JP4617695B2

JP4617695B2 - 光源装置及びプロジェクタ

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Description

本発明は、光源装置及びこの光源装置を備えるプロジェクタの技術に関する。

光源装置の発光部として、ＬＥＤ等の固体発光光源、特に平面発光領域から光を放射する固体面発光光源が用いられる。近年、固体面発光光源の発光効率は目覚しく向上している（例えば、非特許文献１参照）。

田口常正著「白色ＬＥＤシステムの高輝度・高効率・長寿命化技術」、株式会社技術情報協会出版、２００３年３月２７日、ｐ４７−ｐ５０

プロジェクタの光源装置に、固体面発光光源を用いることが考えられている。この場合、光源の発光効率だけではなく、空間光変調装置や投写レンズを含めた光学系における光の利用効率を考える必要がある。光源と液晶ライトバルブ、ティルトミラーデバイス等の空間光変調装置とを含めた光学系において、有効に扱える光束が存在する空間的な広がりを面積と立体角の積（エテンデュー、ＧｅｏｍｅｔｒｉｃａｌＥｘｔｅｎｔ）として表すことができる。この面積と立体角の積は、光学系において保存される。空間光変調装置は、有効に変調可能な光の取り込み角度に限りがあるため、光源装置は、できるだけ角度を揃えた光を空間光変調装置に供給することが要求される。

固体面発光光源の平面発光領域は、いわゆるランバート面として機能する。ランバート面からの光の明るさ（輝度）は、観察する角度に関わらず一定である。このため、プロジェクタにおいて固体面発光光源からの光を有効に利用するためには、固体面発光光源から拡散する光の進行方向を揃えるための構成が必要になる。しかしながら、面発光光源からの光の進行方向を揃えることは、点発光光源からの光の進行方向を揃えることより困難である。点発光光源の場合と同様にして固体面発光光源からの光の進行方向を揃える構成としても、効率良く固体面発光光源からの光を特定方向へ進行させる構成とすることが困難である。

また、固体面発光光源は、光取り出し効率を向上するためのモールド樹脂と組み合わせて用いられる。固体面発光光源とモールド樹脂とを組み合わせて用いると、固体面発光光源からの光のうちの一部の光は、モールド樹脂の界面で全反射して投写レンズ以外の方向へ進行してしまう。また、モールド樹脂から射出する光についても一部の光は、投写レンズ以外の方向へ進行してしまう。このようにして投写レンズ以外の方向へ進行する光が多くなることで、光利用効率が悪くなってしまう。このように、固体面発光光源を用いると、有効に光を利用することが困難であるという問題がある。本発明は上述の問題に鑑みてなされたものであって、光を特定方向へ効率良く供給することができ、高い光利用効率の光源装置及びプロジェクタを提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明によれば、光を供給する発光部と、所定の屈折率の部材で構成され、基準平面に対して所定の角度で傾斜する傾斜面を有する導光部と、導光部の周辺に設けられ、基準平面に対して所定の角度をなす反射部と、を有し、導光部は、発光部からの光を直接、又は傾斜面で全反射してから傾斜面で屈折し特定方向及び反射部の方向へ射出するような屈折率と、所定の角度の傾斜面とを有し、反射部は、導光部からの光を特定方向へ反射するような所定の角度で設けられ、導光部及び反射部は、特定方向へ所定の角度範囲の光を供給することを特徴とする光源装置を提供することができる。

例えば発光部を導光部でモールドする構成とすると、発光部からの光は、直接又は傾斜面で全反射してから、傾斜面で屈折する。発光部から導光部の界面における臨界角以下の角度で傾斜面に入射する光は、傾斜面で屈折して導光部を射出する。導光部を所定の屈折率で構成し、及び傾斜面を所定の角度とすることで、発光部からの光のうち直接導光部の傾斜面で屈折する光は、特定方向及び反射部の方向へ射出する。特定方向とは、例えば発光部から見て照明対象物がある方向である。導光部の傾斜面で屈折して反射部の方向へ進行する光は、今度は反射部に入射する。ここで、反射部を所定の角度で設けることで、反射部は、導光部から反射部の方向へ射出する光を特定方向へ反射する。このようにして発光部からの光を導光部、又は導光部と反射部とを経る構成とすることで、発光部からの光を特定方向へ進行するように角度を揃えることができる。

また、発光部から導光部の界面における臨界角以上の角度で傾斜面に入射する光は、傾斜面で全反射して導光部の内部を再び進行する。発光部からの光のうち導光部の傾斜面で全反射する光は、次に、全反射した位置に対面する位置の傾斜面に入射する。導光部の傾斜面を所定の角度とすることで、全反射後に傾斜面へ入射するする光は、全反射を繰り返すうちに傾斜面に対する入射角が小さくなる。そして、導光部の界面における臨界角以下の角度となった光は、傾斜面で屈折して導光部を射出する。導光部を射出した光は、発光部から出て直接導光部を射出する光と同様に、特定方向及び反射部の方向へ進行する。反射部の方向へ進行する光は、反射部で特定方向へ反射する。このようにして導光部で全反射する光についても角度を揃えて特定方向へ進行させることができる。このように、導光部の屈折率及び傾斜面の角度と、反射部の角度とを適宜設定することにより、光を特定方向へ効率良く供給することができ、高い光利用効率の光源装置を得られる。この光源装置は、特に発光部としてランバート発光する固体面発光光源を用いる場合に有用である。

また、本発明の好ましい態様によれば、導光部は、特定方向に頂角を有する円錐形状であることが望ましい。また、導光部は、特定方向に頂角を有する角錐形状であることが望ましい。円錐又は角錐形状の導光部の底面に発光部を設けると、他の面を傾斜面として用いる構成にできる。これにより、光源装置を光利用効率の高い構成にできる。なお、角錐形状には三角錐、四角錐、五角錐以上の多角錐が含まれる。

また、本発明の好ましい態様によれば、導光部は、特定方向の側に、基準平面に略平行な平坦面を有することが望ましい。導光部の特定方向側に平坦面を設けると、発光部から平坦面に入射する光を直接特定方向へ進行させる構成にできる。これにより、導光部から特定方向へ進行する光を直接特定方向へ進行させる構成にできる。さらに、導光部は、特定方向の側に、凹面又は凸面を有することが望ましい。導光部の特定方向側の面を凹面又は凸面とすると、例えばレンズ機能により特定方向へ進行する光を増加することができる。これにより、導光部からの光の多くを直接特定方向へ進行可能な構成にできる。なお、導光部の特定方向側の面は導光部から光を特定方向へ進行可能であれば良く、例えば平坦面、凹面、凸面のいずれかを組み合わせた面であっても良い。

また、本発明の好ましい態様としては、反射部は、特定方向への長さが導光部の特定方向への長さより長いような形状を有することが望ましい。反射部が導光部より特定方向に長い形状とすることにより、導光部から屈折して射出する光を多く特定方向へ反射することが可能な構成にできる。これにより、さらに光利用効率を向上可能な光源装置を得られる。

また、本発明の好ましい態様としては、反射部は、発光部側に設けられる第１の反射面と、第１の反射面の特定方向側に設けられる第２の反射面と、を有し、第１の反射面及び第２の反射面は、第１の反射面と基準平面との間の角度が第２の反射面と基準平面との間の角度より大きくなるように設けられることが望ましい。例えば発光部の側面側に第１の反射面を設ける構成とする。第１の反射面について、第２の反射面より基準平面との間の角度を大きくすることにより、発光部の側面から第１の反射面の方向へ進行する光を特定方向へ反射可能な構成にできる。これにより、発光部の側面からそのまま横方向へ進行する光の多くを特定方向へ進行可能な構成にできる。

また、本発明の好ましい態様としては、反射部は、発光部からの光の光量分布を略均一にするロッドインテグレータを、反射部の特定方向側に接合することが望ましい。反射部の特定方向側にロッドインテグレータを接合する構成にすると、反射部とロッドインテグレータとで発光部からの光の光量分布を略均一にすることができる。これにより、発光部からの光の光量分布を略均一にすることができる。

また、本発明の好ましい態様としては、発光部と導光部と反射部とで構成する光源ユニットを複数有することが望ましい。光源ユニットを複数有する構成とすることで、容易に光量を増加することができる。また、特定方向側から光源ユニットを見て反射部がハニカム状に配置される構成とすると、狭い面に光源ユニットを稠密に配置することができる。狭い面に光源ユニットを配置することで、光源装置の発光面積を小さく抑えることもできる。

さらに、本発明によれば、特定方向へ所定の角度範囲の光を供給する光源装置と、光源装置からの光を画像信号に応じて変調する空間光変調装置と、空間光変調装置で変調された光を投写する投写レンズと、を有し、光源装置は、上記の光源装置であることを特徴とするプロジェクタを提供することができる。上記の光源装置を用いることで、光を特定方向へ効率良く供給することができ、光利用効率が高い構成にできる。プロジェクタに上記の光源装置を用いると、投写レンズの光軸に対して小さい角度、例えば±１２．５°の光を増加させることができる。光軸に対して±１２．５°の光とは、一般的にプロジェクタに用いられる投写レンズで投写可能な角度範囲の例である。また、空間光変調装置で変調可能な角度範囲の光を増加することも可能である。これにより、明るい投写像のプロジェクタを得られる。

以下に図面を参照して、本発明の実施例を詳細に説明する。

図１は、本発明の実施例１に係るプロジェクタ１００の概略構成を示す。まず、本発明の実施例１に係るプロジェクタ１００の概略構成を説明し、次に、図２以降を参照して、本実施例の特徴的な光源装置１０２の構成を説明する。光源部１０１は、２つの光源装置１０２で構成されている。

光源装置１０２は、第１色光である赤色光（以下、「Ｒ光」という。）、第２色光である緑色光（以下、「Ｇ光」という。）、及び第３色光である青色光（以下、「Ｂ光」という。）を含む光を供給する。インテグレータ１０４は、光源部１０１からの光の光量分布を均一化する。光量分布を均一化された光は、偏光変換素子１０５にて特定の振動方向を有する偏光光、例えばｓ偏光光に変換される。ｓ偏光光に変換された光は、色分離光学系を構成するＲ光透過ダイクロイックミラー１０６Ｒに入射する。

以下、Ｒ光について説明する。Ｒ光透過ダイクロイックミラー１０６Ｒは、Ｒ光を透過し、Ｇ光、Ｂ光を反射する。Ｒ光透過ダイクロイックミラー１０６Ｒを透過したＲ光は、反射ミラー１０７に入射する。反射ミラー１０７は、Ｒ光の光路を９０度折り曲げる。光路を折り曲げられたＲ光は、第１色光であるＲ光を画像信号に応じて変調する第１色光用空間光変調装置１１０Ｒに入射する。第１色光用空間光変調装置１１０Ｒは、Ｒ光を画像信号に応じて変調する透過型の液晶表示装置である。なお、ダイクロイックミラーを透過しても、光の偏光方向は変化しないため、第１色光用空間光変調装置１１０Ｒに入射するＲ光は、ｓ偏光光のままの状態である。

第１色光用空間光変調装置１１０Ｒは、λ/２位相差板１２３Ｒ、ガラス板１２４Ｒ、第１偏光板１２１Ｒ、液晶パネル１２０Ｒ、及び第２偏光板１２２Ｒを有する。λ/２位相差板１２３Ｒ及び第１偏光板１２１Ｒは、偏光方向を変換させない透光性のガラス板１２４Ｒに接する状態で配置される。これにより、第１偏光板１２１Ｒ及びλ/２位相差板１２３Ｒが、発熱により歪んでしまうという問題を回避できる。なお、図１において、第２偏光板１２２Ｒは独立して設けられているが、液晶パネル１２０Ｒの射出面や、クロスダイクロイックプリズム１１２の入射面に接する状態で配置しても良い。

第１色光用空間光変調装置１１０Ｒに入射したｓ偏光光は、λ/２位相差板１２３Ｒによりｐ偏光光に変換される。ｐ偏光光に変換されたＲ光は、ガラス板１２４Ｒ及び第１偏光板１２１Ｒをそのまま透過し、液晶パネル１２０Ｒに入射する。液晶パネル１２０Ｒに入射したｐ偏光光は、画像信号に応じた変調により、Ｒ光がｓ偏光光に変換される。液晶パネル１２０Ｒの変調により、ｓ偏光光に変換されたＲ光が、第２偏光板１２２Ｒから射出される。このようにして、第１色光用空間光変調装置１１０Ｒで変調されたＲ光は、色合成光学系であるクロスダイクロイックプリズム１１２に入射する。

次に、Ｇ光について説明する。Ｒ光透過ダイクロイックミラー１０６Ｒで反射された、Ｇ光とＢ光とは光路を９０度折り曲げられる。光路を折り曲げられたＧ光とＢ光とは、Ｂ光透過ダイクロイックミラー１０６Ｇに入射する。Ｂ光透過ダイクロイックミラー１０６Ｇは、Ｇ光を反射し、Ｂ光を透過する。Ｂ光透過ダイクロイックミラー１０６Ｇで反射されたＧ光は、第２色光であるＧ光を画像信号に応じて変調する第２色光用空間光変調装置１１０Ｇに入射する。第２色光用空間光変調装置１１０ＧはＧ光を画像信号に応じて変調する透過型の液晶表示装置である。第２色光用空間光変調装置１１０Ｇは、液晶パネル１２０Ｇ、第１偏光板１２１Ｇ及び第２偏光板１２２Ｇを有する。液晶パネル１２０Ｇの詳細に関しては後述する。

第２色光用空間光変調装置１１０Ｇに入射するＧ光は、ｓ偏光光に変換されている。第２色光用空間光変調装置１１０Ｇに入射したｓ偏光光は、第１偏光板１２１Ｇをそのまま透過し、液晶パネル１２０Ｇに入射する。液晶パネル１２０Ｇに入射したｓ偏光光は、画像信号に応じた変調により、Ｇ光がｐ偏光光に変換される。液晶パネル１２０Ｇの変調により、ｐ偏光光に変換されたＧ光が、第２偏光板１２２Ｇから射出される。このようにして、第２色光用空間光変調装置１１０Ｇで変調されたＧ光は、色合成光学系であるクロスダイクロイックプリズム１１２に入射する。

次に、Ｂ光について説明する。Ｂ光透過ダイクロイックミラー１０６Ｇを透過したＢ光は、２枚のリレーレンズ１０８と、２枚の反射ミラー１０７とを経由して、第３色光であるＢ光を画像信号に応じて変調する第３色光用空間光変調装置１１０Ｂに入射する。第３色光用空間光変調装置１１０Ｂは、Ｂ光を画像信号に応じて変調する透過型の液晶表示装置である。

なお、Ｂ光にリレーレンズ１０８を経由させるのは、Ｂ光の光路の長さがＲ光及びＧ光の光路の長さよりも長いためである。リレーレンズ１０８を用いることにより、Ｂ光透過ダイクロイックミラー１０６Ｇを透過したＢ光を、そのまま第３色光用空間光変調装置１１０Ｂに導くことができる。第３色光用空間光変調装置１１０Ｂは、λ/２位相差板１２３Ｂ、ガラス板１２４Ｂ、第１偏光板１２１Ｂ、液晶パネル１２０Ｂ、及び第２偏光板１２２Ｂを有する。なお、第３色光用空間光変調装置１１０Ｂの構成は、上述した第１色光用空間光変調装置１１０Ｒの構成と同様なので、詳細な説明は省略する。

第３色光用空間光変調装置１１０Ｂに入射するＢ光は、ｓ偏光光に変換されている。第３色光用空間光変調装置１１０Ｂに入射したｓ偏光光は、λ/２位相差板１２３Ｂによりｐ偏光光に変換される。ｐ偏光光に変換されたＢ光は、ガラス板１２４Ｂ及び第１偏光板１２１Ｂをそのまま透過し、液晶パネル１２０Ｂに入射する。液晶パネル１２０Ｂに入射したｐ偏光光は、画像信号に応じた変調により、Ｂ光がｓ偏光光に変換される。液晶パネル１２０Ｂの変調により、ｓ偏光光に変換されたＢ光が、第２偏光板１２２Ｂから射出される。第３色光用空間光変調装置１１０Ｂで変調されたＢ光は、色合成光学系であるクロスダイクロイックプリズム１１２に入射する。このように、色分離光学系を構成するＲ光透過ダイクロイックミラー１０６ＲとＢ光透過ダイクロイックミラー１０６Ｇとは、光源部１０１から供給される光を、第１色光であるＲ光と、第２色光であるＧ光と、第３色光であるＢ光とに分離する。

色合成光学系であるクロスダイクロイックプリズム１１２は、２つのダイクロイック膜１１２ａ、１１２ｂをＸ字型に直交して配置して構成されている。ダイクロイック膜１１２ａは、Ｂ光を反射し、Ｒ光、Ｇ光を透過する。ダイクロイック膜１１２ｂは、Ｒ光を反射し、Ｂ光、Ｇ光を透過する。このように、クロスダイクロイックプリズム１１２は、第１色光用空間光変調装置１１０Ｒ、第２色光用空間光変調装置１１０Ｇ、及び第３色光用空間光変調装置１１０Ｂでそれぞれ変調されたＲ光、Ｇ光及びＢ光を合成する。投写レンズ１１４は、クロスダイクロイックプリズム１１２で合成された光をスクリーン１１６に投写する。これにより、スクリーン１１６上でフルカラー画像を得ることができる。

なお、上述のように、第１色光用空間光変調装置１１０Ｒ及び第３色光用空間光変調装置１１０Ｂからクロスダイクロイックプリズム１１２に入射される光は、ｓ偏光光となるように設定される。また、第２色光用空間光変調装置１１０Ｇからクロスダイクロイックプリズム１１２に入射される光は、ｐ偏光光となるように設定される。このようにクロスダイクロイックプリズム１１２に入射される光の偏光方向を異ならせることで、クロスダイクロイックプリズム１１２において各色光用空間光変調装置から射出される光を有効に合成できる。ダイクロイック膜１１２ａ、１１２ｂは、通常、ｓ偏光光の反射特性に優れる。このため、ダイクロイック膜１１２ａ、１１２ｂで反射されるＲ光及びＢ光をｓ偏光光とし、ダイクロイック膜１１２ａ、１１２ｂを透過するＧ光をｐ偏光光としている。

次に、光源装置１０２の構成について説明する。図２は、光源装置１０２の、光軸ＡＸを通過する断面における断面構成を示す。光源装置１０２は、固体面発光光源である発光部２０１を有する。固体面発光光源である発光部２０１は、例えばＬＥＤである。発光部２０１は、平面発光領域２０２が光軸ＡＸに対して略垂直になるように設けられている。発光部２０１は、平面発光領域２０２から光を供給する。発光部２０１の上には、導光部である円錐プリズム２０３が設けられている。円錐プリズム２０３は、特定方向に頂角を向けて設けられている。

発光部２０１からの光を光軸ＡＸに沿ってインテグレータ１０４の方向へ進行させると、そのまま光軸ＡＸ上を直進して液晶型空間光変調装置１１０Ｒ、１１０Ｇ、１１０Ｂ、さらに投写レンズ１１４に到達する。円錐プリズム２０３の頂角を向ける特定方向とは、明るい投写像を得るために発光部２０１から大きい光量の光を進行させる照明方向であるプラスＺ方向である。具体的に説明すると、円錐プリズム２０３は、頂点Ｐを光軸ＡＸ上に配置するように設けられている。なお、光軸ＡＸは、Ｚ軸と略一致している。円錐プリズム２０３は、光軸ＡＸに関して回転対称となるように設けられている。

円錐プリズム２０３は、平面発光領域２０２に平行な基準平面ＳＳと所定の角度α１をなして傾斜する傾斜面を有する。円錐プリズム２０３の傾斜面は、円錐プリズム２０３の底面の円形状に接している面である。図２に示す断面構成では、円錐プリズム２０３は、二等辺三角形で表されている。また、図２に示す断面構成では、傾斜面が二等辺三角形の斜辺Ｓ１、Ｓ２で表されている。円錐プリズム２０３は、所定の屈折率を有する硝子や透明樹脂等の透明部材で構成されている。また、円錐プリズム２０３は、発光部２０１を封止するモールド樹脂を兼ねる構成としても良い。

円錐プリズム２０３の周辺には、反射部２０５が設けられている。反射部２０５は、平面発光領域２０２に平行な基準平面ＳＳに対して所定の角度β１をなすように設けられている。反射部２０５は、円錐プリズム２０３の周囲を円状に取り囲むように設けられている。反射部２０５の一方の端は、発光部２０１に接合している。また、反射部２０５の他方の端は、発光部２０１側の端より広がっている。反射部２０５は、光源装置１０２の射出側へ行くに従い広がるようなテーパ形状を有する。反射部２０５としては、高反射性部材、例えばアルミニウムや銀などの金属部材を用いることができる。

反射部２０５も、光軸ＡＸに関して回転対称の形状をなしている。図２の断面構成には、反射部２０５のうち、互いに対向する２つの部分Ｓ３、Ｓ４の断面が示されている。反射部２０５は、特定方向であるプラスＺ方向への長さが、円錐プリズム２０３のプラスＺ方向への長さより長いような形状を有する。このため、円錐プリズム２０３は、円錐プリズム２０３よりプラスＺ方向に大きい反射部２０５により覆われている。

次に、図２の構成において発光部２０１から供給された光の振舞いについて説明する。円錐プリズム２０３の傾斜面Ｓ１、Ｓ２と基準平面ＳＳとがなす所定の角度α１は、７０°であるとする。円錐プリズム２０３の屈折率ｎ＝１．４９とする。また、反射部２０５と基準平面ＳＳとがなす角度β１は、６３．２５°であるとする。発光部２０１は、ランバート発光して光軸ＡＸに対して０°〜±９０°の方向に略均一に光を供給している。

例えば、平面発光領域２０２に対して角度ａ１＝４０°で傾斜面Ｓ１の方向へ供給される光Ｌａは、まず円錐プリズム２０３の界面である傾斜面Ｓ１に入射角度ａ２＝略２０°で入射する。入射角度ａ２＝２０°で傾斜面Ｓ１に入射した光Ｌａは、スネルの屈折の法則に従い照明方向に屈折し、射出角度ａ３＝３０．６４°で傾斜面Ｓ１から射出する。ここで、入射角度及び射出角度は、入射及び射出する面の垂線に対する角度を示している。傾斜面Ｓ１から射出する光Ｌａは、光軸ＡＸに平行な直線に対して角度ａ４＝３９．３６°で進行して、今度は反射部２０５の反射面Ｓ３に入射する。そして、反射面Ｓ３で反射された光Ｌａは、光軸ＡＸに平行な直線に対して角度ａ５＝略３．８９°で照明方向へ進行する。このように、光Ｌａは、円錐プリズム２０３の傾斜面Ｓ１における屈折と、反射部２０５の反射面Ｓ３における反射とにより進行方向が変換されて照明方向へ進行する。

次に、平面発光領域２０２に対して角度ｂ１＝５８°で傾斜面Ｓ２の方向へ供給される光Ｌｂは、まず円錐プリズム２０３の界面である傾斜面Ｓ２に入射角度ｂ２＝略３８°で入射する。入射角度ｂ２＝３８で傾斜面Ｓ２に入射した光Ｌｂは、照明方向へ屈折し、光軸ＡＸに平行な直線に対して角度ｂ４＝３．４６°で照明方向へ進行する。光Ｌｂは、円錐プリズム２０３の傾斜面Ｓ２における屈折により進行方向が変換されて照明方向へ進行する。

図３は、光源装置１０２において円錐プリズム２０３の傾斜面Ｓ１、Ｓ２で全反射する光の振舞いを示す。平面発光領域２０２に対して角度ｃ１で供給される光Ｌｃが円錐プリズム２０３の界面における臨界角を僅かに超える角度ｃ２で傾斜面Ｓ１に入射したとする。この場合、光Ｌｃは、傾斜面Ｓ１で全反射して傾斜面Ｓ２の方向へ進行する。傾斜面Ｓ２に入射する光Ｌｃが今度は臨界角より小さい角度で傾斜面Ｓ２に入射すると、傾斜面Ｓ２で屈折して円錐プリズム２０３から射出する。ここで、反射部２０５は、円錐プリズム２０３より照明方向であるプラスＺ方向に長い形状を有する。このため、照明方向へ屈折した光Ｌｃは、反射部２０５に入射することができる。反射部２０５で反射された光Ｌｃは、照明方向へ進行方向が変換される。

平面発光領域２０２に対して角度ｄ１＝８０°で傾斜面Ｓ２の方向へ供給される光Ｌｄは、傾斜面Ｓ２に臨界角以上の入射角度ｄ２＝６０°で入射する。入射角度ｄ２＝６０°で入射した光Ｌｄは傾斜面Ｓ２で全反射して傾斜面Ｓ１の方向へ進行する。光Ｌｄは、今度は臨界角より小さい角度で傾斜面Ｓ１に入射する。このとき、スネルの屈折の法則に従い、８２％の光が屈折して円錐プリズム２０３から射出し、１３％の光が傾斜面Ｓ１で反射して再び傾斜面Ｓ２の方向へ進行する。傾斜面Ｓ１で屈折して円錐プリズム２０３から射出した光Ｌｄは、光軸ＡＸに略平行な光となって照明方向へ進行する。

平面発光領域２０２に対して角度ｅ１＝９０°で光軸ＡＸに略平行に進行する光Ｌｅは、光Ｌｄと同様にして進行して、光軸ＡＸに平行な直線に対して角度ｅ４＝略１０°で照明方向に進行する。このように、円錐プリズム２０３は、屈折率と、傾斜面の角度とを所定値とすることで、発光部２０１からの光を直接、又は傾斜面Ｓ１、Ｓ２で全反射してから傾斜面Ｓ１、Ｓ２で屈折し、照明方向及び反射部２０５の方向へ射出する。反射部２０５は、所定の角度で設けることで、円錐プリズム２０３からの光を照明方向へ反射する。このようにして、光源装置１０２は、円錐プリズム２０３及び反射部２０５により、光軸ＡＸに対して小さい角度となる所定の角度範囲の光を照明方向へ供給することができる。

図４は、固体面発光光源と半球型モールド樹脂とを組み合わせた従来の光源装置から受光面に供給される光の角度分布の例を示す。図５は、本発明の光源装置１０２から受光面に供給される光の角度分布の例を示す。図４、図５ともに、光軸ＡＸに対する光の角度を横軸（単位ｄｅｇ）に、任意単位の光の光量を縦軸にとって示している。図４に示す従来の光源装置からの光の角度分布は、０°〜１３°の光が略均等な強度であることを示す。従来の光源装置に対して、図５に示す本発明の光源装置１０２は、プロジェクタ１００で有効に利用可能な±１２．５°の光の光量が約１０倍増加している。また、従来の光源装置と比較して、本発明の光源装置１０２は、光軸ＡＸに対して小さい角度の光が多く分布していることがわかる。このように、本発明によれば、光軸ＡＸに対して角度が小さく揃った光を効率良く供給することができる。

以上説明したように、円錐プリズム２０３の屈折率及び傾斜面Ｓ１、Ｓ２の角度と、反射部２０５の角度とを適宜設定することにより、光を特定方向である照明方向へ効率良く供給することができる。これにより、光利用効率を高くすることができるという効果を奏する。また、特定方向へ光を効率良く供給できることで、投写レンズ１１４で投写可能な角度範囲の光を増加させることができる。また、空間光変調装置１１０Ｒ、１１０Ｇ、１１０Ｂで変調可能な角度範囲の光を増加することも可能である。これにより、明るい投写像を得られるという効果を奏する。

本発明の光源装置１０２によると、ランバート発光する固体面発光光源からの光の利用効率を向上することが可能である。このため、本発明の光源装置１０２の構成は、特に発光部２０１としてランバート発光する固体面発光光源を用いる場合に有用である。但し、発光部２０１としては面発光光源に限らず、点発光光源を用いることとしても良い。

図６は、本実施例の光源装置１０２の円錐プリズム２０３及び反射部２０５の上面構成を示す。図６に示す上面構成と比較して、図７〜図１０を用いて本実施例の光源装置１０２の変形例について説明する。導光部としては、図７に示すように四角錐プリズム７０３を用いる構成としても良い。四角錐プリズム７０３の場合も、上記の円錐プリズム２０３の場合と同様に、特定方向に頂角を有する。また、四角錐プリズム７０３と組み合わせる反射部７０５は、上面構成が四角錐プリズム７０３の底面と略相似する四角形形状であることが望ましい。

図８は、三角錐プリズム８０３及び上面構成が三角形形状の反射部８０５を用いる構成例を示す。また、図８に示す光源装置は、３つの光源ユニット８０２、８１２、８２２を接合して構成されている。光源ユニット８０２、８１２、８２２は、それぞれ上面構成が三角形形状である以外は上記の光源装置１０２と同様の構成を有する。各光源ユニットの反射部８０５は、いずれも二等辺三角形形状の上面構成を有する。各光源ユニットは、上面から見ると二等辺三角形の向きが交互になるように配置されている。

図９は、正六角形形状の光源ユニット９０２Ｒ、９０２Ｇ、９０２Ｂからなる光源装置９０１の上面構成を示す。光源ユニット９０２Ｒ、９０２Ｇ、９０２Ｂは、それぞれＲ光、Ｇ光、Ｂ光を分担して供給する。また、図１０の断面構成に示すように、光源ユニット９０２Ｒ、９０２Ｇ、９０２Ｂの六角錐プリズム１００３は、それぞれ特定方向である照明方向側に平坦面Ｓ５を有する。六角錐プリズム１００３の周辺には、上面から見ると正六角形形状の反射部１００５が設けられている。平坦面Ｓ５は、図９に示す上面構成に示すように、六角錐プリズム１００３の底面や反射部１００５の外縁部の形状に略相似の正六角形形状を有する。なお、図１０は、図９の構成の直線ＡＡ’断面の構成を示している。

平坦面Ｓ５は、発光部１００１Ｒ、１００１Ｇの平面発光領域に平行な基準平面に略平行に設けられている。六角錐プリズム１００３の照明方向側に平坦面Ｓ５を設けると、発光部１００１Ｒ、１００１Ｇから平坦面Ｓ５に入射する光を直接照明方向へ進行させる構成にできる。なお、六角錐プリズム１００３の照明方向側に設ける面としては平坦面Ｓ５に限らず、凹面又は凸面であっても良い。また、例えば平坦面、凹面、凸面のいずれかを組み合わせた面であっても良い。

図９に戻って、光源装置９０１は、各光源ユニット９０２Ｒ、９０２Ｇ、９０２Ｂの反射部１００５の外縁部を隙間無く配置している。このように、各光源ユニット９０２Ｒ、９０２Ｇ、９０２Ｂをいわゆるハニカム構造を構成するように配列することで、光源装置９０１に各光源ユニット９０２Ｒ、９０２Ｇ、９０２Ｂを稠密に設けることができる。これにより、発光面積を小さく抑えることができる。光源装置９０１の発光面積を小さくすると光源装置９０１からの光束の空間的な広がりを低減し、さらに光利用効率を向上できる。なお、光源装置は、本変形例のように、複数の光源ユニットがそれぞれＲ光、Ｇ光、Ｂ光を分担して供給する構成としても良く、上記の光源装置１０２のようにＲ光、Ｇ光、Ｂ光を含む光を供給する構成としても良い。

本実施例の導光部は、円錐プリズム、三角錐、四角錐、五角錐以上の多角錐を含む角錐形状のプリズムを用いることができる。プリズムは、円錐、角錐形状以外に、例えば楕円その他の曲線からなる底面の錐体形状としても良い。なお、導光部としていずれも錐体プリズムを用いて説明しているが、導光部は錐体形状のプリズムに限られない。例えば、錐体形状以外の形状のプリズムを用いることとしても良い。錐体形状以外の形状としては、例えば、２つの錐体の底面どうしを組み合わせた形状、くびれをもつ壷形等とすることができる。また、図６〜図９を用いて説明するように導光部と反射部とは、上面構成が略相似形状である場合に限られず、異なる形状であっても良い。また、本実施例では図１に示すように色分離光学系を用いた構成について説明したが、色分離光学系を用いずに、Ｒ光用、Ｇ光用、Ｂ光用の光源装置を設ける構成としても良い。Ｒ光用、Ｇ光用、Ｂ光用光源装置は、対応する空間光変調装置に各色光がそれぞれ入射するように設けられる。

図１１は、本発明の実施例２に係る光源装置１１０２の断面構成を示す。光源装置１１０２は、上記実施例１に係るプロジェクタ１００に適用することができる。上記実施例１のプロジェクタ１００と同一の部分には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。本実施例の光源装置１１０２は、反射部１１０５が第１の反射面Ｓ１３、Ｓ１４と、第２の反射面Ｓ３、Ｓ４とを有することを特徴とする。

光源装置１１０２は、導光部であるプリズム１１０３と、プリズム１１０３の周辺に反射部１１０５とを有する。プリズム１１０３は、円錐形状の頂角部分に凹面Ｓ１５が設けられている。プリズム１１０３に凹面Ｓ１５を設けることにより、発光部２０１からプリズム１１０３内部を光軸ＡＸ方向へ進行する光を、進行方向が光軸ＡＸに略平行となるように揃えてプリズム１１０３から射出する構成にできる。プリズム１１０３の傾斜面Ｓ１２は、上記実施例の光源装置と同様に、所定の角度α２をなしている。

反射部１１０５は、発光部２０１側に設けられる第１の反射面Ｓ１３、Ｓ１４と、第１の反射面Ｓ１３、Ｓ１４の特定方向側である照明方向側に設けられる第２の反射面Ｓ３、Ｓ４とを有する。反射部１１０５は、第１の反射面Ｓ１３、Ｓ１４が、平面発光領域２０２に平行な基準平面ＳＳに対して所定の角度β２をなすように設けられている。さらに、反射部１１０５は、第２の反射面Ｓ３、Ｓ４が、平面発光領域２０２に平行な基準平面ＳＳ’に対して所定の角度γ２をなすように設けられている。第１の反射面Ｓ１３、Ｓ１４及び第２の反射面Ｓ３、Ｓ４は、角度β２が角度γ２より大きくなるように設けられている。なお、反射部１１０５は、光軸ＡＸに関して回転対称の形状をなしている。

例えば、プリズム１１０３の傾斜面Ｓ１２と基準平面ＳＳとがなす所定の角度α２が、７１°であるとする。プリズム１１０３の屈折率ｎを、上記実施例１の円錐プリズム２０３と同様に１．４９であるとする。また、反射部１１０５の第１の反射面Ｓ１３、Ｓ１４と基準平面ＳＳとがなす角度β２は、８７°、第２の反射面Ｓ３、Ｓ４と基準平面ＳＳ’とがなす角度γ２は、５８°であるとする。

光軸ＡＸに対して大きい角度で発光部２０１から供給される光、例えば発光部２０１の側面近傍から真横に近い方向で供給される光Ｌｆは、反射部１１０５の第１の反射面Ｓ１３で反射してそのまま照明方向へ進行する。光Ｌｆよりも光軸ＡＸに対して小さい角度で発光部２０１から供給される光Ｌｇ、Ｌｈは、それぞれ上記実施例１の光源装置と同様にして照明方向へ進行する。

このように、反射部１１０５の発光部２０１側に大きい角度の第１の反射面Ｓ１３、Ｓ１４を設けることにより、発光部２０１から光軸ＡＸに対して大きい角度で供給される光を照明方向に進行させる構成にできる。これにより、発光部２０１から光軸ＡＸに対して大きい角度で供給される光を積極的に照明方向へ進行させることができるという効果を奏する。

図１２は、実施例２の変形例に係る光源装置１２０２の断面構成を示す。光源装置１２０２の反射部１２０５は、断面が２つの変曲点を持つ反射面Ｓ２３、Ｓ２４を有する。このように、曲面形状の反射部１２０５を設けることで、基準平面に対する角度を発光部２０１からの位置に応じて適宜設定することができる。

図１３は、本発明の実施例３に係るプロジェクタ１３００の概略構成を示す。本実施例のプロジェクタ１３００は、光源装置１０２の特定方向側である照明方向側に、ロッドインテグレータ１３１２が設けられることを特徴とする。上記実施例１のプロジェクタ１００と同一の部分には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。ロッドインテグレータ１３１２は、光源装置１０２の発光部２０１（図２参照）からの光の光量分布を略均一にする導光光学系である。ロッドインテグレータ１３１２は、反射部２０５（図２参照）の照明方向側の外縁部に接合されている。

ロッドインテグレータ１３１２の射出側には色分解のためのカラーホイール１３１３が設けられている。カラーホイール１３１３には、ダイクロイック膜が螺旋状等の適当な形状に組み合わされて設けられている。ダイクロイック膜は、特定の波長領域の光を透過し、他の波長領域の光を反射させる。例えば白色光を、３つの波長領域の光に色分解する場合は、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）の光のみをそれぞれ透過させるＲ光透過ダイクロイック膜、Ｇ光透過ダイクロイック膜、Ｂ光透過ダイクロイック膜が形成されている。そして、カラーホイール１３１３は、光軸と平行な軸を中心に回転している。

カラーホイール１３１３で色分解された光は、リレーレンズ１３１４を透過して空間光変調装置であるティルトミラーデバイス１３１５に入射する。ティルトミラーデバイス１３１５は、画像信号に応じて光源装置１０２からの光を変調する。ティルトミラーデバイス１３１５としては、例えばテキサス・インスツルメンツ社のディジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）を用いることができる。投写レンズ１３１６は、ティルトミラーデバイス１３１５で反射された光をスクリーン１３１７上に投写する。

反射部２０５の特定方向側にロッドインテグレータ１３１２を接合する構成にすると、反射部２０５とロッドインテグレータ１３１２とで発光部２０１からの光の光量分布を略均一にすることができる。これにより、発光部２０１からの光の光量分布を略均一にすることが可能な構成にできる。なお、本実施例のプロジェクタ１３００も、上記実施例１のプロジェクタ１００と同様に、複数の光源装置１０２を用いることができる。

図１４は、本発明の実施例４に係るプロジェクタ１４００の概略構成を示す。本実施例のプロジェクタ１４００は、図９を用いて説明した光源装置９０１を用いることができる。上記実施例１のプロジェクタ１００と同一の部分には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。光源装置９０１は、各光源ユニットがＲ光、Ｇ光、Ｂ光を分担して供給する。

フライアイレンズ１４１２は、光源装置９０１からの光の光量分布を均一化する。そして、第１偏光板１４１３で特定の振動方向の偏光光であるｐ偏光光に変換された光は、液晶ライトバルブ１４１４の変調により、ｓ偏光光に変換されて第２偏光板１４１５から射出する。液晶ライトバルブ１４１４は、各色光を画像信号に応じて変調する空間光変調装置である。第２偏光板１４１５から射出した光は、投写レンズ１４１６からスクリーン１４１７に投写される。本実施例のプロジェクタ１４００は、光源装置９０１における各色光の駆動と、液晶ライトバルブ１４１４の変調とを同期して制御することで各色光を変調する。

なお、上記各実施例のプロジェクタは、透過型液晶表示装置やティルトミラーデバイスを用いる構成としているが、反射型液晶表示装置を用いても良い。また、各実施例で説明した光源装置は、プロジェクタに用いる場合に限らず、特定方向へ光を供給する他の装置に適用することができる。例えば、各実施例の光源装置は、特定方向を照明するための照明装置及び照明ユニットとして用いることができる。さらに、例えば交通信号機に本発明の光源装置を用いると、指向性が高い光を供給することで、交通信号機の認識性を向上することができる。また、例えば自動車の前照灯に本発明の光源装置を用いると、指向性が高く高効率な照明が可能となる上、コンパクトかつ長寿命な構成にできる。

以上のように、本発明に係る光源装置は、プロジェクタや、指向性の高い光を供給する照明装置に用いる場合に適している。

本発明の実施例１に係るプロジェクタの概略構成図。光源装置の断面構成図。光源装置の断面構成図。光源装置からの光の角度分布の説明図。光源装置からの光の角度分布の説明図。実施例１の光源装置の導光部と反射部の上面構成図。実施例１の変形例の説明図。実施例１の変形例の説明図。実施例１の変形例の説明図。実施例１の変形例の説明図。本発明の実施例２に係る光源装置の断面構成図。実施例２の変形例の説明図。本発明の実施例３に係るプロジェクタの概略構成図。本発明の実施例４に係るプロジェクタの概略構成図。

符号の説明

１０１光源部、１０２光源装置、１０４インテグレータ、１０５偏光変換素子、１０６ＲＲ光透過ダイクロイックミラー、１０６ＧＢ光透過ダイクロイックミラー、１０７反射ミラー、１０８リレーレンズ、１１０Ｒ、１１０Ｇ、１１０Ｂ液晶型空間光変調装置、１１２クロスダイクロイックプリズム、１１２ａ、１１２ｂダイクロイック膜、１１４投写レンズ、１１６スクリーン、１２０Ｒ、１２０Ｇ、１２０Ｂ液晶パネル、１２１Ｒ、１２１Ｇ、１２１Ｂ第１偏光板、１２２Ｒ、１２２Ｇ、１２２ｂ第２偏光板、１２３Ｒ、１２３Ｂ λ／２位相差板、１２４Ｒ、１２４Ｂガラス板、２０１発光部、２０２平面発光領域、２０３円錐プリズム、２０５反射部、２０５反射面、７０３四角錐プリズム、７０５反射部、８０２、８１２、８２２光源ユニット、８０３三角錐プリズム、８０５反射部、９０１光源装置、９０２Ｒ、９０２Ｇ、９０２Ｂ光源ユニット、１００１Ｒ、１００１Ｇ発光部、１００３六角錐プリズム、１００５反射部、１１０２光源装置、１１０３プリズム、１１０５反射部、１２０２光源装置、１２０３円錐プリズム、１２０５反射部、１３００プロジェクタ、１３１２ロッドインテグレータ、１３１３カラーホイール、１３１４リレーレンズ、１３１５ティルトミラーデバイス、１３１６投写レンズ、１３１７スクリーン、１４００プロジェクタ、１４１２フライアイレンズ、１４１３、１４１５偏光板、１４１４液晶ライトバルブ、１４１６投写レンズ、１４１７スクリーン、ＡＸ光軸、ＳＳ基準平面、Ｐ頂点、Ｓ１、Ｓ２、Ｓ１２傾斜面、Ｓ３、Ｓ４反射面、Ｓ５平坦面、ＳＳ’ 基準平面、Ｓ１５凹面、Ｓ２３、Ｓ２４反射面

Claims

光を供給する、平面発光領域を有する発光部と、
所定の屈折率の部材で構成され、前記平面発光領域と平行な基準平面に対して所定の角度で傾斜する傾斜面を有する導光部と、
前記導光部の周辺に設けられ、前記基準平面に対して所定の角度をなす反射部と、を有し、
前記導光部は、前記発光部からの光を直接、又は前記傾斜面で全反射してから前記傾斜面で屈折し、前記基準面に垂直である特定方向及び前記反射部の方向へ射出するような前記屈折率と、前記所定の角度の前記傾斜面とを有し、
前記反射部は、前記導光部からの光を前記特定方向へ反射するような前記所定の角度で設けられ、
前記導光部及び前記反射部は、前記特定方向へ所定の角度範囲の光を供給するものであり、
前記発光部と前記導光部と前記反射部とで構成する光源ユニットを複数有し、
前記導光部は六角錐プリズムであり、
前記反射部は前記特定方向から見て正六角形状をなし、
前記光源ユニットの前記反射部の外縁部が隙間無く配置されたことを特徴とする光源装置。
前記導光部は、前記特定方向の側に、前記基準平面に略平行な平坦面を有することを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
前記導光部は、前記特定方向の側に、凹面又は凸面を有することを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
前記反射部は、前記特定方向への長さが前記導光部の前記特定方向への長さより長いような形状を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の光源装置。
前記反射部は、前記発光部からの光の光量分布を略均一にするロッドインテグレータを、前記反射部の前記特定方向側に接合することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の光源装置。
特定方向へ所定の角度範囲の光を供給する光源装置と、
前記光源装置からの光を画像信号に応じて変調する空間光変調装置と、
前記空間光変調装置で変調された光を投写する投写レンズと、を有し、
前記光源装置は、請求項１〜５のいずれか一項に記載の光源装置であることを特徴とするプロジェクタ。