專利名稱：光源單元及使用該光源單元的投影型圖像顯示裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是涉及配置有多個(gè)LED等的光源的光源單元，以及將來自該光源單元的光由透射型液晶及反射型液晶，或DMD(微小鏡)等圖像顯示元件進(jìn)行光強(qiáng)度調(diào)制，將形成的光學(xué)像加以投影的投影型圖像顯示裝置。
背景技術(shù)：
已知的有來自光源的光照射到液晶面板等圖像顯示元件，將液晶面板上的圖像放大投影的液晶投影儀等投影型圖像顯示裝置。
歷來，以高亮度為目的，采用了可對(duì)光源提供高電力的一個(gè)或多個(gè)燈的投影型圖像顯示裝置大多數(shù)已經(jīng)制品化，但最近的目標(biāo)是提高色純度及延長壽命、提高點(diǎn)亮性，研究開發(fā)了發(fā)光二極管，有機(jī)EL等所謂LED光源。在這種情況下，為了補(bǔ)充亮度的不足，大多是采用多個(gè)LED光源并用的方法。作為這樣的LED光源單元及使用該光源單元的投影型圖像顯示裝置，例如在特開2002-374004號(hào)公報(bào)中公開。
而且，最近，例如在特開2002-151746號(hào)公報(bào)中給出了LED的光由凹狀的反射鏡反射而向前方射出的反射型LED。而且，作為將這種反射型LED配置為矩陣狀的光源單元及使用該光源單元的投影型圖像顯示裝置，例如在特開2003-329978號(hào)公報(bào)中公開。
在實(shí)現(xiàn)配列多個(gè)LED等的光源作為光源單元的投影型圖像顯示裝置中，與歷來所使用的高壓水銀燈等相比，由于每一個(gè)光源所射出的光束量非常小，所以難以得到投影型圖像的足夠的亮度。因此給出了配置形成多個(gè)光源的提案，但是，在投影型圖像顯示裝置的照明光學(xué)系統(tǒng)中，用于獲取來自光源的光束的入射開口尺寸的大小受到限制，即使是可配置多個(gè)光源，將光束有效地導(dǎo)入入射開口的光源數(shù)目也有限制。就是說，從配置在有限的面積內(nèi)的光源射出的光要保證盡量多，這一點(diǎn)很重要。
因此，雖然通過如在特開2003-329978號(hào)公報(bào)中所見到的那樣配置多個(gè)LED光源，而且在各LED光源中使用上述專利文獻(xiàn)2等所公開的反射型LED，以達(dá)到高亮度的目的，但是，沒有考慮在有限的面積內(nèi)射出盡量多的光束的結(jié)構(gòu)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是鑒于上述問題而提出，其目的在于提供能夠抑制在既定的面積內(nèi)的光的利用率的下降、實(shí)現(xiàn)高亮度化的光源單元及使用該光源單元的投影型圖像顯示裝置。
為了解決上述問題，本發(fā)明具有發(fā)明特征所述的結(jié)構(gòu)。就是說，為了使單位規(guī)定的面積中所射出的光束最大，不是以使各個(gè)光源的效率最大為目的，而是以各個(gè)光源的單位面積的射出光束最大為目的。
通過將各光源的聚光鏡的尺寸設(shè)定為發(fā)明特征所述的范圍，雖然不能使從各個(gè)光源所射出的光束達(dá)到最大值，但卻能夠在有限的面積內(nèi)配置多個(gè)光源，可增加作為光源單元的射出光的量。


圖1是表示本發(fā)明的實(shí)施方式的一例的投影型圖像顯示裝置的結(jié)構(gòu)圖。
圖2是表示光源單元的一部分的詳細(xì)說明圖。
圖3是表示對(duì)于使用單一LED情況下的反射半徑的開口效率與反射面積關(guān)系的圖。
圖4是表示對(duì)于光源單元的反射面積的開口效率的圖。
圖5是表示光源單元整體對(duì)于反射半徑的射出效率、總的光量的變化圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的實(shí)施方式。還有，各圖中對(duì)于具有同一功能的構(gòu)成要素都賦予同樣的符號(hào)。
本實(shí)施例中是對(duì)使用透射型液晶面板作為圖像顯示元件的情況所進(jìn)行的說明，當(dāng)然本發(fā)明也可以適用于反射型液晶，或DMD鏡器件等。
實(shí)施例1圖1是表示本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的投影型圖像顯示裝置的概略結(jié)構(gòu)圖。在圖1中，1是根據(jù)本發(fā)明而配置了多個(gè)反射型LED的光源單元，構(gòu)成光源單元1的各反射型LED，分別設(shè)置有旋轉(zhuǎn)拋物面狀的反射鏡、即反射鏡5，使來自LED芯片發(fā)光部21的光有效、連續(xù)地照射到光學(xué)系統(tǒng)。2R、2G、2B分別是與RGB三原色相對(duì)應(yīng)的圖像顯示元件的透射型液晶面板，由未圖示的圖像信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路將來自光源單元1的光束進(jìn)行對(duì)應(yīng)于圖像信號(hào)的光強(qiáng)度調(diào)制，形成光學(xué)像。3是投影透鏡，4是鏡子，6與7是構(gòu)成所謂綜合光學(xué)體系的第一透鏡陣列與第二透鏡陣列，8是將來自綜合光學(xué)體系的光束在既定的偏光方向上對(duì)齊的偏光轉(zhuǎn)換元件，9是聚光鏡，10R、10G是聚光透鏡，11是合成棱鏡，12、13是用于色分離的分色鏡，14是鏡子，15是第一中繼透鏡，16是第二中繼透鏡，17是第三中繼透鏡，18是屏幕，19、20是鏡子。而且，除了這些以外，作為主要部件有未圖示的電源電路。
在圖1中，從光源單元1的各反射型LED光源的LED芯片的發(fā)光部21所射出的白色光束，由旋轉(zhuǎn)拋物面狀的反射鏡5所反射，入射到成為綜合光學(xué)體系的第一透鏡陣列6。由配列為矩陣狀的多個(gè)透鏡單元所構(gòu)成的第一透鏡陣列6將入射的光束分割為多個(gè)光束，高效率地傳導(dǎo)以通過第二透鏡陣列7及偏光轉(zhuǎn)換元件8。與第一透鏡陣列6同樣由配列為矩陣狀的多個(gè)透鏡單元所構(gòu)成的第二透鏡陣列7的構(gòu)成透鏡單元，分別將對(duì)應(yīng)的第一透鏡陣列6的透鏡單元的形狀投影到投射型液晶面板2R、2G、2B一側(cè)。此時(shí)，偏光轉(zhuǎn)換元件8將來自第二透鏡陣列7的光束在既定的偏光方向上聚集。而且，這些第一透鏡陣列6的各透鏡單元的投影像通過聚光鏡9、聚光透鏡10R、10G、第一中繼透鏡15、第二中繼透鏡16、及第三中繼透鏡17重合在各液晶面板2R、2G、2B上。
在該過程中，由構(gòu)成色分離裝置的分色鏡12、13，將從光源射出的白色光分離為紅(R)、綠(G)、藍(lán)(B)三原色的色光，分別照射到對(duì)應(yīng)的液晶面板2R、2G、2B上。還有，這里的分色鏡12具有透過紅光、反射綠光藍(lán)光的特性，而分色鏡13具有透過藍(lán)光、反射綠光的特性。
各液晶面板2R、2G、2B與未圖示的入射出射偏光板一起，由未圖示的圖像信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路控制透過液晶面板的光量，并對(duì)每個(gè)象素進(jìn)行明暗改變的光強(qiáng)度變換，形成光學(xué)像。
進(jìn)而，明亮地所照射的液晶面板2R、2G、2B上的各光學(xué)像，由合成棱鏡11進(jìn)行色合成，進(jìn)而由投影透鏡3投射到屏幕18，得到大畫面的圖像。
而且，第一中繼透鏡15、第二中繼透鏡16、及第三中繼透鏡17是對(duì)液晶面板2B相對(duì)于液晶面板2R、2G的光路變長所作的補(bǔ)充。
接著，對(duì)本發(fā)明的特性、光源單元1的反射形狀進(jìn)行詳細(xì)的說明。圖2是為了詳細(xì)說明構(gòu)成圖1的光源單元1的單位部分的反射型LED，而將光源單元內(nèi)的一個(gè)反射型LED取出，表示其光學(xué)概略結(jié)構(gòu)的圖。
在圖2中，21是反射型LED的LED芯片的發(fā)光部，5是對(duì)來自LED芯片的發(fā)光部21的光進(jìn)行反射的例如旋轉(zhuǎn)拋物面狀的反射鏡。D是反射鏡5的直徑，r是其半徑，θ是與利用包含連接發(fā)光部21的中心與反射鏡21的頂點(diǎn)的軸(以下稱“光軸”)的平面所切的截面中的從發(fā)光部21所射出的光束的光軸所成的角度。而且，f是旋轉(zhuǎn)拋物面狀的反射鏡5的焦距，發(fā)光部21一般配置在反射鏡5的焦點(diǎn)位置。從LED光源的發(fā)光部21射出遵循朗伯分布規(guī)律的、向著反射鏡5的大體半圓狀的光束，如用圖中的θ值表示則具有90度的廣度。設(shè)光軸上光的強(qiáng)度為I0，則角度θ上的光的強(qiáng)度用I0cosθ表示。
這里，將從發(fā)光部21所射出的光束中被反射鏡5所捕捉的光束的比例定義為開口效率。此時(shí)，在光束盡可能地被反射鏡5所捕捉，即開口效率為100％的情況下，有下式成立D＝4×f(式1)而且，設(shè)反射鏡的開口形狀為圓形，該反射鏡的開口面積(以下稱為反射鏡面積)為s時(shí)，s可由下式表示s＝π×D×D/4 (式2)此時(shí)，設(shè)配置光源的有效面積為S，則光源最大數(shù)N由下式表示NS/s (式3)實(shí)際上，由于反射鏡5的外形為圓形的情況是在形成光源單元時(shí)的配置中可有間隙，所以該N不是正確的值，但由于在后面的說明中相對(duì)沒有出現(xiàn)較大的問題，所以為了簡化而使用該值。
圖3是表示在f＝1時(shí)的如圖2所示的光源單位中、對(duì)于反射半徑的開口效率與反射面積的關(guān)系。在該圖中，左側(cè)的縱坐標(biāo)是光束的開口效率，右側(cè)的縱坐標(biāo)是反射面積，橫坐標(biāo)是反射半徑。在D＝4×f時(shí)開口效率達(dá)到100％，且反射面積也達(dá)到最大值。但是，反射面積與開口效率并不一定有比例關(guān)系，從單位面積的開口效率來看，反射面積越小越能夠得到高的值，這一點(diǎn)從圖4可以看出。
圖4是從圖3求出的對(duì)于反射面積的開口效率，橫坐標(biāo)表示反射面積，縱坐標(biāo)表示開口效率的變化。從圖4可知，反射面積越大傾斜越小，即使將反射面積是從開口效率為100％的狀態(tài)的最大值減小，對(duì)于其比例，開口效率的下降也小。即，減少反射面積，增加相應(yīng)的LED的數(shù)目，使其密集，能夠提供總光束量大的光源單元。
接著，為了對(duì)此進(jìn)行確認(rèn)，下面考察由多個(gè)反射型LED所構(gòu)成的光源單元的總光束量。
這里，對(duì)光源單元的總光束量定義如下。
總光束量＝LED光源發(fā)光部的光束量×開口效率×LED光源數(shù)N(式4)而且，將對(duì)于全體LED光源發(fā)光部的光束量、作為光源單元所射出的光束量的比例(即式4的總光束量的比例)定義為射出效率。進(jìn)而，以下為了簡化說明，將來自LED光源發(fā)光部的總光束量作為1來處理。此外，將能夠配置LED光源的面積S作為與反射鏡半徑為2(如上所述f＝1)時(shí)的反射面積相同的面積，考慮反射型LED的光源數(shù)從而求出總光束量，這時(shí)的反射型的LED光源數(shù)N根據(jù)式3利用下式可以求出。
N＝2×2×π/s(式5)基于以上的條件，橫坐標(biāo)為反射半徑，計(jì)算出由多個(gè)反射型LED構(gòu)成的光源單元的總光束量、射出效率，示于圖5。而且，在圖5中，在橫坐標(biāo)的反射鏡半徑值的下面，表示了與該反射鏡值相對(duì)應(yīng)的式5所求出的LED光源數(shù)N。例如反射鏡半徑為1的情況，根據(jù)式5，LED光源數(shù)為4。
如上所述，反射半徑較小時(shí)，單位反射面積的射出效率高，通過增加相應(yīng)的LED總數(shù)能夠增加總光束量，這已經(jīng)在圖5中得到了確認(rèn)。由于反射鏡半徑越小，總光束量越大，所以通過在本實(shí)施例中反射鏡半徑不是最大值2，而是1，可以得到與反射鏡半徑為2時(shí)相比約2.5倍的總光束量。即，根據(jù)下式，D＜4×f (式6)能夠增加作為光源單元的射出光束量。
實(shí)施例2接著，對(duì)實(shí)施例2加以敘述。由圖5可知，例如反射鏡半徑從1逐步減小時(shí)，能夠預(yù)測(cè)總光束量會(huì)逐步增加，但由于射出效率非常低，所以放熱等負(fù)擔(dān)增加，不可能成為現(xiàn)實(shí)的結(jié)構(gòu)。所以，在射出效率不低于50％(反射鏡半徑約為0.8)以下的范圍內(nèi)確定反射鏡半徑較好。而且，關(guān)于該上限，希望表示光源單元的亮度的總光束量為1.3倍(反射鏡半徑約為1.75)以上，特別優(yōu)選為1.5倍(反射鏡半徑約為1.6)以上。
根據(jù)以上的觀點(diǎn)，在本實(shí)施方式中，使用式7所示的范圍作為反射鏡半徑。
1.6×f＜D＜3.2×f (式7)然而，在上述實(shí)施例中，是以旋轉(zhuǎn)拋物面的形狀對(duì)反射鏡形狀作的說明，但也可以考慮對(duì)應(yīng)于發(fā)光部21的大小及形狀，對(duì)旋轉(zhuǎn)橢圓面形狀及旋轉(zhuǎn)拋物面形狀進(jìn)行若干變形的非球面形狀的反射鏡5。在這種情況下雖然也可以達(dá)到與上述說明同樣的效果，但由于在這種情況下不能根據(jù)式6、式7來規(guī)定形狀，所以可以使用與非球面形狀大體一致的旋轉(zhuǎn)橢圓面形狀及旋轉(zhuǎn)拋物面的焦距，或使用與這些焦距大體相等而設(shè)定的發(fā)光部21與反射鏡中心部的頂點(diǎn)的距離Z，從而進(jìn)行下述的規(guī)定。
D＜4×Z(式6′)或者是，1.6×Z＜D＜3.2×Z (式7′)根據(jù)上述實(shí)施例，雖然從各個(gè)LED光源所射出的光束沒有達(dá)到最大值，但能夠相應(yīng)地在有限的空間內(nèi)配置多個(gè)LED光源，能夠增大作為LED光源單元的射出光的量。就是說，能夠在有限的面積內(nèi)考慮高效率的同時(shí)達(dá)到高亮度，提供配置多個(gè)具有反射鏡的LED等光源的光源單元及設(shè)置有該單元的投影型圖像顯示裝置。
還有，上述光源單元當(dāng)然可以是配置有獨(dú)立的各反射型LED的單元，也可以是一體形成陣列狀的單元。
而且，作為構(gòu)成所述光源單元的“LED光源”，可以使用由在順方向施加電壓而放出光的無機(jī)固體晶體(例如GaP、GaAsP、GaAlAs等化合物半導(dǎo)體晶體)而制造的發(fā)光二級(jí)管LED，或具有夾持在兩個(gè)電極之間的有機(jī)分子發(fā)光層的有機(jī)EL(電致發(fā)光)的所謂OLED(有機(jī)發(fā)光二級(jí)管)等。就是說LED光源是這些光源的總稱。
而且，在上述實(shí)施例中，是從光源單元射出白色光，但本發(fā)明并不限于此，當(dāng)然也可以適用于上述專利文獻(xiàn)3的圖6中記述的射出特定色光的光源單元。
權(quán)利要求
1.一種光源單元，用于投影型圖像顯示裝置，該投影型圖像顯示裝置具有基于圖像信號(hào)而調(diào)制光的圖像顯示元件；和將來自該圖像顯示元件的射出光投影到屏幕的投影透鏡，其特征在于并排配置至少兩個(gè)以上的光源，具有與各光源相對(duì)應(yīng)的拋物面形狀或接近拋物面形狀的非球面的聚光鏡，在D表示反射鏡的有效直徑，f表示鏡子的焦距，Z表示光源的發(fā)光部與鏡子中央部頂點(diǎn)之間的距離時(shí)，滿足下式D＜4×f或D＜4×Z。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光源單元，其特征在于所述光源由LED所構(gòu)成。
3.一種光源單元，用于投影型圖像顯示裝置，該投影型圖像顯示裝置具有基于圖像信號(hào)而調(diào)制光的圖像顯示元件；和將來自該圖像顯示元件的射出光投影到屏幕的投影透鏡，其特征在于并排配置至少兩個(gè)以上的光源，具有與各光源相對(duì)應(yīng)的拋物面形狀或接近拋物面形狀的非球面的聚光鏡，在D表示反射鏡的有效直徑，f表示鏡子的焦距，Z表示光源的發(fā)光部與鏡子中央部頂點(diǎn)之間的距離時(shí)，滿足下式1.6×f＜D＜3.2×f或1.6×Z＜D＜3.2×Z。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的光源單元，其特征在于所述光源由LED所構(gòu)成。
5.一種投影型圖像顯示裝置，具有光源單元；基于圖像信號(hào)而調(diào)制來自該光源單元的光束的圖像顯示元件；和將來自該圖像顯示元件的射出光投影到屏幕的投影透鏡，其特征在于所述光源單元并排配置至少兩個(gè)以上的光源，具有與各光源相對(duì)應(yīng)的拋物面形狀或接近拋物面形狀的非球面形狀的聚光鏡，在D表示反射鏡的有效直徑，f表示鏡子的焦距，Z表示光源的發(fā)光部與鏡子中央部頂點(diǎn)之間的距離時(shí)，滿足下式D＜4×f或D＜4×Z。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的光源單元，其特征在于所述光源由LED所構(gòu)成。
7.一種投影型圖像顯示裝置，具有光源單元；基于圖像信號(hào)而調(diào)制來自該光源單元的光束的圖像顯示元件；和將來自該圖像顯示元件的射出光投影到屏幕的投影透鏡，其特征在于所述光源單元并排配置至少兩個(gè)以上的光源，具有與各光源相對(duì)應(yīng)的拋物面形狀或接近拋物面形狀的非球面形狀的聚光鏡，在D表示反射鏡的有效直徑，f表示鏡子的焦距，Z表示光源的發(fā)光部與鏡子中央部頂點(diǎn)之間的距離時(shí)，滿足下式1.6×f＜D＜3.2×f或1.6×Z＜D＜3.2×Z。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的光源單元，其特征在于所述光源由LED所構(gòu)成。
全文摘要
在使用透射型液晶或反射型液晶作為圖像顯示元件的投影型圖像顯示裝置中，構(gòu)成配列有與光源LED相對(duì)應(yīng)的多個(gè)反射鏡的光源單元，其中D表示反射鏡的有效直徑，f表示透鏡的焦距，Z表示光源的發(fā)光部與鏡中央部頂點(diǎn)之間的焦距，滿足D＜4×f或D＜4×Z關(guān)系。在該投影型圖像顯示裝置中，能夠抑制光源單元的射出開口面積內(nèi)的光的利用效率的降低，確保充分的亮度。
文檔編號(hào)G02B27/18GK1641410SQ20051000219
公開日2005年7月20日 申請(qǐng)日期2005年1月14日 優(yōu)先權(quán)日2004年1月16日
發(fā)明者山崎太志, 谷津雅彥 申請(qǐng)人:株式會(huì)社日立制作所