JP2021039819A - 光源デバイスおよびそれを用いたディスプレイ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光源から出射光を効率良く広げ均一化する、薄型な光源デバイスを提供することである。【解決手段】本発明の好ましい一側面は、光源と、光源からの光を、第１の方向と、該第１の方向と異なる第２の方向に射出する、光に対して透明な母材に粒子を混入した分割ブロックと、第１の方向に射出された光が入射する合成出射ブロックと、第２の方向に射出された光が入射し、第１の方向と異なる方向へ光を導く導光ブロックとを備え、導光ブロックによって第１の方向と異なる方向へ導かれた光を、合成出射ブロックに入射させる、光源デバイスである。【選択図】図１

Description

本発明は、光源デバイスおよびそれを用いたディスプレイ装置に関するものである。

特開２００６−２９４３４３号公報（特許文献１）では複数のLED光源から出射光を導光板内でミキシングさせることにより、寸法を小さくすることができるLED面状光源装置に関した技術が開示されている。

特開２００６−２９４３４３号公報

ディスプレイに用いられる映像表示装置用のバックライトはRGBのLEDから出た光をミキシングし、パネルの大きさに光を広げ、均一化する必要がある。近年、ヘッドマウンドディスプレイに代表される、ウェラブルデバイスの映像装置の開発が進んでいる。ウェラブルデバイスは身に付けて使用するため、省電力で小型な映像表示装置が求められている。そのため、そのバックライトとして、高効率で薄型な光源デバイスが必要となる。

特許文献１では液晶表示装置用のバックライトとして、粒子を含んだ薄型な導光体の端面からRGBのLED光を入射し、ミキシングし、光を広げている。しかし、導光体端面から光を入射させているので導光体の中心部が端部に比べ暗くなり、導光体全体に光を均一化することは困難である。また、導光体全体に粒子を分散させているので、効率良く光を混合し、均一化することができない。

本発明の目的は、光源から出射光を効率良く広げ均一化する、薄型な光源デバイスおよびそれを用いたディスプレイ装置を提供することである。

本発明の好ましい一側面は、光源と、光源からの光を、第１の方向と、該第１の方向と異なる第２の方向に射出する、光に対して透明な母材に粒子を混入した分割ブロックと、第１の方向に射出された光が入射する合成出射ブロックと、第２の方向に射出された光が入射し、第１の方向と異なる方向へ光を導く導光ブロックとを備え、導光ブロックによって第１の方向と異なる方向へ導かれた光を、合成出射ブロックに入射させる、光源デバイスである。

本発明の好ましい他の側面は、光源デバイスと、画像を生成する映像装置と、画像を光源デバイスからの光により投射する光学系と、を備えるディスプレイ装置である。光源デバイスは、光源と、ブロック光学素子とを備え、ブロック光学素子は、ブロック状の透明体と、透明な母材に光を散乱させる粒子を混入したブロック状の粒子体と、を含み、透明体と粒子体を組み合わせることにより、光を均一化する。

上記した以外の課題、構成、及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

光源から出射された光を、広い面積に、効率良く光を広げ、均一化する薄型な光源デバイスおよびそれを用いたディスプレイ装置を安価に提供できる。

実施例１における光源デバイス1の概略斜視図である。 実施例１における光源デバイス1の断面図である。 実施例１における出射面37の輝度分布を説明するグラフ図である。 実施例１における出射面37の輝度分布を説明するグラフ図である。 実施例１における出射面37の輝度分布を説明するグラフ図である。 実施例１における出射面37の輝度分布を説明するグラフ図である。 実施例１における複数波長光源2の概略平面図である。 実施例１における三角柱のブロック光学素子の製造方法を説明する斜視図である。 実施例１における偏光フィルム25を説明する斜視図である。 実施例１における映像装置26の概略斜視図である。 実施例１におけるヘッドマウントディスプレイ29の概略上面図である。 実施例１におけるヘッドマウントディスプレイ29のシステムを示したブロック図である。 実施例２における光源デバイス38の概略斜視図である。 実施例２における光源デバイス38の断面図である。 実施例２における出射面45の輝度分布を説明するグラフ図である。 実施例３における光源デバイス55の概略図である。 実施例３における光源デバイス55の断面図である。 実施例４における光源デバイス126の概略図である。 実施例４における光源デバイス126の断面図である。 実施例５における光源デバイス64の概略図である。 実施例６における光源デバイス73の概略図である。 実施例６における光源デバイス73の断面図である。 実施例６における出射面79の輝度分布を説明する図である。 実施例７における光源デバイス87の概略図である。 実施例７における光源デバイス87の概略図である。 実施例７における光源デバイス87の断面図である。 実施例７における導光ブロック96の製造方法を説明する図である。 実施例８における映像表示装置113の概略図である。 実施例８における映像表示装置113の概略図である。 実施例８におけるブロック光学素子の概略図である。

以下、図に示す実施例に基づいて本発明を実施するための形態を説明するが、これによりこの本発明が限定されるものではない。図では、同じ機能を持つものに同じ符号を付与し、重複する説明は省略することがある。

同一あるいは同様な機能を有する要素が複数ある場合には、同一の符号に異なる添字を付して説明する場合がある。ただし、複数の要素を区別する必要がない場合には、添字を省略して説明する場合がある。

本明細書等における「第１」、「第２」、「第３」などの表記は、構成要素を識別するために付するものであり、必ずしも、数、順序、もしくはその内容を限定するものではない。また、構成要素の識別のための番号は文脈毎に用いられ、一つの文脈で用いた番号が、他の文脈で必ずしも同一の構成を示すとは限らない。また、ある番号で識別された構成要素が、他の番号で識別された構成要素の機能を兼ねることを妨げるものではない。

図面等において示す各構成の位置、大きさ、形状、範囲などは、発明の理解を容易にするため、実際の位置、大きさ、形状、範囲などを表していない場合がある。このため、本発明は、必ずしも、図面等に開示された位置、大きさ、形状、範囲などに限定されない。

本明細書において単数形で表される構成要素は、特段文脈で明らかに示されない限り、複数形を含むものとする。

以下で説明される実施例の一つの概要を説明すると、本実施例に伴う光源デバイスは、光源と、ブロック光学素子とを備えている。ブロック光学素子はブロック状の透明体と、透明体に光を散乱させる粒子を混入した粒子体である。透明体は、光を導光させる導光ブロックであり、粒子体は、光を分割する分割ブロックと、光を合成し出射させる合成出射ブロックのことである。また、光源デバイスは、光源から出射した光を分割ブロックで分割し、導光ブロックで導光させ、合成出射ブロックで合成させることで実現される。なお、本明細書において透明とは、光をその用途や目的に必要な強度を維持して透過させることをいい、１００％透明なものに限定されない。

図１を用いて、以下本発明の実施例1を説明する。図１(A)は本実施例における光源デバイス1の斜視図、図１(B)は光源デバイス1の内部構造を個別に分解した斜視図である。図１(B)に示すように、光源デバイスは複数波長光源2と、リフレクタ3と、リフレクタ3内部の導光ブロック4、分割ブロック5、合成出射ブロック6で構成されている。便宜的に、複数波長光源2の光の光軸の方向をｚ方向、それに垂直な面の一方向をx方向（図１では光源デバイス1の長辺方向）、他方向をｙ方向（図１では光源デバイス1の短辺方向）として垂直座標系を規定しておく。光軸は、射出光に強度分布がある場合には、最も強度の高い射出方向を光軸方向とするが、通常は光源となるLEDチップの端面に垂直方向と考えてよい。

分割ブロック5はリフレクタ開口8前面に配置されており、複数波長光源2の光が分割ブロック5に入射するように配備している。導光ブロック4は分割ブロック5の紙面左右（ｘ方向）に2個配置されている。合成出射ブロック6は光源デバイス1の出射面37を覆うように配置されている。出射面37のサイズは、短辺4ｍｍ程度、長辺10ｍｍ程度である。また、光源デバイス1の厚さは2ｍｍ程度を想定している。導光ブロック4、分割ブロック5、合成出射ブロック6は、リフレクタ3の寸法に合わせてサイズを決めることにより、リフレクタ3内に隙間なく配置することができる。このとき、光学的には各ブロックの間には、所定の厚さの空気層が介在することになる。また、接着剤やねじ等を用いて各ブロックを固定することも可能である。

導光ブロック4は透明度の高い第１の樹脂で形成された四角柱形状の透明体であり、導光ブロック4に入射した光を第１の樹脂内部の全反射により光を閉じ込め、導光ブロック4の光が入射した面と対向した面まで光を伝達する機能を持つ。

分割ブロック5は透明度の高い第１の樹脂を母材としてで形成された四角柱形状の透明体に、光を散乱させる粒子7を混入させたものである。粒子7も透明度の高い第２の樹脂であり、その直径は、２μｍとすることを想定している。第１の樹脂と第２の樹脂は屈折率を異ならせることで、屈折による散乱機能を付与することができる。この散乱機能により、光の進む方向を変化させ、光をブロック5で分割することができる。なお、基本的に導光ブロック4には粒子7が含まれないが、必要に応じて、導光ブロック4にも分割ブロック5より低い密度で粒子7を含有させても良い。

合成出射ブロック6は分割ブロック5と同様に透明度の高い第１の樹脂で形成された四角柱に光を散乱させる粒子7を混入させたものである。合成出射ブロック6は散乱機能により光を均一化し、混合する機能を持つ。

リフレクタ3は、複数波長光源2の光の入射するリフレクタ開口8と、合成出射ブロック7の光を出射する領域以外を覆い、光を効率的に合成出射ブロック7に導く。

透明度の高い樹脂で形成された四角柱形状の透明体、およびその透明体に光を散乱させる粒子7を混入させたものをブロック光学素子と総称する。実施例２以降においても、導光ブロック、分割ブロック、合成出射ブロックなどのブロック光学素子は実施例１と同様に作成することができる。なお、上記では導光ブロック、分割ブロック、合成出射ブロックは第１の樹脂を母体とし、必要に応じて第２の樹脂の粒子を混入しているが、ブロックごとに異なる種類の樹脂を母体とし、異なる種類の粒子を混入しても良い。ただし、材料の種類を限定すれば、製造コスト上有利である。また、上記の実施例では、複数のブロックを組み合わせているが、一体成型として部分的に粒子を混入しても同様の効果を得ることができる。

図２は、図１の光源デバイスの断面図である。複数波長光源2から出射された光が光源デバイス1の出射面37から出射されるまでの光の経路について図２を用いて説明する。なお、図２は断面図ではあるが、光の経路を示すためにハッチングを施していない部分がある。

複数波長光源2から出射された光はリフレクタ開口8から分割ブロック5に入射する。分割ブロック5に入射した光は合成出射ブロック6に入射する光9aと分割ブロック5の紙面左右（ｘ方向）に配置された導光ブロック4に入射する光10に３分割される。導光ブロック4に入射した光10は導光ブロック出射面11まで導光し、導光ブロック出射面11から出射される。出射された光はリフレクタテーパー部12で反射し、図中光9bで示すように合成出射ブロック6に入射する。

分割ブロック5で分割された光は上述した経路をたどり、それぞれ合成出射ブロック6に入射し、合成出射ブロック6で合成され、光源デバイス1の出射面37から出射される。

図３は光源デバイス1で得られる輝度分布を示したものである。点線13は分割ブロック5から導光ブロック4を通過して合成出射ブロック6に入射した光9bの輝度分布を示しており、点線14は分割ブロック5から直接合成出射ブロック6に入射した光9aの輝度分布を示したものである。点線13と点線14で示した3個の輝度分布が合成出射ブロック6で合成され実線15のような均一な輝度分布が得られる。

導光ブロック4は前述の通り樹脂内部の全反射により光を閉じ込め、入射した面と対向した面まで光を伝達する機能を持つ。どのような角度で入射した光も全反射で閉じ込め導光させるためには第１の樹脂の屈折率は1.41以上であることが望ましい。また屈折率が大きくなると透明体の透明度が低下するので屈折率は1.60以下とすることが望ましい。導光ブロック4の材質は樹脂でなくとも透明度が高ければよく、ガラスのような透明体であっても構わない。

分割ブロック5は前述の通り、入射した光を樹脂内部の粒子7で光を散乱させ、光を分割する機能を持ち、入射した光を入射面と対向した出射面から出射する光と、それ以外の方向への光、例えば入射面に対して垂直な出射面から出射する光に分割できる。

分割ブロック5の粒子密度が小さい場合は、樹脂内部の全反射による閉じ込めが粒子散乱による分割よりも強く働くため、分割ブロック5に入射した光は入射面と対向した面から出射する光量が大きくなる。分割ブロック5の粒子密度が大きい場合は樹脂内部の全反射による閉じ込めよりも粒子散乱よる分割が強く働くため、入射した面に対して垂直な面から出射する光量が大きくなる。

このため分割ブロック5の粒子密度を小さくすると図３の点線13で示した輝度が低くなり、点線14で示した輝度が高くなる。逆に分割ブロック5の粒子密度を大きくすると図３の点線13で示した輝度が高くなり、点線14で示した輝度が小さくなる。分割ブロック5の粒子密度を調節することで光源デバイス1から出射される輝度分布を所望な分布とすることができる。

図４は光源デバイス1で得られる輝度分布の他の例を示したものである。例えばプロジェクタにおいて、一般的に分布の均一さは輝度分布の最大値と最小値の比が0.5あれば十分であるとされている。このような場合、分割ブロック5の粒子密度を小さくして、図３の点線13で示した輝度を低く、点線14で示した輝度を高くすることで、図４のように必要な均一さを保ちながら輝度を大きくすることができる。

図５は光源デバイス1で得られる輝度分布のさらに他の例を示したものである。さらに中心輝度が必要であればさらに分割ブロック5の粒子密度を小さくすることで図５のように中心輝度の高い分布をつくることもできる。

図６は光源デバイス1で得られる輝度分布のさらに他の例を示したものである。分割ブロック5の粒子密度を大きくすることで、点線13で示した輝度を高く、点線14で示した輝度を低くして、輝度分布を図６のように左右に分割することもできる。このように粒子密度を変化させることで、複数波長光源2の光を所定の分布に変換できる。例えば、図６のような構成では、複数個所が光るインジケータなどに利用できる。

上述のように図３〜図６の輝度分布は、分割ブロック5の粒子密度を変えることにより制御することができる。他の手法としては、分割ブロック5の厚さDを変えることにより制御することができる。分割ブロック5の厚さDを厚くして、複数波長光源2からの光が合成出射ブロック6に至る光路長を長くすることにより、散乱量を大きくして分割する光量を増加することができる。またさらに他の手法としては、分割ブロック5の粒子の屈折率を変えることにより制御することができる。母体である第１の樹脂と粒子である第２の樹脂の屈折率差を大きくすることにより、散乱量を大きくして分割する光量を増加することができる。さらに、これらの手法を組み合わせても良い。

合成出射ブロック6は前述の通り輝度分布を合成し、光源デバイスから出射させる機能を持つ。粒子密度が小さいと粒子散乱による合成機能が小さくなり、例えば図３の輝度分布点線13、点線14の間が暗所となる。粒子密度を適度に調整することで暗所を無くすことができる。暗所をなくすためには合成出射ブロック6の高さTを大きくすることも効果的である。

リフレクタ3は前述したように導光ブロック4から出射された光を合成出射ブロックに伝達する機能を持つ。また、合成出射ブロック6の散乱で光源デバイス1の出射面37と逆方向に進行する光を反射させてまた、合成出射ブロック6に戻す機能も持つ。リフレクタ3は反射率の高い白色樹脂を用いると良い。例えば、東レ・ダウコーニング（株）製ＭＳ−２００２を用いると97％程度の高い反射率を実現できる。もちろんリフレクタは白樹脂でなくとも反射率が高ければミラーのような正反射する金属であっても構わない。

粒子7の直径は、複数波長光源2から出射される光の波長より大きく、１０倍以下とすると良い。Ｍｉｅ散乱の原理から光の波長と同程度にすると、後方散乱が増加し、光のロスが大きくなる。また10倍以上にすると、光が散乱しなくなるため、光を拡散させる機能が小さくなるためである。

図７は、複数波長光源2の平面図である。複数波長光源2は、図７に示したように赤、緑、青の波長帯の光を出射する赤チップ16、緑チップ17、青チップ18が１個の筐体内に1列に配置された複数波長光源である。複数波長光源2は、少なくとも２個以上の異なる波長帯の光を出射する複数の光源を備える。図１、図２に示すように、合成出射ブロック6の分割ブロック5と接する面は長方形であり、該長方形の長手方向（光源デバイス1の長手方向にほぼ等しい）と、複数の光源の中心を結ぶ線とは略直交している。

前述したように複数波長光源2から出射した赤、緑、青の波長帯の光は、分割ブロック5に入射する。このため、複数波長光源2に搭載された赤チップ16、緑チップ17、青チップ18の最大外形の幅ＷＬと高さＨＬよりも、分割ブロック5の幅Ｗと高さＨを大きく設定する。また、設計上は、赤チップ16、緑チップ17、青チップ18の中心と、分割ブロック5の中心を一致させると良い（図では、水平線19、垂直線20の交差する点）。

色ムラなく光を均一化するためには導光ブロック4に導光する赤チップ16、緑チップ17、および青チップ18の光の割合は等しいことが望ましい。そのため複数波長光源2の赤チップ16、緑チップ17、青チップ18は垂直線20の方向に一列に並んでいることが望ましい。

複数波長光源2は図７で示したように各色のチップが異なる位置にある。通常複数の波長の光の軸が異なっていると、その光を均一に混合することは難しい。分割ブロック5は、複数波長光源2から出射した複数の波長の光を粒子散乱によって拡散し、均一に混合する機能も有している。

ブロック光学素子は、前述の通り、透明度の高い第１の樹脂で形成された四角柱であり、その内部には第２の樹脂の粒子7が充填されている。第１の樹脂は、例えば日立化成（株）製ヒタロイド（商標）９５０１を使用する。これは、ウレタンアクリレート系の光硬化樹脂であり、波長５５０ｎｍのとき屈折率は1.51である。また、第２の樹脂の粒子7には、積水化成品工業（株）製テクポリマー（商標）ＳＳＸ−３０２ＡＢＥを使用する。これは、架橋ポリスチレン樹脂でできた粒子であり、波長５５０ｎｍのとき屈折率は１．５９、形状は球形、平均直径は２μｍで、全体の略９５％の粒子が平均直径と０．５μｍ以内の差である単分散粒子である。

また、ブロック光学素子は以下のように製造できる。まず光硬化樹脂の中に、全体の体積比で所望の比率で粒子を入れ、攪拌棒にて１０分間程度攪拌する。攪拌後４時間以上の自然放置により、十分に脱泡する。底面および側面を金属板で囲むことにより、所望のサイズの空隙を作り、そこに樹脂を流し込み、上からガラス板を被せる。このとき、内部に空気が入らないようにする。その後、ガラス越しにＵＶランプを照射させ、樹脂を十分に硬化させ樹脂プレート21を作る。その後樹脂プレート21を取り出して、ダイサーにて所望のサイズに切り出す。

図８は樹脂プレート21と、ダイサーで切断する水平切り出し線22、垂直切り出し線23、斜め切り出し線24を示したものである。樹脂プレート21を水平切り出し線22、垂直切り出し線23のように縦横に切り出すことで1枚の樹脂プレートから四角柱のブロック光学素子を複数安易に製造できる。また、ダイサーの水平切り出し線22、垂直切り出し線23、に加えて斜め切り出し線24のようにダイサーで切り出せば、三角柱のブロック光学素子も複数安易に製造可能である。平板プレートをダイサーで切断する手法では、複数のブロック光学素子を一度に複数製造できるため、コスト面で有利である。ブロック光学素子は、ＵＶランプを照射させる必要があるため、透明な金型を用い製造しても良い。

図９は、図１に示した光源デバイス1の出射面37に偏光フィルム25を貼り付けた構成を示した図である。透過型液晶や反射型液晶（ＬＣＯＳ）などの表示器は、偏光特性を利用しているので、図９のように偏光フィルム25を出射面37に付与すると、出射する光を表示器に適した偏光特性に変換することができる。次に図１で示した光源デバイスを用いた映像装置について説明する。

図１０は、映像装置26を図示した概略図である。映像装置26は、図９で図示した偏光フィルム25を貼り付けた光源デバイス1に表示器27を取り付けたものである。表示器27は、透過型液晶を想定しており、前述したように偏光を利用して映像を生成する。なお、表示器27には、偏光フィルム28を貼り付けており、映像光を透過させるが、映像でない光は透過させない構成としている。この偏光フィルム28には吸収型の偏光フィルムを用いると良い。吸収型の偏光フィルムを用いることで、偏光フィルム25と28の間の多重反射を防止することで、コントラストの低下を防止する効果が得られる。次にヘッドマウントディスプレイについて説明する。

図１１は、ヘッドマウントディスプレイの概略図である。ヘッドマウントディスプレイそのものについては各種の公知の構成があるが、基本的には画像を生成する映像装置と、生成した画像を使用者の眼（網膜）に伝達して投射する光学系からなる。図１１では、ヘッドマウントディスプレイ29は、映像装置26、投射光学系３０、投射器31が紙面左右に配備された構成である。ヘッドマウントディスプレイ29は両眼式で、使用者32の左右の目に映像が投影できるよう紙面左右対称な構成になっている。ヘッドマウントディスプレイ29は、映像装置26で生成された映像を投射光学系３０と投射器31で目に伝達するものである。

投射光学系３０は、レンズなどの光学系で構成されており、投射器31は回折を利用した映像伝達用の薄いプレートであり、映像を投射する。近年回折を利用した映像伝達用の投射器の開発が進んでおり、シースルー性の高いヘッドマウントディスプレイが実現されている。映像装置26は、ヘッドマウントディスプレイのようなウエアラブル用途に用いるための小型化が実現されるものである。

図１２は、ヘッドマウントディスプレイ29のシステム図である。ヘッドマウントディスプレイ29は、コントロール回路33、電源34、映像装置26、投射光学系３０、投射器31、映像処理回路35、操作処理部36から構成されている。

コントロール回路33は、ヘッドマウントディスプレイ29をコントロールする機能を有する。映像処理回路35は、映像信号を映像装置26内の表示器27を駆動し映像を変える機能を有する。操作処理部36は、使用者32からのヘッドマウントディスプレイ29の操作情報をコントロール回路33に伝達する機能を有する。例えば、音声認識や、ジェスチャー認識や、静電式のタッチパッドなどで実現される。使用者32がヘッドマウントディスプレイ29を操作すると、操作処理部36がその操作情報をコントロール回路33に伝達する。

コントロール回路33は、操作情報に基づき、電源34を介して映像装置26内に配備された複数波長光源2を発光する。コントロール回路33は、映像処理回路35を介して、表示器（マイクロディスプレイ）27を駆動し、複数波長光源2から出射した光で、所望の映像を生成する。生成された映像は、投射光学系３０、投射器31にて使用者の目に伝達される。

以上説明したように、光源デバイス1は、小型と軽量が求められるヘッドマウントディスプレイ29などの小型な映像装置26の光源として最適である。

次に、図１３〜１５を用いて本発明における実施例２の説明をする。ここでは図１の光源デバイス１の変形例を説明する。

図１３(A)は実施例2の光源デバイス38の斜視図、図１３(B)は光源デバイス38の内部構造を個別に分解した斜視図である。図１３(B)に示すように、光源デバイス38は複数波長光源2とリフレクタ39とリフレクタ39内部の、導光ブロック40、41、分割ブロック42、43、合成出射ブロック44で構成されている。

光源デバイス38は、図１３に示すように導光ブロック40の側面にさらに分割ブロック43と導光ブロック41が配置されている点が、図１の光源デバイス１とは異なる。導光ブロックと分割ブロックの構成や材質は、実施例１と同様でよい。

図１４は、実施例２における光源デバイス38の断面図である。複数波長光源2から出射された光が光源デバイス38の出射面45から出射されるまでの光の経路について光源デバイス38の断面図、図１４を用いて説明する。

複数波長光源2から出射された光はリフレクタ開口46から分割ブロック42に入射し、合成出射ブロック44に入射する光50aと分割ブロック42の左右（ｘ方向）に配置された導光ブロック40に入射する光47に３分割される。

導光ブロック40に入射した光47は導光して分割ブロック43に入射する。分割ブロック43に入射した光は合成出射ブロック44に入射する光50bと導光ブロック41に入射する光に分割される。

導光ブロック41に入射した光は導光ブロック出射面48まで導光し、導光ブロック出射面48から出射される。出射された光はリフレクタテーパー部49で反射し、合成出射ブロック44に入射する光50cとなる。

分割ブロック42,43で分割された光は上述した経路をたどり、それぞれ合成出射ブロック44に入射し（光50a、50b、50c）、合成出射ブロック44で合成され、光源デバイス38の出射面45から出射される。

図１５は光源デバイス38で得られる輝度分布を示したものである。点線51は合成出射ブロック44に入射した光50aの輝度分布を、点線52は合成出射ブロック44に入射した光50bの輝度分布を、点線53は合成出射ブロック44に入射した光50cの輝度分布をそれぞれ示したものである。点線51、52、53で示した5個の輝度分布が合成出射ブロック44で合成され、実線54で示した均一な輝度分布が得られる。

実施例１と同様にして分割ブロック42,43の粒子密度を調節して、所望の輝度分布を得ることができる。実施例2のように複数の分割ブロックと導光ブロックを使用することで、より広い出射面積に効率良く光を伝達し、均一化することができる。

図１６、１７を用いて本発明における実施例３の説明をする。図１６(A)は実施例３における光源デバイス55の斜視図、図１６(B)は光源デバイス55の内部構造を個別に分解した斜視図である。図１６(B)に示すように、光源デバイス55は、複数波長光源2と、リフレクタ56と、リフレクタ56内部の導光ブロック59、分割ブロック60、合成出射ブロック61で構成されている。

光源デバイス55は、リフレクタ56、導光ブロック59、及び分割ブロック60の形状が、図１の光源デバイス1と異なる。この形状により、開口57から光が入射する方向と、出射面58から出射する光の方向が異なる構成である。

リフレクタ56の開口57を光源デバイス55の出射面58に対して垂直な面に配置し、複数波長光源2からの光を、光源デバイス55の出射面58対して垂直な面から入射させる構成である。この構成では複数波長光源2からの光が開口57に入射する方向と、出射面58から光が出射する方向は直交することとなる。

導光ブロック59及び分割ブロック60は、光源デバイス1の導光ブロック4及び分割ブロック5とは異なり三角柱である。三角柱のブロック光学素子はブロック光学素子の内面反射によって、ブロック光学素子に入射した光の進行方向を変化させることができる。光源デバイス55のように複数波長光源2の光軸と出射面58が垂直な関係なとき、三角柱のブロック光学素子を使用することで効率良く出射面58まで光を伝達することができる。

図１7は光源デバイス55を面62で切断した断面図である。複数波長光源2から入射した光をブロック光学素子斜面63の内面反射を利用することで、光源デバイス55の出射面58に伝達することができる。また、分割ブロック60は、光を紙面垂直方向（ｘ方向）に分離して、導光ブロック59に送る。光源と出射面の位置関係に制限があったとしても、実施例３のように三角柱のブロック光学素子を使用することで効率良く光を伝達し、均一化することができる。本実施例では、複数波長光源2の光軸と出射面58が垂直な関係になっているが、垂直以外の角度で構成することも可能である。

図１８、図１９を用いて本発明における実施例４の説明をする。図１８(A)は実施例４における光源デバイス126の斜視図、図１８(B)は光源デバイス126の内部構造を個別に分解した斜視図である。図１８(B)に示すように、光源デバイス126は、複数波長光源2と、リフレクタ128と、リフレクタ128内部の導光ブロック129、分割ブロック1３０、合成出射ブロック131で構成されている。

光源デバイス126はリフレクタ128、導光ブロック129及び分割ブロック1３０の形状が、図１の光源デバイス1と異なる。開口132から光が入射する方向と、出射面133から出射する光の方向が異なる構成である。導光ブロック129及び分割ブロック1３０は光源デバイス1の導光ブロック4及び分割ブロック5とは異なり三角柱形状である。

図１９は光源デバイス126を面127で切断した断面図である。ブロック光学素子の斜面134に合成出射ブロック131を接して配置させることで光の出射方向を、斜面134に対して垂直方向に変えることができる。また、分割ブロック1３０は、光を紙面垂直方向（ｘ方向）に分離して、導光ブロック129に送る。三角柱形状のブロック光学素子の斜面を利用することで、透過型液晶や反射型液晶（ＬＣＯＳ）などの表示器と光源デバイスの配置関係に制限があったとしても、効率良く表示機まで光を伝達可能な光源デバイスが実現できる。

図２０を用いて本発明における実施例５の説明をする。ここでは図１の光源デバイス1の変形例を説明する。図２０(A)は実施例５における光源デバイス64の斜視図、図２０(B)は光源デバイス64の内部構造を個別に分解した斜視図である。図２０(B)に示すように、光源デバイス64は単色光源125とリフレクタ65とリフレクタ65内部の導光ブロック66、67、分割ブロック68、合成出射ブロック69で構成されている。

分割ブロック68の左右（ｘ方向）に導光ブロック66を配置し、分割ブロックの上下（ｙ方向）にも導光ブロック67を配置する構成、および複数波長光源2が単色光源125となった点が図１の光源デバイス1と異なる。

単色光源125から出射された光が光源デバイス64の出射面70から出射されるまでの光の経路について説明する。単色光源125から出射された光はリフレクタ開口71から分割ブロック68に入射する。分割ブロック68に入射した光は合成出射ブロック69に入射する光と、分割ブロックの左右上下に配置した導光ブロック66,67に入射する光に５分割される。導光ブロック66、67に入射した光はそれぞれ入射した面に対して対向した面まで導光して出射する。出射された光はリフレクタテーパー部72で反射し、合成出射ブロック69に入射する。分割ブロック68で分割した光は上述のように合成出射ブロック69に入射し、合成され光源デバイス64の出射面70から出射される。

実施例１と異なり光源は単色光源125のみであり、色むらは発生しないので、左右上下に光を導光することができる。実施例１と同様に、分割ブロック68の粒子密度を調整することで分割する光量を調節し、各々を合成出射ブロックで合成することで光源デバイス64から出射される輝度分布を均一化できる。実施例５のように光の広げたい方向に導光ブロックを配置することで、光を所望の方向に広げ、均一化することができる。

図２１〜２３を用いて本発明における実施例６の説明をする。ここでは図１の光源デバイス1の変形例を説明する。図２１(A)は実施例６における光源デバイス73の斜視図、図２１(B)は光源デバイス73の内部構造を個別に分解した斜視図である。図２１(B)に示すように、光源デバイス73は複数波長光源2とリフレクタ74とリフレクタ74内部の導光ブロック75、分割ブロック76、合成出射ブロック77で構成されている。

複数波長光源2の位置とブロック光学素子の構成が光源デバイス1と異なる。この構成では複数波長光源2が開口78に入射する方向と出射面79からする出射方向は直交することとなる。図２１(B)に示すように、分割ブロック76はリフレクタ開口78直後に配置されており、複数波長光源2の光が分割ブロック76に入射するようになっている。また導光ブロック75は図２１(B)のように分割ブロック76に接して配置されている。合成出射ブロック77は光源デバイス73の出射面79を覆うように配置されている。

図２２は光源デバイス73の断面図である。複数波長光源2から出射された光が光源デバイス73の出射面79から出射されるまでの光の経路について図２２を用いて説明する。

複数波長光源2から出射された光はリフレクタ開口78から分割ブロック76に入射する。分割ブロック76に入射した光は合成出射ブロック77に入射する光80aと分割ブロック76の横に配置された導光ブロック75に入射する光81に2分割される。導光ブロック75に入射した光81は導光ブロック出射面82まで導光し、導光ブロック出射面82から出射される。出射された光はリフレクタテーパー部83で反射し、光80bとして合成出射ブロック77に入射する。

分割ブロック76で分割された光は上述した経路をたどり、それぞれ合成出射ブロック77に入射し（光80a、80b）、合成出射ブロック77で合成され、光源デバイス73の出射面79から出射される。

図２３は光源デバイス73で得られる輝度分布を示したものである。点線84は分割ブロック76から直接合成出射ブロック77に入射した光（80a）の輝度分布を示しており、点線85は分割ブロック76から導光ブロック75を通過して合成出射ブロック77に入射した光（80b）の輝度分布を示したものである。点線84と点線85で示した2個の輝度分布が合成出射ブロック77で合成され実線86のような均一な輝度分布が得られる。

実施例１と同様に、分割ブロック76の粒子密度を調整することで分割する光量（80a、80b）を調節し、各々を合成出射ブロックで合成することで所望の輝度分布を得ることができる。光源と出射面の位置関係に制限があったとしても、実施例６のようなブロック光学素子の配置とすることで光を均一化することができる。

図２４〜２７を用い本発明における実施例７の光源デバイス87の構成について説明する。図２４は光源デバイス87の斜視図である。図２５は光源デバイス87の内部構造を個別に分解した斜視図である。

図２５に示すように光源デバイス87は、筐体88と緑色光源89,赤色光源90,青色光源91と筐体88内部に配置された導光ブロック96と合成出射ブロック97で構成されている。各光源89〜90は導光ブロック96に接するように配置されており、光源89〜90から出射された光は、開口93〜95を介して導光ブロック96に入射するようになっている。合成出射ブロック97は光源デバイス87の出射面92を覆うように配置されている。

導光ブロック96はダイクロ膜98,99を備えている。ダイクロ膜98は緑の光を透過して、赤の光を反射する機能を有しており、ダイクロ膜99は赤と緑の光を透過して、青の光を反射する機能を有している。

図２６は光源デバイス87の断面図である。各光源89〜90から出射された光が光源デバイス87の出射面92から出射されるまでの光の経路について図２６を用いて説明する。緑色光源89から出射した緑の光100と、赤色光源90から出射した赤の光101は、導光ブロック96内部のダイクロ膜98で光の軸が合成される。また、ダイクロ膜98を進行した赤と緑の光102と、青色光源91から出射した青の光103は、導光ブロック96内部のダイクロ膜99で光の軸が合成される。赤、緑、青の合成された光104は、合成出射ブロック97に入射し混合され、出射面92から均一な光として出射される。

通常組立ての誤差で、完全に赤、緑、青の光の軸を一致させることは困難である。合成出射ブロック97は、この製造誤差で角度成分を持つ輝度が均一にできない問題を解決するために配備されており、光源デバイス87の出射面92から出射される光は、角度成分をもつ輝度も均一に混合される。

図２７を用いてダイクロ膜98,99を備えた導光ブロック96の製造方法について説明する。図２７(A)に示したように導光ブロック96は4個の三角形状の導光ブロック105〜108から構成され、導光ブロック105の斜面109にダイクロ膜98が、導光ブロック107の斜面110にダイクロ膜99が施されている。導光ブロック105〜108を接着剤で貼り付ければ、導光ブロック96が実現できる。透明な接着剤としては、屈折率のミスマッチによる境界反射を発生させないように前述の光硬化樹脂を用いることが望ましい。もちろん、各ブロックを先に貼り付けず、筐体88に組み込んでから、光効果樹脂を流し込んで、ＵＶランプを照射させ貼り付けてもなんら構わない。

また、図２７(B)に示したように、導光ブロック106、107の代わりに、平行四辺形形状の導光ブロック135を使用してもよい。また、ダイクロ斜面109、および斜面110にダイクロ蒸着されたガラスプレートなどを挟み込んで製造しても構わない。光源デバイス87を映像表示装置の照明用として用いる場合、出射面92に透過型液晶装置を配置する。出射面92の大きさが小さい場合、出射面92の後にレンズを配置して出射分布を拡大して透過型液晶装置に照明してもよい。

図２８〜３０を用い、本発明における実施例８の映像表示装置について説明する。図２８は映像表示装置111の斜視図であり、図２９は映像表示装置111を個別に分解した斜視図である。図２８に示すように映像表示装置111は光源デバイス112と透過型の液晶パネル113から構成されている。

図２９に示すように、光源デバイス112は複数波長光源114と合成出射ブロック116と筐体115で構成され、その出射面118に偏光フィルム119が配置されている。合成出射ブロック116は複数波長光源114の光が開口117を介して入射する入射面120のサイズと出射面121のサイズを異ならせ、出射面121のサイズを映像表示装置111の表示面290と同程度としている。光源デバイス112の入射面から出射面までの距離122が大きい場合、合成出射ブロックのみを用いても、粒子密度を小さくすることで、効率良く光を均一化できる。

図３０は他の例である。図３０のように合成出射ブロック116を導光ブロック123と合成出射ブロック124に分割してもよい。導光ブロック123内部で反射したのちに合成出射ブロック124の粒子で散乱させることで、効率良く、光を均一化できる。もちろん、実施例１のように複数波長光源114の直後に分割ブロックを設置し、その左右に導光ブロックを配置し合成出射ブロックで合成する構成でもよい。

上述した光源デバイス112に透過型の液晶パネル113を配置することで、通常液晶パネルを照射するために必要な光学系が不要となり、安価で小型な映像表示装置が提供できる。合成出射ブロックは成型で製造しても良く、量産する場合は成型品であるとコストを抑えることができる。

１ 光源デバイス
２ 複数波長光源
３ リフレクタ
４ 導光ブロック
５ 分割ブロック
６ 合成出射ブロック
７ 粒子
８ 開口

Claims (15)

1. 光源と、
   前記光源からの光を、第１の方向と、該第１の方向と異なる第２の方向に射出する、前記光に対して透明な母材に粒子を混入した分割ブロックと、
   前記第１の方向に射出された光が入射する合成出射ブロックと、
   前記第２の方向に射出された光が入射し、前記第１の方向と異なる方向へ光を導く導光ブロックとを備え、
   前記導光ブロックによって前記第１の方向と異なる方向へ導かれた光を、前記合成出射ブロックに入射させる、
   光源デバイス。
2. 前記合成出射ブロックは、直方体もしくは板状であり、
   前記第１の方向に射出された光が入射する箇所と、前記導光ブロックによって前記第１の方向と異なる方向へ導かれた光が入射する箇所は、前記合成出射ブロックの同一面の異なる箇所である、
   請求項１記載の光源デバイス。
3. 前記分割ブロックは、
   前記光源からの光が入射する第１の入射面と、入射した光を第１の方向に出射する第１の出射面、および入射した光を第２の方向に出射する第２の出射面を備え、
   前記合成出射ブロックは、
   前記第１の出射面から出射する光が入射する第２の入射面と、入射した光を出射する第３の出射面を備え、
   前記導光ブロックは、
   前記第２の出射面から出射する光が入射する第３の入射面と、入射した光を出射する第４の出射面を備え、
   前記第４の出射面から出射する光を反射して前記第２の入射面に入射する、リフレクタを備える、
   請求項１記載の光源デバイス。
4. 前記第４の出射面から出射する光を、第２の分割ブロックおよび第２の導光ブロックを経由して前記リフレクタに入射させる、
   請求項３記載の光源デバイス。
5. 前記分割ブロックは、
   前記第１の入射面と前記第１の出射面が平行、前記第１の入射面と前記第２の出射面が垂直に構成される、
   請求項３記載の光源デバイス。
6. 前記分割ブロックは、
   前記第１の入射面と前記第１の出射面が垂直、前記第１の入射面と前記第２の出射面が垂直に構成される、
   請求項３記載の光源デバイス。
7. 前記分割ブロックは、
   前記第１の入射面と前記第１の出射面が鋭角、前記第１の入射面と前記第２の出射面が垂直に構成される、
   請求項３記載の光源デバイス。
8. 前記分割ブロックは、
   入射した光を前記第１の方向と異なり、かつ前記第２の方向に垂直な第３の方向に出射する第５の出射面を備え、
   さらに第３の導光ブロックを備え、該第３の導光ブロックは、
   前記第５の出射面から出射する光が入射する第４の入射面と、入射した光を出射する第６の出射面を備え、
   前記第６の出射面から出射する光を反射して前記第２の入射面に入射する、リフレクタを備える、
   請求項３記載の光源デバイス。
9. 前記分割ブロックは、
   前記第１の入射面と前記第１の出射面が垂直、前記第１の入射面と前記第２の出射面が平行に構成される、
   請求項３記載の光源デバイス。
10. 光源デバイスと、画像を生成する映像装置と、前記画像を前記光源デバイスからの光により投射する光学系と、を備えるディスプレイ装置であって、
    前記光源デバイスは、光源と、ブロック光学素子とを備え、
    前記ブロック光学素子は、ブロック状の透明体と、透明な母材に光を散乱させる粒子を混入したブロック状の粒子体と、を含み、
    前記透明体と前記粒子体を組み合わせることにより、前記光を均一化することを特徴とするディスプレイ装置。
11. 請求項１０に記載のディスプレイ装置であって、
    前記ブロック光学素子は、前記透明体である光を導光させる導光ブロックと、前記粒子体である光を分割する分割ブロックと、光を合成し出射させる合成出射ブロックを含み、
    前記光源から出射した光を前記分割ブロックで分割し、前記導光ブロックで導光させ、前記合成出射ブロックで合成し、出射させることを特徴とするディスプレイ装置。
12. 光のパスを限定
    請求項１１記載のディスプレイ装置であって、
    前記光源デバイスは、光を反射させる機能を有するリフレクタを備え、
    前記光源から出射した光は、前記分割ブロックに入射し、少なくとも２方向の光に分割させ、
    前記２方向に分割された光のうち、一方は、前記合成出射ブロックに入射させ、他方は、前記導光ブロックを通り、前記リフレクタで反射して前記合成出射ブロックに入射させることを特徴とするディスプレイ装置。
13. 請求項１１記載のディスプレイ装置であって、
    前記分割ブロックの、前記光源から出射した光が入射する面と異なる面に、前記合成出射ブロックを接して配備させ、
    前記分割ブロックと前記導光ブロックは、前記分割ブロックと前記合成出射ブロックが接する面とは異なる面で接して配備させ、
    前記合成出射ブロックと前記導光ブロックは、前記分割ブロックと前記合成出射ブロックとが接する面と接して配備させることを特徴とするディスプレイ装置。
14. 請求項１１記載のディスプレイ装置であって、
    前記光源は、少なくとも２個以上の異なる波長帯の光を出射する複数の光源を備え、
    前記合成出射ブロックの前記分割ブロックと接する面は、長方形であり、該長方形の長手方向と、前記複数の光源の中心を結ぶ線とは略直交していることを特徴とするディスプレイ装置。
15. 請求項１１記載のディスプレイ装置であって、
    前記分割ブロックと前記導光ブロックは、四角柱ないし、三角柱であることを特徴とするディスプレイ装置。

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