JPH06250288A - 照明装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 スライドプロジェクタ、液晶ビデオプロジェ
クタ等に有用な、発光した光利用効率が高く、しかも照
射パターンを照明対象物とほぼ同じにして、照射効率の
高い照明装置を提供することを目的とする。 【構成】 回転楕円鏡，光源，球面鏡，およびコンデン
サレンズからなる照明装置において、前記回転楕円鏡
（２）は、前記照明対象物（５）以外の部分を照射する
光を反射する部分（２３）が欠除している形状を有して
おり、そして前記光源（１）から前記欠除部分に向かう
光が、前記光源（１）からみて前記欠除部分の後ろ側に
ある前記球面鏡（３）に反射して、前記欠除部分とは反
対側にある回転楕円鏡の部分に再び反射して前記照明対
象物（５）を照明していることを特徴とする照明装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、スライドプロジェク
タ，液晶ビデオプロジェクタ，ＯＨＰシートプロジェク
タ等の照明対象物、特に四角形の形状を有する照明対象
物を照明するのに有用な照明装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の装置としては、ハロゲン
ランプ，キセノンランプ，メタルハライドランプ等の光
源と、回転放物面鏡や回転楕円面鏡と、コンデンサーレ
ンズを組み合わせた照明装置が用いられていた（例え
ば、トリケップス社出版「プロジェクションテレビの設
計」第３章第１節参照）。

【０００３】しかし、いずれの場合においても、回転放
物面鏡や回転楕円面鏡の方向以外に発光する光源からの
出射光が、照明光として有効に使われず、光源の発光し
た光の利用効率が低い、という問題点があった。（以
下、発光した光のうち、回転放物面鏡や回転楕円面鏡な
どで反射集光された光の割合を、発光光利用効率とよぶ
ことにする）。

【０００４】そこで浜中は、特開平０３−１６８６２９
でこの問題点を解決する照明装置を開示した。その照明
装置の構成図を図３に示す。

【０００５】図３において、光源１を回転楕円鏡２の第
１焦点に配置し、球面鏡３には曲率半径が回転楕円鏡２
の焦点距離に等しいものを用い、曲率中心が回転楕円鏡
２の第１焦点の位置になるように配置していた。また、
球面鏡３の中心部には、任意の孔部３１を設けていた。

【０００６】光源１の発光した光のうち、球面鏡３に到
達した光６１は、反射されて光源１に集光した後回転楕
円鏡２に到達し、光源１の発光した光のうち、直接回転
楕円鏡２に到達した光６２とともに、回転楕円鏡２の第
２焦点に集光していた。

【０００７】この第２焦点に集光した光は、球面鏡３の
孔部３１を通ってコンデンサレンズ４に到達し、平行あ
るいは若干収束した照明光束となって、矩形の照明対象
物５を照明していた。

【０００８】この照明装置では、図３に示したように、
球面鏡３の曲率半径が回転楕円鏡２の焦点距離に等し
く、回転楕円鏡２の第２焦点が球面鏡３の面上にあるた
め、孔部３１を非常に小さくすることが可能であった。
したがって、光源１の発光した光のほとんどすべてを回
転楕円鏡２の第２焦点に集光することができ、発光光利
用効率が極めて高い照明光束を得ることが可能であっ
た。

【０００９】また樽松らも、特開平０４−０６３３２１
で、前述の問題点を解決する照明装置を開示している。
その照明装置の構成図を図４に示す。

【００１０】図４において、光源１を回転楕円鏡２の第
１焦点に配置し、球面鏡３には曲率中心が回転楕円鏡２
の第１焦点の位置になるように配置していた。また、球
面鏡３の中心部には、任意の矩形状の孔部３１を設けて
いた。回転楕円鏡２は、孔部３１と同一の断面形状をも
つ四角柱を差し込んだときの交線で切断し、出射面の中
心部を通る光軸８上の無限遠からみたとき、その周辺部
が矩形状になっていた。

【００１１】光源１の発光した光のうち、球面鏡３に到
達した光６１は、反射されて光源１に集光した後回転楕
円鏡２に到達し、光源１の発光した光のうち、直接回転
楕円鏡２に到達した光６２とともに、回転楕円鏡２の第
２焦点に集光していた。

【００１２】前記第２焦点が矩形の照明対象物５よりも
十分遠方にある場合には、第２焦点に集光された光は、
若干収束した光束となって、矩形の照明対象物５を照明
することが可能であった。

【００１３】この照明装置では、ほぼ矩形の光束が得ら
れるため、照明対象物５に到達したときの照明光束が、
矩形の照明対象物５と同一寸法になるように、孔部３１
と回転楕円鏡２の周辺形状を設定すれば、照明光束のほ
とんどすべてを照明対象物５に照射することが可能であ
った。（以下、照明光束が照射するパターン形状の面積
のうち、照明対象物の面積の占める割合を照射効率とよ
ぶことにする）。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】特開平０３−１６８６
２９では、発光光利用効率は極めて高いものの、回転楕
円鏡２の周辺形状が円形であるため、照明対象物５に到
達する照明光束７１の照射パターン７２は、図５に示す
ように円形であった。これに対して、照明対象物５の形
状は必ずしも円形でないのため、照明光束７１の照射パ
ターン７２は、照明対象物５に外接する大きさ、あるい
はそれ以上の大きさの円形にする必要がある。このた
め、照明光束７１のうち、照明対象物５の外側を照射す
る部分の光は有効に利用されず、照射効率が悪いという
問題点があった。

【００１５】一方、特開平０４−０６３３２１では、照
明光束７１の照射パターン７２は矩形であり、照明対象
物５に到達したときの照明光束７１の照射パターン７２
が、矩形の照明対象物５と同一寸法になるように、孔部
３１と回転楕円鏡２の周辺形状を設定することができ
る。したがって、照明光束のほとんどすべてを有効に利
用でき、照射効率は高い。

【００１６】しかしながら、前記照明光束が若干収束し
た光であるため、球面鏡３の孔部３１は、照明対象物５
より大きくする必要がある。つまり、この孔部３１はか
なり大きなものとなってしまい、光源１の発光した光の
うち、直接孔部３１から漏れてしまい照明に寄与しない
光６４が増加する。したがって、発光光利用効率が低下
してしまうという問題点があった。

【００１７】そこで、特開平０３−１６８６２９の構成
において、回転楕円鏡の周辺形状を変更することを考え
る。図４に示した特開平０４−０６３３２１の回転楕円
鏡の形状である矩形状（無限遠からみた場合）の周辺形
状を有する回転楕円鏡２に変更した場合について検討し
てみる（以下検討例とよぶ）。

【００１８】この場合は、特開平０３−１６８６２９と
同様に、発光光利用効率は極めて高い。しかし、この場
合には、回転楕円鏡２の倍率が光軸付近と周辺部で異な
るため、コンデンサレンズでコリメートした照明光束７
１の照射パターン７２は、特開平０４−０６３３２１の
ような矩形にはならず、図６に示すように糸巻き状に歪
曲してしまうことを見いだした。

【００１９】このため、照明光束７１の照射パターン７
２を、照明対象物５に外接するような大きさにした場合
は、照明対象物５の外側の部分の照明光束が有効に利用
されず、照射効率がよくないという問題点がでてくる。

【００２０】そこで、本発明では、発光光利用効率が高
く、しかも照射パターン７２を照明対象物とほぼ同じに
して、照射効率の高い照明装置を提供することを目的と
する。

【００２１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明では、（イ）回転楕円鏡（２），（ロ）前記
回転楕円鏡（２）の第１焦点（２１）の位置に配置した
光源（１），（ハ）その曲率中心が前記第１焦点（２
１）の位置にあり、かつその中央部に孔部（３１）を有
し、かつその曲率半径が前記回転楕円鏡（２）の第１焦
点（２１）と第２焦点（２２）の間隔にほぼ等しい球面
鏡（３），および（ニ）光源から前記回転楕円鏡（２）
で反射して、その第２焦点（２２）の位置で収束した後
発散する光束（６３）を、ほぼ平行光束にして照明対象
物を照射するためのコンデンサレンズ（４）からなる照
明装置において、前記回転楕円鏡（２）は、前記照明対
象物（５）以外の部分を照射する光を反射する部分（２
３）が欠除している形状を有しており、そして前記光源
（１）から前記欠除部分に向かう光が、前記光源（１）
からみて前記欠除部分の後ろ側にある前記球面鏡（３）
に反射して、前記欠除部分とは反対側にある回転楕円鏡
の部分に再び反射して前記照明対象物（５）を照明して
いることを特徴とする照明装置を作製した。

【００２２】さらに、前記の照明装置において、前記回
転楕円鏡（２）は、以下で規定される４つの仮想面との
交線で周辺部を形成していることを特徴にした照明装置
を作製した。 （ａ）前記コンデンサレンズ（４）の主面位置に、照明
装置の光軸（８）と垂直な平面（４１）を仮想し、
（ｂ）四角形の形状をもつ照明対象物（５）を前記平面
（４１）に平行光で投影して、その正射影（５１）を仮
想し、（ｃ）その正射影（５１）を四角錐の底面とし、
その底面に対向する頂点が前記第２焦点（２２）の位置
にあるような四角錐を仮想し、そして（ｄ）その４つの
側面を、延長して得られる４つの仮想面。

【００２３】本照明装置の基本的構成は、特開平０３−
１６８６２９に開示されている。ここでは、本発明の特
徴である回転楕円鏡２について、図７〜９を用いて詳し
く説明する。

【００２４】まず図７において、光源１の発光した光の
うち、直接回転楕円鏡２に到達した光６２は、回転楕円
鏡２の第２焦点２２に集光する。この第２焦点２２に集
光した光束は、その後発散していく。

【００２５】ここで、照明対象物の正射影５１が前述の
平面４１にある、と仮想する。この場合、光源１から発
光した光のうち、回転楕円鏡２の２３で示した部分で反
射した光は、照明対象物の正射影５１以外の部分を照射
していることになる。

【００２６】したがって、平面４１の位置にコンデンサ
レンズ４を配置して、発散していく光束６３をほぼ平行
光束にしても、前記回転楕円鏡２の２３の部分で反射さ
れた光は、照明対象物５には照射されない。このこと
が、特開平０３−１６８６２９に開示された照明装置の
照射効率の悪いという理由であった。

【００２７】そこで、この回転楕円鏡２の２３で示した
部分をなくし、この欠除部分で反射していた光を、この
回転楕円鏡２の２３の部分の後ろ側にある球面鏡３で反
射して、前記欠除部分の反対側にある回転楕円鏡２の部
分に再び反射させて、最終的に前記照明対象物５に照射
するようにしてやる。このようにすれば、光源１で発光
した光の発光光利用効率が高く、しかも照射効率の高い
照明装置が得られる。

【００２８】前記回転楕円鏡２の周辺部の形状は、照明
対象物５を前記第２焦点２２を原点として、点対称に投
影した場合の輪郭線で示される形状となっている。つま
り、回転楕円鏡２の周辺部の形状は、前記第２焦点２２
を原点として、照明対象物５と等価であると言い換える
ことができる。

【００２９】回転楕円鏡の周辺形状を、このような形に
することによって、集光後の光束６３の断面形状を、照
明対象物５と相似形とすることができる。

【００３０】また以上の説明では、照明対象物５は、光
軸８に対して垂直に配置されていたが、図７の２点鎖線
で示した照明対象物５’のように、光軸に対して傾いて
配置された場合でも、同様の考え方で、照明対象物５’
を前記平面４１に平行光で投影した正射影５１と、相似
形の断面形状をもつ光束６３が得られる。

【００３１】つぎに、前記回転楕円鏡２と前記球面鏡３
の大きさおよび位置関係について述べる。回転楕円鏡２
は、前記照明対象物５以外の部分を照射する光を反射す
る部分２３が欠除している形状を有しており、前記光源
１からみて前記欠除部分の後ろ側に球面鏡３の反射面が
なければ、発光光利用効率が下がってしまう。

【００３２】したがって、前記光源１からみて前記欠除
部分の後ろ側に球面鏡３の反射面がくるように、回転楕
円鏡２の前記欠除部分は、球面鏡３の開口部３２よりも
内側に挿入できる必要がある。

【００３３】前述のようにするためには、適切な回転楕
円鏡２の倍率を選択する必要がある。この倍率を２．４
１倍にした場合は、欠除部分のない場合の回転楕円鏡の
開口と、球面鏡の開口とが接するような関係になる。し
たがって、回転楕円鏡２の倍率は、少なくともこの２．
４１倍よりも大きな値で、回転楕円鏡２の欠除部分が球
面鏡３の開口部３２よりも内側に挿入できるように選択
する。

【００３４】以上述べたようにすると、光源１から発光
した光は、球面鏡３の孔部３１から直接出射される光を
除き、球面鏡３あるいは回転楕円鏡２に反射され、すべ
て回転楕円鏡２の第２焦点２２に集光することができ
る。

【００３５】つぎに、コンデンサレンズについて述べ
る。前記第２焦点２２に集光した後に発散していく光束
６３の光路については、その頂点を前記第２焦点２２の
位置にもち、照明対象物と相似形の底面をもつ錐の側面
およびその内側を伝搬する。

【００３６】ここで、コンデンサレンズ４の主面の位置
を、発散していく光束６３の断面が照明対象物とほぼ同
一寸法となる位置に配置し、かつその前側焦点面が前記
第２焦点位置とほぼ等しくなるように、コンデンサレン
ズ４を設計する。

【００３７】このようにすれば、コンデンサレンズ４か
ら出射する光束は、ほぼ平行でかつほぼ照明対象物と同
一寸法の照明光束７１となる。

【００３８】このコンデンサレンズ４は、回転楕円鏡２
からの光線のＮＡと同等か若干大きなＮＡをもち、矩形
の照明対象物５の大きさと同等あるいは若干大きな直径
をもっている。

【００３９】また場合によっては、照明光束７１が、完
全に平行光束であるよりも、若干収束した光束の方が望
ましい場合もある。例えば、ケラー照明装置を構成する
ような場合は、コンデンサレンズ４の主面位置は、発散
していく光束６３の断面が照明対象物より若干大きい寸
法となる位置に配置し、かつその前側焦点面が前記第２
焦点位置より若干コンデンサレンズ側になるように、コ
ンデンサレンズ４を設計すればよい。

【００４０】本発明の照明装置は、前記第１焦点に位置
する光源１を、回転楕円鏡２の倍率で前記第２焦点に拡
大結像する光学系である。したがって、第２焦点に集光
した光束のほとんどすべてを、球面鏡３の孔部３１を通
じて放出するためには、孔部３１の大きさは、光源１の
大きさに回転楕円鏡の倍率を掛けた大きさに、係数１．
１〜２．０を掛けた大きさであることが望ましい。

【００４１】以上の説明において、回転楕円鏡２の第１
および第２焦点の位置に配置されるもの（例えば、光源
１，球面鏡３の曲率中心や仮想四角錐の頂点など）につ
いてはその位置のみならず、その近傍にあっても得られ
る照明装置はほとんど変わらないことは言うまでもな
い。

【００４２】

【作用】図１において、光源１の発光した光のうち、球
面鏡３に到達した光６１は、反射されて光源１に集光し
た後回転楕円鏡２に到達し、光源１の発光した光のう
ち、直接回転楕円鏡２に到達した光６２とともに、回転
楕円鏡２の第２焦点２２に集光する。

【００４３】回転楕円鏡２の第２焦点２２は、球面鏡３
の面上にあるため、孔部３１を非常に小さくすることが
できる。したがって、光源１の発光した光のほとんどす
べてを回転楕円鏡２の第２焦点２２に集光することがで
きる。

【００４４】さらに、この回転楕円鏡は、その周辺形状
が照明対象物５を前記第２焦点２２を原点として、点対
称に投影した場合の輪郭線で示される形状をしているの
で、集光後の光束６３の断面形状を、照明対象物５と相
似形とすることができる。

【００４５】この光束６３を、照明対象物５とほぼ同じ
大きさのほぼ平行光束にすることにより、照明対象物５
とほぼ同じ大きさの照明光束７１が得られる。

【００４６】

【実施例】

実施例１ 以下に、本発明による照明装置を、対角の長さが７６．
２ｍｍ，縦横の比が３：４の、透過型液晶ライトバルブ
を照明対象物に用いた実施例について示す。

【００４７】図１において、光源１は大きさ１０ｍｍの
ハロゲンランプである。このフィラメント長波は４ｍｍ
である。この光源１は、以下に述べる回転楕円鏡２の第
１焦点２１に配置する。

【００４８】回転楕円鏡２は、短径３７．４ｍｍ，長径
４５．０ｍｍの楕円を回転して得られる回転楕円鏡であ
る。この回転楕円鏡は、倍率が３．５倍で、第１焦点２
１と第２焦点２２の焦点間距離が５０．０ｍｍである。

【００４９】つぎに、回転楕円鏡２の形状について述べ
る（図７参照）。この回転楕円鏡２の第２焦点２２から
３９．８ｍｍの位置に、光軸８に対して垂直な平面４１
を仮想する。この平面４１上に、対角の長さが７６．２
ｍｍ，縦横の比が３：４の矩形の照明対象物５の正射影
５１を投影する。

【００５０】前記正射影５１で表される矩形を底面と
し、その頂点が前記第２焦点２２の位置にあるような四
角錐を仮想する。さらにその４つの側面を、延長して得
られる４つの面を仮想する。この４つの延長面と回転楕
円鏡２の面との交線で、回転楕円鏡を切断する。

【００５１】このようにして作製した回転楕円鏡は、図
８に示したような周辺形状をしている。また、光軸８上
の無限遠から見ると、図９に示した照明対象物５と同一
の縦横比をもつ矩形を、樽状に歪曲させた形状になって
いる。このとき対角線の寸法は、７１．９ｍｍとなって
いる。

【００５２】球面鏡３は、半径が５０ｍｍの半球面鏡で
ある。その中央部の孔部３１の大きさは、前述したよう
に、光源１のフィラメント寸法，回転楕円鏡２の倍率と
係数から計算して、直径２０ｍｍの円形とする。また、
孔部３１の形状は、必ずしも円形である必要はなく、矩
形であってもかまわない。

【００５３】さて、回転楕円鏡２は、その第１焦点が球
面鏡３の中心位置にくるように配置される。このとき、
回転楕円鏡２の倍率は３．５倍なので、回転楕円鏡２の
前述の欠除部分も、この球面鏡３の開口よりも内側に挿
入することができる。したがって、発光した光は、球面
鏡３のの孔部３１から直接漏れるものを除き、最終的に
すべて前記第２焦点に集光することができる。

【００５４】そのつぎに、コンデンサレンズ４の設計お
よび配置をする。前述した四角錐を置いた位置、すなわ
ち発散していく光束６３の断面が照明対象物とほぼ同一
寸法となる位置に、コンデンサレンズ４を配置する。こ
のとき、このコンデンサレンズ４の前側焦点面が前記第
２焦点位置とほぼ等しくなるように、コンデンサレンズ
４の焦点距離は３９．８ｍｍである。また、その口径は
照明対象物より若干大きな直径８０ｍｍで、有効開口数
ＮＡは０．６９以上である。

【００５５】この結果、ほぼ平行でかつほぼ照明対象物
５と同一寸法をもつ照明光束７１が得られる。

【００５６】以上の実施例では、この照明対象物は、光
軸８に対して垂直に配置された透過型液晶ライトバルブ
の場合について説明したが、光軸８に対して傾いて配置
された反射型の液晶表示素子でもよい。

【００５７】

【発明の効果】本発明による照明装置では、特開平０３
−１６８６２９と同様に、発光光利用効率は極めて高
い。しかも、照射パターン７２を照明対象物とほぼ同じ
にすることができるので、照射効率の非常に高い照明光
束７１が得られる。

【００５８】特開平０３−１６８６２９では、この照射
効率が照明対象物の縦横比が３：４の場合、約６１％で
あるのに対して、本発明の場合はほとんど１００％であ
る。

【００５９】また、検討例と比べると、対象照明物５の
外側を照らしている照明光束部分について、照射効率が
改善される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による照明装置の構成の一実施例を示す
図。

【図２】本発明による照明光束の照射パターンと矩形の
照明対象物との関係を示す斜視図。

【図３】特開平０３−１６８６２９で開示された照明装
置の構成を示す図。

【図４】特開平０４−０６３３２１で開示された照明装
置の構成を示す図。

【図５】特開平０３−１６８６２９で開示された照明装
置における照明光束の照射パターンと矩形の照明対象物
との関係を示す斜視図。

【図６】検討例における照明光束の照射パターンと矩形
の照明対象物との関係を示す図。

【図７】本発明の回転楕円鏡の周辺形状の決定方法を説
明する図。

【図８】本発明の回転楕円鏡の周辺形状を示す斜視図。

【図９】本発明の回転楕円鏡を、光軸上の無限遠から見
たときの形状を示す図。

【符号の説明】

１ 光源 ２ 回転楕円鏡 ２１ 回転楕円鏡の第一焦点 ２２ 回転楕円鏡の第２焦点 ２３ 回転楕円鏡で照明対象物以外を照射している光を
反射している部分 ３ 球面鏡 ３１ 球面鏡の孔部 ３２ 球面鏡の開口部 ４ コンデンサレンズ ４１ コンデンサレンズの主面位置で、照明装置の光軸
（８）と垂直な平面 ５ 照明対象物 ５’ 照明装置の光軸に対して、傾いて配置された照明
対象物 ５１ 照明対象物の正射影 ６１ 光源で発光した光のうち、球面鏡に到達する光 ６２ 光源で発光した光のうち、直接回転楕円鏡に到達
する光 ６３ 回転楕円鏡で第２焦点に集光され、その後発散す
る光 ６４ 光源で発光した光のうち、直接球面鏡の開口部か
ら放射され、回転楕円鏡の第２焦点に集光されない光 ７１ 照明光束 ７２ 照射パターン ８ 光軸

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 （イ）回転楕円鏡（２），（ロ）前記回
   転楕円鏡（２）の第１焦点（２１）の位置に配置した光
   源（１），（ハ）その曲率中心が前記第１焦点（２１）
   の位置にあり、かつその中央部に孔部（３１）を有し、
   かつその曲率半径が前記回転楕円鏡（２）の第１焦点
   （２１）と第２焦点（２２）の間隔にほぼ等しい球面鏡
   （３），および（ニ）光源から前記回転楕円鏡（２）で
   反射して、その第２焦点（２２）の位置で収束した後発
   散する光束（６３）を、ほぼ平行光束にして照明対象物
   を照射するためのコンデンサレンズ（４）からなる照明
   装置において、前記回転楕円鏡（２）は、前記照明対象
   物（５）以外の部分を照射する光を反射する部分（２
   ３）が欠除している形状を有しており、そして前記光源
   （１）から前記欠除部分に向かう光が、前記光源（１）
   からみて前記欠除部分の後ろ側にある前記球面鏡（３）
   に反射して、前記欠除部分とは反対側にある回転楕円鏡
   の部分に再び反射して前記照明対象物（５）を照明して
   いることを特徴とする照明装置。
2. 【請求項２】 請求項１の照明装置において、その前記
   回転楕円鏡（２）は、以下で規定される４つの仮想面と
   の交線で周辺部を形成していること特徴とする照明装
   置。 （ａ）前記コンデンサレンズ（４）の主面位置に、照明
   装置の光軸（８）と垂直な平面（４１）を仮想し、
   （ｂ）四角形の形状をもつ照明対象物（５）を前記平面
   （４１）に平行光で投影して、その正射影（５１）を仮
   想し、（ｃ）その正射影（５１）を四角錐の底面とし、
   その底面に対向する頂点が前記第２焦点（２２）の位置
   にあるような四角錐を仮想し、そして（ｄ）その４つの
   側面を、延長して得られる４つの仮想面