JP2004004178A

JP2004004178A - リフレクタ、照明装置及びプロジェクタ

Info

Publication number: JP2004004178A
Application number: JP2002158023A
Authority: JP
Inventors: Tetsuro Yamazaki; 山▲崎▼　哲朗
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2002-05-30
Filing date: 2002-05-30
Publication date: 2004-01-08

Abstract

【課題】小さなスポット径を得られ、高い光利用効率を達成できるリフレクタ等を提供すること。
【解決手段】リフレクタ１０２の光軸ＡＸとリフレクタ１０２の頂点の交点Ｖと、第１焦点ｆ１との間の距離を第１焦点距離Ｌ１とし、交点Ｖと第２焦点ｆ２との間の距離を第２焦点距離Ｌ２とそれぞれしたとき、第２焦点距離Ｌ２を第１焦点距離Ｌ１で除した倍率βが略５倍〜７倍の範囲内であり、第２焦点距離Ｌ２とリフレクタ１０２の直径φとに基づいて定められるリフレクタ１０２で反射された光線ＬＬと光軸ＡＸとのなす集光角度θの最大値が所定の範囲内であり、第１焦点ｆ１を球心としてリフレクタ１０２の出射側を覆うように配設され、第２焦点ｆ２への収束光を導光するための開口部を有する半球状の補助球面鏡ＢＭを有する。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、リフレクタ、照明装置及びプロジェクタに関するものであって、詳細にはプロジェクタに好適な照明装置のリフレクタの技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、プロジェクタとして様々なタイプのものが提案されている。例えば、単板式のプロジェクタでは、Ｓｅｑｕｅｎｔｉａｌ　Ｃｏｌｏｒ　Ｒｅｃａｐｔｕｒｅ方式（以下、「カラーリキャプチャ方式」という。）が提案されている。カラーリキャプチャ方式のプロジェクタは、白色光である照明光を供給する光源部と、光源部からの白色光を均一化させるためのインテグレータと、そのインテグレータの射出側に設けられ色分解を行うためのカラーホイールとを有する。インテグレータの光源側入射端面には、光源部からの光を入射させる開口部と、開口部の周辺に反射膜とが形成されている。また、カラーホイールには、ダイクロイック膜が螺旋状等の適当な形状に組み合わされて設けられている。ダイクロイック膜は、特定の波長領域の光を透過し、他の波長領域の光を反射させる。例えば白色光を、３つの波長領域の光に色分解する場合は、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）の光のみをそれぞれ透過させるＲ光透過ダイクロイック膜、Ｇ光透過ダイクロイック膜、Ｂ光透過ダイクロイック膜が形成されている。そして、カラーホイールは、光軸と平行な軸を中心に回転している。
【０００３】
ここで、インテグレータの射出側端面から射出し、カラーホイールのＲ光透過ダイクロイック膜に照射される光を考える。光源部からの白色光のうちＲ光は、カラーホイールのＲ光透過ダイクロイック膜を透過する。これに対して、Ｇ光及びＢ光はカラーホイールのＲ光透過ダイクロイック膜で反射され光源部の方向へ戻る。そして、反射されたＧ光及びＢ光は、インテグレータに射出側端面から再度入射する。インテグレータ内を光源部の方向に向かって進行するＧ光及びＢ光は、入射側端面に到達する。インテグレータの入射側端面には、上述したように、開口部の周辺に反射膜が形成されている。このため、インテグレータ内を光源部の方向に向かって進行したＧ光及びＢ光のうち、反射膜に入射した光は、当該反射膜で反射される。反射膜で反射されたＧ光及びＢ光は、インテグレータ内をカラーホイールの方向へ進行する。そして、インテグレータの射出側端面から射出する。射出側端面から射出したＧ光及びＢ光は、回転しているカラーホイールのＧ光透過ダイクロイック膜又はＢ光透過ダイクロイック膜に照射されれば、そのまま透過する。また、透過できずにカラーホイールを反射した光は、再度上述と同じ工程を繰り返す。ここで、カラーホイールは常時回転しているので、反射された光のうちいずれかの成分の光はカラーホイールを透過することができる。
【０００４】
上記説明では、Ｒ光透過ダイクロイック膜に照射された光を例にしている。上述の光の振る舞いは、カラーホイールを射出してＧ光透過ダイクロイック膜、又はＢ光透過ダイクロイック膜に入射する光についても同様である。従って、光の損失が低減され、光源光を有効に利用することができる。これにより、効率良く色分解でき、明るいカラー表示を実現できる。
【０００５】
上述のカラーリキャプチャ方式のプロジェクタにおいて、光のリキャプチャ効率を向上させるためには、インテグレータの入射側端面に形成されている光源部からの光を入射させるための開口部の径を極力小さくすることが望ましい。開口部を小さくすると、開口部周辺に形成されている反射膜の面積を大きくできるからである。しかし、開口部を小さくするとインテグレータ内への光の入射量が減り、プロジェクタ全体としては暗くなってしまう。
【０００６】
このため、光源部からの光は、インテグレータの入射側端面になるべく小さなスポットとして集光させることが望ましい。光源部からの照明光の集光スポット径を小さくすることは、カラーリキャプチャ方式のプロジェクタに限られず、楕円リフレクタを利用するプロジェクタについても望ましい。
【０００７】
また、プロジェクタの光学系の場合、リレーレンズや投写レンズの設計の観点から、スポットとして収束する光源部からの光線と光軸とのなす角度（以下、「集光角」という。）はできるだけ小さいほうが望ましい。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、楕円形状のリフレクタにおいて、スポット光の径を小さくする事は困難である。その困難である理由を説明する。例えば、ティルトミラーデバイスを用いる単板式のプロジェクタの照明装置は、楕円形状のリフレクタを備えている。
【０００９】
図２は、楕円形状のリフレクタの構成を説明する図である。楕円形状のリフレクタ１０００では、第１焦点ｆ１から発した光は、リフレクタ１０００で反射され第２焦点ｆ２に集光する。第１焦点ｆ１近傍には発光管の発光部が配置される。このため、発光部からの光は第２焦点ｆ２にスポット光として収束する。ここで、発光部は有限の体積を有している。このため、第２焦点に形成されるスポット光は、この発光部の体積をリフレクタ１０００の倍率β分だけ拡大した大きさとなる。
【００１０】
リフレクタの倍率βは、次式で与えられる。
β＝Ｌ２／Ｌ１
ここで、
Ｌ１：リフレクタ１０００の内面の頂点Ｖと、前記第１焦点ｆ１との間の距離（以下、「第１焦点距離」という。）；
Ｌ２：前記頂点Ｖと前記第２焦点ｆ２との間の距離（以下、「第２焦点距離」という。）である。
【００１１】
ここで、倍率βを小さくすると、スポット径も小さくなる。しかし、単純に倍率βを小さくすると、第２焦点ｆ２へ収束する光線ＬＬと光軸ＡＸとのなす集光角θが大きくなってしまう。
【００１２】
次に、集光角θが大きくなった場合の不都合について説明する。図３（ａ）は、上記楕円形状のリフレクタ１０００に、さらにロッドインテグレータ１００２と、リレーレンズ１００３とを組み合わせた光学系を示す図である。この光学系は、プロジェクタ内の光学系の一部を示したものである。発光管１００１の発光部１００１ａと、リフレクタの第１焦点ｆ１とが略一致するように構成されている。発光管１００１としては、例えば超高圧水銀ランプを用いることができる。
【００１３】
発光管１００１の発光部１００１ａは、図３（ｃ）に示すように、光軸ＡＸに沿った方向を０°とした場合、光軸ＡＸに対して約４０°〜１４０°程度の範囲にわたって発光する。発光された光の利用効率を考慮すると、リフレクタ１０００は、発光部１００１ａからの光を全て反射させて第２焦点ｆ２へ集光させれば良い。従って、スポット径と光利用効率の点からは、倍率βが小さく、かつ深い湾曲部を有するリフレクタであることが望ましい。
【００１４】
図３（ａ）は、倍率βが小さく、かつ深い湾曲部を有するリフレクタ１０００の構成例である。図３（ａ）から明らかなように、倍率βを小さくし、リフレクタ１０００の湾曲部を深くすると、集光角θが大きくなる。集光角θが大きいと、ロッドインテグレータ１００２に後続するリレーレンズ１００３でけられてしまう光（斜線を付した部分）が多くなる。このため、光の利用効率が低下する。
【００１５】
図３（ａ）の構成において、集光角θを小さくするためには、リフレクタ１０００の径を小さくすれば良い。図３（ｂ）は、リフレクタ１０００の径を小さくした場合の構成例である。図３（ｂ）からわかるように、集光角θは小さくできるものの、リフレクタ１０００で反射されない光（斜線を付した部分）が多くなる。このため、光の利用効率が低下する。
【００１６】
例えば特開平５−７２６２８号公報には、補助鏡を用いてリフレクタでの光利用効率を向上させる構成が提案されている。しかし、この構成では、リレーレンズの光学特性までは考慮されていない。このため、リレーレンズまで含めた光学系の、光利用効率はあまり向上していない。
このように、光利用効率を考慮したうえでスポット径を最適な大きさにすることは困難であり問題である。
【００１７】
本発明は、上述の問題点を解決するためになされたものであり、小さなスポット径を得られ、高い光利用効率を達成できるリフレクタ、このリフレクタを備える照明装置及びプロジェクタを提供することを目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、第１焦点近傍の発光部からの光を第２焦点に集光させる楕円形状のリフレクタにおいて、前記リフレクタの頂点と前記第１焦点との間の距離を第１焦点距離とし、前記リフレクタの頂点と前記第２焦点との間の距離を第２焦点距離とそれぞれしたとき、前記第２焦点距離を前記第１焦点距離で除した倍率値が略５倍〜７倍の範囲内であり、前記第２焦点距離と前記リフレクタの直径とに基づいて定められる前記リフレクタで反射された光線と前記光軸とのなす集光角度の最大値が所定の範囲内であり、前記第１焦点を球心として前記リフレクタの出射側を覆うように配設され、前記第２焦点への収束光を導光するための開口部を有する半球状の補助球面鏡を有することを特徴とするリフレクタを提供できる。これにより、小さなスポット径を得られ、高い光利用効率を達成できる。
【００１９】
また、本発明の好ましい態様によれば、前記集光角度の最大値は略１８°〜２５°の範囲であることが望ましい。これにより、本リフレクタを他のリレーレンズやロッドインテグレータと組み合わせた場合でも、光を有効に使用できる。
【００２０】
また、本発明によれば、上記のリフレクタと、前記リフレクタの前記第１焦点近傍に配置された発光部を有する発光管とからなることを特徴とする照明装置を提供できる。これにより、高い光利用効率で発光部からの光を小さなスポット径に集光できる。
【００２１】
また、本発明によれば、上記の照明装置と、前記照明装置からの光を画像信号に応じて変調する空間変調素子と、前記空間変調素子からの画像を投写する投写レンズとを有することを特徴とするプロジェクタを提供できる。これにより、高い光利用効率で明るい投写像が得られる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下に添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態を詳細に説明する。
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係るプロジェクタの概略構成を示す図である。本プロジェクタ１００は、透過型液晶ライトバルブを用いるプロジェクタ、ティルトミラーデバイスを用いる従来型のプロジェクタ、又はティルトミラーデバイスを用いるカラーリキャプチャ方式のプロジェクタのいずれにも適用できるものである。
【００２３】
本実施形態に係るプロジェクタ１００は、本発明に係るリフレクタ１０２及び補助球面鏡ＢＭを備える照明装置１０１を有している。照明装置１０１は白色の照明光を供給する。照明装置１０１は、楕円形状のリフレクタ１０２と、発光管１０３とから構成されている。発光管１０３の発光部１０３ａは、リフレクタ１０２の第１焦点ｆ１近傍に配置されている。発光管１０３として、超高圧水銀ランプを用いることができる。発光部１０３ａからの光は、リフレクタ１０２で反射して第２焦点ｆ２の位置にスポット光として集光する。
【００２４】
また、照明光を均一化するためのロッドインテグレータ１０４が、その入射側端面と第２焦点ｆ２とが略一致するように配置されている。ロッドインテグレータ１０４から射出した白色光は、色分解するためのカラーホイール１０５に入射する。カラーホイール１０５で色分解された光は、リレーレンズ１０６を経由して空間変調素子１０７に入射する。空間変調素子１０７は、画像信号に応じて照明装置１０１からの光を変調する。空間変調素子１０７としては、透過型液晶ライトバルブを用いることができる。投写レンズ１０８は、空間変調素子１０７で変調された光をスクリーン１０９上に拡大して投写する。
【００２５】
また、空間変調素子１０７として、ティルトミラーデバイスを用いる場合は、図１において、ティルトミラーデバイスで反射された光をスクリーン１０９へ投写する構成に適宜変更すれば良い。
【００２６】
上述のように定義した第１焦点距離Ｌ１と第２焦点距離Ｌ２との比である倍率βの最適値は約５倍〜７倍である。これにより、第２焦点ｆ２におけるスポット径を小さくできる。従って、ティルトミラーデバイスを空間変調素子１０７として用いる場合には、色切換えの時間を短縮できる。このため、時間開口率を向上できる。また、カラーリキャプチャ方式のプロジェクタの場合は、ロッドインテグレータ１０４の入射側端面の開口部を小さくできる。この結果、光のリサイクル効率を向上できる。
【００２７】
なお、倍率βを小さくしすぎると、発光部１０３ａを発した光が発光管１０３自身でけられてしまうこと、又は集光角θが大きくなるのでリレーレンズ１０６でけられてしまうことを生じるので好ましくない。
【００２８】
次に、本実施形態における集光角θについて説明する。集光角θを小さくすることで、ロッドインテグレータ１０４から投写レンズ１０８に至るまでの光束の拡がり角を小さくできる。このため、上述したように、リレーレンズ１０６や投写レンズ１０８の有効径内に入射できずに、けられてしまう光の量を低減できる。これにより、光の利用効率を向上できる。さらに、リレーレンズ１０６などの寸法を小さくできる結果、プロジェクタ１００自体の小型化を図ることもできる。
【００２９】
集光角θは、以下の式で求まる値である。
【式１】

上記式において、Ｌ１、Ｌ２、およびφは、それぞれ第１焦点距離、第２焦点距離、およびリフレクタ径である。上述したように、後続するレンズ系のことのみを考えて集光角θを小さくすると、十分なリフレクタ１０２の面積を得ることができない。このため、単に集光角θを小さくするのみでは、却って光利用効率が低下してしまう。また、集光角θの最適値の範囲は、発光部１０３ａの配光特性に依存して大きく異なる。本実施形態では、発光部１０３ａの配光特性を図３（ｃ）で述べたような４０°〜１４０°とする。
【００３０】
次に、補助球面鏡ＢＭについて説明する。補助球面鏡ＢＭは半球状である。そして、補助球面鏡ＢＭは、第１焦点ｆ１を球心としてリフレクタ１０２の出射側を覆うように発光部１０３ａの近傍に配設され、前記第２焦点ｆ２への収束光を導光するための開口部を有する。
【００３１】
補助球面鏡ＢＭを配設することにより、本来はリフレクタ１０２で反射されずに廃棄されてしまう光（図３（ｂ）の斜線部に相当）を有効に利用できる。補助球面鏡ＢＭを配設することにより、発光部１０３ａの配光特性を見かけ上変えることができる。このため、補助球面鏡ＢＭを用いると、リフレクタ１０２の径φを変えることでは不可能であった値にまで集光角θを小さくできる。また、補助球面鏡ＢＭは、発光部１０３ａの発光点に近いほど寸法が小さくて済む。さらに、補助球面鏡ＢＭからの反射光の位置ずれも少なくて済む。なお、補助球面鏡ＢＭは、半球よりも大きくすることはできない。
【００３２】
補助球面鏡ＢＭを用いる本実施形態での倍率βの最適値は５倍〜７倍程度である。また、補助球面鏡ＢＭが発光部１０３ａのロッドインテグレータ１０４側の略半分を覆っているため、これ以外の部分からの光をリフレクタ２０２が反射できれば良い。このため、リフレクタ１０２の径φが小さくて済む。この結果、集光角θを小さくできる。表１に本実施形態における、倍率βと集光角θとを掲げる。また、表２に本実施形態の数値例を掲げる
【００３３】
表１
倍率β　　　集光角θ
５倍　　　　　約２５°
６倍　　　　　約２２°
７倍　　　　　約２８°
【００３４】
表２
第１焦点距離Ｌ１＝１０ｍｍ
第２焦点距離Ｌ２＝６０ｍｍ
リフレクタ径φ＝３８ｍｍ
発光管長さＬ３＝５０ｍｍ
集光角θ＝約２２°
【００３５】
このように、本実施形態では、倍率β＝略６倍、集光角θ＝２２．５°、補助球面鏡ＢＭは略スポット光の大きさの場合に、最もスポット径、光利用効率の観点から効率が良い構成となる。
【００３６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、小さなスポット径を得られ、高い光利用効率を達成できるリフレクタ、このリフレクタを備える照明装置及び明るい投写像のプロジェクタを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態にかかるプロジェクタの概略構成を示す図である。
【図２】楕円形状のリフレクタを説明する図である。
【図３】（ａ）、（ｂ）は、それぞれ光の利用効率を説明する図、（ｃ）は発光部の配光特性を説明する図である。
【符号の説明】
１００　　プロジェクタ
１０１　　照明装置
１０２　　リフレクタ
１０３　　発光管
１０３ａ　　発光部
１０４　ロッドインテグレータ
１０５　カラーホイール
１０６　リレーレンズ
１０７　空間変調素子
１０８　投写レンズ
１０９　スクリーン
１０００　リフレクタ
１００１　発光管
１００１ａ　発光部
１００２　ロッドインテグレータ
１００３　リレーレンズ
ＡＸ　光軸
ＢＭ　補助球面鏡

Claims

第１焦点近傍の発光部からの光を第２焦点に集光させる楕円形状のリフレクタにおいて、
前記リフレクタの頂点と前記第１焦点との間の距離を第１焦点距離とし、
前記リフレクタの頂点と前記第２焦点との間の距離を第２焦点距離とそれぞれしたとき、
前記第２焦点距離を前記第１焦点距離で除した倍率値が略５倍〜７倍の範囲内であり、
前記第２焦点距離と前記リフレクタの直径とに基づいて定められる前記リフレクタで反射された光線と前記光軸とのなす集光角度の最大値が所定の範囲内であり、
前記第１焦点を球心として前記リフレクタの出射側を覆うように配設され、前記第２焦点への収束光を導光するための開口部を有する半球状の補助球面鏡を有することを特徴とするリフレクタ。
前記集光角度の最大値は略１８°〜２５°の範囲であることを特徴とする請求項１に記載のリフレクタ。
請求項１又は２に記載のリフレクタと、
前記リフレクタの前記第１焦点近傍に配置された発光部を有する発光管とからなることを特徴とする照明装置。
請求項３に記載の照明装置と、
前記照明装置からの光を画像信号に応じて変調する空間変調素子と、
前記空間変調素子からの画像を投写する投写レンズとを有することを特徴とするプロジェクタ。