(57)【要約】【課題】光源ユニットおよび画像表示装置において、汎用性を損なうことなく、光利用効率を向上することができ、小型化が容易となるようにする。【解決手段】画像表示装置の光源ユニット１Ｒ、１Ｇ、１Ｂが、光拡散性を有する表面Ｓ１から光を放射するＬＥＤ１３Ｒ、１３Ｇ、１３Ｂと、ＬＥＤ１３Ｒ、１３Ｇ、１３Ｂの表面Ｓ１から光を該表面Ｓ１の大きさ以下の領域を通して透過させる開口孔１０ｂ、および開口孔１０ｂを透過しない光を表面Ｓ１に再入射させる凹球面反射面１０ａを有する球面鏡１０とを備える構成とする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光拡散性を有する表面から光を放射する光源と、
該光源の前記表面からの光を該表面の大きさ以下の領域を通して透過させる光透過部、および該光透過部を透過しない光を前記表面に再入射させる光反射部を有する反射部材とを備える光源ユニット。
【請求項２】
前記光透過部の中心は、前記表面の中心を通る法線上に設けられたことを特徴とする請求項１に記載の光源ユニット。
【請求項３】
前記反射部材の光反射部は、前記光源の前記表面上に中心を有する球面鏡を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の光源ユニット。
【請求項４】
前記反射部材の光反射部は、前記光源の前記表面上に焦点を有する放物面鏡と、該放物面鏡の光軸方向に対向する平面鏡とを備えることを特徴とする請求項１または２に記載の光源ユニット。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかの光源ユニットを備え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、光源ユニットおよび画像表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、光源として、安価で低消費電力のＬＥＤを用いた光源の普及がめざましい。しかしながら、ＬＥＤは、面発光光源であるため、光源ユニットが小型化され、ＬＥＤから放射光を集光するレンズが小さくなってくると光利用効率が低下する傾向にある。
このため、従来、ＬＥＤを用いた光源ユニットの光利用効率を向上するための提案がなされている。例えば、特許文献１には、光利用効率を向上するために、コリメータレンズの外縁部において、ＮＡの範囲外に進む光を略球面状の補助反射鏡によって、固体発光素子からなる発光部に戻し、発光部を透過させ、この透過光を楕円形状のリフレクタで反射させて発光部に再入射させ、コリメータレンズの主点位置に集光することで、発光部の透過光をコリメータレンズ側に戻すようにした照明装置（光源ユニット）および投射型表示装置（画像表示装置）が提案されている。
【特許文献１】特開２００５−９１４９１号公報
【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、上記のような従来の光源ユニットおよび画像表示装置には、以下のような問題があった。
特許文献１に記載の技術では、発光部を裏面側に透過した光をコリメートレンズに戻すので、ＬＥＤが透明基板に実装されることが必須となり、汎用性が乏しいという問題がある。
また、透明基板を用いる場合であっても、透明な材料は、例えば金属材料などの不透明な材料に比べると熱伝導率が低いため、発光部の冷却効率が悪くなり、例えば、プロジェクタのように高光出力が必要となる場合には利用できないという問題がある。
また、補助反射鏡をコリメータレンズの外縁部を覆うように設けるため、コリメータレンズよりも大きな外形を有する光源ユニットとなってしまうため、小型化が難しいという問題がある。
【０００４】
本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、汎用性を損なうことなく、光利用効率を向上することができ、小型化が容易となる光源ユニットおよび画像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】
【０００５】
上記の課題を解決するために、本発明の光源ユニットは、光拡散性を有する表面から光を放射する光源と、該光源の前記表面からの光を該表面の大きさ以下の領域を通して透過させる光透過部、および該光透過部を透過しない光を前記表面に再入射させる光反射部を有する反射部材とを備える構成とする。
この発明によれば、光源の表面から放射される光のうち、反射部材の光透過部を透過する光は、光源ユニットの外側に出射される。そして、反射部材の光透過部を透過しない光は、反射部材の光反射部によって反射され、光源の光拡散性を有する表面に再入射される。これにより、再入射された光が光源の表面によって光拡散され、一部が反射部材の光透過部を透過する。これを繰り返すことで、光源から光軸に対して大きな角度で出射される光を再利用することができる。そのため、光源が光放射方向と反対側の裏面側への光透過性を有していなくても、光利用効率を向上することができる。
また、光透過部において、光源の表面からの光を透過する領域が光源の表面の大きさ以下で、光の放射角を狭めることができるので、光源のエタンデュー（Etandue）を低減することができるため、光利用効率を向上することができる。また、反射部材は、光源を囲んで、光源の面積以下の光透過部を形成できる大きさで設ければよいため、種々の口径のレンズに用いることができる汎用的な光源ユニットを構成することができ、またレンズに比べて小さな構成とすることが容易となるため装置の小型化を図ることができる。
ここで、光源の表面が「光拡散性を有する」とは、光を放射する表面が、もともと光拡散性を有する場合と、表面を粗面加工するなどして、表面に光拡散性を付与する場合とを含む。
【０００６】
本発明の画像表示装置は、本発明の光源ユニットを備える構成とする。
この発明によれば、本発明の光源ユニットを備えるため、本発明の光源ユニットと同様の作用を備える。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の光源ユニットおよび画像表示装置によれば、光源からの光を光反射部で反射して、光源の表面で光拡散させることで、光反射部の反射光を、光源の表面の大きさ以下の領域を透過させる光透過部を通して再利用することができるので、汎用性を損なうことなく、光利用効率を向上することができ、小型化が容易となるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下では、本発明の実施の形態について添付図面を参照して説明する。すべての図面において、実施形態が異なる場合であっても、同一または相当する部材には同一の符号を付し、共通する説明は省略する。
【０００９】
［第１の実施形態］
本発明の第１の実施形態に係る光源ユニットおよび画像表示装置について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る画像表示装置の概略構成を示す模式的な構成図である。図２は、本発明の第１の実施形態に係る光源ユニットの概略構成を示す、光軸を含む模式的な断面図である。図３は、本発明の第１の実施形態に係る光源ユニットの光源の模式的な拡大断面図である。
【００１０】
本実施形態の画像表示装置１００は、フルカラーの画像をスクリーン５０などに拡大投影するもので、例えば、ビデオプロジェクタ、プロジェクションテレビジョンなどの画像表示装置として好適に用いることができるものである。
画像表示装置１００の概略構成は、図１に示すように、光源ユニット１Ｒ、１Ｇ、１Ｂ、レンズ２Ｒ、２Ｇ、２Ｂ、色合成プリズム３、フライアイレンズアレイ４、レンズ５、反射ミラー８、レンズ６、空間変調素子７、および投射レンズ９を備える。
なお、この他にも、例えば、光源ユニット１Ｒ、１Ｇ、１Ｂの点灯制御を行うとともに、画像表示を行うための色分解された画像信号に基づいて空間変調素子７を駆動する制御手段など、画像表示装置に必要な周知の構成は当然に備えている。
【００１１】
光源ユニット１Ｒ、１Ｇ、１Ｂは、不図示の電源から電流の供給を受けて、固体光源であるＬＥＤ１３Ｒ、１３Ｇ、１３Ｂを発光させ、それぞれ、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）に対応する波長のＲ光ＬＲ、Ｇ光ＬＧ、Ｂ光ＬＢを発生して、外部に放射するものである。
まず、光源ユニット１Ｒの構成について説明する。
光源ユニット１Ｒは、図２に示すように、ＬＥＤ１３Ｒ、高熱伝導性基板１２、保持部材１１、および球面鏡１０を備える。光源ユニット１Ｒの形状は、全体として柱状とされている。例えば、円柱状や角柱状など適宜の柱状とすることができる。例えば、四角柱状とすれば、光軸に直交する方向の位置決めを容易に行うことができる。
【００１２】
ＬＥＤ１３Ｒの構造は、Ｒ光ＬＲを発生させる発光ダイオードチップであれば、適宜の構造を有するものを採用することができる。本実施形態では、概略構造が、図３に示すように、活性層を含む発光層部１３ｒの光放射方向側（図示上側）に、Ｒ光ＬＲに対する光透過性を有するｐ型電極部１３ａが設けられ、その反対側に、ｎ型電極部１３eと発光層部１３ｒを支持する基板部１３ｄがこの順に積層された積層構造を有するチップを採用している。
基板部１３ｄは、発光層部１３ｒの材質に応じて、例えば、ＧａＡｓやＧａＰなどの材料を適宜採用することができる。
ＬＥＤ１３Ｒは、電極部１３fにおいて、高熱伝導性基板１２上の不図示の電極パターンと電気的に接続されている。
【００１３】
ここで、ｐ型電極部１３ａは、より詳細には積層構造タイプの違いにより、例えば、発光層部１３ｒのｐ型クラッド層上にパターニングされる場合や、ｐ型クラッド層を覆うｐ型電流拡散層上にパターニングされる場合などがあるが、本明細書では、これらのｐ型クラッド層の上部に積層された電極部分をすべて含むものとする。いずれの場合も、ｐ型電極部１３ａは、ＬＥＤ１３Ｒの光放射側の表面を構成している。
このため、ｐ型電極部１３ａの光放射方向の表面Ｓ１は、層表面の微視的な凹凸や配線パターンの凹凸を有し、光拡散性を備えている。
【００１４】
高熱伝導性基板１２は、ＬＥＤ１３Ｒの放熱を促進するため、熱伝導性を向上させた基板である。熱伝導率に優れた材質であれば、適宜の材質を採用することができる。例えば、銅やアルミニウムなどの金属や、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を含む窒化物セラミックスなどの熱伝導率が高い材質を採用することができる。
高熱伝導性基板１２上には、中心部にＬＥＤ１３Ｒが、ｐ型電極部１３ａの表面Ｓ１を上側にして表面Ｓ１が高熱伝導性基板１２に対して平行な状態で、電極部１３f側で固定されている。また、高熱伝導性基板１２上の外縁側には、球面鏡１０を固定するために、外縁部に沿う環状とされ、その径方向に沿う断面がＬ字状とされた保持部材１１が固定されている。
また、ＬＥＤ１３Ｒと保持部材１１との間の中間には、高熱伝導性基板１２上に固定された絶縁層１５を介して、ｐ型電極部１３ａに電流を供給するための電極１４が設けられている。
そして、電極１４とｐ型電極部１３ａとは、配線部１４ａによって、電気的に接続されている。
【００１５】
球面鏡１０は、高熱伝導性基板１２および高熱伝導性基板１２上の各部材を覆うように配置されＬＥＤ１３Ｒの表面Ｓ１の中心Ｃに、球面の曲率中心が一致された、半球状の凹球面反射面１０ａと、凹球面反射面１０ａから外側に貫通された表面Ｓ１の外形の大きさ以下の光透過領域を形成する開口孔１０ｂとを備えており、凹球面反射面１０ａの外縁部側で、保持部材１１上に固定されている。
また、凹球面反射面１０ａの裏面側にあたる球面鏡１０の外表面は、光源ユニット１の外形の一部を構成しており、光源ユニット１の柱状形状に合わせた形状とされる。
球面鏡１０の材質は、例えば、合成樹脂、ガラス、金属などの適宜の材質を採用することができる。
【００１６】
凹球面反射面１０ａは、ＬＥＤ１３Ｒから放射されるＲ光ＬＲの波長光を良好に反射できる反射率特性を備えるもので、球面鏡１０の材質などの必要に応じて、反射率を増大させるための反射膜層が形成されている。
【００１７】
開口孔１０ｂは、孔中心が、ＬＥＤ１３Ｒの表面Ｓ１の中心を通り表面Ｓ１の平均的な面方向に直交する法線Ｎ上に設けられている。開口孔１０ｂの形状は、例えば、円孔状や矩形孔状などの適宜形状に設けることができる。
ここで、表面Ｓ１の外形とは、表面Ｓ１における光放射領域の最も外側の形状を意味する。このため、凹球面反射面１０ａを備える球面鏡１０は、光源ユニット１Ｒとしての発光面積をＬＥＤ１３Ｒの発光面積以下とする部材となっている。
【００１８】
光源ユニット１Ｇ、１Ｂは、それぞれ、光源ユニット１ＲのＬＥＤ１３Ｒに代えて、ＬＥＤ１３Ｇ、１３Ｂを備えるもので、その他の部材の形状は共通である。また、発光波長に応じて変更すべき部分は、例えば、凹球面反射面１０ａの反射率特性など、当業者に容易に理解されるため、説明を省略する。
ＬＥＤ１３Ｇ、１３Ｂは、発光波長の違いに応じて、それぞれ、ＬＥＤ１３Ｒの発光層部１３ｒに代えて、発光層部１３ｇ、１３ｂを備え、必要に応じて基板部１３ｄの材質などを変更したものである。なお、図２は、模式図のため、ＬＥＤ１３Ｇの積層構造に対して符号のみを追加しているが、より効率的に発光させるため、発光波長に応じて当業者に周知の好ましい積層構造を適宜採用することができる。
【００１９】
レンズ２Ｒ（２Ｇ、２Ｂ）は、図１に示すように、光源ユニット１Ｒ（１Ｇ、１Ｂ）の開口孔１０ｂから出射されるＲ光ＬＲ（Ｇ光ＬＧ、Ｂ光ＬＢ）の光軸上に、焦点位置が開口孔１０ｂの近傍となるように配置された集光レンズである。これにより、開口孔１０ｂから放射されるＲ光ＬＲ（Ｇ光ＬＧ、Ｂ光ＬＢ）を略平行光束にすることができる。
【００２０】
色合成プリズム３は、レンズ２Ｒ、２Ｇ、２Ｂで集光され、異なる方向から入射するＲ光ＬＲ、Ｇ光ＬＧ、Ｂ光ＬＢを、例えば、ダイクロイックプリズムなどによって、同一の光路に合成する光学素子である。
フライアイレンズアレイ４は、光源の像を多重化することで、色合成プリズム３から出射されるＲ光ＬＲ、Ｇ光ＬＧ、Ｂ光ＬＢの各光強度分布を略均一化する光学素子である。
【００２１】
レンズ５は、レンズ６とともに、フライアイレンズアレイ４によって、光強度が均一化された略平行なＲ光ＬＲ、Ｇ光ＬＧ、Ｂ光ＬＢを、空間変調素子７上に適宜倍率で照明する照明光学系である。
反射ミラー８は、Ｒ光ＬＲ、Ｇ光ＬＧ、Ｂ光ＬＢを、空間変調素子７に対して、一定の入射角で入射させるため、レンズ５、６の間の光路を折り曲げるものである。
【００２２】
空間変調素子７は、レンズ６を通して照射されたＲ光ＬＲ、Ｇ光ＬＧ、Ｂ光ＬＢを、画像信号に応じて空間変調するものである。
本実施形態では、表示面７ａ上に２次元格子状に配列された複数の表示要素の反射方向を制御することにより、照明光を空間変調して画像を表示する反射型の空間変調素子を採用している。このような空間変調素子７としては、表示要素として、画像信号に応じて傾斜角がオン状態とオフ状態との２種類の傾斜角に変化されるマイクロミラーを格子状に２次元配列したＤＭＤ（Digital Micromirror Device）を挙げることができる。
【００２３】
レンズ６は、反射ミラー８と空間変調素子７との間の光路、および空間変調素子７と投射レンズ９との間の光路上に配置され、反射ミラー８で反射された空間変調素子７の表示面７ａに向かう光を集光して、表示面７ａに対する一定の入射角で入射させるとともに、空間変調素子７のオン状態の表示要素によって投射レンズ９に向かって反射される表示面７ａからの光を集光させて、投射レンズ９に導くものである。
【００２４】
投射レンズ９は、空間変調素子７の表示面７ａで反射され、レンズ６を透過した光を、スクリーン５０に投射して、空間変調素子７の表示面７ａの像を拡大投影するためのレンズまたはレンズ群である。
【００２５】
次に、本実施形態の画像表示装置１００の動作について、光源ユニット１Ｒ、１Ｇ、１Ｂの動作を中心に説明する。
図４は、本発明の第１の実施形態に係る光源ユニットにおける光線の様子を示す模式的な光線図である。図５は、本発明の第１の実施形態に係る光源ユニットの光強度分布の一例を、比較例とともに示したグラフである。横軸は、放射光の光軸に対する放射角の角度（ｄｅｇ）、縦軸は、比較例の最大強度で規格化した光強度である。
【００２６】
画像表示装置１００では、Ｒ、Ｇ、Ｂに色分解された画像信号が不図示の制御手段に入力されると、それぞれの画像信号に応じて、色順次に、空間変調素子７の表示要素が制御される。一方、この色順次の制御タイミングに同期して、光源ユニット１Ｒ、１Ｇ、１Ｂの点灯、消灯が制御され、例えば、Ｒ（Ｇ、Ｂ）の画像信号に応じて、空間変調素子７の表示要素がオン状態に制御される間、光源ユニット１Ｒ（１Ｇ、１Ｂ）が点灯され、空間変調素子７の表示面７ａ上に、Ｒ光ＬＲ（Ｇ光ＬＧ、Ｂ光ＬＢ）が点灯される。
各光源ユニット１Ｒ、１Ｇ、１Ｂの作用は放射光の波長を除いて共通である。したがって、以下では、説明を簡素化するため、光源ユニット１Ｒのみを例にとって説明する。
【００２７】
ＬＥＤ１３Ｒが点灯されると、発光層部１３ｒで発生したＲ光ＬＲは、図４に示すように、出射光Ｌｏｕｔとして開口孔１０ｂを通して直接外部に出射される光と、開口孔１０ｂ以外の部分に到達する光とに分かれる。
中心Ｃからの出射光Ｌｏｕｔは、開口孔１０ｂが中心Ｃに対して張る立体角の範囲、例えば、図示断面では、中心Ｃから法線Ｎに対して角度±θ１の範囲に放射される。図の見易さのため特に図示しないが、中心Ｃからずれた位置からの出射光Ｌｏｕｔは、ずれ量に応じて、角度θ１から最大Δθ（＞０）だけずれた方向に出射され、結果として、±（θ１＋Δθ）の範囲に放射される。
【００２８】
開口孔１０ｂ以外の部分に到達する光は、凹球面反射面１０ａが半球状の設けられているため、凹球面反射面１０ａに到達して、反射され、ＬＥＤ１３Ｒ側に戻る。例えば、中心Ｃから出射角φ（ただし、φ＞θ１）の方向に放射される光は、戻り光Ｌｂのように、凹球面反射面１０ａの径方向に出射されて反射され同じ光路を通ってすべて中心Ｃに戻る。
【００２９】
ここで、表面Ｓ１が平滑面からなり反射面として機能する場合には、入射角と同じ出射角で反対側に反射されて、凹球面反射面１０ａ間の反射を繰り返し、開口孔１０ｂから放射されることはないが、本実施形態では、表面Ｓ１が、光拡散性を有するため、図３に示すように、表面Ｓ１に戻る戻り光Ｌｉｎは、表面Ｓ１によって光拡散され、法線Ｎに対して±θ２（ただし、θ２＞θ１）の範囲に広がって進む拡散光Ｌｄとなる。
また、図の見易さのため特に図示しないが、中心Ｃからずれた位置から放射されて、凹球面反射面１０ａに到達する光は、一部が表面Ｓ１外に戻るものの、多くは表面Ｓ１に戻って、戻った位置で拡散されてやはり拡散光Ｌｄが形成される。
【００３０】
これらの拡散光Ｌｄは、開口孔１０ｂに向かう光と、凹球面反射面１０ａに向かう光に分かれ、上記と同様にして、開口孔１０ｂに向かう光が外部に出射され、凹球面反射面１０ａに向かう光は、再び戻り光Ｌｉｎとなる。
このようにして、凹球面反射面１０ａによる反射と、表面Ｓ１による光拡散を繰り返すことで、±θ１の外側に出射される光が再利用されていくため、球面鏡１０の代わりに開口孔１０ｂを有する遮光板などが設けられた場合や、ＬＥＤ１３Ｒ単体を用いる場合に比べて、ＬＥＤ１３Ｒの光利用効率を向上することができる。
【００３１】
光源ユニット１Ｒの光強度分布の一例について、図５を参照して説明する。
図５において、曲線２００は、凹球面反射面１０ａの反射率および球半径が、それぞれ１００％、２ｍｍ、開口孔１０ｂの円直径が１ｍｍ、ＬＥＤ１３Ｒの表面Ｓ１の大きさが、φ１ｍｍの場合としたときの光軸断面の光強度分布の一例を示す。
また、曲線２０１は、開口孔１０ｂと同じ位置、大きさの開口のみを有する場合の光強度分布を示す比較例である。
本実施形態の光源ユニット１Ｒでは、曲線２００に示すように、±２８°の放射角範囲で、比較例の最大強度に対して、１．５〜１．９倍の間で、平均約１．７倍の平坦性の高い光強度分布を示し、半値全角は、７５°である。
これに対して、比較例では、曲線２０１に示すように、放射角０°で最大値を示し、半値全角が７７°の山形の分布を有している。すなわち、平均的には、半値幅内で最大強度に対して約０．７５倍の光強度を有するということができる。
したがって、少なくとも半値幅の範囲で、本実施形態は、比較例に対して、平均的に２倍以上の光利用効率が得られていることが分かる。このように、本実施形態では光源ユニットとしての光利用効率を向上することができる。
【００３２】
なお、開口孔１０ｂから放射されるＲ光ＬＲの放射角は、上記の説明から理解されるように、中心Ｃに対して開口孔１０ｂが張る立体角の大きさと、開口孔１０ｂおよび表面Ｓ１の大きさや位置関係に依存して決まる。例えば、本実施形態では、中心Ｃに対して開口孔１０ｂが張る立体角を小さくすると放射角を狭めることができる。
【００３３】
光源ユニット１Ｒから放射されたＲ光ＬＲは、レンズ２Ｒによって略平行光束とされ、色合成プリズム３に向けて出射される。
このとき、光源ユニット１ＲからのＲ光ＬＲは、開口孔１０ｂによりＬＥＤ１３Ｒの発光面積以下の発光面積を有する光源となっており、開口孔１０ｂの大きさや位置関係により、放射角を適宜に設定することができるものとなっている。このため、光源ユニット１Ｒのエタンデューをレンズ２Ｒのエタンデューより小さくすることで、レンズ２ＲのＮＡ外に出射される光を低減することができ、レンズ２Ｒとの関係における光利用効率を向上することができる。
【００３４】
色合成プリズム３に入射されたＲ光ＬＲは、色合成プリズム３の作用により、Ｇ光ＬＧ、Ｂ光ＬＢと共通の光路に導かれ、フライアイレンズアレイ４に入射されて、光強度が均一化される。
次に、Ｒ光ＬＲは、レンズ５、反射ミラー８、レンズ６を介して空間変調素子７の表示面７ａに照射される。
空間変調素子７は、不図示の制御手段により、色分解されたＲの画像信号に対応して、表示要素が制御され、表示面７ａ上に、Ｒの画像信号に基づいたＲ光ＬＲによる画像が表示される。この画像は、レンズ６、投射レンズ９の作用により、スクリーン５０に拡大投影される。
同様にして、順次点灯されるＧ光ＬＧ、Ｂ光ＬＢによって、Ｇ、Ｂの画像信号に基づく画像がスクリーン５０に拡大投影され、これにより、スクリーン５０上にフルカラー画像が表示されていく。
【００３５】
本実施形態の光源ユニット１Ｒ（１Ｇ、１Ｂ）によれば、ＬＥＤ１３Ｒ（１３Ｇ、１３Ｂ）からの光を凹球面反射面１０ａで反射して、表面Ｓ１で光拡散させることで、凹球面反射面１０ａからの反射光を、表面Ｓ１の大きさ以下の領域を透過させる開口孔１０ｂを通して再利用することで光利用効率を向上することができる。
また、光源ユニット１Ｒ（１Ｇ、１Ｂ）は、レンズ２Ｒ（２Ｇ、２Ｂ）のＮＡの範囲であれば、自由な大きさに形成することができ、他の形状や口径のレンズとも自由に組み合わせて用いることができ、汎用性に優れ、小型化が容易となる。
また、ＬＥＤ１３Ｒ（１３Ｇ、１３Ｒ）からの光を光放射方向の反対側の裏面側に透過させてから光放射方向に反射する必要がないため、裏面側の基板として不透明な材料を採用できるため、汎用性が向上する。
【００３６】
［第２の実施形態］
次に、本発明の第２の実施形態に係る光源ユニットおよび画像表示装置について説明する。
図６は、本発明の第２の実施形態に係る光源ユニットの概略構成を示す、光軸を含む模式的な断面図である。図７は、本発明の第２の実施形態に係る光源ユニットの光源の模式的な拡大断面図である。
【００３７】
本実施形態に係る画像表示装置１１０は、図１に示すように、上記第１の実施形態の画像表示装置１００において、光源ユニット１Ｒ、１Ｇ、１Ｂを、光源ユニット２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂに代えたものである。以下、上記実施形態と異なる点を中心に説明する。
【００３８】
光源ユニット２１Ｒ（２１Ｇ、２１Ｂ）は、上記第１の実施形態の光源ユニット１Ｒ（１Ｇ、１Ｂ）のＬＥＤ１３Ｒ（１３Ｇ、１３Ｂ）をＬＥＤ２３Ｒ（２３Ｇ、２３Ｂ）に、球面鏡１０を放物面鏡３０に、保持部材１１を平面鏡３１に、それぞれ代えたものである。
また、上記第１の実施形態と同様に、光源ユニット２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂの違いは、ＬＥＤ２３Ｒ、２３Ｇ、２３Ｂの発光波長のみの違いのため、以下では、光源ユニット２１Ｒの構成についてのみ説明する。
【００３９】
光源ユニット２１Ｒの形状は、光源ユニット１Ｒと同様に、全体として柱状とされている。例えば、円柱状や角柱状など適宜の柱状とすることができる。
【００４０】
ＬＥＤ２３Ｒの構造は、Ｒ光ＬＲを発生させる発光ダイオードチップであれば、適宜の構造を有するものを採用することができる。本実施形態では、概略構造が、図７に示すように、活性層を含む発光層部２３ｒの光放射方向側（図示上側）に、Ｒ光ＬＲに対する光透過性を有するとともに、発光部２３ｒよりも大きな面積を有するｎ型電極部２３ｅ、基板部２３ｄがこの順に積層して設けられ、発光部２３ｒの反対側に、発光部２３ｒと同程度またはより小さい範囲に、ｐ型電極部２３ａが設けられた積層構造を有するチップを採用している。
基板部２３ｄは、本実施形態では、サファイア基板を採用しており、光放射方向の表面Ｓ２に微細な凹凸形状が形成されている。これにより、表面Ｓ２は、光拡散性を有している。
基板部２３ｄの微細な凹凸形状は、適宜の粗面加工を施すことで形成することができる。本実施形態では、サファイア基板の表面をブラスト処理することによって形成している。
【００４１】
ＬＥＤ２３Ｒは、高熱伝導性基板１２の中心部において、基板部２３ｄの表面Ｓ２を上側にして表面Ｓ２が高熱伝導性基板１２に対して平行な状態で、ｐ型電極部２３ａ側で、ｐ型電極部２３ａに電流を供給するアノード電極１４ｐと電気的に接続されている。
また、ｎ型電極部２３ｅは、発光部２３ｒの側方において、カソード電極１４ｎと電気的に接続されている。
アノード電極１４ｐ、カソード電極１４ｎは、高熱伝導性基板１２の中心部に固定された絶縁層１５上にパターニングされている。
【００４２】
このように、本実施形態のＬＥＤ２３Ｒは、いわゆるフリップチップ実装されたＬＥＤの例となっている。
【００４３】
平面鏡３１は、高熱伝導性基板１２上の外縁側には、放物面鏡３０を固定するために、外縁部に沿う環状とされ、その径方向に沿う断面が、絶縁層１５の上方を覆うＬ字状とされた部材であり、下面側が高熱伝導性基板１２に固定されている。
平面鏡３１の上面は、基板部２３ｄの表面Ｓ２と略同高さで、基板部２３ｄの外周に近接する位置まで延ばされた平面からなる。そして、この平面には、ＬＥＤ１３Ｒから放射されるＲ光ＬＲの波長光を良好に反射する平面反射面３１ａが形成されている。
【００４４】
放物面鏡３０は、高熱伝導性基板１２および高熱伝導性基板１２上の各部材を覆うように配置されＬＥＤ２３Ｒの表面Ｓ２の中心Ｃに放物面の焦点が一致された、凹放物反射面３０ａと、凹放物反射面３０ａからの外側に貫通された表面Ｓ２の外形の大きさ以下の光透過領域を形成する開口孔３０ｂとを備えており、凹放物反射面３０ａの外縁部側で、平面鏡３１の外縁部上に固定されている。
また、凹放物反射面３０ａの裏面側にあたる放物面鏡３０の外表面は、光源ユニット２１の外形の一部を構成しており、光源ユニット２１の柱状形状に合わせた形状とされる。
球面鏡１０の材質は、例えば、合成樹脂、ガラス、金属などの適宜の材質を採用することができる。
【００４５】
凹放物反射面３０ａは、ＬＥＤ２３Ｒから放射されるＲ光ＬＲの波長光を良好に反射できる反射率特性を備えるもので、放物面鏡３０の材質などの必要に応じて、反射率を増大させるための反射膜層が形成されている。
【００４６】
開口孔３０ｂは、孔中心が、凹放物反射面３０ａの光軸およびＬＥＤ２３Ｒの表面Ｓ２の中心を通り表面Ｓ２の平均的な面方向に直交する法線Ｎ上に設けられている。開口孔３０ｂの形状は、例えば、円孔状や矩形孔状などの適宜形状に設けることができる。
ここで、表面Ｓ２の外形とは、表面Ｓ２における光放射領域の最も外側の形状を意味する。このため、凹放物反射面３０ａを備える放物面鏡３０は、光源ユニット２１Ｒとしての発光面積をＬＥＤ１３Ｒの発光面積以下とする部材となっている。
【００４７】
このような画像表示装置１１０の動作は、上記第１の実施形態の画像表示装置１００と同様であるため、以下では、画像表示装置１００と異なる光源ユニット２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂの動作を、光源ユニット２１Ｒで代表させて説明する。
図８は、本発明の第２の実施形態に係る光源ユニットにおける光線の様子を示す模式的な光線図である。
【００４８】
ＬＥＤ２３Ｒが点灯されると、発光層部２３ｒで発生したＲ光ＬＲは、図８に示すように、出射光Ｌｏｕｔとして開口孔３０ｂを通して直接外部に出射される光と、開口孔３０ｂ以外の部分に到達する光とに分かれる。
中心Ｃからの出射光Ｌｏｕｔは、開口孔３０ｂが中心Ｃに対して張る立体角の範囲、例えば、図示断面では、中心Ｃから法線Ｎに対して角度±θ１の範囲に放射される。図の見易さのため特に図示しないが、中心Ｃからずれた位置からの出射光Ｌｏｕｔは、ずれ量に応じて、角度θ１から最大Δθ（＞０）だけずれた方向に出射され、結果として、±（θ１＋Δθ）の範囲に放射される。
【００４９】
開口孔３０ｂ以外の部分に到達する光は、凹放物反射面３０ａが、表面Ｓ２と略同高さに設けられた平面反射面３１ａ上に設けられているため、凹放物反射面３０ａに到達して、平面反射面３１ａに向けて反射され、平面反射面３１ａ、凹放物反射面３０ａでそれぞれ反射されてＬＥＤ２３Ｒ側に戻る。
例えば、中心Ｃから出射角φ（ただし、φ＞θ１）の方向に放射される光は、戻り光Ｌｂのように、凹放物反射面３０ａに向けて出射されて反射されて、光軸（法線Ｎ）に平行に反射されて平面反射面３１ａに垂直に入射して反射され、同じ光路を通ってすべて中心Ｃに戻る。
【００５０】
ここで、表面Ｓ２が平滑面からなり反射面として機能する場合には、入射角と同じ出射角で反対側に反射されて、凹放物反射面３０ａ間の反射を繰り返し、開口孔３０ｂから放射されることはないが、本実施形態では、表面Ｓ２が、光拡散性を有するため、図７に示すように、表面Ｓ２に戻る戻り光Ｌｉｎは、表面Ｓ２によって光拡散され、法線Ｎに対して±θ２（ただしθ２＞θ１）の範囲に広がって進む拡散光Ｌｄとなる。
また、図の見易さのため特に図示しないが、中心Ｃからずれた位置から放射されて、凹放物反射面３０ａに到達する光は、多くは表面Ｓ２に戻って、戻った位置で拡散されてやはり拡散光Ｌｄが形成される。また、表面Ｓ２外に戻らない光は、平面反射面３１ａ上にほとんど戻って反射され、何度か反射されるうちに、拡散光Ｌｄとなる。
【００５１】
これらの拡散光Ｌｄは、開口孔３０ｂに向かう光と、凹放物反射面３０ａに向かう光に分かれ、上記と同様にして、開口孔３０ｂに向かう光が外部に出射され、凹放物反射面３０ａに向かう光は、再び戻り光Ｌｉｎとなる。
このようにして、凹放物反射面３０ａ、平面反射面３１ａによる反射と、表面Ｓ２による光拡散を繰り返すことで、±θ１の外側に出射される光が、再利用されていくため、放物面鏡３０、平面鏡３１がない場合に比べて、ＬＥＤ２３Ｒの光利用効率を向上することができる。
特に、本実施形態では、平面反射面３１ａが、基板部２３ｄの外周に近接して設けられているため、第１の実施形態に比べて、光量損失をより向上させることができる。
【００５２】
本実施形態の光源ユニット２１Ｒ（２１Ｇ、２１Ｂ）によれば、ＬＥＤ２３Ｒ（２３Ｇ、２３Ｂ）からの光を凹放物反射面３０ａ、平面反射面３１ａで反射して、表面Ｓ２で光拡散させることで、凹放物反射面３０ａ、平面反射面３１ａからの反射光を、表面Ｓ２の大きさ以下の領域を透過させる開口孔３０ｂを通して再利用することで光利用効率を向上することができる。
また、光源ユニット２１Ｒ（２１Ｇ、２１Ｂ）は、レンズ２Ｒ（２Ｇ、２Ｂ）のＮＡの範囲であれば、自由な大きさに形成することができ、他の形状や口径のレンズとも自由に組み合わせて用いることができ、汎用性に優れ、小型化が容易となる。
また、ＬＥＤ２３Ｒ（２３Ｇ、２３Ｒ）からの光を光放射方向の反対側の裏面側に透過させてから光放射方向に反射する必要がないため、裏面側の基板として不透明な材料を採用できるため、汎用性が向上する。
【００５３】
なお、上記の説明では、開口孔１０ｂ、３０ｂの中心は、それぞれ表面Ｓ１、Ｓ２の中心Ｃを通る法線Ｎ上に設けられた場合の例で説明した。この場合、対称性から、ＬＥＤから直接放射される光の占める割合が最大となるため、もっとも光利用効率が良好となる。
ただし、開口孔１０ｂ、３０ｂは、法線Ｎからずれた位置に設けられていてもよい。この場合、ＬＥＤから直接放射される光の占める割合は低くなるが、凹球面反射面１０ａ、凹放物反射面３０ａ、平面反射面３１ａの反射率が良好であれば、反射、光拡散を繰り返して間接的に放射されることになる。このとき、例えば、図５の光強度分布からも明らかなように、開口孔１０ｂ、３０ｂからの放射光は、内部で光拡散を繰り返す結果、光強度分布が均一化される傾向にあり、光軸とのずれによる、光強度分布の変化も少なくて済むものである。
したがって、球面鏡１０、放物面鏡３０の組立誤差や、開口孔１０ｂ、３０ｂの加工誤差に対しても強い光源ユニットとなる。
【００５４】
また、上記の説明では、凹球面反射面１０ａ、凹放物反射面３０ａが、それぞれの光軸をＬＥＤの表面Ｓ１、Ｓ２の中心Ｃ上に備える場合の例で説明したが、ＬＥＤの光量に余裕がある場合には、光軸と中心Ｃとはずれていてもよい。
【００５５】
また、上記の説明では、光源ユニット内に、１つの波長光に対応する１つの光源が設けられた場合の例で説明したが、複数の光源が配置された構成としてもよい。
【００５６】
また、上記の説明では、開口孔１０ｂ、３０ｂから、光が放射される場合で説明したが、光透過部は、光学的に開口していればよく、開口孔１０ｂ、３０ｂは、光透過性を有する透明部材などに置き換えて、光源ユニットを密閉した構成としてもよい。この場合、ＬＥＤを外部環境から保護することができる。
このような密閉構造では、内部に熱がこもりがちとなるが、本発明では、ＬＥＤの裏面側に透明基板を設ける制約がないため、不透明でも高熱伝導性を有する基板を採用することができ、光源ユニット内の放熱を促進することができる。
【００５７】
また、上記の実施形態および変形例に記載された構成要素は、技術的に可能であれば、本発明の技術的思想の範囲内で適宜組み合わせて実施することができる。
【００５８】
ここで、上記実施形態の用語と特許請求の範囲の用語との対応関係について名称が異なる場合について説明する。
ＬＥＤ１３Ｒ、１３Ｇ、１３Ｂは、光源の一実施形態である。表面Ｓ１、Ｓ２は、光拡散性を有する表面の一実施形態である。放物面鏡３０と平面鏡３１との組合せ、および球面鏡１０は、それぞれ、反射部材の一実施形態である。そして、それぞれの反射部材において、開口孔１０ｂ、３０ｂは、光透過部を構成し、凹球面反射面１０ａ、凹放物反射面３０ａ、平面反射面３１ａは、光反射部を構成している。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る画像表示装置の概略構成を示す模式的な構成図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る光源ユニットの概略構成を示す、光軸を含む模式的な断面図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る光源ユニットの光源の模式的な拡大断面図である。
【図４】本発明の第１の実施形態に係る光源ユニットにおける光線の様子を示す模式的な光線図である。
【図５】本発明の第１の実施形態に係る光源ユニットの光強度分布の一例を、比較例とともに示したグラフである。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る光源ユニットの概略構成を示す、光軸を含む模式的な断面図である。
【図７】本発明の第２の実施形態に係る光源ユニットの光源の模式的な拡大断面図である。
【図８】本発明の第２の実施形態に係る光源ユニットにおける光線の様子を示す模式的な光線図である。
【符号の説明】
【００６０】
１Ｒ、１Ｇ、１Ｂ、２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂ  光源ユニット
２Ｒ、２Ｇ、２Ｂ  レンズ
３  色合成プリズム
４  フライアイレンズアレイ
５、６  レンズ
７  空間変調素子
７ａ  表示面
９  投射レンズ
１０  球面鏡（反射部材）
１０ａ  凹球面反射面（光反射部）
１０ｂ、３０ｂ  開口孔（光透過部）
１２  高熱伝導性基板
１３Ｒ、１３Ｇ、１３Ｂ、２３Ｒ、２３Ｇ、２３Ｂ  ＬＥＤ（光源）
１３ａ  ｐ型電極部
２３ｄ  基板部
３０  放物面鏡（反射部材）
３０ａ  凹放物反射面（光反射部）
３１  平面鏡（反射部材）
３１ａ  平面反射面（光反射部）
１００、１１０  画像表示装置
Ｃ  中心
Ｎ  法線
Ｌｄ  拡散光
Ｓ１、Ｓ２  表面（光拡散性を有する表面）
【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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