JP3010567B2 - 照明光学装置 - Google Patents

照明光学装置

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JP3010567B2
JP3010567B2 JP4129148A JP12914892A JP3010567B2 JP 3010567 B2 JP3010567 B2 JP 3010567B2 JP 4129148 A JP4129148 A JP 4129148A JP 12914892 A JP12914892 A JP 12914892A JP 3010567 B2 JP3010567 B2 JP 3010567B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、一般照明や光学機器等
に用いられる垂直点灯形メタルハライドランプと集光コ
ールドミラーとを組み合わせてなる照明光学装置に関す
るものである。
【0002】
【従来の技術】近年、メタルハライドランプは店舗照
明、道路照明等の一般照明用光源から光学機器用光源等
に広く用いられている。とくにショートアーク形メタル
ハライドランプは優れた発光特性、発光効率、寿命を有
することから各種映像機器用として急速に需要が増加し
ている。以下図面を参照しながら上述したメタルハライ
ドランプの一例について説明する。
【0003】図2はこの種のメタルハライドランプの略
示断面図である。図において、発光管1は石英ガラス等
からなる管であり、電極2はその発光管1内に突出した
一対の電極であり、それぞれは、封止部5内の金属箔導
体3を介して、外部リード線4に接続されている。発光
管1の下部には熱保温膜6が形成されている。
【0004】メタルハライドランプの発光管1内には水
銀、始動用希ガスとともに金属ハロゲン化物が封入され
ている。金属ハロゲン化物としてはスカンジウム、ナト
リウム、ディスプロシウム、ネオジム、スズ、ツリウム
等のヨウ化物または臭化物が用いられている。ランプ内
に封入された金属ハロゲン化物は、ランプ点灯中発光管
1管壁付近に液体として存在する一方、一部は蒸発し、
蒸発した金属ハロゲン化物がアークの中心部で金属原子
とハロゲン原子に解離して前記金属蒸気がアークで励起
されその金属特有のスペクトルを放射している。
【0005】このようなメタルハライドランプにおいて
ランプ内部は点灯時10気圧以上の高圧となるため対流
が生じ、ランプの上部がランプの下部よりも高温とな
る。
【0006】このようなメタルハライドランプをアーク
軸が略垂直になるような姿勢で点灯すると、発光管1上
部が下部よりも高温であるためにアーク軸付近では下か
ら上への、管壁付近では上から下への対流が生じる。こ
のようなアークにおいては、「Segregation」と呼ばれ
る現象が生じ(たとえばJ.Appl.Phys.52(5),May 1981PP
3233参照)、下部電極2付近で発光金属密度が大きく、
上部電極2付近では発光金属密度が小さくなっている。
図3は、その様子を示すグラフであって、横軸に金属の
相対密度を、縦軸にアーク軸上での位置を取っている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】他方、一般に垂直点灯
形メタルハライドランプ7を図4に示すように集光コー
ルドミラー8と組み合わせて照明光学装置を構成する場
合、集光コールドミラー8の頂点側電極先端近傍に集光
コールドミラー8の焦点9がくるようにランプの位置決
めがなされる。その結果、集光コールドミラー8の開口
部を下方に向けたときは上部電極先端近傍に焦点がく
る。このようにする理由は、このように位置決めしたと
き集光ミラー8による集光効率が最も大きくなるからで
ある。この場合受光面10の分光分布はコールドミラー
焦点のアークの分光分布を反映する。
【0008】しかしながら前述したように垂直点灯形メ
タルハライドランプでは上部電極付近では添加金属の密
度は小さくその発光強度は弱い。したがって受光面の分
光分布は添加金属特有の発光は弱く、主発光物質は水銀
となるため演色性は悪い。このような照明光学装置を液
晶プロジェクター等のプロジェクター用光源とした場合
は、画面の色再現性、色純度が悪いという重大な問題が
生じる。
【0009】そこで、その対策として、垂直点灯形メタ
ルハライドランプにおいて添加金属特有の発光を有効に
ミラー8によって集光し、受光面の演色性を向上させる
には、下部電極近傍に集光コールドミラー8の焦点がく
るようにする。なおかつ集光効率をも大きくするため、
図5に示すように集光コールドミラー8の開口部を上方
に向け、集光ミラー8の焦点が下部電極の近傍にくるよ
うにすれば良いことになる。
【0010】しかしながら垂直点灯形メタルハライドラ
ンプにおいては発光管1下部の最冷点部には最冷点温度
を上昇させる目的で熱保温膜11(たとえばAl2O3,Zr
O2)が塗布されており、この保温膜11は通常可視光に
対し不透明なので、図5の様にメタルハライドランプと
集光ミラー8とを構成した場合、アークから発せられた
光線12の様な光が集光されず集光効率が著しく低下し
受光面の明るさが低下する課題がある。他方、仮に熱保
温膜を塗布しないとすると最冷点温度が低下し、必要な
添加金属ハロゲン化物の蒸気圧が得られず、演色性が低
下する。
【0011】本発明は、上記のような従来のメタルハラ
イドランプの課題に鑑み、集光効率、受光面の色特性が
共に優れた照明光学装置を提供することを目的とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】本発明は、一対の電極を
具備した垂直点灯形メタルハライドランプと、放物面ま
たは楕円面よりなる集光コールドミラーとを、その集光
コールドミラーの開口部が上方を向くように組み合わせ
た照明光学装置であって、メタルハライドランプの発光
部最冷点近傍に光が集光するように集光コールドミラー
の外部に球面ミラーが配置され、メタルハライドランプ
には不透明熱保温膜が設けられていない構造である。
【0013】
【作用】本発明によると集光コールドミラーを通過した
主として赤外領域の波長よりなる光は、集光コールドミ
ラーの外部に配置された球面形状のミラーによって反射
され、集光コールドミラー内にあるメタルハライドラン
プ発光部最冷点付近に集光する。その結果熱保温膜を塗
布しなくともランプ最冷点の温度が上昇し、添加金属の
蒸気圧を大きくすることができるので添加金属の発光強
度が十分大きくなる。また前述したように添加金属の密
度は下部電極の近傍が最も大きく、その発光強度もこの
場所で最大になる。したがって集光コールドミラーの開
口部を上方に向け、集光コールドミラーの焦点を下部電
極近傍となるように配置すると、メタルハライドランプ
から放射された光は効率よく集光されかつ、集光された
光は下部電極近傍の分光分布を反映し、演色性の良好な
ものとなる。このような照明光学系によって受光面を照
射した場合、明るく色純度の高い受光面を得ることがで
きる。
【0014】
【実施例】以下、本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。
【0015】図1は本発明にかかる照明光学装置の一実
施例を示す略示断面図である。メタルハライドランプ1
3と放物面形状の集光コールドミラー14よりなる集光
系と、その外側に配置された球面ミラー15とを組み合
わせた照明光学系を成している。熱保温膜は塗布されて
いない。また16は受光面である。メタルハライドラン
プ13は150Wタイプで管内には始動用希ガスとして
のアルゴンが100トール、緩衝ガスとして水銀が10
mg、ヨウ化ディスプロシウムが1.0mg、ヨウ化セ
シウムが0.5mg封入されている。内容積は0.4c
3、アーク長は5.0mmである。
【0016】まず球面ミラー15を配置しない場合と配
置した場合において、メタルハライドランプ13の外表
面の温度がどのように変化するかを調べる実験を行っ
た。ランプ13の温度測定位置は図1にAで示した位置
でほぼ最冷点と考えられる。
【0017】球面ミラー15がない場合、熱保温膜が塗
布されていないので、Aの位置の外表面温度は760℃
と低かったのに対し、球面ミラー15を配置した場合集
光コールドミラー14を透過した赤外光が最冷点部Aに
集光されるため、温度は880℃まで上昇した。
【0018】次に図1において球面ミラー15の受光面
16の明るさ、演色性に及ぼす効果を調べた。球面ミラ
ー15がない場合、ある場合および球面ミラー15を設
置せずにランプ最冷点部に熱保温膜を塗布した場合の各
種組合せにおける、受光面中心照度、平均演色評価数R
aの測定結果を(表1)に示す。
【0019】
【表1】
【0020】(表1)には、図4の構成によって集光コ
ールドミラーの開口部を下方に向け、ランプ最冷点部に
熱保温膜を塗布した場合の測定結果も併せて示した(最
下行の例)。
【0021】熱保温膜を塗布せず球面ミラー15がない
場合(3行目の例)は、上述のように最冷点温度が80
0℃以下と低いためヨウ化ディスプロシウムの蒸気圧が
低い。そのためディスプロシウムの発光強度は弱くアー
ク中の主発光は水銀によるものである。水銀は線スペク
トルで発光効率が低いので受光面照度6000lx、R
a75と明るさ、演色性ともに不良である。
【0022】次に球面ミラー15がなく、Al2O3製熱保
温膜を塗布した場合(2行目の例)は最冷点温度が上昇
し、ディスプロシウムの連続発光の寄与によってRaは
90と改善された。しかしAl2O3熱保温膜は可視光を透
過しないため、アークから放射された光の内、放物面集
光ミラー14によって集光されない光が増えるため、照
度は5000lxしかない。
【0023】他方、熱保温膜を塗布せず、球面ミラー1
5を配置する場合(1行目の例)は、受光面照度が12
000lx、Raが95と明るさ、色ともにいずれの場
合よりも優れた特性を得ることができた。
【0024】図1において、光線17の様な光のうち可
視光は集光ミラー14によって反射されるが、赤外光は
集光ミラー14を透過し球面ミラー15によって反射さ
れてメタルハライドランプ13の最冷点部の温度を上昇
させる。そのため受光面16の高輝度と、高演色性が実
現できたのである。本発明による照明光学装置をOHP
や投射形液晶ディスプレイ用光源として用いるとスクリ
ーンを高輝度で且つ色特性に優れたものとすることがで
きる。
【0025】次に本発明の第2の実施例の照明光学装置
について説明する。図6はメタルハライドランプ18と
焦点側の内面が楕円面形状で外面の一部が球面形状の集
光コールドミラー19よりなる照明光学系である。
【0026】集光コールドミラー19の反射鏡内面の楕
円面形状部には多層干渉膜20が蒸着され、赤外域の波
長の光を透過し、それ以外の光は反射するようになって
いる。また球面形状部21には赤外光を反射する材料
(例えばZrO2等)22が固着されている。メタルハ
ライドランプ18は250Wタイプで管内には始動用希
ガスとしてのアルゴンが150トール、緩衝ガスとして
水銀が25mg、ヨウ化ネオジムが1.0mg、ヨウ化
セシウムが0.8mg封入されている。アーク長は1
0.0mmである。
【0027】以上ように構成した照明光学系を図7の様
に配置してランプを点灯し、ランプ外表面温度、受光面
23の照度、Raを実施例1と同様に測定した。結果は
上記実施例1と同様に本発明によって熱保温膜を塗布し
なくともランプ外表面の温度を高くすることができ、高
受光面照度、良好な演色性が実現できることが確認でき
た。
【0028】ところで本発明によって構成した照明光学
系においてメタルハライドランプのアーク軸を重力軸で
なく、重力軸とある角度を持つように傾斜させて点灯
し、ランプ温度、受光面照度、Raを評価したところ、
本発明の効果を得るためにはアーク軸と重力軸とのなす
角度は最大20度以内である必要のあることが判明し
た。アーク軸と重力軸のなす角度が20度よりも大きく
なるとランプ内部での対流が変化し、ランプ温度分布が
アーク軸が垂直の場合とは大きく異なってくるため本発
明による効果が顕著ではなくなるためと考えられる。
【0029】また、下部電極先端と集光コールドミラー
の焦点との距離はアーク長の8%以上30%以下とする
と本発明による効果が有効に作用し、集光効率と演色性
を実用上問題のない範囲まで改善することができる。
【0030】また、本発明のランプ内に封入される物質
は上記実施例に記載のものに限られない。
【0031】
【発明の効果】以上のように本発明によれば、メタルハ
ライドランプの発光部最冷点近傍に光が集光するよう集
光ミラーの外部に球面ミラーを配置し、メタルハライド
ランプには不透明熱保温膜を設けない構造とすることに
より、受光面を高輝度で優れた色特性とすることができ
る長所を有する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施例の垂直点灯形メタルハライ
ドランプと放物面形状の集光コールドミラーと球面ミラ
ーとを組み合わせた照明光学系の略示断面図である。
【図2】従来のメタルハライドランプの略示断面図であ
る。
【図3】垂直点灯形メタルハライドランプのアーク各位
置と添加金属密度との関係を示すグラフである。
【図4】従来の照明光学装置の構成を示す略示断面図で
ある。
【図5】別の従来の照明光学装置の構成を示す略示断面
図である。
【図6】本発明の第2の実施例によるメタルハライドラ
ンプと内面が楕円面形状で外面の一部が球面形状の集光
コールドミラーよりなる照明光学装置の構成を示す略示
断面図である。
【符号の説明】
1 石英ガラス製発光管 13 メタルハ
ライドランプ 2 電極 14 放物面形
状集光コールドミラー 3 金属箔導体 15 球面ミラ
ー 4 外部リード線 16 受光面 5 封止部 17 アークか
ら発せられた光線 6 熱保温膜 18 メタルハ
ライドランプ 7 メタルハライドランプ 19 楕円面形
状集光コールドミラー 8 集光コールドミラー 20 多層干渉
膜 9 集光コールドミラーの焦点 21 球面形状
部 10 受光面 22 赤外光
反射材 11 熱保温膜ー 23 受光面 12 熱保温膜によって受光面に 到達しない光線
フロントページの続き (72)発明者 文字 秀人 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (72)発明者 竹内 延吉 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (56)参考文献 特開 昭58−155644(JP,A) 特開 昭55−39189(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01J 61/30 - 61/48

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】一対の電極を具備した垂直点灯形メタルハ
    ライドランプと、放物面または楕円面よりなる集光コー
    ルドミラーとを、その集光コールドミラーの開口部が上
    方を向くように組み合わせた照明光学装置であって、前
    記メタルハライドランプの発光部最冷点近傍に光が集光
    するように前記集光コールドミラーの外部に球面ミラー
    が配置され、前記メタルハライドランプには不透明熱保
    温膜が設けられていない構造であることを特徴とする照
    明光学装置。
  2. 【請求項2】メタルハライドランプのアーク軸と重力軸
    との成す角度が20度以内であることを特徴とする請求
    項1記載の照明光学装置。
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