JP2010286542A - 照明装置およびプロジェクター - Google Patents

Abstract

【課題】光源から射出される光の照度分布が非対称であっても、照明対象物上で均一な照度分布が得られる照明装置を提供する。
【解決手段】本発明の照明装置１は、非対称な照度分布を有する光を射出する光源２と、照度均一化光学系６と、を備え、照度均一化光学系６は、光源からの光を複数の光束に分割する第１マルチインテグレーター４と、複数の光束の少なくとも一部を照明対象物１２上で重畳させる第２マルチインテグレーター５と、を含み、第２マルチインテグレーター５を構成する複数のレンズのうち、相対的に照度が低い光束が入射するレンズを、当該レンズから射出された光束による照明領域が照明対象物１２上で照度が低い領域側にずれるように、偏心させたことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、照明装置およびプロジェクターに関する。

近年、プロジェクターの小型化に対する要望が高まっており、照明装置においても、射出光量の大幅な低下を招くことなく小型化を図るための検討がなされている。このような背景の下、半割状の主反射鏡と副反射鏡とを備えた照明装置が提案されている（例えば、下記の特許文献１参照）。この光源装置では、発光管から放射された光の一部は主反射鏡で反射して射出され、残りは副反射鏡で反射した後に主反射鏡で反射されて、発光管から主反射鏡に直接入射した光とともに主反射鏡から射出される。さらに、主反射鏡から射出された光は、インテグレーターと２枚のレンズとを経て照明対象物に照射される。これにより、射出光量の大幅な低下が生じることのない、小型の照明装置を提供できる。

特開２００３−１６８０２号公報

ところが、上述の従来の照明装置において、主反射鏡は、発光管の全周を囲んだ一般的な主反射鏡を半分に割った非対称な形状である。そのため、主反射鏡から射出される光の照度分布は、発光管から遠い側で照度が低く、発光管に近い側では照度が高いという特性を持つ、不均一なものとなる。これに起因して、照明対象物上で一端側が暗く、他端側が明るいという明るさムラが生じる虞がある。

さらに、この照明装置をプロジェクターに適用する場合、照明装置からの光を赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）の３色の色光に分離し、そのうちの１色の色光を、リレー光学系を介して液晶パネル等の光変調素子（照明対象）に伝達する構成が考えられる。この構成を採用する場合、リレー光学系を介して光が照射された１つの光変調素子による画像は、他の２つの光変調素子による画像に対して反転するため、上述の明るさムラが色ムラとなって現れ、表示品位が低下してしまう。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、光源から射出される光の照度分布が非対称であっても、照明対象物上で均一な照度分布が得られる照明装置を提供することを目的とする。また、そのような照明装置を用いることで明るさムラや色ムラを抑えた画像の表示が可能なプロジェクターを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明の照明装置は、非対称な照度分布を有する光を射出する光源と、前記光源からの光の照度分布を均一化する照度均一化光学系と、を備え、前記照度均一化光学系は、前記光源からの光を複数の光束に分割する複数のレンズが配列された第１レンズアレイと、前記第１レンズアレイからの複数の光束が入射され、前記複数の光束の少なくとも一部を照明対象上で重畳させる複数のレンズが配列された第２レンズアレイと、を含み、前記第２レンズアレイを構成する前記複数のレンズのうち、相対的に照度が低い光束が入射するレンズを、当該レンズから射出された光束による照明領域が前記照明対象上で照度が低い領域側にずれるように、偏心させたことを特徴とする。
なお、本発明で言うところの「非対称な照度分布」とは、光源から射出される光の中心軸に垂直な面内において前記中心軸を通る任意の軸を考えたとき、照度分布が軸対称にならないような軸が存在する場合、その照度分布のことを言う。

本発明の照明装置によれば、光源から非対称な照度分布を有する光が射出されるが、その光の照度分布が第１レンズアレイと第２レンズアレイとを含む照度均一化光学系によって均一化される。ここで、第２レンズアレイを構成する複数のレンズのうち、相対的に照度が低い光束が入射するレンズを、当該レンズから射出された光束による照明領域が照明対象上で照度が低い領域側にずれるように、偏心させている。したがって、通常であれば照明対象の全域に重畳される照度が低い光束の照明領域が照明対象上で照度が低い領域側にずれるため、その照度が低い光束は照明対象上で照度が高い領域には重畳されなくなる。このようにして、光源から射出される光の照度分布が非対称であっても、照明対象上では均一な照度分布を得ることができる。

本発明の照明装置において、前記光源が、一対の電極を有する発光管と、前記発光管の光軸を中心とする全周のうちの一部を囲むように配置されて前記発光管から射出された光を照明対象に向けて反射させる第１反射鏡と、前記発光管の光軸を挟んで前記第１反射鏡と対向するように配置されて前記発光管から射出された光を前記第１反射鏡に向けて反射させる第２反射鏡と、を備えた構成を採用できる。

この構成によれば、発光管から放射された光の一部は第１反射鏡で反射して射出される一方、残りは第２反射鏡で反射した後、発光管を透過し、第１反射鏡で反射されて、発光管から第１反射鏡に直接入射した光とともに第１反射鏡から射出される。ここで、発光管から第２反射鏡に向けて放射された光が第２反射鏡で反射し、高い効率で第１反射鏡に戻るように設計すれば、射出光量の大幅な低下が生じることがない。また、これら第１反射鏡と第２反射鏡は従来の円形の凹面反射鏡を半分に割った形状であるため、従来に比べて装置を大幅に小型化できる。

本発明の照明装置において、前記第２レンズアレイを構成する前記複数のレンズのうち、前記第１反射鏡が配置された側の端部に位置するレンズを偏心させた構成とすることが望ましい。
この構成によれば、第１反射鏡が配置された側の端部に位置するレンズが発光管から最も遠い位置にあり、このレンズに最も照度の低い光が入射するため、光束の損失、すなわち明るさの低下を最小限に抑えつつ、本発明の照度分布均一化の効果を得ることができる。

本発明の照明装置において、前記第２レンズアレイを構成する前記複数のレンズのうち、偏心させたレンズの曲率を他のレンズの曲率と異ならせた構成としても良い。
本発明においては、照度が低い光束の照明領域を照明対象上で照度が低い領域側にずらすため、ずらした照明領域の縁が照明対象上に掛かり、場合によっては縁の境界が目立つ虞がある。これに対して、上記の構成によれば、偏心させたレンズの曲率が他のレンズの曲率と異なっているため、偏心させたレンズの焦点位置を他のレンズの焦点位置からずらすことができ、照明領域の縁の境界をぼかすことで目立ち難くすることができる。

もしくは、本発明の照明装置において、前記第２レンズアレイを構成する前記複数のレンズのうち、偏心させたレンズを非球面レンズとし、他のレンズを球面レンズとしても良い。
この構成においても、上記の構成と同様、非球面レンズの焦点位置を他の球面レンズの焦点位置からずらすことができるので、照明領域の縁の境界をぼかして目立ち難くすることができる。

本発明のプロジェクターは、前記本発明の照明装置と、前記照明装置からの光を変調する光変調素子と、前記光変調素子によって変調された光を投写する投写光学系と、を備えたことを特徴とする。
本発明のプロジェクターは、前記本発明の照明装置を備えたことにより照度分布を均一化させた光で光変調素子を照明できるため、明るさムラ、色ムラを抑えた画像の表示が可能なプロジェクターを実現できる。

本発明の一実施形態の照明装置を示す概略構成図である。 照明装置における第２マルチインテグレーターの正面図である。 第２マルチインテグレーターの作用を説明するための図である。 本発明の一実施形態のプロジェクターを示す概略構成図である。

［照明装置］
以下、本発明の一実施形態の照明装置について図１〜図３を用いて説明する。
本実施形態の照明装置は、発光管と一対の反射鏡とを含み、非対称な照度分布の光を射出するランプ光源を備えた例である。
図１は、本実施形態の照明装置を示す概略構成図である。図２は、照明装置における第２マルチインテグレーターの正面図である。図３は、第２マルチインテグレーターの作用を説明するための図である。なお、以下の各図面においては各構成要素を見やすくするため、構成要素によって寸法の比率や縮尺を異ならせて示すことがある。

本実施形態の照明装置１は、図１に示すように、ランプ光源２と、凹レンズ３と、第１マルチインテグレーター４（第１レンズアレイ）と第２マルチインテグレーター５（第２レンズアレイ）とからなる照度均一化光学系６と、重畳レンズ７と、コンデンサーレンズ８と、を備えている。ランプ光源２は、発光管９と、主反射鏡１０（第１反射鏡）と、副反射鏡１１（第２反射鏡）と、を備えている。主反射鏡１０は、発光管９から射出された光を照明対象物１２に向けて反射させる機能を主に担っている。副反射鏡１１は、発光管９から射出された光を主反射鏡１０に向けて反射させる機能を主に担っている。

発光管９は、図１に示すように、例えば石英ガラス等の透明材料で構成されたバルブ部１３の内部に一対の電極１４が対向するように配置され、水銀、金属ハロゲン化物等の発光物質と希ガス、ハロゲンガス等の気体とが封入されたものである。この発光管９において、一対の電極１４間に高電圧を印加すると、電極１４間に放電が生じて発光点から略全周方向に光が放射される。具体的に、発光管９としては、高圧水銀ランプ、メタルハライドランプ、キセノンランプ等のアーク放電型発光管が用いられる。

主反射鏡１０は、例えばガラスや結晶化ガラス等の耐熱性が高く、機械的強度が大きい基材と、基材の表面に形成された、例えば誘電体多層膜や金属膜からなる反射ミラーと、から構成されている。本実施形態では、主反射鏡１０の反射ミラーが形成された反射面１０ａは楕円面となっている。ただし、反射面１０ａは、楕円面に限らず、放物面や非球面であっても良い。

また、従来一般の反射鏡では、照明光軸Ｌ（発光管の光軸）を中心として全周（３６０度）にわたって反射ミラーが存在するのに対し、本実施形態の主反射鏡１０は、略半周（１８０度）の部分に反射ミラーが存在する反射面１０ａを有している。すなわち、本実施形態の主反射鏡１０は、照明光軸Ｌを中心として全周（３６０度）を覆う従来一般の反射鏡を、反射ミラーの各端部と照明光軸Ｌとを含む平面によって略半分に割った形状（いわゆる半割状）となっている。なお、「照明光軸Ｌ」とは、照明装置１全体の光軸のことである。この「照明光軸Ｌ」は、「主反射鏡１０の光軸」と一致し、「発光管９の光軸」とも一致している。「発光管９の光軸」とは、一対の電極１４が延在する方向であって発光点を通る軸のことである。

副反射鏡１１は、発光管９のバルブ部１３の外表面であって、照明光軸Ｌを中心として主反射鏡１０が存在しない側の半分の領域に形成された反射膜で構成されている。すなわち、副反射鏡１１は、バルブ部１３の外表面において、照明光軸Ｌを含む平面によってバルブ部１３を略半分に割った下側の領域に設けられている。バルブ部１３の外表面に形成される副反射鏡１１の反射面は、略球面状、あるいは楕円面状、放物面状等を含む非球面状に形成されている。

また、副反射鏡１１としては、バルブ部１３の外表面に反射膜を形成した構成に代えて、発光管９とは別体の反射鏡を発光管９と近接させて配置した構成を採用しても良い。この構成であれば、発光管９に対する副反射鏡１１の位置合わせの自由度が上がり、副反射鏡１１からの光の反射方向を調整しやすい。

本実施形態のランプ光源２では、発光管９から放射された光の略半分は主反射鏡１０で反射して射出される一方、残りの略半分は副反射鏡１１で反射した後、発光管９を透過し、主反射鏡１０で反射されて、発光管９から主反射鏡１０に直接入射した光とともに主反射鏡１０から射出される。主反射鏡１０から射出された光の照度分布は、照明光軸Ｌに近い領域で照度が高く、照明光軸Ｌから遠い領域で照度が低くなるが、図１における照明光軸Ｌよりも下方側には光がほとんど到達しないため、照度分布は略半円形となり、非対称な形状となる。

照度均一化光学系６を構成する第２マルチインテグレーター５は、図２に示すように、複数（本実施形態では１６個）のレンズ１５Ａ，１５Ｂが水平方向および垂直方向にアレイ状に配列されたものである。図２に示す符号「Ｃ」は、各レンズ１５Ａ，１５Ｂの面頂位置を示している。複数のレンズ１５Ａ，１５Ｂのうち、照明光軸Ｌに最も近い最下行のレンズ１５Ｂと、下から２行目のレンズ１５Ｂと、下から３行目のレンズ１５Ｂにおいては、面頂位置Ｃが各レンズ１５Ｂの中心にある。これに対して、照明光軸Ｌから最も遠い最上行のレンズ１５Ａにおいては、面頂位置Ｃが各レンズ１５Ａの中心よりも上方（主反射鏡１０の縁部寄り）にずれた位置にある。

すなわち、図３に示すように、第２マルチインテグレーター５を構成する複数のレンズ１５Ａ，１５Ｂのうち、最上行のレンズ１５Ａは上方寄りに偏心しており、それ以外のレンズ１５Ｂは偏心していない。これにより、最上行のレンズ１５Ａから射出された光束Ａの照明領域は、照明対象物１２上で上方、すなわち照度が低い領域側にずれている。また、第２マルチインテグレーター５の最上行のレンズ１５Ａとそれ以外のレンズ１５Ｂとは曲率が異なり、焦点位置が異なる。最上行のレンズ１５Ａから射出された光は照明対象物１２上に結像しないが、それ以外のレンズ１５Ｂから射出された光は照明対象物１２上に結像する。

一方、図示を省略したが、第１マルチインテグレーター４については、全てのレンズ１６の面頂位置が各レンズ１６の中心にあり、偏心していない。

上記構成の照明装置１においては、ランプ光源２の発光管９から放射された光が主反射鏡１０と副反射鏡１１とにより反射されて凹レンズ３の方向に向けて射出され、凹レンズ３により平行化される。凹レンズ３から射出された光は、第１マルチインテグレーター４によりレンズ１６毎の光束に分割され、分割された複数の光束が第２マルチインテグレーター５に入射される。複数の光束は、第２マルチインテグレーター５、重畳レンズ７、コンデンサーレンズ８により集光された状態で照明対象物１２上において重畳され、照明対象物１２を照明する。

ここで、第２マルチインテグレーター５の最上行のレンズ１５Ａが上方に偏心しているため、図３に示すように、偏心していないレンズ１５Ｂからの光束Ｂが照明対象物１２の全域に照射されて全てが重畳されるのに対し、偏心している最上行のレンズ１５Ａからの光束Ａの照明領域は照明対象物１２上で上方、すなわち照度が低い領域側にずれ、下方、すなわち照度が高い領域には重畳されなくなる。これにより、照明対象物１２上で均一な照度分布を得ることができる。なお、図示を簡略化するため、図３では重畳レンズ７、コンデンサーレンズ８は省略した。ただし、重畳レンズ７、コンデンサーレンズ８があっても、各光束Ａ，Ｂと照明対象物１２との位置関係は上で説明したものと変わらない。

本実施形態の照明装置１においては、第２マルチインテグレーター５の最上行のレンズ１５Ａを上方に偏心させたため、ランプ光源２から射出される光の照度分布が非対称であっても、照明対象物１２上では均一な照度分布を得ることができる。また、第２マルチインテグレーター５の最上行のレンズ１５Ａには最も照度が低い光束が入射されるため、照明領域を照明対象物１２からずらしたとしても、光束の損失、すなわち明るさの低下を最小限に抑えることができる。さらに、偏心させたレンズ１５Ａの曲率を他のレンズ１５Ｂの曲率と異ならせ、偏心させたレンズ１５Ａの焦点位置を他のレンズ１５Ｂの焦点位置からずらしたことにより、レンズ１５Ａによる照明領域の下側のエッジをぼかして目立ち難くすることができる。

［プロジェクター］
以下、図４を参照しつつ本発明に係るプロジェクターの一実施形態を説明する。
図４に示すように、プロジェクター５５は、照明装置５０、液晶ライトバルブ（光変調素子）５１ａ、５１ｂ、５１ｃ、ダイクロイックプリズム５２、および投写レンズ（投射光学系）５３を備えている。照明装置５０は、上記実施形態の照明装置１と同等のものを適用しており、発光管５０１、主反射鏡５０２、副反射鏡５１０、フィルター５０３、照度均一化光学系５０４、偏光変換素子５０５、およびコンデンサーレンズ５０６を備えている。照明装置５０から射出された光は、ダイクロイックミラー５０７、５０８、リレー光学系５０９等を経て、液晶ライトバルブ５１ａ〜５１ｃに入射する。

ダイクロイックミラー５０７、５０８は、例えばガラス表面に誘電体多層膜を積層したものである。これにより、所定の波長帯域の色光が選択的に反射し、それ以外の波長帯域の色光が透過するようになっている。例えば、照明装置５０から射出された光源光のうち、赤色光Ｌａがダイクロイックミラー５０７を透過するとともに、緑色光Ｌｂおよび青色光Ｌｃがダイクロイックミラー５０７で反射する。また、ダイクロイックミラー５０７で反射した緑色光Ｌｂおよび青色光Ｌｃのうち、青色光Ｌｃがダイクロイックミラー５０８を透過し、緑色光Ｌｂがダイクロイックミラー５０８で反射する。

ダイクロイックミラー５０７を透過した赤色光Ｌａは、反射ミラーで反射し平行化レンズを経て赤色光用の液晶ライトバルブ５１ａに入射する。ダイクロイックミラー５０８で反射した緑色光Ｌｂは、平行化レンズを経て緑色光用の液晶ライトバルブ５１ｂに入射する。ダイクロイックミラー５０８を透過した青色光Ｌｃは、リレー光学系５０９を経て青色光用の液晶ライトバルブ５１ｃに入射する。

液晶ライトバルブ５１ａ〜５１ｃの各々は、例えばアクティブマトリクス型の透過型の液晶パネルであり、一対の電極間に挟持された液晶層を有している。また、液晶ライトバルブ５１ａ〜５１ｃは、画像信号を供給する信号源に電気的に接続されている。信号源から画像信号が供給されると、電極間に電圧が印加され、この印加電圧に応じて液晶分子の方位角が制御される。これにより、入射光の偏光状態を変化させることができ、偏光状態に応じた階調の光が得られるようになっている。液晶ライトバルブ５１ａ〜５１ｃにより変調された赤色光Ｌａ、緑色光Ｌｂ、青色光Ｌｃは、ダイクロイックプリズム５２に入射する。

ダイクロイックプリズム５２は、三角柱プリズムが貼り合わされた構造となっており、その内面に赤色光Ｌａが反射し緑色光Ｌｂが透過するミラー面と、青色光Ｌｂが反射し緑色光が透過するミラー面とが互いに直交して形成されている。赤色光Ｌａ、緑色光Ｌｂ、青色光Ｌｃは、これらのミラー面で選択的に反射あるいは透過して同じ側に射出される。
これにより、３つの色光が重ね合わされて合成光となる。この合成光は、投射レンズ５３によってスクリーン６０に拡大投射される。これにより、カラー表示の画像が得られるようになっている。

上記構成のプロジェクター５５においては、リレー光学系を経て光が入射する青色光用の液晶ライトバルブ５１ｃの画像が他の液晶ライトバルブ５１ａ，５１ｂの画像に対して反転するため、非対称な照度分布を有する照明装置を用いた場合には色ムラが生じる虞がある。しかしながら、本実施形態では、上記実施形態の照明装置５０を備えているので、色ムラや明るさムラが抑えられた画像が表示可能な小型のプロジェクターを実現できる。

なお、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。例えば上記実施形態では、第２マルチインテグレーターのレンズのうち、偏心させたレンズの曲率を他のレンズの曲率と異ならせた構成とした。この構成に代えて、例えば偏心させたレンズを非球面レンズとし、他のレンズを球面レンズとしても良い。この構成においても、上記の構成と同様、非球面レンズの焦点位置を他の球面レンズの焦点位置からずらすことができるので、ずらした照明領域のエッジをぼかして目立ち難くすることができる。

また、上記実施形態では、照明光軸Ｌから離れるほど照度が低くなる照度分布を有するランプ光源を用い、第２マルチインテグレーターのレンズのうち、最上行のレンズを偏心させる構成とした。ただし、本発明において、照度分布は上記のものに限ることはなく、種々の照度分布に応じて照度が低い光が入射する箇所のレンズを偏心させればよい。さらに、上記照明装置やプロジェクターの各部の形状、配置等に関する具体的な構成については、適宜変更が可能である。

１，５０…照明装置、２…ランプ光源、４…第１マルチインテグレーター（第１レンズアレイ）、５…第２マルチインテグレーター（第２レンズアレイ）、６，５０４…照度均一化光学系、９，５０１…発光管、１０，５０２…主反射鏡（第１反射鏡）、１１，５１０…副反射鏡（第２反射鏡）、１２…照明対象物、１５Ａ，１５Ｂ，１６…レンズ、５１ａ，５１ｂ，５１ｃ…液晶ライトバルブ（光変調素子）、５３…投写レンズ（投写光学系）、５５…プロジェクター。

Claims (6)

1. 非対称な照度分布を有する光を射出する光源と、
   前記光源からの光の照度分布を均一化する照度均一化光学系と、を備え、
   前記照度均一化光学系は、前記光源からの光を複数の光束に分割する複数のレンズが配列された第１レンズアレイと、前記第１レンズアレイからの複数の光束が入射され、前記複数の光束の少なくとも一部を照明対象上で重畳させる複数のレンズが配列された第２レンズアレイと、を含み、
   前記第２レンズアレイを構成する前記複数のレンズのうち、相対的に照度が低い光束が入射するレンズを、当該レンズから射出された光束による照明領域が前記照明対象上で照度が低い領域側にずれるように、偏心させたことを特徴とする照明装置。
2. 前記光源が、一対の電極を有する発光管と、前記発光管の光軸を中心とする全周のうちの一部を囲むように配置されて前記発光管から射出された光を照明対象に向けて反射させる第１反射鏡と、前記発光管の光軸を挟んで前記第１反射鏡と対向するように配置されて前記発光管から射出された光を前記第１反射鏡に向けて反射させる第２反射鏡と、を備えたことを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
3. 前記第２レンズアレイを構成する前記複数のレンズのうち、前記第１反射鏡が配置された側の端部に位置するレンズを偏心させたことを特徴とする請求項２に記載の照明装置。
4. 前記第２レンズアレイを構成する前記複数のレンズのうち、偏心させたレンズの曲率を他のレンズの曲率と異ならせたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載の照明装置。
5. 前記第２レンズアレイを構成する前記複数のレンズのうち、偏心させたレンズを非球面レンズとし、他のレンズを球面レンズとしたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載の照明装置。
6. 請求項１ないし５のいずれか一項に記載の照明装置と、前記照明装置からの光を変調する光変調素子と、前記光変調素子によって変調された光を投写する投写光学系と、を備えたことを特徴とするプロジェクター。

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