特許 6681808 光源装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6681808

(24)【登録日】2020年3月26日

(45)【発行日】2020年4月15日

(54)【発明の名称】光源装置

(51)【国際特許分類】

   F21S 2/00 20160101AFI20200406BHJP

   G02B 17/08 20060101ALI20200406BHJP

   G02B 13/18 20060101ALI20200406BHJP

   F21V 9/14 20060101ALI20200406BHJP

   F21Y 115/30 20160101ALN20200406BHJP

【ＦＩ】

   F21S2/00 441

   G02B17/08 Z

   G02B13/18

   F21V9/14

   F21Y115:30

【請求項の数】12

【全頁数】18

(21)【出願番号】特願2016-177427(P2016-177427)

(22)【出願日】2016年9月12日

(65)【公開番号】特開2018-45765(P2018-45765A)

(43)【公開日】2018年3月22日

【審査請求日】2019年1月29日

(73)【特許権者】

【識別番号】317015179

【氏名又は名称】マクセル株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002066

【氏名又は名称】特許業務法人筒井国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】杉山 寿紀

(72)【発明者】

【氏名】平田 浩二

(72)【発明者】

【氏名】谷津 雅彦

(72)【発明者】

【氏名】國井 康彦

【審査官】 安食 泰秀

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００９−２５２３８０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−２１６１８９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ２１Ｓ ２／００

Ｆ２１Ｖ ９／１４

Ｇ０２Ｂ １３／１８

Ｇ０２Ｂ １７／０８

Ｆ２１Ｙ １１５／３０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

光源装置であって、少なくとも、
光を発生する半導体光源素子と、
前記半導体光源素子の発光軸上にコリメータ部と、
複数の半導体光源素子とその各々発光軸上に配置されたコリメータ部および複数の偏光ビームスプリッタ、位相板から構成される偏光変換素子と、を備えており、
前記コリメータ部は、
透光性の樹脂により一体に形成された、前記半導体光源素子の発光軸の近傍に沿って出射する光を集光するレンズ部と、前記半導体光源素子の発光軸から離れて周辺に出射光を集光するリフレクター部と、を含んでおり、
前記偏光ビームスプリッタおよび位相板は、前記コリメータ部の中心軸に対して対称の位置に配置されている、光源装置。

【請求項2】

請求項１に記載の光源装置において、
前記コリメータ部のリフレクター部の径が、前記偏光変換素子の入射幅より大きい、光源装置。

【請求項3】

請求項２に記載の光源装置において、
前記コリメータ部の出射面において、前記偏光変換素子の入射光束幅より内側に相当する部分の少なくとも一部が凹面になっている、光源装置。

【請求項4】

請求項３に記載の光源装置において、
前記コリメータ部の出射面の外周部には、全反射を防止するための凸状部が形成されている、光源装置。

【請求項5】

請求項３に記載の光源装置において、
複数の半導体光源素子は、ＬＥＤであり、かつ前記偏光変換素子の入射光束幅方向のＬＥＤサイズは、前記偏光変換素子の入射幅に対して、１／４以上である、光源装置。

【請求項6】

請求項２に記載の光源装置において、
前記半導体光源素子は、同一の基板上に複数配置されており、かつ、当該複数の半導体光源素子の各々に対応して、前記コリメータ部が複数設けられ、かつ一体で形成されている、光源装置。

【請求項7】

請求項６に記載の光源装置において、
前記半導体光源素子は、発光出力を独立して制御できる、光源装置。

【請求項8】

請求項６に記載の光源装置において、
前記複数のコリメータ部の光の出射面側に、当該複数のコリメータ部からの光を合成して拡散する合成拡散ブロックを備えている、光源装置。

【請求項9】

請求項６に記載の光源装置において、
前記偏光変換素子の出射側に、前記偏光変換素子の偏光ビームスプリッタで反射された光束の一部を選択的に遮光する遮光部を設けた、光源装置。

【請求項10】

請求項８に記載の光源装置において、
前記合成拡散ブロックの光の出射面側に、更に、前記合成拡散ブロックからの光を所定の方向に導くための導光体を設けた、光源装置。

【請求項11】

請求項６に記載の光源装置において、
前記複数のコリメータ部の光の出射面側に、光を所定の方向に導くための配向制御板を設けた、光源装置。

【請求項12】

請求項１１に記載の光源装置において、
前記配光制御板の少なくとも一面が、非球面あるいは自由曲面のいずれかである、光源装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、固体発光素子を利用して面状の光源として利用可能な光源装置に関する。

【背景技術】

【0002】

近年におけるＬＥＤ等の固体発光素子の著しい発展に伴って、当該固体発光素子を光源として利用した照明装置は、小型・軽量で、かつ、低消費電力で環境保護にも優れた長寿命な光源として、各種の照明器具において広く利用されてきている。

【0003】

従来、例えば、以下の特許文献によれば、プロジェクタ用の光源装置として、シンプルな構成の半導体光源装置であって、効率よく半導体発光素子を冷却して明るく発光する半導体素子光源装置が既に知られている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１６−３３６６８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、上述した従来技術（特許文献１）において開示された半導体光源装置では、主に、半導体発光素子を効率よく冷却することにより、当該素子がショートして機能しなくなることを防止し、もって、効率よくかつ明るく発光する半導体素子光源装置を提供するものであり、半導体素子からの発光は、当該素子に対向して設けられた単数または複数のレンズを利用して集光する構成であった。そのため、従来技術では、半導体光源であるＬＥＤによる発光効率の向上を可能とするものの、しかしながら、発光光を十分に集光して利用することは難しく、特に、高い光量の発光性能が求められるプロジェクタや、更には、ヘッドアップディスプレイ（Head Up Display：以下、「ＨＵＤ」）装置や車両用のヘッドランプ装置等においては、その光利用効率特性や均一照明特性において、未だ不十分であり、種々の改善の余地が存在していた。

【0006】

そこで、本発明は、小型・軽量であり、発光光の利用効率が高く、モジュール化されて面状の光源として容易に利用可能な光源装置を提供し、より具体的には、ＬＥＤ光源からのレーザ光の光利用効率や均一な照明特性をより向上すると共に、光源装置の小型化やモジュール化を達成し、加えて、低コストで製造可能な照明用光源として好適な光源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】

【0007】

上記の目的を達成するための一実施の態様として、本発明によれば、光源装置であって、少なくとも、光を発生する半導体光源素子と、前記半導体光源素子の発光軸上において、当該半導体光源素子の発光面を略覆うように配置されたコリメータ部とを備えており、前記コリメータ部は、透光性の樹脂により一体に形成された、前記半導体光源素子の発光軸の近傍に沿って出射する光を集光するレンズ部と、前記半導体光源素子の発光軸から離れて周辺に出射光を集光するリフレクター部とを含んでおり、更に、前記コリメータ部の光出射側には、コリメータ部の中心軸に対して、左右対称に配置された光学部品からなる偏光変換素子を備えた光源装置が提供される。

【発明の効果】

【0008】

本発明によれば、低コストで製造可能、かつ、小型でかつモジュール化が容易で、かつ、高い光利用効率を備え、低消費電力でかつ環境保護にも優れた光源装置が提供されるという優れた効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】本発明の光源装置を適用した一例として、映像表示装置を含むＨＵＤ装置の全体概観を示す展開斜視図である。

【図2】上記映像表示装置の内部構成の概観を示す斜視図である。

【図3】上記本発明の光源装置の内部（光学系）構成の一例を示す斜視図である。

【図4】上記光源装置を構成するＬＥＤコリメータの具体的構成を示す断面図である。

【図5】上記光源装置を構成するＬＥＤコリメータの比較例を示す断面図である。

【図6】上記光源装置を構成するＬＥＤコリメータの他の例を示す断面図である。

【図7】上記光源装置を構成するＬＥＤコリメータの他の例に対しての比較例を示す断面図である。

【図8】偏光機能を備えた光源装置における偏光光の発生動作を説明する上面図と側面図である。

【図9】上記光源装置を構成する導光体の詳細について説明するための全体斜視図およびその一部拡大断面を含む断面図である。

【図10】上記導光体による光の導光作用を説明する側面図である。

【図11】本発明の光源装置を適用した映像表示装置の更に他の例の全体概観を示す斜視図である。

【図12】合成拡散ブロックの代わりに配向制御板を配置した構成における光の導光作用を説明する上面図と側面図である。

【図13】上記図１２に示した映像表示装置の光源装置の他の例を説明する上面図と側面図である。

【図14】本発明の光源装置を適用した他の例の内部構成を示す斜視図とその展開斜視図である。

【図15】上記図１４の光源装置を適用した他の例の全体概観を示す斜視図とその展開斜視図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一部には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。一方で、ある図において符号を付して説明した部位について、他の図の説明の際に再度の図示はしないが同一の符号を付して言及する場合がある。

【0011】

図１は、以下に詳述する本発明になる光源装置を、一例として、ヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）装置１に適用した例を示しており、本発明になる光源装置を含む映像表示装置３０は、その筐体である外装ケース５５の一部に取り付けられ、当該ケースの内部には、凹面ミラー４１および歪み補正レンズ４３等が収納されている。そして、上部外装ケース５７の上面には、映像光がウィンドシールド（図示せず）に向かって投射される開口部が形成されており、当該開口部は防眩板５６（グレアトラップ）によって覆われている。また、図中の符号４２は、上記凹面ミラー４１の位置を調整するための電動モータなどにより構成される凹面ミラー駆動部を示している。

【0012】

かかる構成のＨＵＤ装置１では、上記の映像表示装置３０から出射した映像光は、ここでは図示しない表示距離調整機構やミラー駆動部などを介して車両（図示せず）のウィンドシールドに投射されることは、当業者であれば明らかであろう。また、凹面ミラー４１の角度を調整することで、映像をウィンドシールドに投射する位置を調整することにより、運転者が見る虚像の表示位置を上下方向に調整可能としても良い。なお、虚像として表示する内容は特に限定されず、例えば、車両情報やナビゲーション情報、図示しないカメラ映像（監視カメラやアラウンドビュアー等）で撮影した前方の風景の映像などを適宜表示することができる。

【0013】

続いて、上述した映像表示装置３０について、図２を用いて以下に詳細に説明する。映像表示装置３０は、例えば、プラスチックなどにより形成された光源装置ケース１１の内部に、後にも詳述するＬＥＤ、コリメータ、偏光変換素子、導光体などを収納して構成されている。また、映像表示装置３０の上面には、液晶表示素子５０が取り付けられており、その１つの側面には、半導体光源であるＬＥＤ（Light Emitting Diode）素子やその制御回路を実装したＬＥＤ基板１２が取り付けられている。更に、当該ＬＥＤ基板１２の外側面には、上記ＬＥＤ素子および制御回路で発生する熱を冷却するためのヒートシンク（放熱フィン）１３が取り付けられている。

【0014】

また、上述した映像表示装置３０では、光源装置ケース１１の上面に取り付けられた液晶表示素子５０は、液晶表示パネルフレーム５１と、当該フレームに取り付けられた液晶表示パネル５２と、更に、当該パネルに電気的に接続されたＦＰＣ（フレキシブル配線基板）５３とから構成されている。

【0015】

なお、以上の説明からも明らかなように、例えば、ＨＵＤ装置の場合には、車両のダッシュボードと言う狭小な空間内へ組み込まれるという事情から、ＨＵＤ装置１を構成する本発明の光源装置を含む映像表示装置３０に対しては、特に、モジュール化により小型でかつ高効率であり、好適に利用可能であることが求められる。

【0016】

図３には、上記映像表示装置３０の内部、即ち、光源装置ケース１１内に収納されている光学系の構成を示す。即ち、本発明の光源を構成する複数（本例では、２個）のＬＥＤ素子１４ａ、１４ｂ（ここでは、図示せず）が、ＬＥＤコリメータ１５に対して所定の位置に取り付けられている。

【0017】

なお、当該ＬＥＤコリメータ１５の光の出射側には、詳細は後述するが、ＬＥＤコリメータの中心軸に対して、左右対称に配置された偏光ビームスプリッタ、位相板等の光学部材からなる偏光変換素子２１が設けられている。更に偏光変換素子の出射側には、矩形状の合成拡散ブロック１６が設けられている。即ち、ＬＥＤ素子１４ａまたは１４ｂから射出されたレーザ光は、ＬＥＤコリメータ１５の働きにより平行光となって合成拡散ブロック１６へ入射する。

【0018】

更に、上記合成拡散ブロック１６の出射面側には、一例を示すと図８に示すように、第１の拡散板１８ａを介して、断面略三角形の角錐状の導光体１７が設けられており、その上面には、第２の拡散板１８ｂが取り付けられている。これにより、上記ＬＥＤコリメータ１５の水平光は、当該導光体１７の働きにより図の上方に反射されて、上記液晶表示素子５０の入射面に導かれる。なお、その際、上記第１および第２の拡散板１８ａ、１８ｂによって、その強度が均一化される。

【0019】

続いて、上述した本発明になる光源装置を構成する主要な部品について、その各部の詳細を含めて以下に説明する。

【0020】

＜光源装置＞
図４にも示すように、本発明になる光源装置は、ＬＥＤ基板１２上に形成された、複数の半導体発光素子であるＬＥＤ素子１４（１４ａ、１４ｂ）と、当該素子の発光面に対向して配置されたＬＥＤコリメータ１５とから構成されている。なお、ＬＥＤコリメータ１５は、例えば、ポリカーボネート等の透光性の樹脂により形成されており、図４（ａ）にも示すように、ＬＥＤ基板１２上において、ＬＥＤ素子１４（１４ａ、１４ｂ）を中心としてその周囲を取り囲むように形成されている。より具体的には、ＬＥＤコリメータ１５は、略放物断面を回転して得られる円錐形状の外周面１５６を有すると共に、光の入射側であるその頂部には、所定の湾曲面を有する凹部１５３が形成されており、その略中央部にＬＥＤ素子１４（１４ａ、１４ｂ）が配置される。なお、ＬＥＤコリメータ１５の円錐形状の外周面１５６を形成する放物面（リフレクター部）は、凹部１５３の湾曲面と共に、ＬＥＤ素子１４ａ、１４ｂから周辺方向に出射して凹部１５３内の空気を通って当該ＬＥＤコリメータの内部に入射する光が、当該放物面（外周面）において全反射する角度の範囲内で入射するように設定されている。また図４（ｂ）に示すように、ＬＥＤ素子１４の発光部より外側にＬＥＤ支持体１４ｊが設けられ、さらに前記ＬＥＤ支持体１４ｊが、前記凹部１５３より大きい場合は、前記ＬＥＤコリメータ１５の外周面１５６の先端部をカットし、前記ＬＥＤ支持体１４ｊとの干渉を避ける形状にしても良い。このように、放物面における全反射を利用することによれば、ＬＥＤコリメータの外周面に金属の反射膜を形成するなどの工程を必要としないことから、装置をより安価に製造することが可能となる。

【0021】

また、ＬＥＤコリメータ１５の凹部１５３の中央部には、所定の湾曲面を有する入射面（レンズ面）１５７が形成されており、対向する面（出射面）１５４に形成された凸状部（レンズ面）１５５と共に、いわゆる、集光作用を有する凸レンズを形成している。なお、この凸状部１５５は、平面または内側に凹んだ凹状のレンズ面の中に形成しても良い。即ち、ＬＥＤコリメータ１５は、その円錐形状の外形の中央部には、ＬＥＤコリメータ１５からの発光を出射面側に集める集光レンズの機能を有すると共に、その外周面１５６（リフレクター部）においても、同様に、ＬＥＤ素子１４から周辺方向に出射するレーザ光を集光して出射面側に導く機能を有している。

【0022】

なお、上記のＬＥＤ基板１２は、図４にも示すように、ＬＥＤコリメータ１５に対して、その表面上のＬＥＤ素子１４ａ、１４ｂが、それぞれ、その凹部１５３の中央部に位置するように配置されて固定される。かかる構成によれば、ＬＥＤ素子１４から放射されるレーザ光のうち、特に、その中央部分から出射光軸（図の右方向）に向かって放射されるレーザ光は、上述したＬＥＤコリメータ１５により、ＬＥＤコリメータ１５の外形を形成する２つの凸レンズ面１５７、１５５により集光されて平行光となり、また、その他の部分から周辺方向に向かって放射されるレーザ光は、ＬＥＤコリメータ１５の円錐形状の外周面（リフレクター部）１５６を形成する放物面によって反射され、同様に、集光されて平行光となる。換言すれば、その中央部に凸レンズを構成すると共に、その周辺部に放物面を形成したＬＥＤコリメータ１５によれば、ＬＥＤ素子１４により発生されたレーザ光のほぼ全てを平行光として取り出すことが可能となり、発生した光の利用効率を向上することが可能となる。

【0023】

続いて、液晶表示素子を用いた光源において、高効率光源を実現するために有効な偏光変換素子２１に関して説明する。

【0024】

図４に示すように、偏光変換素子２１は、ＬＥＤコリメータ１５の出射面１５４の後方に配置される。上記の偏光変換素子２１は、図の紙面に垂直な方向に沿って伸びた断面が平行四辺形である柱状（以下、平行四辺形柱）の透光性部材と、断面が三角形である柱状（以下、三角形柱）の透光性部材とを組み合わせ、これをＬＥＤコリメータ１５からの平行光の光軸に対して直交する面に平行に（本例では、図の紙面に沿った方向）、複数、アレイ状にかつ各部材はＬＥＤコリメータの中心軸１５ｃに対して対称となるように配列して構成されている。更に、これらアレイ状に配列された隣接する透光性部材間の界面には、交互に、偏光ビームスプリッタ（以下、「ＰＢＳ」と省略する）膜２１１と反射膜２１２とが設けられている。また、偏光変換素子２１へ入射してＰＢＳ膜２１１を透過した光が出射する出射面には、１／２λ位相板２１３が設けられている。

【0025】

このように、上記偏光変換素子２１は、ＬＥＤコリメータ１５からの平行光の光軸と平行四辺形柱の透光性部材の延伸方向とで形成される面（図の紙面上、垂直に伸びた垂直面）、いわゆる、ＬＥＤコリメータの光軸面に対して、左右対称に配置されたＰＢＳ、位相板等の光学部材が配置された構造となっている。そして、この偏光変換素子２１は、２個のＬＥＤコリメータ１５からの平行光に対して、図の垂直方向に２組に分かれた、それぞれの偏光変換素子を構成している。

【0026】

以上のように構成された偏光変換素子２１によれば、図４（ａ）および（ｂ）からも明らかなように、例えば、ＬＥＤ素子１４ａ、１４ｂから出射してＬＥＤコリメータ１５で平行光となった入射光のうち、Ｓ偏光波（図中の記号（×）を参照）は、ＰＢＳ膜２１１により反射され、その後、更に、反射膜２１２により反射されて合成拡散ブロック１６の入射面に到る。他方、Ｐ偏光波（図中の上下の矢印を参照）は、ＰＢＳ膜２１１を透過した後、１／２λ位相板２１３によりＳ偏光波となって、合成拡散ブロック１６の入射面に到ることとなる。

【0027】

このように、偏光変換素子２１によれば、（複数の）ＬＥＤから出射してＬＥＤコリメータ１５により平行光となった光は、その全てがＳ偏光波となって、合成拡散ブロック１６の入射面に入射することとなる。

【0028】

更に、前述したように、ＰＢＳおよび位相板等の各光学部材をＬＥＤコリメータの中心軸に対して、対称となるように配置したことにより、装置の小型化が図れる。

【0029】

比較例として、一般的な偏光変換素子２１ｂの配置例を図５に示す。ＬＥＤ素子１４ａ、１４ｂから出射してＬＥＤコリメータ１５で平行光となった入射光のうち、Ｓ偏光波（図中の記号（×）を参照）は、ＰＢＳ膜２１１により反射され、その後、更に、反射膜２１２により反射されて合成拡散ブロック１６の入射面に到る。他方、Ｐ偏光波（図中の上下の矢印を参照）は、ＰＢＳ膜２１１を透過した後、１／２λ位相板２１３によりＳ偏光波となって、合成拡散ブロック１６の入射面に到ることとなる。

【0030】

このように、偏光変換素子２１ｂによれば、（複数の）ＬＥＤ素子１４ａ、１４ｂから出射してＬＥＤコリメータ１５により平行光となった光は、その全てがＳ偏光波となって、合成拡散ブロック１６の入射面に入射することとなるので、図４で示した構成と同様に、液晶表示装置を用いた光源においては、高効率が実現できる。しかし、偏光変換素子２１ｂの厚みが、図４に示した構成に比べ厚くなり、光源装置の小型化ができない。また、偏光変換素子の厚みが増すことにより、使用材料が増え、低コスト化の実現ができない。更に厚みを増すことにより、ＰＢＳ膜を反射した光束と透過した光束の光路長差がより大きくなる。そして光路長差が大きくなることから、両者の光束形状の差がより発生しやすくなる。特に複数の光源およびＬＥＤコリメータを用いた系では、光束形状の違いが要因となる輝度分布均一性の実現が困難となる。

【0031】

従って、ＨＵＤ装置のように小型化が要求され、かつ複数のＬＥＤを用いて、輝度の均一化が必要となる構成においては、図４で示したように各ＬＥＤの中心軸に対して、偏光変換素子を構成する複数の光学部材を対称に配置する構成を採用することにより、偏光変換素子のＰＢＳを反射する光束と透過する光束の光路長差を小さくすることが有用である。

【0032】

更に、ＨＵＤ装置の高輝度化かつ広視野角を達成するために、ＬＥＤ光源の高出力化が望まれる。ＬＥＤ光源の高出力化には、ＬＥＤ光源の個数を増やすあるいは、ＬＥＤ光源の大面積化を図る手段がある。

【0033】

液晶表示装置を用いた場合、光源の高効率化を図るために、有効となる偏光変換素子は、図６に示すように、入射光束の制限幅２１ｗがある。検討の結果、入射光束の制限幅２１ｗ方向のＬＥＤ光源の幅Ｗが、２１ｗに対して１／４以上になると、ＬＥＤコリメータの出射面１５４が平坦な場合、図７に示すような不具合が発生することが分かった。即ち、図７（ａ）に示すように、ＬＥＤ光源からの出射する光の取込量を確保するために、ＬＥＤコリメータ１５の凹部１５３の形状をＬＥＤ光源幅Ｗより大きくすると、ＬＥＤコリメータ１５の外周面１５６の形状制限から、ＬＥＤ光源から出射する発散角度の大きい光線Ｌ３０３，Ｌ３０４の取込ができなくなり、効率が低下する。一方、図７（ｂ）に示すように、発散角度の大きい光線Ｌ３０３，Ｌ３０４を取込可能な形状にすると、前記凹部１５３の大きさが、ＬＥＤ光源幅Ｗより小さくなり、ＬＥＤ周縁部から出射する光線（図示せず）を取り込むことができなくなり、効率が低下する。

【0034】

鋭意検討の結果、図６（ａ）に示すように、ＬＥＤコリメータ１５の出射面１５４の面で入射光束の制限幅２１ｗに近い内側に凹面１５８を設けることにより、ＬＥＤコリメータ１５の外周面１５６の形状を図７（ａ）で示した形状より大きくすることが可能となり、前述したような不具合を解消できることが分かった。即ち、ＬＥＤコリメータ１５の外周面１５６の形状が大きくなったことにより、外周面１５６で反射した光は、図６（ａ）の光線Ｌ３０１，Ｌ３０２で示すように収束ぎみの光になるが、ほぼ平行に変換されて出射面１５４から出射するので、効率および特性が良い光源装置が実現できる。

【0035】

また、ＬＥＤ素子１４から出射し、ＬＥＤコリメータ１５の凸状の入射面（レンズ面）１５７で屈折する光線については、図６（ａ）形状を紙面に対して垂直方向から見た形状を示す図６（ｂ）を用いて説明する。ＬＥＤ素子１４の中心部から出射した光Ｌ３０は、ＬＥＤコリメータの入射面が凸レンズ状となっているので、そこで略平行光に変換されて出射面１５４に達する。一方、ＬＥＤ素子１４の端部から出射し、特に中心軸で交差する光線Ｌ３００１、光線Ｌ３００２を考えると、その光線は、ＬＥＤコリメータの凸状の入射面１５７に対して垂直に近い角度で入射するので、その屈折角は小さく、ＬＥＤコリメータの出射面１５４の外周部に進む。

【0036】

なお、図６（ｂ）で示す方向では、前述した偏光変換素子の入射光束制限幅は、偏光変換素子ホルダー６０の開口高さ２１ｈとなる。本例では、ＬＥＤコリメータ１５の出射面１５４の外周部には、図に示すように、凸レンズ形状部１５９が形成されており、その面を透過して、次の光学素子（例えば、合成拡散ブロックや偏光変換素子２１など）へ入射することとなる。なお、ここで、ＬＥＤコリメータの出射面１５４の外周部が凸レンズ形状部１５９でなく、平坦の場合（図の凸レンズ形状部１５９近傍の破線部を参照）には、光Ｌ３００１ｄ、Ｌ３００２ｄは、その面で大きく屈折するか（図示せず）、あるいは、図に破線の矢印で示したように全反射してしまう。即ち、有効にその光線を活用することができずに、光の利用効率が低下してしまうこととなる。

【0037】

このように、上述したＬＥＤコリメータ１５によれば、ＬＥＤ素子１４により発光された光は、出射光軸に沿って出射した光はもちろんのこと、その周辺方向に出射した光も含めて集光して出射面側に導くことが可能となることから、発光光の利用効率が高く、モジュール化されて面状の光源として容易に利用可能な光源装置の、より具体的には、ＬＥＤ光源からのレーザ光の光利用効率や均一な照明特性をより向上すると共に、光源装置の小型化やモジュール化を達成し、加えて、低コストで製造可能な照明用光源として好適な光源装置を提供することが可能となる。なお、図６（ａ）および（ｂ）における符号２１，６０は、それぞれ、後にも述べる偏光変換素子とそのホルダーを、符号１６ｂは、やはり後にも述べる配向制御板を示している。また、それらの内部における光Ｌ３００１ｃ、Ｌ３００２ｃ、Ｌ３００１ｄ、Ｌ３００２ｄの伝搬方向は図に矢印で示されている。

【0038】

＜合成拡散ブロックと拡散板＞
続いて、上記映像表示装置３０の他の構成要素である、合成拡散ブロック１６について、図８を参照しながら説明する。

【0039】

アクリル等の透光性の樹脂により角柱状に形成された合成拡散ブロック１６では、図８（ａ）からも明らかなように、その出射面には、多数の断面略三角形状のテクスチャー１６１が形成されており、当該テクスチャー１６１の働きにより、ＬＥＤコリメータ１５から出射する光が、以下に述べる導光体１７の入射部（面）１７１の鉛直方向に拡散される。そして、上記略三角形状のテクスチャー１６１と、以下に述べる拡散板１８ａ、１８ｂの相互作用により、ＬＥＤコリメータ１５が離散的に配置されていても、導光体１７の出射部１７３から出射する光の強度分布を均一化することが可能となる。

【0040】

特に、上述したテクスチャー１６１によれば、拡散方向を導光体側面方向に限定すること、更には、側面方向の拡散性の制御が可能となることから、上記第１および第２の拡散板１８ａ、１８ｂの等方拡散性を弱くすることが可能となり、その結果、光利用効率が向上し、特性の良い光源装置が実現できることとなる。なお、本例では、略三角形状のテクスチャー１６１の一例として、角度γ＝３０度、その形成ピッチａ＝０．５ｍｍとした例を示す。

【0041】

＜導光体＞
続いて、上記映像表示装置３０を構成する導光体１７の詳細について、以下に、図９を参照しながら説明する。なお、この導光体１７は、上述した光源装置から平行光として取り出した光を所望の方向へ導くと共に、所望の面積を有する面状の光として取り出す機能を有している。

【0042】

図９（ａ）は、当該導光体１７の全体を示す斜視図を、図９（ｂ）はその断面を、そして、図９（ｃ）および（ｄ）は、断面の詳細を示す一部拡大断面図である。

【0043】

導光体１７は、例えば、アクリル等の透光性の樹脂により断面略三角形（図９（ｂ）参照）の棒状に形成された部材であり、そして、図９（ａ）からも明らかなように、上記合成拡散ブロック１６の出射面に第１の拡散板１８ａを介して対向する導光体光入射部（面）１７１と、斜面を形成する導光体光反射部（面）１７２と、第２の拡散板１８ｂを介して上記液晶表示素子５０の液晶表示パネル５２と対向する導光体光出射部（面）１７３とを備えている。

【0044】

この導光体１７の導光体光反射部（面）１７２には、その一部拡大図である図９（ｃ）および（ｄ）に示すように、多数の反射面１７２ａと連接面１７２ｂとが交互に鋸歯状に形成されている。そして、反射面１７２ａ（図では右上がりの線分）は、図において一点鎖線で示す水平面に対してαｎ（ｎ：自然数であり、本例では、例えば、１〜１３０である）を形成しており、その一例として、ここでは、αｎを４３度以下（但し、０度以上）に設定している。

【0045】

他方、連接面１７２ｂ（図では右下がりの線分）は、水平面に対してβｎ（ｎ：自然数であり、本例では、例えば、１〜１３０である）を形成している。即ち、反射部の連接面１７２ｂは、入射光に対して、後に述べる散乱体の半値角の範囲で影になる角度に傾斜されている。後にも詳述するが、α１、α２、α３、α４…は反射面仰角を形成し、β１、β２、β３、β４…は反射面と連接面との相対角度を形成しており、その一例として、９０度以上（但し、１８０度以下）に設定されている。なお、本例では、β１＝β２＝β３＝β４＝ …＝β１２２＝…β１３０である。

【0046】

図１０には、説明のために、導光体１７に対して反射面１７２ａと連接面１７２ｂの大きさを相対的に大きくした模式図を示す。導光体１７の導光体光入射部（面）１７１では、主たる光線が、反射面１７２ａに対して入射角が大きくなる方向にδだけ偏向されている（図１２（ｂ）参照）。即ち、導光体光入射部（面）１７１は、光源側に傾斜した湾曲の凸形状に形成されている。これによれば、合成拡散ブロック１６の出射面からの平行光は、第１の拡散板１８ａを介して拡散されて入射し、図からも明らかなように、導光体光入射部（面）１７１により上方に僅かに屈曲（偏向）しながら導光体光反射部（面）１７２に達する。

【0047】

なお、この導光体光反射部（面）１７２には、多数の反射面１７２ａと連接面１７２ｂとが交互に鋸歯状に形成されており、拡散光は、各々の反射面１７２ａ上で全反射されて上方に向かい、更には、導光体光出射部（面）１７３や第２の拡散板１８ｂを介して、平行な拡散光として液晶表示パネル５２へ入射する。そのため、反射面仰角α１、α２、α３、α４…は、各々の反射面１７２ａが前記拡散光に対して臨界角以上の角度となるように設定されており、他方、反射面１７２ａと連接面１７２ｂとの相対角度β１、β２、β３、β４…は、上述したように一定の角度、より好ましくは、９０度以上の角度（βn≧９０°）に設定されている。

【0048】

上述した構成により、各反射面１７２ａが前記拡散光に対して常に臨界角以上の角度となるような構成になっているので、導光体光反射部（面）１７２に金属等の反射膜を形成しなくても、全反射が可能となり、低コストで、所望の方向に導くと共に、所望の面積有する面状の光として取り出す機能を有する、導光体を備えた光源装置を実現できる。

【0049】

上述した導光体１７の導光体光反射部（面）１７２の形状によれば、主たる光の全反射条件を満たすことができ、導光体光反射部（面）１７２にアルミ等の反射膜を設ける必要がなく、光を効率的に反射することが可能となり、製造コストの上昇を伴うアルミニウム薄膜の蒸着作業なども必要なく、より低コストで、明るい光源が実現できる。また、各相対角βは、連接面１７２ｂが主たる光線３０が合成拡散ブロック１６および拡散板１８ａで拡散した光に対して影になるような角度に設定した。これにより、連接面１７２ｂへの不要な光の入射を抑制することで、不要な光の反射を低減でき、特性が良好な光源装置を実現することが可能となる。

【0050】

また、上述した導光体１７によれば、特に、反射面仰角α１、α２、α３、α４…を適宜設定することにより、光軸方向における導光体光出射部（面）１７３の長さを自由に変更することができることから、導光体光入射部（面）１７１に対して、導光体光出射部（面）１７３の大きさ（面サイズ）を、上記液晶表示パネル５２などの装置に対して適合した、適宜、必要な大きさ（面サイズ）に変更可能な光源装置を実現することが可能となる。このことは、また、光源を構成するＬＥＤ素子１４ａ、１４ｂの配置形状に依存することなく、導光体光出射部（面）１７３を所望の形状にすることが可能となることにより、所望の形状の面状の発光源が得られることとなる。更には、光源を構成するＬＥＤ素子１４ａ、１４ｂの配置を含む設計における自由度の確保にもつながり、装置全体の小型化にも有利であろう。

【0051】

＜光源装置の適用例＞
上記の図２および図３には、本発明になる光源装置を、ヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）装置１に適用した例を示したが、以下には、更に他の変形例について示す。

【0052】

また、図１１に示す例では、その詳細は示さないが、ＬＥＤ基板１２で発生した熱は伝熱プレート１３ｄを通じて装置下部に配置されたヒートシンク（放熱フィン）１３ｃで冷却する構造となっている。なお本構成によれば、全長のより短い光源装置が実現可能となる。

【0053】

更に、図１２では、上述した映像表示装置において、光源を構成するＬＥＤ素子１４ａ、１４ｂ、１４ｃの数を３個で構成し、各々のＬＥＤコリメータ１５は、連接された一体の部品となっており、かつ、合成拡散ブロック１６との間には、偏光変換素子２１を設けている。更に、配向制御板を構成する上記合成拡散ブロック１６の代わりに配向制御板１６ｂを配置した構成を示す。また、本構成では、ＬＥＤコリメータ１５の形状に対して、図６で示したように比較的大きなＬＥＤ素子１４を用いた構成を特色とする。それに合わせ、ＬＥＤコリメータ１５の入射部（凹部）１５３の形状は、他の実施例と比較して大きめの形状となっている。

【0054】

図１２（ａ）を用いて説明すると、ＬＥＤ素子１４ａから斜め方向に出射した光Ｌ３０１とＬ３０２は、ＬＥＤコリメータの入射部（凹部）１５３から入射しその外周面１５６でやや収束光ぎみに反射され、ＬＥＤコリメータの出射面１５４に達する。ＬＥＤコリメータ１５の出射面１５４、特に、そのやや周縁部１５８１は凹面形状になっているので、この部分で光Ｌ３０１，Ｌ３０２は屈折しほぼ平行に変換され、偏光変換素子２１の光入射部に入射する。本構成を採用することにより、図１２（ａ）に示す様な偏光変換素子の光入射部の幅２１ｗが狭い場合でも効率よく偏光変換素子にＬＥＤからの光を入射させることができ、高効率の光源が実現できる。

【0055】

続いて、ＬＥＤ素子１４ａ、１４ｂ、１４ｃから出射し、ＬＥＤコリメータ１５の凸状の入射面１５３で屈折する光線について、図１２（ｂ）を用いて説明する。ＬＥＤ素子１４ａ、１４ｂ、１４ｃの中心部から出射した光Ｌ３０は、ＬＥＤコリメータ１５の入射面１５３が凸形状になっているので、そこで略平行光に変換され、偏光変換素子２１を経て、拡散板１８ａ、導光体１７、拡散板１８ｂを経て、液晶表示パネル５２に入射する。一方、ＬＥＤ素子１４ａ、１４ｂ、１４ｃの端部から出射し、特に中心軸で交差する光線Ｌ３００１，光線Ｌ３００２を考えると、その光線はＬＥＤコリメータ１５の入射面１５３に対して、垂直に近い角度で入射するので、その屈折角は小さく、ＬＥＤコリメータの出射面１５４の外周部に進む。

【0056】

ＬＥＤコリメータ１５の出射面１５４の外周部は、図に示すように、凸レンズ形状部１５９が形成されており、その面を透過し、偏光変換素子２１を透過した後、配向制御板１６ｂを経て、光Ｌ３００１ｂ、Ｌ３００２ｂに示すように、拡散板１８ａ、導光体１７、拡散板１８ｂを経て、液晶表示パネル５２に入射する。

【0057】

ここで、ＬＥＤコリメータ１５の出射面１５４の外周部１５９が凸形状でなく、平坦の場合は、光Ｌ３００１ｄ、Ｌ３００２ｄに示すように、その面で大きく屈折するか（図示せず）、図示したように全反射してしまうので、効率が低下する。また、配向制御板１６ｂが無い場合は、光Ｌ３００１ｃ、Ｌ３００２ｃに示したように、導光体１７の光入射部からそれてしまうので、有効にその光線を活用することができず、同様に効率が低下する。

【0058】

図１３は、上記の図１２に示した構成において、更に、３個のＬＥＤ素子１４の列を加え、即ち、３×２＝６個のＬＥＤ素子およびＬＥＤコリメータを配置した例を示している。なお、６個のＬＥＤ素子に対応する６個のＬＥＤコリメータは、上記と同様に、連接して一体に形成されている。なお、偏光変換素子の作成上の容易性等を考慮すると、これら複数のＬＥＤ素子およびＬＥＤコリメータは、正方に配置することが望ましいであろう。

【0059】

本例では、光源であるＬＥＤ素子の個数が増加したことにより、より明るい光源装置を、あるいは、より照射エリアが広い光源を実現しうることが可能となる。なお、ＬＥＤ素子１４の列は、２列に限定されず、更に、増大することによれば、より明るく、および／または、より照射エリアが広い光源装置が得られる。また、上記の構成によれば、例えば、複数のＬＥＤ素子の配列においてその発光量を制御することにより、いわゆる、ローカルディミング等の実現が容易となろう。

【0060】

また、本発明の光源装置は、上記に種々説明して導光体を用いた照明光学系を備えたものに限らず、直接照射する光学系での活用も可能である。即ち、その一例として、図１４および図１５には、ＬＥＤコリメータにより集光したＬＥＤ素子からの光を、導光体を介さずに利用する光源装置の一例を示す。

【0061】

図１４（ａ）および図１４（ｂ）は、複数（本例では６個）のＬＥＤ素子１４ａ、１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ，１４ｅ、１４ｆ、ＬＥＤコリメータ１５、配向制御板１６ｂと共に、偏光変換素子２１を備えてユニット化を図った光源装置の全体構成の斜視図とその展開図である。図からも明らかなように、ＬＥＤコリメータ１５は、上記と同様に複数が連接して一体で形成されており、当該ＬＥＤコリメータ１５と、ＬＥＤ素子１４ａ、１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ，１４ｅ、１４ｆが実装されたＬＥＤ基板１２は、ヒートシンク（放熱フィン）１３に形成された位置決めピン１３６ａ、１３６ｂと、ＬＥＤコリメータ１５上に形成された位置決め穴（図示せず）と、更には、ＬＥＤ基板１２上に形成された位置決め穴１２６ａ、１２６ｂとに嵌合することにより、図中のＸおよびＹ方向において位置決めされる。同時に、ＬＥＤコリメータ１５の取付け部１５８ａ、１５８ｂと、ＬＥＤ基板１２が突き当たることにより、そのＺ方向が位置決めされる。

【0062】

偏光変換素子２１は、偏光変換素子ホルダー６０の内部に収容されており、当該ホルダーの内側に形成された段部６０１により、位置決めされる。また、偏光変換素子２１は、同時に、ＬＥＤコリメータ１５上に形成された凸部１５６ａ、１５６ｂと偏光変換素子ホルダー６０裏面に形成された凹部（図示せず）とを嵌合することにより位置決めされる。更に偏光変換素子ホルダー６０の出射側に、偏光変換素子２１のＰＢＳ膜２１１（図４参照）で反射された一部の光束を遮光する遮光部６０８を設けた方が良い。前記ＰＢＳ膜を透過した光束に対して、反射した光束は素子の構造から、相対的に光路が長くなるので、光束がより広がる傾向があり、輝度の均一性を図るため、その光束の一部を遮光した方が望ましい場合がある。

【0063】

そして、配向制御板１６ｂに形成された穴（図示せず）にボルト９０ａ、９０ｂを通し、偏光変換素子ホルダー６０、ＬＥＤコリメータ１５、ＬＥＤ基板１２を共に、ヒートシンク（放熱フィン）１３上に固定することにより、ユニット化された光源装置である光源ユニット７１が完成する。なお、この光源ユニット７１内において、最も相対的な位置決精度を要するＬＥＤ基板１２とＬＥＤコリメータ１５との位置決めは、位置決めピン１３６ａ、１３６ｂと位置決め穴（図示せず）との嵌合、および、ＬＥＤコリメータ取付け部１５８ａ、１５８ｂとＬＥＤ基板１２との突き当てにより行われることから、精度良く位置決めを行うことが可能となる。なお、図１４で示したユニット構成は、図１４以前で示した、導光体を用いた光源でも適応可能な構成であることは、当業者なら明らかである。

【0064】

なお、上述した光源装置では、図からも明らかなように、光源であるＬＥＤ素子１４ａ、１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ，１４ｅ、１４ｆから放射された光は、ＬＥＤコリメータ１５により集光されて平行光となり、偏光変換素子２１において所定のＳまたはＰ偏光光に変換された後、配向制御板１６ｂから出射される。なお、当該偏光変換が不要の場合には、偏光変換素子２１は設けられないことは当然であろう。

【0065】

図１５は、上述した光源装置を、一例として、上記の実施例でも示したＨＵＤ装置を構成する映像表示装置３０の光源とした形態を示している。図１５（ａ）にも明らかなように、映像表示装置３０は、そのヒートシンク（放熱フィン）１３を外部に露出した状態で光源装置ケース１１内に収納されている。また、図１５（ｂ）にも明らかなように、当該光源装置ケース１１内では、光源装置を構成する配向制御板１６ｂの上方には液晶表示素子５０が配置されており、光源である複数のＬＥＤ素子から放射されて集光された光は、必要に応じてＳまたはＰ偏光光に変換された後、配向制御板１６ｂから上方に向かって液晶表示素子５０に照射され、もって、映像表示装置３０の映像光が得られる。なお、精密な配光を実施するためには、前記配光制御板の出射面は、略シリンドリカル面に近い面であるが、より精密な配光を実現するために、図１５（ｂ）で示すように、稜線部の中央部はやや凹形状とし、周辺部は凸形状とした。即ち、配光制御板の少なくとも一面は、いわゆる非球面か自由曲面形状を採用することにより、より精密な配光を実現できる。なお図１５（ｂ）では、配光制御板を１枚とした構造を示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、配光制御板を複数枚設けるより精密かつ複雑な配光を実現できる。

【0066】

なお、かかる構成によれば、光源であるＬＥＤ素子の個数を多く配置することが可能であることから、より明るい光源装置を実現することが可能となる。また、光の出射面をより拡大することもでき、表示エリアが広い光出射面を備えて光源装置として、あるいは、表示エリアが広い液晶表示パネルと組み合わせて使用する場合に好適である。また、かかる構成によれば、レーザ光の出射面を、単数または複数のＬＥＤ素子に対応する複数の表示エリアに分割して、当該ＬＥＤ素子の発光出力（点灯）を独立して制御する等により、いわゆる、ローカルディミングを実現し、更には、表示画像の高コントラスト化や消費電力の低減が可能となろう。

【0067】

また、上述した個別のＬＥＤの制御によるローカルディミングに加えて、制御基板（図示せず）により、ＬＥＤ素子の個別制御と共に、液晶表示パネルと組み合わせて制御することによれば、より好適で低消費電力の光源装置、更には、それを用いた車両用ヘッドライト装置を実現することも可能となろう。

【0068】

更に、上記では、液晶表示パネルはＳ偏光波に対する透過率が優れているとして説明したが、しかしながら、Ｐ偏光波に対する透過率が優れている場合にも、上記と同様の構成を有する偏光変換素子によれば、やはり同様の作用・効果が得られることは、当業者であれば明らかであろう。

【0069】

以上、本発明の種々の実施例になる光源装置について述べた。しかしながら、本発明は、上述した実施例のみに限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するためにシステム全体を詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

【符号の説明】

【0070】

１１…光源装置ケース、５０…液晶表示素子、１２…ＬＥＤ基板、１３…ヒートシンク（放熱フィン）、１４、１４ａ〜１４ｆ…ＬＥＤ素子、１５…ＬＥＤコリメータ、１５１…外周面（リフレクター部）、１５３…入射部（凹部）、１５４…出射面、１５５…出射側のレンズ面、１５６…凸状部、１６…合成拡散ブロック、１６ｂ…配向制御板、１７…導光体、１７１…導光体光入射部（面）、１７２…導光体光反射部（面）、１７２ａ…反射面、１７２ｂ…連接面、１７３…導光体光出射部（面）、１８ａ、１８ｂ…拡散板、２１…偏光変換素子、２１１…ＰＢＳ膜、２１２…反射膜、２１３…１／２λ位相板。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】