(57)【要約】  【課題】  光量ロスを少なくしつつ、所定の直線偏光光を射出することができるようにした光源装置を提供する。  【解決手段】  光源装置２０は、発光面が該光源装置の射出面側を向くように配置された複数の発光素子２６と、該発光素子からの光のうち所定の偏光方向の光を透過させ、該所定の偏光方向と異なる偏光方向の光を反射する偏光選択性素子２２と、該偏光選択性素子よりも発光素子側に配置され、偏光選択性素子からの反射光を該偏光選択性素子側に反射する反射面２５Ａとを有する。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光面が該光源装置の射出面側を向くように配置された複数の発光素子と、
該複数の発光素子からの光のうち所定の偏光方向の光を透過させ、該所定の偏光方向と異なる偏光方向の光を反射する偏光選択性素子と、
前記偏光選択性素子よりも前記発光素子側に配置され、前記偏光選択性素子からの反射光を該偏光選択性素子側に反射する反射面とを有することを特徴とする光源装置。
【請求項２】
前記反射面は、反射シート材により形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
【請求項３】
前記反射面は、前記複数の発光素子が配列された領域のうち該発光素子の光学開口部以外の部分を少なくとも覆うように設けられ、前記光学開口部から射出される光を通過させる開口を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の光源装置。
【請求項４】
前記各発光素子の光学開口部のうち前記反射面によって覆われた面積が、該光学開口部の面積の２割以内であることを特徴とする請求項３に記載の光源装置。
【請求項５】
前記各発光素子は、該発光素子の発光面に対する法線方向の輝度を１としたときに、輝度が０．５となる放射角度が前記法線方向に対して±４０°以上であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載の光源装置。
【請求項６】
前記反射面と前記偏光選択性素子との間に、該発光素子からの光を拡散させる拡散板を配置したことを特徴とする請求項１から５のいずれか１つに記載の光源装置。
【請求項７】
前記拡散板と前記偏光選択性学素子との間に集光作用を持つ光学素子が配置されていることを特徴とする請求項６に記載の光源装置。
【請求項８】
前記各発光素子は、赤，緑，青の３色の発光部を有し、該各発光素子の光学開口部と前記拡散板の拡散面との間隔が５ｍｍ以上であることを特徴とする請求項６又は７に記載の光源装置。
【請求項９】
前記拡散板よりも前記反射面側における装置内面に、反射面が設けられていることを特徴とする請求項６から８のいずれか１つに記載の光源装置。
【請求項１０】
前記偏光選択性素子の射出面側に偏光子を配置したことを特徴とする請求項１から９のいずれか１つに記載の光源装置。
【請求項１１】
請求項１から１０のいずれか１つに記載の光源装置と、
該光源装置からの光により照明される画像形成素子と、
該画像形成素子からの光を観察領域に導く光学系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、ヘッドマウントディスプレイ（Head Mounted Display：ＨＭＤ）等の画像表示装置に用いられ、反射型液晶パネル等の画像形成素子を照明する光源装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来のカラーフィルター方式の透過型液晶パネルを用いたＨＭＤでは、該液晶パネルを照明する光源として、冷陰極官方式の白色平面光源が用いられている。
【０００３】
これに対し、最近のＨＭＤでは、ＲＧＢの３色の発光が可能な光源が用いられ、該光源のＲＧＢの発光切り換えタイミングに合わせて液晶パネル上の画像を書き換えるカラーシーケンシャル表示方式が多く用いられている。
【０００４】
また、ＨＭＤの光源としてはカラーＬＥＤが多く用いられる。カラーＬＥＤは、１つのＬＥＤの中にＲＧＢの３つの発光部を持ち、電気制御で１つのＬＥＤの発光色と強さをコントロールすることができる。
【０００５】
このような光源装置では、ＬＥＤを装置筐体のサイド面に２〜４個配置しているものが多い。このようなサイド面ＬＥＤ配置は、平面光源装置を薄く構成するには有効であるが、ＬＥＤをサイド面に多数配置することができないため、高輝度光源には適さない。
【０００６】
そこで、装置筐体の底面に発光面を光源装置の射出面側に向けて複数のＬＥＤを配置するいわゆる直下型ＬＥＤ配置を採用することにより、多数のＬＥＤを配置することができ、高輝度光源化することができる（例えば、特許文献１）。
【０００７】
特許文献１にて開示された光源装置では、直下型ＬＥＤ配置の欠点である光源面での輝度むらや色むらを少なくするために、光放射角度が狭いドームレンズ付きのＬＥＤ（砲弾型ＬＥＤ）を用いている。また、ＬＥＤからの光を２枚の反射板で反射させ、その後拡散板で拡散させている。これにより、装置として薄型で、輝度むらや色むらが少ない光源装置を実現できる。
【特許文献１】特開２００４−３１１３５３号公報(段落００１０〜００２１、図１〜３等)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
液晶パネルを照明する光は、直線偏光（Ｐ偏光又はＳ偏光）にする必要がある。このため、光源装置にも偏光子が設けられる。
【０００９】
しかしながら、一般的な偏光子は、その偏光軸方向の光は透過させるが、該偏光軸方向と異なる偏光方向を有する光は吸収してしまう。したがって、直線偏光を得るために偏光子を用いることで、ＬＥＤからの光量を十分に利用することができず、ＬＥＤの数を変えずに又は少なくしつつ高輝度光源化するには不利である。
【００１０】
本発明は、光量ロスを少なくしつつ、所定の直線偏光光を射出することができるようにした光源装置を提供することを目的の１つとしている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の一側面としての光源装置は、発光面が該光源装置の射出面側を向くように配置された複数の発光素子と、該発光素子からの光のうち所定の偏光方向の光を透過させ、該所定の偏光方向と異なる偏光方向の光を反射する偏光選択性素子と、該偏光選択性素子よりも発光素子側に配置され、偏光選択性素子からの反射光を該偏光選択性素子側に反射する反射面とを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、発光素子からの光のうち所定の偏光方向成分は偏光選択性素子を透過して射出する。また、該所定の偏光方向成分以外の成分は、偏光選択性素子により反射され、さらに反射面で反射されて偏光選択性素子に入射する。この再入射光のうち所定の偏光方向を有することになった偏光成分は偏光選択性素子を透過し、所定の偏光方向成分以外の成分は再度反射する。このようにして、偏光選択性素子を透過するまで反射が繰り返されることにより、発光素子からの射出光を高い効率で、すなわち少ない光量ロスで照明光として利用することができる。しかも、複数の発光素子は、その発光面が該光源装置の射出面側を向くように配置されているため、射出面とは異なる側を向くように配置する場合に比べて、発光素子を多数配置することができる。
【００１３】
そして、このような光源装置によって画像形成素子を照明することにより、小型でありながらも明るい画像を提示可能な画像表示装置を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。
【実施例１】
【００１５】
図１Ａおよび図１Ｂには、本発明の実施例１であるＨＭＤ（画像表示装置）の基本的な構成を示す。図１Ａおよび図１Ｂにおいて、１１はプリズム、１２はレンズである。５は検光子としての偏光板、１３は半透過反射面Ａを含み、ｙｚ断面において光学的パワー（焦点距離の逆数）を有するレンズである。これらプリズム１１，レンズ１２、検光子５およびハーフミラー１３は表示光学系１０を構成している。
【００１６】
２は反射型液晶パネルである。２０は光源装置としての光源ユニットである。光源ユニット２０は、後述するように複数の発光素子としてのＬＥＤからの光を所定の偏光方向を有する直線偏光に変換して射出する。
【００１７】
図１Ａは、ｙｚ断面を示している。このｙｚ断面は、観察者が観察する虚像の画面の中心に相当する位置と表示光学系１０の射出瞳ＥＰの中心とを通る光線である中心画角主光線ＣＰＲを含む断面である。言い換えれば、ｙｚ断面は、光学系を構成する偏心反射曲面による反射によって折り曲げられた中心画角主光線ＣＰＲを含む断面である。
【００１８】
一方、図１Ｂは、ｘｚ断面を示す。該ｘｚ断面は、ｙｚ断面に直交する断面である。本実施例では、光源ユニット２０を構成する拡散板（これについては後述する）により形成される光源面の法線を含むようにｘｚ断面を決めている。光源ユニット２０では、複数の発光素子からの光を拡散板の拡散面で受け、該拡散面で拡散させることによって２次光源面を形成している。この拡散板の拡散面を以下、光源面という。
【００１９】
ｘｚ断面においては、各主光線が平面内に収まらないため、各光学要素をｘｚ断面に投影した形で図示している。
【００２０】
まず、本実施例における基本的な光路と光学作用について説明する。光源面を発した直線偏光は、照明光学系を構成するレンズ１３の反射面Ａで反射された後、液晶パネル２を照明する。
【００２１】
液晶パネル２で旋光を受けて反射された光は、レンズ１３（反射面Ａ）を透過した後、検光子５に入射して検光され、表示光を形成する。表示光はレンズ１２およびプリズム１１の光学的パワーによって、液晶パネル２に形成された原画像の拡大像を表示光学系１の射出瞳ＥＰの位置に形成する。射出瞳ＥＰ付近である観察領域に眼球（瞳）を置いた観察者は、該拡大像を観察することができる。
【００２２】
次に、光源ユニット２０について、図２および図３を用いて説明する。図２は光源ユニット２０のｘｚ断面（図１Ｂに対応）を、図３はｙｚ断面（図１Ａに対応）をそれぞれ示している。
【００２３】
光源ユニット２０は、１つの基板２７上に複数のＬＥＤ２６を２次元的に実装した表面実装型ＬＥＤ光源と拡散板２４とを直下型、すなわち各ＬＥＤ２６の発光面が拡散板２４および該光源ユニット２０の射出面側に向けられて配置された平面光源装置である。２８は該光学ユニット２０の側面を構成する筐体である。
【００２４】
基板２７と拡散板２４との間には、複数のＬＥＤ２６が配列された面（基板２７に平行な面領域）のうち各ＬＥＤ２６の発光面以外の部分を少なくとも覆うように反射シート２５Ａが配置されている。また、各ＬＥＤ２６の発光面には、実際に光が射出する光学開口部２６ａが形成されている。反射シート２５Ａは、発光面のうち光学開口部２６ａ以外の部分（遮光部）も覆っている。なお、反射シート２５Ａには、各ＬＥＤ２６の光学開口部２６ａからの光を通過させる開口２５ａが複数形成されている。このように反射シート２５Ａを光学開口部２６ａのみを露出させるように配置することで、発光面全体を避けて反射シート２６を配置する場合に比べて、後述する偏光選択性素子２２で反射した光を再反射する面積を増やすことができる。
【００２５】
さらに、拡散板２４よりも射出面側には、上記所定の偏光方向の直線偏光を透過させ、他の偏光方向の光を反射シート２５Ａ側に戻すように反射する偏光選択性素子２２が配置されている。具体的には、例えば、住友３Ｍ社製の商品名「ＤＢＥＦシート」を用いることができる。
【００２６】
各ＬＥＤ２６からの光（無偏光光）は、拡散板２４で拡散された後、偏光選択性素子２２に入射する。この無偏光光のうち液晶パネル２の照明に必要な所定方向の直線偏光（ここでは、Ｐ偏光とする）は透過し、液晶パネル２の照明に用いられる。一方、上記無偏光光のうちＰ偏光に対して偏光方向が直交するＳ偏光は、偏光選択性素子２２で反射されて、再び拡散板２４を透過する。これにより、Ｓ偏光の偏光方向がランダムになり、その一部にＰ偏光が生じる。
【００２７】
そしてこの新たに生じたＰ偏光は、反射シート２５Ａで反射され、拡散板４を介して偏光選択性素子２２を透過する。また、残ったＳ偏光は偏光選択性素子２２で反射され、再び拡散板２４を透過する際に偏光方向がランダムにされ、一部がＰ偏光となって、反射シート２５Ａおよび拡散板２４を介して偏光選択性素子２２を透過する。
【００２８】
このような光学作用が繰り返され、各ＬＥＤ２６から射出された光の大部分がＰ偏光となって偏光選択性素子２２を透過し、液晶パネル２の照明に用いられる。すなわち、本実施例の光源ユニット２０によれば、各ＬＥＤ２６から射出されて最初に偏光選択性素子２２で反射されたＳ偏光の中からＰ偏光に変換されて照明光として利用されるリサイクル光を多く発生させることができる。このため、Ｐ偏光を得るために偏光板のみを用いる場合に比べて、光量ロスを少なくすることができる。
【００２９】
ここで、反射シート２５Ａは、必ずしも各ＬＥＤ２６の光学開口部２６ａの全体を露出させる必要はない。むしろ、光学開口部２６ａの一部を反射シート２５Ａで覆うように反射シート２５Ａで覆うことにより、偏光選択性素子２２で反射した光の再反射面積をさらに増やすことができるため、好ましい。但し、この場合、光学開口部２６ａのうち反射シート２５Ａで覆われる部分の面積は、光学開口部２６ａの全体の面積に対して２割以内とすることが好ましい。
【００３０】
図４には、１つのＬＥＤ２６の断面構造を示している。ＬＥＤ２６は、非発光部であるパッケージ部２６ｂと、ＲＧＢの３色の光を発する発光部２６ｃと、透明な封止樹脂部２６ｄと、該封止樹脂部２６ｄの射出側端面のうち光を射出可能な光学開口部２６ａとにより構成されている。パッケージ部２６ｂの端面のうち光学開口部２６ａを囲む部分が前述した遮光部となる。
【００３１】
図５には、表面実装型ＬＥＤ光源を光射出方向から見て示している。また、図６には、表面実装型ＬＥＤ光源の試作品の写真を示している。また、図７には、反射シート２５Ａを光射出方向から見て示している。図８には、試作した反射シート２５Ａを図６に示した表面実装型ＬＥＤ光源の試作品上に載せたものの写真を示している。
【００３２】
試作品では、光学開口部２６ａは四角形（正方形）であり、反射シート２５Ａの開口２５ａは円形である。特にこの場合において、反射シート２５Ａで覆われない部分、すなわち反射シート２５Ａに形成した開口２５ａが大きすぎると、反射シート２５Ａの反射面積が減り、リサイクル光が少なくなり、光のリサイクル効率が低下する。また、開口２５ａが狭すぎて光学開口部２６ａのある程度以上の面積を覆うと、発光部２６ｃからの光のうち遮られてしまう成分が多くなり、照明光が暗くなってしまう。
【００３３】
実験によれば、光学開口部２６ａのうち反射シート２５Ａで覆われる部分の面積を光学開口部２６ａの面積の２割以内とすることで、照明光を暗くすることなく、反射シート２５Ａの面積を大きくとることができ、光の利用効率を向上させることができる。上記試作品のように光学開口部２６ａの正方形で反射シート２５Ａの開口２５ａが円形の場合は、例えば、図７中の右下の部分に示したように、光射出方向から見て光学開口部２６ａの正方形に対して開口２５ａの円形が内接するような関係としてもよい。
【００３４】
また、本実施例の光源ユニット２０に用いられる各ＬＥＤ２６は、光学開口部２６ａ（発光面）の法線方向で（０°）での発光輝度を１としたときに、±４０°以上の角度範囲で輝度が０．５となる放射特性を有する。
【００３５】
図９には、上記試作品で用いた各ＬＥＤ２６の放射特性を示す。図９の左側の部分は、０°での輝度（横軸）を１としたときの各放射角度における輝度をプロットしたグラフを示す。図９の右側の部分は、横軸を放射角度とし、縦軸を０°での輝度を１としたときの輝度値としたときの各放射角度における輝度を示している。なお、両図とも０°に対して片側の放射角度範囲の輝度を示している。
【００３６】
試作品のＬＥＤ２６では、輝度が０．５になる放射角度が±６０°であり、輝度むらや色むらが十分に抑えられている。実際は、±４０°でも輝度むらや色むらを使用上問題ないレベルに抑えられる。
【００３７】
さらに、本実施例の光源ユニット２０では、拡散板２４と偏光選択性素子２２との間に、集光作用を持つ光学素子としてのプリズムシート２３を配置している。さらに、プリズムシート２３よりも射出面側に、偏光子（偏光板）２１を配置している。なお、本実施例では、集光作用を持つ光学素子としてのプリズムシート２３を用いる場合について説明するが、該光学素子としてプリズムシート以外の集光性を有する素子を用いてもよい。
【００３８】
プリズムシート２３には、その面内方向のうちｘ方向（１次元方向）に、微細な三角断面形状を有するプリズム部が周期的に形成されている。各プリズム部によって、ｘ方向での集光性を高めている。これは、図１Ｂに示すように、光源ユニット２０から射出した照明光を、ｘｚ断面においてパワーを持たない反射面Ａを介して液晶パネル２の範囲内に効率良く照射するためである。
【００３９】
なお、プリズムシート２３としては、例えば、住友３Ｍ社製の商品名「ＢＥＦシート」を用いることができる。
【００４０】
本実施例では、プリズムシート２３を拡散板４と偏光選択性素子２２の間に配置している。これは、拡散板４の拡散面上ですでに輝度むら、色むらが低減されるように設定されているため、プリズムシート２３の集光性を変えたいときに、輝度ムラ、色ムラを考慮せず自由に交換可能とするためである。
【００４１】
また、プリズムシート２３を偏光選択性素子２２からの反射光を受ける側に配置しているため、偏光選択性素子２２からＳ偏光が反射して戻ってきたときに、拡散板２４による偏光方向をランダムにする役目をプリズムシート３でも担うことができる。仮に、プリズムシート２３が偏光選択性素子２２よりも射出面側に配置すると、偏光選択性素子２を透過したＰ偏光が、プリズムシート３を透過する際にランダムな偏光になってしまい、その後に偏光子２１を透過するＰ偏光が減少し、照明光が暗くなってしまう。
【００４２】
なお、プリズムシート２３に対して十分な偏光のランダム化作用を有する形状設定がなされていれば、拡散板２４をなくすることも可能である。
【００４３】
また、本実施例では、偏光選択性素子２２から漏れ出たＳ偏光を偏光子２１によって排除するため、念のために偏光子２１を偏光選択性素子２２よりも射出面側に配置している。しかし、偏光選択性素子２２から漏れ出るＳ偏光が実際上問題にならないレベルであれば、偏光子２１を不要とすることもできる。
【００４４】
さらに、前述したように、本実施例の各ＬＥＤ２６は、ＲＧＢの３色の光を発する発光部２６ｃを有するが、ＬＥＤ２６の光学開口部２６ａと拡散板２４の拡散面との間隔は、５ｍｍ以上離れていることが望ましい。これは、先に説明したように、各ＬＥＤ２６は±４０°以上の範囲で輝度が０．５となる放射特性を有するため、光学開口部２６ａと拡散板２４の拡散面とが５ｍｍ以上離れなければ、輝度むらおよび色むらを効果的に抑えることが難しくなるからである。
【００４５】
また、本実施例では、筐体２８における基板２７と拡散板２４との間の内側面にも、反射シート２５Ｂを配置している。これにより、反射シート２５Ａや拡散板２４から筐体２８の内側面に向かって反射した光をそれぞれ、拡散板２４や反射シート２５Ａに向けて反射させることができる。この結果、リサイクル光がより多くなり、光量ロスをさらに減らすことができる。
【００４６】
図１０には、本実施例に従って製作した光源ユニット２０の他の試作品の分解斜視図を示す。また、図１１には、表面実装型ＬＥＤ光源の試作品におけるＬＥＤのレイアウト図を示す。なお、図１０および図１１に示すのは、１つの製作例にすぎず、本発明がこれに限定される訳ではない。すなわち、ＬＥＤ２６の個数や各部の寸法は、任意である。
【００４７】
図１１に示すように、各ＬＥＤ２６は、ＲＧＢの３色用発光素子が１チップ上に搭載されたＬＥＤである。基板２７上には、横１３個、縦４列の合計５２個のＬＥＤ２６が配置されている。基板２７は、横５１.２ｍｍ×縦２０．２ｍｍの大きさを有する。ＬＥＤ２６のピッチ間隔は、図１１中に示すように、横４ｍｍ、縦５．２ｍｍである。
【００４８】
また、図１０に示すように、光源ユニット２０の厚さ方向において、ＬＥＤ６の光学開口部２６ａから拡散板２４の拡散面までの距離は８ｍｍである。また、光源ユニット２０のトップ面（射出面）の光学エリアサイズは５０ｍｍ×１８ｍｍである。
【００４９】
以上説明したように、本実施例によれば、直下型配置の平面光源ユニット２０において、輝度むらや色むらが少なく、かつ液晶パネル２の照明光として用いる直線偏光の光源ユニットとして、光量ロスが少なく、所要の集光作用も有した平面光源ユニットを実現することができる。
【００５０】
なお、上記実施例はあくまで例にすぎず、請求項の内容の範囲内で種々の変形が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１Ａ】本発明の実施例である光源ユニットを用いたＨＭＤの構成を示すｙｚ断面図。
【図１Ｂ】実施例のＨＭＤの構成を示すｘｚ断面図。
【図２】実施例の光源ユニットのｘｚ断面図。
【図３】実施例の光源ユニットのｙｚ断面図。
【図４】実施例で用いたＬＥＤの断面図。
【図５】表面実装型ＬＥＤ光源の試作例を示すイメージ図。
【図６】表面実装型ＬＥＤ光源の試作例の写真。
【図７】反射シートの試作例のイメージ図。
【図８】試作例の反射シートを図６の表面実装型ＬＥＤ光源上に配置した写真。
【図９】実施例で用いたＬＥＤの特性を示すグラフ図。
【図１０】実施例の光源ユニットの他の試作例を示す分解斜視図。
【図１１】図１０の試作例で用いた表面実装型ＬＥＤ光源のレイアウト図。
【符号の説明】
【００５２】
１  表示光学系
２  反射型液晶パネル
５  検光子
１１  プリズム
１２，１３  レンズ
２０  光源ユニット
２１  偏光子
２２  偏光選択性素子
２３  プリズムシート
２４  拡散板
２５Ａ，２５Ｂ  反射シート
２５ａ  開口
２６  ＬＥＤ
２６ａ  光学開口部
２６ｂ  パッケージ部
２６ｃ  ＲＧＢ発光部
２６ｄ  封止樹脂部
２７  基板
２８  筐体
【図５】
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【図６】
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【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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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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