JPH0534824A

JPH0534824A - 照明装置

Info

Publication number: JPH0534824A
Application number: JP3193912A
Authority: JP
Inventors: Teruaki Shigeta; 照明重田; Takeshi Nishiura; 毅西浦
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1991-08-02
Filing date: 1991-08-02
Publication date: 1993-02-12
Anticipated expiration: 2014-08-25
Also published as: JP2940241B2

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明は光源および反射鏡から照射される光
ビームの径と光量分布および色むらを効率よく制御する
照明装置に関するもので、光源と反射鏡の前部に配置し
た、直円錐台状の全反射鏡と直円錐状の半透過鏡からな
る配光制御部材に、光源と反射鏡からの光ビームを入射
させ、光ビームを直円錐状の半透過鏡と直円錐台状の全
反射鏡で２光路に分割・拡大させることにより、光源と
反射鏡を小さくしたままで、被照射面（液晶）を均一に
かつ効率よく照明するとともに、照明装置を小型化する
ことを目的とする。【構成】光源８と、光源８からの光を集光する反射鏡
９と、前記光源８からの直射光および前記反射鏡９から
の反射光の、光ビーム径と光量分布および色むらを制御
する直円錐台状全反射鏡１０と直円錐状半透過鏡１１と
を組み合わせた配光制御部材１２とから構成し、直円錐
台状全反射鏡１０を直円錐状半透過鏡１１の外周に配置
し、かつ直円錐台状全反射鏡１０の上底と直円錐状半透
過鏡１１の頂部を、光源８と反射鏡９の側に配置する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光源および反射鏡から
照射される光のうち、平行光ビームの径と光量分布およ
び色むらを効率よく制御する照明装置に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】以下に、従来の照明装置について説明す
る。

【０００３】従来、液晶パネルの背面から光を照射し、
その液晶パネルに提示される画像を投写光学系により拡
大投写する液晶投写形画像表示装置などにおいては、液
晶パネルに光を照射するための照明装置の性能として、
液晶パネルの光入射角度特性の関係から、液晶パネルの
各画素に対して垂直方向、すなわちできるだけ平行な光
を照射できることが要求される。

【０００４】この目的を達する照明装置として、（１）
図８に示すように点状の光源１（例えば、ハロゲン電球
やメタルハライドランプあるいはショートアークタイプ
のキセノンランプなど）と、光軸に対する断面形状が放
物面で光源１を一部包囲するように配置した放物面反射
鏡２とを組み合わせて、放物面反射鏡２の焦点位置Ａに
前記光源１を配置し、光源１からの照射光の一部を放物
面反射鏡２により反射させることにより、液晶パネルな
どの被照射面３に平行光を照射する照明装置，（２）図
９に示すように光源１と、光軸に対する断面形状が円弧
面で光源１の一部を包囲する円弧面反射鏡４および正レ
ンズ（凸レンズ）５とを組み合わせて、円弧面反射鏡４
の焦点と正レンズ５の焦点とが同一になる焦点位置Ｂに
前記光源１を配置し、光源１からの照射光の一部を円弧
面反射鏡４により反射させ、焦点位置Ｂを通過させた
後、光源１からの残りの照射光とを合成して正レンズ５
に入射させることにより、被照射面３に平行光を照射す
る照明装置（特公昭５９−４２４０４号公報），
（３）図１０に示すように光源１と、光軸に対する断面
形状が楕円面で光源１の一部を包囲する楕円面反射鏡６
および正レンズ７とを組み合わせて、楕円面反射鏡６の
一方の焦点位置Ｃに前記光源１を配置し、光源１からの
照射光の一部を楕円面反射鏡６により反射・集光させ、
その光を楕円面反射鏡６の他方の焦点と正レンズ７の焦
点とが同一になる焦点位置Ｄを通過させた後、正レンズ
７に入射させることにより、被照射面３に平行光を照射
する照明装置（特公平１−２５０４６号公報），など
が知られており、いずれの照明装置も２次曲面からなる
反射鏡の焦点またはその近傍（略焦点）に光源を配置
し、光源から照射される光の一部を、反射鏡により被照
射面に直接照射するか、反射鏡と正レンズを組み合わせ
て被照射面に照射するもので、光源からの照射光を反射
鏡や正レンズなどにより、効率よく集光する照明装置で
ある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】現状の液晶投写形画像
表示装置には、対角線長さにして約３インチ（約７．６
ｃｍ）前後の液晶パネルが用いられている場合が多い。
この液晶パネルの全面を効率よく照明するために照明装
置から照射される平行光の大きさ（光ビーム径）は、少
なくとも液晶パネルの大きさと同等か、もしくはそれ以
上にする必要がある。

【０００６】このように、前記従来の照明装置におい
て、照明装置から照射される光ビームは、被照射面３の
大きさに合わせてその光ビーム径を設定する必要があ
る。

【０００７】一方、照明装置に用いる光源の光束を、で
きるだけ効率よく液晶パネル（被照射面）に照射させる
ためには、照明装置の集光光学系を構成する反射鏡や凹
凸レンズなどの光学部品の口径をできるだけ大きくする
必要がある。

【０００８】このため、例えば、光源１が大きく被照射
面３が小さいという条件の場合、光ビーム径を整合させ
るとともに、光ビームの利用効率を低下させないため
に、反射鏡やレンズの口径を大きくしたままで、光ビー
ム径を縮小させることが必要となり、これが照明装置や
投写光学系の小形化を阻害する要因となっている。

【０００９】この課題を解決する方法として、光ビーム
径を変化させることが試みられている（例えば、特公平
１−２５０４６号公報，特開平２−３０４５１７号
公報，特開平２−３０４５１８号公報など）。

【００１０】これらの方法は、いずれも光ビーム径を変
化させるために、円錐状凸面と円錐状凹面からなる円錐
状屈曲部材を用いたり、凸レンズと凹レンズとを組み合
わせたりすることにより実現している。このため、光ビ
ーム径を小さくしても、それを実現する光学部品は大き
くなり、かつ反射面の面精度が要求されるだけでなく、
必然的に重量も増加するという課題があった。また光ビ
ーム径を逆に大きくする場合でも、前記と同様の円錐状
屈曲部材や凸レンズおよび凹レンズを用いるため、同じ
課題を有していた。

【００１１】また、光源１には、一般的にハロゲン電球
やメタルハライドランプあるいはショートアークタイプ
のキセノンランプなどを用いることから、被照射面３に
は可視光のほか、紫外線や赤外線も一緒に照射されるた
め、被照射面３に配置される液晶パネルなどに対し、そ
れらによる障害（特性の劣化や損傷など）を与える恐れ
があった。このように、前記の方法では光ビーム径を変
化させることができても、赤外域の波長光や紫外域の波
長光による被照射面への障害の除去に対応できていない
のが実情であった。

【００１２】

【課題を解決するための手段】前記、従来の課題を解決
し、その目的を達成するために本発明の照明装置は、光
源と、前記光源を一部包囲し、前記光源からの光を集光
する反射鏡と、前記光源からの直射光および前記反射鏡
からの反射光の、光ビーム径と光量分布および色むらを
制御する配光制御部材とを備え、前記配光制御部材を直
円錐台状の全反射鏡と直円錐状の半透過鏡とを組み合わ
せた構成とする、または直円錐台状の半透過鏡と直円錐
状の半透過鏡とを組み合わせた構成とすることにより、
光源と光源を一部包囲する反射鏡の大きさを小さくしま
まで、配光制御部材により光ビーム径を拡大して被照射
面に照射するとともに、配光制御部材に波長選択特性を
持たせることにより、光ビームに含まれる可視光と紫外
線および赤外線とを分離して被照射面（液晶パネル面）
に可視光のみを照射させることである。

【００１３】

【作用】この構成による本発明の作用は次のようにな
る。（１）光源と、光源を一部包囲し、光源からの光を集光
する反射鏡と、光源からの直射光および反射鏡からの反
射光の、光ビーム径と光量分布を制御する配光制御部材
とから構成し、前記配光制御部材を直円錐台状の全反射
鏡と直円錐状の半透過鏡とし、かつ直円錐台状の全反射
鏡を直円錐状の半透過鏡の外周に配置するとともに、直
円錐台状の全反射鏡の上底と直円錐状の半透過鏡の頂部
を、いずれも光源と反射鏡の側に配置する。この配光制
御部材に光源と反射鏡からの光ビームを入射させること
により、光ビームを直円錐状の半透過鏡と直円錐台状の
全反射鏡で２光路に分割・拡大させることができるた
め、光源と反射鏡を小さくしたままで、被照射面（液
晶）を均一にかつ効率よく照明することができ、かつ照
明装置を小型化できる。（２）配光制御部材を直円錐台状の半透過鏡と直円錐状
の半透過鏡とから構成し、直円錐台状の半透過鏡を、直
円錐状の半透過鏡の外周に配置するとともに、直円錐台
状の半透過鏡の上底と直円錐状の半透過鏡の頂部を、い
ずれも光源および光源を一部包囲する反射鏡の側に配置
する。この配光制御部材に波長選択特性を持たせ、直円
錐台状の半透過鏡が可視光を反射させ、紫外線と赤外線
を透過させるとともに、直円錐状の半透過鏡が可視光の
一部を透過させ、可視光の残りと紫外線と赤外線を反射
させることにより、光源と反射鏡から照射される光ビー
ムのうち可視光のみを被照射面に照射させることができ
るため、被照射面に紫外線や赤外線による障害を与える
ことがない。また、前記配光制御部材の波長選択特性を
制御することにより、光源および反射鏡から照射される
光ビームの色むらを制御することができるため、被照射
面に色むらのない光ビームを照射させることができる。（３）配光制御部材に、部分的に光透過量を制限する特
性を持たせ、これを制御することにより、光源および反
射鏡から照射される光ビームの光量分布を制御すること
ができるため、被照射面に光量むらのない均一な光ビー
ムを照射することができる。

【００１４】

【実施例】以下、本発明の第１の実施例について、添付
図面にもとづいて説明する。

【００１５】図１は本発明の照明装置の一部断面構成を
示す斜視図、図２は同じく本発明の照明装置の概略構成
を示す断面図である。図１および図２において、８は発
光部分が点状でかつ小形の光源（メタルハライドラン
プ）で、この光源８を一部包囲するようにして、内面
（反射面）の形状が放物面である反射鏡９を配置してい
る。この光源８および反射鏡９からは、平行光（以後、
本発明においてこの平行光を光ビームと呼ぶ）が照射さ
れるようになっている。この光ビームの照射光路の途中
に、断面形状が直円錐台で、内面が鏡面性を有するアル
ミニウム板からなる全反射鏡１０（以後、本発明におい
てこれを直円錐台状全反射鏡１０と呼ぶ）と、断面形状
が直円錐で、表面に多層干渉膜を蒸着した光透過性ガラ
ス板からなる半透過鏡１１（以後、本発明においてこれ
を直円錐状半透過鏡１１と呼ぶ）とを組み合わせた配光
制御部材１２が配置されており、光源８および反射鏡９
からの光ビームは、配光制御部材１２を通過後に、液晶
パネルなどの被照射面１３に照射される。さらに、前記
配光制御部材１２を構成する直円錐台状全反射鏡１０は
直円錐状半透過鏡１１の外周に配置しており、かつ直円
錐台状全反射鏡１０の上底と直円錐状半透過鏡１１の頂
部とを、光源８および反射鏡９の側に配置した構成とし
ている。

【００１６】このような構成において、光ビーム径を拡
大する原理を次に説明する。図１および図２において、
光源８および反射鏡９から照射される光ビームａ１およ
びａ２は、配光制御部材１２に入射すると、直円錐状半
透過鏡１１により直進方向（透過側）の光ビームｂ１お
よびｂ２と、直角方向（反射側）の光ビームｃ１および
ｃ２の２方向の光ビームに分割される。ここで直進方向
の光ビームｂ１およびｂ２はそのまま被照射面１３に照
射され、直角方向の光ビームｃ１およびｃ２は直円錐台
状全反射鏡１０により再度光路を折り曲げられた後、被
照射面１３に照射される。

【００１７】ここで、直円錐状半透過鏡１１は図３に示
すように、近紫外線〜可視光〜近赤外線の波長域におい
て、光の透過率と反射率がほぼ５０％ずつの分光透過お
よび分光反射特性を持たせており、これにより被照射面
１３に照射される光ビームｂ１およびｂ２と、光ビーム
ｃ１およびｃ２との光量比をほぼ１：１としている。

【００１８】以上の原理により、光源８および反射鏡９
から照射される光ビームａ１およびａ２を、光ビームｂ
１およびｂ２とｃ１およびｃ２に拡大することができ、
かつ被照射面１３の光量分布を均一にすることができ
る。さらに、光源８および反射鏡９を小さくできること
から照明装置を小型化できる。

【００１９】なお、第１の実施例において、直円錐台状
全反射鏡１０の反射面の一部を切除または変形すること
により、被照射面１３が正方形だけでなく長方形やその
他の形状であってもその形状に合わせて光ビームを照射
することにより、任意の照射範囲を設定することができ
る。

【００２０】次に、本発明の第２の実施例について、添
付図面にもとづいて説明する。図４は本発明の照明装置
の概略構成を示す断面図である。図４において、構成す
る部品の基本的な位置関係と名称は先に述べた第１の実
施例と同様であり、本実施例においてはその説明を省略
する。

【００２１】第２の実施例において、第１の実施例と異
なるのは、（１）配光制御部材１４を構成する光学部品
のうち、直円錐台状半透過鏡１５に、光源８から照射さ
れる光ビームのうち、可視光のみを反射させ、紫外線と
赤外線を透過させる特性を持たせていること，（２）配
光制御部材１４を構成する光学部品のうち、直円錐状半
透過鏡１６に、光源８から照射される光ビームのうち、
可視光の一部を透過させ、可視光の残りと紫外線と赤外
線を反射させる特性を持たせていること，である。

【００２２】ここで、光源８に用いたメタルハライドラ
ンプは、その分光パワー分布特性として図５に示すよう
に、近紫外線〜可視光〜近赤外線の幅広い波長域の光を
放射（照射）する特性を持っている（例えば、照明学会
編ライティングハンドブックｐ．１４５〜ｐ．１４
８，ｐ．１５２〜ｐ．１５３など）。

【００２３】このため、この光源８を液晶投写形画像表
示装置の照明装置に組み込む場合には、当然のことなが
ら、被照射面１３である液晶パネルには前記の幅広い波
長域の光が照射されることになり、特に紫外線や赤外線
により、液晶パネルの画像表示特性を劣化させたり損傷
を与えるなど、種々の障害の影響を及ぼすことが問題と
なる。

【００２４】本発明の第２の実施例は、この紫外線と赤
外線を被照射面１３に照射させずに可視光のみを照射さ
せる照明装置を提供するものである。

【００２５】前記配光制御部材１４を構成する直円錐台
状半透過鏡１５は、直円錐状半透過鏡１６の外周に配置
しており、かつ直円錐台状半透過鏡１５の上底と直円錐
状半透過鏡１６の頂部とを、光源８および反射鏡９の側
に配置した構成としている。

【００２６】このような構成において、光ビーム径を拡
大し、かつ可視光のみを被照射面１３に照射する原理を
次に説明する。

【００２７】図４において、直円錐台状半透過鏡１５は
断面形状が直円錐台で、表面に多層の金属蒸着膜を形成
した光透過性ガラス板からなる半透過鏡であり、図６に
示す分光透過および分光反射特性、すなわち可視光を反
射させ、紫外線と赤外線を透過させる分光特性を持たせ
ている。また、直円錐状半透過鏡１６は断面形状が直円
錐で、表面に多層干渉膜を蒸着した光透過性ガラス板か
らなる半透過鏡であり、図７に示す分光透過および分光
反射特性、すなわち可視光の一部を透過させ、可視光の
残りと紫外線および赤外線を反射させる分光特性を持た
せている。

【００２８】光源８および反射鏡９から照射される光ビ
ームａ１およびａ２（図４において、実線および破線で
示す）は分光特性として近紫外線〜可視光〜近赤外線の
種々の波長特性を有しており、配光制御部材１４に入射
すると、直円錐状半透過鏡１６により可視光（図４にお
いて実線で示す）の約５０％の光量のみが直進方向（透
過側）の光ビームｄ１およびｄ２となり、残りの可視光
と紫外線および赤外線（図４において破線で示す）が直
角方向（反射側）の光ビームｅ１およびｅ２の光ビーム
に分割される。ここで直進方向の光ビームｄ１およびｄ
２はそのまま被照射面１３に照射され、直角方向の光ビ
ームｅ１およびｅ２のうち、残りの可視光は直円錐台状
半透過鏡１５により、再度直角方向（反射側）に光ビー
ムｆ１およびｆ２として折り曲げられた後、被照射面１
３に照射される。また、前記直角方向の光ビームｅ１お
よびｅ２の紫外線と赤外線は、直円錐台状半透過鏡１５
により、光ビームｇ１およびｇ２として直進方向（透過
側）に照射される。

【００２９】以上の原理により、光源８および反射鏡９
から照射される光ビームａ１，ａ２のうち、可視光のみ
を光ビームｄ１およびｄ２とｆ１およびｆ２に拡大する
ことができ、かつ被照射面１３の光量分布を均一にする
ことができるとともに、被照射面１３に光ビームｇ１お
よびｇ２の紫外線と赤外線を照射させないようにするこ
とができる。

【００３０】なお、光源８に用いたメタルハライドラン
プの発光アーク部分の発光スペクトルは、アーク中心部
においては大部分が水銀の輝線発光であり、アーク周辺
部では封入物質である希土類元素の発光が増大すること
が知られている（例えば、平成３年度照明学会創立７
５周年記念全国大会予稿集ｐ．２２９「液晶プロジ
ェクター用メタルハライドランプの発光特性」など）。

【００３１】このため、光源８から色むらのある光ビー
ムが、被照射面１３に照射されることになる。この課題
を解決するものとして、直円錐台状半透過鏡１５と直円
錐状半透過鏡１６に蒸着した多層干渉膜の、可視光にお
ける分光透過および分光反射特性を、光源８の色むらを
補正するように、各波長ごとに任意に設定することによ
り、前記光源８と反射鏡９とから照射される光ビームの
色むらを低減あるいは除去させることができ、配光制御
部材１４を介して被照射面１３に色むらのない光ビーム
を照射することができる。

【００３２】また、光源８および反射鏡９から照射され
る光ビームに光量むらがあっても、直円錐台状半透過鏡
１５と直円錐状半透過鏡１６に蒸着した多層干渉膜の、
可視光における透過率および反射率を、透過面（反射
面）の場所により任意に変えることにより、光源８およ
び反射鏡９から照射される光ビームの光量むらを低減あ
るいは除去させることができ、配光制御部材１４を介し
て被照射面１３に光量むらのない均一な光ビームを照射
することができる。

【００３３】なお、本発明の第１および第２の実施例に
おいて、光源８をメタルハライドランプとしたが、点状
の高輝度光源、例えばハロゲン電球やショートアークタ
イプのキセノンランプなどであってもよい。

【００３４】

【発明の効果】上記のように本発明は、（１）光源と、光源からの光を集光する反射鏡と、光源
からの直射光および反射鏡からの反射光の、光ビーム径
と光量分布を制御する配光制御部材とから構成し、配光
制御部材を直円錐台状全反射鏡と直円錐状半透過鏡と
し、かつ直円錐台状全反射鏡を直円錐状半透過鏡の外周
に配置するとともに、直円錐台状全反射鏡の上底と直円
錐状半透過鏡の頂部を、いずれも光源と反射鏡の側に配
置することにより、配光制御部材に光源と反射鏡からの
光ビームを入射させ、光ビームを直円錐状半透過鏡と直
円錐台状全反射鏡で２光路に分割・拡大させることがで
きるため、光源と反射鏡を小さくしたままで、被照射面
（液晶）を均一にかつ効率よく照明することができ、さ
らに照明装置を小型にできる。（２）直円錐台状全反射鏡の反射面の一部を切除または
変形することにより、被照射面が正方形だけでなく長方
形やその他の形状であってもその形状に合わせて光ビー
ムを照射することにより、任意の照射範囲を設定するこ
とができる。（３）配光制御部材を直円錐台状半透過鏡と直円錐状半
透過鏡とから構成し、配光制御部材に波長選択特性を持
たせ、直円錐台状の半透過鏡が可視光を反射させ、紫外
線と赤外線を透過させるとともに、直円錐状の半透過鏡
が可視光の一部を透過させ、可視光の残りと紫外線と赤
外線を反射させることにより、光源と反射鏡から照射さ
れる光ビームのうち可視光のみを被照射面に照射させる
ことができるため、光源および反射鏡から照射される光
ビームのうち、可視光のみを被照射面に照射することが
できるため、被照射面に紫外線や赤外線による障害を与
えることがない。（４）配光制御部材の波長選択特性を制御することによ
り、光源および反射鏡から照射される光ビームの色むら
を制御することができるため、被照射面に色むらのない
光ビームを照射させることができる。（５）配光制御部材に、部分的に光透過量を制限する特
性を持たせ、これを制御することにより、光源および反
射鏡から照射される光ビームの光量分布を制御すること
ができるため、被照射面に光量むらのない均一な光ビー
ムを照射することができる。など、すぐれた照明装置を実現できるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例における照明装置の斜視
図

【図２】第１の実施例における照明装置の断面図

【図３】第１の実施例における直円錐状半透過鏡の分光
透過および分光反射特性図

【図４】本発明の第２の実施例における照明装置の断面
図

【図５】本発明の第１および第２の実施例における光源
の分光パワー分布特性図

【図６】第２の実施例における直円錐台状半透過鏡の分
光透過および分光反射特性図

【図７】第２の実施例における直円錐状半透過鏡の分光
透過および分光反射特性図

【図８】従来例の放物面反射鏡を用いた照明装置の断面
図

【図９】従来例の円弧面面反射鏡と正レンズを用いた照
明装置の断面図

【図１０】従来例の楕円面面反射鏡と正レンズを用いた
照明装置の断面図

【符号の説明】

８光源９反射鏡１０直円錐台状全反射鏡１１直円錐状半透過鏡１２配光制御部材１３被照射面１４配光制御部材１５直円錐台状半透過鏡１６直円錐状半透過鏡

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光源と、光源を一部包囲し、光源からの光
を集光する反射鏡と、光源からの直射光および反射鏡か
らの反射光の、光ビーム径と光量分布を制御する配光制
御部材とから構成し、前記配光制御部材により前記光源
と反射鏡から照射される光ビーム径を拡大させるように
したことを特徴とする照明装置。
【請求項２】配光制御部材が直円錐台状の全反射鏡と直
円錐状の半透過鏡とからなり、前記直円錐台状の全反射
鏡の内面が鏡面で、かつ前記直円錐状の半透過鏡の外周
に配置したことを特徴とする請求項１記載の照明装置。
【請求項３】直円錐台状の全反射鏡の上底と直円錐状の
半透過鏡の頂部とを、光源および光源を一部包囲する反
射鏡の側に配置したことを特徴とする請求項２記載の照
明装置。
【請求項４】配光制御部材が直円錐台状の半透過鏡と直
円錐状の半透過鏡とからなり、直円錐台状の半透過鏡
を、直円錐状の半透過鏡の外周に配置したことを特徴と
する請求項１の照明装置。
【請求項５】直円錐台状の半透過鏡の上底と直円錐状の
半透過鏡の頂部とを、光源および光源を一部包囲する反
射鏡の側に配置したことを特徴とする請求項４記載の照
明装置。
【請求項６】配光制御部材が波長選択特性を持ち、直円
錐台状の半透過鏡が可視光を反射させ、紫外線と赤外線
を透過させるとともに、直円錐状の半透過鏡が可視光の
一部を透過させ、可視光の残りと紫外線および赤外線を
反射させるようにした請求項４又は請求項５記載の照明
装置。
【請求項７】配光制御部材が、部分的に光透過量を制限
する特性を持つことを特徴とする請求項１から請求項６
のいずれかに記載の照明装置。
【請求項８】光源が放電ランプであることを特徴とする
請求項１から請求項７のいずれかに記載の照明装置。