JP4040071B2 - 光源装置および映像表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、一対の主電極を１本の電極軸上に配置した発光管と、この発光管から出射された出射光を反射するリフレクタを有しており、それら主電極の電極軸を上記出射光の光軸と交差させた光源装置および映像表示装置に関する。

図１７〜図２３を参照して、本発明の背景技術について説明する。図１７（ａ），（ｂ）は発光管の配置方向の比較説明図、図１８は、光軸並行配置型の光源装置の概略構成を示す平断面、図１９は、図１８に示す光軸並行配置型の光源装置の発光点から出射された出射光の振る舞いを示す平断面である。
従来、輝度の高い光源を必要とする投影型表示装置等に用いられている光源装置においては、メタルハライドランプや、キセノンショートアークランプ、高圧型の水銀ランプといった、アーク放電を発生させることにより照明を行う発光管が使用されている。
光源装置は、図１８に示すように、発光管１と、この発光管１から出射された出射光を反射する耐熱ガラス基材やセラミクス基材によりなるリフレクタ２とを有する構成になっている。

発光管１は、図１７（ａ），（ｂ）、図１８に示すように、発光点（発光中心）Ｌ０を通りかつ両側に一直線上に配置したアノード電極３とカソード電極４とを、ガラス管５内に封入したものであり、この発光管１を配置する向きによって、従来技術である光軸並行配置型と、光軸垂直配置型とに大別することができる。なお、アノード電極とカソード電極を通過する共通の中心軸を「電極軸Ｏ１」ということにする。

アノード電極３には、アノード側リード棒３Ａが接続されているとともに、そのアノード側リード棒３Ａにはモリブデンシート６が溶接されている。
また、カソード電極４には、カソード側リード棒４Ａが接続されているとともに、そのカソード側リード棒４Ａにはモリブデンシート７が溶接されている。なお、５Ａ，５Ｂは、アノード側リード棒３Ａやカソード側リード棒４Ａを封入した封し部である。

光軸並行配置型とは、図１７（ａ）に示すＸ，Ｙ，Ｚ軸において、光軸ＬＡをＸ軸に一致させたとき、発光管１の電極軸Ｏ１がＸ方向にあることである。また、光軸垂直配置型とは、同図（ｂ）に示すように発光管１の電極軸Ｏ１がＺ方向にあることである。
上記の構成においては、発光管１から出射された出射光は、リフレクタ２によって、所定の方向又は領域に照射されるようになっている。

ところで、上記光軸並行配置型の場合、図１８，１９に示すように、発光点Ｌ０から見て出射光線の照射方向にカソード電極４が存在するため、発光管１の片側の封し部５Ｂが、出射光線の進路を妨害する障害物となって、光源から出射される出射光の利用効率を下げるという問題がある。

この問題点を改善しようとして、特開平２−５５３２５号公報（特許文献１）には、光軸垂直配置型の光源装置が開示されている。これを「第１の先行技術」とする。
しかし、光軸垂直配置型の光源装置では、光の出力分布に偏りが生じやすいため、特開平４−２４２０６４号公報（特許文献２）、特開平６−２１４１１５号公報（特許文献３）等のように、全出射光線の出射範囲にコンデンサレンズやフレネルレンズを配置することにより、光の出力分布を改善する提案がされている。これを「第２の先行技術」とする。

第１の先行技術に係る光源装置の一例を図２０，２１に示している。図２０は、リフレ
クタの反射面を楕円面とした、第１の先行技術の一例に係る光軸垂直配置型の光源装置の上面図、図２１は、リフレクタの光反射面を楕円面にし、かつ、光軸に対して発光管の電極軸をほぼ垂直に配置した第１の先行技術の他例に係る光源装置の側面図である。
なお、図２０，２１に示す光源装置は、発光管の向きが異なっている点（光軸垂直配置型）を除けば、図１８，１９に示す光源装置と同等の構成になっているので、ここでは、それらと同等のものに同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
また、図２０，２１において、Ｘ軸は光軸方向、Ｙ軸は最終組品で見た場合の高さ方向、Ｚ軸は最終組品で見た場合の奥行き方向とし、Ｘ−Ｚ断面を見たときの図を上面図、Ｘ−Ｙ面を見たときの図を側面図としている。

図２０に示す一例に係る光軸垂直配置型の光源装置は、発光点Ｌ０から出射する出射光線のうち、リフレクタ２の楕円面にした光反射面で反射する出射光線は、所定の集光点Ｓｐに到達する成分と、その反射面上の反射点２ａで反射する出射光線のように、アノード電極３側のモリブデンシート６に照射し、吸収されてしまう成分がある。

すなわち、光軸方向ＬＡから見て、発光管１の後方の光反射面に照射する出射光線はアノード電極３，カソード電極４やモリブデンシート６，７に照射、吸収されてしまう成分があるために、光源から出射される出射光の利用効率の低下に繋がり、併せて、発光管１の封し部５Ａ，５Ｂの温度上昇を引き起こしてしまう。
また、光軸ＬＡからθＬｏｓｓの光線は前記光反射面に照射しないため、ほとんどが集光点Ｓｐに到達せず、ロス光となる。

図２１に示す他例に係る光軸垂直配置型の光源装置は、光軸ＬＡに対して、発光管１の電極軸Ｏ１をほぼ垂直に配置し、かつ、リフレクタ２の光反射面を楕円面にした光源装置の側面図を示したものである。
発光管１の配光分布はＬＡ−Ｌ０−２ａ（２ｂ）で形成する角度範囲内のものであり、前記した図１８に示す配光分布θｌａｍｐに相当する。図２１に示す側面から見たときには、発光管１の発光点Ｌ０を中心にＸ−Ｙ面の全方向、即ち３６０度の光線分布となる。

この場合、発光点Ｌ０からリフレクタ２の反射点２ｃで反射する出射光線、即ち、光軸ＬＡから見て、発光管１の後方に位置する光反射面で反射する出射光線は、発光管１のガラス管５の外表面で進行方向が変わってしまい、所望の集光点Ｓｐに到達できないため、ロス光となる。

次に第２の先行技術に係る光源装置を図２２，２３を参照して説明する。図２２は、リフレクタの反射面を同心円面とし、かつ、集光レンズを配置した、第２の先行技術の一例に係る光軸垂直配置型の光源装置の上面図、図２３は、その光源装置の側面図である。

なお、図２２，２３に示す光源装置は、リフレクタ１０の反射面１０ａが球面になっていること及び集光レンズ１１を配置していることを除けば、図２０，２１に示す光源装置と同等の構成になっているので、ここでは、それらと同等のものに同一の符号を付して詳細な説明を省略する。

図２２に示す光源装置の構成は、第１の先行技術に係る光軸垂直配置型の光源装置（図２０に示す）において、光軸ＬＡから見て、発光管１より後方に位置するリフレクタ１０の反射面１０ａを、発光点Ｌ０を中心とする球面とし、また、光軸ＬＡから見て発光管１の前方に集光レンズ１１を配置した構成になっている。
この構成においては、発光管１から出射された出射光線は、発光点Ｌ０から集光レンズ１１方向に、角度θ２（図１８のθｌａｍｐに同じ）の配光分布で出射する。

発光点Ｌ０からリフレクタ１０側へもθ２の出射角度で照射し、理想的には、発光点Ｌ０を再度通過し、集光レンズ１１側へ角度θ２の発光分布で出射する。このとき、集光レンズ１１は発光管１の配光分布を元に設計されており、角度θ２の広がり角の光線を集光し、集光レンズ１１の入射点１１ａに入射した出射光線は、集光点Ｓｐに到達する。
図２２ではほとんどの出射光線が所定の集光点Ｓｐへ到達するように見えるが、図２３に示す側面図を見ると、発光管からの出射光は、発光点Ｌ０を中心に、Ｘ−Ｙ面の全方向、即ち３６０度の光線分布となる。

このときに発光管１から出射する光線としては、発光点Ｌ０から直接１８０°の出射角度でレンズ１１側に照射する成分と、発光点から直接１８０°の出射角度でリフレクタ１０の同心円面の反射面１０ａ側へ照射し、理想的には、再度発光点Ｌ０を通過し、集光レンズ１１側に照射する成分が存在する。
これらの出射光線のうち、集光レンズ１１に入射する出射光線は角度θ２の広がり角分だけ、すなわち集光レンズ１１の有効径に入射した光線のみ集光点Ｓｐに到達する。
特開平２−５５３２５号公報 特開平４−２４２０６４号公報 特開平６−２１４１１５号公報

しかしながら、第１の先行技術として示す光軸垂直配置型の光源装置において、リフレクタの反射面を楕円面や双曲面等の非球面とした方式においては、発光管から出射する出射光線のうち、リフレクタの非球面にした反射面に照射しない成分は、所望の集光点，領域に到達できず、光の取込み効率が低下する。

また、第２の先行技術として示す光軸垂直配置型の光源装置において、その光軸から見て、発光管より後方のリフレクタの反射面を同心円面とし、かつ、その光軸から見て当該発光管の前方にレンズ等の集光素子を配置した方式では、発光管及びその同心円面にした反射面からの出射光を集光素子で取り込む際に、出射光の取込み角に限界があるため、この場合にも、光の取込み効率が低下するという問題がある。

本発明は、前記の問題点を解消するものであって、簡易かつコンパクトな構成にしながらも、所定の小径領域への集光効率を高めることができ、従って、光の取込み効率の低下を招くことのない光源装置および映像表示装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため本発明に係る光源装置および映像表示装置の構成は、次のとおりである。
本発明は、一対の主電極を１本の電極軸上に配置してガラス管の封入空間内に封入し、それら主電極のリードをガラスからなる封し部で封しした発光管と、この発光管から出射された出射光を反射するリフレクタを有しており、それら主電極の電極軸を上記出射光の光軸と交差させた光源装置において、
前記リフレクタは、金属基材からなり、上記発光管を境に後方に、発光管の発光点を中心とする球面からなる第１のリフレクタ部を形成すると共に、上記発光管を境に前方に、楕円面からなる第２のリフレクタ部とを形成し、これら第１および第２のリフレクタ部によって、その反射光を所定の集光点に到達させるように構成すると共に、
前記発光管から前記第２のリフレクタ部以外に向けて出射された出射光を集光し所定の方向にまたは領域に照射するレンズを第２のリフレクタ部内部に設け、かつ、
前記発光管のガラスからなる封し部と前記第１のリフレクタ部および第２のリフレクタ部とを放熱材を介して固定し、この放熱材を発光管の封し部基端側に延在させており、
第２のリフレクタ部の先端部に、先細りの錐体が延長し、この錐体先端が前記所定の集光点付近で開口している密閉型光源としたことを特徴とする光源装置である。
本発明において、前記発光管の封し部と放熱材の間、または、前記第１のリフレクタ部および第２のリフレクタ部と放熱材の間にこの放熱材と材質の異なる介在物を介在させたことが好適である。
本発明は、上記の光源装置のいずれかを用いた映像表示装置である。

本発明によれば、リフレクタを、金属基材からなるものとし、発光管を境に後方に、該発光管の発光点を中心とする球面からなる第１のリフレクタ部を形成すると共に、上記発光管を境に前方に、楕円面からなる第２のリフレクタ部を形成し、これら第１および第２のリフレクタ部によって、その反射光を所定の集光点に到達させるように構成すると共に、前記発光管から前記第２のリフレクタ部以外に向けて出射された出射光を集光し所定の方向にまたは領域に照射するレンズを第２のリフレクタ部内部に設けているので、リフタクタおよびレンズという簡易な構成により、所望の小径領域への集光効率を高めることができる。換言すると、発光管の発光点からの出射光を効率よく利用することができる。

また、第２のリフレクタ部を楕円面としているので、短焦点化を図ることができるとともに、結像倍率を小さく設計できるため、集光効率の良好な小スポット化を図ることができ、光源装置の小型化に寄与できる。

また、発光管から前記第２のリフレクタ部以外に向けて出射された出射光を集光し所定の方向にまたは領域に照射するレンズを第２のリフレクタ部内部に設けたので、光源からの出射光の利用効率を高めることができる。

また、一対の主電極を１本の電極軸上に配置してガラス管の封入空間内に封入した発光管であって、それら主電極のリードをガラスからなる封し部で封ししている。発光管の発光点の両側に主電極を封ししたガラスからなる封し部が形成されており、前記発光管のガラスからなる封し部と前記第１のリフレクタ部および第２のリフレクタ部とを放熱材を介して固定し、この放熱材を発光管の封し部基端側に延在させたので、放熱材によって連続点灯中の発光管自体の熱を効率良く金属基材からなるリフレクタに伝導させることができるため、その発光管を最適点灯のできる温度に制御することが可能である。

以下に、本発明の実施の形態について、図１〜図１６を参照して説明する。まず、図１，図２を参照して、本発明の第１の実施形態に係る光源装置を説明する。図１は、本発明の第１の実施形態に係る光源装置の基本構成を示す平断面図、図２は、その光源装置の側断面図である。

本発明の第１の実施形態に係る光源装置Ｂは、図１に示すように、光源である発光管２０、この発光管２０から出射された出射光を反射するリフレクタ３０、及び集光体４０を有した構成になっている。

発光管２０は、前述した発光管１と同等の構成になっているものではあるが、その構成についてさらに詳細に説明する。
発光管２０は、直径１０（ｍｍ）ほどの直流点灯型で高圧型の水銀ランプであり、一対の主電極であるアノード電極２１，カソード電極２２をガラス管２３内に封入したものである。なお、発光管の投入電力は１５０（Ｗ）から２００（Ｗ）である。なお、２３ａはアノード電極側リード棒２４を封しした封し部、２３ｂはカソード電極側リード棒２７を封しした封し部である。

カソード電極２２には、電子放出を活発化する目的で、仕事関数を高めた突出形状部分２２ａと、その仕事関数を制御し、電子放出を制御するコイル状部分２２ｂとが形成されている。

ガラス管２３は、１０００（℃）以上の耐熱性を有する石英からなるものであり、発光点Ｌ０の封し空間には蒸気圧を調節するための水銀と、アルゴンガス，キセノンガス等の始動ガスが封入されている。

アノード電極２１とカソード電極２２は、発光点Ｌ０を通る１本の電極軸Ｏ１に一致しかつその発光点Ｌ０の両側に配置されている。なお、それらアノード電極２１とカソード電極２２との電極間距離（アークギャップ）は、１．０（ｍｍ）から１．３（ｍｍ）程度である。

発光管２０と図示しない発光管点灯制御装置（一般には「バラスト」と呼ばれている。）は、ガラス管２３から外部に露出したアノード電極側リード棒２４及びカソード電極側リード棒２７と電気的に接続されている。
すなわち、点灯始動時には、アノード電極２１とカソード電極２２間に数ｋｖから数十ｋｖの電位差を発生させ、それらアノード電極２１とカソード電極２２間の絶縁破壊を起して、グロー放電を開始し、アーク放電となり、安定点灯の継続状態に移行する。なお、２５，２６は、アノード電極側リード棒２４及びカソード電極側リード棒２７の一部に溶接されたモリブデンシートである。

リフレクタ３０は、発光管２０から出射された出射光を所定の方向に反射させるためのものであり、発光管２０の発光点Ｌ０を中心とする球面からなる第１のリフレクタ部３１と、この第１のリフレクタ部３１と異なる曲面からなる第２のリフレクタ部３２とが形成されている。
本実施形態においては、ガラスの２００倍の熱伝導を有するアルミニウム基材を用いて形成されている。なお、従来においては、リフレクタを、上記した耐熱ガラス基材の他、セラミクス基材により形成していた。

「第１のリフレクタ部３１と異なる曲面」は、本実施形態においては楕円面であるが、これに限るものではなく、例えば、前記第１のリフレクタ部３１の球面と曲率の異なる球面にしてもよく、また、双曲面等の球面以外の曲面からなるものであってもよい。

第１のリフレクタ部３１と第２のリフレクタ部３２との間には、所要の間隔Ｗにした光源配置溝３３が形成されており、ここに発光管２０が配置されるようになっている。「所要の間隔Ｗ」は、発光管２０の封し部２３ａ，２３ｂとの間に間隙が形成される程度であり、その発光管２０の放熱の程度を勘案して設定することができる。

前記発光管２０から出射した光線を反射させる光反射面、具体的には、第１のリフレクタ部３１と第２のリフレクタ部３２には、ＴｉＯ₂とＳｉＯ₂の積層膜からなる誘電体反射膜（図示しない）を形成している。
すなわち、リフレクタ３０の放熱対策を考慮して、酸化アルマイトやクロムメッキ、黒色塗料等で赤外線成分を熱変換する層を設けることにより、リフレクタ３０に効率よく熱を吸収，放射する構成とし、前記赤外線を熱変換する層上に緩衝・平坦化用途のベースコートを施した後、ＴｉＯ₂とＳｉＯ₂からなる誘電体反射多層膜を形成して、可視光線を所定の集光点に到達させている。

本実施形態では、連続点灯中の発光管２０の熱をリフレクタ３０に吸収，放射させるようにしているが、これに限らず、金属基材の反射面を磨いただけの構成にしてもよい。また、金属基材に銀，アルミニウムの全反射膜と像反射膜を成膜した構成にすることにより、別途、紫外線や赤外線を吸収若しくは放出させるようにしてもよい。

次に、前述したリフレクタ３０と発光管２０の位置関係について説明する。
発光管２０のアノード電極２１，カソード電極２２の電極軸Ｏ１を光軸ＬＡに対してほぼ直交する配置にしている。この場合、前記楕円面にした反射面（第２のリフレクタ部３２）を、発光管２０の発光点Ｌ０を第１焦点Ｆ１とし、所定の集光点Ｓｐを第２焦点Ｆ２として、次式により設計している。

下記の（１）〜（４）式に示す各符号は、Ｘ−Ｙ座標において、ｘ，ｙが楕円円周上にある点の座標、ａはＸ−Ｙ座標原点からの楕円長軸（Ｘ＝０）の長さ、ｂは楕円短軸（Ｙ＝０）の長さ、ｅは楕円の離心率である。
ｘ²／ａ²＋ｙ²／ｂ²＝１ …（１）
ｅ＝（ａ²−ｂ²）^1/2／ａ …（２）
Ｆ１＝ａ×ｅ＝Ｌ０ …（３）
Ｆ２＝（−ａ）×ｅ＝Ｓｐ …（４）

発光管２０の発光点Ｌ０から出射された出射光のうち、第２のリフレクタ部３２に照射しない成分、すなわち角度θ１の広がり角の領域にある出射光線を所望の集光点Ｓｐに到達させる集光体としてのレンズ４０の有効径を設計している。

次に、参考例１に係る光源装置について図３を参照して説明する。図３は、参考例１に係る光源装置の平断面図である。
参考例１に係る光源装置Ｃは、リフレクタの構成を除き、上述した第１の実施形態に係る光源装置Ｂと同等の構成になっているので、それらと同等のものに同一の符号を付して詳細な説明を省略し、ここでは、構成の異なるリフレクタのみについて説明する。

参考例１に係るリフレクタ５０は、発光管２０の発光点Ｌ０を中心とする球面からなる第１のリフレクタ部４１と、この第１のリフレクタ部４１と異なる曲面からなる第２のリフレクタ部４２とが形成されている点で、上記リフレクタ３０と同等の構成になっている。
この参考例１に係るリフレクタ５０において、「第１のリフレクタ部４１と異なる曲面」は双曲面（パラボラ面）である。

すなわち、発光管２０の発光点Ｌ０からの出射光のうち、第２のリフレクタ部４２で反射した成分は、光軸ＬＡとほぼ平行な光線となり、所定の領域Ｓｐに照射される。このとき、レンズ４０を組み込まないと、図３に示した角度θ１で発光管２０から出射され、第２のリフレクタ部４２に照射されない出射光線の大半は前記所定の領域Ｓｐに到達しないため、ロス光となる。換言すると、参考例１においては、レンズ４０を配置しているためにロス光が生じない。
なお、参考例１に示すように、第２のリフレクタ部４２を双曲面とした場合には、前記所定の領域Ｓｐの照度ムラを改善するために、光源装置と所定の領域の光路上にフライアレイ等を配置してもよい。

図４（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る光源装置に設けたレンズを支持する具体的なレンズ機構の一例を示す平断面図、（ｂ）は、レンズ機構のみの正面図、図５（ａ）は、同上の具体的なレンズ機構の他例を示す平断面図、（ｂ）は、その他例に係るレンズ機構のみの正面図である。また、図６は、本発明の第１の実施形態に係る光源装置の発光管から出射された出射光の振る舞いと集光体の配置箇所を説明するための平断面図である。
なお、図４〜６において、第１の実施形態に係る光源装置Ｂにおいて説明したものと同等のものには、それらと同一の符号を付して詳細な説明を省略する。

図４に示す集光体であるレンズ機構４１は、前記第２のリフレクタ部３２に照射しない光線（図６において、点線領域で示した第２のリフレクタ部３２に照射する光線群を除く成分）を集光させる両凸レンズ４１ａと、平坦な基板の中央部にレンズ４１ａの直径相当分の孔を形成したドーナツ型レンズ４１ｂとからなるものである。
前記両凸レンズ４１ａとドーナツ型レンズ４１ｂとは、ドーナツ型レンズ４１ｂの孔４１ａ′の部分に、前記両凸レンズ４１ａを嵌み込むとともに耐熱性固着剤にて貼り合わせている。
このレンズ機構４１は、第２のリフレクタ部３２の所定位置に全周にわたり形成した嵌合溝３２ａに、前記ドーナツ型レンズ４２ｂの外周縁部を嵌め込むことにより固定している。

図５に示す他例に係るレンズ機構（集光体）４３は、レンズ保持部材４３ａ，４３ａと、これらのレンズ保持部材４３ａ，４３ａの開放端部間に支持されたレンズ４０とからなる。

レンズ保持部材４３ａ，４３ａは、第２のリフレクタ部３２に基端部を固定されかつ両開放端部を互いに所要の間隔で対向させて形成されている。
この構成によれば、発光管２０の配光分布がθ１（図１８に示すθｌａｍｐ参考）とすると、レンズ４０の有効径をθ１よりも大きくすることにより、レンズ保持部材４３ａ，４３ａに出射光線の照射はなく、光源から出射される出射光の利用効率を低下させることはない。なお、レンズ保持部材４３ａ，４３ａは、第２のリフレクタ部３２と一体に形成しなくともよい。

次に、図６を参照してレンズの設置方法を説明する。出射光線の振る舞いは光軸ＬＡを中心として上方向（＋Ｙ方向）と下方向（−Ｙ方向）が対称であるため、便宜上、上方向のみで説明する。
発光管２０の発光点Ｌ０から出射した出射光のうち、光軸ＬＡから見て発光管２０の後方の第１のリフレクタ部３１で反射した光は、発光点Ｌ０を再度通過し、光軸ＬＡから見て発光管２０の前方に出射して行く。

このとき、前記光軸ＬＡから見て発光管２０の前方に出射する出射光線のうち、第２のリフレクタ部３２の最内部に照射する光線（Ｌ０−ａ）と、その第２のリフレクタ部３２の最外部（開口部付近）に照射する光線（Ｌ０−ｂ）が形成する角度（ａ−Ｌ０−ｂ）内を通る光線が第２のリフレクタ部３２に照射する。

前記第２のリフレクタ部３２の最内部に照射する光線（Ｌ０−ａ）、及び第２のリフレクタ部３２の最外部（開口部付近）に照射する光線（Ｌ０−ｂ）が、第２のリフレクタ部３２の第２焦点である集光点Ｓｐに照射する。
レンズ４０がない場合、ｂ−Ｌ０−Ｓｐがなす角度範囲の光線の大半は、前記第２のリフレクタ部３２に照射しない。ここで、発光管２０の発光点Ｌ０から出射して、第２のリフレクタ部３２の最外部（開口部付近）に照射する出射光線（Ｌ０−ｂ）と、第２のリフレクタ部３２のａ点で反射する光線（ａ−Ｓｐ）の交わる点をｃとし、レンズ４０の主点Ｈ（薄肉レンズを想定）を光軸ＬＡ上に取ると、ｃ−Ｈの長さが配置するレンズの有効半径となる。

図７はレンズの焦点距離と結像倍率の説明図である。
発光管２０の発光点Ｌ０を像高ｙの物体面、また、集光点Ｓｐを像高ｙｄの像面とした場合、配置するレンズ４０の前側焦点をＦ、後側焦点をＦｄ、また、レンズの前側曲率半径Ｒ１、後側曲率半径Ｒ２とし、主点Ｈから前側焦点Ｆまでの距離及びその主点Ｈから後側焦点Ｆｄまでの距離をｆ、また、前側焦点Ｆから物体面までの距離をＺ、後側焦点Ｆｄから像面Ｓｐまでの距離をＺｄとしたとき、以下の関係が成り立つようにレンズを設計した。

１／ｆ＝（Ｎ−１）〔（１／Ｒ１）＋（１／Ｒ２）〕
ただし、Ｎはレンズ硝材の屈折率
ｙ／ｙｄ＝Ｚ／ｆ …（５）
ｙ／ｙｄ＝ｆ／Ｚｄ …（６）
ここで、結像倍率Ｍ＝ｙｄ／ｙとすると、
Ｚ ＝ｆ／Ｍ …（７）
Ｚｄ＝ｆ×Ｍ …（８）
また、Ｃ−Ｌ０−Ｓｐ＝Ｕ（取込み角）、Ｃ−Ｓｐ−Ｌ０＝Ｕｄ（集光角）とし、Ｃ−Ｈ＝ｈとすると、
Ｕ ＝ｈ／〔（１＋１／Ｍ）×ｆ〕 …（９）
Ｕｄ＝ｈ／〔（１＋ Ｍ）×ｆ〕 …（１０）
（９），（１０）式から、
Ｕ／Ｕｄ＝（１＋Ｍ）／（１＋１／Ｍ）＝Ｍ（１＋Ｍ）／（１＋Ｍ）
＝Ｍ
＝ｙｄ／ｙ …（１１）

ここで、各実施形態で使用した高圧型の水銀ランプのアークギャップは、１．０５（ｍｍ）であり、ロッドインテグレータの入射面の寸法の３．０×４．０（ｍｍ）から、前記レンズ４０の結像倍率Ｍ＝２．５〜４の間で設計した。また、使用したレンズ硝材は石英であり、その屈折率は１．４６からレンズ４０の曲率に設定した。
図３に示すように、第２のリフレクタ部４２を双曲面とした場合には、上記と同様にレンズ４０を主点Ｈに設定し、発光管２０からの出射光がレンズ４０に入射した後、所定の領域Ｓｐにほぼ垂直（光軸ＬＡに対してほぼ平行）に照射するように設計すればよい。

本発明における所定の領域の対角寸法を可変させた際の光源から出射される出射光の利用効率結果を図８に示した。図８は、所定の領域の対角寸法を可変させた際の光源から出射される出射光の利用効率の結果を示す比較図である。
図中「黒丸」は本発明、「黒三角」は、実用化されている光軸に対して発光管の電極軸を平行配置とし、かつ、リフレクタに楕円面とした反射面を具備した従来の光源装置、「黒四角」は、先行提案されている光軸に対して発光管の電極軸をほぼ直交配置とし、楕円面にしたリフレクタを具備した光源装置（第１の先行技術）、また、「バツ」は、光軸に対して発光管の電極軸をほぼ直交配置とし、リフレクタに球面にした反射面を有しかつレンズを設けた光源装置（第２の先行技術）を示している。

設計条件としては、発光管のアークギャップ１．０５（ｍｍ）、光源装置の開口部からの光の最大出射角を３０°、光源から集光点までの距離を５０（ｍｍ）以内とした。また、リフレクタの開口直径、レンズ有効直径を４０（ｍｍ）以下とした。

前記従来技術（黒三角で示す）は、一部光軸方向に位置する発光管の封し部に光線が照射しロス光となるが、光源から出射される出射光の利用効率は第１，第２の先行技術の光源装置に比べ高い。
前記第１の先行技術は、主にリフレクタの楕円面で反射された光線しか取り込めておらず、所望の集光点Ｓｐの対角寸法が５〜１０（ｍｍ）の間では、本発明の光源装置に比べ１０（％）のロス光がある。

第２の先行技術に関しては、微小集光点への照射には不向きであり、所望の集光点Ｓｐの対角寸法が１０（ｍｍ）のときに光源から出射される出射光の利用効率は２０（％）程度であった。
前記第２の先行技術のレンズとして、屈折率１．４６から１．９８の硝材を使用し試算した。図８においては、前記屈折率１．９８の際のデータであるが、発光管の近傍の高温雰囲気中で劣化を生じない硝材としては、石英、合成石英があり、その屈折率は１．４６程度であり、さらに光源から出射される出射光の利用効率は落ちる。その他の硝材として、サファイア（屈折率１．７７）、ダイアモンド（屈折率２.４）があるが、高価なために実用的ではない。

第１の実施形態に係る光源装置Ｂは、実用化されている従来技術に係る光源装置と同等の光源から出射される出射光の利用効率が得られており、所望の領域の寸法が小径である場合には、その従来技術よりも光源から出射される出射光の利用効率を１０（％）向上させることができる。

次に、本発明の第２の実施形態に係る光源装置Ｄについて、図９を参照して説明する。
図９は、本発明の第２の実施形態に係る光源装置Ｄの基本的構成を示す平断面図である。
第２の実施形態に係る光源装置Ｄは、リフレクタの構成を除き、上述した第１の実施形態に係る光源装置と同等の構成になっているので、それらと同等のものに同一の符号を付して詳細な説明を省略し、ここでは、構成の異なるリフレクタのみについて説明する。

リフレクタ４４は、発光管２０の発光点Ｌ０を中心とする球面からなる第１のリフレクタ部４５と、この第１のリフレクタ部４５と異なる曲面からなる第２のリフレクタ部４６とともに、照度均一化手段４４ａを一体に形成されている。
「第１のリフレクタ部４５と異なる曲面」は、本実施形態においては楕円面である。

第１のリフレクタ部４５と第２のリフレクタ部４６との間には、所要の間隔Ｗにした光源配置溝４７が形成されており、ここに発光管２０が配置されるようになっている。「所要の間隔Ｗ」は、発光管２０の封し部２３ａ，２３ｂとの間に間隙が形成される程度であり、その発光管２０の放熱の程度を勘案して設定することができることについても、前述したとおりである。

すなわち、リフレクタ４４は、経路Ｌ０−ｄ―Ｓｐを進む出射光線が当該リフレクタ４４に照射する出射光線のうち、最大の出射角（Ｌ０―Ｓｐ−ｄがなす角度）としたとき、経路ｄ−Ｓｐの出射光線の進路を妨害しないように、リフレクタ４４の第２のリフレクタ部４６の最前部の開口部から円錐体を連続して延長させ、集光点Ｓｐ近傍で照度均一化手段４４ａに繋げて一体形成した構成になっている。

照度均一化手段４４ａは、発光管２０から出射される出射光を目的の形状に成形しかつ多重反射にてミキシングすることで光線の面照度を均一化（平坦）する機能を有するものであり、リフレクタ４４の前端部（最前部）に所要の長さの円筒形にして形成されている。
換言すると、光源から出射される出射光を目的の形状に成形しかつ多重反射にてミキシングすることで光線の面照度を均一化する機能を有している（ミキシング機構）。
「目的の形状」とは、ライトバルブの相似形状（ここではＤＭＤの形状＝四角）を意味している。

上記照度均一化手段４４ａの開口形状は、後述する図１６に示した投影型映像表示装置において、光源装置からの出射角と、ライトバルブ１０６の領域と入射角から決まる結像倍率によって決定されるものである。
照度均一化手段４４ａの内面は、次のように形成したミキシング機構とすることができる。
・第２のリフレクタ部４６、第１のリフレクタ部４５と同様に、赤外成分の熱変換層と平坦化層とТｉＯ₂とＳｉＯ₂からなる誘電体反射多層膜を形成する。
・前記誘電体反射多層膜以外に、アルミニウム基材（金属基材）を磨いただけの構成や、アルミ基材に銀等の全反射膜蒸着と増反射膜を施してもよい。

また、前記照度均一化手段４４ａの内面に、レンズロッドインテグレータを組み込むことで、照度均一化手段４４ａの内面に成膜処理をする必要がなくなり、防爆機構が容易に実現できる。
さらに、前記レンズロッドインテグレータとして蛍石のような紫外線や赤外線を可視光線に変換する硝材を用いることで光源から出射される出射光の利用効率を向上できる。

第３の実施形態に係る光源装置Ｅについて、図１０を参照して説明する。図１０は、第３の実施形態に係る光源装置Ｅの平断面図である。
第３の実施形態に係る光源装置Ｅは、放熱材を設けたことを除き、上述した第２の実施形態に係る光源装置と同等の構成になっているので、それらと同等のものに同一の符号を付して詳細な説明を省略し、ここでは、放熱材のみについて説明する。

放熱材６０，６０は、封し部２３ａ，２３ｂの外径にほぼ一致する内径にし、かつ、リフレクタ４４の間隙Ｗにほぼ一致する外径にするとともに、封し部２３ａ（２３ｂ）に対向するリフレクタ４４の壁面の長さに合わせて長さＬ１，Ｌ２となるように一方の端部を斜めにした、若しくは単純に長さＬ１の円筒形のものであり、熱伝導の良い金属やセラミックス（アルミナ）を含有する材質やセメント等により形成している。また、リフレクタ４４と放熱材６０、６０、封し部２３ａ，２３ｂと放熱材６０、６０に隙間が生じる際には、必要に応じて耐熱性のセメントやグリス、オイルコンパウンドを前記隙間に充填すればよい。

これにより、連続点灯中の発光管２０自体の温度を効率良くリフレクタ４４に伝導させることができるため、その発光管２０を最適点灯のできる温度制御が可能である。なお、このような放熱材を、図１〜図６において説明した各実施形態等に係る光源装置に適用できることは勿論である。

第４の実施形態に係る光源装置Ｆについて、図１１を参照して説明する。図１１は、第４の実施形態に係る光源装置Ｆの平断面図である。
第４の実施形態に係る光源装置Ｆは、補助電極を設けたこと、及びリフレクタを接地したことを除き、上述した第３の実施形態に係る光源装置と同等の構成になっているので、それらと同等のものに同一の符号を付して詳細な説明を省略し、ここでは、相違点のみを説明する。

補助電極６１，６１は、発光管２０の封し部２３ａ，２３ｂの基端側を囲繞するリング形のものであり、リフレクタ４４の第１のリフレクタ部４５の両端縁近傍に導通接続されている。これにより、発光管２０の始動性を改善することができるとともに、発光管２０の配光分布以外の空間に該補助電極を形成できるため、光源から出射される出射光の利用効率を阻害することがない。

第５の実施形態に係る光源装置Ｇについて、図１２を参照して説明する。図１２は、第５の実施形態に係る光源装置Ｇの平断面図である。
第５の実施形態に係る光源装置Ｇは、補助電極をリフレクタに一体に形成したことを除き、上述した第４の実施形態に係る光源装置と同等の構成になっているので、それらと同等のものに同一の符号を付して詳細な説明を省略し、ここでは、相違点のみを説明する。

リフレクタ４４の第１のリフレクタ部４５の両端縁部近傍には、所要長さの直方体形の補助電極部材４８，４８が一体にして突出形成されている。
補助電極部材４８，４８には、発光管２０の封し部２３ａ，２３ｂの外径に一致する円形の嵌合孔４８ａ，４８ａが形成されている。これにより、発光管２０の始動性を改善することができるとともに、発光管２０の配光分布以外の空間に該補助電極を形成できるため、光源から出射される出射光の利用効率を阻害することがないことは前記した第４の実施形態におけるものと同様である。

図１３〜１５を参照して、本発明の実施形態に係る光源装置におけるリフレクタの各例について説明する。
図１３は、第１の例に係るリフレクタの概略図、図１４（ａ）は、第２の例に係るリフレクタの概略平断面図、（ｂ）は、（ａ）に示すＩ−Ｉ線に沿う断面図、図１５は、第３の例に係るリフレクタの概略平断面図、（ｂ）は、（ａ）に示すＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図である。

図１３に示す第１の例に係るリフレクタ７０は、発光管２０の発光点Ｌ０を中心とする球面からなる第１のリフレクタ部７１ａを形成されたリフレクタ分割体７１と、その第１のリフレクタ部７１ａと異なる曲面からなる第２のリフレクタ部７２ａを形成されたリフレクタ分割体７２とからなる。

リフレクタ分割体７１，７２は、電極軸Ｏ１を含む平面を境にして分割できるようになっている。すなわち、光軸ＬＡに対して直交する方向で、リフレクタ分割体７１と、リフレクタ分割体７２とに分割した構造になっている。
リフレクタ分割体７１の分割面には、ボルト遊挿孔７１ｃを形成したフランジ７１ｂが、また、リフレクタ分割体７２の分割面には、ボルト螺合孔７２ｃを形成したフランジ７２ｂが突出して形成されており、それらフランジ７１ｂ，７２ｂを介してボルト等により連結，分離が容易に行なえるようになっている。

本実施形態では、リフクレタ７０の基材と同質のボルト（ネジ）によって螺着している。これは異なる材質のボルト（ネジ）を使用すると、熱膨張率が異なるため、ゆがみ、ネジ折れが生じるためである。すなわち、リフクレタ７０の基材と同質のボルト（ネジ）によって螺着することにより、ゆがみ、ネジ折れの発生を防止している。
その他の構成としては、カップリングする凹凸を設けて、単純にリフレクタ分割体どうしを嵌め込む構成にするとともに、別途保持機構を設けて、両者を固定することができる。

「第１のリフレクタ部７１ａと異なる曲面」は楕円面であるが、前記第１のリフレクタ部７１ａの球面と曲率の異なる球面にしてもよく、また、双曲面等の球面以外の曲面からなるものであってもよい。
複合形状のリフレクタに蒸着膜を付着させる際には、曲率の違いと、蒸着分子の飛行距離、膜形成面への蒸着分子の入射角によって膜の積層厚さや膜密度が不均一になる。このため、図１３に示すリフレクタ７０では、同じ曲率の反射面単位で分割し、同心円面部分と楕円面部分での各々の蒸着条件出しを行い成膜することで、可視光線領域の反射率の良いリフレクタが実現でき、光源から出射される出射光の利用効率を向上させることができる。

図１４（ａ），（ｂ）に示す第２の例に係るリフレクタ８０は、発光管２０の発光点Ｌ０を中心とする球面からなる第１のリフレクタ部８２の上側半部８２ａ及びその第１のリフレクタ部８２と異なる曲面からなる第２のリフレクタ部８３の上側半部８３ａを形成された上側リフレクタ分割体８１と、上記発光管２０の発光点Ｌ０を中心とする球面からなる第１のリフレクタ部８２の下側半部８２ｂ及びその第１のリフレクタ部８２と異なる曲面からなる第２のリフレクタ部８３の下側半部８３ｂを形成された下側リフレクタ分割体８４とからなる。

換言すると、光軸ＬＡに対して並行にリフレクタ８０を分割した構成になっている。このような分割構造では、小型で奥行きが長い形状のリフレクタに特に有効である。
しかしながら、蒸着ソースＳｏと反射膜形成面の位置ｅを結ぶ直線Ｓ０−ｅと、反射膜形成面の法線がなす角θｓａが比較的大きい。これは反射膜形成面の位置ｅへの蒸着分子の入射角が大きいことを意味しており、この部分への膜の付着は、反射膜形成面の位置ｆに比べてよくはない。

第３の例に係るリフレクタ９０は、光軸ＬＡを中心として９０度間隔で分割した４つのリフレクタ分割体９１〜９４からなるものである。
各リフレクタ分割体９１（９２〜９４）には、発光管２０の発光点Ｌ０を中心とする球面からなる第１のリフレクタ部９５の四半部９５ａ及びその第１のリフレクタ部９５と異なる曲面からなる第２のリフレクタ部９６の四半部９６ａが形成されている。

このように、リフレクタ分割体の数（分割数）を増やすことで、蒸着ソースＳ０から反射膜形成面の位置ｇ，ｈ，ｉまでの蒸着分子の飛行距離は均一になり、併せて、蒸着分子の入射角も均一化することができる。
反射膜形成面の位置ｉでの成膜結果は、図１４に示す反射膜形成面ｊに比べ、２倍の精度が得られた。また、分割したリフレクタ分割体同士を互いに同一の形状にしているので、１回の蒸着バッチ処理で多数のリフレクタ分割体を成膜できるため、分割構造としながらもコストの観点では従来と変わらない。

次に、上記各実施形態に係る光源装置を用いた映像表示装置について、図１６を参照して説明する。図１６は、本発明の一実施形態に係る映像表示装置の概略の構成を示す模式図である。なお、図１６では、図１に示す光源装置Ｂを使用している例について示しているが、その光源装置Ｂに代えて、光源装置Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆ，Ｇを採用することができる。

本発明の一実施形態に係る映像表示装置Ｈは、光源装置Ｂ、カラーホイール１００、ロッドインテグレータ１０１、レンズ１０２〜１０４、ミラー１０５、ライトバルブ１０６及び投影レンズ１０７を有して構成されている。なお、１０８はスクリーンである。
光源装置Ｂの発光管２０から出射した出射光は、リフレクタ３０で反射し、ロッドインテグレータ１０１の入射面に集光する。

カラーホイール１００は、ロッドインテグレータＰ４の入射面の前方には、Ｒ（レッド：赤）フィルタ、Ｇ（グリーン：緑）フィルタ、Ｂ（ブルー：青）フィルタが周方向に配列されて円板形状に形成されているものである。

ロッドインテグレータ１０１は、これに入射した入射光をライトバルブ１０６の平面形状（この場合矩形又は正方形）に対応した所望の断面形状の光束であって各部の照度が均一な光束を出射するものである。

カラーホイール１００が回転することによって、前記リフレクタ３０の反射光が各フィルタＲ，Ｇ，Ｂを透過し、これらのフィルタＲ，Ｇ，Ｂの色に応じた透過光が順次前記ロッドインテグレータ１０１に入射する。

ライトバルブ１０６は、投影映像を形成する投影媒体であって、ＤＭＤ（Digital Micro−mirror Device）を用いて構成するものである。ＤＭＤの場合、所望する投影画像に応じて微小区画毎のミラーが反射方向の制御をして、各フィルタＲ，Ｇ，Ｂにより形成された各色光の投影光像を形成する。

ロッドインテグレータ１０１により、光線群は、所望面の照度を均一化され、レンズ１０２〜１０４、ミラー１０５の光学系を進行し、ライトバルブ１０６に入射し、投影光像を形成する。
そして、ライトバルブ１０６で形成した投影光像は、投影レンズ１０７を通過し、スクリーン１０８に照射して映像を投影する。

なお、本発明は前述した各実施形態に限るものではなく、次のような変形実施が可能である。
前述した各実施形態に係る光源装置は、投影型映像表示装置に用いる光源装置として説明したが、これに限るものではなく、その他の装置の光源として用いることができる。
また、投影型映像表示装置は、図１６に示すものの他、光路を異ならせた構成やライトバルブ１０６に液晶を用いた構成のものであっても、本発明の各実施形態に係る光源装置を適用することができる。

本発明は、メタルハライドランプや、キセノンショートアークランプ、高圧型の水銀ランプといった、アーク放電を発生させることにより照明を行う発光管を使用した輝度の高い光源装置であって、簡易かつコンパクトな構成にしながらも、所定の小径領域への集光効率を高めることができ、従って、光の取込み効率の低下を招くことのない光源装置とそのような輝度の高い光源装置を必要とする投影型表示装置に用いることができる。

本発明の第１の実施形態に係る光源装置の基本的構成を示す平断面図である。 同上の光源装置の側断面図である。 参考例１に係る光源装置の平断面図である。 （ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る光源装置に設けたレンズを支持する具体的なレンズ機構の一例を示す平断面図、（ｂ）は、レンズ機構のみの正面図である。 （ａ）は、具体的なレンズ機構の他例を示す平断面図、（ｂ）は、他例に係るレンズ機構のみの正面図である。 本発明の第１の実施形態に係る光源装置の発光管から出射された出射光の振る舞いと集光体の配置箇所を説明するための平断面図である。 レンズの焦点距離と結像倍率の説明図である。 所定の領域の対角寸法を可変させた際の光源から出射される出射光の利用効率の結果を示す比較図である。 本発明の第２の実施形態に係る光源装置の基本的構成を示す平断面図である。 本発明の第３の実施形態に係る光源装置の平断面図である。 本発明の第４の実施形態に係る光源装置の平断面図である。 本発明の第５の実施形態に係る光源装置の平断面図である。 本発明の実施形態に係る光源装置におけるリフレクタの第１の例の概略図である。 （ａ）は、実施形態に係る光源装置におけるリフレクタの第２の例の概略平断面図、（ｂ）は、（ａ）に示すＩ−Ｉ線に沿う断面図である。 （ａ）は、実施形態に係る光源装置におけるリフレクタの第３の例の概略平断面図、（ｂ）は、（ａ）に示すＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図である。 本発明の一実施形態に係る映像表示装置の概略の構成を示す模式図である。 （ａ），（ｂ）は発光管の配置方向の比較説明図である。 光軸並行配置型の光源装置の概略構成を示す平断面である。 図１８に示す光軸並行配置型の光源装置の発光点から出射された出射光の振る舞いを示す平断面である。 リフレクタの反射面を楕円面とした、第１の先行技術の一例に係る光軸垂直配置型の光源装置の上面図である。 リフレクタの光反射面を楕円面にし、かつ、光軸に対して発光管の電極軸をほぼ垂直に配置した第１の先行技術の他例に係る光源装置の側面図である。 リフレクタの反射面を同心円面とし、かつ、集光レンズを配置した、第２の先行技術の一例に係る光軸垂直配置型の光源装置の上面図である。 同上の光源装置の側面図である。

符号の説明

２０ 発光管
２１，２２ 主電極
２３ａ，２３ｂ 封し部
３０，４４ リフレクタ
３１，４５ 第１のリフレクタ部
３２，４６ 第２のリフレクタ部
４０ レンズ（集光体）
４４ａ 照度均一化手段
６０ 放熱材
Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆ，Ｇ 光源装置
Ｏ１ 電極軸
ＬＡ 光軸
Ｌ０ 発光点
Ｈ 映像表示装置

Claims (3)

1. 一対の主電極を１本の電極軸上に配置してガラス管の封入空間内に封入し、それら主電極のリードをガラスからなる封し部で封しした発光管と、この発光管から出射された出射光を反射するリフレクタを有しており、それら主電極の電極軸を上記出射光の光軸と交差させた光源装置において、
   前記リフレクタは、金属基材からなり、発光管を境に後方に、該発光管の発光点を中心とする球面からなる第１のリフレクタ部を形成すると共に、上記発光管を境に前方に、楕円面からなる第２のリフレクタ部を形成し、これら第１および第２のリフレクタ部によって、その反射光を所定の集光点に到達させるように構成すると共に、
   前記発光管から前記第２のリフレクタ部以外に向けて出射された出射光を集光し所定の方向にまたは領域に照射するレンズを第２のリフレクタ部内部に設け、かつ、
   前記発光管のガラスからなる封し部と前記第１のリフレクタ部および第２のリフレクタ部とを放熱材を介して固定し、この放熱材を発光管の封し部基端側に延在させており、
   第２のリフレクタ部の先端部に、先細りの錐体が延長し、この錐体先端が前記所定の集光点付近で開口している密閉型光源としたことを特徴とする光源装置。
2. 前記発光管の封し部と放熱材の間、または、前記第１のリフレクタ部および第２のリフレクタ部と放熱材の間にこの放熱材と材質の異なる介在物を介在させたことを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
3. 請求項１または２に記載の光源装置を用いた映像表示装置。

Images