JP2000258640A - 照明装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 製造コストが低く且つ小型化が可能であり、
また、被照明物を効率的に照明することができる照明装
置を提供する。 【解決手段】 光ファイバ３３のコアの口径が光ファイ
バプレート３２の一端面３２ａよりも他端面３２ｂで大
きいので、一端面３２ａで光ファイバ３３中へ入射して
他端面３２ｂで光ファイバ３３中から出射することによ
って光の平行度が高められる。このため、発光ダイオー
ド４３から取り出される光の量を多くするための光学部
品と光の平行度を高めるための光学部品とを光ファイバ
プレート３２が兼ねていて、光学部品の数が少ない。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本願の発明は、被照明物を照
明するための照明装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図６は、本願の発明の一従来例が用いら
れている投射型表示装置を示している。この投射型表示
装置１１では、発光ダイオード１２の基板の表面にボー
ルレンズ１３が密着しており、ボールレンズ１３に結合
レンズ１４が対向している。この投射型表示装置１１で
は、赤色用、緑色用及び青色用の三個の発光ダイオード
１２が用いられており、四角形のダイクロイックプリズ
ム１５の三面に三組の発光ダイオード１２、ボールレン
ズ１３及び結合レンズ１４の各組が対向している。

【０００３】このため、三個の発光ダイオード１２から
出射した赤色、緑色及び青色の光がダイクロイックプリ
ズム１５で合成され、四角形のダイクロイックプリズム
１５の残りの一面から白色の光が出射する。白色の光が
出射するダイクロイックプリズム１５の一面にはマルチ
レンズアレイ１６が対向しており、更にこのマルチレン
ズアレイ１６にマルチレンズアレイ１７、集光レンズ２
１、２２及び偏光ビームスプリッタ２３が順次に続いて
配置されている。

【０００４】四角形の偏光ビームスプリッタ２３のうち
で集光レンズ２２との対向面に隣接する面には反射型の
液晶表示板等である光変調素子２４とが取り付けられて
おり、偏光ビームスプリッタ２３のうちで光変調素子２
４とは反対側の面には投射レンズ２５が対向している。
また、投射レンズ２５に続いてスクリーン（図示せず）
等が配置されている。従って、光変調素子２４が被照明
物になっており、発光ダイオード１２から偏光ビームス
プリッタ２３までが光変調素子２４に対する照明装置に
なっている。

【０００５】ボールレンズ１３は発光ダイオード１２か
ら取り出される光の量を増加させ、結合レンズ１４はボ
ールレンズ１３から出射した光の平行度を高めてマルチ
レンズアレイ１６に入射させる。マルチレンズアレイ１
６、１７は発光ダイオード１２の発光強度が発光領域に
よって不均一であっても光変調素子２４を均一に照明
し、集光レンズ２１、２２はマルチレンズアレイ１７の
各レンズにおける発光ダイオード１２の像を投射レンズ
２５の入射瞳位置に結像させる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところが、図６に示し
た投射型表示装置１１における照明装置では、発光ダイ
オード１２から取り出される光の量を増加させるために
ボールレンズ１３が用いられており、また、ボールレン
ズ１３から出射した光の平行度を高めるために結合レン
ズ１４が用いられている。このため、光学部品の数が多
くて、製造コストが高く且つ小型化が困難であった。

【０００７】一方、発光ダイオード１２からの光の出射
角度は０〜９０°の分布を有しており、ボールレンズ１
３からの光の出射角度も同様であるので、ボールレンズ
１３から出射された光の総てを結合レンズ１４に取り込
むためには、結合レンズ１４の口径を無限大にする必要
がある。しかし、結合レンズ１４の実際の開口数は０．
９程度が限界であり、結合レンズ１４に取り込むことが
できる光の量は８０％程度が限界である。つまり、ボー
ルレンズ１３と結合レンズ１４との間で光の損失が生じ
ている。

【０００８】また、図６に示した投射型表示装置１１に
おける照明装置では、ダイクロイックプリズム１５が用
いられていない構成であっても、光源である発光ダイオ
ード１２から被照明物である光変調素子２４までに光学
部品と空気との界面が１０箇所も存在しており、光学部
品の表面に反射防止処理が施されていても、反射によっ
て１５％程度の光の損失が生じる。このため、ダイクロ
イックプリズム１５の効率や各光学部品による光の吸収
の影響を除外して考えても、発光ダイオード１２から出
射された光の利用効率は６５％程度が限界であり、光変
調素子２４を効率的に照明することが困難であった。

【０００９】従って、本願の発明は、製造コストが低く
且つ小型化が可能であり、また、被照明物を効率的に照
明することができる照明装置を提供することを目的とし
ている。

【００１０】

【課題を解決するための手段】請求項１に係る照明装置
では、光ファイバプレートの一端面に光源が密着してい
るので、光ファイバプレートと光源との間に空気が介在
している構造に比べて、光源から取り出される光の量が
多い。しかも、光ファイバプレートを構成している光フ
ァイバのコアの口径が光ファイバプレートの一端面より
も他端面で大きいので、光ファイバプレートの一端面で
光ファイバ中へ入射して他端面で光ファイバ中から出射
することによって光の平行度が高められる。このため、
光源から取り出される光の量を多くするための光学部品
と光の平行度を高めるための光学部品とを光ファイバプ
レートが兼ねていて、光学部品の数が少ない。

【００１１】また、光源から取り出される光の量が多
く、しかも、光学部品の数が少なくて光学部品同士の間
及び光学部品と空気との界面における光の損失も少ない
ので、光源からの光の取り出し効率及び光源から取り出
された光の利用効率が高い。

【００１２】また、光ファイバプレートの一端面から他
端面まで光ファイバ中で反射を繰り返しながら光が進行
するので、コヒーレント光源が用いられていて、この光
源から取り出された光が位相情報を有していても、光フ
ァイバプレートの他端面から出射する光には位相情報が
少なくなっている。このため、コヒーレント光源が用い
られていてもスペックルノイズが少ない。

【００１３】請求項２に係る照明装置では、光ファイバ
プレートの側面のうちで光ファイバプレートの一端面に
隣接している部分とこの一端面の法線との間の角度が光
ファイバのコアと空気との臨界角よりも大きい。このた
め、光ファイバプレートの一端面で光ファイバ中へ大き
な角度で入射した光でも光ファイバプレートの側面から
光ファイバプレート外へ漏れなくて、光源からの光の取
り出し効率が更に高い。

【００１４】請求項３に係る照明装置では、コアと等し
い屈折率を有する接着剤によって光ファイバプレートの
一端面と光源とが接着されているので、光源から取り出
されて光ファイバプレートに入射する光が光ファイバプ
レートの表面で反射しなくて、光源からの光の取り出し
効率が更に高い。

【００１５】請求項４に係る照明装置では、光ファイバ
プレートの他端面に光学部品が密着しているので、光フ
ァイバプレートから出射して光学部品に入射する光が光
学部品と空気との界面で反射する量が少なくて、光源か
ら取り出された光の利用効率が更に高い。

【００１６】請求項５に係る照明装置では、コアと等し
い屈折率を有する接着剤によって光ファイバプレートの
他端面と光学部品とが接着されているので、光ファイバ
プレートから出射されて光学部品に入射する光が光学部
品の表面で反射しなくて、光源から取り出された光の利
用効率が更に高い。

【００１７】請求項６に係る照明装置では、光ファイバ
プレートの他端面の形状が被照明物の形状と相似形であ
るので、光ファイバプレートから出射する光によって被
照明物が有効に照明されて、光源から取り出された光の
利用効率が更に高い。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、投射型表示装置における照
明装置に適用した本願の発明の第１〜第４実施形態を、
図１〜５を参照しながら説明する。図１（ａ）が、第１
実施形態の照明装置が用いられている投射型表示装置を
示している。この投射型表示装置３１も、発光ダイオー
ド１２とダイクロイックプリズム１５とに光ファイバプ
レート３２が密着しており、集光レンズ２１、２２も夫
々ダイクロイックプリズム１５及び偏光ビームスプリッ
タ２３に密着していることを除いて、図６に示した投射
型表示装置１１と同様の構成を有している。

【００１９】図１（ｂ）に示されている様に、光ファイ
バプレート３２は複数の光ファイバ３３が束ねられて構
成されており、図１（ａ）から明らかな様に、光ファイ
バ３３のコアの口径は光ファイバプレート３２の一端面
３２ａよりも他端面３２ｂで大きい。光ファイバプレー
ト３２の一端面３２ａ及び他端面３２ｂは、光ファイバ
３３のコアと等しい屈折率を有する接着剤によって、夫
々発光ダイオード１２及びダイクロイックプリズム１５
に接着されている。

【００２０】光ファイバプレート３２の一端面３２ａ及
び他端面３２ｂの形状は、光変調素子２４の形状と相似
形である。また、光ファイバプレート３２の側面３２ｃ
のうちで一端面３２ａに隣接している部分とこの一端面
３２ａの法線との間の角度、つまり、図１（ａ）中に示
す角度θが、光ファイバ３３のコアと空気との臨界角よ
りも大きい。具体的には、光ファイバ３３のコアの屈折
率が１．５の場合は、コアと空気との臨界角が４２°で
あるので、角度θは４２°よりも大きい。

【００２１】ところで、発光ダイオード１２と光ファイ
バプレート３２との間に空気が介在していると、発光ダ
イオード１２で生成された光に対する出射する光の比率
はこの光が出射する発光ダイオード１２の基板と空気と
の臨界角によって決定されて、３２％程度の光しか発光
ダイオード１２から出射しない。しかし、以上の投射型
表示装置３１では、光ファイバプレート３２の一端面３
２ａが光ファイバ３３のコアと等しい屈折率を有する接
着剤によって発光ダイオード１２に接着されているの
で、７３％の光が光ファイバ３３中へ取り込まれる。

【００２２】一方、屈折率が１．７６程度である平面状
のサファイア基板にＧａＮ系の発光ダイオード１２が形
成されており、且つ、光ファイバ３３のコアの屈折率が
１．５であるとすると、光ファイバ３３のコアの屈折率
がサファイア基板の屈折率と同等以下である。このた
め、既述の様に発光ダイオード１２からの光の出射角度
が０〜９０°の分布を有しているとすると、一端面３２
ａで光ファイバ３３中へ入射する光の入射角度も同様の
分布を有する。従って、コアからクラッドへの光の入射
角がこれらの臨界角よりも小さいと、コアからクラッド
へ光が漏れる。

【００２３】しかし、コアの口径が一端面３２ａよりも
他端面３２ｂで大きい複数の光ファイバ３３が束ねられ
て光ファイバプレート３２が構成されているので、光フ
ァイバプレート３２の中心軸から側面３２ｃへ近づくに
連れてコアとクラッドとの界面の傾斜角も大きくなっ
て、コアからクラッドへの光の入射角が次第に臨界角以
下になる。しかも、上述の様に、角度θがコアと空気と
の臨界角よりも大きい。このため、一端面３２ａから光
ファイバ３３中へ大きな角度で入射した光でも側面３２
ｃから光ファイバプレート３２外へ漏れなくて、光源か
らの光の取り出し効率が高い。

【００２４】光ファイバプレート３２の一端面３２ａで
光ファイバ３３中へ入射した光は、光ファイバプレート
３２の他端面３２ｂへ向かって光ファイバ３３中を進行
する。一方、光学系にはヘルムホルツ・ラグランジェの
不変量、つまり、光学系を通じて屈折率と光の角度と中
心軸からの距離との積は一定であるという制約が存在し
ている。そして、光ファイバプレート３２では光ファイ
バ３３のコアの口径、つまり、中心軸からの距離が一端
面３２ａよりも他端面３２ｂで大きいので、光ファイバ
プレート３２の他端面３２ｂで光ファイバ３３から出射
する光の平行度が高くなっている。

【００２５】具体的には、光ファイバ３３のコアの屈折
率が発光ダイオード１２のサファイア基板の屈折率と同
等程度であり、且つ、光ファイバ３３のコア径が他端面
３２ｂにおいて一端面３２ａの１０倍であるとすると、
上述の様に一端面３２ａで光ファイバ３３中へ入射する
光の入射角度は０〜９０°の分布を有しているが、他端
面３２ｂにおける光ファイバ３３から空気中への出射角
は１０°以内になる。

【００２６】光ファイバプレート３２の他端面３２ｂで
光ファイバ３３から出射する光の平行度がこの程度にま
で高くなっていると、光ファイバ３３のクラッドの屈折
率を１．２５程度以下にしておけば、光ファイバ３３内
で光が全反射する。しかし、上述の様に光ファイバプレ
ート３２の中心軸から側面３２ｃへ近づくに連れてコア
とクラッドとの界面の傾斜角も大きくなり、しかも、画
像の伝送装置とは異なって照明装置では光ファイバ３３
間で光が漏れても支障は生じないので、光ファイバ３３
におけるコアとクラッドとの屈折率差の制約は少ない。

【００２７】なお、上述の様に光ファイバ３３のコアの
口径が一端面３２ａよりも他端面３２ｂで大きければ光
ファイバ３３から出射する光の平行度を高めることがで
きるので、複数の光ファイバ３３が束ねられた光ファイ
バプレート３２ではなくて単一の光学ロッドでも光の平
行度を高めることはできる。しかし、光の平行度を高め
るためには口径に対して長さが十分に長い必要があり、
例えば、直径が０．１ｍｍの複数の光ファイバ３３が束
ねられた光ファイバプレート３２に比べて、直径が２ｍ
ｍの単一の光学ロッドでは、２０倍の長さが必要であ
る。従って、光ファイバプレート３２では照明装置を小
型化することができる。

【００２８】ところで、図１と図６との比較からも明ら
かな様に、この投射型表示装置３１には、発光ダイオー
ド１２の発光強度が発光領域によって不均一であっても
光変調素子２４を均一に照明するためのマルチレンズア
レイ１６、１７が用いられていない。これは、光ファイ
バ３３の径が大きく且つ断面形状が光変調素子２４の形
状と相似形であれば、この光ファイバ３３内で光が反射
を繰り返すうちに光の強度が光ファイバ３３内で均一に
なるので、マルチレンズアレイ１６、１７が必ずしも必
要ではないためである。

【００２９】この投射型表示装置３１では、図１から明
らかな様に、光源である発光ダイオード１２から被照明
物である光変調素子２４までに光学部品と空気との界面
が２箇所しか存在していない。このため、ダイクロイッ
クプリズム１５の効率や各光学部品による光の吸収の影
響を除外して考えると、発光ダイオード１２から出射さ
れた光の損失は、光ファイバ３３の断面積とコアの断面
積との比率によって略決定されて、１０〜２０％程度で
しかない。従って、ダイオード１２から取り出された光
の利用効率は、９０〜８０％程度であり、６５％程度が
限界である既述の従来例よりも相当に高い。

【００３０】図２（ａ）〜（ｃ）は、夫々光ファイバプ
レートの各種の変形例を示している。これらの光ファイ
バプレート３４〜３６の何れの側面３４ｃ〜３６ｃの形
状も図１に示した第１実施形態の照明装置における光フ
ァイバプレート３２の側面３２ｃの形状と異なっている
が、発光ダイオード１２に接着される一端面３４ａ〜３
６ａに比べて他端面３４ｂ〜３６ｂが所定の倍率で大き
いことと、一端面３４ａ〜３６ａ及び他端面３４ｂ〜３
６ｂの形状が光変調素子２４の形状と相似形であること
とは、光ファイバプレート３２と同様である。

【００３１】図３は、第２実施形態の照明装置が用いら
れている投射型表示装置を示している。この投射型表示
装置４１も、光ファイバプレート３２の代わりに光ファ
イバプレート３４が用いられており、各々の色の発光ダ
イオード１２に対応して偏光ビームスプリッタ２３及び
光変調素子２４が設けられており、変調された後の光が
ダイクロイックプリズム１５で合成されることを除い
て、図１に示した投射型表示装置３１と同様の構成を有
している。

【００３２】図４は、第３実施形態の照明装置が用いら
れている投射型表示装置を示している。この投射型表示
装置４２も、赤色、緑色及び青色の三色の光を出射する
発光ダイオード４３が発光ダイオード１２の代わりに用
いられており、発光ダイオード４３から光変調素子２４
までが一組しか用いられておらず、ダイクロイックプリ
ズム１５も用いられていないことを除いて、図３に示し
た投射型表示装置４１と同様の構成を有している。

【００３３】図５は、第４実施形態の照明装置が用いら
れている投射型表示装置を示している。この投射型表示
装置４４も、透過型の光変調素子４５が光変調素子２４
の代わりに用いられており、偏光ビームスプリッタ２３
が用いられていないことを除いて、図３に示した投射型
表示装置４１と同様の構成を有している。

【００３４】なお、第１〜第４実施形態の照明装置が用
いられている何れの投射型表示装置３１、４１、４２、
４４においても、偏光を利用することによって、投射レ
ンズ２５に入射させるべき光を選択している。しかし、
デジタルミラー装置（ＤＭＤ）やポリマー分散型液晶板
（ＰＤＬＣ）や回折格子等を利用することによって、投
射レンズ２５に入射させるべき光を選択する投射型表示
装置にも本願の発明の照明装置を適用することができ
る。

【００３５】また、発光ダイオード４３の他に半導体レ
ーザ等も、平面状の基板に形成されていて光ファイバプ
レート３２の一端面３２ａ等を接着させ易いので、本願
の発明の照明装置における光源として好適である。しか
も、半導体レーザ等のコヒーレント光源が用いられてい
て、この光源から取り出された光が位相情報を有してい
ても、光ファイバプレート３２の他端面３２ｂ等から出
射する光には位相情報が少なくなっている。このため、
コヒーレント光源が用いられていてもスペックルノイズ
が少ない。

【００３６】また、以上の第１〜第４実施形態の何れも
が投射型表示装置における照明装置に本願の発明を適用
したものであるが、本願の発明は投射型表示装置以外の
照明装置にも適用することができる。

【００３７】

【発明の効果】請求項１に係る照明装置では、光学部品
の数が少ないので、製造コストが低く且つ小型化が可能
である。また、光源からの光の取り出し効率及び光源か
ら取り出された光の利用効率が高いので、被照明物を効
率的に照明することができる。また、コヒーレント光源
が用いられていてもスペックルノイズが少ないので、照
明品質が高い。

【００３８】請求項２、３に係る照明装置では、光源か
らの光の取り出し効率が更に高いので、被照明物を更に
効率的に照明することができる。

【００３９】請求項４〜６に係る照明装置では、光源か
ら取り出された光の利用効率が更に高いので、被照明物
を更に効率的に照明することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は本願の発明の第１実施形態が適用され
ている投射型表示装置の模式図であり、（ｂ）は第１実
施形態における光ファイバプレートの正面図である。

【図２】（ａ）〜（ｃ）は夫々光ファイバプレートの各
種の変形例の斜視図である。

【図３】本願の発明の第２実施形態が適用されている投
射型表示装置の模式図である。

【図４】本願の発明の第３実施形態が適用されている投
射型表示装置の模式図である。

【図５】本願の発明の第４実施形態が適用されている投
射型表示装置の模式図である。

【図６】本願の発明の一従来例が適用されている投射型
表示装置の模式図である。

【符号の説明】

１２…発光ダイオード（光源）、１５…ダイクロイック
プリズム（光学部品）、２１…集光レンズ（光学部
品）、２４…光変調素子（被照明物）、３２…光ファイ
バプレート、３２ａ…一端面、３２ｂ…他端面、３２ｃ
…側面、３３…光ファイバ、３４〜３６…光ファイバプ
レート、３４ａ〜３６ａ…一端面、３４ｂ〜３６ｂ…他
端面、３４ｃ〜３６ｃ…側面、４３…発光ダイオード
（光源）、４５…光変調素子（被照明物）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｇ０２Ｂ 6/42 Ｇ０２Ｂ 6/42 Ｇ０９Ｆ 9/00 ３６０ Ｇ０９Ｆ 9/00 ３６０Ｄ Ｆターム(参考） 2H037 AA03 BA02 CA01 DA03 DA04 DA17 2H038 AA54 2H046 AA32 AA69 AD05 5G435 AA17 AA18 BB04 DD04 EE25 FF02 FF07 GG02 GG03 GG04 GG23 LL15

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数の光ファイバが束ねられて光ファイ
   バプレートが構成されており、前記光ファイバのコアの
   口径が前記光ファイバプレートの一端面よりも他端面で
   大きく、前記一端面に光源が密着している照明装置。
2. 【請求項２】 前記光ファイバプレートの側面のうちで
   前記一端面に隣接している部分と前記一端面の法線との
   間の角度が前記コアと空気との臨界角よりも大きい請求
   項１記載の照明装置。
3. 【請求項３】 前記コアと等しい屈折率を有する接着剤
   によって前記一端面と前記光源とが接着されている請求
   項１記載の照明装置。
4. 【請求項４】 前記他端面に光学部品が密着している請
   求項１記載の照明装置。
5. 【請求項５】 前記コアと等しい屈折率を有する接着剤
   によって前記他端面と前記光学部品とが接着されている
   請求項４記載の照明装置。
6. 【請求項６】 前記他端面の形状が被照明物の形状と相
   似形である請求項１記載の照明装置。