JP2015145981A - 光学装置およびプロジェクタ - Google Patents

Abstract

【課題】安定的に光軸のずれを補正することが可能な光学装置を提供する。【解決手段】光学装置であるプロジェクタの照明光学系１０は、放電ランプ１１および当該放電ランプ１１が発した光を反射して一定の方向へ出射するリフレクタ１２とからなる光源装置１を備えている。リフレクタ１２が出射した光の経路には、放電ランプ１１の点灯姿勢の変化による発光位置のずれに起因する光路のずれを補正するシリンドリカルレンズ９（光学レンズ）が挿入可能となっている。【選択図】図７

Description

本発明は、プロジェクタ等の光学装置に関し、特に、光源ランプが発した光の利用効率を向上させる技術に関する。

従来、プロジェクタ等の光学装置に用いられる光源装置として、一対の電極間での放電によって放射される光を利用する放電ランプ（例えば、メタルハライドランプや高圧水銀ランプ等）を光源として用いたものが知られている。一般的に、光源装置の放電ランプは、当該放電ランプが放射した光束を反射して一定方向に揃えて出射するリフレクタに取り付けられる。

放電ランプが発光すると、発光に伴う発熱によって放電ランプ内の温度が上昇し、放電ランプ内で熱対流が起こる。その結果、放電ランプの上部と下部との温度差が生じ、ガスの濃度分布が不均一になる。このため、一対の電極間に生じるアーク放電は鉛直方向上側（以下、単に「上側」という）に湾曲し、アーク放電の中心位置は一対の電極間を結ぶ直線より上側にずれる。このため、放電ランプをリフレクタに取り付ける際には、アーク放電の中心位置がリフレクタの焦点位置となるように、リフレクタの中心よりも鉛直方向下側（以下、単に「下側」という）に一対の電極が位置するように、放電ランプの取り付け位置が調整される。

プロジェクタは、その利用目的により、机上などに置いて使用される場合（据え置き設置）と、天井などに吊り下げて使用される場合（天吊り設置）とがある。通常、プロジェクタを天吊り設置する場合、プロジェクタは、据え置き設置のときとは上下を逆にして設置される。以下においては、据え置き設置するときのプロジェクタの姿勢を「据え置き姿勢」、天吊り設置するときのプロジェクタの姿勢を「天吊り姿勢」という。据え置き姿勢と天吊り姿勢は上下逆の関係にある。

上記のように、据え置き姿勢のときにアーク放電の中心位置がリフレクタの焦点位置に合うように放電ランプの取り付け位置が調整されたプロジェクタでは、放電ランプは、据え置き姿勢でリフレクタの中心よりも下側にずれた位置に取り付けられる。そのプロジェクタを天吊り設置すると、上下逆になることから、放電ランプはリフレクタの中心よりも上側にずれた位置になる。さらに、アーク放電は上側に湾曲するため、アーク放電の中心位置はリフレクタの焦点位置から上側へ大きくずれることになる。このように、アーク放電を利用した放電ランプを備える光源装置では、点灯姿勢によって発光位置（アーク放電の位置）が変化する。

アーク放電の中心位置がリフレクタの焦点位置からずれると、光源装置から出射された光束の光軸が、光学系を辿る設計上の光軸からずれることとなる。そうなると、光束を光変調装置へ効果的に入射させることができず、光利用効率が低下する。光利用率が低下すると、プロジェクタが投写する画像の照度の劣化、照度比の悪化、色むらの発生などを招く。

下記の特許文献１には、放電ランプのアーク放電の中心位置とリフレクタの焦点位置とのずれを補正可能な光源装置を備えたプロジェクタが開示されている。特許文献１のプロジェクタでは、プロジェクタの姿勢（据え置き姿勢、天吊り姿勢）に応じて、リフレクタに対する放電ランプの位置が変化するように構成されており、プロジェクタの姿勢を問わずアーク放電の中心位置をリフレクタの焦点位置に合わせることができる。

特開２００７−２６４２９３号公報

特許文献１に記載のプロジェクタでは、放電ランプは可動の支持部に取り付けられており、プロジェクタの姿勢が変わると指示部が自重により移動し、放電ランプの位置が変化する仕組みとなっている。しかし、放電ランプがリフレクタに対して一定の位置に固定されていないため、振動などによって放電ランプの位置がずれやすく、光軸を安定させることが難しいと考えられる。また、放電ランプが動いたときに、放電ランプへ電源を供給する導線も一緒に動くため、場合によってはその導線が放電ランプの出射光の一部を遮ることも考えられる。従って、リフレクタ内で放電ランプとそれに繋がる導線を動かす構成では、投写画像の不良を招くおそれもある。このため、安定的に光軸のずれを補正できる方法が望まれる。

本発明は以上のような課題を解決するためになされたものであり、安定的に光軸のずれを補正することが可能な光学装置およびプロジェクタを提供することを目的とする。

本発明に係る光学装置は、光源ランプと、前記光源ランプが発した光を反射して一定の方向へ出射するリフレクタと、前記リフレクタが出射した光の経路に介在するように配設され、前記光源ランプの点灯姿勢の変化による発光位置のずれに起因する光路のずれを補正する光学レンズとを備えるものである。

本発明によれば、光源ランプの点灯姿勢の変化による発光位置のずれに起因する光路のずれを光学レンズによって補正できるため、点灯姿勢を問わず、光源ランプの光を効果的に利用することができる。また、光路の補正の際、放電ランプを動かす必要がないため、振動や衝撃などで光軸がずれることが抑制され、光軸のずれの補正を安定して行うことができる。

本発明の実施の形態に係るプロジェクタの主要部の構成を示す図である。 光源装置の構成を示す図である。 据置き姿勢における光源装置からロッドレンズまでの光路を示す図である。 据置き姿勢におけるロッドレンズ入射面の光スポット図である。 天吊り姿勢（シリンドリカルレンズなし）における光源装置からロッドレンズまでの光路を示す図である。 天吊り姿勢（シリンドリカルレンズなし）におけるロッドレンズ入射面の光スポット図である。 シリンドリカルレンズ挿入時の天吊り姿勢における光源装置からロッドレンズまでの光路を示す図である。 シリンドリカルレンズの構成を示す図である。 シリンドリカルレンズ挿入時の天吊り姿勢におけるロッドレンズ入射面の光スポット図である。 シリンドリカルレンズの保持機構の構成を示す図である。 シリンドリカルレンズの位置の調整方法の例を説明するための図である。

図１は、本発明の実施の形態に係るプロジェクタ（投写型画像表示装置）の主要部の構成を示す図である。当該プロジェクタは、据置き姿勢と天吊り姿勢の両方で設置可能に構成されている。

図１に示すように、プロジェクタは、照明光学系１０と結像光学系２０とを備える構成となっている。照明光学系１０は、光源装置１、ロッドレンズ２、カラーホイール３、リレーレンズ４を備えている。さらに、光源装置１とロッドレンズ２との間に、光源装置１から出射された光の経路（光路）を補正する光学レンズを挿入可能に構成されている。本実施の形態では、光学レンズとしてシリンドリカルレンズを用いる。図１は、シリンドリカルレンズ９が挿入されていない状態を示しており、シリンドリカルレンズ９の挿入位置が点線で表されている。

光源装置１は、光源ランプとしての放電ランプ１１と、放電ランプ１１からの出射光をロッドレンズ２の入射面に集光させる略椀形状のリフレクタ１２（例えば、パラボラリフレクタや楕円リフレクタ）とから構成される。放電ランプ１１は、例えば交流電流によって駆動され白色光を放射する交流点灯ランプなどであり、リフレクタ１２内の一定の位置に固定されている。放電ランプ１１のリフレクタ１２への取り付け位置は、プロジェクタが据え置き姿勢のときに、アーク放電の中心位置がリフレクタ１２の第１焦点位置となるように調整されている。

ロッドレンズ２は、光源装置１が出射した光の分布状態を均一にするものである。ロッドレンズ２は、光源装置１からの光を受ける入射面の中心がリフレクタ１２の第２焦点位置になるように配設されている。カラーホイール３は、ロッドレンズ２を通過した光に対して時分割での色分離を行うものである。リレーレンズ４は、複数のレンズから構成されており、カラーホイール３を通過した光を結像光学系２０へ効率良く伝えるためのものである。

結像光学系２０は、フラットミラー５、凹面反射鏡６、鏡面反射型光変素子７および投写レンズ８を備えている。フラットミラー５は、リレーレンズ４から出射された光を、凹面反射鏡６へ向けて反射する。凹面反射鏡６は、フラットミラー５からの光を鏡面反射型光変素子７へ向けてさらに反射させるとともに、鏡面反射型光変素子７が出射する光（画像光）を投写レンズ８の入射瞳に効率よく集光させるようにも作用する。

鏡面反射型光変素子７は、例えばＤＭＤ（デジタル・マイクロミラー・デバイス）（「ＤＭＤ」は登録商標）等であり、凹面反射鏡６からの光のうち投写する画像に寄与する光成分を反射することによって、画像光を生成する。鏡面反射型光変素子７から出射した画像光は、投写レンズ８へ入射する。投写レンズ８は、その画像光をスクリーン等の投写画面に投写する。

図２は、光源装置１の構成を示す断面図である。先に述べたように、光源装置１の放電ランプ１１はリフレクタ１２内に固定されている。放電ランプ１１は、石英ガラスからなる発光管１１１内に設けられた一対の電極１１２を備えている。発光管１１１は、その中央部に、水銀、希ガス、少量のハロゲン等が封入された膨出部を有しており、一対の電極１１２はその膨出部に配設されている。

放電ランプ１１は、一対の電極１１２間で放電を生じさせることで発光する。放電には発熱を伴うため、発光管１１１を発光させると、発光管１１１の膨出部内の温度が上昇し、熱対流が生じる。それにより、発光管１１１の膨出部に封入されたガスの濃度分布が不均一になる。このため、一対の電極１１２間に生じるアーク放電は、上側に湾曲することになる。放電ランプ１１は、据置き姿勢においてアーク放電の中心位置Ａがリフレクタ１２の第１焦点位置Ｆ１と一致するように位置調整されて、リフレクタ１２に固定されている。つまり、放電ランプ１１は、据え置き姿勢のときにリフレクタ１２の中心（回転対称軸）よりも下側に位置するように、リフレクタ１２に取り付けられている。

据置き姿勢においては、図３に示すように、放電ランプ１１からリフレクタ１２へ向けて放射された光束は、リフレクタ１２の反射面で反射されて第２焦点位置Ｆ２に集束し、リフレクタ１２の反射面の回転曲線形状の集束光となる。ロッドレンズ２の入射面の中心位置Ｂは、この第２焦点位置Ｆ２の位置に配置される。ここで、光軸Ｃの方向と鉛直方向（天地方向）の両方に垂直な方向をＸ方向、鉛直方向をＹ方向、光軸Ｃの方向をＺ方向と定義する。

図４は、据え置き姿勢においてロッドレンズ２の入射面に入射する光の強度分布を示す光スポット図である。光源装置１から出射した光が、ロッドレンズ２の入射面の中心位置Ｂに集光していることが分かる。

一方、当該プロジェクタを（シリンドリカルレンズ９を挿入せずに）天吊り姿勢にすると、姿勢が上下逆になることから、図５のように放電ランプ１１はリフレクタ１２の中心よりも上側にずれた位置になる。さらに、アーク放電は上側に湾曲するため、アーク放電の中心位置Ａは、第１焦点位置Ｆ１から上側へ大きくずれることになる。

この場合、アーク放電の中心位置Ａから下側へ放射された光の経路は、リフレクタ１２までの距離が長くなるため、ロッドレンズ２へ下側から向かう光は、第２焦点位置Ｆ２より少し手前で集光する。また、アーク放電の中心位置Ａから上側へ放射された光の経路は、リフレクタ１２までの距離が短くなるため、ロッドレンズ２へ上側から向かう光は、第２焦点位置Ｆ２よりも奥（Ｚ方向にずれた位置）で集光する。その結果、図５に示すように、ロッドレンズ２に到達する光の集光位置は、ロッドレンズ２の入射面の中心位置Ｂよりも上側にずれる。

図６は、天吊り姿勢（シリンドリカルレンズ９なし）におけるロッドレンズ２の入射面の光スポット図である。光源装置１から出射した光が、ロッドレンズ２の入射面の中心位置Ｂよりも上側にずれた位置に集光していることが分かる。

本実施の形態のプロジェクタでは、図７のように光源装置１とロッドレンズ２の間にシリンドリカルレンズ９を挿入し、それを用いて、天吊り姿勢における集光位置のずれを補正することが可能である。

シリンドリカルレンズ９は、少なくとも片面がシリンドリカル面（円筒状の面）となったレンズである。シリンドリカル面は一方向のみに曲率を有する面である。本実施の形態では、図８に示すように、光源装置１からの光が入射する側の面が上下方向に曲率を有し、もう片方の面は平坦なシリンドリカルレンズ９を用いている。以下、シリンドリカルレンズ９のシリンドリカル面の曲率中心の位置９ｃを基準にして、曲率を有する方向に延びる軸を「レンズ軸９ｄ」という。

シリンドリカルレンズ９の位置をレンズ軸９ｄの方向（上下方向）に沿って動かすことで、光源装置１から出射した光の集光位置を調節することができる。図７のように、天吊り姿勢において、シリンドリカルレンズ９の曲率中心の位置９ｃを、光源装置１の光軸Ｃよりも下側に配置すると、光源装置１からシリンドリカルレンズ９に入射した光線は、シリンドリカルレンズ９で屈折して光路が下側に変化する。それにより、天吊り姿勢での集光位置をロッドレンズ２の入射面中心位置Ｂ（据え置き姿勢時の第２焦点位置Ｆ２）に合わせることができ、据置き姿勢と同等の光の利用効率を維持できる。

図９は、シリンドリカルレンズ９を挿入したときの、天吊り姿勢におけるロッドレンズ２の入射面の光スポット図である。光源装置１から出射した光が、ロッドレンズ２の入射面の中心位置Ｂに集光していることが分かる。

図１０は、シリンドリカルレンズ９の保持機構の構成を示す断面図である。シリンドリカルレンズ９は、樹脂等で成型されたレンズホルダ９１に側面を接着されるなどして保持されている。レンズホルダ９１は、放電ランプ１１とロッドレンズ２との間に設置されたレンズ位置調節ホルダ９２に取り付けられることによって、放電ランプ１１とロッドレンズ２との間に挿入される。レンズ位置調節ホルダ９２は、樹脂等で成型されており、レンズホルダ９１を挿入するための溝９２１が設けられている。レンズホルダ９１は、手動もしくは電動モータなどの動力によって、レンズ位置調節ホルダ９２に着脱されると共に、溝９２１に沿って上下に移動される。

つまり、レンズホルダ９１およびレンズ位置調節ホルダ９２は、据え置き姿勢のときはシリンドリカルレンズ９を光源装置１が出射した光の経路に介在させず、天吊り姿勢にのときにシリンドリカルレンズ９を光源装置１が出射した光の経路に介在させるように、シリンドリカルレンズ９を移動させる機構として機能する。

レンズホルダ９１は、位置調節ねじ９３と押さえバネ９４によって位置決めされている。位置調節ねじ９３を回すと、その回した方向に応じて、レンズホルダ９１が溝９２１に沿って上下に移動する。これにより、放電ランプ１１に対するシリンドリカルレンズ９の位置が調節される。このとき、押さえバネ９４の反発力により、レンズホルダ９１は、調節後の位置に安定して保持される。

シリンドリカルレンズ９の位置の調節は、プロジェクタごと（放電ランプ１１ごと）に行うことが望ましい。図１１は、シリンドリカルレンズ９の位置の調節方法の例を説明するための図である。図１１のように、プロジェクタ１００を用いてスクリーン２００に白色画面などを投写した状態で、スクリーン２００上の照度を照度計１０１などで測定し、シリンドリカルレンズ９の位置を制御する制御装置１０２を用いて、投射画面の照度が最大になるようにシリンドリカルレンズ９の位置を調節する方法が考えられる。このとき、照度計１０１で投射画面の中心の照度を測定するとよい。この方法によるシリンドリカルレンズ９の位置調節は、使用者が照度計１０１の指示値を読み取りながら制御装置１０２を操作して行ってもよいし、制御装置１０２が、照度計１０１から取得した指示値に基づいて自動的に行ってもよい。

本実施の形態によれば、投写姿勢が変わったときのアーク放電の位置変化に起因する光路のずれを、シリンドリカルレンズ９を挿入することによって補正し、光源装置１から出射された光束の光軸を設計上の光路に合わせることができる。よって、投射姿勢を問わず、光利用効率を高く維持できる。また、光路のずれを補正する際、放電ランプ１１のリフレクタ１２に対する位置や、ロッドレンズ２等の光学系の位置を動かす必要はないので、画面投写の安定性も確保される。

本実施の形態では、シリンドリカルレンズ９が光源装置１とロッドレンズ２との間に挿入される例を示したが、光源装置１からの光が入射される光学系はロッドレンズ２でなくてもよい。すなわち、光源装置１からの光路にシリンドリカルレンズ９を挿入し、それによって光路のずれを補正すれば、光源装置１からの光を受ける任意の光学系へ効果的に光を入射させることができ、同様の効果が得られる。

上の説明では、据え置き姿勢のときには、光源装置１からの光路にシリンドリカルレンズ９が挿入されないものとして説明したが、据え置き姿勢のときにシリンドリカルレンズ９の曲率中心の位置９ｃを光源装置１の光軸Ｃと一致させて、シリンドリカルレンズ９が光源装置１の光路に影響を与えないようにすれば、据え置き姿勢のときもシリンドリカルレンズ９が挿入されたままでもよい。例えば、プロジェクタに、据置き姿勢のときはシリンドリカルレンズ９の曲率中心の位置９ｃを光源装置１の光軸Ｃに一致させ、天吊り姿勢になるとシリンドリカルレンズ９を下側に移動させる機構を設けてもよい。

また、本実施の形態ではアーク放電による発光を利用した光源ランプを用いた光源装置を示したが、本発明は、点灯姿勢によって発光位置が変化する特性を有する光源ランプを用いた光源装置に広く適用可能である。さらに、本発明はそのような光源装置を用いた光学装置に広く適用可能であり、プロジェクタへの適用に限定されるものではない。

なお、本発明は、その発明の範囲内において、実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１０ 照明光学系、２０ 結像光学系、１ 光源装置、１１ 放電ランプ、１１１ 発光管、１１２ 電極、１２ リフレクタ、２ ロッドレンズ、３ カラーホイール、４ リレーレンズ、５ フラットミラー、６ 凹面反射鏡、７ 鏡面反射型光変素子、８ 投写レンズ、９ シリンドリカルレンズ、９１ レンズホルダ、９２ レンズ位置調節ホルダ、９２１ 溝、９３ 位置調節ねじ、９４ 押さえバネ９４、１００ プロジェクタ、１０１ 照度計、１０２ 制御装置、２００ スクリーン。

Claims (6)

1. 光源ランプと、
   前記光源ランプが発した光を反射して一定の方向へ出射するリフレクタと、
   前記リフレクタが出射した光の経路に介在するように配設され、前記光源ランプの点灯姿勢の変化による発光位置のずれに起因する光路のずれを補正する光学レンズと
   を備える光学装置。
2. 前記光学レンズは、前記光路のずれが生じる方向に曲率を有するシリンドリカルレンズである
   請求項１記載の光学装置。
3. 前記光路のずれが生じない点灯姿勢のときは前記光学レンズを前記リフレクタが出射した光の経路に介在させず、前記光源ランプの点灯姿勢の変化により前記光路のずれが生じたときに前記光学レンズを前記光の経路に介在させる機構をさらに備える
   請求項１または請求項２記載の光学装置。
4. 前記光路のずれが生じない点灯姿勢のときは前記シリンドリカルレンズの曲面の曲率中心の位置を前記光源装置の光軸に一致させ、前記光源ランプの点灯姿勢の変化により前記光路のずれが生じたときは前記シリンドリカルレンズの曲面の曲率中心の位置が前記光源装置の光軸からずれる位置に前記シリンドリカルレンズを移動させる機構をさらに備える
   請求項２記載の光学装置。
5. 請求項１から請求項４のいずれか一項記載の光学装置を含み、据え置き姿勢および天吊り姿勢の両方での投射を行うプロジェクタ。
6. 投射画面の中心の照度が最も大きくなるように前記光学レンズの位置を調節する機構をさらに備える
   請求項５記載のプロジェクタ。