JP4801269B2

JP4801269B2 - Illumination apparatus, illumination system, and illumination method using spherical mirror

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Publication number: JP4801269B2
Application number: JP2001083202A
Authority: JP
Inventors: 佐敏山内
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2001-03-22
Filing date: 2001-03-22
Publication date: 2011-10-26
Anticipated expiration: 2021-03-22
Also published as: JP2002279823A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光源から照射される光学ビームを収束させて物体を照明する照明装置に関し、より具体的には、光源と、前記光源によって放出された放射光を収束する球面鏡と、収束された放射光に配列されるレンズ系とを備えた照明装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光源と凹面鏡とレンズ系とを備えた照明システムは、各種形態のものが知られている。図１４に示す例は、特開平第３−１１１８０６号公報に開示された照明システムである。図において、照明システム１００は、光源１０２から放射された放射光線を凹面反射器１０３で反射させた後、集光レンズ１０４で平行ビームとする。この平行放射光線を、マトリックス状（例えば縦６個×横８個）に配置された複数の各長方形状のレンズ１１３からなる第１のマクロレンズアレイ１１４を用いて各レンズ１１３毎のサブビームに分割し、各サブビームを、第１のマクロレンズアレイ１１４に対応してマトリックス状に配置された第２のマクロレンズアレイ１１６の各レンズ１１７に結像させる。各レンズ１１７は、対応する第１のマクロレンズアレイ１１４の各レンズ１１３により形成された光点を表示パネル１１０上に結像する。これらの再結像光点を表示パネル１１０の面上で重畳させるため、レンズ１１９が第２のマクロレンズアレイ１１６の背後に配置されている。
【０００３】
前記の第１及び第２のマクロレンズアレイ１１４、１１６は、表示パネル１１０と同じ縦：横比（以下、「アスペクト比」という。）を有していることから、表示パネル１１０面における照明光の強度分布は、所望の均一性を有しており、この照明システムは高い集光効率を備えている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の例に示すもののほか、従来技術による照明装置、及び照明システムには未だ改善すべき課題が残されていた。まず、光源からの放射光を反射させるために一般的に使用される凹面鏡が放物面鏡や回転楕円面鏡である場合には、反射光を利用する上ではそれなりに効率が良いが、直接前面に放射される光束を有効利用していない。このためランプが放出する全光束の６０〜７０％程度しか用いられていない。すなわち、従来技術においては、光源から発する光をより効率良く被投写体に照射するための技術が望まれていた。
【０００５】
また、光源として例えばフィラメントなどの光に非透過性の光源を用いている場合には、たとえ放射光を反射させるための凹面鏡として球面鏡を使用していたとしても、反射光が非透過性の光源に結像される場合には光源自身が反射光線を遮ることとなる。これを避けるには、光源を球面鏡の球心から僅かでもずらして配置する必要があり、これによって発射光を一点（球心）に収束させることができずに照射効率を低下させるものとなっていた。
【０００６】
次に、放物面鏡の場合も回転楕円面鏡の場合も、焦点の位置と反射面との距離をあまり近くし過ぎると反射膜を熱で劣化させ、反射効率を落とすこととなる。このため、両者の間にはある程度の間隙が必要である。しかし、この間隙を広く取った場合には、反射面の開口が大きくなってしまい、これによって筐体の大きさ、特に厚さを薄くすることが困難であった。したがって、投射レンズ口径をより小さくすること、照明装置の筐体のサイズをより小さくする技術が望まれていた。
【０００７】
さらに、従来技術による凹面鏡は、放物面鏡であっても回転楕円面鏡であっても、開口の中心付近と周辺部分では光束密度の差が激しく、スクリーン上での照度むらを発生させる原因となっていた。また、スクリーン上の照度むらを少なくしようとしても、インテグレータの負担が大きくなるために困難であった。
【０００８】
したがって本発明は、光の利用効率を向上させた照明装置、及び照明システムを提供することを目的としている。加えて、本発明は、光源から被照射部分の空間的距離を短縮して、より小型の照明装置を得ること、また、照射レンズの口径を小さくすることにより、より小型の照明装置を得ること、さらにはスクリーン上での照度むらをなくすことができる照明装置、及び照明システムを提供することを目的としている。
【０００９】
本発明は、対象物を照明するための照明装置として、例えば、液晶プロジェクター、オーバーヘッドプロジェクター、スライドプロジェクター等の照明系など、幅広い技術分野に適用することが可能である。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明では、発散光を反射させる凹面鏡を球面の一部である球面鏡となし、前記球面鏡の球心にアークランプのアーク電極間の間隙の中心を配置することによって照明装置の照射効率の改善を果たすもので、具体的には以下の内容を含む。
【００１１】
すなわち、請求項１に記載の本発明は、光反射面を形成した凹面鏡と、一対のアーク電極から構成され、前記両アーク電極間にアークを発生させて発散光を放射するアークランプと、前記アークランプから放射された後、前記凹面鏡で反射された光線を集光させる集光装置と、から構成される照明装置であって、前記凹面鏡が、半球面あるいは半球以下の球面の内面に光反射面を形成した球面鏡から構成され、前記球面鏡の球心と、前記アークランプの一対のアーク電極間の間隙の中心とをほぼ一致させて配置することにより、前記アークから発散して前記球面鏡で反射した光線と、アークから発散する直接光とを重畳させて前記集光装置に出射、前記集光装置を、複数の凸レンズと、少なくとも一つの凹レンズとで構成し、単位面積当たりの光量を、主光軸の中心付近と周辺部とでほぼ均一になるよう、もしくは主光軸の中心付近より周辺部が少なくなるよう、前記複数の凸レンズと少なくとも１つの凹レンズとのパワーを調整したことを特徴とする照明装置に関する。球面鏡の球心とアークランプの中心とをほぼ一致させることにより、照射効率を高めるものである。
【００１５】
請求項２に記載の本発明に係る照明装置は、前記集光装置の一部を構成するレンズの１つが、前記アークランプの飛散を防止するフードを兼ねることを特徴としている。
【００１６】
請求項３に記載の本発明に係る照明装置は、前記球面鏡が、透明材料からなる中空球の半球面に光反射膜をコーティングすることにより形成され、前記中空球の残りの半球面が前記アークランプの飛散を防止するフードを形成することを特徴としている。中空球を有効活用して球面鏡とフードとを構成するものである。
【００１７】
請求項４に記載の本発明に係る照明装置は、前記中空球の半球面で形成されるフードが、前記球面鏡から反射される光線の主光軸に交わる位置、及びその周辺が前記中空球の球心に接近した扁平状に形成されていることを特徴としている。照明装置と被照明物との間の光軸の長さを短縮するものである。
【００１８】
請求項５に記載の本発明に係る照明装置は、前記フードが、前記集光装置の一部を構成する凸レンズの１つを兼ねることを特徴としている。照明装置と被照明物との間の光軸の長さをさらに短縮するものである。
【００１９】
請求項６に記載の本発明に係る照明装置は、前記球面鏡の光反射膜を、紫外線もしくは赤外線のいずれか一方、もしくは双方は透過させ、少なくとも可視光領域の光は反射させる光反射面として構成したことを特徴としている。可視光線を中心に反射させることによって被照明物の劣化を防ぐものである。
【００２０】
請求項７に記載の本発明は、以上の請求項１から請求項９のいずれか一に記載の照明装置を、一組のインテグレータに向けて光束を出射するように構成したことを特徴とする照明システムに関する。照射効率の高いシステムを実現するものである。
【００２１】
請求項８に記載の本発明は、請求項１から請求項９のいずれか一に記載の照明装置の複数個からなる照射装置を、一組のインテグレータに向けて光束を出射するように構成したことを特徴とする照明システムに関する。照射効率の高いシステムを実現するものである。
【００２２】
請求項９に記載の本発明に係る照明システムは、前記アークランプが発散するアークのランダムな光を、Ｐ偏光、あるいはＳ偏光のいずれか一方の偏光に揃える偏光機能をさらに含むことを特徴としている。用途目的に応じて照射光線に必要な偏光を与えることを可能にするものである。
【００２３】
請求項１０に記載の本発明に係る照明システムは、前記偏光機能が、偏光整列プリズムアレイから構成されることを特徴としている。
【００２４】
請求項１１に記載の本発明に係る照明システムは、前記偏光機能が、２個の偏光変換プリズムから構成されることを特徴としている。
【００２５】
請求項１２に記載の本発明は、半球面あるいは半球以下の球面の内面に光反射面を形成した球面鏡、前記球面鏡の球心に一対のアーク電極間の間隙のほぼ中心を配置したアークランプ、前記アークランプから発生する発散光を前記球面鏡で反射させた光線と前記アークから発散する直接光とを重畳させて集光させる集光装置から構成される照明装置と、前記一つの光束から複数の光束に分割する、照明対象となる画面と相似形の要素レンズを複数持つレンズ板と、前記分割されたそれぞれの光束を照明対象に重畳させるための凸レンズと、前記複数の要素レンズを持つレンズ板で作成したアーク像を前記凸レンズと共に照明対象上で結像するようにするための、互いに直交する一組のシリンドリカルレンズアレイと、から構成されることを特徴とする照明システムに関する。照射効率の高い照明システムを提供するものである。
【００２６】
請求項１３に記載の本発明に係る照明システムは、前記照明システムが、前記アークランプで作成されたランダムな光をＳ偏光ないしはＰ偏光のどちらか一方の偏光に揃えて前記照明対象を照射する偏光機能をさらに含むことを特徴としている。用途目的に応じて照射光線に必要な偏光を与えることを可能にするものである。
【００２８】
【発明の実施の形態】
本発明に係る第１の実施の形態の照明装置につき、図面を参照して説明する。以下、他の実施の形態も含め、同一の構成要素に対しては同一の符号を用いるものとする。図１は、高圧水銀ランプやメタルハライドランプに代表されるアークランプ２を光源に用い、このアークランプ２から発生する光線を有効に照明対象に照射できるようにした本実施の形態に係る照明装置１の基本原理を示している。図１（ａ）は照明装置１の側面図、図１（ｂ）は同じく正面図を示す。
【００２９】
両図において、照明装置１は、光源となるアークランプ２と、アークランプ２が球心に位置するよう配置された半球面状の球面鏡３と、アークランプ２に対して球面鏡３に対向する側に配置された集光装置である非球面凸レンズ４と、から主に構成されている。なお、ここでいう球面鏡３は、光源を反射する鏡面が半球面の場合のほか、半球以下の球面である場合をも含むものとする。
【００３０】
一般的にアークランプ２は横置きに用いられる。したがって、球面鏡３は、図１（ｂ）に示すようにその球心Ｃにアークの両電極６の間隙の中心がほぼくるようにし、両電極６が水平方向左右に延びた状態でアークランプ２が真横に配置されている。しかしながら、この球面鏡３の球心Ｃとアークランプ２の両アーク電極６間の中心をほぼ一致させているかぎり、球面鏡３はどのように回転させて配置されてもよい。例えば、上向きであっても下向きであっても、４５°あるいは任意の角度に傾いていても問題はない。
【００３１】
図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、非球面凸レンズ４の焦点を球面鏡３の球心Ｃに重なるように配置すれば、その主光軸を中心に平行光を得ることができる。すなわち、球心Ｃで発生する光のうち、球面鏡３側へ向かうものは、立体角１８０°いずれの方向へ向かう光も球面鏡３の反射面で反射した後、球心Ｃを通過して非球面凸レンズ４の方向へ向かう。一方、球心Ｃで発生する光のうち、直接非球面凸レンズ４へ向かうものは、前記反射光と同じ光路をたどって非球面凸レンズ４に達する。
【００３２】
このように、原理的には、球心Ｃで発生する光はすべて非球面凸レンズ４を通過し、その後は平行光として利用することが可能となる。実際上は、図１（ｂ）に示すアークランプ２の電極を支えるためのガラス管７が影となったり、また、非球面凸レンズ４は立体角度で１６０°程がカバーできる限界であるため、当然ある程度のロスは生ずる。しかしながら、従来技術による放物面鏡や回転楕円面鏡などのように、開口から直接放射される光を捨てることからすれば、はるかにロスを少なくすることができる。
【００３３】
最近のアークランプ２では電極６間の距離が非常に短くなっており、２ｍｍ以下は普通であって、さらには１ｍｍ程になってきている。いずれにせよ、アークランプ２の電極６間に間隙がある限り、この間隙の中心を球面鏡３の球心Ｃにほぼ配置することによってアークランプ２は自身の反射光に対して透過性となる。すなわち、アークランプ２で発生するアークは、球面鏡３の球心Ｃで発生することとなり、この発生したアークによる放射光は球面鏡３で反射した後、球心Ｃに収束し、この球心Ｃが電極６間の間隙となっていることから、その反射光の全てがその後非球面凸レンズ４に向かうこととなる。
【００３４】
電極６間の距離が短くなるにしたがって、アーク像の大きさも１〜１．５ｍｍ程度まで小さくなっている。したがって、アークの揺らぎや偏在の影響は小さくなってきてはいるものの、従来技術による放物面鏡や回転楕円面鏡においては本質的にこのアークの揺らぎや偏在による影響を解消することはできない。すなわち、時間的なアークの生成位置の変化は、照明対象物上での時間的な照度むらの変化となって現れる。
【００３５】
本実施の形態に係る構成によれば、例えば図１（ａ）に示すように、アークが電極の中心から外れた上方の位置ａに生成されたとしても（実際、このような現象が発生する場合は多い）、球面鏡３で反射して戻ってきた反射光は、球心Ｃに対してアークの発生位置ａと対称となる位置ａ’に像を形成する。したがって、見かけ上は球心Ｃの近傍に２倍のアークがあるのと同じ状態になる。このように、球面鏡３を使用し、アークランプ２の中心（すなわち両電極６間の間隙の中心）を球面鏡３の球心Ｃにほぼ一致させることによって、実質的にはアークの位置が多少移動しても常に球心Ｃを中心とした位置に光源があるのと同じ状態となる。これによって、アークの位置が多少変動したとしても、照明対象物上では時間的にほとんど変化のない照度分布を得ることができる。
【００３６】
図２は、図１（ａ）、（ｂ）に示す本実施の形態に係る照明装置１を用いた照明システムの第１の態様を示している。図２において、上述のように球面鏡３と非球面凸レンズ４とによって平行光を得た後に、照明対象である３：４のアスペクト比を持つ液晶表示パネル（以下、「ＬＣＤ」という。）１０と相似形の複数の要素レンズ（この場合は凸レンズ）１１を横と縦（あるいは行と列）に並べて一枚のレンズ板としたレンズ板（以下、「マクロレンズアレイ」という。）１２を主光軸に垂直に置く。
【００３７】
このマクロレンズアレイ１２で要素レンズ１１の数だけの光束を作り、その焦点付近に、マクロレンズアレイ１２の各要素レンズ１１の横または縦に対応する複数のシリンドリカル・レンズ１３を並べた第１のシリンドリカル・レンズアレイ１４を配している。
【００３８】
その後に、偏光整列プリズムアレイ１６が配置されているが、これは偏光を揃える必要のない場合には省いても構わない。この偏光整列プリズムアレイ１６の構成は、偏光分離面を４５°にしたＰＢＳのアレイを１つのシリンドリカルレンズ１３に対して２つのＰＢＳが対応するように配置し、また第１のシリンドリカル・レンズアレイ１４のシリンドリカルレンズ１３と長手方向を一致させて配置させ、そのＰＢＳの１つおきの出射側に１/２λ板１５を置く。このように構成することによって偏光整列プリズムアレイ１６からはＰ偏光もしくはＳ偏光のどちらか一方の光を取り出すことができる。どちらの偏光を得るかはＰＢＳの出口の一つおきに置く１/２λ板１５の置き方を奇数番毎とするか、偶数番毎とするかによって決めることができる。
【００３９】
その後、第１のシリンドリカル・レンズアレイ１４とは直交する形で、マクロレンズアレイ１２の横または縦に対応する（第１のシリンドリカル・レンズアレイ１４を横に対応させたなら縦に、縦に対応させたなら横に対応させる）シリンドリカルレンズを並べた第２のシリンドリカル・レンズアレイ１７を配置する。
【００４０】
最後にマクロレンズアレイ１２の各要素レンズ１１が作った各光束の光軸を照明対象であるＬＣＤ１０の中心に向けるように焦点距離を設定したコンデンサ・レンズ１８を置き、各要素レンズ１１が作った各光束を照明対象であるＬＣＤ１０上に重ねる。光源であるアークランプ２から放射され、非球面凸レンズ４によって平行光線とされた後、照射対象となるＬＣＤ１０に収束するために中間に配置されるマクロレンズアレイ１２、第１のシリンドリカル・レンズアレイ１４、偏光整列プリズムアレイ１６、第２のシリンドリカル・レンズアレイ１７、そしてコンデンサ・レンズ１８を総称してインテグレータ２０と呼ぶ。但し、この内、偏光整列プリズムアレイ１６は上述のように偏光を取り出す場合に設置されるオプションである。
【００４１】
コンデンサ・レンズ１９は、ＬＣＤ１０を照射した光束が全部照射レンズ（図示せず）を効率よく通過できるように設置している。こうすることによって、照明対象であるＬＣＤ１０の面は一様な照度を得ることができる。
【００４２】
図３は、図１（ａ）、（ｂ）に示す本実施の形態に係る照明装置１を使用し、図２に示す偏光整列プリズムアレイ１６の代わりに、偏光変換プリズム２１を２個使ってランダムな光を一方の偏光へ揃えるようにした本実施の形態に係る照明システムの第２の態様を示す。図３に示す構成では、球面鏡３と非球面凸レンズ４とで平行光を作った直後に偏光変換プリズム２１を入れることによって放射光線を偏光している。その他の構成は前述の構成と同じである。但し、この構成では、球面鏡３と非球面凸レンズ４の大きさを同じとした場合、この照明装置の構成に対するインテグレータ２０ａの大きさを、第１の態様で示す場合に比べて２倍にする必要が生ずる。
【００４３】
図４は、図１（ａ）、（ｂ）に示す本実施の形態に係る照明装置１を使用した照明システムの第３の態様を示している。この態様は、上述の第１の態様に対して球面鏡３と非球面凸レンズ４の組み合わせによって必ずしも平行光にしなくてもよいことを示すものである。
【００４４】
すなわち、非球面凸レンズ４の出力光を平行光とせずにある程度の発散光にし、マクロレンズアレイ１２で複数の光束に分割する。このとき、分割されたそれぞれの光軸は発散しているが、マクロレンズアレイ１２の各要素レンズ１１は、コンデンサ・レンズ２３を介して第１のシリンドリカル・レンズアレイ１４の近傍で焦点を結ぶように設定してある。
【００４５】
このとき、マクロレンズアレイ１２で複数の光束に分割されたそれぞれの光軸はコンデンサ・レンズ２３で平行にされ、偏光整列プリズムアレイ１６に入射される。その後は第１の態様と同様である。
【００４６】
このようにインテグレータ２０を構成することによって、非球面凸レンズ４の焦点距離の設定を楽にすることができ、ひいては当該凸レンズ４の厚みを薄くすることができる。
【００４７】
次に、本発明に係る第２の実施の形態の照明装置、照明システムにつき、図面を参照して説明する。本実施の形態は、第１の実施の形態に示すアークランプ２と球面鏡３と非球面凸レンズ４とからなる照明装置１を複数個使い、照射対象の照度を約倍増、あるいはこれ以上に増加させるものである。球面鏡３の球心Ｃにアークランプ２の中心をほぼ一致させる点は、第１の実施の形態と同様である。図５に本実施の形態に係る照明システムの第１の態様を示す。
【００４８】
図５に示す例は、コンデンサ・レンズ２６で一旦焦点Ｆを結び、コリメータレンズ２７で再度平行光に戻す方法である。インテグレータ２０以降の機能は前述の第１の実施の形態における第１の態様（図２参照）と全く同じである。図５に示す例では、上下に２個の照明装置１を使った場合を図示しているが、照明装置１を３個、正三角形に配置することであっても、あるいは４個を四角形に配置することであっても同じようにできる。個数を増やすことによって、当然照度も高くなる。
【００４９】
図６は、本実施の形態に係る第２の態様を示しており、図６に示す例では、照明装置１で得られた平行光を並べて、一旦焦点を結ぶことなく直接インテグレータ２０へ結びつけるものである。この場合においても、第１の態様と同様に、照明装置１の数は、３個使い、４個使いなどとすることであってもよい。
【００５０】
図６に示す複数個の照明装置１を用いる場合には、第１の実施の形態の第２の態様（図３参照）で示した偏光変換プリズム２１を使用することにより、横もしくは縦の広がりをカバーすることができるため、照明装置１を１個のみ使用する場合に比べて照明システムをより効率よく構成することができる。具体的な照明装置１の配置例を、図７（ａ）から（ｄ）に示す。図７（ａ）は照明装置１が縦に２つ並べられた配置例を示しており、図７（ｂ）は、その際、偏光変換プリズム２１を通過した後に形成される放射光線の分布を示している。偏光変換プリズム２１は、図面に垂直な方向に２基設けられている。
【００５１】
同じく図７（ｃ）は、照明装置１が横に（図面に垂直に）２つ並べられた例を示しており、図７（ｄ）は、その際、偏光変換プリズム２１を通過した後に形成される照射光線の分布を示している。図７（ｂ）、（ｄ）の両図からも明らかなように、照明装置１が縦並びであっても、横並びであっても、偏光変換プリズム２１を適切に配置することによっていずれにしても正面から見ると放射光線を正方形に分布させることができる。これによって、その後にこの平行光線を収束させるインテグレータ２０以降の光学系との相性をよくすることができる。
【００５２】
次に、本発明に係る第３の実施の形態の照明装置、照明システムにつき、図面を参照して説明する。本実施の形態に係る照明装置は、第１及び第２の実施の形態に示す照明装置１に含まれる集光装置である非球面凸レンズ４を、複数のレンズから構成するものである。これまでの各実施の形態に示すように、アークランプ２から直接放射される放射光、及び球面鏡３で反射される反射光のいずれをも１つの非球面凸レンズ４で平行光線、もしくはこれに近い光線にするには、非球面凸レンズ４の形状加工が難しく、また重くなる。この問題を解消するため、本実施の形態では、非球面凸レンズ４を複数のレンズ群に分割している。球面鏡３の球心Ｃがアークランプ２の中心にほぼ一致することは、これまでの各実施の形態と同様である。
【００５３】
図８は、本実施の形態に係る照明装置の第１の態様を示す。図において、本態様に係る照明装置３０は、球面鏡３に対向する位置に第１の凸レンズ３１と第２の凸レンズ３２とが主光軸に垂直に配置されている。アークランプ２により放射された放射光線は、直接、もしくは球面鏡３で反射された後、第１の凸レンズ３１で一旦屈折され、さらに第２の凸レンズ３２で平行光線となる。平行光線となった以降、インテグレータ２０により収束されるのは、第１の実施の形態に係る照明システム（図２参照）と同様であるため、図面上では照明システム全体の表示は省略されている。なお、本態様における照明装置３０において、第１の凸レンズ３１は、後述するように設計次第では球面鏡３のフードとして兼用することもできる。
【００５４】
図９は、本実施の形態に係る照明装置の第２の態様を示している。図９に示す例は、平行光の光束密度を一定にすることを意図したものである。図において、アークランプ２に対して球面鏡３と対向する位置には、主光軸と垂直に第１の凸レンズ３５、凹レンズ３６、第２の凸レンズ３７が、この順番で配列されている。アークランプ２で放射された放射光は、直接、もしくは球面鏡３で反射された後、前記各レンズ３５、３６、３７を通過した後に平行光線となる。
【００５５】
従来技術による放物面鏡や回転楕円面鏡では、主光軸の周りの光は強度が強いが周辺の強度が極端に弱いのが欠点であり、インテグレータ２０でそれを補っている。図１を用いて説明した本発明の基本原理からも分かるように、本発明に係る照明装置の構造によれば、アークランプ２の放射光を直接、もしくは球面鏡３で反射させた後に非球面凸レンズ４で平行光を得ると、放物面鏡や回転楕円面鏡とは逆に、周辺の方の光束密度が高くなる。それを補正するためにインテグレータ２０を用いればよいのだが、マクロレンズアレイ１２の周辺の要素レンズ１１から照射される光が強くなり、ＬＣＤ１０への入射角が一番大きな光の強度が強くなってしまう。これはＬＣＤ１０の特性上、ＬＣＤ１０での光の利用効率を低下させたり、ＯＮ, ＯＦＦの効果を低下させる等、あまり好ましいことではない。
【００５６】
この問題を解消するには、図９に示すように、本実施の形態に係る複数のレンズから構成される集光装置の内、２枚の凸レンズ３５、３７の間に凹レンズ３６を入れることにより、周辺部の光束も密度が拡散され、中心部と同じような密度とすることができる。あるいは、さら必要であれば、周辺部の光束の密度の拡散の度合いを大きくすることもできる。このように、集光装置を構成するレンズ群の中に少なくとも１つの凹レンズを含ませることにより、上述したような弊害を軽減することができる。
【００５７】
また、中心部と周辺部の光束密度をほとんど同じとするように設定したときには、前述までのインテグレータ２０を省いて、照射対象（この場合ではＬＣＤ１０）を直接照射することとしてもよい。勿論、照射対処の画面に合わせるためのコンデンサ・レンズ１９（図２参照）などの挿入は本実施の形態の本質を逸脱するものではない。
【００５８】
次に、本発明に係る第４の実施の形態の照明装置につき、図面を参照して説明する。一般に、球面鏡にアークランプを取り付けただけである場合、アークランプが破損することもあるので危険である。特に、アークランプとして高圧水銀ランプを使用している場合などには、破損によって水銀が飛散するケースも考えられる。本実施の形態では、万一アークランプの破損があった場合にも、ガラスや水銀などのアークランプ構成要素の飛散を防止することができるフードを設けた照明装置を提供する。
【００５９】
従来技術によれば、アークランプに対して球面鏡と対向する位置に、球面鏡と同径の半球状のフードが設けられることがある。この場合に、照明装置は外見上、フードを含めて全体では球形になる。図１０は、このような構成に係る照明装置４０を示したもので、球面鏡３の前面に半球状のガラス製のフード４１が配置されている。
【００６０】
しかし、このような構成とした場合には、球面鏡３とフード４１とを別々に製造して組み立てる手間がかかる。また、全体が球形であることから、その外側にレンズ群を設けるには設計が難しく、できたとしてもレンズ群、さらには筐体が相当大きなものになってしまう。本実施の形態は、これらの問題を解消し、製造が容易であり、あるいは小型化が可能な飛散防止フード付きの照明装置、及びこれを利用する照明システムを提供するものである。
【００６１】
まず、本実施の形態に係る第１の態様は、先の第３の実施の形態で図８を参照して説明した、球面鏡３に対向して配置される凸レンズの１つをフードとして兼用するものである。すなわち、図８において、第１の凸レンズ３１の外径（光軸に対して垂直方向の外径）を球面鏡３の外径と一致させ、この第１の凸レンズ３１がアークランプ２の前面を覆うようにする。照明装置３０をこのように構成することにより、万一アークランプ２が破損した場合においても、この第１の凸レンズ３１がアークランプ２の構成要素の飛散を防止することとなる。
【００６２】
次に、従来技術においては、図１０に示すように球面鏡３とフード４１とは別物であった。図１１に示す本実施の形態に係る第２の態様では、照明装置４５をガラスなどの透明材料の中空球４６で形成し、その球心にアークランプ２を収めている。そして、アークランプ２に対して中空球４６の半分に当たる半球部分には反射膜４７をコーティングしてこれを球面鏡とする。そして中空球４６の残りの半球部分をフードとして利用する。中空球４６を使用することによって、別体のフードを製造してこれを組み立てる手間が除かれ、生産の効率化を高めることができる。
【００６３】
この態様によれば、反射鏡とフードとを一体に成形するため、従来技術に比べて製造が容易となるが、球体であることは従来技術（図１０参照）と不変であり、照明装置４５の前面にレンズ群を配した場合には、全体としては大きなものとなる。図１２は、この大きくなるという問題を解消する本実施の形態に係る第３の態様の照明装置を示している。図において、球面鏡３の側は球面状を保ちつつ、フード５１は光軸と交わる部分、及びその周辺部分（図の上側部分）でアークランプ２に接近する扁平状に形成されている。
【００６４】
照明装置５０をこのように変形球面体状に形成することで、照明装置の前面に配置するレンズ群をよりアークランプ２に接近した位置に配置できることとなり、照明システム全体をより小型化することができる。なお、図示の例では、照明装置５０を球面鏡３とフード５１とを組み合わせる形式としているが、図１１を参照して説明したものと同様に、これを光軸の前面が扁平となった変形球面体状の中空球とし、球面鏡に当たる部分に反射膜を設けるようにすれば、部品数が削減され、製造が容易となる。
【００６５】
さらに図１３は、これを発展させた本実施の形態に係る第４の態様の照明装置６０を示すもので、扁平状に形成した球面を含む中空球６１の内部にアークランプ２を配している。そして、中空球６１の一部であるフード部分が、集光装置の第１の凸レンズ６２を構成している。フード部分をこのように凸レンズ６２とすることで、第３の態様に比較して第２の凸レンズ６３以下のレンズ群をアークランプ２により接近させることが可能となり、照明システム全体をより小型化することができる。なお、中空球６１の一部に反射膜４７を形成し、球面鏡とする点は先の第２の態様と同様である。さらに、図９に示すように、両凸レンズ６２、６３の間に凹レンズを挿入することとすれば、光束密度の均等な平行光を得ることも可能となる。
【００６６】
【発明の効果】
アークランプのアーク間隙の中心を半球面状の球面鏡の球心に配置する本発明に係る照明装置によれば、光源から発する光を効率よく被投写体に照射することが可能となる。すなわち、従来技術で一般的に使われている放物面鏡や楕円面鏡を使用する照明装置が６０〜７０％程度の光利用効率であるのに対し、本発明による照明装置ではこれを９０％以上の効率とすることができる。したがって、照度を従来技術に係る照明装置と同等にすれば、レンズ口径をより小さくすることが可能となり、さらには照明装置の筐体の大きさを小さくすることが可能となる。
【００６７】
より具体的には、１２０〜１５０Ｗのアークランプの反射面として放物面鏡や楕円面鏡を用いた場合には、照明装置の口径は小さくても直径が５０ｍｍが限界であった。本発明に係る照明装置では開口を直径３０ｍｍ程度まで小さくすることができ、集光用レンズまで含めても直径４０ｍｍと小さくできるので、筐体の大きさ、特に厚さを薄くすることが可能となる。
【００６８】
本発明に係る照明装置によれば、球面鏡の反射膜にはほとんど垂直にアークから発生する光が照射される。したがって、球面鏡のどの部分においても、例えば紫外線と赤外線とを透過させ可視光のみを反射するような均質な反射膜を形成することも可能となり、これによって効率よく可視光のみを照射対象へ送ることができるようになるため、照射対象や、あるいは途中にあるインテグレータなどの部材の劣化を防止できるようにもなる。
【００６９】
本発明に係る照明装置によれば、集光レンズの設定の仕方によって、スクリーン上の照度むらを少なくするためのインテグレータの負担を小さくすることが可能となる。また、球面鏡と集光レンズとインテグレータとを組み合わせることにより、照明対象上の照度むらを少なくすることができ、ひいてはスクリーン上の照度むらを少なくすることができる。
【００７０】
さらに、本発明に係る球面鏡と集光レンズとを一体化させる照明装置によれば、アークランプの破損時のガラスなどの危険破片の飛散防止を兼ねた小型の照明装置とすることができる。
【００７１】
そして、本発明に係る照明装置によれば、偏光整列アレイや偏光変換プリズムを球面鏡、集光レンズ、インテグレータと共に用いることによって、より高い照度のＬＣＤ用照明装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る照明装置の原理を示す側面図、正面図である。
【図２】本発明に係る照明装置を使用する照明システムを示す側面図である。
【図３】本発明に係る照明装置を使用する他の照明システムを示す側面図である。
【図４】本発明に係る照明装置を使用するさらに他の照明システムを示す側面図である。
【図５】本発明に係る照明装置を複数個使用する照明システムを示す側面図である。
【図６】本発明に係る照明装置を複数個使用する他の照明システムを示す側面図である。
【図７】本発明に係る照明装置を複数個使用するさらに他の照明システムを示す側面図である。
【図８】本発明に係る照明装置の他の態様を示す側面図である。
【図９】本発明に係る照明装置のさらに他の態様を示す側面図である。
【図１０】フードを備えた従来技術による照明装置を示す側面図である。
【図１１】フードを備えた本発明に係る照明装置を示す側面図である。
【図１２】フードを備えた本発明に係る照明装置の他の態様を示す側面図である。
【図１３】フードを備えた本発明に係る照明装置のさらに他の態様を示す側面図である。
【図１４】従来技術に係る照明装置の例を示す側面図である。
【符号の説明】
１．照明装置、２．アークランプ、３．球面鏡、４．非球面凸レンズ、６．電極、７．ガラス管、１０．液晶表示パネル、１１．要素レンズ、１２．マクロレンズアレイ、１３．シリンドリカルレンズ、１４．第１のシリンドリカル・レンズアレイ、１５．１／２λ板、１６．偏光整列プリズムアレイ、１７．第２のシリンドリカル・レンズアレイ、１８．コンデンサ・レンズ、１９．コンデンサ・レンズ、２０．インテグレータ、２１．偏光変換プリズム、３０．照明装置、３１．第１の凸レンズ、３２．第２の凸レンズ、３６．凹レンズ、４０．照明装置、４１．ガラスフード、４５．照明装置、４６．中空球、４７．反射膜、５０．照明装置、５５．照明装置、６０．照明装置。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an illuminating device that illuminates an object by converging an optical beam emitted from a light source, and more specifically, a light source, a spherical mirror that converges radiation emitted by the light source, and converged radiation. The present invention relates to an illumination device including a lens system arranged in light.
[0002]
[Prior art]
Various types of illumination systems including a light source, a concave mirror, and a lens system are known. The example shown in FIG. 14 is an illumination system disclosed in JP-A-3-111806. In the drawing, an illumination system 100 reflects a radiation beam emitted from a light source 102 by a concave reflector 103 and then makes a collimated beam by a condenser lens 104. This parallel radiation beam is divided into sub-beams for each lens 113 using a first macro lens array 114 made up of a plurality of rectangular lenses 113 arranged in a matrix (for example, 6 vertical x 8 horizontal). Then, each sub beam is imaged on each lens 117 of the second macro lens array 116 arranged in a matrix corresponding to the first macro lens array 114. Each lens 117 forms an image of the light spot formed by each lens 113 of the corresponding first macro lens array 114 on the display panel 110. In order to superimpose these re-imaging light spots on the surface of the display panel 110, a lens 119 is disposed behind the second macro lens array 116.
[0003]
Since the first and second macro lens arrays 114 and 116 have the same aspect ratio (hereinafter referred to as “aspect ratio”) as the display panel 110, the illumination light on the display panel 110 surface. The intensity distribution has a desired uniformity, and the illumination system has a high light collection efficiency.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, in addition to what is shown in the above-described example, there are still problems to be improved in the lighting device and the lighting system according to the conventional technology. First, when the concave mirror generally used to reflect the radiated light from the light source is a parabolic mirror or a spheroid mirror, it is reasonably efficient in using the reflected light, but directly The light flux emitted to the front is not used effectively. For this reason, only about 60 to 70% of the total luminous flux emitted by the lamp is used. That is, in the prior art, a technique for more efficiently irradiating a projection object with light emitted from a light source has been desired.
[0005]
Further, when a non-transmissive light source such as a filament is used as the light source, even if a spherical mirror is used as a concave mirror for reflecting the radiated light, the reflected light is a non-transmissive light source. In this case, the light source itself blocks the reflected light. In order to avoid this, it is necessary to arrange the light source slightly shifted from the spherical center of the spherical mirror. As a result, the emitted light cannot be converged to a single point (spherical center) and the irradiation efficiency is lowered. .
[0006]
Next, in both the case of a parabolic mirror and a spheroid mirror, if the distance between the focal point and the reflecting surface is too close, the reflecting film is deteriorated by heat and the reflection efficiency is lowered. For this reason, a certain amount of gap is required between the two. However, when this gap is widened, the opening of the reflecting surface becomes large, which makes it difficult to reduce the size, particularly the thickness of the housing. Therefore, a technique for reducing the diameter of the projection lens and reducing the size of the housing of the illumination device has been desired.
[0007]
Furthermore, the concave mirror according to the prior art, whether it is a parabolic mirror or a spheroid mirror, has a large difference in light flux density near the center of the aperture and the peripheral part, which causes uneven illuminance on the screen. It was. Further, even if it is attempted to reduce the illuminance unevenness on the screen, it is difficult because the burden on the integrator increases.
[0008]
Therefore, an object of the present invention is to provide an illumination device and an illumination system that improve the light use efficiency. In addition, the present invention shortens the spatial distance of the irradiated portion from the light source to obtain a smaller illumination device, and obtains a smaller illumination device by reducing the diameter of the irradiation lens. Another object of the present invention is to provide a lighting device and a lighting system that can eliminate unevenness of illuminance on the screen.
[0009]
The present invention can be applied to a wide range of technical fields such as an illumination system for illuminating an object, such as an illumination system such as a liquid crystal projector, an overhead projector, and a slide projector.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In the present invention, the concave mirror that reflects the diverging light is formed as a spherical mirror that is a part of the spherical surface, and the center of the gap between the arc electrodes of the arc lamp is arranged at the spherical center of the spherical mirror to improve the irradiation efficiency of the lighting device. Specifically, it includes the following contents.
[0011]
That is, the present invention according to claim 1 is a concave mirror formed with a light reflecting surface and a pair of arc electrodes, an arc lamp that generates an arc between the arc electrodes and emits divergent light, and A condensing device that collects the light beam emitted from the arc lamp and then reflected by the concave mirror, wherein the concave mirror reflects light to the inner surface of a hemisphere or a spherical surface less than a hemisphere A spherical mirror having a surface is formed, and the spherical center of the spherical mirror and the center of the gap between the pair of arc electrodes of the arc lamp are arranged substantially coincident to diverge from the arc and reflect on the spherical mirror. And the direct light emanating from the arc is superimposed and emitted to the light collecting device The light collecting device is composed of a plurality of convex lenses and at least one concave lens, and the amount of light per unit area is substantially uniform near the center of the main optical axis and in the peripheral portion, or on the main optical axis. The power of the plurality of convex lenses and at least one concave lens was adjusted so that the peripheral portion was smaller than the vicinity of the center. The present invention relates to a lighting device. By making the spherical center of the spherical mirror and the center of the arc lamp substantially coincide with each other, the irradiation efficiency is improved.
[0015]
Claim 2 The illumination device according to the present invention described in 1 is characterized in that one of the lenses constituting a part of the light collecting device also serves as a hood that prevents the arc lamp from scattering.
[0016]
Claim 3 In the illumination device according to the present invention, the spherical mirror is formed by coating a light reflecting film on a hemispherical surface of a hollow sphere made of a transparent material, and the remaining hemispherical surface of the hollow sphere is scattered by the arc lamp. It is characterized by forming a hood that prevents the above. A spherical mirror and a hood are configured by effectively utilizing a hollow sphere.
[0017]
Claim 4 The illuminating device according to the present invention described in the above, the position where the hood formed of the hemispherical surface of the hollow sphere intersects the main optical axis of the light beam reflected from the spherical mirror, and the periphery thereof are the spherical center of the hollow sphere. It is characterized by being formed in a close flat shape. The length of the optical axis between an illuminating device and a to-be-illuminated object is shortened.
[0018]
Claim 5 The illuminating device according to the present invention is characterized in that the hood also serves as one of convex lenses constituting a part of the condensing device. The length of the optical axis between an illuminating device and a to-be-illuminated object is further shortened.
[0019]
Claim 6 The illumination device according to the present invention described in the above is configured such that the light reflecting film of the spherical mirror is configured as a light reflecting surface that transmits one or both of ultraviolet rays and infrared rays and reflects at least light in the visible light region. It is a feature. By reflecting the visible light around the center, deterioration of the illuminated object is prevented.
[0020]
Claim 7 The present invention according to claim 1 relates to an illumination system in which the illumination device according to any one of claims 1 to 9 is configured to emit a light beam toward a set of integrators. . A system with high irradiation efficiency is realized.
[0021]
Claim 8 The present invention according to claim 1 is configured such that the irradiation device including a plurality of the illumination devices according to any one of claims 1 to 9 is configured to emit a light beam toward a set of integrators. It relates to the lighting system. A system with high irradiation efficiency is realized.
[0022]
Claim 9 The illumination system according to the present invention described in 1) further includes a polarization function for aligning random light of the arc divergence of the arc lamp with either polarization of P-polarization or S-polarization. This makes it possible to give the necessary polarized light to the irradiation light according to the purpose of use.
[0023]
Claim 10 The illumination system according to the present invention is characterized in that the polarization function includes a polarization alignment prism array.
[0024]
Claim 11 The illumination system according to the present invention is characterized in that the polarization function includes two polarization conversion prisms.
[0025]
Claim 12 The spherical mirror in which a light reflecting surface is formed on the inner surface of a hemispherical surface or a hemispherical surface or less, an arc lamp in which a substantially center of a gap between a pair of arc electrodes is arranged at the spherical center of the spherical mirror, and the arc lamp An illuminating device composed of a condensing device for converging and converging diverging light generated from the light reflected by the spherical mirror and direct light diverging from the arc, and dividing the single light beam into a plurality of light beams A lens plate having a plurality of element lenses similar in shape to the screen to be illuminated, a convex lens for superimposing the divided luminous fluxes on the illumination target, and a lens plate having the plurality of element lenses A set of cylindrical lens arrays orthogonal to each other for forming an arc image together with the convex lens on an illumination target. About the system. An illumination system with high irradiation efficiency is provided.
[0026]
Claim 13 In the illumination system according to the present invention, the illumination system has a polarization function of irradiating the illumination target with the random light generated by the arc lamp aligned with either S-polarized light or P-polarized light. Furthermore, it is characterized by including. This makes it possible to give the necessary polarized light to the irradiation light according to the purpose of use.
[0028]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
A lighting apparatus according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. Hereinafter, the same reference numerals are used for the same components, including other embodiments. FIG. 1 shows an illuminating apparatus 1 according to the present embodiment in which an arc lamp 2 typified by a high-pressure mercury lamp or a metal halide lamp is used as a light source, and a light beam generated from the arc lamp 2 can be effectively irradiated onto an illumination target. The basic principle of is shown. Fig.1 (a) shows the side view of the illuminating device 1, FIG.1 (b) shows a front view similarly.
[0029]
In both figures, an illuminating device 1 includes an arc lamp 2 as a light source, a hemispherical spherical mirror 3 arranged so that the arc lamp 2 is located at the center of the sphere, and a side facing the spherical mirror 3 with respect to the arc lamp 2. And an aspherical convex lens 4 which is a light collecting device disposed in the main body. The spherical mirror 3 here includes not only the case where the mirror surface reflecting the light source is a hemispherical surface but also the case where the mirror surface is a hemispherical surface or less.
[0030]
In general, the arc lamp 2 is used horizontally. Therefore, as shown in FIG. 1 (b), the spherical mirror 3 is arranged such that the center of the gap between the arc electrodes 6 is substantially at the center C of the arc, and the arc lamp 2 is in a state where both electrodes 6 extend horizontally in the horizontal direction. Is placed beside. However, as long as the spherical center C of the spherical mirror 3 and the center between the arc electrodes 6 of the arc lamp 2 are substantially matched, the spherical mirror 3 may be arranged in any manner. For example, there is no problem even if it is upward, downward, or inclined at 45 ° or an arbitrary angle.
[0031]
As shown in FIGS. 1A and 1B, if the focal point of the aspherical convex lens 4 is arranged so as to overlap the spherical center C of the spherical mirror 3, parallel light can be obtained with its main optical axis as the center. In other words, among the light generated at the spherical center C, the light traveling toward the spherical mirror 3 side is reflected on the reflecting surface of the spherical mirror 3 after being reflected at any solid angle of 180 °, and then passes through the spherical center C and is aspherical. It goes in the direction of the convex lens 4. On the other hand, of the light generated at the spherical center C, the light that goes directly to the aspherical convex lens 4 reaches the aspherical convex lens 4 along the same optical path as the reflected light.
[0032]
In this way, in principle, all the light generated at the spherical center C passes through the aspherical convex lens 4 and thereafter can be used as parallel light. In practice, the glass tube 7 for supporting the electrode of the arc lamp 2 shown in FIG. 1B is shaded, and the aspherical convex lens 4 is a limit that can cover a solid angle of about 160 °. Naturally, some loss occurs. However, if the light directly emitted from the aperture is discarded, such as a parabolic mirror or a spheroid mirror according to the prior art, the loss can be much reduced.
[0033]
In the recent arc lamp 2, the distance between the electrodes 6 is very short, and 2 mm or less is normal, and further, it is about 1 mm. In any case, as long as there is a gap between the electrodes 6 of the arc lamp 2, the arc lamp 2 becomes transparent to the reflected light by arranging the center of the gap almost at the spherical center C of the spherical mirror 3. That is, the arc generated by the arc lamp 2 is generated at the spherical center C of the spherical mirror 3, and the light emitted by the generated arc is reflected by the spherical mirror 3 and then converges on the spherical center C. Since it is a gap between the electrodes 6, all of the reflected light thereafter goes to the aspherical convex lens 4.
[0034]
As the distance between the electrodes 6 becomes shorter, the size of the arc image is reduced to about 1 to 1.5 mm. Therefore, although the influence of the fluctuation and uneven distribution of the arc has been reduced, the influence of the fluctuation and uneven distribution of the arc cannot be essentially eliminated in the parabolic mirror and the spheroid mirror according to the prior art. That is, the change in the temporal arc generation position appears as a change in temporal illuminance unevenness on the illumination target.
[0035]
According to the configuration of the present embodiment, for example, as shown in FIG. 1A, even if an arc is generated at an upper position a that deviates from the center of the electrode (in fact, such a phenomenon occurs). In many cases, the reflected light reflected and returned by the spherical mirror 3 forms an image with respect to the spherical center C at a position a ′ that is symmetrical to the arc generation position a. Therefore, it looks like a double arc in the vicinity of the ball center C. Thus, by using the spherical mirror 3 and substantially matching the center of the arc lamp 2 (that is, the center of the gap between the electrodes 6) with the spherical center C of the spherical mirror 3, the position of the arc is substantially moved. Even in this case, the light source is always in the same position as the center of the sphere C. Thereby, even if the position of the arc slightly varies, it is possible to obtain an illuminance distribution that hardly changes in time on the illumination target.
[0036]
FIG. 2 shows a first aspect of an illumination system using the illumination device 1 according to the present embodiment shown in FIGS. 1 (a) and 1 (b). In FIG. 2, after obtaining parallel light by the spherical mirror 3 and the aspherical convex lens 4 as described above, a liquid crystal display panel (hereinafter referred to as “LCD”) 10 having an aspect ratio of 3: 4, which is an object to be illuminated. A lens plate (hereinafter referred to as “macro lens array”) 12 in which a plurality of similar element lenses (in this case, convex lenses) 11 are arranged horizontally and vertically (or rows and columns) to form a single lens plate is referred to as main light. Put it perpendicular to the axis.
[0037]
The macro lens array 12 produces a number of luminous fluxes equal to the number of element lenses 11, and a plurality of cylindrical lenses 13 corresponding to the horizontal or vertical sides of the element lenses 11 of the macro lens array 12 are arranged in the vicinity of the focal point. A cylindrical lens array 14 is arranged.
[0038]
After that, a polarization alignment prism array 16 is disposed, but this may be omitted if it is not necessary to align the polarization. The configuration of this polarization alignment prism array 16 is such that an array of PBSs with a polarization separation plane of 45 ° is arranged so that two PBSs correspond to one cylindrical lens 13, and the first cylindrical lens array 14. The cylindrical lens 13 is arranged so that its longitudinal direction coincides, and a 1 / 2λ plate 15 is placed on every other outgoing side of the PBS. With this configuration, either P-polarized light or S-polarized light can be extracted from the polarization alignment prism array 16. Which polarization is to be obtained can be determined depending on whether the 1 / 2λ plate 15 placed at every other outlet of the PBS is placed every odd number or every even number.
[0039]
Thereafter, it is orthogonal to the first cylindrical lens array 14 and corresponds to the horizontal or vertical direction of the macro lens array 12 (if the first cylindrical lens array 14 corresponds to the horizontal direction, the vertical direction corresponds to the vertical direction. A second cylindrical lens array 17 in which cylindrical lenses are arranged side by side is arranged.
[0040]
Finally, a condenser lens 18 having a focal length set so that the optical axis of each light beam formed by each element lens 11 of the macro lens array 12 is directed to the center of the LCD 10 to be illuminated is placed. Each light beam is superimposed on the LCD 10 that is the object of illumination. A macro lens array 12 and a first cylindrical lens array 14 disposed in the middle to be converged on the LCD 10 to be irradiated after being radiated from the arc lamp 2 as a light source and converted into parallel rays by the aspherical convex lens 4 The polarization alignment prism array 16, the second cylindrical lens array 17, and the condenser lens 18 are collectively referred to as an integrator 20. However, among these, the polarization alignment prism array 16 is an option installed when taking out polarized light as described above.
[0041]
The condenser lens 19 is installed so that all the light beams irradiated on the LCD 10 can efficiently pass through an irradiation lens (not shown). In this way, the surface of the LCD 10 that is the illumination target can obtain uniform illuminance.
[0042]
3 uses the illumination device 1 according to the present embodiment shown in FIGS. 1A and 1B, and uses two polarization conversion prisms 21 instead of the polarization alignment prism array 16 shown in FIG. A second aspect of the illumination system according to the present embodiment in which random light is aligned with one polarized light will be described. In the configuration shown in FIG. 3, the radiation beam is polarized by inserting the polarization conversion prism 21 immediately after the spherical mirror 3 and the aspherical convex lens 4 produce parallel light. Other configurations are the same as those described above. However, in this configuration, when the size of the spherical mirror 3 and the aspherical convex lens 4 are the same, it is necessary to double the size of the integrator 20a with respect to the configuration of the illumination device as compared with the case shown in the first mode. Will occur.
[0043]
FIG. 4 shows a third mode of a lighting system using the lighting device 1 according to the present embodiment shown in FIGS. 1 (a) and 1 (b). This aspect shows that the combination of the spherical mirror 3 and the aspherical convex lens 4 with respect to the first aspect described above does not necessarily require parallel light.
[0044]
That is, the output light of the aspherical convex lens 4 is made into a certain amount of divergent light without being made parallel light, and is divided into a plurality of light beams by the macro lens array 12. At this time, each of the divided optical axes is divergent, but each element lens 11 of the macro lens array 12 is focused in the vicinity of the first cylindrical lens array 14 via the condenser lens 23. It is set to.
[0045]
At this time, the optical axes divided into a plurality of light beams by the macro lens array 12 are made parallel by the condenser lens 23 and incident on the polarization alignment prism array 16. The subsequent steps are the same as in the first aspect.
[0046]
By configuring the integrator 20 in this way, the focal length of the aspherical convex lens 4 can be easily set, and the thickness of the convex lens 4 can be reduced.
[0047]
Next, a lighting apparatus and a lighting system according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In the present embodiment, a plurality of illumination devices 1 including the arc lamp 2, the spherical mirror 3, and the aspherical convex lens 4 shown in the first embodiment are used, and the illuminance to be irradiated is approximately doubled or increased. Is. The point that the center of the arc lamp 2 substantially coincides with the spherical center C of the spherical mirror 3 is the same as in the first embodiment. FIG. 5 shows a first aspect of the illumination system according to the present embodiment.
[0048]
The example shown in FIG. 5 is a method in which the focal point F is once set by the condenser lens 26 and then returned to parallel light by the collimator lens 27. The functions after the integrator 20 are the same as those in the first mode (see FIG. 2) in the first embodiment described above. In the example shown in FIG. 5, the case where two lighting devices 1 are used in the upper and lower sides is illustrated. However, even if three lighting devices 1 are arranged in an equilateral triangle, or four are squared. Even if it is arranged, it can be the same. Increasing the number naturally increases the illuminance.
[0049]
FIG. 6 shows a second mode according to the present embodiment. In the example shown in FIG. 6, the parallel lights obtained by the illumination device 1 are arranged and directly connected to the integrator 20 without being focused once. It is. Even in this case, as in the first embodiment, the number of the lighting devices 1 may be three, four, or the like.
[0050]
When a plurality of lighting devices 1 shown in FIG. 6 are used, by using the polarization conversion prism 21 shown in the second mode of the first embodiment (see FIG. 3), the horizontal or vertical spread is achieved. Therefore, the lighting system can be configured more efficiently than when only one lighting device 1 is used. Specific arrangement examples of the lighting device 1 are shown in FIGS. FIG. 7A shows an arrangement example in which two illumination devices 1 are arranged vertically, and FIG. 7B shows the distribution of radiation rays formed after passing through the polarization conversion prism 21 at that time. Show. Two polarization conversion prisms 21 are provided in a direction perpendicular to the drawing.
[0051]
Similarly, FIG. 7C shows an example in which two illumination devices 1 are arranged side by side (perpendicular to the drawing), and FIG. 7D is formed after passing through the polarization conversion prism 21 at that time. The distribution of irradiated light is shown. As is clear from both FIGS. 7B and 7D, regardless of whether the illuminating devices 1 are vertically aligned or horizontally aligned, the polarization conversion prism 21 is appropriately disposed in any way. When viewed from the front, the radiation can be distributed in a square shape. Thereby, compatibility with the optical system after the integrator 20 for converging the parallel rays thereafter can be improved.
[0052]
Next, a lighting apparatus and lighting system according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. The illuminating device according to the present embodiment includes an aspherical convex lens 4 that is a condensing device included in the illuminating device 1 shown in the first and second embodiments, and includes a plurality of lenses. As shown in the respective embodiments so far, both the radiated light directly radiated from the arc lamp 2 and the reflected light reflected by the spherical mirror 3 are collimated by one aspherical convex lens 4 or close to this. In order to make a light beam, the shape processing of the aspherical convex lens 4 is difficult and heavy. In order to solve this problem, in the present embodiment, the aspherical convex lens 4 is divided into a plurality of lens groups. The spherical center C of the spherical mirror 3 substantially coincides with the center of the arc lamp 2 as in the previous embodiments.
[0053]
FIG. 8 shows a first aspect of the lighting apparatus according to the present embodiment. In the drawing, in the illumination device 30 according to this aspect, a first convex lens 31 and a second convex lens 32 are arranged perpendicular to the main optical axis at positions facing the spherical mirror 3. The radiation beam radiated by the arc lamp 2 is directly or after being reflected by the spherical mirror 3, and is once refracted by the first convex lens 31, and becomes a parallel beam by the second convex lens 32. Since it is the same as that of the illumination system according to the first embodiment (see FIG. 2) that is converged by the integrator 20 after becoming parallel rays, the display of the entire illumination system is omitted in the drawing. . In the illumination device 30 according to this aspect, the first convex lens 31 can also be used as the hood of the spherical mirror 3 depending on the design as will be described later.
[0054]
FIG. 9 shows a second mode of the lighting apparatus according to the present embodiment. The example shown in FIG. 9 is intended to make the light flux density of parallel light constant. In the figure, a first convex lens 35, a concave lens 36, and a second convex lens 37 are arranged in this order perpendicular to the main optical axis at a position facing the spherical mirror 3 with respect to the arc lamp 2. The radiated light radiated from the arc lamp 2 is reflected by the spherical mirror 3 directly or after passing through the lenses 35, 36, and 37 after being reflected by the spherical mirror 3.
[0055]
In the parabolic mirror and the spheroid mirror according to the prior art, the light around the main optical axis is strong, but the peripheral strength is extremely weak, and the integrator 20 compensates for it. As can be seen from the basic principle of the present invention described with reference to FIG. 1, according to the structure of the illuminating device according to the present invention, the aspherical convex lens directly reflects the radiated light of the arc lamp 2 or after being reflected by the spherical mirror 3. When parallel light is obtained at 4, the light flux density in the vicinity increases as opposed to parabolic mirrors and spheroid mirrors. In order to correct this, the integrator 20 may be used. However, the light emitted from the element lens 11 around the macro lens array 12 becomes stronger, and the intensity of the light having the largest incident angle to the LCD 10 becomes stronger. End up. This is not preferable because of the characteristics of the LCD 10, such as reducing the light use efficiency in the LCD 10 or reducing the ON / OFF effect.
[0056]
In order to solve this problem, as shown in FIG. 9, by placing a concave lens 36 between two convex lenses 35, 37 in a condensing device composed of a plurality of lenses according to the present embodiment. The light flux in the peripheral portion is also diffused in density, and can have the same density as the central portion. Alternatively, if necessary, the degree of diffusion of the light flux density in the peripheral portion can be increased. As described above, by including at least one concave lens in the lens group constituting the light condensing device, it is possible to reduce the above-described adverse effects.
[0057]
Further, when the light flux densities in the central portion and the peripheral portion are set to be almost the same, the above-described integrator 20 may be omitted and the irradiation target (in this case, the LCD 10) may be directly irradiated. Of course, the insertion of the condenser lens 19 (see FIG. 2) or the like for adjusting to the irradiation countermeasure screen does not depart from the essence of the present embodiment.
[0058]
Next, a lighting device according to a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In general, it is dangerous to simply attach an arc lamp to a spherical mirror because the arc lamp may be damaged. In particular, when a high-pressure mercury lamp is used as an arc lamp, mercury may be scattered due to breakage. In this embodiment, there is provided an illuminating device provided with a hood capable of preventing scattering of arc lamp components such as glass and mercury even if the arc lamp is broken.
[0059]
According to the prior art, a hemispherical hood having the same diameter as the spherical mirror may be provided at a position facing the spherical mirror with respect to the arc lamp. In this case, the illuminating device has a spherical shape as a whole including the hood. FIG. 10 shows an illuminating device 40 having such a configuration, and a hemispherical glass hood 41 is arranged on the front surface of the spherical mirror 3.
[0060]
However, in the case of such a configuration, it takes time to manufacture and assemble the spherical mirror 3 and the hood 41 separately. In addition, since the entire structure is spherical, it is difficult to design a lens group on the outside of the lens group, and even if possible, the lens group and even the housing will be considerably large. The present embodiment solves these problems, and provides an illumination device with an anti-scattering hood that can be easily manufactured or reduced in size, and an illumination system that uses the illumination device.
[0061]
First, in the first mode according to the present embodiment, one of the convex lenses disposed facing the spherical mirror 3 described in the third embodiment with reference to FIG. 8 is also used as a hood. Is. That is, in FIG. 8, the outer diameter of the first convex lens 31 (the outer diameter in the direction perpendicular to the optical axis) is matched with the outer diameter of the spherical mirror 3, and the first convex lens 31 covers the front surface of the arc lamp 2. Like that. By configuring the illuminating device 30 in this way, even if the arc lamp 2 is damaged, the first convex lens 31 prevents the components of the arc lamp 2 from scattering.
[0062]
Next, in the prior art, as shown in FIG. 10, the spherical mirror 3 and the hood 41 are different. In the second mode according to the present embodiment shown in FIG. 11, the illumination device 45 is formed of a hollow sphere 46 made of a transparent material such as glass, and the arc lamp 2 is housed in the center of the sphere. A hemispherical portion corresponding to half of the hollow sphere 46 with respect to the arc lamp 2 is coated with a reflective film 47 to form a spherical mirror. The remaining hemispherical portion of the hollow sphere 46 is used as a hood. By using the hollow sphere 46, the trouble of manufacturing and assembling a separate hood can be eliminated, and the production efficiency can be improved.
[0063]
According to this aspect, since the reflecting mirror and the hood are integrally formed, the manufacturing becomes easier as compared with the conventional technique. However, the spherical shape is the same as that of the conventional technique (see FIG. 10), and the illumination device 45 When a lens group is arranged on the front surface of the lens, the overall size becomes large. FIG. 12 shows the illumination device of the third aspect according to the present embodiment, which solves this problem of increasing the size. In the drawing, the spherical mirror 3 side is maintained in a spherical shape, and the hood 51 is formed in a flat shape approaching the arc lamp 2 at a portion intersecting the optical axis and its peripheral portion (upper portion in the figure).
[0064]
By forming the illumination device 50 in the shape of a deformed spherical body in this way, the lens group arranged on the front surface of the illumination device can be arranged at a position closer to the arc lamp 2, and the entire illumination system can be further downsized. it can. In the example shown in the figure, the illumination device 50 is a combination of the spherical mirror 3 and the hood 51. However, like the one described with reference to FIG. If a body-shaped hollow sphere is provided and a reflective film is provided on the part that hits the spherical mirror, the number of parts is reduced and manufacturing becomes easy.
[0065]
Further, FIG. 13 shows a lighting device 60 of a fourth aspect according to the present embodiment, which is developed from this, and an arc lamp 2 is arranged inside a hollow sphere 61 including a spherical surface formed in a flat shape. Yes. And the hood part which is a part of hollow sphere 61 comprises the 1st convex lens 62 of a condensing device. By using the convex lens 62 as the hood portion in this way, it becomes possible to bring the lens group below the second convex lens 63 closer to the arc lamp 2 as compared with the third mode, and the entire illumination system is further downsized. be able to. The point that the reflecting film 47 is formed on a part of the hollow sphere 61 to form a spherical mirror is the same as in the second embodiment. Furthermore, as shown in FIG. 9, if a concave lens is inserted between the biconvex lenses 62 and 63, it becomes possible to obtain parallel light with uniform light flux density.
[0066]
【The invention's effect】
According to the illuminating device according to the present invention in which the center of the arc gap of the arc lamp is arranged at the spherical center of the hemispherical spherical mirror, it becomes possible to efficiently irradiate the projection target with the light emitted from the light source. That is, the illumination device using a parabolic mirror or an ellipsoidal mirror generally used in the prior art has a light utilization efficiency of about 60 to 70%. % Or more efficiency. Therefore, if the illuminance is made equivalent to that of the illumination device according to the prior art, the lens diameter can be further reduced, and further, the size of the housing of the illumination device can be reduced.
[0067]
More specifically, when a parabolic mirror or an ellipsoidal mirror is used as a reflecting surface of a 120 to 150 W arc lamp, the diameter of the lighting device is limited to 50 mm even if the aperture is small. In the lighting device according to the present invention, the opening can be reduced to about 30 mm in diameter, and even the condensing lens can be reduced to 40 mm in diameter, so that the size, especially the thickness of the housing can be reduced. Become.
[0068]
According to the illumination device of the present invention, the light generated from the arc is irradiated almost perpendicularly to the reflective film of the spherical mirror. Therefore, in any part of the spherical mirror, it is possible to form a uniform reflective film that transmits, for example, ultraviolet rays and infrared rays and reflects only visible light, thereby efficiently sending only visible light to the irradiation target. Therefore, it is possible to prevent deterioration of members to be irradiated or an intermediate member such as an integrator.
[0069]
According to the illuminating device according to the present invention, it is possible to reduce the burden on the integrator for reducing the illuminance unevenness on the screen depending on how the condenser lens is set. Further, by combining the spherical mirror, the condensing lens, and the integrator, the illuminance unevenness on the illumination target can be reduced, and consequently the illuminance unevenness on the screen can be reduced.
[0070]
Furthermore, according to the illuminating device in which the spherical mirror and the condenser lens according to the present invention are integrated, it is possible to provide a small illuminating device that also serves to prevent scattering of dangerous fragments such as glass when the arc lamp is broken.
[0071]
According to the illumination device according to the present invention, an LCD illumination device with higher illuminance can be obtained by using the polarization alignment array and the polarization conversion prism together with the spherical mirror, the condensing lens, and the integrator.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a side view and a front view showing the principle of a lighting device according to the present invention.
FIG. 2 is a side view showing an illumination system using the illumination device according to the present invention.
FIG. 3 is a side view showing another lighting system using the lighting device according to the present invention.
FIG. 4 is a side view showing still another lighting system using the lighting device according to the present invention.
FIG. 5 is a side view showing an illumination system using a plurality of illumination devices according to the present invention.
FIG. 6 is a side view showing another lighting system using a plurality of lighting devices according to the present invention.
FIG. 7 is a side view showing still another illumination system using a plurality of illumination devices according to the present invention.
FIG. 8 is a side view showing another aspect of the illumination device according to the present invention.
FIG. 9 is a side view showing still another aspect of the illumination device according to the present invention.
FIG. 10 is a side view showing a lighting device according to the prior art including a hood.
FIG. 11 is a side view showing an illuminating device according to the present invention provided with a hood.
FIG. 12 is a side view showing another aspect of the illumination device according to the present invention provided with a hood.
FIG. 13 is a side view showing still another aspect of the illumination device according to the present invention provided with a hood.
FIG. 14 is a side view showing an example of a lighting device according to a conventional technique.
[Explanation of symbols]
1. 1. lighting device; 2. Arc lamp, 3. spherical mirror, Aspherical convex lens, 6. Electrodes, 7. Glass tube, 10. 10. liquid crystal display panel Element lens, 12. Macro lens array, 13. Cylindrical lens, 14. First cylindrical lens array, 15.1 / 2λ plate, 16. 16. polarization alignment prism array; Second cylindrical lens array, 18. Condenser lens, 19. Condenser lens, 20. Integrators, 21. 30. polarization conversion prism; Lighting device, 31. First convex lens, 32. Second convex lens, 36. Concave lens, 40. Lighting device, 41. Glass hood, 45. Lighting device, 46. Hollow spheres 47. Reflective film, 50. Lighting device, 55. Lighting device, 60. Lighting device.

Claims

A concave mirror formed with a light reflecting surface;
An arc lamp that is composed of a pair of arc electrodes and emits divergent light by generating an arc between the two arc electrodes;
In a lighting device composed of a condensing device that condenses the light beam reflected by the concave mirror after being emitted from the arc lamp,
The concave mirror is composed of a spherical mirror in which a light reflecting surface is formed on the inner surface of a hemispherical surface or a hemispherical surface or less,
By arranging the spherical center of the spherical mirror and the center of the gap between the pair of arc electrodes of the arc lamp to substantially coincide with each other, a light beam that diverges from the arc and is reflected by the spherical mirror, and a direct beam that diverges from the arc. The light is superimposed and emitted to the light collecting device,
The condensing device is composed of a plurality of convex lenses and at least one concave lens, and the amount of light per unit area is substantially uniform between the vicinity of the center of the main optical axis and the peripheral portion, or the center of the main optical axis. An illumination device, wherein powers of the plurality of convex lenses and at least one concave lens are adjusted so that a peripheral portion is smaller than a vicinity.

The lighting device according to claim 1, wherein one of lenses constituting a part of the light collecting device also serves as a hood that prevents the arc lamp from scattering.

The spherical mirror is formed by coating a light reflecting film on a hemispherical surface of a hollow sphere made of a transparent material, and the remaining hemispherical surface of the hollow sphere forms a hood that prevents scattering of the arc lamp. The lighting device according to claim 1 or 2.

The hood formed by the hemispherical surface of the hollow sphere is formed in a flat shape in which the position intersecting with the main optical axis of the light beam reflected from the spherical mirror and its periphery are close to the spherical center of the hollow sphere. The lighting device according to claim 3, wherein the lighting device is characterized.

The lighting device according to claim 3 or 4, wherein the hood also serves as one of convex lenses constituting a part of the light collecting device.

6. The light reflecting film of the spherical mirror is configured as a light reflecting surface that transmits one or both of ultraviolet rays and infrared rays and reflects at least light in the visible light region. The lighting device according to any one of the above.

An illumination system comprising: the illumination device according to claim 1 configured to emit a light beam toward a set of integrators.

An illumination system comprising: an irradiation device comprising a plurality of illumination devices according to any one of claims 1 to 6 configured to emit a light beam toward a set of integrators.

The illumination system according to claim 7, further comprising a polarization function that aligns random light of an arc emitted from the arc lamp with either P-polarized light or S-polarized light. .

The illumination system according to claim 9, wherein the polarization function comprises a polarization alignment prism array.

The illumination system according to claim 9, wherein the polarization function includes two polarization conversion prisms.

A spherical mirror in which a light reflecting surface is formed on the inner surface of a hemispherical surface or a hemispherical surface, an arc lamp in which the center of the gap between a pair of arc electrodes is disposed at the spherical center of the spherical mirror, and divergent light generated from the arc lamp An illuminating device composed of a condensing device that superimposes and condenses the light reflected by the spherical mirror and the direct light emanating from the arc; and
A lens plate having a plurality of element lenses similar to the screen to be illuminated, which is divided into a plurality of light beams from the one light beam;
A convex lens for superimposing each of the divided luminous fluxes on an illumination target;
A set of cylindrical lens arrays orthogonal to each other for forming an arc image created by a lens plate having a plurality of element lenses on an illumination object together with the convex lens;
A lighting system comprising:

The illumination system further includes a polarization function of irradiating the illumination object with random light generated by the arc lamp aligned with either S-polarized light or P-polarized light. The lighting system described in.