JP3229677B2

JP3229677B2 - 照明光学システム

Info

Publication number: JP3229677B2
Application number: JP31121892A
Authority: JP
Inventors: 則承船越
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1992-10-27
Filing date: 1992-10-27
Publication date: 2001-11-19
Anticipated expiration: 2016-11-19
Also published as: JPH06138408A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、照明光学システムに関
し、より詳細には、液晶投影テレビ、スライドプロジェ
クタ、映写機などに用いられる照明光学システムに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、一般に用いられている照明光学シ
ステムの照明光学系について、図４〜図６に基づいて説
明する。図４は、クリティカル照明光学系、図５はケー
ラー照明光学系、図６は、ケーラー照明光学系の変形で
ある。図４において、クリティカル照明光学系は、楕円
面鏡Ｍ、投影物体Ｂ、投影レンズＣで構成され、カーボ
ンアーク灯などの均一面の光源を焦点Ｆ₁に、投影物体
をもう１つの焦点Ｆ₂に、投影レンズを焦点Ｆ₂よりもさ
らに遠くに置くものである。そして、次のように動作す
る。焦点Ｆ₁上の光源から出た光は、大部分が楕円面鏡
Ｍで反射され、もう１つの焦点Ｆ₂に集光される。そし
て、投影物体Ｂを透過した光は、投影レンズＣによっ
て、図示していないスクリーンに投影物体の像が映るよ
うに屈折される。なお、投影レンズの位置は、装置とス
クリーンの距離によって移動出来、スクリーン上の像の
ピントが合うように調整するものである。この光学系の
特徴は集光効率が高いことである。しかし、光源が均一
面でないとむらになるので、フィラメントの白熱灯など
は使えない。

【０００３】これを改良したのがケーラー照明光学系
で、図５に示すように、球面鏡Ｍ（この反射鏡はないも
のもある）、コンデンサレンズＣ₁，Ｃ₂（レンズは１枚
のものもある）、投影物体、投影レンズで構成され、焦
点Ｆ₁上の光源から出た光をコンデンサレンズＣ₁，Ｃ₂
で集光し、もう１つの焦点Ｆ₂の近くに投影レンズＣ₃を
置き、レンズの中間の出来るだけコンデンサレンズＣ₂
に近い所に投影物体を置くものである。そして、次のよ
うに動作する。焦点Ｆ₁から出た光の一部分は、コンデ
ンサレンズＣ₁，Ｃ₂によって、もう一つの焦点Ｆ₂に集
光するように屈折され投影物体Ｂに当たる。投影物体を
透過した光は、投影レンズで屈折され、図示していない
スクリーンに投影物体の像を映し出す。また、焦点Ｆ₁
は球面鏡Ｍの中心になっているので、光源から出た光の
一部は球面鏡Ｍで反射されて焦点Ｆ₁にもどされるの
で、コンデンサレンズに向かう光量を約２倍にするよう
になっている。この光学系の特徴は、光源に多少のむら
があっても投影物体の位置ではむらの少ないほぼ均一な
照度になることである。しかし、集光効率が低くなって
しまうという短所もある。

【０００４】図６の光学系は、ケーラー照明光学系の変
形で、光源から出た光を平行にする表面に細かな凹凸の
ある放物面鏡Ｍ、コンデンサレンズＣ₁、投影物体Ｂ、
投影レンズＣ₂などから構成されており、放物面Ｍの焦
点Ｆ₁上の光源から出た光を放物面鏡Ｍによって平行光
線にしてコンデンサレンズＣ₁で集光し、コンデンサレ
ンズＣ₁の焦点Ｆ₂の付近に、投影レンズＣ₂を置き、レ
ンズの中間の出来るだけコンデンサレンズに近い所に投
影物体を置くものである。そして、次のように動作す
る。光源から出た光の大部分は放物面鏡Ｍで反射され
て、少し散乱した平行光線となり、コンデンサレンズで
集光されて投影物体に当たる。そして、投影物体を透過
した光は投影レンズで屈折されて図示していないスクリ
ーンに投影物体の像を映し出す。

【０００５】この照明光学系は、集光効率を上げるため
に、放物面鏡を用いているが、光源にフィラメント白熱
灯を使用しており、投影物体の位置で明るさを均一にす
る必要から放物面鏡の表面を細かな凹凸のある面にし
て、光を散乱させるようになっている。このことによっ
て投影物体の位置では中心が明るく周辺が暗くなってし
まうという短所がある。また、図４のクリティカル照明
光学系よりは集光効率も低い。なお、以上の照明光学系
は、それぞれ投影物体の像が投影レンズによって、図示
していないスクリーンに投影されるのは同じであり、集
光効率が高ければ、同量の光束が光源から出た場合にス
クリーンの像も明るくなる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】前述のように、従来の
照明光学系では、コストのかかるカーボンアーク灯など
の放電灯を用いずに比較的安いタングステンフィラメン
トの白熱灯を光源にすると集光効率がかなり低くなった
り、中心は明るくても周辺が暗い像になったりするとい
った問題点があった。

【０００７】本発明は、このような実情に鑑みてなされ
たもので、コストの低いフィラメントの白熱灯を用い、
楕円面鏡で集光させたときに明るさのむらの少ない場所
が出来ることを利用して、均一な明るさで高い集光効率
の得られるようにする照明光学システムを提供すること
を目的としている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、光源から放射される光を投影物体に集光
し、該投影物体を透過した光を投影レンズでスクリーン
に投影するクリティカル照明光学系を構成する照明光学
システムにおいて、楕円軸を光軸とし、定焦点をもつ単
一の楕円面鏡と、該楕円面鏡の一方の焦点位置に設けら
れた輝度むらを有する白熱灯のフィラメントからなる線
光源であって、その長手方向が前記光軸に対して垂直を
なす光源と、前記光源からの光の半分を反射する前記焦
点位置に中心が一致するように配置された半球面鏡と、
該光源と前記楕円面鏡の他方の焦点位置の中間で、光束
にむらのない長方形状の照射領域を生じる位置に設けら
れた投影物体とから成ることを特徴としたものである。

【０００９】

【作用】輝度むらを有するフィラメントの白熱灯からな
る線光源（細長い螺施状光源）を光源として用い、楕円
軸を光軸とし、定焦点をもつ単一の楕円面鏡の一方の焦
点に置かれた光源から出た光は、該楕円面鏡によって反
射され、他方焦点に光源の像を作るように集光される。
そして、光は投影物体を透過して移動可能な投影レンズ
に入り、屈折されてスクリーンに投影物体の像を映し出
す。楕円面鏡で集光された時に明るさのむらの少ない場
所ができるのを利用して、高効率で低コストの照明光学
システムを得る。

【００１０】

【実施例】実施例について、図面を参照して以下に説明
する。図１は、本発明による照明光学システムの一実施
例を説明するための構成図で、図中、１は楕円面鏡、２
は半球面鏡、３はフィラメント、４は投影物体、５は投
影レンズである。投影物体４は水平方向に長い長方形で
あり、フィラメント（線光源）３も水平方向を向いてい
る。Ｆ₁，Ｆ₂は楕円面鏡１の焦点であり、Ｆ₁は半球面
鏡２の中心でもある。楕円面鏡１には電球（図示せず）
を通すための穴があいている（フィラメント３のみを図
示した）。次に、動作について説明する。楕円面鏡１の
一方の焦点Ｆ₁に光源３を置くと、焦点Ｆ₁から出た光の
半分は直接楕円面鏡１に、反射され、また、残りの半分
は一度半球面鏡２に反射され、焦点Ｆ₁にもどされてふ
たたび楕円面鏡１に放射される。楕円の性質から、一つ
の焦点Ｆ₁を通過した光束は、すべてもう一つの焦点Ｆ₂
に集光するように反射する。投影物体４を透過した光
は、投影レンズ５によって投影物体４の像をスクリーン
上（図示せず）に投影するように屈折される。なお、投
影レンズ５の位置（投影物体４との距離）は、本装置か
らスクリーンまでの距離によって、スクリーン上の像の
ピントが合うように移動出来る。

【００１１】光源３は線光源であり、例えば、タングス
テンフィラメントの白熱灯であるから、焦点Ｆ₁から光
軸に対して垂直方向に少しずれた点から出た光は、楕円
面鏡１によって焦点Ｆ₂から少しずれた点に像を結ぶよ
うに反射されるので、投影物体４を焦点Ｆ₂上に置くと
フィラメント３の像が現れ、明るさのむらとなって見え
る。また、投影物体４を焦点Ｆ₁のすぐそばまで近付け
ると、楕円面鏡１の穴や半球面鏡２の影が現れる。な
お、楕円面鏡と等価なら放物面鏡とレンズを用いてもよ
い。

【００１２】図２（ａ）,（ｂ）は、ｙ＝ｘ²の放物線と
その焦点Ｆに点光源を置き、そこから出た光を、該放物
線を回転させて出来る放物面で反射した場合の平行光線
の光の強さを示している（中心部分の反射光の強さを１
としている）。平行光線（反射光）の光の強さは、焦点
と放物面までの距離の２乗に反比例するから、例えば、
ｘ＝０.５のとき、ｙ＝０.２５で焦点から放物面までの
距離は０.５であり、ｘ＝０のときの距離０.２５の２倍
である。したがって、光の強さは４分の１になる（光の
強さを示す曲線は、ｙ＝１／（１＋４ｘ²）²で与えられ
る）。また、反射鏡の端より外や電球を通す穴の部分は
光を反射しないので、図中の斜線部分の明るさのないよ
うなものになる。実際には本発明の反射鏡は楕円面であ
るが、図１の焦点Ｆ₁のすぐ近くでは図２と同様の光の
強さを示す。つまり中心に暗い部分が出来る。

【００１３】以上のように、図１において、投影物体４
は、焦点Ｆ₁にも焦点Ｆ₂にも近づけすぎると明るさのむ
らが出来る。しかし、投影物体４を焦点Ｆ₁と焦点Ｆ₂の
中間の適当な所に置くと光源が線光源であるために、楕
円面鏡１の穴や半球面鏡２の影とフィラメントの像のむ
らの両方が消えてほとんど均一な明るさになる。図３に
その様子を示す。

【００１４】図３において、図中の斜線部分Ａ′は図１
のＦ_２上に出来る線光源の（フィラメント）像を便宜的
に示している。この斜線部分Ａ′の端の一点Ｐに焦光す
る光束を考えると、楕円面鏡の表面の部分から集光され
ているのだから、図１の焦点Ｆ_１と焦点Ｆ_２の中間で
は、図３の円Ｏ_１のように広がっている（光の強さは図
２のようになっており、中心には円Ｏ_２のように暗い部
分もある）。同様に斜線部分のすべての点は焦点Ｆ_１と
焦点Ｆ_２の中間では円Ｏ_１のように広がっているので、
外側の線で囲まれたＡ″の内側はほぼ均一な明るさにな
ってしまう（周辺はかなり急峻に暗くなる）。さらに、
投影物体４（図中Ｂで示す）を破線のように置くと集光
された光のほとんどすべてが投影物体４に照射されるこ
とがわかる。

【００１５】このように、本発明による照明光学システ
ムにおいては、表面のなめらかな楕円面鏡を用いる（楕円面鏡と等価
なら放物面鏡とレンズでも良い）こと、光源には楕円面鏡の光軸（回転軸）に対して垂直方向
の線光源を使うこと、２つの焦点の中間に光束のむらがほとんどなく均一な
所が出来るので、投影物体をそこに置くこと、により実現している。

【００１６】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によると、以下のような効果がある。すなわち、光源か
ら出る光を集光する表面のなめらかな楕円面鏡と投影物
体と投影レンズなどから構成され、例えば、巻線フィラ
メントの白熱灯などの線光源（正確には細長い螺旋状の
光源）を光源に用いることによって、集光効率が高く
て、しかも投影物体の位置での光束のむらや周辺光量の
低下が少なくなるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による照明光学システムの一実施例を説
明するための構成図である。

【図２】本発明による放物面で反射した平行光線の光の
強さを示す図である。

【図３】本発明による均一な明るさを得る様子を示す図
である。

【図４】従来のクリティカル照明光学系を示す図であ
る。

【図５】従来のケーラー照明光学系を示す図である。

【図６】従来のケーラー照明光学系の変形を示す図であ
る。

【符号の説明】

１…楕円面鏡、２…半球面鏡、３…フィラメント、４…
投影物体、５…投影レンズ。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】光源から放射される光を投影物体に集光
し、該投影物体を透過した光を投影レンズでスクリーン
に投影するクリティカル照明光学系を構成する照明光学
システムにおいて、楕円軸を光軸とし、定焦点をもつ単
一の楕円面鏡と、該楕円面鏡の一方の焦点位置に設けら
れた輝度むらを有する白熱灯のフィラメントからなる線
光源であって、その長手方向が前記光軸に対して垂直を
なす光源と、前記光源からの光の半分を反射する前記焦
点位置に中心が一致するように配置された半球面鏡と、
該光源と前記楕円面鏡の他方の焦点位置の中間で、光束
にむらのない長方形状の照射領域を生じる位置に設けら
れた投影物体とから成ることを特徴とした照明光学シス
テム。