(57)【要約】【課題】集光面における光の品位の所望に保ちつつ光利用効率を向上させる技術を提供する。【解決手段】リフレクタ・システム１１０は、第１リフレクタ１３０と、第２リフレクタ１４０と、円弧リフレクタ１５０とを備える。円弧リフレクタ１５０は、アーク中心Ａを円中心とし、アーク中心Ａより前方側が開放した円弧を照明系光軸Ｚ０中心に回転させた回転体形状である。第１リフレクタ１３０では、焦点位置がアーク中心Ａに一致し且つ光軸Ｚ１１を傾斜角θだけ傾斜させた放物線を回転させた傾斜放物線回転体形状となっている。第２リフレクタ１４０は、傾斜放物線回転体形状となっており、第１リフレクタ１３０から反射した光束を照明系光軸Ｚ０上（ロッドレンズ１９５の入射面１９６）に集光させる。【選択図】図３
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【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アーク中心より前方に配置されており、前記ランプバルブの前方に出射した光を後方側に反射させる第１のリフレクタと、
前記ランプバルブのアーク中心より後方に配置され、前記第１のリフレクタからの光を前方側に反射させる第２のリフレクタと、
前記ランプバルブの後方側に出射した光を前記ランプバルブに戻すように反射させる円弧リフレクタと、
を備え、
前記第２のリフレクタで反射した光は、照明系光軸上に集光する光路を構成する
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、その中心軸を前記照明系光軸に対して所定角度傾けて前記照明系光軸を中心に回転させて形成された回転体形状を有し、
前記第２のリフレクタは、焦点が前記照明系光軸上の集光位置となる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回転体形状を有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】
前記第１のリフレクタは、一方の焦点が前記ランプバルブのアーク中心に配置した楕円の形状の一部を、前記楕円の長軸を前記照明系光軸に対して所定角度傾けて前記照明系光軸を中心に回転させて形成された回転体形状を有し、
前記第２のリフレクタは、中心軸を前記照明系光軸と一致する円錐形状または円盤形状を有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４】
請求項１〜３までのいずれか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。一般に、ＤＭＤを用いたプロジェクタは、図９に示すように、楕円リフレクタ９３０を備え、バルブ１２０から出射した光をロッドレンズ１９５の入射面１９６に集光させている。このような構成のプロジェクタでは、効率よく且つ高品位で集光することが最大の課題となる。
【０００３】
そこで上記課題を改善するために様々な技術が提案されている。例えば、従来の楕円リフレクタによる照明方式に対して、バルブ前側に副反射鏡を追加した構成が開示されている（特許文献１参照）。この技術では、バルブアーク部から前方寄りに出射された光線は一度アーク部に戻して楕円リフレクタへ進行し、バルブアーク部から後方寄りに出射された光線はそのまま楕円リフレクタに進行する。その後光線は楕円リフレクタで反射して楕円第２焦点へ進行する。
【０００４】
また、別の技術として、従来の楕円リフレクタによる照明方式よりバルブ表面の後側に反射体を形成した技術が開示されている（特許文献２参照）。この技術では、バルブアーク部から後方寄りに出射された光線が、一度アーク部に戻り楕円リフレクタへ進行する。バルブアーク部から前方寄りに出射された光線はそのまま楕円リフレクタに進行する。その後、光線は楕円リフレクタで反射して楕円第２焦点へ進行する。
【０００５】
さらにまた、従来の楕円リフレクタによる照明方式よりリフレクタ前方に入射面及び出射面とも円錐形状で板厚が一定の透明体を配置する技術が開示されている（特許文献３参照）。この技術では、リフレクタから出射された光線を補正してロッドレンズへ入射させる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−７１８５４号公報
【特許文献２】特開２００７−１７９８９２号公報
【特許文献３】特開２００９−２５９５８２号公報
【発明の概要】
【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、アーク中心から楕円リフレクタまでの距離が小さく、又その変化が大きいため、光利用効率に改善の余地があり、別の技術が求められていた。
【０００８】
また、特許文献２に開示の技術では、アーク中心から楕円リフレクタまでの距離の変化が大きいため、従来の問題点と同様に第２焦点での結像倍率の差が大きい。また、この方式ではロッドレンズへの入射角度の大きい成分が増加するため、光利用効率やコントラストなどの性能に関して改善の余地があった。さらにまた、バルブ表面に反射体が形成されているが、バルブが非常に高温となるようなランプでは反射体が耐熱的に耐える材質や製法を開発する事が困難と思われる。また、実際のバルブ形状は表面及び内面とも、ランプからの配光分布の改善やランプ寿命の改善などのために、アーク中心を中心とした球面となっていない場合が多く、その場合にはバルブ表面に反射体を形成してもきちんとアーク部に光を反射させる事ができず、そこでの光量ロスも大きくなる。このため、この方式をランプ出力が小さいランプに用いた場合では、ランプ光源の小型化以外のメリットが出しにくいという課題があり別の技術が求められていた。
【０００９】
さらに、特許文献３に開示の技術では、楕円第１焦点をランプアーク中心に配置しても楕円リフレクタより出射した光線は、本来であれば楕円の第２焦点位置に集光するが、傾斜した平板の透過によって、結像性能に収差が発生する。同じくランプアーク中心からずれた位置（ランプ電極間）からの発光についてもこの方式ではロッドレンズ入射面での結像性能が収差のために悪化する。従って、十分な品位の光が得られないという課題があった。
【００１０】
本発明の目的は、上記課題に鑑み、集光面における光の品位の所望に保ちつつ光利用効率を向上させ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】
【００１１】
本発明に係るリフレクタ・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アーク中心より前方に配置されており、前記ランプバルブの前方に出射した光を後方側に反射させる第１のリフレクタと、前記ランプバルブのアーク中心より後方に配置され、前記第１のリフレクタからの光を前方側に反射させる第２のリフレクタと、前記ランプバルブの後方側に出射した光を前記ランプバルブに戻すように反射させる円弧リフレクタと、を備え、前記第２のリフレクタで反射した光は、照明系光軸上に集光する光路を構成する。
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、その中心軸を前記照明系光軸に対して所定角度傾けて前記照明系光軸を中心に回転させて形成された回転体形状を有し、前記第２のリフレクタは、焦点が前記照明系光軸上の集光位置となる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回転体形状を有してもよい。
また、前記第１のリフレクタは、一方の焦点が前記ランプバルブのアーク中心に配置した楕円の形状の一部を、前記楕円の長軸を前記照明系光軸に対して所定角度傾けて前記照明系光軸を中心に回転させて形成された回転体形状を有し、前記第２のリフレクタは、中心軸を前記照明系光軸と一致する円錐形状または円盤形状を有してもよい。
本発明に係るプロジェクタは、上記のリフレクタ・システムを備える。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、集光面における光の品位の所望に保ちつつ光利用効率を向上させる技術を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る、プロジェクタの概略構成を示す機能ブロック図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る、リフレクタ・システムの構成を示す図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る、リフレクタ・システムの構成要素に関して光学的位置関係を説明する図である。
【図４】本発明の第１の実施形態に係る、リフレクタ・システムの構成について、実際のアーク位置を反映させた光路を含めた図である。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る、リフレクタ・システムの構成を示す図である。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る、リフレクタ・システムの構成要素に関して光学的位置関係を説明する図である。
【図７】本発明の第２の実施形態に係る、リフレクタ・システムの構成について、実際のアーク位置を反映させた光路を含めた図である。
【図８】本発明の第３の実施形態に係る、リフレクタ・システムの構成について、実際のアーク位置を反映させた光路を含めた図である。
【図９】従来技術に係る、リフレクタ・システムの構成を示す図である。
【図１０】本発明の実施形態に係る、リフレクタ・システムの効果を従来技術と比較して示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
つぎに、本発明を実施するための形態（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。以下の実施形態では、リフレクタ・システムとして３つのリフレクタを備えている。
【００１５】
＜第１の実施形態＞
【００１６】
図１は、本実施形態に係るプロジェクタ１０の構成について光学系に着目して示した図である。プロジェクタ１０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１９５と、ＤＭＤ８０と、投光光学系９０とを備えている。
【００１７】
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バルブ１２０と、３つのリフレクタとして第１リフレクタ１３０、第２リフレクタ１４０及び
円弧リフレクタ１５０とを備えている。そして、バルブ１２０から前方向に出射した光は、そのまま第１リフレクタ１３０で反射される。また、バルブ１２０の後方向に出射した光は、円弧リフレクタ１５０で前方向に反射され一旦バルブ１２０に戻って、第１リフレクタ１３０に向かう。第１リフレクタ１３０で反射した光は、さらに、第２リフレクタ１４０で反射して、カラーホイール６０を通過し、ロッドレンズ１９５の一方の端面（入射面１９６）に集光されて入射する。そして、ロッドレンズ１９５の内部を通過した光は出射面１９７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。なお、プロジェクタ１０として、カラーホイール６０を用いたいわゆる単板式プロジェクタについて説明したが、３板式プロジェクタであってもよい。
【００１８】
つづいて、図２及び図３を参照して、リフレクタ・システム１１０の各構成について詳細に説明する。第１リフレクタ１３０及び第２リフレクタ１４０は傾斜放物線回転体形状である。図３に示すように、第１リフレクタ１３０の傾斜角度θは、第２リフレクタ１４０の傾斜角θと同一である。第２リフレクタ１４０の焦点位置は、ロッドレンズ１９５の入射面１９６の中心としている。なお、以降の説明において、便宜的に図中でアーク中心Ａから照明系光軸Ｚ０に対し垂直方向に出射した光を「Ｌ１」で示し、実際に利用可能な最も前方側に出射した光を「Ｌ３」で示し、さらに、「Ｌ１」と「Ｌ３」の間の光を「Ｌ２」で示している。
【００１９】
まずバルブ１２０直近のランプ後方寄り（図示では左側）に円弧リフレクタ１５０が配置される。つまり、円弧リフレクタ１５０は、アーク中心Ａを円中心としており、アーク中心Ａより前方側が開放した円弧を照明系光軸Ｚ０中心に回転させた回転体形状である。つまり、ランプアーク部１２３から出射した光をランプアーク部１２３に戻すように、断面が単一Ｒの回転体（照明系光軸Ｚ０廻りに対して回転対称形状）となっている。ただし、バルブ１２０の配置に必要とされる後方部分が取り除かれた形状である。そして、バルブ１２０側には全反射膜が形成されている。このような構成によって、アーク中心Ａより後方向（図示左側）に出射した光は、この円弧リフレクタ１５０で反射し、アーク中心Ａに戻って、さらに前方に出射する。なお、実際にはバルブ１２０の外形や内側形状は完全な球体ではない場合もあり、その場合でもランプアーク部１２３からの発光をランプアーク部１２３に戻すように、断面の単一Ｒの中心位置やＲ寸法が定まる。さらに、Ｒ寸法は、バルブ１２０から最も前方に出射した光Ｌ３が第２リフレクタ１４０で反射した後の光路の障害とならないように定める必要もある。
【００２０】
つぎに、第１リフレクタ１３０の形状について説明する。第１リフレクタ１３０の形状は、放物線形状を利用している。この第１リフレクタ１３０では、放物線形状の焦点位置がアーク中心Ａ（ランプアーク部１２３）に一致している。さらに、図のように第１リフレクタ１３０の向きをバルブ１２０後方側（図示で左側）が開いた形状にし、且つ放物線の光軸Ｚ１１を傾斜角θだけ傾斜させた傾斜放物線回転体形状が用いられている。より詳細には、第１リフレクタ１３０の外側端部１３１と内側端部１３２の間の傾斜放物線形状を照明系光軸Ｚ０廻りに対して回転対称形状となっている。そして、バルブ１２０から前方に出射した光は、第１リフレクタ１３０で反射し、バルブ１２０後方寄りで且つ照明系光軸Ｚ０寄りに傾斜させる方向に進行する。
【００２１】
なお、第１リフレクタ１３０の外側端部１３１は、第１リフレクタ１３０がちょうどアーク中心Ａから照明系光軸Ｚ０に対して垂直に出射した光Ｌ１を反射可能となる位置になっている。ここでは、アーク中心Ａより若干後側に位置するようになっている。また、内側端部１３２は、最も前方に出射する光Ｌ３を反射可能な位置であって、後述する第２リフレクタ１４０で反射してきた光の進行の障害とならない位置、つまりケラレが発生しない位置になっている。
【００２２】
これにより第１リフレクタ１３０で反射した光Ｌ１〜Ｌ３は平行光束（光束発散角度が平行）となり、且つ、照明系光軸Ｚ０方向寄りに傾斜して次の第２リフレクタ１４０に進行する。なお、図３では第１リフレクタ１３０を構成する放物線形状の焦点距離を「ｆ１１」と表記している。
【００２３】
つづいて、第２リフレクタ１４０について説明する。第２リフレクタ１４０の形状は、上述のように第１リフレクタ１３０と同様に、傾斜放物線回転体形状である。第１リフレクタ１３０から反射した光束を照明系光軸Ｚ０上に集光させるために、図のようにバルブ１２０の前方側が開いた形状となっている。さらに、第２リフレクタ１４０の光軸Ｚ１２が傾斜角θだけ傾斜している。
【００２４】
より詳細には、第２リフレクタ１４０の外側端部１３１と内側端部１３２の間の傾斜放物線形状を照明系光軸Ｚ０廻りに対して回転対称形状となっている。この放物線の中心軸である光軸Ｚ１２は、照明系光軸Ｚ０に対して傾斜角θだけ傾斜し、さらに、焦点が照明系光軸Ｚ０におけるロッドレンズ１９５の入射面１９６の位置に設定されている。傾斜角θは、第１リフレクタ１３０の光軸Ｚ１１の傾きと同じ大きさである。そして、放物線の外側端部１４１と内側端部１４２との間の傾斜放物線形状を照明系光軸Ｚ０を中心として回転させた回転対称形状によって第２リフレクタ１４０が形成されている。そして、外側端部１４１の位置は、バルブ１２０から垂直に出射し第１リフレクタ１３０で反射した光Ｌ１を適正に反射可能となるようになっている。そして、第２リフレクタ１４０で反射した光は、照明系光軸Ｚ０寄りに傾斜させる方向に進行する。
【００２５】
なお、第２リフレクタ１４０から反射した光束を照明系光軸Ｚ０上に集光させるためには、第１リフレクタ１３０の焦点距離ｆ１１、第２リフレクタ１４０の焦点距離ｆ１２、第１及び第２リフレクタ１３０、１４０の傾斜角度θを最適化する必要がある。また、光束を折り返しているために、各部で光束のケラレがないように最適化設計する必要もある。
【００２６】
このように最適化し、ランプアーク部１２３からの光線状態を確認するために、図４にランプアーク部１２３の結像状態を記載している。上述の図９に示した一般的な楕円リフレクタ９３０を用いた構成と比較して、本実施形態のリフレクタ・システム１１０では、バルブ１２０から発光した光線角度によるロッドレンズ１９５での結像倍率が小さく、結像倍率の差も小さい事が解る。なお、図２〜図４までのロッドレンズ１９５の直径方向サイズは、集光サイズに応じて記載している。
【００２７】
なお、集光サイズはある程度は変更可能だが、この集光サイズとロッドレンズ１９５の入射角度分布はトレードオフの関係にあるので、考慮して設計する必要がある。
【００２８】
本実施形態の効果を確認するために図１０に、本実施形態と図９の従来例（一般形態）とでのＤＭＤ入射角度分布での比較結果を示す。なお、ここでは、後述する第２の実施形態のＤＭＤ入射角度分布についてもあわせて表示している。
【００２９】
ここで、ＤＭＤ８０への入射角度で比較する理由を説明する。本実施形態の方式は主に図１に示したようにＤＬＰ方式のプロジェクタ１０に使用される集光照明方式である。バルブ１２０から発光された光束は、ロッドレンズ１９５に入射し、ロッドレンズ１９５で混合し、出射面１９７では均一に近い光量分布となる。そのロッドレンズ１９５の出射後の光は、複数枚の照明系レンズによってＤＭＤ８０に集光照射される。言い換えればロッドレンズ１９５の出射面１９７は、照明系レンズによってＤＭＤ８０面に再結像される。この結像倍率は、ロッドレンズ１９５のサイズとＤＭＤ８０のサイズによって定まる。しかし、ロッドレンズ１９５のサイズは入射面１９６での集光サイズによって変更することができる。本実施形態でも集光サイズが従来方式より小さくできている。そのため、ロッドレンズ１９５が異なる条件で光量分布を比較するためには、一定のＤＭＤ８０のサイズを照明するようにした場合で比較する必要がある。このため、ロッドレンズ１９５からＤＭＤ８０までの照明系については、結像倍率が本実施形態と従来例では異なるが、光利用効率としては同一と仮定して、同じＤＭＤ８０のサイズを照明する場合のＤＭＤ入射角度の光量分布で比較している。なお、ＤＭＤ入射角度とは純粋な入射角度ではなく、設計基準（主光線）からの角度である。
【００３０】
図１０に示すように、本実施形態は従来例と比較してＤＭＤ入射角度の小さい成分が多くなっている事が明白である。つまり、従来技術では、ＤＭＤ入射角度６度付近をピークに、２０度付近までなだらかに小さくなる分布となっている。一方、本実施形態では、３〜９度に実質均一に分布している。このようにＤＭＤ入射角度の小さい成分が多いことで、プロジェクタ１０の光利用効率を高くすることができ、さらにコントラスト向上や投射レンズの解像度向上に寄与することができる。
【００３１】
＜第２の実施形態＞
第２の実施形態のリフレクタ・システム２１０では、第１リフレクタ２３０は、傾斜楕円回転体形状のリフレクタとなっている。また、第２リフレクタ２４０は円錐形状のリフレクタとなっている。ここで、第１リフレクタ２３０の第２焦点ｆ２２の位置相当がロッドレンズ１９５の入射面１９６の中心位置となるように、第２リフレクタ２４０の角度と位置が設定されている。さらに、バルブ１２０直近のランプ後方寄りに第１の実施形態と同様に、円弧リフレクタ１５０が配置される。この形状は第１の実施形態の円弧リフレクタ１５０と同様の構成及び機能となっており、説明を省略する。
【００３２】
第１リフレクタ２３０の形状について説明する。第１リフレクタ形状２３０は、図５及び図６に示すように楕円形状を利用している。ランプアーク部１２３からの発散光束を集光させるのは、この楕円形状だけで分担している。
【００３３】
第１リフレクタ形状２３０では、アーク中心Ａが楕円形状の第１焦点ｅ１位置と一致している。さらに楕円形状である第１リフレクタ２３０から反射される光束をバルブ１２０の後方寄り及びランプ光軸Ｚ０寄りに進行させるために、第１リフレクタ２３０の楕円形状をバルブ１２０後方側に開いた形状とし、さらに第１リフレクタ２３０の楕円形状の長軸である光軸Ｚ２１が傾斜角θだけ傾斜している。そして、楕円形状の外側端部２３１と内側端部２３２との間の形状（母線）部分を照明系光軸Ｚ０を中心として回転させて形成される回転対称形状が第１リフレクタ２３０となる。
【００３４】
この第１リフレクタ２３０の（楕円リフレクタ）から反射した光は、楕円形状の第２焦点ｅ２（ｅ２’）の位置方向に進行する。楕円リフレクタである第１リフレクタ２３０から反射した光束を照明系光軸Ｚ０上に集光させるために、断面形状が直線である円錐ミラーである第２リフレクタ２４０で反射させる。この円錐形状の中心軸は照明系光軸Ｚ０と一致している。
【００３５】
なお、この本実施形態の効率向上のために、楕円の焦点距離ｆ２１、ｆ２２や楕円傾斜角度θ、円錐ミラーである第２リフレクタ２４０の角度ηや位置（外側端部２３１と内側端部２３２）を最適設計する必要がある。
【００３６】
本リフレクタ・システム２１０を用いたランプアーク部１２３からの光線状態を確認するために図７にランプアーク部１２３の結像状態を記載している。図示のように、図９の従来例と比較して、バルブ１２０から発光した光線角度によるロッドレンズ１９５での結像倍率が小さく、結像倍率の差も小さくなる。さらに、図１０に示すようにＤＭＤ入射角度分布の比較結果から分かるように、従来技術の一般形態と比べてこのようにＤＭＤ入射角度の小さい成分が多い。これによって、プロジェクタ１０の光利用効率を高くすることができ、さらにコントラスト向上や投射レンズの解像度向上に寄与することができる。
【００３７】
＜第３の実施形態＞
本実施形態は、第２の実施形態の変形例である。図８に示すように、リフレクタ・システム３１０は、第２の実施形態の第２リフレクタ２４０の楕円光軸の傾斜角度θを０度とした第１リフレクタ２３０と、さらにそれに対応して、円錐リフレクタの角度を照明系光軸Ｚ０と直角とした円盤形状の第２リフレクタ３４０とを備える。また、円弧リフレクタ１５０は、上述の実施形態と同様である。このような構成とすることで、この部品コストの低減に効果が期待できる。
【００３８】
以上、第１〜第３の実施形態によると、従来方式と比較して照明系スペースの拡大を最小限としながら光利用効率が向上する。このため、製品サイズや消費電力と比較して製品の明るさ性能を向上させることができる。また、製品のコントラストや投射レンズの解像度の向上に寄与することができる。
【００３９】
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み合わ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。
【符号の説明】
【００４０】
１０  プロジェクタ
６０  カラーホイール
８０  ＤＭＤ
１１０、２１０、３１０  リフレクタ・システム
１２０  バルブ
１２３  ランプアーク部
１３０、２３０  第１リフレクタ
１４０、２４０、３４０  第２リフレクタ
１５０  円弧リフレクタ
１９５  ロッドレンズ
１９６  入射面
１９７  出射面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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