JP2008216654A

JP2008216654A - 光源装置

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Publication number: JP2008216654A
Application number: JP2007054230A
Authority: JP
Inventors: Takaya Noba; 孝也野場
Original assignee: Citizen Electronics Co Ltd
Current assignee: Citizen Electronics Co Ltd
Priority date: 2007-03-05
Filing date: 2007-03-05
Publication date: 2008-09-18
Anticipated expiration: 2027-03-05
Also published as: US7808732B2; JP5072069B2; US20080218886A1

Abstract

【課題】従来のプリズムシートを用いて複数の光源からの入射光を合成する光源装置は、入射光と出射光との光線幅縦横比が拡大されて極端な楕円形形状となるとい問題があった。本発明は入射光と出射光との光線幅縦横比が同一な円形形状の出射光を有する光源装置を提供する。
【解決手段】複数の光源Ｋと、一方の面に複数の微細なプリズムを有し、他方の面が平面な複数のプリズムシートＰＳ１，ＰＳ２よりなり、前記複数のプリズムシートを１段目と２段目に分けて、１段目と２段目のプリズムシートのプリズム列が直交するように配置し、前記１段目のプリズムシートの入射面側に、前記複数の光源を所定の角度に傾けて配置ことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は複数の光源からの入射光を合成または混色して出射する光源装置に係り、特に出射光の光学系による光線幅の変形を改善した光源装置に関する。

従来よりカラー光源を用いた表示装置として、カラー投影機や、投影方式のカラーテレビ、さらにバックライトを用いた液晶表示装置等がある。これらの装置に用いられる光源装置としては、例えばカラー投影機や投影方式のカラーテレビについてはダイクロイックプリズムを用いる方式がある。（例えば、特許文献１参照。）また、このダイクロイックプリズムが高価な部材であるため、装置としての価格が高くなることや、この方式が本質的に大きな光量ロスを伴う欠点があるため、これらの欠点を解決する方式としてリニアプリズムを用いて複数光線を単一光線にする光源装置が提案されている。（例えば、特許文献２参照。）

以下、図面を用いて従来技術における光源装置の構成について説明する。図１０、図１１は特許文献２に示すカラー投影機における光源装置の構成を示すものであり、図１０はカラー投影機における光源装置の構成図、図１１は図１０に示すリニアプリズム板の部分断面図であり、Ｙ−Ｚ断面を示す。図１１において５０はリニアプリズム板であり、上面が多数のプリズム列を有する入射面、下面が平面の出射面を構成している。リニアプリズム板５０のプリズム形状は、その断面形状が正三角形であり、２つのプリズム斜面５２、５３にそれぞれＺ軸から６０°をなす、異なる２方向から入射光Ｐ５２（白矢印で示す）、Ｐ５３（黒矢印で示す）を入射すると、入射側のプリズム斜面を透過した後に反対側のプリズム斜面で反射して下面側の平面５１から同一方向の合成出射光Ｐ５１として出射される。

すなわちリニアプリズム板５０の材質によって決まる屈折率と、プリズムの頂角（先端角）を適切に設計することにより、プリズム列に直交する２方向から入射した２種類の入射光は、各々プリズムの２つのプリズム斜面を透過及び反射して同一方向に出射される。この原理により２種類の光源からの入射光を合成した単一光として出射することができ、２種類の光源が異なるカラー光の場合には、２色を混色光として出射することができる。また３種類以上の光源を合成したい場合には、リニアプリズム板５０を複数枚使用して合成を繰り返すことにより実行できる。

図１０は図１１に示すリニアプリズム板５０を２枚使用して赤色（以後、Ｒ）緑色（以後、Ｇ）青色（以後、Ｂ）の３色光を合成する光源装置を示し、５０ａ、５０ｂは前記リニアプリズム板５０と同一構成を有するリニアプリズム板である。また５７はＲ光源、５８はＧ光源、５９はＢ光源であり、６１、６２、６３はそれぞれＲ光源５７、Ｇ光源５８、Ｂ光源５９のリレーレンズである。

上記構成において、リニアプリズム板５０ａの入射面に対して、それぞれ異なる方向で所定の角度に配置されたＲ光源５７とＧ光源５８から放射されたＲ光とＧ光とが、それぞれリレーレンズ６１、６２を通して平行光線化された後、相異なる斜め方向からリニアプリズム板５０ａの入射面に入射する。そしてＲ光とＧ光との２つの入射光はリニアプリズム板５０ａによって合成された単一光としてリニアプリズム板５０ａの出射面より垂直方向に出射される。そしてこのリニアプリズム板５０ａからの合成された出射光は、リニアプリズム板５０ａに対して所定の角度位置に配置されたリニアプリズム板５０ｂの入射面に斜め方向から入射することになる。

また、Ｂ光源５９から放射されたＢ光が、リレーレンズ６３を通して平行光線化された後、前記Ｒ光とＧ光との合成された単一光とは相異なる斜め方向からリニアプリズム板５０ｂの入射面に入射する。この結果Ｒ光とＧ光との合成された単一光とＢ光とがリニアプリズム板５０ｂによって合成され、Ｒ光とＧ光とＢ光とを合成した単一光としてリニアプリズム板５０ｂの出射面より垂直方向に出射される。

特開２００２−２４４２１１号公報特開昭６３−１３２２１５号公報

しかしながら、従来技術における光源装置には以下の問題がある。特許文献１におけるダイクロイックプリズムを用いる光源装置はダイクロイックプリズムが高価な部材であるため、装置としての価格が高くなることや、この方式が本質的に大きな光量ロスを伴うという問題がある。

また特許文献２における複数のリニアプリズムを用いる光源装置は、リニアプリズムに入射する光線を斜め方向から入射させるため、リニアプリズムから出射する時の光線幅が引き伸ばされ、入射と出射との光線幅が異なると共に光線の縦横比が変化する拡大変形の問題があり、この変化量はリニアプリズムへの斜光入射の角度によって変化し、また斜光入射回数によって増加していくという問題がある。

以下図１２〜１４により、図１０に示す光源装置の光線幅が拡大変形する状態について説明する。
図１２はリニアプリズム板の入射面に入射光が入射した時の光線の広がりを示す側面図であり、図１０に示すリニアプリズム板５０ａにＲ光源５７からの出射光Ｐ５７が入射した状態を示している。いまＲ光源５７から光束幅がＨの出射光Ｐ５７をリニアプリズム板５０ａの入射面に対し、プリズム列に直交する方向（Ｙ方向）から入射した場合を考えると、斜め方向から水平面に向けて幅のある光線を入射させているため、入射面において光線の幅が広がり、２Ｈの幅の光線となって出射される。なお、この光線の幅の広がりは、前述のように光線の斜光入射角度によって変化し、リニアプリズム板５０ａの入射側の平面からの角度θｈが小さくなるほど光線の幅の広がりが大きくなる。

図１３は図１２において拡大変形した光線形状を示す平面図であり、（ａ）はＲ光源５７からの出射光Ｐ５７で、Ｘ，Ｙ軸に対してどちらも光線幅Ｈの円形光線である。（ｂ）は出射光Ｐ５７を受けてリニアプリズム板５０ａによりＹ軸方向が光線幅２Ｈに拡大変形した楕円形光線である。（ｃ）は図１０に示すリニアプリズム板５０ａよりの出射光をリニアプリズム板５０ｂに入射させて時の光線形状であり、Ｙ軸方向がさらに２倍に拡大されて、光線幅４Ｈに拡大変形した楕円形光線である。すなわち、図１３の（ａ）から（ｂ）への拡大をＹ軸方向Ｄｙ、（ｂ）から（ｃ）への拡大もＹ軸方向Ｄｙとしてその拡大方向を同一にしているため、入射光と出射光との光線幅縦横比が拡大されて極端な楕円形形状となっている。

図１４は図１０に示す２枚のリニアプリズム板５０ａ、５０ｂをＲ光源５７からの出射光Ｐ５７が連続して通過して行く光路の進行状態を模擬的に示したものであり、各リニアプリズム板５０ａ、５０ｂにより光線幅が拡大変形する状態を示している。すなわち従来技術においては図１０に示す如く、２枚のリニアプリズム板５０ａ、５０ｂのプリズム列方向が何れもＸ軸に平行方向にそろっている。この配置状態では図１２、図１３で説明したように光線幅はプリズム列に直交する方向に拡大されることになる。

上記条件に従って図１４に示すＲ光源５７からの出射光Ｐ５７が、２枚のリニアプリズム板５０ａ、５０ｂによって拡大変形する状態を説明する。まずＲ光源５７からＸ軸方向の光線幅ＬｘとＹ軸方向の光線幅Ｌｙとが等しい、Ｌｘ―Ｌｙの円形形状を有する出射光Ｐ５７が１段目のリニアプリズム板５０ａに入射すると、プリズム列に平行なＸ軸方向の光線幅はＬｘのままで、プリズム列に直交なＹ軸方向の光線幅は２Ｌｙに拡大され、その出射光はＬｘ―２Ｌｙの楕円形形状となる。次にこの楕円形形状の出射光がそのまま２段目のリニアプリズム板５０ｂに入射すると、プリズム列に平行なＸ軸方向の光線幅はＬｘのままで、プリズム列に直交なＹ軸方向の光線幅は４Ｌｙに拡大され、その出射光はＬｘ―４Ｌｙの楕円形形状となる。また図示は省略したがＧ光源５８の出射光についても図１４に示す光路により同様の拡大変形が行われる。なお、この拡大変形状態は図１３で説明した光線形状と同じである。

上記の如く従来のプリズム列を平行配置した２枚のリニアプリズム板による複数光源の合成においては、各リニアプリズム板による光線の拡大方向が同じになるため拡大変形が増大する結果となっていた。これを解決する方法としては、拡大変形した出射光の使用範囲を制限して中心部分のみを使用するか、または光合成の光路中に非球面レンズを設けて光線形状を変化させる方法があるが、前者の方法では出射光の一部しか利用できないため光源の利用効率が低くなって明るい照明が得られないという問題があり、また後者の方法では非球面レンズのような部材を余分に設ける必要があり、光源装置のサイズ及びコスト的に不利となる問題があった。

（発明の目的）
本発明は上記問題に鑑みなされたもので、２枚のプリズムシートによる複数光源の合成において、２枚のプリズムシートの配置を工夫することにより、入射光と出射光の光線幅縦横比を変化させない構成とすることで、価格が安く小型薄型化が可能で、光線の利用効率を高めた光源装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するための本発明における構成は複数の光源と、一方の面に複数の微細なプリズムを有し、他方の面が平面な複数のプリズムシートよりなり、前記複数のプリズムシートを１段目と２段目に分けて、１段目と２段目のプリズムシートのプリズム列が直交するように配置し、前記１段目のプリズムシートの入射面側に、前記複数の光源を所定の角度に傾けて配置することにより前記１段目のプリズムシートの入射面側より所定の角度をもって入射された複数の光源からの入射光を１段目のプリズムシートの出射面側より合成させた出射光として出力した後、２段目のプリズムシートの入射面側に入射させ、２段目のプリズムシートの出射面側より出射光として出力することを特徴とする。

上記構成によれば、前記複数のプリズムシートを１段目と２段目に分けて、１段目と２段目のプリズムシートのプリズム列が直交するように配置するだけで、入射光と出射光の光線幅縦横比を変化を防止し、出射光の光線幅縦横比を同じにすることができる。

前記１段目のプリズムシートは第１プリズムシートと第２プリズムシートの２枚のプリズムシートよりなり、前記２段目のプリズムシートに対して各々所定の角度を有して配置されるとともに、前記第１プリズムシートと第２プリズムシートは前記２段目のプリズムシートに対して、そのプリズム列が直交するように配置され、前記第１プリズムシートと第２プリズムシートの入射面側には各々所定の角度をもって複数の光源を配置することにより、前記第１プリズムシートと第２プリズムシートによって各々合成された第１出射光と第２出射光とを２段目のプリズムシートの入射面側に入射させ、２段目のプリズムシートの出射面側より第３出射光として出力することを特徴とする。

前記複数の光源は各々発光波長のことなるカラー光源であり、前記２段目のプリズムシートの出射面側よりの出射光は、混色された出射光であることを特徴とする。

前記複数のカラー光源はＲ，Ｇ，Ｂのカラー光源を含むことを特徴とする。

前記プリズムシートのプリズム面に入射する光線の入射角が、プリズムシートのプリズムを構成する二等辺三角形の底辺と斜辺のなす角度をα、前記二等辺三角形の底辺とプリズム斜面に入射する光線のなす角度をβとするとき、プリズム斜面に入射する光線の入射角が、α≧βであることを特徴とする。

従来プリズム斜面に入射する光線の角度βを小さくすると、入射光の利用効率は良くなるが、反面、入射光と出射光の光線幅縦横比の変化が大きくなるという問題があったが、本発明の上記構成によれば、入射光と出射光の光線幅縦横比の変化が解消されているため、入射光の利用効率の良さと出射光の拡大変形の問題を同時に解決した光源装置を提供できる。

複数の光源と、一方の面に複数の微細なプリズムを有し、他方の面が平面な複数のプリズムシートよりなり、前記複数のプリズムシートを１段目と２段目に分けて配置し、前記１段目のプリズムシートで合成した出射光をさらに２段目のプリズムシートで合成して出射するよう構成し、前記１段目のプリズムシートにおける光線拡大方向と、２段目のプリズムシートにおける光線拡大方向とを異ならせる光線拡大方向変換手段を設けることにより、前記１段目のプリズムシートに入射する複数の光源からの入射光の光線幅縦横比と、前記２段目のプリズムシートから出射される出射光の光線幅縦横比が同じであることを特徴とする。

以上のように本発明によれば、複数のプリズムシートを用いて複数光源の光合成を行う光源装置において、複数のプリズムシートを１段目と２段目に分けて、１段目と２段目のプリズムシートのプリズム列が直交するように配置するだけで、入射光と出射光の光線幅縦横比を変化を防止し、出射光の光線幅縦横比を同じにすることができる。

以下、本発明の実施形態について図面により詳細に説明する。図１〜図４は本発明の第１実施形態における光源装置を示すものであり、図１は光源装置の外観斜視図、図２はプリズムシートに対する２個の光源の配置を示す外観斜視図である。図１において１０は光源装置であり、一方の面に複数の微細なプリズムを有し、他方の面が平面な２枚のプリズムシートＰＳ１、ＰＳ２と２個の光源Ｋ１，Ｋ２を有し、２枚のプリズムシートＰＳ１、ＰＳ２を１段目のプリズムシートＰＳ１と２段目のプリズムシートＰＳ２に分けて、１段目と２段目のプリズムシートＰＳ１，ＰＳ２のプリズム列が直交するように配置している。

各光源Ｋは図示を省略したがＬＥＤと集光レンズとを備えており、第１実施形態においては光源Ｋ１のＬＥＤとしては赤色ＬＥＤ（以後Ｒ・ＬＥＤ）、光源Ｋ２のＬＥＤとしては緑色ＬＥＤ（以後Ｇ・ＬＥＤ）を用いている。
なお、図１においては、光源Ｋ２は１段目のプリズムシートＰＳ１に対して光源Ｋ１と対向する位置、すなわち紙面では光源Ｋ１の奥側に配置されていて図１では見えない状態となっている。

図２はプリズムシートに対する２個の光源の配置を示す外観斜視図で、図１の１段目のプリズムシートＰＳ１の入射面側から２個の光源Ｋ１，Ｋ２の配置を見たものである。すなわち２段目のプリズムシートＰＳ２が従来と同じようにプリズム列が横向きに配置されているのに対し、１段目のプリズムシートＰＳ１のプリズム列は２段目のプリズムシートＰＳ２のプリズム列に直交するように縦向きに配置されている。そして１段目のプリズムシートＰＳ１の入射面側に所定の角度をもって入射された２個の光源Ｋ１，Ｋ２からの入射光を、１段目のプリズムシートＰＳ１の出射面側より合成させた出射光として出力した後に２段目のプリズムシートＰＳ２の入射面側に入射させ、２段目のプリズムシートＰＳ２の出射面側より出射光として出力する。

図１に示す光源装置１０の構成は、図１０に示す従来の光源装置における、リニアプリズム板５０ａ、５０ｂ及びＲ光源５７、Ｇ光源５８による構成と基本的には同じであるが、異なるところはリニアプリズム板５０ａに対応する１段目のプリズムシートＰＳ１の配置が９０°回転して、２段目のプリズムシートＰＳ２に対して直交配置されていることである。そしてこの２枚のプリズムシートＰＳ１，ＰＳ２の配置関係の変更にともなって、２個の光源Ｋ１、Ｋ２の配置も９０°回転して１段目のプリズムシートＰＳ１の横方向（図１の紙面の手前と奥方向）に変更されていることである。なお、図２においては図面を見やすくするために、プリズムシートＰＳ１の入射面側のプリズム列を両端のみ記載して中央部分は点線で示している。

図３は図１に示す２枚のプリズムシートＰＳ１，ＰＳ２を光源Ｋ１からの出射光Ｐ１が連続して通過して行く光路の進行状態を模擬的に示した光路図であり、各プリズムシートＰＳ１，ＰＳ２により光線幅が拡大変形する状態を示している。なおこの光路図は図１４に示す従来技術における光路図に対応して、その違いを比較するためのものである。すなわち本発明においては図３に示す如く、２枚のプリズムシートＰＳ１，ＰＳ２のプリズム列方向は１段目のプリズムシートＰＳ１がＹ軸に平行、２段目のプリズムシートＰＳ２がＸ軸に平行で、お互いのプリズム列方向は直交している。そして前述の如く光線幅はプリズム列に直交する方向に拡大されることになる。

上記条件に従って図３に示す光源Ｋ１からの出射光Ｐ１が、２枚のプリズムシートＰＳ１，ＰＳ２によって拡大変形する状態を説明する。まず光源Ｋ１からＸ軸方向の光線幅ＬｘとＹ軸方向の光線幅Ｌｙとが等しい、Ｌｘ―Ｌｙの円形形状を有する出射光Ｐ１が１段目のプリズムシートＰＳ１に入射すると、プリズム列に平行なＹ軸方向の光線幅はＬｙのままで、プリズム列に直交なＸ軸方向の光線幅は２Ｌｘに拡大され、その出射光は２Ｌｘ―Ｌｙの楕円形形状となる。次にこの楕円形形状の出射光がそのまま２段目のプリズムシートＰＳ２に入射すると、プリズム列に平行なＸ軸方向の光線幅は２Ｌｘのままで、プリズム列に直交なＹ軸方向の光線幅は２Ｌｙに拡大され、その出射光は２Ｌｘ―２Ｌｙの円形形状となる。

上記の如く２枚のプリズムシートを連続して通過した光線形状は、図１４に示す従来のプリズム列が平行配置の場合にはＬｘ―４Ｌｙの極端な楕円形形状になったのに対し、図３に示す本発明のプリズム列が直交配置の場合には２Ｌｘ―２Ｌｙの円形形状となり、１段目のプリズムシートＰＳ１における入射光の光線幅縦横比と、２段目のプリズムシートＰＳ２から出射される出射光の光線幅縦横比が同じとなっている。これは１段目のプリズムシートＰＳ１における光線拡大方向と、２段目のプリズムシートＰＳ２における光線拡大方向とを異ならせるための、光線拡大方向変換手段によって達成されたものであり、本実施形態においてはプリズム列を直交配した２枚のプリズムシートＰＳ１，ＰＳ２が光線拡大方向変換手段を構成している。

図４は図３において拡大変形した光線形状を示す平面図であり、この光線形状を示す平面図は、図１３に示す従来技術における光線形状の平面図に対応して、その違いを比較するためのものである。図４の（ａ）は光源Ｋ１からの出射光Ｐ１で、Ｘ軸、Ｙ軸に対してどちらも光線幅Ｈの円形光線である。（ｂ）は出射光Ｐ１を受けて１段目のプリズムシートＰＳ１によりＸ軸方向が２倍に拡大されて、光線幅２Ｈに拡大変形した楕円形光線である。（ｃ）は１段目のプリズムシートＰＳ１よりの出射光を２段目のプリズムシートＰＳ２に入射させた時の光線形状であり、Ｙ軸方向が２倍に拡大されて光線幅２Ｈに拡大変形した結果、Ｘ軸方向とＹ軸方向とが共に２倍に拡大されて、光線幅２Ｈの円形光線となっている。すなわち、（ａ）から（ｂ）への拡大をＸ軸方向Ｄｘとし、（ｂ）から（ｃ）への拡大をＹ軸方向Ｄｙとしてその拡大方向を変更することによって入射光と出射光との光線幅縦横比を同じにしている。

図５は本発明の第２実施形態における光源装置の外観斜視図を示し、図１に示す光源装置１０と基本的構成は同じであり、同一要素には同一番号を付し、重複する説明を省略する。図５の光源装置２０において光源装置１０と異なるところは、１段目のプリズムシートＰＳ１を第１プリズムシートＰＳ１ａと第２プリズムシートＰＳ１ｂの２枚のプリズムシートで構成し、２段目のプリズムシートＰＳ２に対して各々所定の角度を有して配置されるとともに、前記第１プリズムシートＰＳ１ａと第２プリズムシートＰＳ１ｂは２段目のプリズムシートＰＳ２に対して、そのプリズム列が直交するように配置したことである。そして第１プリズムシートＰＳ１ａと第２プリズムシートＰＳ１ｂの入射面側には各々所定の角度をもって複数の光源を配置することにより、第１プリズムシートＰＳ１ａと第２プリズムシーＰＳ１ｂによって各々合成された第１出射光Ｐｇ１と第２出射光Ｐｇ２とを２段目のプリズムシートＰＳ２の入射面側に入射させ、２段目のプリズムシートＰＳ２の出射面側より第３出射光Ｐｇ３として出力させたことである。

図５において第１プリズムシートＰＳ１ａは図１の１段目のプリズムシートＰＳ１に対応しており、その入射面側には図２に示す如く各々所定の角度をもって２個の光源Ｋ１，Ｋ２が配置されており、第１プリズムシートＰＳ１ａと２段目のプリズムシートＰＳ２による光学的動作は、図１における１段目のプリズムシートＰＳ１と２段目のプリズムシートＰＳ２による光学的動作と同じである。そして２段目のプリズムシートＰＳ２に対して、第１プリズムシートＰＳ１ａと対称的な位置に所定の角度を有して配置された第２プリズムシートＰＳ１ｂにも、図２に示す光源と同じ配置で光源Ｋ３、Ｋ４が設けられている。

次に光源装置２０の動作について説明する。１例として４光源の合成について説明すると、第１プリズムシートＰＳ１ａの光源Ｋ１をＲ光源、光源Ｋ２をＧ光源とし、第２プリズムシートＰＳ１ｂの光源Ｋ３をＢ光源、光源Ｋ４をＧ光源とすれば、第１プリズムシートＰＳ１ａによって光源Ｋ１のＲ光と光源Ｋ２のＧ光とが合成されて第１出射光Ｐｇ１として出射され、また第２プリズムシートＰＳ１ｂによって光源Ｋ３のＢ光と光源Ｋ４のＧ光とが合成されて第２出射光Ｐｇ２として出射される。そしてこの２つの出射光Ｐｇ１とＰｇ２とが２段目のプリズムシートＰＳ２に入射することによって合成され第３出射光Ｐｇ３として出射される。

上記動作において、第１出射光Ｐｇ１はＲ光とＧ光の混色光、第２出射光Ｐｇ２はＢ光とＧ光の混色光であるため、第３出射光Ｐｇ３はＲ，Ｇ，Ｂ，Ｇ光の混色された白色光として出射され、しかも相対的に発光量の少ないＧ・ＬＥＤを２個にしているためＲ・Ｇ・Ｂ光のバランスした白色光を得ることができる。

なお、上記構成は４光源の合成をＲ，Ｇ，Ｂ，Ｇ光の混色について示したが、これに限定されず、３光源をＲ・Ｇ・ＢのＬＥＤとし、もう一つの光源をＢｌｕｅＹＡＧ・ＬＥＤとすることにより演色性に優れた白色光を得ることができるし、また十分発光量が得られるＧ・ＬＥＤの場合には、光源Ｋ４のＧ・ＬＥＤを省略して３光源による混色で白色光を得ることもできる。そしてこれらの光源装置はすべて１段目のプリズムシートＰＳ１と２段目のプリズムシートＰＳ２とのプリズム列を直交配置にしているため、入射光と出射光との光線幅縦横比が同じな円形形状の出射光を得ることができる。

図６は本発明の第３実施形態における光源装置の外観斜視図を示し、図５に示す光源装置２０と基本的構成は同じであり、同一要素には同一番号を付し、重複する説明を省略する。図６の光源装置３０において光源装置２０と異なるところは、第１プリズムシートＰＳ１ａ、第２プリズムシーＰＳ１ｂ及び２段目のプリズムシートＰＳ２がすべて平面側入射、プリズム面側出射の構成となっていることである。このプリズムシートの平面側入射においても。各プリズムシートの屈折率、プリズム頂角及び入射光の入射角を適切に設定することにより、２段目のプリズムシートＰＳ２の出射面より入射光と光線幅縦横比が同じ円形形状の出射光を得ることができる。上記の如く、本発明における１段目のプリズムシートＰＳ１と２段目のプリズムシートＰＳ２とのプリズム列を直交配置する構成は、プリズムシートに対する光線の入射方向の違い、すなわちプリズム面入射と平面入射とに関わらず有効に作用するものである。

次に本発明におけるプリズム斜面への入射光の入射角度と、プリズム斜面のプリズム角度との関係について説明する。図７、図８、図９はいずれもプリズム斜面への入射光の入射角度とプリズム斜面のプリズム角度との関係を示す断面図であり、1例としてプリズム頂角がθｔのプリズムシートにおける、平面側入射の場合のプリズム列に直交するＹ―Ｚ断面を示している。そして各図においてプリズムシートＰＳ１のプリズムを構成する二等辺三角形の底辺と斜辺のなすプリズム角度（Ｙ軸の平面とプリズム斜面とのなす角度）をα、プリズムシートＰＳ１のプリズムを構成する二等辺三角形の底辺とプリズム斜面に入射する光線のなす入射角度（Ｙ軸の平面と入射光Ｐ４とのなす角度）をβとしている。そして各図に示す各プリズムシートはいずれもプリズム頂角を同一のθｔとし、各々の屈折率を調整して出射光が直上方向に向くようにしている。

図７はβ＞αの関係を示し、プリズム角度αに対し、入射光Ｐ４の入射角度β１が大きい場合を示す。図７において入射光Ｐ４は左傾斜の入射光であり、プリズムシートＰＳ１の左傾斜のプリズム斜面Ｌ２に入射した光線が有効光として出射されるため、プリズム斜面Ｌ２が有効プリズム斜面となり、右傾斜のプリズム斜面Ｌ１が非有効プリズム斜面となる。（入射光Ｐ４が右傾斜の入射光の場合はプリズム斜面Ｌ１が有効プリズム斜面となり、プリズム斜面Ｌ２が非有効プリズム斜面となる）

上記前提により、ある幅を有する入射光Ｐ４がプリズムシートＰＳ１の底面側より入射すると、黒塗り矢印で示す大部分の光線は有効プリズム斜面であるプリズム斜面Ｌ２を通過し、有効光Ｐ４ａとして直上方向に出射される。しかし白塗りの矢印で示す入射光の一部は非有効プリズム斜面であるプリズム斜面Ｌ１に当って反射し、プリズム内を進んだ後にプリズム斜面Ｌ２を通過し、直上でない方向に非有効光Ｐ４ｂとして放出される。

すなわち黒塗り矢印で示す有効光Ｐ４ａはプリズム斜面Ｌ２に当ったとき、臨界角よりも小さい角度で当るため光線は屈折して透過する。一方白塗りの矢印で示す非有効光Ｐ４ｂはプリズム斜面Ｌ１に当ったとき、臨界角よりも大きい角度で当るため光線は反射する。前記プリズム斜面Ｌ１に当って反射した非有効光Ｐ４ｂは、プリズム内を進んだ後にプリズム斜面Ｌ２に臨界角よりも小さい角度で当るため光線は屈折して透過し、直上でない方向に放出されることになる。すなわち図７に示すβ＞αの関係の場合は、入射光Ｐ４が非有効プリズム斜面であるプリズム斜面Ｌ１に当って非有効光Ｐ４ｂとして失われる分だけ入射光の利用効率が低下する結果となる。

図８はβ＝αの関係を示し、プリズム角度αに対し、入射光Ｐ４の入射角度β２が同じ場合を示す。図７で説明した前提によりある幅を有する入射光Ｐ４がプリズムシートＰＳ１の底面側より入射すると、黒塗り矢印で示すすべての光線は有効プリズム斜面であるプリズム斜面Ｌ２を通過し有効光Ｐ４ａとして出射される。そして非有効プリズム斜面であるプリズム斜面Ｌ１に当って反射する非有効光Ｐ４ｂは存在しない。

図９はβ＜αの関係を示し、プリズム角度αに対し、入射光Ｐ４の入射角度β３が小さい場合を示す。図７で説明した前提によりある幅を有する入射光Ｐ４がプリズムシートＰＳ１の底面側より入射すると、黒塗り矢印で示すすべての光線は有効プリズム斜面であるプリズム斜面Ｌ２を通過し有効光Ｐ４ａとして出射される。そして非有効プリズム斜面であるプリズム斜面Ｌ１に当って反射する非有効光Ｐ４ｂは存在しない。

上記の如くプリズムシートにおけるプリズム面への入射光の入射角度βとプリズム斜面のプリズム角度αとの関係は、図７に示すβ＞αの関係では入射光Ｐ４の一部が非有効光Ｐ４ｂとなって入射光の利用効率が低下し、図８、図９に示すβ＝αの関係及びβ＜αの関係では非有効光Ｐ４ｂが存在せず、すべてが有効光Ｐ４ａとなるため入射光の利用効率が良くなることがわかる。すなわち入射光の利用効率としてみた場合、プリズムシートにおけるプリズム面への、入射光の入射角度βとプリズム斜面のプリズム角度αとの関係はβ≦αが望ましいことがわかる。

しかし、入射光の入射角度βとプリズム斜面のプリズム角度αとの関係をβ≦αにした場合、入射光の利用効率は良くなるが、光線幅の拡大変形は図１２で説明したようにプリズムシートの入射面に対して入射光の入射角度βが小さくなることで光線の広がり幅が大きくなって、光線幅の拡大変形が増大するという問題がある。すなわち入射光の入射角度βとプリズム斜面のプリズム角度αとの関係は入射光の利用効率の面からはβ≦αの関係が良く、また光線幅の拡大変形の面からはβ＞αの関係の方が良いという相反する関係にある。

従って、従来のプリズム列を平行配置した光線幅の拡大変形が問題となる光源装置においては、光線幅の拡大変形を小さくするために、β＞αの関係にして入射光の利用効率を犠牲にするか、またはβ≦αの関係にして入射光の利用効率を良くした上で、非球面レンズ等を用いて光線幅拡大変形の改善策をこうじる必要があった。

これに対して、本発明においてはプリズム列を直交配置した光線幅の拡大変形が問題とならない光源装置であるため、入射光の入射角度βとプリズム斜面のプリズム角度αとの関係をβ≦αとして入射光の利用効率を良くした上で、入射光と光線幅縦横比が同じ円形形状の出射光を得ることができるという特有の効果を奏する。なお、図７〜図９ではプリズムシートの平面側からの入射光について検討したが、プリズムシートのプリズム面側からの入射光に対しても本発明のβ≦αの関係が有効であることは当然である。

上記の如く本発明によれば、プリズムシートによる薄型構成の光学系によって複数の光源からの入射光を効率良く合成することができ、また入射光と光線幅縦横比が同じ円形形状の出射光を得ることができるため、形状的に小型薄型で、光学的に光合成性能の優れた光源装置を提供することができる。そしてその応用範囲は広く、一般照明だけでなく、プロジェクター用の光源や液晶表示装置用のバックライト等に利用することができる。

本発明の第１実施形態における光源装置の外観斜視図である。図１に示すプリズムシートに対する２個の光源の配置を示す外観斜視図である。図１に示す２枚のプリズムシートを光源からの出射光が連続して通過して行く光路の進行状態を模擬的に示した光路図である。図３において拡大変形した光線形状を示す平面図である。本発明の第２実施形態における光源装置の外観斜視図である。本発明の第３実施形態における光源装置の外観斜視図である本発明におけるプリズム面への入射光の入射角度とプリズム斜面の角度との関係を示す断面図である。本発明におけるプリズム面への入射光の入射角度とプリズム斜面の角度との関係を示す断面図である。本発明におけるプリズム面への入射光の入射角度とプリズム斜面の角度との関係を示す断面図である。従来のカラー投影機における光源装置の構成図である。図１０に示すリニアプリズム板の部分断面図である。図１０に示すリニアプリズム板の入射面に入射光が入射した時の光線の広がりを示す側面図である。図１２において拡大変形した光線形状を示す平面図である。図１０に示す２枚のリニアプリズム板を光源からの出射光が連続して通過して行く光路の進行状態を模擬的に示した光路図である。

符号の説明

１０、２０、３０光源装置
ＰＳ１、ＰＳ１ａ，ＰＳ１ｂ 1段目のプリズムシート
ＰＳ２２段目のプリズムシート
Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３、Ｋ４光源
Ｌ１、Ｌ２プリズム斜面
Ｐ１、Ｐ４入射光
Ｐｇ１、Ｐｇ２、Ｐｇ３出射光

Claims

複数の光源と、一方の面に複数の微細なプリズムを有し、他方の面が平面な複数のプリズムシートよりなり、前記複数のプリズムシートを１段目と２段目に分けて、１段目と２段目のプリズムシートのプリズム列が直交するように配置し、前記１段目のプリズムシートの入射面側に、前記複数の光源を所定の角度に傾けて配置することにより前記１段目のプリズムシートの入射面側より所定の角度をもって入射された複数の光源からの入射光を１段目のプリズムシートの出射面側より合成させた出射光として出力した後、２段目のプリズムシートの入射面側に入射させ、２段目のプリズムシートの出射面側より出射光として出力することを特徴とする光源装置。
前記１段目のプリズムシートは第１プリズムシートと第２プリズムシートの２枚のプリズムシートよりなり、前記２段目のプリズムシートに対して各々所定の角度を有して配置されるとともに、前記第１プリズムシートと第２プリズムシートは前記２段目のプリズムシートに対して、そのプリズム列が直交するように配置され、前記第１プリズムシートと第２プリズムシートの入射面側には各々所定の角度をもって複数の光源を配置することにより、前記第１プリズムシートと第２プリズムシートによって各々合成された第１出射光と第２出射光とを２段目のプリズムシートの入射面側に入射させ、２段目のプリズムシートの出射面側より第３出射光として出力する請求項１記載の光源装置。
前記複数の光源は各々発光波長のことなるカラー光源であり、前記２段目のプリズムシートの出射面側よりの出射光は、混色された出射光である請求項１または２項に記載の光源装置。
前記複数のカラー光源はＲ，Ｇ，Ｂのカラー光源を含む請求項３記載の光源装置。
前記プリズムシートのプリズム斜面に入射する光線の入射角が、プリズムシートのプリズムを構成する二等辺三角形の底辺と斜辺のなす角度をα、前記二等辺三角形の底辺とプリズム斜面に入射する光線のなす角度をβとするとき、プリズム斜面に入射する光線の入射角が
α≧βである請求項１乃至４のうち何れか１項に記載の光源装置。
複数の光源と、一方の面に複数の微細なプリズムを有し、他方の面が平面な複数のプリズムシートよりなり、前記複数のプリズムシートを１段目と２段目に分けて配置し、前記１段目のプリズムシートで合成した出射光をさらに２段目のプリズムシートで合成して出射するよう構成し、前記１段目のプリズムシートにおける光線拡大方向と、２段目のプリズムシートにおける光線拡大方向とを異ならせる光線拡大方向変換手段を設けることにより、前記１段目のプリズムシートに入射する複数の光源からの入射光の光線幅縦横比と、前記２段目のプリズムシートから出射される出射光の光線幅縦横比が同じであることを特徴とする光源装置。