JP5036102B2 - 照明装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、液晶パネルなどの矩形状の被投射体を照明するのに適した照明装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
液晶パネルのような矩形状の被投射体を均一に照明するための照明光学系としては、従来より、2組のフライアイレンズアレイを組合せたインテグレータ光学系が例えば特開平3−111806号公報により知られている。
【0003】
同公報等に示されるインテグレータ光学系は、放物面反射器、楕円面反射器、双曲面反射器等のリフレクタを備えた光源からの光束を、第1のフライアイレンズアレイを構成している複数の矩形状の集光レンズにより分割して2次光源像を形成し、これらの2次光源像を第1のフライアイレンズアレイの複数の矩形状の集光レンズに対応させた複数の集光レンズを備えた第2のフライアイレンズアレイを介して同一の被投射体上に重畳結像させるようにしたものである。このようなインテグレータ光学系によれば、光源光の利用効率が向上するとともに、被投射体面上の光の強度分布をほぼ一様にすることができるとされている。特に、第1,2のフライアイレンズアレイにおける各集光レンズの形状を矩形状の被投射体のアスペクト比率に対応させて、例えば、4:3なる比率の矩形状に形成することにより光の利用効率及び強度分布の均一化を図ることができる。
【0004】
即ち、特開平3−111806号公報においては、インテグレータ光学系として、第1レンズに各長方形状のレンズを持つマクロレンズアレイ、第1レンズに対応したレンズを持つ第2のマクロレンズアレイを使用し、被照射体に合ったアスペクト比の照射を行なえるようにしている。そして、さらにインテグレータ光学系の外形を小さくするための光源側の構成例として、同公報中のFig.23によれば、回転楕円面鏡の第1焦点に光源を置き、第2焦点の後にコリメータレンズを置いてからインテグレータ光学系に導くようにしている。
【0005】
図25は、特開平3−111806号公報中でFig.23に示される回転楕円面鏡に代えて回転放物面鏡を用いた構成例を示す。図25において、基本的には、インテグレータ光学系100の第1レンズに各々長方形状のレンズを持つマクロレンズアレイ(第1のフライアイレンズ)101と第1レンズに対応したレンズを持つ第2のマクロレンズアレイ(第2のフライアイレンズ)102とを使用し、被照射体である液晶パネル103に合ったアスペクト比の照射を行なうようにしている。そして、光源側としては、回転放物面鏡104の焦点F1に配設した光源105から出射され回転放物面鏡104による反射で平行にした光を凸レンズ106で第2焦点F2に相当する位置に焦点を結び、コリメータレンズ107によりインテグレータ光学系00に入射させるように構成されている。なお、図25において、108はP偏光成分とS偏光成分とが混在した光源光に関してP偏光成分のみ又はS偏光成分のみに揃える偏光整列プリズムアレイ、109,110はレンズである。
【0006】
同公報例によれば、部品点数は一つ多くなるもののリフレクタ(回転放物面鏡、回転楕円面鏡などを総称する)の大きさと焦点の位置とを自由に設定できる。
【0007】
また、特開平10−161065号公報によれば、やはりインテグレータ光学系の外形を小さくするために放物面鏡の焦点位置に光源を置き、平行光を得て、凸レンズで絞り凹レンズで再度平行光へ戻してから、偏光変換手段或いはインテグレータ光学系へ導くようにした照明装置が提案されている。
【0008】
図26は特開平10−161065号公報例の考え方に基づいて照明装置を描いたものである。図25との対比では、第2焦点F2に相当する位置よりも手前側(光源側)に平行化レンズ111を配設し、コリメータレンズ107を省略したものである。
【0009】
さらに、図27に示すように、前述の特開平3−111806号公報方式の場合と同様に回転楕円面鏡(回転放物面鏡104)の第1焦点F1に光源105を置き、第2焦点F2の後にコリメータレンズ107を置いてからインテグレータ光学系100に導く方式で、回転楕円面鏡104に入らない光束を球心を第1焦点F1に持つ凹面鏡112で光源105に戻し、光源105から発する光束の殆どを利用できるようにしたものもある。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
前述の特開平3−111806号公報に示される思想は光源105が発する光束を一旦集光し、コリメータレンズ107で平行光にすることによりインテグレータ光学系100全体のサイズを小さくし、大局的な目的を満たそうとするものである。しかしながら、この構成は光源105が発散する光束が再度集光された焦点部での光源像の大きさは元の光源像の何倍にも拡大されてしまい、コリメータレンズ107で平行光にしようとしても限界があり、インテグレータ光系100での光利用効率を落とすことになる。この性質は回転放物面鏡104に代えて回転楕円面鏡を用いても、この回転放物面鏡104と凸レンズ107との組合せと同じ傾向を示す。
【0011】
また、特開平10−161065号公報例のように構成しても平行化レンズ(凹レンズ)111の出力する平行光は原理的に図25で示したコリメータレンズ107で得る平行光と同程度の平行光しか得られない。この方式についても、前述の従来例と同様、この性質は回転楕円面鏡を用いて第2焦点F2の手前に平行化レンズ111を置くようにしても、この回転放物面鏡104と平行化レンズ111の組合せと同じ傾向を示す。
【0012】
さらに、図27に示した例では、第1焦点F1の位置に球心を一致させた凹面鏡112を配置することにより、回転放物面鏡104のミラー面に取り込めない光を再帰させて利用することで光源105の発する光束の利用効率を向上させている。しかしながら、光束を一旦集光し、コリメータレンズ107で平行光にすることによりインテグレータ光学系100全体のサイズを小さくし、大局的な目的を満たそうとする考え方は図25で示した従来例と同じものである。ということで、この構成は光源105が発散する光束が再度集光された焦点部での光源像の大きさは元の光源像の何倍にも拡大されてしまいコリメータレンズ107で平行光にしようとしても限界があり、インテグレータ光学系100での光利用効率を落とすことになることには変わりがない。
【0013】
そこで、本発明は、インテグレータ光学系等の出力光利用光学系の外形を小さくするとともに光源光の光束の利用効率を向上させることを目的とし、具体的には、インテグレータ光学系等の出力光利用光学系に入射させる光束の平行度をより一層向上させることで、例えば、インテグレータ光学系の第2フライアイレンズ面にできる光源像の大きさを点光源状に小さくすることができる照明装置を提供することを目的とする。
【0014】
【課題を解決するための手段】
請求項1記載の発明は、リフレクタの少なくとも一部に放物面鏡を用い、前記放物面鏡の焦点付近に光源を配設し、この光源から出射され前記放物面鏡で反射された平行光を出力光利用光学系へ向けて出射させる照明装置において、前記リフレクタを、少なくとも当該放物面鏡からの平行光が前記出力光利用光学系の入力口をカバーする範囲まで放物面形状とし、かつ、この放物面鏡の外側を前記放物面と共通の焦点を持つ楕円面形状の楕円面鏡とし、前記出力光利用光学系の入力部の外形サイズと概略同サイズで透光性を有する非鏡面の窓が形成された前面鏡としての平面鏡を前記楕円面鏡の短軸上付近の位置で前記平行光の光軸に対して直交させて配設した。また、前記リフレクタは、前記楕円面鏡の途中から短軸上付近の前記平面鏡までの前記放物面鏡の外側部分をこの放物面鏡の焦点と共通の焦点を持つ第2の放物面鏡としてなる。
【0026】
従って、リフレクタとして放物面形状と楕円面形状とを組合せているので、このリフレクタと平面鏡との間での光束の反射回数を少なくして光の減衰を抑えることができ、光の利用効率が向上する。加えて、同じ焦点距離の放物面鏡を用いた場合、放物面鏡のみによる場合に比べてリフレクタの外形を小さくすることができ、結果として、光の利用効率を低下させることなく全体の小型化を図れる。
【0028】
また、リフレクタの型を作りやすくすることができ、面精度を出しやすくすることができる。
【0046】
【発明の実施の形態】
本発明の第一の実施の形態を図1に基づいて説明する。
【0047】
本実施の形態の照明装置A1は、縦横のアスペクト比が4:3なる矩形状の液晶パネル1を被投射体とするもので、その前面には各液晶素子が照明光から受けた光束を画像形成した後、投射レンズに最小径の光束で通過させるためのコンデンサレンズ2が付設されている。このような液晶パネル1に対して、本実施の形態の照明装置A1は、点状に近い光源3と、この光源3が内蔵配設されるリフレクタとしての回転放物面鏡(放物面鏡)4と、出力光利用光学系としてのインテグレータ光学系5と、集光レンズ6とにより構成されている。
【0048】
光源3としては、高圧水銀灯、メタルハライドランプ、キセノンランプ等のアーク灯が用いられている。この光源3は放物面を回転させた形状の内周面がミラー面4aとされた回転放物面鏡4の焦点Fの位置に配設されている。従って、回転放物面鏡4のミラー面4aは、光源3からの光を受けた場合に平行光として出射させる光学的特性を有する。このような回転放物面鏡4の出口は前面ガラス8により閉塞されている。
【0049】
インテグレータ光学系5は、例えば前述した特開平3−111806号公報等により周知のものであり、第1フライアイレンズ9と第2フライアイレンズ10との組合せからなる構成を基本とし、本発明では、特に、第2フライアイレンズ10は2つのシリンドリカルレンズアレイ10a,10bを直交配置させたものに代えられている。また、本実施の形態では、これらのシリンドリカルレンズアレイ10a,10b間には偏光を一方に揃えるためにPBS(偏光ビームスプリッタ)アレイと1/2波長板とを組合せた偏光整列プリズムアレイ11が設けられている。このシリンドリカルレンズアレイ10bの後段に配置された集光レンズ6は、フライアイレンズにより分割された各光束を液晶パネル1上に重ね合わせる役目を果たす。
【0050】
このような照明装置Aとしての基本的な構成において、本実施の形態では、平行光束の光軸に直交する前面ガラス8の内側面を利用して前面鏡としての平面鏡12が一体に設けられている。即ち、平面鏡12は平行光束の光軸に対して直交させて配設されている。別の観点から見ると、回転放物面鏡4の焦点Fの位置を通る平行光束の光軸に対して軸対称となる反射面が光軸に対して直角に形成されて光源3側に位置している。この平面鏡12は前面ガラス8の内側面の一部にミラー面を形成したもので、インテグレータ光学系5の入力部となる第1フライアイレンズ9の外形サイズに概略同サイズの非鏡面構造の窓13が中心部に形成されている。即ち、窓13部分は光源3の光に対して透光性を有する。この窓13部分に関して前面ガラス8の両面には光の透過効率を向上させるARコート14が設けられている。
【0051】
従って、本実施の形態の照明装置A1にあっては、インテグレータ光学系5の外形を小型化することを目的とした従来例にあるコリメータレンズ107や、凸レンズ106、凹レンズ111などによる光学系を全部省き、回転放物面鏡4によるリフレクタが作る平行光を直接インテグレータ光学系5に入力させる構成とされている。しかしながら、これだけでは光源3の発する光束の全部を利用できないので、インテグレータ光学系5に直接入力されない光束は回転放物面鏡4の作る平行光の光軸に対して直交配置させた平面鏡12により、再度回転放物面鏡4側に返す。この返された光束は回転放物面鏡4により、その焦点F、即ち、光源3の発光位置に戻される。ここで、本実施の形態では、光源3として高圧水銀灯、メタルハライドランプ、キセノンランプなどのアーク灯が用いられているので、戻された光束は電極間をすり抜けて(実際は、ここにできる焦点は光源の像であり、最初発光したときにできる光源像よりも幾倍か大きくなっているので光束の一部分は電極により、遮光される)、再び、回転放物面鏡4のミラー面4aに達し、再度反射された後、平行光になって、窓13部分から、インテグレータ光学系5に向かう。
【0052】
従って、本実施の形態によれば、基本的に回転放物面鏡4により反射された平行光は平面鏡12の非鏡面による窓13を通してインテグレータ光学系5に向けて出射される一方、光源3から発せられて回転放物面鏡4に直接入らない光は平行光の光軸に対して直交させた平面鏡12で反射させることにより再び回転放物面鏡4に返し反射させることで焦点F位置を経て再度回転放物面鏡4で反射させて平行光として出射させることができるので、光源光の光束の殆ど全部を効率よく利用できる上に、インテグレータ光学系5に向けて出射させる光束の平行度を低下させることもない。さらには、インテグレータ光学系5の入力部に位置する第1フライアイレンズ9の外形サイズと概略同サイズで透光性を有する非鏡面の窓13の大きさに規制することができるので、インテグレータ光学系5のサイズを小さく抑えることもでき、インテグレータ光学系5の形状に殆ど左右されずに光源3からの光束利用効率を維持できる。また、回転放物面鏡4の出口に設けられた前面ガラス8と一体に平面鏡12を設けることにより、構成を単純にできる上に直交度等の精度も維持できる。
【0053】
本発明の第二の実施の形態を図2に基づいて説明する。第一の実施の形態で示した部分と同一部分は同一符号を用いて示し、説明も省略する(以降の各実施の形態でも同様とする)。
【0054】
第一の実施の形態では、前面ガラス8の内面に直接平面鏡12を一体に形成したが、本実施の形態の照明装置A2では、前面ガラス8とは別部材による前面鏡としての平面鏡15を前面ガラス8の内面部分(又は、外側部分)に平行光束の光軸に直交するように設けたものである。この平面鏡15は例えば高純度のアルミニウム板を用い、その光源側表面を鏡面仕上げしたものが用いられている。また、中心部には、第1フライアイレンズ9の外形形状に概略同形の窓16が開口形成されている。
【0055】
このような構成によっても、第一の実施の形態の場合と同様の効果が得られることは明らかである。
【0056】
なお、本実施の形態の照明装置A2では、集光レンズ6に代えて、シリンドリカルレンズ10bと液晶パネル1とのほぼ中間に位置させて凸レンズ17が設けられている。この凸レンズ17も集光レンズ6の場合と同様に、インテグレータ光学系5により分割された光束を液晶パネル1面上に重ね合わせる機能を果たす。特に、本実施の形態のように、凸レンズ17から液晶パネル1まではフライアイレンズ9,10の各々の構成レンズが作る光束が各々平行光となっているので、後述するような反射型液晶パネルを用いる液晶プロジェクタの場合には色むらを発生しにくくすることができる。
【0057】
本発明の第三の実施の形態を図3及び図4に基づいて説明する。本実施の形態では、回転放物面鏡4付近の構成のみを示す。本実施の形態では、図2に示したような前面ガラス8とは別部材による平面鏡15を前面ガラス8と光源3との間に配置させたものである。即ち、平面鏡15を前面ガラス8から離し光源3側に近づけたものである。窓16の大きさ・形状は図2の場合と同じである。
【0058】
このような構成において、光源3から発散する光束は回転放物面鏡4で概略平行光にされるが、一般的に5〜10°の発散角を含んでいる。ここに、本実施の形態のような構成によれば、光源3から出射されてその発散が大きくなる前に平面鏡15で再帰させるので再帰された光束の焦点F位置にできる光源像を図2の場合に比較して小さく抑えることができ、再度、回転放物面鏡4で反射され平行光にされた後の発散角を小さく抑えることができるので、インテグレータ光学系5での効率の降下を抑えることができる。また、本実施の形態の構成によれば、図中1点鎖線(カット可能位置)で示したように平面鏡15から外れた部分の回転放物面鏡4をカットすることができ、後述するようなプロジェクタの筐体を薄くすることができる。上下だけでなく、左右も同様の加工が可能で、さらには、カットではなく上下左右2点差線の外側を箱型の形状にしても良く、同様に筐体を薄くすることができる。
【0059】
本発明の第四の実施の形態を図5及び図6に基づいて説明する。本実施の形態では、回転放物面鏡4付近の構成のみを示す。本実施の形態では、インテグレータ光学系5の入力部に位置する第1フライアイレンズ9と一体に前面鏡としての平面鏡18を設けたものである。より具体的には、第1フライアイレンズ9の同一部材による基板19を回転放物面鏡4の開口をカバーし得る大きさに形成し、第1フライアイレンズ9のレンズ部分を窓20とし、その周囲をミラー面とすることにより構成されている。
【0060】
本実施の形態によれば、平面鏡18を設ける構成を単純にでき、調整個所を少なくできることからコストを抑えることが可能となる。また、インテグレータ光学系5と回転放物面鏡4との間にUVカット、IRカットなどのガラス部材を置くような構成の場合、これらの部材に第1フライアイレンズを透過する光束部分を残してその外側を平面鏡としても、同様の効果が得られる。
【0061】
本発明の第五の実施の形態を図7及び図8に基づいて説明する。本実施の形態は、光利用効率をより一層向上させるためにリフレクタ21自体の構造を工夫し、放物面鏡と楕円面鏡との組合せ構造としたものである。
【0062】
まず、図7を参照して本実施の形態の原理を説明する。ここでは、横軸をZ軸、縦軸をY軸とし、放物曲線の焦点を原点に採ると、その放物曲線の式は
y2=4f(z+f)
で表せる(但し、fは放物曲線の焦点距離)。さらに、楕円の第1焦点をその原点に置くと、楕円の式は
y2=−b2(z−c)2/a2+b2
で表せる。ここで、aは楕円の長軸の半分の長さで、bは短軸の半分の長さを表す。
【0063】
また、
c=√(a2+b2)
の関係にあり、第1焦点、第2焦点間の距離の半分である。そして、f<a−cの条件を満たすように放物曲線と楕円を描くと、その2つの曲線は2箇所の交点を持つ。その交点をl,l′と表すと、その座標は(yl,zl),(yl′,zl′)となり、zl=zl′である。
【0064】
そこで、リフレクタの反射面rを表すZ軸上の座標をzrとすると、この2つの曲線のうち、zr<zlの範囲を放物線とし、zr≧zlの範囲は楕円を用い、Z軸を中心に回転させた構成とする。また、楕円は短軸位置までを用い、短軸上に平面鏡を置く。さらに、その平面鏡にはZ軸の中心周りに窓を設けるが、その大きさは第2焦点と交点l或いはl′を結んだ直線“線9”と“線9′”が楕円の短軸を切る点m,m′を結ぶ範囲にする(後述するが、その線分を直径とする円形の窓が最も効率が良いことになる)。
【0065】
このようにして構成したリフレクタを用いて第1焦点に配設した光源の発光から効率よく平行光を得る原理を説明する。第1焦点に点光源が置かれているとすると、
▲1▼ 線1上に放出される光線は放物面鏡ミラー面でZ軸に平行に反射され、線2上の光線として平面鏡に垂直に当たるので、平面鏡ミラー面で反射された光はそのまま線2上を戻り、再び、放物面鏡ミラー面で反射され、線1上を戻って第1焦点を通過した後に、第1焦点から直接発する光と重畳され、再度、放物面鏡ミラー面に到達し、そこで反射されてZ軸に平行な線3上の光線として外部に放出される。
【0066】
▲2▼ 線4上に放出される光線は楕円面鏡ミラー面で反射され、第2焦点に向かう線5上の光線として平面鏡に当たる。この平面鏡は楕円の短軸位置に位置させてZ軸と直交するように配設されているので、線5上を辿って入った光線は、第1焦点に向かう線6上を辿るように平面鏡ミラー面により反射される。この光線も第1焦点から発する光と重畳され放物面鏡ミラー面に到達し、そこで反射されてZ軸に平行な線7上の光線として外部に放出される。
【0067】
▲3▼ 線6上に放出される光線は直接平面鏡に当たる。この平面鏡は楕円の短軸位置に位置させてZ軸と直交するように配設されているので、平面鏡ミラー面により楕円の第2焦点から楕円面鏡ミラー面に向かう線5上の光線として反射され、光線は第1焦点に向かう線4上を辿るように楕円面鏡ミラー面により再度反射される。この光線も第1焦点から発する光と重畳され放物面鏡ミラー面に到達し、そこで反射されてZ軸に平行な線8上の光線として外部に放出される。
【0068】
図8は、図7に示した原理図に基づく照明装置A3としての実際的な構成例を示すものである。21は放物面鏡22と楕円面鏡23との組合せにより構成されたリフレクタであり、24は放物面鏡22と楕円面鏡23との境界稜線を示す。光源25は放物面鏡22の焦点(楕円面鏡23の第1焦点)F位置に配設されている。リフレクタ21の出口部分は楕円面の短軸位置に設定され、前面ガラス26により閉塞されており、この前面ガラス26の内面側を利用して前面鏡としての平面鏡27がミラー面として一体に設けられている。この平面鏡27の中央部は、インテグレータ光学系5中の第1フライアイレンズ9の外形サイズに概略一致させた大きさの矩形状の窓28が形成されている。
【0069】
なお、前述の放物面鏡22と楕円面鏡23との境界稜線24と平面鏡27の窓28の縁と楕円面鏡23の第2焦点との関係は、境界稜線24と楕円面鏡23の第2焦点を結んだ線9或いは線9′と平面鏡27との交点が平面鏡27の何れの位置であっても平面鏡27の窓28の縁より外側(ミラー面側)になるように設定されると、一番、光の利用効率がよくなる。即ち、楕円面鏡23で反射される光線が全て光源3側(第1焦点)に戻されるように設定できる。
【0070】
また、放物面鏡22からの反射光を平面鏡27で戻す部分が少しでもある場合、その窓28のサイズとしては、Z軸からの距離が最短でも2fを超える方が効率がよい。即ち、光源3から放出される光束のうち、丁度z=0の鉛直面に沿って放出される光束は放物面鏡22でZ軸に平行光となった後、平面鏡27でそのまま元の道筋を通って放物面鏡22で反射し、z=0の点を通過して再度反対側の放物面鏡22で反射し、平行光となる。この光束は、平面鏡27で反射し、元の道筋に戻るので、この照明装置の外に出ることなく減衰してしまうことになる。しかしながら、それを犠牲にしても、本実施の形態による方が従来方式よりも効率はよい。
【0071】
このように本実施の形態によれば、前述した第一ないし第三の実施の形態の場合に比して、楕円面鏡ミラー面(楕円面鏡23)で反射される光線は放物面鏡ミラー面(放物面鏡22)で反射される光線よりも1回少ない反射で外部に放出されるので減衰が少なく、第1焦点から直接平面鏡27に向かう光線も平行光として外部に放出され有効利用できるので、その分も効率よく光を利用できるので、さらに効率の良い照明を行なえる。
【0072】
なお、これまでは光源3として理想に近いランプの場合を想定して説明したが、実際に用いるランプは電極とガスを封入しているガラス球があり、その肉厚の不均一性やアークの発生位置のばらつきの関係で平面鏡27を正確に短軸上に置くよりも若干Z軸上を前後させた方がよいことが多い。特に、DC駆動の或る種のランプは、電極の形状が非対称で一方が大きな形状となっているものもある。この場合、電極の大きい方がZ軸上で小さい側(図では左側)に置かれた場合、再帰光が電極に遮られる量を少なくするため、第2焦点の像の位置をわずかにZ軸上で大きな側(図では右側)に移した方がよい。そうするためには、平面鏡27を短軸真上よりその分Z軸上で大きな側(図では右側)に移すことで実現できる。これらの操作は、実際に部品を組み立てる時に、本発明の照明装置の出力光束を測定しながらその値が最大となる位置で平面鏡27の部材を固定する。
【0073】
本発明の第六の実施の形態を図9ないし図11に基づいて説明する。本実施の形態の照明装置A4は、前述の第五の実施の形態の場合と同様なリフレクタ21を用いるとともに、出力光利用光学系を構成するインテグレータ光学系5の入力部に偏光変換器31(ここでは、名称を偏光変換器としたが、目的及び機能は、前述の偏光整列プリズムアレイと同じである。ただし、インテグレータ光学系5との相対位置の違いで若干形状が異なるので、別の名称を用いている)を用いたものである。この偏光変換器31は第1フライアイレンズ9と一体に設けられたもので、図10に示すように、45°の二等辺三角形形状の6個のプリズム32a〜32fを中心対称に台形状に組合せ、各斜面にPBS(偏光ビームスプリッタ)膜33a〜33dを形成してなる。PBS膜33a〜33dはS偏光を反射しP偏光を透過するように形成されているので、リフレクタ21側から入射される平行光は、中央部に位置する最初のPBS膜33b,33cによりS偏光とP偏光とに分離され、P偏光はそのまま透過してインテグレータ光学系5へ導かれる。一方、S偏光は反射され、外側のPBS膜33a,33d(これらは全反射ミラーでもよい)により再度反射され、そのプリズム32a,32fの出口に配設された1/2波長板34a,34bでP偏光に変換されてインテグレータ光学系5側に導かれる。
【0074】
このような偏光変換器31の機能は3個のプリズムの組合せでも実現できるが、本実施の形態のように、6個のプリズム32a〜32fを用い、3個組を2組対称に組合せて構成することにより、偏光変換器31の受光側(リフレクタ21側)に対して出射側(インテグレータ光学系5側)の面積が2倍となる小型構成を採ることができる。即ち、インテグレータ光学系5の入力部の外形を図8に示した場合と同じとすると、偏光変換器31の受光側の面積は半分にできるため、平面鏡27の窓28の開口形状も図9(b)に示すようにプリズム32b,32eを合わせた大きさ形状に小さくできる。
【0075】
なお、本実施の形態のような偏光変換器31は、図1,図2等に示した回転放物面鏡4を用いる場合にも同様に適用できる。図12はその適用例を示す。この場合も、平面鏡15の窓16部分の大きさ・形状を偏光変換器31の受光部の大きさ・形状に小さくすることができる。
【0076】
本発明の第七の実施の形態を図13に基づいて説明する。本実施の形態は、前述の第五の実施の形態のような光利用効率をより一層向上させるために放物面鏡と楕円面鏡との組合せ構造としたリフレクタ21を前提として、その作成過程をも考慮して改良したものである。
【0077】
一般的に、この種のリフレクタは、溶解したガラスを型(最小限の構成として雌型と雄型(矢型とも言う)とが必要である)によって形成し、ミラー面を研磨した後に、蒸着で反射面を形成するようにしている。従って、回転楕円面鏡の短軸上に開口部を作ると、開口部の接線は平行となるため、矢型を外すためには割型にするなどの点から複雑な形状を作る必要が生じてくる。この点、開口部の深さ方向に傾斜を付けるようにすれば、矢型を複雑にすることなくガラスのリフレクタを形成することができるが、このように単純に作ると、光源3からの放射光のうち、図13中に示す角度θ23,θ24分が有効に使えなくなってしまう。
【0078】
この解決法として、本実施の形態では、この部分を第2の放物面とすることによって一部分を有効利用することを可能にしたものである。即ち、第1の放物面鏡(放物面鏡22)の焦点距離fよりも短い焦点距離f′を持つ第2の放物曲線の焦点位置を第1の放物面鏡の焦点位置と共通にすると、やはり回転楕円面鏡とした楕円と交差する。その交点をn,n′とすると、その座標は(yn,zn),(yn′,zn′)となり、zn=zn′である。ここで、リフレクタの反射面rを表すZ軸上の座標をzrとすると、zr≧znの範囲を第2の放物面鏡を用いる。
【0079】
全体を通して整理すると、今まで述べた3つの曲線のうち、zr<zlの範囲を第1の放物線、zl<zr<znの範囲を楕円、zr≧znの範囲を第2の放物線を用い、Z軸に中心に回転させて各々第1の放物面鏡、楕円面鏡、第2の放物面鏡を形成した構成とする。
【0080】
このようにすれば、角度θ23,θ24分に入る光束のうち角度θ24分は依然として有効に利用することができないものの、角度θ23分は第2の放物面鏡により再帰光とすることができ、有効に利用することができる。
【0081】
本発明の第八の実施の形態を図14及び図15に基づいて説明する。前述した実施の形態では、前面鏡を平面鏡により構成したが、本実施の形態では、前面鏡を放物面鏡により構成することで、光利用効率をより一層向上させるようにしたものである。
【0082】
まず、図7の場合と同様に、図14を参照して本実施の形態の原理を説明する。前述の場合と同様に、横軸をZ軸、縦軸をY軸とし、第1の放物面鏡を形成する放物曲線1の焦点を原点にとると、その放物曲線1の式は、図7の場合と同様に、
y2=4f(z+f)
と表せる(但し、fは放物曲線1の焦点距離)。また、向きを逆とした第2の放物面鏡を形成する放物曲線2の焦点をその原点に置くと、その放物曲線2の式は、
y2=−4g(z−g)
と表せる(但し、gは放物曲線2の焦点距離)。また、Z軸から前面鏡(第2の放物面鏡)の窓のサイズの最小位置までの距離をwとして第2の放物面鏡との交点をm,m′とする(図14中では放物曲線2で表現した曲線M、M′、M″のうち、曲線M上に表現している)。
【0083】
このようにして構成されたリフレクタを用いて光源3の発光を効率よく平行光にして取り出す原理を説明する。ここで、一般的には光源3をリフレクタに挿入して取付け・保持させるためには、Z軸中心にy=d/2で回転させた概略円筒状の穴(φd)を明ける必要がある。即ち、第1の放物面鏡のうち、その部分は反射面とすることができず、結局、全面を利用することはできない。また、光源の特性としても電極が位置する方向には物理的に光束を放射することは不可能であることを前提として説明する。また、原点から交点mまでの線分は光源から放出する光束の最大の取込み角(包括角θ)となる。
【0084】
原点(即ち、焦点)に点光源が置かれているとすると、
▲1▼ 線10と放物面鏡1との交点上よりわずかでも内側に入った線1’(図示せず)に沿った光線はZ軸に平行となり、窓から外(図中、右方向)に放出される。
【0085】
▲2▼ 線10と放物曲線1の交点上よりわずかでも外側に向かった線1はZ軸に平行となり、線10に沿って右方向に向かうが、放物面鏡2上のミラー面で反射されて線5に沿って原点に戻り、さらに放物面鏡1に向かう。
【0086】
この線5上の光線は光源から直接発せられる光線と重畳されて、放物面鏡1の交点で反射され、Z軸に平行となり、線9として窓から外の方向(図中、右方向)に放出される。
【0087】
▲3▼ 最初から線5上に放出された光線は、放物面鏡1で反射され、Z軸に平行となり、線10に沿って放物面鏡1に向かい、交点で線1に沿った光線となり、原点に戻り、さらに放物面鏡1に向かう。
【0088】
この線1上の光線は光源から直接発せられる光線と重畳されて、放物面鏡1の交点で反射され、Z軸に平行となり、線6として窓から外の方向(図中、右方向)に放出される。
【0089】
▲4▼ 最初から線2上に放出された光線は、▲2▼の場合と同様の原理で直接発せられた光線と重畳されて、線8として外部に放出される。
【0090】
▲5▼ 最初から線4上に放出された光線は、▲3▼の場合と同様の原理で直接発された光線と重畳されて、線7として外部に放出される。
【0091】
▲6▼ (図示してないが)放物面鏡1と放物面鏡2との交点に直接向かった光は、原理的にはまた原点に戻り、直接発せられる光と重畳され、再度、放物面鏡1で反射されZ軸に平行となり、外部に放出される。
【0092】
このように、光源3から発せられる光束のうち、|θ|−|θ′|の範囲の放射角の光束は全部有効な平行光として外部に放出でき、効率よく光源3の発する光束を利用できる。
【0093】
さらに、前述した平面鏡を前面鏡として用いる方法と比べると、光源3は体積を持っているため放物面鏡1では完全に平行光とはならない事実に対して、平面鏡ではそのまま乱れた角度で反射するのに対して、本実施の形態によれば、放物面鏡2でその乱れた角度を小さくして反射させるので、外部に放出される光線の平行度が保たれた状態となっており、その後段で用いる光学素子の負担を軽くすることができる。
【0094】
次に、放物曲線1、放物曲線2とm,m′の関係を曲線M,M′,M″で説明する。これらのうち、曲線Mは理想的な位置である。即ち、線5と放物曲線1との交点のY座標の絶対値をy=d/2としてから、線5と線10との交点がmとなるような位置に放物曲線2となるように放物線
y2=−4g(z−g)
の焦点距離gを決定する。こうすることによって、前述のように|θ|−|θ′|の範囲の放射角の光束は全て有効に取り出すことができる。
【0095】
曲線Mより外側の曲線M′の位置に置くと、線10と放物曲線2との交点で反射された光線は線5の外側を通って原点に向かい、その延長線上で放物曲線1と交差するが、そこでのY座標の絶対値はy=d/2より小さくなりランプ保持用の穴に入ってしまうので、有効な光として取り出すことができなくなる。
【0096】
曲線Mより内側の曲線M″の位置に置くと、線10と放物曲線2との交点は線5の内側に入ってしまうので、光源から発する線5上の光線は平行光とならずに外部に放出される。即ち、包括角θが小さくなり、光源3から発する光束を無駄にする量が増加する。
【0097】
このように、曲線Mに比べると曲線M′,M″は多少効率が落ちるものの従来の方法よりも格段に効率が良いのは自明である。
【0098】
また、図14においては防爆ガラスの位置をこれらの曲線と無関係に設定しているが、これは光源形状から電極の支持体を内部に取り込む位置に置いたためである。光源のランプ電極の支持体を貫通させるように穴を明けたり、ランプ電極の支持体を短くすることができたり、放物曲線1の焦点距離と放物曲線2の焦点距離との関係を変えることにより、ランプの支持体を内部に取り込むことができれば、曲線M,M′,M″の何れの位置に防爆ガラスを配置させてもよい。即ち、放物曲線2の形状の防爆ガラスとし、その一面に窓付きミラーを形成することにより部品点数を少なくすることも可能である。
【0099】
次に、前面鏡としての第2の放物面鏡35が有する窓36の形状について図15を用いて説明する。なお、ここでは、前述したインテグレータ光学系5の第1のフライアイレンズ9を構成する要素レンズのサイズを横H=4mm、縦V=3mmとし、7×9個を並べて構成されている場合を想定している。
【0100】
このような条件下では、基本の窓形状は横4mm×7個=28mm、縦3mm×9個=27mmの矩形形状となる。
【0101】
しかしながら、後述する反射型LCDを用いるプロジェクタ用としてはLCDのパネル面に入る入射角が小さいほどコントラストや色むらに対する性能が向上する。そのため、入射角が比較的大きくなる対角の要素レンズを通過する光束は使わなくてよい。しかも、本実施の形態の方式ではその部分に来る光束を反射させ、再利用し、中心付近の良質な光束とすることができるので全体としての効率が向上する。
【0102】
図15(a)は対角上の要素レンズを各1個分ずつの範囲を反射面(第2の放物面鏡35の一部)とした例であり、図15(b)はその両隣までの各3個分ずつの範囲を反射面(第2の放物面鏡35の一部)とした例を示す。なお、図15中の括弧内の数値は、(x,y,l)、即ち、その点のx座標、y座標及び原点に点対称となる対角の長さlを示している。この図15(b)の場合、窓36の最短距離は24.2mmとなるので、図14中の線10の位置はw=12.1mmとすると効率が良い。これは、前面鏡として平面鏡を用いた前述の各実施の形態の方式の場合であっても同様である。
【0103】
さらに、光軸を精度よく作成し、維持することができれば、図15(c)又は図15(d)に示すように必ずしも要素レンズの単位で窓を構成する必要性はない。図15(c)は外形である矩形に内接する楕円形状或いは円形状の窓36に形成した例であり、図15(d)は図15(b)で示した四隅の3個分の要素レンズを対角線で区切り、全体を八角形形状の窓36に形成した例である。これらの図15(c)又は図15(d)の例は要素レンズの一部分のみを光束が通過するので、一つの要素レンズだけに注目すると照度むらの出るおそれがあるが、全部を重畳した後の照度は互いに補い合っているのでほとんど照度むらにつながらない。特に、図15(d)に示す例は、四隅の2個ずつの要素レンズは互いの対角の要素レンズと完全に補完関係にあるので理論的にも全く照度むらにつながることはない。この両者の窓36の最短距離は矩形の場合と同じで27mmであるので、w=13.5mmとしてよい。
【0104】
このように、本実施の形態の方式によれば、インテグレータ光学系に入射させる光束を円形或いは円形に近い形にすることにより、その周囲に来る光束を反射させ、再利用し、中心付近の良質な光束とすることができるので、全体としての効率が向上する。
【0105】
なお、例えば図14中の第2の放物面鏡35のミラー面位置をM′とし、防爆ガラス(前面ガラス8)と一体化し、さらに、インテグレータ光学系5の第1のフライアイレンズ9をも一体化して構成してもよい。図16及び図17はこれを原理的に示すものである。
【0106】
本発明の第九の実施の形態を図18及び図19に基づいて説明する。本実施の形態は、前述の実施の形態の原理において前面鏡として第2の放物面鏡を用いる場合の具体的な照明装置A5の構成例を示すものである。
【0107】
リフレクタ用の放物面鏡4(f=6mm)は強化ガラス、前面鏡としての第2の放物面鏡35(g=21mm)は強化ガラスないしは通常のガラスで構成し、各々内側が鏡面として形成している。この場合、両者の膨張係数がほとんど同じなので両者を耐熱接着剤で固着させている。放物面鏡4と防爆ガラス(前面ガラス8)との間は作製型の抜き勾配を設けて直線的に円筒状に形成されている。37は光源3をリフレクタ(放物面鏡4)に挿入して取付け・保持させるために明けた概略円筒状の穴であり、38はリード線引き出し孔である。
【0108】
本発明の第十の実施の形態を図20及び図21に基づいて説明する。本実施の形態の照明装置A6は、基本的には、照明装置A5の場合と同様であるが、前面鏡としての第2の放物面鏡35を高輝アルミニウムやステンレス鋼などの金属で形成した場合の適用例を示す。
【0109】
この場合、放物面鏡4にはやはり強化ガラスを用いているので、両者を固着すると両者の熱膨張係数が異なり、ランプ点灯時の熱により、第2の放物面鏡35が変形してしまうおそれがある。そこで、本実施の形態では、放物面鏡4と第2の放物面鏡4とは接着剤等により固着せずフリーとし、Z軸中心に対称的な位置に押える力が働くばね材39によりその配設位置に保持させるようにしたものである。より具体的には、ステンレス鋼や麟青銅のようなばね性のある1枚の板材39aの中央に窓36を阻害しないように形成した矩形状の開口周りに切り欠きにより4個の板ばね片39bを対辺同士でタスキ掛けとなるような方向に形成したもので、板材39a自身は防爆ガラス(前面ガラス8)の直下に配置されて放物面鏡4の本体とは接着剤で一緒に固着されている。もっとも、ばね材39としては、図示のようなものに限らず、線状ばね、コイルばね等であってもよく、要は、Z軸中心に対称的に第2の放物面鏡35に放物面鏡4方向の押し圧が掛かるように配置できれば、形状は特に問わない。
【0110】
本発明の第十一の実施の形態を図22に基づいて説明する。本実施の形態は、例えば前述の照明装置A5(又は、A6)を図1,図2,図11,図12等の場合と同様に、液晶パネル1の照明用に用いた適用例を示す(照明装置A5に関しては簡略化して示している)。この場合、インテグレータ光学系5としては、前述の場合と同様のものを用い得るが、ここでは、第1のフライアイレンズ5に代えて、相当部材として直交シリンドリカルレンズアレイ71a,71bを用いた例を示しており、第2の放物面鏡35の窓36が直交シリンドリカルレンズアレイ71a,71bの大きさに概略対応するように形成されている。また、第2のフライアイレンズに相当する直交シリンドリカルレンズ10a,10b間に配設された偏光整列プリズム11の前段には、遮光板アレイ72が配設されている。73はUV/IRカットフィルタである。また、図2の場合と同様に、シリンドリカルレンズ10bと照射面とのほぼ中間の位置に凸レンズ17(焦点距離はこの凸レンズ17から液晶パネル1までの距離に一致させる)を置き、第2のフライアイレンズ(直交シリンドリカルレンズ10a,10b)で分割された光束を照射面である液晶パネル1上に重ね合わせている。
【0111】
このような構成をとることにより、凸レンズ17から被照射面となる液晶パネル1までは、フライアイレンズの各構成レンズが作る光束は各々平行光となっているので、特に反射型液晶パネル1を用いるプロジェクタの場合でも色むらが発生しにくく、都合がよい。
【0112】
本発明の第十二の実施の形態を図23に基づいて説明する。本実施の形態は、例えば、図1に示した照明装置A1の液晶プロジェクタへの適用例を示す。なお、この照明装置A1において、第1フライアイレンズ9の前端にはUV/IRカットガラス41が介在され、また、第1、第2フライアイレンズ9,10間には照射方向を90°変更させるためのミラー42が介在されている。
【0113】
照明装置A1によりS偏光に揃えられた平行光束は、ダイクロイックミラー(分光ミラー)43,44及び全反射ミラー45でB,G,R各色成分光に分離され、各々対応するPBS(偏光ビームスプリッタ)46,47,48へ導き、そのPBS膜で反射させ、各々反射型液晶パネル1B,1G,1Rを照射する。2B,2G,2Rはコンデンサレンズであり、49,50はリレーレンズである。
【0114】
各反射型液晶パネル1B,1G,1Rでは、画像情報制御部(図示せず)から与えられる画像信号がオフの画素はそのまま反射して返すので、PBS膜で再度反射し、照明装置A1側へ戻されるが、オンの画素ではP偏光に変換して反射されるのでPBS膜を透過し、ダイクロイックプリズムを用いた光合成プリズム51へ到達する。各色画像はこの光合成プリズム51のダイクロイック膜で合成され、投射レンズ系としての投射レンズ52を通してスクリーン53上に液晶パネル表示画像を投射結像させる。
【0115】
本発明の第十三の実施の形態を図24に基づいて説明する。本実施の形態は、例えば、図2に示したような凸レンズ17を用いたインテグレータ光学系5構成の照明装置の液晶プロジェクタへの適用例を示す。但し、ここでは、第1フライアイレンズの前段にUV/IRカットガラス41が介在されており、平面鏡はこのUV/IRカットガラス41の片面に平面鏡60として設けられている。
【0116】
照明装置によりP偏光に揃えられた平行光束は、PBS61へ導かれそのPBS膜を透過し、さらにダイクロイックプリズムを用いた光分離・合成プリズム62へ導かれる。ここで、R,G,B各色成分光に分離されて、各々対応する反射型液晶パネル1R,1G,1Bを照射する。各反射型液晶パネル1R,1G,1Bでは画像情報制御部(図示せず)から与えられる画像信号がオフの画素はそのまま反射して返すので、光分離・合成プリズム62で合成された後、PBS61のPBS膜を再度透過し照明系の方へ戻されるが、オンの画素ではS偏光に変換して反射されるので光分離・合成プリズム62で合成された後、PBS61のPBS膜で反射され、投射レンズ系としての投射レンズ63を通してスクリーン64上に反射型液晶パネル1R,1G,1Bの表示画像を投射結像させる。
【0117】
なお、図示例では、ガラスの密度も考慮して、インテグレータ光学系5における光学的な距離の関係は、l1+l1′≒l2に設定されている。
【0118】
なお、これらの第十二、第十三の実施の形態で示した液晶プロジェクタに関するリフレクタとインテグレータ光学系の組合せ(照明装置)は、本発明の効果を分かりやすく示すために選んだのみであり、前述した実施の形態における照明装置の何れの方式の組合せでも本発明の本質が崩れるものではない。特に、リフレクタの形状については目的に応じて前述のどの方式を用いても何ら差し支えない。
【0119】
また、これらの第十二、第十三のの実施の形態では、照明光の角度依存性の強い反射型液晶ディスプレイを用いたプロジェクタへの適用例を示したが、本発明の本質は集光能力が大きいことから、透過型液晶パネルを用いたプロジェクタやDMD(ダイナミックミラーデバイス)を用いたプロジェクタ(この場合は、偏光変換機能は省略できる)への応用も可能であることは言うまでもない。
【0120】
【発明の効果】
請求項1記載の発明の照明装置によれば、基本的に放物面鏡により反射された平行光は前面鏡の非鏡面による窓を通して出力光利用光学系に向けて出射される一方、光源から発せられて放物面鏡に直接入らない光は平行光の光軸に対して直交させた前面鏡で反射させることにより再び放物面鏡に返し反射させることで焦点位置を経て再度放物面鏡で反射させて平行光として出射させることができるので、光源光の光束の殆ど全部を効率よく利用できる上に、出力光利用光学系に向けて出射させる光束の平行度を低下させることもなく、さらには、出力光利用光学系の入力部の外形サイズと概略同サイズで透光性を有する非鏡面の窓の大きさを規制することができるので、出力光利用光学系のサイズを小さく抑えることもできる。また、特に、リフレクタとして放物面形状と楕円面形状とを組合せているので、このリフレクタと平面鏡との間での光束の反射回数を少なくして光の減衰を抑えることができ、光の利用効率を向上させることができ、加えて、同じ焦点距離の放物面鏡を用いた場合、放物面鏡のみによる場合に比べてリフレクタの外形を小さくすることができ、結果として、光の利用効率を低下させることなく全体の小型化を図ることができる。また、リフレクタの型を作りやすくすることができ、面精度を出しやすくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第一の実施の形態の照明装置を示す光学系構成図である。
【図2】本発明の第二の実施の形態の照明装置を示す光学系構成図である。
【図3】本発明の第三の実施の形態の照明装置の要部を示すリフレクタ付近の断面構造図である。
【図4】そのリフレクタの正面図である。
【図5】本発明の第四の実施の形態の照明装置の要部を示すリフレクタ付近の断面構造図である。
【図6】その正面図である。
【図7】本発明の第五の実施の形態のリフレクタ構成を示す原理図である。
【図8】その実際的な照明装置への適用例を示す光学系構成図である。
【図9】本発明の第六の実施の形態の照明装置の要部を示し、(a)はリフレクタ付近の断面構造図である。
【図10】その偏光変換器の平面図である。
【図11】その照明装置全体の光学系構成図である。
【図12】変形例を示す光学系構成図である。
【図13】本発明の第七の実施の形態のリフレクタ構成を示す原理図である。
【図14】本発明の第八の実施の形態のリフレクタ構成を示す原理図である。
【図15】その第2の放物面鏡の窓形状を示す正面図である。
【図16】その照明装置の要部を示すリフレクタ付近の断面構造図である。
【図17】その正面図である。
【図18】本発明の第九の実施の形態の照明装置の要部を示すリフレクタ付近の断面構造図である。
【図19】その正面図である。
【図20】本発明の第十の実施の形態の照明装置の要部を示すリフレクタ付近の断面構造図である。
【図21】その正面図である。
【図22】本発明の第十一の実施の形態の照明装置を示す光学系構成図である。
【図23】本発明の第十二の実施の形態の液晶プロジェクタを示す光学系構成図である。
【図24】本発明の第十三の実施の形態の液晶プロジェクタを示す光学系構成図である。
【図25】第1の従来例の照明装置を示す光学系構成図である。
【図26】第2の従来例の照明装置のリフレクタ付近を示す光学系構成図である。
【図27】第3の従来例の照明装置のリフレクタ付近を示す光学系構成図である。
【符号の説明】
1 被投射体、液晶パネル
3 光源
4 放物面鏡、リフレクタ
5 インテグレータ光学系、出力光利用光学系
8 前面ガラス
9 第1フライアイレンズ
10 第2フライアイレンズ
12 平面鏡、前面鏡
13 窓
15 平面鏡、前面鏡
16 窓
18 平面鏡、前面鏡
20 窓
21 リフレクタ
22 放物面鏡
23 楕円面鏡
25 光源
26 前面ガラス
27 平面鏡、前面鏡
28 窓
31 偏光変換器
35 第2の放物面鏡、前面鏡
36 窓
37 穴
39 ばね材
52 投射レンズ系
53 スクリーン
60 平面鏡、前面鏡
63 投射レンズ系
64 スクリーン
Claims (1)
- リフレクタの少なくとも一部に放物面鏡を用い、前記放物面鏡の焦点付近に光源を配設し、この光源から出射され前記放物面鏡で反射された平行光を出力光利用光学系へ向けて出射させる照明装置において、
前記リフレクタを、少なくとも当該放物面鏡からの平行光が前記出力光利用光学系の入力口をカバーする範囲まで放物面形状とし、この放物面鏡の外側を前記放物面と共通の焦点を持つ楕円面形状の楕円面鏡とし、かつ、該リフレクタは、前記楕円面鏡の途中から短軸上付近の前記平面鏡までの前記放物面鏡の外側部分をこの放物面鏡の焦点と共通の焦点を持つ第2の放物面鏡としてなり、
前記出力光利用光学系の入力部の外形サイズと概略同サイズで透光性を有する非鏡面の窓が形成された前面鏡としての平面鏡を前記楕円面鏡の短軸上付近の位置で前記平行光の光軸に対して直交させて配設したことを特徴とする照明装置。
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