JP2010003542A - リフレクタ、光源装置及びプロジェクタ - Google Patents

Abstract

【課題】薄型にでき、かつ効率良く光を射出可能とするためのリフレクタ、そのリフレクタを用いる光源装置及び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１３と組み合わせて用いられ、発光部１３から射出した光を反射させることにより所定方向へ進行させるためのリフレクタ１２であって、リフレクタ１２のうち、被照射面へ向けて光を射出するための開口が形成された側の部分である主反射部１４と、主反射部１４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た副反射部１５と、を有し、副反射部１５は、非球面形状の反射面１７を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、リフレクタ、光源装置及びプロジェクタ、特に、プロジェクタの光源装置に用いられるリフレクタの技術に関する。

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す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、楕円面を備える主反射部と球面を備える副反射部とを組み合わせたリフレクタの技術が提案されている。発光管から光源装置の射出側とは反対向きへ進行し、副反射部で反射した光は、発光管を通過した後、主反射部へ進行する。

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。特許文献１に提案されている技術は、ランプのアークジャンプ（発光点移動）によるフリッカを低減させることを目的とする他、楕円面と球面とを組み合わせる構成とすることにより、楕円面のみを用いた構成とする場合に比べて薄型にできる利点もある。

特開平１１−２８３４２２号公報

ランプの発光管に設けられたガラス部材は、その形状に応じて、発光点から射出した光を屈折させる場合がある。発光管で屈折し、副反射部の球面で反射した光は、屈折の影響により、元の発光点からずれた位置を通過することとなる。発光管での屈折により生じた収差は、照明光学系において有効利用されない光を増加させる原因となり得る。このように、従来の技術では、光の射出効率の低下を低減させることが困難であるという問題を生じる。本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、薄型にでき、かつ効率良く光を射出可能とするためのリフレクタ、そのリフレクタを用いる光源装置及び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、本発明に係るリフレクタは、光を射出する発光部と組み合わせて用いられ、発光部から射出した光を反射させることにより所定方向へ進行させるためのリフレクタであって、リフレクタのうち、被照射面へ向けて光を射出するための開口が形成された側の部分である主反射部と、主反射部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た副反射部と、を有し、副反射部は、非球面形状の反射面を備えることを特徴とする。

主反射部及び副反射部を設けることにより、リフレクタは、楕円面のみを用いた構成とする場合に比べて薄型にできる。また、副反射部を非球面形状とすることにより、リフレクタから光を射出する側とは反対側へ進行し副反射部で反射した光が発光点へ進行するように、発光管における屈折の影響を補正することが可能となる。発光管における屈折の影響を補正可能とすることで、光の射出効率の低下を低減させることが可能となる。これにより、薄型にでき、かつ効率良く光を射出可能とするためのリフレクタを得られる。

また、本発明の好ましい態様としては、主反射部は、楕円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、発光部から直接、或いは副反射部及び発光部を経て主反射部へ入射した光を効率良く所定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、主反射部は、多項式非球面形状の反射面を備えることが望ましい。多項式非球面形状は、多項式を用いて表される非球面形状である。これにより、発光管における屈折の影響を、主反射部においても補正可能とし、さらに効率良く光を射出可能にできる。

さらに、本発明に係る光源装置、光を射出する発光部と、上記のリフレクタと、を有することを特徴とする。上記のリフレクタを用いることにより、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、副反射部は、副反射部で反射した光が集光するスポットを最小とするような非球面形状の反射面を備えることが望ましい。これにより、発光管における屈折の影響を効果的に低減させ、さらに効率良く光を射出可能にできる。

また、本発明の好ましい態様としては、主反射部は、主反射部で反射した光が集光するスポットを最小とするような多項式非球面形状の反射面を備えることが望ましい。これにより、発光管における屈折の影響を効果的に低減させ、さらに効率良く光を射出可能にできる。

また、本発明の好ましい態様としては、発光部に関して、光源装置から光を射出する射出側に設けられ、発光部から射出した光を集光させ、所定方向へ進行させる集光レンズを有することが望ましい。これにより、リフレクタにより取り込み可能な光の配光角度に対して広い配光角度の光を、リフレクタで反射した光と同じ所定方向へ進行させることを可能とし、さらに効率良く光を射出可能にできる。

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及びリフレクタ１２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１３を有する。発光部１３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１３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。

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、主反射部１４及び副反射部１５を有する。主反射部１４は、リフレクタ１２のうち被照射面へ向けて光を射出するための開口が形成された側の部分である。副反射部１５は、主反射部１４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。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。

主反射部１４は、発光部１３が設けられた側に形成された反射面１６を有する。反射面１６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。主反射部１４の反射面１６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１３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焦点と略一致している。

副反射部１５は、発光部１３が設けられた側に形成された反射面１７を有する。副反射部１５は、発光部１３に反射面１７が近接するように配置されている。副反射部１５の反射面１７は、反射面１７で反射した光が集光するスポットを最小とするような非球面形状を有する。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１６、１７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。

本実施例では、主反射部１４及び副反射部１５を用いることにより、主反射部１４の反射面１６を構成する楕円から第１焦点までの距離が小さくなる。楕円から第１焦点までの距離を小さくできることで、できるだけ広い配光角度θの光を取り込み可能とし、かつ開口の直径を小さくすることが可能となる。反射面１７ができるだけ発光部１３に近くなるように副反射部１５を構成することによっても、楕円から第１焦点までの距離を小さくすることが可能となる。リフレクタ１２の開口は、例えば２０ｍｍの有効径をなす。リフレクタ１２は、開口を小さくできることで薄型にできる。また、リフレクタ１２は、中心軸ＡＸを基準とする配光角度θが、例えば１３０〜１４０度程度までの光を取り込み可能に形成されている。広い配光角度θの光をリフレクタ１２で取り込み可能とすることで、光源装置１０は、被照射面へ効率良く光を進行させることができる。

図２は、発光部１３から射出した光の振舞いを説明するものである。発光部１３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。楕円の第１焦点上の発光点から主反射部１４の反射面１６へ向けて進行した光は、反射面１６で反射し、楕円の第２焦点へ向けて進行する。反射面１６を回転楕円面と略同じ形状とすることにより、第１焦点上の発光点から反射面１６へ入射した光を、所定方向である第２焦点へ向かう方向へ効率良く進行させることができる。なお、主反射部１４で反射し第２焦点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するように成形することとしても良い。これにより、発光管１１における反射による光の損失を低減させることが可能となる。

発光点から副反射部１５の反射面１７へ入射した光は、反射面１７で反射し、発光部１３へ戻る。反射面１７から発光部１３を透過した光は、主反射部１４の反射面１６へ入射する。このようにして、副反射部１５の反射面１７で反射させた光についても、第２焦点へ向かう方向へ効率良く進行させることができる。反射面１７で反射した光のスポットが発光点にて最小となるように反射面１７の非球面形状を設定することにより、発光部１３における屈折の影響を効果的に低減させることが可能となる。

副反射部１５を経た光を効率良く発光点へ戻すと、発光部１３での屈折による収差を軽減できる他、発光管１１内の電極へ入射する光を低減させることが可能となる。電極での反射により散乱する光を低減させることにより、光の損失を低減させることができる。また、電極へ光が入射することによる電極の温度の上昇を抑制可能とすることにより、発光管１１の劣化を抑制できる。

以上のように、本発明に係るリフレクタ１２は、発光管１１における屈折の影響を副反射部１５において補正可能とすることで、光の射出効率の低下を低減させることが可能となる。これにより、薄型にでき、かつ効率良く光を射出できるという効果を奏する。主反射部１４の反射面１６は、回転楕円面と略同じ形状である場合に限られず、適宜変形しても良い。例えば、主反射部１４の反射面１６は、多項式非球面形状であっても良い。

反射面１６の多項式非球面形状は、反射面１６で反射した光が集光するスポットを最小とするような形状であることが望ましい。反射面１６で反射した光のスポットが第２焦点にて最小となるように反射面１６の多項式非球面形状を設定することにより、発光部１３における屈折の影響を効果的に低減させることが可能となる。これにより、発光部１３における屈折の影響を、主反射部１４においても補正可能とし、さらに効率良く光を射出可能にできる。反射面１６の多項式非球面形状は、少なくとも、中心軸ＡＸに関して点対称であることが望ましい。さらに、反射面１６は、発光管１１の構成に応じて、他の形状、例えば自由曲面形状等へ変形しても良い。本実施例に係る光源装置１０は、発光管１１を有するものに限られず、光を放射状に拡散させる発光部を有するものであれば良い。

図３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、集光レンズ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、及び集光レンズ２１を組み合わせて構成されている。

図４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２１の斜視構成を示す。集光レンズ２１は、発光部１３に関して、光源装置２０から光を射出する射出側に設けられている。集光レンズ２１は、発光部１３から射出した光を集光させる。集光レンズ２１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。発光部１３にできるだけ近い位置に集光レンズ２１を配置することにより、発光部１３内の発光点から前方へ拡散しリフレクタ１２で取り込めない多くの光を集光レンズ２１に取り込むことが可能となる。

図５は、発光部１３から射出した光の振舞いを説明するものである。発光部１３から主反射部１４へ入射した光、副反射部１５へ入射した光は、上記実施例１の場合と同様にして、所定方向である第２焦点の方向へ進行する。集光レンズ２１は、発光部１３から入射した光を集光させ、所定方向である第２焦点の方向へ進行させる。発光部１３から集光レンズ２１へ入射した光は、集光レンズ２１で屈折し、第２焦点へ向けて進行する。なお、集光レンズ２１から第２焦点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。

本実施例に係る光源装置２０は、集光レンズ２１を設けることにより、リフレクタ１２により取り込み可能な光の配光角度に対して広い配光角度の光を、リフレクタ１２で反射した光と同じ第２焦点の方向へ進行させる。これにより、光源装置２０は、薄型なリフレクタ１２を用いてさらに効率良く光を射出することが可能となる。また、光源装置２０により光を射出する効率を低下させずに、リフレクタ１２をさらに薄型にできるという効果を得ることもできる。

図６は、本発明の実施例３に係るプロジェクタ３０の概略構成を示す。プロジェクタ３０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３０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３１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３２及び第２インテグレータレンズ３３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３２は、凹レンズ３１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３２の各レンズ素子は、凹レンズ３１からの光束を第２インテグレータレンズ３３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３３のレンズ素子は、第１インテグレータレンズ３２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３２、３３を経た光は、偏光変換素子３４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３５は、第１インテグレータレンズ３２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３２、第２インテグレータレンズ３３及び重畳レンズ３５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３５からの光は、第１ダイクロイックミラー３６に入射する。第１ダイクロイックミラー３６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３６へ入射したＲ光は、第１ダイクロイックミラー３６及び反射ミラー３７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３８Ｒへ入射する。Ｒ光用フィールドレンズ３８Ｒは、反射ミラー３７からのＲ光を平行化し、Ｒ光用空間光変調装置３９Ｒへ入射させる。

Ｒ光用空間光変調装置３９Ｒ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３９Ｒ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３９Ｒ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４０へ入射する。

第１ダイクロイックミラー３６を透過したＧ光及びＢ光は、第２ダイクロイックミラー４１へ入射する。第２ダイクロイックミラー４１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４１へ入射したＧ光は、第２ダイクロイックミラー４１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３８Ｇへ入射する。Ｇ光用フィールドレンズ３８Ｇは、第２ダイクロイックミラー４１からのＧ光を平行化し、Ｇ光用空間光変調装置３９Ｇへ入射させる。Ｇ光用空間光変調装置３９Ｇ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３９Ｇで変調されたＧ光は、クロスダイクロイックプリズム４０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４１を透過したＢ光は、リレーレンズ４２を透過した後、反射ミラー４３での反射により光路が折り曲げられる。反射ミラー４３からのＢ光は、さらにリレーレンズ４４を透過した後、反射ミラー４５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３８Ｂ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４２、４４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３８Ｂは、反射ミラー４５からのＢ光を平行化し、Ｂ光用空間光変調装置３９Ｂへ入射させる。Ｂ光用空間光変調装置３９Ｂ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３９Ｂで変調されたＢ光は、クロスダイクロイックプリズム４０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４０は、互いに略直交する２つのダイクロイック膜４６、４７を有する。第１ダイクロイック膜４６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４７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４０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４８の方向へ射出する。投写レンズ４８は、クロスダイクロイックプリズム４０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３０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３０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を用いることとしても良い。

プロジェクタ３０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３０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３０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３０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３０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３０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、本発明に係るリフレクタは、プロジェクタの光源装置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。 互いに組み合わされた状態の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３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 発光部、１４ 主反射部、１５ 副反射部、１６、１７ 反射面、ＡＸ 中心軸、２０ 光源装置、２１ 集光レンズ、３０ プロジェクタ、３１ 凹レンズ、３２ 第１インテグレータレンズ、３３ 第２インテグレータレンズ、３４ 偏光変換素子、３５ 重畳レンズ、３６ 第１ダイクロイックミラー、３７ 反射ミラー、３８Ｒ Ｒ光用フィールドレンズ、３８Ｇ Ｇ光用フィールドレンズ、３８Ｂ Ｂ光用フィールドレンズ、３９Ｒ Ｒ光用空間光変調装置、３９Ｇ Ｇ光用空間光変調装置、３９Ｂ Ｂ光用空間光変調装置、４０ クロスダイクロイックプリズム、４１ 第２ダイクロイックミラー、４２、４４ リレーレンズ、４３、４５ 反射ミラー、４６ 第１ダイクロイック膜、４７ 第２ダイクロイック膜、４８ 投写レンズ

Claims (8)

1. 光を射出する発光部と組み合わせて用いられ、前記発光部から射出した光を反射させることにより所定方向へ進行させるためのリフレクタであって、
   前記リフレクタのうち、被照射面へ向けて光を射出するための開口が形成された側の部分である主反射部と、
   前記主反射部のうち前記開口が形成された側とは反対側に連続させて設けられた副反射部と、を有し、
   前記副反射部は、非球面形状の反射面を備えることを特徴とするリフレクタ。
2. 前記主反射部は、楕円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に記載のリフレクタ。
3. 前記主反射部は、多項式非球面形状の反射面を備えることを特徴とする請求項１に記載のリフレクタ。
4. 光を射出する発光部と、
   請求項１〜３のいずれか一項に記載のリフレクタと、を有することを特徴とする光源装置。
5. 前記副反射部は、前記副反射部で反射した光が集光するスポットを最小とするような非球面形状の反射面を備えることを特徴とする請求項４に記載の光源装置。
6. 前記主反射部は、前記主反射部で反射した光が集光するスポットを最小とするような多項式非球面形状の反射面を備えることを特徴とする請求項４又は５に記載の光源装置。
7. 前記発光部に関して、前記光源装置から光を射出する射出側に設けられ、前記発光部から射出した光を集光させ、前記所定方向へ進行させる集光レンズを有することを特徴とする請求項４〜６のいずれか一項に記載の光源装置。
8. 請求項４〜７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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