JP6548028B2 - 光源装置 - Google Patents

Description

本発明は、発光素子を用いた光源装置に関するものである。

液晶プロジェクター等の画像投影機に用いられる光源、あるいは、光硬化反応など各種の光反応装置などの光源として、レーザダイオードなどの固体発光素子を光源として用いた光源装置が提案されている。

例えば、特開２０１４−８２１４４号公報（特許文献１）には、励起光を出射する励起光源部（発光素子）と蛍光発光部（蛍光板）とを有する光源装置において、図５に示すように、発光素子として複数のレーザダイオード（レーザ光源）５１と、この複数のレーザ光源５１に対向して配置された放物面鏡（第１の凹面反射面５２１を有する第１の反射部材）５２と、楕円鏡（第２の凹面反射面５３１を有する第２の反射部材）５３と、を備えた構造が示されている。
この光源装置では、楕円鏡５３の第一焦点（楕円鏡５３の２つの焦点のうち、楕円鏡５３の反射面５３１に近い側の焦点）Ｆ１は放物面鏡５２の焦点Ｆと一致し、また、楕円鏡５３の第二焦点（楕円鏡５３の２つの焦点のうち、楕円鏡から離れている側の焦点）Ｆ２は、放物面鏡５２の反射面５２１とは反対側の背面側に位置している。

そして、放物面鏡５２の頂部には開口５２２が形成されていて、その後方、即ち、放物面鏡５２の背面側には、前記楕円鏡５３の第二焦点Ｆ２に一致した位置に蛍光板６０が配置されている。
レーザ光源５１から放射されたレーザ光は、レーザ光源５１の前方に設けられたコリメートレンズ５１１を通過することにより平行光となる。このレーザ光源５１とコリメートレンズ５１１は、放物面鏡５２の回転中心軸と平行な方向にレーザ光を放射するよう設けられている。

このように構成された光源装置では、レーザ光源５１から放射されたレーザ光は、放物面鏡５２で反射されてその焦点Ｆ（楕円鏡５３の第一焦点Ｆ１）に集光した後、楕円鏡５３に至り、ここでさらに反射され、放物面鏡５２の開口５２２を通過して、その背面側の第二焦点Ｆ２で集光して蛍光板６０に入射する。そして、この蛍光板６０によりレーザ光が蛍光に変換されるものである。

ところで、上記光源装置において、開口を通過した光を蛍光板に照射することなくそのまま利用する場合、集光後の光を利用することになるので、光の照射領域中において、光強度が均一とならない。
そのため、この光源装置を照明として利用する場合には、照射領域中で大きく明るさが異なることになり、好ましくない。また、この光源装置を、光硬化反応を生じさせる光源として利用する場合には、照射領域中で硬化速度に差が生じることになり、同様に好ましくない。

このような不具合を解消するために、照射領域中で光強度が均一となるように、光源装置から出射された光を、ロッドレンズ等の均一光学系に入射させて、この均一光学系から出射された光を利用することが考えられる。

ところで、楕円鏡５３の第一焦点（楕円鏡が有する２つの焦点のうち、反射面に近い側の焦点）Ｆ１と第二焦点（反射面から遠い側の焦点）Ｆ２との距離が大きくなる（＝倍率が大きくなる）に従って、第一焦点Ｆ１を通過した光が第二焦点Ｆ２に集光される際、集光スポット径が大きくなってしまう。

このような問題が生じる理由を以下説明する。
楕円鏡５３の第一焦点Ｆ１を通過した光は、理想的には第二焦点Ｆ２で一点に集光されるものとしているが、実際にはそうならず、ある程度の大きさ（広がり）をもった状態で第二焦点Ｆ２に集光される。これは、光源が完全な点光源ではないことに起因する。つまり、光源がある程度の大きさをもつため、そこから放射されたレーザ光は、放物面鏡５２で焦点Ｆに集光される際、完全に一点に集光されず、ある程度の大きさをもった状態で、放物面鏡５２の焦点Ｆ、つまり楕円鏡５３の第一焦点Ｆ１位置に集光される。

このようにある程度の大きさをもった状態で、楕円鏡５３の第一焦点Ｆ１を通過したレーザ光は、楕円鏡５３の反射面５３１において反射され、第二焦点Ｆ２へと集光されるが、このとき、この第二焦点Ｆ２においても一点に集光されず、ある程度の大きさをもった状態で集光されてしまうことになる。

ここで、第一焦点距離（楕円鏡頂部から第一焦点までの距離）ｆ１と、第二焦点距離（楕円鏡頂部から第二焦点までの距離）ｆ２の比率：ｆ２／ｆ１（以下、倍率という）が大きいほど、第二焦点において集光される光の径（以下、集光スポット径という）も大きくなる。つまり、楕円鏡の倍率以外の条件が同じであれば、楕円鏡の倍率が大きいほど、集光スポット径も大きい、ということである。

楕円鏡５３の第二焦点Ｆ２位置にロッドレンズの一端面を配置して、ロッドレンズの他端から光を出射させることを考えると、ロッドレンズの一端面の径を、集光スポット径以上に大きくしないと、楕円鏡で反射された光を効率よくロッドレンズに取り込ませることができない。つまり、楕円鏡の倍率が大きいほど、ロッドレンズの径も併せて大きくしないと、楕円鏡で反射された光を効率良く利用することができないことになる。

一方で、ロッドレンズの径を大きくした場合には、別の弊害が生じる。この点を以下説明する。
ロッドレンズの径が大きくなると、ロッドレンズの光出射面も大きくなり、その結果、ロッドレンズを通過した光のエテンデュも大きくなる。
ここで、エテンデュとは、（光源の発光している面積）×（光源から発散していく光の立体角）により算出される値であって、本ケースの場合、光源は「ロッドレンズの光出射面」に相当する。
エテンデュが大きな光を効率良く利用するためには、大きな光学系（例えば、径の大きなレンズ）を用いなければならず、光学系の大型化、光学系のコスト増加につながってしまう。
このように、光源装置から放射される光がエテンデュの大きなものである場合には、装置全体が大型化するといった問題がある。

特開２０１４−８２１４４号公報

上記従来技術の問題点に鑑みて、この発明が解決しようとする課題は、発光素子からの光を反射する放物面鏡と、この放物面鏡からの反射光をさらに反射するように対向配置された楕円鏡とを備えた光源装置において、発光素子から放射された光を高効率に利用できるとともに、よりエテンデュの小さな光を出射することができる光源装置を提供することである。

上記課題を解決するために、この発明に係る光源装置は、楕円鏡の第一焦点が放物面鏡の焦点と一致するとともに、第二焦点が前記放物面鏡の前面側に位置し、前記放物面鏡を光軸上で貫通するように導光体が設けられ、該導光体の入射端が前記楕円鏡の第二焦点に位置し、出射端が前記放物面鏡の背面側に位置していることを特徴とする。
また、前記楕円鏡と前記導光棒を一体保持する保持部材を備えていることを特徴とする。
また、前記放物面鏡が、前記保持部材が取り付けられた枠部材に支持されており、該枠部材には、前記放物面鏡の前記楕円鏡に対する位置を調整する位置調整機構が備えられていることを特徴とする。
また、前記位置調整機構は、前記放物面鏡の位置を３方向に調整する機構を備えていることを特徴とする。

この発明の光源装置によれば、発光素子からの光を放物面鏡によって反射し、更に楕円鏡によって反射するとき、その反射光は、放物面鏡の前面側に位置する楕円鏡の第二焦点に集光して、この光が放物面鏡を貫通する導光体によって放物面鏡の背面側に導かれることによって、楕円鏡の倍率を小さくして、第二焦点位置での集光スポット径を小さくできて、発光素子から放射された光を高効率に利用できるとともに、エテンデュの小さな光を出射することができるものである。

本発明の光源装置の断面図（Ａ）、そのＢ−Ｂ矢視側面図（Ｂ）。 本発明の光源装置における保持部材の斜視図。 本発明の光源装置における放物面鏡と保持部材の斜視図。 本発明の光源装置における位置調整機構を表す斜視図。 従来技術の光源装置の断面図。

図１（Ａ）（Ｂ）に示されるように、本発明の光源装置１は、光を放射する発光素子２を備えており、この発光素子２は、レーザダイオード（ＬＤ）などからなり、図１（Ｂ）に示すように、発光素子２が２列（ｚ方向）×４行（ｙ方向）でアレイ状に配置された発光素子アレイ（ＬＤアレイ）２１が、４列×２行に配置されてなる。つまり、発光素子２は、８列×８行の合計６４個備えられている。
なお、発光素子２は、発光部を一つずつ有するＣＡＮタイプの半導体レーザでもよく、また、ＬＥＤでもよい。

また、発光素子２の前方には、この発光素子２から放射された光を平行光とするコリメートレンズ２２が設けられていて、発光素子２から放射された光は、このコリメートレンズ２２を通過して平行光Ｌ１となる。

発光素子２の光軸上の前方には、放物面鏡３が、その開放前面が発光素子２に向かうように対向配置されている。
そして、この放物面鏡３に同一光軸上で対向して楕円鏡４が配置されている。即ち、放物面鏡３と楕円鏡４は、それぞれの回転中心軸を一致させて、開放前面を向い合せるように対向されている。
前記放物面鏡３の焦点Ｆは、発光素子２よりも前方に位置していて、前記楕円鏡４の第一焦点Ｆ１と一致している。
ここで、前記放物面鏡３は、発光素子２からの平行光の全てを受光する大きさであることが望ましい。また、前記楕円鏡４は、発光素子２から放物面鏡３に向かう光を遮蔽することのないような大きさであることが望ましい。

また、前記楕円鏡４の第二焦点Ｆ２は、前記放物面鏡３の前面側に位置している。そして、前記放物面鏡３にはその頂部に開口３２が形成されていて、該放物面鏡３の光軸上において導光体５がこの放物面鏡３を貫通するように設けられている。この導光体５の入射端５１は前記楕円鏡４の第二焦点Ｆ２に位置するとともに、出射端５２は前記放物面鏡３の背面側に位置している。
なお、ここで、前方あるいは前面とは、光の出射方向あるいは反射方向をいい、後方もしくは背面とはこれと反対方向を意味するものとして使用される。
前記したように、放物面鏡３と楕円鏡４の回転中心軸が一致し、導光体５がこれら放物面鏡３と楕円鏡４の光軸（回転中心軸）上に位置するとしたが、こうすることで、発光素子２からの光を導光体５の入射端５１の中心に入射させることができるので、導光体５に対して光を効率的に入射させることができる。

前記導光体５は、例えば、ロッドレンズが好適であり、楕円鏡４によって反射されて入射端５１からロッドレンズ（導光体）５に入射した光は、内部で全反射を繰り返し、出射端５２に到達する。この出射端５２における光の強度分布は、入射端５１における光の強度分布よりも均一化されたものとなっている。
ただ、導光体５としては、ロッドレンズに限定されるものではなく、楕円鏡によって反射された光が少なくとも透過乃至通過するものであればよく、内面に反射面が形成されたパイプ等も利用可能である。また、導光体５は、円柱型のものでもよく、角柱型のものでもよい。

発光素子２から放射された光の経路について説明すると以下の通りである。
発光素子２から放射された光は、コリメートレンズ２２を通過して平行光Ｌ１となった状態で、放物面鏡３の反射面３１の方向へ進む。このとき、この平行光Ｌ１の進行方向は、放物面鏡３の回転中心軸と平行である。
放物面鏡３の反射面３１に到達した光はここで反射されて、該放物面鏡３の焦点Ｆに向けて進行する。焦点Ｆ（の近傍）を通過した光は、対向配置された楕円鏡４の反射面４１に到達する。ここで、楕円鏡４の第一焦点Ｆ１は、前記放物面鏡３の焦点Ｆと一致するような構成であることから、楕円鏡４の反射面４１により反射された光は、その第二焦点Ｆ２の方向へと向かう。

楕円鏡４の第二焦点Ｆ２と、導光体５の入射端５１は一致するよう設けられているので、楕円鏡４によって反射された光は導光体５の入射端５１から導光体５の内部に導入される。導光体５の内部では、光が全反射されて他端である出射端５２に向かい、ここから光が出射される。以上のような光の経路により、光源装置１（の導光体５）から光が出射される。
出射された光は、そのまま照明光として利用しても良いし、あるいは、例えば、図１（Ａ）に示すように、導光体５の出射端５２に対向配置された蛍光板６に照射して、光源装置１から放射された光の少なくとも一部を蛍光に変換するように構成してもよい。また更には、集光レンズ等の光学系に入射させるように構成してもよい。

上記において、光源装置１から出射された光を蛍光板６や、他の光学系などに入射させて利用する場合、光源装置１からエテンデュのより小さな光が出射されることが望ましい。蛍光板６に入射させる場合、エテンデュが小さな光であるほど、該蛍光板６から放射される光のエテンデュも小さくなり、この蛍光板６から放射される蛍光を利用するために用いる光学系を小型・安価とすることができる。また、光学系に入射させる場合においても、その光学系を小型・安価とすることができることは同様である。

図２〜４に本発明の光源装置１の具体的な構成例が示されている。
図２には、楕円鏡４と導光体５を保持部材７によって一体的に保持する構造が示されている。保持部材７は、導光体５を保持する第1部材７１と、一対の支持アーム７２、７２と、これに連結された楕円鏡４を保持する第２部材７３とからなり、全体として四辺形の枠体形状となっている。
図３も参照して、第１部材７１には導光体載置部材７４が設けられ、この上に載置された導光体５は、上部から押え部材７５によって押圧支持されている。
このような構造とすることで、楕円鏡４と導光体５の相対位置が位置決めされて保持され、導光体５の入射端５１が楕円鏡４に正確に対向配置されるとともに、出射端５２が第１部材７１を貫通する形で延在配置される。

このような保持構造とすることで、楕円鏡４と導光体５とを一体的に保持することができて、導光体５の入射端５１を楕円鏡４の第二焦点Ｆ２に機械的に一致させることができて、調整が不要となる。

図３には、上記保持部材７に保持された楕円鏡４との位置関係で放物面鏡３が配置された構造が示されている。放物面鏡３は、その頂部開口３２を導光体５が貫通するように設けられて、楕円鏡４と対向するように配置される。このとき、該放物面鏡３は保持部材７に保持されるのではなく、これとは独立して支持されている。

図４にその構造が示されていて、放物面鏡３は、その上下端部を枠部材８に支持されていて、前記保持部材７はこの枠部材８に取り付けられている。そして、この枠部材８には、放物面鏡３を、前後・上下・左右に、即ちｘ、ｙ、ｚ方向にそれぞれ位置調整する機構を備えている。
この位置調整は、例えば、前後調整ネジ９１により放物面鏡３を前後（ｘ）方向、即ち、楕円鏡４と光軸方向での相対位置調整をすることができ、上下調整ネジ９２によって、上下（ｙ）方向の調整を行い、また、左右調整ネジ９３によって左右（ｚ）方向の調整を行うことができる。これにより、保持部材７に保持された楕円鏡４に対して、放物面鏡３の位置を移動調整して、これらの相対位置を適正に維持することができるものである。
なお、放物面鏡３の支持は、その上下端部に限られず、左右端部であっても、更にはその両者端部であってもよいことは勿論である。

放物面鏡３の焦点位置Ｆと楕円鏡４の第一焦点Ｆ１の位置を一致させることが、光源装置の性能において重要であるが、放物面鏡３、楕円鏡４、その他部材の機械精度によっては、これらが一致しない場合がある。特に、放物面鏡３はその大きさが他の光学部材よりも大きくなるために、光学的なズレが発生しやすい。そのような場合において、放物面鏡３が楕円鏡４に対して移動可能に支持されていて、放物面鏡３の位置を調整することでこれらの焦点位置を一致させるよう追い込むことができる。

また、楕円鏡を保持する保持部材が発光素子側に配置された光源装置を小型化した場合においては、発光素子と楕円鏡間のスペースが小さくなり、焦点位置を一致させるために楕円鏡側を動かすことは困難になるが、本発明によれば、放物面鏡側を動かすことで位置調整するので、干渉するものが少なくスムーズに行えるという利点もある。

なお、楕円鏡と導光体を一体保持するのは、楕円鏡の第二焦点位置と導光体の入射端はおよそ一致していれば、楕円鏡からの反射光を導光体に効率的に入射できるので、全体の性能に大きな影響を与えることはなく、保持部材の機械精度により楕円鏡と導光体の位置関係を一義的に決定してしまえるという利点があるからである。

以上説明したように、本発明に係る光源装置は、発光素子から放射された光を反射する放物面鏡と、これと対向配置された楕円鏡とを備えた光源装置において、楕円鏡の第一焦点を放物面鏡の焦点と一致させるとともに、第二焦点を放物面鏡の前面側に位置し、放物面鏡を光軸上で貫通するように設けられた導光体の入射端を楕円鏡の第二焦点に位置させるとともに、出射端を放物面鏡の背面側に位置させていることにより、楕円鏡の倍率を小さくして、第二焦点位置での集光スポット径を小さくできて、発光素子から放射された光を高効率に利用できるとともに、エテンデュの小さな光を出射することができるものである。

１ 光源装置
２ 発光素子
２１ 発光素子アレイ
２２ コリメートレンズ
３ 放物面鏡
３１ 反射面
３２ 頂部開口
Ｆ 放物面鏡の焦点
４ 楕円鏡
４１ 反射面
Ｆ１ 楕円鏡の第一焦点
Ｆ２ 楕円鏡の第二焦点
５ 導光体
５１ 入射端
５２ 出射端
６ 蛍光板
７ 保持部材
８ 枠部材
９１ 前後調整ネジ
９２ 上下調整ネジ
９３ 左右調整ネジ

Claims (5)

1. 発光素子と、
   前記発光素子から放射された光を反射する放物面鏡と、
   前記放物面鏡で反射された光をさらに反射するように同一光軸上で対向配置された楕円鏡と、
   からなる光源装置において、
   前記楕円鏡の第一焦点が前記放物面鏡の焦点と一致するとともに、第二焦点が前記放物面鏡の前面側に位置し、
   前記放物面鏡を光軸上で貫通するように導光体が設けられ、該導光体の入射端が前記楕円鏡の第二焦点に位置し、出射端が前記放物面鏡の背面側に位置している、
   ことを特徴とする光源装置。
2. 前記楕円鏡と前記導光体を一体保持する保持部材を備えていることを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
3. 前記放物面鏡が、前記保持部材が取り付けられた枠部材に支持されており、該枠部材には、前記放物面鏡の前記楕円鏡に対する位置を調整する位置調整機構が備えられていることを特徴とする請求項２に記載の光源装置。
4. 前記位置調整機構は、前記放物面鏡の位置を３方向に調整する機構を備えていることを特徴とする請求項３に記載の光源装置。
5. 前記導光体の出射端からの光が入射するように設けられ、その光の少なくとも一部を蛍光に変換する蛍光板を備えていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の光源装置。
   
   
   

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