JP4816608B2 - 光学装置 - Google Patents

Description

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

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学装置（放電ランプや凹面反射鏡）も小型化が要求される。
そして、当然ではあるが、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１０は、光の利用効率を高めるために工夫された反射鏡の構造を示す。
反射鏡２００は、楕円面反射鏡部分２１０と球面反射鏡部分２２０が放射方向に前後するように構成される。具体的には、反射鏡２００の前方開口側に楕円面反射鏡部分２１０が形成され、後方開口側、すなわち、頂部側に球面反射鏡２２０が形成される。
この構成では、ランプ１００から反射鏡頂部側に向かって放射される光Ｌ１を、球面反射鏡部分２２０に反射させて、一旦、アーク方向に戻し（光Ｌ２）、その後、放電アークを通過して楕円面反射鏡部分２１０により（光Ｌ３）、前方開口に向かって反射できる（光Ｌ４）。
この構成は、楕円面のみの反射鏡を使う場合に比較すると、確かに、反射鏡の頂部近傍に放射あるいは反射した光を利用できるため、光の利用効率は向上させることができる。
しかし、電極の体積が大型化する場合などは、放電アークは放射される光（Ｌ１）が電極自身で遮ったり、あるいは、反射鏡２００で反射した光（Ｌ２）が電極やその他のランプ構成部分で遮光されるという問題は依然として残る。
図１１に示す構造は、例えば、特開平３−２６６８２４号や実開昭６３−１６２３２０号に記載される。
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学装置を提供することである。

上記課題を解決するために、この発明の光学装置は、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当該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。
（イ）そして、凹面反射鏡は、前方楕円面反射鏡部分、中央球面反射鏡部分および後方楕円面反射鏡部分から構成される。前方楕円面反射鏡部分と後方楕円面反射鏡部分は、ともに、少なくとも第一焦点が電極間において一致するとともに、当該凹面反射鏡の光放射方向に対して互いに前後する位置関係で構成される。また、中央球面反射鏡部分は、第一焦点を中心位置として、前方楕円面反射鏡部分と後方楕円面反射鏡部分の間に位置している。
（ロ）さらに、仮想接線ＶＴＬと光軸Ｚがなす角度αと、仮想直線ＶＳＬと光軸Ｚがなす角度βの関係がβ＞αとなる。ここで、仮想接線ＶＴＬは電極間の中心位置Ａ１から凹面反射鏡の頂部側に位置する電極Ｅ１の外表面に向けて形成される直線であり、仮想直線ＶＳＬは中央球面反射鏡部分と後方楕円面反射鏡部分の境界位置と中心位置Ａ１で形成される直線である。
（ハ）さらに、凹面反射鏡の光放射方向と反対側に位置する電極Ｅ１の体積Ｖ（ｍｍ^３）と、定常点灯時のランプ電力（Ｐ）との関係が、０．０７×ＥＸＰ（０．０１４×Ｐ）＜Ｖを満たす。

本願発明は、凹面反射鏡が、前方楕円面反射鏡部分、中央球面反射鏡部分および後方楕円面反射鏡部分より構成されるので、後方楕円面反射鏡部分で反射させた光を放電アークに戻すのではなく、前方開口に向けて反射させる。
さらに、電極間の中心位置Ａ１から凹面反射鏡の頂部側に位置する電極の外表面に向けて形成される仮想接線ＶＴＬが、放電ランプの電極が伸びる方向との間で形成する角度αと、中央球面反射鏡部分と後方楕円面反射鏡部分の境界位置と中心位置Ａ１で形成される仮想直線ＶＳＬと、放電ランプの電極が伸びる方向との間で形成される角度βとの関係が、β＞αとなるので、後方楕円面反射鏡部分で反射すべき光が十分となるように頂部側に位置する電極の形状を規定している。
さらに、一対の電極のうち、凹面反射鏡の光放射方向と反対側に位置する電極の体積Ｖ（ｍｍ^３）と、定常点灯時のランプ電力（Ｐ）との関係が、０．０７×ＥＸＰ（０．０１４×Ｐ）＜Ｖを満たすことで、頂部側に位置する電極の体積や形状規定を受けつつも、熱容量に耐えるだけの機能を有することができる。

図１は本発明に係る光学装置の全体の外観図を表す。
光学装置は、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で対向配置している。反射鏡２０は、ランプ１０を取り囲むよう配設しており、ランプ１０のアーク方向、すなわち、電極の先端同士を結ぶ方向と、反射鏡２０の光軸Ｚが一致している。

ランプ１０は、発光部１１とその両端に封止部１２（１２ａ，１２ｂ）を有し、一方の封止部１２ａが反射鏡２０の首部（頂部）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、そのレフベースに反射鏡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と後方（頂部）にランプ１０が貫通する頂部開口Ｍ２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が順に構成される。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の放射光を反射して、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の後端縁に頂部開口Ｍ２が形成されて、この頂部開口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、頂部開口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、全体形状は略円筒形になっている。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。さらに、首部２４は必須ではなく、放電ランプ１０を外部機構で保持さえできれば、頂部開口Ｍ２だけであってもよい。

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の電極間に形成される。この位置は、もっとも好ましくは、アークが最も明るい位置（輝点）であるが、電極間のいずれかの位置であれば、必ずしも輝点に限定されるわけではなく、例えば、便宜的に電極間の中心位置に設定してもよい。後述するように電極間距離は2.0mm程度という小さいレベルだからである。
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もできる。

各反射鏡部分を構成する材料は、ランプからの放射光を反射することができれば、特に限定されるものではない。しかし、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するものである。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、厚さ数μｍ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。金属材料の場合は、素材そのものにより可視光を反射できる場合は、金属蒸着膜のような反射膜は必要としない。

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。この密閉構造により、万一、放電ランプ１０が破損した場合などは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、例えば枠部材に設けたり、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ができる。

また、前面ガラスは、反射鏡２０の前面開口Ｍ１に直接装着するのではなく、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でもよい。

一方、図１で示した構造のように、前面ガラス２５が存在しない場合は、以下の利点を有する。すなわち、反射鏡２０で反射された光は、その多くが、前面ガラス２５を透過して前方に配置された光学素子に入射するが、極僅かに、前面ガラス２５で再反射して、再び、ランプ１０に対して照射する成分がある。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ってしまう。

図３は、本発明に係る光学装置について、光の放射方向を説明するための構造を示す。説明の便宜上、ランプおよび反射鏡の構成要素を部分的に削除している。
前方楕円反射鏡部分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の電極間の中心位置Ａ１に一致している。
また、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からの反射光の第二焦点は、ロッドレンズ３０の入射面３１の中心点Ａ２に位置する。しかし、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、ランプ自身で遮光されるなど、光学的に中心点Ａ２に集光できない場合は、前方楕円面反射鏡部分２１の第二焦点、あるいは、後方楕円面反射鏡部分２３の第二焦点を、それぞれ、ロッドレンズ３０の内部であって、光軸Ｚの延長線上の位置Ｆ２３にしてもよい。このような第二焦点の位置は、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で反射して、ロッドレンズ３０に入射する。このうち、光Ｌ２１は、前方楕円面反射鏡部分２１で反射した光であり、中心点Ａ２に向かって集光する。なお、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より上方の一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。

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、中心位置Ａ１（Ｆ１２２）に戻る。そして、中心位置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、位置Ａ１を中心点とする球面であるため、反射光を全て位置点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、中心位置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のみで中心位置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の大きさ（径方向）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。また、中央球面反射鏡は必ずしも球面である必要はなく、ランプの相対する一対の電極間に光を反射させられれば良いため電極間に第１焦点、第2焦点を持つ楕円面でも、それに準じた凹面でも良い。

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、中心点Ａ２に向かって集光する。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２３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。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、中心点Ａ２に向かって反射させている。
ここで、後方楕円面反射鏡部分２３を中心点Ａ２に集光させることが光学的に困難である場合、必ずしも中心点Ａ２に集光させる必要はない。ロッドレンズ３０の内部に第二焦点Ｆ２を形成してもよい。

このように、本願発明は、凹面反射鏡を前方楕円面反射鏡部分、中央球面反射鏡部分および後方楕円面反射鏡部分から構成させる点を第一の特徴とする。この構成により、凹面反射鏡が寸法的に小さくなったとしても、ランプの構成部材や構成部品で遮られることなく、放射光を良好に取り出すことが可能となる。

図４は、図１に示す光学装置の部分拡大図を示す。
角度αは、電極間の中心位置Ａ１から反射鏡２０の頂部側に位置する電極Ｅ１の外表面に向けて伸びる仮想接線ＶＴＬ（virtual tangential line）が、光軸Ｚと交わる角度である。
角度βは、中央球面反射鏡部分２２と後方楕円面反射鏡部分２３の境界位置ＢＬ（boundary location）と中心位置Ａ１を結ぶ仮想直線ＶＳＬ（virtual straight line）が、光軸Ｚと交わる角度である。
ここで、角度βは角度αより大きくなければならない。角度αが角度βより大きい場合、アークから後方楕円反射鏡部分２３に向かって直射する放射光がなくなってしまい、後方楕円反射鏡部分２３の機能を活用できないからである。従って、電極Ｅ１は、角度βが角度αより大きくなるように形状設計しなければならない。なお、角度βと角度αの関係は、より好ましくは、角度β＞角度α×１．５である。後方楕円反射鏡部分２３の機能を十分に活用するためには角度βは角度αの１．５倍より大きいことが望ましいからである。また、後方楕円反射鏡部分２３の後端縁部分２３２と中心位置Ａ１を結ぶ直線が、光軸Ｚとなす角度が、角度αの最小値となる。数値例を示すと、角度αは３０°、角度βは６０°となる。

図５は電極形状と仮想接線ＶＴＬの変形例を示す。
（ａ）は電極先端に突起が形成された構造を示す。電極Ｅ１および電極Ｅ２はそれぞれ棒状部分Ｅｐと大径部Ｅａからなり、大径部Ｅａの先端には、それぞれ突起ｐ１およびｐ２が形成される。この場合、中心位置Ａ１は、厳密には、突起ｐ１およびｐ２の先端同士の離間距離Ｄｐの中心になる。しかし、便宜的には、電極Ｅ１と電極Ｅ２の先端同士の離間距離Ｄｅの中心で代替できる。電極間距離は2.0mm以下と小さいレベルであり、突起の大きさも０．３mmという極小レベルだからである。また、突起ｐはランプ点灯に伴い成長と蒸発を繰り返し、突出長は常時変化しているからである。なお、突起が生じる理由やメカニズムについては、特開２００４−２４７０９２号や特開２００１−３１２９９７号に記載される。従って、仮想接線ＶＴＬは、中心位置Ａ１と大径部Ｅａ外表面の接線となる。

（ｂ）は電極Ｅ１の先端が円錐台形状である構造を示す。電極Ｅ１は棒状部材Ｅｐと先端の円錐台部分Ｅｂからなる。仮想接線ＶＴＬは、中心位置Ａ１と円錐台部分Ｅｂの接線になるが、中心位置Ａ１と円錐台部分Ｅｂの距離が近い場合は、接線ＶＴＬは、先端面の外周縁Ｅｂ２に接する直線となり、また、中心位置Ａ１と円錐台部分Ｅｂの先端面の距離が比較的離れている場合は、仮想接線ＶＴＬは円錐台部分Ｅｂの根元の外周縁Ｅｂ１に接する直線となる。つまり、円錐台部分Ｅｂと中心位置Ａ１の距離の大小により、仮想接線ＶＴＬが電極Ｅｂに対して接する位置が変わる。このような電極Ｅ１は、主に直流点灯型ランプの陽極に採用される。

（ｃ）は電極Ｅ１が棒状電極であってコイルＣが巻きつけられた構造を示す。電極Ｅ１は棒状部分ＥｐとコイルＥｃから構成される。この場合、仮想直線ＶＴＬは、コイルＥｃの外周縁Ｃ１に接する直線で描かれる。コイルＥｃが放射光を遮る要素になるからである。このような電極は主に小型の放電ランプに採用されるものであって、交流点灯型ランプは両方の電極に採用され、直流点灯型ランプは陰極に採用されている。コイルＥｃはワイヤ状物質を棒状部分に巻き付けて構成するが、一体物から切削加工により形成する場合もある。因みに、コイルＥｃは、ランプ点灯始動時は始動起点として機能し、通常点灯時は放熱部材として機能する。

（ｄ）は電極Ｅ１がいわゆる溶融電極の構造を示す。電極Ｅ１は、棒状部分Ｅｐ、コイル部分Ｅｃ、大径部Ｅｄ、突起ｐから構成される。この電極は１本の棒にワイヤ条コイルを巻きつけて、その状態からコイルを溶かすことで大径部Ｅｄを形成する。すなわち、コイル部分Ｅｃが完全に溶けないでコイルの形状が残るが、大径部Ｅｄはコイルの形状が残らないほどに完全に溶融してできあがる。なお、突起ｐは棒状部分Ｅｐの先端としてもよいが、当初形成していなくてもかまわない。自然に発生するからである。この場合、仮想接線ＶＴＬは、中心位置Ａ１と大径部Ｅｄの外周縁、あるいはコイル部分Ｅｃの外周縁のいずれかに接する直線となる。

以上、図５に電極の具体例を示し、仮想接線ＶＴＬや中心位置Ａ２の定義について説明したが、ようは、アークからの放射光が、電極に遮られることなく、後方楕円反射鏡部分２３に直射する領域が最大となる接線が仮想接線ＶＴＬとなる。そして、本願発明は、仮想接線ＶＴＬと光軸Ｚがなす角度αと、仮想直線ＶＳＬと光軸Ｚがなす角度βの関係がβ＞αになることを第二の特徴とする。

さらに、本発明に係る放電ランプは、電極Ｅ１の体積Ｖ（ｍｍ^３）が、定常点灯時の点灯電力Ｐ（wattage）との関係で「０．０７×ＥＸＰ（０．０１４×Ｐ）＜Ｖ」になるよう規定される。本発明に係る放電ランプは、点灯中、極めて高温になるため、電極体積が小さいと熱容量的に耐えられなくなり溶融してしまうからである。特に、本願発明は前記した「角度β＞角度α」の規定により電極形状が制限を受けること、および、放電空間の内容積が３００mm^３以下、放電空間の最大寸法（電極が伸びる方向の寸法）が１２mm程度と小さいことから、むやみに電極体積を大きくできないという背景が存在する。本願発明は、電極がランプ点灯中に溶融しないという視点と、放射光が後方楕円反射鏡部分まで到達できるという視点を、ともに満たすために、電極の体積を規定しているのである。これが本願発明の第三の特徴となる。

本発明では、電極体積Ｖ（ｍｍ^３）と点灯電力Ｐ（wattage）の関係を実験により導いている。
実験は、電極体積Ｖ（ｍｍ^３）と点灯電力Ｐ（wattage）が異なる放電ランプを数種類点灯させて、電極溶融に関する観察を行った。
具体的には、点灯電力Ｐは、２３０Ｗ、２５０Ｗ、２７５Wの３種類について実験を行い、２３０Ｗについては電極体積Ｖ（ｍｍ^３）が1.55、1.60、1.72、1.92、2.02の５種類を観察し、２５０Ｗについては電極体積Ｖ（ｍｍ^３）が2.15、2.27、2.46、2.78の４種類を観察し、２７５Ｗについては電極体積Ｖ（ｍｍ^３）が3.01、3.08、3.24、3.34、3.40、3.68、3.95の７種類を観察した。ランプはそれぞれ５本ずつ点灯させたので、実験した合計ランプ本数は、１６種類×５本の８０本となる。

放電ランプは、後述する図８に示す構造のものであり、電極Ｅの先端に突起を有する。従って、電極は図５（ａ）に示すものとなる。
放電ランプの点灯は、２時間点灯後１５分消灯を１サイクルとして、５０サイクル繰り返した後の電極を観察した。
電極の観察は、上記５０サイクル終了後にＸ線装置で電極Ｅ１を観察して、突起が完全に消失しているものを「溶融」と判断し、突起の形状が点灯初期の半分以上残っているものを「溶融していない」と判断した。Ｘ線装置はＳＭＸ−１００（島津製作所製）を使った。

実験では、電極体積および点灯電力は、いずれも、プロジェクター装置のランプとして一般的範囲に含まれるものを選択している。また、点灯条件である「２時間点灯後１５分消灯を１サイクルとして、５０サイクル繰り返す」はプロジェクター装置の比較的過酷な使用状況を想定して行っている。

図６は実験結果を示す。
２３０Ｗについては電極体積Ｖ（ｍｍ^３）が1.55、1.60のランプが５本とも突起が完全消失した。一方、電極体積Ｖ（ｍｍ^３）が1.72、1.92、2.02の３種類のランプはそれぞれ５本とも突起がほぼ完全に残っていた。また、２５０Ｗについては電極体積Ｖ（ｍｍ^３）が2.15のランプが5本とも突起が完全消失した。一方、電極体積Ｖ（ｍｍ^３）が2.27、2.46、2.78の４種類のランプはそれぞれ５本とも突起がほぼ完全に残っていた。さらに、２７５Ｗについては電極体積Ｖ（ｍｍ^３）が3.01、3.08のランプはそれぞれ5本とも突起が完全消失した。一方、電極体積Ｖ（ｍｍ^３）が3.24、3.34、3.40、3.68、3.95の５種類のランプはそれぞれ５本とも突起が完全に残っていた。

図７は上記実験結果をグラフ化したものである。縦軸に電極体積Ｖ（ｍｍ^３）を表し、横軸に定格点灯電力Ｐ（wattage）を表した。
各点灯電力Ｐ（wattage）のうち、溶融しなかった電極のうち、もっとも体積の小さいものをポイントとして近似曲線を描いた。この近似曲線は「Ｖ＝０．０６７５ｅ^0.0141P」（eの０．０１４１Ｐ乗）となった。誤差などと考慮して、電極体積Ｖ（ｍｍ^３）と定格点灯電力Ｐ（wattage）の関係式は「０．０７×ＥＸＰ（０．０１４×Ｐ）＜Ｖ」と導かれる。

このように、本願発明は、アークの放射光が凹面反射鏡の後方楕円反射鏡部分まで到達できるように電極が形状規制を受けたとしても、当該電極がランプ点灯中に溶融しないという観点から、電極体積Ｖが点灯電力Ｐとの関係で「０．０７×ＥＸＰ（０．０１４×Ｐ）＜Ｖ」と規定される。

ここで、本発明では「電極体積」は、棒状部分を含まず、棒状部分先端の大径部分を意味する。図５（ａ）では先端大径部Ｅａの体積をいう。なお、厳密には突起ｐの体積も含めて解釈すべきであるが、突起ｐの体積は大径部Ｅａの体積に比べて極めて小さく、かつ、点灯時間の経過に伴い体積が変化するので、実際的には大径部Ｅａの体積で求めることができる。図５（ｂ）では円錐台部分Ｅｂの体積を意味する。この場合も（ａ）同様に棒状部分Ｅｐの体積は含めない。図５（ｃ）ではコイル部分Ｅｃ及びコイル部分Ｅｃより先端に突出する棒状部分の体積を含めて解釈する。コイル部分Ｅｃよりも後端の棒状部分Ｅｐの体積は含めない。図５（ｄ）ではコイル部分Ｅｃと大径部分Ｅｄの合計の体積を意味する。
また、「点灯電力」とは、ランプやその容器に表示されたランプ電力であって、安定器による損失を含まないランプの消費電力をいう。

ここで、図１に示す光学装置の数値例を示すと、
反射鏡全体の長さ（光軸方向の長さ）は３４．２ｍｍ、
前方楕円面反射鏡部分２１の長さ（光軸方向の長さ）は２６．０ｍｍ、
中央球面反射鏡部分２２の長さ（光軸方向の長さ）は６．４ｍｍ、
後方楕円面反射鏡部分２３の長さ（光軸方向の長さ）は２．０ｍｍ、
前方楕円面反射鏡部分２１の前面開口径は３９．３ｍｍ、
中央球面反射鏡部分２２の前面開口径は２２．０ｍｍ、
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φ１０．０ｍｍ、
前方楕円面反射鏡部分２１の第一焦点距離は６．０ｍｍ、
前方楕円面反射鏡部分２１の第二焦点距離は６５．０ｍｍ、
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３３．０ｍｍ、
光学素子の入射面の面積は、２８．２７ｍｍ^２（φ６）である。
角度αは３０°である。
角度βは６０°である。

図８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Ｅ（Ｅ１，Ｅ２）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Ｅ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１４が接合して外部の給電装置から給電が行なわれる。

電極Ｅ（Ｅ１）は、棒状部分Ｅｐに大径部Ｅｍが形成されて、大径部Ｅｍの周囲にコイル部分Ｅｃが設けられる。大径部Ｅｍの先端には突起ｐが形成される。これら棒状部分Ｅｐ、大径部Ｅｍ、コイル部分Ｅｃ、突起ｐは１本のタングステン棒から切削加工により作られている。このため、いわゆる溶融電極（タングステン棒にワイヤ条コイルを巻きつけて、当該コイルを溶融させることで大径部を形成した電極）に比べて、電極全体の形状が設計どおりに作ることができ、角度αを正確にすることができる。なお、突起ｐも予め種として形成しておくが、ランプの点灯に伴い、成長、蒸発を繰り返すため、突起ｐの大きさは変化する。なお、突起ｐが存在しない電極Ｅを当初作成しておくこともできる。この場合もランプ点灯に伴い突起が自然に形成される。

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１１の最大外径１１．５ｍｍ、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。

図９は本発明に係る放電ランプを点灯するための給電装置を示す。
給電装置は、スイッチング素子Ｑｘを有するチョッパー回路９１と、コイルＬｘやコンデンサＣｘを含む平滑回路９２と、点灯始動用スタータ回路９３、スイッチング素子Ｑｘを駆動する制御回路９４より構成される。
制御回路９４は、放電ランプ１０の点灯電圧や点灯電流は、抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３によって検出して、点灯電力を換算して求めるともに、基準電力値と比較してスイッチング素子Ｑｘをフィードバック制御する。
チョッパー回路９１において制御された電流は、平滑回路２において直流出力となり放電ランプ１０に供給される。
点灯動作は、まず、スタータ回路９３により高電圧パルスを発生させると、放電ランプ１０の電極間に絶縁破壊が発生してグロー放電が生じる。グロー放電はやがてアーク放電となり放電ランプは安定する。

以上、説明したように、本願発明に係る光学装置は、凹面反射鏡が、前方楕円面反射鏡部分、中央球面反射鏡部分および後方楕円面反射鏡部分よる構成されるので、後方楕円面反射鏡部分で反射させた光を放電アークに戻すのではなく、前方開口に向けて反射させる。
また、電極間の中心位置Ａ１から凹面反射鏡の頂部側に位置する電極の外表面に向けて形成される仮想接線ＶＴＬが、放電ランプの電極が伸びる方向との間で形成する角度αと、中央球面反射鏡部分と後方楕円面反射鏡部分の境界位置と中心位置Ａ１で形成される仮想直線ＶＳＬと、放電ランプの電極が伸びる方向との間で形成される角度βとの関係が、β＞αとなるので、後方楕円面反射鏡部分で反射すべき光が十分となるように頂部側に位置する電極の形状を規定している。
さらに、一対の電極のうち、凹面反射鏡の光放射方向と反対側に位置する電極の体積Ｖ（ｍｍ^３）と、定常点灯時のランプ電力（Ｐ）との関係が、０．０７×ＥＸＰ（０．０１４×Ｐ）＜Ｖを満たすことで、頂部側に位置する電極の体積を形状規定を受けつつも、熱容量に耐えるだけの機能を有することができる。

本発明に係る光学装置の全体構造を示す。 本発明に係る光学装置の他の実施例を示す。 本発明に係る光学装置であって光放射を説明するための構造を示す。 本発明に係る光学装置の部分拡大図を示す。 本発明に係る光学装置であって電極体積と仮想接線の変形例を示す。 本発明に係る光学装置の実験結果を示す。 本発明に係る光学装置の実験結果を示す。 本発明に係る光学装置の放電ランプを示す。 本発明に係る光学装置を給電装置を示す。 従来の光学装置を示す

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 頂部
２５ 前面ガラス
３０ 光学素子
３１ 入射面
Ｅ 電極
Ｆ１ 第一焦点
Ａ１ 中心位置
Ｆ１２１ 第一焦点
Ｆ１２２ 第一焦点
Ｆ１２３ 第一焦点
Ｌ２１ 光
Ｌ２２ 光
Ｌ２３ 光
Ｐ ランプ電力
Ｖ 電極の体積
ＶＳＬ 仮想直線
ＶＴＬ 仮想接線
Ｚ 光軸
α 仮想接線と光軸がなす角度
β 仮想直線と光軸がなす角度

Claims (1)

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当該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学装置において、
   前記凹面反射鏡は、前方楕円反射鏡部分、中央球面反射鏡部分および後方楕円反射鏡部分から構成され、
   前記前方楕円反射鏡部分と前記後方楕円反射鏡部分は、ともに、少なくとも第一焦点が前記電極間において一致するとともに、当該凹面反射鏡の光放射方向に対して互いに前後する位置関係で構成され、前記中央球面反射鏡部分は、前記第一焦点を中心位置ＣＰとして、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間に位置するとともに、
   前記中心位置ＣＰから前記凹面反射鏡の頂部側に位置する電極の外表面に向けて形成される仮想接線ＶＴＬが放電ランプの電極が伸びる方向との間で形成する角度αと、前記中央球面反射鏡部分と前記後方楕円面反射鏡部分の境界位置と前記中心位置ＣＰで形成される仮想直線ＶＳＬと、放電ランプの電極が伸びる方向との間で形成される角度βとの関係が、β＞αとなり、
   前記放電ランプは、前記一対の電極のうち前記凹面反射鏡の光放射方向と反対側に位置する電極の体積Ｖ（ｍｍ^３）と、定常点灯時のランプ電力（Ｐ）との関係が、０．０７×ＥＸＰ（０．０１４×Ｐ）＜Ｖ を満たすことを特徴とする光学装置。

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