JP2008288094A - 光源装置及び光源装置を備えた表示装置 - Google Patents

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、形状が大きくなり装置の薄型化が困難となる問題があった。本発明は従来の問題を解決し、価格が安く薄型化が可能で光合成性能に優れた光源装置、及びこれを備えた表示装置を提供する。
【解決手段】発光波長の異なる複数の光源（１）と、両面に複数の微細なプリズム列が形成され、該プリズム列が所定の角度で交叉するプリズムシート（ＰＳ）とを備え、該プリズムシート（ＰＳ）の入射面側に、前記複数の光源（１）を所定の角度に傾けて配置して前記プリズムシート（ＰＳ）に入射された入射光をプリズムシート（ＰＳ）の出射面側より混色させた出射光として出力する光源装置（１０）であって、前記各光源（１）とプリズムシート（ＰＳ）の間に、対応する光源（１）から出射された波長領域の光線を透過し、他の波長領域の光線を反射するバンドパスミラー（５）が設けられている。
【選択図】 図１

Description

本発明は複数の光源からの入射光を混色して出射する光源装置に係り、特に小型薄型化が可能で、且つ光線の利用効率を高めた光源装置、及びこれを備えた表示装置に関する。

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２６、図２７は特許文献２に示すカラー投影機の構成を示すものであり、図２６はカラー投影機の構成図、図２７は図２６に示すリニアプリズム板の部分断面図である。図２７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出射面、下面が平面の入射面を構成している。リニアプリズム板５０における下面側の入射面５１に、異なる斜めの２方向から入射した入射光Ｐ５１ａ、Ｐ５１ｂは、各々入射面５１で屈折した後にプリズムの２つの出射面５２、５３で屈折して同一方向の光Ｐ５２、Ｐ５３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つの出射面で屈折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２６は図２７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備えたカラー投影機を示し、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５５は投写レンズ、５６は投影スクリーン、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４５°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４５°の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４５°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４５°の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４５°の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ダイクロイックミラーを施した４つのガラス部材を貼りあわせた構造で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、例えばＲ、Ｇ、Ｂ、３色のＬＥＤの光源を合成させる場合、２枚のリニアプリズムには所定の角度を有する配置間隔を設ける必要があるのでリニアプリズムの配置スペースが広くなるため、光源装置全体としての形状が大きくなり、装置の薄型化が困難となる問題がある。また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してしまう結果となり、この変化量はリニアプリズムの斜光入射回数によって増加していく。すなわち図２６に示す光源装置の場合、Ｒ光とＧ光とがリニアプリズム板５０ａに斜光入射して合成された後、その合成された単一光がリニアプリズム板５０ｂに斜光入射してＢ光と合成されるため、Ｒ光とＧ光についてはリニアプリズムの斜光入射が２回行われ、縦横比がさらに異なる結果となる。

（発明の目的）
本発明は上記問題に鑑みなされたもので、１枚のプリズムシートとバンドパスミラーの組み合わせにより光学装置を薄型化すると共に、複数の光源の入射方向を工夫してプリズムシートに光合成及び混色機能を行わせることで、価格が安く小型薄型化が可能で、光合成性能に優れ且つ光線の利用効率を高めた光源装置、及びこれを備えた表示装置を提供することを目的としている。

本発明の光源装置は、発光波長の異なる複数の光源と、両面に複数の微細なプリズム列が形成され、該プリズム列が所定の角度で交叉するプリズムシートとを備え、該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プリズムシートの出射面側より混色させた出射光として出力する光源装置であって、前記各光源とプリズムシートの間に、対応する光源から出射された波長領域の光線を透過し、他の波長領域の光線を反射するバンドパスミラーが設けられていることを特徴とする。

これによれば、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光源からの入射光は、前記プリズムシートの、一のプリズム斜面又は他のプリズム斜面に入射され、一のプリズム斜面に入射した光線は屈折して前記プリズムシートの出射面から出射され、他のプリズム斜面に入射した光線は前記バンドパスミラーに向い、前記バントパスミラーによって反射されて前記プリズムシートの入射面に入射され、前記プリズムシートの出射面から出射される。

したがって、光線の有効利用が図られ、光線の利用効率を高めた光源装置を提供することができる。また、１枚のプリズムシートによって複数の光源からの入射光を合成することができるため、２枚のリニアプリズムによる入射光合成で必要となっていたシート間の配置スペースが不要となり薄型構成の光学系が可能で、また、高価な光合成用部材を用いず１枚のシート部材で光合成及び混色を実現しており部材費が安く、形状的に小型薄型で価格の安い光源装置を提供することができる。

前記各光源は、前記プリズムシートにおける両面に形成された各プリズム列の交叉によって形成される４つのゾーンに分散されて配置されていることを特徴とする。

前記各光源の入射光は、前記プリズムシートにおける所定の集光点に向かって入射することを特徴とする。

また、光源配置の他の態様として、前記各光源は、前記プリズムシートにおける所定の集光点に対して、点対称に配置されていることを特徴とする。

さらなる光源配置の他の態様として、前記各光源は、前記プリズムシートにおける所定の集光点を通る軸線に対して、線対称に配置されていることを特徴とする。

これによれば、複数の光源をプリズムシートにおける両面に形成された各プリズム列の交叉によって形成される４つのゾーンに分散させて配置し、各光源のすべての入射光をプリズムシートにおける所定の集光点に向かって入射させるという本願特有の複数光源の入射方式によって、１枚のプリズムシートで複数の光源の合成機能を行わせることができる。

前記複数の光源における発光面の前方には、各々集光用のレンズを備えたことを特徴とする。

前記レンズは縦と横とで異なる曲率半径を有するレンズであることを特徴とする。

上記構成によれば、入射光を平行光線化できるとともに、縦と横とで異なる曲率半径を有するレンズを使用することによって、入射光が斜めから入射することによる出射光の光線幅の広がりを抑えることができるため、光学的に合成性能の優れた光源装置を提供することができる。

前記バンドパスミラーは、前記レンズの出射面に形成された反射膜であることを特徴とする。

前記反射膜を形成したレンズの出射面が曲面であることを特徴とする。

上記構成によれば、バンドパスミラーをレンズの出射面に形成できるため、バンドパスミラーのための特別な部材を設ける必要がなく、部品数と取り付けスペースが必要なくなるとともに、レンズの形状によってバンドパスミラーの集光性を調整することができる。

前記複数の光源は赤色、緑色、青色のＬＥＤ光源を含むことを特徴とする。

特に、前記プリズムシートの入射面側における３ヶ所に、赤色、緑色、青色のＬＥＤ光源が配置され、１ヶ所に緑色のＬＥＤ光源が配置されていることを特徴とする。

または、前記プリズムシートの入射面側におけるに３ヶ所に、赤色、緑色、青色のＬＥＤ光源が配置され、１ヶ所に白色のＬＥＤ光源が配置されていることを特徴とする。

上記構成によれば、赤色、緑色、青色のＬＥＤ光源の混色による白色光の出射において、赤色、青色のＬＥＤ光源に比べて発光量の少ない緑色のＬＥＤ光源の数を増やすことによって、効率良く色バランスの良い白色光を発光させることができる。また、赤色、緑色、青色のＬＥＤ光源が含む発光スペクトルとは異なる白色のＬＥＤ光源を追加することによって演色性が良く明るい光源装置が実現できる。

前記プリズムシートの入射面側における２ヶ所に同じ発光波長のＬＥＤ光源が配置され、前記２個のＬＥＤ光源が、前記プリズムシートの入射面側に形成されたプリズム列に平行な軸線に対して対向するゾーンに分散されて配置されていることを特徴とする。

または、前記プリズムシートの入射面側における光源配置位置の少なくとも１ヶ所に反射ミラーが配置されていることを特徴とする。

上記構成によれば、光源からの入射光を無駄なく出射することができ光線の利用効率が高い光源装置を実現できる。

上記の光源装置を液晶セルのバックライトとして備えた液晶表示装置は、前記液晶セルと光源装置との間には反射型偏光変換素子が設けられていることを特徴とする。

これによれば、液晶セルによって、無効となる光を光源装置に向って反射させ、光源装置に設けられたバンドパスミラーによって再度反射させることによって再利用でき、光の利用効率を向上できる。

この場合において、前記プリズムシートが複屈折特性を有することを特徴とする。これによれば、プリズムシートの複屈折特性によって、液晶セルにとって有効な光に変換できる。

この有効な光への変換は、前記反射型偏光変換素子と前記バンドパスミラーとの間に位相差板を配置することによっても、達成できる。

つまり、本発明の液晶表示装置は、液晶表示装置のバックライトとして、反射型偏光変換素子と、複屈折特性を有するプリズムシート又は位相差板を組み合わせることによって、光源の利用効率を高めることができ、明るい表示装置を提供できる。

以上のように本発明の光源装置においては、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合成及び混色することができ、またバンドパスミラーによって光線の利用効率を高めることができるため、価格が安く小型薄型で、光学的に光合成性能の優れた光源装置、及びこれを備えた表示装置を提供することができる。

本実施形態の光源装置は、発光波長の異なる複数の光源と、両面に複数の微細なプリズム列が形成され所定の角度で交叉するプリズムシートを備えている。複数の光源は、プリズムシートの入射面側に、所定の角度に傾けて配置されている。

所定の角度に傾けた配置とは、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させる際に、出射光が、例えば直上といった、同一方向に出射されるように配置することであり、光源から出射される光がプリズムシートにおける所定の集光点に向って出射されるように配置される。また、所定の角度で交叉したプリズム列も同様に、複数の光源からの出射光がプリズムシートによって合成され同一方向に出射されるように交叉させた状態であり、これらの条件は、例えば、プリズムシートの屈折率、プリズムの形状、プリズム頂角の角度等によって定められる。

ここで、本実施形態の光源装置の特徴は、各光源とプリズムシートの間に、対応する光源から出射された波長領域の光線を透過し、他の波長領域の光線を反射するバンドパスミラーが設けられている点にある。例えば、赤色光を出射する光源に設けられたバントパスミラーは、赤色の波長領域の光線のみを透過し、赤色以外の波長領域の光線を反射するようになっている。

続いて、本実施形態の光源装置の動作を説明する。各光源から出射された光線は、バントパスミラーを介して、プリズムシートの入射面側から所定の角度をもって入射される。この入射光の内、プリズムシートの一のプリズム斜面に入射した光線は屈折して前記プリズムシートの出射面から出射されて、他の光源の光線と合成されて合成光となる。
一方、他のプリズム斜面に入射した光線は、プリズムシートからバンドパスミラーに向って反射される。各光源の前方に設けられたバントパスミラーは対応する光源の光線と異なる波長領域の光線を反射するため、バントパスミラーに向った光線は、プリズムシートに向って反射される。反射された光線は、プリズムシートの入射面に入射してプリズムシートの出射面から出射され、一の斜面に入射された光とともに合成光となって出射される。このように、プリズムシートの入射面で反射された光は、再度、プリズムシートに向って出射され出射面から出射させる。つまり、プリズムシートによって反射された無効な光を有効な光に変換できるため、光線の有効利用が図られ、光線の利用効率を高めた光源装置を提供することができる。さらに、本実施形態の光源装置は、１枚の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合成及び混色することができるため、価格が安く小型薄型で、光学的に光合成性能の優れた光源装置を提供できる。

この光源装置について、実施例を用いて詳細に説明する。

（第１実施例）
以下、本発明の光源装置の実施例１について、図面を参照しながら説明する。図１〜図１４は本発明の第１実施例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はプリズムシートの構成を示す上面図及び側面図、図３はプリズムシートと複数の光源の関係を示す平面図である。

図１に示すとおり、本実施例の光源装置１０は、プリズムシートＰＳと、プリズムシートＰＳの入射面側に所定の角度に傾けて配置された光源Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３、Ｋ４が備えられている。光源Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３、Ｋ４から出射された光は、プリズムシートＰＳの入射面から入射し出射面から出射して、図示していない液晶表示素子に入射するようになっている。

各光源Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３、Ｋ４は、発光色の異なる発光ダイオード（以下、ＬＥＤという。）１と、光源Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３、Ｋ４の光を集光する集光レンズ２と、ＬＥＤ１と集光レンズ２を収納するケース３が備えられている。光源Ｋ１は赤色ＬＥＤ１ｒ（以下、Ｒ・ＬＥＤという。）が設けられ、光源Ｋ２、Ｋ３は緑色ＬＥＤ１ｇ（以下、Ｇ・ＬＥＤという。）が設けられ、光源Ｋ４は青色ＬＥＤ１ｂ（以下、Ｂ・ＬＥＤという。）が設けられている。

次に、プリズムシートＰＳと４つの光源Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３、Ｋ４の配置関係について、図２、図３を用いて説明する。図２はプリズムシートＰＳの構成を示す上面図及び側面図であり、中央にプリズムシートＰＳの上面図を示し、図の左側にＸ軸方向から見た側面図、図の下側にＹ軸方向から見た側面図を示している。また、図３は、図２に示すプリズムシートＰＳの上面図に対する４つの光源Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３、Ｋ４の配置関係を示している。

プリズムシートＰＳは、図２に示すように、上下面に交叉させた状態で微細なプリズム列が形成されており、下側のプリズム列をＰＳ１、上側のプリズム列をＰＳ２としている。本実施例では、プリズム列ＰＳ１の頂角が６０°、プリズム列ＰＳ２の頂角が９０°で、プリズム列ＰＳ１側を入射面とし、プリズム列ＰＳ２側を出射面としている。プリズム列の稜線は平行に形成され、各プリズム列のピッチは１μｍ〜１００μｍ程度であり、屈折率ｎが１．４９であるアクリル（ＰＭＭＡ）製のプリズムシートを用いている。

このプリズムシートＰＳは、上下面のプリズム列が直交する角度で交叉させて形成されている。この交叉角度は、プリズムシートの材質、形状等によって定められるものである。図２では、プリズム列ＰＳ１に平行な軸をＸ軸とし、プリズム列ＰＳ２のプリズム列に平行な軸をＹ軸としている。なお、Ｘ軸に平行な点線は、下側のプリズム列ＰＳ２における頂部と谷部のラインを示し、Ｙ軸に平行な実線は、上側のプリズム列ＰＳ１における頂部と谷部のラインを示しており、この点線と実線は直交する升目を構成している。なお、図示していないが、Ｘ−Ｙ平面に垂直な軸を、Ｚ軸と定めている。

次に、プリズムシートＰＳに対する４つの光源Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３、Ｋ４の配置関係について図２及び図３を参照しながら説明する。プリズムシートＰＳの各プリズム列の交叉によって形成される４つのゾーン、すなわちプリズムシートＰＳの平面をＸ軸とＹ軸とで区分した４つのゾーンＳ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４に、４つの光源Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３、Ｋ４が分散されて配置されている。光源Ｋ１から放射された入射光Ｐ１、光源Ｋ２から放射された入射光Ｐ２、光源Ｋ３から放射された入射光Ｐ３、光源Ｋ４から放射された入射光Ｐ４は、中心軸がプリズムシートＰＳにおける所定の集光点Ｐｏに向けて集中的に入射するようになっている。なお、本実施例においてはプリズムシートＰＳの所定の集光点Ｐｏを上プリズム列ＰＳ２の上部中心点としている。

この結果、各光源の位置関係は、図３に示すように、光源Ｋ１と光源Ｋ４及び光源Ｋ２と光源Ｋ３とは各々集光点Ｐｏに対して点対称の位置に配置され、また、光源Ｋ１と光源Ｋ３及び光源Ｋ２と光源Ｋ４とは各々集光点Ｐｏを通るＸ軸に対して線対称の位置に配置されている。そして、各光源のＸ軸からの角度はすべて同一であり、この角度はプリズムシートＰＳの材質による屈折率とプリズム頂角の角度等によって決まる角度である。本実施例においては、Ｘ−Ｙ平面で見たとき、すべての光源Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３、Ｋ４はＸ軸から６１．４°の同一角度の位置に配置されている。この理由はプリズム角には＋−があるため、当る面によって光線の向きは異なる４方向となるが、本実施例では上下面のプリズム列が直交する角度で交叉させて形成されており、面の法線との角度で見ると４方向は同じになる。すなわち光線の向きは異なっていても角度は同じになり、プリズムシートＰＳの屈折率ｎを１．４９、上側のプリズム頂角を９０°、下側のプリズム頂角を６０°として出射光を直上方向に出射させるためには、入射光の入射方向はＸ−Ｙ平面から見たＸ軸基準で±６１．４°の同一角度となる。同様の理由で、後述する図１５に示すように、すべての光源Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３、Ｋ４は、Ｚ軸から６３．１°の同一角度の位置に配置される。

続いて、本実施例の特徴であるバントパスミラー５について、図１を参照しながら説明する。バントパスミラー５は、各光源Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３、Ｋ４とプリズムシートＰＳの間に設けられ、対応する各光源のＬＥＤから出射される波長領域の光線を透過し、他の波長領域の光線を反射するミラーである。光源Ｋ１の発光面の前方には、対応するＲ・ＬＥＤ１ｒから出射される赤色光（以後Ｒ光）の波長領域を透過し、他の波長領域の光線を反射するバンドパスミラー５ｒが設けられている。光源Ｋ２、Ｋ３の発光面の前方には、対応するＧ・ＬＥＤ１ｇから出射される緑色光（以後Ｇ光）の波長領域を透過し、他の波長領域の光線を反射するバンドパスミラー５ｇが設けられている。光源Ｋ４の発光面の前方には、Ｂ・ＬＥＤ１ｂから出射される青色光（以後Ｂ光）のみを透過して、他の波長領域の光線を反射するバンドパスミラー５ｂが設けられている。なお、バントパスミラー５は、各光源に設けられた集光レンズ２の出射面に反射膜を成膜させて設けてもかまわない。

本発明におけるプリズムシートＰＳに対する各光源からの入射条件については後に詳述するが、基本的な光合成（混色）動作について、図２を参照しながら説明する。ここでは、プリズム列ＰＳ１のプリズム面を構成する一方のプリズム斜面をＬ１、他方のプリズム斜面をＬ２とし、プリズム列ＰＳ２のプリズム面を構成する一方のプリズム斜面をＵ１、他方のプリズム斜面をＵ２として説明する。

上記の位置に配置された各光源からの入射光は、プリズムシートＰＳに向って斜光入射する。すなわち、光源装置１０は、プリズム面に対して各光源からの入射光を斜光入射させ、プリズム面を斜めに使用することによって、４方向からの入射光を同一条件で屈折放射ができるようにしている。図２に示すように、光源Ｋ1から放射された入射光Ｐ１は、プリズム列ＰＳ１のプリズム斜面Ｌ２とプリズム列ＰＳ２のプリズム斜面Ｕ２を通過して出射光となる。光源Ｋ２から放射された入射光Ｐ２は、プリズム列ＰＳ１のプリズム斜面Ｌ２とプリズム列ＰＳ２のプリズム斜面Ｕ１を通過して出射光となる。光源Ｋ３から放射された入射光Ｐ３は、プリズム列ＰＳ１のプリズム斜面Ｌ１とプリズム列ＰＳ２のプリズム斜面Ｕ２を通過して出射光となる。光源Ｋ４から放射された入射光Ｐ４は、プリズム列ＰＳ１のプリズム斜面Ｌ１とプリズム列ＰＳ２のプリズム斜面Ｕ１を通過して出射光となる。

各光源から放射された広い面積を有する入射光は、プリズムシートＰＳに形成された多数のプリズム列の各斜面に入射してそれぞれ屈折放射を行うが、各プリズム列のピッチは１μｍ〜１００μｍ程度の微細なピッチとなっているため、目視的には別々の出射光としては認識されず、合成された単一の出射光として認識される。したがって、光源Ｋ１をＲ光、光源Ｋ４をＢ光、光源Ｋ２、Ｋ３をＧ光とした場合には、Ｒ光、Ｂ光、Ｇ光が混色された白色光Ｐｗが出射される。

次に、プリズムシートＰＳに対する各光源からの入射光の光路について、図４、５を参照しながら詳細に説明する。図４は図２に示すプリズム列ＰＳ２の部分拡大図であり、プリズム列ＰＳ２を屈折しながら透過する各入射光の光路を示す。図５は図２に示すプリズム列ＰＳ１の部分拡大図であり、プリズム列ＰＳ１を屈折及び反射しながら透過する各入射光の光路を示す。

一般にプリズムの光路を求める方法としては、下記のように行われる。すなわち、１枚のプリズムシートの入射面側から入射光を入れて、プリズムシートの直上方向に出射光を得ようとした場合、光の光路を逆方向にたどるやり方が行われる。例えば、図４のプリズムシートＰＳの場合には、まず出射光として混色された白色光Ｐｗを直上方向に出射させる必要があるので、各光源からの出射光を逆向きにして、プリズムシートの直上方向からプリズムシート中に入射させる。この時、入射光は空気とアクリルとの屈折率の差によってスネルの法則が適用され、境界面において所定の屈折角があたえられてプリズムシート内を進行して行く。さらにプリズムシートＰＳの入射面から空気中に出射する時にも境界面においてスネルの法則による所定の屈折角があたえられて空気中に出射される。

プリズムシートＰＳを実際の光源装置として用いる場合には、上記結果に基づいてプリズムシートＰＳの入射面より空気中に出射された出射光の角度で、各光源からの入射光を入射すればプリズムシート内を同様の所定屈折角で進行し、プリズムシートＰＳの出射面より直上方向に出射光を得ることができる。

そこで、上記の光路を求める方法を適用した光源装置１０の各光源からプリズムシートＰＳに入射した光は、図４、５に示すような光路となる。
図４に示す上側のプリズム列ＰＳ２の場合はＸ−Ｚ平面を示しており、図２に示す光源Ｋ１からの入射光Ｐ１と光源Ｋ３からの入射光Ｐ３とがプリズム列ＰＳ２の右側のプリズム斜面Ｕ２を通過し、また光源Ｋ２からの入射光Ｐ２と光源Ｋ４からの入射光Ｐ４とがプリズムシートＰＳ２の左側のプリズム斜面Ｕ１を通過して直上方向に出射される。従ってプリズム列ＰＳ２に入射する方向は入射光Ｐ１、Ｐ３とが右傾斜で、入射光Ｐ２、Ｐ４が左傾斜とその入射方向は逆になるが、その入射光の進行角度はすべて同じ角度となる。

このとき、各入射光におけるプリズム列ＰＳ２のプリズム斜面の境界面法線（点線で示す）との角度β２及びα２はすべて同じになる。そしてこれらの角度は屈折率が１．４９のアクリルを使用し、プリズム頂角が９０°のプリズム列ＰＳ２においてはβ２＝２８．３°、α２＝４５．０°である。

次に図５に示す下側のプリズム列ＰＳ１の場合はＹ軸−Ｚ軸平面を示しており、各入射光はプリズム列ＰＳ１へ屈折透過して入射し、入射プリズム面の逆傾斜となっているプリズム面で全反射してプリズムシート内部を進む。各入射光におけるプリズム列ＰＳ１の境界面法線（点線で示す）との角度α１、β１及びγはすべて同じになる。これらの角度は屈折率が１．４９のアクリルを使用し、プリズム頂角が６０°のプリズム列ＰＳ１においてはα１＝２５．３°、β１＝１６．７°、γ＝６１．４°である。なお、図５におけるプリズム列ＰＳ１からの各出射光Ｐ１〜Ｐ４が作図上は直上方向に出射されるように図示されているが、これらの出射光は紙面に対して垂直方向に傾斜角を有するものであり、図５のＹ軸−Ｚ軸平面では傾斜が見えない方向になっているためである。しかし実際には出射光Ｐ１、Ｐ３は紙面の奥方向へ向う傾斜角を有し、出射光Ｐ２、Ｐ４は紙面の手前方向へ向う傾斜角を有している。図５におけるα１、β１においても同様で微小な角度で図示されているが、実際には紙面に対して垂直方向に傾斜角を有するものとなる。

図６は入射光の通過光路を示す上面図及び側面図であり、中央にプリズムシートＰＳの上面図を示し、左側に図５に示したＸ軸方向から見た側面図、下側に図４に示したＹ軸方向から見た側面図をあわせて示している。プリズムシートＰＳの上面図における実線と点線は、図２と同様にプリズム列における頂部と谷部のラインを示している。図６において直上方向に向かう光線はプリズム列ＰＳ２からの出射光だけであり、図５では紙面に対して垂直方向に傾斜角を有し図示できなかった光線も、上面図及び異なる方向の側面図から見れば光線の傾斜と進行方向が解るようになっている。各入射光Ｐ１〜Ｐ４の傾斜方向はそれぞれ異なっているが、その傾斜角度はすべて同じであり、Ｚ軸に対しては６３．１°、Ｘ軸―Ｙ軸平面におけるＸ軸に対しては６１．４°の同一角度の傾斜を有している。これをプリズム列ＰＳ１におけるプリズム斜面の境界面法線を基準にすると２５．３°の傾きとなり斜光入射する。各入射光の各プリズム境界面法線との角度は前述したとおりであり、プリズム列ＰＳ２を透過して上面より直上方向に出射される。なお、図４〜図６においては、理解を容易にするために入射光Ｐ１〜Ｐ４は別々のプリズム斜面を通過して直上方向に出射している状態を示したが、実際には各々同一のプリズム斜面にも同時に通過して合成されるものである。

図７は二つのプリズム列ＰＳ１、ＰＳ２を入射光が連続して通過していく光路の進行状態を模擬的に示したものであり、入射光Ｐ１のみを代表的に示している。すなわち、二つのプリズム列の下側よりＺ軸に対しては６３．１°、Ｘ軸―Ｙ軸平面におけるＸ軸に対しては６１．４°の角度でプリズム列ＰＳ１に向かう入射光Ｐ１は、プリズム列ＰＳ１のプリズム斜面Ｌ２に境界面法線から２５．３°の傾きで入射する（ｆ１）。光線は屈折し境界面法線から１６．７°の傾きでプリズムシート内を進みプリズム斜面Ｌ１に向かう。プリズム斜面Ｌ１に到達する光線はプリズム斜面Ｌ１の境界面法線からは６１．４°の角度であり、臨界角よりも大きな角度で境界面に到達するため全反射する（ｆ２）。全反射した光線は到達時と同様の境界面法線から６１．４°の傾きでプリズムシート内を進みプリズム列ＰＳ２に向かい、プリズム列ＰＳ２のプリズム斜面Ｕ２に境界面法線から２８．３°の傾きで到達する（ｆ３）。光線は屈折し境界面法線から４５．０°の傾き、すなわちＺ軸と平行な直上方向の空気中に出射される。また、図示は省略したが、入射光Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４についても図４〜図６に示した光路に従って同様に進行出射されるものである。

このように、両面に交叉させて形成したプリズム列を有するプリズムシートに対して、入射光をＸ軸―Ｙ軸平面方向の角度とＺ軸方向の角度を有する斜め方向から入射させることで、プリズム斜面を斜めに使用している。この結果、同一の光学的条件のもとで４方向からの入射光を同時に入射させて合成することができ、Ｒ光とＧ光とＢ光とを合成した単一の白色光ＰｗとしてプリズムシートＰＳの出射面より直上方向に出射させる。

ところで、光源装置１０では、次に各光源からプリズムシートに入射される光線のうち、プリズムシートの出射面側に出射される有効光線とプリズムシートの出射面側に出射されない無効光線が存在する。この無効光線が生じる理由について、図８を参照しながら説明する。図８は上側のプリズム列ＰＳ２の部分断面図であり、１例としてプリズムシートＰＳのプリズム列ＰＳ２に図２における光源Ｋ２からの入射光Ｐ２が入射した状態を示している。図８に示すように、光源Ｋ２からの入射光Ｐ２は左傾斜の入射光であり、プリズム列ＰＳ２の左傾斜のプリズム斜面Ｕ１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Ｕ１が有効プリズム斜面となり、右傾斜のプリズム斜面Ｕ２が非有効プリズム斜面となる。

上記前提により光源Ｋ２からある幅を有する入射光Ｐ２がプリズムシートＰＳの入射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Ｕ１を通過し有効光Ｐ２ａとして出射される。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Ｕ２に当って反射し、プリズム内を進んでプリズム斜面Ｕ１に当り屈折して出射する。さらに空気中を進み隣のプリズムのプリズム斜面Ｕ２に当って屈折し、再びプリズム内を進んでプリズム斜面Ｕ１に当って反射することにより、非有効光Ｐ２ｂとしてプリズムシートＰＳの入射面側に放出される。

すなわち、黒塗り矢印で示す有効光はプリズム斜面Ｕ１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はプリズム斜面Ｕ２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Ｕ２に当って反射した非有効光はその後、臨界角との関係によって透過と反射を行い入射時とは反対方向へ向かって進むことになる。本実施例におけるプリズムシートＰＳの場合は非有効光の光路は、最初に下側からプリズムシート列ＰＳへ入射する角度と、最後に下側へプリズムシートＰＳから出射する角度は同じになる。

次に、上記非有効光を有効光に変換する原理を図９により説明する。図９は光源Ｋ２からの出射光の非有効光を光源Ｋ１のバンドパスミラー５ｒによって有効光に変換する構成を示すプリズムシートと光源の部分断面図である。光源Ｋ２からの出射光Ｐ２は有効光Ｐ２ａと非有効光Ｐ２ｂを含んでおり、黒塗り矢印で示す有効光Ｐ２ａはプリズム列ＰＳ２のプリズム斜面Ｕ１を通過して直上方向に出射される。また白塗り矢印で示す非有効光Ｐ２ｂはプリズム斜面Ｕ２に入射して反射、屈折を繰り返してプリズムシートＰＳの下面側に出射される。なお、図９においてプリズム列ＰＳ１を進む光線が２回角度を変える様子を矢印の向きの変化で示しているが、これは前記図５で説明した透過及び反射を行う光線を異なる方向から見た状態で示しており、光源Ｋ２から出射する光線は紙面に対して奥方向にも傾斜角を有し、光源Ｋ１のバンドパスミラー５ｒに入出射する光線は紙面に対して手前方向にも傾斜角を有している。また、図９において光源Ｋ２と光源Ｋ１は、図３に示すとおりＸ軸とＹ軸とで区分した４つのゾーンのうちＳ２とＳ１の隣接したゾーンとなる。

ここで注目すべき点は、非有効光Ｐ２ｂの進行方向及び角度である。前記図８で説明したとおり、非有効光Ｐ２ｂの最初に下側からプリズムシートＰＳへ入射する光線と、最後に下側へプリズムシートＰＳから出射する光線は、方向は異なるが角度が同じになることである。この結果プリズムシートＰＳの入射面側から出射された非有効光Ｐ２ｂは隣接する位置に配置されている光源Ｋ１のバンドパスミラー５ｒに当って反射されることにより有効光Ｐ２ａに変換される。すなわち反射された有効光Ｐ２ａは右傾斜の入射光となってプリズムシートＰＳの入射面側から入射され、プリズム列ＰＳ２のプリズム斜面Ｕ２を通過して直上方向に出射される。この非有効光Ｐ２ｂを有効光Ｐ２ａに変換できるのは、非有効光Ｐ２ｂの光路が最初に下側からプリズムシート列ＰＳへ入射する角度と、最後に下側へプリズムシートＰＳから出射する角度が同じになるためである。

また、バンドパスミラー５ｒに当って反射された有効光Ｐ２ａがプリズム列ＰＳ２のプリズム斜面Ｕ２に入射できるのはプリズムのサイズに対し、バンドパスミラーのサイズやプリズム面からバンドパスミラーまでの距離が大幅に違っているためである。すなわちプリズム列のピッチは１μｍ〜１００μｍと微細であるのに対し、バンドパスミラーのサイズやプリズムからの距離は５〜２０ｍｍと２桁程度異なるため、長い距離を進行した光線は平行性や部品組立て精度等の影響により多少の揺らぎをもつことになる。従ってバンドパスミラー５ｒに当って反射された有効光Ｐ４ａは正確にもとの位置に戻るのではなく、多少の揺らぎをもって入射角の広いプリズム斜面Ｕ２に戻っていくことになる。この結果、反射光のほとんどがプリズム斜面Ｕ２を通過して直上方向に出射されることにより、非有効光は有効光に変換される。

次に、上記非有効光Ｐ２ｂを有効光Ｐ２ａに変換する構成を図１０、図１１により説明する。図１０は光源Ｋ２の出射光Ｐ２の非有効光Ｐ２ｂを光源Ｋ１のバンドパスミラー５ｒによって有効光Ｐ２ａに変換する構成を示すプリズムシートと光源の断面図、図１１は光源Ｋ１の出射光Ｐ１の非有効光Ｐ１ｂを光源Ｋ４のバンドパスミラー５ｇによって有効光Ｐ１ａに変換する構成を示すプリズムシートと光源の断面図である。なお、図１０、図１１において太い矢印は所定の面積を有する光線束を示しており、有効光を白塗り矢印で示し、非有効光を斜線矢印で示している。図１０において光源Ｋ２と光源Ｋ１とは図９で説明したとおり隣接位置に配置されており、光源Ｋ２からの出射光Ｐ２は有効光Ｐ２ａと非有効光Ｐ２ｂを含んでいる。そして白塗り矢印で示す有効光Ｐ２ａの光線束はプリズムシートＰＳの多数のプリズム斜面Ｕ１を通過して直上方向に出射され、また斜線矢印で示す非有効光Ｐ２ｂの光線束は多数のプリズム斜面Ｕ２に入射したのち反射、屈折を繰り返してプリズムシートＰＳの出射面側に出射される。

このプリズムシートＰＳの入射側から出射された非有効光Ｐ２ｂの光線束は隣接する位置に配置されている光源Ｋ１のバンドパスミラー５ｒに当って反射されることにより有効光Ｐ２ａの光線束に変換される。すなわち反射された有効光Ｐ２ａの光線束は右傾斜の入射光となってプリズムシートＰＳの下面側から入射され、多数のプリズム斜面Ｕ２を通過して直上方向に出射される。

なお、この変換動作における、バンドパスミラーの役割は以下の通りである。まず光源Ｋ２における、バンドパスミラー５ｇはＧ光の波長領域の光線のみが通過し、他の波長領域の光線を反射するので、光源Ｋ２から発光されるＧ光の出射光Ｐ２はバンドパスミラー５ｇを通過してプリズムシートＰＳに入射する。また光源Ｋ１におけるバンドパスミラー５ｒはＲ光の波長領域の光線のみが通過し、他の波長領域の光線を反射するのでプリズムシートＰＳから入射するＧ光の入射光Ｐ２ｇは反射されてプリズムシートＰＳに再入射することになる。すなわち、バンドパスミラー５は対応する光源からの発光光線を通過させ、他の光源からの発光光線を反射することによって、他の光源からの発光光線の非有効光を有効光に変換する機能を有するものである。

図１１は光源Ｋ１の出射光Ｐ１の非有効光Ｐ１ｂを光源Ｋ２のバンドパスミラー５ｇによって有効光Ｐ１ａに変換する構成を示すプリズムシートと光源の断面図であり、図１０に示す変換構成と逆の関係を示すものである。すなわち、光源Ｋ１から出射される出射光Ｐ１は有効光Ｐ１ａと非有効光Ｐ１ｂを含んでいる。そして白塗り矢印で示す有効光Ｐ１ａの光線束はプリズムシートＰＳの多数のプリズム斜面Ｕ２を通過して直上方向に出射され、また斜線矢印で示す非有効光Ｐ１ｂの光線束は多数のプリズム斜面Ｕ１に入射したのち反射、屈折を繰り返してプリズムシートＰＳの入射面側に出射される。

このプリズムシートＰＳの入射面側から出射された非有効光Ｐ１ｂの光線束は隣接する位置に配置されている光源Ｋ２のバンドパスミラー５ｇに当って反射されることにより有効光Ｐ１ａの光線束に変換される。すなわち反射された有効光Ｐ１ａの光線束は左傾斜の入射光となってプリズムシートＰＳの下面側から入射され、多数のプリズム斜面Ｕ１を通過して直上方向に出射される。

なお、この変換動作における、バンドパスミラーの役割は以下の通りである。まず光源Ｋ１における、バンドパスミラー５ｒはＲ光の波長領域の光線のみが通過し、他の波長領域の光線を反射するので、光源Ｋ１から発光されるＲ光の出射光Ｐ１はバンドパスミラー５ｒを通過してプリズムシートＰＳに入射する。また光源Ｋ２におけるバンドパスミラー５ｇはＧ光の波長領域の光線のみが通過し、他の波長領域の光線を反射するのでプリズムシートＰＳから入射するＲ光の入射光Ｐ１ｂは反射されてプリズムシートＰＳに再入射することになる。

すなわち、光源Ｋ２と光源Ｋ１とは各々のバンドパスミラーによって互いに相手の非有効光を有効光に変換する機能を果たしている。そしてこの２つの変換動作は同時におこなわれているものである。さらに隣接配置された光源Ｋ４と光源Ｋ３も同様の相互交換機能を果たしているので、すべての光源の非有効光は同時に有効光に変換されることになる。

図１２は、図１０に示す光源Ｋ２からの入射光と、プリズムシートＰＳからの反射光の関係をＸ−Ｙ平面で示す平面図である。図１２においてＸ−Ｙ軸に対する４つのゾーンは図２及び図３に示す光源配置に対応しており、Ｐ２はゾーンＳ２の光源Ｋ２からの入射光、Ｐ２ｂはゾーンＳ１へ向う反射光である。光源Ｋ２からの入射光の場合はゾーンＳ３とゾーンＳ４へ向う反射光は存在せず、その光線を点線で示してある。Ｘ−Ｙ平面においてはすべての光線方向はＸ軸から６１．４°の方向であり、光源Ｋ２からの入射光Ｐ２はそのほとんどが直上方向に出射される。そしてその一部分はプリズムシートＰＳで反射屈折されてゾーンＳ１へ向う。

光源からの入射光とプリズムシートからの反射光の関係は、ゾーンＳ１、Ｓ３、Ｓ３の各光源からの発光光線についても同様である。図１３に、各光源からの入射光と、プリズムシートＰＳからの反射光の関係をＸ−Ｙ平面で示す。図１３の（ａ）はゾーンＳ３の光源Ｋ３からの入射光を示し、（ｂ）はゾーンＳ４の光源Ｋ４からの入射光を示し、（ｃ）はゾーンＳ１の光源Ｋ１からの入射光を示し、（ｄ）はゾーンＳ２の光源Ｋ２からの入射光を示すものである。すなわち図１２で説明したように各光源からの入射光に対してプリズムシートＰＳからの反射光の関係は、光源の存在するゾーンに対して隣接するゾーンに反射光が向い、残りのゾーンには反射光が存在しないことは前述の通りである。そして各ゾーンからの入射光に対して反射光の存在しないゾーンは図１３の（ａ）〜（ｄ）に示す通りであり、ゾーンＳ１、Ｓ２の光源Ｋ１、Ｋ２からの入射光に対してはゾーンＳ３、Ｓ４に反射光が存在せず、ゾーンＳ３、Ｓ４の光源Ｋ３、Ｋ４からの入射光に対してはゾーンＳ１、Ｓ２に反射光が存在しないことがわかる。

図１４は図１に示す第１実施例の光源装置１０における光源Ｋ３からの入射光と、プリズムシートＰＳからの反射光の関係をＸ−Ｙ平面で示す平面図である。光源装置１０においてはＲ光、Ｂ光、Ｇ光の各発光光線を混色して出射するものであるが、現在のＬＥＤではＲ・ＬＥＤ、Ｂ・ＬＥＤに比べてＧ・ＬＥＤの発光量が少ないためＧ・ＬＥＤを２個使用し、図１４に示すようにゾーンＳ１にＲ・ＬＥＤ、ゾーンＳ２にＧ・ＬＥＤ、ゾーンＳ３にＧ・ＬＥＤ、ゾーンＳ４にＢ・ＬＥＤを配置している。各ＬＥＤの配置位置は、図１３に示す反射光の方向が考慮されて光源が配置されており、反射光である非有効光の有効光への変換が効率良く実現されている。すなわち光源Ｋ３から発光された入射光Ｐ３の反射光Ｐ３ｂはゾーンＳ４に向うが、ゾーンＳ４には光源Ｋ４が配置されており、この光源Ｋ４に設けられたバンドパスミラー５ｂによって反射され有効光に変換される。反射光Ｐ３ｂを透過させるバンドパスミラー５ｇを設けた光源Ｋ２は、光源Ｋ３の反射光が存在しないゾーンＳ２に配置させることによって反射光である非有効光の有効光への変換効率を高めている。

上記のように同色の発光光源の配置は、互いの反射光が存在しないゾーンに配置すれば良く、この配置の関係はプリズムシートの入射面側に形成されたプリズム列に平行な軸線に対して対向するゾーンに配置されていれば良い。本実施例においては、光源Ｋ２及び光源Ｋ３の光源位置にはともにＧ・ＬＥＤが設けられており、配置関係は図１４に示すとおりＸ軸とＹ軸とで区分した４つのゾーンのうち、Ｘ軸に対して対抗するゾーンであるＳ２とＳ３に分散されて配置されている。すなわち有効光への変換効率を高められる配置関係は、入射面側に形成されたプリズム列ＰＳ１に平行なＸ軸に対して対抗するゾーンに同色の発光光源を分散配置すれば良く、例えば４つのゾーンのうちＳ１またはＳ２に光源が配置した場合は、同色の発光光源をＳ３またはＳ４に配置すれば良いことになる。

なお、本実施例におけるプリズムシートは、プリズム列ＰＳ１の頂角が６０°、プリズム列ＰＳ２の頂角が９０°で、プリズム列ＰＳ１とプリズム列ＰＳ２は直交して交叉しており、プリズム列ＰＳ１側を入射面とし、プリズム列ＰＳ２側を出射面としている。プリズムシートから戻される反射光の割合は、上記プリズムシートの条件及び、プリズムシートの屈折率、プリズムの形状等によって変化する。例えば、本実施例におけるプリズムシートにおいて二つのプリズム列の頂角をともに６０°とすると、直上方向に出射される光線量が増しプリズムシートから戻される反射光の割合を減らすことができる。プリズムシートの構成は、プリズムシートの加工条件や後述する光源装置における光線の広がりなどを考慮し適宜設定すれば良い。

次に本発明の光源装置における光線の広がりについて説明する。図１５はプリズムシートＰＳの下面に入射光Ｐ１及びＰ４が入射した時の光線の広がりを示す側面図である。この光源装置を照明装置とするとＺ軸に平行方向が照明装置の出射光軸であり、Ｚ軸からθ１（６３．１°）傾いた方向が光源Ｋ１、Ｋ４からの入射光軸となる。また水平軸はプリズムシートＰＳのＸ軸から６１．４°回転した軸である。光源Ｋ１から光束幅がＨの入射光Ｐ１をプリズムシートＰＳ１の下面に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、２．２Ｈの幅の光線となって出射される。また、光源Ｋ４からの入射光Ｐ４も、光源Ｋ１の入射光Ｐ１と同様の条件で対称位置から入射され、同様の広がりとなる。

図１６は、図１５に示す光源装置において、プリズムシートＰＳに光源Ｋ１〜Ｋ４の４光源によって４方向から入射光を入射させた時の光線の広がりを示す平面図である。図１６において点線はＸ軸から６１．４°回転した軸である。またＳ１４は光源Ｋ１とＫ４によって構成された照明光、Ｓ２３は光源Ｋ２とＫ３によって構成された照明光であり、各々短軸が入射光の幅Ｈ、長軸が出射光の幅２．２Ｈの楕円形となっている。そしてこの２個の楕円形の照明光Ｓ１４、Ｓ２３は中心点を共通にして重ね合わされ、この結果斜線で示す２個の楕円形の重なり部分が４つの光源Ｋ１〜Ｋ４の合成された照明光Ｓとして利用できる。すなわち４つの光源Ｋ１〜Ｋ４をＲ光、Ｂ光、Ｇ光、Ｇ光にした場合には、照明光Ｓが混色された白色光Ｐｗとして利用できる。

（第２実施例）
次に本発明の第２実施例における光源装置について図１７〜図１９を参照しながら説明する。図１７はプリズムシートＰＳの下面に光源Ｋ１、Ｋ４から入射光Ｐ１及びＰ４が入射した時の光線の広がりを示す側面図であり、第１実施例の光源装置における図１５に対応するものである。従って図１５の光源装置と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１７の光源装置において図１５の光源装置と異なるところは、光源Ｋ１及び光源Ｋ４とプリズムシートＰＳの下面との間の光路中に光学装置として縦と横とで異なる曲率半径を有するレンズを設けたことであり、本実施例においてはアナモフィックレンズ１２が、設けられている。

次に図１７、図１８により光線の広がり状態を説明する。いま光源Ｋ１から図１８（ａ）に示すような直径がＨの円形を有する入射光Ｐ１が放射された場合を考えると、この入射光Ｐ１はアナモフィックレンズ１２を通ることによって、縦と横とで異なる光学変化を受けることにより、入射光Ｐ１は図１８（ｂ）に示すような横方向の長軸がＨで、縦方向の短軸がＨｓの楕円形の光線形状となってプリズムシートＰＳの下面に入射する。この結果、斜め方向から水平面に向けて入射させた入射光Ｐ１は、入射面において光線の縦方向の幅が広がることで光線幅ＨｓがＨに広がり、図１８（ａ）に示す直径がＨの円形を有する光線に復元して出射される。すなわち、入射光Ｐ１をアナモフィックレンズ１２を用いて、予め斜光入射によって広がる分だけ縮めておくことによって、入射光と同一形状の出射光を得るようにしている。

図１９は、図１７に示すアナモフィックレンズ１２を有する光源装置において、プリズムシートＰＳに光源Ｋ１〜Ｋ４の４光源によって４方向から入射光を入射させた時の光線の広がりを示す平面図であり、第１実施例の光源装置における図１６に対応するものである。図１９において図１６と異なるところは、光源Ｋ１とＫ４によって構成された照明光Ｓ１４、光源Ｋ２とＫ３によって構成された照明光Ｓ２３共に直径がＨの円形となるため、重ね合わされた照明光Ｓも直径がＨの円形となる。従って照明光Ｓ１４、Ｓ２３、Ｓはすべて斜線で示す１個の円形となっている。すなわち、第２実施例における光源装置は入射光のすべてを照明光として利用できるため、効率の良い光源装置となる。なお、図１７の光源装置においては図１５に示す第１実施例の光源装置の光路中にアナモフィックレンズ１２を設ける構成を示したが、これに限定されるものではなく、各光源Ｋに設けられている集光レンズ２の替わりにアナモフィックレンズ１２を設けても良い。また、アナモフィックレンズ１２の出射面に反射膜を成膜して、バントパスミラーの機能を持たせても構わない。

（第３実施例）
次に本発明の第３実施例における光源装置について図２０、図２１により説明する。図２０は第３実施例における光源装置の斜視図であり、図１に示す第１実施例の光源装置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２０において２０は光源装置であり、図１の光源装置１０と異なるところは、光源Ｋ３の発光手段としてＧ・ＬＥＤの替わりに白色ＬＥＤ１ｗを配置したことである。

次に白色ＬＥＤ１ｗの構成を説明する。図２１は蛍光体混色型の白色ＬＥＤの断面図である。１ｗは白色ＬＥＤであり、電極３１、３２を有する基板３３にＢ・ＬＥＤ１ｂが接続されており、該Ｂ・ＬＥＤ１ｂをＹＡＧ系の蛍光粒子３５を混入した透明樹脂３６でモールドしている。

上記白色ＬＥＤ１ｗの動作は、前記電極３１、３２に駆動電圧を印加するとＢ・ＬＥＤ１ｂが青色光Ｐｂを発光する。そしてこの青色光Ｐｂが透明樹脂３６に混入された蛍光粒子３５に衝突すると蛍光粒子３５が励起されて波長変換が行われ、蛍光粒子３５から黄色光Ｐｅが発光される。この結果白色ＬＥＤ１ｗからは、前記Ｂ・ＬＥＤ１ｂから発光されて蛍光粒子３５に衝突せずに出力される青色光Ｐｂと、蛍光粒子３５に衝突して波長変換された黄色光Ｐｅとが混合された蛍光系の白色光Ｐｗｙとして発光される。

図２０に示すように、光源装置２０は、光源Ｋ１にはＲ・ＬＥＤ１ｒ、光源Ｋ２にはＧ・ＬＥＤ１ｇ、光源Ｋ３には白色ＬＥＤ１ｗ、光源Ｋ４にはＢ・ＬＥＤ１ｂを配置して混色を行っているため、Ｒ、Ｇ、ＢのＬＥＤによる混色に加えて白色ＬＥＤ１ｗによる蛍光系の白色光Ｐｗｙが混色されることによって演色性が良く明るい光源装置が実現できる。

（第４実施例）
次に本発明の第４実施例における光源装置について図２２により説明する。図２２は本発明の第４実施例における光源装置の斜視図である。図２２において３０は光源装置であり、基本的構成は図１の光源装置１０と同様であり、同一要素には同一番号を付し重複する説明を省略する。光源装置３０において光源装置１０と異なるところは、ゾーンＳ３に配置されていた光源Ｋ３を単なる反射ミラー６に置き換えたことである。すなわち光源装置３０においては光源としてはＲ光の光源Ｋ１、Ｇ光の光源Ｋ２、Ｂ光の光源Ｋ４の３光源を使用し、ゾーンＳ３に配置されている反射ミラー６は単に各光源からの反射光をすべて反射させて、非有効光から有効光への変換機能のみを行うものである。この構成においては光源Ｋ２に設けるＧ・ＬＥＤとしては、駆動電流を大きくして光量を増加させるか、または実装するＧ・ＬＥＤの数を増加させることにより、他のＲ・ＬＥＤやＢ・ＬＥＤとの光量をバランスさせることが望ましい。

また、光源数を２つとしても良い。例えば、Ｒ・ＬＥＤを有する光源Ｋ１とＢ・ＬＥＤを有する光源Ｋ４を配置し、光源が配置されない２ヶ所のゾーンに反射ミラー６を配置すれば、プリズムシートＰＳからの出射光は光源Ｋ１のＲ光と光源Ｋ４のＢ光が混色したカラー光となる。すなわちプリズムシートによって２光源を混色させるとともに、反射ミラーによって非有効光を有効光への変換を行う構成であり、２光源の混色及びミラーによる非有効光の有効光への変換動作は前述した通りである。なお、配置する光源は、目的とするカラー光の色に応じて任意に設定できる。本実施例における光源装置３０は、１枚のプリズムシートで３つまたは２つの光源を効率良く混色させ単色光として利用することができ、可変カラー照明装置等としても利用が期待できる。

（第５実施例）
次に本発明の第５実施例における光源装置の光源について説明する。図２３は本発明の第５実施例の光源装置における光源の断面図である。図２３においてＫは光源であり、ケース３の内部にＬＥＤ１、２個のレンズ２ａ、２ｂが組み込まれ、第２レンズ２ｂの出射面にバンドパスミラー５の被膜が形成されている。すなわち本実施例における光源Ｋは、２個の集光レンズを用いてＬＥＤ１の発光を平行光線化するとともに、第２レンズ２ｂの出射面にバンドパスミラー５を被膜形成することによってバンドパスミラー５の一体化を行っており、さらに第２レンズ２ｂの出射面を凹レンズとすることにより反射光の集光性も良くしている。

なお、バンドパスミラー５を被膜形成する第２レンズ２ｂの出射面は、凹レンズ（凹面鏡）に限らず凸レンズ（凸面鏡）や平面レンズでも良いが、それぞれ発光源であるＬＥＤの発光状態や反射光の状態によって適宜決めることが望ましい。すなわち、ＬＥＤが多面発光のように広がりを有する光源の場合には、反射光を絞る機能を有する凹レンズが良く、ＬＥＤが中心に強度を有する点発光の場合は、反射光を広げる機能を有する凸レンズが望ましい。

（第６実施例）
次に本発明の光源装置をバックライトとする液晶表示装置の構成を説明する。図２４は本発明の光源装置をバックライトとする液晶表示装置を模式的に示す断面図であり、１０は図１に示す本発明の光源装置で、４個のバンドパスミラー５ｒ、５ｇ、５ｂ、５ｇが内蔵されている。７は液晶表示素子であり、上偏光板１１、下偏光板１２を備えている。８は液晶表示素子７と光源装置１０の間に配置された反射型偏光変換素子、９は反射型偏光変換素子８と光源装置１０に備えられたバンドパスミラー５との間に配置された位相差板である。そして前記液晶表示素子７、反射型偏光変換素子８、位相差板９によって液晶表示装置が構成され、光源装置１０がバックライトを構成している。なお、光源装置は上記のいずれの光源装置でもかまわない。

次に、本発明の液晶表示装置における照明光の作用について説明する。図２４において格子模様で示すＰｗは光源装置１０からの出射光、斜線で示すＰｐは反射型偏光変換素子８を透過する光線（例えばＰ波光線）、梨地模様で示すＰｓは反射型偏光変換素子８で反射される光線（例えばＳ波光線）である。まず光源装置１０から出射された出射光Ｐｗは位相差板９を透過して反射型偏光変換素子８に向かう。そして反射型偏光変換素子８では出射光ＰｗのうちのＰ波光線Ｐｐは反射型偏光変換素子８を通過して液晶表示素子７を照明する。しかしＳ波光線Ｐｓは反射型偏光変換素子８で反射されて位相差板９を透過し光源装置１０に戻る。

この光源装置１０に逆入射されたＳ波光線Ｐｓは、光源装置１０から見ると直上方向からの入射光となる。光源装置１０は合成された光線が直上方向に出射するようになっているため、直上方向からの入射光は出射時とは逆の光路を通過する。直上方向からの入射光は、まずプリズム列ＰＳ２に入射するが、入射光には傾きが無いため均等に二分割されプリズム列ＰＳ１に向かう。プリズム列ＰＳ１に到達する光線は傾きを有しているが、プリズム列ＰＳ１と直交する方向の傾きになるためプリズム列ＰＳ１においても光線は均等に二分割される。すなわち直上方向からの光源装置１０に逆入射されたＳ波光線Ｐｓは、プリズムシートの２つのプリズム列によって均等に４分割される。４つに分離した光線は出射時とは逆の光路を通過するためそれぞれ４個の光源方向に向い、４個のバンドパスミラー５ｒ、５ｇ、５ｂ、５ｇにより反射されて再び光源装置１０から出射される。この再出射されたＳ波光線Ｐｓは位相差板９を通過することによってＰ波光線Ｐｐに変換され、今度は反射型偏光変換素子８を通過して液晶表示素子７を照明する。なお、本実施例における位相差板９のレタデーションは位相差板を２回通過することによってＳ波光線がＰ波光線に変換されるように設定されている。

図２５に反射型偏光変換素子８で反射されて光源装置１０に逆入射される光線の状態を示す。図２５は１例としてゾーンＳ１の光源Ｋ１から発光されたＲ光の成分を有する逆入射光線の状態を示しており、逆入射された光線は４等分され４個のバンドパスミラー５ｒ、５ｇ、５ｂ、５ｇに向う。そしてＲ光の成分を有する光線は斜線矢印で示すように、バンドパスミラー５ｇ、５ｂによって反射され再利用される。Ｒ光の成分を有する光線は発光元のバンドパスミラー５ｒは透過するため反射が行われないが、バンドパスミラー５ｒを透過した光線は細線矢印で示すように、その一部の光線は反射率が高いＬＥＤ素子の実装面に当って反射し再利用される。

上記のとおり、本発明の光源装置と液晶表示素子の組み合わせにおいてはバックライトの光路中に拡散性を高める部材を使用していないため、位相差板を組み合わせることによって反射型偏光変換素子のリサイクルを効率よく行うことを可能とするものである。また、本実施例においては液晶表示素子７と光源装置１０の間に位相差板９を配置しているが、光源装置を構成するプリズムシートに所望のレタデーションとなる複屈折特性を有するプリズムシートを用いることにより、この位相差板９を省略することができ、さらに薄型で低価格のバックライトを実現することが可能となる。

上記のとおり、本発明によれば、１枚の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及び混色することができるため、価格が安く小型薄型で、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等に利用することができ、表示装置用のバックライト等に利用することにより、光の利用効率の高い表示装置を実現できる。

本発明の第１実施例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の構成を示す、上面図及び側面図である。 図２に示すプリズムシートと複数の光源の関係を示す平面図である。 図２に示すプリズム列ＰＳ２の部分拡大図である。 図２に示すプリズム列ＰＳ１の部分拡大図である。 図２に示すプリズムシートにおける入射光の通過光路を示す上面図及び側面図である。 図２に示すプリズムシートにおける入射光の通過光路を模擬的に示す斜視図である。 図２に示すプリズム列ＰＳ２の部分拡大図であり、有効光と非有効光の状態を示す。 図２に示すプリズムシートの部分拡大図であり、有効光と非有効光の状態を示す。 光源Ｋ２の出射光の非有効光を光源Ｋ１のバンドパスミラーによって有効光に変換する構成を示すプリズムシートと光源の部分断面図である。 光源Ｋ１の出射光の非有効光を光源Ｋ２のバンドパスミラーによって有効光に変換する構成を示すプリズムシートと光源の部分断面図である。 光源Ｋ２からの入射光と、プリズムシートからの反射光の関係をＸ−Ｙ平面で示す平面図である。 各光源からの入射光と、プリズムシートからの反射光の関係をＸ−Ｙ平面で示す平面図である。 光源Ｋ３からの入射光と、プリズムシートからの反射光の関係をＸ−Ｙ平面で示す平面図である。 本発明のプリズムシートに入射光が斜光入射した時の光線の広がりを示す側面図である。 図１５に示すプリズムシートに４光源から入射した光線の平面図である。 本発明の第２実施例における光源装置のプリズムシートに入射光が斜光入射した時の光線の広がりを示す側面図である。 図１７に示すプリズムシートへの入射光の平面図である。 図１７に示すプリズムシートに４光源から入射した光線の平面図である。 本発明の第３実施例における光源装置の外観斜視図である。 図２０に示す白色ＬＥＤの断面図である。 本発明の第４実施例における光源装置の斜視図である。 本発明の第５実施例における光源装置の斜視図である。 本発明の光源装置をバックライトとする液晶表示装置を模式的に示す断面図である。 図２４に示す反射型偏光変換素子８で反射されて光源装置１０に逆入射される光線の状態を示す平面図である。 従来のカラー投影機の構成図である。 図２８に示すリニアプリズム板の部分断面図である。

符号の説明

１ ＬＥＤ
１ｒ 赤色ＬＥＤ
１ｂ 青色ＬＥＤ
１ｇ 緑色ＬＥＤ
１ｗ 白色ＬＥＤ
２、２ａ、２ｂ 集光レンズ
３ ケース
５、５ｒ、５ｇ、５ｂ バンドパスミラー
６ 反射ミラー
７ 液晶表示素子
８ 反射型偏光変換素子
９ 位相差板
１０、２０、３０ 光源装置
１２ アナモフィックレンズ
１３ 上偏光板
１４ 下偏光板
ＰＳ プリズムシート
ＰＳ１、ＰＳ２ プリズム列
Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３、Ｋ４ 光源
Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４ 入射光
Ｌ１、Ｌ２、Ｕ１、Ｕ２ プリズム斜面
Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４ ゾーン
Ｐｏ 集光点
Ｓ、Ｓ１４、Ｓ２３ 照明光
３１、３２ 電極
３３ 基板
３５ 蛍光粒子
３６ 透明樹脂
Ｐｂ 青色光
Ｐｅ 黄色光
Ｐｗｙ、Ｐｗ 白色光

Claims (18)

1. 発光波長の異なる複数の光源と、両面に複数の微細なプリズム列が形成され、該プリズム列が所定の角度で交叉するプリズムシートとを備え、該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プリズムシートの出射面側より混色させた出射光として出力する光源装置であって、前記各光源とプリズムシートの間に、対応する光源から出射された波長領域の光線を透過し、他の波長領域の光線を反射するバンドパスミラーが設けられていることを特徴とする光源装置。
2. 前記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光源からの入射光は、前記プリズムシートの、一のプリズム斜面又は他のプリズム斜面に入射され、一のプリズム斜面に入射した光線は屈折して前記プリズムシートの出射面から出射され、他のプリズム斜面に入射した光線は反射されて前記バンドパスミラーに向い、前記バントパスミラーによって反射されて前記プリズムシートの入射面に入射され、前記プリズムシートの出射面から出射されることを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
3. 前記各光源は、前記プリズムシートにおける両面に形成された各プリズム列の交叉によって形成される４つのゾーンに分散されて配置されていることを特徴とする請求項１または２項に記載の光源装置。
4. 前記各光源の入射光は、前記プリズムシートにおける所定の集光点に向かって入射することを特徴とする請求項１乃至３項の何れか１項に記載の光源装置。
5. 前記各光源は、前記プリズムシートにおける所定の集光点に対して、点対称に配置されていることを特徴とする請求項４に記載の光源装置。
6. 前記各光源は、前記プリズムシートにおける所定の集光点を通る軸線に対して、線対称に配置されていることを特徴とする請求項４に記載の光源装置。
7. 前記複数の光源における発光面の前方には、各々集光用のレンズを備えたことを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項に記載の光源装置。
8. 前記レンズは縦と横とで異なる曲率半径を有するレンズであることを特徴とする請求項７に記載の光源装置。
9. 前記バンドパスミラーは、前記レンズの出射面に形成された反射膜であることを特徴とする請求項７または８に記載の光源装置。
10. 前記反射膜を形成したレンズの出射面が曲面であることを特徴とする請求項９に記載の光源装置。
11. 前記複数の光源は赤色、緑色、青色のＬＥＤ光源を含むことを特徴とする請求項１乃至１０の何れか１項に記載の光源装置。
12. 前記プリズムシートの入射面側における３ヶ所に、赤色、緑色、青色のＬＥＤ光源が配置され、１ヶ所に緑色のＬＥＤ光源が配置されていることを特徴とする請求項１１に記載の光源装置。
13. 前記プリズムシートの入射面側における３ヶ所に、赤色、緑色、青色のＬＥＤ光源が配置され、１ヶ所に白色のＬＥＤ光源が配置されていることを特徴とする請求項１１に記載の光源装置。
14. 前記プリズムシートの入射面側における２ヶ所に同じ発光波長のＬＥＤ光源が配置され、前記２個のＬＥＤ光源が、前記プリズムシートの入射面側に形成されたプリズム列に平行な軸線に対して対向するゾーンに分散されて配置されていることを特徴とする請求項１乃至１３の何れか１項に記載の光源装置。
15. 前記プリズムシートの入射面側における光源配置位置の少なくとも１ヶ所に反射ミラーが配置されていることを特徴とする請求項１乃至１４の何れか１項に記載の光源装置。
16. 請求項１乃至１５の何れか１項に記載の光源装置を液晶セルのバックライトとして備えた液晶表示装置であって、前記液晶セルと光源装置との間には反射型偏光変換素子を設けられていることを特徴とする液晶表示装置。
17. 前記プリズムシートが複屈折特性を有することを特徴とする請求項１６記載の液晶表示装置。
18. 前記反射型偏光変換素子と前記バンドパスミラーとの間に位相差板を配置したことを特徴とする請求項１６記載の液晶表示装置。
    

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