(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
赤色光源と、緑色光源と、青色光源と、これら３つの光源が出射した三原色の光を合成し出射する映像表示手段と、前記映像表示手段が出射した光を投射する投射手段とを有する光学エンジンにおいて、
赤色発光ダイオードと、
緑色発光ダイオードと、
白色発光ダイオードと、
緑色発光ダイオードから出射される光の中心波長よりも短い第１の所定波長で光を分離する第１のダイクロイックミラーと、
緑色発光ダイオードから出射される光の中心波長よりも長い第２の所定波長で光を分離する第２のダイクロイックミラーとを備え、
前記白色発光ダイオードの出射光を第１のダイクロイックミラーに照射し、第１の所定波長以下の成分を分離して前記青色光源から出射される青色光とし、
前記白色発光ダイオードの出射光のうち第１の所定波長以上の成分を第２のダイクロイックミラーに照射し、第２の所定波長以下の成分を分離するとともに、緑色発光ダイオードの出射光を第２のダイクロイックミラーに照射し、第２の所定波長以上の成分を分離し、これらを重ね合わせて前記緑色光源から出射される緑色光とし、
前記赤色発光ダイオードの出射光を前記赤色光源から出射される赤色光とすることを特徴とする光学エンジン。
【請求項２】
前記映像表示手段は、前記赤色光源からの光が照射される赤色画像用液晶パネルと、
前記緑色光源からの光が照射される緑色画像用液晶パネルと、
前記青色光源からの光が照射される青色画像用液晶パネルと、
これらを通過した光を合成し前記投射手段に入射させる３色合成用ダイクロイックプリズムと、を備えることを特徴とする請求項１に記載の光学エンジン。
【請求項３】
前記第１の所定波長は波長５００ｎｍであることを特徴とする請求項１または２に記載の光学エンジン。
【請求項４】
前記第２の所定波長は波長５５０ｎｍであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の光学エンジン。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プロジェクター等に用いられる光学エンジンに関し、特に発光ダイオードを光源とする光学エンジンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、液晶プロジェクター等に用いられる光学エンジンとしては、超高圧水銀ランプを光源とするフルカラーの光学エンジンが知られている。また最近では、３色の発光ダイオード（ＬＥＤ）を光源とする光学エンジンの開発が進んでいる。
【０００３】
図６に示すように、ＬＥＤを用いた光学エンジン１では、フルカラー表示のために光の３原色、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）のそれぞれに対応した３種類のＬＥＤを用いている。通常、光量を確保するため、ひとつの色毎に多数個の同色ＬＥＤを搭載してモジュール化して用いる。赤色ＬＥＤは赤色ＬＥＤモジュール２Ｒ、緑色ＬＥＤは緑色ＬＥＤモジュール２Ｇ、青色ＬＥＤは青色ＬＥＤモジュール２Ｂとしてそれぞれ一体化している。
なお波長域の異なる複数種類のＬＥＤの発光をダイクロイックミラーでスペクトル合成し、光量を確保する方法も提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
図６で、まず各色の光は偏光変換パネル３等を介して、ＲＧＢの各色専用に設けた映像表示素子である液晶パネル６Ｒ、６Ｇ、６Ｂに入射する。ここで、３原色の光それぞれに対して所定の映像情報を与え、７に出射する。色画像合成プリズム（３色合成用ダイクロイックプリズム）７はＲＧＢ３色の光を合成する。合成した光は投射レンズ８を介してスクリーン（図示せず）に投射されるようになっている。なお、符号５は偏光板、符号４はフィールドレンズを示す。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１３−４２４３１号公報（第３−４頁、第１図）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、一般的なＲＧＢ３種類のＬＥＤを用いて自然な白色を得るためには、緑色ＬＥＤの光量が他の２色に比べて不足している。加えて緑色の発光波長が緑色領域の短波長側（ピーク波長約５３０ｎｍ）に偏っているため、ホワイトバランスを適正に保てないという問題があった。
特許文献１の波長域の異なる複数種類のＬＥＤの発光をスペクトル合成する方法であっても、緑色領域の長波長側で十分強く発光するＬＥＤの開発が遅れており、長波長側への波長シフトは困難であった。
【０００７】
本発明の課題は、フルカラーのＬＥＤを用いた光学エンジンにおいて、緑色光源の光量を上げかつ波長を長波長側にシフトさせることで、演色性を改善し白バランスを適切に保つことにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
以上の課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、例えば図１に示すように、赤色光源(赤色ＬＥＤモジュール１２Ｒ)と、緑色光源(緑色ＬＥＤモジュール１２Ｇ)と、青色光源(青色ＬＥＤモジュール１２Ｂ)と、これら３つの光源が出射した三原色の光を合成し出射する映像表示手段（２０）と、前記映像表示手段が出射した光を投射する投射手段（３０）とを有する光学エンジン（１０）において、赤色発光ダイオードと、緑色発光ダイオードと、白色発光ダイオードと、緑色発光ダイオードから出射される光の中心波長よりも短い第１の所定波長で光を分離する第１のダイクロイックミラーと、緑色発光ダイオードから出射される光の中心波長よりも長い第２の所定波長で光を分離する第２のダイクロイックミラーとを備え、前記白色発光ダイオードの出射光を第１のダイクロイックミラーに照射し、第１の所定波長以下の成分を分離して前記青色光源から出射される青色光とし、前記白色発光ダイオードの出射光のうち第１の所定波長以上の成分を第２のダイクロイックミラーに照射し、第２の所定波長以下の成分を分離するとともに、緑色発光ダイオードの出射光を第２のダイクロイックミラーに照射し、第２の所定波長以上の成分を分離し、これらを重ね合わせて前記緑色光源から出射される緑色光とし、前記赤色発光ダイオードの出射光を前記赤色光源から出射される赤色光とすることを特徴とする。
【０００９】
請求項１に記載の発明によれば、白色発光ダイオードの出射光を第１のダイクロイックミラーに照射し、緑色発光ダイオードから出射される光の中心波長よりも短い第１の所定波長以下の成分を分離して前記青色光源から出射される青色光とし、白色発光ダイオードの出射光のうち第１の所定波長以上の成分を第２のダイクロイックミラーに照射し、第２の所定波長以下の成分を分離するとともに、緑色発光ダイオードの出射光を第２のダイクロイックミラーに照射し、第２の所定波長以上の成分を分離し、これらを重ね合わせて前記緑色光源から出射される緑色光とすることにより、緑色発光ダイオードの光量に白色ダイオードの光量の一部を合わせることができるので、従来の緑色発光ダイオードのみの緑色光源よりも緑色の全体光量を上げることができる。その理由は、緑色発光ダイオードの出射光の波長は通常適正な緑色領域の短波長側に偏っているので、白色発光ダイオードの出射光に含まれる緑色領域の長波長側の成分を、第２のダイクロイックミラーを用いて重ね合わせることができるからである。よって従来の緑色発光ダイオードのみの緑色光源と比較して緑色光の長波長側の成分を増やすことができる。したがって、演色性を改善しホワイトバランスを適切に保つ光学エンジンとすることができる。
さらに、白色発光ダイオードを青色光源としても使用するので、光学エンジンの構成を簡略化できる。
【００１０】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の光学エンジンにおいて、前記映像表示手段は、前記赤色光源からの光が照射される赤色画像用液晶パネルと、前記緑色光源からの光が照射される緑色画像用液晶パネルと、前記青色光源からの光が照射される青色画像用液晶パネルと、これらを通過した光を合成し前記投射手段に入射させる３色合成用ダイクロイックプリズムと、を備えることを特徴とする。
【００１１】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の光学エンジンにおいて、前記第１の所定波長は波長５００ｎｍであることを特徴とする。
【００１２】
請求項４に記載の発明は、請求項１〜３いずれか一項に記載の光学エンジンにおいて、前記第２の所定波長は波長５５０ｎｍであることを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
図１に示すように、本発明の実施の形態に示す光学エンジン１０は、３つの光源部１１Ｒ、４１Ｇ、４１Ｂ、映像表示手段２０、投射レンズ３０（投射手段）等から概略構成されている。
【００１４】
赤色光源部１１Ｒ、緑色光源部１１Ｇ、青色光源部１１Ｂは、Ｒ(赤)、Ｇ(緑)、Ｂ(青)の３原色の光をそれぞれ直線偏光に変換して、映像表示手段２０を照明するものである。
【００１５】
赤色光源部１１Ｒは赤色ＬＥＤモジュール１２Ｒ、偏光変換パネル１３、フィールドレンズ１４からなる。赤色ＬＥＤモジュール１２Ｒは図２に示された発光スペクトルＲを示す赤色ＬＥＤを複数個搭載してなるモジュールであり、ピーク波長は約６３０ｎｍである。偏光変換パネル１３は赤色ＬＥＤモジュール１２Ｒの発光側に配置され、赤色ＬＥＤモジュール１２Ｒから入射した光を所定方向の直線偏光に変換する周知の素子である。フィールドレンズ１４は断面の大きな入射光を、映像表示手段２０のより狭い入射面に絞り込むもので、偏光変換パネル１３から入射した光を映像表示手段２０へ出射する。
【００１６】
青色光源部４１Ｂは白色ＬＥＤモジュール１２Ｗ、偏光変換パネル１３、フィールドレンズ１４、ダイクロイックミラー１５ｂとからなり、映像表示手段２０の青色画像用液晶パネル２２Ｂに対向するように配置する。
【００１７】
白色ＬＥＤモジュール１２Ｗは発光スペクトルＷを示す白色ＬＥＤを複数個搭載してなるモジュールであり、ピーク波長は約４６０ｎｍに加え、やや弱くなだらかなピークが約５６０ｎｍにある。偏光変換パネル１３及びフィールドレンズ１４は前述の通りで、白色ＬＥＤモジュール１２Ｗの出射光は偏光変換パネル１３を透過し、フィールドレンズ１４を介しダイクロイックミラー１５ｂへ入射する。
【００１８】
ダイクロイックミラー１５ｂは図５で示すように、入射角(θ)４５°において、波長約５００ｎｍ以下の光の成分は透過するが、波長約５００ｎｍ以上の光の成分は反射する。ダイクロイックミラー１５ｂは白色ＬＥＤモジュール１２Ｗからの入射光に対して４５°の角度となるように配置する。
【００１９】
白色ＬＥＤモジュール１２Ｗの出射光のうち波長約５００ｎｍ以下の青色光の成分はダイクロイックミラー１５ｂを透過し、青色画像用液晶パネル２２Ｂへ出射する。また波長約５００ｎｍ以上の光の成分はダイクロイックミラー１５ｂで反射され、リレーレンズ１８ａを介し反射ミラー１７へ出射する。
【００２０】
反射ミラー１７は、ダイクロイックミラー１５ｂの反射光に対して４５°の角度となり、リレーレンズ１８ｂを介して反射光を緑色光源部４１Ｇのダイクロイックミラー１５ａへ４５°の角度で入射するように配置する。
【００２１】
緑色光源部４１Ｇは、緑色ＬＥＤモジュール１２Ｇ、偏光変換パネル１３、フィールドレンズ１４、ダイクロイックミラー１５ａ及び光ダンパー１６とからなり、映像表示手段２０の緑色画像用液晶パネル２２Ｇに対向するように配置する。
【００２２】
緑色ＬＥＤモジュール１２Ｇは図２に示された発光スペクトルＧを示す緑色ＬＥＤを複数個搭載してなるモジュールであり、ピーク波長は約５２５ｎｍである。緑色ＬＥＤモジュール１２Ｇの出力光は偏光変換パネル１３を透過し、フィールドレンズ１４を介しダイクロイックミラー１５ａへ入射する。
【００２３】
ダイクロイックミラー１５ａは図３で示すように、入射角（θ）４５°において、波長５５０ｎｍ以下の光の成分は透過し、波長５５０ｎｍ以上の光の成分は反射する。ダイクロイックミラー１５ａは緑色ＬＥＤモジュール１２Ｇからの出射光、及び反射ミラー１７からの反射光それぞれに対して４５°の角度となり、かつ緑色ＬＥＤモジュール１２Ｇから出射しダイクロイックミラー１５ａを透過した光と、反射ミラー１７からの反射光でダイクロイックミラー１５ａでさらに反射した光とが重なるように配置する。
光ダンパー１６は反射ミラー１７で反射された光の光軸上で、ダイクロイックミラー１５ａの反射ミラー１７に対し反対側に配置する。光ダンパー１６は緑色ＬＥＤモジュール１２Ｇからの出射光のうちダイクロイックミラー１５ａで反射した波長５５０ｎｍ以上の光の成分、及び反射ミラー１７からの反射光のうちダイクロイックミラー１５ａを透過した波長約５００ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の光の成分を吸収する。
【００２４】
緑色ＬＥＤモジュール１２Ｇから出射した光のうち波長５５０ｎｍ以下の成分はダイクロイックミラー１５ａを透過し、映像表示手段２０へ出射する。一方、波長５５０ｎｍ以上の成分はダイクロイックミラー１５ａで反射し光ダンパー１６へ吸収される。
また白色ＬＥＤモジュール１２Ｗから出射され、ダイクロイックミラー１５ｂで反射され、リレーレンズ１８ａを介し反射ミラー１７で反射されダイクロイックミラー１５ａに出射された波長約５００ｎｍ以上の光のうち波長５５０ｎｍ以下の成分はダイクロイックミラー１５ａを透過し光ダンパー１６へ吸収される。一方、波長５５０ｎｍ以上の成分はダイクロイックミラー１５ａで反射し映像表示手段２０へ出射する。
したがって、緑色光源部４１Ｇの出射光のスペクトル分布は図４に示す様になる。これは従来例のもの（図２の緑色光のスペクトルＧ）と比べ、緑色領域の長波長成分が増え、より自然な緑色のスペクトルに近い分布となっている。
【００２５】
映像表示手段２０は光源部１１Ｒ、４１Ｇ、４１Ｂから入射した３色の光を投射レンズ３０に出射するために設けられるもので、液晶パネル２２Ｒ、２２Ｇ、２２Ｂ、３色合成用ダイクロイックプリズム２３等を備える。液晶パネル２２Ｒ、２２Ｇ、２２Ｂそれぞれの入射側に設けられている偏光板２１は入射光の所定方向の直線偏光のみを透過するもので、コントラストが改善される。
赤色画像用液晶パネル２２Ｒ、緑色画像用液晶パネル２２Ｇ、青色画像用液晶パネル２２Ｂは映像表示素子であり、偏光板２１から入射した直線偏光の方向を、画素毎に印加された電圧により回転させ透過率を制御することにより、所定の映像情報を与え、３色合成用ダイクロイックプリズム２３へ出射する。
３色合成用ダイクロイックプリズム２３は液晶パネル２２Ｒ、２２Ｇ、２２Ｂから入射したＲＧＢ３色の光を合成し、投射レンズ３０へ出射する。
【００２６】
投射レンズ３０は、映像表示手段２０から入射した光をスクリーン（図示せず）上に拡大投射する。
【００２７】
次に、光学エンジン４０における光の進み方を説明する。赤色光源部１１Ｒにおいて、赤色ＬＥＤモジュール１２Ｒから出射した赤色光は、偏光変換パネル１３で所定方向の直線偏光に変換される。ここであらかじめ照明光を所定方向の直線偏光にそろえると光利用効率が飛躍的に向上する。偏光変換パネル１３から出射した赤色光はフィールドレンズ１４を介し映像表示手段２０へ入射する。
映像表示手段２０へ入射した赤色光は、偏光板２１を透過し、赤色画像用液晶パネル２２Ｒへ入射する。液晶パネル２２Ｒでは赤色光に映像情報を与える。映像情報を与えられた赤色光は、３色合成用ダイクロイックプリズム２３へ入射する。
【００２８】
青色光源部４１Ｂにおいて、白色ＬＥＤモジュール１２Ｗから出射した光は偏光変換パネル１３を透過し、フィールドレンズ１４を介しダイクロイックミラー１５ｂに入射する。ダイクロイックミラー１５ｂへの入射光のうち、波長約５００ｎｍ以下の光の成分は透過し、青色画像用液晶パネル２２Ｂで映像情報を与えられ、３色合成用ダイクロイックプリズム２３へ入射する。
【００２９】
ここで、白色ＬＥＤモジュール１２Ｗの波長５００ｎｍ以下の発光スペクトル(図２のＷ)は青色ＬＥＤモジュール１２Ｂの発光スペクトル(図２のＢ)に近似している。このためダイクロイックミラー１５ｂを透過した白色ＬＥＤモジュール１２Ｗの光を青色画像用液晶パネル２２Ｂの照明に用いることにより青色ＬＥＤモジュール１２Ｂの役割を果たすことができる。
【００３０】
一方、白色ＬＥＤモジュールの出射光のうち、波長約５００ｎｍ以上の光の成分はダイクロイックミラー１５ｂで反射し、リレーレンズ１８ａを介しさらに反射ミラー１７で反射した後、もう１つのリレーレンズ１８ｂを介して緑色光源部４１Ｇのダイクロイックミラー１５ａへ入射する。反射ミラー１７からの反射光のうち、波長５５０ｎｍ以下の光の成分はダイクロイックミラー１５ａを透過し、光ダンパー１６に吸収され、波長５５０ｎｍ以上の光の成分はダイクロイックミラー１５ａで反射し、緑色画像用液晶パネル２２Ｇを照明する。
【００３１】
緑色ＬＥＤモジュール１２Ｇより出射した光は偏光変換パネル１３を透過し、フィールドレンズ１４を介しダイクロイックミラー１５ａに入射する。ダイクロイックミラー１５ａに入射した緑色光のうち、波長５５０ｎｍ以上の光の成分は反射し光ダンパー１６に吸収され、波長５５０ｎｍ以下の光の成分のみが透過し、映像表示手段２０へ入射する。
【００３２】
したがって、緑色光源部４１Ｇの出射光は緑色ＬＥＤモジュール１２Ｇの出射光の波長５５０ｎｍ以下の成分と白色ＬＥＤモジュール１２Ｗの出射光の波長５５０ｎｍ以上の成分とを重ね合わせたものとなる。
【００３３】
ここで、図２からわかるように、緑色ＬＥＤモジュール１２Ｇの出射光のスペクトル（図２のＧ）は波長５５０ｎｍ以上の成分が少なく、白色ＬＥＤモジュール１２Ｗの出射光のスペクトル（図２のＷ）は波長５５０ｎｍ以上の成分が多い。このため、緑色ＬＥＤモジュール１２Ｇの出射光の波長５５０ｎｍ以下の成分と白色ＬＥＤモジュール１２Ｗの出射光の波長５５０ｎｍ以上の成分とを重ね合わせた緑色光源部１１Ｇの出射光の光量は、緑色ＬＥＤモジュール１２Ｇ単独の出射光の光量よりも多くなる。
【００３４】
また緑色光源部１１Ｇの出射光のスペクトルは白色ＬＥＤモジュールの出射光の波長５５０ｎｍ以上の成分を含むので、得られた緑色光源部１１Ｇからの出射光のスペクトル分布は図４に示す様になる。従来例の緑色ＬＥＤモジュールのみのスペクトル（図２のＧ）と比べ、緑色領域の長波長成分が増え、より自然な緑色のスペクトルに近い分布となっている。
【００３５】
映像表示手段２０へ入射した緑色光は、偏光板２１を透過し、緑色画像用液晶パネル２２Ｇへ入射する。液晶パネル２２Ｇでは緑色光に映像情報を与える。映像情報を与えられた緑色光は、３色合成用ダイクロイックプリズム２３へ入射する。
３色合成用ダイクロイックプリズム２３に入射したＲＧＢ３色の光は合成されフルカラーの画像となり投射レンズ３０に入射し、投射レンズ３０からスクリーン（図示せず）に投射される。
【００３６】
以上の光学エンジン４０によれば、白色ＬＥＤモジュール１２Ｗの出射光の波長約５００ｎｍ以下の成分を青色光源部４１Ｂの出射光としたので、青色光源部４１Ｂから青色ＬＥＤモジュール１２Ｂを省略することができ、装置を簡略化することができる。
【００３７】
また緑色ＬＥＤモジュール１２Ｇの出射光の波長５５０ｎｍ以下の成分と白色ＬＥＤモジュール１２Ｗの出射光の波長５５０ｎｍ以上の成分とを重ね合わせ緑色光源部４１Ｇの出射光としたので、緑色ＬＥＤモジュール１２Ｇのみを用いた従来の緑色光源よりも波長が長波長側にシフトし、かつ光量の多い緑色光源が得られる。これにより自然に近い演色性を持ちホワイトバランスのよいフルカラーの光学エンジンが得られる。
【００３８】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明によれば、白色発光ダイオードの出射光を第１のダイクロイックミラーに照射し、緑色発光ダイオードから出射される光の中心波長よりも短い第１の所定波長以下の成分を分離して前記青色光源から出射される青色光とし、白色発光ダイオードの出射光のうち第１の所定波長以上の成分を第２のダイクロイックミラーに照射し、第２の所定波長以下の成分を分離するとともに、緑色発光ダイオードの出射光を第２のダイクロイックミラーに照射し、第２の所定波長以上の成分を分離し、これらを重ね合わせて前記緑色光源から出射される緑色光とすることにより、緑色発光ダイオードの光量に白色ダイオードの光量の一部を合わせることができるので、従来の緑色発光ダイオードのみの緑色光源よりも緑色の全体光量を上げることができる。その理由は、緑色発光ダイオードの出射光の波長は通常適正な緑色領域の短波長側に偏っているので、白色発光ダイオードの出射光に含まれる緑色領域の長波長側の成分を、第２のダイクロイックミラーを用いて重ね合わせることができるからである。よって従来の緑色発光ダイオードのみの緑色光源と比較して緑色光の長波長側の成分を増やすことができる。したがって、演色性を改善しホワイトバランスを適切に保つ光学エンジンとすることができる。
さらに、白色発光ダイオードを青色光源としても使用するので、光学エンジンの構成を簡略化できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施の形態例の光学エンジンを示す概略構成図である。
【図２】  図１に示した光源の波長特性を示す図である。
【図３】  図１に示したダイクロイックミラー１５ａの反射率を示す図である。
【図４】  図１の緑色光源部の出射光のスペクトル図である。
【図５】 ダイクロイックミラー１５ｂの反射率を示す図である。
【図６】  従来のフルカラーＬＥＤ光学エンジンを示す概略構成図である。
【符号の説明】
１、４０  光学エンジン
１１Ｒ          赤色光源部
４１Ｇ  緑色光源部
４１Ｂ  青色光源部
２Ｒ、１２Ｒ    赤色ＬＥＤモジュール
２Ｇ、１２Ｇ    緑色ＬＥＤモジュール
２Ｂ、１２Ｂ    青色ＬＥＤモジュール
１２Ｗ          白色ＬＥＤモジュール
３、１３        偏光変換パネル
４、１４        フィールドレンズ
１５ａ、１５ｂ  ダイクロイックミラー
１６            光ダンパー
１７            反射ミラー
１８ａ、１８ｂ  リレーレンズ
２０            映像表示手段
５、２１        偏光板
６Ｒ、２２Ｒ    赤色画像用液晶パネル
６Ｇ、２２Ｇ    緑色画像用液晶パネル
６Ｂ、２２Ｂ    青色画像用液晶パネル
７、２３        ３色合成用ダイクロイックプリズム
８、３０        投射レンズ
【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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