JPH1196815A

JPH1196815A - 光源装置

Info

Publication number: JPH1196815A
Application number: JP9272073A
Authority: JP
Inventors: Satoru Osawa; 哲大沢
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 1997-09-18
Filing date: 1997-09-18
Publication date: 1999-04-09

Abstract

(57)【要約】【課題】放電ランプから放射される光を高い割合で集
めて利用することができ、しかも拡がり角を小さく抑え
ることができる光源装置を提供する。【解決手段】一端に比較的小口径の放射口２４が形成
されて断面が楕円形状の断面楕円反射ミラー２２と、前
記楕円形状の第１焦点ｆ１と第２焦点ｆ２の内、少なく
ともいずれか一方に設けられて、放電により実質的に断
面直径が点光源とみなせる輝点２０或いは輝線を形成す
る放電ランプ１６とを備えるように構成する。これによ
り、放電ランプより放射された光を高い割合で集めて利
用し、しかも、拡がり角を小さく抑える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、エネルギー密度の
高い光線を作ることができる光源装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、ランプから放射された光を集光
して対象物に照射する方法は、対象物を加熱する用途に
使われている。この場合、ランプと楕円ミラー或いは放
物線ミラーとを組み合わせてなる光源装置が用いられて
いる。従来のこの種の光源装置は、加熱対象の部位が大
きく、低いエネルギー密度の光線での加熱で十分な場合
には、それなりに良好な性能を発揮するが、レーザ光と
同等の、或いはこれに準ずる高いエネルギー密度を要求
する場合には、これに対応することができない。

【０００３】この理由は、ランプから放出される光の一
部しか利用できず、また、ランプから放射される光が拡
い拡がり角度を持っているので別のミラーを用いて集光
させても十分に捉えきれないからである。このような現
象を図面を参照して詳しく説明する。図２９は複数のラ
ンプからの光を集光して高いエネルギー密度の光を得る
コンセプトを示す説明図である。図示するように複数、
図示例では３つのランプ２を配置し、それぞれに例えば
断面が放物線形状の反射ミラー４を設けている。そし
て、各放物線の焦点上に設置した各ランプ２からの光を
反射して平行光６を得、この平行光６を断面が放物線形
状の最終段の反射ミラー８で反射させて焦点上に設置し
た対象物１０上の一点に集光させて高いエネルギー密度
を実現しようとするものである。

【０００４】この場合、最終段の反射ミラー８に入射す
る光の拡散角度は、ランプ２からの光を平行光に変換す
る反射ミラー４とランプ２の輝部の大きさ及びこれらの
位置関係によって決まる。しかるに、このような構成例
では、いくらランプ２の数を増加させてエネルギー量を
増加しても反射ミラー８の焦点、すなわち対象物１０上
における拡がりが増加してしまい、結局、エネルギー密
度は十分には高くならない。尚、ここで拡散角度とは光
源の大きさ等によって発生する光の角度誤差としてい
る。

【０００５】この点を更に詳しく説明する。図３０は図
２９に示したランプの１つを示す拡大図であり、図示例
では例えば前方に対して０度〜５０度の方向に放射され
た光は反射ミラー２に入射せずに利用することができな
い。また、平行光も光線密度が反射ミラー２の周辺に行
くほど希薄になっており、最終段の反射ミラー８の大き
さを生かすことができない。また、中心付近の光線は密
度は高くなっているが、拡散角度の大きい光となってい
る。ここでこの拡散角度について光線追跡を行った結果
の図を用いて説明する。図３１は有限な大きさを持つ光
源ランプの全表面から放射される光の内、９０度方向の
光のみを抽出して光線追跡を行って結果を描いた図、図
３２は図３１に示した反射ミラーを２倍の大きさに設定
した時の光線追跡の結果の図を示す。尚、ここでは光源
ランプ２の直径を１ｍｍに設定している。

【０００６】図３１から明らかなように、直径１ｍｍの
大きさの光源ランプ２から９０度方向に出た光束は、反
射ミラー４にて反射した後に一度集束し、その後拡がっ
て反射ミラー８にて反射した後に対象物１０に入射して
いる。ここで、上記光束の内、中央の光線のみが焦点Ｆ
１に到達し、周辺の光線は放射された位置に応じて焦点
Ｆ１から離れた位置に到達することになり、エネルギー
を十分に集中させることができない。

【０００７】このように光束が拡がる現象を拡散とす
る、また、反射ミラーの形状によってきまる数学上の正
規な軌跡との角度でのズレあるいは角度ズレの光束の中
での最大値を拡散角度とする。放物線形状のミラーの場
合は、平行光が基準となり拡散角度は光線が平行線とな
す角度となり、断面楕円のミラーの場合は、数学上の正
規な軌跡は楕円ミラーの各点と焦点を結ぶ直線になり拡
散角度は各光線と焦点に到達する光線とがなす角度とな
る。なお、ここで正規とはミラーの設計に際して意図し
ていたというだけの意味である。

【０００８】図３２は反射ミラー４の幅を図３１に示す
反射ミラーの２倍にしているが、この場合には、拡散角
度が小さくなって焦点Ｆ１における拡がりは１／２にな
っている。このように光束が拡がって拡散角度が大きく
なる理由は、実質的に光を放出する光源が有限な大きさ
を持つためである。この点を図３３を参照して説明す
る。図３３は有限の大きさを持つ光源から放射される光
が角度誤差を生ずる原因を説明するための図である。図
中、１２は例えば光源としてのフィラメントを示し、１
４は断面が放物線の反射ミラーである。ここでは、説明
を分かり易くするためにフィラメントの径を大きくして
記載している。

【０００９】ここでは光源１２の後方、４５度方向に射
出された光を例にとって説明する。光源１２の中心点１
０１から出て反射ミラー１４の点１０２に向けて後方４
５度方向に放出された光は、数学的に正規の光路を通っ
て反射して数学的に正規な焦点に到達するが、光源１２
の端部の点１０４から上記光と同じ方向に出て反射ミラ
ー１４の点１０６に向かう光は、上記光と異なった方向
に反射される。この光は数学的に正規の焦点に到達する
各光路から角度θ１の角度誤差を持つことになる。この
角度θ１は、光源１２より反射ミラー１４に放出される
光の角度毎に値は異なるが、発生する角度誤差は光源１
２の大きさに比例し、光源１２より反射ミラー１４に到
達するまでの距離に反比例する。

【００１０】このように、光源が有限な大きさを持つた
めにそれに起因して角度誤差が発生して拡散角度が大き
くなり、エネルギー密度を十分に高くすることができな
い。更に、従来の発光装置では、光源から発生する光の
ほんの一部しか反射させて集光させることしかできない
ので、この点よりも、エネルギー密度を十分に高くする
ことができない。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】そこで、光源の実質的
に光を発する部分の直径が、例えば３ｍｍ程度のフィラ
メントを用いたランプに替え、例えば実質的に光を発す
る部分の直径が０．３ｍｍ程度であって非常に小さい放
電アークを発生する放電ランプを用いることによって、
光源の大きさに起因して発生する角度誤差を抑制して高
いエネルギー密度を得ようとすることも考えられる。こ
の時の構成例を説明する。図３４は光源に放電ランプを
用いた時の光源装置を示す図、図３５は図３４中の光源
の部分を示す拡大図、図３６は図３４中の集光部分を示
す拡大図、図３７は図３４中の放電ランプを０．５ｍｍ
だけ正規の位置よりずらした時の状態を示す図、図３８
は図３７中の集光部分を示す拡大図である。

【００１２】図示例において、１６は例えばキセノンラ
ンプのような放電ランプであり、ランプ１６内に僅かな
間隙を隔てて２本の電極１８、１８（図３５参照）を設
けて、両電極１８、１８間にアークを発生させて、光を
発するようになっている。この時のアークの輝点２０の
直径Ｌ０は、０．３ｍｍ程度であり、実質的に点光源と
見なすことができる。図示例では、輝点２０の直径を
０．３ｍｍとしている。尚、例えば棒状に構成されたい
わゆる蛍光灯形状のハロゲンランプのフィラメントの直
径は３ｍｍ程度であり、アークの輝点と比較してかなり
大きい。家庭で使用されている白熱電球の形状をしたハ
ロゲンランプではそのフィラメントはφ１０ｍｍ長さ２
０ｍｍぐらいが一般的でさらに大きい。フィラメントの
大きさはランプの出力つまり流す電流とフィラメントの
温度の関係できまり、小さくすることができない。この
放電ランプ１６の周囲には、断面が楕円形状の断面楕円
反射ミラー２２を配置し、この反射ミラー２２の一方は
開放されて放射口２４として形成される。上記放電ラン
プ１６は、その輝点２０を断面楕円反射ミラー２２の第
１焦点ｆ１に精度良く位置付けており、第２焦点に光を
集光させるようになっている。尚、断面楕円反射ミラー
２２の直径はここでは２００ｍｍに設定している。

【００１３】図３５は図３４中の中心のアーク放電部分
を拡大して示しており、輝点２０の全方位に放射される
光を、直径０．３ｍｍの輝点２０の円周上の４０度、５
０度、６０度、７０度、８０度、９０度、１００度、１
１０度、１２０度、１３０度、１４０度の方向の各点か
ら放出される光で代表して表わしている。輝点２０が大
きさを持つために特定の方向の光を抽出すると光源の大
きさの巾をもつ光束のように見えている。図３６はこの
時の集光点である第２焦点ｆ２における拡大図を示して
いる。図３６から明らかなように、集光された光は直径
Ｌ１が略１ｍｍ程度の円の範囲に到達している。このよ
うに正確に精度良く第１焦点ｆ１上に輝点２０を位置さ
せた場合には、焦光点で直径が略１ｍｍ程度の円に光の
拡がりを抑えつつ集光させることができる。

【００１４】この時の放電ランプ１６の電力は７５Ｗ
（ワット）であり、効率を５０％としてもエネルギー密
度は略４７００Ｗ／ｃｍ² にもなり、市販の炭酸ガスレ
ーザのエネルギー密度４００Ｗ／ｃｍ² と比較して格段
に良好な性能を理論上は実現することができる。尚、こ
の放電ランプ１６の拡散角度を平行光として概算する
と、５．０ｍｒａｄ（０．２８度）になる。また、比較
に用いた炭酸ガスレーザは、出力が８Ｗ、ビームの直径
が１．６ｍｍ、拡散角度は８．４ｍｒａｄである。この
ように、放電ランプ１６と断面楕円反射ミラー２２とを
組み合わせた光源装置は、例えば加熱源としてレーザよ
りも高い性能を発揮する可能性を持っている。レーザ
は、周知のように放電によってイオン化したガスから誘
導放出された光を２枚の対向ミラーによって多重に反射
・増幅してその一部、例えば１％をミラーを透過させる
ことによって取り出している。従って、構造上からもエ
ネルギー源としては、上述のように放電ランプと楕円ミ
ラー等とを組み合わせた光源装置の方が効率的であるは
ずである。

【００１５】しかしながら、この種の放電ランプと断面
楕円反射ミラーよりなる光源装置の用途は限られてお
り、高いエネルギー密度を発生する加熱源として用いら
れることは少ない。この理由は、断面楕円反射ミラーの
正規の位置、すなわち第１焦点ｆ１に放電ランプ１６の
輝点２０を高い精度でセットしないと、集光点、すなわ
ち第２焦点ｆ２における光スポットの径が大きくなり、
集光性能を極端に劣化させるからである。

【００１６】この点に関して、図面を参照して説明する
と、図３７は先の図３４の場合と比較して、輝点２０を
正規の位置よりも僅かな距離Ｌ２、例えば０．５ｍｍだ
け位置ずれさせた時の集光状態を示し、図３８は図３７
における集光点における拡大図を示している。この図か
ら明らかなように、輝点２０が僅かに０．５ｍｍ位置ず
れしただけで光は、直径Ｌ３が略４ｍｍの円形の範囲に
拡がってしまい、エネルギー密度が極端に低下してしま
う。すなわち、放電ランプと断面楕円ミラーとを組み合
わせた光源装置では、アーク放電の位置をその大きさに
見合うだけの精度で取り付ける必要がある。

【００１７】しかしながら、上述したような位置精度
で、アーク放電の位置を位置決めすることは非常に困難
である。これは電極の温度上昇に伴なってアークの位置
が動いてしまうこと、また、アークの位置を確認するこ
とが困難であることによる。一般にアーク放電では中心
部の温度は絶対温度で６０００度からそれ以上に到達
し、放電ランプの口金ででも摂氏２００度になる。この
ため電極の位置は変動するし、アークの位置を確認し調
整する場合は放電ランプが温度的に安定した状態で行う
必要がある。通常の光学形では調整する場合、焦点に何
らかの対象物を置き焦点のスポットを観察しながら調整
をおこなう。この調整方法は３次元で定義される位置誤
差を対象物上のスポットという２次元データで最適化し
ようとするものであり、簡易ではあるが情報が一部不足
しているものであり、また、放電ランプによって構成さ
れている光学系に適用する場合はエネルギー密度が高い
ために対象物が溶融してしまってスポット状態を確認す
るのが困難である。

【００１８】更に、上記した例えば図３４に示したよう
な光源装置は、断面楕円反射ミラー２２は、輝点２０の
位置精度を上げれば、反射ミラー２２にて反射した光を
略高い精度で一点に集光できるが、反射ミラー２２に反
射することなく、輝点２０より直接前方、すなわち、第
２焦点ｆ２側へ放出された光に関してはこれを全く利用
することができないという第２の問題点が存在する。ま
た、反射ミラー２２にて反射できる角度範囲の光であっ
ても先にのべた拡散誤差が大きくなり、焦点でのエネル
ギー密度が高くならない第３の問題点がある。図３６に
おいて反射ミラーの先端部で反射し対象物に浅い角度で
入射する光の巾は狭くなっているが、反射ミラーの光源
ランプに近い位置で反射した光はその巾が広くなってお
り、エネルギー密度を上げる効果が少なくなっている。

【００１９】図３６は４０度から１３０度の範囲を示し
ているが、９０度から１３０度までの光は４０度から９
０度までの光と比べエネルギー密度を上げる効果は半分
以下になっている。これは前述の拡散誤差が光源の大き
さに比例し、光源より反射ミラーに到達するまでの距離
に反比例することで容易に説明でき、反射ミラーの光源
ランプの近い部分はエネルギー密度を上げる観点からは
効果が少ないと言える。尚、ここでは放電ランプ１６の
一点、すなわち輝点から光が放出される場合を説明した
が、アーク発生距離が線状に長い輝線を発生するような
放電ランプ、例えば紫外線硬化樹脂用のメタルハライド
ランプ等についても同様に適用される問題点である。ま
た、上記した問題点は、楕円反射ミラーだけに対応する
問題点ではなく、楕円の第２焦点が無限遠に位置するこ
とによって形成される放物線形状のミラーに対しても生
ずる問題点である。

【００２０】本発明は、以上のような問題点に着目し、
これを有効に解決すべく創案されたものである。本発明
は高いエネルギー密度を実現する光源装置を提供するた
めの方法を提案したものである。本発明の第１の目的
は、反射ミラーに対して放電ランプを正しい位置に取付
・調整することができる光源装置を提供することにあ
る。本発明の第２の目的は、放電ランプから放射される
光を高い割合で集めて利用することができ、しかも拡が
り角を小さく抑えることができる光源装置を提供するこ
とにある。本発明の第３の目的は、放電ランプから放射
される光のエネルギー密度を更に高くすることである。

【００２１】

【課題を解決するための手段】本発明の第２の目的は、
一つの放電ランプから放射される光線を限定された角度
の範囲にその光線を重ね合わせることによって実現し、
本発明の第３の目的は、複数の放電ランプから放射され
る光線を限定された角度の範囲に重ねあわせて実現す
る。光線の重ね合わせを実現する方法について説明す
る。尚、光源としては実質的に断面直径が点光源とみな
せるキセノンランプ、水銀ランプ等の放電ランプと、棒
状に成形され輝線を形成し実質的に線光源とみなせるメ
タルハライドランプ、ロングアークキセノンランプ等の
放電ランプとがあるが、以下の説明では特に区別しな
い。光源と焦点と結ぶ中心線を含む断面において光線の
軌跡を考える場合、点光源から放射された光線も、線光
源から放射された光線も完全に同じ軌跡をたどる。点光
源と線光源とでの違いは反射ミラーを製作する段階で生
じ、光線の重ね合わせの説明では違いがない。

【００２２】図５は、一端に比較的小口径の放射口が形
成されて断面が楕円形状の断面楕円反射ミラーの第２焦
点に光源を設け、光源の中心から放射される光線の軌跡
を追跡した結果を示す図である。図７（Ａ）は図５の光
線の中の６０度方向の光線のみを示しており、図７
（Ｂ）は１５０度方向の光線のみを示している。図７
（Ａ）では、放射光６６がＢ方向へ放射された後、反射
ミラー５８で２回反射し向きをＡ方向に変えて最終的に
放射口６２から出ていっている。ここで注意されたい点
は、もともと光源からはＡ方向にも光線が放射されてお
り、Ｂ方向に放射された光線ともともとのＡ方向に放射
された光線とが全く同じ軌跡をたどることになってお
り、２本の光線を重ね合わせることができているという
点である。

【００２３】図７（Ｂ）では輝線６４よりＥ方向方向へ
放射された光が反射ミラー５８で反射し向きをＤ方向に
変えた後、再度反射ミラー５８で反射し最終的にＣ方向
に向きを変えて最終的に放射口６２から出ていってい
る。ここではもともとのＣ方向、Ｄ方向に放射された光
線とＥ方向に放射された光線とが重なり合っている。図
５に示すよう光源から全方位３６０度の範囲に放射され
た光線が放射口６２から開き角が略９０度の範囲の光線
となってでて行っている。これによってエネルギー密度
を上げることが可能になる。この重ね合わせは光源がア
ーク放電等によって放射を行う構造のランプに限って実
現できる。タングステン等で作られたフィラメントを持
つハロゲンランプでは光線がフィラメントで遮られてし
まい重ね合わせが実現できない。

【００２４】ここまでは、光源を大きさを持たない点と
して説明を行ってきたが、アーク放電によって放射を行
う構造のランプであってもアークは小さくはあるが有限
な大きさを持つ。図５に示す構造は光源が有限な大きさ
を持つことにより重ね合わせる光線の拡散角度が大きく
なる問題点がある。図８は図５の光源装置において光源
ランプから８０度、１２０度、１５０度方向の光を抽出
し光源が有限な大きさを持つとして光線追跡を行った結
果を示す図である。図８において８０度方向に放射され
た光線は最初は光源の大きさの巾であるが２回反射した
後、元の光源の位置を通過する際には約２０倍の巾にな
っている。巾が広がる理由は、前述の拡散誤差が光源の
大きさに比例し、光源より反射ミラーに到達するまでの
距離に反比例することで説明でき、結果としてエネルギ
ー密度を上げる効果は少なくなる。図８における８０度
方向に放射された光線はエネルギー密度を上げるために
はほとんど寄与していない。

【００２５】図１２は一端に比較的小口径の放射口が形
成されて断面が楕円形状の断面楕円反射ミラーの第２焦
点に光源を設け、第２焦点と第１焦点の中間点に放射方
向と直交するように後方平面反射ミラーを設け、第２焦
点である光源の中心から放射される光線の軌跡を追跡し
た結果を示す図である。図１２においても図５と同じよ
うに光源から全方位３６０度の範囲に放射された光線が
放射口６２から開き角が略９０度の範囲の光線となって
でており、エネルギー密度を上げることが可能になる。
図１４は図１２の光源装置において光源ランプから８０
度、１２０度、１５０度方向の光を抽出し光源が有限な
大きさを持つとして光線追跡を行った結果を示す図であ
る。図１４において８０度方向に放射された光線は元の
光源の位置を通過する際には約４倍の巾でおさまってい
る。エネルギー密度を上げる観点から効果が図１２の構
造の方が図５の構造より効果があるといえる。但し、こ
の構造でも重ね合わせる光線の拡散角度が大きくなるこ
とは避けられない。

【００２６】図２０は一端に放射口が形成されて断面が
放物線形状の断面放物線反射ミラーと、前記放物線形状
の焦点を共有し、且つ対称形に放物線形状の断面放物線
反射ミラーを設け、放射方向と直交するように後方平面
反射ミラーを設け、前記放物線形状の焦点に光源を設
け、光源の中心から放射される１２０度方向の光線につ
いて光源の大きさを有限なものとしてその軌跡を追跡し
た結果を示す図である。図２０では１２０度方向の光線
しか示していないが、１２０度方向の光線が−６０度方
向の光線の軌跡に重なり合っている。図２０においても
図５と同じように光源から放射された光の重ね合わせが
実現できる、但し集光できる角度の範囲は図５の約半分
になる。図２０においては反射した光線が元の光源の位
置を通過する際の巾が大きくなっておらず、すべて元の
光源の範囲を通過している。これは拡散角度を増加させ
ずに光線の重ね合わせができていることを示している。

【００２７】図２３は図２０を２段に重ねたものであ
り、後方の光源から６０度方向の放射された光線につい
て光源の大きさを有限なものとしてその軌跡を追跡した
結果を示す図である。図２３においては後方の光源から
放射された光線が前方の光源の位置に到達しており、且
つ通過する際の巾が元の光源の大きさから増えていな
い。このことは後方の光源からの光線と前方の光源から
の光線との加算が光学的にできることを示している。図
２４は図２３と同様に図２０を２段に重ねたものであ
り、後方の光源から−１２０度方向の放射された光線に
ついて光源の大きさを有限なものとしてその軌跡を追跡
した結果を示す図である。図２４においても後方の光源
から放射された光線が前方の光源の位置に到達してお
り、且つ通過する際の巾が元の光源の大きさから増えて
いない。尚、図２４において平行であった光束が前方の
光源の位置を通過する際に角度がついているが、前方の
光源からは全方位にわたる放射あり通過する範囲が同じ
であるので軌跡が一致する光線が必ずあることになる。

【００２８】レーザは、周知のように放電によってイオ
ン化したガスから誘導放出された光を２枚の対向ミラー
によって多重に反射・増幅してその一部、例えば１％を
ミラーを透過させることによって取り出している。レー
ザは誘導放出によって光線同士の軌跡を一致させる、つ
まり重ね合わせを行っていると解釈しても間違いではな
い。本発明によれば反射ミラーの組み合わせだけで光線
の重ね合わせが実現でき、レーザと同等なエネルギー密
度が実現できる。請求項１に規定する発明は、一端に比
較的大口径の放射口が形成されて断面が楕円形状の断面
楕円反射ミラーと、前記楕円形状の第１焦点に設けられ
て放電により実質的に断面直径が点光源とみなせる輝点
或いは輝線を形成する放電ランプとを備えるように構成
したものである。

【００２９】これにより、断面直径が実質的に点光源と
みなせるアークの輝点或いは輝線から放射された光は、
断面楕円反射ミラーにより反射されて、第２焦点に集光
することになり、比較的高いエネルギー密度を達成する
ことができる。この場合、上記輝点或いは輝線の位置を
検出する位置検出手段と、放電ランプの位置調整を行な
う位置調整手段とを設けることにより、アーク放電中に
おいても輝点や輝線の位置調整を精度良く行なうことが
でき、従って、光の角度誤差、或いは拡散角度を大幅に
抑制することができる。

【００３０】このような位置検出手段は、反射ミラーの
放射方向に直交する方向に少なくとも２個設けるように
して、３次元的に位置調整可能とするのが好ましい。ま
た、位置検出手段としては、半導体位置検出器を用いる
ことができ、これを反射ミラーの裏面側に設け、ピンホ
ールを介して輝点、或いは輝線からの放射光を観察して
その位置を特定する。請求項６に規定する発明は、一端
に比較的小口径の放射口が形成されて断面が楕円形状の
断面楕円反射ミラーと、前記楕円形状の第１焦点と第２
焦点の内、少なくともいずれか一方に設けられて、放電
により実質的に断面直径が点光源とみなせる輝点或いは
輝線を形成する放電ランプとを備えるように構成したも
のである。

【００３１】これによれば、放電ランプから放射された
ほとんど全ての光線を集光することができ、利用するこ
とができる。また、断面楕円形状の反射ミラーの第１焦
点または第２焦点の内、少なくともいずれか一方に、断
面直径が点光源とみなせる輝点、或いは輝線を形成する
放電ランプを配置したので、この放電ランプから放射さ
れた光を高い割合で集めることができ、しかも拡がり角
を小さく抑制することができる。特に、上記放射口の外
側に、上記放射口に近い第２焦点を焦点とする放物線を
断面とする外側放物線反射ミラーを設けることにより、
集めた放射光を平行光として利用することができる。

【００３２】更に、このような断面楕円反射ミラーを、
複数個直列に接続して、前方に位置する断面楕円反射ミ
ラーの第１焦点と後方に接続される断面楕円反射ミラー
の第２焦点とが同じ位置になるように設定することによ
り、各焦点上に配置した放電ランプの放射光を重ね合わ
せて放出させることができ、これにより、放射光の利用
効率をより高めることができ、しかもより高いエネルギ
ー密度を実現することができる。また、前記第２焦点に
前記放電ランプを設け、前記第２焦点と前記第１焦点の
中間点に放射方向と直交するように後方平面反射ミラー
を設けるようにした場合、上述したと同様に放電ランプ
から放射された光を高い割合で集めることができると共
に拡散角度を小さくおさえることができる。

【００３３】更に、前述した位置検出手段と位置調整手
段を設けることにより、高い位置精度で輝点、或いは輝
線の位置を調整することができる。また、放電ランプが
所定の長さの棒状に形成されている場合、すなわちアー
クが輝線となっている場合には、そのランプの両端に平
板状の側部反射ミラーを設けることにより対象物の両端
におけるエネルギーの低下を防止することができる。更
には、この棒状の放電ランプ自体を円弧状に形成してお
くことにより、この円弧の中心部におけるエネルギーの
集中を一層高めることができる。

【００３４】請求項１３に規定する発明は、一端に放射
口が形成されて断面が放物線形状の断面放物線反射ミラ
ーと、前記放物線形状の焦点に設けられて、放電により
実質的に断面直径が点光源とみなせる輝点或いは輝線を
形成する放電ランプとを備えるように構成したものであ
る。これにより、放電ランプより放射された光の拡がり
角を抑えて効率的に利用することが可能となる。特に、
この断面放物線反射ミラーを、交互に反転させた状態で
複数個直列に接続し、前後に位置する一対毎の反射ミラ
ー同士の焦点を同じ位置に設定することにより、放電ラ
ンプから放射される光を重ね合わせて高いエネルギー密
度にすることができる。

【００３５】請求項１４に規定する発明は、一端に放射
口が形成されて断面が放物線形状の断面放物線反射ミラ
ーと、前記放物線形状の焦点を共有し、且つ対称形に放
物線形状の断面放物線反射ミラーを設け、放射方向と直
交するように後方平面反射ミラーを設け、前記放物線形
状の焦点に設けられて、放電により実質的に断面直径が
点光源とみなせる輝点或いは輝線を形成する放電ランプ
とを備えるように構成したものであり、光源ランプから
平行な光を得ることができる。これにより、放電ランプ
より放射された光の拡がり角を抑えて効率的に利用する
ことが可能となる。請求項１５に規定する発明は、請求
項１４の発明を多段に組み合わせたものとなっており請
求項１４の発明によって得られる高いエネルギー密度の
光をさらに重ね合わせて高いエネルギー密度にすること
ができる。

【００３６】請求項１６に規定する発明は、一端に比較
的大口径の放射口が形成されて断面が楕円形状の断面楕
円反射ミラーと、前記楕円形状の第１焦点を共有し、且
つ対称形に放物線形状の断面放物線反射ミラーを設け、
放射方向と直交するように後方平面反射ミラーを設け、
前記楕円形状の第１焦点に設けられて、放電により実質
的に断面直径が点光源とみなせる輝点或いは輝線を形成
する放電ランプとを備えるように構成したものであり、
光源ランプから、前記楕円形状の第２焦点に到達する光
を得ることができる。これにより、放電ランプより放射
された光の拡がり角を抑えて効率的に利用することが可
能となる。請求項１７に規定する発明は、請求項１６の
発明と請求項１４に規定する発明とを組み合わせたもの
となっており、請求項１６の発明によって得られる高い
エネルギー密度の光と、請求項１４の発明によって得ら
れる高いエネルギー密度の光をさらに重ね合わせて高い
エネルギー密度にすることができる。

【００３７】また、最後部の反射ミラーに、放射方向と
直交するように後方平面反射ミラーを設けるようにして
も、上述したと同様な作用効果を発揮することができ
る。更に、前述したと同様な位置検出手段と位置調整手
段を設けることにより、高い位置精度で輝点、或いは輝
線の位置を調整することができる。また、前述と同様
に、上記放電ランプを棒状に形成して、その両端に側部
反射ミラーを設けてもよいし、この放電ランプを円弧状
に形成して、光を円弧中心に集光させるようにしてもよ
い。

【００３８】

【発明の実施の形態】以下に、本発明に係る光源装置の
一実施例を添付図面に基づいて詳述する。図１は第１の
発明の光源装置を示す断面図、図２は図１に示す光源装
置の放射方向から見た概略縮小正面図、図３は図１に示
す光源装置の概略縮小背面図、図４は位置検出手段の変
形例を示す図である。尚、先に説明した装置と同一部分
については同一符号を付して説明する。

【００３９】図１乃至図３に示すように、この光源装置
２６は図３４乃至図３６において説明したと同様な放電
ランプ１６及び断面楕円反射ミラー２２を有しており、
更に、この第１の発明において特徴とする位置検出手段
２８と位置調整手段３０を有している。具体的には、こ
の放電ランプ１６は、図３５においても説明したように
放電により実質的な断面直径Ｌ０が例えば０．３ｍｍ程
度の実質的に点光源とみなせるような輝点２０をアーク
放電で発生する放電管、例えばキセノンランプ、メタル
ハライドランプ、水銀ランプ等が用いられる。この放電
ランプ１６内に、僅かな間隙を隔てて電極１８、１８が
対向させて配置されており、これらの電極１８、１８間
にアーク放電を飛ばすことにより、上記輝点２０が形成
され、これより多量の光が放射されることになる（図３
５参照）。

【００４０】一方、断面楕円反射ミラー２２の断面形状
は、略半楕円状態になされ、前方に比較的大口径の放射
口２４が形成されている。そして、この楕円形状の第１
焦点ｆ１に、上記輝点２０が位置するように上記放電ラ
ンプ１６を配置する。この放電ランプ１６の位置調整を
上記位置調整手段３０により行なう。この位置調整手段
３０は、ミラー本体３２の背面側に設けた取付板３７を
有しており、この取付板３４からミラー本体３２の中央
に形成した開口３５を介して取付ロッド３６を放射方向
に向けて挿入し、この取付ロッド３６の先端に上記放電
ランプ１６を支持させている。

【００４１】この取付ロッド３６の外周には、ねじ山３
６Ａが形成されており、この取付ロッド３６を回転させ
ることによって、放電ランプ１６を放射方向へ進退でき
るようになっている。また、この取付ロッド３６には、
所定の位置で此のロッド３６を固定するためのロック用
ナット３８が嵌め込まれている。また、取付板３４に
は、適当箇所に調整孔４０が形成されており、この調整
孔４０内にこの内径よりも直径が数ｍｍ程度小さな固定
ねじ４２を挿通し、ねじ先端をミラー本体３２にねじ込
むことによって固定ねじ４２に介設したワッシャ４４で
取付板３４を押圧付勢し、これを固定するようになって
いる。

【００４２】また、取付板３４の後端には、４辺に亘っ
て調整用フレーム４６が設けられており、この調整用フ
レーム４６には、図３にも示すように上下及び左右方向
に４つの面内調整ねじ４８を出没可能に設けて、その先
端を上記取付板３４の側面に当接させている。尚、面内
調整ねじ４８の数は、これに限定されない。従って、上
記固定ねじ４２を緩めた状態で上記各面内調整ねじ４８
を調整することにより、上記取付板３４を上下、左右方
向に微小量ずつ移動させて放電ランプ１６の上下、左右
方向の位置調整を行なうことができるようになってい
る。尚、このように構成された位置調整手段３０は、放
電ランプ１６を放射方向及び上下・左右方向に僅かに移
動調整できればよく、上述した構成に限定されないのは
勿論である。

【００４３】一方、上記位置検出手段２８は、本実施例
においては、図２にも示すように放射方向（図２中にお
いて紙面垂直方向）に直交する平面において、９０度角
度を異ならせて２つ設けられている。具体的には、図１
にも示すようにミラー本体３２から反射ミラー２２に向
けて貫通する直径０．５ｍｍ程度のピンホール５０を、
正規の位置である第１焦点ｆ１の近傍を臨むように設
け、このピンホール５０の基部に２次元的に最も輝く点
の位置を検出することができる例えば半導体位置検出器
５２を設ける。この検出器５２は、例えば１０ｍｍ×１
０ｍｍの面積をカバーでき、２次元ＰＳＤ（Ｐｏｓｉｔ
ｉｏｎＳｅｎｓｏｒＨｅａｄ）として市販されてお
り、高精度に輝点２０の位置決めを行なうことができ
る。この場合、１０ｍｍ×１０ｍｍの方形状の検出面の
対角線中心が、第１焦点ｆ１に一致するように精度良く
位置合わせをして検出器５２を取り付けておく。

【００４４】尚、位置検出手段３０としては、上述した
ような半導体位置検出器５２に限定されず、例えば図４
に示すように４つのフォトダイオード５４を１０ｍｍ程
度ずつ離間させて四角形状に配置し、各フォトダイオー
ド５４の出力値を比較することによって、焦点２０の２
次元的な位置を決定するようにしてもよい。また、上述
した各位置検出手段２８や位置調整手段３０は単品とし
ての管理を行い、その精度を１／１００ｍｍに維持する
ことが十分可能であり、光源ランプの大きさ例えば０．
３ｍｍと比べて小さい値であり、十分な性能を発揮させ
得るものである。

【００４５】次に、以上のように構成された光源装置の
動作について説明する。図３４及び図３７にも示したよ
うに、放電ランプ１６でアーク放電によって発生した断
面直径が０．１〜０．３ｍｍ程度の輝点２０から放射さ
れた光の内、断面楕円反射ミラー２２に入射した光は、
ここで反射されて第２焦点ｆ２に向けて集光して行くこ
とになる。ここで、放電ランプ１６の当初の取り付け精
度が高くても、放電による高温に晒される電極１８等が
熱伸縮し、輝点２０が、第１焦点ｆ１からずれる傾向に
ある。このずれ量が、図３７及び図３８を参照して説明
したように、僅か０．５ｍｍずれただけでも集光点にお
いては光スポットが大きな拡がりとなってしまい、十分
にエネルギー密度を上げることができない。

【００４６】これに対して、第１の本発明装置では、９
０度方向に角度を異ならせて２つの位置検出手段２８、
２８を設けて、それぞれの位置検出器５２、５２により
輝点２０の位置を検出しており、この輝点２０が、例え
ば１０ｍｍ×１０ｍｍの方形状の検出面の中心に位置す
るように位置調整手段３０により放電ランプ１６を微小
量動かして位置調整を行なう。具体的には、図１におい
て放電ランプ１６を放射方向へ僅かに移動調整するに
は、取付ロッド３６を固定するロック用ナット３８を緩
め、この状態で螺合されている取付ロッド３６を回転さ
せることによって、放電ランプ１６を進退させ、この放
射方向への位置調整を行なう。

【００４７】また、放射方向に直交する平面内における
位置調整は、まず、各固定ねじ４２を緩めて取付板３４
を移動可能状態とし、この状態で左右、上下に設けた各
面内調整ねじ４８を適宜進退させることによって取付板
３４を図３において左右、或いは上下方向に僅かずつ移
動させ、放電ランプ１６の放射方向に直交する面内にお
ける位置調整を行なう。尚、これらの位置検出操作と位
置調整操作をステップモータ等を用いて自動で行なうよ
うにしてもよい。

【００４８】これにより、放電ランプ１６の輝点２０を
図３４において示したように精度良く第１焦点ｆ１上に
位置させることができる。従って、第２焦点ｆ２上にお
ける集光スポットは、図３６に示したように輝点２０の
断面直径の大きさに起因して生ずる僅かな拡がりで済
み、その角度誤差及び拡散角度を小さく抑制することが
できる。このように発光源として、輝点の断面直径が大
きくなるフィラメントではなく、輝点の断面直径が非常
に小さくなるアーク放電を用いた放電ランプを用いたの
で、レーザと同等の、或いはそれ以上の高いエネルギー
密度の集光を実現することができる。

【００４９】尚、上記実施例では、点状のアーク放電か
ら光を放射する放電ランプを用いた場合を例にとって説
明したが、これに限定されず、例えば中空管状の一定の
長さを有する放電管内で線状のアークを飛ばし、いわゆ
る輝線を形成して、これより光の放射を行なう管状の放
電ランプに対しても本発明を適用することができる。こ
の場合にも、輝線の断面直径は、前述したと同様に点光
源とみなせる程に小さく、例えば直径が０．１ｍｍ〜
０．３ｍｍ程度のものである。また、この場合の断面楕
円反射ミラーは、後述されるように断面形状は図１のよ
うに半楕円形になされて、放電ランプの長さ方向に延び
たものを用いる。

【００５０】次に、第２の発明について説明する。図５
は第２の発明の第１実施例の光源装置を示す概略断面
図、図６は図５に示す光源装置を示す斜視図、図７は図
５に示す装置の輝線から放出された１の光線の軌跡を示
す図、図８は図５に示す装置の輝線から放出された８０
度、１２０度、１５０度方向の光線について光源が有限
な大きさをもつとして光線追跡計算を行った結果を示す
図、図９は図５に示す光源装置の放射口側に外側放物線
反射ミラーを設けた時の状態を示す図、図１０は図５に
示す光源装置を複数個用いた時の第２実施例を示す図、
図１１は図５に示す光源装置の具体的一構成例を示す
図、図１２は図１１に示す構成例の第３実施例を示す
図、図１３は図１２に示す光源装置の具体的一構成例を
示す図、図１４は図１２に示す装置の輝線から放出され
た８０度、１２０度、１５０度方向の光線について光源
が有限な大きさをもつとして光線追跡計算を行った結果
を示す図、図１５は図５乃至図１３に示す各光源装置の
放電ランプの端部に側部平面反射ミラーを設けた第４実
施例を示す図、図１６は図１５に示す光源装置の放電ラ
ンプを円弧状に成形した第５実施例を示す図である。

【００５１】ここでは、放電ランプとしては、第１の発
明で説明した点状の輝点を発生するランプではなく、ア
ーク放電により線状の輝線を発生するランプを例にとっ
て説明するが、勿論、第１の発明で説明したような点状
の輝点を発生するランプにも適用することができる。図
５及び図６に示すようにこの光源装置５６は、第１の発
明と同様に断面楕円反射ミラー５８と、放電ランプ６０
を有している。この楕円反射ミラー５８は、図６に示す
ように横長に形成されており、その前方には、第１発明
の場合よりも小さく開口された放射口６２が形成されて
おり、楕円反射ミラー５８のミラー面によって奥の第１
焦点ｆ１のみならず、放射口６２側の第２焦点ｆ２も覆
って、両焦点ｆ１、ｆ２を内側に位置させている。

【００５２】この放電ランプ６０は、前述のように棒状
の放電管６４を有しており、横方向に延びる第２焦点ｆ
２に沿って配置されている。特に、この放電管６４内に
発生するアーク放電による線状の輝線６４が上記第２焦
点ｆ２の位置と略一致するように設定されている。この
輝線６４は、その断面直径が実質的に点光源とみなせる
程度、例えば０．１ｍｍ〜０．３ｍｍ程度に細いもので
ある。尚、第１の発明の場合と同様に、輝線６４の位置
誤差を解消するために、第１の発明で説明したような位
置検出手段２８と位置調整手段３０も設けるようにして
もよい（図１参照）。

【００５３】次に、このように構成された装置の作用に
ついて説明する。第２焦点ｆ２上の放電ランプ６０の輝
線６４から全方位に向けて放射された光６６が全て放射
口６２から一定の拡がり角をもって放出されている。す
なわち、輝線６４から放射口６２に向かって放射された
光は、反射ミラー５８に反射されることなくそのまま外
に出て行き、一方、それ以外の光は断面楕円反射ミラー
５８にて複数回反射を行なって放射方向に向きを変え、
最終的に放射口６２から外に出て行くことになる。

【００５４】図７（Ａ）は、放射光６６が反射ミラー５
８内にて２回反射を繰り返しながら第１焦点ｆ１を通っ
て最終的に放射口６２から出て行く状態を示しており、
図７（Ｂ）は放射光６６が反射ミラー５８内にて４回反
射を繰り返しながら第１焦点ｆ１及び第２焦点ｆ２を通
って最終的に放射口６２から出て行く状態を示してい
る。ここで注意されたい点は、同じ軌跡に２本以上の光
線を重ね合わせる事ができているという点である。すな
わち、図７（Ａ）においては、輝線６４よりＡ方向とＢ
方向へ放射された光が、最終的にＡ方向に向けて重ね合
わせて放出されている。図７（Ｂ）にいては輝線６４よ
りＣ方向とＤ方向とＥ方向へ放射された光が最終的にＣ
方向に向けて重ね合わせて放出されている。

【００５５】従って、これによれば、光線同士或いはア
ーク放電と光線とがお互いに影響し合わない範囲で光線
を重ね合わせることができ、光のエネルギー密度を高め
ることができる。また、第１の発明と異なり、略全方向
に向けて放射される光を一定の拡がり角内で放出して利
用することができるので、光の利用効率も高めることが
できる。図９は図５に示す装置の変形例を示しており、
放射口６２の外側に、断面形状が放物線となっている外
側放物線反射ミラー６８を配置している。この場合、こ
の放物線反射ミラー６８の焦点ｆ３の位置が上記断面楕
円反射ミラー６８の第２焦点ｆ２の位置と同じになるよ
うに設定する。

【００５６】これにより、一定の拡がり角を持って放射
口６２から放出される光６６は、上記外側放物線反射ミ
ラー６８にて反射されて平行光に変換することができ
る。従って、光のエネルギー密度の高い平行光を後段で
利用することができる。この場合、図３０と比較して明
らかなように本変形例では同じ外側放物線反射ミラー６
８の狭い領域から２倍以上の例えば略４倍の本数の光線
が出ており、エネルギー密度を非常に高くすることがで
きる。図１０は図５に示す装置の第２実施例を示してお
り、図９に示す装置で得られた平行光を一点に集光して
利用している。

【００５７】ここでは、図９に示したような外側放物線
反射ミラー６８を有する光源装置５６を複数個、図示例
にあっては３個並列に設けてあり、各放物線反射ミラー
６８からの平行反射光６６の方向を同一方向に設定して
いる。尚、光源装置５６を１つだけ設けてもよいのは勿
論である。そして、その反射方向に各反射光６６を受け
ることができる程度の大面積の断面形状が放物線となっ
ている第２の外側放物線反射ミラー７０を設けている。
これによれば、上述した放射口６２の外側に設けた外側
放物線反射ミラー６８における反射で得られた平行状態
の反射光６６は、この第２の外側放物線反射ミラー６８
にて反射され、この焦点ｆ４上の加熱対象物７２に集光
されることになる。この場合、図２９と比較して明らか
なように、本実施例では略４倍の光線が略半分程度の拡
がり角内に集まっており、非常に高いエネルギー密度を
実現することができる。

【００５８】図１１は図９に示す概略構成図の装置例に
おいて、外側放物線反射ミラー６８を装置本体と一体成
形した時の構成図を示している。この装置例では、例え
ばアルミニウム等よりなるブロック体を分割して２つの
ブロック体７４Ａ、７４Ｂを形成し、このブロック体７
４Ａ、７４Ｂの接合面側をくり抜いた後、金メッキを施
す、または内面に水銀を蒸着する等の方法により断面楕
円反射ミラー５８と放射口６２の外側の外側放物線反射
ミラー６８を一体的に成形している。また、ここでは放
電ランプ６０を臨むように例えば９０度程度異なる方向
から直径０．５ｍｍ程度のピンホール７６を形成してお
り、各ピンホール７６の外側端部に位置検出手段として
例えば２次元ＰＳＤ７８を設けている。これにより、輝
線６４の位置を正確に検出するようになっている。

【００５９】尚、放電ランプ６０の位置調整を行なう位
置調整手段も設けられているが、ここではその記載を省
略する。この装置例は、当然のこととして図９において
説明した場合と同様な作用効果を発揮することができ
る。図１３は第２の発明の第３実施例を示す装置例であ
る。ここでは、断面楕円反射ミラー５８の奥に、第１焦
点ｆ１と第２焦点ｆ２との間の中央点に位置する部分
に、放射口６２における放射方向と直交するように平板
状の後方平面反射ミラー７８を設けている。この装置全
体は、図１３にて説明したように例えばアルミニウム等
のブロック体を適当に分割して複数のブロック体８０
Ａ、８０Ｂ、８０Ｃを形成し、これらの接合面側をくり
抜いて金メッキを施したり、または水銀を蒸着する等の
方法によって形成することができる。

【００６０】また、この装置例にあっては、反射方向に
向かう中心軸に沿って、冷却孔８２が形成されおり、こ
の冷却孔８２に沿って例えば冷却風を流すことにより、
装置内部を冷却することができる。この変形例の場合に
は、拡散角度の増加をある程度におさえた上で同一軌跡
上に光線が重なり、エネルギー密度を高めることができ
る。図示例において、外側放物線反射ミラー６８には冷
却孔８２を挟んで段差が生じているが、反射光６６を同
一方向に平行光として導くことができるならば、問題は
生じない。図１５は第２の発明の第４実施例を示す概略
平面図である。

【００６１】以上の各実施例では、棒状の放電ランプ６
０の両端部では、線状の輝線６４から放射される光が外
方へ逃げてしまうが、図１５に示すように、棒状に延び
る光源装置５６の両端に平板状の側部平面反射ミラー８
２、８２を光源装置５６の長さ方向に対して直交するよ
うに設ける。これによれば、光源装置５６から側方へ放
射される光は、上記２つの平面反射ミラー８２、８２に
より反射されて加熱対象物７２に向けて反射される。す
なわち、平面反射ミラー８２、８２により光源装置５６
の虚像８４が側方に形成されるので、光源を無限に長い
線光源と略同じと見なせることができる。従って、光エ
ネルギーを効率的に利用することができるのみならず、
高いエネルギー密度を実現することができる。

【００６２】尚、図示例では輝線６４から放射される光
を代表的に離散的に示しているが、実際には、輝線６４
に沿って連続的に光が放射されているのは勿論である。
また、この平面反射ミラー８２、８２は、図５から図１
１において説明した全ての光源装置に設けることができ
る。図１６は第２の発明の第５実施例を示す概略平面図
である。以上各実施例では、光源装置５６及び放電ラン
プ６０は直線的な棒状に成形した場合を例にとって説明
したが、これに限定されず、図１６に示すように加熱対
象物７２上の一点を焦点ｆ５とする円弧状に屈曲成形す
るようにしてもいよい。

【００６３】これによれば、焦点ｆ５を中心とする部分
に熱エネルギーをより集中させることが可能となる。
尚、この光源装置５６の両端にも、図１５に示したよう
な側部平面反射ミラー８２、８２を設けるようにしても
よい。尚、図１５及び図１６において説明した側部平面
反射ミラー８２や棒状の光源装置５６を円弧点に成形す
る点は、以後説明する他の実施例や発明にも適用し得
る。図１７は第２発明の第６実施例を示す構成図であ
る。この第６実施例は、図５にて説明した第１の発明の
第１実施例において、第１焦点ｆ１にも放電ランプ８６
を設けるようにしたものである。この放電ランプ８６
は、第２焦点ｆ２上に配置した放電ランプ５６と全く同
様の構造のランプを用いることができ、すなわち、アー
ク放電により断面直径が点光源とみなせる程度に小さい
線状の輝線８８を発生する。

【００６４】これによれば、２つの放電ランプ５６、８
６から放射された光も相互に重ね合わされることにな
り、図５において説明した場合よりも、更にエネルギー
密度が高い光を得ることができる。また、当然のことと
して、第１焦点ｆ１上に配置した放電ランプ８６からの
放射光も略全てを利用することができる。図１８は第２
発明の第７実施例を示す構成図である。

【００６５】以上の各実施例にあっては、断面楕円反射
ミラー５８を１つ用いた場合を例にとって説明したが、
これに限定されず、図１８に示すように断面楕円反射ミ
ラー５８、９０を複数個、図示例では２個直列に接続
し、いわゆる双楕円形状となるようにしてもよい。この
場合、放射口６２に対して後方に接続される断面楕円反
射ミラー９０の第２焦点ｆ７の位置と、この前方に位置
する断面楕円反射ミラー５８の第１焦点ｆ１の位置とが
同一になるように両ミラー５８、９０を接続する。

【００６６】そして、前方の断面楕円反射ミラー５８の
第２焦点ｆ２のみならず、後方の断面楕円反射ミラー９
０の第１焦点ｆ６にも線状の輝線を有する放電ランプ６
０、８６を配置する。これによれば、一方の放電ランプ
６０或いは８６から放射された光が各ミラー５８、９０
で反射されると他方の放電ランプ８６或いは６０の輝線
に元の拡がり角になって入射することになる。図示例で
は、断面直径が０．３ｍｍのアーク輝線から７０度方向
に放射された光の追跡を行なった結果を示している。光
源の断面直径の大きさによる角度誤差が相似な反射ミラ
ー５８、９０によって２回反射することによって相殺さ
れ、一方の焦点では元のアーク直径の大きさに戻ってい
る。この結果、２つの放電ランプ６０、８６はお互いに
一方のアーク放電の強度を放射光によって高める働きを
することになる。そして、前方の反射ミラー５８に設け
た放射口６２から前述したと同様に放射光が取り出され
ることになる。従って、非常に高いエネルギー密度の光
を実現することができる。

【００６７】尚、ここでは２つの反射ミラーを直列接続
した場合を例にとって説明したが、反射ミラーの数はこ
れに限定されず、同様な反射ミラーを３つ以上直列に同
様に接続し、更に放電ランプも増やすようにしてもよ
い。図１９は第２の発明の第８実施例を示す構成図であ
り、この実施例では、図１８に示した装置例において、
２つの断面楕円反射ミラー５８、９０の接合部に位置す
る共通の焦点ｆ１、ｆ５上に更に先の放電ランプ６０、
８６と同様な構造の放電ランプ９２を設けている。これ
により、３つの各放電ランプ６０、８６、９２から放射
されたそれぞれの光を重ね合わせて放射口６２から放出
させることができるので、より高いエネルギー密度の光
線を実現することができる。

【００６８】以上説明した第１及び第２の発明の各実施
例では、ランプからの放射光を直接反射する反射ミラー
は、断面楕円形状のものを用いたが、これに替えて、楕
円形の一方の焦点を無限遠に設定した放物線形状を断面
に持つ断面放物線反射ミラーを用いるようにしてもよ
い。図２０はこのような第３の発明の第１実施例を示す
原理図、図２１は図２０に示す第１実施例の具体的構成
図である。

【００６９】図２０に示すようにこの光源装置９４は２
つの断面放物線反射ミラー９６、９８を用いており、両
反射ミラー９６、９８を互いに反転させて反対向きの状
態で接合している。この場合、一方、すなわち前方に位
置する反射ミラー９６の焦点ｆ６の位置と、他方、すな
わち後方に位置する反射ミラー９８の焦点ｆ７の位置が
同一となるように両反射ミラー９６、９８を直列に接続
する。そして、この焦点ｆ６、ｆ７上に、先の発明で説
明したと同様にアーク放電により断面直線が０．１〜
０．３ｍｍ程度に小さくして点光源とみなせるような輝
線１０２を発生する放電ランプ１０６を設ける。そし
て、前方の放射ミラー９６の一端を開放して放射口１０
０を形成しており、前方の放射方向に光を放出するよう
になっている。他方、後方の反射ミラー９８の後方に
は、上記放射方向と直交するように平板状の後方平面反
射ミラー１０４を設けている。この後方平面反射ミラー
１０４の位置は、反射ミラーの断面形状が楕円形の場合
には焦点上に位置させる必要があるが、本発明のように
放物線形状の場合には焦点ｆ７の後方ならばどの位置に
設けてもよい。

【００７０】さて、このように構成された装置例におい
て、放電ランプ１０６の輝線１０２からは全方位に向け
て光が放射される。前方に向けて放射された光の内、前
方の断面放物線反射ミラー９６で反射された光は放射方
向に略平行となって放射口１０２から放出されて行く。
また、放電ランプ１０６から後方に向けて放射された光
の内、後の断面放物線反射ミラー９８で反射された光
は、更に後方に設けた後方平面反射ミラー１０４で反射
されて元の軌跡を略戻って行く。そして、焦点ｆ６、ｆ
７及びこの近傍を通過した後に、前方に設けた反射ミラ
ー９６に反射し、放射口１０２から外方へ放出される。
この時、放電ランプ１０６から直接前方へ放射された光
と重なり合うことになる。

【００７１】図２０においては、説明を理解し易くする
ために、輝線１０２の直径を４ｍｍとして大きく設定し
た時の一部の光の軌跡を代表的に示している。放電ラン
プ１０６より斜め前方に放射された光１１０は光源の断
面直径の大きさに起因してある程度の角度誤差をもって
放出されて行く。放電ランプ１０６より斜め後方に放射
された光１０８は、断面放物線反射ミラー９８、後方平
面反射ミラー１０４及び断面放物線反射ミラー９８の順
に３回反射して元の放電ランプ１０６の位置まで戻って
いる。この時、注意されたい点は、放射時に直径４ｍｍ
の光線束は、向きを変えて元の位置に戻ってきた時には
略元の直径の範囲に戻っており、幾何学的には角度誤差
が拡大されていない。

【００７２】従って、先の発明と違って集光できる角度
は小さくなるが拡散誤差を増加させずに光線の重ね合わ
せができている。図２１は図７に示す装置例の具体的装
置例の断面図を示しており、例えばアルミニウムよりな
るブロック体を適宜に分割してくり抜いて内面に金メッ
キを施す処理をした後に、再度結合することによって上
記２つの断面放物線反射ミラー９６、９８及び後方平面
反射ミラー１０４を形成している。

【００７３】また、放射口１００の前方には、光の放出
方向を９０度変えるための平面傾斜ミラー１１２が放射
方向に対して４５度の角度で傾斜させて設けられてい
る。また、放射方向に沿った中心軸上には、ランプ温度
を低下させるための冷却風１１４を流通させるための冷
却口１１６が設けられている。この装置の光の反射に関
しては、最終的な光の放出方向が平面傾斜ミラー１１２
により９０度変えられた点を除き、図２０に示した場合
と同じである。図２２は第３の発明の第２実施例を示す
原理図、図２３は図２２に示す装置例における放射光の
内の一部の光の軌跡を示す図、図２４は図２２に示す装
置例における放射光の内の一部の光の軌跡を示す図であ
る。

【００７４】先に説明した第１実施例の場合には、２つ
の断面放物線反射ミラー９６、９８を組み合わせた構造
を例にとって説明したが、図２２に示すように図２０の
光源装置を複数段積み重ねることができる。すなわち、
図２２に示すように図２０に示す２つの断面放物線反射
ミラー９６、９８に加えて更に同じ構造の一対の断面放
物線反射ミラー１１８、１２０を直列的に接続してい
る。この場合も、この２つの反射ミラー１１８、１２０
は、先の２つの反射ミラー９６、９８と同様に互いに逆
方向へ反転された状態で接続されている。この反射ミラ
ー１１０の焦点ｆ８の位置と、反射ミラー１１２の焦点
ｆ９の位置は、当然のこととして同一となるように両反
射ミラー１１８、１２０は位置決めされている。そし
て、後方平面反射ミラー１０４を、最後段の反射ミラ
ー、すなわち反射ミラー１２０の後端部に設けている。

【００７５】そして、上記両反射ミラー１１８、１２０
の焦点ｆ８、ｆ９上に先の放電ランプ１０６と同じ構造
のアーク輝線を発生する放電ランプ１２２を設ける。こ
のような構成によれば、後方の放電ランプ１１２から放
射された光１２４は、図２０にて示したと同様な軌跡を
辿って前段の反射ミラー９６、９８側に向かい、ここで
前段の放電ランプ１０６から放射された光と重ね合わさ
れた状態で方射口１００から前方に放射される。前段の
放電ランプ１０６からの光線と後段の放電ランプ１２２
から放射される光線とが拡散角度を増加させずに同一軌
跡に重ね合わされて前方へ放射される。従って、この場
合にも複数の放電ランプからの光線を加算できることに
なる。従って、図２０に示した第１実施例の場合よりも
高いエネルギー密度を実現することが可能となる。

【００７６】図２３は後方の放電ランプ１２２から前方
へ放射された光の一部の軌跡を示している。断面直径が
一定の大きさの輝線１２６から斜め前方に放射された光
１２８は反射ミラー１２０、９８にて反射されて前方の
放電ランプ１０６の位置に到達している。この時、光の
拡がりは、元の放電ランプ１２２からの放射時と略同じ
である。従って、後方の放電ランプ１２２から放射され
た光は、角度誤差が拡大されることなく、前方の放電ラ
ンプ１０６に到達することになる。換言すれば、この到
達した光は、前方の放電ランプ１０６から斜め前方へ放
射されたことと同じことになる。

【００７７】図２４は後方の放電ランプ１２２から後方
へ放射された光の一部の軌跡を示している。この光１３
０は、後段の後方の反射ミラー１２０、後方平面反射ミ
ラー１１２、後方の反射ミラー１２０、前段の後方の反
射ミラー１９８にて順次反射を繰り返した後、前方の放
電ランプ１０６の位置に到達している。この時、光の拡
がりは、元の放電ランプ１２２からの放射時と略同じで
ある。従って、後段の放電ランプ１２２より後方に向け
て放射された光は、前段の放電ランプ１０６から斜め前
方へ放射されたことと同じことになる。

【００７８】従って、以上のことから両放電ランプ１０
６、１２２から放射された光は同一軌跡に重ね合わされ
て放出されるので非常に高いエネルギー密度の光を実現
することができる。図２５は図２２に示す装置の具体的
構成例の断面図を示しており、例えばアルミニウムより
なるブロック体を適宜に分割してくり抜いた後に再度接
合することによって、上記４つの反射ミラー９６、９
８、１１８、１２０及び後方平面反射ミラー１０４を形
成している。また、放射口１００の前方には、光の放出
方向を９０度変えるための平面傾斜ミラー１３２が放射
方向に対して４５度の角度で傾斜させて設けられてい
る。

【００７９】また、放射方向に沿った中心軸上には、ラ
ンプ温度を低下させるための冷却風１３４を流通させる
ために冷却口１３６が設けられている。この装置の光の
反射に関しては、最終的な光の放出方向が平面傾斜ミラ
ー１３２により９０度変えられた点を除き、図２２乃至
図２４に示した場合と同じである。尚、ここでは４つの
断面放物線反射ミラーを連結した場合を例にとって説明
したが、更に多くの反射ミラーを一対毎に連結し、更
に、一対毎に放電ランプを設けるようにして、更に高い
エネルギー密度の光を実現するようにしてもよい。ま
た、前述したように、第２及び第３の発明にも第１の発
明で用いた位置検出手段や位置調整手段を用いて放電ラ
ンプの位置精度を上げて、放射光の拡がり角を最低限に
するようにしてもよい。また、上記した各実施例を適宜
組み合わせて、以下に示すような構成としてもよい。

【００８０】図２６に示す装置は、図２０の光源装置の
光線を取り出す側の断面放物線形状の反射ミラーを、断
面楕円形状の反射ミラー１５０で構成したものであり、
光源ランプ１５２を点光源として示した原理図である。
図２０に示す装置と同じように拡散角度の増加を招かず
に光線の重ね合わせが実現できる。図２６に示す装置は
直接対象物を加熱する場合に適する。図２０は集光でき
る角度が狭い欠点があるが、図２０、図２６に示す装置
で光源として点光源、例えばキセノンランプを用いた場
合、集光できる角度が狭いことの影響がほとんど無い。
これはランプの構造上放電のための電極があり、電極の
影になるため、元々放射する角度が狭いためである。

【００８１】図２７に示す装置は、先の図２６に示す光
源装置と図２０の光源装置とを組み合わせたものであ
る。図２２に示す光源装置と原理的には同じであり、最
終的に光線を取り出す側の反射ミラーを、断面楕円形状
の反射ミラー１５０で構成したものであり、光源ランプ
１５２を点光源として示した原理図である。図２７に示
す装置は直接対象物を加熱する場合に適する。ここまで
の実施例では、光源ランプのガラス管の影響について説
明していないが、ガラス管は光線の誤差を大きくし、場
合によっては過熱して破損の危険を生ずるものである。
図２８に示す装置は光源ランプを光源装置に組み込んで
光源ランプのガラス管を無くする場合の構造を示す。構
造上の違いはほとんどなく、光源装置を気密に保ち、内
部にたとえば、キセノンガスを封入すれば良い。

【００８２】すなわち、装置の外殻を構成する反射ミラ
ーは、図２７に示す装置と同様のものを用いており、そ
の放射口を、シール部材１５４を介して透明なガラスカ
バー１５６により気密にシールし、内部に不活性ガス、
例えばキセノンガスを封入している。そして、ランプを
設定すべき位置に、装置の筐体１５７を貫通させて電極
フィラメント１５８を設けている。貫通部には、当然の
こととして、筐体１５７に対する絶縁性を確保するため
に絶縁部材１６０を介設している。これによれば、上述
のように、ランプガラス管自体をなくすことができる。

【００８３】

【発明の効果】以上説明したように本発明の光源装置に
よれば、次のように優れた作用効果を発揮することがで
きる。第１の発明によれば、断面楕円反射ミラーの第１
焦点に輝点或いは輝線を形成する放電ランプを設けるよ
うにしたので、高いエネルギー密度の光を実現すること
ができる。特に、輝点や輝線の位置を検出する位置検出
手段を設けて、位置調整手段により輝点或いは輝線の位
置を正規の位置に調整することができるので、放射光の
拡散角度を最小限に抑制してレーザ光と同等の、或いは
それ以上の更に高いエネルギー密度の光を実現すること
ができる。

【００８４】第２の発明によれば、比較的小口径の方射
口を備えて第１焦点と第２焦点とを覆うような断面楕円
反射ミラーの第１焦点或いは第２焦点の内の少なくとも
一方に放電ランプを設けるようにしたので、放電ランプ
からの放射光を大部分利用することができるのみなら
ず、高いエネルギー密度の光を実現することができる。
また、上記放射される光を外側放物線反射ミラーで反射
させることにより、高いエネルギー密度の平行光を形成
することができる。更に、このような断面楕円反射ミラ
ーを複数個直列に接続して複数の放電ランプを設けるこ
とにより、更に高いエネルギー密度の光を実現すること
ができる。

【００８５】また、第３の発明によれば、断面が放物線
形状の断面放物線反射ミラーの焦点に放電ランプを設け
るようにしたので、高いエネルギー密度の光を実現する
ことができる。特に、複数の断面放物線反射ミラーを互
いに反転した状態で接続し、後段に後方平面反射ミラー
を設けることにより、放電ランプの前方及び後方に放出
された光を重ね合わせることができるので、より高いエ
ネルギー密度の光を実現することができる。更に、焦点
位置に対応させて複数の放電ランプを設けるようにすれ
ば、更に高いエネルギー密度の光線を実現することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の発明の光源装置を示す断面図である。

【図２】図１に示す光源装置の放射方向から見た概略縮
小正面図である。

【図３】図１に示す光源装置の概略縮小背面図である。

【図４】位置検出手段の変形例を示す図である。

【図５】第２の発明の第１実施例の光源装置を示す概略
断面図である。

【図６】図５に示す光源装置を示す斜視図である。

【図７】図５に示す装置の輝線から放出された１の光線
の軌跡を示す図である。

【図８】図５に示す装置の輝線から放出された８０度、
１２０度、１５０度方向の光線について光源が有限な大
きさをもつものとして光線追跡計算を行った結果を示す
図である。

【図９】図５に示す光源装置の放射口側に外側放物線反
射ミラーを設けた時の状態を示す図である。

【図１０】図５に示す光源装置を複数個用いた時の第２
実施例を示す図である。

【図１１】図５に示す光源装置の具体的一構成例を示す
図である。

【図１２】図１１に示す構成の第３実施例を示す図であ
る。

【図１３】図１２に示す光源装置の具体的一構成例を示
す図である。

【図１４】図１２に示す装置の輝線から放出された８０
度、１２０度、１５０度方向の光線について光源が有限
な大きさをもつものとして光線追跡計算を行った結果を
示す図である。

【図１５】図５乃至図１３に示す各光源装置の放電ラン
プの端部に側部平面反射ミラーを設けた第４実施例を示
す図である。

【図１６】図１５に示す光源装置の放電ランプを円弧状
に成形した第５実施例を示す図である。

【図１７】第２発明の第６実施例を示す構成図である。

【図１８】第２発明の第７実施例を示す構成図である。

【図１９】第２の発明の第８実施例を示す構成図であ
る。

【図２０】第３の発明の第１実施例を示す原理図であ
る。

【図２１】図２０に示す第１実施例の具体的構成図であ
る。

【図２２】第３の発明の第２実施例を示す原理図であ
る。

【図２３】図２２に示す装置例における放射光の内の一
部の光の軌跡を示す図である。

【図２４】図２２に示す装置例における放射光の内の一
部の光の軌跡を示す図である。

【図２５】図２２に示す装置の具体的構成例の断面図で
ある。

【図２６】第３の発明の第３実施例を示す原理図であ
る。

【図２７】第３の発明の第４実施例を示す原理図であ
る。

【図２８】第３の発明の第４実施例の具体的構成例の断
面図である。

【図２９】複数のランプからの光を集光して高いエネル
ギー密度の光を得るコンセプトを示す説明図である。

【図３０】図２９に示したランプの１つを示す拡大図で
ある。

【図３１】光源ランプから放射される９０度方向のみを
描いた図である。

【図３２】図３１に示した反射ミラーを２倍の大きさに
設定した時の図である。

【図３３】有限の大きさを持つ光源から放射される光が
角度誤差を生ずる原因を説明するための図である。

【図３４】光源に放電ランプを用いた時の光源装置を示
す図である。

【図３５】図３４中の光源の部分を示す拡大図である。

【図３６】図３４中の集光部分を示す拡大図である。

【図３７】図３４中の放電ランプを０．５ｍｍだけ正規
の位置よりずらした時の状態を示す図である。

【図３８】図３７中の集光部分を示す拡大図である。

【符号の説明】

１６放電ランプ２０輝点２２断面楕円反射ミラー２４放射口２６光源装置２８位置検出手段３０位置調整手段３４取付板３６取付ロッド４８面内調整ねじ５０ピンホール５６光源装置５８断面楕円反射ミラー６０放電ランプ６２放射口６４輝線６８外側放物線反射ミラー７８後方平面反射ミラー８２側部平面反射ミラー８６放電ランプ８８輝線９０断面楕円反射ミラー９２放電ランプ９４光源装置９６断面放物線反射ミラー９８断面放物線反射ミラー１００放射口１０２輝線１０４後方平面反射ミラー１０６放電ランプ１１８断面放物線反射ミラー１２０断面放物線反射ミラー１２２放電ランプｆ１第１焦点ｆ２第２焦点

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】一端に比較的大口径の放射口が形成され
て断面が楕円形状の断面楕円反射ミラーと、前記楕円形
状の第１焦点に設けられて放電により実質的に断面直径
が点光源とみなせる輝点或いは輝線を形成する放電ラン
プとを備えたことを特徴とする光源装置。
【請求項２】前記輝点或いは輝線の位置を検出する位
置検出手段と、前記放電ランプの位置を調整する位置調
整手段とを備えたことを特徴とする請求項１記載の光源
装置。
【請求項３】前記位置検出手段は、前記断面楕円反射
ミラーの放射方向に直交する方向に少なくとも２個設け
られていることを特徴とする請求項２記載の光源装置。
【請求項４】前記位置検出手段は、半導体位置検出器
であることを特徴とする請求項２または３記載の光源装
置。
【請求項５】前記位置検出手段は、前記断面楕円反射
ミラーに形成したピンホールを介して前記輝点或いは輝
線からの光を受けることを特徴とする請求項２乃至４の
いずれかに記載の光源装置。
【請求項６】一端に比較的小口径の放射口が形成され
て断面が楕円形状の断面楕円反射ミラーと、前記楕円形
状の第１焦点と第２焦点の内、少なくともいずれか一方
に設けられて、放電により実質的に断面直径が点光源と
みなせる輝点或いは輝線を形成する放電ランプとを備え
たことを特徴とする光源装置。
【請求項７】前記放射口の外側には、前記放射口に近
い第２焦点を焦点とする放物線を断面形状とする外側放
物線反射ミラーを設けたことを特徴とする請求項６記載
の光源装置。
【請求項８】前記断面楕円反射ミラーは、複数個直列
に接続して設けられると共に、前方に位置する断面楕円
反射ミラーの第１焦点と後方に接続される断面楕円反射
ミラーの第２焦点とが同じ位置になるように設定したこ
とを特徴とする請求項６または７記載の光源装置。
【請求項９】前記第２焦点に前記放電ランプを設け、
前記第２焦点と前記第１焦点の中間点に放射方向と直交
するように後方平面反射ミラーを設けたことを特徴とす
る請求項６乃至８のいずれかに記載の光源装置。
【請求項１０】前記輝点或いは輝線の位置を検出する
位置検出手段と、前記放電ランプの位置を調整する位置
調整手段とを備えたことを特徴とする請求項６乃至９の
いずれかに記載の光源装置。
【請求項１１】前記放電ランプは、所定の長さを有し
て棒状に形成されており、このランプの両端に側部平面
反射ミラーを設けたことを特徴とする請求項６乃至１０
のいずれかに記載の光源装置。
【請求項１２】前記放電ランプは、所定の長さを有し
て円弧状に形成されていることを特徴とする請求項６乃
至１１のいずれかに記載の光源装置。
【請求項１３】一端に放射口が形成されて断面が放物
線形状の断面放物線反射ミラーと、前記放物線形状の焦
点に設けられて、放電により実質的に断面直径が点光源
とみなせる輝点或いは輝線を形成する放電ランプとを備
えたことを特徴とする光源装置。
【請求項１４】一端に放射口が形成されて断面が放物
線形状の断面放物線反射ミラーと、前記放物線形状の焦
点を共有し、且つ対称形に放物線形状の断面放物線反射
ミラーを設け、放射方向と直交するように後方平面反射
ミラーを設け、前記放物線形状の焦点に設けられて、放
電により実質的に断面直径が点光源とみなせる輝点或い
は輝線を形成する放電ランプとを備えたことを特徴とす
る光源装置。
【請求項１５】一端に放射口が形成されて断面が放物
線形状の断面放物線反射ミラーと、前記放物線形状の焦
点を共有し、且つ対称形に放物線形状の断面放物線反射
ミラーを設け、前記放物線形状の焦点に設けられて、放
電により実質的に断面直径が点光源とみなせる輝点或い
は輝線を形成する放電ランプとを備え、一端の放射口に
請求項１４に記載の光源装置をその放射口を重ねて設け
たことを特徴とする光源装置。
【請求項１６】一端に比較的大口径の放射口が形成さ
れて断面が楕円形状の断面楕円反射ミラーと、前記楕円
形状の第１焦点を共有し、且つ対称形に放物線形状の断
面放物線反射ミラーを設け、放射方向と直交するように
後方平面反射ミラーを設け、前記楕円形状の第１焦点に
設けられて、放電により実質的に断面直径が点光源とみ
なせる輝点或いは輝線を形成する放電ランプとを備えた
ことを特徴とする光源装置。
【請求項１７】一端に比較的大口径の放射口が形成さ
れて断面が楕円形状の断面楕円反射ミラーと、前記楕円
形状の第１焦点を共有し、且つ対称形に放物線形状の断
面放物線反射ミラーを設け、前記楕円形状の第１焦点に
設けられて、放電により実質的に断面直径が点光源とみ
なせる輝点或いは輝線を形成する放電ランプとを備え、
一端の放射口に請求項１４に記載の光源装置をその放射
口を重ねて設けたことを特徴とする光源装置。
【請求項１８】前記断面放物線反射ミラーは、交互に
反転された状態で複数個直列に接続して設けられると共
に前後に位置する一対毎の断面放物線反射ミラー同士の
焦点は同じ位置に設定されていることを特徴とする請求
項１３乃至１９のいずれかに記載の光源装置。
【請求項１９】前記複数の断面放物線反射ミラーの
内、最後部の反射ミラーには前記放射方向と直交するよ
うに後方平面反射ミラーを設けたことを特徴とする請求
項１８記載の光源装置。
【請求項２０】前記放電ランプは、所定の長さを有し
て棒状に形成されており、このランプの両端に側部平面
反射ミラーを設けたことを特徴とする請求項１３乃至１
９のいずれかに記載の光源装置。
【請求項２１】前記放電ランプは、所定の長さを有し
て円弧状に形成されていることを特徴とする請求項１３
乃至２０のいずれかに記載の光源装置。
【請求項２２】前記輝点或いは輝線の位置を検出する
位置検出手段と、前記放電ランプの位置を調整する位置
調整手段とを備えたことを特徴とする請求項１３乃至２
１のいずれかに記載の光源装置。