(57)【要約】【課題】  ＬＥＤなどの発光素子の出射角度による光の強度のばらつきを無くして照射対象物を照射することができる光学装置を提供する。【解決手段】  ロッドインテグレータ４は発光素子２の主たる光量を出射する範囲がロッドインテグレータ４の入力端面に重なるように設けられている。ロッドインテグレータ４に入射した照明光は、ロッドインテグレータ４の側面により全反射されつつ伝播する。このとき、照明光は、ロッドインテグレータ４内でミキシングされ、発光素子２の出射角度にともなう強度のばらつきが是正されるため、照度が均一化された照射光となる。照度が均一化された照射光はロッドインテグレータ４の出力端面からリレーレンズ部６に向けて出射され、全反射プリズム８、反射型表示デバイス１０を通過し、映像光となる。【選択図】      図１
2006285042.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力端面から出力端面に向けて伸びる柱状の本体を有し、前記入力端面に光が入射されると前記本体の内部で反射しながら前記出力端面に向うよう構成され、前記入力端面に入射された光をミキシングして出力する光ミキシング部材と、
前記光ミキシング部材の入力端面の近傍に設けられる発光素子と
を具備することを特徴とする光源装置。
【請求項２】
入力端面から出力端面に向けて伸びる柱状の本体を有し、前記入力端面に光が入射されると前記本体の内部で反射しながら前記出力端面に向うよう構成され、前記入力端面に入射された光をミキシングして出力する光ミキシング部材と、前記入力端面の近傍に設けられる発光素子とが対になった発光ユニットを複数設け、
前記各発光ユニットは前記光ミキシング部材が束ねられるようにして集合して構成されていることを特徴とする光源装置。
【請求項３】
一の端面から他の端面に向けて伸びる柱状の本体を有し、前記一の端面に光が入射されると前記本体の内部で反射しながら前記他の端面に向うよう構成され、前記一の端面に入射された光をミキシングして出力する第２の光ミキシング部材を有し、前記一の端面には、束ねられた前記各光ミキシング部材の各出力端面から出射される複数の光が入射されることを特徴とする請求項２記載の光源装置。
【請求項４】
前記発光素子は主たる光量を出射する範囲が前記入力端面に重なり、前記範囲の境界線が、前記入力端面の縁部に位置するように、前記光ミキシング部材の近傍に配置されることを特徴とする請求項１から３いずれかに記載の光源装置。
【請求項５】
前記入力端面の近傍に設けられる前記発光素子は複数であることを特徴とする請求項１から４いずれかに記載の光源装置。
【請求項６】
前記各発光素子は、出力光の波長が異なる複数のグループに分かれていることを特徴とする請求項２または３記載の光源装置。
【請求項７】
請求項２または３記載の光源装置を複数設けるとともに、各光源装置の出力光を同一の照射対象物に導く光学系を有することを特徴とする複合光源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プロジェクターや半導体露光装置等の照明系（システム）に用いて好適な光源装置の技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
プロジェクターにおいては、多くの光量が必要になるため、その光源としてはアークランプなどの高輝度ランプが用いられる。しかしながら、アークランプ（キセノンランプ、ハロゲンランプ、メタルハライドランプなど）は寿命が短く、例えば、メタルハライドランプでは、１０００時間程度の使用時間で、光の中心強度が５０％低下してしまう。
このために、長寿命の光源が求められている。特許文献１に記載の装置は、発光ダイオードを用いた光源装置が記載されている。発光ダイオードを用いれば、光源としての寿命は著しく長くなり、好適である。
【特許文献１】特開平１１−３２２７８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、特許文献１に記載の光源にあっては、ＬＥＤ群を構成する一つひとつのＬＥＤの出射光をレンズやミラーによって照射対象物に導いている。この場合、照射対象のある点に対して一つのＬＥＤの光が導かれるが、そのＬＥＤが担当する照射エリアにおける照度の分布を考えると、ＬＥＤの出射光の強度が出射角度によって異なるため、レンズやミラーなどの光学経路を通っても強度のばらつきが残り、最終的な照射エリアにおいても照度がばらついてしまう。
この発明は上述した事情に鑑みてなされたもので、ＬＥＤなどの発光素子の出射角度による光の強度のばらつきを無くして照射対象物を照射することができる光学装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記課題を解決するため、本発明は、入力端面から出力端面に向けて伸びる柱状の本体を有し、前記入力端面に光が入射されると前記本体の内部で反射しながら前記出力端面に向うよう構成され、前記入力端面に入射された光をミキシングして出力する光ミキシング部材と、前記光ミキシング部材の入力端面の近傍に設けられる発光素子とを具備することを特徴とする光源装置を提供する。
また、入力端面から出力端面に向けて伸びる柱状の本体を有し、前記入力端面に光が入射されると前記本体の内部で反射しながら前記出力端面に向うよう構成され、前記入力端面に入射された光をミキシングして出力する光ミキシング部材と、前記入力端面の近傍に設けられる発光素子とが対になった発光ユニットを複数設け、前記各発光ユニットは前記光ミキシング部材が束ねられるようにして集合して構成されていることを特徴とする光源装置を提供する。
この場合、一の端面から他の端面に向けて伸びる柱状の本体を有し、前記一の端面に光が入射されると前記本体の内部で反射しながら前記他の端面に向うよう構成され、前記一の端面に入射された光をミキシングして出力する第２の光ミキシング部材を有し、前記一の端面には、束ねられた前記各光ミキシング部材の各出力端面から出射される複数の光が入射されるようにしてもよい。
【０００５】
また、上記構成において、前記発光素子は主たる光量を出射する範囲が前記入力端面に重なり、前記範囲の境界線が、前記入力端面の縁部に位置するように、前記光ミキシング部材の近傍に配置されると好適である。
また、前記入力端面の近傍に設けられる前記発光素子は複数であってもよい。
また、発光素子を複数設ける場合は、出力光の波長が異なる複数のグループに分かれているようにしてもよい。
また、上述した光源装置を複数設けるとともに、各光源装置の出力光を同一の照射対象物に導く光学系を有する複合光源装置として構成することもできる。
【発明の効果】
【０００６】
ミキシング部材によって発光素子の出力光がミキシングされるので、各発光素子が担当する照射エリアの照度分布が均一化される。また、各発光素子はミキシング部材の入力端面の近傍に配置されているので、発光素子から出力される有効な光はほとんどミキシング部材に入射されるとともに、発光素子とミキシング部材の間にレンズ等の光学系もないので、出射光はほとんど減衰されずにミキシング部材に入射される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、本願発明の実施形態について説明する。
＜第１実施形態＞
図１は、本発明の第１実施形態である照明光学装置１００を有するＤＭＤ（登録商標）（Digital Micromirror Device）を用いたＤＬＰ（登録商標）（Digital Light Processing）方式のプロジェクターの構成を示している。照明光学装置１００はＬＥＤ等の発光素子２と、ロッドインテグレータ４とをそれぞれ一対ずつ有している。
【０００８】
ロッドインテグレータ４は、直方体形状の透明な導光路であり、その中心軸を発光素子２およびリレーレンズ部６の光軸に一致させた状態で固定されている。ここで、発光素子２からの照明光は、ロッドインテグレータ４の一方の端面（以下、入力端面４ａという）に入射し、ロッドインテグレータ４の側面により全反射されつつ伝搬し、ロッドインテグレータ４の他方の端面（以下、出力端面４ｂという）からリレーレンズ部６に向けて出射される。
【０００９】
発光素子２はロッドインテグレータ４の入力端面４ａに近接して設けられている。近接のさせ方としては、例えば、図２に示すように、発光素子２の主たる光量を出射する範囲が入力端面４ａに重なり、その範囲の境界線Ｌ１が入力端面４ａの縁部に位置するようにする。この場合、発光素子２と入力端面４ａとの間にはレンズ等の光学系は設けられておらず、また、上述のように主たる光量を出射する範囲は入力端面４ａにほぼ重なっているので、発光素子２からの出力光のほとんどが減衰することなくロッドインテグレータ４に入射することになる。
【００１０】
ロッドインテグレータ４の出射光は、リレーレンズ部６を通過することにより平行光となる。全反射プリズム８は、このリレーレンズ部６を通過した照明光を全反射して反射型表示デバイス１０に入射させる。
【００１１】
図３（ａ）は、反射型表示デバイス１０の構成を示す図である。反射型表示デバイス１０は、全反射プリズム８からの照明光に空間変調を画素毎に施すものであり、１３μｍ程度の正方形状の複数のマイクロミラー１０１が２次元アレイ状に配列されて構成されている。
【００１２】
図３（ｂ）は、マイクロミラー１０１の動作を示す図である。マイクロミラー１０１は、反射型表示デバイス１０の半導体基板１０３上にピボット１０５によって支持されている。各マイクロミラー１０１は、半導体基板１０３にアレイ上に形成されたトランジスタ（図示省略）がオンして発生する静電力に基づいて偏向し、発光素子２からの照明光を有効反射光（外部へ照射される光）とする場合は、マイクロミラー１０１を図３（ｂ）の実線で示す状態にし、照明光を投射レンズ１２に向けて順次反射させる。一方、無効反射光（外部へ照射されない光）とする場合は、マイクロミラー１０１を図３（ｂ）の破線で示す状態にし、照明光がストッパー１０２によって吸収されるようにする。また、マイクロミラー１０１は、画素信号の大きさに応じて投射レンズ１２への反射時間が制御され、例えば、画素信号が８ビットならば、反射光量は２５６階調で変化する。つまり、各マイクロミラー１０１の反射時間が制御されることによって画素毎の階調が表現されるようになっている。
【００１３】
反射型表示デバイス１０により反射された照明光は、全反射プリズム８を透過する。投射レンズ１２は、このようにして反射型表示デバイス１０で反射されて全反射プリズム８を透過する光を図示しないスクリーンに投射する。
【００１４】
以上説明した本実施形態によれば、光源にＬＥＤを用いることで、光源の寿命を長くすることができる。また、ロッドインテグレータ４によって発光素子２の出力光がミキシングされるので、照射対象である反射型表示デバイス１０のマイクロミラー１０１の２次元マトリクスの面の照度は均一になる。すなわち、ＬＥＤ等の発光素子２は、出射角度によって例えば図４に示すような光強度特性を有している。ここで、図４は、発光素子２から出射される照明光の配光分布の一例を示す図である。一般的なＬＥＤの配光分布は図４のようになっていることもあり、その場合、中心部の出力光のみを用いると光利用効率が悪くなってしまうという問題がある。したがって、発光素子２の光をそのまま導いて照射対象を照射したとすれば、その発光素子が受け持つ照射エリアについては図４に示す光強度特性に起因するばらつきが生じてしまう。本実施形態においては、ロッドインテグレータ４を用いる構造であるため、ロッドインテグレータ４内における光の反射によるミキシング効果で発光素子の出射角度にともなう強度のばらつきは是正されて均一になり、したがって、照射エリアの照度も均一になる
また、発光素子２は入力端面４ａの近傍に配置されているので、発光素子２から出力される光のほとんどが減衰のない状態でロッドインテグレータ４に入射されるから、光量が多くとれるという効果を奏する。
【００１５】
なお、上述した実施形態においては、中実のロッドインテグレータ４を用いたが、図５（ａ）に示すように中空のロッドインテグレータ４′を用いてもよい。中空のロッドインテグレータ４′は、内面がミラーになっており、入射された光はこの内面ミラーによって反射される。中空のロッドインテグレータ４′も前述の中実のロッドインテグレータ４と同様の作用を行うが、中空のロッドインテグレータ４′の場合は、図５（ｂ）に示すように、発光素子２の発光点をロッドインテグレータ４′の内部に位置するように構成することができる。
【００１６】
＜第２実施形態＞
図６は、本発明の第２実施形態である照明光学装置の構成を示す図である。上記第１実施形態では、一対の発光素子２とロッドインテグレータ４とを用いた例を示したが、本実施形態では、この対を複数設けている。また、本実施形態では中空のロッドインテグレータ４′を使用している。
【００１７】
ここで、発光素子２とロッドインテグレータ４′の部分を拡大した側面図を図７に示す。この図に示すように、本実施形態においては発光素子２の発光点はロッドインテグレータ４′の中に位置している。また、図は側面図であるため、各４個の発光素子２とロッドインテグレータ４′が示されているが、正面から見た場合には４×４のマトリックスになっている。
【００１８】
ここで、ロッドインテグレータ４′、４′…の斜視図を図８（ａ）に示す。この図に示すようにロッドインテグレータ４′、４′…は正面からみた場合に４×４のマトリックスとなるようにして束ねられている。
なお、図８（ｂ）に示すように、端面の面積の大きな一つのロッドインテグレータ４０を用いることも考えられるが、この場合には、ロッドインテグレータ４０の内部での光の反射回数が少なくなるため、図８（ａ）に示す場合と同じ効果を得るには、ロッドインテグレータ４０の長手方向の長さを長くしなければならず、装置が大型化するなどの問題を生じる。
【００１９】
本実施形態においては、端面の面積が小さな細長いロッドインテグレータ４′を束ねて用いるので、上述の問題は生じない。さらに、発光素子２とロッドインテグレータ４′の対が、マトリクス状に束ねられているので、ロッドインテグレータ４′の集合体から出力される光の光量が大きくなるという利点を有する。
【００２０】
なお、ロッドインテグレータ４′を集合させているので、それらの境目が照明対象に映ることがある。
そこで、束ねられているロッドインテグレータ４′のそれぞれの先端部分を覆うロッドインテグレータ４２をさらに設けるようにしても良い。このときのロッドインテグレータ４′とロッドインテグレータ４２の側面図を図９に示す。ロッドインテグレータ４２は、直方体で中空の本体を有しており、本体内面がミラーになっている。
【００２１】
以上の構成によれば、ロッドインテグレータ４′の集合からの出射光がロッドインテグレータ４２によってミキシングされるので、ロッドインテグレータ４′の集合体の境目が消滅した照射光が反射型表示デバイス１０に入射されることになる。
なお、本実施形態において中実のロッドインテグレータを用いても勿論構わない。
【００２２】
＜第３実施形態＞
図１０は、本発明の第３実施形態である照明光学装置の構成を示す図である。この実施形態においては、第２実施形態において示した光源のユニットを３台設け、それぞれの発光素子として、緑、赤、青のＬＥＤを用いている。図１０においては、緑のＬＥＤを用いたユニットをユニットＵ１、赤のＬＥＤを用いたユニットをユニットＵ２、青のＬＥＤを用いたユニットをユニットＵ３として示している。
また、各ユニットＵ１〜Ｕ３の出射光を照射対象である反射型表示デバイス１０に導くリレーレンズ６ａ、６ｂ、６ｃおよびクロスダイクロイックプリズム１４が設けられている。
【００２３】
ユニットＵ１〜３から出射された照明光はリレーレンズ６ａ〜６ｃのそれぞれによって平行光になり、クロスダイクロイックプリズム１４に出射される。クロスダイクロイックプリズム１４に入射されたユニットＵ１からの照明光はクロスダイクロイックプリズム１４を透過し全反射プリズム８に出射される。ユニットＵ２からの照明光はクロスダイクロイックプリズム１４によって光路が９０度折り曲げられ全反射プリズム８に出射される。ユニットＵ３からの照明光も同じようにクロスダイクロイックプリズム１４によって光路が９０度折り曲げられ全反射プリズム８に出射される。
【００２４】
以上のようにして、それぞれのユニットから入射される緑、赤、青のそれぞれの照明光を順次出射し、各色が出射されているタイミングにおいて、反射型表示デバイス１０がその色の像を生成することにより、カラー画像が生成される。
【００２５】
＜他の実施形態＞
上記各実施形態では、ＤＭＤを用いたＤＬＰ方式のプロジェクターに適用する場合を例に照明光学装置を説明した。しかし、プロジェクターには、ＤＬＰ方式以外にも、例えばＬＣＯＳ（Liquid Crystal On Silicon）方式のプロジェクターや、透過型ＬＣＤプロジェクターなど各種のものがある。本発明に係る照明装置は、プロジェクターの方式に合わせて必要な変形を加えることにより、表示素子や光学方式を問わず、各種のプロジェクターに適用可能である。
【００２６】
また、上記実施形態では、１つの発光素子に１つのロッドインテグレータを設けた場合を示したが、ロッドインテグレータに対する発光素子の数は１つに限らず、複数であってもよい。図１１にその例を示した。図１１においては、１つのロッドインテグレータ４′に対して、２つの発光素子２を設けた場合を示した。
【００２７】
また、発光素子の色は単色に限らず、図１２に示すように、複数色のＬＥＤを発光素子２として設けるようにしてもよい。なお、図１２における「Ｒ」、「Ｂ」、「Ｇ」はそれぞれ赤、青、緑のＬＥＤであることを示している。さらに、ＬＥＤの数は前述した実施形態や図１２に示した３×３の個数に限らず、さらに多数（ｍ×ｎ）設けるようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の第１実施形態である照明光学装置を有するプロジェクターの構成を示す図である。
【図２】同実施形態に係る発光素子とロッドインテグレータの配置例である。
【図３】同実施形態に係る反射型表示デバイスの説明図である。
【図４】同実施形態に係る発光素子の光強度分布を示す図である。
【図５】同実施形態に係るロッドインテグレータの構成を示す図である。
【図６】本発明の第２実施形態である照明光学装置を有するプロジェクターの構成を示す図である。
【図７】同実施形態に係る発光素子とロッドインテグレータの側面図である。
【図８】同実施形態に係るロッドインテグレータの斜視図である。
【図９】同実施形態に係るロッドインテグレータの構成を示す図である。
【図１０】本発明の第３実施形態である照明光学装置を有するプロジェクターの構成を示す図である。
【図１１】他の実施形態における発光素子とロッドインテグレータの配置例である。
【図１２】同実施形態における発光素子の構成例を示す図である。
【符号の説明】
【００２９】
２…発光素子、４，４′，４０…ロッドインテグレータ、６…リレーレンズ部、８…全反射プリズム、１０…反射型表示デバイス、１２…投射レンズ、１４…クロスダイクロイックプリズム、１００…照明光学装置
【図１】
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【図２】
2006285042.tif 000004
【図３】
2006285042.tif 000005
【図４】
2006285042.tif 000006
【図５】
2006285042.tif 000007
【図６】
2006285042.tif 000008
【図７】
2006285042.tif 000009
【図８】
2006285042.tif 000010
【図９】
2006285042.tif 000011
【図１０】
2006285042.tif 000012
【図１１】
2006285042.tif 000013
【図１２】
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