JP4873217B2 - 光源装置及びプロジェクタ - Google Patents

Description

本発明は、高輝度の光源装置に関し、特に、液晶プロジェクタやＤＬＰなどの光源に適した装置に関するものであり、尚詳しくは、集光装置及びこの集光装置を備えたプロジェクタに関するものである。

今日、液晶やＤＭＤ（デジタル・マイクロミラー・デバイス）を用いた小型のプロジェクタが多用されるようになってきた。
このプロジェクタは、高輝度の光源が用いられ、メタルハイランドランプや高圧水銀ランプなどの小型高輝度の放電ランプにリフレクタとして凹面反射鏡を取り付けたランプユニットをプロジェクタに組み込むことが多い。

そして、このランプユニットでは、回転放物線状のリフレクタ又は回転楕円面状のリフレクタを用いたものが多く用いられ、リフレクタの楕円焦点に高輝度ランプを設置し、前方または後方に向けて射出された光をこの回転放物線又は回転楕円面のリフレクタで反射させ、ライトトンネルや導光ロッドに集光するものとしている。

また、プロジェクタを小型化するために、光源の輝度を高めつつ光源としてのランプユニットを小型化することが望まれ、集光率を高めるために、放電ランプの前方に反射板を配設し、放電ランプから前方に射出された光をこの前方の反射板により反射し、後方のリフレクタに再び戻すものも提案されている（例えば特許文献１）。

この光源装置は、球面状の反射板を放電ランプの前方に配設するものであり、放電ランプから斜め前方に射出した光を反射し、その反射光を再度光源付近を通して後方のリフレクタに送り、後方のリフレクタにより反射して前方に射出させることとし、リフレクタによって前方に射出集光される光の量を多くすることにより、集光率を上げるようにするものである。
特開平０６−０５１４０２号公報

従来のリフレクタは、回転楕円面又は回転放物面の形状とされ、放電ランプからの光を平行又は収束させるために理想に近い形状とされているも、リフレクタの内面とする反射面の研磨が困難であり、高反射率とすることが困難なため、光源装置の小型化高効率化が困難であった。

本発明は、リフレクタの反射率を高くし、小型高輝度の照明装置を提供するものである。

請求項１記載の発明は、照射方向を前方とする光源装置であって、光源としての放電ランプと、前記光源の輝点後方に配置されるリフレクタであって内面を真円球曲面とされた球面リフレクタと、前記光源の輝点前方に配置され、前記球面リフレクタで反射された光を透過させて所定の方向に射出する曲面とされた透過面を持つリング状の環状レンズとを有することを特徴とするものである。
請求項２記載の発明は、請求項１に記載した光源装置において、前記環状レンズは、光源の輝点を中心とする球面状の反射面をレンズ反射面として備えていることを特徴とする。
請求項３記載の発明は、請求項２に記載した光源装置において、前記球面状のレンズ反射面は、前記環状レンズの外縁面に形成されていることを特徴とする。
請求項４記載の発明は、請求項２に記載した光源装置において、前記球面状のレンズ反射面は、前記環状レンズの内縁面に形成されていることを特徴とする。
請求項５記載の発明は、請求項１乃至請求項４の何れかに記載した光源装置において、前記環状レンズの曲面とされた透過面は、前記環状レンズの前方側面に形成されていることを特徴とする。
請求項６記載の発明は、請求項１乃至請求項４の何れかに記載した光源装置において、前記環状レンズの曲面とされた透過面は、前記環状レンズの前方側面及び後方側面に形成されていることを特徴とする。
請求項７記載の発明は、請求項１乃至請求項５の何れかに記載した光源装置において、前記輝点後方に配置する球面リフレクタの周縁前端は、前記環状レンズの後瑞に接触し、前記球面リフレクタと環状レンズとの接触面の平面上に光源の輝点が位置することを特徴とする。

そして、請求項８記載の発明は、照射方向を前方とする光源装置、光源側光学系、表示素子、投影側光学系、更に、電源回路やプロジェクタ制御回路を備えたプロジェクタであって、
前記光源装置は、請求項１乃至請求項７の何れかに記載した光源装置であることを特徴とする。

本発明は、球面リフレクタ21の形状精度を高め、反射率を高くして集光効率を向上させることができる。
また、光源装置10を小型化して小型のプロジェクタ50とすることができるものである。

球面リフレクタ21と、この球面リフレクタ21の中央を貫通する光源としての放電ランプ11とを有し、この放電ランプ11における発光管部13の後方に前記球面リフレクタ21を配置し、前記球面リフレクタ21の前方であって、中央に放電ランプ11の側管15を貫通させて発光管部13の前方に配置されるリング状の環状レンズ31を有し、この環状レンズ31は、前記球面リフレクタ21で反射された光を透過させて集光させる曲面とされた透過面と光源の輝点中心を中心とする球面状の反射面であるレンズ反射面とを備え、輝点前方に配置されるレンズ反射面は、環状レンズ31の内縁面37又は外縁面39に形成され、断面形状が曲面とされた透過面が環状レンズ31の前方側面35に形成されている光源装置10とするものである。

本発明に係る光源装置は、図1および図２に示すように、光源である放電ランプ11と、この放電ランプ11における発光管部13の後方に配置される球面リフレクタ21とを有し、ランプ電極であるランプ口金を端部に設けた側管15を球面リフレクタ21の中央であるリフレクタ基部から後方に突出させて放電ランプ11を球面リフレクタ21に固定しているものである。

なお、図１における下方を光源装置10などの後方及び輝点である発光管部13の後方とし、図１における上方を光源装置10などの前方及び輝点である発光管部13の前方としている。

そして、この光源装置10は、輝点後方に配置する球面リフレクタ21の前方であって放電ランプ11における発光管部13よりも前方に配置され、前記球面リフレクタ21で反射された光を透過させて集光させる曲面とされた透過面を持つリング状の環状レンズ31を更に有するものである。

また、この球面リフレクタ21の内面は、真円の球面形状とするものであり、放電ランプ11は球面リフレクタ21の光軸と並行となるように設置され、放電ランプ11の口金を球面リフレクタ21の後方に突出させるようにし、発光管部13を球面リフレクタ21の曲率中心よりも後方である球面リフレクタ21側に位置させて固定治具により固定しているものである。

更に、環状レンズ31は、図３に示すように、中央に透孔を有する環状に形成して放電ランプ11の側管15を通すことができるようにし、放電ランプ11の発光管部13や側管15を取り囲むようにして設置することを可能としている。
そして、この環状レンズ31の外縁面39と内縁面37は同心状の球面状として形成し、この環状レンズ31の前端とする前方側面35の断面形状を曲面とし、後端側の後方側面33を平面としている。

また、輝点後方に配置した球面リフレクタ21で反射され、後方側面33から環状レンズ31に入射されて前方側面35から射出されるように環状レンズ31を透過する光を、当該環状レンズ31の中心線方向へ収束させるように屈折させる曲面として前方側面35を形成しているものである。

このように、環状レンズ31はその内縁面37を球面状としているため、この曲面の曲率中心に発光管部13の輝点中心を位置させると、放電ランプ11から前方方向に射出された光が内縁面37から環状レンズ31に入射されるときに入射光を屈折させずに環状リングの外縁面39に照射することができる。そして、この外縁面39を、内縁面37と同一中心を有する球面とすると共に、この外縁面39を反射面としてレンズ反射面を形成しているものである。

従って、外縁面39の曲率中心に放電ランプ11の輝点を位置させることにより、放電ランプ11から前方に射出された光をその往路と同じ復路として反射することができる。
このようにして、放電ランプ11から輝点前方に配置した環状レンズ31に入射された光は、再び輝点に戻り、放電ランプ11の後方に配置した球面リフレクタ21に向けて射出することができる。

そして、放電ランプ11の輝点後方に配置した球面リフレクタ21により反射された光は、球面リフレクタ21の前方に配置された環状レンズ31の透過面である後方側面33から環状レンズ31に入射され、曲面とされた透過面である前方側面35を透過することで屈折し、射出光が一定の領域に集光するように屈折させられて所定の方向に射出されるものである。

このように、光源である放電ランプ11から前方に射出された光は、輝点前方に配置する環状レンズ31のレンズ反射面により光源に戻して後方へ射出して輝点後方の球面リフレクタ21に入射することができるため、輝点後方に配置する球面リフレクタ21に入射されない光を極めて少なくすることができる。

また、輝点後方の球面リフレクタ21は、内面を真円状とするものであるため、研磨制度を極めて容易に高めることができ、鏡面仕上げの精度を高くして高反射率のリフレクタとすることができる。

更に、環状レンズ31を用いて、輝点後方に配置した球面リフレクタ21の反射光を屈折させて環状レンズ31の前方で集光させることにより、リフレクタを従来のように楕円球状とする必要が無く、より製造設計の容易で且つ高精度に研磨可能である真円の球面状とする球面リフレクタ21を輝点後方に配置して反射光を環状レンズ31の前方に集光させることができる。

従って、光源装置10全体を小さいものとしながら、高効率の光源装置10を提供することができる。
なお、輝点前方に配置する環状レンズ31の球面状反射面とするレンズ反射面は、環状レンズ31の外縁面39でなく、環状レンズ31の内縁面37に形成することもある。

このように、内縁面37を球面状のレンズ反射面とする場合は、この内縁面37を半球形状とし、中央に側管15の外径に合わせた透孔を形成して内縁面37の曲率中心に輝点中心を位置させると、輝点中心から放電ランプ11の前方に射出される光の殆ど全てを放電ランプ11の後方に射出させるように反射することができる。

また、輝点後方に配置する球面リフレクタ21の周囲前端を輝点前方に配置する環状レンズ31の後方側面33に接触させるようにし、この接触面上に放電ランプ11の輝点中心を位置させることにより、放電ランプ11の輝点中心から後方に射出される光を漏らすことなく輝点後方の球面リフレクタ21で反射して輝点前方に配置する環状レンズ31に入射することができる。

従って、放電ランプ11の発する光を高い効率で環状レンズ31の前方側面35から射出することができる。
さらに、環状レンズ31としては、図４に示すように、内縁面37にレンズ反射面を形成し、外縁面39の形状を輝点後方の球面リフレクタ21よりも外方にはみ出す部分を取り除いた形とし、環状レンズ31における円周方向の直径をより小さくすることもある。

この輝点前方に配置する環状レンズ31は、図５および図６に示すように、その内縁面37の曲率中心に放電ランプ11の輝点中心を位置させることにより、放電ランプ11から前方に射出された光の殆ど全てをその往路と同じ復路として反射することができる。

このようにして、放電ランプ11から前方方向に射出された光は、再び光源に戻り、輝点の後方に位置する球面リフレクタ21に向けて射出され、輝点後方の球面リフレクタ21により反射された光は、輝点前方の環状レンズ31の透過面である後方側面33から環状レンズ31に入射され、環状レンズ31の内部を通過して次の透過面である前方側面35を透過するとき、この透過面が曲面とされているために射出光が一定の領域に集光するように屈折させられて所定の方向に射出されるものである。

なお、環状レンズ31の曲面とする透過面は、環状レンズ31の前端部の前方側面35のみでなく、図７に示すように、後端部の後方側面33も曲面として形成することもあり、これにより、射出光の屈折角を容易に調整して環状レンズ31の透過光を効果的に集光させることができる。

また、後方側面33を曲面の透過面とする場合は、放電ランプ11からの光を漏らさないようにしつつ、輝点前方に配置する環状レンズ31の後方側面33と輝点後方に配置する球面リフレクタ21の周囲前端との間に僅かな間隙を形成することもできる。

そして、この光源装置10を組み込むプロジェクタとしては、図８に示すように、平面形状が矩形状をなすプロジェクタケースの内部に、光源装置10と、前記光源装置10からの射出光を前記表示素子に入射させる光源側光学系と、複数の画素を行方向及び列方向にマトリクス状に配列し、入射した光の射出を制御して画像を表示する図示していない表示素子と、前記表示素子からの射出光をスクリーン等の投影面に投影する投影側光学系であるレンズ群59とを配置するものである。

なお、このプロジェクタ50は、その両側面及び後面と底面とを構成するケース本体と、上面パネルと、前面パネルとを有するものである。
また、投影側光学系のレンズ群59による投影方向を投影面に合わせるプロジェクタケースの姿勢調整は、プロジェクタ50の前足部材の突出高さを調整することにより行なうことができるようにしているものである。

一方、図に示さない表示素子は、カラーフィルターのような入射光を着色する手段を備えない表示素子であり、この実施例では、一般にＤＭＤと略称されるマイクロミラー表示素子（Digital Micromirror Device）を用いている。

このマイクロミラー表示素子は、その正面方向に対して一方向に傾いた入射方向から入射した光を、前記複数のマイクロミラーの傾き方向の切換えにより正面方向と斜め方向とに反射して画像を表示するものであり、一方の傾き方向に傾動されたマイクロミラーに入射した光をこのマイクロミラーにより正面方向に反射し、他方の傾き方向に傾動されたマイクロミラーに入射した光をこのマイクロミラーにより斜め方向に反射し、正面方向への反射による明表示と、斜め方向への反射による暗表示とにより画像を表示するものである。

また、光源装置10からの射出光をマイクロミラー表示素子に入射させる光源側光学系は、導光ロッド51や複数枚のレンズで構成するレンズ群53、及び、図示しないカラーホイールやミラーで構成している。
このカラーホイールは、光源装置10からの射出光を赤、緑、青の３色に順次着色するためのカラーフィルターを円周上に有するものであり、導光ロッド51は、光源装置10からの射出光の強度分布を均一にするためのものであって、カラーホイールにより着色された光の強度分布を均一とするものである

そして、カラーホイールは、扇状の赤、緑、青の３色のカラーフィルターが周方向に並べて設けられた回転板であり、その中心が光源装置10からの射出光の光路の側方に配置されたカラーホイール回転モータの回転軸に固定され、ホイール周方向の一部を光源装置10からの射出光の光路に介在させるように配置するものである。

また、導光ロッド51は、カラーホイールの射出側に入射面を対向させる位置として配置し、入射面から入射した光をロッド内周面の反射膜により反射しながら導いて射出面から均一な強度分布の光として射出するものである。

そして、光源側光学系の図示しないミラーは、光源装置10からの射出光の光軸に対して所定角度斜めに傾けて、光源装置10から射出され、導光ロッド51とカラーホイールと光源側レンズとを透過した光をマイクロミラー表示素子に向けて反射し、その反射光をマイクロミラー表示素子にその正面方向に対して一方の方向に傾いた方向から投射するものである。

また、投影側光学系は、固定鏡筒と、この固定鏡筒に係合され、回転操作により軸方向に進退移動される可動鏡筒とを備え、これらの鏡筒内にそれぞれ複数枚のレンズを組み合わせて構成されたズームレンズとして組み込む可変焦点レンズ群59である。

従って、このプロジェクタ50は、光源装置10から光を一方向に射出させ、光源側光学系のカラーホイールを高速で回転駆動させることにより、光源装置10から光源側光学系に入射した光を、カラーホイールにより赤、緑、青の３色に順次着色し、さらに導光ロッド51により強度分布を均一にして、光源側光学系としてのレンズ53及びミラーによりマイクロミラー表示素子に向けて投射するものである。

そして、赤色、緑色、青色の光の投射周期に同期させてマイクロミラー表示素子に赤、緑、青の単色画像データを順次書込むことにより、マイクロミラー表示素子に赤、緑、青の単色画像を順次形成させ、マイクロミラー表示素子から順次射出する赤、緑、青の単色画像光を、投影側光学系のレンズ群59により拡大して投影面に投影するものであり、投影面に、赤、緑、青の３色の単色画像が重なったフルカラー画像を表示するものである。

従って、小型高効率の光源装置10を組み込むことにより、プロジェクタ50も小型及び薄型とすることができるものである。
なお、本発明は、以上の実施例の形態に限定されるものでなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で自由に変更、改良が可能である。

本発明に係る光源装置を模式的に示す一部断面側面図である。 本発明に係る光源装置の構造を模式的に示した正面図である。 本発明に係る環状レンズを示す断面斜視図である。 本発明に係る他の環状レンズを示す断面斜視図である。 本発明に係る他の光源装置を模式的に示す一部断面側面図である。 本発明に係る他の光源装置の構造を模式的に示した正面図である。 本発明に係るその他の光源装置を模式的に示す一部断面側面図である。 本発明に係る光源装置を用いたプロジェクタを模式的に示した正面図である。

符号の説明

１０ 光源装置
１１ 放電ランプ １３ 発光管部
１５ 側管
２１ 球面リフレクタ
３１ 環状レンズ
３３ 後方側面 ３５ 前方側面
３７ 内縁面 ３９ 外縁面
５０ プロジェクタ
５１ 導光ロッド ５３ 光源側光学系レンズ群
５９ 投影側光学系レンズ群

Claims (8)

1. 照射方向を前方とする光源装置であって、光源としての放電ランプと、前記光源の輝点後方に配置されるリフレクタであって内面を真円球曲面とされた球面リフレクタと、前記光源の輝点前方に配置され、前記球面リフレクタで反射された光を透過させて所定の方向に射出する曲面とされた透過面を持つリング状の環状レンズとを有することを特徴とする光源装置。
2. 前記環状レンズは、光源の輝点を中心とする球面状の反射面をレンズ反射面として備えていることを特徴とする請求項１に記載した光源装置。
3. 前記球面状のレンズ反射面は、前記環状レンズの外縁面に形成されていることを特徴とする請求項２に記載した光源装置。
4. 前記球面状のレンズ反射面は、前記環状レンズの内縁面に形成されていることを特徴とする請求項２に記載した光源装置。
5. 前記環状レンズの曲面とされた透過面は、前記環状レンズの前方側面に形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れかに記載した光源装置。
6. 前記環状レンズの曲面とされた透過面は、前記環状レンズの前方側面及び後方側面に形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れかに記載した光源装置。
7. 前記輝点後方に配置する球面リフレクタの周縁前端は、前記環状レンズの後瑞に接触し、前記球面リフレクタと環状レンズとの接触面の平面上に光源の輝点が位置することを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れかに記載した光源装置。
8. 照射方向を前方とする光源装置、光源側光学系、表示素子、投影側光学系、更に、電源回路やプロジェクタ制御回路を備えたプロジェクタであって、
   前記光源装置は、請求項１乃至請求項７の何れかに記載した光源装置であること
   を特徴とするプロジェクタ。
   

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