集光素子、集光光学系、及び、プロジェクタ
【課題】光源からの照明光を効率良くライトバルブに照射する集光素子、集光光学系及びこの集光光学系を用いたプロジェクタを提供する。
【解決手段】プロジェクタ１００に用いられ、光源１０からの光をライトバルブ７０に照射する集光光学系４０は、光源１０を焦点とする凹面であって、光源１０からの光を反射して略平行光に変換する第１の反射面２２、この平行光の一部を通過させて射出させる開口部２４、及び、平行光の残りを反射して、光源１０に導く第２の反射面２３を有する集光素子２０と、集光素子２０から射出された平行光を均一化するインテグレータ３０と、から構成される。
【解決手段】プロジェクタ１００に用いられ、光源１０からの光をライトバルブ７０に照射する集光光学系４０は、光源１０を焦点とする凹面であって、光源１０からの光を反射して略平行光に変換する第１の反射面２２、この平行光の一部を通過させて射出させる開口部２４、及び、平行光の残りを反射して、光源１０に導く第２の反射面２３を有する集光素子２０と、集光素子２０から射出された平行光を均一化するインテグレータ３０と、から構成される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、集光素子、集光光学系、及び、プロジェクタに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ＬＥＤ（発光ダイオード）を用いた小型のプロジェクタが提案されている（例えば特許文献１参照）。プロジェクタは、液晶デバイス（ＬＣＤ，ＬＣＯＳ）やＤＭＤ等の表示素子をライトバルブとして用い、光源から放射された照明光をこのライトバルブに照射して、その表示画像を投射レンズによりスクリーン等に拡大投影する装置である。このようなプロジェクタに設けられ、光源から放射された光を集光してライトバルブに照射する集光光学系として、例えば、図８に示す集光光学系４４０は、光源４１０から放射された光を略平行光に変換する集光素子４２０と、ライトバルブに照射される照明光の照度を均一にするインテグレータ４３０と、を有している。そして、集光素子４２０は、光源４１０から放射された照明光を反射させる特性を有する反射面４２２と、半円形状の開口部４２３と、を備えた構成となっている。この反射面４２２は、放物面形状を有しており、その焦点位置に光源４１０が配置されている。これにより、反射面４２２で反射された反射光は略平行光に変換され、半円形断面の照明光として開口部４２３から射出される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−０４１２５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このような集光光学系４４０においては、集光素子４２０の開口部４２３が半円形状の断面であるのに対し、インテグレータ４３０の有効口径は照明開口数に応じて一般に矩形又は略円形形状であるため、光源４１０から放射された照明光のうち、一部の光がライトバルブの照明に利用されず、非効率であるという課題があった。すなわち、集光素子４２０の開口部４２３のうち、インテグレータ４３０の有効口径と略同一形状の領域４２４（図８において破線で囲まれた領域）からの光のみがインテグレータ４３０を介してライトバルブを照明し、開口部４２３のうち、この領域４２４以外の領域から射出される光はライトバルブまで到達しないためである。
【０００５】
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、光源からの照明光を効率良くライトバルブに照射する集光素子、集光光学系及びこの集光光学系を用いたプロジェクタを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記課題を解決するために、本発明に係る集光素子は、光源を焦点とする凹面であって、光源からの光を反射して略平行光に変換する第１の反射面と、略平行光の一部を通過させて射出させる開口部と、略平行光の残りを反射して、光源に導く第２の反射面と、を有する。
【０００７】
このような集光素子において、第１の反射面は、光源を焦点とする略放物面形状であることが好ましい。
【０００８】
また、このような集光素子において、第２の反射面は、略平行光を垂直に反射する平面であることが好ましい。
【０００９】
あるいは、第２の反射面は、光源を焦点とする凹面であることが好ましい。このとき、この第２の反射面は、光源を焦点とする略放物面形状であることが好ましい。
【００１０】
また、このような集光素子は、光源からの光に対して透明な媒質で構成された光学部材の表面に、第１の反射面、第２の反射面及び開口部が形成され、光学部材内で光源からの光を反射させて開口部から略平行光を射出させるように構成されることが好ましい。
【００１１】
このとき、このような集光素子は、光学部材の光源と対向する面に、当該光源を球心として半球状にくり抜かれて形成された入射面を有することが好ましい。
【００１２】
あるいは、このような集光素子は、光学部材の内部に形成された空間を囲む面に、第１の反射面、第２の反射面及び開口部が形成され、空間内で光源からの光を反射させて開口部から略平行光を射出させるように構成されることが好ましい。
【００１３】
また、本発明に係る集光光学系は、光源からの光を集光して略平行光として射出させる上述の集光素子のいずれかと、この集光素子から射出された略平行光を均一化するインテグレータと、から構成される。
【００１４】
また、本発明に係るプロジェクタは、表面での拡散効果を有する光源と、光源からの光を集光して射出する上述の集光光学系と、この集光光学系からの光が照射されるライトバルブと、このライトバルブを透過又は反射した光を投影する投影レンズと、を有する。
【００１５】
このようなプロジェクタにおいて、光源は、固体発光素子と、この固体発光素子の発光と補色をなす蛍光体と、から構成されることが好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に係る集光素子、集光光学系及びプロジェクタを以上のように構成すると、光源からの照明光を効率良くライトバルブに照射することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】白色光源と透過型ライトバルブとを用いたプロジェクタの構成を示す説明図であって、（ａ）は斜視図を示し、（ｂ）は側面図を示す。
【図２】第１の実施形態に係る集光素子を示す説明図であって、（ａ）は斜視図を示し、（ｂ）はＩＩｂ−ＩＩｂ断面図を示し、（ｃ）は側面図を示し、（ｄ）は正面図を示し、（ｅ）は底面図を示す。
【図３】第２の実施形態に係る集光素子を示す説明図であって、（ａ）は斜視図を示し、（ｂ）はＩＩＩｂ−ＩＩＩｂ断面図を示し、（ｃ）は側面図を示し、（ｄ）は平面図を示し、（ｃ）は正面図を示し、（ｆ）は底面図を示す。
【図４】第３の実施形態に係る集光素子を示す説明図であって、（ａ）は斜視図を示し、（ｂ）はＩＶｂ−ＩＶｂ断面図を示し、（ｃ）は側面図を示し、（ｄ）は正面図を示し、（ｅ）は底面図を示す。
【図５】第４の実施形態に係る集光素子を示す説明図であって、（ａ）は斜視図を示し、（ｂ）はＶｂ−Ｖｂ断面図を示し、（ｃ）は側面図を示し、（ｄ）は正面図を示し、（ｅ）は底面図を示す。
【図６】白色光源と反射型ライトバルブを用いたプロジェクタの構成を示す説明図である。
【図７】赤色、緑色及び青色の３色の光源と透過型ライトバルブとを用いたプロジェクタの構成を示す説明図である。
【図８】従来の集光素子を示す説明図であって、（ａ）は斜視図を示し、（ｂ）はＶＩＩＩｂ−ＶＩＩＩｂ断面図を示し、（ｃ）は側面図を示し、（ｄ）は正面図を示し、（ｅ）は底面図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照して説明する。まず、図１を用いて、本実施形態に係る集光素子及び集光光学系が用いられるプロジェクタの構成について説明する。このプロジェクタ１００は、光源１０から放射された照明光をライトバルブ７０に照射して、その表示画像を投射レンズ８０によりスクリーン等に拡大投影する装置であって、光源１０側から順に、集光素子２０及びインテグレータ３０から構成される集光光学系４０と、開口絞り５０と、コンデンサレンズ６０と、透過型のライトバルブ（例えば、ＬＣＤ）７０と、投影レンズ８０と、から構成される。このプロジェクタ１００において、光源１０から放射された照明光は集光素子２０により反射されて略平行化してインテグレータ３０に入射する。さらに、このインテグレータ３０により均一化された照明光（平行光）は、開口絞り５０により所定の照明開口数に制限された後、コンデンサレンズ６０によりライトバルブ７０を照明する。そして、このライトバルブ７０により変調されて映像光となり、投射レンズ８０により不図示のスクリーン等に拡大投影される。ここで、光源１０は、例えば、ＩｎＧａＮ系の青色ＬＥＤチップ（固体撮像素子）と、当該青色ＬＥＤチップから放射される青色光によって励起され、この青色光と補色をなすブロードな黄色光を放射するＹＡＧ蛍光体の層（以下、「蛍光体層」と呼ぶ）と、を組み合わせて白色光を得る白色ＬＥＤにより構成されている。なお、ＹＡＧ蛍光体層は、例えば、青色ＬＥＤチップの表面（例えば、固体撮像素子を保護するケースの表面）に塗布されて形成されている。
【００１９】
それでは、このようなプロジェクタに用いられ、光源から放射された光を効率良くライトバルブに導く集光素子及び集光光学系について説明する。
【００２０】
［第１の実施形態］
図２は、第１の実施形態に係る集光素子２０及びインテグレータ３０からなる集光光学系４０を示している。集光素子２０は、光源１０から放射される光の波長に対して透明な媒質からなる光学材料で形成された光学部材に対して、その表面（外周面）に金属膜や誘電体多層膜など（以下「反射膜」と呼ぶ）による反射面（反射面２２及び反射面２３）を形成したものであり、例えば、光源１０が可視光光源であれば、熱可塑性樹脂を射出成形したものに、Ａｌ（アルミニウム）の反射膜を蒸着させて構成される。この集光素子２０は、平面状の底面２５の一部が半球状にくり抜かれて形成され、その球心に光源１０の中心が配置される入射面２１と、このように配置された光源１０の中心に焦点が位置するような略放物面形状の上面２２に反射膜が形成された凹の反射面（以下、「第１の反射面２２」と呼ぶ）と、底面２５から垂直に延び、略放物面形状の上面を切断するような形状の前面２３（従って、この前面２３は正面視において略半円形状となる）に反射膜が形成された平面の反射面（以下、「第２の反射面２３」と呼ぶ）と、を有している。また、この集光素子２０の前面２３には第２の反射面２３を構成する反射膜が形成されていない、正面視において略正方形の形状をした開口部２４が設けられている。
【００２１】
集光素子２０を以上のような形状とすることにより、光源１０から上方に放射された照明光は、入射面２１に垂直に入射して透過し、そのまま第１の反射面２２に入射する。このとき、第１の反射面２２は、上述のように光源１０の中心を焦点とする略放物面形状に形成されているため、この第１の反射面２２で反射した光は、略平行光となって、底面２５に対して平行に前方に反射される。第１の反射面２２で反射された平行光のうち、開口部２４に入射した光はこの開口部２４を略垂直に透過し、略平行光のままこの集光素子２０から射出される。一方、第２の反射面２３は、第１の反射面２２で反射された略平行光に対して直交するように形成されているため、第１の反射面２２で反射された略平行光のうち、第２の反射面２３に入射した光は、この第２の反射面２３に垂直に反射されて同一光路を逆行し、さらに、第１の反射面２２で反射されて、この第１の反射面２２の焦点である光源１０の中心に集光される。光源１０に集光された光は、この光源１０の表面（放射面）に形成された蛍光体層で拡散され、放射された後、再び第１の反射面２２によって略平行光に変換される。このとき、光源１０より再放出された光はＹＡＧ蛍光体層の拡散効果により、最初に放出された光路とは異なる方向へ放出されるため、一部は開口部２４から略平行光として射出される。
【００２２】
以上のようにして集光素子２０の開口部２４から放射された平行光はインテグレータ３０に入射する。このインテグレータ３０は、矩形形状の単位レンズが多数個配列されたフライアイインテグレータを用いている。このインテグレータ３０を構成する単位レンズは、入射面と射出面との曲率半径が等しく、両面の頂点が互いに他の焦点に配されている。インテグレータ３０は、この単位レンズを数十個、入射面及び射出面の各々において各頂点が同一平面上に並ぶように束ねて配置されている。また、各単位レンズの入射面は、図１に示したコンデンサレンズ６０を介して照明領域と共役に配置され、その像は単位レンズの位置に無関係にコンデンサレンズ６０の後側焦点に生じ、この後側焦点に配置された被照明領域（すなわち、ライトバルブ７０）を重畳的に照明する。インテグレータ３０の入射面上の照度は光源１０の放射角度特性により不均一に照明されるが、各単位レンズの入射面が重畳的に投影されるため、被照明領域での照度の均一性が向上する。
【００２３】
この第１の実施形態に係る集光素子２０を以上のように構成すると、光源１０から放射されて第１の反射面２２で反射された略平行光のうち、開口部２４から射出されなかった光は、第２の反射面２３及び第１の反射面２２で反射されて光源１０に戻り、この光源１０の表面で散乱されて再度放射されるため、その一部は開口部２４から略平行光として射出される。そのため、光源１０から放射された光のうち、開口部２４から略平行光として射出される光を増やすことができ、光源１０からの光の利用効率を向上させることができる。これにより、この集光素子２０における発熱を低減し、また、光源１０で消費される電力を低減することができる。また、光源１０から放射された光のうち、一部の光は２度以上、光源１０の蛍光体層を通過するため、より明るい照明光をライトバルブ７０に照射することができる。
【００２４】
なお、このような集光素子及び集光光学系は、以上の実施形態に限定されず、本発明の範囲内において適宜変更可能である。まず、上記実施形態において、光源１０はＩｎＧａＮ系の青色ＬＥＤチップとＹＡＧ蛍光体層とからなる白色ＬＥＤ用いた場合について説明したが、本発明はこれに限定されず、表面での拡散効果を有する光源であればよい。例えば、表面に凹凸を作製したＬＥＤ光源や有機ＥＬ等の固体光源を用いることもできる。
【００２５】
また、上記実施形態において、開口部２４の形状は矩形であるとしたが、インテグレータ３０の有効口径に合わせて、この有効口径と略同一形状であれば良く、例えば円形としても良い。
【００２６】
また、上記実施形態において、第１の反射面２２は略放物面形状であるとしたが、この第１の反射面２２に対して光源１０の発光面積の大きさが比較的小さい場合においては、このような略放物面形状が好適である。しかし、第１の反射面２２に対して発光面積の大きい光源１０を用いる場合においては、反射後の平行性を向上させるために、この第１の反射面２２の形状を高次の非球面形状とすることが望ましい。
【００２７】
また、上記実施形態において、光源１０の中心を第１の反射面２２の焦点とする要件を満足しつつ、光源１０と入射面２１との間の空間を樹脂で封止することにより、光源１０と集光素子２０とを一体化しても良い。このように構成することで、光源１０の表面にて空気との境界面で全反射されて放出されない光を、効率的に放射させることが可能となる。
【００２８】
さらに、本実施形態において、インテグレータ３０はフライアイインテグレータを用いる場合について説明したが、例えば、ロッドインテグレータに置き換えることも可能である。なお、これらの変形例については、以降の実施形態に係る集光素子及び集光光学系についても同様である。
【００２９】
［第２の実施形態］
次に、図３を用いて第２の実施形態に係る集光素子１２０について説明する。なお、この第２の実施形態に係る集光素子１２０に用いられる光源１０及びインテグレータ３０は第１の実施形態と同一のものである。また、この集光素子１２０をプロジェクタ１００に適用するときは、図１に示す集光素子２０を本実施形態に係る集光素子１２０が置き換えて配置される（以降の実施形態においても同様である）。
【００３０】
この第２の実施形態に係る集光素子１２０も、光源１０から放射される光の波長に対して透明な媒質からなる光学材料で形成された光学部材に対して、その表面（外周面）に反射膜による反射面（反射面１２２及び反射面１２４）が形成されている。また、この集光素子１２０は、平面状の底面１２５と、二つの放物面の開口を対向させて組み合わせた形状の上面１２２及び前面１２３を有している。そして、この集光素子１２０は、底面１２５の一部が半球状にくり抜かれその球心に光源１０の中心が配置される入射面１２１と、このように配置された光源１０の中心に焦点が位置する略放物面形状の上面１２２に反射膜が形成された凹の反射面（以下、「第１の反射面１２２」と呼ぶ）と、この第１の反射面１２２に対向するように形成され、光源１０の中心に焦点が位置する略放物面形状の前面１２３に反射膜が形成された凹の反射面（以下、「第２の反射面１２３」と呼ぶ）と、を有している。なお、第２の反射面１２３の中央部には、断面が略正方形形状の突出部１２０ａが形成されており、この突出部１２０ａの前面１２４は、底面１２５に対して直交する略正方形の形状の平面となっている（以下、「開口部１２４」と呼ぶ）。この開口部１２４には反射膜は形成されていない。
【００３１】
集光素子１２０を以上のような形状とすることにより、光源１０から上方に放射された照明光は、入射面１２１に垂直に入射して透過し、そのまま第１の反射面１２２に入射する。このとき、第１の反射面１２２は、上述のように光源１０の中心を焦点とする略放物面形状に形成されているため、この第１の反射面１２２で反射した光は、略平行光となって、底面１２５に対して平行に前方に反射される。第１の反射面１２２で反射された平行光のうち、開口部１２４に入射した光はこの開口部１２４を略垂直に透過し、略平行光のままこの集光素子１２０から射出される。一方、第２の反射面１２３も、光源１０の中心を焦点とする略放物面形状に形成されているため、第１の反射面１２２で反射された略平行光のうち、第２の反射面１２３に入射した光は、この第２の反射面１２３で反射されて、略放物面形状の焦点である光源１０の中心に集光される。光源１０に集光された光は、この光源１０の表面（放射面）に形成された蛍光体層で拡散され、放射された後、再び第１の反射面１２１によって略平行光に変換される。このとき、光源１０より再放出された光はＹＡＧ蛍光体層の拡散効果により、最初に放出された光路とは異なる方向へ放出されるため、一部は開口部１２４から略平行光として射出される。
【００３２】
ところで、第１の実施形態に係る集光素子２０においては、光源１０から放射されて直接第２の反射面２３に入射する光は光源１０に戻って来ないが、この第２の実施形態に係る集光素子１２０においては、光源１０から放射されて第２の反射面１２３に直接入射する光は、この第２の反射面１２３で反射されて平行光になり、さらに第１の反射面１２２で反射されて光源１０の中心に集光される。この場合も、光源１０の表面（放射面）に形成された蛍光体層で拡散されて放射されるが、このときも、光源１０より再放出された光はＹＡＧ蛍光体層の拡散効果により、最初に放出された光路とは異なる方向へ放出されるため、一部は開口部１２４から略平行光として射出される。すなわち、この第２の実施形態に係る集光素子１２０は、第１の実施形態に係る集光素子２０よりも集光効率に優れている。その他の効果は、第１の実施形態の場合と同様である。
【００３３】
［第３の実施形態］
図４に示す第３の実施形態に係る集光素子２２０は、第１の実施形態に係る集光素子２０と同じ反射面形状を有しているが、第１の実施形態に係る集光素子２０が透明樹脂内の反射を利用したものであったのに対し、この第３の実施形態に係る集光素子２２０は表面反射とした点において異なっている。即ち、この集光素子２２０の内部には、底部２２５及び前部２２７において開口した空間２２６が形成されている。そして、底部２２５の開口部２２１内に光源１０が配置され、空間２２６を囲む上面２２２は、光源１０の中心を焦点とする略放物面形状に形成されその表面に反射膜が形成された凹の反射面（以下、「第１の反射面２２２」と呼ぶ）を構成し、空間２２６を囲む前面２２３は、底部２２５から垂直に延び、略放物面形状の上面２２２を切断するような形状に形成され、その表面に反射膜が形成された平面の反射面（以下、「第２の反射面２２３」と呼ぶ）を構成している。なお、この前面２２３には、前部２２７を貫通して略正方形形状の開口部２２４が形成されている。
【００３４】
集光素子２２０を以上のような形状とすることにより、光源１０から上方に放射された照明光は、開口部２２１から内部の空間２２６に入射してそのまま第１の反射面２２２に入射する。このとき、第１の反射面２２２は、上述のように光源１０の中心を焦点とする略放物面形状に形成されているため、この第１の反射面１２２で反射した光は、略平行光となって前方に反射される。第１の反射面２２２で反射された平行光のうち、開口部２２４に入射した光はこの開口部２２４を通って略平行光のままこの集光素子２２０から射出される。一方、第２の反射面２２３は、第１の反射面２２２で反射された略平行光に対して直交するように形成されているため、第１の反射面２２２で反射された略平行光のうち、第２の反射面２２３に入射した光は、この第２の反射面２２３で垂直に反射されて同一光路を逆行し、さらに、第１の反射面２２２で反射されて、この第１の反射面２２２の焦点である光源１０の中心に集光される。光源１０に集光された光は、この光源１０の表面（放射面）に形成された蛍光体層で拡散され、放射された後、再び第１の反射面２２２によって略平行光に変換される。このとき、光源１０より再放出された光はＹＡＧ蛍光体層の拡散効果により、最初に放出された光路とは異なる方向へ放出されるため、一部は開口部２２４から略平行光として射出される。
【００３５】
第１の実施形態に係る集光素子２０が、光源１０から放射される光の波長に対して透明な媒質で構成されたものであることが必要なのに対し、この第３の実施形態に係る集光素子２２０では、不透明の熱可塑性樹脂を用いた射出成形品（光学部材）として、その内部に形成された空間２２６を囲む上面２２２及び前面２２３に反射膜を蒸着したものでも良く、材料の選択範囲が広がる利点がある。また、紫外線光源などによる樹脂内部の透過率の低下と言った問題を回避できる利点がある。その他の効果は、第１の実施形態の場合と同様である。なお、図４において、集光素子２２０の外観は、円柱を半分にした形状にした場合を示しているが、特にこの形状に限定されるわけではなく、例えば、矩体形状としても良い。また、第１の実施形態に係る集光素子２０と同様に、この第３の実施例に係る集光素子２２０においては、光源１０から放射された光のうち、直接第２の反射面２２３に入射する光は、光源１０には戻らない。
【００３６】
［第４の実施形態］
図５に示す第４の実施形態に係る集光素子３２０は、第２の実施形態に係る集光素子１２０と同じ反射面形状を有しているが、第２の実施形態に係る集光素子１２０が透明樹脂内の反射を利用したものであったのに対し、この第４の実施形態に係る集光素子３２０は表面反射とした点において異なっている。即ち、この集光素子３２０の内部には、底部３２５及び前部３２７において開口した空間３２６が形成されている。そして、底部３２５の開口部３２１内に光源１０が配置され、空間３２６を囲む上面３２２は、光源１０の中心を焦点とする略放物面形状に形成されその表面に反射膜が形成された凹の反射面（以下、「第１の反射面３２２」と呼ぶ）を構成し、空間３２６を囲む前面３２３は、光源１０の中心を焦点とする略放物面形状に形成されその表面に反射膜が形成された凹の反射面（以下、「第２の反射面３２３」と呼ぶ）を構成している。なお、この前面３２３には、前部３２７を貫通して略正方形形状の開口部３２４が形成されている。
【００３７】
集光素子３２０を以上のような形状とすることにより、光源１０から上方に放射された照明光は、開口部３２１から内部の空間３２６に入射してそのまま第１の反射面３２２に入射する。このとき、第１の反射面３２２は、上述のように光源１０の中心を焦点とする略放物面形状に形成されているため、この第１の反射面３２２で反射した光は、略平行光となって前方に反射される。第１の反射面３２２で反射された平行光のうち、開口部３２４に入射した光は、この開口部３２４を通って略平行光のままこの集光素子３２０から射出される。一方、第２の反射面３２３も、光源１０の中心を焦点とする略放物面形状に形成されているため、第１の反射面３２２で反射された略平行光のうち、第２の反射面３２３に入射した光は、この第２の反射面３２３で反射されて、略放物面形状の焦点である光源１０の中心に集光される。光源１０に集光された光は、この光源１０の表面（放射面）に形成された蛍光体層で拡散され、放射された後、再び第１の反射面３２２によって略平行光に変換される。このとき、光源１０より再放出された光はＹＡＧ蛍光体層の拡散効果により、最初に放出された光路とは異なる方向へ放出されるため、一部は開口部３２４から略平行光として射出される。同様に、光源１０から放射されて第２の反射面３２３に直接入射する光は、この第２の反射面３２３で反射されて平行光になり、さらに第１の反射面３２２で反射されて光源１０に集光される。この場合も、光源１０の表面（放射面）に形成された蛍光体層で拡散されて放射されるが、このときも、光源１０より再放出された光はＹＡＧ蛍光体層の拡散効果により、最初に放出された光路とは異なる方向へ放出されるため、一部は開口部３２４から略平行光として射出される。すなわち、この第４の実施形態に係る集光素子３２０は、第２の実施形態に係る集光素子２２０よりも集光効率に優れている。
【００３８】
なお、この第４の実施形態に係る集光素子３２０も、不透明の熱可塑性樹脂を用いた射出成形品（光学部材）とすることができ、材料の選択範囲が広がる利点がある。また、紫外線光源などによる樹脂内部の透過率の低下と言った問題を回避できる利点がある。その他の効果は、第２の実施例の場合と同様である。なお、図５において、集光素子３２０の外観は、円柱を半分にした形状にした場合を示しているが、特にこの形状に限定されるわけではなく、例えば、矩体形状としても良い。
【００３９】
以上に説明した第１〜第４の実施形態に係る集光素子及び集光光学系が適用されるプロジェクタは、図１に示した透過型のライトバルブを用いたものだけでなく、図６に示すように反射型のライトバルブ（例えば、ＬＣＯＳやＤＭＤ）を用いたプロジェクタにも適用することができる。あるいは、図７に示すように赤色、緑色及び青色の３色の光を照射する照明光学系と透過型のライトバルブを用いたプロジェクタにも適用することができる。ここで、図６に示すプロジェクタ２００は、図示しない光源と反射型のライトバルブ７１との間に、光源側から順に、例えば第１の実施形態に係る集光素子２０及びインテグレータ３０からなる集光光学系４０と、開口絞り５０と、コンデンサレンズ６０と、偏光ビームスプリッタ９０とが配置されて、光源からの光をライトバルブ７１に照射し、さらに、このライトバルブ７１で反射された光が偏光ビームスプリッタ９０を透過して投影レンズ８０で図示しないスクリーン等に投影されるように構成されている。なお、この図６に示すプロジェクタでは、光源からの光は、偏光ビームスプリッタ９０の偏光分離面９０ａで反射されてライトバルブ７１に照射され、このライトバルブ７１で反射された光は、偏光分離面９０ａを透過して投影レンズ８０を介して投影されるように構成した場合を示しているが、偏光分離面９０ａを透過した光が照射される位置にライトバルブ７１を配置し、このライトバルブ７１で反射された光を偏光分離面９０ａで反射させて投影レンズ８０に導くように構成することも可能である。
【００４０】
また、図７に示すプロジェクタ３００は、赤色、緑色及び青色の光を放射する光源の各々に対して、集光素子２０ａ〜２０ｃ及びインテグレータ３０ａ〜３０ｃからなる集光光学系４０ａ〜４０ｃと、開口絞り５０ａ〜５０ｃと、コンデンサレンズ６０ａ〜６０ｃとからなる照明光学系を設け、それぞれの照明光学系から射出された３色の照明光を偏光ビームスプリッタ９１で重畳させて白色光として放射することにより、透過型のライトバルブ７０に照射するように構成されている。このプロジェクタ３００においても、ライトバルブ７０を透過して変調された映像光は、投影レンズ８０によりスクリーン等に投影される。
【符号の説明】
【００４１】
１０ 光源
２０，１２０，２２０，３２０ 集光素子 ２１，１２１ 入射面
２２，１２２，２２２，３２２ 第１の反射面
２３，１２３，２２３，３２３ 第２の反射面
２４，１２４，２２４，３２４ 開口部 ３０ インテグレータ
４０ 集光光学系 ７０，７１ ライトバルブ ８０ 投影レンズ
１００，２００，３００ プロジェクタ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、集光素子、集光光学系、及び、プロジェクタに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ＬＥＤ（発光ダイオード）を用いた小型のプロジェクタが提案されている（例えば特許文献１参照）。プロジェクタは、液晶デバイス（ＬＣＤ，ＬＣＯＳ）やＤＭＤ等の表示素子をライトバルブとして用い、光源から放射された照明光をこのライトバルブに照射して、その表示画像を投射レンズによりスクリーン等に拡大投影する装置である。このようなプロジェクタに設けられ、光源から放射された光を集光してライトバルブに照射する集光光学系として、例えば、図８に示す集光光学系４４０は、光源４１０から放射された光を略平行光に変換する集光素子４２０と、ライトバルブに照射される照明光の照度を均一にするインテグレータ４３０と、を有している。そして、集光素子４２０は、光源４１０から放射された照明光を反射させる特性を有する反射面４２２と、半円形状の開口部４２３と、を備えた構成となっている。この反射面４２２は、放物面形状を有しており、その焦点位置に光源４１０が配置されている。これにより、反射面４２２で反射された反射光は略平行光に変換され、半円形断面の照明光として開口部４２３から射出される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−０４１２５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このような集光光学系４４０においては、集光素子４２０の開口部４２３が半円形状の断面であるのに対し、インテグレータ４３０の有効口径は照明開口数に応じて一般に矩形又は略円形形状であるため、光源４１０から放射された照明光のうち、一部の光がライトバルブの照明に利用されず、非効率であるという課題があった。すなわち、集光素子４２０の開口部４２３のうち、インテグレータ４３０の有効口径と略同一形状の領域４２４（図８において破線で囲まれた領域）からの光のみがインテグレータ４３０を介してライトバルブを照明し、開口部４２３のうち、この領域４２４以外の領域から射出される光はライトバルブまで到達しないためである。
【０００５】
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、光源からの照明光を効率良くライトバルブに照射する集光素子、集光光学系及びこの集光光学系を用いたプロジェクタを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記課題を解決するために、本発明に係る集光素子は、光源を焦点とする凹面であって、光源からの光を反射して略平行光に変換する第１の反射面と、略平行光の一部を通過させて射出させる開口部と、略平行光の残りを反射して、光源に導く第２の反射面と、を有する。
【０００７】
このような集光素子において、第１の反射面は、光源を焦点とする略放物面形状であることが好ましい。
【０００８】
また、このような集光素子において、第２の反射面は、略平行光を垂直に反射する平面であることが好ましい。
【０００９】
あるいは、第２の反射面は、光源を焦点とする凹面であることが好ましい。このとき、この第２の反射面は、光源を焦点とする略放物面形状であることが好ましい。
【００１０】
また、このような集光素子は、光源からの光に対して透明な媒質で構成された光学部材の表面に、第１の反射面、第２の反射面及び開口部が形成され、光学部材内で光源からの光を反射させて開口部から略平行光を射出させるように構成されることが好ましい。
【００１１】
このとき、このような集光素子は、光学部材の光源と対向する面に、当該光源を球心として半球状にくり抜かれて形成された入射面を有することが好ましい。
【００１２】
あるいは、このような集光素子は、光学部材の内部に形成された空間を囲む面に、第１の反射面、第２の反射面及び開口部が形成され、空間内で光源からの光を反射させて開口部から略平行光を射出させるように構成されることが好ましい。
【００１３】
また、本発明に係る集光光学系は、光源からの光を集光して略平行光として射出させる上述の集光素子のいずれかと、この集光素子から射出された略平行光を均一化するインテグレータと、から構成される。
【００１４】
また、本発明に係るプロジェクタは、表面での拡散効果を有する光源と、光源からの光を集光して射出する上述の集光光学系と、この集光光学系からの光が照射されるライトバルブと、このライトバルブを透過又は反射した光を投影する投影レンズと、を有する。
【００１５】
このようなプロジェクタにおいて、光源は、固体発光素子と、この固体発光素子の発光と補色をなす蛍光体と、から構成されることが好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に係る集光素子、集光光学系及びプロジェクタを以上のように構成すると、光源からの照明光を効率良くライトバルブに照射することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】白色光源と透過型ライトバルブとを用いたプロジェクタの構成を示す説明図であって、（ａ）は斜視図を示し、（ｂ）は側面図を示す。
【図２】第１の実施形態に係る集光素子を示す説明図であって、（ａ）は斜視図を示し、（ｂ）はＩＩｂ−ＩＩｂ断面図を示し、（ｃ）は側面図を示し、（ｄ）は正面図を示し、（ｅ）は底面図を示す。
【図３】第２の実施形態に係る集光素子を示す説明図であって、（ａ）は斜視図を示し、（ｂ）はＩＩＩｂ−ＩＩＩｂ断面図を示し、（ｃ）は側面図を示し、（ｄ）は平面図を示し、（ｃ）は正面図を示し、（ｆ）は底面図を示す。
【図４】第３の実施形態に係る集光素子を示す説明図であって、（ａ）は斜視図を示し、（ｂ）はＩＶｂ−ＩＶｂ断面図を示し、（ｃ）は側面図を示し、（ｄ）は正面図を示し、（ｅ）は底面図を示す。
【図５】第４の実施形態に係る集光素子を示す説明図であって、（ａ）は斜視図を示し、（ｂ）はＶｂ−Ｖｂ断面図を示し、（ｃ）は側面図を示し、（ｄ）は正面図を示し、（ｅ）は底面図を示す。
【図６】白色光源と反射型ライトバルブを用いたプロジェクタの構成を示す説明図である。
【図７】赤色、緑色及び青色の３色の光源と透過型ライトバルブとを用いたプロジェクタの構成を示す説明図である。
【図８】従来の集光素子を示す説明図であって、（ａ）は斜視図を示し、（ｂ）はＶＩＩＩｂ−ＶＩＩＩｂ断面図を示し、（ｃ）は側面図を示し、（ｄ）は正面図を示し、（ｅ）は底面図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照して説明する。まず、図１を用いて、本実施形態に係る集光素子及び集光光学系が用いられるプロジェクタの構成について説明する。このプロジェクタ１００は、光源１０から放射された照明光をライトバルブ７０に照射して、その表示画像を投射レンズ８０によりスクリーン等に拡大投影する装置であって、光源１０側から順に、集光素子２０及びインテグレータ３０から構成される集光光学系４０と、開口絞り５０と、コンデンサレンズ６０と、透過型のライトバルブ（例えば、ＬＣＤ）７０と、投影レンズ８０と、から構成される。このプロジェクタ１００において、光源１０から放射された照明光は集光素子２０により反射されて略平行化してインテグレータ３０に入射する。さらに、このインテグレータ３０により均一化された照明光（平行光）は、開口絞り５０により所定の照明開口数に制限された後、コンデンサレンズ６０によりライトバルブ７０を照明する。そして、このライトバルブ７０により変調されて映像光となり、投射レンズ８０により不図示のスクリーン等に拡大投影される。ここで、光源１０は、例えば、ＩｎＧａＮ系の青色ＬＥＤチップ（固体撮像素子）と、当該青色ＬＥＤチップから放射される青色光によって励起され、この青色光と補色をなすブロードな黄色光を放射するＹＡＧ蛍光体の層（以下、「蛍光体層」と呼ぶ）と、を組み合わせて白色光を得る白色ＬＥＤにより構成されている。なお、ＹＡＧ蛍光体層は、例えば、青色ＬＥＤチップの表面（例えば、固体撮像素子を保護するケースの表面）に塗布されて形成されている。
【００１９】
それでは、このようなプロジェクタに用いられ、光源から放射された光を効率良くライトバルブに導く集光素子及び集光光学系について説明する。
【００２０】
［第１の実施形態］
図２は、第１の実施形態に係る集光素子２０及びインテグレータ３０からなる集光光学系４０を示している。集光素子２０は、光源１０から放射される光の波長に対して透明な媒質からなる光学材料で形成された光学部材に対して、その表面（外周面）に金属膜や誘電体多層膜など（以下「反射膜」と呼ぶ）による反射面（反射面２２及び反射面２３）を形成したものであり、例えば、光源１０が可視光光源であれば、熱可塑性樹脂を射出成形したものに、Ａｌ（アルミニウム）の反射膜を蒸着させて構成される。この集光素子２０は、平面状の底面２５の一部が半球状にくり抜かれて形成され、その球心に光源１０の中心が配置される入射面２１と、このように配置された光源１０の中心に焦点が位置するような略放物面形状の上面２２に反射膜が形成された凹の反射面（以下、「第１の反射面２２」と呼ぶ）と、底面２５から垂直に延び、略放物面形状の上面を切断するような形状の前面２３（従って、この前面２３は正面視において略半円形状となる）に反射膜が形成された平面の反射面（以下、「第２の反射面２３」と呼ぶ）と、を有している。また、この集光素子２０の前面２３には第２の反射面２３を構成する反射膜が形成されていない、正面視において略正方形の形状をした開口部２４が設けられている。
【００２１】
集光素子２０を以上のような形状とすることにより、光源１０から上方に放射された照明光は、入射面２１に垂直に入射して透過し、そのまま第１の反射面２２に入射する。このとき、第１の反射面２２は、上述のように光源１０の中心を焦点とする略放物面形状に形成されているため、この第１の反射面２２で反射した光は、略平行光となって、底面２５に対して平行に前方に反射される。第１の反射面２２で反射された平行光のうち、開口部２４に入射した光はこの開口部２４を略垂直に透過し、略平行光のままこの集光素子２０から射出される。一方、第２の反射面２３は、第１の反射面２２で反射された略平行光に対して直交するように形成されているため、第１の反射面２２で反射された略平行光のうち、第２の反射面２３に入射した光は、この第２の反射面２３に垂直に反射されて同一光路を逆行し、さらに、第１の反射面２２で反射されて、この第１の反射面２２の焦点である光源１０の中心に集光される。光源１０に集光された光は、この光源１０の表面（放射面）に形成された蛍光体層で拡散され、放射された後、再び第１の反射面２２によって略平行光に変換される。このとき、光源１０より再放出された光はＹＡＧ蛍光体層の拡散効果により、最初に放出された光路とは異なる方向へ放出されるため、一部は開口部２４から略平行光として射出される。
【００２２】
以上のようにして集光素子２０の開口部２４から放射された平行光はインテグレータ３０に入射する。このインテグレータ３０は、矩形形状の単位レンズが多数個配列されたフライアイインテグレータを用いている。このインテグレータ３０を構成する単位レンズは、入射面と射出面との曲率半径が等しく、両面の頂点が互いに他の焦点に配されている。インテグレータ３０は、この単位レンズを数十個、入射面及び射出面の各々において各頂点が同一平面上に並ぶように束ねて配置されている。また、各単位レンズの入射面は、図１に示したコンデンサレンズ６０を介して照明領域と共役に配置され、その像は単位レンズの位置に無関係にコンデンサレンズ６０の後側焦点に生じ、この後側焦点に配置された被照明領域（すなわち、ライトバルブ７０）を重畳的に照明する。インテグレータ３０の入射面上の照度は光源１０の放射角度特性により不均一に照明されるが、各単位レンズの入射面が重畳的に投影されるため、被照明領域での照度の均一性が向上する。
【００２３】
この第１の実施形態に係る集光素子２０を以上のように構成すると、光源１０から放射されて第１の反射面２２で反射された略平行光のうち、開口部２４から射出されなかった光は、第２の反射面２３及び第１の反射面２２で反射されて光源１０に戻り、この光源１０の表面で散乱されて再度放射されるため、その一部は開口部２４から略平行光として射出される。そのため、光源１０から放射された光のうち、開口部２４から略平行光として射出される光を増やすことができ、光源１０からの光の利用効率を向上させることができる。これにより、この集光素子２０における発熱を低減し、また、光源１０で消費される電力を低減することができる。また、光源１０から放射された光のうち、一部の光は２度以上、光源１０の蛍光体層を通過するため、より明るい照明光をライトバルブ７０に照射することができる。
【００２４】
なお、このような集光素子及び集光光学系は、以上の実施形態に限定されず、本発明の範囲内において適宜変更可能である。まず、上記実施形態において、光源１０はＩｎＧａＮ系の青色ＬＥＤチップとＹＡＧ蛍光体層とからなる白色ＬＥＤ用いた場合について説明したが、本発明はこれに限定されず、表面での拡散効果を有する光源であればよい。例えば、表面に凹凸を作製したＬＥＤ光源や有機ＥＬ等の固体光源を用いることもできる。
【００２５】
また、上記実施形態において、開口部２４の形状は矩形であるとしたが、インテグレータ３０の有効口径に合わせて、この有効口径と略同一形状であれば良く、例えば円形としても良い。
【００２６】
また、上記実施形態において、第１の反射面２２は略放物面形状であるとしたが、この第１の反射面２２に対して光源１０の発光面積の大きさが比較的小さい場合においては、このような略放物面形状が好適である。しかし、第１の反射面２２に対して発光面積の大きい光源１０を用いる場合においては、反射後の平行性を向上させるために、この第１の反射面２２の形状を高次の非球面形状とすることが望ましい。
【００２７】
また、上記実施形態において、光源１０の中心を第１の反射面２２の焦点とする要件を満足しつつ、光源１０と入射面２１との間の空間を樹脂で封止することにより、光源１０と集光素子２０とを一体化しても良い。このように構成することで、光源１０の表面にて空気との境界面で全反射されて放出されない光を、効率的に放射させることが可能となる。
【００２８】
さらに、本実施形態において、インテグレータ３０はフライアイインテグレータを用いる場合について説明したが、例えば、ロッドインテグレータに置き換えることも可能である。なお、これらの変形例については、以降の実施形態に係る集光素子及び集光光学系についても同様である。
【００２９】
［第２の実施形態］
次に、図３を用いて第２の実施形態に係る集光素子１２０について説明する。なお、この第２の実施形態に係る集光素子１２０に用いられる光源１０及びインテグレータ３０は第１の実施形態と同一のものである。また、この集光素子１２０をプロジェクタ１００に適用するときは、図１に示す集光素子２０を本実施形態に係る集光素子１２０が置き換えて配置される（以降の実施形態においても同様である）。
【００３０】
この第２の実施形態に係る集光素子１２０も、光源１０から放射される光の波長に対して透明な媒質からなる光学材料で形成された光学部材に対して、その表面（外周面）に反射膜による反射面（反射面１２２及び反射面１２４）が形成されている。また、この集光素子１２０は、平面状の底面１２５と、二つの放物面の開口を対向させて組み合わせた形状の上面１２２及び前面１２３を有している。そして、この集光素子１２０は、底面１２５の一部が半球状にくり抜かれその球心に光源１０の中心が配置される入射面１２１と、このように配置された光源１０の中心に焦点が位置する略放物面形状の上面１２２に反射膜が形成された凹の反射面（以下、「第１の反射面１２２」と呼ぶ）と、この第１の反射面１２２に対向するように形成され、光源１０の中心に焦点が位置する略放物面形状の前面１２３に反射膜が形成された凹の反射面（以下、「第２の反射面１２３」と呼ぶ）と、を有している。なお、第２の反射面１２３の中央部には、断面が略正方形形状の突出部１２０ａが形成されており、この突出部１２０ａの前面１２４は、底面１２５に対して直交する略正方形の形状の平面となっている（以下、「開口部１２４」と呼ぶ）。この開口部１２４には反射膜は形成されていない。
【００３１】
集光素子１２０を以上のような形状とすることにより、光源１０から上方に放射された照明光は、入射面１２１に垂直に入射して透過し、そのまま第１の反射面１２２に入射する。このとき、第１の反射面１２２は、上述のように光源１０の中心を焦点とする略放物面形状に形成されているため、この第１の反射面１２２で反射した光は、略平行光となって、底面１２５に対して平行に前方に反射される。第１の反射面１２２で反射された平行光のうち、開口部１２４に入射した光はこの開口部１２４を略垂直に透過し、略平行光のままこの集光素子１２０から射出される。一方、第２の反射面１２３も、光源１０の中心を焦点とする略放物面形状に形成されているため、第１の反射面１２２で反射された略平行光のうち、第２の反射面１２３に入射した光は、この第２の反射面１２３で反射されて、略放物面形状の焦点である光源１０の中心に集光される。光源１０に集光された光は、この光源１０の表面（放射面）に形成された蛍光体層で拡散され、放射された後、再び第１の反射面１２１によって略平行光に変換される。このとき、光源１０より再放出された光はＹＡＧ蛍光体層の拡散効果により、最初に放出された光路とは異なる方向へ放出されるため、一部は開口部１２４から略平行光として射出される。
【００３２】
ところで、第１の実施形態に係る集光素子２０においては、光源１０から放射されて直接第２の反射面２３に入射する光は光源１０に戻って来ないが、この第２の実施形態に係る集光素子１２０においては、光源１０から放射されて第２の反射面１２３に直接入射する光は、この第２の反射面１２３で反射されて平行光になり、さらに第１の反射面１２２で反射されて光源１０の中心に集光される。この場合も、光源１０の表面（放射面）に形成された蛍光体層で拡散されて放射されるが、このときも、光源１０より再放出された光はＹＡＧ蛍光体層の拡散効果により、最初に放出された光路とは異なる方向へ放出されるため、一部は開口部１２４から略平行光として射出される。すなわち、この第２の実施形態に係る集光素子１２０は、第１の実施形態に係る集光素子２０よりも集光効率に優れている。その他の効果は、第１の実施形態の場合と同様である。
【００３３】
［第３の実施形態］
図４に示す第３の実施形態に係る集光素子２２０は、第１の実施形態に係る集光素子２０と同じ反射面形状を有しているが、第１の実施形態に係る集光素子２０が透明樹脂内の反射を利用したものであったのに対し、この第３の実施形態に係る集光素子２２０は表面反射とした点において異なっている。即ち、この集光素子２２０の内部には、底部２２５及び前部２２７において開口した空間２２６が形成されている。そして、底部２２５の開口部２２１内に光源１０が配置され、空間２２６を囲む上面２２２は、光源１０の中心を焦点とする略放物面形状に形成されその表面に反射膜が形成された凹の反射面（以下、「第１の反射面２２２」と呼ぶ）を構成し、空間２２６を囲む前面２２３は、底部２２５から垂直に延び、略放物面形状の上面２２２を切断するような形状に形成され、その表面に反射膜が形成された平面の反射面（以下、「第２の反射面２２３」と呼ぶ）を構成している。なお、この前面２２３には、前部２２７を貫通して略正方形形状の開口部２２４が形成されている。
【００３４】
集光素子２２０を以上のような形状とすることにより、光源１０から上方に放射された照明光は、開口部２２１から内部の空間２２６に入射してそのまま第１の反射面２２２に入射する。このとき、第１の反射面２２２は、上述のように光源１０の中心を焦点とする略放物面形状に形成されているため、この第１の反射面１２２で反射した光は、略平行光となって前方に反射される。第１の反射面２２２で反射された平行光のうち、開口部２２４に入射した光はこの開口部２２４を通って略平行光のままこの集光素子２２０から射出される。一方、第２の反射面２２３は、第１の反射面２２２で反射された略平行光に対して直交するように形成されているため、第１の反射面２２２で反射された略平行光のうち、第２の反射面２２３に入射した光は、この第２の反射面２２３で垂直に反射されて同一光路を逆行し、さらに、第１の反射面２２２で反射されて、この第１の反射面２２２の焦点である光源１０の中心に集光される。光源１０に集光された光は、この光源１０の表面（放射面）に形成された蛍光体層で拡散され、放射された後、再び第１の反射面２２２によって略平行光に変換される。このとき、光源１０より再放出された光はＹＡＧ蛍光体層の拡散効果により、最初に放出された光路とは異なる方向へ放出されるため、一部は開口部２２４から略平行光として射出される。
【００３５】
第１の実施形態に係る集光素子２０が、光源１０から放射される光の波長に対して透明な媒質で構成されたものであることが必要なのに対し、この第３の実施形態に係る集光素子２２０では、不透明の熱可塑性樹脂を用いた射出成形品（光学部材）として、その内部に形成された空間２２６を囲む上面２２２及び前面２２３に反射膜を蒸着したものでも良く、材料の選択範囲が広がる利点がある。また、紫外線光源などによる樹脂内部の透過率の低下と言った問題を回避できる利点がある。その他の効果は、第１の実施形態の場合と同様である。なお、図４において、集光素子２２０の外観は、円柱を半分にした形状にした場合を示しているが、特にこの形状に限定されるわけではなく、例えば、矩体形状としても良い。また、第１の実施形態に係る集光素子２０と同様に、この第３の実施例に係る集光素子２２０においては、光源１０から放射された光のうち、直接第２の反射面２２３に入射する光は、光源１０には戻らない。
【００３６】
［第４の実施形態］
図５に示す第４の実施形態に係る集光素子３２０は、第２の実施形態に係る集光素子１２０と同じ反射面形状を有しているが、第２の実施形態に係る集光素子１２０が透明樹脂内の反射を利用したものであったのに対し、この第４の実施形態に係る集光素子３２０は表面反射とした点において異なっている。即ち、この集光素子３２０の内部には、底部３２５及び前部３２７において開口した空間３２６が形成されている。そして、底部３２５の開口部３２１内に光源１０が配置され、空間３２６を囲む上面３２２は、光源１０の中心を焦点とする略放物面形状に形成されその表面に反射膜が形成された凹の反射面（以下、「第１の反射面３２２」と呼ぶ）を構成し、空間３２６を囲む前面３２３は、光源１０の中心を焦点とする略放物面形状に形成されその表面に反射膜が形成された凹の反射面（以下、「第２の反射面３２３」と呼ぶ）を構成している。なお、この前面３２３には、前部３２７を貫通して略正方形形状の開口部３２４が形成されている。
【００３７】
集光素子３２０を以上のような形状とすることにより、光源１０から上方に放射された照明光は、開口部３２１から内部の空間３２６に入射してそのまま第１の反射面３２２に入射する。このとき、第１の反射面３２２は、上述のように光源１０の中心を焦点とする略放物面形状に形成されているため、この第１の反射面３２２で反射した光は、略平行光となって前方に反射される。第１の反射面３２２で反射された平行光のうち、開口部３２４に入射した光は、この開口部３２４を通って略平行光のままこの集光素子３２０から射出される。一方、第２の反射面３２３も、光源１０の中心を焦点とする略放物面形状に形成されているため、第１の反射面３２２で反射された略平行光のうち、第２の反射面３２３に入射した光は、この第２の反射面３２３で反射されて、略放物面形状の焦点である光源１０の中心に集光される。光源１０に集光された光は、この光源１０の表面（放射面）に形成された蛍光体層で拡散され、放射された後、再び第１の反射面３２２によって略平行光に変換される。このとき、光源１０より再放出された光はＹＡＧ蛍光体層の拡散効果により、最初に放出された光路とは異なる方向へ放出されるため、一部は開口部３２４から略平行光として射出される。同様に、光源１０から放射されて第２の反射面３２３に直接入射する光は、この第２の反射面３２３で反射されて平行光になり、さらに第１の反射面３２２で反射されて光源１０に集光される。この場合も、光源１０の表面（放射面）に形成された蛍光体層で拡散されて放射されるが、このときも、光源１０より再放出された光はＹＡＧ蛍光体層の拡散効果により、最初に放出された光路とは異なる方向へ放出されるため、一部は開口部３２４から略平行光として射出される。すなわち、この第４の実施形態に係る集光素子３２０は、第２の実施形態に係る集光素子２２０よりも集光効率に優れている。
【００３８】
なお、この第４の実施形態に係る集光素子３２０も、不透明の熱可塑性樹脂を用いた射出成形品（光学部材）とすることができ、材料の選択範囲が広がる利点がある。また、紫外線光源などによる樹脂内部の透過率の低下と言った問題を回避できる利点がある。その他の効果は、第２の実施例の場合と同様である。なお、図５において、集光素子３２０の外観は、円柱を半分にした形状にした場合を示しているが、特にこの形状に限定されるわけではなく、例えば、矩体形状としても良い。
【００３９】
以上に説明した第１〜第４の実施形態に係る集光素子及び集光光学系が適用されるプロジェクタは、図１に示した透過型のライトバルブを用いたものだけでなく、図６に示すように反射型のライトバルブ（例えば、ＬＣＯＳやＤＭＤ）を用いたプロジェクタにも適用することができる。あるいは、図７に示すように赤色、緑色及び青色の３色の光を照射する照明光学系と透過型のライトバルブを用いたプロジェクタにも適用することができる。ここで、図６に示すプロジェクタ２００は、図示しない光源と反射型のライトバルブ７１との間に、光源側から順に、例えば第１の実施形態に係る集光素子２０及びインテグレータ３０からなる集光光学系４０と、開口絞り５０と、コンデンサレンズ６０と、偏光ビームスプリッタ９０とが配置されて、光源からの光をライトバルブ７１に照射し、さらに、このライトバルブ７１で反射された光が偏光ビームスプリッタ９０を透過して投影レンズ８０で図示しないスクリーン等に投影されるように構成されている。なお、この図６に示すプロジェクタでは、光源からの光は、偏光ビームスプリッタ９０の偏光分離面９０ａで反射されてライトバルブ７１に照射され、このライトバルブ７１で反射された光は、偏光分離面９０ａを透過して投影レンズ８０を介して投影されるように構成した場合を示しているが、偏光分離面９０ａを透過した光が照射される位置にライトバルブ７１を配置し、このライトバルブ７１で反射された光を偏光分離面９０ａで反射させて投影レンズ８０に導くように構成することも可能である。
【００４０】
また、図７に示すプロジェクタ３００は、赤色、緑色及び青色の光を放射する光源の各々に対して、集光素子２０ａ〜２０ｃ及びインテグレータ３０ａ〜３０ｃからなる集光光学系４０ａ〜４０ｃと、開口絞り５０ａ〜５０ｃと、コンデンサレンズ６０ａ〜６０ｃとからなる照明光学系を設け、それぞれの照明光学系から射出された３色の照明光を偏光ビームスプリッタ９１で重畳させて白色光として放射することにより、透過型のライトバルブ７０に照射するように構成されている。このプロジェクタ３００においても、ライトバルブ７０を透過して変調された映像光は、投影レンズ８０によりスクリーン等に投影される。
【符号の説明】
【００４１】
１０ 光源
２０，１２０，２２０，３２０ 集光素子 ２１，１２１ 入射面
２２，１２２，２２２，３２２ 第１の反射面
２３，１２３，２２３，３２３ 第２の反射面
２４，１２４，２２４，３２４ 開口部 ３０ インテグレータ
４０ 集光光学系 ７０，７１ ライトバルブ ８０ 投影レンズ
１００，２００，３００ プロジェクタ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源を焦点とする凹面であって、前記光源からの光を反射して略平行光に変換する第１の反射面と、
前記略平行光の一部を通過させて射出させる開口部と、
前記略平行光の残りを反射して、前記光源に導く第２の反射面と、を有する集光素子。
【請求項２】
前記第１の反射面は、前記光源を焦点とする略放物面形状である請求項１に記載の集光素子。
【請求項３】
前記第２の反射面は、前記略平行光を垂直に反射する平面である請求項１または２に記載の集光素子。
【請求項４】
前記第２の反射面は、前記光源を焦点とする凹面である請求項１または２に記載の集光素子。
【請求項５】
前記第２の反射面は、前記光源を焦点とする略放物面形状である請求項４に記載の集光素子。
【請求項６】
光源からの光に対して透明な媒質で構成された光学部材の表面に、前記第１の反射面、前記第２の反射面及び前記開口部が形成され、前記光学部材内で前記光源からの光を反射させて前記開口部から前記略平行光を射出させるように構成された請求項１〜５いずれか一項に記載の集光素子。
【請求項７】
前記光学部材の前記光源と対向する面に、当該光源を球心として半球状にくり抜かれて形成された入射面を有する請求項６に記載の集光素子。
【請求項８】
光学部材の内部に形成された空間を囲む面に、前記第１の反射面、前記第２の反射面及び前記開口部が形成され、前記空間内で前記光源からの光を反射させて前記開口部から前記略平行光を射出させるように構成された請求項１〜５いずれか一項に記載の集光素子。
【請求項９】
光源からの光を集光して略平行光として射出させる請求項１〜８いずれか一項に記載の集光素子と、
前記集光素子から射出された前記略平行光を均一化するインテグレータと、から構成される集光光学系。
【請求項１０】
表面での拡散効果を有する光源と、
前記光源からの光を集光して射出する請求項９に記載の集光光学系と、
前記集光光学系からの光が照射されるライトバルブと、
前記ライトバルブを透過又は反射した光を投影する投影レンズと、を有するプロジェクタ。
【請求項１１】
前記光源は、
固体発光素子と、
前記固体発光素子の発光と補色をなす蛍光体と、から構成された請求項１０に記載のプロジェクタ。
【請求項１】
光源を焦点とする凹面であって、前記光源からの光を反射して略平行光に変換する第１の反射面と、
前記略平行光の一部を通過させて射出させる開口部と、
前記略平行光の残りを反射して、前記光源に導く第２の反射面と、を有する集光素子。
【請求項２】
前記第１の反射面は、前記光源を焦点とする略放物面形状である請求項１に記載の集光素子。
【請求項３】
前記第２の反射面は、前記略平行光を垂直に反射する平面である請求項１または２に記載の集光素子。
【請求項４】
前記第２の反射面は、前記光源を焦点とする凹面である請求項１または２に記載の集光素子。
【請求項５】
前記第２の反射面は、前記光源を焦点とする略放物面形状である請求項４に記載の集光素子。
【請求項６】
光源からの光に対して透明な媒質で構成された光学部材の表面に、前記第１の反射面、前記第２の反射面及び前記開口部が形成され、前記光学部材内で前記光源からの光を反射させて前記開口部から前記略平行光を射出させるように構成された請求項１〜５いずれか一項に記載の集光素子。
【請求項７】
前記光学部材の前記光源と対向する面に、当該光源を球心として半球状にくり抜かれて形成された入射面を有する請求項６に記載の集光素子。
【請求項８】
光学部材の内部に形成された空間を囲む面に、前記第１の反射面、前記第２の反射面及び前記開口部が形成され、前記空間内で前記光源からの光を反射させて前記開口部から前記略平行光を射出させるように構成された請求項１〜５いずれか一項に記載の集光素子。
【請求項９】
光源からの光を集光して略平行光として射出させる請求項１〜８いずれか一項に記載の集光素子と、
前記集光素子から射出された前記略平行光を均一化するインテグレータと、から構成される集光光学系。
【請求項１０】
表面での拡散効果を有する光源と、
前記光源からの光を集光して射出する請求項９に記載の集光光学系と、
前記集光光学系からの光が照射されるライトバルブと、
前記ライトバルブを透過又は反射した光を投影する投影レンズと、を有するプロジェクタ。
【請求項１１】
前記光源は、
固体発光素子と、
前記固体発光素子の発光と補色をなす蛍光体と、から構成された請求項１０に記載のプロジェクタ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１１−２５４４（Ｐ２０１１−２５４４Ａ）
【公開日】平成２３年１月６日（２０１１．１．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１４４０３５（Ｐ２００９−１４４０３５）
【出願日】平成２１年６月１７日（２００９．６．１７）
【出願人】（０００００４１１２）株式会社ニコン (12,601)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１月６日（２０１１．１．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年６月１７日（２００９．６．１７）
【出願人】（０００００４１１２）株式会社ニコン (12,601)
【Ｆターム（参考）】
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