JP3931700B2 - 照明装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、インテグレータを用いる照明装置に関するものであり、特にカラーリキャプチャ方式の照明装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
単一光を変調する光学系、いわゆる単板式のプロジェクタなどの画像表示装置においてカラー画像を表示する際は、回転式のカラーフィルタが用いられている。回転式のカラーフィルタでは白色光を選択的に透過および吸収させ、３原色に時分割する。その後、光の強度分布を均一にするインテグレータを通し、それぞれの色の光束がマイクロミラーデバイスなどのライトバルブに供給され、ライトバルブで画像データにより変調されて、スクリーンに投射される。その結果、スクリーン上にカラー画像が合成される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
インテグレータ内では、入力された光が多重反射し、インテグレータの断面方向の光量分布が均一化される。したがって、インテグレータの出口に配置されたライトバルブの全面をほぼ均等な光量の光で照明することができる。このため、光のむらが少なく、カラーバランスも良い。その反面、インテグレータの入射側の開口から漏れた光は出力されないので、光源からの光を入射側の開口に効率良く導くことが重要である。たとえば、入射側の開口を出射側の開口に対して大きくしたテーパ状のインテグレータにより入射側の開口面積を広げることが可能であり、インテグレータの入射側の開口から漏れる光を少なくすることができる。
【０００４】
最近、カラーリキャプチャ方式が提案されており、このカラーリキャプチャ方式では、カラーフィルタは特定の色を透過し他の色の光を反射する半透過性のダイクロイック膜（ミラー）が螺旋状などの適当な形状に組み合わされたカラーホイールが用いられ、各色のダイクロイック膜で色分離を行うと共に、ダイクロイック膜を透過しない光はカラーフィルタの入射側に戻される。したがって、光源とカラーフィルタの間に、インテグレータを配置することにより、カラーホイールにより透過せずに反射された光は、捨てられずにインテグレータに戻される。このため、インテグレータ内で反射して再びカラーホイールに当てることにより、異なる色のダイクロイック膜を通して出力することができる。したがって、光源からの光を光量をロスしないで利用でき、光のロスが減り、従来のカラー表示方法に比べて、光の利用効率を向上させることができる。このため、明るいカラー表示が実現できる。
【０００５】
しかしながら、光の利用効率を向上するには、カラーホイールからインテグレータに戻された光をインテグレータ内で再度、反射してカラーホイールに導かないといけない。したがって、インテグレータの入射側の開口から漏れ出る光量は、最小限にする必要がある。このため、開口から漏れ出る光量を少なくするためには、インテグレータの入射側の開口を広げることができない。むしろ、漏れ出る光を少なくするために入射側の開口を狭めることが望ましい。これに対して、インテグレータの入射側の開口を狭めると、光源からの光をインテグレータに導きにくくなるので、光源からの光の利用効率が減少する。一方、入射側の開口を広くすると、カラーホイールで反射された光が漏れ出る可能性が高くなるので、やはり光の利用効率が減少する。
【０００６】
そこで、本発明では、カラーリキャプチャ方式に適したインテグレータを用いた光の利用効率の高いインテグレータおよび照明装置を提供することを目的としている。また、光の利用効率の高い明るい照明装置により、明るく鮮明な画像を表示できるプロジェクタを提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
このため、本発明においては、インテグレータの入射側の開口を広げる代わりに、開口の周りに光源のリフレクタの側に反射するアウターミラーを設けることにより、入射側の開口から漏れた光、すなわち、開口に入らなかった光が即、無駄にならないようにして、入射光として利用できる可能性を高めている。
【０００８】
すなわち、本発明の照明装置は、反射性の内周面を備えたインテグレータと、リフレクタおよび、その中心に位置するランプを備え、インテグレータの入射側の開口に光を供給する光源とを有し、インテグレータの入射側の開口の外周には、光を光源の側に反射するアウターミラーを設けている。アウターミラーは、インテグレータとセパレートされたものでも良く、あるいは、光源から入射側の開口に入射した光を出力側の開口から出力する、中空で反射性の内周面を備えたインテグレータであって、入射側の開口の外周に、光を光源の側に反射するアウターミラーを備えているインテグレータを提供することにより、本発明の照明装置を実現することができる。
【０００９】
本発明の照明装置においては、インテグレータの入射側に設けられたアウターミラーで、開口の周囲の入射光を反射して光源側へ戻す。したがって、本発明の照明装置では、入射側の開口に入らなかった光は、そのままロスになるのではなく、光源のリフレクタで反射されて、インテグレータの入射側の開口へ供給される可能性がある。このため、インテグレータの入射側の開口を大きくしないで、光源からインテグレータに入力される光のロスを小さくすることが可能であり、上述したカラーリキャプチャ方式に適用可能な開口の小さなインテグレータであって、光の利用効率のさらに高いインテグレータを提供することができる。したがって、インテグレータの入射側の開口あるいは入射側と出力側の間に出力側からの光を出力側に反射する端面を設けたインテグレータであって、光源からの入射効率も高いインテグレータを提供できる。
【００１０】
すなわち、本発明のアウターミラーを備えたインテグレータを採用し、さらに、このインテグレータの出射側に、３原色の光の内、１つの色の光を透過し他の色の光を反射する半透過部分を備え、各々の色の半透過部分がインテグレータの出射側の開口を分割するように回転するカラーホイールを有したカラーリキャプチャ方式の照明装置であって、光源からインテグレータへ入力する光の利用効率の高い照明装置を提供することができる。これにより、光の利用効率の高いカラーリキャプチャ方式による照明装置の光の利用効率をさらに向上することが可能である。このため、本発明により、この照明装置から出力された各色の光束に基づいて画像データを形成するライトバルブと、このライトバルブからの光を投影するレンズシステムとを有し、明るく鮮明なカラー画像を表示するプロジェクタを提供することができる。
【００１１】
ライトバルブは、透過型の液晶であっても良いが、光の吸収が少なく、高速駆動可能な反射型のスイッチングデバイス、例えば、マイクロミラーデバイスやエバネセント波を利用したデバイスが適している。
【００１２】
アウターミラーとしては平面鏡が最も低コストである。しかしながら、アウターミラーにより反射された光が光源の中央のランプに向かい易く、ランプの電極などにより乱反射したり、吸収されることにより光の利用効率は高くなり難い。これに対して、アウターミラーが、光源側に凸の円錐台状でその外面がミラーであるもの、または、凸面鏡、すなわち、光源側に凸のミラーであれば、アウターミラーで光源側に反射された光は、光源部のリフレクタに向かうので、ランプの電極などによる吸収を防止できる。また、アウターミラーが、インテグレータの出射側に凸の円錐台状でその内面がミラーであるもの、凹面鏡、すなわち、インテグレータの出射側に凸のミラーであっても、光源側に反射された光は、リフレクタに向かうので、ランプによる吸収を防止できる。
【００１３】
アウターミラーの中心側のインテグレータの開口近傍で反射される光は、ランプの方向に向かい難いので、その部分は平坦な鏡面として、周辺側を凸面または光源側に凸の円錐台状、凹面または出力側に凸の円錐台状にすることも有効である。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。図１に、本発明に係る照明装置１０を用いたプロジェクタ１の概略構成を示してある。さらに、図２に、照明装置１０を拡大して示す。プロジェクタ１は、照明装置１０と、この照明装置１０から色ごとに出力された各色の光束７２Ｒ、７２Ｇおよび７２Ｂを伝達するリレーレンズ４９と、このレンズ４９からの光束７２Ｒ、７２Ｇおよび７２Ｂを画像データにより変調するマイクロミラーデバイス５０と、このミラーデバイス５０から出力される表示光７４をスクリーン５８に投射してカラー画像を形成する投射レンズ５２とを備えている。
【００１５】
照明装置１０は、光源部１２と、中空で反射性の内周面２４を備えた角柱状のインテグレータ２０と、白色の光束７１を時分割するカラーホイール４０とを備えている。光源部１２は、リフレクタ１４と、その中心１４ｃに位置するキセノンランプなどの放電型のランプ１３とを備えており、光源部１２からは白色の光束７１が出力される。また、リフレクタ１４の開口１４ａは、防爆ガラス１６によりカバーされている。
【００１６】
インテグレータ２０は、内周面２４が反射面となった中空で断面が方形の角柱状のライトトンネルである。インテグレータ２０の入射側には円形の開口２２が設けられている。その開口２２の外側の光源部１２に向いた入射側２０ａの面６１ａは鏡面であり、さらに、その面６１ａから外周に鍔状に広がった部分６１ｂも鏡面となり、光源部１２の側に光を反射するアウターミラー６０が形成されている。出射側２０ｂは方形の開口２３となっており、この出射側の開口２３はカラーホイール４０に面して配置されている。カラーホイール４０は、赤Ｒ、緑Ｇおよび青Ｂの色を透過し他の色の光を反射する半透過性の３種類のダイクロイック膜４１Ｒ、４１Ｇおよび４１Ｂが螺旋状などの適当な形状に組み合わされたものである。このため、ダイクロイック膜４１Ｒ〜４１Ｂで、それぞれ対応した色の光が透過すると共に、それ以外の色の光はダイクロイック膜４１Ｒ〜４１Ｂで反射され、インテグレータ２０の内部に戻される。
【００１７】
したがって、本例の照明装置１０はカラーリキャプチャ方式の照明装置であり、ダイクロイック膜４１Ｒ〜４１Ｂを通らない光７３は捨てられずに、インテグレータ２０に戻され、インテグレータ２０で反射されて、再度、カラーホイール４０に出力される。その光は、異なる色のダイクロイック膜４１Ｒ〜４１Ｂに当れば、それを透過して出力され、透過しなければ再びインテグレータ２０に戻される。このため、本例の照明装置１０では、光源部１２から照射された白色の光束７１がインテグレータ２０でライトバルブの形状に合わせて強度分布が均一化されると共に、カラーホイール４０から時間および空間的に色分割された状態で出力され、さらに、カラーホイール４０を通過しなかった光は、インテグレータ２０で再利用される。
【００１８】
カラーリキャプチャ方式の照明装置１０からは、カラーホイール４０の回転に伴い上下または左右に動くダイクロイック膜４１Ｒ〜４１Ｂを透過した赤Ｒ、緑Ｂおよび青Ｂの各色の光束７２Ｒ〜７２Ｂが、空間的および時間的にセパレートされた状態で出射される。したがって、カラーホイール４０の回転に追従して光束７２Ｒ〜７２Ｂがシフトするタイミングに合わせてライトバルブ５０の側を制御することにより、明るいマルチカラーの画像をスクリーン５８に投影することができる。
【００１９】
カラーリキャプチャ方式の照明装置１０においては、カラーホイール４０に反射された光を再びカラーホイール４０の側に戻すために、インテグレータ２０に出力側２０ｂに向いた鏡面を設ける必要がある。図２に示すインテグレータ２０は、内面２４が多段になっており、入射側２０ａと出力側２０ｂと間に段差を設けて出力側２０ｂが鏡面となった端面２９を設けている。この端面２９は、入力側２０ａの開口２２の近傍に設けても良いが、出力側２０ｂにある程度近い方がインテグレータ２０の内周面２４で反射される回数が減るので減衰は小さい。いずれの場合も、端面２９を設ける必要があるので、入力側２０ａの開口２２のサイズは限られており、逆に、入力側２０ａの開口２２を大きくすると、カラーホイール４０で反射された光の漏れ出しが大きくなって、カラーリキャプチャの効果が低くなる。
【００２０】
インテグレータ２０の入射側の開口２２が小さくなると、光源部１２からの光７１をインテグレータ２０の内部に飲み込む面積が小さくなるので、光の利用効率は低くなる。これに対して、本例の照明装置１０のインテグレータ２０は、図２に拡大して示すように、インテグレータ２０の入射側２０ａの開口２２の外周に鍔状に広がった凸面鏡をアウターミラー６０として備えている。したがって、入射側の開口２２に飲み込まれなかった光７１ａは、アウターミラー６０の反射面６０ａおよび６０ｂにより、光源部１２のリフレクタ１４に向けて反射される。その光７１ａは、リフレクタ１４で再び反射され、インテグレータ２０に向けて出力され、適当な角度でアウターミラー６０で反射された光は、インテグレータ２０の入射側の開口２２から内部に導かれる入射光７１となる。入射側の開口２２に入らなかった光は、再びアウターミラー６０で反射されてリフレクタ１４に向かい、再び反射されてインテグレータ２０に出力される。
【００２１】
光源１２のキセノンランプ１３は、その中心１３ｃに位置する電極などの構造などが要因となって、光軸８０に沿った部分では吸収が大きく、アウターミラー６０を設けても、その方向に光が反射されると有効利用が難しい。図３に、本発明者らがシミュレーションにより求めたアウターミラーの曲率と光の利用効率との関係を示してある。本図は、光源部１２（ランプ１３）からインテグレータ２０に入射される入射光７１の光量Ｉが、アウターミラー６０の曲率に起因して変化する様子を、ランプ１３の出力Ｉ０に対する比（光量比（Ｉ／Ｉ０））により示してある。図４に示すように、曲率１／Ｒがマイナスとは、アウターミラー６０がインテグレータ２０の出射側に凸の凹面鏡であることを示し、曲率１／Ｒがプラスとは、アウターミラー６０がランプ１３の側に凸の凸面鏡であることを示している。
【００２２】
図３から分かるように、アウターミラー６０が平面鏡（曲率０のとき）あるいはその近傍で曲率１／Ｒがプラス、すなわち、凸面鏡のときは、アウターミラー６０で反射された光が光源１２の光軸８０に向かい、ランプ中心１３ｃに集まり易い。したがって、ランプの中心１３ｃの電極等で吸収され、アウターミラー６０の効果は殆ど得られない。これに対し、凸面鏡であっても、アウターミラー６０の曲率をある程度大きくすることで、入射光７１が戻る方向をランプ中心１３ｃから外すことができるので、リフレクタ１４を介して反射させることができる。したがって、アウターミラー６０により光の利用効率が向上している様子が分かる。
【００２３】
また、アウターミラー６０の曲率がマイナスで凹面鏡の場合は、比較的曲率が小さなところからリフレクタ１４を利用することが可能であり、光の利用効率が高くなる。特に、アウターミラー６０が凹面鏡で曲率１／Ｒが０．０２５程度では、光量比０．８２が得られており、アウターミラー６０がない場合は光量比が０．７程度であるので、光の利用効率を１０数％も向上できることが分かる。
【００２４】
このように、本発明の照明装置１０では、インテグレータ２０の外周に鍔状に広がったアウターミラー６０を設けることで、従来はインテグレータに取り込まれず無駄になっていた入射光７１ａを、リフレクタ１４へ反射することができ、それらの光７１ａを再度インテグレータ２０の開口２２へ導いて光の利用効率を向上できる。
【００２５】
図５〜図７に、本発明のアウターミラーの例を幾つか示してある。図５に示したアウターミラー６２は、開口２２の周辺６１ａおよびそこから鍔状に広がった部分６１ｂも平坦な平面鏡であり、最も低コストなアウターミラーである。しかしながら、上述したように、平面鏡６２が光軸８０に対して垂直な面であると反射した光が殆どランプ中心に向かうので、アウターミラーとしての効果は小さい。これに対し、周囲の面６１ｂの角度を変えて、凸状にしたり、凹状にすることにより図３に示した凸面鏡あるいは凹面鏡と同様にリフレクタ１４を活用して光の利用効率を向上することができる。
【００２６】
図６に示したアウターミラー６３は、開口２２の周囲の中心側の面６１ａが平坦な鏡面で、その外側の鍔状に広がった周辺側の面６１ｂが凸面鏡または光源１２の側に凸の円錐台状になっている。このアウターミラー６３であると、光源部１２の中心軸８０に反射角度が向きやすい周辺部の面６１ｂを凸状にして、反射光７１ａの方向を中心軸８０から外すことができる。一方、反射角度が中心軸８０の方向を向き難い、中心軸８０に近い面６１ａは平面鏡にしてコストを抑えることができる。したがって、低コストで光の利用効率の高いアウターミラー６３を提供できる。
【００２７】
図７に示したアウターミラー６４は、開口２２の周囲の中心側の面６１ａが平坦な鏡面で、その外側の鍔状に広がった周辺側の面６１ｂが凹面鏡またはインテグレータ２０の出射側２０ｂに凸の円錐台状になっている。このアウターミラー６４であると、光源部１２の中心軸８０に反射角度が向きやすい周辺部の面６１ｂを凹状にして反射光７１ａの方向を中心軸８０から外すことができる。一方、反射角度が中心軸８０の方向を向き難い、中心軸８０に近い面６１ａは平面鏡にしてコストを抑えることができる。したがって、このアウターミラー６４も低コストで光の利用効率の高い形状である。
【００２８】
このように、本発明に係る照明装置１０は、インテグレータ２０の入射側にアウターミラーを設けることにより、入射側の開口２２に飲み込まれずにロスとなっていた光源部１２からの入射光７１を光源部１２の側に反射して回収することができる。したがって、本発明に係る照明装置１０は、光の利用効率が高いので、コンパクトで高出力な照明装置として提供することが可能である。そして、本例の照明装置１０を、図１に示したプロジェクタ１に組み込むことにより、鮮明な画像を表示することができるプロジェクタを提供することができることは上述した通りである。また、上記では２段構造のインテグレータ２０の入射側の面２０ａの外周にアウターミラー６０を形成した例を説明しているが、これに限らず、１段構造、すなわちストレートな筒状または角柱状のインテグレータであっても良い。
【００２９】
なお、本例のアウターミラーを備えたインテグレータ２０は、入射側の開口２２を大きく出来ないカラーリキャプチャ方式の照明装置１０に最も有効であるが、これに限らず、一般的な、インテグレータで光量分布を均一にした光束をライトバルブへ供給する照明装置にも適用できる。
【００３０】
さらに、上記の光源部１２では、中心に電極のあるキセノンランプ１３などの放電系のランプを例に説明しているが、他のランプ、たとえば、電極の影響のないＬＥＤランプにも適用することが可能である。しかしながら、ＬＥＤランプなどの中心に電極のないランプは、中心での吸収は特に目立たないので、図３に示したような曲率がゼロ近傍の大きな変化はなく、凸面から凹面の適当な曲率の範囲内のアウターミラーを用いることにより光の利用効率を高めることができる。
【００３１】
また、上記では中空のロッドインテグレータを例に説明しているが、内部が充填された、例えばガラスロッドレンズタイプのインテグレータであっても良い。
【００３２】
さらに、上記ではプロジェクタのライトバルブとしてマクロミラーを駆動するミラーデバイス５０を用いているが、これに限らず、反射型のデバイスとしては、波長レベルの動きでエバネセント光を利用してオンオフする画像表示デバイスであるエバネセントデバイスを用いることが可能である。これらの反射型のライトバルブは高速駆動が可能で高コントラストであるので、コンパクトで鮮明な画像を表示するプロジェクタに適している。また、透過型のデバイスとしては信頼性の高いＬＣＤなどを用いることも可能である。また、本発明の照明装置は、プロジェクタに限らず、色分離された光が要求される直視型の表示装置や、プリンタなどにおいても適用することが可能である。
【００３３】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明の照明装置は、インテグレータの入射側の外周にアウターミラーを設けることで、インテグレータの入射側の開口へ取込まれなかった入射光を、リフレクタへ戻し、再度、インテグレータの入射側の開口へ供給することができる。このため、カラーリキャプチャ方式に適した入射側の開口の小さなインテグレータを用いた光の利用効率の高い照明装置およびプロジェクタを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るカラーリキャプチャ方式の照明装置を用いたプロジェクタの概要を示す図である。
【図２】図１に示す照明装置を拡大して示す図である。
【図３】アウターミラーの曲率による光量の変化を示すグラフである。
【図４】アウターミラーの曲率と凹凸の方向を示す図である。
【図５】異なる形状のアウターミラーの概要を示す図である。
【図６】さらに異なる形状のアウターミラーの概要を示す図である。
【図７】さらに異なる形状のアウターミラーの概要を示す図である。
【符号の説明】
１ プロジェクタ
１０ 照明装置
１２ 光源部、１３ ランプ、１３ｃ ランプ中心
１４ リフレクタ
１６ 防爆ガラス
２０ インテグレータ
２０ａ 入射側の面
２０ｂ 出射側の面
２２ 入射側の開口
２３ 出口側の開口
２４ 内周面
２９ 端面
４０ カラーホイール
４１Ｒ、４１Ｇ、４１Ｂ 各色のダイクロイック膜
５０ ライトバルブ（マイクロミラーデバイス）
５２ 投射レンズ
５８ スクリーン
６０、６２、６３、６４ アウターミラー
６１ａ 開口の周囲の光軸に近い面、６１ｂ 鍔状に広がった面
７１ 光源から照射される白色光の光束（入射光）
７１ａ インテグレータの入射側の開口に飲み込まれなかった分の入射光
７２ 各色の光束（出射光）

Claims (9)

1. 反射性の内周面を備えたインテグレータと、リフレクタおよび、その中心に位置するランプを備え、前記インテグレータの入射側の開口に光を供給する光源と、前記インテグレータの入射側の開口の外周で前記光源の側に前記光を反射するアウターミラーとを有し、
   前記アウターミラーの中心側は平坦な面であり、周辺側は凸面または前記光源の側に凸の円錐台状である照明装置。
2. 反射性の内周面を備えたインテグレータと、リフレクタおよび、その中心に位置するランプを備え、前記インテグレータの入射側の開口に光を供給する光源と、前記インテグレータの入射側の開口の外周で前記光源の側に前記光を反射するアウターミラーとを有し、
   前記アウターミラーの中心側は平坦な面であり、周辺側は凹面またはインテグレータの出射側に凸の円錐台状である照明装置。
3. 請求項１または２において、前記インテグレータの出射側に、３原色の光の内、１つの色の光を透過し他の色の光を反射する半透過部分を備え、各々の色の前記半透過部分が前記インテグレータの出射側の開口を分割するように回転するカラーホイールを有する照明装置。
4. 請求項３において、前記インテグレータは、前記カラーホイールにより反射された光を前記カラーホイールの側に反射する端面を備えている照明装置。
5. 請求項３または４に記載の照明装置と、この照明装置から出力された各色の光束に基づいて画像データを形成するライトバルブと、このライトバルブからの光を投影するレンズシステムとを有するプロジェクタ。
6. リフレクタおよび、その中心に位置するランプを備える光源から入射側の開口に入射した光を出力側の開口から出力する、反射性の内周面を備えたインテグレータであって、前記入射側の開口の外周で前記光源の側に反射するアウターミラーを有し、前記アウターミラーの中心側は平坦な面であり、周辺側は凸面または前記光源の側に凸の円錐台状であるインテグレータ。
7. リフレクタおよび、その中心に位置するランプを備える光源から入射側の開口に入射した光を出力側の開口から出力する、反射性の内周面を備えたインテグレータであって、前記入射側の開口の外周で前記光源の側に反射するアウターミラーを有し、前記アウターミラーの中心側は平坦な面であり、周辺側は凹面またはインテグレータの出射側に凸の円錐台状であるインテグレータ。
8. 請求項６または７において、前記入射側と出射側との間に出射側に反射する端面を有するインテグレータ。
9. 請求項１または２に記載の照明装置を有するプロジェクタ。

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