(57)【要約】【課題】出射光強度を高くすることができる、指向性の高い光源ユニットを提供する。【解決手段】光源ユニットは、光を出射する面型発光デバイス１と、面型発光デバイス１の出射側に設けられた角度制御部３と、面型発光デバイス１と角度制御部３との間に設けられた角度変換部２とを有する。角度制御部３は、面型発光デバイス１側から入射した光のうち、第１の入射角度範囲内の角度で入射した光を透過させ、該第１の入射角度範囲以外の角度で入射した光を反射する。角度変換部２は、面型発光デバイス１側および角度制御部３側のそれぞれの側から光が入射し、入射した光のうち、第２の入射角度範囲内の角度で入射した光を透過させ、該第２の入射角度範囲以外の角度で入射した光については、一部の光を回折または散乱し、残りの光を透過させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を出射する発光部と、
前記発光部の出射側に設けられ、前記発光部側から入射した光のうち、第１の入射角度範囲内の角度で入射した光を透過させ、該第１の入射角度範囲以外の角度で入射した光を前記発光部側の方向へ反射する角度制御部と、
前記発光部と前記角度制御部との間に設けられ、前記発光部側および前記角度制御部側のそれぞれの側から光が入射し、該入射した光のうち、第２の入射角度範囲内の角度で入射した光を透過させ、該第２の入射角度範囲以外の角度で入射した光については、一部の光を回折または散乱し、残りの光を透過させる角度変換部と、を有する、光源ユニット。
【請求項２】
前記第２の入射角度範囲は、前記第１の入射角度範囲より小さい、請求項１に記載の光源ユニット。
【請求項３】
前記角度変換部は、少なくとも１つの回折格子よりなり、該回折格子の格子周期は、前記発光部の発光波長より小さく、かつ、該発光波長の半分の波長より大きい、請求項１または２に記載の光源ユニット。
【請求項４】
前記回折格子の格子周期は一定である、請求項３に記載の光源ユニット。
【請求項５】
前記回折格子の格子周期は不定である、請求項３に記載の光源ユニット。
【請求項６】
前記角度変換部は、屈折率が異なる第１および第２の誘電体層が交互に積層された誘電体多層膜よりなり、前記第１および第２の誘電体層の界面に、前記回折格子が形成されている、請求項３から５のいずれか１項に記載の光源ユニット。
【請求項７】
前記角度変換部は、周期的な屈折率分布を有するナノ構造体が３次元に形成された３次元フォトニック結晶よりなる、請求項３から５のいずれか１項に記載の光源ユニット。
【請求項８】
請求項１から７のいずれか１項に記載の光源ユニットと、
前記光源ユニットから出射された光を映像信号に応じて変調して、当該映像信号に応じた画像を表示する表示部と、を含む画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）などに代表される面型発光デバイスを備える光源ユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
プロジェクタやフラットパネルディスプレイに代表される画像表示装置では、指向性の高い光源ユニットが求められている。
【０００３】
例えば、プロジェクタは、光源からの光を表示素子に照射し、表示素子で形成された画像を投射光学系によって投射するものであるが、出射光の発散角が大きな光源を用いた場合、光源からの光の一部が投射光として利用されず、光利用効率が低下する場合がある。このため、出射光の発散角が小さな光源、すなわち、指向性の高い光源が求められている。
【０００４】
特許文献１には、指向性の高い面光源装置が記載されている。この面光源装置は、バックライトと、バックライトの出射面からの光が入射する光学素子と、を有する。
【０００５】
光学素子は、拡散板およびバンドパスフィルターを含む。バンドパスフィルターは、特定ピーク波長の光に対して、所定の入射角度範囲内の角度で入射した光は透過させ、それ以外の角度で入射した光は反射する。
【０００６】
光学素子では、バックライトからの光は、拡散板で拡散された後、バンドパスフィルターに入射する。バンドパスフィルターでは、拡散板からの拡散光のうち、所定の入射角度範囲内の角度で入射した光のみが透過し、それ以外の角度で入射した光は、バックライト側の方向に反射される。
【０００７】
バンドパスフィルターからの反射光は、拡散板で拡散された後、バックライトに入射する。バックライトは、拡散板からの拡散光を光学素子側の方向に向けて反射するが、その反射時に、拡散光の一部がバックライトで吸収される。バックライトからの反射光は、拡散板で拡散された後、バンドパスフィルターに入射する。
【０００８】
上記の面光源装置によれば、バンドパスフィルターの所定の入射角度範囲に応じた出射角度範囲内で出射光を得られる。
【０００９】
また、バンドパスフィルターで反射された光は、バンドパスフィルターとバックライトの間で繰り返し反射される。この反射の過程において、反射光が拡散板で拡散されて、その拡散光の一部がバンドパスフィルターを透過する。このように、バンドパスフィルターで反射された光の一部を出射光として取り出すことができるので、バックライトから出射された光の利用効率が向上し、面光源装置の出射光強度を増大することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００３−３３７３３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
特許文献１に記載の面光源装置において、バンドパスフィルターで反射された光は、拡散板を介してバックライトに入射し、その入射した光の一部がバックライトで吸収される。このバックライトでの光吸収のために、光学素子から出射される光の強度が低下する。
【００１２】
光学素子の出射光強度を高めるには、バックライトでの光吸収を抑制する必要がある。例えば、バックライトから出射された光のうち、所定の入射角度範囲内の角度でバンドパスフィルターへの入射が可能な光を、バンドパスフィルターでの反射なしに、光学素子から出射させることで、バックライトでの光吸収が抑制されて、光学素子の出射光強度が増大する。
【００１３】
しかし、特許文献１に記載の面光源装置では、バックライトから出射された光は全て拡散板にて拡散され、その拡散光の一部はバンドパスフィルターで反射されるため、上記のようなバックライトでの光吸収を抑制することは困難である。
【００１４】
なお、拡散板を除去することで、バックライトから出射された光のうち、所定の入射角度範囲内の角度でバンドパスフィルターへの入射が可能な光を、バンドパスフィルターでの反射なしに、光学素子から出射させることができる。しかし、この場合は、バンドパスフィルターで反射された光は、拡散されずに、バンドパスフィルターとバックライトの間で繰り返し反射されることになるため、その反射光を出射光として利用することができない。
【００１５】
本発明の目的は、出射光強度を高くすることができる、指向性の高い光源ユニット、およびそれを用いた画像表示装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記目的を達成するため、本発明の光源ユニットは、
光を出射する発光部と、
前記発光部の出射側に設けられ、前記発光部側から入射した光のうち、第１の入射角度範囲内の角度で入射した光を透過させ、該第１の入射角度範囲以外の角度で入射した光を前記発光部側の方向へ反射する角度制御部と、
前記発光部と前記角度制御部との間に設けられ、前記発光部側および前記角度制御部側のそれぞれの側から光が入射し、該入射した光のうち、第２の入射角度範囲内の角度で入射した光を透過させ、該第２の入射角度範囲以外の角度で入射した光については、一部の光を回折または散乱し、残りの光を透過させる角度変換部と、を有する。
【００１７】
本発明の画像表示装置は、
上記の光源ユニットと、
前記光源ユニットから出射された光を映像信号に応じて変調して、当該映像信号に応じた画像を表示する表示部と、を有する。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、発光部から出射された光のうち、角度変換部への入射角が第２の入射角度範囲内である光は、回折または散乱されることなく、そのまま角度変換部および角度制御部を透過する。このように、発光部から出射された光の一部を、そのまま出射光として取り出すことができるので、発光部での光吸収を抑制することができ、出射光強度を増大することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の第１の実施形態の光源ユニットの構成を示す模式図である。
【図２】図１に示す光源ユニットの面型発光デバイスの断面構造を示す模式図である。
【図３】回折格子の一例を説明するための図である。
【図４Ａ】波長が４６０ｎｍの光を図３に示す回折格子に入射した場合の入射角と格子周期と＋１次回折光の回折角との関係を説明するための図である。
【図４Ｂ】波長が４６０ｎｍの光を図３に示す回折格子に入射した場合の入射角と格子周期と−１次回折光の回折角との関係を説明するための図である。
【図５】格子周期が３００ｎｍ、入射光の波長が４６０ｎｍである場合の、入射角度に対する回折角度の変化を説明するための図である。
【図６Ａ】比較例である光源ユニットの構成を示す模式図である。
【図６Ｂ】図１に示す光源ユニットの動作を説明するための模式図である。
【図７】図１に示す光源ユニットの角度変換部の一例を示す模式図である。
【図８】図１に示す光源ユニットの角度変換部の別の例を示す模式図である。
【図９】本発明の第２の実施形態の光源ユニットの構成を示す模式図である。
【図１０】図９に示す光源ユニットの動作を説明するための模式図である。
【図１１Ａ】図６Ａに示す比較例の光源ユニットの出射光強度と出射角度の関係を説明するための図である。
【図１１Ｂ】図９に示す光源ユニットの出射光強度と出射角度の関係を説明するための図である。
【図１２Ａ】図９に示す光源ユニットの角度変換部の一例を示す模式図である。
【図１２Ｂ】図９に示す光源ユニットの角度変換部の別の例を示す模式図である。
【図１２Ｃ】図９に示す光源ユニットの角度変換部のさらに別の例を示す模式図である。
【図１３】本発明の第３の実施形態の光源ユニットの構成を示す模式図である。
【図１４】本発明の光源ユニットを備える画像表示装置の一例を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
次に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
【００２１】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態の光源ユニットの構成を示す模式図である。
【００２２】
図１を参照すると、光源ユニットは、プロジェクタやフラットパネルディスプレイに代表される画像表示装置に用いられるものであって、面型発光デバイス１、角度変換部２および角度制御部３を有する。図１において、実線で示した矢印は０次光を示し、破線で示した矢印は回折光を示す。
【００２３】
面型発光デバイス１は、ＬＥＤや面発光レーザなどの面発光型の固体光源または光源と導光板からなる面発光デバイスであって、所望の色（例えば、赤、緑、青など）の波長帯域にピーク波長を有する特定の波長範囲の光を出射する。以下では、ピーク波長を面型発光デバイス１の発光波長とする。
【００２４】
図２に、光源ユニットの面型発光デバイス１の断面構造を模式的に示す。
【００２５】
図２に示すように、面型発光デバイス１は、基板１０上に実装されており、反射層１１と、発光部１２と、電極パッド１５および１６とを含む。
【００２６】
反射層１１は、基板１０の上に実装されている。発光部１２が反射層１１の一部の領域上に形成され、電極パッド１５が反射層１１の別の領域上に形成されている。電極パッド１６が、発光部１２の一部の領域上に形成されている。電極パッド１５および１６は、不図示の外部電極と電気的に接続されている。
【００２７】
発光部１２は、ｐ型半導体層１２Ａと、活性層１２Ｂと、ｎ型半導体層１２Ｃとを有する。活性層１２Ｂは、ｐ型半導体層１２Ａおよびｎ型半導体層１２Ｃの間に設けられている。より具体的には、ｐ型半導体層１２Ａ、活性層１２Ｂおよびｎ型半導体層１２Ｃは、この順番で、反射層１１上に積層されている。
【００２８】
反射層１１は、発光部１２側から基板１側へ向かう光を発光部１２側に反射する。
【００２９】
発光部１２には、外部電源から電極パッド１５および１６を介して電流が供給され、その電流に応じて、発光部１２から光が発生する。より具体的には、外部電源から電極パッド１５および１６を介して、ｐ型半導体層１２Ａとｎ型半導体層１２Ｃとの間に電圧が印加され、それらの間に電流が流れると、活性層１２Ｂにて光が発生する。すなわち活性層１２Ｂは光を発生させる発光層として機能する。
【００３０】
角度制御部３は、面型発光デバイス１の出射側（ｎ型半導体層１２Ｃ側）に設けられており、面型発光デバイス１側から入射した特定の波長の光のうち、第１の入射角度範囲内で入射した光を透過させ、該第１の入射角度範囲以外の角度で入射した光を面型発光デバイス１側の方向に反射する。
【００３１】
具体的には、角度制御部３は、誘電体多層膜よりなる。誘電体多層膜は、例えば、屈折率が異なる第１および第２の誘電体層を交互に積層したものであって、その積層方向において、屈折率が異なる領域が周期的に配置された構造を有する。誘電体材料としては、ＳｉＯ2、Ｎｂ2Ｏ5、ＺｎＯ、ＴｉＯ2、ＭｇＦ2、Ａｌ2Ｏ3、ＳｒＯ、ＣａＯ、ＢａＯ、Ｂｉ2Ｏ3などがある。
【００３２】
このような誘電体多層膜は、所定の入射角度範囲内の角度で入射した光を透過させ、所定の入射角度範囲以外の角度で入射した光を反射するといった特性を有する。所定の入射角度範囲は、誘電体層の屈折率および周期（間隔）によって決定される。
【００３３】
第１の入射角度範囲は、本実施形態の光源ユニットの出射光の発散角に対応し、誘電体層の屈折率および周期（間隔）を調整することで任意に設定することができる。
【００３４】
例えば、本実施形態の光源ユニットをプロジェクタに適用した場合は、第１の入射角度範囲は、光源の光出射断面積と出射光の発散角とで決まるエテンデューと呼ばれる制約を考慮して設定する。エテンデューによれば、光源の光出射断面積と出射光の発散角との積の値を、表示素子の表示面積と投射光学系のＦナンバーで決まる取り込み角（立体角）との積の値以下にすることで、光源から出射した光の全てを投射光として利用することができる。第１の入射角度範囲は、そのような条件を満たすような出射光の発散角を得られるように設定される。
【００３５】
角度変換部２は、面型発光デバイス１と角度制御部３との間に設けられ、面型発光デバイス１側から入射した特定の波長の光のうち、第２の入射角度範囲内で入射した光を透過させ、該第２の入射角度範囲以外の角度で入射した光については、一部の光を回折し、残りの光を０次光として透過させる。
【００３６】
具体的には、角度変換部２は、一層の回折格子よりなる。回折格子は、例えば、ガラス板の一方の面に、凸部または凹部をアレイ状に形成した凹凸構造を有する。回折が生じる入射角度範囲は、凹凸のピッチ（格子周期）により決まる。凹凸構造としては、一方向に延伸した溝部（凹部）が一定の間隔で設けられたものや、円錐、四角錐、円柱、四角柱などの凸部が周期的に２次元に配置されたものなどがある。
【００３７】
図３に示すように、通常、格子周期Ｐを有する回折格子３００では、光が入射角θ１で入射した場合、０次光の他に、回折角θ２の１次回折光が生じる。入射角θ１と回折角θ２は、数式１の関係を満たす。
Ｐｓｉｎθ１−Ｐｓｉｎθ２＝ｍλ      ・・・（数式１）
ここで、λは入射光の波長、ｍは０以外の正負の整数である。ｍは回折光の回折次数を表しており、例えば、ｍ＝＋１の時に数式１を満たす回折角θ２の回折光を＋１次回折光、ｍ＝−１の時に数式１を満たす回折角θ２の回折光を−１次回折光と呼ぶ。
【００３８】
図４Ａに、波長が４６０ｎｍの光を回折格子３００に入射した場合の入射角θ１と格子周期Ｐと＋１次回折光の出射角（回折角θ２）との関係を示す。図４Ｂに、波長が４６０ｎｍの光を回折格子３００に入射した場合の入射角θ１と格子周期Ｐと−１次回折光の出射角（回折角θ２）との関係を示す。図４Ａおよび図４Ｂにおいて、縦軸は入射角θ１を示し、横軸は格子周期Ｐを示す。また、図中の右側に示したスケールは、１次回折光の出射角（回折角θ２）を濃度で表わしたものである。
【００３９】
図４Ａおよび図４Ｂから分かるように、０次光のみが生じる第１の入射角度範囲（等高線が無い領域）と、＋１次回折光または−１次回折光と０次光とが生じる第２の入射角度範囲（等高線が有る領域）との境界によって示される入射角度の閾値は、格子周期Ｐに応じて変化する。
【００４０】
角度変換部２の第２の入射角度範囲は、入射角度の閾値によって決まる。格子周期Ｐを調整することにより、入射角度の閾値を所望の入射角度に設定することができる。ただし、格子周期Ｐは、λ／２＜Ｐ＜λの範囲である。図４Ａおよび図４Ｂの例では、λ＝４６０ｎｍである。
【００４１】
図５に、格子周期Ｐが３００ｎｍ、入射光の波長が４６０ｎｍである場合の、入射角度に対する回折角度の変化を示す。図５において、黒丸により示された曲線は、＋１次回折光の入射角度に対する回折角度の変化を示し、白丸により示された曲線は、−１次回折光の入射角度に対する回折角度の変化を示す。
【００４２】
＋１次回折光に対する入射角度の閾値は−３０°であり、−１次回折光に対する入射角度の閾値は３０°である。入射角度が３０°以下、−３０°以上の角度範囲Ａ１では、０次光のみが生じ、回折光は生じない。入射角度が３０°を超える角度範囲Ａ２では、０次光および−１次回折光が生じる。入射角度が−３０°を下回る角度範囲Ａ３では、０次光および＋１次回折光が生じる。
【００４３】
角度範囲Ａ１は、角度変換部２の第２の入射角度範囲に対応する。図５に示した例では、回折格子は、波長４６０ｎｍの入射光のうち、角度範囲Ａ１内の角度で入射した光を透過させる。また、回折格子は、角度範囲Ａ１以外の角度で入射した光の一部を回折する。
【００４４】
次に、本実施形態の光源ユニットの動作について説明する。ここでは、角度変換部２と角度制御部３は略平行に配置され、角度変換部２の第２の入射角度範囲は、角度制御部３の第１の入射角度範囲よりも小さくなるように設定されている。
【００４５】
面型発光デバイス１から出射された光は、角度変換部２に入射する。角度変換部２は、入射光のうち、第２の入射角度範囲内の角度で入射した光をそのまま透過させ、第２の入射角度範囲以外の角度で入射した光については、一部の光を回折する。
【００４６】
角度変換部２を透過した第２の入射角度範囲内の第１の透過光（０次光のみ）は、角度制御部３に入射する。第１の透過光の角度制御部３への入射角度は、第１の入射角度範囲内であるので、第１の透過光は、角度制御部３をそのまま透過する。
【００４７】
一方、角度変換部２を透過した第２の入射角度範囲以外の第２の透過光（０次光および１次回折光）も、角度制御部３に入射する。第２の透過光に含まれている光のうち、角度制御部３への入射角度が第１の入射角度範囲内にあるものは角度制御部３を透過し、角度制御部３への入射角度が第１の入射角度範囲外にあるものは角度制御部３の入射面で、角度変換部２側の方向へ反射される。
【００４８】
第２の透過光には、角度制御部３への入射角度が第１の入射角度範囲以外である第１の１次回折光を含むものや、角度制御部３への入射角度が第１の入射角度範囲内である第２の１次回折光を含むものがある。第１の１次回折光は、角度制御部３の入射面で、角度変換部２側の方向へ反射されるが、第２の１次回折光は、角度制御部３をそのまま透過する。
【００４９】
角度制御部３の入射面で反射された反射光は、角度制御部３と面型発光デバイス１の間で繰り返し反射される。この多重反射の過程において、面型発光デバイス１に入射した光の一部が面型発光デバイス１で吸収される。
【００５０】
加えて、多重反射の過程において、反射光の一部は、角度変換部２にて回折され、その角度制御部３への入射角度が変化する。この回折を通じて、反射光の一部の光の角度制御部３への入射角度が第１の入射角度範囲内となる。角度制御部３への入射角度が第１の入射角度範囲内となった反射光は、角度制御部３をそのまま透過する。このように、多重反射による反射光の再利用が可能である。
【００５１】
以下、比較例を上げて、本実施形態の光源ユニットによる出射光強度の低下の抑制効果について説明する。
【００５２】
図６Ａに、比較例である光源ユニットの構成を示す。比較例の光源ユニットは、図１に示した光源ユニットの角度変換部２に代えて拡散板２００を設けたものである。面発光デバイス１および角度制御部３は、図１に示したものと同じである。
【００５３】
比較例の光源ユニットにおいては、図６Ａに示すように、面発光デバイス１側から角度制御部３側に向かう光は全て、拡散板２００で拡散される。拡散光は、拡散板２００の両面（角度制御部３側の面および面型発光デバイス１側の面）から出射される。
【００５４】
拡散板２００の角度制御部３側の面から出射された拡散光は、角度制御部３に入射する。角度制御部３は、拡散板２００からの拡散光のうち、第１の入射角度範囲内の角度で入射した光を透過させ、残りの光は拡散板２００側の方向に反射する。角度制御部３からの反射光は、拡散板２００にて拡散される。
【００５５】
拡散板２００の面型発光デバイス１側の面から出射された拡散光は、面発光デバイス１に入射する。面発光デバイス１では、入射した光の一部が吸収される。
【００５６】
このように、比較例の光源ユニットでは、面発光デバイス１から出射された光は、必ず、拡散板２００にて拡散されて、その一部が面発光デバイス１で吸収されるので、出射光の強度が低下する。
【００５７】
これに対して、本実施形態の光源ユニットによれば、図６Ｂに示すように、面型発光デバイス１から出射された光のうち、角度変換部２への入射角が第２の入射角度範囲内である光１ａは、回折されることなく、そのまま角度変換部２および角度制御部３を透過する。
【００５８】
このように、面型発光デバイス１から出射された光の一部を、そのまま出射光として取り出すことができるので、図６Ａに示した光源ユニットと比較して、面型発光デバイス１での光吸収による出射光強度の低下を抑制することができる。
【００５９】
また、面型発光デバイス１から出射された光のうち、角度変換部２への入射角が第２の入射角度範囲以外の光には、角度変換部２で生じる１次回折光の角度制御部３への入射角が第１の入射角度範囲内となる光１ｂも含まれている。この光１ｂについては、一部の光が角度変換部２にて回折され、その１次回折光の一部は角度制御部３を透過する。これによっても、面型発光デバイス１での光吸収による出射光強度の低下を抑制することができる。
【００６０】
以上説明した本実施形態の光源ユニットは、本発明の一例であり、その構成は図示したものに限定されない。
【００６１】
例えば、角度変換部２の格子周期Ｐは、一定であっても、ランダムであってもよい。ただし、格子周期Ｐは、λ／２＜Ｐ＜λの条件を満たす必要がある。
【００６２】
図７に、格子周期Ｐがランダムである角度変換部２の一例を示す。
【００６３】
図７を参照すると、角度変換部２は、ガラスなどの基板２０と、基板２０上に形成された複数の凸部２１を有する。各凸部２１は、直方体形状のものであり、不等間隔で一方向に平行に形成されている。
【００６４】
凸部２１の間隔（格子周期Ｐ）を不等間隔とすることで、角度変換部２にて回折された光の回折角に広がりが生じる。すなわち、角度変換部２に入射した光は、凸部２１の間隔の変動幅（周期変動幅）に応じた角度内で散乱される。また、発光部１２と角度制御部３の間で多重反射および回折を繰り返す際に、角度変換部２への入射位置によって回折角度が変化する。これにより、角度変換部２による拡散効果が増大し、反射光の再利用効率が向上する。ただし、この場合は、入射角度の閾値は、凸部２１の間隔の変動幅（周期変動幅）に応じた変動幅を持つ。
【００６５】
図８に、格子周期Ｐがランダムである角度変換部２の別の例を示す。
【００６６】
図８を参照すると、角度変換部２は、ガラスなどの基板２０と、基板２０上に形成された複数の凸部２２を有する。凸部２２は、直方体形状のものであり、不等間隔で２次元に形成されている。第１の方向に並ぶ凸部２２の間隔および第１の方向と直交する第２の方向に並ぶ凸部２２の間隔はいずれも不等間隔である。
【００６７】
図８に示す角度変換部２によっても、拡散効果が増大し、反射光の再利用効率が向上する。
【００６８】
図７および図８に示した角度変換部２において、高さ（厚さ）や幅が異なる複数の凸部を設けてもよい。
【００６９】
また、図７に示した角度変換部２において、凸部２１の断面形状は四角形に限定されず、三角形状など他の形状であってもよい。図８に示した角度変換部２においても、凸部２２の形状は、直方体に限定されず、円錐、四角錐、円柱などの形状であってもよい。
【００７０】
（第２の実施形態）
図９は、本発明の第２の実施形態の光源ユニットの構成を示す模式図である。
【００７１】
図９に示す光源ユニットは、角度変換部２に代えて角度変換部４を設けた点で、第１の実施形態のものと異なる。面型発光デバイス１および角度制御部３は、第１の実施形態で説明したものと同じであるので、ここでは、その詳細な説明は省略する。
【００７２】
角度変換部４は、多層回折格子であって、屈折率が異なる誘電体層４ａ、４ｂを交互に積層した誘電体多層膜よりなる。誘電体多層膜の面型発光デバイス１側の面と誘電体層４ａ、４ｂの界面とには、凹凸部が周期的に形成されている。誘電体層４ａ、４ｂとしては、ＳｉＯ2、Ｎｂ2Ｏ5、ＺｎＯ、ＴｉＯ2、ＭｇＦ2、Ａｌ2Ｏ3、ＳｒＯ、ＣａＯ、ＢａＯ、Ｂｉ2Ｏ3などがある。
【００７３】
第１の実施形態で説明した角度変換部２と同様、角度変換部４の各回折格子は、面型発光デバイス１側から入射した特定の波長の光のうち、第２の入射角度範囲内で入射した光を透過させ、該第２の入射角度範囲以外の角度で入射した光については、一部の光を回折（または散乱）する。ここで、第２の入射角度範囲は、第１の実施形態で説明した角度変換部２の第２の入射角度範囲と同じように定義することができる。
【００７４】
また、角度変換部４では、第２の入射角度範囲以外の角度で入射した光は多重回折（散乱）される。この多層回折を利用して、面型発光デバイス１から出射された光を効率良く第１の入射角度範囲内の角度で角度制御部３に入射させることができる。
【００７５】
以下、角度変換部４の動作を具体的に説明する。ここでは、角度制御部３および角度変換部４は略平行に配置され、角度変換部４の第２の入射角度範囲が、角度制御部３の第１の入射角度範囲よりも小さくなるように設定されている。
【００７６】
図１０に示すように、面型発光デバイス１から出射された光のうち、角度変換部４への入射角が第２の入射角度範囲内である光１ａは、回折または散乱されることなく、そのまま角度変換部４および角度制御部３を透過する。
【００７７】
また、面型発光デバイス１から出射された光のうち、角度変換部４への入射角が第２の入射角度範囲内である光１ｂに関して、各回折格子において、０次光として入射した光の一部が回折される。図１０中、実線で示した矢印は０次光を示し、破線で示した矢印は１次回折光を示す。
【００７８】
また、面型発光デバイス１から出射された光のうち、角度変換部４を０次光として透過または回折された光１ｂに関して、光の角度制御部３への入射角が第１の入射角度範囲内にあるものは角度制御部３を透過する。
【００７９】
一方、光１ｂのうち、角度制御部３への入射角度が第１の入射角度範囲外にあるものは角度制御部３の入射面で、角度変換部２側の方向へ反射される。
【００８０】
第１の実施形態では、角度変換部２は１層の回折格子よりなるため、面型発光デバイス１から出射された光１ｂについて、その回折格子を透過した０次光のうち、第１の入射角度範囲外の光は、角度制御部３で面型発光デバイス１側の方向に反射される。
【００８１】
これに対して、本実施形態では、角度変換部４は多層の回折格子よりなるため、面型発光デバイス１から出射された光１ｂについて、１層目の回折格子を透過した０次光は、２層目以降の回折格子にて、その一部が回折され、１次回折光が生じる。各回折格子で生じた１次回折光の一部は、角度制御部３を透過する。
【００８２】
このように、光１ｂについて、角度制御部３に入射する０次光の割合を減らすことができるので、第１の実施形態のものと比較して、面型発光デバイス１での光吸収による出射光強度の低下をさらに抑制することができる。よって、出射光強度がさらに高い、指向性に優れた光源ユニットを提供することができる。
【００８３】
図１１Ａに、図６Ａに示した比較例の光源ユニットの出射光強度と出射角度の関係を示し、図１１Ｂに、本実施形態の光源ユニットの出射光強度と出射角度の関係を示す。図１１Ａおよび図１１Ｂにおいて、点線で示した曲線は、面型発光デバイス１の出射光を示し、実線で示した曲線は光源ユニットの出射光を示す。これらの例は、面型発光デバイス１と角度制御部３との間での反射回数を１回とした場合の出射光強度をシミュレーションにより求めたものである。
【００８４】
比較例の光源ユニットでは、面型発光デバイス１と角度制御部３との間の反射の過程で、拡散板２００にて反射光を拡散させることで、出射光強度を増大することができる。図１１Ａに示す例では、出射角度４５°以下において、明るさが、面型発光デバイス１の出射光強度に対して約３０％向上している。
【００８５】
一方、本実施形態の光源ユニットでは、面型発光デバイス１からの出射光の一部を、角度制御部３で反射することなく、直接、出射光として取り出すことで、出射光強度を増大することができる。図１１Ｂに示す例では、出射角度４５°以下において、明るさが、面型発光デバイス１の出射光強度に対して約７０％向上している。
【００８６】
このように、本実施形態の光源ユニットによれば、出射光強度の高い、指向性に優れた光源ユニットを提供することができる。
【００８７】
以上説明した本実施形態の光源ユニットは、本発明の一例であり、その構成は図示したものに限定されない。例えば、多層の回折格子を形成することができるのであれば、角度変換部４の誘電体層数はいくつに設定されてもよい。
【００８８】
また、角度変換部４は、３種類以上の誘電体層を繰り返し積層した構成であってもよい。
【００８９】
また、角度変換部４の回折格子の格子形状（凹凸形状）は、直方体、円錐、四角錐、円柱などの種々の形状を適用することができる。
【００９０】
図１２Ａに、角度変換部４の一例を示す。
【００９１】
図１２Ａに示す角度変換部４は、誘電体層４ａ、４ｂを交互に積層した積層構造を有する。誘電体層４ａ、４ｂの界面には、直方体形状の凸部が周期的に２次元に形成された回折格子が形成されている。積層構造の一方の面（誘電体層ｂ側の面）にも、同様の回折格子が形成されている。
【００９２】
図１２Ｂに、角度変換部４の別の例を示す。
【００９３】
図１２Ｂに示す角度変換部４は、誘電体層４ａ、４ｂを交互に積層した積層構造を有する。誘電体層４ａ、４ｂの界面には、第１の方向に延伸した断面形状が四角形の凸部が第１の方向と直交する第２の方向に周期的に形成された回折格子が形成されている。積層構造の一方の面（誘電体層ｂ側の面）にも、同様の回折格子が形成されている。
【００９４】
図１２Ｃに、角度変換部４のさらに別の例を示す。
【００９５】
図１２Ｃに示す角度変換部４は、誘電体層４ａ、４ｂを交互に積層した積層構造を有する。誘電体層４ａ、４ｂの界面には、第１の方向に延伸した断面形状が三角形の凸部が第１の方向と直交する第２の方向に周期的に形成された回折格子が形成されている。積層構造の一方の面（誘電体層ｂ側の面）にも、同様の回折格子が形成されている。
【００９６】
（第３の実施形態）
図１３は、本発明の第３の実施形態の光源ユニットの構成を示す模式図である。
【００９７】
図１３に示す光源ユニットは、角度変換部４の各回折格子の面内方向における格子周期を不等間隔とした点で、第２の実施形態のものと異なる。面型発光デバイス１および角度制御部３は、第１または第２の実施形態で説明したものと同じであるので、ここでは、その詳細な説明は省略する。
【００９８】
図１３に示すように、面型発光デバイス１から出射された光のうち、角度変換部４への入射角が第２の入射角度範囲内である光１ａは、回折または散乱されることなく、そのまま角度変換部４および角度制御部３を透過する。
【００９９】
また、面型発光デバイス１から出射された光のうち、第２の入射角度範囲以外の角度で角度変換部４に入射した光１ｂについては、その一部が角度変換部４にて回折または散乱され、残りの光は０次光として角度変換部４を透過する。すなわち、光１ｂについては、角度変換部４の各回折格子において１次回折光と０次光とが生じる。図１３中、実線で示した矢印は０次光を示し、破線で示した矢印は１次回折光を示す。
【０１００】
１次回折光の回折角は、回折周期に依存し、回折周期が大きいほど回折角は小さくなる。角度変換部４の各回折格子の面内方向における回折周期は不等間隔であるので、１次回折光の回折角は、面内における光が入射する位置によって異なる。
【０１０１】
本実施形態の光源ユニットによれば、光１ｂについては、各回折格子にて生じる１次回折光が異なる方向に出射されるため、第１および第２の実施形態の光源ユニットと比較して、角度変換部４による拡散効果が増大し、反射光の再利用効率が向上する。
【０１０２】
ただし、本実施形態の場合は、入射角度の閾値は、角度変換部４の各回折格子の周期変動幅に応じた変動幅を持つ。
【０１０３】
上述した第１乃至第３の実施形態によれば、出射光強度の改善効果に加えて、面型発光デバイス１から放出される熱の他の部材への影響の問題も解決することができる。
【０１０４】
例えば、特許文献１に記載のものや図６Ａに示した比較例の光源ユニットにおいて、バックライトや面型発光デバイス１として高出力の光源を用いた場合、その光源からの熱によって拡散板の樹脂が変性し、その結果、光拡散効果の減少や透過率の低下などの問題が生じる。
【０１０５】
これに対して、第１の実施形態の光源ユニットによれば、角度変換部２は、ガラス等の耐熱性に優れた光学材料により構成されているので、面型発光デバイス１として高出力の光源を用いても、熱によって角度変換部２が変性することはない。
【０１０６】
また、第２および第３の実施形態の光源ユニットにおいては、角度変換部４は、耐熱性に優れた誘電体材料により構成されている。よって、この場合も、熱によって角度変換部４が変性することはない。
【０１０７】
このように、第１乃至第３の実施形態によれば、面型発光デバイス１として高出力の光源を用いることができるので、出射光強度の高い光源ユニットを提供することができる。
【０１０８】
以上説明した各実施形態の光源ユニットは、本発明の一例であり、その構成は図示したものに限定されるものではない。
【０１０９】
例えば、角度変換部の回折格子が形成された面は、面型発光デバイス１側および角度制御部３側のいずれの側に向いていてもよい。
【０１１０】
また、角度変換部は、３次元フォトニック結晶により形成されてもよい。フォトニック結晶は、光の波長程度の周期的な屈折率分布を有するナノ構造体であって、周期に対応する光の進入が禁止される特性を有する。３次元フォトニック結晶は、ナノ構造体が３次元に形成されたものである。
【０１１１】
また、各実施形態では、面型発光デバイスと角度変換部の間および角度変換部と角度制御部の間は空隙を有するが、これに限定されない。面型発光デバイスと角度変換部および角度変換部と角度制御部は密着して形成されてもよい。
【０１１２】
以上説明した本発明の光源ユニットは、プロジェクタやフラットパネルディスプレイに代表される画像表示装置全般に適用することができる。
【０１１３】
図１４に、本発明の光源ユニットが適用された画像表示装置の一例を示す。
【０１１４】
図１４において、画像表示装置は、プロジェクタであり、光源ユニット５０と、表示部５１とを有する。
【０１１５】
光源ユニット５０は、前述した第１乃至第３の実施形態の光源ユニットのいずれかである。
【０１１６】
表示部５１は、光源ユニット５０からの光を映像信号に応じて変調して、当該映像信号に応じた画像を表示するものである。より具体的には、表示部２は、空間光変調部５２と、投射光学系５４とを含む。
【０１１７】
空間光変調部５２は、例えば、液晶ＬＶ（light valve：ライトバルブ）などの空間変調素子であり、光源ユニット５０からの光を映像信号に応じて変調する。投射光学系５３は、例えば、レンズなどの光学系であり、空間光変調部５２からの出射光（変調光）をスクリーン５４に投射する。これにより、映像信号に応じた画像がスクリーン５４上に表示される。
【符号の説明】
【０１１８】
１  面型発光デバイス
２  角度変換部
３  角度制御部
【図１】
2012234717.tif 000003
【図２】
2012234717.tif 000004
【図３】
2012234717.tif 000005
【図５】
2012234717.tif 000006
【図６Ａ】
2012234717.tif 000007
【図６Ｂ】
2012234717.tif 000008
【図１４】
2012234717.tif 000009
【図４Ａ】
2012234717.tif 000010
【図４Ｂ】
2012234717.tif 000011
【図７】
2012234717.tif 000012
【図８】
2012234717.tif 000013
【図９】
2012234717.tif 000014
【図１０】
2012234717.tif 000015
【図１１Ａ】
2012234717.tif 000016
【図１１Ｂ】
2012234717.tif 000017
【図１２Ａ】
2012234717.tif 000018
【図１２Ｂ】
2012234717.tif 000019
【図１２Ｃ】
2012234717.tif 000020
【図１３】
2012234717.tif 000021