JP7534255B2 - 光源装置および電子装置 - Google Patents

Description

本発明は、面状の光源として利用可能な光源装置に関し、特に、小型化を目指した画像表示デバイスを備えた電子装置に用いるのに適した面状の光源装置に関する。

Head Up Display（以下、「ＨＵＤ」）や超小型プロジェクタの表示デバイスの照明用光源として、小型で、かつ、高効率の光源装置が望まれている。

なお、従来、小型かつ高効率の光源装置を実現する上で、透明樹脂上に所定のテクスチャーを形成した導光体を活用した光源装置が、以下の特許文献１により、既に知られている。この特許文献に記載の導光体照明装置は、導光体端部より光を入射し、導光体表面に形成されたテクスチャーにより入射した光を散乱させることにより、薄型の高効率光源装置を実現できることが記載されている。

特開平１１－２２４５１８号公報

近年、固体光源であるＬＥＤの発光効率の向上に伴い、光源装置の発光源としてＬＥＤを用いることが有効である。しかしながら、ＬＥＤおよびその光を略平行光に変換するＬＥＤコリメータを用いた光学系では、特許文献１において開示された光学系の形状では、その光利用効率特性や均一照明特性において、未だ不十分であることが分かった。

そこで、本発明では、具体的には、ＬＥＤ光源からのレーザ光の光利用効率特性や均一照明特性をより向上することにより光源装置の小型化を達成すると共に、低コストで製造可能な、もって、ＨＵＤや空間浮遊映像表示装置などの電子装置の表示デバイスにおける照明用光源として好適な光源装置を提供し、更には、それを利用した画像表示デバイスを備えた電子装置を提供することをその目的とする。

上記の目的を達成するための一実施の態様として、固体光源として高輝度ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Emitting Diode）を使用し、前記固体光源から出射された光を略平行光に変換するコリメート光学系と、前記コリメート光学系から出射した光を入射し、その光を入射方向とは別方向に出射する導光体を備えた光源装置であって、前記コリメート光学系を構成する光学素子と前記コリメータ光学系と前記導光体の間に設けた光学素子のいずれかに青色光の一部と紫外光を前記ＬＥＤ側に反射させる光学特性を有する反射膜を設け前記ＬＥＤからの放射光の一部を前記反射膜の作用によってＬＥＤ側に反射させ、更に、前記導光体から出射する光の偏光方向を一方向にそろえる偏光変換素子を具備している光源装置が提供される。

また、本発明によれば、前記の光源装置を画像表示デバイスとして利用した電子装置は、ＨＵＤや空間浮遊映像表示装置を含んでいる。

上述した本発明によれば、低コストで製造可能、かつ、小型化、高効率、高信頼性な光源装置が実現できる。

本発明の実施例１に係る光源装置の全体概観を示す展開斜視図である。 本発明の実施例１に係る光源装置における光学系の内部構成の概観を示す斜視図である。 本発明の実施例１に係る光源装置における導光体の詳細について説明する斜視図や一部拡大断面を含む図である。 本発明の実施例１に係る光源装置における導光体の動作の詳細について説明する側面図である。 本発明の実施例１に係る光源装置における導光体の動作の詳細について説明する上面および側面図である。 本発明の実施例１に係る光源装置における導光体の動作を説明するための比較例を示す図である。 本発明の実施例１に係る光源装置におけるコリメータや合成拡散ブロックの詳細について説明する斜視図である。 本発明の実施例１に係る光源装置における合成拡散ブロックの詳細について説明する一部拡大断面図である。 本発明の実施例１に係る光源装置の光学系の構成部品である導光体を成形するために用いる金型の加工方法を説明する図である。 本発明の実施例１に係る光源装置の変形例である光源装置の全体概観を示す外観斜視図である。 本発明の実施例１に係る光源装置の変形例である光源装置の光学系の内部構成の概観を示す斜視図である。 本発明の実施例１に係る光源装置の他の変形例である光源装置の全体概観を示す外観斜視図である。 本発明の実施例１に係る光源装置におけるコリメータの別形態と合成拡散ブロックの形状を示す斜視図である。 本発明の実施例１に係る光源装置を、その表示デバイスの照明用光源として利用したＨＵＤの構成を示す図である。 本発明の実施例２に係る光源装置の光学系の構造の一例を示す斜視図である。 本発明の実施例２に係る光源装置の光学系における動作を示す側面図である。 本発明の実施例２に係る光源装置における導光体の動作の詳細について説明する上面および側面図である。 本発明の実施例２に係る光源装置の光学系の構成部品であるＬＥＤコリメータと合成拡散ブロックの構造の一例を示す斜視図である。 本発明の実施例２に係る光源装置の光学系の構成部品である合成拡散ブロックの構造の一例を示す斜視図である。 本発明の実施例２に係る光源装置における合成拡散ブロックの詳細について説明する断面とその一部拡大断面図である。 高輝度ＬＥＤ光源の実施例１に係る波長別放射エネルギー強度を相対的に示す特性図である。 高輝度ＬＥＤ光源の実施例１に係る放射エネルギー発散強度を相対的に示す特性図である。 高輝度ＬＥＤ光源の実施例２に係る波長別放射エネルギー強度を相対的に示す特性図である。 高輝度ＬＥＤ光源の実施例２に係る放射エネルギー発散強度を相対的に示す特性図である。 ＬＣＤ－ＴＶ用途のＬＥＤ光源の波長別放射エネルギー強度を相対的に示す特性図である。 ＬＣＤ－ＴＶ用途のＬＥＤ光源の放射エネルギー発散強度を相対的に示す特性図である。 実施例に係るフィルターの分光透過率を示した特性図である。

以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら詳細に説明する。

（実施例１）
図１は、本発明の実施例１に係る光源装置の概観を示す展開斜視図である。図からも明らかなように、光源装置（本体）１０は、例えば、プラスチックなどにより形成され、その内部に、後にも詳述するＬＥＤ、コリメータ、合成拡散ブロック（拡散ブロック）、導光体等を収納してなる光源装置ケース１１から構成されている。その上面には、液晶表示素子５０が取り付けられており、また、その一の側面には、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と共に、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１３が取り付けられている。

更に、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。即ち、液晶表示パネル５２は、後にも詳細に説明するが、電子装置を構成する制御回路（ここでは図示せず）からの制御信号によって制御される。

図２は、上記光源装置１０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。

光源を構成する複数（本例では、４個）のＬＥＤ１４ａ～１４ｄ（図２においては、ＬＥＤ１４ａ、１４ｂの２個のみを示す）が、略放物断線を回転して得られる円錐凸形状の外形を有するＬＥＤコリメータ１５のそれぞれの底部に取り付けられており、当該ＬＥＤコリメータの光の出射側には、矩形状の合成拡散ブロック１６が設けられている。即ち、ＬＥＤ１４ａまたは１４ｂから射出されたレーザ光は、ＬＥＤコリメータ１５の放物線の境界面により反射され、平行光となって合成拡散ブロック１６へ入射する。

更に、上記合成拡散ブロック１６の出射面側には、第１の拡散板１８ａを介して、断面略三角形の棒状の導光体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。

〈高輝度ＬＥＤ光源の使いこなし〉
本実施例では、ＬＥＤ光源は、高出力タイプのものを用いるがその基本構成は青色ＬＥＤにより蛍光体を励起して励起光の青色と蛍光光（緑色成分と赤色成分を含む）を混色して発散させる構成となっている。図２１は、ＨＵＤバックライト用高輝度ＬＥＤ：Ａ社のＸ製品の分光放射エネルギーを相対値として示した特性図である。入力電流１０００（ｍＡ）で２２４～３５５（ｌｍ）の放射光束を出力する。出力光として緑色成分と赤色成分を含んだ蛍光体を励起する高輝度青色ＬＥＤとしては、ピーク波長が４４０（ｎｍ）で、ピーク輝度の１０％となる短波長側の波長は４２０（ｎｍ）、カットオフの波長が３６０（ｎｍ）で、エネルギーの大きい紫外線領域から青色の短波長領域（図中で高エネルギー領域と表示）に属する光が発散される。また、他のバックライト用高輝度ＬＥＤとしては、例えば、Ｂ社のＹ製品がある。図２３に、この分光放射エネルギーを相対値とした特性が示される。入力電流６５０（ｍＡ）で１６８（ｌｍ）の光束を出力する。出力光として緑色成分と赤色成分を含んだ蛍光体を励起する高輝度青色ＬＥＤとしては、ピーク波長が４４５（ｎｍ）で、ピーク輝度の１０％となる短波長側の波長は４２３（ｎｍ）、カットオフの波長が４００（ｎｍ）である。図２１のＨＵＤバックライト用高輝度ＬＥＤからの光源光の発散特性は、図２２に示す通りである。

これに対して、液晶ＴＶ用のバックライト光源として使用される代表例としてのＬＥＤとして、例えば、Ｂ社のＺ製品がある。図２５に、この分光放射エネルギーを相対値とした特性が示される。入力電流６５０（ｍＡ）で１６８（ｌｍ）の光束を出力する。出力光として緑色成分と赤色成分を含んだ蛍光体を励起する高輝度青色ＬＥＤとしては、ピーク波長が４５０（ｎｍ）で、ピーク輝度の１０％となる短波長側の波長は４３０（ｎｍ）、カットオフの波長が４２０（ｎｍ）であり、高輝度ＬＥＤのピーク波長とカットオフ波長が長波長側にシフトした特性となっている。

このため、高輝度ＬＥＤを用いた光源装置では、エネルギーの高い青色光（青色領域の光）が液晶パネルと偏光板に入射する光量を制限する必要がある。このため、本実施例では、例えば図２７に示す透過特性を有する光学フィルターＦＩＬを、光源であるＬＥＤと映像源であるＬＣＤ及び偏光板との間に配置した構成とした。図２７に示した金属多層膜をスパッタした特性Ａ及び蒸着した特性Ｂのフィルターを光学素子の光源光（平行光）通過面に設けると良い。光源であるＬＥＤにより近い場所に特性Ａのフィルターを設け、特性Ａのフィルターにより高エネルギー領域の光を完全に遮光する。併せて、特性Ｂのフィルターをその他の光学素子の光源光通過面に併設するとさらに良い。上述したフィルター特性を得るためには、光源光がフィルター設置面に垂直に入射することが必須となる。

しかしながら、ＬＥＤからの光源光の発散特性は、図２２、図２４、図２６にそれぞれ示す通りである。図２２、図２４、図２６には、ＬＥＤの出射面に垂直な方向（発散角０度）を１００％とした相対輝度が示されている。発散角４０度では相対輝度が８０％、発散角６０度では相対輝度が５５％から５０％であり、上記ＬＥＤをそのまま使用した場合には上述したフィルター設置面に光源光が斜めから入射する。その結果、カット波長が短波長側にシフトするため偏光板とＬＣＤパネルの信頼性に影響を与える。

この対策として、本実施例では、図４、図５に示すように、ＬＥＤからの発散光をＬＥＤコリメータ１５で略平行光としたのち、ＬＥＤコリメータ１５の出射面１５２または合成拡散ブロック１６の入射面１６２、あるいはその両面に図２７で示した特性のフィルターＦＩＬを設ける。これにより、エネルギーの大きな短波長の青色光と紫外線をカットすることができ、高輝度な光源光に対する耐性を向上させることができる。

また、後述の実施例２では、図１６、図１７に示すように、ＬＥＤからの発散光をＬＥＤコリメータ１５で略平行光としたのち出射面１５２または偏光変換素子２１の入射面２１４、あるいはその両面に図２７で示した特性のフィルターを設ける。これにより。実施例１と同様に、エネルギーの大きな短波長の青色光と紫外線をカットすることができ、高輝度な光源光に対する耐性を大幅に向上させることができる。

図２７に示した特性ＡのフィルターをＬＥＤコリメータの出射面１５２に設けることで、特性Ａのフィルターで反射した高エネルギー領域の光（例えば青色光）が高輝度ＬＥＤの蛍光体を再度励起するため光出力が増加した。図２７に示したフィルター特性Ａを基準（カット波長４３５ｎｍ）にした場合、光出力が約１５％向上した。またカット波長を４３０（ｎｍ）とすると光出力は１２％、４２０（ｎｍ）では４％向上するなど光出力向上効果が確認できた。

＜導光体の詳細構造＞
続いて、上記光源装置１０を構成する導光体１７の詳細について、以下に、図面を参照しながら説明する。なお、図３（ａ）は、当該導光体１７の全体を示す斜視図を、図３（ｂ）は、その断面を、そして、図３（ｃ）および（ｄ）は、断面の詳細を示す一部拡大断面図である。

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３（ｂ）参照）の棒状に形成された部材である。導光体１７は、図３（ａ）に示すように、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。

この導光体１７の導光体光反射部（面）１７２は、その一部拡大図である図３（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５２度以下（但し、４４度以上）に設定している。

他方、連接面１７２ｂ（図では右下がりの線分）は、反射面１７２ａに対してβｎ（ｎ：自然数であり、本例では、例えば、１～１３０である）なる角度を形成している。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。

図４および図５に、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５（ｂ）参照）。即ち、導光体入射部（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（図６の比較例を参照）。

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、その理由は後にも述べるが、より好ましくは、９０度以上の角度（βn≧90°）に設定されている。

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、反射部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、低コストの光源装置を実現できる。一方、比較例となる図６に示した様に、導光体１７の導光体入射部で、主たる光線の屈曲（偏光）が無い場合は、拡散光の一部３１ｂが反射面１７２ａに対して、臨界角以下になってしまい、十分な反射率が確保できないので、特性の良い（明るい）光源装置が実現できない。

また、反射面仰角α１、α２、α３、α４…は、導光体光反射部（面）１７２の下部から上部に移動するに従って僅からに増加する値となっている。これは、液晶表示素子５０の液晶表示パネル５２を透過した光はある程度の発散角を有しているため、特に液晶表示パネル５２の周辺部を透過した光の一部が、下流に配置されたミラーの周縁でけられるいわゆる周辺減光の生を防止する目的で、図４の光線３０に示す様に、周辺部の光線がやや中心軸方向に偏向させた構成を実現するためである。

上記でも述べたように、β１=β２=β３=β４…βn≧90°としたが、これは、図９にも示すように、導光体１７を射出成形で作製するための金型４０の加工において、底面と側面の相対角度がβのエンドミル３５によって、反射面１７２ａと連接面１７２ｂとが、同時に、加工できるためである。また、反射面１７２ａと連接面１７２ｂに対し、相対的に太い工具で加工が可能であることから、加工時間が大幅に短縮でき加工費の大幅な低減が可能となる。また、反射面１７２ａと連接面１７２ｂとの境界エッジが精度良く加工可能でき、導光体１７の導光特性の向上を図ることができる。

また、図４中のＬr１、Ｌr２、Ｌr３、Ｌr４…は反射面１７２ａの水平面に対する投影長さを、そして、Ｌc１、Ｌc２、Ｌc３、Ｌc４…は、連接面１７２ｂの水平面に対する投影長さをそれぞれ表しており、Ｌr/Ｌc、即ち反射面１７２ａと連接面１７２ｂとの比率は、場所により変更可能な構成とした。導光体１７に入射する主たる光線３０の強度分布は、必ずしも液晶表示パネル入射面で望まれる強度分布と一致しない。そこで、反射面１７２ａと連接面１７２ｂとの比率Ｌr/Ｌcにより、強度分布を調整する構成を採用した。なお、この比率を高めるほど、その部分の反射光の平均的な強度を高めることができる。一般的に、導光体に入射する光線３０は、中央部が強くなりがちなので、それを補正するのに、前記比率Ｌr/Ｌcは、場所により異なる構成とし、特に、中央部が小さくなるようにした。前記比率Ｌr/Ｌcが場所により異なる構成および前述した反射面仰角α１、α２、α３、α４…が場所により異なる構成であるため、反射部１７２の概形状を表す包絡線１７２ｃは、図４に示す様に曲線形状を示す。

更に、Lr1+Lc1=Lr2+Lc2= Lr3+Lc3= Lr4+Lc4…=Lr+Lc≦0.6mmとした。かかる構成を採用することによれば、導光体１７の光出射面１７３から見た反射面の繰り返しピッチを同一とすることができる。また、そのピッチは、０．６ｍｍ以下であることから、拡散板１８a,１８ｂの作用・効果と相まって、液晶表示パネル５２越しで見た場合、個々の出射面が分離せず、連続面として見えることから、液晶表示パネル５２越しの空間輝度の均一化が図れ、もって、表示特性が向上する。即ち、本構成により、液晶表示パネル５２上での入射光強度分布を均一化することが可能となる。他方、Ｌr＋Ｌcの値が０．２ｍｍより小さいと、加工時間がかかるばかりではなく、各反射面１７２ａを精度良く加工するのが困難となるので０．２ｍｍ以上が望ましい。

更に、ここでは図示はしないが、上述したＬr＋Ｌcの値（長さの和）は、全体またはその一部において、Lr1+Lc1＞Lr2+Lc2＞Lr3+Lc3＞Lr4+Lc4…と、または、Lr1+Lc1=Lr2+Lc2=Lr3+Lc3=Lr4+Lc4.....= Lr90+Lc90> Lr91+Lc91= Lr92+Lc92> Lr93+Lc93...> Lr130+Lc130と、または、Lr1+Lc1≧Lr2+Lc2≧ Lr3+Lc3≧ Lr4+Lc4…Lr1+Lc1>Lr130+Lc130のようにした構成でも良い。かかる構成を採用することによれば、導光体１７の出射面１７３から見た反射面１７２ａの繰り返しピッチが、出射面１７３に近づくに従い細かくなる。ひいては本構成により、導光体１７の拡散板１８ｂから見た反射面１７２ａの繰り返しピッチが、拡散板１８ｂに近づくに従い細かくなる。反射面１７２ａの繰り返し構造は、拡散板１８ｂに近づくほど視認性が増し光強度の均一性を損ねるため、拡散板１８ｂの拡散性はある程度必要であるが、本構成を採用することにより、拡散板１８ｂに近い位置に配置される反射面の繰り返しピッチが細かくなるため、散乱板の拡散性が小さくとも光強度の均一性が確保でき、ひいては光利用効率の向上を図れる。また、Ｌr＋Ｌcの値は、上述したように０．２ｍｍ以上、かつ、０．６ｍｍ以下の範囲内に設定することが望ましい。

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、反射部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。

液晶表示パネルに入射する主たる光線の傾きは、一般的には、垂直に近い方が望ましいが、しかしながら、液晶表示パネルの特性によっては、図５（ｂ）に示した様に、角度ηだけ傾けることも可能である。即ち、市販されている液晶表示パネルの中には、入射角を５～１０°程度傾けた方が、特性が良い物があるが、その場合には、上記ηをその特性に応じて５°～１０°とすることが望ましい。

また、パネルをη傾ける代わりに、反射面１７２ａの角度を調整することにより、液晶表示パネルへの主たる光線の傾きを傾けることも可能である。更に、前記光線の傾きを導光体の側面方向に傾ける必要がある場合には、前記合成拡散ブロック１６の出射面に形成された三角形状のテクスチャー１６１の斜面傾きを左右非対称にするか、反射面１７２ａ、１７２ｂで構成されるテクスチャーの形成方向を変更することにより、実現可能であろう。

続いて、光源装置１０の他の構成要素である、合成拡散ブロック１６について、図７および図８を参照しながら説明する。なお、図７は、上記ＬＥＤコリメータ１５と一体化された合成拡散ブロック１６を示しており、図８（ａ）および（ｂ）は、合成拡散ブロック１６の一部拡大断面が示されている。

図８（ａ）からも明らかなように、合成拡散ブロック１６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、上記導光体１７の入射部（面）１７１の図示紙面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から出射する光の個強度分布を均一化することが可能となる。特に、テクスチャー１６１により、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。

以上にも詳述したように、本発明になる光源装置１０によれば、ＬＥＤ光源からのレーザ光の光利用効率やその均一な照明特性をより向上すると同時に、光源装置を小型化し、低コストで製造可能であることから、特に、ＨＵＤや超小型プロジェクタなどの電子装置の表示デバイスにおける照明用光源として好適な光源装置を提供することができる。

＜光源装置の変形例＞
また、図１０および図１１は、本発明の実施例１に係る光源装置の変形例を示しており、変形例として、光源装置１０ｂの全体の外観斜視図とその内部構成が示されている。この変形例では、断面略台形状の合成拡散ブロック１６ｂを利用することにより、ＬＥＤが取り付けられる複数の円錐凸形状を有するＬＥＤコリメータ１５が、装置下方の傾斜した位置に取り付けられている。なお、図中の符号１３ｂは、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である。

＜光源装置の他の変形例＞
更に、図１２は、本発明の実施例１に係る光源装置の他の変形例を示しており、他の変形例として、光源装置１０ｃの全体外観斜視図が示されている。この他の変形例では、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１３ｃで冷却する構造となっている。本構成により、全長の短い光源装置が実現できる。

＜光源装置におけるコリメータの別形態＞
更に、図１３は、本発明の実施例１に係る光源装置におけるコリメータ１５ｂの別形態を示しており、前述した合成拡散ブロック１６を合わせた形状例で示している。図７および図８に示したコリメータ形状は、略放物断線を回転して得られる円錐凸形状の外形であったが、本形状は、略四角錐凸形状を基本とし、角部を面取りや曲面形状とした。ＬＥＤから出射した光を導光体１７から出射させる光の効率を考えると、図７、図８に示した回転放物面形状が適切であるが、本構成の方が各略四角錐凸形状の境界がなめらかに連接されているので、より均一性の高い光強度分布が実現できる。

なお、上述した本発明の光源装置の変形例である光源装置１０ｂ、１０ｃも、上記図１に示した光源装置１０と同様の作用・効果を奏する。なお、これらの光源装置１０、１０ｂ、１０ｃを適宜、選択することによれば、種々の形状・形態を有するＨＵＤや超小型プロジェクタなどの電子装置においても、その内部の収納空間に適合して確実に取り付けることが可能となる。

＜光源装置の適用例＞
加えて、以下には、上述した本発明の光源装置１０を、その表示デバイスの光源として利用する電子装置の代表的な一例として、ＨＵＤおよび超小型プロジェクタに搭載した例を以下に示す。

図１４（ａ）は、上述した本発明の実施例１に係る光源装置をＨＵＤに適応した例を示している。なお、この図において、ヘッドアップディスプレイ装置１００では、プロジェクタやＬＣＤ（Liquid Crystal Display）などからなる映像表示装置３００に表示された映像を、ミラー１３１やその他のミラー１３２（例えば、自由曲面ミラーや光軸非対称の形状を有するミラー等）により反射させて、車両２のウィンドシールド３に投射する。一方、運転者１０５は、ウィンドシールド１０３に投射された映像を見ることで、透明のウィンドシールド１０３を通してその前方に虚像として上記映像を視認する。

図１４（ｂ）は、上記ヘッドアップディスプレイ装置１００、特に、その映像表示装置３００の内部構成の一例を示している。この図からも明らかなように、映像表示装置３００がプロジェクタである場合を示しており、映像表示装置３００は、例えば、光源３０１、照明光学系３０２、および表示素子３０３などの各部を有する。なお、当該光源３０１として、上述した本発明の光源装置１０を採用することによれば、投射用の良好な照明光を発生することが可能となる。

なお、この例では、更に、光源３０１で発生した照明光を集光し、より均一化して表示素子３０３に照射する光学系である照明光学系３０２を、加えて、投射する映像を生成する素子である表示素子３０３を含んでいる。しかしながら、これらの素子は、上記の実施例においては、既に、合成拡散ブロック１６、第１の拡散板１８ａ、導光体１７、第２の拡散板１８ｂとして、更には、液晶表示パネル５２として、本発明の光源装置１０内に含まれている。そのため、本発明の光源装置１０は、そのまま、ヘッドアップディスプレイ装置１００の映像表示装置３００とすることも可能である。このことによれば、特に、自動車内のダッシュボードのような狭い空間に容易に取り付けることが可能なヘッドアップディスプレイ装置１００を実現することが可能となる。

なお、上記の映像表示装置３００から射出した光は、更に、表示距離調整機構４００やミラー駆動部５００を介して車両１０２のウィンドシールド１０３に投射されることは、当業者であれば明らかであろう。

以上に詳細に述べたように、本発明の光源装置１０を、表示デバイスの照明用光源として利用することによれば、狭い空間にも容易に取り付けることが可能で、かつ、より小型で安価な電子装置を実現することが可能となる。

（実施例２）
続いて、以下には、本発明の第２の実施例（実施例２）について、詳細に説明する。なお、この実施例２では、上記実施例１とは異なり、光源装置からの照明光を入射する液晶表示素子５０を構成する液晶表示パネル５２の偏光波に対する透過率の着目し、更に、コリメート光学系から出射した光の偏光方向を一方向にそろえる偏光変換素子を設けることにより、より小型化、高効率の光源装置を実現するものである。

図１５～図１７は、本発明の実施例２に係る光源装置の、特に、その特徴となる光学系の構成を示す。即ち、実施例２では、上述した実施例１の構成において、光源を構成するＬＥＤ１４ａ、１４ｂの数を実施例１の半分の２個で構成すると共に、各々のＬＥＤコリメータ１５と合成拡散ブロック１６との間には、偏光変換素子２１を設ける。なお、図中のその他の構成については、上記実施例１のそれと同様であり、同じ参照符号を付して示されており、ここでは、重複を避けるため、その詳細な説明は省略する。

また、これらの図、特に、図１７（ａ）から明らかなように、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、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、図の紙面上の垂直方向）、複数、アレイ状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とが設けられており、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が備えられている。

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、平行光の光軸面に対して、対称に構成されており、また、その構成要素である透光性部材の平行四辺形柱や三角形柱の傾きは、当該光軸面に対して４５度となっている。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。

以上のように構成された偏光変換素子２１によれば、図１７（ａ）に示すように、例えば、ＬＥＤ１４ａ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。

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。その後、当該合成拡散ブロック１６の出射面から射出した光が、上記の第１の拡散板１８ａを介して、既に上記に詳述した導光体１７に入射し、更に、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ことは、上記実施例１におけると同様である。即ち、当該導光体１７の働きについては、既に上記でも詳述しており、重複を避けるため、ここではその説明を省略する。

なお、図１８は、上述した２個のＬＥＤコリメータ１５を上記偏光変換素子２１に取り付けた様子を示す斜視図である。また、図１９は、偏光変換素子の出射面側に取り付けられる合成拡散ブロック１６の外観構成を示す斜視図であり、図２０は、上記成拡散ブロック１６の詳細構造を示す側面図とその一部拡大断面図である。これらの図からも明らかなように、この実施例２においても、同様に、合成拡散ブロック１６の出射面には、多数の断面略三角形状のテクスチャー１６１が形成されている。しかしながら、その詳細については既に上述しており、ここでは省略する。

即ち、上述した実施例２になる光源装置によれば、液晶表示素子５０を構成する液晶表示パネル５２に入射する光を、上記の偏光変換素子２１によってＳ偏光波にすることから、当該光の液晶表示パネルでの透過率を向上することが可能となることから、より少ない発光源（ＬＥＤ）によって、より小型でかつ高効率の光源装置を、より安価に実現することが可能となる。なお、上記では、偏光変換素子２１をＬＥＤコリメータ１５の後に取り付けるものとして説明したが、しかしながら、本発明はそれに限定されることなく、液晶表示素子に到る光路中に設けることによっても同様な同様の作用・効果が得られることは、当業者であれば明らかであろう。

更には、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。また、上述した実施例２になる光源装置も、上記実施例１の光源装置と同様に、ヘッドアップディスプレイ装置やプロジェクタなどの電子装置において、その光源装置として利用可能であることも、当業者であれば明らかであろう。

以上、本発明の種々の実施例になる画像表示デバイスを備えた電子装置に用いるのに適した面状の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。

１０…光源装置（本体）、１１…ケース、５０…液晶表示素子、１２…ＬＥＤ基板、１３…ヒートシンク、１４ａ、１４ｂ…ＬＥＤ、１５…ＬＥＤコリメータ、１６…合成拡散ブロック、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）、２１…偏光変換素子、２１１…ＰＢＳ膜、２１２…反射膜、２１３…１／２λ位相板。

Claims (16)

1. 固体光源から出射された光を蛍光体に照射して白色光を生成する光源と、
   前記光源から出射された前記白色光の発散光束を平行光に変換するコリメート光学系と、
   前記コリメート光学系から出射された光を入射光として入射し、前記入射光を入射方向とは別方向に出射する導光体と、
   前記平行光のうち青色領域の光を反射し前記蛍光体へ出射するフィルターと、
   を備える、
   光源装置。
2. 請求項１に記載の光源装置において、
   前記フィルターは、前記コリメート光学系の出射面に設けられる、
   光源装置。
3. 請求項１に記載の光源装置において、
   前記コリメート光学系と前記導光体との間に前記平行光を拡散させる拡散ブロックを備え、
   前記フィルターは、前記拡散ブロックの入射面に設けられる、
   光源装置。
4. 請求項３に記載の光源装置において、
   前記フィルターは、前記コリメート光学系の出射面および前記拡散ブロックの前記入射面にそれぞれ設けられる、
   光源装置。
5. 請求項１に記載の光源装置において、
   前記固体光源から出射された光を蛍光体に照射して白色光を生成する光源から出射される光源の発散角が８０度以上である、
   光源装置。
6. 請求項１に記載の光源装置において、
   前記フィルターは、反射率が５０％となるカットオフ波長が４３５（ｎｍ）以下である、
   光源装置。
7. 請求項１に記載の光源装置において、
   前記コリメート光学系と前記導光体との間に、光の偏光方向を一方向に揃える偏光変換素子を備えている、
   光源装置。
8. 請求項１に記載の光源装置において
   前記導光体は、前記入射光を入射する入射部、前記入射光を反射する反射部、前記反射部で反射した光を出射する出射部を有しており、
   前記反射部は、前記入射光を反射する複数の反射面と前記複数の反射面間を連接する複数の連接面からなり、かつ、前記入射部は、前記反射部の反射面に入射する前記入射光の入射角がより大きくなる方向に、光を偏向させる構造を有している、
   光源装置。
9. 請求項８に記載の光源装置において、
   前記コリメート光学系と前記導光体との間に散乱体を備え、
   前記連接面は、前記入射光に対して、前記散乱体の半値角の範囲で影になる角度に傾斜している、
   光源装置。
10. 請求項８に記載の光源装置において、
    前記入射部は、前記入射光に対して斜めに配置した斜面である、
    光源装置。
11. 請求項１０に記載の光源装置において、
    前記入射部は、少なくとも一部が曲面である、
    光源装置。
12. 請求項９に記載の光源装置において、
    前記反射部の反射面の仰角は、場所により異なり、かつ隣接する前記反射部の反射面と前記反射部の連接面との相対角度は、９０度以上である、
    光源装置。
13. 請求項１２に記載の光源装置において、
    前記相対角度は、場所によらず一定値である、
    光源装置。
14. 請求項１２に記載の光源装置において、
    前記連接面の仰角の絶対値は、場所によらず一定値である、
    光源装置。
15. 請求項８に記載した光源装置において、
    前記コリメート光学系の出射面には、光を拡散するテクスチャー構造が形成されている、
    光源装置。
16. 画像表示デバイスとして、請求項１に記載の光源装置を利用した、
    電子装置。

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