(57)【要約】【課題】  小型化、薄型化できる照明装置を提供する。【解決手段】  非一様な配光分布特性を有する発光素子アレイ１と、発光素子アレイ１の各発光素子にそれぞれ対応して配置されるカップリングレンズ２と、第１のレンズアレイ３と、第２のレンズアレイ４と、被照明面５とを備える照明装置において、カップリングレンズ２と第１のレンズアレイ３との間、またはカップリングレンズ２と第１のレンズアレイ３との近傍に、発光素子の配光分布特性に起因する被照明面５の不均一な光量分布を低減する光学素子６を配置するようにした。【選択図】  図１
2007047335.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
非一様な配光分布特性を有する複数個の発光素子と、該複数個の発光素子にそれぞれ対応して配置されるカップリングレンズと、第１のレンズアレイと、第２のレンズアレイと、被照明面とを備える照明装置において、
前記カップリングレンズと前記第１のレンズアレイとの間、または前記カップリングレンズと前記第１のレンズアレイとの近傍に、前記発光素子の配光分布特性に起因する被照明面の不均一な光量分布を低減する光学素子を配置した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、前記光学素子は、前記発光素子または前記カップリングレンズにそれぞれ対応して配置される屈折光学素子であることを特徴とする照明装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の照明装置において、
前記光学素子は少なくとも２枚のレンズで構成される略アフォーカルをなす光学系であるとともに、レンズ中心部と周縁部で異なるアフォーカル倍率を有し、レンズ中心部のアフォーカル倍率をＭｃ、レンズ周縁部のアフォーカル倍率をＭｍとしたときに、
Ｍｃ／Ｍｍ＞１
であることを特徴とする照明装置。
【請求項４】
請求項１または請求項２に記載の照明装置において、
前記光学素子は少なくとも２面の屈折面を有する略アフォーカルをなす光学系であるとともに、レンズ中心部と周縁部で異なるアフォーカル倍率を有し、レンズ中心部のアフォーカル倍率をＭｃ、レンズ周縁部のアフォーカル倍率をＭｍとしたときに、
Ｍｃ／Ｍｍ＞１
であることを特徴とする照明装置。
【請求項５】
請求項３または請求項４に記載の照明装置において、
レンズ周縁部のアフォーカル倍率をＭｍとしたときに、
｜Ｍｍ｜≒１
であることを特徴とする照明装置。
【請求項６】
請求項１または請求項２に記載の照明装置において、前記光学素子は少なくとも２面の円錐状のプリズム面を有する光学系であり、中心部光束と周縁部光束とが互いに入れ替わるように構成されることを特徴とする照明装置。
【請求項７】
請求項１乃至請求項６の何れか１項に記載の照明装置の前記被照明面に光変調手段を配置して構成されることを特徴とする光変調装置。
【請求項８】
請求項１乃至請求項６の何れか１項に記載の照明装置を備えた投射型表示装置であって、前記各発光素子は、発光素子単体で複数色の色光を出射可能であり、前記発光素子から時間順次に出射される各色光の出射タイミングに同期して時分割駆動される光変調手段と、該光変調手段によって変調された光を投射する投射手段と、を備えることを特徴とする投射型表示装置。
【請求項９】
請求項１乃至請求項６の何れか１項に記載の照明装置を備えた投射型表示装置であって、前記各発光素子は、発光素子単体では一色の色光を出射可能であり、出射する色光が互いに異なる発光素子を三種類以上備え、前記発光素子から時間順次に出射される各色光の出射タイミングに同期して時分割駆動される光変調手段と、該光変調手段によって変調された光を投射する投射手段と、を備えることを特徴とする投射型表示装置。
【請求項１０】
請求項１乃至請求項６の何れか１項に記載の照明装置を備えた投射型表示装置であって、前記各発光素子は、互いに異なる色の色光を出射可能な複数の面光源であり、面光源から出射される各色光を変調する複数の光変調手段と、該複数の光変調手段により変調された色光を合成する色合成手段と、該色合成手段により合成された光を投射する投射手段と、を備えていることを特徴とする投射型表示装置。
【請求項１１】
請求項１乃至請求項６の何れか１項に記載の照明装置を備えた投射型表示装置であって、前記発光素子は白色ＬＥＤであり、該白色ＬＥＤから出射される白色光を複数の色に変換するカラーフィルターが備えられた光変調手段と、該光変調手段によって変調された光を投射する投射手段と、を備えていることを特徴とする投射型表示装置。
【請求項１２】
請求項７に記載の光変調装置において、前記第２レンズアレイと前記光変調手段の間に、前記発光素子の出射光を一方向の偏光に揃える偏光変換素子を備えることを特徴とする光変調装置。
【請求項１３】
請求項８乃至請求項１１の何れか１項に記載の投射型表示装置において、前記第２レンズアレイと前記光変調手段の間に、前記発光素子の出射光を一方向の偏光に揃える偏光変換素子を備えることを特徴とする投射型表示装置。
【請求項１４】
請求項７に記載の光変調装置において、前記第２レンズアレイとライトバルブの間に、少なくとも１枚のリレーレンズを備えることを特徴とする光変調装置。
【請求項１５】
請求項８乃至請求項１１の何れか１項に記載の投射型表示装置において、前記第２レンズアレイとライトバルブの間に、少なくとも１枚のリレーレンズを備えることを特徴とする投射型表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、配光分布特性を有するアレイ光源からの光をムラが少なく所定の範囲に効率的に集光し照明することができる照明装置と、その照明装置を備えた光変調装置、投射型表示装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来のデジタルプロジェクタ等では、光源として高圧水銀ランプ、キセノンランプ、メタルハライドランプ等の白色光ランプが使われている。これらのランプの共通する欠点として大量の赤外線、即ち熱の放射を伴うことが挙げられる。
またダイクロイックミラー／プリズムの色分解／合成では３原色の光量バランスが困難で色再現性に限界がある、また大型になり部品点数が多いなどが挙げられる。
ＬＥＤ、ＬＤなどを従来の照明光源の代用として用いる発明が多数出願されているが、これらの光源が有する非一様な配光分布特性による被照明面の光量分布を解決できるものは少ない。
例えば、特許文献１には、光源、光源と対応したレンズ、マイクロレンズアレイ、コンデンサレンズ、インテグレータを構成する２枚のマイクロレンズアレイと第一のコンデンサレンズ、第二のコンデンサレンズの順で配置された照明光学系を開示されている。
また特許文献２には、２個の半導体レーザからの光をプリズムとレンズ系を用いて合成し光量分布のむらを低減するようにした画像表示装置が開示されている。
【特許文献１】特開２００１−３４３７０６公報
【特許文献２】特開２００３−０６６３６９公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記特許文献１の構成では、部品点数が多く、小型化も制約されるという欠点があった。
また特許文献２では２個の半導体レーザからの光をプリズムとレンズ系を用いて合成し、光量分布のむらを低減しているが、この方式では合成できる光源の個数が限定されており多数個用には適用できないという欠点があった。
そこで、本発明は上記したような点を鑑みてなされたものであり、小型化、薄型化を図ることができる照明装置と、その照明装置を備えた光変調装置、投射型表示装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、非一様な配光分布特性を有する複数個の発光素子と、該複数個の発光素子にそれぞれ対応して配置されるカップリングレンズと、第１のレンズアレイと、第２のレンズアレイと、被照明面とを備える照明装置において、前記カップリングレンズと前記第１のレンズアレイとの間、または前記カップリングレンズと前記第１のレンズアレイとの近傍に、前記発光素子の配光分布特性に起因する被照明面の不均一な光量分布を低減する光学素子を配置したことを特徴とする。
また請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の照明装置において、前記光学素子は、前記発光素子または前記カップリングレンズにそれぞれ対応して配置される屈折光学素子であることを特徴とする。
また請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の照明装置において、前記光学素子は少なくとも２枚のレンズで構成される略アフォーカルをなす光学系であるとともに、レンズ中心部と周縁部で異なるアフォーカル倍率を有し、レンズ中心部のアフォーカル倍率をＭｃ、レンズ周縁部のアフォーカル倍率をＭｍとしたときに、Ｍｃ／Ｍｍ＞１であることを特徴とする。
また請求項４に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の照明装置において、前記光学素子は少なくとも２面の屈折面を有する略アフォーカルをなす光学系であるとともに、レンズ中心部と周縁部で異なるアフォーカル倍率を有し、レンズ中心部のアフォーカル倍率をＭｃ、レンズ周縁部のアフォーカル倍率をＭｍとしたときに、Ｍｃ／Ｍｍ＞１であることを特徴とする。
また請求項５に記載の発明は、請求項３または請求項４に記載の照明装置において、レンズ周縁部のアフォーカル倍率をＭｍとしたときに、｜Ｍｍ｜≒１であることを特徴とする。
【０００５】
また請求項６に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の照明装置において、前記光学素子は少なくとも２面の円錐状のプリズム面を有する光学系であり、中心部光束と周縁部光束とが互いに入れ替わるように構成されることを特徴とする。
また請求項７に記載の発明は、請求項１乃至請求項６の何れか１項に記載の照明装置の前記被照明面に光変調手段を配置して構成される光変調装置を特徴とする。
また請求項８に記載の発明は、請求項１乃至請求項６の何れか１項に記載の照明装置を備えた投射型表示装置であって、前記各発光素子は、発光素子単体で複数色の色光を出射可能であり、前記発光素子から時間順次に出射される各色光の出射タイミングに同期して時分割駆動される光変調手段と、該光変調手段によって変調された光を投射する投射手段と、を備えることを特徴とする。
また請求項９に記載の発明は、請求項１乃至請求項６の何れか１項に記載の照明装置を備えた投射型表示装置であって、前記各発光素子は、発光素子単体では一色の色光を出射可能であり、出射する色光が互いに異なる発光素子を三種類以上備え、前記発光素子から時間順次に出射される各色光の出射タイミングに同期して時分割駆動される光変調手段と、該光変調手段によって変調された光を投射する投射手段と、を備えることを特徴とする。
【０００６】
また請求項１０に記載の発明は、請求項１乃至請求項６の何れか１項に記載の照明装置を備えた投射型表示装置であって、前記各発光素子は、互いに異なる色の色光を出射可能な複数の面光源であり、面光源から出射される各色光を変調する複数の光変調手段と、該複数の光変調手段により変調された色光を合成する色合成手段と、該色合成手段により合成された光を投射する投射手段と、を備えていることを特徴とする。
また請求項１１に記載の発明は、請求項１乃至請求項６の何れか１項に記載の照明装置を備えた投射型表示装置であって、前記発光素子は白色ＬＥＤであり、該白色ＬＥＤから出射される白色光を複数の色に変換するカラーフィルターが備えられた光変調手段と、該光変調手段によって変調された光を投射する投射手段と、を備えていることを特徴とする。
また請求項１２に記載の発明は、請求項７に記載の光変調装置において、前記第２レンズアレイと前記光変調手段の間に、前記発光素子の出射光を一方向の偏光に揃える偏光変換素子を備えることを特徴とする。
また請求項１３に記載の発明は、請求項８乃至請求項１１の何れか１項に記載の投射型表示装置において、前記第２レンズアレイと前記光変調手段の間に、前記発光素子の出射光を一方向の偏光に揃える偏光変換素子を備えることを特徴とする。
また請求項１４に記載の発明は、請求項７に記載の光変調装置において、前記第２レンズアレイとライトバルブの間に、少なくとも１枚のリレーレンズを備えることを特徴とする。
また請求項１５に記載の発明は、請求項８乃至請求項１１の何れか１項に記載の投射型表示装置において、前記第２レンズアレイとライトバルブの間に、少なくとも１枚のリレーレンズを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、カップリングレンズと第１のレンズアレイとの間、またはカップリングレンズと第１のレンズアレイとの近傍に、前記発光素子の配光分布特性に起因する被照明面の不均一な光量分布を低減する光学素子を配置したことで、照明装置の小型化、薄型化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明の本実施形態について説明する。
図１は本実施形態の照明装置の構成を示した図である。
この図１において、１は例えばＬＥＤアレイなどの発光素子アレイ、２は大きなＮＡを有し発散光を（準）平行光に変換するカップリングレンズ、３は第１のレンズアレイ、４は第２のレンズアレイ、５は被照明面である。
第１及び第２レンズアレイ３、４は、被照明面５と相似の有効寸法を有し、カップリングレンズ２からの光を受けて主に球面収差を制御し２次光源像を形成する。
第２のレンズアレイ４は光源が大きさを有したり、各素子の配置誤差などに起因する軸外光（図示していない）の向きを変えたりして、被照明面５上に導光する。
なお、図１では発光素子アレイ１の各発光素子の配光分布特性を矢印→の長さで示すと、この分布はカップリングレンズで平行光に変換されたあとも存在し被照明面上で光量分布のむらを作る。
光学素子６は配光分布を低減するための素子であり、カップリングレンズ２と第１のレンズアレイ３との間に配置されている。図１においては、光学素子６によりほぼ均一に変換しており、この後、第１のレンズアレイ３、第２のレンズアレイ４、図示しないリレーレンズやフィールドレンズ等の光学系を用いて被照明面５に照射することで被照明面５の不均一な光量分布を低減することが可能になる。
なお、カップリングレンズ２と第１のレンズアレイ３の配置を対応させ機能を統合して例えば１枚のレンズに置き換えるなどしても良い。その場合はそのレンズの近傍にむら低減用の光学素子６を配置すればよい。
【０００９】
このように本実施形態の照明装置では、光源側から順に非一様な配光分布特性を有する複数個の発光素子を有する発光素子アレイ１と、発光素子アレイ１の各発光素子に１対１に対応して配置されるカップリングレンズ２と、第１のレンズアレイ３と、第２のレンズアレイ４、被照明面５を配置すると共に、カップリングレンズ２と第１のレンズアレイ３との間に、発光素子の配光分布特性に起因する被照明面５の不均一な光量分布を低減する光学素子６を配置するようにしている。これにより、照明装置の小型化、薄型化を図ることができる。光源としてＬＥＤアレイ１を用いているため発熱が少ないため冷却ファンが不要になるため静かな照明装置を実現することができる。
なお、カップリングレンズ２と第１のレンズアレイ３との間に光学素子６を配置するのは、発光素子アレイ１の各発光素子からの光路が重ならずに分離しており発光素子毎に作用できること、また各発光素子からの光束が適当な幅を有しており配光分布特性を変換するのに適しているためである。
また、被照明面５の不均一な光量分布を低減する光学素子６は、発光素子アレイ１の発光素子またはカップリングレンズ２に１対１に対応して配置される屈折光学素子である。この場合、第１のレンズアレイ３と第２のレンズアレイ４は必ずしも対応する必要はない。また屈折光学素子はアレイになるため、入射／射出で光束の幅を大きくは変えないこと、生産性のため型による成形が可能な形状であることが望ましい。さらに隣接して配置されるカップリングレンズ２と、第１のレンズアレイ３も屈折光学素子であるため、不均一な光量分布を低減する光学素子６の一部または全部を隣接する光学部品と一体化し部品点数を削減することが可能になる。
光学素子６は、少なくとも２枚のレンズで構成されるほぼアフォーカルをなす光学系であるとともに、レンズ中心部と周縁部で異なるアフォーカル倍率を有し、レンズ中心部（＝ｃｅｎｔｅｒ部）のアフォーカル倍率がＭｃ、レンズ周縁部（＝ｍａｒｇｉｎａｌ部）のアフォーカル倍率がＭｍであるとき、Ｍｃ／Ｍｍ＞１とする。
このように構成した場合、原理的には光強度に比例するアフォーカル倍率を与えることで均一化を実現することができる。レンズ中心部から周縁部に向かってアフォーカル倍率が連続して変化させても良く、倍率を段階的に作成することも可能である。
【００１０】
図２は光学素子の一構成例を示した図である。
例えば、光源の発散光の±６０°をカップリングレンズが取り込んだときには、ランバート分布はその光強度が余弦関数で表されているためカップリングレンズ中心部の強度が１のとき、周縁部の強度は、ｃｏｓ（６０°）＝０．５であり、中間部は余弦関数で示されるその中間の値となる。
図２には中心部の光束のアフォーカル倍率をＭｃ＝１．４、周辺部ではＭｍ＝０．７が図示されており、この場合、光学素子６を射出する光の強度分布は均一化することができる。なお、２枚のレンズ６ａ、６ｂで構成した場合は、形状が複雑になるため、３枚以上のレンズ構成にし加工性の向上を図る可とも可能である。
また２次元の方向で同じアフォーカル倍率である必要はなく、アナモフィック系にして方向毎に光量分布を均一にしても良い。
また、光学素子６は、少なくとも２面の屈折面を有するほぼアフォーカルをなす光学系にすることが可能である。この場合、レンズ中心部と周縁部で異なるアフォーカル倍率を有し、レンズ中心部のアフォーカル倍率をＭｃ、レンズ周縁部のアフォーカル倍率をＭｍとするとき、Ｍｃ／Ｍｍ＞１となるようにする事も可能である。
また図３に示すように２枚のレンズの平面どうしを向かい合わせ、空気の部分をレンズ材質で埋めて間隔を最適に再設定することで、光学素子６を１部品で構成して、小型で簡素な構成とすることも可能である。
また、また光学素子６は、レンズ周縁部のアフォーカル倍率Ｍｍを｜Ｍｍ｜≒１とすると、周縁部の形状をアレイ面（光軸と直交する面）とほぼ平行にでき、隣接する光学素子との境界部での変動が滑らかになり、型を製作する上で有利なものとなる。
また光学素子６は、少なくとも２面の円錐状のプリズム面を有する光学系であり、中心部光束と周縁部光束とが互いに入れ替わるように構成することも可能である。
【００１１】
図４は光学素子の他の構成例を示した図である。
この図４に示す光学素子６は、一対のプリズム６ｃ、６ｄにより構成されている。
このように構成した場合は、模擬的な図からは中心の強度が周辺に分布し、周辺の強度が中心に分布するという逆転した状態になるため、半数の発光素子にこの作用を与え残り半数はそのままで、分布を持ったものどうしが合成されてうち消し合う効果が期待される。
実際には光源が大きさを有する影響やランバート分布からのずれ、図示されない光束等があり、被照明面５が均一な光量になるように光学素子６を適用する発光素子と、光学素子６を適用しない発光素子との割合を決めるのが良い。
また図５に示すように２枚の円錐板６ｃ、６ｄの平行平面側を向かい合わせ、その間を同じ材質で充填すれば、光学素子６を１つの部品で構成することも可能である。
また、上記したような本実施形態の照明装置の被照明面５に光変調手段を配置して光変調装置を構成した場合は、小型で発熱が少なく光量分布のむらを低減することができる。例えば、光変調手段に透過型光変調器である透過型ＬＣＤを配置すると、光変調装置は表示装置になり、直接目視したりルーペなどの接眼レンズを使い拡大したりして表示観察することが可能になる。また発熱が少ないため冷却ファンが不要になるため静かな表示装置を実現することができる。
【００１２】
図６は投射型表示装置の光学系の構成を説明する図である。
なお、図１と同一部位には同一符号を付して説明は省略する。
この図６に示す投射型表示装置ではカップリングレンズは２枚構成である。またカップリングレンズ２と第１のレンズアレイ３との間に被照明面５の光量分布のむらを低減する光学素子６を配置するようにしている。リレーレンズ１１とフィールドレンズ１２は共同して第２のレンズアレイ４を射出する主光線の向きを変え被照明面５の中心へ導き、効率的でむらの少ない照明を得る。被照明面５には光変調素子が配置され、変調された光束が投影光学系１３を介し表示面１４に投影される。投影光学系はテレセントリックであることが望ましい。
ＬＥＤやＬＤは、放射する光のなかに赤外線（熱）を含まないため、光源付近でもプラスッチクレンズの使用が可能である。このため、光源付近の部材を成形でつくることができ、低コスト化を図ることが可能なうえ、非球面や特殊面の量産が比較的容易になり、均一性を向上できる。ガラスレンズに比べ軽量にできるという利点がある。
照明光学系に用いるレンズで、少なくとも一枚はフレネルレンズにすることは有効である。特に集束性光学素子にレンズを用いる場合、中心厚が大きくなりがちであり、フレネルレンズに置き換えることで薄型化、軽量化が可能になる。回折面を併用し照明光の色の差を低減することもできる。
また上記のように本実施形態の照明装置を投射型表示装置に適用する場合は、発光素子アレイ１の各発光素子を発光素子単体で複数色の色光を出射できるものとし、発光素子から時間順次に出射される各色光の出射タイミングに同期して時分割駆動される光変調素子（光変調手段）と、光変調素子によって変調された光を投射する投射手段とを備えるようにすれば、上記した照明装置の特徴を備えた特に小型化が可能な投射型カラー表示装置を実現することができる。
また、照明装置の発光素子アレイ１の各発光素子を、発光素子単体では一色の色光を出射できるものとし、さらに出射する色光が互いに異なる発光素子を三種類以上備えており、発光素子から時間順次に出射される各色光の出射タイミングに同期して時分割駆動される光変調素子と、この光変調素子によって変調された光を投射する投射手段とを備えるようにすれば、タイプの異なる発光素子を用いても同様の効果が得られる。
【００１３】
さらに発光素子アレイ１の各発光素子を、互いに異なる色の色光を出射可能な複数の面光源とし、面光源から出射される各色光を変調する複数の光変調素子と、複数の光変調素子により変調された色光を合成する色合成手段と、色合成手段により合成された光を投射する投射手段とを備えるようにすれば、多少大きくしても明るい仕様で有効であり、ＬＥＤアレイ１照明の他の特長は維持された投射型表示装置を実現することができる。
さらにまた発光素子アレイ１の各発光素子を白色ＬＥＤとし、ＬＥＤから出射される白色光を複数の色に変換するカラーフィルターが備えられた光変調素子と、光変調素子によって変調された光を投射する投射手段とを備えるようにすれば、広範囲な発光素子を選択でき多様な仕様への対応、色バランスの調整等が可能な投射型表示装置を提供することができる。
さらにまた照明装置の第２のレンズアレイ４と光変調素子との間に発光素子の出射光を一方向の偏光に揃える偏光変換素子を設けようにして光変調装置、あるいは投射型表示装置を構成すれば、光変調素子が偏光を利用するＬＣＤで効果的であり、光利用効率を向上させることが可能になる。
さらにまた第２のレンズアレイ４とライトバルブの間に、少なくとも１枚のリレーレンズを設けた光変調装置あるいは投射型表示装置を構成すれば、被照明面５に効果的に光を集めることができ明るくできるほか発光素子の負荷を低減したり、省電力化が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本実施形態の照明装置の構成を示した図である。
【図２】光学素子の一構成例を示した図である。
【図３】光学素子の一構成例を示した図である。
【図４】光学素子の一構成例を示した図である。
【図５】光学素子の一構成例を示した図である。
【図６】投射型表示装置の光学系の構成を説明する図である。
【符号の説明】
【００１５】
１…ＬＥＤアレイ、２…カップリングレンズ、３…第１のレンズアレイ、４…第２のレンズアレイ、５…被照明面、６…光学素子、６ａ  ６ｂ…レンズ、６ｃ  ６ｄ…プリズム（円錐板）、１１…リレーレンズ、１２…フィールドレンズ、１３…投影光学系、１４…表示面
【図１】
2007047335.tif 000003
【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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