(57)【要約】【課題】発光管と反射鏡を具備する光源を使用した光源装置において、面光源の結像点の像倍率差と光量ムラを改善することのできる光源装置を提供することを目的とするものである。【解決手段】発光管１からの発散光５を射出開口３に向けて反射する反射面Ｒ０を備えた光源であって、その後方に配置された光学系５０は、凸レンズによる光束密度補正用レンズ５１を示している。そして、反射鏡２の反射面Ｒ０と光束密度補正用レンズ５１の第１レンズ面Ｒ１０を非球面としている。これにより、発光管１からの光束４を均一にしてプロジェクタの面光源に投射すると同時に、光源からの像の大きさを一定にしている。【選択図】        図２
2004186114.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
反射鏡と発光管を具備した光源を備えた光源装置において、前記反射鏡は、発光管からの反射光の射出開口と、前記発光管からの発散光を前記射出開口に向けて反射する反射面とを備え、前記光源の射出開口の後方に、少なくとも１枚の光束密度補正用レンズを配置し、前記反射鏡の反射面及び前記光束密度補正用レンズのレンズ面の内、少なくとも１面に非球面を施したことを特徴とする光源装置。
【請求項２】
請求項１記載の光源装置において、前記光束密度補正用レンズの後方に、前記反射光の中心光軸上に第１及び第２のフライアイレンズを垂直に対向配置し、この第２フライアイレンズの後方に偏向変換光学素子を配置したことを特徴とする光学装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液晶プロジェクタ等の投写機、投影機等に用いられる光源装置に係わるもので、詳しくは、反射鏡を具備した光源に関するもので、その照明光の均質性に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
プロジェクタ等において、反射鏡を具備した光源を用いる光源装置の場合、この反射鏡の中心部と周辺部とでは焦点距離が異なるために、光束密度に偏りが生じ、光量ムラが発生していた。即ち、図１で示す光源から明らかなように、発光管１からの発散光５が反射鏡２により反射された反射光の射出開口３の光束４は、中心部で密で周辺部で粗であり、このままでは周辺部の光量不足となることは明らかである。
【０００３】
これに対処するための手段として、現状では、フライアイレンズ、即ち蝿の目状に、レンズを微細に分割して光束を分割して収束させる光束分割レンズアレイ（詳細については、後述する特許文献１を参照）を用いた光源装置を設置することで対応しているのが現状である。（例えば特許文献１）
しかしながら、先に述べた光源の反射鏡の中心部と周辺部とによる焦点距離の差から生ずる課題から、面光源の結像点の像の大きさに差が生じ、フライアイレンズ及び偏光変換素子上に取り込む光量に劣化が発生し、光量の有効活用が妨げられていた。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１０−１７０８６９号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、このような問題点を解決しようとするもので、発光管と反射鏡を具備する光源を使用した光源装置において、面光源の結像点の像倍率差と光量ムラを改善することのできる光源装置を提供することを目的とするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明による第１の発明は、反射鏡と発光管を具備した光源を備えた光源装置において、前記反射鏡は、発光管からの反射光の射出開口と、前記発光管からの発散光を前記射出開口に向けて反射する反射面とを備え、前記光源の射出開口の後方に、少なくとも１枚の光束密度補正用レンズを配置し、前記反射鏡の反射面及び前記光束密度補正用レンズのレンズ面の内、少なくとも１面に非球面を施したことを特徴とする光源装置とすることにより、光束密度の偏りを修正できるようにしたものである。
【０００７】
本発明の第２の発明は、前記第１の発明記載の光源装置において、前記光束密度補正用レンズの後方に、前記反射光の中心光軸上に第１及び第２のフライアイレンズを垂直に対向配置し、この第２フライアイレンズの後方に偏向変換光学素子を配置したことを特徴とする光学装置とすることによって、偏光変換素子上に形成される光源の像の大きさが均一になるようにしたものである。
【０００８】
本発明による光源装置においては、光源の反射鏡の反射面を活用し、この面とこの反射面の後方に配置される光束密度補正用レンズのレンズ面の少なくとも１面を非球面化して、発光管からの発散光が反射鏡で反射され、反射鏡の射出開口を経て光束密度補正用レンズに入射した後の光束が均一になってプロジェクタの面光源に入射されるように、また、光源の像の大きさが一定になるように補正することにより、効率の良い照明光を得ることが可能となる。
【０００９】
反射鏡の射出開口から放出される光束が平行光であって、前記面光源となる有効照明部が前記反射鏡の射出開口よりも大きいか、または同径の場合には、広角系の光束密度補正用レンズとし、発光管の光軸近傍で密となる高束密度を周辺部まで均一になるように、光源側よりの負のパワーを有する第１レンズと正のパワーを有する第２レンズとによって、非球面補正し、光束密度の偏りを修正することができる。
【００１０】
同様に、反射鏡の射出開口から放出される光束が平行光であり、前記面光源となる有効照明部が反射鏡の射出開口より小さい場合には、望遠系の光束密度補正用レンズを使用し、光源側よりの正のパワーを有する第１のレンズと負のパワーを有する第２レンズとによって周辺部の粗の光束を圧縮し、前記有効照明部が均一の照度になるように非球面補正がなされる。
【００１１】
また、反射鏡の射出開口から放出される光束が収れん光である場合、前記面光源となる有効照明部が前記反射鏡の射出開口よりも大きいか、または同径の場合と同様に、広角系の光束密度補正用レンズを使用し、光源側よりの負のパワーを有する第１レンズと正のパワーを有する第２レンズとによって、非球面補正することができる。
【００１２】
同様に、反射鏡の射出開口から放出される光束が発散光である場合には、前記面光源となる有効照明部が前記反射鏡の射出開口よりも小さい場合と同様に、望遠系の光束密度補正用レンズを使用し、光源側よりの正のパワーを有する第１レンズ及び負のパワーを有する第２レンズとによって、非球面補正することができる。
【００１３】
本発明による光束密度補正用レンズとしては、上述のように、広角系及び望遠系の光束密度補正用レンズとして第１レンズと第２レンズの２枚のレンズ構成としたが、この構成にかぎらず、１枚のレンズであってもよく、光源反射鏡の反射面とレンズの組み合わせによって補正することもできる。また、これらのレンズを適宜組み合わせ、複数対の構成であっても良い。
【００１４】
さらに、本発明においては、発光管の中心光軸上に垂直な第１及び第２のフライアイレンズを対向させ、この第２フライアイレンズと１対をなすように配置した偏光変換素子を使用し、この第１フライアイレンズの前方に、前述の光束密度補正用レンズを配置し、この補正用レンズのレンズ面を非球面にて補正することにより、偏光変換素子上に形成される光源の像の大きさを均一にし、偏光変換効率を向上させることができる。
【００１５】
本発明で使用される発光管としては、メタルハライドランプ、キセノンランプ、ハロゲンランプ等が、また、反射鏡としては、放物面反射鏡、楕円面反射鏡、球面反射鏡等が使用できる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下本発明による光源装置の実施例について図面を参照しながら説明する。
（実施例１）
図２は、本発明による光源装置であって、光源１０側よりの正のパワーを有する光束密度補正用レンズ５１を１枚配置した光源装置の概略構成図である。図示の光源１０は、左側から反射鏡２を具備し、発光管１からの発散光５を射出開口３に向けて反射する反射面Ｒ０を備えた光源であって、その後方に配置された光学系５０は、凸レンズによる光束密度補正用レンズ５１を示している。そして、反射鏡２の反射面Ｒ０と光束密度補正用レンズ５１の第１レンズ面Ｒ１０を非球面としている。これにより、発光管１からの光束４を均一にしてプロジェクタの面光源６１に投射すると同時に、光源からの像の大きさを一定にしている。なお、図中、６は発光管２の中心光軸である。
【００１７】
図３には、反射鏡２の反射面Ｒ０と光束密度補正用レンズ５１のレンズデータを表示しており、この図において、Ｉは、光源側から数えたレンズ面の順番を示し、１は、発光管１の表面、２＊は、反射鏡２の反射面Ｒ０、３＊は、光束密度補正用レンズ５１の第１レンズ面Ｒ１０、４は、光束密度補正用レンズ５１の第２レンズ面Ｒ２０、５は、面光源６１の表面を示している。この表中、Ｒは、各レンズ面の曲率を、また、ｄは、レンズ面間の距離を示し、Ｎｄは、各レンズの屈折率を示す。なお、２＊と３＊は、レンズ面がいずれも非球面であることを示す。
【００１８】
図４には、レンズ面２＊及び３＊に採用する非球面形状を次式から算出する場合の円錐係数Ｋ及び非球面係数Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇを示している。これらの係数を使用し、次式から光軸方向の軸Ｘを、光軸に直交する方向の高さＨを変化させながら算出して非球面形状を求めることができる。
【００１９】
【数１】
2004186114.tif 000003
【００２０】
このようにして得られた光源装置を使用し、この光源装置の照度分布を測定した結果、面光源の結像点の像倍率差と光量ムラが光束密度補正用レンズを使用しないものに比べ改善されていた。
【００２１】
（実施例２）
実施例２は、本発明の典型的な光源装置を示しており、図５は、これを図示している。この光源装置には、光源１０の後に、２枚からなる広角系の光束密度補正用レンズ光学系２０、即ち、第１レンズ２１及び第２レンズ２２を配置している。詳しくは、図の左側より発光管１、反射鏡２を具備する光源１０に続いて光学系２０の光束密度補正用レンズ２１、２２が示されている。光束密度補正用レンズの光学系２０は、光源１０側に凹面を向けた第１レンズ２１とこれとは反対に、結像面側に凸面を向けた第２レンズ２２とから構成されており、第１レンズ２１の第１面Ｒ１及び第２レンズ２２の第２面Ｒ４が非球面となっている。これにより、光源１０からの光束４が第１レンズ２１および第２レンズ２２を通過した後において、第１レンズ２１により光束が外周部に向かって発散され、また第２レンズ２２によりその光束が平行光とされて均一な面光源を形成する。さらに、光源からの像の大きさが一定となるようにしてある。なお図５中、Ｒ２及びＲ３は、それぞれ第１レンズ２１の第２面、第２レンズ２２の第１面を、７は、面光源となる有効照明部を示す。
【００２２】
図６及び図７には、この広角系光束密度補正用レンズのレンズデータ及び係数データを示し、Ｉの１は、Ｒ１、２は、Ｒ２、３は、Ｒ３、４は、Ｒ４を示す以外は、表示記号等は、前述の実施例１と同じである。但しこの実施例２の光束密度補正用レンズの光学系２０においては、１＊と４＊が非球面である。なお、この実施例においては従来例（図１参照）で示す反射鏡２及び発光管１を有する光源が使用されている。
【００２３】
このようにして得られた光源装置を使用し、その照度分布を測定した結果、面光源の結像点の像倍率差と光量ムラが光束密度補正用レンズを使用しないものに比べ改善されていた。
【００２４】
（実施例３）
実施例３は、本発明の他の実施例を示す光源装置を示しており、図８は、これを図示している。この例においては、反射鏡２の射出開口４が面光源となる有効照明部７より大きい場合を示しており、この光源装置には、光源１０の後に、２枚からなる望遠系の光束密度補正用レンズ３１及び３２を配置している。詳しくは、図の左側より発光管１、反射鏡２を具備する光源１０に続いて光学系３０の光束密度補正用レンズ３１、３２が示されている。光束密度補正用レンズの光学系３０は、光源１０側に凸面を向けた第１レンズ３１とこれとは反対に、結像面側に凹面を向けた第２レンズ３２とから構成されており、第１レンズ３１の第１面Ｒ１１及び第２レンズ３２の第２面Ｒ１４が非球面となっている。これにより、光源１０からの光束４が第１レンズ３１および第２レンズ３２を通過した後において、第１レンズ３１により光束が中心に向かって収束され、また第２レンズ３２によりこの光束が平行光とされて均一な面光源を形成する。さらに、光源からの像の大きさが一定となるようにしてある。なお図８中、Ｒ１２及びＲ１３は、それぞれ第１レンズ３１の第２面、第２レンズ３２の第１面を示す。
【００２５】
図９及び図１０には、この望遠系光束密度補正用レンズのレンズデータ及び係数データを示し、Ｉの１は、Ｒ１１、２は、Ｒ１２、３は、Ｒ１３、４は、Ｒ１４を示す以外は、表示記号等は、前述の実施例１と同じである。但しこの実施例３の光束密度補正用レンズの光学系３０においては、１＊と４＊が非球面である。なお、この実施例においては従来例（図１参照）で示す反射鏡２及び発光管１を有する光源が使用されている。
【００２６】
このようにして得られた光源装置を使用し、その照度分布を測定した結果、面光源の結像点の像倍率差と光量ムラが凸レンズを使用しないものに比べ改善されていた。
【００２７】
（実施例４）
実施例４は、実施例２の光源装置において、第２レンズ２２の後方にフライアイレンズを配置使用した例で、その概略構成を図１１に図示している。凹レンズからなる実施例２記載の非球面Ｒ１を備えた光束密度補正用第１レンズ２１及び凸レンズからなる実施例２記載の非球面Ｒ４を有する光束密度補正用第２レンズ２２の後方に、２枚の第１及び第２フライアイレンズ４１及び４２を中心光軸６上に垂直に対向させ、この第２フライアイレンズ４２の後方に一対をなすように配置した偏光変換素子４３とコンデンサーレンズ４４とから構成されている。なお、この図上、８は液晶ライトバルブである。このようにして構成された光源装置について、偏光変換素子４３上の面光源６１における照度分布と光源からの像の大きさを測定した。図１２は、その結果を示し、光源からの像が中心から外周に亘ってほぼ同等の大きさでほぼ均一に分布されていることが理解される。
【００２８】
（比較例）
実施例４において、光束密度補正用第１及び第２レンズ２１、２２を省いた他は同様にして光源装置を製造した。図１３は、この光源装置の模式構成図であり、図番４１、４２、４３、４４は、実施例４の同一図番で示す部品と同じ物を示す。この光源装置により偏光変換素子４３上の面光源における照度分布と光源からの像の大きさを測定した。図１４は、その結果を示し、前述の実施例４のものに比べ、光源からの像が中心で大きくしかも密であり、外周に向かうに従い像も小さくなり、かつ粗となっていることが明らかである。
【００２９】
【発明の効果】
本発明の第１発明によれば、反射鏡と発光管を具備した光源を備えた光源装置において、前記反射鏡は、発光管からの反射光の射出開口と、前記発光管からの発散光を前記射出開口に向けて反射する反射面とを備え、前記光源の射出開口の後方に、少なくとも１枚の光束密度補正用レンズを配置し、前記反射鏡の反射面及び前記光束密度補正用レンズのレンズ面の内、少なくとも１面に非球面を施した光源装置としたので、光源からの像の大きさが一定になると共に、光束の中心部と周辺部における照度分布が均一となるので、光源からの光量の有効活用を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】反射鏡を具備する従来の光源の模式図である。
【図２】本発明の実施例１に係わる光源装置の構成図である。
【図３】本発明の実施例１で使用される反射鏡及びレンズデータを示す表である。
【図４】本発明の実施例１で使用される反射鏡及びレンズの非球面係数を示す表である。
【図５】本発明の実施例２に係わる光源装置の構成図である
【図６】本発明の実施例２で使用される反射鏡及びレンズデータを示す表である。
【図７】本発明の実施例１で使用される反射鏡及びレンズの非球面係数を示す表である。
【図８】本発明の実施例３に係わる光源装置の構成図である。
【図９】本発明の実施例３で使用される反射鏡及びレンズデータを示す表である。
【図１０】本発明の実施例３で使用される反射鏡及びレンズの非球面係数を示す表である。
【図１１】本発明の実施例４に係わる光源装置の構成図である
【図１２】本発明の実施例４の光源装置を使用した際の偏光変換素子上の面光源の照度分布と光源像の大きさを示す測定データである。
【図１３】比較例に係わる光源装置の構成図である
【図１４】比較例の光源装置を使用した際の偏光変換素子上の面光源の照度分布と光源像の大きさを示す測定データである。
【符号の説明】
１  発光管
２  反射鏡
３  射出開口
４  光束
５  発散光
６  中心光軸
７  有効照明部
８  液晶ライトバルブ
１０  光源
２０  広角系光束密度補正用レンズ光学系
２１  光束密度補正用第１レンズ
２２  光束密度補正用第２レンズ
３０  望遠系光束密度補正用レンズ光学系
３１  光束密度補正用第１レンズ
３２  光束密度補正用第２レンズ
４０  フライアイレンズ光学系
４１  第１フライアイレンズ
４２  第２フライアイレンズ
４３  偏光変換素子
４４  コンデンサーレンズ
５１  光束密度補正用レンズ
６１  面光源
Ｒ０  反射鏡の反射面
Ｒ１  実施例２による第１レンズの第１面
Ｒ２  実施例２による第１レンズの第２面
Ｒ３  実施例２による第２レンズの第１面
Ｒ４  実施例２による第２レンズの第２面
Ｒ１１  実施例３による第１レンズの第１面
Ｒ１２  実施例３による第１レンズの第２面
Ｒ１３  実施例３による第２レンズの第１面
Ｒ１４  実施例３による第２レンズの第２面
Ｒ１０  実施例１による光束密度補正用レンズの第１面
Ｒ２０  実施例１による光束密度補正用レンズの第２面
【図１】
2004186114.tif 000004
【図２】
2004186114.tif 000005
【図３】
2004186114.tif 000006
【図４】
2004186114.tif 000007
【図５】
2004186114.tif 000008
【図６】
2004186114.tif 000009
【図７】
2004186114.tif 000010
【図８】
2004186114.tif 000011
【図９】
2004186114.tif 000012
【図１０】
2004186114.tif 000013
【図１１】
2004186114.tif 000014
【図１２】
2004186114.tif 000015
【図１３】
2004186114.tif 000016
【図１４】
2004186114.tif 000017