JP2010129503A - 照明装置及びこれを備えるプロジェクタ - Google Patents

Abstract

【課題】ランプから出射された光の光束形状を考慮することで、光の利用効率を簡易・確実に向上させることが可能な照明装置及びこのような照明装置を備えるプロジェクタを提供すること。
【解決手段】出射光ＩＬの光束形状に対応して、各光源ランプユニット１０、２０に対する各反射面３０ａ、３０ｂの位置を、基準とすべき第２焦点Ｆ２ａ、Ｆ２ｂよりも光路上流側とすることにより、第１及び第２のリフレクタ１２、２２や合成ミラー３０の反射角度の設定等の光学的設計については、旧来の特徴を保持したままでありながらも、反射面３０ａ、３０ｂ上において合成させる出射光ＩＬを近接させた状態で反射させることができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、複数のランプから発生した光を合成して照明光を形成する照明装置及び当該照明装置を備えるプロジェクタに関する。

プロジェクタ等の投射型画像表示装置において、２つの光源装置を有する照明装置を用いて明るい画像を形成するものが知られている（例えば特許文献１参照）。対向配置された２つの光源装置からの照明光束をＶ字状の反射面を有するミラーにより略同一の方向に向けて反射させるとともに合成して照明光を形成する場合、例えば、２つの光源装置のそれぞれにおいて楕円型のリフレクタを集光光学系として用い、光源光の発光点を当該リフレクタの第１焦点に位置するように配置し、ミラーのＶ字状の反射面を第２焦点またはその近傍に配置している。これにより、当該反射面上において光を集光させることで光の利用効率等の向上を図っている（同上参照）。
特許第４０４５６９２号明細書

上記特許文献１のように、Ｖ字状の反射面を有するミラーを用いることにより２つの光を略同一の方向に向けて反射して合成させる場合、光の利用効率等をよくするためには、合成の際に２方向からの光ができるだけ近接していることが望ましい。つまり、当該ミラーの反射面のうち、できるだけＶ字状のエッジ部分（先端部分）に近い側即ちミラーが光を反射する方向側に光を入射させることが望ましい。しかしながら、例えば楕円型のリフレクタを集光光学系として用い、当該リフレクタの第２焦点等にミラーの反射面を配置させても、例えば発光源側における発光管の形状やアーク位置の広がり等の影響により、ランプから出射される光の光束は、必ずしも第２焦点において理想の通りに一点に集光するものとはならない。また、当該リフレクタの第２焦点等において、当該光束の断面形状が必ずしも近接させるために最適な状態になっているとも限らない。

そこで、本発明は、ランプから出射された実際の光の光束形状を考慮することで、光の利用効率を簡易・確実に向上させることが可能な照明装置及びこのような照明装置を備えるプロジェクタを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明に係る照明装置は、それぞれ光源光を発生する第１及び第２の発光管と、第１及び第２の発光管から発生した光源光をそれぞれ集光するように出射するとともに互いに対向した状態で離間して配置される第１及び第２のリフレクタとを有する第１及び第２のランプと、第１及び第２のランプ間に配置され、第１及び第２のランプの少なくとも一方からの出射光のビームサイズの最小位置に対応して配置される反射面を含み、第１及び第２のランプからそれぞれ出射された当該各出射光を同一方向に反射することにより合成するＶ字状の合成ミラーとを備える。

上記照明装置では、合成ミラーの反射面を、ランプ光学系上の焦点位置ではなく、第１及び第２のランプの少なくとも一方からの出射光のビームサイズの最小位置に対応して配置している。これにより、光を合成して照明光を形成する際に、光をより合成後の光軸に近接させることができるので、光の利用効率を簡易・確実に向上させることができる。

また、本発明の具体的な態様によれば、合成ミラーが、上述の反射面として、第１のランプ及び第２のランプの双方からの出射光のビームサイズの最小位置に対応してそれぞれ配置される第１及び第２の反射面を有する。この場合、光の合成において、第１のランプ及び第２のランプの双方からの光を近接させることができるので、光の利用効率を簡易・確実に向上させることができる。

また、本発明の別の態様によれば、第１及び第２のリフレクタの少なくとも一方からの出射光のビームサイズの最小位置が、当該リフレクタの光軸と当該リフレクタに対応する合成ミラーの反射面との交点またはその近傍にある。この場合、当該合成ミラーの反射面上における出射光のビームサイズを確実に最小にすることができる。

また、本発明の別の態様によれば、第１及び第２のリフレクタが、楕円型である。ここで、楕円型のリフレクタについては、楕円を回転させて形成される回転楕円面の一部を反射面として有するリフレクタのみならず、楕円を補正した自由曲線を光軸の回りに回転させて得られた自由曲面を反射面として有するリフレクタも含まれる。この場合、基本の回転楕円面に対応する第１焦点及び第２焦点を通る軸を光軸として、種々の光学的設計を行うことができる。なお、ビームサイズの最小位置は、補正しても第２焦点からはずれた位置となっているものとする。

また、本発明の別の態様によれば、第１及び第２のリフレクタの少なくとも一方からの出射光のビームサイズの最小位置が、対応する当該リフレクタの第２焦点の位置よりも光路上流側にある。この場合、出射光のビームサイズの最小位置がリフレクタの第２焦点の位置から光路上流側に離間しており、これに対応した光の反射による合成を行うことで、光の利用効率を簡易・確実に向上させることができる。

また、本発明の別の態様によれば、第１及び第２のリフレクタの少なくとも一方からの出射光のビームサイズの最小位置が、対応する当該リフレクタの第２焦点の位置よりも光路下流側にある。この場合、出射光のビームサイズの最小位置がリフレクタの第２焦点の位置から光路下流側に離間しており、これに対応した光の反射による合成を行うことで、光の利用効率を簡易・確実に向上させることができる。

また、本発明の別の態様によれば、第１及び第２のランプが、高圧水銀ランプ及びメタルハライドランプのいずれかの高圧放電ランプである。この場合、例えばプロジェクタ等に照明装置を組み込んでも、プロジェクタによる像光形成の必要に足る光量を有する略白色の光源光を発生させることができる。

また、本発明の別の態様によれば、第１のランプと第２のランプとが、同一仕様の光学系であり、合成ミラーを基準として対称に配置される。この場合、各ランプからの光の合成により形成される光が、バランスの取れたものとなる。

また、本発明の別の態様によれば、照明装置が、合成ミラーの光路下流側において、合成された出射光を平行化する平行化光学系をさらに備える。この場合、光が平行化されるので、例えばプロジェクタ等に用いるのに適した照明装置となる。

また、本発明の具体的な態様として、本発明に係るプロジェクタは、上記いずれかの照明装置と、照明装置からの照明光によって照明される光変調装置と、光変調装置を経た像光を投射する投射光学系とを備える。この場合、上記照明装置を用いることにより、プロジェクタは、光の利用効率の向上により輝度を向上させた画像の投射を可能にするものとなる。

図１は、第１実施形態に係る照明装置が組み込まれたプロジェクタの光学系を説明するための模式的な平面図であり、図２は、図１のうち、照明装置について拡大して示した平面図である。

このプロジェクタ１００は、照明光を形成して出射する照明装置５０と、照明装置５０からの照明光を青（Ｂ）、緑（Ｇ）及び赤（Ｒ）の３色に分離する色分離光学系４０と、各色の像光を形成する光変調部６０と、光変調部６０から出射された各色の像光を合成してカラーの画像光を形成するクロスダイクロイックプリズム７０と、クロスダイクロイックプリズム７０を経た画像光を投射する投射光学系８０とを備える。

照明装置５０は、それぞれ光源光を発生するランプである第１及び第２の光源ランプユニット１０、２０と、第１及び第２の光源ランプユニット１０、２０からの出射光を略同一の方向に反射することにより合成する合成ミラー３０と、合成ミラー３０により１つにまとまった照明光を平行化するレンズである平行化光学系３４と、平行化された光束を複数の部分光束に分割する第１及び第２フライアイレンズ３５、３６と、第２フライアイレンズ３６から入射する照明光の偏光状態を調整する偏光変換素子３７と、複数の部分光束を光路下流側において重畳させるための重畳レンズ３８とを備える。

図２等に示すように、照明装置５０のうち、両光源ランプユニット１０、２０は、同一の構造を有しており、可視光波長領域を含む光源光を発生させる発光源である第１及び第２の発光管１１、２１と、第１及び第２の発光管１１、１２から出射された光源光を反射する反射部材である第１及び第２のリフレクタ１２、２２とをそれぞれ有している。なお、第１の光源ランプユニット１０と第２の光源ランプユニット２０とは同一構造の光学系であり、第１の発光管１１と第２の発光管２１とは、同一仕様となっている。各発光管１１、２１は、例えば、高圧水銀ランプ等の高圧放電ランプであり、点灯時には、それぞれのガラス管内に封入された水銀等による蒸気圧が例えば１００ｋ〜１０００ｋＰａ（１〜１０気圧）程度となる。これにより、各発光管１１、２１は、像光形成の必要に足る光量を有する略白色の光源光を発生する。第１のリフレクタ１２と第２のリフレクタ２２とは、互いに対向した状態で離間して、同一軸上に光軸ＲＸを共有した状態で配置されている。各リフレクタ１２、２２の内側面は、楕円を補正した自由曲線を光軸の回りに回転させた軌跡となっている。つまり、各リフレクタ１２、２２は、回転楕円面に近似した自由曲面を反射面として有している。従って、第１のリフレクタ１２は、上記基本の回転楕円面に対応する第１焦点Ｆ１ａ及び第２焦点Ｆ２ａを通る軸を光軸ＲＸとしている。同様に、第２のリフレクタ２２は、第１焦点Ｆ１ｂ及び第２焦点Ｆ２ｂを通る軸を光軸ＲＸとしている。第１及び第２の発光管１１、２１の発光点は、それぞれ第１及び第２のリフレクタ１２、２２の第１焦点Ｆ１ａ、Ｆ１ｂに略一致しており、各リフレクタ１２、２２は、第１及び第２の発光管１１、２１から発生した光源光を出射光ＩＬとしてそれぞれ集光するように合成ミラー３０に向けて開口ＯＰから出射する。

ここで、両リフレクタ１２、２２の光軸ＲＸは、照明装置５０の照明光軸ＯＣに垂直なものとなっており、各リフレクタ１２、２２は、照明光軸ＯＣについて軸対称に配置されている。従って、合成ミラー３０は、光軸ＲＸ上において第１の光源ランプユニット１０と第２の光源ランプユニット２０との丁度中間に位置する配置となっている。なお、図中において、光軸ＲＸの方向をｘ方向、照明光軸ＯＣの方向をｚ方向としている。また、照明装置５０は、図１に示すプロジェクタ１００において、照明光軸ＯＣをシステム光軸ＯＡと同一軸とするように組み込まれている。

合成ミラー３０は、三角柱状のプリズム３０ｐの側面に、第１の光源ランプユニット１０からの出射光ＩＬに対応する第１の反射面３０ａと、第２の光源ランプユニット２０からの出射光ＩＬに対応する第２の反射面３０ｂとを有している。合成ミラー３０の形状についてより具体的に説明すると、第１の反射面３０ａと第２の反射面３０ｂとの片端が繋がっていることで、エッジ部分である頂点側端部ＰＫが形成されており、各反射面３０ａ、３０ｂのもう一方の端部である一対の後部側端部ＥＧと頂点側端部ＰＫとを結んで平面視Ｖ字状に反射部分が形成されている。なお、第１のリフレクタ１２に設けた第１の反射面３０ａと第１のリフレクタ１２に設けた第２の反射面３０ｂとが照明光軸ＯＣについて対称となるように配置されていることで、第１の光源ランプユニット１０と第２の光源ランプユニット２０とは、照明光軸ＯＣを軸として軸対称な配置となっている。ここでは、特に、第１の反射面３０ａと光軸ＲＸとの交点ＣＳは、第１のリフレクタ１２の第２焦点Ｆ２ａより光路上流側に位置している。同様に、第２の反射面３０ｂと光軸ＲＸとの交点ＣＳも、第１の反射面３０ａと同じ量だけ、第２のリフレクタ２２の第２焦点Ｆ２ｂより光路上流側に位置している。このように、本実施形態では、各反射面３０ａ、３０ｂが、それぞれ対応する第２焦点Ｆ２ａ、Ｆ２ｂまたはその近傍ではなく、第２焦点Ｆ２ａ、Ｆ２ｂから光路上流側に適宜シフトした位置を基準とした配置となっている。これにより、詳細は後述するが、合成ミラー３０において、両光源ランプユニット１０、２０からの光をより近接した状態で合成させることができる。

以下、図３、図４（Ａ）及び４（Ｂ）を用いて両光源ランプユニット１０、２０及び合成ミラー３０による光の合成について説明する。図３は、第１の光源ランプユニット１０から出射される光の様子を模式的に示す断面図である。図中において、出射される出射光ＩＬのうち、主たる光束線を光束ＩＢとして示しており、また、実際の出射光ＩＬ全体による光束の外形を輪郭ＲＤとして模式的に示している。なお、第２の光源ランプユニット２０（図２参照）は、第１の光源ランプユニット１０と同一の構造を有するものであるため説明及び図示を省略する。

図３の第１の光源ランプユニット１０において、第１の発光管１１の発光点は、第１のリフレクタ１２の第１焦点Ｆ１ａに略一致している。当該発光点から出射された光源光は、主たる光束ＩＢにより示すように、第１の発光管１１のガラス管１１ａを経て第１のリフレクタ１２の反射面１２ａ上の各点で反射され、第１のリフレクタ１２の開口ＯＰから出射光ＩＬとして出射される。なお、出射光ＩＬについて、開口ＯＰからの出射時における光束のスポット径は、リフレクタ１２の直径Ｄ１に等しいものとなる。ここで、仮に第１の発光管１１の発光点が、第１焦点Ｆ１ａに完全に一致し、かつ、第１焦点Ｆ１ａから放射状に出射した光源光が屈折することなく直進して第１のリフレクタ１２で反射されるものとした場合には、図中点線で示す理論上の仮想的な光束形状ＶＬを有する光が出射され、第２焦点Ｆ２ａに集光するものとなる。しかしながら、実際には、例えば第１の発光管１１を構成するガラス管１１ａは、少なくとも点灯時に内部空間に生じる蒸気圧・温度に耐えられる程度の構造とするため、図示のように、曲面形状及び厚みを有するものである。このため、ガラス管１１ａは、若干ではあるが、例えば凸レンズとしての効果（以後レンズ効果と呼ぶ。）を透過する光に与える。また、第１の発光管１１の発光点についてもアークの位置にはある程度の幅があり、正確に第１焦点Ｆ１ａに一致しているわけではない。これらの影響のため、実際の出射光ＩＬは、例えば主たる光束ＩＢに示されるように、第２焦点Ｆ２ａあるいは、その近傍において集光しない。なお、このような種々の要因に対応するため、第１のリフレクタ１２の反射面１２ａの曲面形状は、既述のように、曲率を補正したものとなっている。当該補正により出射光ＩＬの光束断面の最小値ができるだけ小さくなるようにされているものの、出射光ＩＬが理想通り第２焦点Ｆ２ａにおいて１点に集光するものとまではならない。例えば、凸面状のガラス管１１ａによるレンズ効果による影響が大きい場合、一般に、出射光ＩＬは、第２焦点Ｆ２ａよりも光路上流側において集光する傾向にある。従って、例えば図３に示すように、仮想的な光束形状ＶＬが第２焦点Ｆ２ａで集光するのに対して、実際の出射光ＩＬは、照明光軸ＯＣ上点Ｆ２ａよりも光路上流側の点Ｋの位置において、光束断面を最も小さくするような状態で集光する。つまり、出射光ＩＬの光束の外形たる輪郭ＲＤは、点Ｋの位置において、照明光軸ＯＣについて垂直に切断した断面が最小となり、ビームウェストＢＷ（Ｂｅａｍ Ｗａｉｓｔ）を形成する。照明光軸ＯＣに沿って見た場合、ビームウェストＢＷの前後では、いずれも出射光ＩＬの輪郭ＲＤが大きく拡がっていく状態となっている。

以上のように、実際の出射光ＩＬの光束は、ガラス管１１ａのレンズ効果等により、第２焦点Ｆ２ａではなく、光軸ＲＸに沿って、第２焦点Ｆ２ａから光路上流側に距離Δｔはずれた点Ｋの位置を最小位置とする形状を有している。本実施形態に係る照明装置５０は、このように、第２焦点Ｆ２ａと出射光ＩＬの光束の輪郭ＲＤの最小位置とが一致しないことを考慮したものとなっている。

照明装置５０において、合成ミラー３０は、上述のように、出射光ＩＬの光束断面即ちビームサイズが最小となる位置であるビームウェストＢＷの位置を基準として反射面３０ａ、３０ｂを配置したものとなっている。図４（Ａ）、４（Ｂ）のうち、図４（Ａ）は、合成ミラー３０のうち第１の反射面３０ａの出射光ＩＬに対する位置即ち合成ミラー３０での出射光ＩＬの反射位置について説明するための図であり、図４（Ｂ）は、その比較例の図である。なお、第２の反射面３０ｂについては、対称性により、第１の反射面３０ａと同様の構成となっているので、説明及び図示を省略する。図４（Ａ）に示すように、ここでは、ビームウェストＢＷの中心位置である点Ｋと、第１のリフレクタ１２の光軸ＲＸと合成ミラー３０の第１の反射面３０ａとの交点ＣＳとが一致している。この場合、図示のように、交点ＣＳからエッジ部分である頂点側端部ＰＫまでの幅ａ１をビームウェストＢＷの半径の幅ａ２に略等しい小さな値のものとすることができる。従って、図２等に示すように、両光源ランプユニット１０、２０による２方向からの出射光ＩＬをより近接させた状態で合成させることができる。また、この場合、光束が部分的に遮断されるけられ等による光のロスを抑制することも可能である。従って、合成ミラー３０によって形成される照明光ＳＬが理想的な状態に近いものとなり、より効率的に利用することができるものとなる。これに対して、図４（Ｂ）のように、光軸ＲＸと反射面３０ａとの交点ＣＳと第１のリフレクタ１２の第２焦点Ｆ２ａとが一致している場合、ビームウェストＢＷの位置が反射面３０ａから遠ざかるので、反射面３０ａ上にできる出射光ＩＬの輪郭ＲＤが、図４（Ａ）の場合よりも拡がった状態となる、即ち出射光ＩＬの光束断面積が大きくなる。従って、２方向からの出射光ＩＬを近接させすぎると、光のロスが増大する可能性がある。

また、合成ミラー３０は、例えば図２に示すように、第１及び第２の反射面３０ａ、３０ｂによって、第１及び第２の光源ランプユニット１０、２０からそれぞれ出射される各出射光ＩＬを略同一の方向に反射する。より詳しく説明すると、まず、合成ミラー３０において、第１の反射面３０ａと第２の反射面３０ｂとのなす角αは、例えば９２°程度となっている。これにより、各光源ランプユニット１０、２０からそれぞれ出射された出射光ＩＬは、各反射面３０ａ、３０ｂにおいてその中心軸ＣＸを照明光軸ＯＣに対してやや傾いた角度θ（約２°）とする状態で反射される。このような合成ミラー３０での反射により対向する方向からの出射光ＩＬが、略同一の方向に反射されることで合成され、照明光ＳＬが形成される。形成された照明光ＳＬは、合成ミラー３０の光路下流側に位置する光学系である平行化光学系３４に入射する。

平行化光学系３４は、反射された光を合成する集光レンズであり、合成ミラー３０での反射により１つの光束に合成された照明光ＳＬの平行化を行う。平行化光学系３４から出射された照明光ＳＬは、略平行化された状態で均一化光学系である第１及び第２フライアイレンズ３５、３６に入射する。

第１及び第２フライアイレンズ３５、３６は、それぞれマトリックス状に配置された複数の要素レンズ３５ａ、３６ａからなり、これらの要素レンズ３５ａ、３６ａによって、平行化光学系３４を経て平行化された光を分割して個別に集光・発散させる。より具体的には、第１フライアイレンズ３５は、平行化光学系３４を経た光の光束を複数の部分光束に分割する光束分割光学素子としての機能を有し、照明光軸ＯＣ即ちシステム光軸ＯＡと直交する面内に上述した複数の要素レンズ３５ａを備えて構成される。各要素レンズ３５ａの輪郭形状は、後述する図１の光変調部６０における各液晶パネル６１ｂ、６１ｇ、６１ｒ上の被照明領域（画像情報が形成される有効画素領域）の形状と略相似形状をなすように設定されている。第２フライアイレンズ３６は、前述した第１フライアイレンズ３５により分割された複数の部分光束の発散角を調整する光学素子である。この第２フライアイレンズ３６は、第１フライアイレンズ３５と同様にシステム光軸ＯＡに直交する面内に上述した複数の要素レンズ３６ａを備えているが、発散角の調整を目的としているため、各要素レンズの輪郭形状が上記液晶パネル６１ｂ、６１ｇ、６１ｒの被照明領域と対応している必要はない。

上述のように、第１及び第２フライアイレンズ３５、３６を経て形成された照明光ＳＬは、偏光変換素子３７に入射する。偏光変換素子３７は、ＰＢＳアレイを有し、第１フライアイレンズ３５により分割された各部分光束の偏光方向を一方向の直線偏光に揃える役割を有する。具体的な構造等について説明すると、この偏光変換素子３７は、システム光軸ＯＡに対して傾斜配置される偏光分離膜３７ａ及び反射ミラー３７ｂを交互に配列した構成を具備している。前者の偏光分離膜３７ａは、各部分光束に含まれるＰ偏光光束及びＳ偏光光束のうち、一方の偏光光束を透過し、他方の偏光光束を反射する。反射された他方の偏光光束は、後者の反射ミラー３７ｂによって光路を折り曲げられ、一方の偏光光束の出射方向、すなわちシステム光軸ＯＡに沿った方向に出射される。出射された偏光光束のいずれかは、偏光変換素子３７の光束出射面にストライプ状に設けられる位相差板３７ｃによって偏光変換され、すべての偏光光束の偏光方向が揃えられる。このような偏光変換素子３７を用いることにより、照明装置５０から出射される光束を、一方向の偏光光束に揃えることができるため、図１の光変調部６０で利用する光の利用率を向上させることができる。

重畳レンズ３８は、第１フライアイレンズ３５、第２フライアイレンズ３６、及び偏光変換素子３７を経た複数の部分光束を集光して、図１の光変調部６０の液晶パネル６１ｂ、６１ｇ、６１ｒの画像形成領域上に重畳させて入射させるための重畳光学素子である。この重畳レンズ３８から出射された光束は、重畳によって均一化されつつ光路下流側の色分離光学系４０に出射される。つまり、両フライアイレンズ３５、３６と重畳レンズ３８とを経た照明光は、以下に詳述する色分離光学系４０を経て、光変調部６０の照明領域すなわち各色の液晶パネル６１ｂ、６１ｇ、６１ｒの画像形成領域を均一に照明する。

この照明装置５０では、上記のように、各光源ランプユニット１０、２０からそれぞれ出射された出射光ＩＬが、その中心軸ＣＸを照明光軸ＯＣに対してやや傾いた角度θ（約２°）とする状態で光路下流側の各光学系に照明光を入射するものとなっている。このような光学的設計を施すことにより、例えば２つの出射光ＩＬのいずれについても第２フライアイレンズ３６の各要素レンズ３６ａ内にアーク像を形成させることができ、これにより光の利用効率を向上させることができる。

以上説明したように、照明装置５０において、出射光ＩＬの光束形状に対応して、各光源ランプユニット１０、２０に対する各反射面３０ａ、３０ｂの位置を、基準とすべき第２焦点Ｆ２ａ、Ｆ２ｂよりも光路上流側とすることにより、反射面３０ａ上において出射光ＩＬの光束断面を小さくすることができるので、出射光ＩＬの合成において、両光源ランプユニット１０、２０からの出射光ＩＬをより近接させることができる。これにより、より多くの光を無駄なく適切な状態で反射させることができ、光の利用効率を向上させることが可能となる。また、この際、第１及び第２のリフレクタ１２、２２や合成ミラー３０の反射角度の設定等光の利用効率を向上させるための他の光学的設計については、旧来の特徴を保持することも可能である。

以下、図１に戻って、照明装置５０より光路下流側に配置されるプロジェクタ１００の各構成について説明する。

色分離光学系４０は、第１及び第２ダイクロイックミラー４１ａ、４１ｂと、反射ミラー４２ａ、４２ｂ、４２ｃと、フィールドレンズ４３ｂ、４３ｇ、４３ｒと、リレーレンズ４５、４６とを備える。これらのうち、第１及び第２ダイクロイックミラー４１ａ、４１ｂは、照明光を、青（Ｂ）色光、緑（Ｇ）色光、及び赤（Ｒ）色光の３つの光束に分離する。各ダイクロイックミラー４１ａ、４１ｂは、透明基板上に、所定の波長領域の光束を反射し他の波長領域の光束を透過する波長選択作用を有する誘電体多層膜を形成することによって得た光学素子であり、システム光軸ＯＡに対してともに傾斜した状態で配置される。第１ダイクロイックミラー４１ａは、Ｂ・Ｇ・Ｒの３色のうち青色光ＬＢを反射し、緑色光ＬＧと赤色光ＬＲとを透過させる。また、第２ダイクロイックミラー４１ｂは、入射した緑色光ＬＧ及び赤色光ＬＲのうち緑色光ＬＧを反射し赤色光ＬＲを透過させる。色分離光学系４０の出射側に設けられた各色用のフィールドレンズ４３ｂ、４３ｇ、４３ｒは、第２フライアイレンズ３６から出射され光変調部６０に入射する各部分光束が、システム光軸ＯＡに対して適当な収束度又は発散度となるように設けられている。一対のリレーレンズ４５、４６は、青色用の第１光路ＯＰ１や緑色用の第２光路ＯＰ２よりも相対的に長い赤色用の第３光路ＯＰ３上に配置されている。これらのリレーレンズ４５、４６は、入射側の第１のリレーレンズ４５の直前に形成された像を、ほぼそのまま出射側のフィールドレンズ４３ｒに伝達することにより、光の拡散等による光の利用効率の低下を防止している。

この色分離光学系４０において、照明装置５０から出射された照明光ＳＬは、まず第１ダイクロイックミラー４１ａに入射する。第１ダイクロイックミラー４１ａで反射された青色光ＬＢは、第１光路ＯＰ１に導かれ、反射ミラー４２ａを経てフィールドレンズ４３ｂに入射する。また、第１ダイクロイックミラー４１ａを透過して第２ダイクロイックミラー４１ｂで反射された緑色光ＬＧは、第２光路ＯＰ２に導かれフィールドレンズ４３ｇに入射する。さらに、第２ダイクロイックミラー４１ｂを通過した赤色光ＬＲは、第３光路ＯＰ３に導かれ、反射ミラー４２ｂ、４２ｃやリレーレンズ４５、４６を経てフィールドレンズ４３ｒに入射する。

光変調部６０は、３色の照明光ＬＢ、ＬＧ、ＬＲがそれぞれ入射する３つの液晶パネル６１ｂ、６１ｇ、６１ｒと、各液晶パネル６１ｂ、６１ｇ、６１ｒを挟むように配置される３組の偏光フィルタ６２ｂ、６２ｇ、６２ｒとを備える。ここで、例えば青色光ＬＢ用の液晶パネル６１ｂと、これを挟む一対の偏光フィルタ６２ｂ、６２ｂとは、照明光を画像情報に基づいて２次元的に輝度変調するための液晶ライトバルブを構成する。同様に、緑色光ＬＧ用の液晶パネル６１ｇと、対応する偏光フィルタ６２ｇ、６２ｇも、液晶ライトバルブを構成し、赤色光ＬＲ用の液晶パネル６１ｒと、偏光フィルタ６２ｒ、６２ｒも、液晶ライトバルブを構成する。各液晶パネル６１ｂ、６１ｇ、６１ｒは、一対の透明なガラス基板間に電気光学物質である液晶を密閉封入したものであり、例えば、ポリシリコンＴＦＴをスイッチング素子として、与えられた画像信号に従って、それぞれに入射した偏光光束の偏光方向を変調する。

この光変調部６０において、第１光路ＯＰ１に導かれた青色光ＬＢは、フィールドレンズ４３ｂを介して液晶パネル６１ｂ内の画像形成領域を照明する。第２光路ＯＰ２に導かれた緑色光ＬＧは、フィールドレンズ４３ｇを介して液晶パネル６１ｇ内の画像形成領域を照明する。第３光路ＯＰ３に導かれた赤色光ＬＲは、第１及び第２リレーレンズ４５、４６及びフィールドレンズ４３ｒを介して液晶パネル６１ｒ内の画像形成領域を照明する。各液晶パネル６１ｂ、６１ｇ、６１ｒは、入射した照明光の偏光方向の空間的分布を変化させるための非発光で透過型の光変調装置である。各液晶パネル６１ｂ、６１ｇ、６１ｒにそれぞれ入射した各色光ＬＢ、ＬＧ、ＬＲは、各液晶パネル６１ｂ、６１ｇ、６１ｒに電気的信号として入力された駆動信号或いは制御信号に応じて、画素単位で偏光状態が調整される。その際、偏光フィルタ６２ｂ、６２ｇ、６２ｒによって、各液晶パネル６１ｂ、６１ｇ、６１ｒに入射する照明光の偏光方向が調整されるとともに、各液晶パネル６１ｂ、６１ｇ、６１ｒから出射される光から所定の偏光方向の変調光が取り出される。以上により、各液晶パネル６１ｂ、６１ｇ、６１ｒ及び偏光フィルタ６２ｂ、６２ｇ、６２ｒによって、それぞれに対応する各色の像光が形成される。

クロスダイクロイックプリズム７０は、各液晶パネル６１ｂ、６１ｇ、６１ｒから出射された色光ごとに変調された像光を合成してカラー画像を形成する光合成光学系である。このクロスダイクロイックプリズム７０は、４つの直角プリズムを貼り合わせた平面視略正方形状をなし、直角プリズム同士を貼り合わせた界面には、Ｘ字状に交差する一対の誘電体多層膜７１、７２が形成されている。一方の第１誘電体多層膜７１は青色光を反射し、他方の第２誘電体多層膜７２は赤色光を反射する。このクロスダイクロイックプリズム７０は、液晶パネル６１ｂからの青色光ＬＢを第１誘電体多層膜７１で反射して進行方向右側に出射させ、液晶パネル６１ｇからの緑色光ＬＧを第１及び第２誘電体多層膜７１、７２を介して直進・出射させ、液晶パネル６１ｒからの赤色光ＬＲを第２誘電体多層膜７２で反射して進行方向左側に出射させる。

このようにクロスダイクロイックプリズム７０で合成された像光は、拡大投影レンズとしての投射光学系８０を経て、適当な拡大率でスクリーン（不図示）にカラー画像として投射される。

図５は、図３に示す光源ランプユニット１０の開口ＯＰから光軸ＲＸに沿った距離と出射光ＩＬのビームサイズ即ち出射光ＩＬを光軸ＲＸに垂直な断面で切断したときの輪郭ＲＤの大きさであるスポット径との関係を示すグラフである。つまり、図５において、横軸は、開口ＯＰから光軸ＲＸに沿った距離を示し、縦軸は、輪郭ＲＤのスポット径を示している。従って、例えば開口ＯＰ上における輪郭ＲＤのスポット径の値は、リフレクタ１２の直径Ｄ１となる。図３等を用いて既に説明したように、輪郭ＲＤの光軸ＲＸに対して垂直に切った断面積は、ビームウェストＢＷの形成される点Ｋの位置で最小となる。従って、図５のグラフにおいても、点Ｋの位置において輪郭ＲＤのスポット径は最小となっている。これに対して、第２焦点Ｆ２ａでは、輪郭ＲＤのスポット径は比較的大きくなっている。なお、図４（Ａ）に示した例では、点Ｋの位置と点ＣＳの位置とを一致させているが、点Ｋの近傍の位置であってもスポット径が十分小さい状態を保てればよく、必ずしも点Ｋの位置と点ＣＳの位置とが正確に一致していなくてもよい。例えば、点Ｋが光軸ＲＸと照明光軸ＯＣとの交点上にくるものとしてもよい。

以上において、出射光ＩＬの輪郭ＲＤを定めるにあたっては、出射光ＩＬのビームウェストＢＷ近傍における光束断面の照度分布を基準とすることができる。図６（Ａ）は、照明装置の合成ミラーの反射面における照度分布の一例について説明するための断面図である。図６（Ａ）は、出射光ＩＬの光束を光軸ＲＸに垂直に切った断面における照度分布を示した図である。つまり、図中の最外縁側の部分が出射光ＩＬの輪郭ＲＤである。また、図６（Ｂ）は、図６（Ａ）に対応する照度分布を示すグラフであり、図６（Ａ）に示す平面におけるｘ、ｙ軸のうち、ｘ軸上についての出射光ＩＬの照度の大きさを表している。図６（Ｂ）中の原点Ｏは、図６（Ａ）のｘ軸とｙ軸との交点である原点Ｏに対応しており、グラフに示されるように、光の照度は一般に光束の中央ほど強く、周辺に行くに従って弱くなっている。従って、出射光ＩＬのうちどこまでを輪郭ＲＤとするかについては、例えば図６（Ｂ）の光の強度に閾値を定め、閾値以上であるか否かにより定めてもよい。出射光ＩＬの輪郭ＲＤを確定させることで、出射光ＩＬのビームサイズが最小となる位置であるビームウェストＢＷの位置が確定する。また、これにより、ビームウェストＢＷの位置（即ち距離Δｔの値）及びサイズ（即ち幅ａ２の値）が確定することで、これに合わせて、図４（Ａ）における合成ミラー３０についての幅ａ１の値を含め、各光学系の配置位置が定まる。

以上説明したように、本実施形態に係る照明装置５０は、合成ミラー３０に対するリフレクタ１２、２２の距離を考慮することで、出射光ＩＬの各反射面３０ａ、３０ｂ上における光束形状を最適化し、確実により高強度の光を出射させることができる。また、本実施形態に係るプロジェクタ１００は、図２等に示す構造の照明装置５０を光源として用いることにより、高強度の光を出射させることができるので、各液晶パネル６１ｂ、６１ｇ、６１ｒの適切な照明が可能となり、高輝度の画像を投影することができる。

本願発明は、上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

まず、上記実施形態では、第１及び第２の光源ランプユニット１０、２０を同じ量だけシフトして配置しているが、これに限らず、各光源ランプユニット１０、２０を個別に微調整するものとしてもよい。

また、上記実施形態では、凸面状のガラス管１１ａによるレンズ効果のため、第２焦点Ｆ２ａよりも光路上流側にビームウェストＢＷが位置しているが、例えばガラス管１１ａの形状によっては、生じるレンズ効果が上記とは逆の性質を有し、ビームウェストＢＷが第２焦点Ｆ２ａよりも光路下流側に位置している場合も考えられる。このような場合に対応させるべく、合成ミラー３０の反射面３０ａ、３０ｂを、それぞれ第２焦点Ｆ２ａ、Ｆ２ｂから光路下流側に適宜シフトした位置を基準として配置してもよい。

各光源ランプユニット１０、２０に用いる各発光管１１、２１として、高圧水銀ランプに代えて、例えばメタルハライドランプ等他の高圧放電ランプを用いてもよい。

また、上記実施形態では、照明装置５０を第１及び第２の光源ランプユニット１０、２０から重畳レンズ３８までとしているが、例えば第１及び第２の光源ランプユニット１０、２０から合成ミラー３０までを一物品として流通させる照明装置としてもよい。

また、上記実施形態では、透過型液晶ライトバルブを用いたプロジェクタ１００に照明装置５０を適用した場合の例について説明したが、反射型液晶ライトバルブを用いたプロジェクタにも適用することが可能である。

また、上記実施形態において、プロジェクタ１００は、像形成光学部３０において画像形成素子として液晶ライトバルブ３５ａ、３５ｂ、３５ｃを用いているが、画素がマイクロミラーによって構成されたデバイスのような光変調装置やフィルムやスライドのような画像形成手段を用いることも可能である。

第１実施形態に係るプロジェクタを説明する概念図である。 プロジェクタのうち照明装置の構成を説明する図である。 ランプからの出射光について説明する概念図である。 （Ａ）、（Ｂ）は、照明装置の一実施例での合成ミラーにおける光の反射について説明するための図及びその比較例の図である。 ランプからの距離と出射光のビームサイズとの関係を示すグラフである。 （Ａ）、（Ｂ）は、照明装置の合成ミラーの反射面における照度分布について説明するための断面図及びその照度分布のグラフである。

符号の説明

５０…照明装置、 １０、２０…光源ランプユニット、 １１、２１…発光管、 １２、２２…リフレクタ、 ３０…合成ミラー、 ３０ａ、３０ｂ…反射面、 １００…プロジェクタ、 ＩＬ…出射光、 ＲＸ…リフレクタ光軸、 ＣＸ…中心軸、 ＯＣ…照明光軸、 ＯＡ…システム光軸、 ＳＬ…照明光、 ＯＰ…開口、 ＥＧ、ＰＫ…合成ミラー端部、 Ｆ１ａ、Ｆ１ｂ…第１焦点、 Ｆ２ａ、Ｆ２ｂ…第２焦点、 ＣＳ…リフレクタ光軸と反射面との交点、 ＶＬ…仮想的光束形状、 ＩＢ…光束、 ＲＤ…光束の輪郭、 ＢＷ…ビームウェスト、 Ｋ…光束断面の最小位置の点、 Ｄ１…リフレクタの直径、 Δｔ…第２焦点から光束断面の最小位置までの距離、 Ｏ…光束断面の中心点

Claims (10)

1. それぞれ光源光を発生する第１及び第２の発光管と、前記第１及び第２の発光管から発生した光源光をそれぞれ集光するように出射するとともに互いに対向した状態で離間して配置される第１及び第２のリフレクタとを有する第１及び第２のランプと、
   前記第１及び第２のランプ間に配置され、前記第１及び第２のランプの少なくとも一方からの出射光のビームサイズの最小位置に対応して配置される反射面を含み、前記第１及び第２のランプからそれぞれ出射された当該各出射光を同一方向に反射することにより合成するＶ字状の合成ミラーと
   を備える照明装置。
2. 前記合成ミラーは、前記反射面として、前記第１及び第２のランプの双方からの出射光のビームサイズの最小位置に対応してそれぞれ配置される第１及び第２の反射面を有する、請求項１記載の照明装置。
3. 前記第１及び第２のリフレクタの少なくとも一方からの出射光のビームサイズの最小位置は、当該リフレクタの光軸と当該リフレクタに対応する前記合成ミラーの反射面との交点またはその近傍にある、請求項１または請求項２に記載の照明装置。
4. 前記第１及び第２のリフレクタは、楕円型である、請求項１から請求項３までのいずれか一項記載の照明装置。
5. 前記第１及び第２のリフレクタの少なくとも一方からの出射光のビームサイズの最小位置は、対応する当該リフレクタの第２焦点の位置よりも光路上流側にある、請求項４記載の照明装置。
6. 前記第１及び第２のリフレクタの少なくとも一方からの出射光のビームサイズの最小位置は、対応する当該リフレクタの第２焦点の位置よりも光路下流側にある、請求項４記載の照明装置。
7. 前記第１及び第２のランプは、高圧水銀ランプ及びメタルハライドランプのいずれかの高圧放電ランプである、請求項１から請求項６までのいずれか一項記載の照明装置。
8. 前記第１のランプと前記第２のランプとは、同一仕様の光学系であり、前記合成ミラーを基準として対称に配置される、請求項１から請求項７までのいずれか一項記載の照明装置。
9. 前記合成ミラーの光路下流側において、合成された出射光を平行化する平行化光学系をさらに備える請求項１から請求項８までのいずれか一項記載の照明装置。
10. 請求項１から請求項９までのいずれか一項記載の照明装置と、
    前記照明装置からの照明光によって照明される光変調装置と、
    前記光変調装置を経た像光を投射する投射光学系と
    を備えるプロジェクタ。

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