(57)【要約】【課題】複数の発光ダイオード（ＬＥＤ）を光源として使用し、ＬＥＤからの光束を効率良くインテグレータ光学系に導くことができ、高輝度で照度均一性の高い照明を行えること。【解決手段】ＬＥＤ発光素子から発する光を半円形の開口部を持つ放物面反射鏡により反射して略平行光束化する。その後段に、２つの台形プリズムの底面同士が接合され接合面に半透鏡特性の薄膜が施されてなる６角形プリズムを配置する。該プリズムに上記略平行光束が入射されて上記薄膜により２分割され、該プリズム射出後の光束は円形断面の照明光となり、インテグレータ光学系のフライアイレンズに導かれる。上記のような光源ユニットが複数アレイ状に配置され、ＬＥＤアレイ及びプリズムアレイを構成している。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の発光ダイオード（ＬＥＤ）をアレイ状に配置して構成する光源装置であって、
ＬＥＤ発光素子と該素子から発する光を反射して略平行光束にして射出する反射鏡とを有し前記反射鏡の開口部が光軸に垂直な断面において半円形形状であるようなＬＥＤ光源デバイスと、
前記ＬＥＤ光源デバイスの後段に配置され、該デバイスから射出された半円形断面の光束を入射し、該光束を２分割して円形断面の光束に変換して射出するプリズムユニットと、を有する光源ユニットを複数アレイ状に配置して構成されることを特徴とする光源装置。
【請求項２】
前記反射鏡は、前記ＬＥＤ発光素子の配置される位置を焦点とした放物面形状であることを特徴とする請求項１記載の光源装置。
【請求項３】
前記プリズムユニットは、２つの台形プリズムの底面同士を接合してなる６角形形状のプリズムであり、前記接合面に半透鏡の特性の薄膜が形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の光源装置。
【請求項４】
前記プリズムユニットは、２つの台形プリズムの底面同士を接合してなる６角形形状のプリズムであり、前記接合面に偏光分離素子を有し、
前記プリズムユニットにおける台形プリズムのいずれか一方の後段に、該台形プリズム射出後の光束の偏光成分を前記２分割された他方の光束の偏光成分に統一する１／２波長板が配置されることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の光源装置。
【請求項５】
前記ＬＥＤ発光素子と反射鏡の組が複数、基板上に１次元アレイ配置され、該１次元アレイ配置された基板を複数段重ねて配置することにより２次元ＬＥＤアレイが構成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の光源装置。
【請求項６】
Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の各色用に請求項１から５のいずれか１項に記載の光源装置を備え、
前記各光源装置からの各色の射出光束を合成する色合成素子と、
フライアイレンズを用いて構成され前記各色の射出光束を被照明面に重畳結像するインテグレータ光学系と、
前記インテグレータ光学系を通じて重畳結像される照明光により照明され画像情報に応じて変調を行う少なくとも１つ以上の２次元光変調器と、
前記２次元光変調器上の画像を拡大投写する投写レンズと、を有することを特徴とする投写型表示装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光源装置及び投写型表示装置に関し、特に発光ダイオード（ＬＥＤ）を用いた光源装置及び投写型表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
大画面で映像を手軽に楽しめる電子機器として投写型表示装置が知られている。投写型表示装置は、白色光源を用いて、液晶パネルやＤＭＤ（ディジタルミラーデバイス）といった２次元光変調器の画像を投写レンズを使ってスクリーン上に拡大投写するものであり、光源には、従来、高圧水銀ランプやメタルハライドランプ等の高輝度の放電ランプが使用されているのが一般的である。
【０００３】
しかしながら、これら放電ランプは波長４００ｎｍ　から７００ｎｍ　超にわたる発光スペクトル特性を有している。このため投写型表示装置においては、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）に相当する波長領域をダイクロイックフィルター等の光学部品で選択して使用しており、この画像形成に必要のない波長成分の光は、赤外領域の光では熱の発生を、また紫外領域の光では２次元光変調器へのダメージ等の問題を引き起こしていた。
【０００４】
さらに、可視光領域の光であっても、黄色成分の波長領域等は上記ダイクロイックフィルター等で選択されることがなく、光の利用効率という点で損失となっていた。さらに、従来実用化されている放電ランプの寿命は１５００〜４０００時間程度であり、民生用に普及されるには寿命特性の改善が望まれている。
【０００５】
一方、固体光源であるレーザーを光源に利用して、投写型表示装置を構成するという提案が種々なされている（特開平５−２１００８２号、特開２０００−１９４２７５号、特開２０００−１６２５４８号等公報）。しかしながら、半導体レーザーや発光ダイオード（ＬＥＤ）のような固体光源は、放電ランプに比べて光出力が低いという大きな問題があり、これが主原因となって投写型表示装置用の光源としての実用化はなされていなかった。しかし最近では発光ダイオード開発の進歩は目覚ましいものがあり、高輝度で高効率な青や緑のＬＥＤも登場し始めたことにより、以前から比較的高輝度・高効率であった赤色ＬＥＤと組み合わせることで投写型表示装置の光源（光源装置）を実現できる可能性が出てきている。
【０００６】
しかしながら、ＬＥＤ単体の輝度は、放電ランプの輝度には依然及ばないため、ＬＥＤで光源装置を構成するためには、複数のＬＥＤを使用することが前提となる。複数のＬＥＤを使用すれば、その数に応じて光源全体の輝度の増加が期待できる。
【０００７】
そして、照明系にフライアイレンズ等で構成されるインテグレータ光学系を採用することで、光源である各ＬＥＤからの光束を、効率良く被照射面となる液晶パネルやＤＭＤ上に重畳照明することができる。
【０００８】
インテグレータ光学系では、矩形形状のレンズが多数配列されたフライアイレンズ（レンズアレイ）を最低２枚用い、第１のフライアイレンズの輪郭が被照射面に結像するようになっている。従って、第１のフライアイレンズの各要素レンズ上の照度分布が被照射面上に重畳されるので、重畳後の照明の均一性を高めるには、フライアイレンズの各要素レンズにはできる限り照度分布の均一な光束が入射されるように構成することが望ましい。すなわち、光源としてのＬＥＤからは平行性の高い光が射出されることが必要である。
【０００９】
しかしながら、通常のＬＥＤ部品は、ＬＥＤ発光素子とその前方に取り付けられるドーム形状の樹脂レンズから構成されており、ドーム形状の樹脂レンズを所定形状にすることによりＬＥＤ発光素子から発する光線をできる限り有効に樹脂レンズより射出するように設計されているが、ＬＥＤ発光素子からは四方八方に光が発しているので、それらの光線を効率よく所望の方向のみに取り出すことが難しいという問題がある。
【００１０】
また、近年の２次元光変調器の小型化に伴い、フライアイレンズの小型化も進んでいる。一般にフライアイレンズの要素レンズが増加すれば、照明の均一性も高まるので、フライアイレンズの小型化はそれを構成する要素レンズの小型化、高集積化も引き起こす。ＬＥＤのインテグレータ光学系への適用に当たっては、フライアイレンズにおける要素レンズの数に相応のＬＥＤを対応させることが望ましいが、ＬＥＤの数が増えれば、結果的にフライアイレンズの大型化を招いてしまい好ましくないという問題がある。一方、フライアイレンズは通常、プレス加工で製作されているので、要素レンズの高集積化に当たっては、加工精度の制約も発生し、コスト的に好ましくないという問題がある。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであり、複数のＬＥＤを用いて光源装置を構成し、ＬＥＤからの光束を平行性の高い光束として取り出し、取り出した光束をインテグレータ光学系（フライアイレンズ）に効率良く導き、高輝度かつ照度均一性の高い照明を行うことのできる光源装置及びそれを用いた投写型表示装置を提供することを目的としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
かかる目的を達成するために、請求項１記載の発明は、複数の発光ダイオード（ＬＥＤ）をアレイ状に配置して構成する光源装置であって、ＬＥＤ発光素子とこの素子から発する光を反射して略平行光束にして射出する反射鏡とを有し反射鏡の開口部が光軸に垂直な断面において半円形形状であるようなＬＥＤ光源デバイスと、ＬＥＤ光源デバイスの後段に配置され、このデバイスから射出された半円形断面の光束を入射し、光束を２分割して円形断面の光束に変換して射出するプリズムユニットと、を有する光源ユニットを複数アレイ状に配置して構成されることを特徴としている。
【００１３】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、反射鏡は、ＬＥＤ発光素子の配置される位置を焦点とした放物面形状であることを特徴としている。
【００１４】
請求項３記載の発明は、請求項１または２に記載の発明において、プリズムユニットは、２つの台形プリズムの底面同士を接合してなる６角形形状のプリズムであり、接合面に半透鏡の特性の薄膜が形成されていることを特徴としている。
【００１５】
請求項４記載の発明は、請求項１から３のいずれか１項に記載の発明において、プリズムユニットは、２つの台形プリズムの底面同士を接合してなる６角形形状のプリズムであり、接合面に偏光分離素子を有し、プリズムユニットにおける台形プリズムのいずれか一方の後段に、台形プリズム射出後の光束の偏光成分を上記２分割された他方の光束の偏光成分に統一する１／２波長板が配置されることを特徴としている。
【００１６】
請求項５記載の発明は、請求項１から４のいずれか１項に記載の発明において、ＬＥＤ発光素子と反射鏡の組が複数、基板上に１次元アレイ配置され、１次元アレイ配置された基板を複数段重ねて配置することにより２次元ＬＥＤアレイが構成されていることを特徴としている。
【００１７】
請求項６記載の発明は、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の各色用に請求項１から５のいずれか１項に記載の光源装置を備え、各光源装置からの各色の射出光束を合成する色合成素子と、フライアイレンズを用いて構成され前記各色の射出光束を被照明面に重畳結像するインテグレータ光学系と、インテグレータ光学系を通じて重畳結像される照明光により照明され画像情報に応じて変調を行う少なくとも１つ以上の２次元光変調器と、２次元光変調器上の画像を拡大投写する投写レンズと、を有することを特徴としている。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面を参照しながら詳細に説明する。構成要素には記号を付与して区別する。図１は、本発明の第１の実施の形態における光源装置１００及びそれを含んで構成される照明系の構成を示す図である（特に垂直方向断面図を示す）。光源装置１００は、１つのＬＥＤに対応する光源ユニット１０が複数アレイ配置された構造を持つ。光源装置１００は、大別してＬＥＤアレイ２００とプリズムアレイ３００から構成される。
【００１９】
また、図２は、光源装置１００のうち特に１つのＬＥＤに対応する光源ユニット１０の構成を示す断面図である。さらに図３は、光源装置１００の上記光源ユニット１０の複数の配列を示す断面図である。また、図４は、光源装置１００のうち特に複数のＬＥＤ光源の配列ユニットであるＬＥＤアレイ２００について示す斜視図である。また、図５は、光源装置１００のうち特に図４のＬＥＤアレイ２００に対応して配置されるプリズムアレイ３００を示す斜視図である。
【００２０】
図３に示すように、光源装置１００は、複数の光源ユニット１０をアレイ状に配置して構成される。特に、図４に示す２次元のＬＥＤアレイ２００と、これに対応して後段に配置される図５に示すプリズムアレイ３００とで構成される。なお、図中では、光源装置１００でＬＥＤ発光素子２１から発する光について１つの光線・光路のみ例示している。
【００２１】
図２に示すように、光源装置１００における１つの光源ユニット１０は、１つのＬＥＤ発光素子２１を含んだデバイス（以下、便宜的にＬＥＤ光源デバイスと呼ぶ）２０と、これに対応して後段に配置される６角形断面（６角柱形状）のプリズムユニット（以下、６角形プリズム）３０とから構成される。
【００２２】
ＬＥＤ光源デバイス２０は、ＬＥＤ発光素子２１と反射鏡２２とが組で所定の位置関係で絶縁基板２３上に配置されてなる。６角形プリズム３０は、２つの台形断面のプリズム３１及び３２の底面同士を接合してなるユニットである。基板２３には、所定の回路が形成されていて良い。
【００２３】
図４に示すように、ＬＥＤアレイ２００は、複数のＬＥＤ光源デバイス２０を２次元マトリクス状に配列したアレイ構成を持つ。図４では特に６個のＬＥＤ光源デバイス２０を一次元的に配列しさらにそれを４段構成して２次元アレイとしたものを例に採っている。絶縁基板２３上に複数のＬＥＤ光源デバイス２０を１次元で配列してなるユニットをさらに別方向に複数段配列して２次元アレイを構成している。各々の光源デバイス２０から平行化された光束が射出されるので、ＬＥＤアレイ２００からは２次元アレイ（マトリクス）状に光が取り出されることになる。
【００２４】
図５に示すように、プリズムアレイ３００は、複数の６角形プリズム３０を配列してなるユニットである。６角柱形状のプリズムを垂直方向に重ねて配置しており、ＬＥＤアレイ２００の２次元アレイに対応したアレイとなっている。ＬＥＤアレイ２００からの２次元アレイ状の射出光束群は、１：１対応でプリズムアレイ３０の各々のプリズム３０に入射される。入射光はプリズムアレイ３００にて変換され（後述）、プリズムアレイ３００から２次元アレイ状に光束（照明光）群が取り出され、後段のインテグレータ光学系（フライアイレンズ）４００に入射される。
【００２５】
図２で、光源デバイス２０における反射鏡２２の開口の形状は半円形であり、光源デバイス２０からの射出光束Ｓ１の断面形状は半円形となる。これが６角形プリズム３０（の特に下部の台形プリズム３２）に入射され、この６角形プリズム３０における光束分割（変換）作用により入射光束Ｓ１は２分割されて射出され（後述）、図２の点線枠外に示したような照明光Ｓ２とＳ３による円形の照明光Ｓ４となる。
【００２６】
図１で、光源装置１００からは、２次元アレイ状の照明光Ｓ４群が射出される。図１では、垂直方向の１次元のみ示している。光源装置１００から射出された２次元アレイ状の照明光Ｓ４群は、２つのフライアイレンズ（第１のフライアイレンズ４１０及び第２のフライアイレンズ４２０）を含んで構成されるインテグレータ光学系４００に入射される。
【００２７】
光源装置１００からの各照明光Ｓ４は、フライアイレンズ４１０及び４２０における各要素レンズに１：１で対応して入射される。各入射照明光Ｓ４は、インテグレータ光学系４００での光学作用により被照射面である２次元光変調器５００の画面上に重畳結像され、被照射面５００において照度均一な照明光を形成する。
【００２８】
インテグレータ光学系４００は、各ＬＥＤ光源ユニット１０からの照明光Ｓ４を効率良く被照射面５０へと導くとともに、複数のＬＥＤ光源ユニット１０からの照明光Ｓ４の重畳結像により被照射面５００での照度均一性を実現する系である。本実施形態では、インテグレータ光学系４００を第１及び第２の２段のフライアイレンズ４１０、４２０とその後のフィールドレンズ４３０等で構成している。
【００２９】
被照射面である２次元光変調器５００は、液晶パネルやＤＭＤ（ディジタルミラーデバイス）等である。
【００３０】
図２で、光源ユニット１０におけるＬＥＤ光源デバイス２０は、絶縁基板２３上に配置されたＬＥＤ発光素子２１と、ＬＥＤ発光素子２１から発する光を反射させる特性を持つ反射鏡２２とを備えた構成となっている。ＬＥＤ発光素子２１から発された光は反射鏡２２で反射され、ＬＥＤ素子２１と反射鏡２２の配置関係及び反射鏡２２の形状に基づき、ほぼ平行な光束Ｌを形成する。ＬＥＤ光源デバイス２０の開口は半円形形状となっており、上記略平行光束Ｌが半円形断面の照明光Ｓ１として射出される。
【００３１】
反射鏡２２は特に放物面形状を有する反射鏡であり開口部が半円形状となる。反射鏡２２としては例えば合成樹脂をモールド成形したものにＡｌ（アルミニウム）蒸着したものを使用することができる。
【００３２】
図６に示すように、放物面反射鏡２２の焦点位置ＦにＬＥＤ発光素子２１を配置する。これにより反射鏡２２で反射後の各光線Ｌ（例えばＬａ〜Ｌｅ）はほぼ平行の光束に変換される。なお軸２４は放物面の中心軸を示す。
【００３３】
なお、図７（ａ）に、一般的な砲弾型の形状のＬＥＤランプの構成を示す。このような砲弾型のＬＥＤランプでは、ＬＥＤ発光素子２１から発光する光線の開き角（α）が、例えばランプ外形がφ５またはφ３クラスでは約６０度程度になる。一方、図９（ｂ）に示す本発明の構成のように、放物面反射鏡２２を用いてその焦点距離を所定とすることで、ＬＥＤ発光素子２１から発光する光線の開き角（β）が１２０度程度は可能になり、砲弾型と比して光利用効率が高い。
【００３４】
ＬＥＤ光源デバイス２０から射出された略平行光束で半円形断面の照明光Ｓ１は、後段の６角形プリズム３０の下部の台形プリズム３２に入射される。
【００３５】図２で、６角形プリズム３０は、台形プリズム３１、３２の底面同士を接合してなるユニットであり、その接合面（界面）には、半透鏡（ハーフミラー）の特性の薄膜３３が蒸着形成されている。この薄膜３３での作用により、入射光Ｓ１（図には特に２つの光線Ｌを示した）が透過成分（Ｓ２）と反射成分（Ｓ３）とでほぼ１：１に２分割されて射出される。
【００３６】
台形プリズム３１及び３２の材質として、同じ屈折率の光学硝子を使用した。また、台形プリズム３１、３２のいずれか一方のプリズムの底面には、可視光に対して反射率と透過率がほぼ１：１となるような半透鏡の特性を有する薄膜３３を形成し、プリズム底面同士の張り合わせには光学硝子用の接着剤を用いている。薄膜３３の特性としては、反射と透過との比率がほぼ１：１となっていることが望ましい。なお、プリズム３１、３２としては、目的の屈折作用を満たす条件で台形断面以外のものを使用しても良い。
【００３７】
６角形プリズム３０に入射された照明光Ｓ１は、プリズムでの屈折作用を受けてＬ１の経路を辿って射出するが、台形プリズム３１と３２の接合面には上述の通り半透鏡の特性を有する薄膜３３が形成されているので、薄膜３３の作用により光線ＬはＬ１とＬ２とに２分割される（Ｌ１：透過光、Ｌ２：反射光）。
【００３８】
薄膜３３での光線Ｌの分割において、透過された方の光線はＬ１の経路で射出する。一方反射された方の光線はＬ２の経路で射出する。ここで、反射鏡２２の開口が半円形で入射光Ｓ１が半円形断面であるため、透過光Ｌ１により形成される射出光束Ｓ２は半円形となり、また反射光Ｌ２により形成される射出光束Ｓ３も半円形（逆向き）となる。これは、台形プリズム３１、３２の接合面の薄膜３３における反射作用で光束Ｌ２がＬ１に対して光学的に反転するためである。結果として、６角形プリズム３０から射出される光束は、半円形断面の照明光Ｓ２及び照明光Ｓ３からなる円形断面の照明光Ｓ４となる。
【００３９】
さて、放物面反射鏡２２の焦点Ｆに置かれた点光源（ＬＥＤ素子）２１から発した光線について反射後の光束Ｌの強度分布を見ると、一般に光軸２４付近が最も強く、同心円状に周辺に向かうに従って弱くなるという特性を有する。
【００４０】
これは、図６のように、光軸２４に垂直な面において等間隔の光線（例えばＬａ〜Ｌｅ）を考えたとき、それらが放物面反射鏡２２に反射する際の反射面積の違いが生じるためである。すなわち、例えばＬａからＬｂまでの光束は、ＬｄからＬｅまでの光束よりも反射鏡２２で反射される面積が小さい。点光源（ＬＥＤ素子）２１からの光は一様に発していることを考えると、ＬａからＬｂの光束はより密に、ＬｄからＬｅの光束ではより疎になることが理解される。
【００４１】
従って、図８の照明光Ｓ１の断面における照度分布において示すように、ＡＢ間はＯを中心として左右対称に、ＯＣ間は非対称になる。しかしながら、台形プリズム３１、３２からなる６角形プリズム３０にて２分割された光束は、円形断面の照明光Ｓ４（照明光Ｓ２＋照明光Ｓ３）となるので、最終的には、図９の照明光Ｓ４ｂの断面における照度分布に示すように、光源装置１００から射出する照明光Ｓ４の照度分布では光束中心軸付近が最も照度が高く、同心円状に周辺に向かうに従い照度がやや低くなるような特性のものとなる。
【００４２】
このような特性の円形断面の照明光Ｓ４は、後段のフライアイレンズ４１０の要素レンズ（矩形形状を持つ）に入射する光束として、半円形断面の光束よりも利用効率の点などにおいて適しており、効率良く被照射面５００への照明光として利用することができる。
【００４３】
図１で、光源装置１００から射出された、上記照度分布特性でかつ略平行・円形断面の照明光Ｓ４群（２次元アレイ状）は、インテグレータ光学系４００の第１のフライアイレンズ４１０に入射される。フライアイレンズ４１０及び４２０は、照明光Ｓ４の数に対応した数の要素レンズを有した構成となっている。入射された照明光Ｓ４は、第１のフライアイレンズ４１０によるレンズ作用を受けて、第２のフライアイレンズ４２０の近傍に各々のＬＥＤの像を一旦結像する。
【００４４】
一方、第２のフライアイレンズ４２０の後に配置されるフィールドレンズ４３０により第１のフライアイレンズ４１０の輪郭に応じた像が被照射面５００上に重ね合わされる。フライアイレンズ４１０、４２０は、被照射面５００のアスペクト比に対応した矩形形状の要素レンズを所定距離に対置している。
【００４５】
以上のようにして、複数のＬＥＤ（ＬＥＤ発光素子２１）を用いて光源装置１００を構成し、各ＬＥＤから射出される略平行化された光束を６角形プリズム３０において円形断面の照明光（Ｓ４）に変換してインテグレータ光学系４００に導き、効率良く被照射面（２次元光変調器）５００上に照明することができ、照度均一性が高く、効率良い照明光学系を構成することが可能となる。
【００４６】
なお、図１に示したように、被照射面５００への入射特性をより高めるためにコンデンサレンズ７４０を挿入することが望ましい。
【００４７】
次に、図１０は、上述した第１の実施形態の光源装置１００を照明系に備えて構成される、本発明の第１の実施の形態における投写型表示装置１０００の構成を示す図である。投写型表示装置１０００は、３つの光源装置１００１〜１００３、インテグレータ光学系であるフライアイレンズ１００４及び１００５、色合成素子であるプリズム１００６〜１００８、２次元光変調器であるＤＭＤ１０１２、及び、投写レンズ１０１３を有して構成される。上記各部は色合成素子等以外では、図１で示した構成要素と同一の要素を用いる。また、本実施形態では、投写型表示装置１は、フィールドレンズ１００９、コンデンサレンズ１０１０、ＴＩＲプリズム１０１１などを有する。
【００４８】
投写型表示装置１０００は、第１の実施形態で示した光源装置１００を３つ備え、それぞれをＧ（緑）、Ｒ（赤）、Ｂ（青）用として使用して各色の光束を射出させる。それぞれをＧ用光源装置１００１、Ｒ用光源装置１００２、Ｂ用光源装置１００３とする。また、投写型表示装置１０００では、それら各光源装置１００，１００２，１００３から発する各色の光束を合成するための色合成素子（プリズム１００６、１００７、１００８）を、第１フライアイレンズ１００４と第２フライアイレンズ１００５の間の空間に配置している。
【００４９】
上記色合成素子として、３板式のＤＬＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｌｉｇｈｔ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，　　ＤＭＤプロジェクタ）等で実用化されている公知技術などを使用して構成することができる。各光源装置１００１〜１００３からの略平行光束は、第１のフライアイレンズ１００４により、第２のフライアイレンズ１００５の近傍に、各々ＬＥＤの像を結像する。
【００５０】
Ｇ用光源装置１００１からの光束ＬＧは、プリズム１００６、１００７、１００８を順に通過して第２フライアイレンズ１００５を射出する。プリズム１００７と１００８との境界部分にはエアーギャップを設けてある。
【００５１】
また、Ｒ用光源装置１００２からの光束ＬＲは、プリズム１００７、１００８の境界面での１回の全反射後に、プリズム１００６と１００７の境界に達し、その後ＬＧと同じ経路で射出する。プリズム１００６と１００７の境界には、Ｇ色を透過させ、Ｒ色を反射する特性の薄膜が蒸着される。
【００５２】
また、Ｂ用光源装置１００３からの光束ＬＢは、プリズム１００８で全反射され、プリズム１００７と１００８の境界に達する。その境界のプリズム１００８側にＧ色とＲ色を透過させ、Ｂ色を反射させる特性の薄膜が蒸着されており、この境界面で反射された光束ＬＢはその後ＬＧと同じ経路で射出する。
【００５３】
第２のフライアイレンズ１００５を射出後の光束（ＬＧ＋ＬＲ＋ＬＢ）は、フィールドレンズ１００９、コンデンサレンズ１０１０、ＴＩＲプリズム１０１１を経て、２次元光変調器であるＤＭＤ１０１２を照明する。そして電気的にオン／オフされるＤＭＤのマイクロミラーの傾き角度に応じて、変調された画像の光が投写レンズ１０１３を介してスクリーン上（不図示）に拡大表示される。
【００５４】
また、各光源装置１００１〜１００３もＤＭＤ１０１２に同期させて時分割で点灯を制御すれば、フルカラー表示の投写型表示装置を得ることができる。
【００５５】
なお、本実施形態では、２次元光変調器としてＤＭＤ１０１２を例に採って説明しているので、ＤＭＤ１０１２と併せてＴＩＲプリズム１０１１を使用しているが、２次元光変調器として透過型ＴＮ液晶パネル等を用いることも勿論可能であり、この場合にはＴＩＲプリズム１０１１は不要である。
【００５６】
次に、本発明の第２の実施の形態における光源装置１００ｂについて説明する。図１１は、本発明の第２の実施の形態における光源装置１００ｂを説明するための図である。光源装置１００ｂのうち特に１つの光源ユニット１０ｂを示す。ＬＥＤ光源デバイス２０や６角形プリズム３０ｂがアレイ配置されることなどは第１の実施形態と同様である。前述の実施形態の構成要素と同一の構成要素は同一の記号を付与して示す。
【００５７】
第２の実施形態の光源装置１００ｂでは、第１の実施形態の光源装置１００の基本構成に加え、光源ユニット１０ｂにおいて、６角形プリズム３０ｂの台形プリズム３１と３２の接合面（界面）に偏光分離素子３５を備える。またさらに、１／２波長板３６を一方の台形プリズム（ここでは３２）の背後に配置している。
【００５８】
ＬＥＤ光源デバイス２０から射出する光束Ｓ１は、ランダムな偏光特性を有する光束である。この光束Ｓ１は台形プリズム３２に入射するが、プリズム接合面に達したとき、偏光分離素子３５により、Ｐ偏光光とＳ偏光光に分割され、各々の偏光光がプリズム３０ｂから射出する。
【００５９】
例えば、偏光分離素子３５を透過したＰ偏光の光束はＬ１経路で射出され、一方、偏光分離素子３５で反射したＳ偏光の光束はＬ２経路で射出され、プリズム３２から射出後に配置された１／２波長板３６により偏光方向が９０度回転されＰ偏光に変換されて射出される。
【００６０】
結果として、６角形プリズム３０ｂを通過後に取り出される照明光Ｓ５、照明光Ｓ６よりなる照明光Ｓ７は、円形断面でかつ偏光方向が統一された光束となる。
【００６１】
偏光分離素子３５としては、例えばワイヤーグリッド型の偏光素子等を用いれば良い。そのような偏光素子として米ＭＯＸＴＥＫ社のＰｒｏＦｌｕｘ（登録商標）等が知られている。ＰｒｏＦｌｕｘは、ガラス基板上に、幅が約６５ｎｍ、高さが２００ｎｍ　、ピッチが１４０ｎｍ　程度であるＡｌの微細なグリッドが形成されたものであり、入射するランダム偏光光に対してグリッドの長手方向と直交する振動方向の偏光成分を透過させ、グリッドの長手方向と平行な振動方向の偏光成分を反射させる素子である。
【００６２】
また、１／２波長板３６は、台形プリズム３１、３２の射出後のいずれの経路上に配置しても構わない。図１１の配置では、Ｌ１とＬ２がＰ偏光光に偏光統一される構成であるが、Ｌ１の経路に１／２波長板３６を配置すれば、Ｌ１とＬ２がＳ偏光光に偏光統一される。
【００６３】
第２の実施形態の光源装置１００ｂによれば、光源装置１００ｂから射出後の照明光（Ｓ７）の偏光方向が統一されるので、被照射面である２次元光変調器５００としてＴＮ液晶パネルを採用した場合の光利用効率の向上が可能となる。
【００６４】
次に、図１２は、上述の第２の実施形態の光源装置１００ｂを照明系に用いて構成される、本発明の第２の実施の形態における投写型表示装置１０００ｂの構成を示す図である。投写型表示装置１０００ｂは、３つの光源装置１２０１〜１２０３、インテグレータ光学系であるフライアイレンズ１２０４及び１２０６、色合成素子であるクロスダイクロイックプリズム１２０５、２次元光変調器である液晶パネル１２１０、及び、投写レンズ１２１２を有して構成される。上記各部は色合成素子等以外では、第１の実施形態の投写型表示装置１０００と同一の要素を用いる。また、本実施形態では、投写型表示装置１０００ｂは、フィールドレンズ１２０７、コンデンサレンズ１２０８、偏光板１２０９、１２１１などを有する。
【００６５】
第２の実施形態の投写型表示装置１０００ｂでは、Ｇ、Ｒ、Ｂの各色用の光源装置として光源装置１２０１、１２０２、１２０３の３つを備える。光源装置１２０１〜１２０３として、上述の第２の実施形態の光源装置１００ｂを用いる。そして、これら各色の光束の合成のための色合成素子としてクロスダイクロイックプリズム１２０５を用いている。
【００６６】
クロスダイクロイックプリズム１２０５は、３板式の投写型液晶表示装置での液晶パネル通過後の色合成用の光学素子として広く用いられている。
【００６７】
なお、第１の実施形態の投写型表示装置１０００では、色合成用光学素子としてクロスダイクロイックプリズムではなく３つのプリズムを組み合わせたユニットを使用しているが、これは、クロスダイクロイックプリズムのダイクロコートの薄膜特性が、薄膜に入射する光線の入射角度に対して偏光依存性があるためであって、照明光としてランダム偏光光を使用できる、２次元光変調器としてＤＭＤを使用する投写型表示装置においては、偏光依存性をできるだけ除去するために、光線の入射角度を小さくできる３つのプリズムからなる色合成用プリズムを使用している。
【００６８】
クロスダイクロイックプリズムは第１の実施形態における投写型表示装置１０００での色合成用プリズムユニット（１００６〜１００８）に比してコンパクトにできるメリットがあるため、偏光光を利用するＴＮ液晶パネルを２次元光変調器として用いる場合にはクロスダイクロイックプリズムを使用することが望ましい。
【００６９】
光源装置１２０１、１２０２、１２０３からの各色の光束は、フライアイレンズ１２０４、１２０６と、フィールドレンズ１２０７、コンデンサレンズ１２０８により、２次元光変調器である液晶パネル１２１０上に重畳照明される。本実施形態では液晶パネル１２１０の前後には偏光板１２０９、１２１１を備えている。その後、スクリーン（不図示）上に画像情報を拡大投写するための投写レンズ１２１２により液晶パネル１２１０上の画像情報がカラー画像として得られる。
【００７０】
第１の実施形態の投写型表示装置１０００と同様、光源装置１００ｂのＬＥＤアレイ２００からの射出光束Ｓ１群を円形断面の光束Ｓ７に変換して照明光として射出しインテグレータ光学系に導くので、効率良く液晶パネル１２１０を照明することが可能になる。しかも、光源装置１００ｂは偏光変換の機能を有していることから、照明光の偏光統一を行って光利用効率も向上する。
【００７１】
なお、第１の実施形態でも第２の実施形態においても、単板式の投写型表示装置として、また、ＬＥＤアレイ２００として単色の発光波長を有するＬＥＤ発光素子２１を用いることとして説明してきたが、白色ＬＥＤを用いることも可能である。この場合には、例えば、図１３に示すように１次元のＬＥＤアレイを複数段に重ねて２次元ＬＥＤアレイを構成する際に、１段目をＲ用光源１３０１に、２段目をＧ用光源１３０２に、３段目をＢ用光源１３０３に、というように所定パターンで各色用のＬＥＤアレイを配置して、これらＲ、Ｇ、Ｂの各ＬＥＤを２次元光変調器５００と同期させて時分割制御で点灯させればカラー表示化が可能になる。この場合には色合成用光学素子を使用しなくて済むため、光学系の構成が簡素なものとなる。
【００７２】
以上により本発明の実施の形態について説明した。なお、上述した実施形態は、本発明の好適な実施形態の一例を示すものであり、本発明はそれに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において、種々変形実施が可能である。
【００７３】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、複数の発光ダイオード（ＬＥＤ）を使用して構成する光源装置及びそれを用いた投写型表示装置において、ＬＥＤから発する光線を反射鏡により効率良く略平行光束に変換し、かつ、その略平行性で断面形状が半円形となっている光束を６角形状のプリズムユニットに入射して該プリズムの作用により２分割して円形状の断面の光束へと変換して射出し、高輝度の照明光として効率良く利用することができる。特に、この光源装置を用いた照明系として光源装置の後段にフライアイレンズで構成されるインテグレータ光学系を構成する場合において、上記円形断面の光束をフライアイレンズの要素レンズに入射して効率良く照明光に変換し、被照射面である２次元光変調器に重畳結像して照度を均一に照明できるという効果がある。
【００７４】
さらに、２次元光変調器として液晶パネルを採用する場合には、台形プリズムの底面に偏光分離素子を設け、６角形プリズムユニットから射出後の一方の光束の光路に１／２波長板を配置することにより偏光変換が可能になり、これにより６角形プリズムからの射出光束の偏光統一を行うことで、２次元光変調器の均一照明と偏光統一による光利用効率の向上を両立できるという効果がある。
【００７５】
特に請求項１から３に記載の構成では、点光源であるＬＥＤ発光素子から発する光は、ＬＥＤ発光素子が配置される位置を焦点として配置される放物面形状の反射鏡により、効率良く平行光線に変換されて射出されることが可能になる。
【００７６】
また、ＬＥＤ発光素子と反射鏡の組からなるＬＥＤ光源デバイスから射出する略平行光束の断面形状は半円形となるが、２つの台形プリズムの接合からなる６角形形状のプリズムにおける半透鏡特性の薄膜の作用により、入射光束が透過と反射でほぼ１：１に２分割され、６角形プリズムから射出直後の光束は、略平行でかつ断面形状が円形で、中心軸部分が最も照度が大きく周辺に向かって同心円状に照度が低下する照度特性を有する光束に変換され、インテグレータ光学系を構成する第１のフライアイレンズの各要素レンズに入射する。
【００７７】
本構成の光源装置を用いて構成する照明系では、本光源装置からの上記円形断面の各射出光束の数つまりＬＥＤ光源ユニットの数に応じた数の要素レンズを有するフライアイレンズを複数用いてインテグレータ光学系を構成し、上記円形光束のうち、第１のフライアイレンズの各々の要素レンズで矩形に切り取られた上記同心円状の照度特性を有する光束が、第２のフライアイレンズにより被照射面（２次元光変調器）に重畳結像されるので、被照射面上では均一性の高い照明が行われる。
【００７８】
特に請求項４記載の発明では、台形プリズムの底面同士を接合した６角形形状のプリズムユニットにおいてその接合面には偏光分離素子を備え、さらにプリズムユニットで２分割されて射出される光束のうちいずれか一方の光束の偏光成分を他の偏光成分に統一するための１／２波長板を台形プリズムの後段に配置しており、このような構成とすることで、光束の２分割（半円形断面光束から円形断面光束への変換）と同時に偏光変換を行うことができるので、例えばツイストネマチック（ＴＮ）液晶パネルを２次元光変調器として用いた投写型表示装置において光利用効率の向上が可能となる。
【００７９】
特に請求項５記載の発明では、ＬＥＤアレイの構成の仕方として、ＬＥＤ発光素子と反射鏡の組を複数基板上に配置して１次元アレイを形成し、さらにこれを複数段重ねて配置することにより２次元のＬＥＤアレイを形成しており、後段に配置される６角形プリズムのアレイと組み合わせた形態において、光源装置として２次元アレイ状の光束群を射出することができる。この光源装置からの２次元アレイ状の射出光束群と１：１対応するようにフライアイレンズと組み合わせた照明系を構成し、効果的な照明光を得ることができる。
【００８０】
特に請求項６記載の発明では、Ｒ（赤）用、Ｇ（緑）用、Ｂ（青）用の各々に請求項１から５のいずれか１項に記載の光源装置を備えており、この構成とすることで、２次元光変調器として液晶パネルやＤＭＤを用いて、３板または単板方式によるカラー表示の投写型表示装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態における光源装置１００を含んだ照明系の構成を示す図である。
【図２】光源装置１００を説明するための特に光源ユニット１０を示す図である。
【図３】光源装置１００を説明するための図である。
【図４】光源装置１００におけるＬＥＤアレイ２００の構成を示す斜視図である。
【図５】光源装置１００におけるプリズムアレイ３００の構成を示す斜視図である。
【図６】ＬＥＤ光源デバイス２０から射出する光線の平行化について説明するための図である。
【図７】ＬＥＤ発光素子２１から発する光線の取り込み量について比較説明するための図である。
【図８】放物面反射鏡２２での反射後に形成される光束の強度について説明するための、照明光Ｓ１の照度分布を示す図である。
【図９】６角形プリズム３０を射出後に形成される光束の強度について説明するための、照明光Ｓ４の照度分布を示す図である。
【図１０】本発明の第１の実施の形態における投写型表示装置１０００の構成を示す図である。
【図１１】本発明の第２の実施の形態における光源装置１００ｂの特に光源ユニット１０ｂの構成を示す図である。
【図１２】本発明の第２の実施の形態における投写型表示装置１０００ｂの構成を示す図である。
【図１３】他の実施の形態における光源装置の構成について説明するための図である。
【符号の説明】
１００　光源装置（第１の実施形態）
１０００　投写型表示装置（第１の実施形態）
１００ｂ　光源装置（第２の実施形態）
１０００ｂ　投写型表示装置（第２の実施形態）
１０　光源ユニット
２００　ＬＥＤアレイ
３００　プリズムアレイ
４００　インテグレータ光学系
５００　被照射面（２次元光変調器）
２０　ＬＥＤ光源デバイス
２１　ＬＥＤ発光素子
２２　放物面反射鏡
２３　絶縁基板
２４　光軸
３０　６角形プリズム
３１　台形プリズム（上部）
３２　台形プリズム（下部）
３３　接合面（界面）における薄膜
Ｌ　ＬＥＤ光源デバイス２０からの射出光線
Ｌ１　プリズム３０で２分割された上部射出光線（透過光）
Ｌ２　プリズム３０で２分割された下部射出光線（反射光）
Ｓ１　ＬＥＤ光源デバイス２０からの射出光
Ｓ２　Ｌ１による照明光
Ｓ３　Ｌ２による照明光
Ｓ４　６角形プリズム３０から射出される照明光
Ｆ　放物面反射鏡２２の焦点
Ｌａ〜Ｌｅ　光線
４１０、１００４、１２０４　第１のフライアイレンズ
４２０、１００５、１２０６　第２のフライアイレンズ
４３０、１００９、１２０７　フィールドレンズ
４４０、１０１０、１２０８　コンデンサレンズ
１００１、１２０１　光源装置（Ｇ用）
１００２、１２０２　光源装置（Ｒ用）
１００３、１２０３　光源装置（Ｂ用）
ＬＧ　緑色光
ＬＲ　赤色光
ＬＢ　青色光
１００６、１００７、１００８　色合成用プリズム
１０１１　ＴＩＲプリズム
１０１２　ＤＭＤ
１０１３、１２１２　投写レンズ
１０ｂ　光源ユニット（第２の実施形態）
３０ｂ　６角形プリズム（第２の実施形態）
３５　偏光分離素子
３６　１／２波長板
Ｓ５　Ｌ１による照明光
Ｓ６　Ｌ２による照明光（１／２波長板３６通過後）
Ｓ７　６角形プリズム３０ｂからの射出照明光
１２０５　クロスダイクロイックプリズム
１２０９、１２１１　偏光板
１２１０　液晶パネル
１３０１　Ｒ用ＬＥＤアレイ
１３０２　Ｇ用ＬＥＤアレイ
１３０３　Ｂ用ＬＥＤアレイ
【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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