专利名称：照明装置以及投影式图像显示装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及照明装置以及投影式图像显示装置。
背景技术：
用于液晶投影仪等中的照明装置一般由超高压水银灯、卤化金属灯、氙气灯等的灯以及将其照射光平行光化的抛物面反射器构成。另外，在该照明装置中，为了减少照射面的光量不均，具有利用一对蝇眼透镜(fly eyelens)的汇聚(integrate)功能(利用光学装置将在平面内取样形成的规定形状的多个照明区域重叠聚光在照明对象上的功能)。进而，近年来，从轻型、小型化等的观点出发，也尝试着使用发光二极管(LED)作为光源(参考专利文献1)。
专利文献1特开平10-186507号但是，实际上却无法使用发光二极管来得到实用的照明装置。
发明内容
本发明鉴于上述实情，其目的在于提供一种使用发光二极管等固体发光元件的实用的照明装置以及投影式图像显示装置。
本发明的照明装置为了解决上述问题，其特征在于，包括具备一个或多个固体发光元件而成的光源；使从光出射面的面积比位于该光源侧的光入射面的面积还大的光波导或者所述光源射出的光平行光化的透镜中的至少一个；将来自所述光波导或所述透镜发射的出射光入射的第一蝇眼透镜；与所述第一蝇眼透镜成对地配置，将光聚集并引导到照明对象上的第二蝇眼透镜(以下，在该项中称为第一结构)。
另外，本发明的照明装置的特征在于，包括具备一个或多个固体发光元件而成的光源；与每个固体发光元件的光出射侧相邻配置，且将两个以上的凸透镜分配给每个固体发光元件的第一蝇眼透镜；与所述第一蝇眼透镜成对地配置，将光聚集并引导到照明对象上的第二蝇眼透镜(以下，在该项中称为第二结构)。
在上述第一结构或第二结构中，也可以在所述第二蝇眼透镜的光出射侧设置偏振光变换装置，其具有多个偏振光分光器，以汇聚偏振光方向。
另外，本发明的照明装置的特征在于，包括具有多个偏振光分光镜，以汇聚偏振光方向的偏振光转换装置；在所述偏振光转换装置的光入射侧相邻设置的一个或者多个固体发光元件；将来自偏振光变换装置的出射光聚集并导向照明对象的聚光机构(以下，在该项中称为第三结构)。
在上述第三结构中，聚光机构也可以由第一蝇眼透镜以及与其成对配置的第二蝇眼透镜组成。或者，在上述第三结构中，聚光机构也可以是呈筒状或柱状的棒式积分仪(rod integrator)。
另外，本发明的照明装置的特征在于，具备由多个固体发光元件构成的光源；使每个固体发光元件的发光量和发光颜色均匀的机构(以下，在该项中称为第四结构)。
在上述第四结构中，也可以构成为通过控制提供给所述固体发光元件的电流值来控制发光颜色和发光量。进而，也可以构成为通过控制提供给所述固体发光元件的电流的脉冲宽度来控制发光量。在这些结构的照明装置中，也可以具备不对来自所述光源的光进行聚光而是将来自光源的光波导向照明对象的光学系统。或者，也可以将所述光源与照明对象相邻配置，以将来自光源的光直接导向照明对象。
在这些结构的照明装置中，优选使每个固体发光元件的纵横尺寸比和照明对象的纵横尺寸比相同或者大致相同。另外，在这些结构的照明装置中，优选固体发光元件由具有光子晶体(photonic crystal)的发光二极管组成。优选具有所述光子晶体的发光二极管的光出射方向大致垂直于发光面。
另外，本发明的投影式图像显示装置，其中由显示装置将从照明装置出射的光调制后进行投影，其特征在于，具备上述任何一种照明装置，所述显示装置被作为照明对象。在该投影式图像显示装置中，也可以构成为设置三个所述显示装置，为各色光所用，包括三个该照明装置，为各色光所用，并且将经过了所述三个显示装置的光合成后进行投影。
另外，本发明的投影式图像显示装置的特征在于，具备具有成为像素的多个固体发光元件的自发光显示装置；将来自所述自发光显示装置的出射图像光投影的投影透镜。在该结构的投影式图像显示装置中，也可以构成为设置三个所述显示装置，为各色光所用，设置三个所述自发光显示装置，为各色光所用，将来自所述三个自发光显示装置的出射图像光合成后进行投影。另外，所述显示装置中的固体发光元件最好由具有光子晶体的发光二极管组成。进而，优选具有所述光子晶体的发光二极管使光出射方向大致垂直于发光面。
如以上所说明的，根据本发明达到以下效果可以提供一种采用发光二极管等固体发光元件的实用型照明装置以及投影式图像显示装置。
图1是表示本发明实施方式的照明装置以及投影式图像显示装置的光学系统的说明图。
图2是表示液晶显示面板的纵横尺寸比的说明图。
图3是表示本发明实施方式的偏振光转换装置的基本单元的说明图。
图4是表示本发明实施方式的照明装置以及投影式图像显示装置的光学系统的说明图。
图5是表示本发明实施方式的照明装置以及投影式图像显示装置的光学系统的说明图。
图6(a)是表示利用四个基本单元的偏振光转换装置等的侧视图；图6(b)是表示利用四个基本单元的偏振光转换装置的平面图。
图7是表示在图6的构成中、取代棒式积分仪而设置积分透镜的结构例的说明图。
图8是表示将两个基本单元配置为方格状的偏振光转换装置的平面图。
图9是表示将LED芯片配置为阵列状而成的光源的平面图。
图10是表示利用进行LED芯片中的发光量和颜色的均匀化的光源的照明装置的说明图。
图11是表示将液晶显示面板相邻配置在进行了LED芯片中的发光量和颜色的均匀化的光源的光出射侧的结构的说明图。
图12是表示自发光图像显示面板的平面图。
图13是表示具有自发光图像显示面板的投影式图像显示装置的说明图。
图中1-照明装置，3-液晶显示面板，11-光源，13-积分透镜，20-偏振光转换装置，21-棒式积分仪，25-自发光图像显示面板。
具体实施例方式
(实施方式1)以下，根据图1～图9，对本发明实施方式的照明装置和投影式图像显示装置进行说明。
图1是表示三板式的投影式图像显示装置的光学系统的图。该投影式图像显示装置具备三个照明装置1R、1G、1B(以下，没有特定表示每个照明装置的时候，用符号“1”表示)。照明装置1R发射红光，照明装置1G发射绿光，照明装置1B发射蓝光。从每个照明装置1射出的光被凸透镜2导向每个颜色用的透过型液晶显示面板3R、3G、3B(以下，没有特定表示每个液晶显示面板的时候，用符号“3”)。另外，在本实施方式中，虽然示出并说明了一个凸透镜2，也可以使用多个透镜来构成。每个液晶显示面板3具备入射侧偏振片、在一对玻璃基板(形成像素电极或取向膜)之间密封液晶而形成的面板部、出射侧偏振片。通过经由液晶显示面板3R、3G、3B而被调制的调制光(各色图像光)由分色镜4合成后形成彩色图像光。该彩色图像光由投影透镜5放大投影并显示在屏幕上。
图2是表示液晶显示面板的主视图。液晶显示面板3具有横A对纵B的纵横尺寸比。A对B例如是4对3或16对9。
每个照明装置1由光源11、光波导10、聚光透镜9、积分透镜13组成。光源11是由一个或多个LED芯片(发光二极管芯片)在平面上排列而形成的。在本实施方式以及以下的实施方式中，LED芯片的纵横尺寸比与作为照明对象的液晶显示面板3的纵横尺寸比相同或大致相同。进而，LED芯片具有光子晶体结构，光出射方向大致垂直于发光面，并具有较高的定向性。并且，在由多个光子晶体型LED芯片构成光源11的情况下，LED芯片的间隔极狭窄。另外，光子晶体是介电常数引起周期性调制的人工晶体。
光波导(光导管)10的光出射面的面积比其光入射面(位于该光源11的一侧)的面积还大，例如，由玻璃块或者内面为镜面的筒状物形成。从光源11射出的光在光波导10内反射，由此提高从光波导10射出的光的平行度。聚光透镜9是使从上述光源11射出的光平行的透镜，通过设置该聚光透镜9来进一步增加光的平行度。在本实施方式中，虽然设置了光波导10和聚光透镜9双方，但是也可以采用仅设置其中一方的结构。
积分透镜13由一对蝇眼透镜13a、13b构成，每个透镜对将从光源11射出的光导向液晶显示面板3的整个面中。由此，即使光源11的每个LED芯片中存在光法官不均(亮度不均)，或者即使光波导10的出射面内存在亮度不均，在导向液晶显示面板3的光束中也可以得到亮度的均匀性。使蝇眼透镜13a、13b中的每个透镜的纵横比与液晶显示装置面板3的纵横尺寸比大致相同。在后述的实施方式中也相同。
也可以在积分透镜13和凸透镜2之间设置偏振光转换装置。如图3所示，偏振光转换装置20的基本单元由两个偏振光分光镜(PBS)20a ·20a、配置于其中一个偏振光分光镜20a的光出射侧的相位差板(1/2λ板)20b组成。每个偏振光分光镜20a的偏振光分离膜使P偏振光透过，并使S偏振光的光路变更90度。光路被变更的S偏振光由相邻的偏振光分离膜反射并被直接射出。另一方面，透过偏振光分离膜的P偏振光被设置在其前方(光出射侧)的上述相位差板20b转换为S偏振光并被射出。即，在图3的例子中，几乎所有的光都被转换为S偏振光。
图4是表示投影式图像显示装置的其它光学系统的图。在该光学系统的照明装置1中，不具备光波导10以及聚光透镜9。另外，光源11由多个LED芯片排列在平面上而形成，并使积分透镜13中的多个凸透镜部分(例如，2个、4个等)面对一个LED芯片。这样，通过使积分透镜13中的多个凸透镜部分与每个LED芯片相对，从而即使光源11的每个LED芯片中存在发光不均(亮度不均)，在导向液晶显示面板3的光束中也可以得到亮度的均匀性。在利用具有光子晶体结构的LED芯片的情况下，可以使其与蝇眼透镜13a的平坦面一侧密接。
图5是表示投影式图像显示装置的光学系统的其他光学系统的图。该光学系统中的照明装置1由光源11、偏振光转换装置20、棒式积分仪21组成。光源11由一个或多个LED芯片排列在平面上而形成。LED芯片具有光子晶体结构，光出射方向大致垂直于发光面，并且定向性高。在由多个光子晶体型的LED芯片构成光源11的情况下，LED芯片的间隔极为狭窄。
上述光源11(LED芯片)与偏振光转换装置20的光入射面相邻配置。在本实施例中，使光源11的大小与偏振光转换装置20的光入射面的大小大致相同。也可以使光源11和偏振光转换装置20密接。偏振光转换装置20构成为具备一个或多个基本单元。在本实施例中，来自光源11的光被偏振光转换装置20汇集为S偏振光，并射出。在偏振光转换装置20的光出射侧配置有棒式积分仪21。通过棒式积分仪21，即使在光源11的每个LED芯片中存在发光不均(亮度不均)，或者即使由于每个LED芯片的个体差而在亮度中存在不同，或者即使在偏振光转换装置20的发射面内存在亮度不均，也可以在导向液晶显示面板3上的光束中得到亮度的均匀性。
从偏振光转换装置20射出的光被棒式积分仪21聚光并入射到液晶显示面板3中，并且由液晶显示面板3调制过的光被入射到分光棱镜4中。
因为光源11(LED芯片)的光出射方向与该发光面大致垂直，定向性较高，且光源11(LED芯片)与偏振光转换装置20相邻配置，所以即使来自光源11(LED芯片)的出射光直接入射到偏振光转换装置20中，该光也可以几乎被完全利用，光使用效率高。
其中，例如，如果将相邻偏振光转换装置20的每个基本单元设置的一个或多个LED芯片的整体大小设为几毫米角，在基本单元内的光的透过·反射光束之间的光路长度差也可以达到几毫米左右，因为光路长度差变小，所以光使用效率进一步提高。
图6(a)(b)举例示出使用了四个基本单元的偏振光转换装置20。在图6的例子中，相位差板20b(LED芯片)配置为位于中央部。其中，假设光源11由一个LED芯片构成的情况。如果将一个LED芯片设为4mm角，则每个基本单元的光入射面是2mm角。即，也可以不添加与某种大小的LED芯片相同大小的偏振光分光镜，而是添加分割为具有小光入射面的多个区域的偏振光分光镜。另外，在该例中，也可以采用设置棒式积分仪21来降低亮度不均的结构。
图7表示了设置积分透镜13来代替棒式积分仪21的结构的例子。积分透镜13中的每个透镜部与每个偏振光分光镜的宽度基本一致。因此，即使在相位差板20b存在的场所和不存在的场所中存在亮度差的情况下，也可以以均匀的亮度将光导入液晶显示面板3中。
图8举例表示使用了两个基本单元的偏振光转换装置20。在该图8的例子中，相位差板20b(LED芯片)的配置(图的斜线部)成为倾斜配置(方格状配置)。通过形成这种倾斜配置，从而与纵向并列配置或者横向并列配置的情况相比，亮度不均减少并且散热效果也提高。
(实施方式2)以下，根据图9～图11对本发明实施例的照明装置和投影式图像显示装置进行说明。
图9是表示将LED芯片配置为阵列状(纵6个×横10个)而形成的光源11的平面图，该图(a)表示由于每个LED芯片的个体特性差而造成每个LED芯片的发光量和发光颜色的不同，并且没有进行均匀调整的状态，该图(b)表示进行了发光量和发光颜色的均匀调整的状态。
LED芯片具有光子晶体结构，光出射方向大致垂直于发光面，定向性高。并且，在由多个光子晶体型的LED芯片构成光源11的情况下，LED芯片的间隔极为狭窄。
每个LED芯片上设有单个的电流供给电路。在每个电流供给电路中控制提供给LED芯片的电流值和每单位时间的电流供给的接通时间。通过控制电流值，从而可以控制从LED芯片射出的光的主(dominant)波长。另外，通过控制每单位时间的电流供给接通时间，从而可以使LED芯片的发光量增减。LED芯片的发光量和发光颜色的均匀调整，只要采用目视或者摄影元件等传感器，使每个LED芯片的发光量和发光颜色数值化来进行就可以。
图10是表示利用了进行过LED芯片中的发光量和发光颜色的均匀化的光源11的照明装置的说明图。光源11具有比液晶显示面板3还大的面积，并通过利用透镜23而汇聚来自光源11的光束，以符合液晶显示面板3的大小。经过液晶显示面板3而被调制的光被交叉分光镜合成为其他颜色的图像光，并进行投影。
图11表示将液晶显示面板3相邻配置于LED芯片中、进行过发光量和发光颜色的均匀化的光源11的光出射侧。经过液晶显示面板3而被调制的光被交叉分光镜合成为其他颜色的图像光，并进行投影。
图10和图11中的任何一种结构都不具备光积分仪。即，通过利用使LED芯片中、进行过发光量和发光颜色的均匀化的光源11，从而可以实现不具备光积分仪的照明光学系统。另外，也可以使小型偏振光转换装置(基本单元)相邻配置于每个构成光源11的LED芯片或者多个LED芯片。该情况下，也可以在配置为阵列状的LED芯片的列之间和/或行之间设置空隙(与基本单元的一个PBS的宽度大致相同)。
在以上说明的投影式图像显示装置中，并不限于透过型液晶显示面板，可以使用反射型液晶显示面板，也可以利用驱动每个成为像素的微反射镜类型的显示面板来代替这些液晶显示面板。另外，虽然具备了出射各色光的三个照明装置1R、1G、1B，但是作为出射白色光的照明装置，也可以构成为以交叉分色镜等进行分光或者不进行分光而导入到单板的彩色显示面板。在设为射出白色光的照明装置的情况下，每个固体发光元件可以射出白色光，也可以构成为适当地排列射出红光、蓝光、绿光的固体发光元件。另外，固体发光元件并不限于发光二极管(LED)。
(实施方式3)以下，根据图12和图13对本发明的实施方式的投影式图像显示装置进行说明。
本实施方式的投影式图像显示装置不具备照明装置，而是具备自发光图像显示面板25。图12是表示自发光图像显示面板25的平面图。该自发光图像显示面板25是将LED芯片配置为阵列状(图中是纵25×横25个)而形成的。
LED芯片具有光子晶体结构，光出射方向大致垂直于发光面，并且定向性较高。而且，在由多个光子晶体型的LED芯片构成自发光图像显示面板25的情况下，LED芯片的间隔极为狭窄。
自发光图像显示面板25连接有未图示的驱动器。该驱动器可以使用利用了LED或有机场致发光元件等的自发光图像显示面板用的普通驱动器。这种驱动器构成为具有具备多根信号线和多根扫描线的矩阵结构，并且具备信号线驱动器和扫描线驱动器。驱动器中的控制器使扫描线驱动器选择成为显示对象的扫描线，并且对该扫描线上的每个LED芯片，使用信号线驱动器进行与输入图像信号对应的电流供给控制。电流供给控制为了进行灰度等级显示，使电流值(振幅)变化，或控制每单位时间(一个水平扫描期间)的电流供给接通时间。
图13是表示利用该自发光图像显示面板25的三板式的投影式图像显示装置的光学系统的图。该投影式图像显示装置具备三个自发光图像显示面板25R、25G、25B。自发光图像显示面板25R射出红色图像光，自发光图像显示面板25G射出绿色图像光，自发光图像显示面板25B射出蓝色图像光。从每个自发光图像显示面板25射出的各种颜色的图像光被交叉分色镜4合成为彩色图像光。该彩色图像光被投影透镜5放大投影并显示在屏幕上。
权利要求
1.一种照明装置，其特征在于，包括具备一个或多个固体发光元件而成的光源；使从光出射面的面积比位于该光源侧的光入射面的面积还大的光波导或者所述光源射出的光平行光化的透镜中的至少一个；将来自所述光波导或所述透镜射的出射光入射的第一蝇眼透镜；与所述第一蝇眼透镜成对地配置，将光聚集并引导到照明对象上的第二蝇眼透镜。
2.一种照明装置，其特征在于，包括具备一个或多个固体发光元件而成的光源；与每个固体发光元件的光出射侧相邻配置，且将两个以上的凸透镜分配给每个固体发光元件的第一蝇眼透镜；与所述第一蝇眼透镜成对地配置，将光聚集并引导到照明对象上的第二蝇眼透镜。
3.根据权利要求1或2所述的照明装置，其特征在于，在所述第二蝇眼透镜的光出射侧设置偏振光变换装置，其具有多个偏振光分光器，以汇聚偏振光方向。
4.一种照明装置，其特征在于，包括具有多个偏振光分光镜，以汇聚偏振光方向的偏振光转换装置；相邻设置在所述偏振光转换装置的光入射侧的一个或者多个固体发光元件；将来自偏振光变换装置的出射光聚集并导向照明对象的聚光机构。
5.根据权利要求4所述的照明装置，其特征在于，所述聚光机构由第一蝇眼透镜以及与其成对配置的第二蝇眼透镜组成。
6.根据权利要求4所述的照明装置，其特征在于，所述聚光机构是呈筒状或柱状的棒式积分仪。
7.一种照明装置，其特征在于，具备由多个固体发光元件组成的光源；使每个固体发光元件的发光量和发光颜色均匀的机构。
8.根据权利要求7所述的照明装置，其特征在于，通过控制提供给该固体发光元件的电流值来控制发光颜色和发光量。
9.根据权利要求7或8所述的照明装置，其特征在于，通过控制提供给该固体发光元件的电流脉冲幅度来控制发光量。
10.根据权利要求7～9中任一项所述的照明装置，其特征在于，具备不对来自所述光源的光进行聚光，而是将来自光源的光导入照明对象中的光学系统。
11.根据权利要求7～9中任一项所述的照明装置，其特征在于，构成为将所述光源与照明对象相邻配置，并将来自光源的光直接导入照明对象中。
12.根据权利要求1～11中任一项所述的照明装置，其特征在于，使每个固体发光元件的纵横尺寸比和照明对象的纵横尺寸比相同或者大致相同。
13.根据权利要求1～12中任一项所述的照明装置，其特征在于，固体发光元件由具有光子晶体的发光二极管组成。
14.根据权利要求13所述的照明装置，其特征在于，具有该光子晶体的发光二极管的光出射方向大致垂直于发光面。
15.一种投影式图像显示装置，其中由显示装置调制从照明装置射出的光并进行投影，其特征在于，具备权利要求1～14中任一项所述的照明装置，并将所述显示装置作为照明对象。
16.根据权利要求15所述的投影式图像显示装置，其特征在于，设置三个所述显示装置，以用于各色光；设置三个所照明装置，以用于各色光，将经过所述三个显示装置的光合成后进行投影。
17.一种投影式图像显示装置，其特征在于，具备具有成为像素的多个固体发光元件的自发光显示装置；对来自所述自发光显示装置的图像光进行投影的投影透镜。
18.根据权利要求17所述的投影式图像显示装置，其特征在于，设置三个所述显示装置，以用于各色光；设置三个所述自发光显示装置，以用于各色光；将经过所述三个显示装置的光合成后进行投影。
19.根据权利要求17或18所述的投影式图像显示装置，其特征在于，所述显示装置中的固体发光元件由具有光子晶体的发光二级光组成。
20.根据权利要求19所述的投影式图像显示装置，其特征在于，具有所述光子晶体的发光二极管的光出射方向大致垂直于发光面。
全文摘要
本发明提供一种利用发光二极管等固体发光元件的实用的照明装置以及投影式图像显示装置。投影式图像显示装置具备三个照明装置(1R、1G、1B)。照明装置(1R)射出红光，照明装置(1G)射出绿光，照明装置(1B)射出蓝光。从每个照明装置(1)射出的光被凸透镜(2)导入每个颜色用的透过型液晶显示面板(3R、3G、3B)中。每个照明装置(1)由光源(11)、光波导(10)、聚光透镜(9)、积分透镜(13)组成。光源(11)由一个或多个LED芯片在平面上排列而形成。LED芯片具有光子晶体结构，光出射方向大致垂直于发光面，并且定向性高。
文档编号G03B21/20GK1721978SQ20051008245
公开日2006年1月18日 申请日期2005年7月5日 优先权日2004年7月5日
发明者吉居正一, 横手惠纮, 池田贵司 申请人:三洋电机株式会社