特許 7514581 導光光学部品、その導光光学部品を用いた照明装置及びその照明装置を用いた投射型表示装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-07-03

(45)【発行日】2024-07-11

(54)【発明の名称】導光光学部品、その導光光学部品を用いた照明装置及びその照明装置を用いた投射型表示装置

(51)【国際特許分類】

   F21S 2/00 20160101AFI20240704BHJP

   F21V 8/00 20060101ALI20240704BHJP

【ＦＩ】

F21S2/00 330

F21V8/00 310

【請求項の数】 7

(21)【出願番号】P 2024021998

(22)【出願日】2024-02-16

【審査請求日】2024-02-19

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】391007851

【氏名又は名称】岡本硝子株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100181009

【弁理士】

【氏名又は名称】中井 日出海

(72)【発明者】

【氏名】奈良 俊孝

【審査官】當間 庸裕

(56)【参考文献】

【文献】特開２００７－１９９１６３（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１９／０００５８７２（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２００８－０７２５４８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－２８８１６９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ２１Ｓ ２／００

Ｆ２１Ｖ ８／００

Ｇ０２Ｂ ６／００

Ｇ０３Ｂ ２１／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

高さＨ_１、幅Ｗ_１の矩形（Ｈ_１＝Ｗ_１のときは正方形）の入射面から、高さＨ_２、幅Ｗ_２の矩形の出射面（Ｈ_２＞Ｈ_１、Ｗ_２＞Ｗ_１）に向けて、光軸に対して高さ方向に角度β_１、幅方向に角度β_２で光の進行方向に広がる末広がりの第一の四角錐台の中実のテーパー部を有し、さらに前記高さＨ_１と幅Ｗ_１の正方形または矩形を底面として高さＨ_３、幅Ｗ_３の矩形（Ｈ_３＝Ｗ_３のときは正方形）の上面を有する第二の四角錐台からなる入射部が連続して形成され、該第二の四角錐台は長さＬ_２であって、該第二の四角錐台の４つの側面のどの位置においても光軸となす角β_３は前記β_１及びβ_２よりも大きく、かつ前記テーパー部の長さＬ_１と入射部の長さＬ_２の和（全長Ｌ）が出射面の対角線の長さＤ_２の１．５倍以上５倍以下であって、前記第二の四角錐台の長さＬ_２は前記テーパー部の長さＬ_１の１／９～１／４２の範囲であり、前記β_１は１．９°～５．８°の範囲であり、前記β_２は４．１°～１３．８°の範囲であることを特徴とする導光光学部品。

【請求項2】

高さａ_１、幅ｂ_１の矩形（ａ_１＝ｂ_１のときは正方形）の入射面から、高さＨ_２、幅Ｗ_２の矩形の出射面に向けて、光軸に対して高さ方向にβ_４、幅方向にβ_５で広がる末広がりの四角錐台からなる中実のテーパー部を有し、さらに前記高さａ_１、幅ｂ_１の矩形（ａ_１＝ｂ_１のときは正方形）を底面とし、短径ａ_２，長径ｂ_２の楕円を上面とする楕円錐台が連続して形成され、該楕円錐台の長さはＬ_３であって、該楕円錐台のどの位置においても光軸となす角β_６は前記β_４及びβ_５より大きく、かつ前記テーパー部の長さＬ_１と前記楕円錐台の長さＬ_３の和（全長Ｌ）が出射面の対角線の長さＤ_２の１．５倍以上５倍以下であって、前記楕円錐台の長さＬ_３がテーパー部の長さＬ_１の１／９～１／４２の範囲であり、前記β_４は１．９°～５．８°の範囲であり、前記β_５は４．１°～１３．８°の範囲であることを特徴とする導光光学部品。

【請求項3】

前記テーパー部の出射面の位置に、集光作用または発散作用を有するレンズを一体化させた請求項１または請求項２に記載の導光光学部品。

【請求項4】

請求項１に記載の導光光学部品を複数配置して一体化した導光光学部品。

【請求項5】

請求項２に記載の導光光学部品を複数配置して一体化した導光光学部品。

【請求項6】

前記請求項１、請求項２、請求項４または請求項５に記載の導光光学部品の入射部の入射面にＬＥＤ光学素子を当接して発光させる照明装置。

【請求項7】

請求項６に記載の照明装置と、レンズ手段と、ライトバルブと、拡大光学レンズ系と、スクリーンからなり、前記導光光学部品の出射面に至ったＬＥＤ素子の光が、レンズ手段によって、集光されて、ライトバルブを照射し、ライトバルブで生成された出力画像が、拡大光学系によって拡大され、スクリーンに投射される投射型表示装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ＬＥＤ光源からの光束の有効利用を図りつつ、透過型液晶表示素子、反射型液晶表示素子ならびにＤＭＤ（Digital Micromirror Device）表示素子などの表示素子（ライトバルブとも言う）を、面内で均一に同じ明るさで照明できるようにするところの、光源からの光束の導光光学部品、その導光光学部品を用いた照明装置及びその照明装置を用いた投射型表示装置（プロジェクターとも言う）に関する。

【背景技術】

【0002】

パーソナルコンピュータの画面表示画像やビデオ映像などをスクリーンに投影する画像投影装置としてデータプロジェクターが多用されており、近年ではプロジェクター単体でウェブサイトにアクセスして動画を投影することができる「スマートプロジェクター」や手のひらサイズの「超小型プロジェクター」など従来のプレゼンテーション用とは異なる用途での利用も普及してきている。

【0003】

プロジェクターには超高圧水銀ランプ、LED、レーザー等を光源とするものがあるが、近年では光源の寿命が長く、温度もほとんど上昇しないことから、ＬＥＤを光源とするものが増えている。そして、走査レーザーによってスクリーン上に直接描画するタイプのものを除くと、多くのプロジェクターでは表示素子であるライトバルブを照明し、表示素子による「オン」「オフ」での光の制御によって再生された映像をスクリーン上に投影している。

【0004】

表示素子を用いた一般的なカラープロジェクターはRGB３色に対応した別々の表示素子で映像を再生して映像情報を持った光を重ね合わせる方式の他、１つの表示素子をRGBの３色で時分割照明することで３色の映像を時分割でスクリーンに投影する方式がある。

【0005】

スクリーンに投影される映像が明るく均一な表示になっているためには、光源からの光をできるだけ多く取り込み、かつ表示素子を均質に照明することが重要であり、光源から出た光によって表示素子を均一照度で照明するための工夫がなされている。

【0006】

表示素子を均質に照明する方法としては、主にフライアイレンズを使用する方式とライトトンネルを使用する方式が用いられている。

【0007】

フライアイレンズを用いた光学系では２枚のフライアイレンズと集光レンズを組合わせることで第一のフライアイレンズの各セルの実像が表示素子の上で重なるように投影され、各セルの配光照度分布が平均化されることで均質な配光を実現している。

【0008】

ライトトンネルを用いた配光均質化光学系では、ライトトンネルの内部を入射光が繰り返し反射することで出射面での強度が均質化され、この均質な配光の実像を表示素子に投影することで表示素子が均一強度で照明される。

【0009】

これらの表示素子を照明する光と光軸となす角度が大きくなってしまうと光の利用効率が低下したり、表示素子の映像を投影するための光学系のコンパクト化が難しくなる等といった不利益が発生する。したがって、これらの表示素子を均一照度で照明する光学系においては、表示素子を照明する光と光軸となす角度が小さくなるような工夫がされているものが多い。

【0010】

表示素子を均一に照明する方式として、ロッドレンズを用いる方式が提案された（特許文献１）。この方式によれば、ロッドレンズは光源から出射された光を、後工程である偏光板に導く機能を果たすのみならず、光がロッドレンズを通過する間にロッドレンズの内面で反射を繰り返し、様々な角度で反射した光がロッドレンズの出射面で重ね合わされることによって、光の照度分布が均一化される。

【0011】

ＬＥＤ光源のように、発光される光の発散角度が大きな光源を用いても、発光された光を効率良く利用できて、明るい投射映像を得ることができるようにするため、照明光学系が、光源ユニット毎に、光源ユニットからの光線の発散角度を低減する末広がり形状のテーパーライトパイプからなるライトパイプアレイを有する投射型映像表示装置が提案されている（特許文献２）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0012】

【文献】特開２００３－３２９９７８号公報

【文献】特開２００６－２３５３３８号公報

【文献】特開平２－１８１８号公報

【文献】特開平７－９８４１６号公報

【文献】特開平１１－１４２７８０号公報

【文献】特開２００４－２５２１１２号公報

【文献】特開２００９－３１７１７号公報

【文献】特開２０１１－１３３８９９号公報

【文献】特表２００９－５４４０６３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0013】

図１に示す四角柱形状で中実のライトトンネル１０１では、入射面１０２から入射した光線が側面１０４で全反射しながら内部を導波する際、光線が光軸となす角度は変化しないため、出射面１０３から出射される光線が光軸となす角は入射光が光軸となす角と同じである。

【0014】

それに対して、図２に示すテーパーのついた末広がりの四角錐台形状をした中実のテーパーライトトンネル２０１の入射面２０２に光軸と角度をなす光線を入射させると、入射面２０２から取り込まれた光線が出射面２０３に向かう間、傾斜したライトトンネルの側面２０４で反射される度に光線が光軸となす角が小さくなっていく。

【0015】

特許文献３には、側面が放物面（非結像性曲面）とされた略四角錐形状の導光装置が開示されている。これは導光装置の出射面において、略平行な光束を得るためである。

【0016】

特許文献４においても、同じ理由により末広がりの導光体を用いている。その中で、一例として、円錐台と円柱を組み合わせた、あるいは円錐台と六角柱を組み合わせたテーパー部と平行部を有する導光体を開示している。

【0017】

特許文献５は、四角柱と四角錐台を組み合わせた、あるいは四角柱と円錐台を組み合わせた部分テーパーロッドを開示し、この部分テーパーロッドのテーパー角の制御によって光源ランプからの収束光束の平行度を所望の値として、照明光束の広がり角を小さくして、被照明面に結像させるリレー光学系をコンパクトにできるとしている。

【0018】

しかしながら、テーパーライトトンネル２０１の長さが出射面２０３の大きさに対して十分でないと、入射面２０２に入射した際の角度が小さい光線は十分な反射回数を得る事ができず、また入射面２０２に入射した角度が大きい光線は反射回数が比較的多いながらも出射面２０３に到達してもなお光軸となす角度が大きいままになっている。

【0019】

テーパーライトトンネルに光を通すことで出射面２０３における配光を均質にするには、テーパーライトトンネルの側面２０４での反射回数がある程度必要になるために、一般に入射面２０２に高NA（NAは開口数）の収束光や発散光を導くことで反射回数を増やすことを狙う必要がある。また、光軸となす角が小さい光線が多い低NAの収束光や発散光を導入する場合には反射回数を増やすために長いライトトンネルを使用する必要がある。

【0020】

一方、光学系を小型化するためにはテーパーライトトンネルは短い方が望ましいが、短いライトトンネルで出射面２０３における配光を均質にするには高NAの収束光や発散光を導く必要があるため、それに伴って出射面２０３から出射される光の発散角が大きくなってしまう傾向がある。

【0021】

テーパーライトトンネルの側面２０４が光軸となす角が大きいほど、テーパーライトトンネルの側面２０４で反射された光線が光軸となす角が小さくなり、出射口２０３から出射される光の発散角は小さくなる傾向がある。しかしながら、出射面２０３における配光を均一強度にするためには反射回数が多いほうが有利になるため、テーパーライトトンネルの側面２０４が光軸となす角が大きいと、出射口２０３における配光が不均質になりやすい。つまり、所定のライトトンネルの長さの下では、テーパーライトトンネルの側面２０４と光軸となす角（傾斜角）として、適切な範囲が存在すると考えられる。

【0022】

したがって、出射面２０３の大きさに対して長さが短いテーパーライトトンネルでは出射面２０３における配光を均質にすることと出射光の発散角を小さくすることを両立させることが極めて難しくなっている。

【0023】

特許文献６は、映像投影装置とこれに用いられる照明装置に関するもので、楕円反射鏡の第一焦点の位置にランプを、第二焦点の位置にライトトンネルの入射面の中心をおき、このライトトンネルが、入射面から出射面に向かって断面形状が連続的に減少するテーパー部と断面形状が一定の平行部からなり、出射面の形状がライトバルブの入射面の形状に相似形に形成されている。しかしながら、この発明によれば、入射光源の光の利用効率は高まるものの、ライトトンネルは平行部からなるので、出射面での光線束の広がりは改善されない。

【0024】

特許文献７は、光軸と略平行な光線束を射出可能な導光装置を有する光学系ユニットおよびその光学系ユニットを備えたプロジェクターを提供するもので、光学系ユニットは、光源側光学系である導光装置としてのライトトンネルを備え、このライトトンネルは、上下左右の面を形成する略方形状の４枚の板を有し、斜めに対向させて配置した両側板の側辺に上下板を重ね、固定することにより略四角錐台形状に形成されている。その結果、ライトトンネルの入射面の面積よりも出射面の面積が大きくなるように側板が斜めに形成されているので、光線束の横方向への角度は光軸と平行な光線束に近づけることができる。しかしながら、斜めに対向させたライトトンネルとするだけでは、既に述べたように光の均一性と発散角の低減は両立できていない。

【0025】

特許文献８は、導光装置及びプロジェクターに関するもので、光源装置から射出される光線束をより多く取り込み、光軸となす角度が大きい光線束も緩やかな角度の光線束として出射するため、外形が直方体形状で内部が空洞の筒状のライトトンネルとガラスロッドを備え、ライトトンネルは開口部の一端を入射口、他端を出射口側端とし、内表面に反射面を有して内部空間を導光路とされ、ガラスロッドは入射口側から出射口側端に向かって末広がりの傾斜部を有し、ライトトンネルの導光路内に傾斜部を配置してガラスロッドの底面を光射出出口とするものである。しかしながら、この発明によれば、導光装置は内面に反射面を有する空洞の筒状のライトトンネルと、末広がりの傾斜部を有するガラスロッドからなるため、導光装置が複雑で高価になるという問題が避けられない。

【0026】

特許文献９は、プロジェクション分野で利用される集光器を開示するもので、集光器は、異なる色の面発光源（例えば、ＬＥＤ）からの光を入力ライトパイプによって集める。そして、明細書中に、集光器の一例として、一つの面方向においては、ダブルテーパー形状のライトパイプが開示されている。

【0027】

本発明が解決しようとする課題は、従来技術よりも、さらに多くの光をＬＥＤ光源から取り込み、均一な発光照度を有し、発散角の小さな光束を、ライトバルブに照射することのできる導光光学部品と、その導光光学部品を用いた照明装置と、その照明装置を用いた投射型映像表示装置を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0028】

上記従来の課題を解決するために、本出願の第１の発明は、高さＨ_１、幅Ｗ_１の矩形または正方形（Ｈ_１＝Ｗ_１のとき）の入射面から、高さＨ_２、幅Ｗ_２の矩形の出射面（Ｈ_２＞Ｈ_１、Ｗ_２＞Ｗ_１）に向けて、光軸に対して高さ方向に角度β_１、幅方向に角度β_２で光の進行方向に広がる末広がりの第一の四角錐台の中実のテーパー部を有し、さらに前記高さＨ_１と幅Ｗ_１の正方形または矩形を底面として高さＨ_３、幅Ｗ_３の正方形または矩形の上面を有する第二の四角錐台からなる入射部が連続して形成され、該第二の四角錐台は長さＬ_２であって、第二の四角錐台の４つの側面のどの位置においても光軸となす角β_３は前記β_１及びβ_２よりも大きく、かつ前記テーパー部の長さＬ_１と第二の四角錐台の長さＬ_２の和（全長Ｌ）が出射面の対角の長さＤ_２の１．５倍以上５倍以下で、前記第二の四角錐台の長さＬ_２は前記テーパー部の長さＬ_１の１／９～１／４２の範囲であり、前記β_１は１．９°～５．８°の範囲であり、前記β_２は４．１°～１３．８°の範囲であることを特徴とする導光光学部品である。ここで、高さＨ_２、幅Ｗ_２の矩形の出射面の大きさは、本発明の導光光学部品が照射する表示素子の大きさに等しいか、少なくとも相似形である。

【0029】

本発明の導光光学備品の構成の一例を図示したものが図３である。３０１が全体図であり、入射部とテーパー部からなるダブルテーパー構造を有するライトトンネルである。末広がりのテーパー部である第一の四角錐台の上面３０６で第二の四角錐台である入射部と連続して形成され、第二の四角錐台の上面３０２が光源からの光の入射面となり、末広がりのテーパー部の第一の四角錐台の底面３０３が出射面となる。

【0030】

ここで、光軸とテーパー部の上面及び下面のなす角である傾斜角β_１及び光軸とテーパー部の左側面及び右側面のなす角であるβ_２は、
β_１＝arctan｛（Ｈ_２－Ｈ_１）/２Ｌ_１｝、β_２＝arctan｛（Ｗ₂－Ｗ₁）/２Ｌ_１）
となる（図４及び図５参照）。テーパー面で反射する光は、上下面での1回の反射につき、高さ方向に２β_１、左右面での1回の反射につき、幅方向に２β_２ずつ平行度が向上することになる。本発明において、テーパー部の長さＬ_１と入射部の長さＬ_２の和、すなわち全長Ｌは出射面の対角の長さＤ_２の１．５倍以上５倍以下であって、従来よりも短い長さで光源からの光の均質化が図れる。

【0031】

本発明では、入射部として、前記テーパー部である第一の四角錐台の上面３０６を底面とした先細りの第二の四角錐台がさらに連続して形成され、その上面３０２が光源からの光の入射面となる。第二の四角錐台の４つの側面は台形の面からなるのが普通である。しかしながら、第二の四角錐台の側面は台形に限られるわけでなく、内部反射型放物面であってもよいし（この場合の四角錐台は矩形ＣＰＣと呼ばれる）、外側に膨らんだ単曲面であってもよい。さらに言えば、後に第２の発明で述べるように、四角錐台に代えて、楕円錐台であってもよい。重要な点は、四角錐台のどの位置においても光軸となす角β_３がテーパー部の傾斜角β_１及びβ_２よりも大きいことである。すなわち、入射面３０２に浅い角度で入射した光は、図６に示すように、まず入射部の側面に当たり、急激に入射角が小さくなってテーパー部に進むことになるのである。なお、照明装置においては、ＬＥＤ素子は、前記先細りの四角錐台の上面の入射面３０２に当接して配置される。

【0032】

本発明の導光光学部品に入射した光が、入射部およびテーパー部で反射を繰り返し、出射面に至る様子を図７に示した。

【0033】

本発明においては、テーパー部の傾斜角として、β_１は１．９°から５．８°である必要がある。１．９°未満では、出射面における発散角が大きくなってしまう。また５．８°を超えると、出射面における照度分布の均一性が悪化してしまう。

【0034】

同じように、本発明においては、テーパー部の傾斜角として、β_２は４．１°から１３．８°である必要がある。４．１°未満では、出射面における発散角が大きくなってしまう。また１３．８°を超えると、出射面における照度分布の均一性が悪化してしまう。

【0035】

本発明においては、第一の四角錐台であるテーパー部の長さＬ_１と第二の四角錐台の長さＬ_２の和（全長Ｌ）は、出射面の対角の長さＤ_２の１．５倍以上５倍以下とすることができる。１．５倍を下回ると、出射光の均質性がよくなる条件が見いだせなかった。５倍を超え6倍になると既知のテーパーライトトンネルでも出射面においておおよそ均一で発散角の小さな光束とすることができるが、５倍以下のテーパーライトトンネルでは均一で発散角の小さな光束とすることができなかった。

【0036】

本発明において、入射部の長さＬ_２は、テーパー部の長さＬ_１の１／９～１／４２の範囲とすることができる。１／９より大きいと出射光の均一化も発散角の狭角化も達成する条件が見いだせなかった。１／４２より小さいと、全長が長くなるだけで利点はないと考えられる。

【0037】

さらに、本出願の第２の発明は、高さａ_１、幅ｂ_１の矩形（ａ_１＝ｂ_１のときは正方形）の入射面から、高さＨ_２、幅Ｗ_２の矩形の出射面に向けて、光軸に対して高さ方向にβ_４、幅方向にβ_５で広がる末広がりの四角錐台からなる中実のテーパー部を有し、さらに前記高さａ_１、幅ｂ_１の矩形（ａ_１＝ｂ_１のときは正方形）を底面とし、短径ａ_２、長径ｂ_２の楕円を上面とする楕円錐台が連続して形成され、該楕円錐台の長さはＬ_３であって、該楕円錐台のどの位置においても光軸となす角β_６は前記β_４及びβ_５より大きく、かつ前記テーパー部の長さＬ_１と前記楕円錐台の長さＬ_３の和（全長Ｌ）が出射面の対角線の長さＤ_２の１．５倍以上５倍以下であって、前記楕円錐台の長さＬ_３がテーパー部の長さＬ_１の１／９～１／４２の範囲であり、前記β_４は１．９°～５．８°の範囲であり、前記β_５は４．１°～１３．８°の範囲であることを特徴とする導光光学部品である。

【0038】

本出願の第１の発明との違いは、入射部が長さＬ_２の四角錐台ではなく、長さＬ_３の楕円錐台である点である（図８参照）。ここで、楕円錐台の側面は、第1の発明の四角錐台の場合と同様に、必ずしも直線である必要はなく、内部反射型放物面であってもよいし、外側に膨らんだ単曲面であってもよい（図１４参照）。

【0039】

この場合、テーパー部の上下面と光軸のなす角β_４と左右面と光軸のなす角β_５は β_４＝arctan｛（Ｈ_２－ａ_１）/２Ｌ_１｝、β_５＝arctan｛（Ｗ_２－ｂ_１）/２Ｌ_１）
となる（図９及び図１０参照）。テーパー面で反射する光線は、1回の反射につき、高さ方向に２β_４、幅方向に２β_５ずつ平行度が向上することになる。

【0040】

図８において、末広がりの四角錐台の底面３０３が矩形の出射面である。本発明では、四角錐台の上面を底面とした先細りの楕円錐台が連続して形成され、その上面が楕円形で、光の入射面３０２となる。また、照明装置においては、ＬＥＤ素子は、楕円形の入射面３０２に当接される。

【0041】

楕円錐台の入射部の入射面３０２に浅い角度で入射した光は、テーパー部の傾斜角であるβ_４、β_５よりも曲率の大きい（β_６）楕円錐台の内面に当たって反射し、光軸との角度が大幅に減少する。そして、テーパー部に入射した後は、1回の反射のたびに、光軸との角度がほぼ２β_４または２β_５ずつ減少して出射面３０３に到達することになる。テーパー部の長さＬ_１は、従来のテーパーライトトンネルの長さより、十分に短くすることが可能となる。具体的には、テーパー部の長さＬ_１と楕円錐台の長さＬ_３の和（全長Ｌ）は、出射面の対角の長さＤ_２の１．５倍以上５倍以下でよい。

【0042】

図３や図８に示した本発明の導光光学部品の内部における光線の振る舞いにおいて、入射光には光軸となす角が大きい光線と光軸となす角が小さい光線が入り混じっているが、入射角度が大きい光線だけを入射部の側面で選択的に反射させる事によって、反射した光線の光軸となす角度が大幅に小さくなるのに対し、入射面に入射した段階で光軸となす角が小さい光線は入射部の側面では反射せずに入射し、テーパー部の側面のみで反射されるために反射回数が減ることはない。これによって出射面における配光の均質性を大きく低下させることは無く、出射面から出射される光線を狭角化させることができる。

【0043】

また、入射部とテーパー部の２つの形状を組み合わせたダブルテーパー構造としていることで、図２に示した単純な四角錐台形状のテーパーライトトンネルと比べて設計の自由度が増すため、入射部とテーパー部の形状を独立して調整することにより出射面の配光の均質化に寄与することができる。

【0044】

これらのことにより、全長Ｌが出射面の対角線の長さＤ_２の１．５倍以上５倍以下という短いライトトンネルにおいて、出射面における配光の均質化と出射光の発散角を小さくすることを両立させることが可能になる。

【0045】

以上の発明における入射部の形状を図１１、図１２、図１３及び図１４に示す。図１１は、入射部が四角錐台であることを示すものであり、図１２は、入射部が四角錐台ではあるが、側面が台形ではなく、外側に膨らんだ放物面（この場合は矩形ＣＰＣと呼ぶ）または単曲面であることを示すものである。図１３は、入射部が楕円錐台であることを示すものである。図１４は、楕円錐台の側面が外側に膨らんだ放物面または単曲面であることを示すものである。

【0046】

なお、第1または第２の発明において、出射面や入射面を矩形と表現した場合、厳密な意味で四隅が直角である必要はなく、接触による破損などを防止する目的で、偶部に丸みを付けたものであってもよい。

【0047】

本出願の第３の発明は、第１の発明および第２の発明において、導光光学部品の出射面の位置に、図１５に示すように集光レンズまたは発散レンズを一体化したものである。ここで用いられる集光レンズまたは発散レンズは、通常は片面が略平面であって出射面と一体化させ、反対側が曲率を有する凸レンズまたは凹レンズになっている。こうすることで、出射面の位置で発散角の大きい光の成分の発散によるロスをなくして、集光レンズから前方に照射することができるし、発散レンズを用いた場合には、照射面積を増やすことができる。

【0048】

本出願の第４及び第５の発明は、本出願の第１の発明ないし第２の発明で開示した導光光学部品を複数配置して一体化した導光光学部品である。複数とは、２であってもよいし、例えばM段N列配置してもよい。Ｍ段Ｎ列と記載する場合、ＭないしＮの少なくともいずれか一方は２以上である。光源装置を構成する場合は、ＬＥＤ素子の数と構成に等しくされ、ＬＥＤ素子に対向してそれぞれの導光光学部品の入射部の入射面が配置される。例えば、ＬＥＤ素子が２段３列であれば、導光光学部品も２段3列とされて一体化され、各導光光学部品の入射部の入射面が各ＬＥＤ素子に当接して配置された照明装置となる。なお、Ｍ段Ｎ列の配置の場合、取り扱い易さ、接触による破損を防止するため、あるいは製造の容易さの観点で、四隅の偶部に導光光学部品を配置しない例も考えられるし、中央部の一部を省いた例も考えられる。これらの例であっても、照射面の照度の均一性に大きな不具合が生じないからである。

【0049】

図１６及び図１７は、第４の発明の一態様である、５段５列の導光光学部品を図示したもので、図１６は全体の斜視図であって、図１７は光の入射側から見た正面図である。この態様では、各導光光学部品の出射面に集光レンズが一体化されている。なお、本態様では、５段５列の構成で、出射面の大きさは、表示素子であるライトバルブの形状と相似の形状になっている。

【0050】

本出願の第６の発明は、本出願の第１の発明、第２の発明、第４の発明または第５の発明に記載した導光光学部品の入射部の入射面に当接して、ＬＥＤ素子を配置した照明装置である。いずれの導光光学部品を用いた場合でも、出射面において照度分布が均一な照明装置を得ることができる。

【0051】

本出願の第７の発明は、前記第６の発明による照明装置の出射面の光束を、集光レンズ系により、表示素子であるライトバルブに集光し照射し、表示素子により生成された映像を拡大投射光学系により拡大し、スクリーンに照射する投射型表示装置である。

【0052】

投射型表示装置の構成の一例を図１８に示す。投射型表示装置のライトバルブとしては、透過型液晶表示パネル、反射型液晶表示パネルまたはＤＭＤ（デジタル・マイクロミラー・デバイス）を挙げることができるが、本発明によれば、均一な照度の平行光を得ることができるので、光源および導光光学部品と離間して配置されるＤＭＤ表示素子に対する効果が特に大きい。

【0053】

出射面３０３の実像をプロジェクターなどで使用される液晶表示素子やＤＭＤ等の表示素子に投影する事によって均一強度で照明する事を想定していることから、出射面３０３の縦と横の比は表示素子と同程度である事が望ましい。これらの表示素子の横Ｗと縦Ｈの比は通常１６：９、もしくは４：３とされている。

【発明の効果】

【0054】

本発明の導光光学部品によれば、入射部とテーパー部のパラメーターを別々に制御して、所定の長さ以下の全長で、入射部の長さＬ_２とテーパー部の長さＬ_１の比を所定の範囲内として、さらにテーパー部の傾斜角を所定の範囲内とすることにより、従来例では達成できなかった短い長さで、光源からの光が、光軸となす角度の小さい、かつ発散角の小さな平行光として導光光学部品の出射面に到達するので、出射面で照度分布が極めて均一で発散角の小さな出射光を得ることができる。そして、導光光学部品を複数配列して一体化することにより、面積の広い導光光学部品とすることができる。

【0055】

本発明の導光光学部品とＬＥＤ発光素子を用いた照明装置によれば、照度分布が均一で発散角の小さな照明装置を得ることができる。そして、導光光学部品を複数配列して一体化した導光光学部品とＬＥＤ発光素子により、広い面で発光する照明装置とすることができる。

【0056】

本発明の照明装置を用いた投射型表示素子によれば、ライトバルブが極めて均一な照度で狭い発散角の照明によって照射されるので、照度分布に優れた投射画像をスクリーンに投射することができる。本発明の照明装置によれば、均一な照度分布で発散角の小さい平行光を照射することができるので、照明装置とライトバルブの間隔が広いDMDを用いた投射型表示装置に用いるのに好適である。

【図面の簡単な説明】

【0057】

【図1】四角柱状ライトトンネルでの光の反射を示す図である。

【図2】末広がりの四角錐台状テーパーライトトンネルでの光の反射を示す図である。

【図3】本出願の第１の発明に係る導光光学部品の構成の一例を示す図である。

【図4】本出願の第１の発明に係る導光光学部品の構成の一例の側面図である。

【図5】本出願の第１の発明に係る導光光学部品の構成の一例の平面図である。

【図6】本出願の第１の発明の入射部に入射した光の進路を示す図である。

【図7】本出願の第1の発明において、入射面に入射した光が出射面からの出射に至る様子を示す図である。

【図8】本出願の第２の発明に係る導光光学部品の構成の一例を示す図である。

【図9】本出願の第２の発明に係る導光光学部品の構成の一例の側面図である。

【図10】本出願の第２の発明に係る導光光学部品の構成の一例の平面図である。

【図11】本出願の第1の発明の導光光学部品の入射部の一例である四角錐台を示す図である。

【図12】本出願の第１の発明の導光光学部品の入射部の一例である四角錐台の変形例（４つの側面が外側に膨らんだＣＰＣ曲面である）を示す図である。

【図13】本出願の第2の発明の導光学部品の入射部で一例ある楕円錐台を示す図である。

【図14】本出願の第2の発明の導光学部品の入射部で一例ある楕円錐台の別の態様を示す図である。

【図15】本出願の第３の発明の一例である導光光学部品の出射面に集光レンズを一体化した例を示す図である。

【図16】本出願の第４または第５の発明である、導光光学部品を複数配置して一体化した導光光学部品の一例を示す斜視図である。

【図17】本出願の第４または第５の発明である、導光光学部品を複数配置して一体化した導光光学部品の一例を示す平面図である。

【図18】本出願の第６の発明である照明装置の一例を用いた、本出願の第７の発明である投射型表示装置の構成の一例を示すである。

【図19】第１の発明の導光光学部品に入射した光線の光線追跡シミュレーション結果の一例を示す図である。

【図20】第1の発明の導光光学部品に入射した光線の出射面における幅方向の照度分布の一例を示す図である。

【図21】第１の本発明の導光光学部品に入射した光線の出射面における高さ方向の照度分布の一例を示す図である。

【図22】第１の発明の導光光学部品に入射した光線の出射面におけるX方向（幅方向）及びY方向（高さ方向）の発散角分布の一例を示す図である。

【図23】第１の発明の導光光学部品に入射した光線の光線追跡シミュレーション結果の他の一例を示す図である。

【図24】第１の発明の導光光学部品に入射した光線の出射面におけるＸ方向（幅方向）の照度分布の他の一例を示す図である。

【図25】第１の本発明の導光光学部品に入射した光線の出射面におけるＹ方向（高さ方向）の照度分布の他の一例を示す図である。

【図26】本発明の導光光学部品に入射した光線の出射面におけるX方向及びY方向の発散角分布の他の一例を示すである。

【図27】比較例であるテーパーライトトンネルに入射した光線の光線追跡シミュレーション結果の一例である。

【図28】比較例であるテーパーライトトンネルに入射した光線の出射面におけるＸ方向照度分布を示す一例である。

【図29】比較例であるテーパーライトトンネルに入射した光線の出射面におけるＹ方向照度分布を示す一例である。

【図30】第４の発明の複数の導光光学部品（５段5列）を一体化した導光光学部品に入射した光線の光線追跡シミュレーション結果を示す図である。

【図31】第４の発明の複数の導光光学部品（５段5列）を一体化した導光光学部品に入射した光線のＸ方向照度分布を示す図である。

【図32】第４の発明の複数の導光光学部品（５段5列）を一体化した導光光学部品に入射した光線のY方向照度分布を示す図である。

【図33】実施例２を標準として、テーパー角を大きくした場合のＸ方向照度分布の変化を示す図である。

【図34】実施例２を標準として、テーパー角を小さくした場合のＸ方向照度分布の変化を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0058】

以下、本発明の実施例と比較例のシミュレーション結果を示し、得られたデータを表にまとめて示すとともに、一部の結果については得られたデータをそのまま掲載する。

【実施例1】

【0059】

本発明に係る導光光学部品において、プロジェクターにおける表示素子（ライトバルブ）を照明する手段としては、図１８に示すように、ＬＥＤ素子からなる散乱光源７０１と本出願の第１の発明の導光光学部品（四角錐台形状）とを用いた照明装置とその照明装置を用いた投射型表示装置を構成した。

【0060】

なお、以後のシミュレーションにおいては、ＬＥＤ光源としては、波長５５０nm、発光面直径０．２５５ｍｍ（直径が、以後のシミュレーションで多く用いる導光光学部品の出射面対角の１／１０に相当）、FWHM：±６０°のＬＥＤ素子を用いた。また、設計波長は５５０ｎｍであって、本発明の導光光学部品やテーパーライトトンネルを構成するガラスの屈折率ｎは１．５１８５とした。ここで、ＦＷＨＭとはＬＥＤの輝度分布の半値全幅のことである。

【0061】

そして、図１８の光学系において、導光光学部品３０１として、図３に示したテーパー部と入射部とからなる第1の発明の導光光学部品を使った場合と、図２に示した通常の四角錐台形状のテーパーライトトンネルを使った場合において、それぞれに入射した光線が、どのように出射面３０３に伝わり出射するか、光線軌跡をシミュレーションで得た（光線追跡シミュレーション）。得られた結果を、表１にまとめて示した。表１中、入射面とは、ＬＥＤ光が入射する入射面のサイズでる。ＦＷＨＭとは、光線追跡シミュレーションで得られるＬＥＤ光の発散角の半値全幅である。出射光の均一性では、照度分布がフラットで均一性に非常に優れるものを◎で表し、照度分布のばらつきが５％もない程度の良好な照度分布であったものを〇で表し、照度分布のばらつきが５％～１０％程度あったものを△で表し、照度分布のばらつきが１０％以上あったものを×で表している。

【0062】

【表1】

【0063】

表１中の実施例は、すべて第１の発明の導光光学部品に関するものであって、比較例はすべて従来例のテーパーライトトンネルに関するものである。出射面の大きさは２．２２ｍｍｘ１．２５ｍｍに統一されている。ここで、第１の発明に係る導光光学部品では、入射部は四角錐台で、四角錐台の4つの側面はＣＰＣ面で形成されている（すなわち、矩形ＣＰＣである。図１２参照）。そして、入射部の長さを０．４ｍｍ～０．７ｍｍまで変え、光を受光する入射面の大きさを０．３ｍｍｘ０．３ｍｍ、０．４ｍｍｘ０．４ｍｍ、０．７ｍｍｘ０．４ｍｍの3種として光線追跡シミュレーションを行った。また、導光光学部品としての全長Lは、出射面の対角の長さD_２の１．５倍、2倍、3倍、４倍及び5倍のケースで光線追跡シミュレーションを行った。一方、従来例であるテーパーライトトンネルについては、全長を第１の発明の導光光学部品に合わせて設定し、最長は出射面対角の6倍の長さまで、入射面の大きさとして、０．３ｍｍｘ０．３ｍｍ、０．７ｍｍｘ０．４ｍｍ、１．１ｍｍｘ０．６ｍｍの3種として、入射面から出射面に向けて一様にテーパー状に広がる形状について、光線追跡シミュレーションを行った。

【0064】

光線追跡シミュレーションに用いた第１の発明の導光光学部品について、形状モデルパラメーターを表２にまとめて示した。全長Ｌ、テーパー部長さＬ_１、入射部長さＬ_２、入射面の大きさＨ_３ｘＷ_３、出射面の大きさＨ_２ｘＷ_２のほか、テーパー部の水平方向及び垂直方向となす角度β_１とβ_２も記載している。なお、表２中、およびのちの表5及び表６中に、矩形ＣＰＣという言葉が出てくるが、これは前述したように、四角錐台であって、その4つの側面がすべてＣＰＣ面で構成された形状である。

【0065】

【表2】

【0066】

例えば、実施例２は、導光光学部品の全長Ｌが、出射面開口の対角Ｄ_２の2倍である５．１ｍｍで、そのうち０．５ｍｍが入射部の長さＬ_２、４．６ｍｍがテーパー部の長さＬ_１である。出射面は２．２２ｍｍｘ１．２５ｍｍである。入射部の入射面は０．３ｍｍｘ０．３ｍｍである。テーパー部の上下方向の面が水平軸面となす角は４．２°、幅方向の側面が垂直軸面となす角は１０．０°である。

【0067】

同様に、光線追跡シミュレーションを実施した従来例のテーパーライトトンネルについて、形状モデルパラメーターを表３にまとめて示した。出射面対角に対する全長の割合、全長、入射面サイズ、出射面サイズのほか、テーパー部の水平方向及び垂直方向となす角度も記載している。

【0068】

【表3】

【0069】

表１に示した実施例の中で、出射光の均一性が極めて優れていたもの（◎）は、実施例２、実施例５，実施例７，実施例８及び実施例９と、実施した9例中5例に達し、均一性のばらつきが５％以内であったもの（〇）は、実施例１，実施例３，実施例６と3例があり、均一性のばらつきが５％以上（△）あったのは、実施例４の1例だけであった。一方、従来例のテーパーライトトンネルでは、比較例として記載した１８の例についてシミュレーションを行ったが、照度分布の均一性に優れていたものは、長さが出射面対角の6倍の例（比較例１６，１７及び１８）に限られ、そのうち、比較例18は発散角が大きいものであった。その他の比較例では、比較例９と比較例１２が照度分布の均一性がまずまずであった（ばらつきが５％以内）が、両例とも発散角が２５°以上と大きかった。その他の比較例は少なくとも照度分布のばらつきが５％以上か、さらに大きいものであった。

【0070】

表１中の実施例２について光線追跡シミュレーションを行った結果を図１９に示す。図１９から得られる、出射面上のＸ軸方向及びＹ軸方向の照度分布を図２０、図２１に示す。さらに、角度空間における放射輝度の分布を図２２に示す。放射輝度分布の図において、太い実線で表されているものがX方向の発散角分布であり、一点鎖線のように見える方が、Y方向の発散角分布である。X方向、Y方向のいずれも、のちに比較例として示す四角錐台形状のテーパーライトトンネルと比べて、本発明の導光光学部品の形状の方が、照度分布の均一性がはるかに優れていることがわかる。そして、放射輝度の角度分布からは、本発明の導光光学部品を用いた場合には、Ｘ方向発散角（ＦＷＨＭ：半値全幅）が１３．３５°、Ｙ方向発散角（ＦＷＨＭ：半値全幅）が１６．９７°と非常に狭い範囲に抑えられることがわかった。

【0071】

本発明の実施例の結果については、長さが出射面対角の１．５倍しかない実施例１では、出射光の発散角は低い範囲に抑えられていて、Ｙ方向の照度分布も均一であったが、Ｘ方向の照度分布が約3％の範囲で変動していた。この程度の照度分布であれば、均質性の評価は〇とした。入射部長さと入射面の大きさが実施例２より大きい実施例３でも、Ｘ方向照度分布に３％程度の揺らぎが見られ、実施例４ではＸ方向照度分布の中央部に１０％近くの照度の落ち込みが見られた。したがって、全長が出射面対角の2倍のケースでは、Ｘ方向照度分布、Ｙ方向照度分布及び発散角のすべてが良好な結果を示したのは実施例２と実施例３であった。

【0072】

もう一つ良好な結果を示した例として、表1中の実施例７について、光線追跡シミュレーション結果（図２３）、X方向照度分布（図２４）、Y方向照度分布（図２５）、発散角分布（図２６）を示す。X方向、Y方向とも照度分布の均一性に優れている。また、放射輝度の発散角もX方向のＦＷＨＭ（半値全幅）が±９．６９°、Y方向（高さ方向）のＦＷＨＭが１５．３５°と狭角化が達成されていることがわかった。

【0073】

以上の本発明の実施例の結果から、比較例の結果も参照して、全長Ｌが、出射面対角の１．５倍以上５倍以下のとき、照度分布の均一性と、狭角化を達成できることがわかった。さらに、表１の実施例の結果及び表２から、テーパー部における適切なテーパー角は、β_１については少なくとも１．９°～５．８°の範囲、β_２については少なくとも４．１°～１３．８°の範囲にある必要のあることがわかった。同様に、表１の実施例の結果から、入射部の長さＬ_２とテーパー部の長さＬ_１の比Ｌ_２／Ｌ_１としては、少なくとも１／９～１／４２の間にある必要のあることがわかった。
［比較例］

【0074】

比較例として従来のテーパーライトトンネルについて、表１中の比較例４について、光線追跡シミュレーションを実施し（図２７）、X方向照度分布（図２８）及びY方向照度分布（図２９）を得た。Ｙ方向照度分布には問題がないものの、Ｘ方向照度分布は２か所にばらつきが１０％を超える大きな落ち込みが見られ、照度分布は均一と言える状態ではないことがわかった。発散角はほぼ問題のないレベルであった。

【0075】

その他の結果については、表１にまとめて示している。上述したように、Ｘ方向照度分布、Ｙ方向照度分布が実施例２及び実施例７と同様に均一性に優れるものについては◎と評価し、均一性のばらつきが５％以内であったものは〇、均一性のばらつきが５％以上あったものは△、比較例４と同じように均一性に問題のあったものを×と評価している。発散角については、１５°以内のものは狭角化が達成されていると考えられ、２０°を超えるものは狭角化が十分ではないものと評価できる。

【0076】

表１の結果から、従来例のテーパーライトトンネルについて光線追跡シミュレーションを行った比較例１～比較例１８の中で、照度分布の均一性と狭角化を達成できるものは、長さが出射面対角の6倍で、入射面サイズが０．３ｘ０．３ｍｍと０．７ｘ０．４ｍｍの比較例１６及び比較例１７だけであった。長さが出射面対角の5倍で、入射面が１．１ｘ０．６ｍｍの比較例１５では照度分布の均一性は達成できているが、発散角が３０°近くに達し、狭角化が達成できていない。比較例９及び比較例１２についても同じことが言える。つまり、従来例のテーパーライトトンネルでは、全長を出射面対角の6倍にしないと照度分布の均一性と狭角化が両立できないことがわかった。

【実施例2】

【0077】

表１中に示した実施例２の本発明の導光光学部品を、高さ方向に５段、幅方向に５列、隙間を開けずに配置して、5段5列の導光光学部品を一体化した導光光学部品を得た。そして、5段5列のそれぞれの導光光学部品の入射部の入射面にＬＥＤ素子を配置して、面発光照明装置を得た。そして、光線追跡シミュレーション（図３０）を行って、面発光照明の出射面における照度分布（図３１及び図３２）を評価した。X方向照度分布及びY方向照度分布をみると、各導光光学部品が接触していることから、隣接する導光光学部品からのものと考えられる迷光の影響により、小さな不均一性が観察される。このような不均一性は、各導光光学部品を０．１ｍｍ～０．３ｍｍ程度の間隔をあけて配置することにより、避けられるものと考えられる。また、このような光源の後ろに集光レンズを配置することにより、投射型表示装置の表示装置（ライトバルブ）に入射する光の均一性は全く問題のないレベルになるものと考えられる。

【実施例3】

【0078】

次に、テーパー角の影響を見るために、表１中の実施例２及び実施例４を標準モデルとして、テーパー角を広げて出射面を大きくした場合と、テーパー角を狭めて出射面を小さくした場合に、照度分布の均一性や発散角がどうなるかを検討した結果を表４に示した。シミュレーションに用いたパラメーターを表５に示した。実施例２のテーパー角を広げて出射面を大きくした場合（図３３）も、テーパー角を狭めて出射面を小さくした場合（図３４）も、照度分布の均一性が大きく悪化した。実施例４のテーパー角を広げて出射面を大きくした場合も、同様に照度分布は極端に悪化した。一方、実施例４のテーパー角を狭めて出射面を小さくした場合は、照度分布の均一性はいくらか改善されたが、発散角が極めて大きくなり狭角化が達成されなかった。この検討では、表１中に記載した実施例２及び実施例４の結果をさらに向上するテーパー角は存在しなかった。

【0079】

【表4】

【0080】

【表5】

【0081】

次に、入射部の長さを変更した場合、照度分布や発散角にどのような影響があるかを調べるため、表１中の実施例２を標準モデルとして、入射部を短くした場合（実施例１５）と入射部を長くした場合（実施例１６）についてシミュレーションを実施した。シミュレーション結果を表４中に記載し、シミュレーションに用いたパラメーターを表６に示した。入射部長さを短くしても、長くしても出射光の均一性（照度分布）は大きく悪化した。短くした場合は、X方向の照度分布が中央部付近で大きく増大し、長くした場合は、逆にX方向の照度分布が中央部付近で大きく凹んだ。すなわち、この検討では、実施例２を上回る入射部長さは存在しなかった。

【0082】

【表6】

【符号の説明】

【0083】

１０１・・・四角柱状ライトトンネル
１０２・・・四角柱状ライトトンネルの入射面
１０３・・・四角柱状ライトトンネルの出射面
１０４・・・四角柱状ライトトンネルの側面
２０１・・・テーパーライトトンネル
２０２・・・テーパーライトトンネルの入射面
２０３・・・テーパーライトトンネルの出射面
２０４・・・テーパーライトトンネルの側面
３０１・・・本発明の導光光学部品の一例
３０２・・・本発明の導光光学部品の一例の入射面
３０３・・・本発明の導光光学部品の一例の出射面
３０４・・・本発明の導光光学部品の一例のテーパー部の左右側面
３０５・・・本発明の導光光学部品の一例のテーパー部の上下面
３０６・・・本発明の導光光学部品の一例のテーパー部の上面（入射部の底面でもある）
３０７・・・本発明の導光光学部品の一例の入射部の上面
３０８・・・本発明の導光光学部品の一例の入射部の側面
３０９・・・本発明の導光光学部品の一例のレンズ部の一例
３１０・・・本発明の導光光学部品の一例のレンズ部の一例の出射面
７０１・・・ＬＥＤ光源
７０２・・・集光レンズ
７０３・・・１次レンズ
７０４・・・ライトバルブ
７０５・・・反射鏡
７０６・・・拡大投影部

【要約】      （修正有）

【課題】従来よりも多くの光をLED光源から取り込み、均一な照度分布と発散角の小さな光束を、出射面に形成することのできる導光光学部品と、その導光光学部品を用いた照明装置と、その照明装置を用いた投射型映像表示装置を提供する。
【解決手段】水平方向にβ_１、垂直方向にβ_２の傾斜角を有する第一の四角錐台のテーパー部の底面が光の出射面で、上面が入射面であって、該入射面を底面とした第二の四角錐台が入射部として連続して形成され、入射部とテーパー部とからなる導光光学部品である。この導光光学部品の複数を一体化して導光光学部品とすることもできる。導光光学部品の入射部の入射面にLED素子を当接させると照明装置となり、該照明装置は投射型表示装置の照明として利用できる。
【選択図】図１６

【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】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】

【図23】

【図24】

【図25】

【図26】

【図27】

【図28】

【図29】

【図30】

【図31】

【図32】

【図33】

【図34】