JP4703338B2 - 反射型コリメータを備えた照明装置及びそれを採用した画像投射装置 - Google Patents

Description

本発明は、光を視準して照射する照明装置及びそれを採用した画像投射装置に関する。

照明装置は、光源から放出される光を照明対象体に有効に照射される角度範囲で効率的に視準するために、レンズをはじめとする多様な形態のコリメータを採用している。

一例として、画像投射装置は、光変調素子を照明するための照明装置を備える。照明装置の光源としては、メタルハライドランプや超高圧水銀ランプが使われる。メタルハライドランプや超高圧水銀ランプは、そのサイズが非常に大きくて照明装置が大型化されるという問題点がある。また、これらランプは、その寿命がせいぜい数千時間ほどである。したがって、家庭用として使われる場合に、ランプを頻繁に交換せねばならないとい不便さがある。このような問題を解決するために、光源として相対的に寿命が長い発光ダイオード（ＬＥＤ）などの小型光源を使用しようとする研究が進められつつある。

ＬＥＤは、一般的にメタルハライドランプや超高圧水銀ランプに比べて、光量が少ない。したがって、画像投射装置の光源としては、複数のＬＥＤがアレイ化されたＬＥＤアレイが使われる。光を集光するためには、一般的にレンズを使用するが、この場合に、光効率が低下するという問題点がある。

図１及び図２を参照しつつ、光効率の低下をさらに詳細に説明する。近軸領域では、像のサイズと角度との積が保存される。したがって、ＬＥＤの発光面積と発光角度の立体角との積が保存量となり、これをエテンデューという。図１に示したように、一つのＬＥＤを使用する場合、ＬＥＤの発光面積Φ_Ｌと立体角Ｕ_Ｌとの積は、光変調素子の発光面積Φ_Ｐと立体角Ｕ_Ｐとの積と同一にできる。

複数のＬＥＤをアレイ化して使用する場合には、図２に示したように、ＬＥＤアレイの発光面積ΣΦ_Ｌが一つのＬＥＤを使用する場合の発光面積Φ_Ｌより大きくなる。このとき、ＬＥＤとＬＥＤアレイの発光角度の立体角Ｕ_Ｌが同一であり、光変調素子の面積Φ_Ｐは同一である。したがって、エテンデューが保存されるためには、ＬＥＤアレイを使用する場合に、光変調素子の発光角度の立体角Ｕ_Ｐ’は、一つのＬＥＤを使用する場合に比べて大きくなる。投射レンズによって有効に投射される角度は、Ｕ_Ｐであるので、Ｕ_Ｐより大きい角度範囲の光は、投射レンズによって有効に投射されない。したがって、図２に示したような損失が発生して光効率を低下させ、結果的に、画像投射装置の輝度は、ＬＥＤアレイに使われるＬＥＤの数の増加にも拘わらず、上昇幅が制限される。
特開２００４−１０４０７７号公報 特開平９−９７９２７号公報

本発明が解決しようとする技術的課題は、光源から放射される光を効率的に視準できるように改善された照明装置及びそれを採用した画像投射装置を提供することである。

前記課題を達成するための本発明の照明装置は、放物面状の反射面と、交互される入光部及び出光部を備える反射器と、前記入光部を通じて前記反射面に光を照射する光源と、前記反射器と前記光源との間に介在されて、前記光源の像を前記反射面の焦点に合わせる光源偏移補償手段と、前記出光部の開口角より小さい放射角度を有する光の少なくとも一部を前記反射面に案内する光路変更手段とを備える。

前記課題を達成するための本発明の画像投射装置は、複数の光を照射する複数の照明装置と、前記複数の照明装置から入射された複数の光を画像データに合せて順次に変調する光変調素子と、前記光変調素子から出射された複数の光を拡大投射する投射レンズ装置とを備え、前記照明装置は、放物面状の反射面と、交互される入光部及び出光部を備える反射器と、前記入光部を通じて前記反射面に光を照射する光源と、前記反射器と前記光源との間に介在されて、前記光源の像を前記反射面の焦点に合わせる光源偏移補償手段と、前記出光部の開口角より小さい放射角度を有する光の少なくとも一部を前記反射面に案内する光路変更手段とを備える。

一実施形態として、前記光源は、前記反射面の焦点に位置し、前記光源偏移補償手段は、中心が前記反射面の焦点に位置する球面レンズを備える。一実施形態として、前記光路変更手段は、前記球面レンズの前記出光部側の一部を傾斜して切断することによって形成される傾斜面を備える。

一実施形態として、前記光源の光軸は、前記反射面の主軸と垂直になっている。

一実施形態として、前記反射面は、円錐係数Ｋが−０.４ないし−２.５範囲の非球面である。

本発明による照明装置及びそれを採用した画像投射装置によれば、光利用効率を向上させることができ、小型化された照明装置及び画像投射装置の具現が可能である。

以下、添付した図面を参照しつつ、本発明の望ましい実施形態を詳細に説明する。

図３は、本発明による照明装置の一実施形態を示す断面図である。図３を参照するに、照明装置は、光源１０と反射器２０とを備える。反射器２０は、反射面２１と、入光部２２と、出光部２４とを備える。入光部２２と出光部２４とは、それぞれ異なる方向で反射面２１と対面し、かつ交互される。反射面２１は、放物面状である。ここで、放物面状とは、円錐係数Ｋ＝−１である厳密な放物面のみを意味するのではない。少なくとも本明細書で使われる反射面２１は、Ｋが−０.４ないし−２.５の範囲、望ましくは、−０.７ないし−１.６の範囲の非球面を意味する。反射面２１のＫ値は、光源１０から放射される光を照明しようとする対象体に有効に照明される放射角度範囲に視準するために、前記の範囲内で適切に選定される。以下では、Ｋ＝−１である反射面２１を例として説明する。

光源１０は、例えば、一つ以上のＬＥＤ１１を使用できる。光源１０は、入光部２２を通じて反射面２１に光を照射する。反射面２１による視準効果を高めるためには、光源１０は、反射面２１の焦点Ｆに位置せねばならない。言い換えれば、光源１０は、ＬＥＤ１１が反射面２１の焦点Ｆに位置するように設置されねばならない。しかし、光源１０の形状や反射器２０の形状などの制約によって、光源１０を反射面２１の焦点Ｆに位置させられない場合が発生することもある。

このような光源１０の焦点Ｆに対する位置偏移を補償するために、照明装置は、光源１０の像を焦点Ｆに合わせる光源偏移補償手段をさらに備える。図３には、光源偏移補償手段（光源偏移補償部）の一例として、透光体からなるレンズ３０が示されている。光源１０から放射された光は、レンズ３０を通過して反射面２１に入射される。レンズ３０の曲面３１は、反射面２１に入射される光の延長線（図３の点線）が反射面２１の焦点Ｆに集まるに適切な球面または非球面である。このような構成によって、光源１０があたかも反射面２１の焦点Ｆに位置して光を照射するのと同じ効果を得られる。光は、反射面２１で反射されて、主軸２６とほぼ平行な平行光に視準される。光は、出光部２４に出射される。厳密にいって、光源１０は、点光源となれない。したがって、“ほぼ平行光”とは、光源１０が事実上面光源であるので、全ての光が焦点Ｆから放出されるものではないため、光が完全な平行光とならないということを意味する。前述した実施形態では、光源１０がその光軸１３が主軸２６とほぼ垂直になるように配置されるが、これにより、本発明の範囲が限定されるものではない。

レンズ３０から出射される光のうち、反射面２１の焦点Ｆを基準として出光部２４の開口角Ｂより小さい放射角度の光Ｌ１は、反射面２１に入射されず、直ぐ出光部２４を通じて放出される。したがって、このような光Ｌ１は、視準されない。このように、視準されない光Ｌ１は、対象体を照明するために有効に使われず、損失される。したがって、光利用効率が低下する。

このような損失光Ｌ１を減らすために、本実施形態の照明装置は、出光部２４の開口角Ｂより小さい放射角度の光を反射面２１に入射させるための光路変更手段を備える。図３及び図４には、光路変更手段（光路変更部）の一例として、レンズ３０を一部切断することによって形成される傾斜面４０が示されている。光源１０から出射された光Ｌ２は、レンズ３０に入射され、傾斜面４０を通じて出射される。このとき、図４に示したように、レンズ３０の屈折率と、レンズ３０と反射面２１との間の媒質（例えば、空気）の屈折率との差によって、光Ｌ２は、傾斜面４０を通過しつつ屈折されて、その経路が変更される。例えば、レンズ３０の屈折率を約１.５、空気の屈折率を約１であるとすれば、光Ｌ２は、傾斜面４０の法線Ｌ４から遠ざかる方向に屈折される。屈折された光Ｌ３は、反射面２１に入射される。このような構成によって、反射面２１によって視準される光量を増加させて光利用効率を向上させることができる。

図５には、本発明による照明装置の他の実施形態が示されている。図５を参照するに、光源１０は、反射面２１の焦点Ｆに位置する。光源偏移補償手段の一例であるレンズ３０ａの曲面３１ａは、中心が焦点Ｆに位置する球面である。光路変更手段の一例である傾斜面４０ａは、レンズ３０ａを傾斜して切断することによって形成される。このような構成によって、図３及び図４で説明したような効果を得られる。

前述したように、本発明による照明装置によれば、光源偏移補償手段をさらに備えることによって、照明装置の設計自由度を高めうる。また、光路変更手段をさらに備えることによって、光利用効率を向上させることができる。また、複数のＬＥＤを採用した光源１０を使用する場合に、レンズを利用せず、反射面２１を利用して、光を視準するため、図１及び図２で説明したような光利用効率の低下なしに高い効率で光を視準することができる。また、複数のＬＥＤを採用した光源１０を使用することによって、照明装置の小型化が可能である。

以下では、前述した照明装置を適用した画像投射装置について説明する。

図６は、本発明による画像投射装置の一実施形態を示す構成図である。図６を参照するに、照明装置１００Ｒ，１００Ｇ，１００Ｂ、光変調素子２００、投射レンズ装置３００が示されている。照明装置１００Ｒ，１００Ｇ，１００Ｂは、それぞれ赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）光を放出する。各照明装置１００Ｒ，１００Ｇ，１００Ｂは、例えば、図３または図５に示したような構成を有する。光変調素子２００は、各照明装置１００Ｒ，１００Ｇ，１００Ｂから順次に放出される赤色、緑色、青色光を画像データに合せて順次に変調する。本実施形態の画像投射装置は、一つの反射型光変調素子２００を使用する単板式画像投射装置である。光変調素子２００としては、例えば、ＤＭＤ（デジタルマイクロミラーデバイス）が使用されうる。

照明装置１００Ｒ，１００Ｇ，１００Ｂから順次に出射される赤色、緑色、青色光は、二色フィルタ４０１ａ，４０１ｂによって共通の光路に案内されてインテグレータ４０３に入射される。二色フィルタ４０１ａは、赤色光を反射させ、残りの光は透過させる。二色フィルタ４０１ｂは、青色光を反射させ、残りの光は透過させる。インテグレータ４０３は、均一な光度を有する面光を形成する。インテグレータ４０３としては、四角断面を有するガラスロードまたは内部反射面を有する光トンネルが採用される。コンデンシングレンズ装置４０２は、光を集光させてインテグレータ４０３に入射させる。インテグレータ４０３から出射された光は、ＴＩＲ（トータルインターナルリフレクション）プリズム４０５を経て、光変調素子２００に入射される。リレーレンズ装置４０４は、インテグレータ４０３から出射される光を光変調素子２００の開口に合せて拡大または縮少する。光変調素子２００は、赤色、緑色、青色光を画像情報に対応するように順次に変調させる。変調された光は、ＴＩＲプリズム４０５によって投射レンズ装置３００に案内される。投射レンズ装置３００は、変調された光をスクリーンＳに拡大投射する。

前記のような画像投射装置によれば、光源偏移補償手段をさらに備える照明装置を採用することによって、照明装置及び画像投射装置の設計自由度を高めうる。また、光路変更手段をさらに備える照明装置を採用することによって、光利用効率を向上させることができる。また、放物面状の反射面２１を利用して光を視準することによって、複数のＬＥＤを採用した光源１０を採用する場合にも、光損失を減少ないし防止しうる。したがって、画像投射装置の輝度を高めうる。また、複数のＬＥＤを採用した光源１０を使用することによって、小型化された画像投射装置の具現が可能である。

本発明は、添付された図面に示された一実施形態を参考として説明されたが、これは、例示的なものに過ぎず、当業者ならば、これから多様な変形及び均等な他の実施形態が可能であることが分かるであろう。したがって、本発明の真の保護範囲は、特許請求の範囲によって決定されねばならない。

本発明は、画像投射関連の技術分野に適用されうる。

レンズによる光利用効率の低下を説明する図である。 レンズによる光利用効率の低下を説明する図である。 本発明による照明装置の一実施形態を示す断面図である。 光路変更手段の作用を示す図である。 本発明による照明装置の他の実施形態を示す断面図である。 本発明による画像投射装置の一実施形態を示す構成図である。

符号の説明

１０ 光源
１１ ＬＥＤ
１３ 光軸
２０ 反射器
２１ 反射面
２２ 入光部
２４ 出光部
２６ 主軸
３０ レンズ
４０ 傾斜面
Ｌ１，Ｌ３ 光
Ｆ 焦点
Ｂ 開口角

Claims (22)

1. 放物面状の反射面と、交互される入光部及び出光部とを備える反射器と、
   前記入光部を通じて前記反射面に光を照射する光源と、
   前記反射器と前記光源との間に介在されて、前記光源の像を前記反射面の焦点に合わせる光源偏移補償手段と、
   前記出光部の開口角より小さい放射角を有する光の少なくとも一部を前記反射面に案内する光路変更手段とを備える照明装置。
2. 前記光源は、前記反射面の焦点に位置し、
   前記光源偏移補償手段は、中心が前記反射面の焦点に位置する球面レンズであることを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
3. 前記光路変更手段は、前記球面レンズの前記出光部側の一部を傾斜して切断することによって形成される傾斜面を備えることを特徴とする請求項２に記載の照明装置。
4. 前記光源の光軸は、前記反射面の主軸と垂直になっていることを特徴とする請求項１ないし３のうち何れか一項に記載の照明装置。
5. 前記反射面は、円錐係数Ｋが−０.４ないし−２.５の範囲の非球面であることを特徴とする請求項１ないし３のうち何れか一項に記載の照明装置。
6. 前記光源は、一つ以上のＬＥＤを備えることを特徴とする請求項１ないし３のうち何れか一項に記載の照明装置。
7. 複数の光を照射する複数の照明装置と、前記複数の照明装置から入射された複数の光を画像データに合せて順次に変調する光変調素子と、前記光変調素子から出射された複数の光を拡大投射する投射レンズ装置と、を備え、前記照明装置は、
   放物面状の反射面と、交互される入光部及び出光部とを備える反射器と、
   前記入光部を通じて前記反射面に光を照射する光源と、
   前記反射器と前記光源との間に介在されて、前記光源の像を前記反射面の焦点に合わせる光源偏移補償手段と、
   前記出光部の開口角より小さい放射角を有する光の少なくとも一部を前記反射面に案内する光路変更手段とを備えることを特徴とする画像投射装置。
8. 光源は、前記反射面の焦点に位置し、
   前記光源偏移補償手段は、中心が前記反射面の焦点に位置する球面レンズであることを特徴とする請求項７に記載の画像投射装置。
9. 前記光路変更手段は、前記球面レンズの前記出光部側の一部を傾斜して切断することによって形成される傾斜面を備えることを特徴とする請求項８に記載の画像投射装置。
10. 前記光源の光軸は、前記反射面の主軸と垂直になっていることを特徴とする請求項７ないし９のうち何れか一項に記載の画像投射装置。
11. 前記反射面は、円錐係数Ｋが−０.４ないし−２.５の範囲の非球面であることを特徴とする請求項７ないし９のうち何れか一項に記載の画像投射装置。
12. 前記光源は、一つ以上のＬＥＤを備えることを特徴とする請求項７ないし９のうち何れか一項に記載の画像投射装置。
13. 光源から照射される光を視準する照明装置において、
    前記光源から照射される光を出光部に反射させる反射面と、
    前記光源の像を前記反射面の焦点に対する位置偏差を補償する光源偏移補償手段と、
    前記光源から照射される光のうち、前記反射面に入射されていない範囲の光を前記反射面に入射されるように案内する光路変更手段とを備える照明装置。
14. 前記光源偏移補償手段は、前記反射面の焦点付近に位置するレンズを備え、前記レンズの曲面は、前記レンズを通過して前記反射面に入射される光の延長線が前記焦点に集まるように決定されることを特徴とする請求項１３に記載の照明装置。
15. 前記光路変更手段は、前記レンズの曲面の一部に設けられる傾斜面を備えることを特徴とする請求項１４に記載の照明装置。
16. 前記光源偏移補償手段は、中心が前記反射面の焦点に位置する球面レンズであることを特徴とする請求項１３に記載の照明装置。
17. 前記光路変更手段は、前記球面レンズの前記出光部側の一部を傾斜して切断することによって形成される傾斜面を備えることを特徴とする請求項１６に記載の照明装置。
18. 前記光源偏移補償手段と前記光路変更手段とは、一体に形成されることを特徴とする請求項１３に記載の照明装置。
19. 前記反射面で反射されて前記出光部に出射される光は、前記反射面の主軸と実質的に平行になっていることを特徴とする請求項１３に記載の照明装置。
20. 放物反射面と、入光部及び出光部とを備える反射器と、
    前記入光部を通じて前記放物反射面に光を照射する光源と、
    前記光源と前記放物反射面との間に介在されるものであって、前記光源の像を前記反射面の焦点に合わせる光源偏移補償部と、前記光源から照射される光のうち、前記放物反射面に入射されない範囲の光を屈折させて、前記放物反射面に入射させる光路変更部とを備える光学手段とを備える照明装置。
21. 前記光路変更部は、前記光偏移補償部に設けられる傾斜面であることを特徴をする請求項２０に記載の照明装置。
22. 特定色相の光を照射する一つ以上の光源と、
    前記一つ以上の光源に対応して光を視準して反射させる反射面と、前記光源の前記反射面の焦点に対する位置偏差を補償する光源偏移補償部と、前記光源から照射される光のうち、前記反射面に入射されていない範囲の光を屈折させて、前記反射面に入射させる光路変更部と、を備える光学手段と、
    前記視準された光を画像データに合せて順次に変調する光変調素子と、
    前記光変調素子から出射された複数の光を拡大投射する投射レンズ装置とを備えることを特徴とする画像投射装置。

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