JPH08248348A - 集光光学照明装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 照射面３の光軸８部分で生じる光束の中抜け
を解消する。 【構成】 楕円面鏡２の第１焦点位置に光源１を置き、
この光源１からの光線を第２焦点位置に集光させてその
先の照射面３に照射させる集光光学照明装置である。第
２焦点位置近傍に凹面コーン状光学素子７を設置して楕
円面鏡２からの光線を光軸を中心にした対称方向に調整
する。これにより、光源１からの多数の光線は、光軸８
を中心に調整された方向に広がりながら照射面３に到達
し、光軸８との交点位置にも到達する。この結果、光束
の中抜けが解消する。さらに、コーン状光学素子による
光束の調整を逆にしてもよい。即ち、光束の中抜けを大
きくするように調整してもよい。これにより、輪帯照明
に用いることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は光源からの光線を楕円面
鏡で集光して照射する集光光学照明装置に関し、特に光
束の中抜け等の照射むらを解消した集光光学照明装置に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の集光光学照明装置としては図６に
示すものが知られている。図中の３０は光源である。こ
の光源３０を囲繞するように楕円面鏡３１が配設されて
いる。この楕円面鏡３１は、その中央部に挿入孔３１Ａ
を備え、この挿入孔３１Ａから光源３０が挿入されてい
る。この光源３０の配設位置は、その輝点３０Ａが楕円
面鏡３１の一方の焦点（第１焦点）に位置するように設
定されている。これにより、輝点３０Ａからの光が、楕
円面鏡３１で反射されて第２焦点に集光し、その先の照
射面３２に照射されるようになっている。

【０００３】図中の３４は楕円面鏡３１の照射面３２側
を覆うように配設された球面鏡である。この球面鏡３４
は、光源３０の輝点３０Ａからの光線を全部反射して輝
点３０Ａ側に戻すためのものである。これにより、輝点
３０Ａから発する光線の全部を、楕円面鏡３１を介して
照射面３２側に照射させて集光効率を高めている。この
球面鏡３４の中央部には、楕円面鏡３１からの光を通過
させるための開口部３４Ａが設けられている。

【０００４】以上の構成において、光源３０の輝点３０
Ａから発せられる光のうち、楕円面鏡３１に直接に達す
る光は、反射されて球面鏡３４の開口部３４Ａを通過
し、照射面３２に照射される。球面鏡３４に達する光
は、そのまま輝点３０Ａ側に反射され、さらに楕円面鏡
３１に反射されて開口部３４Ａを通過し、照射面３２に
照射される。

【０００５】光源３０の輝点３０Ａは一定幅を有する。
輝点３０Ａは通常、放電灯により構成されているが、こ
の放電灯の放電電極は通常一定の幅を有するため、輝点
３０Ａから出てくる光線にも一定の幅を有することにな
る。この幅を図においては、両電極端部とその中央部と
からそれぞれ出射する３本の線（光軸に近い方から第
１、第２、第３光線部）として表現している。この３本
の光線部が楕円面鏡３１で反射されると、第２焦点位置
でそれぞれに焦点を絞り、その先の照射面３２に照射さ
れる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところが、前記構成の
集光光学照明装置では、図示した各光線のように、楕円
面鏡３１で反射された光線はその分布（光源配光分布）
が偏ってしまう。各光線のうち最も浅い角度で楕円面鏡
３１に向かう光線（光軸３５に最も接近した光線）が照
射面３２において光軸３５に最も接近した位置で照射さ
れる。この光線の３本の光線部のうち、光軸３５に最も
近い位置で楕円面鏡３１に出射する光線部は第２焦点位
置を通過するときには、他の２本に比して光軸３５から
最も離された位置を通過し、照射面３２においては光軸
３５に最も接近した位置に照射される。この光線部より
も光軸３５寄りに位置する光線は存在しない。この結
果、照射面３２において光軸３５との交点を中心にした
円形の暗部３６が生じてしまうという問題点がある。

【０００７】３本の光線部のうち光軸３５に最も離れた
位置で楕円面鏡３１に出射する光線部は、照射面３２に
おいて光軸３５から最も離れた位置に照射されるが、こ
の光線部が照射される円形の部位も光線の本数が少な
く、前記暗部３６の周囲を囲繞するように半暗部３７が
生じてしまうという問題点がある。

【０００８】即ち、楕円面鏡３１を用いた集光光学照明
装置では、照射面３２において光軸３５の近傍に光線が
届かず、光束の中抜けを生じてしまうという問題点があ
った。

【０００９】本発明は前記問題点に鑑みなされたもの
で、照射面の光軸部分で生じる光束の中抜けを解消した
集光光学照明装置を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は前記課題を解決
するためになされたもので、楕円面鏡の第１焦点位置に
光源を置き、この光源からの光線を第２焦点位置に集光
させてその先の照射面に照射させる集光光学照明装置に
おいて、前記第２焦点位置近傍に、前記楕円面鏡からの
光線を、光軸を中心にした対称方向に調整し得るコーン
状光学素子を置くことを特徴とする。

【００１１】

【作用】楕円面鏡の第１焦点位置に置いた光源からの多
数の光線は、楕円面鏡で反射され、光軸に沿って照射面
に照射される。この光束の各光線全部が光軸に平行では
なく、光軸を中心に広がりながら照射面に到達する。こ
の光線は、第２焦点位置近傍に配置したコーン状光学素
子により、その進行方向が制御される。即ち、コーン状
光学素子は、照射面において光軸との交点位置にも光線
が到達するように、光線の進行方向を調整する。これに
より、光束の中抜けが解消する。

【００１２】さらに、コーン状光学素子による光束の調
整は、照射面の光軸との交点位置に光線を到達させるよ
うに行なう場合だけでなく、逆に光束の中抜けを大きく
するように調整してもよい。これにより、輪帯照明に用
いることができる。

【００１３】

【実施例】以下、本発明の一実施例について図面を参照
しながら説明する。

【００１４】本実施例の集光光学照明装置の全体構成
は、前述した従来の集光光学照明装置とほぼ同様であ
り、図１に示すようになっている。

【００１５】図中の１は光源である。この光源１を囲繞
するように楕円面鏡２が配設されている。光源１は楕円
面鏡２の挿入孔２Ａから挿入されている。楕円面鏡２の
第１焦点に位置する光源１の輝点１Ａからの光が、楕円
面鏡２で反射されて照射面３に照射される。楕円面鏡２
を覆うように球面鏡４が配設されている。輝点１Ａから
の光線はこの球面鏡４の開口部４Ａから照射面３側に出
射される。

【００１６】光源１はショートアークメタルハライド光
源で構成されている。この光源１は、水銀ランプやキセ
ノンランプと同じ放電灯で、２つの電極間に放電アーク
が飛んで発光する。このため、輝点１Ａは、点ではな
く、一定の幅を有する。この幅を前記従来例と同様に、
図において３本の光線で表す。

【００１７】楕円面鏡２とその第２焦点位置との間には
凹面コーン状光学素子７が配設されている。この凹面コ
ーン状光学素子７は、肉厚円盤状に成形された光学材料
の一側面（光源１側面）をコーン状（円錐状）に取り除
いて成形されている。この凹面コーン状光学素子７はそ
のコーン面７Ａの頂点７Ｂが光軸８に一致した状態で配
設され、楕円面鏡２からの光線はすべてコーン面７Ａに
入射するようになっている。コーン面７Ａから入射した
光線は、光軸８に対して対称に屈折される。即ち、凹面
コーン状光学素子７は、光軸８を中心にして照射面３に
向かう光線の進行方向を軸対称（光軸８の垂直な平面に
おいては点対称）に調整するプリズムとして機能する。

【００１８】ここで、光源１の輝点１Ａから楕円面鏡２
に向かう光線のうち最も浅い配光となる光線（光軸８に
最も近い光線）９（３本の光線部）を、光軸８に近い側
から第１光線部９Ａ、第２光線部９Ｂ、及び第３光線部
９Ｃとすると、凹面コーン状光学素子７は、その頂点７
Ｂが第３光線９Ｃと光軸８との交点位置に一致して配設
されている。これは、仮にコーン状光学素子７を前記交
点位置より照射面３側に設けた場合、例えば第３光線９
Ｃが光軸８を越えてコーン面７Ａに入射すると、光軸８
から大きく離れて行く方向に逸れてしまうためである。
なお、大きく逸す方向への調整について後述する。

【００１９】この凹面コーン状光学素子７のコーン面７
Ａの角度や全体の寸法等は、光源１からの各光線がむら
なく広がって照射面３に暗部ができないように設定され
ている。即ち、光源１からの各光線は、凹面コーン状光
学素子７のコーン面７Ａから入射し、屈折されて透過し
た後に、各光線のうち中央の第２光線部（９Ｂ）が光軸
８とほぼ平行又は平行に近い方向に進み、第１光線部
（９Ａ）が光軸８から離れる方向に進み、第３光線部
（９Ｃ）が第１光線部と反対側に光軸８から離れる方向
に進むように設定される。

【００２０】これにより、図１に示すように、照射面３
の表面に、暗部を作らずに全体にむらなく光線を照射さ
せる。

【００２１】［第１具体例］次に具体的数値を用いて集
光光学照明装置を説明する。

【００２２】光源１のアーク長を３ｍｍに設定した。楕
円面鏡２の焦点距離ｆを１８．３３３３…ｍｍ、非球面
２次係数ｋを０．５５５５５…、第１焦点を２２ｍｍ、
第２焦点を１１０ｍｍにそれぞれ設定した。さらに、球
面鏡４の曲率半径ｒを５０ｍｍに設定した。また、凹面
コーン状光学素子７の硝材としてＢＫ７（ショット社の
商品名）を用い、屈折率ｎｄを１．５１６８に、コーン
頂角ａ（図１参照）を２５．９４゜にそれぞれ設定し
た。

【００２３】図１では、輝点１Ａの幅を考慮して３本線
で光線を表現し、光軸８に対して３０゜、４５゜、６０
゜、７５゜、９０゜の方向に進む光線で、輝点１Ａから
のすべての光線を代表させた。これらの光線の束は、最
も収束する点１０で最小径が２５．７５ｍｍとなり、光
軸８に近づく光線の最大角が９．２１゜、光軸８から離
される光線の最大角が９．２１゜となった。

【００２４】光線の幅を示す３本の光線部のうち中央部
の第２光線部（９Ｂ）は、凹面コーン状光学素子７を透
過した後は光軸８とほぼ平行となっている。また、第
１、第３光線部（９Ａ，９Ｃ）は、図１中の上下に最大
９．２１３゜の角度をなし、照射面３の全域にむらなく
照射される。これにより、従来技術のような中抜けを解
消することができるようになった。

【００２５】［第２具体例］本具体例を図２に示す。集
光光学照明装置の全体構成は、前記実施例と同様であ
る。ここでは、凹面コーン状光学素子１１の寸法設定を
異ならせている。具体的には、凹面コーン状光学素子１
１のコーン頂角ｂを１５．６９゜に設定した。

【００２６】図２に示す光線も、図１の光線と同様で、
光軸８に対して３０゜、４５゜、６０゜、７５゜、９０
゜の方向に進む。これらの光線の束は、最も収束する点
１２で最小径が１８．２３ｍｍとなり、光軸８に近づく
光線の最大角が４．２９゜、光軸８から離される光線の
最大角が１５．６９゜となっている。

【００２７】これにより、光線は照射面３で光軸８の周
囲に集中するようになる。これは、従来技術の中抜け位
置に光線を寄せる態様になっている。

【００２８】［比較例］本実施例の効果を明確にするた
めに、本実施例の第１及び第２具体例に係る集光光学照
明装置と従来の中抜けを生じる集光光学照明装置を１．
５インチ（３８．１ｍｍ）の液晶面に照射した例を説明
する。

【００２９】集光点を拡大して、照射面３に対して直径
３８．１ｍｍの大きさに照射し、このときの照射面３に
対する入射角を求める。集光点を拡大には、レンズや、
入口の面積に対して出口の面積を大きくして側面で全反
射させるロッドを用いた。

【００３０】従来の集光光学照明装置と前記第１及び第
２具体例の集光光学照明装置とで、同じ光学設計値の楕
円面鏡（２，３１）を使用する。

【００３１】光源１のアーク長は３ｍｍ、楕円面鏡
（２，３１）の焦点距離ｆは１８．３３３３…ｍｍ、非
球面２次係数ｋは０．５５５５５…、第１焦点は２２ｍ
ｍ、第２焦点は１１０ｍｍとした。さらに、球面鏡
（４，３４）の曲率半径ｒは５０ｍｍとした。

【００３２】このとき、第２焦点での集光は、以下の数
値のようになる。

【００３３】最小径は１０．３０ｍｍとなる。光軸
（８，３５）に近づく光線はない。光軸（８，３５）か
ら離れる光線の最小角度は３．８８゜、光軸（８，３
５）から離れる光線の最大角度は２５．８０゜となる。

【００３４】一方、幾何光学において［（光束の集光す
る面積×各光線の角度）＝一定］という法則が知られて
いる。従って、各最小集光径と照射面（３，３２）への
照射サイズである３８．１ｍｍの比をとると、次の表の
ようになった。

【００３５】

【表１】 これらの比を各光線の角度に掛けると、照射面（３，３
２）での入射角が求められる。

【００３６】入射角を求める光線として、以下の光線を
用いた。

【００３７】光源１の輝点１Ａの両電極端及びその中心
の３点と、これらの中間点を含めた合計５点を輝点とし
て、これらから発生する５本の光線をシュミレーション
した。これらを３０゜〜９０゜まで２．５゜ピッチで合
計５×２５＝１２５本の光線を対象とし、これらの光線
による照射面（３，３２）における入射角分布を図３か
ら図５に示す。図３から図５は液晶面へ入射する入射光
の本数と、その入射角との関係を示すグラフであり、図
３は第１具体例、図４は第２具体例、図５は従来技術に
それぞれ対応している。

【００３８】これらのグラフの結果を次の表に示す。

【００３９】

【表２】 通常、液晶面への入射角は２゜から４゜に限られるた
め、大きな角度で入射する光線はコントラストを悪化さ
せることになり、絞りにより制限する。従って、小さな
入射角にいかに多くの光線を入射できるかで、得られる
画像の明るさが決まってしまう。

【００４０】このため、液晶面への光線の入射角を３゜
以下とすると、従来技術の楕円面鏡３１のみを用いた集
光光学照明装置に対して、第１具体例の凹面コーン状光
学素子７を入れた場合には、（７２／４８）＝１．５０
倍、第２具体例の凹面コーン状光学素子１１を入れた場
合には、（７６／４８）＝１．５８倍となる。即ち、本
実施例の各具体例では、従来の集光光学照明装置に対し
て１．５０倍と１．５８倍の明るい画像が得られること
になる。

【００４１】このため、本実施例の集光光学照明装置を
液晶面の照明系として用いると、液晶面を従来に比べて
約１．５倍の明るさにすることができるようになる。

【００４２】［変形例］前記実施例では、凹面コーン状
光学素子７，１１を楕円面鏡２と第２焦点位置との間に
配設したが、コーン面７Ａを凹ませるのではなく凸状に
成形した凸面コーン状光学素子を成形し、これを第２焦
点位置と照射面３との間に配設しても、前記同様の作
用、効果を奏することができる。

【００４３】さらに、前記実施例では、中抜けを解消す
るために、コーン状光学素子７，１１で光線の向きを調
整したが、中抜けをさらに大きくするように光線を調整
することも可能である。例えば、コーン状光学素子７，
１１を第２焦点位置と照射面３との間に配設して光線を
調整すると、中抜けを大きくすることができ、照射面３
において環状に照射されることになる。

【００４４】このように中抜けを大きくして環状にする
照明手段は輪帯照明に用いることができる。この輪帯照
明は、照明条件に応じて解像力をコントロールする際に
使われる照明系であり、本実施例の集光光学照明装置で
輪帯照明を構成すると、光源１の光束を無駄にすること
なく、すべて有効に使うことが可能になる。

【００４５】また、本実施例の集光光学照明装置は、液
晶面の照明系以外にも、集光点にバンドルファイバを置
くファイバ照明系や、フライアイと組み合わせる露光装
置等に用いても有効である。

【００４６】

【発明の効果】以上、詳述したように本発明の集光光学
照明装置によれば、次のような効果を奏することができ
る。

【００４７】コーン状光学素子により光線の進行方向を
調整することで、光束の中抜けを解消することができ、
照射面をむらなく照明することができるようになる。

【００４８】さらに、コーン状光学素子による光束の調
整で、光束の中抜けを大きくすることもでき、輪帯照明
に用いることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１具体例に係る集光光学照明装置を
示す概略構成図である。

【図２】本発明の第２具体例に係る集光光学照明装置を
示す概略構成図である。

【図３】第１具体例での液晶面へ入射する入射光の本数
と、その入射角との関係を示すグラフである。

【図４】第２具体例での液晶面へ入射する入射光の本数
と、その入射角との関係を示すグラフである。

【図５】従来技術での液晶面へ入射する入射光の本数
と、その入射角との関係を示すグラフである。

【図６】従来の集光光学照明装置を示す概略構成図であ
る。

【符号の説明】

１…光源、１Ａ…輝点、２…楕円面鏡、３…照射面、４
…球面鏡、７…凹面コーン状光学素子、７Ａ…コーン
面、７Ｂ…頂点、８…光軸、９…光線、９Ａ…第１光線
部、９Ｂ…第２光線部、９Ｃ…第３光線部、１０…光束
が最も収束する点。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 楕円面鏡の第１焦点位置に光源を置き、
   この光源からの光線を第２焦点位置に集光させてその先
   の照射面に照射させる集光光学照明装置において、 前記第２焦点位置近傍に、前記楕円面鏡からの光線を、
   光軸を中心にした対称方向に調整し得るコーン状光学素
   子を配置したことを特徴とする集光光学照明装置。