JP3130747B2 - 照明装置 - Google Patents
照明装置Info
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Description
用いた映像の投影表示装置に使用され、光源から出射さ
れる光の利用率を高め、且つ、照度分布を均一とする照
明装置に関するものである。
て、表示装置の開発が進んでいる。表示装置としては、
例えば液晶表示素子を用い、照明装置でそれを照射する
ことで画像を形成し、投影する液晶投影表示装置が開発
されている。こうした投影表示装置に用いられる表示素
子は、高精細化および小型化されているが、さらに高輝
度化を求められている。そこで、液晶表示素子の一方の
面上にマイクロレンズを形成することで表示素子の高輝
度化を図っている。
明装置として、光源から出射した光を例えば、液晶表示
素子等の被照明部に効率よく集めて明るい映像を得るた
めに、反射鏡として放物面鏡あるいは楕円鏡を持つ照明
装置や、球面鏡にコンデンサーレンズを組み合わせた照
明装置がある。しかし、前述した表示素子の高性能化に
伴い、照明装置のより一層の小型化、高性能化が望まれ
ている。
のひとつとして、照明装置から出射される光を被照明部
に無駄なく集めることが挙げられる。すなわち、光利用
率を高くすることが重要になる。
に置かれたある一定の大きさを持つ被照明部を明るくす
る方法としては、光利用率を高くすること以外に照明装
置の光源自体の高出力化が考えられる。近年、照明装置
の光源としてメタルハライド、キセノン、ハロゲン等の
ランプが用いられており、こうしたランプの明るさ等の
性能および寿命は改善されてきている。
は、発熱等によるランプの寿命と、上記ランプを用いた
装置の寿命、大きさ、使い易さとに影響するので、現在
では光源自身の高出力化は難しくなっている。これによ
り、被照明部をより明るくするためには、照明装置にお
いて、上記のように光利用率をできるだけ向上させるこ
とが必要である。この方法として、被照明部の照射に利
用することができない反射鏡の周辺部から反射された光
を凸レンズで集光し、凹レンズで平行光に戻すという方
法が、実開昭63−124235号公報に開示されてい
る。
件は、被照明部の輝度むらを減少させることである。こ
の輝度むらは、照明装置の反射鏡に放物面鏡を用い、光
源が理想的な点光源であり、光源を放物面鏡の焦点位置
に配置して、平行光を利用できる場合でも発生する。例
えば、液晶投影表示装置等では、上記装置に用いられる
照明装置により生じる被照明部上の輝度むらがそのまま
画像の明るさのむらとなり、高性能な投影表示装置を得
ることができない。すなわち、液晶表示素子は、輝度む
らによって生じる温度むらに起因して、液晶特性のバラ
ツキが発生し画像が不均一となる。あるいは偏光を利用
するタイプの液晶表示素子では、光弾性歪みが生じ、画
像が不均一になる。したがって、高性能な投影表示装置
を得るためには、輝度むら等の少ない照明装置が必要で
ある。この方法として、液晶表示素子の画素開口部の形
状を、照度分布によって変える方法や、明るい部分の照
度をNDフィルター等の光減衰手段を用いて下げる方法
が開示されている。
一つの条件は、照明装置から出射した光が被照明部に入
射する角度(以下平行度と称する)を最適にすることで
ある。例えば、被照明部が液晶表示素子の場合、液晶特
性は液晶に入射する光の平行度に影響されるため、各素
子に対して光をできる限り平行に入射させる必要があ
る。
・分光させるもの、あるいはマイクロレンズ、ファイバ
ー等の光学部品を照明する場合も、各部品の特性は該部
品に入射する光の角度に影響されるため、それぞれの部
品に合わせて光の平行度を最適化する必要があり、多く
の場合それは、できる限り同じ角度で入射した方がよ
い。
補正レンズとを備えた方法が特開平6−3621号公報
に開示されている。この方法は、照明装置の反射鏡で反
射して得られた照明光が、ランプの電極の影および反射
鏡形状による中抜けで平行度が悪化したりするのを補正
レンズを用いて平行に変換する方法である。
球面鏡を用いる方法は、他の放物面鏡等の反射鏡を用い
る方法より照明光の平行度が良いことが知られている。
この方法は、光学シンポジウム講演予稿集1993P7
3〜76“コンパクト液晶リアプロジェクタの光学系”
に解説されているように、照明系としての光利用率は最
大でも65%であるが、投影表示装置等に一般的に用い
られる放物面鏡の光利用率では70%である。しかし、
放物面鏡にはデメリットがある。すなわち、照明装置の
配光分布が図4の曲線Aのような分布を持つので、輝度
むらのない均一な照明にするためには、照度分布がある
程度均一である狭い領域しか利用できず、光利用率が低
い。
来の照明装置では、輝度むらを解消して照度分布を均一
にし、照明光の平行度および光利用率を向上させ、さら
に小型化とするという条件を全て満たすことができない
という問題を有している。
に開示されている方法では、照明領域が入射側から出射
側へ小さくなるようにレンズが配置されているため、光
の平行度が悪くなる。また、液晶表示素子の画素開口部
の形状を照度分布によって変える方法や、明るい部分の
照度をNDフィルター等の光減衰手段を用いて下げる方
法では、光利用率が低下する。さらに、特開平6−36
21号公報に開示されている放物面鏡と補正レンズとを
備えた方法では、照度分布を均一にすることができず、
反射鏡から射出される光の狭い領域しか利用できない。
されたものであって、その目的は、光源からの光利用率
が高く、且つ被照明部における照明光の輝度むら、およ
び平行度を改善した小型・高性能な照明装置を提供する
ことにある。
に、本発明の請求項1記載の照明装置は、光源と、二次
曲面で形成され、上記光源からの光を反射する反射鏡
(例えば、放物面鏡)と、上記反射鏡からの反射光が進
行する方向で、光軸を上記反射光の光軸に一致して配置
され、平行光を出射するアフォーカル系とを備え、上記
アフォーカル系に入射する光軸からの距離yi の入射光
線と、上記アフォーカル系から出射したときの光軸から
の距離yo との比yi /yo の値が、光軸からの距離が
近い程小さく、且つ連続的に変化するように構成されて
いることを特徴としている。
カル系が2個のフレネルレンズで構成されたことを特徴
としている。
る反射鏡は、光源の位置を選ぶことにより、平行な反射
光束を得ることができる。ただし、この場合、光軸付近
では光束密度が大きく、光軸から離れるにしたがって光
束密度は粗になる。すなわち、光軸付近は照度が大き
く、光軸から遠い部分では照度が小さくなる。一方、上
記反射鏡からの反射光の進行方向に配置されたアフォー
カル系では、このアフォーカル系に入射する光軸からの
距離yi の入射光線が、このアフォーカル系を出射した
ときの光軸からの距離yo となるとき、比yi /yo の
値が、光軸からの位置によってそれぞれ異なる値をと
る。これにより、入射側で不均一であった光束密度を均
一化することができる。また、光軸から離れた部分の光
も均一な照明光として利用することができるので、光利
用率が高くなる。
分ほど小さい、すなわち、光軸付近において照明領域が
広くなる方向にアフォーカル系が配置されているので、
光軸付近の照明光の平行度がよい。したがって、従来の
照明装置では、光源の影等で光軸付近の平行度が悪いの
に対し、本照明装置では、光軸付近の平行度を良好にす
ることができる。
では2個のフレネルレンズを用いている。用いるフレネ
ルレンズとして、アフォーカル系の入射側は凹レンズの
機能を有し、光軸付近で光束密度の大きい入射光を拡散
し、出射側では凸レンズ機能を有するフレネルレンズで
光線を平行にし、且つ光線の分布状態を均一化すること
ができる。
ルレンズの光軸付近では凹レンズ機能を有し、光軸付近
で光束密度の大きい入射光を拡散し、周辺部では凸レン
ズの機能を有し、光軸付近より光束密度の小さい入射光
を集束する。一方、出射側のフレネルレンズの、光軸付
近では凸レンズ機能、周辺部では凹レンズ機能を有する
フレネルレンズで光線を平行にし、且つ光線の分布状態
を均一化することができる。
側のフレネルレンズは、どちらも凸レンズの機能を有
し、平行な入射光を一旦集束し、且つ光線の分布状態を
均一化し、出射側で上記集束光を平行光にすることがで
きる。
ることにより、二次曲面の反射鏡に起因する、光軸付近
で光束密度が大きく、光軸を離れるにしたがって光束密
度が小さいという好ましくない特性を補正することにな
り、照明装置の照度むらを少なくする効果がある。ま
た、光軸から離れた部分の光も均一な照明光として利用
することができるので、光利用率が高くなる。さらに、
光軸付近における照明領域が入射側に対して出射側で広
くなるので、光軸付近の照明光の平行度をよくすること
ができる。なお、フレネルレンズを採用することは、レ
ンズが大型になっても合成樹脂を使用するなどによっ
て、装置の軽量化および生産性の向上に効果がある。
に基づいて説明すれば、以下の通りである。
に、光源1と、二次曲面反射鏡として放物面鏡2と、ア
フォーカル系3であるフレネルレンズ3aおよびフレネ
ルレンズ3bとを備えている。
点に配置されている。放物面鏡2は光軸4を座標軸とし
て放物線をその回りに回転して得られる回転体であり、
内面が鏡面になっている。フレネルレンズ3aおよびフ
レネルレンズ3bは、光軸4に垂直に且つ互いに平行で
あり、放物面鏡2に光が反射され進行する側に順に配さ
れている。すなわち、フレネルレンズ3aが入射側にフ
レネルレンズ3bが出射側になっている。
機能を有し、フレネルレンズ3bは、例えば凸レンズ機
能を有している。あるいは、フレネルレンズ3aは、光
軸付近では凹レンズ機能を有し、光軸付近で光束密度の
大きい入射光を拡散し、周辺部では凸レンズの機能を有
し、光軸付近より光束密度の小さい入射光を集束するよ
うになっており、フレネルレンズ3bは、光軸付近では
凸レンズ機能、周辺部では凹レンズ機能を有し、光線を
平行にし、且つ光線の分布状態を均一化するようになっ
ている。
強度の発光分布を持ち、図1では光源1から等角度に発
光する光線を実線で描いている。また、被照明部6は、
例えば液晶表示素子で、アフォーカル系3を挟んで光源
1とは反対側に配する。
出射された光は、放物面鏡2で反射されて光軸4に平行
な光線になる。この平行光は、光軸4付近は密集して光
束密度が大きく、光軸4から離れた周辺部では光束密度
が小さくなっている。つまり、光軸4付近の光線が密集
している場所は明るく、周辺部は暗くなる。したがっ
て、フレネルレンズ3aに入射する光線は、その光軸4
付近に光線が密集し、その周辺部では少なくなる。
3のフレネルレンズ3aは、光軸4付近に入射した光線
に対しては拡散度が大きく、また、その周辺部に向かう
につれて、光の拡散度が小さくなるような特性を持って
おり、フレネルレンズ3bの入射面において、分散され
た光線がほぼ等間隔に入射する。フレネルレンズ3bに
入射した光線は照度が均一な平行光となって出射される
ので、輝度むらがなくなり、被照明部6における照度分
布は均一になる。
うち、光軸4からの距離がyi の特定の光線3cに着目
すると、光線3cは、アフォーカル系3の入射側のフレ
ネルレンズ3aに入射して、光軸4から離れる方向に屈
折する。すなわち、光軸4に対し、拡散され、アフォー
カル系3の出射側フレネルレンズ3bに入射し、屈折さ
れ、光軸4に平行になるように出射され、被照明部6を
照射する。
離を距離yo とすると、本照明装置では、上記入射側に
おける光軸4からの距離yi の出射側の光軸4からの距
離yo に対する比yi /yo が光軸4からの距離によっ
て部分ごとに異なる。すなわち、入射側の光束密度分布
が出射側で変化することを意味している。また、比yi
/yo は光軸4に近い部分の光線ほど小さい。つまり、
アフォーカル系3の入射側フレネルレンズ3aは、光軸
4に近い部分の光線を大きく拡散し、光軸4光軸から離
れるに従って拡散度は小さくなり、設計によっては、周
辺部(光軸から離れる部分)では光線を集束する機能を
有している。一方、これに対して、出射側のフレネルレ
ンズ3bは、フレネルレンズ3aから入射された光を平
行光として出射する。これにより、被照明部6は、均一
な照度で照明される。
示装置に用いることによって、映像のむらがない高性能
な投影表示装置を得ることができる。また、光軸4から
離れた部分の光も均一な照明光として利用することがで
きるので、光利用率が高くなる。
ると、平行光線として射出する光学系であり、典型的な
例としては、望遠鏡やカメラのファインダーに用いられ
ている。基本特性は倍率γで示され、有限距離にある物
体の縦倍率および横倍率は、物体の距離に関係なく常に
一定のγである。図3(a)・(c)に示すように、平
行光が入射されるレンズを第1レンズ13b・15a、
平行光を出射するレンズを第2レンズ13a・15bと
する。第1レンズ13b・15aの焦点距離f1 と第2
レンズ13a・15bの焦点距離f2 とによって、レン
ズ間の距離dおよび倍率γは次のような関係が成り立つ
ことが知られている。
になれば正立型である。これを照明装置として用いる
と、照明領域EとE’との関係は、縦倍率および横倍率
の積であるγ2 に比例して変化する。
アフォーカル系に入射する光線の入射角度Uと、射出す
る光線の射出角度U’とは、次の関係がある。ただし、
光軸から反時計回りを正としている。ここで、γ>1の
ときは射出角度U’は大きくなり、γ<1のときは射出
角度U’は小さくなる。
1つまり、照明領域E’から照明領域E方向へと照明領
域を広くする方向にアフォーカル系を配置すれば、光線
の射出角度が良くなる。すなわち、平行度が良くなる。
被照明部における光軸付近の光線は平行であるが、実際
の光源部は有限の値を持っているので、平行ではない。
すなわち、実際の光源部の長さの最小値は、メタルハラ
イドランプで3mm、キセノンランプで0.6mm、ハ
ロゲンランプで2mm程度であり、被照明部にはある傾
きを持った光が入射する。特に、放物面鏡、楕円鏡等の
光軸に平行に配置されたランプは、ランプの電極等によ
るランプ自身の影やランプ配置用部品の影等が光軸付近
の平行度を悪くしている。
o の値が光軸4に近い部分ほど小さい、すなわち、光軸
4付近において照明領域が広くなる方向にアフォーカル
系3が配置されているので、光軸4付近の照明光の平行
度がよい。したがって、従来の照明装置では、光源の影
等で光軸付近の平行度が悪いのに対し、本照明装置で
は、光軸4付近の平行度を良好にすることができる。
すように、照明領域が狭くなる方向にアフォーカル系3
が用いられている。ここで、図1は理想的な場合を示し
ているので、放物面鏡2の光線は平行である。しかし、
実際には平行でないので、光軸4から離れた場所の平行
度は悪くなる。
フォーカル系3を介して照明領域を広くするように、す
なわち、被照明部6に対して放物面鏡2を小さくすれ
ば、放物面鏡2の最外部付近の光線の平行度も良くな
る。この結果、被照明部6に対して、光軸4付近だけで
なく全体的に平行度が良くなる。
小さくすることができるので、装置を小型化することが
できる。さらに、従来では、利用できなかった放物面鏡
2の最外部における反射光も照度が均一で平行度が良い
光として利用できるので、光利用率の向上につながる。
ズのレンズ面の曲率を決定する方法の一例を以下に述べ
る。
ーカル系3のフレネルレンズ3aに入射する光線の照度
分布は、例えば、図4に示すように、曲線Aとする。ま
た、フレネルレンズ3bから射出し、被照明部6に必要
な照度分布は、例えば、曲線Bとする。この図に示す曲
線A・Bは、光軸4に直交する平面での照度値をグラフ
化したものであり、光軸4を回転軸とする3次元の曲線
をフレネルレンズ3aに入射する2次元の照度分布とし
たものである。
に微小幅Δy、例えば、フレネルレンズを形成すること
ができるレンズピッチ0.3mm程度とし、X方向に積
分する。さらに積分された領域について光軸4を回転軸
とする回転体の体積を求める。この体積と所望の照度分
布である曲線Bの微小幅Δy’から得られる体積とが等
しくなるように微小幅Δy’、つまりレンズピッチを求
める。これと同様の計算を光軸4に隣接する場所から順
次±Y方向の微小幅について行う。
が対応するピッチ毎に得られる。したがって、フレネル
レンズ3aおよびフレネルレンズ3b間の距離をdとす
ると、上述の(1)・(2)式より、アフォーカル系3
であるフレネルレンズの各場所のレンズ刃面の形状が求
められ、本発明のフレネルレンズのレンズ面形状が決定
できる。また、距離dと倍率γとにより、フレネルレン
ズ材質の屈折率を用いて、屈折の法則より、各レンズ刃
面の形状を求める方法もある。
は、光線追跡等のシュミレーションで得られるものであ
ってもよいし、実際に使用する光源と放物面鏡を用いて
求めてもよい。実際の光源では、光源自身の影、電極部
の影および光源を取り付けるために放物面鏡が形成でき
ない部分の影等の照度むらを生じるが、上記の照度分布
を補正する方法を適用することで解消することが可能で
ある。
明装置に使用されるアフォーカル系5が何れもフレネル
凸レンズの場合を考える。放物面鏡2からの入射側をフ
レネル凸レンズ5a、出射側をフレネル凸レンズ5bと
する。アフォーカル系5以外は実施例1と同様で、同一
の部材番号を付記し、その説明を省略している。
の入射光線5cに着目すると、光線5cは、アフォーカ
ル系5の入射側のフレネル凸レンズ5aに入射し、光軸
4に交わるように集束され、アフォーカル系5の出射側
のフレネル凸レンズ5bに入射し、屈折され、光軸4に
平行になるように出射され、被照明部6を照射する。
離をyo とすると、本発明の装置では、上記入射側にお
ける光軸4からの距離yi の出射側における光軸4から
の距離yo に対する比yi /yo が光軸4からの距離に
よって部分ごとに異なり、且つ光軸4に近い部分の光線
ほど小さい。すなわち、アフォーカル系5の入射側のフ
レネル凸レンズ5aは、光軸4に近い部分の焦点距離を
短くし、光軸4から離れた部分の光線ほど焦点距離を長
くするような特性を有する。一方、出射側のフレネル凸
レンズ5bは、フレネル凸レンズ5aから入射された光
を平行光として出射する。この場合は、フレネル凸レン
ズ5bは、光軸4に近い部分の焦点距離を長くし、光軸
4から離れた部分の焦点距離を短くするような特性を有
している。
照明部6は、均一な照度で照明される。また、光軸4付
近において平行度が良い。なお、上記各フレネル凸レン
ズ5aおよびフレネル凸レンズ5bのレンズ面形状の決
定は、実施例1に準じて行えばよい。
くなるので、ダイクロイックミラー等の光を反射、分光
させるもの、あるいはマイクロレンズやファイバー等の
光学部品が含まれた投影表示装置においても光利用率を
低下させることなく使用できる。また、白色または2波
長以上が混合した光源光をダイクロイックミラー等を用
いて、2光線以上に分離し、この分離光を単一な液晶表
示素子に対して異なる角度で入射させることによって、
液晶表示素子上に形成されたマイクロレンズにより、光
線は異なる場所に集光され、この異なる場所に対応する
ように液晶表示素子の絵素を形成することによって、カ
ラー表示を行う照明系にも適用できる。
置に限定されるものではなく、反射型の投影表示装置に
おいて用いてもよい。この場合も同様の効果が得られ
る。
るものではなく、例えば、露光装置等の照明装置として
用いてもよい。露光装置の照明系において、被露光部の
輝度むらは露光時間のバラツキや露光むらに影響する。
また、被露光部の照明光の平行度が良好であれば、マス
クを密着して配置する密着露光のときに、マスク像がぼ
けることがなく、正確な露光が可能となる。したがっ
て、本照明装置は、露光用照明系としても有効である。
照明装置は、光源と、二次曲面で形成され、上記光源か
らの光を反射する反射鏡と、上記反射鏡からの反射光が
進行する方向で、光軸を上記反射光の光軸に一致して配
置され、平行光を出射するアフォーカル系とを備え、上
記アフォーカル系に入射する光軸からの距離yi の入射
光線と、上記アフォーカル系から出射したときの光軸か
らの距離yo との比yi/yo の値が、光軸からの距離
が近い程小さく、且つ連続的に変化する構成である。
らの距離によってそれぞれ異なる値をとることができ
る。すなわち、アフォーカル系の入射側で不均一であっ
た光束密度をアフォーカル系の出射側で均一化すること
ができる。したがって、被照明部を照明むらのない照明
光で照射することができる。また、光軸から離れた部分
の光も照度を均一化して利用することができるので、光
利用率が高くなる。さらに、光軸付近において照明領域
が広がる方向にアフォーカル系を配置することによっ
て、光軸付近の平行度が良くなる。また、反射鏡を小さ
くしても照度が均一な平行度の良い照明光を得ることが
できるので、装置を小型にすることができるという効果
を奏する。
アフォーカル系が2個のフレネルレンズで構成された構
成である。
って、光軸からの距離に応じて、それぞれの光線を異な
った拡散度で拡散、あるいは異なった集束度で集束さ
せ、出射側のフレネルレンズに均一な光束密度で入射さ
せることができ、被照明部において、均一な照度の照明
光を得ることができる。この結果、請求項1の構成によ
る効果に加えて、レンズの材料を合成樹脂とすれば、軽
量化でき、量産性も向上するという効果を奏する。
図である。
面図である。
示す説明図である。
示す説明図である。
Claims (2)
- 【請求項1】光源と、二次曲面で形成され、上記光源か
らの光を反射する反射鏡と、上記反射鏡からの反射光が
進行する方向で、光軸を上記反射光の光軸に一致して配
置され、平行光を出射するアフォーカル系とを備え、 上記アフォーカル系に入射する光軸からの距離yi の入
射光線と、上記アフォーカル系から出射したときの光軸
からの距離yo との比yi /yo の値が、光軸からの距
離が近い程小さく、且つ連続的に変化するように構成さ
れていることを特徴とする照明装置。 - 【請求項2】上記アフォーカル系が2個のフレネルレン
ズで構成されたことを特徴とする請求項1記載の照明装
置。
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