JP3976757B2 - 照明装置及び投射型表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、プロジェクタに代表される投射型表示装置に関するものであり、特に、照明装置の改良に関するものである。

投射型表示装置は、照明装置から出力された光によって表示デバイスとしてのライトバルブを照明することによって画像光を形成し、形成された画像光をスクリーンに向けて投射する。従来、照明装置の光源としは、高圧水銀ランプ、メタルハライドランプ又はキセノンランプといった放電ランプが用いられていた。放電ランプは、高輝度の白色光を発するので、明るい画像を表示する観点からは望ましい光源であったが、投射型表示装置の小型化や低消費電力化を実現すべく、新たな光源が模索されており、発光ダイオードがその有力候補として注目されている。より具体的には、青色及び緑色の発光ダイオードの近年の発展は目ざましく、既に高効率での発光が可能となっている赤色発光ダイオードと組み合わせれば、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３原色が揃い、上記照明装置の光源としての利用が可能になると考えられている。

例えば、特許文献１には、発光ダイオード等の固体発光素子を光源とするサイドライト型の面光源が開示されている。より具体的には、対向する第１と第２の２つの端面と、第１の端面から第２の端面に向かって進む光を前側に出射する複数の出射面が形態された前面とを有する導光板と、第２の端面に対向させて配置された少なくとも１つの発光ダイオードと、第１の端面に設けられ、第２の端面から導光板に入射して第１の端面に導かれた光を反射する反射板とを備えた面光源が開示されており、この面光源が液晶表示装置等に用いられることが示唆されている。
特開２００３−７１１２号公報

特許文献１に開示されている面光源では、導光板の端面から入射した光は導光板内で内部反射を繰り返し、最終的に出射面から出射する。この間、光の偏光状態が意図的に制御されることはない。従って、導光板から出射される光は非偏光であり、Ｓ偏光光及びＰ偏光光の双方を含んでいる。しかし、液晶パネルを照明する際には、照明光の偏光状態をＳ偏光又はＰ偏光の何れか一方に揃えておく必要があることは周知である。従って、特許文献１に開示されている面光源によって液晶パネルを照明するためには、該面光源と照明対象である液晶パネルとの間に偏光変換手段を配置して偏光状態を揃えることが必須である。このため、光源と液晶パネルとの間に偏光変換手段を配置するためのスペースを確保しなくてならず、装置の大型化を招く。また、上記スペースの分だけ、光源と液晶パネルとの間の距離が離れる。光源から出力された光は発散するため、光源と液晶パネルとの距離が離れれば離れほど、液晶パネルに対する照明光の入射角のバラツキが大きくなる。

本発明の目的は、上記課題を解決してなるべく小型の投射型表示装置を実現可能とすることにある。

本発明の照明装置は、発光素子と、発光素子から発せられた光が入射する第１の端面、第１の端面から入射した光が出射される第２の端面、及び第２の端面から第１の端面に向けて内部反射を繰り返しながら進行する光がその進行の過程で出射する光取り出し面を備えた第１の導光部材と、第１の導光部材の第２の端面から出射された光のうち、Ｓ偏光光を反射して第２の端面から第１の導光部材内に戻し、その他の光を透過させる偏光選択手段と、偏光選択手段を透過した光をＳ偏光光に変換する偏光変換手段と、偏光変換手段によって偏光変換された光が入射する第３の端面、第３の端面の反対側に位置する第４の端面、及び第３の端面から第４の端面に向けて内部反射を繰り返しながら進行する光がその進行の過程で出射する光取り出し面を備えた第２の導光部材とを有する。

以上の構成を有する本発明の照明装置では、偏光選択手段によって第１の導光部材に戻されたＳ偏光光は、第１の導光部材内で内部反射を繰り返しながら進行し、第１の導光部材の光取り出し面への入射角が臨界角を下回った時点で光取り出し面から出射する。一方、偏光選択手段を透過した光は、Ｓ偏光光に偏光変換された後に第２の導光部材に入射し、第２の導光部材内で内部反射を繰り返しながら進行し、第２の導光部材の光取り出し面への入射角が臨界角を下回った時点で光取り出し面から出射する。すなわち、いずれの導光部材からもＳ偏光光が出射される。しかも、出射されるＳ偏光光は、各導光部材内で内部反射しながら進行する過程において輝度分布の均一化が図られる。

本発明の照明装置からは偏光状態の揃った照明光が出力されるので、出力された照明光を照明対象に照射する前に、その照明光の偏光状態を揃える必要がない。本発明の投射型表示装置は、上記効果を有する照明装置を備えるので、照明装置とライトバルブとの間に偏光変換手段を設ける必要がない。よって、照明装置をライトバルブになるべく近づけて配置することによって小型化を達成できる。

（実施形態１）
以下、本発明の照明装置の実施形態の一例について図面を参照しながら詳細に説明する。本例の照明装置は、図１に示すように、光源としての発光ダイオード１０と、第１の導光部材２０と、第２の導光部材３０と、偏光選択手段としての反射型偏光板４０と、偏光変換手段としての位相差板５０とから構成されている。

発光ダイオード１０は、発光素子の周囲がレンズ形状の樹脂によって封止された砲弾型の発光ダイオードであり、一般に市販されているものである。

第１の導光部材２０は、互いに平行な第１の端面２１と第２の端面２２を有し、相対的に面積の大きな第２の端面２２の側から相対的に面積の小さな第１の端面２１の側に向けて次第に厚みが薄くなる楔形状を呈している。従って、第１の端面２１又は第２の端面２２から入射した光は、光取り出し面２３と斜面２４との間で内部反射を繰り返しながら第２の端面２２又は第１の端面２１に向けて進行する。一方、第２の導光部材３０は、互いに平行な第３の端面３１と第４の端面３２とを有し、相対的に面積の大きな第３の端面３１の側から相対的に面積の小さな第４の端面３２の側に向けて次第に厚みが薄くなる楔形状を呈している。従って、第３の端面３１又は第４の端面３２から入射した光は、光取り出し面３３と斜面３４との間で内部反射を繰り返しながら第４の端面３２又は第３の端面３１に向けて進行する。このように、第１の導光部材１０と第２の導光部材２０は、長手方向に沿って次第に厚みが変化する略楔形の同一形状を有し、入射した光に対して同一の作用を示す。２つの導光部材１０、２０の形状をより明確にすべく、図２に、第１の導光部材１０の模式的斜視図を示す。

再び図１を参照した説明に戻ると、同図に示す第１の導光部材１０及び第２の導光部材２０としては、光散乱導光部材が望ましい。本発明において光散乱導光部材とは、ＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）やＰＣ（ポリカーボネイト）といった樹脂材料に、これら樹脂材料とは屈折率の異なるミクロンオーダの大きさの粒子状物質、例えばシリコン系樹脂粉体が所定の体積分率で混練された材料によって形成された導光部材を意味する。かかる光散乱導光部材では、光の吸収を伴わないミクロな不均一構造の相対屈折率と上記粒子状物質の粒径とを制御することによって得られる多重散乱作用によって、光を減衰させることなく、特定方向に均一に出射させることができる。

反射型偏光板４０は、入射した光のうちＳ偏光光を反射し、その他の光は透過させる。かかる作用を有する反射型偏光板としては、例えば米国モックステックス社のワイヤグリッド型偏光板（品名：ProFlux）が容易に入手可能である。位相差板５０は、フィルムタイプの1/2波長板である。

本例の照明装置では、上記構造或いは作用を有する発光ダイオード１０、第１の導光部材２０、第２の導光部材３０、反射型偏光板４０及び位相差板５０が図１に示すように配置されている。すなわち、第１の導光部材２０と第２の導光部材３０とが、第２の端面２２と第３の端面３１とが所定の隙間を空けて対向するように一列に配置されている。また、第１の導光部材２０の第１の端面２１と対向する位置に発光ダイオード１０が配置されている。さらに、第２の端面２２と第３の端面３１との隙間に、反射型偏光板４０及び位相差板５０が配置されている。ここで、反射型偏光板４０及び位相差板５０は、反射型偏光板４０が第２の端面２２と対向し、位相差板５０が第３の端面３１と対向する順序で配置されている。かかる順序が維持されていれば、反射型偏光板４０と位相差板５０とが貼合されて一体化されていても構わない。

次に、以上の構成を有する本例の照明装置の動作について説明する。発光ダイオード１０に電圧が印加されると、非偏光の光束が放射状に発せられる。発光ダイオード１０が発せられた光は、第１の端面２１から第１の導光部材２０に入射し、第２の端面２２に向かって進行する。ここで、第１の導光部材１０は、第１の端面２１の側から第２の端面２２の端面側に向けて次第に厚みが厚くなっており、光取り出し面２３と斜面２４との間の距離が光の進行方向に沿って次第に離れてゆく。従って、第１の導光部材２０内を第１の端面２１から第２の端面２２に向かって進行する光は、外部に漏れることなく、光取り出し面２３と斜面２４との間で内部反射（全反射）を繰り返しながら進行する。この間、光線の傾き角度は次第に緩やかになると共に、輝度分布の均一化が図られる。すなわち、第１の導光部材１０は、第１の端面２１から入射し、第２の端面２２から出射する光に対しては、出射面が入射面より大きなロッドインテグレータと同様の作用を有する。

次に、第１の導光部材２０の第２の端面２２から出射された光は、反射型偏光板４０に入射する。反射型偏光板４０に入射した光のうち、Ｓ偏光光は該偏光板４０により反射されて第２の端面２２から第１の導光部材２０内に戻される。ここで、第２の端面２２から出射される光は、その輝度分布が均一なものとなっているので、反射型偏光板４０上に輝度分布が均一な平面状の２次光源が形成されたことになる。また、第１の導光部材２０内を進行中に光線の傾き角が次第に緩やかになっているため、第２の端面２２から出射した光は比較的浅い入射角で反射型偏光板４０に入射する。このことは、反射型偏光板４０の特性上、好ましいことである。第２の端面２２から第１の導光部材２０内に戻された光（Ｓ偏光光）は、内部反射を繰り返しながら第１の端面２１に向かって進行する。このとき、第１の導光部材２０は、第２の端面２２の側から第１の端面２１の側に向けて次第に厚みが薄くなっているので、光線の傾きは次第に急峻になる。これは、光取り出し面２３への入射角が次第に小さくなることを意味しており、第１導光部材２０内を第２の端面２２から第１の端面２１に向かって進行するＳ偏光光は、光取り出し面２３への入射角が臨界角を下回った時点で光取り出し面２３から出射する。以上によって光取り出し面２３からＳ偏光光が出射される。当然、以上の過程においても、第１の導光部材２０内を進行するＳ偏光光は、多重散乱作用を受け続ける。このように、反射型偏光板４０によって第１の導光部材２０に戻されたＳ偏光光の振る舞いは、液晶表示装置のバックライト等に用いられている導光板内を進行する光と同様である。よって、第１の導光部材２０の光取り出し面２３からは、指向性に優れ、かつ、輝度分布が均一なＳ偏光光が出射される。

一方、反射型偏光板４０に入射した光のうちＳ偏光光以外の光は、反射型偏光板４０を透過して位相差板５０に入射する。位相差板５０に入射した光は、該位相差板５０の偏光変換作用によってＳ偏光光に変換され、第３の端面３１から第２の導光部材３０に入射する。従って、第３の端面３１の直前に、輝度分布が均一なＳ偏光光を発する光源が存在するのと同じである。

第３の端面３１から第２の導光部材３０に入射した光（Ｓ偏光光）は、内部反射を繰り返しながら第４の端面３２に向かって進行する。このとき、第２の導光部材３０は、第３の端面３１の側から第４の端面３２の側に向けて次第に厚みが薄くなっているので、光線の傾きは次第に急峻になる。従って、第２の導光部材３０内を第３の端面３１から第４の端面３２に向かって進行するＳ偏光光は、第１の導光部材２０内を第２の端面２２から第１の端面２１に向かって進行するＳ偏光光と同様に、光取り出し面３３への入射角が臨界角を下回った時点で光取り出し面３３から出射する。以上によって第２の導光部材３０の光取り出し面３３からも、指向性に優れ、かつ、輝度分布が均一なＳ偏光光が出射される。

このように、本例の照明装置では、第１の導光部材２０の光取り出し面２３及び第２の導光部材３０の光取り出し面３３の双方から指向性に優れ、かつ、輝度分布が均一なＳ偏光光が出射される。よって、出射された光を偏光変換することなく、直接液晶パネル等に照射して該液晶パネルを照明することができる。ここで、液晶パネルを照明する場合には、該液晶パネルに対してなるべく垂直に照明光を入射させることが望ましい。特に、透過型の液晶パネルの場合、照明光の入射角度にバラツキがあると、液晶パネルの視野角特性に起因するコントラストムラが生じる。通常、照明光の液晶パネルに対する入射角のバラツキは、±１０度以内であることが望ましい。そこで、本例の照明装置を用いて液晶パネルを照明する場合には、液晶パネルの手前に、図３に示すようなシート状のプリズムアレイ６０を配置することが望ましい。図３に示すプリズムアレイ６０は、ＰＭＭＡ（メチルメタクリレート）等の樹脂材料によってシート状に形成されており、一面に微小プリズム６１が多数形成されている。このプリズムアレイ６０を微小プリズム６１が形成された面が光取り出し面と対向する向きで配置することによって、光取り出し面２３、３３から出射された光を偏向し、不図示の液晶パネルに略垂直に入射させることが可能となる。

図１には、光源としての発光ダイオード１０が１個の場合を図示してあるが、複数の発光ダイオードを配置して光量の増大を図ることもできる。この場合、それぞれの発光ダイオードから発せられた光の光軸が第１の導光部材２０の第１の端面２１に垂直に入射するように、各発光ダイオードを図１の紙面に対して垂直な方向に配列することが望ましい。

（実施形態２）
以下、本発明の照明装置の実施形態の他例について説明する。本例の照明装置は、実施形態１の照明装置の構成部材と同一の部材に加えて、２つの直角プリズムを有する。そこで、実施形態１の構成部材と同一の部材については同一の符号を用いることによって説明を省略する。

図４（ａ）は、本例の照明装置の模式的平面図であり、（ｂ）は同模式的側面図である。これらの図に示すように、本例の照明装置では、第１の導光部材２０と第２の導光部材３０とが、それぞれの光取り出し面２３、３３が同一平面上に存在するように、同じ高さ同じ向きで横並びに配置されている。また、発光ダイオード１０が第１の導光部材２０の第１の端面２１と対向して配置されている。さらに、２つの直角プリズム７０、７１が第１の導光部材２０の第２の端面２２及び第２の導光部材３０の第４の端面３２とそれぞれ対向して配置され、それらプリズム７０、７１の間に反射型偏光板４０及び位相差板５０が配置されている。

次に、以上の構成を有する本例の照明装置の動作について説明する。発光ダイオード１０から発せられた光（非偏光）は、第１の導光部材２０の第１の端面２１から入射し、第１の導光部材２０内を内部反射（全反射）しながら進行し、第２の端面２２から出射する。第２の端面２２から出射した光は、プリズム７０に入射し、その斜面で反射されて進行方向が９０度変更されてプリズム７０から出射する。プリズム７０から出射された光のうちＳ偏光光は、反射型偏光板４０によって反射され、もときた光路を逆に進行して第１の導光部材２０に戻される。一方、プリズム７０から出射されたその他の光は、位相差板５０によってＳ偏光光に変換された後にプリズム７１に入射する。プリズム７１に入射したＳ偏光光は、該プリズム７１の斜面で反射されて進行方向が９０度変更されてプリズム７１から出射する。プリズム７１から出射されたＳ偏光光は、第２の導光部材３０の第３の端面３１から入射し、第２の導光部材３０内を内面反射しながら進行する。尚、第１の導光部材２０内及び第２の導光部材３０内を進行するＳ偏光光の振る舞いは、実施形態１で説明した通りであるので、ここでの説明は省略する。

実施形態１の照明装置では、第１の導光部材２０と第２の導光部材３０とが一列に（直列に）配置されていたが、本例の照明装置では、それらが横並び（並列）で配置されている。よって、実施形態１の照明装置に比べて小型であるといった利点を有する。尚、実施形態１の照明装置と同一の作用効果を奏することは勿論である。

（実施形態３）
以下、本発明の投射型表示装置の実施形態について図５を参照しながら説明する。本例の投射型表示装置は、実施形態１で説明した本発明の照明装置８０を備えたプロジェクタである。このプロジェクタは、ライトバルブとして、赤色用（Ｒ）、緑色用（Ｇ）、青色用（Ｂ）の３枚の液晶パネル８１Ｒ、８１Ｇ、８１Ｂを有し、それぞれの液晶パネル８１Ｒ、８１Ｇ及び８１Ｂによって形成されたＲ、Ｇ、Ｂの画像光をクロスダイクロイックプリズム８２によって合成し、合成されたフルカラーの画像光を投射レンズ８３を通して投射する。照明装置８０は、各液晶パネル８１Ｒ、８１Ｇ、８１Ｂごとに配置されている。具体的には、各液晶パネル８１Ｒ、８１Ｇ、８１Ｂを挟んでクロスダイクロイックプリズム８２の反対側に照明装置８０Ｒ、８０Ｇ、８０Ｂがそれぞれ配置されている。

尚、各照明装置８０Ｒ、８０Ｇ、８０Ｂと各液晶パネル８１Ｒ、８１Ｇ、８１Ｂとの間には、図２に示すプリズムアレイ６０が配置されている。ここで、各照明装置８０Ｒ、８０Ｇ、８０Ｂからは予め偏光状態が揃えられた色光（Ｓ偏光光）が出力されるので、各照明装置８０Ｒ、８０Ｇ、８０Ｂと各液晶パネル８１Ｒ、８１Ｇ、８１Ｂとの間には偏光変換手段が設けられていないが、偏光状態をより一層揃えるために偏光変換手段を設けることもできる。

本発明の照明装置の実施形態の一例を示す模式的側面図である。 第１の導光部材の形状を示す模式的斜視図である。 プリズムアレイの一例を示す模式的側面図である。 （ａ）は本発明の照明装置の実施形態の他例を示す模式的平面図、（ｂ）は模式的側面図である。 本発明の投射型表示装置の実施形態の一例を示す模式的平面図である。

符号の説明

１０ 発光ダイオード
２０ 第１の導光部材
２１ 第１の端面
２２ 第２の端面
２３ 光取り出し面
２４ 斜面
３０ 第２の導光部材
３１ 第３の端面
３２ 第４の端面
３３ 光取り出し面
３４ 斜面
４０ 反射型偏光板
５０ 位相差板
６０ プリズムアレイ
６１ 微小プリズム
７０、７１ 直角プリズム
８０Ｒ、８０Ｇ、８０Ｂ 照明装置
８１Ｒ、８１Ｇ、８１Ｂ 液晶パネル
８２ クリスダイクロイックプリズム
８３ 投射レンズ

Claims (6)

1. 発光素子と、
   前記発光素子から発せられた光が入射する第１の端面、前記第１の端面から入射した光が出射される第２の端面、前記第２の端面から前記第１の端面に向けて内部反射を繰り返しながら進行する光がその進行の過程で出射する光取り出し面、及び前記光取出し面と対向する斜面を備えた第１の導光部材と、
   前記第１の導光部材の前記第２の端面から出射された光のうち、Ｓ偏光光を反射して前記第２の端面から前記第１の導光部材内に戻し、その他の光を透過させる偏光選択手段と、
   前記偏光選択手段を透過した光をＳ偏光光に変換する偏光変換手段と、
   前記偏光変換手段によって偏光変換された光が入射する第３の端面、前記第３の端面の反対側に位置する第４の端面、前記第３の端面から前記第４の端面に向けて内部反射を繰り返しながら進行する光がその進行の過程で出射する光取り出し面、及び前記光取出し面と対向する斜面を備えた第２の導光部材とを有し、
   前記第１の導光部材の前記斜面は、前記第１の端面側から前記第２の端面側に向けて次第に前記光取り出し面から離間するように傾斜しており、
   前記第２の導光部材の前記斜面は、前記第３の端面側から前記第４の端面側に向けて次第に前記光取り出し面に近接するように傾斜している照明装置。
2. 前記発光素子が前記第１の導光部材の前記第１の端面に対向して配置され、前記第１の導光部材と前記第２の導光部材とが前記第２の端面と前記第３の端面とが対向するように一列に配置され、前記偏光選択手段及び前記偏光変換手段が対向する前記第２の端面と前記第３の端面との間に配置されている請求項１記載の照明装置。
3. 前記発光素子が前記第１の導光部材の前記第１の端面に対向して配置され、前記第１の導光部材と前記第２の導光部材とが前記第２の端面と前記第３の端面とが隣り合うように横並び配置され、前記第２の端面から出射された光を前記第３の端面に導く２つのプリズムが前記第２の端面及び前記第３の端面に隣接して配置され、前記偏光選択手段及び前記偏光変換手段が前記２つのプリズムの間に配置されている請求項１又は請求項２記載の照明装置。
4. 前記発光素子が赤、緑又は青の光を発する発光ダイオードである請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の照明装置。
5. 前記第１の導光部材と前記第２の導光部材の双方または一方が光散乱導光部材である請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の照明装置。
6. 照明装置から出射された光をライトバルブによって変調して画像光を形成し、形成された画像光を投射レンズを介して投射する投射型表示装置であって、前記照明装置が請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の照明装置である投射型表示装置。

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