JPH06214155A - コンデンサレンズ，偏光素子，光源装置及び投写型表示装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 液晶プロジェクタの高輝度化を実現する照明
用の大口径コンデンサレンズ，偏光素子，これらを用い
た光源装置，投写型表示装置を提供する。 【構成】 コンデンサレンズ131 を、第１面Ｓ1 が凸
面、第２面Ｓ2 の周辺部が凹面である両面非球面単レン
ズにより構成する。このコンデンサレンズ131 と放電ラ
ンプ120 と反射鏡130 とにより光源装置を構成し、反射
鏡130 の曲率中心とコンデンサレンズ131 の第２面側焦
点位置がほぼ共通点になるようにし、この共通点に放電
ランプ120 の発光中心を設定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光源の出射光を高効率
で集光できる大口径のコンデンサレンズ、コンデンサレ
ンズを用いた高効率光源装置、光源装置を用いた投写型
表示装置、偏光方向が不定な自然光を偏光が一方向にの
み大きい部分偏光に変換する偏光素子等に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】高効率
な光源装置が必要な従来技術の一例として液晶パネルを
用いた投写型表示装置について図50により説明する。図
50は例えば特開平１−42687 号公報に開示された装置で
ある。図において、１は光源装置であり、ランプ120 と
反射鏡130 とコンデンサレンズ131 とから構成されてい
る。２は光源装置１から出射される照明光束、14B, 14R
はダイクロイックミラー、11a, 11b, 11c, 11dはミラ
ー、3R, 3G, 3Bは液晶パネル、15はダイクロイックプリ
ズム、４は投写レンズ、５はスクリーンである。

【０００３】次に動作について説明する。光源装置１に
用いられるランプ120 としては、例えばメタルハライド
ランプ，キセノンランプ，ハロゲンランプ等の白色光源
が用いられる。コンデンサレンズ131 の焦点位置にラン
プ120 を配置することにより、平行な照明光束２が得ら
れる。また、反射鏡130 の反射面は典型的には球面であ
り、反射鏡130 の曲率中心をコンデンサレンズ131 の焦
点位置近傍（すなわち、ランプ120 の位置）に設定する
ことにより、コンデンサレンズ131 の出射光束２のパワ
ーは反射鏡130 がない場合に比べて約２倍になることが
公知である。

【０００４】照明光束２は青色光を反射し緑・赤色光を
透過するダイクロイックミラー14B、及び赤色光を反射
し緑・青色光を透過するダイクロイックミラー14R によ
って赤・緑・青の３原色に分解される。赤色光はミラー
11b, 11cによって折り曲げられて液晶パネル3Rに照射さ
れ、青色光はミラー11a, 11dによって折り曲げられて液
晶パネル3Bに照射される。また、緑色光は直接液晶パネ
ル3Gに照射される。液晶パネル3R，3G，3Bには赤，緑，
青の各原色に相当する画像が表示されるが、画像を表示
させる駆動回路については図示を省略している。液晶パ
ネルに形成された画像で変調された光束は赤・青色光を
選択的に反射し、緑色光を選択的に透過する公知のダイ
クロイックプリズム15によって再び１本の光束に合成さ
れて、投写レンズ４により投写光110 に変換され、スク
リーン５上に拡大投写される。

【０００５】上記コンデンサレンズ131 は照明の効率を
上げるために集光角θ（図50参照）を出来るだけ大きく
する必要があった。θを大きくできるレンズ構成として
はランプ120 側を凹面，平面，凸面のいずれかの球面と
し、平行な照明光束２の側を非球面の凸面とする構成が
公知であったが、集光角θは高々40°程度であった。こ
のようなコンデンサレンズの例としては文献（「レーザ
およびオプティクスガイドII」、pp.122-124，日本メレ
スグリオ（株）発行，1989年６月）に開示されている。
また、コンデンサレンズ131 を２〜３枚組のレンズで構
成して集光角θの増加を図る試みもあるが、レンズ全長
の増大によって光源装置が大形化し、レンズ組立が複雑
化して低価格化の障害になる等の問題があった。

【０００６】ランプ120 の出射光を平行光にするコンデ
ンサレンズ131 を単レンズで構成する場合、コンデンサ
レンズ131 透過後の照明光束２の平行度が光波長によっ
て異なる。これは光の波長によってレンズ材料の屈折率
が変化するために生ずる収差（色収差）が原因である。
コンデンサレンズ131 を可視光の中心波長領域である緑
色光において平行度が最適となるように設計した場合、
短波長側の青色光は集束光となり、長波長側の赤色光は
発散光となって、３枚の液晶ライトバルブ（液晶パネル
3R，3G，3B）の照明状態が異なる。従来の技術の投写型
表示装置におけるコンデンサレンズ131 から液晶ライト
バルブまでの光路長は、赤色と青色との光路が緑色の光
路に対して約３倍長い。赤色光は発散光でかつ光路長が
長いため液晶ライトバルブ面上の照度低下が緑色光に対
して顕著である。一方、青色光は集束光であるためスク
リーン５上の投写画像は中央部が青っぽくなる色ムラが
発生する。

【０００７】レンズの色収差を補正する方法として、屈
折率分散が小さい（アッベ数大）凸レンズと、屈折率分
散の大きい（アッベ数小）凹レンズとの組合せによりレ
ンズを構成することが公知である。しかしこのレンズの
欠点として、次のようなものがある。 （１） 凹レンズを使用するため、集光角θが小さくな
る。 （２） 凸レンズに使用する屈折率分散の小さい材料
は、一般に屈折率が低いため、集光角θが大きいレンズ
の設計が困難である。 （３） レンズ長が長くなり、組立てが複雑化する。

【０００８】また、従来の投写型表示装置は以上のよう
に構成されているので、ダイクロイックミラー14R, 14B
の交差部の影が発生する、ランプ120 の熱によりコンデ
ンサレンズ131 が割れるなどの問題点もある。

【０００９】ところで、ＴＮ（Twisted Nematic)型の液
晶ライトバルブは、偏光板を液晶層の前後に配置して構
成されている。偏光板は一方向の偏光のみの光を透過
し、それとは直交する方向の偏光は吸収する働きがあ
る。一般には、プラスチック性偏光板が用いられること
が多く、ヨウ素化合物や染料等の二色性物質をポリビニ
ルアルコール（ＰＶＡ）フィルムに吸着させた材料を、
一方向に配向させて、特定方向の偏光のみを吸収するよ
う構成されている。

【００１０】偏光方向が不定な自然光を液晶ライトバル
ブに入射すると、半分の光パワーが偏光板で吸収され
る。液晶ライトバルブを使用した投写型表示装置は、液
晶ライトバルブを高輝度の光源により照明しており、偏
光板における光吸収は熱の発生要因となっている。偏光
板の耐熱温度を越えて使用すると、偏光板の変形や変性
により、偏光度が低下して画質が大きく劣化する。とり
わけプラスチック性偏光板を用いた液晶ライトバルブ
は、偏光板が80〜90℃しか耐熱性がないので、高照度で
照明して高輝度な画像を得る際の障害となる。

【００１１】この問題を解決する一方法として、偏光板
の手前であらかじめ不要な方向の偏光を除去する方法が
ある。この従来例について図51を用いて説明する。図51
はJAPAN DISPLAY ■89 DIGEST pp.646-649 で報告され
た、液晶ライトバルブを用いた投写型表示装置の光学系
を示す図である。ランプ120 は放物面鏡13等を併用して
平行な光束２を出射する。フィルタ12により紫外線及び
赤外線をカットして、プリポラライザと呼ばれる偏光素
子６により、光束２を偏光方向が不定な自然光を偏光方
向が一方向にのみ大きい部分偏光に変換する。

【００１２】次に、ダイクロイックミラー7a，7bにより
赤（Ｒ），緑（Ｇ），青（Ｂ）３色の光に分離して、そ
れぞれの光をコンデンサレンズ8r, 8g, 8bで集光した
後、２枚の偏光板17r, 17g, 17b, 18r, 18g, 18bに挟ま
れた液晶ライトバルブ3r, 3g,3bで光変調して３原色の
画像を形成する。次に３原色の画像を色合成用ダイクロ
イックミラー9a, 9bで合成して、投写レンズ４により拡
大し、カラー画像をスクリーン上（図示せず）に拡大投
写する。

【００１３】図52は偏光素子６を示す図であり、偏光素
子６は、ガラス板61を積層した構造である。ガラス板61
は、空気層とガラス板層との屈折率が異なる界面におい
て、一方の直線偏光（Ｐ偏光）22はすべて透過し、他方
の直線偏光（Ｓ偏光）21の一部が反射する入射角（ブリ
ュースタ角）に設定されている。ガラス板61を複数枚積
層して液晶ライトバルブ3r, 3g, 3bに必要な偏光方向、
つまり液晶ライトバルブの入射側偏光板17r, 17g, 17b
の偏光軸と同方向の偏光の光束を生成する。

【００１４】従来例では、偏光素子６により、液晶ライ
トバルブの入射側偏光板17r, 17g,17b の偏光方向と直
交する偏光成分（図52のＳ偏光）をあらかじめ除去して
いるので、光吸収による入射側偏光板17r, 17g, 17b の
発熱劣化を低減できる。

【００１５】従来例における偏光素子６は、光軸に対し
ブリュースタ角、典型的には約57゜（屈折率ｎ＝1.52の
場合）に傾けたガラス板により構成している。１枚のガ
ラス板で偏光素子を構成すると、光束断面領域に対し約
1.5 倍の奥行きＤを必要とする。図52のように１回折り
返した構造にすると、奥行きＤを半分にすることが可能
である。投写型表示装置の高輝度化のためには、できる
だけランプ120 を液晶ライトバルブ3r, 3g, 3bに近接し
て設置する必要がある。従来の技術では大形の偏光素子
６がその障害となっており、また投写型表示装置のコン
パクト化の点からもより薄形の偏光素子の実現が望まれ
ている。

【００１６】本発明は斯かる事情に鑑みてなされたもの
であり、本発明の１つの目的は、集光角θを従来公知の
コンデンサレンズよりも大きく出来る大口径のコンデン
サレンズ、そのコンデンサレンズを用いた光源装置、及
びその光源装置を用いた投写型表示装置を提供すること
にある。

【００１７】本発明の他の目的は、高輝度で色均一性に
優れた投写型表示装置、及び熱によりコンデンサレンズ
が破損することがない光源装置を提供することにある。

【００１８】本発明の更に他の目的は、薄形で、かつ損
失が少い偏光素子を提供することにある。

【００１９】

【課題を解決するための手段】本願の第１発明，第２発
明のコンデンサレンズは何れも、大きな共役側に位置す
る第１面が凸面であり、小さな共役側（ランプ側）に位
置する第２面の周辺部が凹面である両面非球面単レンズ
より構成され、第１発明は以下の条件〔１〕を満足し、
第２発明は以下の条件〔２〕を満足して、開口数が何れ
も0.9 以上である。 〔１〕0.42＜ｒ1 ／ｎｆ＜0.45 18＜｜ｒ2 ／
ｎｆ｜ −0.39＜Ｋ1 ＜−0.25 0.11＜△2 ／ｆ＜0.
14 〔２〕0.4 ＜ｒ1 ／ｎｆ＜0.6 −0.5 ＜ｒ2 ／ｎ
ｆ＜−0.3 −0.6 ＜Ｋ1 ＜−0.2 −0.1 ＜ＳＧ2 ／ｆ＜0.
1 但し、 ｆ：レンズ全系の焦点距離 ｎ：レンズの屈折率 ｒ1 ：第１面の中心曲率半径 ｒ2 ：第２面の中心曲
率半径 Ｋ1 ：第１面の円錐定数 △2 ：第２面の有効径最周辺における非球面と、中心曲
率半径ｒ2 を有する基準球面との光軸方向の差 ＳＧ2 ：第２面の有効径最周辺における非球面の面中心
に対する光軸方向の差

【００２０】また、第１発明，第２発明のコンデンサレ
ンズにあって、第２面の有効径よりも大きな径の部分を
光軸と直交する平坦面とし、第１面の有効径よりも大き
な径の部分を光軸と直交する平坦面として実装の容易さ
を確保する。

【００２１】本願の第３発明の光源装置は、放電ランプ
と、球面鏡と、上記第１，第２発明のコンデンサレンズ
（ＮＡ≧0.9 ）とにより構成され、球面鏡の曲率中心と
コンデンサレンズの第２面側の焦点位置とを共通点と
し、放電ランプの発光中心をその共通点に配置する。ま
た、コンデンサレンズの第１面に単層の無反射コーティ
ングを施し、第２面に赤外・紫外反射コーティングか赤
外反射コーティングかを施す。

【００２２】本願の第４発明の投写型表示装置は、画像
表示デバイスと、画像表示デバイスを照明する光源と、
画像表示デバイスの表示画像を拡大投写する投写レンズ
とを備え、光源として第３発明の光源装置を適用したも
のである。さらに、放電ランプの電極の方向と、バーナ
部の排気部の方向を画像表示デバイスに対して所定の方
向とすることによって、投写画像の輝度分布の均一化が
図れる。

【００２３】本願の第５発明の投写型表示装置は、白色
光のランプと、球面鏡とコンデンサレンズにより構成さ
れた光源装置と、白色光を赤・緑・青色の３原色の光に
分離する色分離手段と、矩形開口の画像表示デバイスと
赤・緑・青の画像を合成する色合成手段と、画像表示デ
バイスの表示画像を拡大投写する投写レンズとを備え、
コンデンサレンズの色収差のために発生する波長による
照明光の平行度の違いを、集束光となる色の光路には凹
レンズを、発散光となる色の光路には凸レンズを挿入し
て平行度を補正するものである。

【００２４】本願の第６発明の投写型表示装置は、第５
発明の投写型表示装置において、２枚のダイクロイック
ミラーを交差させた色分離手段を使用し、色分離手段の
交差部の辺方向と線発光するランプの発光方向を所定の
方向とすることにより、交差部の影の発生を低減するも
のである。

【００２５】本願の第７発明の光源装置は、ランプと球
面鏡とコンデンサレンズとを備え、コンデンサレンズを
分割しておくことにより、熱膨張によるコンデンサレン
ズの割れを防止するものである。

【００２６】本願の第８発明の光源装置は、ランプと球
面鏡とコンデンサレンズとを備え、熱線のような不要光
スペクトルを除去するための、赤外光, 紫外光を反射す
るコーティングを光入射面側に施すものである。

【００２７】本願の第９発明の偏光素子は、入射面及び
出射面がＰ偏光を低損失で透過するような角度で複数回
折り返し、素子断面がひし形の柱状の単位素子が一定間
隔で連結した形状であって、さらに入射角をブリュース
タ角あるいはそれ以上の角度となるようにし、この偏光
素子の厚み及び折り返し周期を最適化したものである。
また、この偏光素子の材料にプラスチック材料を用い、
紫外・赤外線をカットするフィルタを併用したものであ
る。また、この偏光素子への強制冷却を施したものであ
る。また、偏光素子を複数枚積層し、偏光素子間にスペ
ーサを挿入したものである。また、この偏光素子の一部
に突起構造を一体に形成してスペーサを代用し、素子間
に空気層を設けたものである。

【００２８】本願の第10発明の偏光素子は、入射面及び
出射面がＰ偏光を低損失で透過させ、素子断面を三角波
形状にし、さらに入射角がブリュースタ角あるいはそれ
以上の角度となるように、素子の厚み及び折り返し周期
を最適化したものである。

【００２９】本願の第11発明の投写型表示装置は、第
９，第10発明の偏光素子を用いたものである。

【００３０】

【作用】第１発明，第２発明のコンデンサレンズは以下
の性能を有する。 〔ａ〕 集光角θを64.2°以上と大きくし、かつ球面収
差を小さくできるので、低収差で高効率な照明光が得ら
れる。 〔ｂ〕 焦点距離に比べて比較的長いバックフォーカス
を確保できる。 〔ｃ〕 ランプ側の面（第２面）の周辺部を凹面にでき
るのでコンデンサレンズへの入射角を低減でき、レンズ
周辺部の透過率を向上できる。また、光源側の面に多層
膜からなるコーティングを施す場合、透過特性の入射角
依存性を低減できる。 〔ｄ〕ランプ側の面（第２面）の有効径の外側を平面と
することで、大きな作動距離を確保できる。また第１面
の有効径の外側を平面とすれば、第２面側の上記平面と
併せてレンズ保持用のフランジが形成できるので実装が
容易となる。

【００３１】第３発明の光源装置によれば、集光角θが
64.2°以上のコンデンサレンズを用いた高効率な照明光
源が実現できる。しかも、コンデンサレンズが単レンズ
なので小型の光源装置が得られる。

【００３２】第４発明の投写型表示装置によれば、画像
表示デバイスを高照度で照明でき、しかも照明光の収差
が小さいので高輝度な投写画像が得られる。しかも、光
源が高効率なので装置の消費電力が小さくて済む。

【００３３】第５発明の投写型表示装置によれば、レン
ズにより照明光の平行度を補正しているので、光路長差
による液晶ライトバルブ面上の照度低下、及び、３枚の
液晶ライトバルブの照明不均一性が解消される。

【００３４】第６発明の投写型表示装置によれば、２枚
のフィルタの交差部の影によって生ずる画像表示部の照
明ムラが低減され、輝度ムラがない均一な投写画像が得
られる。

【００３５】第７発明の光源装置によれば、あらかじめ
コンデンサレンズを分割しているので、その熱膨張によ
る体積変化で生ずる割れを防止できる。

【００３６】第８発明の光源装置によれば、赤外光, 紫
外光を反射するコーティングを光入射面側に施している
ので、熱線のような不要光スペクトルを除去してコンデ
ンサレンズ等の光学部品の熱的な特性劣化を低減する。

【００３７】第９発明の偏光素子によれば、その形状は
薄形となり、入射角が、ブリュースタ角のときＰ偏光は
無損失で透過し、さらに厚みを最適設計することにより
Ｐ偏光の透過効率が向上する。また、入射角をブリュー
スタ角以上に設定することにより、Ｐ偏光はわずかに損
失するが、それ以上にＳ偏光の透過率が減少するので消
光比が向上する。また、この偏光素子の材料にプラスチ
ック材料を用いることにより、複雑な形状でも一層の素
子を一体かつ容易に、しかも安価に製造できる。また、
紫外・赤外線カットフィルタを併用し、さらに強制冷却
を施すことにより、偏光素子自体の熱的変形・変性を防
止できる。また、偏光素子を複数枚積層することにより
消光比を向上させる。さらに、偏光素子間にスペーサを
挿入して空気層を確保することにより、多重反射による
消光比の劣化を防止する。

【００３８】第10発明の偏光素子によれば、断面形状を
三角波形状にしたので、層厚が一様で機械的強度が強い
構造となり、また、入射角がブリュースタ角あるいはそ
れ以上の角度となるように、素子の厚み及び折り返し周
期を最適化したので、Ｐ偏光の透過効率を向上させる。

【００３９】第11発明の投写型表示装置によれば、第
９，第10発明な偏光素子を適用することにより、液晶ラ
イトバルブの入射側偏光板の発熱を低減でき、より高輝
度でコンパクトな投写型表示装置を実現できる。

【００４０】

【実施例】以下、本発明をその実施例を示す図面に基づ
いて詳述する。 実施例１．（大口径コンデンサレンズ） 短アーク長放電ランプ用の大口径コンデンサレンズの特
性に関して集光角（またはＮＡ）以外に考慮すべき主な
仕様は以下の通りである。 （ａ） バックフォーカス，作動距離（ＷＤ）が十分確
保できること。 （ｂ） 所望の照射光束径を満たすこと。 （ｃ） 球面収差が小さく、小さな共役側でアーク長程
度の物体を十分解像できること。 （ｄ） レンズの実装が容易であること。

【００４１】本実施例のコンデンサレンズは、応用例と
して従来技術で説明した液晶投写型表示装置を想定す
る。その際、放電ランプのアーク長は１〜５mmとし、照
射光束径は48〜50mmとして数値実施例を示す。また、レ
ンズのＮＡは0.9 以上の例を示すが、意図的にＮＡを小
さく使用することは公知の絞り等を使うことで容易に実
施可能である。

【００４２】以下、図面を参照しながら本実施例のコン
デンサレンズについて説明する。図１，図２は、後述す
る本実施例１の例１，４に対応するレンズ断面図であ
る。図１には、実施例の説明に必要な各種記号も併記し
た。図１において、Ｓ1 は大きな共役側の面（第１面）
であり、Ｓ2 は小さな共役側（放電ランプ側）の面（第
２面）である。ｄ1 はコンデンサレンズレンズ131 の中
心厚である。Ｓi は放電ランプのアークであり、図では
光軸と直交する方向に５mmの長さを想定して描いてい
る。Ｄ1, Ｄ2 は各々第１面Ｓ1,第２面Ｓ2 の有効径を
示し、破線で示したように小さな共役側の軸上からＳ2
面の直径Ｄ2 以内の領域に入射した光線は、Ｓ1 面の直
径Ｄ1 以内の領域から平行な光束２として出射する。θ
は最大集光角で、コンデンサレンズの開口数（ＮＡ）は
θを用いて（１）式で定義する。 ＮＡ＝ｓｉｎ（θ） ……（１）

【００４３】132 は第２面Ｓ2 上で有効径Ｄ2 の外側に
設けた平坦面である。第１面Ｓ1 の有効径Ｄ1 の外側に
も平坦部143 を設け、平坦部132, 143によってフランジ
133をコンデンサレンズ131 に一体的に形成している。
フランジ133 は、実施例２及び実施例３に関連して後述
するように、コンデンサレンズ131 の保持を容易にする
のに用いられる。ｄ2 は第２面Ｓ2 の中心からアークＳ
i の中心までの距離（バックフォーカス）、ＷＤは平坦
面132 からアークＳi までの距離（作動距離）である。
２はアークＳi の中心から最大集光角θで出射しコンデ
ンサレンズ131 で平行化された平行照明光束である。
なお、平坦面132, 143は特に鏡面でなくてもよく、スリ
硝子状もしくは不要光防止用に表面に黒色塗料を塗布し
た状態でもよい。

【００４４】第１面Ｓ1 は凸の非球面であり、第２面Ｓ
2 は周辺部が強い凹面の非球面である。レンズ構成とし
て周辺部が凸の構成も考えられるが、周辺が凹面の方が
Ｓ2面周辺に入射する光線の入射角が小さくなるので透
過率が大きくなり、より高効率にできる。数値例で具体
的に示すように、第２面Ｓ2 の中心曲率半径の絶対値
は、第１面Ｓ1 に比べて非常に大きい値を持つので中心
近傍は平面に近く見える。

【００４５】本実施例のレンズ系は前述した仕様（ａ）
〜（ｃ）を達成するために、上記両面非球面単レンズ構
成において、以下の条件式を満足している。 0.42＜ｒ1 ／ｎｆ＜0.45 ……（２） 18＜｜ｒ2 ／ｎｆ｜ ……（３） −0.39＜Ｋ1 ＜−0.25 ……（４） 0.11＜△2 ／ｆ＜0.14 ……（５） 但し ｆ：レンズ全系の焦点距離 ｎ：レンズの屈折率 ｒ1 ：第１面Ｓ1 の中心曲率半径 ｒ2 ：第２面Ｓ2 の中心曲率半径 Ｋ1 ：第１面Ｓ1 の円錐定数 △2 ：第２面Ｓ2 の有効径の端における、非球面と中心
曲率半径ｒ2を有する基準球面との光軸方向の差であ
り、第２面Ｓ2 の周辺 部が小さな共役
側に曲がる方向を正とする

【００４６】上記条件式の下限値, 上限値の意味を以下
に説明する。まず、第１面Ｓ1 の中心曲率半径ｒ1 と屈
折率ｎに焦点距離ｆを乗じた値の比を定める（２）式に
おいて、下限値を越えると屈折力が第１面Ｓ1 に偏るの
で、所望の作動距離（ＷＤ），バックフォーカスが得ら
れない。逆に上限値を越えると第２面Ｓ2 で発生する大
きな球面収差を補正しようとしても、軸上付近の球面収
差を補正すると輪帯収差が大きくなり、最大輪帯部分で
許容できないアンダーな球面収差が残留する。この最大
輪帯での球面収差を補正しようとすれば中間輪帯で許容
出来ない大きさの球面収差が残ってしまう。

【００４７】（３）式は第２面Ｓ2 の中心曲率半径ｒ2
と屈折率ｎに焦点距離ｆを乗じた値の比の絶対値を定め
る条件であり、下限を越えると軸上付近の３次球面収差
がアンダーになる。（３）式の条件により第２面Ｓ2 の
中心近傍は平面に近い形状となる。

【００４８】（４）式は高次球面収差を良好に補正する
ための条件で、下限値を越えた場合には軸上付近の球面
収差を補正すると最大輪帯付近で許容出来ない大きさの
オーバな球面収差が発生する。逆に（４）式の上限値を
越えると、軸上付近の球面収差を補正すると最大輪帯付
近で許容できないアンダーな高次球面収差が発生する。

【００４９】（５）式は第２面Ｓ2 （放電ランプ側の
面）の有効径の端における非球面量△2 と焦点距離ｆと
の比を規定する条件である。（５）式の上限値を越える
と、第２面Ｓ2 の有効径周辺部の面傾きが凹面状に大き
くなりすぎるので所望のＮＡが得られない。また、大き
な作動距離（ＷＤ）を確保できなくなる。（５）式の下
限値を越えると、逆に集光角は大きく出来るが、輪帯部
で大きな高次球面収差が発生しその補正が困難になる。

【００５０】次に、本実施例１の具体的な数値実施例を
表１ないし表６に示す。表１ないし表６に記載した記号
の意味は以下の通りである。 ｆ：コンデンサレンズ全系の焦点距離 ＮＡ：第２面Ｓ2 側（小さな共役側）の開口数 β：大きな共役側から光線が入射した場合の基準結像倍
率 ＷＤ：作動距離（図１参照） Ｄ1 ：第１面Ｓ1 の有効径（直径） Ｄ2 ：第２面Ｓ2 の有効径（直径） ｎ：レンズ屈折率（ｎ1 ） △2 ：第２面Ｓ2 の有効径端部における非球面量 ｍ：大きな共役側から順次数えた面番号 ｒｉ：大きな共役側から数えて第ｉ番目のレンズ面の中
心曲率半径 ｄｉ：大きな共役側から数えて第ｉ番目のレンズ成分の
厚み及び空気間隔 ｎｉ：大きな共役側から数えて第ｉ番目のレンズ成分の
波長546.1 nm（ｅ線）における屈折率 νｉ：大きな共役側から数えて第ｉ番目のレンズ成分の
アッベ数 また、各面の非球面形状は面の中心を原点とし、光軸方
向をＺ軸とした直交座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）において、ｒ
を中心曲率半径，Ｋを円錐定数、Ａ4 ，Ａ6 ，Ａ8 ，Ａ
10を各々４次，６次，８次，10次の非球面係数とすると
き、（６）式で表されるものとする。

【００５１】

【数１】

【００５２】このとき△2 は下記（７）式で表される。 △2 ＝Ｚas−Ｚsp ……（７） 但し、Ｚas，Ｚspは第２面Ｓ2 の有効径Ｄ2 を用いて、
下記（８），（９）式にてそれぞれ与えられる。

【００５３】

【数２】

【００５４】（例１）実施例１の例１における数値デー
タを表１に示す。

【００５５】

【表１】

【００５６】硝材としてはＦＤ１３（ＨＯＹＡ（株）
製）を使用した。図３は波長546.1 nm（ｅ線）における
小さな共役側の近軸像面におけるスポットダイアグラム
で、各×点が１本の光線に対応している。計算には312
本の光線を追跡した。

【００５７】例１では、十分球面収差が補正されている
ので、ＮＡ＝0.917 （θ＝66.5°）と大口径であるにも
かかわらず、0.5 mm程度のスポット径が得られている。
従って、１〜５mm程度の物体（アーク長）を十分解像で
きるので、第２面Ｓ2 側から光線が入射した場合には、
アーク長から決まる限界に近い低収差の平行な照明光束
２が得られる。

【００５８】（例２）実施例１の例２における数値デー
タを表２に示す。

【００５９】

【表２】

【００６０】硝材としてはＦＤ４（ＨＯＹＡ（株）製）
を使用した。本例２では例１と光束径（Ｄ1 ）は同程度
で、より大きなＮＡが得られる。

【００６１】（例３）実施例１の例３における数値デー
タを表３に示す。

【００６２】

【表３】

【００６３】硝材としてはＦＤ１４（ＨＯＹＡ（株）
製）を使用した。本例３では例１よりも大きなＮＡが得
られる。

【００６４】（例４）図２は実施例１の例４の断面図を
示す。また、本例４における数値データを表４に示す。

【００６５】

【表４】

【００６６】硝材としてはＦＤ６（ＨＯＹＡ（株）製）
を使用した。本例４では例１より光束径（Ｄ1 ）は１mm
程小さいが、ＮＡの増加が大きい。

【００６７】（例５）実施例１の例５における数値デー
タを表５に示す。

【００６８】

【表５】

【００６９】硝材としてはＦＤ６（ＨＯＹＡ（株）製）
を使用した。本例５では例１より光束径（Ｄ1 ）は１mm
程小さいが、ＮＡは例４よりもさらに大きい。

【００７０】（例６）実施例１の例６における数値デー
タを表６に示す。

【００７１】

【表６】

【００７２】硝材としてはＮｂＦＤ１３（ＨＯＹＡ
（株）製）を使用した。本例６では例１より光束径（Ｄ
1 ）は１mm程小さいが、ＮＡの増加が大きい。

【００７３】図４，図５，図６，図７，図８，図９は、
実施例１のそれぞれ例１，例２，例３，例４，例５，例
６に対応する小さな共役側の近軸像面における収差図で
ある。球面収差図は（ＷＬ１＝610 nm, ＷＬ２＝546.1
nm, ＷＬ３＝470 nm）の３波長について示し、非点収差
は546.1 nm（ｅ線）について示している。また、非点収
差はアーク長５mmのランプを想定して最大像高2.5 mmと
して計算した。各収差図における球面収差，非点収差は
十分実用可能な良好な値である。

【００７４】実施例２．（光源装置） （例１）実施例１における大口径コンデンサレンズを用
いて、小型で高効率な照明用光源装置を構成することが
できる。図10は実施例２の例１における光源装置の構成
図であり、131 はコンデンサレンズ、143 はコンデンサ
レンズ131 の第１面Ｓ1の有効径の外周に形成された第
１の平坦部、132 はコンデンサレンズ131 の第２面Ｓ2
の有効径の外周に形成された第２の平坦部、133 は第１
の平坦部143 と第２の平坦部132 とに挟まれたフランジ
部であり、コンデンサレンズ131 と一体に形成されてい
る。

【００７５】120 は放電ランプであり、実際にはメタル
ハライドランプ, キセノンランプ等が使用される。121
はランプ120 の電極、122 は電極121 を封止するシャフ
ト部でありガラス材料より成る。123 はランプ120 のバ
ーナ部で、ガラス, 透光性セラミック材等から作られて
おり、内部の空洞には発光に必要な各種のガス，元素が
封入され、一対の電極121 間の放電ギャップ124 での放
電により所望の発光スペクトルが得られる。ランプ120
はコンデンサレンズ131 の第２面Ｓ2 側に位置し、放電
ギャップ124 が実施例１（図１，図２）における小さな
共役側の像面Ｓi に相当し、かつ、シャフト部122 がコ
ンデンサレンズ131 の光軸（一点鎖線）と直交するよう
に配置されている。

【００７６】130 は反射鏡であり、凹面側の面144 が鏡
面に仕上げられて反射コーティングが施されている。13
7 は反射鏡130 の有効径の外周部に設けられたフランジ
部である。反射鏡130 は、典型的には凹面144 の曲率中
心が放電ギャップ124 の中心（発光中心）に位置するよ
うに配置されている。134 は第１の支持板、138 は第２
の支持板、135 は第１の止め具、139 は第２の止め具、
136 は第１のビス、142 は第２のビスである。

【００７７】次に、本例１の動作について説明する。ラ
ンプ120 は公知のように一対の電極121 間で放電をおこ
す回路（図示せず）で駆動され、放電のアークによって
バーナ部123 内が熱せられて発光する。ランプ120 が交
流駆動される場合、アークは放電ギャップ124 の部分で
電極121 の方向に線状に生ずる。放電ギャップ124 の中
心はコンデンサレンズ131 の第２面Ｓ2 側の焦点位置に
置かれており、放電ギャップ124 の中心部より出射して
直接コンデンサレンズ131 に入射する光束はコンデンサ
レンズ131 を透過して平行な照明光束２に変換される。

【００７８】一方、放電ギャップ124 の中心部より出射
して反射鏡130 に入射する光束は、凹面144 の曲率中心
が放電ギャップ124 の中心に合わせられているので、凹
面144 で反射された後、同一経路を逆進し、再び放電ギ
ャップ124 の中心に集光され、コンデンサレンズ131 に
入射する。凹面144 の反射率を所望の波長域において10
0 ％近くに設定することにより、コンデンサレンズ131
からの出射パワーは反射鏡130 がない場合に比べて約２
倍になる。反射鏡130 の有効径を決めるに当たり、凹面
144 の有効反射領域がコンデンサレンズ131 の最大集光
角θできまる領域以上となるようにすると、最大限の光
束を照明光束２に変換できる。

【００７９】反射鏡130 の凹面144 の曲率半径は、光源
装置１全体を小型化する点では小さい方がよいが、短く
するに従って、アーク長の端部の結像に関して非点収差
が大きくなり、またランプ120 のシャフト部122 に対す
る配置余裕を確保する上で好ましくない。本発明者は光
線追跡により光源装置１全体の収差特性を解析した結
果、凹面144 の曲率半径は実施例１のコンデンサレンズ
と組み合わせる場合、コンデンサレンズ131 の第１面Ｓ
1 の有効径Ｄ1 の１／２以上にするのが適当であること
を見いだした。

【００８０】コンデンサレンズ131 は、有効径の外側に
一体的に設けられたフランジ133 により固定される。図
10の例では、第２面Ｓ2 側に配置された支持板134 に平
坦面132 を押し当てて位置決めし、止め具135 を平坦面
143 に押し当てながらビス136 で支持板134 に固定する
ことでコンデンサレンズ131 を保持している。反射鏡13
0 は、外周部に一体的に設けられたフランジ137 を支持
板138 に押しつけ、フランジ137 の反対側に止め具139
を押し当てた状態でビス142 により支持板138に固定す
ることで保持されている。

【００８１】なお、第１の支持板134 はランプ120 から
出射する光線をコンデンサレンズ131 の第２面Ｓ2 に入
射させるために中心部に穴があけられている。また、第
２の支持板138 もランプ120 から出射する光線を凹面14
4 に入射させるために中心部に穴があけられている。

【００８２】コンデンサレンズ131 の第１，第２面Ｓ1,
Ｓ2 には、必要に応じて無反射コーティング（例：38
0 〜780 nmの波長帯域を透過），紫外・赤外光反射コー
ティング（例：400 nm以下，700 nm以上の波長帯域を反
射），赤外光反射コーティング（例：700 nm以上の波長
帯域を反射）が施されている。これらコーティングの種
類と、コーティングを施す面とは、照明の用途に応じて
決められるが、用途によっては特にコーティングがなく
てもよい。一例として、図50に示した液晶投写型表示装
置の光源装置１として用いる場合のコーティングについ
て以下に述べる。

【００８３】液晶投写型表示装置では、光源装置１は可
視光全域にわたる白色光を出射する必要がある。また、
液晶パネル3R, 3G, 3Bは赤外線（熱線）及び紫外線によ
る特性劣化がおこるので、可視光以外の光線は極力照射
光から除去する必要がある。コンデンサレンズ131 の面
に紫外・赤外光反射コーティング，赤外光反射コーティ
ングを施すと、照明光束２に含まれる熱線を低減するの
に有効である。公知の通り、上記コーティングは多層薄
膜により構成する必要があるが、透過特性の入射角依存
性が問題となる。しかし、コンデンサレンズ131 の第２
面Ｓ2 は周辺が凹面であり入射角の増加を抑えられるの
で、従来の平面入射のコンデンサレンズ（図50）に比べ
て透過特性の均一性を改善できる。このために、紫外・
赤外光反射コーティングもしくは赤外光反射コーティン
グは第２面Ｓ2 に施すのが適当である。

【００８４】また、第１面Ｓ1 は周辺部の入射角が大き
くなる傾向があるので、単層の無反射コーティングを施
すことにより分光透過率の入射角依存性の影響を最小限
に抑えることができる。凹面144 には、Ａｌ，Ａｕ等の
高反射金属薄膜をコーティングするか、赤外・紫外光を
透過するコーティングもしくは赤外光を透過するコーテ
ィングを施すことにより照明光束２に含まれる不要光ス
ペクトルを低減できる。

【００８５】（例２）例１では、放電ギャップ124 の中
心にコンデンサレンズ131 の焦点と凹面144の曲率中心
とを一致して配置する構成について述べた。しかしラン
プ120 として直流点灯するキセノンランプを使用する場
合には、以下に述べる構成とするのがより好適である。
公知のように、直流駆動型のキセノンランプは、陽極側
と陰極側との電極構造が非対称であり、一般に陰極側が
細く陽極側が太くなっている。そして、陰極の先端近傍
が非常に小さな点光源状に発光することが知られてい
る。一例として、オスラム社（ドイツ）のＸＢＯ２５０
０Ｗ型の電極間の発光輝度分布を図12に示す。本例では
電極間隔が６mm程度あるにも関わらず、大部分の光エネ
ルギーは陰極121Cの先端部の直径約0.5 mm以下の部分に
集中していることがわかる。

【００８６】このように直流駆動型のキセノンランプで
は発光点が陰極先端部に局在しているので、この発光点
を光源装置の光軸上に合わせて配置することにより、出
射光の進行方向を光軸にあわせることができる。図11は
以上の事柄を考慮した実施例２の例２における光源装置
の配置を示す。図11において、120 は放電ランプとして
のキセノンランプ、121A, 121Cは各々キセノンランプ12
0 の陽極，陰極である。その他の構成要素については図
10と同様である。

【００８７】図11において陰極121Cの先端部がコンデン
サレンズ131 の光軸（一点鎖線で示した）上でかつ焦点
位置に配置されている。また、凹面144 の曲率中心も陰
極121Cの先端部に合わせて配置されている。このように
配置することにより、出射された照明光束２の進行方向
を厳密にコンデンサレンズ131 の光軸に合わせることが
できるので、本光源装置を図50の液晶投写型表示装置の
光源装置１等に応用すると設置が容易になる。なお図11
は放電ランプが陰極121Cと陽極121Aとを備えたキセノン
ランプ120 になったこと以外は図10の実施例と同様なの
で、動作説明を省略する。

【００８８】実施例３．（投写型表示装置） 実施例２における光源装置を、図50に示した従来の液晶
投写型表示装置の光源装置１に置き換えれば、高輝度な
液晶投写型表示装置を実現できる。これは、実施例１に
関連して述べたように、光源から出射した光束をＮＡ≧
0.9 という大口径のコンデンサレンズで効率よく照射で
きることが第１の理由である。また、第２の理由として
は、照明光の収差が極めて小さいので、投写レンズ４に
高効率に光束を入射できることがあげられる。

【００８９】従来より、小口径の非テレセントリックレ
ンズを投写レンズ４として使用するために、液晶パネル
3R, 3G, 3Bの近傍に集光レンズ（図示せず）を配置し、
投写レンズ４の入射瞳（図示せず）への光束の入射効率
を改善する手法も行われている。実施例２の光源装置
は、このような、液晶パネル近傍に集光レンズを配置す
る投写型表示装置の構成に適用しても、高輝度な投写画
像が得られる。これは、照明光束２の収差が小さいので
集光レンズによって投写レンズの入射瞳上に非常に小さ
な光源像を結像できることにより投写レンズ４の透過光
束を最大限に増加できるからである。

【００９０】ランプ120 の配光特性によって液晶パネル
の画面の方向とランプの姿勢により投写画像の輝度均一
性が変化する。これについて図13により説明し、最適な
ランプの配置法について図14により説明する。図13
（ａ）はランプ120 の電極121 回りの回転角ψ，電極方
向からの傾き角θの定義図である。この２種類の角度
θ，ψに対して、ランプ120 の配光特性は図13（ｂ），
図13（ｃ）の如く変化する。すなわち、θ方向の角度変
化に対しては電極方向にて光度が最小になり、電極と直
交する方向にて光度が最大になる。

【００９１】また、ψ方向の角度変化に対しては基本的
には光度変化が殆どない。但し、ランプ120 のバーナ部
123 には製造工程において排気部125 （バーナ内部の空
気を排気してガラス材料を融着した部分であり、バーナ
の側面にある場合が多い）が形成されており、ψ方向の
うち排気部125 に相当する方向では光度が低下する傾向
がある。

【００９２】以上のランプ120 の配光特性を勘案すれ
ば、図50に示した投写型表示装置に実施例２の光源装置
を適用する場合のランプ配置を、投写画像の輝度分布を
均一にするという観点で最適化できる。以下、図14によ
り最適なランプ配置について説明する。

【００９３】３は投写型表示装置の液晶パネルの表示画
面を示しており、説明の便宜上１個の画面のみを示して
いる。3H，3Vは各々矩形画面３の長辺，短辺を示してい
る。（Ｘ，Ｙ，Ｚ）は直交座標系であり、Ｚはコンデン
サレンズ131 の光軸方向を向いており、Ｘ，Ｙは長辺3
H，短辺3Vの方向を向いている。図のように、電極121と
短辺3Vとを同一のＹ方向に向けることにより、ランプ12
0 の配光特性上照度むらが生じる方向（図13のθ方向）
を短辺方向に合わせることができ、長辺方向3Hの方向は
光度むらの小さいψ方向に相当するので照度むらを小さ
くできる。よって、投写画像の輝度むらが小さくでき
る。

【００９４】仮にこの配置とは逆に、電極121 の方向を
長辺3Hの方向（Ｘ方向）に合わせた場合、光度変化の大
きいθ方向が長辺3H方向に相当することになるので、液
晶パネル３上の照度むら、したがって投写画像の輝度む
らが上記の最適配置よりも大きくなる。また、ランプ12
0 の電極121 回りの設定によって排気部125 がＸ方向
（または−Ｘ方向）に位置するように配置することによ
って、排気部125 による光度低下の影響を最小限に抑え
ることができるので、より投写画像の輝度むらを小さく
できる。

【００９５】以上の実施例は、実施例２による光源装置
を液晶投写型表示装置に適用した例について説明した。
これ以外にも照明用光源装置を応用する機器としては、
スライドプロジェクタ，マイクロフィルム読みとり装
置，探照灯，自動車のヘッドライト等が公知である。実
施例２による光源装置はこれらの機器に適用しても高効
率・低電力な機器が実現できることもちろんである。

【００９６】実施例４．（大口径コンデンサレンズ） 実施例１では、比較的高屈折率（ｎ＞1.7)の硝材を用い
たＮＡ≧0.9 の大口径コンデンサレンズについて開示し
た。しかし、実験の結果、ランプの消費電力が大きい
（＞200 Ｗ）放電ランプを用いて光源装置を構成する
と、冷却条件によってはレンズが割れる場合もあるとい
うことが見いだされた。そこで、耐熱性に優れた硝材
（コーニング社製７７４０）を用いてレンズ設計を行っ
た。本硝材はｄ線での屈折率が1.47と低いので、実施例
１よりもＮＡ≧0.9 の実現は一層困難であるが、今回大
口径化できる条件を見出した。しかも、実施例１の硝材
に比べてアッベ数が1.6 〜2.6 倍大きいので、原理的に
軸上色収差が小さくなり照明光の色ムラを低減できる。

【００９７】本実施例４では、実施例１において考慮し
た（ａ）〜（ｄ）の仕様に加えて、以下の（ｅ）の仕様
も特に考慮している。 （ｅ）レンズ材料の耐熱性が十分あり、発光時に高温に
なる放電ランプに近接配置してもレンズの割れが起こら
ないこと。

【００９８】実施例４のコンデンサレンズは、応用例と
して従来技術で説明した液晶投写型表示装置を想定す
る。その際、放電ランプのアーク長は１〜５mmとし、照
射光束径は91〜94mm（または48〜51mm）として数値実施
例を示す。また、レンズのＮＡは0.9 以上の例を示す
が、意図的にＮＡを小さく使用することは公知の絞り等
を使うことで容易に実施可能である。

【００９９】以下、図面を参照しながら本発明のコンデ
ンサレンズについて説明する。図15，図17，図19，図21
は、後述する本実施例４の例１，４，６，７に対応する
レンズ断面図である。図15には、実施例の説明に必要な
各種記号も併記した。図15における各種記号は、ＷＤが
第２面Ｓ2 の小さな共役側の最も突出した点からアーク
Ｓi までの光軸方向距離（作動距離）である点を除け
ば、図１（実施例１）と同じであり、また開口数（Ｎ
Ａ）の定義も実施例１と同じ（式（１））である。

【０１００】第１面Ｓ1 は凸の非球面であり、第２面Ｓ
2 は周辺部が凹面の非球面である。レンズ構成として周
辺部が凸の構成も考えられるが、周辺が凹面の方がＳ2
面周辺に入射する光線の入射角が小さくなるので透過率
が大きくなり、より高効率にできる。数値例で具体的に
示すように、比較的低屈折率の材料でレンズを構成する
ので第２面Ｓ2 の中心曲率半径の絶対値は第１面Ｓ1 の
曲率半径と同程度以下の値が必要で、中心部が凸面状と
なっている。

【０１０１】実施例４のレンズ系は前述した仕様（ａ）
〜（ｃ）を達成するために、両面非球面単レンズ構成に
おいて以下の条件式を満足している。 0.4 ＜ｒ1 ／ｎｆ＜0.6 ……（10） −0.5 ＜ｒ2 ／ｎｆ＜−0.3 ……（11） −0.6 ＜Ｋ1 ＜−0.2 ……（12） −0.1 ＜ＳＧ2 ／ｆ＜0.1 ……（13） 但し、 ｆ：レンズ全系の焦点距離 ｎ：レンズの屈折率 ｒ1 ：第１面の中心曲率半径 ｒ2 ：第２面の中心曲率半径 Ｋ1 ：第１面の円錐定数 ＳＧ2 ：第２面の有効径最周辺における非球面の面中心
に対する光軸方向の差で、第２面周辺部が小さな共役側
に曲がる方向を正とする

【０１０２】上記条件式の下限値, 上限値の意味につい
て、以下に説明する。まず、（10）, （12）式における
意味は、実施例１の（２），（４）式とそれぞれ同じで
あるので説明を省略する。

【０１０３】（11）式では、上限値を越えると軸上付近
の３次球面収差がアンダーになる。また、下限値を越え
ると軸上付近の３次球面収差がオーバーになり非球面項
によってこれが制御できなくなる。

【０１０４】（13）式は、第２面Ｓ2 （ランプ側の面）
の有効径の端における非球面の面中心を基準とした光軸
方向位置ＳＧ2 と焦点距離ｆとの比を規定する条件であ
る。（13）式の上限値を越えると、第２面の有効径周辺
部の面傾きが凹面状に大きくなりすぎるので所望のＮＡ
が得られない。また、大きな作動距離（ＷＤ）を確保で
きなくなる。（13）式の下限を越えると、逆に集光角は
大きくできるが、輪帯部で大きな高次球面収差が発生し
その補正が困難になる。

【０１０５】次に、実施例４における各数値実施例を示
す。数値実施例を示す表７〜表15に記載した記号の意味
は、以下に示す通りである。 ＷＤ：作動距離（図15参照） ＳＧ2 ：第２面の有効径端部における非球面の面中心に
対する光軸方向位置 なお上記以外の記号の意味は実施例１に同じであり、ま
た、各面の非球面形状も実施例１と同様に表される
（（６）式参照）。また、ＳＧ2 は以下の（14）式で表
される。 ＳＧ2 ＝Ｚas ……（14） 但し、Ｚasは前記（８）式で示される

【０１０６】（例１）図15は実施例４の例１におけるコ
ンデンサレンズの断面図を示す。また本例１の数値デー
タを表７に示す。図16は波長546.1 nm（ｅ線）における
小さな共役側の近軸像面におけるスポットダイアグラム
で、各×点が１本の光線に対応している。計算には約30
0 本の光線を追跡した。十分球面収差が補正されている
ので、ＮＡ＝0.917 （θ＝66.5°）と大口径であるにも
かかわらず、0.5 mm以下のスポット径が得られている。
従って、１〜５mm程度の物体（アーク長）を十分解像で
きるので、第２面Ｓ2 側から光線が入射した場合にはア
ーク長から決まる限界に近い低収差の平行な照明光束２
が得られる。

【０１０７】

【表７】

【０１０８】（例２）実施例４の例２における数値デー
タを表８に示す。本例２では例１とＮＡは同じであって
でやや大きな光束径Ｄ1 が得られる。

【０１０９】

【表８】

【０１１０】（例３）実施例４の例３における数値デー
タを表９に示す。

【０１１１】

【表９】

【０１１２】（例４）図17は実施例４の例４におけるコ
ンデンサレンズの断面図を示す。また本例４の数値デー
タを表10に示す。図18は波長546.1 nm（ｅ線）における
小さな共役側の近軸像面におけるスポットダイアグラム
で、各×点が１本の光線に対応している。計算には約30
0 本の光線を追跡した。十分球面収差が補正されている
ので、ＮＡ＝0.917 （θ＝66.5°）と大口径であるにも
かかわらず、0.05mm程度のスポット径が得られている。
従って、１〜５mm程度の物体（アーク長）を十分解像で
きるので、第２面Ｓ2 側から光線が入射した場合にはア
ーク長から決まる限界に近い低収差の平行照明光束２が
得られる。本例４は例１〜３に比べて焦点距離が短く、
照明光束径Ｄ1 が50mmと小さくなっている

【０１１３】

【表１０】

【０１１４】（例５）実施例４の例５における数値デー
タを表11に示す。本例５は例４と同等の仕様である。

【０１１５】

【表１１】

【０１１６】（例６）図19は実施例４の例６におけるコ
ンデンサレンズの断面図を示す。また本例６の数値デー
タを表12に示す。図20は波長546.1 nm（ｅ線）における
小さな共役側の近軸像面におけるスポットダイアグラム
で、各×点が１本の光線に対応している。計算には約30
0 本の光線を追跡した。十分球面収差が補正されている
ので、ＮＡ＝0.908 （θ＝65.2°）と大口径であるにも
かかわらず、0.4 mm程度のスポット径が得られている。
従って、１〜５mm程度の物体（アーク長）を十分解像で
きるので、第２面Ｓ2 側から光線が入射した場合にはア
ーク長から決まる限界に近い低収差の平行な照明光束２
が得られる。

【０１１７】

【表１２】

【０１１８】（例７）図21は実施例４の例７におけるコ
ンデンサレンズの断面図を示す。また本例７の数値デー
タを表13に示す。本例７では例１〜６に比べてＳＧ2 が
正の大きな値となっており、図21より第２面Ｓ2 の周辺
部が像面側にとび出していることがわかる。

【０１１９】

【表１３】

【０１２０】（例８）実施例４の例８における数値デー
タを表14に示す。本例８は例７とほぼ同等の仕様であ
る。

【０１２１】

【表１４】

【０１２２】（例９）実施例４の例９における数値デー
タを表15に示す。本例９では類似仕様の例４〜８に比べ
て最も大きな作動距離ＷＤを確保出来ている。

【０１２３】

【表１５】

【０１２４】図22〜図30は実施例４のそれぞれ例１〜例
９に対応する小さな共役側の近軸像面における収差図で
ある。球面収差図は（ＷＬ１＝610 nm，ＷＬ２＝546.1
nm，ＷＬ３＝470 nm）の３波長について示し、非点収差
は546.1 nm（ｅ線）について示している。また、非点収
差はアーク長５ｍｍのランプを想定して最大像高2.5mm
として計算した。各収差図における球面収差，非点収差
は十分実用可能な良好な値である。なお、図17, 図19,
図21では例１を示す図15に記載したフランジ部133 を省
略したが、図15と同じくレンズ外周にフランジ部133 を
設ければ、レンズのマウントに利用できることは言うま
でもない。

【０１２５】実施例５．（光源装置） 実施例４の大口径コンデンサレンズを用いて、小型で高
効率な照明用光源装置を構成することができる。図31は
このような実施例５の光源装置の構成図である。図31に
おいて、図10（実施例２）と同一部分には同一符号を付
してその説明を省略する。なお、実施例５においても、
実施例２と同様に、コンデンサレンズ131 及び反射鏡13
0 はフランジ部133, 137を適当な支持板に押しあてる等
の方法で固定されているが、この詳細な構造については
説明を省略する。

【０１２６】また、本実施例５の動作は前述した実施例
２の動作と同様であるので、その説明は省略する。

【０１２７】実施例５においても実施例２と同様に、凹
面144 の曲率半径は実施例４のコンデンサレンズと組み
合わせる場合、コンデンサレンズ131 の第１面の有効径
Ｄ1の１／２以上にすることが適当である。また、実施
例２と同様に、コンデンサレンズ131 の面Ｓ1 ，Ｓ2 に
は必要に応じて無反射コーティング，紫外・赤外光反射
コーティング，赤外光反射コーティグを施しておくとよ
い。図50の液晶投写型表示装置の光源装置１として実施
例５の光源装置を用いた場合のコーティングの例は、実
施例２と同じである。

【０１２８】実施例６．（投写型表示装置） 実施例５の光源装置（図31）を、従来の液晶投写型表示
装置を示す図50の光源装置１に置き換えれば、実施例３
と同様に、高輝度な液晶投写型表示装置が実現できる。
なお、高輝度な液晶投写型表示装置を実現できる理由，
原理及びその光源装置の適用例等は、実施例３と全く同
様であるので、その説明は省略する。

【０１２９】実施例７．（投写型表示装置） 図32は実施例７における投写型表示装置の構成を示す図
である。図において、図50と同一番号を付した部分は同
一部材を示す。ランプ120,反射鏡130,コンデンサレンズ
131 から構成される光源装置１は、コンデンサレンズ13
1 を単レンズで構成した場合、前述したように色収差の
ため照明光束２の平行度が光の波長によって異なる。コ
ンデンサレンズ131 を可視光の中心波長領域である緑色
光において平行度が最適となるように設計した場合、短
波長側の青色光は集束光となり、長波長側の赤色光は発
散光となって、３枚の液晶ライトバルブの照明状態が異
なる。本実施例７では平行度を補正するため、ダイクロ
イックミラー14B, 14Rによる赤・緑・青色光に色分離
後、発散光の赤色の光路には凸レンズ16を、集束光のＢ
光には凹レンズ17を挿入してそれぞれの光の平行度を補
正している。色収差を低減するためにはコンデンサレン
ズ131 の材料に屈折率分散が小さい（アッベ数が大き
い）材料を用いればよいが、一般に屈折率分散が小さい
材料は屈折率が小さいため、集光角θが大きい集光効率
の高いレンズの設計が困難となる。逆に高屈折率の材料
を用いれば、集光角θが大きいレンズの設計が容易とな
るが、屈折率分散が大きく（アッベ数が小さく）なり、
色収差も大きく、パワーが強い補正レンズ16, 17を必要
とする。

【０１３０】前述の実施例１の例１で説明したコンデン
サレンズをこの投写型表示装置の光源装置に適用する場
合、青色光と赤色光とでは焦点距離が約１mm異なる。青
色光はコンデンサレンズ透過側約1400mmの所で集光する
集束光であり、赤色光はレンズ入射側約1400mmの所に集
光点を有する発散光となる。コンデンサレンズ131 透過
後100 mmの位置に補正レンズを設けるならば、青色光路
には焦点距離約1300mmの凹レンズ17を、赤色光路には焦
点距離約1500mmの凸レンズ16を用いれば良い。

【０１３１】補正レンズは単色光に適用するため、材料
の屈折率やアッベ数は特に問題ではなく、ガラス材料な
らばＢＫ７、プラスチック材料ならばポリメチルメタク
リレート（ＰＭＭＡ）, ポリカーボネート（ＰＣ）を用
いれば低コストである。また、レンズは球面レンズに限
らず、フレネルレンズを用いれば光学系がコンパクトと
なる。

【０１３２】実施例８．（投写型表示装置） 上記実施例７の投写型表示装置は、色分離手段を２枚の
ダイクロイックミラー14R, 14Bを交差して構成している
ため、投写画像に交差部の影による輝度ムラが発生する
問題がある。実施例８では、線発光のランプ120 を用
い、さらに線発光の方向と交差部の辺方向とを所定の方
向とすることにより交差部の影の発生を低減できる。構
成について図33を用いて説明する。120 は線発光のラン
プであり、メタルハライドランプ等の放電ランプからな
る。131 はランプ120 の出射光を平行光にするコンデン
サレンズ、14R, 14Bはダイクロイックミラー、３は画像
表示デバイスを示す。なお、図は簡略化のためダイクロ
イックミラー14B, 14Rを透過する光路のみの画像表示デ
バイス３を示し、その他の光路の画像表示デバイス、色
合成手段、投写レンズ等は省略している。ｘ方向に設定
した電極121 により線発光の方向もｘ方向となる。ダイ
クロイックミラー14R, 14B交差部を電極と直交するｙ方
向に設定することにより、交差部の影を低減できる。そ
の原理を図34により説明する。

【０１３３】図34（ａ）は図33においてｘ方向に電極12
1 を設定し、ダイクロイックミラー14R, 14Bの交差部14
C は電極121 の方向とは直交するｙ方向に設定した場合
のｘ−ｚ断面図を示す。アークの中心A1を出射した光は
コンデンサレンズ131 によりｚ方向と平行な光束A2とな
り、接合部により影A3が生ずる。電極付近部B1を出射し
た光束はB2の如くｚ軸とある角度を成した平行光B2とな
り、接合部によりB3のような影が生ずる。同じく、電極
付近C1を出射した光束によりC3のような影が生ずる。し
かし、それぞれの影はそれぞれの照明光が重畳されるた
め、画像表示デバイス３上は視認性が低いぼやけた影と
なる。

【０１３４】図34（ｂ）は図33においてｙ方向に電極12
1 の方向を設定し、ダイクロイックミラー14R, 14Bの交
差部14C は電極121 の方向と同方向になる場合のｘ−ｚ
断面図である。本断面図内でランプ120 はほぼ点発光の
発光部となり、コンデンサレンズ131 透過後の光束はｚ
軸とほぼ平行な成分のみとなるため、画像表示デバイス
３上に交差部の影が鮮明に投影される。画像表示デバイ
ス３上の照明ムラは投写画像の輝度ムラとなって現れ
る。

【０１３５】実施例９. （光源装置） 図35は実施例９の光源装置の構成を示す図である。コン
デンサレンズ131 はランプ120 の輻射熱により高温とな
る。コンデンサレンズ131 は一般にガラス材料が使用さ
れる。ガラスは熱伝導率が低いためコンデンサレンズ13
1 全体が一様な温度とならず、入射面側が最も高温とな
り出射面側に向かって低温となる。熱膨張による体積変
化が入射面側と出射面側で異なるためレンズが歪み、歪
みの限界を越えると割れて破損する。しかし、本発明者
の実験によると、一度割れたコンデンサレンズ131 は破
断面で歪みが吸収されるため、さらに割れが進行するこ
とはなかった。そこで本実施例９はコンデンサレンズ13
1 を予め２つ以上に分割して構成することにより、熱膨
張で生ずる歪みを分割部で吸収している。

【０１３６】分割面は光軸（図35の１点鎖線）と平行に
することが望ましい。分割面に入射した光は乱反射する
ため、分割面が光軸に平行でない場合、その影が照明ム
ラとなりやすく、投写画像上で輝度ムラとなる。

【０１３７】また、分割は熱膨張差が最も大きくなるレ
ンズの厚い部分、つまりレンズ中心を通る面で分割する
のが最も効果的である。４分割にした例を図35に示した
がこれ以外の分割線つまり中心を通って２分割, ３分割
等の任意の分割線にしてもかまわない。

【０１３８】実施例10. （光源装置） 図36は実施例10の光源装置の構成を示す図である。図36
において、図10と同番号を付した部分は同一部分を示し
ており、131 は実施例１または４に示したコンデンサレ
ンズである。145 はランプ120 から出射される光束のう
ち不要光のスペクトルをカットするためのフィルタであ
る。

【０１３９】なお、本実施例10の動作は前述した実施例
２の動作と同様であるので、その説明は省略する。

【０１４０】実施例10においても実施例２と同様に、コ
ンデンサレンズ131 の面Ｓ1 ，Ｓ2には必要に応じて無
反射コーティング，紫外・赤外光反射コーティング，赤
外光反射コーティグを施しておけばよく、図36では紫外
・赤外光反射コーティングまたは赤外光反射コーティグ
からなるフィルタ145 がコンデンサレンズ131 の第２面
Ｓ2 に施されている。コンデンサレンズ131 の光入射側
の面で赤外線（熱線）を除去することは、熱的な影響に
よる、コンデンサレンズの割れ防止に有効である。な
お、実施例９で述べたように、コンデンサレンズ131 を
複数個に分割すると、より割れ防止に効果的である。

【０１４１】実施例11．（偏光素子） （例１）図37は実施例11の例１の偏光素子の構成図であ
る。偏光素子62は、断面がひし形をした柱状素子162 を
一定間隔で一体に連結した形状をしており、入射側折り
返し面63の山（または谷）部と、出射側折り返し面64の
山（または谷）部とが表裏で同一の位置にある。なお、
図37（ｂ）中の一点鎖線Ｌは、偏光素子62の中心線を示
し、Ｎは中心線Ｌに対する法線を示す。偏光素子62の入
射面63及び出射面64における斜辺の傾きθi は、Ｐ偏光
を低損失で透過させ、Ｓ偏光の一部を反射させる角度を
成している。なお、θi は偏光素子62の法線Ｎに対する
入射・出射平面の法線方向の角度である。出射面は入射
面と同一の形状であり、偏光方向が不定な自然光25を法
線Ｎに平行に偏光素子62に入射すると、Ｐ偏光（図37
（ｂ）において紙面内左右方向の偏光）はほとんど透過
するが、Ｓ偏光（紙面に垂直な偏光）は入射面63と出射
面64で一部反射される。したがって、出射光26はＰ方向
の偏光成分が強い、偏った偏光（部分偏光）となる。

【０１４２】Ｐ偏光を100 ％透過するような入射角は、
前に述べたように、ブリュースタ角と呼ばれる。空気層
と屈折率ｎの基板層との界面におけるブリュースタ角θ
B は以下の（15）式で求められる。 θi ＝θB ＝ｔａｎ^-1ｎ ……（15）

【０１４３】図38は、ｎ＝1.57の透明基板への入射角に
対するＰ偏光とＳ偏光との透過率Ｔ・反射率Ｒを示す。
入射角θi がブリュースタ角θB ＝57.51 ゜のとき、Ｐ
偏光は100 ％透過するが、Ｓ偏光は約18％の光が界面で
反射される。

【０１４４】図39は、偏光素子62の単位素子であるひし
形の柱状素子162 を透過する光束を示す図である。ブリ
ュースタ角を実現するためには、ひし形の頂角θP を
（16）式のように設定する。 θP ＝π−２θB ……（16） ひし形の単位素子162 に入射する光束25a は、入射面63
と出射面64とにおいて屈折した後、出射光束26a とな
る。光束25a より外側に入射する光束25b は、26bのよ
うに単位素子162 を透過するので不要光26b となる。図
中の斜線部は偏光素子として無効な領域である。ひし形
の単位素子162 を斜線部が互いに重なりあって一体とな
るように連結して形成すれば、斜線部による光損失を除
去できる。

【０１４５】次に、図37（ｂ）に示した偏光素子62の断
面形状の最適設計について述べる。図40（ａ）に示すよ
うに、中心線Ｌからの最大厚みをａ、最小厚みをｂ、入
射面の折り返し周期をｃ、材料の屈折率ｎ、（15）式で
求まるブリュースタ角をθBとすると、以下の（17）式
の関係にあればＰ偏光は無損失で素子を透過する。 ａ：ｂ：ｃ＝１：１＋２COS(２θB) ：−（４／ｎ）COS(２θB) ……（17） 上記（17）式を満たさない場合の一例として厚みｂが
（17）式の関係より小さいときには、図40（ｂ）中の斜
線部に示すように光を透過しない領域が発生し、縞状の
影ができる。また25b のような光束は損失光となる。

【０１４６】上記例１は図37（ｂ）に示す入射角θi が
ブリュースタ角θB を成すように設定したが、入射角θ
i がブリュースタ角より少し大きいほうがＳ偏光を除去
できる割合が大きくなる。図41はｎ＝1.57の基板への入
射角に対するＰ偏光とＳ偏光との透過比（消光比）の関
係を示す図で、例えば、入射角を70゜にした場合、図38
よりＰ偏光の透過率は４％低下するが、消光比は15％向
上する。この場合、θP をブリュースタ角に対する値6
4.98 °から40°に変更することになる。当然θP は０
°よりも大きいので、０＜θP ≦π−２θB の範囲でθ
P を設定すればよい。

【０１４７】偏光素子62の材料は、所望の光波長に対し
透明な材料であればよい。可視光領域においては、ガラ
ス材料やプラスチック材料がある。耐熱性の面ではガラ
ス材料を成形あるいは研磨加工して作成することが有利
である。複雑な形状を容易に成形できる点ではプラスチ
ック材料が有利である。可視光領域において透明で吸収
損失が少なく光学特性に優れたプラスチック材料とし
て、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）や、ポリス
チレン（ＰＳ）や、ポリカーボネート（ＰＣ）等があ
る。高輝度の光源を照射し耐熱性が問題となる場合は、
例えば、熱可塑性樹脂ＡＲＴＯＮ（日本合成ゴム社製，
（商標名），加重たわみ温度164 ℃）や、高耐熱性ポリ
カーボネートＡｐｅｃ ＨＴ（バイエル社製，（商標
名），加重たわみ温度141 〜215 ℃）のような材料があ
る。

【０１４８】プラスチック材料は紫外領域での吸収が大
きく、紫外線を多く含む高輝度光を照射すると発熱要因
となる。公知の紫外・赤外線カットフィルタを偏光素子
62の入射面63よりもランプ側に置いて、赤外光も含めて
遮光して偏光素子62に自然光25を照射することにより、
材料の温度上昇を低減でき、偏光素子62の熱的な変形や
変性を防止できる。

【０１４９】また、公知のファンを用いて送風による空
冷等で偏光素子の強制冷却を行っても良く、前述の紫外
・赤外線カットフィルタを併用すれば、冷却効果はより
高くなる。

【０１５０】（例２）図42は実施例11の例２の偏光素子
を示す断面図である。本例２は、図37（ｂ）に示した偏
光素子62を３枚積層したもので、不要な偏光成分（Ｓ偏
光）を除去できる割合が大きくなる。

【０１５１】図43は本例２の自然光を入射した場合のＰ
偏光とＳ偏光との強度比を消光比・偏光度で表した図で
ある。偏光素子62の１枚あたり入射面と出射面の２面で
Ｓ偏光が除去されるので、例１に示した素子（基板屈折
率ｎ＝1.57，入射角θi ＝57.51 °）を５枚積層すれ
ば、Ｓ偏光の強度がＰ偏光に対し15％以下となる。積層
枚数は用途に応じて図43の消光比を参考に適宜設定して
よい。

【０１５２】例１における光学素子の厚さａを１mmとし
た場合、（17）式より厚さｂは0.15mmとなり、この素子
を５枚積層しても層厚は6.6 mmである。一方、従来例を
示す図52において液晶ライトバルブの幅（あるいは照明
光束の幅）を40mmとすると、偏光素子６の奥行きＤは3
0.8mm以上となり、例２の偏光素子により大幅な薄形化
が達成できることがわかる。しかも、本例２の偏光素子
は、液晶ライトバルブの幅（あるいは照明光束の幅）が
大きくなっても変わらない。一方、従来例の偏光素子
は、液晶ライトバルブの幅（あるいは照明光束の幅）に
比例して偏光素子の奥行きＤが大きくなる。

【０１５３】（例３）図44は実施例11の例３を示す断面
図、図45は図44のｂ−ｂ線における断面図である。例２
と同様に、偏光素子62を複数枚積層するが、光路の障害
とならない位置に、スペーサ65を挿入して偏光素子62間
に空気層66を確保している。２枚の偏光素子62間が近接
すると、分離したＳ偏光が偏光素子62間で多重反射をし
て再び透過光となるので、偏光度が低下する。さらに空
気層66の厚さが波長オーダになると干渉膜として働き、
透過光の色の変化及び色むらの原因となる。図44に示す
ように入射面63b で反射し分離されたＳ偏光26s が出射
面64a で再び反射させないためには、例２の偏光素子62
（厚さａ＝１mmの設計例）を用いればギャップｄを0.32
mm以上となるようなスペーサ65を挿入すればよい。

【０１５４】（例４）図46は実施例11の例４を示す断面
図、図47は図46のｂ−ｂ線における断面図である。例３
において使用したスペーサ65に代えて、偏光素子62の一
部に突出部67を設けてスペーサを偏光素子62と一体成形
した場合の実施例である。プラスチック材料を使用すれ
ばスペーサの一体成形も比較的容易にできる。

【０１５５】例３，４では、それぞれ空気層66を風路と
して公知のファン等を用いて送風すれば、効率よく偏光
素子の冷却が行える効果もある。

【０１５６】実施例12. （偏光素子） 図48は実施例12の偏光素子を示す断面図である。偏光素
子68は、入射側折り返し面69の山（または谷）部と出射
側折り返し面70の谷（または山）部とが、素子の表裏で
一致した関係となっている。このため全体の断面形状は
三角波状となり、層厚が一様であるため機械的強度が強
い構造となる。入射面がブリュースタ角θB をなすため
には、入射面69と出射面70との折り返し角θP は、下記
（18）式となる。 θP ＝π−２θB ……（18）

【０１５７】中心からの最大厚みをａ、最小厚みをｂ、
折り返し周期をｃとした場合、以下の（19）式の関係を
満たすとき、Ｐ偏光は無損失で偏光素子68を透過する。 ａ：ｂ：ｃ＝１：｛２＋３COS （２θB)｝／｛２＋COS(２θB)｝ ：−｛４COS(２θB)｝／［ｎ｛２＋COS(２θB)｝］ ……（19）

【０１５８】その他、入射角をブリュースタ角以上に設
定すれば消光比が向上することや、偏光素子68の材料及
び積層して使用する例、スペーサ等については、実施例
11の例１，２，３，４と同様である。

【０１５９】実施例13. （投写型表示装置） 図49は実施例13における偏光素子を使用した投写型表示
装置の光学系の図である。前述した実施例11または実施
例12の偏光素子62，68、またはこれを複数枚積層した偏
光素子16を、従来の装置（図51）の偏光素子６に代替す
れば、光源120を液晶ライトバルブに近づけて設定でき
るので装置がコンパクトになり、また液晶ライトバルブ
の照度を高くできるので、高輝度な投写型表示装置を実
現できる。図49では従来例を示す図51と比較して偏光素
子６が変更された点が異なっているだけで、他の構成要
素、動作は同様なので説明を省略する。また、図49の偏
光素子16は３層構成の例を示しているが、層数を増やす
に従って消光比（偏光度）は良好になり液晶ライトバル
ブ3r，3g，3bの入射側偏光板17r,17g,17b の発熱を低減
できる。

【０１６０】

【発明の効果】以上に詳述したように、第１発明によれ
ば、以下のような優れた特性を有する大口径コンデンサ
レンズが得られる。 （Ａ）単レンズ構成であるにも関わらず、ＮＡ≧0.9 と
大口径でかつ球面収差が小さな、高効率・低収差なコン
デンサレンズが実現できる。 （Ｂ）焦点距離に比べて大きな照射光束径が得られる。 （Ｃ）焦点距離に比べて第２面側に比較的長いバックフ
ォーカスを確保でき、第２面の有効径の外側を平面とす
れば作動距離（ＷＤ）も十分確保できる。また、第１面
の有効径の外側を平面とすることで、第２面側の上記平
面と併せてレンズ保持用のフランジが形成できるので、
レンズ実装が容易になる。 （Ｄ）第２面の周辺部を凹面にできるので、周辺部への
入射角を低減でき、透過率を向上できる。また、光源側
の面に多層膜からなるコーティングを施す場合、透過特
性の入射角依存性の影響を軽減できる。 （Ｅ）単レンズ構成なので、実装時にレンズ間の偏心を
考慮する必要がない。また、公知のガラスモールド法等
でフランジ部を一体的に成形すれば安価に量産可能であ
る。 （Ｆ）単レンズ構成なので、レンズ重量を小さくでき、
しかもレンズ材料による吸収損失も小さくできる。ま
た、組み合わせレンズに比べてレンズ全長も短くでき
る。

【０１６１】また、第２発明によれば、上述の第１発明
の（Ａ）〜（Ｆ）の効果に加えて、以下の効果を奏する
ことができる。 （Ｇ）硝材として耐熱性に優れ、かつ大きなアッベ数の
材料を使用するので、大電力の放電ランプを使用しても
割れるのを防止でき、しかも照明光の色ムラを小さくで
きる。

【０１６２】また、第３発明によれば、第１，第２発明
のコンデンサレンズを用いた小型で高効率な照明用光源
装置を実現できる。しかも単レンズ構成のコンデンサレ
ンズなので光源装置が小型化でき、フランジ部を用いて
レンズ実装も容易に行える。また、光源装置を構成する
凹面鏡の曲率半径をコンデンサレンズの第１面有効径の
１／２以上とすることで、照明光の非点収差を小さくで
き、しかも放電ランプに対する配置余裕を十分確保でき
る。また、コンデンサレンズの第１面に単層の無反射コ
ーティングを施し、第２面に赤外・紫外反射コーティン
グか赤外反射コーティングを施したので、不要なスペク
トル成分を除去しながら高い透過率を確保できる。ま
た、直流駆動されるキセノン放電ランプを用いた場合、
点光源となる放電ランプの陰極先端部にコンデンサレン
ズの焦点と凹面鏡の曲率中心を配置したので、照明光を
コンデンサレンズの光軸に平行に出射できる。

【０１６３】また、第４発明によれば、第３発明による
光源装置を液晶投写型表示装置に適用したので、液晶パ
ネルを高照度かつ低収差な光で照明できる。この結果、
高輝度で消費電力が小さい液晶投写型表示装置を実現で
きる。また、放電ランプの電極方向を液晶パネルの表示
画面の短辺方向に合わせ、さらにバーナの排気部が表示
画面の長辺方向を向くように電極回りのランプ姿勢を設
定することで投写画面の輝度むらを低減できる。

【０１６４】また、第５発明によれば、単レンズによる
ランプ出射光束の利用効率が高い光源装置と、色収差を
補正するレンズとにより、色均一性に優れた高輝度の投
写型表示装置を実現できる。

【０１６５】また、第６発明によれば、２枚のダイクロ
イックミラーを交差した色分離手段を用いているので、
光源から画像表示部までの光路長が短いため投写型表示
装置は高輝度となる。線発光の光源とダイクロイックミ
ラーの交差部を直交するように配置することにより、交
差部の影の発生が低減され、均一輝度の投写画像が得ら
れる。

【０１６６】また、第７発明によれば、予めコンデンサ
レンズを分割して構成しているので、分割面で熱膨張に
よるレンズの歪が吸収されるため、割れを防止できる。
また、光軸と平行な面で分割しているので、分割部の影
が発生せず、均一輝度の投写画像が得られる。さらに、
熱膨張差が最も大きくなるレンズ中心を通る線に沿って
分割すれば、その効果が最も高くなる。

【０１６７】また、第８発明によれば、コンデンサレン
ズの入射面側に赤外光または赤外光及び紫外光を反射す
るコーティングを施したので、熱の要因となる不要光ス
ペクトルを除去できるため、熱膨張によるコンデンサレ
ンズの破損を低減できる。しかも液晶パネルの不要スペ
クトルによる劣化を最小限に抑えられる。

【０１６８】また、第９発明によれば、表面及び裏面を
Ｐ偏光を低損失で透過する角度で複数回折り返した形状
であるので、自然光を部分偏光に変換する光学素子が薄
形となる。さらに、偏光素子の入射角及び出射角がブリ
ュースタ角となる様に頂角θP を設定することにより、
Ｐ偏光を無損失で素子界面を透過できる。さらに、素子
の厚み及び折り返し周期を（17）式により最適値に設計
することで、Ｐ偏光を無損失で偏光素子を透過できる。
また、偏光素子への入射角及び出射角をブリュースタ角
以上に設定するためθP を（16）式よりも小さくするこ
とにより、Ｐ偏光の透過率は若干低下はするが、消光比
を向上できる。

【０１６９】偏光素子の材料にプラスチック材料を用い
ることにより、複雑な形状もガラス材料等に比べ比較的
容易に、しかも安価に作成できる。プラスチック材料の
偏光素子で、高光強度の白色光を偏光する場合、紫外・
赤外線カットフィルタを併用することにより温度上昇に
ともなう、偏光素子の変形や変性を低減できる。さら
に、空冷等による強制冷却を行えば、偏光素子の変形や
変性を低減できる効果が高くなる。また、一枚あたりの
偏光素子が薄いので、複数枚積層しても偏光素子は薄形
であり、層数を増すにともない消光比が向上できる。さ
らに、スペーサを挿入して素子間に空気層を確保するこ
とにより、素子間でのＳ偏光の多重反射を除去でき消光
比が向上する。また、空気層を風路として送風冷却すれ
ば偏光素子の熱変形が緩和できる。また、偏光素子とス
ペーサとを一体成形すれば、偏光素子の組立工程を削減
できる。

【０１７０】また、第10発明によれば、偏光素子の断面
を三角波形状とすることにより、偏光素子の厚みが一様
となり、機械的強度が強い構造となる。さらに、第９発
明と同様に偏光素子の入射角及び出射角をブリュースタ
角に設定することにより、Ｐ偏光を無損失で素子界面を
透過できる。さらに、素子の厚み及び折り返し周期を最
適値に設計することにより、Ｐ偏光を無損失で偏光素子
を透過できる。

【０１７１】また、第11発明によれば、第９, 10発明の
偏光素子の応用例として、液晶ライトバルブを用いた投
写型表示装置に適用することにより、液晶ライトバルブ
入射側の偏光板の発熱が低減され、偏光板の変性や変形
に伴う画質劣化が防止できる。また、偏光素子が薄形で
あるため光源を液晶ライトバルブに接近して設置できる
ので、高輝度の投写画像が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のコンデンサレンズの断面図である。

【図２】本発明のコンデンサレンズの断面図である。

【図３】本発明のコンデンサレンズの小さな共役側でみ
たスポットダイアグラムである。

【図４】本発明のコンデンサレンズの小さな共役側でみ
た収差図である。

【図５】本発明のコンデンサレンズの小さな共役側でみ
た収差図である。

【図６】本発明のコンデンサレンズの小さな共役側でみ
た収差図である。

【図７】本発明のコンデンサレンズの小さな共役側でみ
た収差図である。

【図８】本発明のコンデンサレンズの小さな共役側でみ
た収差図である。

【図９】本発明のコンデンサレンズの小さな共役側でみ
た収差図である。

【図１０】本発明の光源装置の構成を示す図である。

【図１１】本発明の光源装置の構成を示す図である。

【図１２】直流駆動型のキセノン放電ランプの輝度分布
の１例を示す図である。

【図１３】放電ランプの配光特性の説明図である。

【図１４】投写画像の輝度むらを低減するための放電ラ
ンプと液晶パネルとの配置を示す図である。

【図１５】本発明のコンデンサレンズの断面図である。

【図１６】本発明のコンデンサレンズの小さな共役側で
みたスポットダイアグラムである。

【図１７】本発明のコンデンサレンズの断面図である。

【図１８】本発明のコンデンサレンズの小さな共役側で
みたスポットダイアグラムである。

【図１９】本発明のコンデンサレンズの断面図である。

【図２０】本発明のコンデンサレンズの小さな共役側で
みたスポットダイアグラムである。

【図２１】本発明のコンデンサレンズの断面図である。

【図２２】本発明のコンデンサレンズの小さな共役側で
みた収差図である。

【図２３】本発明のコンデンサレンズの小さな共役側で
みた収差図である。

【図２４】本発明のコンデンサレンズの小さな共役側で
みた収差図である。

【図２５】本発明のコンデンサレンズの小さな共役側で
みた収差図である。

【図２６】本発明のコンデンサレンズの小さな共役側で
みた収差図である。

【図２７】本発明のコンデンサレンズの小さな共役側で
みた収差図である。

【図２８】本発明のコンデンサレンズの小さな共役側で
みた収差図である。

【図２９】本発明のコンデンサレンズの小さな共役側で
みた収差図である。

【図３０】本発明のコンデンサレンズの小さな共役側で
みた収差図である。

【図３１】本発明の光源装置の構成を示す図である。

【図３２】本発明の投写型表示装置の構成を示す図であ
る。

【図３３】本発明の投写型表示装置の構成を示す図であ
る。

【図３４】本発明の投写型表示装置を説明するための断
面図である。

【図３５】本発明の光源装置の構成を示す図である。

【図３６】本発明の光源装置の構成を示す図である。

【図３７】本発明の偏光素子の構成を示す図である。

【図３８】透明基板への入射角と透過率と反射率との関
係を示すグラフである。

【図３９】偏光素子の単位素子である柱状素子を透過す
る光束の説明図である。

【図４０】偏光素子を透過する光束の説明図である。

【図４１】透明基板への入射角と消光比との関係を示す
グラフである。

【図４２】本発明の偏光素子の構成を示す断面図であ
る。

【図４３】偏光素子の積層枚数と偏光度との関係を示す
グラフである。

【図４４】本発明の偏光素子の構成を示す断面図であ
る。

【図４５】図44のｂ−ｂ線における断面図である。

【図４６】本発明の偏光素子の構成を示す断面図であ
る。

【図４７】図46のｂ−ｂ線における断面図である。

【図４８】本発明の偏光素子の構成を示す断面図であ
る。

【図４９】本発明の投写型表示装置の光学系を示す図で
ある。

【図５０】従来の投写型表示装置の構成を示す図であ
る。

【図５１】従来の他の投写表示装置の構成を示す図であ
る。

【図５２】従来の偏光素子を示す図である。

【符号の説明】

１ 光源装置 ３ 画像表示デバイス ４ 投写レンズ 14 ダイクロイックミラー 16 凸レンズ 17 凹レンズ 62 偏光素子 65 スペーサ 66 空気層 67 突出部 68 偏光素子 120 放電ランプ 121 電極 123 バーナ部 124 放電ギャップ 130 反射鏡 131 コンデンサレンズ Ｓ1 第１面（大きな共役側の面） Ｓ2 第２面（小さな共役側の面）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (31)優先権主張番号 特願平4−313261 (32)優先日 平４(1992)11月24日 (33)優先権主張国 日本（ＪＰ）

Claims (33)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 大きな共役側に位置する第１面が凸面で
   あり、小さな共役側に位置する第２面の周辺部が凹面の
   形状よりなる両面非球面単レンズより構成され、以下の
   条件を満足することを特徴とするコンデンサレンズ。 0.42＜ｒ1 ／ｎｆ＜0.45 18＜｜ｒ2 ／ｎｆ｜ −0.39＜Ｋ1 ＜−0.25 0.11＜△2 ／ｆ＜0.14 但し ｆ：レンズ全系の焦点距離 ｎ：レンズの屈折率 ｒ1 ：第１面の中心曲率半径 ｒ2 ：第２面の中心曲
   率半径 Ｋ1 ：第１面の円錐定数 △2 ：第２面の有効径最周辺における非球面と、中心曲
   率半径ｒ2 を有する基準球面との光軸方向の差で、第２
   面周辺部が小さな共役側に曲がる方向を正とする
2. 【請求項２】 大きな共役側に位置する第１面が凸面で
   あり、小さな共役側に位置する第２面の周辺部が凹面の
   形状よりなる両面非球面単レンズより構成され、以下の
   条件を満足することを特徴とするコンデンサレンズ。 0.4 ＜ｒ1 ／ｎｆ＜0.6 −0.5 ＜ｒ2 ／ｎｆ＜−
   0.3 −0.6 ＜Ｋ1 ＜−0.2 −0.1 ＜ＳＧ2 ／ｆ＜0.
   1 但し、 ｆ：レンズ全系の焦点距離 ｎ：レンズの屈折率 ｒ1 ：第１面の中心曲率半径 ｒ2 ：第２面の中心曲
   率半径 Ｋ1 ：第１面の円錐定数 ＳＧ2 ：第２面の有効径最周辺における非球面の面中心
   に対する光軸方向の差で、第２面周辺部が小さな共役側
   に曲がる方向を正とする
3. 【請求項３】 開口数（ＮＡ）が０．９以上であること
   を特徴とする請求項１または２記載のコンデンサレン
   ズ。
4. 【請求項４】 第２面の有効径よりも大きな径の部分を
   光軸と直交した平坦面とすることを特徴とする請求項１
   または２記載のコンデンサレンズ。
5. 【請求項５】 第１面の有効径よりも大きな径の部分を
   光軸と直交した平坦面とすることを特徴とする請求項１
   または２記載のコンデンサレンズ。
6. 【請求項６】 放電ランプと、球面鏡と、請求項１また
   は２記載のコンデンサレンズとを有し、前記球面鏡の曲
   率中心と前記コンデンサレンズの第２面側焦点位置とが
   ほぼ共通点であり、この共通点に前記放電ランプの発光
   中心が配置されていることを特徴とする光源装置。
7. 【請求項７】 前記放電ランプが陽極及び陰極よりなる
   １対の放電電極を備えたキセノン放電ランプであり、前
   記共通点にこのキセノン放電ランプの陰極の放電先端部
   が配置されていることを特徴とする請求項６記載の光源
   装置。
8. 【請求項８】 前記コンデンサレンズの開口数（ＮＡ）
   が０．９以上であることを特徴とする請求項６または７
   記載の光源装置。
9. 【請求項９】 前記コンデンサレンズの第１の面に単層
   の無反射コーティングが施され、第２の面に光学多層膜
   よりなる赤外・紫外反射コーティングか赤外反射コーテ
   ィングかが施されていることを特徴とする請求項６また
   は７記載の光源装置。
10. 【請求項１０】 前記球面鏡の曲率半径をｒとし、前記
    コンデンサレンズの第１の面から出射する光束の直径を
    Ｄ1 としたとき、以下の関係を満足することを特徴とす
    る請求項６または７記載の光源装置。 ｒ≧Ｄ1 ／２
11. 【請求項１１】 画像表示デバイスと、該画像表示デバ
    イスを照明する光源装置と、前記画像表示デバイスに表
    示した画像を拡大投写する投写レンズとを備え、前記光
    源装置が、放電ギャップを挟む一対の放電電極及び該放
    電ギャップを内包するバーナを有する放電ランプと、球
    面鏡と、請求項１または２記載のコンデンサレンズとに
    より構成され、前記球面鏡の曲率中心と前記コンデンサ
    レンズの第２面側焦点位置とがほぼ共通点であり、この
    共通点に前記放電ランプの放電ギャップが配置されてい
    ることを特徴とする投写型表示装置。
12. 【請求項１２】 前記画像表示デバイスの表示画面が矩
    形形状であり、前記放電電極はこの表示画面の短辺方向
    に合わせて配置されていることを特徴とする請求項１１
    記載の投写型表示装置。
13. 【請求項１３】 前記放電ランプのバーナの１部に設け
    られた排気部を、前記画像表示デバイスの表示画面の長
    辺方向に合わせるように、前記放電ランプの放電電極回
    りの位置が設定されていることを特徴とする請求項１１
    記載の投写型表示装置。
14. 【請求項１４】 白色光を出射するランプ，球面鏡及び
    コンデンサレンズにより構成された光源装置と、該光源
    装置から出射される白色光を赤・緑・青の３原色の光に
    分離する色分離手段と、赤・緑・青の３原色の画像を形
    成する画像表示デバイスと、赤・緑・青の３原色の画像
    を合成する色合成手段と、画像を拡大投写する投写レン
    ズとを備え、３原色が分離された光路のうち２つの光路
    に凹レンズあるいは凸レンズが挿入され、前記画像表示
    デバイスの照明光の強度分布が均一であることを特徴と
    する投写型表示装置。
15. 【請求項１５】 白色光を出射する線発光のランプと球
    面鏡とコンデンサレンズとにより構成された光源装置
    と、２枚のダイクロイックミラーを交差させて構成し、
    前記白色光を赤・緑・青の３原色の光に分離する色分離
    手段と、赤・緑・青の３原色の画像を形成する画像表示
    デバイスと、赤・緑・青の画像を合成する色合成手段
    と、画像を拡大投写する投写レンズとを備え、前記ラン
    プの線発光の線方向と２枚のフィルタの交差部の辺方向
    とがほぼ直交することを特徴とする投写型表示装置。
16. 【請求項１６】 白色光を出射する光源と、球面鏡と、
    コンデンサレンズとを備え、該コンデンサレンズが２つ
    以上に分割されていることを特徴とする光源装置。
17. 【請求項１７】 前記コンデンサレンズが光軸と平行な
    断面で分割されていることを特徴とする請求項１６記載
    の光源装置。
18. 【請求項１８】 前記コンデンサレンズがレンズ中心を
    通る断面で分割されていることを特徴とする請求項１６
    記載の光源装置。
19. 【請求項１９】 白色光を出射する光源と、球面鏡と、
    コンデンサレンズとを備え、該コンデンサレンズの光入
    射面に赤外光反射コーティングかまたは赤外光・紫外光
    反射コーティングかが施されていることを特徴とする光
    源装置。
20. 【請求項２０】 偏光方向が不定な自然光を一方向にの
    み偏光が大きい部分偏光に変換する偏光素子において、
    入射面及び出射面が低損失でＰ偏光を透過するような角
    度で複数回折り返した形状であり、かつ、断面がひし形
    の柱状の単位素子が一定間隔で連結した形状に形成され
    ていることを特徴とする偏光素子。
21. 【請求項２１】 入射角及び出射角θi が互いに等しく
    ブリュースタ角θBをなし、かつ、ひし形の単位素子の
    一対の対向する頂角θP が以下の条件を満足することを
    特徴とする請求項２０記載の偏光素子。 θP ＝π−２θB 但し θB ＝ｔａｎ^-1ｎ ｎ：偏光素子基板の屈折率
22. 【請求項２２】 中心からの最大厚みａと最小厚みｂ及
    び折り返し周期ｃとの関係が、以下のように設定されて
    いることを特徴とする請求項２０または２１記載の偏光
    素子。 ａ：ｂ：ｃ＝１：１＋２ COS（２θB)：−（４／ｎ） C
    OS（２θB)
23. 【請求項２３】 入射角及び出射角θi をブリュースタ
    角θB 以上に設定するために、ひし形の単位素子の一対
    の対向する頂角θP が以下の条件を満足することを特徴
    とする請求項２０記載の偏光素子。 ０＜θP ≦π−２θB
24. 【請求項２４】 偏光方向が不定な自然光を、一方向に
    のみ偏光が大きい部分偏光に変換する偏光素子におい
    て、入射面・出射面が低損失でＰ偏光を透過するような
    角度で複数回折り返した形状であり、その断面が入射面
    の山（谷）部と出射面の谷（山）部の位置が素子面内で
    一致する三角波形状に形成されていることを特徴とする
    偏光素子。
25. 【請求項２５】 折り返し角θP が以下の条件を満足す
    ることを特徴とする請求項２４記載の偏光素子。 θP ＝π−２θＢ 但し θＢ ＝ｔａｎ^-1ｎ ｎ：偏光素子基板の屈折率
26. 【請求項２６】 中心からの最大厚みａと最小厚みｂ及
    び折り返し間隔ｃとの関係が以下の条件を満足すること
    を特徴とする請求項２５記載の偏光素子。 ａ：ｂ：ｃ＝１：｛２＋３COS(２θB)｝／｛２＋COS(２
    θB)｝：−｛４COS(２θB)｝／［ｎ｛２＋COS(２θ
    B)｝］
27. 【請求項２７】 前記偏光素子はプラスチック材料にて
    形成されていることを特徴とする請求項２０または２４
    記載の偏光素子。
28. 【請求項２８】 請求項２７記載の偏光素子と、自然光
    を放射する光源と、前記偏光素子と光源との間に設けら
    れた紫外・赤外線カットフィルタとを備えることを特徴
    とする偏光光源装置。
29. 【請求項２９】 請求項２７記載の偏光素子と、自然光
    を放射する光源と、前記偏光素子を送風冷却するファン
    とを備えることを特徴とする偏光光源装置。
30. 【請求項３０】 前記偏光素子は複数枚積層されている
    ことを特徴とする請求項２０または２４記載の偏光素
    子。
31. 【請求項３１】 複数枚積層された前記偏光素子間にス
    ペーサが挿入されて空気層が設けられていることを特徴
    とする請求項３０記載の偏光素子。
32. 【請求項３２】 前記偏光素子に前記スペーサとなる突
    起構造が一体成形されていることを特徴とする請求項３
    １記載の偏光素子。
33. 【請求項３３】 光源により照明した液晶ライトバルブ
    の画像を投写レンズでスクリーンに拡大投写する投写型
    表示装置において、光源と液晶ライトバルブ間に入射面
    及び出射面が低損失でＰ偏光を透過するような角度で複
    数回折り返した形状をした偏光素子を具備することを特
    徴とする投写型表示装置。