JPH06102439A

JPH06102439A - 集光照明装置

Info

Publication number: JPH06102439A
Application number: JP4289220A
Authority: JP
Inventors: Ikuo Iwai; 郁夫祝
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1992-09-17
Filing date: 1992-09-17
Publication date: 1994-04-15

Abstract

(57)【要約】【目的】光源から四方に放射される光線を、回転楕
円面鏡などの反射鏡、或はレンズなどにより偏向して、
一点に集光させる機能を持つ、集光照明装置において、
その集光点近傍に特殊形状の偏向光学素子を配置して、
光源からの放射光の利用効率を高めること。【構成】集光照明装置の集光点近傍に、略円錐形状
の内面（１）と、略円筒形状または略円錐形状の外面
（２）とよりなる光線入射面、及び平面形状または曲面
形状の光線出射面（３）を備えたところの、屈折率１以
上のの光学的透明体からなるコーン型凹面レンズを配置
し、そのコーン型凹面レンズへ入射する大部分の光線
が、レンズ内部で全反射を繰り返した後に出射するよう
に、構成した集光照明装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】光源から四方に放射される光線
を、回転楕円面鏡などの反射鏡、或はレンズなどにより
偏向して、一点に集光させる機能を持つ、集光照明装置
というものがある。本発明は、露光機、液晶プロジェク
ター、或は、光ファイバー照明装置などに利用される、
このような集光照明装置に関するものであり、特に、そ
の集光点近傍に特殊形状の偏向光学素子を配置して、光
源からの放射光の利用効率を高めるよう構成した照明装
置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】光学機器に利用される集光照明装置とし
ては、光源から放射される光線を、なるべく多く（集光
効率）、なるべく小さい範囲に（集光径）、なるべく小
さい角度で（入射角）、集光することが要求される。例
えば、第２図に示す光ファイバー照明装置では、光源
（５）からの放射光線を放物面鏡（６）にて平行光線と
なし、これを集光レンズ（７）により光ファイバー
（８）の入射端に集光しているが、この場合、集光され
た光線束は、光源の大きさと照明光学系の像倍率で定ま
る一定の集光径ｄ、及び集光レンズのパワーで定まる一
定の入射角２θを持つこととなり、これらが各々、光フ
ァイバーの開口径、及び開口角を越えるならば、光ファ
イバーを通過できない光線が表れ、集光効率を下げる要
因となる。第２図に示した集光光線束は、理想的な場合
であり、実際には、十分に小さい発光長の実用光源が得
られないことが主因となって、集光径がファイバー径を
越えている場合が多い。集光径を小さくしようとして、
照明光学系の像倍率を下げると、今度は、入射角が大き
くなってしまう。いずれにしても、若干の光線が無駄に
捨てられているのが、現実である。

【０００３】液晶プロジェクターや半導体焼付け露光装
置に利用される集光照明装置においても、事情は同様で
ある。これらの光学機器では、照明対象（液晶画面やホ
トマスク）を照明する光線は垂直入射である必要がある
が、この平行光を得るために、例えば第３図に示すよう
に、光源（５）と回転楕円面鏡（９）からなる集光照明
装置にて、いったん集光する手法がとられている。集光
した後、広がって行く光線を凸レンズ（１０）にて偏向
し、平行光線となして、照射面（１１）に入射させる訳
であるが、この場合も、なるべく小さい集光径ｄと、な
るべく小さい入射角２θが望まれる。光線平行度は、凸
レンズから集光径を見込む角度に比例するからであり、
また、凸レンズの球面収差を避けるために、凸レンズの
開口径をなるべく小さくする必要があるからである。
尚、これらの光学系では、照射面の照度分布一様化のた
めに、集光点にインテグレーター（１２）が配置されて
いる。

【０００４】いま一つ、主に光ファイバー照明装置で使
用されている、かなり高効率の集光照明装置の従来例を
第４図に示す。この光学系は、回転楕円鏡（１３）と球
面鏡（１４）の組合せにより、比較的小さい集光径と、
狭い入射角の両立を計ったもので、即ち、第１焦点上に
光源を配した像倍率の低い長焦点楕円面鏡（１３）によ
り、光源後側に放射された光線を、比較的小さい集光径
で第２焦点近傍に集光させる一方、光源前側に放射され
た光線が長焦点楕円面鏡で反射されて作る大きい入射角
を避けるために、光源前側に第１焦点上を中心とする球
面鏡（１４）を配置して、前側放射光線を折り返し、後
側放射光線に重ねている。このようにして、第４図の集
光照明装置は、比較的高い集光効率を実現している。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、勿論、
更に高い集光効率の集光照明装置とすることが望まし
い。発光長の短い超高圧キセノンランプやショートアー
ク水銀ランプを光源とする場合は、概ね実用的な集光照
明装置がつくられているが、発光長が、４〜１０ｍｍ程
度と大きいショートアークメタルハライドランプやハロ
ゲンランプを使用した場合は、未だ不十分であり、これ
らのランプの高発光効率、或は安価といった特長を生か
しているとは言えない。

【０００６】いま仮に、集光光線束の入射角をそのまま
に、集光径のみを狭小化する作用を持つ光学素子を集光
点に置けるならば、集光照明装置の集光効率は増大し、
光源からの放射光の利用効率は高まる。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、集光照明装置
において発生する、このような課題を解決するためにな
されたもので、本明細書でコーン型凹面レンズと称する
偏向光学素子を、集光照明装置の集光点近傍（コーン型
凹面レンズの出射側が集光点よりもやや後ろとなる位
置）に配設し、光線を適切に偏向させ、集光効率を高め
ることを特徴とする。

【０００８】コーン型凹面レンズとは、円筒形状または
円錐形状の外面、及び円錐形状の内面よりなる光線入射
面と、平面形状または曲面形状の光線出射面とより形成
したもので、屈折率１以上の光学的透明体（汎用的に
は、屈折率１．５前後の光学ガラス）からなる。第１図
に、その典型例の、光軸を含む断面の形状を示すが、
（１）及び（２）が光線入射面であり、（３）が光線出
射面である。円筒部の外径ｄは、受光側が要求する集光
径（ファイバー照明装置ならば、光ファイバーの開口
径）に等しい程度とし、コーン部の頂角２βは、要求さ
れる集光光線束入射角を勘案して、適当に選択する。一
般的な光学レンズにおいては、レンズ側面を梨地とす
る、或は保持金具で覆うなどの方法で、側面への入射光
や、側面からの反射光が、迷光となるのを防いでいる。
しかしながら、本発明によるコーン型凹面レンズの場
合、円筒形状の側面への入射光、及び側面における全反
射光を積極的に利用するので、このような措置は不必要
であり、且つ有害である。円筒形状側面（外面）は、光
学的に平滑でなければならず、また、第１図に示すよう
に、保持金具（４）は、出射側の側面に付設し、カバー
面積を最小限に留める必要がある。

【０００９】

【作用】このような構成により、集光光線束の入射角を
ほぼ維持したまま、集光径は、より小さくなり、光源か
ら放射された光線の受光側に達する割合が増大して、集
光照明装置の集光効率が増大する。この作用効果は、第
５図に示すような、細長いコーンレンズの持つところ
の、“あまり大きくない角度で入射した光線は、内部で
全反射を繰り返した後に出射する”という性質、そして
“全反射の度に、光線の方向が光軸の方向に近付いて行
く”という性質によって、もたらされたものである。

【００１０】例えば、第６図は、回転楕円面鏡（１３）
の第１焦点上に、発光長１の光源（５）を配し、第２焦
点上に、受光側の開口径ｄを設定した場合の光線追跡結
果の一部であるが、この集光照明装置においては、光源
の前後から放射された光線が全て、開口径を外れてい
る。これに対して、第７図は、第６図と同様な設定とし
た回転楕円鏡（１３）及び光源（５）からなる集光光学
系の集光点近傍、即ち第２焦点近傍に、内側円錐面と外
側円筒面が細長いコーンレンズを形成するところの、第
５図の開口径ｄと等しい外径ｄの、第１図に示したよう
な本発明に関わるコーン型凹面レンズ（１５）を配置し
た時の光線追跡結果であるが、第６図で追跡した光線と
同じ放射角、放射位置の光線の殆どが、コーン型凹面レ
ンズの内部で全反射を繰返し、レンズ出射面に設定し
た、第５図と同じ大きさの受光側開口に導かれている。
つまり、第６図の集光照明装置は、その集光点近傍に、
第１図に示したようなコーン型凹面レンズを配置するこ
とにより、集光径を大幅に縮小し、集光効率を増大させ
るのである。しかも、第６図と第７図の比較から明らか
なように、集光光線束の入射角、即ち開口径からの光線
束出射角２θは、コーン型凹面レンズの挿入により、あ
まり変化していない。

【００１０】本発明が、集光効率改善用の偏向光学素子
として、第５図のような単純なコーンレンズを採用せ
ず、第１図のようなやや複雑なコーン型凹面レンズを採
用するのは、次の理由による。即ち、実用光源は有限の
径を持っており、且つ、その中心軸を完全に光軸に重ね
ることも困難である。そうすると、光軸を外れた位置か
らの光線放射は避けられず、このようなスキュー光線の
偏向光学素子への入射は、第５図のコーンレンズの場
合、先端が細過ぎて、難しいという事情による。

【００１１】

【実施例】第８図に、本発明に基づく構成よりなる光フ
ァイバー照明装置光学系の実施例に関し、光線追跡を行
なった結果を示す。本実施例は、通常多用される、開口
径：５ｍｍΦ、開口角：６８°の多成分ガラス系光ファ
イバー（８）に、光源からの放射光を高効率で入射させ
ることを目的として設計したものである。

【００１２】ここで、反射光学系は、回転楕円面鏡（１
３）、及びその第１焦点を中心として置かれた球面鏡
（１４）よりなる。回転楕円面鏡の寸法仕様は、焦点距
離（光軸上楕円頂点から第１焦点までの距離）２０ｍ
ｍ、セパレーション（第１／第２焦点間距離）５３ｍ
ｍ、リム角（楕円鏡前縁と第１焦点を結ぶ直線が、光軸
となす角度）９０°、ホール角（楕円鏡後縁と第１焦点
を結ぶ直線が、光軸となす角度）１５５°であり、球面
鏡の寸法仕様は、半径４０ｍｍ、リム角（球面鏡後縁と
球面中心を結ぶ直線が、光軸となす角度）９０°、ホー
ル角（球面鏡前縁と球面中心を結ぶ直線が、光軸となす
角度）２５°である。光源（５）としては、発光長４ｍ
ｍのショートアークメタルハライドランプを想定し、こ
の光源を、楕円鏡の第１焦点上に、光軸に沿って設定す
る。これらの光源は、光軸廻りへの配光を有せず、およ
そ２５°から１５５°までの間にのみ、即ちこの場合、
楕円鏡及び球面鏡の配置されている空間にのみ、光線を
放射しているという性質を持っている。従って、前記の
反射光学系は、光源からの放射光の略１００％を反射す
ることができる。

【００１３】そして、この反射光学系の集光点近傍に、
本発明に基づくコーン型凹面レンズ（１５）を光軸に沿
って配置し、このレンズの出射面に光ファイバー（８）
の入射端を対面させるというのが、本実施例の構成であ
る。屈折率１．５２の光学ガラスからなる、このコーン
型凹面レンズは、第９図に示すように、頂角１２°の入
射側に向かって広がる内面と、頂角２°の出射側に向か
って広がる外面とを持つ、全長２０ｍｍ、最大径５ｍｍ
φの光線入射部、及び曲率５ｍｍ、厚さ２ｍｍ、外径５
ｍｍφの平凹レンズ形状の光線出射部の二つの部分から
構成されており、保持金具装着部となる光線出射部外側
を除く全ての面が、光学的研磨面である。光線入射部外
側をも僅かな円錐面とするのは、コーン頂角をなるべく
大きくして、全反射光を増やすことを意図したものであ
る。また、光線出射部の出射面を凹面と成すのは、光線
が、コーンレンズ内面で全反射を繰り返す過程で出現す
る、万華鏡類似の照射むら効果を打ち消すためである。
コーン型凹面レンズの設置位置は、出射面が楕円鏡第２
焦点の後方１４ｍｍとなる位置、即ち集光点が光線入射
部中間点となる位置とする。

【００１４】このような構成の照明装置に対し、光源
を、発光長に渡って等間隔に羅列された２１点の光点か
ら成るものとし、各々の光点が、光軸を含む面内に、光
軸から反時計廻りに２５°から１５５°まで２°間隔で
６６本の光線を発射しているものとして、合計１３８６
本の光線につき、光線追跡を行なった。その結果を図
示したものが、第８図であり、ここでは、光ファイバー
開口径を通過した光線のみについて、その軌跡を記載し
ている。光線数が多いので黒く塗りつぶされた表現とな
っており、判りにくいけれども、光ファイバーに開口角
６８°内で入射した光線は、１１７１本である。即ち約
８５％の集光効率という結果であった。相当に高い集光
効率であり、且つ小さい入射角であると言える。尚、第
７図右側のヒストグラムは、ファイバー出射端からの光
線出射角の態様を表すもので、縦軸が出射角度、横軸
が、その出射角の出射光線本数相対値である。（本光学
系が軸対象であることを考慮して、このヒストグラムで
は、光軸の反対側に来た光線も加算してある。）概ね一
様の光度分布となっている。

【００１５】

【発明の効果】第８図の本発明実施例が、どの程度の作
用効果を持っているかは、コーン型凹面レンズを欠くの
みで、あとは第８図と同様の集光光学系について、前記
と同様の方法で光線追跡を実施し、比較すれば、明かと
なる。この結果を第１０図に示すけれども、開口角６８
°内で光ファイバーに入射した光線は７７５本であっ
た。即ち、この従来集光光学系は５６％の集光効率を示
すに過ぎず、集光効率８５％の前記本実施例の優位性、
つまり本発明に基づくコーン型凹面レンズの作用効果は
明白である。

【００１６】また、第１０図においては、光源の光軸後
方放射光の欠如に起因して、光軸方向への光線が無いと
いう、いわゆる中抜け現象が表れている。この中抜けを
塞ぐために、光ファイバー入射端に凹レンズを付設した
りするけれども、このような処置は、通常、集光効率を
更に悪化させる。この点でも、無処置で中抜けの消失し
ている、第８図本実施例は、優位性を示している。

【００１７】尚、ある種の集光照明装置においては、か
なり大きい入射角が、許容される場合がある。コーン型
凹面レンズでは、このようなとき、光線入射面内外面に
適当な曲率をつけて、入射角をコントロールできる。

【図面の簡単な説明】

【第１図】本発明に関わるコーン型凹面レンズの断面図
である。

【第２図】光ファイバー照明装置用集光照明装置の一従
来例である。

【第３図】液晶プロジェクター照明装置用集光照明装置
の一従来例である。

【第４図】光ファイバー照明装置用集光照明装置の他の
一従来例である。

【第５図】細長いコーンレンズにおける、光線の軌跡で
ある。

【第６図】回転楕円鏡における、光線の軌跡である。

【第７図】回転楕円鏡とコーン型凹面レンズの組合せに
おける、光線の軌跡である。

【第８図】回転楕円鏡、球面鏡及びとコーン型凹面レン
ズの組合せからなる、本発明に関わるファイバー照明用
集光装置実施例における、光線追跡結果である。

【第９図】第８図の照明系に組み込まれた、本発明に関
わるコーン型凹面レンズの断面図である。

【第１０図】回転楕円鏡と球面鏡の組合せからなる、従
来のファイバー照明用集光装置における、光線追跡結果
である。

【符号の説明】

ｄ開口径、または集光径２θ 開口角、または入射角２β コーンレンズ頂角１内面入射面２外面入射面３出射面４保持金具５光源６回転放物面鏡７集光レンズ８光ファイバー９回転楕円面鏡１０凸レンズ１１照射面１２インテグレーター１３長焦点回転楕円面鏡１４球面鏡１５コーン型凹面レンズ１６開口１７光軸１８コーンレンズ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光源と、その光源より放射された光線を偏
向して集光する反射鏡、またはレンズを備えた集光照明
装置において、その集光照明装置の集光部近傍に、略円錐形状の内面
と、略円筒形状または略円錐形状の外面とよりなる光線
入射面、及び平面形状または曲面形状の光線出射面を備
えたところの、屈折率１以上のの光学的透明体からなる
偏向光学素子を配置し、その偏向光学素子へ入射する大部分の光線が、素子内部
で全反射を繰り返した後に出射することを特徴とする照
明装置。