JP2013195489A - 照明装置およびプロジェクター - Google Patents

Abstract

【課題】拡散素子とライトガイドを用いた照明系ではライトガイドから照明対象までの光拡散により、照明効率が低下してしまう。
【解決手段】発光素子１０から放出され配光制御素子２０により略平行光化された光は、拡散素子３０を通過することにより光源の特性による不均一性によらず、拡散素子３０の拡散角によってより良好な等方拡散状態を形成することができる。拡散素子から照明対象までの周囲への光散逸を、ライトガイド４０により抑制できる。この拡散素子３０は、周辺部と中央部の拡散角度がことなる拡散領域が形成され、拡散角度が周辺部よりも中央部の方が大きい拡散素子３０であるため、周辺部の光線の拡散角度が小さくなる。これによって、ライトガイド４０から照明対象５０までの伝搬時の周辺部への光もれに伴う照明効率の低下を抑制することができる。従って、高効率な照明装置を提供することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、照明装置およびプロジェクターに関する。

従来、例えば特許文献１には、複数の半導体レーザーを２次元アレイ状に配列した発光器を用い、この発光器から出力された光線を平行化して画像表示装置を照明する光学構成が開示されている。

特開２００７−４１９７号公報

しかしながら、特許文献１に記載の照明装置では、拡散素子の角度分布が面内で均一であり、ライトガイドから照明対象の画像表示装置であるライトバルブに到達するまでの拡散により周辺部に光が散逸し、照明効率が低下するという課題があった。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。

［適用例１］本適用例に係る照明装置は、光を発生させて導波させ、利得領域を有する発光素子が配列された光源と、前記光源から射出された光の配光角を制御する配光制御素子と、前記配光制御素子から射出された光のうち、前記配光制御素子の周辺部から射出された光を拡散する第１領域と、前記配光制御素子の中央部から射出された光を拡散する第２領域と、を有し、前記第１領域の拡散角度よりも前記第２領域の拡散角度が大きい拡散素子と、前記拡散素子から射出された光を照明対象に導くライトガイドと、を有することを特徴とする。

本適用例によれば、配光制御素子から射出された光は、拡散素子を通過することにより光源の特性による不均一性によらず、拡散素子の拡散角によってより良好な等方拡散状態を形成することができる。拡散素子から照明対象までの周囲への光散逸を、ライトガイドにより抑制できる。
この拡散素子は、周辺部に形成される第１領域と中央部に形成される第２領域の拡散角度が異なる拡散領域が形成され、拡散角度が周辺部よりも中央部の方が大きい拡散素子であるため、周辺部の光線の拡散角度が小さくなり、これによって、伝搬時の周辺部への光もれに伴う照明効率の低下を抑制することができる。
従って、高効率な照明装置を提供することができる。

［適用例２］上記適用例に係る照明装置において、前記拡散素子の前記第１領域と前記第２領域とが一体に形成されていることが好ましい。

本適用例によれば、拡散素子は第１領域と第２領域が一体に形成されている。このことから、拡散素子のコストを低減でき、また、照明装置の小型化を図ることができる。

［適用例３］上記適用例に係る照明装置において、前記拡散素子は、前記第１領域を有する第１拡散素子と、前記第２領域を有する第２拡散素子と、を備え、前記第１拡散素子は、前記第２拡散素子よりも前記発光素子に近い位置に配置されていることが好ましい。

本適用例によれば、周辺部に拡散領域が形成された第１拡散素子と、中央部に拡散領域が形成された第２拡散素子で構成され、第１拡散素子は、第２拡散素子よりも発光素子に近い位置に配置され、第１拡散素子の拡散角度が、第２拡散素子の拡散角度よりも大きいため、第１拡散素子によって拡散される周辺部の光線の拡散角が小さく、拡散距離が長い状態となり、これによって、第２拡散素子によって拡散される中央部の光線の拡散状態と等しい拡散状態を照明対象であるライトバルブなどの上に均一に形成することができる。
従って、均一な照明状態を得るという効果を得ることができる。

［適用例４］上記適用例に係る照明装置において、前記第２拡散素子の拡散角度の正接を、前記第１拡散素子の拡散角度の正接で除した値が、前記第１拡散素子と前記第２拡散素子の距離と屈折率の積を前記第２拡散素子から前記照明対象までの距離と屈折率の積で除したものに１を足した値であることが好ましい。

本適用例によれば、第２拡散素子の拡散角度の正接を、第１拡散素子の拡散角度の正接で除した値が、第１拡散素子と第２拡散素子の距離と屈折率の積を第２拡散素子から照明対象までの距離と屈折率の積で除したものに１を足した値である。このため、照明対象で第１拡散素子がつくる周辺部の光線の拡散広がりと、第２拡散素子がつくる周辺部の光線の拡散広がりが等しい状態となり、これによって照明対象により均一な照明状態を形成することができる。
従って、より均一な照明状態を得るという効果を得ることができる。

［適用例５］上記適用例に係る照明装置において、前記発光素子は、スーパールミネッセントダイオードであることが好ましい。

本適用例によれば、可干渉性の少ない光源であるスーパールミネッセントダイオード（Super Luminescent Diode：以下、ＳＬＤともいう）を光源に用いることでスペックルと呼ばれる干渉模様の発生を抑えた照明状態を形成するという効果を得ることができる。

［適用例６］本適用例に係るプロジェクターは、照明装置から射出された光を画像情報に応じて変調する光変調装置と、前記光変調装置によって形成された画像を投写する投写装置と、を含む、ことであることを特徴とする。

本適用例によれば、上記適用例の照明装置を有するので、投写画像の高画質化を図ることができる。

［適用例７］上記適用例に係るプロジェクターにおいて、前記配光制御素子によって制御された光の配光角は、前記投写装置で投写可能な角度であることを特徴とする。

このようなプロジェクターによれば、上記適用例の照明装置を有するので、投写画像の高画質化を図ることができる。

実施形態１に係る照明装置を模式的に示す図。 実施形態１に係る照明装置の照明対象の強度像。 拡散素子の面内で均一の拡散角度である場合の照明損失を模式的に示す図。 実施形態２に係る照明装置を模式的に示す図。 実施形態２に係る照明装置の照明対象の強度像。 実施形態２に係る変形例の拡散素子を模式的に示す断面図。 実施形態３に係るプロジェクターを模式的に示す図。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。なお、以下の各図においては、各層や各部材を認識可能な程度の大きさにするため、各層や各部材の尺度を実際とは異ならせしめている。

（実施形態１）
図１は、実施形態１に係る照明装置を模式的に示す図である。図２は、実施形態１に係る照明装置の照明対象の強度像である。
まず、実施形態１に係る照明装置１００の概略構成について説明する。

照明装置１００は、発光素子１０、配光制御素子２０、拡散素子３０、ライトガイド４０、照明対象５０などから構成されている。
発光素子１０は、固体光源であるスーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ）であり、発光素子１０からの光線は、配光制御素子２０により放射角度の狭い光線に変換される。発光素子１０は、レーザーダイオードや、ライトエミッティングダイオード（ＬＥＤ）であってもよい。発光素子１０に可干渉性が低く、明るいＳＬＤを用いることでスペックルと呼ばれる、画質に著しい影響を及ぼす干渉模様の発生を効果的に抑制できる。

配光制御素子２０は、たとえばレンズや、図１に示すようにレンズの集合体であるレンズアレイであり、ガラスや透明樹脂により形成される。
配光制御素子２０により放射角度の狭い光線に変換された光線は、拡散素子３０により拡散光線となる。なぜ、放射角が３０度程度と広いＳＬＤからの光線を配光制御素子２０により放射角度の狭い光線に変換し、拡散素子３０により再度放射角の大きな光線に変換するのかといえば、ＳＬＤからの放射は非対称なため均一な照明を作ることが難しいためである。そのため、等方拡散が容易に実現できる拡散素子３０を用いて均一な照明状態を作り出している。この際、拡散素子３０以外の角度の影響をなくすため、配光制御素子２０により形成された光線は、拡散素子３０による拡散よりも１／２もしくは１／３以下の放射角度であることが望ましい。

拡散素子３０は、ガラスや透明樹脂の表面に非常に小さな凹凸を形成した表面修飾型の拡散素子や、ガラスや透明樹脂中に微小な屈折率分布差をもつものを混合したものや、散乱剤を混入したものにより形成される。
拡散素子３０から射出後の光線は等方拡散となり、図１に示すように円錐状の照明を形成し、断面は円形形状となる。しかし照明対象５０に至るまでの距離で周辺部への拡散が生じてしまい照明に利用できない光となってしまう。これを抑制するために、ライトガイド４０を設ける。ライトガイド４０は内面で光線を反射する構造となっており、光線を効果的にライトガイド４０内に閉じ込めることができる。

ライトガイド４０は、板状の材料を組み合わせて作製され内面に金属コートもしくは誘電体多層膜による反射面を有し、内部が空洞状のものや、ガラスや透明樹脂のような透明媒質で形成され表面での全反射を利用した構造のものがある。
照明対象５０は、画像を形成するライトバルブなどであって、たとえば透過型液晶や、反射型液晶、デジタル・ミラーデバイスなどである。

ライトガイド４０から射出後の光線は照明対象５０を照明する。この際、ライトガイド４０と照明対象５０の間は、離れてしまう。これは、偏光板や位相差板を挿入する必要があり、冷却用の空気を流す空間も必要なためである。このため、従来では、照明対象５０よりも大きな領域に広がり、周辺部への光拡散が生じ照明効率を低下させてしまうという課題があった。
本実施形態の拡散素子３０は、図１に示すように、配光制御素子２０の周辺部から射出された光を拡散する第１領域３０ａと、配光制御素子２０の中央部から射出された光を拡散する第２領域３０ｂと、を有し、第１領域３０ａの拡散角度よりも第２領域３０ｂの拡散角度が大きく形成されている。
つまり、第１領域３０ａは拡散素子３０の外周部分に額縁状に設けられ、第２領域３０ｂは拡散素子３０の外周部分を除いた中央部に設けられている。そして、拡散素子３０の周辺部と中央部に拡散角度の異なる領域が形成されている。拡散角度が周辺部よりも中央部の方が大きいため、図１に示すように周辺部の光線広がりは、中央部の光線広がりに比べて小さい。このため、周辺部の光拡散を抑制でき、照明効率を改善することができる。
また、図２の照明対象５０の強度像をみても、周辺部の拡散角度を中央部に比べて小さくすることで、照明対象５０であるライトバルブ周囲への光拡散を抑制できていることが分かる。
図３に、拡散素子３５の拡散角度が面内で均一である場合の構成を示す。この場合では、図１の実施形態１に係る照明装置と比較して、ライトガイド４０と照明対象５０の間での周囲への光拡散が大きく照明効率の低下を引き起こしてしまうことがわかる。

以上述べたように、本実施形態に係る照明装置１００によれば、拡散素子３０の角度分布を、周辺部よりも中央部の方が大きい構造とすることで、周辺部に散逸する光を抑制することができ、照明効率が低下を抑制する効果を得ることができる。

（実施形態２）
図４は、実施形態２に係る照明装置を模式的に示す図である。図５は、実施形態２に係る照明装置の照明対象の強度像である。本実施形態に係る照明装置について、これらの図を参照して説明する。なお、実施形態１と同一の構成部位については、同一の番号を使用し、重複する説明は省略する。
照明装置２００は、発光素子１０、配光制御素子２０、第１拡散素子３１、第２拡散素子３２、ライトガイド４０、照明対象５０などから構成されている。
第１拡散素子３１は、第１拡散素子３１の周辺部に額縁状に第１領域３０ａが形成された拡散素子である。そのため、第１拡散素子３１に入射した光線は周辺部の光線のみ拡散角が付与される。また、第２拡散素子３２は対照的に、第２拡散素子３２の中央部に第２領域３０ｂが形成された拡散素子であって、中央部に入射する光線に拡散角を付与する拡散素子である。また、第２拡散素子３２よりも、第１拡散素子３１の拡散角度を抑えてあるため、周辺部に散逸する光を抑制することができ、照明効率が低下を抑制する効果を得ることができる。また、第１拡散素子３１を第２拡散素子３２よりも光源側に配置することで、図５に示すように照明対象５０で均一な照度を得ることができる。そのため本構成では、実施形態１に比べて均一な照度を得ることができる。

ここで、図５に示すような周辺部と中央部での照度の均一性が取れる場合の条件を検討する。第１拡散素子３１と第２拡散素子３２との間隔をＬ１、その間の屈折率をｎ１とし、第２拡散素子３２から照明対象５０までの距離をＬ２、その間の屈折率をｎ２とし、第１拡散素子３１、第２拡散素子３２の拡散角度をそれぞれα、βとする。光が拡散する際の光学的距離は、長さ×屈折率となり、第１拡散素子３１と第２拡散素子３２との光学的距離はＬ１×ｎ１、第２拡散素子３２から照明対象５０までの光学的距離は、Ｌ２×ｎ２で表される。
図５に示す各光線の広がり幅をＸとする。この広がり幅が、周辺と中央で同じことが照度均一性を担保する条件である。
周辺部の光線と、中央部の光線広がりは以下のように表される。
Ｘ＝（Ｌ１×ｎ１＋Ｌ２×ｎ２）ｔａｎα ・・・（１）
Ｘ＝（Ｌ２×ｎ２）ｔａｎβ ・・・（２）
上記式（１）、式（２）を整理すると、
ｔａｎβ／ｔａｎα＝（Ｌ１×ｎ１／Ｌ２×ｎ２）＋１ ・・・（３）
となる。すなわちこの式（３）の関係を満たす設計を行うことで、照度均一性を確保した照明状態が実現できる。
なお、上記の式（３）を厳密に満たす必要はなく、製造工程でのばらつきを含むものであっても、照度の均一性を確保することができる。

以上述べたように、本実施形態に係る照明装置２００によれば、実施形態１での効果に加えて、以下の効果を得ることができる。
第１拡散素子３１および第２拡散素子３２に応じた最適な配置位置をとることにより、照明対象５０で均一な照度を得ることができる。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、上述した実施形態に種々の変更や改良などを加えることが可能である。変形例を以下に述べる。

（変形例１）
図６は、変形例１に係る拡散素子の構成図である。
上記実施形態２では、図４のように、第１拡散素子３１、第２拡散素子３２が別個の透明基板上に形成された構成であるものとして説明したが、この構成に限定するものではない。
以下、変形例１に係る拡散素子について説明する。なお、実施形態１と同一の構成部位については、同一の番号を附し、重複する説明は省略する。
図６（ａ）に、第１拡散素子３１と第２拡散素子３２を貼り合わせた構成を示す。実施形態２で示した構造では、第１拡散素子３１と第２拡散素子３２が別個の基板であったかが、第１拡散素子３１と第２拡散素子３２を貼り合わせるような構造でも同一の機能を発現することが可能であるため同様の効果が期待できる。接着による効果としては、第１拡散素子３１と第２拡散素子３２の相互位置のずれ防止があげられる。
図６（ｂ）に示したような、第１領域３０ａ（第１拡散素子３１に相当）と第２領域３０ｂ（第２拡散素子３２に相当）を同一の基板の両面に形成した拡散素子３３の場合であっても、実施形態２で示した第１拡散素子３１と第２拡散素子３２が別個の基板であった場合と同一の効果が得られることがわかる。同一基板の両面に第１拡散素子３１と第２拡散素子３２を形成する効果は、作製工程の低減や、使用材料削減に伴う低コスト化があげられる。

以上述べたように、本変形例に係る拡散素子によれば、実施形態２での効果に加えて、以下の効果を得ることができる。
第１拡散素子３１と第２拡散素子３２の相互位置のずれ防止や、工程や使用材料削減に伴う低コスト化の効果を得ることができる。

（実施形態３）
次に、本実施形態に係るプロジェクターについて、図面を参照しながら説明する。図７は、本実施形態に係るプロジェクター９００を模式的に示す図である。なお、図７では、便宜上、プロジェクター９００を構成する筐体を、省略して図示している。

プロジェクター９００は、赤色光を射出する赤色照明装置と、緑色光を射出する緑色照明装置、青色光を射出する青色照明装置と、を含むことができる。プロジェクター９００の各照明装置としては、本発明に係る照明装置を用いることができる。以下では、図７に示すように、プロジェクター９００の照明装置として、照明装置１００（赤色照明装置１００Ｒ、緑色照明装置１００Ｇ、青色照明装置１００Ｂ）を用いた例について説明する。

プロジェクター９００は、さらに、透過型の液晶ライトバルブ（光変調装置）９５０Ｒ，９５０Ｇ，９５０Ｂと、クロスダイクロイックプリズム（色光合成手段）９７０と、投写レンズ（投写装置）９８０と、を含むことができる。

各照明装置１００Ｒ，１００Ｇ，１００Ｂから射出された光は、各液晶ライトバルブ９５０Ｒ，９５０Ｇ，９５０Ｂに入射する。各液晶ライトバルブ９５０Ｒ，９５０Ｇ，９５０Ｂは、入射した光をそれぞれ画像情報に応じて変調する。なお、液晶ライトバルブ９５０Ｒ，９５０Ｇ，９５０Ｂは、図１に示した照明対象５０に対応するものである。

各液晶ライトバルブ９５０Ｒ，９５０Ｇ，９５０Ｂによって変調された３つの色光は、クロスダイクロイックプリズム９７０に入射する。クロスダイクロイックプリズム９７０は、例えば、４つの直角プリズムを貼り合わせて形成され、その内面に赤色光を反射する誘電体多層膜と青色光を反射する誘電体多層膜とが十字状に配置されている。これらの誘電体多層膜によって３つの色光が合成され、カラー画像を表す光が形成される。

クロスダイクロイックプリズム９７０によって合成された光は、投写光学系である投写レンズ９８０に入射する。投写レンズ９８０は、液晶ライトバルブ９５０Ｒ，９５０Ｇ，９５０Ｂによって形成された像を拡大して、スクリーン（表示面）９９０に投写する。

なお、上述したとおり、照明装置１００Ｒ，１００Ｇ，１００Ｂから射出された光の配光角（角度分布）は、投写レンズ９８０において投写可能な角度となるように設定される。より具体的には、照明装置１００Ｒ，１００Ｇ，１００Ｂから射出された光の配光角は、２０度程度以下となるように設定される。

また、上述の例では、光変調装置として透過型の液晶ライトバルブを用いたが、液晶以外のライトバルブを用いてもよいし、反射型のライトバルブを用いてもよい。このようなライトバルブとしては、例えば、反射型の液晶ライトバルブや、デジタルマイクロミラーデバイス（Digital Micromirror Device）が挙げられる。また、投写光学系の構成は、使用されるライトバルブの種類によって適宜変更される。

プロジェクター９００によれば、本発明に係る照明装置（例えば照明装置１００）を含むことができる。照明装置１００によれば、液晶ライトバルブ（光変調装置）の周辺部に散逸する光が抑制された照明をすることができる。そのため、プロジェクター９００では、発光素子からの光を効率良く液晶ライトバルブに照射することができ、投写画像の高画質化を図ることができる。

上述した実施形態および変形例は一例であって、これらに限定されるわけではない。例えば、各実施形態および各変形例を適宜組み合わせることも可能である。

上記のように、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明の新規事項および効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは当業者には容易に理解できよう。したがって、このような変形例はすべて本発明の範囲に含まれるものとする。

１０…発光素子、２０…配光制御素子、３０…拡散素子、３０ａ…第１領域、３０ｂ…第２領域、３１…第１拡散素子、３２…第２拡散素子、４０…ライトガイド、５０…照明対象、１００…照明装置、２００…照明装置、９００…プロジェクター。

Claims (7)

1. 光を発生させて導波させ、利得領域を有する発光素子が配列された光源と、
   前記光源から射出された光の配光角を制御する配光制御素子と、
   前記配光制御素子から射出された光のうち、前記配光制御素子の周辺部から射出された光を拡散する第１領域と、前記配光制御素子の中央部から射出された光を拡散する第２領域と、を有し、前記第１領域の拡散角度よりも前記第２領域の拡散角度が大きい拡散素子と、
   前記拡散素子から射出された光を照明対象に導くライトガイドと、を有することを特徴とする照明装置。
2. 請求項１に記載の照明装置において、
   前記拡散素子の前記第１領域と前記第２領域とが一体に形成されていることを特徴とする照明装置。
3. 請求項１に記載の照明装置において、
   前記拡散素子は、前記第１領域を有する第１拡散素子と、前記第２領域を有する第２拡散素子と、を備え、
   前記第１拡散素子は、前記第２拡散素子よりも前記発光素子に近い位置に配置されていることを特徴とする照明装置。
4. 請求項３に記載の照明装置において、
   前記第２拡散素子の拡散角度の正接を、前記第１拡散素子の拡散角度の正接で除した値が、前記第１拡散素子と前記第２拡散素子の距離と屈折率の積を前記第２拡散素子から前記照明対象までの距離と屈折率の積で除したものに１を足した値であることを特徴とする照明装置。
5. 請求項１乃至４のいずれか一項に記載の照明装置において、
   前記発光素子は、スーパールミネッセントダイオードであることを特徴とする照明装置。
6. 請求項１乃至５のいずれか一項に記載の照明装置と、
   前記照明装置から射出された光を画像情報に応じて変調する光変調装置と、
   前記光変調装置によって形成された画像を投写する投写装置と、
   を含む、ことを特徴とするプロジェクター。
7. 請求項６に記載のプロジェクターにおいて、
   前記配光制御素子によって制御された光の配光角は、前記投写装置で投写可能な角度である、ことを特徴とするプロジェクター。

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