JPWO2011037026A1 - 照明装置およびそれを用いた投射型表示装置 - Google Patents

Abstract

照明装置は、赤色の波長帯域にピーク波長を有する固体光源を含む光源（３ａ）と、緑色の波長帯域にピーク波長を有する固体光源を含む光源（３ｂ）と、青色の波長帯域にピーク波長を有する固体光源を含む光源（３ｃ）と、光源（３ｂ）から入射したＰ偏光の色光と、光源（３ａ）および光源（３ｃ）から入射したＳ偏光の色光とが合成される色合成光学素子（１）と、を有する。光源（３ｃ）は、光源（３ｂ）に対応する色の波長帯域にピーク波長を有する、少なくとも１つの固体光源を有する。

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し、特に、複数の色光を合成した照明光を生成する照明装置およびそれを用いた投射型表示装置に関する。

投射型表示装置は、照明装置と、その照明装置からの照明光が照射される表示素子と、その表示素子に表示された画像をスクリーンに拡大投影する投射レンズとを有する。照明装置は、白色光源と、赤（Ｒ）・緑（Ｇ）・青（Ｂ）のカラーフィルターが円盤状に配列されたカラーホイールとから構成される。白色光源からの光を高速に回転するカラーホイールに照射することにより、時系列的に色が切り替わる照明光を得る。

上記の照明装置を備えた投射型表示装置では、照明光の色の切り替りに同期して、その色の成分の画像を表示素子に表示することにより、継時加法混色の原理で、スクリーン上にフルカラー画像を表示することができる。このような投射型表示装置は、フィールドシーケンシャル方式、あるいは時分割方式の投射型表示装置と呼ばれている。

白色光源には、高圧水銀灯のような高輝度光源が用いられる。ただし、高圧水銀灯のような放電ランプは高輝度ではあるものの、カラーホイールと組み合わせた照明装置、あるいはそれを用いた投射型表示装置において、以下のような問題を生じる。

点灯後に明るさが定常状態になるまでに時間がかかり、しかも、消灯後、すぐに再点灯しようとしても、十分に冷却されるまでの待ち時間が必要であることから、使い勝手が悪い。

白色光源からカラーホールで色光を取り出す際、例えば赤のカラーフィルターを透過させて赤色の光で照明している期間は、青色や緑色の光は利用されないので、著しく光利用効率が低い。

また、各カラーフィルターの境界部分を光が透過するときに、２つの色が混ざってしまう。このため、境界部分を通過した光の色の純度が劣化したり、もしくは、その光を投射表示には利用しないことにより光利用効率が低下したりする。

さらに、色の切り替え時間や順序は、使用するカラーホールによって固定されてしまう。

上記の他にも、カラーホイールを高速回転させるための機構部品や、回転の安定性を制御するためのセンサーや電子回路が必要であり、その分、装置コストが増大するという問題がある。さらに、高速回転時の騒音の問題もある。

近年、発光ダイオード（ＬＥＤ）や半導体レーザー（ＬＤ）のような半導体光源、あるいは、固体光源と呼ばれる光源の高輝度化が進展してきた。このような半導体光源から発生する光は、高圧水銀灯のような放電ランプに代表される白色光源の光と比べて、スペクトル幅が狭く、カラーフィルターを用いなくても高い色再現性が得られるという特長がある。

白色光源とカラーホイールに代わり、例えば赤（Ｒ）・緑（Ｇ）・青（Ｂ）のＬＥＤと色合成光学素子を用いて照明装置を構成し、各色のＬＥＤを順次点灯すれば、時系列的に色が切り替わる照明装置が得られる。

放電ランプは、点灯後に明るさが定常状態になるまで時間がかかるのに対して、ＬＥＤなどの半導体光源は、点灯直後に明るい照明光、並びに投射画像が得られ、しかも再点灯するまでに冷却のための待ち時間が不要である。よって、投射型表示装置の光源として半導体光源を用いることで、利用者の利便性が向上する。

また、ＬＥＤは、放電ランプに比べると寿命が長く、水銀を使用していないので環境面でも優れている。赤のＬＥＤで照明しているときは、青や緑のＬＥＤを消灯しているので、光利用効率が高く、低消費電力化を実現できる。さらに、ＬＥＤの電流量を制御するという調光機能を搭載すれば、状況に応じて細かいパワーセーブが可能になる。

赤、緑、青の各色のＬＥＤは個別に制御可能であるので、色の切り替え時間や順序を電子的に制御でき、任意の色切り替えも可能であり、しかも、表示素子との同期を高精度に実現できる。高速に色を切り替えることができるので、フィールドシーケンシャル方式のカラー表示で問題となる色割れ（カラーブレイクアップ）を顕著に低減できる。Ｒ・Ｇ・Ｂの照明光のみならず、それらを組み合わせたＣ（シアン）、Ｍ（マゼンタ）、Ｙ（イエロー）、そしてＷ（ホワイト）の照明光を得ることができるので、それらの色画像を表示させることで、明るさを優先した表示モードでの表示も可能である。さらに、回転機構部品の劣化や高速回転による騒音も生じない。

このように、ＬＥＤには多くの利点があるので、投射型表示装置において、例えばＬＥＤと色合成光学素子を用いた照明装置が期待されている。

ただし、現状では、一つのＬＥＤで十分な明るさの発光が得られていない。そこで、高輝度化を実現するために、複数の色を合成する様々な技術が提案されている。例えば、ピーク波長が異なる複数のＬＥＤからの光束をダイクロイックミラーやダイクロイックプリズムで合成する光源装置が、特許文献１〜３に開示されている。これらは、波長の違いを利用してダイクロイックミラーで色光を合成する方式である。

一方、３つの光源のうち、少なくとも１つが、ピーク波長が異なる複数の光源をアレイ状に配列させた構成とされた、光源装置が特許文献４、５に開示されている。これは、空間的に色光を合成する方式である。

色光を合成する他の方式としては、偏光を利用する技術がある。例えばランダムな偏光方向の光を発生する２つの光源からの光を、それぞれ直交する偏光方向を有する直線偏光に変換した後、偏光ビームスプリッタで合成する照明装置が、特許文献６に開示されている。

関連発明としては、各色の光をあらかじめ特定の偏光方向に揃えてダイクロイックプリズムで合成する光源装置が、特許文献７に開示されている。また、ダイクロイックプリズムで色を合成する際の入射角依存性を考慮して、入射光の偏光方向を選定する投写型表示装置が、特許文献８に開示されている。

特許文献８に記載の光源装置に用いられている色合成光学素子は、青色反射多層膜および赤色反射多層膜を有する。図１Ａは、青色反射多層膜の分光反射率特性を示し、図１Ｂは、赤色反射多層膜の分光反射率特性を示す。

図１Ａに示すように、青色反射多層膜のＳ偏光のカットオフ波長は５１０ｎｍ以上、５４０ｎｍ以下である。一方、図１Ｂに示すように、赤色反射多層膜のＳ偏光のカットオフ波長は５４０ｎｍ以上、５６０ｎｍ以下である。

緑のライトバルブ（表示素子）からの光（Ｐ偏光）が青色反射多層膜および赤色反射多層膜に入射し、赤および青のライトバルブ（表示素子）からの光（Ｓ偏光）が青色反射多層膜および赤色反射多層膜に入射する。

特開２００１−０４２４３１号公報（図１） 特開２００５−３２１５２４号公報（図１） 特開２００４−０７００１８号公報（図５） 特開２００４−３２５６３０号公報（図１） 特開２００５−１８９２７７号公報（図１） 特開２００６−３３７６０９号公報（図１） 特開２０００−０５６４１０号公報（図７） 特開平１−３０２３８５号公報（図１）

赤、緑、青の各色の光源としてＬＥＤを用い、各色のＬＥＤからの色光を合成して白色光を得る投射型表示装置においては、以下のような問題がある。

投射光学系においては、光源の面積と発散角とで決まるエテンデューという制約がある。光源の面積と発散角との積の値を、表示素子の面積と投射レンズのＦナンバーで決まる取り込み角（立体角）との積の値以下にしないと、光源からの光が投射光として利用されない。つまり、投射光学系においては、ＬＥＤの半導体チップの面積あるいはＬＥＤの個数についての制約があり、しかも照明光の角度広がりにも制約がある。エテンデューの制約により決まる個数以上のＬＥＤをアレイ状に数多く配列しても、明るさを向上することはできない。

また、赤、緑、青の各色のＬＥＤの光出力特性が異なるために、一番性能の低い色のＬＥＤの光出力に合わせて他の色のＬＥＤの光出力を抑制しなければならない。このため、他の色のＬＥＤについては、その光出力性能を最大限に発揮させることができない。

エテンデューの制約の条件下で、各色のＬＥＤの光出力性能を最大限に発揮させることができ、ホワイトバランスに優れた白色光を得ることができる照明装置は、特許文献１〜８に記載の技術を組み合わせても実現することは困難である。

例えば、入射角依存性や偏光依存性を考慮して、偏光を利用して光を合成するもの（特許文献６）や、各色の光をあらかじめ特定の偏光方向に揃えてダイクロイックミラーに入射させるもの（特許文献７）に、ダイクロイックミラーの偏光依存性を考慮して入射光の偏光方向を選定するもの（特許文献８）を用いたとしても、ＬＥＤ光源で不足している色の光を補うことはできない。したがって、これら文献に記載の技術を組み合わせても、エテンデューの制約を解消することや、全てのＬＥＤの光出力性能を最大限に発揮させることはできない。ここで、入射角依存性とは、ダイクロイックミラーに入射する角度によってカットオフ波長が設定値から短波長側、あるいは長波長側にシフトすることである。偏光依存性とは、Ｐ偏光とＳ偏光とでカットオフ波長が異なることである。

本発明の目的は、上記問題を解決し、ＬＥＤの光出力性能を最大限に発揮させることができ、ホワイトバランスに優れた白色光を得ることができる照明装置、およびそれを用いた投射型表示装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の照明装置は、
赤色の波長帯域にピーク波長を有する固体光源を含む第１の光源と、
緑色の波長帯域にピーク波長を有する固体光源を含む第２の光源と、
青色の波長帯域にピーク波長を有する固体光源を含む第３の光源と、
上記第２の光源から入射した第１の偏光の色光と、上記第１および第３の光源から入射した上記第１の偏光とは偏光状態が異なる第２の偏光の色光とが合成される色合成光学素子と、を有し、
上記第１乃至第３の光源のいずれか１つは、残りの２つの光源の一方に用いられた固体光源の色の波長帯域である特定の波長帯域にピーク波長を有する、少なくとも一つの固体光源をさらに含む。

本発明の投射型表示装置は、
上記の照明装置と、
上記照明装置からの光が照射される表示素子と、
上記表示素子で表示される画像を投射する投射光学系と、
入力映像信号に応じた画像を光の三原色に対応する色成分毎に上記表示素子にて表示させるとともに、各色成分の画像表示のタイミングに同期して上記照明装置を構成する上記第１乃至第３の光源の点灯を制御する制御手段と、を有する。

特許文献８に記載の色合成光学素子の青色反射多層膜の分光反射率特性を示すグラフである。 特許文献８に記載の色合成光学素子の赤色反射多層膜の分光反射率特性を示すグラフである。 本発明の第１の実施形態である照明装置の構成を示す斜視図である。 図２に示す照明装置を構成する色合成光学素子の第１のダイクロイックミラーのＰ偏光およびＳ偏光に対する分光透過特性を示すグラフである。 図２に示す照明装置を構成する色合成光学素子の第１のダイクロイックミラーのＰ偏光およびＳ偏光に対する分光反射特性を示すグラフである。 図２に示す照明装置を構成する色合成光学素子の第２のダイクロイックミラーの分光透過特性を示すグラフである。 図２に示す照明装置を構成する色合成光学素子の第２のダイクロイックミラーの分光反射特性を示すグラフである。 図２に示す照明装置に用いられる光源の構成を示すブロック図である。 図２に示す照明装置の光源として用いられる赤用ＬＥＤモジュールの構成を示す模式図である。 図２に示す照明装置の光源として用いられる緑用ＬＥＤモジュールの構成を示す模式図である。 図２に示す照明装置の光源として用いられる青用ＬＥＤモジュールの構成を示す模式図である。 図２に示す照明装置を用いて色光が合成される際の光路の一例を示す模式図である。 図２に示す照明装置を構成する色合成光学素子の第１のダイクロイックミラーのＰ偏光に対する分光透過特性と緑色のＬＥＤ光源の発光スペクトルとの関係を示すグラフである。 図２に示す照明装置を構成する色合成光学素子の第１のダイクロイックミラーのＳ偏光に対する分光反射特性と赤色、緑色、青色の各ＬＥＤ光源の発光スペクトルとの関係を示すグラフである。 図２に示す照明装置を構成する色合成光学素子の第２のダイクロイックミラーのＰ偏光に対する分光透過特性と緑色のＬＥＤ光源の発光スペクトルとの関係を示すグラフである。 図２に示す照明装置を構成する色合成光学素子の第２のダイクロイックミラーのＳ偏光に対する分光反射特性と赤色、緑色、青色の各ＬＥＤ光源の発光スペクトルとの関係を示すグラフである。 図２に示す照明装置を用いて色が合成される際の光路の他の例を示す模式図である。 図１０に示す照明装置を構成する色合成光学素子の第１のダイクロイックミラーのＰ偏光に対する分光透過特性と、緑色および赤色の各ＬＥＤ光源の発光スペクトルとの関係を示すグラフである。 図１０に示す照明装置を構成する色合成光学素子の第１のダイクロイックミラーのＳ偏光に対する分光反射特性と、赤色、緑色、青色の各ＬＥＤ光源の発光スペクトルとの関係を示すグラフである。 図１０に示す照明装置を構成する色合成光学素子の第２のダイクロイックミラーのＰ偏光に対する分光透過特性と、緑色および赤色の各ＬＥＤ光源の発光スペクトルとの関係を示すグラフである。 図１０に示す照明装置を構成する色合成光学素子の第２のダイクロイックミラーのＳ偏光に対する分光反射特性と、赤色、緑色、青色の各ＬＥＤ光源の発光スペクトルとの関係を示すグラフである。 本発明の第２の実施形態である照明装置の構成を示す斜視図である。 図１３に示す照明装置を構成する色合成光学素子の第１のダイクロイックミラーのＰ偏光およびＳ偏光に対する分光透過特性を示すグラフである。 図１３に示す照明装置を構成する色合成光学素子の第１のダイクロイックミラーのＰ偏光およびＳ偏光に対する分光反射特性を示すグラフである。 図１３に示す照明装置を構成する色合成光学素子の第２のダイクロイックミラーのＰ偏光およびＳ偏光に対する分光透過特性を示すグラフである。 図１３に示す照明装置を構成する色合成光学素子の第２のダイクロイックミラーのＰ偏光およびＳ偏光に対する分光反射特性を示すグラフである。 図１３に示す照明装置を用いて色光が合成される際の光路の一例を示す模式図である。 図１３に示す照明装置を構成する色合成光学素子の第１のダイクロイックミラーのＰ偏光に対する分光透過特性と、緑色のＬＥＤ光源の発光スペクトルとの関係を示すグラフである。 図１３に示す照明装置を構成する色合成光学素子の第１のダイクロイックミラーのＳ偏光に対する分光反射特性と、赤色、緑色、青色の各ＬＥＤ光源の発光スペクトルとの関係を示すグラフである。 図１３に示す照明装置を構成する色合成光学素子の第２のダイクロイックミラーのＰ偏光に対する分光透過特性と、緑色のＬＥＤ光源の発光スペクトルとの関係を示すグラフである。 図１３に示す照明装置を構成する色合成光学素子の第２のダイクロイックミラーのＳ偏光に対する分光反射特性と、赤色、緑色、青色の各ＬＥＤ光源の発光スペクトルとの関係を示すグラフである。 本発明の第３の実施形態である照明装置の構成を示す斜視図である。 本発明の第４の実施形態である照明装置の構成を示す斜視図である。 図２０に示す照明装置を構成する色合成光学素子の第１のダイクロイックミラーのＰ偏光およびＳ偏光に対する分光透過特性を示すグラフである。 図２０に示す照明装置を構成する色合成光学素子の第１のダイクロイックミラーのＰ偏光およびＳ偏光に対する分光反射特性を示すグラフである。 図２０に示す照明装置を構成する色合成光学素子の第２のダイクロイックミラーのＰ偏光およびＳ偏光に対する分光透過特性を示すグラフである。 図２０に示す照明装置を構成する色合成光学素子の第２のダイクロイックミラーのＰ偏光およびＳ偏光に対する分光反射特性を示すグラフである。 図２０に示す照明装置を用いて色が合成される際の光路の一例を示す模式図である。 図２０に示す照明装置を構成する色合成光学素子の第１のダイクロイックミラーのＰ偏光に対する分光透過特性と青色および緑色の各ＬＥＤ光源の発光スペクトルとの関係を示すグラフである。 図２０に示す照明装置を構成する色合成光学素子の第１のダイクロイックミラーのＳ偏光に対する分光反射特性と、緑色および赤色の各ＬＥＤ光源の発光スペクトルとの関係を示すグラフである。 図２０に示す照明装置を構成する色合成光学素子の第２のダイクロイックミラーのＰ偏光に対する分光透過特性と青色および緑色の各ＬＥＤ光源の発光スペクトルとの関係を示すグラフである。 図２０に示す照明装置を構成する色合成光学素子の第２のダイクロイックミラーのＳ偏光に対する分光反射特性と、緑色および赤色の各ＬＥＤ光源の発光スペクトルとの関係を示すグラフである。 本発明の第５の実施形態である照明装置の構成を示す斜視図である。 図２６に示す照明装置を構成する色合成光学素子の第１のダイクロイックミラーのＰ偏光およびＳ偏光に対する分光透過特性を示すグラフである。 図２６に示す照明装置を構成する色合成光学素子の第１のダイクロイックミラーのＰ偏光およびＳ偏光に対する分光反射特性を示すグラフである。 図２６に示す照明装置を構成する色合成光学素子の第２のダイクロイックミラーのＰ偏光およびＳ偏光に対する分光透過特性を示すグラフである。 図２６に示す照明装置を構成する色合成光学素子の第２のダイクロイックミラーのＰ偏光およびＳ偏光に対する分光反射特性を示すグラフである。 図２６に示す照明装置を用いて色が合成される際の光路の一例を示す模式図である。 図２６に示す照明装置を構成する色合成光学素子の第１のダイクロイックミラーのＰ偏光に対する分光透過特性と、緑色および赤色の各ＬＥＤ光源の発光スペクトルとの関係を示すグラフである。 図２６に示す照明装置を構成する色合成光学素子の第１のダイクロイックミラーのＳ偏光に対する分光反射特性と、青色および緑色の各ＬＥＤ光源の発光スペクトルとの関係を示すグラフである。 図２６に示す照明装置を構成する色合成光学素子の第２のダイクロイックミラーのＰ偏光に対する分光透過特性と、緑色および赤色の各ＬＥＤ光源の発光スペクトルとの関係を示すグラフである。 図２６に示す照明装置を構成する色合成光学素子の第２のダイクロイックミラーのＳ偏光に対する分光反射特性と、青色および緑色の各ＬＥＤ光源の発光スペクトルとの関係を示すグラフである。 本発明の第６の実施形態である投射型表示装置の構成を示すブロック図である。 図３２に示す投射型表示装置の制御手段を説明するためのブロック図である。 本発明の第７の実施形態である投射型表示装置の構成を示すブロック図である。

１ 色合成光学素子
１ａ〜１ｄ 直角プリズム
２ａ 第１のダイクロイックミラー
２ｂ 第２のダイクロイックミラー
３ａ〜３ｃ 光源

以下、本発明における一実施形態を、図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図２は、本発明の第１の実施形態である照明装置の構成を示す斜視図である。

図２を参照すると、照明装置は、色合成光学素子１と、３つの光源３ａ〜３ｃを有する。

色合成光学素子１は、直角を成す面が互いに接合された４つの直角プリズム１ａ〜１ｄからなるクロスダイクロイックプリズムである。直角プリズム１ａ、１ｄの接合面と直角プリズム１ｂ、１ｃの接合面により一様な第１の平面が形成されており、この第１の平面に、誘電体多層膜からなる第１のダイクロイックミラー２ａが形成されている。直角プリズム１ａ、１ｂの接合面と直角プリズム１ｃ、１ｄの接合面により、第１の平面と交差する一様な第２の平面が形成されており、この第２の平面に、誘電体多層膜からなる第２のダイクロイックミラー２ｂが形成されている。すなわち、第１のダイクロイックミラー２ａと第２のダイクロイックミラー２ｂは互いの膜面が交差するように形成されている。

色合成光学素子１の４つの側面の内、３つの面（直角プリズム１ａ、１ｃ、１ｄの各面）から光を入射させ、色を合成する。残りの１つの側面は、合成された光の出射面である。

光源３ａは赤色の光（Ｓ偏光）を出力する。光源３ｂは緑色の光（Ｐ偏光）を出力する。光源３ｃは緑色および青色の光（Ｓ偏光）を出力する。ここで、赤色、緑色、青色は、光の三原色に対応する。

光源３ａからのＳ偏光の光（赤）は、直角プリズム１ｃの入射面から色合成光学素子１内に入射する。光源３ｂからのＰ偏光の光（緑）は、直角プリズム１ｄの入射面から色合成光学素子１内に入射する。光源３ｃからのＳ偏光の光（緑＋青）は、直角プリズム１ａの入射面から色合成光学素子１内に入射する。

色合成光学素子１では、各入射面からのＳ偏光の光（赤）、Ｐ偏光の光（緑）およびＳ偏光の光（緑＋青）が第１のダイクロイックミラー２ａと第２のダイクロイックミラー２ｂによって合成される。

図３Ａは、第１のダイクロイックミラー２ａのＰ偏光およびＳ偏光に対する分光透過特性を示すグラフである。図３Ｂは、第１のダイクロイックミラー２ａのＰ偏光およびＳ偏光に対する分光反射特性を示すグラフである。

カットオフ波長を透過率、または反射率が５０％になる波長と定義する。Ｐ偏光で入射する光に対する第１のダイクロイックミラー２ａのカットオフ波長は４００ｎｍである。この場合、第１のダイクロイックミラー２ａは、波長が４００ｎｍ以上のＰ偏光の光を概ね透過し、反射しない。一方、Ｓ偏光で入射する光に対する第１のダイクロイックミラー２ａのカットオフ波長は５８０ｎｍである。この場合、第１のダイクロイックミラー２ａは、波長が５８０ｎｍ以上のＳ偏光の光を概ね透過し、反射しない。また、第１のダイクロイックミラー２ａは、波長が５８０ｎｍより短いＳ偏光の光を概ね反射し、透過しない。

第１のダイクロイックミラー２ａの特性を色光に対する作用で表現すると、第１のダイクロイックミラー２ａは、青色と緑色の光に対して、Ｐ偏光の光を透過し、Ｓ偏光の光を反射する。すなわち、第１のダイクロイックミラー２ａは、青色と緑色の光に対して偏光ビームスプリッタとしても作用する。また、第１のダイクロイックミラー２ａは、赤色の光に対しては、Ｐ偏光とＳ偏光をともに透過し、何ら作用しない。

図４Ａは、第２のダイクロイックミラー２ｂのＰ偏光およびＳ偏光に対する分光透過特性を示すグラフである。図４Ｂは、第２のダイクロイックミラー２ｂのＰ偏光およびＳ偏光に対する分光反射特性を示すグラフである。

Ｐ偏光で入射する光に対する第２のダイクロイックミラー２ｂのカットオフ波長は７００ｎｍである。この場合、第２のダイクロイックミラー２ｂは、波長が７００ｎｍ以下のＰ偏光の光を概ね透過し、反射しない。一方、Ｓ偏光で入射する光に対する第２のダイクロイックミラー２ｂのカットオフ波長は５８０ｎｍである。この場合、第２のダイクロイックミラー２ｂは、波長が５８０ｎｍ以上のＳ偏光の光を概ね反射し、透過しない。また、第２のダイクロイックミラー２ｂは、波長が５８０ｎｍより短い波長のＳ偏光の光を概ね透過し、反射しない。

第２のダイクロイックミラー２ｂの特性を色光に対する作用で表現すると、第２のダイクロイックミラー２ｂは、青色と緑色の光に対しては、Ｐ偏光とＳ偏光をともに透過し、何ら作用しない。また、第２のダイクロイックミラー２ｂは、赤色の光に対してはＰ偏光の光を透過し、Ｓ偏光の光を反射する。すなわち、第２のダイクロイックミラー２ｂは、赤色の光に対して偏光ビームスプリッタとしても作用する。

図５は、光源３ａ〜３ｃとして用いられる光源の基本的な構成を示すブロック図である。図５を参照すると、光源は、基板上に発光部５１であるＬＥＤが実装されたＬＥＤモジュール５０を有する。基板は、放熱板としての機能を兼ね備えており、不図示のヒートシンクが取り付けられている。さらに、ＬＥＤモジュール５０に強制冷却装置を設けて、ＬＥＤの発光特性が安定するように温度制御を行う。

照明装置のスイッチが入れられると、駆動回路５３が、発光部（ＬＥＤ）５１に駆動電流を供給する。電流が発光部（ＬＥＤ）５１に流れると、発光部（ＬＥＤ）５１が発光する。発光部（ＬＥＤ）５１からの光は、集光光学系５２により集光される。この集光光学系５２からの光束を色合成光学素子１に入射させる。

なお、集光光学系として、図５ではレンズ形状の光学素子を用いているが、リフレクタのような反射型の光学素子を用いても構わない。また、表示素子を均一に照明するためのインテグレータとして、フライアイレンズやガラスロッドを用いても良い。さらに、偏光成分を効率良く得るために、偏光ビームスプリッタと１／２波長板を用いた偏光変換光学系など、一方の偏光成分を再利用する光学系を用いても良い。もちろん、ＬＥＤモジュール５０の発光部５１が偏光光を発生する光源であっても良く、あるいは発光部５１に偏光変換機能を設けて、発光部５１から偏光光が発生するように構成してもよい。いずれの形態も、既存の技術を組み合わせて任意に構成可能である。

次に、光源３ａ〜３ｃのＬＥＤモジュールの具体的な構成について説明する。

図６Ａは、光源３ａに用いられる赤用ＬＥＤモジュールの構成を示す模式図である。図６Ａを参照すると、赤用ＬＥＤモジュール６０は、４つのＬＥＤチップ６１ａ〜６１ｄからなる発光部６１を有する。ＬＥＤチップ６１ａ〜６１ｄはいずれも、ピーク波長が６３０ｎｍである赤色ＬＥＤよりなり、それらのチップ面積はほぼ同じである。

図６Ｂは、光源３ｂに用いられる緑用ＬＥＤモジュールの構成を示す模式図である。図６Ｂを参照すると、緑用ＬＥＤモジュール７０は、４つのＬＥＤチップ７１ａ〜７１ｄからなる発光部７１を有する。ＬＥＤチップ７１ａ〜７１ｄはいずれも、ピーク波長が５２０ｎｍである緑色ＬＥＤよりなり、それらのチップ面積はほぼ同じである。

図６Ｃは、光源３ｃに用いられる青用ＬＥＤモジュールの構成を示す模式図である。図６Ｃを参照すると、青用ＬＥＤモジュール８０は、４つのＬＥＤチップ８１ａ〜８１ｄからなる発光部８１を有する。ＬＥＤチップ８１ａ〜８１ｃはいずれも、ピーク波長が４６０ｎｍである青色ＬＥＤよりなる。ＬＥＤチップ８１ｄは、ピーク波長が５２０ｎｍである緑色ＬＥＤよりなる。ＬＥＤチップ８１ａ〜８１ｄのチップ面積はほぼ同じである。

上記のＬＥＤチップ６１ａ〜６１ｄ、７１ａ〜７１ｄ、８１ａ〜８１ｄを構成する赤色、緑色および青色のＬＥＤの発光スペクトルは、後述の図８Ｂに示したものと同様である。

各発光部６１、７１、８１の面積は、基本的に、前述のエテンデューの制約に基づき、表示素子の面積や投射レンズのＦナンバーによって決まるが、その面積決定に際しては、製造上の位置合わせマージンや照明光の照度分布の均一性を考慮する。

赤用ＬＥＤモジュール６０、緑用ＬＥＤモジュール７０および青用ＬＥＤモジュール８０において、発光部を構成するＬＥＤチップは電流に対する発光特性が異なるので、その発光特性に応じて、図５示した駆動回路によりＬＥＤチップへの電流量を制御する。

また、定格駆動時における各色のＬＥＤの特性は、次のとおりである。赤色ＬＥＤの色度は、ｘｙ色度座標において（０．７００，０．３００）で与えられ、その出射光束は、１チップあたり４５５ｌｍである。緑色ＬＥＤの色度は、ｘｙ色度座標上で（０．１９５，０．７００）で与えられ、その出射光束は、１チップあたり１０００ｌｍである。青色ＬＥＤの色度は、ｘｙ色度座標上で（０．１４０，０．０４６）で与えられ、その出射光束は、１チップあたり１３３ｌｍである。

第１のダイクロイックミラー２ａと第２のダイクロイックミラー２ｂのＳ偏光に対するカットオフ波長を５８０ｎｍの黄色の帯域に設定している点が、特許文献８に開示されているダイクロイックプリズムの分光特性（図１Ａおよび図１Ｂ参照）と大きく異なる。この相違点により、良好なホワイトバランスをとるために、不足している色の光をエテンデューの制約内で補うことが可能となり、ＬＥＤ光源の光出力特性を最大限に発揮させることができる。この特徴について、以下に詳細に説明する。

図７は、図２に示した照明装置を用いて色光が合成される際の光路を説明するための平面図である。

色合成光学素子１の４つの側面の内、３つの面が入射面であり、これら入射面から入射した色光を第１のダイクロイックミラー２ａと第２のダイクロイックミラー２ｂで合成する。残りの１面が出射面であり、この出射面から合成された色光が出射される。

図７において、矢印付きの実線で表記した直線はそれぞれの入射光束の代表的な進行方向を示すものであるが、この矢印付きの実線で表記した直線だけが入射する光線そのものを意味しているものではない。入射する光は、色合成光学素子１の入射面以下の断面積を持った光束であって、矢印付きの実線で表記した直線以外の位置、並びに角度成分を有する光線も含む。

光源３ａは、赤色のＳ偏光を出射する。光源３ａからの赤色のＳ偏光は、直角プリズム１ｃの入射面（図７においては、図面に向かって下方に位置する面）から色合成光学素子１に入射する。

第１のダイクロイックミラー２ａは、赤色のＳ偏光に対しては何ら作用しないので、赤色のＳ偏光はそのまま第１のダイクロイックミラー２ａを透過する。一方、第２のダイクロイックミラー２ｂは、赤色のＳ偏光を全て反射する。よって、図７に示すように、赤色のＳ偏光の光束は、第２のダイクロイックミラー２ｂにて９０度曲げられ、その後、直角プリズム１ｂの出射面から出射される。

光源３ｂは、緑色のＰ偏光を出射する。光源３ｂからの緑色のＰ偏光は、直角プリズム１ｄの入射面（図７においては、図面に向かって左方に位置する面）から色合成光学素子１に入射する。

第１のダイクロイックミラー２ａと第２のダイックロイックミラー２ｂは、ともに緑色のＰ偏光に対しては何ら作用しないので、緑色のＰ偏光は、そのまま第１のダイクロイックミラー２ａと第２のダイックロイックミラー２ｂを透過する。第１のダイクロイックミラー２ａと第２のダイックロイックミラー２ｂを透過した緑色のＰ偏光は、直角プリズム１ｂの出射面から出射される。

光源３ｃは、青色および緑色のＳ偏光を出射する。光源３ｃからの青色および緑色のＳ偏光は、直角プリズム１ａの入射面（図７においては、図面に向かって上方に位置する面）から色合成光学素子１に入射する。

第２のダイクロイックミラー２ｂは、青色と緑色のＳ偏光に対しては何ら作用しないので、青色と緑色のＳ偏光はそのまま第２のダイクロイックミラー２ｂを透過する。一方、第１のダイクロイックミラー２ａは、青色と緑色のＳ偏光を全て反射する。よって、青色と緑色のＳ偏光の光束は、図７に示すように、第１のダイクロイックミラー２ａにて９０度曲げられ、その後、直角プリズム１ｂの出射面から出射される。

上述のように、本実施形態の照明装置では、直角プリズム１ａの入射面から入射した緑色および青色のＳ偏光と、直角プリズム１ｃの入射面から入射した赤色のＳ偏光と、直角プリズム１ｄの入射面から入射した緑色のＰ偏光とが、第１のダイクロイックミラー２ａおよび第２のダイクロイックミラー２ｂにて合成されることで、白色光を得ることができる。

図８Ａは、第１のダイクロイックミラー２ａのＰ偏光に対する分光透過特性と緑色のＬＥＤ光源の発光スペクトルとの関係を示すグラフである。図８Ｂは、第１のダイクロイックミラー２ａのＳ偏光に対する分光反射特性と赤色、緑色、青色の各ＬＥＤ光源の発光スペクトルとの関係を示すグラフである。赤色のＬＥＤ光源のピーク波長は６３０ｎｍであり、緑色のＬＥＤ光源のピーク波長は５２０ｎｍであり、青色のＬＥＤ光源のピーク波長は４６０ｎｍである。

図９Ａは、第２のダイクロイックミラー２ｂのＰ偏光に対する分光透過特性と緑色のＬＥＤ光源の発光スペクトルとの関係を示すグラフである。図９Ｂは、第２のダイクロイックミラー２ｂのＳ偏光に対する分光反射特性と赤色、緑色、青色の各ＬＥＤ光源の発光スペクトルとの関係を示すグラフである。赤色のＬＥＤ光源のピーク波長は６３０ｎｍであり、緑色のＬＥＤ光源のピーク波長は５２０ｎｍであり、青色のＬＥＤ光源のピーク波長は４６０ｎｍである。

図８Ａと図９Ａから明らかなように、緑色のＰ偏光に対して、第１のダイクロイックミラー２ａと第２のダイクロイックミラー２ｂのカットオフ波長は十分に離れている。したがって、カットオフ波長が入射角依存性によりシフトしても、Ｐ偏光の緑色の光がそれらダイクロイックミラー２ａ、２ｂにて反射されることはない。よって、入射角依存性による損失は生じない。

また、図８Ｂと図９Ｂから明らかなように、緑色のＳ偏光と赤色のＳ偏光に対して、第１のダイクロイックミラー２ａと第２のダイクロイックミラー２ｂのカットオフ波長は十分に離れている。したがって、カットオフ波長が入射角依存性によりシフトしても、Ｓ偏光の赤色と緑色の光を、ほとんど損失することなく、それらダイクロイックミラー２ａ、２ｂにて合成できる。

このように、第１のダイクロイックミラー２ａと第２のダイクロイックミラー２ｂのカットオフ波長は、色合成に使用しない黄色の帯域に設定されているので、平行光とは異なる角度で入射する光に対しても、効率よく色光を合成するこことができる。

一般に、赤色、緑色、青色の各光源としてＬＥＤのような半導体光源を用い、各半導体光源からの赤色、緑色、青色の光を合成してホワイトバランスに優れた白色光を得る場合、赤色、緑色、青色の光の混色比率に対して、青色の光出力が他の色に比べて大きく、緑色の光出力が他の色に比べて小さい。この場合、光出力が相対的に小さい緑色の半導体光源に合わせて、青色と赤色の半導体光源の光出力を抑制させるため、得られる白色光の光出力も小さいものになってしまう。

本実施形態の照明装置によれば、緑色の光を異なる２方向から合成することができる。しかも、光出力が相対的に大きい青色の光量を減らして、緑色の光を加える構成となっている。したがって、望ましい混色比率で三原色を合成でき、ホワイトバランスに優れた白色光が得られる。加えて、３色のＬＥＤの光出力を抑制することなく最大限に発揮させることが可能である。

次に、本願発明の照明装置の効果を説明する。

例えば、青用ＬＥＤモジュールの発光部を４つの青色ＬＥＤで構成し、緑用ＬＥＤモジュールの発光部を４つの緑色ＬＥＤで構成し、赤用ＬＥＤモジュールの発光部を４つの赤色ＬＥＤで構成する。このような青用、緑用、赤用の各ＬＥＤモジュールからの光束を合成した場合の、合成された全光束は、６３５２ｌｍ（＝（４５５＋１０００＋１３３）×４）である。

ところが、上記の合成された白色の色度は（０．２９９，０．２７１）となり、標準イルミナントＤ６５の白色色度（０．３１３，０．３２９）から青紫色の方向に大きくずれることになる。この原因は、望ましい白色を得るための光量比率に対して、緑色ＬＥＤの光出力が相対的に弱く、青色ＬＥＤの光出力が相対的に強いからである。

ホワイトバランスをとるためには、緑の出射光束を増やす必要がある。定格の範囲内であれば、ＬＥＤに流れる電流を増大することで、出射光束を増やすことができる。しかし、緑色ＬＥＤからの出射光束を１０００ｌｍとした状態において、電流量を増大すると、定格を超えてＬＥＤを駆動することとなり、その場合、電流量の増大に応じた光束の増加は望めない。また、定格を超えてＬＥＤを駆動すると、ＬＥＤの寿命が短くなるだけでなく、場合によっては、ＬＥＤを破壊してしまう。

上記のことから、通常は、緑色ＬＥＤの出射光束に合わせて、青色ＬＥＤの出射光束を１３３ｌｍから８０ｌｍに抑制するとともに赤色ＬＥＤの出射光束を４５５ｌｍから３６４ｌｍに抑制している。この場合、全光束は５７７６ｌｍとなり、明るさが９％低下することになる。

一方、本実施形態の照明装置では、図６Ｃに示したように、青用ＬＥＤモジュール８０は、青色を発光する３個のＬＥＤチップ８１ａ〜８１ｃと、緑色を発光する１個のＬＥＤチップ８１ｄとから構成される。すなわち、この青用ＬＥＤモジュールでは、上述の４つの青色ＬＥＤで構成される青用ＬＥＤモジュールと比較して、青色ＬＥＤチップの数を１個減らし、その代わりに、緑色を発光するＬＥＤチップが１個配置されている。

また、図６Ａに示したように、赤用ＬＥＤモジュール６０は、赤色を発光する４個のＬＥＤチップ６１ａ〜６１ｄからなり、図６Ｂに示したように、緑用ＬＥＤモジュール７０は、緑色を発光する４個のＬＥＤチップ７１ａ〜７１ｄからなる。したがって、緑色のＬＥＤチップの数は、緑用ＬＥＤモジュール７０に設けられた４個のＬＥＤチップ７１ａ〜７１ｄと、青用ＬＥＤモジュールに用いられた１個のＬＥＤチップ８１ｄとの合計５個となる。また、青色のＬＥＤチップの数は３個となり、赤色のＬＥＤチップの数は４個となる。これら赤色、緑色および青色の各ＬＥＤチップを全て定格で駆動した場合に、白色色度は、標準イルミナントＤ６５の白色色度（０．３１３，０．３２９）が得られる。しかも、全光束は７２１９ｌｍとなり、上述の５７７６ｌｍに対し２５％向上できる。

以上説明したように、本実施形態によれば、ＬＥＤの光出力性能を最大限に発揮させ、混色時の光利用効率が高く、しかもホワイトバランスに優れた白色光を得ることが可能な照明装置が得られる。

本実施形態の照明装置は、緑色の光のみを異なる２方向から合成する構成に限定されるものではない。例えば、図１０に示すように、光源３ａは赤色のＳ偏光を出射し、光源３ｂは緑色および赤色のＰ偏光を出射し、光源３ｃは緑色および青色のＳ偏光を出射してもよい。この場合、緑色および青色のＳ偏光が直角プリズム１ａの入射面に入射し、赤色のＳ偏光が直角プリズム１ｃの入射面に入射し、緑色および赤色のＰ偏光が直角プリズム１ｄの入射面に入射する。

図１１Ａは、図１０に示した照明装置の色合成光学素子における、第１のダイクロイックミラー２ａのＰ偏光に対する分光透過特性と緑色および赤色の各ＬＥＤ光源の発光スペクトルとの関係を示すグラフである。図１１Ｂは、図１０に示した照明装置の色合成光学素子における、第１のダイクロイックミラー２ａのＳ偏光に対する分光反射特性と、赤色、緑色、青色の各ＬＥＤ光源の発光スペクトルとの関係を示すグラフである。赤色のＬＥＤ光源のピーク波長は６３０ｎｍであり、緑色のＬＥＤ光源のピーク波長は５２０ｎｍであり、青色のＬＥＤ光源のピーク波長は４６０ｎｍである。

図１２Ａは、図１０に示した照明装置の色合成光学素子における、第２のダイクロイックミラー２ｂのＰ偏光に対する分光透過特性と緑色のＬＥＤ光源の発光スペクトルとの関係を示すグラフである。図１２Ｂは、図１０に示した照明装置の色合成光学素子における、第２のダイクロイックミラー２ｂのＳ偏光に対する分光反射特性と赤色、緑色、青色の各ＬＥＤ光源の発光スペクトルとの関係を示すグラフである。赤色のＬＥＤ光源のピーク波長は６３０ｎｍであり、緑色のＬＥＤ光源のピーク波長は５２０ｎｍであり、青色のＬＥＤ光源のピーク波長は４６０ｎｍである。

図１１Ａおよび図１２Ａに示すように、第１のダイクロイックミラー２ａと第２のダイックロイックミラー２ｂは、ともに緑色と赤色のＰ偏光に対しては何ら作用しない。よって、直角プリズム１ｄの入射面から入射した緑色と赤色のＰ偏光は、そのまま各ダイクロイックミラー２ａ、２ｂを透過し、その後、直角プリズム１ｂの出射面から出射される。なお、各ダイクロイックミラー２ａ、２ｂの赤色、緑色および青色のＳ偏光に対する作用は図７に示したものと同様である。

また、緑色および赤色のＰ偏光に対して、第１のダイクロイックミラー２ａと第２のダイクロイックミラー２ｂのカットオフ波長は十分に離れている。したがって、カットオフ波長が入射角依存性によりシフトしても、Ｐ偏光の緑色や赤色の光がそれらダイクロイックミラー２ａ、２ｂにて反射されることはない。よって、入射角依存性による損失は生じない。

また、図１１Ｂと図１２Ｂから明らかなように、緑色および赤色のＳ偏光に対して、第１のダイクロイックミラー２ａと第２のダイクロイックミラー２ｂのカットオフ波長は十分に離れている。したがって、カットオフ波長が入射角依存性によりシフトしても、Ｓ偏光の赤色と緑色の光を、ほとんど損失することなく、それらダイクロイックミラー２ａ、２ｂにて合成できる。

図１０に示した照明装置によれば、緑色の光を異なる２方向から入射させて合成することができるとともに、赤色の光を異なる２方向から入射させて合成することができる。

図７または図１０に示した照明装置において、光源３ｂは、青色のＰ偏光をさらに出射する構成としてもよい。この場合は、青色の光も、異なる２方向から入射させて合成することができる。

本実施形態の照明装置において、赤色、緑色、青色のうちのどの色を２方向から混色するかは、設計に応じて適宜に設定することができる。

（第２の実施形態）
図１３は、本発明の第２の実施形態である照明装置の構成を示す斜視図である。

図１３を参照すると、照明装置は、色合成光学素子１１と、３つの光源１３ａ〜１３ｃを有する。

色合成光学素子１１は、第１の実施形態と同様、直角を成す面が互いに接合された４つの直角プリズム１１ａ〜１１ｄからなるクロスダイクロイックプリズムである。直角プリズム１１ａ〜１１ｄの接合面に、誘電体多層膜からなる第１のダイクロイックミラー１２ａと第２のダイクロイックミラー１２ｂが交差するように形成されている。

色合成光学素子１１の４つの側面の内、３つの面（直角プリズム１１ａ、１１ｃ、１１ｄの各面）から光を入射させ、色を合成する。残りの１つの側面は、合成された光の出射面である。

光源１３ａは赤色および緑色の光（Ｓ偏光）を出射する。光源１３ｂは緑色の光（Ｐ偏光）を出射する。光源１３ｃは青色の光（Ｓ偏光）を出射する。ここで、赤色、緑色、青色は、光の三原色に対応する。

光源１３ａからのＳ偏光の光（赤＋緑）は、直角プリズム１１ｃの入射面から色合成光学素子１１内に入射する。光源１３ｂからのＰ偏光の光（緑）は、直角プリズム１１ｄの入射面から色合成光学素子１１内に入射する。光源１３ｃからのＳ偏光の光（青）は、直角プリズム１１ａの入射面から色合成光学素子１１内に入射する。

色合成光学素子１１では、各入射面からのＳ偏光の光（赤＋緑）、Ｐ偏光の光（緑）およびＳ偏光の光（青）が第１のダイクロイックミラー１２ａと第２のダイクロイックミラー１２ｂによって合成される。

第１の実施形態の照明装置では、緑色および青色のＳ偏光が直角プリズム１ａの入射面から色合成光学素子１に入射する。これに対して、本実施形態の照明装置では、緑色のＳ偏光は、直角プリズム１１ａの入射面ではなく、該入射面と対向する直角プリズム１１ｃの入射面から、赤色のＳ偏光とともに色合成光学素子１１に入射する。この点で、本実施形態の照明装置は、第１の実施形態の色合成光学素子１と異なる。

図１４Ａは、第１のダイクロイックミラー１２ａのＰ偏光およびＳ偏光に対する分光透過特性を示すグラフである。図１４Ｂは、第１のダイクロイックミラー１２ａのＰ偏光およびＳ偏光に対する分光反射特性を示すグラフである。

Ｐ偏光で入射する光に対する第１のダイクロイックミラー１２ａのカットオフ波長は４００ｎｍである。この場合、第１のダイクロイックミラー１２ａは、波長が４００ｎｍ以上のＰ偏光の光を概ね透過し、反射しない。一方、Ｓ偏光で入射する光に対する第１のダイクロイックミラー１２ａのカットオフ波長は４９０ｎｍである。この場合、第１のダイクロイックミラー１２ａは、波長が４９０ｎｍ以上のＳ偏光の光を概ね透過し、反射しない。また、第１のダイクロイックミラー１２ａは、波長が４９０ｎｍより短い波長のＳ偏光の光を概ね反射し、透過しない。

第１のダイクロイックミラー１２ａの特性を色光に対する作用で表現すると、第１のダイクロイックミラー１２ａは、青色の光に対しては、Ｐ偏光の光を透過し、Ｓ偏光の光を反射する。すなわち、第１のダイクロイックミラー１２ａは、青色の光に対して偏光ビームスプリッタとしても作用する。一方、第１のダイクロイックミラー１２ａは、緑色と赤色の光に対しては、Ｐ偏光とＳ偏光をともに透過し、何ら作用しない。

図１５Ａは、第２のダイクロイックミラー１２ｂのＰ偏光およびＳ偏光に対する分光透過特性を示すグラフである。図１５Ｂは、第２のダイクロイックミラー１２ｂのＰ偏光およびＳ偏光に対する分光反射特性を示すグラフである。

Ｐ偏光で入射する光に対する第２のダイクロイックミラー１２ｂのカットオフ波長は７００ｎｍである。この場合、第２のダイクロイックミラー１２ｂは、波長が７００ｎｍ以下のＰ偏光の光を概ね透過し、反射しない。一方、Ｓ偏光で入射する光に対する第２のダイクロイックミラー１２ｂのカットオフ波長が４９０ｎｍである。この場合、第２のダイクロイックミラー１２ｂは、波長が４９０ｎｍ以上のＳ偏光の光を概ね反射し、透過しない。また、第２のダイクロイックミラー１２ｂは、４９０ｎｍより短い波長のＳ偏光の光を概ね透過し、反射しない。

第２のダイクロイックミラー１２ｂの特性を色光に対する作用で表現すると、第２のダイクロイックミラー１２ｂは、青色の光に対しては、Ｐ偏光とＳ偏光をともに透過し、何ら作用しない。また、第２のダイクロイックミラー１２ｂは、緑色と赤色の光に対しては、Ｐ偏光の光を透過し、Ｓ偏光の光を反射する。すなわち、第２のダイクロイックミラー１２ｂは、緑色と赤色の光に対して偏光ビームスプリッタとしても作用する。

本実施形態の照明装置は、第１のダイクロイックミラー１２ａと第２のダイクロイックミラー１２ｂのＳ偏光に対するカットオフ波長を４９０ｎｍの青緑（シアン）色の帯域に設定している点で、特許文献８に開示されているダイクロイックプリズムと異なる。この相違点によれば、良好なホワイトバランスをとるために、不足している色の光をエテンデューの制約内で補うことが可能であり、ＬＥＤ光源の光出力特性を最大限に発揮させることができる。この特徴点について、以下に詳細に説明する。

図１６は、図１３に示した照明装置を用いて色光が合成される際の光路を説明するための平面図である。

色合成光学素子１１の４つの側面の内、３つの面が入射面であり、これら入射面から入射した色光を第１のダイクロイックミラー１２ａと第２のダイクロイックミラー１２ｂで合成する。残りの１面が出射面であり、この出射面から合成された色光が出射される。

図１６において、矢印付きの実線で表記した直線はそれぞれの入射光束の代表的な進行方向を示すものであるが、この矢印付きの実線で表記した直線だけが入射する光線そのものを意味しているものではない。入射する光は、色合成光学素子１１の入射面以下の断面積を持った光束であって、矢印付きの実線で表記した直線以外の位置、並びに角度成分を有する光線も含む。

光源１３ｃは、青色のＳ偏光を出射する。光源１３ｃからの青色のＳ偏光は、直角プリズム１１ａの入射面（図１６においては、図面に向かって上方に位置する面）から色合成光学素子１１に入射する。第２のダイクロイックミラー１２ｂは、青色のＳ偏光に対しては何ら作用しないので、青色のＳ偏光はそのまま第２のダイクロイックミラー１２ｂを透過する。一方、第１のダイクロイックミラー１２ａは、青色のＳ偏光を全て反射する。よって、青色のＳ偏光の光束は、図１６に示すように、第１のダイクロイックミラー１２ａにて９０度曲げられ、その後、直角プリズム１１ｂの出射面から出射される。

光源１３ｂは、緑色のＰ偏光を出射する。光源１３ｂからの緑色のＰ偏光は、直角プリズム１１ｄの入射面（図１６においては、図面に向かって左方に位置する面）から色合成光学素子１１に入射する。第１のダイクロイックミラー１２ａと第２のダイックロイックミラー１２ｂは、ともに緑色のＰ偏光に対しては何ら作用しないので、緑色のＰ偏光は、そのまま各ダイックロイックミラー１２ａ、１２ｂを透過し、その後、直角プリズム１１ｂの出射面から出射される。

光源１３ａは、赤色および緑色のＳ偏光を出射する。光源１３ａからの赤色および緑色のＳ偏光は、直角プリズム１１ｃの入射面（図１６においては、図面に向かって下方に位置する面）から色合成光学素子１１に入射する。第１のダイクロイックミラー１２ａは、緑色と赤色のＳ偏光に対しては何ら作用しないので、緑色と赤色のＳ偏光はそのまま第１のダイクロイックミラー１２ａを透過する。一方、第２のダイクロイックミラー１２ｂは、緑色と赤色のＳ偏光を全て反射する。よって、緑色と赤色のＳ偏光の光束は、図１６に示すように、第１のダイクロイックミラー１２ｂにて９０度曲げられ、その後、直角プリズム１１ｂの出射面から出射される。

このように、本実施形態の照明装置によれば、青色のＳ偏光と、緑色のＰ偏光およびＳ偏光と、赤色のＳ偏光とが合成されて白色光を得ることができる。

図１７Ａは、第１のダイクロイックミラー１２ａのＰ偏光に対する分光透過特性と緑色のＬＥＤ光源の発光スペクトルとの関係を示すグラフである。図１７Ｂは、第１のダイクロイックミラー１２ａのＳ偏光に対する分光反射特性と赤色、緑色、青色の各ＬＥＤ光源の発光スペクトルとの関係を示すグラフである。赤色のＬＥＤ光源のピーク波長は６３０ｎｍであり、緑色のＬＥＤ光源のピーク波長は５３０ｎｍであり、青色のＬＥＤ光源のピーク波長は４５０ｎｍである。

図１８Ａは、第２のダイクロイックミラー１２ｂのＰ偏光に対する分光透過特性と緑色のＬＥＤ光源の発光スペクトルとの関係を示すグラフである。図１８Ｂは、第２のダイクロイックミラー１２ｂのＳ偏光に対する分光反射特性と赤色、緑色、青色の各ＬＥＤ光源の発光スペクトルとの関係を示すグラフである。赤色のＬＥＤ光源のピーク波長は６３０ｎｍであり、緑色のＬＥＤ光源のピーク波長は５３０ｎｍであり、青色のＬＥＤ光源のピーク波長は４５０ｎｍである。

図１７Ａと図１８Ａから明らかなように、緑色のＰ偏光に対して、第１のダイクロイックミラー１２ａと第２のダイクロイックミラー１２ｂのカットオフ波長は十分に離れている。したがって、カットオフ波長が入射角依存性によりシフトしても、Ｐ偏光の緑色の光はそれらダイクロイックミラー１２ａ、１２ｂにて反射することはない。よって、入射角依存性による損失は生じない。

図１７Ｂと図１８Ｂから明らかなように、青色のＳ偏光と緑色のＳ偏光に対して、第１のダイクロイックミラー１２ａと第２のダイクロイックミラー１２ｂのカットオフ波長は十分に離れている。したがって、カットオフ波長が入射角依存性によりシフトしても、Ｓ偏光の青と緑の光を、それらダイクロイックミラー１２ａ、１２ｂにてほとんど損失することなく合成できる。

このように、第１のダイクロイックミラー１２ａと第２のダイクロイックミラー１２ｂのカットオフ波長は、色合成に使用しない青緑（シアン）色の帯域に設定されているので、平行光とは異なる角度で入射する光に対しても、効率よく色光を合成するこことができる。

第１の実施形態と同様に、本実施形態によれば、緑色の光を異なる２方向から合成することができる。しかも、光出力が相対的に大きな赤色の光量を減らして、緑色の光を加える構成となっている。したがって、望ましい混色比率で三原色を合成でき、ホワイトバランスに優れた白色光が得られる。加えて、３色のＬＥＤの光出力を抑制することなく最大限に発揮させることが可能になる。

本実施形態の照明装置は、緑色の光のみを異なる２方向から合成する構成に限定されるものではない。例えば、図１３に示した照明装置において、光源３ｂは、青色または赤色のＰ偏光の光もしくは赤色および青色のＰ偏光の光をさらに出射する構成としてもよい。

本実施形態の照明装置において、赤色、緑色、青色のうちのどの色を２方向から混色するかは、設計に応じて適宜に設定することができる。

ＬＥＤの製造上の問題により、ＬＥＤのピーク波長が±１０〜２０ｎｍ程度ばらつくことが知られている。第１の実施形態では、黄色の波長帯域（５６０ｎｍ以上、６００ｎｍ以下）にダイクロイックミラーのカット波長を設定しているので、緑色ＬＥＤのピーク波長が短波長側にばらついたものを使用するとで、色合成時の損失をより一層低減できる。第２の実施形態では、青緑（シアン）色の波長帯域（４８０ｎｍ以上、５００ｎｍ以下）にダイクロイックミラーのカット波長を設定しているので、緑色ＬＥＤのピーク波長が長波長側にばらついたものと、青色ＬＥＤのピーク波長が短波長側にばらついたものを使用することで、色合成時の損失をより一層低減できる。このようにＬＥＤのピーク波長のばらつきに応じて色合成光学素子を選択してもよい。

また、ＬＥＤの光出力特性も、製造上の問題によるばらつきが大きい。青色ＬＥＤの光出力が相対的に大きな場合には、第１の実施形態のように、青色を減らして緑色を加える。逆に、赤色ＬＥＤの光出力が相対的に大きな場合には、第２の実施形態のように、赤色を減らして緑色を加える。さらに、Ｐ偏光の緑色の光路に、赤色や青色のＰ偏光を加えることによって、各色の光源の組み合わせや配置を選択することができる。

このように、各実施形態の照明装置は、ピーク波長や光出力のばらつきが大きなＬＥＤを活用することができるので有用である。

（第３の実施形態）
図１９は、本発明の第３の実施形態である照明装置の構成を示す斜視図である。

図１９を参照すると、照明装置は、色合成光学素子２１と、３つの光源２３ａ〜２３ｃと、位相差板２４とを有する。

色合成光学素子２１は、第１の実施形態と同様、直角を成す面が互いに接合された４つの直角プリズム２１ａ〜２１ｄからなるクロスダイクロイックプリズムである。直角プリズム２１ａ〜２１ｄの接合面に、誘電体多層膜からなる第１のダイクロイックミラー２２ａと第２のダイクロイックミラー２２ｂが交差するように形成されている。

色合成光学素子２１の４つの側面の内、３つの面（直角プリズム２１ａ、２１ｃ、２１ｄの各面）から光を入射させ、色を合成する。残りの１つの側面は、合成された光の出射面である。

光源２３ａは赤色の光（Ｓ偏光）を出射する。光源２３ｂは緑色の光（Ｐ偏光）を出射する。光源２３ｃは緑色および青色の光（Ｓ偏光）を出射する。ここで、赤色、緑色、青色は、光の三原色に対応する。

光源２３ａからのＳ偏光の光（赤）は、直角プリズム２１ｃの入射面から色合成光学素子２１内に入射する。光源２３ｂからのＰ偏光の光（緑）は、直角プリズム２１ｄの入射面から色合成光学素子２１内に入射する。光源２３ｃからのＳ偏光の光（緑＋青）は、直角プリズム２１ａの入射面から色合成光学素子２１内に入射する。

色合成光学素子２１では、各入射面からのＳ偏光の光（赤）、Ｐ偏光の光（緑）およびＳ偏光の光（緑＋青）が第１のダイクロイックミラー２２ａと第２のダイクロイックミラー２２ｂによって合成される。

位相差板２４は、色合成光学素子２１の出射面（直角プリズム２１ｃの面）に対応対向する位置に配置されている。位相差板２４が設けられている点において、本実施形態の照明装置は、第１の実施形態の照明装置と異なる。

第１の実施形態の照明装置では、青色のＳ偏光と、緑色のＰ偏光およびＳ偏光と、赤色のＳ偏光とが合成されて白色光を得る。つまり、色によって偏光方向が異なる光束で照明することになる。

照明される物体に偏光依存性がある場合、反射する光量が、色によって異なってしまう。これを回避するために、本実施形態の照明装置では、色合成光学素子２１の出射面から出射される色合成された光（白色光）の進行方向に位相差板２４が配置されている。

位相差板２４は、1／４波長板であり、例えばポリビニルアルコールフィルムを１軸延伸し、それを保護フィルムで挟んだ構造である。1／４波長板の光学軸を４５度方向に設定すると、例えば、青色のＳ偏光と、緑色のＳ偏光と、赤色のＳ偏光は、右回りの円偏光となり、緑色のＰ偏光は左回りの円偏光になる。これにより、照明光の偏光に方向性がなくなるので、物体で反射する光量が色によって異なることを解消できる。

位相差板２４は、上記の構造のものに限らない。位相差板２４としては、多層フィルムよりなり、白色光の広い波長帯域で1／４波長板として作用するものが好ましい。

また、位相差板２４は、微小領域で位相差をランダムに変化させて、偏光を解消させる位相差板であってもよい。各微小領域からの照明光はある角度で広がっていくため、ランダムに異なる偏光状態が重ねあわされて、偏光特性の無い照明光が得られる。

位相差板２４は、フィルムに限定されない。位相差板２４として、液晶素子のように位相差を電子的に制御できるものを用いてもよい。微小領域で印加する電圧を変えたり、液晶のセル厚を変えたりして、ランダムな位相差を与えるもの、あるいは、高速に位相差を変化させて、時間的に偏光特性を平均化させるものを、位相差板２４として用いてもよい。

照明される物体がＰ偏光とＳ偏光に対して偏光依存性がある場合には、1／２波長板の光学軸を２２．５度方向に設定して、透過する偏光を±４５度方向に回転させてもよい。この場合、反射光はＰ偏光とＳ偏光に対する反射光の平均値となるため、反射光が色によって異なることを解消できる。

（第４の実施形態）
図２０は、本発明の第４の実施形態である照明装置の構成を示す斜視図である。

図２０を参照すると、照明装置は、色合成光学素子２１と、３つの光源２３ａ〜２３ｃを有する。

色合成光学素子２１は、第１の実施形態と同様、直角を成す面が互いに接合された４つの直角プリズム２１ａ〜２１ｄからなるクロスダイクロイックプリズムである。直角プリズム２１ａ〜２１ｄの接合面に、誘電体多層膜からなる第１のダイクロイックミラー２２ａと第２のダイクロイックミラー２２ｂが交差するように形成されている。

色合成光学素子２１の４つの側面の内、３つの面（直角プリズム２１ａ、２１ｃ、２１ｄの各面）から光を入射させ、色を合成する。残りの１つの側面は、合成された光の出射面である。

図２に示した第１の実施形態の照明装置では、光源３ａは赤色の光（Ｓ偏光）を出射し、光源３ｂは緑色の光（Ｐ偏光）を出射し、光源３ｃは緑色および青色の光（Ｓ偏光）を出射する。

これに対して、本実施形態の照明装置では、光源２３ａは赤色の光（Ｓ偏光）を出射し、光源２３ｂは青色および緑色の光（Ｐ偏光）を出射し、光源２３ｃは緑色の光（Ｓ偏光）を出射する。

光源２３ａからのＳ偏光の光（赤）は、直角プリズム２１ｃの入射面から色合成光学素子２１内に入射する。光源２３ｂからのＰ偏光の光（青＋緑）は、直角プリズム２１ｄの入射面から色合成光学素子２１内に入射する。光源２３ｃからのＳ偏光の光（緑）は、直角プリズム２１ａの入射面から色合成光学素子２１内に入射する。すなわち、緑色のＳ偏光を光源２３ｃから色合成光学素子２１に入射させ、青色および緑色のＰ偏光を光源２３ｂから色合成光学素子２１に入射させる点が、第１の実施形態と異なる。

色合成光学素子２１では、各入射面からのＳ偏光の光（赤）、Ｐ偏光の光（青＋緑）およびＳ偏光の光（緑）が第１のダイクロイックミラー２２ａと第２のダイクロイックミラー２２ｂによって合成される。

図２１Ａは、第１のダイクロイックミラー２２ａのＰ偏光およびＳ偏光に対する分光透過特性を示すグラフである。図２１Ｂは、第１のダイクロイックミラー２２ａのＰ偏光およびＳ偏光に対する分光反射特性を示すグラフである。

第１のダイクロイックミラー２２ａは、Ｐ偏光で入射する光のうちの可視域の光を概ね透過し、反射しない。Ｓ偏光で入射する光に対する第１のダイクロイックミラー２２ａのカットオフ波長は、４９０ｎｍと５８０ｎｍである。この場合、第１のダイクロイックミラー２２ａは、波長が４９０ｎｍ以下のＳ偏光の光および波長が５８０ｎｍ以上のＳ偏光の光を、概ね透過し、反射しない。また、第１のダイクロイックミラー２２ａは、波長が４９０ｎｍを超え、５８０ｎｍ未満の波長域のＳ偏光の光を概ね反射し、透過しない。

第１のダイクロイックミラー２２ａの特性を色光に対する作用で表現すると、第１のダイクロイックミラー２２ａは、緑色の光に対しては、Ｐ偏光の光を透過し、Ｓ偏光の光を反射する。すなわち、第１のダイクロイックミラー２２ａは、緑色の光に対して偏光ビームスプリッタとしても作用する。一方、第１のダイクロイックミラー２２ａは、青色と赤色の光に対してはＰ偏光とＳ偏光をともに透過し、何ら作用しない。

図２２Ａは、第２のダイクロイックミラー２２ｂのＰ偏光およびＳ偏光に対する分光透過特性を示すグラフである。図２２Ｂは、第２のダイクロイックミラー２２ｂのＰ偏光およびＳ偏光に対する分光反射特性を示すグラフである。

Ｐ偏光で入射する光に対する第２のダイクロイックミラー２２ｂのカットオフ波長は７００ｎｍである。この場合、第２のダイクロイックミラー２２ｂは、波長が７００ｎｍ以下のＰ偏光の光を概ね透過し、反射しない。一方、Ｓ偏光で入射する光に対する第２のダイクロイックミラー２２ｂのカットオフ波長は５８０ｎｍである。この場合、第２のダイクロイックミラー２２ｂは、波長が５８０ｎｍ以上のＳ偏光の光を概ね反射し、透過しない。逆に、第２のダイクロイックミラー２２ｂは、５８０ｎｍより短い波長のＳ偏光の光を概ね透過し、反射しない。

第２のダイクロイックミラー２２ｂの特性を色光に対する作用で表現すると、第２のダイクロイックミラー２２ｂは、青色と緑色の光に対しては、Ｐ偏光とＳ偏光をともに透過し、何ら作用しない。また、第２のダイクロイックミラー２２ｂは、赤色の光に対しては、Ｐ偏光の光を透過し、Ｓ偏光の光を反射する。すなわち、第２のダイクロイックミラー２２ｂは、赤色の光に対して偏光ビームスプリッタとしても作用する。

第１のダイクロイックミラー２２ａと第２のダイクロイックミラー２２ｂのＳ偏光に対するカットオフ波長を４９０ｎｍの青緑（シアン）色と５８０ｎｍの黄色の帯域に設定している点が、特許文献８に開示されているダイクロイックプリズムの分光特性（図１Ａおよび図１Ｂ参照）と大きく異なる。この相違点により、良好なホワイトバランスをとるために、不足している色の光をエテンデューの制約内で補うことが可能となり、ＬＥＤ光源の光出力特性を最大限に発揮させることができる。この特徴について、以下に詳細に説明する。

図２３は、図２０に示した照明装置を用いて色が合成される際の光路を説明するための平面図である。前述したように、色合成光学素子２１の４つの側面の内、３つの面が入射面であり、これら入射面から光を入射させて第１のダイクロイックミラー２２ａと第２のダイクロイックミラー２２ｂで色光を合成する。残りの１面が出射面であり、この出射面から、第１のダイクロイックミラー２２ａと第２のダイクロイックミラー２２ｂで合成された光が出射される。

図２３において、矢印付きの実線で表記した直線はそれぞれの入射光束の代表的な進行方向を説明するためのものであるが、この矢印付きの実線で表記した直線だけが入射する光線そのものを意味しているものではない。入射する光は、色合成光学素子２１の入射面以下の断面積を持った光束であって、矢印付きの実線で表記した直線以外の位置、並びに角度成分を有する光線も含む。

光源２３ｃは、緑色のＳ偏光を出射する。光源２３ｃからの緑色のＳ偏光は、直角プリズム２１ａの入射面（図２３においては、図面に向かって上方に位置する面）から色合成光学素子２１に入射する。第２のダイクロイックミラー２２ｂは、緑色のＳ偏光に対しては何ら作用しないので、緑色のＳ偏光はそのまま第２のダイクロイックミラー２２ｂを透過する。一方、第１のダイクロイックミラー２２ａは、緑色のＳ偏光を全て反射する。よって、緑色のＳ偏光の光束は、図２３に示すように、第１のダイクロイックミラー２２ａにて９０度曲げられ、その後、直角プリズム２１ｂの出射面から出射される。

光源２３ｂは、青色および緑色のＰ偏光を出射する。光源２３ｂからの青色および緑色のＰ偏光は、直角プリズム２１ｄの入射面（図２３においては、図面に向かって左方に位置する面）から色合成光学素子２１に入射する。第１のダイクロイックミラー２２ａと第２のダイックロイックミラー２２ｂは、ともに青色および緑色のＰ偏光に対しては何ら作用しないので、青色および緑色のＰ偏光は、そのまま各ダイックロイックミラー２２ａ、２２ｂを透過し、その後、直角プリズム２１ｂの出射面から出射される。

光源２３ａは、赤色のＳ偏光を出射する。光源２３ａからの赤色のＳ偏光は、直角プリズム２１ｃの入射面（図２３においては、図面に向かって下方に位置する面）から色合成光学素子２１に入射する。第１のダイクロイックミラー２２ａは、赤色のＳ偏光に対しては何ら作用しないので、赤色のＳ偏光はそのまま第１のダイクロイックミラー２２ａを透過する。一方、第２のダイクロイックミラー２２ｂは、赤色のＳ偏光を全て反射する。よって、赤色のＳ偏光の光束は、図２３に示すように、第２のダイクロイックミラー２２ｂにて９０度曲げられ、その後、直角プリズム２１ｂの出射面から出射される。

このように、本実施形態の照明装置では、青色のＰ偏光と、緑色のＰ偏光およびＳ偏光と、赤色のＳ偏光とが合成されることで、白色光を得ることができる。

図２４Ａは、第１のダイクロイックミラー２２ａのＰ偏光に対する分光透過特性と青色および緑色の各ＬＥＤ光源の発光スペクトルとの関係を示すグラフである。図２４Ｂは、第１のダイクロイックミラー２２ａのＳ偏光に対する分光反射特性と、緑色および赤色の各ＬＥＤ光源の発光スペクトルとの関係を示すグラフである。赤色のＬＥＤ光源のピーク波長は６３０ｎｍであり、緑色のＬＥＤ光源のピーク波長は５３０ｎｍであり、青色のＬＥＤ光源のピーク波長は４５０ｎｍである。

図２５Ａは、第２のダイクロイックミラー２２ｂのＰ偏光に対する分光透過特性と青色および緑色の各ＬＥＤ光源の発光スペクトルとの関係を示すグラフである。図２５Ｂは、第２のダイクロイックミラー２２ｂのＳ偏光に対する分光反射特性と赤色および緑色の各ＬＥＤ光源の発光スペクトルとの関係を示すグラフである。赤色のＬＥＤ光源のピーク波長は６３０ｎｍであり、緑色のＬＥＤ光源のピーク波長は５３０ｎｍであり、青色のＬＥＤ光源のピーク波長は４５０ｎｍである。

図２４Ａと図２５Ａから明らかなように、青色と緑色のＰ偏光に対して、第１のダイクロイックミラー２２ａと第２のダイクロイックミラー２２ｂのカットオフ波長は十分に離れている。したがって、カットオフ波長が入射角依存性によりシフトしても、Ｐ偏光の青色と緑色の光がそれらダイクロイックミラー２２ａ、２２ｂにて反射されることはない。よって、入射角依存性による損失は生じない。

また、図２４Ｂと図２５Ｂから明らかなように、赤色のＳ偏光と緑色のＳ偏光に対して、第１のダイクロイックミラー２２ａと第２のダイクロイックミラー２２ｂのカットオフ波長は十分に離れている。したがって、カットオフ波長が入射角依存性によりシフトしても、Ｓ偏光の赤と緑の光を、ほとんど損失することなく、それらダイクロイックミラー２２ａ、２２ｂにて合成できる。

このように、第１のダイクロイックミラー２２ａと第２のダイクロイックミラー２２ｂのカットオフ波長が、色合成に使用しない青緑（シアン）色と黄色の波長帯域に設定しているので、平行光とは異なる角度で入射する光に対しても、効率よく色光を合成するこことができる。

第１の実施形態と同様に、本実施形態によれば、緑色の光を異なる２方向から合成することができる。しかも、光出力が相対的に大きい青色の光量を減らして緑色の光を加える構成となっている。したがって、望ましい混色比率で三原色を合成でき、ホワイトバランスに優れた白色光が得られる。また、３色のＬＥＤの光出力を抑制することなく最大限に発揮させることが可能になる。

本実施形態の照明装置は、緑色の光のみを異なる２方向から合成する構成に限定されるものではない。例えば、図２０に示した照明装置において、光源２３ｂは、赤色のＰ偏光の光をさらに出射する構成としてもよい。

（第５の実施形態）
図２６は、本発明の第５の実施形態である照明装置の構成を示す斜視図である。

図２６を参照すると、照明装置は、色合成光学素子３１と、３つの光源３３ａ〜３３ｃを有する。

色合成光学素子３１は、第１の実施形態と同様、直角を成す面が互いに接合された４つの直角プリズム３１ａ〜３１ｄからなるクロスダイクロイックプリズムである。直角プリズム３１ａ〜３１ｄの接合面に、誘電体多層膜からなる第１のダイクロイックミラー３２ａと第２のダイクロイックミラー３２ｂが交差するように形成されている。

色合成光学素子３１の４つの側面の内、３つの面（直角プリズム３１ａ、３１ｃ、３１ｄの各面）から光を入射させ、色を合成する。残りの１つの側面は、合成された光の出射面である。

図２に示した第１の実施形態の照明装置では、光源３ａは赤色の光（Ｓ偏光）を出射し、光源３ｂは緑色の光（Ｐ偏光）を出射し、光源３ｃは緑色および青色の光（Ｓ偏光）を出射する。これに対して、本実施形態の照明装置では、光源３３ａは青色の光（Ｓ偏光）を出射し、光源３３ｂは赤色および緑色の光（Ｐ偏光）を出射し、光源３３ｃは緑色の光（Ｓ偏光）を出射する。

光源３３ａからのＳ偏光の光（青）は、直角プリズム３１ｃの入射面から色合成光学素子３１内に入射する。光源３３ｂからのＰ偏光の光（赤＋緑）は、直角プリズム３１ｄの入射面から色合成光学素子３１内に入射する。光源３３ｃからのＳ偏光の光（緑）は、直角プリズム３１ａの入射面から色合成光学素子３１内に入射する。すなわち、緑色のＳ偏光を光源３３ｃから色合成光学素子３１に入射させ、赤色および緑色のＰ偏光を光源３３ｂから色合成光学素子３１に入射させ、青色のＳ偏光を光源３３ａから色合成光学素子３１に入射させる点が、第１の実施形態と異なる。

色合成光学素子３１では、各入射面からのＳ偏光の光（青）、Ｐ偏光の光（赤＋緑）およびＳ偏光の光（緑）が第１のダイクロイックミラー３２ａと第２のダイクロイックミラー３２ｂによって合成される。

図２７Ａは、第１のダイクロイックミラー３２ａのＰ偏光およびＳ偏光に対する分光透過特性を示すグラフである。図２７Ｂは、第１のダイクロイックミラー３２ａのＰ偏光およびＳ偏光に対する分光反射特性を示すグラフである。

第１のダイクロイックミラー３２ａは、Ｐ偏光で入射する光のうちの可視域の光を概ね透過し、反射しない。Ｓ偏光で入射する光に対する第１のダイクロイックミラー３２ａのカットオフ波長は、４９０ｎｍと５８０ｎｍである。この場合、第１のダイクロイックミラー３２ａは、４９０ｎｍ以下、および５８０ｎｍ以上のＳ偏光の光を概ね透過し、反射しない。また、第１のダイクロイックミラー３２ａは、４９０ｎｍを超え、５８０ｎｍ未満の波長域のＳ偏光の光を概ね反射し、透過しない。

第１のダイクロイックミラー３２ａの特性を色光に対する作用で表現すると、第１のダイクロイックミラー３２ａは、緑色の光に対しては、Ｐ偏光の光を透過し、Ｓ偏光の光を反射する。すなわち、第１のダイクロイックミラー３２ａは、緑色の光に対して偏光ビームスプリッタとしても作用する。青色と赤色の光に対しては、第１のダイクロイックミラー３２ａは、Ｐ偏光とＳ偏光をともに透過し、何ら作用しない。

図２８Ａは、第２のダイクロイックミラー３２ｂのＰ偏光およびＳ偏光に対する分光透過特性を示すグラフである。図２８Ｂは、第２のダイクロイックミラー３２ｂのＰ偏光およびＳ偏光に対する分光反射特性を示すグラフである。

第２のダイクロイックミラー３２ｂのＰ偏光で入射する光に対するカットオフ波長は４００ｎｍである。この場合、第２のダイクロイックミラー３２ｂは、波長が４００ｎｍ以上のＰ偏光の光を概ね透過し、反射しない。また、第２のダイクロイックミラー３２ｂのＳ偏光で入射する光に対するカットオフ波長は４９０ｎｍである。この場合、第２のダイクロイックミラー３２ｂは、波長が４９０ｎｍ以下のＳ偏光の光を概ね反射し、透過しない。また、第２のダイクロイックミラー３２ｂは、４９０ｎｍより長い波長のＳ偏光の光を概ね透過し、反射しない。

第２のダイクロイックミラー３２ｂの特性を色光に対する作用で表現すると、赤色と緑色の光に対しては、第２のダイクロイックミラー３２ｂはＰ偏光とＳ偏光をともに透過し、何ら作用しない。青色の光に対しては、第２のダイクロイックミラー３２ｂは、Ｐ偏光の光を透過し、Ｓ偏光の光を反射する。すなわち、第２のダイクロイックミラー３２ｂは、青色の光に対して偏光ビームスプリッタとしても作用する。

第１のダイクロイックミラー３２ａと第２のダイクロイックミラー３２ｂのＳ偏光に対するカットオフ波長を４９０ｎｍの青緑（シアン）色と５８０ｎｍの黄色の帯域に設定している点が、特許文献８に開示されているダイクロイックプリズム（図１Ａおよび図１Ｂ参照）とは大きく異なる。この相違点により、良好なホワイトバランスをとるために、不足している色の光をエテンデューの制約内で補うことが可能であり、ＬＥＤ光源の光出力特性を最大限に発揮させることができる。この特徴について、以下に詳細に説明する。

図２９は、図２６に示した照明装置を用いて色が合成される際の光路を説明するための平面図である。前述したように、色合成光学素子３１の４つの側面の内、３つの面が入射面であり、これら入射面から光を入射させて第１のダイクロイックミラー３２ａと第２のダイクロイックミラー３２ｂで色光を合成する。残りの１面が出射面であり、この出射面から、第１のダイクロイックミラー３２ａと第２のダイクロイックミラー３２ｂで合成された光が出射される。

図２９において、矢印付きの実線で表記した直線はそれぞれの入射光束の代表的な進行方向を説明するためのものであるが、この矢印付きの実線で表記した直線だけが入射する光線そのものを意味しているものではない。入射する光は、色合成光学素子３１の入射面以下の断面積を持った光束であって、矢印付きの実線で表記した直線以外の位置、並びに角度成分を有する光線も含む。

光源３３ｃは、緑色のＳ偏光を出射する。光源３３ｃからの緑色のＳ偏光は、直角プリズム３１ａの入射面（図２９においては、図面に向かって上方に位置する面）から色合成光学素子３１に入射する。第２のダイクロイックミラー３２ｂは、緑色のＳ偏光に対しては何ら作用しないので、緑色のＳ偏光はそのまま第２のダイクロイックミラー３２ｂを透過する。一方、第１のダイクロイックミラー３２ａは、緑色のＳ偏光を全て反射する。よって、緑色のＳ偏光の光束は、図２９に示すように、第１のダイクロイックミラー３２ａにて９０度曲げられ、その後、直角プリズム３１ｂの出射面から出射される。

光源３３ｂは、赤色および緑色のＰ偏光を出射する。光源３３ｂからの赤色および緑色のＰ偏光は、直角プリズム３１ｄの入射面（図２９においては、図面に向かって左方に位置する面）から色合成光学素子３１に入射する。第１のダイクロイックミラー３２ａと第２のダイックロイックミラー３２ｂは、ともに赤色および緑色のＰ偏光に対しては何ら作用しないので、赤色および緑色のＰ偏光は、そのまま各ダイックロイックミラー３２ａ、３２ｂを透過し、その後、直角プリズム３１ｂの出射面から出射される。

光源３３ａは、青色のＳ偏光を出射する。光源３３ａからの青色のＳ偏光は、直角プリズム３１ｃの入射面（図２９においては、図面に向かって下方に位置する面）から色合成光学素子３１に入射する。第１のダイクロイックミラー３２ａは、青色のＳ偏光に対しては何ら作用しないので、青色のＳ偏光はそのまま第１のダイクロイックミラー３２ａを透過する。一方、第２のダイクロイックミラー３２ｂは、青色のＳ偏光を全て反射する。よって、青色のＳ偏光の光束は、図２９に示すように、第２のダイクロイックミラー３２ｂにて９０度曲げられ、その後、直角プリズム３１ｂの出射面から出射される。

このように、本実施形態の照明装置では、青色のＳ偏光と、緑色のＰ偏光およびＳ偏光と、赤色のＰ偏光とが合成されることで、白色光を得ることができる。

図３０Ａは、第１のダイクロイックミラー３２ａのＰ偏光に対する分光透過特性と緑色および赤色の各ＬＥＤ光源の発光スペクトルとの関係を示すグラフである。図３０Ｂは、第１のダイクロイックミラー３２ａのＳ偏光に対する分光反射特性と青色および緑色の各ＬＥＤ光源の発光スペクトルとの関係を示すグラフである。赤色のＬＥＤ光源のピーク波長は６３０ｎｍであり、緑色のＬＥＤ光源のピーク波長は５３０ｎｍであり、青色のＬＥＤ光源のピーク波長は４５０ｎｍである。

図３１Ａは、第２のダイクロイックミラー３２ｂのＰ偏光に対する分光透過特性と赤色および緑色の各ＬＥＤ光源の発光スペクトルとの関係を示すグラフである。図３１Ｂは、第２のダイクロイックミラー３２ｂのＳ偏光に対する分光反射特性と青色および緑色のＬＥＤ光源の発光スペクトルとの関係を示すグラフである。赤色のＬＥＤ光源のピーク波長は６３０ｎｍであり、緑色のＬＥＤ光源のピーク波長は５３０ｎｍであり、青色のＬＥＤ光源のピーク波長は４５０ｎｍである。

図３０Ａと図３１Ａから明らかなように、赤色と緑色のＰ偏光に対して、第１のダイクロイックミラー３２ａと第２のダイクロイックミラー３２ｂのカットオフ波長は十分に離れている。したがって、カットオフ波長が入射角依存性によりシフトしても、Ｐ偏光の青色と緑色の光は、それらダイクロイックミラー３２ａ、３２ｂにて反射することはない。よって、入射角依存性による損失は生じない。

また、図３０Ｂと図３１Ｂから明らかなように、青色のＳ偏光と緑色のＳ偏光に対して、第１のダイクロイックミラー３２ａと第２のダイクロイックミラー３２ｂのカットオフ波長は十分に離れている。したがって、カットオフ波長が入射角依存性によりシフトしても、Ｓ偏光の青と緑の光を、ほとんど損失することなく、それらダイクロイックミラー３２ａ、３２ｂにて合成できる。

このように、第１のダイクロイックミラー３２ａと第２のダイクロイックミラー３２ｂのカットオフ波長が、色合成に使用しない青緑（シアン）色と黄色の波長帯域に設定しているので、平行光とは異なる角度で入射する光に対しても、効率よく色光を合成することができる。

第１の実施形態と同様に、本実施形態によれば、緑色の光を異なる２方向から合成することができる。しかも、光出力が相対的に大きい赤色の光量を減らして緑色の光を加える構成となっている。したがって、望ましい混色比率で三原色を合成でき、ホワイトバランスに優れた白色光が得られる。また、３色のＬＥＤの光出力を抑制することなく最大限に発揮させることが可能になる。

本実施形態の照明装置は、緑色の光のみを異なる２方向から合成する構成に限定されるものではない。例えば、図２６に示した照明装置において、光源３３ｂは、青色のＰ偏光の光をさらに出射する構成としてもよい。

（第６の実施形態）
図３２は、本発明の第６の実施形態である投射型表示装置の構成を示すブロック図である。

図３２を参照すると、投射型表示装置は、照明装置１００、制御手段１１０、表示素子１２０および投射レンズ１３０を有する。

照明装置１００は、第１の実施形態の照明装置と同じ構成であり、色合成光学素子１と、３つの光源３ａ〜３ｃとから構成される。色合成光学素子１は、４つの直角プリズムの接合面に、誘電体多層膜からなる第１のダイクロイックミラー２ａと第２のダイクロイックミラー２ｂが交差するように形成されたクロスダイクロイックプリズムである。

色合成光学素子１の４つの側面の内、３つの面（直角プリズム１ａ、１ｃ、１ｄの各面）から光を入射させ、色を合成する。残りの１つの側面は、合成された光の出射面である。色合成光学素子１の光の入出射面には誘電体多層膜からなる反射防止膜が施されている。

光源３ａは赤色の光（Ｓ偏光）を出射する。光源３ｂは緑色の光（Ｐ偏光）を出射する。光源３ｃは緑色および青色の光（Ｓ偏光）を出射する。ここで、赤色、緑色、青色は、光の三原色に対応する。

光源３ａからのＳ偏光の光（赤）は、直角プリズム１ｃの入射面から色合成光学素子１内に入射する。光源３ｂからのＰ偏光の光（緑）は、直角プリズム１ｄの入射面から色合成光学素子１内に入射する。光源３ｃからのＳ偏光の光（青）は、直角プリズム１ａの入射面から色合成光学素子１内に入射する。

色合成光学素子１では、各入射面からのＳ偏光の光（赤）、Ｐ偏光の光（緑）およびＳ偏光の光（緑＋青）が第１のダイクロイックミラー２ａと第２のダイクロイックミラー２ｂによって合成され、その合成された光（白色光）が出射面から出射される。

色合成光学素子１の出射面から出射された光の進行方向に、表示素子１２０が配置され、この表示素子１２０で反射された光の進行方向に、投射レンズ１３０が配置されている。投射レンズ１３０は、表示素子１２０に表示された画像を不図示のスクリーン上に投影する。

光源３ａ〜３ｃのそれぞれは、図５に示したように、ＬＥＤモジュール５０、集光光学系５２および駆動回路５３から構成される。ＬＥＤモジュール５０は、基板上に発光部５１であるＬＥＤが実装されている。基板は放熱板を兼ねており、不図示のヒートシンクが取り付けられている。さらに、強制冷却装置によりＬＥＤの発光特性が安定するように温度制御されている。

制御手段１１０は、光源３ａ〜３ｃおよび表示素子１２０を制御する。図３３に、この制御手段１１０の構成を示す。なお、図３３においては、便宜上、制御手段１１０の他に、照明装置１００および表示素子１２０が示されている。図３３に示す照明装置１００は、光源３および色合成光学素子１からなる。光源３は、図３２に示した光源３ａ〜３ｃに対応するものであるが、図３３では、１つの光源として簡略化された状態で示されている。

図３３に示すように、制御手段１１０は、映像信号処理回路１１１を備える。映像信号処理回路１１１は、入力映像信号から各色成分の画像信号を表示素子１２０の駆動回路１２２へ順次出力して、表示素子１２０に色成分毎の画像を表示させるとともに、各色成分の画像表示のタイミングに合わせた同期信号を照明装置１００の各光源の駆動回路５３に出力して、画像表示がなされている色成分に対応する色の光源の点灯を制御する。

映像信号処理回路１１１からの同期信号を受信した駆動回路５３は、ＬＥＤモジュール５０の発光部であるＬＥＤに電流を供給する。ＬＥＤからの光は、集光光学系５２で集光され、その集光された光が色合成光学素子１の入射面に入射する。

なお、集光光学系５２として、図３３ではレンズ形状の光学素子を用いているが、リフレクタのような反射型の光学素子を用いても構わない。また、表示素子１２０を均一に照明するためのインテグレータとして、フライアイレンズやガラスロッドを用いても良い。色合成光学素子１で利用する偏光成分の光を効率よく得るために、偏光ビームスプリッタと１／２波長板を用いた偏光変換光学系を用いても良い。もちろん、ＬＥＤモジュール５０の発光部が偏光光を発生する光源であっても良く、あるいは発光部に偏光変換機能を設けて、発光部から偏光光が発生するように構成してもよい。いずれの形態も、既存の技術を組み合わせて任意に構成可能である。

再び図３２を参照する。光源３ａは、図６Ａに示した赤用ＬＥＤモジュール６０を備え、光源３ｂは、図６Ｂに示した緑用ＬＥＤモジュール７０を備え、光源３ｃは、図６Ｃに示した青用ＬＥＤモジュール８０を備える。

赤用ＬＥＤモジュール６０の発光部は、ピーク波長が６３０ｎｍである４つのＬＥＤチップ６１ａ〜６１ｄからなる。緑用ＬＥＤモジュール７０の発光部は、ピーク波長が５２０ｎｍである４つのＬＥＤチップ７１ａ〜７１ｄからなる。青用ＬＥＤモジュール８０の発光部は、ピーク波長が４６０ｎｍである３つのＬＥＤチップ８１ａ〜８１ｃと、ピーク波長が５２０ｎｍである１つのＬＥＤチップ８１ｄとからなる。赤色、緑色および青色のＬＥＤチップの発光スペクトルは、図８Ｂに示したものと同様である。

赤用ＬＥＤモジュール６０、緑用ＬＥＤモジュール７０および青用ＬＥＤモジュール８０のそれぞれの発光部の面積は、エテンデューの制約から、表示素子の面積や投射レンズのＦナンバーによって決まるが、その発光部の面積の決定には、製造上の位置合わせマージンや照明光の照度分布の均一性等を考慮する。

赤用ＬＥＤモジュール６０、緑用ＬＥＤモジュール７０および青用ＬＥＤモジュール８０において、発光部を構成するＬＥＤチップは電流に対する発光特性が異なるので、その発光特性に応じて、図３３に示した駆動回路５３が、ＬＥＤチップへの電流量を制御する。

定格駆動時における各色のＬＥＤの特性は、次のとおりである。赤色ＬＥＤの色度は、ｘｙ色度座標において（０．７００，０．３００）で与えられ、その出射光束は、１チップあたり４５５ｌｍである。緑色ＬＥＤの色度は、ｘｙ色度座標上で（０．１９５，０．７００）で与えられ、その出射光束は、１チップあたり１０００ｌｍである。青色ＬＥＤの色度は、ｘｙ色度座標上で（０．１４０，０．０４６）で与えられ、その出射光束は、１チップあたり１３３ｌｍである。

表示素子１２０は、例えば、マイクロミラーが画素毎に設けられ、ミラーの動きで光をスイッチするＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）タイプの素子である。この素子によれば、フィールドシーケンシャル方式でカラー映像を表示することができる。

映像信号処理回路１１１は、映像の１フレームを時間的に赤、緑、青の各色のフィールドに分解し、駆動回路１２２を介して表示部１２１に各フィールドの色の成分の画像を表示させる。映像信号処理回路１１１は、フィールド画像表示と同期して、照明装置１００の駆動回路５３に同期信号を出力し、各色の光源を駆動して照明光の色を切り替える。駆動回路５３に供給される信号のパルス幅を変調することにより、中間調を再現することができる。

表示されるフィールド画像の色は、赤、緑、青の３つの色に限定されない。これらの色を組み合わせたＣ（シアン）、Ｍ（マゼンタ）、Ｙ（イエロー）、およびＷ（ホワイト）のフィールド画像を表示させても良い。この場合、表示されるフィールド画像の色に応じて、光源３ａ〜３ｃのうちの複数の光源を同時に点灯する。

表示素子１２０は、マイクロミラーを用いたものに限定されない。表示素子１２０は、反射型ではなく、各画素にマイクロシャッターを設けた透過型の表示素子であってもよい。もちろん、表示素子１２０は、ＭＥＭＳタイプ以外の表示素子であってもよい。ただし、照明光に２つの偏光成分が含まれているため、表示素子１２０としては、表示動作に偏光依存性が無いものが望ましい。表示素子１２０の表示動作に偏光依存性がある場合には、偏光変換光学系を用いて一方の偏光成分に揃えるとよい。

第１のダイクロイックミラー２ａのＰ偏光とＳ偏光に対する分光透過特性および分光反射特性は、図３Ａおよび図３Ｂに示した通りである。

第２のダイクロイックミラー２ｂのＰ偏光とＳ偏光に対する分光透過特性および分光反射特性は、図４Ａおよび図４Ｂに示した通りである。

以上の構成要素からなる投射型表示装置の動作を、図３２を用いて説明する。

光源３ａから出射した光（赤用ＬＥＤモジュール６０から出射した光）は、赤色ＬＥＤのスペクトルを有し、Ｓ偏光で色合成光学素子１に入射する。赤色ＬＥＤのスペクトルを有するＳ偏光の光は、第１のダイクロイックミラー２ａを透過し（図８Ｂ参照）、第２のダイクロイックミラー２ｂで反射される（図９Ｂ参照）。すなわち、赤色のＳ偏光の光は、第２のダイクロイックミラー２ｂにてその光路が９０度曲げられ、その後、色合成光学素子１の出射面から出射される。

光源３ｂから出射した光は（緑色ＬＥＤモジュール７０から出射した光）は、緑色ＬＥＤのスペクトルを有し、Ｐ偏光で色合成光学素子１に入射する。緑色ＬＥＤのスペクトルを有するＰ偏光の光は、第１のダイクロイックミラー２ａを透過し（図８Ｂ参照）、第２のダイクロイックミラー２ｂも透過する（図９Ｂ参照）。すなわち、緑色ＬＥＤのスペクトルを有するＰ偏光の光は、その光路を曲げられることなく、そのまま色合成光学素子１の出射面から出射される。

光源３ｃから出射した光（青色ＬＥＤモジュール８０から出射した光）は、青色ＬＥＤのスペクトルに加えて緑色ＬＥＤのスペクトルを有し、Ｓ偏光で色合成光学素子１に入射する。青色ＬＥＤのスペクトルと緑色ＬＥＤのスペクトルを有するＳ偏光の光は、第２のダイクロイックミラー２ｂを透過し（図９Ｂ参照）、第１のダイクロイックミラー２ａで反射される（図８Ｂ参照）。すなわち、青色ＬＥＤのスペクトルと緑色ＬＥＤのスペクトルを有するＳ偏光の光は、第１のダイクロイックミラー２ａにてその光路が９０度曲げられ、その後、色合成光学素子１の出射面から出射される。

光源３ａから色合成光学素子１を介して表示素子１２０に照射される照明光（赤）は、±１５度程度の角度広がりを有している。同様に、光源３ｂから色合成光学素子１を介して表示素子１２０に照射される照明光（緑）および光源３ｃから色合成光学素子１を介して表示素子１２０に照射される照明光（緑＋青）はともに、±１５度程度の角度広がりを有している。本実施形態によれば、緑色のＰ偏光に対して、第１のダイクロイックミラー２ａと第２のダイクロイックミラー２ｂのカットオフ波長は十分に離れている。したがって、カットオフ波長が入射角依存性によりシフトしても、Ｐ偏光の緑色の光はそれらダイクロイックミラー２ａ、２ｂで反射することはない。よって、入射角依存性による損失は生じない。

同様に、青色と緑色のＳ偏光と赤色のＳ偏光に対して、第１のダイクロイックミラー２ａと第２のダイクロイックミラー２ｂのカットオフ波長は十分に離れている。したがって、カットオフ波長が入射角依存性によりシフトしても、青色、緑色および赤色のＳ偏光の光を、それらダイクロイックミラー２ａ、２ｂにより、ほとんど損失することなく合成できる。

上述のように、光源３ａ〜３ｃからの光は色合成光学素子１に３方向から入射する。色合成光学素子１では、３方向から入射した光は、同一の光軸となるように合成されて出射され、この色合成光学素子１から出射された光で表示素子１２０が照明される。表示素子１２０で画像に応じた強度変調された光束は、投射レンズ１３０に入射する。そして、投射レンズ１３０によって、表示素子１２０に表示された画像（映像）が不図示のスクリーン上に投影される。

次に、本実施形態の投射型表示装置の効果を説明する。

例えば、青用ＬＥＤモジュールの発光部を４つの青色ＬＥＤで構成し、緑用ＬＥＤモジュールの発光部を４つの緑色ＬＥＤで構成し、赤用ＬＥＤモジュールの発光部を４つの赤色ＬＥＤで構成する。このような青用、緑用、赤用の各ＬＥＤモジュールからの光束を合成した場合の、合成された全光束は、６３５２ｌｍ（＝（４５５＋１０００＋１３３）×４）である。

ところが、上記の合成された白色の色度は（０．２９９，０．２７１）となり、標準イルミナントＤ６５の白色色度（０．３１３，０．３２９）から青紫色の方向に大きくずれることになる。この原因は、望ましい白色を得るための光量比率に対して、緑色ＬＥＤの光出力が相対的に弱く、青色ＬＥＤの光出力が相対的に強いからである。

ホワイトバランスをとるためには、緑の出射光束を増やす必要がある。定格の範囲内であれば、ＬＥＤに流れる電流を増大することで、出射光束を増やすことができる。しかし、緑色ＬＥＤからの出射光束を１０００ｌｍとした状態において、電流量を増大すると、定格を超えてＬＥＤを駆動することとなり、その場合、電流量の増大に応じた光束の増加は望めない。また、定格を超えてＬＥＤを駆動すると、ＬＥＤの寿命が短くなるだけでなく、場合によっては、ＬＥＤを破壊してしまう。

上記のことから、通常は、緑色ＬＥＤの出射光束に合わせて、青色ＬＥＤの出射光束を１３３ｌｍから８０ｌｍに抑制するとともに赤色ＬＥＤの出射光束を４５５ｌｍから３６４ｌｍに抑制している。この場合、全光束は５７７６ｌｍとなり、明るさが９％低下することになる。

一方、本実施形態の投射型表示装置では、図６Ｃに示したように、青用ＬＥＤモジュール８０は、青色を発光する３個のＬＥＤチップ８１ａ〜８１ｃと、緑色を発光する１個のＬＥＤチップ８１ｄとから構成される。すなわち、この青用ＬＥＤモジュールでは、上述の４つの青色ＬＥＤで構成される青用ＬＥＤモジュールと比較して、青色のＬＥＤチップの数が４個から３個に減り、その代わりに、緑色を発光するＬＥＤチップが１個配置されている。

また、本実施形態の投射型表示装置では、図６Ａに示したように、赤用ＬＥＤモジュール６０は、赤色を発光する４個のＬＥＤチップ６１ａ〜６１ｄからなり、図６Ｂに示したように、緑用ＬＥＤモジュール７０は、緑色を発光する４個のＬＥＤチップ７１ａ〜７１ｄからなる。したがって、緑色のＬＥＤチップの数は、緑用ＬＥＤモジュール７０に設けられた４個のＬＥＤチップ７１ａ〜７１ｄと、青用ＬＥＤモジュール８０に用いられた１個の緑色ＬＥＤチップ８１ｄとの合計５個となる。また、青色のＬＥＤチップの数は３個となり、赤色のＬＥＤチップの数は４個となる。これら赤色、緑色および青色の各ＬＥＤチップを全て定格で駆動した場合に、白色色度として、標準イルミナントＤ６５の白色色度（０．３１３，０．３２９）が得られる。しかも、全光束は７２１９ｌｍとなり、上述の５７７６ｌｍに対し２５％向上できる。

以上説明したように、本実施形態によれば、ＬＥＤの光出力性能を最大限に発揮させ、混色時の光利用効率が高く、しかもホワイトバランスに優れた白色光を得ることが可能な照明装置を用いて、明るい投射画像を表示できる投射型表示装置が得られる。

本実施形態では、色合成光学素子１として第１の実施形態に示したクロスダイクロイックプリズムを用いたが、赤色ＬＥＤの光出力特性が青色ＬＥＤよりも優れている場合には、第２の実施形態に示したクロスダイクロイックプリズムを用いてもよい。この場合は、緑色を発光する４個のＬＥＤチップが緑用ＬＥＤモジュールに実装され、青色を発光する４個のＬＥＤチップが青用ＬＥＤモジュールに実装され、赤色を発光する３個のＬＥＤチップと緑色を発光する１個のＬＥＤチップが赤用ＬＥＤモジュールに実装される。

この他にも、緑用ＬＥＤモジュールにおいて、緑色のＬＥＤの数を減らし、赤色や青色のＬＥＤを加えても良い。

図６Ｃに示した青用ＬＥＤモジュール８０は、３個の青色のＬＥＤチップ８１ａ〜８１ｃと１個の緑色のＬＥＤチップ８１ｄが基板に実装されたものとされているが、この構成に限定されない。チップ面積が１／４である４個の緑色ＬＥＤを用い、これらを発光部の四隅など、対称形になるように配置してもよい。これにより、出射光の混色がより良好になる。

また、図６Ａ〜図６Ｃに示した各色用のＬＥＤモジュールはいずれも、４個のＬＥＤチップを基板に実装したものであるが、これに限定されない。単一の色光を発生するＬＥＤモジュールに実装されるＬＥＤチップは、面積が４倍の１個のＬＥＤチップを実装しても良い。２色の色光を発生するＬＥＤモジュールに実装されるＬＥＤチップの数は２個以上であればよい。重要なのは、ＬＥＤチップの数ではなく、チップ面積である。混色比率との兼ね合いで、ＬＥＤモジュールに実装されるＬＥＤチップのチップ面積を設定することが望ましい。面積が小さなＬＥＤチップを用いることで、より細かい混色比率でチップ面積を設定できる。

もちろん、青色ＬＥＤの光出力特性がさらに高ければ、図６Ｃに示した青用ＬＥＤモジュールにおいて、２個の青色のＬＥＤチップを２個の緑色のＬＥＤチップで置き換えてもよい。このように、使用するＬＥＤの光出力特性に応じて、ＬＥＤモジュールを適宜設計することが望ましい。

また、１つの基板に複数のＬＥＤチップを実装するのではなく、1つずつ実装したものを複数個用いて、導光板などの光学的手段を用いて合成しても良い。

さらに、絶対光量を増加させるために、背景技術で説明したダイクロイックミラーやホログラムを用いてピーク波長の異なる複数の色光を合成する手段を併用しても良い。

以上の説明では簡単のために、各色の表示素子、色合成光学素子、投射レンズに、波長に依存した損失が生じないものとして、各光源から出射する光束の光量の比率を用いて説明した。実際には、色によって透過特性が異なる構成部品もあるので、全白画面を表示したときに、投射レンズから出射する各色の光束の光量比率で、ＬＥＤチップの面積比率を設定するのが望ましい。

（第７の実施形態）
図３４は、本発明の第７の実施形態である投射型表示装置の構成を示すブロック図である。本実施形態の投射型表示装置は、第６の実施形態の投射型表示装置の構成に位相差板１４０を加えてものである。位相差板１４０以外の構成および動作は全て第６の実施形態と同じである。

前述したように、第６の実施形態の投射型表示装置では、青色のＳ偏光と、緑色のＰ偏光およびＳ偏光と、赤色のＳ偏光とを色合成光学素子１で合成し、その色合成光学素子１からの光で表示素子１２０を照明する。表示素子１２０に、例えばＭＥＭＳタイプのものを用いた場合、投射画像も、色ごとに偏光方向が異なる。

第６の実施形態の投射型表示装置を、液晶シャッタメガネを用いて立体表示を行う立体表示装置に適用した場合を考える。この種の立体表示装置では、投射画像の偏光を維持することが可能なスクリーンが用いられる。このため、投射型表示装置からスクリーンに投射された画像を液晶シャッタメガネを介して観察した場合、液晶シャッタメガネに設けられた偏光板によって、透過する光の偏光方向が制限されてしまう。つまり、画像の色が変化してしまう。液晶シャッタメガネに限らず、偏光を制限する手段を用いて投射画像を観察する場合には、同様の問題が生じる。

本実施形態の投射型表示装置では、上記の問題を解消するために、色合成光学素子１と表示素子１２０の間の、色合成光学素子１の出射面と対向する位置に、位相差板１４０が設けられている。

位相差板１４０は、1／４波長板であり、例えばポリビニルアルコールフィルムを１軸延伸し、保護フィルムで挟んだ構造である。位相差板１４０の光学軸を４５度方向に設定すると、例えば、青色のＳ偏光と緑色のＳ偏光と赤色のＳ偏光は、右回りの円偏光となり、緑色のＰ偏光は左回りの円偏光になる。これにより、投射光の偏光に方向性がなくなるので、反射する光量が色によって異なることを解消できる。

位相差板１４０は、上記の構造のものに限定されない。位相差板１４０としては、多層フィルムよりなり、白色光の広い波長帯域で、1／４波長板として作用するものが好ましい。

また、位相差板１４０は、微小領域で位相差をランダムに変化させて、偏光を解消させるような位相差板であってもよい。各微小領域からの照明光はある角度で広がっていくため、ランダムに異なる偏光状態が重ねあわされて、偏光特性の無い照明光が得られる。

位相差板１４０は、フィルムに限定されない。位相差板１４０として、液晶素子のように位相差を電子的に制御できるものを用いてもよい。また、位相差板１４０として、微小領域で印加する電圧を変えたり、液晶のセル厚を変えたりして、ランダムな位相差を与えるものを用いてもよい。

液晶シャッタメガネの偏光板の偏光軸がＰ偏光、あるいはＳ偏光に対して平行な方向である場合には、位相差板１４０として1／２波長板を用い、その光学軸を２２．５度方向に設定して、透過する偏光を±４５度方向に回転させてもよい。この場合、液晶シャッタメガネを透過する光は、Ｐ偏光とＳ偏光に対する透過光の平均値となるため、透過光が色によって異なることを解消できる。

位相差板１４０を配置する位置は、色合成光学素子１の出射面と対向する位置に限定されない。位相差板１４０は、表示素子１２０と投射レンズ１３０の間、あるいは投射レンズ１３０の出射面と対向する位置に配置されてもよい。いずれの場合も、位相差板１４０を色合成光学素子１の出射面と対向する位置に配置した場合と同様の効果を得ることができる。

上述した各実施形態による本発明によれば、以下のような作用効果を奏する。

一般に、赤色、緑色、青色の各光源としてＬＥＤのような固体光源を用い、各固体光源からの赤色、緑色、青色の光を合成してホワイトバランスに優れた白色光を得る場合、赤色、緑色、青色の光の混色比率に対して、青色の光出力が他の色に比べて大きく、緑色の光出力が他の色に比べて小さい。この場合、光出力が相対的に小さい緑色の固体光源に合わせて、青色と赤色の固体光源の光出力を抑制させるため、得られる白色光の光出力も小さいものになってしまう。

本発明の一態様による照明装置は、
赤色の波長帯域にピーク波長を有する固体光源を含む第１の光源と、
緑色の波長帯域にピーク波長を有する固体光源を含む第２の光源と、
青色の波長帯域にピーク波長を有する固体光源を含む第３の光源と、
上記第２の光源から入射した第１の偏光の色光と、上記第１および第３の光源から入射した上記第１の偏光とは偏光状態が異なる第２の偏光の色光とが合成される色合成光学素子と、を有し、
上記第１乃至第３の光源のいずれか１つは、残りの２つの光源の一方に用いられた固体光源の色の波長帯域である特定の波長帯域にピーク波長を有する、少なくとも一つの固体光源をさらに含む。

上記の構成によれば、緑色の光を異なる２方向から合成することができる。しかも、光出力が相対的に大きい青色の光量を減らして、緑色の光を加える構成となっている。したがって、最適な混色比率で三原色を合成でき、ホワイトバランスに優れた白色光が得られる。

加えて、３色の固体光源の光出力を抑制することなく最大限に発揮させることが可能である。

また、上記の本発明の照明装置において、
上記色合成光学素子は、
出射面と、
第１乃至第３の入射面と、
互いの膜面が交差するように設けられ、入射光をその波長に応じて選択的に反射または透過する第１および第２の膜と、を有し、
上記第１の膜は、第１の偏光の可視光のうち、上記特定の波長帯域の光を少なくとも透過し、上記第１の偏光とは偏光状態が異なる第２の偏光の可視光のうち、上記特定の波長帯域の光を少なくとも反射し、
上記第２の膜は、上記第１の偏光の可視光のうち、上記特定の波長帯域の光を少なくとも透過し、上記第２の偏光の可視光のうち、上記特定の波長帯域の光を少なくとも透過し、
上記第１および第２の膜の上記第２の偏光に対するカットオフ波長が、光の三原色である赤色、緑色、青色の波長帯域以外の帯域の範囲内に設定され、
少なくとも、上記第１の入射面から入射した上記第２の偏光の色光と、上記第２の入射面から入射した上記第１の偏光の色光と、上記第３の入射面から入射した上記第２の偏光の色光とが、上記第１および第２の膜を介して上記出射面から出射されるように構成してもよい。

この構成によれば、以下のような作用効果を奏する。以下では、前述した特許文献１〜５の技術における問題点も一緒に説明する。

一般に、誘電体多層膜よりなるダイクロイックミラーは、光の吸収が小さいという利点があるものの、入射角依存性や偏光依存性がある。垂直入射（入射角が０度）の場合、入射角依存性と偏光依存性は発生しないが、入射角が大きくなるにつれて、シフト量やカットオフ波長の設計値との乖離が大きくなるという特性がある。

また、カットオフ特性も急峻ではなく、２０ｎｍ〜３０ｎｍ程度の帯域で傾斜を持っているために、この波長帯域での分離・合成効率が低下する。

特許文献１に示されるように、ピーク波長が近接したＬＥＤからの光については、カットオフ波長近傍での合成効率が低下する。明るさを得るために半導体チップ面積が大きなＬＥＤを用いた場合には、レンズで平行光束化しても、光軸以外から発光する光は角度を持ってレンズから出射するため、ダイクロイックミラーの入射角依存性によって角度成分ごとに合成光の色が異なってしまう。しかも、ＬＥＤからの出射光はランダムな偏光方向であるため、どちらか一方の偏向方向の成分しか合成されない場合がある。

このようにダイクロイックミラーを用いて複数の色光を合成する場合には、ピーク波長が離れていないと、合成する際の効率が低下し、明るい合成光が得られない。

特許文献２〜５に示されているように、白色光の帯域内の４色、あるいは６色の光を合成する場合も、同様に、明るい光束を得ようとする場合には、平行光束以外の光が発生するため、入射角依存性や偏光依存性による光の合成効率が低下する。しかも、角度成分によって複数の色の合成される比率が異なると、投射画面上で色むらとなって現れる。

特に、特許文献２や特許文献４、５のように、２種類の色のＬＥＤからの光が同一方向から供給される場合には、平行光束のままでは、色光が混ざらないので、それぞれの色を均一に混色させるために、角度広がりを持たせなければならい。しかし、逆に角度広がりを持たせると、ダイクロイックミラーの入射角依存性により、他の方向から入射する光と混色する際の損失が生じる。このように、それぞれの色を均一に混色させるために、角度広がりを持たせる必要がある一方で、角度広がりを持たせると、入射角依存性による損失が生じるというトレードオフが生じる。

上記の本発明の照明装置における色合成光学素子によれば、例えば、緑色のＰ偏光に対して、第１の膜（例えばダイクロイックミラー）と第２の膜（例えばダイクロイックミラー）のカットオフ波長が十分に離れた構成を提供することができる。したがって、カットオフ波長が入射角依存性によりシフトしても、Ｐ偏光の緑色の光がそれら膜にて反射されることはない。よって、入射角依存性による損失は生じない。

また、例えば、緑色のＳ偏光と赤色のＳ偏光に対して、第１の膜と第２の膜のカットオフ波長が十分に離れた構成を提供することができる。したがって、カットオフ波長が入射角依存性によりシフトしても、Ｓ偏光の赤色と緑色の光を、ほとんど損失することなく、それら膜にて合成できる。

したがって、平行光とは異なる角度で入射する光に対しても、効率よく色光を合成するこことができる。

以上のように、本発明によれば、ＬＥＤの光出力性能を最大限に発揮させ、混色時の光利用効率が高く、しかもホワイトバランスに優れた白色光を得ることが可能な照明装置を提供することができる。

また、その照明装置を用いて、明るい投射画像が得られる投射型表示装置を提供することができる。

以上説明した各実施形態の照明装置およびそれを用いた投射型表示装置は、本発明の一例であって、その構成および動作は、発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜に変更することができる。

例えば、第１から第３の実施形態の照明装置や第４および第５の実施形態の照明装置と第６および第７の実施形態の投射型表示装置とを適宜に組み合わることができる。

また、第１から第７の実施形態において、Ｐ偏光とＳ偏光の関係を反対の関係（Ｐ偏光の記載をＳ偏光の記載とし、Ｓ偏光の記載をＰ偏光の記載とする）としてもよい。

さらに、第１および第２のダイクロイックミラーは、誘電体多層膜に限らず、ホログラムなどの波長選択性や偏光選択性のある光学膜でもよい。

さらに、第１および第２のダイクロイックミラーの交差角度は９０度に限らない。

さらに、第１および第２のダイクロイックミラーは、プリズムの形状ではなく、板状のガラス等に形成してもよい。

また、第１から第７の実施形態において、ＬＥＤに代えて半導体レーザー等の別の固体光源を用いてもよい。

さらに、表示素子は、マイクロミラーを用いたものに限定されない。表示素子は、反射型ではなく、各画素にマイクロシャッターを設けた透過型の表示素子であってもよい。表示素子は、デジタルミラーデバイス以外のもの、例えば、液晶ライトバルブであってもよい。

以上、実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。本発明の構成および動作については、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、当業者が理解し得る様々な変更を行うことができる。

この出願は、２００９年9月２８日に出願された日本出願特願２００９−２２２６７１を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

光源１３ａは、赤色および緑色のＳ偏光を出射する。光源１３ａからの赤色および緑色のＳ偏光は、直角プリズム１１ｃの入射面（図１６においては、図面に向かって下方に位置する面）から色合成光学素子１１に入射する。第１のダイクロイックミラー１２ａは、緑色と赤色のＳ偏光に対しては何ら作用しないので、緑色と赤色のＳ偏光はそのまま第１のダイクロイックミラー１２ａを透過する。一方、第２のダイクロイックミラー１２ｂは、緑色と赤色のＳ偏光を全て反射する。よって、緑色と赤色のＳ偏光の光束は、図１６に示すように、第２のダイクロイックミラー１２ｂにて９０度曲げられ、その後、直角プリズム１１ｂの出射面から出射される。

本実施形態の照明装置は、緑色の光のみを異なる２方向から合成する構成に限定されるものではない。例えば、図１３に示した照明装置において、光源１３ｂは、青色または赤色のＰ偏光の光もしくは赤色および青色のＰ偏光の光をさらに出射する構成としてもよい。

位相差板２４は、色合成光学素子２１の出射面（直角プリズム２１ｂの面）に対応対向する位置に配置されている。位相差板２４が設けられている点において、本実施形態の照明装置は、第１の実施形態の照明装置と異なる。

映像信号処理回路１１１は、映像の１フレームを時間的に赤、緑、青の各色のフィールドに分解し、駆動回路１２２を介して表示部１２１に各フィールドの色の成分の画像を表示させる。映像信号処理回路１１１は、フィールド画像表示と同期して、照明装置１００の駆動回路５３に同期信号を出力し、各色の光源を駆動して照明光の色を切り替える。駆動回路１２２に供給される信号のパルス幅を変調することにより、中間調を再現することができる。

Claims (23)

1. 赤色の波長帯域にピーク波長を有する固体光源を含む第１の光源と、
   緑色の波長帯域にピーク波長を有する固体光源を含む第２の光源と、
   青色の波長帯域にピーク波長を有する固体光源を含む第３の光源と、
   前記第２の光源から入射した第１の偏光の色光と、前記第１および第３の光源から入射した前記第１の偏光とは偏光状態が異なる第２の偏光の色光とが合成される色合成光学素子と、を有し、
   前記第１乃至第３の光源のいずれか１つは、残りの２つの光源の一方に用いられた固体光源の色の波長帯域である特定の波長帯域にピーク波長を有する、少なくとも一つの固体光源をさらに含む、照明装置。
2. 前記色合成光学素子は、
   出射面と、
   第１乃至第３の入射面と、
   互いの膜面が交差するように設けられ、入射光をその波長に応じて選択的に反射または透過する第１および第２の膜と、を有し、
   前記第１の膜は、第１の偏光の可視光のうち、前記特定の波長帯域の光を少なくとも透過し、前記第１の偏光とは偏光状態が異なる第２の偏光の可視光のうち、前記特定の波長帯域の光を少なくとも反射し、
   前記第２の膜は、前記第１の偏光の可視光のうち、前記特定の波長帯域の光を少なくとも透過し、前記第２の偏光の可視光のうち、前記特定の波長帯域の光を少なくとも透過し、
   前記第１および第２の膜の前記第２の偏光に対するカットオフ波長が、光の三原色である赤色、緑色、青色の波長帯域以外の帯域の範囲内に設定され、
   少なくとも、前記第１の入射面から入射した前記第２の偏光の色光と、前記第２の入射面から入射した前記第１の偏光の色光と、前記第３の入射面から入射した前記第２の偏光の色光とが、前記第１および第２の膜を介して前記出射面から出射される、請求の範囲第１項に記載の照明装置。
3. 前記特定の波長帯域にピーク波長を有する固体光源は、前記緑色の波長帯域にピーク波長を有する固体光源であり、前記第３の光源に設けられている、請求の範囲第２項に記載の照明装置。
4. 前記第１および第２の膜の前記第２の偏光に対するカットオフ波長は、黄色の波長帯域の範囲内に設定され、
   前記第１の光源は、前記赤色の波長帯域にピーク波長を有する前記第２の偏光の赤色の光を出射し、
   前記第２の光源は、前記緑色の波長帯域にピーク波長を有する前記第１の偏光の緑色の光を出射し、
   前記第３の光源は、前記緑色の波長帯域にピーク波長を有する前記第２の偏光の緑色の光および前記青色の波長帯域にピーク波長を有する前記第２の偏光の青色の光を出射する、請求の範囲第３項に記載の照明装置。
5. 前記第２の光源は、前記緑色の波長帯域以外の波長帯域にピーク波長を有する固体光源をさらに含む、請求の範囲第４項に記載の照明装置。
6. 前記緑色の波長帯域以外の波長帯域にピーク波長を有する固体光源は、前記第１の偏光の光を出射する、請求の範囲第５項に記載の照明装置。
7. 前記黄色の波長帯域は５６０ｎｍ以上、６００ｎｍ以下である、請求の範囲第４項から第６項のいずれかに記載の照明装置。
8. 前記特定の波長帯域にピーク波長を有する固体光源は、前記緑色の波長帯域にピーク波長を有する固体光源であり、前記第１の光源に設けられている、請求の範囲第２項に記載の照明装置。
9. 前記第１および第２の膜の前記第２の偏光に対するカットオフ波長は、青緑色の波長帯域の範囲内に設定され、
   前記第１の光源は、前記緑色の波長帯域にピーク波長を有する前記第２の偏光の緑色の光および前記赤色の波長帯域にピーク波長を有する前記第２の偏光の赤色の光を出射し、
   前記第２の光源は、前記緑色の波長帯域にピーク波長を有する前記第１の偏光の緑色の光を出射し、
   前記第３の光源は、前記青色の波長帯域にピーク波長を有する前記第２の偏光の青色の光を出射する、請求の範囲第８項に記載の照明装置。
10. 前記第２の光源は、前記緑色の波長帯域以外の波長帯域にピーク波長を有する固体光源をさらに含む、請求の範囲第９項に記載の照明装置。
11. 前記緑色の波長帯域以外の波長帯域にピーク波長を有する固体光源は、前記第１の偏光の光を出射する、請求の範囲第１０項に記載の照明装置。
12. 前記青緑色の波長帯域は４８０ｎｍ以上、５００ｎｍ以下である、請求の範囲第９項から第１１項のいずれかに記載の照明装置。
13. 前記特定の波長帯域にピーク波長を有する固体光源は、前記緑色の波長帯域にピーク波長を有する固体光源であり、前記第２の光源に設けられている、請求の範囲第２項に記載の照明装置。
14. 前記第１の膜の前記第２の偏光に対するカットオフ波長は、第１および第２のカットオフ波長を含み、該第１のカットオフ波長は、黄色の波長帯域の範囲内に設定され、該第２のカットオフ波長は、青緑色の波長帯域の範囲内に設定され、
    前記第２の膜の前記第２の偏光に対するカットオフ波長は、前記黄色の波長帯域の範囲内に設定され、
    前記第１の光源は、前記赤色の波長帯域にピーク波長を有する前記第２の偏光の赤色の光を出射し、
    前記第２の光源は、前記青色の波長帯域にピーク波長を有する前記第１の偏光の青色の光および前記緑色の波長帯域にピーク波長を有する前記第１の偏光の緑色の光を出射し、
    前記第３の光源は、前記緑色の波長帯域にピーク波長を有する前記第２の偏光の緑色の光を出射する、請求の範囲第１３項に記載の照明装置。
15. 前記第２の光源は、前記赤色の波長帯域にピーク波長を有する固体光源をさらに含む、請求の範囲第１４項に記載の照明装置。
16. 前記赤色の波長帯域にピーク波長を有する固体光源は、前記第１の偏光の光を出射する、請求の範囲第１５項に記載の照明装置。
17. 前記第１の膜の前記第２の偏光に対するカットオフ波長は、第１および第２のカットオフ波長を含み、該第１のカットオフ波長は、黄色の波長帯域の波長に設定され、該第２のカットオフ波長は、青緑色の波長帯域の波長に設定され、
    前記第２の膜の前記第２の偏光に対するカットオフ波長は、前記青緑色の波長帯域の波長に設定され、
    前記第１の光源は、前記青色の波長帯域にピーク波長を有する前記第２の偏光の青色の光を出射し、
    前記第２の光源は、前記緑色の波長帯域にピーク波長を有する前記第１の偏光の緑色の光および前記赤色の波長帯域にピーク波長を有する前記第１の偏光の赤色の光を出射し、
    前記第３の光源は、前記緑色の波長帯域にピーク波長を有する前記第２の偏光の緑色の光を出射する、請求の範囲第１３項に記載の照明装置。
18. 前記第２の光源は、前記青色の波長帯域にピーク波長を有する固体光源をさらに含む、請求の範囲第１７項に記載の照明装置。
19. 前記青色の波長帯域にピーク波長を有する固体光源は、前記第１の偏光の光を出射する、請求の範囲第１８項に記載の照明装置。
20. 前記黄色の波長帯域は５６０ｎｍ以上、６００ｎｍ以下であり、前記青緑色の波長帯域は４８０ｎｍ以上、５００ｎｍ以下である、請求の範囲第１３項から第１９項のいずれかに記載の照明装置。
21. 直角を成す面が互いに接合された４つの直角プリズムをさらに有し、これら直角プリズムの接合面に、前記第１および第２の膜が形成されている、請求の範囲第２項から第２０項のいずれかに記載の照明装置。
22. 前記色合成光学素子から出射された光を円偏光の光に変換する位相差板を、さらに有する、請求の範囲第１項から第２１項のいずれかに記載の照明装置。
23. 請求の範囲第１項から第２２項のいずれかに記載の照明装置と、
    前記照明装置からの光が照射される表示素子と、
    前記表示素子で表示される画像を投射する投射光学系と、
    入力映像信号に応じた画像を光の三原色に対応する色成分毎に前記表示素子にて表示させるとともに、各色成分の画像表示のタイミングに同期して前記照明装置を構成する前記第１乃至第３の光源の点灯を制御する制御手段と、を有する、投射型表示装置。

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