JP2006113085A - 光源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】出射される光の波長成分および光量分布のばらつきを低減し使い勝手に優れた光源装置を提供する。
【解決手段】光源装置１０は、第１の光源１２、第２の光源１４、外側レフレクター１６、内側レフレクター１８、第１集光レンズ２０、第２集光レンズ２２などを有している。外側レフレクター１６の反射面は、光軸Ｏ１（中心軸）と、光軸Ｏ１上に位置する焦点１６０８を有する前方に凹状の放物反射面１６０６として形成されている。内側レフレクター１８は、外側レフレクター１２の本体１２０２の内部で光軸Ｏ１上に第１集光レンズ２０で集光された光を外側レフレクター１６の反射面に反射させて拡散する反射面を有し、この反射面は、後方に凸状の楕円反射面１８０２として構成されている。
【選択図】図５

Description

本発明は光源装置に関する。

スクリーン上に光束を投影して画像を形成する投射型表示装置（プロジェクター）がある。このような投射型表示装置として、光源装置と、光源装置から出射された光束を波長が異なる複数の光束に分離する光学系と、分離された各光束を画像形成用の１つの光束に合成して出射する画像形成手段とを備えるものが提供されている。
従来、前記光源装置としては動作時に高温となる高圧水銀灯が用いられることが多く、高圧水銀灯を冷却する冷却手段が必要となり小型化やコスト削減を図る上で不利があった。
そのため、光源装置として半導体レーザを用いたものが提案されている（例えば特許文献１参照）。
この光源装置は、図１００に示すように、紫外線のレーザ光を前方に出射するレーザダイオード１と、レーザダイオード１の前方に配置されコンデンサレンズ５により集光されたレーザ光を吸収し自然放出光としてインコヒーレント光を放出する蛍光体６と、蛍光体６の前方に配置され蛍光体６を通過したレーザ光（紫外線）は蛍光体６に反射するが自然放出光（紫外線を除く光）は透過する特性、言い換えると波長に応じて選択的に光を透過しあるいは反射する特性を有する光学膜を有する紫外線反射鏡７と、蛍光体６から放出された自然放出光を平行光８として反射する放物反射面９ａを有する可視光反射鏡９とを有している。
特開２００３−２９５３１９号公報

しかしながら、前記従来技術では、レーザダイオード１から出力されたレーザー光を蛍光体６が吸収して自然放出光として放出する際に、レーザー光から自然放出光への変換に伴う出力の損失が発生する。また、蛍光体６において放出される自然放出光は、コンデンサレンズ５により集光されているが、その放出点は蛍光体６の塗布された面内において広がりを持ち、可視光反射鏡９の放物反射面９ａの焦点に蛍光体６を配置しても、その焦点から離れた位置から放出された光は、平行光８として出力されず、投射照明用の光として有効利用されないおそれがあった。
本発明は、このような事情に鑑みなされたもので、その目的は例えば発光ダイオード等から出力されたビーム状の光束を、そのビーム状の光束の断面積より大きな照明用の光束として効率よく出力することができる使い勝手に優れた光源装置を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明の光源装置は、外側レフレクターと、前記外側レフレクターの光軸上に配置された第１の光源とを備える光源装置であって、前記外側レフレクターの後端で前記光軸上に開口が設けられ、前記第１の光源は外側レフレクターの光軸上で前記開口に対向させて前記外側レフレクターの後方に配置され、前記光軸上で前記第１の光源の前方に前記第１の光源から発せられた光を集光する第１集光レンズが配置され、前記外側レフレクターの内部で前記光軸上に前記第１集光レンズで集光された光を前記外側レフレクターの反射面に反射させて拡散させる反射面を有する内側レフレクターが配置され、前記内側レフレクターの反射面で拡散された光は前記外側レフレクターの反射面で反射され前記外側レフレクターの前方に前記光軸と平行する平行光として出射するように構成されていることを特徴とする。

本発明の光源装置によれば、第１の光源から出射された光は、第１集光レンズで集光され内側レフレクターの反射面で拡散され外側レフレクターの反射面で反射され第１の光源の前方に光軸と平行する平行光として出射される。
このため、従来と違って、レーザー光を吸収して自然放出光として放出する蛍光体６を用いず、第１の光源から出射された光を集光レンズと反射面のみを用いて平行光として出力されるので、光の変換等に伴う出力の損失が発生せず、効率の高い光源装置を実現する上で有利となる。

例えば発光ダイオード等から出力されたビーム状の光束を、そのビーム状の光束の断面積より大きな照明用の光束として効率よく出力できる光源装置を実現するという目的を、第１の光源から出射された光を第１集光レンズで集光し内側レフレクターの反射面で拡散し外側レフレクターの反射面で反射し第１の光源の前方に光軸と平行する平行光として出射することによって実現した。

以下、本発明による光源装置の実施例を図面に基づいて説明する。
本実施例では、光源装置が投射型表示装置に組み込まれる場合について説明する。
図１は実施例１における投射型表示装置の要部を示す構成図、図２は実施例１における光源装置１０の断面斜視図、図３は実施例１における光源装置１０の斜視図、図４は実施例１における光源装置１０の断面図、図５は実施例１における光源装置１０の説明図、図６は実施例１における光源装置１０の外側レフレクター、内側レフレクターの原理説明図である。

図１に示すように、投射型表示装置１００は、本発明に係る３つの光源装置１０、３つの液晶パネル５０、クロスダイクロイックプリズム６０、不図示の投射レンズなどを備えている。
３つの光源装置１０のうちの１つは、赤色（Ｒ）の光束を対応する液晶パネル５０に出射し、３つの光源装置１０のうちの他の１つは、緑色（Ｇ）の光束を対応する液晶パネル５０に出射し、３つの光源装置１０のうちの残りの１つは青色（Ｂ）の光束を対応する液晶パネル５０に出射するように構成されている。
各液晶パネル５０は、対応する赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）の３色の画像情報をそれぞれ表示するものであり、各光源装置１０から出射された光束が通過されるように構成されている。
クロスダイクロイックプリズム６０は、３つの液晶パネル５０を透過した３つの光束を１つの光束Ａに合成し、前記投射レンズを介してスクリーン上にカラー画像として投影するように構成されている。

図２〜図４に示すように、各光源装置１０は、第１の光源１２、第２の光源１４、外側レフレクター１６、内側レフレクター１８、第１集光レンズ２０、第２集光レンズ２２などを有している。
外側レフレクター１６は、前方に開放状に形成された本体１６０２を有し、本体１６０２の内面には反射面が形成され、この反射面は、光軸Ｏ１（中心軸）と、光軸Ｏ１上に位置する焦点１６０８（特許請求の範囲の第３焦点に相当）を有する前方に凹状の放物反射面１６０６として形成されている。
外側レフレクター１６の本体１６０２の後端には光軸Ｏ１上に開口１６０４が設けられている。
外側レフレクター１６の本体１６０２の後端には開口１６０４に臨ませて筒体１７が接続されている。
筒体１７は、光軸Ｏ１と同軸上の筒状壁部１７０２と、筒状壁部１７０２の後端に接続された端面壁１７０４とで構成され、光軸Ｏ１が通る端面壁１７０４の箇所には孔１７０６が貫通形成されている。

第１の光源１２は、外側レフレクター１６の光軸Ｏ１上で開口１６０４に対向させて外側レフレクター１６の後方に配置され、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）の何れかの光を出射する発光ダイオード（ＬＥＤ）で構成されている。
具体的には、第１の光源１２は、筒体１７内に構成される前方に開放状の空間部１７Ａ内に収容保持され、その発光点が光軸Ｏ１上に位置し光を前方に出射するよう配設されている。
より詳細には、図３、図４に示すように、第１の光源１２は、筒体１７の後端面１７０４の孔１７０６よりも外径が小さい寸法で形成された軸部１２０２と、軸部１２０２の前端に取着され光を出射する発光部１６０４とを有している。
第１の光源１２は、不図示の調整治具によって、軸部１２０２が孔１７０６に挿通された状態で発光部１６０４の発光点と光軸Ｏ１とが合致するように位置決めされた状態で、前記軸部１２０２の外周と孔１７０４の内周の間隙に接着剤を充填し、その接着剤を硬化させることによって筒体１７に取着される。

第１集光レンズ２０は、図６に示すように、光軸Ｏ１上で第１の光源１２の前方で開口１６０４に対向させて外側レフレクター１６の後方に配置されている。
第１集光レンズ２０は、第１の光源１２から発せられた光を集光するものであり、前記光を収束する焦点２００２を有している。
第１集光レンズ２０は、図２、図４に示すように、外側レフレクター１６の本体１６０２の内側箇所に連結されたステー１６２０を介して空間部１７Ａに配置されている。

内側レフレクター１８は、外側レフレクター１２の本体１２０２の内部で光軸Ｏ１上に第１集光レンズ２０で集光された光を外側レフレクター１６の反射面に反射させて拡散する反射面を有し、この反射面は、後方に凸状の楕円反射面１８０２として構成されている。
本実施例では、内側レフレクター１８は、外側レフレクター１６の内部の後端寄り箇所に配設され、内側レフレクター１８は、図２、図４に示すように、外側レフレクター１６の本体１６０２の内側箇所に連結されたステー１６２０を介して配設されている。
光軸Ｏ１方向から見た内側レフレクター１８の輪郭は第１集光レンズ２０よりも小さい大きさで形成されている。
楕円反射面１８０２は、図６に示すように、光軸Ｏ１上で、楕円反射面１８０２に対して第１の光源１２と反対側の箇所に位置する第１焦点１８０４と第２焦点１８０６とを有し、第１焦点１８０４は第２焦点１８０６よりも前方の箇所に位置している。図６において楕円反射面１８は実線で示されており、この実線と連続する破線は楕円反射面１８０２を含む楕円の仮想線を示している。
楕円反射面１８０２は、第１焦点１８０４が第１集光レンズ２０の焦点２００２と合致し、かつ、第２焦点１８０６が外側レフレクター１６の放物反射面１６０６の焦点１６０８と合致するように構成されている。
これら放物反射面１６０６および楕円反射面１８０２は、第１の光源１２から出射された光が第１集光レンズ２０で集光され内側レフレクター１８の楕円反射面１８０２で拡散された後、外側レフレクター１６の放物反射面１８０６で反射され第１の光源１２の前方に光軸Ｏ１と平行する平行光として出射されるように構成されている。

第２の光源１４は、第１の光源１２とは別の光源であって、本体１６０６内に配設されている。より詳細には、第２の光源１４は、光軸Ｏ１上で内側レフレクター１８の前方で内側レフレクター１８に近接した箇所に配置され、第１の光源１２と同じ波長の光を前方に向けて出射する発光ダイオードで構成されている。
第２の光源１４は、光軸Ｏ１方向から見て内側レフレクター１８の輪郭よりも小さい大きさで形成されている。
第２の光源１４は、図２、図４に示すように、外側レフレクター１６の本体１６０２の内側箇所に連結されたステー１６２０を介して配設されている。

第２集光レンズ２２は、第２の光源１４の前方に第２の光源１４からの光を光軸Ｏ１と平行する平行光として前方に出射するように配置されている。
第２集光レンズ２２は光軸Ｏ１方向から見て第２の光源１４の輪郭よりも大きな大きさで形成されている。
また、図２、図４に示すように、第２の光源１４は、外側レフレクター１６の本体１６０４の内側箇所に連結されたステー１６２０を介して配設されている。

次に作用効果について説明する。
第１の光源１２から出射された光は、第１集光レンズ２０で集光され内側レフレクター１８の楕円反射面１８０２で拡散され外側レフレクター１６の放物反射面１８０６で反射され第１の光源１２の前方に光軸Ｏ１と平行する平行光として出射される。この平行光は、光軸Ｏ１方向から見て光軸Ｏ１を中心に内側レフレクター１８の輪郭を含む円状の領域を除いた円環状に延在する領域を通過するように出射される。
第２の光源１４から出射された光は、第２集光レンズ２２で集光され、平行光として前方に出射され、内側レフレクター１８の輪郭を含む円状の領域を通過するように出射される。
したがって、本実施例によれば、第１の光源１２から発せられ第１集光レンズ２０で集光された光が内側レフレクター１８の楕円反射面１８０２で拡散されて外側レフレクター１６の放物反射面１６０６で反射され第１の光源１２の前方に光軸Ｏ１と平行する平行光として出射される。
すなわち、楕円反射面１８０２の第２焦点１８０６に集光するように第１集光レンズ２０から出射された光は楕円反射面１８０２にて反射するが、その反射光は図６に示されるように、仮想的に第１焦点１８０４から出力される経路の光として楕円反射面１８０２から拡散される。そして、楕円反射面１８０２の第１焦点１８０４と外側レフレクター１６の放物反射面１８０６の焦点１６０８とが合致するように配置されているので、楕円反射面１８０２から拡散された光は、放物反射面１８０６により反射され平行光として出力される。
以上、第１の光源１２から発せられた光を第１集光レンズ２０で集光し、その集光された光を内側リフレクター１８と外側リフレクター１６で反射して平行光として前方に出射させるので、第１の光源１２から発せられた光を効率よく平行光とすることができ、また、内側リフレクター１８の反射面と外側リフレクター１６の反射面の２つの反射面を用いることでより広い範囲に平行光を出射する上で有利となり、投射型表示装置１００によって前記スクリーン上に形成される画像の品質を確保する上で有利となる。
また、本実施例によれば、第１の光源１２から発せられた光は、光軸Ｏ１方向から見て光軸Ｏ１を中心に内側レフレクター１８の輪郭を含む円状の領域を除いた円環状に延在する領域を通過するように出射されるため、内側レフレクター１８の輪郭を含む円状の領域、言い換えると光軸Ｏ１周辺の領域の光量が低下することになる。しかしながら、第２の光源１４から発せられ第２集光レンズ２２で集光された光が内側レフレクター１８の輪郭を含む円状の領域を通過するように第２の光源１４の前方に平行光として出射されるので、光軸Ｏ１方向から見て内側リフレクター１８の輪郭を含む部分の光量低下を防止することができ、光量分布の均一化を図る上で有利となり、投射型表示装置１００によって前記スクリーン上に形成される画像の品質を確保する上で有利となる。
また、本実施例では、第１、第２の光源１２，１４として発光ダイオードを用いているので、発熱が少ないことから冷却手段を設ける必要が無いため、小型化および低コスト化を図る上でも有利となる。

次に実施例２について説明する。
実施例２が実施例１と異なるのは、主として内側レフレクターの構成である。
図７は実施例２における光源装置１０の説明図である。なお、以下では、実施例１と同様の部品および部材には同一の符号を付して説明する。
図７に示すように、第１集光レンズ２４は、この第１集光レンズ２４を通過する第１の光源１２からの光を光軸Ｏ１と平行する平行光に集光するように構成されている。
外側レフレクター１６は反射面を有し、この反射面は、実施例１と同様に、第１集光レンズ２４の前方箇所に位置する第１焦点１６３０を有する後方に凹状の放物反射面１６０６で構成されている。
内側レフレクター２２は反射面を有し、この反射面は、第１焦点１６３０と合致する第２焦点２２０４を有する前方に凹状の放物反射面２２０２で構成されている。
光軸Ｏ１方向から見た内側レフレクター２２の輪郭は第１集光レンズ２４とほぼ同じ大きさで形成されている。
これら外側レフレクター１６の放物反射面１６０６および内側レフレクター２２の放物反射面２２０２は、第１の光源１２から出射された光が第１集光レンズ２０で集光され内側レフレクター２２の放物反射面２２０２で拡散された後、外側レフレクター１６の放物反射面１８０６で反射され第１の光源１２の前方に光軸Ｏ１と平行する平行光として出射されるように構成されている。
そして、実施例１と同様に、第２の光源１４が光軸Ｏ１上で内側レフレクター２２の前方で内側レフレクター２２に近接した箇所に配置され、第２の光源１４は、第１の光源１２と同じ波長の光を前方に向けて出射する発光ダイオードで構成されている。
第２の光源１４は、光軸Ｏ１方向から見て内側レフレクター２２の輪郭よりも小さい大きさで形成されている。
第２集光レンズ２２は、第２の光源１４の前方に第２の光源１４からの光を光軸Ｏ１と平行する平行光として前方に出射するように配置され、第２集光レンズ２２は光軸Ｏ１方向から見て第２の光源１４の輪郭よりも大きな大きさで形成されている。

このような構成によれば、実施例１と同様に、第１の光源１２から出射された光は、第１集光レンズ２４で集光され内側レフレクター２２の放物反射面２２０２で拡散され外側レフレクター１６の放物反射面１８０６で反射され第１の光源１２の前方に光軸Ｏ１と平行する平行光として出射される。この平行光は、光軸Ｏ１方向から見て光軸Ｏ１を中心に内側レフレクター１８の輪郭を含む円状の領域を除いた円環状に延在する領域を通過するように出射される。
第２の光源１４から出射された光は、第２集光レンズ２２で集光され、平行光として前方に出射され、内側レフレクター１８の輪郭を含む円状の領域を通過するように出射される。
したがって、実施例２においても実施例１と同様の作用効果を奏することができ、前記スクリーン上に形成される画像の品質を確保する上で有利となる。
また、第１、第２の光源１２，１４として発光ダイオードを用いているので、発熱が少ないことから冷却手段を設ける必要が無いため、小型化および低コスト化を図る上で有利となることも実施例１と同様である。

次に実施例３について説明する。
実施例３が実施例１と異なるのは、第２の光源と第２集光レンズを有しない点である。
図８は実施例３における光源装置１０の説明図である。
図８に示すように、実施例３では、第２の光源１４および第２集光レンズ２２を省いたため、内側レフレクター１８の輪郭を含む円状の領域、言い換えると光軸Ｏ１周辺の領域の光量が低下する。
しかしながら、光源装置１０の前方に２つのフライアイレンズと集光レンズを含む光学系を光軸Ｏ１に沿って並べて設けることなどにより、液晶パネル５０等の被照射面にフライアイにより分割された光束が重畳するように光学装置１０の外側レフレクター１６の放物反射面１６０６から出射される光を前記光学系によって配光させ、これにより光量分布の均一化を図ることができる。
したがって、このような光学系を図１に示す光学装置１０と液晶パネル５０の入射面の間に配置することで、液晶パネル５０の入射面に対して均一な光量分布の光を入射させることができる。
このような実施例３においても、実施例１と同様に、光の波長成分のばらつきや光量分布のばらつきを抑制し、光量分布の均一化を図ることによって、投射型表示装置１００においてスクリーン上に形成される画像の品質を確保する上で有利となる。
また、第１の光源１２として発光ダイオードを用いているので、発熱が少ないことから冷却手段を設ける必要が無いため、小型化および低コスト化を図る上で有利となることも実施例１と同様である。

次に実施例４について説明する。
実施例４が実施例２と異なるのは、第２の光源と第２集光レンズを有しない点である。
図９は実施例４における光源装置１０の説明図である。
図９に示すように、実施例４でも実施例３と同様に、第２の光源１４および第２集光レンズ２２を省いたため、内側レフレクター１８の輪郭を含む円状の領域、言い換えると光軸Ｏ１周辺の領域の光量が低下する。
しかしながら、光源装置１０の前方に２つのフライアイレンズと集光レンズを含む光学系を光軸Ｏ１に沿って並べて設けることなどにより、光学装置１０の外側レフレクター１６の放物反射面１６０６から出射される光を前記光学系によって配光させ、これにより光量分布の均一化を図ることができる。
したがって、このような光学系を図１に示す光学装置１０と液晶パネル５０の入射面の間に配置することで、液晶パネル５０の入射面に対して均一な光量分布の光を入射させることができる。
したがって、実施例４においても実施例３と同様に、光の利用率の高い光源装置を実現し、光量分布の均一化を図ることによって、投射型表示装置１００においてスクリーン上に形成される画像の品質を確保する上で有利となる。
また、第１の光源１２として発光ダイオードを用いているので、発熱が少ないことから冷却手段を設ける必要が無いため、小型化および低コスト化を図る上で有利となることも実施例３と同様である。

なお、各実施例では、光源装置１０を投射型表示装置１００に組み込んだ場合について説明したが、光源装置１０は投射型表示装置１００に組み込まれるものに限定されず、各種の照明機器などその他の各種機器に適用可能であることは無論である。

実施例１における投射型表示装置の要部を示す構成図である。 実施例１における光源装置１０の断面斜視図である。 実施例１における光源装置１０の斜視図である。 実施例１における光源装置１０の断面図である。 実施例１における光源装置１０の説明図である。 実施例１における光源装置１０の外側レフレクター、内側レフレクターの原理説明図である。 実施例２における光源装置１０の説明図である。 実施例３における光源装置１０の説明図である。 実施例４における光源装置１０の説明図である。 従来の光源装置の説明図である。

符号の説明

１０……光源装置、１２……第１の光源、１４……第２の光源、１６……外側レフレクター、１６０４……開口、１８……内側レフレクター、２０……第１集光レンズ、２２……第２集光レンズ、Ｏ１……光軸。

Claims (11)

1. 外側レフレクターと、前記外側レフレクターの光軸上に配置された第１の光源とを備える光源装置であって、
   前記外側レフレクターの後端で前記光軸上に開口が設けられ、
   前記第１の光源は外側レフレクターの光軸上で前記開口に対向させて前記外側レフレクターの後方に配置され、
   前記光軸上で前記第１の光源の前方に前記第１の光源から発せられた光を集光する第１集光レンズが配置され、
   前記外側レフレクターの内部で前記光軸上に前記第１集光レンズで集光された光を前記外側レフレクターの反射面に反射させて拡散させる反射面を有する内側レフレクターが配置され、
   前記内側レフレクターの反射面で拡散された光は前記外側レフレクターの反射面で反射され前記外側レフレクターの前方に前記光軸と平行する平行光として出射するように構成されている、
   ことを特徴とする光源装置。
2. 前記第１の集光レンズは、前記開口に対向させて前記外側レフレクターの後方に配置されていることを特徴とする請求項１記載の光源装置。
3. 前記内側レフレクターは、前記外側レフレクターの内部の後端寄り箇所に配設されていることを特徴とする請求項１記載の光源装置。
4. 前記第１集光レンズは該第１集光レンズを通過する前記第１の光源からの光を収束する焦点を有し、
   前記内側レフレクターの反射面は、前記外側レフレクターの内部で該反射面に対して前記第１の光源と反対側の箇所に位置する第１焦点と第２焦点とを有する後方に凸状の楕円反射面で構成され、前記第１焦点は前記第２焦点よりも前方の箇所に位置し、
   前記外側レフレクターの反射面は、第３焦点を有する後方に凹状の放物反射面で構成され、
   前記第１焦点が前記第１集光レンズの焦点と合致し、かつ、前記第２焦点が前記第３焦点と合致するように構成されている請求項１記載の光源装置。
5. 前記光軸方向から見た前記内側レフレクターの輪郭は前記第１集光レンズよりも小さい大きさで形成されていることを特徴とする請求項４記載の光源装置。
6. 前記第１集光レンズは該第１集光レンズを通過する前記第１の光源からの光を平行光に集光するように構成され、
   前記外側レフレクターの反射面は、前記第１集光レンズの前方箇所に位置する第１焦点を有する後方に凹状の放物反射面で構成され、
   前記内側レフレクターの反射面は、前記第１焦点と合致する第２焦点を有する前方に凹状の放物反射面で構成されていることを特徴とする請求項１記載の光源装置。
7. 前記光軸方向から見た前記内側レフレクターの輪郭は前記第１集光レンズとほぼ同じ大きさで形成されていることを特徴とする請求項６記載の光源装置。
8. 前記第１の光源は発光ダイオードであることを特徴とする請求項１記載の光源装置。
9. 前記内側レフレクターの前方に、前方に向けて光を出射する前記第１の光源とは別の第２の光源が前記光軸上に配置され、前記第２の光源の前方に前記第２の光源からの光を前記光軸と平行する平行光として前方に出射する第２集光レンズが設けられていることを特徴とする請求項１記載の光源装置。
10. 前記第２の光源は前記内側レフレクターに近接する箇所に配置されていることを特徴とする請求項９記載の光源装置。
11. 前記第２の光源は発光ダイオードであり前記第１の光源と同じ波長の光を出射するように構成されていることを特徴とする請求項９記載の光源装置。
    

Images