JP4609224B2

JP4609224B2 - 光源装置

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Publication number: JP4609224B2
Application number: JP2005215824A
Authority: JP
Inventors: 鉄也北川; 宏市亀井; 和之森
Original assignee: Ushio Denki KK
Current assignee: Ushio Denki KK
Priority date: 2005-07-26
Filing date: 2005-07-26
Publication date: 2011-01-12
Anticipated expiration: 2025-07-26
Also published as: JP2007035404A

Description

この発明は光源装置に関する。特に、液晶、ＤＭＤデバイスを用いたプロジェクター装置の光学システムに使う光源装置に関する。

近年、プロジェクター装置は長寿命化、小型化というニーズが高まり、光源である放電ランプも光出力を大きくし、さらに、高輝度化が求められている。光源では、水銀蒸気圧を高くすることでアークの広がりを抑える（絞り込む）とともに、より一層、光出力が大きな放電ランプが提案されている。
この放電ランプは、例えば、特開平２−１４８５６１号、特開平６−５２８３０号に開示されており、これらの放電ランプを取り囲むように凹面反射鏡が設置され、プロジェクター装置の光源装置として利用されている。

プロジェクター装置で映像を投射するのに必要な光は、波長４００ｎｍ〜７８０ｎｍの可視光であり、可視光を有効に利用するために、凹面反射鏡は、放電ランプから放射された略全ての波長域の光を反射する性能を有するアルミニウムなどの金属製の反射鏡を利用したり、或いは、内面に可視光のみを主に反射させる可視光反射膜がコーティングされたガラス製の反射鏡を利用するものである。

最近では、より明るい映像となるように、光源装置から放射される光出力を、さらに大きくすることが望まれており、その方策として、発光管の外面に紫外光を反射する紫外光反射膜が直接コーティングされた放電ランプを組み込んだ光源装置が知られている。

このように放電ランプの発光管の外面に紫外光反射膜を設けることにより、紫外光を反射して、アーク部分に戻すことにより、発光効率を上げ、同じ入力電力でも、光出力を大きくすることができるものである。
このような技術は、特開２００３−２４２９３０号、特開２００４−２２７９８３号に記載されている。
特開平２−１４８５６１号、特開平６−０５２８３０号、特開２００３−２４２９３０号特開２００４−２２７９８３号

しかしながら、このような発光管の外面に紫外光反射膜を直接コーティングした放電ランプでは、発光管の温度がランプ点灯時に、１０００℃程度もの高温となるため、ランプの点灯および消灯間に生ずる温度差により、発光管の外面と紫外光反射膜とで熱膨張差が生じ、これに起因して紫外光反射膜にマイクロクラックあるいは膜剥がれが生じて、紫外光を反射できなくなり、発光効率が低下し、光出力が低下してしまうという不具合が生じることがある。

そこで本発明は、放電ランプ自体には何ら特別な手段を講じることなく、発光管内のアーク部分に紫外光を反射して戻し、発光効率を上げることができ、しかも、発光効率はランプ点灯時間の経過とともに変化するがなく、常に、光出力が大きな状態に保たれた光源装置を提供することにある。

請求項１に記載の光源装置は、石英ガラスからなる発光管の内部に一対の電極が対向配置され、０．１５ｍｇ／ｍｍ^３以上の水銀を封入した放電ランプと、
前記放電ランプを取り囲み、当該放電ランプからの放射光を前方開口から所定の方向に反射する凹面反射鏡と、前記凹面反射鏡の前方開口を塞ぐように配置された前面ガラスよりなる光源装置において、前記凹面反射鏡の内部空間は、前面ガラスによって閉じられており、前記凹面反射鏡は、少なくとも３００〜７８０ｎｍの紫外光から可視光を反射するとともに、３５０〜４００ｎｍの紫外光の反射率が９０％以上であり、前記前面ガラスは、３５０〜４００ｎｍの紫外光の反射率が９０％以上であるとともに、４００ｎｍ以上の光を透過する紫外光反射膜が形成されていることを特徴とする。

請求項２に記載の光源装置は、請求項１に記載の光源装置であって、特に、前記凹面反射鏡は、ガラス製の基材からなり、光制御膜が形成されており、前記光制御膜は、３３０〜７８０ｎｍの紫外光から可視光を９０％以上反射するとともに、７８０ｎｍ以上の赤外光を透過することを特徴とする。

本発明によれば、放電ランプは発光物質として水銀を用いているので、可視光以外に４００ｎｍ未満の紫外光も放射されるものであり、この紫外光は映像を投射するためには、全く不要な光であり、この不要な紫外光を放電ランプのアーク部分に戻して、光出力を増大させるために、利用するものである。
具体的な本発明の光源装置の構造は、凹面反射鏡の前方開口を塞ぐように前面ガラスが配置されており、凹面反射鏡と前面ガラスで、それぞれ放電ランプから放射された紫外光を反射し、紫外光を凹面反射鏡内に閉じ込めることで、繰り返し紫外光が反射されて、確実に、放電ランプの発光管内のアーク部分に紫外光を戻すことができ、発光効率を確実に上げることができ、大きな光出力を有する光源装置となる。

また、放電ランプ自体には、紫外光を発光管内のアーク部分に戻す手段が何ら講じられていないので、ランプ点灯時間の経過とともに発光効率が変化することなく、光出力の変動が起こらないものである。

さらには、発光管内に封入された水銀特有の発光波長である３６５ｎｍ（ｉ線）を中心としたその付近の紫外光を含む３５０〜４００ｎｍの紫外光を、凹面反射鏡と、前面ガラスに形成された紫外光反射膜で、９０％以上反射することにより、確実に発光効率を上げて、光出力を大きくすることができるものである。

また、凹面反射鏡が、ガラス製の基材よりなる場合は、７８０ｎｍ以上の長波長側の赤外光を凹面反射鏡の後方に透過するものであるので、凹面反射鏡前方に赤外光が反射されず、放電ランプが過度に加熱されることがなく、熱による放電ランプの破損を防止することができ、さらに、プロジェクター装置を構成する光学部品が過度に加熱されることを防止することができる。

以下、図面を用いて本願発明の光源装置を説明する。
図１は、本願発明の光源装置の構成の一例を示す図である。
光源装置は、放電ランプ１０と、この放電ランプ１０を取り囲む凹面反射鏡２０とから構成されている。

放電ランプ１０は、いわゆるショートアーク型超高圧水銀ランプであって、概略球状の発光管１１と、この発光管１１の両端にロッド状に封止された封止管１２ａ、１２ｂより構成されている。
発光管１１の内部は発光空間となっており、この空間に一対の電極が対向配置されている。
封止部１２ａは凹面反射鏡２０の頂部の開口２１に挿入されて、封止部１２ａの先端に装着された口金１３が接着剤を介して開口２１に固定される。

凹面反射鏡２０は全体が概略お椀状の放物面集光鏡であって、放電ランプ１０から放射された光は反射部２２で反射されて前方開口２３から所定の方向に放射されるものである。
放電ランプ１０はアーク方向が凹面反射鏡２０の光軸Ｌとほぼ一致するように配置され、また、放電ランプ１０のアーク輝点は凹面反射鏡２０の焦点位置に一致している。

凹面反射鏡２０の前方開口２３には、前方開口２３を塞ぐように、前面ガラス３０が嵌め込まれ接着剤で固定されており、凹面反射鏡２０の内部空間Ｓが前面ガラス３０によって閉じられている。

放電ランプ１０は、発光管１１の外径は６．０〜１５．０ｍｍの範囲であり、本実施例では９．５ｍｍである。電極間距離は０．５〜２．０ｍｍの範囲であり、本実施例では１．５ｍｍ。発光管１１の内容積は４０〜３００ｍｍ^３の範囲であり、本実施例では７５ｍｍ^３である。
そして、点灯条件は、例えば、管壁負荷０．８〜２．０Ｗ／ｍｍ²範囲であり、本実施例では１．５Ｗ／ｍｍ²であり、定格電圧８０Ｖ、定格電力２００Ｗで点灯するものである。

発光管１１には、水銀と、希ガスと、ハロゲンガスが封入されている。
水銀は、映像を投射するのに必要な可視光である波長４００〜７８０ｎｍの放射光を得るためのもので、０．１５ｍｇ／ｍｍ^３以上、好ましくは０．２０ｍｇ／ｍｍ^３以上、より好ましくは０．２５ｍｇ／ｍｍ^３以上封入されている。
この封入量は、温度条件によっても異なるが、点灯時１５０気圧以上で極めて高い蒸気圧となる。また、水銀をより多く封入することで点灯時の水銀蒸気圧が２００気圧以上、３００気圧以上という高い水銀蒸気圧を得ることができ、波長３８０〜７８０ｎｍの可視光領域の光量を増大させ、さらには、ランプから放射される光のスペクトル分布を滑らかな分布状態にして演色性を向上させ、プロジェクター装置に適した光源を実現することができる。

希ガスは、例えば、アルゴンガスが約１３ｋＰａ封入され、点灯始動性を改善する。
ハロゲンは、沃素、臭素、塩素などが水銀その他の金属との化合物の形態で封入する。ハロゲンの封入量は、例えば、１０^−６〜１０^−２μｍｏｌ／ｍｍ^３の範囲であり、本実施例では、１０^−４μｍｏｌ／ｍｍ^３であり、その機能はハロゲンサイクルを利用して発光部の失透を防止して長寿命化を達成するものである。

ここで水銀量０．２５ｍｇ／ｍｍ^３である放電ランプを点灯させた時の分光分布を図２に示す。図２は、最大発光強度を１とした時の相対光出力を示すものである。
図２に示すように、この放電ランプは、映像を投射するのに必要な可視光である波長４００〜７８０ｎｍの波長領域を含む光を放射するものであり、この波長領域以外にも、水銀特有の発光である４００ｎｍ未満の紫外領域の光を放射し、特に、ｉ線である３６５ｎｍ付近に強い発光ピークを有するものであり、さらに、７８０ｎｍを超える赤外領域の光も放射するものである。

このような放電ランプを用いた光源装置では、放電ランプから放射される光のうち、４００ｎｍ未満の紫外光は、映像を投射することに対して利用されない光であり、一方、４００ｎｍ未満の紫外光は、高いエネルギーを有しており、本願発明は、従来利用されていなかった４００ｎｍ未満の紫外光を積極的に利用するものである。

凹面反射鏡２０は、アルミニウムよりなる金属製の凹面反射鏡である。
図３は、アルミニウム製の凹面反射鏡の反射特性図である。
図３に示すように、この凹面反射鏡は波長３００〜７８０ｎｍの光を略９０％反射するものである。
つまり、映像を投射するために必要な波長４００〜７８０ｎｍの可視光を高い反射率で反射するものであり、さらには、図２に示す４００ｎｍ未満の紫外光も９０％以上の高い反射率で反射するものである。

前面ガラス３０は、ほう珪酸ガラス製であって、厚さ５ｍｍの板状のガラスである。
この前面ガラス３０の放電ランプ側となる内側には、酸化タンタル層と酸化ケイ素層が交互に合計１７層積層された紫外光反射膜３１が形成されている。

図４は、この紫外光反射膜を有する前面ガラスの反射特性図である。
図４に示すように、この凹面反射鏡は波長４００ｎｍ以上の光を１０％以下反射するものであり、言い換えれば、９０％以上透過するものであり、映像を投射するために必要な３８０〜７８０ｎｍの可視光を高い割合で透過するものである。また、図２に示す４００ｎｍ未満の紫外光は高い割合で反射するものであり、具体的には３１０〜３９０ｎｍの波長範囲の光を９０％以上の反射率で反射するものである。

つまり、このような凹面反射鏡２０と前面ガラス３０を組み合わせた光源装置では、図２に示すような放電ランプ１０から放射された光のうち、映像を投射するために必要な３８０〜７８０ｎｍの可視光は、高い割合で前面ガラス３０を透過して映像を投射するために利用され、一方、映像を投射するためには利用されない３８０ｎｍ未満の紫外光は、凹面反射鏡２０で反射され、さらに、前面ガラス３０で反射されて凹面反射鏡２０の内部空間Ｓに閉じ込められることになり、紫外光が凹面反射鏡２０の反射部２２と前面ガラス３０の紫外線反射膜３１で繰り返し反射され、または、同じ経路を通って、発光管１１内のアーク部分に戻されることになり、アーク部分に存在する水銀原子の励起エネルギーとなり、発光効率を上げることができ、光出力が大きくなり、より明るい映像を得ることができるものである。

さらには、放電ランプ１０自体には、紫外光を発光管１１内のアーク部分に戻す手段が何ら講じられておらず、凹面反射鏡２０と前面ガラス３０によって紫外光を反射するものであるので、ランプ点灯時間の経過とともに発光効率が変化するものではなく、光出力が変動せず、光出力が大きな状態を常に維持することができるものである。

図５は、本発明の光源装置の他の例を示す説明図である。
この光源装置は、図１に示す光源装置において、凹面反射鏡の構造のみが異なるものであり、この相違点を中心に説明する。
凹面反射鏡２０ａは、ほう珪酸ガラスからなる凹面反射鏡であり、放電ランプ１０と対向する反射部２２ａの表面に、酸化ニオブ層と酸化ケイ素層が交互に合計５０層積層された光制御膜２２ｂが形成されている。

図６は、この光制御膜を有する凹面反射鏡の反射特性図である。
図６に示すように、この凹面反射鏡は、３００〜８００ｎｍの広い波長領域の光を反射し、特に、映像を投射するために必要な４００〜７８０ｎｍの可視光を９０％以上の高い反射率で反射するものであり、３３０〜４００ｎｍの紫外光は９０％以上もの高い反射率をもつものである。さらに、７８０ｎｍ以上の赤外光は、波長によって反射率が異なるが、主に反射率が低く、７８０ｎｍ以上の赤外光を透過する性能を有するものである。

つまり、このような凹面反射鏡２０ａと前面ガラス３０を組み合わせた光源装置では、図２に示すような放電ランプ１０から放射された光のうち、映像を投射するために必要な波長４００〜７８０ｎｍの可視光は、高い割合で前面ガラス３０を透過して映像を投射するために利用され、一方、映像を投射するためには利用されない４００ｎｍ未満の紫外光は、凹面反射鏡２０ａで反射され、さらに、前面ガラス３０で反射されて凹面反射鏡２０ａの内部空間Ｓに閉じ込められることになり、紫外光が凹面反射鏡２０ａの反射部２２ａの光制御膜２２ｂと前面ガラス３０の紫外線反射膜３１で繰り返し反射され、また、同じ経路を通って、発光管１１内のアーク部分に戻されることになり、アーク部分に存在する水銀原子の励起エネルギーとなり、発光効率を上げることができ、光出力が大きくなり、より明るい映像を得ることができるものである。

さらには、凹面反射鏡２０ａの光制御膜２２ｂによって、７８０ｎｍ以上の長波長側の赤外光、特に、８００ｎｍ以上の赤外光は、反射部２０ａの後方に透過し、前面ガラス３０で塞がれた凹面反射鏡２０ａの内部空間Ｓに赤外光を極力反射されて戻さないようにして、放電ランプ１０が赤外光によって過度に過熱されることを防止でき、プロジェクター装置を構成する光学部品も過度に加熱されることを防止できる。

なお、図１、図５で示す凹面反射鏡の反射部は、放物面形状であるが、楕円面形状であってもよい。

次に、図５に示す本発明の光源装置と、凹面反射鏡に紫外光反射機能がなく、また、前面ガラスに紫外光反射膜が設けられていない点以外は図５に示す光源装置と同様の比較光源装置を用いて、発光効率を調べる実験を行った。この実験を実験１と呼ぶ。
なお、発光効率は光源装置の前面ガラスから３ｍ離れたスクリーン上の光束を測定した。

下記の表１に実験１の条件を整理する。

表１より、本願発明の光源装置では、凹面反射鏡に映像を投射することに対して利用されない４００未満の紫外光、特に、３３０〜４００ｎｍの波長領域の紫外光を９０％以上と高い割合で反射する光制御膜が設けられている。
一方、比較光源装置では、凹面反射鏡は３００〜４００ｎｍの全域に渡って紫外光の反射率が５％以下と、実質的に、３００〜４００ｎｍの紫外光を反射せず、また、前面ガラスに紫外光反射膜が設けられておらず、この比較光源装置と本願発明の光源装置を比べると、本願発明の光源装置は、紫外光が効率よくアーク部分に反射して戻されているので、発光効率は、比較光源装置に比べ、７（ｌｍ／Ｗ）、約１１％も増加した。

次に、図５に示す本発明の光源装置を用いて、凹面反射鏡に形成された光制御膜と前面ガラスの紫外光反射膜の反射率を変え、発光効率を調べる実験を行った。反射率は、３５０〜４００ｎｍの紫外光の反射率を変えたものであり、この実験を実験２と呼ぶ。
発光効率は、上記実験１の比較光源装置の発光効率を基準値とし、その基準値に対する増加率で示すものである。下記表２に実験結果を示す。

反射する紫外光を３５０〜４００ｎｍの波長領域に規定した理由は、図２に示すように、水銀特有の発光波長のうち、３６５ｎｍ（ｉ線）の紫外光が４００ｎｍ未満の紫外光の中で最も放射強度が大きいものであり、この３６５ｎｍの紫外光を反射するために、その広がりを含めて３５０〜４００ｎｍの波長領域の光の反射を規定したものである。

なお、この実験に用いた、放電ランプの性能は表１に記載したものと同様であり、発光効率も先の実験と同じ方法で求めたものである。
また、凹面反射鏡と前面ガラスの３５０〜４００ｎｍの紫外光の反射率を変える手段は、適宜の方法を採用することができ、例えば、それぞれの膜を構成する積層膜の個別の膜厚を変えたり、或いは、積層数を変えて制御するものである。

表２より、凹面反射鏡に形成された光制御膜と前面ガラスの紫外光反射膜は、共に、３５０〜４００ｎｍの紫外光の反射率が９０％以上であれば、比較光源装置に比べ、発光効率増加率が１０％以上増加し、極めて効果的に放電ランプから放射される紫外光がアーク部分に反射して戻され、発光効率がよくなり光出力が大きくなっていることがわかる。

本発明の光源装置の説明図である。本発明の光源装置に用いられる放電ランプの分光分布図である。アルミニウム製の凹面反射鏡の反射特性図である。本発明の光源装置に用いられる紫外光反射膜を有する前面ガラスの反射特性図である。本発明の光源装置の他の例を示す説明図である。本発明の光源装置の光制御膜を有する凹面反射鏡の反射特性図である。

符号の説明

１０放電ランプ
１１発光管
１２ａ封止管
１２ｂ封止管
１３口金
２０凹面反射鏡
２１開口
２２反射部
２２ａ反射部
２２ｂ光制御膜
２３前方開口
３０前面ガラス
３１紫外光反射膜

Claims

石英ガラスからなる発光管の内部に一対の電極が対向配置され、０．１５ｍｇ／ｍｍ^３以上の水銀を封入した放電ランプと、
前記放電ランプを取り囲み、当該放電ランプからの放射光を前方開口から所定の方向に反射する凹面反射鏡と、
前記凹面反射鏡の前方開口を塞ぐように配置された前面ガラスよりなる光源装置において、
前記凹面反射鏡の内部空間は、前面ガラスによって閉じられており、
前記凹面反射鏡は、少なくとも３００〜７８０ｎｍの紫外光から可視光を反射するとともに、３５０〜４００ｎｍの紫外光の反射率が９０％以上であり、
前記前面ガラスは、３５０〜４００ｎｍの紫外光の反射率が９０％以上であるとともに、４００ｎｍ以上の光を透過する紫外光反射膜が形成されていることを特徴とする光源装置。
前記凹面反射鏡は、ガラス製の基材からなり、光制御膜が形成されており、
前記光制御膜は、３３０〜７８０ｎｍの紫外光から可視光を９０％以上反射するとともに、７８０ｎｍ以上の赤外光を透過することを特徴とする請求項１に記載の光源装置。