JP2009230933A

JP2009230933A - 光源装置

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Publication number: JP2009230933A
Application number: JP2008072554A
Authority: JP
Inventors: Takehito Chiga; 岳人千賀; Takeo Matsushima; 竹夫松島
Original assignee: Ushio Denki KK; Ushio Inc
Current assignee: Ushio Denki KK; Ushio Inc
Priority date: 2008-03-19
Filing date: 2008-03-19
Publication date: 2009-10-08
Anticipated expiration: 2028-03-19
Also published as: JP5035055B2

Abstract

【課題】放電ランプから放射された光を効率よく被照射面に入射させること。
【解決手段】放電ランプ２と、放電ランプ２の光軸と一致するよう配置された凹面反射鏡３とを備えた光源装置１において、凹面反射鏡３の開口の前方に配置された補助反射鏡４と、凹面反射鏡３の光軸上であって放電ランプ２より前方に配置された折返反射鏡５とを設け、補助反射鏡４は、放電ランプ２からの直射光を反射する領域に設けられると共に、反射面は凹面反射鏡３の光軸を中心に回転させた回転面であって、反射光を折返反射鏡５に向けて反射するように形成されており、折返反射鏡５は、光軸に沿って存在する凹面反射鏡３からの反射光が存在しない反射光非存在領域に設けられると共に、反射面は凹面反射鏡３の光軸を中心に回転させた回転面であって、補助反射鏡４の反射光を光軸に沿って反射光非存在領域Ｓ内に反射するように形成されていることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、光源装置に係わり、特に、放電ランプから放射された発散光を反射鏡によって反射し、光学系を介して照射面に照射する光源装置に関する。

この光源装置は、半導体露光装置、液晶基板露光装置、液晶プロジェクターに代表される投射型表示装置等に適用され、放電ランプと凹面反射鏡とを組み合わせて、放電ランプから放射された発散光を凹面反射鏡によって反射し、光学系、例えば、ロッドインテグレータやインテグレータレンズ（フライアイレンズ）に入射して、照射面に照射するものである。

図１２は、このような光源装置１００の標準的な構成を示す断面図である。
同図において、この光源装置１００は、両端に封止管１０３を有する発光管１０４内に一対の電極１０５，１０６が対向配置された放電ランプ１０１と、放電ランプ１０１のアーク方向と光軸が一致するように配置された凹面反射鏡１０２と、凹面反射鏡１０２からの反射光が入射されるロッドインテグレータ１０８とから構成されている。凹面反射鏡１０２は、放電ランプ１０１の一方の封止管１０３が挿入される頂部開口１０７を有しており、頂部開口１０７に封止管１０３が挿入されて、放電ランプ１０１のアーク（発光点）が凹面反射鏡１０２の焦点に位置するように、放電ランプ１０１を適宜の手段によって、反射鏡１０２に対して位置決めされ固定されている。

放電ランプ１０１から放射された発散光は、凹面反射鏡２によって反射されて、方向性を持った光となる。凹面反射鏡１０２が楕円形状の場合は集光光となる。集光光は光学系のロッドインテグレータ１０８に入射され、不図示の照射面に照射される。なお、用途によって、凹面反射鏡１０２が放物線形状の場合もあり、その場合は、反射光は平行光となって、ロッドインテグレータ１０８に入射され、照射面に照射される。

図１３は、光源装置１００において、凹面反射鏡１０２が楕円形状の場合の光源装置１００の光線領域を説明するための図である。
同図に示すように、凹面反射鏡１０２の反射面は、第１焦点ｏと第２焦点ｐを有する回転楕円面になっており、第１焦点ｏに放電ランプ１０１のアーク（発光点）が位置し、第２焦点ｐにロッドインテグレータ１０８の入射面が位置する。ここで、凹面反射鏡１０２の放電ランプ１０１の封止管１０３が挿入される頂部開口１０７は反射機能を有さない箇所である。

第１焦点ｏから放射され、凹面反射鏡１０２で反射された光は、第２焦点ｐに集光される。凹面反射鏡１０２には、頂部開口１０７が形成されているために、図中、斜線で示す領域は反射光が存在しない反射光非存在領域Ｓとなる。この反射光非存在領域Ｓは、頂部開口１０７によって形成されると共に、放電ランプ１０１の発光管１０４や封止管１０３の形状によって放電ランプ自体で光が遮られてできる領域である。

図１５は、ロッドインテグレータ１０８に入射される入射光の入射角と放射束／立体角との関係を示すグラフである。横軸はロッドインテグレータ１０８の入射面に対する入射角度であり、入射角０度の位置が、凹面反射鏡１０２の光軸位置であり、縦軸はロッドインテグレータ１０８の光軸に垂直な面に入射する放射束／立体角である。
同図に示すように、この光源装置１００では、反射光非存在領域Ｓの影響により、ロッドインテグレータ１０８に入射する光軸に対して入射角度が小さくなる低角度成分の光が欠落していることを示している。なお、この傾向は、反射面が回転放物面である凹面反射鏡の場合も同様である。
特開２００１−８４８２０公報

近年では、半導体露光装置や液晶基板露光装置においては、照射面における照射エネルギーを向上させて、処理時間の短縮を図ることが望まれている。また、投射型表示装置では、投影画像の照度を上げて、より明るい画像を表示することが望まれている。

図１４は、上記の要求を満たすために改良された光源装置１００における、凹面反射鏡１０２の反射光の光線領域を説明するための図である。
同図に示すように、この光源装置１００は、上記の要求を満たすために、凹面反射鏡１０２の端部から延長した延長反射面１０９が設けられており、延長反射面１０９において放電ランプ１０１からの発散光を捕捉し反射光を増加させようとするものである。しかしながら、この光源装置１００においては、ロッドインテグレータ１０８には、その先にある画像素子の受け入れ角度の関係上、ロッドインテグレータ１０８の入射面に入射する光の入射角度に制限がある。すなわち、所定の入射角度を越えた入射角で入射された光は、ロッドインテグレータ１０８の照射面に照射されても、画像素子では捕捉されず、最終的には投影されない光となり、凹面反射鏡１０２の延長反射面１０９の形状によっては、延長反射面１０９を設けたにもかかわらず、利用光束を増加させることができないという問題がある。

上述のごとく、ロッドインテグレータ１０８には、凹面反射鏡１０２からの反射光の画像素子内に所定の入射角度で入射するための受け入れ角度がある。一方、低角度成分の入射光は受け入れ角度内の光であり、照射面の照度アップや照射面での照射エネルギーのアップに寄与するものであるが、この低角度成分の光は存在せず、照度向上や照射面での照射エネルギーの向上ができず、放電ランプ１０１から放射された光の利用効率を向上することができないという問題がある。

本発明の目的は、上記の問題点に鑑みて、放電ランプから放射された光を効率よくロッドインテグレータ等のような入射面に入射させ、露光装置等における照射面の照射エネルギーの増大、投影型表示装置における投影画像の照度向上により明るい画像を表示することを可能にした光源装置を提供することにある。

本発明は、上記の課題を解決するために、次のような手段を採用した。
第１の手段は、両端に封止管を有し発光管内に一対の電極が対向配置された放電ランプと、該放電ランプのアーク方向と光軸が一致するよう配置された凹面反射鏡とを備えた光源装置において、前記凹面反射鏡の開口の前方に配置された補助反射鏡と、前記凹面反射鏡の光軸上であって前記放電ランプより前方に配置された折返反射鏡とを設け、前記補助反射鏡は、前記凹面反射鏡からの反射光を遮らず、前記放電ランプからの直射光を反射する領域に設けられると共に、前記補助反射鏡の反射面は、前記凹面反射鏡の光軸を中心に回転させた回転面であって、前記放電ランプからの光を前記折返反射鏡に向けて反射するように形成されており、前記折返反射鏡は、光軸に沿って存在する前記凹面反射鏡からの反射光が存在しない反射光非存在領域に設けられると共に、前記折返反射鏡の反射面は、前記凹面反射鏡の光軸を中心に回転させた回転面であって、前記補助反射鏡の反射面からの光を光軸に沿って反射光非存在領域内に反射するように形成されている、ことを特徴とする光源装置である。
第２の手段は、第１の手段において、前記凹面反射鏡の反射面は、第１焦点と第２焦点を有する回転楕円面の一部であって、前記放電ランプは、該放電ランプの発光点が前記第１焦点に位置するように配置されており、前記補助反射鏡の反射面は、第１の焦点と該第１焦点を通り前記凹面反射鏡の光軸と交差する長軸上の第２の焦点を有する楕円の一部を、前記凹面反射鏡の光軸を中心に回転させた回転面であり、前記折返反射鏡の反射面は、前記凹面反射鏡の光軸を中心に直線の一部を回転させた回転面であることを特徴とする光源装置である。
第３の手段は、第１の手段において、前記凹面反射鏡の反射面は、第１焦点と第２焦点を有する回転楕円面の一部であって、前記放電ランプは、該放電ランプの発光点が前記第１焦点に位置するように配置されており、前記補助反射鏡の反射面は、前記凹面反射鏡の光軸を中心に直線の一部を回転させた回転面であり、前記折返反射鏡の反射面は、第２の焦点と該第２焦点を通り前記凹面反射鏡の光軸と交差する長軸上の第１の焦点とを有する楕円の一部を、前記凹面反射鏡の光軸を中心に回転させた回転面であることを特徴とする光源装置である。
第４の手段は、第１の手段において、前記凹面反射鏡の反射面は、焦点を有する回転放物面の一部であって、前記放電ランプは、該放電ランプの発光点が前記焦点に位置するように配置されており、前記補助反射鏡の反射面は、前記焦点を通り前記凹面反射鏡の光軸と交差する光軸上に焦点を有する放物線の一部を、前記凹面反射鏡の光軸を中心に回転させた回転面であり、前記折返反射鏡の反射面は、前記凹面反射鏡の光軸を中心に直線の一部を回転させた回転面であることを特徴とする光源装置である。
第５の手段は、第１の手段において、前記凹面反射鏡の反射面は、焦点を有する回転放物面の一部であって、前記放電ランプは、該放電ランプの発光点が前記焦点に位置するように配置されており、前記補助反射鏡の反射面は、前記凹面反射鏡の光軸を中心に直線の一部を回転させた回転面であり、前記折返反射鏡の反射面は、前記凹面反射鏡の光軸と平行する光軸上に焦点を有する放物線の一部を、前記凹面反射鏡の光軸を中心に回転させた回転面であることを特徴とする光源装置である。

請求項１ないし請求項５に記載の発明によれば、放電ランプから被照射面に入射する光軸に対して角度が小さくなる低角度領域に生じていた反射光非存在領域を解消することができるので、放電ランプから放射された光を効率よく被照射面に入射することができ、露光装置における照射面の照射エネルギーを増大や、投影型表示装置における投影画像の照度向上に伴う明るい画像の表示が可能となる。

本発明の第１の実施形態を図１ないし図４を用いて説明する。
図１は、本実施形態の発明に係る光源装置１の構成を示す断面図である。
同図に示すように、この光源装置１は、両端に封止管２１を有する発光管２２内に一対の電極２３，２４が対向配置された放電ランプ２と、放電ランプ２のアーク方向と光軸が一致するよう配置された凹面反射鏡３とを備えている。凹面反射鏡３は、放電ランプ２の一方の封止管２１が挿入される頂部開口３１を有しており、この頂部開口３１に封止管２１が挿入されており、頂部開口３１は反射機能を有さないものである。凹面反射鏡３の反射面は、第１焦点ｏと第２焦点ｐを焦点とする回転楕円面の一部からなる。放電ランプ２のアーク（発光点）が凹面反射鏡３の第１焦点ｏに位置するように、放電ランプ２が適宜の手段によって、凹面反射鏡３に対して位置決めされ固定されている。さらに、この光源装置１は、凹面反射鏡３の開口の前方には補助反射鏡４が設置され、凹面反射鏡３の光軸上であって放電ランプ２より前方には折返反射鏡５が設置されている。補助反射鏡４は、凹面反射鏡３からの反射光を遮らない領域に設けられており、放電ランプ２からの直射光を反射する。折返反射鏡５は、凹面反射鏡３からの反射光が存在しない後述する反射光非存在領域Ｓ内に設けられており、補助反射鏡４からの反射光を受光し、反射光を反射光非存在領域Ｓに向けて出射し、ロッドインテグレータ６の照射面を照射する。

図２は、図１に示した光源装置１における、凹面反射鏡３、補助反射鏡４および折返反射鏡５から反射される反射光の光線領域を説明するための図である。
同図に示すように、この光学装置１においては、凹面反射鏡３に頂部開口３１が形成されると共に、放電ランプ２の発光管２２や封止管２１の形状によって放電ランプ自体で光が遮られるために、図中、斜線で示す領域は反射光が存在しない反射光非存在領域Ｓとなる。補助反射鏡４の反射面は、第１焦点ｏのアーク（発光点）から出射した光が折返反射鏡５に向けて入射するように形成されており、折返反射鏡５に入射した光は、反射光非存在領域Ｓに向けて反射するように配置されている。したがって、ロッドインテグレータ６の入射面に設けられた第２焦点ｐに入射される光は、凹面反射鏡３の反射面で反射した光と、補助反射鏡４で捕捉されて反射され、折返反射鏡５で反射した光の両方が入射される。補助反射鏡４の反射面は、第１焦点ｏを共有する第１の焦点と、第１焦点ｏを通り凹面反射鏡３の光軸Ｘと交差する長軸Ｙ上の第２の焦点ｐ’を有する楕円の一部を、凹面反射鏡３の光軸Ｘを中心に回転させた回転面である。折返反射鏡５の反射面は、凹面反射鏡３の光軸を中心に回転させた略円錐面である。

次に、図２を用いて、補助反射鏡４と折返反射鏡５の形成方法について説明する。
まず、第１焦点ｏを通り、光軸Ｘに対して角度α傾いた長軸Ｙを引く。次に、光軸Ｘ上の任意の位置に折返反射鏡５の頂点となる点ａを決める。次に、Ｙ軸上であって、線分ｐ−ａの長さと、線分ｐ’−ａ間の長さが等しくなる位置に点ｐ’を決める。次に、点ａを中心とする２辺ｐ−ａ−ｐ’間の角度の２等分線を引き、２等分線と反射光非存在領域Ｓの最外線ｅとの交点を点ｂとする。次に、線分ａ−ｂを光軸Ｘを中心に回転させて形成された面を折返反射鏡５とする。次に、点ｐ’と点ａを通る仮想線と、点ｐ’と点ｂを通る仮想線を引き、長軸Ｙ上の点ｏと点ｐ’とをそれぞれ第１焦点および第２焦点とする楕円と前記各々の仮想線が交差する点を点ｃ、点ｄとして線分ｃ−ｄを出す。線分ｃ−ｄを光軸Ｘを中心に回転させると補助反射鏡４の反射面となる。なお、この線分ｃ−ｄによってできる楕円の一部は、放電ランプ２からの直射光を反射し、凹面反射鏡３からの反射光を遮らない領域にできる楕円の一部である。

図３は、補助反射鏡４によって反射され折返反射鏡５によって反射された光が、反射光非存在領域Ｓ内に反射される原理を説明するための図である。
ここで、直線の一部である線分ａ−ｂ間が折返反射鏡５の反射面、すなわち、光軸Ｘを中心に線分ａ−ｂを回転させた回転面が折返反射鏡５の反射面となる。楕円の一部である線分ｃ−ｄが補助反射鏡４の反射面、すなわち、光軸Ｘを中心に線分ｃ−ｄを回転させた回転面が補助反射鏡４の反射面となる。線分ａ−ｂは２等分線の一部である。楕円ｃ−ｄは、点ｏを第１焦点とし、点ｐ’を第２焦点とする、線分ｐ’−ａを通る仮想線と線分ｐ’−ｂを通る仮想線のとの間にできる楕円の一部である。図中、角度●の部分は同じ角度になり、角度×の部分は同じ角度になる。角度×が同じ角度であるので、光線ｄ−ｂは、折返反射鏡５の反射面の点ｂに当たると反射して光線ｅとなる（入射角と反射角が同じになる原理適用）。また、角度●が同じ角度であるので、光線ｃ−ａは、折返反射鏡５の反射面の点ａに当たると反射して光線ｆとなる（入射角と反射角が同じになる原理適用）。つまり、反射面ｃ−ｄ間で反射した光は、全て回転面ｅと光軸Ｘとのなす角度の範囲に入る。

図４は、本実施形態の発明に係る光源装置１の、具体的数値の一例を示す図である。
放電ランプ２は、陽極２４：直径２０ｍｍ、先端径７ｍｍ、テーパ角４５度、陰極２３：直径６ｍｍ、先端径０．８ｍｍ、テーパ角３０度、極間距離：４．５ｍｍ、発光管２２：最大径５５ｍｍ、発光管長７０ｍｍ、封入ガス：Ｘｅ１ａｔｍ、Ｈｇ２．５ｍｇ／ｃｍ^３である。また、凹面反射鏡３は、封止管２１と発光管２２との境界から第１焦点ｏまでの距離ｈ１：３８．３９６ｍｍ、封止管２１と発光管２２との境界から第２焦点ｐまでの距離ｈ２：３４６．３３ｍｍ、焦点間距離ｈ３：３０７．９３４ｍｍ、頂部開口径ｈ４：７０ｍｍ、開口径ｈ５：２０４．６ｍｍである。また、補助反射鏡４は、第１焦点ｏを凹面反射鏡３と共有し、光軸Ｘから３０度傾いた長径２０４．２ｍｍ、短径１５５．１ｍｍの楕円ｇにおいて、第１焦点ｏから６５．１７５ｍｍ、１００．６８８ｍｍの距離にある光軸Ｘに垂直な面で切り出した楕円ｇの一部を、光軸Ｘを回転軸とする回転体であり、凹面反射鏡３と接しており、大開口径２０４．６ｍｍ、小開口径２００．２４ｍｍである。また、折返反射鏡５は、高さ３２．５６１ｍｍ、直径３８．３０２ｍｍ、第１焦点ｏから先端までの距離ｈ６：１５６ｍｍである。

本発明の第２の実施形態を図５および図６を用いて説明する。
なお、本実施形態の発明に係る光源装置１の構成は、後述するように補助反射鏡および折返反射鏡の構成が相違する以外、図１に示した光源装置１の同符号の構成に対応するので説明を省略する。
図５は、本実施形態の発明に係る光源装置１における、凹面反射鏡３、補助反射鏡４Ａおよび折返反射鏡５Ａから反射される反射光の光線領域を説明するための図である。
同図に示すように、この光学装置１においては、凹面反射鏡３に頂部開口３１が形成されると共に、放電ランプ２の発光管２２や封止管２１の形状によって放電ランプ自体で光が遮られるために、図中、斜線で示す領域は反射光が存在しない反射光非存在領域Ｓとなる。補助反射鏡４Ａの反射面は、第１焦点ｏのアーク（発光点）から出射した光が折返反射鏡５Ａに向けて入射するように形成されており、折返反射鏡５Ａに入射した光は、反射光非存在領域Ｓに向けて反射するように形成されている。したがって、ロッドインテグレータ６の第２焦点ｐの入射面に入射される光は、凹面反射鏡３の反射面で反射した光と、補助反射鏡４Ａで捕捉されて反射されて、折返反射鏡５Ａで反射した光の両方が入射される。補助反射鏡４Ａの反射面は、凹面反射鏡３の光軸Ｘを中心に直線の一部を回転させた回転面からなる円錐台面である。折返反射鏡５Ａの反射面は、第２焦点ｐを共有とする第２焦点と第２焦点ｐを通り凹面反射鏡３の光軸Ｘと交差する長軸Ｙ上の第１焦点ｏ’とを有する楕円の一部を、凹面反射鏡３の光軸Ｘを中心に回転させた回転面である。

次に、図５を用いて、補助反射鏡４Ａと折返反射鏡５Ａの形成方法について説明する。
まず、第２焦点ｐを通り、光軸Ｘに対してα度傾いた長軸Ｙを引く。次に、線分ｃ−ｏの長さと線分ｃ−ｏ’の長さが等しくなり、線分ｄ−ｏの長さと線分ｄ−ｏ’の長さが等しくなる位置に線分ｃ−ｄの位置を決める。この場合、点ｏ’はＹ軸上であり、この線分ｃ−ｄによってできる線は、放電ランプ２からの直射光を反射し、凹面反射鏡３からの反射光を遮らない領域にできる直線の一部である。次に、線分ｃ−ｄを光軸Ｘを中心に回転させると円錐台面の補助反射鏡３の反射面となる。次に、点ｏ’と点ｃを通る仮想線と、点ｏ’と点ｄを通る仮想線を引き、長軸Ｙ上の点ｏ’と点ｐを第１焦点および第２焦点とする楕円と各々の仮想線が交差する点を点ａ、点ｂとする。なお、点ａは楕円の一部であって、光軸Ｘと交差する点であり、点ｂは反射光非存在領域Ｓの最外線ｅと交差する点である。この楕円の一部である線分ａ−ｂを光軸Ｘを中心に回転させると折返反射鏡５Ａの反射面となる。

図６は、補助反射鏡４Ａによって反射され折返反射鏡５Ａによって反射された光が、反射光非存在領域Ｓ内に反射される原理を説明するための図である。
楕円の一部である線分ａ−ｂが折返反射鏡５Ａの反射面（光軸Ｘを中心に線分ａ−ｂを回転させた回転面が折返反射鏡５Ａの反射面）となり、直線の一部である線分ｃ−ｄが補助反射鏡４Ａの反射面（光軸Ｘを中心に線分ｃ−ｄを回転させた回転面が補助反射鏡４Ａの反射面）となる。線分ｃ−ｄは２等分線の一部である。線分ａ−ｂは、点ｏ’を第１焦点、点ｐを第２焦点とし、線分ｏ’−ｃを通る仮想線とｏ’−ｄを通る仮想線の間にできる楕円の一部である。図中、角度●の部分は同じ角度になり、角度×の部分は同じ角度になる。角度●が同じ角度であるので、光線ｏ−ｄは、補助反射鏡４Ａの反射面の点ｄに当たると反射して光線ｄ−ｂになる（入射角と反射角が同じになる原理適用）。また、角度×が同じ角度であるので、光線ｏ−ｃは、補助反射鏡４Ａの反射面の点ｃに当たると反射して光線ｃ−ａになる（入射角と反射角が同じになる原理適用）。光線ｄ−ｂは、折返反射鏡５Ａの反射面の点ｂに当たると、第２焦点ｐに向かう反射光線ｅになる。光線ｃ−ａは、折返反射鏡５Ａの反射面の点ａに当たると、第２焦点ｐに向かう反射光線ｆになる。つまり、反射面ｃ−ｄ間で反射した光は、全て回転面ｅと光軸Ｘとのなす角度の範囲に入る。

本発明の第３の実施形態を図７および図８を用いて説明する。
なお、本実施形態の発明に係る光源装置１の構成は、後述するように凹面反射鏡、補助反射鏡および折返反射鏡の構成が相違する以外、図１に示した光源装置１の同符号の構成に相当するので説明を省略する。
図７は、本実施形態の発明に係る光源装置１における、凹面反射鏡３Ａ、補助反射鏡４Ｂおよび折返反射鏡５Ｂから反射される反射光の光線領域を説明するための図である。
同図に示すように、この光学装置１においては、凹面反射鏡３Ａの反射面は、焦点ｏを有する回転放物面になっており、焦点ｏに放電ランプ２のアーク（発光点）が位置し、凹面反射鏡３Ａの前方に不図示のロッドインテグレータ６が配置されている。焦点ｏから放射され、凹面反射鏡３Ａの反射面に照射された光は、平行光となって前方に放射される。凹面反射鏡３Ａに頂部開口３Ａ１が形成されると共に、放電ランプ２の発光管２２や封止管２１の形状によって放電ランプ自体で光が遮られるために、図中、斜線で示す領域は反射光が存在しない反射光非存在領域Ｓとなる。補助反射鏡４Ｂの反射面は、焦点ｏを通り凹面反射鏡３Ａの光軸Ｘと交差する光軸Ｙ上に焦点ｏを共有する放物線の一部を、凹面反射鏡３Ａの光軸Ｘを中心に回転させた回転面である。折返反射鏡５Ｂの反射面は、凹面反射鏡３Ａの光軸Ｘを中心に直線の一部を回転させた回転面からなる円錐面である。焦点ｏのアーク（発光点）から出射した光は、補助反射鏡４Ｂで反射して折返反射鏡５Ｂに向けて放射するように形成されており、折返反射鏡５Ｂに入射した光は、反射光非存在領域Ｓに向けて反射するように形成されている。したがって、ロッドインテグレータ６の入射面に入射される光は、凹面反射鏡３Ａの反射面で反射した光と、補助反射鏡４Ｂで捕捉されて反射され、折返反射鏡５Ｂで反射した光の両方が入射される。

次に、図７を用いて、補助反射鏡４Ｂと折返反射鏡５Ｂの形成方法について説明する。まず、焦点ｏを通り、光軸Ｘと角度αの傾きの光軸Ｙを引く。次に、焦点ｏを共通とし、光軸を光軸Ｙとする放物線を引き、放物線の任意の線分を線分ｃ−ｄとする。この線分ｃ−ｄによって形成される反射面は、放電ランプ２からの直射光を反射し、凹面反射鏡３Ａからの反射光を遮らない領域にできる放物線の一部である。線分ｃ−ｄを光軸Ｘを中心に回転させると補助反射鏡４Ｂの反射面となる。次に、点ｃを通り、光軸Ｙと平行な直線を引き、光軸Ｘと交差する点を点ａとし、点ｄを通り、光軸Ｙと平行な直線を引き、反射光非存在領域Ｓの最外線ｅと交差する点を点ｂとする。この線分ａ−ｂを光軸Ｘを中心に回転させると折返反射鏡４Ｂの反射面となる。

図８は、補助反射鏡４Ｂによって反射され、折返反射鏡５Ｂによって反射された光が、反射光非存在領域Ｓ内に反射される原理を説明するための図である。
直線の一部である線分ａ−ｂが折返反射鏡５Ｂの反射面（光軸Ｘを中心に線分ａ−ｂを回転させた回転面が折返反射鏡５Ｂの反射面）となり、放物線の一部である線分ｃ−ｄが補助反射鏡４Ｂの反射面（光軸Ｘを中心に線分ｃ−ｄを回転させた回転面が補助反射鏡４Ｂの反射面）となる。線分ｃ−ｄは、点ｏを焦点とする放物線の一部である。線分ａ−ｂは、平行な線ｅと光軸Ｘ、平行な線分ｃ−ａと線分ｄ−ｂの交点を結ぶ線の一部である。
図中、角度●の部分は同じ角度であるので、光線ｄ−ｂは、折返反射鏡５Ｂの反射面の点ｂに当たると反射して光線ｅになる（入射角と反射角が同じになる原理適用）。さらに、角度●が同じ角度であるので、光線ｃ−ａは、折返反射鏡５Ｂの反射面の点ａに当たると反射して光線ｆになる（入射角と反射角が同じになる原理適用）。つまり、反射面ｃ−ｄで反射した光は、全て回転面ｅと光軸Ｘとの間の範囲に入る。

本発明の第４の実施形態を図９および図１０を用いて説明する。
なお、本実施形態の発明に係る光源装置１の構成は、後述するように、凹面反射鏡、補助反射鏡および折返反射鏡の構成が相違する以外、図１に示した光源装置１の同符号の構成に相当するので説明を省略する。
図９は、本実施形態の発明に係る光源装置１における、凹面反射鏡３Ａ、補助反射鏡４Ｃおよび折返反射鏡５Ｃから反射される反射光の光線領域を説明するための図である。
同図に示すように、この光学装置１においては、凹面反射鏡３Ａの反射面は、焦点ｏを有する回転放物面になっており、焦点ｏに放電ランプ２のアーク（発光点）が位置し、凹面反射鏡３Ａの前方に不図示のロッドインテグレータ６が配置されている。焦点ｏから放射され、凹面反射鏡３Ａの反射面に照射された光は、平行光となって前方に放射される。凹面反射鏡３Ａに頂部開口３Ａ１が形成されると共に、放電ランプ２の発光管２２や封止管２１の形状によって放電ランプ自体で光が遮られるために、図中、斜線で示す領域は反射光が存在しない反射光非存在領域Ｓとなる。補助反射鏡４Ｃの反射面は、凹面反射鏡３Ｂの光軸Ｘを中心に直線の一部を回転させた回転面からなる円錐台面である。折返反射鏡５Ｃの反射面は、凹面反射鏡３Ａの光軸Ｘと平行な光軸Ｙ上に焦点ｏ’を有する放物線の一部を、凹面反射鏡３Ａの光軸Ｘを中心に回転させた回転面である。焦点ｏのアーク（発光点）から出射した光は、補助反射鏡４Ｃで反射して折返反射鏡５Ｃに向けて放射するように形成されており、折返反射鏡５Ｃに入射した光は、反射光非存在領域Ｓに向けて反射するように形成されている。したがって、ロッドインテグレータ６の入射面に入射される光は、凹面反射鏡３Ａの反射面で反射した光と、補助反射鏡４Ｃで捕捉されて反射され、折返反射鏡５Ｃで反射した光の両方が入射される。

次に、図９を用いて、補助反射鏡４Ｃと折返反射鏡５Ｃの形成方法について説明する。
まず、光軸Ｘと平行な光軸Ｙを引く。次に、任意の位置に焦点ｏ’を有し光軸が光軸Ｙとする放物線を引き、放物線の光軸Ｘと交差する点を点ａ、放物線の反射光非存在領域Ｓの最外線ｅと交差する点を点ｂとする。この線分ａ−ｂを光軸Ｘを中心に回転させると折返反射鏡５Ｃの反射面となる。次に、焦点ｏ’と点ａを通る仮想線と、焦点ｏ’と点ｂを通る仮想線を引き、各々の仮想線上の任意の位置に点ｃと点ｄを決める。線分ｃ−ｄによってできる線が、放電ランプ２からの直射光を反射し、凹面反射鏡３Ａからの反射光を遮らない領域にできる線の一部である。線分ｃ−ｄを光軸Ｘを中心に回転させると補助反射鏡４Ｃの反射面となる。

図１０は、補助反射鏡４Ｃによって反射され、折返反射鏡５Ｃによって反射された光が、反射光非存在領域Ｓ内に反射される原理を説明するための図である。
放物線の一部である線分ａ−ｂが折返反射鏡５Ｃの反射面（光軸Ｘを中心に線分ａ−ｂを回転させた回転面が折返反射鏡５Ｃの反射面）となり、直線の一部である線分ｃ−ｄが補助反射鏡４Ｃの反射面（光軸Ｘを中心に線分ｃ−ｄを回転させた回転面が補助反射鏡５Ｃの反射面）となる。線分ｃ−ｄは２等分線の一部である。線分ａ−ｂは、点ｏ’を焦点とし、線分ｏ’−ｃを通る仮想線と線分ｏ’−ｄを通る仮想線との間にできる放物線の一部である。図中、角度●の部分は同じ角度になり、角度×の部分は同じ角度になる。角度●が同じ角度であるので、光線ｏ−ｄは、補助反射鏡４Ｃの反射面の点ｄに当たると反射して光線ｄ−ｂになる（入射角と反射角が同じになる原理適用）。また、角度×が同じ角度であるので、光線ｏ−ｃは、補助反射鏡４Ｃの反射面のｃに当たると反射して光線ｃ−ａになる（入射角と反射角が同じになる原理適用）。光線ｄ−ｂは、折返反射鏡５Ｃの反射面の点ｂに当たると、光軸Ｘに平行な反射光線ｅになる。また、光線ｃ−ａは、折返反射鏡５Ｃの反射面の点ａに当たると、光軸Ｘに平行な反射光線ｆになる。つまり、反射面ｃ−ｄ間で反射した光は、全て回転面ｅと光軸Ｘと間の範囲に入る。

図１１は、第１の実施形態の発明に係る光源装置１のロッドインテグレータ６の入射面における入射角度に対する放射束の分布を示すグラフであり、横軸は、前記入射面に対する入射角度、縦軸は、光軸Ｘに垂直な面に入射する放射束（単位立体角当たりの放射束）である。
同図に示すように、本実施形態の光源装置によれば、補助反射鏡４と折返反射鏡５を設けたことにより、反射光非存在領域Ｓに向けて光が放射され、ロッドインテグレータ６の入射する光軸Ｘに対して角度が小さくなる低角度成分の光が増大していることが分かる。なお、この効果は、他の実施形態の光源装置においても、同様である。

第１の実施形態の発明に係る光源装置１の構成を示す断面図である。図１に示した光源装置１における、凹面反射鏡３、補助反射鏡４および折返反射鏡５から反射される反射光の光線領域を説明するための図である。第１の実施形態の発明に係る光源装置１において、補助反射鏡４によって反射され、折返反射鏡５によって反射された光が、反射光非存在領域Ｓ内に反射される原理を説明するための図である。第１の実施形態の発明に係る光源装置１の、具体的数値の一例を示す図である。第２の実施形態の発明に係る光源装置１における、凹面反射鏡３、補助反射鏡４Ａおよび折返反射鏡５Ａから反射される反射光の光線領域を説明するための図である。第２の実施形態の発明に係る光源装置１において、補助反射鏡４Ａによって反射され折返反射鏡５Ａによって反射された光が、反射光非存在領域Ｓ内に反射される原理を説明するための図である。第３の実施形態の発明に係る光源装置１における、凹面反射鏡３Ａ、補助反射鏡４Ｂおよび折返反射鏡５Ｂから反射される反射光の光線領域を説明するための図である。第３の実施形態の発明に係る光源装置１において、補助反射鏡４Ｂによって反射され、折返反射鏡５Ｂによって反射された光が、反射光非存在領域Ｓ内に反射される原理を説明するための図である。第４の実施形態の発明に係る光源装置１における、凹面反射鏡３Ａ、補助反射鏡４Ｃおよび折返反射鏡５Ｃから反射される反射光の光線領域を説明するための図である。第４の実施形態の発明に係る光源装置１において、補助反射鏡４Ｃによって反射され、折返反射鏡５Ｃによって反射された光が、反射光非存在領域Ｓ内に反射される原理を説明するための図である。第１の実施形態の発明に係る光源装置１のロッドインテグレータ６の入射面における入射角度に対する放射束の分布を示すグラフである。従来技術に係る光源装置１００の標準的な構成を示す断面図である。図１２に示した光源装置１００において、凹面反射鏡１０２が楕円形状の場合の光源装置１００の光線領域を説明するための図である。従来技術に係る光源装置１００を改良した光源装置１００における、凹面反射鏡１０２の反射光の光線領域を説明するための図である。図１２に示した光源装置１００のロッドインテグレータ１０８に入射される入射光の入射角と放射束／立体角との関係を示すグラフである。

符号の説明

１光源装置
２放電ランプ
２１封止管
２２発光管
２３，２４一対の電極
３凹面反射鏡
３１頂部開口
３Ａ凹面反射鏡
３Ａ１頂部開口
４補助反射鏡
４Ａ補助反射鏡
４Ｂ補助反射鏡
４Ｃ補助反射鏡
５折返反射鏡
５Ａ折返反射鏡
５Ｂ折返反射鏡
５Ｃ折返反射鏡
６ロッドインテグレータ
Ｓ反射光非存在領域

Claims

両端に封止管を有し発光管内に一対の電極が対向配置された放電ランプと、該放電ランプのアーク方向と光軸が一致するよう配置された凹面反射鏡とを備えた光源装置において、
前記凹面反射鏡の開口の前方に配置された補助反射鏡と、前記凹面反射鏡の光軸上であって前記放電ランプより前方に配置された折返反射鏡とを設け、前記補助反射鏡は、前記凹面反射鏡からの反射光を遮らず、前記放電ランプからの直射光を反射する領域に設けられると共に、前記補助反射鏡の反射面は、前記凹面反射鏡の光軸を中心に回転させた回転面であって、前記放電ランプからの光を前記折返反射鏡に向けて反射するように形成されており、前記折返反射鏡は、光軸に沿って存在する前記凹面反射鏡からの反射光が存在しない反射光非存在領域に設けられると共に、前記折返反射鏡の反射面は、前記凹面反射鏡の光軸を中心に回転させた回転面であって、前記補助反射鏡の反射面からの光を光軸に沿って反射光非存在領域内に反射するように形成されている、ことを特徴とする光源装置。
前記凹面反射鏡の反射面は、第１焦点と第２焦点を有する回転楕円面の一部であって、前記放電ランプは、該放電ランプの発光点が前記第１焦点に位置するように配置されており、前記補助反射鏡の反射面は、第１の焦点と該第１焦点を通り前記凹面反射鏡の光軸と交差する長軸上の第２の焦点を有する楕円の一部を、前記凹面反射鏡の光軸を中心に回転させた回転面であり、前記折返反射鏡の反射面は、前記凹面反射鏡の光軸を中心に直線の一部を回転させた回転面であることを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
前記凹面反射鏡の反射面は、第１焦点と第２焦点を有する回転楕円面の一部であって、前記放電ランプは、該放電ランプの発光点が前記第１焦点に位置するように配置されており、前記補助反射鏡の反射面は、前記凹面反射鏡の光軸を中心に直線の一部を回転させた回転面であり、前記折返反射鏡の反射面は、第２の焦点と該第２焦点を通り前記凹面反射鏡の光軸と交差する長軸上の第１の焦点とを有する楕円の一部を、前記凹面反射鏡の光軸を中心に回転させた回転面であることを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
前記凹面反射鏡の反射面は、焦点を有する回転放物面の一部であって、前記放電ランプは、該放電ランプの発光点が前記焦点に位置するように配置されており、前記補助反射鏡の反射面は、前記焦点を通り前記凹面反射鏡の光軸と交差する光軸上に焦点を有する放物線の一部を、前記凹面反射鏡の光軸を中心に回転させた回転面であり、前記折返反射鏡の反射面は、前記凹面反射鏡の光軸を中心に直線の一部を回転させた回転面であることを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
前記凹面反射鏡の反射面は、焦点を有する回転放物面の一部であって、前記放電ランプは、該放電ランプの発光点が前記焦点に位置するように配置されており、前記補助反射鏡の反射面は、前記凹面反射鏡の光軸を中心に直線の一部を回転させた回転面であり、前記折返反射鏡の反射面は、前記凹面反射鏡の光軸と平行する光軸上に焦点を有する放物線の一部を、前記凹面反射鏡の光軸を中心に回転させた回転面であることを特徴とする請求項１に記載の光源装置。