JP3938153B2

JP3938153B2 - 光学装置とその部品

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Publication number: JP3938153B2
Application number: JP2004094835A
Authority: JP
Inventors: 田能章黒; 亮大河原; 木教一柵
Original assignee: Iwasaki Denki KK
Current assignee: Iwasaki Denki KK
Priority date: 2004-03-29
Filing date: 2004-03-29
Publication date: 2007-06-27
Anticipated expiration: 2024-03-29
Also published as: JP2005283754A

Description

本発明は、凹面反射鏡の反射面側に光源となる高圧放電ランプが装着された高圧放電ランプユニットを備えた光学装置とその部品に関し、特に、液晶プロジェクタ光源に用いて好適なものである。

液晶プロジェクタの光源となる高圧放電ランプユニットは高輝度小型軽量化が求められている。このため近年では、アーク長を１ｍｍ程度として点光源に近づけて分光分布を良好に維持すると共に、安定点灯時における水銀蒸気圧を１００気圧以上にして発光効率の向上を図った超高圧水銀放電ランプを用い、これを凹面状のガラス反射鏡の光軸上焦点付近に配置したものが一般的に用いられている。

しかし、点灯時に発光管内が１００気圧以上の超高圧に達すること、また、蒸気圧を高めるために点灯温度がランプ材料の耐えうる極限に近い高温度に達することから、点灯／消灯の繰り返しによる熱応力の蓄積によって発光管が破裂するものが発生した。
発光管が破裂した時に、その破片により反射鏡まで破裂して、これらの破片が液晶プロジェクタ内に散乱すると、反射鏡近傍に配された電子部品の故障の原因となり、単に、ランプユニットを交換するだけでは済まない。

このため、発光管が破裂することがあっても、その破片がプロジェクタ内部に飛散しないように、反射鏡やその前面に設けたガラス板をある程度厚くして機械強度を確保することにより、ランプが破裂したときの破片が反射鏡の外部に飛散しないようにしている。

ところが、このように厚くすることで反射鏡の機械強度を確保しようとすると、反射鏡だけで相当な重さとなり、ランプユニットの半分以上の重量を占めるため、ランプユニットの軽量化、ひいては液晶プロジェクタの軽量化を図る上で問題であった。
例えば、定格１５０Ｗのランプユニットの例では、反射鏡は硬質ガラスに属する硼珪酸ガラス製であり、前面から見て５０ｍｍ角の比較的小さな寸法のものでも平均ガラス肉厚を約４ｍｍ以上としているため、その反射鏡の重量は約６５グラムにも達する。

このため、定格１５０Ｗのランプでも反射鏡の材質として石英ガラスを用いることにより耐熱性を向上させて小型化を図り、前面から見て４５ｍｍ角に小さくすると共に、反射鏡のガラス肉厚を例えば２.５ｍｍと薄くすることで重さを約半分の３５グラム程度まで軽量化する試みがなされている。
そして、この場合に、ガラスが薄くなって機械的強度が低下することは否めないので、背面側に有機系耐熱被膜をコーティングすることによりその強度を補った反射鏡も提案されている。
特開２０００−４７３２７

しかしながら、通常のガラス材は紫外線を透過し、特に石英ガラスは硼珪酸ガラスに比較しても紫外線透過率が高いので、反射鏡内に配した超高圧水銀放電ランプから放出される３００ｎｍ以上の紫外線は、反射鏡を透過して有機系耐熱被膜に達する。
したがって、反射鏡強化用の有機系耐熱被膜は早期に紫外線劣化して、反射鏡の背面から剥離脱落する現象が発生し、ランプの寿命中を通して反射鏡の機械的強度を一定に維持することができないという問題があった。

このため、反射鏡基材の光反射面にコーティングされる光反射膜となる誘電体多層膜（光反射膜）の高屈折率材料として紫外線を吸収する酸化チタンを用い、低屈折率材料として酸化珪素と共に用いて誘電体多層膜としたが、この範囲の紫外線をカットするためにはかなりの多層（５０層以上）としなくてはならないことから膜設計が複雑であり、また、成膜工程数が非常に多く、製造時間・製造コストが嵩むという問題があった。

そこで本発明は、反射鏡強化用の有機系耐熱被膜が高圧放電ランプから放出される紫外線により劣化したり、反射鏡の背面から剥離脱落させないようにすることを技術的課題としている。

この課題を解決するために、請求項１の発明は、内面に反射膜が形成された凹面反射鏡基材の背面側に反射鏡強化用有機系耐熱被膜がコーティングされた反射鏡と、これに装着された高圧放電ランプとからなる高圧放電ランプユニットを備えた光学装置において、
前記有機系耐熱被膜と反射鏡基材との間、又は、反射鏡基材と反射膜との間に、少なくとも波長３００〜３８０ｎｍの範囲の紫外線をカットする紫外線カット層が形成され、
高圧放電ランプの点灯中に前記反射鏡強化用有機系耐熱被膜をその耐熱温度以下に保つ冷却機構を備えたことを特徴としている。

請求項２の発明は、内面に反射膜が形成された凹面反射鏡基材の背面側に反射鏡強化用有機系耐熱被膜がコーティングされた反射鏡と、これに装着された高圧放電ランプとからなる高圧放電ランプユニットにおいて、前記有機系耐熱被膜と反射鏡との間、又は、反射鏡と反射膜との間に、少なくとも波長３００〜３８０ｎｍの範囲の紫外線をカットする紫外線カット層を備えたことを特徴としている。

請求項３の発明は、内面に反射膜が形成された凹面反射鏡基材の背面側に反射鏡強化用有機系耐熱被膜がコーティングされて成る高圧放電ランプ用反射鏡において、前記有機系耐熱被膜と反射鏡基材との間、又は、反射鏡基材と反射膜との間に、少なくとも波長３００〜３８０ｎｍの範囲の紫外線をカットする紫外線カット層を備えたことを特徴としている。

請求項４の反射鏡は、反射面より入射して紫外線カット層を透過する少なくとも波長３００〜３８０ｎｍの範囲の紫外線透過率が２０％以下に設定されている。
請求項５の反射鏡は、紫外線カット層が、紫外線遮断物質として酸化ジルコニウム、酸化チタン、酸化亜鉛の少なくとも一つを含有して成る。

請求項１に係る光学装置は、凹面反射鏡の反射面側に配された高圧放電ランプから放射された光のうち、可視光成分が反射鏡で反射され、紫外線のほとんどは反射されずに直進する。
ここで反射鏡は、請求項１乃至３に記載されているように、背面側に反射鏡強化用有機系耐熱被膜がコーティングされると共に、その光源側に少なくとも波長３００〜３８０ｎｍの紫外線をカットする紫外線カット層を備えているので、反射鏡を直進する紫外線は、有機系耐熱被膜に達する手前で紫外線カット層でカットされ、紫外線による有機系耐熱被膜の劣化・剥離・脱落を確実に防止することができるという効果がある。
また、冷却機構により有機系耐熱被膜はその耐熱温度以下に冷却されるので、温度劣化も防止される。

なお、有機系耐熱被膜の劣化を防止するためには、請求項４に記載されているように、反射面より入射して紫外線カット層を透過する少なくとも波長３００〜３８０ｎｍの範囲の紫外線透過率が２０％以下であればより効果は大きく、特に長寿命ランプにおいてはその効果が顕著である。
そして、このような紫外線カット層に用いられる紫外線遮断物質としては、請求項５に記載されているように、酸化ジルコニウム、酸化チタン、酸化亜鉛が用いられる。

本例では、反射鏡強化用の有機系耐熱被膜が高圧放電ランプから放出される紫外線により劣化したり、反射鏡の背面から剥離脱落させないようにするという目的を、有機系耐熱被膜に照射される紫外線量を低下させることにより実現した。

以下、本発明を図面に示す実施例に基づいて説明する。
図１は本発明に係る光学装置を示す説明図、図２及び図３はその反射鏡の紫外線遮断効果を示すグラフ、図４〜図６は他の実施形態を示す説明図である。

図１に示す光学装置Ｋは液晶プロジェクタの光源装置として使用されるもので、光源となる定格１５０Ｗの超高圧水銀ランプなどの高圧放電ランプ２を凹面反射鏡３の光軸上に配すると共に、その正面開口部がカバーガラス４で塞がれて成る高圧放電ランプユニット１とこれを冷却する冷却ファン（冷却機構）１４を備えている。

ランプ２は、発光部５の両側に形成された封止部６Ａ及び６Ｂ内に電極７Ａ及び７Ｂが封止されて、アーク長（電極間距離）１.１ｍｍで対向配設されている。
発光部５は、最も膨らんだ中央部分の最大内径（直径）が約４.４ｍｍ、その部分の石英肉厚が約２.４ｍｍ、内容積約７５ｍｍ^３に形成され、その内部に１８.０ｍｇの水銀と、始動補助ガスとなる約１３.０００Ｐａのアルゴンガスと共に、微量の臭素を封入してある。

反射鏡３は、焦点距離が８ｍｍ程度の放物面または楕円面で形成された平均肉厚が約２.５ｍｍの石英ガラス製凹面反射鏡基材８を用い、その内面に赤外線及び紫外線を透過し可視光を反射する反射膜となる数十層の誘電体薄膜９が蒸着されている。
また、反射鏡３の背面には、反射鏡強化用有機系耐熱被膜１０がコーティングされると共に、その有機系耐熱被膜１０の光源側に、ランプ２から照射された少なくとも波長３００〜３８０ｎｍの範囲の紫外線をカットする紫外線カット層１１が形成されている。
本例では、紫外線カット層１１が反射鏡基材８と反射鏡強化用有機系耐熱被膜１０の間に形成されているので、反射鏡基材８の背面に紫外線カット層１１が形成され、さらにその外側に有機系耐熱被膜１０が形成されることとなる。

具体的には、まず、反射鏡基材８の背面に紫外線カット層１１となる酸化亜鉛被膜を形成し、次いでその上に反射鏡強化用有機系耐熱被膜１０となるポリイミド被膜をコーティングした。
紫外線カット層１１は、反射鏡基材８の背面を加熱後に酸化亜鉛となる溶液にディッピングした後、約５００℃で１５分間炉内加熱し、厚さ約２０μｍの酸化亜鉛被膜を形成した。なお、このようにして紫外線カット層１１を形成した反射鏡３の反射面より入射し、紫外線カット層１１を透過する波長３００〜３８０ｎｍの範囲の紫外線透過率は、２０％以下であった。

有機系耐熱被膜１０は、まず、紫外線カット層１１を形成した反射鏡基材８の背面をポリイミドを含む粘性の高い溶液（２０℃にて約３０Ｐの粘性を示す）中にディッピングして液膜を形成させる。次いで、反射鏡機材８の開口部を上向に、底面側を下向きにして、３０秒間程ポリイミド液を滴下させ、未乾燥の液膜のたれにより底面側の液膜を厚くした状態で、約３００℃で１０分間以上炉内加熱して乾燥硬化させコーティングした。

これにより、酸化亜鉛を含む紫外線カット層１１の上に、４００℃以上の耐熱性のあるポリイミド製の有機系耐熱被膜１０を機械的に強固にコーティングすることができる。
しかも、有機系耐熱被膜１０は開口側に比して底面側の膜厚が厚く、ランプ２に最も近い反射鏡３が破損し易い部分では膜厚が０.３〜０.５ｍｍにも達し、このような膜厚分布を持たせることで、材料を節約すると同時に、不測のランプ破裂事故に対しても反射鏡３の破片が飛散しないように有効に強化することができる。

なお、有機系耐熱被膜１０は、反射鏡３の背面全域にコーティングする場合に限らず、ランプ破裂時に反射鏡３のガラス飛散防止を阻止し得る箇所とすれば良く、例えば、ランプ２近傍の底面側だけにコーティングする場合でも良い。
また、紫外線カット層１１は、有機系耐熱被膜１０が形成されている部分に形成されていれば足り、さらに、有機系耐熱被膜１０が形成されている部分のうち、紫外線の照射量が多く有機系耐熱被膜１０の劣化が激しい部分だけであってもよい。

そして、このように製造した反射鏡３の光軸上の焦点に発光部５の中心が位置するように、高圧放電ランプ２の一方の封止部６Ａが反射鏡３底部に設けた取付孔１２に固定され、反射鏡３の正面開口部の周縁に形成されているフランジ１３にカバーガラス４として、無反射コーティングを施した厚さ約３.８ｍｍの硬質ガラス製前面ガラス（防爆ガラス）が固定されている。
また、冷却ファン（冷却機構）１４は、反射鏡３の外周面に風を吹きつけることができるように高圧放電ランプユニット１の背面側に対向して配され、高圧放電ランプ２の点灯中に反射鏡強化用有機系耐熱被膜１０をその耐熱温度である４００℃以下に保つようになされている。

以上が本発明の一構成例であって次にその作用について説明する。
高圧放電ランプ２を点灯すると、該ランプ２から可視光、紫外光、赤外光が照射される。反射鏡３には、可視光を反射させる誘電体薄膜９が形成されているので、可視光は正面開口部側へ反射され、赤外線及び紫外線のほとんどは誘電体薄膜９及び反射鏡基材８を透過する。
反射鏡３の背面には、紫外線カット層１１となる酸化亜鉛被膜と、反射鏡強化用有機系耐熱被膜１０となるポリイミド被膜が形成されているので、反射鏡基材８を透過した３００〜３８０ｎｍの紫外線は、有機系耐熱被膜１０に達する前にその８０％以上が紫外線カット層１１でカットされる。したがって、ランプ２から放射される紫外線によって有機系耐熱被膜１０が劣化することがない。

図２及び図３は、紫外線遮断効果を確認するため、反射鏡３の背面で測定した紫外線の透過光強度比及び紫外線透過率を示すグラフである。
ただし、このときの測定は、紫外線カット層１１となる酸化亜鉛被膜の効果を測定するため、反射鏡強化用有機系耐熱被膜１０となるポリイミド被膜をコーティングしないものについて測定した。
背面に紫外線カット層１１を形成していない反射鏡（波線図示）に対し、紫外線カット層１１を形成した反射鏡（実線）においては、３００ｎｍ〜３８０ｎｍの透過光が８０％以上遮断され、透過光強度が２０％以下に低下していることが判る。

また、前面から見て約４５ｍｍ角、平均肉厚２.５ｍｍの反射鏡基材８に、紫外線カット層１１となる酸化亜鉛被膜と反射鏡強化用有機系耐熱被膜１０となるポリイミド被膜を形成した反射鏡３に定格電力１５０Ｗの高圧放電ランプ２を装着した高圧放電ランプユニット１を点灯させて、２０００時間の寿命試験を行なった結果、有機系耐熱被膜１０の剥離は全く発生しなかった。

さらに、２０００時間経過した高圧放電ランプユニット１について、点灯中にコンデンサに充電したエネルギを瞬間放電させて強制的に該ランプ２を破裂させる実験を行なったところ、通常の破裂エネルギの約２倍量をかけて破裂させても、ランプ２及び反射鏡３の破裂片の飛散は全く見られず、有機系耐熱被膜１０となるポリイミド被膜が紫外線により劣化していないことが立証された。

以上述べたように、凹面反射鏡３の背面に紫外線カット層１１及び有機系耐熱被膜１０を形成することにより、反射鏡基材８を透過した紫外線が、第一層目の紫外線カット層１１で遮られるので、紫外線に弱い第二層目の反射鏡強化用有機系耐熱被膜１０の紫外線劣化を防止し、ランプ寿命を通して反射鏡３を強度を高く維持することができ、反射鏡基材８として薄肉のガラスを使用しても同程度以上の強度を確保できる。

なお、紫外線カット層１１の紫外線遮断波長を３００ｎｍ〜３８０ｎｍの紫外線の範囲としたのは、約１００気圧以上もの超高圧で動作させる超高圧水銀放電ランプなどの高圧放電ランプ２からは３００ｎｍ以下の紫外線の放射が殆どないため、それ以下の波長を規定しても意味がないためである。
また、５０００時間の連続点灯試験を行ったところ、紫外線カット層１１を形成して紫外線透過率を２０％以下にした反射鏡３については有機系耐熱被膜１０の剥離が確認されず、８０％未満の紫外線カット層１１を形成した反射鏡３では剥離を生じたものがあったため、長寿命のランプ２に使用される反射鏡３は紫外線透過率を２０％以下にすることが望ましい。
ただし、ランプ寿命が２０００時間程度のランプにおいては、紫外線透過率が２０％を超えても、有機系耐熱被膜１０の紫外線劣化を十分に阻止することができる。

さらに、紫外線カット層１１の成分としては、上記酸化亜鉛被膜以外に、酸化チタン被膜や、酸化ジルコニウム被膜を用いても、点灯試験中に膜剥離は発生せず、酸化亜鉛被膜と同等の効果が認められた。
さらにまた、反射鏡基材８として薄肉の石英ガラスを例にして説明したが、硼珪酸ガラス製反射鏡であっても同等の効果が認められた。

さらに、図４に示すように、紫外線カット層１１を反射鏡３の内面に形成される誘電体多層膜９のアンダーコートとして形成する場合であっても良い。
この場合、蒸着法やスパッタリング法、プラズマ法などで誘電体多層膜９を形成する前に、酸化チタンなどの紫外線吸収特性のある物質を予めコーティングしておけばよい。

本発明は、発光管が破裂してその破片により反射鏡が破裂することがあっても、これらの破片の飛散を確実に防止することが要請されている液晶プロジェクタ用光源などに用いて好適なものである。

本発明に係る高圧放電ランプユニットを示す説明図。紫外線カット層の紫外線遮断効果を示すグラフ。紫外線カット効果を確認するための紫外線透過率を示すグラフ。他の実施形態を示す説明図。

符号の説明

Ｋ光学装置
１高圧放電ランプユニット
２高圧放電ランプ
３凹面反射鏡
４カバーガラス
８凹面反射鏡基材
９誘電体薄膜
１０反射鏡強化用有機系耐熱被膜
１１紫外線カット層
１４冷却ファン（冷却機構）

Claims

内面に反射膜が形成された凹面反射鏡基材の背面側に反射鏡強化用有機系耐熱被膜がコーティングされた反射鏡と、これに装着された高圧放電ランプとからなる高圧放電ランプユニットを備えた光学装置において、
前記有機系耐熱被膜と反射鏡基材との間、又は、反射鏡基材と反射膜との間に、少なくとも波長３００〜３８０ｎｍの範囲の紫外線をカットする紫外線カット層が形成され、
高圧放電ランプの点灯中に前記反射鏡強化用有機系耐熱被膜をその耐熱温度以下に保つ冷却機構を備えたことを特徴とする光学装置。
内面に反射膜が形成された凹面反射鏡基材の背面側に反射鏡強化用有機系耐熱被膜がコーティングされた反射鏡と、これに装着された高圧放電ランプとからなる高圧放電ランプユニットを備えた光学装置において、
前記有機系耐熱被膜と反射鏡基材との間、又は、反射鏡基材と反射膜との間に、少なくとも波長３００〜３８０ｎｍの範囲の紫外線をカットする紫外線カット層を備えたことを特徴とする高圧放電ランプユニット。
内面に反射膜が形成された凹面反射鏡基材の背面側に反射鏡強化用有機系耐熱被膜がコーティングされて成る高圧放電ランプ用反射鏡において、
前記有機系耐熱被膜と反射鏡基材との間、又は、反射鏡基材と反射膜との間に、少なくとも波長３００〜３８０ｎｍの範囲の紫外線をカットする紫外線カット層を備えたことを特徴とする高圧放電ランプ用反射鏡。
前記反射膜が形成された内面より入射して前記紫外線カット層を透過する少なくとも波長３００〜３８０ｎｍの範囲の紫外線透過率が２０％以下である請求項３記載の高圧放電ランプ用反射鏡。
前記紫外線カット層が、紫外線遮断物質として酸化ジルコニウム、酸化チタン、酸化亜鉛の少なくとも一つを含有する請求項３記載の高圧放電ランプ用反射鏡。