又は前記光拡散手段内部に、前記各光源の照度分布を打ち消す透過率分布を持ったグラディエントフィルタとを有することを特徴とする照明装置。
【請求項２】
前記光拡散手段は、複数のレンズをアレイ状に配列したフライアイレンズを一対有することを特徴とする請求項１記載の照明装置。
【請求項３】
前記グラディエントフィルタは、前記フライアイレンズの各レンズと１対１で対応していることを特徴とする請求項２記載の照明装置。
【請求項４】
前記グラディエントフィルタは、前記光拡散手段のいずれか一方のフライアイレンズの各レンズ面に、薄膜状に形成されていることを特徴とする請求項３記載の照明装置。
【請求項５】
前記グラディエントフィルタは、ガラス又はプラスチック材料からなり、
前記グラディエントフィルタの透過率は材料の厚み変化によって調整することを特徴とする請求項３又は４記載の照明装置。
【請求項６】
前記グラディエントフィルタには、厚み変化による光線の屈折作用を防止するために、補償板が接合されていることを特徴とする請求項５記載の照明装置。
【請求項７】
前記光源と前記光拡散手段との間に、前記光源の出射光を取り出す取り出しレンズ系が配置されていることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項記載の照明装置。
【請求項８】
前記光拡散手段と前記光変調手段との間に、少なくとも１枚のリレーレンズを有することを特徴とする請求項１から７のいずれか１項記載の照明装置。
【請求項９】
請求項１から８のいずれか１項記載の照明装置を有する投射型表示装置であって、
前記各光源は、光源単体で複数色の色光を出射し、
前記光変調手段は、前記光源から時間順次に出射される各色光の出射タイミングに同期して時分割駆動し、
前記光変調手段によって変調された光を投射する投射手段を有することを特徴とする投射型表示装置。
【請求項１０】
請求項１から８のいずれか１項記載の照明装置を有する投射型表示装置であって、
前記各光源は、光源単体では一色の色光を出射し、かつ出射する色光が互いに異なる三種類以上の光源からなり、
前記光変調手段は、前記光源から時間順次に出射される各色光の出射タイミングに同期して時分割駆動し、
前記光変調手段によって変調された光を投射する投射手段を有することを特徴とする投射型表示装置。
【請求項１１】
請求項１から８のいずれか１項記載の照明装置を備えた投射型表示装置であって、
前記各光源は、互いに異なる色の色光を出射可能な複数の面光源からなり、
前記光変調手段は、前記面光源から出射される各色光を変調し、
前記光変調手段により変調された色光を合成する色合成手段と、
前記色合成手段により合成された光を投射する投射手段とを有することを特徴とする投射型表示装置。
【請求項１２】
請求項１から８のいずれか１項記載の照明装置を備えた投射型表示装置であって、
前記光源は白色ＬＥＤであり、
前記光変調手段は、前記ＬＥＤから出射される白色光を複数の色に変換するカラーフィルタからなり、
前記光変調手段によって変調された光を投射する投射手段を有することを特徴とする投射型表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プロジェクタ装置等に用いる照明装置、および投射型表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ノートブック型パソコンに代表されるようなモバイル機器の小型・軽量化が進み、機器の持ち運びが簡便になり、プロジェクタを用いたプレゼンテーションが広く普及している。それに伴い、プロジェクタの小型・軽量化も進められている。
【０００３】
しかし、プロジェクタに通常利用されるハロゲンランプやメタルハライドランプなどの光源ランプは、比較的大型で重い。そのため、ハロゲンランプやメタルハライドランプに換わる光源ランプとして、発光ダイオード（Light Emitting Diode：以下、ＬＥＤとする）が利用されてきている。
【０００４】
ＬＥＤの開発は活発に行われており、ＬＥＤ素子の発光効率が急速に改良され、従来、最も発光効率が高いといわれている放電タイプの高圧水銀ランプや蛍光灯ランプの発光効率を越えると言われている。また、ＬＥＤは、一般的に長寿命、高発光効率、高耐久性、単色発光などの利点を有しており、多くの照明分野への応用が期待されている。
【０００５】
ＬＥＤを光源に用いたプロジェクタとしては以下の提案がなされている。
【０００６】
特許文献１では、光源と、該光源からの光を変調する光変調装置と、該光変調装置により変調された光を投射する投射レンズを備えた投射型表示装置であって、前記光源が複数の発光素子をアレイ状に配してなる発光素子アレイからなり、個々の発光素子から出射される光をそれぞれ前記光変調装置の光変調領域全体に照射させる光拡散手段を備えることにより、十分な輝度を確保して明るい画像が得られるとともに、投射型表示装置の小型化、軽量化、駆動電力の低減化を図った投射型表示装置が提案されている。
【０００７】
特許文献２では、発光色の異なる複数の半導体発光素子からなる複数の発光体と、前記複数の半導体発光素子を前記発光色毎に順次発光させて複数の出力光を時系列的に出射させる駆動手段と、前記複数の発光体から出射された前記複数の出力光を平行光に整形する整形光学系と、前記整形光学系からの前記平行光に前記発光色に対応する画像信号に応じた空間変調を施して複数の画像信号光を時系列的に出力する単一の空間光変調手段と、前記空間光変調手段からの前記複数の画像信号光をスクリーンに投影する投影光学系を有することにより、光利用効率が高く、かつ小型・低消費電力で光源寿命が長いプロジェクタ装置が提案されている。
【０００８】
特許文献３では、複数の発光ダイオードからなる光源と、該光源からの光源光によって照明され、入射した該照明光の偏向状態を変調する液晶ライトバルブと、該液晶ライトバルブから出射光を投射するための投射レンズとを備えた画像投射装置において、各前記発光ダイオードからの出射光を個別に偏向変換する偏向変換素子アレイを設けたことにより、高い光利用効率と小型の光学系を両立させた画像投射装置が提案されている。
【特許文献１】特開２００１−２４９４００号公報
【特許文献２】特開平１１−３２２７８号公報
【特許文献３】特開２００２−２４４２１１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、上記の発明は以下の問題を有している。
【００１０】
特許文献１記載の投射型表示装置では、発光素子の出射光を直接フライアイレンズに入射させている。また、特許文献２記載のプロジェクタ装置では、発光素子の出射光をマイクロレンズアレイによって整形しているものの、整形後は光束幅を絞っただけで、そのまま２次元マイクロ偏向ミラーアレイに導光している。
【００１１】
一般にＬＥＤの出射光は、出射角度ごとの強度が異なり、この強度分布は配光分布と呼ばれている。特許文献１及び２の構成を用いた場合、ＬＥＤの配光分布特性が、液晶パネルや２次元マイクロ偏向ミラーアレイ上で照度ムラとなって表れることは明白である。
【００１２】
仮に、特許文献１記載の投射型表示装置において、光源に砲弾型ＬＥＤを用い、出射光の指向性を高め光の発散度を下げる事で配光分布特性の影響を下げたとしても、フライアイレンズのＮＡが小さくなりすぎ、液晶パネル全体を照らすことができない。
【００１３】
また、特許文献３記載の画像投射装置は、光利用効率と小型化を目指しているが、照度ムラについては検討されていない。
【００１４】
つまり、ＬＥＤの発光効率が向上しているとはいえ、現在のところＬＥＤをプロジェクタ用光源に用いるには、ＬＥＤを複数個配列しなければ、Ａ３用紙程度の大きさのスクリーンを想定した場合に明るさ不足である。また、ＬＥＤを複数個用いるに関して、各ＬＥＤの出射光を効率良く利用する方法は種々考えられる。例えば、従来技術のフライアイレンズを流用し、フライアイレンズ中の各レンズと各ＬＥＤとをカップリングして２次光源を作る方式は非常に効率的である。しかし、フライアイレンズは、本来、光源光を複数に分割することで、光源の持つ配光分布特性によるライトバルブ面上での照度ムラを少なくするものである。よって、ＬＥＤとフライアイレンズとをカップリングする方法は、ライトバルブ面に光源光を導く方法としては問題無いが、フライアイレンズ本来の働きを行う事が無い。このため、単純にＬＥＤとフライアイレンズとをカップリングしただけでは、ＬＥＤの配光分布特性が照度ムラとなって、ライトバルブ上にそのまま現れてしまう。
【００１５】
ここで、従来の投射型表示装置の具体的な構成について図５を用いて説明する。従来の投射型表示装置は、３行３列のＬＥＤ１と、第１レンズアレイ２と、第２レンズアレイ３からなるものであり、これによって液晶板４を照らしている。図５に示すように、第１レンズアレイ２と第２レンズアレイ３はＬＥＤ１の出射光を受けて、各ＬＥＤ１の２次光源像を形成している。一般的に、このような手法を用いると、２次光源像それぞれが液晶板全体を照明することで、効率良くムラの少ない照明が行われる。しかし、個々のＬＥＤ１にレンズが取り付けられている砲弾型ＬＥＤでなければ、ＬＥＤ１の出射光は図５に示すようにＬＥＤ正面方向の放射強度が最も強く、正面から角度をなすにつれて徐々に弱くなる（ここではなす角のコサイン二乗にしたがって弱くなるものとする）。そのため、それぞれのＬＥＤ１が液晶面全体を照明しているため、ＬＥＤ１の配光分布（ここではコサイン二乗分布）がそのまま液晶面に重畳され、そのまま照度ムラとなり表れる。
【００１６】
そこで、本発明は、光源が発光素子をアレイ状に配してなる発光素子アレイからなり、個々の発光素子から出射される光の照度分布をグラディエントフィルタにより取り除き、照度分布がない出射光を光変調手段に入射することにより、液晶パネル等のライトバルブ上に照度分布を軽減し、かつライトバルブ全体を効率よく照らすことができる照射装置、及び投射型表示装置を提案することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
請求項１記載の発明は、複数の発光ダイオードからなる光源と、前記光源からの光を変調する光変調手段とを有する照明装置において、前記各光源から出射される光をそれぞれ前記光変調手段の光変調領域全体に照射させる光拡散手段と、前記光源と前記光拡散手段との間又は前記光拡散手段内部に、前記各光源の照度分布を打ち消す透過率分布を持ったグラディエントフィルタとを有することを特徴とする。
【００１８】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の照明装置において、前記光拡散手段は、複数のレンズをアレイ状に配列したフライアイレンズを一対有することを特徴とする。
【００１９】
請求項３記載の発明は、請求項２記載の照明装置において、前記グラディエントフィルタは、前記フライアイレンズの各レンズと１対１で対応していることを特徴とする。
【００２０】
請求項４記載の発明は、請求項３記載の照明装置において、前記グラディエントフィルタは、前記光拡散手段のいずれか一方のフライアイレンズの各レンズ面に、薄膜状に形成されていることを特徴とする。
【００２１】
請求項５記載の発明は、請求項３又は４記載の照明装置において、前記グラディエントフィルタは、ガラス又はプラスチック材料からなり、前記グラディエントフィルタの透過率は材料の厚み変化によって調整することを特徴とする。
【００２２】
請求項６記載の発明は、請求項５記載の照明装置において、前記グラディエントフィルタには、厚み変化による光線の屈折作用を防止するために、補償板が接合されていることを特徴とする。
【００２３】
請求項７記載の発明は、請求項１から６のいずれか１項記載の照明装置において、前記光源と前記光拡散手段との間に、前記光源の出射光を取り出す取り出しレンズ系が配置されていることを特徴とする。
【００２４】
請求項８記載の発明は、請求項１から７のいずれか１項記載の照明装置において、前記光拡散手段と前記光変調手段との間に、少なくとも１枚のリレーレンズを有することを特徴とする。
【００２５】
請求項９記載の発明は、請求項１から８のいずれか１項記載の照明装置を有する投射型表示装置であって、前記各光源は、光源単体で複数色の色光を出射し、前記光変調手段は、前記光源から時間順次に出射される各色光の出射タイミングに同期して時分割駆動し、前記光変調手段によって変調された光を投射する投射手段を有することを特徴とする。
【００２６】
請求項１０記載の発明は、請求項１から８のいずれか１項記載の照明装置を有する投射型表示装置であって、前記各光源は、光源単体では一色の色光を出射し、かつ出射する色光が互いに異なる三種類以上の光源からなり、前記光変調手段は、前記光源から時間順次に出射される各色光の出射タイミングに同期して時分割駆動し、前記光変調手段によって変調された光を投射する投射手段を有することを特徴とする。
【００２７】
請求項１１記載の発明は、請求項１から８のいずれか１項記載の照明装置を備えた投射型表示装置であって、前記各光源は、互いに異なる色の色光を出射可能な複数の面光源からなり、前記光変調手段は、前記面光源から出射される各色光を変調し、前記光変調手段により変調された色光を合成する色合成手段と、前記色合成手段により合成された光を投射する投射手段とを有することを特徴とする。
【００２８】
請求項１２記載の発明は、請求項１から８のいずれか１項記載の照明装置を備えた投射型表示装置であって、前記光源は白色ＬＥＤであり、前記光変調手段は、前記ＬＥＤから出射される白色光を複数の色に変換するカラーフィルタからなり、前記光変調手段によって変調された光を投射する投射手段を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２９】
本発明は、光源が発光素子をアレイ状に配してなる発光素子アレイからなり、個々の発光素子から出射される光の照度分布をグラディエントフィルタにより取り除き、照度分布がない出射光を光変調手段に入射することにより、液晶パネル等のライトバルブ上に照度分布を軽減し、かつライトバルブ全体を効率よく照らすことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下、本発明の一実施形態に係わる投射型表示装置の構成及び動作について説明する。
【００３１】
本実施形態に係わる投射型表示装置（図１に示す）は、３行３列のＬＥＤ１、第一レンズアレイ２、第二レンズアレイ３、及び液晶板４を有して構成される。また、第一レンズアレイ２の各レンズ上には、ＬＥＤ１の配向分布特性を打ち消すような透過率分布をもったグラディエント（ＮＤ）フィルタ５が設けられている。つまり、例えば、ＬＥＤ１の配向分布がランバード分布のようなものである場合、各ＬＥＤ１と第一レンズアレイ２との間に、中心から周辺に向かって透過率の上がる特性を持ったグラディエントフィルタ５により、第一レンズアレイ２の各レンズに入射する前に、上述の照度ムラの原因を取り除く。
【００３２】
また、ＬＥＤ１の出射光を効率良く取り出すには、ＬＥＤ１とカップリングするレンズの開口数（ＮＡ）が大きい事が望ましい。従来のフライアイレンズは、通常、平行光線が入射されることが想定された設計になっているので、ＬＥＤ１の出射光を効率良く取り出すことは困難である。また、フライアイレンズの設計を変更し、ＬＥＤ１の出射光の取り出し効率を上げる方法には、限界がある。このため、ＬＥＤ１と第一レンズアレイ２の間には、少なくとも１枚のＬＥＤ１の出射光を取り出すレンズ系（以下、カップリングレンズ系とする）を配置し、ＮＡの向上を図る事が望ましい。
【００３３】
本実施形態に係わる投射型表示装置は、図２に示すような透過率分布を持ったグラディエントフィルタ５を用いることで、ＬＥＤ１から発光された出射光の照度ムラを打ち消すものである。図１に示す投射型表示装置においては、第一レンズアレイ２の第１面（ＬＥＤ１側の面）にこのフィルタ膜を形成することによって、図１に示すように、照度ムラなく液晶板４を照らすことを実現している。
【００３４】
なお、上述の投射型表示装置でカラー表示を行う方法には、大別すると、ライトバルブを細工することによりカラー表示を行う方法と、光源を含んだ照明光学系で複数の色光を混合してカラー表示を行う方法とがある。
【００３５】
ライトバルブを細工する方法には、例えば、カラーフィルタを用いる方法や、一個のマイクロレンズに赤／緑／青の３個のサブピクセルを対応させる方法（テレビジョン学会技術報告VOL.19 , NO.8 ,IDY95-41）がある。しかし、ライトバルブに細工を加える方法は、明るさや解像度を犠牲にするものである。
【００３６】
光源を含んだ照明光学系で複数の色光を混合する方法としては、赤／緑／青それぞれのチップを一つの素子中に含んだＬＥＤを用いる方法や、赤／緑／青それぞれの色を出射するＬＥＤを配列し、ライトバルブ上で混色する方法や、赤／緑／青、各色のＬＥＤごとに配列し、赤色の面光源、緑色の面光源、青色の面光源を作り、それぞれの出射光をプリズム等で混色する方法がある。
【００３７】
なお、本実施形態に係わる投射型表示装置には、ＬＥＤから時間順次に出射される各色光の出射タイミングに同期して時分割駆動するライトバルブを用いた。
【００３８】
次に、第二の実施形態に係わる投射型表示装置の構成及び動作について説明する。
【００３９】
本実施形態に係わる投射型表示装置（図３に示す）は、５行５列のＬＥＤ１、各ＬＥＤ１に対応するカップリングレンズ６、第一レンズアレイ（グラディエントフィルタ膜５付き）２と、第二レンズアレイ３と、リレーレンズ７と、フィールドレンズ８と、液晶板９とを有して構成される。
【００４０】
第一の実施形態においても説明したように、フライアイレンズのみでＬＥＤ１から発光された出射光を効率よく取り出すことは困難である。そこで、本実施形態においては、ＬＥＤ１と第一レンズアレイ２との間にＬＥＤ１からの出射光を取り出すカップリングレンズ６を配置することにより、ＮＡを向上させている。
【００４１】
また、第一の実施形態において第二レンズアレイ３と一体化されていたリレーレンズ７とをと分割し、さらに液晶板４近傍にフィールドレンズ８を配置することにより、リレーレンズ７とフィールドレンズ８とからなるレンズ系の収差を低減した。この収差が大きいと、２次光源像を液晶板４に導く際に、光利用効率を下げ、更には照度ムラの原因となる。
【００４２】
また、グラディエントフィルタ５は、フィルタ膜の代わりに、図４に示す吸収タイプのグラディエントフィルタを用いてもよい。図４の斜線を引いて示した凸レンズのように、厚みを変化させることで所望の透過率分布を得ることができる。ただし、フィルタ内での屈折を防止するために、図４に示した凹レンズのような補償板を用いることが望ましい。なお、補償板の屈折率は凸レンズと同じであり、また凹レンズの曲率と凸レンズの曲率とは同じである。
【００４３】
以上に説明した照明光学系に投影光学系を組み合わせることによって、小型で省エネエネルギーであり、なおかつ照度ムラの少ない投射型表示装置を構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本実施形態に係わる投射型表示装置の構成を示す図である。
【図２】本実施形態に係わる投射型表示装置に用いたグラディエントフィルタの透過率分布を示す図である。
【図３】本実施形態に係わる投射型表示装置の構成を示す図である。
【図４】吸収タイプのグラディエントフィルタの概略図である。
【図５】従来の投射型表示装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００４５】
１    ＬＥＤ
２    第一のレンズアレイ
３    第二のレンズアレイ
４    液晶板
５    グラディエントフィルタ
６    カップリングレンズ
７    リレーレンズ
８    フィールドレンズ
【図１】
2007072172.tif 000003
【図２】
2007072172.tif 000004
【図３】
2007072172.tif 000005
【図４】
2007072172.tif 000006
【図５】
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