JP2005339852A - 光源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 反射鏡それ自体を十分に高い機械的強度および放熱性を有するものでありながら、熱線等の不要な光線の投射を抑制するものとして構成することができ、従って、十分な強度の可視光線を安定的に投射することができる光源装置を提供すること。
【解決手段】 上記課題は、高圧放電ランプと、凹面反射鏡とを備えてなる光源装置において、凹面反射鏡の基体を金属により構成し、この基体の内表面上に、ニッケル層、ニッケル酸化物層、および、誘電体多層膜よりなる可視光線反射層をこの順で積層して形成することにより、解決される。
【選択図】 図２

Description

本発明は、高圧放電ランプと凹面反射鏡とを備えてなる光源装置に関し、特に、例えば、発光管内に０．１５ｍｇ／ｍｍ³ 以上の水銀が封入されて点灯時の水銀蒸気圧が超高圧となる超高圧水銀ランプを光源として備えた、例えば液晶ディスプレイ装置やＤＭＤ（デジタルミラーデバイス：登録商標）を使ったＤＬＰ（デジタルライトプロセッサ：登録商標）などのプロジェクター装置に用いられる光源装置に関する。

現在、例えば投射型のプロジェクター装置においては、例えば矩形状のスクリーンなどに対して、均一に、かつ、十分な演色性をもって画像を照明させるものであることが要求されており、高い光出力が得られる光源装置が光源として用いられている。
このような光源装置においては、例えば、水銀や金属ハロゲン化物が放電空間を形成するバルブ内に封入されてなるメタルハライドランプが光源ランプとして使用されており、光源ランプから放射される光を凹面反射鏡により反射させて平行光に変換し、凹面反射鏡の光軸方向に照射する構成とされている。
そして、光源ランプを構成するメタルハライドランプにおいては、より一層の小型化、点光源化を図ることにより一層高い光出力を得るために、発光管内において互いに対向配置される一対の電極の電極間距離が極めて小さく設定された構成のものが実用化されてきている。

一方、最近では、プロジェクター装置における光源ランプとして、メタルハライドランプに代わって、ランプ点灯時において、例えば１５０気圧以上の極めて高い水銀蒸気圧が得られる超高圧水銀ランプが用いられるようになってきており、このような超高圧水銀ランプとしては、種々のものが提案されている（例えば特許文献１〜特許文献３参照。）。 そして、このような超高圧水銀ランプによれば、水銀蒸気圧をより高くすることにより、アークの広がりを抑える（絞り込む）ことができ、より一層高い光出力を得ることができることが知られている。

近年、例えば液晶プロジェクター装置やＤＭＤ（登録商標）を使ったＤＬＰ（登録商標）装置などにおいては、小型化の要請が強く、これに応じて、光源装置も小型化が求められている。また、被光照射物である液晶表示パネル自体も小型化されていることも、光源装置の小型化が要請される理由の一つである。

而して、このようなプロジェクター装置用等の光源装置を構成する凹面反射鏡は、高温下にさらされるため、例えば、高い耐熱性を有するガラスまたはセラミックスなどにより形成されている。

しかしながら、ガラスまたはセラミックスは金属材料に比べて熱伝導性が悪く、光源装置全体の小型化を図るために凹面反射鏡を小型化した場合には、凹面反射鏡内に冷却風を積極的に導入して光源ランプおよび凹面反射鏡を冷却することが必要となり、冷却手段等を設けなくてはならないことなどから、結局、光源装置全体の小型化を図ることが困難となる。
また、光源ランプはランプ点灯時における内部圧力が極めて高い状態となるものであるので、光源ランプが破損してしまった場合には、当該光源ランプを囲むよう配置された凹面反射鏡も破損するおそれがある。

一方、十分に高い機械的強度および耐熱性を有する金属材料よりなる凹面反射鏡が知られているが、当該金属製の凹面反射鏡は、プロジェクター装置用等の光源装置の使用には適さないものである。この理由は、金属製の凹面反射鏡は、光源ランプから放射される熱線（赤外線）をその反射面で反射して照射し、例えば液晶デバイス等の被光照射物を劣化させる等の悪影響を及ぼすことがあるからである。
このような問題に対して、例えば特許文献４には、金属よりなる基体の内表面に、陽極酸化の空孔を利用した熱線吸収層を形成し、これにより、凹面反射鏡による熱線の反射を軽減する技術が提案されている。
しかしながら、特許文献４に開示されている熱線吸収層は、熱的に弱く、熱による層の構造変化が大きいものであるため、上記のような超高圧水銀ランプなどが用いられる場合には、例えば約２００時間程度で、熱線吸収層としては機能しなくなり、結局、上記問題を生ずるようになる。
特開平２−１４８５６１号公報 特開平６−５２８３０号公報 特許第２９８０８８２号公報 特開昭６０−９７５０２号公報

本発明は、以上のような事情に基づいてなされたものであって、反射鏡それ自体を十分に高い機械的強度および放熱性を有するものでありながら、熱線等の不要な光線の反射を抑制するものとして構成することができ、従って、十分な強度の可視光線を安定的に照射することができる光源装置を提供することを目的とする。

本発明の光源装置は、高圧放電ランプと、この高圧放電ランプを取り囲むよう配置された凹面反射鏡とを備えてなるものにおいて、
凹面反射鏡は、金属よりなる基体を備え、この基体の内表面上に、ニッケル層、ニッケル酸化物層、および、誘電体多層膜よりなる可視光線反射層がこの順で積層されて形成されてなるものであることを特徴とする。

本発明の光源装置においては、凹面反射鏡を構成する基体が、アルミニウムまたはアルミニウムを主体とした合金よりなり、ニッケル層が、無電解メッキにより形成されてなるものであることが好ましい。

また、本発明の光源装置においては、ニッケル酸化物層の厚みが０．１〜２．０μｍであることが好ましい。
さらに、本発明の光源装置においては、ニッケル層の厚みが１〜２０μｍであることが好ましい。

本発明の光源装置によれば、凹面反射鏡が、ニッケル層、ニッケル酸化物層および可視光線反射層よりなる特定の機能膜が基体の内表面に形成されてなるものであることにより、光源ランプから放射される赤外線（熱線）および紫外線は可視光線反射層を透過してニッケル酸化物層に吸収されるので、当該赤外線等のいわば不要な光線が照射されることが抑制される結果、例えば液晶表示用デバイス等の被光照射物に対して悪影響を与えることを防止することができる。しかも、凹面反射鏡の基体を構成する金属材料それ自体の特性により、光源ランプから放射される熱線によって生ずる熱は当該基体を介して外部に高い効率で放熱されるので、ランプ点灯時において、光源装置の内部が極めて高温となって光源ランプが破損することが確実に防止され、万一、光源ランプが破損してしまった場合であっても、光源ランプの破損に伴って凹面反射鏡が破損することがない。
また、凹面反射鏡の基体それ自体の放熱性により、光源ランプおよび凹面反射鏡が極めて高温となることが防止されるので、別個に冷却手段を設ける必要がなく、また、光源装置全体を小型のものとして構成することが容易となる。

さらに、凹面反射鏡の基体を構成する金属がアルミニウムまたはアルミニウムを主体とした合金よりなり、ニッケル層が無電解メッキにより形成されてなるものであることにより、例えば通常のメッキであれば基体とニッケル層との間にアルマイトが形成されてしまうなどの基体の表面を変質させることがなく、ニッケル層を均一な厚みで確実に形成することができ、これにより、得られる機能膜は確実に所期の特性を有するものとなり、また、基体に対して十分に高い密着性が得られる。

以下、本発明の光源装置について、図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の光源装置の一例における構成の概略を示す説明用断面図であり、図２は、図１に示す光源装置における凹面反射鏡の断面を示す拡大断面図である。
この光源装置１０は、前方に光照射口２４を有する凹面反射鏡２０と、例えば超高圧水銀ランプよりなる光源ランプ４０とを備えてなる。

凹面反射鏡２０は、金属よりなる基体２１を備え、この基体２１は、光源ランプ４０から放射された光を集光するための空間を形成する凹面状の集光部分２２と、この集光部分２２の後端の中央位置に後方に伸びるよう形成された筒状頸部分２３とを有する。
そして、集光部分２２の背面には、例えば、各々凹面反射鏡２０の光軸と平行に後方に伸びる複数の板状の放熱用フィン２５が、互いに基体２１の周面に沿って前後方向に離間した状態で、並んで形成されている。

凹面反射鏡２０の基体２１を構成する金属としては、例えばアルミニウム、マグネシウム、銅またはこれらの合金を例示することができ、これらのうちでも、アルミニウムまたはアルミニウムを主体とした合金が好ましく、特に、必要とする反射面形状を容易に成形することができるという観点から、例えばＡＤＣ５、ＡＤＣ１２などのダイカスト用アルミニウム合金が好ましい。

放熱用フィン２５の数は、特に制限されるものではなく、基体２１を構成する金属材料の種類、各放熱用フィン２５の表面積の大きさに応じて適宜に設定することができる。

光源ランプ４０を構成する超高圧水銀ランプは、内部に発光空間を形成する例えば楕円球状の発光管部４２と、この発光管部４２の両端から外側へ伸びるよう連設されたロッド状の封止部４３とを有する、例えば石英ガラスよりなる放電容器４１を備え、発光管部４２の内部に、陰極４４および陽極４５が対向配置されると共に発光物質として水銀が封入されて構成されている。
陰極４４および陽極４５の電極間距離ｄは、例えば１〜１．５ｍｍである。
水銀の封入量は、例えば０．１５ｍｇ／ｍｍ² 以上であり、この水銀封入量は、ランプ安定点灯時における水銀蒸気圧が１５０気圧以上となるものである。

そして、光源ランプ４０は、発光管部４２の管軸が凹面反射鏡２０の例えば水平方向に伸びる光軸と一致し、例えば陰極４４が陽極４５よりも前方に位置し、かつ凹面反射鏡２０の焦点位置にアーク発生部が一致する状態で、凹面反射鏡２０内に配置されている。光源ランプ４０の一方の封止部４３は、凹面反射鏡２０の筒状頸部分２３の内部を挿通して外方に突出しており、その外端部分が凹面反射鏡２０の背面に装着されたホルダー（図示せず）により保持されている。２８は、光源ランプ４０の一方の封止部４３と凹面反射鏡２０とを固定する充填剤である。

凹面反射鏡２０の光照射口２４を形成する前方外縁部分には、光透過性ガラス５０が取り付けられて光照射口２４が塞がれており、これにより、凹面反射鏡２０内はほぼ完全な密閉空間とされている。この光透過性ガラス５０は、光源ランプ４０の発光管部４２が破裂したときの瞬発的な力によって外れないように、例えば専用の取り付け具や耐熱性を有する接着剤などにより強固に取り付けられている。

以上の光源装置１０においては、凹面反射鏡２０の集光部分２３の内表面に、特定の機能膜３０が形成されている。
機能膜３０は、図２に示されているように、凹面反射鏡２０の基体２１の表面に形成されたニッケル層３１と、このニッケル層３１の表面に形成されたニッケル酸化物層３２と、このニッケル酸化物層３２の表面に形成された、誘電体多層膜よりなる可視光線反射層３３とにより構成されている。

機能膜３０を構成するニッケル層３１は、例えば無電解メッキにより形成されてなるものである。
無電解メッキを行うに際しての処理条件は、例えばメッキ液がニッケル−リン合金（１０％ｗｔのリンを含む）を主体としたものであり、処理温度が８０〜１００℃である。
ニッケル層３１の厚みは、例えば１〜２０μｍであることが好ましく、より好ましくは５〜２０μｍである。
ニッケル層３１が無電解メッキにより形成されてなるものであることにより、例えば基体２１がアルミニウムまたはアルミニウムを主体とした合金よりなる場合に、通常のメッキであれば基体２１とニッケル層３１との間にアルマイトが形成されてしまうなどの基体２１の表面を変質させることがなく、ニッケル層３１を均一な厚みで確実に形成することができ、これにより、得られる機能膜３０を確実に所期の特性を有するものとすることができ、また、基体２１に対して十分に高い密着性が得られる。

ニッケル酸化物層３２は、ニッケル層３１の表層部分が適宜の酸化剤によって酸化処理することにより形成されてなるものである。
ニッケル酸化物層３２の厚みは、例えば０．１〜２μｍであることが好ましい。

ニッケル層３１およびニッケル酸化物層３２が上記範囲の厚みであることにより、ニッケル層３１およびニッケル酸化物層３２に十分な耐久性が確実に得られると共に紫外線および赤外線に対する所期の吸収特性が確実に得られる。一方、ニッケル層３１およびニッケル酸化物層３２の厚みが上限値を超える場合には、凹面反射鏡３０の基体２１との熱膨張差によってニッケル層３１またはニッケル酸化物層３２にクラックが発生しやすくなり、長期間の間にわたって所期の特性を得ることが困難となり、また、ニッケル層３１およびニッケル酸化物層３２の厚みが上限値に満たない場合には、紫外線および赤外線を十分に吸収することが困難となる。

可視光線反射層３３を構成する誘電体多層膜は、例えばチタニア（ＴｉＯ₂ ）とシリカ（ＳｉＯ₂ ）とが交互に積層されて形成されてなるものであり、可視光線反射性を有すると共に赤外線透過性および紫外線透過性を有する。
可視光線反射層３３の全厚は、例えば０．５〜２μｍであることが好ましい。ＴｉＯ₂ 層およびＳｉＯ₂ 層は、例えば蒸着法により形成することができる。
可視光線反射層３３の一例を示すと、ＴｉＯ₂ 層およびＳｉＯ₂ 層の各層の厚みは、それぞれ、例えば１５０ｎｍとされ、積層数は例えば３０層とされる。これにより、可視光線反射層３３を確実に所期の特性を有するものとして構成することができる。

上記構成の光源装置１０の数値例を示すと、凹面反射鏡２０は、光照射口２４の大きさが２０ｃｍ² 、内容積が２５ｃｍ³ 、集光部分２２の肉厚が１〜４ｍｍであるものとされる。また、光源ランプ４０は、発光管部４２の最大外径が１０ｍｍ、発光管部４２の内容積が２００ｍｍ³ 、電極間距離ｄが１ｍｍ、定格電力が１６０Ｗであるものである。

而して、上記構成の光源装置１０によれば、ニッケル層３１、ニッケル酸化物層３２および可視光線反射層３３よりなる特定の機能膜３０が、凹面反射鏡２０の基体２１の内表面に形成されていることにより、光源ランプ４０から放射される赤外線（熱線）および紫外線が誘電体多層膜よりなる可視光線反射層３３を透過してニッケル酸化物層３２に吸収されるので、当該赤外線等のいわば不要な光線が照射されることが抑制される。以下、ニッケル酸化物層３２の光吸収特性について、当該ニッケル酸化物層３２の特性を確認するために行った実験例の結果に基づいて説明する。

図３は、特定の構成の凹面反射鏡前駆体についての反射特性を示すグラフである。図３（イ）は、金属基体それ自体の反射率を示し、（ロ）は、金属基体の内表面にニッケル層およびニッケル酸化物層が形成されたものの反射率を示している。
この凹面反射鏡前駆体は、基体として、ダイカスト用アルミニウム合金（ＡＤＣ１２）よりなり、集光部分の肉厚が２ｍｍのものを用い、集光部分の内表面に、ニッケル層を１０μｍの厚みで形成し、ニッケル層の表層部分を酸化処理することによりニッケル酸化物層を１μｍの厚みで形成したものである。
図３（イ）に示されているように、金属製基体それ自体の反射率は、光源ランプから放射されるすべての波長域の光線に対して比較的高い状態、具体的には３０％以上であるが、図３（ロ）に示されるように、ニッケル層およびニッケル酸化物層を特定の厚みで形成することにより、すべての波長域の光線に対して極めて低い反射率例えば１０％以下に抑えること、すなわち、すべての光線について十分な吸収特性を示すことが確認された。従って、ニッケル酸化物層の表面に、可視光線反射層である誘電体多層膜を形成することによって、光源ランプから放射される可視光線は誘電体多層の作用により反射されて高い光の利用率で照射されることとなるが、紫外線および赤外線（熱線）は誘電体多層膜を透過し、ニッケル酸化物層により吸収されるので、赤外線および紫外線の照射量を小さく抑制することができる。
従って、光源ランプ４０から放射される赤外線（熱線）等によって液晶表示用デバイス等の被光照射物に対して悪影響を与えることを確実に防止することができると共に、十分な強度の可視光線を照射することができる。

しかも、凹面反射鏡２０の基体２１を構成する金属材料それ自体の特性により、光源ランプ４０から放射される熱線によって生ずる熱は基体２１を介して外部に放熱されるので、光源ランプ４０の点灯時において光源装置１０の内部が極めて高温となって光源ランプ４０が破損することを確実に防止することができ、また、万一、光源ランプ４０が破損してしまった場合であっても、光源ランプ４０の破損に伴って凹面反射鏡２０が破損することがないので、破片が飛び散ることがない。
また、凹面反射鏡２０の基体２１それ自体の放熱性により、光源ランプ４０および凹面反射鏡２０が極めて高温となることが防止されるので、別個に冷却手段を設ける必要がなく、また、光源装置１０全体を小型のものとして構成することが容易となる。

以上のように、本発明の光源装置によれば、凹面反射鏡の基体が金属よりなることの利点、具体的には高強度および高熱伝導性（放熱性）を有するものでありながら、赤外線（熱線）等のいわば不要な光線を照射することを抑制することができるので、光源ランプとして、高い光出力が得られる構成のもの、具体的には、例えば水銀の封入量が０．１５ｍｇ／ｍｍ² 以上、あるいは、電極間距離が１．５ｍｍ以下といった構成の超高圧水銀ランプなどを用いることができ、例えば投射型のプロジェクター装置の光源として極めて有用なものとなる。また、プロジェクター装置の小型化の要請に伴って光源装置それ自体を小型化する必要が生じた場合であっても、実用上問題が生ずることがない。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、種々の変更を加えることができる。
例えば、機能膜を構成するニッケル酸化物層の形成方法は、ニッケル層を酸化処理する方法に限定されるものではなく、例えば真空蒸着による成膜方法等を利用することができる。
また、誘電体多層反射膜の、各構成層の厚み、積層数およびその他の構成は目的に応じて適宜に設定することができ、また、例えばＴｉＯ₂ 層およびＳｉＯ₂ 層などの各構成層の形成方法は、蒸着法に限定されるものではない。
さらに、凹面反射鏡の基体における放熱用フィンの形態および数は、外部空気との間で十分な熱伝達が行われるものであれば、特に制限されるものではない。
また、光源ランプおよび凹面反射鏡の具体的な構成は、適宜に変更することが可能である。

本発明の光源装置の一例における構成の概略を示す説明用断面図である。 図１に示す光源装置の凹面反射鏡の断面を示す拡大断面図である。 特定の構成の反射鏡前駆体についての反射特性を示すグラフである。

符号の説明

１０ 光源装置
２０ 凹面反射鏡
２１ 基体
２２ 集光部分
２３ 筒状頸部分
２４ 光照射口
２５ 放熱用フィン
２８ 充填剤
３０ 機能膜
３１ ニッケル層
３２ ニッケル酸化物層
３３ 可視光線反射層
４０ 光源ランプ
４１ 放電容器
４２ 発光管部
４３ 封止部
４４ 陰極
４５ 陽極
５０ 光透過性ガラス

Claims (4)

1. 高圧放電ランプと、この高圧放電ランプを取り囲むよう配置された凹面反射鏡とを備えてなる光源装置において、
   凹面反射鏡は、金属よりなる基体を備え、この基体の内表面上に、ニッケル層、ニッケル酸化物層、および、誘電体多層膜よりなる可視光線反射層がこの順で積層されて形成されてなるものであることを特徴とする光源装置。
2. 凹面反射鏡を構成する基体が、アルミニウムまたはアルミニウムを主体とした合金よりなり、ニッケル層が、無電解メッキにより形成されてなるものであることを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
3. ニッケル酸化物層の厚みが０．１〜２．０μｍであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光源装置。
4. ニッケル層の厚みが１〜２０μｍであることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一に記載の光源装置。