(57)【要約】      （修正有）【課題】光利用効率のよい照明装置を提供する。【解決手段】光源部１０から放射される光は、円筒形レンズ１３で集光される。円筒形レンズ１３は、光源部１０から放射される大きな角度の配光分布を屈折させて配光角度を狭める。円筒形レンズ１３で集光された光は、ランプリフレクタ１４に進行する。ランプリフレクタ１４の断面形状は、入射面と出射面が非球面形状で、反射面が直線形状である。ランプリフレクタ１４の入射面１４ａで、光は更に屈折されて配光角度が狭められる。反射面１４ｂに進行した光は全反射され、出射面１４ｃで屈折されて、コーンレンズ１５に入射し、照明系光軸に対して略平行となって入射側フライアイレンズ３に入射する。【選択図】図１
2011113818.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源部と、
該光源部より放射される光を集光する円筒形レンズと、
該円筒形レンズから出射される光が集光される入射面と、入射された光を反射させる反射面と、反射される光が集光される出射面とを有し、照明系光軸を中心として回転対称形状であるランプリフレクタと、
該ランプリフレクタの前方に配置され前記ランプリフレクタで反射される光の進行方向を前記照明系光軸に沿うように変更する回転対称レンズからなる照明装置。
【請求項２】
光源部と、
該光源部より放射される光を集光するための第1の円筒形レンズと、
該第1の円筒形レンズから出射される光を集光する第２の円筒形レンズと、
照明系光軸を中心とする回転対称形状であって、前記第２の円筒形レンズから出射される光を反射する反射鏡と、
該反射鏡の前方に配置され前記反射鏡で反射される光の進行方向を変更する第１の回転対称レンズと、
該第１の回転対称レンズの前方に配置され前記第1の回転対称レンズから出射される光の進行方向を前記照明系光軸に沿うように変更する第２の回転対称レンズからなる照明装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、照明装置に関し、特に投射型表示装置の光源部である照明装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
投射型表示装置の照明装置としては、光学断面図の上面図として図７に示すような照明装置が従来は一般的であった。図７において、１はランプバルブである。２はランプリフレクタであり、反射面形状は回転放物線形状である。３は入射側フライアイレンズ、４は出射側フライアイレンズである。５はＰＢＳ（Ｐｏｌａｒｉｚｅｄ  Ｂｅａｍ  Ｓｐｌｉｔｔｅｒ）である。６は第１照明レンズ、７は第２照明レンズである。８は入射偏光板で、９はＬＣＤ（Ｌｉｑｕｉｄ  ｃｒｙｓｔａｌ  Ｄｉｓｐｌａｙ）、１０は光源部である。尚、Ｚは照明系光軸を示している。
【０００３】
光源部１０で発光した光は、ランプリフレクタ２で反射されて照明系光軸Ｚに対して、略平行な光となって入射側フライアイレンズ３に入射される。入射側フライアイレンズ３は、入射された光を出射側フライアイレンズ４に集めて、ＰＢＳ５に入射される。ＰＢＳ５で光はＰＳ分離が行われる。その後、光は第１照明レンズ６、第２照明レンズ７に進行し、ＬＣＤに照射される。
【０００４】
また、図８（ａ）は図７の破線部を拡大したものであり、光源部１０が理想的な点光源であると仮定したときの光の光路を示した図である。光源部１０は、図示しないがガラス球内の中心に電極を備えており、電極と電極の間から光を発する。一般的には、最も発光輝度の高い両電極間の中心（アーク中心）が放物面焦点と一致するように構成される。光源部１０の光源は理想的な点光源であることが望ましい。
【０００５】
しかし、実際には電極間の距離（アーク長）は有限であり、光源部１０は広がりを持つこととなる。そのため、アーク中心ではなくアーク中心の周辺で発光した光がランプリフレクタ２で反射されると、図８（ｂ）に示すように出射する光線の光線角度が大きくなり光軸に対して平行光ではない光を多く含むことが知られている。Ａ１乃至Ａ３はそれぞれ光源部１０から放射される光の光路を示しており、アーク中心から発光した光だけではなくアーク中心の周辺から発光した光の光路も示しているが、入射側フライアイレンズ３の地点での光の光線角度は広がっており、照明系光軸Ｚに対して平行光ではなくなっているものも含むことが分かる。
【０００６】
このことは、上述した平行照明方式の照明装置においては、出射側フライアイレンズを通過した光のＰＢＳでのＰＳ分離度が悪くなり、ひいてはスクリーンの照度を減少させることとなる。
【０００７】
また、図９はロッドレンズを用いた集光照明方式の照明装置である。図９において、１はランプバルブ、１２はランプリフレクタで反射面形状は回転楕円面形状である。１０は光源部でＢ１乃至Ｂ３はそれぞれ光源部１０から放射される光を示す。１１はロッドレンズである。この照明装置においても、上述したような光の光線角度が大きくなることによって、ロッドレンズ１１の入射面での光の光線角度が大きくなり、入射面で光の取り込み漏れが発生して損失を招き、ひいてはスクリーンの照度の減少やコントラストの悪化を引き起こす。
【０００８】
上述したような課題を解決するために、平行照明方式に関する従来技術として特許文献１が開示されている。特許文献１について図１０を用いて説明する。２２は光軸で、２１は被照射面である。１７０は反射鏡で、放物線の軸１７３を光軸に対して傾け、それを光軸の回りに回転させた形状としている。このような形状とすることにより、反射鏡のリム径を小さくできるので被照射面２１における集光効率が向上する。また、光源ランプの影になって被照射面２１の中心部のみ暗い映像となるいわゆる中抜けの現象を減少させている。１７１は円錐レンズで、１７２は反射鏡の焦点である。光源はキセノンランプの様な点光源性の優れた光源ランプを用いる。
【０００９】
焦点１７２を出た光線は、光軸２２よりも上側の反射鏡１７０で反射されると、放物線の軸１７３に平行な光線となる。光軸２２よりも下側の反射鏡１７０で反射された光束も同様に平行な光束となり、光軸２２に集まる方向に進行する。円錐レンズ１７１を通過した光束は光軸２２に平行な光束となって被照射面２１に入射する。上記した構成とすることにより、平行で均一な光束を作ることを実現している。
【００１０】
また、集光照明方式に関する従来技術として、特許文献２が開示されている。特許文献２について図１１を用いて説明する。２２は光軸である。１００はランプで、１００ａは発光部である。１００ｂは変形ランプリフレクターであり、非球面反射面は、多項式で表される平面曲線を光軸回りに回転させた回転楕円面に近い形状とさせている。このような形状とすることにより、非球面反射面から出射する光束の発散角をより小さくしている。ランプ前面レンズ１００ｃは、光軸に対称な非球面レンズである。３００はロッドインテグレーターで、３００ａ、３００ｂ、３００ｃはそれぞれ入射面、側面、出射面を示す。
【００１１】
発光部１００ａから発した光は、変形ランプリフレクター１００ｂの非球面反射面によって反射され、ランプ前面レンズ１００ｃで集光され、出射した光はロッドインテグレーター３００の入射面３００ａに入射される。上記した構成とすることで、ロッドインテグレーターの入射面での光の損失を軽減することを実現している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開平５−３２３２５８号公報
【特許文献２】特開２００２−２９８６２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
特許文献１記載の技術を用いれば平行で均一な光束が得られるので、入射側フライアイレンズに入射される光線の光線角度を小さくできる。特許文献２記載の技術でも、ランプリフレクターから出射される光束の発散角を抑制できるので、ロッドレンズの入射面における光の損失を軽減できる。
【００１４】
しかしながら、上記したいずれの特許文献に記載の技術を用いても、アーク中心の周辺で発光した光が原因で光線角度が広がるという課題は残り、このことは照明効率やＰＢＳでのＰＳ分離における分離度の低下を招き、ひいてはスクリーンにおける照度の減少やコントラストの悪化を引き起こす。
【００１５】
そこで、本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、ランプリフレクタで反射される光の光線角度を抑制でき、光利用効率のよい投射型表示装置を実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明に係る照明装置は、光源部と、該光源部より放射される光を集光する円筒形レンズと、該円筒形レンズから出射される光が集光される入射面と、入射された光を反射させる反射面と、反射される光が集光される出射面とを有し、照明系光軸を中心として回転対称形状であるランプリフレクタと、該ランプリフレクタの前方に配置され前記ランプリフレクタで反射される光の進行方向を前記照明系光軸に沿うように変更する回転対称レンズから構成されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明に係る照明装置では、アーク中心ではなくアーク中心の周辺で発光した光がランプリフレクタで反射されたとしても、反射される光の光線角度を小さくすることができるので、照明系光軸に対する平行光を得ることができる。本発明を用いた投射型表示装置では、照明効率やＰＢＳでのＰＳ分離における分離度を向上させ、ひいては投射される映像のコントラストやスクリーンにおける照度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の第１の実施例に関する光源ユニットの概略構成を断面形状で示した図。
【図２】本発明の第１の実施例に関する光源ユニットの概略構成の上部半分を断面形状で示した図。
【図３】入射側フライアイレンズの入射面での入射角度分布を従来方式と比較した図。
【図４】本発明の第２の実施例に関する光源ユニットの概略構成を断面形状で示した図。
【図５】ロッドレンズの入射面での入射角度分布を従来方式と比較した図。
【図６】本発明の第３の実施例に関する光源ユニットの概略構成を断面形状で示した図。
【図７】投射型表示装置の概略構成の断面形状を示した図。
【図８（ａ）】光源部が理想的な点光源であると仮定したときの従来の平行照明方式の投射型表示装置の光源ユニットの概略構成を断面形状で示した図。
【図８（ｂ）】従来の平行照明方式の投射型表示装置の光源ユニットの概略構成を断面形状で示した図。
【図９】本発明の第２の実施例に関する従来の集光照明方式の投射型表示装置の光源ユニットの概略構成を断面形状で示した図。
【図１０】従来の投射型表示装置に用いる光源装置の構成を示した図。
【図１１】従来の集光光学系の構成を示した図。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明のいくつかの実施例について以下に説明する。尚、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【実施例１】
【００２０】
本発明の第１の実施例について、図面を参照して具体的に説明する。図１は本発明の第１の実施例の特に光源ユニットに着目した光学断面図である。１はランプバルブである。１０は光源部であり、図示しないがガラス球内に電極を備えており、電極と電極の間から光を発する。電極間の距離（以下、アーク長）はおよそ１ｍｍである。光源部１０は、メタルハライドランプや高圧水銀ランプ等のアークランプから構成される。最も発光輝度の高い両電極間の中心（以下、アーク中心）が放物面の焦点と一致するように構成する。Ｚは照明系光軸である。
【００２１】
１３は円筒形レンズであり、その形状はレンズ収差を最適化するように形状設計される必要がある。即ち、図２（図１の上半分のみを示す）に示すように、円筒レンズ１３による光源部１０の虚像２０が広がらないように最適化設計される。本実施例では、レンズ断面形状の入射側（光源部１０側）は単一Ｒ形状で、出射側（ランプリフレクタ１４側）は収差の軽減のため楕円形状としている。尚、Ｒは円の半径を表し、単一Ｒ形状とは曲率半径の中心位置が１点で描かれる単一の円弧曲線を意味する。
【００２２】
１４はランプリフレクタであり、入射面１４ａの形状は、照明系収差を考慮して非球面形状としている。非球面形状としては、楕円形状が設計しやすく効果も高い。図示していないが、この入射面非球面の光軸としては、光源部１０から照明系光軸Ｚに対して垂直に発光した光線とほぼ一致させている。この入射面の形状は、反射面１４ｂを構成する反射ミラーの角度や出射面の曲線形状とのバランスを考慮して設計する必要がある。
【００２３】
ランプリフレクタ１４の反射面１４ｂは、断面形状が直線形状の反射ミラーとしている。これは、従来の反射ミラーは楕円形状や放物線形状としていたが、照明系収差を小さくする為である。また、反射ミラーの反射面１４ｂは、可視光を全反射させるための蒸着を行う必要がある。
【００２４】
出射面１４ｃの形状は、設計の難易度あるいは効果を考慮して楕円形状としていて、反射ミラーによって反射される光の光軸と、出射面の非球面形状の光軸とを一致させるように構成する。
【００２５】
１５はコーンレンズであって、照明系光軸Ｚに対して回転対称なレンズ形状を有する。コーンレンズ１５の断面形状は入射面１５ａ、出射面１５ｂともに直線形状としており、反射ミラーで反射された光の進行方向を照明系光軸に平行になるように変更する。３は入射側フライアイレンズである。尚、光源部１０を中心として、コーンレンズ１５側を前方側とし、もう一方側を後方側とする。
【００２６】
次に、図１を参照して本実施例の光源部１０から放射された光路について説明する。光源部１０から放射される光は、円筒形レンズ１３で集光される。円筒形レンズ１３を配置する目的は、光源部１０から放射される大きな角度の配光分布に対して、屈折させて配光角度を狭めるためである。後方側に出射された光Ａ６は前方側に変更され、照明形光軸Ｚに対して垂直に出射された光Ａ５は直進し、前方側に出射された光Ａ４は後方側に変更される。
【００２７】
円筒形レンズ１３で集光された光は、ランプリフレクタ１４に進行する。ランプリフレクタ１４の入射面１４ａで光は更に屈折されて配光角度が狭められる。その後、光はランプリフレクタ１４の反射面１４ｂで全反射され、出射面１４ｃで屈折されて、コーンレンズ１５の入射面１５ａに対しておよそ垂直に入射する。光は出射面１５ｂで屈折されて照明系光軸に対して略平行となって入射側フライアイレンズ３に入射する。
【００２８】
図８（ｂ）に示す従来方式の照明系では、光源部１０から放射される光Ａ１乃至Ａ３の光線角度が、本発明である図１中の光Ａ４乃至Ａ６の光線角度と比較して大きくなっている。また、図３はランプ配光分布を同一とし、入射側フライアイレンズ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した入射側フライアイレンズでの入射角度光量分布である。アーク長はおよそ１ｍｍである。入射角度は、入射側フライアイレンズに入射する光の照明系光軸から傾いている角度である。図３から分かるように、本発明は従来例に比べて入射角度が小さい成分が増加していることが分かる。すなわち、従来例と比べると入射側フライアイレンズに入射される光が照明系光軸に対してより平行であるので、ＰＢＳでのＰＳ分離度の向上に寄与し、ひいてはスクリーンの照度を向上させることが出来る。
【００２９】
上記構成により、光源部１０から発光した光を円筒形レンズ１３で集光し、ランプリフレクタ１４に入射させ、反射面１４ｂで全反射させるようにしたので、ランプリフレクタ１４での反射面１４ｂで反射される光の光線角度を抑制することができる。
【実施例２】
【００３０】
本発明の第２の実施例に対して、図面を参照して具体的に説明する。図４は本発明の第２の実施例の特に光源ユニットに着目した光学断面図である。１はランプバルブ、１０は光源部、１３は円筒形レンズ、１４はランプリフレクタであり、これらの構成は既に上述した実施例１の構成と同様であるので省略する。１６はコーンレンズである。本実施例ではコーンレンズ１６は、入射面１６ａは非球面の楕円形状とし、出射面１６ｂは単一Ｒ形状としている。単一Ｒ形状については既に上述したとおりである。
【００３１】
１１はロッドレンズで、柱状のガラスであり、入射面で受光した光がその内部を透過して出射面から出射する構造になっている。Ｚは照明系光軸である。尚、光源部１０を中心として、コーンレンズ１６側を前方側とし、もう一方側を後方側とする。
次に、図４を参照して本実施例の光源部１０から放射された光の光路について説明する。コーンレンズ１６に入射するまでの光の光路については、既に上述した実施例１と同様であるので省略する。ランプリフレクタ１４の出射面１４ｃを出射した光は、コーンレンズ１６に進行する。コーンレンズ１６に入射した光は、出射面１６ｃで屈折されてロッドレンズ１１で集光される。
【００３２】
図９に示す従来方式の照明系では、光Ｂ１乃至Ｂ３の光線角度が、本発明である図４中の光Ｂ４乃至Ｂ６の光線角度と比較して大きくなっている。また、図５はランプ配光分布を同一とし、ロッドレンズ入射面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した入射側ロッドレンズでの入射角度光量分布である。アーク長はおよそ１ｍｍである。入射角度は、ロッドレンズに入射する光が照明系光軸から傾いている角度である。図５から分かるように、本発明は従来例に比べて、入射角度分布が照明系光軸に近い角度成分が増加していることが分かる。この入射角度分布が照明系光軸に近い角度成分が多いと、プロジェクタ性能のコントラストや色純度や投射レンズ解像度などの光学性能向上に寄与する。また、スクリーンまでの光量のロスも小さくなるため、スクリーンでの照度も向上する。
【００３３】
上記構成により、光源部１０から発光した光を円筒形レンズ１３で集光し、ランプリフレクタ１４に入射させ、反射面１４ｂで全反射させるようにしたので、反射面１４ｂで反射される光の光線角度を抑制出来る。これにより、ロッドレンズ入射面での光の照明サイズを減少させられる。
【実施例３】
【００３４】
本発明の第３の実施例に対して、図面を参照して具体的に説明する。図６は本発明の第３の実施例の特に光源ユニットに着目した光学断面図である。１はランプバルブ、１０は光源部、１３は第１の円筒形レンズ、１５はコーンレンズであり、これらの構成は既に上述した実施例１の構成と同様であるので省略する。１７は第２の円筒形レンズで、入射面１７ａは単一Ｒ形状で、出射面１７ｂは非球面の楕円形状としている。単一Ｒ形状については既に上述したとおりである。
【００３５】
１８は反射ミラーで可視光を全反射するような蒸着を行っている。１９はコーンレンズであり、入射面１９ａは直線形状で、出射面１９ｂは非球面の楕円形状としている。尚、光源部１０を中心として、コーンレンズ１５側を前方側とし、もう一方側を後方側とする。
【００３６】
次に、図６を参照して本実施例の光源部１０から放射された光の光路について説明する。円筒形レンズ１３を出射するまでの光の光路については、既に上述した実施例１と同様であるので省略する。第１の円筒形レンズの出射面１３ｂから出射された光は、第２の円筒形レンズ１７の入射面１７ａで更に屈折されて配光角度が狭められる。その後、光は反射ミラー１８で全反射され、コーンレンズ１９に入射する。コーンレンズ１９に進行した光は、出射面１９ｂで屈折されてコーンレンズ１５に入射される。
【００３７】
コーンレンズ１５の入射面１５ａに対しておよそ垂直に入射する。光は出射面１５ｂで屈折されて照明系光軸に対しておよそ平行となってフライアイレンズ３に入射する。
【００３８】
上記構成により、光源部１０から発光した光を第１の円筒形レンズ１３で集光し、更に第２の円筒形レンズ１７に入射させて、反射ミラー１８で全反射させるようにしたので、これにより、光の光線角度を小さくすることができる。また、既に上述した実施例1に係る厚みのある形状をしたランプリフレクタを、第２の円筒形レンズ１７、反射ミラー１８、コーンレンズ１９のように分割して構成したので、照明装置の軽量化にも寄与することが出来る。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明は、光源部から放射された光の光利用効率の向上が図れるため、投射型表示装置に有用である。
【符号の説明】
【００４０】
１  ランプバルブ
２、１２、１４  ランプリフレクタ
３  入射側フライアイレンズ
４  出射側フライアイレンズ
５  ＰＢＳ
６  第1照明レンズ
７  第２照明レンズ
８  入射偏光板
９  ＬＣＤ
１０  光源部
１１  ロッドレンズ
１３、１７  円筒形レンズ
１５、１６、１９  コーンレンズ
１８  反射ミラー
２０  虚像
２１  被照射面
２２  光軸
１００  ランプ
１００ａ  発光部
１００ｂ  変形ランプリフレクター
１００ｃ  ランプ前面レンズ
１７０  傾放物鏡
１７１  円錐レンズ
１７２  焦点
１７３  放物線の軸
３００  ロッドインテグレーター
３００ａ  入射面
３００ｂ  側面
３００ｃ  出射面
Ｚ  照明系光軸
【図１】
2011113818.tif 000003
【図２】
2011113818.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2011113818.tif 000008
【図７】
2011113818.tif 000009
【図８（ａ）】
2011113818.tif 000010
【図８（ｂ）】
2011113818.tif 000011
【図９】
2011113818.tif 000012
【図１０】
2011113818.tif 000013
【図１１】
2011113818.tif 000014