(57)【要約】【課題】  面照明装置において、多数のＬＥＤ素子を集積して配列した面光源の縮小像の像点にインテグレータ光学系を配置することで照度ムラを軽減し、反射型素子面を均一に明るく照らすことができる照明装置を提供する。【解決手段】  複数の発光部を面状に配列した面光源１と、この面光源１から出射する光を集光する第１集光光学系４と、第１集光光学系４による光源像の光軸に直交する面内の光強度分布を均一にするインテグレータ光学系５と、インテグレータ光学系５によって均一にされた光を２次光源としてこれを集光する第２集光光学系６とを有する。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の発光部を面状に配列した面光源と、この面光源から出射する光を集光する第１集光光学系と、第１集光光学系による光源像の光軸に直交する面内の光強度分布を均一にするインテグレータ光学系と、インテグレータ光学系によって均一にされた光を２次光源としてこれを集光する第２集光光学系と、を有することを特徴とする照明装置。
【請求項２】
請求項１に記載の照明装置において、発光部は発光ダイオードであることを特徴とする照明装置。
【請求項３】
複数の発光部を面状に配列した面光源を複数面備えた複数面光源と、この複数面光源から出射される光を合成するプリズムと、このプリズムにて合成された光を集光する第１集光光学系と、第１集光光学系による光源像の光軸に直交する面内の光強度分布を均一にするインテグレータ光学系と、インテグレータ光学系によって均一にされた光を２次光源としてこれを集光する第２集光光学系と、を有することを特徴とする照明装置。
【請求項４】
請求項３に記載の照明装置において、プリズムはクロスダイクロプリズムであり、複数の面光源は各々ＲＧＢ単色の発光ダイオードからなることを特徴とする照明装置。
【請求項５】
請求項１又は３に記載の照明装置において、発光部それぞれにレンズが取り付けられていることを特徴とする照明装置。
【請求項６】
請求項２又は４に記載の照明装置において、発光ダイオードは放射発散全角を狭める放射発散狭角手段を有することを特徴とする照明装置。
【請求項７】
請求項１又は３に記載の照明装置において、第１の集光光学系の横倍率β１は、
β１≦１
であることを特徴とする照明装置。
【請求項８】
請求項１又は３に記載の照明装置において、インテグレータ光学系はロッドレンズであることを特徴とする照明装置。
【請求項９】
請求項１又は３に記載の照明装置において、第２の集光光学系の横倍率β２は、
β２≧１
であることを特徴とする照明装置。
【請求項１０】
請求項１又は３に記載の照明装置において、白色光から光の３原色を経時的に作り出すカラーフィルターを、第１集光光学系による像あるいはインテグレータ光学系によって均一にされた光の近傍に有することを特徴とする照明装置。
【請求項１１】
請求項１から１０のいずれかに記載の照明装置での第２集光光学系の出射光が入射し２次元的に配列された多数の微小ミラーの傾きを変化させて反射光の出射角度を変化させることによりオン・オフ状態を作る反射表示手段と、オン状態にある微小ミラーからの反射光が入射しこの入射光を拡大して投影する投影レンズと、を有することを特徴とする画像表示装置。
【請求項１２】
請求項１から１０のいずれかに記載の照明装置での第２集光光学系の出射光が入射し２次元的に配列された多数の光反射面を有した両端固定梁を変形させ反射光の出射角度を変化させることによりオン・オフ状態を作る反射表示手段と、オン状態にある光反射面からの反射光が入射しこの入射光を拡大して投影する投影レンズと、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、ＤＭＤ（Digital Micromirror Device）に代表される反射型素子を照明する光学系に関し、特に多数のＬＥＤ素子のような面光源を使用し均一に面を照射することができる光学装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、発光ダイオード（Light Emitting Diode、以下ＬＥＤと称する）の開発が活発に行われており、最近のＬＥＤの明るさは急激に高まっている。ＬＥＤは、キセノンランプやメタルハライドランプのようなバルブランプと比較すると、一般的に長寿命、高効率、高耐Ｇ性、単色発光などの利点を有している。このため、多種多様な照明の発光源としてあるいはその応用分野において、バルブランプからＬＥＤへと移行する傾向が見受けられる。
例えば、プロジェクタに用いられる光源は、ハロゲンランプ、キセノンランプ、メタルハライドランプ及び超高圧水銀ランプといったように、数種類のバルブランプが用いられている。しかし、それらのバルブランプを、楕円鏡あるいは放物鏡の焦点位置に設置する点光源と見なすという観点に立てば、どのバブルランプも同じ光源とみなすことができる。
一方、ＬＥＤをＤＭＤ素子に代表される反射型素子を用いた光源に用いる場合、すなわちこの反射型素子を用いたプロジェクタ（以下、反射型プロジェクタ）の光源として使用することを考えた時、ＬＥＤはバルブランプに比べて上述のような利点があるものの、点光源とみなして使用するには、単位ＬＥＤ素子における発光量は小さすぎる。このため、近年発光量を増大させるべく、多数のＬＥＤ素子を集積して配列し、これを一個の面光源とみなし、反射型プロジェクタの光源として使用したいという要望が出てきている。ところが、このＬＥＤの面光源は、バブルランプのように点光源とみなすことはできない。
従来、光学系の光源についての関連技術には、次のような特許文献がある。例えば、特許文献１には、複数の面光源からの光を扱う光学系として、複数光源から発せられた光を被照射面に対して均一に、また被照射面に対して最小の入射角で照射するための照明光学系およびこれを用いた光学装置が開示されている。特許文献１は、複数光源からの光を平行光化する手段を有しており、複数光源からの光を平行光化できれば、面光源の大きさについては考慮する必要がなくなるという特長を有する。
また、特許文献２には、反射型表示素子を用いた画像表示装置に関して、バルブランプと楕円鏡が用いられている装置が開示されている。しかし、特許文献２にＬＥＤ素子を当てはめた場合、配列されたＬＥＤ素子は大きさを持ち、点光源として扱えないため、バルブランプと同じように楕円鏡や放物鏡の点光源としては使用できない。
また、特許文献３には、クロスダイクロプリズムに面光源からのＲＧＢ光を入射して、空間変調素子を照明する光学系が開示されている。この場合、ダイクロプリズムは、Ｒ、Ｇ、Ｂ光源の点滅によって赤成分画像、緑成分画像、青成分画像を得てカラー画像を表示するものである。
更に、ＬＥＤ素子からなる面光源の像を単一の集光光学系を用いて反射型素子に結像した場合には、以下のような問題がある。
１．面光源の縮小結像を行う場合、照明光の立体角が大きくなってしまう。反射型プロジェクタにおいては、照明光とスクリーンへ結像する光が干渉しないように分離させる必要があり、照明光の立体角には制約がある。
２．面光源の拡大結像を行う場合には、照明光の立体角は小さくなるが、像高が高くなり、光源からの光のほんの一部しか素子に照明できない。
３．照度ムラが発生する。
【特許文献１】特開２００２−１８４２０６公報
【特許文献２】特開２００２−２６８０１０公報
【特許文献３】特開平１１−６５４７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
以上のように発光量を得るためにはＬＥＤ素子が面光源であること、面光源であるがゆえに結像に当たって立体角が大きくなること、拡大結像をする場合は立体角は小さくなるが光源の一部の光しか利用できないこと、照度ムラが発生することが問題となっている。そして、従来の装置においては、面光源からの光を集光光学系を用いて反射型素子に結像するためには、照明光と結像光が干渉しないようにする必要があり、照明光の立体角には制約がある。
立体角の観点からバルブランプと楕円鏡が用いられている装置を見ると、像高が高くなり、光源からの光を一部しか素子に照明できないので、照明光の立体角の問題が残る。また、反射型素子面を明るく照らそうとしてＬＥＤ素子数を増やしたとしても、面光源が大きくなり、これを反射型素子面に結像するには、集光光学系の横倍率を小さくする必要があるが、このことは照明光の立体角を大きくすることになり、望ましくない。
以上のことを勘案すると、ＬＥＤ素子の面光源を用いるが、光を集めにくい大きな面光源とすることなく、立体角を小さくし、照度ムラを無くしたいという改善が要求される。
本発明は上記の問題に鑑みなされたものであり、多数のＬＥＤ素子を集積して配列した面光源を用いて、照度ムラをなくし、像面である反射型素子面の立体角を大きくしないようにした照明装置、及びこの照明装置を用いた画像表示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、複数の発光部を面状に配列した面光源と、この面光源から出射する光を集光する第１集光光学系と、第１集光光学系による光源像の光軸に直交する面内の光強度分布を均一にするインテグレータ光学系と、インテグレータ光学系によって均一にされた光を２次光源としてこれを集光する第２集光光学系と、を有する照明装置を最も主要な特徴とする。
請求項２記載の発明は、請求項１に記載の照明装置において、発光部は発光ダイオードである照明装置を主要な特徴とする。
請求項３記載の発明は、請求項１において、複数の発光部を面状に配列した面光源を複数面備えた複数面光源と、この複数面光源から出射される光を合成するプリズムと、このプリズムにて合成された面状光を集光する第１集光光学系と、第１集光光学系による光源像の光軸に直交する面内の光強度分布を均一にするインテグレータ光学系と、インテグレータ光学系によって均一にされた光を２次光源としてこれを集光する第２集光光学系と、を有する照明装置を主要な特徴とする。
請求項４記載の発明は、請求項３に記載の照明装置において、プリズムはクロスダイクロプリズムであり、複数の面光源は各々ＲＧＢ単色の発光ダイオードからなる照明装置を主要な特徴とする。
請求項５記載の発明は、請求項１又は３に記載の照明装置において、発光部それぞれにレンズが取り付けられている照明装置を主要な特徴とする。
請求項６記載の発明は、請求項２又は４に記載の照明装置において、発光ダイオードは放射発散全角を狭める放射発散狭角手段を有することを特徴とする照明装置を主要な特徴とする。
【０００５】
請求項７記載の発明は、請求項１又は３に記載の照明装置において、第１の集光光学系の横倍率β１は、β１≦１であることを特徴とする照明装置を主要な特徴とする。
請求項８記載の発明は、請求項１又は３に記載の照明装置において、インテグレータ光学系はロッドレンズである照明装置を主要な特徴とする。
請求項９記載の発明は、請求項１又は３に記載の照明装置において、第２の集光光学系の横倍率β２は、β２≧１である照明装置を主要な特徴とする。
請求項１０記載の発明は、請求項１又は３に記載の照明装置において、白色光から光の３原色を経時的に作り出すカラーフィルターを、第１の集光光学系による像あるいはインテグレータ光学系によって均一にされた光の近傍に有することを特徴とする照明装置を主要な特徴とする。
請求項１１記載の発明は、請求項１から１０のいずれかに記載の照明装置での第２集光光学系の出射光が入射し２次元的に配列された多数の微小ミラーの傾きを変化させて反射光の出射角度を変化させることによりオン・オフ状態を作る反射表示手段と、オン状態にある微小ミラーからの反射光が入射しこの入射光を拡大して投影する投影レンズと、を有する画像表示装置を主要な特徴とする。
請求項１２記載の発明は、請求項１から１０のいずれかに記載の照明装置での第２集光光学系の出射光が入射し２次元的に配列された多数の光反射面を有した両端固定梁を変形させ反射光の出射角度を変化させることによりオン・オフ状態を作る反射表示手段と、オン状態にある光反射面からの反射光が入射しこの入射光を拡大して投影する投影レンズと、を有する画像表示装置を主要な特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
請求項１及び２の発明によれば、立体角を緩やかなままで、多数の均一な光を重畳した多数倍の均一強力な光を得ることができＬＥＤのような単独の光源を集合して実用的な照明装置を得ることが可能になる。
また、請求項３の発明によれば、立体角を緩やかなままで、多数の均一な光を重畳した多数倍の均一強力な光を得ることができＬＥＤのような単独の光源を集合して実用的な照明装置を得ることが可能になるばかりでなく、プリズムによって光を自由に合成でき応用範囲の広い実用的な照明装置を得ることが可能になる。
また、請求項４から１２の発明によれば、発光部それぞれにレンズが取り付けられていること、発光ダイオードに放射発散全角を狭める放射発散狭角手段を設けること、第１の集光光学系の横倍率β１は、β１≦１であること、インテグレータ光学系はロッドレンズであること、第２の集光光学系の横倍率β２は、β２≧１であることにより、均一にされた光で実用的な照明装置を得ることが可能になる。
更に、この照明装置を利用して光変調手段を備えることで、実用的な画像表示装置を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下に図面を参照しながら、本発明完成に至った経緯と、本発明の実施形態について述べる。
（発明完成に至った経緯）
現状ではＬＥＤ素子を光源に使う場合には、複数個並べなければ十分な光量が得られない。このため、配列されたＬＥＤ素子は、ある大きさを持った面光源となる。
図１は、Ｘ方向（図面の表裏方向）Ｙ方向にＬＥＤ素子を正方形に配列した面光源１を集光光学系によって等倍結像した例であり、面光源１と反射型素子２の大きさを等しくして、その面光源１と反射型素子２との中央に集光光学系を配置する。図の立体角Ａは反射型素子２の仕様によって決められる。つまり、面光源１からの出射光のうち利用可能な範囲が、立体角Ａによって決められてしまう。この図１では、反射型素子２と同じような面光源１の大きさとし立体角もＡのように緩やかな状態を示す。また、この集光光学系を配置したままの構成では、反射型素子２上で照度ムラが発生してしまうので、光学系中にインテグレータ光学系が必要である。
図２は反射型素子を明るく照らす為に、面光源の大きさを、Ｘ方向Ｙ方向ともに２倍にした面光源３を用いた例を示している。面光源の面積が４倍になり、明るくなるが、集光光学系の横倍率も小さくなって立体角ＢがＢ＝２×Ａになり、前述したような干渉等の問題が生じて反射型素子２の仕様に相応しくない。
以上の結果、集光光学系にて光を集光させ、立体角を小さくして、インテグレータ光学系にて照度ムラを無くす光学系が必要となる。
（本発明の実施形態）
本発明の実施形態は、多数のＬＥＤ素子を集積して配列した面光源の縮小像を第１集光光学系であるコンデンサレンズによって作り、この像点にインテグレータ光学系を配置することで照度ムラを軽減し、さらにインテグレータ光学系から出射する光を２次光源とし、この２次光源の像を第２集光光学系であるコンデンサレンズを介して反射型素子に結像する照明装置を得ると共に、ＬＥＤ素子を配列した面光源を複数面作り、この面光源から出射される光をプリズムによって合成し、一つの面光源とすることにより、同じ立体角で照度ムラもなく反射型素子面を明るく照らすことができる。
【実施例１】
【０００８】
図３は面光源１と反射型素子２を用いた実施例１に係る照明装置の一例である。この実施例１の光学系としては、面光源１、コンデンサレンズ４、ロッドレンズ５、コンデンサレンズ６、反射型素子２からなる。ここにおいて、コンデンサレンズ４の横倍率β＝１／２（少なくともβ≦１）とし、コンデンサレンズ６の横倍率β＝２（少なくともβ２≧１）とする。したがって、面光源１及び反射型素子２の立体角はＡのままであり、ロッドレンズの入射光は絞られる。また、インテグレータ光学系として用いたロッドレンズ５は、四角柱の内部をくり貫いて内面を反射鏡としたものであり、くり貫き面の大きさはＨ５＝１／２×Ｈ１である。ここでＨ１は、光源１の中心からの高さ、Ｈ５は、ロッドレンズくり貫き面の中心からの高さを示す。
かかる実施例１の照明装置は、図１の照明装置に比べて、光源からの出射光の利用可能な範囲は同じであり、明るさは変わらないが、ロッドレンズ５の１５１面に入射した光源１の縮小像を形成する光線群が、ロッドレンズ５の内部で複数回反射することにより、ロッドレンズ５の１５２面では光強度分布が均一化されているため、これを２次光源として結像された反射型素子２上の面は、照度分布が均一化され、照度ムラが少ない。
なお、白色光から光の３原色を経時的に作り出すカラーフィルターを、コンデンサレンズ４による像あるいはインテグレータ光学系によって均一にされた光の近傍に配置するようにしてもよい。
以上の結果、立体角をＡのままで照度ムラのない照明装置を得ることができる。
【実施例２】
【０００９】
図４は、実施例２を示し、面光源以外実施例１と同じである。この実施例２では、実施例１での面光源１の代わりにクロスダイクロプリズム１０を配置している。光源であるクロスダイクロプリズム１０は、３角柱形の４つの直角プリズムを、それぞれのプリズム頂角が交差するようにその稜線を一致させて張り合わせたものであり、各プリズムの接合面にダイクロイック面を設けたものである。ダイクロイック面に関しては、上記４つの直角プリズムをそれぞれ１１、１２、１３、１４とすると、プリズム１１と１２の接合面ａ、プリズム１３と１４の接合面ｃに青色（Ｂ光）反射で緑色（Ｇ光）と赤色（Ｒ光）透過のダイクロイック面ａｃが構成され、プリズム１２と１３の接合面ｄ、プリズム１４と１１の接合面ｂに、Ｒ光反射でＧ光とＢ光透過のダイクロイック面ｂｄが施されているものである。ここで、図４のように、プリズム１２に平行に面光源７を、プリズム１３に平行に面光源８を、プリズム１４に平行に面光源９を配置する。そして、面光源７は、Ｘ方向Ｙ方向に赤色ＬＥＤ素子を正方形に配列したものであり、面光源８は同様に緑色、面光源９も同様に青色ＬＥＤ素子を配列したものである。
これより、プリズム１２の入射面（非接合面）Ｓ２からＲ光、プリズム１３の入射面（非接合面）Ｓ３からＧ光、プリズム１４の入射面（非接合面）Ｓ４からＢ光の色光を入射し、プリズム１１の射出面（非接合面）Ｓ１から合成された色光が出射される。実施例２ではこのプリズム１１のＳ１面を面光源としたものであり、実施例１に比べて明るい面光源が得られる。ただし、それぞれの面光源から出射された光が拡散してしまい、Ｓ１面に光が集まらない場合には、発光部それぞれにレンズを取り付け、発光ダイオードに放射発散全角を狭める放射発散全角狭角手段を設置することにより、この問題を回避することができる。
図５は図１を例にとって各光学素子の配置状態を示したものであるが、図３、図４における光学素子の配置も同様に構成される。
【実施例３】
【００１０】
図６は、図３、図４に示す光学系を利用した照明装置により、画像表示装置を構成した簡略構成図を示す。ここでは、光源２０として図３に示すＬＥＤを並べた面光源１あるいは図４に示すクロスダイクロプリズム１０からなる光源を用い、図３、図４にも示す反射型素子２に相当する反射表示手段３０としてＤＭＤを用いたものである。このＤＭＤは、面状に多数のマイクロミラーを並べた構造を有し、ピクセルとしての各マイクロミラーは電気制御によりその向きが±１０°ほど変えられる（回動する）ように構成される。そして、マイクロミラーの傾き角を変えることによって光変調器として機能しマイクロミラーのオン・オフ状態が得られる。すなわち、光源２０からＤＭＤに入射した光は、マイクロミラーのオンにて投影レンズ４０を通過してスクリーン５０に像を映し、マイクロミラーのオフにてスクリーン５０には照射されず例えば光吸収板（図示省略）に照射される。
図７は、反射表示手段３０を構成する光変調素子の他の例を示す。この光変調素子は、基板３１をエッチング等により例えばＶ溝３２からなる空隙を形成し、この空隙を橋架するように薄膜からなる梁３３を形成し、この梁３３上に平面となる光反射膜３４を形成する構成を有し、基板の電極に電圧を印加しない場合には平面となっている光反射膜３４を、電極に電圧を印加することにより梁３３及び光反射膜３４をＶ溝形状に変形させるという動作が行われる。ここにおいて、基板に対し斜めの入射角にて入射する光は、電圧を印加しないときは平面の光反射膜３４にて入射角と等しい反射角をもって斜めの出射光が得られるのであるが、電圧の印加に伴う光反射膜３４のＶ形の変形があると、基板に対し斜めの入射光が例えば基板に垂直な出射光として得られるものであり、印加電圧の制御にて光反射膜にて反射される入射光の反射方向を変えることにより光変調を行うものである。このような、ピクセルとしての光変調素子を多数配列することにより反射表示手段３０を構成すれば、図６と同様の反射表示手段３０を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】従来の正方形ＬＥＤ素子配列面光源を光学系で等倍結像した例の説明図である。
【図２】従来の面光源の大きさを、両方向とも２倍にした面光源の例の説明図である。
【図３】本発明の面光源と反射型素子を用いた照明装置の構成断面図である。
【図４】本発明のクロスダイクロプリズムを使用した例の構成断面図である。
【図５】本発明に関する光学系の構成説明のための斜視図である。
【図６】画像表示装置の簡略構成図である。
【図７】反射表示手段の一例の断面構成図である。
【符号の説明】
【００１２】
１  面光源、２  反射型素子、３、７、８、９  面光源、４、６  コンデンサレンズ、５  ロッドレンズ、１０  クロスダイクロプリズム、１１、１２、１３、１４  直角プリズム、２０  光源、３０  反射表示手段、４０  投影レンズ、５０  スクリーン
【図１】
2005266137.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2005266137.tif 000007
【図６】
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【図７】
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