(57)【要約】【課題】  ライトバルブの照度ムラを軽減し、リレーレンズ系のＦナンバが暗くても明るく照明する。【解決手段】  ＬＥＤ１とリレーレンズ２との間に、相対する二つの矩形面と少なくとも四つの多角形面とからなり、二つの矩形面のうち、ＬＥＤ１側に位置する第一矩形面１１の面積を、ライトバルブ３側に位置する第二矩形面１２の面積より大きく形成した２次光源形成プリズムを配置するようにしている。２次光源形成プリズム１０をＬＥＤにカップリングさせ、ＬＥＤ１の出射光束を複数（少なくとも５つ）に分割することにより、発光ダイオードの配光分布特性の照度ムラに対する影響を低減するようにした。【選択図】    図２
2006071817.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも、発光ダイオードの発光出力を、リレーレンズを介してライトバルブに照射するように構成された画像表示装置において、前記発光ダイオードと前記リレーレンズとの間に配置されると共に、相対する二つの矩形面と少なくとも四つの多角形面とからなり、前記二つの矩形面のうち、前記発光ダイオード側に位置する第一矩形面の面積を、前記ライトバルブ側に位置する第二矩形面の面積より大きくした二次光源形成プリズムを備えていることを特徴とする画像表示装置。
【請求項２】
請求項１に記載の画像表示装置において、前記二次光源形成プリズムの前記第一矩形面と前記第二矩形面は互いに平行になるように配置されていることを特徴とする画像表示装置。
【請求項３】
請求項１に記載の画像表示装置において、前記二次光源形成プリズムの前記第一矩形面と前記第二矩形面の形状は平面であることを特徴とする画像表示装置。
【請求項４】
請求項１に記載の画像表示装置において、前記二次光源形成プリズムの前記一矩形面の形状は平面であり、前記第二矩形面の形状は曲面であることを特徴とする画像表示装置。
【請求項５】
請求項４に記載の画像表示装置において、前記発光ダイオードの発光強度分布の最も強い延長線上に前記第二矩形面の曲率中心があることを特徴とする画像表示装置。
【請求項６】
請求項２乃至請求項４の何れか一項に記載の画像表示装置において、前記二次光源形成プリズムは、前記第一矩形面が前記発光ダイオードの発光強度分布が最も強い延長線と垂直となるように配置されていることを特徴とする画像表示装置。
【請求項７】
請求項１に記載の画像表示装置において、前記二次光源形成プリズムは、前記第二矩形面のアスペクト比が前記ライトバルブのアスペクト比と等しいことを特徴とする画像表示装置。
【請求項８】
請求項１に記載の画像表示装置において、前記二次光源形成プリズムは、前記多角形面の形状が台形または矩形であることを特徴とする画像表示装置。
【請求項９】
請求項１に記載の画像表示装置において、前記発光ダイオードから出射され前記二次光源形成プリズムの第一矩形面に入射される光束により前記二次光源形成プリズムの多角形面から出射される光束の立体角は、前記第一矩形面中心と前記第二矩形面中心を結ぶ直線を光軸とし、前記第二矩形面の短辺または長辺に垂直で、且つ光軸を含む平面内で前記発光ダイオードからの光束により第二矩形面から出射される光束の立体角以上であることを特徴とする画像表示装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の画像表示装置において、前記多角形面の中心から出射する光束は、前記ライトバルブの略中心に導かれることを特徴とする画像表示装置。
【請求項１１】
請求項９に記載の画像表示装置において、前記発光ダイオードから出射される光束で、第一矩形面に入射され前記多角形面の中心から出射される光束について、前記第一矩形面に入射された光束が前記二次光源形成プリズム内部で屈折された時に光軸となす角度をα、多角形面が光軸となす角をβとすると、以下の条件式を満足することを特徴とした画像表示装置。
ｎｄ×ｓｉｎ｛（９０−β）−α｝／ｓｉｎ（９０−β）＝１
（ｎｄは二次光源形成プリズムの材料のｄ線での屈折率）
【請求項１２】
請求項１乃至請求項１１の何れか一項に記載の画像表示装置において、前記発光ダイオードは砲弾型発光ダイオードであることを特徴とする画像表示装置。
【請求項１３】
請求項１乃至請求項１１の何れか一項に記載の画像表示装置において、前記発光ダイオードは反射型発光ダイオードであることを特徴とする画像表示装置。
【請求項１４】
請求項１乃至請求項１１の何れか一項に記載の画像表示装置において、前記発光ダイオードと前記二次光源形成プリズムはそれぞれ一対一で対応する一組のユニットにより構成され、該ユニットを複数個並べて配置することで光源部が形成されることを特徴とする画像表示装置。
【請求項１５】
請求項１４に記載の画像表示装置において、前記光源部は、少なくとも赤色、緑色、青色の発光ダイオードをそれぞれ一つずつ有することを特徴とする画像表示装置。
【請求項１６】
請求項１５に記載の画像表示装置において、前記光源部はクロスダイクロイックプリズムを備えることを特徴とする画像表示装置。
【請求項１７】
請求項１乃至請求項１６の何れか一項に記載の画像表示装置と投射光学系とを備えて構成されることを特徴とするプロジェクタ装置。
【請求項１８】
請求項１乃至請求項１６の何れか一項に記載の画像表示装置と接眼光学系とを備えて構成されることを特徴とする画像観察装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、画像表示装置に関わり、プロジェクタや画像観察装置に好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
プロジェクタのカラー表示方法として現在一般には、白色の熱光源から出た光を赤色、緑色、青色の三原色の光に分離して、三枚のライトバルブをそれぞれの色光で照明し、各ライトバルブで変調された光をクロスダイクロイックプリズムのような色合成光学系で合成し、スクリーン上の各画素に三原色の照明光が常時投射され混色される方式と、三原色の光を時間的に分割して順番に投射する時分割混色方式の二通りの方法が採用されている。前者はライトバルブを三枚使うことから三板式と呼ばれ、後者はライトバルブが一枚で済むことから単板式と呼ばれている。
プロジェクタを小型化する上で、三板式は色分離光学系のスペースや三枚のライトバルブが必要なことからコスト面からみると単板式のほうが望ましいが、従来、プロジェクタの分野では、単板式にしても三板式の場合と同様に、超高圧水銀灯やキセノンランプ等のいわゆる熱光源ランプが使用されている。照明光源として上記のような熱光源を使用しているため、その入力電力から光への変換効率の低さから、入力電力が大きく、電源とランプ（多くは反射鏡付き）の寸法も大きく、冷却ファンなども必要であり、従って重く、またライトバルブ、特に液晶ライトバルブにおいては、その寿命が熱のために短縮されている。
そこで、近年、開発が活発に行われている発光ダイオード（Light Emitting Diode：以下、ＬＥＤと称す）をプロジェクタ用の光源として採用する案が種々出ている。ＬＥＤは、一般的に長寿命、高効率、高速応答、単色発光などの利点を有しており、ＬＥＤ素子の明るさの急激な高まりも相俟って、多くの照明分野への応用が期待されている。
ＬＥＤをプロジェクタに用いる技術としては、例えば特許文献１がある。これによると、光源に発光素子アレイを用い、アレイ内の発光素子それぞれがライトバルブ（光変調装置）の光変調領域全体を照明し、高速で三原色の発光素子をオン・オフすることでカラー表示するとある。
また、特許文献２や特許文献３に記載の反射型液晶表示素子や、ＤＭＤのようにライトバルブ面上の変調情報を一括で変えられる表示装置であってもこのような方式のカラー表示が可能である。
また先行技術としては特許文献４や特許文献５がある。特許文献４に記載のプリズムは、直視型の有機ＥＬディスプレイを対象としたものであり、直視型のため各画素からの画像表示用の光を正面方向に効率良く取り出すことのみを目的としている。また特許文献５のプリズムは光源のレーザービームを分岐するのを目的としている。
【特許文献１】特開２００１−２４９４００公報
【特許文献２】特開２００２−２４４２１１公報
【特許文献３】特開２００３−２４１１４８公報
【特許文献４】特開２００４−１４６２００公報
【特許文献５】特許第３２５７６４６号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、ＬＥＤは、一般に配光分布と呼ばれる、通常出射角度ごとに異なる光強度分布を有している。ベアチップタイプのＬＥＤの場合、配光分布は通常ランバートと呼ばれる分布となる。
図１５はベアチップタイプのＬＥＤの配光分布を示した図であり、この図１５に示すように、ＬＥＤ１００の光出射方向中心から角度θをなすと、ｃｏｓθに従ってθ方向の光強度が弱まることになる。
図１６は、上記図１５に示すような配光分布のＬＥＤを用いた画像表示装置の構成を示した図であり、複数のＬＥＤ１００によりリレーレンズ１０１を介してライトバルブ１０２全体を照明すると、図示するようにＬＥＤ１００、１００の配光分布が重畳され、ライトバルブ１０２上の照度ムラとなって現れてしまう。
このような特性はＬＥＤにレンズをカップリングして形成される、いわゆる砲弾型ＬＥＤにおいても当然生じることになる。
そこで、このような光源（ＬＥＤ）の配光分布特性の問題を解決する方法としては、一般に蝿の目レンズを用いて光源の光束を複数に分割するようにしている。
しかしながら、蝿の目レンズを各ＬＥＤにカップリングさせる方法は現実的でなく、たとえカップリングさせたとしても、蝿の目レンズを構成する各レンズサイズは極めて小型となり、リレーレンズ系のアフォーカル倍率によってライトバルブ全面を蝿の目レンズ内の各レンズが形成する２次光源によって照明しようとすると、照明系の光軸方向が極めて大きくなってしまう。
また、各ＬＥＤから少しでも多くの光量をライトバルブに導こうとすると、必然的にＬＥＤからライトバルブに光を導くリレーレンズ系のＦナンバが明るくなり、レンズ径の大型化、収差補正のためのレンズ枚数増加を招くという欠点もあった。
そこで、本発明は上記したような点を鑑みてなされたものであり、ライトバルブの照度ムラを軽減し、リレーレンズ系のＦナンバが暗くても明るく照明することができる画像表示装置と、そのような画像表示装置を備えたプロジェクタ及び画像観察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】
【０００４】
上記目的を達成するため、請求項１記載の発明は、少なくとも、発光ダイオードの発光出力を、リレーレンズを介してライトバルブに照射するように構成された画像表示装置において、前記発光ダイオードと前記リレーレンズとの間に配置されると共に、相対する二つの矩形面と少なくとも四つの多角形面とからなり、前記二つの矩形面のうち、前記発光ダイオード側に位置する第一矩形面の面積を、前記ライトバルブ側に位置する第二矩形面の面積より大きくした二次光源形成プリズムを備えていることを特徴とする。
また請求項２記載の発明は、請求項１に記載の画像表示装置において、前記二次光源形成プリズムの前記第一矩形面と前記第二矩形面は互いに平行になるように配置されていることを特徴とする。
また請求項３記載の発明は、請求項１に記載の画像表示装置において、前記二次光源形成プリズムの前記第一矩形面と前記第二矩形面の形状は平面であることを特徴とする。
また請求項４記載の発明は、請求項１に記載の画像表示装置において、前記二次光源形成プリズムの前記一矩形面の形状は平面であり、前記第二矩形面の形状は曲面であることを特徴とする。
また請求項５記載の発明は、請求項４に記載の画像表示装置において、前記発光ダイオードの発光強度分布の最も強い延長線上に前記第二矩形面の曲率中心があることを特徴とする。
【０００５】
また請求項６記載の発明は、請求項２乃至請求項４の何れか一項に記載の画像表示装置において、前記二次光源形成プリズムは、前記第一矩形面が前記発光ダイオードの発光強度分布が最も強い延長線と垂直となるように配置されていることを特徴とする。
また請求項７記載の発明は、請求項１に記載の画像表示装置において、前記二次光源形成プリズムは、前記第二矩形面のアスペクト比が前記ライトバルブのアスペクト比と等しいことを特徴とする。
また請求項８記載の発明は、請求項１に記載の画像表示装置において、前記二次光源形成プリズムは、前記多角形面の形状が台形または矩形であることを特徴とする。
また請求項９記載の発明は、請求項１に記載の画像表示装置において、前記発光ダイオードから出射され前記二次光源形成プリズムの第一矩形面に入射される光束により前記二次光源形成プリズムの多角形面から出射される光束の立体角は、前記第一矩形面中心と前記第二矩形面中心を結ぶ直線を光軸とし、前記第二矩形面の短辺または長辺に垂直で、且つ光軸を含む平面内で前記発光ダイオードからの光束により第二矩形面から出射される光束の立体角以上であることを特徴とする。
また請求項１０記載の発明は、請求項９に記載の画像表示装置において、前記多角形面の中心から出射する光束は、前記ライトバルブの略中心に導かれることを特徴とする。
また請求項１１記載の発明は、請求項９に記載の画像表示装置において、前記発光ダイオードから出射される光束で、第一矩形面に入射され前記多角形面の中心から出射される光束について、前記第一矩形面に入射された光束が前記二次光源形成プリズム内部で屈折された時に光軸となす角度をα、多角形面が光軸となす角をβとすると、以下の条件式を満足することを特徴とする。
ｎｄ×ｓｉｎ｛（９０−β）−α｝／ｓｉｎ（９０−β）＝１
（ｎｄは二次光源形成プリズムの材料のｄ線での屈折率）
【０００６】
また請求項１２記載の発明は、請求項１乃至請求項１１の何れか一項に記載の画像表示装置において、前記発光ダイオードは砲弾型発光ダイオードであることを特徴とする。
また請求項１３記載の発明は、請求項１乃至請求項１１の何れか一項に記載の画像表示装置において、前記発光ダイオードは反射型発光ダイオードであることを特徴とする。
また請求項１４記載の発明は、請求項１乃至請求項１１の何れか一項に記載の画像表示装置において、前記発光ダイオードと前記二次光源形成プリズムはそれぞれ一対一で対応する一組のユニットにより構成され、該ユニットを複数個並べて配置することで光源部が形成されることを特徴とする。
また請求項１５記載の発明は、請求項１４に記載の画像表示装置において、前記光源部は、少なくとも赤色、緑色、青色の発光ダイオードをそれぞれ一つずつ有することを特徴とする。
また請求項１６記載の発明は、請求項１５に記載の画像表示装置において、前記光源部はクロスダイクロイックプリズムを備えることを特徴とする。
また請求項１７記載の発明は、請求項１乃至請求項１６の何れか一項に記載の画像表示装置と投射光学系とを備えて構成されることを特徴とする。
また請求項１８記載の発明は、請求項１乃至請求項１６の何れか一項に記載の画像表示装置と接眼光学系とを備えて構成されることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
以上説明したように、本発明の画像表示装置は、発光ダイオードとリレーレンズとの間に、相対する二つの矩形面と少なくとも四つの多角形面とからなり、二つの矩形面のうち、発光ダイオード側に位置する第一矩形面の面積を、ライトバルブ側に位置する第二矩形面の面積より大きく形成した２次光源形成プリズムを配置するようにしている。
そして、２次光源形成プリズムを各発光ダイオードにカップリングさせ、各発光ダイオードの出射光束を複数（少なくとも５つ）に分割することにより、発光ダイオードの配光分布特性の照度ムラに対する影響を低減することができる。
また本発明のように２次光源形成プリズムを用いるようにすると、従来に比べて光利用効率を高める事ができるため、発光ダイオードからの光取り出し効率の高い、即ち明るい画像表示装置を実現することができる。
また、従来に比べてリレーレンズのＦナンバを暗くすることができるので、リレーレンズを小型でしかも少ない枚数で実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明するが、本実施の形態についての説明を行う前にＬＥＤを利用した画像表示装置の基本的な構成について説明する。
図１はＬＥＤを利用した画像表示装置の基本的な構成を示した図である。
この図１に示す画像表示装置は、点光源である発光ダイオード（ＬＥＤ）１、リレーレンズ２、ライトバルブ３とにより構成される。ＬＥＤ１は例えば反射型の発光ダイオードであり、その配光分布は中心から角度一度ごとに１％光強度落ちるものとする。またリレーレンズ２は理想レンズとしてそのＦナンバはＦ１．８７とする。またライトバルブ３はアスペクト比１：１の正方形でその大きさは任意とする。
このように構成される画像表示装置では、ＬＥＤ１とライトバルブ３の中心を結ぶ直線を光軸ａとし、光軸ａを含みライトバルブ３の辺に垂直な平面において、リレーレンズ２の焦点にＬＥＤ１を配置する照明系を考察すると、リレーレンズ２によってライトバルブ３に導かれる光束の最大立体角θは約３０度であり、この時ライトバルブ３上における照度ムラはライトバルブ３の中心Ｒと最周辺Ｐ、Ｔとでは１５％になる。つまり、ライトバルブ３の周辺Ｐ、Ｔではライトバルブ３の中心の約８５％になる。なお、本来はライトバルブ３の対角長方向に最大立体角が対応するように設定するが、理解の容易さのために辺方向に最大立体角が対応するものとする。
【０００９】
以下、本実施の形態としての画像表示装置について説明する。
図２は、本発明の画像表示装置の第１実施形態としての２次光源形成プリズムの構造を示した図である。
この図２に示す２次光源形成プリズム１０は、二つの矩形面、すなわち第一矩形面１１と第二矩形面１２と四つの台形面からなる。なお、本実施の形態では、図１に示したライトバルブ３のアスペクト比が１：１とされるので２次光源形成プリズム１０の矩形面を正方形として説明するが、その形状はライトバルブ３のアスペクト比に応じて任意に設定可能である。
図３は、上記２次光源形成プリズムを利用したＬＥＤ部の構成を示した図である。
この図３に示すＬＥＤ部は、図２に示した２次光源形成プリズム１０と、図１に示したような点光源であるＬＥＤ１の近傍に配置することにより構成される。この場合、図３に示すように、２次光源形成プリズム１０によって、ＬＥＤ１から出射される立体角３０度の光束を光束Ａ、Ｏ、Ｂに３分割することができる。さらに２次光源形成プリズム１０の台形面１３を通過する光束に着目すると、図のような位置に光源であるＬＥＤ１の虚像ＬＥＤ１ａ、１ｂができることがわかる。本実施の形態では、このＬＥＤ１の虚像１ａ、１ｂのことを２次光源と呼ぶこととする。なお、図２に示す２次光源形成プリズム１０は台形面が４つあるので光束を５つに分割することが可能となる。また、各２次光源１ａ、１ｂは光軸方向の位置が本来の光源１の位置と多少異なるが、大きく問題になるものでなく、後述するように、２次光源形成プリズム１０の矩形面１２を曲面にすることで位置合わせは可能である。
【００１０】
図４は、本発明の画像表示装置の第１実施形態を示した図であり、この図４に示す画像表示装置は、ＬＥＤ１、２次光源形成プリズム１０、リレーレンズ２、ライトバルブ３により構成される。ＬＥＤ１の配光分布は、上記同様、中心から角度一度ごとに１％光強度落ちるものとする。２次光源形成プリズム１０の材料としてはｄ線の屈折率ｎｄ＝１．５１７とする。リレーレンズ２は理想レンズとしてそのＦナンバはＦ１．８７、ライトバルブ３はアスペクト比１：１の正方形でその大きさは任意とする。
このように構成される本実施の形態の画像表示装置におけるライトバルブ３上での照度分布について考察すると、ＬＥＤ１出射光の中心方向の強度を１００とし、ライトバルブ３を図示するように五分割（Ｐ、Ｑ、Ｒ、Ｓ、Ｔ）して各点Ｐ、Ｑ、Ｒ、Ｓ、Ｔの照度をプロットすると、
中心の光束Ｃが作る照度分布は、
2006071817.tif 000003
となる。
光束Ａが作る照度分布は
2006071817.tif 000004
となる。
さらに光束Ｂが作る照度分布は、
2006071817.tif 000005
となり、これらを足し合わせると、ライトバルブ３上の照度分布は、
2006071817.tif 000006
となる。
【００１１】
このように画像表示装置を構成すれば照度ムラは、ライトバルブ３の中心位置Ｒと、その周辺位置Ｑ、Ｒで１％、中心位置Ｒと端部Ｐ、Ｔでは２％弱まで低減することができる。なお、この照度ムラについての計算内容は、図４とは垂直な平面においても同様に成り立つ事は言うまでもない。
また、２次光源形成プリズム１０を用いるようにすると、従来に比べて光利用効率を高める事ができるため、従来に比べてリレーレンズ２のＦナンバを暗くすることができる。つまり、ＦナンバをＦ１．８７からＦ５．７１まで下げることが可能になり、リレーレンズ２を小型でしかも少ない枚数で実現することができるようになる。
また、２次光源形成プリズム１０の多角形面（台形面）が矩形面となす角度について、例えばリレーレンズ２を光源側にテレセントリックにした場合には、多角形面から出射する光束の中心を通る光線が光軸と平行に出射するように設定すると光束を照明に十分利用できて望ましい。
そこで、本実施の形態では、図５に示すように２次光源形成プリズム１０の台形面１３出射する光束ａ、ｂ、ｃの中心を通る光線がプリズム内部で光軸に対してなす角をαとし、台形面１３が光軸となす角βとすると、
ｎｄ×ｓｉｎ｛（９０−β）−α｝／ｓｉｎ（９０−β）＝１
という関係式から、α≒６．６、β≒７１（度）となる。
このように２次光源形成プリズム１０の多角形面１３が矩形面１１となす角度は、リレーレンズ２の軸外特性とマッチングさせることが望ましい。
【００１２】
なお、このような本実施の形態の２次光源形成プリズム１０と類似の技術としては、先に述べた特許文献４、５が提案されているが、特許文献４に記載のプリズムは、直視型の有機ＥＬディスプレイを対象としたものであり、直視型のため各画素からの画像表示用の光を正面方向に効率良く取り出すことのみを目的としている、これに対して本実施の形態のプリズムは照明用の光を対象としており、照度ムラを減らすために少なくとも４つ以上の多角形面がプリズムには必要であり、さらにライトバルブに導光するために、リレーレンズ２を必要としていることから特許文献４とは目的及び構成が明らかに異なるものである。また特許文献５のプリズムもその目的が明らかに異なるため矩形面を必要とせず、その構成が明らかに異なるものである。
なお、上記した例では、図４に示した２次光源形成プリズム１０の多角形面から出射する光束の中心を通る光線が光軸となす角度は平行に限定されるものでなく、例えば２次光源形成プリズム１０の側面を多角形面ではなく円筒のような曲率を有する面により構成することもできる。但し、図４に示した平面以外においては側面が曲率を有し、２次光源の位置ずれが発生するため望ましいものではない。
【００１３】
次に本発明の画像表示装置の第２実施形態について説明する。
第２の実施形態に係る画像表示装置は、第１の実施形態施と同じ配光分布のＬＥＤの出射光束の立体角θを３０度から６０度まで取り込んだ場合の照度分布を示すものである。
図６は２次光源形成プリズムを配置しない場合の画像表示装置の構成を示した図、図７は２次光源形成プリズムを配置した場合の画像表示装置の構成を示した図である。この場合、２次光源形成プリズム２０の台形の光軸となす角度が、上記第１の実施形態に比べてきつくなった分、光線追跡を行うと光束の端部の光線Ａ、Ｂがライトバルブ３に入りきらずにロスとなるが、大きな影響は無いので、図７に示すように、この影響を無視して２次光源１ａ、１ｂからの光が全てライトバルブ３に入るものとし、第１の実施形態と同じ計算をすると、
中心の光束Ｃが作る照度分布は、
2006071817.tif 000007
となる。
また光束Ａが作る照度分布は、
2006071817.tif 000008
となる。
さらに光束Ｂが作る照度分布は
2006071817.tif 000009
である。
従って、これらを足し合わせるとライトバルブ上の照度分布は
2006071817.tif 000010
となり、照度ムラはライトバルブ３の中心位置Ｒと、その周辺位置Ｑ、Ｓ集と周辺の中間で２％弱まで低減することができ、中心位置Ｒと周辺位置Ｐ、Ｔとでは０％とすることができる。
【００１４】
次に、本発明の画像表示装置の第３実施形態について説明する。
図８は第３の実施形態として２次光源形成プリズムを利用したＬＥＤ部の構成を示した図である。
この図８に示す２次光源形成プリズム３０は、出射側となる第二矩形面３１を曲面により構成している。この場合、図８に示すように２次光源形成プリズム３０の台形面３２を通過した光束の光軸方向の２次光源位置１ａ、１ｂに中心光束の光源の虚像を合わせたものであり、第１の実施形態において説明してＬＥＤ部より望ましい構成である。
図９は、本発明の画像表示装置を適用したカラー画像表示装置の構成を示した図である。
この図９に示すカラー画像表示装置は、赤色ＬＥＤ４１Ｒ、緑色ＬＥＤ４１Ｇ、青色ＬＥＤ４１Ｂと、各々のＬＥＤ４１Ｒ、４１Ｇ、４１Ｂに対応して設けられ、二つの正方形面と四つの台形面からなる２次光源形成プリズム４２、４２、４２と、光源側にテレセントリックな理想レンズである２枚のリレーレンズ４３ａ、４３ｂ、アスペクト比が４：３とされるライトバルブ４４によって構成される。
このように構成されるカラー画像表示装置においては、赤色、緑色、青色のＬＥＤ４１Ｒ、４１Ｇ、４１Ｂを時分割でオン・オフすることでカラー表示するものであり、一般にフィールドシーケンシャルと呼ばれているものである。
この場合、２次光源形成プリズム４２の各面の大きさと、ライトバルブ４４のアスペクト比関係について、２次光源形成プリズム４２の第二矩形面４２ａから出射される中心の光束は、ライトバルブ４４と対応しているので、同じアスペクト比であることが望ましい。多角形面４２ｂの大きさは、アスペクト比よりも分割された光束がライトバルブ４４全体を十分に照明できているかが重要であり、その大きさがライトバルブ４４に入射する光束をけるものでなければ良い。図示しないが、例えば二次光源形成プリズム４２は第一矩形面中心と第二矩形面中心を結ぶ直線を光軸とし、第二矩形面の短辺あるいは長辺に垂直で光軸を含む平面内で、ＬＥＤ１から出射する光束で第二矩形面から出射される光束の立体角（全角）を２φとすると、ＬＥＤ１から出射して二次光源形成プリズム４２の第一矩形面に入射する光束で二次光源形成プリズム４２の多角形面から出射する光束の立体角は、少なくとも２φ以上にしておく必要がある。
２次光源形成プリズム４２の多角形面が矩形面となす角度は、第１の実施形態において多角形面４２ｂから出射される光束の中心を通る光線が光軸に対して平行に出射するように設定したため、リレーレンズ４３ａ、４３ｂを光源側にテレセントリックにすれば、本実施形態のようにＬＥＤ４１と二次光源形成プリズム４２の光源ユニットを平面上に配列した場合にも、各光源４１からの出射光を十分に利用することができる。
このように２次光源形成プリズム４２の多角形面４２ｂが矩形面４２ａとなす角度は、光源ユニットを平面配列することを想定すると、多角形面４２ｂから出射される光束の中心を通る光線が光軸に対して平行に出射するように設定することが望ましく、なおかつこのとき光源側にテレセントリックなリレーレンズを組み合わせることが望ましい。
図１０は、上記図９に示したカラー画像表示装置であるプロジェクタの具体的な構成を示した図である。
この図１０に示すように偏光変換作用を持ったＰＢＳ４５と、反射型液晶４６、投射レンズ４７を配置することでプロジェクタを構成することができる。
【００１５】
次に第４の実施形態としての画像表示装置について説明する。
図１１は第４の実施形態としてのＬＥＤ部の構成を示した図である。
この図１１に示すＬＥＤ部は、図３に示したＬＥＤ部のＬＥＤ１と２次光源形成プリズム１０との間にカップリングレンズ５１を配置したものである。ＬＥＤ１にカップリングレンズ５１を配置したものは、砲弾型ＬＥＤとして知られており、２次光源形成プリズム１０の組み合わせ例である。図１１に示すように、砲弾型ＬＥＤを用いても２次光源形成プリズム１０の使い方に何ら変化なく利用することができる。
次に、第５の実施形態としての画像表示装置について説明する。
図１２は第５の実施形態としての画像表示装置に適用されるＬＥＤ部の構成を示した図であり、この図１２に示す２次光源形成プリズム６１の多角形面を８面に増やしたものであり、図１２は光軸を含み第１矩形面６１ａと第２矩形面６１ｂに垂直な平面にＬＥＤ１から出射される立体角５０度の光束を各１０度の光束Ｏ、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄに分割することができる。
図１３は、上記図１２に示した本発明の画像表示装置の第１実施形態を示した図である。
この図１３に示す画像表示装置は、ＬＥＤ１、２次光源形成プリズム６１、リレーレンズ２、ライトバルブ３により構成される。このように構成される本実施の形態の画像表示装置によれば、２次光源形成プリズム６１の多角形面を増やすと、一つ一つの光束の有する配光分布を小さくすることができ、より照度ムラを小さくすることができる。
また、図１３に示すように５０度という大きな光束を扱っても、各１０度の光束に分割することができるので、２次光源形成プリズム６１を用いるようにすると、従来に比べて光利用効率を高める事ができるため、従来に比べてリレーレンズ２のＦナンバを暗くすることができる。つまり、ＦナンバをＦ１．８７からＦ５．７１まで下げることが可能になり、リレーレンズ２を小型でしかも少ない枚数で実現することができるようになる。
【００１６】
図１４は、上記図１３に示したカラー画像表示装置であるプロジェクタの具体的な構成を示した図である。なお、図１０と同一部位には同一番号を付して説明は省略する。
この図１４に示す赤色ＬＥＤ４１Ｒ、緑色ＬＥＤ４１Ｇ、青色ＬＥＤ４１Ｂを時分割でオン・オフすることでカラー表示するものであり、赤色ＬＥＤ４１Ｒ、緑色ＬＥＤ４１Ｇ、青色のＬＥＤ４１Ｂを、それぞれクロスダイクロイックプリズム７１に向かって複数個ずつ配列したものである。これは、ＬＥＤアレイの平面を大きくしていくと、リレーレンズの軸外性能を高める必要があり、また投射レンズ４６のＦナンバもどんどん明るくする必要が出てくることから、ＬＥＤアレイの平面の大型化は光学的には好ましくない。
そこで、図１４に示すようにクロスプリズム７１を用いることで、リレーレンズ４３ａ、４３ｂにとっては１平面と同じ性能でライトバルブ４５に３倍の光束を導光することができるようになる。
なお、本実施の形態では、本発明の画像表示装置と投射光学系とを組み合わせてプロジェクタなどの画像表示装置を構成する場合を例にあげて説明したが、これはあくまでも一例であり、本発明の画像表示装置と接眼光学系とを組み合わせて画像観察装置を構成することも勿論可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】ＬＥＤを利用した画像表示装置の基本的な構成を示した図。
【図２】第１の実施の形態の画像表示装置に用いられる２次光源形成プリズムの構造図。
【図３】２次光源形成プリズムを利用したＬＥＤ部の構成を示した図。
【図４】本実施の形態の画像表示装置の構成を示した図。
【図５】２次光源形成プリズムの光路を示した図。
【図６】２次光源形成プリズムを配置しない場合の画像表示装置の構成を示した図。
【図７】２次光源形成プリズムを配置した場合の画像表示装置の構成を示した図。
【図８】第３の実施形態として２次光源形成プリズムを利用したＬＥＤ部の構成図。
【図９】本発明の画像表示装置を適用したカラー画像表示装置の一構成を示した図。
【図１０】図９に示したカラー画像表示装置の具体的な構成を示した図。
【図１１】第４の実施形態としてのＬＥＤ部の構成を示した図。
【図１２】第５の実施形態としての画像表示装置に適用されるＬＥＤ部の構成を示した図。
【図１３】図１２に示した本発明の画像表示装置の第１実施形態を示した図。
【図１４】図１３に示したカラー画像表示装置の具体的な構成を示した図。
【図１５】ベアチップタイプのＬＥＤの配光分布を示した図。
【図１６】図１５に示すような配光分布のＬＥＤを用いた画像表示装置の構成を示した図。
【符号の説明】
【００１８】
１、４１  ＬＥＤ、１ａ、１ｂ  ２次光源位置、２、４３ａ、４３ｂ  リレーレンズ、３、４４  ライトバルブ、１０、３０、４２  ２次光源形成プリズム、１１  第一矩形面、１２、３１  第二矩形面、１３、３２  多角形面（台形面）、７１  クロスダイクロイックプリズム
【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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【図１６】
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