JP4251499B2 - 光源装置、照明装置および投写型表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、光発生手段および凹面鏡を有する光源装置と、照明装置と、投写型表示装置とに関する。

近年、大画面投写型映像機器として各種光変調素子を用いた投写型表示装置が注目されている。これら大画面表示を行う場合、表示された映像の明るさが最も重要な項目として挙げられる。

そこで、投写型表示装置としての光出力を向上させることが可能な複数個のランプを用いた多灯式照明系が注目されている。また、明るさは、ランプから放射される光束をできる限り損失を少なく、つまり効率よく映像表示デバイスである光変調素子を照明することが重要であり、そのためランプ放射光を集光する光源装置の高効率化が望まれる。

ここで、ランプおよび凹面鏡で構成される光源装置を２個設けた従来の多灯式光学系を図１１に示す。光源装置１から放射された光は、ガラス柱またはミラーを張り合わせた中空のロッドインテグレータ２に入射され、ガラス柱の場合はガラス内部での全反射、ミラー張り合わせタイプの場合は反射を繰り返す。このロッドインテグレータ２の内部での反射によりロッドインテグレータ２の出射開口面に面内の明るさが均一な光束を作ることができる。さらに、この後のリレーレンズ３で面内均一性の高い光束を、映像表示させる光変調素子４上に結像させることによって、投写レンズでスクリーン上に結像させた映像が、画面内の明るさ均一性の高い映像として表示することができる。

次に、従来のランプ放射光を集光する光源装置の高効率化に関して、第１の従来例である光源装置の基本的な構成を図１２に示す（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。これらの光源装置では、ランプの発光部５の光透過面５ａおよび５ｂから放射された光を、楕円面または放物面の反射面形状を持つ第１の凹面鏡６で焦点Ｘに集光し、第１の凹面鏡６で集光できなかったランプの発光部５の光透過面５ａ、５ｂからの放射光を、その反射面を第１の凹面鏡６の反射面側に向けた、例えば球面鏡からなる第２の凹面鏡７で反射後、再びランプ発光部５付近に戻し、第１の凹面鏡６で焦点Ｘに集光させる。

このように、第１の凹面鏡６と、第１の凹面鏡６の光軸、すなわちランプの発光部５の発光中心５ｃと焦点Ｘとを結ぶ直線に対して垂直方向の最外径より大きな最外径を持つ第２の凹面鏡７とを互いに反射面を向き合わせた状態で使用し、ランプの発光部５から放射される光をできるだけ多く取り込み第１の凹面鏡６で集光することを行っている。

また、第２の従来例である光源装置の基本的な構成を図１５に示す（例えば、特許文献３、特許文献４参照）。この光源装置も、第１の凹面鏡８としての楕円面鏡または放物面反射鏡の焦点Ｙにランプの光源１０を配置し、第１の凹面鏡８は、ランプの光源１０の光透過面１０ａからの放射光を全て反射できる角度で設けられている。このような光源装置は、光源１０の光透過面１０ａから放射され、第２の凹面鏡９としての球面鏡で反射された光が第１の凹面鏡８の焦点付近に戻され、光透過面１０ｂから放射され、第１の凹面鏡８により直接集光される光とともに、ランプの発光部１０から放射される光をできるだけ多く取り込もうとする点では第１の従来例と一致している。

しかしながら、第１の従来例では第１の凹面鏡６の光軸方向に対して第２の凹面鏡７の開口が垂直面内であるのに対して、第２の従来例では、第２の凹面鏡９の配置が第１の凹面鏡８の光軸、すなわちランプの発光部１０の発光中心１０ｃと焦点Ｙとを結ぶ直線方向に対して水平方向である点で異なっている。
特許２５４３２６０号公報 特許３１５１７３４号公報 特許２７３０７８２号公報 特許３３５０００３号公報

従来の多灯式光学系は、図１１に示すように複数個の光源装置から放射された光を均一照明手段であるロッドインテグレータ２に入射する構成である。しかしながら、映像を表示させる透過・反射型の液晶やＤＭＤ（デジタルマイクロミラーデバイス）といわれる光変調素子には、光を実質的に変調できる光束の入射角度範囲と映像を表示させることが可能な映像表示有効領域とがある。このため、結像光学基本式であるヘルツホルム−ラグランジュの関係から、リレーレンズ３によって、これと結像関係を有するロッドインテグレータ２もその出射側開口２ｂの大きさに応じた光の出射角度範囲が一意的に決められてしまう。

このとき、ロッドインテグレータ２は出射側開口の大きさと入射側開口の大きさが等しい場合は出射角度範囲と入射角度範囲は同等であり、また、出射側開口の大きさと入射側開口の大きさが異なる場合はヘルツホルム−ラグランジュの関係から導かれる入射開口の大きさに応じた入射角度範囲となり、この角度範囲内の光束しかロッドインテグレータ２、リレーレンズ３、光変調素子４、投写レンズを介してスクリーン上に投写されない。

これより、ランプ放射光をより多く集光できる単一の凹面鏡１を有する光源装置の場合、ロッドインテグレータ２の入射角度範囲の制限があるため、凹面鏡１とロッドインテグレータ２の入射側開口２ａとの距離が遠くなり凹面鏡１で形成される光スポットサイズが大きくなるので、ロッドインテグレータ２の開口で取り込める光量が減少するという問題があった。

図１２に示す第１の従来例の光源装置もまた、図１１に示す従来の多灯式光学系における光源装置と同様、第１の凹面鏡の光軸、すなわちランプの発光部５の発光中心５ｃと焦点Ｘとを結ぶ直線に対して回転対称となる形状を有しており、同様の多灯式光学系を構成した場合に、ロッドインテグレータ２の開口で取り込める光量が減少するという問題があった。また、その外形が大きくなってしまうという問題があった。

一方、図１５に示す第２の従来例の光源装置は、第１の凹面鏡の光軸、すなわちランプの発光部１０の発光中心１０ｃと焦点Ｙとを結ぶ直線において回転非対称となる形状を有しており、外形を第１の従来例よりも小さくすることができる。また、集光により形成される光束も回転非対称とすることができ、図１１の多灯式光学系においても、第１の凹面鏡６に対応する第１の凹面鏡８とロッドインテグレータ２の入射側開口２ａとの距離をより短くとることができる。

しかしながら、図１５に示す第２の従来例の光源装置には、以下のような課題があった。第２の凹面鏡９が形成される反射面は、図１５に示すように、光透過面１０ａから放射される光を全て反射するが、この反射光は全てが第１の凹面鏡８によって集光されるわけではなく、その一部が外部へ放射されており、集光効率の妨げとなっていた。

一方、第２の凹面鏡９による全ての反射光を焦点Ｙへ集光させるには、第１の凹面鏡８の反射面を、領域１５０の分だけ拡張する必要があるが、これは光源装置の大型化を招くこととなっており、集光効率と光源装置の大型化とがトレードオフの関係となってしまう。

また、図１２の第１の従来例の光源装置ではランプ５から放射され、上半分の第１の凹面鏡６へ直接届いていた光を、図１５の第２の従来例の光源装置では、第２の凹面鏡９が取り込むこととなる。このとき、第２の凹面鏡９で反射された光は再度ランプの発光部１０付近を通過し第１の凹面鏡８に到達する。ランプとしてメタルハライドランプや水銀灯等を用いている場合、発光物質およびランプを構成している材料による光吸収、光散乱等で、再度発光部を通過しようとする光が、多く損失するため、結局は光源装置全体として、焦点Ｙへ出射される光束量が低下し、光利用効率が低下するという問題点を有していた。

本発明は、これらの従来例の問題点を解決するためになされたもので、光源装置の小型化を行っても光利用効率が低下しない光源装置と、この光源装置を備えることにより、より高効率で、小型化が可能な照明装置および投写型表示装置とを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、第１の本発明は、光発生手段と、
前記光発生手段から放射される一部の光を集光する第１の凹面鏡と、
前記光発生手段から放射される、前記第１の凹面鏡に集光されない他の一部の光を集光し、前記第１の凹面鏡へ反射する第２の凹面鏡とを備え、
前記第１の凹面鏡の反射面および前記第２の凹面鏡の反射面は、前記光発生手段の発光源と前記第１の凹面鏡により集光される光の焦点とを結んでなる基準軸に対して、それぞれ非回転対称な形状を有し、
前記第２の凹面鏡の反射面と前記発光源との距離は、前記発光源と前記第１の凹面鏡により集光される光の焦点との距離より短く、
前記第１の凹面鏡の反射面の一部は、前記基準軸の周囲に形成されており、 前記第２の凹面鏡は、前記光発生手段の光が前記第１の凹面鏡に反射されることにより形成される光束内に配置されている、光源装置である。

また、第２の本発明は、前記第１の凹面鏡は、一個又は複数個の二次曲面を前記反射面として有する、第１の本発明の光源装置である。

また、第３の本発明は、前記第１の凹面鏡の二次曲面は楕円曲面の一部であって、前記楕円曲面の焦点のひとつが前記光発生手段の前記発光源に実質上一致し、もうひとつが、前記第１の凹面鏡により集光される光の焦点と一致している、第２の本発明の光源装置である。

また、第４の本発明は、前記第２の凹面鏡は、一個又は複数個の二次曲面を前記反射面として有する、第１の本発明の光源装置である。

また、第５の本発明は、前記第２の凹面鏡の二次曲面は球面の一部であって、
前記球面の中心が前記光発生手段の前記発光源に実質上一致している、第４の本発明の光源装置である。

また、第６の本発明は、前記第２の凹面鏡の反射面は、前記第１の凹面鏡の反射面よりも前記発光源寄りに位置しており、
前記第１の凹面鏡の集光角度を前記基準軸を含む平面により二分し、大きいほうの角度をα、小さい方の角度をβ、前記第２の凹面鏡の集光角度をθとすると、
（数１）
α＞β＞０
（数２）
α＋β≧１８０゜
（数４）
０＜θ≦１８０゜
の関係を満たす、第１の本発明の光源装置である。

また、第７の本発明は、前記光発生手段は、
前記発光源を収納する管体を有するランプであって、
前記管体は、前記発光源からの放射光を透過する管球部と、前記管球部から突出した一対の端部とを有し、
前記一対の端部は、前記基準軸の周囲に設けられている、第１の本発明の光源装置である。

また、第８の本発明は、前記管球部は、前記第１の凹面鏡の反射面と対向する第１の対向面と、前記第１の凹面鏡の反射面および前記第２の凹面鏡の反射面と対向する第２の対向面とを有し、
前記第１の凹面鏡の反射面の前記一部は、少なくとも前記第２の対向面と対向するものである、第７の本発明の光源装置である。

また、第９の本発明は、第１の本発明の光源装置と、
前記光源装置の前記第１の凹面鏡により集光される光の焦点と光学的に結合する位置に配置され、前記光源装置から出射される光を実質上平行光に変換するレンズ手段とを備えた、照明装置である。

また、第１０の本発明は、前記レンズ手段はロッドインテグレータである、第９の本発明の照明装置である。

また、第１１の本発明は、前記レンズ手段はレンズアレイである、第９の本発明の照明装置である。

また、第１２の本発明は、前記光源装置は複数であって、それぞれの前記基準軸が同一平面内で一致するよう配置されており、
前記複数の光源装置から射出された光を前記レンズ手段へ導く導光手段をさらに備えた、第９の本発明の照明装置である。
また、第１３の本発明は、前記第１の凹面鏡における、前記導光手段が干渉を生ずるために利用されない反射面の一部を切り取った部分には、前記第２の凹面鏡が位置するように配置されている、第１２の本発明の照明装置である。

また、第１４の本発明は、前記複数の光源装置は、それぞれの前記基準軸が空間内の一点で交差するように配置されており、
前記レンズ手段は、前記一点に対応する位置に設けられている、第１２の本発明の照明装置である。

また、第１５の本発明は、前記複数の光源装置は、前記第２の凹面鏡同士が対向するように配置されている、第１４の本発明の照明装置である。

また、第１６の本発明は、前記複数の光源装置は、前記第１の凹面鏡同士が対向するように配置されている、第１４の本発明の照明装置である。

また、第１７の本発明は、第９の本発明の照明装置と、
前記照明装置と光学的に結合する位置に配置され、光を変調して光学像を形成する光変調素子と、
前記光学像を投写する投写レンズとを備えた、投写型表示装置である。

以上のように、本発明によれば、高い光利用効率を実現することができ、光源装置の小型化を行っても光利用効率が低下しない光源装置を提供することができると共に、この光源装置を備えることにより、光の利用効率が高い照明装置および投写型表示装置を提供することが可能である。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。

（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態１について、図面を参照しながら説明する。図１に本実施の形態１にかかる光源装置の概略構成を示す。

この光源装置は、ランプ（本発明のランプ、光発生手段の一例）１１と、楕円面鏡（本発明の第１の凹面鏡の一例）１２と、球面鏡（本発明の第２の凹面鏡の一例）１３で構成される。

ランプ１１は、後述する焦点位置に対応して位置し、光を発生する発光源と、発光源を内蔵し、そこからの光を外部へ透過させる光透過面１１１ａおよび１１１ｂを有する、実質上球状の管球部とを有するランプ発光部１１１と、発光源の電極等を含み、ランプ発光部１１１から突出した形状を有する一対の端部１１１ｃおよび１１１ｄとから構成される。なお、ランプ発光部１１１の管球部と端部１１１ｃおよび１１１ｄは同一の管体から一体的に構成される。また、ランプ１１としては、発光源となる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、発光効率が優れているメタルハライドランプや、点灯時のランプ発光部（発光管）内を超高圧にした水銀灯、およびハロゲンランプなどを用いることができる。

楕円面鏡１２の有する反射面の二つの焦点のうち、一方はランプ発光部１１１の発光源と一致するように配置されており、したがって光透過面１１１ｂから放射され楕円面鏡１２により集光された光は楕円面鏡１２の出射開口側へ集光され、他方の焦点に光のスポットを形成する。ここでランプ発光部１１１の発光源と一致する焦点の位置を焦点位置Ｆ１，光のスポットが形成される焦点の位置を焦点位置Ｆ２とすると、楕円面鏡１２は、その光軸１４、すなわち焦点位置Ｆ１とＦ２とを結ぶ基準軸に対して非回転対称な形状を有している。さらに楕円面鏡１２の反射面の一部は、図１に示す光軸１４の周囲にわたって存在し、さらにその一部は、ランプ１１１の後方までまわりこんで、光透過面１１１ａと対向するように形成されている。

また、球面鏡１３も光軸１４に対して非回転対称な形状を有し、その反射面はランプ発光部１１１の光透過面１１１ａと対向し、そこからの放射光が到達できる範囲であって、楕円面鏡１２が無い部分を覆っている。また図において球面鏡１３のなす反射面の中心は、焦点位置Ｆ１と一致している。要するに、楕円面鏡１２は光透過面１１１ｂおよび光透過面１１１ａから放射される光を集光可能であり、球面鏡１３は、光透過面１１１ａから放射される光を反射可能な構成を有している。

さらに、楕円面鏡１２の焦点位置Ｆ１から、球面鏡１３の反射面までの距離、すなわち球面鏡１３の曲率半径Ｒは、ランプ発光部１１１のある楕円面鏡１２の焦点距離から、ランプ発光部１１１から出射された光束が楕円面鏡１２によって集光されスポットを形成する集光位置である楕円面鏡１２の焦点位置Ｆ２までの距離、つまり楕円面鏡１２の焦点間距離Ｌよりも短くなっている。また、光軸１４はランプ１１を貫くような配置となっており、端部１１１ｃおよび１１１ｄは、この光軸１４の周囲に形成される格好となっている。

なお、光源装置の立体的な概略形状を図２に示す。図１の断面図は、図２のＡ−Ａ′直線によるものである。このＡ−Ａ′直線は光軸１４と同一平面内に位置し、光源装置を真上から二分している。

図１に示す光源装置の作用について説明する。まず、ランプ発光部１１１から放射される光束の内、楕円面鏡１２で反射された光は、楕円面鏡１２の出射開口側へ集光され、楕円面鏡１２の出射開口側に存在する焦点位置Ｆ２に光のスポットを形成する。このとき、ランプ発光部１１１の発光源から放射される光束は、光透過面１１１ｂおよび光透過面１１１ａから放射される光から形成される。

一方、ランプ発光部１１１から放射された光束の内、光透過面１１１ａから放射され、球面鏡１３で反射された光は、再びランプ１１の発光部１１１付近へ戻され、ランプ発光部１１１付近を通過後、楕円面鏡１２で反射され、ランプ発光部１１１からの直接光とともに楕円面鏡１２の第２焦点Ｆ２に集光される。

このように、本実施の形態の光源装置においては、楕円面鏡１２を、光軸１４に対して非回転対称な構成とし、ランプ１１から直接放射される光を反射して、非回転対称な光束を形成するようにするとともに、ランプ１１から放射され、楕円面鏡１２で反射されない光を、球面鏡１３により楕円面鏡１２へ再度反射させるようにしており、非回転対称な光束においても、回転対称の光束に近い光束量を確保している。

さらに、楕円面鏡１２を、光軸１４に対して非回転対称に形成するとともに、反射面をランプ発光部１１１の背後まで回り込むように形成して、球面鏡１３が反射する光が放射されるのと同一の透過面からの光をも直接集光するようにしたことにより、図１５の第２の従来例の光源装置のように、球面鏡１３が、光透過面１１１ａからの全ての放射光を反射する必要がないため、集光されず外部へ放射される反射光が生ずることを防ぎ、楕円面鏡１２の実質的な大きさを変更することなく、光束量を十分得られることができる。

さらに、本実施の形態の光源装置においては、球面鏡１３の曲率半径Ｒを、楕円面鏡１２の焦点間距離Ｌよりも短い構成としたことにより、光束量を最大限確保しつつ、光源装置のサイズを最小に保つことでできるという効果を与える。これは以下の理由による。すなわち、単に集光効率を高めるためだけであれば、球面鏡１３を、その反射面が楕円面鏡１２からの出射光束の収束点である焦点位置Ｆ２と実質上一致するまで後退させた位置に設け、さらに球面鏡１３の反射面上の、焦点位置Ｆ２に対応する位置に、集光スポットとほぼ実質同一大の開口を設ければよい。この場合、ランプ発光部１１１から出射されるほぼ全ての光を、球面鏡１３と楕円面鏡１２とによって集光することが可能となり、最大限の集光効率が得られるが、楕円面鏡１２の集光角度を変化させても、球面鏡１３の曲率半径が一定であるため、光源装置全体のサイズが大きくなってしまう。

そのため、本実施の形態では、上記のように、球面鏡１３の曲率半径Ｒを、楕円面鏡１２の焦点間距離Ｌより短くすることにより、集光効率の向上と装置の小型化とを両立させることができる。

次に、この光軸１４に対して非回転対称な光源装置において、光利用効率が向上し、かつ球面鏡１３のサイズが大きくならない形状を示した光源装置を実現するための条件を説明する。

図６，図７に、球面鏡１３がランプ発光部１１１からの放射光を取り込む角度が最大となる垂直面での断面図を示す。つまり、この断面図は、球面鏡１３をランプ発光部１１１から望む角度が最大となる断面である。

光軸１４を含み、図２のＡ−Ａ′直線と直交する平面にて二分した楕円面鏡１２の集光角度のうち、大きい方を角度α、小さい方を角度βとし、ランプ１１から放射される光の最大角度をγ、球面鏡１３の集光角度の範囲をθとするとき、図６に示すように、球面鏡１３が楕円面鏡１２で反射される光線をほぼ遮光しない範囲で、楕円面鏡１２の反射光線の外側にある場合、すなわち楕円面鏡１２の反射面は、球面鏡１３の反射面よりランプ発光部１１１よりに配置されている場合、
（数１）
α＞β＞０ （１）
（数２）
α＋β≧１８０゜ （２）
（数３）
０＜θ≦γ―β （３）
なお、角度αにより定義される反射面は光透過面１１１ｂからの放射光を反射し、角度βにより定義される反射面は光透過面１１１ａからの光を反射する。

図７に示すように、球面鏡１３が楕円面鏡１２で反射される光線をほぼ遮光しない範囲で、ランプ発光部１１１の管球部の表面に、または、その近傍に形成されている場合、すなわち球面鏡１３の反射面が、楕円面鏡１２の反射面よりランプ発光部１１１よりに配置されている場合、
（数１）
α＞β＞０ （１）
（数２）
α＋β≧１８０゜ （４）
（数４）
０＜θ≦１８０゜ （５）
を満たすことが望ましい。なお、上記図６の条件において、球面鏡１３の曲率半径Ｒ＜楕円面鏡１２の焦点距離Ｌである。

ここで重要な点はβが正であることである。これが、楕円面鏡１２の反射面がこの断面図６，７において、光軸１４の上下両側にまたがっている構成を与える。さらに、ランプ１１の端部１１１ｃをまたいで、反射面が光透過面１１１ｂのみならず光透過面１１１ａとも対向する構成を与える。このように楕円面鏡１２が光軸１４の上下両側にまたがり、反射面が光透過面１１１ｂのみならず光透過面１１１ａとも対向することによって、楕円面鏡１２が大きな角度でランプ発光部１１１からの光を直接集光することが可能となる。球面鏡１３は、光透過面１１１ａからの光のうち、楕円面鏡１２がカバーしきれない、すこし残っている光を集めればよいだけとなるので、小さなサイズで済む。よって、ランプ発光部１１１から放射され、損失することなく楕円面鏡１２へ向かい第２焦点Ｆ２に集光される光が最大となる状態であり、直接球面鏡１３へ向かい、反射され、ランプ発光部１１１近傍を通過して、楕円面鏡１２へ向かい、第２焦点に集光される楕円面鏡１２で反射されるまでに多くの損失が発生する光量が比較的少なくて済むことになる。よって、実質的に楕円面鏡１２の大きさを変更することなく、光源装置全体から出射される光の集光効率が従来例に比べて向上することになる。

上記式（１）は、楕円面鏡１２の反射面が光軸１４に対して非回転対称性を有する条件を示す。

上記式（２）、（４）の関係が満たされない場合、球面鏡１３で反射された光は楕円面鏡１２の反射面が存在しない領域に到達するため、光利用効率を向上することができない。

上記式（３）、（５）は、球面鏡１３が集光できる範囲を示している。

また式（３）は、図６に示すように、球面鏡１３が楕円面鏡１２の反射面の外側にある場合なので、ランプ１１からの放射光を最大限取り込める範囲で、球面鏡１３の角度を小さく納めることができる範囲を示す。

球面鏡１３が、楕円面鏡１２の反射面の外側にある場合は、図７の例の、ランプ１１の管球面近傍にある場合よりも光源装置のサイズは大きくなるが、球面鏡１３の反射面へ入射するランプ発光部１１１から出射される光束密度が低下し、反射面に要求される耐熱性等が軽減できるという利点がある。

式（５）は、図７に示すように、球面鏡１３が光透過面１１１ａと実質一致するランプ管球面または、その近傍にあり、楕円面鏡１２の形成する光束内に配置される場合なので、球面鏡１３の角度範囲によって光源装置としての大きさがほぼ変化することがないため、より高効率化を重視した角度範囲を設けることが望ましい。

これらの構成であれば、光軸１４に対してほぼ回転対称に放射されるランプ出射光束を、光軸１４に対して非回転対称な光束として効率良く楕円面鏡１２から出射させることが可能となる。

また、図１では球面鏡１３を１個用いた場合を示しているが、光軸１４に対して回転対称な形状の楕円面鏡から数カ所切り取られた形状を持つ楕円面鏡の場合、球面鏡を複数個用いることで、複雑な開口形状を有する楕円面鏡であっても、楕円面鏡で覆えない領域に到達するランプ１１からの放射光を集光することが可能となり、光源装置の光利用効率を向上させることができる。

また、図３に示すように、本実施の形態の光源装置１００と、ミラーや、ガラス柱またはミラーを張り合わせてなるロッドインテグレータ１０１や、レンズ等の光学手段１０２を所定の位置に配置することで、光源装置１００から出射された光を所定の略平行光に変換する本実施の形態にかかる照明装置を得ることができる。

また、図４に示すように、ガラス柱またはミラーを張り合わせたロッドインテグレータを用いた照明装置ではなく、複数のレンズを２次元的に配置したレンズアレイを用いた照明装置であっても良い。

さらに、図５に示すように、上記の照明装置に、フィールドレンズ１０４、光変調素子１０５、投写レンズ１０６を追加して設ければ、本実施の形態にかかる投写型表示装置を得ることができる。

なお、光変調素子１０５として反射型ライトバルブ、透過型ライトバルブ、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、光書き込み方式等の光変調素子を用いることができる。

さらに、図３、図４、図５では、光源装置１００からの放射光を照明光に変換する光学手段としてレンズを図示したが、レンズだけでなく、ミラーやプリズムを用いたものや、または複数個のレンズを組み合わせた光学要素が含まれた光学系であっても良い。

さらに、図５では光変調素子として透過型ライトバルブを１つだけ備えた構成を例示しているが、複数個の光変調素子を備えた構成であっても良い。

さらに、図示していないが、色分解および色合成を行うことができるプリズムやフィルタ、ミラーなどを用いた構成であっても良い。

以上のように、本実施の形態１によれば、ランプ１１と楕円面鏡１２と球面鏡１３を備え、光軸に対して非回転対称な形状を有する楕円面鏡で集光できない光を集光することが可能な位置に球面鏡を配置することによって、高効率で小型な光源装置を得ることができる。

さらに、このように、高効率で小型な光源装置を備えることにより、同じ出力のランプを用いればより明るく、また、同じ明るさをより低出力なランプを用いて可能とするので消費電力を低く抑えることができる照明装置および投写型表示装置を提供することができる。

なお、以上の説明では、第１の凹面鏡として楕円面鏡１２を用いたが、２次曲面を持つ反射面鏡であればよく、放物面鏡や複数個の楕円面鏡を組み合わせた形状の反射面鏡等を用いてもよい。さらに、第１の凹面鏡としては、二次曲面に限定されるものではなく、フレネルミラー等の、複数の平面または曲面から形成されたものであってもよい。

さらに、第２の凹面鏡として球面鏡を用いたが、ランプ放射光をランプ発光部近傍へ効率よく反射可能な２次曲面を持つ反射面鏡であればよく、楕円面鏡や複数個の球面鏡を組み合わせた形状の反射面鏡等を用いてもよい。また、第１の凹面鏡と同様、二次曲面に限定されるものではなく、フレネルミラー等の、複数の平面または曲面から形成されたものであってもよい。

（実施の形態２）
以下、本発明の実施の形態２について、図面を参照しながら説明する。図８、図１０に、本実施の形態にかかる照明装置、投写型表示装置の概略構成をそれぞれ示す。

光源装置１００については、実施の形態１と同様であるため、説明を省略する。従来の説明で述べたように、図１１に示すような多灯式光学系は、より明るい照明を行えるように、複数個の光源装置を用い、複数の光源装置からそれぞれ出射される光束を合成し、１個のロッドインテグレータやレンズ光学系に入射させ照明を行ってきた。

図１１に示すようなロッドインテグレータ２を用いた光学系の場合、ロッドインテグレータ２以降の光学系で損失を少なくし光源装置からの出射された光束の光利用効率を高めるためには、ランプ放射光をより多く楕円面鏡で集光できるように楕円面鏡の集光角度をできるだけ大きくし、さらに楕円面鏡１２の焦点位置Ｆ１（ランプの発光源と実質上一致している）と焦点位置Ｆ２（光束の収束点になる）との距離をできるだけ小さくして、ロッドインテグレータ２の入射側開口２ａ上に形成される光スポットを小さくする必要があった。

しかしながら、集光角を大きくしながら、焦点間距離を短くした楕円面鏡を複数個配置する場合は、楕円面鏡の一部分が物理的に干渉した状態の配置が最も効率が高いことがわかっている。このような構成として、図１６に示すように、複数の光源装置における凹面鏡１同士が物理的に干渉することを防ぐため、それぞれの光源装置について、凹面鏡１の一部分を切り取った構成がすでに知られていた。しかしながらこの場合、凹面鏡１の切り取られた一部分の集光効率が劣ってしまうという問題がある。

この問題を回避するため、図１３に示すように、一対の光源装置を、互いの反射面が対向するように配置し、ロッドインテグレータ２の入射側開口２ａの直前に、複数個の光源装置１から出射された光束をロッドインテグレータ２の入射開口側開口２ａへ導くような角度で設けられたミラー２００を配置した構成もある。

この構成とした場合、凹面鏡６自体の物理的干渉は無いものの、凹面鏡６から出射された全ての光束をロッドインテグレータ２側へ反射するようにミラー２００を配置させると、ミラー２００の物理的干渉により、入射側開口２ａへ反射されない光束が発生するため、実質上凹面鏡６の利用されない領域（図中点線にて示す）が発生する。この場合、楕円面鏡は干渉部分がないため、光軸に対して回転対称な楕円面鏡を配置することはできてもミラー干渉部分に入射した光が利用されないという結果となる。

次に、図１４は、図１３の光学系の光源装置として、図１２のような従来構成の光源装置を用いた多灯式光学系の構成を示す図である。この場合、図１３の凹面鏡と同様、第１の凹面鏡６には実質上利用されない領域（図中点線にて示す）が生じてしまい、この第１の凹面鏡６の実質上の利用されない領域に直接ランプから入射する光束に加えて、さらに第２の凹面鏡７で反射された後発光部近傍を通過して、その第１の凹面鏡６の実質上利用されない領域に入射する光束が発生するため、光利用効率がさらに低くなるという問題を有している。

さらに、図１３の光学系の光源装置部として、図１５のような従来の光源装置を用いた場合、直接楕円面鏡８で取り込むことができる光束まで、光損失が発生する球面鏡９で反射された後、発光部近傍を通過し楕円面鏡８で反射するため、光源装置から出射される光束が最大の効率で利用できていなかった。

本発明の実施の形態２の照明装置は、実施の形態１の光源装置を照明装置に用いることにより、上記のような問題を解決するものである。

図８に、本発明の実施の形態２による、本発明の実施の形態１の光源装置を用いた多灯式光学系の照明装置を示す。

照明装置において、各光源装置１００は、それぞれの光軸１４が同一平面内で一致するよう配置されており、図中では同一線上となっている。

光源装置１００は、楕円面鏡１２の反射面の小さい方側の、ミラー２００の干渉を生ずるために利用されない反射面の一部を切り取った部分には、球面鏡１３が位置するように配置されている。なお、ミラー２００は本発明の導光手段に相当する。

このような照明装置においては、球面鏡１３に入射したランプ１１からの放射光は、ランプ発光部１１１の付近を通過するように戻された後、ミラー２００やロッドインテグレータ１０１で利用されることができる楕円面鏡１２の反射面を介してミラー２００側へ出射されるため、ロッドインテグレータ１０１後も損失を受けることがない光束となり、光源装置から出射される光束の光利用効率を向上させることができる。

つまり、光源装置１００における、球面鏡１３を発光中心（焦点位置Ｆ１に相当）から望む角度が実質上最大となる、発光中心を含む特定断面において、光軸１４に対する楕円面鏡１２の集光角度のうち最も小さい角度（図６，７に示す角度βに対応する）を有する反射面が設けられる位置は、二つの光源装置１００から出射される光束が、ロッドインテグレータ１０１に入射する手前で、近接する際に、一方の光源装置から出射された隣り合う光束に最も近い光束内の位置と、ほぼ一致するように配置される。これにより、ランプ発光部１１１から直接楕円面鏡１２で集光できる有効な光束が最も多くなる。一方、楕円面鏡１２で集光できないランプ発光部１１１からの光束も球面鏡１３で集光できる。

なお、この構成においても、ランプ１１としてメタルハライドランプや水銀灯等を用いている場合、発光物質およびランプ１１を構成している材料による光吸収、光散乱等による損失は生じるが、球面鏡１３で反射された光束の全部とはいかないが吸収・散乱されることなく発光体近傍を通過した光は楕円面鏡１２に到達することとなる。さらに、光軸１４に対して非回転対称かつ光軸１４にまたがって形成された反射面を有する楕円面鏡１２のため、光源装置としての集光効率は向上しているので、これまで利用できなかったランプ１１からの放射光が利用されることで、照明装置としての光利用効率を向上させることができる。

また、ランプ発光部１１１から出射された光束のうち、より多くの光束を、最短経路となる楕円面鏡１２による直接集光によって得ることができ、残りの光束も、球面鏡１３を介して集光させるので、集光効率を極めて高めることができる。

また、実施の形態１と同様、球面鏡１３の曲率半径Ｒを楕円面鏡１２の焦点距離Ｌより短くとることで、光源装置１００自体のサイズを小さくでき、照明装置全体を小型化することが可能となる。

また、球面鏡１３を小型化すると、楕円面鏡１２の焦点距離も短くできるため、ロッドインテグレータ１０１の入射側開口端１０１ａに対し、より小さな光スポットを形成できるため、ロッドインテグレータ１０１以降の集光効率も高めることができる。

このように、本実施の形態によれば、高い光利用効率と、小型化を共に実現できる照明装置が得られる。

なお、図８には、光源装置１００を、楕円面鏡１２の反射面の小さい方が、ミラー２００の干渉を生ずる部分で利用されない部分に向け、その利用されない部分には球面鏡１３が位置するように配置した例を示したが、図１７に示すように、楕円面鏡１２と球面鏡１３との位置関係が逆転するように各光源装置１００を配置するようにしてもよい。この場合、ミラー２００の干渉を防ぐため、光源装置１００とロッドインテグレータ１０１との距離をより大きく取る必要があるが、球面鏡１３の保持や、調整治具等の部材の配置が容易になるという利点がある。

また、図８にはガラス柱またはミラーを張り合わせたロッドインテグレータ１０１を用いた照明装置を例に示したが、図９に示すように、複数のレンズを２次元的に配置したレンズアレイ１０３を用いた照明装置であっても良い。

さらに、図１０に示すように、上記の照明装置に、フィールドレンズ１０４、光変調素子１０５、投写レンズ１０６を追加して設ければ、本実施の形態にかかる投写型表示装置を得ることができる。

なお、光変調素子１０５としては、反射型ライトバルブ、透過型ライトバルブ、光書き込み方式の光変調素子などを用いることができる。

さらに、図８、図９、図１０では、照明光に変換する光学手段としてレンズを図示したが、レンズだけでなく、ミラーやプリズムを用いたものや、または複数個のレンズを組み合わせた光学要素が含まれた光学系であっても良い。

さらに、図５、８〜１０では光変調素子として透過型ライトバルブを１つだけ備えた構成を例示しているが、複数個の光変調素子を備えた構成であっても良い。さらに、図示していないが、色分解および色合成を行うことができるプリズムやフィルタ、ミラーなどを用いた構成であっても良い。

以上のように、本実施の形態２によれば、ランプと楕円面鏡と球面鏡を備えた光源装置を複数個用いた照明装置において、光軸に対して非回転対称な形状を有する楕円面鏡で集光できない光を集光することが可能な位置に球面鏡を配置することによって、高効率な照明装置を得ることができる。

さらに、このように、高効率な照明装置を備えることにより、同じ出力のランプを用いればより明るく、また、同じ明るさをより低出力なランプを用いて可能とするので消費電力を低く抑えることができる投写型表示装置を提供することができる。

（実施の形態３）
図１８に、本発明の実施の形態３の照明装置の構成を示す。図において、ロッドインテグレータ１０１、リレーレンズ１０２，光変調素子１０５は従来例および実施の形態２と同様である。すなわち、図１１に示す従来例の照明装置において、光源装置を本実施の形態１の光源装置を用いた構成を有する。このとき、一対の光源装置１００は、互いに球面鏡１３同士が向かい合うように配置され、各光源装置１００の光軸１４が空間内の一点で交差する、その交差点にロッドインテグレータ１０１が配置されている。

本実施の形態の照明装置は、光学的な動作は図１１の従来例と同様で、一対の光源装置１００として実施の形態１の光源装置を用い、光源装置１００から出射された光束は、直接ロッドインテグレータ１０１の入射側開口端１０１ａに到達する。

本実施の形態は、実施の形態２の構成と比較した場合、従来例と同様に、各光源装置の光軸１４が斜めになるため、光軸合わせ等の調整の困難といった問題は残るが、光軸１４に対して回転非対称な光束を全てロッドインテグレータ１０１に対し放射させることができる。これにより、図１６に示す従来例と同様、焦点間距離の小さい光源装置を用いることで、ロッドインテグレータ１０１に形成される光スポットを小さくしながら、ランプ１１からの放射光の集光角は、図１１に示す従来例の回転対称型の光源装置に近い角度となるので、光学系全体として、高い光利用効率を得ることができる。

また、部品点数の簡素化、低コスト化を図ることが出来る。

なお、図１８には、一対の光源装置１００を、球面鏡１３同士が向かい合うように配置する構成を示したが、図１９に示すように、楕円面鏡１２同士が向かい合うように配置する構成としてもよい。この場合、ロッドインテグレータ１０１へ入射する光束のうち、実質的にロッドインテグレータ１０１の光軸と平行に近いものを集中して入射側開口端１０１ａへ入射させることができ、照明装置においてロッドインテグレータ１０１以降の実質的な光束量を増加させることができる。さらに、球面鏡１３の保持や、調整治具等の部材の配置が容易になるという利点もある。

なお、以上の説明では、第１の凹面鏡として楕円面鏡を用いたが、２次曲面を持つ反射面鏡であればよく、放物面鏡や複数個の楕円面鏡を組み合わせた形状の反射面鏡等を用いてもよい。

さらに、第２の凹面鏡として球面鏡を用いたが、ランプ放射光をランプ発光部近傍へ効率よく反射可能な２次曲面を持つ反射面鏡であればよく、楕円面鏡や複数個の球面鏡を組み合わせた形状の反射面鏡等を用いてもよい。

なお、すでに述べてもいるが、上記の各実施の形態において、ランプ１１は本発明のランプ、光発生手段の一例であり、発光源を省いたランプ発光部１１１の管球部は本発明の管球部の一例であり、端部１１１ｂおよび１１１ｄは本発明の一対の端部の一例であり、ランプ発光部１１１の光透過面１１１ａは本発明の第１の対向面の一例であり、光透過面１１１ｂは本発明の第２の対向面の一例である。

しかしながら本発明の光発生手段は各実施の形態のような管体を有するランプとして実現する必要はなく、発光ダイオード等、他の光源により実現されるものであってもよい。また、ランプである場合も、管球部および端部から構成されるものでなくともよく、たとえば、光透過面を有する管球部のみからなる実質的に球形、回転楕円体等の形状を有するものであってもよい。要するに、本発明の光発生手段は、その発光源が、第１の凹面鏡の焦点と本発明の基準軸を形成できるものであれば、その具体的な構成、形状によって限定されるものではない。

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、高い光利用効率を実現することができ、光源装置の小型化を行っても光利用効率が低下しない光源装置を提供することができると共に、この光源装置を備えることにより、光の利用効率が高いことを提供することが可能であるという効果を有し、光発生手段および凹面鏡を有する光源装置と、照明装置と、投写型表示装置等として有用である。

図１は、本発明の実施の形態１にかかる光源装置の概略を説明する断面図である。 図２は、本発明の実施の形態１にかかる光源装置の概略構成を示す斜視図である。 図３は、本発明の実施の形態１にかかる照明装置の概略構成を示す断面図である。 図４は、本発明の実施の形態１にかかる照明装置の概略構成を示す断面図である。 図５は、本発明の実施の形態１にかかる投写型表示装置の概略構成を示す断面図である。 図６は、本発明の実施の形態１にかかる光源装置の概略構成と作用を説明する断面図である。 図７は、本発明の実施の形態１にかかる光源装置の概略構成と作用を説明する断面図である。 図８は、本発明の実施の形態２にかかる照明装置の概略構成を説明する断面図である。 図９は、本発明の実施の形態２にかかる照明装置の概略構成を説明する断面図である。 図１０は、本発明の実施の形態２にかかる投写型表示装置の概略構成を示す断面図である。 図１１は、従来の複数個の光源装置を用いた光学系の断面図である。 図１２は、第１の従来例として示した複数個の凹面鏡を用いた光源装置の断面図である。 図１３は、従来の複数個の光源装置の合成部にミラーを用いた光学系の効果説明図である。 図１４は、第１の従来例を従来の複数個の光源装置の合成部にミラーを用いた光学系の効果説明図である。 図１５は、第２の従来例として示した複数個の凹面鏡を用いた光源装置の断面図である。 図１６は、従来の複数個の光源装置を用いた光学系の断面図である。 図１７は、本発明の実施の形態２にかかる照明装置の概略構成を説明する断面図である。 図１８は、本発明の実施の形態３にかかる照明装置の概略構成を説明する断面図である。 図１９は、本発明の実施の形態３にかかる照明装置の概略構成を説明する断面図である。

符号の説明

１１ ランプ
１２ 楕円面鏡
１３ 球面鏡
１４ 光軸
１１１ ランプ発光部
１００ 光源装置
１０１ ロッドインテグレータ
Ｆ１ 第１焦点位置
Ｆ２ 第２焦点位置

Claims (17)

1. 光発生手段と、
   前記光発生手段から放射される一部の光を集光する第１の凹面鏡と、
   前記光発生手段から放射される、前記第１の凹面鏡に集光されない他の一部の光を集光し、前記第１の凹面鏡へ反射する第２の凹面鏡とを備え、
   前記第１の凹面鏡の反射面および前記第２の凹面鏡の反射面は、前記光発生手段の発光源と前記第１の凹面鏡により集光される光の焦点とを結んでなる基準軸に対して、それぞれ非回転対称な形状を有し、
   前記第２の凹面鏡の反射面と前記発光源との距離は、前記発光源と前記第１の凹面鏡により集光される光の焦点との距離より短く、
   前記第１の凹面鏡の反射面の一部は、前記基準軸の周囲に形成されており、
   前記第２の凹面鏡は、前記光発生手段の光が前記第１の凹面鏡に反射されることにより形成される光束内に配置されている、光源装置。
2. 前記第１の凹面鏡は、一個又は複数個の二次曲面を前記反射面として有する、請求項１に記載の光源装置。
3. 前記第１の凹面鏡の二次曲面は楕円曲面の一部であって、
   前記楕円曲面の焦点のひとつが前記光発生手段の前記発光源に実質上一致し、もうひとつが、前記第１の凹面鏡により集光される光の焦点と一致している、請求項２に記載の光源装置。
4. 前記第２の凹面鏡は、一個又は複数個の二次曲面を前記反射面として有する、請求項１に記載の光源装置。
5. 前記第２の凹面鏡の二次曲面は球面の一部であって、
   前記球面の中心が前記光発生手段の前記発光源に実質上一致している、請求項４に記載の光源装置。
6. 前記第２の凹面鏡の反射面は、前記第１の凹面鏡の反射面よりも前記発光源寄りに位置しており、
   前記第１の凹面鏡の集光角度を前記基準軸を含む平面により二分し、大きいほうの角度をα、小さい方の角度をβ、前記第２の凹面鏡の集光角度をθとすると、
   （数１）
   α＞β＞０
   （数２）
   α＋β≧１８０゜
   （数４）
   ０＜θ≦１８０゜
   の関係を満たす、請求項１に記載の光源装置。
7. 前記光発生手段は、
   前記発光源を収納する管体を有するランプであって、
   前記管体は、前記発光源からの放射光を透過する管球部と、前記管球部から突出した一対の端部とを有し、
   前記一対の端部は、前記基準軸の周囲に設けられている、請求項１に記載の光源装置。
8. 前記管球部は、前記第１の凹面鏡の反射面と対向する第１の対向面と、前記第１の凹面鏡の反射面および前記第２の凹面鏡の反射面と対向する第２の対向面とを有し、
   前記第１の凹面鏡の反射面の前記一部は、少なくとも前記第２の対向面と対向するものである、請求項７に記載の光源装置。
9. 請求項１に記載の光源装置と、
   前記光源装置の前記第１の凹面鏡により集光される光の焦点と光学的に結合する位置に配置され、前記光源装置から出射される光を実質上平行光に変換するレンズ手段とを備えた、照明装置。
10. 前記レンズ手段はロッドインテグレータである、請求項９に記載の照明装置。
11. 前記レンズ手段はレンズアレイである、請求項９に記載の照明装置。
12. 前記光源装置は複数であって、それぞれの前記基準軸が同一平面内で一致するよう配置されており、
    前記複数の光源装置から射出された光を前記レンズ手段へ導く導光手段をさらに備えた、請求項９に記載の照明装置。
13. 前記第１の凹面鏡における、前記導光手段が干渉を生ずるために利用されない反射面の一部を切り取った部分には、前記第２の凹面鏡が位置するように配置されている、請求項１２に記載の照明装置。
14. 前記複数の光源装置は、それぞれの前記基準軸が空間内の一点で交差するように配置されており、
    前記レンズ手段は、前記一点に対応する位置に設けられている、請求項１２に記載の照明装置。
15. 前記複数の光源装置は、前記第２の凹面鏡同士が対向するように配置されている、請求項１４に記載の照明装置。
16. 前記複数の光源装置は、前記第１の凹面鏡同士が対向するように配置されている、請求項１４に記載の照明装置。
17. 請求項９に記載の照明装置と、
    前記照明装置と光学的に結合する位置に配置され、光を変調して光学像を形成する光変調素子と、
    前記光学像を投写する投写レンズとを備えた、投写型表示装置。

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