JP3661688B2 - 照明装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、インテグレータを用いた照明装置に関するものであり、特に、カラーリキャプチャ方式の照明装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
特開平６−８８９５３号には、ランプ光源からの光を前方に集光させるための回転放物面型反射ミラーの前縁部にランプ光源からの光の一部を反射させるための前縁部ミラーを設け、この前縁部ミラーで反射された反射光を平行光にして前方へ反射させるための中心部ミラーを備えている。
【０００３】
【特許文献１】
特開平６−８８９５３号
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
光源から発せられた光のうち、インテグレータに入射された光線のみを照明光として前方の光学系にリレーする照明装置が提案されている。たとえば、単一光を変調する光学系、いわゆる単板式のプロジェクタなどの画像表示装置においてカラー画像を表示する際には、回転式のカラーフィルタで、白色光を選択的に透過または吸収させ３原色に時分割するカラーホイール（カラーフィルタ）と、光の強度分布を均一にするインテグレータとを備え、それぞれの色の光束をマイクロミラーデバイスなどのライトバルブで色変調し、スクリーンに投射してカラー画像を合成する方法で行われる。このシステム（光学系）のプロジェクタでは、カラーフィルタの後方に、インテグレータを配置しており、フィルタで白色光を色分離する際に、フィルタを通らない光は反射され捨てられる。これが、光の利用効率の低下の大きな要因となっている。
【０００５】
これに対して、カラーリキャプチャ方式が提案されており、このカラーリキャプチャ方式では、カラーフィルタの入射側、すなわち、光源とカラーフィルタの間に、インテグレータが配置され、カラーフィルタは特定の色を透過し他の色の光を反射する半透過性のダイクロイック膜（フィルタ）が螺旋状などの適当な形状に組み合わされたカラーホイールが用いられる。このカラーリキャプチャ方式の照明装置においては、各色のダイクロイック膜で色分離を行うと共に、ダイクロイック膜を透過しない光はインテグレータ側に反射する。このため、インテグレータ内を一度で通過しカラーホイールの何れかの色のダイクロイック膜へ出力される光は数分の１の量であるが、カラーホイールにより透過せずに反射された光は、捨てられずにインテグレータに戻される。したがって、カラーホイールを通過しなかった光は、インテグレータ内を伝播して、再びカラーホイールに入射し、そのときに異なる色のダイクロイック膜であれば透過して出力される。このため、光源からの光を、光量をロスしないで利用でき、光のロスが減り、従来のカラー表示方法に比べて、光の利用効率を向上させることができるので、明るいカラー表示が実現できる。
【０００６】
しかしながら、カラーリキャプチャ方式の照明装置であっても、光の利用効率は１００％ではない。たとえば、入射側から射出側に光を伝達するインテグレータであるが、光源から入射側に供給された光を１００％射出側に伝達するものではない。また、カラーホイールのダイクロイック膜を通過しない光はインテグレータに戻され、インテグレータで反射されて再びカラーホイールに向かって放出されることが期待されているが、必ずしもインテグレータで全ての戻り光が、有効に再度カラーホイールに向かって出力されるとは限らない。また、光源からの光が必ずしも有効に、インテグレータに入力されているとも限らない。
【０００７】
このため、本発明においては、光源からの光の利用効率がさらに高い照明装置を提供することを目的としている。特に、本発明では、カラーリキャプチャ方式を用いた照明装置において、より光の利用効率の高い明るく、高画質なカラー画像を表示できる照明装置を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
インテグレータが全反射により光を伝達するものであっても、内周面が反射性になっているものであっても、光源から入射側に到達した光の一部は、インテグレータに入力されず反射されてしまうものがある。また、カラーリキャプチャ方式の照明装置において、カラーフィルタからインテグレータに戻された光のうち、インテグレータの入射側の開口から外界へ漏れ出してしまう光はロスになる。入射側を全て反射面にすれば、入射側から漏れ出す光はなく、戻り光を有効に利用できるが、インテグレータに新たな光を入射することができなくなってしまう。したがって、インテグレータを採用した照明装置においては、インテグレータから光源側に戻される光があることを本願の発明者は見出した。しかしながら、リフレクタとランプとを備えた光源においては、中心の出力強度は小さく、逆に、インテグレータの側から戻された光はランプの電極などにより吸収されてしまう可能性がある。このため、本発明においては、ランプの部分をインテグレータの入射側に向いたセンターミラーで覆うことにより、光源からインテグレータに対して供給される光量を減らさずに、インテグレータの側から光源側に戻される光を再びインテグレータに戻し、光の利用効率をさらに向上させるようにしている。
【０００９】
すなわち、本発明の照明装置は、入射側からの光を射出側へ伝達するインテグレータと、リフレクタおよびその中心に位置するランプを備え、インテグレータの入射側の開口に光を供給する光源と、インテグレータの入射側の開口とランプとを結んだ線上で、インテグレータ側から光をインテグレータ側に反射するセンターミラーであって、リフレクタの開口よりも小さなセンターミラーとを有している。本発明の照明装置は、光源からインテグレータに供給された光のうち、インテグレータに入力されなかった光を再利用できるので、インテグレータを有するすべての照明装置に対して有効である。さらに、カラーリキャプチャ方式の照明装置においては、カラーフィルタからインテグレータに戻され、インテグレータの入力側から漏れ出た光もセンターミラーで再利用可能になるので、いっそう効果が高い。すなわち、本発明の照明装置は、インテグレータの射出側にカラーフィルタが設置されており、そのカラーフィルタが、ある波長範囲の光を透過し、この波長範囲以外の光を反射する複数の半透過部分であって、透過する波長範囲が互いに異なる複数の半透過部分を備えており、各々の波長範囲の半透過部分がインテグレータの射出側の開口を分割するように移動する（カラーホイール）カラーリキャプチャ方式の照明装置において特に有効である。
【００１０】
ハロゲンランプやキセノンランプなどのランプ光源では、中心に位置するランプからその周囲を覆うリフレクタを介してインテグレータへ入射光が供給される。また、ランプの中心部分には電極が設けられているので、ランプから直にインテグレータに出力される光量は殆どない。このため、インテグレータへ入力される光の殆どはリフレクタにより反射された光であり、ランプとインテグレータの中心軸とを結んだ光軸に対して、ある程度傾いた角度（たとえば角度θ）にピークがある強度分布を持つ。一方、上述したように、インテグレータの入射側の開口から漏れ出す光は、光軸上の光源の中心に位置するランプ側へ至り、ランプの電極などで吸収・散乱され無駄になってしまう。したがって、光軸上の、インテグレータの入射側の開口と光源のランプとの間に、リフレクタの開口より小さなセンターミラーをインテグレータの側に反射面が向くように配置することにより、光源からの入射光の光量の多い部分（角度θを中心とする成分）をセンターミラーで遮らず、さらに、インテグレータの入射側の開口から漏れ出した光も、センターミラーで反射しインテグレータ内へ戻すことができる。
【００１１】
このため、本発明の照明装置であれば、カラーホイールで反射されてインテグレータに戻された光は、センターミラーも含めてインテグレータ内で効率良く多重反射され、カラーホイールに向けて再び出力される。したがって、カラーリキャプチャ方式に正に適した構成となっており、光の利用効率が高い、明るく高画質なカラー画像を表示するのに適した照明装置を提供することができる。このため、本発明の照明装置と、この装置から出力された各色の光束に基づいて画像データを形成するライトバルブと、このライトバルブからの光を投影するレンズシステムとを設けることで、明るく、ムラのない高品質なカラー画像を表示するプロジェクタを提供できる。ライトバルブは透過型の液晶などであっても良いが、光の吸収が少なく、高速駆動可能な反射型のスイッチングデバイス、例えば、マイクロミラーデバイスやエバネセント波を利用したデバイスが適している。
【００１２】
本発明で使用可能なインテグレータは、ストレートな直方体状のものに限らず、反射性の端面が、入射側の開口と射出側の開口との間にあり、２段あるいは多段構造となったインテグレータであっても良い。多段構造のインテグレータは、カラーホイールにより反射された光を射出側、すなわちカラーホイールに近い位置にある反射性の端面で反射できるので、インテグレータ内における反射回数を削減して光の利用効率を向上できる。
【００１３】
本発明のセンターミラーは、光源とインテグレータの間の適当な位置に、独立して配置することも可能であるが、リフレクタの開口をカバーする防爆ガラスを有する場合には、この防爆ガラスにセンターミラーを作り込むことが可能であり、光源側にセンターミラーを一体化することができる。この構成は、センターミラーを別部品として用意する必要がないので、コスト的にも、照明装置を組み立てる手間および精度の点でも有利である。
【００１４】
センターミラーは、平坦な鏡面（平面鏡）でも良く、コスト的にはメリットがある。センターミラーが、凹面鏡、すなわち、光源側に凸に湾曲した鏡面であれば、インテグレータの入射側の開口から漏れ出した光を拡散させずに、入射側の開口に戻すことができる。そのためには、凹面鏡のセンターミラーは、その焦点がインテグレータの入射側の開口の近傍に位置するものを採用することが望ましい。
【００１５】
本発明の照明装置では、センターミラーの面積を大きくする程、インテグレータ側から漏れ出した光をセンターミラーで反射できるので、漏れ出した光の利用効率が向上する。その反面、光源またはリフレクタから供給される入射光の光路の面積を狭めることになり、入射光の量が削減される可能性がある。本発明者らの実験結果によると、センターミラーの外径が、リフレクタの開口の外径の２５％以内であれば、光源からインテグレータに入射される光量として、センターミラーがない場合の半分以上を確保することができる。したがって、センターミラーとしてリフレクタの５％程度は必要であることを考慮すると、センターミラーの外径はリフレクタの開口の外径の５〜２５％の範囲であることが望ましい。さらに、センターミラーの外径がリフレクタの外径の２０％以内であれば、センターミラーがない場合の３／４程度の光量を確保できる。また、センターミラーの外径がリフレクタの外径の１０％程度であれば、センターミラーがない場合と同程度の光量を確保できる。したがって、センターミラーの外径は、リフレクタの開口の外径の１０〜２０％の範囲であることがさらに望ましい。さらに、センターミラーの外径がリフレクタの外径の１５％程度であれば、光量の減少は数％であり、その一方でセンターミラーで反射できるインテグレータ側からの漏れ光の量は増大する。したがって、センターミラーの外径はリフレクタの開口の外径の１５％程度がさらに望ましい。なお、リフレクタの開口およびセンターミラーの外径は、これらが必ずしも円形である必要はなく、多角形などの場合は、平均的な外径または外接円の外径で指定することができる。
【００１６】
さらに、センターミラーの有無に関わらず、光源から出力された光の全部がインテグレータに入力されるのではなく、一部はインテグレータの入射側の開口に取り込まれず無駄になる。光源のランプは理想的な点光源ではないので、またリフレクタによりインテグレータの入射側の開口に集光することは難しく、ある程度の広がりがあることは避けられないからである。したがって、２０〜３０％程度はインテグレータに入射されない。そこで、センターミラーに加え、インテグレータの入射側の開口の外周で光源の側に反射するアウターミラーを設け、このアウターミラーで開口の周囲の入射光を反射して、光源側へ戻すことで、再度、インテグレータの開口へ供給されるようにすることが望ましい。この際に、センターミラーがあることにより、アウターミラーで反射された光が光源のランプや電極などにより吸収・散乱されてしまうことを防止することができる。
【００１７】
アウターミラーは、平面鏡でも効果があり、製造が容易で低コストで光の利用効率を向上できる。一方、アウターミラーを光源側に凸の円錐台状として、その外面をミラーとしたり、または、凸面鏡、すなわち、光源側に凸の面であれば、アウターミラーで光源側に反射された光はリフレクタおよびセンターミラーに向かうので、ランプによる吸収を防止できる。アウターミラーの中心側は平坦な鏡面であり、周辺側は凸面または光源側に凸の円錐台状に形成することも可能である。
【００１８】
一方、アウターミラーをインテグレータの射出側に凸の円錐台状として、その内面をミラーとしたり、凹面鏡、すなわち、インテグレータの射出側に凸の面にすることも可能である。このようなアウターミラーであっても、光源側に反射された光は、リフレクタおよびセンターミラーに向かうので、ランプによる吸収を防止し、リフレクタおよびセンターミラーで効率良く反射されてインテグレータの入射側の開口に導かれる。また、アウターミラーは中心側が平坦な鏡面であり、周辺側は凹面またはインテグレータの射出側に凸の円錐台状であっても良い。
【００１９】
リフレクタで反射されて供給された入射光をアウターミラーで反射して光軸上のセンターミラーに導いて、インテグレータの入力側の開口に導く光学システムが光の利用効率を高める。このために、アウターミラーが凸面鏡でセンターミラーの曲率半径より、アウターミラーの曲率半径の方が大きく、曲率が小さいことが望ましい。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。図１に、本発明に係る照明装置１０を用いたプロジェクタ１の概略構成を示してある。さらに、図２に、照明装置１０を拡大して示す。プロジェクタ１は、照明装置１０と、この照明装置１０から色分離されて出力された各色の光束７２Ｒ〜７２Ｂを伝達するリレーレンズ４９と、このレンズ４９からの光束７２Ｒ〜７２Ｂを画像データにより変調するマイクロミラーデバイス５０と、このミラーデバイス５０から出力される表示光７４をスクリーン５８に投射してカラー画像を形成する投射レンズ５２とを備えている。
【００２１】
照明装置１０は、光源部１２の側から射出方向に順番に並んで配置された、光源部１２と、中空で反射性の内周面２４を備えた角柱状のインテグレータ２０と、白色の光束７１を時分割するカラーホイール４０とを備えている。光源部１２は、リフレクタ１４と、その中心１４ｃに位置するキセノンランプなどのアークランプ１３とを備えており、白色の光束７１が出力される。また、リフレクタ１４の開口１４ａは、防爆ガラス１６によりカバーされている。
【００２２】
インテグレータ２０は、内周面２４が反射面となった中空で断面が方形の角柱状のロッドである。インテグレータ２０の入射側の面２０ａには円形の開口２２が設けられ、射出側２０ｂは方形の開口２３となっており、射出側の開口２３はカラーホイール４０に面して配置されている。カラーホイール４０は、特定の色を透過し他の色の光を反射する半透過性のダイクロイック膜（フィルタ）４１Ｒ〜４１Ｂが螺旋状などの適当な形状に組み合わされたものである。このため、各色のダイクロイック膜４１Ｒ〜４１Ｂで色分離を行うと共に、ダイクロイック膜４１Ｒ〜４１Ｂを透過しない光７３は、インテグレータ２０の側に反射される。したがって、ダイクロイック膜４１Ｒ〜４１Ｂを通らない光７３は捨てられずに、インテグレータ２０に戻され、インテグレータ２０で反射されて、再度、カラーホイール４０に出力され、そのときに異なる色のダイクロイック膜４１Ｒ〜４１Ｂに当れば、それを透過して出力される。このため、本例の照明装置１０は、光源部１２から照射された白色の光束７１がインテグレータ２０でライトバルブの形状に合わせて強度分布が均一化されると共に、カラーホイール４０から時間および空間的に色分割された状態で出力され、さらに、カラーホイール４０を通過しなかった光は、インテグレータ２０で再利用される。したがって、本例の照明装置１０は、カラーリキャプチャ方式の照明装置である。
【００２３】
このため、照明装置１０からは、カラーホイール４０の回転に伴い上下に動くダイクロイック膜４１Ｒ〜４１Ｂを透過した各色の光束７２Ｒ〜７２Ｂが、理想的にはカラーホイール４０でのロスがなく空間的および時間的にセパレートされた状態で射出される。したがって、カラーホイール４０の回転にしたがって光束７２Ｒ〜７２Ｂがシフトするタイミングに合わせてライトバルブ５０の側を制御することにより、明るいマルチカラーの画像をスクリーン５８に投影することができる。
【００２４】
図２に示すように、本例の照明装置１０において、インテグレータ２０の入射側２０ａの開口２２と、ランプ１３とを結んだ線上（光軸）８０に位置する防爆ガラス１６の中心に、インテグレータ２０の側に光を反射するセンターミラー３０が形成されている。本例のセンターミラー３０は、リフレクタ１４の開口１４ａよりも小さい鏡面であり、防爆ガラス１６の光源１２の側の面１６ａの中心を部分的に光源１２の側が凸となるように加工し、そのインテグレータ２０の側を凹状の反射面３１としている。この凹面鏡３１の焦点はインテグレータ２０の入射側の開口２２の近傍に位置するように光学的にレイアウトされている。
【００２５】
この照明装置１０においては、キセノンランプ１３から出力される光７１は、リフレクタ１４で反射され、インテグレータ２０に向けて出力され、インテグレータ２０の入射側の開口２２から内部に導かれる入射光７１となる。キセノンランプ１３は、その中心１３ｃに位置する電極などの構造などが要因となって、光軸８０を通ってインテグレータ２０へ直接供給される光は殆どなく、ランプ１３の周囲を覆っているリフレクタ１４を介して出力される光が主な入射光７１となる。このため、インテグレータ２０の入射光７１は、光軸８０に対して角度θだけ傾いた光が主となる強度分布を持った光となる。
【００２６】
インテグレータ２０に入射された光７１は、カラーホイール４０に導かれ、それを透過する光は射出光７２となり、カラーホイール４０に反射された光はインテグレータ２０に戻される。戻り光の多くは、周面２４および／または入射側の開口２２の周囲に位置する反射性の端面２９によりカラーホイール４０の側に反射されるが、戻り光の一部はインテグレータ２０の入射側の開口２２から漏れ出す。本例の照明装置１０においては、漏れ出した光７３は、センターミラー３０で反射され、インテグレータ２０内へ、再び入射される。そして、戻された光７３もインテグレータ２０内で多重反射され、射出側２０ｂの開口２３へ向かい、カラーホイール４０のダイクロイック膜４１Ｒ〜４１Ｂで選択されて出力される。
【００２７】
センターミラー３０がない場合、インテグレータ２０の入射側の開口２２から漏れ出した光７３は、光源部１２に向かって出力されるので、リフレクタ１４で反射されればインテグレータ２０に戻される可能性がある。しかしながら、開口２２の延長上、すなわち光軸８０にはランプ１３が配置されており、漏れ出した光７３がランプ１３に至るとランプ１３の電極などで吸収されたり、散乱されてインテグレータ２０の側に戻される可能性は低くなる。これに対し、本例の照明装置１０においては、センターミラー３０が光軸８０のランプ１３のインテグレータ２０の側に配置されているので、入射側の開口２２から漏れ出した光７３はランプ１３などで吸収されたり、散乱されることなくインテグレータ２０の入射側にもどされる。したがって、カラーホイール４０でインテグレータ２０に戻された光は、さらに有効にインテグレータ２０を通して再利用され、カラーリキャプチャ方式の照明装置における光の利用効率をさらに向上することができる。このため、本例の照明装置１０では、照明装置１０のインテグレータ２０から出力される光量をさらに増加することができ、明るく、高画質なカラー画像を表示できるプロジェクタ１を提供できる。
【００２８】
センターミラー３０は、インテグレータ２０の入射側の開口２２から漏れ出す光７３を効率良く反射して光の利用効率を向上するためには、面積が大きい方が良い。その反面、センターミラー３０は、光源部１２とインテグレータ２０の開口２２の間に位置するため、センターミラー３０が大きくなると、光源部１２のリフレクタ１４から供給される入射光７１の光路の面積を狭めることになる。したがって、この点からはセンターミラー３０の面積は小さいことが望ましい。図３に、光源部１２からインテグレータ２０に入射される入射光７１の光量Ｉがセンターミラー３０の外径により変化する様子を、ランプ１３の出力Ｉ０に対する比（光量比（Ｉ／Ｉ０））により示してある。また、センターミラー３０の外径Ｄ２も、図４に示すように、リフレクタ１４の開口１４ａの直径（外径）Ｄ１に対する割合（％）で示してある。
【００２９】
図３から分かるようにセンターミラー３０の外径Ｄ２が、リフレクタ１４の開口１４ａの外径Ｄ１の２５％以内であれば、光量比は０．４程度以上になり、光源部１２からインテグレータ２０に入射される光量として、センターミラー３０がない場合の光量比０．７４程度の半分以上を確保することができる。一方、センターミラー３０の外径Ｄ２としては、リフレクタ１４の開口１４ａの外径Ｄ１の５％程度は必要であり、図３から分かるように、その程度であるとインテグレータ２０に入射される光量に影響を与えない。したがって、センターミラー３０の外径Ｄ２はリフレクタ１４の開口１４ａの外径Ｄ１の５〜２５％の範囲であることが望ましい。
【００３０】
さらに、センターミラー３０の外径Ｄ２がリフレクタ１４の開口１４ａの外径Ｄ１の２０％以内であれば、光量比が０．５５程度となり、センターミラー３０がない場合の３／４程度以上の光量を確保できる。したがって、ソースとなる入射光７１の光量が増すので、上記より光の利用効率を向上できる可能性がある。また、センターミラー３０の外径Ｄ２がリフレクタ１４の開口１４ａの外径Ｄ１の１０％程度であれば、センターミラー３０がない場合と同程度の光量比を確保できる。したがって、この程度であれば、センターミラー３０の面積を広げることによる入射光量による減少はなく、センターミラー３０により漏れ光７３を回収する効果だけを得ることができる。このため、センターミラー３０の外径Ｄ２は、リフレクタ１４の開口１４ａの外径Ｄ１の１０〜２０％の範囲であることがさらに望ましい。
【００３１】
さらに、センターミラー３０の外径Ｄ２がリフレクタ１４の開口１４ａの外径Ｄ１の１５％程度であれば、光量比の減少は数パーセントであり、その一方でセンターミラー３０で反射できるインテグレータ２０からの漏れ光の量は増大する。したがって、センターミラー３０による入射光７１の光量の削減を最小限に抑えて、センターミラー３０により漏れ光７３を回収するさらに高い効果を得ることができ、照明装置１０のトータルの光の利用効率としては最も効率よい領域になると考えられる。したがって、センターミラー３０の外径Ｄ２はリフレクタ１４の開口１４ａの外径Ｄ１の１５％程度がさらに望ましい。
【００３２】
なお、リフレクタ１４の開口１４ａは図４に示すように必ずしも円形にならないが、上述した開口１４ａの外径Ｄ１としては、多角形の場合は平均的な外径または外接円の外径で特定することができる。センターミラー３０においても同様である。また、センターミラー３０の背面、すなわち、ランプ１３に面した側の面３２をリフレクタ１４の側に反射する鏡面にすることにより、ランプ１３に吸収される光量を削減することが可能であり、この場合は、センターミラー３０の外径Ｄ２をさらに大きくできる可能性がある。
【００３３】
また、センターミラー３０は、上記では防爆ガラス１６に一体成形した例を示しているが、これに限らず、単独の光学素子として光源部１２とインテグレータ２０の間の中心線上８０に配置することも可能である。しかしながら、部品点数が増加するので、コストおよび組立ての手間が増加する。したがって、本例のように防爆ガラス１６のランプ側の面１６ａに作り込むか、インテグレータ２０の側の面１６ｂに作り込むことが望ましい。
【００３４】
また、本例ではセンターミラー３０は凹鏡面であり、インテグレータ２０から漏れ出した光束７３を確実にインテグレータ２０の開口２２に集光するには好ましい形状であるが、経済性を考慮し、容易に製作できる平坦な鏡面でセンターミラーを形成することも可能である。平面鏡であっても、漏れ出した光７３がランプ１３に到達させずにインテグレータ２０の側に戻すことができるので、照明装置１０の光の利用効率を向上することができる。
【００３５】
リフレクタ１４から反射した光は、ランプにおける電極のインテグレータ側の先端部分をあまり通過しない。電極がリフレクタ１４からの行路を遮るためであり、このため、電極の先端部分に影が生じる。したがって、センターミラー３０がこの影の部分に配置されれば、リフレクタ１４から反射した光線がセンターミラー３０によって遮られることがない。このようなセンターミラー３０の配置方法として、以下に説明するように、耐熱接着剤を用いて別に準備したミラーをランプ先端に取り付ける方法がある。
【００３６】
図５に、異なる照明装置１０を示してある。上述したように、インテグレータ２０からの光をインテグレータ２０の側に効率良く反射するためには、センターミラー３０の径は大きい方が好ましい。ランプ１３からの光をセンターミラー３０で妨げないようにセンターミラー３０の径を大きくするためには、センターミラー３０をランプ１３にできるかぎり近づけることが望ましい。そこで、本例の照明装置１０においては、ランプ１３の中心軸に沿って前方に突き出た陰極シール部１０１の先端１０２にセンターミラー３０を取付けている。この位置は、センターミラー３０をランプ１３に近づけて取付けるには最適であるが、高温になること、電極線が出ていること、さらには、陰極シール部１０１の先端１０２が平坦であるという保証はないので、センターミラー３０の取り付け角度の制御が難しいなどの問題がある。
【００３７】
図６（ａ）および（ｂ）に、センターミラー３０をランプ１３の陰極シール管１０１の先端１０２に取付ける一例を示してある。この方法では、ランプ管１３の先端側の端面１０２に耐熱性の接着材９８を盛るように付ける。また、センターミラー３０は、ランプ１３の先端１０２から突き出た電極線１３ｄを貫通する形状に加工しておく。本例では、センターミラー３０は中心に１ｍｍφ程度の貫通孔３０ａを予め設けてある。ランプ１３の電極線１３ｄは、０．６ｍｍφ程度であるので、反射面３１の面積をそれほど減らさずに電極線１３ｄが通過する孔３０ａを開けることができる。
【００３８】
センターミラー３０と、接着材９８の着いたランプ１３の先端部１０２とを貼り合わせ、ランプ１３の管軸１３ｃとセンターミラー３０の中心（反射面軸、貫通孔）３０ａとが同軸上に固定されるようにする。耐熱性の接着剤には、例えばスミセラムやアロンセラミック等を用いることができる。
【００３９】
ランプの先端１０２が必ずしも平面でないことは上述した通りである。このため、接着剤９８を盛り上げるにつれてセンターミラー３０を接着することでセンターミラー３０の角度は調整できるが、光軸８０と反射面３１とが垂直になるように取付けるのは至難の業である。このため、図７（ａ）および（ｂ）においては、中心に電極線１３ｄを通すことができる切れ込み９１ｄを備えた円筒あるいは円柱状のジグ９１を用いてセンターミラー３０の面を光軸８０に合わせるようにしている。すなわち、陰極シール管１０１は先端１０２の平面度は保証されないが、陰極シール管１０１が伸びている方向はほぼ光軸８０の方向になる。したがって、円柱状のジグ９１の外周面を陰極シール管１０１の外周面と繋がるように陰極シール管１０１の先端１０２に配置し、円柱状のジグ９１の端面９１ａが円柱に対して垂直に設定されていれば、その面９１ａを基準面としてセンターミラー３０を取付けできる。
【００４０】
図８に示す方法では、Ｚステージ９２にランプ管１３を垂直に取付け、センターミラー３０を鉛直方向に固定することにより光軸８０に垂直な面を出すようにしている。すなわち、ランプ管１３の陽極シール管１０３を下にしてシール管１０１および１０３が鉛直方向になるように、ステージ９２にランプ管１３を固定する。次に、シール管１０１の先端１０２に反射面３１が水平になるように固定されたセンターミラー３０を、Ｚステージを下げ、予め設けた接着剤９８上で水平を決め、センターミラー３０の固定を解いてから取付ける。これにより、ランプ管１３の端１０２が平坦な面でなくても光軸８０に垂直な反射面３１ｃを高精度に得ることができる。
【００４１】
さらに、発光管の先端の温度は通常で４００℃にも達することがあり、そこに設けるセンターミラー３０には、十分な高温耐久性が要求される。このため、高温耐熱性のある反射物構造を、すなわち反射膜を形成したミラーを採用する必要がある。反射面３１の反射膜は、蒸着、スパッタリング、メッキ等の方法により形成できる。また、反射膜の材料には、ダイクロイック膜等の多層膜、Ａｌ、Ａｇ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｎｉ等、またはこれらの合金が適用できる。特に多層膜は、五酸化タンタルや二酸化珪素などの耐熱性の高い材料を用いて、日本電子株式会社製の内蔵形プラズマ銃装置等によるイオンプレーティング成膜などにより、ち密な多層膜として形成できる。このように、耐久性（高温耐熱性）に優れた反射部材を用いたセンターミラー３０であれば、ランプ１３の先端１０２に取付けても、十分に信頼性の高い照明装置を得ることができる。
【００４２】
図９ないし図１１に、ランプ１３の先端１０２に取付けるセンターミラー３０の幾つかの例を示してある。上述したように、センターミラー３０は、予め、ランプ１３の電極線１３ｄが貫通するような形状に加工しておくことが望ましい。図９（ａ）および（ｂ）に示すセンターミラー３０には、中心に到達するようなＵ字型の切り込み３０ｓが形成されている。図１０（ａ）および（ｂ）に示すセンターミラー３０には、中央に１ｍｍφ程度の穴３０ａが形成されている。このセンターミラー３０は、張り合わせ部分３０ｋから２つに分割され、ランプ管１３から伸びた電極線１３ｄを通すときに分割して挟むことができるので取り付けが容易である。図１１（ａ）および（ｂ）のセンターミラー３０は、中心の貫通孔３０ａが設けられたもので、もっとも反射面３１の面積を大きくできる。
【００４３】
図１２に、本発明の異なる照明装置１１を有するプロジェクタ１を示してある。図１２のプロジェクタ１と図１のプロジェクタ１とは、照明装置１０が照明装置１１で置き換わったことを除いて、基本的に同じである。
【００４４】
また、図１３に照明装置１１を拡大して示してある。本例の照明装置１１は、インテグレータ２０の入射側２０ａの開口２２の外周から鍔状に広がり、光源部１２の側に反射するアウターミラー６０が設けられている。本例のアウターミラー６０は、光源部１２に面した側６１がミラーであり、中心側が平坦な鏡面６０ａとなり、周辺側は、光源部１２の側が凸の凸面鏡６０ｂとなっている。したがって、アウターミラー６０で、光源部１２からの入射光７１のうち、開口２２からインテグレータ２０内へ入射できなかった光を反射し、光源部１２の側へ戻すことができる。アウターミラー６０で光源部１２の側へ戻された光は、リフレクタ１４またはセンターミラー３０により再びインテグレータ２０の方向に反射され、インテグレータ２０の開口２２からインテグレータ２０の内部へ供給される可能性があり、従来はインテグレータ２０に入らずに無駄になっていた光が利用できる。したがって、照明装置１１における光の利用効率をさらに向上することができる。
【００４５】
また、本例の照明装置１１のインテグレータ２０は、カラーホイール４０からの戻り光を反射する端面２９が、入射側２０ａから射出側２０ｂに近づいた２段形状になっている。このような２段またはそれ以上の多段構造のインテグレータとすることにより、カラーホイール４０により反射された光が、射出側に戻るために反射する回数を削減することができ、周面２４などにおける吸収による光の損失を抑制できる。したがって、その点でも本例の照明装置１１は、光の利用効率を向上させることができる。
【００４６】
図１４に、本例の照明装置１１において、光源部１２からインテグレータ２０に入射される入射光７１の光量Ｉがアウターミラー６０の曲率に起因して変化する様子を、ランプ１３の出力Ｉ０に対する比（光量比（Ｉ／Ｉ０））により示してある。図１５に示すように、曲率１／Ｒがマイナスとは、アウターミラー６０がインテグレータ２０の射出側に凸の凹面鏡であることを示し、曲率１／Ｒがプラスとは、アウターミラー６０がランプ１３の側に凸の凸面鏡であることを示している。
【００４７】
図１４から分かるように、曲率１／Ｒが−０．０５から＋０．０５の範囲で光量比は、先の図３に示した値を上回っており、アウターミラー６０を設けることにより光の利用効率をさらに向上できることが分かる。さらに、アウターミラー６０が平面鏡からその近傍の曲率１／Ｒが小さく曲率半径Ｒが大きい領域でアウターミラー６０から反射された光がセンターミラー３０の近傍に集まるので、センターミラー３０で効率良く、インテグレータ２０の入射側の開口２２に導くことができる。したがって、光量比が増加しており、光の利用効率がさらに向上していることが分かる。さらに、アウターミラー６０が凸面鏡で、曲率１／Ｒが０．０１５近傍における光量比は、０．９程度を上回っており、ランプ１３から出力された光を殆どロスなくインテグレータ２０に入力することができる。
【００４８】
図１３では、鏡面が湾曲したアウターミラーを例に示しているが、凸面鏡のアウターミラーの代わりに光源部１２の側が凸となった円錐台状の鏡面（この場合は円錐台状の外周面がアウターミラー）を採用することも可能である。また、凹面鏡のアウターミラーの代わりにインテグレータ２０の射出側２０ｂに凸になった円錐台状の鏡面（この場合は円錐台状の内周面がアウターミラー）を採用することも可能であり、図１２とほぼ同じ特性を示す。
【００４９】
図１６ないし図１８に、本発明のセンターミラー３０とアウターミラー６０の幾つかの組合せを示してある。図１６に示した組合せは、センターミラー３０が凹面鏡で、アウターミラー６０が平面鏡であり、アウターミラー６０でインテグレータ２０の入口側２０ａの開口２２に入らなかった光７１ａを、センターミラー３０の方向に反射してセンターミラー３０を介して開口２２に導くことができる。この組合せは、アウターミラー６０が平面鏡で構成されているので比較的、低コストで実現できる。
【００５０】
図１７に示す組合せは、センターミラー３０およびアウターミラー６０が共に平面鏡で構成された例である。この組合せにおいても、アウターミラー６０でインテグレータ２０の入口側２０ａの開口２２に入らなかった光７１ａをセンターミラー３０の方向に反射し、センターミラー３０を介して開口２２に導くことができる。センターミラー３０が平面鏡なので開口２２に集光する能力は低く、回収効率は若干低下する可能性があるが、平面鏡だけで構成できるので最も低コストな組合せである。
【００５１】
図１８に示す組合せは、凹鏡面のセンターミラー３０と、中心側が平坦な鏡面６０ａで周辺側が凸面鏡６０ｂのアウターミラー６０との組合せである。図７に示したように、アウターミラー６０が凸面鏡である場合には、入射光７１ａをセンターミラー３０の方向に効率良く導けるので最も光の利用効率が高くなる。さらに、本例では中心側が平面鏡６０ａになっているので、センターミラー３０で反射されてもインテグレータ２０に入力されなかった光は、アウターミラー６０でさらにセンターミラー３０の方向に反射され、凹面鏡のセンターミラー３０により開口２２に導かれる可能性がある。したがって、最も光の利用効率が高くなる組合せであると言える。この組合せにおいて、凸面鏡のアウターミラー６０で反射された光を、凹面鏡のセンターミラー３０で開口２２に効率良く集光するためには、センターミラー３０の曲率（１／Ｒ１）を、アウターミラー６０の曲率（１／Ｒ２）よりも大きくする必要がある。したがって、センターミラー３０の曲率半径Ｒ１はアウターミラー６０の曲率半径Ｒ２よりも小さくすることが望ましい。さらに、センターミラー３０の凹面鏡の焦点をインテグレータ２０の入射側の開口２２の近傍に設定しておくことにより、より効率的にアウターミラー６０からの光をインテグレータ２０の開口２２に飲み込ませることができる。
【００５２】
このように、本発明に係る照明装置１０および１１は、カラーリキャプチャ方式を適用したときにインテグレータ２０の入射側の開口から漏れ出す可能性のある光をセンターミラーで回収することができる。さらに、光源からインテグレータ２０の開口に入射されなかった光をアウターミラーを設けて回収したときに、センターミラーの効果を用いてより効率的にインテグレータ２０に入力することが可能であり、本願の発明者らのシミュレーションによると、条件によっては光源のランプから出力される光の９０％あるいはそれ以上を、インテグレータ２０に入力することが可能となる。
【００５３】
したがって、本発明の照明装置１０および１１は光の利用効率が高いので、コンパクトで高出力な照明装置として提供することが可能である。したがって、本例の照明装置１０または１１を、図１または図１１に示したプロジェクタ１に組み込むことにより、鮮明な画像を表示することができるプロジェクタを提供することができる。
【００５４】
図１９に、本発明の異なる照明装置１１ａを有するプロジェクタ１ａを示してある。本例の照明装置１１ａは、カラーリキャプチャ方式ではなく、カラーフィルタ４５により各色の光を時分割してライトバルブ５０に照射してカラー画像を表示するものである。
【００５５】
図１９のプロジェクタ１ａと図１２のプロジェクタ１とは、照明装置１１が照明装置１１ａに置き換わったことを除いて、基本的に同じである。そして、図１９の照明装置１１ａと図１２の照明装置１１とは、インテグレータ２０がインテグレータ２１に置き換わったことを除いて、基本的に同じである。インテグレータ２１は、このインテグレータ２０（図１２）から端面２９を取り除いた構造を有する。したがって、インテグレータ２１の内部でのリサイクルはほとんどない。しかしながら、インテグレータ２１からの光を反射するようなセンターミラー３０を設け、さらにインテグレータ２１の入口側に鍔状のアウターミラー６０を設けることで、インテグレータに入力されなかった光をインテグレータ２１と光源部１２との間でリサイクルすることで光の利用効率を向上できる。
【００５６】
図２０に光源部１２からインテグレータ２１に入射され、インテグレータ２１から出力される光量Ｉがセンターミラー３０の曲率（曲率半径の逆数）に起因して変化する様子を、センターミラー３０が平面のとき（曲率＝０）の光量Ｉ０に対する比（光量比（Ｉ／Ｉ０））により示してある。図２０に示すように、曲率半径Ｒがマイナス、すなわち、センターミラー３０がインテグレータ２１の側に凸の凸面鏡であることを示し、曲率半径Ｒがプラスとは、センターミラー３０がランプ１３の側に凸の凹面鏡であることを示している。曲率Ｒが−３０および＋７０でピークが現れており、センターミラー３０の曲率がインテグレータ３０から出力される光の量に影響を及ぼしていることがわかる。したがって、センターミラー３０を取付けることは、カラーリキャプチャ方式ではない照明装置１１ａにおいても有効であり、光の利用効率を高めることができる。
【００５７】
なお、上記において説明した照明装置は中空のロッドインテグレータを備えた例であるが、内部が充填された、例えばガラスロッドレンズタイプのインテグレータであっても良い。
【００５８】
また、プロジェクタのライトバルブとしてはマイクロミラーを駆動するミラーデバイス５０に限らず、反射型のデバイスとしては、波長レベルの動きでエバネセント光を利用してオンオフする画像表示デバイスであるエバネセントデバイスを用いることが可能であり、これらの反射型のライトバルブは高速駆動が可能で高コントラストであるので、コンパクトで鮮明な画像を表示するプロジェクタに適している。また、透過型のデバイスとしては信頼性の高いＬＣＤなどを用いることも可能である。本発明の照明装置は、プロジェクタに限らず、色分離された光が要求される直視型の表示装置や、プリンタなどにおいても適用することが可能である。
【００５９】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明の照明装置は、インテグレータの入射側にセンターミラーを設けることで、カラーリキャプチャ方式の照明装置に適したインテグレータを備えた照明装置における光の利用効率を高めることが可能となる。したがって、本発明の照明装置を採用することにより、さらに明るく、鮮明なカラー画像を表示可能なプロジェクタを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るカラーリキャプチャ方式の照明装置を用いたプロジェクタの概要を示す図である。
【図２】図１に示す照明装置の一部を拡大して示す図である。
【図３】光源のリフレクタの開口の外径とセンターミラーの外径の関係を示すグラフである。
【図４】図３に示すリフレクタの開口の外径とセンターミラーの外径を説明する図である。
【図５】異なる照明装置の概要を示す図である。
【図６】図５に示す照明装置においてセンターミラーの取付け方法を説明する図である。
【図７】図５に示す照明装置においてセンターミラーの角度調整を行なう方法を示す図である。
【図８】図５に示す照明装置においてセンターミラーの角度調整を行なう、異なる方法を示す図である。
【図９】図５に示す照明装置に適したセンターミラーの図であり、図９（ａ）は斜視図、図９（ｂ）は平面図である。
【図１０】図５に示す照明装置に適した、異なるセンターミラーの図であり、図１０（ａ）は斜視図、図１０（ｂ）は平面図である。
【図１１】図５に示す照明装置に適した、さらに異なるセンターミラーの図であり、図１１（ａ）は斜視図、図１１（ｂ）は平面図である。
【図１２】本発明に係る照明装置において、アウターミラーを備えたインテグレータを用いたプロジェクタの概要を示す図である。
【図１３】図１２に示す照明装置の一部を拡大して示す図である。
【図１４】センターミラーとアウターミラーを組み合せることによる光量の変化を示す図である。
【図１５】図１４に示したアウターミラーの曲率と凹凸の関係を模式的に示す図である。
【図１６】センターミラーとアウターミラーの組合せの一例を示す図である。
【図１７】上記と異なるセンターミラーとアウターミラーの組合せを示す図である。
【図１８】上記とさらに異なるセンターミラーとアウターミラーの組合せを示す図である。
【図１９】本発明に係るセンターミラーとアウターミラーを備えた、異なる照明装置を用いたプロジェクタを示す図である。
【図２０】図１９に示した照明装置のセンターミラーの曲率と光量の変化の相関を示す図である。
【符号の説明】
１、１ａ プロジェクタ
１０、１１、１１ａ 照明装置
１２ 光源部、１３ ランプ、１４ リフレクタ
１６ 防爆ミラー
２０、２１ インテグレータ
２０ａ 入射側の面
２０ｂ 射出側の面
２２ 入射側の開口
２３ 出口側の開口
２４ 内周面
２９ 端面
３０ センターミラー、３１ 反射面
４０ カラーホイール
４１Ｒ、４１Ｇ、４１Ｂ 各色のダイクロイック膜
５０ ライトバルブ（マイクロミラーデバイス）
５２ 投射レンズ
５８ スクリーン
６０ アウターミラー
７１ 光源から照射される白色光の光束（入射光）
７２ 各色の光束（射出光）
７３ 漏れ出る光束

Claims (21)

1. 入射側から射出側に光を伝達するインテグレータと、
   リフレクタおよびその中心に位置するランプを備え、前記インテグレータの入射側に光を供給する光源と、
   前記インテグレータの入射側と前記ランプとを結んだ線上で、前記インテグレータ側から光を当該インテグレータ側に反射するセンターミラーであって、前記リフレクタの開口よりも小さなセンターミラーとを有する照明装置。
2. 請求項１において、さらに、前記インテグレータの射出側に配置されたカラーフィルタを有し、このカラーフィルタは、ある波長範囲の光を透過し他の該波長範囲以外の光を反射する複数の半透過部分であって、透過する波長範囲が互いに異なる複数の半透過部分を備え、各々の波長範囲の前記半透過部分が前記インテグレータの射出側の開口を分割するように移動する照明装置。
3. 請求項１において、前記インテグレータは反射性の内周面を備えている照明装置。
4. 請求項１において、前記インテグレータは多段式である照明装置。
5. 請求項１において、前記リフレクタの開口をカバーする防爆ガラスを有し、この防爆ガラスに前記センターミラーが作り込まれている照明装置。
6. 請求項１において、前記センターミラーは平坦な鏡面である照明装置。
7. 請求項１において、前記センターミラーは凹面鏡である照明装置。
8. 請求項７において、前記センターミラーの焦点が前記インテグレータの入射側の開口の近傍に位置する照明装置。
9. 請求項１において、前記センターミラーの外径が、前記リフレクタの開口の外径の５〜２５％の範囲である照明装置。
10. 請求項１において、前記センターミラーの外径が、前記リフレクタの開口の外径の１０〜２０％の範囲である照明装置。
11. 請求項１において、前記センターミラーの外径が、前記リフレクタの開口の外径の１５％程度である照明装置。
12. 請求項１において、前記インテグレータの入射側の開口の外周で前記光源の側に反射するアウターミラーを有する照明装置。
13. 請求項１２において、前記アウターミラーは平坦な鏡面である照明装置。
14. 請求項１２において、前記アウターミラーは前記光源の側に凸の円錐台状である照明装置。
15. 請求項１２において、前記アウターミラーは凸面鏡である照明装置。
16. 請求項１２において、前記アウターミラーの中心側は平坦な鏡面であり、周辺側は凸面または前記光源の側に凸の円錐台状である照明装置。
17. 請求項１２において、前記アウターミラーは前記射出側に凸の円錐台状である照明装置。
18. 請求項１２において、前記アウターミラーは凹面鏡である照明装置。
19. 請求項１２において、前記アウターミラーは中心側が平坦な鏡面であり、周辺側は凹面または前記射出側に凸の円錐台状である照明装置。
20. 請求項１２において、前記センターミラーは凹面鏡であり、前記アウターミラーは凸面鏡であり、前記センターミラーの曲率半径より、前記アウターミラーの曲率半径の方が大きい照明装置。
21. 請求項１ないし２０のいずれかに記載の照明装置と、
    この照明装置から出力された各色の光束に基づいて画像データを形成するライトバルブと、このライトバルブからの光を投影するレンズシステムとを有するプロジェクタ。

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