(57)【要約】  効率の高い照明装置、照明方法と、それを用いた映像投射装置を提供することを目的とする。  上記目的を達成するために、光源と、光源からの光を集光して出射する集光体とを備えた照明装置であって、集光体は、光源側の入射面と、光を出射する出射面と、入射面と出射面の間にある側面とを有し、側面は、入射面から出射面に向けて、光源中心からその発光面と直交する方向の光軸からの距離が大きくなる湾曲面であり、湾曲面の形状が異なる複数の湾曲面形状を有するように構成する。また、光源と、光源からの光を内面反射により均質化させる光積分器と、光積分器から出射する光を略平行な光に変換するレンズと、レンズの外側に配置され光積分器からの光を略平行な光に変換する反射放物面とを備えた照明装置であって、レンズの光積分器側の面を、反射放物面の光積分器と反対側にあるレンズ光軸方向の端よりも光積分器側に配置した構成とする。
2017013816.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、透明な材質で形成され前記光源からの光を集光して出射するための集光体とを備えた照明装置であって、
前記集光体は、前記光源側の入射面と、前記光を出射する出射面と、前記入射面と前記出射面の間にある側面とを有し、
前記側面は、前記入射面から前記出射面に向けて、光源中心からその発光面と直交する方向の光軸からの距離が大きくなる湾曲面であり、該湾曲面の形状が異なる複数の湾曲面形状を有することを特徴とする照明装置。
【請求項２】
請求項１に記載の照明装置であって、
前記入射面は、前記光源から出射する光を前記光軸に対して直交する方向に光軸側である内側の光と光軸から離れる外側の光に分ける２つの形状を有することを特徴とする照明装置。
【請求項３】
請求項２に記載の照明装置であって、
前記出射面は、前記光源から出射して前記入射面で内側に分けられた光の出射角度を変換する形状と、該形状の外側を複数の異なる形状で構成したことを特徴とする照明装置。
【請求項４】
請求項３に記載の照明装置であって、
前記複数の湾曲面形状は、各々異なる回転体の一部であり、その異なる回転体の軸を異ならせたことを特徴とする照明装置。
【請求項５】
請求項４に記載の照明装置であって、
前記回転体は、楕円体であることを特徴とする照明装置。
【請求項６】
請求項５に記載の照明装置であって、
前記回転体の各軸は、前記光源で交わることを特徴とする照明装置。
【請求項７】
請求項６に記載の照明装置であって、
前記入射面で前記外側に分けられた光は、前記側面で少なくとも１回反射することを特徴とする照明装置。
【請求項８】
請求項７に記載の照明装置であって、
前記回転体の軸は、前記光源と、前記照明装置の目標とする照明領域の中心と端の間を少なくとも通過することを特徴とする照明装置。
【請求項９】
請求項１に記載の照明装置であって、
前記光源と前記集光体の間に、前記光源から出射した光を内面反射により均質化させる透明な材質で満たされた光積分器を配置させたことを特徴とする照明装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の照明装置であって、
前記光積分器は、内部に光を散乱させる散乱素子を含有させたことを特徴とする照明装置。
【請求項１１】
請求項１０に記載の照明装置であって、
前記光源は、２個以上の発光点を有した複数波長光源であることを特徴とする照明装置。
【請求項１２】
請求項１に記載の照明装置を用いた映像投射装置であって、
映像を生成する表示装置と、
該表示装置で生成される映像を投射する投射体を備え、
前記集光体からの光を前記表示装置に照明することを特徴とする映像投射装置。
【請求項１３】
請求項１２に記載の映像投射装置であって、
前記投射体は、虚像を使用者が視認できるように前記映像投射装置から投射する映像を光学的に発散させることを特徴とする映像投射装置。
【請求項１４】
光源と、該光源から出射した光を内面反射により均質化させる透明な材質で満たされた光積分器と、該光積分器から出射する光を略平行な光に変換するレンズと、該レンズの光軸中心に対してレンズの外側に配置され前記光積分器から出射する光を略平行な光に変換する反射放物面とを備えた照明装置であって、
前記光積分器の内部に光を散乱させる散乱素子を含有させ、
前記レンズの前記光積分器側の面を、前記反射放物面の前記光積分器と反対側にある前記レンズ光軸方向の端よりも前記光積分器側に配置したことを特徴とする照明装置。
【請求項１５】
光源から出射した光を混色し、該混色した光を略平行な光に変換する反射放物面とレンズを有し、光源から出射した光を集光して出射する照明装置の照明方法であって、
前記反射放物面を形成する空間内に配置された前記レンズで前記混色した光を略平行な光に変換できなかった光を前記反射放物面で略平行な光に変換するようにしたことを特徴とする照明方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光を所定の領域に照明する照明装置、照明方法と、それを用いた映像投射装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
面発光（ＬＥＤ、ＯＬＥＤ）の光源を用いる照明器具やプロジェクタ、ヘッドマウントディスプレイなどの映像投射装置では、所望の領域に光源からの光を効率良く伝達させる照明装置が必要である。また、消費電力の観点から、照明装置において光の伝達効率が重要な要因となる。【０００３】
本技術分野の背景技術として、照明装置に関して、特開２０１１-１６５３５１号公報（特許文献１）や、特開２０１２−１４５９０４号公報（特許文献２）には、ＬＥＤからの光を外部に出射するため、光軸中心に対して内側の光に対してはレンズ機能を有し、外側の光に対してはリフレクタ機能を有した集光体（レンズ）を用いた照明器具用の照明装置が記載されている。【０００４】
また、映像投射装置に関して、特開２００４−２５８６６６号公報（特許文献３）には、プロジェクタ用途の照明装置として、ランプからの光をリフレクタで集光し、均質性を向上するためのロッドレンズを用い、ロッドレンズから出射した光をレンズで、映像を生成する表示装置に照明する例が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１１-１６５３５１号公報
【特許文献２】特開２０１２−１４５９０４号公報
【特許文献３】特開２００４−２５８６６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
近年、ヘッドマウントディスプレイ（以下ＨＭＤと記す）やヘッドアップディスプレイ（以下ＨＵＤと記す）に代表される虚像を投射する映像投射装置の開発が進められている。虚像は、人の眼のレンズ機能を利用して映像を眼底に結像させた映像である。虚像を投射する光学系は、人の瞳と映像投射装置の出射面の開口により、光の取込み角度が制限される。出射面の開口は、大きくするとその映像投射装置が巨大化してしまうため、通常、虚像を投射する映像投射装置では、小型化とするために光の取込み角度は小さくなる。【０００７】
しかるに、従来の照明装置は、光の取込み角度が大きいため、装置が大型化し、虚像を投射する映像投射装置用として適していない。すなわち、照明器具は部屋の広い範囲を照らすため、光の取込み角度が大きい。従って、特許文献１や特許文献２の照明装置は、虚像を投射するＨＭＤやＨＵＤ等の映像投射装置としては適しておらず、光の伝達効率を高めることができない。【０００８】
また、実像を映像として見せるプロジェクタにおいても、スクリーンに照明された映像を人が視認するため、光の取込み角度が大きい方が望ましい。このため、光の取込み角度を大きくすることで、明るさを高めてきた。【０００９】
特許文献３のようなリフレクタの構成は、ＬＥＤなどの面発光の光源には適しておらず、効率を高めることができない。また、ロッドレンズの出口のような複数のレンズを組み合わせても、外側の光が無駄になり、効率を高めることはできない。また、複数のレンズを用いるのは、コスト面でも望ましくない。【００１０】
また、特許文献１や特許文献２と、特許文献３を組み合わせたとしても、光の取込み角度の制限された虚像を投射する映像投射装置として効率の高い照明装置は実現できない。【００１１】
本発明の目的は、光の利用効率の高い照明装置、照明方法と、それを用いた映像投射装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するために、本発明は、その一例を挙げるならば、光源と、透明な材質で形成され前記光源からの光を集光して出射するための集光体とを備えた照明装置であって、集光体は、光源側の入射面と、光を出射する出射面と、入射面と出射面の間にある側面とを有し、側面は、入射面から出射面に向けて、光源中心からその発光面と直交する方向の光軸からの距離が大きくなる湾曲面であり、湾曲面の形状が異なる複数の湾曲面形状を有するように構成する。【００１３】
また、光源と、該光源から出射した光を内面反射により均質化させる透明な材質で満たされた光積分器と、光積分器から出射する光を略平行な光に変換するレンズと、レンズの光軸中心に対してレンズの外側に配置され光積分器から出射する光を略平行な光に変換する反射放物面とを備えた照明装置であって、光積分器の内部に光を散乱させる散乱素子を含有させ、レンズの光積分器側の面を、反射放物面の光積分器と反対側にあるレンズ光軸方向の端よりも光積分器側に配置した構成とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、省電力で、明るさを向上させた小型な照明装置、照明方法と、それを用いた映像投射装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】実施例１における照明装置の断面図である。
【図２】実施例１における集光体の斜視図である。
【図３】実施例１における照明領域の輝度分布を説明する図である。
【図４】実施例２における照明装置の断面図である。
【図５】実施例３における集光体の斜視図である。
【図６】実施例４における照明装置の断面図である。
【図７】実施例４における複数波長光源９を説明する図である。
【図８】実施例４における光積分器の斜視図である。
【図９】実施例５における複数波長光源を説明する図である。
【図１０】実施例５における光積分器の斜視図である。
【図１１】実施例６における映像投射装置の断面図である。
【図１２】実施例７における映像投射装置の断面図である。
【図１３】実施例８における映像投射装置の断面図である。
【図１４】実施例９における映像投射装置の応用例を説明する図である。
【図１５】実施例１０におけるＨＭＤを説明する図である。
【図１６】実施例１１におけるスマートフォンを説明する図である。
【図１７】実施例１１におけるスマートフォンの使用シーンを説明する図である。
【図１８】実施例１１におけるスマートフォンのシステムを説明する図である。
【図１９】実施例１１におけるスマートフォンの動作フローを説明する図である。
【図２０】実施例１１における映像投射装置１７０の色調整の動作フローを説明する図である。
【図２１】実施例１２における照明装置の斜視図である。
【図２２】実施例１２における照明装置の展開図である。
【図２３】実施例１２における照明領域の断面図である。
【図２４】実施例１２におけるレンズの展開図である。
【図２５】実施例１２におけるリフレクタケースの斜視図である。
【図２６】実施例１２における光積分器から出射する光の角度分布を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施例を図面を用いて説明する。なお、本発明はこれにより限定されるものではない。
【実施例１】
【００１７】
本実施例は、照明装置について説明する。図１は本実施例における照明装置２２の断面図であり、図２は図１の照明領域３の斜め上方向から集光体１を見た斜視図である。【００１８】
図１において、照明装置２２は、集光体１と光源２を有して構成されている。光源２から出射した光は、集光体１で集光され、照明領域３に照明される。照明領域３は、四角形の領域であり、図２の領域２３は、その照明領域３を集光体１に投影した領域を示している。照明領域３の端８５は領域２３の端１１５、端８７は領域２３の端１１７に相当する。【００１９】
図２に示すように、集光体１は、透明な材質で成型された光学部品であり、光源２側の入射面５，６と、光を出射する５個の出射面７乃至１１と、４個の側面１２乃至１５（側面１４は裏側で見えないので図示していない）で形成されている。集光体１の材質として例えば、可視光領域で吸収が少ないポリカーボネートやシクロオレフィンポリマーなど、透明な材質が望ましい。もちろん、使用する光源の波長帯に拠って材質を変えても構わない。【００２０】
また、入射面５，６、出射面７乃至１１は、光の表面反射を防止して効率を向上する目的で、誘電体多層膜にて、反射防止膜を形成すると良い。【００２１】
図１において、光源２は、面発光型の光源であり、例えば、ＬＥＤやＯＬＥＤなどが適している。ここでは、青色の光を白色に変換する蛍光体をチップ表面に塗布した白色のＬＥＤを想定している。また光源２は、光源基板４に搭載されており、光源基板４を介して、電流を外部から供給することができる。【００２２】
通常、面発光型の光源から出射した光は前方の全方位に進行する。光源２から出射した光も前方に向けて進行する。光源２の光軸は、光源中心からその発光面と直交する方向の軸（図中軸１９）であり、光源２から出射した光は、光軸中心の光が最も強く、光軸中心から離れるにしたがって弱くなり、光源２の発光面と同じ方向が最も弱くなる。【００２３】
光源２から出射した光は、集光体１で軸１９を含む入射面５と、軸１９から離れる方向の入射面５の外側に配置された入射面６に入射し、内側と外側の光に分割される。【００２４】
入射面５で分割された内側の光は、出射面７にて、略平行な光に変換され照明領域３に照明される。すなわち、入射面５と出射面７は、光源２を点状の物体とした物点としたとき、出射した光を平行にするレンズ機能を有している。【００２５】
このように、出射する略平行な光が多いほど、光の取込み角度の制限された虚像を投射する映像投射装置用の照明装置としての効率を高められる。【００２６】
図１では、入射面５、出射面７は共に凸レンズであるが、もちろん、光源２を物点としたとき、出射した光を平行にするレンズ機能を有していれば、入射面５を凹レンズにしても構わない。【００２７】
一方、入射面６で分割された外側の光は、側面１２で反射して、出射面８を介して照明領域３に照明されるか、または側面１３で反射して、出射面９を介して照明領域３に照明される。なお、図１には記載していないが、入射面６で分割された外側の光は、同様に側面１４、１５で反射して、それぞれ出射面１０，１１を介して照明領域３に照明される。【００２８】
スネルの法則より、臨界角より大きい入射角を持つ光線は屈折率の高い媒質から屈折率の低い媒質へ進行できず、内面反射（Total Internal Reflection  以下ＴＩＲと記す）することが知られている。そのため、側面１２、１３に入射する光線は、ＴＩＲにより反射する。もちろん側面１２乃至１５をアルミや銀合金などで、反射コートしても構わない。この場合、反射コート面に接着剤で、他の部品と接合させることが可能になる。【００２９】
次に、入射面６からの光が、４個の側面１２乃至１５と、４個の出射面８乃至１１を経由する光路について説明する。【００３０】
まず、入射面６、側面１２、出射面８の光路について説明する。図１において、入射面６は、光源２の中心を原点とした球の形状の一部である。このため、入射面６に入射する光源２の中心から出射した光は、入射面６に対して直角であるため、角度が曲がる影響などを受けず、光源２から出射したそのままの角度で側面１２に進行する。【００３１】
側面１２は、入射面から出射面側に向けて軸１９からの距離が大きくなる湾曲面である。本実施例では、側面１２は、軸２０を回転軸とする楕円体１７の一部である。通常、楕円体は、２個の焦点を有し、１個の焦点から出射した光線は、もう一方の焦点に結像する特性を持っている。光源２の中心と、照明領域３の端８５とをその２個の焦点に設定すると、光源２から出射した光を照明領域３の端８５に結像させることが可能になる。このため、側面１２で反射した光線は、端８５に向けて進行する。【００３２】
出射面８は、端８５を原点とした球の一部の形状である。出射面８に入射する光線は、端８５が焦点の光であるため、出射面８に対して直角になる。このため、光は、出射面８により角度が曲がる影響などを受けず、そのままの角度で端８５に進行する。【００３３】
すなわち、光源２の出射する平面と同じ角度（図１において軸１９と直角な方向の出射光）から、入射面５、６の境界で分割される角度までの範囲の光を所定の角度範囲（光の取込み角度制限による角度範囲、言い換えれば、光の取込み角度はＦナンバーの逆数に比例するので、Ｆナンバーの制限による角度範囲と言っても良い）の光として、端８５に照明させることができる。【００３４】
このように光源２を出射する外側の光を照明領域３の端に照明することで、集光体１は、光源２の外側の光を、所定の角度範囲に制限された光として照明領域３に照明可能になる。【００３５】
次に、入射面６、側面１３、出射面９の光路について説明する。側面１３は、側面１２と同様に、軸２１を回転軸とする楕円体１８の一部である。楕円体１８は、光源２の中心と、照明領域３の端８７とをその２個の焦点に設定している。また、出射面９は、出射面８同様に、端８７を原点とした球の一部の形状である。このため、光源２から出射した光は、端８７に結像する。
すなわち、軸２０、軸２１は、光源２で交わらすことで、照明領域の両端に光源２から出射した光を結像させることができる。【００３６】
同様に、入射面６、側面１４、出射面１０の光路と、入射面６、側面１５、出射面１１の光路も、側面１４、側面１５は、楕円体の一部であり、その楕円体は、光源２の中心と、照明領域３の端１１６または１１８とをその２個の焦点に設定しているため、光源２から出射した光は、各々、端１１６，１１８に相当する照明領域３の端に結像される。
集光体１は、図２の斜視図で示すように、出射面８乃至１１はその曲面形状が異なるため、その接合部でそれぞれ境界３２が発生する。同様に、側面１２乃至１５も形状が異なるため、その接合部にも境界３２が発生する。側面や出射面の境界３２は、軸１９を通る平行な面で分けられていることを意味する。
以上説明したように、光源２から出射した光は、集光体１により、内側の光が照明領域３に略平行な角度で照明され、一方、外側の光は、照明領域３の両端に集光される。【００３７】
また、集光体１は、面３３を形成し、光源基板４と接触させ、固定する面として利用しても良い。また、フランジ１６を設けて、照明装置２２とその他機構との固定する面として利用しても良い。面３３、フランジ１６も共に有効な光線が通過しない領域に設けられており、光のロスは無いといえる。【００３８】
図３は照明領域３の輝度分布を説明する図である。図３（Ａ）は出射面７から出射した光源２の内側の光が照明された輝度分布、図３（Ｂ）は出射面８乃至１１から出射した光源２の外側の光が照明された輝度分布、図３（Ｃ）は光源２から出射した内側と外側の光が照明された輝度分布を示している。図上段は、照明領域３の輝度の等高線を示したもので線が太いほど、輝度が大きいことを示す。図下段は、図上段で示した軸２５に投影させた輝度２６の分布を示したものである。【００３９】
内側の光は、輝度分布２７で示すように照明領域３の中心の輝度が大きく、外側に行くほど輝度が小さくなる。照明領域３が四角形のため、４隅の輝度が特に小さい。逆に輝度分布２８で示すように、外側の光は、照明領域３の４隅だけが輝度が大きい。このため、光源２から出射した光は、輝度分布２７と２８の合計となり、集光体１で輝度分布２９に示すように、全体の輝度を高められる。【００４０】
このように、通常のレンズを用いると４隅が暗くなるが、本実施例における集光体１を用いると４隅を明るくできる。これは、通常のレンズで利用できなかった外側の光を用いることで、効率良く照明領域３を照明できるからである。【００４１】
所定の光の取込み角度の制約がある虚像用の映像投射装置には、上述したように集光体１を用いて、光源２の中心の光を略平行にして、外側の光を照明領域の外から、所定角度範囲内の光を照明することで、光源２からの光を効率良く照明領域３に照明できる。【００４２】
なお、上記実施例は、楕円体の２個の焦点を、光源２と、照明領域の端にする例で記載したが、例えば、焦点を少し光源２や照明領域の平面内や、軸１９と平行な方向にずらしても、複数の楕円体の軸を異ならせることで、類似の効果が得られる。すなわち、回転体の軸は、光源と、照明装置の目標とする照明領域の中心と端の間を少なくとも通過すれば良い。【００４３】
以上のように、本実施例は、光源と、透明な材質で形成され光源からの光を集光して出射するための集光体とを備えた照明装置であって、集光体は、光源側の入射面と、光を出射する出射面と、入射面と出射面の間にある側面とを有し、側面は、入射面から出射面に向けて、光源中心からその発光面と直交する方向の光軸からの距離が大きくなる湾曲面であり、湾曲面の形状が異なる複数の湾曲面形状を有するように構成する。【００４４】
また、光源から出射した光を集光して出射する照明装置の照明方法であって、光源から出射する光を、光源中心からその発光面と直交する方向の光軸に対して直交する方向に光軸側である内側の光と光軸から離れる外側の光に分け、内側の光を照明装置の照明領域に略平行な角度で照明し、外側の光を照明領域の隅に焦点があうように集光するように構成する。【００４５】
これにより、省電力で明るく小型な照明装置、照明方法と、それを用いた映像投射装置を提供することができる。
【実施例２】
【００４６】
本実施例は、実施例１とは異なる構成の照明装置について説明する。本実施例における照明装置５２は、照明装置２２の他の例であり、集光体の側面の湾曲面を放物線にした点が異なる。【００４７】
図４は本実施例における照明装置５２の断面図である。図４において、照明装置５２は、集光体３１と光源２を有して構成されている。光源２から出射した光は、集光体３１で集光され、照明領域３に照明される。【００４８】
集光体３１は、透明な材質で成型された光学部品であり、光源２側の入射面３５，３６と光を出射する５個の出射面３７乃至４１（図中出射面３７乃至３９のみ記載）、４個の側面４２乃至４５（図中側面４２，４３のみ記載）で形成されている。【００４９】
また、入射面３５，３６、および５個の出射面３７乃至４１は、光の表面反射を防止して効率を向上する目的で、誘電体多層膜にて、反射防止膜を形成すると良い。【００５０】
光源２から出射した光は、集光体３１で軸４９を含む入射面３５と、軸４９に対して入射面３５の外側に配置された入射面３６に入射し、内側と外側の光に分割される。【００５１】
入射面３５で分割された内側の光は、出射面３７にて、略平行な光に変換され照明領域３に照明される。すなわち、入射面３５と出射面３７は、光源２を物点としたとき、出射した光を平行にするレンズ機能を有している。【００５２】
入射面３６で分割された外側の光は、側面４２で反射して、出射面３８を介して照明領域３に照明されるか、または側面４３で反射して、出射面３９を介して照明領域３に照明される。なお、図４には記載していないが、入射面３６で分割された外側の光は、同様に側面４４、４５で反射して、それぞれ出射面４０，４１を介して照明領域３に照明される。【００５３】
次に、入射面３６からの光が、４個の側面４２乃至４５と、４個の出射面３８乃至４１を経由する光路について説明する。【００５４】
まず、入射面３６、側面４２、出射面３８の光路について説明する。入射面３６は、光源２の中心を原点とした球の形状の一部である。このため、光源２から出射したそのままの角度で側面４２に進行する。側面４２は、入射面から出射面側に向けて軸４９からの距離が大きくなる湾曲面である。本実施例では、側面４２は、軸５０を回転軸とする放物線４７の一部であることを想定している。通常放物線は、１個の焦点を有し、その焦点から出射した光線は、平行になる特性を持っている。光源２の中心をその焦点とし、回転軸を軸５０のように所定の角度に傾けると、所定の角度に傾いた光線が得られる。このため、側面４２で反射した光線は、照明領域３に向けて所定の角度で進行する。【００５５】
出射面３８は、軸５０と直交した平面である。出射面３８に入射する光線は、軸５０と平行な光であるため、出射面３８に対して直角になる。このため、光は、出射面３８により角度が曲がる影響などを受けず、そのままの角度で照明領域３に進行する。【００５６】
同様に、入射面３６、側面４３乃至４５、出射面４０乃至４１の光路についても、側面４３乃至４５は、放物線の一部であり、その放物線は、光源２の中心を焦点に設定しているため、光源２から出射した光は、各々、照明領域３に向けて所定の角度で進行する。【００５７】
すなわち、外側の光は、照明領域３の両外側から所定の角度で照明されるため、内側の光を邪魔することなく、光源２の外側の光を照明領域３に照明できる。
また、集光体３１も、形状が異なる出射面と側面の接合部でそれぞれ境界が発生する。
上記説明したように、光源２から出射した光は、集光体３１により、内側の光が照明領域３に略平行な角度で照明され、一方、外側の光は、照明領域３の両端に照明領域３の外側から所定の角度で照明される。【００５８】
なお、集光体３１は、面３４を形成させ、光源基板４と接触させ、固定する面として利用しても良い。また、フランジ４６を設けて、照明装置５２とその他機構との固定する面として利用しても良い。面３４、フランジ４６も共に有効な光線が通過しない領域に設けられており、光のロスは無いといえる。【００５９】
所定の光の取込み角度の制約がある虚像用の映像投射装置には、上述したように集光体３１を用いて、光源２の中心の光を略平行にして、外側の光を照明領域の外から、所定角度範囲内の光を照明することで、光源２からの光を効率良く照明領域３に照明できる。
【実施例３】
【００６０】
本実施例は、実施例１とは異なる構成の集光体について説明する。本実施例における集光体６１は、集光体１の他の例であり、照明領域が長方形の場合に適している。【００６１】
図５は、本実施例における集光体６１の斜視図である。図５において、集光体６１は、透明な材質で成型された光学部品であり、光が入射する入射面６５、６６と、光を出射する５個の出射面６７乃至７１、４個の側面７２乃至７５（側面７４は図示無し）で形成されている。集光体６１の材質としては、図２で説明した集光体１と同様で良い。【００６２】
また、入射面６５、６６、出射面６７乃至７１は、光の表面反射を防止して効率を向上する目的で、誘電体多層膜にて、反射防止膜を形成すると良い。【００６３】
入射した光は、集光体６１で光の中心軸を含む入射面６５と、その軸に対して入射面６５の外側に配置された入射面６６に入射し、内側と外側の光に分割される。【００６４】
入射面６５で分割された内側の光は、出射面６７にて、略平行な光に変換され照明領域に照明される。すなわち、入射面６５と出射面６７は、光源を物点としたとき、出射した光を平行にするレンズ機能を有している。集光体１と異なり集光体６１の入射面６５と出射面６７は、縦と横で半径の異なるレンズである。このため、長方形の照明領域に効率良く光を照明できる。【００６５】
なお、領域６２は、照明領域を出射面側に投影した領域を図示したものである。【００６６】
通常の縦横比が等しいレンズの場合、照明される光も縦横比が等しくなり、縦横比の異なる照明領域には照明されない無駄な光が発生する。このため、縦横比を変えたレンズとしたことで効率を向上することが可能になる。【００６７】
また、出射する略平行な光が多いほど、光の取込み角度の制限された虚像を投射する映像投射装置用の照明装置としての効率を高められる。【００６８】
入射面６６で分割された外側の光は、側面７２乃至７５で反射して、出射面６８乃至７１を介して照明領域に照明される。【００６９】
側面７２乃至７５は、入射面から出射面側に向けて軸４９からの距離が大きくなる湾曲面であり、ここでは、楕円体の一部であることを想定している。各々一方の焦点を光源の中心に、もう一方の焦点を照明領域の各端に設定する。このため、光源から出射した外側の光を照明領域の端に結像させることが可能になる。【００７０】
また、出射面６８乃至７１は、照明領域の端を原点とした球の一部の形状である。このため、側面７２乃至７５を反射した光は、出射面６８乃至７１により角度が曲がる影響などを受けず、そのままの角度で照明領域の端に進行する。
集光体６１は、図５で示すように、出射面６８乃至７１、側面７２乃至７５は形状が異なるため、その接合部でそれぞれ境界３２が発生する。
以上説明したように、本実施例によれば長方形の照明領域においても、光源から出射した光を効率良く集光させることができる。【００７１】
なお、集光体６１も、光源基板と接触させる面と、フランジ７６を設けて、光源や他機構との固定する面として利用しても良い。共に有効な光線が通過しない領域に設けることで、光のロスを回避できる。【００７２】
所定の光の取込み角度の制約がある虚像用の映像投射装置には、上述したように集光体６１を用いて、光源２の中心の光を略平行にして、外側の光を照明領域の外から、所定角度範囲内の光を照明することで、光源２からの光を効率良く長方形の照明領域に照明できる。
【実施例４】
【００７３】
本実施例は、他の構成の照明装置について説明する。図６は、本実施例における照明装置８２の断面図である。図６において、照明装置８２は、集光体６１（実施例３で説明した集光体）と複数波長光源９１を有して構成されている。複数波長光源９１から出射した複数波長の光は、光積分器９３に入射し均一に混色される。光積分器９３を出射した光は、集光体６１で集光され、照明領域８３に照明される。照明領域８３は、表示装置として一般的なアスペクト比１６：９の長方形である。【００７４】
ここで、複数波長光源９１は、３種類の波長を出射する面発光型の光源であり、ここでは、赤、緑、青の波長帯の３個のチップを具備したＬＥＤを想定している。複数波長光源９１は、光源基板９２に搭載されており、光源基板９２を介して、電流を外部から供給することができる。【００７５】
複数波長光源９１の３個のチップは、異なる位置に配置される。このため、各チップの光軸が異なる。光積分器９３は、その異なる光軸を一致させるために配置されている。【００７６】
光積分器９３を出射した光は、前述したように、集光体６１で光軸９５を含む内側と外側の光に分割され、集光体６１により、内側の光が照明領域８３に略平行な角度で照明され、一方、外側の光は、照明領域８３の両端に集光される。【００７７】
なお、集光体６１の面９０は、トンネル機構９４と接触させ、そのトンネル機構９４は、光源基板９２と接触させ固定する。また、フランジ７６は、照明装置８２とその他機構との固定する面として利用しても良い。【００７８】
トンネル機構９４は、光積分器９３を軽圧入により固定する機構を想定している。光積分器９３と、トンネル機構９４を接着剤で固定すると、光積分器９３と接着剤の接触面での屈折率差が小さくなり、光が漏れ、光のロスが大きくなる。そのため、トンネル機構９４は、接着剤を使用せずに光積分器９３を固定できるため、効率が良い固定方法である。【００７９】
また、トンネル機構９４は、複数波長光源９１を出射して光積分器９３を介せず集光体６１を通り照明領域８３に進行する不要な光を除去できる遮光効果も有する。【００８０】
また、照明装置８２は、複数の波長を搭載しているため、照明領域８３の色を調整することができる。【００８１】
また、一般的にカラーフィルタの無い表示装置には、カラー化のため赤、緑、青の波長帯の光源が必要であり、照明装置８２は、斯様な表示装置に適している。【００８２】
図７は複数波長光源９１を説明する図である。複数波長光源９１は、赤、緑、青の波長帯の光を各々出射する第１波長光源９６、第２波長光源９７、第３波長光源９８が、幅ＷＬＥＤと高さＨＬＥＤの内側に三角形に配置されている。【００８３】
集光体６１の光軸（軸９５）と、第１波長光源９６、第２波長光源９７、第３波長光源９８の中心（軸９９、軸１００の交点）を一致させると、効率良く集光体６１で光を集光できる。【００８４】
また、光積分器９３の面１０２（幅Ｗ、高さＨ）よりもＷＬＥＤと高さＨＬＥＤを小さく設定すると、光積分器に効率良く伝達できる。【００８５】
また、光を短い距離で混色するには、光積分器９３の幅Ｗ、高さＨが小さいことが望ましい。このため、第１波長光源９６、第２波長光源９７、第３波長光源９８を三角形に配置している。【００８６】
図８は光積分器９３の斜視図である。光積分器９３は、長さＬ、高さＨ、幅Ｗの四角柱の形状をしており、その内部は所定の透明度の高い屈折率Ｎ１の媒質１で満たされている。また、光積分器９３は、面１０２乃至１０７がある。【００８７】
面１０２、１０３は、光が入射する面、または出射する面である。面１０４乃至１０７は、面１０２、１０３から入射した光をＴＩＲにより光積分器９３の内部に閉じ込める機能を有する側面である。【００８８】
光積分器９３の内部には、媒質１とは異なる屈折率２の透明度の高い媒質２で満たされた散乱素子１０１がランダムに充填されている。スネルの法則に従い、光線は、屈折率の異なる媒質を通過するときに、入射する角度とは異なる角度で出射する。散乱素子１０１は、その原理を用い、進行する光線の角度を変更させることで散乱させる機能を有する。屈折率１と屈折率２の差を大きくした方がスネルの法則に従い、より大きな拡散機能が得られる。【００８９】
散乱素子は、球状、またはその他の形状でも構わない。汎用品である球状とすることがコスト面からは望ましい。【００９０】
散乱素子を球状とした場合は、その直径が小さいほど光線の曲げられる角度が大きくなり、高い散乱性能が得られる。その直径は、入射する光線の波長より大きく、その波長の１０倍以下にすることが望ましい。【００９１】
散乱素子の直径が波長より小さいと、大きな散乱が得られる。しかし散乱素子に光線が当たる確立が小さくなるため、均質性を確保するため、散乱素子の充填率を増やすことになるが、効率の低下が問題となる。【００９２】
逆に直径が波長の１０倍以上になると、光線の変更できる角度が小さくなり、所望の混色性と均質性を得るため光積分器９３を長くすることになるが、目的とする小型化に寄与できなくなる。【００９３】
散乱素子を球状以外で、その散乱素子の表面に凹凸が無い場合は、概ね上記と同じことが言える。【００９４】
もちろん、散乱素子の表面に波長オーダーの微細構造を設けても良い。この場合は、形状を任意にして、散乱素子の最大直径を大きくしても、大きな散乱効果が得られることが期待できる。【００９５】
また、面１０２、１０３の高さＨ、幅Ｗは、入射する光線と略同等か、少なくとも取り付けの公差を考慮した最小のサイズとすることが望ましい。もちろん、面１０２、１０３の高さＨ、幅Ｗは、入射する光線と略同等とすることが最も望ましく、この場合は、取り付けの公差を考慮して、組立て時に調整すると良い。【００９６】
面１０２、１０３を出射する光線の輝度は、面積に反比例する。このため、入射する光線の面積に対し、入出射面の面積を２倍にすると、輝度が半分になる。また、面積を大きくすると閉じ込めの効果が落ち、混色性能も小さくなる。このため、さらに散乱素子の充填率を増加する必要があり、効率がさらに劣化する。【００９７】
逆に入射する光線より面１０２、１０３の面積を小さくすると、光線を取り込めなくなり、効率が低下する。【００９８】
以上から、面１０２、１０３の面積は、入射する光線サイズと略同等にして調整するか、組立ての公差を考慮して少なくとも２倍以下に設定した方が良い。【００９９】
面１０２、１０３の幅Ｗと高さＨは、幅Ｗ＞高さＨと定義する。この場合、長さＬは、幅Ｗの３倍より長くすると良い。【０１００】
通常の面光源は半値半幅が６０°のランバシアンの分布をしている。一般的な透明材料の屈折率を１．５とすると、スネルの法則に従えば光積分器９３の内部に取り込まれた光は±３５°の範囲内に分布しているといえる。３５°の光線は、幅Ｗの３倍の長さＬを進行すると、約２回反射することになる。すなわち、（式１）を満足することになる。【０１０１】
Ｌ×Ｔａｎ３５°≧２×Ｗ      …（式１）
約２回反射する程度の長さがあると、散乱素子１０１の充填率を調整することで、混色性と均質性を満たす事ができる。【０１０２】
なお、幅Ｗの３倍を越える長さＬに設定した場合は、充填率を減らす調整をすることで、混色性と均質性を満たしたままで効率を維持できる。【０１０３】
例えば、幅Ｗ、高さＨを１ｍｍ角とした場合、長さを４ｍｍ、散乱素子１０１の直径を約２μｍ、屈折率１を１．４８、屈折率２を１．５８とした場合、媒質１の総体積に対する散乱素子１０１の媒質２の総体積を０．５％乃至１．０％の範囲に設定すると良い。【０１０４】
また、面１０２、１０３は、略平行にすることが望ましい。垂直に入射する光の平均角度を保ったまま光の入出射が可能となり、効率の点で望ましい。【０１０５】
また、面１０２、１０３とは同じ形状にすることが望ましい。ＴＩＲによる光の漏れを低減すると共に、効率のよい反射を行うことができ、ロスを低減できる。【０１０６】
また、散乱素子１０１の充填率は、光と散乱素子１０１の衝突する平均的な距離である平均自由行程と反比例するものであり、光の透過率は、光と散乱素子が衝突した回数分落ちるため、平均自由行程に比例すると言える。すなわち、散乱素子１０１の充填率は、明るさに反比例する。散乱素子１０１を充填しすぎると、効率が落ちるため、混色性および均質性と効率を考慮して、散乱素子１０１の充填率を決めると良い。  
また、面１０４乃至１０７は、表面粗さを小さくすることが望ましい。表面粗さを小さくすることで面１０４乃至１０７からの漏れ光を低減し、高光量出力を可能とする。【０１０７】
長さ方向の表面粗さは、長さ方向と直交する方向よりも小さくすることが望ましい。これは、加工方法等（切削や成型）によって異方性のある荒れが発生しやすいが、光軸方向の表面粗さを小さくすることで、反射側面からの漏れ光を低減し、高光量出力を可能とする。【０１０８】
面１０２、１０３は、表面荒さを大きくしても良い。この場合、入出射面が荒れていることによって表面散乱による光の均一化が可能となる。【０１０９】
本実施例の光積分器は、媒質１と、媒質１とは異なる屈折率を有し、伝搬する光を散乱せしめる散乱素子（媒質２）が充填された構造であれば特に限定はないが、以下に説明する材料及び製造方法を用いることによって容易に得ることができる。【０１１０】
まず、媒質１の材質として、光を伝搬する観点から透明性の高い材料が選択される。本実施例ではアクリル系の光硬化樹脂を使用するが、透明度の高い材料であれば特に限定はなく、例えば、エポキシ系の熱硬化性の樹脂やアクリルやポリカーボネート等の熱可塑性樹脂や、ガラス等を使用しても良い。【０１１１】
光硬化性樹脂を用いると固形の媒質２を使用する際に該媒質２との混合が容易である観点、また硬化後に冷却や乾燥等の工程を必要としないため作業効率が向上する観点、所定の形状の光積分器を得られやすい観点からより好ましい。また、アクリル系の材料を使用すると透過率が高く、光の利用効率を高めることが可能となるため、より好ましい。【０１１２】
次に、媒質２は、媒質１中に、媒質１と異なる屈折率の粒子を混合させることによって効率良く得ることができる。媒質２の材質として、本実施例では、架橋ポリスチレン微粒子を使用するが、透明度の高い材料であれば、その他の材質のプラスチック粒子やガラス粒子等、他の材料を使用しても良い。ただし、光を散乱させるためには屈折率差があることが重要であるため、媒質１と媒質２との間で屈折率差は０．００５以上あることが望ましい。０．００５以上で０．０１５以下の範囲であると、媒質１と媒質２の比重を近接させやすくなり、媒質２を媒質１に混合させるのが容易である観点及び、効率の低下を抑えたうえで、散乱の効果も得られやすいという観点からより好ましい。ここで、媒質１と媒質２の屈折率を比較したときに、どちらの屈折率が大きくても良い。なお、本実施例における屈折率差とは、媒質１又は媒質２のうち、高屈折率である媒質１又は媒質２の屈折率と、低屈折率である材質２又は媒質１の屈折率の差分から算出される値とする。【０１１３】
次に、媒質２の粒径は、０．５μｍ以上で５μｍ以下の範囲であることが望ましい。これは、前述のように、粒径が小さいと光が散乱しすぎて光の取り出し効率が低下してしまい、粒径が大きいと光が散乱しにくいためである。また、粒径は略均一である方が望ましいが、９０％以上の粒子が上記粒径範囲内に含まれていれば効果は得られるため問題ない。【０１１４】
次に、媒質１と媒質２を一体化する方法としては、例えば液状の媒質１を用意し、次いで媒質１と媒質２を混合させ、それを所定の形状に光硬化させて製造する方法がある。なお、熱プレス、射出成形、削りだし等、他の方法でも製可能である。中でも液状の媒質１を用いると、媒質２を容易に混合させることができるため、より好ましく、媒質１に媒質２を混合させた状態も液状であると、所定の形状に加工しやすいためさらに好ましい。【０１１５】
製品形状の作成時には、製品の高さの板を製造後に外周を切断して製品サイズにしても良いし、製品サイズの空間を持つ型を製作して、型に樹脂を流し込んで硬化させて製造しても良い。【０１１６】
次に、表面粗さについて説明する。本実施例の光積分器の表面粗さ（Ｒａ；算術平均粗さ）は、側面の長さ方向では小さくすることが望ましい。これは光が側面にあたったときに側面の長さ方向で面が荒れていると、臨界角を超えて光が側面から抜けてしまうためである。長さ方向に垂直な方向では、光の伝搬に悪影響のない範囲で面が荒れていても良い。また光入射面や光出射面については、光の拡散が高まる効果が見込めるため、光の出射に悪影響のない範囲で面が荒れていても良い。以上の観点から、側面の光軸方向の表面粗さは０μｍ超〜２．０μｍであると良い。好ましくは、０μｍ超〜１．０μｍの範囲であるとより良く、０μｍ超〜０．５μｍであるとさらに良い。光入射面及び光出射面の表面粗さは、上記側面の表面粗さ以上であって、０．０１μｍ〜１０μｍであると良く、０．５μｍ〜５μｍであるとより良く、０．５μｍ〜３μｍであるとさらに良い。尚、側面の光軸に対して垂直方向の表面粗さは０μｍ超であって、上限は上述した光入射面及び光出射面の表面粗さで列挙した値以下であると良い。【０１１７】
側面の光軸（図中長さＬの方向）に対して垂直方向の表面粗さは上述の範囲内で小さい方が好ましいが、加工効率の観点から任意に選択して構わない。具体的には、例えば切削加工によって側面を形成する場合、切削方向の表面粗さと、切削方向と略垂直方向の表面粗さは、前者の切削方向の表面粗さの方が小さくなる傾向にあり、加工効率の向上のために切削速度等を変化させると、特に、切削方向と略垂直方向の表面粗さが荒くなる。この場合、切削方向を光軸方向とすることによって、作業効率を維持しつつ、光の伝搬効率を保持させることが可能となる。また、成形等を利用する場合であって、かつ成形鋳型側に切削痕等の表面粗さの方向性を有する場合、表面粗さは、光積分器に転写される。この場合も同様に、光軸方向を表面粗さの小さい方向とすることによって、良好な光の伝搬効率を保持させることが可能となる。【０１１８】
また、媒質２に固形の粒子を用いる場合、媒質２からなる散乱素子が側面から突出することによる凸部又は／及び散乱素子が側面から脱落した跡による凹部からなる凹凸が表面荒さに寄与する程度に存在すると、上述したように側面からの光の漏れが発生する一因となる。以上のことから、さらに側面の表面粗さ（Ｒａ）は、媒質２として導入する散乱素子の平均粒径の１／２以下であると良い。これは、光積分器の側面から散乱素子を突出させない状態又は、側面から突出する散乱素子を研磨や切断等を用いて切断し、平滑化しておくことによって実現できる。【０１１９】
例えば、媒質１として、日立化成（株）製ヒタロイド（登録商標）９５０１を使用する。これは、ウレタンアクリレート系の光硬化樹脂である。透明度の高く屈折率は１．４９である。また、媒質２として、積水化成品工業（株）製テクポリマー（登録商標）ＳＳＸ−３０２ＡＢＥを使用する。これは、架橋ポリスチレン樹脂でできた微粒子であり、形状は球形、平均直径は２μｍで、全体の略９５％の粒子が平均直径と０．５μｍ以内の差である単分散粒子である。透明度が高く屈折率は１．５９である。【０１２０】
幅Ｗ、高さＨが１．０５ｍｍ、長さＬが４．１５ｍｍ、媒質１の総体積に対する散乱素子の媒質２の総体積を０．５％とした場合の光積分器は、以下のように製造すれば良い。まず光硬化樹脂の中に、全体の体積の０．５％の微粒子を入れ、攪拌棒にて約１０分間攪拌する。攪拌後４時間以上の自然放置により、十分に脱泡する。底面および側面を金属板で囲むことにより、長さ５０ｍｍ、幅７ｍｍ、深さ１．０５ｍｍの空隙を作り、そこに樹脂を流し込み、上からガラス板を被せる。このとき、内部に空気が入らないようにする。その後、ガラス越しにＵＶランプを照射させ、樹脂を十分に硬化させる。その後製品を取り出して、ダイサー（ＤＡＣ５５２、株式会社ディスコ製）にて幅１．０５ｍｍ、長さ４．１５ｍに切り出す、ダイサーで側面を加工するときには、長さ方向に平行に刃を送り加工する。これは、ダイサーの加工スジが光積分器の長さ方向に沿って発生するようにして、側面の光軸方向の表面粗さを小さくし、光積分器からの光漏れを低減するためである。なお、側面は粒径；＃５０００のダイシングブレードを用い、回転数；３０，０００ｒｐｍ、切削速度；０．５ｍｍ／ｓの条件で加工し、光入出力面は、粒径；＃３０００のダイシングブレードを用い、回転数；３０，０００ｒｐｍ、切削速度；０．５ｍｍ／ｓの条件で加工した。側面の光軸方向の表面粗さはＲａ＝０．３μｍで、光軸垂直方向の表面粗さはＲａ＝１．０μｍ、光入出力面の表面粗さはＲａ＝２．０μｍであった。【０１２１】
側面を金属顕微鏡で拡大して観察したところ、切削面は、媒質２が側面から突出すること無く、粒子が分断されていた。また、非切削側面は、媒質２が側面から突出すること無く、媒質１に埋め込まれていた。【０１２２】
光源としては、ＬＥＤ（ＯＳＲＡＭ製  ＬＴＲＢ  Ｒ８ＳＦ）を使用する。１つのＬＥＤに赤、緑、青の３チップが搭載されたものであり、白色ＬＥＤと比較すると色再現性の向上が見込める。【０１２３】
以上のように、本実施例は、光源と集光体の間に、光源から出射した光を内面反射により均質化させる透明な材質で満たされた光積分器を配置させる。【０１２４】
これにより、照明装置８２は、照明領域８３において均質で色のムラが無い照明光を実現できる。また、集光体６１を用いることで効率良く集光できる。また、照明領域８３に照明する色を調整できるという効果がある。
【実施例５】
【０１２５】
本実施例は、実施例４の照明装置８２の複数波長光源９１と光積分器９３の他の例について説明する。【０１２６】
図９は、本実施例における複数波長光源１２２を説明する図であり、図１０は本実施例における光積分器１２３の斜視図である。【０１２７】
図９において、複数波長光源１２２は、赤、緑、青の波長帯の光を各々出射する第１波長光源９６、第２波長光源９７、第３波長光源９８が幅ＷＬＥＤと高さＨＬＥＤの内側に直線状に配置されている。そして、ＷＬＥＤ＞ＨＬＥＤの関係を有する長方形としている。【０１２８】
また、図１０において、光積分器１２３は、長さＬ、高さＨ、幅Ｗの四角柱の形状であるが、Ｗ＞Ｈの関係を有する長方形の断面形状としている。このように、本実施例は、照明領域８３に合わせて複数波長光源１２２と光積分器１２３を長方形にする。これにより、長方形の光積分器１２３から出射した光を照明領域８３により効率良く伝達することができる。【０１２９】
一般的に光源の面積と、単位立方角当たりの明るさの積は、保存されることが知られている。このため、光源と、光積分器と照明領域の縦横比を合わせると、光を伝達効率が向上する。
【実施例６】
【０１３０】
本実施例は、映像投射装置について説明する。図１１は、本実施例における映像投射装置１５０の断面図である。図１１において、映像投射装置１５０には、照明装置２２と、偏光素子１５１、１５４、表示装置１５２、投射体１５５を有している。なお、破線で記載した光進路１５６は、光線の進行を説明するのに補助するため記載した仮想線である。【０１３１】
光源２から出射した白色の光線は、集光体１により表示装置１５２の表示領域１５３に照明される。【０１３２】
光は、集光体１から、表示装置１５２に到達する前に、偏光素子１５１を進行し、所定方向の直線偏光の光に選択される。【０１３３】
ここで、表示装置１５２はカラーフィルタの付き透過型の液晶素子を想定している。表示装置１５２の表示領域１５３は映像が生成される領域を示している。【０１３４】
表示領域１５３は、画素毎に所定の偏光をその偏光とは垂直方向か平行方向かどちらかに変換する機能を有している。映像として有効にする場合は、偏光素子１５１で選択された方向と平行な偏光に変換する。【０１３５】
表示領域１５３を進行する映像として有効な光線と無効な光線は、偏光素子１５４に入射する。偏光素子１５４では、映像として有効な偏光の光線のみが通過し、無効な偏光の光線は吸収または反射する。【０１３６】
偏光素子１５４で映像として有効な光線だけが、投射体１５５に進行する。【０１３７】
投射体１５５は、投射レンズであり、表示領域１５３の映像をスクリーン、または人の網膜（図示無し）に拡大結像させる機能を持つ。図示では投射体１５５は、１枚で記載したが、投射する映像の拡大率や投射距離に応じて、さらに多くの枚数であっても構わない。【０１３８】
なお、投射体１５５は、表示装置１５２から遠ざかる方向と近づく方向に動かせる機構を持たせることが望ましい。このような機構により投射距離に応じて映像の結像位置を変えるフォーカス機能を備えることができる。【０１３９】
以上のように、本実施例は、実施例１で説明した照明装置を用いた映像投射装置であって、映像を生成する表示装置と、表示装置で生成された映像を投射する投射体を備え、集光体からの光を表示装置に照明することで、光の伝達効率の良い映像投射装置が実現できる。
【実施例７】
【０１４０】
本実施例は、実施例６の映像投射装置１５０の他の例について説明する。図１２は、本実施例における映像投射装置１６０の断面図である。図１２において、映像投射装置１６０には、実施例６と同様の照明装置２２と、偏光分岐素子１６１、表示装置１６２、投射体１６５を有する。なお、破線で記載した光進路１６６は、光線の進行を説明するのに補助するため記載した仮想線である。【０１４１】
光源２から出射した白色の光線は、集光体１により表示装置１６２の表示領域１６３に照明される。【０１４２】
光は、集光体１から、表示装置１６２に到達する前に、偏光分岐素子１６１を進行し、所定方向の直線偏光の光に選択される。偏光分岐素子１６１は一般的な多層膜により偏光特性を持たせたプリズムを想定している。【０１４３】
表示装置１６２はカラーフィルタの付き反射型の液晶素子（ＬＣＯＳ）を想定している。表示装置１６２の表示領域１６３は映像が生成される領域を示している。【０１４４】
表示領域１６３は、画素毎に所定の偏光をその偏光とは垂直方向か平行方向かどちらかに変換する機能を有している。映像として有効にする場合は、偏光素子分岐１６１で選択された方向と直交な偏光に変換する。【０１４５】
表示領域１６３を進行する映像として有効な光線と無効な光線は、偏光分岐素子１６１に再度入射する。偏光分岐素子１６１では、映像として有効な偏光の光線のみが反射し、無効な偏光の光線は通過する。【０１４６】
偏光分岐素子１６１で映像として有効な光線だけが、投射体１６５に進行する。【０１４７】
投射体１６５は、投射レンズであり、表示領域１６３の映像をスクリーン、または人の網膜（図示無し）に拡大結像させる機能を持つ。図で投射体１６５は、１枚で記載したが、投射する映像の拡大率や投射距離に応じて、さらに多くの枚数であっても構わない。【０１４８】
なお、投射体１６５は、光学的に表示装置１６２から遠ざかる方向と近づく方向に動かせる機構を持たせることが望ましい。このような機構により投射距離に応じて映像の結像位置を変えるフォーカス機能を備えさせることができる。【０１４９】
本実施例によれば、照明装置２２を用いることで、光の伝達効率の良い映像投射装置１６０が実現できる。
【実施例８】
【０１５０】
本実施例は、実施例６の映像投射装置１５０の他の例について説明する。【０１５１】
図１３は、本実施例における映像投射装置１７０の断面図である。図１３において、映像投射装置１７０には、照明装置８２、偏光素子１７６、１７７、表示装置１７２、投射体１７８、反射体１７１、出射窓１７４、光検出器１７５を有している。なお、破線で記載した光進路１５６は、光線の進行を説明するのに補助するため記載した仮想線である。【０１５２】
照明装置８２は、実施例４で説明した照明装置であって、複数波長光源９１と光積分器９３と集光体６１を有している。照明装置８２から出射した３個の波長の光は、偏光素子１７６に進行し、所定方向の直線偏光の光に選択される。【０１５３】
偏光素子１７６で所定方向の偏光に選択された光は、表示装置１７２に照明される。【０１５４】
ここで表示装置１７２はカラーフィルタの無い透過型の液晶素子を想定している。このため、カラーフィルタの有る液晶と比べ画素を１／３にできるため、高い解像度の映像が実現できる。表示装置１７２の表示領域１７３は映像が生成される領域を示している。なお、カラー化は、複数波長光源９１にある赤、緑、青の波長帯の光を時間毎に光らせるフィールドシーケンシャルカラー技術で実現される。【０１５５】
表示領域１７３は、画素毎に所定の偏光をその偏光とは垂直方向か平行方向かどちらかに変換する機能を有している。映像として有効にする場合は、偏光素子１７６で選択された方向と平行な偏光に変換する。【０１５６】
表示領域１７３を進行する映像として有効な光線と無効な光線は、偏光素子１７７に入射する。偏光素子１７７では、映像として有効な偏光の光線のみが通過し、無効な偏光の光線は吸収または反射する。【０１５７】
偏光素子１７７で映像として有効な光線だけが、反射体１７１で反射し、投射体１７８に進行する。【０１５８】
反射体１７１は、映像を曲げる機能を有する。図示のようなプリズムか、単純な反射ミラーなどで実現できる。映像が歪まないよう光線の通過する面の面精度を確保することが望ましい。【０１５９】
投射体１７８は、複数枚のレンズを要する投射レンズであり、表示領域１７３の映像をスクリーン、または人の網膜（図示無し）に拡大結像させる機能を持つ。なお、図１３では、１枚組で記載したが、投射する映像の拡大率や投射距離に応じて、さらに多くの枚数であっても構わない。【０１６０】
また、投射体１７８は、光学的に表示装置１７２から遠ざかる方向と近づく方向に動かせる機構を持たせることが望ましい。このような機構により投射距離に応じて映像の結像位置を変えるフォーカス機能を備えさせることができる。【０１６１】
投射体１７８を出射した光は、出射窓１７４を経てスクリーン、または人の網膜（図示無し）に投射される。【０１６２】
出射窓１７４は、外部から埃や水滴などが入ることを防止する機能を有する。光学的に透明な平板であり、効率のロスが減るように赤から青の領域（波長４３０ｎｍ〜６７０ｎｍの範囲）で反射防止膜を形成することが望ましい。【０１６３】
また、映像投射装置１７０には、光検出器１７５が搭載されており、複数波長光源９１から出射する光を検出することができる。この光検出器１７５により、複数波長光源９１から出射する光の初期値を記憶しておいて、温度や経時劣化などで、光量が変化したときにフィードバック制御が出来る構成になっている。【０１６４】
なお、その他の構成として、投射体１７８を偏光素子１７７と反射体１７１の間に設け、偏光素子１７７で映像として有効な光線だけを投射体１７８に進行させ、投射体１７８を出射した光は、反射体１７１で反射し、出射窓１７４を経てスクリーン、または人の網膜に投射させるようにしても良い。
【実施例９】
【０１６５】
本実施例は、映像投射装置の応用例について説明する。図１４は、本実施例における映像投射装置の応用例を説明する図である。図１４において、図１４（Ａ）はＨＭＤ２０２、図１４（Ｂ）は小型プロジェクタ２０５、図１４（Ｃ）はＨＵＤ２０９の例を示している。【０１６６】
図１４（Ａ）において、ＨＭＤ２０２は、使用者２００の頭部に装着されており、ＨＭＤ２０２の内部に搭載された映像投射装置２０１から使用者２００の眼に映像が投射される。使用者は、空中に浮かんでいるような映像である虚像２０３が視認できる。【０１６７】
図１４（Ｂ）において、小型プロジェクタ２０５は、内部に搭載された映像投射装置２０４からスクリーン２０７に映像２０６が投射される。使用者２００はスクリーンに映った映像を実像として視認できる。【０１６８】
図１４（Ｃ）において、ＨＵＤ２０９は、内部に搭載された映像投射装置２０８から映像が虚像生成素子２１０に投射される。虚像生成素子は、一部の光を透過させ、残りを反射させるビームスプリッタの機能と、曲面構造であり、使用者２００の眼に映像を直接投射することで虚像を生成するレンズ機能も有している。使用者２００は、空中に浮かんでいるような映像である虚像２１１が視認できる。このようなＨＵＤは、車の運転手用のアシスト機能や、デジタルサイネージなどに適用が期待されている。【０１６９】
いずれの装置においても、小型で、明るい映像投射装置が望まれている。本実施例で説明した映像投射装置は、小型化と、明るさの向上に寄与できる。
【実施例１０】
【０１７０】
本実施例は、実施例６から８で説明した映像投射装置を用いたＨＭＤについて説明する。図１５は、本実施例におけるＨＭＤ２０２を説明する図である。図１５（Ａ）はＨＭＤ２０２の斜視図であり、映像投射装置２１２、出射窓２２３、投射体２２６を有している。図１５（Ｂ）は、説明のために、映像投射装置２１２を透かしてその内部を示した斜視図である。映像投射装置２１２は、照明装置８２、偏光分岐素子２２１、表示装置２２２を有する。なお、破線で記載した光進路２２４は、光線の進行を説明するのに補助するため記載した仮想線である。【０１７１】
図１５（Ｂ）において、照明装置８２から出射した３個の波長の光は、偏光分岐素子２２１に進行し、所定方向の直線偏光の光に選択される。【０１７２】
偏光分岐素子２２１で所定方向の偏光に選択された光は、表示装置２２２に照明される。【０１７３】
ここで表示装置２２２はカラーフィルタの無い透過型の液晶素子を想定している。このため、カラーフィルタの有る液晶と比べ画素を１／３にできるため、高い解像度の映像が実現できる。表示装置２２２の表示領域は映像が生成される領域を示している。なお、カラー化は、照明装置８２内の複数波長光源９１（図示無し）にある赤、緑、青の波長帯の光を時間毎に光らせるフィールドシーケンシャルカラー技術で実現される。【０１７４】
表示領域は、画素毎に所定の偏光をその偏光とは垂直方向か平行方向かどちらかに変換する機能を有している。映像として有効にする場合は、偏光分岐素子２２１で選択された方向と直交な偏光に変換する。【０１７５】
表示領域を進行する映像として有効な光線と無効な光線は、偏光分岐素子２２１に再入射する。偏光分岐素子２２１では、映像として有効な偏光の光線のみが反射し、無効な偏光の光線は通過する。【０１７６】
偏光分岐素子２２１で映像として有効な光線だけが、出射窓２２３を経て投射体２２６に進行する。【０１７７】
投射体２２６には、ホログラム２２５が一部に形成されており、表示領域の映像を眼に虚像を結像させる機能を持つ。【０１７８】
ホログラム２２５は、回折素子であり、入射した光の一部を反射させ、その反射した光に所定の位相を付与することができることが知られている。ホログラム２２５は、その位相を利用したレンズ機能がある。【０１７９】
なお、投射体２２６は、眼鏡のようなプレート形状をしており、映像投射装置２１２の機構に固定されている。このため、投射体２２６は、照明装置８２を含む機構と、ホログラム２２５を連結させる機能を含んでいる。
また、投射体２２６は、ハードコートをして、油が付きにくくすると良い。【０１８０】
また、投射体２２６は、映像のコントラストを向上するため、外光の入射を抑制するための多層膜を形成しても良い。また、外光の明るさに応じて、透過率が変わるような構成であることが望ましい。このような機能は、液晶シャッターや、調光硝子などで実現できる。【０１８１】
出射窓２２３は、外部から埃や水滴などが入ることを防止する機能を有する。光学的に透明な平板であり、効率のロスが減るように赤から青の領域（波長４３０ｎｍ〜６７０ｎｍの範囲）で反射防止膜を形成することが望ましい。【０１８２】
また、映像投射装置２１２には、光検出器を搭載し、複数波長光源９１から出射する光を検出し、温度や経時劣化などで、光量が変化したときにフィードバック制御が出来る構成にしても良い。【０１８３】
以上のように、本実施例は、実施例１で説明した照明装置を用いた映像投射装置であって、映像を生成する表示装置と、表示装置で生成された映像を投射する投射体を備え、集光体からの光を表示装置に照明し、投射体は、虚像を使用者が視認できるように映像投射装置から投射する映像を光学的に発散させる。これにより、光の伝達効率の良い虚像を投射する映像投射装置が実現できる。
【実施例１１】
【０１８４】
本実施例は、実施例６から８で説明した映像投射装置を用いたスマートフォンについて説明する。図１６は、本実施例におけるスマートフォン２５１を説明する図である。図１６（Ａ）は正面図、図１６（Ｂ）は側面図を示している。【０１８５】
図１６（Ａ）において、スマートフォン２５１は、表示と静電容量を利用し指で操作する２機能を持つ表示兼操作装置２５２、制御用の操作ボタン２５４、外部を撮影する撮像装置２５５、映像投射装置１７０を備えている。【０１８６】
また、図１６（Ｂ）に示すように、映像投射装置１７０は、矢印２５７の方向へ、虚像が投射できる。なお、映像投射装置１７０は、投射体１７８、反射体１７１、出射窓１７４を有している。また、投射体１７８は、反射体１７１から遠ざかる方向と近づく方向に動かせる機構２５８を持たせることで、投射距離に応じて映像の結像位置を変えるフォーカス機能を備えさせることができる。【０１８７】
また、図１６（Ａ）に示すように、映像投射装置１７０は、矢印２５６の方向に回転できる回転機構（図示せず）を具備させ、上方や後方に映像の投射する方向を選択できると良い。【０１８８】
このような、モバイル用途の装置を実現するには、装置全体が小型化であるのが好ましい。また、バッテリーを持続して使用するには高い光利用効率が求められる。本実施例における映像投射装置１７０は、斯様なニーズを実現できる。【０１８９】
図１７はスマートフォン２５１の使用シーンを説明する図である。使用者２００は、スマートフォン２５１の出射窓１７４を覗き込むと、映像投射装置１７０で生成された虚像２６１を視認できる。【０１９０】
映像投射装置１７０をスマートフォン２５１に搭載することで、スマートフォン２５１の表示兼操作装置２５２の映像だけでなく、虚像２６１も同時に見ることができる。また、虚像２６１の大きさは、スマートフォンの表示エリアより大きくできる効果が得られる。【０１９１】
近年スマートフォンで大きな映像が見たいニーズがあり、映像が表示されるエリアの大型化が進んでいる。しかし、携帯性を重視して小型のスマートフォンを選択するニーズもある。本実施例におけるスマートフォン２５１は、小型でありながら、映像は大きくできるため、両方のニーズを満たすことができる。【０１９２】
また、通常のスマートフォンは指で操作できる。表示兼操作装置２５２上の指の動作を映像上のポインタ２５９として表示することで、映像２６１を見ながら使用者２００は操作できる。この際には、表示兼操作装置２５２上の映像を動作させるか、映像２６１を動作させるかを切り替えるアイコンを表示兼操作装置２５２上に設けて制御しても良い。もちろん操作ボタン２５４による制御でも構わない。【０１９３】
図１８はスマートフォン２５１のシステムを説明する図である。図１８において、スマートフォン２５１は、光検出器１７５、複数波長光源９１、複数波長光源を制御するための設定値を記憶させたデータテーブル２６９を備えた映投射装置１７０、コントローラ２７２、通信装置２７３、外光センサ２７４、センシング装置２７５、電力供給回路２７６、撮像装置２５５、制御回路２７９、映像回路２７１、操作ボタン２５４、表示兼操作装置２５２を備える。【０１９４】
通信装置２７３は、ＷｉＦｉ（登録商標）やＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）のようなインターネット上の情報や使用者２００が所持している電子機器などの外部サーバ２８０とアクセスして外部情報を取得する機能を有している。外光センサ２７４は、外部の明るさを取得する機能を有している。表示兼走査装置２５２は、使用者２００に情報を表示すると共に、指で操作する操作情報を取得する機能を有している。また、センシング装置２７５は、圧電素子や静電容量などの原理で加速度を検知する加速度センサやＧＰＳなどで外部環境をセンシングする機能を有している。電力供給回路２７６は、バッテリーなどから電力を供給する機能を有している。撮像装置２５５は、カメラなどで、外界映像を取得するも機能を有している。制御回路２７９は、操作ボタン２５４や表示兼操作装置２５２から使用者２００が操作したい情報を検知する機能を有している。映像回路２７１は、使用者２００の操作に応じて表示兼操作装置２５２や映像投射装置１７０用に映像情報を変換する機能を有している。そして、コントローラ２７２は、制御回路２７９から得られる使用者２００が操作した情報に応じて、個別の装置、回路をコントロールするメインチップである。【０１９５】
例えば、センシング装置２７５で得られた情報を元にコントローラ２７２は、スマートフォン２５１の配置されている場所を検出し外部サーバ２８０から周囲の情報を選択し、映像投射装置１７０や表示兼操作装置２５２を駆動して、選択した情報を映像として使用者２００に表示する機能を有していても良い。【０１９６】
また、電源供給回路２７６は、コントローラ２７２を介し装置に必要な電力を供給する。このときコントローラ２７２は、必要性に応じて、必要な装置、回路にのみ電力を供給することで節電する機能を有していることが望ましい。【０１９７】
また、コントローラ２７２は、映像投射装置１７０内にある光検出器１７５からの光量情報をモニタし、複数波長光源９１の出力を制御する機能を有していることが望ましい。【０１９８】
また、コントローラ２７２は、表示兼操作装置２５２のアイコンが操作された情報が制御回路から送られると、映像回路でポインタを映像上に表示するように操作し、映像装置１７０を動作させる機能も持つ。【０１９９】
図１９はスマートフォン２５１の動作フローを説明する図である。ここでは、撮像装置２５５で撮影した映像に仮想現実感（以下ＡＲと記す）を付与した映像を視聴する動作フローについて説明する。【０２００】
図１９において、使用者２００がＡＲ映像を表示兼操作装置２５２で入力する（図中２９０）。コントローラ２７２は、制御回路２７９から操作情報を入手して、必要な情報処理を行う（図中２９１）。また、複数波長光源９１を駆動し発光させる（図中２９２）。光検出器１７５の信号を利用し、データテーブルの情報に基づき色調整を行う（図中２９３）。【０２０１】
コントローラ２７２は、複数波長光源９１を操作すると同時に撮像装置２５５で外界の映像を取得する（図中２９７）。また、センシング装置２７５で使用者２００の位置情報を取得し（図中３０１）、通信装置２７３で外部サーバ２８０から外部情報を取得する（図中３０２）。【０２０２】
コントローラ２７２は、映像回路２７１を駆動し、外部情報、外界映像情報を画像処理する（図中２９８）ことで、ＡＲ映像や音声を生成する（図中３００）。生成されたＡＲ映像を表示装置により映像を投射する（図中２９４）。そして、使用者２００が映像を視聴する（図中２９５）。【０２０３】
次に、図２０を用いて映像投射装置１７０の複数波長光源９１の調整フローについて説明する。図２０（Ａ）は、色調整のフローである。【０２０４】
図２０（Ａ）において、まず、出荷前の初期値設定時に、映像投射装置１７０から出射される画像を指定の色座標になるよう複数波長光源９１の赤、緑、青の波長帯の光量Ｉ０（Ｒ）、Ｉ０（Ｇ）、Ｉ０（Ｂ）をデータテーブル２６９に格納しておく。コントローラ２７２から映像投射装置１７０の映像投射する命令を受けると、映像投射装置１７０は複数波長光源９１の発光を始める（図中３１１）。次に光検出器１７５で複数波長光源９１の光量Ｉ１（Ｒ）、Ｉ１（Ｇ）、Ｉ１（Ｂ）を検知する（図中３１２）。検知した光量Ｉ１（Ｒ）、Ｉ１（Ｇ）、Ｉ１（Ｂ）と初期の光量Ｉ０（Ｒ）、Ｉ０（Ｇ）、Ｉ０（Ｂ）を比較することで指定の色座標からの誤差がないかチェックする（図中３１３）。【０２０５】
映像投射装置１７０が動作中である限り、色座標の誤差が無い場合は、所定の時間を置いて（図中３１５）、再度光検出器１７５で光量を検知する（図中３１３）調整フローを繰り返す。【０２０６】
ＬＥＤのような半導体光源は、温度により、出力が変化する特性がある。このため、環境の温度変化や、複数波長光源９１近傍に配置された電子回路の発熱などで、複数波長光源９１から出射される各色の光出力が変化する。出力が変化した場合は、誤差が補正されるように複数波長光源９１内の第１波長光源９６、第２波長光源９７、第３波長光源９８の光量を制御する（図中３１４）。光量の制御は、駆動電流を変える方法や、発光時間を変えるなどの方法で実現できる。【０２０７】
光量制御の調整が完了した後に、再度光量を検知し（図中３１２）所定の色になっているかをチェックする（図中３１３）。【０２０８】
このように映像投射装置１７０は色座標が一定の範囲を超えないようにフィードバック制御することが望ましい。【０２０９】
前述した光積分器９３は、樹脂であることを想定している。このため、経時的劣化や、紫外線を受けるなどの劣化で、透過率が落ちることが想定される。また、複数波長光源９１が経時劣化して発光する光量自体が落ちることも想定される。斯様な場合に備えて、明るさの制御を行う方法について図２０（Ｂ）を用いて説明する。【０２１０】
図２０（Ｂ）において、コントローラ２７２から映像投射装置１７０の映像投射する命令を受け、映像投射装置１７０は複数波長光源９１の発光を始める（図中３１６）。次に光検出器１７５で複数波長光源９１の光量Ｉ２（Ｒ）、Ｉ２（Ｇ）、Ｉ２（Ｂ）を検知する（図中３１７）。検知した光量Ｉ２（Ｒ）、Ｉ２（Ｇ）、Ｉ２（Ｂ）の加算値ＩＴ２と初期の光量Ｉ０（Ｒ）、Ｉ０（Ｇ）、Ｉ０（Ｂ）の加算値ＩＴ０を比較する（図中３１８）。【０２１１】
光量の差が所定の設定値より小さい場合は、複数波長光源９１か光検出器９３のどちらかが劣化したものと想定し、初期の光量Ｉ０（Ｒ）、Ｉ０（Ｇ）、Ｉ０（Ｂ）をＩＴ２とＩＴ０の比率に応じて初期光量の設定を光量Ｉ０‘（Ｒ）、Ｉ０‘（Ｇ）、Ｉ０‘（Ｂ）に変更してデータテーブル２６９の設定値を更新する（図中３１９）。【０２１２】
設定値の更新後に、再度、光検出器１７５で複数波長光源９１の光量Ｉ２（Ｒ）、Ｉ２（Ｇ）、Ｉ２（Ｂ）を検知する（図中３１７）。検知した光量Ｉ２（Ｒ）、Ｉ２（Ｇ）、Ｉ２（Ｂ）の加算値ＩＴ２と初期の光量Ｉ０‘（Ｒ）、Ｉ０‘（Ｇ）、Ｉ０‘（Ｂ）の加算値ＩＴ０‘を比較する（図中３１８）。【０２１３】
光量の差が所定の設定値の範囲内であることが確認できた場合は、次に光検出器１７５で、光量Ｉ３（Ｒ）、Ｉ３（Ｇ）、Ｉ３（Ｂ）を検知する（図中３２０）。検知した光量Ｉ３（Ｒ）、Ｉ３（Ｇ）、Ｉ３（Ｂ）と再設定された初期の光量Ｉ０‘（Ｒ）、Ｉ０‘（Ｇ）、Ｉ０‘（Ｂ）を比較することで所定の色からの誤差がないかチェックする（図中３２１）。【０２１４】
映像投射装置１７０が動作中である限り、色座標の誤差が無い場合は、所定の時間を置いて（図中３２３）、再度光検出器１７５で光量を検知する（図中３２０）調整フローを繰り返す。【０２１５】
光量の出力に誤差がある場合は、誤差を補正するように複数波長光源９１内の第１波長光源９６、第２波長光源９７、第３波長光源９８の光量を制御する（図中３２２）。【０２１６】
光量制御の調整が完了した後に、再度光量を検知し（図中３２０）所定の色座標になっているかをチェックする（図中３２１）。経時劣化による明るさの変化は、起動時だけチェックすることで補正できるので、起動時以外は、図中３２０から３２３のフローを繰り返し制御すれば良い。【０２１７】
以上、図２０（Ｂ）に示したように、色と明るさもモニタすることで、経時劣化による明るさ低下による色座標の調整ができなくなる不具合を回避できる。
【実施例１２】
【０２１８】
本実施例は、実施例１から４とは異なる構成の照明装置について説明する。【０２１９】
図２１は、本実施例における照明装置５０１の斜視図である。照明装置５０１は、レンズ５０２、リフレクタケース５０３、５０４、光積分器５０７、複数波長光源５０８、フレキシブル光源基板５０６を有して構成されている。【０２２０】
図２２は、本実施例における照明装置５０１の展開図である。照明装置５０１の出射光側を正面としたときに、図２２（Ａ）はフレキシブル光源基板５０６側から見た背面図、図２２（Ｂ）は側面図、図２２（Ｃ１）はレンズ５０２側から見た正面図、図２２（Ｃ２）は、レンズ５０２を取り外した場合の正面図を示している。図２２に示すように、リフレクタケース５０３、５０４を、境界５６１で張り合わせ、後述するように、光源からの光を導くと共に、レンズ５０２を保持する。【０２２１】
図２３は、本実施例における照明装置５０１の断面図であり、図２１のＡ−Ａ線での矢印方向から見た断面図を示している。【０２２２】
複数波長光源５０８は、前述した複数波長光源９１と同様に、３個の波長を出射する面発光型の光源であり、ここでも、赤、緑、青の波長帯のチップを具備したＬＥＤを想定している。また、フレキシブル光源基板５０６は、いわゆるフレキシブルプリント基板のことであり、外部との電気的な接合に利用できる。複数波長光源５０８は、フレキシブル光源基板５０６に搭載されており、フレキシブル光源基板５０６を介して、電流を外部から供給することができる。【０２２３】
複数波長光源５０８から出射した光は、光積分器２０７に入射し均一に混色される。光積分器５０７は、前述した光積分器９３と同様に、散乱素子（図示無し）がランダムに充填されており、散乱の機能と側面による内部閉じ込めの機能により、高効率に混色させることができる。【０２２４】
図２３に示すように、光積分器５０７を出射した光は、レンズ５０２、またはリフレクタケース５０３、５０４の反射放物面５１６、５１７を介し、図２１に示す照明領域５４３に照明される。照明領域５４３は、表示装置として一般的なアスペクト比１６：９の長方形を想定している。【０２２５】
また、リフレクタケース５０３、５０４には、各々反射放物面５１６、５１７がある。放物線をｙ＝ａ×＾２（ハット２）とおいた時に、反射放物面５１６、５１７は、共に同じ係数、原点を持つことを想定している。すなわち、放物線の焦点が光積分器５２５の出射面とし、放物線の原点が点５２５と設定する。このため、光積分器５０７から出射した光は、放物面５１６、５１７により略平行な光に変換される。【０２２６】
反射放物面５１６、５１７は、光を反射する面でもあり、高い反射率を実現するため誘電体多層膜で実現することが望ましい。もちろんアルミや銀などの金属コートでも良い。【０２２７】
図２４は、レンズ５０２の展開図であり、正面図と側面図を示している。図２４に示すように、レンズ５０２は、透明な材質で成型された光学的凸レンズであり、光積分器５０７から出射した光を略平行な光に変換する機能がある。レンズ５０２の入射面であるフラット面５３２と出射面であるレンズ面５３１は反射防止コートをするのが望ましい。レンズ５０２の焦点は、光積分器５２５の出射面に略一致させ、レンズ面５３１は、光積分器５２５出射面の光を効率良く略平行にできるよう非球面化することが望ましい。【０２２８】
また、レンズ５０２は、レンズを固定するために、レンズ面５３１の外側の一部にコバ５１０、５１１を有している。【０２２９】
図２５は、リフレクタケース５０３の斜視図である。リフレクタケース５０３と５０４は同じ形状のものを面５３６で対称に張り合わせたものである。このため、図２１、２２における境界５６１は、張り合わせた時の境界を示すものである。【０２３０】
なお、リフレクタケース５０３、５０４は、少なくとも光を遮る不透明な材質が望ましい。また、軽量化を図るため、樹脂が望ましい。例えば、黒色着色したポリカーボネートなどで簡単に実現できる。【０２３１】
また、リフレクタケース５０３、５０４は、前述の反射放物面という光学機能だけでなく、レンズ５０２、光積分器５０７、複数波長光源５０８、フレキシブル光源基板５０６を固定するケースとしての機能も有する。
また、リフレクタケース５０３、５０４は、レンズ５０２用の支持機構５１２、５１４、光積分器５０７用の支持機構５３５、複数波長光源５０８用の支持機構５３７、フレキシブル光源基板５０６用の支持機構５３８を有する。【０２３２】
リフレクタケース５０３、５０４各々が有する支持機構５１２，５１３、５１４、５１５に前記したレンズ５０２のコバ５１０、５１１を介してレンズ５０２は固定される。すなわち、図２３、２５から明らかなように、反射放物面５１６、５１７を形成する空間内にレンズ５０２を配置し、レンズで混色した光を略平行な光に変換できなかったレンズが取りこぼした光を反射放物面５１６、５１７で略平行な光に変換するように構成している。【０２３３】
表示装置のアスペクト比１６：９（水平：垂直）の場合は、垂直側が短い。したがって、コバ５１０、５１１はその垂直側と略平行になるように設ける。この場合、図２３のように照明装置２３の水平断面を見たときにレンズ５０２が浮いたように見える。光積分器５０７から出射した光のうち、レンズより出射方向側にある反射放物線５１６、５１７のエリア５５１、５５２まで有効活用できる。出射する略平行な光が多いほど、光の取込み角度の制限された虚像を投射する映像投射装置用の照明装置としての効率を高められる。
また、支持機構５１９は、照明装置５０１を他の虚像装置に搭載するときの、位置決めなどに利用するため設けている。【０２３４】
図２６は、積分器から出射する光の横軸出射角度に対する縦軸強度を示したグラフである。縦軸は角度０の時の強度で規格化してある。通常面発光型の光源から出射した光は前方の全方位に進行する。このため、複数波長光源５０８から出射した光も線５４１に示すような前方に向けて進行する。光積分器５０７から出射する光は、出射角が大きい範囲の光が出射角の小さい範囲の光に変換されるため、線５４２で図示したように、角度の強度分布の山が狭くなる。
光積分器５０７を使う場合、角度の小さい光が増えるため、角度の広い光よりも角度が狭い光の効率を高めた方が照明領域５４３を均一にできるといえる。【０２３５】
このため、前述のように、レンズ５０２を反射放物面５１６、５１７を形成する空間内に配置する構成をとっており、角度の小さい光をレンズ５０２で平行光として照明領域５４３に取り込むと共に、逃げていく光もエリア５５１、５５２で略平行光として取り込むことで有効利用できる。つまり照明装置５０１は光積分器５０７と組み合わせた場合、より効率を高められる効果が得られる。【０２３６】
なお、リフレクタケースの反射放物面は、実施例１で説明したような照明領域の４隅と、光積分器５０７の出射面に焦点があるような楕円の形状にしても構わない。この場合、４隅の明るさの効率をより高められる。【０２３７】
また、レンズ５０２は、入射面をフラット面５３２、出射面をレンズ面５３１としたが、逆に、入射面をレンズ面、出射面をレンズ面としても良い。また、入射面、出射面を共にレンズ面としても構わない。【０２３８】
また、リフレクタケース５０３は、光積分器５０７用の支持機構５３５も反射コートすると良い。この場合、光積分器５０７で閉じ込めきれず漏れる光をリサイクルする効果が得られる。上記で説明したように、リフレクタケース５０３を分割しているため、反射放物面５１６と支持機構５３５を同時に反射コートができる効果も得られる。【０２３９】
以上説明したように、本実施例の照明装置は、光源（例えば複数波長光源５０８）と、その光源から出射した光を内面反射により均質化させる透明な材質で満たされた光積分器（例えば光積分器５０７）と、その光積分器から出射する光を略平行な光に変換するレンズ（例えば、レンズ５０２）と、そのレンズの光軸中心（破線４９９）に対してレンズの外側に配置され光積分器から出射する光を略平行な光に変換する反射放物面（例えば、反射放物面５１６、５１７）とを備えた照明装置であって、光積分器の内部に光を散乱させる散乱素子を含有させ、レンズの光積分器側の面（例えばフラット面５３２）を、反射放物面の光積分器と反対側にあるレンズ光軸方向の端（例えば面５７０）よりも、光積分器側に配置させる。【０２４０】
また、光源から出射した光を混色し、混色した光を略平行な光に変換する反射放物面とレンズを有し、光源から出射した光を集光して出射する照明装置の照明方法であって、反射放物面を形成する空間内に配置されたレンズで混色した光を略平行な光に変換できなかった光を反射放物面で略平行な光に変換するように構成する。【０２４１】
これにより、光源からの光を効率良く照明領域に照明できる照明装置が実現できる。【０２４２】
以上実施例について説明したが、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加、削除、置換をすることが可能である。
【符号の説明】
【０２４３】
１…集光体、２…光源、３…照明領域、５，６…入射面、７，８，９，１０、１１…出射面、１２，１３，１４，１５…側面、２２…照明装置、３２…境界、９１…複数波長光源、９３…光積分器、９４…トンネル機構、１０１…散乱素子、１５０…映像投射装置、１５２…表示装置、１５５…投射体、２０２…ＨＭＤ、２０５…プロジェクタ、２０９…ＨＵＤ、２５１…スマートフォン、５０１…照明装置、５０２…レンズ、５０３、５０４…リフレクタケース、５０７…光積分器、５０８…複数波長光源、５１６，５１７…反射放物面
【図１】
2017013816.tif 000003
【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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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【手続補正書】
【提出日】平成30年4月9日(2018.4.9)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１５】
【図１】実施例１における照明装置の断面図である。
【図２】実施例１における集光体の斜視図である。
【図３】実施例１における照明領域の輝度分布を説明する図である。
【図４】実施例２における照明装置の断面図である。
【図５】実施例３における集光体の斜視図である。
【図６】実施例４における照明装置の断面図である。
【図７】実施例４における複数波長光源９１を説明する図である。
【図８】実施例４における光積分器の斜視図である。
【図９】実施例５における複数波長光源を説明する図である。
【図１０】実施例５における光積分器の斜視図である。
【図１１】実施例６における映像投射装置の断面図である。
【図１２】実施例７における映像投射装置の断面図である。
【図１３】実施例８における映像投射装置の断面図である。
【図１４】実施例９における映像投射装置の応用例を説明する図である。
【図１５】実施例１０におけるＨＭＤを説明する図である。
【図１６】実施例１１におけるスマートフォンを説明する図である。
【図１７】実施例１１におけるスマートフォンの使用シーンを説明する図である。
【図１８】実施例１１におけるスマートフォンのシステムを説明する図である。
【図１９】実施例１１におけるスマートフォンの動作フローを説明する図である。
【図２０】実施例１１における映像投射装置１７０の色調整の動作フローを説明する図である。
【図２１】実施例１２における照明装置の斜視図である。
【図２２】実施例１２における照明装置の展開図である。
【図２３】実施例１２における照明領域の断面図である。
【図２４】実施例１２におけるレンズの展開図である。
【図２５】実施例１２におけるリフレクタケースの斜視図である。
【図２６】実施例１２における光積分器から出射する光の角度分布を説明する図である。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３５】
次に、入射面６、側面１３、出射面９の光路について説明する。側面１３は、側面１２と同様に、軸２１を回転軸とする楕円体１８の一部である。楕円体１８は、光源２の中心と、照明領域３の端８７とをその２個の焦点に設定している。また、出射面９は、出射面８と同様に、端８７を原点とした球の一部の形状である。このため、光源２から出射した光は、端８７に結像する。
すなわち、軸２０、軸２１は、光源２で交わらすことで、照明領域の両端に光源２から出射した光を結像させることができる。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００８８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００８８】
光積分器９３の内部には、媒質１とは異なる屈折率Ｎ２の透明度の高い媒質２で満たされた散乱素子１０１がランダムに充填されている。スネルの法則に従い、光線は、屈折率の異なる媒質を通過するときに、入射する角度とは異なる角度で出射する。散乱素子１０１は、その原理を用い、進行する光線の角度を変更させることで散乱させる機能を有する。屈折率Ｎ１と屈折率Ｎ２の差を大きくした方がスネルの法則に従い、より大きな拡散機能が得られる。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００９１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００９１】
散乱素子の直径が波長より小さいと、大きな散乱が得られる。しかし散乱素子に光線が当たる確率が小さくなるため、均質性を確保するため、散乱素子の充填率を増やすことになるが、効率の低下が問題となる。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１０３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１０３】
例えば、幅Ｗ、高さＨを１ｍｍ角とした場合、長さを４ｍｍ、散乱素子１０１の直径を約２μｍ、屈折率Ｎ１を１．４８、屈折率Ｎ２を１．５８とした場合、媒質１の総体積に対する散乱素子１０１の媒質２の総体積を０．５％乃至１．０％の範囲に設定すると良い。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１１２】
次に、媒質２は、媒質１中に、媒質１と異なる屈折率の粒子を混合させることによって効率良く得ることができる。媒質２の材質として、本実施例では、架橋ポリスチレン微粒子を使用するが、透明度の高い材料であれば、その他の材質のプラスチック粒子やガラス粒子等、他の材料を使用しても良い。ただし、光を散乱させるためには屈折率差があることが重要であるため、媒質１と媒質２との間で屈折率差は０．００５以上あることが望ましい。０．００５以上で０．０１５以下の範囲であると、媒質１と媒質２の比重を近接させやすくなり、媒質２を媒質１に混合させるのが容易である観点及び、効率の低下を抑えたうえで、散乱の効果も得られやすいという観点からより好ましい。ここで、媒質１と媒質２の屈折率を比較したときに、どちらの屈折率が大きくても良い。なお、本実施例における屈折率差とは、媒質１又は媒質２のうち、高屈折率である媒質１又は媒質２の屈折率と、低屈折率である媒質２又は媒質１の屈折率の差分から算出される値とする。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１２０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１２０】
幅Ｗ、高さＨが１．０５ｍｍ、長さＬが４．１５ｍｍ、媒質１の総体積に対する散乱素子の媒質２の総体積を０．５％とした場合の光積分器は、以下のように製造すれば良い。まず光硬化樹脂の中に、全体の体積の０．５％の微粒子を入れ、攪拌棒にて約１０分間攪拌する。攪拌後４時間以上の自然放置により、十分に脱泡する。底面および側面を金属板で囲むことにより、長さ５０ｍｍ、幅７ｍｍ、深さ１．０５ｍｍの空隙を作り、そこに樹脂を流し込み、上からガラス板を被せる。このとき、内部に空気が入らないようにする。その後、ガラス越しにＵＶランプを照射させ、樹脂を十分に硬化させる。その後製品を取り出して、ダイサー（ＤＡＣ５５２、株式会社ディスコ製）にて幅１．０５ｍｍ、長さ４．１５ｍｍに切り出す、ダイサーで側面を加工するときには、長さ方向に平行に刃を送り加工する。これは、ダイサーの加工スジが光積分器の長さ方向に沿って発生するようにして、側面の光軸方向の表面粗さを小さくし、光積分器からの光漏れを低減するためである。なお、側面は粒径；＃５０００のダイシングブレードを用い、回転数；３０，０００ｒｐｍ、切削速度；０．５ｍｍ／ｓの条件で加工し、光入出力面は、粒径；＃３０００のダイシングブレードを用い、回転数；３０，０００ｒｐｍ、切削速度；０．５ｍｍ／ｓの条件で加工した。側面の光軸方向の表面粗さはＲａ＝０．３μｍで、光軸垂直方向の表面粗さはＲａ＝１．０μｍ、光入出力面の表面粗さはＲａ＝２．０μｍであった。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１４４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１４４】
表示領域１６３は、画素毎に所定の偏光をその偏光とは垂直方向か平行方向かどちらかに変換する機能を有している。映像として有効にする場合は、偏光分岐素子１６１で選択された方向と直交な偏光に変換する。
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１９３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１９３】
図１８はスマートフォン２５１のシステムを説明する図である。図１８において、スマートフォン２５１は、光検出器１７５、複数波長光源９１、複数波長光源を制御するための設定値を記憶させたデータテーブル２６９を備えた映像投射装置１７０、コントローラ２７２、通信装置２７３、外光センサ２７４、センシング装置２７５、電力供給回路２７６、撮像装置２５５、制御回路２７９、映像回路２７１、操作ボタン２５４、表示兼操作装置２５２を備える。
【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１９４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１９４】
通信装置２７３は、ＷｉＦｉ（登録商標）やＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）のようなインターネット上の情報や使用者２００が所持している電子機器などの外部サーバ２８０とアクセスして外部情報を取得する機能を有している。外光センサ２７４は、外部の明るさを取得する機能を有している。表示兼操作装置２５２は、使用者２００に情報を表示すると共に、指で操作する操作情報を取得する機能を有している。また、センシング装置２７５は、圧電素子や静電容量などの原理で加速度を検知する加速度センサやＧＰＳなどで外部環境をセンシングする機能を有している。電力供給回路２７６は、バッテリーなどから電力を供給する機能を有している。撮像装置２５５は、カメラなどで、外界映像を取得するも機能を有している。制御回路２７９は、操作ボタン２５４や表示兼操作装置２５２から使用者２００が操作したい情報を検知する機能を有している。映像回路２７１は、使用者２００の操作に応じて表示兼操作装置２５２や映像投射装置１７０用に映像情報を変換する機能を有している。そして、コントローラ２７２は、制御回路２７９から得られる使用者２００が操作した情報に応じて、個別の装置、回路をコントロールするメインチップである。
【手続補正１１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１９８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１９８】
また、コントローラ２７２は、表示兼操作装置２５２のアイコンが操作された情報が制御回路から送られると、映像回路でポインタを映像上に表示するように操作し、映像投射装置１７０を動作させる機能も持つ。
【手続補正１２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０２１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０２１１】
光量の差が所定の設定値より小さい場合は、複数波長光源９１か光検出器１７５のどちらかが劣化したものと想定し、初期の光量Ｉ０（Ｒ）、Ｉ０（Ｇ）、Ｉ０（Ｂ）をＩＴ２とＩＴ０の比率に応じて初期光量の設定を光量Ｉ０‘（Ｒ）、Ｉ０‘（Ｇ）、Ｉ０‘（Ｂ）に変更してデータテーブル２６９の設定値を更新する（図中３１９）。
【手続補正１３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０２２３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０２２３】
複数波長光源５０８から出射した光は、光積分器５０７に入射し均一に混色される。光積分器５０７は、前述した光積分器９３と同様に、散乱素子（図示無し）がランダムに充填されており、散乱の機能と側面による内部閉じ込めの機能により、高効率に混色させることができる。
【手続補正１４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０２３３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０２３３】
表示装置のアスペクト比１６：９（水平：垂直）の場合は、垂直側が短い。したがって、コバ５１０、５１１はその垂直側と略平行になるように設ける。この場合、図２３のように照明装置５０１の水平断面を見たときにレンズ５０２が浮いたように見える。光積分器５０７から出射した光のうち、レンズより出射方向側にある反射放物線５１６、５１７のエリア５５１、５５２まで有効活用できる。出射する略平行な光が多いほど、光の取込み角度の制限された虚像を投射する映像投射装置用の照明装置としての効率を高められる。
また、支持機構５１９は、照明装置５０１を他の虚像装置に搭載するときの、位置決めなどに利用するため設けている。
【手続補正１５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０２３７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０２３７】
また、レンズ５０２は、入射面をフラット面５３２、出射面をレンズ面５３１としたが、逆に、入射面をレンズ面、出射面をフラット面としても良い。また、入射面、出射面を共にレンズ面としても構わない。
【国際調査報告】
2017013816.tif 000029
2017013816.tif 000030
2017013816.tif 000031
2017013816.tif 000032