JP2005352205A

JP2005352205A - 照明装置

Info

Publication number: JP2005352205A
Application number: JP2004173124A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Inamoto; 雅之稲本
Original assignee: Fujinon Corp
Current assignee: Fujinon Corp
Priority date: 2004-06-10
Filing date: 2004-06-10
Publication date: 2005-12-22
Also published as: US20050281029A1; US7278755B2

Abstract

【課題】均一な強度の光を照射することのできる照明装置を提供する。
【解決手段】照明装置１２には、複数のＬＥＤ３１が配列されたＬＥＤアレイ３０、複数のレンズ３５が配列された第２レンズアレイ３４が設けられている。ＬＥＤ３１及びレンズ３５は、縦横に並べて配置されるとともに、縦、横の２つの方向において、ＬＥＤ３１の数とレンズ３５の数との関係が互いに素（最大公約数が１）となるように配列される。ＬＥＤアレイ３０からの１次照明光は、レンズ３５によって複数の２次照明光に分割された後、重畳されて照射される。全ての２次照明光は、照明光の強度ピーク位置が異なるため、被照射範囲に均一な強度の光を照射することができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、光源として複数のＬＥＤが配列されたＬＥＤアレイを用いる照明装置に関し、特に、被照射範囲に対して均一な強度の光を照射することのできる照明装置に関する。

液晶パネルを照明することで生成された画像光をスクリーンに投映する液晶プロジェクタが知られている。液晶パネルを照明する照明装置としては、超高圧水銀灯やメタルハライドランプなどが光源として用いられていたが、近年、小型化及び低コスト化が可能なＬＥＤを光源として用いることが検討されている。

個々のＬＥＤの輝度は低いので、ＬＥＤを光源とする照明装置では、複数のＬＥＤを配列したＬＥＤアレイが用いられる。しかし、各ＬＥＤからの光を表示素子の被照射領域の比較的狭い範囲に対して照射し、この狭い範囲をつなぎ合わせるようにして、被照明領域全体をカバーしようとすると、中心が明るく周辺が暗いというＬＥＤ１個の照明分布特性と、個々のＬＥＤが持つ輝度のばらつきにより全体の照射範囲にはムラが生じてしまう。

このため、例えば、下記特許文献１には、ＬＥＤアレイの各ＬＥＤと対面するようにレンズを設け、このレンズによって、各ＬＥＤからの光を被照射範囲に重畳させて照射するようにした照明装置が記載されている。

特開２００３−３３０１０９号公報

しかしながら、上記特許文献記載の装置は、ＬＥＤごとの輝度のバラつきによる不具合を防止する効果はあるものの、全体の照射範囲に発生する輝度ムラを防止するには不十分である。すなわち、ＬＥＤから発せられる光は、指向性を持っているため、ある角度範囲内に照射され、また、この照射角度の中心（光軸）へ向かうほど光の強度が高くなっている。そして、このように中心の強度が高い個々のＬＥＤからの光をレンズにより重畳させるので、全体の照射範囲においても中心の強度が高くなってしまう。

例えば、図６（Ａ）に示すように、ＬＥＤ２と、レンズ４とを１：１で対応するように配列し、各ＬＥＤ２からの光を対応するレンズ４より被照射範囲に対して重畳させて照射する場合、同図（Ｂ）に示すように、重畳される全ての光は、縦方向及び横方向のそれぞれ中心に強度ピークを有する。そして、このように中心の強度が高い光が重畳されるので、同図（Ｃ）に示すように、被照射範囲６の中心の輝度が高くなってしまう。

また、ＬＥＤの数とレンズの数のいずれか一方が他方の整数倍となっている場合にも、被照射範囲に輝度ムラが発生してしまう。例えば、図７（Ａ）に示すように、ＬＥＤ２の数をレンズ４の数に対して４倍とした場合には、同図（Ｂ）に示すように、重畳される全ての光は、縦方向及び横方向において、同じ位置に２つの強度ピークを有するものである。そして、このような光が重畳されるので、同図（Ｃ）に示すように、被照射範囲６の４カ所において、輝度が高くなってしまう。

さらに、例えば、図８（Ａ）に示すように、レンズ２の数をＬＥＤ４の数に対して４倍とした場合には、ＬＥＤ２ａからの照明光は、レンズ４ａにおいては右下に、レンズ４ｂにおいては左下に、レンズ４ｃにおいては右上に、レンズ４ｄにおいては左上に、それぞれ強度ピークを有する４つの光に分割され、これらが重畳されて被照射範囲に照射される。同様に、全てのＬＥＤ２からの照明光が、それぞれ４角の１つに強度ピークを有する４つの光に分割され、重畳されて被照射範囲に照射される。これにより、同図（Ｂ）に示すように、被照射範囲６の４角において照明光の強度が高くなってしまう。

また、上述した例の他にも、例えば、図９に示すように、縦及び横のいずれか１つの方向において、ＬＥＤ２を６つ配列し、レンズ４を４つ配列するといったように、並べられたＬＥＤの数とレンズの数とが、１以外の公約数を有する場合にも被照射範囲に輝度ムラが発生してしまう。図９に示す場合では、６つのＬＥＤ２ｅ〜ｊからの照明光が、４つのレンズ４ｅ〜ｈによって分割された後、重畳されて被照射範囲に照射される。このとき、レンズ４ｅ及びレンズ４ｇから照射される光は、図中、中央と右側の等しい位置に強度ピークを有し、また、レンズ４ｆ及びレンズ４ｈから照射される光は、図中、中央と左側の等しい位置に強度ピークを有する。このため、被照射範囲の中央及び左右両側において照明光の強度が高くなってしまう。

上記の例のように、重畳される光の面内強度分布がパターン化されてしまうと、被照射範囲に輝度ムラが発生してしまう。本発明は、被照射範囲に発生する輝度ムラを防止できる照明装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明の照明装置は、複数の発光ダイオードを２次元配列したＬＥＤアレイと、前記発光ダイオードの各々に対応して複数の第１レンズが配置され、各発光ダイオードから放射された照明光を互いに平行な平行光にして出射させる第１レンズアレイと、前記第１レンズアレイに正対し、複数の第２レンズが２次元配列された第２レンズアレイを有し、第１レンズアレイからの出射光を第２レンズアレイにより複数の２次照明光に分割するとともに、分割された各々の２次照明光を共通の照明範囲に重畳させて照射する重畳光学系とを備え、前記第１レンズと第２レンズの配列パターンまたは配列ピッチを互いに異ならせることにより前記重畳光学系から出射する２次照明光の各々の面内光強度分布を不規則にし、前記共通の照明範囲での面内強度分布を平均化したことを特徴としている。

前記第１レンズの２次元方向でのそれぞれの配列ピッチと、前記第２レンズの２次元方向でのそれぞれの配列ピッチとが互いに異なり、かつ、両者の２次元方向での配列個数が互いに素であることを特徴とするものでもよい。また、前記第１レンズと第２レンズの配列パターンが、一方が縦横配列、他方がデルタ配列であることを特徴とするものでもよい。

本発明の照明装置は、第１レンズと第２レンズの配列パターン又は配列ピッチが異なるので、ＬＥＤアレイからの光が強度ピークの位置が不規則に異なる複数の２次照明光に分割され、重畳されて被照射範囲に照射される。これにより、被照射範囲に発生する輝度ムラを防止することができる。

図１に、本発明の照明装置を用いた液晶プロジェクタの概略的な構成図を示す。プロジェクタ１０には、照明装置１２、偏光変換素子１４、液晶パネル１６、投映レンズ１８が設けられている。詳しくは後述するが、照明装置１２は、液晶パネル１６の背面全体に均斉化した照明光を照射する。照明装置１２と液晶パネル１６との間には、偏光変換素子１４が配置されている。偏光変換素子１４は、照明装置からの照明光を直線偏光に変換する。

周知のように、液晶パネル１６は、２枚の透明板の間に封入された液晶の配列方向を制御することで透過させる光の量を調節する。液晶パネル１６には、マトリクス状に配列された画素ごとに、Ｒ、Ｇ、Ｂのカラーフィルタを配置することで、いずれかの基本色光が割り当てられている。そして、液晶パネル１６は、投映させる画像データに基づいて画素ごとの光透過率を制御する。液晶パネル１６を透過することで、照明装置１２からの照明光に画像情報が付与され、画像光が生成される。この画像光は投映レンズ１８によってスクリーン２０に投映される。

図２に示すように、照明装置１２は、ＬＥＤアレイ３０と、第１〜第３のレンズアレイ３２、３４、３６とから構成される。ＬＥＤアレイ３０には、白色光を発行する複数のＬＥＤ３１が、基盤３８に縦横に並べて配列されている（図３参照）。ＬＥＤアレイ３０は、プロジェクタ１０によって制御される駆動回路３９に接続されている。各ＬＥＤ３１は駆動回路３９から電源を供給されることで第１レンズアレイ３２へ向けて白色光を放射する。ＬＥＤアレイ３０からの照明光は、各ＬＥＤ３１から放射される白色光の集合によって構成される。

第１レンズアレイ３２には、ＬＥＤアレイ３０の各ＬＥＤ３１と１：１で対応するようにレンズ３３が配列されている。各レンズ３３には対応するＬＥＤ３１から放射された光束が入射する。そして、レンズ３３は、入射した光束を屈折させ、略平行な光束にして第２レンズアレイ３４へ向けて出射させる。このように、第１レンズアレイ３２を設けることで、ＬＥＤアレイ３０からの照明光を拡散させず、効率よく利用することができる。

第１レンズアレイ３２を透過して略平行光となったＬＥＤアレイ３０からの照明光は、第２レンズアレイ３４の背面側に照射される。第２レンズアレイ３４には、前面側に複数のレンズ３５が縦横に並べて配列されている（図３参照）。第２レンズアレイ３４は、各レンズ３５によってＬＥＤアレイ３０からの照明光を、複数の２次照明光に分割する。

第３レンズアレイ３６には、複数のレンズ３７が配列されている。レンズ３７は、第２レンズアレイ３４のレンズ３５に１：１で対応して設けられている。また、各レンズ３７は、それぞれの軸が液晶パネル１６の中心を向くように、傾けて配置されている。これにより、第２レンズアレイ３４のレンズ３５にて分割された複数の２次照明光は、各々対応するレンズ３７に入射した後、レンズ３７を透過する間に屈折され、液晶パネル１６の背面に重なりあうように照射される。

このように、２次照明光を重畳して照射することで、各ＬＥＤ３１ごとの輝度の違いが及ぼす照明光の輝度ムラを防止できる。しかし、前述のように、各ＬＥＤ３１からは、中心（光軸）の強度が高く、外側へ行くほど強度の低い光が発せられるため、図６、図７、図８、図９の例のように、２次照明光の面内強度分布がパターン化されてしまうと、照明光に輝度ムラが発生してしまう。

このため、照明装置１２では、図３（Ａ）に示すように、縦、横の２つの方向において、並べられるＬＥＤ３１の数とレンズ３５の数との関係が互いに素（最大公約数が１）となるように、各ＬＥＤ３１及び各レンズ３５を配列している。各ＬＥＤ３１は、照明対象である液晶パネル１６の背面と相似な面内に縦横に配列され、また、面内にまんべんなく配置されるように一定の配列ピッチにて配列される。同様に、各レンズ３５も液晶パネル１６の背面と相似な面内に縦横に配列され、また、面内にまんべんなく配置されるように一定の配列ピッチにて配列される。ＬＥＤ３１の配列ピッチとレンズ３５の配列ピッチは互いに異なり、それぞれの配列ピッチは、並べられるＬＥＤ３１の数とレンズ３５の数との関係が互いに素となるように決定される。

なお、本実施形態では、ＬＥＤ３１を縦９×横９、レンズ３５を縦７×横７となるように配列したが、並べるＬＥＤ３１とレンズ３５の数や縦横の比率などの具体的な値に関しては、液晶パネルの大きさや縦横の比率などに応じて適宜変更することができる。また、本実施形態では、縦方向の配列ピッチと横方向の配列ピッチとが同じであるようにＬＥＤ３１を配列する例で説明をしたが、ＬＥＤ３１の縦方向と横方向の配列ピッチが異なっていてもよい。同様に、レンズ３５の縦方向と横方向の配列ピッチが異なっていてもよい。

このようにＬＥＤ３１とレンズ３５とを配列することで、図３（Ｂ）に示すように、各レンズ３５によって分割される各２次照明光の強度分布は、縦方向及び横方向においてそれぞれ異なったものとなる。これにより、各レンズ３５によって分割される全ての２次照明光は、面内強度分布が不規則に異なる。そして、これら面内強度分布が異なる複数の２次照明光を、第３レンズアレイ３６によって重畳するので、液晶パネル１６を均一な強度で照明することができる。

以上のように、本発明の照明装置１２によれば、ＬＥＤアレイからの光を２次照明光に分割する際に、２次照明光の面内強度分布が不規則に異なるようにし、この２次照明光を被照射範囲に重畳させて照射するようにした。このため、被照射範囲に対して均一な強度の照明光を照射することができる。

また、本発明によれば液晶パネルを均一な強度で照明することで、輝度ムラのない高品位の画像を投映可能な液晶プロジェクタを提供できる。さらに、超高圧水銀ランプやメタルハライドランプなどを光源として用いる液晶プロジェクタの多くは、レンズアレイを備え、このレンズアレイによって照明光を複数の２次照明光に分解し、分解後の照明光を重畳させて照射することで、均一な強度の照明光を得るようにしている。このため、これらの液晶プロジェクタの光源を変更し、ＬＥＤアレイを用いる際に、本発明を適用すれば、多くの部品を流用できるので、大がかりな仕様変更を行う必要がなく、コストを削減することができる。

なお、上記実施形態においては、ＬＥＤ３１、並びに、第２レンズアレイのレンズ３５をともに縦横に並べて配列する例で説明をしたが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、図４に示すように、ＬＥＤ３１を、隣り合う列同士で配列ピッチを半ピッチずらしたデルタ配列にして、レンズ３５を縦横に並べて配列してもよい。また、図５に示すように、ＬＥＤ３１を縦横に配列して、レンズ３５をデルタ配列にしてもよい。このように、ＬＥＤと第２レンズアレイのレンズとのいずれか一方を縦横に配列し、他方をデルタ配列にすることによっても上記実施形態と同様の効果を得ることができる。

また、上記実施形態においては、ＬＥＤアレイからの照明光を、第２レンズアレイによって複数の２次照明光に分割した後、各２次照明光を第３レンズアレイによって被照射範囲に重畳して照射する例で説明をしたが、１つのレンズアレイによって、ＬＥＤアレイからの照明光を複数の２次照明光に分割するとともに、各２次照明光を被照射範囲に重畳して照射させるようにしてもよい。

さらに、上記実施形態においては、各ＬＥＤからの照明光を、第１レンズアレイによって平行な光にする例で説明をしたが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、第１レンズアレイの代わりに、放射された光を平行にするレンズを内蔵したＬＥＤを用いてもよい。

なお、上記実施形態においては、単板式の液晶プロジェクタに本発明を適用する例で説明をしたが、Ｒ、Ｇ、Ｂに対応する３枚の液晶パネルを備えた３板式の液晶プロジェクタに本発明を適用することもできる。この場合、ＬＥＤアレイからの白色光をＲ、Ｇ、Ｂ成分に分解して、対応する液晶パネルに照射してもよいし、それぞれがＲ、Ｇ、Ｂの光を発行する３つのＬＥＤアレイを設けてもよい。

また、上記実施形態においては、透過型の液晶パネルを用いた液晶プロジェクタに本発明を適用する例で説明をしたが、反射型の液晶パネルを用いた液晶プロジェクタに本発明を適用してもよい。また、本発明は液晶プロジェクタに限定されず、例えば、ＤＭＤ（デジタル・マイクロミラー・デバイス）を用いたＤＭＤプロジェクタなどの画像表示装置に本発明を適用してもよい。もちろん、画像表示装置以外に本発明を適用することもできる。

プロジェクタの概略的な構成図である。照明装置の概略的な構成図である。縦、横の２つの方向において、ＬＥＤ数と、第２レンズアレイのレンズ数との関係が、互いに素である例を表す説明図である。ＬＥＤをデルタ配列にして、第２レンズアレイのレンズを縦横に並べて配列した例を表す説明図である。第２レンズアレイのレンズをデルタ配列にして、ＬＥＤを縦横に並べて配列した例を表す説明図である。重畳される照明光の面内強度分布がパターン化してしまう例を表す説明図である。重畳される照明光の面内強度分布がパターン化してしまう例を表す説明図である。重畳される照明光の面内強度分布がパターン化してしまう例を表す説明図である。重畳される照明光の面内強度分布がパターン化してしまう例を表す説明図である。

符号の説明

２、３１ＬＥＤ
４、３３、３５、３７レンズ
１０プロジェクタ
１２照明装置
３０ＬＥＤアレイ
３２第１レンズアレイ
３４第２レンズアレイ
３６第３レンズアレイ

Claims

複数の発光ダイオードを２次元配列したＬＥＤアレイと、前記発光ダイオードの各々に対応して複数の第１レンズが配置され、各発光ダイオードから放射された照明光を互いに平行な平行光にして出射させる第１レンズアレイと、
前記第１レンズアレイに正対し、複数の第２レンズが２次元配列された第２レンズアレイを有し、第１レンズアレイからの出射光を第２レンズアレイにより複数の２次照明光に分割するとともに、分割された各々の２次照明光を共通の照明範囲に重畳させて照射する重畳光学系とを備え、
前記第１レンズと第２レンズの配列パターンまたは配列ピッチを互いに異ならせることにより前記重畳光学系から出射する２次照明光の各々の面内光強度分布を不規則にし、前記共通の照明範囲での面内強度分布を平均化したことを特徴とする照明装置。
前記第１レンズの２次元方向でのそれぞれの配列ピッチと、前記第２レンズの２次元方向でのそれぞれの配列ピッチとが互いに異なり、かつ、両者の２次元方向での配列個数が互いに素であることを特徴とする請求項１記載の照明装置。
前記第１レンズと第２レンズの配列パターンが、一方が縦横配列、他方がデルタ配列であることを特徴とする請求項１記載の照明装置。