(57)【要約】【課題】ランプから出射する光線をリフレクタで所定の点に集光して利用する際に、光線がランプバルブを通過する際の屈折により集光性が損なわれることなく光線の利用率を高めることのできる光源ユニット、及びこれを用いた表示装置を提供する。【解決手段】ランプ２と、このランプ２の発光部２ｓから出射する光線を反射して集光させるリフレクタ１とを備える光源ユニットで、ランプ２の発光部２ｓから出射しランプバルブ２ｂの断面形状によって屈折した光線を所定の焦点に集光可能な形状に、リフレクタ１を形成する。【選択図】　　　　図２
2004021017.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ランプと、このランプの発光部から出射する光線を反射して集光させるリフレクタとを備える光源ユニットであって、
前記ランプは、前記リフレクタの大きさに対して非常に小さく形成された前記発光部と、この発光部を封入するランプバルブとを備え、
前記リフレクタは、前記発光部から出射し、前記ランプバルブの断面形状により屈折した光線を、所定の焦点に集光可能な形状に形成されていること
を特徴とする光源ユニット。
【請求項２】
請求項１に記載の光源ユニットにおいて、
前記リフレクタの光軸を含む断面形状（ｘ３，ｆ（ｘ３））は、前記発光部の位置を（ｓ，０）、前記焦点の位置を（Ｉ，０）、前記ランプバルブの内面の形状を（ｘ１，ｙ１）、外面の形状を（ｘ２，ｙ２）として、
前記発光部の位置（ｓ，０）から出射し前記ランプバルブの内面上の点（ｘ１，ｙ１）で屈折した光線の、ランプバルブの外面上の通過点（ｘ２，ｙ２）を求め、この点（ｘ２，ｙ２）で屈折した光線の軌跡（ｘ３，ｙ３（＝ｆ（ｘ３）））を求め、　上記計算をｘ１を微小量ずつ変化させて実行したとき、式（１）
【数１】
2004021017.tif 000015
においてＣがほぼ定数となるように決定されていること
を特徴とする光源ユニット。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の光源ユニットから放射された光線を前記焦点位置で照度調整部に取り込み通過させ、この通過光をリレーレンズ系でチャートに誘導し、このチャートからの反射光又は透過光を投射レンズ系によってスクリーン上に投影すること
を特徴とする表示装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プロジェクタなどの表示装置に用いられる光源ユニット、及びこれを用いた表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
プロジェクタなどの表示装置に用いられる光源ユニット１１１の従来の例を、図４に示す。ランプバルブ２の発光部Ｐから出た光線は、表面（又は裏面）に光線反射作用を持つリフレクタ１０１により、ガラスやプラスチックなどからなるロッド１２（又はライトトンネル：内面に反射鏡面を備える筒体）の入射面１２ｉに集められる。
【０００３】
リフレクタ１０１の反射面１０１ｓの形状の一つとして、光軸ｘを軸とする回転楕円体が多用されている。これは、回転楕円体の第１焦点Ｐ、第２焦点Ｑが光軸上にくるようにリフレクタ１０１を配置し、上記第１焦点と第２焦点とに、ランプ２の発光部とロッド１２の入射面１２ｉの中央とをそれぞれ配置することで、発光部から出射する光線をロッド１２の端面に確実に集光し、入光させることをねらったものである。
ロッド１２の入射面１２ｉに入射した光線は、ロッド１２の側面で反射しながら種々の角度の光線が混合され、反対側の出射面から射出され、プロジェクタなどの表示装置の照明光として用いられる。光線をロッド１２中を通過させることで、表示装置の照度ムラ、色ムラやちらつきを低減することができ、また断面が円形の光束を矩形断面の光束に変換することも可能である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
通常、ランプ２のランプバルブ２１は、これを光軸ｘを含む平面で切断したときの断面形状がランプ２の発光部を中心とする同心円にはなっていない。このため、発光部から出射する光線はランプバルブ２１を通過する際に屈折する。（例えば、図４に示すランプ２では、発光部を封入するランプバルブ２１が凸レンズの作用をし、光線が屈折する。）ランプバルブ２１の外面から出射する各光線を発光部側に延長しても、発光部の虚像は一般に光軸上からずれる（図３参照）。
したがって、図４に示すように、上記第１焦点に配置したランプ２の発光部から出射し、ランプバルブ２１を通過してリフレクタ１０１で反射された各光線は、上記第２焦点に完全に集光しない。すなわち、ランプ２の光線の一部はロッド１２に入光せず、ランプ２の光線の利用率が小さくなるという問題があった。
【０００５】
本発明の課題は、ランプから出射する光線をリフレクタで所定の点に集光して利用する際に、光線がランプバルブを通過する際の屈折により集光性が損なわれることなく光線の利用率を高めることのできる光源ユニット、及びこれを用いた表示装置を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
以上の課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、ランプ（例えば図２中、２）と、このランプの発光部（例えば図２中、ｓ）から出射する光線を反射して集光させるリフレクタ（例えば図２中、１）とを備える光源ユニット（例えば例えば図２中、１１）であって、
前記ランプは、前記リフレクタの大きさに対して非常に小さく形成された前記発光部と、この発光部を封入するランプバルブ（例えば図２中、２１）とを備え、
前記リフレクタは、前記発光部から出射し、前記ランプバルブの断面形状により屈折した光線を、所定の焦点Ｆに集光可能な形状に形成されていること
を特徴とする。
ここで、上記ランプとしては、高圧水銀ランプ、ショートアーク・メタルハライドランプ、クセノンショートアークランプなど、発光部の寸法が数ｍｍ程度のランプを好適に用いることができる。
【０００７】
請求項１に記載の発明によれば、リフレクタは、ランプの発光部から出射してランプバルブの断面形状により屈折した光線を所定の焦点に集光可能な形状に形成されているので、光線がランプバルブを通過する際の屈折により集光性が損なわれることがなく、光線の利用率を高めることができる。
【０００８】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の光源ユニット（例えば図２中、１１）において、
前記リフレクタ（例えば図２中、１）の光軸（例えば図２中、ｘ）を含む断面形状（ｘ３，ｆ（ｘ３））は、前記発光部の位置を（ｓ，０）、前記焦点の位置を（Ｉ，０）、前記ランプバルブの内面の形状を（ｘ１，ｙ１）、外面の形状を（ｘ２，ｙ２）として、
前記発光部の位置（ｓ，０）から出射し前記ランプバルブの内面上の点（ｘ１，ｙ１）で屈折した光線の、ランプバルブの外面上の通過点（ｘ２，ｙ２）を求め、この点（ｘ２，ｙ２）で屈折した光線の軌跡（ｘ３，ｙ３（＝ｆ（ｘ３）））を求め、　上記計算をｘ１を微小量ずつ変化させて実行したとき、上記式（１）においてＣがほぼ定数となるように決定されていること
を特徴とする。
【０００９】
請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明におけるリフレクタの形状を明確な方法で決定できる。
【００１０】
請求項３に記載の発明である表示装置（例えば図１中、のプロジェクタ１０）は、例えば図１、図２に示すように、請求項１又は２に記載の光源ユニット（例えば図１中、１１）から放射された光線を前記焦点位置（例えば図２中、Ｆ）で照度調整部（例えば図１中、ロッド１２）に取り込み通過させ、この通過光をリレーレンズ系（例えば図１中、１４〜１６）でチャート（例えば図１中、ＤＭＤ１８）に誘導し、このチャートからの反射光又は透過光を投射レンズ系（例えば図１中、１９）によってスクリーン上に投影すること
を特徴とする。
ここで、上記チャートとは、ＤＭＤ（鏡面反射型光変調器）や、反射型液晶パネル又は透過型画像パネルなどのことを指す。
【００１１】
請求項３に記載の発明によれば、請求項１又は２に記載の光源ユニットから放射された光線を照度調整部に取り込む際の光線の利用率が高いので、ランプの出力を効率良く利用して、スクリーン上に投影される画像の照度を大きくすることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の光源ユニット、及び表示装置の実施の形態を、図面を参照して説明する。
本実施の形態の光源ユニット、及び表示装置は、ＤＭＤ（デジタル・マイクロミラー・デバイス）を用いたデータプロジェクタに適用されたものである。図１に、プロジェクタ装置１０の概略図を、図２に、データプロジェクタ１０において用いられている光源ユニット１１の断面図を、それぞれ示す。
【００１３】
本実施の形態の光源ユニット１１は、図２に示すように、ランプ２と、このランプ２の発光部２ｓから出射する光線を反射してガラスロッド１２の入光面１２ｉ上の点Ｆに集光させるリフレクタ１とを備えている。
ランプ２は、高圧水銀ランプからなり、そのアーク長は数ｍｍ程度の大きさであって、発光部がリフレクタ１の大きさに対して非常に小さくなっている。ランプ２の発光部を封入するランプバルブ２１はガラスからなり、その内面と外面とは、図３に示すような形状に形成されているため、ランプ１の発光部から出射した光線に対して、ランプバルブが２１は凸レンズの働きをする。
アークを発生する電極の位置により、ランプ２の発光部は、その封入部の中心よりもランプの軸方向に偏在している。
【００１４】
リフレクタ１は、ランプ１の発光部から出射し、ランプバルブ２１を通過する際に屈折した光線を、所定の焦点Ｆに集光可能な形状に形成されている。
【００１５】
このリフレクタ１の形状の決定方法の一例を、以下に説明する。
ランプバルブ２１は、その内面と外側との断面形状がそれぞれ異なる楕円の一部であり、これらの楕円の軸とは平行にずれた光軸ｘを軸とする回転体となっている。
【００１６】
図３、図４に示すように、光軸をｘ軸とし、これと垂直な楕円の縦軸をｙ軸とする。そして、光軸ｘと楕円の縦軸ｙとの交点を原点Ｏとする。
ランプバルブ２１の内面を構成する楕円の、ｘ軸方向の径を２ａ１、ｙ軸方向の径を２ｂ１、中心点を（０，ｄ１）とする。また、ランプバルブ２１の外面を構成する楕円の、ｘ軸方向の径を２ａ２、ｙ軸方向の径を２ｂ２、中心点を（０，ｄ２）とする。ランプバルブ２１を構成するガラスの屈折率はｎとする。
また、ランプ２の発光部のうち最も明るい位置を代表し、輝点（ｓ，０）とする。
【００１７】
輝点（ｓ，０）から出射したある光線は、図３に示すように、ランプバルブ２１の内面上の、
【数２】
2004021017.tif 000003
を満たす点（ｘ１，ｙ１）に向かう。
この点（ｘ１，ｙ１）で光線は屈折する。その入射角をｉ１、屈折角をｉ１’とすると、
【数３】
2004021017.tif 000004
である。
【００１８】
また、
【数４】
2004021017.tif 000005
という形状の楕円の各点における正接は、
【数５】
2004021017.tif 000006
であるので、図２より、入射角ｉ１は、
【数６】
2004021017.tif 000007
となる。
式（６）に、式（２）に示されたランプバルブ内面の各点（ｘ１，ｙ１）の座標を代入し、入射角ｉ１を求める。また、式（３）より、屈折角ｉ１’を求めると、
【数７】
2004021017.tif 000008
となる。
【００１９】
ランプバルブ内面の各点（ｘ１，ｙ１）を通過した光線は、図１に示すように、ランプバルブ２１の外面上の、
【数８】
2004021017.tif 000009
を満たす点（ｘ２，ｙ２）に向かう。
この点（ｘ２，ｙ２）で光線は再び屈折する。その入射角をｉ２、屈折角をｉ２’とすると、
【数９】
2004021017.tif 000010
である。
【００２０】
図２より、入射角ｉ２は、
【数１０】
2004021017.tif 000011
となる。
式（１０）に、式（８）に示されたランプバルブ外面の各点（ｘ２，ｙ２）の座標を代入し、入射角ｉ２を求める。また、式（９）より、屈折角ｉ２’を求めると、
【数１１】
2004021017.tif 000012
となる。
【００２１】
ランプバルブ外面の各点（ｘ２，ｙ２）を通過した光線は、図２に示すように、リフレクタ１の反射面上の各点（ｘ３，ｙ３）で反射する。これらの反射光が光軸上の一点に集光するように、リフレクタ１の反射面１ｓの形状
【数１２】
2004021017.tif 000013
を決定する。ランプバルブ２１の内面、外面と、リフレクタ１の反射面１ｓが連続面であるので、輝点（ｓ，０）から発した光線が光軸上の点Ｆ（ｌ，０）に集まるならば、光線の経路について光路長一定の法則が成り立つ。すなわち、Ｃを定数として、
【数１３】
2004021017.tif 000014
となる。
【００２２】
式（１）に各変数ｘ１〜ｘ３、ｙ１〜ｙ３を代入して、定数Ｃを求める。
そして、ｘ１を微小量ずつ変化させ、各光線におけるｙ１，ｘ２，ｙ２，ｉ２’を同様に求め、式（１０）、式（１１）と式（１）より（ｘ３，ｆ（ｘ３））を求めていけば、リフレクタ１の断面形状が決まる。
そして、この断面形状を光軸ｘを軸として回転して得られる回転体をリフレクタ１の反射面１ｓの形状とすれば、輝点（ｓ，０）から発する各光線が光軸上の一点（ｌ，０）に集まる照明ユニット１１が得られる。
【００２３】
この照明ユニット１１から出射された光線は、上記のとおり光軸上の一点で集光し、この点でガラスロッド１２に取り込まれる。その後、回転ＲＧＢフィルタ（カラーホイール）１３を通過したのち、リレ−レンズ系（リレーレンズ１４、反射ミラ−１５、反射プリズム１６）によってコンデンサレンズ１７に導かれ、ＤＭＤ１８に照射される。
ＤＭＤ１８からの反射光は、投射レンズ系１９によって拡大されて、スクリ−ンＳに投影される。
【００２４】
本実施の形態の光源ユニットによれば、ランプバルブ２１による光線の屈折を考慮してリフレクタ１の反射面１ｓの形状を決定し、リフレクタ１の反射光が光軸上の一点において確実に集光するようにしたので、ランプ２から出射する光線を、より多く照射対象（ガラスロッド１２の入光面１２ｉ）に照射できる。
これにより、照射対象となるガラスロッド１２の入光面１２ｉの大きさを小さくすることもできる。ガラスロッドの断面が小さくなれば、投影角倍率が小さくなり、ＤＭＤなどのチャートに当たる光線の平行度が増す。それにより、プロジェクタ１０の投影レンズ系１９の口径を小さくできる。
【００２５】
なお、上記の実施の形態では、表示装置として、ＤＭＤを利用したデータプロジェクタ１０を例に挙げたが、本発明はこれに限定されることはなく、ＯＨＰ（オーバー・ヘッド・プロジェクタ）やフィルム映写機など、各種表示装置の光源として利用可能である。
また、本発明の光源ユニットは、表示装置以外の、ランプの光を一点に集光させて利用する場合一般に適用可能である。
その他、具体的な詳細などについても適宜に変更可能であることはもちろんである。
【００２６】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明によれば、リフレクタは、ランプの発光部から出射してランプバルブの断面形状により屈折した光線を所定の焦点に集光可能な形状に形成されているので、光線がランプバルブを通過する際の屈折により集光性が損なわれることがなく、光線の利用率を高めることができる。
【００２７】
請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明におけるリフレクタの形状を明確な方法で決定できる。
【００２８】
請求項３に記載の発明によれば、請求項１又は２に記載の光源ユニットから放射された光線を照度調整部に取り込む際の光線の利用率が高いので、ランプの出力を効率良く利用して、スクリーン上に投影される画像の照度を大きくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る光源ユニットを用いた表示装置の一例を示す概略図である。
【図２】本発明に係る光源ユニットの一例を示す断面図である。
【図３】本発明に係る光源ユニットにおけるランプの一例を示す断面図である。
【図４】従来の光源ユニットの一例を示す断面図である。
【符号の説明】
１　　　光源ユニット
２　　　ランプ
２ｂ　　ランプバルブ
２ｓ　　発光部
１０　　表示装置（データプロジェクタ）
１１　　リフレクタ
１２　　ロッド
１３　　リレーレンズ系
１４　　チャート（ＤＭＤ）
１５　　投射レンズ系
Ｓ　　　スクリーン
ｘ　　　光軸
【図１】
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【図２】
2004021017.tif 000017
【図３】
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【図４】
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