(57)【要約】  光源（１１）から放出された光束はコリメータレンズ（２０）の球面（２０ａ）に略垂直に入射する。このうち、光軸との成す角が小さい光線は楕円面（２０ｃ）に入射、屈折される。楕円面（２０ｃ）は楕円面（２０ｃ）の第１焦点に位置する光源から発散する光束を平行光束に変換する。また、光軸との成す角が大きい光線は楕円面（２０ｂ）に入射し、楕円面（２０ｂ）により全反射される。このとき、楕円面（２０ｂ）の第１焦点に位置する光源から発散する光束を楕円面（２０ｂ）の第２焦点に集光する光束に変換する。楕円面（２０ｄ）は楕円面（２０ｄ）の第２焦点に集光する光束を平行光束に変換する。このようにして、光源（１１）から発せられた光束はコリメータレンズ（２０）により略平行光に変換される。これにより、指向性が高く高効率であり、かつ光量分布の均一性が高い照明装置となる。
2008069143.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
屈折率ｎ１の固体発光素子と、前記固体発光素子から放出される光束を略平行光に変換する屈折率ｎ２の光学部材とを、それぞれ複数アレイ状に配置したことを特徴とする照明光源であって、前記光学部材は、
前記固体発光素子の中心である第１の点と、前記第１の点と異なり、前記第１の点より前記光束の進行方向にある第２の点を焦点とする第１の楕円面と、
前記第１の点と、前記第１の点と異なり、前記第１の点より前記光束の進行方向にある第３の点を焦点とする第２の楕円面と、
前記第２の点と、前記第２の点と異なり、前記第２の点より光源側にある第４の点を焦点とする第３の楕円面とを有し、
前記第２の楕円面の離心率をｅ２、前記第３の楕円面の離心率をｅ３としたとき（１）式を満足することを特徴とする照明光源。
【数１】
2008069143.tif 000005
【請求項２】
前記固体発光素子と、前記光学部材の間隔を満たす媒質の屈折率をｎとするとき、ｎが（２）式を満足することを特徴とする請求項１に記載の照明光源。
ｎ１≧ｎ≧ｎ２  …（２）
【請求項３】
請求項１に記載の照明光源であって、非金属製の放熱基板上に配置されていることを特徴とする照明光源。
【請求項４】
前記非金属製の放熱基板が、配向性グラファイトシートであり、前記固体発光素子及び前記光学部材により構成される一体アレイが、熱伝導性樹脂を用いて前記配向性グラファイトシート上に接合されていることを特徴とする請求項３に記載の照明光源
【請求項５】
前記光学部材は、耐熱樹脂製光学部材であり、複数の前記光学部材が熱伝導性樹脂により一体アレイ状に接合されていることを特徴とする請求項１に記載の照明光源。
【請求項６】
耐熱樹脂製光学部材は、耐熱アクリル、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレートまたはシクロオレフィンポリマーであることを特徴とする請求項１に記載の照明光源
【請求項７】
ロッドインテグレータをさらに有することを特徴とする請求項１に記載の照明光源。
【請求項８】
請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の照明光源と、
入力画像情報に応じて変調される空間変調素子と、
前記照明光源が出射した照明光を導いて前記空間変調素子を照明する照明光学系と、
前記照明光学系で照明され前記空間変調素子で変調された画像を投影する投影光学系とを有し、
入力画像情報に応じた画像を投影する画像投影装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、照明光源、及び画像投影装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
画像表示装置であるプロジェクタの光源として、従来用いられているメタルハライドランプや高圧水銀ランプに換わり、固体発光素子、特に発光ダイオード（以下「ＬＥＤ」と称する）を用いることが提案されている。ＬＥＤはプロジェクタの小型化及び低消費電力化が可能であり、従来の光源であるメタルハライドランプや高圧水銀ランプに比べ長寿命であることなど長所がある反面、発光量が小さく十分な光量を確保するために、特許第３５８５０９７号公報（特許文献１）に記載されるように複数のＬＥＤ光源をアレイ状に配置する構成が考えられている。【０００３】
しかしながら光源の数が一定の数を超えると以下の理由により光学系全体において利用可能な光束が増えないことが知られている。プロジェクタ等の光学系において利用可能な光束が存在する面積Ｓと立体角Ωとの積であるエテンデュー（Etendue）は、光学系において保存される。現在プロジェクタに用いられている光変調素子としては、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）やＬＣＯＳ（Liquid Crystal On Silicon）、ＤＭＤ（Digital Micro-mirror Device）などがあるが、これらはいずれも有効角度に制約があり、有効角度を超えた角度で入射する光束に対して変調することができない。またプロジェクタ光学系に用いられる偏光プリズムやダイクロイックミラーといった素子も有効角度を拡大することが困難である。そのため、これら光学素子において有効に利用できる光束の立体角Ωが制限される。また各素子を通過する光束の面積Ｓは素子の大きさに依存することは明らかであり、装置の小型化を実現するためには面積Ｓを大きくすることはできない。【０００４】
一方で光源から発散される光のエテンデューは光源の総面積、すなわち光源の個数に比例するが、光源のエテンデューは各部の光学素子のうち最小のエテンデューを超える場合、超えた分の光束は有効に利用できない。以上が光源の数を一定以上増しても利用可能な光束が増えない理由である。【０００５】
ＬＥＤをアレイ状に配置する構成では、個々のＬＥＤ光源をできるだけ小さいエテンデューとすることが望ましい。たとえば特開２００６−２２１９５４号公報（特許文献２）記載のプロジェクタではチップからの射出光の強度分布が指向性を有するように構成し、光源から発散する光束の立体角を小さくすることでエテンデューを抑えたＬＥＤが提案されている。【０００６】
また、プロジェクタ光学系では光源からの光の光量分布を略均一にする均一化手段（インテグレータ）をもちいることで、投影される画像の照度均一性を向上させるのが一般的である。特許文献２記載のプロジェクタにおいては均一化手段ロッドインテグレータを用いている。ロッドインテグレータに入射した光は、その内面にて複数回全反射を繰り返し、入射面と対向する射出面から射出される。ここで、射出面には均一の光強度分布を持つ面光源が形成される。言い換えると、この射出面は、ロッドインテグレータの内面反射によってその入射面の位置に形成される複数の光源の虚像からの光で重畳的に照明されている。
【特許文献１】特許第３５８５０９７号公報
【特許文献２】特開２００６−２２１９５４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
光量分布の均一化手段として用いるロッドインテグレータの光量分布均一化のための十分な長さＬは、特許文献１によれば（３）式のように開示されている。【０００８】
Ｌ≧Ｐ／tanθ  …（３）
ここで、Ｐは隣接するＬＥＤ間の間隔、θは各ＬＥＤから放射される光の強度がＬＥＤからの光の光軸上の強度の半分になる位置の光軸からの角度である。【０００９】
（３）式から明らかなように、ロッドインテグレータの長さＬはロッドインテグレータに入射する光束の発散角に依存し、指向性が強い光束ほど光束が分散しにくく、ロッドインテグレータの内部で多重反射しにくいため、均一化に必要な長さが長くなる。すなわちＬＥＤをアレイ状に配置し、個々の光源の指向性を高めて光束を有効に利用しようとすると、光量分布均一化のために必要なロッドインテグレータが大きくなり、装置の肥大化を招くため、小型化可能というＬＥＤの長所を生かすことができなくなる。【００１０】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、小型で指向性が高く、かつ発光面の光量分布の均一性が高い照明装置、及びそれを使用した画像投影装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記課題を解決するための第１の手段は、屈折率ｎ１の固体発光素子と、前記固体発光素子から放出される光束を略平行光に変換する屈折率ｎ２の光学部材とを、それぞれ複数アレイ状に配置したことを特徴とする照明光源であって、前記光学部材は、前記固体発光素子の中心である第１の点と、前記第１の点と異なり、前記第１の点より前記光束の進行方向にある第２の点を焦点とする第１の楕円面と、前記第１の点と、前記第１の点と異なり、前記第１の点より前記光束の進行方向にある第３の点を焦点とする第２の楕円面と、前記第２の点と、前記第２の点と異なり、前記第２の点より光源側にある第４の点を焦点とする第３の楕円面とを有し、前記第２の楕円面の離心率をｅ２、前記第３の楕円面の離心率をｅ３としたとき（１）式を満足することを特徴とする照明光源である。
【数１】
2008069143.tif 000003
【００１２】
前記課題を解決するための第２の手段は、前記第１の手段であって、前記固体発光素子と、前記光学部材の間隔を満たす媒質の屈折率をｎとするとき、ｎが（２）式を満足することを特徴とするものである。
ｎ１≧ｎ≧ｎ２  …（２）【００１３】
前記課題を解決するための第３の手段は、第１の手段又は第２の手段の照明光源であって、非金属製の放熱基板上に配置されていることを特徴とするものである。【００１４】
前記課題を解決するための第４の手段は、第３の手段であって、前記非金属製の放熱基板が、配向性グラファイトシートであり、前記固体発光素子及び前記光学部材により構成される一体アレイが、熱伝導性樹脂を用いて前記配向性グラファイトシート上に接合されていることを特徴とするものである。【００１５】
前記課題を解決するための第５の手段は、前記第１の手段から第４の手段のいずれかであって、前記光学部材は、耐熱樹脂製光学部材であり、複数の前記光学部材が熱伝導性樹脂により一体アレイ状に接合されていることを特徴とするものである。【００１６】
前記課題を解決するための第６の手段は、前記第１の手段から第５の手段のいずれかであって、耐熱樹脂製光学部材は、耐熱アクリル、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレートまたはシクロオレフィンポリマーであることを特徴とするものである。【００１７】
前記課題を解決するための第７の手段は、前記第１の手段から第６の手段のいずれかであって、ロッドインテグレータをさらに有することを特徴とするものである。【００１８】
前記課題を解決するための第８の手段は、前記第１の手段から第７の手段のいずれかの照明光源と、
入力画像情報に応じて変調される空間変調素子と、 
前記照明光源が出射した照明光を導いて前記空間変調素子を照明する照明光学系と、
前記照明光学系で照明され前記空間変調素子で変調された画像を投影する投影光学系とを有し、
入力画像情報に応じた画像を投影する画像投影装置である。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、指向性が高く高効率であり、かつ光量分布の均一性が高い照明装置、及びそれを使用した画像投影装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の第１の実施の形態である照明装置の概要を示す図である。
【図２】第１の実施の形態におけるコリメータレンズの概要を示す図である。
【図３】第１の実施の形態におけるコリメータレンズの作用を説明するための図である。
【図４】第１の実施の形態における照明装置の放射角度特性を示す図である。
【図５】第１の実施の形態における照明装置の照射面強度均一性を示す図である。
【図６】本発明の実施の形態である照明装置を使用した画像形成装置（画像投影装置）の例を示す図である。
【図７】本発明の実施の形態である照明装置を使用した画像形成装置（画像投影装置）の他の例を示す図である。
【符号の説明】
【００２１】
１０…基板、１１…ＬＥＤ、１１ｒ…赤色ＬＥＤ、１１ｇ…緑色ＬＥＤ、１１ｂ…青色ＬＥＤ、２０…コリメータレンズ、３０…ロッドインテグレータ、３０ａ…ロッドインテグレータ射出面、４０…偏光ビームスプリッタ、４１…クロスダイクロイックプリズム、５０…反射型液晶素子、５１…透過型液晶素子
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。なお各図において、互いに同一あるいは相当する構成要素には同一符号を付し、重複した説明は省略することがある。【００２３】
図１は本発明の第１の実施の形態である照明装置を示す図である。基板１０には複数のＬＥＤ１１がアレイ状に集積、配置されている。【００２４】
コリメータレンズ２０は耐熱アクリル、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレートまたはシクロオレフィンポリマー等の光学用耐熱樹脂により構成されている。【００２５】
基板１０は配向性グラファイトシートであり、ＬＥＤ１１及びコリメータレンズ２０により構成される一体アレイが、熱伝導性樹脂を用いて前記配向性グラファイトシート上に接合されている。また、コリメータレンズ２０は熱伝導性樹脂を用いて一体アレイ状に接合されている。【００２６】
配向性グラファイトシートの熱伝導率は４００〜１７００Ｗ／（ｍ・Ｋ）であり、熱伝導性に優れた銅の熱伝導率は３９０Ｗ／（ｍ・Ｋ）を上回る特性を有している。また、配向性グラファイトシートの比重は銅の１／９である。よって、放熱性に優れ、軽量化を実現できる照明光源を実現できる。【００２７】
熱伝導性樹脂としては、熱硬化性樹脂の中に熱伝導性に優れた無機フィラを分散させたものを用いることができる。無機フィラとしては、熱伝導性に優れたAl２Ｏ３、MgＯ、ＢＮ、SiＣ、Si３Ｎ４およびAlＮなどが好ましい。また、熱硬化性樹脂としては、エポキシ樹脂、フェノール樹脂およびシアネート樹脂などが使用できる。【００２８】
ＬＥＤ１１はそれぞれ０．３ｍｍ×０．３ｍｍの面積で発光しており、４×４の格子状に配置され隣接するＬＥＤ間の間隔Ｐは４ｍｍとである。【００２９】
ＬＥＤアレイから放射される光は、各々対応するＬＥＤ１１からの光をコリメートするコリメータレンズ２０によって指向性を有する光に変換される。ここでコリメータレンズ２０の媒質の屈折率ｎ２は1.515である。又、光源であるＬＥＤ１１の屈折率ｎ１は、2.54である。【００３０】
図２はコリメータレンズ２０の形状を示す図である。コリメータレンズ２０は球面２０ａ、楕円面２０ｂ（第１の楕円面）、楕円面２０ｃ（第２の楕円面）、楕円面２０ｄ（第３の楕円面）を有し、各楕円面の焦点はいずれも光軸上にある。また、コリメータレンズ２０の外径は４ｍｍ×４ｍｍである。ここで、光源であるＬＥＤ１１の中心を原点とし、光軸上にある各楕円面の２つの焦点のうち原点から近い順に第１焦点、第２焦点と呼称する。【００３１】
球面２０ａの半径は1.25ｍｍであり、球面の中心は原点に位置している。【００３２】
楕円面２０ｂは第一焦点を原点に、第２焦点を原点からの距離10.27ｍｍに有し、長径１２ｍｍの楕円面である。【００３３】
楕円面２０ｃは第１焦点を原点に、第２焦点を原点からの距離2.44ｍｍに有し、長径3.72ｍｍの楕円面である。また、楕円面２０ｄは第１焦点を原点からの距離3.41ｍｍに、第２焦点を原点からの距離10.27ｍｍ（楕円面２０ｂの第２焦点と同じ位置）に有し、長径10.47ｍｍの楕円面である。このとき楕円面２０ｃの離心率ｅ２、楕円面２０ｄの離心率ｅ３は0.66であり、楕円面２０ｃおよび楕円面２０ｄは以下の（１）式を満足する。
【数２】
2008069143.tif 000004
【００３４】
図３はコリメータレンズ２０内を伝播する光線の振る舞いをあらわしたものである。光源１０から放出された光束は球面２０に略垂直に入射する。このうち、光軸との成す角が小さい光線は楕円面２０ｃに入射、屈折される。楕円面２０ｃは（１）を満足するとき楕円面２０ｃの第１焦点に位置する光源から発散する光束を平行光束に変換する。【００３５】
また、光軸との成す角が大きい光線は楕円面２０ｂに入射し、楕円面２０ｂにより全反射される。このとき、楕円面２０ｂの第１焦点に位置する光源から発散する光束を楕円面２０ｂの第２焦点に集光する光束に変換する。楕円面２０ｄは（１）を満足するとき楕円面２０ｄの第２焦点（すなわち楕円面２０ｂの第２焦点）に集光する光束を平行光束に変換する。このようにして、光源から発せられた光束はコリメータレンズ２０により略平行光に変換される。【００３６】
図４はコリメータレンズ２０により射出される光の角度特性を示す数値シミュレーション結果を示す図である。図４から、コリメータレンズ２０を通った後で、各ＬＥＤ１１から放射される光の強度がＬＥＤ１１からの光の光軸上の強度分布の半分になる位置の光軸からの角度θはおよそ６°であり、指向性の高い光束に変換されているのがわかる。【００３７】
次にコリメータレンズ２０から射出した指向性を有する光束は、ロッドインテグレータ３０に入射する。ここでロッドインテグレータ３０は、１６ｍｍ×１６ｍｍ×１６ｍｍの立方体である。ロッドインテグレータ３０に入射した光はロッドインテグレータ３０内を通過し、ロッドインテグレータ３０の射出面３０ａに照度均一面を形成する。【００３８】
図５は射出面３０ａにおける照度均一性を示すシミュレーション結果を示す図である。図５から、光軸を中心に１６ｍｍ×１６ｍｍの範囲内で、照度差が±１０％以内に収まっていることがわかる。これは人間の目で知覚できる照度差にくらべ十分小さい。このときのロッドインテグレータ３０の長さＬは１６ｍｍ、隣接するＰＥＤ１１間の間隔Ｐは４ｍｍ、各ＬＥＤ１１から放射される光の強度がＬＥＤ１１からの光の光軸上の強度分布の半分になる位置の光軸からの角度θは６°であり、先行技術において開示され、（３）式により与えられる光量分布均一化のためのロッドインテグレータ３０の十分な長さＬ＝38.1ｍｍに比べ半分以下である。このように本発明の形態によれば、短い光路長で光量分布の均一化が可能であり、よりコンパクトな照明装置を構成することが可能となる。【００３９】
第１の実施の形態において、好ましくはＬＥＤ１１とコリメータレンズ２０の間を屈折率ｎが以下の（２）式を満足する媒質でみたすことが望ましい。ここでｎ１はＬＥＤ１１の屈折率である。このように構成することで、ＬＥＤ１１表面で全反射することによりＬＥＤ１１内部に閉じ込められる光束を取り出すことが可能であり、ＬＥＤ１１の光取り出し効率を向上することが可能である。
ｎ１≧ｎ≧ｎ２  …（２）【００４０】
次に図６を参照して、本発明の実施の形態である照明装置を使用した画像形成装置（画像投影装置）の例を説明する。この画像形成装置は、画像を形成する光変調素子に反射型液晶素子を用いた例である。なお、ＬＥＤ１１からコリメータレンズ２０までの構成は第１の実施の形態と同一であり、説明は省略する。【００４１】
コリメータレンズ２０により略平行に変換された光束は偏光ビームスプリッタ４０に入射する。ここで、偏光ビームスプリッタは１６ｍｍ×１６ｍｍ×１６ｍｍの立方体である。偏光ビームスプリッタ４０に入射した光束は偏光分離面４０ａでＰ偏光、Ｓ偏光に分離され、Ｐ偏光は透過、Ｓ偏光は反射される。このうちＰ偏光は偏光ビームスプリッタの光路長１６ｍｍで略均一化され、２次元アレイ状の反射型液晶素子５０に入射する。反射型液晶素子５０では素子上の位置毎にことなる位相変調を加えられて反射する。位相変調された光束は再び偏光ビームスプリッタ４０に入射し、位相変調分に相当するＳ偏光のみが、偏光分離面４０ａで反射されて画像を形成する。すなわち、反射型液晶素子５０の各素子の変調度を変えることにより、画像を形成することができる。このように本発明の実施の形態である照明装置によれば、偏光ビームスプリッタ５０の光路長で光量分布の均一化が可能であり、よりコンパクトな照明装置を構成することが可能となる。【００４２】
次に図７を参照して、本発明の実施の形態である照明装置を使用した画像形成装置（画像投影装置）の他の例について説明する。この画像形成装置は光変調素子に透過型液晶素子を用いた例であり、ＲＧＢ三色によるカラー表示を行う例である。赤色ＬＥＤ１１ｒ、緑色ＬＥＤ１１ｇ、青色ＬＥＤ１１ｂから放出された光をコリメータレンズ２０により略平行にする構成は第１の実施の形態と同一であり、説明は省略する。【００４３】
赤色ＬＥＤ１１ｒ、緑色ＬＥＤ１１ｇ、青色ＬＥＤ１１ｂから放出され、コリメータレンズ２０により略平行に変換された光束はクロスダイクロイックプリズム４１に入射する。ここで、クロスダイクロイックプリズム４１は１６ｍｍ×１６ｍｍ×１６ｍｍの立方体である。【００４４】
各色の光束はクロスダイクロイックプリズム４１により合成され、クロスダイクロイックプリズム４１の光路長１６ｍｍで略均一化された光束となり、透過型液晶素子５１に入射し、透過型液晶素子５１により画像が形成される。このように本発明の実施の形態である照明装置によれば、偏光ビームスプリッタ５０の光路長で光量分布の均一化が可能であり、よりコンパクトな照明装置を構成することが可能となる。
【図１】
2008069143.tif 000006
【図２】
2008069143.tif 000007
【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】
2008069143.tif 000012
【国際調査報告】
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2008069143.tif 000014
2008069143.tif 000015
2008069143.tif 000016