JP2885220B2 - 光源装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば液晶ライト
バルブを用いて光変調された画像が投写レンズを介して
スクリーン上に拡大投写される液晶プロジェクターに使
用して好適な光源装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の光源装置は、特開平３−
１１１８０６号公報に「光学照明系およびこの系を具え
る投写装置」として開示されており、２枚のレンズ板を
用いたインテグレータ光学系を備え、１．３型クラスの
比較的小型の液晶ライトバルブを用いたプロジェクター
において実用化されている。

【０００３】この光学系につき、図７を用いて説明する
と、同図において、符号７００で示す光学系は、光源７
０１で発生する光束をレンズアレイからなる第一のレン
ズ板７０２で分割し、このレンズ板７０２上で分割され
た光源７０１の像が第一のレンズ板７０２のレンズアレ
イに対応するレンズアレイからなる第二のレンズ板７０
３を介して照明される被照明体７０４上に結像するよう
に構成されている。

【０００４】これにより、光源７０１の光利用率を向上
させるとともに、光源７０１の発光部自体がもつ輝度む
らを抑制し、均一な照明が可能となる。

【０００５】このような光学系において、光源７０１，
第一のレンズ板７０２，第二のレンズ板７０３および被
照明体７０４との間で成立する光学的な共役関係は、図
８に示すように、第一のレンズ板７０２を構成する単位
レンズの寸法をＬ１とするとともに、被照明体７０４の
大きさをＬ２とし、また第一のレンズ板７０２と第二の
レンズ板７０３との間の距離をＸ１とするとともに、第
二のレンズ板７０３と被照明体７０４との間の距離をＸ
２とすると、第一のレンズ板７０２上の単位レンズの大
きさに相当するＬ１の像が第二のレンズ板７０３の単位
レンズを介してＬ２の大きさで結像するため、Ｌ１／Ｌ
２＝Ｘ１／Ｘ２の関係にある。換言すれば、この関係を
満足するように７０２，７０３の焦点距離が決定され
る。

【０００６】ここで、第一のレンズ板７０２と第二のレ
ンズ板７０３を構成する単位レンズは、多いほど均一性
の高い照明が可能となり、少なくとも各レンズ板の分割
数は四個以上が好ましい。また、光源７０１が点光源に
近いほど厳密な共役関係が成立するので、効率ロスは少
なくなる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、この種の光
源装置において、装置の小型化を考えたとき、第二のレ
ンズ板７０３と被照明体７０４との間の距離が短縮され
る。特に、一枚のカラー液晶パネルを用いた単板式プロ
ジェクターでは、第二のレンズ板７０３と液晶パネルと
なる被照明体７０４との間の距離は、できるだけ短縮す
ることが装置全体の小型化につながる。

【０００８】しかし、従来の光源装置においては、Ｌ１
／Ｌ２＝Ｘ１／Ｘ２の関係式から第二のレンズ板７０３
と液晶パネルとの間の距離に相当するＸ２が小さくなる
と、Ｘ１が一定値であれば、Ｌ１がＸ２に反比例して大
きくなる。Ｌ１が大きくなることは、第一のレンズ板７
０２の分割数が少なくなることを意味する。

【０００９】このとき、Ｘ１を小さくすることにより、
すなわち第一のレンズ板７０２の単位レンズの各焦点距
離を短縮することにより、分割数を少なくすることは可
能であるが、第一のレンズ板７０２の単位レンズの各焦
点距離がＸ１によって決まる量であるので、その値には
限界がある。

【００１０】一方、カラー液晶パネルの主流である３型
以上に代表される中型クラスの大きさの液晶パネルを考
えたとき、Ｘ１，Ｘ２が一定である条件下ではＬ２の寸
法に比例してＬ１が大きくなるので、この場合において
も第一のレンズ板７０２および第二のレンズ板７０３の
分割数を多くすることができない。結果として、インテ
グレータ光学系の最大の利点である均一な照明を達成す
ることができない。

【００１１】そこで、光源７０１からの光束の幅自体を
大きくすることにより、すなわち口径の大きな反射鏡を
組み合わせることにより、第二のレンズ板７０３とカラ
ー液晶パネルの間隔を接近させ、かつ第一のレンズ板７
０２および第二のレンズ板７０３の分割数を確保するこ
とが可能であるが、この場合にはＬ２の大きさを大幅に
上回る口径をもつ反射鏡が必要になり、装置の小型化に
は不利である。

【００１２】また、インテグレータ光学系における照明
効率を確保するには、第一のレンズ板７０２の単位レン
ズを通過する光束を、対応する第二のレンズ板７０３に
効率よく入射させないと、効率ロスが発生するという問
題がある。

【００１３】この場合、前述したように共役関係を厳密
に成立させるためには、光源７０１の発光部が点光源に
近ければ近いほどよい。逆に、点光源から離れるにした
がい共役関係は崩れる。具体的には、第一のレンズ板７
０２の単位レンズを通過した全ての光束が、対応する第
二のレンズ板７０３の単位レンズを全て通過することが
できず、隣接する第二のレンズ板７０３の単位レンズに
入ってしまうと、最終的には液晶パネルの照明には寄与
することができなくなり、照明効率の低下を招く。

【００１４】なお、液晶プロジェクター用の光源ランプ
として最も一般的に用いられているメタルハライドラン
プは、電極間距離が一定であれば、おおむねランプ電力
の増加に伴い、得られる光出力は増加する。

【００１５】また、ランプ電力が一定である場合には、
電極間距離が大きい方が高寿命であり、電極間距離が３
ｍｍ以上の高ランプ出力のものは製造技術が確立されて
おらず、したがって現在実用化されているインテグレー
タ光学系を用いた液晶プロジェクターに使用されている
ランプは、電極間距離１〜２．５ｍｍ程度であり、ラン
プ電力で１００〜２５０Ｗ程度である。

【００１６】本発明はこのような事情に鑑みてなされた
もので、装置の小型化を図ることができるとともに、均
一な照明を達成することができ、かつ照明効率の低下発
生を防止することができる光源装置の提供を目的とす
る。

【００１７】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に、本発明の請求項１記載の光源装置は、光源からの照
明光が放物面鏡で反射し、この反射光が少なくとも一組
の光学素子を透過して被照明体を照明する光源装置であ
って、各組の光学素子を、各単一のプリズム面が互いに
接合された二つの六角柱プリズムによって構成し、これ
ら両六角柱プリズムは、光源の光軸が各プリズム接合面
上を通過し、かつ各プリズム稜と垂直になる位置に位置
付けられている構成としてある。

【００１８】請求項２記載の発明は、請求項１記載の光
源装置において、各六角柱プリズムが各プリズム接合面
と平行なエレメント接合面を有する断面台形状の二つの
プリズムエレメントからなり、これら両プリズムエレメ
ント間のエレメント接合面にハーフミラーコーティング
処理が施されている構成としてある。

【００１９】請求項３記載の発明は、請求項１または２
記載の光源装置において、光源がメタルハライドランプ
からなる構成としてある。

【００２０】請求項４記載の発明は、請求項１，２また
は３記載の光源装置において、光源が液晶プロジェクタ
ー用の光源である構成としてある。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態につき、
図面を参照して説明する。図１は本発明の第一実施形態
に係る光源装置の概略を示す平面図、図２は同じく本発
明の第一実施形態に係る光源装置の光学素子を示す斜視
図である。同図において、符号１００で示す光源装置
は、光源１０１と反射鏡１０２と光学素子１０３と被照
明体１０４とを備えている。

【００２２】光源１０１は、メタルハライドランプから
なり、反射鏡１０２と光学素子１０３との間に配設され
ている。反射鏡１０２は、光源１０１の電極間のほぼ中
心位置に焦点をもつ反射放物面鏡からなり、光学素子１
０３の後方に光源１０１を囲むようにして配設されてい
る。

【００２３】光学素子１０３は、各単一のプリズム面１
０５ａ，１０６ａが互いに接合された二つの六角柱プリ
ズム１０５，１０６からなり、光源１０１と被照明体１
０４との間に配設されている。これら両六角柱プリズム
１０５，１０６は、光源１０１の光軸１０１ａが各プリ
ズム面（平面四角形状のプリズム接合面）１０５ａ，１
０６ａ上を通過し、かつ各プリズム稜Ｄと垂直になる位
置に並列して位置付けられている。

【００２４】これら六角柱プリズム１０５，１０６は、
図２において、辺ＡＣの大きさを２ｄとし、角度ＡＢＥ
＝θとするとき、ＢＥ＝ｄ／ｔａｎ｛（ｎ−１／ｎ）
θ｝となるものを用いている。ｎはプリズムを構成する
材料の屈折率を表わす。プリズムの幅ｄおよび高さｔは
被照明体１０４の寸法で決定される。

【００２５】被照明体１０４は、液晶ライトバルブから
なり、光学素子１０３の前方に配設されている。

【００２６】このように構成された光源装置において
は、光源１０１から発生した光の成分が反射鏡１０２で
ほぼ平行光束として反射される。この反射された光成分
が二つの六角柱プリズム１０５，１０６に入射し、反射
鏡１０２の中央部の光束１０７が六角柱プリズム１０
５，１０６の面ａと面ｂで屈折作用を受けて再度ほぼ平
行光束として射出し、主に被照明体１０４の周辺部を照
明する。

【００２７】また、反射鏡１０２の周辺部の光束１０８
は、六角柱プリズム１０５，１０６の面ｃおよび面ｄで
屈折作用を受けて再度ほぼ平行光束として射出し、被照
明体１０４の中央部を照明する。

【００２８】すなわち、六角柱プリズム１０５，１０６
の屈折作用により、これら六角プリズム１０５，１０６
における光入射前と光入射後とでは、反射鏡１０２で反
射する光成分のうち中央部と周辺部の光成分が入れ替わ
って被照明体１０４の照明光として利用される。

【００２９】したがって、本実施形態においては、反射
鏡１０２で反射する光強度の低い成分が主に被照明体１
０４の中央部を照明し、光強度の高い成分が主に被照明
体１０４の周辺部を照明し、被照明体１０４上の照明光
の強度分布が図３に示すようになるから、照明光の強度
分布が補償される。

【００３０】また、六角柱プリズム１０５，１０６に対
する光入射前と光入射後において、強度分布が変化する
ものの、光束の幅自体は不変であるため、光学素子１０
３と被照明体１０４との間の距離を短縮することができ
る。

【００３１】さらに、本実施形態においては、光源１０
１からの光束がほぼ平行光線とするので、光源として電
極間距離が３ｍｍ以上の高ランプ電力の光源を用いるこ
とができ、プロジェクターに実施した場合に高輝度化を
図ることができる。

【００３２】次に、本発明の第二実施形態につき、図４
を用いて説明する。図４は本発明の第二実施形態に係る
光源装置の概略を示す平面図で、同図において図１と同
一の部材については同一の符号を付し、詳細な説明は省
略する。同図において、符号４０１で示す光源装置は、
光源１０１と反射鏡１０２と光学素子４０２と被照明体
１０４とを備えている。

【００３３】光学素子４０２は、第一実施形態の光学素
子１０３と同様に各単一のプリズム面（平面四角形状の
プリズム接合面）４０３ａ，４０４ａが互いに接合され
た二つの六角柱プリズム４０３，４０４からなり、光源
１０１と被照明体１０４との間に配設されている。これ
ら両六角柱プリズム４０３，４０４は、第一実施形態の
六角柱プリズム１０５，１０６と同様に光源１０１の光
軸１０１ａが各プリズム面４０３ｃ，４０４ｃ上を通過
し、かつ各プリズム稜（図４に図示せず）と垂直になる
位置に並列して位置付けられている。

【００３４】各六角柱プリズム４０３，４０４は、各プ
リズム面４０３ａ，４０４ａと平行なエレメント接合面
４０５ａ・４０６ａ，４０７ａ・４０８ａを有する断面
台形状の二つのプリズムエレメント４０５・４０６，４
０７・４０８からなり、これら両プリズムエレメント間
のエレメント接合面４０５ａ・４０６ａ，４０７ａ・４
０８ａにハーフミラーコーティング処理が施されてい
る。

【００３５】このように構成された光源装置において
は、光源１０１から発生した光の成分が反射鏡１０２で
ほぼ平行光束として反射される。この反射された光成分
のうち中央部の光束４０９が２個のプリズムエレメント
４０５，４０７に入射し、面ａで屈折作用を受けて面ｂ
に向かってエレメント内を進行し、エレメント接合面
（ハーフミラー面）４０６ａ，４０８ａにおいてその反
射率に応じて一部が破線で示すように反射し、残りが実
線で示すように透過する。これら反射成分および透過成
分はそれぞれが面ｄと面ｂに到達し、屈折作用を受けて
各六角柱プリズム４０３，４０４を入射光線とほぼ平行
な光束として射出し、被照明体１０４の中央部と周辺部
を照明する。

【００３６】一方、周辺部の光束４１０が二つのプリズ
ムエレメント４０６，４０８に入射し、面ｃで屈折作用
を受けて面ｄに向かってエレメント内を進行し、エレメ
ント接合面（ハーフミラー面）４０５ａ，４０７ａにお
いてその反射率に応じて一部が破線で示すように反射
し、残りが実線で示すように透過する。これら反射成分
および透過成分はそれぞれが面ｂと面ｄに到達し、屈折
作用を受けて各六角柱プリズム４０３，４０４を入射光
線とほぼ平行な光束として射出し、被照明体１０４の中
央部と周辺部を照明する。

【００３７】ここで、エレメント接合面４０５ａ〜４０
８ａにおいて反射・透過する光成分は、プリズム入射前
の二倍の光束幅に変換される。

【００３８】また、プリズムエレメント４０５，４０６
に着目すると、プリズム射出時に面ｂ，ｄ共に反射鏡１
０２の中央部と周辺部とからの光束成分が重畳された強
度と等しい強度をもつ光束に変換され、被照明体１０４
に対する照明光として利用することができるから、第一
実施形態よりも均一性の一層高い照明を行なうことがで
きる。

【００３９】次に、本発明の第三実施形態につき、図５
を用いて説明する。図５は本発明の第三実施形態に係る
光源装置の使用例を示す平面図で、同図において図１と
同一の部材については同一の符号を付し、詳細な説明は
省略する。同図において、符号５００で示す単板型の液
晶プロジェクターは、光源１０１と反射鏡１０２と光学
素子１０３と液晶ライトバルブ（被照明体）１０４とコ
ンデンサレンズ５０１と投写レンズ５０２とスクリーン
（図示せず）とを備えている。

【００４０】なお、コンデンサレンズ５０１は、投写レ
ンズ５０２に対する良好な集光を得るためのもので、液
晶ライトバルブ１０４の前・後あるいは両方のどちらに
配置してもよい。また、光源１０１で発生する光束のう
ち液晶プロジェクターとして利用しない紫外線領域およ
び赤外線領域を遮断するためのフィルター（図示せず）
は、光源１０１と光学素子１０３との間に配設されてい
る。

【００４１】このように構成された液晶プロジェクター
においては、光源１０１から発生する光束が光学素子１
０３での屈折作用によりプリズム入射前に比べて照度分
布が補正された光束に変換され液晶ライトバルブ１０４
に到達する。

【００４２】そして、液晶ライトバルブ１０４を照明し
た光は、コンデンサレンズ５０１の作用により投写レン
ズ５０２に効率よく集光され、スクリーン（図示せず）
上に拡大して投写される。

【００４３】この場合、明るさの均一性が高い投写画像
を得ることができる。また、光源１０１として色むら特
性にすぐれたフロスト処理が施された発光管をもつラン
プを用いることにより、高輝度化を図ることができると
ともに、色むらのよい投写画面を得ることができる。

【００４４】なお、各実施形態においては、二つの六角
柱プリズムからなる光学素子を一組備えた場合について
説明したが、本発明はこれに限定されず、図６に示すよ
うに二組の光学素子６０１，６０２を備えてもよく、ま
た三組以上を備えてもよい。これにより、光強度分布を
一層向上させることができる。

【００４５】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、光
源からの照明光が放物面鏡で反射し、この反射光が少な
くとも一組の光学素子を透過して被照明体を照明する光
源装置であって、各組の光学素子を、各単一のプリズム
面が互いに接合された二つの六角柱プリズムによって構
成し、これら両六角柱プリズムは、光源の光軸が各プリ
ズム接合面上を通過し、かつ各プリズム稜と垂直になる
位置に位置付けられているので、反射鏡で反射する光束
の不均一な光強度分布を良好な強度分布に変換して被照
明体の照明光として利用することができ、均一な照明を
達成することができる。

【００４６】また、光学素子に対する光入射前と光入射
後において、光束の幅自体が不変であるため、光学素子
と被照明体との間の距離を短縮することができ、装置の
小型化を図ることもできる。

【００４７】さらに、光学素子に対する光入射前と光入
射後において、光束の幅自体が不変であることは、光源
から出射する光束を被照明体に入射させ易くなり、照明
効率の低下発生を防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一実施形態に係る光源装置の概略を
示す平面図である。

【図２】本発明の第一実施形態に係る光源装置の光学素
子を示す斜視図である。

【図３】本発明の第一実施形態に係る光源装置における
照明光の強度分布を説明するために示す図である。

【図４】本発明の第二実施形態に係る光源装置の概略を
示す平面図である。

【図５】本発明の第三実施形態に係る光源装置の使用例
を示す平面図である。

【図６】本発明の第四実施形態に係る光源装置の光学素
子を示す平面図である。

【図７】従来の光源装置を示す平面図である。

【図８】光学的作用を説明するために示す平面図であ
る。

【符号の説明】

１００ 光源装置 １０１ 光源 １０１ａ 光軸 １０２ 反射鏡 １０３ 光学素子 １０４ 被照明体 １０５，１０６ 六角柱プリズム １０５ａ，１０６ａ プリズム接合面 Ｄ プリズム稜

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光源からの照明光が放物面鏡で反射し、
   この反射光が少なくとも一組の光学素子を透過して被照
   明体を照明する光源装置であって、 前記各組の光学素子を、各単一のプリズム面が互いに接
   合された二つの六角柱プリズムによって構成し、 これら両六角柱プリズムは、前記光源の光軸が各プリズ
   ム接合面上を通過し、かつ各プリズム稜と垂直になる位
   置に位置付けられていることを特徴とする光源装置。
2. 【請求項２】 前記各六角柱プリズムが前記各プリズム
   接合面と平行なエレメント接合面を有する断面台形状の
   二つのプリズムエレメントからなり、これら両プリズム
   エレメント間のエレメント接合面にハーフミラーコーテ
   ィング処理が施されていることを特徴とする請求項１記
   載の光源装置。
3. 【請求項３】 前記光源がメタルハライドランプからな
   ることを特徴とする請求項１または２記載の光源装置。
4. 【請求項４】 前記光源が液晶プロジェクター用の光源
   であることを特徴とする請求項１，２または３記載の光
   源装置。