JP4815301B2 - 光源モジュール及び投影型表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、光源モジュール及び投射型表示装置に関し、特に小型、軽量、薄型の投射型表示装置の構成に関する。

従来より、液晶ライトバルブ等の光変調装置を用いて映像光を合成し、合成された映像光を投射レンズ等からなる投射光学系を通じてスクリーンに拡大投射する投射型表示装置が知られている。以下、従来の投射型表示装置の構成について図面を用いて説明する。

図２０は従来の投射型表示装置の構成を示す概略構成図である。同図において、従来の投射型表示装置１００は、光源１０１と、ダイクロイックミラー１０２，１０３と、反射ミラー１０４〜１０６と、液晶ライトバルブ１０７〜１０９と、クロスダイクロイックプリズム１１０と、投射レンズ１１１を含んで構成されている。光源１０１は、メタルハライド等のランプ１１２と、ランプ１１２の光を反射するリフレクタ１１３とから構成されている。青色光・緑色光反射用のダイクロイックミラー１０２は、光源１０１からの光束のうちの赤色光Ｌ_Rを透過させるとともに、青色光Ｌ_Bと緑色光Ｌ_Gとを反射させる。透過した赤色光Ｌ_Rは反射ミラー１０４で反射されて、赤色光用液晶ライトバルブ１０７に入射する。一方、ダイクロイックミラー１０２で反射した色光のうち、緑色光Ｌ_Gは緑色光反射用のダイクロイックミラー１０３によって反射し、緑色光用液晶ライトバルブ１０８に入射する。一方、青色光Ｌ_Bはダイクロイックミラー１０３も透過して、反射ミラー１０５，１０６を経て青色光用液晶ライトバルブ１０９に入射する。

このように各液晶ライトバルブ１０７，１０８，１０９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１１０に入射する。このプリズムは４つの直角プリズムが貼り合わされ、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形成されている。これらの誘電体多層膜によって３つの色光が合成されてカラー画像を表す光が形成される。合成された光は投射光学系である投射レンズ１１１により投射スクリーン１１４上に投射され、拡大された画像が表示される。

上述したように、従来の投射型表示装置において、光源から出射された光はダイクロイックミラーを用いて３つの色光に分離され、分離された各々の色光は３つの液晶ライトバルブを用いてそれぞれ変調された後、ダイクロイックプリズムにより再度合成し、投射レンズでスクリーン上に投射する構成を採用していた。そのため、多数の光学部品が必要であり、根本的に装置の小型化、軽量化、そして薄型化を図ることが困難であった。この問題を解決するために、例えば特許文献１には、赤色、緑色、青色（以下、赤色をＲ，緑色をＧ，青色をＢと略記する）の各色光を出射可能な複数の発光ダイオード（Light Emitting Diode,以下、ＬＥＤと略記する）が平面状又は曲面状に配列されたＬＥＤアレイと、各ＬＥＤから出射される各色光の照度を均一化するための複数のロッドレンズが平面状又は曲面状に配列されたロッドレンズアレイと、ロッドレンズアレイから出射される光の偏光変換を行うＰＢＳアレイと、ＰＢＳアレイから出射される各色光を変調して画像を合成する液晶ライトバルブと、液晶ライトバルブによって合成された画像をスクリーンに拡大投射する投射レンズとから構成されている投射型表示装置が提案されている。また、特許文献２には、光出射方向に対して後方側に反射板を備えたＬＥＤアレイと、位相差板と、テーパロッドレンズアレイと、ロッドレンズアレイと、反射型偏光板とを備えて、偏光変換を行う薄型照明装置が提案されている。
特開２００３−２９５３１５号公報 特開２００３−３２９９７８号公報

しかしながら、上記特許文献１では、各色光毎にロッドレンズで照度均一化を行っているので、ロッドレンズ出射端面では、そのロッドレンズを通ってきた１個又は複数個のＬＥＤチップから出射された単一の色光については照度の均一化がなされているが、ロッドレンズ出射後のライトバルブ上において複数の色光（例えば、Ｒ、Ｇ、Ｂそれぞれ）が均一になっているとは限らない。また、装置をより小型化するには、ＬＥＤ自体を小さくする必要があるが、現状では１チップ３００μｍ程度が限界であり、ロッドレンズの大きさもそれによって制限されてしまう。また、用いるＬＥＤチップの数が増えると、配線数が増え所定面積内にＬＥＤをレイアウトできないという不具合や、特性値が仕様の範囲内で微妙に異なる複数のＬＥＤチップの制御の課題もある。

また、上記特許文献２では、反射型偏光板として、アルミニウムなどの光反射性を有する金属からなる多数のリブが入射光の波長よりも小さいピッチでガラス基板上に形成されたグリッド偏光子やフィルム多層積層型偏光板など、いわゆる反射型偏光板素子を必要としており薄型化の弊害となっている。

本発明はこれらの問題点を解決するためのものであり、光の利用効率に優れ、簡単な構成で小型化、薄型化及び軽量化が図れる、光源モジュール及び投射型表示装置を提供することを目的とする。

また、本発明の光学モジュールにおける第１の光学素子は、光源と結合する第１の結合部と、第２の光学素子と結合する第２の結合部と、光源からの光を反射する反射膜又は反射構造が形成された反射部とを有し、第２の光学素子は、第１の開口面と、この第１の開口面よりも大きい面積を持ち、第１の開口面に対向する第２の開口面とを有し、第１、第２の開口面を底面とする中空ロッドであり、この中空ロッドの側面には光源からの光を反射する反射膜又は反射構造が形成されており、更に第１の開口面が設けられている第２の光学素子の面と接する第１の光学素子の面の面積は、第１の光学素子の光源と対向する面の面積より小さく、第１の光学素子の光源と対向している面以外の面に対向する第２の光学素子の面には、光源からの光を反射する反射膜が形成されている。よって、２次光源となる開口が作りやすくなり、モジュール作成を容易にすることができると共に、中空ロッドにすることにより、型の作成を容易にすることができる。また、第２の光学素子の材質をガラスや樹脂などの透明部材以外に金属も使用できるようにし、材質の選択性を広げることができる。更に、第１の光学素子の光源と対向している面以外の面に対向する第２の光学素子の面への反射膜の蒸着が一回の蒸着で行うことができるので作成が非常に容易になる。

更に、第２の光学素子の中空ロッドが２次元配列した中空ロッドアレイであることにより、ライトバルブ上での照度均一化や指向性の改善に必要な第２の光学素子を小型化することができる。

また、第１の光学素子は光散乱体又は光散乱粒子を包含する光散乱光学部材により形成されていることにより、第１の光学素子内の光線密度を均一化することで第１の光学素子の形状を簡素化でき、かつ高い散乱特性を有することで第１の光学素子自体を小型化することできることにより光学モジュールを小型化することができる。

更に、光源は、赤色、緑色、青色の少なくとも３色を一組とする発光デバイスからなる光源であることにより、フルカラーに対応可能となる。

また、第１の光学素子と第２の光学素子との間が、光源からの光に対し透明であり、空気より屈折率の高い部材により充填又は接着されている。よって、第１の光学素子上に形成される２次光源と空気との界面を無くし、界面での全反射を抑制することにより２次光源からの光の取り出し効率を向上させることができる。

更に、第１の光学素子に形成された所定の開口部、もしくは第１の光学素子から第２の光学素子に光が通過する接合部に、光源の波長以下の微細凹凸構造が形成されている。よって、２次光源自体の出射光指向性やモジュール出射面での照度均一化や指向性の改善に必要な第２の光学素子を小型化し、光源モジュールを小型化することができる。また、偏光特性を改善し、別途偏光子を設ける必要がなく、光源モジュールを小型化及び低コスト化することができる。

また、第２の光学素子の第２の面側に偏光子を設置して偏光を揃えることにより、液晶で構成されるライトバルブを用いたプロジェクタ用照明光学系に適用することができる。

更に、偏光子が反射型偏光子であることにより、偏光子を通過しなかった光線を再び第１又は第２の光学素子に戻し、再利用することにより、光利用効率を向上させることができる。

また、偏光子が第２の光学素子の第２の面に形成されていることにより、部品点数を削減でき、光学モジュールを薄型化することができる。

更に、光源は、所望のホワイトバランスを得る光束量比率になっていることにより、良好なホワイトバランスを得ることができる。

また、同一色を発光する光源の同一電極が結線されていることにより、光源の配線を簡略できる。

更に、第２の光学素子の第１の面と第２の面、もしくは第１の開口と第２の開口を繋ぐ面であるロッドの側面が曲面であることにより、発散角の大きな光線も全反射条件を満足させ、ロッドの側面に反射膜又は構造を形成せずに光利用効率を向上させることができ、かつロッドからの出射角度をより狭くすることができる。

また、別の発明としての投影型表示装置は、上記光源モジュールと、この光源モジュールの光学素子からの出射光を画像情報に応じて変調する光変調素子と、この光変調素子によって変調された光を拡大投影する投影レンズとを有することに特徴がある。また、光変調素子は、液晶型又はミラー型のライトバルブであることが好ましい。よって、光の利用効率に優れ、簡単な構成で小型化、薄型化及び軽量化が図れる照明装置を提供でき、かつ当該照明装置備えた小型、薄型、軽量で、携帯電話、携帯ゲーム機、デジタルカメラ、電子手帳、電子書籍、ノートパソコンなど携帯機器、小型機器に内蔵できる投射型表示装置を提供することができる。

本発明の光源モジュールによれば、光源が有するエテンデューを変換することができ、２次光源表面上に微細構造を形成しやすく、指向性や偏光特性を制御しやすくなり、光の利用効率に優れ、簡単な構成で小型化、薄型化及び軽量化が図れる。

図１は本発明の第１の実施の形態例に係る投影型表示装置の構成を示す概略断面図である。同図に示す本実施の形態例は、色順次駆動方式の投射型カラー液晶表示装置の例である。本実施の形態例の投影型表示装置１０は、ＬＥＤが配置されて必要な配線がなされる基板１１と、ＬＥＤアレイ１２と、ＬＥＤアレイ１２からの出射光をカップリングし、素子内で拡散させ、出射光束量の等しい複数の２次光源１３を形成する第１の光学素子１４と、２次光源１３からの出射光の指向性を改善するともに、照度を光変調する光変調手段である液晶ライトバルブ１５上で均一にする第２の光学素子１６と、第２の光学素子１６からの出射光の偏光方向を一方向に揃えるための偏光子１７と、液晶ライトバルブ１５によって合成された画像をスクリーンに拡大投射する投射レンズ１８とを含んで構成されている。なお、基板１１、ＬＥＤアレイ１２、第１の光学素子１４及び第２の光学素子１６を含めて光源モジュール１９とする。

ここで、ＬＥＤアレイ１２は、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の各色光を出射可能なＬＥＤチップ２０（赤）、２１（緑）、２２（青）からなり、具体的にはそれぞれ赤１個、緑２個、青１個のＬＥＤチップを含む。このとき、赤色１個、緑色２個、青色１個としたのは、文献「プロジェクターの最新技術」（シーエムシー出版）のp.77を参考としたことによるものである。色度座標（0.700,0.299）、（0.206,0.709）、（0.152,0.026）の３原色のＬＥＤ光源を使った場合、色温度9000Kの白色を得るためにはその光束比が赤：緑：青＝２１：７６：４となるので、緑色を２個用いた。しかし、これはＬＥＤチップの個数が問題ではなく、光束比が問題となるので、必要な光束比が得られるＬＥＤの個数を設定すればよい。また、フルカラーを必要としない場合は、２色の光源を用いることも可能である。一方、より高精細な色表現を必要とする場合は４色以上の光源を用いることも可能である。更に、モノクロでよい場合は１色もしくは白色ＬＥＤの使用も可能である。

ＬＥＤアレイ２は図示せぬ光源駆動回路（光源駆動手段）に接続されており、この光源駆動回路によって各ＬＥＤチップ２０、２１、２２の発光するタイミングが制御され、各ＬＥＤチップ２０、２１、２２から例えばＲ、Ｇ、Ｂ、Ｒ、Ｇ、Ｂ、…というように時間順次に色光を発光可能な構成となっている。このとき、同色のＬＥＤの同一端子は基板１上で結線することにより配線を簡略化することができる。

図２は図１の第１の光学素子を直方体とした場合の展開図である。同図において、面３１が光源（ＬＥＤ）との接合面３４を有する面で、面３２は２次光源３５（図では３２個の２次光源が形成されている）が形成される面で、面３３は側面である。図中、光源との接合面３４と２次光源３５となる面以外は、光源光を反射する反射膜もしくは反射構造が形成されている。ＬＥＤから出射する光線は、ＬＥＤの出射面側、出射面の法線に対し±９０度内の全ての方向に出射される。したがって、第１の光学素子内の光線の様子を示す図３からわかるように、ＬＥＤアレイ１２から出射した光線は、第１の光学素子１４にカップリングされ、第１の光学素子１４内のあらゆる方向に放射される。それらの光線のうち、２次光源１３となるべき開口に到達した光線は第１の光学素子１４から２次光源１３からの出射光として出射される。その他の光線は、第１の光学素子１４に施されている反射膜又は反射構造により２次光源１３となるべき開口に到達するまで反射を繰り返す。したがって、理想的にはＬＥＤアレイ１２から出射された光線は１００％２次光源１３から出射される。しかし、第１の光学素子に施されている反射膜又は反射構造の反射率を完全な１００％するのは難しく、その分がロスとなる。また、ＬＥＤアレイに戻ってきた光線も一部はＬＥＤアレイの材料による吸収によりロスとなる。更に、ＬＥＤアレイの底面に施された反射層（膜もしくは構造）の反射率によっても多少のロスが生じる。

図４はＬＥＤアレイと第１の光学素子の組付け状態を示す模式図である。同図において、図１と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。ＬＥＤアレイ１２の各ＬＥＤチップと第１の光学素子１４との間にはＬＥＤ出射光に対し透明な樹脂４１が充填されている。これにより、ＬＥＤ出射面が空気と接している場合に比べ、ＬＥＤチップ内での全反射が抑制され、ＬＥＤチップからの光の取り出し効率を改善することができる。ここで、接着剤４２は第１の光学素子１４を基板１１に固定するための接着剤である。なお、各ＬＥＤチップと第１の光学素子１４との間に充填されている透明な樹脂４１は接着剤そのものでもよいが、シリコン樹脂など、光や熱による劣化の少ない透明媒質を充填することにより、長時間使用しても樹脂の劣化による透過率の低下を抑制することができる。

図５は図１の第２の光学素子の構成を示す概略図である。同図において、２次光源が１６個の場合で、テーパロッドが４×４のアレイになっている。この例では、第２の面を共通面とし、２次元配列したテーパロッドアレイを一体化している。各テーパロッドは、それぞれが対応する２次光源にカップリングしている。第２の光学素子は光源光に対し透明な樹脂又はガラスによって構成されており、２次光源から出射される光線はテーパロッド内で内面反射を繰り返すことにより出射端面では既に照度が均一化された光束となる。つまり、第２の光学素子は、２次光源から出射される光線の指向性を改善し、テーパロッド出射面での照度を均一にする働きをする。したがって、アレイ全体として指向性がよく照度の均一な光束が得られる。指向性としては、できるだけ多くの光線がライトバルブの入射面の法線に対し±１５度以内の入射角になるようにテーパの角度や長さを設計するのが良い。

図６は２次光源の構成の一例を示す概略断面図である。同図に示すように、２次光源の大きさを一辺４００μｍの正方形（□４００μｍ）とし、テーパロッドの屈折率をｎ＝１．５１（例えばSchott社製BK7ガラス）とした場合、テーパロッドの光源側の大きさを□４２０μｍ、出射側の大きさを□２ｍｍ、全長５．３７ｍｍ、出射面側を曲率半径Ｒ＝２．９２ｍｍの球面とした場合、約９０％の光線が液晶ライトバルブに対し±１５度以内の入射角となり、テーパロッド出射面から約１ｍｍ離れた場所（液晶ライトバルブが設置される場所）での照度もほぼ均一にすることができる。ここで、２次光源の大きさを小さくすれば、同じ特性を得るためのテーパロッドの大きさもそれに応じて比例縮小することができ、全長を短くすることができる。例えば、２次光源の大きさを□２００μｍにした場合、全長を半分(２．６９ｍｍ程度)にすることができる。ただし、液晶ライトバルブが同一の場合は４倍の個数のテーパロッドが必要となる。

このようなテーパロッドアレイは樹脂の射出成形、またはガラスのモールド成形により作ることが可能であり、上記テーパロッドアレイのような微細アレイ構造の金型について、最近の精密加工機（例えば、ファナック社製：ロボナノα-0iB）を用いることにより加工可能であることが確認されている。

ここで、テーパロッドの第１の面及び第２の面を繋ぐ面、つまりロッドの側面に光源光の波長の光線を反射する反射膜又は構造を形成することにより、光源からの出射光の光利用効率を向上させることができる。また、２次光源の構成の別の例を示す図７からわかるように、側面を適当な曲面にすることにより、光軸に対し大きい角度で出射した光線に対しても側面が全反射条件を満たし、反射膜又は反射構造が無くてもロッドを透過してしまうロスを低減でき、光利用効率を向上させることができる。また、ロッドの側面を曲面にすることにより、出射光の発散角を狭く抑えることもできる。発散角を狭く抑える効果は、中空ロッドの場合にも適用できる。

そして、図１の光源モジュール１９から出射した光線は、偏光子１７により偏光方向が一方向に揃えられ液晶ライトバルブ１５に入射する。液晶ライトバルブ１５には、画素スイッチング用素子として薄膜トランジスタ（Thin Film Transistor,以下、ＴＦＴと略記する）を用いたＴＮモードのアクティブマトリクス方式の透過型の液晶セルが使用され、液晶セルの外面には入射側偏光板、出射側偏光板がその透過軸が互いに直交するように配置されて設けられている。例えば、オフ状態では液晶ライトバルブ１５に入射されたｓ偏光がｐ偏光に変換されて出射される一方、オン状態では光が遮断されるようになっている。以上のＬＥＤアレイ１２、第１の光学素子１４、第２の光学素子１６、偏光子１７、液晶ライトバルブ１５は離間して配置しても良いが、装置の小型化、薄型化のためには全てを密着させて配置することが望ましい。

また、図１の液晶ライトバルブ１５は図示せぬ液晶ライトバルブ駆動回路（光変調駆動手段）に接続されており、この液晶ライトバルブ駆動回路によって、入射される各色光に対応させて液晶ライトバルブ１５を時間順次に駆動することが可能な構造になっている。また、本実施の形態の投射型表示装置においては、同期信号発生回路（同期信号発生手段）が備えられており、この同期信号発生回路により、同期信号を発生させ、光源駆動回路および液晶ライトバルブ駆動回路に入力することにより、図１の各ＬＥＤチップ２０、２１、２２から色光を出射するタイミングと、その色光に対応して液晶ライトバルブ１５を駆動するタイミングとを同期させることができる構造になっている。

すなわち、図１に示す本実施の形態の投射型表示装置１０では、１フレームを時分割し、ＬＥＤチップ２０、２１、２２から時間順にＲ、Ｇ、Ｂの各色光を出射させ、各ＬＥＤチップ２０、２１、２２から色光を出射するタイミングと液晶ライトバルブ１５を駆動するタイミングとを同期させることにより、各ＬＥＤチップ２０、２１、２２から出射される色光に対応させて液晶ライトバルブ１５を時間順に駆動し、各ＬＥＤチップ２０、２１、２２から出射される色光に対応する画像信号を出力することにより、カラー画像を合成することが可能な構成になっている。

図８は第１の光学素子側から光源を見た模式図である。同図において、図１及び図２と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。図８の（ａ）に示すように、光源は、比較的チップ面積の大きい高輝度ＬＥＤでアレイ１２を１個形成する構成も考えられるが、図８の（ｂ），（ｃ）に示すように、比較的小さなチップでＬＥＤアレイ１２を構成し、それを複数個配置し、第１の光学素子内での光線密度をより均一にし、複数の２次光源３５の照度や発散特性などの光学特性をより均一にする構成も考えられる。これらの場合も、光の入出射部の開口以外の部分には、反射膜又は反射構造が形成されており、光を第１の光学素子内に閉じ込める構造になっていることが望ましい。

また、図９に示すように、材料内部のミクロンオーダーの誘電率の異なる不均一構造、つまり粒子９１を含むことにより入射した光が多重散乱を起こすＨＳＯＴポリマー（HSOT：Highly Scattering Optical Transmission）などの光散乱光学材料で第１の光学素子１４を構成することにより、光源ＬＥＤを分散配置させることなく、第１の光学素子内での光線密度をより均一にし、複数の２次光源の照度や発散特性などの光学特性をより均一にすることができる。

更に、図１０に示すように、従来の導光板と同様に楔形状の第１の光学素子１４の側面から、ＬＥＤアレイ１２の光を入れる構成も可能である。この場合もＨＳＯＰポリマーのような高光散乱材料を用いることにより、均一な２次光源を形成することができる。光散乱光学材料は、ポリマーのみでなく、ガラス中にミクロンオーダーの散乱体となる粒子が包含されている構造の材料でも良い。

一般に、ＬＥＤ表面に波長以下の微細凹凸構造を形成することにより、ＬＥＤからの光の取り出し効率を向上させたり、光線の発散指向性を改善させることができる。参考文献であるSID06 DIGEST PP.1808-1811に記載されているように、ＬＥＤの出射端面にフォトニック結晶を形成し、発散指向性を改善する。同様に、第１の光学素子上の２次光源表面に波長以下の微細凹凸構造を形成することにより発散指向性を改善させることができる。

図１１は本発明の第２の実施の形態例に係る投影型表示装置の構成を示す概略断面図である。同図において、図１と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。第１の実施の形態例とは第２の光学素子１６の構成が異なっている。本実施の形態例の投影型表示装置４０では、第２の光学素子１６が中空ロッドで構成されている。この場合、図１２に示すように、ロッドの内面に光源光を反射する反射膜又は反射構造１２１を形成する必要がある。一方、第２の光学素子１６の光源側の面に光源光を反射する反射膜又は反射構造１２２を形成することにより、第１の光学素子１４上に２次光源となる開口を形成する必要がなくなるので、第１の光学素子１４の作成が容易になる。また、第１及び第２の光学素子を図１３に示すような形状とすることにより、第１の光学素子１４が図１１で示す直方体の場合と比較し、第１の光学素子１４に施される反射膜又は反射構造が、光源に接合される面のみとなり、第１の光学素子１４の作成が容易になる。また、第１の光学素子１４の光源が接合されている面以外の面を囲む反射膜１２２の蒸着も一回の蒸着で達成できるので、作成が非常に容易となる。図１３では説明上第１の光学素子３と第２の光学素子４は離して描いてあるが、実際は透明樹脂性接着剤などにより接着されている。

図１４は本発明の第３の実施の形態例に係る投影型表示装置の構成を示す概略断面図である。同図において、図１と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。同図に示すように、中空ロッドの第２の光学素子１６の出口側に反射型偏光子１４１を設置することにより、偏光子を透過しない偏光成分の光は再度第一の光学素子に戻り、再び２次光源から出射されるため、光のリサイクルができ、光利用効率を向上させることができる。

ここで、図１４の反射型偏光子１４１の構造を図１５に示す。ガラス基板１５１上に屈折率の高い誘電体膜１５２と低い誘電体膜１５３を交互に積層し、エッチングによりストライプ状の周期構造を形成する。たとえば、高屈折率材料をＴａＯ_５（屈折率：ｎ≒２．２）、低屈折材料をＳｉＯ_２（屈折率：ｎ≒１．４４）とし、ストライプ構造のピッチｐ、Filling Factor（ランド幅Δ／ピッチｐ）、層厚Ｌを最適化することにより、ｐ偏光が透過しｓ偏光が反射する反射型偏光子として機能する。ここで、高屈折率材料の屈折率を更に高いものを選び、層数を増やすことにより、より広い波長範囲で反射型偏光子の機能を有する構造を作成することができる。また、誘電体多層膜ではなく、アルミニウムなどの光反射性を有する金属からなる多数のリブ（光反射体）を入射光の波長よりも小さいピッチでロッドレンズアレイの出射端面上に形成してもよい。

このような反射型偏光子を図１で示すような中空でない第２の光学素子の出射面側（パネル側）に形成しても良い。また、前述のフォトニック結晶同様に、２次光源の表面に形成しても良い。

図１６に示すように、中空ロッドの第２の光学素子１６の出口にマイクロレンズアレイ１６１を設置することにより、ロッドの長さを短くできるので、より光源モジュールを小型化することができる。

図１７はレンズ付きとレンズ無しの場合のロッド長と光源出射光が±１５度以内の光線に変換される割合との関係を示す特性図である。条件としては、□０．５ｍｍの面光源（放射分布はランバート分布）テーパロッドは光源側が□０．５ｍｍ、出射側が□３．０ｍｍで、出射側が平面(Ｒ＝∞)の場合と、曲率半径３ｍｍ(Ｒ＝３ｍｍ)のレンズが付いている場合である。レンズを設置することによりロッド長を短くできることが示されている。

また、図１８に示すように、マイクロレンズアレイ１６１の片面に図１５で示すような反射型偏光子１４１を形成する構成も考えられる。

なお、第１の実施の形態例のロッドレンズは導光部分が媒質で満たされていたが、本実施の形態例のロッドレンズは中空である。したがって、ロッドレンズを透明樹脂だけでなく、金属で作ることも可能である。その場合、ロッド内の側面および第１の光学素子と接する面など、反射特性が必要な面を鏡面加工することにより簡単に反射面ができるという利点が有る。また、樹脂で成型する場合も、前出の精密加工機を用いなくとも、金型の作成が容易にできるという利点がある。具体的には、テーパの付いた刃物を作り、その刃物でさいの目に切削することにより金型を作成することができる。

図１９は本発明の第４の実施の形態例に係る投影型表示装置の構成を示す概略断面図である。本実施の形態例も色順次駆動方式の投射型表示装置であるが、本実施の形態例ではライトバルブとして液晶型でなくミラー型を用いている。同図において、図１と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。同図に示す本実施の形態例の投影型表示装置６０は、基板１１、ＬＥＤアレイ１２、第１の光学素子１４、第２の光学素子１６、偏向プリズム１９１、ミラー型ライトバルブ１９２、投射レンズ１８を含んで構成されている。第２の光学素子１６から出射した光線は、２個の三角プリズム１９３、１９４を空気層を有するように構成した偏向プリズム１９１に入射し、三角プリズム１９３の斜面１９５により全反射され、ミラー型ライトバルブ１９２に所定の角度で入射する。ミラー型ライトバルブ１９２には、画素スイッチング用素子として半導体プロセスにより形成されたミラーアレイを用いることができる。一般的にはテキサスインスツルメンツ社製のデジタルミラーデバイス（ＤＭＤ）がよく知られている。例えば、オフ状態ではミラーの傾きはゼロ度で、投射レンズ１８にカップリングされないが、オン状態では光線が投射レンズ１８の方向に反射されるようにミラーが所定の傾きを有するため、ミラー反射光は三角プリズム１９３の斜面１９５の全反射条件から外れ、偏向プリズム１９１を透過し、投射レンズ１８でスクリーンに結像される。この本実施の形態例のように、ミラー型ライトバルブを用いた場合、偏光を用いない構成をとれるため、必ずしも偏光変換の必要がなく、照明光を有効に投射レンズに導くことができるので、光利用効率の高い明るい投影装置を提供することができる。

なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。例えば光源としてはＬＥＤの他、半導体レーザ、有機ＥＬ素子、無機ＥＬ素子なども使用できる。また、第１の光学素子、第２の光学素子、偏光子、マイクロレンズアレイなどは、必要な機能を出せれば、ガラス製、樹脂製など素材は問わない。更に、ライトバルブとして反射型液晶素子（ＬＣＯＳ）を用いる構成でもよい。また、カラー表示方式も実施の形態例の色順次方式に限定されるものではなく、画素分割のフィルタ方式を用いることも可能である。

本発明の第１の実施の形態例に係る投影型表示装置の構成を示す概略断面図である。 図１の第１の光学素子を直方体とした場合の展開図である。 図１の第１の光学素子内の光線の様子を示す概略断面図である。 ＬＥＤアレイと第１の光学素子の組付け状態を示す模式図である。 図１の第２の光学素子の構成を示す概略図である。 ２次光源の構成の一例を示す概略断面図である。 ２次光源の構成の別の例を示す概略断面図である。 第１の光学素子側から光源を見た模式図である。 不均一構造の第１の光学素子内の光線の様子を示す概略断面図である。 楔形状の第１の光学素子の構成を示す概略断面図である。 本発明の第２の実施の形態例に係る投影型表示装置の構成を示す概略断面図である。 図１１の第２の光学素子の構成を示す概略断面図である。 第１及び第２の光学素子の別の形状を示す概略断面図である。 本発明の第３の実施の形態例に係る投影型表示装置の構成を示す概略断面図である。 図１４の反射型偏光子の構造を示す概略斜視図である。 第２の光学素子の出口側にマイクロレンズアレイを設置した例を示す概略断面図である。 レンズ付きとレンズ無しの場合のロッド長と光源出射光が±１５度以内の光線に変換される割合との関係を示す特性図である。 マイクロレンズの片面に図１５の反射型偏光子を形成した例を示す概略断面図である。 本発明の第４の実施の形態例に係る投影型表示装置の構成を示す概略断面図である。 従来の投射型表示装置の構成を示す概略構成図である。

符号の説明

１０，４０，５０，６０；投影型表示装置、
１１，１５１；基板、１２；ＬＥＤアレイ、１３，３５；２次光源、
１４；第１の光学素子、１５；液晶ライトバルブ、
１６；第２の光学素子、１７；偏光子、１８；投射レンズ、
１９；光源モジュール、２０〜２２；ＬＥＤチップ、
３１〜３３；面、３４；接合面、４１；樹脂、４２；接着剤、
９１；粒子、１２１，１２２；反射膜又は反射構造、
１４１；反射型偏光子、１５２，１５３；誘電体膜、
１６１；マイクロレンズアレイ、１９１；偏向プリズム、
１９２；ミラー型ライトバルブ、１９３，１９４；三角プリズム、
１９５，１９６；斜面。

Claims (15)

1. 光源と、該光源からの光が入射される第１の光学素子と、該第１の光学素子から出射される光が入射される第２の光学素子とを有する光源モジュールにおいて、
   前記第１の光学素子は、前記光源と結合する第１の結合部と、前記第２の光学素子と結合する第２の結合部と、前記光源からの光を反射する反射膜又は反射構造が形成された反射部とを有し、
   前記第２の光学素子は、第１の開口面と、該第１の開口面よりも大きい面積を持ち、前記第１の開口面に対向する第２の開口面とを有し、前記第１、第２の開口面を底面とする中空ロッドであり、該中空ロッドの側面には前記光源からの光を反射する反射膜又は反射構造が形成されており、
   前記第１の開口面が設けられている前記第２の光学素子の面と接する前記第１の光学素子の面の面積は、前記第１の光学素子の前記光源と対向する面の面積より小さく、
   前記第１の光学素子の前記光源と対向している面以外の面に対向する前記第２の光学素子の面には、前記光源からの光を反射する反射膜が形成されていることを特徴とする光源モジュール。
2. 前記第２の光学素子の前記中空ロッドが２次元配列した中空ロッドアレイであることを特徴とする請求項１記載の光源モジュール。
3. 前記第１の光学素子は、光散乱体又は光散乱粒子を包含する光散乱光学部材により形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の光源モジュール。
4. 前記光源は、赤色、緑色、青色の少なくとも３色を一組とする発光デバイスからなる光源であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光源モジュール。
5. 前記第１の光学素子と前記第２の光学素子との間が、前記光源からの光に対し透明であり、空気より屈折率の高い部材により充填又は接着されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の光源モジュール。
6. 前記第１の光学素子に形成された所定の開口部、もしくは前記第１の光学素子から前記第２の光学素子に光が通過する接合部に、前記光源の波長以下の微細凹凸構造が形成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の光源モジュール。
7. 前記第２の光学素子の第２の面側に偏光子を設置したことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の光源モジュール。
8. 前記偏光子が反射型偏光子であることを特徴とする請求項７記載の光源モジュール。
9. 前記偏光子が、前記第２の光学素子の第２の面に形成されていることを特徴とする請求項８記載の光源モジュール。
10. 前記光源は、所望のホワイトバランスを得る光束量比率になっていることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の光源モジュール。
11. 同一色を発光する前記光源の同一電極が結線されていることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の光源モジュール。
12. 前記第２の光学素子の第１の面と第２の面、もしくは第１の開口と第２の開口を繋ぐ面であるロッドの側面が曲面であることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載の光源モジュール。
13. 請求項１〜１２のいずれか１項に記載の光源モジュールと、該光源モジュールの光学素子からの出射光を画像情報に応じて変調する光変調素子と、該光変調素子によって変調された光を拡大投影する投影レンズとを有することを特徴とする投影型表示装置。
14. 前記光変調素子は、液晶型のライトバルブであることを特徴とする請求項１３記載の投影型表示装置。
15. 前記光変調素子は、ミラー型のライトバルブであることを特徴とする請求項１３記載の投影型表示装置。

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