JP2010212114A - 光源装置およびプロジェクター - Google Patents

Abstract

【課題】副反射鏡を設けて薄型化を図るとともに、光の屈折を補正して光の利用効率を高めることのできる光源装置、その光源装置を用いたプロジェクターを提供すること。
【解決手段】本発明の光源装置２は、一対の電極３，４を封止する管球体１５を備え、電極間にアークを形成して光を射出する発光管１１と、管球体の周囲の一部を覆い、発光管から射出した光を反射させる副反射鏡１３と、発光管から射出した光と、副反射鏡で反射した光とを反射させる主反射鏡１２と、を有し、副反射鏡は、非球面形状の反射面１３ａを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、光源装置、プロジェクター、特にリフレクターを有する光源装置の技術に関する。

プロジェクター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ー（反射鏡）が用いられている。プロジェクターにより効率良く明るい画像を得るために、従来、発光管から射出した光の利用効率を高めることが行われる。例えば、主反射鏡としてのリフレクターとは別に、発光管の一部を覆う副反射鏡を設ける技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。副反射鏡で反射した光は、発光管を通過した後、主反射鏡に入射して前側へ向けて反射する。これにより、光源装置からの光を利用する光学系へ、発光管から射出した光を効率良く進行させつつ光源装置の薄型化も図ることが可能となる。

特開２００１−１０９０６８号公報

しかしながら、特許文献１に開示のものは、副反射鏡に形成された反射面が球面形状となっているため、発光管から射出される過程での光の屈折の影響を補正することができず、光の利用効率が十分なものとはいいにくい。

本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、副反射鏡を設けて薄型化を図るとともに、光の屈折を補正して光の利用効率を高めることのできる光源装置、その光源装置を用いたプロジェクター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、一対の電極を封止する管球体を備え、電極間にアークを形成して光を射出する発光管と、管球体の周囲の一部を覆い、発光管から射出した光を反射させる副反射鏡と、発光管から射出した光と、副反射鏡で反射した光とを反射させる主反射鏡と、を有し、副反射鏡は、非球面形状の反射面を備えることを特徴とする。

副反射面が、非球面形状の反射面を備えることで、発光管における光の屈折を補正可能となる。光の屈折が補正可能となることで、光の利用効率を高めることができる。また、主反射鏡と副反射鏡を設けることで、副反射鏡を用いない光源装置に比べて薄型化を図ることができる。

また、本発明の好ましい態様としては、副反射鏡の反射面は、電極から離れた発光点からの射出光線と反射光線とのずれよりも、電極の近傍の発光点からの射出光線と反射光線とのずれを小さくする形状であることが望ましい。

電極の近傍の発光点からの射出光線と反射光線とのずれが大きくなると、反射光線が電極に当たってしまい、光の進行が妨げられる場合がある。光の進行が妨げられれば、光源装置の光の利用効率が低下してしまう。副反射鏡の反射面を、電極から離れた発光点からの射出光線と反射光線とのずれよりも、電極の近傍の発光点からの射出光線と反射光線とのずれを小さくする形状とすることで、電極によって光の進行が妨げられるのを抑えて、光源装置の光の利用効率が低下するのを抑えることができる。

一方、電極から離れた発光点からの射出光線と反射光線とがずれた場合でも、反射光線は電極に当たりにくい。したがって、副反射鏡の反射面を、電極から離れた発光点からの射出光線と反射光線とのずれよりも、電極の近傍の発光点からの射出光線と反射光線とのずれを小さくする形状としても、光の利用効率の低下を招きにくい。なお、「電極から離れた発光点からの射出光線と反射光線とのずれよりも、電極の近傍の発光点からの射出光線と反射光線とのずれが小さい」とは、電極の近傍の発光点からの射出光線と反射光線とにずれが生じない場合も含む概念である。

また、本発明の好ましい態様としては、副反射鏡の反射面は、電極に沿った面で切断した断面形状が非円形状であり、電極に垂直な面で切断した断面形状が円形状であることが望ましい。発光管は、電極に垂直な面で切断した断面で見た場合、発光管から射出される光が受ける屈折の影響は軽微である場合が多い。したがって、電極に垂直な面で切断した断面形状が円形状であっても光の利用効率の低下を招きにくい。電極に沿った面で切断した断面形状と電極に垂直な面で切断した断面形状の両方を非球面形状として反射面を形成する場合にくらべて、コストを抑制することができる。

また、本発明の好ましい態様としては、主反射鏡は、非球面形状の反射面を備えることが望ましい。主反射面が、非球面形状の反射面を備えることで、発光管における光の屈折を補正可能となる。光の屈折が補正可能となることで、光を所望の方向に進行させることが可能となり、光の利用効率をさらに高めることができる。

また、本発明の好ましい態様としては、主反射鏡の反射面は、球面形状で形成した場合よりも集光スポットが小さくなるような非球面形状であることが望ましい。これにより、副反射鏡の反射面の発光管における屈折の影響を効果的に低減させ、さらに光の利用効率を高めることができる。

また、本発明の好ましい態様としては、主反射鏡の反射面は、副反射鏡の反射面の形状に起因する発光点からの射出光線と反射光線とのずれを補正する非球面形状であることが望ましい。これにより、副反射鏡の反射面の形状に起因する発光点からの射出光線と反射光線とにずれが生じる場合であっても、そのずれを補正して、さらに光の利用効率を高めることができる。

主反射鏡は、集光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。集光スポットを最小とすることで、さらに光の利用効率を高めることができる。

また、本発明の好ましい態様としては、主反射鏡の反射面は、電極に沿った面で切断した断面形状が非円形状であり、電極に垂直な面で切断した断面形状が円形状であることが望ましい。発光管は、電極に垂直な面で切断した断面で見た場合、発光管から射出される光が受ける屈折の影響は軽微である場合が多い。したがって、電極に垂直な面で切断した断面形状が円形状であっても光の利用効率の低下を招きにくい。電極に沿った面で切断した断面形状と電極に垂直な面で切断した断面形状の両方を非球面形状として反射面を形成する場合にくらべて、コストを抑制することができる。

本発明に係るプロジェクターは、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ーを得られる。

本発明の実施例１に係る光源装置の概略構成を示す外観斜視図。 光源装置をＹ−Ｚ平面で切断した断面図。 管球体および副反射鏡をＹ−Ｚ平面で切断した部分拡大断面図。 光源装置をＺ−Ｘ平面で切断した断面図。 本発明の実施例２に係るプロジェクターの概略構成を示す図。

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２の概略構成を示す外観斜視図である。発光管１１は、例えば、超高圧水銀ランプである。発光管１１の内部は、例えば石英部材を用いて封止されている。発光管１１のうち第１封止部１６及び第２封止部１７に挟まれた球状部分は管球体１５である。なお、本願の実施例の説明において、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２から不図示の被照射面へ向かう方向を表す。各軸の矢印方向を正の方向とし、その逆方向を負の方向とする。光源装置２に対してＺ軸に沿った正の方向側（被照射面のある側）を前側といい、負の方向側を後側という。

図２は、光源装置２をＹ−Ｚ平面（電極３，４に沿った面）で切断した断面図である。管球体１５の内部には、放電空間１５ａが形成されている。管球体１５の内部には、一対の電極３，４が封止される。第１封止部１６は、発光管１１のうち、前側に設けられた円筒形状の部分である。第２封止部１７は、発光管１１のうち、後側に設けられた円筒形状の部分である。発光管１１は、電極３，４に電圧が印加された際に、電極３，４間にアークを形成して光を射出する。

主反射鏡１２は、発光管１１が設けられた側に形成された反射面１２ａを備える。主反射鏡１２は、反射面１２ａを備えることで、発光管１１から射出した光と、後述する副反射鏡１３で反射した光とを反射させ、前側へ進行させる。反射面１２ａは、中心軸ＡＸを中心として楕円を回転させることにより得られる回転楕円面を、所定の平面で切断することにより得られる曲面と略同じ形状をなしている。発光管１１は、中心軸ＡＸ上に配置されている。また、反射面１２ａを定義する楕円の第１焦点と管球体１５の中心とが略一致するように発光管１１は配置されている。本実施例では、所定の平面とは、中心軸ＡＸを含む平面である。なお、所定の平面は、光の利用効率を上げるために、中心軸ＡＸを含む平面以外の面としても良い。所定の平面は、例えば、中心軸ＡＸに平行な平面や、中心軸ＡＸに対して角度を持たせた平面であっても良い。

主反射鏡１２は、所望の形状に成形された基材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構成されている。高反射性部材は、可視領域の波長の光について高い反射率である部材を用いる。回転楕円面を切断した形状の反射面１２ａを備える主反射鏡１２を用いることにより、回転楕円面が切断されていない反射面を備える反射鏡を用いた光源装置よりも、薄型な光源装置とすることができる。なお、主反射鏡１２は、回転楕円面を切断することにより得られる曲面と略同じ形状に限られない。例えば、放物線などの所定の曲線を回転させることにより得られる回転曲面を切断することにより得られる曲面と略同じ形状としてもよい。

副反射鏡１３は、管球体１５の周囲の一部を下側から覆う。副反射鏡１３と管球体１５との間には、隙間が設けられている。副反射鏡１３は、発光管１１が設けられた側に形成された反射面１３ａを備える。副反射鏡１３は、反射面１３ａを備えることで、発光管１１から射出した光を管球体１５へ向けて反射させる。管球体１５に向けて反射された光は、管球体１５を通過して主反射鏡１２の反射面１２ａに入射する。副反射鏡１３の反射面１３ａは、全体として非球面形状となるように形成されるが、例えば、多項式非球面形状とすればよい。これにより、管球体１５における光の屈折を補正可能となる。光の屈折が補正可能となることで、光の利用効率を高めることができる。

副反射鏡１３は、所望の形状に成形された基材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構成されている。高反射性部材は、可視領域の波長の光について高い反射率である部材を用いる。

図３は、管球体１５および副反射鏡１３をＹ−Ｚ平面（電極３，４に沿った面）で切断した部分拡大断面図である。管球体１５に封止された電極３，４間にアークが形成されて光が射出される。これにより、電極３，４間の様々な部分が発光点となる。Ｙ−Ｚ平面で切断したときの反射面１３ａの断面形状は、管球体１５を通過する際に屈折した光を効率よく主反射鏡１２の反射面１２ａに向けて反射する非円形状となっている。反射面１３ａは、電極３，４から離れた発光点からの射出光線と反射光線とのずれよりも、電極３，４の近傍の発光点からの射出光線と反射光線とのずれが小さくなるような非球面形状となっている。具体的には、電極３の端部に位置する発光点Ａからの光は、反射面１３ａによって、発光点Ａと略同じ位置に向けて反射される。同様に、電極４の端部に位置する発光点Ｂからの光は、反射面１３ａによって、発光点Ｂと略同じ位置に向けて反射される。一方、電極３，４の端部から離れた発光点Ｃからの光は、反射面１３ａによって発光点Ｃからややずれた位置に反射される。これにより、発光点Ａ，Ｂからの射出光線と反射光線とのずれは、発光点Ｃからの射出光線と反射光線とのずれよりも小さくなる。

電極３，４の端部に位置する発光点Ａ，Ｂからの射出光線と反射光線とのずれが大きくなると、反射光が電極３，４に当たってしまい、光の進行が妨げられる場合がある。光の進行が妨げられれば、光源装置２の光の利用効率が低下してしまう。本実施例のように、副反射鏡１３の反射面１３ａを上述のように形成することで、電極３，４によって光の進行が妨げられるのを抑えて、光源装置２の光の利用効率が低下するのを抑えることができる。

一方、電極３，４の端部から離れた発光点Ｃからの光は、その発光点からずれた位置に向けて反射された場合でも電極３，４に当たりにくい。したがって、発光点Ｃからの射出光線と反射光線とが多少ずれてしまうような形状で反射面１３ａが形成されていても、光の利用効率の低下を招きにくい。

図４は、光源装置２をＺ−Ｘ平面（電極３，４に垂直な面）で切断した断面図である。Ｚ−Ｘ平面で切断したときの反射面１３ａの断面形状は、円形状となっている。当該断面で見た場合の発光管１１から射出される光は、管球体１５を通過する際の屈折の影響が少ない。したがって、Ｚ−Ｘ平面で切断したときの反射面１３ａの断面形状を円形状としても、光の利用効率の低下を招きにくい。なお、Ｚ−Ｘ平面で切断したときの反射面１３ａの断面形状も非球面形状、例えば、多項式非球面形状としてもよい。Ｙ−Ｚ平面で切断した断面形状とＺ−Ｘ平面で切断した断面形状の両方を非球面形状として反射面１３ａを形成する場合にくらべて、コストを抑制することができる。

なお、主反射鏡１２の反射面１２ａ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。主反射鏡１２の反射面１２ａは非球面形状、例えば多項式非球面形状であってもよい。

反射面１２ａの多項式非球面形状は、反射面１２ａを球面形状で形成した場合よりも反射面１２ａで反射した光の集光スポットが小さくなるような形状であることが望ましく、特に集光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１２ａで反射した光の集光スポットが第２焦点にて最小となるように反射面１２ａの多項式非球面形状を設定することにより、管球体１５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、管球体１５における屈折の影響を、主反射鏡１４においても補正可能とし、さらに光の利用効率を高めることができる。

また、反射面１２ａの多項式非球面形状は、副反射鏡１３の反射面１３ａの形状に起因する発光点からの射出光線と反射光線とのずれを補正する形状であることが望ましい。上述した発光点Ｃのように、射出光線と反射光線とにずれが生じる場合であっても、そのずれを補正して、さらに光の利用効率を高めることができる。

なお、主反射鏡１２の反射面１２ａを、Ｙ−Ｚ平面で切断した断面形状（図２に示す断面形状）を非円形状とし、Ｘ−Ｙ平面で切断した断面形状（図４に示す断面形状）を円形状としてもよい。この場合も副反射鏡１３の反射面１３ａと同様に、Ｘ−Ｙ平面で切断した断面形状を円形状としても、光の利用効率の低下を招きにくい。Ｙ−Ｚ平面で切断した断面形状とＺ−Ｘ平面で切断した断面形状の両方を非球面形状として反射面１２ａを形成する場合にくらべて、コストを抑制することができる。

図５は、本発明の実施例２に係るプロジェクター１の概略構成を示す。プロジェクター１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ーである。プロジェクター１は、上記実施例１に係る光源装置２を有する。光源装置２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２から射出した光を平行化させる。

第１インテグレーターレンズ３２及び第２インテグレーターレンズ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インテグレーターレンズ３２は、凹レンズ３１からの光束を複数に分割する。第１インテグレーターレンズ３２の各レンズ素子は、凹レンズ３１からの光束を第２インテグレーターレンズ３３のレンズ素子近傍にて集光させる。第２インテグレーターレンズ３３のレンズ素子は、第１インテグレーターレンズ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ーレンズ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インテグレーターレンズ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インテグレーターレンズ３２、第２インテグレーターレンズ３３及び重畳レンズ３５は、光源装置２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２を用いることにより、プロジェクター１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。

プロジェクター１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。プロジェクター１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。プロジェクター１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。プロジェクター１は、空間光変調装置を用いる場合に限られない。プロジェクター１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ーであっても良い。

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

１ プロジェクター、２ 光源装置、３，４ 電極、１１ 発光管、１２ 主反射鏡、１２ａ 反射面、１３ 副反射鏡、１３ａ 反射面、１５ 管球体、１５ａ 放電空間、１６ 第１封止部、１７ 第２封止部、３１ 凹レンズ、３２ 第１インテグレーターレンズ、３３ 第２インテグレーターレンズ、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 (9)

1. 一対の電極を封止する管球体を備え、前記電極間にアークを形成して光を射出する発光管と、
   前記管球体の周囲の一部を覆い、前記発光管から射出した光を反射させる副反射鏡と、
   前記発光管から射出した光と、前記副反射鏡で反射した光とを反射させる主反射鏡と、を有し、
   前記副反射鏡は、非球面形状の反射面を備えることを特徴とする光源装置。
2. 前記副反射鏡の反射面は、前記電極から離れた発光点からの射出光線と反射光線とのずれよりも、前記電極の近傍の発光点からの射出光線と反射光線とのずれを小さくする形状であることを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
3. 前記副反射鏡の反射面は、前記電極に沿った面で切断した断面形状が非円形状であり、前記電極に垂直な面で切断した断面形状が円形状であることを特徴とする請求項１または２に記載の光源装置。
4. 前記主反射鏡は、非球面形状の反射面を備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の光源装置。
5. 前記主反射鏡の反射面は、球面形状で形成した場合よりも集光スポットが小さくなるような非球面形状であることを特徴とする請求項４に記載の光源装置。
6. 前記主反射鏡の反射面は、前記副反射鏡の反射面の形状に起因する発光点からの射出光線と反射光線とのずれを補正する非球面形状であることを特徴とする請求項５に記載の光源装置。
7. 前記主反射鏡の反射面は、前記集光スポットを最小とするような非球面形状であることを特徴とする請求項５または６に記載の光源装置。
8. 前記主反射鏡の反射面は、前記電極に沿った面で切断した断面形状が非円形状であり、前記電極に垂直な面で切断した断面形状が円形状であることを特徴とする請求項４〜７のいずれか１つに記載の光源装置。
9. 請求項１〜８のいずれか１つ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ー。

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