JP2004170630A

JP2004170630A - 照明装置

Info

Publication number: JP2004170630A
Application number: JP2002335405A
Authority: JP
Inventors: Ken Kobayashi; 建小林
Original assignee: Victor Company of Japan Ltd
Current assignee: Victor Company of Japan Ltd
Priority date: 2002-11-19
Filing date: 2002-11-19
Publication date: 2004-06-17

Abstract

【課題】プロジェクタ装置の空間光変調素子に光束を供給する照射装置のＦナンバーを大きくする。
【解決手段】照射装置は、光源１０、光源１０の一方の側に設けられ、光源１０の光を反射して平行光束として出射する、回転放物面状の反射面１３ａを有する第１の反射鏡１３、及び光源１０の他方の側に設けられ、光源１０の光を光源１０に戻すように反射し、この反射した光が第１の反射鏡１３で前記平行光束として反射されるようにする第２の反射鏡１５からなる光源装置１０と、光源装置１０から出射されたＰ偏光を透過させるがＳ偏光を反射する偏光ビームスプリッタ２３、直角プリズム２５、及び１／２波長板２７からなり光源装置１０から入射した無偏光の光束をＰ偏光に変換する偏光分離変換器２０と、フライアイレンズ系３０と、フィールドレンズ４１と、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、液晶表示素子などの空間光変調素子に光束を供給する照明装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、スクリーンに液晶表示素子などの空間光変調素子で変調した画像を投影するプロジェクタ装置が提供され、例えばプレゼンテーションのような用途に広く普及している。プロジェクタ装置は、画像を変調する空間光変調素子のほかに、空間光変調素子に光束を供給する照明装置を含む光学系を有している。
【０００３】
図７は、従来の照明装置における光学系の構成を示す図である。図は、照明装置を構成する各光学部材の作用を示すものであり、照明装置においては光学部材が一直線上に配置される必要はない。
【０００４】
照明装置は、平行な光束を出射する光源装置１１０と、光源装置１１０から入射した光束を均一にするフライアイレンズ系１３０と、フライアイレンズ系１３０から入射された無偏光の光束を分離して直線偏光に変換する偏光分離変換器１２０と、偏光分離変換器１２０で変換された直線偏光の光束を集光する集光光学系１４０とを有している。フライアイレンズ系１３０及び偏光分離変換器１２０からの光束は、集光光学系１４０により、空間光変調素子１４５に集光される。
【０００５】
図８は、従来の光源装置１１０の構成を示す図である。図８（ａ）は光源装置１１０を光軸Ｌ０を含む面で切断した断面図であり、図８（ｂ）は光源装置１１０から出射された光束を光軸Ｌ０に垂直な面で切断した断面図である。
【０００６】
光源装置１１０は、光軸Ｌ０に沿って所定間隔を有して配置された電極１１１ａ間にアーク１１１ｄを発生する例えばメタルハライドランプのような光源１１１と、光源１１１から出射された光を光軸Ｌ０に沿って図中右側に反射する反射面１１３ａを有する反射鏡１１３とを有している。
【０００７】
光源１１１は、光軸Ｌ０に沿って所定間隔を有して配置された一対の電極１１１ａと、電極１１１ａ間の空隙とこの空隙を挟む電極１１１ａの一部を囲む透明なバルブ１１１ｃとを有している。
【０００８】
反射鏡１１３は、光軸Ｌ０を軸とした回転放物面の一部である反射面１１３ａを有している。反射面１１３ａは、光源１１１から発した光を光軸Ｌ０の図中右側に反射し、光源装置１１０から平行な光束として出射する。
【０００９】
光源装置１１０から出射された光束は、略円形状の断面を有している。ただし、前記円形の中心付近は、光源１１１の電極１１１ａに遮られ、影になる。
【００１０】
フライアイレンズ系１３０は、第１のフライアイレンズ１３１と、第２のフライアイレンズ１３３との対からなり、光源装置１１０から入射された光束の照度のむらを低減して均一にする。すなわち、図８（ｂ）に示すように光源装置１１０から出射された光束は略円形状の断面を有し、光軸Ｌ０に垂直な面内で照度のむら、及び光源１１１のゆらぎが大きいが、フライアイレンズ系１３０とフィールドレンズ系１４０からなるインテグレータ系により所定範囲内で照度の分布を平均して均一にする。
【００１１】
図９は、従来の偏光分離変換器１２０の構成を示す一部拡大図である。
【００１２】
偏光分離変換器１２０は、断面が平行四辺形のプリズム１２１を並べて板状に張り合わせてなる。偏光分離変換器１２０の入射側の面１２５において、一つおきのプリズム１２１の入射側の面には光を遮るマスク１２１が形成されている。偏光分離変換器１２０の出射側の面１２７において、マスク１２２が形成されていないプリズム１２１の出射側の面には１／２波長板１２３が形成されている。
【００１３】
フライアイレンズ系１３０から偏光分離変換器１２０に入射する無偏光の光束は、Ｐ偏光とＳ偏光の重ね合わせである。この光束は、第２のフライアイレンズ１３３によって、偏光分離変換器１２０の入射側の面１２０においてマスク１２２が形成されていないプリズム１２１に集光されて入射される。
【００１４】
偏光分離変換器１２０に入射したＰ偏光は、偏光分離器１２０をそのまま透過する。偏光分離器１２０に入射したＳ偏光は、プリズム１２１で２回反射され、１／２波長板１２３によってＰ偏光に変換される。したがって、偏光分離変換器１２０に入射された無偏光の光束は、偏光分離変換器１２０からＰ偏光となって出射される。
【００１５】
フィールドレンズ系１４０は、第１のレンズ１４１及び第２のレンズ１４２からなり、第１及び第２のレンズ１４１，１４２の合成焦点距離よりフライアイレンズ１３０，１３１の各セルの結像倍率が決定され、照明領域の光束径を決定している。
【００１６】
このように光源装置１１０からフィールドレンズ系１４０に至るまでの光路を経て、Ｐ偏光のみからなる光束が空間光変調素子１４５に入射される。
【００１７】
ここで、フィールドレンズ系１４０の合成焦点距離はＦであり、空間光変調素子１４５の入射面において入射する光束と光軸Ｌ０のなす最大角度は偏光分離変換器１２０を透過する光束径より容易に計算されるθである。
【００１８】
空間光変調素子１４５は、２次元配列した複数のピクセルによってなり、各ピクセルについて透過する光を変調し、出力画像を制御する。
【００１９】
ここで、従来の偏光分離変換器１２０においては、Ｐ偏光の光路長とＳ偏光の光路長は異なっている。すなわち、偏光分離変換器１２０に入射したＰ偏光がそのまま透過するのに対し、Ｐ偏光は偏光分離変換器１２０内で２回反射しているのでそれだけ光路が長くなっている。
【００２０】
このため、偏光分離変換器１２０に入射したＰ偏光及びＳ偏光の空間光変調素子１４５における照明領域の大きさが異なることになる。すなわち、光路の長いＳ偏光のほうが空間光変調素子１４５において照明領域が小さくなる。
【００２１】
したがって、照明領域の小さい方のＳ偏光を基準にするとＰ偏光の照明領域は大きくなりすぎて照明効率の低下を招き、照明領域の大きいＰ偏光を基準にするとＳ偏光の照明領域は小さくなりすぎて照明領域の照度分布が不均一になってしまう。
【００２２】
さらに、従来の偏光分離変換器１２０は、フライアイレンズ系１３０を構成する第２のフライアイレンズ１３３の各セグメントに結像される光源の像を偏光分離している。この偏光分離変換器１２０は、第２のフライアイレンズ１３３の各セグメントを偏光分離変換器１２０を構成するプリズム１２１の配列に対して１／２のピッチ、すなわち一つおきに配列させることにより、各セグメントを透過した光が一つおきのプリズム１２１に入射するようになしている。このような構成により、第２のフライアイレンズ１３３の各セグメントは、偏光分離変換器１２０により領域を制限されることにより、照明効率の低下を招いている。
【００２３】
このような、従来の偏光分離変換器１２０に由来する照度分布の不均一、照明効率の低下に対応する技術が開示されている（特許文献１参照。）。
【００２４】
【特許文献１】
特開平１１−１７４３７２号公報
【００２５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、プロジェクタ装置においては、スクリーンに投影する画像を生成するために、前述した偏光分離、さらには色分解・合成などの処理を行っている。
【００２６】
具体的には、硝材に誘電体多層膜を蒸着したプリズムを用いるのが一般的であり、入射（透過）光線の入射角毎にその特性が設計された膜付けが施されている。したがって、これらの特性は、光束のＦナンバーに依存しており、Ｆナンバーが小さい程、膜入射角が大きくなるため、膜設計が複雑及び困難になり、偏光分離性能及び色分解・合成性能を低下させる。
【００２７】
偏光分離性能が低下すると、コントラストが低下したり、色分解・合成性能が低下し、色再現性が悪くなる等、画質劣化を招く。このため、偏光分離性能、色分解・合成の性能を確保するためには、光源装置において光束径を小さくすることで光学系のＦナンバーを大きくすることが必要である。
【００２８】
本発明は、前述の実情に鑑みて提案されるものであって、空間光変調素子に光束を供給するものであって、Ｆナンバーを大きくした照明装置を提供することを目的とする。
【００２９】
【課題を解決するための手段】
前述の課題を解決するために、本発明に係る照明装置は、光源と、前記光源の一方の側に設けられ、前記光源からの光を反射して平行光束として出射する第１の反射手段と、前記光源の他方の側に設けられ、前記光源からの光を前記光源に戻すように反射し、この反射した光が前記第１の反射手段によって前記平行光束として反射されるようにする第２の反射手段と、前記第１の反射手段から出射された光束の内、第１の直線偏光を透過して第１の光束として出射し、前記第１の直線偏光と直交する第２の直線偏光を反射する偏光分離手段と、前記偏光分離手段で反射された第２の直線偏光を反射して前記第１の光束の進行方向に第２の光束として出射する反射手段と、前記第１又は第２の光束のいずれか一方の光路に配置された、前記第１及び第２の直線偏光を相互に変換する偏光変換手段と、前記第１及び第２の光束の光路であって、前記偏光変換手段の後段に配置された、光束の照度の分布を平均化する平均化手段と、を有する。
【００３０】
好ましくは、前記反射面は、回転放物面又は回転楕円面を含む。好ましくは、前記反射面は、回転放物面又は回転楕円面を所定の面で切断した開口を有する。
【００３１】
好ましくは、前記第２の反射手段は、トロイダル形状の反射面を含む。好ましくは、前記反射面はトロイダル面を所定の面で切断した開口を有する。
【００３２】
好ましくは、前記偏光分離手段は偏光ビームスプリッタであり、前記反射手段は直角プリズムであり、前記偏光変換手段は１／２波長板である。
【００３３】
本発明によると、光源装置からは第１の反射手段により反射された断面が略半円状の光束が出射される。したがって、この光源装置を備える本発明に係る照明装置においては、Ｆナンバーが大きくなっている。
【００３４】
このように、本発明の照明装置ではＦナンバーが大きいので、空間光変調素子に入射する光束と空間光変調素子の入射面の法線（光軸）のなす最大角を小さくすることができる。したがって、本発明では一定の偏光分離性能を確保することができ、さらには、一定のコントラスト、色分解・合成性能も確保することができる。
【００３５】
また、本発明によると、偏光分離手段、反射手段及び偏光変換手段（以下、偏光分離変換手段という。）の後段に光束の照度のむらを均一にする平均化手段としてのインテグレータ系が設けられているので、照度の不均一が低減される。
【００３６】
好ましくは、前記平均化手段は、フライアイレンズ系とフィールドレンズ系からなる。
【００３７】
さらに、本発明によると、前記偏光分離変換手段の入射する光束の全てを分離及び変換することができるので一定の照明効率を確保することができる。
【００３８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る照明装置の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００３９】
本実施の形態の照明装置は、画像をスクリーンに投影するプロジェクタ装置において、画像を変調する液晶表示素子などの空間光変調素子に光束を供給するものである。
【００４０】
図１は、本実施の形態の照明装置の光学系を示すものであり、光学系を光軸Ｌ０を含む面で切断した断面図（以下、横断面図という。）である。ただし、この図は照明装置を構成する各光学部材の作用を示すためのものであり、照明装置において各光学部材が直線上に配置される必要はない。
【００４１】
照明装置は、光源１１、光源１１の一方の側に設けられ、光源１１からの光を反射して平行光束として出射する第１の反射鏡（第１の反射手段）１３、及び前記光源１１の他方の側に設けられ、光源１１からの光を光源１１に戻すように反射し、この反射した光が第１の反射鏡１３によって平行光束として反射されるようにする第２の反射鏡（第２の反射手段）１５からなる光源装置１０と、光源装置１０から入射された無偏光の光束を分離してＰ波に変換する偏光分離変換器２０と、偏光分離変換器２０から入射された光を平均化して均一にするフライアイレンズ系３０と、フライアイレンズ系３０から入射された光束を収束させるフィールドレンズ４１とを有している。これらフライアイレンズ系３０とフィールドレンズ４１は照度のむらを平均化する平均化手段を構成している。フィールドレンズ４１で収束された光束は、空間光変調素子４３に入射される。
【００４２】
本実施の形態では、光源装置１０は断面が略半円状の光束を出射し、偏光分離変換器２０は光源装置１０から入射された無偏光の光束をＰ偏光に変換し、フライアイレンズ系３０は偏光分離変換装置２０から入射された照度のむらのある光束を均一にし、フィールドレンズ４１はインレグレータ３０から出射された光束を空間光変調素子４３に収束して照射する。
【００４３】
図２は、光源装置１０の構成を示す図である。図２（ａ）は光源装置１０の横断面図であり、図２（ｂ）は光源装置１０から出射された光束を光軸Ｌ０に垂直な面で切断した断面図（以下、縦断面図という。）である。
【００４４】
光源装置１０は、光軸Ｌ０に沿って所定間隔を有して配置された電極１１ａ間にアーク１１ｄを発生する光源１１と、光源１１から出射された光を光軸Ｌ０に沿って図中右側に反射する回転放物面状の反射面１３ａを有する第１の反射鏡（第１の反射手段）１３と、光源１１から発した光を光源１１に向けて反射する反射面１５ａを有する第２の反射鏡（第２の反射手段）１５とを有している。
【００４５】
第１の反射鏡１３と第２の反射鏡１５は、光軸Ｌ０を含む面について反対側に配置されている。すなわち、光源１１を含む光軸Ｌ０の一方の側に第１の反射鏡１３が配置され、他方の側に第２の反射鏡１５が配置されている。
【００４６】
光源装置１０は、光軸Ｌ０に沿って図中に、第１の反射面１３ａで反射した光を出射するので、光源装置１０から出射された光束は、略半円状の断面を有する。したがって、光源装置１０から出射される光束の断面は、横方向に比べて縦方向の寸法が１／２である。なお、前記半円の中心付近は、光源１１の電極１１ａに遮られ、影となっている。
【００４７】
本実施の形態では、光源装置１０の出射する光束は、円状の断面を有する光束と比べると縦方向の口径が１／２になっている。したがって、本実施の形態では、光源装置１０の口径を小さくすることによりＦナンバーを大きくすることができるといえる。
【００４８】
また、Ｆナンバーを大きくすることにより、本実施の形態の照明装置から空間光変調素子４３に入射する光束の空間光変調素子４３の入射面の法線（光軸）となす最大角を低減することができ、偏光板、偏光ビームスプリッタ等による偏光分離性能の向上を図ることができる。これにより、コントラスト、色分解・合成の性能も向上する。
【００４９】
図３は、光源１１の構成をさらに詳細に示す図である。図３（ａ）は横断面図であり、図３（ｂ）は光源１１の一部拡大横断面図であり、図３（ｃ）は光源１１の縦断面図である。
【００５０】
光源１１は、光軸Ｌ０に沿って所定間隔を有して配置された一対の電極１１ａと、電極１１ａ間の空隙と電極１１ａの一部を囲む軸Ｌ０について軸対称な形状を有する石英のバルブ１１ｃとを有している。石英バルブ１１ｃ内には、発光物質として、例えば希土類ハロゲン化物、キセノン、水銀等を含む封入物が高圧で格納されている。電極１１ａ間の空隙にて、アーク１１ｄを発生させると、それによりバルブ１１ｃ内の封入物が励起され、各物質の発光スペクトルに応じた光を発光する。
【００５１】
バルブ１１ｃは、光軸Ｌ０に垂直な面内の第１の曲率と、光軸Ｌ０を含む面内の第２の曲率とを有する回転体であり、これら第１及び第２の曲率は互いに異なる。
【００５２】
具体的には、光源１１には、例えばキセノンランプ、メタルハライドランプ、超高圧水銀ランプを用いることができる。
【００５３】
図４は、第１の反射鏡１３を示す図である。図４（ａ）は反射鏡１３の横断面図であり、図４（ｂ）は反射鏡１３の右側面図である。
【００５４】
第１の反射鏡１３は、光軸Ｌ０について軸対称な形状を有する回転放物面の一部であり、光源１１から発した光を光軸Ｌ０の図中右側に向けて反射する反射面１３ａを有している。反射面１３ａは、光軸Ｌ０を軸とする回転放物面を回転対称軸となる光軸Ｌ０に平行及び垂直な面でそれぞれ切断した開口を有している。すなわち、反射面１３ａは、前記回転放物面を光軸Ｌ０に垂直な面Ｖで切断し、さらに光軸Ｌ０を含む面（又は平行な面）Ｈで切断したものの一つである。
【００５５】
図５は、第２の反射鏡１５を示す図である。図５（ａ）は第２の反射鏡１５の正面図であり、図５（ｂ）は第２の反射鏡１５の右側面図である。
【００５６】
第２の反射鏡１５は、光源１１から発した光を光源１１に向かって反射する反射面１５ａを有している。反射面１５ａは、光源１１のアーク１１ｄから発した光を反射して光源のアーク１１ｄに結像する。
【００５７】
反射面１５ａは、光軸Ｌ０を軸とした回転対称面の一部である。すなわち、第２の反射鏡１５の反射面１５ａは、光軸Ｌ０に垂直な面内の第１の曲率Ｒ１と、光軸Ｌ０を含む面内の第２の曲率Ｒ２との２つの曲率を有するトロイダル面を、回転対称軸に平行な面で切断した開口を有している。第１及び第２の曲率Ｒ１，Ｒ２は互いに異なる。図中のＯは、曲率半径Ｒ２の中心を示している。なお、反射面１５は、トロイダル面に代わって回転楕円面とすることもできる。
【００５８】
第２の反射鏡１５で反射した光を結像する光源１１のアーク１１ｄは、厚みｔを有するバルブ１１ｃに囲まれている。したがって、反射面１５ａの第１及び第２の曲率Ｒ１，Ｒ２は、バルブ１１ｃの厚みｔに由来するレンズ効果を考慮に入れて定められる。
【００５９】
図６は、作用を説明する図である。図６（ａ）は偏光分離変換器２０の作用を示す図である。図６（ｂ）は、偏光分離変換器２０を透過したＰ偏光の光束の縦断面図である。図６（ｃ）は、偏光分離変換器２０でＳ偏光からＰ偏光に変換された光束の縦断面図である。
【００６０】
偏光分離変換器２０は、Ｐ偏光を透過するがＳ偏光を反射する偏光ビームスプリッタ（偏光分離手段）２３と、偏光ビームスプリッタ２３で反射されたＳ偏光を偏光ビームスプリッタ２３を透過したＰ偏光方向に反射する直角プリズム（反射手段）２５と、直角プリズム２５で反射されたＳ偏光をＰ偏光に変換する１／２波長板（偏光変換手段）２７とを有している。
【００６１】
光源装置１０から偏光分離変換器２０に入射された光束は、偏光ビームスプリッタ２３によってＰ偏光とＳ偏光に分離される。すなわち、光源装置１０から偏光分離変換器２０に入射した無偏光の光束のうち、Ｐ偏光は偏光ビームスプリッタ２３を透過し、偏光分離変換器２０から出射される（第１の光束）。一方、偏光分離変換器２０に入射したＳ偏光は、偏光ビームスプリッタ２３によって反射され、略９０度方向を変えられる。
【００６２】
さらに、偏光ビームスプリッタ２３で反射されたＳ偏光は、直角プリズム２５によって反射され、偏光分離変換器２０を透過したＰ偏光方向に略９０度方向を変えられ、偏光分離変換器２０を透過したＰ波と同じ方向に出射される（第２の光束）。プリズム２５から出射されたＳ偏光は、１／２波長板２７によって、Ｓ偏光からＰ偏光に変換される。
【００６３】
本実施の形態では、偏光分離変換器２０に入射された光束は、全て分離及び変換される。したがって、本実施の形態の照明装置では、一定の照明効率を確保している。
【００６４】
偏光分離変換器２０から出射された光束は、図６（ｂ）及び図６（ｃ）に示すように半円を二つ並べたような断面を有し、光軸に垂直な面内で照度のむらを有する。本実施の形態では、光束を均一にするフライアイレンズ系は偏光分離変換器２０の後段に設けられているので、照明装置から出射される光束の照度の不均一な分布は平均化により均一になっている。
【００６５】
なお、上述の実施の形態は本発明の一具体例を示すものであって本発明はこれに限定されない。本技術分野に属する専門家には、本発明を逸脱しない範囲において、前記実施の形態に適宜変更を加えることができることは明らかであろう。
【００６６】
【発明の効果】
本発明によると、大きいＦナンバーを有する光源装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態の照明装置の光学系を示すものである。
【図２】光学装置の構成を示すものである。
【図３】光源の構成を示す図である。
【図４】第１の反射鏡を示す図である。
【図５】第２の反射鏡を示す図である。
【図６】偏光分離変換器を説明する図である。
【図７】従来の照明装置における光学系の構成を示す図である。
【図８】従来の光源装置の構成を示す図である。
【図９】従来の偏光分離変換器の構成を示す一部拡大図である。
【符号の説明】
１０光源装置
１１光源
１３第１の反射鏡
１５第２の反射鏡
２０偏光分離変換器
２３偏光ビームスプリッタ
２５プリズム
３０フライアイレンズ系
３１第１のフライアイレンズ
３３第２のフライアイレンズ
４１フィールドレンズ
４３空間光変調素子

Claims

光源と、
前記光源の一方の側に設けられ、前記光源からの光を反射して平行光束として出射する第１の反射手段と、
前記光源の他方の側に設けられ、前記光源からの光を前記光源に戻すように反射し、この反射した光が前記第１の反射手段によって前記平行光束として反射されるようにする第２の反射手段と、
前記第１の反射手段から出射された光束の内、第１の直線偏光を透過して第１の光束として出射し、前記第１の直線偏光と直交する第２の直線偏光を反射する偏光分離手段と、
前記偏光分離手段で反射された第２の直線偏光を反射して前記第１の光束の進行方向に第２の光束として出射する反射手段と、
前記第１又は第２の光束のいずれか一方の光路に配置された、前記第１及び第２の直線偏光を相互に変換する偏光変換手段と、
前記第１及び第２の光束の光路であって、前記偏光変換手段の後段に配置された、光束の照度の分布を平均化する平均化手段と、
を有することを特徴とする照明装置。