JP4722312B2 - ランプ、集光光学系および画像表示装置 - Google Patents

Description

【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回転楕円面で反射・集光するランプに係るものであり、また、このランプを用いた集光光学系および画像表示装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図１３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１３において、１０１は従来のランプ、１０１ａは発光部、１０１ｂ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１０１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、電極と電極と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の光源である。ランプリフレクター１０１ｂは、回転楕円面に形成された反射鏡であり、回転楕円面の２つの焦点（以下、楕円面焦点という）のうちの一方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１０１ａが発した光を回転楕円面で反射する。
【０００４】
回転楕円面とは、その長軸（光軸）周りに楕円曲線の一部を回転して得られる空間曲面のことをいう。光軸上の一方の楕円面焦点から発散した光を回転楕円面で反射させると、反射した光は他方の楕円面焦点へ全て収束することが知られている。すなわち、２つの楕円面焦点は共役点になっている。
【０００５】
この原理を利用することによって、集光機能を有するランプ１０１を構成している。回転放物面を利用して平行光を作り出すランプと比較すると、ランプ１０１は回転楕円面が集光作用を有しているので、平行光をレンズ焦点へ集光するコンデンサーレンズを必要としない分だけ、少ない部品点数で集光光学系を構成することができる。
【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の一方の楕円面焦点と一致させ、ランプリフレクター１０１ｂの反射によって発光部１０１ａが発した光を他方の楕円面焦点へ収束させている。
【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、ランプ前面ガラス１０１ｃの入射面および出射面をいずれも光軸Ｚと直交する平面形状に設計しており、ランプリフレクター１０１ｂの反射光を入射面および出射面で屈折して、一方の楕円面焦点から見て他方の楕円面焦点よりも距離の離れた光軸上の集光点へ光を集めている。
【０００９】
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、ランプ前面ガラス１０１ｃを透過した光の集光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。
【００１０】
発光部１０１ａの中心と、ロッドインテグレーター１０３の入射面の中心とを結ぶ直線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およびロッドインテグレーター１０３から構成されている。
【００１１】
図１３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１４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１４の輝度分布特性を有する。
【００１２】
図１４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ー１０１ｂの一方の楕円面焦点と一致する。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。
【００１３】
図１４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Ｐｄ，Ｐｅは中心点Ｐｆにそれだけ接近し、発光部１０１ａ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。
【００１４】
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１０１ｄ，１０１ｅ間から光が発する。図１４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。
【００１５】
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Ｐｆ，つまりランプリフレクター１０１ｂの一方の楕円面焦点で得られる輝度は最大ではない。
【００１６】
図１５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１５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０〜３６０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１３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１５の配向分布１０５が得られる。
【００１７】
配向分布１０５を見ると、放射角６０〜１２０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、放射角０度を中心として±約５０度、放射角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１４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５０度は電極１０１ｄ，１０１ｅの影となって光が遮られる領域である。
【００１８】
図１３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１４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の反射光は不完全ながら他方の楕円面焦点へ向う光線群となる。この光線群は、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１５の配向分布特性で述べたように、電極１０１ｄ，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。
【００１９】
ランプ前面ガラス１０１ｃの入射面・出射面でそれぞれ屈折した光線群は、光軸Ｚ上の集光点に集まり、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１６のように透過する。
図１６はロッドインテグレーター１０３内部の透過光の光路を示す図であり、１０３ａ，１０３ｂ，１０３ｃはそれぞれロッドインテグレーター１０３の入射面、側面、出射面である。入射面１０３ａ，出射面１０３ｃは光軸Ｚと直交している。
【００２０】
ランプ前面ガラス１０１ｃは、入射面１０３ａへ入射した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から光が漏れることはなく、ロッドインテグレーター１０３内での損失は発生しない。
【００２１】
その際、ランプ前面ガラス１０１ｃ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１７（ａ），（ｂ）にそれぞれ示す。図１７では、光軸Ｚに平行な軸は入射光および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１７（ａ））を持つ入射光を一様な照度分布（図１７（ｂ））を持つ出射光に変換する役割を担っている。
【００２２】
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 Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ 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から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。
【００２３】
【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、出射する光束の発散角が大きくなってしまうという課題があった。
【００２４】
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、ランプ前面ガラスの集光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。
【００２５】
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。
【００２６】
以上の各課題について具体的に説明する。
図１３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の反射によって他方の楕円面焦点へ全て向う。この光はランプ前面ガラス１０１ｃの集光点へ集まっ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の反射損失などを除き、入射面１０３ａの光の取り込み漏れによる損失は発生しない。
【００２７】
しかしながら、図１４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集光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。
【００２８】
図１８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１８では、図１４に示した最大輝度の先端点Ｐｄ，Ｐｅおよび一方の楕円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１０３ａに集光する様子を示している。
【００２９】
ここで、ランプ前面ガラス１０１ｃの出射面上の１点１０１ｚに注目し、点１０１ｚ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１０１ｚを通過する光線１０６ｆは、ランプリフレクター１０１ｂで反射した後に他方の楕円面焦点へ向う光線となり、ランプ前面ガラス１０１ｃの点１０１ｚから出射して集光点へ進む。したがって、この光線１０６ｆは入射面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。
【００３０】
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が一方の楕円面焦点に存在しないため、ランプリフレクター１０１ｂで反射しても他方の楕円面焦点に向わない。つまり、ランプ前面ガラス１０１の点１０１ｚから出射しても集光点に進むことにならない。
【００３１】
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、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１０６ｄ，１０６ｅは設計から外れた角度を持つため、ランプ前面ガラス１０１ｃ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、ランプ前面ガラス１０１ｃを透過した後に、その集光点において完全な点とはならず、入射面１０３ａ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１９に示す。図１９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１９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１８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１８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＝１．１［ｍｍ］，ランプリフレクター１０１ｂの開口径＝４０［ｍｍ］，入射面１０３ａは断面積＝３．８×５．５［ｍｍ^２］とし、ランプ前面ガラス１０１ｃから入射面１０３ａへＦ値１で集光している。図１９の符号１０７ａ，１０７ｂで示されるＲｉ＝±１．９［ｍｍ］の直線は入射面１０３ａの境界を表しており、｜Ｒｉ｜≦１．９［ｍｍ］の領域が入射面１０３ａのサイズに相当する。
【００３５】
光線１０６ｆは、Ｒ＝０〜１１［ｍｍ］の全出射範囲に対して入射位置｜Ｒｉ｜＝約０［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７〜１１［ｍｍ］の出射範囲では、入射面１０３ａの境界１０７ａ〜境界１０７ｂ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７［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，１０６ｅ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０〜４．５［ｍｍ］の出射範囲で光線１０６ｄは損失Ｌｄを発生し、Ｒ＝約２〜７［ｍｍ］の出射範囲で光線１０６ｅは損失Ｌｅを発生してしまう。
【００３７】
ここで特に大きな問題となるのは、損失Ｌｄ，Ｌｅにおける光度が他の領域と比べて大きいことである。これを図２０によって説明する。図２０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１９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。
【００３８】
図２０から分かるように、例えば約０．１以上の相対光度を示す出射範囲はＲ＝約４〜７．５［ｍｍ］となっている。ランプ１０１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０〜４．５［ｍｍ］，Ｒ＝約２〜７［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。
【００３９】
以上の課題を解決するために、入射面１０３ａ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コスト等にも有利であり、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。
【００４０】
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。
【００４１】
また、この発明は、ランプ前面ガラスの集光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。
【００４２】
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。
【００４３】
【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面は、変形した非球面反射面であり、実質的に平坦な裏面および変形した非球面レンズ前面を備えた変形した非球面レンズであって、非球面レンズ前面は光軸に対して回転対称で、光軸に平行に寸法をとると、非球面レンズ前面で最も厚みのある部分が光軸からも変形した非球面レンズ前面の周縁からも離隔する位置にあり、変形した非球面レンズの実質的に平坦な裏面はランプ前面ガラスの入射面と出射面の少なくとも一方に配置され、
光源により発せられた光束はランプリフレクターにより反射した後、ランプリフレクターの実際の受光領域内で、ランプ前面ガラスの出射面の光軸に最も近い光線の発散角が、ランプ前面ガラスの出射面を通過し、非球面反射面と変形した非球面レンズの形状により光軸から離れる光線の発散角よりも小さく、非球面反射面および変形した非球面レンズによって、光源から発する各光線群に対してその各放射方向毎に異なるパワーをそれぞれ作用させ、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。
【００４４】
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。
【００４５】
この発明に係る集光光学系は、請求項１または請求項２記載のランプと、ランプから出射して非球面レンズ面の集光点に集光し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インテグレーター光学系とから構成されるようにしたものである。
【００４６】
この発明に係る集光光学系は、インテグレーター光学系が矩形形状の入射面および出射面を有する四角柱であるとともに、インテグレーター光学系の入射面と等しい矩形形状の面積を有し、入射面と一致するように固定された出射開口と、出射開口よりも大きな矩形形状の面積を有し、ランプから出射した光線群が入射する矩形形状の入射開口と、インテグレーター光学系の光軸を囲むようにその反射面が形成された４枚の平面鏡とから構成され、入射面へ直接入射する光線群以外の光線群の少なくとも一部を反射鏡での１回反射によって出射開口へ出射するダクト状ミラーをインテグレーター光学系が備えるようにしたものである。
【００４７】
この発明に係る画像表示装置は、請求項３または請求項４記載の集光光学系と、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。
【００４８】
この発明に係る画像表示装置は、複数の小ミラーを備えるとともに、リレー光学系から照射された光に対して小ミラーで画像情報を与え、画像情報が与えられた光を画像情報光として投影光学系へ出射する反射型光変調手段を光変調素子とす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、偏光または光の散乱により画像情報光を制御する液晶パネルを光変調手段とするようにしたものである。
【００５０】
【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、１ｃはランプ前面レンズである。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。
【００５１】
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の光源である。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１４の輝度分布特性、図１５の配向分布特性を有している。
【００５２】
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、回転楕円面に近い形状をしている。
【００５３】
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１ｂ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。
【００５４】
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。
【００５５】
３はロッドインテグレーター（インテグレーター光学系）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、ランプ前面レンズ１ｃの集光点（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。
【００５６】
発光部１ａの中心と、ロッドインテグレーター３の入射面３ａの中心とを結ぶ直線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およびロッドインテグレーター３から構成されている。
【００５７】
まず、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、配向分布特性を有している。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。
【００５８】
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上にあるランプ前面レンズ１ｃの集光点へ集まる。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、この実施の形態１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、ランプ前面レンズ１ｃで屈折して集光点に集光し、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。
【００５９】
ランプ前面レンズ１ｃ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３ｂで全反射をするように設計されているので、従来の図１６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。
【００６０】
全反射の現象を利用しているので、側面３ｂ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、ランプ前面レンズ１ｃ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１７（ｂ）と同様に、出射面３ｃでほぼ一様になる。
【００６１】
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。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への適用例については、実施の形態４で述べる。
【００６２】
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１３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。
【００６３】
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の回転楕円面で反射し、光軸Ｚ上の他方の楕円面焦点へ向う。この光線群は平面形状のランプ前面ガラス１０１ｃで屈折し、ランプ前面ガラス１０１ｃの光軸Ｚ上の集光点へＦ値１として集光する。
【００６４】
図２（ａ）に示したランプ１０１の場合には、光軸Ｚと直交するランプ前面ガラス１０１ｃの出射面（断面積Ｓ０）上における光線群の分布は均一ではなく、光軸Ｚの近傍ほど密に、光軸Ｚから離れるにしたがって疎になっている。また、光の通る部分の断面積Ｓ０を光軸Ｚの正方向から見ると、デッドゾーンＤの分だけ光軸Ｚを中心として光が存在していない。
【００６５】
一方、図２（ｂ）のランプ１の場合、発光部１ａの中心点Ｐｆから等しい放射角度間隔で発した光線群は、変形ランプリフレクター１ｂの非球面反射面で反射し、光軸Ｚ上の集光点へ向う。この光線群は非球面レンズ面のランプ前面レンズ１ｃで屈折し、ランプ前面レンズ１ｃの光軸Ｚ上の集光点へ例えばＦ値１で集光する。
【００６６】
図２（ａ）と比較すると、図２（ｂ）のランプ１では変形ランプリフレクター１ｂの非球面反射面によって発光部１ａからの光線群をデッドゾーンＤにまで広げて反射し、ランプ前面レンズ１ｃの非球面レンズ面によって集光点に集光している。簡単に言うと、変形ランプリフレクター１ｂは光束の断面積を大きくしており、ランプ前面レンズ１ｃは断面積が広げられた光の角度を調整して集光点に集める役割を果たしている。
【００６７】
したがって、図２（ｂ）では、光軸Ｚと直交するランプ前面レンズ１ｃの出射面（断面積Ｓ１）を光軸Ｚの正方向から見ると、デッドゾーンＤがなくなっている。特にこの実施の形態１では、断面積Ｓ１の光線群の分布を光軸Ｚからの距離に依存せず均一にしている。
【００６８】
一般的な原理として、光束の断面積が小さいほど断面積上の各点から出射する光束の発散角は大きくなることが知られている。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２０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。
【００６９】
一方、図２（ｂ）のランプ１では、ランプ１０１の光軸Ｚの近傍で密となっていた光線の分布がより疎になるように、変形ランプリフレクター１ｂの非球面反射面によって光の断面積を広げて反射し、ランプ１から出射する光束の発散角をより小さくしている。そして、断面積Ｓ１よりも手前、つまりランプ前面レンズ１ｃの入射側で光の断面積が広がっているので、発散角が十分に小さくなった状態でランプ前面レンズ１ｃによって集光点に向うように光線の角度を調整している。
【００７０】
このように、ランプ１を使った集光光学系では、従来の集光光学系よりも発散角を小さくしている分だけ、集光点における発光部１ａの光源像を小さくすることができ、ロッドインテグレーター３に対する取り込みを向上することが可能になる。
【００７１】
図３は従来のランプ１０１と実施の形態１のランプ１との発散角を比較するための図である。図３（ａ）はランプ１０１，図３（ｂ）はランプ１をそれぞれ示している。図３では、発光部１ａおよび発光部１０１ａ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線がランプ前面レンズ１ｃおよびランプ前面ガラス１０１ｃの任意の出射点でなす光束の発散角を比較している。
図３から分かるように、従来のランプ１０１よりもこの実施の形態１によるランプ１の方が小さな発散角で光束を出射することができている。
【００７２】
この実施の形態１の効果をさらに理解するために、従来の技術で示した図１８，図１９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、先端点Ｐｄ，Ｐｅおよび中心点Ｐｆからそれぞれ発した光線５ｄ，５ｅ，５ｆがランプ前面レンズ１ｃの出射面上の出射位置（光軸Ｚからの距離）をＲとし、ロッドインテグレーター３の入射面３ａへ入射する入射位置Ｒｉを解析した結果を図５に示す。
【００７３】
図５はランプ前面レンズ１ｃでの出射位置と入射面３ａでの入射位置との関係を示す図であり、従来の図１９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に光線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。
【００７４】
この解析では、アーク長ｄ＝１．１［ｍｍ］，変形ランプリフレクター１ｂの開口径＝４０［ｍｍ］，入射面３ａは断面積＝３．８×５．５［ｍｍ^２］とし、ランプ前面レンズ１ｃ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＝±１．９［ｍｍ］の直線は入射面３ａの境界を表しており、｜Ｒｉ｜≦１．９［ｍｍ］の領域が入射面３ａのサイズに相当する。
【００７５】
ランプ１から出射した各光線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＝０〜１１［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｜≦１．９［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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
図６において、光軸Ｚ上の発光部１ａに対して、集光点Ｘ（ロッドインテグレーター３の入射面３ａ）の位置をまず決め、ランプ前面レンズ１ｃの設置位置８を決定する。次に、集光点Ｘから光軸Ｚの負の方向へ等しい角度ｄφで最大３０°（Ｆ値１に相当）まで光線をＮ本分配し、ランプ前面レンズ１ｃの設置位置８との各交点をＱ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４，…，ＱＮとする。
【００７９】
一方、光軸Ｚに設置された発光部１ａの中心点Ｐｆからの光線の広がり方は例えば図１５のように決まっているので、最大放射角から最小放射角まで光線７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄ，…，７Ｎを等間隔（ｄθとする）でＮ本分配する。ここでＮは集光点Ｘで分配した光線数である。
【００８０】
そして、変形ランプリフレクター１ｂを微小ミラー１ｂ−１，１ｂ−２，１ｂ−３，１ｂ−４，…に分割し、まず最外放射角の光線７ａを設置位置８上の交点Ｑ１へ微小ミラー１ｂ−１で反射させるようにすると、微小ミラー１ｂ−１の光軸Ｚに対する角度が一意に決定される。
【００８１】
次に、微小ミラー１ｂ−１の反射面を延長して、発光部１ａから発する２番目の光線７ｂと延長した微小ミラー１ｂ−１の反射面との交点を２番目の微小ミラー１ｂ−２の位置とする。この位置の微小ミラー１ｂ−２によって設置位置８上の交点Ｑ２へ光線７ｂを反射するので、２番目の光線７ｂと延長した微小ミラー１ｂ−１の反射面との交点を中心にして、微小ミラー１ｂ−２の光軸Ｚに対する角度を決定する。
【００８２】
さらに、微小ミラー１ｂ−２の反射面を延長して、発光部１ａから発する３番目の光線７ｃと延長した微小ミラー１ｂ−２の反射面との交点を３番目の微小ミラー１ｂ−３の位置とし、微小ミラー１ｂ−３で交点Ｑ２へ光線７ｂを反射するように、微小ミラー１ｂ−３の角度を決める。
【００８３】
以下、発光部１ａから出射する光線の出射全範囲内で、光線７ｄに対する微小ミラー１ｂ−４，…も同様にして、全ての微小ミラーの角度を決定することができる。ここで光線数Ｎを十分に大きな値にとると、変形ランプリフレクター１ｂの非球面反射面の形状を決めることができる。
また、設置位置８のランプ前面レンズ１ｃに用いるガラスの屈折率を定めると、各集光点Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４，…，ＱＮに対する光線の入射と出射の角度の関係から屈折で必要なレンズ面の傾きが決まるので、ランプ前面レンズ１ｃの非球面レンズ面の形状が決定される。
【００８４】
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の回転楕円面を光軸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の入射面または出射面の少なくとも一方を光軸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の出射面全面から均一の密度で出射して集光点に集光するようにしたので、従来と比較して、発散角の抑制した光束を集光点に集光できるようになり、有限の大きさを持った発光部１ａの光源像をより小さくして集光点に集光することができるという効果が得られる。
【００８５】
また、この実施の形態１によれば、ランプ１と、集光点に集光した光を入射面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。
【００８６】
実施の形態２．
実施の形態１では、変形ランプリフレクター１ｂによって、発光部１ａの中心点Ｐｆから等しい放射角で発した光線群をランプ前面レンズ１ｃの出射面（断面積Ｓ１）へ均一に分配し、この出射面全面から発散角を一定に抑制した光束を作り出すことができた。しかしながら、出射面における光線の分布は均一に限定されるわけではない。この実施の形態２では、出射面における光線の分布に重み付けをした例について説明する。
【００８７】
図７はこの発明の実施の形態２によるランプの構成の一例を示す図である。図１と同一符号は同一または相当する構成である。
図７において、１’はこの実施の形態２のランプ、１ｂ’は変形ランプリフレクター、１ｃ’はランプ前面レンズである。変形ランプリフレクター１ｂ’は、発光部１ａの中心点Ｐｆから等しい放射角で発した光線群をランプ前面レンズ１ｃ’へその非球面反射面で反射している。ランプ前面レンズ１ｃ’は、その非球面レンズ面で光軸Ｚ上の集光点に光線群を集光する。
【００８８】
実施の形態１における断面積Ｓ１上の光線分布と比較すると、変形ランプリフレクター１ｂ’で反射された光線群は、光軸Ｚの近傍ほど広めの間隔であり、光軸Ｚから離れるほど狭い間隔になっている。つまり、図７のランプ前面レンズ１ｃ’の出射面における光線の分布は均一ではなく、出射面上の出射位置の光軸Ｚからの距離に応じて単調に減少する分布となっており、光軸Ｚの近傍ほど疎に、光軸Ｚから離れるほど密になり、連続的に変化している。
【００８９】
このようにすることで、ランプ前面レンズ１ｃ’の出射面では光軸Ｚの近傍ほど光束の断面積が大きくなってより小さな発散角で光が出射し、光軸Ｚから離れるほど光束の断面積が小さくなってより大きな発散角で光が出射する。
【００９０】
この実施の形態２の効果を理解するために、実施の形態１の図５にならって、不図示のロッドインテグレーター３にランプ１’を適用したときの光の取り込みを解析すると、図８のようになる。
【００９１】
図８はランプ前面レンズ１ｃ’の出射面での出射位置Ｒとロッドインテグレーター３の入射面３ａでの入射位置Ｒｉとの関係を示す図であり、実施の形態１の図５や従来の図１９と比較できる。図５の場合と同様に、図８では、発光部１ａの先端点Ｐｄ，Ｐｅ，中心点Ｐｆからそれぞれ発した各光線５ｄ，５ｅ，５ｆについて解析している。
【００９２】
図５の場合と比べてみると、図８では、出射位置Ｒ≦約８ｍｍでの光線５ｄ，５ｅの入射位置Ｒｉは小さくなっており、出射位置Ｒ≧約８ｍｍでの光線５ｄ，５ｅの入射位置Ｒｉは逆に大きくなっている。これは、変形ランプリフレクター１ｂ’によってランプ前面レンズ１ｃ’の出射面での光線分布を光軸Ｚ近傍ほど疎に、光軸Ｚから離れるほど密にしているためである。
【００９３】
光軸Ｚ近傍の光束ほど小さな発散角でランプ前面レンズ１ｃ’の出射面から出射するので、出射位置Ｒ≦約８ｍｍの光線５ｄ，５ｅは光軸Ｚ上の集光点（Ｒｉ＝０ｍｍ）に対してより小さな像で集光され、境界６ａ，６ｂへより小さな入射位置Ｒｉで入射する。
【００９４】
この反面、光軸Ｚから離れた光束ほど大きな発散角でランプ前面レンズ１ｃ’の出射面から出射するので、出射位置Ｒ≧約８ｍｍの光線５ｄ，５ｅは光軸Ｚ上の集光点（Ｒｉ＝０ｍｍ）に対してより大きな像で集光され、入射位置Ｒｉが大きくなり、出射位置Ｒ≧約１０ｍｍの光は境界６ａ，６ｂに収まっていない。
【００９５】
課題の説明で示した図２０を見ると分かるように、出射位置Ｒ≦約８ｍｍの領域は発光部１ａのボリュームゾーンＶに相当しており、特に光度の高い光が含まれている。例えば出射位置Ｒ≦約８ｍｍから出射する光線５ｄ，５ｅに代表されるような、ボリュームゾーンＶに相当する光の集光点上の像をより絞り込んで小さくすることで、光度の高い光を入射面３ａへ入射しやすくしている。
【００９６】
このようにすることで、例えば組立作業時や交換作業時におけるランプ１’とロッドインテグレーター３とのアライメントズレや、時間経過とともに発光部１ａのアークの位置変化が生じた場合にも、ボリュームゾーンＶの光が入射面３ａへ入射しやすくなっているので、光の取り込み効率の低下を抑制することができる。
【００９７】
ボリュームゾーンＶの光の像を小さくする代償として、出射位置Ｒ≧約８ｍｍの光線５ｄ，５ｅの集光点における像は実施の形態１よりも大きくなっており、特に出射位置Ｒ≧約１０ｍｍの光は境界６ａ，６ｂから外れてしまっている。しかしながら、図２０から分かるように、出射位置Ｒ≧約８ｍｍの光度は比較的低く、また出射位置Ｒ≧約１０ｍｍの光度は無視し得る値なので、光損失に大きな影響を与えることはない。
【００９８】
なお、上の説明からも分かるように、ランプ前面レンズ１ｃ’の出射面における光線分布は、図７の場合に限定されるわけではない。例えば、光軸Ｚの近傍ほど図７の場合よりもさらに疎にし、光軸Ｚから離れるほど図７の場合よりもさらに密にしても良いし、また光軸Ｚの近傍から順に密、疎、密にしても良い。
【００９９】
つまり、変形ランプリフレクター１ｂ’の非球面反射面の形状は、ランプ前面レンズ１ｃ’の出射面における光線分布に重み付けをして、例えばボリュームゾーンＶに相当する光束の発散角をさらに抑制するようにもできる。
【０１００】
ランプ前面レンズ１ｃ’の非球面レンズ面の形状は、上記のようにして定められた変形ランプリフレクター１ｂ’の非球面反射面の形状に応じて、実施の形態１の図６で示した手法に則って決められる。
【０１０１】
実施の形態３．
この実施の形態３では、ロッドインテグレーターの入射面における光の取り込み効率を実施の形態１，２と異なる手法によって改善する。
【０１０２】
図９はこの発明の実施の形態３による集光光学系の構成を示す図であり、図１０は図９の集光光学系に適用したロッドインテグレーターの構成を示す図である。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。
【０１０３】
図９，１０において、９はロッドインテグレーター３の入射面３ａに設けられたダクト状ミラーである。図９のダクト状ミラー９は、平面鏡９ａ，９ｂをそれぞれ２枚ずつ用いて構成されている。平面鏡９ａ，９ｂの台形型の反射面（反射鏡）はいずれもロッドインテグレーター３の光軸Ｚ側を向いており、光軸Ｚを囲むこれら４つの反射面を斜面とした４角錐台となるようにダクト状ミラー９は形成されている。
【０１０４】
そして、図９（ｂ）に示すように、ダクト状ミラー９の４角錐台上面Ｓｏｕｔはロッドインテグレーター３の入射面３ａと等しい面積を有して入射面３ａと一致するように固定されており、上面Ｓｏｕｔより面積の広い４角錐台下面側Ｓｉｎからランプ１の光を入射している。ダクト状ミラー９へ入射した光は４角錐台上面から出射する。つまり、４角錐台下面Ｓｉｎおよび４角錐台上面Ｓｏｕｔは、それぞれダクト状ミラー９への光の入射開口および出射開口となっている。
【０１０５】
図１１はこの発明の実施の形態３による集光光学系の動作および効果を説明するための図である。ランプ１からの光線群１０ａ，１０ｂ，１０ｃがロッドインテグレーター３の入射面３ａへ入射する様子を示している。図１１（ａ）はダクト状ミラー９を設けていない場合、図１１（ｂ）はダクト状ミラー９を設けた場合である。図１，９，１０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。
【０１０６】
図１１（ａ）の場合には、一点破線で示した光線群１０ａは入射面３ａへ入射しているが、実線の光線群１０ｂや破線の光線群１０ｃは入射面３ａから外れており、損失の原因になってしまう。
【０１０７】
これに対して、ダクト状ミラー９を設けた図１１（ｂ）の場合には、光線群１０ｂ，１０ｃは、面積の広い入射開口Ｓｉｎからダクト状ミラー９へ入射し、ダクト状ミラー９の平面鏡９ａ，９ｂの反射面で１回反射してから面積の狭いダクト状ミラー９の出射開口部Ｓｏｕｔへ、つまりロッドインテグレーター３の入射面３ａへ入射する。
【０１０８】
このように、ロッドインテグレーター３の入射面３ａにダクト状ミラー９を設けるようにしているので、入射面３ａへ直接入射する光線群７ａのみならず、入射面３ａから外れる光線群１０ｂ，１０ｃをも入射面３ａへ入射させることができ、光の取り込み効率を向上させることができる。
【０１０９】
また、ダクト状ミラー９を設けることによって、入射面３ａの面積を入射開口の面積まで拡大することと等価になり、ランプ１およびロッドインテグレーター３のアライメント調整の狂いや、外部からの振動や力による集光光学系の光軸Ｚのズレをある程度許容することができる。
【０１１０】
なお、ダクト状ミラー９の形状は図９〜１１の４角錐台の形状に限定されるわけではないが、ロッドインテグレーター３の矩形の入射面に対してダクト状ミラー９を設ける際に、特に４角錐台の形状（つまり入射開口Ｓｉｎと出射開口Ｓｏｕｔとが矩形形状）をダクト状ミラー９に採用することで、その製造を容易に行なうことができる。
【０１１１】
つまり、ダクト状ミラー９は、その出射開口Ｓｏｕｔを入射面３ａと一致させ、ダクト状ミラー９の内壁（光軸Ｚ側の面）全面を反射鏡として光軸Ｚを囲み、光線群１０ｂ，１０ｃが内壁で１回反射して出射開口Ｓｏｕｔへ向うように、光軸Ｚに対する内壁の傾斜角を定めれば良い。
【０１１２】
ダクト状ミラー９の長さと角度は、ロッドインテグレーター３入射面付近の光の輝度分布および配光分布に依存し、ロッドインテグレーター３に対する光の取り込み効率が最大になるように最適化される。
【０１１３】
また、以上では、ダクト状ミラー９を設けたロッドインテグレーター３を実施の形態１，２のランプ１に適用したが、ランプ１の代わりに従来のランプ１０１へ適用しても良い。
さらに、放物面鏡とコンデンサーレンズとを用いたランプからの収束光をロッドインテグレーター３へ入射させる際にダクト状ミラー９を適用しても良い。いずれの場合も同様の効果が得られる。
【０１１４】
以上のように、この実施の形態３によれば、ロッドインテグレーター３の入射面３ａと等しい面積を有し、入射面３ａと一致するように固定された出射開口Ｓｏｕｔと、出射開口Ｓｏｕｔよりも大きな面積を有し、光線群１０ａ，１０ｂ，１０ｃが入射する入射開口Ｓｉｎと、ロッドインテグレーター３の光軸Ｚを囲むようにその反射面が形成された２枚ずつの平面鏡９ａ，９ｂとから構成され、入射面３ａへ直接入射する光線群１０ａ以外の光線群１０ｂ，１０ｃの少なくとも一部を出射開口Ｓｏｕｔへ平面鏡９ａ，９ｂで１回反射して出射するダクト状ミラー９をロッドインテグレーター３に設けるようにしたので、入射面３ａへ直接入射する光線群１０ａのみならず、損失の原因となる光線群１０ｂ，１０ｃの少なくとも一部をも入射面３ａへ入射させることができるようになり、入射面３ａにおける光の取り込み効率を向上し、損失を軽減することができるという効果が得られ、容易に製造することができるという効果が得られる。
【０１１５】
実施の形態４．
この実施の形態４では、発明の集光光学系の適用例として、ＤＭＤを用いた画像表示装置について説明する。
図１２はこの発明の実施の形態４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１２において、１１は各実施の形態で示した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）、１４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。
【０１１６】
１５はＴＩＲプリズム、１６は複数の小ミラーによって光を変調するＤＭＤチップ（光変調素子、反射型光変調手段）、１７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。
【０１１７】
次に動作について説明する。
ランプ１から出射した光は、Ｆ値１の円錐形の光束としてランプ前面レンズ１ｃのレンズ焦点に集光する。集光した光は、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。
【０１１８】
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（画像情報光）として出射する。ＤＭＤ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。
【０１１９】
図１２の画像表示装置では、各実施の形態で示した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１．２５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。
【０１２０】
以上のように、この実施の形態４によれば、ランプ１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ＴＩＲ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。
【０１２１】
なお、この発明の集光光学系は、ＴＩＲプリズムとＤＭＤとを用いた画像表示装置に限定される訳ではなく、偏光または光の散乱により画像情報光を制御する液晶パネルを用いた画像表示装置や、また自発光しない画像表示装置に適用しても良く、同様の効果を得ることができる。
【０１２２】
また、以上の各実施の形態では、ロッドインテグレーターを用いて説明を進めてきたが、ロッドインテグレーターに替えて、中空構造のホロー（英語でｈｏｌｌｏｗ，中空の意）インテグレーター（インテグレーター光学系）を用いるようにしても良く、同様の効果が得られる。
【０１２３】
【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面は、変形した非球面反射面であり、実質的に平坦な裏面および変形した非球面レンズ前面を備えた変形した非球面レンズであって、非球面レンズ前面は光軸に対して回転対称で、光軸に平行に寸法をとると、非球面レンズ前面で最も厚みのある部分が光軸からも変形した非球面レンズ前面の周縁からも離隔する位置にあり、変形した非球面レンズの実質的に平坦な裏面はランプ前面ガラスの入射面と出射面の少なくとも一方に配置され、光源により発せられた光束はランプリフレクターにより反射した後、ランプリフレクターの実際の受光領域内で、ランプ前面ガラスの出射面の光軸に最も近い光線の発散角が、ランプ前面ガラスの出射面を通過し、非球面反射面と変形した非球面レンズの形状により光軸から離れる光線の発散角よりも小さく、非球面反射面および変形した非球面レンズによって、光源から発する各光線群に対してその各放射方向毎に異なるパワーをそれぞれ作用させ、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、発散角の抑制した光束を集光点に集光できるようになり、有限の大きさを持った発光部の光源像をより小さくして集光点に集光することができるという効果が得られる。
【０１２４】
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、従来と比較して、発散角が一定に抑制された光束を集光点に集光できるようになり、有限の大きさを持った発光部の光源像をより小さくして集光点に集光することができるという効果が得られる。
【０１２５】
この発明によれば、請求項１または請求項２記載のランプと、ランプから出射して集光点に集光し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インテグレーター光学系とから構成されるようにしたので、従来と比較して、集光点における発光部の光源像の広がりを抑制することができ、インテグレーター光学系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。
【０１２６】
この発明によれば、インテグレーター光学系が矩形形状の入射面および出射面を有する四角柱であるとともに、インテグレーター光学系の入射面と等しい矩形形状の面積を有し、入射面と一致するように固定された出射開口と、出射開口よりも大きな矩形形状の面積を有し、ランプから出射した光線群が入射する矩形形状の入射開口と、インテグレーター光学系の光軸を囲むようにその反射面が形成された４枚の平面鏡とから構成され、入射面へ直接入射する光線群以外の光線群の少なくとも一部を反射鏡での１回反射によって出射開口へ出射するダクト状ミラーをインテグレーター光学系が備えるようにしたので、入射面へ直接入射する光線群のみならず、損失の原因となる光線群の少なくとも一部をも入射面へ入射させることができるようになり、入射面における光の取り込み効率を向上し、損失を軽減することができるという効果が得られ、容易に製造することができるという効果が得られる。
【０１２７】
この発明によれば、請求項３または請求項４記載の集光光学系と、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、インテグレーター光学系の入射面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。
【０１２８】
この発明によれば、複数の小ミラーを備えるとともに、リレー光学系から照射された光に対して小ミラーで画像情報を与え、上記画像情報が与えられた光を画像情報光として投影光学系へ出射する反射型光変調手段を光変調素子とするようにしたので、従来と比較して、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。
【０１２９】
この発明によれば、偏光または光の散乱により画像情報光を制御する液晶パネルを光変調手段とするようにしたので、従来と比較して、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】 従来のランプと実施の形態１のランプと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】 ランプ前面レンズでの出射位置とロッドインテグレーターの入射面での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２によるランプの構成の一例を示す図である。
【図８】 ランプ前面レンズの出射面での出射位置とロッドインテグレーターの入射面での入射位置との関係を示す図である。
【図９】 この発明の実施の形態３による集光光学系の構成を示す図である。
【図１０】 図９の集光光学系に適用したロッドインテグレーターの構成を示す図である。
【図１１】 この発明の実施の形態３による集光光学系の動作および効果を説明するための図である。
【図１２】 この発明の実施の形態４による画像表示装置の構成例を示す図である。
【図１３】 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１４】 発光部の典型的な輝度分布特性を示す図である。
【図１５】 発光部の典型的な配向分布特性を示す図である。
【図１６】 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１７】 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１８】 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像を説明するための図である。
【図１９】 ランプ前面ガラスからの出射光線の出射位置と入射面への入射光線の入射位置との関係を示す図である。
【図２０】 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】
１，１’ ランプ、１ａ 発光部、１ｂ，１ｂ’ 変形ランプリフレクター、１ｃ，１ｃ’ ランプ前面レンズ、３ ロッドインテグレーター（インテグレーター光学系）、３ａ 入射面、３ｂ 側面、３ｃ 出射面、５ｄ，５ｅ，５ｆ 光線、６ａ，６ｂ 境界、７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄ 光線、８ 設置位置、９ ダクト状ミラー、９ａ，９ｂ 平面鏡、１０ａ，１０ｂ，１０ｃ 光線群、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、１６ ＤＭＤチップ（光変調素子、反射型光変調手段）、１７ 投影レンズ（投影光学系）、１８ スクリーン、Ｐｄ，Ｐｅ 先端点、Ｐｆ 中心点、Ｓｉｎ 入射開口、Ｓｏｕｔ 出射開口。

Claims (8)

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、上記光源は中心点を有し、上記光軸を中心とした回転面によって上記光源の中心点から発した光線群を集光するランプリフレクターであってリフレクターは光軸を中心とした回転面であり、上記光源の中心点は上記光軸上および上記ランプリフレクターの焦点に位置決めされており、実質的に平坦な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面は、変形した非球面反射面であり、
   実質的に平坦な裏面および変形した非球面レンズ前面を備えた変形した非球面レンズであって、上記非球面レンズ前面は上記光軸に対して回転対称で、上記光軸に平行に寸法をとると、上記非球面レンズ前面で最も厚みのある部分が上記光軸からも上記変形した非球面レンズ前面の周縁からも離隔する位置にあり、上記変形した非球面レンズの実質的に平坦な裏面は上記ランプ前面ガラスの入射面と出射面の少なくとも一方に配置され、
   上記光源により発せられた光束は上記ランプリフレクターにより反射した後、上記ランプリフレクターの実際の受光領域内で、上記ランプ前面ガラスの出射面の上記光軸に最も近い光線の発散角が、上記ランプ前面ガラスの出射面を通過し、上記非球面反射面と上記変形した非球面レンズの形状により上記光軸から離れる光線の発散角よりも小さく、
   上記非球面反射面および上記変形した非球面レンズによって、上記光源から発する各光線群に対してその各放射方向毎に異なるパワーをそれぞれ作用させ、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. 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記載のランプ。
3. 請求項１または請求項２記載のランプと、上記ランプから出射して非球面レンズ面の集光点に集光し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インテグレーター光学系とから構成されることを特徴とする集光光学系。
4. インテグレーター光学系は、矩形形状の入射面および出射面を有する四角柱であるとともに、
   上記インテグレーター光学系の上記入射面と等しい矩形形状の面積を有し、上記入射面と一致するように固定された出射開口と、
   上記出射開口よりも大きな矩形形状の面積を有し、ランプから出射した光線群が入射する入射開口と、
   上記インテグレーター光学系の光軸を囲むようにその反射面が形成された４枚の平面鏡とから構成され、
   上記入射面へ直接入射する光線群以外の光線群の少なくとも一部を上記反射鏡での１回反射によって上記出射開口へ出射するダクト状ミラーを備えることを特徴とする請求項３記載の集光光学系。
5. 請求項３または請求項４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。
6. 光変調素子は、
   複数の小ミラーを備えるとともに、リレー光学系から照射された光に対して上記小ミラーで画像情報を与え、上記画像情報が与えられた光を画像情報光として投影光学系へ出射する反射型光変調手段とすることを特徴とする請求項５記載の画像表示装置。
7. 光変調素子は、
   偏光または光の散乱により画像情報光を制御する液晶パネルを光変調手段とすることを特徴とする請求項５記載の画像表示装置。
8. ランプリフレクターの非球面反射面は複数の微小ミラーを有し、
   上記各微小ミラーは、各放射方向毎の光線群を、当該各光線群が集光する上記非球面レンズ面の集光点へそれぞれ反射することを特徴とする請求項１記載のランプ。

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