JP4736961B2 - 光源装置 - Google Patents

Description

この発明は光源装置に関する。特に、プロジェクター装置に使われる光源装置に関する。

プロジェクター装置は、一般に、液晶（ＬＣＤ）パネルを使う方式とＤＬＰを使う方式が存在する。
ＬＣＤパネルを使う方式は、１枚式と３枚式があるがいずれの方式であっても、光源からの放射光を３色（ＲＧＢ）に分離して、ＬＣＤパネルにおいて画像情報に対応させた光を透過調整して、その後、パネルを透過した３色を合成させてスクリーン上に投射させる方式である。
一方、ＤＬＰ（登録商標）を使う方式は、光源からの放射光をＲＧＢの領域が分割形成された回転フィルターを介して空間変調素子（光変調デバイスともいい、具体的にはＤＭＤ素子などをいう）などを時分割で照射し、このＤＭＤ素子で特定の光を反射させてスクリーンに照射するものである。ＤＭＤ素子とは、１画素ごとに小さな鏡を数百万個敷き詰めたものであって、一つ一つの小さな鏡の向きを制御することで光の投射が制御される。
ＤＬＰ方式は、ＬＣＤ方式に比較して、光学系が簡易であるとともに３枚ものＬＣＤパネルを使う必要がないことから装置全体が小型簡易化するメリットがある。

一方、プロジェクター装置の光源は、高い水銀蒸気圧の高圧放電ランプが使用される。水銀蒸気圧を高くすることで、可視波長域の光を高い出力で得るからである。
また、この放電ランプ（以下、単に「ランプ」ともいう）は、スクリーンに投射される画像を明るくするために、回転楕円面形状の凹面反射鏡（略お椀型）の中に組み込まれる。凹面反射鏡を使うことで、ランプからの放射光を、限られた面積のスクリーンに効率よく収束できる。

近年、特に、プレゼンテーション用途に使われるプロジェクター装置などでは、出先で使う場合が多く、このため、容易に持ち運びできるという意味で装置の小型・軽量化が強く求められている。
そして、プロジェクター装置に対して小型化が要求されると、当然に、プロジェクター装置の中に組み込まれる光源装置（放電ランプや凹面反射鏡）も小型化が要求される。
そして、当然のことながら、このような寸法上、形状上の制約を受けたとしても、ランプの放射光の利用効率は高めなければならない。

図１１は従来の光源装置を示し、（ａ）は放電ランプと反射鏡よりなる光源装置と、当該光源装置の前方に配置された光学素子の概略構成を示し、（ｂ）は放電ランプの電極とアークの状態を模式的に示す。
ランプ１０は一対の電極間にアーク輝点が形成される。反射鏡２０は第一焦点Ｆ１に、ランプ１０のアーク輝点が配置される回転楕円面反射鏡である。反射鏡２０の第二焦点Ｆ２にはロッドレンズ３０などの光学素子が配置される。このような構成において、ランプ１０のアーク輝点（第一焦点Ｆ１）から発生する放射光は、原理的には、すべて第二焦点Ｆ２に集光される。

しかし、実際には、ランプ１０の放射光をすべて第二焦点Ｆ２で捕捉することはできない。
その原因は、第一に、放電アークが有限の大きさを有するからである。現在、プロジェクター装置に使われるランプの電極間距離は、およそ2.0ｍｍ程度であるが、この電極間距離に相当して放電アークが形成されるからである。（ｂ）図において、放電アークのうち、第一焦点Ｆ１とその近傍から発生する放射光は、第二焦点Ｆ２の入射面で捕捉できるが、第一焦点Ｆ１から離れたＦ１ａやＦ１ｂから発生する放射光は、位置Ｆ２ａや位置Ｆ２ｂに集光するためロッドレンズ３０の入射面３１では捕捉できない。もちろん、入射面３１の大きいロッドレンズを使うことも解決手段として考えられるが、装置小型化の要請やコスト面の問題から、単純に大きいロッドレンズを使うというわけにはいかない。

第二に、第一焦点Ｆ１から発生した放射光であっても、光Ｌａ、光Ｌｂのように、光軸Ｚに近い方向（鋭角が小さい関係）に放射する光は、ランプ１０自体が障害となって、第二焦点Ｆ２まで到達できない。従って、ロッドレンズ３０の入射面３１においいて到達した光量は光軸Ｚに近いほど少なく、光軸Ｚから位置的に離れるほど大きい分布となる。

つまり、楕円面反射鏡を用いた場合、光学的には、第一焦点で発生した放射光は、全て第二焦点において捕捉できるはずではあるが、実際には、アークが有限の大きさを持っていること、および、放射光のうち光軸Ｚに近い放射光は第二焦点まで到達できないことにより、結果として、光の利用効率にロスを発生させている。
一般には、反射鏡の前方に、照度分布を均一化させるための光学素子を配置する技術も存在するが、前記したようにプロジェクター装置の小型化を考えた場合は、適した解決手段とはいえない。

このような問題に対して、特開平３−２６６８２４号や実開昭６３−１６２３２０号では、楕円面反射鏡（あるいは放物面反射鏡）に、球面反射鏡を組み合わせる構造を開示している。前方開口側を楕円面反射鏡（あるいは放物面反射鏡）として、後方開口側、すなわち、首部側を球面反射鏡とする構成である。この構成では、ランプから反射鏡の首部側に向かって放射される光を、球面反射鏡に反射させて、アーク方向に戻し、その後、楕円面反射鏡（あるいは放物面反射鏡）を使って前方に放射しようというものである。
この構成は、ひとつの楕円面だけで反射鏡を構成する場合に比較すると、確かに、反射鏡の寸法を小型にしつつ、さらに、光取り出し効率を高めることができる。
しかし、反射鏡の前方に配置された光学素子の入射面において、照度分布を十分に均一化できるものではなく、結局は、照度分布を均一化させるための光学システムを必要とする。

また、ＬＣＤ系プロジェクター装置では、反射鏡から放射される光を、レンズなどの光学素子を使って、平行化し、液晶パネルサイズに対応した入射光に変換しなければならない。この場合も、プロジェクター装置全体の小型化を考えると、反射鏡の前方には、余計な光学素子を極力少なくさせて、かつ、均一な照度分布を持つ光とすることが望まれる。

また、ＤＬＰ系プロジェクター装置では、反射鏡から放射される光を、ロッドレンズなどの光学素子に集光させなければならない。回転フィルターの一領域に光を照射させるためである。この場合も、プロジェクター装置全体の小型化を考えると、反射鏡とロッドレンズの間に、余計な光学素子を極力配置させることなく、かつ、均一な照度分布を持つ光にすることが望まれる。
特開平３−２６６８２４ 実開昭６３−１６２３２０ 特開２００２−２９８６２５

この発明が解決しようとする課題は、ランプの放射光を効率的に利用できるとともに、小型化の要請に適した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、この発明の光源装置は、放電容器内に一対の電極が対向するように配置されたショートアーク型放電ランプと、この放電ランプのアーク方向と光軸が一致する状態で放電ランプを取り囲むよう配置された凹面反射鏡よりなる。
そして、前記凹面反射鏡は、前方楕円面反射鏡部分と後方楕円面反射鏡部分よりなる２つ回転楕円面反射鏡部分が、少なくとも第一焦点を同じ位置にして、かつ、光放射方向に対して前後する位置関係で構成されるとともに、前記前方楕円面反射鏡部分で反射された光と、後方楕円面反射鏡部分により反射された光は、ともに、当該凹面反射鏡の前方に最初に配置された光学素子の入射面に照射されるとき、前方楕円面反射鏡部分により前記入射面に形成される照度分布と、後方楕円面反射鏡部分により前記入射面に形成される照度分布は、それぞれドーナツ状であって、互いに隣接して形成されることを特徴とする。

さらに、前記前方楕円面反射鏡部分により形成された照度分布と、前記後方楕円面反射鏡部分により形成される照度分布は、重なることなく隣接していることを特徴とする。

さらに、前記光源装置は、ＬＣＤ系プロジェクター装置に使われる装置であって、前記後方楕円面反射鏡部分により形成される照度分布は、前記前方楕円面反射鏡部分により形成される照度分布の外側に形成されることを特徴とする。

さらに、前記光源装置は、ＤＬＰ系プロジェクター装置に使われる装置であって、前記後方楕円面反射鏡部分により形成される照度分布は、前記前方楕円面反射鏡部分により形成される照度分布の内側に形成されることを特徴とする。

さらに、前記凹面反射鏡は、前記前方楕円面反射鏡部分と前記後方楕円面反射鏡部分の間に、前記第一焦点を中心位置とする中央球面反射鏡部分が形成されることを特徴とする。

反射鏡が前方楕円面反射鏡部分と後方楕円面反射鏡部分より構成され、それぞれの反射鏡部分により反射される光を、照度分布が略ドーナツ形状になるように、かつ、隣接するように形成したため、放射光を変形、均一化させるなどの特別の光学素子を配置することなく、反射鏡による反射光を均一化できる。
具体的には、一方の反射鏡部分により形成されるドーナツ形状の照度分布と、他方の反射鏡部分により形成されるドーナツ形状の照度分布が、ドーナツの中心に相当する照度分布が低い部分に照射されるように隣接することとなる。

図１は本発明に係る光源装置の全体の外観図を表す。
光源装置は、放電ランプ（以下、単に「ランプ」ともいう）１０と凹面反射鏡（以下、単に「反射鏡」ともいう）２０より構成される。ランプ１０は一対の電極が発光部の中に対向配置して構成される。反射鏡２０が、ランプ１０を取り囲むよう配設され、ランプ１０のアーク方向、すなわち、電極の先端同士をつなぐ方向と、反射鏡２０の光軸Ｚが一致する。

ランプ１０は、発光部１１とその両端に封止部１２（１２ａ，１２ｂ）を有するが、一方の封止部１２ａが反射鏡２０の首部２４に取り付けられる。ランプ１０と反射鏡２０の固定は接着剤などを使うが、図示のように両者を直接取付けてもよいし、別部材として口金（レフベース）などを用い、ランプ１０をレフベースに取り付けて、そのレフベースを反射鏡２０に固定させてもよい。

反射鏡２０は、全体が凹面形状（略おわん型）であって、前方に光放射用の前方開口Ｍ１を有し、この前方開口Ｍ１から、前方楕円面反射鏡部分２１、中央球面反射鏡部分２２、後方楕円面反射鏡部分２３、筒状の首部２４の順に全体が構成される。前方楕円面反射鏡部分２１、中央球面反射鏡部分２２、後方楕円面反射鏡部分２３の３つの反射鏡部分において、ランプ１０の放射光を反射させて、前方開口Ｍ１から反射鏡外部に放射する。

具体的には、前方楕円面反射鏡部分２１は、前端縁に、前方開口Ｍ１が形成された回転楕円面反射鏡よりなり、この前方楕円面反射鏡部分２１の後方に連続した状態で、球面鏡よりなる中央球面反射鏡部分２２が設けられており、この中央球面反射鏡部分２２の後方に連続した状態で、回転楕円面反射鏡２１よりなる後方楕円面反射鏡部分２３が設けられる。

さらに、後方楕円面反射鏡部分２３の後端縁に後方開口Ｍ２が形成されて、この後方開口Ｍ２を一方の開口とした首部２４が連続して形成される。ランプ１０の封止部１２ａは、後方開口Ｍ２から入って、開口Ｍ３から突出するよう配置されるため、首部２４の内径は封止部１２ａの外径よりも僅かに大きく全体が略円筒形状になっている。なお、首部２４は、全域に外壁を有する円筒形状である必要はなく、一部に冷却用開口や接着剤注入用開口を備えてもよく、また、形状も円筒に限定されるわけではない。

ここで、前方楕円面反射鏡部分２１の第一焦点の位置と、中央球面反射鏡部分２２の中心点の位置と、後方楕円面反射鏡部分２３の第一焦点の位置は、いずれも、ランプ１０の電極間であって、アークが形成される位置に一致して形成される。好ましくは、アークの最も明るい位置（輝点）に一致することであるが、電極間であれば、必ずしも輝点に限定されるわけではない。例えば、便宜的に電極間の中心に設定してもよい。また、前方楕円面反射鏡部分２１の第一焦点の位置と、中央球面反射鏡部分２２の中心点の位置と、後方楕円面反射鏡部分２３の第一焦点の位置は、光学的には、完全に一致することが最も好ましいが、実用上影響のない範囲であれば多少の位置ずれを生じてもよい。プロジェクター装置の光源として使うランプの電極間距離は2.0mm以下という小さいレベルであり、その範囲において、前方楕円面反射鏡部分２１の第一焦点の位置と、中央球面反射鏡部分２２の中心点の位置と、後方楕円面反射鏡部分２３の第一焦点の位置が、ずれていても、実質的に、本発明の作用効果を奏するからである。従って、一対の電極間であって、アークが形成される領域内に、これら３つの位置が存在していれば、本発明では、実質的に３つの位置が一致しているといえる。

前方楕円面反射鏡部分２１、中央球面反射鏡部分２２、および、後方楕円面反射鏡部分２３は、連続して形成されているため、前方楕円面反射鏡部分２１の後端縁の開口径と中央球面反射鏡部分２２の前端縁の開口径は同一であり、中央球面反射鏡部分２２の後端縁の開口径と後方楕円面反射鏡部分２３の前端縁の開口径は同一となる。

前方楕円面反射鏡部分２１、中央球面反射鏡部分２２、および、後方楕円面反射鏡部分２３は、物理的に同一部材から全体を構成してもよいが、各反射鏡部分を独立に形成させて、あるいは、いずれか１つのみを独立に形成させて、それらを組み合わせた構成にすることもできる。

各反射鏡部分を構成する材料は、ランプの放射光を反射できれば、特に限定されるべきものではないが、プロジェクター装置に使われるという意味では、耐熱性、耐強度性に優れた部材が好ましい。具体的には、硼珪酸ガラス、石英ガラスなどを基材としている。耐熱性が要求される理由は、ランプ点灯時、反射鏡は４００℃程度の高温になるからである。また、耐強度性が要求される理由は、プロジェクター装置の内部に、他の電気部品や光学部品と密集させて配置する場合に形状変化しないことや、ランプが万一破損した場合に同様に破損させないためである。

各反射鏡部分の反射面は、上記耐熱性、耐強度性に優れた基材に、可視光領域の光を反射させるための反射膜が施される。反射膜は、アルミニウムやロジウムなどの金属蒸着膜、あるいは酸化シリコン(ＳｉＯ２)と酸化チタン(ＴｉＯ２)を適宜積層してなる多層膜を蒸着することによって形成される。なお、反射膜は、全体として、厚さ２μｍ程度の薄膜であるため、図では示していない。

さらに、反射鏡２０は、例えば、アルミニウム、銅などの金属材料を使うこともできる。金属材料の場合であって、素材そのものが可視光を反射できる場合は、反射膜は形成されない。

図２は、図１の変形例であり、反射鏡２０の前面開口Ｍ１に、光透過性の前面ガラス２５を装着した構成を示す。前面ガラス２５は、例えば、硼珪酸ガラスからなり、図のように、反射鏡２０と、直接、接合させてもよいし、あるいは、前面ガラス２５を枠部材に取り付けて、枠部材と反射鏡を接合してもよい。前面ガラス２５を設けることで反射鏡２０の内部を密閉構造にできる。この場合、万一、放電ランプ１０が破損した場合などにおいて、破片の散乱を防止できる。さらに、前面ガラス２５を取り付ける場合、反射鏡２０の内部を完全に密閉構造とするのではなく、前面ガラス２５と、反射鏡２０の前方開口Ｍ１の間に冷却風用開口を設けることもできる。この冷却用開口は、例えば枠部材に形成させたり、前方楕円面反射鏡部分２１の一部に切り欠きとして設けることもできる。

また、反射鏡２０には、前面ガラスを取り付けていないが、反射鏡の外部であって、プロジェクター装置やその他の取付部材に、実質的に前面ガラスに相当する部材が用意され、反射鏡２０をこのようなプロジェクター装置や取付部材に装着した場合に、結果として、反射鏡の前面開口Ｍ１に前面ガラスが配置する構成もある。

図１で示すように、前面ガラス２５は必須のものではない。特に、前方楕円面反射鏡部分２１、中央球面反射鏡部分２２、および、後方楕円面反射鏡部分２３により反射された光が、その多くは前面ガラス２５を透過するが、極僅かに、前面ガラス２５で再反射して再びランプ１０を照射させる。この場合、光の利用効率が低下するばかりか、ランプを高温化させる要因になるからである。

図３は、本発明に係る光源装置について光学的原理を説明するための図を示す。説明の便宜上、ランプおよび反射鏡について、構成要素を部分的に削除している。前方楕円面反射鏡部分２１の第一焦点Ｆ１２１と、中央球面反射鏡部分２２の中心点Ｆ１２２と、さらに、後方楕円面反射鏡部分２３の第一焦点Ｆ１２３は、いずれも、ランプ１０の電極間に形成されるアーク輝点Ａ１に一致している。
また、前方楕円面反射鏡部分２１の第二焦点Ｆ２２１と、後方楕円面反射鏡部分２３の第二焦点Ｆ２２３は、それぞれ、ロッドレンズ３０の内部であって、光軸Ｚの延長線上に形成される。従って、前方楕円面反射鏡部分２１と後方楕円面反射鏡部分２３の反射光は、ロッドレンズ３０の入射面３１においては、中心点Ａ２に集光しているわけではない。
なお、前方楕円面反射鏡部分２１からの反射光、および、後方楕円面反射鏡部分２３からの反射光が、ランプで遮光されることなく、入射面３１で捕捉できるのであれば、前方楕円面反射鏡部分２１の第二焦点Ｆ２２１、あるいは、後方楕円面反射鏡部分２３の第二焦点Ｆ２２３を入射面３１上、すなわち、中心点Ａ２に一致させてもよい。これらは、ロッドレンズ３０の入射面３１の大きさや、反射鏡２０の前方開口径、あるいはランプの封止部の寸法などによって決まる。

ランプの放射光は、反射鏡２０に反射されて、ロッドレンズ３０に入射する。このうち、光Ｌ２１（Ｌ２１１、Ｌ２１２も含む）は、前方楕円面反射鏡部分２１で反射した光であり、第二焦点Ｆ２２１に向かって集光する。従って、光Ｌ２１は、ロッドレンズ３０の入射面３１上では、位置Ａ２１を通過する。また、前方楕円面反射鏡部分２１の前端縁部分２１１で反射する光Ｌ２１１と、前方楕円面反射鏡部分２１の後端縁部分２１２で反射する光も、それぞれ、第二焦点Ｆ２２１に向かって集光するが、入射面３１では、位置Ａ２の近傍であって、位置Ａ２とは異なる位置（図示略）を通過する。反射鏡２０は、前記したように回転面体であるため、図においては、便宜上、光軸Ｚより上方の光のみを例示しているが、実際は、光軸Ｚを中心に全方向に光が存在するため、入射面３１では、略ドーナツ形状の入射光の照度部分が形成される。

ランプからの放射光のうち、光Ｌ２２は、中央球面反射鏡部分２２に向かって放射する光であり、中央球面反射鏡部分２２で反射した後は、同じ光路を通って、再び、アーク輝点Ａ１（中心点Ｆ１２２）に戻る。そして、アーク輝点Ａ１を通過した後は、前方楕円面反射鏡部分２１で反射して、光Ｌ２１と同じ進路を進む。つまり、中央球面反射鏡部分２２は、アーク輝点Ａ１を中心点とする球面であるため、反射光を全てアーク輝点Ａ１に戻す役割を担う。このように、前方楕円面反射鏡部分２１の後方に中央球面反射鏡部分２２を設けることの利点は、放射光の有効利用であり、仮に、前方楕円面反射鏡部分２１のみで反射鏡を構成した場合は、アーク輝点Ａ１で発生した光のうち、放射角度によっては、ロッドレンズ３０の入射面３１まで導くことができず、また、前方楕円面反射鏡部分２１のみでアーク輝点Ａ１で発生した光をすべてロッドレンズ３０の入射面３１まで導こうとするならば、反射鏡２０の長さ（光軸Ｚ方向）が大きくなり、あるいは、反射鏡２０の前方開口径を大きくするなど、寸法上の問題を生じさせる。この点については、前記した特許文献１あるいは特許文献２が参照される。

ランプからの放射光のうち、光Ｌ２３は、後方楕円面反射鏡部分２３で反射した光であり、第二焦点Ｆ２２３に向かって集光する。従って、光Ｌ２３は、ロッドレンズ３０の入射面３１上では、位置Ａ２３を通過する。この場合も、前方楕円面反射鏡部分２１で反射した光を同様に、後方楕円面反射鏡部分２３の前端縁部分２３１で反射する光と、後方楕円面反射鏡部分２３の後端縁部分２３２で反射する光も、それぞれ、第二焦点Ｆ２２３に向かって集光するため、入射面３１では、位置Ａ２３の近傍であって、位置Ａ２３とは異なる位置を通過する。このため、入射面３１では、前方楕円面反射鏡部分２１の反射光と同様に、略ドーナツ形状の照度分布を形成する。なお、図においては、前方楕円面反射鏡部分２１の反射光を光軸Ｚ より上方に記載し、後方楕円面反射鏡部分２３の反射光を光軸Ｚより下方に記載しているが、これは図面上において光線の軌跡が複雑になるため、説明の便宜上、分けて記載しただけであり、何れの反射光も光軸Ｚ を中心に全周囲方向に存在する。

ここで、後方楕円面反射鏡部分２３を設けることの利点は、光の利用効率をより高めるためである。仮に、後方楕円面反射鏡部分を設けることなく、球面反射鏡部分が首部まで形成された場合を考えると、アークからの放射光のうち、首部近傍（図３における位置２３２）に向かって放射された光（光軸Ｚとの角度が小さい光）が、球面反射鏡部分で反射されたとしても、その反射光は、ランプのガラス管による屈折の影響を受けて、アークに戻ることなく、電極などに衝突し、遮光されるからである。つまり、球面反射鏡部分を使っても、首部２４の近傍で反射された光は、アーク方向に戻して、前方楕円反射鏡部分２１まで良好に導くことができないからである。このため、球面反射鏡部分２２の後方に、さらに、後方楕円面反射鏡部分２３を設けて、当該後方楕円面反射鏡部分２３に入射した光を、アークの方向ではなく、直接、第二焦点位置Ｆ２２３に向かって反射させている。

図４は、ロッドレンズ３０の入射面３１における、前方楕円面反射鏡部分２１および後方楕円面反射鏡部分２３からの反射光の入射位置を表している。（ａ）は入射面３１を入射方向から眺めた場合の入射光が描く照度分布を表し、（ｂ）は横軸が入射面の位置、縦軸が照度を表した照度分布を示す。図において、位置Ａ２は光軸Ｚと交差する位置、すなわち、入射面３１の中心を示し、位置Ａ２１は光Ｌ２１が入射する位置を示す、位置Ａ２３は光Ｌ２３が入射する位置を示す。また、領域Ｓ１（右上斜線のハッチング）は前方楕円面反射鏡部分２１で反射された光が入射する領域であり、領域Ｓ２（右下破線のハッチング）は後方楕円面反射鏡部分２３で反射された光が入射する領域を示す。この実施例では、領域Ｓ１と領域Ｓ２が一部で重なっている。このように、前方楕円面反射鏡部分２１と後方楕円反射鏡部分２３で反射された光が入射面３１に描く照度分布は、いずれも位置Ａ２を中心とする概略ドーナツ形状となる。

本発明は、前方楕円面反射鏡部分２１で反射される光が光学素子の入射面において形成する照度分布と、後方楕円反射鏡部分２３で反射される光が光学素子の入射面において形成する照度分布が、ともに略ドーナツ形状であって、それぞれが独立して照射領域を形成することを特徴とする。また、好ましくは、それぞれの照射領域は位置を異にして完全に重なることなく全体として照射領域を広げるように形成することを特徴とする。さらに、好ましくは、それぞれの照射領域が重なることなく隣接することであり、両方のドーナツ形状が並んで形成されることで照射領域を広げることである。

ここで、前方楕円面反射鏡部分２１の第二焦点Ｆ２２１と、後方楕円面反射鏡部分２３の第二焦点Ｆ２２３を、光学素子３０の入射面３１上に形成する場合、理論上は、ドーナツ形状の照度分布は形成されない。前方楕円面反射鏡部分２１の第一焦点Ｆ１２１と、後方楕円面反射鏡部分２３の第一焦点Ｆ１２２から生ずる光は、前方楕円面反射鏡部分２１の第二焦点Ｆ２２１と、後方楕円面反射鏡部分２３の第二焦点Ｆ２２３にそれぞれ集光するからである。
しかし、放電アークは、現実には有限の大きさを有し、第一焦点Ｆ１のみで発光しているわけではなく、第一焦点Ｆ１の近傍からも発光しているからである。この点については、図１１を使って説明したとおりであるが、このため、前方楕円面反射鏡部分２１の第二焦点Ｆ２２１と、後方楕円面反射鏡部分２３の第二焦点Ｆ２２３が、光学素子３０の入射面３１上に形成された場合であっても、入射面３１においては、ドーナツ形状の照度分布が形成される。
もちろん、前方楕円面反射鏡部分２１の第二焦点Ｆ２２１と、後方楕円面反射鏡部分２３の第二焦点Ｆ２２３が、図３に示すように光学素子の内部に形成された場合であっても、アークが有限の大きさを持つことから、当該要因も影響した上で、入射面３１ではドーナツ形状の照度分布が形成される。

ここで、照度分布は、視覚的に明確であって、ドーナツ形状が明確に認識できる場合は問題ない。しかし、視覚で判断できない場合は、光学素子３０の入射面３１上に形成される照度分布の最大照度の５０％を越える部分を「１」とし、最大照度の５０％以下の部分は「０」とするデジタル処理による照度分布を使うことができる。

図５は、ＬＣＤ系プロジェクター装置に使われる光源装置を示す。説明の便宜上、ランプおよび反射鏡について、構成要素を部分的に削除している。

図において、ランプ１０の放射光のうち、後方楕円面反射鏡部分２３で反射された光Ｌ２３は、前方楕円面反射鏡部分２１で反射された光Ｌ２１よりも、光学素子（レンズ）３０の入射面３１で外側に入射する。外側とは、光軸より遠ざかる位置に入射することである。

ＬＣＤ系プロジェクター装置の場合は、ＬＣＤに対して、平行な光を入射させるため、反射鏡２０からの光も平行光であることが好ましい。一方で、光の利用効率を高めるために、本発明では、異なる楕円面反射鏡部分を有する楕円面反射鏡を使っていることから、それぞれの楕円面反射鏡部分による反射方向を工夫することで、光学素子の入射面において、平行光を形成させている。もちろん、反射鏡の前方に、放射光を平行化させる光学素子を別途配置させることもできるが、装置小型化の要請から、光源装置（反射鏡）から平行光を形成している。

図６は、図5に示す光源装置による、光学素子の入射面３１における照度分布を表す。（ａ）は入射面３１を入射方向から見た照度分布を示し、（ｂ）は横軸に入射面の位置、縦軸に照度を示す。
前方楕円面反射鏡部分２１による照度分布はドーナツ状の領域Ｓ１が形成されており、その外側に、後方楕円面反射鏡部分２３によるドーナツ状の領域Ｓ２が形成される。
このように、ランプの放射光を有効に活用できるとともに、別部材の平行化レンズなどを使うことなく、反射鏡のみで平行化した光を形成できる。

なお、後方楕円面反射鏡部分２３による照度分布の領域Ｓ２を、前方楕円面反射鏡部分２１による照度分布の領域Ｓ１の内側にすることも考えられるが、前方楕円面反射鏡部分２１は、反射鏡全体の寸法や開口径の条件が、プロジェクター装置やその他の部品との関係で決められることが多く、前方楕円面反射鏡部分２１による照射領域を変形させることは困難である。その一方で、後方楕円面反射鏡部分２３は寸法上の制約を受けることが少なく、光学素子の入射面における照射領域を比較的に自由に変形できるため、後方楕円面反射鏡部分２３の形状を工夫している。

図５に示す光源装置と、図６に示す照度分布の数値例を示すと、
反射鏡全体の長さ（光軸方向の長さ）は３３．５ｍｍ、
前方楕円面反射鏡部分２１の長さ（光軸方向の長さ）は２５．８ｍｍ、
中央球面反射鏡部分２２の長さ（光軸方向の長さ）は６．９ｍｍ、
後方楕円面反射鏡部分２３の長さ（光軸方向の長さ）は０．８ｍｍ、
前方楕円面反射鏡部分２１の前面開口径は４４．２ｍｍ、
中央球面反射鏡部分２２の前面開口径は１９．６ｍｍ、
後方楕円面反射鏡部分２３の前面開口径は１４．４ｍｍ、
後方楕円面反射鏡部分２３の後方開口径はφ１０．０ｍｍ、
前方楕円面反射鏡部分２１の第一焦点距離は５．２ｍｍ、
前方楕円面反射鏡部分２１の第二焦点距離は１３９ｍｍ、
ランプの電極間距離は１．０ｍｍ、
反射鏡の前方開口と光学素子の入射面との距離は１６．４ｍｍ、
入射面における領域Ｓ１の外径はφ１８ｍｍ、内径はφ１１ｍｍ、
入射面における領域Ｓ２の外径はφ１１ｍｍ、内径はφ５ｍｍ、
光学素子の入射面の面積は、４９０．６３ｍｍ^２（φ２５）である。

図７は、ＤＬＰ系プロジェクター装置に使われる光源装置を示す。説明の便宜上、ランプおよび反射鏡について、構成要素を部分的に削除している。

図において、ランプ１０の放射光のうち、後方楕円面反射鏡部分２３で反射された光Ｌ２３は、前方楕円面反射鏡部分２１で反射された光Ｌ２１よりも、光学素子（ロッドレンズ）３０の入射面３１で内側に入射する。内側とは光軸に近づく方向を意味する。

ＤＬＰ系プロジェクター装置の場合は、回転フィルターの所定領域に光を通過させるため、ＬＣＤの場合とは異なり、光を小さく集光させる必要がある。従って、反射鏡２０からの光も小さく集光された形が望ましい。一方で、光の利用効率を高めるために、本発明では、異なる楕円面反射鏡部分を有する楕円面反射鏡を使っている。このため、それぞれの楕円面反射鏡部分による反射方向を工夫することで、光学素子の入射面において、集光させた光を形成させている。もちろん、反射鏡の前方に、放射光を集光させる光学素子を別途配置させることもできるが、装置小型化の要請から、光源装置（反射鏡）を工夫することで、光源装置だけで集光光を形成している。

図８は、図７に示す光源装置による、光学素子の入射面３１における照度分布を表す。（ａ）は入射面３１を入射方向から見た照度分布を示し、（ｂ）は横軸に入射面の位置、縦軸に照度を示す。
前方楕円面反射鏡部分２１による照度分布はドーナツ状の領域Ｓ１が形成されており、その内側に、後方楕円面反射鏡部分２３によるドーナツ状の領域Ｓ２が形成される。
このように、ランプの放射光を有効に活用できるとともに、別部材の平行化レンズなどを使うことなく、反射鏡のみで平行化した光を形成できる。

なお、前方楕円面反射鏡部分２１による照度分布の領域Ｓ１を小さくさせて、後方楕円面反射鏡部分２３による照度分布の領域Ｓ２の内側にすることも考えられるが、前方楕円面反射鏡部分２１は、反射鏡全体の寸法や開口径の条件が、プロジェクター装置やその他の部品との関係で決められることが多く、前方楕円面反射鏡部分２１を工夫することで照射領域を変形させることは困難である。その一方で、後方楕円面反射鏡部分２３は寸法上の制約を受けることが少なく、光学素子の入射面における照射領域を比較的に自由に変形できるため、後方楕円面反射鏡部分２３の形状を工夫している。

図７に示す光源装置と、図８に示す照度分布の数値例を示すと、
反射鏡全体の長さ（光軸方向の長さ）は３４．７ｍｍ、
前方楕円面反射鏡部分２１の長さ（光軸方向の長さ）は１７．３ｍｍ、
中央球面反射鏡部分２２の長さ（光軸方向の長さ）は４．８ｍｍ、
後方楕円面反射鏡部分２３の長さ（光軸方向の長さ）は１．９ｍｍ、
前方楕円面反射鏡部分２１の前面開口径は３６．１ｍｍ、
中央球面反射鏡部分２２の前面開口径は２０．８ｍｍ、
後方楕円面反射鏡部分２３の前面開口径は１８．０ｍｍ、
後方楕円面反射鏡部分２３の後方開口径は１１．０ｍｍ、
前方楕円面反射鏡部分２１の第一焦点距離は５．８ｍｍ、
前方楕円面反射鏡部分２１の第二焦点距離は６３．４ｍｍ、
ランプの電極間距離は１ｍｍ、
反射鏡の前方開口と光学素子の入射面との距離は２８．９ｍｍ、
入射面における領域Ｓ１の外径はφ４ｍｍ、内径はφ２ｍｍ、
入射面における領域Ｓ２の外径はφ７ｍｍ、内径はφ４ｍｍ、
光学素子の入射面の面積は、５０．２４ｍｍ^２（φ８）である。

図９は本発明の対象となる高圧放電ランプを示す。
放電ランプ１０は、石英ガラスからなる放電容器によって形成された概略球形の発光部１１を有する。この発光部１１の中には、先端に塊状部を有する一対の電極２０が２ｍｍ以下の間隔で対向配置している。また、発光部１１の両端部には封止部１２が形成される。この封止部１２には、モリブデンよりなる導電用金属箔１３が、例えばシュリンクシールにより気密に埋設される。金属箔１３の一端には電極１４の軸部が接合しており、また、金属箔１３の他端には外部リード１５が接合して外部の給電装置から給電が行なわれる。電極１４の先端（他方の電極に対向する端部）には後述する突起が形成される。この突起は、ランプの点灯に伴い自然に形成されるか、あるいは、電極を製作する工程において予め形成される。

発光部１１には、水銀と、希ガスと、ハロゲンガスが封入されている。水銀は、必要な可視光波長、例えば、波長３６０〜７８０ｎｍの放射光を得るためのもので、０．２ｍｇ／ｍｍ^３以上封入されている。この封入量は、温度条件によっても異なるが、点灯時２００気圧以上で極めて高い蒸気圧となる。また、水銀をより多く封入することで点灯時の水銀蒸気圧２５０気圧以上、３００気圧以上という高い水銀蒸気圧の放電ランプを作ることができ、水銀蒸気圧が高くなるほどプロジェクター装置に適した光源を実現できる。

希ガスは、例えば、アルゴンガスが約１３ｋＰａ封入される。その機能は点灯始動性を改善することにある。ハロゲンは、沃素、臭素、塩素などが水銀あるいはその他の金属と化合物の形態で封入される。ハロゲンの封入量は、１０^−６μｍｏｌ／ｍｍ^３〜１０^−２μｍｏｌ／ｍｍ^３の範囲から選択される。ハロゲンの機能は、いわゆるハロゲンサイクルを利用した長寿命化であるが、本発明の放電ランプのように極めて小型できわめて高い点灯蒸気圧のものは、放電容器の失透防止をいう作用もある。

放電ランプの数値例を示すと、例えば、発光部の最大外径９．５ｍｍ、電極間距離１．０ｍｍ、発光管内容積７５ｍｍ^３、定格電圧７０Ｖ、定格電力２００Ｗであり交流点灯される。
また、この種の放電ランプは、小型化するプロジェクター装置に内蔵されるものであり、全体寸法として極めて小型化が要請させる一方で高い発光光量も要求される。このため、発光部内の熱的影響は極めて厳しいものとなる。ランプの管壁負荷値は０．８〜２．０Ｗ／ｍｍ^２、具体的には１．５Ｗ／ｍｍ^２となる。
このような高い水銀蒸気圧や管壁負荷値を有することがプロジェクター装置やオーバーヘッドプロジェクターのようなプレゼンテーション用機器に搭載された場合に、演色性の良い光を提供できる。
なお、放電ランプは、交流点灯に限定されず、直流点灯であってもかまわない。

本発明の係る光源装置は、前方楕円面反射鏡部分と後方楕円面反射鏡部分から構成し、中央球面反射鏡部分を除外することもできる。
図１０は、反射鏡２０が前方楕円面反射鏡部分２１と後方楕円面反射鏡部分２３から構成されたものを示す。
図１と同一番号は同一の構成を示し、図１に示した反射鏡と基本的に同じ機能を有する。
反射鏡全体の寸法が大きい場合は、反射鏡２０を、前方楕円面反射鏡部分２１と後方楕円面反射鏡部分２３から構成させても、光の取出し効率を高めることができ、製造上簡易であるなどの利点を有する。

なお、本発明は、反射鏡の前方に配置された光学素子の入射面に、ドーナツ形状の照度分布を形成するよう、反射鏡の構造を工夫していることを特徴とするが、当該光学素子は、反射鏡の前方に配置される最初の光学素子となる。光学素子は、実施例で説明したロッドレンズ以外に、インテーグレータレンズ、マイクロアレイレンズ、カラーホイール、プリズムなどがある。また、前面ガラスにレンズの機能を持たせるなどの場合、当該前面ガラスも光学素子に相当する。
また、本発明のような構造を採用することで、別途、集光レンズや平行化レンズを採用しなくてすみという利点があるが、集光レンズや平行化レンズを採用する場合であっても、数を減少させたり、寸法を小さくできるという利点がある。

以上、説明したように、本発明に係る光源装置は、小型化の要請に答えつつ、ランプの放射光の利用効率を高め、さらに、反射鏡の前方に、放射光を成形する光学素子が不要、あるいは低減できるという効果を有する。

本発明に係る光源装置の実施例を示す。 本発明に係る光源装置の他の実施例を示す。 本発明に係る光源装置を説明するための構造を示す。 本発明に係る光源装置を説明するための図面であって、光学素子の入射面における照度分布を示す。 本発明に係る光源装置であってＬＣＤ用プロジェクター装置に使った場合の構造を示す。 本発明に係る光源装置であってＬＣＤ用プロジェクター装置に使った場合の光学素子の入射面における照度分布を示す。 本発明に係る光源装置であってＤＬＰ用プロジェクター装置に使った場合の構造を示す。 本発明に係る光源装置であってＤＬＰ用プロジェクター装置に使った場合の光学素子の入射面における照度分布を示す。 本発明に係る光源装置に使う放電ランプの全体構造を示す。 本発明に係る光源装置の他の実施例を示す。 従来の光源装置を示す

符号の説明

１０ ランプ
２０ 反射鏡
２１ 前方楕円面反射鏡部分
２２ 中央球面反射鏡部分
２３ 後方楕円面反射鏡部分
２４ 首部
２５ 前面ガラス
３０ 光学素子
３１ 入射面
Ｆ１ 第一焦点
Ｆ１２１ 第一焦点
Ｆ１２２ 中心点
Ｆ１２３ 第一焦点
Ｆ２２１ 第二焦点
Ｆ２２３ 第二焦点
Ｌ２１ 光
Ｌ２１１ 光
Ｌ２１２ 光
Ｌ２２ 光
Ｌ２３ 光
Ｚ 光軸

Claims (5)

1. 放電容器内に一対の電極が対向するように配置されたショートアーク型放電ランプと、この放電ランプのアーク方向と光軸が一致する状態で放電ランプを取り囲むよう配置された凹面反射鏡よりなる光源装置において、
   前記凹面反射鏡は、前方楕円面反射鏡部分と後方楕円面反射鏡部分よりなる２つの回転楕円面反射鏡部分を有し、
   前記前方楕円面反射鏡部分と前記後方楕円面反射鏡部分は、前記前方楕円面反射鏡部分と前記後方楕円面反射鏡部分の第一焦点が同じ位置であって、前記前方楕円面反射鏡部分と前記後方楕円面反射鏡部分のそれぞれの第ニ焦点が光軸の延長線上で異なる位置であって、光放射方向に対して前後する位置関係で構成されるとともに、
   前記前方楕円面反射鏡部分で反射された光と、後方楕円面反射鏡部分により反射された光は、ともに、当該凹面反射鏡の前方に最初に配置された光学素子の入射面に照射されるとき、
   前方楕円面反射鏡部分により前記入射面に形成される照度分布と、後方楕円面反射鏡部分により前記入射面に形成される照度分布は、それぞれドーナツ状であって、互いに隣接して形成されることを特徴とする光源装置。
   
2. 前記前方楕円面反射鏡部分により形成された照度分布と、前記後方楕円面反射鏡部分により形成される照度分布は、重なることなく隣接していることを特徴とする請求項１の光源装置。
3. 前記光源装置は、ＬＣＤ系プロジェクター装置に使われる装置であって、
   前記後方楕円面反射鏡部分により形成される照度分布は、前記前方楕円面反射鏡部分により形成される照度分布の外側に形成されることを特徴とする請求項１または請求項２光源装置
4. 前記光源装置は、ＤＬＰ系プロジェクター装置に使われる装置であって、
   前記後方楕円面反射鏡部分により形成される照度分布は、前記前方楕円面反射鏡部分により形成される照度分布の内側に形成されることを特徴とする請求項１または請求項２の光源装置
5. 前記凹面反射鏡は、前記前方楕円面反射鏡部分と前記後方楕円面反射鏡部分の間に、前記第一焦点を中心位置とする中央球面反射鏡部分が形成されることを特徴とする請求項１の光源装置。
   

Images