JP4182804B2

JP4182804B2 - 照明装置および投射型表示装置

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Publication number: JP4182804B2
Application number: JP2003123559A
Authority: JP
Inventors: 秀文坂田
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2003-04-28
Filing date: 2003-04-28
Publication date: 2008-11-19
Anticipated expiration: 2023-04-28
Also published as: JP2004327361A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体発光素子を用いたカラー表示用の照明装置、及びその照明装置を用いた投射型表示装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、発光光量の大きな発光ダイオード（以下ＬＥＤと略す）あるいは有機電界発光素子（以下有機ＥＬと略す）等の半導体発光素子が開発されており、これらを光源に用いた照明装置あるいは投射型表示装置が考えられている。
ＬＥＤあるいは有機ＥＬ等の半導体発光素子は、従来の投射型表示装置の光源として用いられていた熱発光型のハロゲンランプや放電型のメタルハライドランプ等に比べて高効率で消費電力が小さく、長寿命で信頼性が高いという特徴を有すが、未だ開発途上にあり、性能が向上してきているといっても、従来の熱発光型あるいは放電型ランプに比べて、発光光量が小さいという課題を有していた。
【０００３】
半導体発光素子を光源に用いた照明装置もしくは表示装置分野において、上記発光光量が小さいという課題に対する従来の改良技術として、以下のものが提案されている。
【０００４】
下記に示す特許文献１には、次の内容が記述されている。
照明装置の光源として発光ダイオードを用い、発光光量を増やすために複数の発光ダイオードを平面的にアレイ状に配列させると共に、照明光の照度を均一化させるための照度一様化素子を備える。
【０００５】
また下記に示す特許文献２には、次の内容が記述されている。
面発光ＬＥＤ光源は、一方向が開口した箱状，樋状もしくはドーム状の形状をして内面に蛍光体が設けられた反射体と、この反射体を照射する複数のＬＥＤとを備える。
【０００６】
下記に示す特許文献３には、次の内容が記述されている。
光源ユニットは、曲面に複数個の自発光型個体素子光源として配置し、各光源の照射ビームを一点に集光させることにより、仮想の単一点光源を構成する。この光源ユニットと投射レンズとの位置関係を可変にしたことにより、被照射面の照度及び照度分布を変化させうるスポットライトを実現した。
【０００７】
【特許文献１】
特開平１０−２６９８０２号公報
【特許文献２】
特開２００１−２４３８２１号公報
【特許文献３】
特開２００１−３０７５０２号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
従来技術例として示した上記特許文献１は、照明光の発光光量を増やすために、多数の発光ダイオードを平面アレイ状に配列しており、このために必然的に光源面積が広くなっている。
【０００９】
同じく従来技術例として示した上記特許文献２は、広い面積の面発光照明光源を得ることを目的に、内面に蛍光体を有したドーム状の反射体を設け、この蛍光反射体に複数のＬＥＤ素子からの放射光を照射して反射散乱させているため、同様に光源面積が大きくなっている。
【００１０】
周知のように、投射型表示装置の空間光変調器にも用いられる液晶表示素子は、表示出力特性の性能を十分に発揮出来る照明光の入射角度が一定の範囲に限定されるため、照明装置からの照明光はその範囲でしか有効に活用されないことになる。
このように、投射型表示装置等の照明装置においては、照明装置からの照明光が、表示装置として有効利用できる照明光の光線角度範囲には、光学系上からの制約が生じる。
【００１１】
照明装置の光源系と、空間光変調器等の表示装置の表示系とを含めた光学系統において、光源系や表示系で有効に利用できる光束範囲の空間的な広がりを表す指標として、面積と立体角の積で表現したエテンデュー（Ｅｔｅｎｄｕｅ）が知られている。
【００１２】
光源系のエテンデューは、その値が小さいほど、光源からの放射光束が狭い放射立体角の中に収束することになるため、表示系で有効利用できる光線角度範囲の中に光源系からの放射光が収まる率が高くなり、その結果、光源系と表示系とを組み合わせた表示装置としての総合光利用効率が向上する。
光源系のエテンデューは、光源発光部の面積に比例する。また、光源からの放射光束の広がり角度の正弦に比例する。従って、上記光学系の照明効率を上げて光利用効率を高めるためには、光源系の発光面積を出来るだけ小さくすることが必要である。
【００１３】
このような視点から、上記特許文献１及び２に記述された光源を、投射型表示装置等の照明用光源として考察すると、上述のようにいずれも光源系の発光面積が大きくなってしまうためにエテンデュー値が上がり、このため光利用効率が必然的に低下するという問題点を有することになる。
【００１４】
一方、従来技術として示した上記文献３は、多数の自発光型固体素子からの照射ビームを一点に集中させることにより、仮想の単一点光源を持つことを前提に構成している。これは、各発光素子からの放射光が、非常に鋭い線状のビームが得られる理想状態であれば、理論的には仮想の単一点光源となるものであるが、現実には光源からの放射光は一定の立体角をもった発散放射光となるため、集光点はその立体角に応じた一定の面積を有すことになる。
このため、上記文献３による光源について、表示装置の照明光源への応用として考察すると、上記と同様にエテンデュ-値が上がり、光利用効率が低下するという問題点を有する。
【００１５】
また、他の従来技術の例として、明るさを増やすことを目的に、面積の比較的大きな面状発光素子を光源に用いた、公知の照明装置を図９に示す。図９（ａ）において、符号６３は有機ＥＬ等で構成された青色光の面状発光源であり、光源６３からの光出射方向に透過型の黄色蛍光体６２が配置されている。符号６１は蛍光体からの放射光を偏向させて平行光とするための光学レンズである。
同図において、面状発光源６３から出射される青色光は、蛍光体６２の励起光として蛍光体面上で一部吸収されて蛍光体を励起し、蛍光体６２からは黄色光が放射される。この面状光源から出射されて蛍光体６２を透過した青色光と、蛍光体６２から放射される黄色光が一体に混色されて白色光となって、照明対象物に照射される。
【００１６】
同じく公知の従来技術を示す図９（ｂ）において、符号６５は有機ＥＬ等で構成された面状の紫外発光光源であり、光源からの光出射方向に透過型の白色蛍光体が配置されている。
同図において、面状紫外発光光源６５から出射される紫外光は、透過型白色蛍光体６４の励起光として蛍光体面上で吸収されて蛍光体を励起し、蛍光体６４からは白色光が放射される。この白色光は、光学レンズ６１により偏向されて、照明光として照明対象物に照射される。
【００１７】
上述のように、図９（ａ），図９（ｂ）に示した公知の従来技術は、いずれも発光光源と蛍光体の面積・サイズが同一であり、照明光の光量を増やすことを目的に光源のサイズを大きくしているため、照明光そのものは比較的明るくなるものの、照明光としての光源サイズも大きくなっていた。
【００１８】
このように、従来の技術では、半導体発光素子の発光光量が低いことに起因する照明装置としての光量不足という問題を、多数の発光素子を用いる、もしくは発光素子の面積を増やすという対策により対処していた。しかし、その対策によって照明光そのものは明るくなるものの、照明光源としての光源面積が増大することになり、それに起因してエテンデュー値の増大（悪化）を招き、結果として表示系も含めた照明光の光利用効率が低下するという問題を有していた。
本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、半導体発光素子を用いた照明装置において、照明光の光源面積を小さく抑えながら光量を確保出来る照明装置を提供することを目的としている。換言すれば、明るさと光利用効率を両立させることの出来る照明装置を提供せんとするものである。
また本発明は、前記照明装置を照明系に用いることにより、明るく且つ表示系も含めて総合的に照明光の光利用効率を高めることの出来る投射型表示装置を提供することを目的としている。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、本発明の照明装置においては、光学的集光点を設け、該光学的集光点に対して出射光が集光されるように配置される半導体発光素子と、該光学的集光点に配置されて該半導体発光素子から出射される励起光を受けて波長変換を行い、可視光を放射する蛍光体とを備え、当該蛍光体からの放射光が照明対象物に照射されることを特徴としている。
【００２０】
上記の照明装置によれば、光学的集光点に波長変換用の蛍光体が設けられているために、半導体発光素子から出射された蛍光体励起光は蛍光体面に集光する。このため、半導体発光素子から出射される励起光を蛍光体で効率よく波長変換することが出来る。
半導体発光素子と光学的集光点の関係について述べれば、集光点に向けて複数の発光素子が設けられても良いし、単一の発光素子を用いて、その発光素子からの出射光が集光点に対して集束するように光学レンズを備えても良い。
【００２１】
一方、波長変換された蛍光体からの放射光が照明光として照明対象物に照射されるため、照明光としての光源面積は蛍光体の面積で決まる。従って、照明光の光量を増やすために励起光を増加させる、すなわち励起用の半導体発光素子の個数を多くする、もしくは半導体発光素子の面積を増加させても、照明光としての光源面積は増加せず一定である。
このため、照明光の光量を増加させてもエテンデューの値は上がらず、照明光光量の増加と、表示系も含めた総合的な照明光の光利用効率の向上を両立させることが可能となる。
【００２２】
また、本発明の照明装置は、単一もしくは複数の半導体発光素子と、当該半導体発光素子から出射される励起光を受けて波長変換を行い、可視光を放射する単一もしくは複数の蛍光体とを備え、当該蛍光体からの放射光が照明対象物に照射される照明装置であって、該蛍光体の可視光放射方向端面の面積総和が、該半導体発光素子の励起光発光端面の面積総和より小さいことを特徴としている。
【００２３】
上記の照明装置によれば、半導体発光素子から出射された蛍光体励起光は蛍光体によって波長変換され、この波長変換された蛍光体からの放射光が照明光として照明対象物に照射されるため、照明光としての光源面積は蛍光体の面積で決まる。
また、蛍光体の可視光放射方向端面の面積総和が、該半導体発光素子の励起光発光端面の面積総和より小さくなるように設定されているため、蛍光体によって波長変換される照明光の光量を増やすことを目的に、蛍光体励起用の半導体発光素子の個数を多くする、もしくは半導体発光素子の面積を増加させても、相対的に蛍光体の面積は小さく抑えられることになる。
このため、照明光の光量を増加させてもその比率ほどはエテンデューの値は上がらない、即ち光利用効率の悪化を改善することが出来るという効果を有する。
【００２４】
なお、ここで表現している「半導体発光素子の励起光発光端面の面積総和」に関して説明すると、半導体発光素子の励起光発光端面とは、蛍光体励起光を発する半導体発光素子の発光面を指し、面積総和とは、複数の発光素子が備えられている場合には各発光素子の発光面面積の総和を指し、単数の場合には単独の発光面面積を指す。
同様に、「蛍光体の可視光放射方向端面の面積総和」について説明すると、蛍光体の可視光放射方向端面とは、蛍光体が励起光によって波長変換されて可視光を放射する面を指し、面積総和とは、複数の蛍光体が備えられている場合には各蛍光体の可視光放射面面積の総和を指し、単数の場合には単独の可視光放射面面積を指す。
【００２５】
また、本発明の照明装置は、光学的集光点を設け、該光学的集光点に対して出射光が集光されるように配置される半導体発光素子と、該光学的集光点に配置されて該半導体発光素子から出射される励起光を受けて波長変換を行い、可視光を放射する蛍光体とを備え、当該蛍光体からの放射光が照明対象物に照射される照明装置であって、前記蛍光体の可視光放射方向端面の面積総和が、前記半導体発光素子の励起光発光端面の面積総和より小さいことを特徴としている。
【００２６】
上記の照明装置によれば、光学的集光点に波長変換用の蛍光体が設けられているために、半導体発光素子から出射された蛍光体励起光は蛍光体面に集光する。このため、半導体発光素子から出射される励起光を蛍光体で効率よく波長変換することが出来る。
一方、波長変換された蛍光体からの放射光が照明光として照明対象物に照射されるため、照明光としての光源面積は蛍光体の面積で決まる。
【００２７】
蛍光体の可視光放射方向端面の面積総和が、該半導体発光素子の励起光発光端面の面積総和より小さくなるように設定されているため、蛍光体によって波長変換される照明光の光量を増やすことを目的に、蛍光体励起用の半導体発光素子の個数を多くする、もしくは半導体発光素子の面積を増加させても、相対的に蛍光体の面積は小さく抑えられることになる。
【００２８】
このため、照明光の光量を増加させてもその比率ほどはエテンデューの値は上がらない、即ち光利用効率の悪化を改善することが出来るという効果を有する。
このように上記の照明装置によれば、半導体発光素子からの出射光が蛍光体に集光されるため、蛍光体で効率よく波長変換することが出来ると共に、照明光の光量を増加させても光利用効率の悪化を抑制することが可能になるという効果を有する。
【００２９】
また、本発明の照明装置においては、前記半導体発光素子は、紫外発光ダイオードであることを特徴としている。
上記の照明装置によれば、蛍光体励起用光源に紫外発光ダイオードを用いているために、蛍光体励起効率が高いという効果を有する。これは、蛍光体の励起効率（蛍光体への励起スペクトルが波長変換されて蛍光スペクトルとして放射される変換効率）は波長依存性を有しており、蛍光体励起光の波長が短い方が、蛍光体励起効率が高くなることに起因している。
【００３０】
また、紫外光を蛍光体の励起光に使用すると、白色光，もしくはカラー表示に必要なカラー三原色である赤色光（以下Ｒ光と略す），緑色光（以下Ｇ光と略す），青色光（以下Ｂ光と略す）の蛍光発光が得られ易い。このうち、紫外光を蛍光体の励起光に用いることにより得られるＲ光，Ｇ光，Ｂ光は色純度が高いため、特にカラー表示装置用の光源に好適である。
更には、蛍光体励起用の半導体発光素子が一種類で済むため、レイアウト上および駆動回路の設計上の観点からも利点が高い。
なお、上記には紫外光と表記しているが、これには近紫外光でも同様の作用・効果が得られる。
【００３１】
また、本発明の照明装置においては、中空で内面が光を反射するように形成された曲面形状もしくは多面体形状の筐体を有し、当該筐体には複数の前記半導体発光素子が前記光学的集光点に対してそれぞれの出射光が集光するように配置され、該光学的集光点には、該筐体に設けられた支持部に支持されて前記蛍光体が配置されることを特徴としている。
【００３２】
上記の照明装置によれば、筐体が曲面形状もしくは多面体形状をしているために、光学的集光点に対して出射光が集光するように半導体発光素子を配置し易くなり、また内面が中空で光を反射するように形成されているために、半導体発光素子から出射された光の内で、蛍光体に吸収されていない光を筐体内面で反射させることにより、蛍光体励起光として再利用することが可能となる。
また、蛍光体は支持部に支持されるように構成されるため、筐体内空間を大きく占有せずに固定でき、このため半導体発光素子からの出射光及びその反射光、ならびに蛍光体からの放射光の光路を実質的に妨げることがない。
【００３３】
また、本発明の照明装置においては、前記蛍光体の可視光放射方向に位置する前記筐体には、可視光を照明対象物に照射するための光出射口が備えられ、当該光出射口には可視光を通過させて紫外光を反射させるための紫外光反射部材と、可視光を光学的に偏向させるための光学レンズとが配置されることを特徴としている。
上記の照明装置によれば、光出射口が設けられ、この光出射口には紫外光反射部材が配置されているため、照明対象物に対しては紫外光が取り除かれた可視光が照明光として照射されると共に、筐体内には紫外光が反射されるために、蛍光体励起光として再活用することができる。このため、光の利用効率が向上する。また、出射口に光学レンズを配置しているために、照明対象物に対して照明光を収束・偏向しやすく、また構造的に強固でレイアウト設計もし易いという効果が得られる。
【００３４】
また、本発明の照明装置においては、前記筐体は、中空で内面が光を反射するように形成された球体で構成され、当該筐体には前記半導体発光素子が、前記光学的集光点となる当該筐体の中空中心点には、前記支持部に支持されて前記蛍光体がそれぞれ配置されることを特徴としている。
【００３５】
上記の照明装置によれば、筐体が球体形状になっているために、球中心点が光学的集光点となり、筐体に設置される半導体発光素子は、この光学的集光点に対して放射状に配置されることになるため、集光性の高いものとなる。また球形状のため容積が小さく、更には反射光も球の中心点、即ち光学的集光点に向かって反射されるため、半導体発光素子から出射された光の内で、蛍光体に吸収されていない光の筐体内面での有効反射率が向上する。
【００３６】
一方、波長変換された蛍光体からの放射光のうち、光出射口以外の方向に放射された光も、球形状の筐体内面で反射を繰り返すため、照明光として活用できる確率が高まる。この結果、照明系としての総合的な光利用効率が向上するという効果が得られる。
なお、ここでいう「照明系としての光利用効率」とは、半導体発光素子から出射される総光量（総光束）に対する、光出射口から照明光として放射される照明光の総光量（総光束）の比率である。
また、蛍光体は筐体の中空中心点に、支持部に支持されて配置されるため、筐体内空間を大きく占有せずに固定でき、このため半導体発光素子からの出射光及びその反射光、蛍光体からの放射光の光路を実質的に妨げることがない。
【００３７】
また、本発明の照明装置においては、前記筐体は、中空で内面が光を反射するように形成された半球形状の球面部と、当該球面部の開口部分を覆うように形成されて内面が光反射機能を有する平面部とから構成され、当該筐体球面部には前記半導体発光素子が、前記光学的集光点となる当該筐体平面部の内面中心点には、前記蛍光体がそれぞれ配置されることを特徴としている。
【００３８】
上記の照明装置によれば、筐体を半球形状としているために、球形状部の中心点が光学的集光点となり、筐体に設置される半導体発光素子は、この光学的集光点に対して放射状に配置されることになるため、集光性の高いものとなる。また半球形状としているため、蛍光体が発光素子からの励起光を吸収し易く、かつ波長変換した放射光が光出射口に向かい易いように、半導体発光素子から出射される光の方向を、蛍光体の可視光放射端面側に限定することが可能なため、筐体容積あたりの光利用効率を高めることが出来る。
【００３９】
また、平面部内面が光反射機能を有しているために、半導体発光素子から出射された光の内で蛍光体に吸収されていない光、及び蛍光体で波長変換された光が反射されることになり、その結果それぞれの光が有効利用される確率が高まり、光利用効率の向上が期待できる。更には、平面部の中心部が半球の中心点にあたるため、この中心部に蛍光体を設置すれば、支持部材を設けることなく光学的集光点に蛍光体を配置することが出来る。
【００４０】
また、本発明の照明装置においては、前記筐体は、当該筐体高さ方向の断面形状が略扇形となるように、球の一部からなる球面部と、該球面部の開口部を覆うように形成される台形円錐形状部とから構成され、当該筐体球面部には前記半導体発光素子が、前記光学的集光点となる該球面部の中心点には前記支持部に支持されて前記蛍光体が配置されることを特徴としている。
【００４１】
上記の照明装置によれば、筐体の一部が、球の一部分からなる球面部で構成されているために、この球面形状部の球中心点が光学的集光点となる。筐体球面部に設置される半導体発光素子は、この光学的集光点に対して放射状に配置されることになるため、集光性の高いものとなる。
また筐体高さ方向の断面形状が略扇形となるように構成され、半導体発光素子は扇形の広がり部分に相当する球の一部に設置されるため、蛍光体に対する発光素子からの光入射角度が、蛍光体表面の法線に近いものに集約されることになる。
このため、筐体高さ方向の断面形状を略扇形にすることによって、照明装置のスペースを狭く出来るという効果を得ながら、有効な蛍光励起光を確保できるため、筐体容積あたりの光利用効率を高めることが出来る。
【００４２】
また、蛍光体は光学的集光点となる筐体球面部の中心点位置に、支持部に支持されて配置されるため、筐体内空間を大きく占有せずに固定でき、このため半導体発光素子からの出射される励起光及びその反射光、蛍光体からの放射光の光路を実質的に妨げることがない。
なお、ここで表現している筐体高さ方向とは、筐体の一部をなす台形円錐形状部の高さ方向を指し、それは筐体球面部を形成している部分の球面中心点方向でもある。
【００４３】
また、本発明の照明装置は、前記筐体の高さ方向の断面形状が略扇形となるように、球の一部からなる球面部と、該球面部の開口部を覆うように形成される台形円錐形状部とから筐体が構成され、当該筐体球面部には前記半導体発光素子が、前記光学的集光点となる該球面部の中心点には前記支持部に支持されて前記蛍光体が配置される照明装置であって、前記光学的集光点となる前記球面部の中心点には、前記支持部に支持されて透過型の蛍光体が配置され、当該筐体の台形円錐部上底部には前記光出射口を備え、当該光出射口には前記紫外光反射部材と、前記光学レンズとが配置されることを特徴としている。
【００４４】
上記の照明装置によれば、光学的集光点に対して放射状に配置された発光素子からの励起光が、光学的集光点である球面部の中心点に配置された透過型の蛍光体に照射され、蛍光体によって波長変換された可視光が光出射口に集まるように構成されている。また光出射口は、筐体の台形円錐部の頂点位置にあたる台形円錐上底部に設けられている。このように、各発光素子からの励起光と、透過型蛍光体によって波長変換された可視光の進む方向が同一で、かつそれぞれの光が光出射口に集まるようになっているため、波長変換された可視光の多くがそのまま光出射口に集光されることになり、光利用効率の高い照明装置を提供することが出来る。
【００４５】
また、光出射口には紫外光反射部材が配置されているため、照明対象物に対しては紫外光が取り除かれた照明光が照射されると共に、筐体内には紫外光が反射されるために、蛍光体励起光として再活用することができる。このため、光の利用効率が向上する。
更に、出射口には光学レンズを配置しているために、照明対象物に対して照明光を収束・偏向しやすく、また構造的に強固でレイアウト設計もし易いという効果が得られる。
【００４６】
また、本発明の照明装置においては、前記蛍光体は、赤色光，緑色光，青色光をそれぞれ発光する蛍光体が、同一平面上で直線状に配置されており、当該蛍光体が前記半導体発光素子から出射される励起光を受けて放射する赤，緑，青の各色光束は、前記平面的な位置関係と、前記光出射口に設けられた光学レンズとにより、出射角度の異なる光束として取り出されることを特徴としている。
【００４７】
上記の照明装置によれば、赤，緑，青の各色光が、光源部となる蛍光体の表面上平面における分離配置と光学レンズの作用により、色が分離された状態で放射され、出射角度の異なる光束として照明対象物に照射される。このため、一枚の液晶表示パネルを空間光変調器として用いてカラー表示を行う投射型の表示装置の照明光学系において、従来必要とされていた「複数のダイクロイックミラーを扇形に傾斜配置して、赤，緑，青の各色光毎に角度の異なる光束を取り出していた空間色分離系」が不要となる。これにより、小型化された投射型表示装置の提供が可能になり、またコストダウンが図れるという効果を有する。
【００４８】
なお、ここで表現している「蛍光体が同一平面上で直線状に配置されている」とは、赤，緑，青の各色蛍光体が同一平面上に搭載され、各色蛍光体の各辺が平行で、且つ各蛍光体の少なくも一辺は、その一辺同士をつなぐ仮想線が直線状になるように配置される状態を指す。実用的には、各色蛍光体の形状が同一で、それぞれが等間隔に配置されることが望ましい。
【００４９】
また、本発明の照明装置においては、前記蛍光体は、白色発光蛍光体、もしくは緑色発光，赤色発光，青色発光のそれぞれの材料成分が混合されている蛍光体であることを特徴としている。
上記の照明装置によれば、蛍光体励起光が蛍光体によって吸収されて波長変換され、白色の可視光が得られるため、様々な用途の照明に利用することが可能となる。
【００５０】
また、本発明の照明装置においては、前記蛍光体は、緑色光，赤色光，青色光のいずれか一つの色光を発光する蛍光体であることを特徴としている。
上記の照明装置によれば、蛍光体励起光が蛍光体によって吸収されて波長変換され、色純度の高い緑色光、もしくは赤色光、もしくは青色光の可視光が得られるため、特にカラー表示装置用の照明光源として好適な照明装置を提供することが可能となる。
【００５１】
また、本発明の投射型表示装置においては、前記照明装置と、当該照明装置から放射される照明光の光路上に配置されて該照明光を変調する空間光変調器と、該空間光変調器から出射される変調光の光路上に配置されて該変調光を拡大投射する光学レンズとを備えることを特徴としている。
【００５２】
上記の投射型表示装置によれば、照明光の光源面積を小さく抑えて且つ光量を確保できる、エテンデュー値に優れた照明装置を照明系に用いることが出来るため、照明装置からの照明光を空間光変調器で無駄なく有効に利用することが可能となる。
その結果、照明系，表示系も含めた総合的な光利用効率の高さと、明るさとを両立させることのできる、半導体発光素子を光源に用いた投射型表示装置を提供することが可能となる。
【００５３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に関わる照明装置および投射型表示装置の実施形態を、図１乃至図１０を参照して詳細に説明する。
【００５４】
〔第１実施形態〕
第１の実施形態は、ＬＥＤを蛍光体励起用光源に用い、蛍光体で波長変換を行って可視光を照明光として放射する照明装置であり、その筐体が半球状の形状をしていることを特徴としている。
図１に、第１の実施形態による照明装置の構造図を示す。図１（ａ）は正面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）に示すＡ−Ａ’を切り口とした側面断面図である。
【００５５】
図１において、符号１は照明装置筐体であり、その筐体１は、半球形状の筐体球面部２及び筐体平面部３から構成されている。筐体球面部２は中空でその内面は光を反射する部材で構成され、この半球形状の筐体球面部２の開口部を覆うように、内面が光反射部材で構成される筐体平面部３が接合されている。
筐体球面部２が形成している半球の中心点は、筐体平面部３の内面をなす円の中心と一致するように構成される。
複数の紫外発光ＬＥＤ４は、各ＬＥＤから出射される光の方向が半球の中心点に向かうように筐体球面部２に設けられ、また筐体平面部３の内面中心部には蛍光体５が配置される。従って、紫外発光ＬＥＤ４の各々は、半球の中心点に対して放射状に配置されることになる。また、紫外発光ＬＥＤ４において、符号７がＬＥＤチップであり、符号６はこのＬＥＤチップが実装されて筐体に取り付けられる台座（基部）である。
【００５６】
上記のように構成されるため、それぞれの紫外発光ＬＥＤ４から出射された紫外光（＝蛍光励起光）は、半球形状筐体球面の中心点に向かうことになり、従ってこの球面中心点が光学的集光点となる。光学的集光点を１１として示す。
上述のように、半球形状筐体球面の中心点と、筐体平面部３の内面中心点が一致するように筐体が形成されるため、筐体平面部３の内面中心部に配置される蛍光体５は、光学的集光点１１に位置することになる。
従って、この作用を説明すると、筐体球面部２に設けられた各紫外発光ＬＥＤ４から出射される励起光は光学的集光点１１に集光し、この光学的集光点に配置された蛍光体５が、紫外発光ＬＥＤ４から発せられる蛍光励起光を吸収して可視光に波長変換を行い、蛍光体５からは可視光が放射されることになる。
【００５７】
また、蛍光体５に対向する筐体球面部、すなわち蛍光体５から可視光が放射される方向の蛍光体５の正面位置には、照明光を照明対象物に放射するための光出射口８が設けられる。この光出射口８には、光学レンズ９と、紫外光反射部材１０とが設けられる。
この部分の作用を説明すると、蛍光体５によって波長変換された可視光は、紫外光反射部材１０を透過し、光学レンズ９によって偏向されて、平行光もしくは集束光として光出射口８から被照明体に向かって放射される。
【００５８】
一方、励起光を吸収して波長変換を行う蛍光体発光は、指向性が比較的少なく全方位に向かって光が放射されるため、光出射口８以外の方向に向かう光も発生するが、上述のように筐体球面部２及び筐体平面部３の内面は光を反射するように形成されているため、筐体内面の反射を繰り返すうちに光出射口に向かい、照明光として放射されることになる。
【００５９】
また、紫外発光ＬＥＤ４から発せられる紫外光のうち、蛍光体５によって吸収されない光は、筐体球面部２及び筐体平面部３の内面での反射を何回か繰り返すうちに蛍光体５にあたり、波長変換されて照明光として放射される。一方、紫外光反射部材１０に到達した紫外光は、この紫外光反射部材で反射されるために、紫外光が可視光と一緒に照明光として被照明体に放射されることはない。
紫外光反射部材１０で反射された紫外光は筐体内部に反射され、上述のように筐体内面での反射の後に波長変換されるように再利用される。
【００６０】
ここで、紫外発光素子と蛍光体組成について記述する。紫外励起の蛍光体５は、紫外発光素子から発せられる蛍光体励起スペクトル：２００〜４００ｎｍの紫外光／近紫外光を吸収して蛍光励起され、赤色光，緑色光，青色光のスペクトル、もしくはそれらのスペクトルが混在した白色光の可視光を蛍光発光・放射する。
【００６１】
赤色光は５９０〜６３０ｎｍのスペクトルを持つ光であり、蛍光材料としては、例えばＹ_２Ｏ_３：ＥｕあるいはＹ_２Ｏ_２Ｓ：Ｅｕのいずれか、もしくはその混合体を用いることが出来る。緑色光は５２０〜５７０ｎｍのスペクトルを持つ光であり、蛍光材料としては、例えばＺｎＳ：Ｃｕ，Ａｌもしくは（Ｂａ，Ｍｇ）Ａｌ_１０Ｏ_１７：Ｅｕ，Ｍｎのいずれか、もしくはその混合体を用いることが可能である。青色光は４２０〜４９０ｎｍのスペクトルを持つ光であり、蛍光材料としては、例えばＺｎＳ：Ａｇ，Ａｌもしくは（Ｂａ，Ｍｇ）Ａｌ_１０Ｏ_１７：Ｅｕのいずれか、もしくはその混合体を用いることが可能である。
【００６２】
照明光として、カラー表示に必要な赤色光、緑色光、青色光それぞれの単色光を得る場合には、図１の符号５に示す蛍光体に、例えば上記の蛍光体を用いることにより、色純度の高い発光スペクトルを得ることが出来る。第１の実施形態において、赤色光、緑色光、青色光それぞれの単色光を得るには、図１に示す照明装置が３つ必要となる。
【００６３】
一方、照明光として白色光を求める場合には、紫外発光素子から発せられる紫外光を蛍光励起光として、蛍光体によって白色光変換することによって得ることができる。例えば、蛍光体としては上記の赤色光，緑色光，青色光用の蛍光体の混合物を、図１に示す照明装置の蛍光体５に用いればよい。
他の方法としては、青色光の発光素子を蛍光励起源として用いて黄色蛍光体を励起し、発光素子からの青色光と、蛍光体から発せられる黄色光を混色させることにより、白色光を得ることができる。この場合には、図１に示す紫外発光ダイオード４を青色発光ダイオードに代え、蛍光体５を黄色蛍光体にすればよい。
【００６４】
第１の実施形態における具体的な寸法関係は、次のように設定されている。
ＬＥＤのサイズ０．３×０．３ｍｍ、厚み０．１ｍｍ
ＬＥＤの面積０．０９ｍｍ^２
ＬＥＤの個数１６
ＬＥＤの発光総面積１．４４ｍｍ^２
光束１．６ｌｍ
蛍光体のサイズ０．６×０．８ｍｍ、厚み１〜１０μｍ
蛍光体面積（総面積）０．４８ｍｍ^２
ＬＥＤと蛍光体の距離２０ｍｍ
蛍光体面積とＬＥＤ総面積の比率１／３
【００６５】
ここで、ＬＥＤと蛍光体の距離を２０ｍｍと記しているが、この寸法２０ｍｍは、図１に示す半球型照明装置の球形状部の半径と同一であり、発光ダイオード４各々と蛍光体５との距離は等しく２０ｍｍとなっている。
蛍光体面積とＬＥＤ総面積の比率は、１／３（０．４８／１．４４ｍｍ^２）となっており、光量を増やすためにＬＥＤの個数を１６個と増やしているが、蛍光体の面積はＬＥＤ総面積の１／３に留まっているために、エテンデューの値は悪化せず、従って表示系も含めた総合的な光利用効率が高い状態を維持できることになる。
【００６６】
次に、蛍光体の厚みに関して記述する。蛍光体が受ける励起光の強さ（励起光束）と、波長変換して蛍光発光する強さ（蛍光発光光束）の間には蛍光飽和特性が見られる。この蛍光飽和特性には容積依存性、すなわち面積が一定の場合には厚み依存性があるため、蛍光体が受光する励起光の強さに応じて、蛍光体の厚みを決めればよい。上記実施形態では、蛍光体厚み１μｍでも飽和に達していないが、余裕をとることと製造性を考慮して、蛍光体厚みを１から１０μｍの間に設定した。
【００６７】
なお、上記に示した寸法関係のうち、蛍光体表面積の縦横寸法比率は、投射型表示装置の液晶表示パネルの有効画面サイズと同一比率となるように設定している。こうすることにより、照明光の発光源サイズと、被照明体（照明対象物）である液晶表示パネルサイズが相似形となり、光の利用効率が向上する。
また、第１の実施形態では、筐体球面部に半導体発光素子を配置しているが、半導体発光素子を設置する面を部分的な平面として、その平面の法線が光学的集光点に向かうように構成にした多面体からなる筐体でも、同様の作用効果を得ることが出来る。
【００６８】
以上、本発明における第１の実施形態の詳細を説明したが、その特徴・効果を改めて以下に整理する。第１の実施形態による照明装置では、半導体発光素子からの出射光が光学的集光点に集光されるように半球形状の筐体球面部に発光素子を配置し、この光学的集光点である筐体平面部中央に蛍光体を配置して、発光素子からの励起光を可視光に波長変換し、この波長変換された可視光が照明対象物に照射されることを特徴としている。また、励起光によって波長変換されて可視光が放射される面の蛍光体面積が、紫外励起光を出射するＬＥＤの発光面面積の総和より小さいことを特徴としている。
【００６９】
上記の特徴を有す第１の実施形態による照明装置によって、照明光源の大きさを大きくしないで照明光の明るさを高めることができるという効果が得られる。その結果、明るさと光利用効率とが両立可能な照明装置が実現でき、この照明装置を投射型等の表示装置の照明装置に用いれば、表示系も含めて総合的に照明光の光利用効率を高めることができるものである。
【００７０】
なお、第１の実施形態の変形例として、図１（ｂ）に示した側面断面図において、筐体上面部と下面部とを切り取って平面とした形状、即ちこの筐体上面部と下面部の平面形状が半円となる筐体形状でも、同様の作用・効果を得ることが出来る。この筐体形状では、筐体の厚みを薄く出来るため、厚さの薄い照明装置の提供が可能となる。
より具体的には、図１（ａ）に示すように、筐体部（筐体球面部２および筐体平面部３）のＢ−Ｂ’を通る部分、およびＣ−Ｃ’を通る部分を筐体平面部３に対して垂直な平面としてもよい。つまり、筐体部が、その内部のある位置に光が集光するようにその内部に発光素子を配置できる形状を有しており、かつ、この内部の位置からの光を外部に導くことができる形状を有していれば、本実施形態の筐体部の形状以外の形状でもよい。
【００７１】
〔第２実施形態〕
図２に、第２の実施形態に基づく照明装置の側面方向の断面図を示す。第２の実施形態もＬＥＤを蛍光体励起用光源に用い、蛍光体で波長変換を行って可視光を照明光として放射する照明装置であり、その筐体が全球状の形状をしていることを特徴としている。なお、本図中において、図１と同一構成要素のものには同一の符号を付与しており、それらに関わる詳しい説明はここでは省略する。
【００７２】
図２において、符号１２は球形状の照明装置筐体であり、その球形状筐体１２は中空でその内面は光を反射する部材で構成されている。
筐体１２が為す球の中心点には、支持部材１３に支持されて蛍光体５が配置される。
複数の紫外発光ＬＥＤ４は、各ＬＥＤから出射される光の方向が球の中心点に向かうように筐体球面部１２に設けられる。従って、紫外発光ＬＥＤ４の各々は、球の中心点に対して放射状に配置されることになる。
【００７３】
上記のように構成されるため、それぞれの紫外発光ＬＥＤ４から出射される紫外光（＝蛍光励起光）は、球形状筐体の中心点に向かうことになり、従ってこの球の中心点が光学的集光点となる。光学的集光点を１１として示す。
上述のように、蛍光体５は球形状筐体が為す球の中心点に配置されるため、蛍光体５は光学的集光点１１に位置することになる。
【００７４】
支持部材１３は細い円柱状の形状をしており、この支持部材１３により蛍光体５が支持される。図では片側支持形式になっているが、両側から支持部材を伸ばす、もしくは上下方向による支持部材で蛍光体を支持してもよい。
また、蛍光体５に対向する筐体の一方の正面部には、照明光を照明対象物に放射するための光出射口８が設けられる。この光出射口８には、光学レンズ９と、紫外光反射部材１０とが設けられる。
【００７５】
この作用を説明すると、球形状筐体１２に設けられた各紫外発光ＬＥＤ４から出射される励起光は、光学的集光点１１に集光し、この光学的集光点に配置された蛍光体５が、紫外発光ＬＥＤ４から発せられる蛍光励起光を吸収して可視光に波長変換を行い、蛍光体５からは可視光が放射される。
蛍光体５によって波長変換され、光出射口方向に向かう可視光は、紫外光反射部材１０を透過し、光学レンズ９によって偏向されて、平行光もしくは集束光として光出射口８から被照明体に向かって放射されることになる。
【００７６】
一方前述のように、励起光を吸収して波長変換を行う蛍光体発光は、指向性が比較的少なく全方位に向かって光が放射されるため、光出射口８以外の方向に向かう光も発生するが、上述のように球形状筐体１２の内面は光を反射するように形成されているため、筐体内面の反射を繰り返すうちに光出射口に向かい、照明光として放射されることになる。
【００７７】
また同様に、紫外発光ＬＥＤ４から発せられる紫外光のうち、蛍光体５によって吸収されない光は、球形状筐体１２の内面での反射を何回か繰り返すうちに蛍光体５にあたり、波長変換されて照明光として放射される。一方、紫外光反射部材１０に到達した紫外光は、この紫外光反射部材で反射される。
紫外光反射部材１０で反射された紫外光は筐体内部に反射され、上述のように筐体内面での反射の後に波長変換されるように再利用される。
【００７８】
以上に、本発明における第２の実施形態の詳細を説明したが、その特徴・効果を改めて整理すると、第２の実施形態による照明装置では、半導体発光素子からの出射光が光学的集光点に集光されるように全球形状の筐体に発光素子を配置し、この光学的集光点である筐体が為す球の中心点に蛍光体を配置して、発光素子からの励起光を可視光に波長変換し、この波長変換された可視光が照明対象物に照射されることを特徴としている。また第１の実施形態と同様に、励起光によって波長変換されて可視光が放射される面の蛍光体面積が、紫外励起光を出射するＬＥＤの発光面面積の総和より小さいことを特徴としている。
【００７９】
上記特徴を有す第２の実施形態による照明装置によれば、筐体が球形状となっておりこの球中心点が光学的集光点となるために、集光性が大変高くなり、そのため紫外励起光から可視光への変換効率が高まる。
その結果、第１の実施形態と同様に、照明光源の大きさを大きくしないで照明光の明るさを高めることができるという効果が得られ、明るさと光利用効率の双方を改善することが可能な照明装置を提供できるものである。
【００８０】
〔第３実施形態〕
第３の実施形態は、照明光の出射方向に平行な筐体断面が略扇形状をし、蛍光体が透過型であることを特徴としている。
図３は第３の実施形態を表す照明装置の断面図であり、断面方向が照明光の出射方向と平行となるように断面の切り口を設定している。
【００８１】
構成を説明すると、図３において、照明装置筐体は、球の一部からなる筐体球面部１５と、この球面部の開口部を覆うように形成される台形円錐形状部１４とから構成され、またこの照明装置筐体の高さ方向の断面形状は略扇形となるように形成される。なお、前記照明装置筐体の高さ方向とは、筐体の一部を構成する台形円錐形状部１４の高さ方向を指し、それは筐体球面部１５の球面中心点方向でもある。
従って、先に説明した図３の断面図切り口は、筐体の一部を為す台形円錐形状部の高さ方向に沿った断面図とも表現できる。
【００８２】
同図符号１１はこの照明装置の光学的集光点であり、筐体球面部１５の球面中心点とも一致する。透過型蛍光体１６は、この光学的集光点１１の位置に支持部に支持されて設けられる。（支持部は図示せず）
筐体の台形円錐形状部１４の上底部には、光出射口８が設けられ、この光出射口８には、紫外光反射部材１０と光学レンズ９とが配置される。
【００８３】
作用を説明すると、光学的集光点１１に対して放射状に配置された紫外発光素子４から出射された紫外励起光が、光学的集光点１１に配置された透過型蛍光体１６に照射されて励起光が吸収され、この透過型蛍光体１６によって波長変換された可視光が蛍光体を透過して光出射口８に集まる。光出射口８に達した可視光は、紫外光反射部材１０を透過し、光学レンズ９を介して照明光として照明対象物に照射される。
光出射口８以外の方向に向かった可視光、及び蛍光体で吸収されなかった紫外励起光は、第１，第２の実施形態と同様に筐体内部で反射して再利用される。
【００８４】
次に、第３の実施形態の特徴・効果を記述する。第３の実施形態による照明装置では、紫外発光ダイオード４から出射される紫外励起光と、透過型蛍光体１６によって波長変換された可視光の進む方向が同一で、かつ透過型蛍光体を透過した可視光はその進行方向のまま進むと光出射口８の方向に集まるようになっているため、紫外励起光から可視光への変換効率、及び変換された可視光が照明光として放射される比率の高い照明装置を提供することが出来る。
なお、明るさと光利用効率とが両立できるという効果は、第１，第２の実施形態と同様である。
【００８５】
なお、第３の実施形態の変形例として、図３に示した断面の切り口（筐体の一部を為す台形円錐形状部の高さ方向）と平行となる筐体の上面と下面とを切り取って平面とした形状、即ちこの切り口面の法線と直交する筐体上面，下面の平面形状が略扇型となる筐体形状でも、同様の作用・効果を得ることが出来る。この筐体形状では、筐体の厚みを薄く出来るため、厚さの薄い照明装置の提供が可能となる。
【００８６】
〔第４実施形態〕
第４の実施形態は、筐体構造は第３の実施形態と同一であるが、半導体発光素子として球面型の面状紫外発光ＥＬを用いたことを特徴としている。
図４は第４の実施形態を表す照明装置の断面図であり、図３と同様に、照明光の出射方向と平行となるように断面の切り口を設定している。なお、本図中において、図３と同一構成要素のものについては同一の符号を付与している。
【００８７】
構成・作用の説明にあたり、図３に基づいて先に説明した第３の実施形態と比して、相違のある点のみを説明する。
図４において、符号１７は球の一部からなる球面形状をした球面型紫外発光ＥＬであり、筐体球面部１５に固着されている。球面の中心点が光学的集光点になり、その光学的集光点１１に透過型蛍光体１６が備えられるのは、第３の実施形態と同様である。
球面型紫外発光ＥＬ１７から発せられた紫外光は、光学的集光点１１に集光される。集光された紫外光が蛍光励起を行い、蛍光体による波長変換によって可視光となって光出射口から放射される作用は第３の実施形態と同様である。
【００８８】
第４の実施形態における具体的な主要寸法は、次のように設定されている。
球面部の半径２０ｍｍ
（球面部の半径＝ＥＬ素子と光学的中心点／蛍光体までの距離）
球面型紫外発光ＥＬの面積１，２００ｍｍ^２
蛍光体のサイズ３ｍｍ×４ｍｍ
蛍光体の面積１２ｍｍ^２
蛍光体面積とＥＬ発光面積との比率１／１００
【００８９】
第４の実施形態による効果について記述すると、前述のように紫外発光ＥＬは球面構造となっているために、球面状に発光された紫外光は、その光束の全てが焦点位置となる光学的集光点に集光されることになり、集光率が非常に高いものとなる。また、図４及び上記の主要寸法からも明らかなように、球の一部をなして表面積の大きい球面形状の発光素子に比して、蛍光体の面積が１／１００と二桁小さくなっている。
この数値からも明らかなように、照明光の明るさを増やすために発光素子の面積を増やしても、照明装置の光源面積となる蛍光体の面積は発光素子面積の１／１００に留まるために、エテンデューの値は悪化しない。従って、表示系も含めた総合的な光利用効率の向上に寄与する。
【００９０】
次に、第４の実施形態の変形例を記述する。第４の実施形態では、筐体球面部１５の面積全体をカバーするように、球面型紫外発光ＥＬ１７が配置されているが、筐体球面部面積に対して球面型紫外発光ＥＬの面積を小さくし、ＥＬ発光素子で覆われない筐体球面部内面を光反射部材で形成させる構造としてもよい。この変形例によれば、筐体球面部内面および筐体台形円錐形状部内面の光反射部材により、紫外励起光及び波長変換された可視光を反射するために、これらの光の再利用が可能となる。
【００９１】
〔第５実施形態〕
第５の実施形態は、紫外発光ＬＥＤを蛍光体励起光として用い、赤，緑，青の三色の蛍光体を同一平面上に直線状に配置することにより、この蛍光体の平面的な配列位置関係と光出射口に備えた光学レンズとが作用して、赤，緑，青の各色光束が、互いに異なる出射角度に分離されて放射されることを特徴としている。
【００９２】
図５に、第５の実施形態による照明装置の構造図を示す。図５（ａ）は、光学レンズ９と筐体球面部それぞれの中心点を含み、直線状に配列された蛍光体の配列方向と平行となる面を切り口とした照明装置の上方断面図であり、図５（ｂ）は蛍光体の配列状態を示す蛍光体配置図である。この図５（ｂ）は、光学レンズ方向からみた蛍光体部分の正面拡大図である。
図５に示す第５の実施形態の構造は、図１に示す第１の実施形態と比べて、蛍光体の配列を除いて同一である。従って、図１と同一構成要素については同一の符号を付与し、詳細な説明は省略する。
【００９３】
構成を説明すると、図５において、赤色光（Ｒ光），緑色光（Ｇ光），青色光（Ｂ光）を発光するそれぞれの蛍光体５ｒ，５ｇ，５ｂは、図５（ｂ）に示す配列で並べられ、この蛍光体の集合の中心点が、半球の中心点，即ち光学的集光点（図５ａには図示せず）となるように筐体平面部３に配置される。また、光出射口８には、蛍光体から放射され被照明体を照射する照明可視光を偏向させる光学レンズ９が配置される。
【００９４】
蛍光体の形状及び配列について詳述する。Ｒ光蛍光体５ｒ，Ｇ光蛍光体５ｇ，Ｂ光蛍光体５ｂの形状は、各色蛍光体の各辺が平行となるように、正方形もしくは長方形の形状が採用される。第５の実施形態では、各色の蛍光体は同一サイズの長方形で構成され、図５（ｂ）に示すように各色蛍光体５ｒ，５ｇ，５ｂは，Ｒ，Ｇ，Ｂの順に隣り合わせとなるように、筐体平面部３の同一平面状に直線状に配置される。
【００９５】
この作用を説明すると、５ｒ，５ｇ，５ｂの各蛍光体から発せられる赤，緑，青の各色光は、各蛍光体５ｒ，５ｇ，５ｂが同一平面状に隣り合わせで直線状に配置されるという平面的な位置関係と、光出射口８に設けられた光学レンズ９とにより、Ｒ・Ｇ・Ｂ各光の光束が分離され、各光の出射角度が異なる光束として出射される。
【００９６】
次に、上記構成，作用を有する第５の実施形態による効果を説明する。上述のように本実施態様では、Ｒ・Ｇ・Ｂ各色光束が分離され、出射角度の異なる光束として照明対象物に照射されるため、一枚の液晶表示パネルを空間光変調器として用いてカラー表示を行う、投射型の表示装置に本照明装置を適用すると、次の効果が得られる。
上記方式の投射型表示装置において、従来必要とされていた「複数のダイクロイックミラーを扇形に傾斜配置して、赤，緑，青の各色光束毎に角度の異なる光を取り出す空間色分離系」が不要となる。この点については、第８の実施形態として、後に詳述する。
【００９７】
なお、Ｒ・Ｇ・Ｂ各色光束を分離した状態で出射角度の異なる光として取り出すことは、第５の実施形態のような構成にすれば容易に実現することが出来るが、これをＲ・Ｇ・Ｂ各色の発光ダイオードを同様の配列に並べる構成で実現しようとすると、照明光の明るさの確保と発光に伴う熱放熱処理のために、発光ダイオード面積の増大とＲ・Ｇ・Ｂ各色の発光ダイオードの離散配置が必要となり、所要の性能が得られないものとなる。
【００９８】
〔第６実施形態〕
第６の実施形態は、第１の実施形態による照明装置を照明系に用いた投射型表示装置である。図６に、第６の実施形態の主要部を表した概略平面図を示す。
図６に示す投射型表示装置は、照明装置２０と、光インテグレーター２７，偏光変換素子２６，重畳レンズ２８とを含む均一照明・偏光系と、Ｒ光反射ダイクロイックミラー２９，Ｇ光反射ダイクロイックミラー３０を含む色光分離光学系と、リレーレンズ３６，反射ミラー３５を含むリレー光学系３２と、反射ミラー３４と、Ｒ光用フィールドレンズ３３と、Ｇ光用フィールドレンズ３１，Ｒ・Ｇ・Ｂ各色光用液晶パネル２１，２２，２３と、クロスダイクロイックプリズム２５、及び投射レンズ２４とから構成されている。
【００９９】
このうち、照明装置２０は、筐体平面部３と筐体球面部２、及び光出射口８から構成され、図１に示す第１の実施形態の照明装置と同一のものである。図１に示す照明装置における蛍光体５には、本実施形態用に白色光を蛍光放射する蛍光材料が用いられている。
【０１００】
第６実施形態の作用を図６に基づいて説明すると、照明装置２０の光出射口８からは、蛍光体によって白色光に波長変換されたほぼ平行な光線束が出射される。この光線束は、インテグレータ２７のマイクロレンズアレイによって部分光束に分割され、それが重畳されて均一な照明光となるように合成され、偏光変換素子２６によってこの照明光が単一な偏光方向を持つように偏光変換される。
【０１０１】
Ｒ光反射ダイクロイックミラー２９は、偏光変換された白色光束のうち赤色光成分を反射させると共に、緑色光成分と青色光成分とを透過させる。Ｒ光反射ダイクロイックミラー２９によって反射された赤色光は、反射ミラー３４によって反射され、フィールドレンズ３３を介して光軸に対して平行な光束に偏向されて、赤色光用の液晶パネル２１を照射する。Ｒ光反射ダイクロイックミラー２９を透過した緑色光成分と青色光成分のうち、緑色光はＧ光反射ダイクロイックミラー３０によって反射され、フィールドレンズ３１を通ってＧ光用液晶パネル２２を照射する。一方、Ｇ光反射ダイクロイックミラー３０を透過した青色光は、リレー光学系３２を通ってＢ光用液晶パネル２３を照射する。
【０１０２】
液晶パネル２１，２２，２３で変調されたＲ・Ｇ・Ｂ各色変調光は、クロスダイクロイックプリズム２５によって合成され、投射レンズ２４により拡大投射されてカラー画像が形成される。
【０１０３】
以上、本発明における第６の実施形態の詳細を説明したが、その特徴・効果を改めて以下に整理する。第６の実施形態による投射型表示装置では、本発明に基づく第１の実施形態に基づく照明装置を、照明系に利用している。この照明装置は、半導体発光素子からの出射光が光学的集光点に集光されるように発光素子が配置され、光学的集光点には発光素子からの励起光を白色光に波長変換する蛍光体が配置され、この波長変換された白色光が照明対象物に照射されることを特徴としている。
上記の特徴を有す本発明に基づく第１の実施形態の照明装置によれば、先に述べたように照明光源の面積を大きくしないで照明光の明るさを高めることができ、またエテンデュー値に優れるという効果が得られるため、この照明装置を照明系に用いた第６の実施形態による投射型表示装置は、照明装置からの照明光を有効に利用できることになり、その結果明るく、且つ照明系と表示系とを含めて総合的に光利用効率が高いという効果を有するものとなる。
【０１０４】
〔第７実施形態〕
図７に、本発明による第７の実施形態に基づく主要部の構成図を示す。この実施形態は、第１の実施形態による照明装置を照明系に用いた投射型表示装置であり、先に説明した第６の実施形態が白色光を出射する照明装置を用いていたのに対し、赤色光，緑色光，青色光をそれぞれ出射するＲＧＢ独立の照明系を有することを特徴としている。
【０１０５】
図７において、符号４１はＲ光，符号４２はＧ光，符号４３はＢ光をそれぞれ出射する照明装置であり、符号４４はＲ光用，符号４５はＧ光用，符号４６はＢ光用の液晶ライトバルブであり、各ライトバルブは入射側偏光部材４７，液晶パネル４８，出射側偏光部材４９から構成されている。符号２５はクロスダイクロイックプリズム、符号２４は投射レンズである。
上記照明装置４１，４２，４３は、図１に示す第１の実施形態の照明装置と同一のものであり、図１に示す蛍光体５には、本実施形態用にＲ光，Ｇ光，Ｂ光をそれぞれ蛍光放射する蛍光材料が用いられている。
【０１０６】
第７実施形態を図７に基づいて説明すると、照明装置４１，４２，４３の光出射口のそれぞれからは、各色蛍光体によって波長変換されたＲ光，Ｇ光，Ｂ光のほぼ平行な光線束が出射され、このＲ光，Ｇ光，Ｂ光はそれぞれ、液晶ライトバルブ４４，４５，４６を照射する。各色ライトバルブ４４，４５，４６は、各色ライトバルブ用映像変調信号により駆動制御され（図示せず）、Ｒ光，Ｇ光，Ｂ光の照明光をそれぞれ独立して光変調を行う。
液晶ライトバルブ４４，４５，４６により変調されたＲ・Ｇ・Ｂ各色変調光は、クロスダイクロイックプリズム２５によって合成され、投射レンズ２４により拡大投射されてカラー画像が形成される。
【０１０７】
第７の実施形態による投射型表示装置の特徴・効果を整理すると、照明系に本発明に基づく第１の実施形態の照明装置を利用しているため、半導体発光素子は発光素子からの出射光が光学的集光点に集光されるように配置され、光学的集光点には発光素子からの励起光をＲ光，Ｇ光，Ｂ光に波長変換するそれぞれの蛍光体が各色照明装置毎に単独で配置され、この波長変換されたＲ・Ｇ・Ｂ各色の照明光が照明対象物である液晶ライトバルブに照射されることを特徴としている。
【０１０８】
上記の特徴を有す本発明に基づく第１の実施形態の照明装置によれば、先に述べたように照明光源の面積を大きくしないで照明光の明るさを高めることができ、またエテンデュー値に優れるという効果が得られるため、この照明装置を照明系に用いた第７の実施形態による投射型表示装置は、明るくて、且つ照明系と表示系を含めて総合的に光利用効率が高いという効果を有するものである。
更には、同一の発光素子を用いながら、蛍光体の素材を変えるだけでＲ・Ｇ・Ｂ各色の照明光を得ることが出来、また図６に示した色分離系が不要となるため、本実施態様による投射型表示装置は、部品点数の削減と製造性に優れ、小型化を可能にならしめるという効果を有す。
【０１０９】
第７の実施形態の変形例として、液晶ライトバルブの使用方式を、図７に示した投射型表示装置で用いていたＲ・Ｇ・Ｂ各色専用の三板方式から、Ｒ・Ｇ・Ｂ各色を時分割で切り換えて共通使用する単板方式に変更することが可能である。変形例の構成は、図７における三枚の液晶ライトバルブ４４，４５，４６を取り除き、その代わりにクロスダイクロイックプリズム２５の出射側、即ち投射レンズ２４との間に一枚の液晶ライトバルブを設置すればよい。
【０１１０】
作用について説明すると、照明装置４１，４２，４３を時分割駆動することにより、クロスダイクロイックプリズム２５からはＲ・Ｇ・Ｂ各色の照明光が時間順次に出射されて液晶ライトバルブを照射する。液晶ライトバルブは、この時間順次にＲ・Ｇ・Ｂ各色光が照射されるタイミングに同期して、Ｒ・Ｇ・Ｂ各色光毎の画像信号で変調すれば、カラー画像が得られることになる。
上記変形例による効果は、液晶ライトバルブが一つですむため、更なる小型化とコストダウンに寄与するものである。
【０１１１】
〔第８実施形態〕
第８の実施形態は、先に述べた第５の実施形態による照明装置を照明系に用いた、ライトバルブ単板式の投射型表示装置である。図８に、第８の実施形態による投射型表示装置の主要要素の構成を示す。図８（ａ）は、本実施形態による投射型表示装置の主要構成要素である照明装置と液晶ライトバルブの相互関係を表した図であり、図５と同一の面を切り口とした断面を投射型表示装置上面から見た図である。
図８（ｂ）は液晶ライトバルブの拡大図であり、Ｒ・Ｇ・Ｂ各光束の進入角度の相違とマイクロレンズとの作用によって、各光束が偏向集束される様子を示す。
【０１１２】
構成を説明すると、図８（ａ）において、符号５０は照明装置であり図５に示すものと同一であるため、個々の要素の説明は省略する。符号５１はＲ・Ｇ・Ｂ各色に対応した画素を有す単板式の透過型液晶ライトバルブであり、符号５２はその液晶ライトバルブの光入射側に位置するマイクロレンズである。このマイクロレンズ５２は、隣接するＲ・Ｇ・Ｂ画素を一単位として、一単位毎に形成される。
透過型液晶ライトバルブの拡大図を示す図８（ｂ）において、符号５２は上述のマイクロレンズ、符号５７及び５９は液晶カバーガラス、符号５４は透明の液晶コモン電極、符号５５はＲ・Ｇ・Ｂ各色に対応した透明画素電極であり、この各色画素電極の境界領域はブラックマトリクス５８が形成される。符号５６は液晶画素であり、液晶コモン電極５４と画素電極５５に挟まれた液晶層領域が、Ｒ・Ｇ・Ｂ各色の液晶画素を形成している状態を表している。
【０１１３】
次に上記構成による作用を説明すると、照明装置５０からの照明光は、図５の説明で詳述したように、各蛍光体５ｒ，５ｇ，５ｂが同一平面状に隣り合わせで直線状に配置されるという平面的な位置関係と、光出射口に設けられた光学レンズとにより、Ｒ・Ｇ・Ｂ各光の光束は、異なる出射角度を持つ光束として分離出射される。
従って、照明装置５０の被照明体として配置される透過型液晶ライトバルブ５１側からみると、液晶ライトバルブ５１には、異なる入射角度を持つＲ・Ｇ・Ｂ各光の光束が照明装置５０から分離入射されることになる。
【０１１４】
異なる入射角度で入射したＲ・Ｇ・Ｂ各光の光束は、図８（ｂ）に示すように、各色光の入射角度に応じてマイクロレンズ５２によって偏向される。マイクロレンズ５２によって偏向されたＲ・Ｇ・Ｂ各色光毎の光束は、各色光に対応する液晶画素５６のＲ・Ｇ・Ｂ各画素面上に集束照射される。
液晶画素５６のＲ・Ｇ・Ｂ各画素面上に集束された各色光束は、各画素毎に映像変調信号により駆動制御され（図示せず）、光変調を受ける。
光変調された各画素の光束は、投射レンズ（図示せず）により拡大投射されてカラー画像が形成される。
【０１１５】
本発明に基づく上記第８の実施形態の効果を、従来技術に基づく空間色分離系要素を有す投射型表示装置を示す図１０と比較して説明する。従来技術は、例えば特開２０００−３０５１６３、特開平９−２１４９９７もしくは特開平４−６０５３８として知られている。
図１０（ａ）は、従来方式の空間色分離手段を有す単板式の投射型表示装置であり、また図１０（ｂ）は透過型液晶ライトバルブの拡大図である。図１０（ｂ）は図８（ｂ）と同様に、Ｒ・Ｇ・Ｂ各色光の進入角度の相違と、マイクロレンズとの作用によって各色光束が偏向集束される様子を示す。
以下、従来技術を表す図１０（ａ），図１０（ｂ）の構成及び作用の説明は、主要部だけの説明に留めて詳細説明は省略する。
【０１１６】
図１０（ａ）において、符号１０１は白色光ランプ、符号１０３は均一照明化手段である。符号１０８はライトバルブであり、その詳細は図１０（ｂ）に示されている。符号１１１がマイクロレンズ、符号１１２，１１３が液晶カバーガラス、符号１１４が液晶層である。
図１０（ａ）の符号１０７が色分離手段であり、符号１０７Ｒ，１０７Ｇ，１０７ＢはそれぞれＲ・Ｇ・Ｂ光を反射する板状のダイクロイックミラーである。このダイクロイックミラー１０７Ｒ，１０７Ｇ，１０７Ｂは、一定の角度をもって扇形に開かれるように配置されており、これに因ってランプからの白色光は、Ｒ・Ｇ・Ｂ光毎に異なる角度を持って液晶パネル１０８に入射される。異なる角度を持って入射したＲ・Ｇ・Ｂ光束は、図１０（ｂ）に示すようにマイクロレンズ１１１によって偏向され、図８（ｂ）で説明したように、Ｒ・Ｇ・Ｂ光束毎に液晶画素面上に集束する。
【０１１７】
このように、Ｒ・Ｇ・Ｂ各光の光束を異なる出射角度を持つ光束として分離出射させる（ライトバルブ側からみれば、異なる入射角度を持つＲ・Ｇ・Ｂ各光の光束として分離入射させる）ために、従来技術では、３枚のダイクロイックミラーからなる空間色分離手段を必要としていた。空間色分離手段の設置にはスペースを必要とし、また３枚のダイクロイックミラー角度の設置には、精密な角度調整が求められていた。
【０１１８】
上述のように、従来技術方式では空間色分離手段を設けなくてはならなかったが、本発明による第８の実施形態による投射型表示装置では、照明装置からの光出射時点でＲ・Ｇ・Ｂ各光の光束は異なった出射角度で分離出射されるため、空間色分離手段が不要となり、その結果として投射型表示装置の小型化に寄与すると共に、従来必要であった空間色分離手段の微妙な角度調整も不要となるため、生産性も向上して低コスト化にも寄与するものである。
【０１１９】
以上、本発明の実施形態による照明装置，及び投射型表示装置について詳細に説明したが、本発明は、上記実施形態に制限されず、本発明の要旨を変えない範囲で実施形態を適宜変更して実施することが可能である。
【０１２０】
例えば、上記実施形態においては、投射型液晶表示装置として透過型液晶表示素子を空間光変調器として用いたものを、一例に挙げて説明した。しかしながら、本発明は、透過型のみならず反射型液晶表示投射装置にも適用できることは勿論、液晶表示素子を用いた投射型表示装置のみに限定される訳ではなく、ＭＥＭＳ技術に基づくミラー方式の空間光変調器を用いた投射型表示装置に適用しても、同様の作用・効果が得られる。より具体的には、本発明の空間光変調器がテキサスインスツルメンツ社のＤＭＤ（デジタルマイクロミラーデバイス）であっても、上記同様の作用・効果が得られる。
【０１２１】
また、照明装置の応用としては、投射型表示方式に限らず、照明光に照射された表示素子を直接見る方式である、直視型表示装置の照明装置にも本発明を適用することができ、その作用効果も上記実施形態と同様であり、利用者への利便性を高めるものである。
【０１２２】
また、半導体発光素子については、発光ダイオード及び有機電界発光素子を主体に実施形態を説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、半導体レーザダイオードで発光素子を構成することも可能であり、本実施形態と同様の作用・効果が得られるものである。
【０１２３】
更には、蛍光体の励起光として、実施形態では紫外光を主体に展開しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、可視光を励起光に使用して蛍光体を励起し、別の波長の可視光に波長変換することも可能であり、これまでに述べてきた本発明による実施形態としての作用効果が得られるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態に係る照明装置の構造を示す正面図と断面図。
【図２】第２の実施形態に係る照明装置の構造を示す側面方向の断面図。
【図３】第３の実施形態に係る照明装置の構造を示す断面図。
【図４】第４の実施形態に係る照明装置の構造を示す断面図。
【図５】第５の実施形態に係る照明装置の構造を示す図。
【図６】第６の実施形態に係る投射型表示装置の主要部示す概略平面図。
【図７】第７の実施形態に係る投射型表示装置の主要部示す概要図。
【図８】第８の実施形態に係る投射型表示装置の主要部示す概要図。
【図９】面状発光素子と蛍光素子を用いた、従来技術に基づく照明装置を示す図。
【図１０】従来技術に基づく公知の投射型表示装置の構成を示す図。
【符号の説明】
１，１２・・・照明装置筐体、２，１５・・・筐体球面部、３・・・筐体平面部、４・・・紫外発光ダイオード、５・・・蛍光体、８・・・光出射口、９・・・光学レンズ、１０・・・紫外光反射部材、１１・・・光学的集光点、１３・・・支持部材、１４・・・筐体−台形円錐形状部、１６・・・透過型蛍光体、１７・・・球面型紫外発光有機ＥＬ、２０，４１，４２，４３・・・照明装置、２１，２２，２３・・・液晶パネル、４４，４５，４６，５１・・・液晶ライトバルブ、２４・・・投射レンズ、５２・・・マイクロレンズ、５６・・・液晶画素

Claims

単一もしくは複数の半導体発光素子と、
当該半導体発光素子から出射される励起光を受けて波長変換を行い、可視光を放射する単一もしくは複数の蛍光体とを備え、
当該蛍光体からの放射光が照明対象物に照射される照明装置であって、
該蛍光体の可視光放射方向端面の面積総和が、該半導体発光素子の励起光発光端面の面積総和より小さいことを特徴とする照明装置。
前記半導体発光素子は、紫外発光ダイオードであることを特徴とする、請求項１に記載の照明装置。
中空で内面が光を反射するように形成された曲面形状もしくは多面体形状の筐体を有し、当該筐体には複数の前記半導体発光素子が前記光学的集光点に対してそれぞれの出射光が集光するように配置され、該光学的集光点には、該筐体に設けられた支持部に支持されて前記蛍光体が配置されることを特徴とする、請求項１または２に記載の照明装置。
前記蛍光体の可視光放射方向に位置する前記筐体には、可視光を照明対象物に照射するための光出射口が備えられ、当該光出射口には可視光を通過させて紫外光を反射させるための紫外光反射部材と、可視光を光学的に偏向させるための光学レンズとが配置されることを特徴とする、請求項３に記載の照明装置。
前記筐体は、中空で内面が光を反射するように形成された球体で構成され、当該筐体には前記半導体発光素子が、前記光学的集光点となる当該筐体の中空中心点には、前記支持部に支持されて前記蛍光体がそれぞれ配置されることを特徴とする、請求項３もしくは請求項４に記載の照明装置。
前記筐体は、中空で内面が光を反射するように形成された半球形状の球面部と、当該球面部の開口部分を覆うように形成されて内面が光反射機能を有する平面部とから構成され、当該筐体球面部には前記半導体発光素子が、前記光学的集光点となる当該筐体平面部の内面中心点には、前記蛍光体がそれぞれ配置されることを特徴とする、請求項３もしくは請求項４に記載の照明装置。
前記筐体は、当該筐体高さ方向の断面形状が略扇形となるように、球の一部からなる球面部と、該球面部の開口部を覆うように形成される台形円錐形状部とから構成され、当該筐体球面部には前記半導体発光素子が、前記光学的集光点となる該球面部の中心点には前記支持部に支持されて前記蛍光体が配置されることを特徴とする、請求項３もしくは請求項４に記載の照明装置。
前記光学的集光点となる前記球面部の中心点には、前記支持部に支持されて透過型の蛍光体が配置され、当該筐体の台形円錐部上底部には前記光出射口を備え、当該光出射口には前記紫外光反射部材と、前記光学レンズとが配置されることを特徴とする請求項７に記載の照明装置。
前記蛍光体は、赤色光，緑色光，青色光をそれぞれ発光する蛍光体が、同一平面上で直線状に配置されており、当該蛍光体が前記半導体発光素子から出射される励起光を受けて放射する赤，緑，青の各色光の光束は、前記平面的な位置関係と、前記光出射口に設けられた光学レンズとにより、出射角度の異なる光束として取り出されることを特徴とする、請求項４に記載の照明装置。
前記蛍光体は、白色発光蛍光体、もしくは緑色発光，赤色発光，青色発光のそれぞれの材料成分が混合されている蛍光体であることを特徴とする、請求項１乃至８のいずれか一項記載の照明装置。
前記蛍光体は、緑色光，赤色光，青色光のいずれか一つの色光を発光する蛍光体であることを特徴とする、請求項１乃至８のいずれか一項記載の照明装置。
請求項１乃至１１のいずれか一項記載の照明装置と、当該照明装置から放射される照明光の光路上に配置されて該照明光を変調する空間光変調器と、該空間光変調器から出射される変調光の光路上に配置されて該変調光を拡大投射する光学レンズとを備えることを特徴とする、投射型表示装置。