JP2010003489A - 光源装置及びプロジェクタ - Google Patents

Abstract

【課題】薄型で、かつ効率良く光を射出可能な光源装置、及びその光源装置を用いるプロジェクタを提供すること。
【解決手段】光を射出する発光部１４を備える発光管１１と、発光部１４から射出した光を反射させるリフレクタ１２と、発光部１４から射出した光を集光させる集光レンズ１３と、を有し、集光レンズ１３は、発光管１１のうち、発光部１４よりもリフレクタ１２から光を射出する射出側に取り付けられ、かつ発光部１４のうち光を発生させる発光点の像を、リフレクタ１２の焦点位置において結像させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、光源装置及びプロジェクタ、特に、リフレクタを用いる光源装置の技術に関する。

従来、プロジェクタの光源として使用されるランプ、例えば超高圧水銀ランプ等の放電ランプには、発光管から射出した光を反射させるリフレクタが用いられている。被照射面へ効率良く光を進行させるために、リフレクタの多くは、回転曲面、例えば、楕円を回転させることで得られる回転楕円面や、放物線を回転させることで得られる回転放物面をなす形状が採用されている。例えば、特許文献１には、楕円面形状をなすリフレクタを用いる照明装置の技術が提案されている。

特開２００１−１１０２１７号公報

プロジェクタは、携帯性や収納性を向上させるために、構成全体の薄型化が求められている。リフレクタを備える光源装置は、被照射面へ効率良く光を射出可能であって、かつ薄型にできることが求められる。楕円面形状をなすリフレクタは、できるだけ広い配光角度の光を取り込み可能とするには、開口径を大きくすることとなるため、薄型化が困難となる。また、開口径を小さくすると取り込み可能な光の配光角度の範囲が狭くなるため、被照射面へ効率良く光を進行させることが困難となる。本発明は、上述に鑑みてなされたものであり、薄型で、かつ効率良く光を射出可能な光源装置、及びその光源装置を用いるプロジェクタを提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る光源装置は、光を射出する発光部を備える発光管と、発光部から射出した光を反射させるリフレクタと、発光部から射出した光を集光させる集光レンズと、を有し、集光レンズは、発光管のうち、発光部よりもリフレクタから光を射出する射出側に取り付けられることを特徴とする。

集光レンズは、リフレクタで取り込まれない配光角度の光を被照射面の方向へ進行させる。集光レンズにより被照射面の方向へ光を進行可能とすることで、効率良く光を射出可能にできる。また、発光部から集光レンズへ入射する光についてリフレクタでの取り込みが不要となる分、リフレクタの開口径を小さくできる。これにより、薄型で、かつ効率良く光を射出可能な光源装置を得られる。

また、本発明の好ましい態様としては、集光レンズは、発光部のうち光を発生させる発光点の像を、リフレクタの焦点位置において結像させることが望ましい。これにより、照明光学系において有効利用できる光を効率良く供給できる。

また、本発明の好ましい態様としては、曲面形状の反射面を備え、集光レンズを透過した光を反射させる曲面反射部を有し、曲面反射部は、発光管のうち、集光レンズよりも射出側に取り付けられることが望ましい。発光部から射出した光のうち射出側とは反対側へ進行した光は、リフレクタで反射した後、集光レンズへ入射する。集光レンズへ入射した光は、曲面反射部で反射し、被照射面の方向へ進行する。発光部から直接集光レンズへ入射した光のみならず、リフレクタで反射してから集光レンズへ入射した光についても被照射面の方向へ効率良く進行させることにより、さらに効率良く光を射出できる。

また、本発明の好ましい態様としては、曲面形状は、円錐の側面と略同じ形状をなすことが望ましい。これにより、集光レンズから曲面反射部へ入射した光を被照射面の方向へ進行させることができる。

また、本発明の好ましい態様としては、曲面反射部は、集光レンズからの光をリフレクタの焦点位置において収束させることが望ましい。これにより、照明光学系において有効利用できる光を供給できる。

また、本発明の好ましい態様としては、リフレクタは、楕円の一部を回転させることにより得られる回転楕円面と略同じ形状の反射面を備えることが望ましい。これにより、楕円の第１焦点上に設けられた発光部からの光を、効率良く第２焦点へ進行させる構成にできる。

また、本発明の好ましい態様としては、リフレクタは、発光部から射出した光を焦点位置へ向けて反射させる第１反射面と、発光部から射出した光を集光レンズへ向けて反射させる第２反射面と、を有し、第１反射面の焦点位置と、第２反射面の焦点位置とは、互いに異なる位置であることが望ましい。これにより、第２反射面、集光レンズ、及び曲面反射部を経た光を、第１反射面の焦点位置近傍へ進行させる構成にできる。

さらに、本発明に係るプロジェクタは、上記の光源装置と、光源装置から射出した光を画像信号に応じて変調する空間光変調装置と、を有することを特徴とする。上記の光源装置を用いることにより、薄型で、かつ効率良く明るい画像を表示可能なプロジェクタを得られる。

以下に図面を参照して、本発明の実施例を詳細に説明する。

図１は、本発明の実施例１に係る光源装置１０の概略構成を説明するものである。光源装置１０は、発光管１１、リフレクタ１２、及び集光レンズ１３を組み合わせて構成されている。発光管１１は、例えば、超高圧水銀ランプである。発光管１１は、発光部１４を有する。発光部１４は、発光管１１の中心軸ＡＸ上の発光点で発生させた光を射出する。発光部１４の内部には、不図示の電極間にアークが形成される。発光管１１の内部は、ガラス部材を用いて封止されている。Ｘ軸は、中心軸ＡＸに直交する軸である。Ｙ軸は、中心軸ＡＸ及びＸ軸に直交する軸である。Ｚ軸は、中心軸ＡＸに平行な軸である。Ｚ軸の矢印の方向は、光源装置１０から不図示の被照射面へ向かう方向を表す。なお、図中、リフレクタ１２は、中心軸ＡＸを含むＹＺ断面として表している。

リフレクタ１２は、中心軸ＡＸの周囲に設けられている。リフレクタ１２は、発光部１４から射出した光を反射させる反射面１５を有する。反射面１５は、図示するＹＺ断面において、中心軸ＡＸを長軸とする楕円の一部と略同じ形状をなす。反射面１５は、中心軸ＡＸを中心として楕円の一部を回転させることにより得られる回転楕円面と略同じ形状を有する。発光部１４の発光点は、かかる楕円を定義する焦点の一つである第１焦点ｆ１と略一致している。リフレクタ１２は、所望の形状に成形された基材のうち反射面１５を形成する側の表面に高反射性部材、例えば誘電体多層膜や金属部材を蒸着させることにより得られる。リフレクタ１２を構成する基材としては、例えば、耐熱性ガラスを用いる。

図２は、互いに組み合わされた状態の発光管１１及び集光レンズ１３の斜視構成を示す。集光レンズ１３は、発光部１４から射出した光を集光させる。集光レンズ１３は、発光管１１のうち、発光部１４よりも射出側に取り付けられている。射出側とは、リフレクタ１２から光を射出する方向である、Ｚ軸の矢印方向の側をいうものとする。集光レンズ１３は、中心部分に形成された貫通孔へ発光管１１を貫かせることにより、発光管１１に取り付けられている。

図３は、発光部１４から射出した光の振舞いを説明するものである。発光部１４から射出した光は、リフレクタ１２の内面の全体へ向けて放射状に拡散する。第１焦点ｆ１上の発光点から反射面１５へ向けて進行した光は、反射面１５で反射し、楕円の第２焦点ｆ２へ向けて進行する。反射面１５を回転楕円面と略同じ形状とすることにより、第１焦点ｆ１上の発光点から反射面１５へ入射した光を、第２焦点ｆ２へ向かう方向へ効率良く進行させることができる。

集光レンズ１３は、発光点の像を、リフレクタ１２の第２焦点ｆ２の位置において結像させる。発光部１４から集光レンズ１３へ向けて進行した光は、集光レンズ１３での屈折作用により、リフレクタ１２の第２焦点ｆ２にて集光する。反射面１５で反射した光、集光レンズ１３を透過した光のいずれも第２焦点ｆ２にて集光させることにより、光源装置１０から射出した光は、照明光学系における適切な制御、例えばコリメータ光学系による平行化や照明領域の整形等が可能となる。従って、光源装置１０は、照明光学系において有効利用できる光を効率良く供給できる。

仮に、集光レンズ１３を設けない構成とする場合、破線矢印で光線を示した配光角度の光は、リフレクタ１２で取り込まれず、有効利用されないこととなる。光源装置１０は、リフレクタ１２で取り込まれない配光角度の光を集光レンズ１３により被照射面の方向へ進行させることで、効率良く光を射出可能にできる。また、発光部１４から集光レンズ１３へ入射する光についてリフレクタ１２での取り込みが不要となる分、リフレクタ１２の開口径を小さくできる。これにより、薄型で、かつ効率良く光を射出できるという効果を奏する。

なお、集光レンズ１３から第２焦点ｆ２へ進行する光が発光管１１の先端部へ入射することを防ぐために、発光管１１は、可能な限り先端部を短く成形することとしても良い。これにより、発光管１１での散乱による光の損失を低減させることが可能となる。

図４は、本発明の実施例２に係る光源装置２０の概略構成を説明するものである。本実施例に係る光源装置２０は、曲面反射部２１を有することを特徴とする。上記実施例１と同一の部分には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。光源装置２０は、発光管１１、リフレクタ１２、集光レンズ１３、及び曲面反射部２１を組み合わせて構成されている。

曲面反射部２１は、円錐の側面と略同じ形状である曲面形状の反射面を備える。曲面反射部２１は、集光レンズ１３を透過した光を反射させる。曲面反射部２１は、発光管１１の中心軸ＡＸを中心として、発光管１１のうち射出側の先端部を覆うように配置されている。なお、図中、リフレクタ１２及び曲面反射部２１は、中心軸ＡＸを含むＹＺ断面として表している。

図５は、互いに組み合わされた発光管１１、集光レンズ１３、及び曲面反射部２１の斜視構成を示す。曲面反射部２１は、発光管１１のうち、集光レンズ１３よりも射出側に取り付けられている。曲面反射部２１は、所望の形状に成形された基材のうち反射面を形成する側の表面に高反射性部材、例えば誘電体多層膜や金属部材を蒸着させることにより得られる。この他、曲面反射部２１は、金属部材の成形により得ることとしても良い。さらに、曲面反射部２１は、発光管１１の先端部を適宜成形し、高反射性部材を蒸着させることにより形成することとしても良い。

図６は、発光部１４から射出した光の振舞いを説明するものである。発光部１４から反射面１５を経て直接第２焦点ｆ２へ向かう光、発光部１４から直接集光レンズ１３へ入射し第２焦点ｆ２へ向かう光は、上記実施例１の場合と同様に進行する。発光部１４から反射面１５で反射した後、集光レンズ１３へ入射した光は、集光レンズ１３での屈折作用により、中心軸ＡＸのうち第２焦点ｆ２より集光レンズ１３に近い位置へ向けて進行し、曲面反射部２１へ入射する。

曲面反射部２１は、集光レンズ１３からの光を第２焦点ｆ２の位置において収束させる。集光レンズ１３から曲面反射部２１へ入射した光は、曲面反射部２１で反射した後、第２焦点ｆ２へ進行する。反射面１５で反射した光、集光レンズ１３を透過した光、曲面反射部２１で反射した光のいずれも第２焦点ｆ２にて集光させることにより、光源装置２０は、照明光学系において有効利用できる光を効率良く供給できる。

集光レンズ１３を大型にすることにより、集光レンズ１３を用いて発光部１４からの光を効率良く被照射面の方向へ進行させ、かつリフレクタ１２の開口径を小さくできる一方、反射面１５で反射して集光レンズ１３へ入射する光が増加することとなる。仮に、曲面反射部２１を設けない構成とする場合、反射面１５から集光レンズ１３へ入射した光は、破線矢印で示すように、中心軸ＡＸに対して大きな角度をなして直進し、有効利用されないこととなる。

光源装置２０は、発光部１４から直接集光レンズ１３へ入射した光のみならず、リフレクタ１２で反射してから集光レンズ１３へ入射した光についても被照射面の方向へ効率良く進行させることにより、さらに効率良く光を射出できる。

図７は、本発明の実施例３に係る光源装置３０の概略構成を説明するものである。本実施例に係る光源装置３０は、第１反射面３２及び第２反射面３３を備えるリフレクタ３１を有することを特徴とする。上記実施例１、２と同一の部分には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。第１反射面３２は、リフレクタ３１のうち開口が形成された側に設けられている。第２反射面３３は、第１反射面３２のうち開口が形成された側とは反対側に連続させて設けられている。第１反射面３２、第２反射面３３は、いずれも、回転楕円面と略同じ形状を有する。第１反射面３２を構成する楕円と、第２反射面３３を構成する楕円とは、第１焦点ｆ１が一致しているのに対して、第２焦点が互いに異なる位置である。

図８は、発光部１４から射出した光の振舞いを説明するものである。第１反射面３２は、発光部１４から射出した光を、第１反射面３２の第２焦点ｆ２へ向けて反射させる。発光部１４から第１反射面３２へ入射した光は、第１反射面３２で反射し、第２焦点ｆ２の方向へ進行する。発光部１４から直接集光レンズ１３へ入射した光は、集光レンズ１３での屈折作用により、第１反射面３２の第２焦点ｆ２にて集光する。

第２反射面３３の第２焦点ｆ３の位置は、第１反射面３２の第２焦点ｆ２よりも集光レンズ１３から離れた位置とされる。発光部１４から第２反射面３３へ入射した光は、第２反射面３３で反射した後、集光レンズ１３へ入射する。第２反射面３３から集光レンズ１３へ入射した光は、集光レンズ１３で屈折し、曲面反射部２１へ入射する。集光レンズ１３から曲面反射部２１へ入射した光は、曲面反射部２１で反射した後、第１反射面３２の第２焦点ｆ２へ進行する。本実施例の場合も、光源装置３０は、効率良く光を射出できる。また、第１反射面３２で反射した光、集光レンズ１３を透過した光、曲面反射部２１で反射した光のいずれも、第１反射面３２の第２焦点ｆ２にて集光させることにより、光源装置３０は、照明光学系において有効利用できる光を効率良く供給できる。

図９は、本発明の実施例４に係るプロジェクタ４０の概略構成を示す。プロジェクタ４０は、不図示のスクリーンへ光を投写し、スクリーンで反射する光を観察することで画像を鑑賞するフロント投写型のプロジェクタである。プロジェクタ４０は、上記実施例１に係る光源装置１０を有する。光源装置１０は、赤色（Ｒ）光、緑色（Ｇ）光、青色（Ｂ）光を含む光を射出する。凹レンズ４１は、光源装置１０から射出した光を平行化させる。

第１インテグレータレンズ４２及び第２インテグレータレンズ４３は、アレイ状に配列された複数のレンズ素子を有する。第１インテグレータレンズ４２は、凹レンズ４１からの光束を複数に分割する。第１インテグレータレンズ４２の各レンズ素子は、凹レンズ４１からの光束を第２インテグレータレンズ４３のレンズ素子近傍にて集光させる。第２インテグレータレンズ４３のレンズ素子は、第１インテグレータレンズ４２のレンズ素子の像を空間光変調装置上に形成する。

２つのインテグレータレンズ４２、４３を経た光は、偏光変換素子４４にて特定の振動方向の直線偏光に変換される。重畳レンズ４５は、第１インテグレータレンズ４２の各レンズ素子の像を空間光変調装置上で重畳させる。第１インテグレータレンズ４２、第２インテグレータレンズ４３及び重畳レンズ４５は、光源装置１０からの光の強度分布を空間光変調装置上にて均一化させる。重畳レンズ４５からの光は、第１ダイクロイックミラー４６に入射する。第１ダイクロイックミラー４６は、Ｒ光を反射し、Ｇ光及びＢ光を透過させる。第１ダイクロイックミラー４６へ入射したＲ光は、第１ダイクロイックミラー４６及び反射ミラー４７における反射により光路が折り曲げられ、Ｒ光用フィールドレンズ４８Ｒへ入射する。Ｒ光用フィールドレンズ４８Ｒは、反射ミラー４７からのＲ光を平行化し、Ｒ光用空間光変調装置４９Ｒへ入射させる。

Ｒ光用空間光変調装置４９Ｒは、Ｒ光を画像信号に応じて変調する空間光変調装置であって、透過型液晶表示装置である。Ｒ光用空間光変調装置４９Ｒに設けられた不図示の液晶パネルは、２つの透明基板の間に、光を画像信号に応じて変調するための液晶層を封入している。Ｒ光用空間光変調装置４９Ｒで変調されたＲ光は、色合成光学系であるクロスダイクロイックプリズム５０へ入射する。

第１ダイクロイックミラー４６を透過したＧ光及びＢ光は、第２ダイクロイックミラー５１へ入射する。第２ダイクロイックミラー５１は、Ｇ光を反射し、Ｂ光を透過させる。第２ダイクロイックミラー５１へ入射したＧ光は、第２ダイクロイックミラー５１での反射により光路が折り曲げられ、Ｇ光用フィールドレンズ４８Ｇへ入射する。Ｇ光用フィールドレンズ４８Ｇは、第２ダイクロイックミラー５１からのＧ光を平行化し、Ｇ光用空間光変調装置４９Ｇへ入射させる。Ｇ光用空間光変調装置４９Ｇは、Ｇ光を画像信号に応じて変調する空間光変調装置であって、透過型液晶表示装置である。Ｇ光用空間光変調装置４９Ｇで変調されたＧ光は、クロスダイクロイックプリズム５０のうちＲ光が入射する面とは異なる面へ入射する。

第２ダイクロイックミラー５１を透過したＢ光は、リレーレンズ５２を透過した後、反射ミラー５３での反射により光路が折り曲げられる。反射ミラー５３からのＢ光は、さらにリレーレンズ５４を透過した後、反射ミラー５５での反射により光路が折り曲げられ、Ｂ光用フィールドレンズ４８Ｂへ入射する。Ｒ光の光路及びＧ光の光路よりもＢ光の光路が長いことから、空間光変調装置における照明倍率を他の色光と等しくするために、Ｂ光の光路には、リレーレンズ５２、５４を用いるリレー光学系が採用されている。

Ｂ光用フィールドレンズ４８Ｂは、反射ミラー５５からのＢ光を平行化し、Ｂ光用空間光変調装置４９Ｂへ入射させる。Ｂ光用空間光変調装置４９Ｂは、Ｂ光を画像信号に応じて変調する空間光変調装置であって、透過型液晶表示装置である。Ｂ光用空間光変調装置４９Ｂで変調されたＢ光は、クロスダイクロイックプリズム５０のうちＲ光が入射する面、Ｇ光が入射する面とは異なる面へ入射する。

クロスダイクロイックプリズム５０は、互いに略直交する２つのダイクロイック膜５６、５７を有する。第１ダイクロイック膜５６は、Ｒ光を反射し、Ｇ光及びＢ光を透過させる。第２ダイクロイック膜５７は、Ｂ光を反射し、Ｒ光及びＧ光を透過させる。クロスダイクロイックプリズム５０は、それぞれ異なる方向から入射したＲ光、Ｇ光及びＢ光を合成し、投写レンズ５８の方向へ射出する。投写レンズ５８は、クロスダイクロイックプリズム５０で合成された光をスクリーンの方向へ投写する。

薄型にでき、かつ効率良く光を射出可能な光源装置１０を用いることにより、プロジェクタ４０は、薄型で、効率良く明るい画像を表示することが可能となる。プロジェクタ４０は、上記実施例１に係る光源装置１０に代えて、上記実施例２に係る光源装置２０、上記実施例３に係る光源装置３０のいずれかを用いることとしても良い。

プロジェクタ４０は、空間光変調装置として透過型液晶表示装置を用いる場合に限られない。空間光変調装置としては、反射型液晶表示装置（Liquid Crystal On Silicon；ＬＣＯＳ）、ＤＭＤ（Digital Micromirror Device）、ＧＬＶ（Grating Light Valve）等を用いても良い。プロジェクタ４０は、色光ごとに空間光変調装置を備える構成に限られない。プロジェクタ４０は、一つの空間光変調装置により二つ又は三つ以上の色光を変調する構成としても良い。プロジェクタ４０は、空間光変調装置を用いる場合に限られない。プロジェクタ４０は、画像情報を持たせたスライドを用いるスライドプロジェクタであっても良い。本発明に係る光源装置は、プロジェクタ４０に用いるものに限られない。光源装置は、例えば、懐中電灯等の照明機器や、自動車のヘッドライト等に適用しても良い。

以上のように、本発明に係る光源装置は、プロジェクタに用いる場合に適している。

本発明の実施例１に係る光源装置の概略構成を説明する図。 発光管及び集光レンズの斜視構成を示す図。 発光部から射出した光の振舞いを説明する図。 本発明の実施例２に係る光源装置の概略構成を説明する図。 発光管、集光レンズ、及び曲面反射部の斜視構成を示す図。 発光部から射出した光の振舞いを説明する図。 本発明の実施例３に係る光源装置の概略構成を説明する図。 発光部から射出した光の振舞いを説明する図。 本発明の実施例４に係るプロジェクタの概略構成を示す図。

符号の説明

１０ 光源装置、１１ 発光管、１２ リフレクタ、１３ 集光レンズ、１４ 発光部、１５ 反射面、ＡＸ 中心軸、ｆ１ 第１焦点、ｆ２ 第２焦点、２０ 光源装置、２１ 曲面反射部、３０ 光源装置、３１ リフレクタ、３２ 第１反射面、３３ 第２反射面、ｆ３ 第２焦点、４０ プロジェクタ、４１ 凹レンズ、４２ 第１インテグレータレンズ、４３ 第２インテグレータレンズ、４４ 偏光変換素子、４５ 重畳レンズ、４６ 第１ダイクロイックミラー、４７ 反射ミラー、４８Ｒ Ｒ光用フィールドレンズ、４８Ｇ Ｇ光用フィールドレンズ、４８Ｂ Ｂ光用フィールドレンズ、４９Ｒ Ｒ光用空間光変調装置、４９Ｇ Ｇ光用空間光変調装置、４９Ｂ Ｂ光用空間光変調装置、５０ クロスダイクロイックプリズム、５１ 第２ダイクロイックミラー、５２、５４ リレーレンズ、５３、５５ 反射ミラー、５６ 第１ダイクロイック膜、５７ 第２ダイクロイック膜、５８ 投写レンズ

Claims (8)

1. 光を射出する発光部を備える発光管と、
   前記発光部から射出した光を反射させるリフレクタと、
   前記発光部から射出した光を集光させる集光レンズと、を有し、
   前記集光レンズは、前記発光管のうち、前記発光部よりも前記リフレクタから光を射出する射出側に取り付けられることを特徴とする光源装置。
2. 前記集光レンズは、前記発光部のうち光を発生させる発光点の像を、前記リフレクタの焦点位置において結像させることを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
3. 曲面形状の反射面を備え、前記集光レンズを透過した光を反射させる曲面反射部を有し、
   前記曲面反射部は、前記発光管のうち、前記集光レンズよりも前記射出側に取り付けられることを特徴とする請求項１又は２に記載の光源装置。
4. 前記曲面形状は、円錐の側面と略同じ形状をなすことを特徴とする請求項３に記載の光源装置。
5. 前記曲面反射部は、前記集光レンズからの光を前記リフレクタの焦点位置において収束させることを特徴とする請求項３又は４に記載の光源装置。
6. 前記リフレクタは、楕円の一部を回転させることにより得られる回転楕円面と略同じ形状の反射面を備えることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の光源装置。
7. 前記リフレクタは、前記発光部から射出した光を焦点位置へ向けて反射させる第１反射面と、前記発光部から射出した光を前記集光レンズへ向けて反射させる第２反射面と、を有し、
   前記第１反射面の焦点位置と、前記第２反射面の焦点位置とは、互いに異なる位置であることを特徴とする請求項３〜５のいずれか一項に記載の光源装置。
8. 請求項１〜７のいずれか一項に記載の光源装置と、
   前記光源装置から射出した光を画像信号に応じて変調する空間光変調装置と、を有することを特徴とするプロジェクタ。

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