JPH0572628A - 光源装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 光源からの光束の照度ムラ、色ムラ及び照明
ロスを解消する。 【構成】 第１焦点近傍の光源から発する光束を第２焦
点に集光させる楕円鏡２と、第１焦点を球芯とし前記楕
円鏡２の出射側を覆うように配設され、第２焦点への収
束光を導光する開口を有する半球状補助球面鏡３と、楕
円鏡２からの光束の照射形状を、その光束密度及び出射
角を均一に分布させながら被照射面形状に合せて変換す
るロッドインテグレータ５とを備え、光源１から後側へ
進む光束を楕円鏡２で反射し、前側へ進む光束を半球状
補助球面鏡３で楕円鏡２側へ反射して光源１からの光束
をすべて前記入射端面４に集光させ、ロッドインテグレ
ータ５で光束密度等を均一にしながら形状を変換して出
射端面６の２次光源像を液晶面１０に効率的に結像させ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は液晶プロジェクタ、投影
器、オーバーヘッドプロジェクタ等に用いて好適な光源
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の液晶プロジェクタ等に用いられる
光源装置としては、図２に示すような構成のものが知ら
れている。

【０００３】図中の４１は放物面鏡で、この放物面鏡４
１の焦点近傍にメタルハロイドランプやキセノンランプ
等の光源４２が配設され、光源４２からの光束は放物面
鏡４１で反射されて光源像を液晶面４３にほぼ結像させ
ていた。液晶面４３の光源４２側にはフィールドレンズ
４４が設けられ、このフィールドレンズ４４によって液
晶面４３で結像した光束が瞳面４６に集光するようにな
っている。投影レンズ４５は液晶面４３をスクリーン
（図示せず）に投写結像させる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来の光源装置では次のような問題点がある。

【０００５】（１） 光源像を液晶面４３に結像する臨
界照明系を採っているため、液晶面４３の中心部で明る
く、周辺部で暗くなる照度ムラが生じやすくなる。

【０００６】（２） 光源４２は、２つの電極間で放電
することによって発光させるが、光源４２の発光スペク
トルが両電極近傍と放電アーク部とで異なるため、液晶
面４３の中心部で青みがかり、周辺部で赤みがかる色ム
ラが生じてしまう。

【０００７】（３） 液晶面４３の形状は、一般のテレ
ビ画像に対して長辺４：短辺３、ハイビジョン画像に対
して長辺１６：短辺９の比率を持った矩形を有する。こ
れ対して光源４２からの光束は円形であるので、図中、
４３Ａで示すように少なくとも前記矩形の外接円を領域
としてカバーする必要があり、照明ロスが大きくなる。
さらに、放物面鏡４１の開口部から直接外側へ進む光源
４２からの光束は、ほとんど液晶面４３に集光せず、無
駄な光束となってしまい、この点でも照明ロスが大きく
なる。

【０００８】本発明は以上の問題点に鑑みなされたもの
で、光源からの光束をすべて、均一に整えながら照射形
状を変換し液晶面に導くことで、照度ムラ、色ムラ及び
照明ロスを解消できる光源装置を提供することを目的と
する。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、以下の構成と
することにより上述の課題を解決している。

【００１０】第１の発明は、第１焦点近傍の光源から発
する光束を第２焦点に集光させる楕円鏡と、前記第１焦
点を球芯とし前記楕円鏡の出射側を覆うように配設さ
れ、前記第２焦点への収束光を導光する開口を有する半
球状補助球面鏡と、前記楕円鏡からの光束の照射形状
を、その光束密度及び出射角を均一に分布させながら照
射面形状に合せて変換するロッドインテグレータとを備
えた構成。

【００１１】第２の発明は、前記楕円鏡及び半球状補助
球面鏡を配設した複数個の光源と、前記ロッドインテグ
レータの入射端面に設けられ、その一部を覆って光源か
らの光束を入射端面に入射させる１または複数の部分導
入部とを有し、ロッドインテグレータと同一光軸上の光
源からの光束は直接に入射端面に入射させ、それ以外の
光源は部分導入部を介して入射端面に入射させる構成。

【００１２】

【作用】上述の構成によれば、光源からの光束のうち、
楕円鏡側へ進んだ光束は反射して第２焦点の集光し、半
球状補助球面鏡側へ進んだ光束は反射して楕円鏡側へ進
み、さらに、この楕円鏡で反射して第２焦点に集光す
る。ロッドインテグレータでは、第２焦点に集光する光
束が導入され、この光束の照射形状（円形状）が照射す
る対象面の形状に変換される。さらに、光束の密度が均
一になり、ロッドインテグレータの出射端面からの光束
の出射角が各部分で均一になる。これにより、照度ム
ラ、色ムラ及び照明ロスを解消する。

【００１３】また、複数の光源からの光束を効率的にロ
ッドインテグレータに入射させることで、光量を増加さ
せることができる。

【００１４】

【実施例】以下に本発明の実施例を添付図面に基づいて
説明する。

【００１５】図１は第１の実施例に係る光源装置を示す
概略構成図である。

【００１６】図中、１はメタルハロイドランプから構成
される光源である。この光源１は放電灯で、両電極が光
軸上に置かれ、光軸に対して３０゜〜１５０゜程度の角
度に円環状の配光特性を持つ。即ち、光源１より光軸の
後方に±３０゜、前方に±３０゜の立体角には光束を発
しないため、後述の楕円鏡２の中心部（光軸との交点）
に開口を設け、この開口を介して支持部材（図示せず）
を挿入し、光源１をサポートしている。

【００１７】２は第１焦点近傍に配設された前記光源１
からの光束を反射する楕円鏡で、反射した光源１からの
光束を第２焦点（後述のロッドインテグレータ５の入射
端面４）に集光させる。

【００１８】３は半球状補助球面鏡で、球面の一部を用
い、その内面を鏡面としたものである。この半球状補助
球面鏡３は、楕円鏡２の第１焦点を球芯として開口部
（楕円鏡２の前側）を覆うように配設され、第１焦点か
ら前側に向う全光束を反射して光源１側に戻し、後側に
向う光束として楕円鏡２で反射させ、第２焦点に集光さ
せる。さらに、半球状補助球面鏡３の光軸との交点の部
分には、開口部３Ａが形成されている。この開口部３Ａ
は、前記±３０゜の立体角内にあって光源１からの光束
は直接には伝搬せず、楕円鏡２で反射した光束を導光し
て第２焦点に集光させる。

【００１９】前記楕円鏡２と半球状補助球面鏡３とは、
光源１を境にしてその後側へ出た光束を楕円鏡２が受け
て反射し、前側へ出た光束を半球状補助球面鏡３で反射
するようにそれぞれほぼ半球状に形成することが望まし
い。半球状補助球面鏡３は楕円鏡２より大きな曲率半径
を有するため、これらの間には環状の隙間（環状開口
部）３Ｂを有し、前記開口部３Ａと環状開口部３Ｂの一
方を冷却空気の取入れ口、他方を冷却空気の排出口とし
て光源１の冷却を行っている。

【００２０】５はロッドインテグレータで、入射端面
４、出射端面６及び４つの側面をそれぞれ研磨した長方
体状の中実のガラスからなり、その断面を液晶面１０と
相似形状に設定されている。ロッドインテグレータ５の
入射端面４から入射した光束は、４つの側面で全反射を
繰り返し、出射端面６から出射するときには、図中６Ａ
で示すように、出射端面６の全域で光束の密度及び出射
角が均一な長方形の照射域が得られる。このロッドイン
テグレータ５は、その入射端面４が楕円鏡２の第２焦点
に位置するように光軸に沿って配設されている。ここ
で、光束の密度が均一とは、光束密度が出射端面６全域
で均一に分布して照度ムラのない状態をいう。出射角が
均一とは、出射端面６全域で出射する光束の方向が均一
に分布されていることで、特定方向に光束が集中するこ
となく分散して照度ムラのない光束を得ることができ
る。

【００２１】ところで、光束の密度及び出射角を均一に
するロッドインテグレータ５の機能は、ロッドインテグ
レータ５の入出射端面４，６の開口面積と長さの比によ
って決まるため、なるべく細長くしたほうがよい。とこ
ろが、入出射端面４，６の開口面積を大きくするとロッ
ドインテグレータ５の全長を長くしなければならず全体
が嵩ばるため、この開口面積を小さくしてロッドインテ
グレータ５全体を小型に形成することが望ましい。そし
て、小型にするためには入射端面４を小さくすればよ
く、入射端面４を小さくするにはこの入射端面４に入射
する光束を小さく集光させればよい。このために、ロッ
ドインテグレータ５をその入射端面４が楕円鏡２の第２
焦点近傍に位置するように配設している。このように、
ロッドインテグレータ５の配設位置は、楕円鏡２からの
反射光束をすべて内部に入射できればよいため、この条
件を満たす範囲内であれば、第２焦点からずれた位置で
もよい。

【００２２】７はコンデンサレンズ、９はフィールドレ
ンズで、これらコンデンサレンズ７及びフィールドレン
ズ９で、ロッドインテグレータ５の出射端面６から出た
液晶面１０と同一形状の光束を、そのままの形状で、か
つ光束密度及び出射角を均一に保ったまま拡大して液晶
面１０に導光し、この液晶面１０を投影レンズ１１でス
クリーン（図示せず）に投影させる。

【００２３】以上のように構成された光源装置は次のよ
うに作用する。

【００２４】光源１より発する光束は前側及び後側に進
行する。後側に進む光束は楕円鏡２で反射されてロッド
インテグレータ５の入射端面４に集光する。前側に進む
光束は半球状補助球面鏡３で反射されて同一光路を逆行
し、光源１を再び通過して楕円鏡２に入射し、この楕円
鏡２で反射されてロッドインテグレータ５の入射端面４
に集光する。これにより、光源１から発するすべての光
束がロッドインテグレータ５に入射する。

【００２５】ロッドインテグレータ５において、入射端
面４から入射した光束は４つの側面の内側で全反射を繰
り返し、内部全域に均一に広がりながら出射端面６側に
進む。これにより、入射端面４では図１中の４Ａで示す
ように光源１からの形状そのままで入射して大きな照度
ムラを持っていたものが、出射端面６では図中の６Ａで
示すように、この矩形面内で光束密度が均一に分布して
一様性を増すと共に、各部分毎に光束の進行方向が同一
で、全体として均一な出射角を有し、照度ムラ及び色ム
ラが抑えられた均一な照射域が得られる。これにより、
円形の光束を変換ロスを生じることなく矩形に変換する
ことができる。

【００２６】このとき、光束は互いに平行な２組の側面
で全反射しながら入射端面４への入射角と同一角度で出
射端面６から出射する。この出射角は反射の回数にかか
わらず入射角と同一になる。これにより、液晶面１０と
相似形状に変換されて出射端面６から出射した光束は、
入射端面４への入射角と同一角で出射するため、矩形状
をそのまま維持して均一に広がる。この出射光束をコン
デンサレンズ７及びフィールドレンズ９によって調整す
ることで、その形状及び大きさを正確に合せた状態で、
出射端面６を液晶面１０に結像され、さらに投影レンズ
１１によりスクリーン（図示せず）に投写される。

【００２７】ここで、各面での共役関係は次のようにな
っている。光源１に対しては、ロッドインテグレータ５
の入射端面４、コンデンサレンズ７の後側焦点距離８及
び投影レンズ１１の瞳面１２が共役関係にある。ロッド
インテグレータ５の出射端面６に対しては、液晶面１０
及びスクリーンが共役関係にある。また、入射端面４へ
の入射角、即ち出射端面６からの出射角をΘ、結像倍率
をβとすると、液晶面１０での入射角θはΘ／βとな
る。さらに、コンデンサレンズ７の後側焦点位置８に
は、ロッドインテグレータ５の横側面で反射した回数と
縦側面で反射した回数との積に対応する個数の光源像が
瞳として形成され、フィールドレンズ９は投影レンズ１
１の瞳面１２にこの瞳像を形成する。瞳像のサイズが投
影レンズ１１の瞳より小さくなるように、投影レンズ１
１のＦナンバーを選べば光量ロスはなくなる。

【００２８】以上、本実施例によれば、光源１からのす
べての光束を楕円鏡２と半球状補助球面鏡３によりロッ
ドインテグレータ５の入射端面に集光させ、ロッドイン
テグレータ５により、光量のロスを生じることはなく、
光束の一様性を増しながら矩形に変換し、照度ムラ、色
ムラ及び光量ロスを解消することができる。

【００２９】次に第２の実施例を図３に基づいて説明す
る。

【００３０】本実施例は光量を増加させるために２つの
光源を設け、各光源から光束をロッドインテグレータに
入射させて２倍の光量を得ることを目的とするものであ
る。

【００３１】図３において、１９，２２は光源、２０，
２３は楕円鏡、２１，２４は半球状補助球面鏡で、これ
らは第１実施例で説明した各部材と同様の構成を有す
る。

【００３２】２７はロッドインテグレータで、このロッ
ドインテグレータ２７も第１実施例で説明したロッドイ
ンテグレータ５と同様の構成を有する。このロッドイン
テグレータ２７の入射端面２６には部分導入部２５が設
けられ、この入射端面２６の半分を覆っている。この部
分導入部２５はプリズム又はミラーで構成され、楕円鏡
２３で反射した光源２２からの光束をロッドインテグレ
ータ２７に導光するようになっている。

【００３３】他の部材は前記第１実施例の部材と同様で
ある。

【００３４】前記構成により、各楕円鏡２０，２３によ
って集光する光源像は、直接又は部分導入部２５を介し
てロッドインテグレータ２７の入射端面２６に集光し、
この入射端面２６に図中の２６Ａ（斜線部分）で示すよ
うに照度ムラが生じる。ここで、ロッドインテグレータ
２７の断面形状は、ハイビジョンに対応して１６：９の
アスペクト比を持つもので、効率よく２つの光源１９，
２２からの光束を入射することが可能となる。

【００３５】ロッドインテグレータ２７に入射した光束
は、ロッドインテグレータ２７の各側面で全反射を繰り
返して分散することで、一様性を増し、図中の２８Ａで
示すように均一な光源像が得られる。出射端面２８から
の出射角は、各楕円鏡２０，２３から入射端面２６への
入射角と同一角に維持される。このロッドインテグレー
タ２７での処理及びそれ以降の作用は、前記第１実施例
と同様である。

【００３６】これにより、前記第１実施例と同様の効果
を有すると共に、２倍の光量の均一な光束を得ることが
できる。

【００３７】なお、第２の実施例では、光源を２つ設け
た場合を例に説明したが、３つ以上設けてもよい。この
場合、ロッドインテグレータ２７の入射端面２６には、
光源の個数に対応した数の部分導入部２５が設けられる
ことになる。

【００３８】また、上述の各実施例では、光源１，１
９，２２からの光束をロッドインテグレータ５，２７の
入射端面４，２６に集光させる手段として楕円鏡２，２
３及び半球状補助球面鏡３，２１，２４を用いたが、こ
れらとほぼ同様の集光、反射機能を有する他の形態の反
射鏡、例えば非球面鏡その他の形状の反射鏡であっても
よい。

【００３９】また、前記各実施例で使用したロッドイン
テグレータ５，２７は、ガラス製で入射端面と出射端面
と４つの側面をそれぞれ研磨し、４つの側面で全反射を
させる形式のものを用いたが、本発明はこれに限らず、
４つの側面に平面鏡を用い、内部を中空としても、前記
実施例同様の作用、効果を奏することができる。

【００４０】さらに、ロッドインテグレータ５，２７
は、その長さ、各端面４，６，２６，２８の面積及び光
束の入射角を適宜調整することで、ロッドインテグレー
タ５，２７内での入射光束の一様性（照度の均一化）の
度合いを調整することができ、各種の条件に応じて照度
ムラ、色ムラを確実に解消することができる。

【００４１】

【発明の効果】以上、詳述に説明したように、本発明に
よれば、次のような効果を奏する。

【００４２】光源からのすべての光束を楕円鏡と半球状
補助球面鏡によりロッドインテグレータの入射端面に集
光させ、ロッドインテグレータにより、光量のロスを生
じることはなく、一様性を増すと共に被照射物の相似形
状に変換し、照度ムラ、色ムラを解消することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例に係る光源装置を示す概
略構成図である。

【図２】従来の光源装置を示す概略構成図である。

【図３】本発明の第２の実施例に係る光源装置を示す要
部構成図である。

【符号の説明】

１ 光源 ２ 楕円鏡 ３ 半球状補助球面鏡 ４ 入射端面 ５ ロッドインテグレータ ６ 出射端面 ２５ 部分導入部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 原 政春 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シ ヤープ株式会社内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１焦点近傍の光源から発する光束を第
   ２焦点に集光させる楕円鏡と、前記第１焦点を球芯とし
   前記楕円鏡の出射側を覆うように配設され、前記第２焦
   点への収束光を導光する開口を有する半球状補助球面鏡
   と、前記楕円鏡からの光束の照射形状を、その光束密度
   及び出射角を均一に分布させながら被照射面形状に合せ
   て変換するロッドインテグレータとを備えたことを特徴
   とする光源装置。
2. 【請求項２】 前記楕円鏡及び半球状補助球面鏡を配設
   した光源を複数個設けると共に、前記ロッドインテグレ
   ータの入射端面に、その一部を覆って光源からの光束を
   入射端面に入射させる１または複数の部分導入部を設
   け、ロッドインテグレータと同一光軸上の光源からの光
   束は直接に入射端面に入射させ、それ以外の光源は部分
   導入部を介して入射端面に入射させることを特徴とする
   請求項１記載の光源装置。