JP4477070B2 - 照明装置及びそれを用いた投写型表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、照明装置及びそれを用いた投写型表示装置に関する。

近年、大画面表示が可能な投写型表示装置（プロジェクタ）の光源として、これまでの放電型の水銀ランプよりも長寿命化を実現することのできる発光ダイオードなどの固体光源が注目されている。この投写型表示装置の照明装置には、明るい部屋でも高画質を実現するために、より明るい照明が求められている。

そこで、光源から出射された光を、より効率良く画像表示素子へ伝搬させるために、照明装置の光学系における光損失を少なくする検討が行われている。また、スクリーン上に拡大投影される画像における面内均一性を高めるために、画像表示素子を照明する光束の面内均一化がより重要となっている。

これらの課題に対して、光源から放射される光を効率よく集光し、照明光束の均一化が可能な手法が、例えば特許文献１に提案されている。図９は、特許文献１に記載されている従来の光学系の概略図を示している。

この光学系は、３色の異なる単色光を出射する光源である発光ダイオード８０１−８０３の出射端面側に、ガラスやアクリルなど光学的に透明な光学ブロック８１１−８１３が配置されている。光学ブロック８１１−８１３は、発光ダイオード８０１−８０３側の入射端の断面積よりも大きな出射端を持っており、各断面の形状が被照明物の形状と相似形になっている。

この構成では、発光ダイオード８０１−８０３から出射した光は、まず光学ブロック８１１−８１３内に入射する。その後、色合成プリズム８６１等で色合成され、コンデンサーレンズ８２１、８８１、偏光ビームスプリッタ８８２を経て、被照明物である光変調素子８８３を照明する。光変調素子８８３によって変調された光は、投写手段８８４によってスクリーン（図示せず）に投写される。

光学ブロック８１１−８１３の側面に入射した光は、光学ブロック８１１−８１３内の側面で全反射する。これは、光学ブロック８１１−８１３が、周辺の空気よりも高い屈折率の物質であるためである。

この場合、光学ブロック８１１−８１３への入射角度が小さい光は、光学ブロック８１１−８１３の出射端に達するまでに、光学ブロック８１１−８１３内での反射回数は少なく、入射角度の大きな光は反射回数が多くなる。

したがって、光学ブロック８１１−８１３の出射端に到達する光は、反射回数の異なる光が重畳された状態となる。このため、光学ブロック８１１−８１３の出射端は、入射端面時よりも均一性がかなり改善されることとなる。

このように、光束を重畳する現象を発生させる光学要素は、インテグレータと呼ばれている。光学ブロック８１１−８１３のような例は、入射端と出射端とで大きさが異なるテーパ形状をしている光学部材であることから、テーパ型ロッドインテグレータと呼ばれている。

このテーパ型ロッドインテグレータ８１１−８１３の出射端から出射される均一性の高い光束は、被照明物である光変調素子８８３との間に配置したレンズ系によって相似形に伝搬されるため、被照明物である光変調素子８８３を均一に照明することになる。

また、照明光束の均一化が可能な別の手法が、例えば特許文献２に提案されている。図１０は、特許文献２に記載されている従来の光学系の概略図を示している。この光学系は、光源である発光ダイオード９０１−９０３から出射された光は、まずレンズ９１１−９１３によって平行光化される。この平行光化した幅広い光束は、プリズム９６１−９６３と光学薄膜９７１−９７２とで構成された３色合成プリズムで色合成される。

色合成された光は、複数のレンズが同一面内に配置されたレンズアレイ９３３と呼ばれる光学素子で分割される。この分割光は、レンズ９４１、９８１、偏光ビームスプリッタ９８２を経て、その分割された１つ１つの光束が、被照明物である光変調素子９８３上で重畳して光変調素子９８３を照明することになる。光変調素子９８３によって変調された光は、投写手段９８４によってスクリーン（図示せず）に投写される。

なお、均一性を得るために、レンズアレイ９３３内のレンズ数を１００−２００個程度とし、光源からの光束を１００−２００分割することが一般的である。

このとき、光源側に配置されたレンズアレイを第１レンズアレイ９３１、被照明物側のレンズアレイを第２レンズアレイ９３２と呼ぶ。第１レンズアレイ９３１を構成する個々の第１レンズの形状は、前記のテーパ型ロッドインテグレータの出射端と同様に、被照明物の形状と相似形である。第１レンズアレイ９３１の１つ１つのレンズで分割された光束が、対応する分割数を有する第２レンズアレイ９３２の第２レンズによって、各々被照明物のところに重畳されながら結像される。このことにより、被照明物である光変調素子９８３を均一に照明することができる。

このように、インテグレータとして、レンズアレイを用いた構成であっても、被照明物である光変調素子を均一に照明することができる。
特開２０００−１８０９６２号公報 特開２００４−７００１８号公報

しかしながら、前記のような従来の光学系には、以下のような問題があった。図９に示すような光学系では、発光ダイオード８０１−８０３から出射された光が、各々テーパ型ロッドインテグレータ８１１−８１３へ入射する。この入射光は、各ロッドインテグレータ８１１−８１３内での反射によって、ある程度均一性が改善され、各出射開口から出射する。その後、各色の光源から放射された光束の光軸が一致するように、色合成プリズム８６１等で色合成され、被照明物である光変調素子８８３を照明することになる。

その際、１つ１つの発光ダイオード８０１−８０３の発光面内の発光むらがある場合や、発光ダイオード８０１−８０３から放射される角度による光強度分布が異なる場合がある。

さらに、より大きな光出力を得るために、発光ダイオードの発光部分である半導体チップを複数個、１つのパッケージ内に納めた構成や、１つの半導体チップを１つのパッケージ内に納めたものを複数個並べて配置させた発光ダイオード群を光源として用いる構成がある。

このような構成においても、発光する半導体チップの明るさのばらつきや、チップ間またはパッケージ間のすき間などによって、光源の発光面に発光むらが生じる場合があり、個々の半導体チップのばらつきから各発光部から放射される角度による光強度分布が異なってしまう場合もある。

このとき、各テーパ型ロッドインテグレータ８１１−８１３の長さが短いなどの理由で、ロッドインテグレータ８１１−８１３内での反射回数の差が少ないと、出射光束の均一化が不十分となる。この場合、光変調素子８８３を照明する光束は、各色毎に異なる面内明るさむらを持つことになる。

このため、白色表示時のように、３つの光源８０１−８０３から放射された光を重畳させる場合、光変調素子８８３面上で、３つの異なる色の明るさむらの分布が異なり、白色表示時の面内色むらを発生させるという問題があった。

また、前記のような、白色表示時の面内色むらは、発光ダイオード８０１−８０３と、テーパ型ロッドインテグレータ８１１−８１３と、色合成プリズム８６１との光軸が僅かにずれた場合であっても発生する。このため、極めて精度の高い光学系の調整および保持装置が必要になり、周辺温度による保持装置の変形にも対応が必要であるといった問題があった。

さらに、このような色むらを発生させないように、テーパ型ロッドインテグレータ８１１−８１３の出射端から出射される光束の均一性を高めるには、テーパ型ロッドインテグレータ８１１−８１３内の側面で全反射される光線の最大反射回数が多くなるほどよい。

光源から出射された光束を１００−２００分割する一般的なレンズアレイと同様に均一性を得るためには、ロッドインテグレータ内において反射される最大反射回数が５−１０回程度必要であり、十分な均一性を得るには１０回を越える必要がある場合が多い。そのため、ロッドインテグレータの光軸方向における光路長が長い、つまり長い光学ブロックが必要となる。

しかしながら、長いテーパ型ロッドインテグレータはコストが高くなり、また、断面積に対して過度に長いと、細長くなり、保持した場合に折れ等の可能性が高くなる。

また、図１０に示すような光学系では、発光ダイオード９０１−９０３から出射された光を集光するレンズ９１１−９１３は、発光ダイオード９０１−９０３から出射される光を効率よく取り込んで、その後の光学系へ出射させる必要がある。これと同時に、レンズ９１１−９１３から出射される光の平行度を高めて、レンズアレイ９３３以降の光学系における光損失を少なくする必要がある。

発光ダイオード９０１−９０３から出射される光を効率よく集光するには、発光ダイオード９０１−９０３とレンズ９１１−９１３との間の距離を近づけた方がよい。他方、レンズ９１１−９１３から出射される光の平行度を高めるには、発光ダイオード９０１−９０３とレンズ９１１−９１３との間の距離を離した方がよい。すなわち、平行度を高めることと効率よく集光することとの両立は、困難であった。

以上のように、発光ダイオードのような固体光源から出射される光を所定の被照明面に照明する照明装置において、より高い効率、かつ高い均一性の照明システムを、安価で、保持等で破損する可能性の少ない部品を使用して構成することは困難であった。

本発明は、前記のような従来の問題を解決するものであり、照明すべき領域において、面内の明るさに関する均一性を高めた状態であっても、光源である固体光源から出射された光束を、より効率よく利用できる照明装置及びそれを用いた投写型表示装置を提供することを目的とする。

前記目的を達するために、本発明の照明装置は、光源と、前記光源からの光が入射する第１のインテグレータと、前記第１のインテグレータから出射された光が入射する第２のインテグレータとを備え、前記光源は、第１の色の光を出射する第１の光源と、第２の色の光を出射する第２の光源と、第３の色の光を出射する第３の光源とで構成され、前記第１のインテグレータは、前記第１の光源からの光が入射する第１光源用第１のインテグレータと、前記第２の光源からの光が入射する第２光源用第１のインテグレータと、前記第３の光源からの光が入射する第３光源用第１のインテグレータとで構成され、前記第１のインテグレータは、入射端より出射端の開口形状が大きいテーパ型ロッドインテグレータであり、前記第２のインテグレータは、前記光源側に配置された第１レンズアレイと、被照明物側に配置された第２レンズアレイとで構成されたレンズアレイであって、前記第１レンズアレイの個々のレンズが、被照明面と共役関係であり、前記第１のインテグレータの出射開口形状と、前記第２レンズアレイ上に形成される光源像とが相似形であり、かつ、前記第１のインテグレータの出射端の形状が被照射面の形状と相似形でなく、さらに、前記第１の色の光と、前記第２の色の光及び前記第３の色の光が色合成された光とを合成する第１の光学薄膜と、前記第２の色の光と、前記第３の色の光とを合成する第２の光学薄膜とを備えており、前記第２のインテグレータに、前記第１の光学薄膜で合成された光が入射することを特徴とする。

次に、本発明の投写型表示装置は、前記照明装置を備えた投写型表示装置であって、前記照明装置からの照明光を変調して画像を形成する画像表示手段と、前記画像表示手段によって変調された光をスクリーン上に投写する投写手段とを備えたことを特徴とする。

本発明の照明装置、投写型表示装置によれば、光の利用効率を高めつつ十分な均一性を得ることができる。より具体的には、第１のインテグレータに加え、第２のインテグレータを備えたことにより、第１のインテグレータの開口形状を最適設計することができ、光の利用効率を高めることができる。さらに、第１のインテグレータの長さを短くしても、第１のインテグレータによる光の均一性の不足分を、第２のインテグレータにより補い、被照明面では高い均一性を確保することができる。また、色合成の際に発生する色むらを第２のインテグレータで均一化することができる。

前記照明装置においては、前記第１のインテグレータから出射された光を集光するレンズ手段が、前記第１のインテグレータと、前記第２のインテグレータの間に設けられていることが好ましい。この構成によれば、第１のインテグレータから出射し、第２のインテグレータに入射する光束の平行度を高めることができる。

また、前記ロッドインテグレータは、前記光源から出射された光のうち、被照明領域に到達する有効な光線が、前記第１のインテグレータ内において反射される最大反射回数が１０回以下であることが好ましい。この構成によれば、ロッドインテグレータの長さを短くでき、コストを抑えつつ保持等による破損を防止できる。

また、前記光源は、複数個の発光部により形成されているものでもよい。この構成によれば、より大きな光出力を得ることができ、かつ光の利用効率を高めつつ、十分な均一性を得ることができる。

以下、本発明の一実施の形態について、図面を参照しながら具体的に説明する。

（実施の形態１）
図１は、実施の形態１に係る照明装置を示す概略構成図である。発光ダイオード１は所定の発光面を有する光源である。発光ダイオード１から出射される光が入射する位置に、第１のインテグレータであるテーパ型ロッドインテグレータ（以下、「テーパロッド」という。）１１が配置されている。

テーパロッド１１から第２のインテグレータであるレンズアレイ３３までの間に、レンズ手段であるリレーレンズ２１が配置されている。レンズアレイ３３から出射された光は、集光レンズ４１で集光され被照明面５１を照明する。

発光ダイオード１から出射される光線の角度は、０−９０度である。発光ダイオード１に、テーパロッド１１の入射端を近づけるほど、多くの光をテーパロッド１１に取り込むことができる。このため、テーパロッド１１の入射端は、発光ダイオード１に近接または光学的に透過率が高い接着剤等を介して接着することが望ましい。

しかしながら、発光ダイオード１の表面の電極や配線ワイヤーが、発光ダイオード１の出射面側にある場合がある。また、発光ダイオード１は、樹脂やガラス等でパッケージされている場合が多い。このような場合は、テーパロッド１１の入射端は、発光ダイオード１に可能な限り間隔を近づけて配置することが望ましい。

テーパロッド１１は例えばガラス製であり、発光ダイオード１から入射した光は、テーパロッド１１に入射した後、テーパロッド１１内部を通過、または全反射しながら、出射端に達する。発光ダイオード１からの光のうち、テーパロッド１１への入射角度が小さい光は、出射端に達するまでの反射回数は少なくなる。一方、テーパロッド１１への入射角度の大きな光は、反射回数が多くなる。

このため、テーパロッド１１の出射端に到達する光は、反射回数の異なる光が重畳された状態となる。このことにより、テーパロッド１１の出射端は、入射端よりも均一性が向上することになる。テーパロッド１１が長くなるほど、大きな角度で入射した光の反射回数が大きくなる。この場合は、より多くの反射回数が異なる光が重畳されるため、出射端での均一性が増すことになる。一方、テーパロッド１１を長くすると、テーパロッド１１のコストが高くなり、保持等で折れるなどの可能性もある。

本実施の形態は、テーパロッド１１に加え、被照明面において分割光束を重畳する光学手段であるレンズアレイ３３を用いている。このことにより、発光ダイオード１の形状に合わせて、テーパロッド１１の開口形状を最適設計することができ、光の利用効率を高めることができる。

さらに、テーパロッド１１を短くしコストを抑え破損等も防止するとともに、短いテーパロッド１１による光の均一性の不足分を、レンズアレイ３３により補い、被照明面では高い均一性を確保するようにしている。

すなわち、本実施の形態によれば、従来の長いテーパロッドのみを用いた場合や、レンズアレイだけの場合よりも、光の利用効率を高めつつ十分な均一性を得ることができる。以下、具体的に説明する。

まず、従来の長いテーパロッドのみによる照明装置では、テーパロッドの出射端は被照明面と共役の関係である。このため、テーパロッドの出射端の形状と、被照明面の形状とは相似形である必要がある。さらに、テーパロッドの入射端と出射端とが相似形である場合、テーパロッド内での縦方向と横方向の反射回数が等しくなるため、出射光束の外形が、ほぼ円形となり、後の光学系との整合が良く、高い効率が得られる。

つまり、テーパロッド以降の光学系において、効率の良い照明システムを構成するには、発光ダイオードの形状に関わらず、テーパロッドの出射端および入射端の形状は、被照明面の形状と相似形にすることが重要となる。しかしながら、発光ダイオードの形状と被照明面の形状とが大きく異なる場合、被照明面の形状と、テーパロッドの出射端及び出射端の形状とを相似形にすると、発光ダイオードから出射した光の形状は、テーパロッドの入射端の形状と大きく異なることになる。

すなわち、この構成は、発光ダイオードから出射する光の形状と、テーパロッドの入射端の形状との関係については、光損失を発生し光の利用効率を低下させる関係になっていることになる。このように、長いテーパロッドだけでは、発光ダイオードの形状と被照明面の形状とが大きく異なる場合、高い光の利用効率が得られないことがある。

本実施の形態に係る照明装置によれば、発光ダイオード１の形状と被照明面５１の形状とが大きく異なる場合であっても、高い光の利用効率が得られることになる。これは、本実施の形態では、テーパロッド１１の出射端の形状を被照明面５１の相似形にする必要がなく、テーパロッド１１の入射端及び出射端の形状は、発光ダイオード１からできるだけ多くの光を、より効率よく集光される最適な形状とすることができるためである。

このことについて具体的に説明する。本実施の形態では、テーパロッド１１の出射端と被照明面５１とが共役関係にはなっていない。本実施の形態では、レンズアレイ３３における光源側に配置された第１レンズアレイ３１の個々の第１レンズ３１ａが、被照明面５１と共役関係になっている。また、テーパロッド１１の出射端の開口形状は、被照明面５１側に配置される第２レンズアレイ３２上に形成される光源像とほぼ相似形となる共役関係にある。すなわち、テーパロッド１１の出射端の開口形状は、被照明面５１の形状に制約されずに、自由に設計することが可能になる。

このため、発光ダイオード１の形状に合わせて、テーパロッド１１の入射端の開口形状を決定し、出射端の開口形状を入射端の開口形状と相似形にするといった設計が可能になる。すなわち、発光ダイオード１の形状に合わせて、テーパロッド１１の開口形状を最適設計することができ、光の利用効率を高めることができる。

ここで、レンズアレイ３３は、光源側に配置された第１レンズアレイ３１を構成する個々の第１レンズ３１ａにより、第１レンズアレイ３１に入射する光束は、分割される。各第１レンズ３１ａを通過した分割光束は、第２レンズアレイ３２内の対応する各第２レンズ３２ａによって、第１レンズ３１ａの形状と相似形の照明を被照明面５１に重畳させることになる。このことにより、被照明面５１を均一に照明することができる。

この場合、第１レンズアレイ３１の第１レンズ３１ａの形状は、被照明面５１の形状と相似形にすればよい。したがって、本実施の形態によれば、発光ダイオード１の形状に合わせて、テーパロッド１１の開口形状を最適設計しても、第１レンズ３１ａの形状は、テーパロッド１１の開口形状による制約を受けることはない。このため、テーパロッド１１の開口形状の最適設計による光の利用効率を高めることと、レンズアレイ３３による照明の均一性を高めることを両立させることができる。

また、第１レンズアレイ３１に入射する光束は、できるだけ平行な光線であることが望ましい。このため、テーパロッド１１から出射された光の平行度を高めるためのリレーレンズ２１が、テーパロッド１１と第１レンズアレイ３１の間に配置されている。

また、レンズアレイ３３を用いた場合、被照明面５１側の第２レンズアレイ３２は、第１レンズアレイ３１の対応する第１レンズ３１ａから出射された分割光束を、被照明面５１に到達させるだけでよい。このため、第２レンズ３２ａの形状は、被照明面５１の形状に、特に制約を受けないため、光学系の絞りの形状や、機構的な構造に合わせて、形状を設計することができる。

なお、光源から出射された光束を１００−２００分割する一般的なレンズアレイだけの照明装置と同様に均一性を得るためには、光源から出射された光のうち、リレーレンズ等の光学系を通して被照明領域に到達する有効光線の、ロッドインテグレータ内において反射される最大反射回数が５−１０回程度、十分な均一性を得るには１０回を越える必要である場合が多い。

本実施の形態によれば、レンズアレイ３３によっても均一性向上の効果を発揮するので、発光ダイオード１の直後のテーパロッド１１は、短くすることができる。具体的には、テーパロッド１１の最大反射回数を１０回以下であっても、レンズアレイ３３による均一性向上の効果があるので、装置全体では反射回数が１０回以上のテーパロッド１１を用いたのと同様の均一性を得ることも可能になる。したがって、本実施の形態によれば、テーパロッド１１の最大反射回数を１０回以下と小さくでき、５回以下や３回以下のテーパロッド１１とすることも可能になる。

以下、テーパロッド、発光ダイオード、レンズアレイ、リレーレンズ及び集光レンズについて説明を補足するが、これらの補足説明は、以下の各実施の形態においても同様である。

テーパロッド１１は、ガラス製の例で説明したが、周辺の空気よりも高い屈折率を持った光学的に透明な物質であればよく、ガラス以外に、アクリル樹脂やその他の材料を用いてもよい。

また、テーパロッド１１は、ミラー片４枚で囲んだ中空のロッドインテグレータであっても同様の効果が得られる。この場合は、ロッドインテグレータ内を通過する際に、ロッドインテグレータ側面に入射した光は、全反射ではなく鏡面反射されながら、出射端に達することになる。

また、光源の発光ダイオードは、より大きな光出力を得るために、発光ダイオードの発光部分である半導体チップを複数個、１つのパッケージ内に納めた構成や、１つの半導体チップを１つのパッケージ内に納めたものを複数個並べて配置させた発光ダイオード群であってもよい。

このような構成において、発光する半導体チップの明るさのばらつきや、チップ間またはパッケージ間のすき間などによって、光源の発光面に発光むらが生じる場合があり、個々の半導体チップのばらつきから各発光部から放射される角度による光強度分布が異なってしまう場合がある。

このように、光源を複数の発光部で形成したときに発光むらや光強度分布むらが生じる場合においても、単一発光体内における発光むらや、角度による光強度分布むらと同様に扱えるため、光の利用効率を高めつつ、十分な均一性を得ることができる。

また、光源は発光ダイオードに限るものではなく、レーザ光源、有機ＥＬ素子、その他の所定の発光面を有する光源であればよい。

また、被照明面５１側に配置される第２レンズアレイ３２の各レンズ３２ａの開口形状は、テーパロッド１１の出射端の開口形状と同様に、被照明面５１の形状に制約されず、自由に設計することが可能である。

また、テーパロッド１１とレンズアレイ３３との間に、リレーレンズ２１を配置した例で説明した。リレーレンズ２１は、前記の通り発光ダイオード１から出射され、第１レンズアレイ３１に入射する光束の平行度を高めるために設けられている。このため、リレーレンズ２１は、必ずしも配置する必要はなく、配置する場合は２個以上のレンズで構成してもよい。

また、第２レンズアレイ３２と被照明面５１との間に集光レンズ４１を配置した例で説明した。集光レンズ４１は、前記の通り、第２レンズアレイ３２の各レンズ３２ａから出射された光束を被照明面に集光するために設けられている。このため、第２レンズアレイ３２の各レンズ３２ａを所定の量だけ偏芯させることによっても、同様の効果が得られる。したがって、集光レンズ４１は必ずしも必要はなく、配置する場合は２個以上のレンズで構成してもよい。

（実施の形態２）
図２は実施の形態２の第１の例に係る照明装置を示す概略構成図である。実施の形態１との重複部分については、説明を省略し異なる部分について詳しく説明する。本実施の形態では、それぞれ異なる色の光を出射する３つの光源が用いられており、赤色発光ダイオード１０１と、青色発光ダイオード１０２と、緑色発光ダイオード１０３とが用いられている。

各発光ダイオード１０１−１０３からレンズアレイ１３３直前の部分までの光学系を、各発光ダイオード１０１−１０３の光学系に用いている。さらに、各色の光束を合成するために、３色合成プリズムを配置している。３色合成プリズムは、色合成プリズムである第１−第３のプリズム１６１−１６３と、第１−第２の光学薄膜１７１−１７２（ダイクロイックフィルター）とで構成されている。

第１のプリズム１６１及び第２のプリズム１６２は、三角プリズムであり、第３のプリズム１６３は台形プリズムである。第１のプリズム１６１は、３色合成された光が出射する出射面を有している。第１のプリズム１６１の、第２のプリズム１６２との対向面には、緑色の光のスペクトルと赤色の光のスペクトルとの間にカットオフ波長を有する第１の光学薄膜１７１（ダイクロイックフィルター）が形成されている。第１の光学薄膜１７１と第２のプリズム１６２との間には空気層（図示せず）が介在している。

また、第２のプリズム１６２の、第３のプリズム１６３との対向面には、青色の光のスペクトルと緑色の光のスペクトルとの間にカットオフ波長を有する第２の光学薄膜１７２（ダイクロイックフィルター）が形成されている。第２の光学薄膜１７２と第３のプリズム１６３とは接着されている。

そして、赤色の光と、青色、緑色、赤色の３色の光が３色合成された光とが第１のプリズム１６１内を伝搬し、青色の光と、青色の光と緑色の光が色合成された光とが第２のプリズム１６２内を伝搬し、緑色の光のみが第３のプリズム１６３内を伝搬する。このように、第１−第３のプリズム１６１−１６３は、３色合成された光の出射側から緑色発光ダイオード１０３側に向かって、この順番で配置されている。

図２に示すように、緑色発光ダイオード１０３から出射された緑色の光は、比較的短いテーパロッド１１３で集光され、第３のプリズム１６３内に入射し、第２の光学薄膜１７２が形成されている面に到達する。また、青色発光ダイオード１０２から出射された青色の光は、比較的短いテーパロッド１１２で集光され、第２のプリズム１６２内に入射し、第１の光学薄膜１７１と第２のプリズム１６２との間の空気層によって全反射されて、第２の光学薄膜１７２が形成されている面に到達する。

青色発光ダイオード１０２から出射された青色の光と緑色発光ダイオード１０３から出射された緑色の光とが到達する面に形成されている第２の光学薄膜１７２は、入射する光の入射角依存性によって第２の光学薄膜１７２のカットオフ波長がシフトしてしまう。

すなわち、光軸から周辺側に離れるにつれて、入射角の変化も大きくなり、光軸上と周辺部とでは、分光特性が異なることになる。例えば、第２の光学薄膜１７２に入射する光の入射角が１０度程度ばらつくと、第２の光学薄膜１７２のカットオフ波長のシフト量は約２０ｎｍ程度になる。

このように、光学薄膜に入射する光線の入射角によって、カットオフ波長がシフトすることによって、光学薄膜を透過した光は、色むらを有する光線となってしまう。このことは第１の光学薄膜１７１でも同様であり、光学薄膜を透過した光は、色むらを有する光線となってしまう。

長いテーパロッドのみによって集光された後、３色合成される従来の図９の構成では、光学薄膜通過時に発生する色むらを有する光が、均一化されることなく、被照明面８８３にそのまま照射されるため、被照明面８８３において色むらが発生してしまう。

また、従来の図１０の構成は、３色合成系の後にレンズアレイ９３３が設けられているので、被照明面９８３における色むらは均一化されるものの、発光ダイオード９０１−９０３から出射した光を、効率よく集光することは困難になる。

本実施の形態は、実施の形態１と同様に、テーパロッド１１１−１１３の長さを短くしている。さらに、実施の形態１と同様に、発光ダイオード１０１−１０３から出射される光を、より高い効率で集光できるように、テーパロッド１１１−１１３の入射端及び出射端の形状を最適な形状としている。

本実施の形態では、３色合成プリズムなどの光学薄膜による３色合成を行った後に、レンズアレイ１３３を設けることにより、光学薄膜１７１−１７２の通過時に発生する色むらを有する光がそのまま照明されることを防止している。このことにより、色むらが均一化された照明光束を被照明面に伝搬することが可能となる。

図３は、実施の形態２の第２の例に係る照明装置を示す概略構成図である。図２と同一構成のものは、同一符合を付して説明は省略する。図３の構成は、３色合成プリズムに代えて、ダイクロイックミラー２７１、２７２によって、３色の光源からの光合成をする構成である。

ダイクロイックミラー２７２は、発光ダイオード１０３から出射される緑色光を透過し、発光ダイオード１０２から出射される青色光を反射し、緑色光と青色光とを合成する。ダイクロイックミラー２７１は、ダイクロイックミラー２７２で合成された緑色光と青色光との合成光を透過し、発光ダイオード１０１から出射される赤色光を反射して、３色の光を合成する。この第２の例によっても、第１の例と同様の効果が得られる。

以下の表１に、図２に示した構成の実施例に係る光学系と、テーパロッドのみで均一化を図る比較例とのシミュレーション結果を示す。実施例、比較例共に、被照明領域に到達する有効な光線は、テーパロッドにおける最大反射回数は５回である。

表１において、光利用効率は実施例を１００％としている。各色毎の画面左右の照度ばらつきは、投写レンズを用いて画像をスクリーン上に投写したときの画面左右の照度ばらつきであり、中央を１００％としている。

表１から分かるように、実施例は比較例に比べ、光利用効率が約５％高くなっている。また、画面左右方向の照度ばらつきは、実施例、比較例共に見受けられる。しかしながら、実施例は３色間についてみると、ほぼ同等の均一性があり、左右の偏りが少ない。

他方、比較例は、実施例よりばらつきの幅が小さいものもあるが、逆に大きいものもあり統一性が無い。さらに、中央に対する左右方向の偏りが３色で大きく異なっている。すなわち、比較例では３色重畳時となる白色表示時では、面内の色むらが大きくなることが分かる。

ここで、表１のシミュレーション結果は、実施の形態２の効果を確認するものであるが、実施の形態１と実施の形態２とでは、３色合成の構成を除けば同様の構成を備えている。このため、光利用効率が優れている点、中央に対する左右方向の偏りがみられない点は、実施の形態１の効果でもあるといえる。

以下、３色合成プリズム、光源について説明を補足するが、これらの補足説明は、以下の各実施の形態においても同様である。

３色合成プリズムは、光源の配置や光学薄膜は、前記の例に限るものではなく、３色の光源からの光が合成されるような構成であればよい。

また、光源として、赤色発光ダイオード１０１、青色発光ダイオード１０２及び緑色発光ダイオード１０３を用いているが、３つの異なる色の光を出射する光源は発光ダイオードに限るものではない。例えば、３つの異なる色の光として、白色光から分離した色純度の高い（スペクトル幅の狭い）単色光を用いることもできる。

また、３つの異なる色の光は、青色、緑色、赤色の３色の光だけに限るものではなく、例えば、青みがかった緑色の光、緑色の光、黄みがかった緑色の光等の、スペクトルの近い３色の光を用いることもできる。すなわち、用いる光は、異なる３つのスペクトルを有していればよい。

さらに、３つの異なる色としているが、色合成部分のダイクロイックミラーや色合成プリズムなどの形状や透過・反射分光特性を変更することで、青色、緑色、赤色に加えて、青緑色や、黄色、橙色など、３色以上の光源を用いて、色合成してもよい。

（実施の形態３）
図４は実施の形態３に係る投写型表示装置を示す概略構成図である。図４に示すように、本実施の形態の投写型表示装置は、照明装置１００とフィールドレンズ３８１とからなる光学手段と、照明系と投写系の光を分離するビームスプリッタ３８２と、照明装置からの照明光を変調して画像を形成する画像表示手段としての画像表示素子３８３と、画像表示素子３８３によって変調された光をスクリーン（図示せず）上に投写する投写手段としての投写レンズ３８４とを備えている。照明装置１００には、前記実施の形態２の図２に示した照明装置が用いられており、同一符号を付している。

以下、図４に示した投写型表示装置の動作について説明する。まず、照明装置１００により、赤色発光ダイオード１０１と、青色発光ダイオード１０２と、緑色発光ダイオード１０３とから出射された３つの異なる色の光が、テーパロッド１１１−１１３によって効率よく集光され、３色合成プリズムに入射する。

この３色合成プリズム内で、合成される各色の光は、同一光軸上の光として出射される。照明装置１００から出射された合成光は、ビームスプリッタ３８２によって反射されて画像表示素子３８３に照明され、当該画像表示素子によって照明光を変調して画像を形成する。

この場合、照明装置１００から出射された各色の光源からの光が、画像表示素子３８３に均一に照明される。画像表示素子３８３によって変調された光は、ビームスプリッタ３８２をそのまま透過し、投写レンズ３８４によってスクリーン上に投写される。

このとき、３つの異なる色の光を出射する、赤色発光ダイオード１０１と、青色発光ダイオード１０２と、緑色発光ダイオード１０３とを同時に点灯させれば、画像表示素子３８３は白色光で照明され、各発光ダイオードのみを点灯させれば、画像表示素子３８３は各単色光で照明される。これにより、画像表示素子３８３で形成された画像がスクリーン上にフルカラーの映像として映し出される。

本実施の形態の投写型表示装置においては、照明装置１００として実施の形態２の図２に示した照明装置が用いられているので、より明るく、しかも明るさむらや色むらの少ない均一な照明がなされた画像をスクリーン上に投写することができる。

なお、照明装置は図２の構成に限るものではなく、例えば、実施の形態１の図１の構成、実施の形態２の図３の構成でもよい。

また、本実施の形態においては、フィールドレンズ３８１や３色合成プリズムからなる光学手段、及び照明系と投写系の光を分離するビームスプリッタ３８２を含む構成の投写型表示装置を例に挙げて説明しているが、照明装置によって画像表示素子３８３が照明されていればよいので、光学手段、ビームスプリッタ等を含まない構成とすることもできる。

このような構成の例として、図１や図３の被照明領域５１（１５１）の部分に、透過型画像表示素子（例えば透過型の液晶）を配置し、その後方（光源とは逆側）に投写レンズを配置した構成が考えられる。

また、本実施の形態においては、画像表示素子３８３を１つだけ含む構成を例に挙げて説明しているが、３つの画像表示素子を含む構成であってもよい。

（実施の形態４）
図５は、実施の形態４に係る照明装置を示す概略構成図である。図５の構成は、実施の形態１の図１に示した照明装置に対して、レンズアレイ３３に代えてロッドインテグレータ４３１を用いている。図１と同一構成は同一番号を付して説明を省略する。

第２のロッドインテグレータ４３１は、ガラス製であり、第２のロッドインテグレータ４３１内の全反射による均一性向上を主な目的としている。実施の形態１の図１の構成のように、第２のインテグレータとしてレンズアレイ３３を用いた場合は、均一性を向上するには、第１レンズアレイ３１を構成する第１レンズ３１ａの個数を多くすればよい。この場合、個々のレンズの大きさが極端に小さくなった場合、レンズ成形が困難になることがある。

本実施の形態のように、第２のロッドインテグレータ４３１を用いた場合、レンズアレイとは異なり、第２のロッドインテグレータ４３１に入射した光の全反射の回数の差によって、均一性の向上を図ることができる。コストは少し高くなるものの、第２のロッドインテグレータ４３１の長さを長くするだけで、均一性を向上することが可能になる。

また、断面積に対してロッド長が長い形状、つまり細長い場合は、レンズ系の設計変更だけで、照明システム全体の効率をほとんど低下させることなく、ロッドの断面積を大きくすることができ、保持等で折れるといったリスクにも対応できる。

すなわち、本実施の形態のように、比較的短いテーパ型の第１ロッドインテグレータ１１と、第２のロッドインテグレータ４３１とを共に用いることによっても、効率よく、容易に均一性の向上が可能となる。

以下、第２ロッドインテグレータについて説明を補足するが、これらの補足説明は、以下の実施の形態５においても同様である。

第２ロッドインテグレータ４３１は、ガラス製に限るものではなく、第１のロッドインテグレータ１１と同様に、周辺の空気よりも高い屈折率を持った光学的に透明な物質であればよい。このため、例えばアクリル樹脂やその他の材料を用いてもよい。

さらに、ミラー片４枚で囲んだ中空のロッドインテグレータであってもよい。この場合は、ロッドインテグレータ内を通過する際に、ロッドインテグレータ側面に入射した光は、全反射ではなく鏡面反射されながら、出射端に達することとなるが、同様の効果が得られる。

（実施の形態５）
図６は、実施の形態５に係る照明装置を示す概略構成図である。図６の構成は、実施の形態２の図２に示した照明装置に対して、レンズアレイ１３３に代えてロッドインテグレータ５３１を用いている。図２と同一構成は同一番号を付して説明を省略する。

本実施の形態は、図２の構成と同様に、テーパロッド１１１−１１３の長さを短くしている。さらに、実施の形態１と同様に、発光ダイオード１０１−１０３から出射される光を、より高い効率で集光できるように、テーパロッド１１１−１１３の入射端及び出射端の形状を最適な形状としている。

本実施の形態についても、図２の構成と同様の効果が得られる。すなわち、３色合成プリズムなどの光学薄膜による３色合成を行った後に、ロッドインテグレータ５３１を設けることにより、光学薄膜１７１−１７２の通過時に発生する色むらを有する光がそのまま照明されることを防止している。このことにより、色むらが均一化された照明光束を被照明面に伝搬することが可能となる。

なお、３色合成プリズムではなく、図３の構成のように、ダイクロイックミラーなどによって、２色の光が合成される光学フィルターを２個以上用いることで、３色の光源からの光が合成されるような構成であってもよい。

（実施の形態６）
図７は、実施の形態６に係る投写型表示装置を示す概略構成図である。図７の構成は、照明装置５００として、前記実施の形態６の図６に示した照明装置が用いられており、同一符号を付している。また、フィールドレンズ６８１、ビームスプリッタ６８２、画像表示素子６８３、投写レンズ６８４については、図４と同様の構成であるので、説明を省略する。

本実施の形態の投写型表示装置においては、照明装置５００として実施の形態５の図６に示した照明装置が用いられているので、より明るく、しかも明るさむらや色むらの少ない、より均一な照明がなされた画像をスクリーン上に投写することができる。

なお、本実施の形態においては、照明装置５００として実施の形態５の図６に示した照明装置を用いているが、照明装置としては必ずしもこの構成の照明装置に限定されるものではない。例えば、実施の形態４の図５で説明した構成の照明装置などであっても、同様の効果を得ることができる。

（実施の形態７）
図８は、実施の形態７に係る投写型表示装置を示す概略構成図である。図８の構成は、照明装置としては実施の形態１の図１に示した照明装置が、３色の光源に対して、それぞれ１つ用いられている。より具体的には、各照明装置は、赤色発光ダイオード７０１を備えた照明装置、青色発光ダイオード７０２を備えた照明装置、緑色発光ダイオード７０３を備えた照明装置である。各照明装置は、図１と同一構成のものは、同一符号を付している。

各照明装置の被照明面に、画像表示素子７５１−７５３と、これらの３つの画像表示素子７５１−７５３から出射した光を合成する色合成プリズム７６３と、投写レンズ７７３とを備えている。

この構成によれば、照明装置として前記実施の形態１の構成が用いられているので、より明るく、しかも明るさむらの少ない、より均一な照明がなされた画像をスクリーン上に投写することができる。

さらに、各発光ダイオード７０１−７０３の発光面内の発光むらや、発光ダイオードから放射される角度による光強度分布が異なる場合であっても、画像表示素子７５１−７５３を照明する光束は、各色ともに面内明るさむらが少なく、白色表示時の面内色むらも少なくすることができる。

また、発光ダイオード７０１−７０３と、テーパ型ロッドインテグレータ１１と、色合成プリズム７６３の光軸が僅かにずれた場合であっても、画像表示素子７５１−７５３を照明する光束は、各色ともに面内明るさむらが少ない。このため、従来の画像表示素子を３つ用いた３板式投写型表示装置で構築されている３つの画像表示素子と色合成プリズムの調整精度があれば、白色表示時の面内色むらも少なくすることができる。

以上のように本発明によれば、光源から放射された光を、より高い効率で集光しつつ、均一性の高い照明ができるので、例えば被照明面に明るさむらの少ない画像が要求されるプロジェクタに有用である。

本発明の実施の形態１に係る照明装置を示す概略構成図。 本発明の実施の形態２の第１の例に係る照明装置を示す概略構成図。 本発明の実施の形態２の第２の例に係る照明装置を示す概略構成図。 本発明の実施の形態３に係る投写型表示装置を示す概略構成図。 本発明の実施の形態４に係る照明装置を示す概略構成図。 本発明の実施の形態５に係る照明装置を示す概略構成図。 本発明の実施の形態６に係る投写型表示装置を示す概略構成図。 本発明の実施の形態７に係る投写型表示装置を示す概略構成図。 従来の照明装置の一例を示す概略構成図。 従来の照明装置の他の一例を示す概略構成図

Claims (5)

1. 光源と、前記光源からの光が入射する第１のインテグレータと、前記第１のインテグレータから出射された光が入射する第２のインテグレータとを備え、
   前記光源は、
   第１の色の光を出射する第１の光源と、
   第２の色の光を出射する第２の光源と、
   第３の色の光を出射する第３の光源とで構成され、
   前記第１のインテグレータは、
   前記第１の光源からの光が入射する第１光源用第１のインテグレータと、
   前記第２の光源からの光が入射する第２光源用第１のインテグレータと、
   前記第３の光源からの光が入射する第３光源用第１のインテグレータとで構成され、
   前記第１のインテグレータは、入射端より出射端の開口形状が大きいテーパ型ロッドインテグレータであり、
   前記第２のインテグレータは、前記光源側に配置された第１レンズアレイと、被照明物側に配置された第２レンズアレイとで構成されたレンズアレイであって、
   前記第１レンズアレイの個々のレンズが、被照明面と共役関係であり、前記第１のインテグレータの出射開口形状と、前記第２レンズアレイ上に形成される光源像とが相似形であり、かつ、前記第１のインテグレータの出射端の形状が被照射面の形状と相似形でなく、
   さらに、前記第１の色の光と、前記第２の色の光及び前記第３の色の光が色合成された光とを合成する第１の光学薄膜と、
   前記第２の色の光と、前記第３の色の光とを合成する第２の光学薄膜とを備えており、前記第２のインテグレータに、前記第１の光学薄膜で合成された光が入射することを特徴とする照明装置。
2. 前記第１のインテグレータから出射された光を集光するレンズ手段が、前記第１のインテグレータと、前記第２のインテグレータの間に設けられている請求項１に記載の照明装置。
3. 前記ロッドインテグレータは、前記光源から出射された光のうち、被照明領域に到達する有効な光線が、前記第１のインテグレータ内において反射される最大反射回数が１０回以下である請求項１又は２に記載の照明装置。
4. 前記光源は、複数個の発光部により形成されている請求項１から３のいずれかに記載の照明装置。
5. 請求項１から４のいずれかに記載の照明装置を備えた投写型表示装置であって、
   前記照明装置からの照明光を変調して画像を形成する画像表示手段と、
   前記画像表示手段によって変調された光をスクリーン上に投写する投写手段とを備えたことを特徴とする投写型表示装置。

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