JPH10513579A - 投影機用の集光システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 投影機用の集光システムに関する構造及び方法が、光を反射するコレクタと、反射光を受ける補正メカニズムとを含む。このコレクタと補正メカニズムとは、互いに共働して光を補正し、均一なイメージサイズを有する光ビームを出力する。

Description

【発明の詳細な説明】 投影機用の集光システム 本発明は、一般的には投影システムに関するものであって、具体的には投影シ ステム用の集光システムに関するものであり、更に特には投影された光ビームが その幅の隅々まで一定のアークイメージを有するようにした集光システムに関す るものである。 投影システムは、一般的に劇場で使用するフィルムのような半透明な媒体か或 いはライトバルブ（即ち、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ））を通って投影される光 を発生する光源を含んでいる。この際、光ビームはレンズにより集束され、スク リーン上に表示される。従来の光源は、一般的には白熱フィラメント電球か、高 輝度放電ランプか、或いは圧縮したキセノンか又はそれと同様な、圧縮した貴ガ ス(noble gasses)を使用するアーク放電灯を含んでいる。 投射機システムの効率を増大させるために、光源からの光を反射する集光機、 即ちコレクタが使用されている。コレクタは、光源からの光を半透明媒体に向か って指向する湾曲した或いは円錐形の形状を有している。コレクタから出射する 光の収集を更に増大するために単数又は複数のレンズを通常は使用している。レ ンズにより半透明媒体から観察スクリーンへ向かう光を集束することもできる。 代表的な従来のシステムを図１に示すが、図１中では、光源１０により光ビー ム１５を放射している。光ビーム１５は、半透明媒体１２へ向けてコレクタ１１ により反射される。一般的には、有効な光ビームは、先ずコレクタ１１により反 射される。光源１０から半透明媒体１２まで直接伝搬する光ビームは、通常は有 効でない。 光ビーム１５は、イメージを照射するよう半透明媒体１２を通過する。このと きフォーカシングレンズ１３により光ビーム１５を集束し、半透明媒体１２から のイメージをスクリーン１４上に映し出す。 典型的には、コレクタ１１と半透明媒体１２との間及び半透明媒体１２とフォ ーカシングレンズ１３との間の両間に、ビーム整形用又は結像用光学系やカラー フィルタなどがある。 投影システムに典型的に使用されているアークランプは、広範な角度（ほぼ全 範囲）に亘り光を放射する。この光を高いパーセンテージで捕らえるために、ラ ンプは放物線状か又は楕円状の形状を有する奥行きのあるコレクタ内に位置され ている。放物線状又は楕円状のコレクタは、典型的には大きな収差を示し、光ビ ームの「範囲」を増大させる。 ここで「範囲」とは、ビームのサイズか又はそれに見合う光学システムのサイ ズを表わす用語である。投影システムの最大使用可能な範囲は、典型的にはライ トバルブ（ＬＣＤ）のサイズと投影レンズの開口により制限される。 もし照射ビームの範囲が投影システムの範囲よりも大きければ、光を幾らか損 失する。それ故に、電力消費を減少させるため及び／又はより小サイズの投影シ ステム及び／又は開口と関連して製造コストを減少させるために可能な限り範囲 を小さくした光を集光システムで発生させることは有利である。 楕円状又は放物線状の主な収差は、「コマ」である。コマは、光源のイメージ の不自然な歪みである。コマが生じるのは、光源のイメージをコレクタ上の異な った放射線上の位置から反射する際に、ライトイメージのサイズが変化するから である。 このタイプの歪みを説明するために、コレクタを複数のゾーンに分割する。放 物線状のコレクタの場合、センターゾーン（即ち、コレクタ軸線上）の倍率が最 大であり、全ゾーン（即ち、コレクタの外縁）に向かって倍率は低下する。 もし軸線上の点が、投影レンズの瞳を正に満たせば、コマのために、センター ゾーンを除くゾーンは全く瞳を満たさないであろう。従って投影レンズは、全照 射ビームを捕らえる相対的に大きな開口（例えば、小さいＦナンバー）を具えね ばならない。しかしながら、大きな開口を必要とするのは不所望である。それ故 に、投影システム内のコマを別の方法で最小にするか又は除去することが有利で ある。 図２は、コマの効果を示したものであり、光源からビームを反射する放物線状 コレクタ２０を示したものである。コマにより、等しい角度間隔を持って放射さ れる光線が平行ビームでは一様でない間隔として反射されることになる。第１グ ループのビーム２２及び２４は、第２グループのビーム２１及び２５よりも輝度 が高い。特に、第１グループのビームは、第２グループのビームよりも間隔が密 となっている。 放物線状のコレクタに存在するコマを除去するように集光システムを設計する ことはできる。このような一定の倍率を有する集光システムは、もしアークが球 形でさえあれば、良好に動作する。しかしながら、多数のアークランプの光放射 領域は、細長いもの（即ち、非球形アーク光源）である。光源が非球形のときは 、アークの光源のイメージ（即ち、アークイメージ）のサイズは、集光角により 変化する。それ故に、非球形の光源を使用するときは、一定倍率のシステムであ っても（図１の半透明媒体１２から分かるような）非球形アークイメージのサイ ズは、ゾーンによって相違する。 従って、第１及び第２グループのビームは、異なる輝度を有する他、非球形光 源の異なるサイズのイメージを生じる。時には、集光システムの目的は一定の輝 度を生じることにある。しかしながら、この目的を達成することにより、集光角 の関数としてアークイメージが一定のサイズを有することには必ずしもならない 。従って光ビームは、アークイメージのサイズが集光角の関数として、一定値を とるときよりも大きな範囲を有する。 図２は、全ての出力ビームが平行となる集光された出力光をも示す。ある集光 システムは平行にした出力光を生じる一方、他の集光システムは、集束された有 限点にイメージを生じる。このような有限のイメージは、ある点（即ち、半透明 媒体に存在するよう通常は選択される焦点）においてのみ存在する。コリメイト システム(collimated system)がより融通性を有する理由は、イメージのサイズ と位置を集光システムに依存せずにレンズにより決定することができるからであ る。 更にもう一つの問題は、「中心の暗がり」又は図２にも示す「アンダーフィリ ング(under filling)である。この中心の暗がりは、集光システムの軸線から投 射される暗いスポット又は孔に関係するものである。アークランプは、通常は集 光システムの軸線に沿ってバルブ軸線が延在するように設けられる。このような ランプによる光の分布においては、結果的に、図２の斜線エリア２３により示す ように、ランプ軸線に沿って投射されるエネルギーは殆ど無い。これが問題とな る理由は、これにより光の分布に暗いスポットが生じ、及び／又は投影レンズの 開口を十分能力的に使用できないからである。 従来の技術の上述した問題に関連して、本発明の目的は、集光角に依存せず、 従来の装置を越えた改良された集光効率を有するアークイメージを発生する改善 した集光システムを提供することにある。 もう一つの目的は、既知の投影システムを用いるよりもより小さなシステム開 口を使用できる集光システムを提供することにある。 本発明の更なる目的は、平行にしたビーム又は非平行にしビームの全ゾーンに おいて一定のアークイメージのサイズを生じる改良した集光システムを提供する ことにある。 もう一つの目的は、球形及び非球形の光源のいずれを用いる場合でも一定のア ークイメージを形成する集光システムを提供することにある。 更なる目的は、中心の暗がりを減少させることにある。 この目的に対して、本発明は、平行な光ビームを出力する集光システムにおい て、ｍ（Θ）を倍率とし、Θを光源からの光線とシステムの光軸との間に形成さ れる集光角とし、ｃを定数とし、ｓ（Θ）を集光角Θから見た見掛けのアークサ イズとするとき、球形アークに対してはｍ（Θ）＝ｄΘ／ｄｙの関係を有し、非 球形アークに対してはｍ（Θ）＝ｃ／ｓ（Θ）の関係を有することを特徴とする ものである。 球形アークに対する一定のアークイメージを生ずるためには、正接倍率を光線 高さと集光角が変化する際一定に保持する必要がある。 非球形アークに関しては、倍率は見掛けのアークサイズに反比例するように保 持する必要がある。 有限の距離でアークのイメージを形成するようにした本発明による集光システ ムは、出力ビームを非平行な光とする補正手段を設け、ｍ（Θ）を倍率とし、Θ をシステムの光軸に対して光源からの光線により形成される集光角とし、Φを前 記補正手段により補正した光線と前記光軸との間の角度とするとき、ｍ（Θ）＝ ｄ（Θ）／ｄ(sinΦ)のと関係を有することを特徴とするものである。 このようにして、非平行にしたビームは、一定のアークサイズを有する。 両実施例が共通に有する利点は、例えば楕円状のアークのような非球形のアー クに関しても、一定のアークイメージのサイズが得られることである。リフレク タから見た楕円状アークのサイズは、リフレクタ上の位置と共に変化する。この 変化により従来のように一定の倍率ではイメージも変化してしまう。本発明にお いては、一定のアークイメージサイズを保持するよう倍率を変化させる。 本発明による集光システムの他の実施例は、補正手段と組み合わせたコレクタ が を満たす。ここでｙ（Θ）は前記光線と前記光軸との間の距離で、Θ_minは光を 前記コレクタから反射する最小角で、ｃは定数で、ｓ（Θ）は見掛けのアークサ イズである。 本発明による集光システムのもう一つの実施例では、補正手段と組み合わせた コレクタが を満たす。ここでΘは前記集光システムの光軸に対して前記光源からの光線によ り形成される集光角で、Φは前記補正手段により補正される前記光線と前記光軸 しの間の角で、Θ_minは前記コレクタから反射する最小角で、ｓ（Θ）は前記集 光角から見た見掛けのアークサイズである。 本発明による集光システムの他の実施例では、Θ_min＝０とする。 光軸及びその近傍にランプを配置する場合には、光の投射に貢献しない中心の 暗がり部分を生ずる。Θ_minは、コレクタから反射される光の最小角である。も しΘ_minが０に等しければ、コレクタは補正部材の頂点に向かって光を指向する ようにその形状が決められる。本発明による集光システムにおいては、暗がり部 分を満たすように光軸に向かって光を指向する。このようにして、中心の暗がり 最少とし、集光効率を向上させる。 上述した目的又他の目的、態様及び利点は、図面による本発明の好適な実施例 に関する以下の詳細な説明からより理解されよう。 図１は、従来の投影システムを示したものである。 図２は、従来のコレクタ及び図１の投影システム用の光源を図式的に示したも のである。 図３は、光源とコレクタと補正機構とを含む本発明による集光システムを示し たものである。 図４は、図３に示す本発明の集光システムのコレクタと光源とにより形成され る集光角を示したものである。 図５は、本発明の集光システムによる集光効率と範囲との関係を示したグラフ である。 図６は、従来のシステムと比較した、中心の暗がりの減少を提供する本発明に よる集光システムを示したものである。 図７は、本発明による集光システムの非平行にした光出力を示したものである 。 図面、特に図３には、本発明による集光システム３が示されている。 図３では、光源３２はコレクタ３０内に配置され、光線を放射する。光線が、 光軸３３に対して集光角Θ（例えば図４において詳細に図示した）でコレクタ３ ０により反射されるように光源３２はコレクタ３０内に装着される。この光源を コレクタの焦点に位置させる。このコレクタの形状を所望の倍率と調和させて光 を分配するように決定する。 この光線は、補正レンズ３１に伝搬され、このレンズはガラスより成る透過型 レンズ素子とするのが好適である。好適な実施例においては、第１表面は平面で あり、第２表面は光軸の近傍では凸状であり、レンズの周縁に向けて凹状に変化 する。このレンズの作用は、光ビームを平行にすることである。 光線を補正レンズ１２により補正し、平行にした集光システムビームとしてそ こから伝搬する。このような本発明の配置によれば、出力ビームは、更に以下に 詳細に説明するようにコマ収差がない。更により一般的には、出力ビームは、一 定のアークイメージサイズを有する。 コレクタ３０及び補正レンズ３１は、以下に詳細に示すように形成されるが、 その結果本発明によるこれらの又他の予期しない利点が生じる。 特に、上述したように、平行にした出力ビームは、互いに平行な光線を各々含 む。図３の平行にした出力ビームにより全ての領域に亘り一定のサイズのアーク イメージを生じる。 それ故、物体上の全ての点が投影レンズ開口を完全且つ最適に使用し、従って 、本発明のシステムは、十分な開口を利用しないシステムよりも効率的である。 これにより、システムの開口を小さくすることができ、使用すべき構成部分は低 コストとなる。この構造と機能は、図２に示すシステムとは根本的に相違するが 、このシステム中では、ビーム２２とビーム２４の第１グループは、上述したよ うに光ビーム２１及び２５の第２グループとは異なった光強度と異なったサイズ のイメージを有する。 図３に示すような本発明の一定の倍率システムの利点は、光の範囲に対する集 光効率を試験することにより定量的に理解される。上述したようにここで範囲と は、ビームのサイズ或いは光学システムのサイズを意味するものである。図５は 、図３の放物線状のコレクタと一定倍率システムの集光曲線を示したものである 。図５においては、アークは球形であり、ランバートの法則に従う。いかなる一 定の範囲に対しても、一定倍率システムからの集光効率は、放物線状のコレクタ の集光効率と同等か或いはそれよりも大きい。逆に言えば一定倍率のコレクタは 放物線状のコレクタよりも小さい範囲で一定の集光値に達する。このより小さい 範囲により、集光システム以外の構成部分のコストを減小させる。 本発明のもう一つの新たな特徴は、後述するような一定のアークイメージの形 成にある。上述したように、光源が球形で且つランバートの法則に従い光を生み 出す場合には、複数のゾーン（multiple zones）に亘って輝度を補正することに より、これらのゾーンに亘って均一のアークイメージをもまた生み出す。しかし ながら、球形ではないか又はランバートの法則に従わないか又は球形でなくラン バートの法則にも従わない光源から放射する場合には、輝度を簡単に補正するこ とによっては均一のアークイメージは生じない。 球形のアークに対して均一のアークイメージを生み出すためには、光線の高さ 及び集光角の変化に対して正接倍率を一定に保つ必要がある。変数「ｙ」を光軸 から測定した「射出光線の高さ」（又は距離）として定義する。例えば、光線３ ４についての射出光線の高さは光軸３３からこの光線の縁まだの距離「ｙ」であ る。射出光線の高さは、光源の位置とコレクタの形状及び構造に依存する。 又、変数Θを図４で示した光源から放射される光線の光軸３３に対する角度と して定義する。それ故に、図３中の平行光を出力するシステムの倍率ｍは集光角 Θの関数として以下のように表される。 ｍ（Θ）＝ｄΘ／ｄｙ （１） 従って、球形のアークに関しては、この倍率ｍ（Θ）は集光角Θ及び光線の高 さｙの変化に関して一定である。 更に、球形ではないアークに関しては、倍率ｍ（Θ）を見かけのアークサイズ ｓ（Θ）に対して反比例させるように維持する必要がある。この反比例関係は、 以下のように表される。 ｍ（Θ）＝ｃ／ｓ（Θ） （２） 上式において、ｃは真のアークサイズに関する比例定数であり、従ってｙ（Θ_max ）＝ｙ_maxであって、ｓ（Θ）は角（Θ）から見たアークの見かけのサイズで ある。この変数Θ_maxは、光ビームがコレンタに接触する最大角である。ｙ_maxは 、光軸から最も離れた光線を表わし、従って出力ビームの半径を表わす。図３に おいて光線３４は、Θ_maxで放射され、この光線によりｙ_maxに等しいｙ（Θ_max ）でビームを発生する。置換と積分により次式が得られる。 上式においてΘ＝０は、コレクタの頂点の方向（即ち図３の光軸３３に沿う） に進む光線に一致し、ｙ（０）は、又光線が光軸３３より上に高さを有さないと いう点で０である。 式３は、コレクタ３０を形成するのに使用する。このとき又式３を満足する平 行な光ビームを生じさせるように補正レンズ３１の形状を決める。コレクタ３０ と補正レンズ３１により、これらが対となって全ての領域で一定のアークイメー ジを生ずる。 実際問題として、光源がコレクタの頂点に沿って光を放射することは稀である 。図２の斜線部分２３に示すように通常は中心部分が暗くなっている。上述した よ うに、これは光源の設計により生ずる。 更に、一般的にはコレクタの最も深い部分に孔をあけ、こ孔を経て光源がコレ クタに挿入される。それ故に、コレクタ部分に光が当たる最小角が存在し、この 最小角をΘ_minとする。この最小角に対応する最小の光線の高さを、ｙ（Θ_min） として示す。これらの変数を式３に代入することにより、次式が得られる。 式３は、式４においてΘ_min＝０とした特殊な場合である。 中心部分の暗がりを最少にすることにより、図６に示すように補正レンズ６５ の頂点に向かって光を指向するよう本発明によるコレクタ６４を形成することが 好適である。 図６において光源６０は、コレクタ６４にあけた孔を通って突き出る。理解を 明確且つ簡単にするために、図６には、光源の上半分の光線だけを示してある。 角Θ_minは光ビーム６１と関連し、コレクタ６４で反射させる光の最小角であ る。補正レンズ６５の頂点６３に向けて光ビーム６１を反射するようにこのコレ クタ６４の形状を設定すると、その結果ビーム６１は、高さｙ（Θ_min）６２で 補正レンズ６５を通過する。 それ故に、中心に向け光を反射するようにコレクタ６４を形成し、且つ式４に 従って補正レンズ６５を形成することにより、均一なアークイメージサイズを生 じ且つほぼコマ収差のない平行な光ビームを生じる一方、中心の暗がりを最少に することができる。 以上の説明は、平行な光ビームに関するものである。有限の距離にアークイメ ージを形成するシステムに関しては、倍率は以下に従い設定される。 ｍ（Θ）＝ｄΘ／ｄ（sin Φ） （５） 角Φは、光ビームがイメージ平面と成す角である。図７の好適なシステムで示 すように、光源７０からの光をコレクタにより補正レンズ７２に向けて反射させ 、軸線７４に沿って補正レンズ７２から離間した有限の距離（例えば焦点７３） でアーク光の焦点の合ったイメージを形成する。この角Φは光ビーム７５が軸線 ７４と成す角度である。 式５を式３に代入することにより次式が得られる。 それ故に、式６を満たす集光システムは、非平行なビームが所望であるとき、 従ってアーク光のイメージを有限の距離で生ぜしめるときに、有利に使用される 。このように非平行としたビームでも、アークイメージのサイズは均一となる。 本発明の集光システムを形成するためには、適当な放射特性と、電圧条件と、 熱放散とを有する市場で入手可能な光源を好適には使用する。このような光源は 、一般には多くの業者から入手可能である。例えば、好適な光源は、ショートア ークのハロゲン化金属ランプである。 内反射表面と、光源を支持するのに十分な構造とを有するようにコレクタを形 成する。このコレクタを好適には成型されたガラス部材で形成する。コレクタの 形状を補正レンズと組み合わせて決定し、この集光システムが、均一なアークイ メージサイズが得られる所望の倍率関係を満たすようにする。もし光源を支持す るコレクタの部分を取り除く必要があれば、図７に示すように補正レンズの頂点 に向けて光を指向するようにコレクタの形状を決める。 光線を無限遠（平行にしたビームに対して）或いは有限のどちらか一方に指向 するように補正レンズの形状を決定する。コレクタと組み合わせた補正レンズは 、上述の式４又は６を満足する。 この結果として得られる集光システムにより歪みのないビームが発生され、球 形か或いは球形ではない光源に対して一定のアークイメージサイズを有するよう に設計されている。 本発明の独特で容易には推考できない利点は、ビームの範囲と比較して集光効 率を著しく改良することである。これにより明るさと照度との向上及び／又は光 学システムにおいて安価な構成部材を使用できるシステムが得られる。例えば、 液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）投影システムにおいては、ＬＣＤのサイズを縮小す ることもでき、このサイズが全システムコストに著しく影響を及ぼす。 更に、より小さな開口及び／又はより小さな視野を有する投影レンズを使用で き、この投影レンズによりシステムコストを削減できる。更に、デジタルマイク ロミラー装置（ＤＭＤ）を具えるようなシステムの範囲が制限された装置におい ては、システムの効率は、かなり改良される。 本発明を数々の好適な実施例の見地から説明する一方、本技術における当業者 は、添付した請求の範囲の意図及び範囲内で本発明を変更するとともに実施でき るということを認識するであろう。 例えば、図３，６及び７に示したシステムでは単一反射体と単一屈折補正部材 とを例示したが、複数の反射部材及び屈折部材を設けることもできるが、これら の部材は上述した式によって規定される上述の関係を満たす組み合わせにおける ものに限られる。 更に、上述した例ではアークランプを使用したが、フィラメント光源のような いかなる光源をも使用できる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．球形か或いは非球形のアークを有する光源と、この光源より放射される光を 反射するコレクタと、この光を補正する補正手段とを具え、前記コレクタは前記 補正手段と組み合わせることによって一定の倍率を生じるようにした投影機用の 集光システムにおいて、補正手段が平行にした光ビームを出力し、ｍ（Θ）を倍 率とし、Θを光源からの光線とシステムの光軸との間に形成される集光角とし、 ｃを定数とし、ｓ（Θ）を集光角Θから見た見掛けのアークサイズとするとき、 球形アークに対してはｍ（Θ）＝ｄΘ／ｄｙの関係を有し、非球形アークに対し てはｍ（Θ）＝ｃ／ｓ（Θ）の関係を有することを特徴とする投射機用の集光シ ステム。 ２．球形か或いは非球形のアークを有する光源と、この光源より放射される光を 反射するコレクタと、この光を補正する補正手段とを具え、前記コレクタは前記 補正手段と組み合わせることによって一定の倍率を生じるようにした投影機用の 集光システムにおいて、補正手段が非平行にした光ビームを出力し、ｍ（Θ）を 倍率とし、Θを光源からの光線とシステムの光軸との間に形成される集光角とし 、Φを前記補正手段により補正した光線と前期光軸との間の角とするとき、ｍ（ Θ）＝ｄΘ／ｄ（sin Φ）の関係を有することを特徴とする投射機用の集光シス テム。 ３．ｙ（Θ）を前記光線と前記光軸との間の距離とし、Θ_minを光と前記コレク タから反射する最小角とし、ｃを定数とし、ｓ（Θ）を見かけのアークサイズと するとき、前記補正手段と組み合わされるコレクタが を満たすことを特徴とする請求項１に記載の集光システム。 ４．Θを前記集光システムの光軸に対して前記光の光線により形成される集光角 とし、Φを前記補正手段により補正する前記光線と前記軸との間の角とし、Θ_{mi n} を光を前記コレクタから反射する最小角とし、ｓ（Θ）を前記集光角から 見た見掛けのアークサイズとするとき、補正手段と組み合わされるコレクタが を満たすことを特徴とする請求項２に記載の集光システム。 ５．Θ_min＝０とすることを特徴とする請求項３又は４に記載の集光システム。