JPH09185008A - 光学装置および多面反射鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 被照明領域の全面における照度の均一性が高
く、小型で、高い光の利用率が得られる光学装置および
これに用いられる多面反射鏡を提供すること。 【解決手段】 楕円反射面を有する複数のミラー素子11
よりなる多面反射鏡10と、発光部Ｈが多面反射鏡11の中
心軸Ｌ上に沿って位置するよう配置された光源ランプ20
と、多面反射鏡10の前方にその中心軸Ｌに垂直な平面上
に設けられた、ミラー素子11の各々に対応する複数のレ
ンズ素子32が配列されてなるレンズ板30とを具えてな
り、多面反射鏡10におけるミラー素子11の各々は、一方
の焦点が光源ランプ20の発光部Ｈに位置されると共に、
他方の焦点がレンズ板30における対応するミラー素子32
の各々に位置されるよう配置され、光源ランプ20の発光
部Ｈからの光が、ミラー素子11の各々により分割され、
この分割された光の各々が、ミラー素子30の各々によ
り、被照明領域Ｒにおいて重畳される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、像表示装置などに
用いられる光学装置およびこの光学装置に用いられる多
面反射鏡に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、大画面の映像を表示する像表示装
置として、液晶パネルを用いた投写型液晶プロジェクタ
ー装置が知られいてる。このような像表示装置において
は、液晶パネルにより形成された光学像を大きい強度の
光により照明する光学装置が必要である。この光学装置
の性能により、像表示装置における投写画像の画質が大
きく左右されるため、光学装置としては、高効率で色再
現性に優れ、被照明領域における全面の照度の均一性お
よび色の均一性が良好な光学装置が要望される。

【０００３】図６は、従来の光学装置の一例における構
成を示す説明図であり、この光学装置は、放物面鏡７１
と、この放物面鏡７１の中心軸Ｌ上に沿って配置された
光源ランプ７２とにより構成されている。７８は、当該
光学装置の照明領域Ｒ上に配置された液晶パネルであ
る。この光学装置においては、光源ランプ７２の発光部
Ｈから放射された光が、放物面鏡７１によって反射され
ることにより、放物面鏡７１の中心軸Ｌに対してほぼ平
行な光線束が形成され、被照明領域Ｒ上に配置された液
晶パネル７８に照射される。このような光学装置によれ
ば、放物面鏡７１により、光源ランプ７２から放出され
る光の大部分が集光されて平行光線として被照明領域Ｒ
に照射されるため、高い光の利用率が得られる。

【０００４】然るに、上記の光学装置においては、放物
面鏡７１により形成される光線束は、その中心近傍にお
ける光束密度が高くて周辺部における光束密度が低いも
のであるため、被照明領域Ｒの全面において均一な照度
で照明することができない。

【０００５】被照明領域の全面における照度の均一性を
改善する手段としては、光源ランプの封体の表面にフロ
スト処理を施す手段が知られているが、フロスト処理が
施された封体の表面において、発光部からの光が拡散さ
れるため、被照明領域に照射される光の強度が著しく低
下する、という問題がある。

【０００６】一方、被照明領域の全面における照度の均
一性を改善する他の手段としては、インテグレータレン
ズを利用する手段が知られている（米国特許２１８６１
２３号明細書参照）。

【０００７】図７は、イテングレータレンズを利用した
従来の光学装置の一例における構成を示す説明図であ
る。この光学装置においては、複数のレンズ素子７４が
配列されてなる第１レンズ板７３が、放物面鏡７１の正
面において当該放物面鏡７１の中心軸Ｌと垂直な平面上
に設けられ、この第１レンズ板７３と照明領域Ｒとの間
には、第１レンズ板７３におけるレンズ素子７４の各々
に対応する複数のレンズ素子７６が配列されてなる第２
レンズ板７５が、当該第１レンズ板７３の前方に離間し
て並ぶよう設けられている。具体的には、第２レンズ板
７５は、レンズ素子７６の各々が第１レンズ板７３にお
ける対応するレンズ素子７４の各々の焦点に位置するよ
う配置されている。

【０００８】このような光学装置においては、放物面鏡
７１によって形成された中心軸Ｌに平行な光線束は、第
１レンズ板７３のレンズ素子７４の各々により、当該レ
ンズ素子７４毎に分割されると共に、この分割された光
の各々が、対応する第２レンズ板７５におけるレンズ素
子７６の各々に収束される。このとき、第２レンズ板７
５における各レンズ素子７６上には、光源ランプ７２の
発光部Ｈの実像が形成される。そして、第２レンズ板７
５におけるレンズ素子７６に収束された光の各々は、当
該レンズ素子７６により、発光部Ｈの実像が拡大された
状態で同一の被照明領域Ｒにおいて重畳される。

【０００９】上記の光学装置によれば、第１レンズ板７
３により分割された光は、それぞれ中心付近における光
束密度と周辺部における光束密度との差が小さいもので
あり、しかも、分割された光の各々が、第２レンズ板７
５により同一の被照明領域Ｒにおいて重畳されるので、
当該被照明領域Ｒの全面において高い照度の均一性が得
られる。

【００１０】しかしながら、上記の光学装置において
は、次のような問題がある。 （１）第１レンズ板７３および第２レンズ板７５の２枚
のレンズ板が必要であり、しかも、これらは互いに離間
して配置される必要があるため、光学装置の寸法が光軸
（放物面鏡７１の中心軸Ｌ）方向に大きくなり、装置全
体が基本的に大型のものとなる。

【００１１】（２）第２レンズ板７５の各レンズ素子７
６上に形成される実像の大きさは、発光部Ｈの大きさと
放物面鏡７１から第２レンズ板７５の各レンズ素子７６
までの距離とによって定まる。すなわち、光源ランプ７
２の発光部Ｈが大きいほど、また、放物面鏡７１から第
２レンズ板７５の各レンズ素子７６までの距離が大きい
ほど、形成される実像も大きくなる。

【００１２】光源ランプ７２としては、発光効率が高
く、分光エネルギー分布の均一性が高くて演色性に優れ
ている点で、一般的にショートアーク型のメタルハライ
ドランプが用いられており、このメタルハライドランプ
の発光部は、寸法が例えば長さ３〜４ｍｍ、幅２〜３ｍ
ｍの大略円柱状であり、相当に大きいものである。しか
も、放物面鏡７１と第２レンズ板７５との間に、第１レ
ンズ板７３を配置する必要があるため、放物面鏡７１か
ら第２レンズ板７５の各レンズ素子７６までの距離も相
当に大きいものとなる。従って、第２レンズ板７５の各
レンズ素子７６上には、発光部Ｈの実像が形成される
が、通常、レンズ素子７６の開口がこれより小さいた
め、当該発光部Ｈの実像のうちレンズ素子７６の開口か
ら外れた部分に対応する光、すなわち、発光部Ｈの周辺
部分から放出される光を利用することができず、高い光
の利用率が得られない。

【００１３】一方、形成される発光部Ｈの実像より大き
い寸法の開口を有するレンズ素子により第２レンズ板を
構成する場合には、高い光の利用率が得られるが、第２
レンズ板全体の寸法が大きくなるため、光学装置が光軸
と交わる方向に大型のものとなる。しかも、第２レンズ
板の周辺部におけるレンズ素子から出射される光は、被
照射領域Ｒに対する照射角度が大きいものとなるため、
投写レンズとしてＦナンバーの小さいものが必要であ
り、Ｆナンバーの小さい投写レンズは、有効径が大きく
て高価なものであるため、小型で安価な像表示装置を構
成することが困難となる。

【００１４】（３）上述のように、第２レンズ板７５に
よって光源ランプ７２の発光部Ｈの周辺部分から放出さ
れる光が利用されないことにより、発光部Ｈ全体から放
出される光における分光エネルギーのバランスを維持す
ることができないため、所期の分光エネルギー分布を有
する光が得られず、特に、カラー画像を表示する像表示
装置に用いる場合には、所期の色調を有する画像を投写
することができない。以下、具体的に説明する。

【００１５】図８は、図７に示す構成の光学装置を具え
た、カラー画像を表示する投写型液晶プロジェクター装
置の構成を示す説明図である。このような液晶プロジェ
クター装置においては、図７に示す構成の光学装置７０
における第２レンズ板７５のレンズ素子７６の各々から
出射された光は、全反射ミラー８０ａにより反射された
後、紫外線および赤外線を遮断するＵＶ−ＩＲカットフ
ィルター８１を介して色分離用多層膜ミラー８２に到達
し、この色分離用多層膜ミラー８２により、赤色成分
と、緑色成分および青色成分とに分離される。そして、
赤色成分の光は、全反射ミラー８０ｂおよびコンデンサ
レンズ８４ａを介して、被照明領域Ｒ１上に配置された
赤色用液晶パネル８５に照射される。一方、緑色成分お
よび青色成分の光は、色分離用多層膜ミラー８３により
分離され、緑色成分の光は、コンデンサレンズ８４ｂを
介して、被照明領域Ｒ２上に配置された緑色用液晶パネ
ル８６に照射され、青色成分の光は、コンデンサレンズ
８４ｃを介して、被照明領域Ｒ３上に配置された青色用
液晶パネル８７に照射される。

【００１６】斯くして、第２レンズ板７５のレンズ素子
７６の各々から出射された光は、赤色成分、緑色成分お
よび青色成分に分離された後、赤色用液晶パネル８５、
緑色用液晶パネル８６および青色用液晶パネル８７の各
々において重畳される。そして、赤色成分の光と緑色成
分の光とが、色合成用多層多層膜ミラー８８により合成
され、更に、この光と青色成分の光とが色合成用多層多
層膜ミラー８９により合成され、この合成された光が、
投写レンズ９０を介して適宜のスクリーン（図示省略）
に照射され、これにより、当該スクリーン上には、カラ
ー画像が投写される。

【００１７】而して、光源ランプ２０として用いられる
メタルハライドランプは、発光部全体から放出される光
における分光エネルギー分布の均一性が高いものである
が、発光部の部分によっては、放出される光の分光エネ
ルギー分布が異なる。すなわち、発光部の中心部分にお
いては、水銀線による光の割合が大きく、発光部の周辺
部分においては、分子発光による波長６００ｎｍ以上の
光の割合が大きい。従って、前述のように、第２レンズ
板７５により、メタルハライドランプの発光部の周辺部
分から放出される光が損失すると、波長６００ｎｍ以上
の赤色成分が大きい割合で減少するため、第２レンズ板
７５において分光エネルギーのバランスを維持すること
ができず、その結果、スクリーンに所期の色調を有する
画像を投写することができない。

【００１８】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、以上のよう
な事情に基づいてなされたものであって、その第１の目
的は、被照明領域の全面における照度の均一性が高く、
しかも、小型で、高い光の利用率が得られる光学装置を
提供することにある。本発明の第２の目的は、分光エネ
ルギー分布の均一性の高い光を照射することができる光
学装置を提供することにある。本発明の第３の目的は、
上記の光学装置に用いられる多面反射鏡を提供すること
にある。

【００１９】

【課題を解決するための手段】本発明の光学装置は、そ
れぞれ楕円反射面を有する複数のミラー素子よりなる凹
型の多面反射鏡と、発光部が前記多面反射鏡の中心軸上
に沿って位置するよう配置された光源ランプと、前記多
面反射鏡の前方において当該多面反射鏡の中心軸に垂直
な平面上に設けられた、当該多面反射鏡におけるミラー
素子の各々に対応する複数のレンズ素子が配列されてな
るレンズ板とを具えてなり、前記多面反射鏡におけるミ
ラー素子の各々は、その一方の焦点が前記光源ランプの
発光部に位置されると共に、その他方の焦点が前記レン
ズ板における対応するミラー素子の各々に位置されるよ
う配置され、前記光源ランプの発光部からの光が、前記
多面反射鏡におけるミラー素子の各々により分割され、
この分割された光の各々が、前記レンズ板におけるミラ
ー素子の各々により、被照明領域において重畳されるこ
とを特徴とする。

【００２０】本発明の光学装置においては、前記レンズ
板が、前記多面反射鏡の開口側に装着されていることが
好ましい。

【００２１】また、本発明の光学装置においては、前記
光源ランプが、ショートアーク型メタルハライドランプ
であることが好ましい。

【００２２】本発明の多面反射鏡は、それぞれ楕円反射
面を有する複数のミラー素子が全体が凹状となるよう配
置されてなる多面反射鏡であって、前記複数のミラー素
子の各々は、一方の焦点がそれぞれ実質上同一の光源配
置位置に位置され、他方の焦点が、凹状の前方における
当該多面反射鏡の中心軸に垂直な実質上同一の平面上に
おいて、かつ、ミラー素子の配列と同一の配列となる状
態に位置されるよう配置されていることを特徴とする。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の光学装置について
詳細に説明する。図１は、本発明の光学装置の一例にお
ける構成を示す説明図である。この図において、１０
は、本発明に係る凹型の多面反射鏡であり、２０は光源
ランプであって、その大略円柱状の発光部Ｈが多面反射
鏡１０の中心軸Ｌ上において当該中心軸Ｌに沿って位置
するよう設けられている。３０はレンズ板であって、多
面反射鏡１０の前方において当該多面反射鏡１０の中心
軸Ｌに垂直な平面上に設けられている。４０は、光学装
置の被照明領域Ｒ上に設けられた例えば矩形の被照明体
であり、４１はコンデンサレンズである。

【００２４】図２にも示すように、多面反射鏡１０は、
それぞれ楕円反射面を有する複数（図示の例では１６
個）のミラー素子１１が、全体が凹状となるよう配置さ
れて構成されており、ミラー素子１１の各々は、当該多
面反射鏡１０の正面側から見た形状が、被照明領域Ｒに
配置された被照明体４０の相似の矩形状とされている。

【００２５】光源ランプ２０としては、ショートアーク
型メタルハライドランプを用いることが好ましく、当該
ランプ内に封入される金属成分としては、ジスプロシウ
ム、インジウム、スズなどが挙げられ、ハロゲン成分と
しては、ヨウ素、臭素などが挙げられる。

【００２６】図３にも示すように、レンズ板３０は、基
板３１と、多面反射鏡１０におけるミラー素子１１に対
応する複数のレンズ素子３２とにより構成されており、
レンズ素子３２の各々は、基板３１の被照明領域Ｒ側の
表面に互いに密着した状態で配列されている。

【００２７】図４に示すように、本発明に係る多面反射
鏡１０におけるミラー素子１１の各々は、その長軸Ｘが
当該多面反射鏡１０の中心軸Ｌに対してそれぞれ異なる
傾きを有しており、一方の焦点Ｓ１がそれぞれ実質上同
一の光源配置位置に位置され、他方の焦点Ｓ２が、当該
多面反射鏡１０の中心軸Ｌに垂直な実質上同一の平面上
において、かつ、ミラー素子１１の配列と同一の配列と
なる状態に位置されるよう配置されている。具体的に
は、ミラー素子１１の各々は、一方の焦点Ｓ１がそれぞ
れ光源ランプ２０の発光部Ｈの中心に位置されると共
に、他方の焦点Ｓ２がそれぞれレンズ板３０における対
応するレンズ素子３２の頂部に位置されるよう配置され
ている。

【００２８】上記の光学装置においては、多面反射鏡１
０により、光源ランプ２０の発光部Ｈから放出される光
が、当該多面反射鏡１０における各ミラー素子１１毎に
分割され、この分割された光の各々は、レンズ板３０に
おける対応するレンズ素子３２に収束される。このと
き、レンズ板３０における各レンズ素子３２上には、光
源ランプ２０の発光部Ｈの実像が形成される。そして、
レンズ板３０におけるレンズ素子３２に収束された光の
各々は、当該レンズ素子３２により、発光部Ｈの実像が
拡大された状態で被照明領域Ｒにおいて重畳される。

【００２９】上記の多面反射鏡１０によれば、複数のミ
ラー素子１１の一方の焦点Ｓ１がそれぞれ実質上同一の
光源配置位置に位置されているため、当該光源配置位置
から出射される光を、ミラー素子１１毎に分割すること
ができると共に、複数のミラー素子１１の他方の焦点Ｓ
２が、当該多面反射鏡１０の中心軸Ｌに垂直な実質上同
一の平面上において、かつ、ミラー素子１１の配列と同
一の配列となる状態に位置されているため、分割された
光の各々を、ミラー素子１１の配列に従って、実質上同
一の平面上における互いに異なる位置に収束させること
ができる。

【００３０】そして、上記の光学装置によれば、光源ラ
ンプ２０の発光部Ｈからの光が多面反射鏡１０により分
割され、しかも、レンズ板３０により、分割された光の
各々が照明領域Ｒにおいて重畳されるので、被照明領域
Ｒの全面において高い照度の均一性が得られる。

【００３１】また、多面反射鏡１０とレンズ板３０との
間に、他のレンズ板を設ける必要がないため、多面反射
鏡１０からレンズ板３０までの距離を小さくすることが
でき、これにより、装置の中心軸Ｌ方向における寸法を
小さくすることができると共に、レンズ板３０における
レンズ素子３２の各々には、当該レンズ素子３２の開口
より小さい寸法の発光部Ｈの実像を形成することができ
るので、多面反射鏡１０からの光の一部が損失すること
がなく、その結果、高い光の利用率が得られる。

【００３２】また、光源ランプ２０としてショートアー
ク型メタルハライドランプ用いることにより、当該光源
ランプ２０の発光部Ｈ全体によって、分光エネルギー分
布の均一性の高い光が放出され、しかも、レンズ板３０
において、発光部Ｈの一部分のみの光が損失することが
ないため、当該分光エネルギーのバランスが維持される
ので、分光エネルギー分布の均一性の高い光を照射する
ことができる。

【００３３】本発明の光学装置においては、図５に示す
ように、レンズ板３０を、多面反射鏡１０の開口側に一
体的に装着することができ、このような構成によれば、
多面反射鏡１０からレンズ板３０までの距離が極めて小
さくなり、更に光学装置全体の小型化を図ることができ
る。このような構成の光学装置において、多面反射鏡１
０の開口側のミラー素子１３により、反射角度の関係
上、レンズ板３０に集光させることが困難である場合に
は、当該ミラー素子１３は、反射光が直接被照明体４０
に照射されるよう設けられていてもよい。この場合に
は、その他のミラー素子１１によって、照度の均一性が
確保されるので、実用上問題はない。

【００３４】

【実施例】以下、本発明の具体的な実施例について説明
するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

【００３５】下記の条件に従って、図１に示す構成の光
学装置Ａを作製した。 多面反射鏡（１０）：ミラー素子（１１）の数；１６，
開口の直径；８４ｍｍ， 光源ランプ（２０）：メタルハライドランプ，封入物；
Ｄｙ，Ｉｎ，Ｓｎ，消費電力；２５０Ｗ， レンズ板（３０）：基板（３１）の寸法；７０ｍｍ×７
０ｍｍ×６ｍｍ，レンズ素子（３２）の数；１６，レン
ズ素子（３２）の開口の寸法１４．５ｍｍ×１１．０ｍ
ｍ， 多面反射鏡（１０）の開口からレンズ板（３０）までの
距離：７５ｍｍ， レンズ板（３０）から被照明領域（Ｒ）までの距離：１
７０ｍｍ， 被照明領域（Ｒ）の寸法：２６．４ｍｍ×１９．８ｍｍ

【００３６】上記の光学装置を作動させたところ、被照
明領域（Ｒ）における照度は、約１７０万ルクスであ
り、当該被照明領域（Ｒ）の全面における照度の均一性
が高いものであった。また、被照明領域（Ｒ）に照射さ
れる光は、光源ランプ（２０）から直接放出される光と
同等の分光エネルギー分布を有していることが確認され
た。

【００３７】上記の光源ランプ（２０）を用いて、図７
に示す構成の比較用の光源装置Ｂを作製し、これを作動
させたところ、被照明領域（Ｒ）の全面における照度の
均一性が高いものであるが、当該被照明領域（Ｒ）にお
ける照度は、約１３０万ルクスであり、上記の光源装置
Ａに比較して光の利用率が低いものであった。また、被
照明領域（Ｒ）に照射される光は、光源ランプ（２０）
から直接放出される光に比較して、波長６００ｎｍ以上
の赤色成分の割合が小さいものであった。

【００３８】

【発明の効果】本発明の光学装置によれば、被照明領域
の全面において高い照度の均一性が得られ、しかも、装
置全体の小型化を図ることができると共に、高い光の利
用率が得られる。また、レンズ板を多面反射鏡の開口側
に装着することにより、更に装置全体の小型化を図るこ
とができる。また、光源ランプとしてショートアーク型
メタルハライドランプを用いることにより、分光エネル
ギー分布の均一性の高い光を照射することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光学装置の一例における構成を示す説
明図である。

【図２】多面反射鏡の一例を示す説明図である。

【図３】レンズ板の一例を示す説明図である。

【図４】多面反射鏡におけるミラー素子の配置状態を示
す説明図である。

【図５】本発明の光学装置の他の例における構成を示す
説明図である。

【図６】従来の光学装置の一例における構成を示す説明
図である。

【図７】従来の光学装置の他の例における構成を示す説
明図である。

【図８】図６に示す光学装置を用いた像表示装置の一例
における構成を示す説明図である。

【符号の説明】

１０ 多面反射鏡 １１ ミラー素子 ２０ 光源ランプ ３０ レンズ板 ３１ 基板 ３２ レンズ素子 ４０ 被照明体 ４１ コンデンサレンズ ７０ 光学装置 ７１ 放物面鏡 ７２ 光源ランプ ７３ 第１レンズ板 ７４ レンズ素子 ７５ 第２レンズ板 ７６ レンズ素子 ７８ 液晶パネル ８０ａ，８０ｂ，８０ｃ 全反射ミラー ８１ ＵＶ−ＩＲカットフィルター ８２，８３ 色分離用多層膜ミラー ８４ａ，８４ｂ，８４ｃ コンデンサレンズ ８５，８６，８７ 液晶パネル ８８，８９ 色合成用多層膜ミラー ９０ 投写レンズ Ｈ 発光部 Ｌ 中心軸 Ｒ，Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３ 被照明領域 Ｓ１ 一方の焦点 Ｓ２ 他方の焦点

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 それぞれ楕円反射面を有する複数のミラ
   ー素子よりなる凹型の多面反射鏡と、 発光部が前記多面反射鏡の中心軸上に沿って位置するよ
   う配置された光源ランプと、 前記多面反射鏡の前方において当該多面反射鏡の中心軸
   に垂直な平面上に設けられた、当該多面反射鏡における
   ミラー素子の各々に対応する複数のレンズ素子が配列さ
   れてなるレンズ板とを具えてなり、 前記多面反射鏡におけるミラー素子の各々は、その一方
   の焦点が前記光源ランプの発光部に位置されると共に、
   その他方の焦点が前記レンズ板における対応するミラー
   素子の各々に位置されるよう配置され、 前記光源ランプの発光部からの光が、前記多面反射鏡に
   おけるミラー素子の各々により分割され、この分割され
   た光の各々が、前記レンズ板におけるミラー素子の各々
   により、被照明領域において重畳されることを特徴とす
   る光学装置。
2. 【請求項２】 レンズ板が、多面反射鏡の開口側に装着
   されていることを特徴とする請求項１に記載の光学装
   置。
3. 【請求項３】 光源ランプが、ショートアーク型メタル
   ハライドランプであることを特徴とする請求項１または
   請求項２に記載の光源装置。
4. 【請求項４】 それぞれ楕円反射面を有する複数のミラ
   ー素子が全体が凹状となるよう配置されてなる多面反射
   鏡であって、 前記複数のミラー素子の各々は、一方の焦点がそれぞれ
   実質上同一の光源配置位置に位置され、他方の焦点が、
   凹状の前方における当該多面反射鏡の中心軸に垂直な実
   質上同一の平面上において、かつ、ミラー素子の配列と
   同一の配列となる状態に位置されるよう配置されている
   ことを特徴とする多面反射鏡。