JP4005726B2

JP4005726B2 - 投写型ディスプレイの照明装置

Info

Publication number: JP4005726B2
Application number: JP33284698A
Authority: JP
Inventors: 久幸三原; 佳典本宮; 稔夫尾林
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1998-11-24
Filing date: 1998-11-24
Publication date: 2007-11-14
Anticipated expiration: 2018-11-24
Also published as: JP2000155545A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光源と光変調素子を利用した投写型ディスプレイに係り、特にこれらの光源として光半導体素子を用いた投写型ディスプレイの照明装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来投写型ディスプレイの光源としては、水銀ランプやこれにハライド化合物を加えたメタルハライドランプ等が主に用いられてきた。これらの光源は５０乃至８０［ｌｍ／Ｗ］の高い発光効率と、１ｍｍ程度の小さな電極間距離（アーク長）が実現され、図１４（ａ）に示したようなフライアイレンズを用いた光学照明装置としてほぼ市場を占拠しているのが現状である。
【０００３】
図１４（ａ）において、１は光源（ランプ）、２はリフレクタ、３はＵＶフィルタ、４はＩＲフィルタ、５，６はフライアイレンズを構成する第１フライアイ素子と、第２フライアイ素子である。光源１より出た光は、フライアイレンズ素子５，６、レンズ７を介して、ダイクロイックミラー８，９，１０側へ出射される。ダイクロイックミラー８で反射された光は、ミラー１１、レンズ１２を介して例えば青（Ｂ）用の液晶パネル（空間変調素子）１３に入射する。この液晶パネル１３から出射された青の光学像は、合成プリズム１４で他の色の光学像と合成され、投射レンズ１５に入射する。
【０００４】
ダイクロイックミラー８を透過した光は、ダイクロイックミラー９で反射され、レンズ１６を介して例えば緑（Ｇ）用の液晶パネル１７に入射する。この液晶パネル１７から出射された緑の光学像は、合成プリズム１４に入射する。
【０００５】
ダイクロイックミラー９を透過した光は、レンズ１８，１９を介してダイクロイックミラー１０に入射する。ダイクロイックミラー１０で反射された光は、レンズ２０、ミラー２１、レンズ２２を介して例えば赤（Ｒ）用の液晶パネル２３に入射する。この液晶パネル２３から出射された赤の光学像は、合成プリズム１４に入射する。投射レンズ１５から出射したフルカラー光学像は、投写スクリーンに投影される。
【０００６】
上記した装置において、ランプによる光源は、図１４（ｂ）に示す通り不要光を多く含んでおり、これらを３原色分光駆動が一般的な現状の投写型ディスプレイでは示すＵＶフィルタ３、ＩＲフィルタ４や、ダイクロイックミラー８，９，１０等の光学フィルターを用いて除去するようにしている。この結果、部品増加によるコストアップのみならず、迷光または遮光部での発熱による各種不具合を発生させる要因を含んでいた。
【０００７】
そのほか点灯後の輝度の立ち上がりが遅い、寿命が短い、水銀使用（環境問題）、起動時に高電圧を要すなどランプの基幹問題に拘わる多くの問題を含んでいた。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
これらに変わる新たな光源候補としてＬＥＤなどの光半導体素子が挙げられる。光半導体素子は上記不具合の殆どを解決することが可能であるが、例えばＩｎＧａＡｌＰ（赤）ＬＥＤ１素子は通常２０ｍＡの使用標準で２Ｖ程度の順電圧であるから、光源電力としては０．０４Ｗに過ぎず、投写型ディスプレイ用光源として多大な数を必要とすることは明白である。さらにこれらの半導体素子は光拡散角が大きいうえに半導体結晶の屈折率が高く、大気中への透過効率が悪いとの欠点を持つ。このため通常の単体ＬＥＤランプ構造に見られるように照射面逆側にリフレクタを配し、且つ表面をレンズ形状を有する樹脂などにて覆うことで指向特性ならびに光取り出し効率を改善させている。
【０００９】
ところがこのような構成にて従来照明のような構成を得ようとすると、フライアイレンズのＮＡ（開口数）を満足し、且つ光半導体素子の配光特性を十分カバーしたＬＥＤリフレクタの形状は大きくなり、必然的に各部品の配置ピッチは大きくなる。従って先述した単体ＬＥＤランプを多大数量を配置した場合の光源形状およびフライアイレンズは長大化し、結果としてシステムの巨大化、高コスト化のみならず、例えばライトバルブとして液晶を用いた場合、照明角が大きくなり視野角の影響などでコントラスト等の映像品位が低下する、投射レンズを含め光集光高効率な光学系の構築は非常に難しいなど不具合が多い。このためこのような光学系は、実現されていないのが現状である。併せてこのような構成をとる光源そのものも多くの加工と精度が必要となるために、従来のランプ光源に対し非常に高価とならざるを得ない。
【００１０】
当然ながらこれらライトバルブの直前に以上の配光特性改善加工が施された光源を配し、直接照射することも考えられるが、光半導体素子間のばらつきは明るさのみならず発光波長にも存在するため、分割重畳を行わなければ不良、個別経時変化ばらつき等に起因する部分的輝度劣化、不点現象を含め、色むら、輝度むらなどの不具合要因として現れ、高品位な投写型ディスプレイ構築の妨げとなり、これらを包括的に改善する画期的な光学手段は存在しなかった。
【００１１】
そこで本発明は、先述した光半導体素子等の面光源を用いた不具合を回避する手段を工夫し、安価で高品位は投写型ディスプレイの照明装置を提供することを目的としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、光拡散タイプの面光源を有し、前記面光源は、照射面または表示面に対向し、かつ前記面光源と前記照射面または表示面が対向する間の空間の横断面よりも小さな面形状であり、さらに、前記面光源の外周付近と前記照射面または表示面の外周付近より形成される空間を反射鏡で囲むカライドスコープを有した構造であり、前記面光源は、前記照射面または表示面と所定方向に相似形の２分の１の寸法比を有しており、上記カライドスコープの前記面光源付近に上記所定方向に光の分離及び位相回転処理を行う両偏光利用手段が施されており、前記面光源の上記所定方向のサイズをａ、前記照射面または表示面のサイズをｂとしたとき、前記照射面または表示面からの光を投射する投射レンズのＦ値について
Ｆ＝ｂ／（４ａ）
上記任意方向と直交する方向の前記面光源のサイズａ ' 、同方向の前記照射面または表示面のサイズをｂ ' としたとき前記照射面または表示面からの光を投射する投射レンズのＦ値についてＦ＝ｂ ' ／（２ａ ' ）なる条件が成立することを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
【００１４】
まず本発明の主な特徴的な部分を述べる。即ち、光半導体光源の特殊加工を必要としないウエハ状態のままでの光半導体素子を、その照明野よりも小さい面積で且つ等しいアスペクト比にて面光源として使用し、このウエハ光源と照明野との間の空間を構成が簡単なカライドスコープで囲む構成とする。そして最も高いＦ値、即ち最も低コストな投射レンズ仕様にて最良の光利用効率を達成させる光学装置の照明手段を提供する。更に面光源に起因する不具合を回避するための照明距離等各種条件を提示することで、必要最低限の照明品位を最も低コストにて達成するた条件をも提示している。
【００１５】
併せて光源を屈折率が１よりも大きな中間媒質で単純に覆うことで、半導体結晶の屈折率の整合を助けて内部反射率および臨界角を改善させている。また両偏光の利用が必要となった場合や、光源発散角に顕著な条件が存在する場合に於いても、最適な照明手段を提供することで、安価で高効率・高品位な光学装置を提供することを可能としている。
【００１６】
以後、具体的に本発明による構造の必要性と構成原理を説明する。
【００１７】
図１（ａ）は本発明の前提となる実施の形態である。３１は面光源であり、３２は照明野である。面光源３１の周囲と照明野３２の周囲の空間は、例えばミラー（ガイドスコープ）３３で囲まれているが、趣旨を満足すれば樹脂が充填された状態、或いはプリズムによる構成の何れでもよい。
【００１８】
ここで簡単のために照明野３２は任意アスペクト比の長方形であるとし、照明光学部のみを単色構成にて示している。
【００１９】
面光源３１は、例えば赤のＬＥＤ光源集合体で、照明野３２よりも縦横寸何れも小さな形状である。この面光源３１の有効外周部端と照明野３２の有効外周部端を隙間無くミラー３３ａ，３３ｂ，３３ｃ，３３ｄで囲み、照明野３２の中央観測部「Ｐ」より見ると、面光源３１とミラー３３ａ，３３ｂ，３３ｃ，３３ｄによる鏡像は図１（ｂ）に図示するように、照明野３２と面光源３１の寸法比により求まる半径を有する楕円球光源として観測される。
【００２０】
即ち、照明野３２の観測点「Ｐ」には面光源３１の全てのＬＥＤからそれぞれ複数の任意出射角にて発した光が到達しており、面光源３１と照明野３２間の距離が十分確保され、且つ光源鏡像による最大照明光以上の発散角を投影系（投写レンズ系）３４がＦ値として備わっていれば、高効率で均一な投写型光学装置を得ることが可能である。図１（ｃ）には面光源３１の１つのＬＥＤの出射光の拡散の様子を示している。
【００２１】
投影系（投射レンズ）３４にて達成するＦ値は、必ずしもこの全ての範囲をカバーする必要はなく、光源が完全拡散状態で発光し、且つミラー３３ａ，３３ｂ，３３ｃ，３３ｄによる反射損失が殆どない場合にのみこの効果が顕著となる。
【００２２】
上記のようにこの発明の基本は、面光源３１は、照明野３２（照射面または表示面）の方向の何れ断面方向についても小さな形状であり、且つこの面光源３１の外周付近と照射野３２の外周付近より形成される任意空間を反射鏡で囲むミラー３３ａ，３３ｂ，３３ｃ，３３ｄ、つまりカライドスコープ（万華鏡）３３構造としている。つまり上下、左右のミラー３３ａ，３３ｂ，３３ｃ，３３ｄによりカライドスコープ３３が構成されている。
【００２３】
図２には、上記の装置を構成する上で、その基本的考え方を示した。簡単のために実施例は単色構成によるものであり、面光源３１および照明野３２は光軸対称に配置され、且つ図は光源を含む断面の２次元表示としている。
【００２４】
面光源３１のサイズを「ａ」、照明野３２のサイズを「ｂ」、面光源３１〜照明野３２間の距離を「ｄ」とする。そして面光源３１端〜照明野３２端を対面したミラー３３ａ，３３ｂ、３３ｃ、３３ｄにて隙間無く囲むとする。このとき、照明野３２の中心観測点「Ｐ」から見た面光源３１および光源鏡像３５は、面光源３１からミラー３３ａ，３３ｂの延長線上交点「Ｏ」までの距離「ｒ」を半径とする円３６上に並ぶ。
【００２５】
照明距離「ｄ」が十分確保されていれば、鏡像３５は円３６とみなすことが許容される。よって観測点「Ｐ」への最大照明角は、「Ｐ」から円３６への接線が光軸と為す角度「θ」であり、照明野３２よりミラー３３ａ，３３ｂの延長交点「Ｏ」までの距離を「Ｌ」、ミラー３３ａ，３３ｂの対光軸角を「φ」とするとき、
ｒ＝ｄ×ａ／（ｂ−ａ） …（１）
Ｌ＝ｄ×ｂ／（ｂ−ａ） …（２）
φ＝ tan^-1｛（ｂ−ａ）／（２ｄ）｝ …（３）
であるから照明角「θ」は
θ＝sin^-1（ｒ／Ｌ）＝sin^-1（ａ／ｂ） …（４）
となる。よってこの全ての照明角をカバーしうる最小の投影系のＦ値は
Ｆ＝１／（２sinθ）＝ｂ／（２ａ） …（５）
であり照明距離「ｄ」によらない。
【００２６】
従って、光源と照明野３２の寸法比が何れの方向より見ても同じ比を有する、即ち相似形であれば、観測点「Ｐ」より見た面光源３１とその鏡像３５は半径「ｒ」の球状となって観測される。
【００２７】
一般に投射レンズ素子は，その加工性から光軸上よりみると円形をしており、従って光軸より見た投射レンズ入射瞳も光軸対称な円形状であるから、面光源３１は照明野３２と相似形を為すことで最も大きなＦ値にて最大の瞳通過効率を得ることが可能となる。（Ｆ値…光学系の有効角（明るさ）指標、θ…最大有効角）
Ｆ＝１／（２ sinθ）＝ｂ／（２ａ） …（再掲（５））
の条件が確保されれば、最も高効率な投写型ディスプレイが構築可能となる。そして投射レンズのＦ値ＦｔがＦｔ＜＝Ｆ＝１／（２ sinθ）＝ｂ／（２ａ）であれば損失なく照明光を投影できる。
【００２８】
以上は完全拡散に近い出射特性を有する光源時の設計手法であったが、光半導体素子によっては光発散角に顕著な特性を有し、「θ_L」以上の出射角は有効とは見なせない場合がある。
【００２９】
図３を用いて、光源に対して有効出射角が与えられた場合の本発明の適用例について説明する。
【００３０】
光半導体素子の有効出射角が「θ_L 」で与えられ、その他の条件は図３を用いた前節と同条件であるとする。ここでカライドスコープ３３のなす角「φ」よりも面光源３１の集光出射角範囲「θ_L」が大きい場合、観測点「Ｐ」よりみた光源像は前節同様ミラー３３ａ，３３ｂの延長線交点を中心とする半径「ｒ」の円３６上に存在する。
【００３１】
ここで面光源３１の配光特性は「θ_L」であるから、円３６より「θ_L」で発し、観測点「Ｐ」に到達する円３６上の鏡像３５から発する光線が光軸となす角「θ_T」が、観測点「Ｐ」への照明最大角となる。
【００３２】
従って鏡像３５と円３６中心「Ｏ」および光軸との角度を「θ_M」とすれば、
θ_L＝θ_M＋θ_T …（６）
ｒ sinθ_M＝（Ｌ−ｒ cosθ_M） tanθ_T …（７）より
sinθ_T＝ｒ sinθ_L／Ｌ …（８）
よって、光源素子に配光特性条件「θ_L」が加えられた場合の最も有効な投影系のＦ値は、（８）、（１）、（２）式より
Ｆ＝１／（２ sinθ_T）＝ｂ／（２ａ sinθ_L） …（９）
となる。
【００３３】
ここで、投写型ディスプレイの光変調素子として液晶を用いる場合、直線偏光光のみが照明有効光として用いられる場合が多勢を占める。半導体素子が半導体レーザーのような直線偏光光であれば、これまで説明した本発明はそのまま適用可能であるが、ＬＥＤのようなランダム偏光時にはＰＢＳ素子などを用いて直交する２偏光光に分離し、片側に位相回転処理を加えて光利用効率を向上させる手法を適用した方が望ましい。
【００３４】
通常のランプ光源では分割重畳を行うフライアイ第２素子（図１４（ａ）中の６）の近辺にて上記のような手法が用いられるが、現在考案されている、いかような両偏光利用手段も、照明系以後の条件が変わらなければ照明有効光を任意方向において半減させ、この隙間を用いてこのような処理を加える手法が要求される。
【００３５】
本発明にこのような両偏光利用手段を配す場合も例外なく、任意方向にて照明角を半減させる手段を施した後にランダム偏光を直線偏光に変換する処置を行う必要がある。これまでの説明から、（５）式および（９）式にて照明角を任意方向において半減させる手段は、単純に照明野３２と面光源３１との相似形状から両偏光利用手段にて分離される方向に２分の１の面光源形状とするのみで、後述する条件の重要性は立証されるが、実施例として光源側に両偏光利用手段を施した場合を想定し、図４を用いて説明する。図４では、下方向（短辺方向）に照明有効光が半減された例である。
【００３６】
図４（ａ）に示す通り、面光源３１の長辺寸「ａ₁」、短辺寸「ａ₂」、照明野３２の長辺寸「ｂ₁」、短辺寸「ｂ₂」であるとし、短辺方向に図４（ｂ）に示す両偏光利用手段を施すものとする。
【００３７】
両偏光利用手段を図４（ｂ）を用いて説明すれば、面光源３１より発する点線で示したｐ偏光成分はＰＢＳ素子４４を通過し、偏光回転板４６にてｓ偏光にて揃えられカライドスコープ３３内に出射される。一方、面光源３１より発する図中実線で示したｓ偏光成分はＰＢＳ素子４４で反射され、さらにミラー４５にて方向変換しカライドスコープ３３内に出射される。ＰＢＳ４４素子およびミラー４５はプリズム４７，４８で形成されており、一般にプリズム４７と４８は同じサイズを有する。また、光源３１の出射条件によっては光源３１とプリズム４７間に図示しない凸レンズを配したり、プリズム４７，４８の外部境界をミラー加工したり、ＰＢＳ素子４４やミラー４５は凹レンズ形状加工を施した方が光利用効率は向上する場合がある。
【００３８】
このような場合でも、カライドスコープ３３と照射面３２以降の投影系Ｆ値の関係は（５）および（９）式にて既に導かれるから、プリズム４７，４８の形状がほぼ等しい場合にはプリズム４７，４８の合算値「２ａ₂」と長辺「ａ₁」の形成する合成光源が照明野３２と相似形となるよう形成されれば、これまで述べてきた本発明はそのまま適用可能となる。即ち、両偏光利用時の偏光分離方向がａ₂，ｂ₂辺方向であったとき、
ａ₁：２ａ₂＝ｂ₁＋ｂ₂ …（１０）
なる拡散光源形状を有した場合の投影系Ｆ値は
Ｆ＝ｂ／（４ａ） …（１１）
とし、さらに光源有効発散角が「θ_L」の条件が加えられた場合の投影系Ｆ値はＦ＝ｂ／（４ａ sinθ_L） …（１２）
と設定する有効性が検証される。
【００３９】
これまで本発明の具体的実施形態の検証は全て光軸上観測点より説明してきたが、光軸以外の照射観測位置から見たカライドスコープによる光源および光源鏡像も、図５に示す通りミラー３３ａ，３３ｂの延長線上交点を中心とする半径ｒの円３６上に存在する。
【００４０】
即ち，図５において、照射面周辺観測点「Ｐ」、「Ｑ」に於ける照明光主光線は、ほぼカライドスコープ３３の傾斜角「θ」となる。従って光変調素子に視野角の影響を受けやすい液晶を用いた場合には、照明野３２の直前に焦点距離「Ｌ」のレンズ３７を配すことで、全ての照明野への照明光主光線は光軸と略平行とすることが可能となる。即ちレンズ３７の焦点距離「ｆ」は、
ｆ＝Ｌ＝ｄ×ｂ／（ｂ−ａ） …（１３）
なお、ミラー反射効率が無視できないほど大きい場合には、（１３）式よりにて求まる焦点よりもやや短く設定した方が好ましい結果が得られる場合が多い。
【００４１】
一方光変調素子が視野角影響を受けない場合には、投影系条件にて焦点を多少変更する方がより好ましい結果が得られる場合が多い。
【００４２】
図６（ａ）に示す通り、物体のレンズ７１による結像は殆どの場合に於いて中央部が最も有効角θ１が広く、且つバランスがとれており、光軸より外周部へ向かうほど外周方向の有効角は狭くなる。この状態をワイドアスペクト比を有する照明野の主要観測点より投射レンズ入射瞳形状にて表したものが図６（ｂ）である。図中、左側は集光レンズ焦点を「Ｌ」とした場合で、図中、右側は集光レンズ焦点を本投影系の周辺部瞳を考慮してやや短焦点とし、外周部における照明光主光線をやや集光させた状態を模擬している。このようにすると、周辺光量比の小さな投射レンズ等に於いても周辺光量の劣化が少なく、良好な結果が得られることは明白である。
【００４３】
以上を総合すれば、配する集光レンズ３７の焦点距離「ｆ」は、
ｆ≦Ｌ＝ｄ×ｂ／（ｂ−ａ） …（１４）
とすることが望ましい。
【００４４】
本発明の適用光源として有力と思われるものにＬＥＤ（発光ダイオード）が挙げられる。しかしながら従来欄で述べた様に、投写型ディスプレイ光源としては各色とも非常に多数個必要とする。従来のＬＥＤでは高密度配置ができず、これはで（５）、（９）、（１１）、（１２）式より好ましくないことは明白な上に、個々にて構成される光源の多数集合体であるから、非常に高コストとなる。
【００４５】
もともとＬＥＤは数インチウエハ上に数十万のＬＥＤが存在する状態で製造されるから、設計に若干の修正を加え、ウエハ状態にて本発明適用に適した任意範囲が結線された状態の光源を製造すれば、分割加工以降の工程が省略され、かなりの数量が使用されてもコスト的に非常に有利である。
【００４６】
ただしＬＥＤに用いられる半導体結晶はＮ（屈折率）＝３．５程度の高屈折物質が多く、そのまま大気中へ放出させると、図７のグラフ上細実線にて示す通り透過率も低い上に、臨界角も１６度程度とカライドスコープ内部へ有効に出射されない。
【００４７】
従って図８に示す通り、面光源３１からカライドスコープ３３内の任意範囲を、大気よりも大きな屈折率を有する媒質３９にて充填することにより、図７の太点線にて示した通り、透過率を向上させることが可能となる。
【００４８】
媒質３９の充填範囲「ｔ」が任意以上の厚みを有していれば、臨界角付近の光源光線の殆どは媒質３９内で対光軸角「φ」のカライドスコープ３３の界面にて反射されるから、反射後の光線の対光軸角「θ_M」は反射前の対光軸角「θ_B」に対し
θ_M＝θ_B−２φ …（１５）
となる。このため、図７のグラフ太線にて示す通り光源臨界角を増加させ、結晶外部への発光効率そのものを増加させる効果を持つ。即ちこれらがカライドスコープの少なくとも面光源付近は、大気屈折率以上半導体屈折率以下の任意屈折率の媒質にて充填されていることを特徴とする構成である。
【００４９】
但し、媒質３９の厚み「ｔ」が大きすぎると、これまで述べてきた光源サイズ「ａ」、図示しない光源鏡像の存在する円３６の半径「ｒ」はそれぞれ「ａ′」、「ｒ′」と増加するため、光源および投射条件より最適厚値は決定する。
【００５０】
なお、フロント投射タイプの投写型ディスプレイの多くは、変調素子に対して垂直上方向に煽り（編心）を設け、上向きに投射・結像するものが殆どである。これは使用便宜性と、多勢を占める液晶をライトバルブとして用いた場合の視野角特性より、コントラスト性能確保が有利であるとの２つの理由を持つ。
【００５１】
このような投写型ディスプレイの光学系では、図９に点線にて示す液晶中央より液晶面放線方向に延びる直線上に光源を配すよりも、図９に実線にて示した照射面中央「Ｐ」とイメージ的に示した投影系３４の入射瞳位置３４ａを結ぶ直線３４ｂ上にカライドスコープ３３のミラーの延長線が交わるように設置した方が投射条件より効率的であることは明白である。即ちこれが，投射レンズ光軸と照射表示面中心に偏差を有する投写型ディスプレイに於いて、投射レンズ入射瞳中心より発し照射面中央を通過する延長線上付近にカライドミラーの延長線上交点が存在することを特徴とする構成の効果である。つまり投射レンズ光軸と、照射表示面中心に偏差を有する場合の配置による効果である。
【００５２】
次に、面光源と照射面間の距離ｄは照射面の最短辺の２倍以上６倍以下の距離を有する構成、つまり光源と照明野との適正照明距離範囲設定の必要性について説明する。
【００５３】
図１０に示す通り、充分な照明距離「ｄ」が確保された光源３１の大きさは変更せずに、照明距離を「ｄ₂」、「ｄ₁」と小さくしてゆくと、照明野観測点「Ｐ」より見た光源３１は大きくなると同時に鏡像数は減少し、次第に円形モデルとの誤差が大きくなるため、多角形として考えざるを得なくなる。
【００５４】
光源鏡像を多角形のままにて照明Ｆ値を求める過程を図１１に示している。
【００５５】
この結果、照明距離と照明範囲サイズ比を変数とした、観測点Ｐｓより見た鏡像数Ｎを図１２（ａ）に、観測点Ｐｓに到達する照明光の最小Ｆ値を図１２（ｂ）に示した。
【００５６】
さらにこれらをもとに、損失がなく且つ光源が完全拡散状態にて出射している場合に於ける、（５）式で定めるＦ値を有する投影系にて投射した場合の投影系効率を図１２（ｃ）に、この１００％効率付近を拡大したものを図１２（ｄ）に示した。
【００５７】
図１２（ｂ）は、円形より突出した多角形頂点からの照明をＦ値を換算したものであり、照明野に対して照明距離が短い場合、投影系に必要なＦ値はかなり小さくする必要があることを示している。
【００５８】
仮にこれらの損失が許容レベルにあったとしても、図１１に示す断面が照明野短辺方向であった場合には、断面が回転するに伴って照明距離「ｄ」は固定のまま光源寸「ａ」および照明範囲「ｂ」は連続的に拡大するため、図１２（ｃ）のような輝度の波がスクリーンにて円状に発生し、映像品位として許容できないから、結果として図１２（ｂ）で示す投影系のＦ値が必須条件となり、コスト条件からみると適切ではない。
【００５９】
よって、照明距離を少なくとも照明野の短辺寸法の２倍以上設けることで、図１２（ｃ）より解る通り、（５）式で求めた投影系Ｆ値に於ける、多角形面光源主因による投影系損失は５％以下となり、最低限の許容レベルである。一方、最大値６に於いては、先述した投影系損失は０．５％程度にて必要充分な品位が確保されるとともに、これ以上の照明光路長の確保は照明品位上の改善効果が少ないうえ鏡像も１０を越えるため、有限の反射効率を有するカライドスコープでは最大鏡像付近での照明光率が劣化し、結果として望ましい輝度が得られない。
【００６０】
ここで図１１を参照して多角形モデル時の照明Ｆ値が決定する過程を説明する。
ＬＥＤ面光源とガイドスコープの組み合わせによる照明系にて照明距離ｄが小さくなると、簡易円形モデルでは誤差が大きくなる。よって、ｄの小さい領域での多角形モデルにてシミュレーションを行うと次のようになる。
【００６１】
今、ａ，ｂのサイズが固定されたとしてｄをＯから増加させることを考える。ｒ＝ｄ・ａ／（ｂ−ａ）
Ｌ＝ｄ・ｂ／（ｂ−ａ）
φ＝tan^-1（（ｂ−ａ）／(2・ｄ))である。
【００６２】
図中緑作図を用いて光源鏡像Ｓ1、Ｓ２の延長と光軸が交わる点と、点Ｏとの距離をＬｎとすると、
Ｌｎ＝ｒ／cos（２・ｎ・φ）
Ｌｎ＜＝Ｌを満足する整数ｎの最大値が観察可能な鏡映像数Ｎである。
Ｎ＝［cos^-1（ａ／ｂ）／（２・tan^-1（（ｂ−ａ）／（２ｄ）））］
このとき、Ｎの鏡像の端（頂点）をＣNとすれば角ＣNＯＰは、（２Ｎ＋１）φ
よって、θ＝
tan^-1［｛sin(2・Ｎ＋１)・φ｝／｛（ｂ／ａ）cosφ−cos（２Ｎ＋１）φ｝］
故にＦ＝１／（２・sinθ）にて多角形モデル時の照明Ｆ値が決定する。
【００６３】
以上の結果に基づいて作成した照明距離と光源反射像数との関係が図１３（ａ）であり、照明距離と照明Ｆ値との関係が図１３（ｂ）である。円形モデルの設定Ｆ値を頂点にして、角度θが悪化する。これは照明距離が短いと多角形頂点による照明角拡大がさらに大きくなることを意味しており、効率維持（光の有効利用）のためには、円形モデルよりも明るいＦ値を設定する必要があり、コスト的には不利となる。
【００６４】
以上の結果を円形モデルによる投影系Ｆ値設定時の投影効率換算にてグラフ化したものが図１２（ｃ）のグラフである。図１２（ｄ）はその拡大図である。このグラフは、照明中心より光源鏡像を見た場合であり、液晶対角方向へ移行するに伴い横軸の方向へ効率が変化する。このことは、照明（投影）むらが発生することを意味し、平面形であってもプロジェクタ照明には適さないことを意味する。
【００６５】
効率・輝度むらの観点より代表値を、図１４に示している。
【００６６】
この代表値からわかるように、対角の２倍程度の照明距離がなければ５％程度の輝度むらが発生することがわかる。
【００６７】
以上の説明により、本発明を起用すれば従来ランプに変わる光半導体素子を、安価なウエハ状態のままにて、フライアイ等に比べて単純でコンパクトで且つ安価な照明系構成とすることができる。また、高効率で且つ高品位な投写型ディスプレイシステムが構築可能となることが立証される。
【００６８】
本発明では、光源が小さく即ち高効率高密度化すればするほど、より安価でコンパクトな光学系が構築可能となるため、対数グラフに直線にてプロット可能な光半導体素子の発光効率向上が為されている現在および将来に於いて、非常に有望・有益な照明光学装置である。
【００６９】
【発明の効果】
上記したようにこの発明は、光半導体素子等の面光源を用いた不具合を回避し、安価で高品位な照明を得ることができる照明装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の前提となる実施の形態を示す概略構成図と、照明野観測点よりみた光源鏡像図と、面光源の出射光の説明図。
【図２】この発明の装置の原理を説明する図。
【図３】面光源に指向性を有する場合の本発明の適用例を示す図。
【図４】本発明の具体的な一実施の形態であり、両偏光利用手段を施した場合の説明図。
【図５】光変調素子が視野角特性を有する場合の本発明の実施の形態の説明図。
【図６】光変調素子に指向性がなく、投影系に有効角偏差がある場合の本発明の実施の形態を示す図。
【図７】図８の実施の形態における発光効率手段を適用した場合の効果例をグラフにて表した図。
【図８】半導体結晶が高屈折率であった場合の本発明の実施の形態であり、発光効率向上手段を適用した説明図。
【図９】投射系に煽りが加えられた場合の本発明の他の実施の形態を示す図。
【図１０】照明距離が短い場合の不具合を説明するために示した図。
【図１１】図１０で示した照明距離が短い場合に、鏡像を多角形光源と捉えた場合の照明角算出過程を表した説明図。
【図１２】図１１で求めた算出結果を用いて鏡像解析を行った結果をグラフ化した説明図。
【図１３】照明距離と輝度効率との関係の代表的な数値例を抜粋して示す図。
【図１４】従来の透過型液晶ライトバルブ式プロジェクターの光学系の概要図と主要ランプの発光スペクトルグラフを示す図。
【符号の説明】
３１…面光源、３２…照明野、３３…ガイドスコープ。

Claims

光拡散タイプの面光源を有し、前記面光源は、照射面または表示面に対向し、かつ前記面光源と前記照射面または表示面が対向する間の空間の横断面よりも小さな面形状であり、さらに、前記面光源の外周付近と前記照射面または表示面の外周付近より形成される空間を反射鏡で囲むカライドスコープを有した構造であり、
前記面光源は、前記照射面または表示面と所定方向に相似形の２分の１の寸法比を有しており、
上記カライドスコープの前記面光源付近に上記所定方向に光の分離及び位相回転処理を行う両偏光利用手段が施されており、
前記面光源の上記所定方向のサイズをａ、前記照射面または表示面のサイズをｂとしたとき、前記照射面または表示面からの光を投射する投射レンズのＦ値について
Ｆ＝ｂ／（４ａ）
上記任意方向と直交する方向の前記面光源のサイズａ ' 、同方向の前記照射面または表示面のサイズをｂ ' としたとき前記照射面または表示面からの光を投射する投射レンズのＦ値についてＦ＝ｂ ' ／（２ａ ' ）
なる条件が成立することを特徴とする投写型ディスプレイの照明装置。
前記面光源の有効拡散角（半角）がθ _L であり、上記カライドスコープの前記面光源付近に上記所定方向に光分離及び位相回転処理を行う両偏光利用手段が施されており、
前記面光源の上記所定方向のサイズをａ、前記照射面または表示面サイズをｂとしたとき、前記照射面または表示面からの光を投射する投射レンズのＦ値について
Ｆ＝ｂ／（４ａ sin θ _L ）
上記所定方向と直交する方向の前記面光源のサイズａ ' 、同方向の前記照射面または表示面のサイズをｂ ' としたとき前記照射面または表示面からの光を投射する投射レンズのＦ値について
Ｆ＝ｂ ' ／（４ａ ' sin θ _L ）
なる条件が成立することを特徴とする請求項１に記載の投写型ディスプレイの照明装置。
上記カライドスコープの少なくとも前記面光源付近は、大気屈折率以上半導体屈折率以下の屈折率の媒質にて充填されていることを特徴とする、請求項１または２記載の投写型ディスプレイの照明装置。