JP2009058594A - 照明装置および画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光の利用効率に優れ、簡単な構成で小型化等が図れる照明装置、およびこの照明装置を備えた投射型表示装置を提供する。
【解決手段】発光波長の異なる複数の発光素子を色別に選択して発光させる半導体発光デバイスからなる光源と、前記光源からの発光光に対し透明な部材からなり、前記光源の面積と同等以上の面積を持つ第一の面と、前記第一の面よりも大きい面積を持ち前記第一の面に対向する第二の面とを有するロッドレンズが配列したロッドレンズアレイと、前記の各ロッドレンズの前記第二の面側に各ロッドレンズからの出射光をカップリングする光路合成プリズムが配列した光路合成プリズムアレイとで構成された照明装置であり、前記光源は、前記ロッドレンズアレイの各ロッドレンズの前記第一の面側に配置され、前記光路合成プリズムアレイの光路合成膜の透過回数が多いほど前記光源の波長光が長くなるように配置されていることを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、画像表示装置に使用される照明装置、および、その照明装置を備えた小型、軽量、薄型の携帯電話、携帯ゲーム機、デジタルカメラ、電子手帳、電子書籍、ノートパソコンなどの携帯機器あるいは小型機器に内蔵できる投射型表示装置などの画像表示装置に関する。

従来から、液晶製の光変調素子などのライトバルブにより、映像光を合成し、合成された映像光を投射レンズからなる投射光学系を通してスクリーンに拡大投射する投射型表示装置が知られている。
図１３は、特許文献１の図６に示されている従来の投射型画像表示装置である。この投射型画像表示装置では、光源１１０から出射された光をダイクロイックミラー１１３、１１４により３色の光に分離され、各色の光を３つの液晶ライトバルブ（光変調装置）１２２、１２３、１２４を用いてそれぞれ変調した後、ダイクロイックプリズム１２５により再度合成し、投射光学系１２６でスクリーン１２７上に投射するように構成されている。図中、１１１は発光素子、１１２はカバーである。
そのため、多数の光学部品が必要であり、装置の小型化、軽量化、薄型化を図るのが困難であった。

この問題を解決するため、特許文献１に記載の発明は、赤色Ｒ、緑色Ｇ、青色Ｂの各色の光をそれぞれ発光する発光ダイオードやエレクトロルミネッセンス等の発光素子から構成された各光源から出射された色別の光は、各光源に対応して設けられたレンズにより集光された後、４つの直角プリズムが貼り合わされた導光手段によりロッドレンズに導かれ、このロッドレンズから出射される各色光を変調して画像を合成する１個の液晶ライトバルブ（光変調装置）と、この液晶ライトバルブによって合成された画像をスクリーンに拡大投射する投射レンズとから構成される投射型表示装置が開示されている（特許文献１の図１およびその説明の部分）。

また、特許文献２には、赤色光（Ｒ）、緑色光（Ｇ）、青色光（Ｂ）をそれぞれ出射することが可能な３つの光源と、各光源から出射された各色光の照度を均一化、低分散角化するための傾斜ロッドインテグレータと、その傾斜ロッドインテグレータにより低分散角化された各色光を合成（光路合成）するためのダイクロイックキューブ（ダイクロイックプリズム）と、偏光ビームスプリッタとからなる照明光学系が開示されている。

前記した特許文献１および２には、光路合成のために用いられるプリズム（ダイクロイックキューブや偏光ビームスプリッタなど）同士の接着や、前記プリズムと他の光学素子（ロッドインテグレータ）との接着、また、それらの光学素子と保持部材との接着に関し開示はなく、また光学素子と屈折率の近いまたは屈折率の大きい接着剤を用いると、光が放逸し、光利用効率が低下するという問題点がある。

加えて特許文献２に記載の発明では、赤色光がダイクロイック膜で反射する構成が採られている。異なる波長の光線の光路合成／分離に用いられるダイクロイック膜の分光特性は入射角度依存性を持っている。その入射角依存性は長波長の光線のほうが、入射角度依存性が大きいのが一般的であり、角度のついた光線は本来透過してほしい光線までが反射してしまい、光利用効率低下が低下するという問題点がある。

特開２００２−１８９２６３公報 特開２００６−３３７５９５公報

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、光の利用効率に優れ、簡単な構成で小型化、薄型化、軽量化が図れる照明装置、およびこの照明装置を備えた小型、薄型、軽量の投射型画像表示装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、請求項１に記載の照明装置の発明は、発光波長の異なる複数の発光素子を色別に選択して発光させる半導体発光デバイスからなる光源と、
前記光源からの発光光に対し透明な部材からなり、前記光源の面積と同等以上の面積を持つ第一の面と、前記第一の面よりも大きい面積を持ち前記第一の面に対向する第二の面とを有するロッドレンズが配列したロッドレンズアレイと、
前記ロッドレンズアレイの各ロッドレンズの前記第二の面側に各ロッドレンズからの出射光をカップリングする光路合成プリズムが配列した光路合成プリズムアレイとで構成された照明装置であり、
前記光源は、前記ロッドレンズアレイの各ロッドレンズの前記第一の面側に配置され、前記光路合成プリズムアレイの光路合成膜の透過回数が多いほど前記光源の波長光が長くなるように配置されていることを特徴とする。
また請求項２に記載の照明装置の発明は、請求項１において、前記プリズムアレイは、少なくとも１個の全反射プリズムを有することを特徴とする。
また請求項３に記載の照明装置の発明は、請求項１または２において、前記プリズムアレイは、下記式（１）を満たす屈折率ｎの接着剤で接着されていることを特徴とする。
ｎ≦ｎp・sinθ ・・・（１）
ｎp：プリズムの屈折率
θ：θ= sin^-1 (sinα/ｎp)
α：ライトバルブの最大光線取込角
また請求項４に記載の照明装置の発明は、請求項３において、前記ロッドレンズアレイおよび前記プリズムアレイは、前記式（１）を満たす屈折率ｎの接着剤で支持部材と接着されていることを特徴とする。
また請求項５に記載の照明装置の発明は、請求項１乃至請求項４のいずれか１項において、前記光源と前記ロッドレンズの間が前記光源からの光に対して透明な部材で充填されているかまたは透明な部材により接着されていることを特徴とする。
また請求項６に記載の照明装置の発明は、請求項１乃至請求項５のいずれか１項において、前記ロッドレンズの第一の面と第二の面を繋ぐロッドレンズの側面は、前記光源からの発光光を略反射することを特徴とする。
また請求項７に記載の照明装置の発明は、請求項１乃至請求項６のいずれか１項において、前記ロッドレンズアレイの第二面側に偏光子を配設したことを特徴とする。
また請求項８に記載の照明装置の発明は、請求項７において、前記偏光子が反射型偏光子であることを特徴とする。
また請求項９に記載の照明装置の発明は、請求項８において、前記偏光子が前記ロッドレンズアレイの前記第二の面上に形成されていることを特徴とする。
また請求項１０に記載の照明装置の発明は、請求項１乃至請求項９のいずれか１項において、前記ロッドレンズアレイの各ロッドレンズが一体に成型されていることを特徴とする。
また請求項１１に記載の照明装置の発明は、請求項１乃至請求項１０のいずれか１項において、前記光源が一つの基板に配置されていることを特徴とする。
また請求項１２に記載の照明装置の発明は、請求項１乃至請求項１１のいずれか１項において、同一色を発光する光源の同一電極が結線されていることを特徴とする。
また請求項１３に記載の照明装置の発明は、請求項１乃至請求項１３のいずれか１項において、前記ロッドレンズアレイの各ロッドレンズの第一の面と第二の面を繋ぐ面である側面が、曲面であることを特徴とする。
また請求項１４に記載の画像表示装置の発明は、請求項１乃至請求項１３のいずれか１項に記載の照明装置と、該照明装置からの出射光を画像情報に応じて変調する光変調手段とを備えたことを特徴とする。
また請求項１５に記載の画像表示装置の発明は、請求項１乃至請求項１３のいずれか１項に記載の照明装置と、該照明装置からの出射光を画像情報に応じて変調する光変調手段と、前記変調された光を拡大投影するレンズとを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、複数の色光を発光する半導体発光デバイスから構成されている光源の各色光に対応する発光デバイスを、配光特性を変更するための各ロッドレンズの第一面側に配置し、各ロッドレンズからの出射光を光路合成プリズムアレイに入射させ光路を合成する場合に、プリズムアレイの複数の光路合成膜を透過する回数が多い順に長波長の色光を発光する光源を配置することにより、光路合成膜の角度特性による光損失を低減し、光利用効率の高い照明装置を提供することができる。

本発明者らは、所望の照明装置及び画像表示装置を作成するために、従来より使用されているダイクロイック膜の角度依存性について検討を行った。なお本発明で使用されるダイクロイック膜は、公知の材料を用い、真空蒸着など公知の方法に従って例えばガラス面上にたとえば多層に形成して作成することができる。

図１（Ａ）は、横軸が波長（ｎｍ）を表し、縦軸が膜の反射率（％）であり、青色の光線を反射し、緑色、赤色の光線を透過するダイクロイック膜の角度依存性を示す。また図１（Ｂ）は赤色の光線を反射し、緑色、青色の光線を透過するダイクロイック膜の角度依存性を示す。図中の３つの矢印は、右から順にＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の３色（光の３原色）のＬＥＤ：Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅのスペクトル範囲を示す（以下、赤色光をＲ、緑色光をＧ、青色光をＢと記載することがある。）。図に示すように、赤色光を反射する膜（図１（Ｂ））のほうが、青色光を反射する膜（図１（Ａ））よりも入射角度に対する膜特性の変化量が大きい。具体的には、図１（Ｂ）の膜では、本来透過してほしい緑色領域の光線のうち、波長λ＝５６０ｎｍで入射角が＋１２度に相当する角度のついた光線は反射してしまうことになり、即ち、膜の角度特性による光損失が大きく光利用効率が低下する。このように、前記背景技術の項で議論した特許文献２に記載の発明では、波長の短い青色光では２回透過した後にライトバルブに入射するなど、波長の短い光ほどダイクロイックミラーを透過する回数が多い構成となっていると言える。なお本発明で使用されるダイクロイック膜は、公知の材料を用い、真空蒸着など公知の方法に従って例えばガラス面上にたとえば多層に形成して作成することができる。また市販のダイクロイックフィルタなどを用いることもできる（事務所の希望に添って加えました。）。

これに対して、本発明は、波長の長い光ほど光路合成膜を透過する回数を多くすることにより、即ち、（１）青色光は青色の光線を反射し、緑色及び赤色の光線を透過するダイクロイック膜（便宜上、この膜を「ダイクロイック膜４５」という）で反射させて出射し、（２）緑色光は緑色の光線を反射し、赤色の光線を透過するダイクロイック膜（便宜上、この膜を「ダイクロイック膜４４」という）で反射させ、この反射光を前記ダイクロイック膜４５を透過させて出射し、また、（３）赤色光は前記ダイクロイック膜４５及び４４を透過させて出射し、光利用効率を挙げることができる構成としている。

以下、図面を参照して、本発明の照明装置および投射型表示装置を実施形態により、詳細に説明する。
本発明の照明装置は、発光波長の異なる複数の発光素子を選択して発光させる半導体発光デバイスから構成されている光源を有する。前記光源としては、図２（Ａ）に示すように、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）をそれぞれ個別に発光するＬＥＤ（Ｒ用ＬＥＤ、Ｇ用ＬＥＤおよびＢ用ＬＥＤ）２３〜２５を各色別に少なくとも１個ずつ含むＬＥＤアレイを用いることができる。
Ｒ、Ｇ、Ｂの各色光の高出力ＬＥＤを、たとえば図２（Ｂ）に示すように、一直線状に配列して、小型投射型表示装置に好適な、Ｒ、Ｇ、Ｂの色毎の光を、たとえば時間順に出射する光源を得ることができる。

また本発明の照明装置は、前記光源に対し透明な部材からなり光源からの光を均一にライトバルブを照らすようにする均一照明手段を有する。このような均一照明手段としては、図３（ａ）又は（ｂ）に示すように、光源の面積と同等以上（同等かそれ以上）の面積を有する第一の面３１と、前記第一の面３１よりも大きい面積を有しかつ第一の面３１に対向する第二の面３２とを有し、これら第一の面３１から入射し、第二の面３２から出射する図３（ａ）又は（ｂ）に示すロッドレンズ３，３´を有している。好ましくは前記ＬＥＤアレイの各発光面からの光線を効率よくカップリングできるように配列させた前記ＬＥＤアレイに一体化されて形成された図４に示すようなロッドレンズアレイを各発光色毎に有する図２（Ａ）の２に示すようなロッドレンズアレイ光源であることが望ましい。また、図２（Ａ）に示すように、本発明の照明装置は、前記ロッドレンズアレイの各ロッドレンズ３の第二の面３２側に、前記各ロッドレンズ３からの出射光をカップリングし各色光の光路を合成する光路合成プリズム４１〜４７が配列した光路合成プリズムアレイ４を有する。

ここで、前記した発光デバイス（半導体発光デバイス）から構成されている光源は、ロッドレンズアレイ３の各ロッドレンズの第一の面３１側に配置されており、光路合成プリズムアレイ４の複数の光路合成膜を透過する回数が多い方に、長波長側に発光する光源が配置されている。すなわち、図２（Ａ）において、２５は波長の短いＢ用ＬＥＤが、２４には次いで波長の長いＧ用ＬＥＤが、２３には波長の長いＲ用ＬＥＤが設置される。

また、本発明の画像表示装置は、前記の照明装置と、光路合成手段から時間順に出射される各光の出射タイミングに同期して時間分割駆動され、投射される画像情報に応じて変調されるライトバルブ５からなる光変調手段と、更に好ましくは、前記光変調手段によって変調された光を拡大投影する投射手段６と、拡大された画像を表示するスクリーン７とを有して構成されている。

ここで、本発明の照明装置に用いる均一照明手段として、フライアイインテグレータを用いた場合、フライアイインテグレータを構成する２つのフライアイレンズ間、フライアイインテグレータとライトバルブとの間に空間が必要であり、これが装置の小型化、薄型化の障害となる（なおフライアイインテグレータはライトバルブの前に設置され、プリズムアレイは存在している。この場合プリズムアレイは光源とフライアイインテグレータとの間あるいはフライアイインテグレータとライトバルブの間に配置されている）。それに比べて、本発明の照明装置では、図２（Ａ）に示すように、複数のロッドレンズが直線状に配列されたロッドレンズアレイを採用している場合、フライアイインテグレータと照度均一化の原理が異なって、入射光がロッドレンズ内で内面反射を繰り返して出射端面３２側で照度が均一化された光が照射されることになる。よって、フライアイインテグレータを用いた場合のようなフライインテグレータと他の素子およびフライインテグレータ間の空間を作る必要はなく、光源と後段のライトバルブ等と密着させて配置することができ、小型化、薄型化を推進する点で、フライアイインテグレータを用いるより、より有利となる。

また、プリズムアレイは、少なくとも１個の全反射プリズムを有する構成を採用することにより、本発明では、光路合成膜の角度特性による光損失が最も大きい長波長の光に対する反射膜を不要とでき、これによって、光路合成膜の角度特性による光損失を低減でき、また光利用効率の高い照明装置とすることができる。
さらに、プリズムアレイのプリズムどうし、およびプリズムアレイとその支持部材、ロッドレンズとその支持部材は、以下の式（１）を満たす屈折率ｎの接着剤で接着されていることが望ましい。これにより、複数のプリズムを一体とするとともに、ライトバルブで取り込み可能な角度を有する光線に対し、その角度を保ったままプリズム内を伝播させることができ、光損失を低減し、光利用効率の高い照明装置を提供することができる。

ｎ≦ｎp・sinθ ・・・（１）
ｎp：プリズムの硝材屈折率
θ：θ= sin^-1 (sinα/ｎp)
α：ライトバルブの最大光線取込角

さらに、図４に示すように、本発明の照明装置に使用される光源では図３（Ａ）に示すように、その発光面とロッドレンズとが、前記光源からの光に対して透明な部材を充填しているかまたは透明な部材によって接着されていることが望ましい。それにより、ＬＥＤチップと空気との界面を無くし、界面での全反射を抑制してＬＥＤチップからの光の取り出し効率を向上させることができる。

ロッドレンズ３０は、図３に示すように、その第一の面３１と第二の面３２とを繋ぐ面のロッドレンズ側面３４に、前記光源からの光を反射する膜、回折格子、光の波長以下の微細構造などが形成されていることにより、ロッドレンズ側面３４に小さい入射角で入射した光線をロッドレンズ側面から漏れないようにロッドレンズ内にとどめ第二の面３２に向かうようにして光利用効率を向上させることができる。
また、ロッドレンズアレイの第二の面３２側に偏光子を配設して偏光を揃え、液晶のライトバルブによるプロジェクター用照明光学系に適用することができる。なお偏光子を配設する位置は第二の面上でも、プリズムアレイの入射面でもあるいはロッドレンズとプリズムアレイとの間のいずれかであってもよい。

さらに、ロッドレンズアレイの第二の面３２側に配設された偏光子を、反射型偏光子とすることにより、偏光子を通過しなかった光線を再びロッドレンズに戻し、ＬＥＤ方向に伝播させ、ＬＥＤの発光面を表面（おもて面）とするとそのＬＥＤの発光面の裏側のＬＥＤ裏面）に形成された反射構造で反射し、再度ロッドレンズの出射面方向（ＬＥＤから見て第二の面の方向）に伝播させて再利用することができ、光利用効率を向上させることができる。さらに、前記偏光子が、前記ロッドレンズアレイの第二の面上に直接形成されていることが望ましい。

また、ロッドレンズアレイの各ロッドレンズ３０が一体に成型されて形成されることにより、組み付け工数を低減し、生産性を高め低コスト化することができる。
また、光源が一つの基板に配設されていることが望ましく、同一色を発光する光源の同一電極として結線されていることが配線の簡略化のため、望ましい。
また、ロッドレンズアレイの第一の面と第二の面を曲面にすることにより、発散角の大きな光線も全反射条件を満足させることができ、ロッドレンズの側面に反射膜、回折格子または波長以下の微細構造などを形成せずに光利用効率を向上させることができる。また、ロッドレンズからの出射角度をより狭くすることができる。

以下、本発明の照明装置を用いた画像表示装置について、実施例により、さらに説明する。

〔実施例１〕
まず第１の実施例を、図２〜図７を参照して説明する。本実施例では、液晶パネルを用いＲ、Ｇ、Ｂを順番に点灯させて残像により人の頭の中でカラー画像としてカラー合成する方法である色順次駆動方式の投射型カラー表示装置の例を示す。
図２（Ａ）は投射型表示装置の全体構成を示す概略図であって、図中符号２はＬＥＤアレイ（光源）、３はロッドレンズアレイ（均一化／光線角度変換手段）、４は光路合成プリズムアレイ（光路合成手段）、５は透過型液晶ライトバルブ（光変調手段）、６は投射レンズ（投射手段）、７はスクリーンである。一点鎖線は光学系の光軸をあらわす。なお本発明の照明装置は、光源のＬＥＤアレイ２と、均一化／光線角度変換手段であるロッドレンズアレイ３と、光路合成手段である光路合成プリズムアレイ４とからなる。

ロッドレンズアレイ３の各ロッドレンズ３０にカップリングされるＬＥＤはそれぞれ１色であるが、チップ（発光部：同色のＬＥＤ）の数は１個に限定されない。しかし、効率よくライトバルブの光線取り込み角度以内にＬＥＤからの出射光の光線角度を変換するために、ライトバルブの面積に対する発光部の面積の比率が小さいほうがよい。具体的には、対角0.2インチ（縦×横：３ｍｍ×４ｍｍ）のライトバルブに対し、１辺が１ｍｍの正方形のＬＥＤチップを各色１個ずつ１次元状（直線状）に４．４ｍｍ間隔で配列してＲＧＢ光源２３〜２５を形成する。

ＬＥＤアレイ２中の３個のＬＥＤは、１つの基板２１上に設置されており、図示せぬ光源駆動回路（光源駆動手段）に接続され、この光源駆動回路によって各ＬＥＤ２３〜２５の発光タイミングが制御され、各ＬＥＤ２３〜２５から、例えばＲ、Ｇ、Ｂ、Ｒ、Ｇ、Ｂ、…と、時間順に各色光を発光可能な構成となっている。このとき、各ＬＥＤの共通化できる端子は基板２１上で結線して配線を簡略化することができる。

赤色ＬＥＤ（Ｒ用ＬＥＤ）２３、緑色ＬＥＤ（Ｇ用ＬＥＤ）２４および青色ＬＥＤ（Ｂ用ＬＥＤ）２５は、それぞれ出射される各色光の照度均一化および光線角度変換のためのロッドレンズと一対一で結合されている。
ロッドレンズ単体の形状を図３に示す。ロッドレンズの形状は、ＬＥＤ側の第一の面３１がＬＥＤの発光面とほぼ同等の面積であり、その面に対向し光線を出射する第二の面３２は第一の面より面積が大きくなっている。ＬＥＤから出射された光線は、ロッドレンズにカップリングされ、ロッドレンズの第一の面と第二の面を繋ぐ面（側面）３４方向に進んだ光は側面３４でたとえば複数回反射されて照度の均一化と光線角度の変換が行われる。具体的には、第一の面がＬＥＤと同形状の１辺１ｍｍの正方形で、第二の面が４ｍｍ×４．４ｍｍの長方形であり、第二の面が曲率半径Ｒ＝３．２９ｍｍのレンズ形状をなしているとする。第一の面と第二の面の頂点までの距離を６ｍｍとして、出射光の照度の均一化がなされ、効率よく角度変換もなされる。

このとき、第一の面（入射端面３１）および第二の面（出射端面３２）を繋ぐ面、つまりロッドレンズの側面３４に光源光の波長の光線を反射する反射膜、回折格子または前記した波長より短い微細構造を形成することにより、光源からの出射光の光利用効率を向上させることができる。また、図６に示すように、側面３４を適当な曲面（連続曲面）にすることにより、光軸に対し大きい角度で出射した光線に対して側面３４が全反射条件を満たすようにし、反射膜または反射構造が無いとロッドレンズの側面などから反射ロス、回折ロスなどにより２次光などの高次の光が散逸するロスを低減でき、光利用効率を向上させることができる。また、ロッドレンズ３０の側面３４を曲面にすることにより、出射光の発散角を所望の角度にすることができるため、狭く抑えることもできる。

ロッドレンズ３０の入射端面３１は平面でなくてもよく、図４に示すように曲面、例えば半球状の曲面であってもよい。このとき、光源からの光に対して光学的に透明な媒質３３によりＬＥＤとロッドレンズの間を充填するかこのような接着剤により接着して、ＬＥＤチップ内での全反射が抑制され、ＬＥＤチップからの光の取り出し効率を改善することができる。
透明媒質３３は接着剤そのものでもよく、また、シリコーン樹脂などの光や熱による劣化の少ない透明媒体を充填することにより、長時間使用しても媒体の劣化が少ないことによる透過率の低下を抑制することができる。また、ロッドレンズアレイは各色ごとに単体で構成されていても良いが、樹脂またはガラスにより一体に成型されていることが望ましい。

図２に示すように、ロッドレンズアレイ３０から出射したＬＥＤからの光線は、光路合成プリズムアレイ４にカップリングされる。光路合成プリズムアレイ４は１個の直角プリズム４１と、２個の直角プリズムの接合面にダイクロイック膜４４、４５を蒸着した２個のキューブ状のプリズム４２、４３とからなる３個のプリズムから構成されている。赤色のＬＥＤ２３から出射された光線は、直角プリズム４１にカップリングされ直角プリズムの斜面４６で全反射される。直角プリズム４６は、赤色のＬＥＤ光に対し全反射プリズムとして機能する。全反射した赤色の光線は連結された２個のキューブ状のダイクロイックプリズム４２、４３のダイクロイック膜４４および４５を透過し、光路合成プリズムアレイ４の出射面４７から出射される。また緑色のＬＥＤ２４から出射された光線は、キューブ状のダイクロイックプリズム４２にカップリングされ、ダイクロイックプリズム４２のダイクロイック膜４４で反射し、ダイクロイック膜４５を通過し、光路合成プリズムアレイ４の出射面４７から出射される。このように、ダイクロイック膜４４は赤色光を透過し緑色光を反射する特性を有する。また青色のＬＥＤ２５から出射された光線は、キューブ状のダイクロイックプリズム４３にカップリングされ、ダイクロイックプリズム４３のダイクロイック膜４５で反射し、光路合成プリズムアレイ４の出射面４７から出射される。したがって、ダイクロイック膜４５は赤色光と緑色光を透過し青色光を反射する特性を有する。

このように、入射角度に対する膜特性の変化量の大きい長波長側の光線に対し、この図２（Ａ）に示すように、赤色の色光を発光するＬＥＤを光路合成プリズムの出射面４７から最も遠い位置に配置し、光路合成プリズムアレイの光路合成膜を透過する回数（この場合２回）が最も多くなるように配置した。また２番目に波長の長い緑色の色光では、第２番目に光路合成膜を透過回数となるように、緑色の色光を発光するＬＥＤを配置した。最も波長の短い青色の色光は、光路合成膜を透過せず反射のみの構成になっている。このように各色のＬＥＤ光源をその波長の長さの順に光路合成膜を通過する回数を調節するようにＬＥＤを配置することにより、上述した光学薄膜の角度依存性による課題を解決することができる。

このとき、図５に示すように、光路合成プリズムの各プリズム間が屈折率の低い接着剤によって接着されていると、ロッドレンズで角度制限された光線が点線に示すようにしてプリズムから抜ける（散逸する）ことなく、効率よく光路合成プリズムの出射面に到達するが、プリズムの材質の屈折率と同じかまたはそれ以上の屈折率の接着剤で接着されていると光線が抜けてしまう（散逸する）。ここで、ライトバルブの光線取り込み角度は、「プロジェクターの最新技術」（シーエムシー出版）、ｐ７８〜７９）によると、液晶ライトバルブの場合、１２度程度であるので、プリズムの硝子材の屈折率を１．５２とすると、下記式（１）からｎ＝１．４以下の屈折率の接着剤を用いることにより、ライトバルブの最大取込角以内の光線をロスなく光路合成プリズムの出射面４７から出射させることができる。

ｎ≦ｎp・sinθ ・・・（１）
ｎp：プリズムの硝材屈折率
θ：θ= sin^-1 (sinα/ｎp)
α：ライトバルブの最大取込角

ここで、それぞれのプリズム（直角プリズム１個とキューブプリズム２個）は上記した屈折率の低い接着剤で接着されていることが特性上もハンドリング上も望ましいが、各プリズムを接着せずに密着させ、板ばねなどでメカ的に光学系ハウジングに固定する方法をとってもよい。この方法では、複数のプリズムをハンドリングしなければならないので、製造上の工数が多少増すことになるが、特性上、上記式（１）を満たす（ｎ＝１：空気の屈折率）。

光路合成プリズムアレイ４の出射面４７から出射した光線は、透過型液晶ライトバルブ５に入射する。液晶ライトバルブ５は、画素スイッチング用素子として薄膜トランジスタ（ＴＦＴ：Thin Film Transistor）を用いたＴＮ（Twisted Nematic）モードのアクティブマトリクス方式の透過型液晶セルが使用され、この液晶セルの外面の入射側の偏光板と、出射側の偏光板とが、その透過軸が互いに直交するように配置されて設けられている。例えば、オフ状態では液晶ライトバルブ５に入射されたｓ偏光がｐ偏光に変換されて出射される一方、オン状態では光が遮断されるようになっている。以上のＬＥＤアレイ２、ロッドレンズアレイ３、光路合成プリズムアレイ４および液晶ライトバルブ５は、離間して配置しても良く、装置の小型化、薄型化のためには全てを密着させて配置することが望ましい。

液晶ライトバルブ５は図示せぬ液晶ライトバルブ駆動回路（光変調駆動手段）に接続され、この液晶ライトバルブ駆動回路によって入射される各色光に対応させて液晶ライトバルブ５を時間順に駆動可能な構造になっている。また、本実施例の投射型表示装置では、同期信号発生回路（同期信号発生手段）が備えられており、この同期信号発生回路により、同期信号を発生させて光源駆動回路および液晶ライトバルブ駆動回路に入力すると、各ＬＥＤ２３〜２５から色光を出射するタイミングと、その色光に対応して液晶ライトバルブ５を駆動するタイミングとを同期させることができる。

すなわち、本実施例の投射型表示装置では、１フレームを時間分割してＬＥＤ２３〜２５から時間順にＲ、Ｇ、Ｂの各色光を出射させ、各ＬＥＤ２３〜２５から色光を出射するタイミングと、液晶ライトバルブ５を駆動するタイミングとを同期させて、各ＬＥＤ２３〜２５から出射される色光に対応させて液晶ライトバルブ５を時間順に駆動し、各ＬＥＤ２３〜２５から出射される色光に対応する画像信号を出力して、カラー画像を合成することが可能な構成になっている。
その後、液晶ライトバルブ５により形成された画像は、投射レンズ６によりスクリーン７に拡大投影される。

〔実施例２〕
以下、本発明の本発明の照明装置を用いた画像表示装置を、第２の実施例により、図７〜図９を参照して説明する。
図７に、投射型表示装置全体の構成を示す概略図を示す。第１の実施例と異なる点はロッドレンズアレイと光路合成プリズムの間（たとえばロッドレンズアレイの第二面上）に偏光板７１〜７３が設置されている点が異なる。ＬＥＤアレイ部の詳細構造を図８に示す。

この図８では、Ｇ用ＬＥＤを例にして説明する。まず、ＬＥＤチップ２４の背面（裏面）２２には、反射面２６が形成されている。この反射面は、金属あるいは誘電体多層膜が用いられ、これらは金属蒸着あるいは誘電体多層膜の蒸着により形成するか、またはＬＥＤ基板２１を金属で形成し、ＬＥＤチップ２４の周辺部２６は図２（Ｂ）に示すようなＬＥＤ発光面が矩形（正方形を含む）の場合、矩形の形状であり、これを鏡面加工することによって形成されている。

このような構成にすることにより、各ＬＥＤチップ２３〜２５から出射した光は、各ロッドレンズアレイ３にカップリングした後、各ロッドレンズで内面反射を繰り返し出射端面から出射し、各ＬＥＤチップ反射型偏光子７１〜７３により、一方の偏光成分はそのまま反射型偏光子を透過し、ライトバルブ５に向かう。それと直交する方向の偏光成分は、反射型偏光子により反射されＬＥＤチップ方向に戻り（戻り光）、ＬＥＤチップ背面および周辺の反射面２６により反射され再び各ロッドレンズで内面反射を繰り返し出射端面に到達する。これらの光線は複数回のロッドレンズ内の反射により偏光方向が回転し、反射型偏光子により前記した反射による戻り光の一部が透過してライトバルブ５に出射される（すなわち戻り光の一部再利用）。このような戻り光の再利用が何度も繰り返され、偏光方向の揃った照明光を高い利用効率で得ることができる。ライトバルブ以降は第一の実施例での説明と同様であるので、省略する。

反射型の偏光子は、ロッドレンズ３の出射端面３２に直接形成されていてもよい。その場合の反射型偏光子の構造例を図９に示す。ガラスで成型したロッドレンズアレイ３の出射端面３２に屈折率の高い誘電体膜４２と低い誘電体膜４３とを交互に積層し、エッチングによりストライプ状の周期構造を形成する。図９に示すように、ストライプの周期構造は、図に示すＬの高さの部分が周期ｐに紙面横方向に配列している。たとえば、高屈折率材料としてTaO₅ （屈折率：ｎ≒2.2）を用い、低屈折材料としてSiO₂ （屈折率：ｎ≒1.44）を用いて、ストライプ構造のピッチｐ、充填密度Filling Factor（ランド幅Δ/ピッチｐ）、層厚Ｌを最適化することにより、ｐ偏光（ストライプ方向の偏光成分）が透過しｓ偏光（ストライプ方向に直交する偏光成分）が反射する反射型偏光子として機能する。ここで、高屈折率材料の屈折率をさらに高いものを選び、層数を増やすことにより、より広い波長範囲で反射型偏光子の機能を有する構造を作成することができる。また、誘電体多層膜ではなく、アルミニウムなどの光反射性を有する金属からなる多数のリブ（光反射体）を入射光の波長よりも小さいピッチでロッドレンズアレイの出射端面上に形成してもよい。この場合、誘電体膜のときと同様にして、金属薄膜をロッドレンズアレイの出射端面に蒸着してエッチングすることによりリブ構造の反射型偏光子を形成することができる。

〔実施例３〕
以下、本発明の照明装置を用いた画像表示装置を、第３の実施例により、図１０を参照して説明する。
本実施例も色順次駆動方式の投射型表示装置であるが、ライトバルブとして液晶でなくミラー型を用いているところが前記実施例と異なっている点である。
図１０に、画像表示装置の全体構成を示す概略図を示す。画像表示装置は、ＬＥＤアレイ（光源）２と、ロッドレンズアレイ（均一化／光線角度変換手段）３と、光路合成プリズム（光路合成手段）４とからなる照明装置と、偏向プリズム８と、光変調手段としてミラー型ライトバルブ９と、投射レンズ（投射手段）６と、スクリーン７とで構成されている。

光路合成プリズムアレイ４までは第一または第二の実施例と同様の構成でありここまでの説明は省略する。光路合成プリズムアレイ４から出射した光線は、２個の三角プリズム８１、８２を、空気層あるいはプリズムの屈折率よりも小さい屈折率の接着剤を用いて接着するかまたは透明媒体で充填して構成した偏向プリズム８に入射し、三角プリズム８１の斜面８４により全反射され、ミラー型ライトバルブ９に所定の角度で入射する。ミラー型ライトバルブ９には、画素スイッチング用素子として半導体プロセスにより形成されたミラーアレイが用いられている。このようなミラーアレイとして、テキサスインスツルメンツ社製のデジタルミラーデバイス（ＤＭＤ）を用いることができる。このようなミラーアレイを例えば、オフ状態ではミラーの傾きはゼロ度で、投射レンズ６にカップリングされないが、オン状態では光線が投射レンズ６方向に反射されるようにミラーが所定の傾きを有するようになっているため、ミラー反射光は三角プリズム８１の斜面の全反射条件から外れ、偏向プリズム８を透過し、投射レンズ６でスクリーン７に結像される。ミラー型ライトバルブ９を用いた場合、偏光を用いない構成をとれるため、偏光変換の必要はないので、照明光を有効に投射レンズに導くことができる。よって、本実施例のような光利用効率の高い明るい投射型表示装置を提供することができる。

〔実施例４〕
以下、本発明の照明装置を用いた画像表示装置を、第４の実施例により、図１１を参照して説明する。
図１１に、画像表示装置の全体構成を示す概略図を示す。画像表示装置の全体構成は図２と同様であるが、ロッドレンズアレイが、前記した実施例のロッドレンズでは導光部分が媒質で満たされていたのに対し、本実施例では、中空のロッドレンズを用いている点である。ロッドレンズの形状を中空体としてロッドレンズ部を構成している。したがって、ロッドレンズを樹脂（たとえば透明樹脂）だけでなく、金属で作ることも可能である。その場合、ロッドレンズ内の側面を鏡面加工して簡単に反射面を形成できる。あるいは中空のロッドレンズ部分以外を樹脂で構成する場合には、光線が反射するロッドレンズ内の側面に反射膜もしくは光線を反射する構造とすることが必要となる。たとえば樹脂で図３に示すようなロッド形状に中空になるように形成した後、中空のロッドの側面を凹凸の少ないように加工した後に前記したように金属あるいは誘電体膜を蒸着等により形成して、鏡面状に形成することができる。

〔実施例５〕
以下、本発明の照明装置を用いた画像表示装置を、第５の実施例により、図１２を参照して説明する。
図１２に、画像表示装置の全体構成を示す概略図を示す。画像表示装置は全体構成としては概略図２と同様であるが、ＬＥＤアレイ２、ロッドレンズアレイ３および光路合成プリズムアレイ４の構成が異なる。
すなわち図１２に示すように、ＬＥＤアレイ２は緑色ＬＥＤ２４と青色ＬＥＤ２５の２つの光源が直線状にアレイ化され、赤色ＬＥＤ２３はその出射光の光軸が前記２色のＬＥＤの出射光の光軸と直交する位置、すなわち、光路合成プリズムの光軸の延長線上に配置されている。また光源の配置に対応し、ロッドレンズ３も緑用のロッドレンズ３２と青用のロッドレンズ３３がアレイ化され、赤用のロッドレンズ３１は前記した赤色ＬＥＤ２３側の前記した光路合成プリズムの光軸の延長線上に配置される。光路合成プリズムアレイ４は２個のキューブ型のダイクロイックプリズム４２、４３からなるプリズムアレイで構成される。

赤色ＬＥＤ２３から出射された光線は、連結された２個のキューブ状のダイクロイックプリズム４２、４３のダイクロイック膜４４、４５を透過し、光路合成プリズムアレイ４の出射面４７から出射される。また緑色のＬＥＤ２４から出射された光線は、キューブ状のダイクロイックプリズム４２にカップリングされ、前記ダイクロイックプリズム４２のダイクロイック膜４４により反射され、光路合成プリズムアレイ４の出射面４７から出射される。したがって、実施例１で説明したように、ダイクロイック膜４４は赤色光を透過し緑色光を反射する特性を有する。また青色のＬＥＤ２５から出射された光線は、キューブ状のダイクロイックプリズム４３にカップリングし、ダイクロイックプリズム４３のダイクロイック膜４５により反射され、光路合成プリズムアレイ４の出射面４７から出射される。したがって、実施例１で説明したのと同様に、ダイクロイック膜４５は赤色光と緑色光を透過し青色光を反射する特性を有する。
光路合成プリズムアレイ４の出射面４７から出射した光線は、透過型液晶ライトバルブ５に入射する。以降は実施例１と同様であるので、説明を省略する。

このように、光源に使用される発光光の光源に対し、長波長側である、入射角度に対する膜特性の変化量の大きい長波長の光線（この場合赤色の色光を発光するＬＥＤ）を、光路合成プリズムアレイ４の複数の光路合成膜を透過する回数（この場合２回）が最も多くなるように配置した。また第２番目に波長の長い緑色の色光が、第２番目に光路合成膜を透過する回数が多くなるように緑色の色光を発光するＬＥＤを配置した。そして最も波長の短い青色の色光は、光路合成膜を透過せず反射のみの構成にしている。このように各色のＬＥＤ光源を配置し、上述した光学薄膜の角度依存性による課題を解決できる。

なお、本発明の技術範囲は上記実施の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において種々の変更を加えることが可能である。例えば光源としてはＬＥＤの他、半導体レーザー、有機ＥＬ素子、無機ＥＬ素子なども使用できる。
また、各ＬＥＤアレイ内の各色のＬＥＤチップの数も１以上有していれば良く、ＬＥＤの出射可能出力とホワイトバランスの関係から各色適切なチップ数で構成することができる。

試作した膜の特性を示す図である。 （Ａ）は本発明の照明装置を用いた画像表示装置の第１の構成例を示す図であり、（Ｂ）は本発明の照明装置に用いられる発光素子の形状例を示す図である。 本発明の照明装置に用いられるロッドレンズの形状例を示す図である。 ＬＥＤアレイと一体化されて形成されたロッドレンズアレイの例を示す図である。 本発明の照明装置に用いられる光路合成プリズムの各プリズム間が屈折率の低い接着剤によって接着されている場合の光線の進行方向を説明するための図である。 本発明の照明装置に用いられるロッドレンズの形状例を示す図であり、側面が適当な曲面（連続曲面）に形成されている例を示す図である。 本発明の投射型表示装置の第２例を示す全体構成概略図である。 チップの背面に反射面が形成されているＬＥＤアレイの詳細構造を示す図である。 ロッドレンズの出射端面に直接形成された反射型偏光子の構造例を示す図である。 本発明の画像表示装置の第３の例を示す全体構成概略図である。 本発明の画像表示装置の第４の例を示す全体構成概略図である。 本発明の画像表示装置の第５の例を示す全体構成概略図である。 従来の投射型画像表示装置である。

符号の説明

２ ＬＥＤアレイ（光源）
３ ロッドレンズアレイ（均一照明手段）
４ 光路合成プリズムアレイ（光路合成手段）
５ 透過型液晶ライトバルブ（光変調手段）
６ 投射レンズ（投射手段）
７ スクリーン
２１ 基板
２３ 赤用発光素子（最長波長発光素子）
２４ 緑用発光素子（中間波長発光素子）
２５ 青用発光素子（最短波長発光素子）
３０ ロッドレンズ
３１ ロッドレンズアレイの第一の面（ＬＥＤアレイとのカップリング面）
３２ ロッドレンズアレイの第二の面
３４ ロッドレンズアレイの側面
４１ 光路合成プリズム中の直角プリズム
４２、４３ キューブ状プリズム
４４、４５ キューブ状プリズムを構成する直角プリズムのダイクロイック膜
４６ 直角プリズム４１の斜面
４７ 光路合成プリズムアレイ４の出射面
５２ 高屈折率材料
５３ 低屈折率材料
７１ 最長波光用偏光板
７２ 中間波長用偏光板
７３ 最短波長用偏光板

Claims (15)

1. 発光波長の異なる複数の発光素子を色別に選択して発光させる半導体発光デバイスからなる光源と、
   前記光源からの発光光に対し透明な部材からなり、前記光源の面積と同等以上の面積を持つ第一の面と、前記第一の面よりも大きい面積を持ち前記第一の面に対向する第二の面とを有するロッドレンズが配列したロッドレンズアレイと、
   前記ロッドレンズアレイの各ロッドレンズの前記第二の面側に各ロッドレンズからの出射光をカップリングする光路合成プリズムが配列した光路合成プリズムアレイとで構成された照明装置であり、
   前記光源は、前記ロッドレンズアレイの各ロッドレンズの前記第一の面側に配置され、前記光路合成プリズムアレイの光路合成膜の透過回数が多いほど前記光源の波長光が長くなるように配置されていることを特徴とする照明装置。
2. 前記プリズムアレイは、少なくとも１個の全反射プリズムを有することを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
3. 前記プリズムアレイは、下記式（１）を満たす屈折率ｎの接着剤で接着されていることを特徴とする請求項１または２に記載の照明装置。
   ｎ≦ｎp・sinθ ・・・（１）
   ｎp：プリズムの屈折率
   θ：θ= sin^-1 (sinα/ｎp)
   α：ライトバルブの最大光線取込角
4. 前記ロッドレンズアレイおよび前記プリズムアレイは、前記式（１）を満たす屈折率ｎの接着剤で支持部材と接着されていることを特徴とする請求項３に記載の照明装置。
5. 前記光源と前記ロッドレンズの間が前記光源からの光に対して透明な部材で充填されているかまたは透明な部材により接着されていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の照明装置。
6. 前記ロッドレンズの第一の面と第二の面を繋ぐロッドレンズの側面は、前記光源からの発光光を略反射することを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の照明装置。
7. 前記ロッドレンズアレイの第二面側に偏光子を配設したことを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の照明装置。
8. 前記偏光子が反射型偏光子であることを特徴とする請求項７に記載の照明装置。
9. 前記偏光子が前記ロッドレンズアレイの前記第二の面上に形成されていることを特徴とする請求項８に記載の照明装置。
10. 前記ロッドレンズアレイの各ロッドレンズが一体に成型されていることを特徴とする請求項１乃至請求項９のいずれか１項に記載の照明装置。
11. 前記光源が一つの基板に配置されていることを特徴とする請求項１乃至請求項１０のいずれか１項に記載の照明装置。
12. 同一色を発光する光源の同一電極が結線されていることを特徴とする請求項１乃至請求項１１のいずれか１項に記載の照明装置。
13. 前記ロッドレンズアレイの各ロッドレンズの第一の面と第二の面を繋ぐ面である側面が、曲面であることを特徴とする請求項１乃至請求項１３のいずれか１項に記載の照明装置。
14. 請求項１乃至請求項１３のいずれか１項に記載の照明装置と、該照明装置からの出射光を画像情報に応じて変調する光変調手段とを備えたことを特徴とする画像表示装置。
15. 請求項１乃至請求項１３のいずれか１項に記載の照明装置と、該照明装置からの出射光を画像情報に応じて変調する光変調手段と、前記変調された光を拡大投影するレンズとを備えたことを特徴とする画像表示装置。

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