JP2008052090A - 照明装置および投射画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光源からの光を均質化し、所望の角度範囲内に入る光線の出射を可能とする。
【解決手段】光源１０１からの光が導光素子１０２へ導かれ、導光素子１０２内で光が反射を繰り返し、多層膜１０３へ達する。多層膜１０３は、所定の角度内の光を透過し、所定の角度外の光を反射する角度制限機能を有する。多層膜１０３へ達した光の内、所定の角度内の光のみが、出射光１０４となって導光素子外へ出射され、所定の角度外の光は多層膜１０３で反射され、再び導光素子へ入射し、多重反射を繰り返す。
【選択図】図１

Description

本発明は、高い光利用効率で、所定の角度以内の光を主に取り出すことが可能な小型の照明装置に関し、例えば小型の投射画像表示装置（プロジェクター）に好適な技術に関する。

近年、ＬＣＤ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ）、ＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ）、ＬＣＯＳ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｏｎ Ｓｉｌｉｃｏｎ）などの空間光変調器を用いた投射画像表示装置（プロジェクタ）の開発が盛んに行われている。

中でも、小型で可搬性が高く低価格なプロジェクタの開発が急速に進められている。小型化を図る上で、光源として従来のようなハロゲンランプあるいは高圧水銀ランプに変わり、発光ダイオードまたは半導体レーザーといった固体光源を用いる構成が提案されて来た。

特に、小型化が可能な照明装置の構成として、光を多重反射させ均質化するロッドインテグレータ、テーパーロッドインテグレータ（光入射側の面積に対し、出射側の面積が大きくなっている導光素子）に偏光変換機能を併せもたせたものが提案されている（特許文献１、２を参照）。これらの発明では、光源の強度分布を均質化する導光素子と、光の一方の偏光は透過し、他方の偏光は反射する反射型偏光分離素子とを備えた構成となっており、これによって光の均質化と偏光変換機能を集約することが可能となり、小型化が達成される。

ところで、投射画像表示装置では、空間光変調器および、投射レンズの組み合わせにより、照明装置から出射され空間光変調器へ入射する光のうち、特定の角度範囲内の光のみが画像形成に有効に利用される。さらに、その角度範囲内に入らない光はノイズ光となり画像のコントラストを低下させる原因となる。

しかし、上記した照明装置では、光の出射角に対する制限が無い、あるいは制限が緩いため、画像品質に影響を及ぼす、あるいはコリメートに必要な素子にスペースが必要となるため小型化が困難になる、などの問題があった。たとえば、特許文献１では、テーパ形状をしたテーパロッドレンズで光をコリメートする方法を採っているが、テーパ形状で十分光をコリメートするためには、より長いテーパ形状を必要とするため、画像表示装置の小型化を阻害する要因の一つとなっていた。

これを解決するために、光の出射角度を制限する素子を用いる方法が提案されている（特許文献３、４を参照）。これらの発明では、所望の出射角以内の光のみを出射し、それ以外の光を再び光リサイクリング機構に戻し、リサイクリングする装置が示され、これにより、所望の角度以外の光を再利用し、角度を変換して再び出射させるため、光利用効率が高くかつ所定の角度以内の光のみを出射する照明装置が構成される。

特開２００５−２３４４４０号公報 特開２００６−６４８５９号公報 特表２００３−５２３５２７号公報 特開２００４−２９５１２３号公報 特開２００６−２３６０１号公報 プロジェクターの最新技術 シーエムシー出版 ７８〜８０ページ 光学薄膜 日刊工業新聞 Ｈ．Ａ．Ｍａｃｌｅｏｄ著 ２１９〜２７３ページ

上記した特許文献３では、ランプ光源に対して出射角のうち所定の角度外の光を透過するアパーチャーを備えている。しかし、このような構成はランプのような点光源に対して用いられるものであり、面光源あるいは異なる複数個所の点光源に対して用いると、光利用効率が低下し、あるいは角度制限が十分ではないなどの問題が起きる。

また、特許文献４では、出射角度範囲を外れた光の少なくとも一部を出射角度範囲に変換して出力し、光の入射角度によって選択的に透過または反射させる光角度選択器が用いられている。しかしながら、この光角度選択器に関しては、機能のみが示されており、具体的な構成が明らかでなく、その実現が困難である。

本発明は上記した問題点に鑑みてなされたもので、
本発明の目的は、所望の角度制限が可能な素子を備え、均質化が十分な照明装置および、その照明装置を用いた小型の投射画像表示装置を提供することにある。

請求項１では、光源からの光を均質化し、所望の角度範囲内に入る光線を出射可能な小型照明装置を提供する。

請求項２、３では、請求項１の照明装置で、より良い角度制限性を有した小型照明装置を提供する。

請求項４では、請求項３の照明装置において、より簡易で製造コストが低い構成でありながら同等の機能を有する小型照明装置を提供する。

請求項５、６では、より角度制限性の良い小型照明装置を提供する。

請求項７では、白色光が出射可能であり、赤、青、緑の３色を時分割で点灯可能でありながら、少ない部品点数で構成されている照明装置を提供する。

請求項８、９では、消費電力が少なく、角度制限性の良い照明装置を提供する。

請求項１０では、高い光利用効率で、所望の角度範囲内の光線として出射可能な、小型照明装置を提供する。

請求項１１では、請求項１から１０記載の照明装置は、所望の角度範囲内の光線を出射する照明装置であるが、構成によっては一部大きい角度で出射する光線が混じる可能性があるので、このような光線を減らし、角度範囲制限のコントラストをより高めた照明装置を提供する。

請求項１２では、請求項１１記載の照明装置に対して、より多数の光源からの光を利用することが可能であり、出射光強度がより強い照明装置を提供する。

請求項１３では、より製造が容易であり、低コストの導光素子を用いた請求項１から９記載の照明装置を提供する。

請求項１４、１５では、光利用効率がより高く、出射光がより均質化された照明装置を提供する。

請求項１６では、均質化された所望の角度範囲内に入る光線として出射可能であり、かつ出射光の偏光方向が特定の直線偏光として出力可能な小型照明装置を提供する。

請求項１７では、請求項１６記載の照明装置で、より光利用効率が高い照明装置を提供する。

請求項１８では、低消費電力であり、少ない部品点数で構成され、小型の投射画像表示装置を提供する。

本発明は、特定の波長域を有する光を出射する光源と、前記光源からの光を導光する導光素子とから成り、前記導光素子の出射面に、前記光源からの光のうち特定の角度内の光を透過し、前記特定の角度外の光の少なくとも一部を反射する、少なくとも２種類の屈折率が異なる材料を積層した多層膜が配置されていることを最も主要な特徴とする。

請求項１：導光素子の出射面に多層膜を配置することにより、出射光の角度を制限することが可能となり、光源からの光を均質化し、所望の角度範囲内に入る光線を出射可能な小型照明装置の提供が可能となる。

請求項２：屈折率の異なる２種類の材料を等しい周期で交互に積層することで、いわゆるエッジフィルターを形成することが可能である。これによって、非常にシャープに角度を特定の範囲内に制限することが可能となり、角度制限性がより良い照明装置を実現できる。

請求項３：共振構造を有することで、いわゆる干渉フィルターとすることが可能である。これによって、特定の角度範囲内の光のみを透過させることが可能となり、角度制限性がより良い照明装置を実現できる。

請求項４：共振構造の一部に金属膜を利用することで、より少ない膜数で角度制限多層膜を構成することが出来る。多層膜は主に形成する膜数によってコストが決定されるため、金属膜を用いることによって、より製造コストが低い照明装置を実現できる。

請求項５：多層膜を光源の波長と略等しい透過特性を有するバンドパスフィルターとすることで、所定の角度以上の入射角で不要な透過光が出ない、より性能の良い角度制限素子とすることが可能である。これによって、角度制限性がより良い照明装置の提供が可能となる。

請求項６：透明基板の両面に多層膜を形成することでより良い角度制限機能を持った素子とすることが可能となり、角度制限性がより良い照明装置を提供できる。

請求項７：赤、青、緑３つの波長域を持つ光源に対して１枚の多層膜で角度制限することが可能であり、少ない部品点数で、赤、青、緑三色の光源を時間的に順次点灯可能な、白色の照明装置を実現できる。

請求項８：ＬＥＤ光源は波長幅が狭いため、このような有限の波長幅を持っていることによる角度制限素子の誤差の影響を受けにくい。よって、角度制限がよりよく行われている照明装置とすることが可能となる。また、ＬＥＤ光源はランプ光源などと比べ、消費電力が少ないことからも、特にバッテリー駆動で動かすような小型プロジェクタに適している。

請求項９：ＬＤ光源はＬＥＤ光源に比べさらに波長幅が短いため、前述と同様の理由により角度制限がより良く行われた照明装置の提供が可能となる。また、ＬＤ光源はＬＥＤ光源よりも、より消費電力が少ないため、小型プロジェクタに適している。ＬＤ光源は発振波長が限られているため、ＬＤ光源では得られない波長域の光に対してはＬＥＤ光源を使うなど、混ぜて使うことも効果的である。

請求項１０：導光素子の、出射面とは異なる他の面が反射面となっていることで、導光素子内部で多重反射が効率良く行われることになる。これによって、出射面で角度制限範囲内では無く反射された光が、導光素子内で多重反射し角度を変えて出射面に再び到達することが可能になる。すなわち、光のリサイクルが可能となる。これによって、光利用効率が非常に高い照明装置が実現する。

請求項１１：請求項１から１０の照明装置で、多層膜の構成によっては角度制限範囲外の大きい角度で透過率を有することがある。導光素子をテーパーロッド形状とすることで、このような大きい角度で多層膜に入射する光線を減らすことが可能である。よって、このような大きい角度の光の出射が防止され、より良く角度制限された照明装置を実現できる。

請求項１２：請求項１１の照明装置で、複数のテーパーロッド形状を用いることで、それぞれのテーパーロッド形状部に光源を配置でき、多数の光源が利用可能となる。これによってより光強度の強い照明装置の提供が可能となる。

請求項１３：導光素子を製造容易な平板状とすることで製造コストを下げることができ、より低コストの照明装置を実現できる。また、薄い平板状の導光板を用いることにより装置の小型化が可能となる。

請求項１４：請求項１から１３の照明装置で、角度制限多層膜に入射した光で、所定の角度外の光は反射され再び導光素子へ入射される。この光は散乱体によって様々な角度に散乱されるため、一部は所定の角度内の光となって再び多層膜へ入射可能となる。このように散乱体を入れることで効率的に光をリサイクルすることが可能となり、光利用効率の高い照明装置を実現できる。また、散乱体を用いることで、導光素子内で様々な角度成分の光を作り出すことが出来、光の均質化をより効率よく行うことが可能となる。

請求項１５：散乱体の代わりに凹凸形状が形成された回折面によって光のリサイクルを効率的に行うことが可能となる。散乱体を用いる際には、別の材料を導光素子に付加する必要があるが、回折面は、導光素子上に凹凸形状を形成するだけで良く、より製造が容易である。

請求項１６：請求項１から１５の照明装置で、さらに導光素子の出射面に反射型の偏光素子を備えたことにより、特定の直線偏光の光のみが出射される照明装置を実現できる。

請求項１７：請求項１６の照明装置で、さらに導光素子の内部または端面に位相板を配置する。出射される偏光方向とは異なる偏光の光は反射型偏光素子で反射されるが、反射された光は位相板によって偏光方向が回転され、再び反射型偏光素子へ入射する。このように、位相板を配置することで、偏光方向を変えて再び出射面へ導くことができ、つまり光のリサイクルが可能となり、光利用効率がより高い照明装置となる。

請求項１８：請求項１から１７記載の照明装置を用いることによって、投射画像表示装置の照明装置部を小型化することができ、全体として小型の画像表示装置を実現できる。

以下、発明の実施の形態について図面により詳細に説明する。なお、以下の図は模式的に表したもので、正確な寸法を表すものではない。また、図中の矢印は特別な説明がない限り、光の行路を模式的に表している。

実施例１：
図１は、本発明の実施例１に係る照明装置と、該照明装置を用いた投射画像表示装置を示す。図１（ａ）において、１０１は光源、１０２は導光素子、１０３は多層膜、１０４は出射光、１０５はアルミ蒸着されたガラス板である。

光源１０１からの光は導光素子１０２へ導かれる。導光素子１０２内で光は反射を繰り返し、多層膜１０３へ達する。多層膜１０３は所定の角度内の光は透過し、所定の角度外の光は反射する角度制限機能を有する多層膜となっているため、多層膜１０３へ達した光のうち所定の角度内の光のみが、出射光１０４となって導光素子外へ出射される。このとき、所定の角度外の光は多層膜１０３で反射され、再び導光素子へ入射し多重反射を繰り返す。これら一連のプロセスが繰り返されることで、所定の角度内の光を出射光として取り出すことが可能な照明装置となっている。図１（ａ）中の矢印はこのときの代表的な光路を模式的に示したものである。

また、一般に光源から出た光は照度分布にむらが存在するが、図１（ａ）に示す照明装置では、光源からの光が導光素子内部で多重反射を繰り返すため、最終的には照度分布がほぼ均質化された光として出射される。

導光素子１０２は、図１（ａ）では中空の構造で、周辺はアルミ蒸着されたガラス板１０５となっている。導光素子としてはこのような中空構造のほか、石英やガラス、透明プラスチックなど、光源の光に対して透過性を有するものであれば様々な材料を用いることが可能である。また、図１（ａ）に示す導光素子は、多層膜１０３が配置されている面とは異なる他の面に反射面が形成されていることが望ましい。反射面としては金属の薄膜層が形成された面の他、屈折率の異なる材料が複数積層された、いわゆる多層膜ミラーが形成された面となっているものでも良い。

このような照明装置は複数個を合わせて一つの照明装置として使用することも可能であり、たとえば図１（ｂ）に示すように赤、緑、青それぞれの色に対応した波長域を有する３種類の光源に対してそれぞれ図１（ａ）に示す照明装置を用い、赤色の照明装置２０１、緑色の照明装置２０２、青色の照明装置２０３とし、各照明装置からの光を色合成プリズム２０４によって色合成して合成光２０５を出射する、複合型の照明装置とすることも可能である。

図１（ｂ）に示す照明装置を用いた投射画像表示装置の実施例を図１（ｃ）に示す。照明装置３０１からの光は、空間的に光の強度を変調する光変調器３０２によって画像が形成され、レンズ群３０３によってスクリーン３０４上に拡大投射される。光変調器３０２は偏光板３０５および液晶素子３０６から成っている。光変調器としては、このような構成のほかに、反射型液晶素子（ＬＣＯＳ）や、マイクロミラーアレイを用いることが可能である。図１（ｃ）に示す構成はどのような光変調器を用いるかによって多少異なるが、照明装置の用い方は同じである。あるいは、図１（ｄ）に示すように、赤色の照明装置２０１、緑色の照明装置２０２、青色の照明装置２０３、それぞれに対して液晶素子および偏光板を備え、液晶素子通過後に色合成プリズム２０４によって色合成を行うことも可能である。

また、前述した所定の角度とは、照明装置の仕様によって決定されるもので、投射画像表示装置として使用する際には、光変調器で取り込み可能な角度に合わせて設計されるものである。よって、この角度は投射画像表示装置の構成によって変わるが、おおよその値として照明装置の出射角度は１５度程度が望まれる。空間光変調器の取り込み角に関しては非特許文献１などで詳細が述べられている。

光源１０１としては、ＬＥＤ（発光ダイオード）やＬＤ（半導体レーザー）や有機ＥＬ（エレクトロルミネッセンス）素子、あるいはＬＤを励起光源とした固体レーザー、ＬＤの逓倍波による光、ＬＥＤやＬＤなどを励起光源とした蛍光体、ランプ光源などを用いることが出来る。多層膜構造は機能に波長依存性を有しているため、蛍光体やランプ光源よりは、波長域がより狭いＬＥＤやＬＤなどがより良い。あるいは、これらの光源は複合して用いることも可能である。小型、安価でかつ発光効率がそれなりに高い点から、低価格、小型の照明装置としてはＬＥＤを用いるのがふさわしい。また、波長域が非常に狭く、小型で高効率な点から、高機能でありかつ小型の照明装置としてはＬＤを用いるのが良い。このように、照明装置に求められる仕様から光源を選択することが出来る。

実施例２：
図１（ａ）に示す多層膜１０３としては、いわゆるエッジフィルターとして知られる多層膜を用いることが出来る。エッジフィルターは、高い屈折率を持つ高屈折率層と低い屈折率を持つ低屈折率層を等周期で交互に積層した多層膜を中心とした構成となっており、詳しくは非特許文献２などに記述されている。

これらの膜材料としては、一般にＳｉＯ２、ＴｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｔａ２Ｏ５、など金属酸化物や、ＭｇＦ２、ＣａＦ２などのフッ化物あるいはその他の無機化合物、またはＡｌ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｕなどの金属を用いることが出来るほか、アクリル系やエポキシ系などの透明ポリマー部材、あるいはこれらを混合した合成部材を用いることが出来る。

また、屈折率は、高屈折率として屈折率１．６以上の物質、低屈折率層として屈折率１．５以下の物質が好ましい。高屈折率層と低屈折率層の屈折率差は、素子の性能に影響を及ぼし、屈折率差がなるべく大きいほうが好ましく、一般的には屈折率差として０．４以上あるものを用いる。

実施例２として、緑色に対応した波長５３０ｎｍを中心波長として有する光源に対して、角度制限が可能なエッジフィルター多層膜の構成例を図２（ａ）に、この多層膜の角度依存性の理論計算値を図２（ｂ）に示す。

図２（ａ）において、物質のＨは高屈折率層を、Ｌは低屈折率層を意味しており、膜厚は光学的厚さ（屈折率×膜厚）が１／４波長に対応した膜厚の何倍であるかを表している（以下の図においても同様）。１１は高屈折率層と低屈折率層の等周期層であり、１２および１３は整合層である。高屈折率層としてはＴｉＯ２（５３０ｎｍでｎ＝２．４）、低屈折率層としてはＳｉＯ２（５３０ｎｍでｎ＝１．４６）を用いた。これは以下の実施例に関しても同じである。

図２（ｂ）は、図２（ａ）に示す多層膜構造の波長５３０ｎｍの光に対する透過率、反射率をそれぞれ実線および点線で示す。ここで、入射光は偏光方向がランダムな無偏光状態であるとした。角度１５度以内で高い透過率を有しており、それより大きい角度では反射率が高い構成となっていることが示されている。このように、高屈折率層と低屈折率層の等周期層を含む構成で、角度制限機能を有する多層膜構成とすることが可能である。

実施例３：
図１（ａ）に示す多層膜１０３としては、この他に、共振構造を有するいわゆる干渉フィルターを用いることが可能である。共振構造とは、所定の膜厚を有した透過性を有するスペーサー層が、入射光に対して高い反射率を有する２つの反射層の間に挟まれた構造のことである。このような共振構造では、スペーサー層の光学厚さに対応した波長の光のみが高い透過率で透過するようなフィルターが形成される。このような共振構造の多層膜に光が入射するとき、入射角によってスペーサー層を通過するときの光路長が変化するため、共振波長が入射角とともにシフトし、透過光に角度依存性があらわれる。

図３（ａ）は、共振構造を有する多層膜の構成例を示す。２１はスペーサー層であり、２２および２３は高屈折率膜と低屈折率膜が交互に等周期で積層された反射層となっている。

図３（ａ）に示す構造に、波長５３０ｎｍの光が入射したときの透過・反射光の入射角度依存性を図３（ｂ）に示す。このように、共振構造を有する多層膜によって角度制限が可能であることがわかる。

さらに、このような共振構造を複数重ねることも可能である。図４（ａ）は、共振構造を複数段重ねた構造を示し、図４（ｂ）は、その波長５３０ｎｍの光に対する入射角依存性を示す。３１、３２、３３はそれぞれ第一の共振構造、第二の共振構造、第三の共振構造である。このように共振構造が複数存在する構成では、角度制限のエッジがよりシャープになり、制限角度外の光の反射率も高くなるため、より好ましい。

実施例４：
図３（ａ）、図４（ａ）では、多層膜として全て非金属膜（一般的に言う誘電体膜）を用いた構造を示したが、共振構造中に金属膜を用いることも可能である。

金属膜としてＡｇの薄膜を用いた構成を図５（ａ）に示す。また、図５（ｂ）は、図５（ａ）に示す構成に、波長５３０ｎｍの光が入射したときの透過・反射光の入射角度依存性を示す。４１は金属層を含むスペーサー層であり、４２および４３は多層膜による反射層である。金属膜を用いることでより少ない膜数および膜厚で、非金属膜のみによる多層膜と同等の性能を有する角度制限多層膜構造とすることが可能であり、より製造コストが低い構成にすることが出来る。また、金属膜を用いた構成では、高入射角度時の透過率をより抑えることが可能である。

金属膜は、スペーサー層として用いる以外に高反射層として用いることも可能である。金属層を用いる際には、金属吸収によって光の一部が吸収されるため、光利用効率が落ちる。よって、どのような膜構成を用いるかは照明装置に求められる仕様から決定される。

金属膜の材料としては、図５（ａ）に示すＡｇの他に、Ａｌ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｕなど多種の金属を用いることが出来る。あるいは、これら金属の合金、または非金属との合成材料を用いることも可能である。

実施例５：
上記した多層膜は、０度入射の光に対する透過特性が、光源の波長域と略等しい波長分布を有するバンドパスフィルターとなっていることが好ましい。図３（ａ）に示す構造における、０度入射光に対する分光透過特性を図６（ａ）に示す。図６（ａ）に示すように、波長５３０ｎｍを中心としたバンドパスフィルターとなっていることが分かる。

次に、たとえば、図６（ｂ）に示す構造、図６（ｃ）に示すような分光特性を有する多層膜を考える。図６（ｄ）は、この構造の波長５３０ｎｍの光に対する透過率の入射角依存性を示す。１５度以下の角度で高い透過率を有しているが、５０度近辺でも高い透過率を有している。このように、光源の波長域以外に透過率の高い波長域が存在すると、特定の入射角で高い透過率を持つ可能性がある。この例では、単純なひとつの波長域に対して示したが、特に光源として複数の波長域を持つものを用いる際には、光源の波長域以外では透過率が低い、光源の波長域と略等しい透過特性を有するバンドパスフィルターとなっていることが望ましい。

多層膜の構造は上記の構造に限定されるものではなく、光源の分光特性や、所望の角度制限などに対して最適化設計されるものである。また、このような多層膜は透明基材の両面に形成されていても良い。両面に形成することで、２種類の異なる性質を持つ多層膜を用いることが可能となり、より高機能な設計が可能となる。

実施例６：
光源１０１として複数の波長帯域を有したものを用いても良い。特に、赤、緑、青の三色に対応する３つの波長域を有する光源を用いることが可能である。ここで、青、緑、赤色に対応した波長域で発光するとは、それぞれおよそ０．４〜０．４８ｕｍ、０．５〜０．５５ｕｍ、０．６〜０．７ｕｍの範囲に含まれる波長を有している光のことである。

これは例えば図７（ａ）に示すように、導光素子１０２にカップリングするよう、中心波長がそれぞれ６４０ｎｍ、５３０ｎｍ、４６０ｎｍで発光する３種類のＬＥＤ素子４０１、４０２、４０３が並べられた構成で達成される。あるいは、光源として図７（ｂ）に示すように、同一基板上に複数種類のＬＥＤチップが実装されたものを用いても良い。図７（ｂ）に示す基板には、赤色ＬＥＤチップ５０１、緑色ＬＥＤチップ５０２、青色ＬＥＤチップ５０３、およびこれらのＬＥＤを駆動するドライバ回路５０４が一つの基板上に実装されている。これらを並べる各色のＬＥＤ個数は、人間の視感度にあわせて、出力が最適になるよう各色のＬＥＤ個数比が選択されることが好ましい。

このときは、多層膜１０３の構成もそれに合わせて最適化する必要があり、例えば３種類のＬＥＤそれぞれの中心波長に対応した３つの波長域を透過するバンドパスフィルターを用いることが出来る。このような３つの透過波長域を有するバンドパスフィルターとしては、特許文献５がある。

具体的な多層膜の構成としては、図８（ａ）に示すような構成をとることが可能である。この多層膜構造もまた共振構造となっており、５１、５３、５５が反射層、５２、５４がスペーサー層となっている。ＬＥＤの透過中心波長が、赤６３０ｎｍ、緑５３０ｎｍ、青４６０ｎｍのとき、それぞれの波長の光に対する透過光・反射光の角度依存性を図８（ｂ）に示す。ここに示されるように、それぞれの波長域において、入射角が１５度以下では良い透過特性を有しており、それ以上の入射角では透過率が低く入射光の多くが反射するようになっている。

従って、図７（ａ）に示す構成で、図７（ｂ）に示すような多層膜を用いると、一つの導光素子で白色光の照明装置とすることが可能である。

実施例７：
導光素子としては、上記した平板型の他に、ロッド型、円筒型、球型など様々な形態を取ることが可能である。図９（ａ）は、テーパーロッド型形状をした導光素子を有した照明装置の実施例を示す。テーパーロッド形状とは、光源からの光が入射する入射面の面積よりも、多層膜が配置されている出射面の面積が大きい構造を表す。導光素子としてテーパーロッド形状を有するものを用いることで、光源から出射された光は導光素子を多重反射するうちに、ある角度範囲内の光にコリメートされる。

赤、青、緑色に対応した波長域の光を発する光源４０１、４０２、４０３からの光は、四角錐台形状をしたテーパーロッド型導光素子６０１へ入射する。入射した光はテーパーロッド型導光素子６０１で反射しながら角度制限多層膜１０３へ入射し、所定の角度内の光のみが取り出される。導光素子はガラスなどの透明体で出来ており、側面前面にはアルミ膜が蒸着された構造となっている。導光素子内部はガラスなどの透明体を用いるほか、中空の構造となっていても良い。

図８（ｂ）に示したように、多層膜１０３は膜の構成によっては大きい入射角度の光に対しても透過率を有することがあり、入射角度の低い光のみならず入射角度の非常に大きい光の一部も透過してしまうことがある。導光素子としてテーパーロッド型導光素子を用いることで、大きい入射角度の光が多層膜１０３へ入射することが少なくなり、このような問題を回避することが可能である。前掲した特許文献１などでは、テーパーロッド形状のみによって光をコリメートして出射する方法が示されている。しかし、この方法では、光をたとえば１５度以内に十分コリメートするためには、ロッド長が長くなり、小型化が困難であった。図８（ｂ）に示す構成を取ることにより、テーパーロッドの長さがより短くても同等の角度制限で光を出射することが可能となる。

あるいは、図９（ｂ）に示すように、テーパーロッド形状が並んだテーパーロッドアレイ状の導光素子６０３であっても良い。複数のテーパーロッド形状を並べることで、多数の光源６０２に対する導光素子とすることが可能である。

実施例８：
他の実施形態を図１０（ａ）に示す。導光素子として板状導光板７０１を用いている。さらに板状導光板７０１の底面（出射面に対する面）には散乱体７０２および散乱体の下部に金属膜７０３が形成されている。板状導光板７０１は、光源からの光が入射する入射面と、多層膜１０３が形成されている出射面、散乱体７０２が形成されている底面以外は反射面となっている。散乱体としては、ランダムに形成された微小凹凸構造や、高分子材料、あるいは微粒子が分散された透明体などを用いることが出来る。散乱体は入射してきた光をある角度特性で様々な方向に散乱させる機能を有している。板状導光板７０１を導光し、多層膜１０３へ達した光は、所定の角度内であれば透過し、それ以上の角度であれば反射される。反射光された光は散乱体７０２によって様々な方向へ進む光となり、再び多層膜１０３へ入射し、所定の角度内の光のみが出射され、それ以外の光は反射される。このようなプロセスを繰り返すことで、所定の角度内の光のみを高い光利用効率で出射することが可能となる。また、散乱体を含むことで光の均質化もより良く行われる。ここでは、散乱体７０２が導光素子の底面に形成された構造を示したが、導光素子内部に散乱体が含まれていても良く、あるいは導光素子自体が散乱体で形成されていても良い。また、板状導光板７０１は、テーパーロッド型の形状などに対して薄肉化が容易であり、装置をより小型化することが出来る。

ここでは、散乱体が光の角度を様々に変化させる機能を有したものとして用いられている。光の角度を変化させるものとしては散乱体以外に、図１０（ｂ）に示すように、回折面７０４を用いることが出来る。回折面は微細な凹凸形状から成るものであり、凹凸材料の屈折率、深さ、周期などによって様々な回折を起こすものである。

図１０（ｃ）に示すように、回折構造が場所によって変調されており、入射光に対して様々な回折角で回折を起こすようになっていることが好ましい。回折面は、微細凹凸形状上に金属膜が蒸着されて反射型の回折面となったものでも良いし、金属上に透明物質によって微細凹凸が形成されたものを用いることも可能である。あるいは、図１０（ｄ）に示すように、導光素子が異なる２種類の透明材料７０５および７０６によって形成されており、その間に回折面７０７が形成されたものでも良い。７０５および７０６はどちらかが中空であっても良い。

実施例９：
投射画像表示装置中に用いられる空間光変調器として液晶素子を用いる際には、特定の偏光方向を向いた光が必要となる。このため、光源装置として出射光が特定のある偏光方向を向いたものが望まれる。図１１（ａ）に示すような構成を取ることで、特定の直線偏光をした光のみが出射される照明装置とすることが可能である。ここで、８０１は反射型の偏光板である。反射型の偏光板としては波長よりも細かい微細周期から成る金属周期構造、いわゆるワイヤーグリッド偏光子を用いることが出来る。このような構成を取ることで、特定の偏光方向の光であり、かつ特定の角度内である光のみが外部に出射されることになる。これらの条件に合わない光は導光素子内部に戻され、再び多重反射を繰り返し、特定の偏光方向かつ特定の角度内の条件に合ったところで外部に出射される。

また、図１１（ｂ）に示すように、位相板８０２をさらに加えることが出来る。位相板８０２は通過した光の偏光方向を所定の割合で回転することが可能な位相板である。これによって光の偏光方向を変えながら導光素子中で多重反射させることが可能になり、上記の特定の偏光方向かつ特定の角度内の条件を少ない反射回数で満たしやすくなり、出射光の効率をより高めることが出来るようになる。

図１１（ｂ）に示す照明装置を用いた、投射画像表示装置の実施例を図１１（ｃ）に示す。照明装置８０３から出射される、直線偏光した白色光は液晶素子３０６およびその後の偏光板３０５によって画像形成され、投射レンズ群３０３によってスクリーン３０４上に拡大投射される。このとき、照明装置８０３中に含まれる赤、青、緑色に対応したＬＥＤを時分割で交互に光らせ、それに対応させて液晶素子３０６の画像を変えることで、擬似的にフルカラーの画像表示を行うことが可能である。このように、簡易な構成によって、小型のフルカラーの投射画像表示装置が実現できる。

本発明の実施例１に係る照明装置と、該照明装置を用いた投射画像表示装置を示す。 実施例２に係る、角度制限が可能なエッジフィルター多層膜の構成例と、多層膜の角度依存性の理論計算値を示す。 実施例３に係る、共振構造を有する多層膜の構成例と、透過・反射光の入射角度依存性を示す。 実施例３に係る、共振構造を複数段重ねた構造と、透過・反射光の入射角度依存性を示す。 実施例４に係る、Ａｇの薄膜を用いた構成と、透過・反射光の入射角度依存性を示す。 実施例５に係る多層膜の構造と、透過・反射光の入射角度依存性を示す。 実施例６に係る照明装置を示す。 図７の光源に適用される多層膜の構造と、透過・反射光の入射角度依存性を示す。 実施例７に係る照明装置を示す。 実施例８に係る照明装置を示す。 実施例９に係る照明装置を示す。

符号の説明

１０１ 光源
１０２ 導光素子
１０３ 多層膜
１０４ 出射光
１０５ ガラス板

Claims (18)

1. 特定の波長域を有する光を出射する光源と、前記光源からの光を導光する導光素子とから成り、前記導光素子の出射面に、前記光源からの光のうち特定の角度内の光を透過し、前記特定の角度外の光の少なくとも一部を反射する、少なくとも２種類の屈折率が異なる材料を積層した多層膜が配置されていることを特徴とする照明装置。
2. 前記多層膜は、屈折率の異なる２種類の材料が等しい周期で交互に積層された周期層を含んでいることを特徴とする請求項１記載の照明装置。
3. 前記多層膜は、共振構造を有した干渉フィルターであることを特徴とする請求項１記載の照明装置。
4. 前記多層膜の一部に金属膜が含まれていることを特徴とする請求項３記載の照明装置。
5. 前記多層膜は、光源の波長域と略等しい透過特性を有するバンドパスフィルターとなっていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の照明装置。
6. 前記多層膜は、光に対して透過性を有する部材の両面に形成されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の照明装置。
7. 前記光源は、赤、緑、青の三色に対応する３つの波長域を有する光源であることを特徴とする請求項１記載の照明装置。
8. 前記光源の少なくとも一部は、ＬＥＤ素子であることを特徴とする請求項１または７記載の照明装置。
9. 前記光源の少なくとも一部は、半導体レーザーであることを特徴とする請求項１または７記載の照明装置。
10. 前記導光素子は、光源からの光が出射する出射面に前記多層膜が配置され、異なる他の面には光源の光を反射する反射面となっていることを特徴とする請求項１記載の照明装置。
11. 前記導光素子は、光源からの光が入射する入射面と、光が出射する出射面が略平行であり、入射面よりも出射面の面積がより大きいテーパーロッド形状を含んだ形状であることを特徴とする請求項１または１０記載の照明装置。
12. 前記導光素子は、前記テーパーロッド形状をした導光素子が複数個並んでひとつの導光素子を形成していることを特徴とする請求項１１記載の照明装置。
13. 前記導光素子は板状であり、光源からの光が入射する入射面が板状導光素子の一面にあり、出射面が板状導光素子の他の一面にあることを特徴とする請求項１記載の照明装置。
14. 前記導光素子は散乱体を含んでいることを特徴とする請求項１３記載の照明装置。
15. 前記導光素子の少なくとも一部に微小な凹凸形状が形成され、回折面となっていることを特徴とする請求項１３記載の照明装置。
16. 前記導光素子の内部または端面に反射型の偏光子を備えていることを特徴とする請求項１３記載の照明装置。
17. 前記導光素子の内部または端面に位相板を備えていることを特徴とする請求項１６記載の照明装置。
18. 請求項１乃至１７のいずれか１項に記載の照明装置と、空間的に光の強度を変調する光変調器と、変調された像を拡大投射するレンズ群とを備えたことを特徴とする投射画像表示装置。

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