CN1809785A - 光源装置、照明装置及投影式显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供的光源装置，对光发生单元和会聚单元即凹面镜可兼得小型化与高的光利用效率，而且相对于光发生单元与凹面镜的光轴可高效率地出射具有非对称性的光束。光源装置具备：灯(11)，对灯(11)的透光面(111b)辐射的一部分光进行会聚的椭圆面镜(12)，对透光面(111a)辐射的、未被椭圆面镜(12)会聚的另一部分光进行会聚并反射到椭圆面镜(12)的球面镜(13)。椭圆面镜(12)的反射面和球面镜(13)的反射面，相对于连接灯(11)的发光源对应的焦点位置F1与椭圆面镜(12)的会聚的光的焦点位置F2而成的光轴(14)，各自具有非旋转对称的形状，球面镜(13)的反射面与灯(11)的发光部之间的距离，比发光源与椭圆面镜(12)会聚的光的焦点的距离短，椭圆面镜(12)的反射面的一部分形成于光轴(14)的周围。

Description

光源装置、照明装置及投影式显示装置

技术领域

本发明涉及具有光发生单元和凹面镜的光源装置、照明装置及投影式显示装置。

背景技术

近年来，作为大画面投影式图像设备，采用各种光调制元件的投影式显示装置引人注目。在进行这些大画面显示时，首推所显示图像的亮度作为最重要项目。

因此，使用可提高投影式显示装置的光输出的多个照明灯的多灯式照明系统引人注目。此外，对亮度而言，尽可能减少照明灯辐射光束的损失，就是说高效地照明图像显示器件、即光调制元件是重要的，因此，希望对灯辐射光进行会聚的光源装置的高效率化。

这里，图11示出设置2个由灯和凹面镜构成的光源装置的以往的多灯式光学系统。光源装置1辐射的光，入射到玻璃柱或贴有反射镜的中空的棒形积分器2，玻璃柱情况下，在玻璃内部全反射，贴反射镜方式情况下，就重复反射。利用该棒形积分器2内部的反射，能在棒形积分器2的出射孔径面上达到面内亮度均匀的光束。进而，用其后的中继透镜3将面内均匀性高的光束成像于使图像显示的光调制元件4上，这样一来，由投影透镜成像于屏上的图像能显示为画面内亮度均匀性高的图像。

其次，关于对从来的灯辐射光进行会聚的光源装置的高效率化，图12示出作为第1以往例的光源装置的基本构成(例如参照特许2543260号公报，特许3151734号公报)。这些光源装置中，从灯的发光部5的透光面5a和5b辐射的光，由具有椭圆面或抛物面的反射面形状的第1凹面镜6会聚于焦点X处，从未被第1凹面镜6会聚的灯发光部5的透光面5a、5b辐射光，由其反射面向着第1凹面镜6的反射面侧的、例如球面镜构成的第2凹面镜7反射后，再次返回到发光部5附近，由第1凹面镜6会聚于焦点X处。

这样，在反射面互相相对的状态下使用第1凹面镜6和第2凹面镜7(第2凹面镜7具有比对第1凹面镜6的光轴，即连接灯发光部5的发光中心5c与焦点X的直线垂直方向的最外径更大的最外径)，由尽可能多地取回灯发光部5辐射光的第1凹面镜6完成会聚。

另外，图15示出作为第2以往例的光源装置的基本构成(例如参照特许2730782号公报，特许3350003号公报)。该光源装置中也将灯的光源10置于作为第1凹面镜8的椭圆面镜或抛物面反射镜的焦点Y上，以能全部反射来自灯的光源10的透光面10a的辐射光的角度设置第1凹面镜8。这种光源装置，从光源10的透光面10a辐射的、由作为第2凹面镜9的球面镜所反射的光，被返回到第1凹面镜8的焦点附近，从透光面10b辐射，由第1凹面镜8直接会聚的光，并尽可能多地取回灯发光部10辐射的光，这一点是与第1以往例一致的。

但是，第1以往例中，相对于第1凹面镜6的光轴方向，第2凹面镜7的孔径是在垂直面内，与此相对，第2以往例中，第2凹面镜9的配置，相对于第1凹面镜的光轴即连接发光部10的发光中心10c与焦点Y的直线方向，是水平方向，这一点上是不同的。

以往的多灯式光学系统，如图11所示，是将多个光源装置辐射的光入射到均匀照明单元即棒形积分器2的构成。然而，在显示图像的透射·反射型的液晶或DMD(数字微镜器件)那样的光调制元件中，存在实质上完成调制光的光束的入射角度范围与可使图像显示的图像显示有效区域。因此，根据成像光学基本公式的赫兹霍尔姆—拉格朗日关系，通过中继透镜3，也唯一地决定了与其有成像关系的棒形积分器2其出射侧孔径2b的大小对应的光的出射角度范围。

这时，棒形积分器2在出射侧孔径大小与入射侧孔径大小相等时，出射角度范围与入射角度范围是相等的，另外，在出射侧孔径大小与入射侧孔径大小不同时，成为根据赫兹霍尔姆—拉格朗日关系导出的入射孔径大小对应的入射角度范围，只将该角度范围内的光束通过棒形积分器2、中继透镜3、光调制元件4、投影透镜，投影到屏幕上。

因此，在具有能更多会聚灯辐射光的单一凹面镜1的光源装置时，因存在棒形积分器2的入射角度范围的限制，故将凹面镜1与棒形积分器2的入射侧孔径2a的距离拉大，凹面镜1形成的光点尺寸变大，因此存在棒形积分器2的孔径取入的光量减少的问题。

图12所示的第1以往例的光源装置，也与图11所示的从来的多灯式光学系统中的光源装置一样，相对于第1凹面镜的光轴即连接灯发光部5的发光中心5c与焦点X的直线，具有旋转对称的形状，在构成同样的多灯式光学系统时，存在棒形积分器2的孔径取入的光量减少的问题。另外还存在外形大的问题。

另一方面，图15所示的第2以往例的光源装置，对第1凹面镜的光轴即连接灯发光部10的发光中心10c与焦点Y的直线，具有旋转非对称形状，能将外形做得比第1以往例更小。另外，通过会聚形成的光束也成旋转非对称，在图11的多灯式光学系统中，对应于第1凹面镜6的第1凹面镜8与棒形积分器2的入射侧孔径2a的距离也可取得更短。

但是，图15所示的第2以往例的光源装置中，存在如下的课题。形成第2凹面镜9的反射面如图15所示，虽然全部反射从透光面10a辐射的光，但该反射光并不是全部由第1凹面镜8会聚，其一部分被辐射到外部，成为聚光效率的妨碍。

另一方面，为将第2凹面镜9产生的全部反射光会聚到焦点Y上，有必要将第1凹面镜8的反射面只扩大区域150的部分，但这招致光源装置的大型化，会聚效率与光源装置的大型化是折衷的关系。

另外，图12的第1以往例的光源装置中，从灯5辐射的、直接到达上半部分的第1凹面镜6的光，在图15的第2以往例的光源装置中就进入第2凹面镜9。这时，第2凹面镜9反射的光再次通过灯的发光部10附近，到达第1凹面镜8。在用金属卤化物灯或水银灯作为灯的情况下，因构成发光物质和灯的材料引起的吸收、散射等，使再次通过发光部的光损失较多，结果的问题是，作为光源装置整体，出射到焦点Y的光束量下降，光利用效率降低。

本发明为解决这些以往例中的问题而作，其目的在于提供即使实行光源装置的小型化，其光利用效率也不降低的光源装置，以及通过配备该光源装置，可实现更高效率且小型化的照明装置和投影式显示装置。

发明内容

为达到上述目的，本发明的第1发明是光源装置，具备：

光发生单元，

对所述光发生单元辐射的一部分光进行会聚的第1凹面镜，以及

对所述光发生单元辐射的、未经所述第1凹面镜会聚的另一部分光进行会聚，并反射到所述第1凹面镜的第2凹面镜，

所述第1凹面镜的反射面和所述第2凹面镜的反射面，相对于连接所述光发生单元的发光源与所述第1凹面镜会聚的光的焦点而成的基准轴，各自具有非旋转对称的形状，

所述第2凹面镜的反射面与所述发光源之间的距离，比所述发光源与所述第1凹面镜会聚的光的焦点之间的距离来得短，

所述第1凹面镜的反射面的一部分形成于所述基准轴的周围，

又，本申请的第2发明是在第1发明的光源装置中，所述第1凹面镜具有一个或多个二次曲面作为所述反射面。

又，本申请的第3发明是在第2发明的光源装置中，所述第1凹面镜的二次曲面是椭圆曲面的一部分，

所述椭圆曲面的焦点之一实质上与所述光发生单元的所述发光源相一致，另一个焦点与所述第1凹面镜会聚的光的焦点相一致。

又，本申请的第4发明是在第1发明的光源装置中，所述第2凹面镜具有一个或多个二次曲面作为所述反射面。

又，本申请的第5发明是在第4发明的光源装置中，所述第2凹面镜的二次曲面是球面的一部分，

所述球面的中心实质上与所述光发生单元的所述发光源相一致。

又，本申请的第6发明是在第1发明的光源装置中，所述第1凹面镜的反射面位于比所述第2凹面镜的反射面更靠近所述发光源的位置，

用包含所述基准轴的平面对半分开所述第1凹面镜的聚光角度，假设大的一方的角度为α，小的一方的角度为β，所述光发生单元辐射到所述第1凹面镜和第2凹面镜的光的最大角度为γ，所述第2凹面镜的聚光角度为θ，则满足下列关系式：

(数学式1)

α＞β＞0

(数学式2)

α+β≥180°

(数学式3)

0＜θ≤γ-β

又，本申请的第7发明是在第1发明的光源装置中，所述第2凹面镜的反射面位于比所述第1凹面镜的反射面更靠近所述发光源的位置，

用包含所述基准轴的平面对半分开所述第1凹面镜的聚光角度，假设大的一方的角度为α，小的一方的角度为β，所述光发生单元辐射到所述第1凹面镜和第2凹面镜的光的最大角度为γ，所述第2凹面镜的聚光角度为θ，则满足下列关系式：

(数学式1)

α＞β＞0

(数学式2)

α+β≥180°

(数学式4)

0＜θ≤180°

又，本申请的第8发明是在第7发明的光源装置中，所述第2凹面镜配置在所述第1凹面镜的形成的光束内。

又，本申请的第9发明是在第1发明的光源装置中，所述光发生单元是具有收装所述发光源的管体的灯，

所述管体具有透过来自所述发光源的辐射光的管球部，以及从所述管球部突出的一对端部，

所述一对端部设置在所述基准轴的周围。

又，本申请的第10发明是在第9发明的光源装置中，所述管球部具有与所述第1凹面镜的反射面相对的第1对向面，以及与所述第1凹面镜的反射面和第2凹面镜的反射面相对的第2对向面，

所述第1凹面镜的反射面的所述一部分，至少是与所述第2对向面相对的部分。

又，本申请的第11发明是照明装置，具备：

第1发明所述的光源装置，

配置在与利用所述光源装置的所述第1凹面镜会聚的光的焦点进行光学耦合的位置上的、实质上将所述光源装置出射的光变换成平行光的透镜单元。

又，本申请的第12发明是在第11发明的照明装置中，所述透镜单元是棒形积分器。

又，本申请的第13发明是在第11发明的照明装置中，所述透镜单元是透镜阵列。

又，本申请的第14发明是在第11发明的照明装置中，所述光源装置是多个，配置成各自的所述基准轴在同一平面内，

进一步具备将所述多个光源装置出射的光导向所述透镜单元的导光单元。

又，本申请的第15发明是在第11发明的照明装置中，所述多个光源装置，配置成各自的所述基准轴在空间内的一点交叉，

所述透镜单元配置在与所述一点对应的位置。

又，本申请的第16发明是在第15发明的照明装置中，配置所述多个光源装置，使得所述第2凹面镜之间对向。

又，本申请的第17发明是在第15发明的照明装置中，配置所述多个光源装置，使得所述第1凹面镜之间对向。

又，本申请的第18发明是投影式显示装置，具备：

第11发明所述的照明装置，

配置在与所述照明装置进行光学耦合的位置上的、对光进行调制形成光学像的光调制元件，以及

投影所述光学像的投影透镜。

附图说明

图1为说明本发明的实施形态1的光源装置概况的剖视图。

图2示出本发明的实施形态1的光源装置的大致构成的立体图。

图3示出本发明的实施形态1的照明装置的大致构成的剖视图。

图4示出本发明的实施形态1的照明装置的大致构成的剖视图。

图5示出本发明的实施形态1的投影式显示装置的大致构成的剖视图。

图6为说明本发明的实施形态1的光源装置的大致构成与作用的剖视图。

图7为说明本发明的实施形态1的光源装置的大致构成与作用的剖视图。

图8为说明本发明的实施形态2的照明装置的大致构成的剖视图。

图9为说明本发明的实施形态2的照明装置的大致构成的剖视图。

图10为说明本发明的实施形态2的投影式显示装置的大致构成的剖视图。

图11为用从来的多个光源装置的光学系统的剖视图。

图12为用作第1以往例示出的多个凹面镜的光源装置的剖视图。

图13为从来的多个光源装置的合成部用反射镜的光学系统的效果说明图。

图14为从来的多个光源装置的合成部用反射镜的第1以往例的光学系统的效果说明图。

图15为用作第2以往例示出的多个凹面镜的光源装置的剖视图。

图16为用从来的多个光源装置的光学系统的剖视图。

图17为说明本发明的实施形态2的照明装置的大致构成的剖视图。

图18为说明本发明的实施形态3的照明装置的大致构成的剖视图。

图19为说明本发明的实施形态3的照明装置的大致构成的剖视图。

标号说明

11灯    12椭圆面镜    13球面镜    14光轴

111灯发光部    100光源装置    101棒形积分器

F1第1焦点位置    F2第2焦点位置

具体实施方式

以下参照附图说明本发明的实施形态。

(实施形态1)

以下，参照附图说明本发明的实施形态1。图1示出本发明的实施形态1的光源装置的大致构成。

该光源装置由灯(本发明的灯是光发生单元的一例)11、椭圆面镜(本发明的第1凹面镜的一例)12及球面镜(本发明的第2凹面镜的一例)13所构成。

灯11位于后述的焦点位置对应的位置上，由灯发光部111与一对端部111c和111d构成，其中灯发光部111具有，发生光的发光源和内装发光源并具有使发光源的发射光透过到外部的透光面111a和111b的、实质上球形的管球部，一对端部111c、111d含有发光源的电极并具有从灯发光部111突出的形状。灯发光部111的管球部与端部111c、111d由同一管体一体地构成。另外，作为灯11，可用构成发光源的发光部形状非常接近点光源并有大的光输出的氙灯，发光效率高的金属卤素灯，使点亮时的灯发光部(发光管)内为超高压的水银灯，以及卤素灯等。

椭圆面镜12所有的反射面的二个焦点中，一个配置成使与灯发光部111的发光源相一致，因此从光透过面111b辐射并由椭圆面镜12会聚的光，会聚到椭圆面镜12的出射孔径侧，在另一个焦点上形成光点。这里，假设与发光部111的发光源相一致的焦点的位置为焦点位置F1，形成光点的焦点的位置为焦点位置F2，则椭圆面镜12相对于其光轴14即连接焦点位置F1与F2的基准轴，具有非旋转对称的形状。而且椭圆镜12的反射面的一部分存在于图1所示光轴的周围，并形成其一部分使包入灯111的后方，与透光面111a相对。

球面镜13相对于光轴14也具有非旋转对称的形状，其反射面与灯发光部111的透光面111a相对，是从透光面111a的透射光可以达到的范围，覆盖没有椭圆面镜12的部分。图中球面镜13的构成的反射面的中心与焦点位置F1相一致。总之，椭圆面镜12可会聚从透光面111b和透光面111a辐射的光，球面镜13具有可反射从透光面111a辐射的光的构成。

另外，从椭圆面镜12的焦点位置F1至球面镜子13的反射面的距离，即球面镜13的曲率半径，比从灯发光部111的某椭圆面镜12的焦点距离至用椭圆面镜12会聚灯发光部出射的光束、形成光点的聚光位置即椭圆面镜12的焦点位置F2的距离更短。另外，配置光轴14使贯通灯11，成为端部111c和111d形成于该光轴14的周围的样子。

图2示出光源装置的大致的立体形状。图1的剖视图是由图2的直线A-A’形成的。该直线A-A’与光轴14位于同平面内，从正上面将光源装置对半分开。

说明图1所示的光源装置的作用。首先，从灯发光部111辐射的光束之内，由椭圆面镜12反射的光会聚到椭圆面镜12的出射孔径侧，在存在于椭圆面镜12的出射孔径侧的焦位置F2上形成光点。这时，从灯发光部111的发光源辐射的光束，由透光面111b和透光面111a辐射的光所形成。

另一方面，从灯发光部111辐射的光束之内，由透光面111a辐射的、由球面镜13反射的光，再次返回灯11的发光部111附近，通过灯发光部111附近后，由椭圆面镜12反射，与来自灯发光部111的直达光一起会聚于椭圆面镜12的第2焦点F2。

这样，本实施形态的光源装置中，以椭圆面镜12相对于光轴14作为旋转非对称的构成，反射从灯14直接辐射的光，形成旋转非对称光束，同时利用球面镜使从灯11辐射的、未经椭圆面镜12反射的光再次反射到椭圆面镜12，在旋转非对称的光束中也确保与旋转对称光束接近的光束量。

另外，通过将椭圆面镜12相对于光轴14形成旋转非对称，同时形成反射面使弯到灯发光部111的背后，使直接会聚来自与辐射球面镜13反射的光的同一个透光面的光，没有必要如图15的第2以往例的光源装置那样，球面镜13反射来自透光面111a的全部反射光，因此防止发生未被会聚而辐射到外部的反射光，不变更椭圆面镜12的实质的尺寸能充分得到光束量。

另外，本实施形态的光源装置中，通过使球面镜13的曲率半径R为短于椭圆面镜12的焦点间距离L的构成，提供最大限度地确保光束量，并能保持光源装置的尺寸为最小的效果。这是由于以下的理由。即，如果只单纯为提高会聚效率，则只要将球面镜13设置在后退到其反射面实质上与椭圆面镜12的出射光束的聚光点即焦点位置F2一致的位置上，而且在球面镜13的反射面上的、焦点位置F2对应的位置上设置与聚光点大致实质上相同大小的孔径就可。这时，通过球面镜13与椭圆面镜12可能会聚发光部111出射的大致全部的光，得到最大限度的会聚效率，但是即使改变椭圆面镜12的会聚角度，也因球面镜13的曲率半径是一定的，而增大了光源装置整体的尺寸。

因此，本实施形态中，如上所述，通过使球面镜13的曲率半径R短于椭圆面镜的焦点间距离L，可兼得会聚效率提高与装置小型化两者。

下面说明相对于光轴14非旋转对称的光源装置中，为实现表示提高光利用效率，且不增大球面镜13的尺寸的形状的光源装置的条件。

图6、图7示出球面镜13取入灯111的辐射光的角度为最大的垂直面中的剖视图。也就是说，该剖视图是光源111要求球面镜13的角度为最大的剖视图。

用包含光轴14的、与图2的A-A’直线垂直的平面对半分开的椭圆面镜12的会聚角度中，假设大的一方的角度为α，小的一方的角度为β，灯11辐射的光的最大角度为γ，球面镜的会聚角度范围为θ，如图6所示，球面镜13位于大致不遮住椭圆面镜12反射的光线的范围，椭圆面镜12的反射光线的外侧时，即椭圆面镜13的反射面被配置成比球面镜13的反射面更靠近光源111时，满足

(数学式1)

α＞β＞0       (1)

(数学式2)

α+β≥180°    (2)

(数学式3)

0＜θ≤γ-β    (3)

另外，利用角度α定义的反射面反射透光面111b的辐射光，利用角度β定义的反射面反射透光面111a的辐射光。

如图7所示，球面镜13形成于大致不遮住椭圆面镜12反射的光线的范围，灯发光部111的管球部的表面或其近旁时，即球面镜13的反射面被配置成比椭圆面镜12的反射面更靠近光源111时，要求满足

(数学式1)

α＞β＞0       (1)

(数学式2)

α+β≥180°    (4)

(数学式4)

0＜θ≤180°    (5)

另外，上述图6的条件中，球面镜13的曲率半径R＜椭圆面镜12的焦点距离L。

这里重要之点是β为正。这是在该剖视图6、7中，给定椭圆面镜12的反射面横跨光轴14的上下两侧的构成。而且，给定反射面跨过灯11的端部111c，不仅与透光面111b而且与透光面111a相面对的构成。这样，通过椭圆面镜12横跨光轴14的上下两侧，反射面不仅与透光面111b而且与透光面111Aa面对，椭圆面镜12以大的角度直接会聚来自光源111的光成为可能。球面镜13只要对来自透光面111a的光中未被椭圆面镜12盖住的、少许剩余的光进行会聚就可，因此小尺寸即可。于是，从光源111辐射的、无损失地射向椭圆面镜12的被会聚于第2焦点F2的光呈最大的状态，而直接射向球面镜13的，经过反射，通过光源111近旁，射向椭圆面镜12的，直至由会聚于第2焦点的椭圆面镜12反射的发生较多损失的光量，就比较少。于是，实质上没有变更椭圆面镜12的大小，光源装置整体出射的光的会聚效率以及以往例相比就提高了。

上述式(1)表示椭圆面镜12的反射面相对于光轴14具有非旋转对称性的条件。

上述式(2)、(4)的关系不满足时，球面镜13反射的光到达椭圆面镜12的反射面不存在的区域，故不能提高光利用效率。

上述式(3)、(5)表示球面镜13能会聚的范围。

另外，式(3)如图6所示，由于球面镜13位于椭圆面镜12的反射面的外铡，故是最大限度取得灯11辐射光的范围，表示能获得小的球面镜13的角度的范围。

球面镜13位于椭圆面镜12的反射面的外侧时，较之图7的例的、位于灯11的管球面近旁时，光源装置的尺寸大，但优点是入射到球面镜13的反射面的、从灯发光部111出射的光束密度下降，能减轻反射面所要求的耐热性等。

式(5)，如图7所示，球面镜13位于与透光面111a实质上相一致的灯管球面上或其近旁，由于配置在椭圆面镜12所形成的光束内的情况，故作为光源装置的尺寸大致不因球面镜13的角度范围而变化，因此，有望设置更重视高效率化的角度范围。

根据这些构成，有可能高效地从椭圆面镜12出射相对于光轴14大致旋转对称地辐射的灯出射光束，作为相对于光轴14非旋转对称的光束。

又，图1中示出用1个球面镜13的情况，但在从相对于光轴14旋转对称形状的椭圆面镜上切取几处后的形状的椭圆面镜的情况，通过使用多个球面镜，即使是具有复杂的孔径形状的椭圆面镜，也可能会聚到达椭圆面镜未覆盖区域的灯11的辐射光，可提高光源装置的光利用效率。

又，如图3所示，通过在规定位置上配置本实施形态的光源装置和反射镜，玻璃柱或贴上反射镜而成的棒形积分器101，透镜等光学单元102，可得到使光源装置100出射的光变换成规定的大致平行光的本实施形态的照明装置。

又，如图4所示，也可以不是用玻璃柱或贴反射镜的棒形积分器的照明装置，而用2维配置多个透镜的透镜阵列103的照明装置。

又，如图5所示，在上述照明装置100上如增设滤光透镜104，光调制元件105，投影透镜106，则可得到本实施形态的投影式显示装置。

另外，作为光调制元件105，可用反射型光阀，透射型光阀，通过阵列形配置的微镜可改变反射方向的镜板，光写入方式等的光调制元件。

又，图3、图4、图5中示出透镜作为将从光源装置出射的辐射光变换成照明光的光学单元，但也可以不是透镜，而用含有反射镜或棱镜的，或组合多个透镜的光学要素的光学系统。

又，图5中作为光调制元件，例示了只具备1个透射型光阀的构成，但也可以为具备多个光调制元件的构成。

又，虽未图示，但也可以是用能进行色分解和色合成的棱镜，滤色镜或反射镜等的构成。

如上所述，根据本实施形态1，通过具备灯11，椭圆面镜12球面镜13，并将球面镜配置在可会聚不能由相对于光轴14具有非旋转对称形状的椭圆面镜会聚的光的位置上，能得到高效率且小型的光源装置。

又，这样一来，通过具备高效率且小型的光源装置，如用相同输出的灯则可更明亮，或用更低输出的灯达到相同亮度，因此，能提供可压低电力消耗的照明装置和投影式显示装置。

又，以上说明中，作为第1凹面镜采用椭圆面镜12，但只要是具有二次曲面的反射面镜就可，也可用抛物面镜或组合多个椭圆面镜的形状的反射面镜。又，作为第1凹面镜，不限定于二次曲面的，也可以是菲涅耳镜等的、由多个平面或曲面形成的凹面镜。

又，作为第2凹面镜采用了球面镜，但只要是可将灯辐射光高效地反射到灯发光部近旁的二次曲面的反射镜就可，也可以用椭圆面镜或组合多个球面镜的形状的反射面镜等。此外，与第1凹面镜一样，不限于二次曲面的，也可以是菲涅耳镜等的、由多个平面或曲面形成的凹面镜。

(实施形态2)

以下参照附图说明本发明的实施形态2。图8、图10示出本实施形态的照明装置、投影式显示装置的简略构成。

光源装置100因与实施形态1相同，故省略其说明。如在从来的说明中所述，图11所示的多灯式光学系统，为能更明亮地照明，使用多个光源装置，合成从多个光源装置各自出射的光束，入射到1个棒形积分器或透镜光学系统，实行照明。

用图11所示那样的棒形积分器2的光学系统时，为了在棒形积分器2以后的光学系统减少损失，提高光源装置出射的光束的利用效率，希望用椭圆面镜更多地会聚灯辐射光，有必要尽可能增大椭圆面镜的会聚角度，而且尽可能缩小椭圆面镜12的焦点位置F1(与灯的发光源实质一致)与焦点位置F2(光束的聚光点)的距离，缩小形成于棒形积分器2的入射侧孔径2a上的光点。

但是，在配置多个会聚角度大且焦点距离短的椭圆面镜时，显然椭圆面镜的一部分以物理上干涉的状态的配置，效率最高。作为这种构成，如图16所示，为防止多个光源装置中凹面镜1之间物理上的干涉，已知对各光源装置切取凹面镜的一部分的构成。然而，这时的问题是凹面镜1的被切取的仅一部分的会聚效率变坏。

为避免这个问题，如图13所示，也有使反射面互相面对地配置一对光源装置，在棒形积分器2的入射侧孔径2a的前面，配置以将多个光源装置1出射的光束导向棒形积分器2的入射侧孔径2a的角度设置的反射镜200的构成。

采用这种构成时，凹面镜1虽无本身的物理上干涉，但当配置反射镜200使凹面镜1出射的全部光束反射到棒形积分器2侧时，因反射镜200的物理干涉，发生未能被反射到入射侧孔径2a的光束，因此实质上发生凹面镜1的未被利用的区域(图中用虚线示出)。这时，椭圆面镜由于没有干涉部分，故即使能配置对光轴旋转对称的椭圆面镜，结果也不能利用入射到反射镜干涉部分的光。

图14为表示用图12那样的从来构成的光源装置作为图13的光学系统的光源装置的多灯式光学系统的构成图。这时，与图13的凹面镜相同，第1凹面镜6上实质上产生未被利用的区域(图中用虚线示出)，除了从灯直接入射到该第1凹面镜6的实质上未被利用的区域的光束之外，第2凹面镜7反射后通过发光部近旁，还发生入射到第1凹面镜6的实质上未被利用的区域的光束，因此存在光利用效率进一步降低的问题。

另外，用图15那样的从来的光源装置作为图13的光源装置时，由光损失发生的球面镜9反射之后，通过发光部近旁由椭圆面镜8反射，故不能以最大效率利用光源装置出射的光束到达能用椭圆面镜8直接取入的光束的程度。

本发明实施形态2的照明装置，通过将实施形态1的光源装置用于照明装置，解决上述问题。

图8示出根据本发明实施形态2的、使用本发明实施形态1的光源装置的多灯式光学系统的照明装置。

照明装置中，配置各光源装置100使各自的光轴14在同一平面内相一致，图中为在同一直线上。

配置光源装置100使椭圆面镜12的反射面小的一方，面对未被产生反射镜200的干涉的部分利用的部分，球面镜1位于该未被利用的部分。另外，反射镜200相当于本发明的导光单元。

这种照明装置中，入射到球面镜13的灯11的辐射光，使通过灯发光部111的附近返回后，通过能被反射镜200和棒形积分器101利用的椭圆面镜12的反射面，出射到反射镜200侧，因此成为在棒形积分器101后也不受损失的光束，可提高光源装置出射的光束的光利用效率。

也就是说，在从发光中心(相当于焦点位置F1)要求光源装置100的球面镜13的角度实质为最大的、包含发光中心的特定断面中，具有对光轴14的椭圆面镜12的会聚角度中最小的角度(对应于图6、7所示的角度β)的反射面被设置的位置，配置得使两个光源装置100出射的光束在入射到棒形积分器101的面前，接近之际，与一方光源装置出射的相邻光束最近的光束内的位置大致一致。这样，从灯发光部111出射的用椭圆面镜12能直接会聚的有效光束为最多。另一方面，不能由椭圆面镜12会聚的灯发光部111出射的光束也由球面镜13会聚。

另外，该构成中也用金属卤化物灯或水银灯作为灯11时，发生构成发光物质和灯11的材料产生的光吸收·散射等引起的损失，但不可能由球面镜13反射的光束的全部，不被吸收·散射通过发光体近旁的光，到达椭圆面镜12。另外，由于具有对反射光轴14非旋转对称且横跨光轴14形成的反射面的椭圆面镜12，提高了作为光源装置的会聚效率，因此通过利用此前未利用灯11的辐射光，能提高作为照明装置的光利用效率。

另外，从灯发光部111出射的光束中，通过利用成为最短路径的椭圆面镜12的直接会聚，能得到更多0的光束，剩余的光束也通过球面镜13会聚，故能充分地提高会聚效率。

另外，与实施形态1相同，通过取球面镜13的曲率半径R比椭圆面镜12的焦点距离L更短，将光源装置100本身的尺寸做得小，使照明装置整体小型化成为可能。

另外，当球面镜13小型化时，椭圆面镜13的焦点距离也可做得短，因此相对于棒形积分器101的入射侧孔径端101a，可形成更小的光点，因此也能提高棒形积分器101以后的会聚效率。

这样，根据本实施形态，就能得到一并实现高的光利用效率和小型化的照明装置。

图8中示出配置光源装置100的例，其中使椭圆面镜12的反射面小的一方对着未被产生反射镜200的干涉的部分利用的部分，球面镜1位于该未被利用的部分上，也可如图17所示，配置各光源装置100，使倒转椭圆面镜12与球面镜13的位置关系。这时，为防止反射镜200的干涉，虽有必要将光源装置100与棒形积分器101的距离取得大些，但有容易保持球面镜13和容易配置调整夹具等部件的优点。

另外，图8示出用玻璃柱或贴反射镜的棒形积分器101的照明装置的例子，然而也可如图9所示，用二维配置多个透镜的透镜阵列103的照明装置。

又，如图10所示，在上述照明装置上如增加滤光透镜104，光调制元件105，投影透镜106，则可得到本实施形态的投影式显示装置。

另外，作为光调制元件105，可用反射型光阀，透射型光阀，光写入方式等的光调制元件。

又，图8、图9、图10中示出透镜作为变换成照明光的光学单元，但也可以不是透镜，而用含有反射镜或棱镜的，或组合多个透镜的光学要素的光学系统。

又，图5、8～10中作为光调制元件，例示了只具备1个透射型光阀的构成，但也可以为具备多个光调制元件的构成。又，虽未图示，但也可以是用能进行色分解和色合成的棱镜，滤色镜或反射镜等的构成。

如上所述，根据本实施形态2，在用多个具备灯、椭圆面镜和球面镜的光源装置的照明装置中，通过将球面镜配置在可会聚不能由相对于光轴14具有非旋转对称形状的椭圆面镜会聚的光的位置上，能得到高效率的光源装置。

又，这样一来，通过具备高效率的照明装置，如用相同输出的灯则可更明亮，或用更低输出的灯达到相同亮度，因此，能提供可压低电力消耗的投影式显示装置。

(实施形态3)

图18示出本发明的实施形态3的照明装置的构成。图中，棒形积分器101、中继透镜102、光调制元件105以及以往例和实施形态2相同。即，图1中所示的以往例的照明装置中，光源装置具有用本实施形态1的光源装置的构成。这时，配置一对光源装置100，使球面镜13之间互相相对，各光源装置100的光轴14在空间内的一点交叉，棒形积分器101配置在该交叉点上。

本实施形态的照明装置，光学上的动作与图11的以往例相同，用实施形态1的光源装置作为一对光源装置，光源装置100出射的光束直接到达棒形积分器101的入射侧孔径端101a。

本实施形态与实施形态2的构成作比较时，以及以往例相同，由于各光源装置的光轴14是倾斜的，故留下光轴对准等的调整困难的问题，但能使相对光轴14旋转非对称的光束全部辐射到棒形积分器101。这样，与图16所示的以往例相同。通过用焦点距离小的光源装置，缩小形成于棒形积分器101上的光点，同时，灯11的辐射光的会聚角为接近于图11所示的以往例的旋转对称型的光源装置的角度，因此，作为光学系统整体，能得到高的光利用效率。

另外，能谋求部件数的减少和低成本。

图18示出使球面镜13之间面对面地配置一对光源装置100的构成，也可如图19所示，使椭圆面镜12之间面对面地配置的构成。这时，能够使入射到棒形积分器101的光束中，实质上集中接近于与棒形积分器101的光轴平行的光，入射到入射侧孔径端101a，可增加照明装置中棒形积分器101以后的实际的光束量。此外，还有容易保持球面镜13和容易配置调整夹具等部件的优点。

以上的说明中，作为第1凹面镜采用了椭圆面镜，但只要是具有2次曲面的反射镜就行，也可以用抛物面镜或组合多个椭圆面镜形状的反射面镜等。

作为第2凹面镜，采用了球面镜，但只要是具有可将灯辐射光高效地反射到灯发光部近旁的2次曲面的反射面镜就行，也可以用椭圆面镜或组合多个球面镜形状的反射面镜等。

另外，已经说明，上述各实施形态中，灯11是本发明的灯、光发生单元的一例，除去发光源的灯发光部111的管球部是本发明的管球部的一例，端部111b和111d是本发明的一对端部的一例，灯发光部111的透光面111a是本发明的第1相对面的一例，透光面111b是本发明第2相对面的一例。

但是本发明的光发生单元不必作为具有各实施形态那样的管体的灯来实现，也可以利用发光二极管等其他光源来实现。另外，是灯的情况下，也可以不是由管球部和端部构成的灯，例如，具有只有透光面的管球部构成的实际上球形、旋转椭球体等形状的灯。总之，本发明的光发生单元，如果其发光源能形成第1凹面镜的焦点与本发明的基准轴，则不由其具体的构成、形状所限定。

工业上的实用性

如上所述，根据本发明，可实现高的光利用效率，即使实现光源装置的小型化，也能提供光利用效率不降低的光源装置，同时通过配备该光源装置，可提供光利用效率高的照明装置和投影式显示装置。

Claims (18)

1.一种光源装置，其特征在于，具备：

光发生单元，

对所述光发生单元辐射的一部分光进行会聚的第1凹面镜，以及

对所述光发生单元辐射的、未经所述第1凹面镜会聚的另一部分光进行会聚，并反射到所述第1凹面镜的第2凹面镜，

所述第1凹面镜的反射面和所述第2凹面镜的反射面，相对于连接所述光发生单元的发光源与所述第1凹面镜会聚的光的焦点而成的基准轴，各自具有非旋转对称的形状，

所述第2凹面镜的反射面与所述发光源之间的距离，比所述发光源与所述第1凹面镜会聚的光的焦点之间的距离短，

所述第1凹面镜的反射面的一部分形成于所述基准轴的周围。

2.如权利要求1所述的光源装置，其特征在于，

所述第1凹面镜具有一个或多个二次曲面作为所述反射面。

3.如权利要求2所述的光源装置，其特征在于，

所述第1凹面镜的二次曲面是椭圆曲面的一部分，

所述椭圆曲面的焦点之一实质上与所述光发生单元的所述发光源相一致，另一个焦点与所述第1凹面镜会聚的光的焦点相一致。

4.如权利要求1所述的光源装置，其特征在于，

所述第2凹面镜具有一个或多个二次曲面作为所述反射面。

5.如权利要求4所述的光源装置，其特征在于，

所述第2凹面镜的二次曲面是球面的一部分，

所述球面的中心实质上与所述光发生单元的所述发光源相一致。

6.如权利要求1所述的光源装置，其特征在于，

所述第1凹面镜的反射面位于比所述第2凹面镜的反射面更靠近所述发光源的位置，

用包含所述基准轴的平面对半分开所述第1凹面镜的聚光角度，假设大的一方的角度为α，小的一方的角度为β，所述光发生单元辐射到所述第1凹面镜和第2凹面镜的光的最大角度为γ，所述第2凹面镜的聚光角度为θ，则满足下列关系式：

(数学式1)

α＞β＞0

(数学式2)

α+β≥180°

(数学式3)

0＜θ≤γ-β

7.如权利要求1所述的光源装置，其特征在于，

所述第2凹面镜的反射面位于比所述第1凹面镜的反射面更靠近所述发光源的位置，

用包含所述基准轴的平面对半分开所述第1凹面镜的聚光角度，假设大的一方的角度为α，小的一方的角度为β，所述光发生单元辐射到所述第1凹面镜和第2凹面镜的光的最大角度为γ，所述第2凹面镜的聚光角度为θ，则满足下列关系式：

(数学式1)

α＞β＞0

(数学式2)

α+β≥180°

(数学式4)

0＜θ≤180°

8.如权利要求7所述的光源装置，其特征在于，

所述第2凹面镜配置在所述第1凹面镜的形成的光束内。

9.如权利要求1所述的光源装置，其特征在于，

所述光发生单元是具有收装所述发光源的管体的灯，

所述管体具有透过来自所述发光源的辐射光的管球部，以及从所述管球部突出的一对端部，

所述一对端部设置在所述基准轴的周围。

10.如权利要求9所述的光源装置，其特征在于，

所述管球部具有与所述第1凹面镜的反射面相对的第1对向面，以及与所述第1凹面镜的反射面和第2凹面镜的反射面相对的第2对向面，

所述第1凹面镜的反射面的所述一部分，至少是与所述第2对向面相对的部分。

11.一种照明装置，其特征在于，具备：

如权利要求1所述的光源装置，以及

配置在与利用所述光源装置的所述第1凹面镜会聚的光的焦点进行光学耦合的位置上的、实质上将所述光源装置出射的光变换成平行光的透镜单元。

12.如权利要求11所述的照明装置，其特征在于，

所述透镜单元是棒形积分器。

13.如权利要求11所述的照明装置，其特征在于，

所述透镜单元是透镜阵列。

14.如权利要求11所述的照明装置，其特征在于，

所述光源装置是多个，配置成各自的所述基准轴在同一平面内，

进一步具备将所述多个光源装置出射的光导向所述透镜单元的导光单元。

15.如权利要求11所述的照明装置，其特征在于，

配置所述多个光源装置，使得各自的所述基准轴在空间内的一点交叉，

所述透镜单元配置在与所述一点对应的位置。

16.如权利要求15所述的照明装置，其特征在于，

配置所述多个光源装置，使得所述第2凹面镜之间对向。

17.如权利要求15所述的照明装置，其特征在于，

配置所述多个光源装置，使得所述第1凹面镜之间对向。

18.一种投影式显示装置，其特征在于，具备：

如权利要求11所述的照明装置，

配置在与所述照明装置进行光学耦合的位置上、对光进行调制形成光学像的光调制元件，以及

投影所述光学像的投影透镜。

Images