JP4693180B2 - 光源装置 - Google Patents

Description

本発明は複数の光源からの入射光を合成または混色して出射する光源装置に係り、特に小型薄型化が可能な光源装置に関する。

従来よりカラー光源を用いた表示装置として、カラー投影機や、投影方式のカラーテレビ、さらにバックライトを用いた液晶表示装置等がある。これらの装置に用いられる光源装置としては、例えばカラー投影機や投影方式のカラーテレビについてはダイクロイックプリズムを用いる方式がある。（例えば、特許文献１参照。）また、このダイクロイックプリズムが高価な部材であるため、装置としての価格が高くなることや、この方式が本質的に大きな光量ロスを伴う欠点があるため、これらの欠点を解決する方式としてリニアプリズムを用いて複数光線を単一光線にする光源装置が提案されている。（例えば、特許文献２参照。）さらに液晶表示装置等のバックライトとして、ＬＥＤ光源からの出射光を２枚のプリズムシートを用いて輝度の均一性を高めた光源装置が提案されている。（例えば、特許文献３参照。）

以下、図面を用いて従来技術における光源装置の構成について説明する。図１４、図１５は特許文献２に示すカラー投影機の構成を示すものであり、図１４はカラー投影機の構成図、図１５は図１４に示すリニアプリズム板の部分断面図である。図１５において５０はリニアプリズム板であり、上面が多数のプリズム列を有する出射面、下面が平面の入射面を構成している。リニアプリズム板５０における下面側の入射面５１に、異なる斜めの２方向から入射した入射光Ｐ５１ａ、Ｐ５１ｂは、各々入射面５１で屈折した後にプリズムの２つの出射面５２、５３で屈折して同一方向の光Ｐ５２、Ｐ５３として出射される。

すなわちリニアプリズム板５０の材質によって決まる屈折率と、プリズムの頂角（先端角）を適切に設計することにより、プリズム列に直交する２方向から入射した２種類の入射光は、各々プリズムの２つの出射面で屈折して同一方向に出射される。この原理により２種類の光源からの入射光を合成した単一光として出射することができ、２種類の光源が異なるカラー光の場合には、２色を混色光として出射することができる。また３種類以上の光源を合成したい場合には、リニアプリズム板５０を複数枚使用して合成を繰り返すことにより実行できる。

図１４は図１５に示すリニアプリズム板５０を２枚使用して赤色（以後、Ｒ）緑色（以後、Ｇ）青色（以後、Ｂ）の３色光を合成する光源装置を備えたカラー投影機を示し、５０ａ、５０ｂは前記リニアプリズム板５０と同一構成を有するリニアプリズム板である。また５５は投写レンズ、５６は投影スクリーン、５７はＲ光源、５８はＧ光源、５９はＢ光源であり、６１、６２、６３はそれぞれＲ光源５７、Ｇ光源５８、Ｂ光源５９のリレーレンズである。

上記構成において、リニアプリズム板５０ａの入射面に対して、それぞれ異なる方向で４５°の角度に配置されたＲ光源５７とＧ光源５８から放射されたＲ光とＧ光とが、それぞれリレーレンズ６１、６２を通して平行光線化された後、相異なる４５°の斜め方向からリニアプリズム板５０ａの入射面に入射する。そしてＲ光とＧ光との２つの入射光はリニアプリズム板５０ａによって合成された単一光としてリニアプリズム板５０ａの出射面より垂直方向に出射される。そしてこのリニアプリズム板５０ａからの合成された出射光は、リニアプリズム板５０ａに対して４５°の角度位置に配置されたリニアプリズム板５０ｂの入射面に４５°の斜め方向から入射することになる。

また、Ｂ光源５９から放射されたＢ光が、リレーレンズ６３を通して平行光線化された後、前記Ｒ光とＧ光との合成された単一光とは相異なる４５°の斜め方向からリニアプリズム板５０ｂの入射面に入射する。この結果Ｒ光とＧ光との合成された単一光とＢ光とがリニアプリズム板５０ｂによって合成され、Ｒ光とＧ光とＢ光とを合成した単一光としてリニアプリズム板５０ｂの出射面より垂直方向に出射される。

次に図１６、図１７により、引用文献３に示す面発光装置の構成を説明する。図１６は面発光装置の分解斜視図、図１７は図１６に示す発光基板の発光状態を示す部分拡大側面図である。図１６において７０は面発光装置であり、各々のプリズム列を直交させて積層配置された２枚のプリズムシート７０ａ、７０ｂの下側に複数のＬＥＤ７２と複数の反射体７３を有する保持基板７４によって構成された発光基板７５が配置されている。そしてこの面発光装置７０の上面側に液晶ユニット８０が配置されることにより、面発光装置７０をバックライトとする液晶表示装置を構成している。

前記発光基板７５には複数のＬＥＤ７２が例えばマトリックス状に配列されており、各反射体７３は１列に配置されたＬＥＤ７２を一括して覆うように設けられている。図１７に発光基板７５の部分拡大側面図を示すごとく、反射体７３はそれぞれ、ＬＥＤ７２の発光面に対向する第１面７３ａと上面を覆う第２面７３ｂを有している。そしてＬＥＤ７２より発光された放射光は反射体７３の第１面７３ａで側方に反射されて隣の反射体７３に入射され、隣の反射体７３の第２面７３ｂで上方に反射されて積層配置されているプリズムシート７０ａ、７０ｂに入射する。そして積層配置されたプリズムシート７０ａ、７０ｂは、発光基板７５に設けられた複数の反射体７３の第２面７３ｂから入射される反射光の光路を整えて上方（液晶ユニット８０の方向）に出射させる役目を担っている。

前記構成における面発光装置７０はバックライトとして白色光を出射している。従って発光基板７５からは白色光を発光することになるが、白色のＬＥＤは大別すると特定の発光波長のＬＥＤと蛍光体を組み合わせたタイプと、１つのパッケージの中にＲ、Ｇ、Ｂの３つのＬＥＤ設けるタイプがあり、何れのタイプでも使用することができる。また、発光基板７５に配置する複数のＬＥＤ７２をＲ、Ｇ、Ｂの３種類のＬＥＤとし、反射体７３の第１面７３ａと第２面７３ｂによってそれらの３色の光が混ざり合うように反射させて出射することで、白色光の面発光装置を実現することもできる。

特開２００２−２４４２１１号公報 特開昭６３−１３２２１５号公報 特開２００６−２２８７１０号公報

しかしながら、従来技術における光源装置には以下の問題がある。特許文献１におけるダイクロイックプリズムを用いる光源装置はダイクロイックプリズムが高価な部材であるため、装置としての価格が高くなることや、この方式が本質的に大きな光量ロスを伴うという問題がある。

また特許文献２における複数のリニアプリズムを用いる光源装置は、例えばＲ、Ｇ 、３色のＬＥＤの光源を合成させる場合、２枚のリニアプリズムには所定の角度を有する配置間隔を設ける必要があるのでリニアプリズムの配置スペースが広くなるため、光源装置全体としての形状が大きくなり、装置の薄型化が困難となる問題がある。またリニアプリズムに入射する光線を斜め方向から入射させるため、リニアプリズムから出射する時の光線幅が引き伸ばされ、入射と出射との光線幅が異なると共に光線の縦横比が変化してしまう結果となり、この変化量はリニアプリズムの斜光入射回数によって増加していく。すなわち図１４に示す光源装置の場合、Ｒ光とＧ光とがリニアプリズム板５０ａに斜光入射して合成された後、その合成された単一光がリニアプリズム板５０ｂに斜光入射してＢ光と合成されるため、Ｒ光とＧ光についてはリニアプリズムの斜光入射が２回行われ、縦横比が２倍異なる結果となる。

さらに、特許文献３における反射体つきの発光基板と２枚のプリズムシートを用いる光源装置は、２枚のプリズムシートのプリズム列を直交させて積層配置しているが、白色光の合成は発光基板７５において行われ、プリズム列を直交させて積層配置した２枚のプリズムシートは、単に合成された光の光路を変更する目的でのみ使用されている。

（発明の目的）
本発明は上記問題に鑑みなされたもので、２枚のプリズムシートを各々のプリズム列を直交させて積層配置にすることで薄型化すると共に、複数の光源の入射方向を工夫して積層配置したプリズムシートに合成機能を行わせることで、価格が安く小型薄型化が可能で、光合成性能に優れた光源装置を提供することを目的としている。

複数の光源と、一方の面に複数の微細なプリズム列を有し、他方の面が平面な２枚のプリズムシートよりなり、前記２枚のプリズムシートを各々のプリズム列が所定の角度で交叉する様に積層配置し、積層された２枚のプリズムシートの下面側に、前記複数の光源を所定の角度に傾けて配置することにより、積層された２枚のプリズムシートの下面側より所定の角度をもって入射された複数の光源からの入射光を２枚のプリズムシートの上面側より合成させた出射光として出力することを特徴とする。

上記構成によれば、２枚のプリズムシートを積層した薄型構成の光学系によって複数の光源からの入射光を合成することができるため、形状的に小型薄型で、光学的に光合成性能の優れた光源装置を提供することができる。

前記各光源は、積層された２枚のプリズムシートにおける各プリズム列の交叉によって形成される４つのゾーンに分散されて配置されていることを特徴とする。

前記各光源の入射光は、積層された２枚のプリズムシートにおける各プリズム列の交叉角の中心線近傍に沿って入射することを特徴とする。

前記各光源の入射光は、積層された２枚のプリズムシートにおける所定の集光点に向かって入射することを特徴とする。

前記各光源は、前記２枚のプリズムシートにおける所定の集光点に対して、点対称に配置されていることを特徴とする。

前記各光源は、前記２枚のプリズムシートにおける所定の集光点を通る軸線に対して、線対称に配置されていることを特徴とする。

上記構成の如く、複数の光源を積層された２枚のプリズムシートにおける各プリズム列の交叉によって形成される４つのゾーンに分散させて配置し、各光源の入射光を、積層された２枚のプリズムシートにおける各プリズム列の交叉角の中心線近傍に沿って入射させ、さらに各光源のすべての入射光を、積層された２枚のプリズムシートにおける所定の集光点に向かって入射させるという本願特有の複数光源の入射方式によって、積層配置された２枚のプリズムシートに光合成機能を行わせることができるようにしている。

前記微細なプリズム列の頂角が略直角であることを特徴とする。

前記複数の微細なプリズム列のピッチは１μｍ〜１００μｍであることを特徴とする。

上記構成の如く、プリズム列のピッチは１μｍ〜１００μと微細にすることによって、細かいプリズム面からそれぞれ放射される複数の光束を、目視的には合成された出射光として認識することができる。

前記複数の光源における発光面の前方には、各々集光用の光学装置（レンズ）を備えたことを特徴とする。

前記光学装置は縦と横とで異なる曲率半径を有するレンズであることを特徴とする。

上記構成によれば、入射光を平行光線化できるとともに、縦と横とで異なる曲率半径を有するレンズを使用することによって、入射光が斜めから入射することによる出射光の光線幅の広がりを抑えることができる。

発光色の異なる複数の光源と一方の面に複数の微細なプリズム列を有し、他方の面が平面な２枚のプリズムシートよりなり、前記２枚のプリズムシートを各々のプリズム列が所定の角度で交叉する様に積層配置し、積層された２枚のプリズムシートの下面側に、前記複数の光源を所定の角度に傾けて配置することにより、積層された２枚のプリズムシートの下面側より所定の角度をもって入射された複数の光源からの入射光を２枚のプリズムシートの上面側より混色させた出射光として出力することを特徴とする。

上記構成によれば、２枚のプリズムシートを積層した薄型構成の光学系によって複数の発光色の異なる光源からの入射光を混色することができるため、形状的に小型薄型で、光学的に混色性能の優れた光源装置を提供することができる。

前記各光源は、積層された２枚のプリズムシートにおける各プリズム列の交叉によって形成される４つのゾーンに分散されて配置されていることを特徴とする。

前記各光源の入射光は、積層された２枚のプリズムシートにおける各プリズム列の交叉角の中心線近傍に沿って入射することを特徴とする。

前記各光源の入射光は、積層された２枚のプリズムシートにおける所定の集光点に向かって入射することを特徴とする。

前記各光源は、前記２枚のプリズムシートにおける所定の集光点に対して、点対称に配置されていることを特徴とする。

前記各光源は、前記２枚のプリズムシートにおける所定の集光点を通る軸線に対して、線対称に配置されていることを特徴とする。

上記構成の如く、複数の発光色の異なる光源を積層された２枚のプリズムシートにおける各プリズム列の交叉によって形成される４つのゾーンに分散させて配置し、各光源の入射光を、積層された２枚のプリズムシートにおける各プリズム列の交叉角の中心線近傍に沿って入射させ、さらに各光源のすべての入射光を、積層された２枚のプリズムシートにおける所定の集光点に向かって入射させるという本願特有の複数光源の入射方式によって、積層配置された２枚のプリズムシートに混色機能を行わせることができるようにしている。

前記微細なプリズム列の頂角が略直角であることを特徴とする。

前記複数の光源における発光面の前方には、各々集光用の光学装置（レンズ）を備えたことを特徴とする。

前記光学装置は縦と横とで異なる曲率半径を有するレンズであることを特徴とする。

上記構成によれば、入射光を平行光線化できるとともに、縦と横とで異なる曲率半径を有するレンズを使用することによって、入射光が斜めから入射することによる出射光の光線幅の広がりを抑えることができる。

前記複数の光源はＲ、Ｇ、ＢのＬＥＤ光源を含むことを特徴とする。

前記積層された２枚のプリズムシートにおける３ヶ所に、Ｒ、Ｇ、ＢのＬＥＤ光源が配設され、残りの１ヶ所にＧ・ＬＥＤ光源が配設されたことを特徴とする。

前記積層された２枚のプリズムシートにおけるに３ヶ所に、Ｒ、Ｇ、ＢのＬＥＤ光源が配設され、残りの１ヶ所にＢｌｕｅＹＡＧ・ＬＥＤ光源が配設されたことを特徴とする。

上記構成によれば、Ｒ、Ｇ、ＢのＬＥＤ光源の混色による白色光の出射において、Ｒ、ＢのＬＥＤ光源に比べて発光量の少ないＧ・ＬＥＤ光源の数を増やすことによって、色バランスの良い白色光を発光させることができる。

以上のように本発明の光源装置においては、２枚のプリズムシートを積層した薄型構成の光学系によって複数の光源からの入射光を合成することができるため、形状的に小型薄型で、光学的に光合成性能の優れた光源装置を提供することができる。

以下、本発明の実施形態について図面により詳細に説明する。図１〜図８は本発明の第１実施形態における光源装置を示すものであり、図１は光源装置の外観斜視図、図２は２枚のプリズムシートの構成を示す上面図及び側面図、図３は２枚のプリズムシートと複数の光源の関係を示す平面図である。図１において１０は光源装置であり、積層配置された２枚のプリズムシートＰＳ１、ＰＳ２と、その２枚のプリズムシートＰＳ１、ＰＳ２の下面側に所定の角度に傾けて配置された４個の光源Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３、Ｋ４により構成されている。各光源ＫはＬＥＤ１と集光レンズ２と、このＬＥＤ１と集光レンズ２とを収納するケース３によって構成されており、第１実施形態においては光源Ｋ１のＬＥＤとしては赤色ＬＥＤ１ｒ（以後Ｒ・ＬＥＤ）、光源Ｋ４のＬＥＤとしては青色ＬＥＤ１ｂ（以後Ｂ・ＬＥＤ）、光源Ｋ２と光源Ｋ３のＬＥＤとしては緑色ＬＥＤ１ｇ（以後Ｇ・ＬＥＤ）を用いている。

前記光源装置１０は光源Ｋ１から出射される赤色光（以後Ｒ光）と光源Ｋ４から出射される青色光（以後Ｂ光）と光源Ｋ２、Ｋ３から出射される２つの緑色光（以後Ｇ光）とをプリズムシートＰＳ１の下面側より入力し、２枚のプリズムシートＰＳ１、ＰＳ２によって混色することによりＲ光とＧ光とＢ光とを合成した単一の白色光ＰｗとしてプリズムシートＰＳ２の出射面より垂直方向に出射させる。

次に２枚のプリズムシートＰＳ１、ＰＳ２と４つの光源Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３、Ｋ４の配置関係を図２、図３により説明する。図２は２枚のプリズムシートＰＳ１、ＰＳ２の構成を示す上面図及び側面図であり、中央に積層したプリズムシートＰＳ１、ＰＳ２の上面図を示し、左側にＸ軸方向から見た側面図、下側にＹ軸方向から見た側面図を示している。また図３は図２に示す積層したプリズムシートＰＳ１、ＰＳ２の上面図に対する４つの光源Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３、Ｋ４の配置関係を示している。

図２に示す如くプリズムシートＰＳ１、ＰＳ２は、各々のプリズム列を所定の角度で交叉させた状態で、プリズムシートＰＳ１を下側、プリズムシートＰＳ２を上側にして積層配置されている。なお本実施形態におけるプリズムシートＰＳ１、ＰＳ２は上面をプリズム面とし、下面を平面としており、また各々の頂角が略直角で、各々のプリズム列が直交する角度で交叉する様に配置されている。従ってプリズムシートＰＳ１、ＰＳ２の上面図におけるＸ軸に平行な実線は、上側のプリズムシートＰＳ２のプリズム列における頂部と谷部のラインを示し、Ｙ軸に平行な点線は、下側のプリズムシートＰＳ１のプリズム列における頂部と谷部のラインを示しており、この実線と点線は直交する升目を構成している。そしてこの各プリズム列のピッチは１μｍ〜１００μｍの微細ピッチとなっている。

次に２枚のプリズムシートＰＳ１、ＰＳ２と４つの光源Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３、Ｋ４の配置関係は図３に示す如く、積層された２枚のプリズムシートＰＳ１、ＰＳ２の各プリズム列の交叉によって形成される４つのゾーン、すなわちプリズムシートＰＳ１、ＰＳ２の平面をＸ軸とＹ軸とで区分した４つのゾーンＳ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４に、４つの光源Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３、Ｋ４が分散されて配置されている。従って光源Ｋ１から放射された入射光Ｐ１、光源Ｋ２から放射された入射光Ｐ２、光源Ｋ３から放射された入射光Ｐ３、光源Ｋ４から放射された入射光Ｐ４は積層された２枚のプリズムシートＰＳ１、ＰＳ２における各プリズム列の交叉角の中心線Ｎ、Ｍの近傍に沿って入射しており、また、２枚のプリズムシートＰＳ１、ＰＳ２の所定の集光点Ｐｏに向けて集中的に入射している。なお本実施形態においては２枚のプリズムシートＰＳ１、ＰＳ２の所定の集光点Ｐｏを上プリズムシートＰＳ２の上部中心点としている。

この結果各光源の位置関係は、図３に示す如く光源Ｋ１と光源Ｋ４及び光源Ｋ２と光源Ｋ３とは各々集光点Ｐｏに対して点対称の位置に配置され、また光源Ｋ１と光源Ｋ３及び光源Ｋ２と光源Ｋ４とは各々集光点Ｐｏを通るＸ軸に対して線対称の位置に配置されている。そして、各光源のＸ軸からの角度はすべて同一であり、この角度は２枚のプリズムシートＰＳ１、ＰＳ２の材質による屈折率とプリズム頂角によって決まる角度である。本実施形態においては２枚のプリズムシートＰＳ１、ＰＳ２の材質として屈折率ｎが１．４９のアクリル（ＰＭＭＡ）を使用し、プリズム頂角を９０°としたので、すべての光源Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３、Ｋ４はＸ軸から４３．５°の同一角度の位置に配置されている。この理由はプリズム角には＋−があるため、当たる面によって光線の向きは異なる４方向となるが、面の法線との角度で見ると４方向は同じになる。すなわち光線の向きは異なっていても角度は同じになり、プリズムシートＰＳ１、ＰＳ２の屈折率ｎを１．４９、プリズム頂角を９０°として出射光を直上方向に出射させるためには、入射光の入射方向はＸ軸基準で±４３．５°の同一角度となる。

本発明における積層された２枚のプリズムシートＰＳ１、ＰＳ２に対する各光源からの入射条件については後に詳述するが、基本的な光合成（混色）動作について、図２により説明する。２枚のプリズムシートＰＳ１、ＰＳ２のＸ軸―Ｙ軸平面に対する出射光の方向、すなわちＸ軸―Ｙ軸平面に垂直方向をＺ軸として、プリズムシートＰＳ１のプリズム面を構成する一方のプリズム斜面をＬ１、他方のプリズム斜面をＬ２とし、プリズムシートＰＳ２のプリズム面を構成する一方のプリズム斜面をＵ１、他方のプリズム斜面をＵ２としたとき、各光源Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３、Ｋ４はプリズムシートＰＳ１の下面側に所定の角度に傾けて配置され、またＸ軸から４３．５°の位置に配置されていることは前述の通りである。

上記の位置に配置された各光源からの入射光はプリズム面に対してＸ軸―Ｙ軸平面において斜光入射すると共に、Ｚ軸においても斜光入射することになる。すなわち、本発明における光源装置１０はプリズム面に対して各光源からの入射光を斜光入射させ、プリズム面を斜めに使用することによって、４方向からの入射光を同一条件で屈折放射ができるようにしている。各入射光に対しては図２に示す如く光源Ｋ1から放射された入射光Ｐ１はプリズムシートＰＳ１のプリズム斜面Ｌ１とプリズムシートＰＳ２のプリズム斜面Ｕ２を通過して出射光となり、同様に光源Ｋ２から放射された入射光Ｐ２はプリズムシートＰＳ１のプリズム斜面Ｌ２とプリズムシートＰＳ２のプリズム斜面Ｕ２を通過し、光源Ｋ３から放射された入射光Ｐ３はプリズムシートＰＳ１のプリズム斜面Ｌ１とプリズムシートＰＳ２のプリズム斜面Ｕ１を通過し、光源Ｋ４から放射された入射光Ｐ４はプリズムシートＰＳ１のプリズム斜面Ｌ２とプリズムシートＰＳ２のプリズム斜面Ｕ１を通過してそれぞれ出射光となる。

また、各光源から放射された広い面積を有する入射光は、２枚のプリズムシートＰＳ１、ＰＳ２に設けられた多数のプリズム列の各斜面に入射してそれぞれ屈折放射を行うが、前述の如く各プリズム列のピッチは１μｍ〜１００μｍの微細ピッチとなっているため、目視的には別々の出射光としては認識されず、合成された単一の出射光として認識される。したがって、各光源の条件として、光源Ｋ１がＲ光、光源Ｋ４がＢ光、光源Ｋ２、Ｋ３がＧ光とした場合には出射光としてはＲ光、Ｂ光、Ｇ光を混色して白色光Ｐｗが出射される。

次に２枚のプリズムシートＰＳ１、ＰＳ２に対する各光源からの入射光の光路について説明する。図４は図２に示すプリズムシートＰＳ２の部分拡大図であり、プリズムシートＰＳ２を屈折しながら透過する各入射光の光路を示す。図５は図２に示すプリズムシートＰＳ１の部分拡大図であり、プリズムシートＰＳ１を屈折しながら透過する各入射光の光路を示す。本実施形態においては２枚のプリズムシートＰＳ１、ＰＳ２は材質として屈折率が１．４９のアクリルを使用し、プリズム頂角が９０°となっている。

一般にプリズムの光路を求める方法としては、下記のように行われる。すなわち１枚のプリズムシートの下面側から入射光を入れて、プリズムシートの直上方向に出射光を得ようとした場合、光路の求め方としては逆方向にたどるやり方が行われる。例えば図４の上側プリズムシートであるプリズムシートＰＳ２の場合には、まず出射光として混色された白色光Ｐｗを直上方向に出射させる必要があるので、各光源からの出射光を逆向きにして、プリズムシートの直上方向からアクリル製のプリズムシート中に入射させる。この時入射光は空気とアクリルとの屈折率の差によってスネルの法則が適用され、境界面において所定の屈折角があたえられてプリズムシート内を進行して行く。さらにプリズムシートＰＳ２の下面から空気中に出射する時にも境界面においてスネルの法則による所定の屈折角があたえられて空気中に出射される。

プリズムシートＰＳ２を実際の光源装置として用いる場合には、上記結果に基づいてプリズムシートＰＳ２の下面より空気中に出射された出射光の角度で、各光源からの入射光を入射すればプリズムシート内を同様の所定屈折角で進行し、プリズムシートＰＳ２の上面より直上方向に出射光を得ることができる。

次に図４、図５により２枚のプリズムシートＰＳ１、ＰＳ２に対する実際の各光源からの入射光の光路について説明する。図４に示す上側のプリズムシートＰＳ２の場合はＹ軸−Ｚ軸平面を示しており、図２に示す光源Ｋ１からの入射光Ｐ１と光源Ｋ２からの入射光Ｐ２とがプリズムシートＰＳ２の左側のプリズム斜面Ｕ２を通過し、また光源Ｋ３からの入射光Ｐ３と光源Ｋ４からの入射光Ｐ４とがプリズムシートＰＳ２の右側のプリズム斜面Ｕ１を通過して直上方向に出射される。従ってプリズムシートＰＳ２の下面に入射する方向は入射光Ｐ１、Ｐ２とが左傾斜で、入射光Ｐ３、Ｐ４が右傾斜とその入射方向は逆になるが、その入射光の進行角度はすべて同じ角度となる。

すなわち、各入射光におけるプリズムシートＰＳ２の下面の境界面法線（点線で示す）との角度θ２及びγ２、各出射光におけるプリズムシートＰＳ２のプリズム斜面の境界面法線（点線で示す）との角度β２及びα２はすべて同じになる。そしてこれらの角度は屈折率が１．４９のアクリルを使用し、プリズム頂角が９０°のプリズムシートＰＳ２においてはα２＝４５．０°、β２＝２８．３°、γ２＝１６．７°、θ２＝２５．３°である。

次に図５に示す下側のプリズムシートＰＳ１の場合はＸ軸−Ｚ軸平面を示しており、各入射光におけるプリズムシートＰＳ１の下面の境界面法線（点線で示す）との角度θ１及びγ１、各出射光におけるプリズムシートＰＳ１のプリズム斜面の境界面法線（点線で示す）との角度β１及びα１はすべて同じになる。そしてこれらの角度は屈折率が１．４９のアクリルを使用し、プリズム頂角が９０°のプリズムシートＰＳ１においてはα１＝５０．３°、β１＝３１．１°、γ１＝２４．６°、θ１＝３８．４°である。なお、図５におけるプリズムシートＰＳ１からの各出射光Ｐ１〜Ｐ４が作図上は直上方向に出射されるように図示されているが、これらの出射光は紙面に対して垂直方向に傾斜角を有するものであり、図５のＸ軸−Ｚ軸平面では傾斜が見えない方向になっているためである。しかし実際には出射光Ｐ１、Ｐ２は紙面の奥方向へ向う傾斜角を有し、出射光Ｐ３、Ｐ４は紙面の手前方向へ向う傾斜角を有している。

すなわち各出射光Ｐ１〜Ｐ４の傾斜方向は逆になっているが、その傾斜角度はすべて同じであり、Ｚ軸に対しては２５．３°の傾斜を有し、これをプリズムシートＰＳ１におけるプリズム斜面の境界面法線を基準にすると５０．３°の傾きとなる。従ってＺ軸に対しては２５．３°の傾斜を有する下側のプリズムシートＰＳ１の各出射光Ｐ１〜Ｐ４は、上側のプリズムシートＰＳ２における下面の境界面法線に対して２５．３°の入射角、すなわちθ２の入射角を有する入射光となり、プリズムシートＰＳ２の内部を屈折進行して上面より直上方向に出射される。なお、図４、図５においては、理解を容易にするために入射光Ｐ１と入射光Ｐ２及び入射光Ｐ３と入射光Ｐ４とを別々のプリズム斜面に入射している状態を示したが、実際には各々同一のプリズム斜面にも同時に入射して合成されるものである。

図６は２枚のプリズムシートＰＳ１、ＰＳ２を入射光が連続して通過していく光路の進行状態を模擬的に示したものであり、入射光Ｐ１のみを代表的に示している。すなわち、下側のプリズムシートＰＳ１の下面より入射光Ｐ１がプリズム列に対してＸ軸から４３．５°のＸ軸―Ｙ軸平面方向の角度、下面の境界面法線から３８．４°のＺ軸方向の角度（θ１）で入射するとプリズムシートＰＳ１内で屈折が行われたのちにプリズム斜面Ｌ１より空気中に出射される。この出射された入射光Ｐ１は上側のプリズムシートＰＳ２の下面より境界面法線から２５．３°のＺ軸方向の角度（θ２）で入射され、プリズムシートＰＳ２内で屈折が行われたのちにプリズム斜面Ｕ２より直上方向の空気中に出射される。また、図示は省略したが、入射光Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４についても図４、図５に示した光路に従って同様に進行出射されるものである。なお、図６の作図にあたっては理解し易くするために、２枚のプリズムシートＰＳ１、ＰＳ２を実際より少し離して図示し、かつプリズムシートＰＳ２の配置位置を解り易くするために仮想軸としてＸ軸に対応するＸ’軸を設けている。

上記の如く本発明では、プリズム列を交叉させて積層配置した２枚のプリズムシートにおける各プリズム列に対して、入射光をＸ軸―Ｙ軸平面方向の角度とＺ軸方向の角度を有する斜め方向から入射させることで、プリズム斜面を斜めに使用している。この結果、同一の光学的条件のもとで４方向からの入射光を同時に入射さて合成することを可能にしている。

次に本発明の光源装置における光線の広がりについて説明する。図７は下側のプリズムシートＰＳ１の下面に入射光Ｐ１及びＰ４が入射した時の光線の広がりを示す側面図である。この光源装置を照明装置とするとＺ軸に平行方向が照明装置の出射光軸であり、Ｚ軸からθ１（３８．４°）傾いた方向が光源Ｋ１、Ｋ４からの入射光軸となる。また水平軸はプリズムシートＰＳ１のＸ軸から４３．５°回転した軸である。いま光源Ｋ１から光束幅がＨの入射光Ｐ１をプリズムシートＰＳ１の下面に入射した場合を考えると、斜め方向から水平面に向けて幅のある光線を入射させているため、入射面において光線の幅が広がり、１．２８Ｈの幅の光線となって出射される。また、光源Ｋ４からの入射光Ｐ４も、光源Ｋ１の入射光Ｐ１と同様の条件で対称位置から入射され、同様の広がりとなる。

図８は、図７に示す光源装置において、積層された２枚のプリズムシートＰＳ１、ＰＳ２に光源Ｋ１〜Ｋ４の４光源によって４方向から入射光を入射させた時の光線の広がりを示す平面図である。図８において点線はＸ軸から４３．５°回転した軸である。またＳ１４は光源Ｋ１とＫ４によって構成された照明光、Ｓ２３は光源Ｋ２とＫ３によって構成された照明光であり、各々短軸が入射光の幅Ｈ、長軸が出射光の幅１．２８Ｈの楕円形となっている。そしてこの２個の楕円形の照明光Ｓ１４、Ｓ２３は中心点を共通にして重ね合わされ、この結果斜線で示す２個の楕円形の重なり部分が４つの光源Ｋ１〜Ｋ４の合成された照明光Ｓとして利用できる。すなわち４つの光源Ｋ１〜Ｋ４をＲ光、Ｂ光、Ｇ光、Ｇ光にした場合には、照明光Ｓが混色された白色光Ｐｗとして利用できる。

次に本発明の第２実施形態における光源装置について図９〜図１１により説明する。図９は下側のプリズムシートＰＳ１の下面に光源Ｋ１、Ｋ４から入射光Ｐ１及びＰ４が入射した時の光線の広がりを示す側面図であり、第１実施形態の光源装置における図７に対応するものである。従って図７の光源装置と同一要素には同一番号を付し、重複する説明を省略する。図９の光源装置において図７の光源装置と異なるところは、光源Ｋ１及び光源Ｋ４とプリズムシートＰＳ１の下面との間の光路中に光学装置として縦と横とで異なる曲率半径を有するレンズを設けたことであり、本実施形態においてはアナモフィックレンズ１２を設けている。

次に図９、図１０により光線の広がり状態を説明する。いま光源Ｋ１から図１０（ａ）に示すような直径がＨの円形を有する入射光Ｐ１が放射された場合を考えると、この入射光Ｐ１はアナモフィックレンズ１２を通ることによって、縦と横とで異なる光学変化を受けることにより、入射光Ｐ１は図１０（ｂ）に示すような横方向の長軸がＨで、縦方向の短軸がＨｓの楕円形の光線形状となって下側のプリズムシートＰＳ１の下面に入射する。この結果、斜め方向から水平面に向けて入射させた入射光Ｐ１は、入射面において光線の縦方向の幅が広がることで光線幅ＨｓがＨに広り、図１０（ａ）に示す直径がＨの円形を有する光線に復元して出射される。すなわち、入射光Ｐ１をアナモフィックレンズ１２を用いて、予め斜光入射によって広がる分だけ縮めておくことによって、入射光と同一形状の出射光を得るようにしている。

図１１は、図９に示すアナモフィックレンズ１２を有する光源装置において、積層された２枚のプリズムシートＰＳ１、ＰＳ２に光源Ｋ１〜Ｋ４の４光源によって４方向から入射光を入射させた時の光線の広がりを示す平面図であり、第１実施形態の光源装置における図８に対応するものである。図１１において図８と異なるところは、光源Ｋ１とＫ４によって構成された照明光Ｓ１４、光源Ｋ２とＫ３によって構成された照明光Ｓ２３共に直径がＨの円形となるため、重ね合わされた照明光Ｓも直径がＨの円形となる。従って照明光Ｓ１４、Ｓ２３、Ｓはすべて斜線で示す１個の円形となっている。すなわち、第２実施形態における光源装置は入射光のすべてを照明光として利用できるため、効率の良い照明装置となる。なお、図９の光源装置においては図７に示す第１実施形態の光源装置の光路中にアナモフィックレンズ１２を設ける構成を示したが、これに限定されるものではなく、各光源Ｋに設けられている集光レンズ２の替わりにアナモフィックレンズ１２を設けても良い。

次に本発明の第３実施形態における光源装置について図１２、図１３により説明する。図１２は第３実施形態における光源装置の斜視図であり、図１に示す第１実施形態の光源装置と基本的構成は同じであり、同一要素には同一番号を付し、重複する説明を省略する。図１２において２０は光源装置であり、図１の光源装置１０と異なるところは、光源Ｋ３の発光手段としてＧ・ＬＥＤの替わりにＢｌｕｅＹＡＧ・ＬＥＤ１ｂｙを配設したことである。

次にＢｌｕｅＹＡＧ・ＬＥＤ１ｂｙの構成を説明する。図１３は蛍光体混色型の白色発光装置であるＢｌｕｅＹＡＧ・ＬＥＤの断面図である。１ｂｙはＢｌｕｅＹＡＧ・ＬＥＤであり、電極３１、３２を有する基板３３にＢ・ＬＥＤ１ｂが接続されており、該Ｂ・ＬＥＤ１ｂをＹＡＧ系の蛍光粒子３５を混入した透明樹脂３６でモールドしている。

上記ＢｌｕｅＹＡＧ・ＬＥＤ１ｂｙの動作は、前記電極３１、３２に駆動電圧を印加するとＢ・ＬＥＤ１ｂが青色光Ｐｂを発光する。そしてこの青色光Ｐｂが透明樹脂３６に混入された蛍光粒子３５に衝突すると蛍光粒子３５が励起されて波長変換が行われ、蛍光粒子３５から図示のごとく黄色光Ｐｅが発光される。この結果ＢｌｕｅＹＡＧ・ＬＥＤ１ｂｙからは、前記Ｂ・ＬＥＤ１ｂから発光されて蛍光粒子３５に衝突せずに出力される青色光Ｐｂと、蛍光粒子３５に衝突して波長変換された黄色光Ｐｅとが混合された蛍光系の白色光Ｐｗｙとして発光される。

図１２に示す如く光源装置２０は、光源Ｋ１にはＲ・ＬＥＤ１ｒ、光源Ｋ２にはＧ・ＬＥＤ１ｇ、光源Ｋ３にはＢｌｕｅＹＡＧ・ＬＥＤ１ｂｙ、光源Ｋ４にはＢ・ＬＥＤ１ｂを配設して混色を行っているため、Ｒ、Ｇ、ＢのＬＥＤによる混色に加えてＢｌｕｅＹＡＧ・ＬＥＤ１ｂｙによる蛍光系の白色光Ｐｗｙが混色されることによって演色性が良く明るい照明装置が実現できる。

なお、上記の実施形態１から３では、４つの光源の光を合成する実施形態について説明したが、光源の数は特に限定されるものではない。また、同一波長の光源を合成する集合型の光源装置にも適用できる。

上記で説明した実施形態によれば、２枚のプリズムシートを積層した薄型構成の光学系によって複数の光源からの入射光を合成することができるため、形状的に小型薄型で、光学的に光合成性能の優れた光源装置を提供することができる。

本発明の光源装置は、同一波長の光源を合成する集光型の光源装置や、異なる波長の光源を合成する混色型の光源装置を実現することができるためその応用範囲は広く、一般照明だけでなく、プロジェクター用の光源や液晶表示装置用のバックライト等に利用することができる。

本発明の第１実施形態における光源装置の外観斜視図である。 図１に示す２枚のプリズムシートの構成を示す、上面図及び側面図である。 図２に示す２枚のプリズムシートと複数の光源の関係を示す平面図である。 図２に示すプリズムシートＰＳ２の部分拡大図である。 図２に示すプリズムシートＰＳ１の部分拡大図である。 図２に示す２枚のプリズムシートにおける入射光の通過光路を模擬的に示す斜視図である。 本発明のプリズムシートに入射光が斜光入射した時の光線の広がりを示す側面図である。 図７に示すプリズムシートに４光源から入射した光線の平面図である。 本発明の第２実施形態における光源装置のプリズムシートに入射光が斜光入射した時の光線の広がりを示す側面図である。 図９に示すプリズムシートへの入射光の平面図である。 図９に示すプリズムシートに４光源から入射した光線の平面図である。 本発明の第３実施形態における光源装置の外観斜視図である。 図１２に示すＢｌｕｅＹＡＧ・ＬＥＤの断面図である。 従来のカラー投影機の構成図である。 図１４に示すリニアプリズム板の部分断面図である。 従来の面発光装置の分解斜視図である。 図１６に示す発光基板の部分拡大側面図である。

符号の説明

１ ＬＥＤ
１ｒ 赤色ＬＥＤ
１ｂ 青色ＬＥＤ
１ｇ 緑色ＬＥＤ
１ｂｙ ＢｌｕｅＹＡＧ・ＬＥＤ
２ 集光レンズ
３ ケース
１０、２０ 光源装置
１２ アナモフィックレンズ
ＰＳ１、ＰＳ２ プリズムシート
Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３、Ｋ４ 光源
Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４ 入射光
Ｌ１、Ｌ２、Ｕ１、Ｕ２ プリズム斜面
Ｐｏ 集光点
Ｓ、Ｓ１４、Ｓ２３ 照明光
３１、３２ 電極
３３ 基板
３５ 蛍光粒子
３６ 透明樹脂
Ｐｂ 青色光
Ｐｅ 黄色光
Ｐｗｙ、Ｐｗ 白色光

Claims (22)

1. 複数の光源と、一方の面に複数の微細なプリズム列を有し、他方の面が平面な２枚のプリズムシートよりなり、前記２枚のプリズムシートを各々のプリズム列が所定の角度で交叉する様に積層配置し、積層された２枚のプリズムシートの下面側に、前記複数の光源を所定の角度に傾けて配置することにより、積層された２枚のプリズムシートの下面側より所定の角度をもって入射された複数の光源からの入射光を２枚のプリズムシートの上面側より合成させた出射光として出力することを特徴とする光源装置。
2. 前記各光源は、積層された２枚のプリズムシートにおける各プリズム列の交叉によって形成される４つのゾーンに分散されて配置されている請求項１記載の光源装置。
3. 前記各光源の入射光は、積層された２枚のプリズムシートにおける各プリズム列の交叉角の中心線近傍に沿って入射することを特徴とする請求項１または２記載の光源装置。
4. 前記各光源の入射光は、積層された２枚のプリズムシートにおける所定の集光点に向かって入射することを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項記載の光源装置。
5. 前記各光源は、前記２枚のプリズムシートにおける所定の集光点に対して、点対称に配置されていることを特徴とする請求項４記載の光源装置。
6. 前記各光源は、前記２枚のプリズムシートにおける所定の集光点を通る軸線に対して、線対称に配置されていることを特徴とする請求項４記載の光源装置。
7. 前記微細なプリズム列の頂角が略直角であることを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項に記載の光源装置。
8. 前記複数の微細なプリズム列のピッチは１μｍ〜１００μｍであることを特徴とする請求項１乃至７の何れか１項に記載の光源装置。
9. 前記複数の光源における発光面の前方には、各々集光用の光学装置（レンズ）を備えたことを特徴とする請求項１乃至８の何れか１項に記載の光源装置。
10. 前記光学装置は縦と横とで異なる曲率半径を有するレンズである請求項９記載の光源装置。
11. 発光色の異なる複数の光源と、一方の面に複数の微細なプリズム列を有し、他方の面が平面な２枚のプリズムシートよりなり、前記２枚のプリズムシートを各々のプリズム列が所定の角度で交叉する様に積層配置し、積層された２枚のプリズムシートの下面側に、前記複数の光源を所定の角度に傾けて配置することにより、積層された２枚のプリズムシートの下面側より所定の角度をもって入射された複数の光源からの入射光を２枚のプリズムシートの上面側より混色させた出射光として出力することを特徴とする光源装置。
12. 前記各光源は、積層された２枚のプリズムシートにおける各プリズム列の交叉によって形成される４つのゾーンに分散されて配置されている請求項１１記載の光源装置。
13. 前記各光源の入射光は、積層された２枚のプリズムシートにおける各プリズム列の交叉角の中心線近傍に沿って入射することを特徴とする請求項１１または１２記載の光源装置。
14. 前記各光源の入射光は、積層された２枚のプリズムシートにおける所定の集光点に向かって入射することを特徴とする請求項１１乃至１３の何れか１項記載の光源装置。
15. 前記各光源は、前記２枚のプリズムシートにおける所定の集光点に対して、点対称に配置されていることを特徴とする請求項１４記載の光源装置。
16. 前記各光源は、前記２枚のプリズムシートにおける所定の集光点を通る軸線に対して、線対称に配置されていることを特徴とする請求項１４記載の光源装置。
17. 前記微細なプリズム列の頂角が略直角であることを特徴とする請求項１１乃至１６の何れか１項に記載の光源装置。
18. 前記複数の光源における発光面の前方には、各々集光用の光学装置（レンズ）を備えたことを特徴とする請求項１１乃至１７の何れか１項に記載の光源装置。
19. 前記光学装置は縦と横とで異なる曲率半径を有するレンズである請求項１８記載の光源装置。
20. 前記複数の光源はＲ、Ｇ、ＢのＬＥＤ光源を含むことを特徴とする請求項１１乃至１９の何れか１項に記載の光源装置。
21. 前記積層された２枚のプリズムシートにおける３ヶ所に、Ｒ、Ｇ、ＢのＬＥＤ光源が配設され、残りの１ヶ所にＧ・ＬＥＤ光源が配設された請求項２０記載の光源装置。
22. 前記積層された２枚のプリズムシートにおけるに３ヶ所に、Ｒ、Ｇ、ＢのＬＥＤ光源が配設され、残りの１ヶ所にＢｌｕｅＹＡＧ・ＬＥＤ光源が配設された請求項２０記載の光源装置。

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