(57)【要約】【課題】光源からの光を光軸により近い角度分布内で集光することができる光学装置、及びプロジェクタを提供する。【解決手段】光学装置５は、楕円軸を含む平面で分割した部分楕円球殻内面を反射面として有する反射鏡２で、第１の焦点に位置する光源１の発光中心（発光部）１１からの光を第２の焦点に位置するロッドインテグレータ（光学部品）４の入射端（受光部）４１に集光し、ロッドインテグレータ４の光軸を、入射端４１が反射鏡２に対向するように、楕円軸に対して傾斜して構成してある。反射鏡２で集光されて入射端４１に入射する光の光軸に対する入射角度の分布が従来技術に比べて小さくなり、また、ロッドインテグレータ４の入射端４１に入射する光の光軸付近に分布する光の量が大きくなる。【選択図】図１
2007286517.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、該光源からの光を反射して集光する部分楕円球殻内面を反射面として有する反射鏡と、該反射鏡が集光した光を受光する光学部品とを備え、前記反射鏡の二つの焦点の内、前記反射鏡により近い第１の焦点に前記光源の発光部を配置し、第２の焦点に前記光学部品の受光部を配置してある光学装置において、
前記反射鏡は、前記反射鏡の二つの焦点を通る楕円軸周りに一部を欠いた形状になしてあり、
前記光学部品の受光部が前記反射鏡の反射面に対向するように、前記光学部品の光軸を前記楕円軸に対して傾けてあること
を特徴とする光学装置。
【請求項２】
光源と、該光源からの光を反射して集光する部分楕円球殻内面を反射面として有する反射鏡と、該反射鏡が集光した光を受光する光学部品とを備え、前記反射鏡の二つの焦点の内、前記反射鏡により近い第１の焦点に前記光源の発光部を配置し、第２の焦点に前記光学部品の受光部を配置してある光学装置において、
前記反射鏡は、前記反射鏡の二つの焦点を通る楕円軸を含む平面で分割した形状になしてあり、
前記平面に実質的に直交して前記楕円軸を含む平面内で、前記光学部品の受光部が前記反射鏡の反射面に対向するように、前記光学部品の光軸を前記楕円軸に対して傾けてあること
を特徴とする光学装置。
【請求項３】
前記光源からの光を反射する部分球殻内面を反射面として有する球面反射鏡を更に備え、
前記楕円軸に対して前記反射鏡と互いの反射面が対向する位置に、前記球面反射鏡の焦点が前記光源の発光部の位置に実質的に一致するように前記球面反射鏡を配置してあること
を特徴とする請求項１又は２に記載の光学装置。
【請求項４】
前記光学部品の光軸を前記楕円軸に対して傾けてある角度は、前記光源の発光部から前記楕円軸に垂直に出て前記反射鏡で反射した光の光路と前記楕円軸とがなす角度以下であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一つに記載の光学装置。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか一つに記載の光学装置と、
該光学装置からの光を導く手段と、
該手段が導いた光を照射される画像デバイスと、
該画像デバイスからの光を投射する手段と
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、光源からの光の広がりを押さえながら集光する光学装置、及び該光学装置が集光した光を用いて画像を投影するプロジェクタに関する。
【背景技術】
【０００２】
プレゼンテーション又は映像の映写の分野では、画像を形成した液晶パネル又はＤＭＤ（Digital Micromirror Device）等の画像デバイスに光を照射し、画像デバイスで反射又は画像デバイスを透過した光をスクリーン又は壁等に投射することによって、画像を投影するプロジェクタが用いられている。通常のプロジェクタでは、放電ランプ等の光源から発光される光を曲面の反射鏡で集光し、集光した光を用いて画像を投影する。特許文献１〜４には、光源からの光を反射鏡で効率的に集光し、集光した光を有効に利用して画像を投影するための技術の例が開示されている。
【０００３】
図６は、光源からの光を集光する従来の光学装置の構成例を示す模式的断面図である。光学装置は、放電ランプである光源７１と、内面を回転楕円面に形成した反射鏡７２と、ロッドインテグレータ７３とを備えている。ロッドインテグレータ７３は、透光性材をロッドの形状に形成した光学部品であり、一端から入射された光を内部で複数回反射させ、輝度分布が略均一となった光を他端から出射する。図中には光学装置の光軸を一点鎖線で示しており、この光軸は回転楕円面の楕円軸に一致する。放電ランプである光源７１の軸は回転楕円面の楕円軸に一致しており、光源７１の発光中心が回転楕円面の第１の焦点に位置し、ロッドインテグレータ７３の入射端が回転楕円面の第２の焦点に位置するように構成されている。このように光学装置を構成することにより、第１の焦点にある光源７１の発光中心が発光した光は、反射鏡７２で反射され、第２の焦点にあるロッドインテグレータ７３の入射端に集光される。このように、光源７１からの光を効果的に集光することができるので、光源７１が発光する光を有効に利用することが可能となる。
【特許文献１】特開２００２−３１８４８号公報
【特許文献２】特開２００１−２９０２１８号公報
【特許文献３】特開２００１−３３７３９４号公報
【特許文献４】特開２００５−１９６１２７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、図６に示した構成の光学装置では、ロッドインテグレータ７３の入射端に入射する光には光軸に対する傾きが大きい光が多く含まれる。光軸に対する入射角が大きい光は、収差が大きく、収差を補正するための光学系にコストが掛かるという問題がある。また、光軸上に光源７１を配置するために反射鏡７２の光軸上に位置する部分には開口部を設けているので、ロッドインテグレータ７３の入射端に入射する光の入射角度分布では光軸付近に分布する光が少なくなる。光軸付近に分布する光量が少ない光は、プロジェクタで用いた場合に投影する画像の解像度、コントラスト及び色純度等を悪化させる原因となる。
【０００５】
本発明は、斯かる事情に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、反射鏡の光軸と反射鏡からの光を受光する光学部品の光軸とをずらして配置することにより、光源からの光を光軸により近い角度分布内で集光することができる光学装置、及びプロジェクタを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る光学装置は、光源と、該光源からの光を反射して集光する部分楕円球殻内面を反射面として有する反射鏡と、該反射鏡が集光した光を受光する光学部品とを備え、前記反射鏡の二つの焦点の内、前記反射鏡により近い第１の焦点に前記光源の発光部を配置し、第２の焦点に前記光学部品の受光部を配置してある光学装置において、前記反射鏡は、前記反射鏡の二つの焦点を通る楕円軸周りに一部を欠いた形状になしてあり、前記光学部品の受光部が前記反射鏡の反射面に対向するように、前記光学部品の光軸を前記楕円軸に対して傾けてあることを特徴とする。
【０００７】
本発明においては、楕円軸周りに一部を欠いた部分楕円球殻内面を反射面として有する反射鏡を用いて、第１の焦点に位置する光源の発光部からの光を第２の焦点に位置する光学部品の受光部に集光する光学装置は、受光部が反射鏡の反射面に対向するように、光学部品の光軸を楕円軸に対して傾斜して構成してある。
【０００８】
本発明に係る光学装置は、光源と、該光源からの光を反射して集光する部分楕円球殻内面を反射面として有する反射鏡と、該反射鏡が集光した光を受光する光学部品とを備え、前記反射鏡の二つの焦点の内、前記反射鏡により近い第１の焦点に前記光源の発光部を配置し、第２の焦点に前記光学部品の受光部を配置してある光学装置において、前記反射鏡は、前記反射鏡の二つの焦点を通る楕円軸を含む平面で分割した形状になしてあり、前記平面に実質的に直交して前記楕円軸を含む平面内で、前記光学部品の受光部が前記反射鏡の反射面に対向するように、前記光学部品の光軸を前記楕円軸に対して傾けてあることを特徴とする。
【０００９】
本発明においては、楕円軸を含む平面で分割した形状の部分楕円球殻内面を反射面として有する反射鏡を用いて、第１の焦点に位置する光源の発光部からの光を第２の焦点に位置する光学部品の受光部に集光する光学装置は、前記平面に直交して楕円軸を含む平面内で、受光部が反射鏡の反射面に対向するように、光学部品の光軸を楕円軸に対して傾斜して構成してある。
【００１０】
本発明に係る光学装置は、前記光源からの光を反射する部分球殻内面を反射面として有する球面反射鏡を更に備え、前記楕円軸に対して前記反射鏡と互いの反射面が対向する位置に、前記球面反射鏡の焦点が前記光源の発光部の位置に実質的に一致するように前記球面反射鏡を配置してあることを特徴とする。
【００１１】
また本発明においては、部分球殻内面を反射面として有する球面反射鏡を、光源の発光部に焦点を一致させて、反射鏡と互いの反射面を対向させて配置することにより、光源からの光を反射鏡へ反射する。
【００１２】
本発明に係る光学装置は、前記光学部品の光軸を前記楕円軸に対して傾けてある角度は、前記光源の発光部から前記楕円軸に垂直に出て前記反射鏡で反射した光の光路と前記楕円軸とがなす角度以下であることを特徴とする。
【００１３】
また本発明においては、楕円軸に対して光学部品の光軸が傾斜した角度が、光源の発光部から楕円軸に垂直に発光して反射鏡で反射した光の光路と楕円軸とがなす角度以下となるように光学装置を構成する。
【００１４】
本発明に係るプロジェクタは、本発明のいずれか一つに係る光学装置と、該光学装置からの光を導く手段と、該手段が導いた光を照射される画像デバイスと、該画像デバイスからの光を投射する手段とを備えることを特徴とする。
【００１５】
また本発明においては、プロジェクタは、本発明の光学装置からの光を用いて画像を投影する。
【発明の効果】
【００１６】
本発明にあっては、反射鏡で集光されて光学部品が受光部で受光する光の、光学部品の光軸に対する入射角度の分布を従来技術に比べて小さくし、光学部品を含んだ光学系で利用するための光の発散角度を小さくすることができる。また、反射鏡で集光されて光学部品が受光部で受光する光について、光学部品の光軸付近に分布する光の量を従来技術に比べて大きくすることができる。
【００１７】
また本発明にあっては、球面反射鏡で光源からの光を反射鏡へ反射することにより、光源からの光を効率よく反射鏡で集光することができる。
【００１８】
また本発明にあっては、楕円軸に対して光学部品の光軸が傾斜した角度を、光源の発光部から楕円軸に垂直に発光して反射鏡で反射した光の光路と楕円軸とがなす角度以下とすることにより、反射鏡が集光する光の光学部品の光軸に対する入射角度を効果的に小さくすることができる。
【００１９】
更に本発明にあっては、本発明の光学装置を備えたプロジェクタは、光源が発光して反射鏡で集光した光を、発散角度を小さくした状態で利用することができるので、光学部品以降の光学系で補正すべき収差が小さくなり、また光学系のサイズも小さくすることができる。従って、プロジェクタのコストの低下及び小型化を実現することができる。またプロジェクタは、光源が発光して反射鏡で集光した光を、光軸付近に分布する光量を多くした状態で利用することができるので、画像を投影する場合に画像の解像度、コントラスト及び色純度等を悪化させる原因が減少し、良好な画質の画像を投影することが可能となる等、本発明は優れた効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下本発明をその実施の形態を示す図面に基づき具体的に説明する。
図１は、本発明のプロジェクタの光学系の構成を示す模式的断面図である。図中には、一部の光の経路を矢印付の実線で示している。本発明のプロジェクタは、光源１と、光源１からの光を反射・集光する反射鏡２及び球面反射鏡３と、カラーホイール６１と、反射鏡２及び球面反射鏡３が反射してカラーホイール６１を通過した光が入射されるロッドインテグレータ４と、ＤＭＤ（画像デバイス）６３と、ロッドインテグレータ４を通過した光をＤＭＤ６３へ照射する照明光学系６２と、ＤＭＤ６３が反射した光を外部へ投射する投射光学系６４とを備えている。
【００２１】
光源１は、メタルハライドランプ又は超高圧水銀ランプ等の放電ランプで構成され、白色光を発光する。カラーホイール６１は、円盤の中心軸周りに夫々に固有の色の光を透過させる複数のフィルタを配して構成されており、中心軸を回転軸として回転する。回転するカラーホイール６１を光源１からの白色光が通過することによって、複数色の光が時分割で生成される。ロッドインテグレータ４は、カラーホイール６１を通過した光が入射され、入射した光を内面で多数回反射させて光強度分布を均一に調整した光を出射する。照明光学系６２は、複数のレンズ及びミラー等からなり、ロッドインテグレータ４が出射した光を集光してＤＭＤ６３へ照射する。ＤＭＤ６３は、夫々が画像中の画素に対応する多数の微小ミラーを２次元的に配置してなり、発光する画素に対応する微小ミラーが投射光学系６４の方向へ光を反射し、また非発光の画素に対応する微小ミラーが投射光学系６４へは入射しない方向へ光を反射することにより、投射光学系６４の方向への反射光の有無で２次元の画像を形成する。
【００２２】
回転するカラーホイール６１を白色光が通過して各色の光が生成し、生成した光の光強度分布をロッドインテグレータ４が調整し、ＤＭＤ６３は各色の光に対応する画像を形成し、画像を形成したＤＭＤ６３からの光を投射光学系６４によって外部へ投射することにより、本発明のプロジェクタは、各色の光の像でなる画像を外部のスクリーン又は壁等に投影する。カラーホイール６１の回転に応じて各色の画像が時分割で順に投影され、使用者にはカラー画像として認識される。
【００２３】
光源１、反射鏡２、球面反射鏡３及びロッドインテグレータ４は、本発明の光学装置５を構成する。反射鏡２は、二つの焦点を通る楕円軸に交差する面で回転楕円球殻を切断し、更に楕円軸を含む平面で分割した部分楕円球殻内面の形状に反射面を形成してある。図１中には楕円軸を一点鎖線で示してある。また反射鏡２の二つの焦点の内、反射鏡２により近い第１の焦点に光源１の発光中心（発光部）１１が配置されている。球面反射鏡３は、球殻を半分に分割した部分球殻内面の形状に反射面を形成してあり、光源１の発光中心１１に球面反射鏡３の焦点が一致するように配置されている。
【００２４】
図２は、光源１、反射鏡２及び球面反射鏡３の配置を正面から見た模式的正面図である。光源１を配置するために、反射鏡２及び球面反射鏡３は光源１に干渉する部分を取り除いて構成してある。光源１の位置が反射鏡２の楕円軸の位置であり、この楕円軸を境にして反射鏡２と球面反射鏡３とが互いの反射面を対向させて配置されている。光源１の発光中心１１から球面反射鏡３に対して発光された光は、球面反射鏡３によって反射鏡２へ反射される。
【００２５】
ロッドインテグレータ４は、本発明における光学部品であり、ロッドインテグレータ４の入射端（受光部）４１は、反射鏡２の第２の焦点に配置されている。発光中心１１から反射鏡２に対して発光された光、及び球面反射鏡３から反射鏡２へ反射された光は、反射鏡２で反射され、ロッドインテグレータ４の入射端４１に集光される。ロッドインテグレータ４は、反射鏡２で集光された光を入射端４１で受光し、光強度分布を調整して出射する。
【００２６】
図１中には、ロッドインテグレータ４の光軸を一点鎖線で示している。ロッドインテグレータ４を出射した光は、この光軸に沿ってＤＭＤ６３へ照射される。本発明の光学装置５は、楕円軸を含み反射鏡２の楕円軸回りの中心部を通る平面内で、ロッドインテグレータ４の入射端４１が反射鏡２の反射面に対向するように、ロッドインテグレータ４の光軸を楕円軸に対して傾けて構成してある。このような構成とすることで、ロッドインテグレータ４の入射端４１に反射鏡２から入射する光の入射角が従来に比べて小さくなる。
【００２７】
図３は、ロッドインテグレータ４の入射端４１に入射する光の入射角度の分布を示す特性図である。図３中の横軸は、ロッドインテグレータ４の入射端４１に入射する光の、ロッドインテグレータ４の光軸に対する入射角度を示し、縦軸は各入射角度でロッドインテグレータ４の入射端４１へ入射する光の光強度を示す。図３中には、本発明の光学装置５での入射角度分布を実線で示す。更に、図６に示す如き従来の光学装置でロッドインテグレータ７３へ入射する光の、ロッドインテグレータ７３の光軸に対する入射角度分布を破線で示す。従来技術では入射角度が０°から離れた部分に多くの光の入射角度が分布していたのに対して、本発明では、０°付近に多くの光の入射角度が分布している。更に本発明では、従来技術よりも小さい角度分布内に光が集光されている。
【００２８】
次に、楕円軸に対するロッドインテグレータ４の光軸の傾斜とロッドインテグレータ４の入射端４１に入射する光の入射角度の分布との関係を示す。図４は、楕円軸に対するロッドインテグレータ４の光軸の傾斜を変化させた場合の、各入射角度での入射光量比率の変化を示す特性図であり、図５は、楕円軸に対するロッドインテグレータ４の光軸の傾斜を変化させた場合の、各入射角度での入射光量比率の累積の変化を示す特性図である。図４及び図５の横軸は、ロッドインテグレータ４の入射端４１に入射する光の、ロッドインテグレータ４の光軸に対する入射角度の絶対値を示す。図４の縦軸は、各入射角度で入射した光量の、全体の光量に対する比率を示す。図５の縦軸は、各入射角度での入射光量比率の累積を示す。
【００２９】
図４及び図５に示すデータは、光源１の発光中心１１から楕円軸に垂直に発光して反射鏡２で反射した光の光路と楕円軸とがなす角度が１５°である場合のデータである。楕円軸に対するロッドインテグレータ４の光軸の傾斜が０度傾斜である場合は、図４及び図５に四角形のデータ点で示す如く、入射角度が０°付近の光量はほぼゼロとなっている。楕円軸に対するロッドインテグレータ４の光軸の傾斜を大きくすると、入射角度が０°付近の光量は増え、図４及び図５に三角形のデータ点で示す如く、楕円軸に対するロッドインテグレータ４の光軸の傾斜が１０度傾斜である場合に、入射角度が０°付近の光量が最大となる。図４及び図５に菱形のデータ点で示す５度傾斜の場合と、図４及び図５に円形のデータ点で示す１５度傾斜の場合とは、入射角度が０°付近の光量を増大させる効果はほぼ同等である。また図４及び図５にクロス形のデータ点で示す如く、楕円軸に対するロッドインテグレータ４の光軸の傾斜が２０度傾斜である場合は、入射角度が０°付近の光量が低下し、入射角度が０°付近の光量を増大させる効果に乏しいことがわかる。従って、楕円軸に対してロッドインテグレータ４の光軸を傾斜させる角度を、光源１の発光中心１１から楕円軸に垂直に発光して反射鏡２で反射した光の光路と楕円軸とがなす角度以下とすることにより、反射鏡２が集光する光のロッドインテグレータ４への入射角度を効果的に小さくすることができることが明らかとなった。
【００３０】
以上の如く、本発明の光学装置５は、楕円軸を含む平面で分割した部分楕円球殻内面を反射面として有する反射鏡２で、第１の焦点に位置する光源１の発光中心１１からの光を第２の焦点に位置するロッドインテグレータ４の入射端４１に集光し、ロッドインテグレータ４の光軸を、入射端４１が反射鏡２に対向するように、楕円軸に対して傾斜して構成してある。これにより、反射鏡２で集光されて入射端４１に入射する光の光軸に対する入射角度の分布を従来技術に比べて小さくし、プロジェクタで利用するための光の発散角度を小さくすることができる。また、ロッドインテグレータ４の入射端４１に入射する光の光軸付近に分布する光の量を従来技術に比べて大きくすることができる。
【００３１】
光学装置５を備えた本発明のプロジェクタは、光源１が発光して反射鏡２で集光した光を、発散角度を小さくした状態で利用することができるので、ロッドインテグレータ４以降の光学系で補正すべき収差が小さくなり、また光学系のサイズも小さくすることができる。従って、プロジェクタのコストの低下及び小型化を実現することができる。また本発明のプロジェクタは、光源１が発光して反射鏡２で集光した光を、光軸付近に分布する光量を多くした状態で利用することができるので、画像を投影する場合に画像の解像度、コントラスト及び色純度等を悪化させる原因が減少し、良好な画質の画像を投影することが可能となる。
【００３２】
なお、本実施の形態においては、反射鏡２を、楕円軸を含む平面で分割した部分楕円球殻内面を反射面とした形状としたが、これに限るものではなく、反射鏡２は、楕円軸周りの１８０°以上又は１８０°未満の部分を欠いた形状であってもよい。また本実施の形態においては、本発明における光学部品としてロッドインテグレータ４を用いた形態を示したが、これに限るものではなく、本発明の光学装置は、反射鏡２で集光される光を受光する受光部を有する光学部品として、各種のレンズ又はミラー等のその他の光学部品を備えた形態であってもよい。
【００３３】
また本実施の形態においては、本発明のプロジェクタは、カラーホイール６１を備え、画像を形成する画像デバイスとしてＤＭＤ６３を備えた形態を示したが、これに限るものではなく、本発明のプロジェクタは、液晶パネル等のその他の画像デバイスを備えた形態であってもよい。画像デバイスとして液晶パネルを用いたプロジェクタは、カラーホイール６１を用いない構成となる。また本実施の形態においては、本発明のプロジェクタは、外部のスクリーン又は壁等へ画像を投影するフロントプロジェクション方式の形態を示したが、これに限るものではなく、図示しない透過型のスクリーンを備え、スクリーンの背面から投射光学系６４で光を投射することによってスクリーンに画像を投影するリアプロジェクション方式の形態であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明のプロジェクタの光学系の構成を示す模式的断面図である。
【図２】光源、反射鏡及び球面反射鏡の配置を正面から見た模式的正面図である。
【図３】ロッドインテグレータの入射端に入射する光の入射角度の分布を示す特性図である。
【図４】楕円軸に対するロッドインテグレータの光軸の傾斜を変化させた場合の、各入射角度での入射光量比率の変化を示す特性図である。
【図５】楕円軸に対するロッドインテグレータの光軸の傾斜を変化させた場合の、各入射角度での入射光量比率の累積の変化を示す特性図である。
【図６】光源からの光を集光する従来の光学装置の構成例を示す模式的断面図である。
【符号の説明】
【００３５】
１  光源
１１  発光中心（発光部）
２  反射鏡
３  球面反射鏡
４  ロッドインテグレータ（光学部品）
４１  入射端（受光部）
５  光学装置
６２  照明光学系
６３  ＤＭＤ（画像デバイス）
６４  投射光学系
【図１】
2007286517.tif 000003
【図２】
2007286517.tif 000004
【図３】
2007286517.tif 000005
【図４】
2007286517.tif 000006
【図５】
2007286517.tif 000007
【図６】
2007286517.tif 000008