JP4944769B2 - 照明装置及びそれを用いた投写型表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、照明装置及びそれを用いた投写型表示装置に関する。

近年、大画面表示が可能な投写型表示装置（プロジェクタ）の光源として、色純度の高い青色、緑色、赤色の３色の単色光を出射し、これまでの水銀ランプよりも広い色再現範囲を実現することのできる、発光ダイオードなどの固体光源が注目されている。この投写型表示装置の照明装置には、明るい部屋でも高画質を実現するために、より明るい照明が求められている。そこで、光源から出射された光を、より効率良く画像表示素子へ伝搬させるために、照明装置の光学系における光損失を少なくする検討が行われている。

また、スクリーン上での画像をフルカラー表示するためには、青色、緑色、赤色の３色で発光する固体光源からの光を、照明装置や投写型表示装置内の光学系によって色合成する必要がある。この色合成手段としては、各光源からの光を偏光制御することにより、色合成時の光損失や、入射角依存性に起因して光学薄膜面で生じる色むらを低減するようにした色合成手段（例えば、特許文献１参照）、あるいは、偏光制御を必要とせず、自然光のままでも色合成が可能な色合成手段（例えば、特許文献２、３参照）が知られている。

しかし、上記従来の色合成手段を用いた照明装置及び投写型表示装置には、以下のような課題があった。

図１０に示すようなクロスプリズム４２１と呼ばれる色合成手段を用いる場合には、光源自体から出射される光が自然光である光源４０１、４０２、４０３に対して、色合成時の光損失や、入射角依存性に起因して光学薄膜面４３１、４３２で生じる色むらを低減するために、偏光板４１１、４１２、４１３や１／４波長板（図示せず）等を用いる必要がある。

さらに詳細には、クロスプリズム４２１に入射する光の偏光面が、出射する方向に対して垂直である光と平行である光とで９０度異なるように、各入射する光の偏光を制御することにより、光学薄膜面４３１、４３２での色合成時における光損失や色むらの発生は抑えられるが、偏光板４１１、４１２、４１３や１／４波長板等の偏光制御を行うための部材を必要とし、さらには、偏光板４１１、４１２、４１３や、一方の偏光を他方の偏光に揃えるために必要な１／４波長板などでも光損失が発生するため、光源から出射されて画像表示素子を照明するまでに伝搬する光の利用効率は照明装置全体として低下するといった課題がある。

図１１に、偏光制御を必要とせず、偏光面がランダムに存在している自然光のままでも色合成が可能な色合成手段を示す。これは、従来の照明装置や投写型表示装置にも用いられることのある色合成手段であり、従来の光源であるキセノンランプや超高圧水銀灯は連続した波長帯（スペクトル）を有する白色光源であるため、分離された３色の光を変調する画像表示素子からの光を色合成したりする、第１〜第３のプリズム５２１、５２２、５２３と第１及び第２の光学薄膜（ダイクロイックミラー）５３１、５３２とを有する色合成プリズムとして用いられることが多かった。尚、図１１中、５０１、５０２、５０３はそれぞれ青色発光ダイオード、緑色発光ダイオード、赤色発光ダイオードを示しており、５１１、５１２、５１３は、それぞれ、広い角度で出射される発光ダイオードからの光束を、できるだけ平行な光束に近づけるようなレンズ効果を持つ集光レンズを示している。

この色合成プリズムは、３色合成された光が出射する出射面を有する第１のプリズム５２１内において、全反射を利用して、３色の光の光軸を一致させるものであるため、この色合成プリズムにおいては、第１のプリズム５２１内で全反射を起こしやすい青色発光ダイオード５０１からの光が、当該第１のプリズム５２１内で他の光源からの光と色合成されている。

また、この色合成プリズムは、従来、色合成手段としてだけではなく、色分離手段としても使用されることが多かった。このとき、紫外線に近い光を多く含んだ白色光源から単色光を分離、生成した場合、紫外線に近い光を多く含む青色の光は、プリズム同士を接合したり、プリズム同士を微小間隔で保持したりするために用いられる接着剤を劣化させてしまう。このため、複数のプリズムで構成される色分離（色合成）手段においては、青色の光が、３色合成された光が伝搬する第１のプリズム５２１内だけで伝搬し、他のプリズム内を伝搬しないようにされていた。

さらに、図１２に、偏光制御を必要とせず、偏光面がランダムに存在している自然光のままでも色合成が可能であると共に、光学薄膜が、プリズムではなく、光学フィルタに形成された色合成手段を示す。このような構成の色合成手段においては、図１２に示すように、第１の光学薄膜（ダイクロイックミラー）を有する第１の光学フィルタ６２１、及び第２の光学薄膜（ダイクロイックミラー）を有する第２の光学フィルタ６２２を、光軸に対して４５度傾けて、色合成することが多かった。尚、図１２中、６０１、６０２、６０３はそれぞれ青色発光ダイオード、赤色発光ダイオード、緑色発光ダイオードを示しており、特に色の配置に関しては、どこにどの発光ダイオードを配置しても大きな差は生じない。また、６１１、６１２、６１３は、それぞれ集光レンズを示している。

また、従来の光源であるキセノンランプや超高圧水銀灯のような、連続したスペクトルを有する光源とは異なり、単色光を出射する発光ダイオードのような光源では、例えば図２に示すように、青色、緑色、赤色の３色の光のスペクトルが均等に配置されておらず、青色の光のスペクトル１０１と緑色の光のスペクトル１０２とは近接しているが、緑色の光のスペクトル１０２と赤色の光のスペクトル１０３との間隔は、青色の光のスペクトル１０１と緑色の光のスペクトル１０２との間隔よりも広くなっているといった特徴を有する場合が多い。

さらに、光源からの光は、完全な平行光ではなく、広がりを有することが多いため、光学薄膜のカットオフ波長は、光学薄膜に入射する光の入射角に依存してシフトすることが知られている。
特許第３３１９４３８号公報 特開２００４−７００１８号公報 特開２００４−３０２３５７号公報

しかし、図１１に示すような色合成プリズムでは、緑色と赤色との間にカットオフ波長を有する第２の光学薄膜５３２が設けられている面の法線と光源から入射する光の光軸とのなす角度（入射角）（図１１中の５４２は当該入射角の２倍の角度を表している）に対して、青色と緑色との間に反射率（透過率）が急峻に変化する波長（カットオフ波長）を有する第１の光学薄膜５３１が設けられている面の法線と光源から入射する光の光軸とのなす角度（入射角）（図１１中の５４１は当該入射角の２倍の角度を表している）が大きくなってしまう。このため、青色の光のスペクトルと緑色の光のスペクトルとの間隔が相対的に狭い発光ダイオード等の光源を用いた場合には、入射角依存性によるカットオフ波長のシフトによって、青色発光ダイオード５０１と緑色発光ダイオード５０２とから出射される光のうちの一部の波長の光が、光学薄膜面の反射されるべき面で反射されなかったり、透過すべき面で透過しなかったりといった問題が生じ、色合成時の光損失や、光学薄膜面での色むらが大きく生じてしまうという課題があった。

また、図１２に示すような、２つの光学フィルタ６２１、６２２を用いた色合成手段においても、同様の課題があった。

以上のように、発光ダイオードのような、単色光を出射し、かつ、青色、緑色、赤色の３色の光のスペクトルが均等に配置されていない光源を用いた照明装置においては、自然光で出射された光を、偏光制御を行っていない自然光の状態で、かつ、色合成時の光損失や、入射角依存性に起因して光学薄膜面で生じる色むらを抑えた状態で、色合成することは困難であった。

本発明は、従来技術における前記課題を解決するためになされたものであり、偏光制御を行っていない自然光の状態であっても、色合成時の光損失や、入射角依存性に起因して光学薄膜面で生じる色むらの少ない色合成を実現することのできる照明装置及びそれを用いた投写型表示装置を提供することを目的とする。

前記目的を達成するため、本発明に係る照明装置の構成は、青色の光を出射する第１の光源と、緑色の光を出射する第２の光源と、赤色の光を出射する第３の光源と、前記青色の光と、前記緑色の光と前記赤色の光が色合成された光とを合成する第１の光学薄膜と、前記緑色の光と前記赤色の光とを合成する第２の光学薄膜とを備えた照明装置であって、前記青色、緑色及び赤色の光のスペクトルは、異なるスペクトル間隔で並んでおり、前記青色の光が前記第１の光学薄膜に入射する際の入射角は、前記緑色の光が前記第２の光学薄膜に入射する際の入射角よりも小さくなっており、前記第２の光学薄膜のカットオフ波長は、スペクトル間隔が相対的に広い緑色と赤色の光のスペクトルの間に設定されていることを特徴とする。

また、本発明に係る投写型表示装置の構成においては、前記第１の光学薄膜は、前記青色の光と、前記青色、緑色及び赤色の光が３色合成された光とが伝搬する第１のプリズムと、前記緑色の光と、前記緑色の光と前記赤色の光が色合成された光とが伝搬する第２のプリズムとの間に設けられ、前記第２の光学薄膜は、前記第２のプリズムと、前記赤色の光のみが伝搬する第３のプリズムとの間に設けられているのが好ましい。

また、本発明に係る投写型表示装置の構成においては、前記第１の光学薄膜は、前記緑色の光と前記赤色の光が色合成された光が透過する第１の光学フィルタに形成され、前記第２の光学薄膜は、前記赤色の光が透過する第２の光学フィルタに形成されているのが好ましい。

また、本発明に係る投写型表示装置の構成においては、前記第１〜第３の光源が発光ダイオードであるのが好ましい。

また、本発明に係る投写型表示装置の構成は、照明装置と、前記照明装置からの照明光を変調して画像を形成する画像表示手段と、前記画像表示手段によって変調された光をスクリーン上に投写する投写手段とを備えた投写型表示装置であって、前記照明装置として前記本発明の照明装置を用いたことを特徴とする。

本発明によれば、偏光制御を行っていない自然光の状態であっても、色合成時の光損失や、入射角依存性に起因して光学薄膜面で生じる色むらの少ない色合成を実現することのできる照明装置及びそれを用いた投写型表示装置を提供することができる。

以下、実施の形態を用いて本発明をさらに具体的に説明する。

［第１の実施の形態］
図１は本発明の第１の実施の形態における照明装置を示す概略構成図である。

図１に示すように、本実施の形態の照明装置は、第１〜第３のプリズム２１〜２３からなる色合成プリズム２４と、各プリズム２１〜２３に対応させて配置された光源、及び集光レンズ１１〜１３とを備えている。

ここで、光源としては、３つの異なる色の光を出射する、赤色発光ダイオード１と、青色発光ダイオード２と、緑色発光ダイオード３とが用いられている。集光レンズ１１〜１３は、各発光ダイオード１〜３から出射された光を集光して各プリズム内に入射させるための光学手段である。

第１及び第２のプリズム２１、２２は、それぞれ三角プリズムからなり、第３のプリズム２３は台形プリズムからなっている。第１のプリズム２１は、３色合成された光が出射する出射面を有している。第１のプリズム２１の、第２のプリズム２２との対向面には、緑色の光のスペクトルと赤色の光のスペクトルとの間にカットオフ波長を有する第１の光学薄膜（ダイクロイックミラー）３１が形成されており、当該第１の光学薄膜３１と第２のプリズム２との間には空気層（図示せず）が介在している。また、第２のプリズム２２の、第３のプリズム２３との対向面には、青色の光のスペクトルと緑色の光のスペクトルとの間にカットオフ波長を有する第２の光学薄膜（ダイクロイックミラー）３２が形成されており、当該第２の光学薄膜３２と第３のプリズム２３とは接着されている。そして、赤色の光と、青色、緑色、赤色の３色の光が３色合成された光とが第１のプリズム２１内を伝搬し、青色の光と、青色の光と緑色の光が色合成された光とが第２のプリズム２２内を伝搬し、緑色の光のみが第３のプリズム２３内を伝搬する。このように、第１〜第３のプリズム２１〜２３は、３色合成された光の出射側から緑色発光ダイオード３側に向かって、この順番で配置されている。

図２に、現在のフルカラーディスプレイなどで多く用いられている、赤色発光ダイオード１、青色発光ダイオード２、緑色発光ダイオード３から出射される光のスペクトルの一例を示す。図２において、１０１は青色発光ダイオード２から出射される青色の光のスペクトル、１０２は緑色発光ダイオード３から出射される緑色の光のスペクトル、１０３は赤色発光ダイオード１から出射される赤色の光のスペクトルをそれぞれ示している。尚、図２においては、各色の光のスペクトルの最大強度が“１”となるように規格化したものを示しており、実際に使用する各色の光のスペクトルの最大強度が一致しているわけではない。つまり、各色の光のスペクトルの相対強度比は使用する発光ダイオードや光学システム等によって変化するが、図２では簡略化して示している。このとき、図２に示すように、各発光ダイオードから出射される青色、緑色、赤色の３色の光のスペクトルは、均等に配置されていない。すなわち、青色の光のスペクトル１０１と緑色の光のスペクトル１０２とは、スペクトルの間隔が相対的に狭く、緑色の光のスペクトル１０２と赤色の光のスペクトル１０３とは、スペクトルの間隔が相対的に広くなっている。

このスペクトルの間隔の比較は、各色の光のスペクトルにおけるピーク波長の間隔や、スペクトルの重心の波長を示す主波長の間隔で行ったり、ピーク強度に対して一定の割合となる強度における波長の間隔、例えば、ピーク強度の５０％の強度における波長の間隔や、ピーク強度の１０％の強度における波長の間隔で行ったりしてもよい。本実施の形態では、ピーク強度の５０％の強度における波長の間隔を例に挙げて説明している。

次に、上記構成の照明装置を用いた場合の、３色合成の方法について説明する。

図１に示すように、緑色発光ダイオード３から出射された緑色の光は、集光レンズ１３を介して第３のプリズム２３内に入射し、第２の光学薄膜３２が形成されている面に到達する。また、青色発光ダイオード２から出射された青色の光は、集光レンズ１２を介して第２のプリズム２２内に入射し、第１の光学薄膜３１と第２のプリズム２との間の空気層によって全反射されて、第２の光学薄膜３２が形成されている面に到達する。

青色発光ダイオード２から出射された青色の光と緑色発光ダイオード３から出射された緑色の光とが到達する面に形成されている第２の光学薄膜３２は、図３に示すような分光特性を有している。図３においては、実線で示す分光特性１１２が光軸上の光に対する分光特性を示している。尚、第２の光学薄膜３２に入射する光の入射角依存性によって当該第２の光学薄膜３２のカットオフ波長がシフトするため、光軸上の光に対する分光特性の両側に、光軸に対して±１０度で入射する光に対する分光特性１１３、１１１を、破線及び一点鎖線で示している。図３に示すように、第２の光学薄膜３２に入射する光の入射角が１０度程度ばらついたときの、当該第２の光学薄膜３２のカットオフ波長のシフト量は、約２０ｎｍ程度である。

しかし、図２に示す各光のスペクトルから、緑色発光ダイオード３から出射される緑色の光（スペクトル１０２）については、強度５０％以上である波長５１０ｎｍ〜５５０ｎｍの光が、入射角が１０度程度ばらついても、８０％以上の高効率で第２の光学薄膜３２を透過することが分かる。また、青色発光ダイオード２から出射される青色の光（スペクトル１０１）については、強度５０％以上である波長４５０ｎｍ〜４７０ｎｍの光が、入射角が１０度程度ばらついても、８０％以上の高効率で第２の光学薄膜３２によって反射されることが分かる。つまり、青色発光ダイオード２と緑色発光ダイオード３とから出射される光のうちの多くの波長の光は、第２の光学薄膜３２によって損失が大きくなることはない。このため、第２の光学薄膜３２により、青色発光ダイオード２から出射される青色の光と緑色発光ダイオード３から出射される緑色の光とを、効率良く、かつ、大きな色むらを発生させることなく色合成することが可能となる。

さらに、図１に示すように、第２の光学薄膜３２によって色合成された、青色発光ダイオード２からの光と緑色発光ダイオード３からの光は、第２のプリズム２２内を伝搬し、空気層を介して第１の光学薄膜３１が形成されている面に到達する。また、赤色発光ダイオード１から出射された赤色の光は、集光レンズ１１を介して第１のプリズム２１内に入射し、第１のプリズム２１の出射面と空気との界面で全反射されて、第１の光学薄膜３１が形成されている面に到達する。

青色発光ダイオード２から出射された青色の光と緑色発光ダイオード３から出射された緑色の光との合成光と、赤色発光ダイオード１から出射された赤色の光とが到達する面に設けられている第１の光学薄膜３１は、図４に示すような分光特性を有している。図４においては、実線で示す分光特性１２２が光軸上の光に対する分光特性を示している。尚、第１の光学薄膜３１に入射する光の入射角依存性によって当該第１の光学薄膜３１のカットオフ波長がシフトするため、光軸上の光に対する分光特性の両側に、光軸に対して±１０度で入射する光に対する分光特性１２３、１２１を、破線及び一点鎖線で示している。図４に示すように、第１の光学薄膜３１に入射する光の入射角が１０度程度ばらついたときの、当該第１の光学薄膜３１のカットオフ波長のシフト量は、約３０ｎｍ程度と、第２の光学薄膜３２の場合よりも１０ｎｍ程度大きい。

しかし、図２に示す各光のスペクトルから、青色発光ダイオード２から出射される青色の光（スペクトル１０１）の強度５０％以上である波長４５０ｎｍ〜４７０ｎｍと緑色発光ダイオード３から出射される緑色の光（スペクトル１０２）の強度５０％以上である波長５１０ｎｍ〜５５０ｎｍとの間隔よりも、緑色発光ダイオード３から出射される緑色の光（スペクトル１０２）の強度５０％以上である波長５１０ｎｍ〜５５０ｎｍと赤色発光ダイオード１から出射される赤色の光（スペクトル１０３）の強度５０％以上である波長６３０ｎｍ〜６５０ｎｍとの間隔の方が、スペクトルの間隔が大きいため、入射角が１０度程度ばらついても、青色の光（スペクトル１０１）と緑色の光（スペクトル１０２）は第１の光学薄膜３１を高効率で透過し、赤色の光（スペクトル１０３）は第１の光学薄膜３１によって高効率で反射されることが分かる。つまり、青色発光ダイオード２から出射される青色の光と緑色発光ダイオード３から出射される緑色の光との合成光、及び赤色発光ダイオード１から出射される赤色の光のうちの多くの波長の光は、第１の光学薄膜３１によって損失が大きくなることはない。このため、第１の光学薄膜３１により、青色発光ダイオード２から出射される青色の光と緑色発光ダイオード３から出射される緑色の光との合成光と、赤色発光ダイオード１から出射される赤色の光とを、効率良く、かつ、大きな色むらを発生させることなく色合成することが可能となる。

上記の構成において最も重要なことは、各発光ダイオードから出射される光の光軸と、光学薄膜が形成されている面の法線とのなす角（入射角）が大きくなると、光軸に対して入射角が同じ程度の範囲（例えば±１０度程度）でばらついたとしても、カットオフ波長などの分光特性のシフト量が大きくなってしまうことである。

つまり、本実施の形態で用いた発光ダイオードのような、青色、緑色、赤色の３色の光のスペクトルが均等に配置されておらず、青色の光のスペクトルと緑色の光のスペクトルとは近接しているが、緑色の光のスペクトルと赤色の光のスペクトルとの間隔は、青色の光のスペクトルと緑色の光のスペクトルとの間隔よりも広くなっている、といった特徴を有する３つの光源に対しては、青色と緑色との間にカットオフ波長を有する第２の光学薄膜３２の当該カットオフ波長のシフト量は、できるだけ小さくしなければならないが、赤色と緑色との間にカットオフ波長を有する第１の光学薄膜３１の当該カットオフ波長のシフト量は、少し大きくても許容できると考えられる。これは、緑色の光のスペクトルと赤色の光のスペクトルとの間隔が青色の光のスペクトルと緑色の光のスペクトルとの間隔よりも余裕があるからである。

本実施の形態の色合成プリズム２４においては、赤色発光ダイオード１から出射された赤色の光の、第１の光学薄膜３１が形成されている面への入射角（図１中の４１は当該入射角の２倍の角度を表している）は、青色発光ダイオード２から出射された青色の光の、第２の光学薄膜３２が形成されている面への入射角（図１中の４２は当該入射角の２倍の角度を表している）よりも大きくなっているため、入射角依存性が大きくなる第１の光学薄膜３１として、青色と緑色との間のスペクトル間隔よりもスペクトル間隔の広い赤色と緑色との間にカットオフ波長を有する光学薄膜を用い、入射角依存性の小さい第２の光学薄膜３２として、スペクトルの間隔の狭い青色と緑色との間にカットオフ波長を有する光学薄膜を用いることにより、効率良く、かつ、大きな色むらを発生させることなく３色合成することが可能になる。

尚、図１に示す本実施の形態の照明装置においては、第２の光学薄膜３２として、図３に示すような、緑色側の波長域の透過率が高く、青色側の波長域の透過率が低い分光特性を有する光学薄膜を用い、青色発光ダイオード２からの光を第２のプリズム２２の端面から入射させ、緑色発光ダイオード３からの光を第３のプリズム２３の端面から入射させるようにしているが、第２の光学薄膜３２として、図５に示すような、緑色側の波長域の透過率が低く、青色側の波長域の透過率が高い分光特性を有する光学薄膜を用い、青色発光ダイオード２からの光を第３のプリズム２３の端面から入射させ、緑色発光ダイオード３からの光を第２のプリズム２２の端面から入射させるようにしてもよい。つまり、スペクトル間隔の狭い青色の光と緑色の光との色合成が、第２の光学薄膜３２が形成されている面で行われ、青色と緑色との間のスペクトル間隔よりもスペクトル間隔の広い緑色の光と赤色の光との色合成が、第１の光学薄膜３１が形成されている面で行われていればよい。尚、図５中、実線で示す分光特性１３２は、光軸上の光に対する分光特性を示しており、破線及び一点鎖線で示す分光特性１３３、１３１は、光軸に対して±１０度で入射する光に対する分光特性を示している。

また、図１に示す本実施の形態の照明装置においては、赤色発光ダイオード１から出射された赤色の光の、第１の光学薄膜３１が形成されている面への入射角（図１中の４１は当該入射角の２倍の角度を表している）は、青色発光ダイオード２から出射された青色の光の、第２の光学薄膜３２が形成されている面への入射角（図１中の４２は当該入射角の２倍の角度を表している）よりも大きくなっているため、入射角依存性が大きくなる第１の光学薄膜３１として、青色と緑色との間のスペクトル間隔よりもスペクトル間隔の広い赤色と緑色との間にカットオフ波長を有する光学薄膜を用い、入射角依存性の小さい第２の光学薄膜３２として、スペクトルの間隔の狭い青色と緑色との間にカットオフ波長を有する光学薄膜を用いているが、第１の光学薄膜３１が形成されている面への入射角が第２の光学薄膜３２が形成されている面への入射角よりも小さくなるような構成の色合成プリズムの場合には、スペクトルの間隔の狭い青色の光と緑色の光との色合成を、第１の光学薄膜３１が形成された面で行い、青色と緑色との間のスペクトル間隔よりもスペクトル間隔の広い緑色の光と赤色の光との色合成を、第２の光学薄膜３２が形成された面で行うようにすることにより、同様の効果を得ることができる。

つまり、色合成プリズムがどのような構成であっても、第１の光学薄膜３１が形成されている面への入射角と、第２の光学薄膜３２が形成されている面への入射角とを比較し、光がより大きい入射角で入射する光学薄膜として、青色と緑色との間のスペクトル間隔よりもスペクトル間隔の広い緑色の光と赤色の光との色合成を行うために、赤色と緑色との間にカットオフ波長を有する光学薄膜を用い、光がより小さい入射角で入射する光学薄膜として、スペクトルの間隔の狭い青色の光と緑色の光との色合成を行うために、青色と緑色との間にカットオフ波長を有する光学薄膜を用いることが重要であり、これらの条件が満たされれば同様の効果が得られる。

また、図１に示す本実施の形態の照明装置においては、３つの異なる色の光を出射する光源として、赤色発光ダイオード１と、青色発光ダイオード２と、緑色発光ダイオード３とを用いているが、３つの異なる色の光を出射する光源は発光ダイオードに限定されるものではない。例えば、レーザ光源や、有機ＥＬ素子などの単色発光源、その他の単色光を出射する光源を用いてもよく、また、３つの異なる色の光として、白色光から分離した色純度の高い（スペクトル幅の狭い）単色光を用いることもできる。また、３つの異なる色の光は、青色、緑色、赤色の３色の光だけに限定されるものではなく、例えば、青みがかった緑色の光、緑色の光、黄みがかった緑色の光等の、スペクトルの近い３色の光を用いることもできる。すなわち、用いる光は、異なる３つのスペクトルを有していればよい。

また、第１のプリズム２１に設けられる第１の光学薄膜３１や、第２のプリズム２２に設けられる第２の光学薄膜３２について、各光学薄膜の設置面は一意的には決まらない。第１の光学薄膜３１は、第１のプリズム２１と第２のプリズム２２との間に設けられていればよく、第２の光学薄膜３２は、第２のプリズム２２と第３のプリズム２３との間に設けられていればよい。

また、図１に示す本実施の形態の照明装置においては、各発光ダイオードとプリズムとの間に、１つの発光ダイオードに対して１つの集光レンズを対応させて配置しているが、この集光レンズは、各発光ダイオードから出射され、プリズム内に入射する光束の平行度を高めるために設けられているので、集光レンズは必ずしも配置する必要はない。また、集光レンズを配置する場合には、複数個配置してもよい。

［第２の実施の形態］
図６は本発明の第２の実施の形態における照明装置を示す概略構成図である。

図６に示すように、本実施の形態の照明装置は、第１〜第３のプリズム２２１〜２２３からなる色合成プリズム２２４と、各プリズム２２１〜２２３に対応させて配置された光源、及び集光レンズ２１１〜２１３とを備えている。

ここで、光源としては、３つの異なる色の光を出射する、赤色発光ダイオード２０３、青色発光ダイオード２０１、及び緑色発光ダイオード２０２が用いられている。

第１のプリズム２２１は、三角プリズムの頂角部分を切断した形状となっており、第２及び第３のプリズム２２２、２２３は、それぞれ台形プリズムからなっている。第１のプリズム２２１は、３色合成された光が出射する出射面を有しており、当該第１のプリズム２２１の、第２のプリズム２２２との対向面には、スペクトルの間隔が狭い青色と緑色との間にカットオフ波長を有する第１の光学薄膜（ダイクロイックミラー）２３１が形成されている。上記第１の実施の形態の色合成プリズム２４は、第１の光学薄膜３１と第２のプリズム２との間に空気層を介在させ、第２のプリズム２２内に入射した光を、この空気層によって全反射させて第２の光学薄膜３２が形成されている面に到達させる構成であったが、本実施の形態の色合成プリズム２２４においては、第１のプリズム２２１と第２のプリズム２２２との間に空気層は介在しておらず、第１の光学薄膜２３１と第２のプリズム２２２とは接着されている。そして、第２のプリズム２２２内に入射した光は、後述する第２の光学薄膜２３２が形成されている面に直接到達する。また、第２のプリズム２２２の、第３のプリズム２２３との対向面には、青色と緑色との間のスペクトル間隔よりもスペクトル間隔の広い赤色と緑色との間にカットオフ波長を有する第２の光学薄膜（ダイクロイックミラー）２３２が形成されており、当該第２の光学薄膜２３２と第３のプリズム２２３とは接着されている。そして、青色の光と、青色、緑色、赤色の３色の光が３色合成された光とが第１のプリズム２２１内を伝搬し、緑色の光と、緑色の光と赤色の光が色合成された光とが第２のプリズム２２２内を伝搬し、赤色の光のみが第３のプリズム２２３内を伝搬する。このように、第１〜第３のプリズム２２１〜２２３は、３色合成された光の出射側から赤色発光ダイオード２０３側に向かって、この順番で配置されている。

図６に示すような構成の色合成プリズム２２４においては、第１の光学薄膜２３１が形成されている面への入射角（図６中の２４１は当該入射角の２倍の角度を表している）が第２の光学薄膜２３２が形成されている面への入射角（図６中の２４２は当該入射角の２倍の角度を表している）よりも小さくなっている場合が多く、この場合には、入射角依存性の小さい第１の光学薄膜２３１として、スペクトルの間隔が狭い青色と緑色との間にカットオフ波長を有する光学薄膜を用い、入射角依存性の大きい第２の光学薄膜２３２として、青色と緑色との間のスペクトル間隔よりもスペクトル間隔の広い赤色と緑色との間にカットオフ波長を有する光学薄膜を用いることにより、上記第１の実施の形態の場合と同様の効果が得られる。すなわち、このような構成とすることにより、効率良く、かつ、大きな色むらを発生させることなく３色合成することが可能となる。

但し、図６に示す場合であっても、第１の光学薄膜２３１が形成されている面への入射角が第２の光学薄膜２３２が形成されている面への入射角よりも大きくなる場合には、入射角依存性が大きくなる第１の光学薄膜２３１として、青色と緑色との間のスペクトル間隔よりもスペクトル間隔の広い赤色と緑色との間にカットオフ波長を有する光学薄膜を用い、入射角依存性の小さい第２の光学薄膜２３２として、スペクトルの間隔が狭い青色と緑色との間にカットオフ波長を有する光学薄膜を用いることにより、同様の効果を得ることができる。

つまり、色合成プリズムがどのような構成であっても、第１の光学薄膜２３１が形成されている面への入射角と、第２の光学薄膜２３２が形成されている面への入射角とを比較し、より大きな入射角となる光学薄膜として、青色と緑色との間のスペクトル間隔よりもスペクトル間隔の広い緑色の光と赤色の光との色合成を行うために、赤色と緑色との間にカットオフ波長を有する光学薄膜を用い、より小さい入射角となる光学薄膜として、スペクトルの間隔の狭い青色の光と緑色の光との色合成を行うために、青色と緑色との間にカットオフ波長を有する光学薄膜を用いることが重要であり、これらの条件が満たされれば同様の効果が得られる。
［第３の実施の形態］
図７は本発明の第３の実施の形態における照明装置を示す概略構成図である。

図７に示すように、本実施の形態の照明装置は、第１の光学フィルタ２５１と、第２の光学フィルタ２５２と、３つの光源、及び集光レンズ２１１〜２１３とを備えている。

ここで、光源としては、３つの異なる色の光を出射する、赤色発光ダイオード２０３、青色発光ダイオード２０１、及び緑色発光ダイオード２０２が用いられている。

第１の光学フィルタ２５１には、スペクトルの間隔が狭い青色と緑色との間にカットオフ波長を有する第１の光学薄膜（ダイクロイックミラー）が形成されている。また、第２の光学フィルタ２５２には、青色と緑色との間のスペクトル間隔よりもスペクトル間隔の広い赤色と緑色との間にカットオフ波長を有する第２の光学薄膜（ダイクロイックミラー）が形成されている。そして、緑色の光と赤色の光が色合成された光は、第１の光学フィルタ２５１を透過し、青色の光は、第１の光学フィルタ２５１に形成された第１の光学薄膜で反射する。また、赤色の光は、第２の光学フィルタ２５２を透過し、緑色の光は、第２の光学フィルタ２５２に形成された第２の光学薄膜で反射する。

これにより、緑色の光と赤色の光とが第２の光学フィルタ２５２で色合成され、合成された緑色及び赤色の光と青色の光とが第１の光学フィルタ２５１で色合成されて、青色、緑色、赤色の３色の光が３色合成されることとなる。

図７に示すような２つの光学フィルタを用いた色合成手段の構成においては、第１の光学薄膜が形成されている第１の光学フィルタ２５１への入射角（図７中の２６１は当該入射角の２倍の角度を表している）が第２の光学薄膜が形成されている第２の光学フィルタ２５２への入射角（図７中の２６２は当該入射角の２倍の角度を表している）よりも小さくなっている。この場合には、入射角依存性の小さい第１の光学薄膜として、スペクトルの間隔が狭い青色と緑色との間にカットオフ波長を有する光学薄膜を用い、入射角依存性の大きい第２の光学薄膜として、青色と緑色との間のスペクトル間隔よりもスペクトル間隔の広い赤色と緑色との間にカットオフ波長を有する光学薄膜を用いることにより、上記第１の実施の形態の場合と同様の効果が得られる。すなわち、このような構成とすることにより、効率良く、かつ、大きな色むらを発生させることなく３色合成することが可能となる。

但し、図７に示す場合であっても、第１の光学薄膜が形成されている第１の光学フィルタ２５１への入射角が第２の光学薄膜が形成されている第２の光学フィルタ２５２への入射角よりも大きくなる場合には、入射角依存性が大きくなる第１の光学薄膜として、青色と緑色との間のスペクトル間隔よりもスペクトル間隔の広い赤色と緑色との間にカットオフ波長を有する光学薄膜を用い、入射角依存性の小さい第２の光学薄膜として、スペクトルの間隔が狭い青色と緑色との間にカットオフ波長を有する光学薄膜を用いることによって、同様の効果を得ることができる。

つまり、色合成手段における２つの光学薄膜をプリズムの側面に設けるのではなく、プリズムを用いることなく、各々の光学薄膜の特性を有する光学フィルタが設けられた構成であっても、第１の光学薄膜が形成されている第１の光学フィルタ２５１への入射角と、第２の光学薄膜が形成されている第２の光学フィルタ２５２への入射角とを比較し、より大きな入射角となる光学薄膜として、青色と緑色との間のスペクトル間隔よりもスペクトル間隔の広い緑色の光と赤色の光との色合成を行うために、赤色と緑色との間にカットオフ波長を有する光学薄膜を用い、より小さい入射角となる光学薄膜として、スペクトルの間隔の狭い青色の光と緑色の光との色合成を行うために、青色と緑色との間にカットオフ波長を有する光学薄膜を用いることが重要であり、これらの条件が満たされれば同様の効果が得られる。

［第４の実施の形態］
図８は本発明の第３の実施の形態における投写型表示装置を示す概略構成図である。

図８に示すように、本実施の形態の投写型表示装置は、照明装置２９０と、レンズ３００とロッドインテグレータ３０１とからなる均一照明手段と、リレーレンズ３０２とフィールドレンズ３０３とからなる光学手段と、照明系と投写系の光を分離するビームスプリッタ３０５と、照明装置２９０からの照明光を変調して画像を形成する、画像表示手段としての画像表示素子３０４と、当該画像表示素子３０４によって変調された光をスクリーン（図示せず）上に投写する、投写手段としての投写レンズ３０６とを備えている。照明装置２９０としては、上記第１の実施の形態の図１に示した照明装置が用いられている。

以下、上記構成を備えた投写型表示装置の動作について、簡単に説明する。

まず、照明装置２９０により、赤色発光ダイオード１と、青色発光ダイオード２と、緑色発光ダイオード３とから出射された３つの異なる色の光が３色合成され、同一光軸上の光として出射される。照明装置２９０から出射された合成光は、ビームスプリッタ３０５によって反射されて画像表示素子３０４に照明され、当該画像表示素子３０４は、照明光を変調して画像を形成する。この場合、照明装置２９０から出射された合成光は、均一照明手段と光学手段とを用いて、画像表示素子３０４に均一に照明される。画像表示素子３０４によって変調された光は、ビームスプリッタ３０５をそのまま透過し、投写レンズ３０６によってスクリーン上に投写される。このとき、３つの異なる色の光を出射する、赤色発光ダイオード１と、青色発光ダイオード２と、緑色発光ダイオード３とを同時に点灯させれば、画像表示素子３０４は白色光で照明され、各発光ダイオードのみを点灯させれば、画像表示素子３０４は各単色光で照明されることとなる。これにより、画像表示素子３０４で形成された画像がスクリーン上にフルカラーの映像として映し出される。

本実施の形態の投写型表示装置においては、照明装置２９０として上記第１の実施の形態の図１に示した照明装置が用いられているので、より明るく、しかも色むらの少ない画像をスクリーン上に投写することができる。

尚、本実施の形態においては、照明装置２９０として上記第１の実施の形態の図１に示した照明装置を用いているが、照明装置２９０としては必ずしもこの構成の照明装置に限定されるものではない。例えば、上記第１の実施の形態で説明した他の構成の照明装置、あるいは、上記第２の実施の形態の図６に示した照明装置を照明装置２９０として用いても、同様の効果を得ることができる。また、上記第３の実施の形態の図７に示した照明装置を照明装置２９０として用いても、同様の効果を得ることができる。

また、本実施の形態においては、レンズ３００とロッドインテグレータ３０１とからなる均一照明手段、リレーレンズ３０２とフィールドレンズ３０３とからなる光学手段、及び、照明系と投写系の光を分離するビームスプリッタ３０５を含む構成の投写型表示装置を例に挙げて説明しているが、照明装置２９０によって画像表示素子３０４が照明されていればよいので、特に必要がなければ、均一照明手段、光学手段、ビームスプリッタ３０５を含まない構成とすることもできる。尚、図９に示すように、レンズ３００及びロッドインテグレータ３０１の代わりにレンズアレイ型インテグレータ３０７を用いても、レンズ３００及びロッドインテグレータ３０１を用いた場合と同様の均一照明を実現することができる（図９においては、照明装置２９０として、プリズムを用いない図７に示す照明装置を用いている）。ここで、レンズアレイ型インテグレータ３０７は、照明装置２９０の前方に配置され、マイクロレンズの集合体である第１のレンズアレイ２７と、第１のレンズアレイ２７のマイクロレンズに一対一で対応する第２のレンズアレイ２８と、集光レンズ２９とにより構成され、照明装置２９０から出射した光を複数の部分光に分割し、当該複数の部分光を画像表示素子３０４に重畳照明する。

また、本実施の形態においては、画像表示素子３０４を１つだけ含む構成を例に挙げて説明しているが、３つの画像表示素子を含む構成であってもよい。尚、３つの画像表示素子を含む構成の場合には、照明装置内の各プリズムと光源との間に各画像表示素子を１つずつ配置する構成とすることもできる。

本発明の照明装置によれば、３つの異なる色の光を、効率良く、かつ、大きな色むらを発生させることなく３色合成することが可能となる。従って、本発明の照明装置は、より明るく、しかも色むらの少ない画像が要求されるプロジェクタに有用である。

図１は、本発明の第１の実施の形態における照明装置を示す概略構成図である。 図２は、赤色発光ダイオード、青色発光ダイオード、緑色発光ダイオードから出射される光のスペクトルの一例を示す図である。 図３は、本発明の第１の実施の形態における、青色と緑色との間にカットオフ波長を有する第２の光学薄膜の分光特性の一例を示す図である。 図４は、本発明の第１の実施の形態における、赤色と緑色との間にカットオフ波長を有する第１の光学薄膜の分光特性の一例を示す図である。 図５は、本発明の第１の実施の形態における、青色と緑色との間にカットオフ波長を有する第２の光学薄膜の分光特性の他の一例を示す図である。 図６は、本発明の第２の実施の形態における照明装置を示す概略構成図である。 図７は、本発明の第３の実施の形態における照明装置を示す概略構成図である。 図８は、本発明の第４の実施の形態における投写型表示装置を示す概略構成図である。 図９は、本発明の第４の実施の形態における投写型表示装置の他の例を示す概略構成図である。 図１０は、従来技術における照明装置の一例を示す概略構成図である。 図１１は、従来技術における照明装置の他の一例を示す概略構成図である。 図１２は、従来技術における照明装置のさらに他の一例を示す概略構成図である。

Claims (5)

1. 青色の光を出射する第１の光源と、
   緑色の光を出射する第２の光源と、
   赤色の光を出射する第３の光源と、
   前記青色の光と、前記緑色の光と前記赤色の光が色合成された光とを合成する第１の光学薄膜と、
   前記緑色の光と前記赤色の光とを合成する第２の光学薄膜とを備えた照明装置であって、
   前記青色、緑色及び赤色の光のスペクトルは、異なるスペクトル間隔で並んでおり、
   前記青色の光が前記第１の光学薄膜に入射する際の入射角は、前記緑色の光が前記第２の光学薄膜に入射する際の入射角よりも小さくなっており、
   前記第２の光学薄膜のカットオフ波長は、スペクトル間隔が相対的に広い緑色と赤色の光のスペクトルの間に設定されていることを特徴とする照明装置。
2. 前記第１の光学薄膜は、
   前記青色の光と、前記青色、緑色及び赤色の光が３色合成された光とが伝搬する第１のプリズムと、
   前記緑色の光と、前記緑色の光と前記赤色の光が色合成された光とが伝搬する第２のプリズムとの間に設けられ、
   前記第２の光学薄膜は、
   前記第２のプリズムと、
   前記赤色の光のみが伝搬する第３のプリズムとの間に設けられている請求項１に記載の照明装置。
3. 前記第１の光学薄膜は、前記緑色の光と前記赤色の光が色合成された光が透過する第１の光学フィルタに形成され、
   前記第２の光学薄膜は、前記赤色の光が透過する第２の光学フィルタに形成されている請求項１に記載の照明装置。
4. 前記第１〜第３の光源が発光ダイオードである請求項１〜３のいずれか１項に記載の照明装置。
5. 照明装置と、前記照明装置からの照明光を変調して画像を形成する画像表示手段と、前記画像表示手段によって変調された光をスクリーン上に投写する投写手段とを備えた投写型表示装置であって、
   前記照明装置として請求項１〜４のいずれか１項に記載の照明装置を用いたことを特徴とする投写型表示装置。

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