(57)【要約】    【課題】  光源手段からの光束を有効に利用し、被照射面を効率的で、均一に照明することができる照明装置を得ること。    【解決手段】  第１の面と、第２の面が互いに平行で、第１の面と第２の面が内面反射する第１の側面で連結された第１の導光体と、第３の面と、第４の面が互いに平行で、第３の面と第４の面が内面反射する第２の側面で連結された第２の導光体と、を有し、第１、第２の導光体は、第２の面と第３の面とが対向するように配置されており、第１の導光体の第１の面又は第１の側面の少なくとも一方には全体として複数の光源部が設けられており、第１、第２の導光体は複数の光源部から出射し、第１の導光体内に入射した光束の一部が第１の導光体の第１の側面で反射した後に第２の面から出射し、第３の面より第２の導光体内に入射し、第２の導光体の第２の側面で反射した後に第４の面より出射する形状より成ること。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の面と、それより面積の大きい第２の面が互いに平行で、該第１の面と第２の面が内面反射する第１の側面で連結された第１の導光体と、第３の面と、それよりも面積の小さな第４の面が互いに平行で、該第３の面と該第４の面が内面反射する第２の側面で連結された第２の導光体と、を有し、該第１、第２の導光体は、該第２の面と該第３の面とが対向するように配置されており、該第１の導光体の第１の面又は第１の側面の少なくとも一方には全体として複数の光源部が設けられており、該第１、第２の導光体は該複数の光源部から出射し、該第１の導光体内に入射した光束の一部が該第１の導光体の該第１の側面で反射した後に該第２の面から出射し、該第３の面より該第２の導光体内に入射し、該第２の導光体の該第２の側面で反射した後に該第４の面より出射する形状より成ることを特徴とする照明装置。
【請求項２】
前記第１、第２の導光体は、光学的に透明な材料にて構成されていることを特徴とする請求項１の照明装置。
【請求項３】
前記第１の導光体の第１の面に垂直で、該第１の面の中心を通る直線を該第１の導光体の光軸とするとき、該第１の導光体の光軸に対する該第１の導光体の側面の角度をα、該第１の導光体の周辺物質の屈折率をｎ１、該第１の導光体を構成する透明な材料の屈折率をｎ２とするとき、前記第１の導光体の第１の側面に設けた前記複数の光源部の発光面か
ら垂直方向に出射する光線の該第１の側面への入射角θ１が
【数１】
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を満足していることを特徴とする請求項２に記載の照明装置。
【請求項４】
前記第２の導光体の第２の側面には光反射膜が形成されていることを特徴とする請求項１、２又は３に記載の照明装置。
【請求項５】
前記第２の導光体の第４の面には、該第４の面を底面とし、前記第２の導光体の第４の面から遠い側に頂点を配置した錐形状の光出射部が、取り付けられていることを特徴とする請求項２に記載の照明装置。
【請求項６】
前記第２の導光体の第４の面には、該第４の面を底面とし、該第４の面よりも小さい面積より成る複数の錐形状の光出射部が取り付けられていることを特徴とする請求項２に記載の照明装置。
【請求項７】
前記第２の導光体の第４の面の面積は、前記複数の光源部の発光面の面積の総和よりも小さいことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項の照明装置。
【請求項８】
前記第２の導光体の第４の面に対向する位置に、該第４の面の位置を主点位置とするコリメート光学系が配置されていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項の照明装置。
【請求項９】
前記複数の光源部の各々は、該光源部の発光面から放射される光束の発散角を小さくする集光光学系を有することを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の照明装置。
【請求項１０】
請求項１乃至９のいずれか１項に記載の照明装置と、該照明装置から出射する照明光で照射されるライトバルブと、該ライトバルブに形成された画像を拡大投影する投射光学系を有することを特徴とする画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、照明装置及びそれを有する画像表示装置に関し、被照射面に設けた画像表示素子（ライトバルブ）を均一に照明して画像情報を拡大投影して観察するプロジェクターに好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、画像表示素子に表示された画像を照明装置からの光束で照明し、他の画像表示面（スクリーン面）に拡大投影する画像表示装置（以下、プロジェクターと呼ぶ）が種々と提案されている。画像表示装置において、明るくかつ照度ムラの少ない画像を得るためには画像表示素子に表示された画像をより高くより均一な照度で照明することが重要である。このような要求を満足した照明装置が知られている（特許文献１、２）。特許文献１には、光源より放射される光にロッドレンズを介してライトバルブ（画像表示装置）を均一に照明する構成が開示されている。ロッドレンズは一般に光学的に透明な光学材料で構成された四角柱や円柱などで構成されている。一般にロッドレンズの一方の端面（光入射面）に光源からの光を入射させると、それらの光はロッドレンズの内部を全反射しながら進み、他方の端面（光出射面）より出射する。これはロッドレンズの光学材料の屈折率ｎ２が外気の屈折率ｎ１に対して大きく、かつロッドレンズの側面に内部より入射する光の入射角が下記（数式１）で示される臨界角よりも大きい場合に成立する。
【０００３】
【数１】
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【０００４】
一般に光源より放射した光は、放射角度に依存した強度分布が残っていることが多い。ロッドレンズを用いて照明光強度を向上させるため、入射面に対向して複数の光源を配置する照明装置が知られている。この場合、光入射面上では位置に依存した強度分布が残ることになる。ロッドレンズを用いた照明装置では、これらの強度分布を有する光束もロッドレンズ内部を多重反射することで強度分布が平均化され、光出射面においては均一性の高い照度分布を得ている。特許文献２では、光出射側の断面積を、光源側の断面積よりも大きくしたテーパー形状の導光部材（ロッドレンズ）を用いている。さらに、光源からの光をテーパー形状のロッドレンズの端面ではなく側面より入射させて均一の照度分布を得ている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−２６２７９５号公報
【特許文献２】特開２００６−１１４４５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
近年、プロジェクター用の照明装置の光源として半導体レーザーやＬＥＤ（発光ダイオード）などの固体発光素子が用いられるようになっている。これら固体発光素子単体から放射される光量は水銀ランプなどに比して低いが、個々の素子サイズが小さいため、アレイ化して複数個、高密度配置すれば全体の光量を向上させることができる。しかしながら、これら複数の固体発光素子を光源手段とし、特許文献１で開示されているロッドレンズを用いた照明装置に適用すると、より多くの光源をロッドレンズの側面に配置することができるが、以下のような不具合が発生する。
【０００７】
対向する側面同士が平行な側面から光を導入すると光線はロッドレンズの内部を全反射せずにロッドレンズを突き抜けてしまい、出射面から照明光を取り出すことができなくなる。これはロッドレンズの側面同士が平行であるため、ロッドレンズへの光線入射角とロッドレンズからの光線出射角が常に等しくなり全反射が発生しないからである。したがって、複数の光源をアレイ化して構成しても、表面積の小さい端面からしか光を取り込むことができないので、光源の数をあまり大きくとることができない。一方、特許文献２ではテーパー形状の導光部材の側面から光を導入しているので光源の数を増やすことができる。しかしながら、以下のような課題が存在する。導光部材の側面から導入した光のすべてが導光部材の内部を全反射するための手段を講じていないため、できるだけ多くの光を出射端面に導くには導光部材の側面に反射膜を形成する必要がある。しかしながら側面から光を導入しなくてはならないので、特許文献２では反射膜に波長選択性を持たせている。
【０００８】
つまり、光源と対向する波長選択性の反射膜はその光源の波長域に対して反射特性を有し、光源と同じ側の波長選択性の反射膜はその光源の波長域に対して透過特性を有している。このような波長選択性の反射膜は多くの工程と製作精度が必要となり、製造が難しい。また、波長選択性は光の入射角に大きく依存して変化するため、反射率のムラや透過率のムラが発生して照明光の照度分布の均一性が低下してくる。また、波長選択膜と光源の配置関係が固定されるため配置の自由度が限定的になる。導光部材の側面から導入された光が対向する波長選択膜だけで反射して出射端面から出射する場合は問題ない。しかしながらこの反射光が再度光源側の波長選択膜に入射してしまうと導光部材の外に光が漏れ出してしまう可能性がある。つまり、導光部材の長さをあまり長くすることができなく、均一の照度分布を得るのが難しいなどの問題がある。
【０００９】
本発明は、光源手段からの光束を有効に利用し、被照射面を効率的で、均一に照明することができる照明装置及びそれを有する画像表示装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の照明装置は、第１の面と、それより面積の大きい第２の面が互いに平行で、該第１の面と第２の面が内面反射する第１の側面で連結された第１の導光体と、第３の面と、それよりも面積の小さな第４の面が互いに平行で、該第３の面と該第４の面が内面反射する第２の側面で連結された第２の導光体と、を有し、該第１、第２の導光体は、該第２の面と該第３の面とが対向するように配置されており、該第１の導光体の第１の面又は第１の側面の少なくとも一方には全体として複数の光源部が設けられており、該第１、第２の導光体は該複数の光源部から出射し、該第１の導光体内に入射した光束の一部が該第１の導光体の該第１の側面で反射した後に該第２の面から出射し、該第３の面より該第２の導光体内に入射し、該第２の導光体の該第２の側面で反射した後に該第４の面より出射する形状より成ることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、光源手段からの光束を有効に利用し、被照射面を効率的で、均一に照明することができる照明装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の第１の実施例概要説明図
【図２】（Ａ）・（Ｂ）集光用導光体の形状バリエーションの説明図
【図３】（Ａ）・（Ｂ）・（Ｃ）集光用導光体の光出射部の説明図
【図４】集光用導光体の戻り光の説明図
【図５】（Ａ）・（Ｂ）集光用導光体の側面形状がフレネル面の場合の説明図
【図６】（Ａ）・（Ｂ）・（Ｃ）集光用導光体の側面形状がフレネル面の場合のバリエーションの説明図
【図７】（Ａ）・（Ｂ）集光用導光体の側面形状のバリエーションの説明図
【図８】中空構造の集光用導光体の説明図
【図９】（Ａ）・（Ｂ）コリメート用導光体の形状バリエーションの説明図
【図１０】コリメート用導光体と集光用導光体の間に補正光学系を使用した場合の説明図
【図１１】（Ａ）・（Ｂ）コリメート用導光体の斜視図
【図１２】（Ａ）・（Ｂ）光源部の拡大図
【図１３】コリメート用導光体の内部反射光の光路説明図
【図１４】コリメート用導光体の側面からの漏れ光の説明図
【図１５】光源部の説明図
【図１６】コリメート用導光体の側面形状がフレネル面の場合の説明図
【図１７】（Ａ）・（Ｂ）コリメート用導光体の側面形状のバリエーションの説明図
【図１８】中空構造のコリメート用導光体２の説明図
【図１９】本実施例における基本的なパラメータ設定の説明図
【図２０】コリメート用導光体と集光用導光体を組み合わせて性能向上させる例の説明図
【図２１】コリメート用導光体と集光用導光体を組み合わせて性能向上させる例の説明図
【図２２】実施例１の照明装置を用いた投射型画像表示装置（プロジェクター）の説明図
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の照明装置及びそれを有する画像表示装置の実施例について説明する。本発明の照明装置は、第１の面（上底面）２−２と、それより面積の大きい第２の面（下底面）２−１が互いに平行で、第１の面２−２と第２の面２−１が内面反射する第１の側面２０１で連結された第１の導光体（コリメート用導光体）２を有する。更に第３の面（下底面）３−１と、それよりも面積の小さな第４の面（上底面）３−２が互いに平行で、第３の面３−１と第４の面３−２が内面反射する第２の側面１０３で連結された第２の導光体（集光用導光体）３と、を有する。第１、第２の導光体２−３は、第２の面２−１と第３の面３−１とが対向するように配置されている。第１の導光体２の第１の面２−２又は第１の側面２０１の少なくとも一方には全体として複数の光源部１ａが設けられている。第１、第２の導光体２、３は複数の光源部１ａから出射し、第１の導光体内に入射した光束の一部が第１の導光体２の第１の側面２０１で反射した後に第２の面２−１から出射する。第３の面３−１より第２の導光体内に入射し、第２の導光体３の第２の側面１０３で反射した後に第４の面３−２より出射する形状より成っている。
【００１４】
［実施例１］
図１は本発明の実施例１の照明装置の要部概略図である。本実施例の照明装置は、コリメート用導光体（第１の導光体）２と集光用導光体（第２の導光体）３の２種類の導光体を含む集光光学系１０１を有している。そして、光源手段１から放射される光を集光光学系１０１で高密度に集光し、コリメート光学系４を介して大光量かつ平行度の高い光束を出射して、被照射面を照明している。本実施例では、固体発光素子より成る複数の光源部１ａを有し、アレイ化された光源手段１からの光を、末広がり形状のコリメート用導光体２と先細り形状の集光用導光体３を用いて集光している。これにより、元の複数の光源部１ａの発光面積の総和よりも格段に小さい２次光源１０２を集光用導光体３の下底面（第４の面）（出射面）３−２又は、その近傍に生成する。この２次光源１０２を別のコリメート光学系４と組み合わせることで平行度の高い照明光を生成する。以下，このような構成にて平行度が高く、効率のより照明装置を実現するための各部材の具体的な構成について述べる。集光用導光体（第２の導光体）３は、第３の面（下底面）３−１と、それよりも面積の小さな第４の面（上底面）３−２が互いに平行で、第３の面３−１と第４の面３−２が内面反射する第２の側面１０３で連結された形状より成っている。
【００１５】
本実施例において、集光用導光体３は図２（Ａ）に示された６面体（４角錐台）もしくは図２（Ｂ）に示された円錐台のような錐台形状素子より成っている。以下、このような錐台形状素子を構成する２つの底面のうち、面積の小さい方を上底面（第４の面）、大きい方を下底面（第３の面）と呼ぶ。本実施例においては、この集光用導光体３の下底面３−１が光の入射面（光入射面）となり、それに平行な上底面３−２は光線の出射面（光出射面）となる。集光用導光体３は光の出射側３−２に向かって先細りの形状で光学的に透明な材料で構成されている。上底面３−２に対向する位置にはコリメート光学系４が配置されている。図中の一点鎖線は導光体２における光軸（中心軸）Ｌである。ここではこの光軸Ｌとして集光用導光体３の下底面３−１および上底面３−２の中心（重心）を通り、かつそれらの端面に垂直な直線と定義している。集光用導光体３の側面（第２の側面）１０３には光反射膜３−３が形成されており、下底面３−１より入射した光線は反射膜３−３による内部反射を繰り返し、最終的には上底面３−２より出射する。上底面３−２の面積は下底面３−１の表面積よりも小さいので、元の入射光束の断面積に比して非常に小さい領域（上底面３−２）に光を集中させている。この小領域を２次光源１０２とみなし、この２次光源１０２の位置を焦点としたコリメート光学系４を図中のように上底面３−２の位置を主点位置とするように配置して、非常に平行度の高い（光線角度のばらつきが少ない）照明光を得ている。
【００１６】
図３（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は集光用導光体３の上底面（第４の面）（光出射面）３−２における光束の出射状態を示す説明図である。図３（Ａ）は、上底面３−２の形状が不適切なため光束が上底面３−２に大きな角度を持って入射し、上底面３−２で光線が全反射し、下底面（第３の面）（光入射面）側に戻ってしまう場合を示している。本実施例においては図３（Ｂ）に示すように先細り形状（角錐や円錐など錐形状）の透明な光学部材より成り、表面に反射膜３−３を有しない光出射光学系（光出射部）３−４を上底面３−２に一体化して設けても良い。即ち、集光用導光体３の下底面３−１から遠い側に頂点を有した錐形状の光出射部３−４を集光用導光体３の上底面３−２に接合し、一体化しても良い。図３（Ｂ）に示す構成によれば、集光用導光体３の内部を導光してきた光は上底面３−２より出射して光出射光学系３−４に入射し、光出射光学系３−４の内部で全反射条件を満足しなくなった光線が光出射光学系３−４より出射する。このとき光の発散点は光出射光学系３−４と同程度の大きさとなるので、光源面積の大幅な縮小が容易となり、これを２次光源としてコリメート光学系４と組み合わせれば、非常に平行度の高い（光線角度のばらつきが少ない）照明光を得ることができる。なお、先細りの光出射光学系３−４の長さが長くなり２次光源の大きさが問題になる場合は、図３（Ｃ）に示すようにすれば良い。即ち、上底面３−２より面積の小さな先細りの光出射光学系（光出射部）３−４を複数個、小型化・アレイ化し、上底面３−２の面上に並べる形で一体化しても良い。この場合、図３（Ｂ）の例に対して光学部品３−４の光軸に沿った長さが縮小でき、２次光源の大きさをより小さくすることができる。
【００１７】
コリメート光学系４は図１に示すようなメニスカス形状の正レンズが有効である。メニスカス形状とすることで大きな角度で発散する照明光をより多く取り込んでコリメートすることが容易となる。なお、このコリメート光学系４については、点光源からの光を平行化する能力を持っていればメニスカス形状のレンズ以外の光学系を利用することができる。例えば放物ミラーで代用することもできる。上記のような構成の照明装置を用いた場合、コリメート光学系４を出射する光は平行度が高くかつ光線出射角のばらつきが少ない光となり、画像表示素子を照明して拡大投影するプロジェクター（画像表示装置）などの照明光として好適である。本実施例で用いている「出射面側が先細りとなる集光用導光体３」においては、内部での反射回数が増すごとに集光用導光体３の側面への入射角が減少していき、光出射端面３−２に到達せずに（入射面側）入射側３−１に戻ってくる光線が発生する場合がある。図４は、このときの光束の光路説明図である。図４においてｔ１、ｔ３は側面１０３への入射角、ｔ２、ｔ４は側面１０３からの反射角を示している。αは光軸Ｌと側面１０３とのなす角である。図４のような光路をとった場合、ｔ３＝ｔ２−２αなる関係が成立している。つまり側面１０３での反射回数１回ごとに、次の側面１０３への入射角は２αずつ減少することがわかる。したがって、集光用導光体３内部での反射回数が多くなるような場合、入射側３−１への戻り光がより多く発生し、光出射光学系３−４から出射する光量が少なくなり、照明装置としての効率が低下することがある。
【００１８】
こうした問題が発生するような場合、図５（Ａ）に示すように集光用導光体３の側面１０３の形状を段形状面１０４とすることで、光出射光学系３−４より出射する光の割合を高めることができる。図５（Ｂ）は上記フレネル面１０４の拡大図である。本実施例のフレネル面１０４は表面に反射膜３−３が形成されており、内部から入射した光線を反射する光線反射領域３−５とバックカット領域３−６より構成されている。光線反射領域３−５は光軸Ｌと平行な面で構成されており、この領域に入射した光線の光軸Ｌに対する角度は図示したように入射時と出射時で同じとなる（β１＝β２）。集光用導光体３の側面１０３の全領域にわたって上記のような構成となっているので、側面１０３で何回反射しても図４のように光が入射側に戻ってしまうようなことがない。ただし、図５（Ｂ）中の光線Ｌａ１のように、光線反射領域（有効反射領域）３−５で反射した後、バックカット領域３−６でも反射した光線は入射側３−１に戻ってしまう。そこで、こうした戻り光を防ぐために、図６（Ａ）のようにバックカット領域３−６を出射端面側に光を逃がす向きに傾斜させることは有効である。なお、光線反射領域３−５の光軸Ｌに対する角度には自由度がある。
【００１９】
図６（Ａ）ではフレネル面３−６のバックカット領域が光軸Ｌとなす角度はバックカット領域３−６の光軸Ｌから遠い側が第２の導光体３の下底面３−１側に傾斜するように設定されている。基本的には図６（Ｂ）に示すように光線反射領域（有効反射領域）３−５が光軸Ｌとなす角度α’が側面全体が光軸Ｌとなす角（側面を包括する面と光軸Ｌとのなす角度）αよりも小さくなっていれば効果がある。即ち、α’＜αとなっていれば良い。もちろん、図６（Ｃ）のように、角度αと角度α’が逆符合となる（光軸に対して異なる方向に傾斜する）フレネル面を採用することもできる。このように集光用導光体３の側面１０３をフレネル面１０４で構成すると、たとえ先細り形状の集光導光体であっても、入射側３−１に戻る光の割合を抑制することができる。フレネル面を設ける以外にも集光用導光体３の側面の形状を工夫して、照明装置の性能をコントロールすることができる。
【００２０】
図７（Ａ）は集光用導光体３の側面の曲面形状として、光軸Ｌに対する側面の傾斜角度（傾斜角）が入射端面３−１側で大きく、出射端面３−２側一様に小さい（減少する）「らっぱ形状」で構成した場合の説明図である。図７（Ｂ）は光軸Ｌに対する側面の傾斜角度が入射端面３−１側で小さく、中間領域で大きく、出射端面３−２側で変曲点を経て再び一様に小さくなる曲面状の「漏斗形状」を採用した場合の説明図である。これらの形状は図１のように集光用導光体３の側面の光軸Ｌに対する傾斜角度が一定の場合（図中破線で示している）に比べて大きい領域Ａ、同程度の領域Ｂ、小さい領域Ｃの３領域に分けることができる。これらの面形状を採用した場合の出射光効率については、光源から放射する光線の角度分布、光源のアレイ配置の仕方によって変化するが、使用時の状態に応じて最適なものを選ぶことができる。集光用導光体３はここまで透明材料で構成されるソリッド状の光学部品として説明してきたが、側面３のみを板状部品で構成し、これの内部表面に反射膜を形成することで同様の機能を有する集光用導光体３を構成することができる。例えば、図８に示すように厚みのある板（板状部材）で構成した（筒状の構造）筒８１を円錐台の側面として使用し、この筒の内面に反射膜３−３を形成して中空の導光体８２を構成しても、上記に述べた集光用導光体３の機能を発生させることができる。
【００２１】
次に、集光用導光体３に光源手段１からの光を導入するコリメート用導光体（第１の導光体）２の形状を説明する。コリメート用導光体２は集光用導光体３と同様に光学的に透明な材料で構成された光学部品で構成されている。コリメート用導光体２は第１の面（上底面）２−２と、それより面積の大きい第２の面（下底面）２−１が互いに平行で、第１の面２−２と第２の面２−１が内面反射する第１の側面２０１で連結された形状より成っている。本実施例において、コリメート用導光体２もまた図９（Ａ）に示されたような光学的に透明な材料より成り、６面体（４角錐台）もしくは図９（Ｂ）に示されたような円錐台形状となっている。コリメート用導光体２は光線の出射面となる下底面２−１と，それに平行で反対側に位置する上底面２−２を有し、下底面２−１の面積は上底面２−２の面積よりも大きく設定されている。
【００２２】
したがって、コリメート用導光体２は光の出射側２−１に向かって末広がりの形状となっている。コリメート用導光体２は集光用導光体３と光軸Ｌを共有している。光軸Ｌはコリメート用導光体２の下底面２−１および上底面２−２の中心（重心）を通り、かつそれらの底面に垂直な直線となっている。また、コリメート用導光体２の光出射面である下底面２−１は集光用導光体３の光入射端面である下底面３−１と形状、大きさ、位置が一致しており２つの導光体は下底面２−１（または下底面３−１）において一体化している。また、両導光体２、３の材料もまた同じものを使用しており部品として完全に１個のものであるが、ここでは機能の点で２つの部品として取り扱って説明をする。ただし、コリメート用導光体２の下底面２−１から射出する光と集光用導光体３の下底面３−１に入射する光との間になんらかの光学的な変換を行って、照明装置としての最適化を行っても良い。この場合は、図１０に示すように両者を分離し、補正光学系５を両者の間に配置してもよい。本実施例においてコリメート用導光体２は、光源手段１からのさまざまな方向への発散光をできるだけ同じ方向に揃えて、平行度の高い光として下底面２−１より出射させている。こうすることにより集光用導光体３に角度のばらつきの少ない光が導入されるので、できるだけ入射側への戻り光が発生しないような側面形状の設計が行いやすくなり、結果的に光の効率を高くすることができる。
【００２３】
次に、上記構成のコリメート用導光体２を用いて、光源手段１からの光を導光し、集光用導光体３の出射端面３−２に導く構成について説明する。図１１（Ａ）に示すように、コリメート用導光体２の側面２０１には複数の光源部１ａが配置される。図では光源部１ａは１つの場合を示しているが、複数あっても良い。図１１（Ｂ）は光源部１ａ近傍の拡大図である。光源部１ａは光源１−１と光束の発散角を小さくする正の屈折力の集光光学系１−２を有している。本実施例では光源１−１としてＬＥＤ（発光ダイオード）を用いている。ＬＥＤ１−１は実装時のサイズが小型で、他の素子との組み合わせ配置やアレイ配置しやすいという特徴があるが、光束の発散角が大きく、指向性のある光が得にくいという性質を持っている。本実施例においてはこの発散光束の通り道に集光光学系１−２を配置し、上記発散光束の発散角を抑制しているが、光源１−１からの光束の発散角が小さい場合は集光光学系１−２を用いなくともよい。光源部１ａより出射した光線は、コリメート用導光体２の側面（第１の側面）２０１に入射して内部を進む。光源部１ａを構成するこれらの部品はコリメート用導光体２に対して図中のように傾けて配置される。これはコリメート用導光体２の側面２０１への入射角をある値以上に設定するためだが、この必要性について図１２（Ａ），（Ｂ）を用いて説明する。
【００２４】
図１２（Ａ），（Ｂ）は光源部１ａの発光面から垂直方向に出射し、コリメート用導光体２の上側面２０１ａから入射した光線の２通りの光路をコリメート用導光体２の側面図を利用して図示している。図１２（Ａ）において入射光線は小さめの入射角θ１でコリメート用導光体２の上側面２０１ａに入射しているため、コリメート用導光体２の内部を進む光線は下側面２０１ｂで全反射することなくコリメート用導光体２の外部へと出射してしまう。このとき、コリメート用導光体２の内部に進む光線が上側面２０１ａの垂直軸となす角度をθ２とすると、Ｓｎｅｌｌの法則により次の関係が成り立つ（ただしｎ１はコリメート用導光体２の周辺物質の屈折率、ｎ２はコリメート用導光体２の構成物質の屈折率）。
【００２５】
【数２】
2011039395.tif 000004
【００２６】
そして、下底面２−１および上底面２−２に垂直な軸と上側側面（または下側側面２０１ｂ）２０１ａがなす角度をαとし、上記の光線がコリメート用導光体２の下側面２０１ｂの垂直軸となす角度をθ３とする。そしてこの光線が下側面２０１ｂで屈折して出射する時の出射角をθ４とすると、次の関係が成り立つ。
【００２７】
【数３】
2011039395.tif 000005
【００２８】
一方、入射光線が大きめの入射角θ1でコリメート用導光体２の上側面２０１ａに入射した場合は、図１２（Ｂ）に示すようにコリメート用導光体２の内部を進む光線は下側面２０１ｂで全反射してコリメート用導光体２の内部を進む。このとき全反射した後の光線が下側面２０１ｂに垂直な軸となす角をθ5とすると、次の関係が成り立つ。
【００２９】
θ5＝θ3        ・・・（数式５）
本実施例はコリメート用導光体２を利用して光源３から放射された光をできるだけムダなく照明光として活用することを目的としているので、すべての光線がコリメート用導光体２の側面においては全反射し、最終的には下底面２−１より出射することが望ましい。そのためには下側面２０１ｂへの光線入射角θ３は全反射条件を満足する必要がある。このときの全反射条件は（数式４）の右辺≧１であり、
【００３０】
【数４】
2011039395.tif 000006
という関係が導き出せる。
【００３１】
本実施例においては、光源部１ａを出射した光線のコリメート用導光体２への入射角θ１が、いずれも（数式９）を満足するように光源部１ａを設計している。ちなみに、コリメート用導光体２の側面２０１の内側で一度全反射した光線は、再びコリメート用導光体２の側面２０１に入射したとしてもやはり全反射する。図１３はこのことの説明図である。（数式９）を満たす光線において、図１２（Ｂ）に示す内部からの側面入射角θ３およびθ５は臨界角よりも大きい。そして本実施例のように側面に傾斜２０１がついている場合、上記光線が再度側面２０１に内側から入射する場合の入射角θ６は
θ6＝θ5＋２α      ・・・（数式１０）
となる。このため、必ず臨界角よりも大きな角度で側面に入射することになり、コリメート用導光体２の内部を伝わる光線は何度側面２０１に当たっても全反射することがわかる。
【００３２】
また、反射のたびに光線の出射角が大きくなることから、側面２０１から入射した光と比べると下底面２−１から出射する光の平行度は高くなり、光線同士の角度ばらつきも小さくなっていく。また、コリメート用導光体２に入射した光線はいずれもコリメート用導光体２の下底面２−１より出射するので光源部１ａからの光を効率よく照明光として用いることができる。なお、本実施例では光源１−１として面発光素子であるＬＥＤ（発光ダイオード）を用いているが、他の光源を用いても問題ない。例えば従来よりプロジェクター用の照明装置に用いられてきた高圧水銀ランプやＬＥＤと同様の固体発光素子である半導体レーザーなどをＬＥＤに代えて使用することもできる。また、本実施例においてはコリメート用導光体２と光源部１ａとの位置関係を工夫して光量の損失を抑制し、かつ対向する側面同士に光源部１ａを配置することを容易にしている。
【００３３】
本実施例において光源部１ａをコリメート用導光体２に対して固定して配置する場合、図１１（Ｂ）に示すように集光光学系１−２などの光学部品をコリメート用導光体２とを接触せずに配置する。これは図１４のように両者を接触させて配置してしまうと、両者の屈折率差がほとんどないために、コリメート用導光体２の内部からその接触部に入射した光線はコリメート用導光体２の側面２０１にて全反射しない。そしてそのまま光外側の光学部品がわに入射してしまうからである。これらの外側に漏れ出す光は照明光として用いることができないので、照明装置としての光の利用効率は低下してしまう。そこで本実施例においては、コリメート用導光体２と集光光学系１−２の間に低屈折率層（コリメート用導光体２の材料の屈折率よりも小さな物質）（空気層）を設けている。そてしコリメート用導光体２の内部からの光線がコリメート用導光体２の側面２０１にてすべて全反射するように構成している。
【００３４】
上記の構成と、前述した（数式９）の条件を満たすような光線入射角制御により、一度コリメート用導光体２の内部に入射した光線はすべてコリメート用導光体２の側面２０１では全反射し、最終的には下底面２−１より出射することになる。上記の構成をとれば図１に示したように光源部１ａをコリメート用導光体２の対向する側面２０１同士に光源部を複数配置することができる。なぜなら上記構成によれば、コリメート用導光体２の側面２０１は外部から入射する光線に対しては透過屈折面、内部から入射する光線に対しては全反射面として作用する。このため、対向する側面２０１同士から光を入射させてコリメート用導光体２の側面２０１の内部に光を閉じ込めることができる。したがって、コリメート用導光体２の側面２０１に配置できる光源数を増加させることができ、照明装置としての光量を向上させることができる。また、同様の理由によりコリメート用導光体２の上底面２−２にもさらに光源部１ａを配置し、内部に導いた光を下底面２−１から出射することができる。
【００３５】
このようにコリメート用導光体２と光源部１ａの光学部品が接触しないようにするには図１５に示すような構成が有効である。図１５はコリメート用導光体２の側面２０１上における光源部１ａの状態を上底面２−２側から見た図である。光源１−１は正の屈折力の集光光学系１−２と一体化され光学系支持体１−３により支持される。光学系支持体１−３はコリメート用導光体２上に接着されて固定される。このとき光学系支持体１−３とコリメート用導光体２との接合面において反射膜１−４を設けると、コリメート用導光体２の内部からの光線が上記接合面に入射した場合に内部に反射されて戻っていくため、光量損失を抑制することができる。このようにコリメート用導光体２の側面２０１より光源部１ａからの光を導入でき、かつコリメート用導光体２によって導光される光の外部への漏れ出しを抑制できる。このため、図９（Ａ）、（Ｂ）に示すように光源部１ａをコリメート用導光体２の側面２０１に多数アレイ化して配置し、大光量の光をコリメート用導光体２の内部に導き、ひいては集光用導光体３に大光量の光を入射させることができる。前述したようにコリメート用導光体２の役割は集光用導光体３に入射する光の角度のばらつきを少なくし、集光用導光体３の出射端面３−２にできるだけ多くの光線を導きやすい状況をつくることである。そのような光学作用を発生させるために、集光用導光体３と同様にコリメート用導光体２の側面形状を工夫することは有効である。
【００３６】
図１６のようにコリメート用導光体２の側面２０１の形状をフレネル面とすることで、下底面２−１より出射する光の角度ばらつきをコントロールすることができる。図中２−６は内部から入射した光線を反射する光線反射領域（有効反射領域）、２−７はバックカット領域である。フレネル面のバックカット領域２−７が光軸Ｌとなす角度はバックカット領域２−７の光軸Ｌから近い側が第１の導光体２の下底面２−１側に傾斜するように設定されている。側面（図中点線ｓ）２０１の光軸Ｌに対する傾き（側面２０１を包括する面と光軸Ｌとのなす角度）をγ、光線反射領域２−６の光軸Ｌに対する傾きをγ’とする。このときγ＜γ’である。即ち、有効反射領域２−６が第１の導光体２の光軸Ｌとなす角度γ’は、第１の導光体２の側面２０１を包括する面と第１の導光体２の光軸Ｌとのなす角度γよりも大きい。これにより、側面２０１全体の傾きとは独立に光線の反射方向をコントロールすることができ、設計の自由度があがる。なお、本実施例においても、図６（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）で適用したように、バックカット領域２−７を光線反射領域２−６で反射光を逃がすよう傾斜させて、光の利用効率を高めている。
【００３７】
フレネル面以外にもコリメート用導光体２の側面形状を工夫して、照明装置の性能をコントロールすることができる。図１７（Ａ）はコリメート用導光体２の側面形状として、光軸Ｌに対する側面の傾斜角度が上底面２−２側で一様に小さく、下底面２−１側一様に増加する「らっぱ形状」を用いた説明図である。図１７（Ｂ）は光軸Ｌに対する側面の傾斜角度が上底面２−２側で小さく、中間領域で大きく、変曲点を経て出射端面２−１側で再び一様に小さくなる「漏斗形状」を採用した場合の説明図である。これらの形状は図１のように集光用導光体３の側面の光軸Ｌに対する傾斜角度が一定の場合（図中破線で示している）に比べて大きくなったり小さくなったりと分布している。コリメート導光体２の側面２０１としてこのような面形状を採用した場合の出射光効率については、光源部１ａから放射する光線の角度分布、光源部１ａのアレイ配置の仕方によって変化する。このため、集光用導光体３に入射させた光の角度分布などに応じて最適なものを選ぶことができる。また、コリメート用導光体２はここまで透明材料で構成されるソリッド状の光学部品として説明してきた。本実施例では集光用導光体３と同様、側面のみを板状部品で構成し、これの内部表面に光反射膜を形成することで同様の機能を有するコリメート用導光体２を構成することができる。
【００３８】
例えば、図１８に示すように厚みのある板（板状部材）で構成した筒２０２を円錐台の側面として使用し、この筒（筒状の構造）２０２の内面に反射膜２−３を形成して中空の導光体２０３を構成しても良い。これによれば、上記に述べたコリメート用導光体２の機能を発生させることができるので、本実施例を構成する部品として使用することができる。ただし、これまで示したように側面から光を導入する場合においては、上記反射膜２−３が光源部１ａからの光を遮断することを回避する必要がある。このため、図中の領域境界線ＬＤより左側は光源配置領域、右側は導光領域として、右側の導光領域のみ側面内側に反射膜２−３を形成するという措置をとるのが良い。前述したソリッド状のコリメート用導光体２の場合は前述した全反射条件を満足するように光源部１ａからの光を入射させる必要があるが、上記構成の場合はこの条件を守る必要がないので設計の自由度を向上させることができる。装置の用途や製作時の要求などに応じてこうした構成変更を行うこともできる。
【００３９】
このようにコリメート用導光体２の側面形状を工夫して光源部１ａからの光の角度ばらつきを抑制し、平行度の高い光を集光用導光体３に入射させれば、集光用導光体３の出射端面３−２まで光を到達させやすくなる。その際、基本的な設計方針として図１９に示すようなパラメータ設定が有効である。つまり、コリメート導光体２の長さａよりも集光導光体３の長さｂを大きく（ａ＜ｂ）設定する。その結果コリメート導光体２の側面２０１の光軸Ｌに対する傾斜角αaよりも、集光導光体３の側面１０３の光軸Ｌに対する傾斜角αｂのほうが小さく（αｂ＜αａ）なるように設定する。なぜなら図４からもわかるとおり、傾斜角αｂが小さいほうが、集光導光体３の側面１０３で反射した光線が対向する側面１０３に入射するときの入射角の減少幅２αbが小さくなり、光線が入射側に戻りにくくなるからである。ただし、集光用導光体３の長さｂをあまり長くすると集光用導光体３の内部反射回数が増え、光線が入射側に戻りやすくなってしまう。このため、傾斜角αｂと反射回数ｂの効果のバランスをとった設計を行って最適なパラメータ設定を行うのが良い。このようにコリメート用導光体２と集光用導光体３を組み合わせると光源部１ａから出射端面（出射面）３−２までに経由する光路設計の自由度が増すので、どちらか単独の導光体で集光するよりも効率向上を図ることが容易になる。
【００４０】
例えば、図７（Ｂ）で示したような漏斗形状の側面形状を有する集光導光体３の場合、領域Ａに光線が入射すると光線が入射側に戻りやすくなるが、領域Ｃに光線が入射する方が相対的に光線が出射側に進みやすい。一方、図１７（Ａ）で示したようならっぱ形状の側面形状を有するコリメート導光体２の場合、出射端２−１より出射する光線は光軸Ｌから離れる方向に進みやすい。したがって、図２０に示すようにらっぱ形状の側面形状を有するコリメート導光体２と漏斗形状の側面形状を有する集光導光体３とを組み合わせた場合、集光導光体３の領域Ｃに入射する光線の割合を多くすることができ、集光効率を高くすることができる。また、図７（Ａ）で示したような、らっぱ形状の側面形状を有する集光導光体３の場合も、領域Ａに光線が入射すると光線が入射側に戻りやすくなるが、領域Ｃに光線が入射する方が相対的に光線が出射側に進みやすい。
【００４１】
一方、図１７（Ｂ）で示したような漏斗形状の側面形状を有するコリメート導光体２の場合、出射端２−１より出射する光線は光軸Ｌに近づく方向に進みやすい。したがって、図２１に示すように漏斗形状の側面形状を有するコリメート導光体２と、らっぱ形状の側面形状を有する集光導光体３とを組み合わせた場合、集光導光体３の領域Ａ,領域Ｂを飛び越して領域Ｃに入射する光線の割合を多くすることができる。このため集光効率を高くすることができる。このような手法は上記の組み合わせに限定されず、２つの導光体に求められる特性に応じて最適化を行い、２つの導光体の側面形状に反映させればよい。一方、照度分布の均一化についても光源から出射端面３−２までの導光体内の反射回数が増加し、かつ設計の自由度が増すので、照度ムラ補正が容易になる。例えば、コリメート用導光体２のみを用いて照明光を発生させようとすると、内面反射回数が０回または1回で出射する光線が存在する。この場合、出射端面２−１における照度分布は補正が不十分となる可能性がある。しかし、集光用導光体３を組み合わせるとさらに反射回数が増加するので、照度分布の均一性は向上する。また、コリメート導光体２の出射端面２−１における照度分布が発生しても、集光用導光体３の集光特性として、逆の照度分布を発生させるよう上記パラメータａ，ｂや集光用導光体３の側面形状を設計すればよいので、照度ムラ補正が容易となる。
【００４２】
以上のように本実施例では、側面に光源部１ａを複数配置して高エネルギーの放射光束を側面から導入でき、なおかつ光線の角度ばらつきを小さくして平行度を高める効果を有するコリメート用導光体２を用いている。そして、できるだけ多くの光を出射端面３−２に導く構成を有している集光導光体３とを組み合わせている。そして必要に応じて光出射光学系３−４を用い、その位置に２次光源を形成している。特に複数の光源部１ａの発光面積の総和よりも第２の導光体３の上底面（第４の面）の面積を小さくしている。そしてこれを焦点とするコリメート光学系にて略平行光を照明光として出射する照明装置を構成して、照度分布の均一性が高く、効率の高い照明装置を構成している。以上のように本実施例によれば、導光体の側面に配置した複数の光源部からの光を導光体内部で繰り返し反射させて、照度分布が均一で光線の角度分散の少ない照明光が得られる照明装置が得られる。
【００４３】
［実施例２］
図２２は本発明の照明装置を用いた画像表示装置の要部概略図である。本実施例は、光源手段１とコリメート用導光体２と集光導光体３とコリメート光学系４を用いて構成した照明装置６を用いて、投射型の画像表示装置（プロジェクター）を構成している。この画像表示装置は所望の画像情報を光学的な強度情報として表示可能なライトバルブ７を照明し、投射光学系８を用いて画像をスクリーンに拡大投影するものである。本実施例ではライトバルブとして透過型の液晶表示装置７を用いている。この液晶表示装置７を上記照明装置６にて照明し、透過型の液晶表示装置７上に表示された画像情報を投射光学系８にて拡大投影することで観察者に良好な画像を観察せしめることができる。このように液晶表示装置７を使用する場合、一般に画像のコントラストは照明光の角度ばらつきが少なく、かつ垂直入射に近い方が高くなる。我々が構成した照明装置６は光量損失が少なく、かつ光線の角度ばらつきが抑制され、照度分布の均一性が高い照明光を得ることができる。このため、上記の投射型の画像表示装置（プロジェクター）用の照明装置として使用する場合、コントラストが高く明るい画像を得ることができる。
【符号の説明】
【００４４】
１：光源部  ２：コリメート用導光体  ２−１：下底面  ２−２：上底面  ３：集光用導光体  ３−１：下底面  ３−２：上底面  ３−３：反射膜  ３−４：光出射部  ３−５：フレネル面の有効反射領域  ３−６：フレネル面のバックカット領域  ４：コリメート光学系  ５：補正光学系  ６：照明装置  ７：画像表示素子  ８：投射光学系
【図１】
2011039395.tif 000008
【図２】
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【図３】
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【図４】
2011039395.tif 000011
【図５】
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【図６】
2011039395.tif 000013
【図７】
2011039395.tif 000014
【図８】
2011039395.tif 000015
【図９】
2011039395.tif 000016
【図１０】
2011039395.tif 000017
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
2011039395.tif 000020
【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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