JP2002214563A - ランプ、偏光変換光学系、集光光学系および画像表示装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 発光部から発した光をランプリフレクターで
反射すると、平行光とともに出射する光線の発散角が大
きくなってしまうという課題があった。 【解決手段】 ランプリフレクター１０１ｂの回転放物
面を光軸Ｚに対して回転対称な非球面反射面に変形した
変形ランプリフレクター１ｂと、ランプ前面ガラス１０
１ｃの入射面を光軸Ｚに対して回転対称な非球面レンズ
面に変形したランプ前面レンズ１ｃとを備え、発光部１
ａの光源の中心点Ｐｆから発した光線群を変形ランプリ
フレクター１ｂで反射し、ランプ前面レンズ１ｃの出射
面と等しい円形断面積を有する平行光線群としてランプ
前面レンズ１ｃから出射するようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、発光部が所定の
放射角範囲で放射した光を光軸とほぼ平行にして出射す
るランプと、このランプを用いた偏光変換光学系、集光
光学系および画像表示装置に係るものである。

【０００２】

【従来の技術】図１１は従来のランプを用いた集光光学
系の構成を示す図であり、光軸を含む任意の平面で切断
した集光光学系の断面図を表している。図１１におい
て、１０１は従来のランプ、１０１ａは発光部、１０１
ｂはランプリフレクター、１０１ｃはランプ前面ガラス
である。発光部１０１ａ，ランプリフレクター１０１ｂ
およびランプ前面ガラス１０１ｃから従来のランプ１０
１が構成されている。

【０００３】発光部１０１ａは、ガラス球内の中心に電
極を備えて構成されており、電極と電極の間から光を発
するようになっている。この電極間が発光部１０１ａの
光源になっている。ランプリフレクター１０１ｂは、回
転放物面に形成された反射鏡であり、回転放物面の焦点
（以下、放物面焦点という）と電極間の中心点とが一致
するように発光部１０１ａを設けてあり、発光部１０１
ａが発した光を回転放物面で反射する。

【０００４】回転放物面とは、その回転軸（つまり光
軸、準線と直交して焦点を通過する直線）周りに放物線
の一部を回転して得られる空間曲面のことをいう。無限
遠方から進行してくる完全な平行光を回転軸と平行に受
光して回転放物面で反射させると、反射した平行光は全
て放物面焦点に集まることが知られている。

【０００５】この原理と光の逆進性とを利用することに
よって、平行光を作り出すことができる。つまり、幾何
学的な大きさを持たない点光源を放物面焦点に設置する
と、点光源から発して回転放物面で反射した光は、回転
放物面の回転軸と平行に進行する完全な平行光になる。

【０００６】以上の理由から、ランプ１０１は、発光部
１０１ａを近似的に点光源と考えて、発光部１０１ａの
電極間の中心点をランプリフレクター１０１ｂの放物面
焦点と一致させ、ランプリフレクター１０１ｂの反射に
よって発光部１０１ａが発した光から平行光を作り出す
ようにしている。

【０００７】ランプ前面ガラス１０１ｃは、ランプリフ
レクター１０１ｂの開口部分にフタをするように設けら
れている。これは、発光部１０１ａが稀に起こす破裂事
故などの対策であり、破裂事故の被害が他の光学部品な
ど周辺へ広がるのをランプ前面ガラス１０１ｃによって
防ぐ役割も果たしている。

【０００８】もちろん、ランプリフレクター１０１ｂが
反射した光は、ランプ前面ガラス１０１ｃを介してラン
プ１０１の外部へ放射される。従来のランプ１０１で
は、ランプリフレクター１０１ｂからの平行光を屈折し
ないように、ランプ前面ガラス１０１ｃの入射面および
出射面はいずれも光軸Ｚと直交する平面形状に設計され
ている。

【０００９】１０２ａ，１０２ｂはそれぞれコンデンサ
ーレンズと呼ばれる球面レンズである。コンデンサーレ
ンズ１０２ａ，１０２ｂは、ランプ前面ガラス１０１ｃ
から出射する光をその焦点（以下、レンズ焦点という）
に集光する働きをしている。収差を抑えるために複数枚
のレンズから構成されることが普通である。

【００１０】１０３はロッドインテグレーターと呼ばれ
る柱状のガラスであり、入射面で受光した光がその内部
を透過して出射面から出射する構造になっている。光の
受光効率の向上、つまり入射面での光の取り込みを出来
るだけ多くして損失を抑えるために、通常、コンデンサ
ーレンズ１０２ａ，１０２ｂのレンズ焦点にロッドイン
テグレーター１０３の入射面を配置している。

【００１１】発光部１０１ａの中心、コンデンサーレン
ズ１０２ａ，１０２ｂの中心、ロッドインテグレーター
１０３の入射面の中心を結ぶ直線Ｚは、これらの各構成
要素が共有する光軸である。光軸Ｚの正方向は光の進行
方向に取る。さらに、符号Ｄで示された光軸Ｚ近傍の空
間は、光線の存在しないデッドゾーンである。従来の集
光光学系は、ランプ１０１，コンデンサーレンズ１０２
ａ，１０２ｂおよびロッドインテグレーター１０３から
構成されている。

【００１２】図１１の集光光学系の動作を説明する前
に、発光部１０１ａの輝度分布特性および配向分布特性
について先に説明する。図１２は発光部１０１ａの典型
的な輝度分布特性を示す図である。例えばメタルハライ
ドランプや高圧水銀ランプの発光部１０１ａは図１２の
輝度分布特性を有する。

【００１３】図１２において、１０１ｄ，１０１ｅはそ
れぞれ発光部１０１ａの電極、Ｐｄ，Ｐｅはそれぞれ電
極１０１ｄ，１０１ｅの近傍にある発光している先端
点、Ｐｆは先端点Ｐｄ，Ｐｅの中心点である。前述した
ように、中心点Ｐｆはランプリフレクタ１０２ｂの放物
面焦点と一致する。また、１０４は等高線的に示された
発光部１０１ａの輝度分布である。輝度分布１０４には
１０〜９０の相対輝度値を１０刻みで添えてある。

【００１４】図１２の距離ｄはアーク長と呼ばれ、ラン
プ１０１の性能を示す一つの指標となっている。つま
り、発光部１０１ａがどれだけ理想的な点光源を近似し
ているかを示すパラメータである。アーク長ｄが小さけ
れば小さいほど、電極１０１ｄ、１０１ｅの先端点Ｐ
ｄ，Ｐｅは中心点Ｐｆにそれだけ接近し、発光部１０１
ａは理想的な点光源に近づいていく。このように、発光
部１０１ａはアーク長ｄで規定される有限の大きさの光
源を有している。

【００１５】電極１０１ｄ，１０１ｅ間に交流や直流の
電圧が印可されると、輝度分布１０４に従って電極１０
１ｄ，１０１ｅ間から光が発する。図１２から分かるよ
うに、各電極１０１ｄ，１０１ｅの先端点Ｐｄ，Ｐｅで
相対輝度値約９０の最大輝度がそれぞれ得られており、
中心点Ｐｆではやや下がって相対輝度値５０〜６０，そ
して先端点Ｐｄ，Ｐｅから距離が離れるにしたがって相
対輝度値は１０まで低下していく。

【００１６】このように、発光部１０１ａにおいて最大
輝度が得られる点は、アーク長ｄの半分だけ中心点Ｐｆ
からそれぞれズレた先端点Ｐｄ，Ｐｅであり、中心点Ｐ
ｆ，つまりランプリフレクタ１０２ｂの放物面焦点で得
られる輝度は最大輝度ではない。

【００１７】図１３は発光部１０１ａの典型的な配向分
布特性を示す図であり、符号１０５は配向分布を表して
いる。図１３では、発光部１０１ａの中心点Ｐｆを原点
Ｏとし、光軸Ｚの正方向を放射角０度と定めて０〜３６
０度を紙面時計回りに取っている。そして、原点Ｏを中
心として一定の放射角の方向に０〜１００の光度を２０
刻みで付している。原点Ｏから離れた点ほど光度が強
く、原点Ｏの光度は０である。図１１の光軸Ｚを含む任
意の平面上で放射角をパラメータとして光度を測定する
と、図１３の配向分布１０５が得られる。

【００１８】配向分布１０５を見ると、放射角６０〜１
２０度、２４０〜３００度の２つの範囲で８０以上の高
い光度が測定されることが分かる。一方、０度を中心と
して±約５０度、１８０度を中心として±約５０度の各
範囲では光度が弱くなっている。これは、図１２に示し
たように、電極１０１ａ，１０１ｂが発光部１０１ａに
存在するためであり、０度±約５０度、１８０度±約５
０度は電極１０１ｄ，１０１ｅの影となって光が遮られ
る領域である。

【００１９】図１１の集光光学系の動作について次に説
明する。発光部１０１ａが発した大部分の光は、ランプ
リフレクター１０１ｂによって反射される。図１２に示
したように、発光部１０１ａはアーク長ｄで規定される
有限の大きさの光源を持っているので、ランプリフレク
ター１０１ｂの反射光は完全ではないが光軸Ｚとほぼ平
行な光線群となる。このほぼ平行な光線群は、ランプ前
面ガラス１０１ｃを透過して光軸Ｚの正方向へ出射す
る。図１３の配向分布特性で述べたように、電極１０１
ｄ，１０１ｅの影によって光線の存在しないデッドゾー
ンＤが発生している。

【００２０】ランプ１０１からの出射光は、コンデンサ
ーレンズ１０２ａ，１０２ｂで屈折してレンズ焦点に集
光し、ロッドインテグレーター１０３の入射面へ入射し
てロッドインテグレーター１０３の内部を次の図１４の
ように透過する。図１４はロッドインテグレーター１０
３内部の透過光の光路を示す図であり、１０３ａ，１０
３ｂ，１０３ｃはそれぞれロッドインテグレーター１０
３の入射面、側面、出射面である。入射面１０３ａ，出
射面１０３ｂは光軸Ｚと直交している。

【００２１】コンデンサーレンズ１０２ａ，１０２ｂ
は、入射面１０３ａへ入射する光がロッドインテグレー
ター１０３の側面１０３ｂで全反射をするように設計さ
れている。したがって、入射面１０３ａから入射した光
は、側面１０３ｂで全反射を繰り返して出射面１０３ｃ
から出射する。全反射の現象を利用しているので、側面
１０３ｂから光の漏れがなく、ロッドインテグレーター
１０３内での損失は発生しない。

【００２２】その際、コンデンサーレンズ１０２ａ，１
０２ｂからの光は様々な入射角で入射面１０３ａへ入射
するため、側面１０３ｂで全反射を繰り返した光の照度
分布は、出射面１０３ｃでほぼ一様になる。ロッドイン
テグレーター１０３の入射光および出射光の照度分布特
性を図１５（ａ），（ｂ）にそれぞれ示す。図１５で
は、光軸Ｚに平行な軸は出射光の照度を表している。ロ
ッドインテグレーター１０３は、ガウス分布的な照度分
布（図１５（ａ））を持つ入射光を一様な照度分布（図
１５（ｂ））を持つ出射光に変換する役割を担ってい
る。

【００２３】ロッドインテグレーター１０３で作り出さ
れた一様な照度分布を持つ光は、後続の光学系によって
転写される。例えば、ＤＭＤ（デジタル・マイクロミラ
ー・デバイスの略、Ｔｅｘａｓ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ
ｓ Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｅｄ（ＴＩ）の登録商標）チ
ップや液晶パネルなどの光変調素子を用いた画像表示装
置の場合には、ロッドインテグレーター１０３の出射光
はリレー光学系を介して光変調素子を照射し、光変調素
子から画像情報を得る。画像情報を得た光は、投影光学
系を介してスクリーンに投影され、画像情報に基づいた
画像をスクリーンに表示する。

【００２４】

【発明が解決しようとする課題】従来のランプは以上の
ように構成されているので、発光部から発した光をラン
プリフレクターで反射すると、平行光とともに出射する
光線の発散角が大きくなってしまうという課題があっ
た。

【００２５】また、従来の集光光学系は以上のように構
成されているので、コンデンサーレンズのレンズ焦点で
光源像が広がり、ロッドインテグレーターの入射面で光
の取り込み漏れが発生して損失を招いてしまうという課
題があった。

【００２６】さらに、従来の画像表示装置は以上のよう
に構成されているので、ロッドインテグレーターの入射
面で発生した損失によって、スクリーンに投影される画
像の明るさが劣化してしまうという課題があった。

【００２７】以上の各課題について具体的に説明する。
図１１において、発光部１０１ａが幾何学的に完全な点
光源の場合には、発光部１０１ａが発した光はランプリ
フレクター１０１ａの反射によって完全な平行光にな
る。この平行光はコンデンサーレンズ１０２ａ，１０２
ｂによってレンズ焦点に集光されてロッドインテグレー
ター１０３の入射面１０３ａへ全て入射するので、ラン
プリフレクター１０１ｂの反射損失やコンデンサーレン
ズ１０２ａ，１０２ｂの透過損失を除き、入射面１０３
ａの光の取り込み漏れによる損失は発生しない。

【００２８】しかしながら、図１２で既に説明したよう
に、発光部１０１ａはアーク長ｄで規定される大きさの
光源を持っており、完全な点光源とみなすことができな
い。したがって、ロッドインテグレーター１０３の入射
面１０３ａにおける光の分布はレンズ焦点に集光されず
に有限な大きさを有した光源像が現れる。

【００２９】図１６はロッドインテグレーター１０３の
入射面１０３ａに現れる発光部１０１ａの光源像を説明
するための図である。図１６では、図１２に示した最大
輝度の先端点Ｐｄ，Ｐｅおよび放物面焦点と一致する中
心点Ｐｆを参照点として選び、これらの点からそれぞれ
発した光線１０６ｄ，１０６ｅ，１０６ｆが入射面１０
３ａに集光する様子を示している。

【００３０】ここで、ランプ前面ガラス１０１ｃ上の１
点１０１ｚに注目した場合、そこを通過する各光線につ
いて考察する。中心点Ｐｆから出射する光線の中で点１
０１ｚを通過する光線１０６ｆは、ランプリフレクター
１０１ｂで反射した後、光軸Ｚと完全に平行になり、点
１０１ｚにおいてランプ前面ガラス１０１ｃに対して垂
直に進む光である。したがって、この光線はコンデンサ
ーレンズ１０２ａ，１０２ｂによって入射面１０３ａへ
設計通りに入射し、取り込み漏れを生じることはない。

【００３１】一方、先端点Ｐｄ，Ｐｅから出射する光線
の中で点１０１ｚを通過する光線１０６ｄ，１０６ｅ
は、光線の発生地点であるＰｄ，Ｐｅが放物面焦点にな
いため、点１０１ｚを通過する時点で光軸に平行な光線
とはならない。そこで、ランプ前面ガラス１０１ｃを仮
想の平面光源とみなすことにする。すると、この光源
は、点１０１ｚにおいて、平行光線１０６ｆを中心とし
て最大発散角を持つ光線が１０６ｄ，１０６ｅで定義さ
れるような光を放射するものと定義される。したがっ
て、この斜めの光線成分は設計から外れた角度を持つた
め、コンデンサーレンズ１０２ａ，１０２ｂによって入
射面１０３ａへ集光する際に、その断面に入りきらない
場合が多く生じてしまう。

【００３２】このように、中心点Ｐｆを中心とした電極
１０１ｄ，１０１ｅ間の各点で発生した光は、コンデン
サーレンズ１０２ａ，１０２ｂによって集光した場合、
そのレンズ焦点において完全な点とはならず、入射面１
０３ａの断面よりも大きなサイズを持った光源像を形成
することになる。

【００３３】光線１０６ｄ，１０６ｅ，１０６ｆの入射
面１０３ａでの取り込みを定量的に解析した結果を図１
７に示す。図１７はランプ前面ガラス１０１ｃからの出
射光線の出射位置と入射面１０３ａへの入射光線の入射
位置との関係を示す図である。図１７において、横軸は
ランプ前面ガラス１０１ｃから光線が出射する位置を表
しており、図１６の光軸Ｚからの距離Ｒである。また、
縦軸は入射面１０３ａに光線が入射する位置であり、図
１６の光軸Ｚからの距離Ｒｉがこれに相当する。

【００３４】この解析では、ランプ１０１はアーク長ｄ
＝１．３［ｍｍ］，ランプリフレクター１０１ｂの開口
径＝７５［ｍｍ］，入射面１０３ａは断面積＝５×６．
５［ｍｍ^２］とし、コンデンサーレンズ１０２ａ，１０
２ｂから入射面１０３ａへＦ値１で集光している。図１
７の符号１０７ａ，１０７ｂで示されるＲｉ＝±２．５
［ｍｍ］の直線は入射面１０３ａの境界を表しており、
｜Ｒｉ｜≦２．５［ｍｍ］の領域が入射面１０３ａのサ
イズに相当する。

【００３５】光線１０６ｆは、Ｒ＝０〜３７．５［ｍ
ｍ］の全出射範囲に対して入射位置｜Ｒｉ｜＜約１．５
［ｍｍ］となっており、入射面１０３ａへ必ず入射する
ことが分かる。また、光線１０６ｄ，１０６ｅは、光軸
Ｚから大きく外れたＲ＝約２０〜３７．５［ｍｍ］の出
射範囲では、入射面１０３ａの境界１０７ａ〜境界１０
７ｂ内に収まっており、これらの出射範囲では光の取り
込み漏れは発生せず損失とならない。

【００３６】ところが、Ｒ＝約２０［ｍｍ］以下の光軸
Ｚにやや接近した出射範囲になると、光線１０６ｄ，１
０６ｅは入射面１０３ａの境界１０７ａ〜境界１０７ｂ
から外れてしまうようになる。つまり、Ｒ＝約６〜１９
［ｍｍ］の出射範囲で光線１０６ｄは損失Ｌｄを発生
し、Ｒ＝約２〜１２［ｍｍ］の出射範囲で光線１０６ｅ
は損失Ｌｅを発生している。

【００３７】そして、光軸Ｚに最も接近したＲ＝約０〜
６［ｍｍ］，Ｒ＝約０〜２［ｍｍ］の出射範囲になる
と、光線１０６ｄ，１０６ｅは境界１０７ａ〜境界１０
７ｂ内に再びそれぞれ収まるようになる。

【００３８】ここで特に大きな問題となるのは、損失Ｌ
ｄ，Ｌｅにおける光度が他の領域と比べて大きいことで
ある。これについて説明する。図１８はランプ前面ガラ
ス１０１ｃにおける出射光の光度分布を示す図である。
図１７と同様に横軸は光軸からの距離Ｒを示しており、
また縦軸は出射光の相対的な光度（照度×リング状微小
面積）である。

【００３９】図１８から分かるように、例えば約０．５
以上の相対光度を示す出射範囲はＲ＝約７〜２３［ｍ
ｍ］（Ｒのマイナス側も同様）となっている。ランプ１
０１の光度が大きな数値を示すこのボリュームゾーンＶ
は、先に示した損失Ｌｄ，Ｌｅの出射範囲Ｒ＝約６〜１
９［ｍｍ］，Ｒ＝約２〜１２［ｍｍ］にほとんど相当し
ていることが分かる。つまり、最も光度の大きなボリュ
ームゾーンＶの光は入射面１０３ａで取り込まれなくな
り、損失になってしまう。

【００４０】以上の課題を解決するために、入射面１０
３ａのサイズを大きくすることが考えられる。しかしな
がら、製造工程の歩留まりなどの関係からＤＭＤチップ
や液晶パネルなどの光変調素子は小さな受光面積のもの
ほど有利であり、そして一般的に倍率の関係から、ロッ
ドインテグレーター１０３の入射面１０３ａのサイズは
光変調素子のサイズに比例して小さくなるため、この方
法によって簡単に解決できる課題ではない。

【００４１】この発明は上記のような課題を解決するた
めになされたものであり、発散角の抑制された光束を出
射するランプを構成することを目的とする。

【００４２】また、この発明は、コンデンサーレンズの
レンズ焦点における光源像の広がりを抑えて、ロッドイ
ンテグレーターの入射面で生じる損失を軽減する集光光
学系を構成することを目的とする。

【００４３】さらに、この発明は、ロッドインテグレー
ターの入射面で発生する損失を軽減して、スクリーンに
投影される画像の明るさを改善できる画像表示装置を構
成することを目的とする。

【００４４】

【課題を解決するための手段】この発明に係るランプ
は、ランプリフレクターの回転放物面を光軸に対して回
転対称な非球面反射面に変形すると共に、ランプ前面ガ
ラスの入射面または出射面の少なくとも一方を光軸に対
して回転対称な非球面レンズ面に変形することによっ
て、光源から各放射方向へ発する各光線群に異なるパワ
ーをそれぞれ作用させて各光線群を平行光線群にコリメ
ートし、ランプ前面レンズ出射面における発散角の分布
を制御するようにしたものである。

【００４５】この発明に係るランプは、光源から発した
光を回転放物面によって反射した際に生じる、ランプ前
面ガラスの出射面上で光軸を中心とした光の出射しない
円形領域に対して、非球面反射面の反射および非球面レ
ンズ面のレンズ作用によって円形領域を縮小するように
したものである。

【００４６】この発明に係るランプは、ランプ前面レン
ズ出射面上の任意の点における出射光束の発散角を一定
にして出射するようにしたものである。

【００４７】この発明に係る偏光変換光学系は、上記の
ランプと、アレイ状に構成された複数のレンズを有し、
ランプから出射した光を複数のレンズ焦点にそれぞれ集
光するレンズアレイと、レンズアレイのレンズ焦点付近
に設置されるとともに、アレイ状に構成された複数の偏
光ビームスプリッターを有し、ランプ前面ガラスから出
射した光に含まれる２つの直交偏光成分を一致させて出
射する偏光変換素子とを備えるようにしたものである。

【００４８】この発明に係る集光光学系は、上記のラン
プと、ランプから出射した光をレンズ焦点に集めるコン
デンサーレンズ群と、レンズ焦点に集められた光を入射
面で受光し、側面で全反射を繰り返した光を出射面から
出射するロッドインテグレータとを備えるようにしたも
のである。

【００４９】この発明に係る画像表示装置は、上記の偏
光変換光学系と、入射した光に画像情報を与えて出射す
る光変調素子と、偏光変換光学系から出射した光を光変
調素子の入射面へ重ね合わせて入射するインテグレータ
ー光学系と、画像情報を得て光変調素子から出射した光
を投影する投影光学系と、投影光学系から投影された光
を受光して、画像情報に基づく画像を表示するスクリー
ンとを備えるようにしたものである。

【００５０】この発明に係る画像表示装置は、上記の集
光光学系と、集光光学系から出射した光をリレーするリ
レー光学系と、リレー光学系によってリレーされた光に
画像情報を与えて出射する光変調素子と、画像情報を得
て光変調素子から出射した光を投影する投影光学系と、
投影光学系から投影された光を受光して、画像情報に基
づく画像を表示するスクリーンとを備えるようにしたも
のである。

【００５１】

【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の一形態を
説明する。 実施の形態１．図１はこの発明の実施の形態１によるラ
ンプを適用した集光光学系の構成を示す図であり、光軸
を含む任意の平面で切断した集光光学系の断面図を示し
ている。図１において、１は実施の形態１によるラン
プ、１ａは発光部、１ｂは変形ランプリフレクター、１
ｃはランプ前面ガラスである。発光部１ａ、変形ランプ
リフレクター１ｂおよびランプ前面レンズ１ｃから実施
の形態１のランプ１が構成されている。

【００５２】発光部１ａは、ガラス球内の中心に電極を
備えて構成されており、電極と電極との間から光が発す
るようになっている。この電極間が発光部１ａの光源に
なっている。発光部１ａは、従来の技術で示した発光部
１０１ａと同等のものであり、図１２の輝度分布特性、
図１３の配向分布特性を有している。

【００５３】ランプ１を特徴付ける構成要素の変形ラン
プリフレクター１ｂは、発光部１ａからの光を非球面反
射面によって反射し、変形ランプリフレクター１ｂの開
口から出射するように設計されている。変形ランプリフ
レクター１ｂの非球面反射面とは、多項式で表される平
面曲線をその回転軸（光軸）周りに回転して得られる凹
面鏡であり、回転放物面に近い形状をしている。

【００５４】変形ランプリフレクター１ｂとともにラン
プ１を特徴付ける構成要素のランプ前面レンズ１ｃは、
回転軸（光軸）に対称な非球面レンズとなっている。こ
のランプ前面レンズ１ｃは、変形ランプリフレクター１
ｂの開口部分にフタをするように設けられており、発光
部１ａが稀に起こす破裂事故などの対策を兼ねると同時
に、変形ランプリフレクター１ｂからの反射光にレンズ
作用を与える働きを持っている。

【００５５】図１のランプ前面レンズ１ｃは、変形ラン
プリフレクター１ｂからの反射光の入射面だけに凹凸の
レンズ面を形成した片面非球面レンズであるが、ランプ
１の使用条件に応じて、レンズ面を出射面だけに形成し
た片面非球面レンズや、入射面と出射面の両方にレンズ
面を形成した両面非球面レンズであっても良い。

【００５６】２ａ，２ｂはそれぞれコンデンサーレンズ
（コンデンサーレンズ群）と呼ばれる球面レンズであ
る。コンデンサーレンズ２ａ，２ｂは、ランプ前面レン
ズ１ｃからの出射光をその焦点（以下、レンズ焦点とい
う）に集光する働きをしている。収差を抑えるために複
数枚のレンズから構成されることが普通である。

【００５７】３はロッドインテグレーターと呼ばれる柱
状のガラスであり、入射面３ａで受光した光が側面３ｂ
を全反射しながらその内部を透過して出射面３ｃから出
射する構造になっている。光の受光効率の向上、つまり
入射面３ａでの光の取り込みを可能な限り多くして損失
を抑えるために、通常、コンデンサーレンズ２ａ，２ｂ
のレンズ焦点にロッドインテグレーター３の入射面３ａ
を配置する。

【００５８】発光部１ａの中心、コンデンサーレンズ２
ａ，２ｂの中心、ロッドインテグレーター３の入射面３
ａの中心を結ぶ直線Ｚは光軸であり、変形ランプリフレ
クター１ｂやランプ前面レンズ１ｃの回転軸と一致す
る。光軸Ｚの正方向は光の進行方向に取る。なお、実施
の形態１の集光光学系は、ランプ１、コンデンサーレン
ズ２ａ、２ｂおよびロッドインテグレーター３から構成
されている。

【００５９】まず始めに動作について説明する。前述し
たように、発光部１ａは従来と同様の輝度分布特性、配
向分布特性で発光する。発光部１ａから発した大部分の
光は、変形ランプリフレクター１ｂの非球面反射面によ
って反射され、光軸Ｚの正方向に向って進行する。

【００６０】変形ランプリフレクター１ｂの反射光は、
ランプ前面レンズ１ｃのレンズ作用を受けて出射すると
その主光線は光軸Ｚと平行になる。従来のランプ１０１
では、ランプ前面ガラス１０１ｃから出射する光の発散
角は光軸Ｚからの距離に応じて変化していたが、この発
明のランプ１では、ランプ前面レンズ１ｃから出射する
光の発散角は光軸Ｚからの距離に依らず一定である。ラ
ンプ前面レンズ１ｃから出射した光は、コンデンサーレ
ンズ２ａ，２ｂで屈折してレンズ焦点に集光して、ロッ
ドインテグレーター３の入射面３ａへ入射してその内部
を透過する。

【００６１】コンデンサーレンズ２ａ，２ｂは、入射面
３ａへ入射する光がロッドインテグレーター３の側面３
ｂで全反射をするように設計されているので、従来の図
１４と同様に、入射面３ａから入射した光は、側面３ｂ
で全反射を繰り返して出射面３ｃから出射する。

【００６２】全反射の現象を利用しているので、側面３
ｂから光の漏れがなく、ロッドインテグレーター３内で
の損失は発生しない。その際、コンデンサーレンズ２
ａ，２ｂからの光は様々な入射角で入射面３ａへ入射す
るため、側面３ｂで全反射を繰り返えした光の照度分布
は、従来の図１５（ｂ）と同様に、出射面３ｃでほぼ一
様になる。

【００６３】ロッドインテグレーター３で作り出された
一様な照度分布を持つ光は、後続の光学系によって転写
される。例えば、ＤＭＤチップや液晶パネルなどの光変
調素子を用いた画像表示装置の場合には、ロッドインテ
グレーター３の出射光はリレー光学系を介して光変調素
子を照射し、光変調素子から画像情報を得る。画像情報
を得た光は、投影光学系を介してスクリーンに投影さ
れ、画像情報に基づいた画像をスクリーンに表示する。

【００６４】次にランプ１の特徴について具体的に説明
する。図２は従来のランプ１０１と実施の形態１のラン
プ１とを比較するための図であり、図２（ａ）はランプ
１０１、図２（ｂ）はランプ１である。図１、図１１と
同一または相当する構成については同一符号を付してあ
る。図２では、発光部１ａ，１０１ａの中心点Ｐｆから
等しい放射角度間隔でそれぞれ発した光線群を示してい
る。また、符号Ｓで示した平面は光軸Ｚと直交する仮想
平面であり、ランプリフレクター１ｂの非球面反射面の
形状を説明するために仮想的に図示している。

【００６５】図２（ａ）のランプ１０１の場合、発光部
１０１ａの中心点Ｐｆから等しい放射角度間隔で発した
光線群は、ランプリフレクター１０１ｂの回転放物面で
反射されて光軸Ｚと平行な光線群に変換される。この平
行光線群は、平面形状のランプ前面ガラス１０１ｃを透
過してそのまま光軸Ｚの正方向へ進行する。

【００６６】図２（ａ）の場合には、光軸Ｚ上における
仮想平面Ｓの位置が正方向へ移動しても、平行光線群が
仮想平面Ｓを通過する断面積Ｓ０の大きさは変化しな
い。また、断面積Ｓ０における平行光線群の分布は均一
ではなく、光軸Ｚの近傍では密、光軸Ｚから離れるにし
たがって疎になっている。

【００６７】一般に、有限の大きさを持つ光源をコリメ
ートする場合、コリメーターレンズの焦点から出射した
光線のコリメート光は完全に平行になって主光線を形成
するが、焦点と異なる位置から出射する光線は発散光成
分になる。また、この場合、同じ光源を用いたとしても
パワーの大きなコリメーターレンズほどコリメート光の
発散角は大きくなり、パワーの小さなコリメーターレン
ズほどコリメート光の発散角は小さくなる。

【００６８】ところで、ランプ１０１の場合、ランプリ
フレクター１０１ｂの回転放物面は光軸Ｚの近傍ほどパ
ワーが大きく、光軸Ｚから離れるにつれてパワーが小さ
くなっている。ランプリフレクターの持つコリメート作
用に対して前述の原理を当てはめてみると、回転放物面
の光軸Ｚの近傍で反射した光束は、その大きなパワーに
応じた大きな発散角で出射し、回転放物面の光軸Ｚから
離れた部分で反射した光束は、その小さなパワーに応じ
た小さな発散角でランプ前面ガラス１０１ｃから出射す
る。

【００６９】ランプ１０１から出射する光束の様子を図
３（ａ）に示す。図３（ａ）では発光部１０１ａから発
した光束が光軸Ｚの近傍の光束１０８ａとして出射した
場合と、光軸Ｚから離れた光束１０８ｂとして出射した
場合とを図示している。光束１０８ｂの発散角と比較し
て、光束１０８ａの発散角が大きくなっていることが理
解できる。

【００７０】一般に、レンズを用いて平行光線を集光す
る場合、レンズへ入射する平行光線がレンズの光軸に対
して平行な場合には、レンズへ入射した平行光線はレン
ズ焦点に集光されるが、レンズへ入射する平行光線がレ
ンズの光軸に対してある角度を持っている場合には、レ
ンズへ入射した平行光線は光軸に対して垂直方向へレン
ズ焦点からズレた位置に集光される。ゆえに、発散角の
大きい光束１０８ａに対するコンデンサーレンズ１０２
ａ，１０２ｂの集光点は、光軸Ｚを中心とした大きな範
囲に広がってしまう。逆に、発散角の小さい光束１０８
ｂに対する集光点は、光軸Ｚを中心とした比較的小さな
範囲に収まる。

【００７１】従来の課題で述べたように、反射光の発散
角が大きくなるランプリフレクター１０１ｂの光軸Ｚの
近傍は、図１８に示した光度分布特性のボリュームゾー
ンＶの光を反射する部分であり、また、発散角が小さく
なる光軸Ｚから離れた領域は、ボリュームゾーンＶより
も低い光度の光を反射する部分である。このことが、ロ
ッドインテグレーター３の入射面３ａに対する光の取り
込みを劣化させている要因であった。

【００７２】以上の従来のランプ１０１における出射光
束の発散角を改善することによって入射面３ａでの光の
取り込み効率の向上を狙ったのがランプ１の特徴であ
る。図２（ｂ）に示したランプ１においては、非球面反
射面からなる変形ランプリフレクター１ｂと、非球面レ
ンズであるランプ前面レンズ１ｃの組合せを用いて光の
コリメーションを行う。

【００７３】図２（ｂ）に示した変形ランプリフレクタ
ー１ｂの非球面反射面は、中心点Ｐｆから等放射角度で
光を発した場合、デッドゾーンＤを埋めるように光線を
広げ、なおかつ変形ランプリフレクター１ｂが反射した
光線群が仮想平面Ｓを通過する断面積（通過断面積）Ｓ
１上において、光線群の密度が均一になるように設計さ
れている。従来のランプ１０１で見られたデッドゾーン
（円形領域）Ｄは、ランプリフレクター１０１ｂで反射
した平行光線群に光軸Ｚを中心として囲まれた領域であ
り、平行光線群が存在しない。すなわち、デッドゾーン
Ｄは、発光部１０１ａの光源からの光をランプリフレク
ター１０１ｂの回転放物面によって反射しても光の出射
しない領域であり、ランプ前面ガラス１０１ｃの出射面
上で光軸Ｚを中心とした円形になっている。一方、ラン
プ前面レンズ１ｃは、変形ランプリフレクター１ｂによ
って反射された光線の角度を光軸Ｚと平行になるように
修正する働きをする。したがって、ランプ１から出射し
た平行光線群は、ランプ前面レンズ１ｃの出射面と等し
い円形断面積を有している。

【００７４】以上に述べた変形ランプリフレクター１ｂ
とランプ前面レンズ１ｃの組合せが形成するコリメータ
ーレンズ系は、発光部１ａの中心点Ｐｆから任意の微小
立体角内に発せられる光束に対して、その出射断面積が
一定となる。これは、このコリメーターレンズ系が光束
の放射方向に依らずに一定のパワーを持つことを示して
おり、すなわち出射光束の発散角が任意の地点で一定に
なることを意味する。

【００７５】さらに、変形ランプリフレクター１ｂはデ
ッドゾーンＤを埋めるように光線を広げるため、コリメ
ーターレンズ系はその分だけパワーを緩めることがで
き、出射光の発散角を抑える効果がある。ランプ１から
出射する光束の様子を図３（ｂ）に示す。

【００７６】図３（ｂ）では、発光部１ａから発した光
束が光軸Ｚ近傍の光束４ａとして出射した場合と、光軸
Ｚから離れた光束４ｂとして出射した場合とを図示して
いる。光軸Ｚ近傍から出射した光束４ａの発散角と、光
軸Ｚから離れた光束４ｂの発散角とがほとんど等しくな
っていることが理解できる。

【００７７】従来の技術で示した図１６、図１７になら
って、この実施の形態１の効果を具体的に解析した結果
を次に示す。図４に示すように、ランプ前面レンズ１ｃ
での光束の出射位置Ｒをパラメーターとして、発光部１
ａの電極の近傍にあって発光する先端点Ｐｄ，Ｐｅおよ
びこれらの中心点Ｐｆからそれぞれ発した光束５ｄ，５
ｅ，５ｆの入射面３ａへの入射位置Ｒｉを解析した結果
を図５に示す。

【００７８】図５はランプ前面レンズ１ｃの光出射位置
と入射面３ａの光入射位置との関係を示す図であり、従
来の図１７と比較できる。図１と同一の符号は同一また
は相当する構成である。図５において、横軸はランプ前
面レンズ１ｃから光束が出射する位置を表しており、図
４の光軸Ｚからの距離Ｒである。縦軸はロッドインテグ
レーター３の入射面３ａに光束が入射する位置であり、
図４の光軸Ｚからの距離Ｒｉがこれに相当する。

【００７９】この解析では、アーク長ｄ＝１．３［ｍ
ｍ］、変形ランプリフレクター１ｂの開口径＝７０［ｍ
ｍ］、入射面３ａは断面積＝５×６．５［ｍｍ^２］と
し、コンデンサーレンズ２ａ，２ｂから入射面３ａへＦ
値１で集光している。図５の符号６ａ，６ｂで示される
Ｒｉ＝±２．５［ｍｍ］の直線は入射面３ａの境界を表
しており、｜Ｒｉ｜≦２．５［ｍｍ］の領域が入射面３
ａのサイズに相当する。

【００８０】ランプ１から出射した各光束５ｄ，５ｅ，
５ｆは、ランプ前面レンズ１ｃの光軸Ｚとの交点から、
ランプ前面レンズ１ｃ出射面の外径までの出射位置、つ
まりＲ＝０〜３４［ｍｍ］の全出射範囲に対して、境界
６ａ〜境界６ｂで挟まれる入射位置｜Ｒｉ｜≦２．５
［ｍｍ］の領域に完全に収まっており、従来で見られた
損失Ｌｄ，Ｌｅを発生せず、入射面３ａへ必ず入射する
ことが分かる。

【００８１】なお、変形ランプリフレクター１ｂに対す
る発光部１ａの位置は、発光部１ａのアーク長ｄの方向
を光軸Ｚに一致させ、輝度分布特性や配向分布特性、ボ
リュームゾーンＶなど、発光部１ａの発する光の諸特性
に応じて変形ランプリフレクター１ｂの非球面反射面を
例えば次のようにして設計する。

【００８２】図６は発光部１ａに対する変形ランプリフ
レクター１ｂの非球面反射面の設計例を示す図であり、
図１と同様に、光軸Ｚを含む任意の平面で変形ランプリ
フレクター１ｂを切断している。図１と同一または相当
する構成については同一符号を付してある。

【００８３】まず、光軸Ｚ上の発光部１ａに対するラン
プ前面レンズ１ｃの設置位置８を設定する。発光部１ａ
の中心点Ｐｆからの光線の放射方向は例えば図１３のよ
うに決まっているので、光軸Ｚの負方向へ向う最外放射
角の光線７ａに注目する。従来のランプ１０１のランプ
リフレクター１０１ｂによる反射が起こる地点に微小ミ
ラー１ｂ−１を設置する。この微小ミラー１ｂ−１はラ
ンプ前面レンズ１ｃの設置位置８が光軸Ｚと交わる交点
Ｑ１に向って光線７ａを反射させなくてはならないた
め、図６において、微小ミラー１ｂ−１の光軸Ｚに対す
る角度は一意的に決定される。

【００８４】次に光軸Ｚの正方向に向って微小放射角度
ｄθだけ光線７ａとズレた光線７ｂを考える。前述の微
小ミラー１ｂ−１を延長する線とこの光線７ｂとの交差
する点において、ランプ前面レンズ１ｂの設置位置８が
光軸Ｚと交わる交点Ｑ１から光軸Ｚに垂直な方向へ微小
距離ｄｒだけズレた交点Ｑ２に向って反射を行う微小ミ
ラー１ｂ−２を設定する。微小ミラー１ｂ−１と同様
に、微小ミラー１ｂ−２の光軸Ｚに対する角度は一意的
に決定される。

【００８５】微小放射角度ｄθと微小距離ｄｒとを常に
一定に保ちつつ、以上のプロセスを光線の全放射角範囲
で繰り返し、微小ミラーの集合を形成する。微小放射角
度ｄθと微小距離ｄｒとの比は任意に設定することがで
きるが、一般的には、発光部１ａの中心点Ｐｆから光軸
Ｚの正方向に向う最外角の光線のランプ前面レンズ１ｃ
における到達地点の半径が、ランプ１０１の出射光束の
半径程度になるように設定する。

【００８６】微小放射角度ｄθと微小距離ｄｒとの比を
保ちつつ、両者の値を無限に小さくすると、変形ランプ
リフレクター１ｂの非球面反射面の形状が決定される。
また、以上のようにして設計された変形ランプリフレク
ター１ｂからの各光線を屈折して光軸Ｚと平行に出射す
るように、ランプ前面レンズ１ｃの非球面レンズ面の形
状が設計される。

【００８７】このように、発光部１ａの中心点Ｐｆから
光線群の放射角の大きさに応じて、変形ランプリフレク
ター１ｂで反射した光線群をランプ前面レンズ１ｃの入
射面全面へ互いに交差しないように入射し、ランプ前面
レンズ１ｃのレンズ作用によって入射した光線群を光軸
Ｚに対する平行光線群に変換して出射するようにランプ
１を設計している。したがって、ランプ１から出射した
平行光線群は、ランプ前面レンズ１ｃの出射面と等しい
円形断面積を有するようになる。

【００８８】また、図２では、等しい放射角度間隔で中
心点Ｐｆからそれぞれ発した光線群をできるだけ均一に
断面積Ｓ１へ分配したが、光軸Ｚから離れた部分の反射
光束は光度が低いので、例えばボリュームゾーンＶ以外
の光束よりも、ボリュームゾーンＶに含まれる光束の断
面積を大きくして仮想平面Ｓ上での分布を不均一にし、
ボリュームゾーンＶの発散角をより抑制するようにして
も良い。

【００８９】さらに、ボリュームゾーンＶの規定は特に
限定されるわけではなく、光度０より大きくピーク値よ
りも小さい適当な光度レベルを光度閾値として、光度閾
値以上の高い光度の領域をボリュームゾーンＶと定めれ
ば良い。

【００９０】最後に、この実施の形態１による集光光学
系を適用した画像表示装置の一例を示す。図７はこの発
明の実施の形態１による画像表示装置の構成例を示す図
である。図１と同一または相当する構成については同一
符号を付してある。図７において、１１はこの実施の形
態１による集光光学系からの光を３原色に色分離するカ
ラーホイール、１２はロッドインテグレーター３からの
光をリレーするリレーレンズ（リレー光学系）、１３は
光路を折り曲げる折り返しミラー（リレー光学系）、１
４は入射光束中の各点の主光線方向をそろえるフィール
ドレンズ（リレー光学系）である。カラーホイール１１
は、ロッドインテグレーター３の入射面３ａの前や出射
面３ｃの後に設けられる。

【００９１】１５はＴＩＲプリズム（光変調素子）、１
６は光変調素子であるＤＭＤチップ（光変調素子）、１
７はＤＭＤチップ１６の強度変調光を結像させる投影レ
ンズ（投影光学系）、１８は投影レンズ１７が結像した
光を背面から受光して画像を表示するスクリーンであ
る。ＴＩＲプリズム１５は、投影レンズ１７の入射部に
よって入射光束がケラレるのを防止するため、入射光束
のみＤＭＤチップ１６へ全反射し、ＤＭＤチップ１６か
らの出射光束は直進させて投影レンズ１７へそのまま通
過するものであり、集光光学系やリレー光学系から投影
光学系を構造的に分離する働きをしている。

【００９２】次に動作について説明する。コンデンサー
レンズ２ａ，２ｂは、ランプ１から出射した光をＦ値１
の円錐形の光束としてそのレンズ焦点に集光する。集光
された光は、カラーホイール１１によって指定した色だ
けが選択され、ロッドインテグレーター３へ入射面３ａ
から入射する。ロッドインテグレーター３の出射面３ｃ
から出射したほぼ均一な光強度分布の光はＦ値１で出射
し、リレーレンズ１２、折り返しミラー１３、フィール
ドレンズ１４から成るリレー光学系によって順次リレー
されてＴＩＲプリズム１５へ入射する。

【００９３】ＴＩＲプリズム１５への入射光は、ＴＩＲ
プリズム１５内部で反射されてＤＭＤチップ１６へ照射
される。ＤＭＤチップ１６はデジタル画像情報により画
像情報を光束に与えて強度変調光として出射する。ＤＭ
Ｄチップ１６が出射した画像情報を得た強度変調光は、
ＴＩＲプリズム１５を再び透過して投影レンズ１７から
スクリーン１８へと投影される。

【００９４】図７の画像表示装置では、この実施の形態
１の集光光学系を照明光源として用いているので、従来
の画像表示装置と比較すると、スクリーン１８に投影さ
れる画像の明るさを改善できる。解析結果によれば、従
来と比較して約１．１〜１．２倍も画像を明るくするこ
とができ、非常に大きな改善効果を期待できる。また、
従来のランプ１０１ａをランプ１と交換するだけで、画
像表示装置の他の構成要素はそのまま利用できるので、
この明るさを改善する際の労力は比較的少なくて済む。

【００９５】ここでは、ＤＭＤチップ１６を用いた画像
表示装置に集光光学系を適用した場合について説明した
が、図７以外の構成や液晶パネルを用いた画像表示装置
にも適用することが可能である。

【００９６】以上のように、この実施の形態１によれ
ば、ランプリフレクター１０１ｂの回転放物面を光軸Ｚ
に対して回転対称な非球面反射面に変形した変形ランプ
リフレクター１ｂと、ランプ前面ガラス１０１ｃの入射
面を光軸Ｚに対して回転対称な非球面レンズ面に変形し
たランプ前面レンズ１ｃとを備え、発光部１ａの光源の
中心点Ｐｆから発した光線群を変形ランプリフレクター
１ｂで反射し、ランプ前面レンズ１ｃの出射面と等しい
円形断面積を有する平行光線群としてランプ前面レンズ
１ｃから出射するようにしたので、従来と比較して、発
散角の抑制された光束を平行光線群とともに出射できる
という効果が得られる。

【００９７】また、この実施の形態１によれば、光軸Ｚ
の方向と一致した方向のアーク長ｄによって大きさが規
定される光源から光を発する発光部１ａと、非球面反射
面によって発光部１ａの光源が発した光を光軸Ｚの正方
向へ反射する変形ランプリフレクター１ｂと、変形ラン
プリフレクター１ｂで反射した光を非球面レンズ面で屈
折して出射するランプ前面レンズとを備え、発光部１ａ
の光源の中心点Ｐｆから発した光線群と光軸Ｚとのそれ
ぞれなす放射角の大きさに応じて、変形ランプリフレク
ター１ｂが中心点Ｐｆから発した光線群をランプ前面レ
ンズ１ｃの入射面全面へ互いに交差することなく反射
し、ランプ前面レンズ１ｃが変形ランプリフレクター１
ｂで反射した光線群を非球面レンズ面で屈折して光軸Ｚ
に対する平行光線群として出射するようにしたので、従
来と比較して、発散角の抑制された光束を平行光線群と
ともに出射できるという効果が得られる。

【００９８】さらに、この実施の形態１によれば、発光
部１ａの中心点Ｐｆが発した光線群の断面積Ｓ１上の密
度を均一にするようにしたので、ランプ前面レンズ１ｃ
の出射位置によらず、発光部１ａが発した全ての光束の
発散角をほぼ一定にして出射できるという効果が得られ
る。

【００９９】さらに、この実施の形態１によれば、ラン
プ１と、ランプ１からの光をそのレンズ焦点に集めるコ
ンデンサーレンズ２ａ，２ｂと、レンズ焦点に集められ
た光を入射面３ａで受光し、側面３ｂで全反射を繰り返
した光を出射面３ｃから出射するロッドインテグレータ
ー３とから集光光学系を構成するようにしたので、従来
と比較して、レンズ焦点における発光部１ａの光源像の
広がりを抑制することができ、ロッドインテグレーター
３の入射面３ａで生じる損失を軽減できるという効果が
得られる。

【０１００】さらに、この実施の形態１によれば、ラン
プ１、コンデンサーレンズ２ａ，２ｂおよびロッドイン
テグレーター３から成る集光光学系と、ロッドインテグ
レーター３の入射面３ａの前または出射面３ｃの後に設
けられ、光を３原色に色分離する少なくとも１枚のカラ
ーホイール１１と、集光光学系の出射光をリレーするリ
レー光学系としてのリレーレンズ１２、折り返しミラー
１３およびフィールドレンズ１４と、リレー光学系から
の光に画像情報を与えて出射する光変調素子としてのＴ
ＩＲプリズム１５およびＤＭＤチップ１６と、光変調素
子から画像情報を得た光を投影する投影レンズ１７と、
投影された光を受光して画像を表示するスクリーン１８
とから画像表示装置を構成するようにしたので、ロッド
インテグレーター３の入射面３ａで発生する損失を軽減
できるようになり、従来と比較して、スクリーン１８に
表示される画像の明るさを改善できるという効果が得ら
れる。

【０１０１】なお、ランプ１を設計する際にはデッドゾ
ーンＤを完全に埋める必要はなく、デッドゾーンＤを縮
小するように変形ランプリフレクター１ｂで光を反射す
れば、ランプ前面レンズ１ｃから出射する光の断面積が
広がるようになるので、同様の効果を得ることができ
る。

【０１０２】実施の形態２．液晶パネルを用いた画像表
示装置では偏光した光を利用するため、ランプから出射
される光をそのまま用いた場合、利用される一方の偏光
成分に対して直角な他方の偏光成分は無駄に捨てられて
しまう。そのため、液晶パネルの画像表示装置にランプ
の光を用いる場合、レンズアレイと偏光変換素子とを組
み合わせて偏光成分をそろえる方法が一般に採られる。
この実施の形態２では、実施の形態１のランプ１を用い
た偏光変換光学系について説明する。

【０１０３】図８はこの発明の実施の形態２による偏光
変換光学系の構成を示す図であり、液晶パネルに対して
光を入射するために用いられる。図１と同一または相当
する構成については同一の符号を付してある。図８にお
いて、２１はレンズアレイと呼ばれ、複数のレンズ２１
ａをアレイ状に配置した構造を持つ。２２は複数の偏光
ビームスプリッター２２ａ（以下、ＰＢＳと略す）から
成るＰＢＳアレイ（偏光変換素子）であり、レンズアレ
イ２１のレンズ焦点付近に設置されている。ＰＢＳ２２
ａは等間隔でアレイ状に並んでＰＢＳアレイ２２を構成
している。

【０１０４】発光部１ａの光源から発した大部分の光
は、変形ランプリフレクター１ｂの非球面反射面で反射
する。この反射光は、光軸Ｚの正方向へ光が進行すると
ともに断面積が大きくなり、かつ光線の分布が均一にな
っている。変形ランプリフレクター１ｂから光軸Ｚの正
方向に向う光線はランプ前面レンズ１ｃを透過して、ほ
ぼ平行光となってランプ１から出射する。ここでは、平
行光の断面積を大きくし、かつランプ前面レンズ１ｃの
出射位置によらず、分布が均一になるように変形ランプ
リフレクター１ｂの非球面反射面を形成している。

【０１０５】ランプ１から出射した平行光は、レンズア
レイ２１の各レンズ２１ａを透過してＰＢＳアレイ２２
付近のレンズ焦点に集まる。その後、ＰＢＳアレイ２２
を透過して出てきた光はＳ偏光成分のみとなって後続の
光学系で使用される。

【０１０６】図９はＰＢＳアレイ２２の働きを説明する
ための図である。図８と同一符号は同一の構成要素であ
る。図９において、２２ｂは光を遮る遮光板、２２ｃは
Ｐ偏光成分をＳ偏光成分に変換する位相差フィルムであ
る。遮光板２２ｂ，位相差フィルム２２ｃは、各ＰＢＳ
２２ａの入射面、出射面にそれぞれ交互に設けられてい
る。例えば、入射面に遮光板２２ｂを有するＰＢＳ２２
ａに隣接した各ＰＢＳ２２ａには、位相差フィルム２２
ｃがその出射面にそれぞれ貼られている。

【０１０７】Ｐ偏光成分（直交偏光成分）とＳ偏光成分
（直交偏光成分）とから成るランプ１からのランダム光
（図９の符号Ｐ＋Ｓ）は、位相差フィルム２２ｃが貼ら
れたＰＢＳ２２ａへ入射し、ＰＢＳ２２ａ内を直進する
Ｐ偏光成分（図９の符号Ｐ）と反射するＳ偏光成分（図
９の符号Ｓ）とに分解される。Ｐ偏光成分はそのまま直
進して位相差フィルム２２ｃによってＳ偏光成分に変換
され、ＰＢＳアレイ２２から出射する。一方、Ｓ偏光成
分は隣接するＰＢＳ２２ａの一方へ反射し、光軸Ｚ方向
へ再び反射して、ＰＢＳアレイ２２からＳ偏光成分のま
ま出射する。

【０１０８】ＰＢＳアレイ２２が正しく機能するのは位
相差フィルム２２ｃが貼られたＰＢＳ２２ａに光が入射
した場合であり、位相差フィルム２２ｃのないＰＢＳ２
２ａに入射した光はＰ偏光になってしまい、液晶パネル
で使うことができない。そのため一般に余分な迷光を避
けるため、位相差フィルム２２ｃの貼られていないＰＢ
Ｓ２２ａに対しては遮光板２２ｂが取りつけられてい
る。

【０１０９】図１２に示した通り、発光部１ａの光源は
光軸Ｚ方向にアーク長ｄで長く伸びている。この事実を
考慮して、発光部１ａの両電極の先端点Ｐｄ，Ｐｅおよ
び中心点Ｐｆから発した光がレンズアレイ２１を透過し
た後に、どこに焦点を結ぶのかを示す図を図１０に示
す。

【０１１０】図１０はレンズアレイ２１をそれぞれ備え
た従来のランプ１０１と発明のランプ１とを比較するた
めの図であり、図１０（ａ）はランプ１０１、図１０
（ｂ）はランプ１をそれぞれ示している。図８と同一符
号は同一の構成要素である。

【０１１１】図１０（ａ）より、ランプ１０１からの光
束は光軸Ｚに近いほど発散角が大きくなるため、レンズ
アレイ２１の各レンズ２１ａでは光軸Ｚに近いほど光源
像が非常に大きくなり、光軸Ｚから離れるほど光源像が
小さくなっていることが分かる。つまり、レンズアレイ
２１を備えたランプ１０１をＰＢＳアレイ２２に適用し
た場合、ＰＢＳ２２ａが等間隔で並ぶＰＢＳアレイ２２
の光軸Ｚ付近では、光源像が大きいためにＰＢＳアレイ
の遮光板２２ｂによる光のケラレが大きくなって光量を
損失してしまう。

【０１１２】一方、図１０（ｂ）では、ランプ１０１か
らの光束は光軸Ｚからの距離によらず発散角が均一なの
で、レンズアレイ２１の各レンズ２１ａでは光軸Ｚから
の距離によらずにその光源像の広がり方が一定となって
いる。そのため、レンズアレイ２１を備えたランプ１を
ＰＢＳアレイ２２に適用した場合、図１０（ａ）で見ら
れた光のケラレ量が大幅に減少し、光学系の光利用効率
を向上させることができる。

【０１１３】以上のように、この実施の形態２によれ
ば、ランプ１と、複数のレンズ２１ａから構成され、ラ
ンプ１から均一の分布で出射した光束をレンズ焦点に集
光するレンズアレイ２１と、レンズアレイ２１のレンズ
焦点付近に設置されるとともに、等間隔でアレイ状に並
ぶ複数のＰＢＳ２２ａから構成され、光束に含まれる直
交する２つの偏光成分を一致させて出射するＰＢＳアレ
イ２２とから偏光変換光学系を構成するようにしたの
で、光軸Ｚ付近の各ＰＢＳ２２ａにおける光のケラレを
大幅に減少することができ、光学系の光利用効率を向上
できるという効果が得られる。

【０１１４】なお図示は省略するが、画像情報を光に与
える液晶パネル（光変調素子）と、この実施の形態２の
偏光変換光学系からの出射光を液晶パネル入射面へ重ね
合わせて入射するインテグレーター光学系と、液晶パネ
ルから出射した光を投影する投影光学系と、投影光学系
から投影された光を受光して、画像情報に基づく画像を
表示するスクリーンとを用いて画像表示装置を構成する
ことにより、光のケラレを減少した分だけ、画像表示装
置のスクリーンに表示される画像をより明るくすること
ができる。

【０１１５】また、液晶パネルを用いた画像表示装置に
限定されるわけではなく、ＤＭＤチップ（光変調素子）
の画像表示装置にこの実施の形態２の偏光変換光学系を
用いるようにしても良く、画像の明るさを改善すること
ができるとともに、偏光を利用した画像表示を行うこと
ができるようになる。

【０１１６】

【発明の効果】以上のように、この発明によれば、ラン
プリフレクターの回転放物面を光軸に対して回転対称な
非球面反射面に変形すると共に、ランプ前面ガラスの入
射面または出射面の少なくとも一方を光軸に対して回転
対称な非球面レンズ面に変形することによって、光源か
ら各放射方向へ発する各光線群に異なるパワーをそれぞ
れ作用させて各光線群を平行光線群にコリメートし、ラ
ンプ前面レンズ出射面における発散角の分布を制御する
ようにしたので、従来と比較して、発散角の抑制された
光束を平行光線群とともに出射できるという効果が得ら
れる。

【０１１７】この発明によれば、光源から発した光を回
転放物面によって反射した際に生じる、ランプ前面ガラ
スの出射面上で光軸を中心とした光の出射しない円形領
域に対して、非球面反射面の反射および非球面レンズ面
のレンズ作用によって円形領域を縮小するようにしたの
で、従来と比較して、発散角の抑制された光束を平行光
線群とともに出射できるという効果が得られる。

【０１１８】この発明によれば、ランプ前面レンズ出射
面上の任意の点における出射光束の発散角を一定にして
出射するようにしたので、ランプ前面レンズ出射位置の
光軸からの距離に依らず、発光部が発した全ての光束の
発散角をほぼ一定にして出射できるという効果が得られ
る。

【０１１９】この発明によれば、上記のランプと、アレ
イ状に構成された複数のレンズを有し、ランプから出射
した光を複数のレンズ焦点にそれぞれ集光するレンズア
レイと、レンズアレイのレンズ焦点付近に設置されると
ともに、アレイ状に構成された複数の偏光ビームスプリ
ッターを有し、ランプ前面ガラスから出射した光に含ま
れる２つの直交偏光成分を一致させて出射する偏光変換
素子とを備えるようにしたので、光軸付近の各偏光ビー
ムスプリッターにおける光のケラレを大幅に減少するこ
とができ、光学系の光利用効率を向上できるという効果
が得られる。

【０１２０】この発明によれば、上記のランプと、ラン
プから出射した光をレンズ焦点に集めるコンデンサーレ
ンズ群と、レンズ焦点に集められた光を入射面で受光
し、側面で全反射を繰り返した光を出射面から出射する
ロッドインテグレータとを備えるようにしたので、従来
と比較して、コンデンサーレンズ群のレンズ焦点におけ
る光源像の広がりを抑制することができ、ロッドインテ
グレーターの入射面で生じる損失を軽減できるという効
果が得られる。

【０１２１】この発明によれば、上記の偏光変換光学系
と、入射した光に画像情報を与えて出射する光変調素子
と、偏光変換光学系から出射した光を光変調素子の入射
面へ重ね合わせて入射するインテグレーター光学系と、
画像情報を得て光変調素子から出射した光を投影する投
影光学系と、投影光学系から投影された光を受光して、
画像情報に基づく画像を表示するスクリーンとを備える
ようにしたので、スクリーンに表示される画像の明るさ
を改善できるという効果が得られる。

【０１２２】この発明によれば、上記の集光光学系と、
集光光学系から出射した光をリレーするリレー光学系
と、リレー光学系によってリレーされた光に画像情報を
与えて出射する光変調素子と、画像情報を得て光変調素
子から出射した光を投影する投影光学系と、投影光学系
から投影された光を受光して、画像情報に基づく画像を
表示するスクリーンとを備えるようにしたので、スクリ
ーンに表示される画像の明るさを改善できるという効果
が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明の実施の形態１によるランプを適用
した集光光学系の構成を示す図である。

【図２】 従来のランプと実施の形態１のランプとを比
較するための図である。

【図３】 従来のランプおよび実施の形態１のランプに
おける出射光束の発散角を比較するための図である。

【図４】 ランプ前面レンズの出射位置とロッドインテ
グレーターの入射面の入射位置とを示す図である。

【図５】 ランプ前面レンズの光出射位置とロッドイン
テグレーターの入射面の光入射位置との関係を示す図で
ある。

【図６】 発光部に対する変形ランプリフレクターの非
球面反射面の設計例を示す図である。

【図７】 この発明の実施の形態１による画像表示装置
の構成例を示す図である。

【図８】 この発明の実施の形態２による偏光変換光学
系の構成を示す図である。

【図９】 ＰＢＳアレイの働きを説明するための図であ
る。

【図１０】 レンズアレイをそれぞれ備えた従来のラン
プと発明のランプとを比較するための図である。

【図１１】 従来のランプを用いた集光光学系の構成を
示す図である。

【図１２】 発光部の典型的な輝度分布特性を示す図で
ある。

【図１３】 発光部の典型的な配向分布特性を示す図で
ある。

【図１４】 ロッドインテグレーター内部の透過光の光
路を示す図である。

【図１５】 ロッドインテグレーターの入射光および出
射光の照度分布特性を示す図である。

【図１６】 ロッドインテグレーターの入射面に現れる
発光部の光源の像を説明するための図である。

【図１７】 ランプ前面ガラスの光出射位置と入射面の
光入射位置との関係を示す図である。

【図１８】 ランプ前面ガラスにおける出射光の光度分
布を示す図である。

【符号の説明】

１ ランプ、１ａ 発光部、１ｂ 変形ランプリフレク
ター、１ｂ−１，１ｂ−２ 微小ミラー、１ｃ ランプ
前面レンズ、２ａ，２ｂ コンデンサーレンズ（コンデ
ンサーレンズ群）、３ ロッドインテグレーター、３ａ
入射面、３ｂ側面、３ｃ 出射面、４ａ，４ｂ，５
ｄ，５ｅ，５ｆ 光束、６ａ，６ｂ 境界、７ａ，７ｂ
光線、８ 設置位置、１１ カラーホイール、１２
リレーレンズ（リレー光学系）、１３ 折り返しミラー
（リレー光学系）、１４ フィールドレンズ（リレー光
学系）、１５ ＴＩＲプリズム（光変調素子）、１６
ＤＭＤチップ（光変調素子）、１７ 投影レンズ（投影
光学系）、１８ スクリーン、２１ レンズアレイ、２
１ａ レンズ、２２ ＰＢＳアレイ（偏光変換素子）、
２２ａ 偏光ビームスプリッター、２２ｂ 遮光板、２
２ｃ 位相差フィルム、１０１ ランプ、１０１ａ 発
光部、１０１ｂ ランプリフレクター、１０１ｃ ラン
プ前面ガラス、１０１ｚ 点、１０２ａ，１０２ｂ コ
ンデンサーレンズ、１０３ ロッドインテグレーター、
１０４ 輝度分布、１０５ 配向分布、１０６ｄ，１０
６ｅ，１０６ｆ 光線、１０７ａ，１０７ｂ 境界、１
０８ａ，１０８ｂ 光束、Ｄ デッドゾーン（円形領
域）、Ｐｄ，Ｐｅ 先端点、Ｐｆ中心点、Ｓ 仮想平
面、Ｓ０ 断面積、Ｓ１ 断面積（通過断面積）、Ｖ
ボリュームゾーン、Ｚ 光軸。

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｇ０３Ｂ 21/10 Ｇ０３Ｂ 21/10 21/14 21/14 Ａ Ｈ０４Ｎ 5/74 Ｈ０４Ｎ 5/74 Ｚ (72)発明者 西前 順一 東京都千代田区丸の内二丁目２番３号 三 菱電機株式会社内 (72)発明者 後藤 令幸 東京都千代田区丸の内二丁目２番３号 三 菱電機株式会社内 (72)発明者 寺本 浩平 東京都千代田区丸の内二丁目２番３号 三 菱電機株式会社内 Ｆターム(参考） 2H049 BA05 BA43 BB03 BC12 BC22 2H052 BA02 BA03 BA07 BA09 BA14 5C058 BA05 EA12 EA26 EA27 EA51

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 アーク長で大きさが規定される光源によ
   って光を発し、上記アーク長の方向が光軸の方向と一致
   する発光部と、上記光源の中心点と放物面焦点とが一致
   するように上記発光部を有し、上記光軸を中心とした回
   転放物面によって上記発光部の中心点から発した光線群
   を上記光軸に対する平行光線群として上記光軸の正方向
   へ反射するランプリフレクターと、上記ランプリフレク
   ターからの平行光線群を平面形状の入射面および出射面
   を介して出射するランプ前面ガラスとを備えたランプに
   おいて、 上記ランプリフレクターの回転放物面を上記光軸に対し
   て回転対称な非球面反射面に変形すると共に、 上記ランプ前面ガラスの上記入射面または上記出射面の
   少なくとも一方を上記光軸に対して回転対称な非球面レ
   ンズ面に変形することによって、 上記光源から各放射方向へ発する各光線群に異なるパワ
   ーをそれぞれ作用させて上記各光線群を平行光線群にコ
   リメートし、上記ランプ前面レンズ出射面における発散
   角の分布を制御することを特徴とするランプ。
2. 【請求項２】 光源から発した光を回転放物面によって
   反射した際に生じる、ランプ前面ガラスの出射面上で光
   軸を中心とした上記光の出射しない円形領域に対して、 非球面反射面の反射および非球面レンズ面のレンズ作用
   によって上記円形領域を縮小することを特徴とする請求
   項１記載のランプ。
3. 【請求項３】 ランプ前面レンズ出射面上の任意の点に
   おける出射光束の発散角を一定にして出射することを特
   徴とする請求項１または請求項２記載のランプ。
4. 【請求項４】 請求項１から請求項３のうちのいずれか
   １項記載のランプと、 アレイ状に構成された複数のレンズを有し、上記ランプ
   から出射した光を複数のレンズ焦点にそれぞれ集光する
   レンズアレイと、 上記レンズアレイのレンズ焦点付近に設置されるととも
   に、アレイ状に構成された複数の偏光ビームスプリッタ
   ーを有し、上記ランプ前面ガラスから出射した光に含ま
   れる２つの直交偏光成分を一致させて出射する偏光変換
   素子とを備えることを特徴とする偏光変換光学系。
5. 【請求項５】 請求項１から請求項３のうちのいずれか
   １項記載のランプと、 上記ランプから出射した光をレンズ焦点に集めるコンデ
   ンサーレンズ群と、 上記レンズ焦点に集められた光を入射面で受光し、側面
   で全反射を繰り返した光を出射面から出射するロッドイ
   ンテグレータとを備えることを特徴とする集光光学系。
6. 【請求項６】 請求項４記載の偏光変換光学系と、 入射した光に画像情報を与えて出射する光変調素子と、 上記偏光変換光学系から出射した光を上記光変調素子の
   入射面へ重ね合わせて入射するインテグレーター光学系
   と、 上記画像情報を得て上記光変調素子から出射した光を投
   影する投影光学系と、 上記投影光学系から投影された光を受光して、上記画像
   情報に基づく画像を表示するスクリーンとを備えること
   を特徴とする画像表示装置。
7. 【請求項７】 請求項５記載の集光光学系と、 上記集光光学系から出射した光をリレーするリレー光学
   系と、 上記リレー光学系によってリレーされた光に画像情報を
   与えて出射する光変調素子と、 上記画像情報を得て上記光変調素子から出射した光を投
   影する投影光学系と、 上記投影光学系から投影された光を受光して、上記画像
   情報に基づく画像を表示するスクリーンとを備えること
   を特徴とする画像表示装置。