JP2005005217A - 発光素子、照明装置、投射型表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡素な構成で１方向の偏光のみを出射できるようにした発光素子を提供する。
【解決手段】光反射体の上に発光体１２と１／４波長膜１４と反射偏光膜１５とを順に積層して発光素子を構成する。この構成では、発光体１２から出射された無秩序光Ｌ１は１／４波長膜１４を透過した後、反射偏光膜１５によって例えばｐ偏光Ｌ２のみが透過され、ｓ偏光Ｌ３が反射される。反射されたｓ偏光Ｌ３は１／４波長膜１４を透過して円偏光Ｌ４となり、光反射面１１ａで反射されて逆回転の円偏光Ｌ５となる。この円偏光Ｌ５は、１／４波長膜１４を透過するとｐ偏光Ｌ６に変換され、反射偏光膜１５をそのまま透過する。これにより、発光体１２から出射された無秩序光Ｌ１を、別途偏光変換素子等を設けることなく１偏光（ｐ偏光Ｌ２，Ｌ６）に変換して出力することができる。
【選択図】 図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発光素子及びこれを備えた照明装置、投射型表示装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のプロジェクタ（投射型表示装置）では、その光源として、古くはハロゲンランプ、近年は高輝度高効率である高圧水銀ランプ（ＵＨＰ）が多く用いられてきた。放電型のランプであるＵＨＰを用いた光源は高圧の電源回路を要し、大型で重く、プロジェクタの小型軽量化の妨げになっていた。また、ハロゲンランプよりは寿命が長いものの依然短寿命である他、光源の制御（高速の点灯、消灯、変調）が略不可能で、また立ち上げに数分という長い時間を要していた。
【０００３】
そこで最近、新しい光源としてＬＥＤ発光素子が注目されている。ＬＥＤは超小型・超軽量、長寿命である。また、駆動電流の制御によって、点灯・消灯、出射光量の調整が自由にできる。この点でプロジェクタの光源としても有望であり、既に小型・携帯用の小画面プロジェクタへの応用開発が始まっている（例えば、特許文献１）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−１１２０３１号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、現在のところＬＥＤを光源とするプロジェクタにおいて十分な輝度を得ることは難しい。これは、ＬＥＤは効率の点でまだＵＨＰの１／２〜１／３程度であり、定格いっぱいの電流を注入しても得られる光量が小さいからである。めざましい技術革新によって上記効率は年々着実に向上しつつあり、数年後には現在のＵＨＰ並みのレベルに達する可能性もあるが、少なくとも近い将来、製品化可能なＬＥＤ光源プロジェクタにおいては、状況は変わらないであろう。
【０００６】
そこで、ＬＥＤ光源プロジェクタにおいては光学系の工夫による照明光率の向上が特に重要になる。ここで照明光を変調して画像を形成する空間光変調器として、液晶装置等の１偏光のみをスイッチングする素子を用いた場合、全ての方向の偏光成分を有する光（無秩序光）で上記素子を照明すると略半分の光が活用されず損失となる。そこで近年の液晶プロジェクタでは、反射型偏光フィルタ，１／２波長板，ミラーを組み合わせ、まず反射型偏光フィルタで一方の偏光を取り出し、取り出しえなかった他方の偏光をミラーを介して１／２波長板に反射し、ここで偏光面を回転させることで（本明細書では便宜上これを偏光変換と呼び、またそのための光学部品を偏光変換素子と呼ぶ）、理論的には１００％の光を利用できるような工夫がされている。
【０００７】
しかしながら、前記偏光変換素子は角度依存性が高く、平行光中に挿入しなければならないため、大型でありその結果重量も大きい部品であった。また、製造コストも高かった。ＬＥＤ光源プロジェクタにおいても同様の構成を採用できるが、それは小型軽量ローコストというＬＥＤ光源の持つメリットを阻害してしまう。
本発明は、上述の課題に鑑み創案されたもので、簡素な構成で１方向の偏光のみを出射できるようにした発光素子、及びこれを備えた照明装置、投射型表示装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の発光素子は、光反射体の上に発光体と１／４波長膜と反射偏光膜とが順に積層されてなることを特徴とする。
この構成において、発光体から出射された無秩序光（複数の偏光成分を有する光）は、１／４波長膜を透過した後、反射偏光膜によって一方の偏光（例えばｐ偏光）が透過され、他方の偏光（例えばｓ偏光）が反射される。ここで、１／４波長膜は、入射光線に概ね１／４波長の位相差を生じさせる層であり、反射偏光膜は、一方の偏光を選択的に透過し、透過されない他方の偏光を反射する偏光層である。
【０００９】
反射された偏光（例えばｓ偏光）は、１／４波長膜を透過して円偏光（例えば右回り円偏光）となり、光反射体で反射されて逆回転の円偏光（例えば左回り円偏光）となる。そして、１／４波長膜によって、先に透過された上記一方の偏光と同方向の偏光（例えばｐ偏光）に変換されて反射偏光膜を透過する。
このように本構成では、光反射体，１／４波長膜，反射偏光膜を組み合わせることで、無秩序光を１方向の偏光に変換することができる。また、これらを発光体と一体に形成することで、構成を大幅に簡素化することができる。
【００１０】
なお、発光体と１／４波長膜、及び１／４波長膜と反射偏光膜との間には反射防止膜や保護膜等を設けてもよい。例えば、発光体と１／４波長膜との間には、この発光体を酸素，水分等による腐食や機械的衝撃等から保護するための保護膜を設けることが好ましい。この場合、保護膜の形状を、発光体を中心とした略半球状の形状とし、１／４波長膜及び反射偏光膜をこれを覆うように略半球状に設けることが好ましい。このような形状とすることで、発光体から等方的に出射された光をいずれも反射偏光膜に略垂直に入射させることが可能となり、偏光選択比を高めることができる。
【００１１】
また、発光体の数は１つに限られず、１つの発光素子内に発光体を複数設けることも可能である。このような発光素子の具体的な形態としては、複数の発光体が反射偏向板の透過軸に垂直な方向に配列して設けられ、保護膜が上記透過軸に垂直な面で切った断面が略半円形状を有する構成のものを用いることができる。
また、保護膜を半球状に構成する代わりに、例えば保護膜をロッド状のレンズ体として構成し、これにインテグレーション機能を持たせてもよい。このようにすれば、発光素子から照度の均一な光を出射することができる。
【００１２】
また、発光体から真横に出射される光を有効に活用するために、発光体周辺部にこのような光を１／４波長膜側に向けて反射する反射面を形成してもよい。具体的には、光反射体に凹部を形成し、この凹部内に発光体を配置する。このとき、凹部の側面を、光反射体から１／４波長膜側に向けて広がるようなテーパ状の傾斜面とすることで、上記効果が得られる。
【００１３】
また、本発明の照明装置は上述の発光素子を備えたことを特徴とする。これにより、例えば本照明装置を液晶装置等のような１方向の偏光のみを用いるデバイスに適用した場合に、小型，軽量，ローコストで高効率な偏光照明系を構成することができる。
【００１４】
このよう照明装置には、発光素子から入射された光の照度を均一化して出射する照度均一化手段を設けることが望ましい。このような照度均一化手段としては一般にロッドレンズやフライアイレンズ等が知られているが、中でもフライアイレンズでは照明光の偏光状態が変換又は解消されることがないため、好ましい。なお、フライアイレンズには、発光素子から入射された光から複数の２次光源像を形成する第１のフライアイレンズと、これらの２次光源像を被照明領域において重畳する第２のフライアイレンズとがあり、照度均一化手段はこのような一対のフライアイレンズによって構成される。
【００１５】
また、本発明の投射型表示装置は、上述の照明装置と、この照明装置から出射された光を変調する光変調装置と、変調された光を投射する投射手段とを備えたことを特徴とする。これにより、小型で高輝度な投射型表示装置を実現することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
以下、図１〜図３を参照しながら本発明の第１実施形態に係る投射型表示装置について説明する。図１は本実施形態の投射型表示装置の全体構成を示す概略図、図２は本投射型表示装置に備えられた照明装置の一構成例を示す図、図３はこの照明装置の動作を説明するための図である。なお、以下の全ての図面においては、図面を見やすくするため、各構成要素の膜厚や寸法の比率などは適宜異ならせてある。
【００１７】
図１に示すように、本実施形態の投射型表示装置は３板式の液晶プロジェクタであり、色合成手段としてのダイクロイッククロスプリズム４０の３つの光入射面４０Ｒ，４０Ｇ，４０Ｂには、それぞれ光変調装置３０Ｒ，３０Ｇ，３０Ｂが対向して配置され、各光変調装置３０Ｒ，３０Ｇ，３０Ｂの背面側（クロスダイクロイックプリズム４０と反対側）にはそれぞれＲ（赤），Ｇ（緑），Ｂ（青）の色光を出射可能な照明装置１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂが配置されている。
【００１８】
図２（ａ）に示すように、照明装置１０（１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂ）は、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）からなる複数の発光素子１を備えている。発光素子１は、図２（ｂ）に示すように、ＬＥＤチップ（発光体）１２と１／４波長膜１４と反射偏光膜１５とが順に積層された構造を有し、表面にＡｌやＡｇの高反射率の金属膜が形成された基板（光反射体）１１上に実装されている。ＬＥＤチップ１２は透明樹脂（保護膜）１３によってモールドされており、１／４波長膜１４及び反射偏光膜１５はこの樹脂１３を覆うように設けられている。この樹脂１３は、チップ１２を中心として略半球状に設けられており、チップ１２を酸素，水分等による腐食や機械的衝撃等から保護するとともに、チップ１２から等方的に出射された光をコリメートするレンズ体としても機能する。
【００１９】
このような発光素子１では、チップ１２から出射された無秩序光Ｌ１は、樹脂１３，１／４波長膜１４を透過して反射偏光膜１５に達すると、図３に示すように、例えば一方の偏光であるｐ偏光Ｌ２が透過され、もう一方の偏光であるｓ偏光Ｌ３が反射される。反射されたｓ偏光Ｌ４は１／４波長膜１４を透過して例えば右回り円偏光Ｌ４に変換され、光反射面１１ａで反射されて逆回転の左回り円偏光Ｌ５となる。この後、円偏光Ｌ５は１／４波長膜１４を透過してｐ偏光Ｌ６に変換され、反射偏光膜１５をそのまま透過する。これにより、チップ１２から出射された無秩序光Ｌ１を１方向の偏光（本実施形態ではｐ偏光）Ｌ２，Ｌ６に変換して光変調装置３０側に出射することができる。
【００２０】
照明装置１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂとこれに対応する光変調装置３０Ｒ，３０Ｇ，３０Ｂとの間には、照明光の照度分布を光変調装置３０Ｒ，３０Ｇ，３０Ｂにおいて均一化させるための照度均一化手段として、照明装置側から第１のフライアイレンズ２１、第２のフライアイレンズ２２が順次設置されている。第１のフライアイレンズ２１は複数の２次光源像を形成し、第２のフライアイレンズ２２は被照明領域である光変調装置の設置位置においてそれらを重畳する重畳レンズとしての機能を有する。発光素子１から出射された光Ｌ２，Ｌ６は、このフライアイレンズ２１，２２により液晶装置３０において照度を均一化されるが、この際、光の偏光状態は変換又は解消されることなく、そのまま維持される。
【００２１】
光変調装置３０は（３０Ｒ，３０Ｇ，３０Ｂ）は例えば透過型の液晶装置であり、図３に示すように、ガラス等からなる一対の透明基板３１，３２の間に液晶層３３が封入されて構成される。本実施形態では、照明装置から１方向の偏光が出射されるため、この液晶装置には光入射側の基板３１には偏光板は設けられず、光出射側の基板３２にのみ偏光板３４が設けられている。なお、この液晶装置３０にはＴＮモード，垂直配向モード等の種々の表示モードを採用できる。
【００２２】
ダイクロイッククロスプリズム４０は、４つの直角プリズムが貼り合わされた構造を有し、その貼り合わせ面４０ａ，４０ｂには誘電体多層膜からなる光反射膜（図示略）が十字状に形成されている。具体的には、貼り合わせ面４０ａには、光変調装置３０Ｒで形成された赤色の画像光を反射し、それぞれ光変調装置３０Ｇ，３０Ｂで形成された緑色及び青色の画像光を透過する光反射膜が設けられ、貼り合わせ面４０ｂには、光変調装置３０Ｂで形成された青色の画像光を反射し、それぞれ光変調装置３０Ｒ，３０Ｇで形成された赤色及び緑色の画像光を透過する光反射膜が設けられている。そして、ダイクロイッククロスプリズム４０の光出射面４０Ｅに導光された各色の画像光は投射レンズ（投射手段）５０によってスクリーン６０に投射されるようになっている。
【００２３】
したがって、本実施形態によれば、光反射体１１，１／４波長膜１４，反射偏光膜１５を組み合わせることで、チップ１２から出射された無秩序光を１方向の偏光に効率的に変換することができる。また、１／４波長膜１４，反射偏光膜１５がモールド樹脂１３と一体に設けられているため、発光素子１の構成を大幅に簡素化することができる。
そして、このような発光素子１を、液晶装置等のような１方向の偏光のみを用いるデバイスに適用した場合に、小型，軽量，ローコストで高効率な偏光照明系を構成することが可能となり、これにより、小型で高輝度な表示装置を実現できる。
【００２４】
また、本実施形態では、モールド樹脂１３，１／４波長膜１４，反射偏光膜１５を半球状に設けているため、チップ１２から等方的に出射された光をいずれも反射偏光膜１５に略垂直に入射させることが可能となり、偏光選択比を高めることができる。
【００２５】
（第２実施形態）
次に、図４を参照しながら、本発明の第２実施形態に係る照明装置について説明する。図４は、本実施形態の照明装置の１構成例を示す図であり、（ａ）はその概略構成を示す平面図、（ｂ）はこの照明装置に備えられる発光素子の構造を示す概略構成を示す断面図である。なお、本実施形態において上記第１実施形態と同様の部材については同じ符号を付し、その説明を省略する。
【００２６】
上述のように、図３に示した上記第１実施形態の構成では、照明装置と光変調装置との間に第１のフライアイレンズ２１、第２のフライアイレンズ２２を配置してインテグレーション効果を得ている。本実施形態では、チップから射出された光を発光素子のパッケージ内部で多数反射させることで、これと同様の効果を得るようにしている。
【００２７】
すなわち本実施形態の発光素子２では、ＬＥＤチップ１２はロッド状の透明樹脂（保護膜）１６によってモールドされており、１／４波長膜１４及び反射偏向膜１５はこのモールド樹脂１６の光出射面１６ｅの上に順に積層されている。この樹脂１６の側面にはＡｌやＡｇ等の高反射率の金属膜が形成されており、これにより、樹脂内部を伝播して側面に達した光を内部側に反射する光反射面１６ａが構成されている。すなわち、樹脂１６はインテグレータとして機能し、チップ１２から射出された光の照度分布を樹脂１６の光出射面１６ｅにおいて均一化できるようになっている。
【００２８】
したがって本実施形態によれば、発光素子から１方向の偏光のみを、照度を均一化した状態で出射させることができる。このため、上記第１実施形態のように照明装置と光変調装置との間に別途フライアイレンズ等のインテグレータを配置する必要がなくなり、装置構成をより簡素化できる。
【００２９】
なお、上記構成では、チップ１２から真横に出射する光を有効に活用することはできない。このため、例えば図５のように、光反射体１１に、テーパ状の凹部ｇを設け、この凹部ｇ内にチップ１２を配置してもよい。この構成では、凹部ｇの側面１１ｂは、光反射体１１から１／４波長膜１４側に向けて広がるようなテーパ状の傾斜面とされ、チップ１２から真横に出射した光は樹脂１６の光出射面１６ｅに向けて反射される。このため、光の利用効率が高まり、明るい表示を実現できる。
【００３０】
（第３実施形態）
次に、図６，図７を参照しながら、本発明の第３実施形態に係る照明装置について説明する。図６は本実施形態の照明装置の概略構成を示す平面図、図７はこの照明装置に備えられる発光素子の概略構成を示す断面図である。なお、本実施形態において上記第１実施形態と同様の部材については同じ符号を付し、その説明を省略する。
【００３１】
本実施形態は、１つの発光素子の中に複数のＬＥＤチップをまとめてパッケージし、高出力化を図るようにしたものである。すなわち、本実施形態の発光素子３では、複数（本実施形態では例えば３つ）のＬＥＤチップ１２が樹脂１７によってモールドされており、１／４波長膜１４及び反射変更膜１５はこのモールド樹脂１７を覆うように樹脂１７上に順に積層されている。
【００３２】
各チップ１２は反射変更膜１５の透過軸に垂直な方向（Ｘ方向）に配列しており、樹脂１７はこれに沿うようにＸ方向に延在して設けられている。この樹脂１７の形状は、上記第１実施形態の樹脂１３のように半球形状としてもよいが、このようにパッケージを半球状とするのは、全反射により閉じ込められる光の損失を抑えるためであり、不要な偏光方向に対してはこれを考慮する必要はない。このため、本実施形態では、樹脂１７は、これをＸ軸に垂直な面（Ｙ−Ｚ面）で切った断面を略半円形状とし（図７（ａ）参照）、Ｙ軸に垂直な面（Ｘ−Ｚ面）で切った断面に関しては、その端部側のみ半円形状としている（図７（ｂ）参照）。これにより、個々に略半球状にパッケージングしたのと同等の光取出し効率で、よりローコストに製造することが可能である。
【００３３】
なお、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
例えば、上記実施形態では発光素子１をＬＥＤチップ１２，樹脂１３，１／４波長膜１４，反射偏光膜１５の４層構造としたが、本発明では少なくともＬＥＤチップ１２，１／４波長膜１４，反射偏光膜１５が光反射体１１上に順に積層されていれば偏光変換が可能であるため、樹脂１３は省略することができる。逆に、偏光解消されない範囲で、各層の間、或いは、反射偏光膜１５の上に、反射防止膜や保護膜等を設けてもよい。
【００３４】
また、上記実施形態では発光体１２をＬＥＤチップで構成したが、発光体１２にはこれ以外の発光物質を用いることも可能である。また、図２（ａ）では、３×４個の発光素子１によって１つの照明装置を構成しているが、発光素子の数は必要とされる光源の大きさに依存し、用途によっては発光素子の数を１つとしてもよい。
また、モールド樹脂１３とＬＥＤチップ１２の間には製造上空間を設けてもよいが、光閉じ込め効果による損失を防ぐため、前記樹脂と略同等の屈折率を持つ部材（シリコンジェル等）を充填するのが好ましい。
【００３５】
また、上述した投射型表示装置の構成はほんの一例であり、このような３板式のものに限らず、光変調装置を１つとした単板式の構成を採用することも可能である。この場合、照明装置はＲ，Ｇ，Ｂの各色に対応して３つ設けてもよいし、１つの照明装置にＲ，Ｇ，Ｂの３種類の発光素子を設けてもよい。
【００３６】
さらに、上記実施形態では、発光素子１を投射型表示装置の光源として用いたが、この発光素子１は直視型の液晶装置のバックライトとして用いることもできる。これにより、バックライトの輝度の向上ないし消費電力の低減を図ることができ、更に、液晶パネルの光入射側の偏光板を省略して部材コストを低減することも可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る投射型表示装置の概略構成図。
【図２】同、投射型表示装置に備えられる照明装置の概略構成を示す図であり、（ａ）は全体構成を示す平面図、（ｂ）はその１つの発光素子の構造を示すＡ−Ａ′断面図。
【図３】同、照明装置の動作を説明するための概略平面図。
【図４】本発明の第２実施形態に係る照明装置の１構成例を示す図。
【図５】同、照明装置に備えられる発光素子の他の構成例を示す図。
【図６】本発明の第３実施形態に係る照明装置の１構成例を示す図。
【図７】同、照明装置に備えられる発光素子の概略断面図。
【符号の説明】
１，２，２′，３…発光素子、１０，１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂ…照明装置、１１，１１′…基板（光反射体）、１１ｂ…傾斜面、１２…ＬＥＤチップ（発光体）、１３，１７…樹脂（保護膜）、１４…１／４波長膜、１５…反射偏光膜、２０，２０Ｒ，２０Ｇ，２０Ｂ…照度均一化手段、２１，２２…フライアイレンズ、３０，３０Ｒ，３０Ｇ，３０Ｂ…光変調装置、５０…投射レンズ（投射手段）、ｇ…凹部

Claims (11)

1. 光反射体の上に発光体と１／４波長膜と反射偏光膜とが順に積層されてなることを特徴とする、発光素子。
2. 上記発光体と１／４波長膜との間に保護膜が設けられたことを特徴とする請求項１記載の発光素子。
3. 上記保護膜は、上記発光体を中心として光反射体上に略半球状に設けられ、上記１／４波長膜及び反射偏光膜はこの保護膜を覆うように略半球状に設けられたことを特徴とする、請求項１又は２記載の発光素子。
4. 上記発光体は上記反射偏向板の透過軸に垂直な方向に複数配列して設けられ、上記保護膜は上記透過軸に垂直な面で切った断面が略半円形状を有することを特徴とする、請求項３記載の発光素子。
5. 上記保護膜がインテグレーション機能を有することを特徴とする、請求項２記載の発光素子。
6. 上記保護膜がロッド状のレンズ体であることを特徴とする、請求項５記載の発光素子。
7. 上記発光体は、上記光反射体に設けられた凹部内に配置され、上記凹部の側面は光反射体から１／４波長膜側に向けて広がるようなテーパ状の傾斜面として構成されたことを特徴とする、請求項１〜６のいずれかの項に記載の発光素子。
8. 請求項１〜７のいずれかの項に記載の発光素子を備えたことを特徴とする、照明装置。
9. 上記発光素子から入射された光の照度を均一化して出射する照度均一化手段を更に備えたことを特徴とする、請求項８記載の照明装置。
10. 上記照度均一化手段は一対のフライアイレンズからなることを特徴とする、請求項９記載の照明装置。
11. 請求項８〜１０のいずれかの項に記載の照明装置と、
    上記照明装置から出射された光を変調する光変調装置と、
    変調された光を投射する投射手段とを備えたことを特徴とする、投射型表示装置。

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