(57)【要約】【課題】プロジェクタにおける光学系において、集光効率を向上させつつ、入射角度を小さくする技術を提供する。【解決手段】プロジェクタ１００のリフレクタ群３０は、ランプアーク部２３から出射した光を、ランプバルブ２２の前方に行く光とランプ後方に行く光とで、それらの経路が異なっている。即ちランプバルブ２２の前方に行く光は従来のように第１放物線リフレクタ３１で反射させて照明系光軸Ｚ０と平行に光を進行させる。他方、ランプバルブ２２の後方に行く光は第２放物線リフレクタ３２、第３放物線リフレクタ３３、第４放物線リフレクタ３４の順に反射させて、照明系光軸Ｚ０と平行に光を進行させる。【選択図】図１
2010097863.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ランプバルブの光を反射させる複数の回転体形状のリフレクタを備えるリフレクタ・システムであって、
前記ランプバルブの前方に出射する光を、照明系光軸に対して平行になるように反射させる第１のリフレクタと、
前記ランプバルブの後方に出射する光を反射させて、前記照明系光軸に対して所定角度外側方向に進む平行光に変換する第２のリフレクタと、
前記第２のリフレクタで反射された光を前方かつ前記照明系光軸に近づく方向に反射させる第３のリフレクタと、
前記第３のリフレクタで反射された光を前記照明系光軸に対して平行な光に変換して反射させる第４のリフレクタと、
を備えることを特徴とするリフレクタ・システム。
【請求項２】
前記第１のリフレクタは、焦点が前記ランプバルブのアーク中心に配置した放物線の形状の一部を前記照明系光軸を中心に回転させて形成された円筒形状を有し、
前記第２のリフレクタは、焦点が前記ランプバルブのアーク中心に配置した放物線の形状の一部を、その放物線の中心軸線を前記照明系光軸に対して所定角度傾けた状態で前記照明系光軸を中心に回転させて形成された円筒形状を有し、
前記第３のリフレクタは、中心軸線が前記第２のリフレクタの放物線の中心軸線と平行となっている放物線の形状の一部を、前記照明系光軸を中心に回転させて形成された円筒形状を有し、
前記第４のリフレクタは、中心軸線が前記照明系光軸と平行でかつ異なっている放物線で、その放物線の前方の端部が前記照明系光軸と一致している形状の一部を前記照明系光軸を中心に回転させて形成された円錐形状を有し、
前記第３のリフレクタの放物線の焦点と、前記第４のリフレクタの放物線の焦点とが、一致していることを特徴とする請求項１に記載のリフレクタ・システム。
【請求項３】
請求項１または２に記載のリフレクタ・システムを備えることを特徴とするプロジェクタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、リフレクタ・システム及びプロジェクタに関し、例えば、平行光を照明系に供給するリフレクタ・システム及びその様なリフレクタ・システムを備えるプロジェクタに関する。
【背景技術】
【０００２】
プロジェクタの重要な性能指標の一つが明るさであり、プロジェクタから投射される光量をいかにして増加させるかが大きな課題となっており、その明るさの向上のために様々な技術が提案されている。
【０００３】
図８（ａ）は、従来より用いられているＬＣＤプロジェクタに使用されるランプリフレクタ２３０の反射面形状を示している。図示のように、この反射面形状は回転放物線形状である。そして放物線形状の焦点にランプバルブ２２２のアーク中心２２３が配置され、入射側フライアイレンズ２７１に照明されている。しかし、このリフレクタ形状では、入射側フライアイレンズ２７１での入射光量分布は照明系光軸付近が極端に少なくなるという課題がある。図８（ｂ）も従来よりよく用いられている方式で、ランプリフレクタ２３１の反射面形状と凹レンズ２７２とで構成されている。このランプリフレクタ２３１の反射面形状は回転楕円体形状であり、ランプアーク部より発光された光を集光気味に反射させ、凹レンズによって平行光に戻している。しかし、照明方式の効果としては図８（ａ）とさほど変わらない。この入射側フライアイレンズ２７１の照明系光軸付近の光は、図４に示すようにＬＣＤパネルへの照明光の基準角度（ＬＣＤに垂直に入射する角度）に近い成分となるために、ＬＣＤパネルのコントラストなどの性能が一番良い光の成分となる。従ってこの基準角度の光量が少ないと、ＬＣＤパネルのコントラストが悪化するために製品としてのコントラストも低下してしまう。
【０００４】
また、入射側フライアイレンズ２７１での照明サイズと入射角度分布はトレードオフの関係にある。即ち、ランプリフレクタ２３０のｆ値を小さくすると、入射側フライアイレンズ２７１での照明サイズが小さくなると共に入射角度分布が広がる。一方、ｆ値を大きくすると、入射側フライアイレンズ２７１での照明サイズが大きくなると共に入射角度分布が狭まる。この入射側フライアイレンズ２７１での入射角度分布が良いと、出射側フライアイレンズの出射側に配置されているＰＢＳ（偏光ビームスプリッタ）でのＰＳ分離度が高くなる。なお、図６に、後述する実施形態における入射角度分布と従来方式の入射角度分布の比較例を示している。
【０００５】
一般に、ＰＢＳのＰＳ分離特性は、蒸着膜への入射角度によって変化するが、ＰＳ分離合成の効率が一番良いのは、ＰＢＳに垂直に入射する角度である。従って、従来方式では入射側フライアイレンズでの照明サイズを小さくさせると入射角度分布を狭く（良く）できないため、入射側偏光板の直前での照明光のＰＳ分離度が悪く、そのためにプロジェクタの光利用効率が悪くなるという課題があった。
【０００６】
そこで、平行光を効率的に取り出すために様々な技術が提案されている。例えば、投射画像の画面内均一性が良好で、かつ照明光の利用効率が高く、明るい表示を実現した投射型表示装置がある（特許文献１参照）。この投射型表示装置では、光源の非発光部に影ができていた領域に、第３の反射面を配置し、この第３の反射面に光が照射されるように第１の反射面、第２の反射面を配置している。その結果、従来の光源の影ができていた領域には第３の反射面の表面で反射した光が充当される。これにより、この部分の光の不足が補われ、従来では影の生じていた領域を解消して、全画面にわたって均一に明るくなるようにしている。なお、第１及び第３の反射面が回転放物面、第２の反射面が回転楕円面により構成されている。
【特許文献１】特開平０７−１９９１８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、特許文献１に開示の技術では、平行光を効率よく取り出す狙いであるが、この技術を適用した設計が非常に難しく、必ずしも実用的ではなかった。この技術を適用した場合、集光効率が悪化したり、フライアイレンズでの入射角度成分を大きくする必要があったりという弊害が起こり、別の技術が求められていた。
【０００８】
本発明の目的は、上記課題に鑑み、プロジェクタにおける光学系において、集光効率を向上させつつ、入射角度を小さくする技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る装置は、リフレクタ・システムに関する。このリフレクタ・システムは、ランプバルブの光を反射させる複数の回転体形状のリフレクタを備えるリフレクタ・システムであって、前記ランプバルブの前方に出射する光を、照明系光軸に対して平行になるように反射させる第１のリフレクタと、前記ランプバルブの後方に出射する光を反射させて、前記照明系光軸に対して所定角度外側方向に進む平行光に変換する第２のリフレクタと、前記第２のリフレクタで反射された光を前方かつ前記照明系光軸に近づく方向に反射させる第３のリフレクタと、前記第３のリフレクタで反射された光を前記照明系光軸に対して平行な光に変換して反射させる第４のリフレクタと、を備える。
また、前記第１のリフレクタは、焦点が前記ランプバルブのアーク中心に配置した放物線の形状の一部を前記照明系光軸を中心に回転させて形成された円筒形状を有し、前記第２のリフレクタは、焦点が前記ランプバルブのアーク中心に配置した放物線の形状の一部を、その放物線の中心軸線を前記照明系光軸に対して所定角度傾けた状態で前記照明系光軸を中心に回転させて形成された円筒形状を有し、前記第３のリフレクタは、中心軸線が前記第２のリフレクタの放物線の中心軸線と平行となっている放物線の形状の一部を、前記照明系光軸を中心に回転させて形成された円筒形状を有し、前記第４のリフレクタは、中心軸線が前記照明系光軸と平行でかつ異なっている放物線で、その放物線の前方の端部が前記照明系光軸と一致している形状の一部を前記照明系光軸を中心に回転させて形成された円錐形状を有し、前記第３のリフレクタの放物線の焦点と、前記第４のリフレクタの放物線の焦点とが一致してもよい。
本発明の別の装置は、プロジェクタに関し、上述のリフレクタ・システムを備える。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、プロジェクタにおける光学系において、集光効率を向上させつつ、入射角度を小さくする技術を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
つぎに、本発明を実施するための最良の形態（以下、単に「実施形態」という）を、図面を参照して具体的に説明する。図１は、本実施形態に係るプロジェクタ１００の概略構成を示す図であり、特に、光学系に着目して示した図である。このプロジェクタ１００は、ＬＣＤパネル８０を光変調素子とするＬＣＤプロジェクタであり、光源ユニット２０と、集光系７０と、ＬＣＤパネル８０と、投光光学系９０とを備えている。
【００１２】
光源ユニット２０は、高圧水銀ランプのようなアーク放電により発光するランプバルブ２２と、リフレクタ群（リフレクタ・システム）３０とを備える。このリフレクタ群３０は、本実施形態に特徴的な構造を有しており、第１〜第４放物線リフレクタ３１〜３４を備えている。
【００１３】
ランプバルブ２２から出射した光は、リフレクタ３０で反射して平行光に変換されて集光系７０に入射し、集光系７０を通過した光がＬＣＤパネル８０に照射される。ＬＣＤパネル８０に照射された光は、さらにＬＣＤパネル８０で光変調されて、投光光学系９０によってスクリーンに投光される。
【００１４】
集光系７０は、リフレクタ群３０側から順に、入射側フライアイレンズ７１、出射側フライアイレンズ７２、ＰＢＳ７３、第１照明レンズ７４、第２照明レンズ７５、及び入射側偏光板７６が配置されて構成されている。本実施の形態では、リフレクタ群３０から集光系７０の入射側フライアイレンズ７１に入射する光の特性、特に平行度及び入射角度分布を改善するものである。これら集光系７０を構成する要素は、ＬＣＤ方式のプロジェクタにおいて、一般的に採用される構成であるので説明は省略する。
【００１５】
図２及び図３をもとに、リフレクタ群３０について詳細に説明する。図２は、リフレクタ群３０の断面形状及びランプバルブ２２から出射された光の経路を入射側フライアイレンズ７１まで示した図である。また、図３は、リフレクタ群３０で実現する光学的経路について説明するための図であり、ここでは、便宜的に図示で上側に出射する光路のみを図示している。また、以下の説明において、放物線の頂点と焦点を結ぶ直線を、便宜的に「中心軸線」と呼ぶ。なお、第１〜第４放物線リフレクタ３１〜３４を構成する放物線形状（断面形状）を、第１〜第４放物線３１ａ〜３４ａと称し、第１〜第４放物線３１ａ〜３４ａの一部を照明系光軸Ｚ０を回転軸に回転させて形成された反射面を有する筒状体または円錐状体が、第１〜第４放物線リフレクタ３１〜３４である。また、第１〜第３放物線リフレクタ３１〜３３は、その内面が反射面となり、第４放物線リフレクタ３４は外面が反射面となる。リフレクタ群３０の配置を簡単に説明すると、第１放物線リフレクタ３１はランプアーク部２３の前部を覆うように筒状に形成されており、第２放物線リフレクタ３２は、ランプアーク部２３の後部を覆うように筒状に形成されている。さらに第１放物線リフレクタ３１の外側前方で第３放物線リフレクタ３３が筒状に形成され、さらに第３放物線リフレクタ３３の前方で照明系光軸Ｚ０を中心軸とする第４放物線リフレクタ３４が円錐状に形成されている。
【００１６】
図示のように、リフレクタ群３０は、ランプアーク部２３から出射した光を、ランプバルブ２２の前方に行く光とランプ後方に行く光とで、それらの経路が異なっている。即ちランプバルブ２２の前方に行く光は従来のように第１放物線リフレクタ３１で反射させて照明系光軸Ｚ０と平行に光を進行させる。他方、ランプバルブ２２の後方に行く光は第２放物線リフレクタ３２、第３放物線リフレクタ３３、第４放物線リフレクタ３４の順に反射させて、照明系光軸Ｚ０と平行に光を進行させる。
【００１７】
このように二つの経路に分ける最大の理由について、図４や図８に示すＬＣＤプロジェクタに一般的に用いられる照明方式３００に基づいて説明する。ここで示す集光系７０は、本実施形態の集光系７０と同様の構成である。ランプバルブ２２２の後方へ出射した光は、ランプアーク部２２３が実際には点光源でなく広がりを持っておりかつランプリフレクタ２３０までの距離が近いために、入射側フライアイレンズ７１に対する光線角度が大きくなってしまう。このために入射側フライアイレンズ７１での照明効率やＰＢＳ７３でのＰＳ分離・合成効率が悪化してしまうためである。
【００１８】
本実施形態において上述のように、二つの経路を設定するときの条件について、主に図３を用いて第１〜第４放物線リフレクタ３１〜３４を構成する第１〜第４放物線３１ａ〜３４ａに関して説明する。まず、第１放物線３１ａと第２放物線３２ａの焦点をランプアーク部２３（第１焦点Ａ１）に一致させ、第２放物線３２ａの中心軸線Ｚ２を、第２放物線３２ａの集光系７０側（図示右側）の端部Ｐ３が外に向かうように、つまり、照明系光軸Ｚ０から離れるように所定角度θだけ傾斜させる。これにより、第２放物線リフレクタ３２（第２放物線３２ａ）で反射した光は、第１放物線リフレクタ３１（第１放物線３１ａ）の後方を平行光で進行する。なお、所定角度θは、第２放物線リフレクタ３２で反射した光が第１放物線リフレクタ３１に当たらないように設定されている。また、第１放物線リフレクタ３１（第１放物線３１ａ）の後側の端部Ｐ１は、前後方向の位置関係において、ランプアーク部２３の中心である第１焦点Ａ１と一致する。さらに、第２放物線リフレクタ３２の前方の端点Ｐ３は、前後方向で第１焦点Ａ１より前方に位置する。
【００１９】
つぎに、第３放物線３３ａの中心軸線Ｚ３も、第２放物線３２ａの中心軸線Ｚ２の傾斜と同じ角度θだけ照明系光軸Ｚ０（ランプ光軸）に対して傾斜させる。第３放物線リフレクタ３３の前後の端部Ｐ４，Ｐ５は、第２放物線リフレクタ３２で反射してきた光を全て受けることができるように設定される。
【００２０】
この第３放物線３３ａの代わりに直線の反射面が用いられた場合、ランプ前方に行く光が第１放物線リフレクタ３１で反射した光束範囲（中抜け照明）のランプ光軸寄りのエリアＤ１に光束範囲を収める事ができない。このために、リフレクタ群３０全体での照明効率が悪化してしまう。
【００２１】
これを改善するために、第３放物線リフレクタ３３の断面形状を放物線することで僅かに集光させて第４放物線リフレクタ３４に光を進行させる。ここで第３放物線リフレクタ３３から反射した光は焦点Ａ３４に集光するように進行する。なお、第３放物線リフレクタ３３で反射して第４放物線リフレクタ３４に進む光が第１放物線リフレクタ３１に当たらないように、第３放物線リフレクタ３３の形状及び位置が設定されている。そして第４放物線リフレクタ３４の断面形状である第４放物線３４ａを、中心軸線Ｚ４が焦点Ａ３４を通り、照明系光軸Ｚ０と平行となるように形成する。なお、第１〜第３放物線リフレクタ３１〜３３の第１〜３放物線３１ａ〜３３ａの反射面形状は凹形状、即ち反射面が光束の外側ほど内側に向いた形状であるが、第４放物線リフレクタ３４の第４放物線３４ａ形状はそれらとは異なり、凸形状即ち光束の外側ほど外側に開いた形状である。これによって、第４放物線リフレクタ３４に入射した光を、ランプ光軸である照明系光軸Ｚ０に対して平行に反射させることができる。その結果、ランプバルブ２２の前方に進む光が第１放物線リフレクタ３１で反射した光束範囲（中抜け照明）のランプ光軸寄りのエリアＤ１に光束範囲を収める事ができる。なお、第４放物線リフレクタ３４の後側の端部Ｐ６は、第１放物線リフレクタ３１の後側の端部Ｐ１とほぼ同じ高さ（照明系光軸Ｚ０から同じ距離）である。
【００２２】
また、上記では第３放物線リフレクタ３３から第４放物線リフレクタ３４間を平行光ではなく集光気味にしているが、この方式の応用をすれば、例えば、第２放物線リフレクタ３２から第３放物線リフレクタ３３間を平行光ではなく集光気味にして、第３放物線リフレクタ３３から先を平行光で進行させ、第４放物線リフレクタ３４の断面形状を放物線ではなく平面として、入射側フライアイレンズ７１に入射する光を平行光とする方式であってもよい。
【００２３】
図５に入射側フライアイレンズ７１での光量分布に関して、本実施形態によるシミュレーション結果と、従来方式を適用したときのシミュレーション結果について示す。これは、ランプ配光分布を同一とし、入射側フライアイレンズ７１での照明範囲を同一としたときの光量分布を従来方式と比較をしたものである。この図のように、本考案は照明系光軸Ｚ０（＝グラブで光軸からの距離０ｍｍ）に近い位置の光量が、従来方式と比べて増加している事がわかる。
【００２４】
図６は、入射側フライアイレンズ７１での入射角度分布について、従来方式を適用したときのシミュレーション結果と比較して示す。これは、ランプ配光分布を同一とし、入射側フライアイレンズ７１での照明範囲を同一としたときの入射角度分布を従来方式と比較をしたものである。この図のように、本考案は入射角度分布が照明系光軸（グラブで０度）に近い角度成分が増加している事がわかる。入射側偏光板７６の直前における照明光のＰＳ分離度を向上させるためには、上述したように、入射角度分布が狭いこと、より好ましくは、入射角が小さい範囲に分布していることが好ましい。従って、シミュレーション結果によると、従来より入射角が小さい範囲に分布させることができ、照明光のＰＳ分離度を向上させること、つまり、プロジェクタ１００の光利用効率を向上させることができる。
【００２５】
以上、本発明を実施形態をもとに説明した。この実施形態は例示であり、それらの各構成要素の組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。そのような変形例として図７に示すように、図１〜３に示した、第１放物線リフレクタ３１に対応するリフレクタとして、球面ミラー１３１に置き換える。これによってランプバルブ２２の前方に出射した光は、球面ミラー１３１で反射してランプバルブ２２に戻り、ランプバルブ２２を通過して後方に進む。このようにして、ランプバルブ２２から出射した光を実質的にランプバルブ２２の後方への光だけに揃え、入射フライアイレンズでの入射角度分布を悪化させずに照明サイズを小さくすこともできる。なお、変形例の第２放物線リフレクタ１３２では放物線のｆ値は、図２の第２放物線リフレクタ３２の第２放物線３２ａよりも大きくとることができるので、入射側フライアイレンズに対する入射角度分布を、更に良好にさせることができる。また、本変形例では、入射側フライアイレンズでの照明サイズと入射角度分布のバランスを考慮した設計をする際の自由度が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】実施形態に係る、プロジェクタの概略構成を示す図である。
【図２】実施形態に係る、プロジェクタのリフレクタ群の断面形状及びランプバルブから出射された光の経路を入射側フライアイレンズまで示した図である。
【図３】実施形態に係る、ランプバルブから出射された光の経路について光学的に説明するための図である。
【図４】実施形態に係る、ＬＣＤプロジェクタに一般的に用いられる照明方式に基づいて説明する。
【図５】実施形態に係る、入射側フライアイレンズにおける光量分布を従来方式の光量分布と比較例して示した図である。
【図６】実施形態に係る、入射側フライアイレンズにおける入射角度分布を従来方式の入射角度分布と比較例して示した図である。
【図７】実施形態の変形例に係る、プロジェクタのリフレクタ群の断面形状及びランプバルブから出射された光の経路を入射側フライアイレンズまで示した図である。
【図８】従来技術に係る、ＬＣＤプロジェクタに使用されるランプリフレクタの反射面形状を示した図である。
【符号の説明】
【００２７】
１００  プロジェクタ
２２  ランプバルブ
２３  ランプアーク部
３０  リフレクタ
３１  第１放物線リフレクタ
３２  第２放物線リフレクタ
３３  第３放物線リフレクタ
３４  第４放物線リフレクタ
７０  集光系
【図１】
2010097863.tif 000003
【図２】
2010097863.tif 000004
【図３】
2010097863.tif 000005
【図４】
2010097863.tif 000006
【図５】
2010097863.tif 000007
【図６】
2010097863.tif 000008
【図７】
2010097863.tif 000009
【図８】
2010097863.tif 000010