(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
裏面側に反射膜が配置され表面側に発光面を有する面発光光源である固体発光素子と、
前記固体発光素子の発光面に空隙を介して対向された第１の面と、互いに平行に対向し前記第１の面に対して略々垂直となされた第２及び第３の面と、前記第２及び第３の面に対して略々垂直となされ前記第１の面に対向し該第１の面に対して傾斜された第４の面と、前記第１乃至第４の面の一方の側縁部が周縁となっている第５の面と、前記第１乃至第４の面の他方の側縁部が周縁となっている第６の面とを有し、これら第１乃至第６の面に囲まれた多面体の空間が、周囲の媒質の屈折率以上の屈折率を有する媒質により満たされている光学素子と、
前記光学素子をなす媒質と屈折率が同等もしくは小さい空間を介して、前記第５の面に略平行に対向する入射面を有し、前記光学素子より入射面に入射した光束を偏光分離する偏光分離素子と、偏光分離された光束の一方を反射する反射面と、偏光分離された光束のいずれかの位相を変換する位相差板とからなる偏光変換素子と
を備え、
前記光学素子の前記第５の面は、前記固体発光素子の発光面の面積よりも小面積となっており、
前記光学素子の前記第６の面の高さは、１ｍｍ以上であって前記第５の面の高さの１／２未満であり、
前記固体発光素子より発せられた光は、前記第１の面より前記光学素子内に入射し、前記第１乃至第４の面及び前記固体発光素子の反射膜のいずれかにおいて反射された後、あるいは、これら第１乃至第４の面及び反射膜によって反射されずに、前記第５の面を介して外方に射出され、前記偏光変換素子に入射して、偏光変換されて合成される
ことを特徴とする光源装置。
【請求項２】
裏面側に反射膜が配置され表面側に発光面を有する面発光光源である固体発光素子と、
前記固体発光素子の発光面に空隙を介して対向された第１の面と、互いに平行に対向し前記第１の面に対して略々垂直となされた第２及び第３の面と、前記第２及び第３の面に対して略々垂直となされ前記第１の面に対向し該第１の面に対して傾斜された第４の面と、前記第１乃至第４の面の一方の側縁部が周縁となっている第５の面と、前記第１乃至第４の面の他方の側縁部が周縁となっている第６の面とを有し、これら第１乃至第６の面に囲まれた多面体の空間が、周囲の媒質の屈折率以上の屈折率を有する媒質により満たされている光学素子と、
前記第４の面に略平行で前記光学素子の内部を満たしている媒質の屈折率以下の屈折率を有する媒質により満たされた微小空間を介して配置された反射面と、
前記光学素子をなす媒質と屈折率が同等もしくは小さい空間を介して、前記第５の面に略平行に対向する入射面を有し、前記光学素子より入射面に入射した光束を偏光分離する偏光分離素子と、偏光分離された光束の一方を反射する反射面と、偏光分離された光束のいずれかの位相を変換する位相差板とからなる偏光変換素子と
を備え、
前記固体発光素子の表面部と前記光学素子との間は、前記光学素子の内部を満たしている媒質の屈折率以下の屈折率を有する媒質で満たされ、
前記光学素子の前記第５の面は、前記固体発光素子の発光面の面積よりも小面積となっており、
前記光学素子の前記第６の面の高さは、１ｍｍ以上であって前記第５の面の高さの１／２未満であり、
前記固体発光素子より発せられた光は、前記第１の面より前記光学素子内に入射し、前記第１乃至第４の面における全反射、前記固体発光素子の反射膜における反射、または、前記反射面における反射をなされた後、あるいは、これら第１乃至第４の面、反射膜及び反射面によって反射されずに、前記第５の面より外方に射出され、前記偏光変換素子に入射して、偏光変換されて合成される
ことを特徴とする光源装置。
【請求項３】
裏面側に反射膜が配置され表面側に発光面を有する面発光光源である第１の固体発光素子と、
前記固体発光素子の発光面に空隙を介して対向された第１の面と、互いに平行に対向し前記第１の面に対して略々垂直となされた第２及び第３の面と、前記第２及び第３の面に対して略々垂直となされ前記第１の面に対向し該第１の面に対して傾斜された第４の面と、前記第１乃至第４の面の一方の側縁部が周縁となっている第５の面と、前記第１乃至第４の面の他方の側縁部が周縁となっている第６の面とを有し、これら第１乃至第６の面に囲まれた多面体の空間が、周囲の媒質の屈折率以上の屈折率を有する媒質により満たされている光学素子と、
前記第４の面に略平行で前記光学素子の内部を満たしている媒質の屈折率以下の屈折率を有する媒質により満たされた微小空間を介して配置され、裏面側に反射膜が配置され表面側に発光面を有する面発光光源である第２の固体発光素子と、
前記光学素子をなす媒質と屈折率が同等もしくは小さい空間を介して、前記第５の面に略平行に対向する入射面を有し、前記光学素子より入射面に入射した光束を偏光分離する偏光分離素子と、偏光分離された光束の一方を反射する反射面と、偏光分離された光束のいずれかの位相を変換する位相差板とからなる偏光変換素子と
を備え、
前記光学素子の前記第５の面は、前記各固体発光素子の発光面の面積よりも小面積となっており、
前記光学素子の前記第６の面の高さは、１ｍｍ以上であって前記第５の面の高さの１／２未満であり、
前記各固体発光素子より発せられた光は、前記第１の面及び第４の面より前記光学素子内に入射し、前記第１乃至第４の面及び前記各固体発光素子の反射膜のいずれかにおいて反射された後、あるいは、これら第１乃至第４の面及び各反射膜によって反射されずに、前記第５の面を介して外方に射出され、前記偏光変換素子に入射して、偏光変換されて合成される
ことを特徴とする光源装置。
【請求項４】
前記反射面を支持している支持体には、冷却機構が設けられている
ことを特徴とする請求項２記載の光源装置。
【請求項５】
前記第５の面と、前記偏光変換素子の間に、単一、または、複数のレンズが配置されている
ことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一に記載の光源装置。
【請求項６】
前記偏光変換素子は、少なくとも２つの偏光分離素子と、少なくとも１つの反射面を有し、
これら偏光分離素子及び反射面は、互いに略平行で、かつ、前記第５の面に対して略４５°傾斜されて配置されており、
前記位相差板は、前記各偏光分離素子のそれぞれに対して、前記第５の面の反対側となる位置に配置されている
ことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか一に記載の光源装置。
【請求項７】
前記偏光変換素子は、少なくとも２つの偏光分離素子と、少なくとも１つの反射面を有し、
前記各偏光分離素子のうち少なくとも１つは、前記第５の面に略平行に設置されている
ことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか一に記載の光源装置。
【請求項８】
前記第４の面には、反射材料からなる反射面、または、フォトニック結晶からなる微細構造による反射部が形成されている
ことを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか一に記載の光源装置。
【請求項９】
前記第４の面は、曲面である
ことを特徴とする請求項１、請求項２、または、請求項４乃至請求項８のいずれか一に記載の光源装置。
【請求項１０】
前記第４の面は、前記固体発光素子に対向する面が、第５の面側において、前記第１の面に向けて凹筒面となっており、中央部に変曲点を有し、第５の面から遠い側において、前記第１の面に向けて凸筒面となっている
ことを特徴とする請求項１、請求項２、または、請求項４乃至請求項９のいずれか一に記載の光源装置。
【請求項１１】
前記偏光変換素子は、前記反射面が、前記偏光分離素子と同一の反射特性を有する
ことを特徴とする請求項１乃至請求項１０のいずれか一に記載の光源装置。
【請求項１２】
前記偏光変換素子は、さらに少なくとも１つの反射面を有し、この反射面は、他の反射面と前記第５の面との間に、該第５の面に略平行に設置されている
ことを特徴とする請求項１乃至請求項１１のいずれか一に記載の光源装置。
【請求項１３】
前記固体発光素子の表面部と前記光学素子との間は、前記光学素子の内部を満たしている媒質の屈折率以下の屈折率を有する媒質で満たされている
ことを特徴とする請求項１乃至請求項１２のいずれか一に記載の光源装置。
【請求項１４】
前記光学素子の前記第５の面に連続して設けられたライトパイプにおける射出端面には、反射型偏光板、または、反射型偏光板及び四分の一波長板が設置されている
ことを特徴とする請求項１乃至請求項１３のいずれか一に記載の光源装置。
【請求項１５】
前記第２の面及び前記第３の面は、成型時の抜きテーバーを形成するため、第１の面に対して１度以上傾斜している
ことを特徴とする請求項１乃至請求項１４のいずれか一に記載の光源装置。
【請求項１６】
前記第１の面及び前記第４の面がなす角は、２５度以上４５度未満である
ことを特徴とする請求項１乃至請求項１５のいずれか一に記載の光源装置。
【請求項１７】
前記光学素子の内部を満たしている媒質の屈折率以上の屈折率を有する媒質により、前記光学素子の前記第５の面において該光学素子に一体的に連続され、該光学素子から離れるにつれて拡径されたテーパ形状に形成され、射出端面となる先端面が前記第５の面と平行となされたライトパイプを備えた
ことを特徴とする請求項１乃至請求項１６のいずれか一に記載の光源装置。
【請求項１８】
請求項１７記載の光源装置のライトパイプより射出された光束が入射され、この光束を多重反射するライトトンネルと、
前記ライトトンネルより射出された光束をコリメートするコリメータ光学系と、
前記コリメータ光学系により４つ以上に分割された光束を偏光変換する偏光変換素子と、
偏光変換素子より射出した光束を集光し、前記ライトパイプの射出面を結像する集光光学系と
を備えたことを特徴とする照明装置。
【請求項１９】
前記偏光変換素子は、少なくとも４つの偏光分離素子を有し、これら偏光分離素子は、互いに略平行で、かつ、前記第５の面に対して略４５°傾斜されて配置されており、
前記位相差板は、前記各偏光分離素子のそれぞれに対して、前記第５の面の反対側となる位置に配置されている
ことを特徴とする請求項１８記載の照明装置。
【請求項２０】
請求項１乃至請求項１８のいずれか一に記載の光源装置と、
前記光源装置から射出された光によって照明される空間光変調素子と、
前記空間光変調素子を経た光が入射され、該空間光変調素子の像を結像させる結像光学系と
を備えた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、例えば画像表示装置等において空間光変調素子を照明する光源装置、照明装置及びこのような光源装置を有して構成される画像表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、空間光変調素子を備え、この空間光変調素子を光源装置により照明し、空間光変調素子を経た変調光を結像させて画像表示を行う画像表示装置が提案されている。このような画像表示装置においては、空間光変調素子は、表示画像を表示し、この画像に応じて照明光を変調させる。空間光変調素子により変調された変調光は、結像光学系によって結像され、例えば、スクリーン上などに画像を表示する。
【０００３】
このような画像表示装置の光源装置として、光源として、特許文献１に記載されているような固体発光素子を用いたものが提案されている。固体発光素子とは、発光ダイオード（ＬＥＤ）、半導体レーザーダイオード（ＬＤ）、電界発光素子（ＥＬ）などである。
【０００４】
また、このような画像表示装置の光源装置としては、空間光変調素子を均一に照明するため、図３８及び図３９に示すように、インテグレータ光学系を有するものが使用されている。このインテグレータ光学系は、光源からの照明光の輝度分布を均一化するものである。
【０００５】
図３８に示すフライアイレンズインテグレータ光学系においては、照明光を複数の小レンズが配列されたフライアイレンズ１０１，１０２を通すことによって、空間光変調素子１０３を照明する照明光の輝度分布が均一化される。
【０００６】
また、図３９に示すロッドインテグレータ光学系においては、照明光を角柱状のロッド１０４内を通すことによって、このロッド１０４内における内面反射が繰り返され、照明光の輝度分布が均一化される。すなわち、このロッドインテグレータ光学系においては、ロッド１０４の一端面（入射端面）に光源像を結像させ、あるいは、光源１０５を密着させ、光源１０５からの光をロッド１０４内を内面反射（全反射）させながら伝播させ、ロッド１０４の他端面（射出端面）より射出させる。ロッド１０４の射出端面を被照明物体となる空間光変調素子１０３上に結像させることにより、照明分布が均一な良好な照明光が得られる。
【０００７】
【特許文献１】特開平７−６６４５５公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
前述のような画像表示装置においては、空間光変調素子をより高輝度に照明することによって、高輝度の画像表示が行えるようにすることが要望されており、光源の高出力化が図られている。しかし、光源を高出力化すると、消費電力の増大、発熱量の増大、装置構成の大型化が招来されるため、光源を高出力化することなく、光源からの光の利用効率を向上させることによって、空間光変調素子を高輝度に照明することが望まれている。
【０００９】
ところで、光学理論として、光学面（例えば、レンズ）を介した２つの領域の間には、常に以下の関係が成り立つという「ヘルムホルツ・ラグランジェの不変量」が知られている。
Ｎｕｙ＝Ｎ´ｕ´ｙ´（∵Ｎ、Ｎ´は屈折率、ｕ、ｕ´は光線角度、ｙ、ｙ´は像高である。）
【００１０】
また、この関係は、像高（物体高）ｙ、ｙ´を面積（Ｓ）として示し、光線角度ｕ、ｕ´を立体角（θ）で示すと、エタンデュ（E´tendue）として捉えることができ、光学面を介した２つの領域でエタンデュが不変であると換言することができる。エタンデュＥは、以下の式によって表される。
Ｅ＝πＳsin２θ
【００１１】
この関係は、複数の光学系でも不変であり、物体と像の関係でも成立する。したがって、この関係は、照明光源と被照明物体（空間光変調素子）の間にも成立し、前述のような光源装置においても成立する。
【００１２】
例えば、図３９に示した角柱状のロッド１０４を用いたロッドインテグレータ光学系においては、ロッド１０４の射出端面からの光線の放射角度は、光源１０５からの光線放射角度と同一であり、「ヘルムホルツ・ラグランジェの不変量」が成立している。また、ロッド１０４の射出端面を結像させる光学系においても「ヘルムホルツ・ラグランジェの不変量」が満足されるので、照明光学系全体として、「ヘルムホルツ・ラグランジェの不変量」が成立する。
【００１３】
ここで、照明光学系の仕様（像高ｙ´と光線角度ｕ´）が、光源の仕様（物体高ｙと放射角度ｕ）に比べて十分に大きく、以下の関係が成立するときには、光源から発せられた光線のほぼ全てを、照明光学系に取り込むことが可能となることを意味する。
【００１４】
Ｎｕｙ＜Ｎ´ｕ´ｙ´
なお、フライアイインテグレータ光学系においても、同様に「ヘルムホルツ・ラグランジェの不変量」が成立する。
【００１５】
このように、光源装置における光源からの光の利用効率は、光源における発光面積と光線放射角度との関数であるエタンデュで決まってしまう。つまり、有限の大きさを持つ面光源からの光の利用効率は、光源の発光面積と放射角度とによって一義的に決まってしまうことになる。
【００１６】
したがって、空間光変調素子などの被照明物をより高輝度で照明するためには、光源の単位面積当たりの発光光量を増加させるか、または、光源からの光線放射角度を小さくすることが必要であることになる。これらの対策は、いずれも光源の性能向上を図るものであり、光源からの光の利用効率を向上させるものではない。
【００１７】
なお、光源からの光の利用効率を向上させようとした照明光学系として、図４０及び図４１に示すように、テーパ状のロッド、または、テーパ状のライトパイプを用いたインテグレータ光学系が提案されている。図４０に示すように、第５の面を光源１０５に比べて大きくしたテーパ状のライトパイプを用いたインテグレータ光学系においては、「ヘルムホルツ・ラグランジェの不変量」が成立することにより、光線射出角度θ´が小さくなる。逆に、図４１に示すように、第５の面を光源１０５に比べて小さくしたテーパ状のライトパイプを用いたインテグレータ光学系においては、「ヘルムホルツ・ラグランジェの不変量」が成立することにより、光線射出角度θ´が大きくなる。これらのインテグレータ光学系において、エタンデュは変化していない。すなわち、これらのインテグレータ光学系においては、光源からの光の光利用効率は、向上していない。
【００１８】
また、光源としてＬＥＤを用いて、ＬＥＤからの光をライトパイプ内に導入し、ライトパイプ内において不要な偏光をＬＥＤに戻し、ＬＥＤによる戻り光（反射光）を位相差板によって９０deg旋光させるようにした光源装置が提案されている。この光源装置は、偏光変換に関する構成であり、偏光変換を行いつつ、光の利用効率の向上、すなわち、エタンデュの改善を図っている。しかし、偏光変換を行うことが前提となっているため、エタンデュを任意の値に改善することはできない。
【００１９】
そこで、本発明は、前述の実情に鑑みて提案されるものであって、光源からの光の利用効率を向上させ、エタンデュを改善することによって、光源の単位面積当たりの発光光量を増加させることなく、また、光源からの光線放射角度を小さくすることなく、空間光変調素子などの被照明物をより高輝度で照明することができる光源装置を提供し、このような光源装置を用いた画像表示装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
前述の課題を解決し、前記目的を達成するため、本発明に係る光源装置は、以下の構成のいずれか一を有するものである。
【００２１】
〔構成１〕
裏面側に反射膜が配置され表面側に発光面を有する面発光光源である固体発光素子と、固体発光素子の発光面に空隙を介して対向された第１の面と互いに平行に対向し第１の面に対して略々垂直となされた第２及び第３の面と第２及び第３の面に対して略々垂直となされ第１の面に対向し該第１の面に対して傾斜された第４の面と第１乃至第４の面の一方の側縁部が周縁となっている第５の面と第１乃至第４の面の他方の側縁部が周縁となっている第６の面とを有しこれら第１乃至第６の面に囲まれた多面体の空間が周囲の媒質の屈折率以上の屈折率を有する媒質により満たされている光学素子と、光学素子をなす媒質と屈折率が同等もしくは小さい微小空間を介して第５の面に略平行に対向する入射面を有し光学素子より入射面に入射した光束を偏光分離する偏光分離素子と偏光分離された光束の一方を反射する反射面と偏光分離された光束のいずれかの位相を変換する位相差板とからなる偏光変換素子とを備え、光学素子の第５の面は、固体発光素子の発光面の面積よりも小面積となっており、光学素子の前記第６の面の高さは、１ｍｍ以上であって第５の面の高さの１／２未満であり、固体発光素子より発せられた光は、第１の面より光学素子内に入射し、第１乃至第４の面及び固体発光素子の反射膜のいずれかにおいて反射された後、あるいは、これら第１乃至第４の面及び反射膜によって反射されずに、第５の面を介して外方に射出され、偏光変換素子に入射して、偏光変換されて合成されることを特徴とするものである。
【００２２】
〔構成２〕
裏面側に反射膜が配置され表面側に発光面を有する面発光光源である固体発光素子と、固体発光素子の発光面に空隙を介して対向された第１の面と互いに平行に対向し第１の面に対して略々垂直となされた第２及び第３の面と第２及び第３の面に対して略々垂直となされ第１の面に対向し該第１の面に対して傾斜された第４の面と第１乃至第４の面の一方の側縁部が周縁となっている第５の面と第１乃至第４の面の他方の側縁部が周縁となっている第６の面とを有しこれら第１乃至第６の面に囲まれた多面体の空間が周囲の媒質の屈折率以上の屈折率を有する媒質により満たされている光学素子と、第４の面に略平行で光学素子の内部を満たしている媒質の屈折率以下の屈折率を有する媒質により満たされた微小空間を介して配置された反射面と、光学素子をなす媒質と屈折率が同等もしくは小さい微小空間を介して第５の面に略平行に対向する入射面を有し光学素子より入射面に入射した光束を偏光分離する偏光分離素子と偏光分離された光束の一方を反射する反射面と偏光分離された光束のいずれかの位相を変換する位相差板とからなる偏光変換素子とを備え、固体発光素子の表面部と光学素子との間は、光学素子の内部を満たしている媒質の屈折率以下の屈折率を有する媒質で満たされ、光学素子の第５の面は、固体発光素子の発光面の面積よりも小面積となっており、光学素子の前記第６の面の高さは、１ｍｍ以上であって第５の面の高さの１／２未満であり、固体発光素子より発せられた光は、第１の面より光学素子内に入射し、第１乃至第４の面における全反射、固体発光素子の反射膜における反射、または、反射面における反射をなされた後、あるいは、これら第１乃至第４の面、反射膜及び反射面によって反射されずに、第５の面より外方に射出され、偏光変換素子に入射して、偏光変換されて合成されることを特徴とするものである。
【００２３】
〔構成３〕
裏面側に反射膜が配置され表面側に発光面を有する面発光光源である第１の固体発光素子と、固体発光素子の発光面に空隙を介して対向された第１の面と互いに平行に対向し第１の面に対して略々垂直となされた第２及び第３の面と第２及び第３の面に対して略々垂直となされ第１の面に対向し該第１の面に対して傾斜された第４の面と第１乃至第４の面の一方の側縁部が周縁となっている第５の面と第１乃至第４の面の他方の側縁部が周縁となっている第６の面とを有しこれら第１乃至第６の面に囲まれた多面体の空間が周囲の媒質の屈折率以上の屈折率を有する媒質により満たされている光学素子と、第４の面に略平行で光学素子の内部を満たしている媒質の屈折率以下の屈折率を有する媒質により満たされた微小空間を介して配置され裏面側に反射膜が配置され表面側に発光面を有する面発光光源である第２の固体発光素子と、光学素子をなす媒質と屈折率が同等もしくは小さい空間を介して第５の面に略平行に対向する入射面を有し光学素子より入射面に入射した光束を偏光分離する偏光分離素子と偏光分離された光束の一方を反射する反射面と偏光分離された光束のいずれかの位相を変換する位相差板とからなる偏光変換素子とを備え、光学素子の第５の面は、各固体発光素子の発光面の面積よりも小面積となっており、光学素子の前記第６の面の高さは、１ｍｍ以上であって第５の面の高さの１／２未満であり、各固体発光素子より発せられた光は、第１の面及び第４の面より光学素子内に入射し、第１乃至第４の面及び各固体発光素子の反射膜のいずれかにおいて反射された後、あるいは、これら第１乃至第４の面及び各反射膜によって反射されずに、第５の面を介して外方に射出され、偏光変換素子に入射して、偏光変換されて合成されることを特徴とするものである。
【００２４】
〔構成４〕
構成２を有する光源装置において、反射面を支持している支持体には、冷却機構が設けられていることを特徴とするものである。
【００２５】
〔構成５〕
構成１乃至構成４のいずれか一を有する光源装置において、第５の面と偏光変換素子の間に、単一、または、複数のレンズが配置されていることを特徴とするものである。
【００２６】
〔構成６〕
構成１乃至構成５のいずれか一を有する光源装置において、偏光変換素子は、少なくとも２つの偏光分離素子と少なくとも１つの反射面を有し、これら偏光分離素子及び反射面は、互いに略平行で、かつ、第５の面に対して略４５°傾斜されて配置されており、位相差板は、各偏光分離素子のそれぞれに対して、第５の面の反対側となる位置に配置されていることを特徴とするものである。
【００２７】
〔構成７〕
構成１乃至構成５のいずれか一を有する光源装置において、偏光変換素子は、少なくとも２つの偏光分離素子と少なくとも１つの反射面を有し、各偏光分離素子のうち少なくとも１つは、第５の面に略平行に設置されていることを特徴とするものである。
【００２８】
〔構成８〕
構成１乃至構成７のいずれか一を有する光源装置において、第４の面には、反射材料からなる反射面、または、フォトニック結晶からなる微細構造による反射部が形成されていることを特徴とするものである。
【００２９】
〔構成９〕
構成１乃至構成８のいずれか一を有する光源装置において、第４の面は、曲面であることを特徴とするものである。
【００３０】
〔構成１０〕
構成１乃至構成９のいずれか一を有する光源装置において、第４の面は、固体発光素子に対向する面が、第５の面側において第１の面に向けて凹筒面となっており、中央部に変曲点を有し、第５の面から遠い側において第１の面に向けて凸筒面となっていることを特徴とするものである。
【００３１】
〔構成１１〕
構成１乃至構成１０のいずれか一を有する光源装置において、偏光変換素子は、反射面が、偏光分離素子と同一の反射特性を有することを特徴とするものである。
【００３２】
〔構成１２〕
構成１乃至構成１１のいずれか一を有する光源装置において、偏光変換素子は、さらに少なくとも１つの反射面を有し、この反射面は、他の反射面と第５の面との間に、該第５の面に略平行に設置されていることを特徴とするものである。
【００３４】
〔構成１３〕
構成１乃至構成１２のいずれか一を有する光源装置において、固体発光素子の表面部と光学素子との間は、光学素子の内部を満たしている媒質の屈折率以下の屈折率を有する媒質で満たされていることを特徴とするものである。
【００３５】
〔構成１４〕
構成１乃至構成１３のいずれか一を有する光源装置において、ライトパイプの射出端面には、反射型偏光板、または、反射型偏光板及び四分の一波長板が設置されていることを特徴とするものである。
【００３６】
〔構成１５〕
構成１乃至構成１４のいずれか一を有する光源装置において、第２の面及び第３の面は、成型時の抜きテーバーを形成するため、第１の面に対して１度以上傾斜していることを特徴とするものである。
【００３７】
〔構成１６〕
構成１乃至構成１５のいずれか一を有する光源装置において、第１の面及び第４の面がなす角は、２５度以上４５度未満であることを特徴とするものである。
【００３８】
〔構成１７〕
構成１乃至構成１６のいずれか一を有する光源装置において、光学素子の内部を満たしている媒質の屈折率以上の屈折率を有する媒質により、光学素子の第５の面において該光学素子に一体的に連続され、該光学素子から離れるにつれて拡径されたテーパ形状に形成され、射出端面となる先端面が第５の面と平行となされたライトパイプを備えたことを特徴とするものである。
【００３９】
また、本発明に係る照明装置は、以下の構成を有するものである。
【００４０】
〔構成１８〕
構成１７を有する光源装置のライトパイプより射出された光束が入射されこの光束を多重反射するライトトンネルと、ライトトンネルより射出された光束をコリメートするコリメータ光学系と、コリメータ光学系により４つ以上に分割された光束を偏光変換する偏光変換素子と、偏光変換素子より射出した光束を集光し、ライトパイプの射出面を結像する集光光学系とを備えたことを特徴とするものである。
【００４１】
〔構成１９〕
構成１８を有する照明装置において、偏光変換素子は、少なくとも４つの偏光分離素子を有し、これら偏光分離素子は、互いに略平行で、かつ、第５の面に対して略４５°傾斜されて配置されており、位相差板は、各偏光分離素子のそれぞれに対して、第５の面の反対側となる位置に配置されていることを特徴とするものである。
【００４２】
また、本発明に係る画像表示装置は、以下の構成を有するものである。
【００４３】
〔構成２０〕
構成１乃至構成１８のいずれか一を有する光源装置と、光源装置から射出された光によって照明される空間光変調素子と、空間光変調素子を経た光が入射され該空間光変調素子の像を結像させる結像光学系とを備えたことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００４４】
構成１を有する本発明に係る光源装置においては、固体発光素子より発せられた光は、第１の面より光学素子内に入射し、第１乃至第４の面及び固体発光素子の反射膜のいずれかによって反射された後、あるいは、これら第１乃至第４の面及び反射膜によって反射されずに、固体発光素子の発光面の面積よりも小面積の第５の面より外方に射出され、偏光変換素子に入射して、偏光変換されて合成されるので、固体発光素子からの光が第５の面に集光され、光の利用効率が向上され、光源エタンデュに支配的であった照明光の輝度を向上させることができる。また、この光源装置においては、光学素子の第６の面の高さは、１ｍｍ以上であって第５の面の高さの１／２未満であるので、光学素子の製造が容易であるとともに、光の利用効率を高めることができる。
【００４５】
また、この光源装置においては、光源の発光分布の均一化もなされるため、光源として、必ずしも大面積の固体発光素子を用いずとも、例えば、小面積の固体発光素子を配列させて光源として用いても、それら固体発光素子の境界面における発光分布を均一化することができる。
【００４６】
構成２を有する本発明に係る光源装置においては、光学素子の第４の面を透過した光は、反射面によって反射されて光学素子に戻り、その多くは、さらに固体発光素子にまで戻され、固体発光素子の発光面の面積よりも小面積の第５の面より外方に射出され、偏光変換素子に入射して、偏光変換されて合成されるので、固体発光素子からの光が第５の面に集光され、光の利用効率が向上され、光源エタンデュに支配的であった照明光の輝度を向上させることができる。また、この光源装置においては、光学素子が加熱されることが抑えられる。
【００４７】
構成３を有する本発明に係る光源装置においては、第１及び第２の固体発光素子より発せられた光は、第１の面、または、第４の面より光学素子内に入射し、第１乃至第４の面及び固体発光素子の反射膜のいずれかによって反射された後、あるいは、これら第１乃至第４の面及び反射膜によって反射されずに、固体発光素子の発光面の面積よりも小面積の第５の面より外方に射出され、偏光変換素子に入射して、偏光変換されて合成されるので、固体発光素子からの光が第５の面に集光され、光の利用効率が向上され、光源エタンデュに支配的であった照明光の輝度を向上させることができる。
【００４８】
構成４を有する本発明に係る光源装置においては、反射面を支持している支持体には、冷却機構が設けられているので、反射面が加熱されることが抑えられる。
【００４９】
構成５を有する本発明に係る光源装置においては、第５の面と偏光変換素子の間に、単一、または、複数のレンズが配置されているので、固体発光素子からの光の利用効率を向上させ、光束内の光強度分布を均一化することができる。
【００５０】
構成６を有する本発明に係る光源装置においては、偏光変換素子は、少なくとも２つの偏光分離素子と少なくとも１つの反射面を有し、これら偏光分離素子及び反射面は、互いに略平行で、かつ、第５の面に対して略４５°傾斜されて配置されており、位相差板は、各偏光分離素子のそれぞれに対して、第５の面の反対側となる位置に配置されているので、固体発光素子からの光の利用効率を向上させることができ、光束内の光強度分布を均一化することができる。
【００５１】
構成７を有する本発明に係る光源装置においては、偏光変換素子は、少なくとも２つの偏光分離素子と少なくとも１つの反射面を有し、各偏光分離素子のうち少なくとも１つは、第５の面に略平行に設置されているので、固体発光素子からの光の利用効率を向上させ、光束内の光強度分布を均一化することができることができる。
【００５２】
構成８を有する本発明に係る光源装置においては、第４の面には、反射材料からなる反射面、または、フォトニック結晶からなる微細構造による反射部が形成されているので、光学素子内の光が第４の面を透過して光学素子外に射出されることが防止され、固体発光素子からの光の利用効率を向上させることができる。
【００５３】
構成９を有する本発明に係る光源装置においては、第４の面が曲面であることにより、光の利用効率が向上し、光源エタンデュに支配的であった照明光の輝度を向上させることができる。
【００５４】
構成１０を有する本発明に係る光源装置においては、第４の面は、固体発光素子に対向する面が、第５の面側において第１の面に向けて凹筒面となっており、中央部に変曲点を有し、第５の面から遠い側において第１の面に向けて凸筒面となっているので、光の利用効率が向上し、光源エタンデュに支配的であった照明光の輝度を向上させることができる。
【００５５】
構成１１を有する本発明に係る光源装置においては、偏光変換素子は、反射面が、偏光分離素子と同一の反射特性を有するので、光の利用効率を高めることができる。
【００５６】
構成１２を有する本発明に係る光源装置においては、偏光変換素子は、さらに少なくとも１つの反射面を有し、この反射面は、他の反射面と第５の面との間に、該第５の面に略平行に設置されているので、不要な光を光源側に戻すことにより、光の利用効率を高めることができる。
【００５８】
構成１３を有する本発明に係る光源装置においては、固体発光素子の表面部と光学素子との間は、光学素子の内部を満たしている媒質の屈折率以下の屈折率を有する媒質で満たされているので、固体発光素子と光学素子との間における光の拡散が防止され、光の利用効率を高めることができる。
【００５９】
構成１４を有する本発明に係る光源装置においては、ライトパイプの射出端面には、反射型偏光板、または、反射型偏光板及び四分の一波長板が設置されているので、出射光の偏光状態を揃えることができる。
【００６０】
構成１５を有する本発明に係る光源装置においては、第２の面及び第３の面は、成型時の抜きテーバーを形成するため、第１の面に対して１度以上傾斜しているので、光学素子の製造が容易である。
【００６１】
構成１６を有する本発明に係る光源装置においては、第１の面及び第４の面がなす角は、２５度以上４５度未満であるので、固体発光素子からの光を効率よく出射することができる。
【００６２】
構成１７を有する本発明に係る光源装置においては、光学素子の内部を満たしている媒質の屈折率以上の屈折率を有する媒質により、光学素子の第５の面において該光学素子に一体的に連続され、該光学素子から離れるにつれて拡径されたテーパ形状に形成され、射出端面となる先端面が第５の面と平行となされたライトパイプを備えたので、固体発光素子からの光を効率よく出射することができる。
【００６３】
また、本発明に係る照明装置は、以下の構成を有するものである。
【００６４】
構成１８を有する本発明に係る照明装置においては、光源装置のライトパイプより射出された光束が入射されこの光束を多重反射するライトトンネルと、ライトトンネルより射出された光束をコリメートするコリメータ光学系と、コリメータ光学系により４つ以上に分割された光束を偏光変換する偏光変換素子と、偏光変換素子より射出した光束を集光し、ライトパイプの射出面を結像する集光光学系とを備えたので、固体発光素子からの光を効率よく出射することができる。
【００６５】
構成１９を有する本発明に係る照明装置においては、偏光変換素子は、少なくとも４つの偏光分離素子を有し、これら偏光分離素子は、互いに略平行で、かつ、第５の面に対して略４５°傾斜されて配置されており、位相差板は、各偏光分離素子のそれぞれに対して、第５の面の反対側となる位置に配置されているので、固体発光素子からの光の利用効率を向上させることができ、光束内の光強度分布を均一化することができる。
【００６６】
構成２０を有する本発明に係る画像表示装置においては、構成１乃至構成１８のいずれか一を有する光源装置を有するので、この光源装置から射出された光によって空間光変調素子を高効率で照明することができ、高輝度の画像を表示することができる。
【００６７】
すなわち、本発明は、光源からの光の利用効率を向上させ、エタンデュを改善することによって、光源の単位面積当たりの発光光量を増加させることなく、また、光源からの光線放射角度を小さくすることなく、空間光変調素子などの被照明物をより高輝度で照明することができる光源装置を提供することができ、このような光源装置を用いた画像表示装置を提供することができるものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００６８】
以下、本発明に係る光源装置及びこの光源装置を用いた画像表示装置の構成について詳細に説明する。
【００６９】
〔光源装置の第１の実施の形態〕
図１は、本発明に係る光源装置の第１の実施の形態における構成を示す斜視図である。
【００７０】
図２は、本発明に係る光源装置の第１の実施の形態における構成を示す縦断面図である。
【００７１】
この光源装置は、図１及び図２に示すように、面発光光源である固体発光素子２１を有している。この固体発光素子２１は、裏面側に反射膜２１ａが配置され、表面側に発光層（発光面）２１ｂを有して構成されている。このような固体発光素子２１としては、いわゆる高輝度ＬＥＤを用いることができる。
【００７２】
図３は、本発明に係る光源装置における固体発光素子の構成を示す断面図である。
【００７３】
高輝度ＬＥＤにおいては、図３に示すように、いわゆるフォトニクス結晶により形成された発光層２１ｂの裏面側に反射膜２１ａが形成されている。発光層２１ｂからは、表面側及び裏面側に光が射出される。発光層２１ｂから表面側に射出された光は、そのまま高輝度ＬＥＤの表面側に射出される。発光層２１ｂから裏面側に射出された光は、反射膜２１ａによって反射され、発光層２１ｂを透過して表面側へ射出される。また、外方からの発光層２１ｂへの入射光は、発光層２１ｂを透過し、裏面側の反射膜２１ａで反射され、再び発光層２１ｂを透過して表面側へ射出される。このようにして、高輝度ＬＥＤにおいては、従来のＬＥＤにおいて裏面側で光吸収により失われていた光が反射されて表面側に射出されるため、高輝度化が図られている。
【００７４】
なお、ＬＥＤの発光層２１ｂは、この発光層２１ｂが発している波長の光を透過させるので、この波長帯域のＬＥＤに対する入射光は、発光層２１ｂを透過して、裏面側において反射膜２１ａにより反射されることとなる。
【００７５】
なお、この固体発光素子２１の発光層（発光面）２１ｂは、例えば、２ｍｍ×６ｍｍの矩形状となっている。
【００７６】
このようなＬＥＤの発光層２１ｂの材料は、赤色発光の場合、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＧａＡｓＰなど、緑色発光の場合、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＩｎＰなど、青色発光の場合、ＩｎＧａＮなどである。これらＩｎＧａＮ系材料は、一般的には、サファイア基板１ｃ上にエピタキシャル成長によって形成される。そして、反射膜２１ａは、例えば、レーザーリフトオフにより半導体をサファイア基板１ｃから剥離させ、Ｐ型半導体表面を平坦化して形成される。この反射膜２１ａは、半導体裏面に直接スパッタ等で成膜することができる。なお、このＬＥＤは、シリコン基板２１ｄ上に反射膜２１ａを下側にして設置され、図示しないワイヤボンディングを介して給電される。
【００７７】
そして、この光源装置は、図１及び図２に示すように、固体発光素子２１の発光層（発光面）２１ｂに第１の面１を空隙KGを介して対向させた光学素子（プリズム）２２を有している。この光学素子２２の第１の面１は、固体発光素子２１の発光層（発光面）２１ｂと略々同一形状となっている。この光学素子２２は、第１の面１に対して略々垂直となされ互いに平行に対向した第２及び第３の面２，３を有している。また、この光学素子２２は、第２及び第３の面２，３に対して略々垂直となされ、第１の面１に対向し、この第１の面に対して傾斜された第４の面４を有している。さらに、この光学素子２２は、第１乃至第４の面１，２，３，４の側縁部が周縁となっている第５の面を有する。
【００７８】
すなわち、これら第１乃至第５の面１，２，３，４，５に囲まれた空間は、第２及び第３の面２，３を底面とする三角柱形状となっている。この光学素子２２において、第５の面５は、第１の面１の面積（固体発光素子２１の発光面２１ｂの面積）よりも小面積となっている。
【００７９】
なお、図２及び後述の図４は、縦断面図であるため、第２及び第３の面２，３については、第３の面３のみが表され、第２の面２については、断面の手前側となるため、表されない。
【００８０】
この実施の形態においては、図１に示すように、第５の面５の縁部の一部となる固体発光素子２１の反射膜２１ａの一側縁部２１ｅは、固体発光素子２１の発光面２１ｂの短辺部となっている。したがって、第５の面５においては、対向する２つの辺（固体発光素子２１の反射膜２１ａの一側縁部２１ｅ及び第４の面４の側縁部４ａ）が、図１中矢印Ａで示すように、固体発光素子２１の発光面の短辺部に等しい長さであり、図１中矢印Ｂで示す他の２つの辺（第２及び第３の面２，３の一側縁部２ａ，３ａ）の長さは、図１中矢印Ｃで示す固体発光素子２１の発光面の長辺部より短くなっている。
【００８１】
そして、これら第１乃至第５の面に囲まれた多面体の空間、すなわち、光学素子２２内は、周囲の媒質（例えば、空気）の屈折率以上の屈折率を有する透明な媒質により満たされている。この光学素子２２をなす媒質としては、例えば、「ゼオネックス（ZEONEX）」（日本ゼオン（株）の登録商標）の如きシクロオレフィンポリマや、その他種々の光学用合成樹脂材料、または、種々の光学ガラス材料を用いることができる。
【００８２】
この光源装置において、固体発光素子２１より発せられた光は、第１の面１より光学素子２２内に入射し、第１乃至第４の面１，２，３，４及び固体発光素子２１の反射膜２１ａのいずれかにおいて内面反射（全反射）された後、あるいは、これら第１乃至第４の面１，２，３，４及び反射膜２１ａによって反射されずに、第５の面５を介して外方に射出される。
【００８３】
この光学素子２２内において、ある面で光線が全反射される条件は、その面に対する光線の入射角をθとし、光学素子２２の外方の媒質の屈折率をｎとし、光学素子２２内の媒質の屈折率をｎ´とすると、以下のように示される。
sinθ＝ｎ／ｎ´
【００８４】
例えば、光学素子２２の外方の媒質を空気として、屈折率ｎを１とし、光学素子２２内の媒質を「ＢＫ−７」として、屈折率ｎ´を１．５１とすると、θは、約４１°となる。つまり、光学素子２２内において、ある面に対する入射角が約４１°より大きい光線は、全反射される。したがって、この光源装置においては、固体発光素子２１の反射膜２１ａの反射率が低くとも、第１の面１で全反射される光線があるため、光学素子２２内の光線を効率よく第５の面５に導くことができる。
【００８５】
そして、この光源装置においては、光学素子２２の第４の面４には、反射材料からなる反射面、または、フォトニック結晶からなる微細構造による反射部を形成することが望ましい。反射材料としては、Ａｌ（アルミニウム）膜やＡｇ（銀）膜、または、誘電体膜を用いることができる。光学素子２２の第４の面４の外面部に反射膜としてＡｌ膜を形成した場合には、第４の面４の反射率は９２％程度、反射膜としてＡｇ膜を形成した場合には、第４の面４の反射率は９８％程度となる。誘電体膜、または、フォトニック結晶からなる微細構造による反射部を用いる場合には、これら誘電体膜、または、反射部においては、特定の単色光（発光ダイオードの光のような半値幅が数十ｎｍあるような光を含む）、例えば、Ｒ（赤色光）、Ｇ（緑色光）、または、Ｂ（青色光）のいずれかのみが反射される。
【００８６】
この光源装置におけるエタンデュの特性曲線（エタンデュカーブ）を求めると、固体発光素子２１単体における特性曲線よりも、同じエタンデュにおける射出光強度（相対輝度）が高くなる。エタンデュは、前述したように、Ｓπsin２θ（∵Ｓは、発光面積、θは、光線放射角度）で示される。エタンデュの特性曲線は、エタンデュを所定の値に設定したとき、すなわち、発光面積Ｓ及び光線放射角度θを所定の値に設定したときに、得られる射出光強度（相対輝度）を示す。なお、発光面積Ｓは、光源装置においては、第５の面５の面積であり、固体発光素子２１単体においては、発光面２１ｂの面積である。また、本発明に係る光源装置においては、第２及び第３の面２，３が互いに平行になっているため、光線が第５の面５から射出されるまでに反射膜２１ａ及び各反射面２，３，４が構成する多面体内において反射される回数が少なく、また、反射光が固体発光素子２１に戻りにくくなっており、高効率に光線を射出させることができる。
【００８７】
図４は、本発明に係る光源装置の第１の実施の形態における他の構成を示す断面図である。
【００８８】
この光源装置において、光学素子２２の第５の面５は、図２に示すように、第４の面４に対して、略々垂直に形成されていることが好ましいが、図４に示すように、第４の面４に対して垂直となっていなくともよい。また、この実施の形態においては、固体発光素子２１の発光面２１ｂ及び第５の面５は、ともに矩形となっているが、そのように限定されるものではない。
【００８９】
〔光源装置の第２の実施の形態〕
図５は、本発明に係る光源装置の第２の実施の形態における構成を示す断面図である。なお、図５は、縦断面図であるため、第２及び第３の面２，３については、第３の面３のみが表され、第２の面２については、断面の手前側となるため、表されない。
【００９０】
本発明に係る光源装置は、図５に示すように、第４の面４を、曲面、例えば、固体発光素子２１側が凹である曲面として構成してもよい。この場合において、この第４の面４がなす曲面は、この反射面４の第５の面５の一部をなす側縁部４ａに平行な方向について直線状となっている円筒面等の曲面であってもよく、または、球面や放物面等であってもよいし、また、さらに高次の曲面であってもよい。この場合においても、各反射面１，２，３，４，５は、閉じた多面体を構成している。
【００９１】
この場合においても、固体発光素子２１より発せられた光は、第１乃至第４の面１，２，３，４及び固体発光素子２１の反射膜２１ａのいずれかによって多重反射された後、あるいは、これら第１乃至第４の面１，２，３，４及び反射膜２１ａによって反射されずに、第５の面５より外方に射出される。
【００９２】
〔光源装置の第３の実施の形態〕
図６は、本発明に係る光源装置の第３の実施の形態における構成を示す断面図である。なお、図６は、縦断面図であるため、第２及び第３の面２，３については、第３の面３のみが表され、第２の面２については、断面の手前側となるため、表されない。
【００９３】
本発明に係る光源装置は、第４の面４の形状を光の利用効率が最大となるように最適化して、構成することができる。この場合における第４の面４の形状は、図６に示すように、固体発光素子２１に対向する面が、第５の面５側において第１の面１に向けて凹筒面（固体発光素子２１から離れるほうが凹）となっており、中央部に変曲点Ｐを有し、第５の面５から遠い側において第１の面１に向けて凸筒面（固体発光素子２１に近づくほうが凸）となっている。この第４の面４がなす曲面は、この反射面４の第５の面５の一部をなす側縁部４ａに平行な方向について直線状となっている筒面等の曲面となっている。
【００９４】
第５の面５の面積が固体発光素子２１の面積の２５％であって、固体発光素子２１の反射膜２１ａの反射率が６０％である場合においては、最適化された第４の面４の形状は、以下の式で示される形状となる。
Ｙ＝Ｂ*sin１．２５（Ｘπ／４Ｃ）
【００９５】
ここで、Ｂは第５の面５の固体発光素子２１からの高さ（図６中矢印Ｂで示す２つの辺（第２及び第３の面２，３の一側縁部２ａ，３ａ）の長さ）を示し、Ｃは図６中矢印Ｃで示す固体発光素子２１の発光面の長辺部の長さを示し、Ｘは固体発光素子２１の第５の面５から遠い側の辺からの距離を示し、Ｙは距離Ｘにおける固体発光素子２１から第４の面４までの高さを示している。
【００９６】
この曲線における変曲点Ｐは、第４の面４の中心部（Ｘ＝（Ｃ／２）の位置）となっている。また、この曲線は、固体発光素子２１の反射膜２１ａの反射率が高くなるにつれて、直線に近い形状となる。
【００９７】
〔光源装置の第４の実施の形態〕
図７は、本発明に係る光源装置の第４の実施の形態における構成を示す断面図である。なお、図７は、縦断面図であるため、第２及び第３の面２，３については、第３の面３のみが表され、第２の面２については、断面の手前側となるため、表されない。
【００９８】
そして、この光源装置においては、前述の光源装置の構成において、光学素子２２の第４の面４に、反射材料からなる反射面を形成することなく、図７に示すように、この第４の面４に略平行に、反射面６を配置するようにしてもよい。この反射面６と第４の面４との間は、光学素子２２の内部を満たしている媒質の屈折率以下の屈折率を有する媒質により満たされた微小空間となっている。反射面６の第４の面４に対向する表面には、反射材料として、Ａｌ（アルミニウム）膜（反射率９２％）、Ａｇ（銀）膜（反射率９８％）、または、誘電体膜が形成され、あるいは、フォトニック結晶からなる微細構造による反射部が形成されている。誘電体膜、または、フォトニック結晶からなる微細構造による反射部は、前述したように、特定の単色光（発光ダイオードの光のような半値幅が数十ｎｍあるような光を含む）、例えば、Ｒ（赤色光）、Ｇ（緑色光）、または、Ｂ（青色光）のいずれかのみを反射する。
【００９９】
なお、反射面６の支持体２９は、反射膜の形成が可能で、耐熱性、熱伝導性、もしくは、両方の特性を備えている材質により形成することが好ましい。耐熱性が優れている材料としては、例えば、硝子材（「ＢＫ７」、「Ｂ２７０」など）や、セラミックス、また、熱伝導性に優れている材料としては、例えば、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌなどの金属材料が挙げられる。また、金属材料からなる支持体２９の表面を研磨して反射面６とすることにより、反射率、耐熱性及び熱伝導性の優れたものを実現することも可能である。
【０１００】
この光学装置においては、第４の面４において全反射されずに、この第４の面４を透過した光は、反射面６によって反射されて、光学素子２２内に戻される。また、光学素子２２内に戻された光の多くは、さらに固体発光素子２１にまで戻される。したがって、固体発光素子２１より発せられた光は、第１乃至第４の面１，２，３，４、固体発光素子２１の反射膜２１ａ及び反射面６のいずれかによって多重反射された後、あるいは、これら第１乃至第４の面１，２，３，４、反射膜２１ａ及び反射面６によって反射されずに、第５の面５より外方に射出される。
【０１０１】
この光学装置においては、第４の面４に反射材料を設けないため、この第４の面４が光の入射によって加熱されることが抑えられる。
【０１０２】
なお、光学素子２２の第１の面１、または、第４の面４で全反射が生ずる条件は、前述したように、その面に対する光線の入射角をθとし、光学素子２２の外方の媒質の屈折率をｎとし、光学素子２２内の媒質の屈折率をｎ´とすると、以下のように示される。
sinθ＝ｎ／ｎ´
【０１０３】
例えば、光学素子２２の外部の媒質は、空気であるとすると、ｎ＝１であり、光学素子２２の内部の媒質は、硝材「ＢＫ７」であるとすると、ｎ′＝１．５１であり、θは、約４１°となる。すなわち、光学素子２２の内部において、第１の面１、または、第４の面４に対する光線の入射角θが４１°以上である光は、すべてその面において全反射される。したがって、固体発光素子２１の反射膜２１ａの反射率が低い場合でも、第１の面１において全反射される光があるため、第５の面５に効率よく光を集光させることができる。
【０１０４】
また、この第４の実施の形態においても、前述の各実施の形態と同様に、第４の面４は、この第４の面４の第５の面５の一部をなす側縁部４ａに平行な方向について直線状となっている筒面等の曲面とすることができる。この場合においては、反射面６は、第４の面４に沿った曲面とすることが望ましい。
【０１０５】
〔光源装置の第５の実施の形態〕
図８は、本発明に係る光源装置の第５の実施の形態における構成を示す断面図である。なお、図８は、縦断面図であるため、第２及び第３の面２，３については、第３の面３のみが表され、第２の面２については、断面の手前側となるため、表されない。
【０１０６】
前述の第４の実施の形態における光源装置においては、図８に示すように、反射面６を支持している支持体２９の裏面に、冷却機構を設けてもよい。すなわち、この実施の形態においては、反射面６を支持する支持体２９には、冷却機構となるヒートシンク構造３１が設けられている。このヒートシンク構造３１は、支持体２９に植設された複数の冷却フィンを有して構成されている。このヒートシンク構造３１は、熱伝導性に優れている材料、例えば、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌなどの金属材料から形成されている。
【０１０７】
この光源装置においては、反射面６に光が入射することによって反射面６において生じた熱が、支持体２９及びヒートシンク構造３１を経て外方に放出されるため、反射面６の温度上昇が抑えられる。
【０１０８】
なお、この実施の形態においても、反射面６の支持体２９は、反射膜の形成が可能で、耐熱性、熱伝導性、もしくは、両方の特性を備えている材質により形成することが好ましい。耐熱性が優れている材料としては、例えば、硝子材（「ＢＫ７」、「Ｂ２７０」など）や、セラミックス、また、熱伝導性に優れている材料としては、例えば、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌなどの金属材料が挙げられる。また、金属材料からなる支持体２９の表面を研磨して反射面６とすることにより、反射率、耐熱性及び熱伝導性の優れたものを実現することも可能である。支持体２９を金属材料により形成すれば、この支持体２９に一体的にヒートシンク構造３１を形成することができる。
【０１０９】
図９は、本発明に係る光源装置の第５の実施の形態における他の構成を示す断面図である。なお、図９は、縦断面図であるため、第２及び第３の面２，３については、第３の面３のみが表され、第２の面２については、断面の手前側となるため、表されない。
【０１１０】
さらに、この光源装置おいては、図９に示すように、反射面６を支持している支持体２９に冷却機構を直接設けずに、支持体２９の裏面に貼着したグラファイトシート３２などによって、図示しない冷却機構（ヒートシンクなど）に支持体２９の熱を伝導させるようにしてもよい。グラファイトシート３２は、石墨（Graphite）結晶からなるシートであり、特定の一方向への熱伝導性に優れている。支持体２９の熱は、このグラファイトシート３２を経て、ヒートシンクなど冷却機構に効率良く伝導される。
【０１１１】
この光源装置においても、反射面６に光が入射することによって反射面６において生じた熱が、支持体２９、グラファイトシート３２及び冷却機構を経て外方に放出されるため、反射面６の温度上昇が抑えられる。
【０１１２】
ここで、反射面６の反射材料の反射率が、例えば、９８％であるとする（光吸収率は２％）。そして、反射面６における光の反射回数が５回であるとすると、９８％の５乗、すなわち、９０％の反射率となり、１０％の光は、反射面６の反射材料に吸収される。光が１０Ｗのパワーを持っているとすると、１Ｗの光が反射材料に熱として吸収されることになる。この熱が光学素子２２に蓄積される場合には、光学素子２２の重さが０．０２５ｇ（４ｍｍ×２．５ｍｍ×１ｍｍ×比重２．５）とし、比熱が０．７（Ｊ／ｇＫ）とすると、１秒間に、以下に示す温度上昇が生ずる。
（１×１）／（０．７×０．０２５）＝１３．４（Ｋ）
【０１１３】
つまり、光学素子２２から熱が逃げないとすると、光学素子２２の温度は、１秒間に１３．４℃ずつ上昇することになる。この場合、最終的には、光学素子２２の変形、破壊、融解などが生じてしまう。
【０１１４】
この光源装置においては、前述のように、反射面６の支持体２９に設けたヒートシンク構造３１により、または、グラファイトシート３２を介して冷却機構により、反射面６において生じた熱が外方に逃がされ、また、反射面６と光学素子２２との間は、空気など断熱性の高い媒質で満たされているので、光学素子２２への熱の影響を極力抑えることができる。
【０１１５】
また、この第５の実施の形態においても、前述の各実施の形態と同様に、第４の面４は、この第４の面４の第５の面５の一部をなす側縁部４ａに平行な方向について直線状となっている筒面等の曲面とすることができる。この場合においては、反射面６は、第４の面４に沿った曲面とすることが望ましい。
【０１１６】
〔光源装置の第６の実施の形態〕
図１０は、本発明に係る光源装置の第６の実施の形態における構成を示す断面図である。
【０１１７】
この光源装置においては、前述した固体発光素子２１及び光学素子２２からなる光源装置に、レンズ４１ａ，４１ｂ及び偏光変換素子４２を組合せ、画像表示パネル１０を照明するように構成したものである。この光源装置では、レンズ４１ａにより、光学素子２２の射出面(第５の面５)から射出された光が偏光変換素子４２の入射面に照射されるようになっている。
【０１１８】
また、この実施の形態においては、光学素子２２は、第５の面に連続して、一体的にライトパイプ２３を備えている。光学素子２２に連続して一体的にライトパイプ２３を設けることによれば、光束を光学素子２２から適当な角度で放射させ、また、第５の面における光の取り出し量を増加させることにより、空間光変調素子の照明光量を増加させることができる。
【０１１９】
図１１に、ライトパイプ２３を連続して一体的に備えた光学素子２２を示す。光学素子２２から離れるにつれて拡径されたテーパ形状のライトパイプ２３を備えることによって、光学素子２２第５の面での内面反射を減少させ、光学素子２２から射出される光束量を増加させることができる。
【０１２０】
図１２は、本発明に係る光源装置の第６の実施の形態における光学素子の構成を示す断面図である。
【０１２１】
この光源装置においては、光学素子２２は、図１２に示すように、第６の面２２ａを持つ形状（第１の面１と第４の面４とが接していない構造）となっている。図１２に示す構造では、第１の面１と第４の面４とが接するエッジの辺を精度良く加工する必要がなくなり、製造コスト及び時間を削減することができる。また、エッジ部の機械的強度を強くすることができ、カケや割れを防止することができる。ただし、この光学素子２２からの射出光は、第６の面２２ａを持たない光学素子に比較して、明るさが低下し、角度分布が変化する。
【０１２２】
図１３（ａ），（ｂ）は、第５の面５における光の角度分布を示すグラフであり、図１３（ｃ），（ｄ）は、偏光変換素子４２に入射する光の分布である。
【０１２３】
前述のように光学素子２２が第６の面２２ａを持たない形状（第１の面１と第４の面４とが一辺で接してエッジになる構造）である場合には、図１３中の（ａ）に示すように、第５の面５における光の角度分布は、０°を中心とする分布になる。そして、光学素子２２が第６の面２２ａを持つ形状（第１の面１と第４の面４とが接していない構造）である場合には、角度分布は、図１３中の（ｂ）に示すように、上下に分離した形となる。
【０１２４】
その結果、光学素子２２から射出された光の光路が上下に分離し、偏光変換素子４２への入射光も、図１３中の（ｄ）に示すように、上下に分離した分布となる。
【０１２５】
図１４は、偏光変換素子の動作を説明する断面図である。
【０１２６】
偏光変換素子４２においては、図１４中の（ａ）及び（ｂ）に示すように、入射光は、偏光変換するために、偏光分離素子４３に入射される。偏光分離素子４３を透過した光は、位相差板４４を透過して、偏光方向を９０deg変換されて射出される。偏光分離素子４３により反射された光は、反射面４５により反射されて、位相差板４４を透過した光と平行な方向に射出される。
【０１２７】
ここで示している偏光変換素子４２は、図１４に示すとおり、偏光分離素子４３、反射面４５、位相差板４４を構成要素として持ち、ランダム偏光の光をＰ偏光とＳ偏光とに分離し、一方の偏光の偏光角を９０deg回転し他方の偏光と混合して利用することにより、単純に一方の偏光のみを取り出して利用するよりも光利用率を向上させることができるものである。一般的に、偏光の分離にはＰＢＳ（Polarized Beam Splitter）を、また偏光角を９０deg回転させるには１／２波長板を使用する。
【０１２８】
しかし、この偏光変換素子４２においては、偏光分離素子４３と反射面４５が交互に構成されているため、この偏光変換素子４２に均一に光を照射すると、光が偏光分離素子４３に入射する領域と、反射面４５へのＳ波の入射方向に対して裏側の面（以下、反射面４５の裏面と呼ぶ）に入射する領域に分かれてしまう。偏光分離素子４３に入射する領域では以上に示した偏光の分離・変換が可能であるが、反射面４５の裏面に入射する領域では偏光の分離・変換が不可能になり、その結果として光の利用効率が低下してしまう。
【０１２９】
一方、偏光変換素子４２に光を均一に照射するのではなく、選択的に入射光が偏光分離素子４３に入射する領域のみに照射することができれば、反射面４５の裏面で利用不可能になる光を無くすことができ、偏光変換素子４２に光を均一に照射した場合と比べて光の利用効率を向上させることができる。また、それと同時に、偏光変換素子４２内部では偏光分離素子４３で分離された光のうち一方が反射面によって中央部に導かれるため、偏光変換素子４２から射出される光は光強度分布の上下の分離が解消され、一様な分布にすることができる。
【０１３０】
そのため、本発明による光学素子２２を用いて、偏光変換素子４２への入射光の角度分布を上下２つに分離させ、２つそれぞれを偏光分離素子４３に入射させ光の全量を偏光変換素子４２によって偏光変換することによって、製造コスト・時間を抑え、機械的な強度を維持した形状を用いながら、明るさの低下を防ぎ、また一様な光強度分布を実現することができる。
【０１３１】
偏光変換素子４２への入射光の照射部と非照射部の割合が等しい場合、すなわち、図１３中の（ｄ）において、Ａ、Ｂ、Ｃの高さの比、Ａ：Ｂ：Ｃ＝１：１：１になる分布である場合には、全ての光が偏光分離素子４３に入射され、偏光変換による光のロスを防ぐことができる。
【０１３２】
また、偏光変換素子４２を射出される光は、図１３中の（ｄ）のＡ領域の光の半分がＢ領域へまわり、上下の分離が解消され、一様な分布になる。
【０１３３】
図１５は、光学素子２２の形状の例を示す斜視図である。
【０１３４】
一例として、図１５中の（ａ）に示す形状の光学素子２２を用いた際の偏光変換素子４２への入射光の分布を図１５中の（ｂ）に示す。図１５中の（ａ）の第６の面のエッジの高さは１．１ｍｍである。そのとき偏光変換素子４２へ入射する光強度分布は、図１５中の（ｂ）に示すように、上下に分布する。図１５中の（ｂ）では、光強度が半分となる領域で、おおよそＡ：Ｂ：Ｃ＝１：１：１となる。なお、光学素子２２の内部の媒質を硝材「ＢＫ７」（ｎ＝１．５１）、第４の反射面４をＡｇミラー（反射率９８％）、固体発光素子２１の反射面を反射率６０％として計算した場合の例である。
【０１３５】
図１６は、この光源装置において、〔第５の面の面積−第６の面の面積〕に対する射出光強度を示すグラフである。
【０１３６】
この光源装置において、〔第５の面の面積−第６の面の面積〕に対する射出光強度を図示すると、図１６のような曲線になる。〔第５の面の面積−第６の面の面積〕の変化によって射出光強度も変化するが、直線の関係にはならない。例えば、光学素子２２が図１２に示した形状で、Ａ：Ｂ：Ｃ＝１：１：１（第６の面の高さ：１．１ｍｍ）となる場合の〔第５の面の面積−第６の面の面積〕は、光学素子２２の第６の面の面積が０のとき、すなわち第６の面が無い形状（以下、第６の面の高さ：０ｍｍと呼ぶ）と比べると、２／３（０．６７倍）になる。図１６より、〔第５の面の面積−第６の面の面積〕が０．６７倍に変化したときの光強度は、０．７３倍である。つまり、第６の面の高さを１．１ｍｍとすると、０ｍｍのときと比べて、射出光強度が０．７３になってしまう。
【０１３７】
一方、偏光変換素子４２を用いた場合においては、逆の関係になる。つまり、第６の面の高さが０ｍｍの場合は、入射光が偏光変換素子４２に一様に照射されるため、偏光変換される光は入射光の５０％のみとなってしまう。これは、偏光変換素子４２の代わりに反射型偏光板などを用いた場合でも同様である。それに対して、第６の面の高さ１．１ｍｍの場合には、図１３中の（ｄ）におけるＡ領域とＣ領域に分離した光を、全て偏光分離素子４３に入射させることによって、ロスが無く偏光変換素子４２に入射させることができ、また、Ａ領域の光はＰ偏光及びＳ偏光のどちらの成分も利用できるため、偏光変換した光の強度が入射光の３／４（７５％）まで向上する。
【０１３８】
そこで、射出光の強度と偏光変換の効率を掛け合わせ、トータルの光利用効率を算出すると、以下の〔表１〕に示すように、第６の面の高さ１．１ｍｍの場合の効率は５５％、第６の面の高さ０ｍｍの場合の効率は５０％となり、上記の例では、効率が１割向上する。
【０１３９】
【表１】
0005151905.tif 000002
【０１４０】
よって、光学素子２２を図１２に示した形状にし、偏光変換素子４２と組み合わせることによって、偏光を利用する系において光の利用率を向上させることができる。
【０１４１】
図１７は、偏光分離素子の構成の他の例を示す断面図である。
【０１４２】
なお、偏光変換素子４２を、図１７に示すように、上下両側から中央へ戻す形状にした場合にも、同様に計算することができ、適用するシステムによって最適な形状を選択することができる。図１７を用いる場合、図１３(ｄ)における偏光変換素子４２に入射する光の分布がＡ：Ｂ：Ｃ＝１：２：１の場合、光の利用効率が最適になる。
【０１４３】
図１８は、偏光変換素子の構成のさらに他の例を示す断面図である。
【０１４４】
また、偏光変換素子４２は、図１８に示すように、入射光が偏光分離素子４３に入射され、偏光分離素子４３を透過した光がそのまま射出され、偏光分離素子４３により反射された光が位相差板４４を透過して、偏光方向を９０deg変換されて射出されるように構成してもよい。
【０１４５】
〔光源装置の第７の実施の形態〕
図１９は、偏光分離素子の構成のさらに他の例を示す断面図である。
【０１４６】
図２０は、図１９に示す偏光分離素子を用いた光源装置の構成を示す断面図である。
【０１４７】
前述の第６の実施の形態における偏光変換素子４２は、図１９に示すように、偏光分離素子４３のうち、反射させた成分がレンズ４１ｂ側に向かわないこととなるもの（図１８中において下方に示された偏光分離素子４３）を、第５の面５と平行となる向きに設置するようにしてもよい。この場合には、Ｐ偏光は第６の実施の形態と同様に透過するが、Ｓ偏光は入射側に反射され、図２０に示すように、レンズを通り、光学素子２２まで戻る。光学素子２２に戻った光は、固体発光素子２１裏面の反射膜によって反射され、再び光学素子２２より射出される。そのため、偏光変換素子４２を通り抜けず利用できなかった光を再入射させることができ、第６の実施の形態と比べて、さらに光利用効率を向上させることができる。
【０１４８】
また、この実施の形態においても、光学素子２２は、第５の面に連続して、一体的にライトパイプ２３を備えてもよい。
【０１４９】
〔光源装置の第８の実施の形態〕
図２１は、偏光分離素子の構成のさらに他の例を示す断面図である。
【０１５０】
この実施の形態に係る光源装置においては、図２１に示すように、偏光変換素子４２は、偏光分離素子４３、位相差板４４、反射面４５ａ、４５ｂを構成要素として有する。反射面４５ｂは、光学素子２２の第５の面と反射面４５ａとの間に、第５の面に平行に設置され、光学素子２２からの光を反射し、光学素子２２の側へ光を戻す構造になっている。
【０１５１】
反射面４５ｂには、反射材料からなる反射面、または、フォトニック結晶からなる微細構造による反射部が形成されている。反射材料としては、Ａｌ（アルミニウム）膜やＡｇ（銀）膜、または、誘電体膜等を用いることができる。反射膜としてＡｌ膜を形成した場合には反射率は９２％程度、Ａｇ膜を形成した場合には反射率は９８％程度となる。
【０１５２】
第６の面をもつ光学素子２２から射出された光は、前述したように、アングル分布が上下に二分され、レンズ４１ａを通った後、偏光分離素子４３にそれぞれ入射される。偏光分離素子４３を透過した光は、位相差板４４を透過して、偏光方向を９０deg変換されて射出される。偏光分離素子４３により反射された光は、反射面４５ａにより反射されて、位相差板４４を透過した光と平行な方向に射出される。
【０１５３】
しかし、このとき、光学素子２２から射出される光は理想的には完全に上下に二分されるが、実際はそれとは異なり、図１５（ｂ）に示すように、中央にも一部の光が存在する。中央に光が存在すると、図２２に示すように、中央部の光が偏光変換素子４２に照射されたときに、偏光分離素子４３に入射せずに、反射面４５の裏面に入射してしまう。
【０１５４】
反射面４５の裏面に入射した光は、偏光が変換されないため有効に利用できない。また、入射光が反射面４５の裏面と偏光分離素子４３とに反射され、その後、位相差板４４を透過して偏光方向を変換され射出される。例えば、図２２に示す構造では、反射面４５の裏面に入射した光のＳ偏光成分が反射面４５の裏面と偏光分離素子４３とに反射された後にＰ偏光に変換され、射出される。すると、偏光変換素子４２の出口では、Ｓ偏光に揃っている射出光にＰ偏光が混合されてしまう。このように、偏光変換素子４２から射出される光の偏光方向が一方向のみに揃わず、他方の偏光方向の光も混入してしまうと、光の利用率が低下して明るさが低下するだけでなく、表示画像のコントラストの低下も引き起こされてしまう。
【０１５５】
これに対し、偏光変換素子４２が反射面４５ｂを有する場合には、図２１に示すように、偏光変換素子４２の中央部に入射した光は反射面４５ｂにより反射される。そのため、反射面４５ａの裏面に入射されず、コントラストを向上させることができる。
【０１５６】
また、反射面４５ｂにより反射された光は、レンズを通り、光学素子２２まで戻る。光学素子２２に戻った光は、固体発光素子２１裏面の反射膜によって反射され、再び光学素子２２より射出される。そのため、偏光変換素子４２の中央に入射し利用できなかった光を再入射させることができ、光利用を向上させることができる。
【０１５７】
例えば、図２３に示す形状を持つ光学素子２２を用いて、図２４に示す照明装置に適用した場合を考える。固体発光素子２１から発せられた光は、光学素子２２から射出され、レンズ４１を通り、偏光変換素子４２へ入射される。偏光変換素子４２の入射面における光強度分布を表したものが図２５である。光強度が強い領域を濃く、弱い領域を薄く示してある。図２５に示すように、光分布が二分している上下の領域（ａ）で光強度が強くなっているが、その間のギャップの領域（ｂ）へも光が入射していることが分かる。領域（ａ）および（ｂ）へ入射する光量をそれぞれ計算すると、〔表２〕の結果となる。
【０１５８】
【表２】
0005151905.tif 000003
【０１５９】
〔表２〕では、固体発光素子２１裏面の反射面の反射率を７０％として計算してある。固体発光素子２１からの発光量を１００とすると、領域（ａ）及び領域（ｂ）ヘ入射する光量の総和が８０．２３、そのうち、領域（ｂ）へ入射する光量が７．７６となり、偏光変換素子４２での領域（ｂ）への入射光の割合は、９．７％になる。ここで、偏光変換素子が前述した構造であると、領域（ｂ）に入射する９．７％の光は利用できず、その分明るさが低下してしまう。また、その光が正規の偏光変換がなされずに射出されると、コントラストの低下を招く。
【０１６０】
この実施の形態においては、反射面４５ｂにより、領域（ｂ）に入射する９．７％の光を光源側に反射させ、再び利用することにより、明るさを向上させ、また、コントラストを向上させることができる。
【０１６１】
また、この実施の形態においても、光学素子２２は、第５の面に連続して、一体的にライトパイプ２３を備えてもよい。
【０１６２】
図２６は、偏光変換素子のさらに他の構成を示す側面図である。
【０１６３】
この光源装置においては、図２６に示すように、図２１における反射面４５を、偏光分離素子と同一の光学特性を有する素子としてもよい。前述の実施の形態においては、反射面４５により光を反射しているが、ここでの光は偏光が揃っているため、反射面（金属膜や誘電体膜など）に代えて偏光分離素子（反射型偏光板や偏光ビームスプリッタなど）を用いても、同様の効果が期待できる。
【０１６４】
図２７は、偏光変換素子のさらに他の構成を示す側面図である。
【０１６５】
さらに、この光源装置においては、図２７に示すように、図２１における反射面４５ｂを偏光分離素子に置き換えてもよい。前述の実施の形態においては、反射面４５ｂにより光を反射しているが、ここでの光は偏光が揃っているため、反射面（金属膜や誘電体膜など）に代えて偏光分離素子（反射型偏光板や偏光ビームスプリッタなど）を用いても、同様の効果が期待できる。
【０１６６】
〔光源装置の第９の実施の形態〕
前述の実施の形態においては、光学素子２２にエッジ部（第６の面）を設けることにより、光学素子２２から射出される光束を２分しており、エタンデュを圧縮しながら偏光変換を行うものである。そのため、第５の面を固体発光素子２１の発光面よりも小さく設定することが特徴の一つである。ここで、第６の面の形状が適切でないと、光学素子２２からの光漏れによる射出光束量の減少や、放射角度と照明光学系とのミスマッチによる光学系での光利用効率、偏光変換素子での偏光変換効率の低下を招き、空間光変調素子の照明光量が低下する。
【０１６７】
また、同時に、前述の実施の形態における光学素子２２は、周囲の媒質の屈折率以上の屈折率を有するため、第５の面において、一部の射出光が光学素子２２外へ取り出されず、界面で反射されてしまうため、光学素子２２から射出される光束量の減少を招き、空間光変調素子の照明光量が低下する。
【０１６８】
この実施の形態においては、第６の面を適切な形状とし、また、光学素子２２から射出される光束量を増加させるようにしている。
【０１６９】
すなわち、この実施の形態においては、光学素子２２の第６の面の高さ（長さ）を、１ｍｍ以上とし、かつ、第５の面の高さの半分以下としている。第６の面の高さを１ｍｍ以上とすることにより、生産上の制約がなくなり、光学素子２２の製造を容易化することができる。また、第６の面の高さを第５の面の半分以下とすることにより、２分割された光束間の距離が長くなることがないので、実用上の支障を防止することができる。
【０１７０】
ここで、以下の関係が維持されることが望ましい。
〔第５の面の高さ〕：〔第６の面の高さ〕＝〔偏光変換素子４２上での光束の断面方向の長さ〕：〔偏光変換素子４２上での光束間の距離〕
【０１７１】
図２８及び図２９は、この実施の形態における光源装置の構成を示す側面図である。
【０１７２】
固体発光素子２１より発せられた光は、図２８及び図２９に示すように、第１の面より光学素子２２内に入射し、第１乃至第４の面及び固体発光素子２１の反射膜のいずれかによって反射された後、あるいは、これら第１乃至第４の面及び反射膜によって反射されずに、固体発光素子２１の発光面の面積よりも小面積の第５の面より外方に射出され、偏光変換素子に入射して、偏光変換されて合成されるので、固体発光素子２１からの光が第５の面に集光され．光の利用効率が向上され、光源エタンデュに支配的であった照明光の輝度を向上させることができる。
【０１７３】
また、この実施の形態においても、光学素子２２は、第５の面に連続して、一体的にライトパイプ２３を備えてもよい。
【０１７４】
〔光源装置の第１０の実施の形態〕
この実施の形態においては、光学素子２２の第５面に連続して一体的にライトパイプ２３を設け、光学素子２２において、第１の面と第４の面のなす角を２５度以上４５度未満とすることにより、全反射を増加させ、固体発光素子２１の反射率依存性を低減するものである。ただし、この構成では、エタンデュが大きく増大してしまう虞がある。
【０１７５】
エタンデュを抑えるためには、固体発光素子２１の寸法を小さくすることにより、全体のエタンデュを抑えることが考えられる。しかし、固体発光素子２１は、面積あたりの発光量が決まっているため、固体発光素子２１の寸法を小さくすると、光学素子２２から出力される光そのものが減ってしまう。
【０１７６】
この実施の形態においては、光学素子２２の第４の面から間隔を置いて、第１の面とほぼ同じように、第２の固体発光素子２１′を配置することにより、固体発光素子２１，２１′の発光面を小さくしてエタンデュを小さく抑えても、光学素子２２からの出力を維持することができる。
【０１７７】
さらに、第１の面と第４の面のなす角を２５度以上４５度未満とすることにより、固体発光素子２１，２１′自体に戻る光束を減少させ、ライトパイプ２３の射出開口から射出される光束量を増加させることができる。
【０１７８】
すなわち、この実施の形態においては、光学系のエタンデュを抑え、出力をアップできるため、トータルのシステム出力は大幅にアップする。
【０１７９】
図３０に、この実施の形態における光源装置の構成を示す。
【０１８０】
この実施の形態においては、図３０に示すように、光学素子２２の第１の面と第４の面の両方に、固体発光素子２１，２１′を配置する。各固体発光素子２１，２１′が、互いにそれぞれを反射面として使用することにより、エタンデュは、固体発光素子２１，２１′が１つの場合と全く変化しない。同じエタンデュでありながら、明るさは、固体発光素子２１，２１′の反射率に依存しながらも、大幅に改善される。
【０１８１】
図３１に、この実施の形態における効果である固体発光素子２１，２１′の反射率依存性の低減効果を示す。光学素子２２の第１の面と第４の面のなす角が２５度以上である場合において、固体発光素子２１，２１′の反射率３０％であっても、５５％の反射率を有する固体発光素子２１，２１′を用いた場合に対し、９０％の出力が得られている。第１の面と第４の面のなす角が４５度以上であれば、固体発光素子２１，２１′の反射率に対する依存性は、ほぼ無くなる。
【０１８２】
〔光源装置の第１１の実施の形態〕
この実施の形態においては、光学素子２２の第５面に連続して一体的にライトパイプ２３を設け、光学素子２２の第１の面と第４の面のなす角を２５度以上４５度未満とすることにより、全反射を増加させ、固体発光素子２１の反射率依存性を低減するものである。
【０１８３】
また、偏光変換効率は、偏光変換素子に入射する光の角度分布に依存する。前述の実施の形態においては、偏光変換素子に入射する光は２光束に分かれているため、それぞれの光束が有する角度が大きく、偏光変換効率の低下を招いていた。
【０１８４】
さらに、光学素子２２の寸法ばらつきによるエタンデュのばらつきは、光学系の効率ばらつきに大きく影響する虞がある。
【０１８５】
この実施の形態においては、光学素子２２の第１の面と第４の面のなす角を２５度以上４５度未満とすることにより、固体発光素子２１自体に戻る光束を減少させ、よって、ライトパイプ２３の射出開口から射出される光束量を増加させることができる。
【０１８６】
また、ライトパイプ２３の射出面にライトトンネルを配置し、多重反射により光束を４光束以上に分離させ、偏光変換素子に対する角度特性を大きく緩和することで、効率を改善することができる。
【０１８７】
ライトトンネルは、中空で、その内面に反射膜を有する筒状部材であって、入射面と射出面が四角形であるという構造の有している。筒部の材質は特に限定されないが、反射材料として、Ａｌ（アルミニウム）膜、Ａｇ（銀）膜や誘電体膜、または、フォトニック結晶からなる微細構造による反射部を用いることができる。反射膜としてＡｌ膜を形成した場合には、反射率は９２％程度、反射膜としてＡｇ膜を形成した場合には、反射率は９８％程度となる。
【０１８８】
また、ライトトンネルの効果として、光学素子２２の寸法がエタンデュを大きくする方向にばらついても、光学系のエタンデュを一定に保ち、効率のばらつきを極端に抑えることができる。
【０１８９】
図３２に、この実施の形態における構成を示す。この実施の形態においては、図３２に示すように、ライトトンネルにおいて多重反射し射出され、コリメートされた光束は４つ以上の光束に分離され、４つ以上のＰＢＳを短冊状に組み合わせた偏光変換素子により偏光変換される。
【０１９０】
このとき、ライトトンネルがない場合に得られる２つの光束と比較して、偏光変換素子の各偏光素子に入射する光の角度は大幅に小さくなり、偏光変換素子の効率が大幅に改善される。
【０１９１】
図３３に、偏光変換素子に入射する面の照度分布を示す。この実施の形態においては、図３３に示すように、偏光変換素子に入射する光束は、４つの光束に分離していることがわかる。
【０１９２】
すなわち、光学素子２２にライトパイプ２３、ライトトンネル及びコリメータを組み合わせることにより、短冊状（横ストライプ状）の瞳分布を形成し、偏光変換素子を用いて高効率の偏光変換を行うことができる。偏光変換素子における短冊数を増加することにより、偏光変換素子への角度特性を緩和し、利用効率が改善される。ここで、〔光束部〕：〔光束が無い部分〕：〔光束部〕＝１：２：１となる。
【０１９３】
図３１に、この実施の形態における効果である固体発光素子２１の反射率依存性の低減効果を示す。光学素子２２の第１の面と第４の面のなす角が２５度以上である場合において、固体発光素子２１の反射率３０％であっても、５５％の反射率を有する固体発光素子２１を用いた場合に対し、９０％の出力が得られている。第１の面と第４の面のなす角が４５度以上であれば、固体発光素子２１の反射率に対する依存性は、ほぼ無くなる。
【０１９４】
なお、固体発光素子２１の反射率は、現在の実力値が３０％であり、理論値（想定される最大の反射率）が５５％である（いずれも赤色固体発光素子の反射率）。固体発光素子２１の色（ＲＧＢ）により反射率は異なるが、白色のバランスを調整する際に現在ＲＧＢのうち赤色が最も不足しているため、赤色が最適となるように赤色固体発光素子２１の反射率で考えている。
【０１９５】
現在、商品化されている固体発光素子２１の反射率は低い。もし、固体発光素子の反射率が高ければ、本発明を用いる必要はなく、第６の面（エッジ部）を持たない形状の光学素子２２を用いたシステム（例えば、特願２００６−２９６５９１など）を用いるとよい。一方、本発明では、固体発光素子２１の反射率が低いときにも有効である。反射率の低い固体発光素子２１を用いても、反射率の高い固体発光素子２１に近い光出力が得られ、射出光の強度が固体発光素子２１の反射率に依存しない（もしくは固体発光素子２１の反射率の影響が小さくなる）ことを発明の目的としている。そのため、グラフでは現在の反射率の実力である３０％と理論値である５５％との比較を行っている。（つまり、これら２つの差が小さくなるほど目的が達成できていると考えられるため、２つの出力比をとって比較している）
図３１を見ると、角度が大きくなるほど出力比は増加し１００％へ近づく。一方、角度が小さくなると出力比は減少していき、２５°（出力比９０％）よりも角度が小さくなると出力比は大幅に減少していく。ここで角度の下限として出力比９０％を維持できる２５°を選択した。（２５°という値は９０％を達成できる基準を示したまでで、２４°や２６°では成り立たないということではない）
また角度が増加する方向では４５°に近づくとほぼ１００％となり、これ以上の角度の増加は出力比に変化をもたらさない。これらの角度になると、光学素子２２に入射した光は第４の面もしくは反射面に反射された後にほぼ全ての光が（固体発光素子２１へ戻されずに）そのまま第５の面から射出されるため、固体発光素子２１の反射率に依存しなくなり、反射率の低い固体発光素子２１を用いても反射率の高い固体発光素子２１と同等の光出力を得ることができる。
【０１９６】
これらの理由により、第１の面と第４の面のなす角角度として２５度から４５度、固体発光素子２１の反射率３０％と５５％を用いている。
【０１９７】
〔光源装置の第１２の実施の形態〕
前述の実施の形態においては、固体発光素子２１の反射膜にて反射される光が多く、光学素子２２より射出される光束が固体発光素子２１の反射率に大きく依存するという課題があった。そこで、この実施の形態においては、光学素子２２の第５面に連続して一体的にライトパイプ２３を設け、光学素子２２の第１の面と第４の面のなす角を２５度以上４５度未満とすることにより、全反射を増加させ、固体発光素子２１の反射率に対する依存性を低減させる。
【０１９８】
この実施の形態においては、光学素子２２の第１の面と第４の面のなす角を２５度以上４５度未満とすることにより、固体発光素子２１自体に戻る光束を減少させ、よって、ライトパイプ２３の射出開口から射出される光束量を増加させることができる。
【０１９９】
この実施の形態においては、図３４に示すように、光学素子２２より射出され、コリメートされた光束は、２つの光束に分離され、エタンデュは増大している状態となる。そして、この２つの光束を、硝子をＶ字形状に組み合わせた光束圧縮手段５１に入射させ、２つの光束をその間の距離がほぼゼロになるまで近づけ、エタンデュを圧縮する。
【０２００】
なお、偏光変換が必要な場合には、ライトパイプ２３の射出端面または射出光の光路上に反射型偏光板または反射型偏光板及び四分の一波長板を設置することができる。図３６にはライトパイプ２３の射出端面に四分の一波長板及び反射型偏光板を設置した実施例を示す。
【０２０１】
反射型偏光板で反射された不要な偏光は、ライトパイプ２３や光学素子２２を通り固体発光素子２１へ戻され、固体発光素子２１表面で反射され再び反射型偏光板まで戻る。その際、反射光は四分の一波長板を２回透過することになり、これにより反射光の位相が計９０度旋光され利用できる偏光となるため、光利用率を向上させることができる。
【０２０２】
光束圧縮手段５１は、図３５に示すように、２枚の平行平板のガラス板Ｇ１，Ｇ２がＶ字上に配置された形状になっている。平行平板のガラス板に入射した光は入射角θ≒０のとき、入射角＝射出角の関係を保ったまま、光線位置がシフトする性質があるため、幅Ａ１と幅Ａ２の２つの光束に分離している光束は、それぞれ図に示す方向にシフトして射出する。このときのシフト量Ｈは、ガラス板の厚みをＴ、屈折率をｎとしたとき、以下の式で表すことができる。
Ｈ＝（Ｔ（ｎ−１）／２ｎ）×ｓｉｎ２θ
【０２０３】
入射光束の全幅Ａに対して射出光の全幅Ｂは、Ｂ＝Ａ−２Ｈ＜Ａとなり、射出光束幅を入射光束幅に対して圧縮することができる。
【０２０４】
この実施の形態においても、図３１に示すように、固体発光素子２１の反射率依存性の低減効果が得られる。すなわち、光学素子２２の第１の面と第４の面のなす角が２５度以上である場合において、固体発光素子２１の反射率３０％であっても、５５％の反射率を有する固体発光素子２１を用いた場合に対し、９０％の出力が得られている。第１の面と第４の面のなす角が４５度以上であれば、固体発光素子２１の反射率に対する依存性は、ほぼ無くなる。
【０２０５】
〔画像表示装置の実施の形態〕
図３７は、本発明に係る画像表示装置３０の実施の形態における構成を示す平面図である。
【０２０６】
本発明に係る画像表示装置３０は、図３７に示すように、前述した本発明に係る光源装置１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂと、この光源装置から射出された光によって照明される反射型空間光変調素子１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂと、これら反射型空間光変調素子１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂを経た光が入射され、該反射型空間光変調素子１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂの像を結像させる結像光学系となる投射レンズ１６とを備えて構成される。この画像表示装置３０は、各反射型空間光変調素子１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂをこれら反射型空間光変調素子１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂに対応された光源装置１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂにより照明し、各反射型空間光変調素子１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂを経た変調光を色合成して結像させ、カラー画像の表示を行う画像表示装置である。
【０２０７】
なお、各光源装置１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂにおいて、反射部としてフォトニック結晶からなる微細構造を用いる場合には、赤色光を発する光源装置１１Ｒにおける反射部は、Ｒ（赤色光）を反射するものとし、緑色光を発する光源装置１１Ｇにおける反射部は、Ｇ（緑色光）を反射するものとし、青色光を発する光源装置１１Ｂにおける反射部は、Ｂ（青色光）を反射するものとする。
【０２０８】
各反射型空間光変調素子１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂは、表示画像の赤色成分、緑色成分及び青色成分をそれぞれ表示し、これら画像に応じて照明光を偏光変調させる。この実施の形態においては、各空間光変調素子１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂは、反射型のものであり、入射された照明光を偏光変調して反射する。
【０２０９】
各光源装置１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂは、前述したように、固体発光素子２１と第１乃至第６の面を有する光学素子２２とを有して構成されている。各光源装置１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂにおいて、固体発光素子２１は、ヒートシンク２０上に設けられている。
【０２１０】
この際、光学素子２２の第５面に連続して一体的にライトパイプ２３を設けてもよい。
【０２１１】
各光源装置１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂは、赤色成分の画像の表示する反射型空間光変調素子１０Ｒを赤色の照明光で照明し、緑色成分の画像の表示する反射型空間光変調素子１０Ｇを緑色の照明光で照明し、青色成分の画像の表示する反射型空間光変調素子１０Ｂを青色の照明光で照明する。
【０２１２】
赤色用の光源装置１１Ｒから発せられた照明光は、リレーレンズ１２Ｒ、偏光変換素子４２、フィールドレンズ１３Ｒ及びワイヤグリッド１４Ｒを経て、赤色用の反射型空間光変調素子１０Ｒに入射される。赤色の照明光は、反射型空間光変調素子１０Ｒによって赤色成分の画像信号に応じて偏光変調されて反射され、ワイヤグリッド１４Ｒにより反射され、赤色の画像光として、色合成プリズム１５に入射される。
【０２１３】
また、青色用の光源装置１１Ｂから発せられた照明光は、リレーレンズ１２Ｂ、偏光変換素子４２、フィールドレンズ１３Ｂ及びワイヤグリッド１４Ｂを経て、青色用の反射型空間光変調素子１０Ｂに入射される。青色の照明光は、反射型空間光変調素子１０Ｂによって青色成分の画像信号に応じて偏光変調されて反射され、ワイヤグリッド１４Ｂにより反射され、青色の画像光として、色合成プリズム１５に入射される。
【０２１４】
そして、緑色用の光源装置１１Ｇから発せられた照明光は、リレーレンズ１２Ｇ、偏光変換素子４２、フィールドレンズ１３Ｇ及びワイヤグリッド１４Ｇを経て、緑色用の反射型空間光変調素子１０Ｇに入射される。緑色の照明光は、反射型空間光変調素子１０Ｇによって緑色成分の画像信号に応じて偏光変調されて反射され、ワイヤグリッド１４Ｇにより反射され、緑色の画像光として、色合成プリズム１５に入射される。
【０２１５】
色合成プリズム１５に入射された赤色、緑色及び青色の画像光は、色合成されて、結像光学系となる投射レンズ１６に入射される。この投射レンズ１６は、各色の画像光を図示しないスクリーン上に投射し、拡大して結像させて、画像表示を行う。
【図面の簡単な説明】
【０２１６】
【図１】本発明に係る光源装置の第１の実施の形態における構成を示す斜視図である。
【図２】本発明に係る光源装置の第１の実施の形態における構成を示す縦断面図である。
【図３】本発明に係る光源装置における固体発光素子の構成を示す断面図である。
【図４】本発明に係る光源装置の第１の実施の形態における他の構成を示す断面図である。
【図５】本発明に係る光源装置の第２の実施の形態における構成を示す断面図である。
【図６】本発明に係る光源装置の第３の実施の形態における構成を示す断面図である。
【図７】本発明に係る光源装置の第４の実施の形態における構成を示す断面図である。
【図８】本発明に係る光源装置の第５の実施の形態における構成を示す断面図である。
【図９】本発明に係る光源装置の第５の実施の形態における他の構成を示す断面図である。
【図１０】本発明に係る光源装置の第６の実施の形態における構成を示す断面図である。
【図１１】第９の実施の形態におけるライトパイプを示す側面図である。
【図１２】本発明に係る光源装置の第６の実施の形態における光学素子の構成を示す断面図である。
【図１３】（ａ），（ｂ）は、第５の面５に入射する光のアングル分布を示すグラフであり、（ｃ），（ｄ）は、偏光変換素子４２に入射する光の分布である。
【図１４】偏光変換素子の動作を説明する断面図である
【図１５】光学素子２２の形状の例を示す斜視図である。
【図１６】前記光源装置において、〔第５の面の面積−第６の面の面積〕に対する射出光強度を示すグラフである。
【図１７】偏光分離素子の構成の他の例を示す断面図である。
【図１８】偏光変換素子の構成のさらに他の例を示す断面図である。
【図１９】偏光分離素子の構成のさらに他の例（第７の実施の形態）を示す断面図である。
【図２０】図１９に示す偏光分離素子を用いた光源装置の構成を示す断面図である。
【図２１】第８の実施の形態における反射面を有する偏光分離素子の構成を示す断面図である。
【図２２】図２１に示す偏光分離素子において反射面を設けない場合を示す断面図である。
【図２３】第８の実施の形態における光学素子の形状を示す斜視図である。
【図２４】第８の実施の形態における照明装置の構成を示す側面図である。
【図２５】第８の実施の形態における偏光変換素子の入射面における光強度分布を表した正面図である。
【図２６】第８の実施の形態における偏光変換素子のさらに他の構成を示す側面図である。
【図２７】第８の実施の形態における偏光変換素子のさらに他の構成を示す側面図である。
【図２８】第９の実施の形態における光源装置の構成を示す側面図である。
【図２９】第９の実施の形態における光源装置の構成を示す側面図である。
【図３０】第１０の実施の形態における光源装置の構成を示す側面図である。
【図３１】第１０の実施の形態における固体発光素子の反射率依存性の低減効果を示すグラフである。
【図３２】第１１の実施の形態における光源装置の構成を示す側面図である。
【図３３】第１１の実施の形態における偏光変換素子の入射面における光強度分布を表した正面図である。
【図３４】第１２の実施の形態における光源装置の構成を示す側面図である。
【図３５】第１２の実施の形態における光束圧縮手段の構成を示す側面図である。
【図３６】第１２の実施の形態における光源装置の構成の他の例を示す側面図である。
【図３７】本発明に係る画像表示装置の実施の形態における構成を示す平面図である。
【図３８】従来の光源装置（フライアイインテグレータ）の構成を示す側面図である。
【図３９】従来の光源装置（ロッドインテグレータ）の構成を示す側面図である。
【図４０】従来の光源装置（拡大テーパ状ライトパイプ）の構成を示す側面図である。
【図４１】従来の光源装置（縮小テーパ状ライトパイプ）の構成を示す側面図である。
【符号の説明】
【０２１７】
１    第１の面
２    第２の面
２ａ  第２の面の一側縁部
３    第３の面
３ａ  第３の面の一側縁部
４    第４の面
４ａ  第４の面の側縁部
５    第５の面
６    反射面
１０    画像表示パネル
１０Ｒ  反射型空間光変調素子
１０Ｇ  反射型空間光変調素子
１０Ｂ  反射型空間光変調素子
１１Ｒ  光源装置
１１Ｇ  光源装置
１１Ｂ  光源装置
１６Ｂ  投射レンズ
１７Ｒ  偏光板
１７Ｇ  偏光板
１７Ｂ  偏光板
１８Ｒ  透過型空間光変調素子
１８Ｇ  透過型空間光変調素子
１８Ｂ  透過型空間光変調素子
２１    固体発光素子
２１ａ  反射膜
２２    光学素子
２３    ライトパイプ
２２ａ  第６の面
２４    四分の一波長板
２５    反射型偏光板
２６    レンズ
２７    循環パイプ
２８    熱交換装置
２９    支持体
３０    画像表示装置
４１ａ  レンズ
４１ｂ  レンズ
４２    偏光変換素子
４３    偏光分離素子
４４    位相差板
４５    反射面
【図１】
0005151905.tif 000004
【図２】
0005151905.tif 000005
【図３】
0005151905.tif 000006
【図４】
0005151905.tif 000007
【図５】
0005151905.tif 000008
【図６】
0005151905.tif 000009
【図７】
0005151905.tif 000010
【図８】
0005151905.tif 000011
【図９】
0005151905.tif 000012
【図１０】
0005151905.tif 000013
【図１１】
0005151905.tif 000014
【図１２】
0005151905.tif 000015
【図１３】
0005151905.tif 000016
【図１４】
0005151905.tif 000017
【図１５】
0005151905.tif 000018
【図１６】
0005151905.tif 000019
【図１７】
0005151905.tif 000020
【図１８】
0005151905.tif 000021
【図１９】
0005151905.tif 000022
【図２０】
0005151905.tif 000023
【図２１】
0005151905.tif 000024
【図２２】
0005151905.tif 000025
【図２３】
0005151905.tif 000026
【図２４】
0005151905.tif 000027
【図２５】
0005151905.tif 000028
【図２６】
0005151905.tif 000029
【図２７】
0005151905.tif 000030
【図２８】
0005151905.tif 000031
【図２９】
0005151905.tif 000032
【図３０】
0005151905.tif 000033
【図３１】
0005151905.tif 000034
【図３２】
0005151905.tif 000035
【図３３】
0005151905.tif 000036
【図３４】
0005151905.tif 000037
【図３５】
0005151905.tif 000038
【図３６】
0005151905.tif 000039
【図３７】
0005151905.tif 000040
【図３８】
0005151905.tif 000041
【図３９】
0005151905.tif 000042
【図４０】
0005151905.tif 000043
【図４１】
0005151905.tif 000044