JP2010097863A - Reflector system and projector - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、リフレクタ・システム及びプロジェクタに関し、例えば、平行光を照明系に供給するリフレクタ・システム及びその様なリフレクタ・システムを備えるプロジェクタに関する。 The present invention relates to a reflector system and a projector, for example, a reflector system for supplying parallel light to an illumination system, and a projector including such a reflector system.
プロジェクタの重要な性能指標の一つが明るさであり、プロジェクタから投射される光量をいかにして増加させるかが大きな課題となっており、その明るさの向上のために様々な技術が提案されている。 Brightness is one of the important performance indicators of projectors, and how to increase the amount of light projected from the projector is a major issue, and various technologies have been proposed to improve the brightness. Yes.
図8(a)は、従来より用いられているLCDプロジェクタに使用されるランプリフレクタ230の反射面形状を示している。図示のように、この反射面形状は回転放物線形状である。そして放物線形状の焦点にランプバルブ222のアーク中心223が配置され、入射側フライアイレンズ271に照明されている。しかし、このリフレクタ形状では、入射側フライアイレンズ271での入射光量分布は照明系光軸付近が極端に少なくなるという課題がある。図8(b)も従来よりよく用いられている方式で、ランプリフレクタ231の反射面形状と凹レンズ272とで構成されている。このランプリフレクタ231の反射面形状は回転楕円体形状であり、ランプアーク部より発光された光を集光気味に反射させ、凹レンズによって平行光に戻している。しかし、照明方式の効果としては図8(a)とさほど変わらない。この入射側フライアイレンズ271の照明系光軸付近の光は、図4に示すようにLCDパネルへの照明光の基準角度(LCDに垂直に入射する角度)に近い成分となるために、LCDパネルのコントラストなどの性能が一番良い光の成分となる。従ってこの基準角度の光量が少ないと、LCDパネルのコントラストが悪化するために製品としてのコントラストも低下してしまう。
FIG. 8A shows the shape of the reflecting surface of a
また、入射側フライアイレンズ271での照明サイズと入射角度分布はトレードオフの関係にある。即ち、ランプリフレクタ230のf値を小さくすると、入射側フライアイレンズ271での照明サイズが小さくなると共に入射角度分布が広がる。一方、f値を大きくすると、入射側フライアイレンズ271での照明サイズが大きくなると共に入射角度分布が狭まる。この入射側フライアイレンズ271での入射角度分布が良いと、出射側フライアイレンズの出射側に配置されているPBS(偏光ビームスプリッタ)でのPS分離度が高くなる。なお、図6に、後述する実施形態における入射角度分布と従来方式の入射角度分布の比較例を示している。
Further, the illumination size and the incident angle distribution in the incident side fly-
一般に、PBSのPS分離特性は、蒸着膜への入射角度によって変化するが、PS分離合成の効率が一番良いのは、PBSに垂直に入射する角度である。従って、従来方式では入射側フライアイレンズでの照明サイズを小さくさせると入射角度分布を狭く(良く)できないため、入射側偏光板の直前での照明光のPS分離度が悪く、そのためにプロジェクタの光利用効率が悪くなるという課題があった。 In general, the PS separation characteristics of PBS vary depending on the incident angle on the deposited film, but the efficiency of PS separation / synthesis is best at the angle of incidence perpendicular to the PBS. Therefore, in the conventional method, if the illumination size of the incident-side fly-eye lens is reduced, the incident angle distribution cannot be narrowed (good), so the PS separation degree of the illumination light immediately before the incident-side polarizing plate is poor, and therefore the projector There was a problem that the light utilization efficiency deteriorated.
そこで、平行光を効率的に取り出すために様々な技術が提案されている。例えば、投射画像の画面内均一性が良好で、かつ照明光の利用効率が高く、明るい表示を実現した投射型表示装置がある(特許文献1参照)。この投射型表示装置では、光源の非発光部に影ができていた領域に、第3の反射面を配置し、この第3の反射面に光が照射されるように第1の反射面、第2の反射面を配置している。その結果、従来の光源の影ができていた領域には第3の反射面の表面で反射した光が充当される。これにより、この部分の光の不足が補われ、従来では影の生じていた領域を解消して、全画面にわたって均一に明るくなるようにしている。なお、第1及び第3の反射面が回転放物面、第2の反射面が回転楕円面により構成されている。
ところで、特許文献1に開示の技術では、平行光を効率よく取り出す狙いであるが、この技術を適用した設計が非常に難しく、必ずしも実用的ではなかった。この技術を適用した場合、集光効率が悪化したり、フライアイレンズでの入射角度成分を大きくする必要があったりという弊害が起こり、別の技術が求められていた。 By the way, the technique disclosed in Patent Document 1 aims to extract parallel light efficiently, but the design using this technique is very difficult and not always practical. When this technology is applied, there is an adverse effect that the light collection efficiency deteriorates or the incident angle component of the fly-eye lens needs to be increased, and another technology has been demanded.
本発明の目的は、上記課題に鑑み、プロジェクタにおける光学系において、集光効率を向上させつつ、入射角度を小さくする技術を提供することにある。 In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a technique for reducing an incident angle while improving light collection efficiency in an optical system in a projector.
本発明に係る装置は、リフレクタ・システムに関する。このリフレクタ・システムは、ランプバルブの光を反射させる複数の回転体形状のリフレクタを備えるリフレクタ・システムであって、前記ランプバルブの前方に出射する光を、照明系光軸に対して平行になるように反射させる第1のリフレクタと、前記ランプバルブの後方に出射する光を反射させて、前記照明系光軸に対して所定角度外側方向に進む平行光に変換する第2のリフレクタと、前記第2のリフレクタで反射された光を前方かつ前記照明系光軸に近づく方向に反射させる第3のリフレクタと、前記第3のリフレクタで反射された光を前記照明系光軸に対して平行な光に変換して反射させる第4のリフレクタと、を備える。
また、前記第1のリフレクタは、焦点が前記ランプバルブのアーク中心に配置した放物線の形状の一部を前記照明系光軸を中心に回転させて形成された円筒形状を有し、前記第2のリフレクタは、焦点が前記ランプバルブのアーク中心に配置した放物線の形状の一部を、その放物線の中心軸線を前記照明系光軸に対して所定角度傾けた状態で前記照明系光軸を中心に回転させて形成された円筒形状を有し、前記第3のリフレクタは、中心軸線が前記第2のリフレクタの放物線の中心軸線と平行となっている放物線の形状の一部を、前記照明系光軸を中心に回転させて形成された円筒形状を有し、前記第4のリフレクタは、中心軸線が前記照明系光軸と平行でかつ異なっている放物線で、その放物線の前方の端部が前記照明系光軸と一致している形状の一部を前記照明系光軸を中心に回転させて形成された円錐形状を有し、前記第3のリフレクタの放物線の焦点と、前記第4のリフレクタの放物線の焦点とが一致してもよい。
本発明の別の装置は、プロジェクタに関し、上述のリフレクタ・システムを備える。
The device according to the invention relates to a reflector system. This reflector system is a reflector system including a plurality of reflectors that reflect light from a lamp bulb, and the light emitted in front of the lamp bulb is parallel to the optical axis of the illumination system. A first reflector that reflects the light, and a second reflector that reflects the light emitted behind the lamp bulb and converts the light into parallel light that travels outward by a predetermined angle with respect to the illumination system optical axis; and A third reflector that reflects light reflected by the second reflector forward and in a direction approaching the illumination system optical axis, and light reflected by the third reflector is parallel to the illumination system optical axis. A fourth reflector that converts the light into light and reflects the light.
The first reflector has a cylindrical shape formed by rotating a part of the shape of a parabola whose focal point is disposed at the arc center of the lamp bulb about the illumination system optical axis, and the second reflector. The reflector is centered on the illumination system optical axis with a part of the shape of the parabola whose focal point is located at the arc center of the lamp bulb being inclined at a predetermined angle with respect to the illumination system optical axis. The third reflector has a part of a parabola shape in which the central axis is parallel to the central axis of the parabola of the second reflector. The fourth reflector has a cylindrical shape formed by rotating about an optical axis, and the fourth reflector is a parabola whose central axis is parallel to and different from the optical axis of the illumination system, and the front end of the parabola is Coincides with the optical axis of the illumination system It has a conical shape formed by rotating a part of the shape around the optical axis of the illumination system, and the parabolic focus of the third reflector coincides with the parabolic focus of the fourth reflector. Also good.
Another apparatus of the present invention relates to a projector and includes the above-described reflector system.
本発明によれば、プロジェクタにおける光学系において、集光効率を向上させつつ、入射角度を小さくする技術を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, in the optical system in a projector, the technique which makes incident angle small can be provided, improving a condensing efficiency.
つぎに、本発明を実施するための最良の形態(以下、単に「実施形態」という)を、図面を参照して具体的に説明する。図1は、本実施形態に係るプロジェクタ100の概略構成を示す図であり、特に、光学系に着目して示した図である。このプロジェクタ100は、LCDパネル80を光変調素子とするLCDプロジェクタであり、光源ユニット20と、集光系70と、LCDパネル80と、投光光学系90とを備えている。
Next, the best mode for carrying out the present invention (hereinafter simply referred to as “embodiment”) will be specifically described with reference to the drawings. FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a
光源ユニット20は、高圧水銀ランプのようなアーク放電により発光するランプバルブ22と、リフレクタ群(リフレクタ・システム)30とを備える。このリフレクタ群30は、本実施形態に特徴的な構造を有しており、第1〜第4放物線リフレクタ31〜34を備えている。
The
ランプバルブ22から出射した光は、リフレクタ30で反射して平行光に変換されて集光系70に入射し、集光系70を通過した光がLCDパネル80に照射される。LCDパネル80に照射された光は、さらにLCDパネル80で光変調されて、投光光学系90によってスクリーンに投光される。
The light emitted from the
集光系70は、リフレクタ群30側から順に、入射側フライアイレンズ71、出射側フライアイレンズ72、PBS73、第1照明レンズ74、第2照明レンズ75、及び入射側偏光板76が配置されて構成されている。本実施の形態では、リフレクタ群30から集光系70の入射側フライアイレンズ71に入射する光の特性、特に平行度及び入射角度分布を改善するものである。これら集光系70を構成する要素は、LCD方式のプロジェクタにおいて、一般的に採用される構成であるので説明は省略する。
In the
図2及び図3をもとに、リフレクタ群30について詳細に説明する。図2は、リフレクタ群30の断面形状及びランプバルブ22から出射された光の経路を入射側フライアイレンズ71まで示した図である。また、図3は、リフレクタ群30で実現する光学的経路について説明するための図であり、ここでは、便宜的に図示で上側に出射する光路のみを図示している。また、以下の説明において、放物線の頂点と焦点を結ぶ直線を、便宜的に「中心軸線」と呼ぶ。なお、第1〜第4放物線リフレクタ31〜34を構成する放物線形状(断面形状)を、第1〜第4放物線31a〜34aと称し、第1〜第4放物線31a〜34aの一部を照明系光軸Z0を回転軸に回転させて形成された反射面を有する筒状体または円錐状体が、第1〜第4放物線リフレクタ31〜34である。また、第1〜第3放物線リフレクタ31〜33は、その内面が反射面となり、第4放物線リフレクタ34は外面が反射面となる。リフレクタ群30の配置を簡単に説明すると、第1放物線リフレクタ31はランプアーク部23の前部を覆うように筒状に形成されており、第2放物線リフレクタ32は、ランプアーク部23の後部を覆うように筒状に形成されている。さらに第1放物線リフレクタ31の外側前方で第3放物線リフレクタ33が筒状に形成され、さらに第3放物線リフレクタ33の前方で照明系光軸Z0を中心軸とする第4放物線リフレクタ34が円錐状に形成されている。
Based on FIG.2 and FIG.3, the
図示のように、リフレクタ群30は、ランプアーク部23から出射した光を、ランプバルブ22の前方に行く光とランプ後方に行く光とで、それらの経路が異なっている。即ちランプバルブ22の前方に行く光は従来のように第1放物線リフレクタ31で反射させて照明系光軸Z0と平行に光を進行させる。他方、ランプバルブ22の後方に行く光は第2放物線リフレクタ32、第3放物線リフレクタ33、第4放物線リフレクタ34の順に反射させて、照明系光軸Z0と平行に光を進行させる。
As shown in the figure, the
このように二つの経路に分ける最大の理由について、図4や図8に示すLCDプロジェクタに一般的に用いられる照明方式300に基づいて説明する。ここで示す集光系70は、本実施形態の集光系70と同様の構成である。ランプバルブ222の後方へ出射した光は、ランプアーク部223が実際には点光源でなく広がりを持っておりかつランプリフレクタ230までの距離が近いために、入射側フライアイレンズ71に対する光線角度が大きくなってしまう。このために入射側フライアイレンズ71での照明効率やPBS73でのPS分離・合成効率が悪化してしまうためである。
The maximum reason for dividing into two routes in this way will be described based on the
本実施形態において上述のように、二つの経路を設定するときの条件について、主に図3を用いて第1〜第4放物線リフレクタ31〜34を構成する第1〜第4放物線31a〜34aに関して説明する。まず、第1放物線31aと第2放物線32aの焦点をランプアーク部23(第1焦点A1)に一致させ、第2放物線32aの中心軸線Z2を、第2放物線32aの集光系70側(図示右側)の端部P3が外に向かうように、つまり、照明系光軸Z0から離れるように所定角度θだけ傾斜させる。これにより、第2放物線リフレクタ32(第2放物線32a)で反射した光は、第1放物線リフレクタ31(第1放物線31a)の後方を平行光で進行する。なお、所定角度θは、第2放物線リフレクタ32で反射した光が第1放物線リフレクタ31に当たらないように設定されている。また、第1放物線リフレクタ31(第1放物線31a)の後側の端部P1は、前後方向の位置関係において、ランプアーク部23の中心である第1焦点A1と一致する。さらに、第2放物線リフレクタ32の前方の端点P3は、前後方向で第1焦点A1より前方に位置する。
In the present embodiment, as described above, with respect to the conditions for setting two routes, the first to
つぎに、第3放物線33aの中心軸線Z3も、第2放物線32aの中心軸線Z2の傾斜と同じ角度θだけ照明系光軸Z0(ランプ光軸)に対して傾斜させる。第3放物線リフレクタ33の前後の端部P4,P5は、第2放物線リフレクタ32で反射してきた光を全て受けることができるように設定される。
Next, the central axis Z3 of the
この第3放物線33aの代わりに直線の反射面が用いられた場合、ランプ前方に行く光が第1放物線リフレクタ31で反射した光束範囲(中抜け照明)のランプ光軸寄りのエリアD1に光束範囲を収める事ができない。このために、リフレクタ群30全体での照明効率が悪化してしまう。
When a straight reflecting surface is used in place of the
これを改善するために、第3放物線リフレクタ33の断面形状を放物線することで僅かに集光させて第4放物線リフレクタ34に光を進行させる。ここで第3放物線リフレクタ33から反射した光は焦点A34に集光するように進行する。なお、第3放物線リフレクタ33で反射して第4放物線リフレクタ34に進む光が第1放物線リフレクタ31に当たらないように、第3放物線リフレクタ33の形状及び位置が設定されている。そして第4放物線リフレクタ34の断面形状である第4放物線34aを、中心軸線Z4が焦点A34を通り、照明系光軸Z0と平行となるように形成する。なお、第1〜第3放物線リフレクタ31〜33の第1〜3放物線31a〜33aの反射面形状は凹形状、即ち反射面が光束の外側ほど内側に向いた形状であるが、第4放物線リフレクタ34の第4放物線34a形状はそれらとは異なり、凸形状即ち光束の外側ほど外側に開いた形状である。これによって、第4放物線リフレクタ34に入射した光を、ランプ光軸である照明系光軸Z0に対して平行に反射させることができる。その結果、ランプバルブ22の前方に進む光が第1放物線リフレクタ31で反射した光束範囲(中抜け照明)のランプ光軸寄りのエリアD1に光束範囲を収める事ができる。なお、第4放物線リフレクタ34の後側の端部P6は、第1放物線リフレクタ31の後側の端部P1とほぼ同じ高さ(照明系光軸Z0から同じ距離)である。
In order to improve this, the cross-sectional shape of the third
また、上記では第3放物線リフレクタ33から第4放物線リフレクタ34間を平行光ではなく集光気味にしているが、この方式の応用をすれば、例えば、第2放物線リフレクタ32から第3放物線リフレクタ33間を平行光ではなく集光気味にして、第3放物線リフレクタ33から先を平行光で進行させ、第4放物線リフレクタ34の断面形状を放物線ではなく平面として、入射側フライアイレンズ71に入射する光を平行光とする方式であってもよい。
In the above description, the
図5に入射側フライアイレンズ71での光量分布に関して、本実施形態によるシミュレーション結果と、従来方式を適用したときのシミュレーション結果について示す。これは、ランプ配光分布を同一とし、入射側フライアイレンズ71での照明範囲を同一としたときの光量分布を従来方式と比較をしたものである。この図のように、本考案は照明系光軸Z0(=グラブで光軸からの距離0mm)に近い位置の光量が、従来方式と比べて増加している事がわかる。
FIG. 5 shows a simulation result according to the present embodiment and a simulation result when the conventional method is applied with respect to the light amount distribution in the incident side fly-
図6は、入射側フライアイレンズ71での入射角度分布について、従来方式を適用したときのシミュレーション結果と比較して示す。これは、ランプ配光分布を同一とし、入射側フライアイレンズ71での照明範囲を同一としたときの入射角度分布を従来方式と比較をしたものである。この図のように、本考案は入射角度分布が照明系光軸(グラブで0度)に近い角度成分が増加している事がわかる。入射側偏光板76の直前における照明光のPS分離度を向上させるためには、上述したように、入射角度分布が狭いこと、より好ましくは、入射角が小さい範囲に分布していることが好ましい。従って、シミュレーション結果によると、従来より入射角が小さい範囲に分布させることができ、照明光のPS分離度を向上させること、つまり、プロジェクタ100の光利用効率を向上させることができる。
FIG. 6 shows the incident angle distribution at the incident-side fly-
以上、本発明を実施形態をもとに説明した。この実施形態は例示であり、それらの各構成要素の組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。そのような変形例として図7に示すように、図1〜3に示した、第1放物線リフレクタ31に対応するリフレクタとして、球面ミラー131に置き換える。これによってランプバルブ22の前方に出射した光は、球面ミラー131で反射してランプバルブ22に戻り、ランプバルブ22を通過して後方に進む。このようにして、ランプバルブ22から出射した光を実質的にランプバルブ22の後方への光だけに揃え、入射フライアイレンズでの入射角度分布を悪化させずに照明サイズを小さくすこともできる。なお、変形例の第2放物線リフレクタ132では放物線のf値は、図2の第2放物線リフレクタ32の第2放物線32aよりも大きくとることができるので、入射側フライアイレンズに対する入射角度分布を、更に良好にさせることができる。また、本変形例では、入射側フライアイレンズでの照明サイズと入射角度分布のバランスを考慮した設計をする際の自由度が向上する。
The present invention has been described based on the embodiments. This embodiment is an exemplification, and it is understood by those skilled in the art that various modifications can be made to the combination of the respective constituent elements, and such modifications are also within the scope of the present invention. As such a modified example, as shown in FIG. 7, the reflector corresponding to the first
100 プロジェクタ
22 ランプバルブ
23 ランプアーク部
30 リフレクタ
31 第1放物線リフレクタ
32 第2放物線リフレクタ
33 第3放物線リフレクタ
34 第4放物線リフレクタ
70 集光系
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記ランプバルブの前方に出射する光を、照明系光軸に対して平行になるように反射させる第1のリフレクタと、
前記ランプバルブの後方に出射する光を反射させて、前記照明系光軸に対して所定角度外側方向に進む平行光に変換する第2のリフレクタと、
前記第2のリフレクタで反射された光を前方かつ前記照明系光軸に近づく方向に反射させる第3のリフレクタと、
前記第3のリフレクタで反射された光を前記照明系光軸に対して平行な光に変換して反射させる第4のリフレクタと、
を備えることを特徴とするリフレクタ・システム。 A reflector system comprising a plurality of rotor-shaped reflectors for reflecting light from a lamp bulb,
A first reflector that reflects light emitted in front of the lamp bulb so as to be parallel to an optical axis of an illumination system;
A second reflector that reflects the light emitted to the rear of the lamp bulb and converts the light into parallel light that travels outward by a predetermined angle with respect to the optical axis of the illumination system;
A third reflector that reflects light reflected by the second reflector forward and in a direction approaching the illumination system optical axis;
A fourth reflector that converts light reflected by the third reflector into light parallel to the illumination system optical axis and reflects the light;
A reflector system comprising:
前記第2のリフレクタは、焦点が前記ランプバルブのアーク中心に配置した放物線の形状の一部を、その放物線の中心軸線を前記照明系光軸に対して所定角度傾けた状態で前記照明系光軸を中心に回転させて形成された円筒形状を有し、
前記第3のリフレクタは、中心軸線が前記第2のリフレクタの放物線の中心軸線と平行となっている放物線の形状の一部を、前記照明系光軸を中心に回転させて形成された円筒形状を有し、
前記第4のリフレクタは、中心軸線が前記照明系光軸と平行でかつ異なっている放物線で、その放物線の前方の端部が前記照明系光軸と一致している形状の一部を前記照明系光軸を中心に回転させて形成された円錐形状を有し、
前記第3のリフレクタの放物線の焦点と、前記第4のリフレクタの放物線の焦点とが、一致していることを特徴とする請求項1に記載のリフレクタ・システム。 The first reflector has a cylindrical shape formed by rotating a part of the shape of a parabola whose focal point is arranged at the arc center of the lamp bulb around the optical axis of the illumination system,
The second reflector has a part of the shape of a parabola whose focal point is arranged at the arc center of the lamp bulb, and the illumination system light in a state where the central axis of the parabola is inclined at a predetermined angle with respect to the illumination system optical axis It has a cylindrical shape formed by rotating around an axis,
The third reflector is a cylindrical shape formed by rotating a part of a parabola shape whose center axis is parallel to the center axis of the parabola of the second reflector around the optical axis of the illumination system. Have
The fourth reflector is a parabola whose central axis is parallel to and different from the illumination system optical axis, and a part of the shape in which the front end of the parabola coincides with the illumination system optical axis is the illumination. It has a conical shape formed by rotating around the system optical axis,
The reflector system according to claim 1, wherein the parabolic focus of the third reflector and the parabolic focus of the fourth reflector are coincident.
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