JPH021818A - ライトバルブ投影装置 - Google Patents

ライトバルブ投影装置

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JPH021818A
JPH021818A JP63323775A JP32377588A JPH021818A JP H021818 A JPH021818 A JP H021818A JP 63323775 A JP63323775 A JP 63323775A JP 32377588 A JP32377588 A JP 32377588A JP H021818 A JPH021818 A JP H021818A
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は投影装置に関するもCであって、投影装置は少
なくとも、一個の光チャネルを備え、各チャネルは照明
装置と、前記照明装置により放射された光の経路に設け
た長方形変調装置と、前記変調装置の像を投影するため
の投影レンズとを備えている。
投影テレ1゛ジヨンに液晶デスプレイを使用する可能性
は十分に認められており、幾つかの装置が提示されてい
る。情報デスプレイ学会ダイジェストの1986年発行
の375−377頁にある論文において、セイコーエプ
ソンは照明サブ装置、照明サブ装置から放射された光の
経路に設けた変調装置、及び変調装置の像を投影する投
影レンズを含む投影システムを開示している。より特定
的に言えば、ハロゲンランプと球形反射体を備えて構成
される照明サブ装置は集光レンズを通して光を一組のグ
イクロイックミラーに投射する。グイクロイックミラー
は光を赤、青、緑成分に分解する。各ビーム成分は液晶
デスプレイ(LCD )の形をとるそれぞれの変調装置
に衝突する。2色性プリズムは3個の単色の像を単一の
カラー画像に結合し、カラー画像と投影レンズによりス
クリーンに投影される。論文はその装置がコンパクト、
低コスト、及び輝きの利点を提供すると説明している。
そうは言っても、装置の総集光効率は尚1%より小さい
即ち、タングステンハロゲン化ランプは8800ルーメ
ンを発生するが、投影スクリーンに到達するのは「0ル
ーメンより少ない。この低効率は主に次の事実に因る。
それは、光線のほんの小さな割合のみが集光され、変調
装置と投影レンズの入射瞳の方に方向ずけられるという
事実による。
従来型の照明装置について更に説明するのは有用である
。よく知られていることであるが、放物線の焦点に点光
源を有する放物線反射体は規準された光ビームを出し、
従って潜在的に高集光効率である。しかし、ランプは有
限の寸法の光源であって、放物線反射体の出射開口にお
ける偏角は大きくなる。たとえ、非常に小さいランプを
使用したとしても、焦点から僅かに動いても偏角は付加
される。更に、ライトパルプと従って反射体が小さいと
、存限の外被寸法のためランプを焦点に位置決めするの
は不可能である。もっと効率の良い屈折レンズ集光装置
もそれほど効率的でなく(その効率が典型的には43%
より小さく)、かつ偏角を制限するために高価な複数素
子レンズを必要とする。これらの屈折レンズ集光装置に
おいて、ランプの外被寸法はそれほど重要でない。
更に、放物線反射体又は屈折レンズ集光装置のいずれか
をTV映像用LCDのような長方形ライトバルブと共に
使用したとき゛′充満因子(Fill Factor)
”が更に効率を小さくする。例えば、4対3のアスペク
トレシオを有するLCDでは、光ビームを表示する境界
円の61%のみがLCDにより充満される。
高精細度テレビジョンに対して提示されている5、33
対3のアスペクトレシオでは、充満因子は唯の54%で
ある。
前述のことから次のことが明らかである。それは、より
効率の良い照明システム、即ちランプのルーメン出力の
割合として反射体の出射部で遥かに大きいルーメン出力
を有する装置を持つことは望ましいことである。全体と
して装置の効率を改善するために、それはランプのルー
メン出力の割合として投影スクリーンでの光束であるが
、照明装置により放射された光の最大偏角を最小に保持
するのは同じ(必要である。広い開口のF/2.0投影
レンズでは、最大偏角は15°である。最後に、LCD
0形で長方形ライトバルブを使用することもできるし、
100%充満因子を持つことは望ましいことである。照
明装置はLCDの形状に対応する長方形出射開口を有す
るべきである。
本発明は次の特徴を有する照明装置を提供することであ
る。その特徴とは、照明装置は非結像性反射体を備え、
この非結像性反射体は入射開口と、長方形出射開口とX
YZ座標軸系の中心軸Z軸とを備え、照明装置は更に非
結像反射体の外側に位置する光源を備え、かつ少なくと
もほぼ均質に変調装置を照明するためにその入射開口を
照明し、非結像反射体は次の関係、 piXllisinθ1x=Daxnos1nθox及
びD4.n1sinθi y=D OY n OS 1
 nθoyここで、DfxとDiyは前記入射開口の寸
法であり、θ、やとθ、yは最大入射角であり、Dox
とり。yは出射開口の寸法であり、θ。つとθ。、は最
大出射角であり、niは前記入射開口での屈折率であり
、並びにnoは前記出射開口での屈折率である、関係を
満足する。
ソーラーエネルギーの利用において、太陽光線を効率的
に集光する為に非結像性光学系を使用するのは既知であ
る。例えば、アカデミツク プレスにより1978年に
発行されたウェルフォードとウィンストンによる共著の
“ノン イメイジングコンセントレータの光学”  (
”The 0ptics of NonImaging
 Concentrators  、 Welford
 and Winston+Academic Pre
ss、 197B)を参照せよ。典型的非結像性コンセ
ントレータは入射開口と、小さな出口開口と、その間に
延在する対向側壁とを有するトラフ形状の反射体である
。予め設定した角度を越えて入射開口を通じて受は取ら
れた入射エネルギーのほぼ全部がエネルギー受容体にあ
る側壁、により反射される。エネルギー受容体には反射
体の外側に位置し出射開口に隣接する光起電力セル又は
流体の入った管等がある。このようなコンセントレータ
は米国特許第4.003.63Bに開示されている。
この特許はトラフ状の反射体を教示する。同反射体は複
合放物線形状の断面を有し、即ち各側壁は出口開口にあ
る対向側壁にその焦点を有する放物線の一部として構成
されている。
本発明は次のことを認識している。非結像性反射体はソ
ーラーエネルギーのコンセントレータにおいて従来主に
使用してきたが、光投影装置に対しても理想的である。
光投影装置はコンセントレータの入射開口に相当する出
射開口を又その反対を有する集光体を有する。このよう
な集光体の出射開口での光の偏角には十分に定義された
限界値がある。それは、丁度コンセントレータにおける
入射が十分に定義された分野であるように、集光体は、
投影装置で使用したとき効率を最大にすることが可能で
あるように、偏角を最小にするために、与えられたラン
プと関連して指定される。普通そうであるように、変調
装置の寸法が予め決められている場合、出射開口は反射
体の形状を決定する。
本発明の好適実施例によると、入射開口は同しように少
なくともほぼ長方形で、各開口の平行な縁部の各組は他
の開口の平行な縁部の組に平行である。これにより反射
体の構成が可能となり、出射開口は長方形ライトバルブ
の形状と一致し、充満因子は100%である。好適には
、開口の最大幅の寸法を横切る平行縁部に直交する反射
体の中心軸を通る断面は複合放物線である。反射体の長
さ、入射開口の寸法、及び側壁の輪郭は所望の偏角に対
して数学的に決定される。しかし、幅狭い寸法を横切っ
て入射開口から出射開口に延在する最適の複合放物線を
得ることは可能ではない。輪郭を変形することはできる
が、こうすると偏角が増大する。
更に、好適実施例によると、開口の最も幅狭の寸法を横
切って中心軸を通る断面は複合放物線と出射開口に隣接
する平行境界面とを備える。複合放物線は入射開口と平
行境界面との間に延在する。
最も幅狭の寸法における出射開口のこの延長は偏角を変
更するのには役に立たないが、内部反射の数を増大する
。従って長方形出射開口の各寸法を横切る、予め設定し
た偏角を維持することは可能である。本発明の好適実施
例についての改変例によると、出射開口は平行境界面に
より最小幅と最大幅の双方で延長される。
効率のためには、光源は2次元の出射開口を有するべき
である。好適実施例では、これは非結像性反射体の入射
開口と一致する出射開口を有する反射式集光体にあるラ
ンプにより実現される。集光体は非結像性反射体であっ
てもよいし、なくてもよい。このような光源は光源の周
りに反射式集光体を有するアーク燈を使用して実現する
ことができる。そこから出る光線の総ては、90°に上
る偏角でも、予め設定した偏角内で非結像性反射体の出
射開口から出る。別の可能性として陰極線管のような平
らな燐光物質系ランプがある。
本発明の投影装置はカラーテレビジョンの投影装置にお
いて大いに利用される。この投影装置は3個の非結像性
反射体と好適実施例について前述した3個の光源を有す
る。ランプは可視スペクトルの赤、青、及び縁部分にス
ペクトル的に同調されている。かつそれぞれの変調装置
は出射開口に直に隣接して配置されている長方形ライト
バルブである。更に、装置は投影手段により投影の為の
ライトバルブの像を結合する手段を有する。好適結合手
段は、スペクトル的に広域に同調されているランプの場
合、カラーテレビジョン カメラに対して既知の種類の
2色性プリズム装置である。
例えば、フィリップス技術レビュー24巻1962/6
3゜第9号記載のラングとプーライス共著のパカラーテ
レビジョン カメラの色分解”(“Co1ourSep
aration in Co1our−Televis
ion CameraLang and Bousnh
uis、 Ph1lip Techical Revi
ew。
Volume 24.1962/63.  Nα9)を
参照せよ、装置が出射開口で最大偏角15°で構成され
る場合、投影手段はF/2.0レンズである。
本発明の別の実施例では、1個の非結像性反射体と1個
の白色光光源がグイクロイックミラーと中間レンズとを
使用する既知の色分解方法と関連して使用されている。
添付図面を参照して本発明を以下に説明する。
第1図を参照して、本発明に係る理論を説明する。投影
装置の集光光学系は大きい範囲の入射角2θ1を有する
寸法D8の入射開口12を通って光源2から来る光線を
集光する。目的は小さな範囲の出射角2θ。を有する寸
法り。の大きい出射開口20を均等に照明することであ
る。エネルギーの損失がない理想的な場合、集光器に流
入するエネルギーは集光器から流出する。これは、光ビ
ームに障害物がなく、かつ伝導、吸収、後方散乱による
損失がない場合に生ずる。この場合、開口20に隣接し
たライトバルブ26が光源2のエネルギーの全てを受は
取る。
いずれの光学系のラグランジェ不変量、すなわちエタン
デュも伝播の方向に直交する光ビームの面積と光ビーム
が伸びる立体角との積として定義されている(前記の“
′非結像性コンセントレータの光学” (The 0p
tics of Non Imaging Conce
ntrators)を参照せよ)。従って、面積へ、を
有する入射開口と面積へ〇を有する出射開口とを有する
集光器については、次の関係を満足するとき、エタンデ
ュが保存される。
ΔiniΩi−八〇nOΩ。
へこで、Ω、とΩ。は夫々入射ビームと出射ビームの立
体角を表わし、ni とn。は夫々入射空間及び出射空
間の屈折率を表わす。
第1図に示すように、−次元系では、 JnIsinθi ” Don6S jnθ0回転対称
系では、 (D i n i S 1 nθi) ” = (Do
noStnθ。)2ここで、D、とDoは入射開口と放
射開口の直径である。
同様に、入射開口と出射開口が、長方形であれば、エタ
ンデュは次の場合に保存される。すなわち、 ni”DixDiys!nθHXsinθty=no”
DoxDoy!!inθ。X5inθoyここで、開口
の寸法はDiX+ D正アとooxl ooyで表示さ
れ、入射角はθiX+  θ、y、出射角はθox゜θ
。アで与えられている。
長方形入射及び出射角のアスペクトレシオが等しいなら
ば、 niDigslnθ1x=noDoXs1nθoxni
D(ys1nθ1y=noDaysinθoyD=x=
DaxSinθo11 Diy=DaySinθoy 光源2の出口孔が、集光器の入射開口12と一致しく 
DIx= Dixかつ貼F= Diy) 、かつ集光器
の出射開口20とライトパルプ2Gと一致するとき(D
O。
=DVXかつD o y = D vy )D+x=D
vxSinθ6X D+y=DvySlnθ。ア 第2A図及び第2B図を参照すると、最大集光効率をあ
げかつエタンデュが保存されるX、Y2次元の各々に対
する反射体形状は複合放物線状反射器である。その形状
は次の要求により決定される。
その要求とは、最大角θ。を有する出射開口からでる全
ての光線は入射開口の対向する縁部から発出するように
するというものである。第2八図に示すように、これは
方向θ。に平行な軸を有し、かつ対向する縁部にその焦
点Fを有する放物線形状により実現される。第2B図に
示すように、回転対称放物線反射器は反射器の軸の周り
に放物線を回転させることにより得ることができる(放
物線の軸の周りではない)。第2B図の複合放物線は一
次元反射器(米国特許4,003,638にあるトラフ
のように)又′は長方形反射器の各次元の断面を表示し
ている。
本発明に係る投影装置の好適実施例においては、第4図
に部分的に図解されているように、照明サブ装置10は
2個の直交した複合放物線反射体形状を使用している。
そのため、出射開口20で反射器を出る光線が鮮明に輪
郭を付けて分布されながら最大限の集光が達成されてい
る。光源はこの反射器の要求に合致するようにできてい
る。このようなサブ装置を断面で見ると、光源2は反射
器の入射開口と一致する2次元開口から光線を発出する
反射器10の入射開口12に入る光はほぼ±θox.θ
oyより大きい角分布を有するべきである。そうすれば
、出射開口20の均等な照明をすることができる。
好適には、θi、θ、yは±75°に制限される。それ
は、フレネル損失がこの値を越すと急激に増大するから
である。“光学の基礎(Funclametals o
fOptics) ”ジエンキンスとホワイト(Jen
kins andWhite )の共著、マグロ−ヒル
(McGraw−Hill )(1976年)の525
頁を参照せよ。反射集光器7は現実の光源の近辺に設け
られている。光源は一般にl mmの直径のアーク5を
有し、電極4間の長さが3−6 mmであるハロゲン化
金属ランプである。
ランプ2の外被6の内側、又はその上に、又はその外側
に反射表面7を設けてもこれは実現できる。
更に、第4図を参照すると、光源2の出口開口12の最
大寸法は照明されるライトバルブの寸法とθox及びθ
。、に対する最大許容値により決定される(第2図では
共通してθ。で表示されている)。
幅広開口であるP/2.0投影レンズは、赤、緑、及び
青チャネルに対する特別な色結合又は分解装置と組合せ
たとき、テレビジョン信号に対して秀れた性能を発揮す
ることができる。上記の゛カラーテレビジョン カメラ
の色分解(Color 5eparationin C
o1or Te1evision Cameras )
 ”を参照せよ。
F/2.0レンズはθ。=θoX=θ。、=土工5″空
気中に相当する。
アスペクトレシオが4:3である長方形ライトバルブを
使用し、ライトバルブが反射器lOの出射開口20と一
致し、かつF/2.0 レンズを使用すると、ランプの
出口開口の所要対角線長貼′とライトバルブの対角線長
Dv′は Dl’ =Dv’ 5tn15°=、259Dv’これ
は上に導いたようにエタンデュに由来し、第3図にプロ
ットされる。典型的ライトバルブ対角線長は48mm 
(1,8in)であるから、これは次の事を要求する。
すなわち、光源の出口開口の対角線長は、エネルギー損
失を最小限にするためには、すなわちエタンデュが保存
されるには12mmであるべきである。
第4図を再び参照すると、非結像性反射器10は開口1
2と20の直交する次元の最大寸法を横断して中心軸1
8を通る断面を有する。それは反射器の対向する側壁1
5により境界が付される複合放物線である。これはXZ
平面である。開口12.20の寸法の最小寸法を横断し
て中心軸18を通る断面は対向する側壁17により境界
が付けられる。これはYZ平面である。しかし、15°
出射角に必要な複合放物線の形状は、開口12.20の
間でそれを含めて延在する複合放物線によりこの部分で
実現されることはできない。それは、長さがXZ平面に
おける複合放物線反射器の長さより小さくなるからであ
る。この問題は側壁17を出射開口20に向って平行に
延在させることにより容易に解決される。これにより出
射角θ。を大きくすることなく反射機能が追加されるこ
とになる。出射開口20の寸法を大きくすることなく、
より長い反射器が所望の場合、側壁15を同じく平行に
延長し、本質的に光の管を形成する。
反射器10を誘電体で充填することもでき、かつランプ
の外被に光学的に連結させることもできる。
こうすると、光源出射開口12の外被/空気境界面での
全内部反射(TIR)により発生する損失を排除する。
出射開口20で、角度は臨界角より小さくしである。そ
うすれば、TIRは発生しない。高い反射効果を有する
コーティングを反射器10の選定した部品に施すことも
できる。そうすれば、小さな入射角で入射開口12に接
近する光線に対してTIRが存在しないために生ずる損
失を減少させることができる。反射器10は相互の光学
的連結を有する2個の部品からなる。第1の部品はラン
プ外被6に付着し、かつ耐高温性にするため石英で作ら
れている。第2の部品は低コストの材料である。勿論、
誘電体で充填された反射器は次の式で与えられる角θ。
′を有するように構成されなければならない。
sinθ。 =(sinθo)/nc ここでncは誘電体の屈折率である。
照明装置が出射開口20において輝度分布を変化させる
手段を含むこともできる。この手段には、拡散体及び追
加反射面、又はレンズ等がある。
第5図は第4図に示す種類のランプ/反射器装置を3個
有するカラーテレビジョン装置を示す。
3個のランプ30.40.50は夫々縁、赤、及び青チ
ャネルに同調されている。光の集光は屈折ではなく反射
に基づいているので、ライトバルブ36.46゜56を
照明する反射器34.44.54は同一のものにするこ
とができる。プリズム3B、 48.58は前記参照し
た本にあるフィリップスカラー組合せプリズム系を備え
、これは空気において±15’の角度を許容することが
できる。集合システムとF/2.0投影レンズ60の双
方がこの角度に対し適合するように構成されている。各
緑、赤、及び青の光ビームの中心軸32.42.52が
示されている。
反射器と関連したランプを例として説明したが、他の光
源でも可能である。例えば、反射器の入射開口と一致す
るスクリーンを有する陰極線管は本発明を実施するに適
当な均一性と強さを提供することができる。同じく、複
合放物線以外の他の型式の非結像性反射器を使用するこ
ともできる。各型式の非結像性反射器はそれ自身特有の
特性を有する。例えば、出射開口の均一照明が所望のと
き、複合放物線形状は特に適する。変調装置が出射開口
にあるときの場合がこれに相当する。しかし、非結像性
反射器の中には、より遠隔の平面でほぼ均質の照明を行
うことができる。複合長方形反射器は、例えば出射開口
から遠い平らな場所をほぼ均質に照明することができる
。だから、変調装置が出射開口から遠い場合に、それは
適当すると云える。
上記の記載は説明のためのもので、特許請求の範囲を制
限するものではない。
【図面の簡単な説明】
第1図は光集光器の入射及び出射開口の図解図、第2A
図は放物線の一部の図解図、 第2B図は対応する複合放物線の図解図、第3図は光源
の出口開口の対角線長と理想的集光器のライトバルブの
対角線長を対比したプロット、 第4図は本発明に係るライトバルブ照明装置の一実施例
の図解的斜視図、 第5図は3個の光源を有するカラー投影装置の図解的平
面図である。 2・・・光源 4・・・電極 5・・・アーク 6・・・外被 7・・・集光器 10・・・反射器、照明サブ装置 12・・・入射開口 15・・・側壁 17・・・側壁 18・・・中心軸 20・・・出射開口 26・・・ライトバルブ 30、40.50・・・ランプ 32、42.52・・・中心軸 34、44.54・・・反射器 36、46.56・・・ライトバルブ 38、48.58・・・プリズム 60・・・投影レンズ

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、少なくとも、一個の光チャネルを備え、各チャネル
    は照明装置と、前記照明装置により放射される光の経路
    に設けた長方形変調装置と、前記変調装置の像を投影す
    るための投影レンズとを備えた、投影装置において、前
    記照明装置は非結像性反射体を備え、この非結像性反射
    体は入射開口と、長方形出射開口と、中心Z軸とを備え
    、前記照明装置は更に前記非結像性反射体の外側に位置
    する光源を備え、かつ少なくともほぼ均質に前記変調装
    置を照明するためにその入射開口を照明し、前記非結像
    性反射体は次の関係、 D_i_xn_isinθ_i_x=D_o_xn_o
    sinθ_o_x及びD_i_yn_isinθ_i_
    y=D_o_yn_osinθ_o_yここで、D_i
    _xとD_i_yは前記入射開口の寸法であり、θ_i
    _xとθ_i_yは最大入射角であり、D_o_xとD
    _o_yは出射開口の寸法であり、θ_o_xとθ_o
    _yは最大出射角であり、n_iは前記入射開口での屈
    折率であり、並びにn_oは前記出射開口での屈折率で
    ある、関係を満足する、投影装置。 2、前記入射開口は少なくともほぼ長方形で、前記入射
    開口は3次元座標系(XYZ)のXY平面を形成し、各
    開口の平行な縁部の各組は他の開口の一組の縁部に平行
    である、ことを特徴とする請求項1に記載の投影装置。 3、XZ平面における前記反射体の断面は前記長方形開
    口の直交する寸法のうち最大幅のものを横切り、かつ複
    合放物線を備える、ことを特徴とする請求項2に記載の
    投影装置。4、XZ平面における前記反射体の断面は同
    じく複合放物線を備え、かつ更に前記出射開口に隣接す
    る平行境界面を備え、YZ平面における前記断面の前記
    複合放物線は前記入射開口と前記平行平面との間に延在
    する、ことを特徴とする請求項3に記載の投影装置。 5、前記光源は反射式集光器を備え、この反射式集光器
    はそこにランプを備え、かつ前記非結像性反射体の前記
    入射開口と一致する出射開口を有する、ことを特徴とす
    る請求項1から4のうちいずれか1項に記載の投影装置
    。 6、前記出射開口から出る光の偏角は15°より小か又
    は15°に等しいことを特徴とする請求項1から5のう
    ちいずれか1項に記載の投影装置。 7、前記変調装置は前記出射開口に直くに隣接し、前記
    出射開口は少なくともほぼ均一に照明されることを特徴
    とする請求項1から6のうちいずれか1項に記載の投影
    装置。 8、色彩付像の投影用であって、3個の光チャネルを備
    え、各チャネルは赤、緑及び青の原色の一つに対するも
    のである、請求項1から7のうちいずれか1項に記載の
    投影装置において、3個のチャネルの変調装置の像を1
    個の共通の投影レンズにより結合する手段を特徴とする
    投影装置。 9、前記変調装置の像を結合する前記手段は2色性プリ
    ズム装置を備えることを特徴とする請求項8に記載の投
    影装置。 10、前記光チャネルの各々は反射式集光器を備える別
    個の光源を有し、この反射式集光器はそこにランプを有
    し、かつ前記非結像性反射体の前記入射開口と一致する
    出射開口を有し、前記ランプは可視スペクトルの赤、青
    及び縁部分にそれぞれスペクトル的に同調している、こ
    とを特徴とする請求項8又は9に記載の投影装置。 11、前記投影レンズはF/2投影レンズであることを
    特徴とする請求項1から10のうちいずれか1項に記載
    の投影装置。
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