JP2010080070A - 光源装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】光源装置は、前方に開口を有する反射鏡と、当該反射鏡の光軸上にフィラメントコイルが位置するよう配置されてなるハロゲン電球とを備え、前記反射鏡は、前記ハロゲン電球から放射された光を反射する複数の凸状のファセットが連続して配設されてなる構成の反射面を有してなるものであり、前記凸状のファセットが、凸曲面上に投影された反射鏡の光軸の伸びる方向の曲率半径R1と、当該凸面上に投影された光軸に直交する方向の曲率半径R2との比(R1/R2)が1.2以上であって10以下である形状を有するものであることを特徴とする。
【選択図】図2
Description
ここに、前方レンズ44としては、例えば表面に微小な凹凸を設けることによって光の拡散を制御する構成のもの、平滑な表面を有し、その材質によって光の拡散を防止する構成のものなどが用いられている。
この光源装置40に係る投射光の制御は、その用途に応じてなされるものであり、特に照明用途に用いる場合には、投射光の広がり、すなわち「1/2照射角」と称される、投射光の開き角度を調整することによって光照射面1の中心部に位置することとなる光照射対象領域の照度(以下、「中心照度」ともいう。)を高くすると共に、この光照射対象領域以外、すなわち光照射対象領域の外側の領域に対して照射されることとなる周辺光の照度が、光照射対象領域から遠ざかるに従って徐々に低下するよう、図15における曲線(a)によって示されるような照度分布を得ることが重要とされている。
ここに、「1/2照射角」とは、図15に示すように、凹面反射鏡41の光軸(光源装置40の光軸)Cに垂直な光照射面1上における、その照度が、光軸Cが交差する点Aにおける照度の1/2倍となる点(図15における点B)と光源装置40の光源とを結ぶ直線Lが光軸Cとなす角αである。また、「光照射対象領域」とは、光源装置40から投射される光のうちの1/2照射角以下の角度で光照射面1に向かって投射される光が照射される領域である。
ここに、投射光の広がりを前方レンズ44によって調整しようとする場合には、表面に微小な凹凸を設けることによって光の拡散を制御する構成のものを用い、この凹凸を調整することが必要となるが、凹凸が微小なものであることなどから、十分な制御を行なうことが困難であり、しかも光束の大きな減衰を招いてしまうという問題もある。
このような球形状のファセットを用いることによっては、後述の実験例によって明らかなように、照度ムラの発生を抑制することはできるものの、当該ファセットによる光の反射拡散作用が大きいために、凹面反射鏡の集光効率が小さくなり、その結果、中心照度がより小さくなってしまう、という問題がある。
前記反射鏡は、前記ハロゲン電球から放射された光を反射する複数の凸状のファセットが連続して配設されてなる構成の反射面を有してなるものであり、
前記凸状のファセットが、凸曲面上に投影された反射鏡の光軸の伸びる方向の曲率半径R1と、当該凸面上に投影された光軸に直交する方向の曲率半径R2との比(R1/R2)が1.2以上であって10以下である形状を有するものであることを特徴とする。
従って、本発明の光源装置によれば、反射鏡が優れた投射光制御性能を有するものであることから、光照射面において、その中心部に位置する光照射対象領域に高い照度を得ることができると共に、照射ムラの発生を抑制することができる。
この光源装置10は、前方(図1における左方)に形成された開口よりなる光投射口21を有する凹面反射鏡20と、フィラメントコイル14を光源として有するハロゲン電球11からなる光源ランプとを備えており、ハロゲン電球11が、凹面反射鏡20の光軸上にフィラメントコイル14が位置するように配置されてなるものである。
図1において、18は、凹面反射鏡20に装着された口金であり、19は、ハロゲン電球11を保持するための保持部材である。
この図の例においては、凹面反射鏡20は、凹面形成部分22Aが、楕円面状の形状を有するものである。また、この凹面反射鏡20の寸法の一例としては、例えば光投射口21が外径50mmの円形状であって、反射空間の深さが20mmである。
そして、この反射面25は、基材23の凹面状の内表面に沿って隙間なく連続して設けられた、複数の凸状のファセット(以下、「凸状ファセット」ともいう。)30により構成されており、これらの複数の凸状ファセット30の凸曲面31に基づく凹凸を有するものである。
なお、曲率半径R1は、図4に示すように、凹面反射鏡20の光軸を含む断面29A上において確認することができ、また曲率半径R2は、図5に示すように、凹面反射鏡20の光軸に垂直な方向の断面29B上において確認することができる。
また、これらの複数の凸状ファセット30は、凹面反射鏡20の周方向(凹面反射鏡20の光投射口21に係る円周に沿う方向)において同一個数の凸状ファセット30が配設されるよう、当該周方向に配列されてなるものは同一形状を有しているが、凹面反射鏡20の光軸方向(図1における左右方向)に配列されてなるものは当該凹面反射鏡20の凹面形成部分22Aの前端から後端に向かうに従ってその大きさが小さくなって相似関係を有する形状となっている。
一方、凸状ファセット30における比(R1/R2)が過大である場合には、照度ムラの発生を十分に抑制することができなくなる。
なお、「1/2照射角」とは、前述のように、凹面反射鏡20の光軸(光源装置10の光軸)に垂直な光照射面上における、その照度が、光軸が交差する点における照度の1/2倍となる点と光源装置10の光源とを結ぶ直線が当該光軸となす角であり、また「光照射対象領域」とは、光源装置10から投射される光のうちの1/2照射角以下の角度で光照射面に向かって投射される光が照射される領域である(図15参照)。
ここに、曲率半径R1が無限大である場合に照射ムラが生じる理由は、円柱状の凸状ファセットが、投影光軸直交方向(凸曲面上に投影された凹面反射鏡の光軸の伸びる方向に直交する方向)のみに光反射拡散能を有し、投影光軸伸長方向には光反射拡散能を有さないものであることから、ハロゲン電球11から放射されて凹面反射鏡によって反射された光が、フィラメントコイル14の回旋パターンに対応したパターンを有した状態で反射され、光照射面に照射されることとなるためである。
また、曲率半径R2の値は、光照射面における照度ムラの発生を抑制すると共に、投射光の1/2照射角を十分な大きさとする、すなわち投射光に実用上十分な広がりを得るために、曲率半径R1よりも小さいことが必要とされる。
この図の例においては、複数の凸状ファセット30が、凹面反射鏡20の凹面形成部分22Aの内表面に沿う深さ方向のピッチが1〜3mmとされ、当該凹面反射鏡20の周方向のピッチが4〜8度となるよう配置される形状を有するものとされている。
また、凸状ファセット30の凸曲面31よりなる鏡面は、金属膜、または例えば硫化亜鉛(ZnS)、フッ化マグネシウム(MgF2 )、二酸化チタン(TiO2 )および二酸化珪素(SiO2 )などの誘電体の2種類以上よりなる多層膜によって形成されてなるものである。
ここに、寸法Lは、フィラメントコイル14の全長の大きさを示し、寸法Dは、フィラメントコイル14のコイル径の大きさを示す。
ここに、フィラメントコイル14として、タングステン線よりなる一重螺旋状のものを用いる場合には、光源装置10の点灯電圧は概ね12Vとされ、またタングステン線よりなる二重螺旋状のものを用いる場合には、光源装置10の点灯電圧は概ね100〜120Vとされることとなる。
従って、光源装置10によれば、凹面反射鏡20が優れた投射光制御性能を有するものであることから、光照射面において、その中心部に位置する光照射対象領域に高い照度を得ることができると共に、照射ムラの発生を抑制することができる。
この光源装置(11)は、ハロゲン電球として、タングステン線が二重螺旋状に回旋されてなり、全長(寸法L)が6.0mm、コイル径(寸法D)が0.4mmのフィラメントコイルを有する、点灯電圧110Vおよび消費電力30Wの条件で点灯される構成のものを備えたものである。
また、作製した光源装置(13)に係る円柱の形状を有する凸状ファセット(以下、「円柱状ファセット」ともいう。)37は、図10に示すように、一の円柱状ファセット37が他の6個の円柱状ファセット37と互いに隣接するよう、六角形状の輪郭を有し、円形の底面の半径がR2である円柱状体が、その高さ方向においては、凹面形成部分22Aの内表面に沿うよう、すなわち当該内表面との接続面を形成するようにカットされると共に、互いに隣接する他の円柱状ファセット37との接続面を形成するよう、高さ方向に垂直な方向にもカットされた、当該円柱状体の側面の一部を凸曲面38とするものである。
また、図11〜図13においては、各々、曲線(イ)は、光源装置(11)に係る照度分布を示し、曲線(ロ)は、光源装置(12)に係る照度分布を示し、曲線(ハ)は、光源装置(13)に係る照度分布を示す。
(1)球状ファセットを用いた場合には、光照射対象領域の外側の領域に対して照射されることとなる周辺光の照度が、当該光照射対象領域から遠ざかるに従って徐々に低下する照度分布が得られており、光照射面における照度ムラの発生が抑制されているものの、当該光照射面の中央部に位置する光照射対象領域の照度(中央照度)が小さくなる。
(2)円柱状ファセットを用いた場合には、光照射面の光照射対象領域に高い照度が得られるが、その照度分布が、当該光照射面における光照射対象領域の外側の領域に照射される周辺光の照度が、当該光照射対象領域から遠ざかるに従って徐々に低下することなく、波うつように変動するものとなり、照度ムラが発生する。
(3)本発明に係る樽状ファセットを用いた場合には、光照射面の光照射対象領域に、円柱状ファセットを用いた場合と同程度の高い照度を得ることができると共に、光照射対象領域の外側の領域に対して照射されることとなる周辺光の照度が、当該光照射対象領域から遠ざかるに従って徐々に低下する照度分布が得られており、光照射面における照度ムラの発生が抑制されている。
また、光源装置(11)〜光源装置(13)に係る投射光の1/2照射角の値が揃っていることから、1/2照射角は、凸状ファセットによって微調整することが可能ではあるものの、主として、凹面反射鏡の基本形状、すなわち基材における凹面形成部分の内表面の形状によって調整することができるものであることが確認された。
図1の構成を有し、各々、凹面反射鏡の反射面を構成する凸状ファセットが、投影光軸伸長方向の曲率半径R1と投影光軸直交方向の曲率半径R2との比(R1/R2)が表2に示す値の樽状の凸状ファセット(樽状ファセット)である光源装置(以下、各々、「光源装置(21)」〜「光源装置(25)」とする。)を作製した。
これらの光源装置(21)〜光源装置(25)は、各々、ハロゲン電球として、タングステン線が二重螺旋状に回旋されてなり、全長(寸法L)が6.0mm、コイル径(寸法D)が0.4mmのフィラメントコイルを有する、点灯電圧110Vおよび消費電力30Wの条件で点灯される構成のものを備えたものである。
なお、光源装置(24)は、実験例1において作製した光源装置(11)と同様の構成を有するものである。
ここに、照射ムラの発生状態の評価は、3人の評価者が光照射面における照射ムラの有無を目視にて確認することによって行い、3人の評価者全員が照射ムラの発生がないと判定した場合を「○」、3人の評価者のうちのいずれか一人でも照射ムラの発生があると判定した場合を「△」、3人の評価者全員が照射ムラの発生があると判定した場合を「×」と評価した。
また、図14においては、比(R1/R2)と最大照度との関係を曲線(A)によって示し、比(R1/R2)と1/2照射角との関係を曲線(B)によって示した。
10 光源装置
11 ハロゲン電球
12 バルブ
12A 封止部
12B 排気管残部
14 フィラメントコイル
15A、15B 内部リード棒
16A、16B 金属箔
17A、17B 外部リード棒
18 口金
19 保持部材
20 凹面反射鏡
21 光投射口
22A 凹面形成部分
22B 筒状頸部
23 基材
29A、29B 断面
25 反射面
30 凸状ファセット(樽状ファセット)
31 凸曲面
35 凸状ファセット(球状ファセット)
36 凸曲面
37 凸状ファセット(円柱状ファセット)
38 凸曲面
40 光源装置
41 凹面反射鏡
42 光投射口
43 反射面
44 レンズ
Claims (2)
- 前方に開口を有する反射鏡と、当該反射鏡の光軸上にフィラメントコイルが位置するよう配置されてなるハロゲン電球とを備えた光源装置において、
前記反射鏡は、前記ハロゲン電球から放射された光を反射する複数の凸状のファセットが連続して配設されてなる構成の反射面を有してなるものであり、
前記凸状のファセットが、凸曲面上に投影された反射鏡の光軸の伸びる方向の曲率半径R1と、当該凸面上に投影された光軸に直交する方向の曲率半径R2との比(R1/R2)が1.2以上であって10以下である形状を有するものであることを特徴とする光源装置。 - ハロゲン電球を構成するフィラメントは、反射鏡の光軸方向の寸法Lが、当該光軸に直交する方向の寸法Dよりも大きい形状を有す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。
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JP2008243575A JP2010080070A (ja) | 2008-09-24 | 2008-09-24 | 光源装置 |
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