(57)【要約】【課題】光源からの光を入射端５ａ、５ｂから入射し、内表面３で繰り返して反射して射出端６から射出するライトパイプ１において、光の指向性が高く、輝度分布の均一な照明光を、光の利用効率を向上させて射出する。【解決手段】導光体２は、射出端６から入射端５ａ、５ｂに向けて途中から複数の小導光体２ａ、２ｂに分岐し、記複数の小導光体２ａ、２ｂの夫々は、小導光体２ａ、２ｂの外周部を構成する外側部１６ａ、１６ｂと隣接する他の小導光体２ａ、２ｂの側に位置するテーパ状の内側部１７ａ、１７ｂとを備え、入射端５ａ、５ｂから射出端６に向けて断面が末広状に拡大するように構成され、複数の小導光体２ａ、２ｂは、少なくとも外側部１６ａ、１６ｂの内表面に回折部４が形成され、射出端６から射出される光の射出角度βが、入射端５ａ、５ｂから導入される光の入射角度αよりも小さくなるようにした。【選択図】図１
2009244362.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
側壁面が反射面の筒状の導光体からなり、入射端から光を導入し側壁面で繰り返して反射させて射出端から前記光を射出するライトパイプにおいて、
前記導光体は、前記入射端から前記射出端に向けて途中まで複数の小導光体に分岐し、
前記複数の小導光体の夫々は、前記導光体の外周部を構成する外側部と、隣接する他の小導光体の側に位置するテーパ状の内側部とを有し、前記入射端から前記射出端に向けて断面が末広状に拡大するように構成され、
前記複数の小導光体は、少なくとも前記外側部の側壁面に回折部が形成され、
前記射出端から射出される光の射出角が、前記入射端から導入される光の入射角よりも小さくなることを特徴とするライトパイプ。
【請求項２】
前記導光体は、前記入射端から前記射出端に向けて途中まで４つの小導光体に分岐し、前記入射端は前記４つの小導光体の端部に分割して形成されていることを特徴とする請求項１に記載のライトパイプ。
【請求項３】
前記回折部は複数の溝を有し、
前記複数の溝の間隔は、前記入射端に近づくほど狭くなることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のライトパイプ。
【請求項４】
前記小導光体は、前記外側部が多角形状を有しており、
前記回折部が有する複数の溝の間隔は、前記多角形状の隣り合う辺に対応する外側部の側壁面において、互いに異なることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のライトパイプ。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載のライトパイプと、前記ライトパイプの前記入射端に設置された複数の発光素子とを備えた照明光学系。
【請求項６】
前記入射端は、前記分岐した小導光体の端部に分割されており、
前記分割された夫々の入射端に対応して、複数の前記発光素子が設置されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の照明光学系。
【請求項７】
前記発光素子の発光面の形状は、前記分割された夫々の入射端の形状と略同一であることを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の照明光学系。
【請求項８】
前記入射端は、４つに分岐した小導光体の端部に分割されており、前記分割された４つの入射端には赤、緑、青、白の各発光色の発光素子が設置されていることを特徴とする請求項６又は請求項７に記載の照明光学系。
【請求項９】
前記入射端は、４つに分岐した小導光体の端部に分割されており、前記分割された４つの入射端には赤、緑、緑、青の各発光色の発光素子が設置されていることを特徴とする請求項６又は請求項７に記載の照明光学系。
【請求項１０】
前記請求項５〜９のいずれか１項に記載される照明光学系と、前記照明光学系から射出される照明光を画像光に変換する光変調部と、前記画像光を投影する投影部を備えた画像投影装置。
【請求項１１】
前記照明光学系は、３原色に夫々対応して有し、
前記夫々の照明光学系から射出される光を合成する光合成部と、
前記光合成部により合成した光を変調する前記光変調部と、
前記光変調部により変調した光を投影する前記投影部と、を有する請求項１０に記載の画像投影装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一端から光を導入し、他端からその光を射出するライトパイプ、及びこれを用いた照明光学系及び画像投影装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
光源からの光を液晶表示素子やＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ  Ｄｅｖｉｃｅ）素子等の光変調素子に照射し、スクリーン上に画像を投影する画像投影装置が普及している。光変調素子に照射する光源として、ハロゲンランプや高圧水銀ランプ等が用いられてきた。しかし、これらの光源は大電力が必要なことや、温度が上昇するので冷却装置が必要であるために、重量や体積が大きくなり、装置全体をコンパクトに構成することの妨げとなった。一方、近年、発光ダイオード（ＬＥＤ：Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ）の輝度及び発光効率が向上している。ＬＥＤは、駆動電圧が低く、小型軽量であるために、画像投影装置の光源に利用できれば、装置全体の小型化、軽量化を図ることができる。
【０００３】
しかし、ＬＥＤから射出される光は指向性が低く、リフレクタや集光レンズ系が必要なことや、光が射出される方向の輝度は必ずしも均一ではない。射出光の指向性が低いと、画像投影に利用できる光の割合が低下し、投影面が暗くなる。また、射出方向に対して輝度むらが存在すると、投影面に輝度むらが生じて、画像品質が低下する。特許文献１は、このような不具合を、ロッドインテグレータ（以下、ライトパイプという。）を用いて改善しようというものである。
【０００４】
図７は、特許文献１に記載される照明用光源装置５０の断面構造を示す。照明用光源装置５０は、ライトパイプ５１と、ライトパイプ５１の光入射開口５４に設けた白色ＬＥＤ５２とから構成されている。白色ＬＥＤ５２は、ライトパイプ５１の端部よりも発光点５３を光案内通路５６の内側に設置し、発光点５３から発光する光を効率よく光射出開口５５まで導くことができる。また、ライトパイプ５１を中空の筒状としたので、中実の柱状のライトパイプを用いる場合よりも、光の内面反射の回数が増える。そのため、光が光射出開口５５から射出される際に、より均一な強度の照明光を得ることができる、というものである。
【０００５】
図８は、特許文献２に記載される照明装置６０の断面構造を示す。複数のテーパロッド６３と、その先に、これらの複数のテーパロッド６３の射出側開口部を集合したロッド６４と、すり鉢状の各テーパロッド６３の底に設置されるＬＥＤ６８Ｒ、６８Ｇ、６８Ｂ及び各ＬＥＤを搭載した基板６７とからなるＬＥＤアレイ６２から構成されている。各ＬＥＤ６８Ｒ、６８Ｇ、６８Ｂで発光した光は、テーパロッド６３の壁面により反射されて射出角が狭くなり、ロッド６４の射出端から射出される。ＬＥＤ６８Ｒ、６８Ｇ、６８Ｂの複数の光源から発光した各色の光が合成されて、より指向性の高い白色光を射出させることができる、というものである。
【特許文献１】特開２００５−２８３９１８号公報
【特許文献２】特開２００３−３３０１０９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に記載される照明用光源装置５０において、例えば、白色ＬＥＤ５２の発光点５３において発光した光の射出角をθとする。発光点５３で発光した光は、ライトパイプ５１の内表面５７で繰り返して反射され、光射出開口５５に進む。しかし、内表面５７で光が反射する場合、入射角と反射角は等しい。即ち、白色ＬＥＤ５２から射出された光が光射出開口５５から射出するときは、上記射出角が維持される。従って、光射出開口５５から射出される光の射出角をφとすると、この射出角φは発光角θとほとんど同じとなる。従って、図７に示される照明用光源装置５０では、ライトパイプ５１から射出する光の指向性は、光源であるＬＥＤ５２から射出する光の指向性とさほど変わらない。従って、光の利用効率を低下させないための追加の工夫も必要となる。特に、プロジェクタに用いた場合、投影レンズの許容入射角はＬＥＤの発光角より小さいため、許容入射角より大きな射出角でライトパイプから射出された光は、投影レンズから投影されず、損失となる。
【０００７】
特許文献２に記載される照明装置６０では、各ＬＥＤ６８Ｒ、６８Ｇ、６８Ｂで発光した光は、リフレクタの機能を有するテーパロッド６３により指向性が高くなって射出される。しかし、各ＬＥＤ６８Ｒ、６８Ｇ、６８Ｂにおいて発光した光は各テーパロッド６３内で繰り返し反射されず、また、テーパロッド６３の先に設けたロッド６４は口径が大きいので、テーパロッド６３から射出された光の繰り返し反射回数は少ない。例えば各ＬＥＤ６８Ｒ、６８Ｇ、６８Ｂから射出された光に射出角依存性がある場合は、ロッド６４から射出される射出光の角度依存性がそのまま保持され、投影される画像に色むらとして現れる。同様に、各ＬＥＤ６８Ｒ、６８Ｇ、６８Ｂ間で発光色が異なる場合、ロッド６４から射出される光に色分布が発生する恐れがある。色分布が発生すると投影画像の品質が低下するので、ロッド６４と光変調素子との間に、光混合手段を更に設ける等の対策が必要となる。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明においては上記課題を解決するために以下の手段を講じた。
【０００９】
請求項１に係る発明においては、側壁面が反射面の筒状の導光体からなり、入射端から光を導入し側壁面で繰り返して反射させて射出端から前記光を射出するライトパイプにおいて、前記導光体は、前記入射端から前記射出端に向けて途中まで複数の小導光体に分岐し、前記複数の小導光体の夫々は、前記導光体の外周部を構成する外側部と、隣接する他の小導光体の側に位置するテーパ状の内側部とを有し、前記入射端から前記射出端に向けて断面が末広状に拡大するように構成され、前記複数の小導光体は、少なくとも前記外側部の側壁面に回折部が形成され、前記射出端から射出される光の射出角が、前記入射端から導入される光の入射角よりも小さくなることを特徴とするライトパイプとした。
【００１０】
請求項２に係る発明においては、前記導光体は、前記入射端から前記射出端に向けて途中まで４つの小導光体に分岐し、前記入射端は前記４つの小導光体の端部に分割して形成されていることを特徴とする請求項１に記載のライトパイプとした。
【００１１】
請求項３に係る発明においては、前記回折部は複数の溝を有し、前記複数の溝の間隔は、前記入射端に近づくほど狭くなることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のライトパイプとした。
【００１２】
請求項４に係る発明においては、前記小導光体は、前記外側部が多角形状を有しており、前記回折部が有する複数の溝の間隔は、前記多角形状の隣り合う辺に対応する外側部の側壁面において、互いに異なることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のライトパイプとした。
【００１３】
請求項５に係る発明においては、請求項１〜４のいずれか１項に記載のライトパイプと、前記ライトパイプの前記入射端に設置された複数の発光素子とを備えた照明光学系とした。
【００１４】
請求項６に係る発明においては、前記入射端は、前記分岐した小導光体の端部に分割されており、前記分割された夫々の入射端に対応して、複数の前記発光素子が設置されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の照明光学系とした。
【００１５】
請求項７に係る発明においては、前記発光素子の発光面の形状は、前記分割された夫々の入射端の形状と略同一であることを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の照明光学系とした。
【００１６】
請求項８に係る発明においては、前記入射端は、４つに分岐した小導光体の端部に分割されており、前記分割された４つの入射端には赤、緑、青、白の各発光色の発光素子が設置されていることを特徴とする請求項６又は請求項７に記載の照明光学系とした。
【００１７】
請求項９に係る発明においては、前記入射端は、４つに分岐した小導光体の端部に分割されており、前記分割された４つの入射端には赤、緑、緑、青の各発光色の発光素子が設置されていることを特徴とする請求項６又は請求項７に記載の照明光学系とした。
【００１８】
請求項１０に係る発明においては、前記請求項５〜９のいずれか１項に記載される照明光学系と、前記照明光学系から射出される照明光を画像光に変換する光変調部と、前記画像光を投影する投影部を備えた画像投影装置とした。
【００１９】
請求項１１に係る発明においては、前記照明光学系は、３原色に夫々対応して有し、
前記夫々の照明光学系から射出される光を合成する光合成部と、前記光合成部により合成した光を変調する前記光変調部と、前記光変調部により変調した光を投影する前記投影部と、を有する請求項１０に記載の画像投影装置とした。
【発明の効果】
【００２０】
本発明に係るライトパイプは、側壁面が反射面の筒状の導光体からなり、入射端から光を導入し側壁面で繰り返して反射させて射出端から前記光を射出するライトパイプであり、導光体は、入射端から射出端に向けて途中まで複数の小導光体に分岐し、この複数の小導光体の夫々は、導光体の外周部を構成する外側部と、隣接する他の小導光体の側に位置するテーパ状の内側部とを有しており、入射端から射出端に向けて断面が末広状に拡大するように構成されている。複数の小導光体は、少なくとも外側部の側壁面に回折部が形成され、射出端から射出される光の射出角が、前記入射端から導入される光の入射角よりも小さくなるようにした。これにより、入射した光の指向性よりも高い指向性を付与し、射出端における輝度の均一性を向上させた光を射出させることができ、結果として光の利用効率を向上させることができる、という利点を有する。
【００２１】
また、導光体は、入射端から射出端に向けて途中まで４つの小導光体に分岐し、入射端はこの４つの小導光体の端部に分割して形成されている。これにより、４分割された入射端から、例えば異なる色の光を入射した場合でも、各色の光は互いに混合され、かつ、指向性の高い光を射出することができる、という利点を有している。
【００２２】
また、回折部は複数の溝を有し、複数の溝の間隔は、入射端に近づくほど狭くなるようにした。ライトパイプの入射端の領域に入射した光は、発光素子からの発光角が大きいほど入射端近くの回折部に入射する。入射端近くの回折部は、射出口側の回折部よりも溝の間隔が狭いため、より強い回折作用を受けて回折される。そのために、指向性の広い領域の光をより大きく曲げることができ、射出光の指向性をより高めることができる。
【００２３】
また、小導光体は、外側部が多角形状を有しており、回折部が有する複数の溝の間隔は、多角形状の隣り合う辺に対応する外側部の側壁面において、互いに異なるようにした。これにより、導光体の隣り合う外側部の内表面における反射条件を個別に設定して、隣り合う外側部の形状に依存する輝度むらを低減した光を射出することができる、という利点を有する。
【００２４】
また、上記ライトパイプと、上記ライトパイプの入射端に設置された発光素子とを備えた照明光学系とした。また、分割された夫々の入射端と発光面の形状とを略同一とした。これにより、光源の光の漏れを防止することができるので、光の利用効率を向上させることができる、という利点を有している。
【００２５】
また、入射端は、分岐した小導光体の端部に分割されており、分割された夫々の入射端に対応して、複数の前記発光素子が設置されるようにした。これにより、同色の光源の場合は輝度の向上した光を、もしくは異なる色の光源の場合は、均一に加法混色された指向性の高い光を射出させることができる、という利点を有する。
【００２６】
また、入射端は、４つに分岐した小導光体の端部に分割されており、分割された４つの入射端には赤、緑、緑、青、又は、赤、緑、青、白の各発光色の発光素子が設置されるようにした。これにより、視感度特性に合致した全ての色の光を照射することができる、あるいは、強い白色口の光とともに、総ての色の光を照射することができる、という利点を有している。
【００２７】
また、上記照明光学系と、上記照明光学系から射出される照明光を画像光に変換する光変調部と、前記画像光を投影する投影部を備えた画像投影装置とした。これにより、軽量、小型の画像投影装置を構成することができる、という利点を有している。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、本発明の構成を、図面を用いて詳細に説明する。
【００２９】
図１は、本発明の実施形態に係るライトパイプ１の構成を表す模式的な縦断面図である。ライトパイプ１は、筒型の形状を有し、内部が中空の導光体２から構成されている。導光体２は、光を入射する入射端５ａ、５ｂ側から光を射出する射出端６側に向けて途中まで２つの小導光体２ａ、２ｂに分岐している。小導光体２ａは、導光体２の射出端６側の外周部が延在する外側部１６ａと、途中までテーパ状に形成される内側部１７ａにより構成されている。同様に、小導光体２ｂは、導光体２の外周部が延在する外側部１６ｂと、途中までテーパ状に形成される内側部１７ｂにより構成されている。内側部１７ａと内側部１７ｂとは、楔状の形状を有して、導光体２の内部において一体化する。即ち、各小導光体２ａ、２ｂは、夫々の入射端５ａ、５ｂから射出端６に向けて、断面が末広状に拡大する形状を有している。回折部の長さをＬＧとするとＬＧ＝Ｗ／(ｔａｎ β／２ )  より回折部の長さＬＧが定義され、射出角度βより大きい角度で入射した光は必ず回折部に入射するので射出口６から小さな射出角度βで射出させることができる。このときＷはライトパイプの入射口の大きさである。なお、以下、広がりを持って入射する光束のうちの最大角度を入射角度αとし、広がりを持って射出する光束のうちの最大角度を射出角度βとする。
【００３０】
導光体２の内表面３は光を反射する反射面により構成されている。各小導光体２ａ、２ｂの内側部１７ａ、１７ｂの内表面は光を反射する反射面により構成されている。各小導光体２ａ、２ｂの外側部１６ａ、１６ｂの内表面は光を反射する反射面により構成され、回折部４が形成されている。各小導光体２ａ、２ｂの光を導入する端部が夫々入射端５ａ、５ｂを構成する。
【００３１】
各入射端５ａ、５ｂから入射した光は、各小導光体２ａ、２ｂを通過して射出端６から射出される。入射端５ａ又は入射端５ｂから入射した光が内側部１７ａ又は内側部１７ｂの内表面により反射されると、各内側部１７ａ、１７ｂが導光体２の光軸Ｑに対して傾斜しているので、その反射光は光軸Ｑ方向に揃う。また、入射端５ａから入射した光が、外側部１６ａに入射角γ１で入射した光のうち幾つかの次数光は、入射角γ１よりも大きな角度γ２で回折される。外側部１６ｂに入射する場合も同様である。導光体２の内表面３においては、入射角γ３と反射角γ４とは等しい。
【００３２】
以上のとおり、各小導光体２ａ、２ｂの内表面で反射されるたびに、その反射光は光軸Ｑ方向に揃うようになる。その結果、射出端６から射出される射出光の射出角度βは、各小導光体２ａ、２ｂに入射する入射角度αよりも小さくなり、より指向性が高くなる。また、各小導光体２ａ、２ｂ及び導光体２内で繰り返し反射されるので、小導光体２ａを介して入射した光と、小導光体２ｂを介して入射した光とは混合され、射出端６からは輝度分布の均一性が向上した射出光が射出される。
【００３３】
なお、以上の構成において、導光体２の内表面３、小導光体２ａ、２ｂの外側部１６ａ、１６ｂ、内側部１７ａ、１７ｂの内表面が側壁面に相当する。以下、同様である。
【００３４】
導光体２として、ガラス等の無機材料や、プラスチック等の樹脂材料、金属材料、セラミックス等を使用する。導光体２の内表面３には、例えばＡｇやＡｌ等の金属膜や誘電体多層膜を設けている。導光体２は、円筒形の形状であってもよいし、多角の筒状形であってもよい。均一な面光源が必要な装置に応じて、その形状を設定する。例えば、表示有効面が四角形の光変調素子に光を照射する場合には、導光体２の短手方向の断面を四角形にする。これにより、指向性が高く面内輝度分布の均一性の高い射出光を得ることができる。
【００３５】
回折部４は、各小導光体２ａ、２ｂの入射端５ａ、５ｂ側の領域の少なくとも外側部１６ａ、１６ｂの内表面に沿って形成する、或いは、当該内表面の一部に形成する。また、各小導光体２ａ、２ｂの内側部１７ａ、１７ｂの内表面に回折部を形成してもよい。回折部４の形状は、凹形状やＶ字形状の溝、或いは凸形状や断面が三角形あるいは鋸歯状の突条とすることができる。回折部４の形状は、利用したい一つもしくは複数の次数の効率を最も高めるように設定するのが好ましい。これらの溝や突条は回折格子やホログラムのパターンを備えるように形成することができる。これらの溝や突条は回折格子やホログラムのパターンを備えるように形成することができる。例えば回折格子のピッチの例としては角度８０°で入射口へ入射する光を射出口より射出する角度として１５°以下に指向性を高めたい場合、屈折率ｎを１、壁面への入射角度をθｉｎ、壁面での反射角度をθとするならばp ( ｎｓｉｎθ−ｓｉｎθｉｎ) = ｍλ（ｍは整数）の式よりｍを１として０．６７μｍ程度のピッチサイズが必要になる。さらに数回の回折による反射が行われる場合、数回の回折による反射の合計にて射出角１５°以下になるようにピッチを施してもよい。
【００３６】
図２は、本発明の実施形態に係るライトパイプ１の回折部４を説明するための説明図である。図２（ａ）は、ライトパイプ１の入射端側の領域の模式的な部分断面図であり、図２（ｂ）は、ライトパイプ１の入射端側の領域の模式的な斜視図である。
【００３７】
図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、ライトパイプ１は四角形の筒形状からなる導光体２により構成されている。導光体２の内部は中空であり、内表面３は反射面により構成されている。導光体２の光が入射する側は、小導光体２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄの４つに分岐している。各小導光体２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄは、それぞれ断面が４角形であり、光の入射側から光の射出側向けて断面が末広状に拡大する。各小導光体２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄは、導光体２の射出端６の手前で合流し、内部空間が１つの導光体２となる。各小導光体２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄは、導光体２の外周を成す２辺の外側部１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄと、他の小導光体２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ側の２辺の内側部１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄにより構成されている。各内側部１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄは光軸Ｑ方向に対してテーパ状に傾斜している。各小導光体２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄは光を内部に導入する入射端５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄを備えている。
【００３８】
各小導光体２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄの２辺の外側部１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄの内表面には多数の溝１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄからなる回折部４が形成されている。各溝１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄは、導光体２の光軸Ｑ方向に直交する方向に形成されている。各溝１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄの間隔は、射出端６側の間隔Ｐ２よりも入射端５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ側の間隔Ｐ１のほうが狭い。つまり、各溝１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄの夫々において、間隔は入射端５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄに近づくほど狭くなる。また、各小導光体２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄの内側部１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄは光軸Ｑに対して傾斜している。これにより、入射端５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄにおいて、入射角度αで入射した光は、外側部１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄや内側部で１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄで反射されるたびに、光軸Ｑ方向に揃えられ、入射角度αよりも小さな角度である射出角度βで射出される。
【００３９】
特に、導光体２の入射端５に入射する光のうち、入射角度αが大きいほど各入射端５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ近くの回折部４に入射する。各入射端５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ近くの回折部４は、射出端６側の回折部４よりも各溝１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄの間隔が狭いので、より強い回折作用を受けて回折され、射出端６側により大きく曲げられる。なお、導光体２の長手方向における回折部４の長さをＬＧとし、各入射端５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄの幅をＷとして、ＬＧ＝Ｗ／（ｔａｎ（β／２））とすれば、射出角度βより大きい角度で入射した光は必ず回折部４に入射するので、射出端６から、小さな射出角度βで射出させることができる。また、各小導光体２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄは途中で１つの導光体２となるので、各入射端から入射した光は混合され、射出端６からは面内輝度分布の均一な射出光として射出される。
【００４０】
なお、上記実施形態における各溝１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄは、図２（ｂ）に示すように、多角形状の外側部１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄの隣り合う辺に対応する内表面において同一のピッチで形成したが、これに限定されない。例えば、水平方向の外側部１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄの内面に形成した溝１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄと垂直方向の外側部１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄの内面に形成した溝１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄとを異なるように形成することができる。また、溝１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄとして、平行な溝１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄに代えて、ホログラムの回折パターンとすることができる。特に、入射端５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄから入射する光が点光源のような放射方向に強度分布を有する場合に有効である。また、溝１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄは、断面が三角形やＶ字状に限定されず、矩形状の凹凸や、半円形状、鋸歯状であってもよい。
【００４１】
図３は、本発明の他の実施形態に係るライトパイプ１の構成を表す模式的な縦断面図である。同一の部分又は同一の機能を有する部分には同一の符号を付している。ライトパイプ１は、柱状の形状を有し、内部が中実の導光体２から構成されている。導光体２は、光を入射する入射端５ａ、５ｂ側から光を射出する射出端６側に向けて途中まで２つの小導光体２ａ、２ｂに分岐している。小導光体２ａは、導光体２の射出端６側の外周部が延在する外側部１６ａと、途中までテーパ状に形成される内側部１７ａにより構成されている。同様に、小導光体２ｂは、導光体２の外周部が延在する外側部１６ｂと、途中までテーパ状に形成される内側部１７ｂにより構成されている。内側部１７ａと内側部１７ｂとは、楔状の形状を有して、導光体２の内部において一体化する。即ち、各小導光体２ａ、２ｂは、夫々の入射端５ａ、５ｂから射出端６に向けて、断面が末広状に拡大する形状を有している。
【００４２】
導光体２の外表面１８は光を反射する反射面により構成されている。各小導光体２ａ、２ｂの内側部１７ａ、１７ｂの表面は光を反射する反射面により構成されている。各小導光体２ａ、２ｂの外側部１６ａ、１６ｂの表面は光を反射する反射面により構成され、回折部４が形成されている。各小導光体２ａ、２ｂの光を導入する端部が夫々入射端５ａ、５ｂを構成する。ここで、各小導光体２ａ、２ｂの外側部１６ａ、１６ｂに形成した回折部４は、光軸Ｑ方向に直交する方向の多数の溝により構成することができる。この溝の間隔は、射出端６から入射端５に向けて、次第に狭くなるように構成することができる。
【００４３】
各入射端５ａ、５ｂから入射した光は、各小導光体２ａ、２ｂを通過して射出端６から射出される。入射端５ａ又は入射端５ｂから入射した光が内側部１７ａ又は内側部１７ｂの表面により反射されると、各内側部１７ａ、１７ｂが導光体２の光軸Ｑに対して傾斜しているので、その反射光は光軸Ｑ方向に揃う。また、入射端５ａから入射した光が、外側部１６ａに入射角γ１で入射した光のうち幾つかの次数光は、入射角γ１よりも大きな角度γ２で回折される。外側部１６ｂに入射する場合も同様である。導光体２の外表面１８においては、入射角γ３と反射角γ４とは等しい。
【００４４】
以上のとおり、各小導光体２ａ、２ｂの表面で反射されるたびに、その反射光は光軸Ｑ方向に揃うようになる。その結果、射出端６から射出される射出光の射出角度βは、各小導光体２ａ、２ｂに入射する入射角度αよりも小さくなり、より指向性が高くなる。また、各小導光体２ａ、２ｂ及び導光体２内で繰り返し反射されるので、小導光体２ａを介して入射した光と、小導光体２ｂを介して入射した光とは混合され、射出端６からは輝度分布の均一性が向上した射出光が射出される。
【００４５】
特に、導光体２の入射端５に入射する光のうち、入射角度αが大きいほど各入射端５ａ、５ｂ近くの回折部４に入射する。各入射端５ａ、５ｂ近くの回折部４は、射出端６側の回折部４よりも各溝１５ａ、１５ｂの間隔が狭いので、より強い回折作用を受けて回折され、射出端６側により大きく曲げられる。なお、導光体２の長手方向における回折部４の長さをＬＧとし、各入射端５ａ、５ｂの幅をＷとして、ＬＧ＝Ｗ／（ｔａｎ（β／２））とすれば、射出角度βより大きい角度で入射した光は必ず回折部４に入射するので、射出端６から、小さな射出角度βで射出させることができる。
【００４６】
なお、以上の構成において、導光体２の外表面１８、小導光体２ａ、２ｂの外側部１６ａ、１６ｂ、内側部１７ａ、１７ｂの表面が側壁面に相当する。以下、同様である。
【００４７】
導光体２として、ガラス等の透明な無機材料や、プラスチック等の透明な樹脂材料等を使用する。導光体２の小導光体以外の外表面１８には、特にわずかながら損失のある反射膜を設けなくても、全反射により光は繰り返し反射され、損失を小さくできる。各小導光体２ａ、２ｂの外側部１６ａ、１６ｂの表面、内側部１７ａ、１７ｂの表面には、全反射角よりも大きな角度で光が入射するので、金属薄膜、例えばＡｇやＡｌ等の反射膜を設けている。導光体２は、円筒形の形状であってもよいし、多角の筒状形であってもよい。均一な面光源が必要な装置に応じて、その形状を設定する。例えば、表示有効面が四角形の光変調素子に光を照射する場合には、導光体２の短手方向の断面を四角形にする。これにより、指向性が高く面内輝度分布の均一性の高い射出光を得ることができる。
【００４８】
回折部４は、各小導光体２ａ、２ｂの入射端５ａ、５ｂ側の領域の少なくとも外側部１６ａ、１６ｂの表面に沿って形成する、或いは、当該表面の一部に形成する。また、各小導光体２ａ、２ｂの内側部１７ａ、１７ｂの表面に回折部を形成してもよい。回折部４の形状は、凹形状やＶ字形状の溝、或いは凸形状や断面が三角形あるいは鋸歯状の突条とすることができる。これらの溝や突条は回折格子やホログラムのパターンを備えるように形成することができる。
【００４９】
図４は、本発明の実施形態に係る照明光学系１０を表す模式的な縦断面図である。図４（ａ）は、筒状の内部が中空の導光体２を用いた照明光学系１０の模式的な縦断面図であり、図４（ｂ）は、柱状の内部が中実の導光体２を用いた照明光学系１０の模式的な縦断面図であり、図４（ｃ）〜図４（ｅ）は、発光素子１１のレイアウトを表す平面図である。同一の部分又は同一の機能を有する部分には同一の符号を付している。
【００５０】
図４（ａ）に示すように、ライトパイプ１の導光体２は、射出端６から入射端５ａ、５ｂに向けて途中から小導光体２ａ、２ｂに分岐している。各小導光体２ａ、２ｂは、導光体２の外周を構成する外側部１６ａ、１６ｂと、テーパ状に傾斜した内側部１７ａ、１７ｂにより囲まれている。各小導光体２ａ、２ｂの外側部１６ａ、１６ｂの外周は、射出端６側の導光体２の外周と同じ大きさを有している。ライトパイプ１を構成する導光体２は、図１及び図２において説明したと同様なので、詳細な説明は省略する。
【００５１】
発光素子１１は、基体８ａ、８ｂと、基体８ａ、８ｂの夫々に設置されたＬＥＤ７ａ、７ｂとから構成されている。ＬＥＤ７ａ、７ｂの夫々の光の射出面９ａ、９ｂは、小導光体２ａ、２ｂの入射端５ａ、５ｂの夫々の形状と略同一の形状を有し、入射端５ａ、５ｂに密着して設置されている。そのために、射出面９ａ、９ｂから射出した光は、外部に漏れることなく小導光体２ａ、２ｂの夫々の内部に導入される。小導光体２ａ、２ｂの内部に導入された光は、回折部４により射出端６側に反射され、途中で混合される。これにより、指向性が高く、かつ、射出端６における輝度分布の均一性の高い射出光として射出される。また、ＬＥＤ７ａ、７ｂの射出面９ａ、９ｂから斜め方向に射出した光も、射出端６に導かれるので、光の利用効率を向上させることができる。また、複数の光源の光を１つの光に合成できるので、輝度の高い加法混色光を得ることができる。
【００５２】
次に、図４（ｂ）に示すように、ライトパイプ１の導光体２は、射出端６から入射端５ａ、５ｂに向けて途中から小導光体２ａ、２ｂに分岐している。各小導光体２ａ、２ｂは、導光体２の外周を構成する外側部１６ａ、１６ｂと、テーパ状に傾斜した内側部１７ａ、１７ｂの各表面により囲まれている。各小導光体２ａ、２ｂの外側部１６ａ、１６ｂは、射出端６側の導光体２の外周と同じ外形を有している。ライトパイプ１を構成する導光体２は、図３において説明したと同様なので、詳細な説明は省略する。
【００５３】
発光素子１１は、基体８ａ、８ｂと、基体８ａ、８ｂの夫々に設置されたＬＥＤ７ａ、７ｂとから構成されている。ＬＥＤ７ａ、７ｂの夫々の光の射出面９ａ、９ｂは、小導光体２ａ、２ｂの入射端５ａ、５ｂの夫々の形状と略同一の形状を有し、入射端５ａ、５ｂに密着して設置されている。そのために、射出面９ａ、９ｂから射出した光は、外部に漏れることなく小導光体２ａ、２ｂの夫々の内部に導入される。小導光体２ａ、２ｂの内部に導入された光は、回折部４により射出端６側に反射され、途中で混合される。これにより、指向性が高く、かつ、射出端６における輝度分布の均一性の高い射出光として射出される。また、ＬＥＤ７ａ、７ｂの射出面９ａ、９ｂから斜め方向に射出した光も、射出端６に導かれるので、光の利用効率を向上させることができる。また、複数の光源の光を１つの光に合成できるので、輝度の高い加法混色光を得ることができる。
【００５４】
図４（ｃ）は、導光体２の入射端５側を２分割した場合の、導光体２側から見た発光素子１１の平面図である。発光素子１１は、基体８の上に設置したＬＥＤ７ａとＬＥＤ７ｂが設置されている。各ＬＥＤ７ａ、７ｂの光の射出面は、導光体２の分割された入射端５ａ、５ｂと略同一の形状を有している。ＬＥＤ７ａ、７ｂの発光を青色と黄色、赤色と緑色などの補色関係とすれば、射出端６から白色光を射出させることができる。
【００５５】
図４（ｄ）及び図４（ｅ）は、導光体２の入射端５側を４つの小導光体に分岐した場合の、導光体２側から見た発光素子１１の平面図である。図４（ｄ）に示すように、発光素子１１は、基体８の上に設置した、赤色発光のＬＥＤ７Ｒ、緑色発光のＬＥＤ７Ｇ、青色発光のＬＥＤ７Ｂが設置されている。各ＬＥＤ７Ｒ、７Ｇ、７Ｂの光の射出面は、導光体２の分割された４つの入射端と略同一の形状を有している。各ＬＥＤ７Ｒ、７Ｇ、７Ｂの３原色の発光により、全ての色を射出させることができる。また、２個の緑色発光のＬＥＤ７Ｇを使用することにより、視感度特性に合致した光を射出させることができる。
【００５６】
また、図４（ｅ）に示すように、基体８に、赤色発光のＬＥＤ７Ｒ、緑色発光のＬＥＤ７Ｇ、青色発光のＬＥＤ７Ｂ、白色発光のＬＥＤ７Ｗを設置することができる。赤色、緑色、青色加法混色により白色光を得るとともに、更に白色発光のＬＥＤ７Ｗを設置しているので、全ての色を射出することができる事に加えて、明るい白色光を得ることができる。
【００５７】
以上のとおり、本実施形態に係る照明光学系１０は、各入射端５に互いに異なる発光色の発光素子１１が設置され、互いに異なる色の光を導入する場合であっても、各小導光体は途中で１つの導光体２となり、導光体２の側壁面において繰り返して反射されることにより、混色される。射出端６から混色して射出される射出光は、指向性が高く、かつ、輝度分布の均一性が高い。
【００５８】
図５は、本発明の実施形態に係る画像投影装置２０を表す模式的な断面図である。画像投影装置２０は、光合成部２２と、光合成部２２の３つの辺に設けた光変調部２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂと、３つの光変調部２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂの夫々に対応して設けた３つのリレーレンズ２４Ｒ、２４Ｇ、２４Ｂと、この３つのリレーレンズ２４Ｒ、２４Ｇ、２４Ｂの夫々に対応して設けた３つの照明光学系１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｂと、投影部２３から構成されている。ここで、光合成部２２はダイクロイックプリズムにより構成されている。光変調部２１Ｒは赤色の画像を表示する液晶表示素子、光変調部２１Ｇは緑色の画像を表示する液晶表示素子、光変調部２１Ｂは青色の画像を表示する液晶表示素子により構成されている。３つの照明光学系１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｂの夫々は、小導光体２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ（２ｃ、２ｄは図示しない。）を含む導光体２からなるライトパイプ１の入射端５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ（５ｃ、５ｄは図示しない。）に、赤色発光のＬＥＤ７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ（７ｃ、７ｄは図示しない。）からなる赤色発光素子１１Ｒ、緑色発光のＬＥＤ７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ（図示しない。）からなる緑色発光素子１１Ｇ、及び、青色発光のＬＥＤ７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ（図示しない。）からなる青色発光素子１１Ｂを備えている。投影部２３は、画像投影用の投影レンズ系により構成されている。
【００５９】
各照明光学系１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｂの射出端６は、各光変調部２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂの表示有効領域の形状と相似する面形状を有している。各光変調部２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂの表示有効領域が四角形を有し、当該四角形の縦横の長さの比が例えば３対４の場合には、各照明光学系１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｂも四角形を有し、当該四角形の射出端６の縦横比も３対４に設定されている。小導光体２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄの入射端５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ側の内表面には溝からなる回折部４が形成されている。溝のピッチは入射端５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ側に近づくにつれて狭くなる。また、各照明光学系１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｂの小導光体２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄの縦向きの外側部の内表面に形成される溝と、横向きの外側部の内表面に形成される溝とは、隣り合う溝の間隔が異なる。また、各照明光学系１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｂの溝の間隔も、各発光素子１１Ｒ、１１Ｇ、１１Ｂの発光色に合わせて、異なるように形成されている。
【００６０】
各照明光学系１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｂの夫々から射出された光は、各リレーレンズ２４Ｒ、２４Ｇ、２４Ｂを介して略平行もしくは投射レンズの開口数にマッチングさせた光束として各光変調部２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂに照射される。各光変調部２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂは、入射した照明光を各色に対応する画像光に変換する。各光変調部２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂから射出された画像光は、光合成部２２により加法混色され、投影部２３を介して、スクリーン等に投影される。このように構成することにより、光利用効率が高く、軽量でコンパクトな画像投影装置２０を構成することができる。
【００６１】
なお、上記実施形態においては、各照明光学系１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｂと各光変調部２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂと間にリレーレンズ２４Ｒ、２４Ｇ、２４Ｂを設けたが、これらのリレーレンズ２４Ｒ、２４Ｇ、２４Ｂを除去して、各照明光学系１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｂに対応する各光変調部２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂに近接配置することができる。この場合は、各照明光学系１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｂの射出端６の形状と各光変調部２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂの有効表示領域の形状とをほぼ同じ面形状とすることができる。また、上記実施形態では、筒状の中空の導光体２を用いたが、これに代えて、図３及び図４（ｂ）に示した柱状の中実の導光体２からなるライトパイプ１を使用してもよい。
【００６２】
図６は、本発明の他の実施形態に係る画像投影装置２０を表す模式的な断面図である。同一の部分または同一の機能を有する部分には同一の符号を付している。図６において、画像投影装置２０は、照明光学系１０と、リレーレンズ２４と、反射型の光変調部２１と、光変調部２１から反射される画像光を投影する投影部２３から構成されている。照明光学系１０は、４つの小導光体２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ（２ｃ及び２ｄは図示しない。）を備えた導光体２と、各小導光体２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄの入射端５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ（５ｃ及び５ｄは図示しない。）に設けた発光素子１１から構成されている。発光素子１１は、図４（ｄ）と同様に、基体８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ（８ｃ、８ｄは図示しない。）と、基体８ａの上に設けた赤色発光のＬＥＤ７Ｒ、基体８ｂの上に設けた青色発光のＬＥＤ７Ｂと、基体８ｃ、８ｄの上に設けた２つの緑色発光のＬＥＤ７Ｇ（図示しない。）とから構成されている。各ＬＥＤ７Ｒ、７Ｇ、７Ｂの発光面は、各入射端５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄの形状と同じ形状を備え、密着設置されている。従って、各ＬＥＤ７Ｒ、７Ｇ、７Ｂから発光された光は、外部に漏れない。各ＬＥＤ７Ｒ、７Ｇ、７Ｂから発光した各色の光は、小導光体２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄの内表面及び回折部４や、導光体２の内表面３において反射を繰り返し、射出端６の射出面では、輝度分布が均一で指向性の高い射出光に変換される。
【００６３】
光変調部２１は、ＤＭＤ素子により構成されている。ＤＭＤ素子は、多数のマイクロミラーが画像信号に応じて回転可能に構成されている。照明光学系１０から射出された光は、リレーレンズ２４を介してＤＭＤ素子に照射され、ＤＭＤ素子の多数のマイクロミラーにより表示画像に応じて反射され、レンズ系から構成される投影部２３を介してスクリーン等に投影される。
【００６４】
ＤＭＤ素子は次に様に動作する。発光素子１１を駆動する光源駆動回路は、各ＬＥＤ７Ｒ、７Ｇ、７Ｂを時分割駆動して、赤色、緑色、青色の光を順次発光させる。ＤＭＤ素子を駆動する表示駆動回路は、上記時分割駆動に同期して、ＤＭＤ素子に赤色の画像、緑色の画像、青色の画像を順次表示させる。これにより、投影部２３からは、赤色、緑色、青色の各画像が順次投影され、観察者はこれら各色を時間平均された画像として見ることになる。なお、光の混色方法として、図５に示すように、異なる色の照明光学系１０を用いて、光合成部２２により混色し、この混色された光を、リレーレンズ２４を介して反射型の光変調部２１に照射するようにしてもよい。また、図６において、照明光学系１０と光変調部２１との間隙にリレーレンズ２４を設けたが、このリレーレンズ２４を省くことができる。また、光変調部２１として、ＤＭＤ素子に代えて、反射型液晶表示素子を使用することができる。また、照明光学系１０として、図４（ａ）に示した中空型の導光体２を用いた場合を示しているが、これに代えて図４（ｂ）に示した中実型の導光体２を用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明の実施形態に係るライトパイプの模式的な縦断面図である。
【図２】本発明の実施形態に係るライトパイプの説明図である。
【図３】本発明の実施形態に係るライトパイプの模式的な縦断面図である。
【図４】本発明の実施形態に係る照明光学系の説明図である。
【図５】本発明の実施形態に係る画像投影装置の模式的な断面図である。
【図６】本発明の実施形態に係る画像投影装置の模式的な断面図である。
【図７】従来公知の照明用光源装置の断面図である。
【図８】従来公知の照明光学系の断面図である。
【符号の説明】
【００６６】
１  ライトパイプ
２  導光体
３  内表面
４  回折部
５  入射端
６  射出端
７  ＬＥＤ
８  基体
９  射出面
１０  照明光学系
２０  画像投影装置
【図１】
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【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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