JP2007316384A - 光源装置及びそれを有する画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 簡易な構成でありながらも、光束の指向性を光源の発光面法線に対して適当な方向に向け、高輝度で照明ムラの少ない光源装置を得ること。
【解決手段】 複数の光源を所定のピッチで配列した光源基板と、該複数の光源からの光を受けて２次光源面が形成される２次光源部材と、該光源基板と該２次光源部材とが対向するように、双方を側方から支持する枠体とを有した光源装置であって、
該枠体のうち、該複数の光源の配列方向で対向する少なくとも１組の側面は、反射面を有し、
該１組の側面の各反射面が、該光源基板に対して同じ方向に傾いていること。
【選択図】図１

Description

本発明は、光源装置及びそれを有する画像表示装置に関し、特に液晶表示素子で光変調された光束に基づく画像を光学系を介して拡大して観察するヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）やプロジェクター等に好適なものである。

従来、１次光源からの光束で拡散面上に２次面光源を形成し、この２次面光源からの光束で液晶表示素子を直接又は照明光学系を介して照明する光源装置が種々と提案されている。

この光源装置に用いられる光源として蛍光管又は複数のＬＥＤを基板上に配置した構成の光源装置が知られている（特許文献１）。

このような光源装置からの光束で液晶表示素子などの画像表示素子を照明し、画像表示素子に表示された画像を光学系を介して拡大して観察者に提示する液晶プロジェクターやヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）などが知られている。

又、このような光源装置と、偏心自由曲面光学系を用いて斜方向から画像を所定方向に投射したプロジェクターが知られている（特許文献２）。

また広画角化により臨場感を高めつつ、装置全体を小型にするために偏心自由曲面光学系を用いた観察光学系が知られている（特許文献３、４）。

また、小型高精細のパネルとして開口率の高い反射型の液晶表示素子を用い、液晶表示素子で光変調され形成される画像を観察する画像観察装置が知られている（特許文献５）。

ＨＭＤ等の画像観察装置では、２次光源面からの光束で液晶表示素子を照明するとき、２次光源面の法線方向でなく中心画角主光線の方向に輝度が最大となるように指向性を変えて、光源装置を構成することが好ましい。

ここで中心画角光線とは、液晶表示素子に表示される中心画像から出射して光学系の射出瞳中心に入射する光線をいう。

光源の法線方向以外に指向性を変えた光源装置が知られている（特許文献６）。特許文献６では、光源を先のすぼまった形状のリフレクターで覆ったものを複数並べ、リフレクター間を反射板で覆って、リフレクターを出た光と、透過型の液晶表示素子で反射されて光源装置の反射板で反射された光によって照明光を形成している。
特開２００３−１４０１１０号公報 特開２００１−２２１９４９号公報 特開平７−３３３５５１号公報 特開２００３−１４９５９３号公報 特開２０００−２４９９６８号公報 特開２０００−０５７８３２号公報

液晶表示素子を利用した液晶プロジェクターにおいて画像を良好に観察するには、光源装置からの光束で液晶表示素子を均一でしかも効率良く照明することが重要である。

液晶表示素子として反射型の液晶表示素子を用いるときには、構成上液晶表示素子を斜方向から照明しなければならない。

この為、反射型の液晶表示素子を用いた液晶プロジェクターでは、液晶表示素子を照明するときの光源装置の構成が複雑となり、照度ムラが発生しやすく、又効率良く高い輝度で照明することが大変難しい。

特に、反射型の液晶表示素子を照明するときには、光源装置から出射する光束の指向性を適切に制御して照明することが重要である。

前述した従来の光源装置では、光源装置から出射する光束の指向性を、簡易な構成で適切に制御して液晶表示素子を照明していなかった。

本発明は、簡易な構成でありながらも、光束の指向性を光源の発光面法線に対して適当な方向に向け、高輝度で照明ムラの少ない光源装置の提供を目的とする。

本発明の光源装置は、複数の光源を所定のピッチで配列した光源基板と、該複数の光源からの光を受けて２次光源面が形成される２次光源部材と、該光源基板と該２次光源部材とが対向するように、双方を側方から支持する枠体とを有した光源装置であって、
該枠体のうち、該複数の光源の配列方向で対向する少なくとも１組の側面は、反射面を有すると共に、
該１組の側面が有する反射面は該光源基板に対して同じ方向に傾いていることを特徴としている。

本発明によれば、簡易な構成でありながらも、光束の指向性を光源の発光面法線に対して適当な方向に向け、高輝度で照明ムラの少ない光源装置が得られる。

以下、本発明の各実施例について図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の光源装置の実施例１の構成の側断面概略図である。

図１において、１００は光源装置である。１は１次光源部であり、複数の光源（ＬＥＤ）１ａ、１ｂ、１ｃ・・・より成っている。複数のＬＥＤは所定のピッチで１次元又は２次元方向に複数配列されている。２は複数のＬＥＤを配置した光源基板（ＬＥＤ基板）である。３は光源装置の発光面（２次光源面）３ａを形成する拡散板（２次光源部材）である。４は光源基板２と拡散板３とを保持する枠体である。枠体４の内部の一部は、反射板５（５ａ、５ｂ）で覆われている。

又、枠体４は、複数の光源１ａ、１ｂ、１ｃが配置される面と拡散板３の２次光源面３ａとが平行又は略平行（±１０°以内）に対向するように、側方から支持している。

枠体４は、内部の反射板５が１断面（図１では紙面内）内において、一方向に傾くように構成している。すなわち、複数の光源の配列方向で対向する側面が有する各反射板５ａ，５ｂを、光源基板２に対して同じ方向に傾けている。

以上のような構成で、本実施例の光源装置１００は、
複数の光源１ａ、１ｂ、１ｃの垂直方向（ｚ方向）の拡散板３上に２次光源面３ａを形成している。

これによって、垂直方向が比較的薄型で非常に明るく、且つ光源部１の正面と異なる方向に指向性を向けた光源装置を構成している。

また、後述するように光源装置１００と、複数の偏心反射曲面を有し、これら偏心反射曲面群により画像表示手段から出た光を観察者に導くような光学系とを組み合わせて、観察状態において最も明るい画像が見えるような画像表示装置を実現している。

図２〜図１１は本発明の光源装置による照明光束の光路を説明するための図であり、ＬＥＤ１を点光源として取扱うこと等、要部を簡略化して示している。光源（ＬＥＤ）１は、点光源でｚ軸の正の方向に光を発しており、ランバート光源を構成している。

ｚ軸に平行即ち光源基板２に垂直な方向を光源のローカルｚ軸とする。ランバート光源とは、ローカルｚ軸方向の強度をＩ０、該ローカルｚ軸に対してなす角度がθのとき、θ方向の光強度Ｉ（θ）がＩ０＊ｃｏｓ（θ）となる光源である。

本実施例において、光源１は等間隔に配置した第１、第２、第３の光源１ａ、１ｂ、１ｃより構成されている。

次に本実施例において各光源１ａ、１ｂ、１ｃからの光束が拡散板３の各点ａ、ｂ、ｃに入射する状態について説明する。

図２（Ａ）、（Ｂ）は、第１の光源１ａより発して拡散板３の中心ａに到る光線の光路を示している。

図２（Ａ），（Ｂ）において、光源１ａから出て拡散板中心ａに到る光線は、次のとおりである。光源１ａから直接拡散板中心ａに入る光線ア、側面Ａ（反射板５ａ）で反射されて拡散板中心ａに入る光線イ、側面Ｂ（反射板５ｂ）で反射されて拡散板中心ａに入る光線ウ、側面Ａと側面Ｂで反射されて拡散板中心ａに入る光線エの４つである。

図２（Ａ）は、第１の光源１ａより発して拡散板中心ａに到る光線の発光強度と経路を示している。拡散板３での吸収・反射，壁面Ａ，Ｂでの吸収等を無視する。光線アは、Ｉ０＊ｃｏｓ（θ１１）の強度で、拡散板法線３Ｐに対して角度θ１ｄ１（＝θ１ｄ）で拡散板中心ａに到達する。

光線イは、Ｉ０＊ｃｏｓ（θ１２）の強度で発し、拡散板法線３Ｐに対して角度θ１ｄ２（＝θ１２＋２＊α）で拡散板中心ａに到達する。

光線ウは、Ｉ０＊ｃｏｓ（θ１３）の強度で発し、拡散板法線３Ｐに対して角度θ１ｄ３（＝π／２−θ１３）で拡散板中心ａに到達する。光線エは、Ｉ０＊ｃｏｓ（θ１４）の強度で発し、拡散板法線Ｐに対して角度θ１ｄ４’で拡散板中心ａに到達する。

図２（Ｂ）は、第１の光源１ａより発して拡散板中心ａに到る光線の反射側面Ａ，Ｂの反射率を考慮した強度とそれらの合成により光が向かう方向を示している。

次に、反射側面Ａ，Ｂの反射率を角度特性を無視して一律に反射率Ｒとする。そうすると、光線アは、Ｉ０＊ｃｏｓ（θ１１）の強度のままとなる。光線イは壁面Ａでの反射を受けてＲ＊Ｉ０＊ｃｏｓ（θ１２）の強度になる。光線ウは壁面Ｂでの反射を受けてＲ＊Ｉ０＊ｃｏｓ（θ１３）の強度になる。光線エは壁面Ａでの反射と壁面Ｂでの反射を受けてＲ^２＊Ｉ０＊ｃｏｓ（θ１４）の強度になる。そして各光線は拡散板中心ａに到達する。図では、Ｒ≒９０％として図示している。

これらの各光線の強度を合成すると、図２（Ｂ）に示すように角度θ１ａの光Ｌ_θ１ａとなる。このため、第１の光源１ａからの寄与による拡散板中心ａに到る光は拡散板法線３Ｐに対して角度θ１ａの方向に最も指向性が高くなる。

例えば、拡散板３の拡散特性が完全拡散である場合には、この通りになる。実際には、拡散板３の拡散特性に応じた拡散を受けた後での光が合成されることになるが、拡散特性がある程度高い拡散度の場合には、拡散板３を通過した光の指向性への寄与もこれに近いものが得られる。

そのために、拡散板３は少なくとも半値全幅で３０°±５°程度の拡散度を持つものとすることが望ましい。特に望ましくは、拡散板３は半値全幅で３０°以上、特に６０°程度の拡散度を持つものとすると良い。

次に図３により、拡散板中心ａよりも図で左側（−ｙの方向）にある点ｂへの寄与について説明する。

図３において、光線アは、Ｉ０＊ｃｏｓ（θ１１’）の強度で、拡散板法線３Ｐに対して角度θ１１’で拡散板３の点ｂに到達する。光線イは、Ｉ０＊ｃｏｓ（θ１２’）の強度で発し、壁面Ａでの反射を受けてＲ＊Ｉ０＊ｃｏｓ（θ１２’）の強度になり、拡散板法線３Ｐに対して角度θ１ｄ２’（＝θ２’＋２＊α）で拡散板３の点ｂに到達する。

光線ウは、Ｉ０＊ｃｏｓ（θ１３’）の強度で発し、壁面Ｂでの反射を受けてＲ＊Ｉ０＊ｃｏｓ（θ１３’）の強度になり、拡散板法線３Ｐに対して角度θ１ｄ３’で拡散板３の点ｂに到達する。光線１４は、Ｉ０＊ｃｏｓ（θ１４’）の強度で発し、壁面Ａでの反射と壁面Ｂでの反射を受けてＲ^２＊Ｉ０＊ｃｏｓ（θ１４’）の強度になり、拡散板法線３Ｐに対して角度θ１ｄ４’（＝θ１４’）で拡散板３の点ｂに到達する。

これらを合成すると、角度θ１ｂの光Ｌ_θ１ｂとなる。このため、第１の光源１ａからの寄与による拡散板３の点ｂを通った光は拡散板法線３Ｐに対して角度θ１ｂの方向に最も指向性が高くなる。

拡散板法線３Ｐよりも右側に向かう光線アについては、θ１ｄ１’＜θ１ｄ１，Ｉ０＊ｃｏｓ（θ１１’）＞Ｉ０＊ｃｏｓ（θ１１）である。このため、直接光１の光の寄与としては、角度的には小さくなるが、強度的には高くなる。

同様に拡散板法線３Ｐよりも右側に向かう光線イについては、θ１ｄ２’＜θ１ｄ２，Ｉ０＊ｃｏｓ（θ１２’）＞Ｉ０＊ｃｏｓ（θ１２）である。このため光線イの寄与は、角度的には小さくなるが、強度的には高くなる。

逆に拡散板法線よりも左側に向かう光線ウについては、θ１ｄ３’＜θ１ｄ３，Ｉ０＊ｃｏｓ（θ１３’）＜Ｉ０＊ｃｏｓ（θ１３）である。このため光線ウの寄与は、角度的には大きくなるが、強度的には低くなる。

同様に拡散板法線３Ｐよりも左側に向かう光線エについても、θ１ｄ４’＜θ１ｄ４，Ｉ０＊ｃｏｓ（θ１４’）＜Ｉ０＊ｃｏｓ（θ１４）である。このため光線エの寄与は、角度的には大きくなるが、強度的には低くなる。

これらの合成の光Ｌ_θ１ｂによる影響を考えると、角度θ１ｂは角度θ１ａに対して、強度，角度ともに若干しか変わらない。

次に、図４により拡散板中心ａよりも図で右側（＋ｙの方向）にある点ｃへの寄与について説明する。

図４において光線アは、Ｉ０＊ｃｏｓ（θ１１”）の強度で、拡散板法線３Ｐに対して角度θ１ｄ１”で拡散板３の点ｃに到達する。光線イは、Ｉ０＊ｃｏｓ（θ１２”）の強度で発し、壁面Ａでの反射を受けてＲ＊Ｉ０＊ｃｏｓ（θ１２”）の強度になり、拡散板法線３Ｐに対して角度θ１ｄ２”で拡散板３の点ｃに到達する。

光線ウは、Ｉ０＊ｃｏｓ（θ１３”）の強度で発し、壁面Ｂでの反射を受けてＲ＊Ｉ０＊ｃｏｓ（θ１３”）の強度になり、拡散板法線３Ｐに対して角度θ１ｄ３”で拡散板３の点ｃに到達する。光線エは、Ｉ０＊ｃｏｓ（θ１４”）の強度で発し、壁面Ａでの反射と壁面Ｂでの反射を受けてＲ^２＊Ｉ０＊ｃｏｓ（θ１４”）の強度になり、拡散板法線３Ｐに対して角度θ１ｄ４”で拡散板３の点ｃに到達する。これらを合成すると、角度θ１ｃの角度の光Ｌ_θ１ｃとなる。

このため、第１の光源１ａからの寄与による拡散板３の点ｃを通った光は拡散板法線３Ｐに対して角度θ１ｃの方向に最も指向性が高くなる。

拡散板法線３Ｐよりも右側に向かう光線アについては、θ１ｄ１”＞θ１ｄ１，Ｉ０＊ｃｏｓ（θ１１”）＜Ｉ０＊ｃｏｓ（θ１１）である。このため、直接光１の光の寄与としては、角度的には大きくなるが、強度的には低くなる。

同様に拡散板法線３Ｐよりも右側に向かう光線イについては、θ１ｄ２”＞θ１ｄ２，Ｉ０＊ｃｏｓ（θ１２”）＜Ｉ０＊ｃｏｓ（θ１２）である。このため光線イは角度的には大きくなるが、強度的には低くなる。

逆に拡散板法線３Ｐよりも左側に向かう光線ウについては、θ１ｄ３”＜θ１ｄ３，Ｉ０＊ｃｏｓ（θ１３”）＞Ｉ０＊ｃｏｓ（θ１３）なので、角度的には小さくなるが、強度的には高くなる。

同様に拡散板法線３Ｐよりも左側に向かう光線エについても、θ１ｄ４”＜θ１ｄ４，Ｉ０＊ｃｏｓ（θ１４”）＞Ｉ０＊ｃｏｓ（θ１４）である。このため光線エは角度的には小さくなるが、強度的には高くなる。

これらの合成の光Ｌ_θ１ｃによる影響を考えると、角度θ１ｃは角度θ１ａに対して、強度，角度ともに若干しか変わらない。

次に図５により第３の光源１ｃより発して拡散板中心ａに到る光線について説明する。

第１の光源１ａについて考えたときと同様、光源１ｃから出て拡散板中心ａに到る光線は、次のとおりである。光源１ｃから直接拡散板３に入る光線ア、側面Ａで反射されて拡散板３に入る光線イ、側面Ｂで反射されて拡散板に入る光線ウ、側面Ａで反射され側面Ｂで反射されて拡散板３に入る光線エである。

第１の光源１ａの場合と異なるのは、直接拡散板３に入る光線アが拡散板中心ａよりも右側（＋ｙ方向）にあるために、拡散板法線３Ｐよりも左向きに進行する光となって拡散板３に入射することである。

第１の光源１ａについて考えたときと同様に拡散板３での吸収・反射を無視する。光線アは、Ｉ０＊ｃｏｓ（θ３１）の強度で、拡散板法線３Ｐに対して角度θ３ｄ１（＝θ３１）で拡散板中心ａに到達する。

次に、反射側面Ａ，Ｂの反射率を角度特性を無視して一律にＲとする。光線イは、Ｉ０＊ｃｏｓ（θ３２）の強度で発し、壁面Ａでの反射を受けてＲ＊Ｉ０＊ｃｏｓ（θ３２）の強度になり、拡散板法線３Ｐに対して角度θ３ｄ２（＝θ３２＋２＊α）で拡散板中心ａに到達する。

光線ウは、Ｉ０＊ｃｏｓ（θ３３）の強度で発し、壁面Ｂでの反射を受けてＲ＊Ｉ０＊ｃｏｓ（θ３３）の強度になり、拡散板法線３Ｐに対して角度θ３ｄ３（＝π／２−θ３３）で拡散板中心ａに到達する。

光線エは、Ｉ０＊ｃｏｓ（θ３４）の強度で発し、壁面Ｂでの反射と壁面Ｂでの反射を受けてＲ^２＊Ｉ０＊ｃｏｓ（θ３４）の強度になり、拡散板法線３Ｐに対して角度θ３ｄ４（＝θ３４）で拡散板中心ａに到達する。これらを合成すると、角度θ３ａの角度の光Ｌ_θ３ａとなるため、第３の光源１ｃからの寄与による拡散板中心ａに到る光は拡散板法線３Ｐに対して角度θ３ａの方向に最も指向性が高くなる。

第３光源１ｃからの光線イと第１光源１ａからの光線イとを比較すると、拡散板法線３Ｐから右側への傾き並びに、強度ともに強くなっている。

このため、第３光源１ｃからの光線ア，ウ，エがそれぞれ拡散板法線３Ｐから左側へ向かう光であるにも関わらず、拡散板法線３Ｐよりもわずかに右に傾く指向性が得られている。

次に、図６により拡散板中心ａよりも図で左側（−ｙの方向）にある点ｂへの寄与について説明する。

光線アは、Ｉ０＊ｃｏｓ（θ３１’）の強度で、拡散板法線３Ｐに対して角度θ３ｄ１’で拡散板３の点ｂに到達する。

次に、反射側面Ａ，Ｂの反射率を角度特性を無視して一律にＲとする。光線イは、Ｉ０＊ｃｏｓ（θ３２’）の強度で発し、壁面Ａでの反射を受けてＲ＊Ｉ０＊ｃｏｓ（θ３２’）の強度になり、拡散板法線３Ｐに対して角度θ３ｄ２’で拡散板３の点ｂに到達する。

光線ウは、Ｉ０＊ｃｏｓ（θ３３’）の強度で発し、壁面Ｂでの反射を受けてＲ＊Ｉ０＊ｃｏｓ（θ３３’）の強度になり、拡散板法線３Ｐに対して角度θ３ｄ３’で拡散板３の点ｂに到達する。光線エは、Ｉ０＊ｃｏｓ（θ３４’）の強度で発し、壁面Ａでの反射と壁面Ｂでの反射を受けてＲ^２＊Ｉ０＊ｃｏｓ（θ３４’）の強度になり、拡散板法線３Ｐに対して角度θ３ｄ４’で拡散板３の点ｂに到達する。これらを合成すると、角度θ３ｂの光Ｌ_θ３ｂとなるため、第３の光源１ｃからの寄与による拡散板３の点ｂを通った光は拡散板法線３Ｐに対して角度θ３ｂの方向に最も指向性が高くなる。

拡散板法線３Ｐよりも左側に向かう光線アについては、θ３ｄ１’＜θ３ｄ１，Ｉ０＊ｃｏｓ（θ３１’）＞Ｉ０＊ｃｏｓ（θ３１）である。このため、光線アは角度的には大きくなるが、強度的には低くなる。

同様に拡散板法線３Ｐよりも右側に向かう光線イについては、θ３ｄ２’＞θ３ｄ２，Ｉ０＊ｃｏｓ（θ３２’）＞Ｉ０＊ｃｏｓ（θ３２）である。直接光２の光の寄与としては、角度的に大きくなり、強度的にも高くなる。

逆に拡散板法線３Ｐよりも左側に向かう光線ウについては、θ３ｄ３’＞θ３ｄ３，Ｉ０＊ｃｏｓ（θ３３’）＜Ｉ０＊ｃｏｓ（θ３３）である。光線ウは角度的には大きくなるが、強度的には大幅に低くなる。

同様に拡散板法線３Ｐよりも左側に向かう光線エについても、θ３ｄ４’＜θ３ｄ４，Ｉ０＊ｃｏｓ（θ３４’）＜Ｉ０＊ｃｏｓ（θ３４）である。このため光線エは、角度的には若干大きくなるが、強度的には若干低くなる。

これらの合成による影響を考えると、角度θ３ｂは拡散板法線３Ｐに対して、若干左側に進行する光Ｌ_θ３ｂとなっている。但し、角度θ３ａに対して、角度は若干しか変わらず、強度的には弱くなっている。

次に、図７により拡散板中心ａよりも図で右側（＋ｙの方向）にある点ｃへの寄与について説明する。

光線アは、Ｉ０＊ｃｏｓ（θ３１”）の強度で、拡散板法線３Ｐに対して角度θ３ｄ１”で拡散板３の点ｃに到達する。

次に、反射側面Ａ，Ｂの反射率を角度特性を無視して一律にＲとする。光線イは、Ｉ０＊ｃｏｓ（θ３２”）の強度で発し、壁面Ａでの反射を受けてＲ＊Ｉ０＊ｃｏｓ（θ３２”）の強度になり、拡散板法線３Ｐに対して角度θ３ｄ２”で拡散板３の点ｃに到達する。

光線ウは、Ｉ０＊ｃｏｓ（θ３３”）の強度で発し、壁面Ｂでの反射を受けてＲ＊Ｉ０＊ｃｏｓ（θ３３”）の強度になり、拡散板法線３Ｐに対して角度θ３ｄ３”で拡散板３の点ｃに到達する。

光線エは、Ｉ０＊ｃｏｓ（θ３４”）の強度で発し、壁面Ａでの反射と壁面Ｂでの反射を受けてＲ^２＊Ｉ０＊ｃｏｓ（θ３４”）の強度になり、拡散板法線３Ｐに対して角度θ３ｄ４”で拡散板３の点ｃに到達する。

これらを合成すると、角度θ３ｃの光Ｌ_θ３ｃとなるため、第１の光源１ａからの寄与による拡散板中心ａを通った光は拡散板法線３Ｐに対して角度θ３ｃの方向に最も指向性が高くなる。

ここでは、光線アが右側に向かう光線に変わることが大きい。

拡散板法線３Ｐよりも右側に向かう光線アについては、角度θ３１が左向きであったのに対し、角度θ３１”が右向きとなったことが大きい。強度的には強いが、角度的には０に近い。

同様に拡散板法線３Ｐよりも右側に向かう光線イについては、角度的には若干小さくなり、強度的には低くなるが、ほとんど変わらない。

逆に拡散板法線３Ｐよりも左側に向かう光線ウについては、強度的には高くなるが、角度的には小さくなる。

同様に拡散板法線３Ｐよりも左側に向かう光線エについても、強度的には高くなるが、角度的には非常に小さくなる。

これらの合成による影響を考えると、角度θ３ｃ（図７）は角度θ３ａ（図５）に対して、角度は右向きの様相を強め、強度的には強くなっている。

次に図８により、第１の光源１ａと第３の光源１ｃとの中間にある、第２の光源１ｂより発して拡散板中心ａに到る光線について説明する。

第１の光源１ａについて考えたときと同様、光源１ｂから出て拡散板中心ａに到る光線は、次のとおりである。光源１ｂから直接拡散板３に入る光線ア、側面Ａで反射されて拡散板３に入る光線イ、側面Ｂで反射されて拡散板３に入る光線ウ、側面Ａで反射され側面Ｂで反射されて拡散板３に入る光線エである。

第１の光源１ａの場合と異なるのは、直接拡散板３に入る光線アが拡散板中心ａよりも右側（＋ｙ方向）にあるために、拡散板法線３Ｐよりも左向きに進行する光となって拡散板３に入射することである。

第１の光源１ａについて考えたときと同様に拡散板３での吸収・反射・散乱を無視する。光線アは、Ｉ０＊ｃｏｓ（θ２１）の強度で、拡散板法線３Ｐに対して角度θ２ｄ１（＝θ２１）で拡散板中心ａに到達する。

次に、反射側面Ａ，Ｂの反射率を角度特性を無視して一律にＲとする。光線イは、Ｉ０＊ｃｏｓ（θ２２）の強度で発し、壁面Ａでの反射を受けてＲ＊Ｉ０＊ｃｏｓ（θ２２）の強度になり、拡散板法線３Ｐに対して角度θ２ｄ２（＝θ２２＋２＊α）で拡散板中心ａに到達する。

光線ウは、Ｉ０＊ｃｏｓ（θ２３）の強度で発し、壁面Ｂでの反射を受けてＲ＊Ｉ０＊ｃｏｓ（θ２３）の強度になり、拡散板法線３Ｐに対して角度θ２ｄ３（＝π／２−θ２３）で拡散板中心ａに到達する。

光線エは、Ｉ０＊ｃｏｓ（θ２４）の強度で発し、壁面Ａでの反射と壁面Ｂでの反射を受けてＲ^２＊Ｉ０＊ｃｏｓ（θ２４）の強度になり、拡散板法線３Ｐに対して角度θ２ｄ４（＝θ２４）で拡散板中心ａに到達する。

これらを合成すると、角度θ２ａの光Ｌ_θ２ａとなるため、第２の光源１ｂからの寄与による拡散板中心ａに到る光は拡散板法線３Ｐに対して角度θ２ａの方向に最も指向性が高くなる。

次に、図９により拡散板中心ａよりも図で左側（−ｙの方向）にある点ｂへの寄与について説明する。

光線アは、Ｉ０＊ｃｏｓ（θ２１’）の強度で、拡散板法線３Ｐに対して角度θ２ｄ１’で拡散板３の点ｂに到達する。

次に、反射側面Ａ，Ｂの反射率を角度特性を無視して一律にＲとする。光線イは、Ｉ０＊ｃｏｓ（θ２２’）の強度で発し、壁面Ａでの反射を受けてＲ＊Ｉ０＊ｃｏｓ（θ２２’）の強度になり、拡散板法線３Ｐに対して角度θ２ｄ２’で拡散板３の点ｂに到達する。光線ウは、Ｉ０＊ｃｏｓ（θ２３’）の強度で発し、壁面Ｂでの反射を受けてＲ＊Ｉ０＊ｃｏｓ（θ２３’）の強度になり、拡散板法線３Ｐに対して角度θ２ｄ３’で拡散板３の点ｂに到達する。

光線エは、Ｉ０＊ｃｏｓ（θ２４’）の強度で発し、壁面Ａでの反射と壁面Ｂでの反射を受けてＲ^２＊Ｉ０＊ｃｏｓ（θ２４’）の強度になり、拡散板法線３Ｐに対して角度θ２ｄ４’で拡散板３の点ｂに到達する。これらを合成すると、角度θ２ｂの光Ｌ_θ２ｂとなるため、第２の光源１ｂからの寄与による拡散板３の点ｂを通った光は拡散板法線３Ｐに対して角度θ２ｂの方向に最も指向性が高くなる。

光線アについては、拡散板中心点ａに向かう場合と異なり、拡散板法線３Ｐよりも左側に向かっている。しかし、強度的には高いが、角度の絶対値は小さい。

同様に拡散板法線３Ｐよりも右側に向かう光線イについては、Ｉ０＊ｃｏｓ（θ２２’）＞Ｉ０＊ｃｏｓ（θ２２）なので、直接、光線イの寄与としては、角度的はあまり変わらないが、強度的に高くなる。

逆に拡散板法線３Ｐよりも左側に向かう光線ウについては、θ２ｄ３’＞θ２ｄ３，Ｉ０＊ｃｏｓ（θ２３’）＜Ｉ０＊ｃｏｓ（θ２３）なので、角度的には大きくなるが、強度的には大幅に低くなる。

同様に拡散板法線３Ｐよりも左側に向かう光線エについても、θ２ｄ４’＜θ２ｄ４，Ｉ０＊ｃｏｓ（θ２４’）＜Ｉ０＊ｃｏｓ（θ２４）なので、角度的には若干大きくなるが、強度的には若干低くなる。

これらの合成による影響を考えると、角度θ２ｂは拡散板法線３Ｐに対して右向きで、角度θ２ａに対して、角度、強度とも若干しか違わない。

次に、図１０により拡散板中心ａよりも図で右側（＋ｙの方向）にある点ｃへの寄与について説明する。

光線アは、Ｉ０＊ｃｏｓ（θ２１”）の強度で、拡散板法線３Ｐに対して角度θ２ｄ１”で拡散板３の点ｃに到達する。

次に、反射側面Ａ，Ｂの反射率を角度特性を無視して一律にＲとする。光線イは、Ｉ０＊ｃｏｓ（θ２２”）の強度で発し、壁面Ａでの反射を受けてＲ＊Ｉ０＊ｃｏｓ（θ２２”）の強度になり、拡散板法線３Ｐに対して角度θ２ｄ２”で拡散板３の点ｃに到達する。

光線ウは、Ｉ０＊ｃｏｓ（θ２３”）の強度で発し、壁面Ｂでの反射を受けてＲ＊Ｉ０＊ｃｏｓ（θ２３”）の強度になり、拡散板法線３Ｐに対して角度θ２ｄ３”で拡散板３の点ｃに到達する。

光線エは、Ｉ０＊ｃｏｓ（θ２４”）の強度で発し、壁面Ａでの反射と壁面Ｂでの反射を受けてＲ^２＊Ｉ０＊ｃｏｓ（θ２４”）の強度になり、拡散板法線３Ｐに対して角度θ２ｄ４”で拡散板３の点ｃに到達する。

これらを合成すると、角度θ２ｃの光Ｌ_θ２ｃとなるため、第２の光源１ｂからの寄与による拡散板３の点ｃを通った光は拡散板法線３Ｐに対して角度θ２ｃの方向に最も指向性が高くなる。

ここでは、光線アが右側に向かう光線に変わることが大きい。

拡散板法線３Ｐよりも右側に向かう光線アについては、強度的には落ちているが、角度的には大きくなっている。

同様に拡散板法線３Ｐよりも右側に向かう光線イについては、角度的には若干大きくなり、強度的には低くなるが、ほとんど変わらない。

逆に拡散板法線３Ｐよりも左側に向かう光線ウについては、強度的には高くなるが、角度的には小さくなる。

同様に拡散板法線３Ｐよりも左側に向かう光線エについても、強度的には高くなるが、角度的には非常に小さくなる。

これらの合成による影響を考えると、角度θ２ｃは角度θ２ａに対して、角度、強度とも若干しか違わない。

図１１は各光源からの各点における寄与をそれぞれ合成した本実施例の光源装置の指向性を示す図である。

以上の各光源１ａ、１ｂ、１ｃからの各点ａ、ｂ、ｃにおける寄与を図２〜図１０を参照してそれぞれ合成すると、図の実線矢印Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃで示すような指向性となる。

即ち、場所が左側に行くにつれて、法線３Ｐに対して右側に進行する角度、強度ともに若干小さくなるが、全体的に右側に指向特性のピークがくるような光源を構成することが可能となる。

以上、図の断面における光源の個数を３として説明したが、光源の個数（列数）を増やしても良い。

その際、図１４に示すように個数（列数）の制限として光源１側に傾けた枠体４の側壁の反射面５ａの高さ、角度を適切に設定する。

具体的には、光源基板２側に傾いた反射面５ａに形成される光源の鏡像が、拡散板３の拡散面（２次光源面）３ａよりも光源基板２側で、光源（列）数ｎのうちの半分以上であるｎ／２より大の個数となるように、構成する。これにより拡散板法線３Ｐから効率的に傾けることができる。

図１４ではｎ＝５とし、このうち３つの光源１ａ、１ｂ、１ｃの鏡像１ａ’、１ｂ’、１ｃ’が拡散板３の拡散面（面光源部）３ａよりも光源基板２側に位置している場合を示している。

また、側面の傾き角度を左右で変えたものにしても良い。側壁Ｂからの拡散板法線から指向性を傾ける方向と逆方向に向かう光の強度のコントロールと、側壁Ａからの拡散板法線から指向性を傾ける方向に向かう光の強度のコントロールを独立して行えるようになる。

また、側面を反射面の代わりに反射拡散板としても良い。

また、光源としてＬＥＤでなく、蛍光管を用いて光源装置を構成しても良い。

以上のように本実施例によれば、簡易な構成でありながらも、高輝度で照明ムラが少なく、光源面の発光面法線に対して適当な方向に指向性を容易に向けることができる。

図１２は、本発明の光源装置を用いた画像表示装置の実施例２の要部概略図である。図１２において１００は本発明に係る光源装置である。１１０は透過型の液晶表示素子（ＬＣＤ）より成る画像表示手段である。画像表示手段１１０は、入射光束を画像情報に基づいて光変調して出射する。１２０は画像表示手段１１０に基づく画像を拡大表示する為の光学系である。

本実施例の画像表示装置は、光源装置１００と、画像表示素子１１０と光学系１２０とを有している。光学系１２０は、図の断面において偏心し、非回転対称な反射曲面を有するプリズムＢ１と非回転対称な透過曲面を有するプリズムＢ２を有している。プリズムＢ１は、光源装置１００からの光が画像表示手段１１０により変調されて出来る画像を拡大して観察者の瞳ＥＰに提示する光学作用を有している。

プリズムＢ２は透過曲面Ｂ２ａ、半透過曲面Ｂ２ｂを有し、プリズムＢ１と接合している。外界の画像情報の光束は、曲面Ｂ２ａ、半透過面Ｂ２ｂ、曲面ＳＡを介して観察者の瞳位置ＥＰに入射する。

観察者は光学系１２０を介して空間的に重畳した画像表示素子１１０に基づく画像情報と外界の画像情報の双方を観察している。

プリズムＢ１は曲面ＳＡ，ＳＢ，ＳＣを有し、これらの面間を屈折率が１より大きい媒質で囲まれて構成されている。曲面ＳＢは本実施例中、最もパワー（屈折力）の強い半透過面である。

曲面ＳＢと曲面ＳＣとの間の光路長は下側（ａ）画角と上側（ｂ）画角とで下側（ａ）画角の方が長いため、面ＳＣと画像表示手段１１０の画像表示面１１０ａとの間の距離は逆に上側（ｂ）画角の方が長くなる。そのため、主光線Ｌａ１、Ｌｂ１が画像表示面１１０ａに対して図のように傾いた状態となる。

そこで前述した光源装置１００を用いることで、簡易な構成でありながら、主光線方向に最も明るくなるように指向性を変えて、画像表示素子１１０を照明している。これによって光利用効率の高い、明るい照明を行うようにしている。

図１２に示すように本実施例において、画像表示素子１００の中心１００ｃからの光線であって、観察者の瞳中心ＥＰを通る光線を光学系１２０の中心画角主光線ＬＩＣとする。

このとき本実施例の画像表示装置において、光学系１２０の中心画角主光線ＬＩＣにより形成される断面（ＹＺ断面）に対し、光源装置１００の枠体側面５ａ、５ｂが傾いている。

即ち、反射面５ａ、５ｂが画像表示素子１１０の面法線に対して傾くように構成している。又、中心画角主光線ＬＩＣは２次光源面３ａの法線と非平行となっている。

本実施例は、外界情報を観察するときの像歪みを補正するためのプリズムＢ２を設け、面ＳＢをハーフミラーとして、光学シースルーを可能にしている。このような画像表示装置においては、屋外等の外界が明るい環境下で使用する場合は、画像表示素子１１０の明るい画像提示が必要なため、特に有効である。

尚、本実施例においてプリズムＢ２を設けないで面ＳＢを反射面とし、画像表示素子１１０に基づく画像のみを観察するようにしても良い。

本実施例では、前述した実施例の光源装置を採用することで、小型の光源装置、小型の光学系で、正面方向の輝度が高く、高品質の画像表示装置を実現している。

図１３は、本発明の光源装置を用いた画像表示装置の実施例３の要部概略図である。

図１３において１００は本発明に係る光源装置である。１１０は反射型の液晶表示素子（ＬＣＤ）より成る画像表示素子である。１２０は画像表示素子１１０に基づく画像情報を拡大表示するための光学系である。１３０は撮像系であり、外界情報を撮像する撮影レンズ１３１と撮影レンズ１３１が形成した外界情報を光電変換する撮像素子１３２とを有している。撮像素子１３２で得られた画像情報を画像処理手段１４０で処理し、画像表示素子１１０に表示している。

光学系１２０は、図の断面において偏心し、非回転対称な反射曲面を有するプリズムＢ１と偏心し、非回転対称な透過曲面を含む結像部１２０ａとを有しており、偏心光学系を構成している。結像部１２０ａはレンズＬＢ２〜ＬＢ７を有している。

光学系１２０は、光源装置１００からの光が画像表示手段１１０により変調されて出来る画像を拡大して観察者の瞳ＥＰに提示する光学作用を有している。

瞳ＥＰに入射する中心画角主光線の延長線と撮影レンズ１３１の光軸は一致している。

図１２の実施例２との違いは、次のとおりである。

画像表示手段１１０が反射型の画像表示素子であること、
光学系１２０が往復光路を有する１回結像の光学系であり、
また照明光学系を有していること、
ビデオシースルーを実現する為の撮像系１３０を有していること、
である。

プリズムＢ１は非回転対称な反射曲面を有している。

本実施例のプリズムＢ１は曲面ＳＡ，ＳＢ，ＳＣを有し、これらの面間を屈折率が１より大きい媒質で囲まれて構成されている。プリズムＢ１はレンズＬＢ２と面ＳＢで接合され、該面ＳＢをハーフミラーとして、プリズムＢ１内に往復光路を形成している。

その他のレンズＬＢ３〜ＬＢ７と併せて、画像表示手段１１０上に表示された画像の中間像をプリズムＢ１内に形成し、その中間像を拡大虚像として観察者の瞳ＥＰに提示する光学作用を有している。

レンズＬＢ７は照明光学系を構成しており、その面Ｓ７Ｂはハーフミラーとなっており、光源装置１００からの照明光を反射型の画像表示手段１１０に導くとともに、画像表示手段１１０からの反射光（表示光）を観察者側に導く最初の面ともなっている。

本光学系１２０は比較的小型で、高倍率（広画角）で画像表示素子１１０の表示が可能であるが、２つのハーフミラーＳ７Ｂ、ＳＢにおいて透過，反射を行うため、光源装置として非常に明るいものが必要である。

図で示すように、光学系１２０として偏心光学系を用いた場合は、光学系１２０の非対称性が影響して、照明光も非対称なものとなり易い。照明光学系ＬＢ７を工夫して照明光の非対称性を解消することも可能であるが、余分なエレメントが必要となり、光学系が大型化してくる。

また、面Ｓ７Ｂを照明光の非対称性の解消に使用することも可能である。しかしながら該面Ｓ７Ｂの形状が複雑になったり、表示光の収差補正で好ましくない構成になり、表示系のエレメントの追加による光学系が大型化してくる。

図１３において、本発明の光源装置１００を用いないで、光源基板と２次光源面を支持する枠体の側面を１断面内において同じ方向に傾けず垂直にした場合には、点線で示すように光源装置１００ａと撮影系１３０とが干渉してくる場合がある。

これに対して本発明の光源装置１００を用いれば、簡易な構成でありながら、撮影系１３０と干渉することもなく、比較的薄型で大光量が容易に得られる。

また、図１３のように各部材を配置することで、発光面サイズを抑え且つ主光線方向に最も明るくなるように指向性を変えて、光利用効率の高い、明るい光源装置を有する画像表示装置を構成することができる。又、表示光学系の設計の自由度を上げ、広画角で小型の表示系を構成でき、且つ、光源装置も薄型で、全体で小型の装置とすることが出来る。

また、このようにしたことで、撮像系１３０とのクリアランスも確保でき、小型のビデオシースルーＨＭＤを容易に実現することができる。

また、本実施例の光源装置をＲＧＢの３原色の発光素子が１チップに形成されたＬＥＤを配置してカラーシーケンシャル表示用として用いることができる。この場合、多数のＬＥＤを配置して明るい高速点滅が可能で、光利用効率の高い光源装置を実現することができる。

実施例１の要部断面概略図 図の一光源から出射した光束が拡散板の一点へ入射するときの光路説明図 図の一光源から出射した光束が拡散板の一点へ入射するときの光路説明図 図の一光源から出射した光束が拡散板の一点へ入射するときの光路説明図 図の一光源から出射した光束が拡散板の一点へ入射するときの光路説明図 図の一光源から出射した光束が拡散板の一点へ入射するときの光路説明図 図の一光源から出射した光束が拡散板の一点へ入射するときの光路説明図 図の一光源から出射した光束が拡散板の一点へ入射するときの光路説明図 図の一光源から出射した光束が拡散板の一点へ入射するときの光路説明図 図の一光源から出射した光束が拡散板の一点へ入射するときの光路説明図 図１の各光源から出射した光束による拡散板上における光束の指向性を示す説明図 本発明の光源装置を用いた画像表示装置の実施例２の要部概略図 本発明の光源装置を用いた画像表示装置の実施例３の要部概略図 図１の一部分の説明図

符号の説明

１（１ａ、１ｂ、１ｃ） ＬＥＤ光源
２ ＬＥＤ基板（光源基板）
３ 拡散板（拡散シート）
４ 支持枠（枠体）
５ 反射シート（反射面）
１００ 光源装置
１１０ 画像表示手段
１２０ 光学系
１３０ 撮像系
Ｂ１、Ｂ２ プリズム体
ＬＢ２〜ＬＢ７ レンズ
１４０ 画像処理装置

Claims (5)

1. 複数の光源を所定のピッチで配列した光源基板と、該複数の光源からの光を受けて２次光源面が形成される２次光源部材と、該光源基板と該２次光源部材とが対向するように、双方を側方から支持する枠体とを有した光源装置であって、
   該枠体のうち、該複数の光源の配列方向で対向する少なくとも１組の側面は、反射面を有すると共に、
   該１組の側面が有する各反射面は、該光源基板に対して同じ方向に傾いていることを特徴とする光源装置。
2. 前記１組の側面が有する反射面のうち、前記光源基板側に傾いている反射面により形成される該複数の光源の鏡像の半数以上が、該２次光源部材よりも該光源基板側に位置するように構成されていることを特徴とする請求項１の光源装置。
3. 前記２次光源部材は、半値全幅が３０°以上の拡散度を有する拡散板から成ることを特徴とする請求項１又は２の光源装置。
4. 請求項１から３のいずれか１つの光源装置と、
   該光源装置からの光束を光変調して出射する画像表示素子と、
   該画像表示素子で光変調された光束を観察者に導く、偏心した反射曲面を有する光学系と、を有していることを特徴とする画像表示装置。
5. 前記光源装置は、前記１組の側面が有する各反射面が、各々前記画像表示素子の面法線に対して傾くように配置されていることを特徴とする請求項４の画像表示装置。