(57)【要約】【課題】安価で信頼性（防爆性、寿命）に優れ、且つ、小型で単位面積当りの光強度の高いプロジェクタやファイバー照明で使用する光源装置を提供すること。【解決手段】凹面反射鏡からなる主鏡と主鏡の一部に構成され、主鏡に反射光を略入射させる補助鏡と、主鏡の開口部に配置され、主鏡からの反射光を主鏡に戻す平面鏡と、前面ガラスと、主鏡の光軸とアーク軸が一致し、アーク中心が主鏡の焦点に配置された放電ランプとからなり、光源装置において、補助鏡は主鏡の首部近傍に主鏡と一体成形され、主鏡の焦点からみて光軸後方とのなす角が６０°以上８１°以下、主鏡の光軸と周囲１８０°以下に収まる略球面の一部であって、その焦点が主鏡の焦点と一致するようにし、平面鏡は凹面反射鏡の前面開口の半面部に存在する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
凹面反射鏡からなる主鏡と該主鏡の一部に構成され、該主鏡に反射光を略入射させる補助鏡と、該主鏡の開口部に配置され、該主鏡からの反射光の一部を該主鏡に戻す平面鏡と、前面ガラスと、該主鏡の光軸とアーク軸が一致し、アーク中心が該主鏡の焦点に配置された放電ランプとからなる光源装置において、
該補助鏡は該主鏡の首部近傍に該主鏡と一体成形され、該主鏡の焦点からみて光軸後方とのなす角が６０°以上８１°以下、該主鏡の光軸の周囲１８０°以下に収まる略球面の一部であって、その焦点が主鏡の焦点と一致するようにし、該平面鏡は該前面ガラスの補助鏡と対向する半面域であって、該主鏡からの光を受ける部分に存在することを特徴とする光源装置。
【請求項２】
該主鏡および該補助鏡には３波長タイプの５１層以下の誘電体多層膜で構成される反射膜を有することを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
【請求項３】
前記主鏡および該補助鏡は焼結石英ガラス製であることを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載の光源装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、プロジェクタやファイバー照明で使用する光源装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、液晶プロジェクタに使用される光源装置においては、放電ランプから放射される光を光軸に平行な光に効率良く変換して、液晶表示パネルなどの被照射領域に照射する性能を有することが必要である。通常このような光源装置においては、超高圧水銀ランプなどのショートアーク型放電ランプと、該放電ランプから放射される光を平行光に変換するための凹面反射鏡とにより構成されている。
【０００３】
また、図２に示すようにランプ破損時に破片が光源装置２００の外に飛び出ない様、凹面反射鏡２は放電ランプ１全体を覆い、且つ、その開口には、透明な前面ガラス５が配置されている。特に、近年、プロジェクタは、高画質（明るさ・色・コント高ラスト等）に加え、小型・軽量化が進んでおり、画像表示素子の面積が小さくなる傾向にある。このためには、高いスクリーン光束を可能とする光源と小型な集光システムが必要となってきている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１０−１７１０２０号
【特許文献２】
米国特許第６，２３１，１９９号
【特許文献３】
特開２０００−１０３６３０号公報
【特許文献４】
特開２０００−８６２５１号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
小型で高い光束を得ることができる光源装置として、図３（ａ）のように略焦点上から照射面側に形成された回転放物面の主鏡Ａと、後方側に形成された半球に近い形状の補助鏡Ｂとを組み合わせた光源装置が、特開平１０−１７１０２０号公報が提案されている。
【０００６】
図３（ａ）の光源装置３００は、略焦点上から照射面側に形成された回転放物面の主鏡Ａと、後方側に形成された半球に近い形状の補助鏡Ｂと放電ランプとから構成され、主鏡Ａと補助鏡Ｂは各々の焦点が一致するように組み合わされ、その焦点位置にアーク中心をあわせて放電ランプ１が主鏡Ａ、補助鏡Ｂとは別体で配置されている。
【０００７】
上記光源装置は、主鏡Ａは略焦点上から形成されているため、ランプとの干渉を防ぐことができるので、焦点距離の短く受光角度が大きい小型の光源装置が可能になる。加えて、放電ランプ１から放射される光は、同図の矢印で示すように、主鏡Ａで反射して、主鏡Ａの前面開口から平行光として出射するとともに、補助鏡Ｂで反射して放電ランプ１に戻り、該放電ランプ１を通過して主鏡Ａで反射し、前面の開口から平行光として出射するので、出射方向から見た光源部の輝度が上がり、従来のものに比べ、中抜け領域Ｎはあるものの、単位面積当たりの光の放射強度は高くすることが出来る。
【０００８】
しかしながら、光源装置において主鏡Ａと補助鏡Ｂの位置関係が重要であって、適切位置からずれると十分な性能（明るさ）が得られない。例えば、アーク長が１．３ｍｍ程度のランプにおいては、０．３ｍｍもずれると光が戻るときにケラレが発生するので、数百μｍの高精度な配置関係が必要である。ランプ動作中に光源装置全体が数百℃の高温になるので、固定部材の反り等で位置関係がずれ、明るさ性能の低下や電極への集光で電極温度が上昇することによる、電極損耗、発光管の黒化で光束維持率が低下する問題が生じる。このため、図３（ｂ）で示すような主鏡Ａと補助鏡Ｂを一体構造にした光源装置３００´とすることが必要となる。
【０００９】
図３（ｂ）の光源装置３００´は、前記図３（ａ）の光源装置３００の主鏡Ａと補助鏡Ｂを一体化したものである。該装置において、補助鏡Ｂの形成された部分からは前方に光は出射されないため、被照射面に図３（ａ）に比べ広い中抜け領域Ｎが生じる。開口径が小さく、中抜け領域Ｎの比率が大きくなる小型な光源装置の場合には、明るさの向上率は小さくなってしまう。
【００１０】
また、図４（ａ）に示すような反射面が半割の放物鏡となっている主鏡Ｃと、半割の球面状の反射面を有する補助鏡Ｄとを組み合わせた光源装置４００や図４（ｂ）に示すような放物鏡となっている主鏡Ｅと開口の半面に配置した平面鏡Ｇとからなる光源装置４００´が、米国特許第６，２３１，１９９号で提案されている。
【００１１】
図４（ａ）の光源装置４００は、反射面が半割りの放物面となった主鏡Ｃと、球面状の反斜面を有する補助鏡Ｄと放電ランプ１から構成され、主鏡Ｃと補助鏡Ｄは各々の焦点が一致するように組み合わされ、その焦点位置にアーク中心をあわせて放電ランプ１が配置されている。
【００１２】
図４（ａ）の光源装置４００の場合も、図３（ａ）の光源装置３００と同様に、放電ランプ１から放射される光の半分が、補助鏡Ｄで反射され放電ランプ１に戻り出射される。また、補助鏡Ｄでの中抜けが生じないため、上記、図３（ａ）の光源装置３００に比べさらに単位面積当たりの光の放射強度は、高くすることが出来る。しかしながら、該構造のリフレクタは半球面の前面開口側半分が金型から抜けず、一体成形が困難で主鏡と補助鏡は別体にする必要があり、光源装置３００と同様に点灯時の位置関係を適切に保つことが困難となり、著しい性能低下を招く可能性がある。また、防爆構造が取りにくい。
【００１３】
図４（ｂ）の光源装置４００´の場合は、放物面からなる主鏡Ｅとこの主鏡の開口部の反面に配置した平面鏡Ｇと放電ランプ１で構成され、平面鏡Ｇが、主鏡Ｅの光軸に対して垂直に配置されている。位置精度確保の点では、主鏡Ｅの開口に垂直に配置するだけでよく、前面ガラス（不図示）と一体とすることで、精度が保たれる。
【００１４】
しかし、平面鏡Ｇで戻される光線は、同図の矢印で示すように主鏡Ｅ、平面反射鏡Ｇ、主鏡Ｅ、主鏡Ｅと４回の反射を経て出射されるため、反射鏡の曲面精度や反射率の影響を受けやすい。特に主鏡Ｅの頂部（図中破線円）付近は、放電ランプ１を固定するための首部が設けられるために、成形精度が悪い傾向にあるのに加え、光源から近いために、曲面歪みの影響を受けやすく、図で示されるように反射をくり返すと理想的にアークに戻らず電極等で蹴られるため光減衰が大きく、電極への光の集中により、電極が過熱され、短寿命となる問題が生じる。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
そこで本発明は、安価で信頼性（防爆性、寿命）に優れ、且つ、小型で単位面積当りの光強度の高いプロジェクタやファイバー照明で使用する光源装置を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、凹面反射鏡からなる主鏡と該主鏡の一部に構成され、該主鏡に反射光を略入射させる補助鏡と、該主鏡の開口部に配置され、該主鏡からの反射光の一部を該主鏡に戻す平面鏡と、前面ガラスと、該主鏡の光軸とアーク軸が一致し、アーク中心が該主鏡の焦点に配置された放電ランプとからなる光源装置において、該補助鏡は該主鏡の首部近傍に該主鏡と一体成形され、該主鏡の焦点からみて光軸後方とのなす角が６０°以上８１°以下、該主鏡の光軸の周囲１８０°以下に収まる略球面の一部であって、その焦点が主鏡の焦点と一致するようにし、該平面鏡は該前面ガラスの補助鏡と対向する半面域であって、該主鏡からの光を受ける部分に存在することを特徴とする光源装置とするものである。
【００１７】
請求項２に記載の発明は、該主鏡および該補助鏡には３波長タイプの５１層以下の誘電体多層膜で構成される反射膜を有することを特徴とする請求項１に記載の光源装置とするものである。３波長タイプの誘電体多層膜とは、互いに異なる反射ピーク波長特性をもつ誘電体多層膜を３層重ねて形成した膜である。
【００１８】
請求項３に記載の発明は、前記主鏡および該補助鏡は焼結石英ガラス製であることを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載の光源装置とするものである。
【００１９】
【作用】
本発明の光源装置は、放電ランプから放射される光の半分が、主鏡で反射され、主鏡の前面開口から平行光として出射するとともに、略球面補助鏡が形成された部分に入射した光は、該補助鏡で反射され放電ランプに戻り、主鏡で反射され、主鏡の前面開口から平行光として出射される。また、補助鏡が形成されていない部分の光は、主鏡で反射され、開口部に配置された平面鏡で反射し、該主鏡に戻され、再び、該主鏡で反射し、放電ランプに戻り、主鏡で反射され、前面開口から平行光として出射される。
【００２０】
また、補助鏡を主鏡の首部近傍において、主鏡と一体成形し、主鏡の焦点からみて光軸後方とのなす角（補助鏡の成形角度）が８１°以下、主鏡の光軸の周囲１８０°以下に収まる略球面の一部とすることで期待する蒸着膜が良好に形成可能となる。ここで、補助鏡の成形角度が大きいほど、明るさ向上の面で有利であり、少なくとも６０°（立体角９０°に対して半分）以上であることが望ましい。
【００２１】
誘電体多層膜を主鏡及び補助鏡に形成する場合、全体の膜数が多いと高温で、膜クラックや膜剥離の問題が生じる。一方、可視光全域で高反射率を得るためには、幾つかの反射域を重ねあわせることと、一つの波長域で一定以上の膜数を必要とする。
【００２２】
ＴｉＯ２とＳｉＯ２からなる多層膜においては、総膜数を５１層以下とすることで５００℃を超えるような高耐熱性反射膜が可能である。また、一つの反射波長域で１３層以上の膜数とすることで高反射率が期待できるので、広い分光域で高反射率を得るには、３波長まで重ねた膜設計が可能となる。
そして、主鏡および補助鏡は焼結石英ガラスで製作することで容易に一体化構造とすることが可能となる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
次に本発明の実施の形態を図を用いて説明する。図１（ａ）は本発明の実施の形態の一例を示す。凹面反射鏡２と補助鏡３は焼結石英ガラス製で一体成形されている。焼結石英ガラスの成形方法については例えば特開２０００−１０３６３０号公報、特開２０００−８６２５１号公報に例示されている。なお、純粋なシリカのみからなる焼結石英ガラスだけではなく、例えば、シリカガラス粉末と耐熱性金属の粉末を混合して焼結した焼結石英ガラス製であってもよいであろう。
【００２４】
後述のように、補助鏡３は凹面反射鏡２からなる主鏡の首部２１近傍に、主鏡の焦点からみて光軸後方とのなす角（β）が６０°以上８１°以下、主鏡の光軸の周囲の角（θ）が１８０°以下に収まる略球面の一部として形成される。
【００２５】
放電ランプ１は超高圧水銀ランプであり、シリカガラス製の発光管部７内にはタングステン製の一対の電極８、８´が対向配置される。発光管部７内には、所定量の水銀（例えば０．１６ｍｇ／ｍｍ３以上）、希ガス、ハロゲンが封入される。一方の封止部６の端部から突出した外部リード１２はリード線９に結線されている。リード線は凹面反射鏡２に設けられたリード用孔２２から鏡外へ導出される。他方の封止部６´は口金部１１に固定され、口金部１１は凹面反射鏡の首部２１に封着剤１０で固定されている。
【００２６】
前面ガラス５は、ショット社製のテンパックス（商品名）で、封着剤１０´で凹面反射鏡２の前面開口部に固定されている。平面鏡４は、前面ガラス５の反射鏡側の面にＴｉＯ２とＳｉＯ２とからなる誘電体多層膜により形成される。平面鏡の形成範囲は、図１（ｂ）に示す網斜線のように前面ガラス５の補助鏡３と対向する半面域であって、凹面反射鏡２である主鏡からの光を受ける部分に存在する。
【００２７】
凹面反射鏡２と補助鏡３とからなる反射鏡は、高い耐熱性と明るさを得るために高い視感域である５００ｎｍ〜６２０ｎｍの波長域で高い反射率を有する必要がある。一般に電子ビーム蒸着によるＴｉ０２＋ＳｉＯ２等から成る多層膜が施される。多層膜の耐熱性は、全体の層数（膜厚）と蒸着される基材と蒸着物質との密着性に依存し、密着性は蒸着物質が反射面にぶつかる時のエネルギーに影響される。５００℃以上の耐熱性を得るためには、層数を５０層程度に押さえ、導入するガス圧を低くし、蒸着物質が出来るだけ反射面に直進到達するようにする必要がある。
【００２８】
図５は主鏡である凹面反射鏡２、補助鏡３、角度  α、角度  β、主鏡の開口半径  Ｒ  と境界部から前面ガラス面までの距離  Ｌ  との関係を示す図である。なお、反射鏡の肉厚は省略してある。ｆ  は主鏡である凹面反射鏡２と補助鏡３の共通する焦点である。角度αは蒸着すべき反射面を蒸着する際に蒸着源（不図示）から傾けた角度、角度βは補助鏡の形成角度を示す。このような蒸着において、補助鏡３の反射面に対し法線方向の膜厚は概略次式に従う。
【００２９】
【式１】
膜厚ｔ≒時間係数ｃ×ｃｏｓ（入射角度θ２）／（蒸着源から蒸着面（反射面）までの距離ｒ）２
【００３０】
ここで、入射角度θ２は、蒸着源から補助鏡３の反射面を見た時の法線方向に対する角度であり、反射鏡を傾け、傾けた角度α分だけ小さくすることができる。主鏡である凹面反射鏡２に対しては、図５で示しているが、入射角度はθ１である。但し、αは、凹面反射鏡２である主鏡の開口半径Ｒと主鏡と補助鏡の境界部から前面ガラス面までの距離Ｌの寸法で最大角度α（Ｍａｘ）が制限される。
【００３１】
Ａ４版程度のモバイル型の小型プロジェクタにおいては、光源装置のサイズは□７０ｍｍ以下が必要で、防爆構造の光源装置とした場合、ランプを直接冷やすことができないので、Ｍｏ箔部が酸化する高温になりやすく、１０００℃にもなる発光管中心からシール部端を３０ｍｍ以上にする必要がある。発光管中心から前面ガラス面までの距離は実際の設計では４１ｍｍ程度であり、αは次式で表せることから、α（Ｍａｘ）は４０°が限界となる。
【００３２】
【式２】
α＝Ｔａｎ［主鏡の開口半径Ｒ／境界部から前面ガラス面までの距離Ｌ］−１＝Ｔａｎ［３５／４１］  −１
ここで、Ｌ＝光源中心からリード線先端  ＋  数ｍｍ  である。
【００３３】
また、主鏡及び補助鏡に形成する多層膜は、中心波長λｉに対して山状の反射特性を有し、高反射領域を広くするために、ある一定以上の膜数と複数の反射特性の重ね合わせが必要である。多層膜で全層数が３９〜５１層程度とすると先述した３波長型の膜設計が可能となるが、長波長域の中心波長を８００ｎｍ以上にすると、赤外域の反射光が増え、ランプ温度、光学部品、表示素子の温度上昇を招くだけでなく、視感度の高い（５００ｎｍ〜６２０ｎｍの）波長域で反射率にリップルが生じ、明るさが低下してしまう。一方、長波長域の中心波長を６００ｎｍ以下にしてしまうと赤域の明るさが低下してしまい、色のバランスが悪くなってしまう。従って、長波長域の中心波長は、少なくとも６００ｎｍ以上で８００ｎｍ以下にすることが必要となる。反射面に対して垂直入射に近い場合、中心波長λｉは、次のような関係式で表され、膜厚ｄに比例する。
【００３４】
【式３】
λｉ＝４×ｎ（蒸着物質の屈折率）×ｄ（膜厚）
【００３５】
主鏡上に８００ｎｍに反射ピークをもつ膜を形成し、補助鏡上に６００ｎｍに反射ピークをもつ膜を形成すると良好な反射特性を得ることができる。膜厚比で言えば、反射鏡の境界部における膜厚比を０．７５（６００ｎｍ／８００ｎｍ）より大きくすることが求められる。
【００３６】
図６には蒸着すべき反射面を蒸着する際に蒸着源から傾けた角度αが４０°のときの補助鏡の形成角度βと、主鏡と補助鏡の境界部の膜厚比に関するグラフを示す。縦軸には反射鏡の境界部における補助鏡上の膜厚ｔ１と主鏡上の膜厚ｔ２の比を示している。この図によれば、補助鏡の成形可能な角度βは、αが４０°であれば８１°が略限界となることがわかる。
【００３７】
さらに不図示であるが、前面ガラスの有効開口でない部分に補強板を敷設することで、さらに薄く、軽くできることを付記する。
【００３８】
【発明の効果】
本発明によれば、防爆が容易であるとともに、ランプのからの放射の約半分をアークに戻し、面積半分で照射させることで、単位面積当たりの光の放射強度の高い光源装置を得ることができる。
【００３９】
また、膜数制限と反射領域制限により、耐熱性に優れ、赤外域反射の少ない光源装置を得ることが出来る。
【００４０】
そして、補助鏡を一体構造とすることで，補助鏡とランプの位置関係は，常に適切に保たれ，ばらつきが少なく、光維持特性の優れた光源装置を得ることができる。
【００４１】
一体成形することで、位置精度を確保し明るさのばらつきが少なく、且つ、防爆性に優れた光源装置を得ることができる。
【００４２】
主鏡と補助鏡の境界部の曲率が小さい鋭角成形が可能である焼結石英ガラスで製作することで所望の性能を安定して得ることができばらつきが少なく明るい光源装置を得ることができる。
【００４３】
水平点灯の光源装置においては、補助鏡を上部に配置することで、より小型で光束維持特性の良好な光源装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光源装置の実施の形態を示す。
【図２】従来の光源装置を示す。
【図３】従来の光源装置を示す。
【図４】従来の光源装置を示す。
【図５】蒸着膜の形成に関し説明する図を示す。
【図６】補助鏡の形成角度と、主鏡と補助鏡の境界部の膜厚比に関するグラフを示す。
【符号の説明】
１  放電ランプ
２  凹面反射鏡
３  補助鏡
４  平面鏡
５  前面ガラス
６、６´  封止部
７  発光管部
８、８´電極
９  リード線
１０、１０´  封着剤
１１  口金部
１２  外部リード
２１  首部
２２  リード用孔
Ａ  主鏡
Ｂ  補助鏡
Ｃ  主鏡
Ｄ  補助鏡
Ｅ  主鏡
Ｇ  平面鏡
１００  光源装置
２００  光源装置
３００、３００´  光源装置
４００、４００´  光源装置
【図１】
2004253250.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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