(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光反射面を形成した凹面鏡と、
一対のアーク電極から構成され、前記両アーク電極間にアークを発生させて発散光を放射するアークランプと、
前記アークランプから放射された後、前記凹面鏡で反射された光線を集光させる集光装置と、から構成される照明装置において、
前記凹面鏡が、半球面あるいは半球以下の球面の内面に光反射面を形成した球面鏡から構成され、
前記球面鏡の球心と、前記アークランプの一対のアーク電極間の間隙の中心とをほぼ一致させて配置することにより、前記アークから発散して前記球面鏡で反射した光線と、アークから発散する直接光とを重畳させて前記集光装置に出射し、
前記集光装置を、複数の凸レンズと、少なくとも一つの凹レンズとで構成し、単位面積当たりの光量を、主光軸の中心付近と周辺部とでほぼ均一になるよう、もしくは主光軸の中心付近より周辺部が少なくなるよう、前記複数の凸レンズと少なくとも１つの凹レンズとのパワーを調整したことを特徴とする照明装置。
【請求項２】
前記集光装置の一部を構成するレンズの１つが、前記アークランプの飛散を防止するフードを兼ねることを特徴とする、請求項１に記載の照明装置。
【請求項３】
前記球面鏡が、透明材料からなる中空球の半球面に光反射膜をコーティングすることにより形成され、前記中空球の残りの半球面が前記アークランプの飛散を防止するフードを形成することを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の照明装置。
【請求項４】
前記中空球の半球面で形成されるフードが、前記球面鏡から反射される光線の主光軸に交わる位置、及びその周辺が前記中空球の球心に接近した扁平状に形成されていることを特徴とする、請求項３に記載の照明装置。
【請求項５】
前記フードが、前記集光装置の一部を構成する凸レンズの１つを兼ねることを特徴とする、請求項３または請求項４に記載の照明装置。
【請求項６】
前記球面鏡の光反射膜を、紫外線もしくは赤外線のいずれか一方、もしくは双方は透過させ、少なくとも可視光領域の光は反射させる光反射面として構成したことを特徴とする、請求項１から請求項５のいずれか一に記載の照明装置。
【請求項７】
請求項１から請求項６のいずれか一に記載の照明装置を、一組のインテグレータに向けて光束を出射するように構成したことを特徴とする照明システム。
【請求項８】
請求項１から請求項６のいずれか一に記載の照明装置の複数個からなる照射装置を、一組のインテグレータに向けて光束を出射するように構成したことを特徴とする照明システム。
【請求項９】
前記アークランプが発散するアークのランダムな光を、Ｐ偏光、あるいはＳ偏光のいずれか一方の偏光に揃える偏光機能をさらに含むことを特徴とする、請求項７または請求項８に記載の照明システム。
【請求項１０】
前記偏光機能が、偏光整列プリズムアレイから構成されることを特徴とする、請求項９に記載の照明システム。
【請求項１１】
前記偏光機能が、２個の偏光変換プリズムから構成されることを特徴とする、請求項９に記載の照明システム。
【請求項１２】
半球面あるいは半球以下の球面の内面に光反射面を形成した球面鏡、前記球面鏡の球心に一対のアーク電極間の間隙のほぼ中心を配置したアークランプ、前記アークランプから発生する発散光を前記球面鏡で反射させた光線と前記アークから発散する直接光とを重畳させて集光させる集光装置、から構成される照明装置と、
前記一つの光束から複数の光束に分割する、照明対象となる画面と相似形の要素レンズを複数持つレンズ板と、
前記分割されたそれぞれの光束を照明対象に重畳させるための凸レンズと、
前記複数の要素レンズを持つレンズ板で作成したアーク像を前記凸レンズと共に照明対象上で結像するようにするための、互いに直交する一組のシリンドリカルレンズアレイと、
から構成されることを特徴とする照明システム。
【請求項１３】
前記照明システムが、前記アークランプで作成されたランダムな光をＳ偏光ないしはＰ偏光のどちらか一方の偏光に揃えて前記照明対象を照射する偏光機能をさらに含むことを特徴とする、請求項１２に記載の照明システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光源から照射される光学ビームを収束させて物体を照明する照明装置に関し、より具体的には、光源と、前記光源によって放出された放射光を収束する球面鏡と、収束された放射光に配列されるレンズ系とを備えた照明装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光源と凹面鏡とレンズ系とを備えた照明システムは、各種形態のものが知られている。図１４に示す例は、特開平第３−１１１８０６号公報に開示された照明システムである。図において、照明システム１００は、光源１０２から放射された放射光線を凹面反射器１０３で反射させた後、集光レンズ１０４で平行ビームとする。この平行放射光線を、マトリックス状（例えば縦６個×横８個）に配置された複数の各長方形状のレンズ１１３からなる第１のマクロレンズアレイ１１４を用いて各レンズ１１３毎のサブビームに分割し、各サブビームを、第１のマクロレンズアレイ１１４に対応してマトリックス状に配置された第２のマクロレンズアレイ１１６の各レンズ１１７に結像させる。各レンズ１１７は、対応する第１のマクロレンズアレイ１１４の各レンズ１１３により形成された光点を表示パネル１１０上に結像する。これらの再結像光点を表示パネル１１０の面上で重畳させるため、レンズ１１９が第２のマクロレンズアレイ１１６の背後に配置されている。
【０００３】
前記の第１及び第２のマクロレンズアレイ１１４、１１６は、表示パネル１１０と同じ縦：横比（以下、「アスペクト比」という。）を有していることから、表示パネル１１０面における照明光の強度分布は、所望の均一性を有しており、この照明システムは高い集光効率を備えている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の例に示すもののほか、従来技術による照明装置、及び照明システムには未だ改善すべき課題が残されていた。まず、光源からの放射光を反射させるために一般的に使用される凹面鏡が放物面鏡や回転楕円面鏡である場合には、反射光を利用する上ではそれなりに効率が良いが、直接前面に放射される光束を有効利用していない。このためランプが放出する全光束の６０〜７０％程度しか用いられていない。すなわち、従来技術においては、光源から発する光をより効率良く被投写体に照射するための技術が望まれていた。
【０００５】
また、光源として例えばフィラメントなどの光に非透過性の光源を用いている場合には、たとえ放射光を反射させるための凹面鏡として球面鏡を使用していたとしても、反射光が非透過性の光源に結像される場合には光源自身が反射光線を遮ることとなる。これを避けるには、光源を球面鏡の球心から僅かでもずらして配置する必要があり、これによって発射光を一点（球心）に収束させることができずに照射効率を低下させるものとなっていた。
【０００６】
次に、放物面鏡の場合も回転楕円面鏡の場合も、焦点の位置と反射面との距離をあまり近くし過ぎると反射膜を熱で劣化させ、反射効率を落とすこととなる。このため、両者の間にはある程度の間隙が必要である。しかし、この間隙を広く取った場合には、反射面の開口が大きくなってしまい、これによって筐体の大きさ、特に厚さを薄くすることが困難であった。したがって、投射レンズ口径をより小さくすること、照明装置の筐体のサイズをより小さくする技術が望まれていた。
【０００７】
さらに、従来技術による凹面鏡は、放物面鏡であっても回転楕円面鏡であっても、開口の中心付近と周辺部分では光束密度の差が激しく、スクリーン上での照度むらを発生させる原因となっていた。また、スクリーン上の照度むらを少なくしようとしても、インテグレータの負担が大きくなるために困難であった。
【０００８】
したがって本発明は、光の利用効率を向上させた照明装置、及び照明システムを提供することを目的としている。加えて、本発明は、光源から被照射部分の空間的距離を短縮して、より小型の照明装置を得ること、また、照射レンズの口径を小さくすることにより、より小型の照明装置を得ること、さらにはスクリーン上での照度むらをなくすことができる照明装置、及び照明システムを提供することを目的としている。
【０００９】
本発明は、対象物を照明するための照明装置として、例えば、液晶プロジェクター、オーバーヘッドプロジェクター、スライドプロジェクター等の照明系など、幅広い技術分野に適用することが可能である。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明では、発散光を反射させる凹面鏡を球面の一部である球面鏡となし、前記球面鏡の球心にアークランプのアーク電極間の間隙の中心を配置することによって照明装置の照射効率の改善を果たすもので、具体的には以下の内容を含む。
【００１１】
すなわち、請求項１に記載の本発明は、光反射面を形成した凹面鏡と、一対のアーク電極から構成され、前記両アーク電極間にアークを発生させて発散光を放射するアークランプと、前記アークランプから放射された後、前記凹面鏡で反射された光線を集光させる集光装置と、から構成される照明装置であって、前記凹面鏡が、半球面あるいは半球以下の球面の内面に光反射面を形成した球面鏡から構成され、前記球面鏡の球心と、前記アークランプの一対のアーク電極間の間隙の中心とをほぼ一致させて配置することにより、前記アークから発散して前記球面鏡で反射した光線と、アークから発散する直接光とを重畳させて前記集光装置に出射、前記集光装置を、複数の凸レンズと、少なくとも一つの凹レンズとで構成し、単位面積当たりの光量を、主光軸の中心付近と周辺部とでほぼ均一になるよう、もしくは主光軸の中心付近より周辺部が少なくなるよう、前記複数の凸レンズと少なくとも１つの凹レンズとのパワーを調整したことを特徴とする照明装置に関する。球面鏡の球心とアークランプの中心とをほぼ一致させることにより、照射効率を高めるものである。
【００１５】
請求項２に記載の本発明に係る照明装置は、前記集光装置の一部を構成するレンズの１つが、前記アークランプの飛散を防止するフードを兼ねることを特徴としている。
【００１６】
請求項３に記載の本発明に係る照明装置は、前記球面鏡が、透明材料からなる中空球の半球面に光反射膜をコーティングすることにより形成され、前記中空球の残りの半球面が前記アークランプの飛散を防止するフードを形成することを特徴としている。中空球を有効活用して球面鏡とフードとを構成するものである。
【００１７】
請求項４に記載の本発明に係る照明装置は、前記中空球の半球面で形成されるフードが、前記球面鏡から反射される光線の主光軸に交わる位置、及びその周辺が前記中空球の球心に接近した扁平状に形成されていることを特徴としている。照明装置と被照明物との間の光軸の長さを短縮するものである。
【００１８】
請求項５に記載の本発明に係る照明装置は、前記フードが、前記集光装置の一部を構成する凸レンズの１つを兼ねることを特徴としている。照明装置と被照明物との間の光軸の長さをさらに短縮するものである。
【００１９】
請求項６に記載の本発明に係る照明装置は、前記球面鏡の光反射膜を、紫外線もしくは赤外線のいずれか一方、もしくは双方は透過させ、少なくとも可視光領域の光は反射させる光反射面として構成したことを特徴としている。可視光線を中心に反射させることによって被照明物の劣化を防ぐものである。
【００２０】
請求項７に記載の本発明は、以上の請求項１から請求項９のいずれか一に記載の照明装置を、一組のインテグレータに向けて光束を出射するように構成したことを特徴とする照明システムに関する。照射効率の高いシステムを実現するものである。
【００２１】
請求項８に記載の本発明は、請求項１から請求項９のいずれか一に記載の照明装置の複数個からなる照射装置を、一組のインテグレータに向けて光束を出射するように構成したことを特徴とする照明システムに関する。照射効率の高いシステムを実現するものである。
【００２２】
請求項９に記載の本発明に係る照明システムは、前記アークランプが発散するアークのランダムな光を、Ｐ偏光、あるいはＳ偏光のいずれか一方の偏光に揃える偏光機能をさらに含むことを特徴としている。用途目的に応じて照射光線に必要な偏光を与えることを可能にするものである。
【００２３】
請求項１０に記載の本発明に係る照明システムは、前記偏光機能が、偏光整列プリズムアレイから構成されることを特徴としている。
【００２４】
請求項１１に記載の本発明に係る照明システムは、前記偏光機能が、２個の偏光変換プリズムから構成されることを特徴としている。
【００２５】
請求項１２に記載の本発明は、半球面あるいは半球以下の球面の内面に光反射面を形成した球面鏡、前記球面鏡の球心に一対のアーク電極間の間隙のほぼ中心を配置したアークランプ、前記アークランプから発生する発散光を前記球面鏡で反射させた光線と前記アークから発散する直接光とを重畳させて集光させる集光装置から構成される照明装置と、前記一つの光束から複数の光束に分割する、照明対象となる画面と相似形の要素レンズを複数持つレンズ板と、前記分割されたそれぞれの光束を照明対象に重畳させるための凸レンズと、前記複数の要素レンズを持つレンズ板で作成したアーク像を前記凸レンズと共に照明対象上で結像するようにするための、互いに直交する一組のシリンドリカルレンズアレイと、から構成されることを特徴とする照明システムに関する。照射効率の高い照明システムを提供するものである。
【００２６】
請求項１３に記載の本発明に係る照明システムは、前記照明システムが、前記アークランプで作成されたランダムな光をＳ偏光ないしはＰ偏光のどちらか一方の偏光に揃えて前記照明対象を照射する偏光機能をさらに含むことを特徴としている。用途目的に応じて照射光線に必要な偏光を与えることを可能にするものである。
【００２８】
【発明の実施の形態】
本発明に係る第１の実施の形態の照明装置につき、図面を参照して説明する。以下、他の実施の形態も含め、同一の構成要素に対しては同一の符号を用いるものとする。図１は、高圧水銀ランプやメタルハライドランプに代表されるアークランプ２を光源に用い、このアークランプ２から発生する光線を有効に照明対象に照射できるようにした本実施の形態に係る照明装置１の基本原理を示している。図１（ａ）は照明装置１の側面図、図１（ｂ）は同じく正面図を示す。
【００２９】
両図において、照明装置１は、光源となるアークランプ２と、アークランプ２が球心に位置するよう配置された半球面状の球面鏡３と、アークランプ２に対して球面鏡３に対向する側に配置された集光装置である非球面凸レンズ４と、から主に構成されている。なお、ここでいう球面鏡３は、光源を反射する鏡面が半球面の場合のほか、半球以下の球面である場合をも含むものとする。
【００３０】
一般的にアークランプ２は横置きに用いられる。したがって、球面鏡３は、図１（ｂ）に示すようにその球心Ｃにアークの両電極６の間隙の中心がほぼくるようにし、両電極６が水平方向左右に延びた状態でアークランプ２が真横に配置されている。しかしながら、この球面鏡３の球心Ｃとアークランプ２の両アーク電極６間の中心をほぼ一致させているかぎり、球面鏡３はどのように回転させて配置されてもよい。例えば、上向きであっても下向きであっても、４５°あるいは任意の角度に傾いていても問題はない。
【００３１】
図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、非球面凸レンズ４の焦点を球面鏡３の球心Ｃに重なるように配置すれば、その主光軸を中心に平行光を得ることができる。すなわち、球心Ｃで発生する光のうち、球面鏡３側へ向かうものは、立体角１８０°いずれの方向へ向かう光も球面鏡３の反射面で反射した後、球心Ｃを通過して非球面凸レンズ４の方向へ向かう。一方、球心Ｃで発生する光のうち、直接非球面凸レンズ４へ向かうものは、前記反射光と同じ光路をたどって非球面凸レンズ４に達する。
【００３２】
このように、原理的には、球心Ｃで発生する光はすべて非球面凸レンズ４を通過し、その後は平行光として利用することが可能となる。実際上は、図１（ｂ）に示すアークランプ２の電極を支えるためのガラス管７が影となったり、また、非球面凸レンズ４は立体角度で１６０°程がカバーできる限界であるため、当然ある程度のロスは生ずる。しかしながら、従来技術による放物面鏡や回転楕円面鏡などのように、開口から直接放射される光を捨てることからすれば、はるかにロスを少なくすることができる。
【００３３】
最近のアークランプ２では電極６間の距離が非常に短くなっており、２ｍｍ以下は普通であって、さらには１ｍｍ程になってきている。いずれにせよ、アークランプ２の電極６間に間隙がある限り、この間隙の中心を球面鏡３の球心Ｃにほぼ配置することによってアークランプ２は自身の反射光に対して透過性となる。すなわち、アークランプ２で発生するアークは、球面鏡３の球心Ｃで発生することとなり、この発生したアークによる放射光は球面鏡３で反射した後、球心Ｃに収束し、この球心Ｃが電極６間の間隙となっていることから、その反射光の全てがその後非球面凸レンズ４に向かうこととなる。
【００３４】
電極６間の距離が短くなるにしたがって、アーク像の大きさも１〜１．５ｍｍ程度まで小さくなっている。したがって、アークの揺らぎや偏在の影響は小さくなってきてはいるものの、従来技術による放物面鏡や回転楕円面鏡においては本質的にこのアークの揺らぎや偏在による影響を解消することはできない。すなわち、時間的なアークの生成位置の変化は、照明対象物上での時間的な照度むらの変化となって現れる。
【００３５】
本実施の形態に係る構成によれば、例えば図１（ａ）に示すように、アークが電極の中心から外れた上方の位置ａに生成されたとしても（実際、このような現象が発生する場合は多い）、球面鏡３で反射して戻ってきた反射光は、球心Ｃに対してアークの発生位置ａと対称となる位置ａ’に像を形成する。したがって、見かけ上は球心Ｃの近傍に２倍のアークがあるのと同じ状態になる。このように、球面鏡３を使用し、アークランプ２の中心（すなわち両電極６間の間隙の中心）を球面鏡３の球心Ｃにほぼ一致させることによって、実質的にはアークの位置が多少移動しても常に球心Ｃを中心とした位置に光源があるのと同じ状態となる。これによって、アークの位置が多少変動したとしても、照明対象物上では時間的にほとんど変化のない照度分布を得ることができる。
【００３６】
図２は、図１（ａ）、（ｂ）に示す本実施の形態に係る照明装置１を用いた照明システムの第１の態様を示している。図２において、上述のように球面鏡３と非球面凸レンズ４とによって平行光を得た後に、照明対象である３：４のアスペクト比を持つ液晶表示パネル（以下、「ＬＣＤ」という。）１０と相似形の複数の要素レンズ（この場合は凸レンズ）１１を横と縦（あるいは行と列）に並べて一枚のレンズ板としたレンズ板（以下、「マクロレンズアレイ」という。）１２を主光軸に垂直に置く。
【００３７】
このマクロレンズアレイ１２で要素レンズ１１の数だけの光束を作り、その焦点付近に、マクロレンズアレイ１２の各要素レンズ１１の横または縦に対応する複数のシリンドリカル・レンズ１３を並べた第１のシリンドリカル・レンズアレイ１４を配している。
【００３８】
その後に、偏光整列プリズムアレイ１６が配置されているが、これは偏光を揃える必要のない場合には省いても構わない。この偏光整列プリズムアレイ１６の構成は、偏光分離面を４５°にしたＰＢＳのアレイを１つのシリンドリカルレンズ１３に対して２つのＰＢＳが対応するように配置し、また第１のシリンドリカル・レンズアレイ１４のシリンドリカルレンズ１３と長手方向を一致させて配置させ、そのＰＢＳの１つおきの出射側に１/２λ板１５を置く。このように構成することによって偏光整列プリズムアレイ１６からはＰ偏光もしくはＳ偏光のどちらか一方の光を取り出すことができる。どちらの偏光を得るかはＰＢＳの出口の一つおきに置く１/２λ板１５の置き方を奇数番毎とするか、偶数番毎とするかによって決めることができる。
【００３９】
その後、第１のシリンドリカル・レンズアレイ１４とは直交する形で、マクロレンズアレイ１２の横または縦に対応する（第１のシリンドリカル・レンズアレイ１４を横に対応させたなら縦に、縦に対応させたなら横に対応させる）シリンドリカルレンズを並べた第２のシリンドリカル・レンズアレイ１７を配置する。
【００４０】
最後にマクロレンズアレイ１２の各要素レンズ１１が作った各光束の光軸を照明対象であるＬＣＤ１０の中心に向けるように焦点距離を設定したコンデンサ・レンズ１８を置き、各要素レンズ１１が作った各光束を照明対象であるＬＣＤ１０上に重ねる。光源であるアークランプ２から放射され、非球面凸レンズ４によって平行光線とされた後、照射対象となるＬＣＤ１０に収束するために中間に配置されるマクロレンズアレイ１２、第１のシリンドリカル・レンズアレイ１４、偏光整列プリズムアレイ１６、第２のシリンドリカル・レンズアレイ１７、そしてコンデンサ・レンズ１８を総称してインテグレータ２０と呼ぶ。但し、この内、偏光整列プリズムアレイ１６は上述のように偏光を取り出す場合に設置されるオプションである。
【００４１】
コンデンサ・レンズ１９は、ＬＣＤ１０を照射した光束が全部照射レンズ（図示せず）を効率よく通過できるように設置している。こうすることによって、照明対象であるＬＣＤ１０の面は一様な照度を得ることができる。
【００４２】
図３は、図１（ａ）、（ｂ）に示す本実施の形態に係る照明装置１を使用し、図２に示す偏光整列プリズムアレイ１６の代わりに、偏光変換プリズム２１を２個使ってランダムな光を一方の偏光へ揃えるようにした本実施の形態に係る照明システムの第２の態様を示す。図３に示す構成では、球面鏡３と非球面凸レンズ４とで平行光を作った直後に偏光変換プリズム２１を入れることによって放射光線を偏光している。その他の構成は前述の構成と同じである。但し、この構成では、球面鏡３と非球面凸レンズ４の大きさを同じとした場合、この照明装置の構成に対するインテグレータ２０ａの大きさを、第１の態様で示す場合に比べて２倍にする必要が生ずる。
【００４３】
図４は、図１（ａ）、（ｂ）に示す本実施の形態に係る照明装置１を使用した照明システムの第３の態様を示している。この態様は、上述の第１の態様に対して球面鏡３と非球面凸レンズ４の組み合わせによって必ずしも平行光にしなくてもよいことを示すものである。
【００４４】
すなわち、非球面凸レンズ４の出力光を平行光とせずにある程度の発散光にし、マクロレンズアレイ１２で複数の光束に分割する。このとき、分割されたそれぞれの光軸は発散しているが、マクロレンズアレイ１２の各要素レンズ１１は、コンデンサ・レンズ２３を介して第１のシリンドリカル・レンズアレイ１４の近傍で焦点を結ぶように設定してある。
【００４５】
このとき、マクロレンズアレイ１２で複数の光束に分割されたそれぞれの光軸はコンデンサ・レンズ２３で平行にされ、偏光整列プリズムアレイ１６に入射される。その後は第１の態様と同様である。
【００４６】
このようにインテグレータ２０を構成することによって、非球面凸レンズ４の焦点距離の設定を楽にすることができ、ひいては当該凸レンズ４の厚みを薄くすることができる。
【００４７】
次に、本発明に係る第２の実施の形態の照明装置、照明システムにつき、図面を参照して説明する。本実施の形態は、第１の実施の形態に示すアークランプ２と球面鏡３と非球面凸レンズ４とからなる照明装置１を複数個使い、照射対象の照度を約倍増、あるいはこれ以上に増加させるものである。球面鏡３の球心Ｃにアークランプ２の中心をほぼ一致させる点は、第１の実施の形態と同様である。図５に本実施の形態に係る照明システムの第１の態様を示す。
【００４８】
図５に示す例は、コンデンサ・レンズ２６で一旦焦点Ｆを結び、コリメータレンズ２７で再度平行光に戻す方法である。インテグレータ２０以降の機能は前述の第１の実施の形態における第１の態様（図２参照）と全く同じである。図５に示す例では、上下に２個の照明装置１を使った場合を図示しているが、照明装置１を３個、正三角形に配置することであっても、あるいは４個を四角形に配置することであっても同じようにできる。個数を増やすことによって、当然照度も高くなる。
【００４９】
図６は、本実施の形態に係る第２の態様を示しており、図６に示す例では、照明装置１で得られた平行光を並べて、一旦焦点を結ぶことなく直接インテグレータ２０へ結びつけるものである。この場合においても、第１の態様と同様に、照明装置１の数は、３個使い、４個使いなどとすることであってもよい。
【００５０】
図６に示す複数個の照明装置１を用いる場合には、第１の実施の形態の第２の態様（図３参照）で示した偏光変換プリズム２１を使用することにより、横もしくは縦の広がりをカバーすることができるため、照明装置１を１個のみ使用する場合に比べて照明システムをより効率よく構成することができる。具体的な照明装置１の配置例を、図７（ａ）から（ｄ）に示す。図７（ａ）は照明装置１が縦に２つ並べられた配置例を示しており、図７（ｂ）は、その際、偏光変換プリズム２１を通過した後に形成される放射光線の分布を示している。偏光変換プリズム２１は、図面に垂直な方向に２基設けられている。
【００５１】
同じく図７（ｃ）は、照明装置１が横に（図面に垂直に）２つ並べられた例を示しており、図７（ｄ）は、その際、偏光変換プリズム２１を通過した後に形成される照射光線の分布を示している。図７（ｂ）、（ｄ）の両図からも明らかなように、照明装置１が縦並びであっても、横並びであっても、偏光変換プリズム２１を適切に配置することによっていずれにしても正面から見ると放射光線を正方形に分布させることができる。これによって、その後にこの平行光線を収束させるインテグレータ２０以降の光学系との相性をよくすることができる。
【００５２】
次に、本発明に係る第３の実施の形態の照明装置、照明システムにつき、図面を参照して説明する。本実施の形態に係る照明装置は、第１及び第２の実施の形態に示す照明装置１に含まれる集光装置である非球面凸レンズ４を、複数のレンズから構成するものである。これまでの各実施の形態に示すように、アークランプ２から直接放射される放射光、及び球面鏡３で反射される反射光のいずれをも１つの非球面凸レンズ４で平行光線、もしくはこれに近い光線にするには、非球面凸レンズ４の形状加工が難しく、また重くなる。この問題を解消するため、本実施の形態では、非球面凸レンズ４を複数のレンズ群に分割している。球面鏡３の球心Ｃがアークランプ２の中心にほぼ一致することは、これまでの各実施の形態と同様である。
【００５３】
図８は、本実施の形態に係る照明装置の第１の態様を示す。図において、本態様に係る照明装置３０は、球面鏡３に対向する位置に第１の凸レンズ３１と第２の凸レンズ３２とが主光軸に垂直に配置されている。アークランプ２により放射された放射光線は、直接、もしくは球面鏡３で反射された後、第１の凸レンズ３１で一旦屈折され、さらに第２の凸レンズ３２で平行光線となる。平行光線となった以降、インテグレータ２０により収束されるのは、第１の実施の形態に係る照明システム（図２参照）と同様であるため、図面上では照明システム全体の表示は省略されている。なお、本態様における照明装置３０において、第１の凸レンズ３１は、後述するように設計次第では球面鏡３のフードとして兼用することもできる。
【００５４】
図９は、本実施の形態に係る照明装置の第２の態様を示している。図９に示す例は、平行光の光束密度を一定にすることを意図したものである。図において、アークランプ２に対して球面鏡３と対向する位置には、主光軸と垂直に第１の凸レンズ３５、凹レンズ３６、第２の凸レンズ３７が、この順番で配列されている。アークランプ２で放射された放射光は、直接、もしくは球面鏡３で反射された後、前記各レンズ３５、３６、３７を通過した後に平行光線となる。
【００５５】
従来技術による放物面鏡や回転楕円面鏡では、主光軸の周りの光は強度が強いが周辺の強度が極端に弱いのが欠点であり、インテグレータ２０でそれを補っている。図１を用いて説明した本発明の基本原理からも分かるように、本発明に係る照明装置の構造によれば、アークランプ２の放射光を直接、もしくは球面鏡３で反射させた後に非球面凸レンズ４で平行光を得ると、放物面鏡や回転楕円面鏡とは逆に、周辺の方の光束密度が高くなる。それを補正するためにインテグレータ２０を用いればよいのだが、マクロレンズアレイ１２の周辺の要素レンズ１１から照射される光が強くなり、ＬＣＤ１０への入射角が一番大きな光の強度が強くなってしまう。これはＬＣＤ１０の特性上、ＬＣＤ１０での光の利用効率を低下させたり、ＯＮ, ＯＦＦの効果を低下させる等、あまり好ましいことではない。
【００５６】
この問題を解消するには、図９に示すように、本実施の形態に係る複数のレンズから構成される集光装置の内、２枚の凸レンズ３５、３７の間に凹レンズ３６を入れることにより、周辺部の光束も密度が拡散され、中心部と同じような密度とすることができる。あるいは、さら必要であれば、周辺部の光束の密度の拡散の度合いを大きくすることもできる。このように、集光装置を構成するレンズ群の中に少なくとも１つの凹レンズを含ませることにより、上述したような弊害を軽減することができる。
【００５７】
また、中心部と周辺部の光束密度をほとんど同じとするように設定したときには、前述までのインテグレータ２０を省いて、照射対象（この場合ではＬＣＤ１０）を直接照射することとしてもよい。勿論、照射対処の画面に合わせるためのコンデンサ・レンズ１９（図２参照）などの挿入は本実施の形態の本質を逸脱するものではない。
【００５８】
次に、本発明に係る第４の実施の形態の照明装置につき、図面を参照して説明する。一般に、球面鏡にアークランプを取り付けただけである場合、アークランプが破損することもあるので危険である。特に、アークランプとして高圧水銀ランプを使用している場合などには、破損によって水銀が飛散するケースも考えられる。本実施の形態では、万一アークランプの破損があった場合にも、ガラスや水銀などのアークランプ構成要素の飛散を防止することができるフードを設けた照明装置を提供する。
【００５９】
従来技術によれば、アークランプに対して球面鏡と対向する位置に、球面鏡と同径の半球状のフードが設けられることがある。この場合に、照明装置は外見上、フードを含めて全体では球形になる。図１０は、このような構成に係る照明装置４０を示したもので、球面鏡３の前面に半球状のガラス製のフード４１が配置されている。
【００６０】
しかし、このような構成とした場合には、球面鏡３とフード４１とを別々に製造して組み立てる手間がかかる。また、全体が球形であることから、その外側にレンズ群を設けるには設計が難しく、できたとしてもレンズ群、さらには筐体が相当大きなものになってしまう。本実施の形態は、これらの問題を解消し、製造が容易であり、あるいは小型化が可能な飛散防止フード付きの照明装置、及びこれを利用する照明システムを提供するものである。
【００６１】
まず、本実施の形態に係る第１の態様は、先の第３の実施の形態で図８を参照して説明した、球面鏡３に対向して配置される凸レンズの１つをフードとして兼用するものである。すなわち、図８において、第１の凸レンズ３１の外径（光軸に対して垂直方向の外径）を球面鏡３の外径と一致させ、この第１の凸レンズ３１がアークランプ２の前面を覆うようにする。照明装置３０をこのように構成することにより、万一アークランプ２が破損した場合においても、この第１の凸レンズ３１がアークランプ２の構成要素の飛散を防止することとなる。
【００６２】
次に、従来技術においては、図１０に示すように球面鏡３とフード４１とは別物であった。図１１に示す本実施の形態に係る第２の態様では、照明装置４５をガラスなどの透明材料の中空球４６で形成し、その球心にアークランプ２を収めている。そして、アークランプ２に対して中空球４６の半分に当たる半球部分には反射膜４７をコーティングしてこれを球面鏡とする。そして中空球４６の残りの半球部分をフードとして利用する。中空球４６を使用することによって、別体のフードを製造してこれを組み立てる手間が除かれ、生産の効率化を高めることができる。
【００６３】
この態様によれば、反射鏡とフードとを一体に成形するため、従来技術に比べて製造が容易となるが、球体であることは従来技術（図１０参照）と不変であり、照明装置４５の前面にレンズ群を配した場合には、全体としては大きなものとなる。図１２は、この大きくなるという問題を解消する本実施の形態に係る第３の態様の照明装置を示している。図において、球面鏡３の側は球面状を保ちつつ、フード５１は光軸と交わる部分、及びその周辺部分（図の上側部分）でアークランプ２に接近する扁平状に形成されている。
【００６４】
照明装置５０をこのように変形球面体状に形成することで、照明装置の前面に配置するレンズ群をよりアークランプ２に接近した位置に配置できることとなり、照明システム全体をより小型化することができる。なお、図示の例では、照明装置５０を球面鏡３とフード５１とを組み合わせる形式としているが、図１１を参照して説明したものと同様に、これを光軸の前面が扁平となった変形球面体状の中空球とし、球面鏡に当たる部分に反射膜を設けるようにすれば、部品数が削減され、製造が容易となる。
【００６５】
さらに図１３は、これを発展させた本実施の形態に係る第４の態様の照明装置６０を示すもので、扁平状に形成した球面を含む中空球６１の内部にアークランプ２を配している。そして、中空球６１の一部であるフード部分が、集光装置の第１の凸レンズ６２を構成している。フード部分をこのように凸レンズ６２とすることで、第３の態様に比較して第２の凸レンズ６３以下のレンズ群をアークランプ２により接近させることが可能となり、照明システム全体をより小型化することができる。なお、中空球６１の一部に反射膜４７を形成し、球面鏡とする点は先の第２の態様と同様である。さらに、図９に示すように、両凸レンズ６２、６３の間に凹レンズを挿入することとすれば、光束密度の均等な平行光を得ることも可能となる。
【００６６】
【発明の効果】
アークランプのアーク間隙の中心を半球面状の球面鏡の球心に配置する本発明に係る照明装置によれば、光源から発する光を効率よく被投写体に照射することが可能となる。すなわち、従来技術で一般的に使われている放物面鏡や楕円面鏡を使用する照明装置が６０〜７０％程度の光利用効率であるのに対し、本発明による照明装置ではこれを９０％以上の効率とすることができる。したがって、照度を従来技術に係る照明装置と同等にすれば、レンズ口径をより小さくすることが可能となり、さらには照明装置の筐体の大きさを小さくすることが可能となる。
【００６７】
より具体的には、１２０〜１５０Ｗのアークランプの反射面として放物面鏡や楕円面鏡を用いた場合には、照明装置の口径は小さくても直径が５０ｍｍが限界であった。本発明に係る照明装置では開口を直径３０ｍｍ程度まで小さくすることができ、集光用レンズまで含めても直径４０ｍｍと小さくできるので、筐体の大きさ、特に厚さを薄くすることが可能となる。
【００６８】
本発明に係る照明装置によれば、球面鏡の反射膜にはほとんど垂直にアークから発生する光が照射される。したがって、球面鏡のどの部分においても、例えば紫外線と赤外線とを透過させ可視光のみを反射するような均質な反射膜を形成することも可能となり、これによって効率よく可視光のみを照射対象へ送ることができるようになるため、照射対象や、あるいは途中にあるインテグレータなどの部材の劣化を防止できるようにもなる。
【００６９】
本発明に係る照明装置によれば、集光レンズの設定の仕方によって、スクリーン上の照度むらを少なくするためのインテグレータの負担を小さくすることが可能となる。また、球面鏡と集光レンズとインテグレータとを組み合わせることにより、照明対象上の照度むらを少なくすることができ、ひいてはスクリーン上の照度むらを少なくすることができる。
【００７０】
さらに、本発明に係る球面鏡と集光レンズとを一体化させる照明装置によれば、アークランプの破損時のガラスなどの危険破片の飛散防止を兼ねた小型の照明装置とすることができる。
【００７１】
そして、本発明に係る照明装置によれば、偏光整列アレイや偏光変換プリズムを球面鏡、集光レンズ、インテグレータと共に用いることによって、より高い照度のＬＣＤ用照明装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係る照明装置の原理を示す側面図、正面図である。
【図２】  本発明に係る照明装置を使用する照明システムを示す側面図である。
【図３】  本発明に係る照明装置を使用する他の照明システムを示す側面図である。
【図４】  本発明に係る照明装置を使用するさらに他の照明システムを示す側面図である。
【図５】  本発明に係る照明装置を複数個使用する照明システムを示す側面図である。
【図６】  本発明に係る照明装置を複数個使用する他の照明システムを示す側面図である。
【図７】  本発明に係る照明装置を複数個使用するさらに他の照明システムを示す側面図である。
【図８】  本発明に係る照明装置の他の態様を示す側面図である。
【図９】  本発明に係る照明装置のさらに他の態様を示す側面図である。
【図１０】  フードを備えた従来技術による照明装置を示す側面図である。
【図１１】  フードを備えた本発明に係る照明装置を示す側面図である。
【図１２】  フードを備えた本発明に係る照明装置の他の態様を示す側面図である。
【図１３】  フードを備えた本発明に係る照明装置のさらに他の態様を示す側面図である。
【図１４】  従来技術に係る照明装置の例を示す側面図である。
【符号の説明】
１．照明装置、  ２．アークランプ、  ３．球面鏡、  ４．非球面凸レンズ、  ６．電極、  ７．ガラス管、  １０．液晶表示パネル、  １１．要素レンズ、  １２．マクロレンズアレイ、  １３．シリンドリカルレンズ、  １４．第１のシリンドリカル・レンズアレイ、  １５．１／２λ板、  １６．偏光整列プリズムアレイ、  １７．第２のシリンドリカル・レンズアレイ、  １８．コンデンサ・レンズ、  １９．コンデンサ・レンズ、  ２０．インテグレータ、  ２１．偏光変換プリズム、  ３０．照明装置、  ３１．第１の凸レンズ、  ３２．第２の凸レンズ、  ３６．凹レンズ、  ４０．照明装置、  ４１．ガラスフード、  ４５．照明装置、  ４６．中空球、  ４７．反射膜、  ５０．照明装置、  ５５．照明装置、  ６０．照明装置。
【図１】
0004801269.tif 000002
【図２】
0004801269.tif 000003
【図３】
0004801269.tif 000004
【図４】
0004801269.tif 000005
【図５】
0004801269.tif 000006
【図６】
0004801269.tif 000007
【図７】
0004801269.tif 000008
【図８】
0004801269.tif 000009
【図９】
0004801269.tif 000010
【図１０】
0004801269.tif 000011
【図１１】
0004801269.tif 000012
【図１２】
0004801269.tif 000013
【図１３】
0004801269.tif 000014
【図１４】
0004801269.tif 000015