(57)【要約】【課題】複数の発光素子を有する照明装置において照明対象面上の照度分布に生じるむらを低減し、表示装置に表示される映像に生じるむらを低減する。【解決手段】照明対象面上に光を出射する複数の発光素子１１０１〜１１２５が平面上に配列された発光素子アレイ１を備える。そして、発光素子アレイ１の各発光素子１１０１〜１１２５から各光が入射され、各光が照明対象面上の一部をそれぞれ照明するように出射するとともに、照明対象面上での各発光素子１１０１〜１１２５からの各光による各照度分布曲線の傾斜をほぼ直線的な傾斜にする配光分布補正光学系１２を備える。ほぼ直線的な傾斜は、１つの発光素子による照度分布曲線のピークを含むグラフの相対照度１０％〜９０％の区間で、最小自乗法による直線近似によって求めた近似直線に対して、誤差の自乗和の平均の平方根の照度分布のピークに対する比率が１％以内である。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
照明対象面上に光を出射する複数の発光素子が平面上に配列された発光素子アレイと、
前記発光素子アレイの前記各発光素子から各光が入射され、該各光が前記照明対象面上の一部をそれぞれ照明するように出射するとともに、前記照明対象面上での前記各発光素子からの各光による各照度分布曲線の傾斜をほぼ直線的な傾斜にする配光分布補正光学系とを備え、
前記ほぼ直線的な傾斜は、１つの発光素子による照度分布曲線のピークを含むグラフの相対照度１０％〜９０％の区間で、最小自乗法による直線近似によって求めた近似直線に対して、誤差の自乗和の平均の平方根の照度分布のピークに対する比率が１％以内であることを特徴とする照明装置。
【請求項２】
前記配光分布補正光学系は、前記各発光素子に対応して少なくとも１つのレンズを有する請求項１に記載の照明装置。
【請求項３】
前記配光分布補正光学系は、前記発光素子アレイに一体に形成されている請求項１または２に記載の照明装置。
【請求項４】
前記配光分布補正光学系は、前記各発光素子から出射される光が、隣接する前記レンズに入射することを規制する遮光手段を有する請求項２または３に記載の照明装置。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の照明装置と、
前記照明装置から入射された光を空間的に変調する空間光変調素子とを備える表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の発光素子を光源とする照明装置およびこの照明装置を備える表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の投射型映像表示装置、直視型液晶表示装置、ＨＭＤ（Head Mounted Display）等の映像表示装置は、光源からの光を空間光変調素子によって変調し、映像を表示する。空間光変調素子としては、液晶デバイスやＤＭＤ（Digital Micro-mirror Device）といったものが知られている。
【０００３】
液晶デバイスは、旋光や複屈折といった性質を利用しており、偏光素子と共に用いて、画素毎に通過する光の明るさを制御する。ＤＭＤは、画素数分の可動微小鏡を有しており、光路を制御することによって、通過光の明るさを変化させる。
【０００４】
空間光変調素子を照明する光源としては、一般に放電ランプが使われているが、近年、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）、ＬＤ（Laser Diode）、ＥＬ（Electroluminescence）素子等の発光素子が注目されている。放電ランプに比べて、ＬＥＤ、ＬＤ、ＥＬ素子は、熱線や紫外線の成分を含まず赤色、緑色、青色等の単色の発光が可能、点灯制御が比較的簡単、応答速度が速い、破裂しない、といった利点がある一方で、単体での発光光束が小さい、といった欠点を有している。そのため、特に大画面の映像表示装置では、多数の発光素子を必要とする。例えば、多数のＬＥＤを光源として用いた投射型映像表示装置が開示されている（例えば特許文献１乃至３参照。）。
【０００５】
特許文献１，２には、複数のＬＥＤが２次元的に配列されたアレイを光源とし、この光源による照度分布を補正するためのインテグレータ光学系が用いられていない構成の照明装置、表示装置が開示されている（例えば特許文献１，２参照）。この構成の場合、各ＬＥＤが照射する個々の照明エリアは、照明対象面である空間光変調素子の表面において局所的になる。したがって、各ＬＥＤの配光分布の状態や、隣接するＬＥＤの各照明エリアが重複する状態によって、照明対象面上における照度分布にむら（ばらつき）が生じる。すなわち、表示される映像にむらが発生するという不具合がある。
【０００６】
特許文献２では、ＬＥＤから出射される発散光をレンズによってコリメート（平行光化）し、平行性が高い光にするための構成が開示されている。平行性を高めているのは、光を効率よく利用するためであり、つまりは照明対象面を明るくするためである。このような光による照度分布の状態を図１５に示す。
【０００７】
図１５は、従来の照明装置における照明対象面上での照度分布の一例を示す。図１５（ａ）は、１つの発光素子による照度分布曲線を示す図である。図１５（ｂ）は、３つの発光素子による各照度分布曲線が合成された照度分布曲線を示す図であり、細線が各発光素子の照度分布曲線を示し、太線が合成された照度分布曲線を示す。これら図１５（ａ）および図１５（ｂ）ともに、横軸は照明対象面上の面内の位置を示し、縦軸は相対照度を示す。１つの発光素子による照度分布では、照明エリアの中心が最も明るくなっており、照度分布が不均一である。一方、複数の発光素子を用いることによって重複した照明エリアが平坦状に近づくが、平坦状の照明エリア内にまだ凸凹が存在している。つまり、複数の発光素子を用いた場合でも、照度分布にむらが生じている。
【０００８】
このような照度分布に生じるむらを低減する構成が適用された映像表示装置が開示されている（例えば特許文献３参照。）。この映像表示装置では、照度分布に生じるむらを低減するためにインテグレータ光学系を用い、各ＬＥＤからあらゆる方向に放射される各光が、空間光変調素子の全面をそれぞれ照射するように構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平１１−６５４７７号公報
【特許文献２】特開２０００−５６４１０号公報
【特許文献３】特開２００１−３４３７０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上述したように、複数の発光素子を光源とする従来の照明装置および映像表示装置には、以下のような問題点がある。
【００１１】
第１の問題点として、特許文献１，２に開示された複数の発光素子を光源とする従来の照明装置、映像表示装置では、上述したように、各発光素子が光を照射する各照明エリアが、照明対象面上において局所的であり、各発光素子の配光分布の状態や、隣接する発光素子の各照明エリアが重複する状態によって、各発光素子の各照明エリアの照度分布が合成されてなる照度分布にむらが生じてしまう。このため、従来の照明装置では、照明対象面上における照度分布にむらが生じ、また、従来の映像表示装置では、表示される映像の照度分布にむらが生じるという問題がある。
【００１２】
第２の問題点として、特許文献３に開示された従来の映像表示装置では、インテグレータ光学系を用いた場合、各発光素子からあらゆる方向に放射される各光を、それぞれ照明対象面の全面に照射させるために、光軸方向に沿って多くのレンズが配置され、これら各レンズ間に所定の間隔を確保する必要がある。このため、インテグレータ光学系を備える従来の映像表示装置は、装置全体の構成が大型化してしまう不都合がある。
【００１３】
そこで、本発明は、照明対象面上における照度分布に生じるむらを低減することができる照明装置を提供することを目的とする。また、本発明は、装置全体の小型化を図り、表示された映像に生じるむらを低減することができる表示装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上述した目的を達成するため、本発明に係る照明装置は、照明対象面上に光を出射する複数の発光素子が平面上に配列された発光素子アレイを備える。また、照明装置は、
発光素子アレイの各発光素子から各光が入射され、各光が照明対象面上の一部をそれぞれ照明するように出射するとともに、照明対象面上での各発光素子からの各光による各照度分布曲線の傾斜をほぼ直線的な傾斜にする配光分布補正光学系を備える。
【００１５】
また、前記ほぼ直線的な傾斜は、１つの発光素子による照度分布曲線のピークを含むグラフの相対照度１０％〜９０％の区間で、最小自乗法による直線近似によって求めた近似直線に対して、誤差の自乗和の平均の平方根の照度分布のピークに対する比率が１％以内であることを特徴とする。
【００１６】
以上のように構成された本発明に係る照明装置では、配光分布補正光学系に発光素子アレイの各発光素子からの各光が入射され、各発光素子から入射された各光が、照明対象面上の一部をそれぞれ照明するように配光分布補正光学系から出射される。そして、本発明に係る照明装置によれば、配光分布補正光学系が、照明対象面上での各発光素子による個々の各照度分布曲線の傾斜をほぼ直線的にすることで、照明対象面上で複数の発光素子による各照度分布が合成されてなる照度分布のばらつきが低減される。
【００１７】
また、本発明に係る他の照明装置が備える配光分布補正光学系は、各発光素子に対応して少なくとも１つのレンズを有してもよい。
【００１８】
また、本発明に係る他の照明装置が備える配光分布補正光学系は、発光素子アレイに一体に形成されてもよい。これによって、照明装置全体が更に小型化される。
【００１９】
また、本発明に係る照明装置が備える配光分布補正光学系は、各発光素子から出射される光が、隣接するレンズに入射することを規制する遮光手段を有してもよい。これによって、各発光素子からあらゆる方向に放射される光のうち、隣接するレンズへの光の漏れ込み等の意図しない迷光が回避される。したがって、照明対象面上での１つの発光素子による照度分布曲線をなす山形の裾野が広がってしまうことを回避でき、全ての発光素子による照度分布をより一層均一化することができる。
【００２０】
また、本発明に係る表示装置は、上述した本発明の照明装置と、この照明装置から入射された光を空間的に変調する空間光変調素子とを備える。
【００２１】
なお、本発明に係る表示装置において、空間光変調素子とは、例えば光透過率や光反射率を制御可能な画素が２次元的に配列されてなり、表示すべき映像を２次元的な透過率分布または光反射率として表示可能な素子を指している。
【発明の効果】
【００２２】
上述したように、本発明に係る照明装置によれば、照明対象面上における照度分布の均一性を向上することができる。
【００２３】
また、本発明に係る表示装置によれば、表示される映像に生じるむらを低減することができる。また、本発明に係る表示装置によれば、比較的長い光路を確保する必要があるインテグレータ光学系を用いることなく、配光分布補正光学系を空間光変調素子の近傍に配置することができるため、装置全体の小型化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明に係る実施形態の投射型映像表示装置の構成を示す模式図である。
【図２】図１における発光素子アレイの一例を示す平面図である。
【図３】図１における配光分布補正光学系の一例を示す図であり、（ａ）に配光分布補正光学系の平面図を示し、（ｂ）および（ｃ）に配光分布補正光学系の側面図を示す図である。
【図４】照明装置における照明対象面上での照度分布曲線の一例を示す図であり、（ａ）が、１つの発光素子による照度分布曲線を示し、（ｂ）が、３つの発光素子の各照度分布曲線が合成された照度分布曲線を示す図である。
【図５】照明装置において１つの発光素子による照度分布曲線とその近似直線の一例を示す図であり、（ａ）が、従来の照明装置における１つの発光素子による照度分布曲線とその近似直線を示し、（ｂ）が、本実施形態の照明装置における１つの発光素子による照度分布曲線とその近似直線を示す図である。
【図６】照明装置における１つの発光素子による照明対象面上での照度分布の一例を示す図である。
【図７】照明装置における照明対象面上での照度分布の一例を示す図である。
【図８】照明装置における発光素子アレイの一例を示す平面図である。
【図９】図８の発光素子アレイに対応する配光分布補正光学系の一例を示す図であり、（ａ）が平面図、（ｂ），（ｃ）が側面図である。
【図１０】照明装置における１つの発光素子による照明対象面上での照度分布の一例を示す図である。
【図１１】照明装置による照明対象面上での照度分布の一例を示す図である。
【図１２】照明装置における発光素子アレイの一例を示す平面図である。
【図１３】図１２における発光素子アレイに対応する配光分布補正光学系の一例を示す図であり、（ａ）が平面図、（ｂ），（ｃ）が側面図である。
【図１４】照明装置による照明対象面上での照度分布の一例を示す図である。
【図１５】従来の照明装置における照明対象面上での照度分布曲線の一例を示す図であり、（ａ）が１つの発光素子による照度分布曲線を示し、（ｂ）が３つの発光素子の各照度分布曲線が合成された照度分布曲線を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明の具体的な実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００２６】
図１に、本発明に係る実施形態の照明装置およびこの照明装置を備える投射型映像表示装置の構成を示すブロック図を示す。図１に示すように、投射型映像表示装置は、各赤色光（Ｒ）、緑色光（Ｇ）、青色光（Ｂ）をそれぞれ出射するための照明装置１Ｒ，１Ｇ，１Ｂと、これら各照明装置１Ｒ，１Ｇ，１Ｂからの入射光を変調する各空間光変調素子２Ｒ，２Ｇ，２Ｂと、これら空間光変調素子２Ｒ，２Ｇ，２Ｂによって変調された各赤色光、緑色光、青色光を合成するための色合成光学系３と、この色合成光学系３で合成された投射光をスクリーン等の投射面上に映像を投射するための投射レンズを有する投射光学系４とを備えている。なお、図１では、便宜上、光学的な構成要素のみを示し、信号処理回路や各デバイスの駆動回路等の電気回路要素を省略している。
【００２７】
各照明装置１Ｒ，１Ｇ，１Ｂは、各空間光変調素子２Ｒ，２Ｇ，２Ｂ近傍に隣接してそれぞれ配置されており、赤色、緑色、青色の各光を各空間光変調素子２Ｒ，２Ｇ，２Ｂに照射する。
【００２８】
空間光変調素子２Ｒ，２Ｇ，２Ｂとしては、例えば、透過型液晶板等の透過型の表示デバイスが望ましい。これは、透過型の表示デバイスは、光が入射する面と出射する面が異なるので、表示デバイスの直近に照明装置を配置することができ、投射型映像表示装置全体をコンパクトに構成できるためである。なお、空間光変調素子としては、例えば、反射型液晶板やＤＭＤ（Digital Micro-mirror Device）が用いられてもよい。そして、空間光変調素子２Ｒ，２Ｇ，２Ｂは、各照明装置１Ｒ，１Ｇ，１Ｂからの入射光を変調し、それぞれ赤色，緑色，青色の映像を形成する光束（映像光束）を出射する。
【００２９】
色合成光学系３は、各空間光変調素子２Ｒ，２Ｇ，２Ｂから赤色、緑色、青色の映像光束が入射され、これら各映像光束を同一光路に出射してカラーの映像光束とする。カラー化された映像光束は、投射光学系４によって、図示しないスクリーン等の投射面上に投射される。色合成光学系３としては、例えば、クロスダイクロイックプリズム等が用いられる。なお、色合成光学系としては、ダイクロイックミラーが用いられてもよい。
【００３０】
図１および図２に示すように、照明装置１Ｒは、赤色光を出射する複数の発光素子を有する発光素子アレイ１１Ｒと、この発光素子アレイ１１Ｒからの各光による照明対象面上における各照度分布曲線の傾斜をほぼ直線的な傾斜にする配光分布補正光学系１２Ｒとを有している。同様に、各照明装置１Ｇ，１Ｂは、緑色光を出射する発光素子アレイ１１Ｇ，１１Ｂと、この発光素子アレイ１１Ｇ，１１Ｂからの各光による照明対象面上における各照度分布曲線の傾斜をほぼ直線的な傾斜にする配光分布補正光学系１２Ｇ，１２Ｂとを有している。
【００３１】
図２に、発光素子アレイの一例の平面図を示す。図２に示すように、各発光素子アレイ１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂは、基板１１００上に、複数の発光素子１１０１〜１１２５が２次元的な所定の配列パターンで配設されてなる。発光素子としては、例えばＬＥＤ（Light Emitting Diode）が用いられる。なお、発光素子としては、例えば、ＬＥＤチップ、ＬＤやＥＬ素子等が用いられてもよい。
【００３２】
そして、照明装置１Ｒ，１Ｇ，１Ｂは、各配光分布補正光学系１２Ｒ，１２Ｇ，１２Ｂによって照度分布の均一化を図る照明対象面が、空間光変調素子２Ｒ，２Ｇ，２Ｂの表面近傍である。つまり、各照明装置１Ｒ，１Ｇ，１Ｂから各空間光変調素子２Ｒ，２Ｇ，２Ｂまでの間に存在する各種光学系の特性を考慮した上で照度分布の均一化を図る。あるいは、各配光分布補正光学系１２Ｒ，１２Ｇ，１２Ｂによって照度分布の均一化を図る照明対象面を、映像が投射される例えばスクリーン等の投射面としてもよい。この場合、各配光分布補正光学系１２Ｒ，１２Ｇ，１２Ｂは、各照明装置１Ｒ，１Ｇ，１Ｂからスクリーンである照明対象面までの間に存在する各空間光変調素子２Ｒ，２Ｇ，２Ｂ、色合成光学系３、投射光学系４などの光学特性を考慮した上で照度分布の均一化を図る。
【００３３】
配光分布補正光学系１２Ｒは、発光素子アレイ１１Ｒからの光が入射され、空間光変調素子２Ｒへ光を出射する。以下同様に、配光分布補正光学系１２Ｇ，１２Ｂは、各発光素子アレイ１１Ｇ，１１Ｂからの光がそれぞれ入射され、それぞれ空間光変調素子２Ｇ，２Ｂへ光をそれぞれ出射する。
【００３４】
詳細は後述するが、配光分布補正光学系１２Ｒ，１２Ｇ，１２Ｂは、照明対象面上での各発光素子１１０１〜１１２５による各照度分布をそれぞれ所定の分布特性に補正することによって、複数の発光素子１１０１〜１１２５による各照度分布が合成されてなる照度分布を均一化することができる。なお、各照明装置１Ｒ，１Ｇ，１Ｂは、各赤色光、緑色光、青色光の光学的な処理が同じであるので、以下、これらを区別しないで説明する。
【００３５】
図３は、配光分布補正光学系の一例を示す図である。図３（ａ）に平面図を示し、図３（ｂ）および図３（ｃ）に側面図をそれぞれ示す。
【００３６】
配光分布補正光学系１２は、発光素子アレイ１１の各発光素子１１０１〜１１２５にそれぞれ対応する複数のレンズ１２０１〜１２２５を有している。各レンズ１２０１〜１２２５は、非球面レンズであり、２次元的に密度を高めて配列させるために四方が切断された正方形状に形成されている。
【００３７】
この配光分布補正光学系１２では、レンズ１２０１が、発光素子１１０１の配光分布を補正することで、後述するような、発光素子１１０１による照度分布が得られる。以下同様に、配光分布補正光学系１２では、各レンズ１２０２〜１２２５が、各発光素子１１０２〜１１２５の配光分布をそれぞれ補正することで、後述するような照度分布が得られる。
【００３８】
また、配光分布補正光学系１２は、発光素子アレイ１１の各発光素子１１０１〜１１２５からの各入射光を、照明対象面上の一部をそれぞれ照明するように出射する。 図４に、本実施形態の照明装置における照明対象面上での照度分布の一例を示す。図４（ａ）は、１つの発光素子による照度分布を示す図である。図４（ｂ）は、３つの発光素子による各照度分布が合成されてなる照度分布を示す図であり、細線が各発光素子の照度分布曲線を示し、太線が合成された照度分布曲線を示す。図４（ａ）および図４（ｂ）ともに、横軸が照明対象面上の面内の位置を示し、縦軸が相対照度〔％〕を示す。図４（ａ）に示すように、１つの発光素子による照度分布曲線では、グラフ形状がほぼ二等辺三角形状をなしており、発光素子の中心が最も明るくなり、照度分布が均一ではない。
【００３９】
しかしながら、複数の発光素子による各照明エリアが重複することによって、各照明エリアが合成された合成照明エリア内に、照度がほぼ一定になる平坦な照明エリアが生じる。この照明分布の特性では、図１５（ｂ）に示した従来の照明装置による照度分布と比べて、照度分布に生じるむら（ばらつき）が低減されている。
【００４０】
ここで、照明対象面上の中央部分における照度分布の平坦性を評価するために、相対照度の最大値Ｈおよび最小値Ｌを用いて、（（Ｈ−Ｌ）／Ｈ）の値を算出すれば、図１５（ｂ）に示した従来例では０．１２程度となり、図４（ｂ）に示した本実施形態の一例では０．０３６程度に小さくなる。したがって、本実施形態の一例では、照明対象面の照度分布に生じるむらが従来例に比較して３０％程度に低減される。
【００４１】
次に、このように照度分布のむらが低減される理由について説明する。
【００４２】
図５に、照明装置において１つの発光素子による照度分布曲線とその近似直線の一例を示す。図５（ａ）は、従来の照明装置における１つの発光素子による照度分布曲線とその近似直線を示す図であり、照度分布のデータは図１５（ａ）でのデータと同じである。図５（ｂ）は、本実施形態の照明装置における１つの発光素子による照度分布曲線とその近似直線を示す図であり、照度分布のデータは図４（ａ）のデータと同じである。図５（ａ）および図５（ｂ）ともに、横軸が照明対象面上の面内の位置を示し、縦軸が相対照度を示す。図５中に破線で示す近似直線は、相対照度１０％〜９０％の区間において、最小自乗法によって照度分布曲線のグラフを直線近似して求めたものである。従来例の図５（ａ）と比べて、本実施形態の例の図５（ｂ）は、照度分布曲線の傾斜がほぼ直線的な傾斜である。このように、照度分布曲線の傾斜をほぼ直線的な傾斜にすることによって、複数の発光素子による各照明エリアが重複したときに、重複した照明エリアの照度分布が平坦化される。
【００４３】
このような照度分布の特性は、配光分布補正光学系１２によって従来の照度分布の特性から補正することができる。もちろん、例えば発光素子の発光部形状、発光部の大きさ、各発光素子間の距離、発光素子から照明対象面までの各光学要素の光学特性や位置関係等の各種パラメータが、配光分布補正光学系１２の設計に影響する。
【００４４】
なお、配光分布補正光学系によって各発光素子の各光による各照度分布曲線の傾斜をほぼ直線的な傾斜にすることを換言すれば、照明対象面上での任意の発光素子による照明エリアの中心からの距離ｒ、照明対象面での任意の発光素子による距離ｒにおける照度Ｌ、照明対象面での任意の発光素子による中心（距離ｒ＝０）における照度Ｌ０、比例定数ｋ（ｒに対して定数）として、
Ｌ＝Ｌ０―ｋ×ｒ ・・・式１
を満たすように、各発光素子による照度分布を補正することを指す。
【００４５】
ところで、従来で述べたような、各発光素子からの光を平行光化して平行光の成分を多くするための光学系と比べて、本発明のように各発光素子による照度分布曲線の傾斜をほぼ直線的な傾斜にすることは、照度分布を空間的に広げることになり、照明対象面上における明るさを低下させてしまう。つまり、明るさと照度分布の均一性とは相反する関係にある。このようなことを考慮すれば、照度分布曲線の傾斜をほぼ直線的な傾斜にする場合には、次のようにすることが適当と考えられる。
【００４６】
すなわち、１つの発光素子による照度分布曲線のピークを含むグラフの相対照度１０％〜９０％の区間で、最小自乗法による直線近似によって求めた近似直線に対して、誤差の自乗和の平均の平方根（平均誤差）の照度分布のピーク（相対照度１００％）に対する比率を１％以内とすることが好ましい。
【００４７】
次に、２次元空間における照度分布について、３例を挙げる。
【００４８】
［２次元空間における照度分布例１］
図６は、本実施形態の照明装置における１つの発光素子による照明対象面上での照度分布の一例を示す図である。図６は、本発明を説明するための理想的な例を示している。Ｘ軸およびＹ軸で示される平面は、照明対象面上での位置を示し、Ｚ軸である高さ方向が相対照度〔％〕を示す。図６に示すように、本実施形態の照明装置１では、１つの発光素子による照度分布の形状が円錐形をなし、円錐の頂点を通るグラフの断面における傾斜が直線状の傾斜になる理想的な例である。この照明装置１では、発光素子から照明対象面までの各光学要素全体の光学特性を配光分布補正光学系１２によって補正することにより、図６に示すような照明対象面上での照度分布を得る。
【００４９】
図７は、本実施形態の照明装置において、発光素子アレイの各発光素子による各照度分布が合成されてなる、照明対象面上での照度分布の一例を示す図である。Ｘ軸およびＹ軸で示される平面は、照明対象面上での位置を示し、Ｚ軸である高さ方向は相対照度〔％〕を示す。
【００５０】
この照明装置が備える発光素子アレイとしては、図２に示したように、各発光素子が正方形の各頂点に位置するように配置され、縦横で５×５個に配列された構成のものが用いられる。また、１つの発光素子による照度分布は、図６に示したような円錐状をなしている。
【００５１】
図７に示すように、照明対象面上の中央に、照度分布が均一であるほぼ平坦になる照明エリアが形成され、この照明エリアの形状が正方形をなしている。そして、このような平坦な照明エリアの形状は、発光素子アレイにおける発光素子の配列に従って変化し、例えば、複数の発光素子が５×７個に配列された構成の場合、平坦な照明エリアの形状が、ほぼアスペクト比が５：７になる。したがって、照明対象面の形状に応じて各発光素子の配列パターンを設定することによって、照明対象面の全域を効率よく照明することができる。照明対象面上の中央部分における照度分布の平坦性を評価するために、相対照度の最大値Ｈおよび最小値Ｌを用いて、（（Ｈ−Ｌ）／Ｈ）の値を算出すれば、本実施形態では０.０３程度になる。
【００５２】
［２次元空間における照度分布例２］
図８は、本実施形態の照明装置における発光素子アレイの他の例を示す平面図である。図９は、図８に示した発光素子アレイに対応する配光分布補正光学系の一例を示す平面図である。
【００５３】
図８に示すように、発光素子アレイ２１は、基板２１００上に、２次元的に配列された複数の発光素子２１０１〜２１２５を有している。発光素子２１０１〜２１２５の発光部は、長方形に形成されており、基板２１００上で長方形の各頂点に各発光素子２１０１〜２１２５が位置するように配置されている。
【００５４】
図９に示すように、配光分布補正光学系２２は、各発光素子２１０１〜２１２５にそれぞれ対応する複数のレンズ２２０１〜２２２５を有しており、これらレンズ２２０１〜２２２５が、各発光素子２１０１〜２１２５の配列に対応して配置されている。各レンズ２２０１〜２２２５は、非球面レンズであり、２次元的に密度を高めて配列するために、四方が切断された長方形状に形成されている。レンズ２２０１は、発光素子２１０１の配光分布を補正することで、後述するような照度分布が得られる。以下同様に、各レンズ２２０２〜２２２５は、発光素子２１０２〜２１２５の配光分布をそれぞれ補正することで、後述するような照度分布が得られる。
【００５５】
図１０は、本実施形態の照明装置における１つの発光素子による照明対象面上での照度分布の一例を示している。図１０は、本発明を説明するための理想的な例を示している。Ｘ軸およびＹ軸で示される平面は照明対象面上での位置を示し、Ｚ軸である高さ方向は相対照度を示す。本実施形態のグラフ形状は、楕円錐形をなしており、楕円錐の頂点を通るグラフの断面における傾斜が直線状の傾斜になる理想的な例である。図８に示したような発光素子の形状が長方形をなすものから得られる照度分布に近い。発光素子から照明対象面までの各光学要素全体の光学特性を配光分布補正光学系２２によって補正することによって、図１０に示すような照明対象面上での照度分布が得られる。
【００５６】
図１１は、本実施形態の照明装置による照明対象面上での照度分布の一例を示している。Ｘ軸およびＹ軸で示される平面は、照明対象面上での位置を示し、Ｚ軸である高さ方向が相対照度〔％〕を示す。図８に示したように、各発光素子が長方形の各頂点に位置するように配置され、縦横５×５個に配列された構成の発光素子アレイが用いられた場合である。また、１つの発光素子による照度分布は、図１０に示したような楕円錐状をなす。１つの発光素子による照度分布のグラフ形状に合わせて、複数の発光素子の配列が決められる。
【００５７】
図１１に示すように、照明対象面上の中央に、照度分布が均一であるほぼ平坦になる照明エリアが形成され、この照明エリアの形状が長方形をなしている。照明対象面上の中央部分における照度分布の平坦性を評価するために、相対照度の最大値Ｈおよび最小値Ｌを用いて、（（Ｈ−Ｌ）／Ｈ）の値を算出すれば、本実施形態では０.０３程度に小さくなり、照度分布のむらが低減される。
【００５８】
［２次元空間における照度分布例３］
図１２は、本実施形態の照明装置における発光素子アレイの更に他の例を示す平面図である。図１３は、図１２に示した発光素子アレイに対応する配光分布補正光学系の一例を示す平面図である。
【００５９】
図１２に示すように、発光素子アレイ３１は、基板３１００上に、２次元的に配列された複数の発光素子３１０１〜３１２３を有している。各発光素子３１０１〜３１２３は、発光部の形状が正方形に形成されており、基板３１００上で正六角形の各頂点およびその中心に位置するように配置されている。
【００６０】
図１３に示すように、配光分布補正光学系３２は、複数の発光素子３１０１〜３１２３のそれぞれに対応するレンズ３２０１〜３２２３を有しており、これらレンズ３２０１〜３２２５が、各発光素子３１０１〜３１２５の配列に対応して配置されている。各レンズ３２０１〜３２２３は、非球面レンズであり、２次元的に密度を高めて配列するために、六方が切断された正六角形状に形成されている。レンズ３２０１は、発光素子３１０１の配光分布を補正することで、図６に示したような照度分布が得られる。以下同様に、各レンズ３２０２〜３２２３は、各発光素子３１０２〜３１２３の配光分布をそれぞれ補正することで、図６に示したような照度分布が得られる。つまり、発光素子３１０１〜３１２５から照明対象面までの各光学要素全体の光学特性を配光分布補正光学系３２によって補正することにより、図６に示したような照明対象面上での照度分布が得られる。
【００６１】
図１４は、本実施形態の照明装置による照明対象面上での照度分布の一例を示す図である。Ｘ軸およびＹ軸で示される平面は、照明対象面上での位置を示し、Ｚ軸である高さ方向は相対照度〔％〕を示す。１つの発光素子による照度分布が図６に示したような円錐状をなしている。図１２に示したように各発光素子が正六角形の各頂点およびその中心に位置するように配置され、図１４に示す例では、図１４中の座標（Ｘ，Ｙ）で示して、−２≦Ｘ≦２および−２≦Ｙ≦２の範囲内で、（ｉ，ｊ×（√３）／２），（ｉ＋１／２，（ｊ＋１／２）×（√３）／２）の位置に合計２３個の各発光素子からの照度ピークが位置している。但し、ｉ，ｊはいずれも整数である。そして、照明対象面上の中央部分における照度分布の平坦性を評価するために、相対照度の最大値Ｈおよび最小値Ｌを用いて、（（Ｈ−Ｌ）／Ｈ）の値を算出すれば、本実施形態では０.０２程度になる。図１５（ｂ）に示す従来例は、３つの発光素子の１次元アレイの例で、（（Ｈ−Ｌ）／Ｈ）の値が０．１２程度であった。２次元アレイで考えると、更に数値が大きくなる傾向にあるので、本実施形態の０．０２という値は、照度分布のむらが低減されていることを示す。
【００６２】
上述したように、本実施形態の照明装置および投射型映像表示装置によれば、配光分布補正光学系１２が、発光素子アレイ１１の各発光素子１１０１〜１１２５による照明対象面上における各照度分布曲線の傾斜をほぼ直線的な傾斜にすることで、各発光素子１１０１〜１１２５による各照度分布が合成されてなる照度分布に生じるむらを低減することができる。したがって、投射型映像表示装置によれば、むらが抑えられた良好な映像を得ることができる。
【００６３】
また、本実施形態の照明装置および投射型映像表示装置によれば、従来の映像表示装置が備えるインテグレータ光学系のように、複数のレンズを発光素子アレイからの出射光の光軸方向に沿って間隔をあけて配置することなく、発光素子アレイ１１、配光分布補正光学系１２、空間光変調素子２を光軸方向に隣接させて配置することができるため、装置全体の小型化を図ることができる。
【００６４】
（他の実施形態）
各発光素子による各照度分布曲線の傾斜が直線的な傾斜になるように照明系を構成するためには、配光分布補正光学系のレンズ形状の他に、例えば発光素子の発光部形状、発光部の大きさ、各発光素子間の距離、発光素子から照明対象面までの各光学要素の光学特性や位置関係等の各種パラメータが関係する。上述した実施形態では、配光分布補正光学系として、各発光素子に対して非球面レンズを用いるように構成されたが、パラメータによっては球面レンズであってもよい。
【００６５】
また、配光分布補正光学系としては、１つの発光素子に対して複数のレンズが用いられてもよく、また、複数の発光素子に対して１つのレンズのみを用いるように構成されてもよい。さらに、発光素子を封止する透光性封止剤によって配光分布補正光学系をなすレンズが形成され、発光素子アレイと配光分布補正光学系が一体に形成されてもよく、光学系全体で各発光素子による各照度分布曲線の傾斜が直線的な傾斜になるように構成されればよい。
【００６６】
配光分布補正光学系として、レンズと共に例えば遮光フィルタ等の遮光手段が用いられてもよい。これによって、各発光素子からあらゆる方向に放射される光のうち、隣接するレンズへの光の漏れ込み等の意図しない迷光を回避することができる。したがって、照明対象面上での１つの発光素子による照度分布曲線がなす山形の裾野が広がってしまうことを回避でき、全ての発光素子による照度分布をより一層均一化することができる。
【００６７】
配光分布補正光学系の光学特性は、発光素子アレイの発光素子の位置に応じて異なるようにされてもよい。例えば、発光素子アレイの外周側に配置される発光素子の配光と、発光素子アレイの中央側に配置される発光素子の配光とが互いに異なるようにすることによって、照明対象面をより一層効率的に照明することが可能になる。
【００６８】
また、照明対象面上での照度分布を更に均一化するために、配光分布補正光学系と拡散板が併用されてもよい。
【００６９】
上述の実施形態では、３つの空間光変調素子を用いる構成を一例に挙げたが、例えば、１つの空間光変調素子のみを用いてＦＳＣ(Field Sequential Color)方式によってカラー表示するような他の構成に適用されてもよい。
【００７０】
また、本発明の映像表示装置は、図１に示したような投射光学系４を有する投射型映像表示装置に限定されるものではなく、例えば、映像として虚像を生成するＨＭＤのような映像表示装置や、投射光学系を有することなく映像の表示面を直接見るような直視型の液晶表示装置に適用されてもよい。直視型液晶表示装置の場合には、照明装置によって照度分布の均一化が図られる照明対象面が、空間光変調素子の表面となる。
【産業上の利用可能性】
【００７１】
本発明の活用例としては、均一な照度分布を必要とする照明装置が挙げられる。また、例えば投射型映像表示装置、直視型液晶表示装置、ＨＭＤ等の、光源である照明装置と空間光変調素子とを有する映像表示装置が挙げられる。
【符号の説明】
【００７２】
１（１Ｒ，１Ｇ，１Ｂ）  照明装置
２（２Ｒ，２Ｇ，２Ｂ）  空間光変調素子
３  色合成光学系
４  投射光学系
１１（１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂ）  発光素子アレイ
１２（１２Ｒ，１２Ｇ，１２Ｂ）  配光分布補正光学系
１１００  基板
１１０１〜１１２５  発光素子
１２０１〜１２２５  レンズ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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