(57)【要約】      （修正有）【課題】ファイバ光源装置において、ファイバからの出射光を大きく落とすことなく、ファイバ入射端面への熱的影響を減らし、光源のアークの僅かな変化によるファイバからの出射光量の変動を緩和するための均一な反射鏡反射特性を有する反射鏡の製造方法において、同一金型で種々のファイバ用光源装置に適した反射鏡を製造でき、しかも、量産性に優れた製造方法を提供する。【解決手段】ガラス原料粉末を造粒し、該ガラス粒を反射鏡成形型に充填し、乾式プレスによって反射鏡用生地を成形し、該反射鏡用生地を加熱焼結させることで、反射鏡を製造する過程において、前記乾式プレスの圧力を制御する事で、前記反射鏡内表面粗度を変更する。またこの反射鏡と発光管とを組み合わせた光源をファイバ光源装置へ搭載する。【選択図】図１
2006330373.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガラス原料粉末を造粒し、該ガラス粒を反射鏡成形型に充填し、乾式プレスによって反射鏡用生地を成形し、該反射鏡用生地を加熱焼結させることで、反射鏡を製造する過程において、前記乾式プレスの圧力を制御する事で、前記反射鏡内表面粗度を変更する事を特徴とする反射鏡製造方法。
【請求項２】
請求項１記載の反射鏡と発光管とを組み合わせた光源を搭載した事を特徴とするファイバ光源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
ファイバを用いて可視光、紫外光や赤外光を対象物へガイドして用いる、所謂ファイバ光源装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図１には一般的なファイバ光源装置の概略図を示す。１１は発光管、１２は反射鏡を示し、この発光管と反射鏡を組み合わせたのを光源１３とする。光源１３からの光をファイバ１４の入射端面１５に集光させ、ファイバによって光を対象物へとガイドする。図１では反射鏡の内面形状を回転楕円面にしたため、１次焦点からの光を２次焦点である、ファイバ入射端面１４へ集光させている。光源１３とファイバ入射端面１4との間にはフィルター１６を介しており、このフィルターは対象物へガイドする光が可視光である場合は、紫外光や赤外光をカットしたり、対象物へガイドする光が紫外光である場合は紫外光を透過したりする働きをする。
【０００３】
従来この様なファイバ光源装置には、ファイバとして石英ガラスが多く用いられていたが、石英ガラスは著しく高価であり、入射角を小さくしか取れないため、装置自体が大きくなってしまう欠点があった。しかし近年、これらの問題を解決するために、安価であり、かつ入射角を大きく取れる多成分ガラスファイバや、アクリル系などのプラスチック製ファイバが用いられるようになり、比較的小型の装置が登場してきており、急速に利用されるようになってきている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところが、石英製のファイバと比較して、多成分ガラス製のファイバやプラスチック製のファイバは熱に対して非常に弱い。多成分ガラス製のファイバやプラスチック製のファイバを用いた装置は入射角を大きく取れるため小型にする事が出来、必然的に光源とファイバとの距離を近接させて配置させるため、光源からの熱の影響を大きく受け易い配置となる。多成分ガラスはプラスチックよりも耐熱性は高いが、多成分ガラスファイバを結束するのに用いる結着剤は耐熱性に乏しく、多成分ガラスファイバを使用した場合でも、熱的影響を大きく受ける結果を招く。またファイバからの出射光量はより高いものを要求されることから、光源からファイバ端面への集光度をより高める必要がある。しかしそうすることによって、更にファイバは熱的負担が大きく、ファイバ端面やその周辺の結着剤は早期に熱損傷を受け劣化してしまう。そのためファイバからの出射光量は急速に減少し、早期に光利用効率が低下してしまう問題があった。
【０００５】
図2（ｂ）には、内面に回転楕円面を有する反射鏡からの、第二焦点付近の光の放射照度分布を示す。この放射照度分布の横軸であるＸは図２（ａ）に示すとおり、ファイバ入射端面２３の中心線２４の位置を規定している。そして各位置の放射照度を測定した。図2（ｂ）の２１はファイバであり、そのファイバの位置に応じて、放射照度分布を示している。また、２２はファイバ及び結着剤の耐熱性限界値を示しており、この値を超えている２５の部分のファイバ入射端面は熱損傷を起こしてしまう。図２（ｂ）から、２６の入射端面外より、ファイバ入射端面の中央に光が収束していることがわかる。光源からファイバ端面への集光度を高めた結果、ファイバ端面の中央は光の集中により耐熱性限界を超えてしまい、すぐさま劣化を起こしてしまい、結果光透過性を著しく損ねる状況であった。
【０００６】
また、このようなファイバ光源装置では、放電ランプ点灯中のファイバからの出射光量が大きく変動する問題もある。この理由を以下に示す。放電ランプの場合、発光管中のアークは、電極間距離の数ｍｍ（例えば２ｍｍ）であり、かつアーク軸の径方向にも広がりを有している。ランプ点灯中にはこの電極間のアークが揺れてしまったり、また、電極の磨耗や変形が起こる為に、アークの位置が移動したり、長さが変化したりすることがある。このようなアークの形状や位置の僅かな変化で、反射鏡からのファイバ入射端面への放射照度分布特性が著しく変化する。
【０００７】
図2のように、光が一部に収束するような放射照度分布では、アークの形状や位置の僅かな変化によって、アークが第一焦点からずれてしまうために光の正確な制御が出来ず、光が一部に収束する点が移動してしまったり、発散してしまったりする問題がある。よって、当然ファイバ入射端面に入射する光に影響が生じ、ファイバからの出射光量にも影響が生じる。
【０００８】
アークの形状や位置の変化が更に大きくなると、この収束点の移動が、ファイバ入射端面内を移動するだけではなく、ファイバ入射端面外にまで移動する場合がある。するとファイバ入射端面に入射する光束は激減してしまう。そしてまた、この収束点がファイバ入射端面に戻ってくることによってファイバ入射端面に入射する光束は激増する。従って、この繰返しにより、ファイバからの出射光量が変動する現象が起きてしまい、ファイバ光源装置の出射光安定性能を大きく損なうもので、問題であった。
【０００９】
このようにファイバ入射端面への熱負荷の低減、また、ファイバからの出射光量の変動を緩和する為にも放射照度分布特性の均一化を図る必要がある。
映写機用光源装置では、種々の手段で、放射照度分布特性の均一化を図った例が見受けられる。例えば発光管外表面の全面や一部をフロスト面とする事で、改善を試みている（特許文献１、特許文献２、特許文献３）。
【００１０】
【特許文献１】実公平５−１７７９９
【特許文献２】特開平７−２９６７８２
【特許文献３】特開平５−２５１０５５
【００１１】
このように発光管外表面の全面や一部をフロスト面とする事で、ファイバ入射端面の一部への過度な光集中が緩和されることが期待され、ファイバの熱損傷対策やファイバ光源装置の出射光量の変動対策には効果が認められる。しかし実際はアークからの光が発光管表面のフロスト面で拡散してしまうために、光の精巧な制御が出来ず、ファイバ端面へ入力する光が激減してしまっていた。図３に表面をフロスト加工した発光管を有し、内面に回転楕円面を有する反射鏡からの第二焦点付近の光の放射照度分布を示す。図３の３１はファイバを示しており、各位置での放射照度を測定しており、図２と同様に放射照度分布を測定している。なお３２はファイバおよび結着剤の耐熱性限界値を示している。
【００１２】
図3の33はファイバ入射端面以外の放射照度分布となっており、この分の光はロスになってしまい光利用効率が悪いことが分かる。
また、発光管外表面の全面や一部分をフロスト面とする加工では、加工精度を高める事が困難なため、各発光管外表面のフロスト具合は一定にならない。そのためファイバ入射端面への入射光は発光管毎にばらつき、結果、ファイバからの出射光にもばらつきが生じる。また問題として、発光管をフロスト加工するので、発光管表面にマイクロクラックが生じる（傷が付いた状態になる）恐れがあり、破裂の原因となる場合も想定される。
【００１３】
光源からの配光特性の均一化を図った別の例として、上記光のロスを軽減し、また発光管の破損をなくすために反射鏡内面の一部や全面に、ファセット加工やディンプル加工を行なった例がある（特許文献4）。
【００１４】
【特許文献４】特開平６−８２７６５（０００９参照）上記方法では単一仕様に適した光源装置に対応可能である。図4には内面に回転楕円面を有し、内表面をディンプル加工とする反射鏡からの第二焦点付近の光の放射照度分布を示す。４１はファイバを示しており、各位置での放射照度を測定しており、図２と同様に放射照度分布を測定している。なお４２はファイバおよび結着剤の耐熱性限界値を示している。
【００１５】
図４では光が収束する部分が緩和され、かつロスとなる部分も少なくなっており、反射鏡の内表面を鏡面にしたもの、また、発光管の外表面の全面や一部をフロスト面とする構成と比較して、光利用効率・熱損傷の観点からは良い結果が得られる。
しかしファイバ光源装置は各社の用途によって、ファイバ径や求める出力に多種の仕様があり、これらファイバ光源装置に求められる要求仕様は一定ではない。そのため同一反射鏡内面のファセット加工やディンプル加工では対応することが出来ない。
【００１６】
よって要求仕様に応じてそれぞれファイバ光源装置の出力仕様対応が必要であった。しかし、従来の反射鏡製造方法では、反射鏡内面形状によって金型が決まっているので、要求仕様毎に別途仕様に合致した異なる金型で対応するしかなく、小数生産の場合は著しく高価となってしまうばかりか、他の要求仕様に融通が利かず問題であった。
【００１７】
本発明は上記課題を鑑み発明されたもので、ファイバからの出射光を大きく落とすことなく、ファイバ入射端面への熱的影響を減らし、光源のアークの僅かな変化によるファイバからの出射光量の変動を緩和する事を目的とする。
また、ファイバからの出射光を安定なものとし、かつ高出力の光ファイバ装置を提供する。
更には、同一反射鏡金型で多品種（仕様）のファイバ光源装置に対応できる、反射鏡を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
ガラス原料粉末を造粒し、該ガラス粒を反射鏡成形型に充填し、乾式プレスによって反射鏡用生地を成形し、該反射鏡用生地を加熱焼結させることで、反射鏡を製造する過程において、前記乾式プレスの圧力を制御する事で、前記反射鏡内表面粗度を変更する事を特徴とする。
またこの反射鏡と発光管とを組み合わせた光源を搭載した事を特徴とするファイバ光源装置。
【発明の効果】
【００１９】
乾式プレスでの反射鏡の製造において、通常、鏡面状の金型を用い、プレス加工を行うことで、反射鏡の内表面に凹凸が生じない鏡面状に仕上げていた。しかし、本発明によれば、この鏡面状の金型を用いて、反射鏡内表面を鏡面状にするプレス圧力よりも低い数段階の一定のプレス圧力で反射鏡を製造する事によって、反射鏡の内表面に数段階の凹凸を一定に生じさせる事が可能である。
【００２０】
ファイバ光源装置は、各社の要求が仕様目的によって異なるので、その仕様目的によって、反射鏡内面の凹凸具合を変更する必要がある。従来ではその仕様に合わせて金型を用意しなければならなかったが、本発明では、同一金型で充分対応が可能になる。ファイバ光源装置の仕様に合わせ、プレス成形機の、数値管理が充分可能なプレス圧力を制御して、光源装置の光学特性やその後の寿命特性が良好なプレス圧力を選定する。このようにすることで、簡単に多品種に対応できるので、工業的価値は甚大である。
【００２１】
また、本発明の反射鏡をファイバ光源装置に用いた場合、ファイバからの出射光量を小さくすること無く、且つ、光源からの光がファイバ端面の一部に過度に集中する事が無くなり、ファイバ入射端面への熱的影響がなくなる。さらに、アークの形状や位置の僅かな変化によるファイバからの出射光量の変動を緩和することができ、ファイバ光源装置の出射光量安定性を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
図１は本発明に従うファイバ光源装置の概略図である。１3は該ファイバ光源装置に組み込まれる光源であって、発光管１1と反射鏡１２より構成される。１４は光源より放射される光を対象物へガイドするファイバである。以下光源に組み込まれる反射鏡１２の製造方法について説明する。
【００２３】
球状シリカを用いた反射鏡の、乾式プレスでの作製方法は、例えば特許文献5に開示されている
【特許文献５】：特開２００４−１３１３５１石英ガラス製反射鏡の材料として球状シリカを使用する。本発明の実施例ではφ０．５μｍの平均粒径の球状シリカを使用した。上記球状シリカ材料に純水と分散剤を添加後、球状シリカ材料を攪拌機で一次粒子まで分散してスリラーを作製した。このスリラーにバインダを添加した後、スプレードライヤーを使用してφ４５μｍの顆粒状に造粒した。この造粒物を乾式プレス成形により成形体を作り、該成形体を、大気中の酸化性雰囲気または還元性雰囲気で加熱焼結し、反射鏡を作製した。
【００２４】
その製造方法に記載されている成型体を得る上で用いる、プレス機のプレス圧力を１，８００Ｋｇ／ｃｍ２に設定して得られる反射鏡生地の内表面は、図5（a）［３００の図］に示す通りであり、通常の型ガラスに見られるプレスによる硼珪酸ガラス製生地の内表面とほぼ同じ状態を示している。
【００２５】
ところが、このプレス圧力を小さくして、反射鏡を製造したところ、以下のようなことが判明した。
プレス圧力を２００Ｋｇ／ｃｍ２に設定して得られる成型体を焼結した反射鏡生地の内表面は、図5（ｂ）［×３００の図］に示す通り凹凸が見られる。この理由簡易図として表した図６ａ−図６ｄを用いて説明する。なお６３はプレス機の簡易的な表示とする。反射鏡の製造において、上記のごとく、粉末にした球状シリカを造粒するとφ４５μｍの顆粒状造粒物61が生成される（ａ）。この顆粒状造粒物61の集合体をプレス加工（ｂ-ｃ）するが、プレスの圧力が小さいと顆粒状造粒物６１が表面に残ってしまう（ｄ）。表面が凹んでいるのは顆粒形状に基づいた形状に内側に凹み、顆粒状造粒物の境界６２が盛り上がっているためである。
【００２６】
同様の方法に従い８００Ｋｇ／ｃｍ２に設定して得られる成型体を焼結した反射鏡生地の内表面は、図5（C）［×３００の図］に示す通りの顆粒形状に基づいた形状に内側に凹みはするが、その凹み量はプレス圧力を２００Ｋｇ／ｃｍ２に設定して得られる反射鏡生地の内表面に比較して極めて少ないが、しっかりとした凹凸が観察される。また、それらの指定したプレス圧力設定に依って、得られる反射鏡生地の内面形状は、優れて一定であった。
【実施例１】
【００２７】
そこでこれらのプレス圧力を２００Ｋｇ／ｃｍ２，５００Ｋｇ／ｃｍ２，８００Ｋｇ／ｃｍ２，１０００Ｋｇ／ｃｍ２，１８００Ｋｇ／ｃｍ２と変更して反射鏡生地を各々１０個づつ作製した。反射鏡内面形状は一次焦点距離１６ｍｍ、二次焦点距離９０ｍｍの有効反射面がΦ８０ｍｍの回転楕円面とした。得られる反射鏡生地内面に同一条件で、誘電体多層膜を蒸着して可視光を反射し熱線を透過する所謂コールドミラーとした可視反射鏡と、同一の発光管とを交互に単一のファイバ光源装置に用いて、点灯試験を行った。その上記発光管はＤｙ−Ｎｄ−Ｃｓ系の沃化物を封入したアーク長２ｍｍ、定格電力２５０ｗのメタルハライドランプを使用した。多成分ガラスからなるファイバ径はΦ１０ｍｍのものを使用し、反射鏡とファイバ端面との距離を反射鏡の二次焦点距離に合わせた。点灯寿命における、ファイバの損傷程度及びファイバからの初期出射光量を調査したところ、プレス圧力とファイバからの出射光量は、図7に示す様な特性（相関）が得られた。ここで、本実施例では反射鏡内面が鏡面である（プレス圧力が１８００ｋｇ／ｃｍ２）反射鏡を用いたときのファイバからの光出力を１００とした。
【００２８】
図7よりプレス圧力が高い方が、ファイバからの光出力は大きくなるが、図2で示すように、ファイバ端面の照度ムラが大きく、特に中央部分には熱衝撃がかかり、熱損傷を起こしてしまった。反対にプレス圧力が小さいと、熱損傷を起こすほど、ファイバ端面に光は集中しないが、ファイバ端面は図3のような放射照度分布になるため、光利用効率は非常に悪くなってしまう。
本実施例では上記を考慮して、５００Ｋｇ／ｃｍ２〜８００Ｋｇ／ｃｍ２程度のプレス圧力であれば良いと判断した。
【実施例２】
【００２９】
実施例の２として、反射鏡には本発明の製造方法でプレス圧力を５００Ｋｇ／ｃｍ２、１８００Ｋｇ／ｃｍ２として反射鏡生地を各々１０個づつ作製した。反射鏡内面形状は一次焦点距離６．５ｍｍ、二次焦点距離１４０ｍｍの有効反射面がΦ５０ｍｍの回転楕円面とした。得られる反射鏡生地内面に同一条件で、誘電体多層膜を蒸着して紫外光を反射し可視、赤外光を透過する紫外反射鏡と、同一の発光管とを交互に単一のファイバ光源装置に用いて、点灯試験を行った。
その上記発光管は水銀及びハロゲン化物を封入した、アーク長１ｍｍ、定格電力１５０ｗの超高圧水銀灯を使用した。石英ガラスからなるファイバ径はΦ５ｍｍのものを使用し、反射鏡とファイバ端面との距離を反射鏡の二次焦点距離に合わせた。
【００３０】
点灯時間とファイバ光源装置からの出射光量の変動の相関を調べた。結果例を図８に示す。プレス圧力を１８００Ｋｇ／ｃｍ２として製造した反射鏡を用いた場合は、初期において特に光量変動が大きい。一方、プレス圧力を５００Ｋｇ／ｃｍ２として製造した反射鏡を用いた場合は、大きなファイバ出射光量変動は見られず、点灯時間が長くなっても、安定した高い出射光量であった。
【００３１】
この様にして種々のファイバ光源装置についての良好なプレス圧力を、そのファイバ用光源装置でファイバの損傷程度及びファイバからの光出力を調査する事で見極めできるので、同一金型で種々のファイバ用光源装置に適した反射鏡を作製出来、しかも極めて均一な反射鏡反射特性が得られるので、量産性に優れている事も判明した。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】光源装置の概略図を示す
【図２ａ】ファイバの入射端面付近の拡大図
【図２ｂ】内面が回転楕円面であり鏡面状の反射鏡を用いたときの二次焦点付近の照度分布
【図３】内面が回転楕円面であり鏡面状の反射鏡と外表面をフロスト加工した発光管を用いたときの二次焦点付近の照度分布
【図４】内面が回転楕円面でありディンプル形状の反射鏡を用いたときの二次焦点付近の照度分布
【図５ａ】プレス圧力を１８００ｋｇ／ｃｍ２として作製した反射鏡の内表面の拡大図（３００倍）
【図５ｂ】プレス圧力を２００ｋｇ／ｃｍ２として作製した反射鏡の内表面の拡大図（３００倍）
【図５ｃ】プレス圧力を８００ｋｇ／ｃｍ２として作製した反射鏡の内表面の拡大図（３００倍）
【図６】反射鏡のプレス加工を表す簡易図
【図７】プレス圧力とファイバからの光出力の相関関係
【図８】異なるプレス圧力による、ファイバからの光出力と点灯時間の相関関係
【符号の説明】
【００３３】
１１  発光管
１２  反射鏡
１３  光源
１４  ファイバ
１５、２３  ファイバ入射端面
１６  フィルター
２１、３１、４１  ファイバ
２２、３２，４２  ファイバ及び結着剤の耐熱性限界値
２４  ファイバ入射端面中心線
２５  ファイバ及び結着剤の耐熱性限界値を超えた部分
２６、３３  ファイバ入射端面以外の放射照度分布
６１  顆粒状造粒物
６２  顆粒状造粒物の境界
【図１】
2006330373.tif 000003
【図２ａ】
2006330373.tif 000004
【図２ｂ】
2006330373.tif 000005
【図３】
2006330373.tif 000006
【図４】
2006330373.tif 000007
【図６】
2006330373.tif 000008
【図７】
2006330373.tif 000009
【図８】
2006330373.tif 000010
【図５ａ】
2006330373.tif 000011
【図５ｂ】
2006330373.tif 000012
【図５ｃ】
2006330373.tif 000013