专利名称：照明装置以及投射型图像显示装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种照明装置以及投射型图像显示装置。
背景技术：
液晶投影仪等中所使用的照明装置，一般是由超高压水银灯、金属卤化灯、氙灯等灯，以及将该照射光平行化的抛物面反射镜构成的装置。另外，上述照明装置中，为了减轻照射面光量不均，具有通过一对复眼透镜所得到的积分功能(将通过光学设备在平面内抽样所形成的给定形状的多个照明区域，重叠聚光在照明对象物上的功能)。另外，近年来从轻量小型化等观点出发，也有人尝试了使用发光二极管(LED)作为光源(参照特开平10-186507号)。
但是，实际情况是，使用发光二极管还无法得到实用的照明装置。
另外，有人考虑到使用半导体激光器(LD)来代替发光二极管，但在使用出射出相同波长光的多个半导体激光器(LD)的情况下，存在因其相位一致而产生的斑点噪声(通过激光这样的干扰性非常强的高光，来照射粗糙不均匀的媒质，观察该散射光时，所发现的空间中所产生的对比度高的斑点状的状态。照射面看起来有闪光)这一不足之处。
另外，在使用半导体激光器(LD)的情况下，还存在其光束剖面为椭圆形，另外发光强度分布成为高斯分布等不足之处。
发明内容
本发明为了解决上述问题，目的在于提供一种使用发光二极管等固体发光元件的实用的照明装置以及使用该照明装置的投射型图像显示装置。
本发明的照明装置，为了解决上述问题，特征在于，具备将固体发光元件设置成阵列状的光源，以及将各个固体发光元件所出射的光积分导入给照明对象物的积分机构。
通过采用上述构成，由于是将固体发光元件配置成阵列状的光源，因此能够实现光量的增大，同时，由于将各个固体发光元件所出射的光积分导入给照明对象物，因此，能够防止照明对象物上出现阵列状的明暗。
上述固体发光元件的光出射侧可以设有透镜单元。通过设置上述透镜单元，能够抑制固体发光元件所出射的光的发散，并导入给积分机构。另外，可以让上述透镜单元与各个固体发光元件由成型树脂一体成型，或与上述成型树脂分别形成，且与该成型树脂之间隔有树脂层。另外，可以让上述透镜单元具有互相离间的壁面，且上述壁面形成反射面。这样，通过上述成为反射面的壁面，能够防止固体发光元件所出射的光被导入到相邻的透镜单元中，同时，能够从自身侧的透镜单元中出射该所反射的光，提高了光利用效率。另外，上述离间处之间可以设有反射体。通过这样，能够进一步提高光利用效率。
可以让上述积分机构由受光并聚光的第1透镜组，以及设置在聚光点处的第2透镜组构成，上述透镜单元也可按照将来自固体发光元件的光导入给上述第1透镜组的方式构成。上述透镜单元可以与上述第1透镜组密合在一起。通过该密合，能够消除所不希望的光的反射，提高光利用效率。
可以让上述透镜单元按照对来自固体发光元件的光进行聚光的方式构成，上述积分机构具备设置在从上述透镜单元中通过之后的光的聚光点处的透镜组。通过这样，不需要相当于上述第1透镜组的光学部件，从而能够削减部件数目。
各个固体发光元件可以与各个透镜单元以及透镜组的各个透镜一一对应。可以在上述积分机构的光出射侧，设置由偏光束分路器构成的偏光变换装置。通过采用具备上述偏光变换元件的构成，在使用液晶显示面板作为照明对象物的情况下，能够实现光的有效活用，有助于得到实用的照明装置。特别是，由于上述偏光变换装置由偏光束分路器阵列构成，因此，在将固体发光元件设置成阵列状的光源中，能够得到高光利用效率。
可以让上述积分机构中的透镜组的各个透镜，与照明对象物的纵横比一致或大致一致。另外，可以让上述透镜单元与照明对象物的纵横比一致或大致一致。另外，可以让各个固体发光元件的纵横比与照明对象物的纵横比一致或大致一致。另外，也可以具备失真透镜，且导入到该失真透镜中的光束的纵横比与照明对象物的纵横比不同，从失真透镜中所出射的光束的纵横比与照明对象物的纵横比一致或大致一致。通过该构成，能够将固体发光元件所出射的光不浪费地导入到照明对象物的整个表面上，提高了出射光的利用效率。
上述积分机构可以是由杆积分器构成的机构。可以让上述杆积分器的光出射面与照明对象物的纵横比一致或大致一致。另外，可以在上述杆积分器的光出射面侧设有失真透镜，且上述杆积分器的光出射面的纵横比与照明对象物的纵横比不同，从失真透镜中所出射的光束的纵横比与照明对象物的纵横比一致或大致一致。
另外，本发明的照明装置的特征在于，具备多个作为固体发光元件的半导体激光器排列而构成的光源，将上述半导体激光器所出射的光积分导入给照明对象物的积分机构，以及让上述半导体激光器所出射的光的相位互相不均一的移相机构。通过采用上述构成，由于是配置有多个固体发光元件的光源，因此能够实现光量的增大，同时，由于将各个半导体激光器所出射的激光积分导入给照明对象物，因此，能够防止照明对象物上出现对应于半导体激光器配置的明暗。另外，由于具有让半导体激光器所出射的激光的相位互相不均一的移相机构，因此能够降低斑点噪声。
移相机构可以由设置在从各个半导体激光器所出射的光的光路上的，厚度互相不同的多个平板透明部所构成。移相机构也可以由设置在从各个半导体激光器所出射的光的光路上的，介电常数互相不同的多个平板透明部所构成。移相机构也可以是设置在从所述半导体激光器所出射的激光的光路上的楔形光学元件。
另外，本发明的照明装置的特征在于，具有多个作为固体发光元件的半导体激光器排列而成的光源，以及将上述半导体激光器所出射的激光积分导入给照明对象物的积分机构，以及让上述半导体激光器所出射的激光扩散的光扩散机构。通过采用上述构成，由于是配置有多个半导体激光器的光源，因此能够实现光量的增大，同时，由于将各个半导体激光器所出射的激光积分导入给照明对象物，因此，能够防止照明对象物上出现对应于半导体激光器配置的明暗。另外，由于具备让半导体激光器所出射的激光扩散的光扩散机构，因此能够降低斑点噪声。光扩散机构可以是具有微小凹凸的光学元件。
另外，本发明的照明装置的特征在于，具有多个固体发光元件排列而成的光源，以及接收各个固体发光元件所出射的光，并将其受光区域的多处光分别积分导入给照明对象物的积分机构。通过采用上述构成，由于是配置有多个固体发光元件的光源，因此能够实现光量的增大，同时，由于将各个固体发光元件所出射的光积分导入给照明对象物，因此，能够防止照明对象物上出现对应于半导体激光器配置的明暗。即使固体发光元件中存在发光强度分布，但由于接收各个固体发光元件所出射的光，并将该受光区域的多处光分别积分导入给照明对象物，因此，进行了发光强度分布的分散化，能够让照明对象物上的各处的亮度平均化。
另外，本发明的照明装置的特征在于，具备多个发光强度分布互不相同的固体发光元件排列而成的光源，以及将各个固体发光元件所出射的光积分导入给照明对象物的积分机构。上述构成中，也能够实现光量增大，同时还能够防止照明对象物上产生与固体发光元件的配置相对应的明暗。另外，由于由多个发光强度分布互不相同的固体发光元件排列而成，因此能够实现照明对象物上的各处的亮度的平均化。上述构成中，可以混合设有两点发光的发光二极管所构成的固体发光元件，与半导体激光器所构成的固体发光元件。
另外，本发明的照明装置的特征在于，具备多个固体发光元件排列而成的光源，以及接收各个固体发光元件所出射的光，变换其强度分布并出射的强度分布变换机构，以及将各个强度分布变换机构所出射的光积分导入给照明对象物的积分机构。上述构成中，也能够实现光量增大，同时还能够防止照明对象物上产生与固体发光元件的配置相对应的明暗。另外，由于具备接收各个固体发光元件所出射的光，变换其强度分布并出射的强度分布变换机构，因此能够实现照明对象物上的各处的亮度的平均化。
另外，本发明的照明装置的特征在于，具备多个固体发光元件排列而成的光源，以及将各个固体发光元件所出射的光以互不相同的聚光图案，积分导入给照明对象物的积分机构。上述构成中，也能够实现光量增大，同时还能够防止照明对象物上产生与固体发光元件配置相对应的明暗。另外，由于将各个固体发光元件所出射的光以互不相同的聚光图案，积分导入给照明对象物，因此能够实现照明对象物上的各处的亮度的平均化。
可以让上述构成的照明装置中，具备半导体激光器作为固体发光元件，将照明对象物作为液晶显示面板，可使半导体激光器的直线偏光方向与液晶显示面板的偏光方向对应。
另外，可以让上述构成的照明装置中，具备半导体激光器作为所述固体发光元件，使其发光的椭圆长边方向与照明对象物的长边方向一致或大致一致。
另外，可以让上述构成的照明装置中，具有半导体激光器作为所述固体发光元件，将来自该半导体激光器的光导入给上述照明对象物的光学系统中的光学元件的纵横比，与上述照明对象物的纵横比一致或大致一致，同时，上述半导体激光器的发光的椭圆长边方向与上述光学元件的长边方向对应。
另外，本发明的照明装置的特征在于，通过在将一面作为光出射面，另一面的内侧作为反射面的镜面筒状体内三维设置多个固体发光元件，且将上述固体发光元件所出射的光积分导入到上述光出射面，从上述光出射面出射而构成。通过上述构成，由于三维设置多个固体发光元件，因此能够实现光量的增大，同时，由于各个固体发光元件所出射的光在镜面筒状体内反射，并被积分，且从光出射面出射，因此能够防止照明对象物上产生与固体发光元件的配置相对应的明暗。所述镜面筒状体可以形成为方筒体。可以让上述光出射面的纵横比与照明对象物的纵横比一致或大致一致。通过这样，能够将固体发光元件所出射的光不浪费地导入到照明对象物的整个表面上，提高了出射光的利用效率。还可以让上述镜面筒状体为锥形，上述光出射面的面积，比与上述光出射面相面对的面的面积大。通过这样，能够抑制光的发散，尽量让所生成的光照射在照明对象物上。
另外，本发明的照明装置的特征在于，固体发光元件的光出射侧设置了具有平行化功能或聚光功能的衍射光学元件部。另外，本发明的照明装置的特征在于，固体发光元件的光出射侧设置了具有平行化功能或聚光功能的全息图光学元件部。通过上述构成，让通常的透镜中对被导入到轴外某处的光也能够有效利用，有助于得到实用的照明装置。
另外，本发明的照明装置的特征在于，二维或三维设置多个固体发光元件，同时各个固体发光元件的光出射侧设有偏光变换元件。通过这样，在使用液晶显示面板作为照明对象物的情况下，能够实现光的有效活用，有助于得到实用的照明装置。
另外，本发明的投射型图像显示装置的特征在于，具有上述任一项所述的照明装置。
图1为表示本发明的实施方式的投射型图像显示装置的光学系统的图。
图2为表示液晶显示面板的主视图。
图3为局部放大显示了图1中所示的照明装置的图，(a)为平面图，(b)为C-C向视剖面图。
图4为放大表示本发明实施方式的另一个照明装置的一部分，(a)为主视图，(b)为C-C向视剖面图。
图5为表示图1中所示的照明装置的作用的说明图。
图6为表示本发明的另一个实施方式的照明装置的作用的说明图。
图7为表示本发明的另一个实施方式的照明装置的作用的说明图。
图8为表示本发明的另一个实施方式的照明装置的作用的说明图。
图9为表示本发明的实施方式的投射型图像显示装置的光学系统的说明图。
图10为表示图9的照明装置的积分作用的说明图。
图11(a)为移相板的侧视图，(b)为主视图。
图12(a)为移相板的侧视图，(b)为主视图。
图13为表示本发明的另一个实施方式的照明装置的作用的说明图。
图14为表示本发明的实施方式的投射型图像显示装置的光学系统的说明图。
图15为表示图14的照明装置的积分作用的说明图。
图16为表示本发明的另一个实施方式的照明装置的作用的说明图。
图17为表示本发明的另一个实施方式的照明装置的作用的说明图。
图18为图17的照明装置中的LD芯片以及LED芯片的示意图。
图19为表示本发明的另一个实施方式的照明装置的作用的说明图。
图20为表示本发明的另一个实施方式的照明装置的作用的说明图。
图21(a)、(b)为表示图20的照明装置中所使用的强度分布变换棱镜的说明图。
图22为表示本发明的实施方式的投射型图像显示装置的光学系统的说明图。
图23为放大表示本发明的实施方式的照明装置的说明图。
图24为表示本发明的另一个实施方式的照明装置的作用的说明图。
图25为表示本发明的另一个实施方式的照明装置的作用的说明图。
图26为表示本发明的另一个实施方式的图，为表示发光元件的长边方向与偏光束分路器的排列之间的关系的说明图。
具体实施例方式
(实施例1)下面对照图1至图8以及图26，对本发明的实施例的照明装置以及投射型图像显示装置进行说明。
图1是显示了3板式的投射型图像显示装置的光学系统的图。该投射型图像显示装置具备3个照明装置1R、1G、1B(以下在不特指各个照明装置时，使用符号“1”)。照明装置1R出射红色光，照明装置1G出射绿色光，照明装置1B出射蓝色光。各个照明装置1所出射的光，被凸透镜2导入到各色用的透过型液晶显示面板3R，3G、3B中(以下在不特指各个液晶显示面板时，使用符号“3”)。各个液晶显示面板3，具备入射侧偏光板、在一对玻璃基板(形成有像素电极以及取向膜)之间封入液晶所形成的面板部，以及出射侧偏光板。作为透过型液晶显示面板，在各个像素部分设置显微透镜是公知的，但本实施例中，使用不具有显微透镜的液晶显示面板。使用照明装置1(点光源)的构成中，采用不具有显微透镜的液晶显示面板方，能够提高光利用效率。通过从液晶显示面板3R、3G、3B中经过而被调制了的调制光(各色图像光)，被二向棱镜4合成，形成彩色图像光。该彩色图像光被投射透镜5放大投射，投影显示在屏幕上。
图2为表示液晶显示面板3的主视图。液晶显示面板3，具有横A对纵B的纵横比。A比B例如为4比3或16比9。
照明装置1，由将LED芯片11…设置成阵列状，且在各个LED芯片11的光出射侧设置透镜单元14所形成的光源12，以及将各个LED芯片11所出射并被上述透镜单元14平行化了的光，积分导入给液晶显示面板3的复眼透镜对13构成。这样，由于将LED芯片11…设置成阵列状，因此能够实现光量的增大。复眼透镜对13，如图5所示，由一对透镜组13a、13b构成，各个透镜对将各个LED芯片11所出射的光导入到液晶显示面板3的整个表面。也即，由于将LED芯片11所出射的光，积分导入给液晶显示面板3，因此，能够防止在液晶显示面板3上(屏幕的图像上)出现阵列状的明暗。特别是，上述例子中，各个LED芯片11与各个透镜单元14以及透镜组13a、13b的各个透镜之间一一对应。
可以在复眼透镜对13与聚光透镜2之间设置偏光变换装置。如图26所示，偏光变换装置20，由多个偏光束分路器20a排列而成的偏光束分路器阵列(以下称作PBS阵列)构成。PBS阵列具备偏光分离膜与相位差板(1/2λ板)。PBS阵列的各个偏光分离膜，让来自复眼透镜对13的光中的例如P偏光通过，而对S偏光进行90°光路变更。光路变更之后的S偏光，被相邻的偏光分离膜所反射，从而原样出射出去。另外，透过了偏光分离膜的P偏光，被设置在其前侧(光出射侧)的上述相位差板，变换成S偏光并出射。即在该例中，几乎所有的光都被变换为S偏光。上述偏光束分路器20a具有细长的四棱柱形状。本实施例中，使LED芯片11的长边方向(透镜单元14、透镜组13a、13b的长边方向)与上述偏光束分路器20a的长边方向一致。也即，上述偏光束分路器18a排列在LED芯片11的短边方向，通过这样，提高了光的利用效率。
图3为放大显示了光源12的一部分的图，图(a)为平面图，图(b)为图(a)中的C-C向视剖面图。LED芯片11…由透明树脂成型，通过在该透明树脂形成凸状来构成上述透镜单元14…。LED芯片11与透镜单元14，如图3(a)所示，形成为方形，并且与液晶显示面板3的纵横比一致或大致一致。通过这样，能够将从LED芯片11所出射的光不浪费地导入到液晶显示面板3的整个表面上，提高了出射光的利用效率。
另外，透镜单元14，如图3(b)所示，具有互相离间的壁面(空气缝隙15)，上述壁面成为反射面。通过上述成为反射面的壁面，能够防止LED芯片11所出射的光被导入到相邻的透镜单元14中，同时，能够从自身侧的透镜单元14出射该反射的光，提高了光利用效率。
图4中表示在对应于上述空气缝隙15处设置反射体16的构成。通过这样将反射体16夹在中间，能够进一步提高光利用效率。反射体16可以在树脂成型阶段进行设置，也可以在树脂成型之后插入到上述空气缝隙15中。反射体16可以采用具有高反射率的金属板(箔)。
图6中表示照明装置1的变形例。该图6中所示的透镜单元14’，被设计为不对来自LED芯片11的光进行平行化，而导入到透镜组13b的各个透镜的中心。根据该构成，不需要透镜组13a，从而能够削减部件数目。
图7以及图8中表示使用杆积分器作为积分机构的照明装置1。图7所示的构成中，杆积分器18，其光出射面18b方比光入射面18a大，光入射面18a与液晶显示面板3的纵横比一致或大致一致，光出射面18b与液晶显示面板3大小大致相同。LED芯片11的光被透镜单元14平行化，由聚光透镜17导入到杆积分器18的光入射面18a中。入射到杆积分器18的光入射面18a中的光被积分照射到液晶显示面板3上。图8中所示的杆积分器19，其光入射面19a与光出射面19b大小相同，且液晶显示面板3与光源12也几乎大小相同。另外，虽然图8中光源12中没有形成透镜单元14，但形成透镜单元14当然也是可以的。
另外，以上的说明中，透镜单元14通过成型树脂在光源12中一体形成，但本发明并不仅限于此，也可以通过与成型树脂不同的树脂或玻璃来制作透镜单元。这种情况下，透镜单元与成型树脂(LED芯片11的保护树脂)之间可以不形成空间，而将透明树脂层夹在中间。上述透明树脂层的折射率可以与透镜单元或成型树脂的折射率一致或近似。这样的构成，也能够适用于具有对应于LED芯片11的透镜单元的其他实施例中。
另外，可以将各个所制作的成型完成的LED灯排列成阵列状，作为光源。上述构成中，成型完成的LED灯的外形与元件部的外形，既可以与液晶显示面板3的形状(纵横比)一致或大致一致，又可以将侧壁部当做反射面。
另外，投射型图像显示装置中，并不仅限于透过型液晶显示面板，也可以使用反射型液晶显示面板，还可以使用分别驱动作为像素的小反射镜的这种类型的显示面板，来代替上述液晶显示面板。另外，本实施例中具备出射各色光的3个照明装置1R、1G、1B，但也可以作为出射白色光的照明装置，通过分色镜等进行分光或不分光，导入到单板的彩色显示面板中。在作为出射白色光的照明装置的情况下，既可以是各个固体发光元件出射白色光，又可以是适当排列出射红色光、蓝色光与绿色光的固体发光元件的构成。另外，固体发光元件并不仅限于发光二极管(LED)。
但是，导入到作为照明对象物的液晶显示面板3中的光束的形状，受到光束形状关联要素(固体发光元件、透镜单元、复眼透镜的各个透镜、杆积分器的剖面)的纵横比的影响。上述例子中，照明对象物的纵横比为4∶3，光束形状关联要素的纵横比也为4∶3，但并不仅限于此。例如，将上述光束形状关联要素的纵横比设为4∶4，这样与照明对象物的纵横比不同，通过失真透镜来变化(上述情况下在垂直方向进行某个程度的聚光)该4∶4纵横比的光束，使得光束的纵横比在导入到照明对象物的阶段，与该照明对象物的纵横比(例如4∶3)一致或大致一致。这样的构成也可以适用于具备光束形状关联要素(固体发光元件、透镜单元、复眼透镜的各个透镜、杆积分器)的其他实施例中。
(实施例2)下面对照图9至图13，对本发明的实施例2的照明装置以及投射型图像显示装置进行说明。
图9是表示3板式的投射型图像显示装置的光学系统的图。该投射型图像显示装置具备3个照明装置101R、101G、101B(以下在不特指各个照明装置时，使用符号“101”)。照明装置101R出射红色光，照明装置101G出射绿色光，照明装置101B出射蓝色光。各个照明装置101所出射的光，被聚光透镜102导入到各色用液晶显示面板103R、103G、103B中(以下在不特指各个液晶显示面板时，使用符号“103”)。各个液晶显示面板103，具备入射侧偏光板、在一对玻璃基板(形成有像素电极以及取向膜)之间封入液晶所形成的面板部，以及出射侧偏光板。通过从液晶显示面板103R、103G、103B中经过而被调制了的调制光(各色图像光)，被二向棱镜104合成，形成彩色图像光。该彩色图像光由投射透镜105被放大投射，投影显示在屏幕上。
照明装置101，由将LD(激光二极管)芯片111…设置成阵列状，且在各个LD芯片111的光出射侧设置透镜单元114…所形成的光源112，以及将各个LD芯片111所出射并被上述透镜单元114平行化了的激光，积分导入给液晶显示面板103的复眼透镜对113构成。这样，由于将LD芯片111…设置成阵列状，因此能够实现光量的增大。
复眼透镜对113，如图10所示，由一对透镜组113a、113b构成，各个透镜对将各个LD芯片111所出射的光导入到液晶显示面板103的整个表面。也即，由于将各个LD111芯片所出射的激光，积分导入给液晶显示面板103，因此，能够防止在液晶显示面板103上(屏幕的图像上)出现阵列状的明暗。
可以在复眼透镜对113与聚光透镜102之间设置移相板115。移相板115如图11(a)、(b)所示，由设置在各个LD芯片111的激光光路上的厚度互相不同的多个平板透明部构成。各个平板透明部的两个面垂直于光轴。光从平板透明部中透过时，光的距离(光学距离(n×dn为折射率，d为媒质厚度))与其折射率成正比变化。由于各个平板透明部的厚度不同，因此光的距离(光学距离)也不同，因此，透过各个平板透明部的激光的相位也不同。通过这样，LD芯片111所出射的各个激光具有不同的相位，重叠在液晶显示面板103上的来自各个LD芯片111的相位变得不均一，从而能够降低斑点噪声。
另外，上述构成例中，移相板115设置在复眼透镜对113与聚光透镜102之间，但并不仅限于此，还可以设置在从LD芯片111到液晶显示面板103之间的任一处。
图12表示移相板116。该移相板116如该图(a)所示，由厚度相同的多个平板透明部(多个平板透明区域)构成。各个平板透明部(各个平板透明区域)，设置在各个LD芯片111所出射的激光的光路上。各个平板透明部的厚度相同，但如图12(b)所示，其折射率(折射率对应于介电常数)n像n0、n1、n2、…这样，互不相同。激光透过平板透明部时，光的距离(光学距离)与其折射率成正比变化，因此，透过各个平板透明部的激光的相位不同。通过这样，从LD芯片111所出射的激光其自身的光内的相位相同，但与其他LD芯片111的激光的相位不同，在液晶显示面板103上的相位变得互相不均一，从而能够降低斑点噪声。
图13表示照明装置101的变形例。该图13中所示的照明装置，在光源112所出射的激光的光路上，设有楔形板状的棱镜117。激光入射到楔形板状的棱镜117中时，光的距离(光学距离)在棱镜117的厚度变化方向上不同，因此，从LD芯片111所出射的激光其自身的光内的相位发生变化。另外，关于排列在厚度变化方向的LD芯片111…，其激光的相位变得互不相同。通过这样，能够降低斑点噪声。另外，可以对1个LD芯片111对应设置1个楔形板状棱镜117，另外，还可以变更各个楔形板状棱镜117的楔的程度(角度)。
以上的例子中，通过将各个LD芯片111的激光的相位移位，来降低斑点噪声，但通过在光路上设置使激光扩散的光扩散机构，也能够降低斑点噪声。作为光扩散机构可以使用具有微小凹凸的毛玻璃等。另外，也可以在复眼透镜对113或聚光透镜102等的表面上形成微小凹凸。
另外，以上的说明中，虽然作为积分机构所采用的是复眼透镜对，但也可以使用杆积分器。另外，LD芯片并不仅限于端面出射型，还可以使用面发光激光器。另外，也可以使用在单个基板上形成多个LD的器件。另外，投射型图像显示装置中，并不仅限于透过型液晶显示面板，也可以使用反射型液晶显示面板，还可以使用分别驱动作为像素的微小反射镜的这种类型的显示面板，来代替上述液晶显示面板。另外，虽然本实施例中具备出射各色光的3个照明装置101R、101G、101B，但也可以作为出射白色光的照明装置，通过分色镜等进行分光或不分光，导入到单板的彩色显示屏中。在作为出射白色光的照明装置的情况下，可以是适当排列出射红色光、蓝色光与绿色光的LD的构成。
另外，虽然图中未示出，但也可以在聚光透镜102的前方位置等处设置偏光变换装置。该偏光变换装置如上所述，由PBS阵列构成。
如上所述，通过实施例2的发明，能够起到降低使用半导体激光器的情况下所产生的斑点噪声的效果。
(实施例3)下面对照图14至图21，对本发明的实施例3的照明装置以及投射型图像显示装置进行说明。
图14是表示3板式的投射型图像显示装置的光学系统的图。该投射型图像显示装置具备3个照明装置201R、201G、201B(以下在不特指各个照明装置时，使用符号“201”)。照明装置201R出射红色光，照明装置201G出射绿色光，照明装置201B出射蓝色光。各个照明装置201所出射的光，被聚光透镜202导入到各色用的液晶显示面板203R、203G、203B中(以下在不特指各个液晶显示面板时，使用符号“203”)。各个液晶显示面板203，具有入射侧偏光板、在一对玻璃基板(形成有像素电极以及取向膜)之间封入液晶所形成的面板部，以及出射侧偏光板。通过从液晶显示面板203R、203G、203B中经过而被调制了的调制光(各色图像光)，被二向棱镜204合成，形成彩色图像光。该彩色图像光被投射透镜205放大投射，投影显示在屏幕上。
照明装置201，由设置多个LD(激光二极管)芯片211…而构成的光源，与设置在各个LD芯片211的光出射侧的平行化透镜212，以及复眼透镜对213构成。由于上述光源设置有多个LD芯片211…，因此能够实现光量的增大。复眼透镜对213，如图15所示，由一对透镜组213a、213b构成，1个LD芯片211对应多个透镜(透镜组)。各个LD芯片211所出射，并被平行化透镜212所平行化的光，被导入到与其相对应的位置上的透镜组中。在该透镜组上(受光面上)反映出了LD芯片211的发光强度分布，通过该透镜组中的各个透镜，将受光面上的多处光分别(各个明亮区域以及暗区域)积分导入到液晶显示面板203中。通过这样，能够防止液晶显示面板203上(屏幕的图像上)出现与LD芯片211的配置相对应的明暗，同时，即使LD芯片211中存在发光强度分布，也能够进行该发光强度分布的分散化，从而使液晶显示面板203上的各处的亮度平均化。
另外，上述例子中，让LD芯片211的直线偏光方向与液晶显示面板203的直线偏光方向一致或大致一致。另外，让一对透镜组213a、213b中的各个透镜的纵横比、平行化透镜212的纵横比以及LD芯片211的光出射部形状的纵横比，与液晶显示面板203的纵横比一致或大致一致。另外，让LD芯片211的发光椭圆长边方向与液晶显示面板203的长边方向一致或大致一致。通过这样，能够将LD芯片211所出射的光不浪费地导入到液晶显示面板203的几乎整个表面上，提高了光利用效率。另外，如实施例1中所述，可以让光束形状关联要素(固体发光元件、透镜单元、复眼透镜的各个透镜、杆积分器)的纵横比，与显示面板的纵横比不同，在失真透镜中使光束与显示面板的纵横比一致或大致一致，本实施例的情况下，复眼透镜对213全体设有1个失真透镜就可以了。
图16表示照明装置201的变形例。该图16中所示的照明装置的光源，由LED(发光二极管)芯片214与抛物面镜215构成。该构成中，也对1个LED芯片214设置多个透镜(透镜组)，接收各个LD芯片所出射的光，将其受光区域的多处的光分别积分导入给液晶显示面板203。抛物面镜215的光出射侧形状，形成为约方形，与液晶显示面板203的纵横比一致或大致一致。
图17表示照明装置201的变形例。另外，虽然本例中表示了LD芯片与LED芯片，作为一对发光图形(强度分布外形)不同的发光芯片对，但也并不仅限于这样的组合。该图17中所示的照明装置，由将LD芯片211A…与LED芯片211B…设置成阵列状，且在各个芯片211A、211B的光出射侧设置透镜单元216…所形成的光源，以及用来将各个芯片211A、211B所出射并被上述透镜单元216平行化了的光，积分导入给液晶显示面板203的复眼透镜对213构成。这样，由于将芯片211A、211B设置成阵列状，因此能够实现光量的增大。透镜单元216形成为方形，且与液晶显示面板203的纵横比一致或大致一致。复眼透镜对213，由一对透镜组213a、213b构成，各个透镜对将各个芯片211A、211B所出射的光导入到液晶显示面板203的整个表面。这里，LD芯片211A，如图18(a)所示，具有单一发光点，其光强度分布如图18(b)所示，呈高斯分布。另外，LED芯片211B，如图18(c)所示，具有两个发光点，其光强度分布如图18(d)所示，边缘具有比中央高的高峰。因此，由于排列有光强度分布互不相同的芯片211A、211B，将各个芯片211A、211B所出射的光积分导入给液晶显示面板203的整个表面，因此能够让液晶显示面板203上的各处的亮度平均化。
另外，除了上述的两个图形(光强度分布)之外，还可以具有3个或4个这样的多个图案来构成芯片，并进行排列。另外，也可以配置各个LD芯片211A…，以使各个LD芯片211A…的椭圆形的光束剖面中的长边方向互不相同。
图19表示照明装置201的变形例。该图19中所示的照明装置中，使用了具有多个图形的光强度分布的芯片。该照明装置，由将LD芯片211A…与LED芯片211B设置成阵列状，且在各个芯片211A、211B的光出射侧设置透镜单元216…所形成的光源，以及用来将各个芯片211A、211B所出射并被上述透镜单元216平行化了的光，积分导入给液晶显示面板203的复眼透镜对213构成。复眼透镜对213，由一对透镜组213a、213b构成，各个透镜对将各个芯片211A、211B所出射的光导入到液晶显示面板203。导入给液晶显示面板的各个矩形光束的剖面形状相同，但各个矩形光束的强度分布外形不同，能够让液晶显示面板203上的各处的亮度平均化。
图20表示照明装置201的变形例。该图20中所示的照明装置，由下述部分构成设置多个LD芯片211…而形成的光源；接收各个LD芯片211所出射的光，变换其光强度分布并出射的强度分布变换棱镜226；平行化透镜212以及复眼透镜对213构成。复眼透镜对213，由一对透镜组213a、213b构成，1个LD芯片211对应多个透镜(透镜组)。
强度分布变换棱镜226，例如，如图21(a)、(b)所示，由楔形板状棱镜构成，被设置为从厚壁侧入射LD芯片211的激光。激光，如该图(a)所示，入射到具有细长的椭圆形的棱镜226的入射面中，但由于在该棱镜226中受到了折射以及反射面(覆盖有金属等反射体)的反射作用，因此，变成椭圆程度较缓和的椭圆或圆形并出射。在为椭圆的情况下，例如可以让椭圆的长边方向与液晶显示面板203的长边方向一致或大致一致。
另外，以上的说明中，作为积分机构所采用的是复眼透镜对，但也可以使用杆积分器。另外，LD芯片并不仅限于端面出射型，还可以使用面发光激光器。另外，也可以使用在单个基板上形成有多个LD的元件。另外，投射型图像显示装置中，并不仅限于透过型液晶显示面板，也可以使用反射型液晶显示面板，还可以使用分别驱动作为像素的微小反射镜的这种类型的显示面板，来代替上述液晶显示面板。另外，本实施例中具有出射各色光的3个照明装置201R、201G、201B，但也可以作为出射白色光的照明装置，通过分色镜等进行分光或不分光，导入到单板的彩色显示面板中。在作为出射白色光的照明装置的情况下，各个固体发光元件可以出射白色光，也可以是适当排列出射红色光、蓝色光与绿色光的固体发光元件的构成。
另外，虽然图中未显示，但也可以在聚光透镜202的前方位置等处设置偏光变换装置。该偏光变换装置如上所述，由PBS阵列构成。
如上所述，通过实施例3的发明，起到了即使使用具有分布的半导体激光器等固体发光元件，也能够提供实用的照明装置以及使用该照明装置的投射型图像显示装置的效果。
(实施例4)下面对照图22至图25，对本发明的实施方式的照明装置以及投射型图像显示装置进行说明。
图22是表示3板式的投射型图像显示装置的光学系统的图。该投射型图像显示装置具备3个照明装置301R、301G、301B(以下在不特指各个照明装置时，使用符号“301”)。照明装置301R出射红色光，照明装置301G出射绿色光，照明装置301B出射蓝色光。各个照明装置301所出射的光，被凸透镜302导入到各色用的液晶显示面板303R，303G、303B中(以下在不特指各个液晶显示面板时，使用符号“303”)。各个液晶显示面板303，具有入射侧偏光板、在一对玻璃基板(形成有像素电极以及取向膜)之间封入液晶所形成的面板部，以及出射侧偏光板。通过从液晶显示面板303R、303G、303B中经过而被调制了的调制光(各色图像光)，被二向棱镜304合成，形成彩色图像光。该彩色图像光被投射透镜305放大投射，投影显示在屏幕上。
照明装置301，如图23所示，是通过在镜面筒状体312内三维设置LED311…而形成的装置。镜面筒状体312形成为长方体(平行六面体)形状，其一面作为光出射面，另一面的内侧作为反射面。LED311…例如支撑在图中未显示的透明玻璃板的单面或双面上，通过将该透明玻璃基板以层叠状设置在镜面筒状体312内，从而将LED311…三维设置。通往各个LED311的布线可以形成在透明玻璃基板上。上述布线部分也可以被反射体所覆盖。另外，对于LED311来说，也可以由反射体覆盖除了发光部以外的部位。
像这样，由于三维设置多个LED311…，因此能够实现光量的增大。并且，LED311…所出射的光在镜面筒状体312内被反射，进行积分并从光出射面出射出去，因此，能够防止液晶显示面板303上出现与LED 311…的配置相对应的明暗。
上述镜面筒状体312中，可以让上述光出射面的纵横比与液晶显示面板303的纵横比一致或大致一致。通过这样，能够将LED芯片311所出射的光不浪费地导入到液晶显示面板303的整个表面上，提高了出射光的利用效率。
另外，可以让上述镜面筒状体312构成为锥形，且让上述光出射面的面积，比与上述光出射面相面对的面的面积大。通过这样，能够抑制光的发散，并可照射到液晶显示面板303中。
图24表示另一个照明装置。该照明装置，是将LED芯片311a设置成阵列状，且在各个LED芯片311a的光出射侧设置平行光化用衍射光栅单元313…而构成的装置。像这样，由于将LED芯片311a…设置成阵列状，因此能够实现光量的增大。LED芯片311a…由透明树脂成型，通过在该透明树脂的表面上形成凹凸状来构成上述衍射光栅单元313…。衍射光栅单元313，具有互相离间的壁面。可以在树脂成型时，在形成上述壁面的场所设置模型部件，在成型之后通过将上述模型部件取下，能够得到上述壁面。上述壁面成为反射面，能够提高光利用效率。之后，虽然通过衍射光栅单元313…，对LED芯片311a所出射的光进行平行化，但通常的透镜也能够有效利用对被导入到轴外某处的光，提高了光利用效率。另外，也可以在成型之后将形成衍射光栅面的其他部件贴上。另外，虽然图中未显示，但也可以在衍射光栅313的光出射侧设置例如由第1复眼透镜与第2复眼透镜所构成的积分器。还可以让衍射光栅面具有聚光功能，通过这样，衍射光栅面能够兼具第1复眼透镜的功能，从而能够实现部件数目的削减。
还可以形成全息图面来代替上述衍射光栅面。另外，还可以将形成衍射光栅面或全息图面的壁面倾斜，使其容易得到平行光或聚光。另外，也可以是曲面所形成的透镜部与衍射光栅面或全息图面并存的构成。另外，也可以在分别制造的成型完成的LED灯中设置衍射光栅面或全息图面，将该LED灯设置成阵列状。另外，也可以将该图24中所示的照明装置设置成图23中所示的照明装置301的LED311。
图25表示另一种照明装置。该照明装置，是在LED311的光出射部设有偏光变换装置314的装置。该偏光变换装置314，由一对偏光束分路器(以下称作PBS)构成。各个PBS具备偏光分离膜314a。另外，1方的PBS的光出射侧设有相位差板(1/2λ板)314b。PBS的偏光分离膜314a，让LED311所出射的光中的例如P偏光通过，对S偏光进行90°光路变更。光路变更之后的S偏光，被相邻的偏光分离膜314a所反射，从而原样出射出去。另外，透过了偏光分离膜314a的P偏光，被设置在其前侧(光出射侧)的上述相位差板314b，变换成S偏光并出射。也即，几乎所有的光都被变换成S偏光。通过像这样让偏光方向一致，能够在使用液晶显示面板303的投射型图像显示装置中，提高屏幕上的亮度。另外，可以对1个偏光变换装置314设置1个LED311，也可以对1个偏光变换装置314设置多个LED311。另外，也可以将该图25中所示的照明装置设置成图23中所示的照明装置301的LED311。这种情况下，为了防止不需要的光入射到偏光变换装置314，可以在LED311的光入射面以及偏光出射面以外的部分中设置反射体(反射膜)。
另外，实施例4的投射型图像显示装置中，并不仅限于透过型液晶显示面板，也可以使用反射型液晶显示面板，还可以使用分别驱动作为像素的微小反射镜的这种类型的显示面板，来代替上述液晶显示面板。另外，本实施例中具有出射各色光的3个照明装置301R、301G、301B，但也可以作为出射白色光的照明装置，通过分色镜等进行分光或不分光，导入到单板的彩色显示面板中。在作为出射白色光的照明装置的情况下，各个固体发光元件可以出射白色光，也可以是适当排列出射红色光、蓝色光与绿色光的固体发光元件的构成。另外，固体发光元件并不仅限于发光二极管(LED)。
如上所述，通过实施例4的发明，能够达到提供一种使用发光二极管等固体发光元件的实用的照明装置以及使用该照明装置的投射型图像显示装置的效果。
权利要求
1.一种照明装置，其特征在于，具备将固体发光元件设置成阵列状的光源，以及将各个固体发光元件所出射的光积分导入给照明对象物的积分机构。
2.根据权利要求1所述的照明装置，其特征在于各个固体发光元件的光出射侧设有透镜单元。
3.根据权利要求2所述的照明装置，其特征在于所述透镜单元与各个固体发光元件在成型树脂中一体成型，或与所述成型树脂分别形成，且与该成型树脂之间隔有树脂层。
4.根据权利要求2或权利要求3所述的照明装置，其特征在于所述透镜单元具有互相离间的壁面，所述壁面成为反射面。
5.根据权利要求4所述的照明装置，其特征在于所述离间处之间设有反射体。
6.根据权利要求2至权利要求5中任一项所述的照明装置，其特征在于所述积分机构由受光并聚光的第1透镜组，以及设置在聚光点处的第2透镜组构成，所述透镜单元按照将来自固体发光元件的光导入给所述第1透镜组方式构成。
7.根据权利要求6所述的照明装置，其特征在于所述透镜单元与所述第1透镜组密合在一起。
8.根据权利要求2至权利要求5中任一项所述的照明装置，其特征在于所述透镜单元按照对来自固体发光元件的光进行聚光的方式构成，所述积分机构具备设置在从所述透镜单元中通过之后的光的聚光点处的透镜组而构成。
9.根据权利要求6至权利要求8中任一项所述的照明装置，其特征在于各个固体发光元件与各个透镜单元以及透镜组的各个透镜一一对应。
10.根据权利要求6至权利要求9中任一项所述的照明装置，其特征在于在所述积分机构的光出射侧，设有由将偏光束分路器排列成阵列状而构成的偏光变换装置。
11.根据权利要求10中任一项所述的照明装置，其特征在于所述偏光束分路器具有四棱柱形状，使其长边方向与固体发光元件的长边方向一致。
12.根据权利要求2至权利要求11中任一项所述的照明装置，其特征在于使所述积分机构中的透镜组的各个透镜，与照明对象物的纵横比一致或大致一致。
13.根据权利要求2至权利要求12中任一项所述的照明装置，其特征在于使所述透镜单元与照明对象物的纵横比一致或大致一致。
14.根据权利要求1至权利要求13中任一项所述的照明装置，其特征在于使各个固体发光元件的纵横比与照明对象物的纵横比一致或大致一致。
15.根据权利要求1至权利要求11中任一项所述的照明装置，其特征在于具备失真透镜，导入到该失真透镜中的光束的纵横比与照明对象物的纵横比不同，从失真透镜中所出射的光束的纵横比与照明对象物的纵横比一致或大致一致。
16.根据权利要求1至权利要求5中任一项所述的照明装置，其特征在于所述积分机构由杆积分器构成。
17.根据权利要求16所述的照明装置，其特征在于使所述杆积分器的光出射面与照明对象物的纵横比一致或大致一致。
18.根据权利要求16所述的照明装置，其特征在于所述杆积分器的光出射面侧具备失真透镜，所述杆积分器的光出射面的纵横比与照明对象物的纵横比不同，从失真透镜所出射的光束的纵横比与照明对象物的纵横比一致或大致一致。
19.一种照明装置，其特征在于，具备配置排列多个作为固体发光元件的半导体激光器而构成的光源，以及将所述半导体激光器所出射的光积分导入给照明对象物的积分机构，以及让所述半导体激光器所出射的光的相位互相不均一的移相机构。
20.根据权利要求19所述的照明装置，其特征在于移相机构由设置在从各个半导体激光器所出射的光的光路上的，厚度互相不同的多个平板透明部所构成。
21.根据权利要求19所述的照明装置，其特征在于移相机构由设置在从各个半导体激光器所出射的光的光路上的，介电常数互相不同的多个平板透明部所构成。
22.根据权利要求20或权利要求21所述的照明装置，其特征在于所述平板透明部的纵横比与照明对象物的纵横比一致或大致一致。
23.根据权利要求20或权利要求21所述的照明装置，其特征在于具备失真透镜，导入到该失真透镜中的光束的纵横比与照明对象物的纵横比不同，从失真透镜中所出射的光束的纵横比与照明对象物的纵横比一致或大致一致。
24.根据权利要求19所述的照明装置，其特征在于移相机构是设置在从所述半导体激光器所出射的激光的光路上的楔形光学元件。
25.一种照明装置，其特征在于，具备配置排列多个作为固体发光元件的半导体激光器而构成的光源，以及将所述半导体激光器所出射的激光积分导入给照明对象物的积分机构，以及使所述半导体激光器所出射的激光扩散的光扩散机构。
26.根据权利要求25所述的照明装置，其特征在于光扩散机构是具有微小凹凸的光学元件。
27.一种照明装置，其特征在于，具备配置排列多个固体发光元件而构成的光源，以及接收各个固体发光元件所出射的光，并将其受光区域的多处光分别积分导入给照明对象物的积分机构。
28.根据权利要求27所述的照明装置，其特征在于所述积分机构由透镜组构成，所述透镜组接受来自1个固体发光元件的光。
29.根据权利要求28所述的照明装置，其特征在于使所述积分机构中的透镜组的各个透镜，与照明对象物的纵横比一致或大致一致。
30.根据权利要求28所述的照明装置，其特征在于具备失真透镜，导入到该失真透镜中的光束的纵横比与照明对象物的纵横比不同，从失真透镜所出射的光束的纵横比与照明对象物的纵横比一致或大致一致。
31.一种照明装置，其特征在于，具备配置排列多个发光强度分布互不相同的固体发光元件而构成的光源，以及将各个固体发光元件所出射的光积分导入给照明对象物的积分机构。
32.一种照明装置，其特征在于，具备配置排列多个固体发光元件而构成的光源，以及接收各个固体发光元件所出射的光，变换其强度分布并出射的强度分布变换机构，以及将各个强度分布变换机构所出射的光积分导入给照明对象物的积分机构。
33.一种照明装置，其特征在于，具备配置排列多个固体发光元件而构成的光源，以及将各个固体发光元件所出射的光以互不相同的聚光图案，积分导入给照明对象物的积分机构。
34.根据权利要求31所述的照明装置，其特征在于具备两点发光的固体发光元件。
35.根据权利要求25至权利要求34中任一项所述的照明装置，其特征在于具备半导体激光器作为固体发光元件，将照明对象物作为液晶显示面板，使半导体激光器的直线偏光方向与液晶显示面板的偏光方向一致或大致一致。
36.根据权利要求25至权利要求35中任一项所述的照明装置，其特征在于具备半导体激光器作为固体发光元件，使其发光的椭圆长边方向与照明对象物的长边方向一致或大致一致。
37.根据权利要求25至权利要求36中任一项所述的照明装置，其特征在于具备半导体激光器作为所述固体发光元件，使来自该半导体激光器的光导入给所述照明对象物的光学系统中的光学元件的纵横比，与所述照明对象物的纵横比一致或大致一致，同时，使所述半导体激光器的发光的椭圆长边方向与所述光学元件的长边方向一致或大致一致。
38.一种照明装置，其特征在于按照下述方式构成在将一面作为光出射面，另一面的内侧作为反射面的镜面筒状体内三维设置多个固体发光元件，且将所述固体发光元件所出射的光积分导入到所述反射面，从所述光出射面出射。
39.根据权利要求38所述的照明装置，其特征在于镜面筒状体形成方筒体。
40.根据权利要求39所述的照明装置，其特征在于使所述光出射面的纵横比与照明对象物的纵横比一致或大致一致。
41.根据权利要求38至权利要求40中任一项所述的照明装置，其特征在于所述镜面筒状体为锥形，所述光出射面的面积比与所述光出射面相面对的面的面积大。
42.一种照明装置，其特征在于，具备在固体发光元件的光出射侧具有平行化功能或聚光功能的衍射光学元件部。
43.一种照明装置，其特征在于，具备在固体发光元件的光出射侧具有平行化功能或聚光功能的全息图光学元件部。
44.一种照明装置，其特征在于二维或三维设置多个固体发光元件，同时对各个固体发光元件的光出射侧设有偏光变换元件。
45.根据权利要求1至权利要求44中任一项所述的照明装置，其特征在于具备未设有显微透镜的透过型液晶显示面板，作为照明对象物。
46.一种投射型图像显示装置，其特征在于具备如权利要求1至权利要求45中任一项所述的照明装置。
全文摘要
照明装置(1)，由将LED芯片(11)…设置成阵列状，且在各个LED芯片(11)的光出射侧设置透镜单元(14)…所形成的光源(12)，以及将各个LED芯片(11)所出射并被上述透镜单元(14)平行化了的光，积分导入给液晶显示面板(3)的复眼透镜对(13)构成。LED芯片(11)与透镜单元(14)形成为方形，并且成为与液晶显示面板(3)的纵横比相对应的器件。另外，透镜单元(14)互相离间，具有壁面(空气缝隙)，上述壁面成为反射面。
文档编号G02B27/28GK1732403SQ200380107728
公开日2006年2月8日 申请日期2003年12月25日 优先权日2002年12月26日
发明者寺田房夫, 虎泽研示, 船造康夫, 土屋洋一, 日比野克俊, 金山秀行, 吉居正一, 黑坂刚孝 申请人:三洋电机株式会社