JPH08320488A - 照明装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 光源からの光の利用効率を向上させ、かつ被
照射部における照明光の照度、照度むら、平行度を改善
し、照明系を小型化した、取り扱い易い照明装置を提供
する。 【構成】 照明装置１は、放物面鏡２の焦点付近に設置
する光源３、放物面鏡２、光軸４に対して垂直に配置さ
れた平面反射鏡５から構成され、光源３の光を光軸４に
対して平行な光として、被照射部１０へ出射する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば投影型画像表示
装置に使用される液晶表示素子を照明するのに好適な照
明装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、照明装置を用いた表示装置、
例えば液晶表示素子を照明装置で照射することで、画像
をスクリーン上に投影する投影型画像表示装置が開発さ
れている。こうした投影型画像表示装置に用いられる液
晶表示素子には、高精細化、小型化、および高輝度化が
求められている。

【０００３】上記の投影型画像表示装置に用いられる照
明装置としては、光源から出射した光を、例えば液晶表
示素子等の被照射部に効率良く集めて明るい映像を得る
必要があるため、光源と放物面鏡、楕円鏡、あるいはコ
ンデンサーレンズと球面鏡を組み合わせた照明装置があ
る。しかし、液晶表示素子の高性能化にともない、照明
装置に対しても、より一層の小型化、高性能化が望まれ
ている。さらに、より一層取り扱い易い照明装置が望ま
れている。

【０００４】照明装置の小型化、高性能化の条件の一つ
としては、光源から出射される光を、より多く被照射部
に集めて明るく照らすという条件が挙げられる。

【０００５】被照射部を明るくする方法としては、照明
装置の光源自体の高出力化が考えられる。近年、上記の
投影型画像表示装置の光源としては、メタルハライドラ
ンプ、キセノンランプ、ハロゲンランプ等があり、これ
らのランプの明るさ、寿命等の性能が改善されてきてい
る。しかし、光源をさらに高出力化した場合、発熱など
により、ランプの寿命およびランプを用いた装置の寿
命、装置の大きさ、使い易さ等に影響をおよぼすため、
ランプの高出力化には制約がある。従って、照明装置と
しては、光利用効率をできるだけ向上させることによ
り、被照射部を明るくすることが必要である。

【０００６】一般に、照明装置の光利用効率を高くする
ためには、光源を小型化する方法、光源から出射した光
をレンズ等により被照射部に集光する方法等が考えられ
る。光源を小型化するということは、光源を点光源に近
づけることであり、その方法としては、次の２つの方法
がある。一つ目の方法は、ランプの発光部分を小型化す
る方法であり、もう一つの方法は、光源の発光部の大き
さは変えずに、照明装置の光学系を大型化することによ
り、相対的に光源を小型化する方法である。しかし、光
源自体を小型化すると、同じ出力の場合、発熱等により
光源の寿命が短くなるなどの弊害が生じ、小型化するこ
とにも限界がある。また、照明装置の光学系全体を大型
化して、相対的に光源を小型化する場合には、照明装置
および表示装置を小型化するという要求に反する。この
ため、光学系を相対的に大きくすることにも限界があ
る。

【０００７】一方、光利用効率を高くするために、光源
から出射した光をレンズ等により被照射部に集光する方
法がある。しかし、この方法では、被照射部へ入射する
入射光の平行度が悪くなり、投影型画像表示装置に用い
た場合、投影レンズ部でけられが発生するため、光利用
効率はあまり向上しない。従って、レンズ等により被照
射部上に集光させることにも限界がある。

【０００８】また、照明装置の高性能化を実現させるた
めの他の条件として、被照射部の照度むらというものが
ある。この照度むらは、光源と反射鏡を用いた照明装置
において、光源の電極や光源自身の影等により発生す
る。特に、光軸付近の照度むらを中抜けと呼ぶ。また、
反射鏡に光源を取り付ける際、光源の電極を通すために
穴等を設ける必要があるため、反射面が形成できない場
所ができることにより、照度むらが発生する。例えば、
液晶を用いた投影型画像表示装置等では、該装置に用い
られる照明装置により生じる被照射部上の照度むらが、
そのまま画像のむらとなり高性能な表示装置を得ること
ができない。したがって、高性能な投影型画像表示装置
を得るためには、照度むらの少ない照明装置が必要であ
る。

【０００９】さらに、照明装置の小型化、高性能化のも
う一つの条件は、光源を出射した光が被照射部に入射す
る角度（以下、平行度と呼ぶ）を最適化することであ
る。例えば、被照射部が液晶表示素子の場合、液晶の表
示特性は該液晶に入射する光の平行度に影響されるた
め、各素子にできる限り同じ平行度で入射させる必要が
ある。

【００１０】また、ダイクロイックミラー等のように光
を反射、分光させる光学部品、あるいは、マイクロレン
ズ、ファイバー等の光学部品を照射する場合も、各部品
の光学特性は該部品に入射する光の角度に影響されるた
め、それぞれの光学部品に合わせて光の平行度を最適化
する必要がある。

【００１１】上記で説明したような課題を解決する方法
として、以下に示すような技術が提案されている。

【００１２】光利用効率を向上させる方法として、被照
射部に照明できない周辺部の光を凸レンズ形状のレンズ
で集光し凹レンズで平行光に戻すという技術が実開昭６
３−１２４２３５号公報に開示されている。

【００１３】また、回転反射鏡の出射側に光軸付近を切
り取った球面鏡を配置し、被照射部に照明できない周辺
部の光を光源に戻し再利用する技術が特開平５−３２３
２６８号公報に開示されている。

【００１４】また、照度むらを解消する方法として、液
晶表示素子の画素開口部の形状を、照度分布によって変
化させて、照度むらを減少させる方法や、明るい部分の
照度をＮＤフィルター等の光減衰手段を用いて照度むら
を減少させる方法が知られている。

【００１５】また、レンズを用いて集中された光を散乱
させて、照度むらを減少させる方法や、回転放物面反射
鏡の光軸付近で生じる中抜けを他の二つの複合ミラーを
用いて照度むらを補正する技術が特開平６−８８９５３
号公報に開示されている。

【００１６】さらに、平行度を良好にするため、放物面
鏡と補正レンズを備えた技術が特開平６−３６２１号公
報に開示されている。この技術は、上記の中抜けを補正
するため、光軸付近に光を集光させ光軸に傾いた照明光
を、光軸方向に沿って平行に進む照明光になるように補
正する非球面レンズを用いる方法である。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、実開昭
６３−１２４２３５号公報に開示されている方法では、
見かけ上の光源像が大きくなり、照明光の平行度が悪く
なる。また、レンズを用い集中された光を散乱させて、
照度むらを解消させる技術もあるが、この技術では照明
光の平行度が悪くなる。

【００１８】また、特開平６−３６２１号公報に開示さ
れている方法では、中抜けによる照度不足は解消される
が、集中された光による照度むらが発生する。これらの
方法はレンズを付加して各課題を解消するため、装置自
身が大型化し、コストアップとなる。

【００１９】また、液晶表示素子の画素開口部の形状を
照度分布によって変える方法や、明るい部分の照度をＮ
Ｄフィルター等の光減衰手段を用いて下げる方法では、
光利用効率が低下する。

【００２０】また、特開平５−３２３２６８号公報に開
示されている方法では、中抜け等の照度むらを改善する
ことができず、放物面鏡を用いる場合は装置が大型化す
る。また、特開平６−８８９５３号公報に開示されてい
る方法では、複合ミラーの位置合わせが容易でなく、簡
単に利用できない。

【００２１】また、放物面鏡と他の反射鏡を組み合わせ
る場合、照度むらを少なくするには、放物面鏡と光源の
位置が不確定であるため、まず、照度分布を考慮しなが
ら放物面鏡と光源の位置合わせを行った後、他の反射鏡
の位置合わせにも再度、照度分布を考慮する必要があ
り、光学系の設定が困難でる。

【００２２】また、光源であるランプを地表面に対して
平行に設けた場合、ランプの上部と下部とで温度差が発
生するため、封入物が気化しないことにより、十分なラ
ンプの特性が得られず照度むらができたり、寿命等の信
頼性にも影響をおよぼす。

【００２３】本発明は、上記のような課題を解消するた
めになされたものであり、光源からの光の利用効率を高
くでき、かつ被照射部における照明光の照度むら、およ
び平行度を改善し、小型で高性能でより一層取り扱い易
い照明装置を提供することを目的とする。

【００２４】

【課題を解決するための手段】本発明は、光源と、前記
光源からの光を反射させて被照射面方向に反射する第１
の反射鏡と、前記第１の反射鏡で反射された光の一部を
反射して、再び第１の反射鏡に戻す第２の反射鏡とを備
えたことを特徴とする。

【００２５】また、本発明は、第１の反射鏡が回転反射
鏡で、かつ第２の反射鏡が平面反射鏡であることを特徴
とする。

【００２６】また、本発明は、前記光源の周囲を部分的
に覆うように設けられ、前記光源からの光を直接あるい
は間接的に反射し、回転反射鏡の回転軸を含む平面で切
断した形状の第１の反射鏡と、前記光源の周囲に前記第
１の反射鏡が配置された場所以外の部分に設けられ、前
記光源からの光を直接反射し、その反射光を光源に戻
し、その後前記第１の反射鏡方向に導く前記光源を中心
とする球面鏡からなる第２の反射鏡とを備えたことを特
徴とする。

【００２７】

【作用】以上のように、本発明によれば、簡単な照明光
学系で、光束を減少させずに、照明領域を半分にするこ
とができ、理論的には照度は約２倍となり、光利用効率
を向上させることができ、さらに平行度を低下させるこ
とのない照明装置を提供することができる。

【００２８】照度むらである中抜けが発生する場所が光
軸近辺であるので、その場所を被照射部から外せば、照
度むらを防ぐことができる。

【００２９】さらに、近年、ＴＶ画面の形状が従来より
も横長になっており、投影型画像表示装置も横長画面が
要求されるため、このような横長画面の投影型画像表示
装置には特に有効である。

【００３０】また、平面反射鏡を回転反射鏡に組み込む
ことにより、生産性に優れ、より一層取り扱い易い照明
装置を提供できる。

【００３１】また、球面鏡を可能な限りコンパクトに設
計することで、照明装置の小型化が可能である。

【００３２】また、光源と球面鏡と回転反射鏡との位置
合わせが簡単になり、生産性に優れ、より一層取り扱い
易い照明装置を提供できる。

【００３３】また、光源であるランプからの光を平面反
射鏡および球面鏡により反射させ、その反射光を光源の
下部に戻す構成であるので、ランプの温度差により発生
するランプの特性を改善することができる。

【００３４】

【実施例】

（実施例１）本発明の第１の実施例である照明装置につ
いて以下に説明する。実施例１である照明装置１の断面
図を図１に示す。

【００３５】実施例１の照明装置１は、光源３と放物面
鏡２と光軸４に対して垂直に配置された平面反射鏡５か
らなる照明系から構成され、光源３の光を被照射部１０
へ出射する。

【００３６】投影型液晶表示装置に使用される液晶表示
素子のサイズは、一般には０．５〜６インチであるが、
実施例１では、非照射部に縦：横の比が１６：９の２イ
ンチ横長型液晶表示素子を用いた。

【００３７】実施例１では、光源３を放物面鏡２の焦点
付近に設置し、被照射部１０に縦：横の比が１６：９の
２インチ横長型液晶表示素子を用いると、放物面鏡２の
形状は外径が１００〜６０ｍｍの範囲、好ましくは外径
が約７０ｍｍの放物面鏡が必要となる。それにともな
い、平面反射鏡５も１００×５０〜６０×３０ｍｍの範
囲、好ましくは約７０×３５ｍｍの形状が必要となる。
平面反射鏡５は放物面鏡２に対して接するような位置に
設置する。

【００３８】図１では、照明系を小型化するため、平面
反射鏡５の位置は放物面鏡２に接するような位置に設置
しているが、平面反射鏡５で反射された光が放物面鏡２
へ戻る位置であれば、平面反射鏡５は放物面鏡２から離
れててもよい。また、平面反射鏡５の形状も平面反射鏡
５で反射された光が放物面鏡２へ戻るような形状であれ
ばよい。

【００３９】また、図２に示すように、半円状の平面反
射鏡５を放物面鏡２に組み込んだ照明系でもよい。例え
ば、図２に示すように、平面反射鏡５を放物面鏡２の周
縁に接着剤で接着して組み込んだ照明系でもよい。

【００４０】次に、照明装置１の光路を説明する。ラン
プなどの光源３から出射された光は放物面鏡２のある点
で反射し、光軸４に対して平行な光となり、被照射部１
０へ出射する。実施例１の照明装置１では、被照射部１
０は液晶表示素子である。

【００４１】さらに、光軸４より下側に平面反射鏡５を
光軸４に対して垂直に配置し、放物面鏡２に光を戻す。
この光は放物面鏡２の反射により、光源３であるランプ
の発光部に戻り、さらに、放物面鏡２のある点で反射
し、光軸４に対して平行な光となり、被照射部１０へ出
射する。

【００４２】その結果、理論的には被照射部１０の照度
は約２倍に増加するが、実際に測定してみると、１．７
倍の照度の増加であった。これは反射鏡の反射ロスおよ
び発光管を通過するときのロス等の影響によるものと考
えられる。

【００４３】従って、実施例１の照明装置１を用いれ
ば、平行度および光束が良好のままで、照明領域を半分
にすることができる。

【００４４】また、実施例１では、照度むらなどが表れ
る部分が被照射部の端部になるので、この部分を除外し
て被照射部を照射すれば、照度むらの無い照明光が得ら
れる。さらに、中抜けによる照度むらを補正しながら、
光源の位置合わせを行う必要がなくなる。このように、
平面反射鏡５を放物面鏡２に組み込んだ構成の照明系が
できるので、生産性に優れ、かつ取り扱い易い照明装置
を提供することができる。

【００４５】また、光源であるランプからの光を平面反
射鏡により反射させ、その反射光を光源の下部に戻す構
成であるので、ランプの温度差により発生するランプの
特性を改善することができる。

【００４６】また、光源からの光をダイクロイックミラ
ー等により分光、反射して表示を行う投影型表示装置、
あるいは、液晶表示素子、マイクロレンズ、ファイバー
等の光学部品から構成される投影表示装置の照明装置と
して、この照明装置１を適用すれば、光利用効率を低下
させることなく使用することができる。

【００４７】また、投影型画像表示装置の一つである特
開平４−６０５３８号公報に開示されている単板式投影
型カラー画像表示装置の照明系にも、実施例１の照明装
置１を適用することができる。

【００４８】また、照明装置１は、透過型の投影型画像
表示装置に限定して適用されるものではなく、反射型の
投影型画像表示装置に適用でき、透過型の投影型画像表
示装置と同様の効果が得られる。

【００４９】また、照明装置１は映像表示用に限定され
るものではなく、例えば、露光装置等の照明装置として
用いてもよい。露光装置の照明装置においては、被露光
部の照度むらは露光時間のバラツキや露光むらに影響す
る。また、被露光部の照明光の平行度が良好であれば、
マスクを密着して配置する密着露光のときに、マスク像
がぼけることがなく、正確な露光が可能となる。また、
投影露光においても、光利用効率が高くなるので露光時
間が短くでき、工程時間を短縮し、生産性の向上につな
がる。

【００５０】（実施例２）本発明の第２の実施例である
照明装置について以下に説明する。実施例２である照明
装置１１の断面図を図３に示す。

【００５１】実施例２の照明装置１１は、光源１３と、
放物面鏡の回転軸を含む平面で半分に切断した形状の放
物面鏡１２と、その反対側に光源を中心とする半球状の
球面鏡１６とを接するように配置した照明系から構成さ
れ、光源１３の光を被照射部１０へ出射する。この照明
系では、放物面鏡の回転軸と光軸１４は同一である。投
影型液晶表示装置に使用される液晶表示素子のサイズ
は、一般には０．５〜６インチであるが、実施例２で
は、実施例１と同様に非照射部に縦：横の比が１６：９
の２インチ横長型液晶表示素子を用いた。

【００５２】実施例２では、光源３を放物面鏡１２の焦
点付近に設置し、被照射部１０に縦：横の比が１６：９
の２インチ横長型液晶表示素子を用いると、放物面鏡１
２は外径が１００〜６０ｍｍの範囲、好ましくは外径が
約７０ｍｍの放物面鏡を放物面鏡の回転軸を含む平面で
切断したような形状が必要となり、球面鏡１６は光源を
中心とする半径１００〜５ｍｍの範囲、好ましくは半径
が約２０ｍｍの半球状の球面鏡が必要となる。

【００５３】球面鏡１６の形状について説明する。図４
に光源１３であるランプ２３と球面鏡１６との位置関係
を示す。ランプ２３は電極２８と電極２７の間で放電が
発生し、それにより光が照射される。液晶投影型画像表
示装置装置に使われているランプ２３の発光部２９の外
径は約３０〜１０ｍｍである。図４に示すように光学的
には、球面鏡１６はランプ２３の発光部２９の球面に接
するような形状でもよい。しかし、ランプ２３の寿命や
特性、周囲の熱、非照射部の照度、照明系を取り込む装
置本体の大きさなどの条件により、光源を中心とする半
球状の球面鏡１６の形状が決定される。

【００５４】次に、照明装置１１の光路を説明する。ラ
ンプなどの光源１３から出射された光は放物面鏡１２の
ある点で反射し、光軸１４に対して平行な光になり、被
照射部１０へ出射する。実施例２の照明装置１１では、
被照射部１０は液晶表示素子である。

【００５５】さらに、光軸１４の下側に球面鏡１６を配
置することにより、光源１３から出射された光を、光軸
１４より上半分に戻すことができる。そこに放物面鏡１
２が設けられてあるので、光軸１４に対して平行な光と
なり、被照射部１０方向に光を照明することができる。

【００５６】その結果、理論的には被照射部１０の照度
は約２倍に増加するが、実際に測定してみると、１．８
倍の照度の増加であった。これは反射鏡の反射ロスおよ
び発光管を通過するときのロス等の影響によるものと考
えられる。

【００５７】光源１３の位置は図３に示すように光軸１
４と同じ方向である光軸配置であるが、直交配置でもよ
い。

【００５８】実施例２では、球面鏡１６の中心に光源を
配置した後に、被照射部１０の照度分布を考慮しながら
放物面鏡１２を光源１３に対して位置合わせすれば良
く、より一層取り扱い易い照明装置を提供することがで
きる。

【００５９】実施例２も実施例１と同様に照明光の平行
度の向上、照度むらの改善および光利用効率の向上が可
能である。また、実施例２では、被照射部を照射するま
での反射回数が上記の実施例１より低減できることか
ら、光利用効率を向上することができる。

【００６０】また、球面鏡１６の形状を小さくできるこ
とより、照明装置１１をコンパクトにすることが可能で
ある。

【００６１】また、光源であるランプからの光を球面鏡
により反射させ、その反射光を光源の下部に戻す構成で
あるので、ランプの温度差により発生するランプの特性
を改善することができる。

【００６２】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、簡単な
照明光学系で、光束を減少させずに、照明領域を半分に
することができ、理論的には照度は約２倍となり、光利
用効率を向上させることができ、さらに平行度を低下さ
せることのない照明装置を提供することができる。

【００６３】照度むらである中抜けが発生する場所が光
軸近辺であるので、その場所を被照射部から外せば、照
度むらを防ぐことができる。

【００６４】さらに、近年、ＴＶ画面の形状が従来より
も横長になっており、投影型画像表示装置も横長画面が
要求されるため、このような横長画面の投影型画像表示
装置には特に有効である。

【００６５】また、平面反射鏡を回転反射鏡に組み込む
ことにより、生産性に優れ、より一層取り扱い易い照明
装置を提供できる。

【００６６】また、球面鏡を可能な限りコンパクトに設
計することで、照明装置の小型化が可能である。

【００６７】また、光源と球面鏡と回転反射鏡との位置
合わせが簡単になり、生産性に優れ、より一層取り扱い
易い照明装置を提供できる。

【００６８】また、光源であるランプからの光を平面反
射鏡および球面鏡により反射させ、その反射光を光源の
下部に戻す構成であるので、ランプの温度差により発生
するランプの特性を改善することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１の照明装置の断面図である。

【図２】放物面鏡に平面反射鏡を組み込んだ構成の照明
装置の斜視図である。

【図３】実施例２の照明装置の断面図である。

【図４】ランプと球面鏡の位置関係を示した模式図であ
る。

【符号の説明】

１ １１ 照明装置 ２ １２ 放物面鏡 ３ １３ 光源 ４ １４ 光軸 ５ 平面反射鏡 １０ 被照射部 １６ 球面鏡 ２３ ランプ ２７ ２８ 電極 ２９ 発光部

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光源と、 前記光源からの光を反射させて被照射面方向に反射する
   第１の反射鏡と、 前記第１の反射鏡で反射された光の一部を反射して、再
   び第１の反射鏡に戻す第２の反射鏡とを備えたことを特
   徴とする照明装置。
2. 【請求項２】 第１の反射鏡が回転反射鏡で、かつ第２
   の反射鏡が平面反射鏡であることを特徴とする請求項１
   に記載の照明装置。
3. 【請求項３】 光源と、 前記光源の周囲を部分的に覆うように設けられ、前記光
   源からの光を直接あるいは間接的に反射し、回転反射鏡
   の回転軸を含む平面で切断した形状の第１の反射鏡と、 前記光源の周囲に前記第１の反射鏡が配置された場所以
   外の部分に設けられ、前記光源からの光を直接反射し、
   その反射光を光源に戻し、その後前記第１の反射鏡方向
   に導く前記光源を中心とする球面鏡からなる第２の反射
   鏡とを備えたことを特徴とする照明装置。