(57)【要約】【課題】複数個のＬＥＤチップを用いた場合における光利用効率を大幅に向上させることができ、プロジェクションディスプレイ装置の照明用光源として充分な明るさを確保する。【解決手段】リフレクタ１０は、放物面鏡の一部を有してなる左右２つの放物面鏡分割体１１Ａ、１１Ｂを組み合わせてなり、各放物面鏡分割体１１Ａ、１１Ｂは、放物面鏡を、その光軸に平行な平面で切断したような形状とされている。ＬＥＤチップ体２０は、例えば、カソードやアノード等の電極部からなるベース部２１の表裏に各々ＬＥＤチップ２２Ａ、２２Ｂを配設してなる。各ＬＥＤチップ２２Ａ、２２Ｂは、対応する放物面鏡分割体１１Ａ、１１Ｂの焦点位置に一致するように、かつ各ＬＥＤチップ２２Ａ、２２Ｂから出射される光の主発光方向がリフレクタ１０の光軸方向に垂直となるように配されている。【選択図】          図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数個のＬＥＤチップが同一のベース部の表裏に各々配設されてなるＬＥＤチップ体を、リフレクタの焦点位置近傍に設置したことを特徴とするＬＥＤ光源装置。
【請求項２】
前記リフレクタは、放物面鏡または楕円面鏡の外形形状の一部を構成する複数のリフレクタ分割体を、該リフレクタ分割体各々の焦点位置が互いにずれた位置に配されるようにして組み合わせてなり、前記複数個のＬＥＤチップの各々が、対応する該リフレクタ分割体の焦点位置近傍に配されていることを特徴とする請求項１記載のＬＥＤ光源装置。
【請求項３】
前記ＬＥＤチップ体は、２つのＬＥＤチップが互いに１８０度逆向きとなるように前記同一のベース部の表裏に配されてなり、これらのＬＥＤチップの主発光方向が前記リフレクタの光軸方向とは垂直となるように配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ＬＥＤ光源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プロジェクションディスプレイ装置（投写型表示装置）等に用いられるＬＥＤ光源装置に関し、詳しくは、プロジェクションディスプレイ装置等における照明光の利用効率の向上を図り得る光源の構造の改良に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、種々の光源装置にＬＥＤチップが用いられるようになってきている。
ＬＥＤチップは、その構成材料の多くが、屈折率（Ｎｄ）が２．６以上の高屈折率材料とされている。このため、ＬＥＤチップ（サブストレート）内の光は、このＬＥＤチップの内壁面において全反射を繰り返しつつ、あらゆる方向に放射される。したがって、ＬＥＤチップを開発する際には、このＬＥＤチップ（サブストレート）の形状を最適化し、効率的に外部に光が出射されるようにすることが基本的な課題となるものと考えられる。
【０００３】
ところで、近年注目を集めているプロジェクションディスプレイ装置（以下、プロジェクタとも称する）においても、ライトバルブ（液晶パネルやＤＭＤ等）を照明する光源として、上記ＬＥＤチップを用いたものへの要求が高まっているが、ＬＥＤチップは発光量が小さいことから、利用効率を大幅に向上させることが必須であり、そのために、指向性が強い光束を出射光束とする工夫が要求される。特に、ＬＥＤチップにおいては、基板の構成・形状などに応じ独特の配光分布を示すが、例えば２方向にピークを持つような配光分布のものではプロジェクタの光源として使用することが難しいので、このような点を考慮した構成のＬＥＤ光源とすることが重要である。より具体的には、発光領域をより小さくし、配光角も狭くすることが必要である。
【０００４】
このような点を考慮したプロジェクタ用の光源としては、ＬＥＤチップからなる発光領域を、放物面鏡等からなるリフレクタの焦点位置付近に配置し、ＬＥＤチップの発光面に垂直な方向がリフレクタの光軸と直交するように配置し、さらに、その前方に収束レンズを配置したものが知られている。この構成ではＬＥＤチップの発光面に垂直な方向への光束分布が最も大きくなるので、発光面に垂直に出射される光の略全部、および側方向に出射される光の２／３をリフレクタによって反射させ、リフレクタの光軸と平行に揃えて出射するようにしている。
【０００５】
しかし、これだけでは、プロジェクタ用光源として明るさが不足するので、下記特許文献１においては、複数個のＬＥＤチップが同一の方向を向くようにしてベース部上に配列している。
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−５３９４９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記公報記載のものでは、発光領域から直接外部に出射された光束と、リフレクタによって反射された光束は、互いに収束する位置が大幅に異なってくるため、光利用効率の大幅な向上にはつながっていない。
【０００８】
また、複数のＬＥＤチップを配列した場合にはその実装面積が大きくなるのに伴い、各ＬＥＤチップから放射される光束の内、小さい出射角度の光しか利用できず、これによっても光の利用効率を大幅に向上させることは難しい。
【０００９】
本発明はこのような事情に鑑みなされたものであり、複数個のＬＥＤチップを用いた場合の光利用効率を大幅に向上させることができ、プロジェクションディスプレイ装置に使用する照明用光源としての明るさを確保し得るＬＥＤ光源装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発のＬＥＤ光源装置は、複数個のＬＥＤチップが同一のベース部の表裏に各々配設されてなるＬＥＤチップ体を、リフレクタの焦点位置近傍に設置したことを特徴とするものである。
【００１１】
また、前記リフレクタは、複数のリフレクタ分割体を、各々の該リフレクタ分割体の焦点位置が互いにずれた位置に配されるようにして組み合わせてなり、前記複数個のＬＥＤチップの各々が、対応する該リフレクタ分割体の焦点位置近傍に配されていることが好ましい。
【００１２】
さらに、前記ＬＥＤチップ体は、２つのＬＥＤチップが互いに１８０度逆向きとなるように前記同一のベース部上に配されてなり、これらのＬＥＤチップの主発光方向が前記リフレクタの光軸方向とは垂直となるように配置されていることが好ましい。
【００１３】
なお、上記「表裏に」とは、互いに１８０度逆方向の関係を示すものに限られず、多角形状のベース部の場合には、その各面同士（例えば３角柱形状の場合は３つの各側面）の関係を含むものとする。
【００１４】
また、上記「ベース部」とは、ＬＥＤチップを搭載する基台の役目を負うものの総称であり、例えばカソード部やアノード部等の電極部がこれに相当し、さらには平面上にカソードやアノードの電極を実装する形式のものでは、その実装がなされた回路基板やＬＥＤチップのタイプによってはヒートシンク等がこれに相当する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明のＬＥＤ光源装置によれば、複数のＬＥＤチップをコンパクトに配置することができるとともに、リフレクタの共通化を図ることができるため、発光部を小さい領域内に集約することができ、より広い角度範囲に亘る出射光を利用することができる。
【００１６】
すなわち、上述した公報記載の技術においては、各ＬＥＤチップ単独の光利用効率は良好となるものの、ＬＥＤチップ毎にリフレクタを有する形状とされていることから、被照明領域に照射し得る光量が限られてしまうことになる。しかし、本願発明のものでは、発光部のコンパクト化を図るとともに、複数のＬＥＤチップについてリフレクタを共通化しているので、発光部を小さい面積とすることができることから、さらに、この発光部をリフレクタの焦点位置近傍に配置していることから、各ＬＥＤチップからの、広い角度範囲に亘る出射光を利用することができる。この結果、照明光として実際に使用し得る光量を大幅に増大させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の実施形態に係るＬＥＤ光源装置について図面を用いて説明する。
図１に示すように、本実施形態に係るＬＥＤ光源装置１００は、プロジェクションディスプレイ装置（投写型表示装置）の光源装置として用いられるものであり、リフレクタ１０内の所定位置にＬＥＤチップ体２０を配置収納してなるものである。なお、図２は、本実施形態に係るＬＥＤ光源装置１００を背面側から見た場合の概略図を示すものである。
【００１８】
上記リフレクタ１０は、放物面鏡の一部を有してなる左右２つの放物面鏡分割体１１Ａ、１１Ｂを組み合わせてなるものであり、各放物面鏡分割体１１Ａ、１１Ｂは、放物面鏡を、その光軸に平行な平面で切断したような形状とされ、このリフレクタ１０の開放端方向から見て、光軸を中心とした中心角θ１、θ２が、例えば図７に示すように２００〜２４０度程度となるように形成されたものである。
リフレクタ１０がこのように、半分より若干大きめの放物面鏡分割体１１Ａ、１１Ｂを組み合わせて構成されているため、リフレクタ１０内に、各放物面鏡分割体１１Ａ、１１Ｂの焦点が互いに所定距離だけ離間するようにして配されることになる。
【００１９】
一方、上記ＬＥＤチップ体２０は、例えば、カソードやアノード等の電極部からなるベース部２１の表裏（上下）に各々ＬＥＤチップ２２Ａ、２２Ｂを配設してなるものであり、各ＬＥＤチップ２２Ａ、２２Ｂとベース部２１との間にはワイヤ２３Ａ、２３Ｂが配されている。
なお、このＬＥＤチップ体２０はカソードリード上に全体を組み上げた後、カソードリードごと、リフレクタ１０の光軸通過領域に穿設された光軸穴から所定位置まで挿入される。
【００２０】
また、各ＬＥＤチップ２２Ａ、２２Ｂは、対応する放物面鏡分割体１１Ａ、１１Ｂの焦点位置に各々一致するように配されるとともに、各ＬＥＤチップ２２Ａ、２２Ｂから出射される光の主発光方向が内壁面方向であり、かつリフレクタ１０の光軸方向に垂直となるように配されている。
【００２１】
本実施形態に係るＬＥＤ光源装置１００においては、リフレクタ１０の焦点位置に各々配された各ＬＥＤチップ２２Ａ、２２Ｂから出射される光の主発光方向が上記のように設定されたことにより、ＬＥＤチップ２２Ａ、２２Ｂから出射された光の大部分がリフレクタ１０の内壁面である鏡面に照射され、この鏡面で反射され、光軸に対して平行性の高い光束とされてリフレクタ１０の開放端から外部に出射される。平行光束とされた出射光は、この後、図示されないレンズによって、液晶表示板（透過型および反射型）やＤＭＤ等からなるライトバルブ上に照射されることになる。
ところで、本実施形態装置においては、光源としてＬＥＤを用いている。
【００２２】
従来、プロジェクションディスプレイ装置（投写型表示装置）の光源としては、主として超高圧水銀ランプが使用されており、その他、劇場用等の大画面用としてはキセノンランプも使用されている。
【００２３】
このような一般のランプと、本実施形態装置で用いているＬＥＤとはそれぞれ長所短所があるので、優れているものに○を、劣っているものに×を付して互いに比較をした結果を下表に示す。
【００２４】
【表１】
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【００２５】
上述したように、ＬＥＤは超高圧水銀ランプやキセノンランプに比して、多くの利点を有しており、主として明るさの点においてのみ劣っていることになる。
【００２６】
しかしながら、プロジェクションディスプレイ装置の光源として使用する場合には、暗いという欠点を克服することが実用上必須である。
【００２７】
また、プロジェクションディスプレイ装置として使用するためには、光源からの光束を液晶表示板、ＤＭＤ等のライトバルブ上に効率よく照射する必要がある。すなわち、ライトバルブのパネルサイズは対角が0.6”〜0.9”で、アスペクト比が４：３または１６：９とされた矩形状をなしており、このサイズの空間に光束を通すことが要求される。
【００２８】
また、同時にライトバルブのパネルに入射する角度にも一定の制限が課されている。すなわち、例えば、表示面の背面側から光を照射するリア型のプロジェクションディスプレイ装置では、０．７”相当のパネルの場合、ＬＣＤではＦ
２．４（±１２°前後）の入射角であり、ＬＣＯＳではＦ ２．８（±１０．３°相当）の入射角であり、ＤＭＤではＦ２．４（±１２°相当）の入射角である。
【００２９】
このように、所定の小領域中に入射角度±１０°強で光を通すには、光源は、その発光領域のサイズを可能な限り小さくし、かつ高輝度とすることが肝要である。すなわち、発光領域自体が大きいと、それを０．７”相当のパネルに照射するために光束を収束しようとした場合、パネルへの入射角度が大きくなってしまい、結果的に発光領域から放射される光束の一部の角度成分しか利用することができないことになり、効率が悪く、明るい光源装置を得ることができない。
【００３０】
ところで、ＬＥＤを光源として使用する場合、前述したように１つのＬＥＤのみでは明るさが不足するという問題があることから、複数個のＬＥＤチップを組み合わせて光源を構成する必要があるが、単に複数個のＬＥＤチップを配列したのみでは、前述した特開２００４−５３９４９号公報に記載の従来技術のように、発光領域全体のサイズが大きくなって上述したような問題が生じてしまう。
【００３１】
そこで、本実施形態装置においては、前述したように、まず発光領域は、ベース部２１の表裏に各々ＬＥＤチップ２２Ａ、２２Ｂを配設してなるＬＥＤチップ体２０により構成することでコンパクト化を図るとともに、リフレクタ２０は開口端面がいわゆる瓢箪型となるように、放物面鏡の一部を有してなる左右２つの放物面鏡分割体１１Ａ、１１Ｂを組み合わせることにより構成している。これにより、複数個のＬＥＤチップからなるＬＥＤチップ体２０の発光領域を、コンパクト化することができるとともに、その発光領域を高輝度とすることができる。また、各放物面鏡分割体１１Ａ、１１Ｂの焦点位置は互いに離間して設けられているため、各焦点位置に、対応するＬＥＤチップ２２Ａ、２２Ｂを各々配設することが可能となり、さらに、各ＬＥＤチップ２２Ａ、２２Ｂからの光の主発光方向が、リフレクタ１０の光軸方向に垂直となるように、すなわち、該光の大部分がリフレクタ２０の内壁面に向けて照射されるように構成されているので、各ＬＥＤチップ２２Ａ、２２Ｂからの光の大部分がリフレクタ１０の光軸と平行となるように揃えられてリフレクタ２０から出力されることになる。
【００３２】
これにより、サイズの小さいライトバルブに対して、効率よく照射することができ、光利用効率を上げることができる。
【００３３】
なお、上記のような従来技術の問題は、エタンデュの問題（エタンデュ保存の法則）として知られている。
【００３４】
すなわち、面積ＳのパネルＯと、面積Ｓ´の光源Ｏ´の結像関係において、パネルＯへの入射角度の制限をΩ度（立体角）とすると、パネルＯと同じ面積Ｓの光源によっては光源から放射される光束のうち、出射角度Ω度（立体角）の範囲内の光束のみを利用することができるに過ぎない。図３に示すように、光源からの光束を、Ω度より小さいΩ’度（立体角）の範囲内において使用する場合には、利用できる光源の面積はＳよりも大きいＳ’となる。
【００３５】
これは、所定領域の面積と、そこを透過する光束の立体角との積の積分値（この積分値をエタンデュと称する）が結像関係では保存されるというエタンデュ保存の法則によるものである。
【００３６】
エタンデュが小さい（面積が小さく、かつ角度も狭い）と、明るい光束とすることが難しくなる。すなわち、エタンデュが小さい場合、パネル面積を小さくすると入射角度を小さくしなければならないため光束を効率よく照射することが困難となる。
【００３７】
ところが、近年、コスト低減の要請からライトバルブのパネルサイズが小さくなる傾向にあり、その一方、コントラスト比を高くするためにＦｎｏ．を小さく（角度を大きく）することができないため、エタンデュは小さくなる傾向にある。
【００３８】
このような事情から、光源としても、小さいエタンデュで出射光量の大きいものが強く求められている。
【００３９】
以上に説明したエタンデュの問題は、単にＬＥＤチップの数を増加しても、プロジェクションディスプレイ装置で必要とされる明るい光源を得ることはできないことを意味している。すなわち、ＬＥＤチップの数を２倍にして全光束の光量が２倍になったとしても、エタンデュが２倍になると、プロジェクションディスプレイ装置として利用できる明るさは増加しないことになる。
【００４０】
本実施形態装置によれば、このようなエタンデュの問題を、上述したように、ＬＥＤチップ体２０の構造およびリフレクタ１００の形状の両者を工夫することにより解決している。
【００４１】
また、各ＬＥＤチップのサブストレートの形状としては、種々の形状のものとすることが可能であるが、各ＬＥＤチップから出射された光の主発光方向が、なるべく発光面と垂直方向に集中させ得るような形状とすることが好ましい。図４に示すＬＥＤチップにおいては、アクティブ層（略発光面に一致）１５２を保持するサブストレート１４１が、小幅の平板状体１４１Ａ、断面台形状（上底が下底より大）の板状体１４１Ｂおよび大幅の平板状体１４１Ｃをこの順に積層一体化したような形状（逆テーパ型チップ）をなしている。このサブストレート１４１内の光線は、このサブストレート１４１の形成材料が高屈折率のもので構成される（通常、ｄ線に対する屈折率Ｎｄ≧2.6）ため、このサブストレート１４１の内壁面において全反射を繰り返し、最終的に、ＬＥＤチップ１２２Ａから出射された発光光束１５１が、発光面と垂直方向（図４では上方向：主発光方向）に集中して出射される。
【００４２】
図５は、図１に示す如き形状をなす実施形態装置における、光線軌跡を示す模式断面図である。図５によれば、リフレクタ１０から出射された光線の多くが、リフレクタ１０の光軸と平行に出射され、主発光方向の分布が大きくなっていることが明らかである。
【００４３】
また、図６は、ＬＥＤチップ体をリフレクタ１０Ａ、１０Ｂの焦点位置付近に配設した場合の各実施例について、出射された光線の軌跡を示すものである。ここで、図６（Ａ）は、図１に示す実施形態のものと略同様に、ＬＥＤチップの主発光方向が、リフレクタ１０Ａの光軸と直交するようにＬＥＤチップ体が配設された実施例１のＬＥＤ光源装置を示すものである。なお、図６（Ａ）においては、便宜上、一方のＬＥＤチップ２２Ａ（図中、上方向に配置されたＬＥＤチップ）からの光線軌跡のみが描かれている（図６（Ｂ）についても同様）。また、図６（Ｂ）は、実施例１の一部拡大図である。一方、図６（Ｃ）は、ＬＥＤチップの主発光方向が、リフレクタ１０Ａの光軸と平行となるようにＬＥＤチップ体が該光軸上に配設された実施例２のＬＥＤ光源装置を示すものである。
【００４４】
図６に示す２つの実施例においては、いずれも発行領域のサイズを小さくすることができ、かつ、リフレクタ１０Ａ、１０Ｂに照射された光束は、リフレクタ１０Ａ、１０Ｂの光軸に平行とされてリフレクタ１０Ａ、１０Ｂから出射されていくことになる。
【００４５】
しかしながら、リフレクタ１０Ａ、１０Ｂで反射された光とＬＥＤチップからの直接光とは収束位置等が互いに異なることから、プロジェクションディスプレイ装置の照明光としてこれら両者を同時に利用することは、実質的に困難である。
【００４６】
このような観点から検討してみると、実施例１のものでは、大部分の光束がリフレクタ１０Ａからの反射光となり、照明光として供し得ない、発散する直接光が比較的少ないのに対し、実施例２のものでは、照明光として供し得ない、発散する直接光が比較的多くなっており、実施例１のものの方が、光利用効率は高くなっている。
【００４７】
実際に、実施例２のものの光利用効率を１００％とした場合、実施例１のものの光利用効率は１１０％程度と１割程度上昇している。
【００４８】
なお、上述した実施形態装置において、ＬＥＤチップ２２Ａ、２２Ｂの直下に位置するベース部２１のサイズをできるだけ小さくする（ＬＥＤチップ設置面の面積をＬＥＤチップ底面のサイズに近づける）ことによって、ＬＥＤチップ２２Ａ、２２Ｂから、ベース部方向に出射される光束も効率良く利用することができる。
【００４９】
なお、本発明のＬＥＤ光源装置としては、上記実施形態のものに限られるものではなく、その他の種々の態様の変更が可能である。
【００５０】
例えば、ＬＥＤチップ体を構成するＬＥＤチップの数は２個に限られるものではなく、３個以上の数とすることも可能である。ＬＥＤチップの数が３個の場合にはベース部は例えば三角柱状となり、その側面の各々にＬＥＤチップが取り付けられる。なお、本願明細書においては、このように各ＬＥＤチップが多角柱の側面にそれぞれ配されるような態様のものも、「同一のベース部の表裏に各々配設され」に相当するものとする。
【００５１】
また、このように、ＬＥＤチップの数を３個とした場合には、それに応じて、リフレクタ分割体も３つとし、リフレクタとしては、この３つのリフレクタ分割体を、リフレクタ開放端側から見て、いわゆる３色パン形状に構成する。各ＬＥＤチップは、対応するリフレクタ分割体の焦点位置に配置されることになる。
【００５２】
また、図１に示す実施形態装置においては、２つのリフレクタ分割体が直接接続されるように構成されているが、各リフレクタ分割体の間に、各リフレクタ分割体の曲面形状とは異なる曲面を有する接続用リフレクタ分割体を介在させるようにしてもよい。この場合には、接続用リフレクタ分割体の焦点位置が、上記２つのリフレクタ分割体の焦点位置各々の中間に位置するように構成することが好ましい。
【００５３】
また、上記実施形態では、リフレクタの形状として、放物面鏡の一部を有してなる複数の放物面鏡分割体を組み合わせたものを用いているが、これに替えて楕円面鏡の一部を有してなる複数の楕円面鏡分割体を組み合わせたものを用いることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の実施形態に係るＬＥＤ光源装置の構成を表す正面方向からの概略斜視図
【図２】本発明の実施形態に係るＬＥＤ光源装置を表す背面方向からの模式図
【図３】エタンデュについて説明するための図
【図４】ＬＥＤチップ形状の一態様を示す図
【図５】本発明の実施形態に係るＬＥＤ光源装置における光線軌跡の一例を示す図
【図６】本発明の実施例１、２に係るＬＥＤ光源装置における光線軌跡を示す図
【図７】本発明の実施形態に係るＬＥＤ光源装置のリフレクタの開放端側の形状を説明するための図
【符号の説明】
【００５５】
１０、１０Ａ、１０Ｂ      リフレクタ
１１Ａ、１１Ｂ      リフレクタ分割体
２０      ＬＥＤチップ体
２１      ベース部
２２Ａ、２２Ｂ、１２２Ａ      ＬＥＤチップ
２３Ａ、２３Ｂ      ワイヤ
１００      ＬＥＤ光源装置
１４１      サブストレート
１５１      発光光束
１５２      アクティブ層
【図１】
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【図２】
2007207729.tif 000005
【図３】
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【図４】
2007207729.tif 000007
【図５】
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【図６】
2007207729.tif 000009
【図７】
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