JP2006013127A - 光源装置及び表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 発光ダイオードなどの放射角が大きい発光素子をも効果的に利用でき、小型、軽量で、消費電力が小さい光源装置、及びそれを用いた、網膜ディスプレイ装置などの小型表示装置を提供すること。
【解決手段】 光源装置を、発光素子部１と集光部１０と合波部２０とで構成する。発光素子部１は、チップ状の発光素子２を複数個搭載し、外部端子８を通じて各発光素子２の発光を独立に制御できる。集光部１０では、レンズストッパ１３に設けた嵌合孔との嵌め合わせによって、球レンズ１１を発光素子２に対接又は対向して発光部の間近に保持し、発光素子２から放射される光が広がってしまう前に平行光束に方向変換する。合波部２０は、ダイクロイックミラー２１とアパーチュア２４と２５を有し、集光部１０から入射してきた平行光束を合波するとともに、平行性に優れた近軸光線を選別して出射する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、発光ダイオードなどの放射角が大きい発光素子をも効果的に利用できる光源装置、及びそれを用いた、網膜ディスプレイ装置などの小型表示装置に関するものである。

近年、電子機器、特に携帯用電子機器などは、小型化、軽量化、多機能化が求められている。このような傾向の中で、ＰＤＡ（携帯情報端末装置）などの携帯用電子機器においても、画像データが扱われるようになっており、小型化が進む中でいかにして精細な画像を大きく見やすく表示する機能を実現するか、ということが課題となっている。

特表平１１−５０５６２７号公報などに開示されている網膜ディスプレイは、ユーザーの眼の網膜上に画像を結像させるため、ディスプレイに占有される面積を少なくでき、小型化と高精細度表示とを両立させ得る表示装置として大いに期待されている。網膜ディスプレイは、携帯機器の一部をなすもの、または携帯機器に接続して使用されるものであるから、ディスプレイを構成するカラー表示装置などをいかに小型化・軽量化できるか、ということが今後の課題の１つとなっている。

従来、カラー表示可能な網膜ディスプレイ装置の光源部としては、例えば、後述の特許文献１に示されているように、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）およびＢ（青）の３本のレーザ光をダイクロイックミラーを用いて合波するものが提案されている。

図９は、レーザ光源の代わりに発光ダイオード（ＬＥＤ）を用いて同様の装置を構成した場合の一般的な構成を示す説明図である。

赤色光発光素子１０１Ｒ、青色光発光素子１０１Ｂおよび緑色光発光素子１０１Ｇは、それぞれ、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）およびＢ（青）の三原色光を発光するＬＥＤである。各発光素子からの光は、これらに対向して配置された集光レンズ１０２によって進路を変更され、平行光束となってダイクロイックミラー１０３に入射する。

ダイクロイックミラー１０３は、特定の波長の光を反射する一方、それ以外の波長の光は透過させる。例えば、ダイクロイックミラー１０３Ｒは、赤色光発光素子１０１Ｒからの赤色光を反射して、その進路を水平方向に変化させる。また、ダイクロイックミラー１０３Ｂは、青色光発光素子１０１Ｂからの青色光を反射して、その進路を水平方向に変化させる一方、ダイクロイックミラー１０３Ｒから送られてきた赤色光は、そのまま水平方向に透過させる。また、ダイクロイックミラー１０３Ｇは、緑色光発光素子１０１Ｇからの緑色光を反射して、その進路を水平方向に変化させる一方、ダイクロイックミラー１０３Ｂから送られてきた赤色光と青色光は、そのまま水平方向に透過させる。

このようにして、赤、緑および青の三原色光が同じ光軸上に導かれ、重ね合わせられるので、図９に示した光源部１０４をカラー表示可能な網膜ディスプレイ装置の光源として用いることができる。

光源部１０４によって１つに合波された光ビームは、走査手段１０５と投影光学系のレンズ１０６とによって、ユーザーの眼１０７の網膜上に結像され、網膜上にラスター画像を形成する。

特開平７−１６８１２３号公報（第４頁、図１）

しかしながら、ＬＥＤから出射される光は、放射角が大きく、様々な方向へ進む。一方、市場で通常に流通している発光素子は、半導体チップそのものではなく、チップが何らかのパッケージに収納されたものである。例えば、金属ケースに収納されハーメチックシールされたものや、樹脂封止パッケージに収納されたものなどがある。このような場合、発光素子の発光部からパッケージの外縁部までに距離があるため、発光部から出射された光束がパッケージの外縁部に到達したときには、既に光束が大きく広がってしまっている。この広がった光束を集光するには、口径の大きな集光レンズ１０２が必要になる。また、集光レンズ１０２が大きくなると、発光素子１０１と集光レンズ１０２との光軸を合わせたり、相対位置を調整したりする光学的な調整機構や、調整のために必要な空間も大型化する。

さらに、発光部からの光束が広がってしまった後にこれを平行光束に変えるので、得られる平行光束の光密度は、発光部からの光束の広がりに反比例して小さくなる。この結果、所定の光量の合波光を得るには、ダイクロイックミラー１０３で処理する平行光束の断面積を、光密度の減少に反比例して増加させなければならなくなり、ダイクロイックミラー１０３も大型のものが必要になる。

以上のように、発光部から集光レンズ１０２に到達するまでの光束の広がりが大きくなると、集光レンズ１０２を大型化する必要が生じるばかりでなく、ダイクロイックミラー１０３以後の光学部品も大型化することが必要になり、結局、光源部全体が大型化する。光源装置が大型化すると、結果として光源装置の重量も増加する。網膜ディスプレイの小型化・軽量化を実現するには、まず、この光源部の小型化・軽量化を実現する必要がある。

本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであって、その目的は、発光ダイオードなどの放射角が大きい発光素子をも効果的に利用でき、小型、軽量で、消費電力が小さい光源装置、及びそれを用いた、網膜ディスプレイ装置などの小型表示装置を提供することにある。

本発明は、発光部が露出した発光素子と、前記発光素子の前記発光部に対接又は対向して配置された集光レンズとを有する光源装置に係わり、また、前記光源装置とこの光源装置からの光を投影する投影手段とを備える表示装置に係わるものである。

本発明によれば、発光部が露出した発光素子と、前記発光素子の前記発光部に対接又は対向して配置された集光レンズとを用いて光源装置を構成する。このため、前記発光素子の露出した前記発光部に対接又は対向して、そのすぐ近傍に前記集光レンズを設けることにより、前記発光部から出射された光束が広がってしまう前にその進路を変化させ、この光束を例えば平行光束に変えることができる。

この結果、前記集光レンズとして、口径の大きなレンズが不要になり、例えば、後述する球レンズ（ボールレンズ）を用いることができる。また、前記集光レンズが小型化するので、前記発光素子と前記集光レンズとの光軸を合わせたり、相対位置を調整したりする光学的な調整機構や、そのために必要な空間も小型化する。

また、従来の、発光部がモールド樹脂などで被覆された発光素子を用い、発光部からの光束が広がってしまった後に、この光束を例えば平行光束に変える光源装置と比べると、前記光束が広がってしまう前に処理を行い得る分だけ、前記光束の広がりの度合いに反比例して、前記光束の光密度を高めることができる。このため、後続の光学装置において、所定の光量を得るために処理しなければならない前記光束の断面積を、光密度の増加に応じて減少させることができ、前記後続の光学装置を小型化することができる。

以上のように、前記発光部が露出した前記発光素子を用いると、発光素子自体が小型化するばかりでなく、前記後続の光学装置を小型化することができ、前記発光素子と前記集光レンズと前記後続の光学装置を合わせた光学装置全体を小型化することができる。光学装置が小型化すると、結果として光学装置の重量も減少する。また、前記発光素子から出射される光を効率よく利用できるので、発光に費やされる電力を抑えることができる。

また、本発明の表示装置は、前記光源装置とこの光源装置からの光を投影する投影手段とを備えるので、前記光源装置と同様、小型軽量化と低消費電力化とを実現できる。なお、投影手段とは、画像形成面において合波光を走査する手段と、合波光を結像させる手段とを意味するものとする。

本発明の光源装置において、複数の前記発光素子と、これらの発光素子から出射される光を合波する合波手段とを備えているのがよい。前記複数の前記発光素子が同色の発光光を出射する場合には、出射光の合波によって光密度がより高い光束を得ることができる。また、前記複数の前記発光素子が複数色の発光光をそれぞれ出射する場合には、出射光の合波によってマルチカラー又はフルカラーの合波光を得ることができ、カラー表示可能な網膜ディスプレイ装置の光源などとして用いることができる。

また、前記集光レンズの光出射側に前記合波手段が配置されているのがよい。このようにすると、前記発光素子の前記発光部のすぐ近傍に前記集光レンズを設けて、前記光束が広がってしまう前にその進路を変え、例えば平行光束として前記合波手段に送り込むことができる。

この際、前記集光レンズが球レンズ（ボールレンズ）であるのがよい。但し、本明細書では、球レンズ（ボールレンズ）とは、透光性の材料からなり、完全な球体のレンズ、ないしほぼ完全な球面をなすレンズを意味するものとする。光軸調整を必要としない球レンズを用いることで、光学調整に必要な機構や調整スペースの必要がなくなり、さらに光源装置を小型化することが可能となる。また、容易に前記発光素子の発光部の至近距離内に前記集光レンズを配置することができる。

更に、前記合波手段が、前記集光レンズによって集光された光の略光軸上に設けられたアパーチュアを有するのがよい。これにより、前記集光レンズで方向変換された光束のうち、例えば、光軸に対して平行性の良好な近軸光線を選別して利用することができる。

また、前記合波手段が、前記集光レンズで集光された光のうち、所定の波長範囲の光のみを反射し、他の波長範囲の光を透過させるダイクロイックミラー又はダイクロイックプリズムを有するのがよい。これにより、前記発光素子から出射された光のうち、不要な波長の光は除かれ、合波光を形成するのに必要な光のみが選別されて合波されるので、所望したとおりの色調を有する合波光が得られる。

また、合波された光ビームの直径より小さいアパーチュアが、前記合波手段の光出射位置において、合波された前記光ビームの略光軸上に設けられているのがよい。このようにすると、複数の光ビームの重なりによって形成された合波光のうち、光軸に近く、特に平行性に優れた光ビームを選別して取り出すことができる。更に、前記アパーチュアの大きさを適宜設定することによって、光源として求められるビーム径の合波光ビームを得ることができる。

また、前記複数の発光素子が、赤色光発光素子、緑色光発光素子及び青色光発光素子のいずれかであるのがよい。これらの発光素子が発する光を合波することで、マルチカラー又はフルカラーの合波光を得ることができる。

また、複数の前記発光素子の発光量が個別に制御されるのがよい。それぞれの前記発光素子に駆動電力を供給することによって、搭載された複数の前記発光素子を独立の発光量で発光させることができる。例えば、赤色光発光素子、緑色光発光素子および青色光発光素子の発光量を独立に制御することによって、三原色光の混色によるフルカラーの合波光を得ることができ、前記投影手段によってフルカラーの画像を形成することができる。

本発明の表示装置は、小型で軽量であるので、特に網膜ディスプレイ装置として構成されるのが好適である。

次に、本発明の好ましい実施の形態を図面参照下に具体的かつ詳細に説明する。

実施の形態１
図１は、実施の形態１に基づく、カラー表示可能な網膜ディスプレイの光源装置の一般的な構成を示す説明図である。図１（ａ）は、光の出射側を見た断面図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）に１Ａ−１Ａ線で示した位置における断面図である。なお、図１では、見やすくするため、球レンズ（ボールレンズ）やダイクロイックミラーなど一部のハッチングを省略している（以下、同様。）。

この光源装置は、主として、発光素子部１と集光部１０と合波部２０からなる。発光素子部１は、ＬＥＤやレーザダイオードなどのチップ状の発光素子２を複数個搭載することができ、外部端子８を通じて電気的に各発光素子２の発光を制御できる。集光部１０は、発光素子２の搭載数と同数の球レンズ（ボールレンズ）１１を保持することができる。合波部２０は、同じく同数のダイクロイックミラー２１を保持することができる。なお、図１には、一例として搭載する発光素子の数が３個である例を示したが、搭載素子数はこれに限るものではなく、適宜選択する。以下、それぞれの部分の詳しい構造と機能を説明する。

図２は、発光素子部１の構造を説明するもので、図２（ａ）は、光の出射側を見た断面図であり、図２（ｂ）は、図１（ｂ）と同じ１Ａ−１Ａ線の位置における断面図である。

発光素子部１では、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）およびＢ（青）の三原色光を、それぞれ、発光する、チップ状の赤色光発光素子２Ｒ、青色光発光素子２Ｂおよび緑色光発光素子２Ｇが、サブ基板３の上に実装されている。サブ基板３には、発光素子２の位置決め精度を確保するための基準位置となるマークと、チップ状の発光素子２を固定するためのパターンとが設けられている。

支持体底部４の上には、サブ基板３よりひとまわり大きく、サブ基板３を搭載するためのベースであるランド６が設けられており、サブ基板３はランド６に固定されている。支持体底部４の上には、ランド６以外に、発光素子２とワイヤボンディングなどで電気的な配線９を形成するための導電性のランド７が設けられている。

支持体底部４と支持体側部５とは、一体となって箱形の容器を形成し、この中に後述する集光部１０を収容するように構成されている。支持体底部４は、例えば、セラミック材料からなる基板の上にメッキなどでランド６やランド７などのパターン配線が形成されたもの、または、ランド６とランド７の形状にパターニングされたリードフレームなどの金属材料を樹脂とともに成形して作製されたものなどを用いることができ、一般的な実装基板の作製技術を応用することができる。

支持体底部４に形成され、図示省略したスルーホール配線を通じて、ランド７は支持体底部４の外面に配置された外部端子８と電気的に接続されている。ランド６は、パッケージ構造により、外部端子８と接続されていたり、ランド７とワイヤボンディングで接続されていたりする。外部端子８を通じてそれぞれの発光素子２に駆動電力を供給することによって、搭載された複数の発光素子２を発光させることができる。また、赤色光発光素子２Ｒ、青色光発光素子２Ｂおよび緑色光発光素子２Ｇの発光量を独立に制御することによって、三原色光の混色によるフルカラーの合波光を得ることができる。

この光源装置で用いる発光素子２としては安価なＬＥＤが適している。そのなかでも、製造が容易で、高周波特性に優れて変調しやすく、実装も容易であることから、面発光型のＬＥＤが好適である。また、ＶＣＳＥＬ（垂直共振器型面発光レーザ）を用いてもよい。

図３は、面発光型のＬＥＤの電極形状と電気的接続の状態を示す斜視図である。図３（ａ）のように電極が上部と底部に設けられている場合には、上部電極６１はランド７にワイヤボンディング配線９で接続し、底部の下部電極６２はサブ基板３の上の配線パターン６３に図示省略した導電性樹脂で接続する。これを外部と接続するために、サブ基板３の上で引き出された配線パターン６３とランド７とをワイヤボンディング配線９で接続する。図３（ｂ）のように上部に２つの電極が設けられている場合には、各電極をワイヤボンディング配線９でランド７に接続する。

図４は、集光部１０の構造を説明するもので、図４（ａ）は、光の出射側を見た断面図であり、図４（ｂ）は、図１（ｂ）と同じ１Ａ−１Ａ線の位置における断面図である。

集光部１０では、発光素子２の搭載数と同じ３個の球レンズ（ボールレンズ）１１が、レンズホルダ１２とレンズストッパ１３とによって保持されている。球レンズ１１は、透光性の材料からなる完全な球体である。レンズホルダ１２は、例えば樹脂成形や金属加工などによって形成され、球レンズ１１よりわずかに大きい断面をもち、例えば３個の球レンズ１１を保持することができる。樹脂の材料としては、軽くて強い樹脂が望ましく、例えば、液晶ポリマーとして用いられる材料を混ぜ込んだ液晶ポリマー樹脂などがよい。

レンズホルダ１２の下部には、レンズホルダ１２と同種の材料によって同様に形成されたレンズストッパ１３が設けられている。レンズストッパ１３には、球レンズ１１の外形より小さい寸法の嵌合孔１４が設けられている。嵌合孔１４は、例えば円形であるが、これに限られず、球レンズ１１を３点以上で支持できる形状であればよく、例えば四角孔などでもよい。

このようなレンズホルダ１２とレンズストッパ１３によれば、球レンズ１１を各レンズホルダ１２内に落とし込むだけで外形に基づくセルフアライメントで球レンズ１１の位置決めが達成される。

すなわち、レンズホルダ１２内に導入された球レンズ１１は、レンズストッパ１３に設けられた嵌合孔１４に落ち込むしかなく、球レンズ１１と嵌合孔１４との凹凸嵌合によって自動的に球レンズ１１は位置決めして保持され、球の中心の位置が定まる。これによって、球レンズ１１と発光素子２との距離、および球レンズ１１の光軸（図４の上下方向における球レンズの中心軸）１５の位置もまた自動的に定まり、球レンズ１１と発光素子２との相対位置を調整したり、光軸を合わせたりする光学的な調整を行う必要がない。

球レンズ１１は、嵌合孔１４の中心にならって、光軸１５の位置の精度を得ることができる。従って、球レンズ１１の光軸１５の位置決め精度に関係するのは、球レンズ１１の真球度と、レンズストッパ１３に設けられた嵌合孔１４の中心の位置決め精度である。これらは、いずれも、手間をかけずに、比較的容易に、高い精度を実現できる。

また、球レンズ１１は、嵌合孔１４の寸法にならって、上下方向における位置の精度を得ることができる。従って、球レンズ１１と発光素子２との距離の精度に関係するのは、球レンズ１１の外形寸法の精度と、レンズストッパ１３に設けられた嵌合孔１４の孔径の精度である。これらもまた、手間をかけずに、比較的容易に、高い精度を実現できる。

このように、球レンズ１１の真球度と外形寸法の精度を高く管理し、また、レンズストッパ１３に設ける嵌合孔１４の中心位置と寸法の精度を高く管理することにより、光学的な調整を行う手間をかけずに、球レンズ１１を精度よく位置決めすることができる。上記の管理は比較的容易であるので、歩留まりよく、手間をかけずに能率よく、低コストで光源装置を作製することが可能になる。

なお、位置決めされた球レンズ１１を固定するには、図示省略した押さえ蓋を球レンズ１１に上方からかぶせるか、接着剤を用いてレンズホルダ１２に接着固定すればよい。また、球レンズ１１を収容する空間領域の間には、それぞれの球レンズ１１からの迷光が互いに影響し合わないように、遮光壁１６を設けるのがよい。

図５は、合波部２０の構造を説明するもので、図５（ａ）は、光の出射側を見た断面図であり、図５（ｂ）は、図１（ｂ）と同じ１Ａ−１Ａ線の位置における断面図である。

合波部２０では、発光素子２の搭載数と同じ３個のダイクロイックミラー２１Ｒ、２１Ｂおよび２１Ｇが、ミラーホルダ２３によって保持されている。ダイクロイックミラー２１Ｒは、赤色光のみを反射し、他の光は透過させる。同様に、ダイクロイックミラー２１Ｂは、青色光のみを反射し、他の光は透過させ、ダイクロイックミラー２１Ｇは、緑色光のみを反射し、他の光は透過させる。

ダイクロイックミラー２１Ｒは、例えば、ガラスなどの透明材料からなる直方体を２つの三角柱に二等分し、一方の三角柱の切断面に赤色光のみを反射する赤色光反射面２２Ｒを形成したものである。赤色光反射面２２Ｒは、誘電体多層膜を蒸着することなどによって形成できる。同様に、ダイクロイックミラー２１Ｂおよび２１Ｇは、ガラスなどの透明材料からなる直方体を２つの三角柱に二等分し、一方の三角柱の切断面に青色光のみを反射する青色光反射面２２Ｂおよび緑色光のみを反射する緑色光反射面２２Ｇを、それぞれ形成したものである。ミラーホルダ２３は、例えば、樹脂成形や金属加工などで形成されたものである。

各ダイクロイックミラー２１Ｒ、２１Ｂおよび２１Ｇへの入射側には、小径のアパーチュア２４が設けられている。また、ダイクロイックミラー２１Ｒ、２１Ｂおよび２１Ｇによって合波された合波光が出射される側にも、より小径のアパーチュア２５が設けられている。

図６は、３つの発光素子２の例として緑色光発光素子２Ｇを選び、緑色光発光素子２Ｇから出射された光がアパーチュア２５から出射されるまでの光路の構成を図示した説明図である。

緑色光発光素子２Ｇは、例えば、０．２ｍｍ角程度の微小なチップサイズのＬＥＤである。この緑色光発光素子２Ｇにできるだけ接近させて、直径が例えば約２ｍｍの球レンズ１１を対向配置する。緑色光発光素子２Ｇと球レンズ１１との間隙Ｄは、０〜約０．５ｍｍで、小さいほどよく、両者が接してもかまわない。ＬＥＤなどの発光素子から出射される光束は放射角の大きい拡散光であるが、上記のように間隙Ｄができるだけ小さくなるように配置した場合、緑色光発光素子２Ｇから出射される光を効率的に球レンズ１１に入射させ、その光路を光軸側に屈折させ、球レンズ１１から出射される光束が光軸に平行な平行光束に近いビーム状になるように光路変換することができる。

この際、発光素子２の表面に球レンズ１１が接触するか、あるいはその直前まで近づけることができるように、ＬＥＤなどの発光素子２に設ける、ワイヤボンディングなどによる配線を、高さの低いループ形状にするのがよい。また、図４に示した、円形の嵌合孔１４を有するレンズストッパ１３で球レンズ１１を支持する方式は、発光素子２と球レンズ１１との接近を邪魔するものが生ずることがなく、上記の目的にも好適である。

ダイクロイックミラー２１Ｇへ光が入射する側のミラーホルダ２３には、小径のアパーチュア２４が設けられている。このアパーチュア２４はボールレンズ１１の光軸１５の上に設けられており、球レンズ１１から出射される光束のうち、特に光軸１５に近く、より平行光束に近い光ビームを選別してダイクロイックミラー２１Ｇへ送る働きをする。このアパーチュア２４の大きさによって合波部２０へ送る平行光束のビーム径を適宜設定することができ、例えば、直径が０．４〜０．５ｍｍのアパーチュア２４を設けるのがよい。

ダイクロイックミラー２１Ｇに入射した平行光束は、緑色光反射面２２Ｇで反射されて、水平方向に出射側方向へ進む。一方、ダイクロイックミラー２１Ｂから送られてきた赤色光と青色光は、ダイクロイックミラー２１Ｇを水平方向に透過する。このようにして、緑色光、赤色光および青色光の光ビームが同じ光軸上に導かれ、出射側アパーチュア２５付近では３つのビームの重なりによって合波光のビームが形成される。このうち、光軸に近く、特に平行性に優れた光ビームを、合波光のビーム径より小さなアパーチュア２５で選別して取り出すのがよい。このアパーチュア２５の大きさを適宜設定することによって、光源として求められるビーム径の合波光ビームを得ることができる。例えば、アパーチュア２５の直径を１０〜２０μｍとするなど、仮想画面の画素サイズ相当に設定するのがよい。

図示は省略するが、例えば、間隙Ｄが２倍になったとすると、緑色光発光素子２Ｇから球レンズ１１に到達する光が数倍に広がってしまい、アパーチュア２４やアパーチュア２５から取り出せる光ビームの光密度が数分の一に低下してしまうのは、容易に想像できる。この光密度の低下を発光素子２の側で補うためには、発光素子２を数倍の明るさで光らせる必要があり、そのためには消費電力が何倍にも大きくなる。このような考察からわかるように、図１や図６で示されるような光の利用形態では、間隙Ｄを０に近づけることが極めて重要である。

上記のように、発光部が露出した発光素子を用いる本実施の形態によれば、発光部がモールド樹脂などで被覆された従来の発光素子を用いる光源装置と比べて、光密度がはるかに大きい平行光束を取り出すことができ、この結果、所定の光量の合波光を得るために処理する平行光束の断面積を、光密度の増加に応じて減少させることができ、前記合波手段を小型化することができる。

以上のように、前記発光部が露出した前記発光素子を用いると、発光素子自体が小型化するばかりでなく、前記合波手段を小型化することができ、光源装置全体を小型化できる。光源装置が小型化すると、結果として光源装置の重量も減少する。

次に、上述した各部の構造と機能の特徴に基づき、図１に示した光源装置の動作を説明する。

赤色光発光素子２Ｒ、青色光発光素子２Ｂおよび緑色光発光素子２Ｇは、外部端子８を通じて駆動電力が供給されると、それぞれ、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）およびＢ（青）の三原色光を発光する。各発光素子からの光は、これらに対向して配置された球レンズ１１によって進路を変更され、アパーチュア２４によって選別され、ビーム径０．４〜０．５ｍｍの平行光束となってダイクロイックミラー２１に入射する。

ダイクロイックミラー２１Ｒは、赤色発光素子２Ｒからの赤色光を反射して、その進路を水平方向に変化させる。また、ダイクロイックミラー２１Ｂは、青色発光素子２Ｂからの青色光を反射して、その進路を水平方向に変化させる一方、ダイクロイックミラー２１Ｒから送られてきた赤色光は、そのまま水平方向に透過させる。また、ダイクロイックミラー２１Ｇは、緑色発光素子２Ｇからの緑色光を反射して、その進路を水平方向に変化させる一方、ダイクロイックミラー２１Ｂから送られてきた赤色光と青色光は、そのまま水平方向に透過させる。

このようにして、赤、緑および青の三原色光が同じ光軸上に導かれ、出射側アパーチュア２５付近では三原色光の重なりによって合波光のビームが形成される。このうち、光軸に近く、特に平行性に優れた光ビームがアパーチュア２５によって選別され、例えば、ビーム径１０〜２０μｍの平行光束となって取り出される。

出射される合波光ビームは、光軸近くの極めて平行性に優れた光が選別された質の高い光である。さらに、発光素子２から出射される光が広がってしまう前に球レンズ１１で平行光束に方向変換しているため、合波光ビームの光密度は高い。このような光源の構造は、極めて微小なビーム径の光ビームを出射する光源の光量を増大させるのに適しており、その出射光の特性は、網膜ディスプレイなどへの応用に好適である。

また、各発光素子に供給する駆動電力を独立に制御することによって、赤色光発光素子２Ｒ、青色光発光素子２Ｂおよび緑色光発光素子２Ｇの発光量を独立に制御することができ、三原色光の混色によるフルカラーの合波光を得ることができる。この出射ビームは、フルカラー表示可能なディスプレイ装置の光源として用いることができる。

以上のように、発光部が露出したチップ状の発光素子を用いると、発光素子自体が小型化するばかりでなく、合波手段を小型化することができ、光源装置全体を小型化できる。光源装置が小型化すると、結果として光源装置の重量も減少する。また、前記発光素子から出射される光を効率よく利用できるので、発光に費やされる電力を抑えることができる。

また、集光レンズとして光軸調整を必要としない球レンズを用いることで、光学調整に必要な機構や調整スペースの必要がなくなり、さらに光源装置を小型化することが可能となる。また、容易に前記発光素子の発光部の至近距離内に前記集光レンズを配置することができる。

球レンズ１１の真球度と外形寸法の精度を高く管理し、また、レンズストッパ１３に設ける嵌合孔１４の中心位置と寸法の精度を高く管理することにより、光学的な調整を行う手間をかけずに、球レンズ１１を精度よく位置決めすることができる。上記の管理は比較的容易であるので、歩留まりよく、手間をかけずに能率よく、低コストで光源装置を作製することが可能になる。

実施の形態２
図７は、実施の形態２に基づく、カラー表示可能な網膜ディスプレイの光源装置の一般的な構成を示す説明図である。図７（ａ）は、図１（ａ）と同じ方向を見た断面図であり、図７（ｂ）は、図７（ａ）に７Ｂ−７Ｂ線で示した位置における断面図である。

この光源装置は、図１に示した、実施の形態１に基づく光源装置とほぼ同様に構成されている。但し、合波部の構成を少し変え、中央上面に設けられたアパーチュアから上方へ合波光を取り出せるようにした点のみが、図１に示した光源装置と異なっている。以下、重複を避けるため、相違点に重点をおいて説明する。

図７に示した光源装置は、主として、発光素子部１と集光部１０と合波部３０とからなる。発光素子部１は、ＬＥＤやレーザダイオードなどのチップ状の発光素子２を複数個搭載することができ、外部端子８を通じて電気的に各発光素子２の発光を制御できる。集光部１０は、発光素子２の搭載数と同数の球レンズ（ボールレンズ）１１を保持することができる。これらは、図１に示した装置の発光素子部１および集光部１０と同じものである。

合波部３０では、図１に示した合波部２０で用いられていたダイクロイックミラー２１Ｒおよび２１Ｇの代わりに、プリズムミラー３１Ｒおよび３１Ｇがミラーホルダ２３によって保持されている。プリズムミラー３１Ｒおよび３１Ｇは、三角柱形のプリズムに光反射面３２を形成したものである。また、ダイクロイックミラー２１Ｂの代わりに、直方体を４等分して得られる三角柱の切断面に、赤色光のみを反射し他の光は透過させる赤色光反射面３２Ｒと、緑色光のみを反射し他の光は透過させる緑色光反射面３２Ｇとが直交するように形成されたクロスダイクロイックミラー３１Ｂが中央部に保持されている。

また、合波部３０の上部には遮光壁３６が設けられており、その中心位置に、図１のアパーチュア２５に代えて、同径のアパーチュア３５が設けられている。

その他は図１に示した合波部２０と同様である。例えば、ミラーホルダ２３には、集光部１０から光が入射する位置にアパーチュア２４と同様のアパーチュア３４が設けられている。

図７に示した光源装置では、赤色光発光素子２Ｒ、青色光発光素子２Ｂおよび緑色光発光素子２Ｇは、外部端子８を通じて駆動電力が供給されると、それぞれ、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）およびＢ（青）の三原色光を発光する。各発光素子からの光は、これらに対向して配置された球レンズ１１によって進路を変更され、アパーチュア３４によって選別され、ビーム径０．４〜０．５ｍｍの平行光束となってプリズムミラー３１Ｒ、３１Ｇまたはクロスダイクロイックミラー３１Ｂに入射する。

赤色発光素子２Ｒからの赤色光は、プリズムミラー３１Ｒによって水平方向に反射され、続いてクロスダイクロイックミラー３１Ｂの赤色光反射面３２Ｒによって垂直上方へ反射される。同様に、緑色発光素子２Ｇからの緑色光は、プリズムミラー３１Ｇによって水平方向に反射され、続いてクロスダイクロイックミラー３１Ｂの緑色光反射面３２Ｇによって垂直上方へ反射される。青色発光素子２Ｒからの青色光は、クロスダイクロイックミラー３１Ｂの赤色光反射面３２Ｒおよび緑色光反射面３２Ｇを透過して垂直上方へ出射される。

このようにして、赤、緑および青の三原色光が同じ光軸上に導かれ、出射側アパーチュア３５付近では三原色光の重なりによって合波光のビームが形成される。このうち、光軸に近く、特に平行性に優れた光ビームがアパーチュア３５によって選別され、例えば、ビーム径１０〜２０μｍの平行光束となって取り出される。

実施の形態１と同様、出射される合波光ビームは、光軸近くの極めて平行性に優れた光が選別された質の高い光である。さらに、発光素子２から出射される光が広がってしまう前に球レンズ１１で平行光束に方向変換しているため、合波光ビームの光密度は高い。このような光源の構造は、極めて微小なビーム径の光を出射する光源の光量を増大させるのに適しており、その出射光の特性は、網膜ディスプレイなどへの応用に好適である。

その他の点でも実施の形態１と同様であるから、実施の形態１と同様の作用効果が得られることは言うまでもない。

すなわち、発光部が露出したチップ状の発光素子を用いると、発光素子自体が小型化するばかりでなく、合波手段を小型化することができ、光源装置全体を小型化できる。光源装置が小型化すると、結果として光源装置の重量も減少する。また、前記発光素子から出射される光を効率よく利用できるので、発光に費やされる電力を抑えることができる。

また、集光レンズとして光軸調整を必要としない球レンズを用いることで、光学調整に必要な機構や調整スペースの必要がなくなり、さらに光源装置を小型化することが可能となる。また、容易に前記発光素子の発光部の至近距離内に前記集光レンズを配置することができる。

球レンズ１１の真球度と外形寸法の精度を高く管理し、また、レンズストッパ１３に設ける嵌合孔１４の中心位置と寸法の精度を高く管理することにより、光学的な調整を行う手間をかけずに、球レンズ１１を精度よく位置決めすることができる。上記の管理は比較的容易であるので、歩留まりよく、手間をかけずに能率よく、低コストで光源装置を作製することが可能になる。

実施の形態３
上述した実施の形態１と２の光源装置から出射される合波光ビームは、平行性に優れ、光密度の高い、質の高い光である。本実施の形態は、そのような光源装置を網膜ディスプレイなどのマイクロディスプレイに適用した例である。

図８は、本発明の実施の形態３に基づくヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）の構成を示す説明図である。このヘッドマウントディスプレイ５０では、図１に示した光源装置４０から出射される出射光４１が、網膜４５の上に単位画素を形成する。この際、映像信号に対応して各発光素子に供給する駆動電力を駆動電力制御装置５１で制御することによって、赤色光発光素子２Ｒ、青色光発光素子２Ｂおよび緑色光発光素子２Ｇの発光量を調節し、三原色光の混色によってフルカラーの表示が可能な単位画素とすることができる。

そして、光源装置４０からの出射光４１は、走査手段４２を通過した後、結像光学系のレンズ４３等によって、この走査手段４２と光学的に共役関係にあるユーザーの眼球４４の網膜４５の上に結像点（スポット）を結ぶように構成されている。この結像点は、映像信号に同期した走査手段４２の動きによって、網膜４５の上で二次元的に走査され、網膜４５の上にラスター画像を形成する。ユーザーは、このラスター画像を知覚し、臨場感あふれる映像をパーソナルに体感することができる。

なお、このヘッドマウントディスプレイ５０は、サングラスのように装着した状態でプロジェクタやＰＤＡ、カメラ、コンピュータ、ゲーム機などに組み込むことにより、コンパクトな映像装置を提供することができる。

以上、本発明を実施の形態に基づいて説明したが、本発明はこれらの例に何ら限定されるものではなく、発明の主旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能であることは言うまでもない。例えば、上述した発光素子は、１種のみを１個又は複数個配置してもよく（モノカラー光源の場合）、また、２種を各１個又は複数個配置してもよい（マルチカラー光源の場合）。

本発明の光源装置及び表示装置は、携帯電子機器の表示装置として期待されている網膜ディスプレイ装置などのカラー表示可能な表示装置を、小型、軽量、低コストで提供することに応用することができる。

本発明の実施の形態１に基づく網膜ディスプレイの光源装置の、光の出射側を見た断面図（ａ）と、図１（ａ）に１Ａ−１Ａ線で示した位置における断面図（ｂ）とである。 同、発光素子部の構造を説明する、光の出射側を見た断面図（ａ）と、１Ａ−１Ａ線の位置における断面図（ｂ）とである。 同、ＬＥＤの形状と電気的接続の状態を示す斜視図である。 同、集光部の構造を説明する、光の出射側を見た断面図（ａ）と、１Ａ−１Ａ線の位置における断面図（ｂ）とである。 同、合波部の構造を説明する、光の出射側を見た断面図（ａ）と、１Ａ−１Ａ線の位置における断面図（ｂ）とである。 同、緑色光発光素子２Ｇから出射された光がアパーチュア２５から出射されるまでの光路の構成を図示した説明図である。 本発明の実施の形態２に基づく網膜ディスプレイの光源装置の、光の出射側を見た断面図（ａ）と、図７（ａ）に７Ｂ−７Ｂ線で示した位置における断面図（ｂ）とである。 本発明の実施の形態３に基づくヘッドマウントディスプレイの構成を示す説明図である。 従来のカラー表示可能な網膜ディスプレイ装置の光源部の構成を示す説明図である。

符号の説明

１…発光素子部、２…チップ状の発光素子、２Ｒ…チップ状の赤色光発光素子、
２Ｂ…チップ状の青色光発光素子、２Ｇ…チップ状の緑色光発光素子、
３…サブ基板、４…支持体底部、５…支持体側部、６、７…ランド、８…外部端子、
９…配線、１０…集光部、１１…球レンズ（ボールレンズ）、１２…レンズホルダ、
１３…レンズストッパ、１４…嵌合孔、１５…球レンズの光軸、１６…遮光壁、
２１Ｒ、２１Ｂ、２１Ｇ…ダイクロイックミラー、２２Ｒ…赤色光反射面、
２２Ｂ…青色光反射面、２２Ｇ…緑色光反射面、２３…ミラーホルダ、
２４…アパーチュア（入射側）、２５…アパーチュア（出射側）、２６…遮光壁、
３１Ｒ、３１Ｇ…プリズムミラー、３１Ｂ…クロスダイクロイックミラー、
３２Ｒ…赤色光反射面、３２Ｇ…緑色光反射面、３３…ミラーホルダ、
３４…アパーチュア（入射側）、３５…アパーチュア（出射側）、３６…遮光壁、
４０…光源装置、４１…出射光、４２…走査手段、４３…結像光学系のレンズ、
４４…ユーザーの眼球、４５…網膜、５０…ヘッドマウントディスプレイ、
５１…駆動電力変調装置、６１…上部電極、６２…下部電極、６３…配線パターン、
６４…陽極、６５…陰極、１０１Ｒ…赤色光発光素子、１０１Ｂ…青色光発光素子、
１０１Ｇ…緑色光発光素子、１０２…集光レンズ、１０３…ダイクロイックミラー、
１０４…光源部、１０５…走査手段、１０６…投影光学系のレンズ、
１０７…ユーザーの眼球

Claims (12)

1. 発光部が露出した発光素子と、前記発光素子の前記発光部に対接又は対向して配置された集光レンズとを有する、光源装置。
2. 複数の前記発光素子と、これらの発光素子から出射される光を合波する合波手段とを備えた、請求項１に記載した光源装置。
3. 前記複数の前記発光素子が複数色の発光光をそれぞれ出射する、請求項２に記載した光源装置。
4. 前記集光レンズの光出射側に前記合波手段が配置されている、請求項２に記載した光源装置。
5. 前記集光レンズが球レンズ（ボールレンズ）である、請求項１に記載した光源装置。
6. 前記合波手段が、前記集光レンズによって集光された光の略光軸上に設けられたアパーチュアを有する、請求項２に記載した光源装置。
7. 前記合波手段が、前記集光レンズで集光された光のうち、所定の波長範囲の光のみを反射し、他の波長範囲の光を透過させるダイクロイックミラー又はダイクロイックプリズムを有する、請求項２に記載した光源装置。
8. 合波された光ビームの径より小さいアパーチュアが、前記合波手段の光出射位置において、合波された前記光ビームの略光軸上に設けられている、請求項２に記載した光源装置。
9. 前記複数の発光素子の発光量が別個に制御される、請求項２に記載した光源装置。
10. 前記複数の発光素子が、赤色光発光素子、緑色光発光素子及び青色光発光素子のいずれかである、請求項３に記載した光源装置。
11. 請求項１〜１０のいずれか１項に記載した光源装置と、この光源装置からの光を投影する投影手段とを備える、表示装置。
12. 網膜ディスプレイ装置として構成された、請求項１１に記載した表示装置。
    

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