JP2009081044A - 光源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 放電灯から放射される光を任意の位置において効率よく集光することができて高い輝度を有するものとして構成することができ、しかも、小型の光源装置を提供すること。
【解決手段】 一対の電極が対向配置されてなる放電灯と、当該放電灯のアーク方向と中心軸が一致するよう配置された反射鏡とを備えてなる光源装置において、反射鏡の反射面は、当該反射鏡の中心軸を含む断面において、放電アークに対する仰角が最大となる基準反射面位置より光出射方向前方側の領域に形成された、理想楕円面に対して光出射方向後方側に向かって突出する凹面状部分と、基準反射面位置より光出射方向後方側の領域において凹面状部分に連続して形成された、理想楕円面に対して光出射方向前方側に向かって突出する凸面状部分とを少なくとも有し、凹面状部分の頂部および凸面状部分の頂部が放電灯の配光曲線におけるピークを示す光放射方向に一致する状態とされている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば、データプロジェクタ装置などの画像表示装置における光源として利用される光源装置に関する。

近年、例えばデータプロジェクタ装置などの画像表示装置においては、小型化および高輝度化が進められており、これに伴って、これらの画像表示装置における光源として利用される光源装置についても、小型でかつ明るく高輝度のものが求められている。
このような光源装置においては、例えば、放電灯と楕円面ないしは放物面反射面を有する反射鏡とが組み合わせられた構成とされている。

光源装置の小型化、高輝度化を図るために、従来から種々の提案がなされており、例えば、超高圧放電ランプを擬似点光源とした場合に、該超高圧放電ランプから放射される光を効果的に集光することのできるよう、放物形状の反射鏡に超高圧放電ランプを構成するバルブの内側形状で屈折される光を外側形状で再び屈折させて補正すること（特許文献１参照）や、超高圧放電ランプのバルブの屈折率を考慮して、反射鏡の形状を該反射鏡の第１焦点前後で形状を変形させること（特許文献２参照）、あるいは、超高圧放電ランプから放射される光を擬似点光源として扱い、該超高圧放電ランプのバルブの影響を打ち消すように反射鏡の曲面を補正、具体的には、反射鏡の形状を真正回転放物面、または真正回転楕円面形状とした場合に、該超高圧放電ランプのバルブが無いと仮定した光の進行方向と一致するように、該反射鏡の形状を補正すること（特許文献３参照）が行われている。

しかしながら、超高圧放電ランプから放射される光を擬似点光源として扱う、上述した各特許文献のいずれのものに開示された技術を利用した場合であっても、実際には、放電アークと反射鏡からの光を受光する受光素子には大きさがあるため、点光源を基準に楕円面・放物面の形状を改善するだけでは、超高圧放電ランプから放射される光を十分に集光して高輝度を有するものとして構成することができないという、問題がある。

特開２０００−１３８００５号公報 特許第３４３９４３５号公報 特開２００４−２６５７０２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、放電灯から放射される光を任意の位置において効率よく集光することができて高い輝度を有するものとして構成することができ、しかも、小型の光源装置を提供することにある。

本発明の光源装置は、一対の電極が対向配置されてなる放電灯と、当該放電灯のアーク方向と中心軸が一致するよう配置された回転体からなる反射鏡とを備えてなる光源装置において、
反射鏡の反射面は、当該反射鏡の中心軸を含む断面において、電極間に形成される放電アークに対する仰角が最大となる基準反射面位置より光出射方向前方側の領域に形成された、理想楕円面に対して光出射方向後方側に向かって突出する凹面状部分と、前記基準反射面位置より光出射方向後方側の領域に、前記凹面状部分に連続して形成された、前記理想楕円面に対して光出射方向前方側に向かって突出する凸面状部分とを、少なくとも有し、
凹面状部分の頂部および凸面状部分の頂部が放電灯の配光曲線におけるピークを示す光放射方向に一致する状態で位置されていることを特徴とする。

本発明の光源装置においては、反射鏡の反射面は、光出射口の開口縁部分が凸面状部分により構成されていると共に、放電灯の発光管の一部が挿通される開口の開口縁部分が凹面状部分により構成されており、当該凹面状部分の頂部および凸面状部分の頂部が放電灯の配光曲線における前記ピークとは異なるピークを示す光放射方向に一致する状態で位置されていることが好ましい。

本発明の光源装置によれば、反射鏡の反射面が、基準反射面位置より光出射方向前方側の領域が凹面状とされており、基準反射面位置より光出射方向後方側の領域が凸面状とされていることにより、放電アークをその形成方向に対して２つの領域に分けたとき、任意の反射面位置について、当該反射面位置により近いことにより比較的に光度が高くなる放電アークの領域からの光を有効的に利用することができ、しかも、反射面における凹面状部分の頂部および凸面状部分の頂部が、放電灯の配光曲線における光度のピークを示す放射方向に一致する状態で位置されていることにより、放電灯から放射される光のうち、より光度の高くなる方向に放射される光について、上記作用が確実に発現されるので、光源装置を高い輝度を有するものとして構成することができる。
また、放電アークと反射鏡の反射面との最近接距離を小さく構成した場合であっても、放電灯からの光を有効的に利用することができるので、反射鏡を小型のものとすることができ、これにより、光源装置全体を小型のものとして構成することができる。

さらに、反射鏡における反射面が、光出射口の開口縁部分が凸面状部分により構成されていると共に、放電灯の発光管の一部が挿通される開口の開口縁部分が凹面状部分により構成されていることにより、放電アークの前方領域からの光を放電灯の発光管の一部が挿通される開口の開口縁部分に形成された凹面状部分、および、放電アークの後方領域からの光を反射鏡の光出射口の開口縁部分に形成された凸面状部分によって反射させることにより、放電灯からの光を一層有効的に利用することができ、光源装置を一層高い輝度を有するものとして構成することができる。

図１は、本発明の光源装置の一例における構成の概略を、超高圧放電ランプの管軸に沿った断面で示す断面図である。
この光源装置１０は、例えば交流点灯型の超高圧放電ランプ１１と、この超高圧放電ランプ１１のアーク方向と中心軸が一致するよう配置された回転体からなる反射鏡２０とを備えている。

超高圧放電ランプ１１は、例えば楕円球形状の発光管部１２およびこの発光管１２の両端に連続するロッド状の封止部１３により構成された、例えば石英ガラスよりなる発光管１５を備えてなり、発光管部１２の内部には、一対の電極１８が、電極間距離が２ｍｍ以下となる状態で、対向配置されている。

反射鏡２０は、その中心軸（光軸）を含む断面において、外面形状が楕円に沿った形態を有すると共に、反射面を構成する内面形状が以下の形態を有するものとされている。
すなわち、反射鏡２０の反射面は、電極１８間に形成される放電アークに対する仰角が最大となる基準反射面位置Ａ（電極間中心を含む反射鏡２０の中心軸に垂直な方向の反射面位置）より光出射方向前方側の領域が、理想楕円面Ｒに対して光出射方向後方側に向かって突出する凹面状とされていると共に、基準反射面位置Ａより光出射方向後方側の領域が、前記理想楕円面Ｒに対して光出射方向前方側に向かって突出する凸面状とされている。
凹面状部分２１の頂部および凸面状部分２３の頂部は、上記超高圧放電ランプ１１の配光曲線における光度のピークを示す光放射方向に一致する状態で位置されており、凹面状部分２１の頂部および凸面状部分２３の頂部の、理想楕円面Ｒに対する変位量は、いずれも、例えば０．２ｍｍ以下とされている。

このような反射鏡２０は、以下のようにして得ることができる。
例えばＤＬＰ（登録商標）プロジェクター用の光源として用いられる場合の、反射鏡を作製する場合を例に挙げると、図２に示すように、受光素子３０をその光軸が超高圧放電ランプ１１の管軸と同軸Ｚ上に位置されるよう所定の間隔で離間して配置すると共に、平板状の微小反射鏡３１を超高圧放電ランプ１１の電極間中心を含む、超高圧放電ランプ１１の管軸に垂直な軸Ｙ方向に配置した状態において、超高圧放電ランプ１１を点灯させ、受光素子３０に到達する光束が最大となる微小反射鏡３１の反射面３１ＡのＹ軸に対する角度を取得する。
次いで、取得された微小反射鏡３１の反射面３１Ａの角度に調整された状態における反射面３１Ａの面方向（接線方向）に微小変位量Δｘだけ移動させた位置において、上記と同様にして、受光素子３０へ到達する光束が最大となる微小反射鏡３０の反射面３１ＡのＹ軸に対する角度を取得する。
このような操作を、Ｙ軸の両側の各々について、所定の範囲内で繰り返し行うことにより、連続した形状データを取得し、これにより、上記反射面形状を有する反射鏡２０を得ることができる。
以上において、受光素子３０はライトトンネル３５（図３参照）の入射面面積と等しい受光面積を有するものが用いられ、微小反射鏡３０は超高圧放電ランプ１１のアーク長と等しい長さを有するものが用いられる。

而して、上記構成の光源装置１０によれば、反射鏡２０の反射面が、基準反射面位置Ａより光出射方向前方側の領域が凹面状とされており、基準反射面位置Ａより光出射方向後方側の領域が凸面状とされていることにより、図３に示すように、放電アークをその形成方向に対して２つの領域に分けたとき、基準反射位置Ａより光出射方向前方側の凹面状部分２１においては、当該凹面状部分２１の任意の反射面位置について、当該反射面位置により近いことにより比較的に光度が高くなる放電アークの前方領域からの光の、ライトトンネル３５の受光面に対する入射割合が大きくなり、基準反射位置Ａより光出射方向後方側の凸面状部分２３においても同様に、当該凸面状部分２３の任意の反射面位置について、当該反射面位置により近いことにより比較的に光度が高くなる放電アークの後方領域からの光の、ライトトンネル３５の受光面に対する入射割合が大きくなる。
しかも、凹面状部分２１の頂部および凸面状部分２３の頂部が、超高圧放電ランプ１１の配光曲線における光度のピークを示す光放射方向に一致する状態とされていることにより、超高圧放電ランプ１１から放射される光のうち、より光度の高い方向に放射される光について、上記作用効果が発現されるので、超高圧放電ランプ１１からの光を有効的に利用することができ、光源装置１０を高い輝度を有するものとして構成することができる。

また、反射面が理想楕円面Ｒである反射鏡であれば、反射鏡の反射面位置と放電アークとの最近接距離が小さくなることにより反射面によって反射される光の出射角が大きくなることに伴って有効に利用できない光の割合が高くなって高い輝度を得ることができなくなるような、例えば、基準反射面位置Ａと放電アークの中心（電極間中心）との最近接距離が３０ｍｍ以下である小型の反射鏡であっても、上記構成の光源装置１０によれば、超高圧放電ランプ１１からの光を有効的に利用することができ、従って、光源装置１０全体を小型のものとして構成することができる。

本発明の光源装置においては、上述したように、反射鏡の反射面が、基準反射面位置より光出射方向前方側の領域に形成された、理想楕円面に対して光出射方向後方側に向かって突出する凹面状部分、および、この凹面状部分に連続して基準反射面位置より光出射方向後方側の領域に形成された、理想楕円面に対して光出射方向前方側に向かって突出する凸面状部分を、少なくとも有する形態とされていれば、実用上十分な効果を得ることができるが、反射面における凹面状部分および凸面状部分が超高圧放電ランプの配光曲線において形成されるピークの数に応じて形成されていることが好ましい。
また、例えば、図４に示すように、反射鏡２０の反射面における光出射口２０Ａの開口縁部分が凸面状部分２５により構成されていると共に、超高圧放電ランプ１１の封止部１３が挿通される開口２０Ｂの開口縁部分が凹面状部分２７により構成されており、当該凹面状部分２７の頂部および凸面状部分２５の頂部が超高圧放電ランプ１１の配光曲線における前記ピークとは異なるピークを示す光放射方向に一致する状態で位置された形態を有するものであることが好ましい。
このような構成の反射鏡２０は、上記と同様の方法を利用して得ることができる。

上記構成の反射鏡２０を備えた光源装置１０によれば、上記作用効果に加えて更に、図５に示すように、電極１８によって不可避的に遮蔽される領域が形成されてしまう反射面方向に向かって放射される光、すなわち、放電アークの前方領域からの光を超高圧放電ランプ１１の封止部１３が挿通される開口２０Ｂの開口縁部分に形成された凹面状部分２７、および、放電アークの前方領域からの光を反射鏡２０の光出射口２０Ａの開口縁部分に形成された凸面状部分によって反射させることにより、超高圧放電ランプ１１からの光を一層有効的に利用することができ、光源装置１０を一層高い輝度を有するものとして構成することができる。

以下、本発明の効果を確認するために行った実験例を示す。
〔実験例１〕
図１に示す構成に従って、本発明に係る光源装置を作製した。この光源装置における超高圧放電ランプおよび反射鏡の仕様を以下に示す。
＜ランプ仕様＞
バルブ：材質；石英ガラス、発光管の最大外径；１１．５ｍｍ、全長；５０ｍｍ、放電空間の内容積；８０ｍｍ³ 、
電極：最大外径；１．６ｍｍ、電極間距離；１．２ｍｍ、
封入物：水銀、希ガス（アルゴンガス）、ハロゲンガス、
入力電力：２７５Ｗ、
この超高圧放電ランプは、図６に示すような、０〜１８０°の角度範囲内において、２５°、６０°、１２０°および１５０°の光放射方向に光度のピークを有する配光分布特性を有する。なお、１８０°〜３６０°の角度範囲内においても同様の光度分布を示すが便宜上省略する。

＜反射鏡仕様＞
光出射口の直径；４４ｍｍ、長さ；２０ｍｍ、
反射面における凸面状部分の頂部が、電極間中心を中心とする６０°の方向（配光曲線において光度のピークが形成される光放射方向）に形成され、当該頂部の理想楕円面に対する変位量が０．０２ｍｍである。
反射面における凹面状部分の頂部が、電極間中心を中心とする１２０°の方向（配光曲線において光度のピークが形成される光放射方向）に形成され、当該頂部の理想楕円面に対する変位量が０．０１ｍｍである。

上記の光源装置の電極間中心位置から７５ｍｍ離間した位置に、受光面の径が５ｍｍの受光素子を配置して当該受光素子に到達する光束を測定したところ、反射面が理想楕円面とされた反射鏡を備えた光源装置に比べて、約６％大きいことが確認された。

〔実験例２〕
図４に示す構成に従って、本発明に係る光源装置を作製した。この光源装置における反射鏡の仕様を以下に示す。超高圧放電ランプは上記実験例１と同一のものである。
＜反射鏡仕様＞
光出射口の直径；５０ｍｍ、長さ；３３ｍｍ、
反射面における発光管の一部が挿通される開口の開口縁部分に形成された凹面状部分の頂部が、電極間中心を中心とする２５°の方向（配光曲線において光度のピークが形成される光放射方向）に形成され、当該頂部の理想楕円面に対する変位量が０．１２ｍｍである。
反射面における凸面状部分の頂部が、電極間中心を中心とする６０°の方向（配光曲線において光度のピークが形成される光放射方向）に形成され、当該頂部の理想楕円面に対する変位量が０．０２ｍｍである。
反射面における凹面状部分の頂部が、電極間中心を中心とする１２０°の方向（配光曲線において光度のピークが形成される光放射方向）に形成され、当該頂部の理想楕円面に対する変位量が０．０１ｍｍである。
反射面における光出射口の開口縁部分に形成された凸面状部分の頂部が、電極間中心を中心とする１５０°の方向（配光曲線において光度のピークが形成される光放射方向）に形成され、当該頂部の理想楕円面に対する変位量が０．０１ｍｍである。

上記の光源装置の電極間中心位置から７５ｍｍ離間した位置に、受光面の径が５ｍｍである受光素子を配置し、当該受光素子に到達する光束を測定したところ、反射面が理想楕円面とされた反射鏡を備えた光源装置に比べて、約１０％大きいことが確認された。

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、本発明の光源装置は、ＬＣＤプロジェクター用の光源として利用することができ、このような場合には、図７に示すように、本発明に係る光源装置１０が、例えば、凹面レンズ４０と、各々、平板に複数のレンズが二次元配列されてなり、レンズが互いに向き合うように対向配置された第１インテグレータレンズ４１および第２インテグレータレンズ４２と、偏光ビームスプリッター４３とよりなる光学系と組み合わせられて用いられる。

この光源装置１０を構成する反射鏡２０は、図８に示すように、受光素子４８をその光軸が超高圧放電ランプ１１の管軸と同軸Ｚ上に位置されるよう所定の間隔で離間して配置すると共に、超高圧放電ランプ１１と受光素子４８との間に、凹面レンズ４０、第１インテグレータレンズ４１、第２インテグレータレンズ４２およびスリット４５を光出射方向に対してこの順で並ぶようＺ軸上に配置し、さらに、平板状の微小反射鏡３１を超高圧放電ランプ１１の電極間中心を含む、超高圧放電ランプ１１の管軸に垂直な軸Ｙ方向に配置した状態において、超高圧放電ランプ１１を点灯させ、受光素子４８に到達する光束が最大となる微小反射鏡３１の反射面３１ＡのＹ軸に対する角度を取得する。
次いで、取得された微小反射鏡３１の反射面３１Ａの角度に調整された状態における反射面３１Ａの面方向（接線方向）に微小変位量Δｘだけ移動させた位置において、上記と同様にして、受光素子４８へ到達する光束が最大となる微小反射鏡３１の反射面３１ＡのＹ軸に対する角度を取得する。
このような操作を、Ｙ軸の両側の各々について、所定の範囲内で繰り返し行うことにより、連続した形状データを取得し、これにより、所期の反射面形状を有する反射鏡２０を得ることができる。
以上において、受光素子４８はスリット４５の外形寸法面積と等しい受光面面積を有するものが用いられ、スリット４５は偏光ビームスプリッター４３の入射面の間隔に等しいスリット間隔を有するものが用いられ、微小反射鏡３０は超高圧放電ランプ１１のアーク長と等しい長さを有するものが用いられる。

また、ＬＣＤプロジェクター用の光源として用いられる光源装置に係る反射鏡においても同様に、図９に示すように、反射鏡２０の反射面における光出射口２０Ａの開口縁部分が凸面状部分２５により構成されていると共に、超高圧放電ランプ１１の封止部１３が挿通される開口２０Ｂの開口縁部分が凹面状部分２７により構成されており、当該凹面状部分２７の頂部および凸面状部分２５の頂部が超高圧放電ランプ１１の配光曲線における前記ピークとは異なるピークを示す光放射方向に一致する状態で位置された形態を有するものであることが好ましい。

而して、上記構成の光源装置１０によれば、放電アークをその形成方向に対して２つの領域に分けたとき、基準反射位置Ａより光出射方向前方側の凹面状部分２１においては、当該凹面状部分２１の任意の反射面位置について、当該反射面位置により近いことにより比較的に光度が高くなる放電アークの前方領域からの光の、偏光ビームスプリッター４３に対する入射割合が大きくなり、基準反射位置Ａより光出射方向後方側の凸面状部分２３においても同様に、当該凸面状部分２３の任意の反射面位置について、当該反射面位置により近いことにより比較的に光度が高くなる放電アークの後方領域からの光の、偏光ビームスプリッター４３に対する入射割合が大きくなる。
しかも、凹面状部分２１の頂部および凸面状部分２３の頂部が、超高圧放電ランプ１１の配光曲線における光度のピークを示す放射方向に一致する状態とされた形態を有することにより、超高圧放電ランプ１１から放射される光のうち、より光度の高い方向に放射される光について、上記作用効果が発現されるので、超高圧放電ランプ１１からの光を有効的に利用することができ、光源装置１０を高い輝度を有するものとして構成することができる。

本発明の光源装置の一例における構成の概略を、超高圧放電ランプの管軸に沿った断面で示す断面図である。 本発明の光源装置を、ＤＬＰ（登録商標）プロジェクター用の光源として用いる場合における、反射鏡の作製方法を説明するための図である。 図１に示す光源装置の、超高圧放電ランプからの光の光路の一例を示す説明図である。 本発明の光源装置の他の例における構成の概略を示す断面図である。 図４に示す光源装置の、超高圧放電ランプからの光の光路の一例を示す説明図である。 本発明の光源装置に係る超高圧放電ランプの配光特性の一例を示す図である。 本発明の光源装置の更に他の例における構成の概略を示す断面図である。 本発明の光源装置を、ＤＬＰ（登録商標）プロジェクター用の光源として用いる場合における、反射鏡の作製方法を説明するための図である。 本発明の光源装置の更に他の例における構成の概略を示す断面図である。

符号の説明

１０ 光源装置
１１ 超高圧放電ランプ
１２ 発光管部
１３ 封止部
１５ 発光管
１８ 電極
２０ 反射鏡
２０Ａ 光出射口
２０Ｂ 開口
２１ 凹面状部分
２３ 凸面状部分
２５ 凸面状部分
２７ 凹面状部分
３０ 受光素子
３１ 微小反射鏡
３１Ａ 反射面
３５ ライトトンネル
Ａ 基準反射面位置
Ｒ 理想楕円面
４０ 凹面レンズ
４１ 第１インテグレータレンズ
４２ 第２インテグレータレンズ
４３ 偏光ビームスプリッター
４５ スリット
４８ 受光素子

Claims (2)

1. 一対の電極が対向配置されてなる放電灯と、当該放電灯のアーク方向と中心軸が一致するよう配置された回転体からなる反射鏡とを備えてなる光源装置において、
   反射鏡の反射面は、当該反射鏡の中心軸を含む断面において、電極間に形成される放電アークに対する仰角が最大となる基準反射面位置より光出射方向前方側の領域に形成された、理想楕円面に対して光出射方向後方側に向かって突出する凹面状部分と、前記基準反射面位置より光出射方向後方側の領域に、前記凹面状部分に連続して形成された、前記理想楕円面に対して光出射方向前方側に向かって突出する凸面状部分とを、少なくとも有し、
   凹面状部分の頂部および凸面状部分の頂部が放電灯の配光曲線におけるピークを示す光放射方向に一致する状態で位置されていることを特徴とする光源装置。
2. 反射鏡の反射面は、光出射口の開口縁部分が凸面状部分により構成されていると共に、放電灯の発光管の一部が挿通される開口の開口縁部分が凹面状部分により構成されており、当該凹面状部分の頂部および凸面状部分の頂部が放電灯の配光曲線における前記ピークとは異なるピークを示す光放射方向に一致する状態で位置されていることを特徴とする請求項１に記載の光源装置。