(57)【要約】【課題】照明光を光軸に近い角度でロッドレンズ上に小さなスポットサイズで集光する照明光学系を得て、照明光の利用効率を高くする。【解決手段】水銀ランプ１１から発した光線のうち、鉛直方向から右側の方向に向かう光線は、第１反射鏡１４に入射する。第１反射鏡１４は、回転楕円体面形状の反射鏡であり、水銀ランプ１１の中心がその第１焦点に、ロッドレンズ１２の表面のＦ点（集光点）がその第２焦点に位置するように設置される。第１放物面反射鏡１５、第２放物面反射鏡１６、円錐形反射鏡１７は、前記の第１の光学系を通過した光線以外の光線をＦ点（集光点）に集光させる第２の光学系となる。この際、第２の光学系を通過した光線は、前記の第１の光学系を介してＦ点に達した光線よりも光軸１３に対して内側を通る。【選択図】図２
2010020058.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源から発した光を集光点において集光する照明光学系であって、
前記光源から前記集光点に向かう光軸の方向に対して小さな角度で前記光源から発せられた光線を通過させ、前記集光点に集光させる第１の光学系と、
前記光源から発せられた光線のうち、前記第１の光学系を通過した以外の光線を通過させ、前記集光点において前記第１の光学系を通過した光線よりも前記光軸に対して小さい角度で前記集光点に集光させる第２の光学系と、
を具備することを特徴とする照明光学系。
【請求項２】
前記第１の光学系は、前記光源を第１の焦点、前記集光点を第２の焦点とする回転楕円体面形状の反射鏡であることを特徴とする請求項１に記載の照明光学系。
【請求項３】
前記第２の光学系は、
前記光源を焦点とする軸外放物面形状の第１放物面反射鏡と、
該第１放物面反射鏡で反射された光線を反射させる軸外放物面形状の第２放物面反射鏡と、
該第２放物面反射鏡で反射された光線を反射させて前記集光点に集光させる円錐形反射鏡と、
からなることを特徴とする請求項１又２に記載の照明光学系。
【請求項４】
前記第１の光学系は、前記光源が発する光線のうち、前記光軸に対して９０°よりも小さな角度をもつ光線を前記集光点に集光させることを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の照明光学系。
【請求項５】
前記集光点はロッドレンズ上に設定されることを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の照明光学系。
【請求項６】
前記光源として水銀ランプが用いられることを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の照明光学系。
【請求項７】
請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の照明光学系が用いられることを特徴とするプロジェクタ。
【請求項８】
ＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｍｉｒｒｏｒ  Ｄｅｖｉｃｅ）が用いられることを特徴とする請求項６に記載のプロジェクタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光源から発する光を集光して用いるための照明光学系、及びこれを用いたプロジェクタに関する。
【背景技術】
【０００２】
プロジェクタにおいては、例えば水銀ランプから発した光（照明光）がＲＧＢの各色毎に分けて変調され、これらが再び合成されて投射レンズにより拡大されて投射される。この際、水銀ランプから発した光を、各色毎の信号処理系に入射させて用いる。例えば、液晶プロジェクタの場合には、この光が液晶パネルに平行かつ均一に照射されるように照明光学系が設けられ、液晶パネルでこの光が変調されて光学信号が形成される。このため、特許文献１には、水銀ランプから発した光を３枚の回転放物面（パラボリック）鏡を組み合わせて用いて、平行光を形成する入射光学系が記載されている。
【０００３】
これに対し、装置全体の小型化のため、光の反射のオンオフを制御するＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｍｉｒｒｏｒ  Ｄｅｖｉｃｅ）を用いたプロジェクタが近年広く用いられている。このプロジェクタにおいて、ＤＭＤを１枚使用する光学系が用いられる場合、色分離合成のためにカラーホイールが使用される。この場合、カラーホイールのサイズの都合により、前記の液晶プロジェクタとは異なり、水銀ランプから発した光を一点に集光する照明光学系が用いられる。このための照明光学系９０の構成の一例を図６に示す。図６で水銀ランプ９１はほぼ全ての方向に光を発し、ランプリフレクタ９２に照射される。ランプリフレクタ９２は、図６中の光軸９３を中心軸とする回転楕円体面形状（エリプソイダル）鏡であり、その第１焦点（焦点距離ｆ１）に水銀ランプ９１が配置される。従って、ロッドレンズ９４をこの回転楕円体の第２焦点（焦点距離ｆ２）に配置すれば、水銀ランプから発した光をロッドレンズ９４上に集光させることができる。その後、この光はロッドレンズ９４中を通り、これより後の光学系において処理される。なお、図６では単純化のために記載を省略しているが、通常はロッドレンズ９４の入射側にカラーホイールが配置される場合が多い。
【０００４】
この際、水銀ランプ９１が発した光をロッドレンズ９４上で理想的に集光する、すなわち、ロッドレンズ９４上でその光のスポットサイズを極力小さくすることにより、水銀ランプ９１が発した光を有効に利用することができる。
【０００５】
【特許文献１】特開平７−１９９１８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、図６の構成の入射光学系においても、その照明光の特性はこれを用いたプロジェクタにとって充分とはならなかった。
【０００７】
図６の構成の入射光学系においては、ロッドレンズ９４上で照明光を充分に集光することが必要であるが、厳密には、この際の入射光の角度分布も重要になる。例えばロッドレンズ９４よりも後の光学系は、光軸に近い角度をもつ光に対して最適化されることが一般的であり、この場合、図６においては、Ｂ、Ｃの光路の光は有効に利用できるが、光軸に対する角度の大きなＡの光路の光は最適なものとはならない。すなわち、ロッドレンズ９４において有効に利用できるのは、照明光のうち、光軸に対して小さな角度をもつ光である。従って、Ａの光路の光は、ロッドレンズ９４よりも後の光学系によって例えばＤＭＤ上で集光できず、あるいは、例えば投射レンズを透過しきれず、有効に利用することができない。
【０００８】
また、実際には、水銀ランプ９１における発光領域は点状ではなく、図６中で水平方向の広がり（アーク長）をもつため、ロッドレンズ状で理想的に集光させることが困難である。ここで、特に図６中で水銀ランプ１１から左側に向かう光は、短い距離でランプリフレクタ９２に入射するため、このアーク長の影響が大きくなる。従って、第２の焦点におけるＣの光路の光は、前記の通り光軸に対する角度は小さいものの、集光性は悪くなる、すなわち、光のスポットサイズが大きくなる。
【０００９】
図６の構成の入射光学系においては、ランプリフレクタ９２の焦点を調整することによって、この状況を調整することができる。図７（ａ）（ｂ）はランプリフレクタの第１焦点距離ｆ１は同一で、第２焦点距離ｆ２を変えた際のこの状況を示す図であり、同図（ｂ）は（ａ）よりも第２焦点距離ｆ２を長くした場合である。ｆ２を長くした場合の方が、光軸に近い角度をもつ光が多くなることが明らかである。しかしながら、この反面、前記の通り、光軸に近い角度をもつ光の第２焦点（Ｆ点）における集光の度合いは悪くなり、光のスポットサイズは大きくなる。従って、集光点において、光のスポットサイズを小さく、かつ光と光軸との間の角度を小さくすることは困難である。
【００１０】
従って、照明光を光軸に近い角度でロッドレンズ上に小さなスポットサイズで集光する照明光学系を得ることは困難であり、照明光の利用効率を高くすることは困難であった。
【００１１】
本発明は、斯かる問題点に鑑みてなされたものであり、上記問題点を解決する発明を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、上記課題を解決すべく、以下に掲げる構成とした。
本発明の照明光学系は、光源から発した光を集光点において集光する照明光学系であって、前記光源から前記集光点に向かう光軸の方向に対して小さな角度で前記光源から発せられた光線を通過させ、前記集光点に集光させる第１の光学系と、前記光源から発せられた光線のうち、前記第１の光学系を通過した以外の光線を通過させ、前記集光点において前記第１の光学系を通過した光線よりも前記光軸に対して小さい角度で前記集光点に集光させる第２の光学系と、を具備することを特徴とする。
本発明の照明光学系において、前記第１の光学系は、前記光源を第１の焦点、前記集光点を第２の焦点とする回転楕円体面形状の反射鏡であることを特徴とする。
本発明の照明光学系において、前記第２の光学系は、前記光源を焦点とする軸外放物面形状の第１放物面反射鏡と、該第１放物面反射鏡で反射された光線を反射させる軸外放物面形状の第２放物面反射鏡と、該第２放物面反射鏡で反射された光線を反射させて前記集光点に集光させる円錐形反射鏡と、からなることを特徴とする。
本発明の照明光学系において、前記第１の光学系は、前記光源が発する光線のうち、前記光軸に対して９０°よりも小さな角度をもつ光線を前記集光点に集光させることを特徴とする。
本発明の照明光学系において、前記集光点はロッドレンズ上に設定されることを特徴とする。
本発明の照明光学系において、前記光源として水銀ランプが用いられることを特徴とする。
本発明のプロジェクタは、前記照明光学系が用いられることを特徴とする。
本発明のプロジェクタにおいて、ＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｍｉｒｒｏｒ  Ｄｅｖｉｃｅ）が用いられることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明は以上のように構成されているので、照明光を光軸に近い角度でロッドレンズ上に小さなスポットサイズで集光する照明光学系を得ることができ、照明光の利用効率を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明を実施するための最良の形態となる照明光学系の構成について説明する。この照明光学系は、照明光をロッドレンズ上において充分小さなスポットサイズで集光し、かつ光軸に近い角度をもった光を多くすることにより、ロッドレンズよりも後の光学系でこの照明光を特に有効に利用することができる。
【００１５】
この照明光学系１０の構成を図１に示す。この照明光学系１０は、ＤＭＤを用いたプロジェクタに組み込まれて使用される。照明光学系１０においては、光源となる水銀ランプ（光源）１１から発した光がロッドレンズ１２上のＦ点に集光される。ロッドレンズ１２よりも後には、図示していないが、各種のレンズ等が設けられ、この照明光はＤＭＤ上に集光される。この照明光の反射のオンオフが制御されることによって、光信号となる。なお、図１では単純化のために記載を省略しているが、通常はロッドレンズ１２の入射側にカラーホイールが配置される場合が多い。この場合、カラーホイールにより照明光がＲＧＢ毎に分解され、ＤＭＤによって各色毎の光信号が作られ、投射レンズによって投影されて画像となる。また、図１の構成は、水銀ランプ１１とロッドレンズ１２とを結ぶ線である光軸１３を中心とした軸対称の構成となっており、図１はその光軸１３に沿った断面を示している。
【００１６】
図２はこの照明光学系１０における照明光の光路を説明する図である。水銀ランプ１１から発した光線のうち、図１、２中で鉛直方向から右側の方向に向かう（光軸１３に対して９０°以下の角度の）光線は、第１反射鏡１４に入射する。第１反射鏡１４は、回転楕円体面形状の反射鏡であり、水銀ランプ１１の中心（発光源の中心）がその第１焦点に、ロッドレンズ１２の表面のＦ点（集光点）がその第２焦点に位置するように設置される。すなわち、第１反射鏡１４は、水銀ランプ１１から見てＦ点（ロッドレンズ１２）のある方向に近い角度で水銀ランプ１１が発した光線をＦ点に集光させる第１の光学系となる。この第１の光学系の機能は図６におけるものと同様である。ただし、図６の場合とは異なり、これに入射する光線は、光軸１３の方向に対して９０°よりも小さな角度で水銀ランプ１１から発せられたものに限定される。
【００１７】
一方、水銀ランプ１１から発した光線のうち、前記の第１の光学系に入射した以外の光線、すなわち、光軸１３に対して９０°よりも大きな角度をもつ光線は、第１放物面反射鏡１５に入射する。第１放物面反射鏡１５は、その光軸が図２中の１５Ａとされる軸外放物面形状である。図２に示されるように、この光軸１５Ａはこの照明光学系１０の光軸１３とは一致せず、光軸１３から傾斜している。また、水銀ランプ１１の中心（発光源の中心）がその焦点に位置するように設置される。
【００１８】
従って、水銀ランプ１１が点光源とみなせる場合には、照明光は第１放物面反射鏡１５で反射された後には平行光となる。この平行光は第１放物面反射鏡１５の光軸１５Ａの方向に沿って第２放物面反射鏡１６に入射する。第２放物面反射鏡１６も軸外放物面形状の反射鏡であり、図２に示されるように、その光軸１６Ａは第１放物面反射鏡１５の光軸１５Ａと平行とされ、その焦点は図１中におけるＥ点とされる。従って、光源１１が発した光線のうち、第１放物面反射鏡１５で反射された光は仮想集光点であるＥ点で集光される設定とされる。なお、図１の構成は光軸１３を中心とした軸対称であるため、この光線は実際には点に集光するのではなく、Ｅ点を含み、光軸１３を中心とする同心円状に集光される設定となる。
【００１９】
ただし、ここでは光軸１３上に円錐形反射鏡１７が設けられている。円錐形反射鏡１７は、光軸１３をその中心軸とした円錐形状の反射鏡である。前記の仮想集光点であるＥ点は、この円錐形反射鏡１７を中心としてロッドレンズ１２上の現実の集光点であるＦ点と共役の位置関係とされる。従って、第１放物面反射鏡１５で反射された光線は集光点となるＦ点で集光される。以上の構成は全て光軸１３を中心とした軸対称であるため、第１放物面反射鏡１５で反射された光線は全てＦ点に集光される。すなわち、第１放物面反射鏡１５、第２放物面反射鏡１６、円錐形反射鏡１７は、前記の第１の光学系を通過した光線以外の光線をＦ点（集光点）に集光させる第２の光学系となる。なお、この際に、円錐形反射鏡１７は、第１の光学系（第１反射鏡１４）からＦ点に達する光線を遮蔽しないように設置される。
【００２０】
この際、第２の光学系を通過した光線は、前記の第１の光学系を介してＦ点に達した光線よりも光軸１３に対して内側を通る。すなわち、水銀ランプ１１が発した光線のうち、第１の光学系を通過した以外の光線は、第２の光学系によって、光軸１３に対して第１の光学系を通過してＦ点に達する光よりも小さい角度でＦ点に集光される。
【００２１】
従って、結局、水銀ランプ１１が発した光の大部分は、第１の光学系又は第２の光学系を通過してロッドレンズ１２上のＦ点に集光され、Ｆ点における光のスポットサイズを充分小さくすることができる。
【００２２】
この際、水銀ランプ１１が発する光線のうち、第１の光学系を通過した以外の光線は第２の光学系を通過し、第１の光学系を通過した光線よりも光軸１３に対して更に小さい角度でＦ点に入射する。従って、光源１１が発した光線のうち、光軸１３に対して小さな角度でＦ点に集光される光線の割合を高めることができる。
【００２３】
従って、集光点に入射する照明光の光軸１３に対する角度を小さくすることができる。すなわち、集光点における光のスポットサイズを小さく、かつ光軸１３に対する角度を小さくすることができる。
【００２４】
以上の特性を実際にシミュレーションによって計算した結果（実施例）を以下に示す。特に、水銀ランプ１１を点光源ではなく、そのアーク長を有限な長さとした。回転楕円体面形状の第１焦点距離ｆ１を８ｍｍ、第２焦点距離ｆ２を６２ｍｍとし、第１放物面反射鏡は焦点距離７ｍｍ、第２放物面反射鏡は焦点距離３２ｍｍとした。比較のために、図６に示す１枚の回転楕円体面鏡（各焦点距離は前記と同様）を用いた照明光学系における結果（従来例）も同時に示す。
【００２５】
図３は、水銀ランプ１１のアーク長が１ｍｍの場合のＦ点への光線の入射角度の分布である。従来例では、角度が１０°付近がピークであり、これ以下の角度の光は急激に減少する。これに対して、実施例においては、特に１０°以下の角度の光が大幅に増大している。この効果は、図１、２中で鉛直方向から左側に向かう方向の光を、第１放物面反射鏡１５、第２放物面反射鏡１６、円錐形反射鏡１７からなる第２の光学系を用いて集光したためにもたらされる。
【００２６】
図４は、同様に、水銀ランプ１１のアーク長が１ｍｍの場合のＦ点での光強度の１次元分布であり、その広がりが光のスポットサイズに対応する。実施例では、従来例よりも分布が狭く、高い集光性が得られることが確認できる。これは、アーク部から発光された光の鉛直方向から左側に向かう光線において、第１放物面反射鏡までの距離を従来と比較して長くできたためである。また、図５は、水銀ランプ１１のアーク長を１．５ｍｍと長くした場合の図４と同様の結果である。この場合においても、図４と同様に、従来例よりも高い集光性が得られている。
【００２７】
従って、本実施の形態の構成によって、ロッドレンズ１２上の集光点であるＦ点におけるスポットサイズを小さく、かつその光の光軸に対する角度を小さくすることができ、ロッドレンズよりも後の光学系で、この照明光を高い効率で利用することができる。従って、例えばＤＭＤを用いた光信号処理を高い効率で行うことができ、輝度の高い画像を得ることができる。また、ロッドレンズ１２の大きさを小さくすることもできる。
【００２８】
また、一般に、水銀ランプ１１には寿命があり、その使用によって劣化が発生する。この劣化に際しては、アーク長が長くなり、発光強度が低くなるということが知られている。従って、水銀ランプ１１におけるアーク長は常に一定ではなく、水銀ランプ１１の使用に応じて経時変化し、この影響も経時変化する。従って、照明光学系の設計を最適化して上記の問題点を全て解決することは困難である。
【００２９】
これに対して、この照明光学系１０では、図４の結果より、アーク長が長くなった場合にも、Ｆ点における光のスポットサイズを小さく保つことができる。従って、水銀ランプ１１に劣化が発生してアーク長が長くなった場合でも、従来例よりも長い期間にわたってこれを使用することができる。
【００３０】
なお、上記の例では、第１の光学系は、水銀ランプ１１が発する光線のうち、水銀ランプ１１から見て集光点（Ｆ点）のある方向に近い、光軸１３に対して９０°よりも小さな角度をもつ光線を第１の光学系によって集光させ、これ以外の光線を第２の光学系によって集光させていた。しかしながら、この境界は任意であり、前記の９０°という角度を９０°前後の他の値に適宜設定することが可能であり、この場合でも同様の効果を奏することは明らかである。この際、第１反射鏡１４（第１の光学系）から集光点に向かう光線が円錐形反射鏡１７により遮蔽されないように設計することが好ましい。また、第２放物面反射鏡１６から円錐形反射鏡１７に向かう光線が第１反射鏡１４によって遮蔽されないように設計することが好ましい。
【００３１】
また、第１の光学系は回転楕円体面形状の第１反射鏡１４のみからなる構成としたが、これに限られるものでもない。光源から発する光を集光点に集光する光学系であれば、複数の反射鏡やレンズからなる構成を適宜用いることができる。
【００３２】
同様に、第２の光学系についても、２枚の軸外放物面形状の反射鏡と１枚の円錐形反射鏡を用いた構成としたが、これに限られるものでもない。入射した光線を、第１の光学系を通った光線よりも光軸に対して小さな角度で集光点に入射させることのできる構成であれば、同様に用いることができ、同様の効果を奏することは明らかである。
【００３３】
なお、上記の例では水銀ランプを光源として用いた場合につき記載したが、指向性をもたず、発光領域が広がりをもつ光源を用いた場合には同様の効果を奏することが明らかである。
【００３４】
また、上記の例では、この照明光学系とＤＭＤを組み合わせたプロジェクタにつき説明したが、これに限られるものではなく、照明光の照射範囲及び照射角度を狭くすることが有効である光学機器であれば、この照明光学系を同様に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の実施の形態となる照明光学系の構成を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態となる照明光学系における照明光の光路を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態となる照明光学系の集光点における照明光の角度分布を示す図である。
【図４】本発明の実施例と従来例の照明光学系の集光点における照明光の１次元広がりを示す図（アーク長が１ｍｍの場合）である。
【図５】本発明の実施例と従来例の照明光学系の集光点における照明光の１次元広がりを示す図（アーク長が１．５ｍｍの場合）である。
【図６】従来の照明光学系の一例の構成を示す図である。
【図７】従来の照明光学系の一例における光学系の焦点距離を変えた場合の影響を示す図である。
【符号の説明】
【００３６】
１０、９０  照明光学系
１１、９１  水銀ランプ
１２、９４  ロッドレンズ
１３、９３  光軸
１４  第１反射鏡
１５  第１放物面反射鏡
１５Ａ  第１放物面反射鏡の光軸
１６  第２放物面反射鏡
１６Ａ  第２放物面反射鏡の光軸
１７  円錐形反射鏡
９２  ランプリフレクタ
【図１】
2010020058.tif 000003
【図２】
2010020058.tif 000004
【図３】
2010020058.tif 000005
【図４】
2010020058.tif 000006
【図５】
2010020058.tif 000007
【図６】
2010020058.tif 000008
【図７】
2010020058.tif 000009