(57)【要約】【課題】ランプバルブから出射した光をロッドレンズに集光するときに、配光分布を改善する技術を提供する。【解決手段】リフレクタ３０の反射面形状は回転軸偏芯楕円体であり、リフレクタ３０とロッドレンズ７０の間に円筒ミラー５１と円錐ミラー５２とを配置される。リフレクタ３０からの光は、円筒ミラー５１及び円錐ミラー５２により反射され、ロッドレンズ７０へ入射する。この構成によって、ロッドレンズ７０へ入射する光の配光分布を０度の方へシフトさせる。【選択図】図２
2010073522.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源から出射した光を所定の位置に集光するリフレクタ・システムであって、
反射面形状が、回転楕円体形状を有し、第１の焦点に配された光源の光を反射する第１のリフレクタと、
円筒形状を有し、その両底面が開口となっており、一方の開口から前記第１のリフレクタの光を取り込み、前記光を内面に形成された反射面で反射させる第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記所定の集光位置に向けて反射する円錐形状の第３のリフレクタと
を備え、
前記回転楕円体形状は、楕円の第１の焦点を回転軸に配置して前記楕円の長軸を前記回転軸からずらして、前記回転軸に近づいた所定の形状部分を前記回転軸中心に回転させて形成されており、
前記第２のリフレクタの円筒形状の回転軸と、前記第３のリフレクタの円錐形状の回転軸は、前記回転楕円体形状を形成するときの前記回転軸と一致している
ことを特徴とするリフレクタ・システム。
【請求項２】
前記第３のリフレクタは、少なくとも一部が前記第２のリフレクタの内部に配置され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】
前記光源から出射した光の前記所定の位置は、ロッドレンズの入射面であることを特徴とする請求項１または２に記載のリフレクタ・システム。
【請求項４】
請求項１から３までのいずれかに記載のリフレクタ・システムと
前記リフレクタ・システムの前記第１のリフレクタの反射面形状を形成する楕円の前記第１の焦点に配された光源と、
前記光源から出射した光が集光する位置に入射面を備えるロッドレンズと、
を備えた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係り、ランプバルブの光をロッドレンズ等に集光するために使用するリフレクタ・システムおよびそのようなリフレクタ・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。ＤＭＤ（Digital Mirror Device）を光変調手段とするＤＬＰ（Digital Light Processing; 登録商標）プロジェクタでは、ランプバルブの光をランプリフレクタによりロッドレンズなどに光を集光して、ＤＭＤに照射している。このような構成のプロジェクタでは、効率よく集光することが最大の課題となる。
【０００３】
図１（ａ）及び（ｂ）に、一般的なＤＬＰプロジェクタの光学系２００について、ランプリフレクタ２３０の反射面形状とロッドレンズ２７０に着目して示した図である。
【０００４】
一般的には、ロッドレンズ２７０の直前にカラーホイールが設置されるがここでは省略している。通常、ＤＬＰプロジェクタに使用されるランプリフレクタ２３０の反射面形状は回転楕円体形状であり、楕円ミラーとも呼ばれている。そして楕円形状の一方の焦点（第１焦点Ｂ１）にランプバルブ２２２のアーク中心２２３が配置され、第１焦点Ｂ１から出射したランプバルブ２２２の光は、もう一方の第２焦点Ｂ２に集光され、第２焦点Ｂ２を入射面とするロッドレンズ２７０に照射され取り込まれる。なお、楕円の第１焦点Ｂ１と、楕円外形の長軸との交点を点Ｂ３としたときに、この点Ｂ３から第１焦点Ｂ１までの距離をｆ１値、点Ｂ３から第２焦点Ｂ２までの距離をｆ２値とする。そして、図１（ｂ）では、図１（ａ）に対して、ｆ１値を同一とし、ｆ２値を１．５倍にしている。図１（ａ）及び図１（ｂ）において、リフレクタ２３０は楕円Ｅ１０の一部形状Ｅ１１を長軸（照明系光軸Ｚ０）回りに回転して形成される曲面を反射面として有している。そして、ランプバルブ２２２のアーク部２２３が楕円Ｅ１０の第１焦点Ｂ１に配置されている。
【０００５】
図５に、ロッドレンズ２７０における入射光の配光分布（入射角度分布）として、実施形態で後述する配光分布とともに、従来例の配光分布を示している。図示のように、従来例のリフレクタ２３０では、入射角０度付近の光が極端に少なくなっている。言い換えれば、入射角度分布が、照明系光軸Ｚ０に対してある程度大きな角度の成分の光が多くなっている。この入射角度分布特性は、ロッドレンズ２７０の後段に配される照明系や結像系でも同じ傾向が残ってしまう。そのために、コントラスト低下や色純度低下や投射レンズの解像度やフォーカス性能の悪化などの光学特性を劣化させる要因となってしまう。
【０００６】
また、このような従来の回転楕円体を用いて集光させるランプリフレクタ方式では、第２焦点Ｂ２での像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、図１（ａ）に示すように、第２焦点Ｂ２での像サイズを小さくさせると入射角度分布は広がり、図１（ｂ）に示すように像サイズを大きくさせようとすると入射角度分布は狭まる。従って、入射角度分布を狭く（良く）したい場合は、従来方式では像サイズが大きくなってしまうために、照明系としての効率が悪化してしまい、スクリーン照度が低下してしまうという課題があった。
【０００７】
このような課題を改善して集光効率を向上させる技術がいくつか提案されている。例えば、特許文献１に開示の照明装置は、発光体からの光を集光して集光像を形成する集光手段と、形成された集光像の位置近傍に入射端面を有すると共に発光体集光像の輝度ムラを低減し出射端面に均一光源面を形成する光ミキシング素子（ロッドレンズ）と、光ミキシング素子側からライトバルブ（ＤＭＤ等）の被照明面側にかけて順に第１及び第２レンズ群が配置される。さらに、第１及び第２レンズ群によって光ミキシング素子の入射端面と第２レンズ群を構成する最も被照明面に近いレンズ手段最終面近傍の絞りが配置される位置の仮想面とを第１の光学的な共役関係とすると共に、光ミキシング素子の出射端面と被照明面とを第２の光学的な共役関係とし、光出射面から非テレセントリックな状態で照明光束が被照明面側に出射される。
【０００８】
また、特許文献２に開示の投射型表示装置では、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ている。具体的には、従来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、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を充当する。これにより、この部分の光の不足を補うことができる。その結果、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い投射画像を得ることができる。回転放物面、回転楕円面、回転放物面により構成されている。
【特許文献１】特開２００１−３４３６０９号公報
【特許文献２】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】
【０００９】
ところで、特許文献１に開示の技術では、ライトバルブからの光を光ミキシング素子に集光するのにレンズを用いておりコストがかかってしまい別の技術が求められていた。また、ランプリフレクタ形状がパラボラ又は超焦点楕円のようになっていることとレンズで集光しているためにレンズの収差の影響も出ることにより、ランプバルブからの光利用効率が低下してしまう傾向があり、光利用効率のよい技術が求められていた。
【００１０】
また、特許文献２に開示の技術では、あくまで平行光を効率よく取り出すものであり、短焦点の１点に効率よく集光することはできず、ランプバルブの光を集光する別の技術が求められていた。
【００１１】
本発明の目的は、上記課題に鑑み、ランプバルブから出射した光をロッドレンズに集光するときに、配光分布を改善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】
【００１２】
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、光源から出射した光を所定の位置に集光するリフレクタ・システムであって、反射面形状が、回転楕円体形状を有し、第１の焦点に配された光源の光を反射する第１のリフレクタと、円筒形状を有し、その両底面が開口となっており、一方の開口から前記第１のリフレクタの光を取り込み、前記光を内面に形成された反射面で反射させる第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記所定の集光位置に向けて反射する円錐形状の第３のリフレクタとを備え、前記回転楕円体形状は、楕円の第１の焦点を回転軸に配置して前記楕円の長軸を前記回転軸からずらして、前記回転軸に近づいた所定の形状部分を前記回転軸中心に回転させて形成されており、前記第２のリフレクタの円筒形状の回転軸と、前記第３のリフレクタの円錐形状の回転軸は、前記回転楕円体形状を形成するときの前記回転軸と一致している。
また、前記第３のリフレクタは、少なくとも一部が前記第２のリフレクタの内部に配置されてもよい。
また、前記光源から出射した光の前記所定の位置は、ロッドレンズの入射面であってもよい。
本発明に係る別の装置は、プロジェクタに関する。このプロジェクタは、上述のリフレクタ・システムと、前記リフレクタ・システムの前記第１のリフレクタの反射面形状を形成する楕円の前記第１の焦点に配された光源と、前記光源から出射した光が集光する位置に入射面を備えるロッドレンズと、を備える。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、ランプバルブから出射した光をロッドレンズに集光するときに、配光分布を改善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】
【００１４】
次に、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。
【００１５】
本実施形態の概要を簡単に説明する。リフレクタの反射面形状は、照明系光軸Ｚ０を回転軸とした回転楕円体ではなく、楕円の長軸を照明系光軸からある程度の角度、例えば２０度傾けた構造とする。具体的には、第１焦点Ａ１を基準として、照明系光軸より楕円の長軸を傾斜させる。このように楕円形状を傾斜させて回転させたような構造とすると、この楕円体（以降この楕円体を「回転軸偏芯楕円体」と呼ぶ）によるアーク像の反射像は、円筒ミラーや円錐ミラーがなければ第２焦点で点像とはならずリング状の像となってしまう。また、従来の一般的な構成では、例えば図１に示すように、ランプバルブ２２２の後方側への発光は、リフレクタ２３０までの距離が近く、極率半径も小さいため、楕円の第２の焦点での照明サイズが大きくなってしまう。
【００１６】
そのような状態を改善するために、楕円を傾斜させて、ランプバルブのアーク部からリフレクタまでの距離を大きくする。このような構造にすることでランプバルブの後方に発光された光の第２焦点での像サイズを小さくする。さらに、リフレクタの前方に反射ミラー（円筒ミラー、円錐ミラー）を配置することで、本来リング状結像となってしまう光を照明系光軸Ｚ０上において点像に近い状態で結像することができ、なおかつ、ロッドレンズの入射角度分布が改善される。以下、詳細に説明する。
【００１７】
図２は、本実施形態に係るプロジェクタ１００の構成について光学系１０に着目して示した図である。プロジェクタ１００は、ＤＭＤ８０を光変調素子とするＤＬＰプロジェクタであり、光源ユニット２０と、カラーホイール６０と、ロッドレンズ７０と、ＤＭＤ８０と、投光光学系９０とを備えている。そしてプロジェクタ１００は、本実施形態に特徴的な構成として、カラーホイール６０の直前に配される中間反射ミラー５０（後述の円筒ミラー５１及び円錐ミラー５２）と、上述した回転軸偏芯楕円体の形状のリフレクタ３０とから構成されるリフレクタ・システムを備えている。
【００１８】
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、回転軸偏芯楕円体の形状のリフレクタ３０とを備える。そして、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、さらに、中間反射ミラー５０で反射して、カラーホイール６０を通過し、ロッドレンズ７０の一方の端面（入射面７１）に集光されて入射する。そして、ロッドレンズ７０の内部を通過した光は出射面７２からＤＭＤ８０に照射され、さらにＤＭＤ８０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。
【００１９】
中間反射ミラー５０は、円筒ミラー５１と、円筒ミラー５１の内部に配置された円錐ミラー５２とから構成されている。円筒ミラー５１の中心軸と、円錐ミラー５２の中心軸は、共に照明系光軸Ｚ０に一致している。円筒ミラー５１の両底面は、開口になっており、リフレクタ３０側の開口が相対的に大きな径で、カラーホイール６０側の開口が相対的に小さな径で、断面視で台形形状となっている。そして、リフレクタ３０で反射した光は、円筒ミラー５１の一方の開口から取り込まれる。そして、円筒ミラー５１の内部は、反射面となっており、取り込まれた光が全て円錐ミラー５２へ向けて反射するようになっている。円筒ミラー５１の内部に配置される円錐ミラー５２では、その頂点がカラーホイール６０側に向いて配置されている。そして、円筒ミラー５１の内面の反射面から反射してきた光は、さらに円錐ミラー５２の円錐面で反射してロッドレンズ７０へ反射する。
【００２０】
図３は、光源ユニット２０から照射された光のロッドレンズ７０までの光路に着目して示した図である。また、図４は、図３の図を、リフレクタ３０の楕円形状とその焦点（第１焦点Ａ１、第２焦点Ａ２）に着目した図である。なお、ここではカラーホイール６０を省略して示している。
【００２１】
上述のように、リフレクタ３０は、回転軸偏芯楕円体である。図４の断面構造をもとに詳しく説明すると、楕円Ｅ０の長軸Ｚ１を照明系光軸Ｚ０からある程度角度をとった構造とする。ここでは、その角度は概ね２０度前後である。つまり、第１焦点Ａ１を基準に照明系光軸Ｚ０より楕円長軸が、第２焦点Ａ２が照明系光軸Ｚ０に対して下側になるように、約２０度傾斜している。なお、楕円Ｅ０の長軸Ｚ１と照明系光軸Ｚ０とがなす角を楕円傾斜角度θという。
【００２２】
そして、楕円形状Ｅ０において照明系光軸Ｚ０より上側に位置している部分、つまり楕円形状Ｅ０と照明系光軸Ｚ０の交点Ｐ１から楕円形状Ｅ１の前方側の端点Ｐ２までの部分を、照明系光軸Ｚ０を中心に回転させる。従って、傾斜（楕円傾斜角度θ）は照明系光軸Ｚ０周りに全て適用される。このため、照明系光軸Ｚ０が１本の直線であるが、楕円Ｅ０の長軸Ｚ１は照明系光軸Ｚ０に対して円錐状となる。言い換えると、本実施形態のリフレクタ３０の反射面も照明系光軸Ｚ０を回転中心とした回転体となっている。そして、図３で示している円筒ミラー５１及び円錐ミラー５２も照明系光軸Ｚ０を回転中心とした回転体である。
【００２３】
ランプバルブ２２からロッドレンズ７０までの光路について説明する。ここでは、ランプバルブ２２より上側に出射する光について例示する。ランプバルブ２２のアーク部２３から出射した光は、リフレクタ３０の内面に形成された反射面で反射する。そして反射した光は、照明系光軸Ｚ０を越えて、第２焦点Ａ２へ向かう。第２焦点Ａ２へ向かう途中で、光は円筒ミラー５１の内部に取り込まれ、その内部に形成された反射面で円錐ミラー５２へ反射する。さらに、円錐ミラー５２で反射した光は、ロッドレンズ７０の入射面７１に照射される。この入射面７１と照明系光軸Ｚ０の交点部分が実質的な第２焦点となっている。
【００２４】
なお、ランプバルブ２２から発光する配光分布に合わせて楕円形状（ｆ１値、ｆ２値）、楕円傾斜角度θ、円筒ミラー５１、円錐ミラー５２を最適化設計する必要がある。当然に、光学系全体で効率が良くなるようにすることを考慮して、本実施形態の各部品形状は最適化される。また、図２に示したように、ロッドレンズ７０の入射面７１の直前には、ＤＬＰ方式ではカラーホイール６０が配置される場合が多いため、カラーホイール６０が必要な場合にはカラーホイール６０が配置できるようにされる。そして、円筒ミラー５１や円錐ミラー５２は、光束にケラレ等のロスが極力発生しないようにされる。
【００２５】
また楕円形状Ｅ０（Ｅ１）は、ランプバルブ２２の後方へ発光する光のリフレクタ３０までの距離が遠くなるように傾斜された構造となっている。これによって、リフレクタ３０の曲率半径も大きくなっていることから、ランプバルブ２２の後方へ発光した光は、第２焦点Ａ２での照明サイズを小さくすることができる。別な観点で言い換えると、ランプバルブ２２の後方へ発光した光は、第２焦点Ａ２での入射角度分布を小さくすることができる。
【００２６】
図５は、ロッドレンズ７０の入射角度分布について本実施形態と従来例とを比較したグラフである。これは、ランプ配光分布を同一として、ロッドレンズ７０の入射面７１における像サイズを同等として、ロッドレンズ７０への入射角度分布を比較して示している。また、図６は、図５と同じ条件で入射角度を累積分布として表したものである。リフレクタ３０を回転軸偏芯楕円体とし、ロッドレンズ７０までの光路に円筒ミラー５１や円錐ミラー５２を配置したことで、図１（ａ）に示したように像サイズを小さくしつつ、入射角度分布が拡大してしまうという短所を解消することができる。
【００２７】
図示のように、従来例では、入射角０〜５度の範囲の光が少ないが、本実施形態では、図示のように、入射角度分布が照明系光軸Ｚ０（グラブで０度）に近い角度成分、より具体的には、入射角０〜５度の角度成分の光が増加している。また、本実施形態では、入射角約２２度を超える角度成分の光は減少している。従来例では、入射角３２度付近まで光がある。一般に、ロッドレンズ７０の出射面７２から出射する光の出射方向は入射角に依存する。つまり、入射角度が大きい光は、ロッドレンズ７０から出射すると、広がる方向（照明系光軸Ｚ０から離間する方向）に進み、ＤＭＤ８０における照射効率の低下につながる。従って、本実施の形態のように、狭い範囲の入射角に光の分布が収まると、ＤＭＤ８０における照射効率の向上が実現でき、プロジェクタ１００の輝度を向上させることができたり、また、ランプバルブ２２の光量を抑え消費電力を低減したりすることができる。
【００２８】
なお、入射角度がかなり大きくなると本実施形態の方が、累積の光量が少なくなっているが、これは主に光束が円錐ミラー５２によるケラレが原因となっている。しかし、上述したように、入射角度が大きくなるほど、ロッドレンズより先の照明系や結像系で損失する可能性が高くなるため、実際に利用できる光量の観点では、本実施形態のほうが有利である。
【００２９】
図７には、ロッドレンズ７０の入射面７１での像高分布を示している。ここで、「像高」とは、ランプバルブ２２のアーク部２３から発光した光が楕円体などを反射してきた直線がロッドレンズ入射面で交差した位置を、照明系光軸Ｚ０からの距離で表したものを「像高」と呼んでいる。また、構造条件は全て図６、７の解析条件と同一である。この図からわかるように、非常に良好な光束の外形を示している。
【００３０】
以上、本実施形態によれば、リフレクタ３０を回転軸偏芯楕円体として、第１焦点Ａ１にランプバルブ２２を配置し、本来照明系光軸Ｚ０より下側に位置する第２焦点Ａ２に集光される光が、円筒ミラー５１及び円錐ミラー５２で反射されて、ロッドレンズ７０に照射される。このとき、円筒ミラー５１及び円錐ミラー５２の反射によって、ロッドレンズ７０への入射角が小さくなる。このようなリフレクタ３０、円筒ミラー５１及び円錐ミラー５２を備えたリフレクタ・システムを用いることで、ロッドレンズ７０に入射する光の入射角度分布が、０度の方へシフトし、ロッドレンズ７０での集光効率の向上が実現される。また、照明系光軸Ｚ０に近い角度の光量成分が大きくできるため、コントラストや色純度や投射レンズ解像度やフォーカス性能面で非常に優位な光学性能を発揮しやすくなることも確認できている。
【００３１】
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及びそ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。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】従来技術に係る、ＤＬＰプロジェクタについて、光学系に着目して示した図である。
【図２】実施形態に係る、プロジェクタの構成について光学系に着目して示した図である。
【図３】実施形態に係る、光源ユニットから照射された光のロッドレンズまでの光路に着目して示した図である。
【図４】実施形態に係る、光源ユニットから照射された光のロッドレンズまでの光路について、リフレクタの楕円形状とその焦点（第１焦点Ａ１、第２焦点Ａ２）に着目して示した図である。
【図５】実施形態に係る、ロッドレンズの入射角度分布について実施形態と従来例とを比較して示したグラフである。
【図６】実施形態に係る、ロッドレンズの入射角度分布について入射角度を累積分布として表し、実施形態と従来例とを比較して示したグラフである。
【図７】実施形態に係る、ロッドレンズの入射面での像高分布を示したグラフである。
【符号の説明】
【００３３】
１０  光学系
２０  光源ユニット
２２  ランプバルブ
２３  アーク部
３０  リフレクタ（第１のリフレクタ）
５０  中間反射ミラー
５１  円筒ミラー（第２のリフレクタ）
５２  円錐ミラー（第３のリフレクタ）
７０  ロッドレンズ
８０  ＤＭＤ
９０  投光光学系
１００  プロジェクタ
【図１】
2010073522.tif 000003
【図２】
2010073522.tif 000004
【図３】
2010073522.tif 000005
【図４】
2010073522.tif 000006
【図５】
2010073522.tif 000007
【図６】
2010073522.tif 000008
【図７】
2010073522.tif 000009