(57)【要約】【課題】  液晶パネル等のライトバルブ上で照度ムラが少なく、ライトバルブ全体を効率よく照らすことができる照明装置、光変調装置、および投射型表示装置を提供する。【解決手段】  光出射方向正面から角度を持つにつれて徐々に弱くなる特性を持ったLED１に対して、光線の通過領域が光軸から離れるほど大きくなるような球面収差を持ったコンデンサーレンズ３を配置することによって、LEDの配光分布特性を打ち消すことを狙い、液晶パネル等のライトバルブ上で照度ムラが少なく、ライトバルブ全体を効率よく照らすことができる。【選択図】  図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
１又は複数の発光素子と、少なくとも１枚のコンデンサーレンズ系と、少なくとも１枚のフィールドレンズ系を有する照明装置であって、
前記発光素子の出射光は、前記コンデンサーレンズ系で一度収束され、前記フィールドレンズ系に入射し、フィールドレンズ系によって略平行光にされ、被照明面を照らすものであり、
前記コンデンサーレンズ系の球面収差は、BF（周辺L）＜ BF(近軸)〔BF（周辺L）は、発光素子の出射光をコンデンサーレンズ系に入射した時に発生する球面収差量を示すものであり、特に、コンデンサーレンズ系の最大光線有効径を通過する光線の球面収差量を示し、BF（近軸）は、この時の近軸バックフォーカスである。ただし、最大光線有効径とは、発光素子からコンデンサーレンズ系に入射した光で、コンデンサーレンズ系から出射した光束の縁を通る光線で、コンデンサーレンズ系の光軸からもっとも離れた経路を通過する光線によって決まる径である。〕の特性を満足することを特徴とする照明装置。
【請求項２】
前記発光素子、コンデンサーレンズ系、フィールドレンズ系の順に構成されて、前記コンデンサーレンズ系によって作られる発光素子の２次光源像は、フィールドレンズ系の焦点に位置することを特徴とする請求項１記載の照明装置。
【請求項３】
前記発光素子は、光出射方位によって放射強度が異なることを特徴とする請求項１又は２記載の照明装置。
【請求項４】
前記発光素子の強度分布はランバート分布であることを特徴とする請求項３記載の照明装置。
【請求項５】
前記複数の発光素子を配列する場合には、前記コンデンサーレンズ系は、各発光素子に一対一対応で配列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項に記載の照明装置。
【請求項６】
前記配列されたコンデンサーレンズ系の球面収差量は、配列の中心から周辺に向かって段階的に変化することを特徴とする請求項５記載の照明装置。
【請求項７】
コンデンサーレンズ系の開口数〔NA（C）〕とフィールドレンズ系の開口数〔NA（F）〕との間にNA（C）≧NA（F）の関係を有することを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の照明装置。
【請求項８】
請求項１から７のいずれか１項に記載の照明装置について、光変調手段を備えたことを特徴とする光変調装置。
【請求項９】
前記コンデンサーレンズ系と光変調手段の間に、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有することを特徴とする請求項８記載の光変調装置。
【請求項１０】
請求項８記載の光変調装置を備えた投射型表示装置であって、
各発光素子は、発光素子単体で複数色の色光を出射する第１の出射手段と、
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ライトバルブからなる光変調手段と、
前記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１１】
請求項８記載の光変調装置を備えた投射型表示装置であって、
各発光素子は、発光素子単体では一色の色光を出射する第２の出射手段と、
互いに色光が異なる発光素子を三種類以上出射する第３の出射手段と、
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ライトバルブからなる光変調手段と、
前記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１２】
請求項８記載の光変調装置を備えた投射型表示装置であって、
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手段と、
前記面光源手段から出射される各色光を変調するライトバルブからなる複数の光変調手段と、
前記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、
前記色合成手段により合成された光を投射する投射手段と、を備える投射型表示装置。
【請求項１３】
請求項８記載の光変調装置を備えた投射型表示装置であって、
発光素子は白色LEDであり、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カラーフィルター光変調手段と、
前記カラーフィルター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１４】
前記コンデンサーレンズ系と光変調手段の間に、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有することを特徴とする請求項１０から１３のいずれか１項に記載の投射型表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、照明装置、光変調装置及び投射型表示装置に関し、特に、発光ダイオードを光源とした照明装置、光変調装置及び投射型表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ノートブック型パソコンに代表されるようなモバイル機器の小型・軽量化が進み、機器の持ち運びが簡便になったことから、プロジェクターを用いたプレゼンテーションが広く普及しており、プロジェクターの小型・軽量化も進められている。しかし、プロジェクターに通常利用されるハロゲンランプやメタルハライドランプなどの光源ランプは、比較的大型で重いものである。そこで、ハロゲンランプやメタルハライドランプに換わる光源ランプとして、発光ダイオード（light emitting diode：以下、LED）が挙げられている。
【０００３】
近年、LEDの開発は活発に行われており、LED素子の発光効率が急速に改良されつつあり、従来最も高効率といわれている放電タイプの高圧水銀ランプや蛍光灯ランプの発光効率を越えるのは時間の問題と言われている。LEDは、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おり、多くの照明分野への応用が期待されている。LEDを光源に用いたプロジェクターは種々提案されている。例えば、発光素子アレイ・フライアイレンズ・液晶パネル・投射レンズ系からなる技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。プロジェクターの照明装置部分に注目すると、発光素子の出射光を直接フライアイレンズに入射させている。また、発光素子アレイ・マイクロレンズアレイ・縮小光学器ダイクロイックミラー・２次元マイクロ偏向ミラーアレイ・投射光学系からなる技術も提案されている（例えば、特許文献２参照）。プロジェクターの照明装置部分に注目すると、発光素子の出射光をマイクロレンズアレイによって整形しているものの、整形後は、光束幅を絞っただけで、そのまま２次元マイクロ偏向ミラーアレイに導光している。また、光利用効率と小型化を目指した画像投射装置も提案されている（例えば、特許文献３参照）。
【特許文献１】特開２００１−２４９４００号公報
【特許文献２】特開平１１−３２２７８号公報
【特許文献３】特開２００２−２４４２１１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記のような技術には、以下の問題点がある。
【０００５】
一般にLEDの出射光は、出射角度ごとの放射強度が異なり、この強度分布は配光分布と呼ばれている。上述のような構成を用いた場合、LEDの配光分布特性が、液晶パネルや２次元マイクロ偏向ミラーアレイ上で照度ムラとなって表れることは明白である。仮に、上記発光素子アレイ・フライアイレンズ・液晶パネル・投射レンズ系からなる技術の構成で、光源に砲弾型LEDを用い、出射光の指向性を高め光の発散度を下げる事で配光分布特性の影響を下げたとしても、フライアイレンズのＮＡ（開口数：numerical aperture）が小さくなりすぎてしまい、液晶パネル全体を照らすことができない。
【０００６】
また、上記光利用効率と小型化を目指した画像投射装置の技術でも、照度ムラについては検討されていない。
【０００７】
本発明はこのような問題を解決するものであり、液晶パネル等のライトバルブ上で照度ムラが少なく、ライトバルブ全体を効率よく照らすことができる照明装置、光変調装置、および投射型表示装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項１記載の発明は、１又は複数の発光素子と、少なくとも１枚のコンデンサーレンズ系と、少なくとも１枚のフィールドレンズ系を有する照明装置であって、前記発光素子の出射光は、前記コンデンサーレンズ系で一度収束され、前記フィールドレンズ系に入射し、フィールドレンズ系によって略平行光にされ、被照明面を照らすものであり、前記コンデンサーレンズ系の球面収差は、BF（周辺L）＜ BF(近軸)〔BF（周辺L）は、発光素子の出射光をコンデンサーレンズ系に入射した時に発生する球面収差量を示すものであり、特に、コンデンサーレンズ系の最大光線有効径を通過する光線の球面収差量を示し、BF（近軸）は、この時の近軸バックフォーカスである。ただし、最大光線有効径とは、発光素子からコンデンサーレンズ系に入射した光で、コンデンサーレンズ系から出射した光束の縁を通る光線で、コンデンサーレンズ系の光軸からもっとも離れた経路を通過する光線によって決まる径である。〕の特性を満足することを特徴とする照明装置である。
【０００９】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の装置において、前記発光素子、コンデンサーレンズ系、フィールドレンズ系の順に構成されて、前記コンデンサーレンズ系によって作られる発光素子の２次光源像は、フィールドレンズ系の焦点に位置することを特徴とする。
【００１０】
請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載の装置において、前記発光素子は、光出射方位によって放射強度が異なることを特徴とする。
【００１１】
請求項４記載の発明は、請求項３記載の装置において、前記発光素子の強度分布はランバート分布であることを特徴とする。
【００１２】
請求項５記載の発明は、請求項１から４のいずれか１項に記載の装置において、前記複数の発光素子を配列する場合には、前記コンデンサーレンズ系は、各発光素子に一対一対応で配列されていることを特徴とする。
【００１３】
請求項６記載の発明は、請求項５記載の装置において、前記配列されたコンデンサーレンズ系の球面収差量は、配列の中心から周辺に向かって段階的に変化することを特徴とする。
【００１４】
請求項７記載の発明は、請求項１から６のいずれか１項に記載の装置において、コンデンサーレンズ系の開口数〔NA（C）〕とフィールドレンズ系の開口数〔NA（F）〕との間にNA（C）≧NA（F）の関係を有することを特徴とする。
【００１５】
請求項８記載の発明は、請求項１から７のいずれか１項記載の照明装置について、光変調手段を備えたことを特徴とする光変調装置である。
【００１６】
請求項９記載の発明は、請求項８記載の装置において、前記コンデンサーレンズ系と光変調手段の間に、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有することを特徴とする。
【００１７】
請求項１０記載の発明は、請求項８記載の光変調装置を備えた投射型表示装置であって、各発光素子は、発光素子単体で複数色の色光を出射する第１の出射手段と、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ライトバルブからなる光変調手段と、前記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である。
【００１８】
請求項１１記載の発明は、請求項８記載の光変調装置を備えた投射型表示装置であって、各発光素子は、発光素子単体では一色の色光を出射する第２の出射手段と、互いに色光が異なる発光素子を三種類以上出射する第３の出射手段と、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ライトバルブからなる光変調手段と、前記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である。
【００１９】
請求項１２記載の発明は、請求項８記載の光変調装置を備えた投射型表示装置であって、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手段と、前記面光源手段から出射される各色光を変調するライトバルブからなる複数の光変調手段と、前記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、前記色合成手段により合成された光を投射する投射手段と、を備える投射型表示装置である。
【００２０】
請求項１３記載の発明は、請求項８記載の光変調装置を備えた投射型表示装置であって、発光素子は白色LEDであり、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カラーフィルター光変調手段と、前記カラーフィルター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である。
【００２１】
請求項１４記載の発明は、請求項１０から１３のいずれか１項に記載の装置において、前記コンデンサーレンズ系と光変調手段の間に、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有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、液晶パネル等のライトバルブ上で照度ムラが少なく、ライトバルブ全体を効率よく照らすことができる照明装置、光変調装置、および投射型表示装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
本発明においては、LEDと、少なくとも１枚のコンデンサーレンズ系と、少なくとも１枚のフィールドレンズ系の順に配置される照明装置において、コンデンサーレンズ系の有する球面収差を利用して、LEDの配光分布特性を打ち消すことを特徴とする。以下に、本発明の実施形態に係る画像形成装置及び検索方法を、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に述べる実施の形態は、本発明の好適な実施の形態であるから、技術的に好ましい種種の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの態様に限られるものではない。
【００２４】
まず、フィールドレンズ２が充分な開口径を有しているとすれば、フィールドレンズ２の焦平面上から出射される光は、図１の領域全面を照明する。ここで、ａは焦平面を示し、ｂは被照明面を示す。本発明の実施形態に係る照明装置は、図２に示すように、LED２の出射光を一度コンデンサーレンズ３で収束し、その収束点を図１で説明した焦平面ａ上に配置する。コンデンサーレンズ３が無収差レンズであれば、図の領域で照度ムラがない。しかし、本発明の実施形態に係るコンデンサーレンズ３には、図３に示すように、光線の通過領域が光軸から離れるほど大きくなるような球面収差を持たせる。図４に示すように、光軸付近を通過する光線の収束点をフィールドレンズ２の焦点に配置すると、フィールドレンズ２を通過した光線は平行光となって出射される。しかし、コンデンサーレンズ３が図３のような球面収差を持つ場合には、光軸から離れた領域を通過した光線は平行光とならず、収束性を持った光線となって出射される。これは、光軸から離れた領域を通過した光線が、フィールドレンズ２の焦点よりもコンデンサーレンズ３側に収束することによるものである。図４のような構成に、全方位一様な光をコンデンサーレンズ３に入射すれば、図の被照明領域は、図に示すように、領域の中心から周辺にむかって徐々に照度が上がる分布になる。
【００２５】
これに対し、図５に示すように、無収差のコンデンサーレンズ３と、光出射方向正面から角度を持つにつれて徐々に弱くなる特性を持ったLED１を配置すると、図のように、被照明領域の照度分布は、LED１の配光分布特性の影響をそのまま受けてしまう。本発明の実施形態に係る照明装置は、図６に示すように、上述したような特性を持つLED１に対して、図３に示すような球面収差を持ったコンデンサーレンズ３を配置することによって、LEDの配光分布特性を打ち消すことを狙いとしたものである。
【００２６】
すなわち、上記実施形態により、光出射方向正面から角度を持つにつれて徐々に弱くなる特性を持ったLED１に対して、光線の通過領域が光軸から離れるほど大きくなるような球面収差を持ったコンデンサーレンズ３を配置することによって、LEDの配光分布特性を打ち消すことを狙い、液晶パネル等のライトバルブ上で照度ムラが少なく、ライトバルブ全体を効率よく照らすことができる。
【００２７】
また、本発明の他の実施形態に係る照明装置では、LED一個の光量で不足する場合に対応し、図７に示すようにLEDを複数個配列している。光源側から被照明面側に向けて、LED複数個（LEDアレイ５）、コンデンサーレンズ複数枚（レンズアレイ６）、フィールドレンズ２（１枚）の順に並べられている。LED１の出射光に所望の球面収差特性を与え、なおかつ効率良く光を取り出すために、LED一個一個に対してコンデンサーレンズ３を配置することが望ましい。この場合、フィールドレンズ２の収差量を考慮し（一般に光軸上の収差よりも光軸外の収差の方が大きい）、光軸上のコンデンサーレンズ３の球面収差によって得られた効果と同じ効果を得るために、光軸上と光軸外でコンデンサーレンズ３の収差量を変化させることが望ましい。
【００２８】
さらに、フィールドレンズ２の像面湾曲が大きい場合には、図８に示すように、コンデンサーレンズ３の作る２次光源を、像面湾曲曲線７に近似した傾きで配置することも考えられる。
【００２９】
以上説明したような照明装置を用いた投射型表示装置でカラー表示を行う方法は種々考えられる。大別すると、ライトバルブを細工することでカラー表示を行う方法と、光源を含んだ照明光学系で複数の色光を混合してカラー表示を行う方法である。ライトバルブを細工する方法には、例えば、カラーフィルターを用いる方法一個のマイクロレンズに赤/緑/青の３個のサブピクセルを対応させる方法（テレビジョン学会技術報告VOL.１９,NO.８,IDY９５-４１）があるが、明るさや解像度を犠牲にするものである。光源を含んだ照明光学系で複数の色光を混合する方法としては、各LEDがライトバルブ全体を照明しているので、赤/緑/青それぞれのチップを一つの素子中に含んだLEDを用いる方法。赤/緑/青、それぞれの色を出射するLEDを配列し、ライトバルブ上で混色する方法や、赤/緑/青、各色のLEDごとに配列し、赤色の面光源、緑色の面光源、青色の面光源を作り、それぞれの出射光をプリズム等で混色する方法がある。
【００３０】
また、本発明の実施形態に係る照明装置を用いれば、投射型表示装置以外にも、小型な表示装置を構成できる。最も簡単な構成としては、本発明の照明装置に液晶ライトバルブを組み合わせただけの、シンプルな表示装置である。
【００３１】
これにより、液晶板の画像を読み取ることができ、また、虫眼鏡のような取り外し可能な拡大鏡や、目に直接装着できる接眼光学系と組み合わせることもできる。
【００３２】
図９は、本発明の他の実施形態に係る照明装置の概略図である。光源側から被照明面側に向けて、LED１（１個）、コンデンサーレンズ群８（凸レンズ３枚）、フィールドレンズ２（１枚）、液晶ライトバルブ１０の順に並べられている（図９）。LED１の出射光を効率良く取り出すには、コンデンサーレンズ群８のＮＡ（開口数）を明るく設定する必要があるため、コンデンサーレンズ群８は図のような３枚構成を用いた。LED１の位置を物点とした時のコンデンサーレンズ群８の球面収差は、図１０のように徐々に物点側に収束点がずれていくようなものとする。LEDの出射光のうち、近軸光線は図９のフィールドレンズ９の焦平面に、周辺光線は焦平面よりもコンデンサーレンズ群８側に収束し、フィールドレンズ９に入射した後、液晶ライトバルブ９に導かれる。この時、フィールドレンズ９の最周縁を通る光は、上述したようにフィールドレンズ９によって光軸方向に弱く収束する作用を受けているので、フィールドレンズ９によって照明される範囲のうち、最周縁は著しく暗くなる。図４に示したレンズ系で、これを示すと、図１１のようになる。照度分布曲線４からわかるように、液晶面の端で照度落ちがある。従って、この最周縁の範囲に液晶ライトバルブが入らないように配置することで、液晶ライトバルブ全面にムラのない照明を行うことが可能となる。
【００３３】
図１２は、本発明の他の実施形態に係る照明装置の概略図である。本実施形態では、液晶ライトバルブ上の照度向上を目的とし、LEDは５行１列に配列されている。本実施形態の構成は、光源側から被照明面側に向けて、LEDアレイ５、コンデンサーレンズ群アレイ群（各コンデンサーレンズ群８は凸レンズ３枚）、リレーレンズ１０（１枚）、フィールドレンズ２（１枚）、液晶ライトバルブ９の順に並べたものである。リレーレンズ１０を配置することで、フィールドレンズ２の光軸外に配置されたLED光を効率良く取り出すことが可能となる（図１２）。各コンデンサーレンズ群８の球面収差特性は、上記図９を用いて説明した実施形態と同じものとする。
【００３４】
以上に説明した照明光学系に投影光学系を組み合わせることによって、小型で省エネルギーであり、なおかつ照度ムラの少ない投射型表示装置を構成することができる。
【００３５】
以上、本発明者によってなされた発明を好適な実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は上記のものに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種種変更可能であることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の実施形態に係る照明装置のフィールドレンズから出射する様子を示す図である。
【図２】本発明の実施形態に係る照明装置の構成図である。
【図３】本発明の実施形態に係る照明装置のコンデンサーレンズが球面収差を持つことを示す図である。
【図４】本発明の実施形態に係る照明装置の構成図である。
【図５】本発明の実施形態に係る照明装置の構成図である。
【図６】本発明の実施形態に係る照明装置の構成図である。
【図７】本発明の実施形態に係る照明装置の構成図である。
【図８】本発明の実施形態に係る照明装置の構成図である。
【図９】本発明の実施形態に係る照明装置の構成図である。
【図１０】本発明の実施形態に係る照明装置のコンデンサーレンズにおいて収束点がずれていく様子を示す図である。
【図１１】本発明の実施形態に係る照明装置の構成図である。
【図１２】本発明の実施形態に係る照明装置の構成図である。
【符号の説明】
【００３７】
１    ＬＥＤ
２    フィールドレンズ
３    コンデンサーレンズ
４    照度分布曲線
５    ＬＥＤアレイ
６    レンズアレイ
７    フィールドレンズの像面湾曲曲線
８    コンデンサーレンズ群
９    液晶ライトバルブ
１０    リレーレンズ
ａ    焦平面
ｂ    被照明面
【図１】
2007047707.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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【図７】
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【図８】
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【図９】
2007047707.tif 000011
【図１０】
2007047707.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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