(57)【要約】【課題】従来のプリズムシートを用いて複数の光源からの入射光を合成する光源装置は、薄型化が困難で光線幅の広がりが大きくなるという問題があった。本発明は従来の問題を解決し、薄型化が可能で、光合成性能に優れた光源装置を提供する。【解決手段】複数の光源（Ｋ）と、対向する２面に複数の微細なプリズム列が形成され、前記プリズム列が所定の角度で交叉する１枚のプリズムシート（ＰＳ）よりなり、前記プリズムシート（ＰＳ）の下面側に、前記複数の光源を所定の角度に傾けて配置することにより、プリズムシートの下面側より所定の角度をもって入射された複数の光源からの入射光をプリズムシートの上面側より合成させた出射光として出力することを特徴とする。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の光源と、対向する２面に複数の微細なプリズム列が形成され、前記プリズム列が所定の角度で交叉する１枚のプリズムシートよりなり、前記プリズムシートの下面側に、前記複数の光源を所定の角度に傾けて配置することにより、プリズムシートの下面側より所定の角度をもって入射された前記複数の光源からの入射光をプリズムシートの上面側より合成させた出射光として出力することを特徴とする光源装置。
【請求項２】
前記複数の光源の各光源は、プリズムシートにおける対向する２面に形成された各プリズム列の交叉によって分割される４つのゾーンに分散されて配置されていることを特徴とする請求項１記載の光源装置。
【請求項３】
前記複数の光源の各光源の入射光は、プリズムシートにおける対向する２面に形成された各プリズム列の交叉角の中心線近傍に沿って入射することを特徴とする請求項１または２記載の光源装置。
【請求項４】
前記複数の光源の各光源の入射光は、プリズムシートにおける所定の集光点に向かって入射することを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項記載の光源装置。
【請求項５】
前記複数の光源の各光源は、前記プリズムシートにおける所定の集光点に対して、点対称に配置されていることを特徴とする請求項４記載の光源装置。
【請求項６】
前記複数の光源の各光源は、前記プリズムシートにおける所定の集光点を通る軸線に対して、線対称に配置されていることを特徴とする請求項４記載の光源装置。
【請求項７】
前記プリズムシートにおける対向する２面に形成された各プリズム列の頂角が同じであることを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項に記載の光源装置。
【請求項８】
前記複数の微細なプリズム列のピッチは１μｍ〜１００μｍであることを特徴とする請求項１乃至７の何れか１項に記載の光源装置。
【請求項９】
前記複数の光源における発光面の前方には、各々集光用のレンズを備えたことを特徴とする請求項１乃至８の何れか１項に記載の光源装置。
【請求項１０】
前記レンズは縦と横とで異なる曲率半径を有するレンズである請求項９記載の光源装置。
【請求項１１】
発光色の異なる複数の光源と、対向する２面に複数の微細なプリズム列が形成され、前記プリズム列が所定の角度で交叉する１枚のプリズムシートよりなり、前記プリズムシートの下面側に、前記複数の光源を所定の角度に傾けて配置することにより、プリズムシートの下面側より所定の角度をもって入射された複数の光源からの入射光をプリズムシートの上面側より混色させた出射光として出力することを特徴とする光源装置。
【請求項１２】
前記複数の光源の各光源は、プリズムシートにおける対向する２面に形成された各プリズム列の交叉によって分割される４つのゾーンに分散されて配置されていることを特徴とする請求項１１記載の光源装置。
【請求項１３】
前記複数の光源の各光源の入射光は、プリズムシートにおける対向する２面に形成された各プリズム列の交叉角の中心線近傍に沿って入射することを特徴とする請求項１１または１２記載の光源装置。
【請求項１４】
前記複数の光源の各光源の入射光は、プリズムシートにおける所定の集光点に向かって入射することを特徴とする請求項１１乃至１３の何れか１項記載の光源装置。
【請求項１５】
前記複数の光源の各光源は、プリズムシートにおける所定の集光点に対して、点対称に配置されていることを特徴とする請求項１４記載の光源装置。
【請求項１６】
前記複数の光源の各光源は、プリズムシートにおける所定の集光点を通る軸線に対して、線対称に配置されていることを特徴とする請求項１４記載の光源装置。
【請求項１７】
前記プリズムシートにおける対向する２面に形成された各プリズム列の頂角が同じであることを特徴とする請求項１１乃至１６の何れか１項に記載の光源装置。
【請求項１８】
前記複数の光源における発光面の前方には、各々集光用のレンズを備えたことを特徴とする請求項１１乃至１７の何れか１項に記載の光源装置。
【請求項１９】
前記レンズは縦と横とで異なる曲率半径を有するレンズである請求項１８記載の光源装置。
【請求項２０】
前記複数の光源は赤色、緑色、青色のＬＥＤ光源を含むことを特徴とする請求項１１乃至１９の何れか１項に記載の光源装置。
【請求項２１】
前記プリズムシートにおける４つのゾーンの３ヶ所に、赤色、緑色、青色のＬＥＤ光源が配設され、残りの１ヶ所に緑色のＬＥＤ光源が配設された請求項２０記載の光源装置。
【請求項２２】
前記プリズムシートにおけるに４つのゾーンの３ヶ所に、赤色、緑色、青色のＬＥＤ光源が配設され、残りの１ヶ所に白色のＬＥＤ光源が配設された請求項２０記載の光源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は複数の光源からの入射光を合成または混色して出射する光源装置に係り、特に小型薄型化が可能な光源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来よりカラー光源を用いた表示装置として、カラー投影機や、投影方式のカラーテレビ、さらにバックライトを用いた液晶表示装置等がある。これらの装置に用いられる光源装置としては、例えばカラー投影機や投影方式のカラーテレビについてはダイクロイックプリズムを用いる方式がある（例えば、特許文献１参照）。また、このダイクロイックプリズムが高価な部材であるため、装置としての価格が高くなることや、この方式が本質的に大きな光量ロスを伴う欠点があるため、これらの欠点を解決する方式として複数のプリズムシートを用いて複数光線を単一光線にする光源装置が提案されている。（例えば、特許文献２参照。）
【０００３】
以下、図面に基づいて従来技術における光源装置の構成について説明する。図１５、図１６は特許文献２に示すカラー投影機の構成を示すものであり、図１５はカラー投影機の構成図、図１６は図１５に示すリニアプリズム板の部分断面図である。図１６において５０はリニアプリズム板であり、上面が多数のプリズム列を有する出射面、下面が平面の入射面を構成している。リニアプリズム板５０における下面側の入射面５１に、異なる斜めの２方向から入射した入射光Ｐ５１ａ、Ｐ５１ｂは、各々入射面５１で屈折した後にプリズムの２つの出射面５２、５３で屈折して同一方向の光Ｐ５２、Ｐ５３として出射される。
【０００４】
すなわち、リニアプリズム板５０の材質によって決まる屈折率と、プリズムの頂角（先端角）を適切に設計することにより、プリズム列に直交する２方向から入射した２種類の入射光は、各々プリズムの２つの出射面で屈折して同一方向に出射される。この原理により２種類の光源からの入射光を合成した単一光として出射することができ、２種類の光源が異なるカラー光の場合には、２色を混色光として出射することができる。また、３種類以上の光源を合成したい場合には、リニアプリズム板５０を複数枚使用して合成を繰り返すことにより実行できる。
【０００５】
図１５は図１６に示すリニアプリズム板５０を２枚使用して赤色（以後、Ｒ）緑色（以後、Ｇ）青色（以後、Ｂ）の３色光を合成する光源装置を備えたカラー投影機を示し、５０ａ、５０ｂは前記リニアプリズム板５０と同一構成を有するリニアプリズム板である。また、５５は投写レンズ、５６は投影スクリーン、５７はＲ光源、５８はＧ光源、５９はＢ光源であり、６１、６２、６３はそれぞれＲ光源５７、Ｇ光源５８、Ｂ光源５９のリレーレンズである。
【０００６】
上記構成において、リニアプリズム板５０ａの入射面に対して、それぞれ異なる方向で４５°の角度に配置されたＲ光源５７とＧ光源５８から放射されたＲ光とＧ光とが、それぞれリレーレンズ６１、６２を通して平行光線化された後、相異なる４５°の斜め方向からリニアプリズム板５０ａの入射面に入射する。そしてＲ光とＧ光との２つの入射光はリニアプリズム板５０ａによって合成された単一光としてリニアプリズム板５０ａの出射面より垂直方向に出射される。そして、このリニアプリズム板５０ａからの合成された出射光は、リニアプリズム板５０ａに対して４５°の角度位置に配置されたリニアプリズム板５０ｂの入射面に４５°の斜め方向から入射することになる。
【０００７】
また、Ｂ光源５９から放射されたＢ光が、リレーレンズ６３を通して平行光線化された後、前記Ｒ光とＧ光との合成された単一光とは相異なる４５°の斜め方向からリニアプリズム板５０ｂの入射面に入射する。この結果Ｒ光とＧ光との合成された単一光とＢ光とがリニアプリズム板５０ｂによって合成され、Ｒ光とＧ光とＢ光とを合成した単一光としてリニアプリズム板５０ｂの出射面より垂直方向に出射される。
【０００８】
【特許文献１】特開２００２−２４４２１１号公報
【特許文献２】特開昭６３−１３２２１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、従来技術における光源装置には以下の問題がある。特許文献１におけるダイクロイックプリズムを用いる光源装置は、ダイクロイックプリズムがダイクロイックミラーを施した４つのガラス部材を貼りあわせた構造で高価な部材であるため、装置としての価格が高くなることや、この方式が本質的に大きな光量ロスを伴うという問題がある。
【００１０】
また、特許文献２における複数のリニアプリズムを用いる光源装置は、例えばＲ、Ｇ、Ｂ、３色のＬＥＤの光源を合成させる場合、２枚のリニアプリズムには所定の角度を有する配置間隔を設ける必要があるのでリニアプリズムの配置スペースが広くなるため、光源装置全体としての形状が大きくなり、装置の薄型化が困難となる問題がある。またリニアプリズムに入射する光線を斜め方向から入射させるため、リニアプリズムから出射する時の光線幅が引き伸ばされ、入射と出射との光線幅が異なると共に光線の縦横比が変化してしまう結果となり、この変化量はリニアプリズムの斜光入射回数によって増加していく。すなわち図１４に示す光源装置の場合、Ｒ光とＧ光とがリニアプリズム板５０ａに斜光入射して合成された後、その合成された単一光がリニアプリズム板５０ｂに斜光入射してＢ光と合成されるため、Ｒ光とＧ光についてはリニアプリズムの斜光入射が２回行われ、縦横比がさらに異なる結果となる。
【００１１】
（発明の目的）
本発明は上記問題に鑑みなされたもので、対向する２面に複数の微細なプリズム列が形成されプリズム列が所定の角度で交叉する１枚のプリズムシートを用いることで薄型化すると共に、複数の光源の入射方向を工夫してプリズムシートに合成機能を行わせることで、価格が安く小型薄型化が可能で、光合成性能に優れた光源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】
【００１２】
複数の光源と、対向する２面に複数の微細なプリズム列が形成され、前記プリズム列が所定の角度で交叉する１枚のプリズムシートよりなり、前記プリズムシートの下面側に、前記複数の光源を所定の角度に傾けて配置することにより、プリズムシートの下面側より所定の角度をもって入射された前記複数の光源からの入射光をプリズムシートの上面側より合成させた出射光として出力することを特徴とする。
【００１３】
上記構成によれば、１枚のプリズムシートによって複数の光源からの入射光を合成することができるため、２枚のリニアプリズムによる合成で必要となっていたシート間の配置スペースが不要となり薄型構成の光学系が可能で、また、高価な部材を用いず１枚のシート部材で光合成を実現しており部材費が安く、形状的に小型薄型で価格の安い光源装置を提供することができる。
【００１４】
前記複数の光源の各光源は、プリズムシートにおける対向する２面に形成された各プリズム列の交叉によって分割される４つのゾーンに分散されて配置されていることを特徴とする。
【００１５】
前記複数の光源の各光源の入射光は、プリズムシートにおける対向する２面に形成された各プリズム列の交叉角の中心線近傍に沿って入射することを特徴とする
【００１６】
前記複数の光源の各光源の入射光は、プリズムシートにおける所定の集光点に向かって入射することを特徴とする。
【００１７】
前記複数の光源の各光源は、前記プリズムシートにおける所定の集光点に対して、点対称に配置されていることを特徴とする
【００１８】
前記複数の光源の各光源は、前記プリズムシートにおける所定の集光点を通る軸線に対して、線対称に配置されていることを特徴とする。
【００１９】
上記構成の如く、複数の光源をプリズムシートにおける対向する２面に形成された各プリズム列の交叉によって分割される４つのゾーンに分散させて配置し、各光源の入射光を、プリズムシートにおける各プリズム列の交叉角の中心線近傍に沿って入射させ、さらに各光源のすべての入射光を、プリズムシートにおける所定の集光点に向かって入射させるという本願特有の複数光源の入射方式によって、１枚のプリズムシートで光合成機能を行わせることができるようにしている。
【００２０】
前記プリズムシートにおける対向する２面に形成された各プリズム列の頂角が同じであることを特徴とする。
【００２１】
前記複数の微細なプリズム列のピッチは１μｍ〜１００μｍであることを特徴とする。
【００２２】
上記構成の如く、プリズム列のピッチは１μｍ〜１００μと微細にすることによって、細かいプリズム面からそれぞれ放射される複数の光束を、目視的には合成された出射光として認識することができる。また、微細なプリズム列は目視による外観でプリズム頂角の判別することは困難であり、対向する２面に形成された各プリズム列の頂角を同じ角度にすることによって表裏どちらでも使用可能となり取扱が容易となる。
【００２３】
前記複数の光源における発光面の前方には、各々集光用のレンズを備えたことを特徴とする。
【００２４】
前記レンズは縦と横とで異なる曲率半径を有するレンズであることを特徴とする。
【００２５】
上記構成によれば、入射光を平行光線化できるとともに、縦と横とで異なる曲率半径を有するレンズを使用することによって、入射光が斜めから入射することによる出射光の光線幅の広がりを抑えることができるため、光学的に光合成性能の優れた光源装置を提供することができる。
【００２６】
発光色の異なる複数の光源と、対向する２面に複数の微細なプリズム列が形成され、前記プリズム列が所定の角度で交叉する１枚のプリズムシートよりなり、前記プリズムシートの下面側に、前記複数の光源を所定の角度に傾けて配置することにより、プリズムシートの下面側より所定の角度をもって入射された複数の光源からの入射光をプリズムシートの上面側より混色させた出射光として出力することを特徴とする。
【００２７】
上記構成によれば、１枚のプリズムシートによって複数の発光色の異なる光源からの入射光を混色することができるため、２枚のリニアプリズムによる混色で必要となっていたシート間の配置スペースが不要となり薄型構成の光学系が可能で、また、高価な部材を用いず１枚のシート部材で混色を実現しており部材費が安く、形状的に小型薄型で価格の安い光源装置を提供することができる。
【００２８】
前記複数の光源の各光源は、プリズムシートにおける対向する２面に形成された各プリズム列の交叉によって分割される４つのゾーンに分散されて配置されていることを特徴とする。
【００２９】
前記複数の光源の各光源の入射光は、プリズムシートにおける対向する２面に形成された各プリズム列の交叉角の中心線近傍に沿って入射することを特徴とする。
【００３０】
前記複数の光源の各光源の入射光は、プリズムシートにおける所定の集光点に向かって入射することを特徴とする。
【００３１】
前記複数の光源の各光源は、プリズムシートにおける所定の集光点に対して、点対称に配置されていることを特徴とする。
【００３２】
前記複数の光源の各光源は、プリズムシートにおける所定の集光点を通る軸線に対して、線対称に配置されていることを特徴とする。
【００３３】
上記構成の如く、複数の発光色の異なる光源をプリズムシートにおける対向する２面に形成された各プリズム列の交叉によって分割される４つのゾーンに分散させて配置し、各光源の入射光を、プリズムシートにおける各プリズム列の交叉角の中心線近傍に沿って入射させ、さらに各光源のすべての入射光を、プリズムシートにおける所定の集光点に向かって入射させるという本願特有の複数光源の入射方式によって、１枚のプリズムシートで混色機能を行わせることができるようにしている。
【００３４】
前記プリズムシートにおける対向する２面に形成された各プリズム列の頂角が同じであることを特徴とする。
【００３５】
前記複数の光源における発光面の前方には、各々集光用のレンズを備えたことを特徴とする。
【００３６】
前記レンズは縦と横とで異なる曲率半径を有するレンズであることを特徴とする。
【００３７】
上記構成によれば、入射光を平行光線化できるとともに、縦と横とで異なる曲率半径を有するレンズを使用することによって、入射光が斜めから入射することによる出射光の光線幅の広がりを抑えることができるため、光学的に混色性能の優れた光源装置を提供することができる。
【００３８】
前記複数の光源は赤色、緑色、青色のＬＥＤ光源を含むことを特徴とする。
【００３９】
前記プリズムシートにおける４つのゾーンの３ヶ所に、赤色、緑色、青色のＬＥＤ光源が配設され、残りの１ヶ所に緑色のＬＥＤ光源が配設されたことを特徴とする。
【００４０】
前記プリズムシートにおけるに４つのゾーンの３ヶ所に、赤色、緑色、青色のＬＥＤ光源が配設され、残りの１ヶ所に白色のＬＥＤ光源が配設されたことを特徴とする。
【００４１】
上記構成によれば、赤色、緑色、青色のＬＥＤ光源の混色による白色光の出射において、赤色、青色のＬＥＤ光源に比べて発光量の少ない緑色のＬＥＤ光源の数を増やすことによって、効率良く色バランスの良い白色光を発光させることができる。また、また、赤色、緑色、青色のＬＥＤ光源が含む発光スペクトルとは異なる白色のＬＥＤ光源を追加することによって演色性が良く明るい光源装置が実現できる。
【発明の効果】
【００４２】
以上のように、本発明の光源装置においては、１枚のプリズムシートによって複数の光源からの入射光を合成及び混色することができるため薄型構成の光学系が可能となり、価格が安く小型薄型で、光学的に光合成及び混色性能の優れた光源装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４３】
本実施形態の光源装置は、複数の光源と、対向する２面に複数の微細なプリズム列が形成され所定の角度で交叉するプリズムシートを備えている。複数の光源は、プリズムシートの入射面側に、所定の角度に傾けて配置されている。
【００４４】
所定の角度に傾けた配置とは、プリズムシートの入射面側より所定の角度をもって入射された複数の光源からの入射光をプリズムシートの出射面側より合成させた出射光として出力させる際に、出射光が、例えば直上といった、同一方向に出射されるように配置することであり、光源から出射される光がプリズムシートにおける所定の集光点に向って出射されるように配置される。また、所定の角度で交叉したプリズム列も同様に、複数の光源からの出射光がプリズムシートによって合成され同一方向に出射されるように交叉させた状態であり、これらの条件は、例えば、プリズムシートの屈折率、プリズムの形状、プリズム頂角の角度等によって定められる。
【００４５】
以下、本発明の実施形態について図面により詳細に説明する。図１〜図７は本発明の第１実施形態における光源装置を示すものであり、図１は光源装置の外観斜視図、図２はプリズムシートの構成を示す上面図及び側面図、図３はプリズムシートと複数の光源の関係を示す平面図である。図１において１０は光源装置であり、プリズムシートＰＳと、プリズムシートＰＳの下面側に所定の角度に傾けて配置された４個の光源Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３、Ｋ４により構成されている。各光源ＫはＬＥＤ１と集光レンズ２と、このＬＥＤ１と集光レンズ２とを収納するケース３によって構成されており、第１実施形態においては光源Ｋ１のＬＥＤとしては赤色ＬＥＤ１ｒ（以後Ｒ・ＬＥＤ）、光源Ｋ４のＬＥＤとしては青色ＬＥＤ１ｂ（以後Ｂ・ＬＥＤ）、光源Ｋ２と光源Ｋ３のＬＥＤとしては緑色ＬＥＤ１ｇ（以後Ｇ・ＬＥＤ）を用いている。
【００４６】
前記光源装置１０は光源Ｋ１から出射される赤色光（以後Ｒ光）と光源Ｋ４から出射される青色光（以後Ｂ光）と光源Ｋ２、Ｋ３から出射される２つの緑色光（以後Ｇ光）とをプリズムシートＰＳの下面側より入力し、プリズムシートＰＳよって混色することによりＲ光とＧ光とＢ光とを合成した単一の白色光ＰｗとしてプリズムシートＰＳの出射面より垂直方向に出射させる。
【００４７】
次に、プリズムシートＰＳと４つの光源Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３、Ｋ４の配置関係を図２、図３により説明する。図２はプリズムシートＰＳの構成を示す上面図及び側面図であり、中央にプリズムシートＰＳの上面図を示し、左側にＸ軸方向から見た側面図、下側にＹ軸方向から見た側面図を示している。また図３は図２に示すプリズムシートＰＳの上面図に対する４つの光源Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３、Ｋ４の配置関係を示している。
【００４８】
図２に示す如くプリズムシートＰＳは、上下面に所定の角度で交叉させた状態で微細なプリズム列が形成されており、下側のプリズム列をＰＳ１、上側のプリズム列をＰＳ２としている。なお本実施形態におけるプリズム列ＰＳ１、ＰＳ２は、各々の頂角が６０°で、各々のプリズム列が直交する角度で交叉するように配置されている。従ってプリズムシートＰＳの上面図におけるＹ軸に平行な実線は、上側のプリズム列ＰＳ２のプリズム列における頂部と谷部のラインを示し、Ｘ軸に平行な点線は、下側のプリズム列ＰＳ１のプリズム列における頂部と谷部のラインを示しており、この実線と点線は直交する升目を構成している。そしてこの各プリズム列のピッチは１μｍ〜１００μｍの微細ピッチとなっている。
【００４９】
次に、プリズムシートＰＳと４つの光源Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３、Ｋ４の配置関係は図３に示す如く、プリズムシートＰＳの上下面に形成されたプリズム列の交叉によって分割される４つのゾーン、すなわちプリズムシートＰＳの平面をＸ軸とＹ軸とで区分した４つのゾーンＳ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４に、４つの光源Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３、Ｋ４が分散されて配置されている。従って光源Ｋ１から放射された入射光Ｐ１、光源Ｋ２から放射された入射光Ｐ２、光源Ｋ３から放射された入射光Ｐ３、光源Ｋ４から放射された入射光Ｐ４はプリズムシートＰＳにおける各プリズム列の交叉角の中心線Ｎ、Ｍの近傍に沿って入射しており、また、プリズムシートＰＳの所定の集光点Ｐｏに向けて集中的に入射している。なお本実施形態においてはプリズムシートＰＳの所定の集光点Ｐｏを上側プリズム列ＰＳ２の上部中心点としている。
【００５０】
この結果、各光源の位置関係は、図３に示す如く光源Ｋ１と光源Ｋ４及び光源Ｋ２と光源Ｋ３とは各々集光点Ｐｏに対して点対称の位置に配置され、また光源Ｋ１と光源Ｋ３及び光源Ｋ２と光源Ｋ４とは各々集光点Ｐｏを通るＸ軸に対して線対称の位置に配置されている。そして、各光源のＸ軸からの角度はすべて同一であり、この角度はプリズムシートＰＳの材質による屈折率とプリズム頂角によって決まる角度である。本実施形態においては、プリズムシートＰＳの材質として屈折率ｎが１．４９のアクリル（ＰＭＭＡ）を使用し、プリズム頂角はプリズム列ＰＳ１、ＰＳ２をともに６０°としたので、すべての光源Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３、Ｋ４はＸ軸から４７．８°の同一角度の位置に配置されている。この理由はプリズム角には＋−があるため、当たる面によって光線の向きは異なる４方向となるが、面の法線との角度で見ると４方向は同じになる。すなわち光線の向きは異なっていても角度は同じになり、プリズムシートＰＳの屈折率ｎを１．４９、プリズム頂角を上下ともに６０°として出射光を直上方向に出射させるためには、入射光の入射方向はＸ軸基準で±４７．８°の同一角度となる。
【００５１】
本発明におけるプリズムシートＰＳに対する各光源からの入射条件については後に詳述するが、基本的な光合成（混色）動作について、図２により説明する。プリズムシートＰＳのＸ軸―Ｙ軸平面に対する出射光の方向、すなわちＸ軸―Ｙ軸平面に垂直方向をＺ軸として、プリズム列ＰＳ１のプリズム面を構成する一方のプリズム斜面をＬ１、他方のプリズム斜面をＬ２とし、プリズム列ＰＳ２のプリズム面を構成する一方のプリズム斜面をＵ１、他方のプリズム斜面をＵ２としたとき、各光源Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３、Ｋ４はプリズム列ＰＳ１の下面側にＺ軸から所定の角度に傾けて配置され、またＸ軸から４７．８°の位置に配置されていることは前述の通りである。
【００５２】
上記の位置に配置された各光源からの入射光はプリズム面に対してＸ軸―Ｙ軸平面において斜光入射すると共に、Ｚ軸においても斜光入射することになる。すなわち、本発明における光源装置１０はプリズム面に対して各光源からの入射光を斜光入射させ、プリズム面を斜めに使用することによって、４方向からの入射光を同一条件で屈折放射ができるようにしている。各入射光に対しては図２に示す如く光源Ｋ1から放射された入射光Ｐ１はプリズム列ＰＳ１のプリズム斜面Ｌ２から入射しプリズム列ＰＳ２のプリズム斜面Ｕ２を通過して出射光となり、同様に光源Ｋ２から放射された入射光Ｐ２はプリズム列ＰＳ１のプリズム斜面Ｌ２から入射しプリズム列ＰＳ２のプリズム斜面Ｕ１を通過し、光源Ｋ３から放射された入射光Ｐ３はプリズム列ＰＳ１のプリズム斜面Ｌ１から入射しプリズム列ＰＳ２のプリズム斜面Ｕ２を通過し、光源Ｋ４から放射された入射光Ｐ４はプリズム列ＰＳ１のプリズム斜面Ｌ１から入射しプリズム列ＰＳ２のプリズム斜面Ｕ１を通過してそれぞれ出射光となる。
【００５３】
また、各光源から放射された広い面積を有する入射光は、プリズムシートＰＳに設けられた多数のプリズム列の各斜面に入射してそれぞれ屈折放射を行うが、前述の如く各プリズム列のピッチは１μｍ〜１００μｍの微細ピッチとなっているため、目視的には別々の出射光としては認識されず、合成された単一の出射光として認識される。したがって、各光源の条件として、光源Ｋ１がＲ光、光源Ｋ４がＢ光、光源Ｋ２、Ｋ３がＧ光とした場合には出射光としてはＲ光、Ｂ光、Ｇ光を混色して白色光Ｐｗが出射される。
【００５４】
次に、プリズムシートＰＳに対する各光源からの入射光の光路について説明する。図４は図２に示すプリズムシートＰＳにおけるプリズム列ＰＳ２の部分拡大図であり、プリズム列ＰＳ２を屈折しながら透過する各入射光の光路を示す。図５は図２に示すプリズムシートＰＳにおけるプリズム列ＰＳ１の部分拡大図であり、プリズム列ＰＳ１を反射及び屈折しながら透過する各入射光の光路を示す。本実施形態においてはプリズムシートＰＳの材質として屈折率が１．４９のアクリルを使用し、プリズム頂角が上下ともに６０°となっている。
【００５５】
一般にプリズムの光路を求める方法としては、下記のように行われる。すなわち、１枚のプリズムシートの下面側から入射光を入れて、プリズムシートの直上方向に出射光を得ようとした場合、光路の求め方としては逆方向にたどるやり方が行われる。例えば図４におけるプリズムシートＰＳの上側プリズム列ＰＳ２の場合には、まず出射光として混色された白色光Ｐｗを直上方向に出射させる必要があるので、各光源からの出射光を逆向きにして、プリズムシートの直上方向からアクリル製のプリズムシート中に入射させる。この時入射光は空気とアクリルとの屈折率の差によってスネルの法則が適用され、境界面において所定の屈折角があたえられてプリズムシート内を進行して行く。さらに、下側プリズム列ＰＳ１から空気中に出射する時にも境界面においてスネルの法則による所定の屈折角があたえられて空気中に出射される。
【００５６】
プリズムシートＰＳを実際の光源装置として用いる場合には、上記結果に基づいてプリズム列ＰＳ１より空気中に出射された出射光の角度で、各光源からの入射光を入射すればプリズムシート内を同様の所定屈折角で進行し、プリズム列ＰＳ２より直上方向に出射光を得ることができる。
【００５７】
次に図４〜図７により２つのプリズム列ＰＳ１、ＰＳ２に対する実際の各光源からの入射光の光路について説明する。図４に示す上側のプリズム列ＰＳ２の場合はＸ軸−Ｚ軸平面を示しており、図２に示す光源Ｋ１からの入射光Ｐ１と光源Ｋ３からの入射光Ｐ３とがプリズム列ＰＳ２の右側のプリズム斜面Ｕ２を通過し、また光源Ｋ２からの入射光Ｐ２と光源Ｋ４からの入射光Ｐ４とがプリズム列ＰＳ２の左側のプリズム斜面Ｕ１を通過して直上方向に出射される。従って、プリズム列ＰＳ２の下側から入射する方向は入射光Ｐ１、Ｐ３とが右傾斜で、入射光Ｐ２、Ｐ４が左傾斜とその入射方向は逆になるが、その入射光の進行角度はすべて同じ角度となる。
【００５８】
すなわち、各入射光におけるプリズム列ＰＳ２のプリズム斜面の境界面法線（点線で示す）との角度β２及びα２はすべて同じになる。そしてこれらの角度は屈折率が１．４９のアクリルを使用し、プリズム頂角が６０°のプリズム列ＰＳ２においてはβ２＝３５．５°、α２＝６０．０°である。
【００５９】
次に、図５に示す下側のプリズム列ＰＳ１の場合はＹ軸−Ｚ軸平面を示しており、各入射光はプリズム列ＰＳ１へ屈折透過して入射し、入射プリズム面の逆傾斜となっているプリズム面で全反射してプリズムシート内部を進む。各入射光におけるプリズム列ＰＳ１の境界面法線（点線で示す）との角度α１、β１及びγはすべて同じになる。これらの角度は屈折率が１．４９のアクリルを使用し、プリズム頂角が６０°のプリズム列ＰＳ１においてはα１＝３８．１°、β１＝２４．５°、γ＝６２．９°である。なお、図５におけるプリズム列ＰＳ１からの各出射光Ｐ１〜Ｐ４が作図上は直上方向に出射されるように図示されているが、これらの出射光は紙面に対して垂直方向に傾斜角を有するものであり、図５のＹ軸−Ｚ軸平面では傾斜が見えない方向になっているためである。しかし、実際には出射光Ｐ１、Ｐ３は紙面の奥方向へ向う傾斜角を有し、出射光Ｐ２、Ｐ４は紙面の手前方向へ向う傾斜角を有している。図５におけるα１、β１においても同様で微小な角度で図示されているが、実際には紙面に対して垂直方向に傾斜角を有するものとなる。
【００６０】
図６は入射光の通過光路を示す上面図及び側面図であり、中央にプリズムシートＰＳの上面図を示し、左側に図５に示したＸ軸方向から見た側面図、下側に図４に示したＹ軸方向から見た側面図をあわせて示している。プリズムシートＰＳの上面図における実線と点線は、図２と同様にプリズム列における頂部と谷部のラインを示している。図６において直上方向に向かう光線はプリズム列ＰＳ２からの出射光だけであり、図5では紙面に対して垂直方向に傾斜角を有し図示できなかった光線も、上面図及び異なる方向の側面図から見れば光線の傾斜と進行方向が解るようになっている。各入射光Ｐ１〜Ｐ４の傾斜方向はそれぞれ異なっているが、その傾斜角度はすべて同じであり、Ｚ軸に対しては６６．８°、Ｘ軸―Ｙ軸平面におけるＸ軸に対しては４７．８°の同一角度の傾斜を有している。これをプリズム列ＰＳ１におけるプリズム斜面の境界面法線を基準にすると３８．１°の傾きとなり斜光入射する。各入射光の各プリズム境界面法線との角度は前述したとおりであり、プリズム列ＰＳ２を透過して上面より直上方向に出射される。なお、図４〜図６においては、理解を容易にするために入射光Ｐ１〜Ｐ４は別々のプリズム斜面を通過して直上方向に出射している状態を示したが、実際には各々同一のプリズム斜面にも同時に通過して合成されるものである。
【００６１】
図７は二つのプリズム列ＰＳ１、ＰＳ２を入射光が連続して通過していく光路の進行状態を模擬的に示したものであり、入射光Ｐ１のみを代表的に示している。すなわち、二つのプリズム列の下側よりＺ軸に対しては６６．８°、Ｘ軸―Ｙ軸平面におけるＸ軸に対しては４７．８°の角度でプリズム列ＰＳ１に向かう入射光Ｐ１は、プリズム列ＰＳ１のプリズム斜面Ｌ２に境界面法線から３８．１°の傾きで入射する（ｆ１）。光線は屈折し境界面法線から２４．５°の傾きでプリズムシート内を進みプリズム斜面Ｌ１に向かう。プリズム斜面Ｌ１に到達する光線はプリズム斜面Ｌ１の境界面法線からは６２．９°の角度であり、臨界角よりも大きな角度で境界面に到達するため全反射する（ｆ２）。全反射した光線は到達時と同様の境界面法線から６２．９°の傾きでプリズムシート内を進みプリズム列ＰＳ２に向かい、プリズム列ＰＳ２のプリズム斜面Ｕ２に境界面法線から３５．５°の傾きで到達する（ｆ３）。光線は屈折し境界面法線から６０．０°の傾き、すなわちＺ軸と平行な直上方向の空気中に出射される。また、図示は省略したが、入射光Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４についても図４〜図６に示した光路に従って同様に進行出射されるものである。
【００６２】
上記の如く本実施形態では、対向する２面に交叉させて形成したプリズム列を有するプリズムシートに対して、入射光をＸ軸―Ｙ軸平面方向の角度とＺ軸方向の角度を有する斜め方向から入射させることで、プリズム斜面を斜めに使用している。この結果、同一の光学的条件のもとで４方向からの入射光を同時に入射させて合成することを可能にしている。
【００６３】
次に、本実施形態の光源装置における光線の広がりについて説明する。図８はプリズムシートＰＳの下面に入射光Ｐ１及びＰ４が入射した時の光線の広がりを示す側面図である。この光源装置を照明装置とするとＺ軸に平行方向が照明装置の出射光軸であり、Ｚ軸からθ１（６６．８°）傾いた方向が光源Ｋ１、Ｋ４からの入射光軸となる。また水平軸はプリズムシートＰＳのＸ軸から４７．８°回転した軸である。いま光源Ｋ１から光束幅がＨの入射光Ｐ１をプリズムシートＰＳの下面に入射した場合を考えると、斜め方向から水平面に向けて幅のある光線を入射させているため、入射面において光線の幅が広がり、２．５Ｈの幅の光線となって出射される。また、光源Ｋ４からの入射光Ｐ４も、光源Ｋ１の入射光Ｐ１と同様の条件で対称位置から入射され、同様の広がりとなる。
【００６４】
図９は、図８に示す光源装置において、プリズムシートＰＳに光源Ｋ１〜Ｋ４の４光源によって４方向から入射光を入射させた時の光線の広がりを示す平面図である。図９において点線はＸ軸から４７．８°回転した軸である。またＳ１４は光源Ｋ１とＫ４によって構成された照明光、Ｓ２３は光源Ｋ２とＫ３によって構成された照明光であり、各々短軸が入射光の幅Ｈ、長軸が出射光の幅２．５Ｈの楕円形となっている。そしてこの２個の楕円形の照明光Ｓ１４、Ｓ２３は中心点を共通にして重ね合わされ、この結果斜線で示す２個の楕円形の重なり部分が４つの光源Ｋ１〜Ｋ４の合成された照明光Ｓとして利用できる。すなわち、４つの光源Ｋ１〜Ｋ４をＲ光、Ｂ光、Ｇ光、Ｇ光にした場合には、照明光Ｓが混色された白色光Ｐｗとして利用できる。
【００６５】
次に、本発明の第２実施形態における光源装置について図１０〜図１２により説明する。図１０はプリズムシートＰＳの下面に光源Ｋ１、Ｋ４から入射光Ｐ１及びＰ４が入射した時の光線の広がりを示す側面図であり、第１実施形態の光源装置における図８に対応するものである。従って図８の光源装置と同一要素には同一番号を付し、重複する説明を省略する。図１０の光源装置において図８の光源装置と異なるところは、光源Ｋ１及び光源Ｋ４とプリズムシートＰＳ１の下面との間の光路中に縦と横とで異なる曲率半径を有するレンズを設けたことであり、本実施形態においてはアナモフィックレンズ１２を設けている。
【００６６】
次に、図１０、図１１により光線の広がり状態を説明する。いま光源Ｋ１から図１１（ａ）に示すような直径がＨの円形を有する入射光Ｐ１が放射された場合を考えると、この入射光Ｐ１はアナモフィックレンズ１２を通ることによって、縦と横とで異なる光学変化を受けることにより、入射光Ｐ１は図１０（ｂ）に示すような横方向の長軸がＨで、縦方向の短軸がＨｓの楕円形の光線形状となって下側のプリズムシートＰＳ１の下面に入射する。この結果、斜め方向から水平面に向けて入射させた入射光Ｐ１は、入射面において光線の縦方向の幅が広がることで光線幅ＨｓがＨに広り、図１０（ａ）に示す直径がＨの円形を有する光線に復元して出射される。すなわち、入射光Ｐ１をアナモフィックレンズ１２を用いて、予め斜光入射によって広がる分だけ縮めておくことによって、入射光と同一形状の出射光を得るようにしている。
【００６７】
図１２は、図１０に示すアナモフィックレンズ１２を有する光源装置において、プリズムシートＰＳに光源Ｋ１〜Ｋ４の４光源によって４方向から入射光を入射させた時の光線の広がりを示す平面図であり、第１実施形態の光源装置における図９に対応するものである。図１２において図９と異なるところは、光源Ｋ１とＫ４によって構成された照明光Ｓ１４、光源Ｋ２とＫ３によって構成された照明光Ｓ２３共に直径がＨの円形となるため、重ね合わされた照明光Ｓも直径がＨの円形となる。従って照明光Ｓ１４、Ｓ２３、Ｓはすべて斜線で示す１個の円形となっている。すなわち、第２実施形態における光源装置は入射光のすべてを照明光として利用できるため、効率の良い照明装置となる。なお、図１０の光源装置においては図８に示す第１実施形態の光源装置の光路中にアナモフィックレンズ１２を設ける構成を示したが、これに限定されるものではなく、各光源Ｋに設けられている集光レンズ２の替わりにアナモフィックレンズ１２を設けても良い。
【００６８】
なお、光源装置における光線の広がり量は、光源装置に使用するプリズムシートＰＳの屈折率とプリズム頂角によって調整することができる。本実施形態のプリズムシートＰＳは材質の屈折率が１．４９でプリズム頂角が上下ともに６０°のプリズム列の物を使用しており光線幅は２．５倍に広がっている。このプリズムシートから例えば下側のプリズム列ＰＳ１の頂角だけを５０°に変更した場合は、Ｚ軸から５２．０°傾いた方向が光源からの入射光軸で、光線の広がり量は１．６倍と小さくなりアナモフィックレンズ１２による縦横比調整の負荷を軽減することができる。ただし、プリズムシートＰＳのプリズム列は微細であり、目視による外観でプリズム頂角の判別は困難である。プリズムシートＰＳは、表裏どちらでも使用可能で取扱が容易となるように、プリズム頂角の調整は両側ともに同じ角度で設定することがより好ましい。
【００６９】
次に本発明の第３実施形態における光源装置について図１３、図１４により説明する。図１３は第３実施形態における光源装置の斜視図であり、図１に示す第１実施形態の光源装置と基本的構成は同じであり、同一要素には同一番号を付し、重複する説明を省略する。図１３において２０は光源装置であり、図１の光源装置１０と異なるところは、光源Ｋ３の発光手段としてＧ・ＬＥＤの替わりに白色ＬＥＤ１ｗを配設したことである。
【００７０】
次に、白色ＬＥＤ１ｗの構成を説明する。図１４は蛍光体混色型の白色ＬＥＤの断面図である。白色ＬＥＤ１ｗは、電極３１、３２を有する基板３３にＢ・ＬＥＤ１ｂが接続されており、該Ｂ・ＬＥＤ１ｂをＹＡＧ系の蛍光粒子３５を混入した透明樹脂３６でモールドしている。
【００７１】
上記白色ＬＥＤ１ｗの動作は、前記電極３１、３２に駆動電圧を印加するとＢ・ＬＥＤ１ｂが青色光Ｐｂを発光する。そしてこの青色光Ｐｂが透明樹脂３６に混入された蛍光粒子３５に衝突すると蛍光粒子３５が励起されて波長変換が行われ、蛍光粒子３５から図示のごとく黄色光Ｐｅが発光される。この結果白色ＬＥＤ１ｗからは、前記Ｂ・ＬＥＤ１ｂから発光されて蛍光粒子３５に衝突せずに出力される青色光Ｐｂと、蛍光粒子３５に衝突して波長変換された黄色光Ｐｅとが混合された蛍光系の白色光Ｐｗｙとして発光される。
【００７２】
図１３に示す如く光源装置２０は、光源Ｋ１にはＲ・ＬＥＤ１ｒ、光源Ｋ２にはＧ・ＬＥＤ１ｇ、光源Ｋ３には白色ＬＥＤ１ｗ、光源Ｋ４にはＢ・ＬＥＤ１ｂを配設して混色を行っているため、Ｒ、Ｇ、ＢのＬＥＤによる混色に加えて白色ＬＥＤ１ｗによる蛍光系の白色光Ｐｗｙが混色されることによって演色性が良く明るい照明装置が実現できる。
【００７３】
なお、上記の実施形態１から３では、４つの光源の光を合成する実施形態について説明したが、光源の数は特に限定されるものではない。また、同一波長の光源を合成する集合型の光源装置にも適用できる。
【００７４】
上記で説明した実施形態によれば、１枚のプリズムシート使用した薄型構成の光学系によって複数の光源からの入射光を合成及び混色することができるため、形状的に小型薄型で、光学的に光合成性能の優れた光源装置を提供することができる。
【００７５】
本発明の光源装置は、同一波長の光源を合成する集光型の光源装置や、異なる波長の光源を合成する混色型の光源装置を実現することができるため、その応用範囲は広く、一般照明だけでなく、プロジェクター用の光源や液晶表示装置用のバックライト等に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】本発明の第１実施形態における光源装置の外観斜視図である。
【図２】図１に示すプリズムシートの構成を示す上面図及び側面図である。
【図３】図２に示すプリズムシートと複数の光源の関係を示す平面図である。
【図４】図２に示すプリズムシートの部分拡大図である。
【図５】図２に示すプリズムシートの部分拡大図である。
【図６】図２に示すプリズムシートにおける入射光の通過光路を示す上面図及び側面図である。
【図７】図２に示すプリズムシートにおける入射光の通過光路を模擬的に示す斜視図である。
【図８】本発明のプリズムシートに入射光が斜光入射した時の光線の広がりを示す側面図である。
【図９】図８に示すプリズムシートに４光源から入射した光線の平面図である。
【図１０】本発明の第２実施形態における光源装置のプリズムシートに入射光が斜光入射した時の光線の広がりを示す側面図である。
【図１１】図１０に示すプリズムシートへの入射光の平面図である。
【図１２】図１０に示すプリズムシートに４光源から入射した光線の平面図である。
【図１３】本発明の第３実施形態における光源装置の外観斜視図である。
【図１４】図１３に示す白色ＬＥＤの断面図である。
【図１５】従来のカラー投影機の構成図である。
【図１６】図１５に示すリニアプリズム板の部分断面図である。
【符号の説明】
【００７７】
１      ＬＥＤ
１ｒ    赤色ＬＥＤ
１ｂ    青色ＬＥＤ      
１ｇ    緑色ＬＥＤ
１ｗ    白色ＬＥＤ
２      集光レンズ
３      ケース
１０、２０  光源装置
１２    アナモフィックレンズ
ＰＳ    プリズムシート
ＰＳ１、ＰＳ２    プリズム列
Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３、Ｋ４    光源
Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４    入射光
Ｌ１、Ｌ２、Ｕ１、Ｕ２    プリズム斜面
Ｐｏ    集光点
Ｓ、Ｓ１４、Ｓ２３    照明光
３１、３２    電極
３３    基板
３５    蛍光粒子
３６    透明樹脂
Ｐｂ    青色光
Ｐｅ    黄色光
Ｐｗｙ、Ｐｗ    白色光
【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】
2008251347.tif 000009
【図８】
2008251347.tif 000010
【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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