JP2003330111A - 発光ユニット、照明装置、及び投影表示装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】コンパクトで光効率の良い投影表示装置用発光
ユニットを提供すること。 【解決手段】発光ユニットを、発光ダイオード（ＬＥ
Ｄ）チップ１２と、該ＬＥＤチップ１２の前方近傍に配
設され、上記ＬＥＤチップ１２の出力光の所定の角度範
囲以外の光を該角度範囲内に変換するプリズムアレイ１
０とから構成する。このプリズムアレイは多角錐又は円
錐状プリズムを配列したもの。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、発光ダイオードな
どの発光体を光源とした高指向性、高輝度の発光ユニッ
ト、また、発光ダイオードなどの発光体を光源とし、明
るく、照明ムラの少ない照明装置、あるいは投影表示装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】発光ダイオード（ＬＥＤ）は、長寿命、
高色再現、高信頼性、高速応答性など様々な特徴を有
し、さらに近年の目覚しい高輝度化に伴い、蛍光灯や白
色ランプの代替として多種多様なアプリケーションにそ
の利用機会を広げている。

【０００３】この発光ダイオードは、本来、指向性のな
い拡散光源であるため、アプリケーションによっては、
放射された光の指向性を制御して明るさを向上させるこ
とが必要であり、そのため種々の提案がなされている。
例えば、特開平９−１６７５１５号公報には、図９の
（Ａ）に示すように、ＬＥＤチップ１００の前方に、レ
ンズ１０２とその背後に配置された光学要素（金属放物
面を持つ曲面反射ミラー）１０４とを配することによっ
て、光の方向が観察角として狭くなるようにする周辺光
学技術が開示されている。

【０００４】また、近年、パソコン環境およびＤＶＤや
デジタル地上波ＴＶ放送など、ＡＶメディアの普及、多
様化に伴い、高画質・大画面が指向されている。とりわ
け、光強度変調素子を用い、拡大投影するプロジェクタ
装置は、小型ながら、使用環境によって画面サイズを変
えることができる使い勝手の良さから、活況を呈してい
る。

【０００５】このようなプロジェクタ装置としては、図
９の（Ｂ）に示すように、白色ランプ１０６を光源に用
いた例が多数開示されている。ここで、キセノンラン
プ、ハロゲンランプ、メタルハライドランプ、超高圧水
銀ランプなど高輝度の白色ランプ１０６の出力光を、紫
外線，赤外線（ＩＲ−ＵＶ）カットフィルタ１０８を介
して、液晶パネル（ＬＣＤ）や２次元マイクロ偏光ミラ
ーアレイ（ＤＭＤ）などの光強度変調素子の素子サイズ
に合わせて光束径を絞りながら、その光強度変調素子を
照明するようになっているのが普通である。

【０００６】図９の（Ｂ）に示したプロジェクタ装置で
は、この照明光学系の光路中に配されたダイクロイック
ミラー１１０によって、赤色域の波長の光（Ｒ）と緑色
域の波長の光（Ｇ）と青色域の波長の光（Ｂ）がそれぞ
れ分岐され、各色に応じた映像を表示する各色ごとの３
枚のＬＣＤ１１２に導光される。各色の光は対応するＬ
ＣＤ１１２を経る事によって変調され、ダイクロイック
フィルタ１１４によって再び合成され、投影レンズ１１
６によって図示しないスクリーンに拡大投影される。

【０００７】現在、プロジェクタ装置の光源として最も
一般的である白色放電型ランプは、光利用効率が悪いこ
とに加えて、放電させるために高電圧が必要なため電源
回路系の回路規模が大きく、また高温になり易いといっ
た問題がある。さらに、アーク部分の明るさ分布に起因
する照明ムラ低減のために、図９の（Ｃ）に示すような
ロッドインテグレータ１１８や、図９の（Ｄ）に示すよ
うなフライアイインテグレータ１２０を使用すること
で、照明光学系にムラ取り機能を持たせることも行なわ
れている。しかしながら、このようなムラ取り機能を持
たせると、照明光学系の光学長、サイズが大きくなって
しまい、プロジェクタ装置全体の小型化を図りにくくし
ており、効率も劣化する要因となっている。また、白色
放電型ランプは、応答性の低さから連続点灯で使用さ
れ、寿命も長いとはいえない。

【０００８】以上のことから、白色放電型ランプに替わ
りＬＥＤなどの発光体を用いたプロジェクタ装置の開示
例が近年見られるようになった。

【０００９】光源にＬＥＤを用いたプロジェクタ装置に
おける照明光学系が特開平１１−３２２７８号公報に開
示されている。この模式図を図１０の（Ａ）に示す。即
ち、該公報に開示の照明光学系は、ＬＥＤチップ１２２
に砲弾状のキャップレンズが付いたＬＥＤのアレイから
の射出光を、各々のＬＥＤに対応した集光光学系１２４
であるマイクロレンズによって略平行光に変換し、凸レ
ンズと凹レンズの組み合わせて構成されたアフォーカル
光学系１２６によって、光強度変調素子１１２Ａのサイ
ズに応じた光束径に変換する照明光学系である。

【００１０】また同じく、複数の発光体を光源に用いた
照明装置の例が特許第３０４８３５３号公報に開示され
ている。この照明装置は、図１０の（Ｂ）に示すよう
に、複数のＬＥＤチップ１２２などの発光装置からの出
力光を、各々の発光装置に対応した集光光学系１２４で
ある光分配レンズアレイによって取り出し、光収斂レン
ズと称された重ね合わせレンズ１２８にてＬＣＤなどの
光強度変調素子１１２Ａ上に複数のＬＥＤチップ１２２
からの光を重畳させている照明光学系である。このと
き、光分配レンズは発光装置の配光ムラを補正する機能
を有しており、この機能により照明ムラの少ない均一照
明が可能となる旨が示されている。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、完全拡
散である配光特性や広いほぼ平坦な配光特性を示す全方
位放射特性など、角度において広く緩やかな配光特性を
有するＬＥＤチップなどの発光体が発光する光を効率良
く所定の方向に集光する発光ユニットの課題として、上
記発光体の光を効率良く集光するための集光光学系のサ
イズが、大きくなってしまうという課題がある。

【００１２】あるいは、上記集光光学系のサイズを小さ
くすると、集光効率が悪く、明るく照射できないという
課題がある。

【００１３】上述の特開平９−１６７５１５号公報に掲
載されている照明装置は、ＬＥＤチップ１００が面積を
有しているのに加え、配光角が広いため、効率を確保し
ながら指向性を制御しようとすると、集光レンズ１０２
や光学素子（曲面反射ミラー）１０４などの周辺光学系
の径はある程度大きくならざるを得ない。

【００１４】次に、上述の特許第３０４８３５３号公報
や特開平１１−３２２７８号公報で発光ダイオードを光
源として利用可能な照明装置の開示技術があるが、その
照明装置を小型化しようとする際、発光ダイオードの発
光面であるチップサイズは、点光源としてみなせない程
度の一定のサイズを有した発光面であり、該発光面全面
からの光を利用して集光する上で効率が悪く、明るく被
照明領域を照射することができないという課題がある。

【００１５】上記特許第３０４８３５３号公報や特開平
１１−３２２７８号公報には、そのような課題に対する
対策などの記載はない。特に投影型の画像表示装置に使
用する照明装置では、光強度変調素子によって画像を表
示する場合、その光強度変調素子の入射する光の利用率
が入射角度が大きくなるにしたがって悪くなったり、表
示映像のコントラストが悪くなったりする性質があるた
め、光強度変調素子の入射光の角度制限をする必要が生
じ、さらに、明るく被照明領域を照射することができな
いという課題がある。

【００１６】詳しく説明すると、ＬＥＤは上記広く緩や
かな配光特性ゆえに、ＬＥＤチップ１００からの出力光
をレンズ１０２や光学素子（曲面反射ミラー）１０４な
どの集光光学系で光を取り出すにしても、集光可能な光
は、集光光学系の取込みＮＡ（開口数）に基づく角度範
囲の、ＬＥＤの出力光の一部の光のみである。さらに、
レンズ１０２や曲面反射ミラー（１０４）の射出光の広
がり角、即ち射出側のＮＡをある程度に絞った光にする
には、ＬＥＤチップ１００がレンズ１０２や曲面反射ミ
ラー（１０４）に比して、十分小さいものでなければな
らない。例えば、平行光に近い形で取り出すには、取り
出しレンズ１０２や曲面反射ミラー（１０４）の焦点距
離に比して、実質的に点とみなせる大きさでなければな
らない。言い換えれば、レンズ１０２や曲面反射ミラー
（１０４）により、ＬＥＤの出力光を効率良く広がり角
を絞って取り出すには、ＬＥＤチップ１００に対して、
取り出しレンズ１０２や曲面反射ミラー（１０４）の焦
点距離は大きく、且つ径も大きいものとなる。従って、
例えば複数のＬＥＤを配列した所定の照明ＮＡのＬＥＤ
アレイ光源を製作しようとしても所定の面積に配列でき
る個数は限られてしまう。

【００１７】また、上記発光体の光を集光して被照明部
位に効率良く照射する上記照明装置や投影表示装置の開
示技術として上述の特開平１１−３２２７８号公報があ
るが、この公報に開示の技術では、複数の上記発光体の
各々の明るさの差に応じて被照明部位における照明ムラ
が発生するという課題がある。

【００１８】即ち、特開平１１−３２２７８号公報に掲
載されているＬＥＤ１２２を用いた照明光学系は、アフ
ォーカル光学系１２６によって光束径が光強度変調素子
１１２Ａのサイズに合わせて縮小された結果、照明部に
おいて、複数のＬＥＤチップ１２２の各々が部分領域を
照明していることになる。ＬＥＤチップ１２２は通常、
光度や光量で示される明るさにおいて、個体差が少なか
らずあり、製作上この個体差は避けがたい光源である。
従って、個々のＬＥＤチップ１２２が部分領域を照明す
る方法では、明るさの個体差がそのまま照明ムラとなり
得る。

【００１９】さらに、上述の特許第３０４８３５３号公
報では、使用されるＬＥＤが上記広く緩やかな配光特性
でなく、正面方向に強い光が照射される特殊なＬＥＤに
関する技術の開示であり、上記広く緩やかな配光特性の
発光体の場合に、集光効率が悪いという課題がある。ま
た、後述する瞳を形成した集光光学系ではない。

【００２０】この特許第３０４８３５３号公報の複数の
発光体を使用した照明光学系では、図１０の（Ｂ）に示
されている光束はＬＥＤチップ１２２の１点から射出さ
れた光を示したものとして説明しているが、実際ＬＥＤ
チップ１２２は点光源として見なせない一定の大きさを
有するため、上記の点以外の領域から発せられた光は、
上記照明光学系を射出する際、斜め光となる。この光学
系では、光学的な瞳は形成されず、結果として、光束は
縮小光学器と称された凹レンズを経た後広がっていくた
め、光束径が一番小さい位置は凹レンズの開口で制限さ
れた凹レンズ直後である。従って、被照明物であるＬＣ
Ｄなどの光強度変調素子１１２Ａはここに配するのが最
も効率が良いが、凹レンズ直後ではメカ的な制約など配
置位置の自由度が制限されてしまう。また、凹レンズ直
後ではなく、もっと後ろ側に光強度変調素子１１２Ａを
配し、光強度変調素子１１２Ａのサイズに応じた光束径
になるように光学系を構成したとしても、ＬＥＤのチッ
プ面内のムラが被照明部である光強度変調素子上で照明
ムラとなってしまう。

【００２１】また、ＬＥＤなどの発光装置に起因する配
光ムラを補正するような光分配レンズと称された集光光
学系１２４が開示されており、この集光光学系１２４の
形状は、光軸付近の中央部は凹レンズ状、周縁部は凸レ
ンズ状のプロファイルを有し、光軸付近の垂直に近い高
強度の光を照射領域の周辺に渡って分配し、角度のつい
た低強度の光を収束して広がらないようにすることによ
って、照明領域での均一性を確保を図っている。しかし
ながら、該特許第３０４８３５３号公報中に発光装置の
明確な記載はないが、仮に発光ダイオード（ＬＥＤ）と
すれば、ＬＥＤはその他の光源に比して配光ムラがそれ
ほど大きくはなく、むしろ完全拡散に近い配光特性を示
すため、ただでさえ光束を集光するのが困難であり、効
率良く集光しようとすれば、強い正パワーの凸レンズが
妥当であり、凹レンズ状の負パワーでは光束は広がりす
ぎて、効率良い照明は実現できない。

【００２２】さらに、図１０の（Ｂ）に示されているよ
うに、各々の発光体の中央から射出された光は、被照明
部である光強度変調素子１１２Ａの配置位置に瞳を形成
し、光強度変調素子１１２Ａの大きさに合わせることが
できる。しかしながら、発光体は面発光源であり、中央
以外の部分から射出された光が形成する瞳は、光強度変
調素子１１２Ａが配されている位置において、上記中央
から射出された光が形成する瞳位置とはずれた位置に形
成される。結果として、光強度変調素子１１２Ａよりも
大きな照射領域となってしまい、光効率が悪くなる。あ
るいは、効率を確保するために、面発光源である発光体
の全域から射出された光が光強度変調素子位置において
形成する光束径が光強度変調素子１１２Ａの大きさにな
るようにしても、発光体の面内輝度分布が照明ムラとな
ってしまい、均一な照明が実現できない。

【００２３】本発明は、上記の点に鑑みてなされたもの
で、コンパクトで光効率の良い発光ユニット、長寿命で
高色再現性で高効率の均一照明が可能な照明光学系、及
び、それらを用いることによって、コンパクトで効率の
良い均一画面を実現することができる発光ユニット、照
明装置、及び投影表示装置を提供することを目的とす
る。

【００２４】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、請求項１に記載の発明による発光ユニットは、半
導体または電子線励起の発光体と、上記発光体の前方近
傍に配設され、上記発光体の出力光の所定の角度範囲以
外の光を該角度範囲内に変換するプリズムアレイと、を
具備することを特徴とする。

【００２５】即ち、請求項１に記載の発明の発光ユニッ
トによれば、該発光ユニットからの出力光の指向性が向
上するため、光利用効率が改善し、消費電力の低下につ
ながる。即ち、高指向性で高輝度な発光ユニットを提供
する。

【００２６】また、請求項２に記載の発明による発光ユ
ニットは、請求項１に記載の発明による発光ユニットに
おいて、上記プリズムアレイは、多角錐または円錐状プ
リズムを配列した構成であることを特徴とする。

【００２７】即ち、請求項２に記載の発明の発光ユニッ
トによれば、プリズムアレイ１枚で多方向の指向性が高
まり、光効率が向上する。

【００２８】また、請求項３に記載の発明による発光ユ
ニットは、請求項１に記載の発明による発光ユニットに
おいて、上記プリズムアレイは、２つ以上の１次元プリ
ズムアレイから構成されていることを特徴とする。

【００２９】即ち、請求項３に記載の発明の発光ユニッ
トによれば、多方向の指向性が高まり、プリズムアレイ
の製作性が良くなり、低コストでの光効率の改善が可能
となる。

【００３０】また、請求項４に記載の発明による発光ユ
ニットは、請求項１に記載の発明による発光ユニットに
おいて、上記プリズムアレイは、プリズムが形成されて
いる面が上記半導体または電子線励起の発光体の発光面
に対向して配設されていることを特徴とする。

【００３１】即ち、請求項４に記載の発明の発光ユニッ
トによれば、指向性の向上効果が高くなり、光効率のさ
らなる改善が可能となる。

【００３２】また、請求項５に記載の発明による発光ユ
ニットは、請求項１に記載の発明による発光ユニットに
おいて、上記プリズムアレイは、個々のプリズムサイズ
が異なること、または、プリズム頂角が異なることを特
徴とする。

【００３３】即ち、請求項５に記載の発明の発光ユニッ
トによれば、発光体の面内に輝度のムラや配光特性の場
所ムラが有る場合に、それに合わせた、個々のプリズム
サイズまたはプリズム頂角とすることで、それらのムラ
による影響を除去することができる。

【００３４】また、請求項６に記載の発明による発光ユ
ニットは、請求項１に記載の発明による発光ユニットに
おいて、上記プリズムアレイからの出射光を集光する配
光変換手段を更に具備することを特徴とする。

【００３５】即ち、請求項６に記載の発明の発光ユニッ
トによれば、配光変換手段を含むことにより、プリズム
アレイで高められた指向性をさらに効率良く高めること
ができる。

【００３６】また、請求項７に記載の発明による発光ユ
ニットは、請求項６に記載の発明による発光ユニットに
おいて、上記配光変換手段が、上記角度範囲の光のみを
集光することを特徴とする。

【００３７】即ち、請求項７に記載の発明の発光ユニッ
トによれば、配光手段の集光角度範囲がプリズムアレイ
によって変換された所定の角度範囲であることによっ
て、所望のＮＡで無駄なく光を出力することができ、光
効率の向上が達成できる。

【００３８】また、請求項８に記載の発明による照明装
置は、半導体または電子線励起の発光体と、上記発光体
からの光を照射する第１の照射領域を経た光を所定の第
２の照射領域に導く導光手段と、を具備し、上記導光手
段は、上記第１の照射領域と上記第２の照射領域とが共
役となる光学構成であることを特徴とする。

【００３９】即ち、請求項８に記載の発明の照明装置に
よれば、２つの照射領域を共役関係にすることによって
第１の照射領域で取り込んだ光を理想的には全て、第２
の照射領域に導くことができ、光効率の良い照明が可能
となる。

【００４０】また、請求項９に記載の発明による照明装
置は、請求項８に記載の発明による照明装置において、
上記第２の照射領域に集光する光を制限する上記第１の
照射領域近傍に配置する発光体、或いは集光光学素子
が、四角形であることを特徴とする。

【００４１】即ち、請求項９に記載の発明の照明装置に
よれば、被照明物が四角形のときに、発光体と被照明物
とを共役関係にする場合、発光体が四角形であることに
より、無駄がなく照明光を供給することができ、効率の
良い照明が可能となる。また、集光光学素子と被照明物
とを共役関係にする場合、集光光学素子形状が四角形で
あることにより、同様に無駄がなく照明光を供給するこ
とができ、効率の良い照明が実現できる。

【００４２】また、請求項１０に記載の発明による照明
装置は、請求項８に記載の発明による照明装置におい
て、上記半導体または電子線励起の発光体が複数からな
ることを特徴とする。

【００４３】即ち、請求項１０に記載の発明の照明装置
によれば、発光体が複数であることにより、明るさを確
保することができ、また、発光体の明るさにおける個体
差を平均化して均一な照明が可能となる。

【００４４】また、請求項１１に記載の発明による照明
装置は、請求項８に記載の発明による照明装置におい
て、上記第１の照射領域に上記半導体または電子線励起
の発光体の発光面を配置し、上記第２の照明領域に略結
像させたことを特徴とする。

【００４５】即ち、請求項１１に記載の発明の照明装置
によれば、発光体の発光面と第２の照明領域が略共役関
係となり、照明領域に発光面の像を配することで集光手
段で取り込んだ光を無駄なく第２の照明領域に導くこと
ができ、効率の良い照明が可能となる。また、発光体の
配光特性が均一でない場合でも照明ムラになりにくく、
均一な照明が実現できる。

【００４６】また、請求項１２に記載の発明による照明
装置は、請求項１１に記載の発明による照明装置におい
て、上記第１の照射領域の大きさは、上記半導体または
電子線励起の発光体の発光面の大きさと略等しいことを
特徴とする。

【００４７】即ち、請求項１２に記載の発明の照明装置
によれば、第１の照射領域サイズが発光面のサイズに略
等しいことにより、第２の照射領域の大きさが発光面に
照明光学系の倍率を乗じたサイズにほぼ等しくなり、発
光体の発光面から射出した光を無駄なく第２の照明領域
に導くことができ、照明領域の面積において無駄のない
照明が達成できる。

【００４８】また、請求項１３に記載の発明による照明
装置は、請求項１１に記載の発明による照明装置におい
て、上記半導体または電子線励起の発光体の発光面が、
上記第１の照射領域と垂直な方向にずれて配設されてい
ることを特徴とする。

【００４９】即ち、請求項１３に記載の発明の照明装置
によれば、第２の照射領域と発光体発光面の像はずれた
位置関係になり、発光面に明るさの面内ムラが存在した
場合でも第２の照射領域において、発光面の像がボケる
ことによってムラが低減される。

【００５０】また、請求項１４に記載の発明による照明
装置は、請求項１１に記載の発明による照明装置におい
て、上記導光手段は、アナモルフィック光学系を含むこ
とを特徴とする。

【００５１】即ち、請求項１４に記載の発明の照明装置
によれば、導光手段がアナモルフィック光学系で構成さ
れていることにより、例えば発光体発光面と、第２の照
射領域即ち被照明物の形状の縦方向と横方向のアスペク
トとが異なる場合でも、第２の照射領域において発光面
の像形状と、被照明物の形状とを合わせることが可能と
なり、無駄のない効率良い照明が実現できる。

【００５２】また、請求項１５に記載の発明による照明
装置は、請求項１１に記載の発明による照明装置におい
て、上記半導体または電子線励起の発光体の発光面の法
線と上記集光手段との光学軸とが角度をなして配設され
ていることを特徴とする。

【００５３】即ち、請求項１５に記載の発明の照明装置
によれば、集光手段に対して発光体を傾けて配置し、集
光手段からみた発光体の見かけの面積を小さくすること
ができ、所定の角度以外の斜め光になるのを防ぎ、効率
の良い照明が可能となる。

【００５４】また、請求項１６に記載の発明による照明
装置は、請求項８に記載の発明による照明装置におい
て、上記導光手段は、上記半導体または電子線励起の発
光体の出力光を集光する、上記第１の照射領域近傍に配
される集光光学素子と、該集光光学素子に対応して配さ
れる偏向光学素子とからなる集光手段と、該集光手段か
ら射出された光を、上記第２の照射領域に導く重畳手段
と、を有し、上記第１の照射領域近傍に上記集光光学素
子を配設し、さらに上記第１の照射領域及び第２の照射
領域に光学的な瞳を形成していることを特徴とする。

【００５５】即ち、請求項１６に記載の発明の照明装置
によれば、瞳を共役関係にすることによって瞳がリレー
され、被照射領域に瞳を形成することができ、無駄のな
い効率の良い照明が可能となる。また、複数の発光体を
設けた場合においては、被照明領域において各発光体か
らの光を重ね合わせることができ、発光体の明るさにお
ける個体差を平均化し均一照明が可能となる。さらに、
発光体発光面に明るさの面内ムラがある場合でも、被照
射領域で照明ムラになりにくく、均一な照明が達成でき
る。

【００５６】また、請求項１７に記載の発明による照明
装置は、請求項８に記載の発明による照明装置におい
て、上記半導体または電子線励起の発光体が、請求項１
乃至４の何れかに記載の発明による上記発光ユニットで
あることを特徴とする。

【００５７】即ち、請求項１７に記載の発明の照明装置
によれば、照明装置がプリズムアレイを有する上記発光
体であることにより、高効率の照明が可能となる。

【００５８】また、請求項１８に記載の発明による投影
表示装置は、請求項１７に記載の発明による照明装置か
ら出射される光を光変調素子で光変調し、投影光学系に
より投影する投影表示装置において、上記照明装置から
の出射光に対して上記第２の照射領域に、上記光変調素
子を配置することを特徴とする。

【００５９】即ち、請求項１８に記載の発明の投影表示
装置によれば、該投影表示装置が上記照明装置を有し、
第２の照明領域に光変調素子を配置することによって、
効率の良い均一に照明された画像投影が可能となる。

【００６０】また、請求項１９に記載の発明による投影
表示装置は、請求項１８に記載の発明による投影表示装
置において、上記半導体または電子線励起の発光体の発
光面と上記光変調素子の形状とが相似であることを特徴
とする。

【００６１】即ち、請求項１９に記載の発明の投影表示
装置によれば、半導体または電子線励起の発光体発光面
の像と光変調素子の形状を合わせることができ、無駄の
ない効率の良い投影表示装置を提供することができる。

【００６２】

【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。

【００６３】［第１の実施の形態］図１の（Ａ）は、本
発明の第１の実施の形態に係る発光ユニットに用いられ
るプリズムアレイ１０の側面断面図である。このプリズ
ムアレイ１０は、頂角θを有する透明部材で形成されて
おり、光線の広がり角度を変換する作用を持っている。
即ち、該プリズムアレイ１０を通った出力光の広がり角
は、入力光の広がり角と上記頂角θとに依存する。

【００６４】このようなプリズムアレイ１０を、図１の
（Ｂ）に示すように、発光素子である発光ダイオード
（以下、ＬＥＤと略記する。）チップ１２の発光面近傍
に配することにより、図１の（Ｃ）に示すように、プリ
ズム面において屈折あるいは全反射現象により、広い広
がり角の光である入力光を、ある角度範囲内に多く分布
を持つような出力光に変換することができる。

【００６５】図１の（Ｄ）は、図１の（Ｃ）においてＬ
ＥＤチップ１２から紙面右側に法線をとり、その角度を
０°として角度の変換をグラフに示した配光特性図であ
る。このグラフから、プリズムアレイ１０をＬＥＤ発光
面近傍に配設することによりＬＥＤチップの垂直方向の
指向性が向上していることがわかる。

【００６６】即ち、プリズムアレイ１０が無い場合は、
ほぼ１８０°の広範な角度において、エネルギーを有す
るが、プリズムアレイ１０を図１の（Ｃ）のように配す
ることによって、半値角で約４０°の範囲のエネルギー
を高めている。９０°付近にサイドローブが存在するの
は、プリズム面で全反射した光やもともと広い角度の光
でプリズムアレイ１０による光路変換の影響が少なかっ
たものなどによるものである。

【００６７】しかしながら、±４０°の範囲の光量はプ
リズムアレイ１０を配したほうが多くなるため、例えば
図１の（Ｂ）のＬＥＤチップ１２とプリズムアレイ１０
のセットの図示しない上部に配光変換手段である集光レ
ンズを配して指向性を高める場合、ＮＡが半角４０°相
当の０．６５のレンズを用いることによって、グラフに
おける角度で積分した値に応じて、取り出し（集光）効
率が向上する。

【００６８】この場合、プリズムの数は多ければ多いほ
ど良く、ＬＥＤチップ１２の発光面の大きさに対して、
プリズムが相対的に小さくなるように、ピッチを小さく
して数を多くする。発光面に比してプリズムが大きい
と、ＬＥＤチップ１２とプリズムアレイ１０の後段に配
光変換手段である集光レンズを配する場合、プリズムに
よる屈折により、発光面の面積が実効的に大きくなるの
と等価な作用を受け、集光レンズを介して斜光が発生
し、指向性の向上が阻害されるからである。逆にピッチ
を小さくし過ぎると規則的な構造であるために回折作用
が強くなるため、小さ過ぎないほうが良い。例えば、１
ｍｍ×１ｍｍのＬＥＤチップ１２に対して、１００μｍ
ピッチの１０個のプリズムを有するプリズムアレイ１０
にする。

【００６９】上記したＬＥＤチップ１２の発光面近傍に
プリズムアレイ１０を配設するのは、ＬＥＤから射出し
た光がプリズムアレイ１０に到達するまでの距離を短く
することにより、上記広く緩やかな配光特性の光が広が
らない前にプリズムアレイ１０に入射し配光変換するこ
とができ、光軸方向の光学長を短くすることができ、且
つプリズムアレイの面サイズも小さくすることができ
る。

【００７０】上記プリズムアレイ１０のプリズム頂角の
大きさは、前述の光線の広がり角度、即ち発光体である
ＬＥＤチップ１２とプリズムアレイ１０とからなる発光
体ユニットの配光特性を左右する。当然、ＬＥＤチップ
自体の配光特性にも依存するため、ＬＥＤチップ１２の
配光特性に合わせて、所望の配光特性を得るために最適
なプリズム頂角にすることが重要である。ＬＥＤチップ
１２の配光特性が角度依存性が少ないものであれば、プ
リズム頂角が６０°〜１２０°のものが効率的に指向性
を高めることができる。

【００７１】なお、上記プリズムアレイ１０の材質は、
ＬＥＤチップ１２の近傍に配設するため、ＬＥＤチップ
周辺の温度に対して耐性が有れば、アクリルやポリカー
ボネイトの透明光学樹脂が製作性が良いが、チップの発
熱量が大きい場合は、ガラス製が好適である。またこの
とき、配設することによってチップ周辺の温度上昇が激
しくなるようだと、ＬＥＤの発光効率が悪くなり、明る
さが損なわれるので、配設方法、構造や排気などの周囲
環境に配慮することは重要である。また、空気中に配さ
れるのではなく、透明媒質中にプリズムアレイ１０が配
設される場合は、媒質の屈折率に合わせて、材質の選定
及び頂角の決定を行えば良い。

【００７２】また、発光体は、上述のようにＬＥＤのみ
ならず、拡散光源であれば上述のような指向性向上効果
が期待でき、電子線励起の発光体、例えば、効率の良い
カーボンナノチューブを電子線源として電圧印加して電
子線励起の蛍光体に放射させるような光源などにおい
て、発光面である蛍光体の近傍にプリズムアレイ１０を
設置することにより、指向性を向上することができる。

【００７３】ただし、本発明は効率の良い発光ユニッ
ト、照明装置を提供することを目的としており、その意
味では、ＬＥＤは発光波長帯域が限定されており、色合
成効率が高くなり、色再現性も良くなるため、白色ラン
プを使用するより望ましい。

【００７４】図１の（Ｅ）は、上記プリズムアレイ１０
のフラットな面をＬＥＤチップ１２と対向させず、プリ
ズムの鋭角部をＬＥＤチップ１２に対向させた配設例で
ある。このような配設にすることにより、ＬＥＤチップ
１２とプリズムアレイ１０のセットの出力光の配光特性
を別なものにすることができ、プリズムアレイ１０の射
出ＮＡを絞ることができる。

【００７５】図１の（Ｆ）は、各プリズムを紙面におい
て左右非対称な形状にしたプリズムアレイ１０（プリズ
ムアレイ１０Ａ）を示している。このような構成にする
と、出力光の配光特性が垂直対象でない配光特性になる
ため、斜め方向にピークを持たせたい場合や、後述する
ようにＬＥＤチップ１２を後段の光学系に対し、斜めに
配置した場合において有効である。

【００７６】図１の（Ｇ）は、各プリズムのピッチや頂
角を部分的に変化させたプリズムアレイ１０（プリズム
アレイ１０Ｂ）を示している。これは、光源であるＬＥ
Ｄがチップ面内に輝度のムラや配光特性の場所ムラが有
る場合に、それに合わせて、頂角を最適化しているもの
である。頂角が鋭角になるほど射出光のＮＡは小さくな
るが、全反射による戻り光が多くなるため、効率が悪く
なる。ここでは、中央の輝度が高い面内分布を有するＬ
ＥＤチップ１２を想定し、面中央において効率よりも射
出ＮＡを重視して鋭角なプリズムを配し、周辺において
効率を重視して面中央よりも鈍角なプリズムを配すよう
な、プリズムアレイの構成にしている。

【００７７】以上の説明は、すべて断面図を用いた断面
における一方向での説明であるが、実際にはＬＥＤチッ
プ１２からの光は全方位に渡るため、図２の（Ａ）に示
すように、このような１次元のプリズムアレイ１０を、
プリズムの溝が直交した状態、もしくは角度をなした状
態で、２枚配設するか、図２の（Ｂ）に示すように、ピ
ラミッド状の２方位の断面においてプリズムになってい
る構造のプリズムアレイ１０（２次元プリズムアレイ１
０Ｃ）を１枚配設する必要がある。図２の（Ａ）のよう
な１次元プリズムアレイ１０の組み合わせは、各プリズ
ムアレイ１０の製作性が良い一方、２枚目のプリズムア
レイがＬＥＤチップ１２から離れてしまうため、後段に
レンズなどを配して集光する場合、集光効率が悪くなる
が、図２の（Ｂ）に示すような２次元プリズムアレイ１
０Ｃであれば、ＬＥＤチップ１２の直近に配することに
よって、効率良く配光特性を変換することが可能とな
る。

【００７８】図２の（Ｃ）は、先に少し触れた、集光レ
ンズ１４に対して、ＬＥＤチップ１２を傾けた配設例を
示している。前述のように、集光レンズ１４や反射ミラ
ー（リフレクタ）などの光学系によって指向性を制御す
る場合、集光レンズ１４やリフレクタの焦点距離付近に
ＬＥＤチップ１２を配設することによって、指向性を高
めることができ、この指向性は、チップ以後の光学系の
焦点距離や径に対してチップサイズが十分小さければ小
さいほど高くなる。ＬＥＤ出力光は比較的角度依存性が
少ない配光特性であるため、集光レンズ１４に対してＬ
ＥＤチップ１２を斜めに傾けたとしても、集光レンズ１
４や反射リフレクタで取り込まれる光量はそれほど変わ
らない。しかしながら、斜めに傾けることによって、集
光レンズ１４や反射リフレクタから見た見かけのサイズ
が射影サイズとなり小さくなるため、その分、指向性を
高めることが可能となる。

【００７９】これは、配光特性が角度依存性が少ない光
源において有効であるが、集光して取り出した後、照明
光として用いる場合、照明方法によっては後段の光学系
において、ＬＥＤチップ１２を傾けたことによる偏心収
差をとる工夫をしたほうが好適である。

【００８０】［第２の実施の形態］次に、本発明の第２
の実施の形態として、ＬＥＤを使用した照明光学系につ
いて説明する。

【００８１】ここで、比較のため、まず、従来技術から
説明する。図３の（Ａ）は、特開平１１−３２２７８号
公報に開示されているＬＥＤを用いたアフォーカル照明
光学系を簡略に示したものであり、図３の（Ｂ）は、特
許第３０４８３５３号公報に開示されている照明装置の
ベースとなる系を示したものである。なお、実際には、
上記特開平１１−３２２７８号公報では、集光レンズ１
２４ＡがＬＥＤチップ１２２直後にパッケージされたレ
ンズ及びその後のマイクロレンズの２枚構成であり、上
記特許第３０４８３５３号公報では、集光レンズ１２４
Ａが、中央部が凹形状の負パワー、周辺部が凸形状の正
パワーという特殊なレンズであり、また図３の（Ｂ）に
ある光強度変調素子（液晶パネル（以下、ＬＣＤと略記
する。））１１２Ａ直前のテレセントリック性を高める
ためのフィールドレンズは上記公報の開示にないといっ
た点で違いがあるが、以降の本実施の形態との比較のた
め、照明光学系の構成として示している。

【００８２】このような図３の（Ａ）に示したＬＥＤ照
明光学系では、複数のＬＥＤチップ１２２を用いた場
合、個々のＬＥＤの明るさの違いが照明ムラとなった
り、図３の（Ｂ）に示したＬＥＤ照明光学系では、個々
のＬＥＤチップ１２２からの光を光強度変調素子（ＬＣ
Ｄ）１１２Ａ上で重畳させているため、個々のＬＥＤの
明るさの違いによる照明ムラは低減されているが、光効
率が劣化する問題があることは先に述べた。

【００８３】図４の（Ａ）は、これらの問題を改善する
ために、ＬＥＤチップ１２直後にプリズムアレイ１０を
配設した照明光学系の例である。複数のＬＥＤ出力光を
光強度変調素子としてのＬＣＤ１６上に重畳させている
ため照明ムラがなく、またプリズムアレイ１０によって
集光レンズ１４の集光効率を高めることによって照明光
学系の光効率を向上させている。プリズムアレイ１０
は、図１の（Ｂ），図１の（Ｅ）乃至（Ｇ）に示した物
のうち、集光レンズ１４や重ね合わせレンズ１８に応じ
て最適なものを適宜用いる。また、そのような１次元ア
レイを２枚用いても良いし、２次元プリズムアレイ１０
Ｃのようなピラミッド状、または多角錘、円錐状のプリ
ズムをアレイにしたもの１枚でも良い。１次元アレイを
２枚用いる場合は、チップ温度を鑑みながら、なるべく
ＬＥＤチップ１２に近い位置に２枚を配するほうが後段
のレンズの集光効率の確保には良い。

【００８４】図４の（Ｂ）は、図２の（Ｃ）に示したよ
うなＬＥＤチップ１２を後段の集光レンズ１４に対して
斜めに傾けて配設して、集光レンズ射出光の指向性を改
善し光効率の向上を図ったＬＥＤ照明光学系の例であ
る。図４の（Ａ）同様、重ね合わせレンズ１８が形成す
る射出瞳位置にＬＣＤ１６を配設しているが、後述する
ように、重ね合わせレンズ１８の構成を、ＬＥＤチップ
１２の像をＬＣＤ１６上に結像させるような構成にした
場合は、ＬＥＤチップ１２が例えば１ｍｍ角の正方形
で、ＬＣＤ１６が４：３の長方形のアスペクトであって
も、ＬＥＤチップ１２を約４０°傾けることによって、
見かけのＬＥＤチップ１２のアスペクトを略４：３とす
ることができ、光効率が良くなる。

【００８５】図５の（Ａ）は、ＬＥＤチップ１２を斜め
に傾けて、さらにプリズムアレイ１０を用いたＬＥＤ照
明光学系の構成例を示している。プリズムアレイ１０
は、ＬＥＤチップ１２を斜めに傾ける方向に合わせて、
指向性の対称性を上げて、集光レンズの集光効率が向上
するように、図１の（Ｆ）に示したような、プリズムに
方向性を持つタイプ（プリズムアレイ１０Ａ）を配する
のが好適である。

【００８６】図５の（Ｂ）は、図５の（Ａ）の応用例と
して、集光レンズ１４の代わりに、曲面反射ミラーで構
成されたリフレクタ１４Ａを集光光学系として用いた照
明光学系を示したものである。リフレクタ１４Ａを用い
る場合は、ＬＥＤチップ自身が光を遮蔽してしまい、効
率の低下やＬＥＤチップ１２そのもののダメージを招く
ため、配置位置やリフレクタ１４Ａの構成に工夫が必要
である。ＬＥＤチップ１２をリフレクタ１４Ａに対して
傾けて、偏心させることによって遮蔽しにくくすると共
に、後段の重ね合わせレンズ１８において、偏心収差を
抑えるため、リフレクタ１４Ａも偏心させている。プリ
ズムアレイ１０は、図１の（Ｆ）に示したような非対称
なタイプ（プリズムアレイ１０Ａ）を用い、リフレクタ
１４Ａの集光効率向上を図っている。

【００８７】［第３の実施の形態］次に、本発明の第３
の実施の形態として、ＬＥＤを用いた照明法及び構成に
ついて説明する。

【００８８】図６の（Ａ）は、ＬＥＤチップ１２の像を
被照明物であるＬＣＤ１６上に作る照明法を模式的に示
した図であり、本実施の形態においては、共役関係にあ
る第１の照射領域２０と第２の照射領域２２を定義し、
ＬＥＤチップ１２近傍に上記第１の照射領域２０が、被
照明物であるＬＣＤ１６配設位置付近に上記第２の照射
領域２２が、それぞれ位置するような光学系の構成にし
ている。

【００８９】即ち、ＬＥＤチップ１２からの出力光を集
光マイクロレンズ１４Ｂによって集光し、さらに複数の
ＬＥＤチップ１２からの光をＬＣＤ１６上に重畳させる
ことによって、ＬＥＤチップ１２の明るさ個体差を平均
化させ、均一照明を実現している。ＬＥＤチップ１２は
複数でも良いし、明るさが足りれば１個でも構わない。
ここで、ＬＥＤチップ１２と被照明物であるＬＣＤ１６
とを略共役関係にすることによって、理想的に集光マイ
クロレンズで取り込んだ光を全てＬＣＤに導光すること
ができ、照明領域に無駄が無くなり光効率が良くなる。
例えば、ＬＥＤチップ１２もＬＣＤ１６も矩形である場
合、ＬＣＤ１６が４：３のアスペクトの矩形であり、Ｌ
ＥＤチップ１２も４：３のアスペクトを持つ矩形形状で
あれば、照明光学系は倍率を与えるだけの等方的なレン
ズ構成にすることができ、且つ、ＬＣＤ１６の表示領域
以外に照明光が給されることがないため、照明効率が良
くなる。当然、ＬＣＤ１６が１６：９のワイド画面の場
合、ＬＥＤチップ１２もそれに合わせて１６：９のアス
ペクトのものが好適である。

【００９０】あるいは、ＬＥＤチップ１２が正方形であ
る場合でも、集光マイクロレンズ１４Ｂや重ね合わせレ
ンズ１８を水平方向よりも垂直方向のパワーが大きいア
ナモルフィック光学系にすることで、照明効率は向上す
る。

【００９１】ＬＥＤチップ１２とＬＣＤ１６とを共役関
係にすることのもう一つの利点は、ＬＥＤチップ１２の
配光特性において角度依存性が有ったとしても、照明ム
ラになりにくいことである。次に、ＬＥＤチップ面内に
明るさの分布が有った場合は、照明ムラになり、実際、
ＬＥＤチップ１２は通電のための電極構造を有し、チッ
プ中にボンディングワイヤが存在して、チップ面内に明
るさの分布が生じている場合がある。このような場合で
は、図６の（Ｂ）に示すように、ＬＥＤチップ像位置か
らＬＣＤ位置を適宜デフォーカスすることによってボン
ディングの影が照明ムラとなるのを防ぐことができる。
即ち、共役関係にある第１照射領域２０と第２照射領域
２２に配置されていたＬＥＤチップ１２とＬＣＤ１６に
おいて、ＬＥＤチップ１２を第１照射領域２０からずれ
た位置に配置すれば、第２照射領域２２に配置されてい
るＬＣＤ１６上にはＬＥＤチップ１２のボケた像が投影
されるため、面内明るさ分布が平均化される。

【００９２】次に、図６の（Ａ）に示した照明光学系を
例にとって、ＬＣＤの入射角度制限に従って、ＬＥＤチ
ップ１２の数式的に導出した配列可能な個数の制限につ
いて説明する。

【００９３】図６の（Ｃ）は、図６の（Ａ）で示したＬ
ＥＤチップ１２と被照明物である光変調素子としてのＬ
ＣＤ１６を共役関係にした照明光学系を模式的に表した
図である。

【００９４】ｎ個のＬＥＤチップ１２を配列したとき
に、ＬＣＤ１６に入射する光線角度をθとして、集光マ
イクロレンズ１４Ｂの径を２ｗ、焦点距離をｆ_１、重ね
合わせレンズ１８の焦点距離をｆ_２、ＬＥＤチップサイ
ズを２ｙ_１、ＬＣＤサイズを２ｙ_２、ＬＣＤの中心を通
る法線を軸として、上記θを満たし該軸と離れた位置に
配置するＬＥＤチップ１２と該軸との距離をδ、ＬＥＤ
チップ１２の最周辺から射出した光の集光マイクロレン
ズ１４Ｂの主光線の角度をΦ、集光マイクロレンズ１４
Ｂと重ね合わせレンズ１８の主点間距離をｍ、とした場
合、幾何的に以下の式が成り立つ。

【００９５】 Tanθ ＝δ／ｆ_２ Tanθ_＋＝（δ−ｍ・TanΦ＋ｙ_２）／ｆ_２ ＝δ／ｆ_２＋（ｙ_２−ｍ・TanΦ）／ｆ_２ Tanθ₋＝（δ＋ｍ・TanΦ−ｙ_２）／ｆ_２ ＝δ／ｆ_２−（ｙ_２−ｍ・TanΦ）／ｆ_２ δ＝ｎｗ ｆ_２／ｆ_１＝ｙ_２／ｙ_１＝β ；倍率 ｗ／ｆ_１＝ＮＡ_ＬＥＤ そして、ｍの値により、以下の２つのケースが存在す
る。

【００９６】（１）ｍ＝ｆ_２のとき θ_＋＝θ＝θ₋ ここで、ＬＣＤ１６のコントラスト確保のため、θをあ
る角度以内に抑えなければならない。

【００９７】

【数１】

【００９８】従って、 ｎ≦（ＮＡ_ＬＣＤ・ｙ_２）／（ＮＡ_ＬＥＤ・ｙ_１） …（１） である。

【００９９】

【数２】

【０１００】ここでＬＣＤのコントラスト確保のため、
θをある角度以内に抑えなければならない。

【０１０１】

【数３】

【０１０２】ｙ_２＞０より、上記（１）式に準ずる。

【０１０３】従って、上記（１）式から空間的に重畳で
きるＬＥＤチップ１２の数、即ち光量は限られる。この
数以上のＬＥＤチップ１２を配設したとしても、ＬＣＤ
１６の許容ＮＡを越えてしまいコントラスト劣化原因と
なったり、ＬＣＤ１６の表示面積以外の領域を照明した
り、無駄な光となる。

【０１０４】上記（１）式から、あるケースにおける最
適なＬＥＤチップ１２の数が導ける。例えば、ＬＣＤ１
６のサイズを０．９型、ＬＥＤチップ１２のサイズを対
角長１．２ｍｍ、ＬＣＤ１６の許容ＮＡを０．１５、集
光マイクロレンズ１４Ｂの取り込みＮＡを０．７とした
場合、対角方向へ配列できるＬＥＤチップ１２の個数は
約４個となる。

【０１０５】図２の（Ｄ）は、ＬＥＤチップ１２とＬＣ
Ｄ１６とを共役関係にしたＬＣＤ照明光学系の上記数値
に基づく光線追跡例の断面図である。各々のＬＥＤチッ
プ１２につき、集光レンズ１４が２つずつ配設され、重
ね合わせレンズ１８によってＬＣＤ１６上に重畳され、
フィールドレンズ２４によって主光線の傾斜角を整えテ
レセントリック性を良くしている。ＬＥＤチップ１２は
４個図示しているが、紙面と垂直方向にも４列あり、４
×４個の計１６個で照明している。また、同図では平板
で示しており詳述しないが、集光レンズ１４によって、
略平行光にした後、偏光ビームスプリッタアレイや偏光
板などの偏光変換素子２６を配することによって、ＬＣ
Ｄ１６に合わせた直線偏光にする。集光レンズ１４のＬ
ＥＤ側ＮＡが０．７で取り込んだＬＥＤチップ１２の出
力光を、ＬＣＤ１６のコントラストを確保するため、Ｌ
ＣＤ側のＮＡが０．１５となるようにしている。ほぼＬ
ＣＤ１６上で各ＬＥＤチップ１２の像が重ね合わされ
て、各ＬＥＤチップ１２の明るさにおける面内ムラや個
体差を平均化することができる。さらに、ＬＥＤチップ
１２とＬＣＤ１６が略共役関係となっていることによ
り、無駄な照明領域がなく効率の良い照明が実現されて
いる。なお、図中のＰＢＳ２８は、ＬＥＤチップ１２か
らＬＣＤ１６への光は透過し、ＬＣＤ１６からの反射光
はＬＣＤチップ側に透過しないで、図示しない投影レン
ズ側に反射する偏光ビームスプリッタである。

【０１０６】図７の（Ａ）は、図６の（Ａ）の変形例で
ある。即ち、重ね合わせレンズ１８によってＬＣＤ１６
上に複数のＬＥＤチップ像を重畳させるのではなく、Ｌ
ＥＤチップ１２と集光マイクロレンズ１４Ｂをセットと
して、複数のセットを放射状に配設することによってＬ
ＣＤ１６上に複数のＬＥＤ出力光を重畳させて照明して
いる。ＬＣＤ１６の前段の凹レンズはフィールドレンズ
２４として、光線傾角を制御している。

【０１０７】図７の（Ｂ）は、複数のＬＥＤチップ１２
を光源に用いた別の照明法を示した例である。ＬＥＤチ
ップ１２から放射された光を集光する手段として、各Ｌ
ＥＤチップ１２に対応して、集光マイクロレンズ１４Ｂ
１と偏向マイクロレンズ１４Ｂ２の２段構成にしてお
り、ＬＥＤチップ１２と被照明物であるＬＣＤ１６とを
共役関係にするのではなく、２段構成の集光手段のうち
の前段の集光マイクロレンズ１４Ｂ１と被照明物である
ＬＣＤ１６とが共役な位置関係となっている。即ち、共
役関係にある第１の照射領域２０と第２の照射領域２２
の位置関係において、第１の照射領域２０が集光マイク
ロレンズ１４Ｂ１近傍に、第２の照射領域２２が被照明
物であるＬＣＤ１６に、それぞれ位置するような光学系
の構成である。また、偏向マイクロレンズ１４Ｂ２の前
側焦点位置付近に集光マイクロレンズ１４Ｂ１が位置す
るように配設し、集光マイクロレンズ１４Ｂ１によるＬ
ＥＤチップ１２の像を、偏向マイクロレンズ１４Ｂ２付
近に位置するように、構成することによって、集光マイ
クロレンズ１４Ｂ１上に形成された入射瞳を、偏向マイ
クロレンズ１４Ｂ２と後段の重ね合わせレンズ１８とに
よってリレーしてＬＣＤ配設位置に瞳を形成することが
できる。

【０１０８】このような照明方法および構成の利点は、
複数のＬＥＤ出力光を重畳させていることにより、ＬＥ
Ｄチップ１２の明るさにおける個体差を平均化し、均一
照明が得られるとともに、瞳面上に被照明物があること
によって、個々のＬＥＤチップ面内に明るさ分布がある
場合においても、照明ムラになりにくいことである。

【０１０９】また、図８は図７の（Ｂ）における偏向マ
イクロレンズ１４Ｂ２の替わりに、偏向ミラー１４Ｂ３
を用いた照明系の例である。ＬＥＤチップ１２に対応し
て、集光マイクロレンズ１４Ｂ１と偏向ミラー１４Ｂ３
がそれぞれ配設され、集光マイクロレンズ１４Ｂ１とＬ
ＣＤ１６が共役な位置関係になるように重ね合わせレン
ズ１８を配する。このとき偏向ミラー１４Ｂ３の働き
は、各ＬＥＤチップ１２から放射された光が集光マイク
ロレンズ１４Ｂ１を経て、遮蔽することなく、重ね合わ
せレンズ１８によってＬＣＤ上に重畳するように、光路
の方向を偏向することである。本例の構成によってもＬ
ＣＤ配設位置に効率良く瞳を形成することができ、均一
な照明が実現できる。

【０１１０】図７の（Ｃ）は、図６で示したように第１
の照射領域近傍にＬＥＤを配設した照明方法と図７の
（Ｂ）で示したように第１の照射領域近傍に集光マイク
ロレンズを配設した照明方法とを組み合わせた例で、Ｌ
ＣＤ１６が配設されている被照明位置が瞳面でもあり、
ＬＥＤチップ１２の像面でもある照明方法の例である。
図ではＬＥＤチップ１２と集光レンズ１４のペアが、
Ａ，Ｂ，Ｃの３組示しているが、このうちＡとＣは、集
光レンズ１４の焦点距離位置付近にＬＥＤチップ１２を
配することによって、ＬＥＤチップ１２の出力光を略平
行光に変換し、重ね合わせレンズ１８の焦点距離位置に
ＬＣＤ１６を設置することによって、ＬＣＤ１６上にＬ
ＥＤチップ１２の像を形成している。一方、Ｂは、重ね
合わせレンズ１８の前側焦点位置近傍に配設されている
ＡやＣの集光レンズ位置付近に一旦ＬＥＤチップ像を形
成するように集光レンズ１４の位置やパワーを構成し、
ＬＣＤ１６上において瞳を形成するようにしている。こ
の方法の利点は、上述のチップ面内の明るさ分布やチッ
プ出力光の配光特性における角度ムラの両方がある場合
において、それぞれを平均化することによって、均一性
を確保していることである。さらに、ＡとＣの集光レン
ズ１４の間、即ちレンズ間の隙間に別のＬＥＤチップ像
を形成することにより、ＬＥＤチップ１２と集光レンズ
１４のペアを１方向、図では紙面において上下方向に配
列した場合よりも、空間的に多くのＬＥＤチップ１２の
光を重畳することができるため、明るい照明の実現が可
能となる。

【０１１１】［第４の実施の形態］図７の（Ｄ）に、本
発明の第４の実施の形態として、投影型画像表示装置で
あるプロジェクタ装置の例を示す。

【０１１２】このプロジェクタ装置は、筐体３０内に上
記第１乃至第３の実施の形態で説明したようなＬＥＤで
構成された発光ユニットを有する照明装置を収納してお
り、この照明装置により画素構造を有するＬＣＤなどの
光変調素子を照明し、変調された光を投影レンズ３２に
より、スクリーンや白壁面に拡大投影することによっ
て、複数の人が観察可能にするものである。また、通気
孔３４により適宜装置内部の熱を排気することにより、
ＬＥＤの発光効率の確保を図るようになっている。これ
により、効率の良い、均一な照明装置により、プロジェ
クタ装置自体の消費電力が抑えられ、均一な画像を提供
することができる。

【０１１３】ＬＣＤを光変調素子に使用する場合、表示
信号中にブランキング区間が有るため、その間ＬＥＤも
消灯することにより、白色放電ランプを常時点灯してカ
ラーフィルタを時分割で回転させることによってカラー
化したり、カラーフィルタを画素毎に設けてカラー化す
るよりも効率が良く、黒の輝度が抑えられるのでコント
ラストも確保できる。

【０１１４】以上実施の形態に基づいて本発明を説明し
たが、本発明は上述した実施の形態に限定されるもので
はなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形や応用が可
能なことは勿論である。

【０１１５】例えば、本発明の発光ユニットや照明装置
は、図示しないが、投影レンズから拡大画像が位置する
スクリーンまでの光束を反射ミラーにより屈曲すること
により、光路を折りたたみ、ＬＥＤ光源も含めた照明装
置及び投影レンズ、ＬＣＤなどの光変調素子、光変調素
子やＬＥＤの駆動回路や電源回路、ミラーなどの全部品
を筐体に収め、筐体前部に配設されたスクリーンに投影
された映像を観察することができるリアプロジェクタ装
置にも適用でき、そのようなリアプロジェクタ装置にお
いても、低消費電力化、均一画面化を実現することがで
きるのは言うまでもない。

【０１１６】また、上記実施の形態では、発光体はＬＥ
Ｄを例に説明したが、その配光角特性が、完全拡散体に
準ずる特性、もしくは、完全拡散体の特性よりも角度依
存性が低い特性のものであれば、他の半導体または電子
線励起の発光体を用いることができる。さらに、被照明
物としてＬＣＤを説明に用いたが、光を変調するデバイ
スであれば応用が可能であり、マイクロミラーアレイ
（ＤＭＤ）などでも良い。また、集光マイクロレンズは
ＬＥＤチップとセットで一体化されていても良いし、別
体でも良い。

【０１１７】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
コンパクトで光効率の良い発光ユニット、長寿命で高色
再現性で高効率の均一照明が可能な照明光学系、及び、
それらを用いることによって、コンパクトで効率の良い
均一画面を実現することができる発光ユニット、照明装
置、及び投影表示装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（Ａ）は本発明の第１の実施の形態に係る発光
ユニットに用いられるプリズムアレイの側面断面図、
（Ｂ）は第１の実施の形態に係る発光ユニットの側面断
面図、（Ｃ）はプリズムアレイの光路図、（Ｄ）はプリ
ズムアレイの効果を説明するための配光特性図であり、
（Ｅ）乃至（Ｇ）はそれぞれ第１の実施の形態に係る発
光ユニットの変形例を説明するための側面断面図であ
る。

【図２】（Ａ）及び（Ｂ）はそれぞれ第１の実施の形態
に係る発光ユニットに用いられるプリズムアレイの例を
説明するための斜視図、（Ｃ）はＬＥＤチップ斜め配置
における見かけサイズを説明するための図であり、
（Ｄ）は図６の（Ａ）に示す配置においてＬＣＤのサイ
ズを０．９型、ＬＥＤチップのサイズを対角長１．２ｍ
ｍ、ＬＣＤの許容ＮＡを０．１５、集光マイクロレンズ
の取り込みＮＡを０．７、ＬＥＤチップの個数を４個と
したときの光線追跡例の断面図である。

【図３】（Ａ）及び（Ｂ）はそれぞれ従来の照明光学系
を簡略に示す図である。

【図４】（Ａ）は本発明の第２の実施の形態に係る照明
装置の一例としてのプリズムアレイ付照明装置を簡略に
示す図であり、（Ｂ）は第２の実施の形態に係る照明装
置の別の例としてのＬＥＤチップ斜め置き照明装置を簡
略に示す図である。

【図５】（Ａ）は第２の実施の形態に係る照明装置の更
に別の例としてのＬＥＤチップ斜め置きプリズムアレイ
付照明装置を簡略に示す図であり、（Ｂ）は第２の実施
の形態に係る照明装置の別の例としてのＬＥＤチップ斜
め置きプリズムアレイ付リフレクタ照明装置を簡略に示
す図である。

【図６】（Ａ）は本発明の第３の実施の形態に係る照明
装置の照明法を模式的に示した図、（Ｂ）は第３の実施
の形態に係る照明装置の照明法の変形例を模式的に示し
た図であり、（Ｃ）は（Ａ）の配置において配列可能な
ＬＥＤチップの個数を算出するための算出式における各
パラメータを説明するための図である。

【図７】（Ａ）乃至（Ｂ）はそれぞれ第３の実施の形態
に係る照明装置の照明法の更に別の変形例を模式的に示
した図、（Ｃ）は第３の実施の形態に係る照明装置の照
明法の他の変形例を示す図であり、（Ｄ）は本発明の第
４の実施の形態に係る投影表示装置としてのプロジェク
タ装置の外観斜視図である。

【図８】第３の実施の形態に係る照明装置の照明法の他
の変形例を示す図である。

【図９】（Ａ）は従来のＬＥＤ周辺光学要素を示す図、
（Ｂ）は従来のプロジェクタ光学系の構成を示す図であ
り、（Ｃ）及び（Ｄ）はそれぞれ従来の白色ランプ照明
光学系の構成を示す図である。

【図１０】（Ａ）及び（Ｂ）はそれぞれ従来の照明光学
系の構成を示す模式図である。

【符号の説明】

１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ プリズムアレイ １２ ＬＥＤチップ １４ 集光レンズ １４Ａ リフレクタ １４Ｂ，１４Ｂ１ 集光マイクロレンズ １４Ｂ２ 偏向マイクロレンズ １４Ｂ３ 偏向ミラー １６ ＬＣＤ １８ 重ね合わせレンズ ２０ 第１照射領域 ２２ 第２照射領域 ２４ フィールドレンズ ２６ 偏光変換素子 ２８ ＰＢＳ ３０ 筐体 ３２ 投影レンズ ３４ 通気孔

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） Ｈ０１Ｌ 33/00 Ｈ０１Ｌ 33/00 Ｍ Ｆターム(参考） 2H088 EA12 HA23 HA25 HA28 HA30 MA04 MA06 2H091 FA23Z FA29Z FA45Z LA03 LA11 LA18 MA07 2K103 AA05 AA16 AB04 AB07 BA02 BA11 BA17 BC26 5F041 AA05 AA06 AA24 CB22 DB08 EE25 FF06

Claims (19)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体または電子線励起の発光体と、 前記発光体の前方近傍に配設され、前記発光体の出力光
   の所定の角度範囲以外の光を該角度範囲内に変換するプ
   リズムアレイと、 を具備することを特徴とする発光ユニット。
2. 【請求項２】 前記プリズムアレイは、多角錐または円
   錐状プリズムを配列した構成であることを特徴とする請
   求項１に記載の発光ユニット。
3. 【請求項３】 前記プリズムアレイは、２つ以上の１次
   元プリズムアレイから構成されていることを特徴とする
   請求項１に記載の発光ユニット。
4. 【請求項４】 前記プリズムアレイは、プリズムが形成
   されている面が前記半導体または電子線励起の発光体の
   発光面に対向して配設されていることを特徴とする請求
   項１に記載の発光ユニット。
5. 【請求項５】 前記プリズムアレイは、個々のプリズム
   サイズが異なること、または、プリズム頂角が異なるこ
   とを特徴とする請求項１に記載の発光ユニット。
6. 【請求項６】 前記プリズムアレイからの出射光を集光
   する配光変換手段を更に具備することを特徴とする請求
   項１に記載の発光ユニット。
7. 【請求項７】 前記配光変換手段が、前記角度範囲の光
   のみを集光することを特徴とする請求項６に記載の発光
   ユニット。
8. 【請求項８】 半導体または電子線励起の発光体と、 前記発光体からの光を照射する第１の照射領域を経た光
   を所定の第２の照射領域に導く導光手段と、 を具備し、 前記導光手段は、前記第１の照射領域と前記第２の照射
   領域とが共役となる光学構成であることを特徴とする照
   明装置。
9. 【請求項９】 前記第２の照射領域に集光する光を制限
   する前記第１の照射領域近傍に配置する発光体、或い
   は、集光光学素子が、四角形であることを特徴とする請
   求項８に記載の照明装置。
10. 【請求項１０】 前記半導体または電子線励起の発光体
    が複数からなることを特徴とする請求項８に記載の照明
    装置。
11. 【請求項１１】 前記第１の照射領域に前記半導体また
    は電子線励起の発光体の発光面を配置し、前記第２の照
    明領域に略結像させたことを特徴とする請求項８に記載
    の照明装置。
12. 【請求項１２】 前記第１の照射領域の大きさは、前記
    半導体または電子線励起の発光体の発光面の大きさと略
    等しいことを特徴とする請求項１１に記載の照明装置。
13. 【請求項１３】 前記半導体または電子線励起の発光体
    の発光面が、前記第１の照射領域と垂直な方向にずれて
    配設されていることを特徴とする請求項１１に記載の照
    明装置。
14. 【請求項１４】 前記導光手段は、アナモルフィック光
    学系を含むことを特徴とする請求項１１に記載の照明装
    置。
15. 【請求項１５】 前記半導体または電子線励起の発光体
    の発光面の法線と前記集光手段との光学軸とが角度をな
    して配設されていることを特徴とする請求項１１に記載
    の照明装置。
16. 【請求項１６】 前記導光手段は、 前記半導体または電子線励起の発光体の出力光を集光す
    る、前記第１の照射領域近傍に配される集光光学素子
    と、該集光光学素子に対応して配される偏向光学素子と
    からなる集光手段と、 該集光手段から射出された光を、前記第２の照射領域に
    導く重畳手段と、を有し、 前記第１の照射領域近傍に前記集光光学素子を配設し、
    さらに前記第１の照射領域及び第２の照射領域に光学的
    な瞳を形成していることを特徴とする請求項８に記載の
    照明装置。
17. 【請求項１７】 前記半導体または電子線励起の発光体
    が、請求項１乃至４の何れかに記載の前記発光ユニット
    であることを特徴とする請求項８に記載の照明装置。
18. 【請求項１８】 請求項１７に記載の照明装置から出射
    される光を光変調素子で光変調し、投影光学系により投
    影する投影表示装置において、 前記照明装置からの出射光に対して前記第２の照射領域
    に、前記光変調素子を配置することを特徴とする投影表
    示装置。
19. 【請求項１９】 前記半導体または電子線励起の発光体
    の発光面と前記光変調素子の形状とが相似であることを
    特徴とする請求項１８に記載の投影表示装置。