(57)【要約】      （修正有）【課題】  光源から出射された集束光のエタンデュを動的に調節できる照明装置を提供することである。【解決手段】  光源４１と、光源からの光を反射させる凹鏡４２と、凹鏡から反射されたビームの進路上に設けられ、凹鏡で反射された一部のビーム４３を透過させるアパーチャ４６と、凹鏡で反射された残りのビーム４４を反射させる逆反射鏡４５と、を含むことを特徴とする。アパーチャの大きさを可変させられるとにより、エタンデュを動的に調節でき、光束密度を高められる。立体角σを大きくした場合は前記光源方向に反射される光を減らすことで光源の寿命が短縮されることを防止できる。立体角を小さくする場合はさらに小さいエタンデュを要求する、例えばカラーホイールを利用してカラー画像を具現するプロジェクション光学系の照明装置で利用できる。光インテグレータを用いることによってエタンデュが小さくなった均一な光を照明でき、製造コストを下げ、組立工数減らす。【選択図】  図４
2005085768.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を生成照明する光源と、
前記光源から照明されたビームが一方向に向かうように、入射された光を反射させる凹鏡と、
前記凹鏡から反射されたビームの焦点上に設けられ、前記凹鏡から反射された一部のビームを透過させるアパーチャと、前記凹鏡から反射された残りのビームを反射返しさせる反射面とを有する逆反射鏡と、を含むことを特徴とする照明装置。
【請求項２】
前記凹鏡は第１及び第２焦点を有する楕円鏡であり、
前記光源はほぼ前記第１焦点に位置し、
前記逆反射鏡は前記第２焦点位置に配置されたことを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
【請求項３】
前記逆反射鏡のアパーチャはその大きさが可変であり、
前記アパーチャを可変させる可変ユニットをさらに含み、前記逆反射鏡のアパーチャのサイズを可変させることにより前記反射面から反射返しされるビームを動的に調節できるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
【請求項４】
前記反射面は入射光軸に垂直をなすように配置された平面であり、
前記アパーチャは前記反射面の中央部に設けられ、四角形または円形に形成されたことを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
【請求項５】
前記光源は、
アーク放電により光を生成するアークランプであることを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
【請求項６】
前記アークランプのアークギャップＧａは下記の条件式を満足することを特徴とする請求項５に記載の照明装置：
＜条件式＞
０．７≦Ｇａ≦３［ｍｍ］。
【請求項７】
前記凹鏡から反射されたビームの進路上に設けられ、入射されたビームを混合して出射させる光インテグレータをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
【請求項８】
前記逆反射鏡は前記光インテグレータの出射端部に設けられ、前記光インテグレータを経由して入射されたビームの一部を反射返しさせられることを特徴とする請求項７に記載の照明装置。
【請求項９】
前記逆反射鏡は前記光インテグレータの入射端部に設けられ、前記光インテグレータの入射端部を外れたビームを前記凹反射鏡方向に反射返しさせられることを特徴とする請求項７に記載の照明装置。
【請求項１０】
前記光インテグレータは、
ガラスまたはプラスチック材質からなる直六面体形状のロッドを含み、
入射ビームを周辺との屈折率差によって全反射させられることを特徴とする請求項７に記載の照明装置。
【請求項１１】
前記光インテグレータは、
入射されたビームが進む内部空間を覆う鏡筒と、前記鏡筒の内側壁に形成された反射部とを含み、
入射されたビームを前記反射部から反射されつつ内部で進みつつ均一なビームにすることを特徴とする請求項７に記載の照明装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光源で生成された光を一方向に照明する照明装置に係り、さらに詳細には光源から出射された光のエタンデュ(etendue)を動的に調節できる構造の照明装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、照明装置は自主的な発光能力のない液晶表示素子またはデジタルマイクロミラー素子などの画像形成素子を利用して画像を具現する画像投射装置などの光源に広く利用される。
【０００３】
画像投射装置で最大光効率を達成するために、光源のエタンデュは画像形成素子の限界エタンデュと同じであるかそれより小さいことが要求される。そうでなければ、光源と画像形成素子のエタンデュは相互一致せずに、それにより光損失が発生する。ここで、エタンデュはビームの発散及び断面大きさと関連した光学素子の幾何学的性質を示し、その値が小さいほど光束密度が高まって明るさが向上する。
【０００４】
一般的な照明装置は、光を生成する光源と、この光源から出射された光を一方向に反射させる反射鏡とより構成されて所定のエタンデュ値を有する。このエタンデュ値はビームの集束される地点であるターゲットでのビーム断面大きさとビームの立体角とを掛け合わせることによりたやすく分かる。例えば、反射鏡として第１及び第２焦点を有する楕円鏡を採用して第１焦点位置に光源を配置した場合、第２焦点位置でのビーム断面大きさと立体角とをそれぞれ測定し、この測定されたビーム断面大きさと立体角とを掛け合わせることによりそのエタンデュ値を求められる。
【０００５】
前記のエタンデュ値を下げるための方法として、従来には図１ないし図３それぞれに図示されたような構造の照明装置が開示されたことがある。
【０００６】
図１を参照すれば、従来の一例による照明装置は、第１及び第２焦点ｆ１,ｆ２を有する楕円鏡１１と、この楕円鏡１１の第１焦点ｆ１に位置した光源１２と、前記光源１２を挟んで前記楕円鏡１１と対面するように配置される逆反射鏡１５とを含む。ここで、逆反射鏡１５は球形よりなり、その中央部には入射ビームが透過するアパーチャ１５ａが形成されている。
【０００７】
ここで、前記光源１２から出射されたビームのうちほぼ半分のビーム１４（実線で示される）は前記楕円鏡１１に直接入射され、残りの一部のビーム１６（点線で示される）は前記逆反射鏡１５に入射される。楕円鏡１１に直接入射されたビームはその反射面１１ａから反射され、前記アパーチャ１５ａを通過して第２焦点ｆ２に結ばれる。一方、前記逆反射鏡１５に入射されたビームは光源１２方向に反射返し（戻り反射）され、この光源１２を過ぎて前記楕円鏡１１に向かう。この反射返しされたビーム１６は前記楕円鏡１１から反射された後で前記アパーチャ１５ａを通過して第２焦点ｆ２に結ばれる。
【０００８】
このように照明装置を構成する場合、前記楕円鏡１１による集束角θはほぼ９０°であり、前記逆反射鏡１５のない構造を有する照明装置の集束角１２０°より、ほぼ３０°ほど小さい集束角を有する。従って、立体角σをさらに小さくできるのでエタンデュを小さくできる。
【０００９】
しかし、このように照明装置を構成する場合、第一に、逆反射鏡を備えなければならないので、製造コストがかさみ、第二に、逆反射鏡の正確な配置のために組み立て工程手数が多くなり、第三に、アパーチャの大きさが固定されているのでエタンデュを動的に調節することが困難であり、第四に、光源から照明された光のほぼ半分が再び光源に入射されるので光源の寿命に影響を及ぼす問題点がある。
【００１０】
図２を参照すれば、従来の他の例による照明装置は、一つの焦点を有する放物鏡２１と、この放物鏡２１の焦点に位置した光源２２と、前記光源２２を挟んで前記放物鏡２１の一部と対面するように配置される逆反射鏡２５とを含む。ここで、逆反射鏡２５は図示されたように光軸を中心に一方にだけ形成されており、放物鏡２１はその集束角θが１２０°の値を有するように設定されている。
【００１１】
前記光源２２から出射されたビームのうち前記放物鏡１１の集束角θの範囲内に入射されたビームは前記放物鏡２１から反射される。この反射されたビームのうちほぼ半分のビーム２４（実線で示される）は平行を保持した状態でターゲット２３に直接入射される。
【００１２】
一方、残りのビーム２４（点線で示される）は前記逆反射鏡２５に入射される。この逆反射鏡２５に入射されたビームは前記放物鏡２１に反射返しされ、この反射返しされたビームは光源２２を過ぎて前記放物鏡２１の他の反射面に向かう。その後、実線で図示されたビームと同一経路でターゲット２３に向かう。
【００１３】
このように照明装置を構成する場合、ターゲット２３での入射ビームの断面を小さくできるので、エタンデュを小さくできる。
【００１４】
しかし、このように照明装置を構成する場合、第一に、逆反射鏡の大きさが固定されているのでエタンデュを動的に調節することが困難であり、第二に、光源から照明された光のほぼ半分が再び光源に入射されるので光源の寿命に影響を及ぼす問題点がある。
【００１５】
図３を参照すれば、従来のさらに他の例による照明装置は、一つの焦点を有する放物鏡３１と、この放物鏡３１の焦点に位置した光源３２と、前記光源３２を挟んで前記放物鏡３１の所定外周領域と対面するように配置される逆反射鏡３５とを含む。ここで、逆反射鏡３５はその中央に入射ビームが通過するアパーチャ３５ａが形成されている。また、放物鏡３１はその集束角θが１２０°の値を有するように設定されている。
【００１６】
前記光源３２から出射されたビームのうち前記放物鏡３１の集束角θの範囲内に入射されたビームは前記放物鏡３１から反射される。この反射されたビームのうち一部のビーム３４（実線で示される）はアパーチャ３５ａに向かい、このアパーチャ３５ａを透過してターゲット３３に直接入射される。
【００１７】
一方、残りのビーム３６（点線で示される）は前記逆反射鏡３５に入射される。この逆反射鏡３５に入射されたビームは前記放物鏡３１に反射返しされ、この反射返しされたビームは光源３２を過ぎて前記放物鏡３１の他の反射面に向かう。その後、実線で図示されたビームと同一経路でターゲット３３に向かう。
【００１８】
このように照明装置を構成する場合、ターゲット３３での入射ビームの断面を小さくできるので、エタンデュを小さくできる。
【００１９】
しかし、このように照明装置を構成する場合、第一に、アパーチャの大きさが固定されているのでエタンデュを動的に調節することが困難であり、第二に、光源から照明された光のほぼ半分が再び光源に入射されるので光源の寿命に影響を及ぼす問題点がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
本発明は前記のような問題点を勘案して案出されたものであり、製造コストを下げ、組立工程手数を単純化しつつ光源に及ぼす影響を最小化できるようにすると共に、アパーチャのサイズを可変させてエタンデュを動的に調節できる照明装置を提供するところに目的がある。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
前記の目的を達成するために本発明による照明装置は、光を生成照明する光源と、前記光源から照明されたビームが一方向に向かうように、入射された光を反射させる凹鏡と、前記凹鏡から反射されたビームの進路上に設けられ、前記凹鏡から反射された一部のビームを透過させるアパーチャと、前記凹鏡から反射された残りのビームを反射返し（戻り反射）させる反射面とを有する逆反射鏡とを含むことを特徴とする。
【００２２】
また、前記逆反射鏡のアパーチャはその大きさが可変であり、前記アパーチャを可変させる可変ユニットをさらに含み、前記逆反射鏡のアパーチャのサイズを可変させることにより、前記反射面から反射返しされるビームを動的に調節できることを特徴とする。
【００２３】
また、本発明は前記凹鏡から反射されたビームの進路上に設けられ、入射されたビームを混合して出射させる光インテグレータをさらに含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２４】
本発明による照明装置は、アパーチャの大きさを可変させられる構造の逆反射鏡を利用することにより、本発明の照明装置が採用される装置によりアパーチャのサイズを可変させてエタンデュを動的に調節できる。従って、集束光の光束密度を高められる。
【００２５】
ここで、立体角σを大きく設定した場合は前記光源方向に反射返しされる光を減らすことができて光源のロードを減少させられるので、その寿命が短縮されることを相当部分防止できる。
【００２６】
一方、立体角を小さくする場合はエタンデュを小さくできるので、さらに小さいエタンデュを要求するプロジェクション光学系、例えばカラーホイールを利用してカラー画像を具現するプロジェクション光学系の照明装置で利用できる。
【００２７】
また、光インテグレータを照明装置と共に構成することによってエタンデュが小さくなった均一な光を照明できる。そして、構成がコンパクト化されるので、製造コストを下げられて組立工程手数を単純化できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、添付図面を参照しつつ本発明の実施例を詳細に説明する。
【００２９】
図４を参照すれば、本発明の一実施例による照明装置は、光を生成照射する光源４１と、この光源４１から出射されたビームを一方向に向ける凹鏡４２と、前記光源４１を挟んで前記凹鏡４２と対面するように配置される逆反射鏡４５とを含む。前記逆反射鏡４５は前記凹鏡４２から反射されたビームの進路上に設けられ、前記凹鏡４２から反射された一部のビームを透過させるアパーチャ４６と、前記凹鏡４２から反射された残りのビームを反射返し（戻り反射）させる反射面４７とを備える。前記反射面４７はその面が入射光軸に垂直をなすように配置された平面からなることが望ましい。前記アパーチャ４６は前記反射面４７の中央部に設けられ、四角形状または円形状に形成される。
【００３０】
また、本実施例による照明装置は前記アパーチャ４６を可変とし、これを可変させる可変ユニット５０をさらに含むことが望ましい。この場合、前記可変ユニット５０を介して前記アパーチャ４６の大きさを可変させることによって前記反射面４７から反射返しされるビームを動的に調節できる。この可変ユニット５０は本発明の照明装置が採用される光学システム、例えばプロジェクション投射光学装置の類型によって前記アパーチャ４６の大きさを異ならせて可変させ、駆動源５１と、制御部５５とより構成される。この可変ユニット５０の機構的な構成それ自体は一般的なので詳細な説明は省略する。
【００３１】
前記凹鏡４２は、第１及び第２焦点ｆ１,ｆ２を有する楕円鏡であることが望ましい。この場合、前記光源４１はほぼ前記第１焦点ｆ１に位置し、前記光源４１から照明されて前記凹鏡４２から反射されたビームが前記第２焦点ｆ２周辺に集束される。また、前記逆反射鏡４５は前記第２焦点ｆ２位置に配置される。
【００３２】
前記光源４１の例としては、アーク放電により光を生成するアークランプが挙げられる。この場合、アークランプは放電に寄与する物質により、メタル−ハライドランプと、キセノンランプなどに区分され、いずれを採用してもよい。
【００３３】
前記アークランプのアークギャップＧａは照明されるビームの明るさなどを考慮して数式１の条件を満足することが望ましい。
[数式１]
０．７≦Ｇａ≦３［ｍｍ］
【００３４】
前記の通り構成された本発明の一実施例による照明装置の動作を述べれば次の通りである。
【００３５】
ほぼ第１焦点ｆ１に位置した光源４１から出射されたビームの大部分は前記凹鏡４２に直接入射され、その反射面から第２焦点ｆ２方向に反射される。ここで、光源４１からのビームの発生を述べれば、点光源から始まって発生するのでなく、アークギャップＧａ間から発生して進むことが分かる。従って、前記凹鏡４２を楕円鏡で形成した場合においても、反射されたビームが全部第２焦点ｆ２に向かうのでなく、図示されたように第２焦点ｆ２周辺に広く分布することが分かる。
【００３６】
すなわち、反射されたビームのうち一部のビーム４３（実線で示される）は前記アパーチャ４６に直接入射される。一方、残りのビーム４４（点線で示される）は前記反射面４７に入射され、その反射面４７から前記凹鏡４２方向に反射返しされる。この反射返しされたビームは前記凹鏡４２で再反射されて他の経路で前記逆反射鏡４５の方向に向かう。このビームのうち一部は前記アパーチャ４６を透過し、残りは反射面４７から反射返しされる。このような反射過程を反復しつつ、前記光源４１から照明されて前記凹鏡４２で反射されたほとんど全てのビームが前記アパーチャ４６を透過する。
【００３７】
前記アパーチャ４６は前記可変ユニット５０によって可変されるので、そのアパーチャ４６の大きさを動的に制御できる。従って、前記アパーチャ４６を透過するビームの立体角σを調節できる。ここで、立体角σが大きい場合は反射返しされるビームが減るので、前記光源４１方向に向かう光を減らせる。
【００３８】
これにより、前記光源４１のロードを減少させられるのでその寿命が短縮されることを相当部分防止できる。一方、立体角σを小さくする場合はエタンデュを小さくできるので、さらに小さいエタンデュを要求するプロジェクション光学系、例えばカラーホイールを利用してカラー画像を具現するプロジェクション光学系の照明装置で利用できる。
【００３９】
図５は図４の逆反射鏡のアパーチャのサイズ変化による相対的な光束変化を示したグラフである。ここで、Ａが指示する値はアパーチャと反射面を有する場合においてアパーチャのサイズ変化による光束変化を示したものであり、Ｂが指す値は反射面の代わりに入射ビームを吸収できる面を有する場合においてアパーチャのサイズ変化による光束変化を示したものである。
【００４０】
本グラフについて述べれば、本発明の実施例のように反射面４７を有する場合は、アパーチャが小さい場合にも相対的な光束変化が少ないことが分かる。一方、比較例のように吸収面（図示せず）を有する場合は、アパーチャが大きい時は差が大きく起きないが、アパーチャが小さい時は相対的な光束が大きく低下することが分かる。
【００４１】
図６を参照すれば、本発明の他の実施例による照明装置は、光を生成照射する光源６１と、この光源６１から出射されたビームを一方向に向ける凹鏡６２と、前記光源６１を挟んで前記凹鏡６２と対面するように配置される逆反射鏡６５と、光インテグレータ７０とを含む。また、前記逆反射鏡６５のアパーチャ６６を可変させる可変ユニット８０を含む。
【００４２】
本実施例による照明装置は前述の一実施例による照明装置と比較してみる時、光インテグレータ７０をさらに備えたところに特徴がある。一方、本実施例において残りの構成要素、すなわち光源６１、凹鏡６２、逆反射鏡６５及び可変ユニット８０は図４を参照しつつ説明した通りなのでその詳細な説明は省略する。
【００４３】
前記光インテグレータ７０は前記凹鏡６２から反射されたビームの進路上に設けられ、入射されたビームを混合して均一なビームにする。この光インテグレータ７０は前記凹鏡６２から反射されたビームが入射される入射端部７０ａと、この入射端部７０ａを介して入射された光の進行を反射を介してガイドする反射部７０ｂと、前記反射部７０ｂから反射されつつ混合されたビームが出射される出射端部７０ｃとを有する。
【００４４】
一実施例による光インテグレータ７０は図７に図示されたような構造の直六面体形状のロッド７１より構成される。このロッド７１はガラスまたはプラスチック材より構成され、周辺より高い屈折率を有する。従って、入射ビーム入射角と屈折率の差によって前記反射部７０ｂで全反射されつつ、前記入射端部７０ａを介して入射されたビームが前記出射端部７０ｃの方向に進む。これにより、前記光源６１側から入射された不均一ビームが全反射されつつ等しく混ざりつつ均一なビームになる。
【００４５】
他の実施例による光インテグレータ７０は図８に図示されたように、入射されたビームが進む内部空間を覆う鏡筒７５と、前記鏡筒７５の内側壁に形成された反射面７０ｂとを含む。従って、入射端部７０ａを介して入射されたビームを前記反射部から反射させつつ内部で進めつつ均一ビームにする。
【００４６】
前記逆反射鏡６５は前記出射端部７０ｃと対面するように配置されて出射ビームを規制する。すなわち、前記アパーチャ６６の大きさが前記出射端部７０ｃの大きさより小さく形成される。従って、前記出射端部７０ｃから出射されたビームの一部は前記反射面６７から反射返しされ、この反射返しされたビームは前記光インテグレータ７０の内部を再び通過して前記凹鏡６２方向に向かう。この後、前記凹鏡６２で再反射されて他の経路で前記逆反射鏡６２方向に向かう。このビームのうち一部は前記アパーチャ６６を透過するようになり、残りは反射面６７から反射返しされる。このような反射過程を反復しつつ、前記光源６１から照明されて前記凹鏡６２から反射されたほとんど全てのビームが前記アパーチャ６６を透過する。
【００４７】
前記のように構成することにより、光源６１から照明されたビームを均一にすると共に、前記アパーチャ６６の大きさを動的に制御することによって前記アパーチャ６６を透過するビームの立体角を調節できる。
【００４８】
図９を参照すれば、本発明のさらに他の実施例による照明装置は、光を生成照射する光源１６１と、この光源１６１から出射されたビームを一方向に向ける凹鏡１６２と、前記光源１６１を挟んで前記凹鏡１６２と対面するように配置され、アパーチャ１６６と反射面１６７とを有する逆反射鏡１６５と、光インテグレータ１７０とを含む。また、前記逆反射鏡１６５のアパーチャ１６６を可変させる可変ユニット１８０を含む。
【００４９】
本実施例による照明装置は前述の他の実施例による照明装置と比較してみる時、光インテグレータ１７０の配置を変更したところにその特徴がある。
【００５０】
一方、本実施例において光源１６１、凹鏡１６２、逆反射鏡１６５、可変ユニット１８０及び光インテグレータ１７０それ自体の構成及び機能は図４及び図８を参照しつつ説明した通りなのでその詳細な説明は省略する。
【００５１】
前記光インテグレータ１７０は前記逆反射鏡１６５のアパーチャ１６６を透過した光の進路上に設けられ、入射されたビームを混合して均一なビームにする。この場合、光インテグレータ１７０の入射端部を外れたビームは反射面１６７で反射されて前記凹鏡１６２方向に反射返しされる。
【００５２】
前記の実施例は例示的なものに過ぎず、当技術分野の当業者ならば、これから多様な変形及び均等な他の実施例が可能である。従って、本発明の真の技術的保護範囲は特許請求の範囲に記載された発明の技術的思想により決まるものである。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
本発明による照明装置は自主的に発光能力のない液晶表示素子またはデジタルマイクロミラー素子などの画像形成素子を利用して画像を具現する画像投射装置に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】従来の楕円鏡を利用した照明装置を示した概略的な断面図である。
【図２】従来の放物鏡を利用した照明装置の一例を示した概略的な断面図である。
【図３】従来の放物鏡を利用した照明装置の他の例を示した概略的な断面図である。
【図４】本発明の一実施例による照明装置を示した概略的な断面図である。
【図５】図４の逆反射鏡のアパーチャのサイズ変化による相対的な光束変化を示したグラフである。
【図６】本発明の他の実施例による照明装置を示した概略的な断面図である。
【図７】図６に図示された一例による光インテグレータ及び逆反射鏡を示した概略的な斜視図である。
【図８】図６の光インテグレータの他の例を示した概略的な断面図である。
【図９】本発明のさらに他の実施例による照明装置を示した概略的な断面図である。
【符号の説明】
【００５５】
４１  光源
４２  凹鏡
４３  一部の光
４４  残りの光
４５  逆反射鏡
４６  アパーチャ
４７  反射面
５０  可変ユニット
５１  ドライバ
５５  制御部
ｆ１  第１焦点
ｆ２  第２焦点
Ｇａ  アークギャップ
σ  立体角
【図１】
2005085768.tif 000003
【図２】
2005085768.tif 000004
【図３】
2005085768.tif 000005
【図４】
2005085768.tif 000006
【図５】
2005085768.tif 000007
【図６】
2005085768.tif 000008
【図７】
2005085768.tif 000009
【図８】
2005085768.tif 000010
【図９】
2005085768.tif 000011