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