WO2005008329A1

WO2005008329A1 - 光源装置、照明装置、および投写型表示装置

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Publication number: WO2005008329A1
Application number: PCT/JP2004/010353
Authority: WO
Inventors: Yusaku Shimaoka
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.
Priority date: 2003-07-16
Filing date: 2004-07-14
Publication date: 2005-01-27
Also published as: US7736028B2; JP4705852B2; JPWO2005008329A1; US20060171150A1

Abstract

投写型表示などを行う際に、形成される光スポットのスポット径の大きさを考慮しつつ、光束の効率の低下を抑制することができなかった。　光を発生するための発光部を有するランプＬ４０と、発生された光が利用される光利用側に設けられた第一の開口部Ａ４１、および光利用側とは反対側に設けられた第二の開口部Ａ４２を有し、ランプＬ４０の発光部が内側に配置された第一の凹面鏡Ｍ４１と、第二の開口部Ａ４２から出てくるまたは出てくるはずの光をランプＬ４０の発光部側に反射するために所定の大きさを有し、第二の開口部Ａ４２が設けられた位置を基準にしてあらかじめ定められた位置に配置された第二の凹面鏡Ｍ４２とを備え、第二の開口部Ａ４２の大きさは、利用される光の量が実質的に最大となるように決定されている光源装置である。

Description

明細書光源装置、照明装置、およぴ投写型表示装置技術分野

本発明は、映像をスクリーンなどに投影するための光源装置、照明装置、およぴ投写型表示装置に関する。背景技術

近年、各種光変調素子を用いた投写型表示装置が、大画面表示を行うための投写型映像機器として注目されている。

投写型表示装置を利用して行われる大画面表示においては、ランプの輝度、凹面鏡の集光効率、照明レンズ系の照明効率、光変調素子の光利用効率などで決定される映像の明るさの十分な確保が要求される。

ここで、従来の光源装置について、具体的に説明する。

( 1 ) はじめに、従来の光源装置（その 1 ) の模式的な断面図である図 1 4を主として参照しながら、従来の光源装置（その 1 ) の構成および動作について説明する（たとえば、特許第 3 1 5 1 7 3 4号明細書参照）。

ここに、特許第 3 1 5 1 7 3 4号明細書の全ての開示は、そっくりそのままここに引用（参照）することにより、一体化される。

従来の光源装置（その 1 ) は、楕円面鏡（または放物面鏡）を利用して形成された第一の凹面鏡 M l 1 と、球面鏡を利用して形成された第二の凹面鏡 M l 2とを備えている。

第一の凹面鏡 M l 1 と第二の凹面鏡 M l 2とは、アパーチャが向き合わせられ、これらの焦点がほぼ一致するように配置されている。もちろん、ランプ L I 0の発光部は、これらの焦点の位置に配置されている。

従来の光源装置（その 1) においては、第二の凹面鏡 Ml 2が、ランプ L 1 0の発光部に関して第一の凹面鏡 M 1 1の頂点 V 1 0と異なる側に配置されている。

また、従来の光源装置（その 1 ) においては、第二の凹面鏡 Ml 2のアパーチャが光軸（一点鎖線によって図示されている、以下同様）と垂直であって、第二の凹面鏡 Ml 2の光軸と垂直な方向の最外径が第一の凹面鏡 Ml 1の同最外径よりも大きい。

ランプ L 1 0の発光部から出射された光束（二点鎖線によって図示されている、以下同様）は、第一の凹面鏡 M 1 1によって集光される。ただし、第一の凹面鏡 Ml 1のみで直接的に集光できなかった光束は、反射面が第一の凹面鏡 M 1 1の反射面側に向けられた第二の凹面鏡 M 1 2でー且反射され、再ぴランプ L 1 0の発光部付近に戻された後に、第一の凹面鏡 Ml 1によって集光される。

このため、従来の光源装置（その 1) は、第一の凹面鏡 Mi lだけでは集光することができなかった光束を第二の凹面鏡 M 1 2を利用して集光することができ、ランプ L 1 0の輝度を最大限に生かすために重要な集光効率を向上することが可能である。

(2) つぎに、従来の光源装置（その 2) の模式的な断面図である図 1 5を主として参照しながら、従来の光源装置（その 2) の構成および動作について説明する（たとえば、特許第 2 7 30 78 2号明細書、おょぴ特開平 1 1一 1 6 22 1 9号公報参照）。

ここに、特許第 2 7 30 78 2号明細書、およぴ特開平 1 1 - 1 6 2 2 1 9号公報の全ての開示は、そつくりそのままここに引用（参照）することにより、一体化される。従来の光源装置（その 2) .においても、第一の凹面鏡 M 21のみで直接的に集光できなかった光束が、第二の凹面鏡 M 22でー且反射され再びランプ L 20の発光部付近に戻された後に、第一の凹面鏡 M 2 1によって集光される。

ただし、従来の光源装置（その 2) においては、第二の凹面鏡 M2 2 のアパーチャが光軸と平行であって、第二の凹面鏡 M2 2の光軸と垂直な方向の最外径が第一の凹面鏡 M 21の同最外径よりも小さい。

このため、従来の光源装置（その 2) は、上述した従来の光源装置（その 1 ) に比べてより小型の装置構成をとることが可能である。

(3) つぎに、従来の光源装置（その 3) の模式的な断面図である図 1 6を主として参照しながら、従来の光源装置（その 3) の構成および動作について説明する（たとえば、米国特許第 43050 9 9号明細書、特公平 7— 1 0 7 5 96号公報、および特開 200 2— 3 6 74 1 7号公報参照）。

ここに、米国特許第 430 50 9 9号明細書、特公平 7— 10 7 5 9 6号公報、および特開 200 2— 3 6 74 1 7号公報の全ての開示は、そつくりそのままここに引用（参照）することにより、一体化される。従来の光源装置（その 3) においても、第一の凹面鏡 M 3 1のみで直接的に集光できなかった光束が、第二の凹面鏡 M 3 2でー且反射され再びランプ L 30の発光部付近に戻された後に、第一の凹面鏡 M3 1によつて集光される。

ただし、従来の光源装置（その 3) においては、第二の凹面鏡 M3 2 が、ランプ L 3 0の発光部に関して第一の凹面鏡 M3 1の（仮想的な）頂点 V 30と同じ側で、ランプ L 30の発光部から見てより遠方に配置されている。

なお、従来の光源装置（その 3) においては、ランプ L 30の電極の長手方向が光軸の方向と直交するようにランプ L 3 0が配置されている。このため、従来の光源装置（その 3 ) は、光軸の方向の光束をより有効に利用するための正レンズ (凸レンズ) P Lと負レンズ (凹レンズ) N Lとを有する平行光変換部分を備えている。

( 1 ) ところで、上述した従来の光源装置（その 1 ) においては、ランプ L 1 0の発光部から出射され第一の凹面鏡 M 1 1の頂点 V 1 0付近の反射点で反射された光束に関しては、集光点に形成される光スポットのスポット径が大きくなつてしまうという弊害が発生することがあった。これは、ランプ L 1 0の発光部が点光源ではなく実際には大きさを有する光源であり、第一の凹面鏡 M 1 1の頂点 V 1 0付近の反射点で反射された光束に関してはランプ L 1 0の発光部から同反射点までの光路距離が同反射点から集光点までの光路距離に対してかなり短くなってしまうからであると、本発明者は分析している。

( 2 ) なお、上述した従来の光源装置（その 2 ) においても、同様の理由により、上述のような光束に関しては、集光点に形成される光スポットのスポット径が大きくなつてしまうという弊害が発生することがあつた。

( 3 ) —方、上述した従来の光源装置（その 3 ) においては、このような弊害はあまり発生しない。

これは、第一の凹面鏡 M 3 1の反射点で反射される光束に関して、ランプ L 3 0の発光部から同反射点までの光路距離が同反射点から集光点までの光路距離に対して短くなりすぎることはないからであると、本発明者は分析している（第二の凹面鏡 M 3 2が、ランプ L 3 0の発光部に関して第一の凹面鏡 M 3 1の頂点 V 3 0と同じ側で、ランプ L 3 0の発光部から見てより遠方に配置されているために、第一の凹面鏡の頂点 V 3 0付近の反射点で元来は反射されるはずの光束に関しても、第二の凹面鏡 M 3 2の反射点を経る光路が生じ、ランプ L 3 0の発光部から第一の凹面鏡 M 3 1の反射点までの光路距離がより長くなる）。

しかしながら、上述した従来の光源装置（その 3 ) においては、第一の凹面鏡 M 3 1のアパーチャを通過する光の利用可能光量が十分に得られない場合があることに、本発明者は気付いた。

本発明者は、その理由をつぎのように分析している。

すなわち、上述した従来の光源装置（その 3 ) においては、ランプ 3 0の発光部に近い第一の凹面鏡 M 3 1の頂点 V 3 0からある程度遠い反射点で本来は反射されるべき光束も、第二の凹面鏡 M 3 2でー且反射され再ぴランプ L 3 0の発光部付近に戻された後に、第一の凹面鏡 M 3 1によって集光される。

光束の効率は、光束が第二の凹面鏡 M 3 2でー且反射される際に、その反射面の反射率が原因となって低下する。

また、光束の効率は、光束がランプ L 3 0の発光部付近に戻された際に、ランプ L 3 0の発光物質およびランプ L 3 0を構成している材料による光吸収や光散乱などが原因となって低下する。このようなランプ L 3 0の発光部付近に戻された際における光束の効率の低下は、ランプし 3 0がメタルハライドランプや水銀灯等である場合には、 6 0 %程度にまで達し、特に顕著である。

要するに、第一の凹面鏡 M 3 1によって直接的に集光され得る光束が第二の凹面鏡 M 3 2による反射を経て集光されるために、ランプ L 3 0 の発光部から出射された光束の効率が低下してしまう場合があることに、本発明者は気付いた。発明の開示

本発明は、上記従来のこのような課題を考慮し、投写型表示などを行う際に、形成される光スポットのスポット径の大きさを考慮しつつ、光束の効率の低下をより抑制することができる光源装置、照明装置、およぴ投写型表示装置を提供することを目的とするものである。

第 1の本発明は、光を発生するための発光部を有するランプと、前記発生された光が利用される光利用側に設けられた第一の開口部、および前記光利用側とは反対側に設けられた第二の開口部を有し、前記発光部が内側に配置された第一の鏡と、

前記第二の開口部から出てくるまたは出てくるはずの光を前記発光部側に反射するために所定の大きさを有し、前記第二の開口部が設けられた位置を基準にしてあらかじめ定められた位置に配置された第二の鏡とを備え、

前記第二の開口部の大きさは、前記利用される光の量が実質的に最大となるように決定されている、光源装置である。

第 2の本発明は、前記利用される光の量とは、所定の光学系を介して最終的に利用される光の量である第 1の本発明の、光源装置である。第 3の本発明は、前記第一の鏡は、楕円面鏡または放物面鏡であり、前記第二の鏡は、その中心が前記楕円面鏡または前記放物面鏡の第一の焦点と一致するように配置された球面鏡であり、

前記発光部は、前記第一の焦点と一致するように配置され、

前記第二の開口部の位置は、前記第一の焦点側の頂点の近傍に決定されている第 2の本発明の、光源装置である。

第 4の本発明は、前記第二の鏡は、前記第一の鏡の外側に配置され、前記第二の開口部から出てくる光を逃がさず前記発光部側に反射するための所定値以上の大きさを有する第 3の本発明の、光源装置である。第 5の本発明は、前記第二の鏡は、その周縁部が前記第二の開口部と接するように配置されている第 3の本発明の、光源装置である。第 6の本発明は、前記第一の鏡および第二の鏡は、ガラス、金属、樹脂の内の何れかを利用して形成された反射ミラーである第 3の本発明の、光源装置である。

第 7の本発明は、前記ランプは、前記発光部が実質的に中心に配置された管球を有し、

前記第二の鏡は、前記管球の表面を利用して形成された反射膜である第 3の本発明の、光源装置である。

第 8の本発明は、前記ランプは、キセノンランプ、メタルハライドランプ、水銀灯、ハロゲンランプの内の何れかである第 3の本発明の、光源装置である。

第 9の本発明は、第 1の本発明の、光源装置と、

前記第一の開口部から出てくる光を略平行光に変換するレンズ系とを備えた、照明装置である。

第 1 0の本発明は、前記レンズ系は、レンズアレイを有する第 9の本発明の、照明装置である。

第 1 1 の本発明は、前記レンズアレイは、光軸付近に穴があいたドーナツ状の光束を前記光軸付近に密集された光束に変換するように開口および/または偏芯が調節された、二次元状に配置された複数のレンズを有する第 1 0の本発明の、照明装置である。

第 1 2の本発明は、前記レンズ系は、光軸付近に穴があいたドーナツ状の光束を前記光軸付近に密集された光束に変換するためのレンズを有する第 9の本発明の、照明装置である。

第 1 3の本発明は、第 9の本発明の、照明装置と、

前記略平行光に変換された光を空間的に変調して所定の光学像を形成する光変調素子と、

前記形成された所定の光学像を投影する投写レンズとを備えた、投写型表示装置である。

第 1 4の本発明は、ランプが有する光を発生するための発光部を、前記発生された光が利用される光利用側に設けられた第一の開口部、およぴ前記光利用側とは反対側に設けられた第二の開口部を有する第一の鏡の内側に配置する第 1ステップと、

前記第二の開口部から出てくるまたは出てくるはずの光を前記発光部側に反射するために所定の大きさを有する第二の鏡を、前記第二の開口部が設けられた位置を基準にしてあらかじめ定められた位置に配置する第 2ステップと、

前記第二の開口部の大きさを、前記利用される光の量が実質的に最大となるように決定する第 3ステップとを備えた、光源方法である。

本発明は、投写型表示などを行う際に、形成される光スポットのスポット径の大きさを考慮しつつ、光束の効率の低下をより抑制することができるという長所を有する。図面の簡単な説明

図 1は、本発明の実施の形態 1の光源装置の模式的な断面図である。図 2は、本発明の実施の形態 1の第二の凹面鏡 M 4 2の集光角度 Θ と利用可能光量との関係の説明図である。

図 3は、本発明の実施の形態の第二の凹面鏡の集光角度 0 と利用可能光量との関係（ランプとして超高圧水銀ランプを利用した場合）の説明図である。

図 4は、本発明の実施の形態の第二の凹面鏡の集光角度 0 と利用可能光量との関係（ランプとしてキセノンランプを利用した場合）の説明図である。

図 5は、本発明の実施の形態の第一の凹面鏡 M 4 1、第二の凹面鏡 M 5 2を備えた光源装置の模式的な断面図である。

図 6は、本発明の実施の形態の第一の凹面鏡 M6 1、第二の凹面鏡 M6 2を備えた光源装置の模式的な断面図である。

図 7は、本発明の実施の形態の第一の凹面鏡 M4 1、第二の凹面鏡 M 72を備えた光源装置の模式的な断面図である。

図 8は、本発明の実施の形態 2の照明装置の模式的な断面図である。図 9は、（A)本発明の実施の形態 2の光源装置 1 00に近い側のレンズアレイ 20 1上に形成される光源像の模式的な説明図である。

(B) 本発明の実施の形態 2の光源装置 1 00から遠い側のレンズァレイ 20 2上に形成される光源像の模式的な説明図である。

■ (C) 従来の光源装置から遠い側のレンズアレイ上に形成される光源像の模式的な説明図である。

図 1 0は、本発明の実施の形態の口ッドィンテグレータ 300を備えた照明装置の模式的な断面図である。

図 1 1は、本発明の実施の形態のレンズ 400を備えた照明装置の模式的な断面図である。

図 1 2は、本発明の実施の形態のフィールドレンズ 500、光変調素子 6 00、投写レンズ 700を備えた投写型表示装置の模式的な断面図である。

図 1 3は、本発明の実施の形態のフィールドレンズ 5 0 、光変調素子 6 00' 、投写レンズ 700' を備えた投写型表示装置の模式的な断面図である。

図 14は、従来の光源装置（その 1 ) の模式的な断面図である。

図 1 5は、従来の光源装置 (その 2) の模式的な断面図である。

図 1 6は、従来の光源装置（その 3) の模式的な断面図である。 (符号の説明）

L 4 0 ランプ

A 4 1 第一の開口部

A 4 2 第二の開口部

M 4 1 第一の凹面鏡

M 4 2 第二の凹面鏡

F 4 1 第一の焦点

F 4 2 第二の焦点

V 4 0 頂点発明を実施するための最良の形態

以下に、本発明にかかる実施の形態について、図面を参照しつつ説明を行う。

(実施の形態 1 )

はじめに、本発明の実施の形態 1の光源装置の模式的な断面図である図 1を参照しながら、本実施の形態の光源装置の構成について説明する。本実施の形態の光源装置は、光を発生するための発光部を有するランプ L 4 0と、ランプ L 4 0の発光部が内側に配置された第一の凹面鏡 M 4 1 と、第二の開口部 A 4 2が設けられた位置を基準にしてあらかじめ定められた位置に配置された第二の凹面鏡 M 4 2とを備えている。

第一の凹面鏡 M 4 1は、発生された光が利用される光利用側に設けられた第一の開口部 A 4 1、およぴ光利用側とは反対側に設けられた第二の開口部 A 4 2を有している。

第二の凹面鏡 M 4 2は、第二の開口部 A 4 2から出てくる光をランプ L 4 0の発光部側に反射するために十分な大きさを有している。

なお、ランプ L 4 0は本発明のランプに対応し、第一の凹面鏡 M 4 1 は本発明の第一の鏡に対応し、第二の凹面鏡 M 4 2は本発明の第二の鏡に対応する。

後に詳述されるように、第二の開口部 A 4 2の大きさは、所定の光学系を介して最終的に利用される光の量が実質的に最大となるように決定されている。

つぎに、本実施の形態の光源装置の構成について、より詳細に説明する。

第一の凹面鏡 M 4 1は、ガラスに反射層を設けた光軸に関して回転対称な楕円面鏡であり、反射ミラーを形成している。

第二の凹面鏡 M 4 2は、その中心が第一の凹面鏡 M 4 1の第一の焦点 F 4 1 と一致するように配置された、ガラスに反射層を設けた光軸に関して回転対称な球面鏡であり、反射ミラーを形成している。

なお、第二の開口部 A 4 2の位置は、第一の焦点 F 4 1側の頂点 V 4 0の近傍に決定されている。

また、第二の凹面鏡 M 4 2は、第一の凹面鏡 M 4 1の外側に配置され、第二の開口部 A 4 2から出てくる光を逃がさずランプ L 4 0の発光部側に反射するための所定値以上の大きさを有している。

なお、第二の凹面鏡 M 4 2は、その周縁部である境界端面が第二の開口部 A 4 2の周縁部と分離している（光の入出射方向から見ると、第二の凹面鏡 M 4 2の周縁部が第二の開口部 A 4 2の周縁部とほぼ重なっている）。

ランプ L 4 0は、点灯時の発光管内を超高圧にした水銀灯であり、その発光部が第一の焦点 F 4 1と一致するように配置されている。

つぎに、本実施の形態の光源装置の動作について説明する。

ランプ L 4 0の発光部から出射される光束のうち、第一の凹面鏡 M 4 1 で反射された光は、第一の凹面鏡 M 4 1の第二の焦点 F 4 2に光スポットを形成する。

また、ランプ L 4 0の発光部から出射された光束のうち、第二の凹面鏡 M 4 2で反射された光は、ランプ L 4 0の発光部付近へ再び戻され、ランプ L 4 0の発光部付近を通過後、第一の凹面鏡 M 4 1で反射され、第二の焦点 F 4 2に集光される。

前述した従来の光源装置（その 1 ) においては、大きさをもつランプ L 1 0の発光体から出射され、頂点 V 1 0付近で反射されたる光束によつて集光面に形成される光スポットのスポット径が、比較的大きくなつてしまっていた（図 1 4参照）。

これは、前述したように、発光体から反射点までの距離が反射点から集光点までの距離に対してかなり近いためである。

しかし、本実施の形態の光源装置においては、第一の凹面鏡 M 4 1の反射点で反射される光束に関して、ランプ L 1 0の発光部から同反射点までの光路距離が同反射点から集光点までの光路距離に対して短くなつてしまうことはない（第一の凹面鏡 M 4 1の反射面に至るまでの距離は、第一の凹面鏡 M 4 1の頂点 V 4 0付近が第二の凹面鏡 M 4 2となったことで、第二の凹面鏡 M 4 2で反射され再び発光部付近へ戻る量だけより長くなる）。

このため、同スポット径が大きくなつてしまうことはない。

ところが、単純に第一の凹面鏡 M 4 1 と第二の凹面鏡 M 4 2 とを上述のように配置しただけであれば、形成される光スポットのスポット径は小さくなるものの、光利用効率が低下することがある。

以下では、本発明の実施の形態 1の第二の凹面鏡 M 4 2の集光角度 0 と利用可能光量との関係の説明図である図 2を主として参照しながら、本実施の形態の光源装置の特徴である、第二の開口部 A 4 2の大きさが利用される光の量が実質的に最大となるように決定されている点について、より詳細に説明を行う。

図 2には、光軸に対する第二の凹面鏡 M 4 2の集光角度 0 と、第一の凹面鏡 M 4 1から出射される光束のうち、第二の焦点 F 4 2に集光されて所定の大きさのアパーチャを通過する光量との関係が示されているもちろん、このような所定の大きさのアパーチャとは、光学系を介して最終的に利用される光の量を測定するためのアパーチャである。

集光角度 0が大きすぎる（すなわち、第二の開口部 A 4 2が大きすぎる）場合には、第一の凹面鏡 M 4 1を利用しても前述のアパーチャを通過することができる程度に小さなスポット径の光スポットを形成可能な- 頂点 V 4 0からある程度遠い部分に対応する Θの領域においても、第一の凹面鏡 M 4 1を第二の凹面鏡 M 4 2の代わりに用いてしまっていることになる。

このため、ランプ L 4 0の発光物質および構成材料による光吸収、光散乱等の損失や第二の凹面鏡 M 4 2の反射率に起因する光量の低下などが発生するため、利用可能光量は低下してしまう。

なお、第二の凹面鏡 M 4 2の集光角度 Θが小さすぎると望ましくないことは、明らかである。

実際、集光角度 0が小さすぎる（すなわち、第二の開口部 A 4 2が小さすぎる）場合には、第一の凹面鏡 M 4 1を利用してしまうと前述のァパーチヤを通過することができる程度に小さなスポット径の光スポットを形成不可能な、頂点 V 4 0にある程度近い部分に対応する Θの領域において、第二の凹面鏡 M 4 2を第一の凹面鏡 M 4 1の代わりに用いていないことになる。

もちろん、最適な集光角度 0の大きさ（すなわち、最適な第二の凹面鏡 M 4 2の大きさ）は、ランプ L 4 0内の発光物質の種類、ランプ L 4 0の発光体の大きさ、ランプ L 4 0の電極形状、第二の凹面鏡 M 4 2の反射率、後段で利用される口ッドィンテグレータの端面に相応する前述のアパーチャの開口の大きさや形状、第一の凹面鏡 M 4 1の集光角や焦点距離などに関する諸条件によっても多少変化する。

したがって、このような諸条件を特定した上で集光角度 0をいろいろに変化させるシミユレーション実験などを行うことにより、最適な集光角度 0の大きさを決定する必要性が生じる。 ' ここで、そのような必要性についてより具体的に説明する。

はじめに、本発明の実施の形態の第二の凹面鏡の集光角度 0 と利用可能光量との関係（ランプとして超高圧水銀ランプを利用した場合）の説明図である図 3を参照しながら、ランプとして超高圧水銀ランプを利用した場合について説明する。

超高圧水銀ランプは、発光部における光の透過率が比較的低い。このため、第一の凹面鏡を利用しても前述のアパーチャを通過することができる程度に小さなスポット径の光スポットを形成可能な 0の領域において第二の凹面鏡を用いてしまうと、ランプによる光吸収や光散乱等に起因する戻り光の損失が避けられず、利用可能光量は低下してしまう。

したがって、ランプとして超高圧水銀ランプを利用した場合において利用可能光量が最大となる Θは、比較的小さくなる傾向を有し、図 3に示されているように約 6 0〜 7 5 ° である。

このような傾向は、後段で利用される口ッドィンテグレークの端面に相応するアパーチャの開口の大きさにかかわらないものである。ただし、前述のような諸条件に起因する変動が 1 0 ° 程度はあるため、利用可能光量が最大となる 0は 5 0〜 8 5 ° の範囲にあることが多い。なお、図 3においては、同開口の大きさが小さい場合を黒丸を利用したプロットで示し、同開口の大きさが大きい場合を白丸を利用したプロットで示した。つぎに、本発明の実施の形態の第二の凹面鏡の集光角度 0 と利用可能光量との関係（ランプとしてキセノンランプを利用した場合）の説明図である図 4を参照しながら、ランプとしてキセノンランプを利用した場合について説明する。

キセノンランプは、発光部における光の透過率が比較的高い。このため、ランプとして超高圧水銀ランプを利用した場合とは異なり、ランプとしてキセノンランプを利用した場合において利用可能光量が最大となる 0は、比較的大きくなる傾向を有し、図 4に示されているように約 7 5〜 9 0 ° である。

このような傾向は、ランプとして超高圧水銀ランプを利用した場合と同様に、後段で利用される口ッドィンテグレータの端面に相応するアバ一チヤの開口の大きさにかかわらないものである。ただし、前述のような諸条件に起因する変動が 1 0° 程度はあるため、利用可能光量が最大となる 6は 6 5〜 9 0° の範囲にあることが多い。なお、図 4においても、同開口の大きさが小さい場合を黒丸を利用したプロットで示し、同開口の大きさが大きい場合を白丸を利用したプロットで示した。

結局のところ、本実施の形態において実際に使用される、最大利用可能光量が得られる角度 0 = 7 0° 近傍（図 2参照）から第二の凹面鏡 M 4 2で反射された光が必ず第一の凹面鏡 M 4 1に到達できる 0 = 9 0° までの差分である 2 0° を角度の誤差として考えると、最適な集光角度 Θの大きさは、およそ

(数 1 )

5 0° = 7 0° — 2 0° < 0 < 7 0° + 2 0° = 9 0°

の範囲にあることが普通であることがわかる。

このように、本実施の形態によれば、装置の大型化や部品点数の増大をともなわずに、高効率で小さな光スポットを形成できる。そのため、より低出力なランプを用いて同じ明るさを実現でき、消費電力がより低く押さえられた照明装置や投写型表示装置を提供することができる。以上においては、実施の形態 1について詳細に説明を行った。

( A ) なお、本発明のランプは、上述した本実施の形態においては、水銀灯であった。

しかし、これに限らず、本発明のランプは、たとえば、（ 1 ) 発光部形状が非常に点光源に近く大光出力が可能なキセノンランプや、（2 )発光効率が優れているメタルハラィドランプや、（ 3 )廉価なハロゲンランプであってもよい。

なお、ハロゲンランプは、廉価であるが、キセノンランプやメタルハライドランプと比較すると発光部形状がある程度の大きさを有し、発光効率なども低い。このため、上述したように、利用される光の量が実質的に最大となるように第二の開口部の大きさが決定されていることによつて、特に顕著な効果が期待される。

( B ) また、本発明の第一の鏡は、上述した本実施の形態においては、楕円面鏡であった。

しかし、これに限らず、本発明の第一の鏡は、たとえば、（ 1 ) 放物面鏡などの二次曲面を持つ反射面鏡や、（2 )複数個の楕円面鏡を組み合わせた形状の反射面鏡であってもよい。

( C ) また、本発明の第二の鏡は、上述した本実施の形態においては、球面鏡であった。 '

しかし、これに限らず、本発明の第二の鏡は、たとえば、（1 ) 楕円面鏡などのランプ出射光をランプ発光部近傍へ効率よく反射可能な二次曲面を持つ反射面鏡や、（2 )複数個の球面鏡を組み合わせた形状の反射面鏡であってもよい。

( D ) また、本発明の第二の鏡は、上述した本実施の形態においては、その周縁部である境界端面が第二の開口部の周縁部と分離していた。このため、楕円面鏡部と球面鏡部の境界部の形状が安定しているので、境界部で反射される光の効率が良くなるという利点があった。

しかし、これに限らず、本発明の第二の鏡は、本発明の実施の形態の第一の HA面鏡 M 4 1、第二の凹面鏡 M 5 2を備えた光源装置の模式的な断面図である図 5に図示された第二の凹面鏡 M 5 2のように、その周縁部である境界端面が第二の開口部の周縁部と一致していてもよい。このようにいわゆる一体型の構成が採用された場合には、二つの鏡を一つの成型品として扱うことができるの、部品点数が減り調整が不要になるという利点がある。

( E ) また、本発明の第一の鏡および第二の鏡は、上述した本実施の形態においては、ガラスを利用して形成された反射ミラーであった

• しかし、これに限らず、本発明の第一の鏡および第二の鏡は、金属や樹脂を利用して形成された反射ミラーであってもよい。

なお、本発明の第一の鏡および第二の鏡がガラスや樹脂を利用して形成されている場合には、光吸収が小さいため、装置を冷却するための冷却装置（図示省略）の冷却能力が小さくて済むという利点がある。

( F ) また、本発明の第一の鏡および第二の鏡は、上述した本実施の形態においては、光軸に関して回転対称であった。

しかし、これに限らず、本発明の第一の鏡おょぴ第二の鏡は、本発明の実施の形態の第一の凹面鏡 M 6 1、第二の凹面鏡 M 6 2を備えた光源装置の模式的な断面図である図 6に図示された第一の凹面鏡 M 6 1および第二の凹面鏡 M 6 2のように、光軸に関して非回転対称であってもよい。

( G ) また、本発明の第二の鏡は、上述した本実施の形態においては、第一の鏡の外側に配置されていた。しかし、これに限らず、本発明の第二の鏡は、本発明の実施の形態の第一の凹面鏡 M 4 1、第二の凹面鏡 M 7 2を備えた光源装置の模式的な断面図である図 7に図示された第二の凹面鏡 M 7 2のように、第一の凹面鏡 M 4 1の内側に配置されていてもよい。

このような光源装置（図 7参照）は、光を発生するための発光部を有するランプ L 4 0と、ランプ L 4 0の発光部が内側に配置された第一の凹面鏡 M 4 1 と、第二の開口部 A 4 2が設けられた位置を基準にしてあらかじめ定められた位置に配置された第二の凹面鏡 M 7 2とを備え、第二の開口部 A 4 2の大きさは、利用される光の量が実質的に最大となるように決定されている光源装置である。

第一の凹面鏡 M 4 1は、発生された光が第一の凹面鏡 M 4 1で反射後- 出射される側に (つまり、発生された光が利用される光利用側に）設けられた第一の開口部 A 4 1、および光利用側とは反対側に設けられた第二の開口部 A 4 2を有している。

第二の凹面鏡 M 7 2は、第二の開口部 A 4 2側へ放射され、第一の凹面鏡 M 4 1で集光できない（つまり、第二の開口部 A 4 2から出てくるはずの）光を発光部側に反射するために十分な大きさを有している。

なお、ランプ L 4 0の発光部をほぼ中心に含む管球は球面の形状を有していることが多いため、第二の凹面鏡 M 7 2を管球の表面上に形成された反射膜によって構成してもよい。このような構成を利用することにより、第二の凹面鏡 M 7 2を別体の構成物としてわざわざ設ける必要がなくなり、部品点数が削減できる。

(実施の形態 2 )

はじめに、本発明の実施の形態 2の照明装置の模式的な断面図である図 8を参照しながら、本実施の形態の照明装置の構成について説明する。本実施の形態の照明装置は、上述した実施の形態 1 と同様な構成を有する光源装置 1 0 0と、第一の開口部 A 4 1 (図 1参照）から出てくる光を略平行光に変換するレンズァレイ 2 0 1、 2 0 2とを備えている。なお、レンズァレイ 2 0 1、 2 0 2を含む手段は、本発明のレンズ系に対応する。

レンズァレイ 2 0 1、 2 0 2は後に詳述されるように、光軸付近に穴があいたドーナツ状の光束を光軸付近に密集された光束に変換するように開口おょぴ偏芯が調節された、二次元的に配置された複数のレンズを有している。

つぎに、本実施の形態の照明装置の動作について説明する。

本実施の形態の照明装置は、上述した実施の形態 1と同様な構成を有する光源装置 1 0 0が用いられているために、小さいスポット径の光スポットを高効率に生成する。

ただし、本実施の形態においては、第二の開口部 A 4 2 (図 1参照）から出てくる光をランプ L 4 0の発光部側に反射するための第二の凹面鏡 M 4 2が利用されているために、光軸に対して小さい角度で集光する光が少なく、大きい角度で集光する光が多くなる。'

より具体的に述べると、レンズアレイ 2 0 1上には、本発明の実施の形態 2の光源装置 1 0 0に近い側のレンズァレイ 2 0 1上に形成される光源像の模式的な説明図である図 9 ( A ) に示されているような光源像 (ドーナツ状の形状を有する光源像）が形成される。

本実施の形態においては、光源装置 1 0 0から遠い側に配置されたレンズァレイ 2 0 2において、全体として従来とほぼ同じ大きさのレンズァレイが得られるように、光軸付近のレンズを削除し周辺部のレンズの開口をより大きくするような各レンズの調節が行われている（もちろん、レンズをより小さい径に納めるように再配置し、全体として従来より小さいレンズァレイが得られるようにすれば、光学系のサイズをより小さくできる）。

そして、光源装置 1 0 0から近い側に配置されたレンズァレイ 2 0 1において、周辺部の光源像がレンズァレイ 2 0 2の対応する中央部のレンズを通過するように、レンズを偏芯させるような各レンズの調節が行われている。

このため、レンズアレイ 2 0 2上には、本発明の実施の形態 2の光源装置 1 0 0から遠い側のレンズァレイ 2 0 2上に形成される光源像の模式的な説明図である図 9 ( B ) に示されているような光源像が形成される。

なお、楕円面鏡の第二焦点などに光源装置から出射された光を集光すると、入射する角度が大きな光束の光量が増加し、小さい角度で入射する光束が極端に少なくなることが多い。そこで、上述の如く、レンズァレイが、光軸付近に穴があいたドーナツ状の光束を光軸付近に密集された光束に変換するように開口おょぴノまたは偏芯が調節された、二次元状に配置された複数のレンズを有するようにする。すると、光軸付近にミラーなどの光学手段や障害物が存在する光学系において、特に顕著な効果が期待される。

かくして、本実施の形態の照明装置の光利用効率を大きく向上させることができる。

なお、もし仮に、第一の凹面鏡 M 4 1、第二の凹面鏡 M 4 2の^わりに単一の凹面鏡 M i l (図 1 4参照）が利用された場合には、光源装置から近い側に配置されたレンズァレイに入射した光軸に対してほぼ平行な光は、光源装置から遠い側に配置されたレンズアレイ上に、従来の光源装置から遠い側のレンズァレイ上に形成される光源像の模式的な説明図である図 9 ( C ) に示されているような光源像を形成する。

単一の楕円面鏡を備えた光源装置を利用した場合、光源装置から遠い側に配置されたレンズァレイ上においては、光軸付近の光源像が大きく、周辺側の光源像が小さくなる。

その主な要因は、楕円面鏡の頂点付近で反射された光束が主として光軸付近のレンズに入射することである。

もちろん、各レンズからはみ出した光源像は、照明したい領域に集光されない。

そこで、本実施の形態においては、できるだけ各レンズの開口に近い大きさの光源像を形成することで、照明装置としての光利用効率を向上させたものである。

このように、本実施の形態によれば、装置の大型化や部品点数の増大をともなわずに、高効率で小さな光スポットを形成できる。そのため、より低出力なランプを用いて同じ明るさを実現でき、消費電力がより低く押さえられた投写型表示装置を提供することができる。

以上においては、実施の形態 2について詳細に説明を行った。

( A ) なお、本発明のレンズ系は、上述した本実施の形態においては、レンズァレイを有していた。

しかし、これに限らず、本発明のレンズ系は、（ 1 ) ガラス柱ゃミラーを張り合わせた、本発明の実施の形態の口ッドィンテグレータ 3 0 0を備えた照明装置の模式的な断面図である図 1 0に図示されたロッドィンテグレータ 3 0 0や、（2 ) 出射されたドーナツ状の光束を所定の略平行光に変換するための、本発明の実施の形態のレンズ 4 0 0を備えた照明装置の模式的な断面図である図 1 1に図示されたレンズ 4 0 0のような光学手段を有していてもよい。

なお、本発明のレンズ系が図 1 1に図示されたレンズ 4 0 0のようなレンズを有している場合には、光学系のサイズをより小さくできるという利点がある。 (B) なお、本発明の投写型表示装置は、上述した本実施の形態の照明装置と、略平行光に変換された光を空間的に変調して所定の光学像を形成する光変調素子と、形成された所定の光学像を投影する投写レンズとを備えている。

より具体的には、本発明の投写型表示装置は、たとえば、本発明の実施の形態のフィールドレンズ 5 0 0、光変調素子 6 0 0、投写レンズ 7 0 0を備えた投写型表示装置の模式的な断面図である図 1 2に示されているように、光源装置 1 0 0、レンズァレイ 2 0 1、 2 0 2、フィールドレンズ 5 0 0、光変調素子 6 0 0、投写レンズ 7 0 0を備えた装置として実現される。

また、本発明の投写型表示装置は、たとえば、本発明の実施の形態のフィールドレンズ 5 0 0, 、光変調素子 6 0 0' 、投写レンズ 7 0 0' を備えた投写型表示装置の模式的な断面図である図 1 3に示されているように、光源装置 1 0 0、ロッドィンテグレータ 3 0 0、フィールドレンズ 5 0 0' 、光変調素子 6 0 0' 、投写レンズ 7 0 0' を備えた装置として実現される。

なお、本発明の光変調素子は、より具体的には、単数または複数の、 ( 1 ) 反射型ライトバルブや、 ( 2 ) 透過型ライトバルブ、 (3) アレイ状に配置された微小ミラーによって反射方向を変化できるミラーパネルや、（4) 光書き込み方式等の光変調手段などである。

もちろん、このような光学系には、照明光への変換を行うための光学手段として、ミラー、プリズム、複数個のレンズを組み合わせた光学要素など、レンズ以外の光学要素が含まれていてもよい。

また、このような光学系には、色分解おょぴ色合成を行うことができるプリズム、フィルタ、ミラーなどが含まれていてもよい。産業上の利用可能性

本発明にかかる光源装置、照明装置、および投写型表示装置は、投写型表示などを行う際に、形成される光スポットのスポット径の大きさを考慮しつつ、光束の効率の低下をより抑制することができるという長所を有する。

Claims

請求の範囲

1 . 光を発生するための発光部を有するランプと、

前記発生された光が利用される光利用側に設けられた第一の開口部、および前記光利用側とは反対側に設けられた第二の開口部を有し、前記発光部が内側に配置された第一の鏡と、

前記第二の開口部の大きさは、前記利用される光の量が実質的に最大となるように決定されている、光源装置。

2 . 前記利用される光の量とは、所定の光学系を介して最終的に利用される光の量である請求の範囲第 1項記載の、光源装置。

3 . 前記第一の鏡は、楕円面鏡または放物面鏡であり、

前記第二の鏡は、その中心が前記楕円面鏡または前記放物面鏡の第一の焦点と一致するように配置された球面鏡であり、

前記第二の開口部の位置は、前記第一の焦点側の頂点の近傍に決定されている請求の範囲第 2項記載の、光源装置。

4 . 前記第二の鏡は、前記第一の鏡の外側に配置され、前記第二の開口部から出てくる光を逃がさず前記発光部側に反射するための所定値以上の大きさを有する請求の範囲第 3項記載の、光源装置。

5 . 前記第二の鏡は、その周縁部が前記第二の開口部と接するように配置されている請求の範囲第 3項記載の、光源装置。

6 . 前記第一の鏡および第二の鏡は、ガラス、金属、樹脂の内の何れかを利用して形成された反射ミラーである請求の範囲第 3項記載の、光源装置。

7 . 前記ランプは、前記発光部が実質的に中心に配置された管球を有し、

前記第二の鏡は、前記管球の表面を利用して形成された反射膜である請求の範囲第 3項記載の、光源装置。

8 . 前記ランプは、キセノンランプ、メタルハライドランプ、水銀灯、ハロゲンランプの内の何れかである請求の範囲第 3項記載の、光源

9 . 請求の範囲第 1項記載の、光源装置と、

前記第一の開口部から出てくる光を略平行光に変換するレンズ系とを備えた、照明装置。

1 0 . 前記レンズ系は、レンズアレイを有する請求の範囲第 9項記載の、照明装置。，

1 1 . 前記レンズアレイは、光軸付近に穴があいたドーナツ状の光束を前記光軸付近に密集された光束に変換するように開口および Zまたは偏芯が調節された、二次元状に配置された複数のレンズを有する請求の範囲第 1 0項記載の、照明装置。

1 2 . 前記レンズ系は、光軸付近に穴があいたドーナツ状の光束を前記光軸付近に密集された光束に変換するためのレンズを有する請求の範囲第 9項記載の、照明装置。

1 3 . 請求の範囲第 9項記載の、照明装置と、

前記形成された所定の光学像を投影する投写レンズとを備えた、投写型表示装置。