JP4739125B2 - 光源装置および投映型表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、レンズ等の光学素子を保持する光学素子保持機構により保持されたレンズを装置内に配設する光源装置および当該光源装置を具備する投影型表示装置に関する。

従来の光学素子保持機構として、例えば図１４に示す鏡筒方式がある。この鏡筒方式によるレンズ保持機構は、前方部に環状のレンズ受け部を有する円筒形の鏡筒筐体５１と、鏡筒筐体５１の内径より僅かに小さい外径の内筒体５２と、鏡筒蓋体５３とからなっており、レンズ２０を鏡筒筐体５１の後方開口部から挿入し、内筒体５２でレンズ２０まで押し込む。鏡筒筐体５１の前方開口部の受け面部５１ａはレンズ径よりも小さな開口となっているため、レンズ２は受け面部５１ａの位置で止まり、この状態で内周面に雌ネジ５３ａが形成されている鏡筒蓋体５３を鏡筒筐体５１の後方外周面に形成されている雄ネジ５１ｂに螺合することでレンズ２０を固定する。
上記のごとき鏡筒筐体は複数のレンズを有する投影レンズ等の製品に使用され、鏡筒筐体は強度のある金属が主に用いられる。

また、内筒体を用いずにレンズを鏡筒内に固定するものとして、図１５に示すように鏡筒６１の前方開口部の受け面部６１ａにレンズ２０を当接し、後方開口部内周面に形成したリング留め溝６１ｂに図１６に示すようなバネ式リング６２を外方向から中心部に加圧してリング径を小さくした状態で鏡筒６１のリング留め溝６１ｂに挿入し、加圧を解くことでレンズ２０を固定する方式も多用されている。

また、プロジェクタなどのランプ装置においてレンズを保持する機構として、例えば特許文献１のように、光源の光を前方に反射させる楕円リフレクタに筒状の延在部を設け、その先端部にレンズ取り付け部材を介してレンズを保持するようにしたものがある。
また、特許文献２は、本出願人が提案している光源装置であり、光軸垂直配置型の光源装置において、光源の前方に位置する楕円面のリフレクタに設けたレンズ保持部材により光源装置内にレンズを配設している。

なお、耐熱、耐振等の強度を必要としない場合には、鏡筒筐体を上下に２分割し、この鏡筒筐体内部にレンズ保持用の溝を設けてレンズを配置する方式でもよく、その際の鏡筒筐体の材質としては樹脂が主に用いられる。この他、眼鏡のフレームのように、比較的柔らかい樹脂を鏡筒に用いれば、鏡筒を分割せずにレンズを保持することも可能である。
特開２００４−３３５３９５号公報 特開２００５−２３４４７１号公報

しかしながら、鏡筒筐体にレンズを挿入して内筒体やバネ式リングでレンズを押圧して保持する鏡筒方式の光学素子保持機構は、レンズ径より小さい径の環状部材でレンズの周縁を押圧する構造であるためにレンズの有効径が小さくなり、光の取り込みロスが生じる。レンズ径を大きくして鏡筒筐体の径を大きなものにすれば光の利用効率は向上するが、しかしそれでは、鏡筒、およびレンズが大型化するためコストアップを招き、しかも、装置を小型化する必要がある場合にはアッセンブリが困難となる等の理由から、採用できるケースは少ない。
また、特許文献１のようなレンズ保持機構も、軸方向のサイズが長くなってしまうので、小型化を目的とした光軸垂直配置型の光源装置に採用することはできない。
また、光軸垂直配置型の光源装置において鏡筒式のレンズ保持機構を採用した場合、光線の主軸方向に鏡筒が存在することになり、第２リフレクタで反射した光線を阻害し、光利用効率が低下してしまう。
特許文献２におけるレンズ保持機構は、光軸垂直配置型の光源装置において鏡筒式を用いずにレンズ保持することを示唆はしているが、当該文献で開示している発明は、具体的なレンズ保持機構を提案するものではない。
なお、プロジェクタなどにおける光源装置で、光源装置内にレンズを設けないものもあるが、レンズが無い場合は後述するように、光源から光の一部が所望の集光点に到達せずに発散してしまい、光の利用効率が低下することになる。
本発明は、上述のごとき現状に鑑み、簡単な構造で且つ、光学素子の組付けが容易であり、しかも光の利用効率の低下を招かない光学素子保持機構、その光学素子保持機構を用いて光の利用効率を高めた光源装置およびその光源装置を具備した投影型表示装置を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するために次の技術手段を備えている。
第１の技術手段は、発光管と、該発光管から発光する光の一部を前方に反射するリフレクタ及び、同じく前記光の一部を前記リフレクタによる反射光の方向に導光する光学素子を備え、前記光学素子は、前記リフレクタに固定される光学素子保持具に保持されて成る光源装置であって、前記光学素子保持具は、光学素子の前記光の出射面側周縁部を保持する円環状保持部と、円環状保持部の周縁に設けられ、光学素子の前記光の入射面側周縁部を先端部に形成された爪部で押圧する複数の爪形状保持部と、前記円環状保持部の周縁から延設するアームの端部に前記リフレクタとの固定部を有する一対の取付け部材を備えることを特徴としたものである。

第２の技術手段は、第１の技術手段において、前記爪部はフック状爪であることを特徴としたものである。
第３の技術手段は、第２の技術手段において、前記フック状爪は折り曲げて形成されたものであることを特徴としたものである。
第４の技術手段は、第２又は第３の技術手段において、前記フック状爪が形成される爪形状保持部は弾性を有し、その弾性力に抗して光学素子を押し込むことにより光学素子の組付けを可能にしていることを特徴としたものである。
第５の技術手段は、第１から第４のいずれかの技術手段において、前記光学素子保持部は、光線の入射側が凸形状である光学素子を保持することを特徴としたものである。

第６の技術手段は、前記リフレクタは前記発光管の前方に配置される楕円リフレクタであることを特徴としたものである。
第７の技術手段は、前記光学素子保持機構に保持されたレンズは集光用レンズであり、前記発光管から出射する光線のうち、前記楕円リフレクタの狭口側で反射した光線と、楕円リフレクタの広口側に照射する光線が交差する点から形成される円周状空間に配置されることを特徴としたものである。
第８の技術手段は、第７の技術手段の光源装置を具備した投影型表示装置であることを特徴としたものである。

本発明によれば、次のような効果を有する光学素子保持機構を提供することが可能となる。
・光の入射側での光線のロスが最低限に抑えられ、出射側では光線のロスが無いため、光の利用効率を向上できる。
・構成部材が単体、かつ、簡単な形状のため、材料費の面で低コスト化が可能である。
・また、構成部材が単体であることから、基材への組みつけが容易で工程の時間的な面でも低コスト化が可能である。
・さらに、構成部材が単数で基材への組みつけが簡単であることから、様々な光学製品に対応でき汎用性に優れる。
・また、本発明によれば、上記の光学素子保持機構を用いることにより、光線ロスの少ない光源装置を提供することが可能となる。
・また、光軸垂直配置型の光源装置において、上記の光学素子保持機構を用いて集光レンズを配置するようにした場合、光軸方向の寸法を大幅に短くすることが可能となる。
・また、本発明によれば、光源として上記の光源装置を採用することにより小型で高輝度な投影型表示装置を提供することが可能となる。

以下に、本発明の実施の形態について図面を基に説明する。
なお、以下の実施の形態における説明では、本発明に関る光学素子保持機構を便宜上「レンズホルダ」と表現する。
図１は、本発明に関るレンズホルダを用いて保持したレンズを、プロジェクタなどに用いられる光源装置に配置した場合の構成を模式的に示したものである。光源装置３０は、光軸一対の主電極を有するアーク放電型の光源である発光管３１、発光管３１の後方に位置し、球面からなる第１リフレクタ３２、発光管３１を境に前方に楕円面からなる第２リフレクタ３３を有している。

本発明の実施形態に関るレンズホルダ１は、図３で詳しく説明するように、光線入射側に位置する３本の爪形状保持部１ａと光線出射側に位置する円環状保持部１ｂからなるレンズ保持部と２本の取付け用アーム部１ｃおよび固定部１ｄを備えている。そして、レンズホルダ１は取付け用アーム部１ｃの先端に設けられた固定部１ｄで第２リフレクタ３３に取り付けられ、これによって３つの爪形状保持部１ａと円環状保持部１ｂとで保持したレンズ２０を、発光管３１から出射する光線のうち、楕円リフレクタの狭口側で反射した光線と楕円リフレクタの広口側に照射する光線とが交差する点から形成される円周状空間に配置される。

なお、図１において、光源装置にレンズが配置されていない場合の光路について説明すると、発光管３１からの出射光線の光路は、大別すると光源Ｏから第２リフレクタ３３を通過する光路イ（経路Ｏ−ｃ−Ｓｐ）、第２リフレクタ３３を通過しない光路ロ（経路Ｏ−ｄ）の２通りが有る。光路イでは、発光管３１の光線は第１リフレクタ３２と第２リフレクタ３３により反射され、所望の領域Ｓｐに集光する。光路ロ（経路Ｏ−ｄ）では、レンズ２０が無いためにいずれのリフレクタも通過せず、発光管３１の光線は放射状に広がり、所望の領域Ｓｐに集光しない。

そこで、光路ロの光線を所望の領域Ｓｐに集光するため、レンズ２０を、その主点を光軸中に取り、発光管３１から前方に出射する光線のうち、第２リフレクタ３３の開口部付近に照射する光線、及び第２リフレクタ３３の最内部で反射し所望の領域に到達する光線が交わる点にレンズ２０の周縁部が位置するように配置する。この時、前記光路ロの光線は、レンズ２０の入射面のある点をａとすると経路Ｏ−ａ−Ｓｐ、および第１リフレクタ３２のある１点をｂとすると経路Ｏ−ｂ−ａ−Ｓｐとなる。
本発明の実施形態に関るレンズホルダは、光線入射側のレンズ面を支持する部材が爪形状になっていることから、発光管３１からの光線は、図２に示すようにレンズ２０の中心部から最大径まで照射され、そのほとんどが所望の領域Ｓｐに集光することになる。
光線入射側のレンズ面を支持する部材が爪形状ではなく環状の場合、レンズ２０に照射する光線はａの位置までとなり利用効率が低下することになる。

従来のレンズホルダでは、発光管３１の光源Ｏからの光線のうち、レンズホルダのレンズ保持部に入射する分はロスとなるが、本実施形態の入射側のレンズ保持形状は３本の爪形状保持部１ａとなっているため、その光線入射ロス分は少なく、０.３％未満である。この保持部分が幅１.０ｍｍの円環形状の場合、ここでの光線ロスは、２％程度になる。
さらに本発明の場合、レンズ２０の入射側の形状をレンズホルダ１の出射側円環状保持部１ｂに入射しない曲率に設計することで、円環状保持部１ｂ側での光線入射ロスをゼロにすることでき、光利用効率が大幅に向上する。

次に、本発明の第１の実施形態に関わるレンズホルダについて、その組付け方法も含めて詳細に説明する。図３は、レンズホルダの正面図、上面図および側面図、図４はレンズ保持部の斜示図を示し、レンズホルダ１のレンズ保持部は、３本の爪形状保持部１ａが円環状保持部１ｂに所定の間隔をおいて一体的に設けられて構成されている。また、円環状保持部１ｂには、先端にネジ穴が形成された固定部１ｄを有する取付け用アーム１ｃが左右に一体的に設けられている。図１に示した光源装置３０におけるレンズホルダ１は、この取付け用アーム１ｃを利用して取り付けられている。

図５は、レンズホルダ１にレンズ２０を保持した状態を示し、レンズホルダ１のレンズ保持部は、前述したように、光源側の面、即ち入射側となる方が爪形状保持部１ａとなっており、３本の爪部によりレンズ２０をチャック式に保持する。また、光線入射側と反対方向、即ち、光線出射側となる方が円環状保持部１ｂであり、レンズ２０は爪形状保持部１ａでチャッキングされる際に、円環状保持部１ｂに加圧、固定されることで位置精度が保たれる。

次に、本発明の第１の実施形態におけるレンズホルダにレンズを組付ける方法について、その具体例を図６に基づいて説明する。この例の場合のレンズホルダ１は、図６（Ａ）に示すように、レンズを組付ける前は爪形状保持部１ａの爪部（先端部）が折り曲げられていないものが用いられる。
図６（Ｂ）はレンズアッセンブリ治具を示すもので、同図において、２ａはレンズホルダ座面、２ｂはレンズホルダ保持壁、２ｃはレンズホルダを治具にセットしたときに爪形状保持部１ａを逃がす逃げ溝、２ｄは同じく取付け用アーム部１ｃを逃がす逃げ溝を示す。また、２ｅは油圧機構などにより作動する爪曲げ機構であり、模式的に示している。

図６（Ｃ）は、図６（Ａ）に示すレンズホルダ１をレンズアッセンブリ治具２にセットした状態を示しており、レンズホルダ座面２ａにレンズホルダ１の爪形状保持部１ａが上側となるように載置する。このとき、レンズホルダ保持壁２ｂには前述した逃げ溝２ｃ、２ｄが設けられているので、レンズホルダ保持壁２ｂがレンズホルダ１の円環状保持部１ｂの外周を抑える形となり、レンズホルダ１が固定される。この状態でレンズ２０を円環状保持部１ｂの上に載置する。次いで爪曲げ機構２ｅを作動させ、爪形状保持部１ａを所定の角度まで折り曲げてレンズ２０を固定する。図６（Ｄ）は、レンズアッセンブリ治具２において爪部が折り曲げられ、レンズ２０が組付けられた状態を示している。

図７，図８は、本発明の第２の実施形態のレンズホルダとその組付け方法を示したもので、この場合のレンズホルダ３は、図７に示すように、爪形状保持部３ａの根元部分に細幅部３ａ₁が形成され、レンズを組付ける前は、レンズが通過できる程度に爪形状保持部３ａは外側に広げられたものが用いられる。
組付けは先ず、図８（Ａ）に示すように、レンズホルダ３をレンズアッセンブリ治具４上に配置する。次に、レンズ２０をレンズホルダ３の爪形状保持部３ａの内側に挿入し、図８（Ｂ）に示すようにレンズホルダ３の円環状保持部材３ｂ上に載置する。この状態でレンズアッセンブリ治具４の爪曲げ機構４ａを、回転軸４ｂを中心に回動させ、レンズホルダ３の爪形状保持部３ａを折り曲げる。図８（Ｃ）は、レンズホルダが前述した細幅部３ａ₁のところで折り曲げられてレンズ２０が固定された状態を示している。

図９、図１０は、本発明の第３の実施の形態のレンズホルダとその組付け方法を示したもので、この場合のレンズホルダ５は、レンズを組付ける前は、爪形状保持部が直線形状となっており、爪形状を形成させる部分に細幅部５ａ₁を形成したものが用いられる。なお、本実施形態の場合、各保持部を結んだ内径は大凡レンズ２の外形と一致したものになる。
組付けは先ず、図９に示すように、レンズ２０をレンズホルダ５の直線状になっている爪形状保持部５ａの内側に挿入して円環状保持部材５ｂの上に載置する。この状態で図１０（Ａ）に示すようにレンズアッセンブリ治具６の爪折り曲げ機構６ａを油圧機構などにより水平方向にスライドさせると、レンズホルダ５の直線状の爪形状保持部５ａが前述の細幅部５ａ₁の箇所で折り曲げられる。
図１０（Ｂ）は、爪形状保持部５ａが折り曲げられてレンズ２０が固定された状態を示している。

図１１は本発明の第４の実施の形態のレンズホルダとその組付け方法を示したもので、この例は図示のようにレンズホルダ７の爪形状保持部７ａの先端部が鋭角なフック状爪７ａ₁となっている。
この場合、２つの治具によりレンズホルダ７とレンズ２０が組付けられる。
組付けは先ず、図６で説明したレンズアッセンブリ治具２（ただし、爪形状折曲げ機構は不要）上にレンズホルダ７を爪形状保持部７ａが上方となるように配置、固定する。

次に、レンズ２０をレンズホルダ７の円環状保持部７ｂの上に載置し、レンズ保持用治具（図示せず）で固定する。固定の方法は、ロボットハンド法や、吸引法と言った比較的保持強度が高い手法で行う。すなわち、レンズ保持用治具とレンズ２０を同時にスライドさせ、レンズ２０を爪形状保持部７ａのフック状爪７ａ₁の箇所を押し広げるように挿入する。レンズ２０が所定の位置まで挿入された時点で、爪形状保持部７ａのフック状爪７ａ₁はレンズ２０の周縁部（最大径）より内側に戻り、レンズ２０は固定される。この場合、レンズホルダ７はバネ性のある金属であることが好ましい。

図１２は本発明の第５の実施の形態のレンズホルダとその組付け方法を示す。この例は、レンズホルダ８の爪形状保持部８ａの先端爪部を図示のように９０度以上曲げてフック状爪とするもので、製造工程で折り曲げ式に形成される。前述した図８のレンズホルダ３ではレンズ２０を嵌め込む前に爪形状保持部３ａを広げておかなければならないが、本実施形態の場合、図１１に示した例と同様、レンズ２０を嵌め込むだけのアッセンブリが可能となる。

図１３は、本発明の光学素子保持機構を利用した光源装置を含む投影型映像表示装置の概略構成を示す模式図である。
本発明の実施形態に係る映像表示装置は、本発明に係るレンズホルダによりレンズ２０を配設した光源装置３０と、カラーホイール４１、ロッドインテグレータ４２、コンデンサレンズ群４３、ミラー４４、ライトバルブ４５及び投影レンズ４６を有する光学系４０とを含んで構成されている。上記投影型表示装置からの画像光線はスクリーンＳに投影され映像となる。

発光管３１から出射した光線はリフレクタ３２，３３で反射、およびレンズ２０に入出射することで、ロッドインテグレータ４２の入射面（Ｓｐ：集光点）に集光する。
カラーホイール４１は、Ｒ（レッド）フィルタ、Ｇ（グリーン）フィルタ、Ｂ（ブルー）フィルタが周方向に配列されて円板形状に形成されているものである。

ロッドインテグレータ４２は、光源装置３０から出射された光線をライトバルブ４５の平面形状（この場合矩形又は正方形）と相似の平面形状に成形すると共に、所望面の照度を均一にする。
カラーホイール４１が回転することによって、前記光源装置からの出射光線は各フィルタＲ，Ｇ，Ｂを透過し、これらのフィルタＲ，Ｇ，Ｂの色に応じた透過光が順次前記ロッドインテグレータ４２に入射する。

ライトバルブ４５は、投影映像を形成する投影媒体であって、ここではＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｃｒｏ−ｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ）を用いて説明する。ＤＭＤの場合、所望する投影画像に応じて微小区画毎のミラーが光線の反射方向を制御して、Ｒ色光線入射時にはＲ色画像を，Ｇ色光線入射時にはＧ色画像，Ｂ色光線入射時にはＢ色画像を表示し各色光の投影光像を形成する。

即ち、ロッドインテグレータ４２により、光線群は、所望面の照度を均一化され、コンデンサレンズ群４３、ミラー４４の光学系を進行し、ライトバルブ４５に入射し、投影光像を形成するシステム構成となっている。
そして、ライトバルブ４５で形成した投影光像は、投影レンズ４６を通過し、スクリーン４７に照射して映像を投影する。

なお、本発明は前述した各実施形態に限るものではなく、次のような変形実施が可能である。
前述した各実施形態に係る光源装置は、投影型映像表示装置に用いる光源装置として説明したが、これに限るものではなく、その他の露光装置や一般照明用等として用いることができる。
また、投影型映像表示装置は、図１３に示すものの他、光路を異ならせた構成やライトバルブに液晶を用いた構成のものであっても本発明の各実施形態に係る光源装置を適用することができる。
なお、上記の実施形態においては発光管を光源として示したが、これに限らず、その他の公知のものを光源として採用することができることは勿論である。
さらに、本発明による光学素子保持機構は、上述したような光源装置におけるレンズホルダに限らず、カメラやデジカメ、カメラ付携帯電話等、光学系を含む各種機器に利用できる。

本発明の光学素子保持機構を適用した光源装置の基本構成を模式的に示した説明図である。 本発明の実施の形態に関るレンズホルダを用いた場合の作用効果について説明する説明図である。 本発明の第１の実施の形態に関るレンズホルダの正面図、上面図および側面図であり、レンズを除いて示した図である。 本発明の第１の実施の形態に関るレンズホルダの斜示図である。 本発明の第１の実施の形態に関るレンズホルダにレンズを保持する説明図である。 本発明の第１の実施の形態に関るレンズホルダにレンズアッセンブリ治具を用いてレンズを組付けるときの説明図である。 本発明の第２の実施の形態に関るレンズホルダを形状を示す図である。 本発明の第２の実施の形態に関るレンズホルダにレンズアッセンブリ治具を用いてレンズを組付ける場合の説明図である。 本発明の第３の実施の形態に関るレンズホルダのレンズアッセンブリについての説明図である。 本発明の第３の実施の形態に関るレンズホルダをレンズアッセンブリ治具で組付ける場合の説明図である。 本発明の第４の実施の形態に関るレンズホルダのレンズアッセンブリについての説明図である。 本発明の第５の実施の形態に関るレンズホルダのレンズアッセンブリについての説明図である。 本発明における実施の形態に関るレンズホルダにより保持されたレンズを組み込んだ光源装置を含む投影型表示装置の基本構成についての説明図である。 従来の鏡筒式レンズホルダについての説明図である。 バネ式リングを用いた従来の鏡筒式レンズホルダの説明図である。 バネ式リングの説明図である。

符号の説明

１，３，５，７，８…レンズホルダ（光学素子保持機構）、１ａ，３ａ，５ａ，７ａ，８ａ…爪形状保持部、１ｂ，３ｂ，５ｂ，７ｂ，８ｂ…円環状保持部、１ｃ…取付け用アーム部、１ｄ…固定部、２，４，６…レンズアッセンブリ治具、２ａ…レンズホルダ座面、２ｂ…レンズホルダ保持壁、２ｃ，２ｄ…逃げ溝、２ｅ，４ａ，６ａ…爪曲げ機構、２０…レンズ、３０…光源装置、３１…発光管、３２…第１リフレクタ、３３…第２リフレクタ、４０…光学系、４１…カラーホイール、４２…ロッドインテグレータ、４３…コンデンサレンズ群、４４…ミラー、４５…ライトバルブ（ＤＭＤ）、４６…投影レンズ、１００…投影型表示装置、Ｓ…スクリーン。

Claims (8)

1. 発光管と、該発光管から発光する光の一部を前方に反射するリフレクタ及び、同じく前記光の一部を前記リフレクタによる反射光の方向に導光する光学素子を備え、前記光学素子は、前記リフレクタに固定される光学素子保持具に保持されて成る光源装置であって、
   前記光学素子保持具は、
   光学素子の前記光の出射面側周縁部を保持する円環状保持部と、円環状保持部の周縁に設けられ、光学素子の前記光の入射面側周縁部を先端部に形成された爪部で押圧する複数の爪形状保持部と、前記円環状保持部の周縁から延設するアームの端部に前記リフレクタとの固定部を有する一対の取付け部材を備えることを特徴とする光源装置。
2. 前記爪部はフック状爪であることを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
3. 前記フック状爪は折り曲げて形成されたものであることを特徴とする請求項２に記載の光源装置。
4. 前記フック状爪が形成される爪形状保持部は弾性を有し、その弾性力に抗して光学素子を押し込むことにより光学素子の組付けを可能にしていることを特徴とする請求項２又は３に記載の光源装置。
5. 前記光学素子保持部は、光線の入射側が凸形状である光学素子を保持することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の光源装置。
6. 前記リフレクタは前記発光管の前方に配置される楕円リフレクタであることを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載の光源装置。
7. 前記光学素子保持機構に保持されたレンズは集光用レンズであり、前記発光管から出射する光線のうち、前記楕円リフレクタの狭口側で反射した光線と、楕円リフレクタの広口側に照射する光線が交差する点から形成される円周状空間に配置されることを特徴とする請求項１〜６の何れかに記載の光源装置。
8. 請求項７に記載の光源装置を具備したことを特徴とする投影型表示装置。

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