JP3191801B2

JP3191801B2 - 照明装置およびこれを用いた投射型表示装置

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Publication number: JP3191801B2
Application number: JP13921799A
Authority: JP
Inventors: 唯哲中山
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1999-05-19
Filing date: 1999-05-19
Publication date: 2001-07-23
Anticipated expiration: 2016-07-23
Also published as: JP2000028962A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、照明装置及びこれを用
いた投射型表示装置の構成に関する。

【０００２】

【従来の技術】点に近い光源、例えばハロゲンランプに
代表される白熱電球やＨＩＤ（ＨｉｇｈＩｎｔｅｎｓ
ｉｔｙＤｉｓｃｈａｒｇｅ）ランプからの放射光束
を、限られた面内に効率よく入射させるには、反射鏡や
レンズが用いられる。反射鏡の形状としては、球面鏡、
回転放物面鏡、回転楕円面鏡、回転双曲面鏡が周知であ
り、その他にはこれら反射鏡の組合せや表面に凹凸を付
けたもの等が知られている。

【０００３】液晶パネルの映像を拡大表示する液晶プロ
ジェクターでは、液晶パネルに効率よく光を集めるため
に、回転放物面鏡（以下放物面鏡と略す）が一般に採用
されている。

【０００４】液晶プロジェクターに用いられる基本的な
光学系の構成を図１に示す。光軸１２上にある光源１０
から放射された光束は放物面鏡１１により反射されてほ
ぼ平行な光束となる。この平行光束は、集光レンズ１３
を通って液晶パネル１４により変調されたのち、投射レ
ンズ１５に集められる。集光レンズ１３の焦点距離は、
集光レンズ１３と投射レンズ１５の入射瞳の距離に等し
くされる。集められた光束は、スクリーン１６に向けて
投射され、液晶パネル１４に表示された映像がスクリー
ン１６上に結像される。

【０００５】光源ランプとしては、発光効率の高いメタ
ルハライドランプが用いられることが多く、その放電ア
ーク形状は縦長の円筒形状で近似されるため、円筒の軸
が光軸１２に一致し、また円筒の中心が焦点に位置する
ように配置される。

【０００６】また光源ランプとして、比較的点光源に近
いキセノンランプを用いる場合には、最も発光輝度の高
い部分が放物面鏡の焦点に一致するように配置される。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし前述の従来技術
では、メタルハライドランプを用いた場合、光源１０が
完全な点ではないために、焦点よりも放物面鏡１１より
の発光部から放射される光束の一部は液晶パネル１４を
外れてしまい、光量の損失となる。一方、焦点より液晶
パネル１４側の発光部から放射された光束は、液晶パネ
ル１４の中心部に集光されるので、中心部の照度が高い
不自然な映像となってしまう。

【０００８】また、光束の利用効率を増やすには、反射
鏡のリム径（ＲＳ）を大きくして、光源１０からの放射
光束が反射鏡に呑込まれる割合を増やす事が有効である
が、放物面鏡の場合には、リム径を被照射面の直径より
大きくしても、反射鏡の端部で反射される光束はほとん
どが被照射面を外れるので、さほど効果がない。

【０００９】キセノンランプを用いる場合には、発光部
が非常に点に近いため、出射する光束は極めて平行性が
よくなるが、そうすると液晶パネル１４の光軸１２に近
い部分が光源ランプ１０の影になるので、液晶パネルの
中心部のみ暗い映像となってしまう。また、放物面反射
鏡のリム径を液晶パネルの対角長より大きくしても集光
効率は向上しない。

【００１０】そこで本発明はこのような問題点を解決す
るもので、その目的とするところは、液晶パネルにでき
るだけ高効率で光束を入射させ、しかも液晶パネルの中
心と周辺部の照度差が少なくなるよう照明することによ
って、投射映像が明るく輝度の均一性に優れた投射型表
示装置を提供することである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明の照明装置は、光
源ランプと、該光源ランプからの放射光束を反射する曲
面鏡と、を備えた照明装置であって、前記曲面鏡は、光
源の前記曲面鏡側の端点を第１焦点とし、被照明面側の
端点を第２焦点とする楕円曲線によって構成される第１
の部分と、光源の被照明面側の端点を第１焦点とし、被
照明面の端部より内側に含まれる点を第２焦点とする楕
円曲線によって構成される第２の部分と、によって構成
されてなり、前記第２の部分を構成する楕円曲線の前記
第２焦点は、光軸上に位置していることを特徴とする。

【００１２】

【００１３】本発明の投射型表示装置は、光源ランプと
該光源ランプからの放射光束を反射する曲面鏡とを備え
る照明装置と、該照明装置からの光束を変調して画像情
報を含ませるライトバルブと、変調光束を投射する投射
光学系とを備えて構成される投射型表示装置において、
前記曲面鏡は、光源の前記曲面鏡側の端点を第１焦点と
し、被照明面側の端点を第２焦点とする楕円曲線によっ
て構成される第１の部分と、光源の被照明面側の端点を
第１焦点とし、被照明面の端部より内側に含まれる点を
第２焦点とする楕円曲線によって構成される第２の部分
と、によって構成されてなり、前記第２の部分を構成す
る楕円曲線の前記第２焦点は、光軸上に位置しているこ
とを特徴とする。

【００１４】

【００１５】

【実施例】以下、本発明の投射型表示装置について、図
面に基づき詳細に説明する。

【００１６】（実施例１）はじめに、本発明の投射型表
示装置の光源装置に使用する曲面鏡の形状を数式を用い
て定義する。図２に示すように、光軸１２上にある光源
近傍の点２２と、光軸１２にほぼ垂直であり半径がｄで
ある円形の被照射面２１との距離がｌである系を考え
る。このとき反射鏡２０は、光源近傍の点２２を第１焦
点とし被照射面２１の端点２３を第２焦点とする楕円曲
線２４の一部を光軸１２の回りに回転させた形状をして
いる。楕円曲線２４の長軸２５の長さを２ａ、短軸長を
２ｂ、長軸２５と光軸１２間の角度をθとするとき、ｘ
ｙｚ座標系（ｚ軸は第１焦点２２を通り紙面に垂直）に
おいて、反射鏡２０上の任意の点（ｘ₁，ｙ₁，ｚ₁）
は、

【００１７】

【数１】

【００１８】を満たしている。ここで、ｃは第１焦点２
２と第２焦点２３の距離の１／２で、

【００１９】

【数２】

【００２０】と表わせる。また、ｓｉｎθ＝ｄ／√（ｌ²＋ｄ²）ｃｏｓθ＝ｌ／√（ｌ²＋ｄ²）である。

【００２１】また図２においては、ｘｙ平面にある楕円
曲線２４の、ｙが正である側の曲線を光軸１２の回りに
回転させた場合について、反射鏡の断面形状が示されて
いるが、ｙが負である側の楕円曲線２４を回転させた形
状であってもよい。このような形状の反射鏡を以下にお
いては便宜上、回転傾楕円面鏡または傾楕円鏡と称する
ことにする。

【００２２】図３（Ａ）は、光源装置内の構成を示す模
式図である。図２で説明したように、傾楕円鏡２０は、
光源近傍の点２２と被照射面２１の端点２３を焦点とす
る楕円曲線２４の一部を含んでいる。従って第１焦点で
ある光源近傍の点２２から発せられた放射光束は、傾楕
円鏡２０に反射されて、被照射面２１の端部２３，３０
に集まり、リング状の光像を形成する。

【００２３】このような反射鏡に対して光源１０はその
端部が第１焦点２２にほぼ接するように被照射面２１側
に配置される。光源１０としては、キセノンランプ，メ
タルハライドランプ，ハロゲンランプなどが用いられ、
例えばメタルハライドランプではその放電アークの形状
が円筒形状で近似されるので、その底面の中心をほぼ第
１焦点２２に接するように、また光軸１２に対して対称
に配置される。

【００２４】この時、被照射面２１がどのように照明さ
れるかを図３（Ｂ）に示す。図３（Ａ）のａ点における
微小な反射面で反射された光束は、被照射面２１上に光
源の像３１ａを描き、被照射面２１の枠にほぼ接してい
る。同様にｂ点，ｃ点における微小反射面は光源の像３
１ｂ，３１ｃを描き、やはり被照射面２１の枠にほぼ接
している。従って光源１０から放射された光束のうち傾
楕円鏡２０で反射された光束はすべて被照射面２１内に
入射し、しかも枠付近の照度は比較的高くなっている。

【００２５】枠付近の照度をさらに高照度にするために
は、光源１０を反射鏡側に近付けて、第１焦点２２が光
源１０の内部に位置するようにする。このとき、第１焦
点２２よりも反射鏡側の光源からの光束の一部は、被照
射面２１を外れてしまうが、端部の照度が高くなるの
で、均一性が増す。

【００２６】また、光源１０が光軸方向に長すぎる場合
は、被照射面２１の中心部が非常に高照度となってしま
うが、この場合も光源１０の位置を傾楕円鏡２０側に移
動して中心の照度を下げてやればよい。ただし効率は低
下するので、適当な長さの光源を選択する方が好まし
い。

【００２７】図４は光軸上から出発した光線を追跡した
結果を示す図である。傾楕円鏡２０の第１焦点から発せ
られた光線４０は被照射面２１の端部２３に入射する。
一方、焦点よりも被照射面２１側からの光線は、この図
の下側に示すように、被照射面２１の内側へ入る。

【００２８】図２においてｙが負である側の楕円曲線２
４を回転させた形状の傾楕円鏡では、図５のように光源
１０を第１焦点２２よりも傾楕円鏡２０側に配置する。
この場合も同様に、傾楕円鏡２０で反射された光束は、
すべて被照射面２１内に入射する。この場合の利点は、
図３の場合に比べ呑込み光束を増やすことができ、また
リム径を比較的小さくすることができる。

【００２９】図６はこの場合の一例において、光線追跡
を行った結果を示す図である。第１焦点２２を出た光線
４０は、傾楕円鏡２０で反射された側とは反対側にある
被照射面２１の端部に向かう。また、第１焦点２２より
も反射鏡側から発せられた光線は図の下側に示されるよ
うに、被照射面２１の内側にはいる。このように、第１
焦点付近を出た光線を交差させて照明する場合には、光
束の平行性が非常に悪い。そこで、レンズ６０を用い
て、被照射面２１の端部に入射する光束を光軸に対して
平行になるように屈折させてやれば、全光束がほぼ平行
になって、被照射面２１に入射する。

【００３０】実際に傾楕円鏡を液晶プロジェクターに使
用した場合に、放物面鏡に比較してどの程度の改善効果
があるかを、計算機シミュレーションによって調べたの
で結果を示す。

【００３１】想定された光学系の構成は、図１と同様の
もので、各パラメータはそれぞれ次のような値とした。

【００３２】傾楕円鏡における焦点距離は、反射鏡の底と第１焦点の
距離である。両反射鏡において焦点距離が異なっている
のは、放物面鏡では焦点位置に光源の中心を位置させる
のに対し、傾楕円鏡では焦点位置に光源の端部を位置さ
せるからで、このとき光源中心と反射鏡の底との距離が
両者において同じである。また、傾楕円鏡における第２
焦点は液晶パネルの端部である。

【００３３】反射鏡のリム径は、設計上ではパネル対角
長の１．３倍程度にできるので、反射光量を多くするた
めに最大の値とした。

【００３４】光源としては、一般的なメタルハライドラ
ンプの場合を考え、現在最もアーク長の短いものの値を
用いた。光源の輝度分布の重み付けは、光軸方向と径方
向に対して測定値を用いて行い、特に径方向に関しては
測定値をアーベル変換して光源密度を求めた正確な値を
用いた。

【００３５】図７（Ａ）に測定結果を示す。７０は傾楕
円鏡の場合で、７１は放物面鏡の場合である。集光率
は、光源から放射された光束のうち、液晶パネルに外接
する円内に入る光束の割合で示されており、傾楕円鏡で
は２割程度効率が高くなる。また、中心部の照度と図の
点線部に於ける照度の比で表される照度比についても改
善の効果があり、傾楕円鏡では液晶プロジェクターの表
示に適当な４０％以上の値が得られている。なおこれら
の値は、投射レンズの呑込み角を考慮し、パネルに対し
て６度以内で入射する光線について計算された結果であ
る。

【００３６】図７（Ｂ）には、シミュレーションによっ
て求められた、各反射鏡における被照射面への入射角度
分布が示されている。７２は傾楕円鏡の場合で、７３は
放物面鏡の場合である。放物面鏡では、ほとんどの光線
は６度以内の角度で入射するため、投射レンズの呑込み
角度の設計は６度程度にするのが一般的である。傾楕円
鏡で光束量が増加しているのは、１度から４度までの範
囲であり、光束の平行性は放物面鏡より優れているた
め、投射レンズの呑込み角を大きくする必要がない。

【００３７】次に、試作した傾楕円鏡についての測定結
果を、放物面鏡との比較として示す。各パラメータは以
下のとうりである。

【００３８】傾楕円鏡の第２焦点で形成される円（以下焦円と称す
る）の直径は、液晶パネルの対角長に等しい９４ｍｍの
場合と、対角長よりも小さい６０ｍｍの場合の２種類に
ついて測定した。

【００３９】また光源ランプの発光管は、透明なクリア
管と、表面に凹凸があり光束を散乱させるフロスト管の
２種類を用いた。

【００４０】表１には、照度比が４０％における集光率
の測定結果を、放物面鏡におけるクリア管の場合を基準
値１００として示した。照度比の設定は、光源の位置を
光軸方向に前後させることで、４０％の値を得た。

【００４１】クリア発光管では、傾楕円鏡を用いること
で約２割の効率向上が確認された。フロスト発光管は光
束を散乱させるので効率が低下するが、表示画面上の色
度均一性において優れているため使用されることが多
い。この場合、傾楕円鏡の効果は比較的少なくなってい
る。

【００４２】これまで傾楕円鏡の説明は、傾楕円鏡の焦
円に被照射面が含まれる場合について行ってきたが、実
際には被照射面に焦円が含まれる方が効率が高くなる場
合のあることがわかる。またこのことは、フロスト発光
管の場合のように、光軸を外れたところに光源がある場
合に対応することがわかっている。

【００４３】

【表１】

【００４４】図８は、本発明の投射型表示装置における
光学系の構成方法を示す図である。矩形のライトバルブ
８１は傾楕円鏡２０の焦円にほぼ内接するように設置さ
れている。傾楕円鏡２０の第１焦点２２を出た光束は、
第２焦点のあるライトバルブ８１の隅を照明する。この
光束を中心に設計を行う。平面的に考えると、ライトバ
ルブ８１の隅を照射する光束の主たる光線は、反射鏡の
半径の１／２程度の位置で反射された光線である。この
光線が、ライトバルブ８１の隅を通って投射レンズ１５
の入射瞳８２の中心に向かうように、集光レンズ８０の
パワーを決める。図８のように光軸１２よりも上側の主
光線と下側の主光線が光軸１２上で交わる交点８３と集
光レンズ８０の距離をａ、集光レンズ８０と入射瞳８２
の距離をｂとする。このとき、集光レンズ８０の焦点距
離ｆをａｂ／（ａ＋ｂ）にすればよい。ライトバルブ８
１の中心部から見た入射瞳８２の開口面積は、一般に周
辺部に対するよりも大きくなるので、周辺部以外の光束
もそのほとんどが入射瞳に呑込まれる。

【００４５】次に、中心の照度が高くなり過ぎる場合の
照度比改善方法について述べる。前に述べたように、光
源位置の調整で照度比を変えられるが、ここでは集光率
を低下させずに改善する方法を示す。

【００４６】図９に示すように、傾楕円鏡２０とライト
バルブ８１の間に、光束を透過散乱させる板状部材９０
を配する。この板状部材９０には、例えば中心部を梨地
状にしたガラス板を用いる。ライトバルブ８１の周辺部
に向かう光束はそのまま透過し、中心部に向かう光束は
透過散乱部９１によって、ガラス板の凹凸度合に応じた
散乱状態となって透過する。したがって、中心部へ向か
う光束の一部は周辺に振り分けられ、あるいは投射レン
ズに呑込まれないほど角度がついてしまうので、結果と
して照度比が改善される。円形の透過散乱部９１のエッ
ジは、反射鏡の中心部とライトバルブ８１の中間部を結
ぶ線分９５と、反射鏡の中間部とライトバルブ８１の中
心部を結ぶ線分９４の交点に一致させるようにすればよ
い。このとき中心部のみ減光されて、周辺部の照度は全
く変化しない。

【００４７】照度比を可変とするには、光束を透過散乱
させる板状部材９０として、高分子分散型液晶を用いれ
ばよい。高分子分散型液晶を用いれば、その透過散乱度
合を、電圧によって変化させることが出来るので、それ
に伴って照度比が変化する。

【００４８】また図１０の様に、傾楕円鏡２０とライト
バルブ８１の間に非球面レンズ１０１を配してもよい。
この場合は液晶ライトバルブ８１の中心部に入射しよう
とする光束が周辺部に広げられるので、最適な形状にす
れば照度分布を均一にすることが出来る。

【００４９】図１１は、レンチキュラー部材１１１を用
いて照度比を改善する場合の構成を示す図である。光束
を透過散乱させる板状部材を用いる場合と違って、拡散
方向は一方向のみである。レンチキュラーの方向は、矩
形のライトバルブ８１の長辺方向に直交するように配す
る。

【００５０】一般に、メタルハライドランプと、光軸対
称の反射鏡を用いて照明を行うと、被照射面の中心の色
合いが周辺部の色合いと異なってしまい、投射型表示装
置に用いた場合、表示映像の品質を低下させてしまう。
図９や図１１で説明したような、光を拡散させる方法を
用いると、色むらも改善されて好都合である。

【００５１】次に、照度むらと色むらを完全に解消する
方法を、図１２を用いて説明する。図１２（Ａ）に示さ
れるように傾楕円鏡２０とライトバルブ８１の間には集
光レンチキュラーレンズ１２０と拡大レンチキュラーレ
ンズ１２１が配されている。これらレンズの斜視図が図
１２（Ｂ）に示されている。

【００５２】光源１０を出発した光束は、傾楕円鏡２０
で反射されてほぼ平行な光束となりレンチキュラーレン
ズ１２０に入射する。レンチキュラーレンズ１２０に含
まれる各シリンドリカルレンズは、その焦点距離が、レ
ンチキュラーレンズ１２０と拡大レンチキュラーレンズ
１２１の間の距離に等しい。従って、反射鏡２０からの
光束が完全に平行な光束であれば、レンチキュラーレン
ズ１２０に含まれる各シリンドリカルレンズは、拡大レ
ンチキュラーレンズ１２１の対応する縦長のレンズ上に
線状の光像を形成する。しかし実際は光源光が完全な平
行光ではないので、ｙ方向に広がった像となる。

【００５３】いま、ｘｙ平面内にある光線（光線ベクト
ルのｘｙ平面への成分）についてのみ考える。拡大レン
チキュラーレンズ１２１に含まれる各レンズは対応する
レンチキュラーレンズ１２０の各レンズの像をライトバ
ルブ８１の幅に合わせるように拡大投射する。拡大レン
チキュラーレンズ１２１に含まれる各レンズは、各レン
ズによって投射される像がすべてライトバルブ８１に重
なるようにその光軸がずれており、いわゆるあおり構成
となっている。

【００５４】一方、光線ベクトルのｚ方向の成分は、レ
ンチキュラーレンズ１２０と拡大レンチキュラーレンズ
１２１の影響を受けない。従って、ライトバルブ８１上
ではｙ方向には、照度と色合いがほぼ均一となった分布
となる。ｚ方向には、光束の混合がないことになるが、
色むらはｙ方向の均一化で十分な効果があり、また照度
分布も傾楕円鏡の効果によって、ｚ方向に対しほぼ均一
にできるので、全体がほぼ均一となる。液晶パネル８１
に入射する光束は、ｘｙ平面への成分について非常に平
行性が悪くなるので、シリンドリカルレンズ１２２で平
行性を改善してから、集光レンズ８０によって投射レン
ズ１５の入射瞳８２に集光される。

【００５５】被照射面の中心照度を下げる方法として、
光源ランプの発光管を工夫する方法がある。一般の光源
ランプでは、発光部の周囲が透明な硝材で密閉されてお
り、例えばメタルハライドランプでは、発光材料や放電
ガスがその中に閉じ込められている。そこで、その発光
管の表面を一般にフロスト発光管と呼ばれている細かい
凹凸形状とすることによって、発光部から放射される光
束を散乱させ、見かけ上の発光輝度を下げれば、図３
（Ｂ）で説明した光源の像がぼやけるので、中心の照度
が低下することになる。中心部の照度は、光源の輝度に
比例して変化する。従って、発光管の表面をフロスト形
状にすれば、周辺部の光量をさほど低下させずに、中心
部の照度を下げることが可能である。また、フロスト発
光管では、表示の色むらをなくすという効果もあり、好
都合である。なお、このフロスト発光管は、発光管表面
に酸化ジルコニウムや酸化アルミニウムを塗布すること
によって形成される。

【００５６】通常のフロスト発光管では、表示画面の周
辺部の照度もある程度低くなってしまうが、図１３
（Ａ）に示すような、方向性のある凹凸形状とすること
によって中心部の照度のみ低くすることが可能である。

【００５７】発光管１３１は二つの電極１３０を通る軸
について対称な構造となっている。発光管１３１の発光
部を包む紡錘部は、その表面がいわゆるレンチキュラー
レンズ形状となっており、その方向は軸方向に一致して
いる。従って、断面は図１３（Ｂ）に示すように、発光
管の表面が、凹凸の形状になっている。

【００５８】発光部がメタルハライドランプのような円
筒形状の場合、図１３（Ｃ）に示すように、発光部１３
２はその円筒の軸方向の長さは一定のままで幅が広が
り、見かけ上の発光部形状は１３３となる。したがっ
て、発光部の幅が広がった分、発光部の平均輝度は低下
し、その結果表示の中心照度も低下することになる。

【００５９】このとき、表示の周辺部では照度が変化し
ない。周辺部の照度は、発光部の輝度に比例し、発光部
の円筒の幅に比例するという関係があり、この場合輝度
の低下による照度の減少と、幅が広がることによる照度
の増加が打ち消し合うことになる。

【００６０】メタルハライドランプでは、２重発光管と
呼ばれる、通常の発光管をさらに透明硝材で覆った構造
のものがある。この場合、外側の透明硝材の表面をレン
チキュラー構造としてやれば同じように中心照度のみ低
下させることが可能である。内側の発光管には、一般に
石英硝子が用いられるので加工が非常に困難であるが、
外側の硝材は加工しやすいので、この方法は容易に実施
できる。

【００６１】これまでの傾楕円鏡は、一つの楕円曲線を
光軸の回りに回転させた形状であったが、反射鏡の中心
部と周辺部を異なる楕円形状とすることにより、被照射
面の中心照度をある程度制御することが可能である。図
１４に示す。

【００６２】図１４において、反射鏡１４０は、Ａ点か
らＢ点までの曲線（Ｍ₁）とＢ点からｃ点までの曲線
（Ｍ₂）の二つの部分で構成されている。Ｍ₂は、光源１
０の反射鏡１４０側の端点（ｘ₀）を第１焦点とし、被
照射面２１の端点（Ｅ）を第２焦点とする楕円曲線であ
り、Ｍ₁は光源１０の被照射面２１側の端点（Ｘ₁）を第
１焦点とし、被照射面２１に含まれる点（Ｐ）を第２焦
点とする楕円曲線である。ここで、被照射面２１に含ま
れる点（Ｐ）は、Ｍ₂上のＢ点に極めて近い部分の反射
部が、光源１０の端点（ｘ₁）から放出された光線を反
射し、被照部２１上に光線を照射する点である。

【００６３】Ｍ₁：ｆ（ｘ，ｙ）＝０Ｍ₂：ｇ（ｘ，ｙ）＝０Ｍ₁，Ｍ₂をそれぞれ上のように表すとき次の関係が成り
立つ。

【００６４】

【数３】

【００６５】すなわち、この反射鏡はＢ点においてなめ
らかな曲線となっており、製造上の問題点はない。

【００６６】光源１０として、完全な線光源を考えると
き、被照射面２１が照明される様子を図１４（Ｂ）に示
す。縦方向は被照射面の位置を表し、横方向には反射鏡
１４０上の反射位置を表している。この図に示されるよ
うに、Ｂ点からＣ点までのＭ₂で反射された光線による
光源の像は、すべて被照射面２１の端部（Ｅ）に接して
おり、さきに述べた傾楕円鏡と同じである。Ａ点からＢ
点によって反射された光束による光源の像は、Ｐ点に接
するように被照射面２１の外側に延びている。

【００６７】この反射鏡では、線状の光源ではＰ点より
も内側は照明されない。実際には、Ｐ点は、光軸１２上
に位置させればよく、このとき被照射面全体が照明さ
れ、中心照度は比較的低く抑えられることになる。な
お、Ｐ点が光軸１２上にあるとき、曲線Ｍ₁は、長軸が
光軸１２と一致するため、反射鏡１４０の内側は通常の
回転楕円面鏡と同じである。

【００６８】光源ランプとして、さきに説明したフロス
ト発光管を用いる場合は、Ｐ点を光軸１２から外すこと
が適している。このとき光源の像がぼやけるので、被照
射部２１の中心部もある程度照明される。

【００６９】このように、反射鏡を二つの部分にわけて
照明する方法では、反射鏡の周辺部で反射された光束は
すべて被照部内に入ることになり、初めに述べたような
傾楕円鏡でアークポジションを前後させる場合に比べ
て、集光効率を高めることができる。

【００７０】その他照度の均一性を高める方法として、
反射鏡の光源ランプに近い部分を回転双曲面鏡に置き換
えたり、反射鏡の光源ランプに近い部分にわずかな凹凸
を付けることによって、被照射面の中心部の照度を下げ
ることが考えられる。

【００７１】次に、本発明による投射型表示装置のカラ
ー表示を行う実施例について説明する。

【００７２】図１５は構成斜視図である。メタルハライ
ドランプである光源１０と傾楕円鏡２０により構成され
る照明装置から射出される光束は、はじめにコールドミ
ラー１５０により反射され、可視光のみ反射される。レ
ンチキュラー部材１１１は中心部の光束を水平方向に拡
散させるとともに、ほとんどの光束を透過させる。

【００７３】シアン色反射のダイクロイックミラー１５
１は入射する白色光束に対し、緑色光と青色光は反射し
赤色光は透過させる。透過した赤色光は反射ミラー１５
３によって４５度折り曲げられて赤色用の液晶パネル１
４Ｒに向かう。この液晶パネル１４Ｒの直前には集光レ
ンズ１３が配されており、投射レンズ１５にほとんどの
変調光束が入射するように屈折される。一方、シアン色
反射のダイクロイックミラー１５１で反射された光束
は、緑色反射のダイクロイックミラー１５２によって緑
色の光束と青色の光束に分けられる。緑色光は、緑色用
の液晶パネル１４Ｇによって変調され、青色光は青色用
の液晶パネル１４Ｂで変調される。変調された赤色光と
緑色光は、緑色反射のダイクロイックプリズム１５４に
よって合成される。この合成された黄色光と、直角プリ
ズム１５５で全反射された青色変調光は、黄色反射のダ
イクロイックプリズム１５６によって合成される。

【００７４】レンズ１５７は、投射レンズ１５に対する
補助的なレンズである。レンズ１５７を経たカラー変調
光束は、反射鏡１５８により反射されて上方に向けら
れ、地面に対し垂直に置かれた投射レンズ１５に入射す
る。反射ミラー１５９は、スクリーンに向けてカラー変
調光を投射するものであり、その傾きは可変となってい
るため、投射映像のスクリーンへの微妙な位置合わせが
可能である。

【００７５】（実施例２）傾楕円鏡の場合と同じよう
に、被照射面の端部の照度を高める光学系を、放物面反
射鏡と非球面レンズを用いて実現する方法を、図１６に
よって説明する。

【００７６】光源１０は、その反射鏡側の端点を放物面
反射鏡１１の焦点に一致させて配置する。焦点位置から
放射される光束は、放物面反射鏡１１に反射されて非常
に平行性のよい光束となり、一定距離離れた非球面レン
ズ１６１に入射する。この非球面レンズ１６１は、中心
部分が平な形状となっており、斜線で示した周辺部１６
２は断面の片側あるいは両側が円曲線の一部となってい
る。中央の平坦部と周辺が滑らかにつながるように、円
の法線方向が光軸１２と一致する部分でつながってい
る。

【００７７】非球面レンズ１６１に入射する平行光束
は、中心部はそのまま直進しライトバルブ８１に入射す
る。一方、周辺部に入射した平行光束は、ライトバルブ
８１に外接するリング状の像を形成する。光源１０は、
放物面反射鏡１１の焦点に接するように配されているの
で、放物面反射鏡１１で反射された全ての光束が光軸１
２方向に向かうため、ほとんど全ての光束が非球面レン
ズ１６１を経て、ライトバルブ８１に入射する。

【００７８】投射レンズ１５の入射瞳８２には、ライト
バルブ８１を通過した光束のほとんどが入射する。投射
レンズのＦ値が決まれば、ライトバルブ８１の端部にお
ける呑込み光束の円錐角θが決まるので、この円錐角θ
に放物面反射鏡１１の焦点からの光束が入るように設計
すれば、周辺部の光量を高めることができる。

【００７９】（実施例３）次に、キセノンランプのよう
な点光源性に優れる光源ランプを用いる場合に、照度分
布を均一にする方法を説明する。

【００８０】すでに述べたように、キセノンランプの様
な点光源性の優れた光源ランプと放物面鏡を用いて平行
光を作り出す場合、被照射面の中心部に光が集まらない
中抜けの現象が起こりやすい。図１７に示すような反射
鏡と円錐レンズの組合せによって、均一な照明を行うこ
とができる。

【００８１】この反射鏡１７０は、放物線の軸１７３を
光軸に対して傾け、それを光軸の回りに回転させた形状
（以下回転傾放物面鏡または傾放物面鏡と呼ぶ）をして
いる。傾放物面鏡１７０の焦点１７２を出た光線は、光
軸１２よりも上側の傾放物鏡１７０で反射されると、放
物線の軸１７３に平行な光線となる。光軸１２よりも下
の傾放物面鏡で反射された光束も同様に平行な光束とな
り、光軸１２を含む面内にある各平行光束は、光軸１２
に集まる方向に進む。そして、円錐面を含む凹レンズで
ある円錐レンズ１７１を通過した光束はすべて光軸１２
に平行な光束となって被照射面２１に入射する。

【００８２】この光学系では平行で均一な光束をつくる
ことができる。ライトバルブの光変調材料が高分子分散
型液晶のような光を散乱度合で変調するものの場合に
は、表示のコントラスト比を高めるために良質な平行光
が要求されるので、この照明装置が非常に適している。

【００８３】傾放物面鏡を用いた投射型表示装置の構成
例を、図１８に示す。光源１０から放射される光束は傾
放物鏡１７０で反射され、円錐レンズ１７１によって平
行で均一性の良い光束となる。この円錐レンズ１７１の
平坦面側に赤外線を反射するダイクロイックミラーを蒸
着しておけば、赤外線をカットする手段を別に設ける必
要がないので都合がよい。

【００８４】光源装置を出た白色の平行光束は、赤色反
射のダイクロイックミラー１８０によって赤色光が反射
して緑色光と青色光はそのまま透過する。反射された赤
色光は反射ミラー１８２で折り曲げられ、赤色用の液晶
パネル１４Ｒで変調される。緑色光は緑色反射のダイク
ロイックミラー１８１で反射され、緑色用の液晶パネル
１４Ｇで変調される。青色光は緑色反射のダイクロイッ
クミラー１８１も透過して、青色用の液晶パネル１４Ｂ
で変調される。

【００８５】ここで用いられる液晶パネルは、入射光束
を散乱度合で変調するタイプのライトバルブで、例えば
高分子中に液晶領域を分散させた高分子分散型液晶があ
る。高分子分散型液晶の代表的なものは、電圧無印可で
光を散乱し、電圧の印可に従って透明度が増す。

【００８６】それぞれの液晶パネルを透過して直進した
光束は、緑色反射のダイクロイックミラー１８３と青色
反射のダイクロイックミラー１８４によって合成され、
投射レンズ１５に入射する。投射レンズ１５の内部には
絞り１８５が設けられており、液晶パネルを直進した光
束は透過させ、散乱して進行方向を変えられた光線は遮
蔽される。従って、絞り１８５を通過した光束のみスク
リーンに投射される。

【００８７】絞り１８５は、光源装置を出た平行光束が
最も集束するところに配置されるので、液晶パネルの直
前に集光レンズのある場合や、投射レンズの構成が変わ
る場合には、投射レンズの外に設けられることもある。
絞り１８５の開口部は、液晶パネルを直進した光束のほ
とんどが通過する最小の大きさとし、液晶パネルで散乱
させられた光線ができるだけ入射しないようにする。

【００８８】この他にも反射型液晶パネルを用いる液晶
プロジェクターなど、平行で均一な光束を必要とする投
射型表示装置は非常に多くあり、ここで説明した照明系
を用いることで表示品質を改善することができる。

【００８９】

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、光源
ランプからの光束を傾楕円面鏡を用いて反射させ、被照
射面を照明するので、均一で効率のよい照明が行える。
ライトバルブに照明された光束は、集光レンズによって
効率よく投射レンズに伝達されるので、スクリーン上に
表示される映像は隅々まで明るく高品位な映像となる。

【００９０】また、光源ランプの発光管として表面に凹
凸のあるフロスト発光管や、表面にレンチキュラー構造
のある発光管を用いれば、さらに均一で効率よくライト
バルブを照明することができ、表示映像はいっそう高品
位となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の投射型表示装置に用いられた光学系の構
成を示す図。

【図２】本発明における反射鏡の形状を数式で定義する
ための図。

【図３】（Ａ）は、本発明の投射型表示装置に用いる照
明系の構成を示す図。（Ｂ）は、本発明の投射型表示装
置に用いる照明系の照明原理を示す図。

【図４】本発明における投射型表示装置に用いる反射鏡
の光線追跡図。

【図５】本発明の投射型表示装置に用いる照明系の構成
を示す図。

【図６】本発明における投射型表示装置に用いる反射鏡
の光線追跡図。

【図７】（Ａ）は、本発明の反射鏡と放物面鏡による照
度分布を比較する図。（Ｂ）は、本発明の反射鏡と放物
面鏡による入射角度分布を比較する図。

【図８】本発明の投射型表示装置の光学系の構成を示す
図。

【図９】本発明の投射型表示装置の光学系の構成例を示
す図。

【図１０】本発明の投射型表示装置の光学系の構成例を
示す図。

【図１１】本発明の投射型表示装置の光学系の構成例を
示す図。

【図１２】（Ａ）は、本発明の投射型表示装置の光学系
の構成例を示す断面図。（Ｂ）は、本発明の投射型表示
装置の光学系の構成例を示す斜視図。

【図１３】（Ａ）は、本発明の投射型表示装置に用いる
光源ランプの構造を示す図。（Ｂ）は、本発明の投射型
表示装置に用いる光源ランプの断面図。（Ｃ）は、光源
ランプにおける見かけ上の発光部の形状を示す図。

【図１４】（Ａ）は、本発明の投射型表示装置に用いる
反射鏡の形状を説明する図。（Ｂ）は、本反射鏡による
照明原理を説明する図。

【図１５】本発明の投射型表示装置の構成例を示す図。

【図１６】本発明の投射型表示装置の光学系構成を示す
図。

【図１７】本発明の投射型表示装置に用いる光源装置の
構成を示す図。

【図１８】本発明の投射型表示装置の構成を示す図。

【符号の説明】

１０光源１１放物面鏡１２光軸１３集光レンズ１４液晶パネル１５投射レンズ１６スクリーン２０反射鏡（傾楕円鏡）２１被照射面２２光源近傍の点（第１焦点）２３被照射面の端点（第２焦点）２４楕円曲線３１ａ，３１ｂ，３１ｃ微小反射面による光源の像８０集光レンズ８１ライトバルブ８２入射瞳１３１発光管１５１シアン色反射のダイクロイックミラー１５２緑色反射のダイクロイックミラー１５４緑色反射のダイクロイックプリズム１５６黄色反射のダイクロイックプリズム１６１非球面レンズ１７０傾放物鏡１７１円錐レンズ１８５絞り

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G02F 1/13 505 G02B 17/00 G02F 1/13357 G03B 27/54

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】光源ランプと、該光源ランプからの放射
光束を反射する曲面鏡と、を備えた照明装置であって、前記曲面鏡は、光源の前記曲面鏡側の端点を第１焦点とし、被照明面側
の端点を第２焦点とする楕円曲線によって構成される第
１の部分と、光源の被照明面側の端点を第１焦点とし、被照明面の端
部より内側に含まれる点を第２焦点とする楕円曲線によ
って構成される第２の部分と、によって構成されてな
り、前記第２の部分を構成する楕円曲線の前記第２焦点が、
光軸上に位置していることを特徴とする、照明装置。
【請求項２】光源ランプと該光源ランプからの放射光
束を反射する曲面鏡とを備える照明装置と、該照明装置
からの光束を変調して画像情報を含ませるライトバルブ
と、変調光束を投射する投射光学系とを備えて構成され
る投射型表示装置において、前記曲面鏡は、光源の前記曲面鏡側の端点を第１焦点とし、被照明面側
の端点を第２焦点とする楕円曲線によって構成される第
１の部分と、光源の被照明面側の端点を第１焦点とし、被照明面の端
部より内側に含まれる点を第２焦点とする楕円曲線によ
って構成される第２の部分と、によって構成されてな
り、前記第２の部分を構成する楕円曲線の前記第２焦点が、
光軸上に位置していることを特徴とする、投射型表示装
置。