JP2002268001A

JP2002268001A - 照明装置

Info

Publication number: JP2002268001A
Application number: JP2001071037A
Authority: JP
Inventors: Ikuo Kato; 幾雄加藤; Yasuyuki Takiguchi; 康之滝口; Kenji Kameyama; 健司亀山; Kazuya Miyagaki; 一也宮垣; Keishin Aisaka; 敬信逢坂
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2001-03-13
Filing date: 2001-03-13
Publication date: 2002-09-18

Abstract

(57)【要約】【課題】複数の光源の配列またはその光源の面内光強
度分布不均一にともなう面形状被照明物体の光強度分布
の不均一を小型で簡単な手段で低減する。【解決手段】特定の間隔範囲で面形状に高密度に配列
された複数の光源（例えばＬＥＤチップ２ａ〜２ｄ）か
ら放出されてなる照明光を面形状被照明物体４に照明す
る照明装置において、複数の光源２ａ〜２ｄが配列され
た面を物面とするとき、面形状被照明物体４の付近でか
つ面形状被照明物体４とは異なる面を像面５として結像
する結像レンズ３等の光学手段を設ける。例えば像面５
よりも後方に被面上照射物体４が配置されていると、そ
れぞれの光源の像が、焦点ボケ、つまりは焦点ずれの波
面収差が生じ、光源の像がもとのＬＥＤチップ２ａ〜２
ｄの大きさより非常に大きくなり、面形状被照明物体４
における光強度分布が均一化される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、照明装置、より詳
細には、面形状に配列された同一種類の複数の光源から
放出されてなる照明光を、照明光学手段を用いて面形状
被照明物体に照明する照明装置に関し、さらにこの照明
装置を利用した室内照明装置、建築物照明装置、フォト
リソグラフィー装置や拡大観察装置、拡大投影装置等の
映像装置に適用可能な照明装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】面状に配列された同一種類の複数の光源
から放出されてなる照明光を、照明光学手段を用いて面
形状被照明物体に照明する従来の照明装置に関して、例
えば、特開平１０−３３３５９９号公報では、複数の発
光素子アレイからの出力光を単一の空間光変調手段に照
明する照明光学手段を有する照明装置を利用した映像装
置が開示されている。図１３は、上記公報に記載された
照明装置を示す図である。

【０００３】図１３において、発光素子アレイとなるＬ
ＥＤアレイ１２０Ｒ、１２０Ｇまたは１２０Ｂは、サイ
ズ３ｍｍΦのＬＥＤ１２２を基板１２３上に配列ピッチ
４ｍｍで２次元に配列してなり、マスク１２１は各ＬＥ
Ｄの出力光の周辺部分をカットし、微小レンズ（ｍｉｃ
ｒｏ−ｌｅｎｓ）アレイ１３０は複数の微小レンズ１３
０ａを２次元に配列してなり、この微小レンズを透過し
た照明光を凸レンズ１３１と凹レンズ１３２からなる縮
小光学器１３３によって縮小した後、この照明光を縮小
光学器１３３の右側に配置した図示しない空間光変調手
段となる２次元マイクロ偏向ミラーアレイへ照明してい
る。

【０００４】また、特開平１１−２３７６０１号公報に
は、複数の発光素子アレイからの出力光をマルチレンズ
アレイを用いて光書込用の空間光変調手段に照明する照
明光学系を有する照明装置を利用した映像装置が開示さ
れている。図１４は、上記公報に記載された照明装置を
示す図である。図１４において、発光素子アレイとなる
レーザ１４１−１，２，３，，，ｎに対して、２枚のマ
ルチレンズアレイ１４２を設け、このマルチレンズアレ
イ１４２の開口部となる小レンズの数に対応してレーザ
を設けている。このマルチレンズアレイ１４２の小レン
ズの開口部から出射された光束が光書込型の空間光変調
手段１４３において重なるように照明される。さらにこ
の空間光変調手段１４３を透過した光は投影レンズ１４
４により光書込型空間光変調手段１４５に照明される。

【０００５】しかしながら、上述の図１３に示す照明装
置ではマスク１２１で各ＬＥＤの出力光の周辺部分をカ
ットし、マスクを通過したあとの出力光の光強度分布の
比較的平滑な部分を利用してはいるが、光利用効率の低
下を考慮するとマスク１２１の孔の面積を小さくして出
力光の出射角度を２〜３度以内に小さくすることは難し
く、実際には５〜６０度程度の出射角度の光を利用して
いるため、かなり角度方向の光強度分布があり、これに
対応して微小レンズ面上でかなりの面方向の光強度分布
が生じる。このため、ＬＥＤの配列数に対応した出力光
の光強度分布が照明光に大きく残存し、このため空間光
変調手段に照明される照明光の光強度分布もＬＥＤの配
列数に対応してピッチで不均一な分布が生じてしまう。

【０００６】また、図１４の照明装置では、レーザ１４
１−１，２，３，，，ｎからの照明光が微小レンズアレ
イによって空間変調手段に重なるように照明されている
が、個々のレーザで出射光の面方向の光強度分布が似て
いる場合には、照明光を重ねても大きな改善は得られ
ず、もとの面方向の光強度分布が大きく残存し、このた
め空間光変調手段に照明される照明光の光強度分布もレ
ーザの角度方向の光強度分布に対応してその周辺と中心
部とで不均一な分布が生じてしまう。さらには、マルチ
レンズアレイ１４２が高価であり、この位置調整も難し
くコストが高くなってしまう。また、空間光変調手段に
入射する照明光のＮＡが増加してしまい、平行レーザ光
でありながらＮＡの大きい照明光となってしまう。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記の従来の
問題点を鑑みてなされたものであり、本発明の第１の課
題は、面状に配列された複数の光源から放出されてなる
照明光を、照明光学手段を用いて面形状被照明物体に照
明する照明装置に関して、複数の光源の配列またはその
光源の面内光強度分布不均一にともなって複数の光源の
面の光強度分布に不均一がある場合において、この複数
の光源の配列またはその光源の面内光強度分布不均一に
ともなう面形状被照明物体の不均一を小型で簡単な手段
で低減する照明装置を提供することにある。

【０００８】また、本発明の第２の課題は、複数の光源
の配列またはその光源の面内光強度分布不均一にともな
う面形状被照明物体の不均一をより低減する照明装置を
提供することにある。

【０００９】また、本発明の第３の課題は、複数の光源
の発散光束角度分布にともなう光利用効率低下を低減
し、かつ面形状被照明物体への照明光のＮＡが面形状被
照明物内で均一で、かつ組み付け調整による光利用効率
低下を低減する照明装置を提供することにある。

【００１０】また、本発明の第４の課題は、複数の光源
の実装が容易であると同時に、照明系のＮＡを比較的小
さくすることにより光利用効率低下を低減した照明装置
を提供することにある。

【００１１】また、本発明の第５の課題は、複数の光源
の発散光束角度分布ピーク部分に伴う面形状被照明物体
への照明光の光強度分布不均一の影響をより低減した照
明装置を提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、鋭意検討
の結果、面状に高密度に配列された複数の光源からの照
明光に対して、複数の光源が配列された面を面形状被照
明物体付近に結像する光学手段を設ることにより上記課
題を達成しうることを見い出した。

【００１３】より詳細には、本発明の第１の課題は、特
定の間隔範囲で面形状に高密度に配列された複数の光源
から放出されてなる照明光を、光学手段を用いて面形状
被照明物体に照明する照明装置において、該光学手段
は、該複数の光源が配列された面を物面とするとき、前
記面形状被照明物体付近でかつ該面形状被照明物体とは
異なる面を像面として結像する手段であることを特徴と
する照明装置により達成される。

【００１４】また、本発明の第２の課題は、前記光学手
段は、該光学手段により前記複数の光源の一点から放出
されて前記面形状被照明物体を照射する照明光の照度分
布により与えられる照度に関し、該照度がピーク値の１
／２以上の領域の特定の方向の長さが、該複数の光源が
配列された前記特定の間隔から決定される該特定の方向
の間隔の２／３よりも大きいことを特徴とする請求項１
に記載の照明装置により達成される。

【００１５】また、本発明の第３の課題は、前記光学手
段は、テレセントリック型の光学手段であることを特徴
とする請求項１または２に記載の照明装置により達成さ
れる。

【００１６】また、本発明の第４の課題は、該光学手段
の拡大率は、１／３以上であることを特徴とする請求項
１ないし３のいずれか１に記載の照明装置により達成さ
れる。

【００１７】また、本発明の第５の課題は、前記光学手
段の実質的な絞り位置と前記面形状被照明物体との間
に、該面形状被照明物体が利用する照明光角度以下の光
拡散手段を設けることを特徴とする請求項１ないし４の
いずれか１に記載の照明装置により達成される。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下に、詳細に本発明を説明す
る。図１は、本発明の第１の発明に係わる照明装置及び
この照明装置を用いた映像装置の構成例の１例としての
模式図である。図１において、１は基板、２ａ、２ｂ、
２ｃ、２ｄは赤色のＬＥＤチップで、ＬＥＤチップ２ａ
〜２ｄにより面上の複数の光源２が構成される。また図
１において３は面状の複数の光源を結像する結像レン
ズ、５は複数の光源２の物面に対応した像面、４は面形
状被照射物体、６ａはＬＥＤチップ２ｂに対応した光
線、７ａはＬＥＤチップ２ｃに対応した光線で、上記基
板１，光源２，及び結像レンズ３より照明装置が構成さ
れる。

【００１９】さらに図１において、８ａ，８ｂは焦点位
置、３１は虚像形成レンズ、Ｅは観察者の目であり、面
形状被照射物体４が透過型ライトバルブである場合に、
虚像形成レンズ３１を付加することにより基板１，光源
２，及び結像レンズ３からなる照明装置を用いて観察者
の目Ｅが観察できる映像装置が構成される。

【００２０】図１において、複数の光源２の位置を物面
としたときの像面は、像面５に示す位置にあり、顕微鏡
対物レンズやマクロ型カメラレンズ等のように無収差レ
ンズに近い場合には、複数の光源２の発光強度面分布が
そのまま像面に対応する。説明の簡略化のため、等倍の
位置関係に配置しているものとし、複数の光源のピッチ
と像面での複数の光源像のピッチが同じであるものとす
る。このとき、図１のように、像面５よりも後方に面形
状被照射物体４が配置されていると、それぞれの光源の
像に、焦点ボケ、つまりは焦点ずれの波面収差が生じ、
光源の像がもとのＬＥＤチップ２ａ〜２ｄの大きさより
非常に大きくなる。

【００２１】ＬＥＤチップは、一般にその発光部の大き
さが２００〜２５０ミクロンである対して、図１のよう
にＦ２以上の明るいレンズを用いた場合に、諸収差（こ
こでは主にザイデルの５収差）が良好に補正されている
場合においても、像面５と面形状被照射物体４との距離
が３ｍｍあると、約１.５ｍｍの大きさに広がった光源
像となる。このためＬＥＤチップを１ｍｍ間隔で配置し
ているような高密度実装の場合には、隣接する光源、た
とえばＬＥＤチップ２ｂと２ｃとの重なりが生じ、ＬＥ
Ｄチップが存在しない隙間にあたかも光源が存在する場
合と同様の照明状態となり、照明光の面形状被照射物体
上での不均一さが大きく減少する。

【００２２】図２は、図１で隣接している複数の光源の
うちのＬＥＤチップ２ａ、２ｂの像が面形状被照射物体
４上で重なっている状態を模式的に示す図である。図２
（Ａ）は、ＬＥＤチップ２ｂからの光線６ａによる面形
状被照射物体４上で広がった状態での垂直方向の光強度
分布６ｂを示し、図２（Ｂ）はＬＥＤチップ２ｃからの
光線７ｃによる、面形状被照射物体４上で広がった状態
での垂直方向の光強度分布７ｂを示し、図２（Ｃ）は、
面形状被照射物体４上での６ｂ、７ｂの和としての光強
度分布９を示すものである。図２（Ｃ）の光強度分布９
に示されるように、隙間を有して実装されるＬＥＤチッ
プの照明光上の隙間がなくなり、なだらかな光強度分布
を有する状態となり、面形状被照射物体４上での非均一
さが大きく改善されている。

【００２３】図３は、本発明との比較のため、本発明と
類似の従来の照明装置の概要を示す模式図である。図３
において、１は基板、２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄは赤色の
ＬＥＤチップで、ＬＥＤチップ２ａ〜２ｄにより面上の
複数の光源２が構成される。また図３において３は面状
の複数の光源を結像する結像レンズ、５は複数の光源２
の物面に対応した像面、４は面形状被照射物体、６ａは
ＬＥＤチップ２ｂに対応した光線、７ａはＬＥＤチップ
２ｃに対応した光線で、基板１，光源２及び結像レンズ
３により照明装置が構成される。

【００２４】図３において、複数の光源２を物面とした
ときの像面は、像面５に示す位置にあり、複数の光源２
の発光強度面分布がそのまま像面５に対応する。説明の
簡略化のため等倍の位置関係に配置しているものとし、
複数の光源のピッチと像面での複数の光源像のピッチが
同じであるものとする。このとき、図３に示すように、
像面５の位置に面形状被照射物体４が配置されている
と、複数の光源２と面形状被照射物体４は共役の関係と
なり、かつ等倍であるので、レンズの収差以外はまった
く同じ倒立像の状態となって、もとの複数の光源２その
ままの照明光の光強度分布となる。従ってＬＥＤチップ
を１ｍｍ間隔で配置しているような高密度実装の場合に
おいても、ＬＥＤチップの発光部の大きさは約０.２ｍ
ｍ程度であるため、ＬＥＤチップの発光部間に相当する
０.８ｍｍ長の部分に、面形状被照射物体上に照明光が
何も照射されない状態となり、非常に大きな不均一性を
有する照明光となって実際には使用できない。

【００２５】図４は、図３における複数の光源のうちの
隣接するＬＥＤチップ２ａ、２ｂの像が面形状被照射物
体４上で重なっている状態を模式的に示す図である。図
４（Ａ）は、ＬＥＤチップ２ｂからの光線６ａによる面
形状被照射物体４上で広がった状態での垂直方向の光強
度分布６ａ′を示す図であり、図４（Ｂ）は、ＬＥＤチ
ップ２ｃからの光線７ａによる面形状被照射物体４上で
広がった状態での垂直方向の光強度分布７ａ′を示す図
であり、図４（Ｃ）は、面形状被照射物体４上での６
ａ′、７ａ′の和としての光強度分布９′を示す図であ
る。光強度分布９′に示されるように、非常に大きな不
均一性を有する照明光となり、実際には使用できない。

【００２６】図３に示すものは、光源面と面形状被照射
物体４とが共役の関係にあるクリティカル照明と呼ばれ
る古典的な照明構成である。このため、光源面の前面に
拡散板等を配置して、この拡散板に対して面形状被照射
物体４とを共役の関係にするクリティカル照明が通常用
いられる。しかしながら、本発明は、図１に示す構成と
し、高密度実装した複数の光源を用いることにより、隣
接する複数の光源像を重ねあわせることにより、光源の
面内光強度分布不均一にともなう面形状被照明物体の不
均一をより低減することができる。

【００２７】複数の光源の高密度実装による実装ピッチ
は、複数の光源の数と基板の大きさ、面形状被照射物体
４の大きさ、及び照明系のＮＡ等の多くの条件により左
右される。Ｆ２クラスの照明系で、基板の大きさ、面形
状被照射物体４の大きさを１６×１２ｍｍとし、被照射
物体に液晶を用いた場合には、好ましい実装ピッチは２
ｍｍピッチ以下であり、さらに好ましくは１.２ｍｍピ
ッチ以下である。この範囲内であれば、照明系としての
効率、光強度の均一性が良好となり、かつ照明系として
の長さが１００〜２００ｍｍと小型になる。このとき、
Ｆが大きい照明系では、焦点ずれによる光源の広がりが
小さくなるので、照明系のＦとしては４以下とすること
が好ましい。

【００２８】結像面と被照射物体との距離を大きくする
と均一性は向上するが、マクロ的に均一な範囲に被照射
物体を配置すると、被照射物体自体に照射する光束が低
減するので光利用効率が低下する。このため、被照射物
体の位置は結像面付近で、かつ光源の像の広がりが、被
照射物体の周辺部分で被照射物体の長さに対して１／３
以下であることが好ましい。これらは、諸収差を積極的
に活用することにより容易に実現できる。たとえば、球
面収差を利用して、中央部では光源像を大きく広げ均一
性を重視し、周辺部では光源像を小さくして光利用効率
の低下を防止することができる。また、図１の構成で
は、焦点ずれを利用して被照射物体と結像面が異なるよ
うに構成しているが、光学手段で諸収差を増加する構成
にして、結像面自体を乱すことも効果的である。このと
きは、照明系のＦを大きくすることも小さくすることも
できる。またＮＡと光利用効率のみに着目しながら、均
一な光強度分布を有する光学系を設計することも可能で
ある。

【００２９】図１において、赤色ＬＥＤチップ２ａ〜２
ｄには厚みがあるが、その発光面は基板１とほぼ同じ面
にある。このとき、基板１に凹凸形状を設けたりするこ
とにより、ＬＥＤチップ２ａ〜２ｄで全体としては面形
状となっても、若干凹凸を有していてもよい。また、Ｌ
ＥＤチップ２ａ〜２ｄが基板１や光学手段の光軸に対し
て傾いていても構わない。さらには、被照射物体が、光
学手段の光軸に対して傾いていても構わない。また、Ｌ
ＥＤチップの前面にマイクロレンズ、マイクロプリズム
等の微小光学素子を設けても構わない。

【００３０】図１において、像面５の後方に面形状被照
射物体４が配置されているが、像面５の前方に面形状被
照射物体４が配置されていてもよく、この方が、全体の
照明系の長さが小さくてすむ。また、図１における結像
レンズ３は、複数枚のレンズにより構成されていてもよ
い。結像関係をずらして、諸収差（ここでは主にザイデ
ルの５収差）を増大させた場合には、照明光の強度分布
の均一性が向上すると同時に、光利用効率が低下するの
で注意する必要がある。とくに周辺での点像関数の増大
は、マクロ的な均一性の低下と光利用効率の大幅な低下
を生じさせるので、利用領域の周辺のＬＥＤチップの像
に関しては、面形状被照射物体４に対して長さで１／４
以下の大きさであることが好ましく、１／６以下の大き
さであることが特に好ましい。また、周辺と中央でＬＥ
Ｄチップ２ａ〜２ｄの実装間隔を異ならせることによ
り、全体の均一性を向上させるようにしてもよい。

【００３１】また、図１の照明系は、基板１，ＬＥＤチ
ップ２，及び結像レンズ３の３つから構成されている
が、カラー化する場合にはダイクロイック色合成プリズ
ムと三色の光源を用い、３色分解した照明をする場合に
はさらにダイクロイック色分解／合成プリズムを用い
る。また、必要に応じて、他の光強度分布の均一化の手
段と組み合わせて使用することも効果的である。

【００３２】上述したごとくの複数の光源としてはＬＥ
Ｄに限定されるものではなく、複数ドットから構成され
る発光素子や空間光変調器と他の光源の組み合わせを用
いてもよい。発光素子としては、電界発光素子である有
機ＥＬ素子や無機ＥＬ素子があり、また空間光変調素子
と他の光源の組み合わせとしては液晶ＬＶとハロゲンラ
ンプとの組み合わせ等がある。

【００３３】図５は、本発明に係わる照明装置の他の構
成例を示す模式図である。図５（Ａ）は、結像レンズ３
により複数の光源であるＬＥＤチップの一点から放出さ
れて面形状被照明物体４に形成する照明光の照度分布
（点像分布関数に類似、ただし焦点面とは限らず、また
光線追跡のスポットに相当するが拡張して用いる）によ
り与えられる照度がピーク値を示す領域１１に対し、照
度が１／２である領域１０の特定の方向の長さが、複数
の光源であるＬＥＤチップが配列された特定の間隔に対
して、１／４の比とした場合を示すものである。同様
に、図５（Ｂ），（Ｃ），（Ｄ）は、上記１／４の比の
かわりに、それぞれ１／３、１／２、１の比場合を示す
ものである。これらの図においては説明の簡略化のた
め、３角形形状の点像関数を仮定している。

【００３４】図５において、上記比１／４の図５（Ａ）
の場合には、複数の光源の像は完全に孤立しており、非
常に大きな不均一性を有している。１／２比の場合に複
数の光源が接するようになるが、依然として大きな不均
一性を有している。図５（Ｂ）に示す１／３比で、ＬＥ
Ｄチップ間の光強度が合成光強度分布のピーク値のほぼ
２／３以上となり、不均一が大きく減少した光強度分布
になる。また、これより大きい比の場合には、図５
（Ｃ），図５（Ｄ）に示すように、不均一がさらに大き
く減少した光強度分布になる。

【００３５】実際の光源のなかの１点の像である点像関
数は、焦点ずれや収差にもよるが三角波形状ではないた
め、上記の比が２／３以上であれば８０％以上の良好な
均一性となる。しかし光源のピッチが規則的に配列され
た場合の特定の方向と異なる方向では、最悪では５０％
程度の均一性となる場合も生じる。しかしながら、２／
３比以上であれば光源の像が孤立することはなく、かつ
光源間の隙間の光強度分布も特定の方向と異なる５０％
以上となるので、少なくとも２／３比以上であることが
好ましく、１比以上となることがより好ましい。

【００３６】ここで上記の特定の方向とは、着目した任
意の方向ということであり、すべての方向のなかから２
／３比以上となる方向が存在すればよい。また、被照射
物体前面に対してではなく、その一部分を２／３比以上
とすることにより、その一部分の光強度分布の不均一さ
をより低減することができる。さらには、ここでの点像
関数は、焦点ずれの収差に限定されるものではなく、諸
収差（ここでは主にザイデルの５収差）についても同様
に成立することにより、焦点ずれの場合と同様に強度分
布の不均一さをより低減することができる。

【００３７】また複数の光源の配列が部分的に変化する
場合には、比較的均一な部分、または隣接した光源どう
しの間隔を基準とした比となる。

【００３８】図６は、本発明の照明装置の他の構成例を
説明するための図である。図６において、３０は基板上
に設けた複数の赤色ＬＥＤチップからなる光源、３２は
ダイクロプリズム（ＤＰ）、３３、３４、３５は球面レ
ンズ、３６は偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）、３７は
反射型の液晶ライトバルブである。ＤＰ３２は、ＲＧＢ
３色対応のＸ型ダイクロイックプリズムであり、紙面に
垂直にＸ型が形成されており、また図示はしていないが
上面および下面に青色および緑色ＬＥＤチップが赤色Ｌ
ＥＤチップと同様に配置されている。

【００３９】また図６において、３８ａ、３８ｂ、３８
ｃは、ＬＥＤ光源３０の特定の上中下３個所から放出さ
れた１５度以内の発散角の光束である。ＬＥＤを設けた
基板の大きさ、及び反射型液晶ライトバルブの大きさは
１６×１２ｍｍで、ＬＥＤのチップ数は１９２個であ
り、１ｍｍピッチで実装している。また、すべてのＬＥ
Ｄチップに対してマイクロレンズにより発散角狭角処理
を行っている。また、ガラスの硝材はすべてＢＫ７であ
る。ＬＥＤの照明系光束の取り込み角度は１５度であ
り、Ｆ２に相当する。また、図示はしていないが、ＰＢ
Ｓ３６には、コントラスト増加のために偏光板を取り付
けてある。

【００４０】図６において、赤色ＬＥＤ３０の面を物面
としたときの像面は、反射型の液晶ライトバルブ３７の
後方にあり、焦点が大きくずれていて、点像分布関数が
大きく広がっている。また、球面収差を過剰にすること
により、中央部分の点像分布関数を大きく広げて均一性
を良好にし、周辺部の点像分布関数を小さくして光束の
広がりによる光利用効率の低下を低減している。

【００４１】図６において、物面付近のＤＰ３２、及び
像面付近のＰＢＳ３６付近の光線３８ａ、３８ｂからわ
かるように、図６の照明系は両側テレセントリック型で
ある。ＬＥＤは一般に基板に垂直方向の光強度角度分布
が強く、さらにマイクロレンズにより発散角を小さくし
ているため、基板に対して斜めの光が弱くなる。このた
め通常の結像レンズでは、光源の位置による光利用効率
が通常より大きく変化するが、物側にテレセントリック
型な光学素子とすることで、光源に対する面内の光利用
効率を均一にし、かつ光利用効率の低下を低減できるよ
うになる。また、液晶ライトバルブ３７やＰＢＳ３６は
光線の角度による反射率及び透過率が大きく変化するの
で、通常の結像レンズでは液晶ライトバルブ面内で、光
利用効率、コントラスト、及び色相が大きく変化する。
しかし本発明では物側にテレセントリックなレンズ型を
用いることにより、光利用効率低下を低減し、色再現性
の劣化を低減し、コントラストの低下を低減できるよう
になる。

【００４２】図６における構成では、完全なテレセント
リックにする必要はなく、ＬＥＤの発散角特性、ＤＰ及
びＰＢＳの角度依存性、液晶ライトバルブの反射率／透
過率角度依存性等によって構成を決定する。１５度の角
度のＬＥＤからの光束を取り込んだ場合には、すでに大
きな角度がついているので、照明光のＮＡを増加させな
い観点からも８度以内にすることが好ましく、４度以内
であることがより好ましい。また、ＤＭＤのような、照
明光に余裕のない比照射物体の場合には、６度以内であ
ることが好ましく、４度以内であることがより好まし
い。

【００４３】図７は、本発明に係わる照明装置の更に他
の構成例を示す模式図である。図７において、３０は基
板上に設けた複数の赤色ＬＥＤチップからなる光源、３
２はダイクロプリズム（ＤＰ）、３４ａ〜３４ｅは球面
レンズ、３６は偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）、３７
は反射型の液晶ライトバルブである。ＤＰ３２は、ＲＧ
Ｂ３色対応のＸ型ダイクロイックプリズムであり、紙面
に垂直にＸ型が形成されており、また図示はしていない
が上面および下面に青色および緑色ＬＥＤチップが赤色
ＬＥＤチップと同様に配置されている。

【００４４】また図７において３８ａ、３８ｂ、３８ｃ
は、ＬＥＤ光源３０の特定の上中下３個所から放出され
た１５度以内の発散角の光束である。ＬＥＤを設けた基
板の大きさ、及び反射型液晶ライトバルブの大きさは１
６×１２ｍｍで、ＬＥＤのチップ数は１９２個であり、
１ｍｍピッチで実装している。また、すべてのＬＥＤチ
ップに対してマイクロレンズにより発散角狭角処理を行
っている。また、ガラスの硝材はすべてＢＫ７である。
ＬＥＤの照明系光束の取り込み角度は１５度であり、Ｆ
２に相当する。また、図示はしていないが、ＰＢＳ３６
には、コントラスト増加のために偏光板を取り付けてあ
る。

【００４５】図７において、物面付近のＤＰ３２付近の
光線３８ａからわかるように、図７の照明系は片側（物
側）テレセントリック型である。このため、図６と同様
に、光源に対して面内の光利用効率を均一にし、かつ光
利用効率の低下を低減できるようになる。図７とは逆
に、片側（像側）テレセントリック型とした構成におい
ても、図６と同様に光利用効率低下、色再現性の劣化、
コントラストの低下を低減できるようになる。

【００４６】図８は、本発明に係わる照明装置およびこ
の照明装置を用いた映像装置の更に他の構成例を示す模
式図である。図８において、１は基板、２ａ、２ｂ、２
ｃ、２ｄ、２ｅ，２ｆは赤色のＬＥＤチップで、赤色Ｌ
ＥＤチップ２ａ〜２ｆによって面状の複数の光源２が構
成される。また図８において、３は面状の複数の光源を
結像する結像レンズ、５は複数の光源２の物面に対応し
た像面、４は面形状照射物体である。

【００４７】図８において、複数の光源２を物面とした
ときの像面は５であり、面形状被照射物体４は物面５よ
りも少し結像レンズ３側にずれた位置にある。また、結
像レンズ３と光源２との距離と、結像レンズ３と面形状
被照射物体４との間の距離との比は３：１であり、光源
２に位置する物面の物体の大きさは、像面５の位置では
１／３の大きさになる。ここで面形状被照射物体４と像
面５は同じ位置にあるので、光源２に位置する物面の物
体の大きさは、面形状被照射物体４の位置ではほぼ１／
３の大きさとなる。このとき、光源２の中心に対する結
像レンズ３のＮＡと、被面上物体４の中心に対する結像
レンズ３のＮＡとの比は、ほぼ結像レンズからの距離の
逆比１：３であり、面形状被照射物体４の照明光のＮＡ
がもとの光源の約３倍と非常に大きなものとなる。

【００４８】ところが、面形状被照射物体４に反射型液
晶パネルを用いた場合に、反射型液晶パネルが照明光の
反射光に対して色ずれが少ない範囲で反射できる範囲は
約２４度以内、好ましくは約１５度以内、さらに好まし
くは９度以内である。一方、モジュールＬＥＤを用いた
複数の光源で、指向性を大きくしてＬＥＤから出射する
光束を５０％以上利用できる角度範囲は、ＬＥＤモジュ
ールの大きさにもよるが、通常は好ましくは３０度以内
であり、１５度以内であることがより好ましい。つま
り、結像レンズ３が等倍結像のときには、２４度のＬＥ
Ｄ発散角に対して、２４度のＬＶパネル入射角を実現で
きるのに対して、結像レンズ３による結像倍率が、２
倍，３倍，４倍，５倍のとき、２４度のＬＶパネル入射
角を実現するのに対応するＬＥＤ発散角は、それぞれ、
１２度、８度、６度、４.８度である。しかしながら、
６度の発散角のなかに、モジュールＬＥＤを用いた複数
の光源で指向性を大きくしてＬＥＤから出射する光束を
５０％以上利用できるようにすることは、通常の最も大
きい直径１０ｍｍのモジュールを用いた場合においても
困難である。発散角が８度であれば、半値角を８度以内
にすることが可能であり、さらにはＬＥＤから出射する
光束を５０％以上利用できるようすることが可能となる
ため、エネルギーの低下を１／２以下にした高効率の照
明装置を実現することができるようになる。

【００４９】図９は、本発明の照明装置及びこの照明装
置を用いた映像装置の更に他の構成例を示す模式図であ
る。図９において、１は基板、２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ
は赤色のＬＥＤチップで、これらＬＥＤチップ２ａ〜２
ｄにより面上の複数の光源２が構成される。また図９に
おいて３は面状の複数の光源を結像する結像レンズ、５
は複数の光源２の物面に対応した像面、４は面形状被照
射物体、２０は前方拡散板である。前方拡散板２０に
は、ナバ社の表面ホログラム型で、拡散半値角が１０度
以内で、透過率が９０％以上のもの（型番：ＬＳＤ１
０）を用いた。

【００５０】図９において、複数の光源２を物面とした
ときの像面は像面５の位置にあり、面形状被照射物体４
は物面５よりも少し結像レンズ３と反対側にずれた位置
にある。また、前方拡散板２０は物面５よりも少し結像
レンズ３と反対側にずれた位置にある。このとき、結像
レンズ３の収差やけられを前方拡散板２０によって抑制
することができ、かつ像面５におけるＬＥＤ光源の像を
前方拡散板２０により広げることができ、面形状被照射
物体４での照明光の均一性をより向上させることができ
る。

【００５１】前方拡散板２０の位置は、前方拡散板半値
角θ、ＬＥＤ光源ピッチｄとするとき、前方拡散板２０
と面形状被照射物体４との距離ｌに対して、ｄ／２＜ｌ
×ｔａｎθとすることが好ましく、さらにはｄ＜ｌ×ｔ
ａｎθとすることが好ましい。これにより、照明光の均
一性を向上させる効果が増加する。また、照明系の最大
ＮＡから決定されるＮＡ＝ｓｉｎφなるφに対して、θ
＜φであることが好ましく、さらにはθ＜φ／２である
ことが好ましい。これにより、前方拡散板２０の使用に
よる照明光の利用効率の低下を低減できる。

【００５２】（実施例１）本発明を具体化した第１の実
施例を以下に説明する。光源としてＬＥＤチップを基板
上にマイクロレンズを設けながら実装した。基板の大き
さは、１６×１２ｍｍ²であり、ＬＥＤチップは１.５ｍ
ｍ間隔で配列した。また、マイクロレンズは、角度で１
５度以内の光束の割合が５１％、１０度以内の光束の割
合が３２％となるように設計した。ＬＶ（ライトバル
ブ）は、シリコン基板上に１０ミクロンピッチで画素を
設けたＬＣＯＳを作成し、画素サイズを１２×１６ｍｍ
²として、光源と同じ大きさとした。ＬＥＤチップの発
光部の大きさはボンディング部分を無視すると約２００
ミクロン角である。このとき、照明系の光学系の構成を
図６に示す構成とし、各要素を以下の数値となるように
設計した。第０面、光源面：ｄ＝３（ｍｍ単位、この値
の後方に次の面を設けた）。第１面ダイクロイックプリズム開始面：ＢＫ７、ｄ＝２
４。第２面ダイクロイックプリズム終了面：ｄ＝３。第３面球面レンズ開始面：ｒ＝３５（ｍｍ単位、この値
が正のときはこの値を半径とする左に凸の球面レン
ズ）、ＢＫ７、ｄ＝１５。第４面球面レンズ終了面：ｒ＝−１００、ｄ＝３ｍｍ第５面球面レンズ開始面：ｒ＝５０、ｄ＝１０ｍｍ第６面球面レンズ終了面：ｒ＝−１００、ｄ＝４０ｍｍ第７面球面レンズ開始面：ｒ＝５０、ｄ＝１５ｍｍ第８面球面レンズ終了面：ｒ＝−２５、ｄ＝３ｍｍ第９面偏光分離プリズム開始面：ＢＫ７、ｄ＝２４第１０面面偏光分離プリズム開始面終了面：ｄ＝３第１１面：ＬＶ面として光源およびＬＶは、縦に長い長方形として配置
し、ダイクロイックプリズムは図面に垂直方向にＸ形状
に色合成される構成とした。また、光線追跡する光源の
光束は１５度以内とし、効率計算は９０度以内の全光束
に対して求めた。

【００５３】このときの、基板中央の光源によって形成
された赤のＬＥＤチップによる照明光の計算例を図１０
に示す（強度単位は任意）。強度分布は、約４ｍｍ程度
の円形状に大きく広がっており、中央付近のＬＥＤチッ
プによる照明光は良好に均一化され、かつＬＶよりも小
さいため、光束を損失することがない。また、周辺付近
として基板横方向中央部で縦方向最上部の光源によって
形成された赤のＬＥＤチップによる照明光の計算例を図
１１に示す（強度単位は任意）。強度分布は、約１×
０.５ｍｍ²程度の楕円形状と小さく広がっており、周辺
付近の赤のＬＥＤチップによる照明光は、光束が広がる
ことにより均一化され、かつ光束の広がりが中央部より
も小さいため、光束の損失を低減することができる。こ
のようなＬＥＤチップ一つ一つの光束の和として与えら
れるＬＶにおける照明光の分布の計算例を図１２に示す
（強度単位は任意）。図１２において、広い幅の線が縦
方向の照度分布を与え、幅の狭い線が横方向の照度分布
を与える。図１２からわかるように、ＬＥＤチップ間隔
の発光のない部分にも光束が到達し、照度分布の不均一
さが大きく低減されているのがわかる。以上は計算結果
であるが、実際の光学系における観察結果も、この計算
結果と同様であった。

【００５４】また、この第１の実施例の光学系におい
て、ＬＶの位置、レンズ構成による球面収差量を変更す
ることにより、ＬＥＤチップ内の一点から放出されてＬ
Ｖに形成する照明光の照度分布により与えられる照度が
ピーク値の１／２以上の領域の特定の方向の長さがＬＥ
Ｄチップが配列された間隔の２／３よりも大きいときに
照明光がより均一となることが確認できた。また、この
第１の実施例の光学系において、ＬＶの位置を変更する
ことにより、光量変化が＋−５ｍｍ以内では５％以内で
あることが確認できた。また、レンズ構成を変更するこ
とにより、特に第１、２面または第７、８面の曲率を小
さくすることにより、物側または像側テレセントリック
型を解消し、これにより照明光のＮＡの面内分布が不均
一となると同時に、効率（とくに周辺の効率）が大きく
低減することが確認できた。

【００５５】（実施例２）上記第１の実施例の光学系に
おいて、図６に示すようにＬＶの位置、レンズ構成、ダ
イクロイックプリズムおよび偏光ビームスプリッタ構成
を変更することにより、光源の拡大倍率を１／２、１／
３、１／４、１／５とした。またＬＶ位置にはＬＶの代
わりに同形状の開口のガラス板を配置し、このガラス板
の後方にテレセントリック型のＦ１．７の投射レンズを
配置し、投射レンズによるガラス板の像の中央部の照度
を測定した。また、ガラス板の位置でその中央部の照度
も測定した。このとき、上記拡大倍率が１／４までは、
ガラス板上での光利用効率を５０％以上とすることもで
きた。しかし、この値は実際には投射レンズで利用でき
る角度以上に照明光が広がっており、１／３では５０％
以上の光利用効率を実現できたのに対して、拡大率１／
４のときには、５０％以上の光利用効率を実現できなか
った。ただし、このときの光利用効率は、投射レンズに
よる多重反射分を８５％として一律に除外して考慮し
た。

【００５６】（実施例３）第１の実施例の光学系におい
て、図９に示すように、前方散乱板２０を用いた。これ
により、図１１で示される微小ピッチの凹凸が大きく低
減した。

【００５７】

【発明の効果】以上、詳細かつ具体的説明から明らかな
ように、請求項１の発明においては、面形状に配列され
た複数の光源から放出されてなる照明光を、照明光学手
段を用いて面形状被照明物体に照明する照明装置におい
て、該複数の光源が配列された面を面形状被照明物体付
近でかつ面形状被照明物体とは異なる面に結像する光学
手段を設けているので、複数の光源の配列またはその光
源の面内光強度分布の不均一にともなって複数の光源の
面の光強度分布に不均一がある場合において、この複数
の光源の配列またはその光源の面内光強度分布不均一に
ともなう面形状被照明物体の不均一を小型で簡単な手段
で低減することができる。

【００５８】また、請求項２の発明においては、光学手
段により複数の光源の一点から放出されて面形状被照明
物体に形成する照明光の照度分布により与えられる照度
に関し、該照度がピーク値の１／２以上の領域の特定の
方向の長さが、複数の光源が配列された特定の間隔から
決定される特定の方向の間隔よりも大きくなる光学手段
であるので、複数の光源の配列またはその光源の面内光
強度分布不均一にともなう面形状被照明物体の不均一を
より低減させることができる。

【００５９】また、請求項３の発明においては、光学手
段が、テレセントリック型の光学手段であるので、複数
の光源の発散光束角度分布にともなう光利用効率低下を
低減し、かつ面形状被照明物体への照明光のＮＡが面形
状被照明物内で均一で、かつ組み付け調整による光利用
効率低下を低減させることができる。

【００６０】また、請求項４の発明においては、光学手
段の拡大率が１／３以上であるので、複数の光源の実装
が容易であると同時に、照明系のＮＡを比較的小さくす
ることにより光利用効率低下を低減することができる。

【００６１】また、請求項５の発明においては、光学手
段の実質的な絞り位置と該面形状被照明物体との間に、
該面形状被照明物体が利用する照明光角度以下の拡散作
用手段を設けているので、複数の光源の発散光束角度分
布ピーク部分に伴う面形状被照明物体への照明光の光強
度分布不均一の影響をより低減することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の発明に係わる照明装置及びこ
の照明装置を用いた映像装置の構成例の１例としての模
式図である。

【図２】図１で隣接している複数の光源のうちのＬＥ
Ｄチップの像が面形状被照射物体上で重なっている状態
を模式的に示す図である。

【図３】本発明との比較のため、本発明と類似の従来
の照明装置の概要を示す模式図である。

【図４】図３における複数の光源のうちの隣接するＬ
ＥＤチップの像が面形状被照射物体上で重なっている状
態を模式的に示す図である。

【図５】本発明に係わる照明装置の他の構成例を示す
模式図である。

【図６】本発明の照明装置の他の構成例を説明するた
めの図である。

【図７】本発明に係わる照明装置の更に他の構成例を
示す模式図である。

【図８】本発明に係わる照明装置およびこの照明装置
を用いた映像装置の更に他の構成例を示す模式図であ
る。

【図９】本発明の照明装置及びこの照明装置を用いた
映像装置の更に他の構成例を示す模式図である。

【図１０】基板中央の光源によって形成された赤のＬ
ＥＤチップによる照明光の計算例を示す図である。

【図１１】基板横方向中央部で縦方向最上部の光源に
よって形成された赤のＬＥＤチップによる照明光の計算
例を示す図である。

【図１２】ＬＥＤチップ一つ一つの光束の和として与
えられるＬＶにおける照明光の分布の計算例を示す図で
ある。

【図１３】上記公報に記載された照明装置を示す図で
ある。

【図１４】上記公報に記載された照明装置を示す図で
ある。

【符号の説明】

１…基板、２…光源、２ａ〜２ｄ…ＬＥＤチップ、３…
結像レンズ、４…面形状被照射物体、５…像面、６ａ，
７ａ…光線、６ｂ，６ａ′７ｂ，７ａ′，９，９′…光
強度分布、７ｃ…光線、８ａ，８ｂ…焦点位置、１０…
照度が１／２である領域、１１…照度がピーク値を示す
領域、２０…前方拡散板、３０…光源、３１…虚像形成
レンズ、３２…ダイクロプリズム（ＤＰ）、３３，３
４，３５…球面レンズ、３６…偏光ビームスプリッタ
（ＰＢＳ）、３７…液晶ライトバルブ、３８ａ，３８
ｂ，３８ｃ…光束、Ｅ…観察者の目。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｆ２１Ｙ 101:02 Ｆ２１Ｓ 1/02 Ｇ (72)発明者亀山健司東京都大田区中馬込１丁目３番６号株式会社リコー内 (72)発明者宮垣一也東京都大田区中馬込１丁目３番６号株式会社リコー内 (72)発明者逢坂敬信東京都大田区中馬込１丁目３番６号株式会社リコー内Ｆターム(参考） 2H087 LA24 NA02 PA03 PA17 PB03 QA02 QA07 QA14 QA21 QA25 QA34 QA41 QA45 RA41 RA45

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】特定の間隔範囲で面形状に高密度に配列
された複数の光源から放出されてなる照明光を、光学手
段を用いて面形状被照明物体に照明する照明装置におい
て、該光学手段は、該複数の光源が配列された面を物面
とするとき、前記面形状被照明物体付近でかつ該面形状
被照明物体とは異なる面を像面として結像する手段であ
ることを特徴とする照明装置。
【請求項２】前記光学手段は、該光学手段により前記
複数の光源の一点から放出されて前記面形状被照明物体
を照射する照明光の照度分布により与えられる照度に関
し、該照度がピーク値の１／２以上の領域の特定の方向
の長さが、該複数の光源が配列された前記特定の間隔か
ら決定される該特定の方向の間隔の２／３よりも大きい
ことを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
【請求項３】前記光学手段は、テレセントリック型の
光学手段であることを特徴とする請求項１または２に記
載の照明装置。
【請求項４】該光学手段の拡大率は、１／３以上であ
ることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１に記
載の照明装置。
【請求項５】前記光学手段の実質的な絞り位置と前記
面形状被照明物体との間に、該面形状被照明物体が利用
する照明光角度以下の光拡散手段を設けることを特徴と
する請求項１ないし４のいずれか１に記載の照明装置。