JP5373373B2 - ランプ装置 - Google Patents

Description

本発明は、発光部の前後両端に電極アセンブリを挿通して封止する封止部が形成された高圧放電ランプが凹面反射鏡に装着されて成り、特に、液晶プロジェクタやＤＬＰプロジェクタ等の光源等に使用されるランプ装置に関する。

液晶プロジェクタは、光源から出射された光の光量分布を平坦にするロッドレンズやアレイレンズなどの光量分布均一化光学系（ホモジナイザー）を透過させた後、画像を生成する液晶パネルの背面から光を当て、前方のスクリーンに映像を映し出すタイプの映像機器であり、ＤＬＰプロジェクタは、液晶パネルに替えてＤＭＤ素子（Digital Micromirror Device)と呼ばれる反射型光素子を利用して映像を映し出すタイプの映像機器である。

図４は、このような液晶プロジェクタ等の光源としてその機器内に設置される従来のランプ装置５１の基本的構成を示し、高圧放電ランプ５２とその光を反射する楕円面鏡又は放物面鏡などの回転凹曲面状の反射面を有する凹面反射鏡５３とを備えている。
高圧放電ランプ５２は、発光部５４を挟んで管軸方向前後両端に封止部５５Ａ、５５Ｂが形成された発光管５６に、その両側封止部５５Ａ，５５Ｂから一対の電極アセンブリ５７が挿通されている。
電極アセンブリ５７は、タングステンでなる先端電極部５８とモリブデン箔５９とモリブデン線６０とを直列的に溶接して形成され、その先端電極部５８が前記発光部５４内に対向された状態で封止部５５Ａ，５５Ｂが気密封止されている。

そして、高圧放電ランプ５２の一方の封止部５５Ａが凹面反射鏡５３の開口部５３ａ側に向けられ、他方の封止部５５Ｂが凹面反射鏡５３のボトム５３ｂ側に向けられて、高圧放電ランプ５２の管軸Ｗと凹面反射鏡５３の光軸Ｚが同軸的に配されている。
これにより、発光部５４からその周囲に向かって前後方向に所定の角度範囲で照射される光を前記凹面反射鏡５３で反射させ、ランプ前方に配されたロッドレンズなど光量分布均一化光学系６１の光入射面など所定の大きさの集光エリアＳＰに集光照射させるようになっている。

この場合に、図５（ａ）に示すように比較的大型の反射鏡５３を用いれば、角度範囲θ_２１で照射される光のほとんどを有効利用することができるが、装置の小型軽量化の要請に伴い、図５（ｂ）に示すように凹面反射鏡５３も小型化した場合、光の利用効率が低下せざるを得ない。
すなわち、凹面反射鏡５３を小型化すると、発光部５４から所定角度θ_２１で放射される光のうち、後方側に所定角度θ_２２で放射される光のみが凹面反射鏡５３で反射されて集光エリアＳＰに達し、前方側に所定角度θ_２３で放射される光は周囲に漏洩して集光エリアＳＰに届かず、その結果、光の利用効率が低下するだけでなく、その光が液晶プロジェクタ機器内のケーシング部品等に照射されるため、劣化し破損したり変質したりするという問題があった。
図６は、光の放射方向に対する配光分布を示すグラフである。横軸が高圧放電ランプ５２の管軸Ｚの方向、縦軸が管軸Ｚ上にある発光点を通り管軸Ｚと直交する方向、同心円目盛が縦軸方向の光を１００％としたときの光量比を示す。
これによれば、高圧放電ランプ５２から放射される光のうち、有効に利用されるのは後方側に所定角度θ_２２（８２〜１４５°）で放射される光のみであり、角度θ_２３（４５〜８２°）で放射される光量６０〜１００％の光は全く利用されていないことがわかる。

このため、図７（ａ）に示すように、高圧放電ランプ５２の発光部５４から凹面反射鏡５３の前面開口部５３ａ側へ放射される光を発光部５４の中心（発光点）方向へ反射させる副反射鏡６２もしくは反射膜（図示せず）を設けたものも提案されている（特許文献１、２、３及び４参照）。
これによれば、後方側に所定角度θ_２４で放射される光は凹面反射鏡５３で反射されて集光エリアＳＰに届き、前方側に所定角度θ_２５で放射される光は副反射鏡６２により反射されて、再び発光部５４の中心（発光点）を通り背面側の反射鏡５３で反射されて集光エリアＳＰに至る。したがって、前方に照射された光の漏洩が抑えられ、光の利用効率も高い。
特開２００５−３０９３７２号公報 特許第３１８４４０４号公報 特許第３２０４７３３号公報 特表２００５−５０５９０９号公報

しかし、副反射鏡６２や反射膜は、発光部５４から放射される光を発光部５４へ反射させるため、その反射光により、発光部５４内に配された電極が過熱され、その先端部からの電極物質の蒸発飛散量が多くなって発光部５４の内表面に付着し、早期黒化を生ずるおそれがあると同時に、ランプ点灯時に最も高温となる電極先端部から放射される熱や、その部分から伝播される熱により発光部５４の封止部５５Ａ側の内表面温度が著しく上昇して、発光部５４の膨れや破裂を生ずるおそれがあった。

また、図７（ｂ）に示すように、高圧放電ランプ５２の発光部５４から凹面反射鏡５３の前面開口部５３ａ側へ放射される光を発光部５４側へ反射させずに、前方へ直接反射させる補助反射鏡６３を設けて、高圧放電ランプ５１の光利用効率を高めることも可能である（特許文献５参照）。
この場合も、後方側に所定角度θ_２６で放射される光は凹面反射鏡５３で反射されて集光エリアＳＰに達し、前方側に所定角度θ_２７で放射される光は補助反射鏡６３により反射されて集光エリアＳＰに達する。したがって、前方に放射された光の漏洩が抑えられ、光の利用効率も高い。
特開２００１−１２５１９７号公報

しかし、補助反射鏡６３に形成される反射膜は、一般に、誘電体薄膜を数十層以上積層させて形成されるので、その製造に手間と時間がかかり、製造コストが嵩むだけでなく、過熱により反射膜が劣化して剥離するなど耐久性に問題を生ずる。
さらに、このような補助反射鏡６３は金属製のスポーク６４により支持せざるを得ず、したがってランプ５２を点灯させたときに、スポーク６４の影が写り込んだり、過熱によりスポーク６４が歪んで配光が崩れたり、酸化して錆びるなどの問題を生じていた。

また、凹面反射鏡は正面から見て円形であることから、光軸方向から見て方形断面の収納スペースに装着するために、凹面反射鏡の先端フランジ部は正方形に形成するのが一般的である。
しかし、設計の都合上、照明光学系の収納スペースを長方形にせざるを得ない場合があり、この場合、反射鏡の有効面積は直径の３乗に比例するため、収納スペースを１辺５ｃｍの正方形断面から、幅×縦＝５×４ｃｍの長方形とする場合に、反射鏡を５ｃｍから４ｃｍに２０％減するだけで、有効反射面積は約６４／１２５と、約５０％まで低下してしまう。

このように、直径を小さくして反射鏡を小型化すると有効利用面積が激減するため、出願人は、光軸方向（正面）から見て円形の凹面反射鏡の直径をそのままに、上下を切り落として略長方形の形状の反射鏡を試作した。
この凹面反射鏡は、その光軸をＺ軸とし、これに直交する二軸をＸ軸及びＹ軸としたときに、当該反射鏡の周面がＺ軸を対称軸とし且つＺＸ面に平行な二つの平面で切断したもので、反射鏡周面とＹ軸が交差する部分に二つのアーチ状の切欠部が対向形成され、水平断面で見たときは反射鏡の奥行きが深く、垂直断面で見たときは反射鏡が浅くなる。
これによれば、直径を小さくする場合に比して有効反射面積の低下が少なく光の利用効率の低下を抑えることができる。
ただし、アーチ状の切欠部が対向形成されることから、当然のことながら、切欠部がなければ、その部分で反射されて有効に利用できた光を利用することができなくなり、その分だけは、光の利用効率が低下するという問題を生ずる。

そこで本発明は、光軸方向から見て円形の凹面反射鏡の上下を切り落として略長方形の形状としたときでも、副反射鏡や補助反射鏡を用いることなく、もとの円形凹面反射鏡を用いた場合と同程度まで光利用効率を向上させ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、本発明は、高圧放電ランプと、光軸を中心軸とする回転凹曲面状の反射面を有する凹面反射鏡とを備え、高圧放電ランプは、発光部を挟んで管軸方向前後両端に封止部が形成された発光管に、その両側封止部から電極アセンブリが挿通され、先端電極部を前記発光部内で対向させた状態で当該封止部が気密封止されると共に、その管軸を凹面反射鏡の光軸に一致させた状態に配され、前記発光部からその周囲に向かって前後方向に所定の角度範囲で放射される光の一部を前記凹面反射鏡で反射させてランプ前方に形成された所定の大きさの集光エリアに照射させるランプ装置において、前記凹面反射鏡は、その光軸をＺ軸とし、これに直交する二軸をＸ軸及びＹ軸としたときに、当該反射鏡の周面がＺ軸を対称軸とし且つＺＸ面に平行な二つの平面で切断されて、反射鏡周面とＹ軸が交差する部分に二つのアーチ状の切欠部が対向形成され、前記発光部の外周面には、発光部から前記切欠部に向ってＹ軸方向に所定の角度範囲で照射される光束と交差する部分に反射プリズムが設けられ、当該反射プリズムには、その光をランプ前方に形成された前記集光エリアに向かって反射させるプリズム反射面がＺＸ面に対して対称に形成されていることを特徴としている。

本発明によれば、凹面反射鏡は、その光軸をＺ軸とし、これに直交する二軸をＸ軸及びＹ軸としたときに、当該反射鏡の周面がＺ軸を対称軸とし且つＺＸ面に平行な二つの平面で切断されて、反射鏡周面とＹ軸が交差する部分に二つのアーチ状の切欠部が対向形成されているため、正面から見て上下が切り落とされた略長方形の形状をしている。
この場合、発光部から切欠部が形成されていない部分に向かって照射された光は、直接、反射鏡で反射され、ランプ前方に形成された所定の大きさの集光エリアに達し、その反射面積は直径を小さくした場合よりも大きいので、光学系の収納スペースを長方形断面にせざるを得ない場合であっても、比較的高い光の反射光率を確保することができる。

さらに、発光部の外周面には、発光部から反射鏡の切欠部に向ってＹ軸を中心に所定の角度範囲で照射される光束と交差する部分にプリズム反射面が形成されているので、発光部から切欠部に向かって照射された光はそのプリズム反射面で反射されて集光エリアに達する。
したがって、反射鏡に切欠部を形成しても、プリズムを設けたことにより切欠部に向かって照射された光が集光エリアに向かって反射されることとなるので、切欠部を形成したことによる光の利用効率の低下はほとんどなく、光学系の収納スペースを長方形断面に形成しなければならない場合であっても、その長軸を一辺の長さとする正方形断面の収納スペースを確保した場合と同じ光量を確保することができる。

本例では、光軸方向から見て円形の凹面反射鏡の上下を切り落として略長方形の形状としたときであっても、副反射鏡や補助反射鏡を用いることなく、高圧放電ランプの光利用効率を向上するという目的を達成するために、高圧放電ランプと、光軸を中心軸とする回転凹曲面状の反射面を有する凹面反射鏡とを備えたランプ装置において、凹面反射鏡は、その光軸をＺ軸とし、これに直交する二軸をＸ軸及びＹ軸としたときに、当該反射鏡の周面がＺ軸を対称軸とし且つＺＸ面に平行な二つの平面で切断されて、反射鏡周面とＹ軸が交差する部分に二つのアーチ状の切欠部が対向形成され、発光部の外周面には、発光部から前記切欠部に向ってＹ軸方向に所定の角度範囲で照射される光束と交差する部分に反射プリズムが設けられ、当該反射プリズムには、その光をランプ前方に形成された前記集光エリアに向かって反射させるプリズム反射面をＺＸ面に対して対称に形成した。

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（ａ）及び（ｂ）は本発明に係るランプ装置の正面図及び垂直−水平断面図、図２はその全体外観図、図３はプリズムの製造工程を示す説明図である。

図１は本発明に係るランプ装置の一例を示し、このランプ装置１は、高圧放電ランプ２とその光を反射する楕円面鏡又は放物面鏡などの回転凹曲面状の反射面を有する凹面反射鏡３とを備えている。
そして、例えば、液晶プロジェクタの光源として使用され、ロッドレンズやアレイレンズなどの光量分布均一化光学系（ホモジナイザー）１１を透過した光が、画像生成部となる液晶パネル（図示せず）に照射されるように配されている。

高圧放電ランプ２は、発光部４を挟んで管軸方向前後両端に封止部５Ａ、５Ｂが形成された発光管６に、その両側封止部５Ａ，５Ｂから一対の電極アセンブリ７が挿通されている。
電極アセンブリ７は、タングステンでなる先端電極部８とモリブデン箔９とモリブデン線１０とを直列的に溶接して形成され、その先端電極部８が前記発光部４内に対向された状態で封止部５Ａ、５Ｂが気密封止されている。

高圧放電ランプ２と凹面反射鏡３は、ランプ２の一方の封止部５Ａが反射鏡３の開口部３ａ側に向けられ、他方の封止部５Ｂが反射鏡３のボトム３ｂ側に向けられて、ランプ２の管軸Ｗと反射鏡３の光軸Ｚが同軸的に位置するように固定されている。
これにより、発光部４からその周囲に向かって前後方向に所定の角度範囲で放射される光の一部（主として後方に向かう光）を凹面反射鏡３で反射させ、ランプ前方に配されたロッドレンズなど光量分布均一化光学系１１の光入射面など所定の大きさの集光エリアＳＰに集光照射させるようになっている。

また、凹面反射鏡３は、光軸Ｚに直交する二軸をＸ軸及びＹ軸としたときに、当該反射鏡３の周面が光軸Ｚを対称軸とし且つＺＸ面に平行な二つの平面で切断されて、反射鏡周面とＹ軸が交差する部分に二つのアーチ状の切欠部１２Ａ、１２Ｂが対向形成されている。

そして、発光管６の発光部４の外周面には、発光部４から切欠部１２Ａ及び１２Ｂに向ってＹ軸方向に所定の角度範囲（前後θｙ、左右δｙ）で照射される光束と交差する部分に、反射プリズム１４が設けられ、当該反射プリズム１４には、その光を前記集光エリアＳＰに向かって反射させる二つのプリズム反射面１３Ａ、１３Ｂが、ＺＸ面に対して対称に形成されている。
本例では、プリズム反射面１３Ａ、１３Ｂを有する反射プリズム１４にリング状の装着部１５が形成されており、プリズム反射面１３Ａ，１３Ｂが発光部４の外周面に位置するように発光管６の封止部５Ａに外装され、隙間に充填されたフリットガラス２４を溶融させることにより固定している。

この反射プリズム１４は、プリズム面を環状に形成した後、その左右両側を装着部１５の外径に等しい間隔の平行面で切断することにより形成されている。
より具体的には、図１（ａ）で示す正面図において、発光部４の発光点Ｐ_０を中心に切欠部１２Ａ及び１２Ｂに対応するＸＹ_１−ＸＹ_２及びＸＹ_３−ＸＹ_４に向かってα_１の角度範囲で照射される光束と交差する部分にプリズム反射面１３Ａ、１３Ｂが形成され、発光部４から照射された光を集光エリアＳＰに向かって反射させるようになっている。また、発光部４の発光点Ｐ_０を中心に切欠部１２Ａ及び１２Ｂが形成されていない部分ＸＹ_２−ＸＹ_３及びＸＹ_４−ＸＹ_１に向かってα_２の角度範囲で照射される光束は、反射プリズム１４に入射されることなく反射鏡３で直接反射されるようになっている。
また、図１（ｂ）の中心線上方に示す垂直断面図において、発光部４の発光点Ｐ_０を中心に有効反射面ＺＹ_１−ＺＹ_２に向かってβ_１の角度範囲で照射される光は凹面反射鏡３で直接反射されるように、その光路中には反射プリズム１４が配置されていない。また、発光点Ｐ_０を中心に切欠部１２Ａ及び１２Ｂに対応するＺＹ_２−ＺＹ_３に向かってβ_２の角度範囲で照射される光束と交差する部分には反射プリズム１４が配され、そのプリズム反射面１３Ａ、１３Ｂが形成され、発光部４から照射された光を集光エリアＳＰに向かって反射させるようになっている。
さらに、図１（ｂ）の中心線下方に示す水平断面図において、発光部４の発光点Ｐ_０を中心に有効反射面ＺＸ_１−ＺＸ_２に向かってγの角度範囲で照射される光束と交差する部分に反射プリズム１４はなく、その光は全て反射鏡３で反射され、集光エリアＳＰに達する。

これにより、発光部４から切欠部１２Ａ，１２Ｂに向かう光も、プリズム反射面１３Ａ，１３Ｂで反射されて集光エリアＳＰに達するので、切欠部１２Ａ，１２Ｂを形成していない同径の反射鏡の光利用効率と略同一の効率で光を利用することができる。

図３は反射プリズム１４の製造工程を示す。
プリズム１４は石英微粒子２１を型２２に入れ、加圧して焼結用成形体１６を形成し、型バラシして取り出した後に、これを焼結して環状プリズム１８を形成する。
型２２は、図３（ａ）に示すように、左右に分割された外枠２３Ｒ、２３Ｌと、プリズム１４の孔を形成する中子を兼用するベース２３Ｂと、前記外枠２３Ｒ、２３Ｌ及びベース２３Ｂで形成されるキャビティに充填された石英微粒子２１を加圧する二重円筒状の加圧子２３Ｐ、２３Ｑからなる。

まず、図３（ｂ）に示すように、前記外枠２３Ｒ、２３Ｌ及びベース２３Ｂを組み立てることにより形成されるキャビティに石英微粒子２１を充填し、図３（ｃ）に示すように外側の加圧子２３Ｐで加圧したところで、さらに、石英微粒子２１を充填する。
次いで、図３（ｄ）に示すように内側の加圧子２３Ｑで加圧して、焼結用成形体１６を形成した後、型バラシして焼結用成形体１６を取り出し焼結すると、図３（ｅ）に示すようにリング状の装着部１５の周囲に環状のプリズム面１７が形成された環状プリズム１８が完成する。

そして、環状プリズム１８の周面をＺＹ面に平行で、装着部１５の外径に等しい間隔の平行面で切断すると、図３（ｆ）に示すように、ＺＸ面に対して上下に対称な二つのプリズム反射面１３Ａ、１３Ｂが形成され、その全面を光学研磨することにより、反射プリズム１４が完成する。
なお、環状プリズム１８を切断する平行面の間隔は、反射鏡３に形成された切欠部１２Ａ、１２Ｂの大きさに応じて決定される。
すなわち、図１（ａ）で見て、切欠部１２Ａ及び１２Ｂに対応するＸＹ_１−ＸＹ_２及びＸＹ_３−ＸＹ_４に向かってα_１の角度範囲で照射される光束と交差する部分にプリズム反射面１３Ａ、１３Ｂが形成されるように、平行面の間隔を選定する。

そして、このように形成された反射プリズム１４の装着部１５を発光管６の封止部５Ａに外装し、隙間にフリットガラス２４を充填してこれを溶融させて固着させ、この発光管６を凹面反射鏡３に装着したランプ装置１により光を照射すると、正面から見てＸ軸方向に角度α_２、水平断面で見て角度γで出射された光は、反射鏡３で反射されて集光エリアＳＰに達する。この光束の反射効率は、切欠部１２Ａ、１２Ｂが形成されていない場合の同径の反射鏡における反射効率に等しい。

また、正面から見てＹ軸方向に角度α_１、垂直断面で見て角度β_１＋β_２で出射された光は、反射鏡３に切欠部１２Ａ、１２Ｂが形成されていなければ、すべて反射鏡３で反射されて集光エリアＳＰに達するが、切欠部１２Ａ、１２Ｂが対向形成されているため、反射面ＺＹ_１−ＺＹ_２に向かってβ_１の角度範囲で照射される光のみが反射鏡３で反射されて集光エリアＳＰに達する。
また、切欠部１２Ａ及び１２Ｂに対応するＺＹ_２−ＺＹ_３に向かってβ_２の角度範囲で出射された光は、この光束と交差する部分に配されたプリズム１４に入射されてプリズム反射面１３Ａ，１３Ｂで反射され、集光エリアＳＰに達する。
したがって、切欠部１２Ａ及び１２Ｂを形成したことにより反射鏡３で反射されない光も、プリズム１４で反射されて集光エリアにＳＰに達するので、この光束の反射効率は、切欠部１２Ａ、１２Ｂが形成されていない場合の同径の反射鏡における反射効率に等しい。

すなわち、本発明では、反射鏡３を断面長方形の収納スペースに収めるために、反射鏡３の周面をＺＸ面に平行な二つの平面で切断することにより正面から見て長方形の形状とすることによって、反射鏡周面とＹ軸が交差する部分（上下両側）に二つのアーチ状の切欠部１２Ａ、１２Ｂを対向形成することとなっても、その切欠部１２Ａ、１２Ｂがなければ反射鏡３で反射して集光エリアＳＰに達する筈であった光が、プリズム１４に入射されてプリズム反射面１３Ａ，１３Ｂで反射され、集光エリアＳＰに達するので、切欠部１２Ａ，１２Ｂが形成されていない同径の反射鏡と同等の光利用効率を得ることができる。

以上述べたように、本発明は、特に、液晶プロジェクタやＤＬＰプロジェクタ等の光源等の用途に適用できる。

本発明に係るランプ装置の正面図及び垂直−水平断面図。 その全体外観図。 プリズムの製造工程を示す説明図。 従来装置を示す説明図。 反射鏡の大きさと光利用効率の関係を示す説明図。 従来装置の配光分布を示す説明図。 改良型の従来装置を示す説明図。

符号の説明

１
ランプ装置
２
高圧放電ランプ
３
凹面反射鏡
４
発光部
５Ａ
封止部
５Ｂ
封止部
６
発光管
７
電極アセンブリ
ＳＰ
集光エリア
１２Ａ
切欠部
１２Ｂ
切欠部
１３Ａ
プリズム反射面
１３Ｂ
プリズム反射面
１４
反射プリズム

Claims (2)

1. 高圧放電ランプと、光軸を中心軸とする回転凹曲面状の反射面を有する凹面反射鏡とを備え、
   高圧放電ランプは、発光部を挟んで管軸方向前後両端に封止部が形成された発光管に、その両側封止部から電極アセンブリが挿通され、先端電極部を前記発光部内で対向させた状態で当該封止部が気密封止されると共に、その管軸を凹面反射鏡の光軸に一致させた状態に配され、
   前記発光部からその周囲に向かって前後方向に所定の角度範囲で放射される光の一部を前記凹面反射鏡で反射させてランプ前方に形成された所定の大きさの集光エリアに照射させるランプ装置において、
   前記凹面反射鏡は、その光軸をＺ軸とし、これに直交する二軸をＸ軸及びＹ軸としたときに、当該反射鏡の周面がＺ軸を対称軸とし且つＺＸ面に平行な二つの平面で切断されて、反射鏡周面とＹ軸が交差する部分に二つのアーチ状の切欠部が対向形成され、
   前記発光部の外周面には、発光部から前記切欠部に向ってＹ軸方向に所定の角度範囲で照射される光束と交差する部分に反射プリズムが設けられ、
   当該反射プリズムには、その光をランプ前方に形成された前記集光エリアに向かって反射させるプリズム反射面がＺＸ面に対して対称に形成されていることを特徴とするランプ装置。
2. 前記反射プリズムが、発光部外周面に位置するように発光管に装着されて成る請求項１記載のランプ装置。

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