(57)【要約】  本願では、放電ランプから出力され反射器によって集光された光の光強度の作用を低減するための方法と、該方法を使用する光学的システムとを開示する。ここでは光は、所定のエタンデュを有する集光光学系に所定の受光角で入力結合され、最大有効光束はエタンデュと受光角と反射器特性とに依存して決定され、最大有効光束が、設定されたパーセンテージだけ低減されるように、反射器特性および／または受光角および／またはエタンデュが適合される。
2010516028.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
放電ランプから出力され反射器によって集束された有効光の光強度の変動の影響を低減するための方法であって、
前記光を、所定のエタンデュおよび所定の受光角を有する集光光学系に入力結合する方法において、
エタンデュおよび／または受光角および／または反射器特性に依存して、最大有効光束を求めるステップと、
前記最大有効光束が所定のパーセンテージの量だけ低減されるように、前記反射器特性および／または前記受光角および／または前記エタンデュを変化するステップ
とを実施する方法。
【請求項２】
前記所定のパーセンテージの量は、５〜２０％の間の領域内にあり、とりわけ８〜１２％の間の領域内にある、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記集光光学系に、受光角および入力結合面が前記最大有効光束の低減を引き起こすエレメントを前置接続する、請求項１または２記載の方法。
【請求項４】
前置接続された前記エレメントは、円錐形に形成されたガラス体または中空体である、請求項３記載の方法。
【請求項５】
楕円反射器を使用する場合には前記受光角を小さくして前記入力結合面を拡大することにより、前記最大有効光束がパーセンテージだけ低減されるようにする、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
【請求項６】
前記反射器の偏心値を低減することによって、前記最大有効光束をパーセンテージだけ低減する、請求項５記載の方法。
【請求項７】
放物面反射器を使用する場合には前記受光角を拡大して前記入力結合面を小さくすることにより、前記最大有効光束が低減されるようにする、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
【請求項８】
放電ランプと、該放電ランプの有効光をスポットに集束する反射器と、該反射器によって集束された有効光が所定の受光角で入力結合される所定のエタンデュの集光光学系とを有する光学的システムにおいて、
反射器および／または受光角および／またはエタンデュは、入力結合される前記光の最大有効光束が所定のパーセンテージだけ低減されるように調整されていることを特徴とする、光学的システム。
【請求項９】
前記所定のパーセンテージの量は、５〜２０％の間の領域内にあり、とりわけ８〜１２％の間の領域内にある、請求項８記載の光学的システム。
【請求項１０】
前記集光光学系に、受光角および入力結合面が前記最大有効光束の低減を引き起こすエレメントが前置接続される、請求項８または９記載の光学的システム。
【請求項１１】
前置接続された前記エレメントは、円錐形に形成されたガラス体または中空体である、請求項１０記載の光学的システム。
【請求項１２】
楕円反射器を使用する場合には前記受光角が小さくされて前記入力結合面が拡大されることにより、前記最大有効光束がパーセンテージだけ低減されるように構成されている、請求項８から１１までのいずれか１項記載の光学的システム。
【請求項１３】
前記反射器の偏心値が低減されることによって、前記最大有効光束がパーセンテージだけ低減される、請求項１２記載の光学的システム。
【請求項１４】
放物面反射器を使用する場合には前記受光角が拡大されて前記入力結合面を小さくされることにより、前記最大有効光束が低減されるように構成されている、請求項８から１１までのいずれか１項記載の光学的システム。
【請求項１５】
前記集光光学系がインテグレータと該インテグレータに後置されたリレー光学系とによって構成されたＤＬＰプロジェクタであり、
前記リレー光学系は、前記インテグレータの受光角が低減されるように適合された所定の結像倍率を有する、請求項８から１４までのいずれか１項記載の光学系システム。
【請求項１６】
集光光学系として導光体を有する、請求項８から１４までのいずれか１項記載の光学的システム。
【請求項１７】
内視鏡である、請求項１６記載の光学的システム。
【請求項１８】
顕微鏡である、請求項８から１４までのいずれか１項記載の光学的システム。
【請求項１９】
ＬＣＤプロジェクタまたはＬＣＯＳプロジェクタである、請求項８から１４までのいずれか１項記載の光学的システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、放電ランプから放出され反射器によって集束される光の光強度の空間的変動を低減するための方法と、該方法にしたがって最適化された光学的システムとに関する。
【０００２】
従来技術
反射器によってスポットに集束された放電ランプの光を、たとえばミキシングロッド、ファイバまたはハニカムコンデンサ等のインテグレータによって集光する光学的システムでは、インテグレータのエタンデュ（光伝導率）がランプのエタンデュよりしばしば小さいという問題が生じる。このことによって、インテグレータに入力結合される光が、本来得られる量より少なくなる。有効光束を最大にするためには、ランプから出力される次のような光の量、すなわち、選択された受光角および入力結合面によって集められる光の量が最大になるように、光学系を適合する。
【０００３】
しかしその際には、放電ランプによって生成された放電アークが空間的に固定的でなく、たとえば電極の変化によって空間的に変化するという問題がある。反射器を有するランプの場合、このような空間的な変動は、該反射器によって形成されるスポットも静止位置をとらなくなり、揺らぎ運動を起こす結果になる。このようなスポットから光が光学系に入力結合される場合、空間的変化により、入力結合される光束も揺らぐ。
【０００４】
このような問題に対処するために、従来技術から、放電アークの空間的揺らぎ（フリッカ）を低減する公知の動作手法が公知である。しかしこのような手法は、アーク不安定性の問題（フリッカ）を漸次的にしか解決しないか、または、放電ランプの寿命の一部にわたってしか解決しない。
【０００５】
本発明の開示
それゆえ本発明の課題は、フリッカ作用が有効光に及ぼす影響を低減する方法と光学的システムとを提供することである。
【０００６】
前記課題は、まず所与のシステムで有効光束が最大になるように受光角とエタンデュと反射器構成とを適合し、その後に、最大有効光束が所定のパーセンテージだけ低減されるように反射器および／または受光角および／またはエタンデュを変化する方法と、該方法にしたがって構成された光学的システムとによって解決される。
【０００７】
以下で、維持されるアーク運動または不可避のアーク運動が有効光に及ぼす影響を格段に低減するための方法を説明する。
【０００８】
たいていのアプリケーションでは、集光光学的システムを適切に構成することによって所与のエタンデュでランプへの適合を最適化し（またはランプを光学的システムに適合し）、集められる光束を最大化する努力が払われているか、またはこのようなことを実現しなければならない。
【０００９】
しかし、ちょうど適合が最良である場合にアーク運動が有効光束に及ぼす影響が最大になり、このような「フリッカ感度」は僅かな誤整合によって格段に低減されることが見出された。
【００１０】
楕円形の反射器の場合、これらのパラメータの変化と有効光束量の低減とによって、最終的な作用として、スポット面積と入力結合面積との比が縮小され、スポット位置が変動しても入力結合される光量はほぼ一定に維持される。このことは、有効光束の低減によって可能になる。
【００１１】
その際に特に有利なのは、最大光強度が５〜２０％低減され、とりわけ８〜１２％低減される実施例である。
【００１２】
最大有効光束の低減によるこのような僅かな誤整合を実施できる手段は、別の有利な実施例でも示されているように複数存在する。本来の光を集光する光学系に、比較的大きな入力結合面積と比較的小さい受光角とを有する別のエレメントを前置接続し、ないしは、放物面反射器の場合には、より小さい面積とより大きな受光角とを有する次のようなエレメント、すなわち、反射器の光を集光して本来の光学系に出力するエレメントを前置接続することができる。
【００１３】
その際に特に有利なのは、本来の集光光学系をこの付加的なエレメントに直接接続できるように、該付加的なエレメントが円錐形に形成される実施例である。
【００１４】
特に有利な別の実施例では、最大有効光束が低減されるように、反射器（偏心値）および／または集光光学系の結像特性を変化させる。とりわけ、反射器の結像特性を変化させることは、既存の光学的システムに適合されたランプないしは反射器を使用することによって該光学的システムを簡単に実施できるという大きな利点を有する。
【００１５】
また、もちろん、集光光学系の入射面を変化させることもでき、このことによって、従来技術の問題を生じさせることなく、標準規格に準じており比較的有利な放電ランプを使用することができるようになる。
【００１６】
特に有利なのは、集光光学系がＤＬＰプロジェクタの光学系であるかまたは顕微鏡の光学系であるかまたは内視鏡の光学系である実施例である。
【００１７】
従属請求項、図面および明細書に、別の利点および有利な実施例が規定されている。
【００１８】
図面の簡単な説明
以下で本発明を、特に有利な実施例が示された図面に基づいて説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】反射器によって生成されたスポットが、横方向のアーク運動によってシフトされるのを示す図である。
【図２】最大有効光束と最大フリッカ信号（＝所定のアーク運動での有効光束の変化）との関連性をグラフ表示する図である。
【図３ａ】楕円反射器を有するランプと、光が入力結合されるファイバとから成る従来技術の光学的システムを示す概略図である。
【図３ｂ】本発明の特に有利な実施例による、図２ａに示された光学的システムを示す図である。
【図４】アークの揺らぎが光強度に及ぼす影響の比較結果を示すグラフである。
【図５】フリッカ信号の変化を、本発明にしたがって前置接続されたエレメントの長さに依存して示すグラフである。
【図６】本発明による方法にしたがって最適化されたＤＬＰプロジェクタを示す概略図である。
【００２０】
本発明の有利な実施形態
図１には、放電アークが横方向に運動した場合、すなわちここではＹ方向に運動した場合に、反射器によって現れたスポット２がシフトするのが示されている。参照番号４を有する円は、スポットの光が入力結合される集光光学系に入力結合面として設けられた面を表す。
【００２１】
通常、集光光学系の受光角および入力結合面４は所与のエタンデュでは、有効光束が最大になるように選択される。このような状況は、図１中でＡで示された左側の図に示されている。しかし、ランプの放電アークがたとえば電極変化によって動くと、もちろんスポットも空間的に動くことになる。図１中でＢで示された右側の図に、スポットのこのような横方向運動が示されている。図Ａと図Ｂとを比較すると、入力結合面４における光強度が減少されるのが明らかに理解できる。というのも、スポットは放電アークの移動によって、入力結合面から僅かにずれているからである。このことにより、集光光学系によって供給される信号が変化してしまう。その際には、入力結合される有効光束も最大になると、ちょうどフリッカ信号が最大になることが明らかになっている。
【００２２】
最大フリッカ信号と最大有効光束との関係が、図２にグラフで示されている。図２に示されたグラフは、光学的システムのエタンデュが予め決定されている場合に受光角に依存して発生する有効光束の変化とフリッカ信号の変化とを示す。グラフ６，８および１０は、光学的システムの３つの異なるエタンデュで生じる有効光束の変化を示す。ここでは、受光角θが変化している。グラフ１２，１４および１６は、予め決定されたエタンデュで受光角に依存して生じるフリッカ信号の変化を示す。
【００２３】
ここでは、相応のエタンデュで有効光束グラフの最大値とフリッカ信号の最大値とがそれぞれ一致するのが明らかに理解できる。有効光束およびフリッカ信号の最大値は、１６ｍｍ２ｓｒのエタンデュでは約θ＝２２°で生じ、１２ｍｍ２ｓｒのエタンデュでは約θ＝２４°で生じ、８ｍｍ２ｓｒのエタンデュでは約θ＝３０°で生じる。
【００２４】
本発明にしたがい有効光束が所定のパーセンテージだけ減少するのを受け入れれば、フリッカ信号のほぼ完全な低減が実現される。図２において矢印１８によってこのことが示されている。エタンデュが１６ｍｍ２ｓｒである場合（グラフ６および１２を参照されたい）、有効光束が約１０％減少することにより、フリッカ信号はほぼ完全に消去される。こうするためには、受光角をθ＝２２°からθ＝１５°に変化するだけでよい。
【００２５】
面積および／または受光角の変化は、反射器と該反射器に後置された集光光学系とを有する放電ランプから構成される光学的システムでは、該集光光学系より上流に、等しいエタンデュで面積／受光角が異なって選択された別のエレメントを挿入することによって実現することができる。
【００２６】
図３ａおよび３ｂにこのような光学的システムが示されている。これらの図には、ここでは詳細に示されていない放電ランプの光をスポット２に集束する楕円反射器２０が示されている。スポット２に、集光光学系２２の入力結合面２８が配置されている。この集光光学系２２は、ここでは光ファイバとして形成されている。ここで図示された実施例ではたとえば、光ファイバとして、楕円反射器からθ＝３０°の受光角で光を集光する１．５ｍｍの半径の導光体が使用される。
【００２７】
この実施例は、放電アークのずれ（ｘ軸）とフリッカ信号（ｙ軸）とが依存することを示し、このことは図４にグラフ２４によって示されている。
【００２８】
本発明による方法を使用して、反射器、エタンデュまたは受光角を変化することによって光学的システムが最適化される。標準的なランプをここでも使用する場合には、反射器を変化させることはできない。このことは、光学系において変化できるのはエタンデュまたは受光角のみであることを意味する。このことに相応してたとえば、図３ａに示された集光光学系に、本来の集光光学系と比較して入射面が拡大されているが受光角は低減されておりエタンデュは一定に維持されているエレメントを前置接続することができる。
【００２９】
図３ｂは、集光光学系２２に円錐形に漸減するガラス体２６が前置接続された本発明による光学系を示す。この光学系ではもちろん、円錐形に漸減するガラス体の代わりに、真っ直ぐなガラス体を使用するか、または平行な壁を有するガラス体を使用することもできる。ここで重要なのは、ガラス体２６の入力結合面２９が本来の集光光学系２２の入力結合面２８より拡大されていることだけである。このように、円錐形に漸減するガラス体内の光の角度分布を本来の受光角より拡開することにより、Ｒ１ｓｉｎθ１＝Ｒ２ｓｉｎθ２の関係式に基づいて、有効光束がパーセンテージだけ減少する。この関係式では、Ｒは入力結合面を表し、θは受光角を表す。ガラス体を円錐形に先細りさせることは単に、本来の集光光学系‐すなわち導光体を簡単に結合できる簡単な手段である。
【００３０】
図４のグラフ３０に、このような構成でフリッカ信号は、従来技術による構成（図４中のグラフ２４を参照されたい）のフリッカ信号と比較して格段に低減されているが、甘受しなければならない有効光束の減少は約１０％のみであることが示されている。
【００３１】
このようなシステムの欠点はもちろん、前置接続されるエレメントによって光学的システムが大きくなることである。しかし、有効光束のさらなる損失を甘受するのであれば、フリッカ信号の低減を諦める必要なく、付加的なエレメントの長さを格段に低減することができる。ガラス体２６の長さを考慮した、放電アークのずれ（ｘ軸）とフリッカ信号（ｙ軸）との依存関係が、図５に示されている。その際には、円錐形のガラス体のフリッカ低減作用は、長さとともに低減する（グラフ３２，３４，３６を参照されたい）。
【００３２】
もちろん、図３ａ／３ｂに示された楕円反射器の代わりに放物面反射器を使用することもできる。その際には、入力結合面を低減して受光角を大きくしなければならないことが明らかである。放物面反射器とハニカムコンデンサとを有するランプを使用する場合、受光角領域がより大きくなるように、後置されるリレー光学系を簡単に構成することができる。このことはとりわけ、たとえばＬＣＤプロジェクタまたはＬＣＯＳプロジェクタ等の光学的システムで有利である。
【００３３】
同等の作用を実現するためにはもちろん、反射器自体を変化することもできる。すなわち、楕円反射器の場合には、受光角に依存して計算される最適な偏心度を本発明にしたがって縮小する。エタンデュおよび受光角に依存して楕円反射器を変化することは、たとえばＤＥ１０２００４０３２４０６において説明されている。
【００３４】
図６に、本方法にしたがって最適化されたＤＬＰプロジェクタの基本的構成が概略的に示されている。プロジェクタ４０の光学的システムは基本的に、楕円反射器４４を有する放電ランプ４２と、インテグレータ４６と、リレー光学系４８と、ＤＭＤチップ５０と、対物レンズ５２とから構成される。放電ランプ４２によって生成され反射器４４によって集束された光はインテグレータ４６に入力結合され、多重反射によって均質化される。次に、光はリレー光学系４８に入力結合され、ＤＭＤチップ５０に結像される。ＤＭＤチップ５０には、多数の旋回可能なマイクロミラーが設けられており、これらはミラー設定に応じて画素を生成するかまたは暗いままである。ＤＭＤチップ５０によって出力された画像は、最後に対物レンズ５２を介してスクリーン５４に結像される。放電ランプ４２から到来してインテグレータ４６に入力結合された光に強度変動が生じると、スクリーンに結像される画像も強度変動することになる。
【００３５】
それゆえプロジェクタの構成では、可能な限りコンパクトでありかつ高効率で動作するプロジェクタを構成し、かつ光強度の変動も低減する努力が払われている。インテグレータ４６とリレー光学系４８とＤＭＤチップ５０とを有するプロジェクタ４０の集光光学系は通常は予め設定されているので、エタンデュも定数として予め設定されている。ＤＭＤチップ５０のミラーは通常、１２°偏向することができるので、このことに相応してＤＭＤチップの受光角は１２°になる。リレー光学系４８によってこの受光角は拡大されるので、集光光学系の受光角は通常、２０°〜４０°の間である。ＤＬＰプロジェクタのエタンデュは、以下の数式によって与えられる：
Ｅ＝π・ＡＤＭＤ（１＋ｏ）・ｓｉｎ２１２°
ＡＤＭＤはＤＭＤチップの面積を表し、ｏはいわゆるＤＭＤオーバーフィルまたはオーバーイルミネーションを表す。
【００３６】
リレー光学系４８の結像倍率βによってインテグレータの面積は
Ａ＝（ＡＤＭＤ（１＋ｏ））／β２
となり、インテグレータの受光角は
ｓｉｎθ＝β・ｓｉｎ１２°
となる。
【００３７】
このようにして最大光束が決定され、最適な受光角は２０°〜４０°の間の領域内になる。このようにして、この最適な受光角に関連するリレー光学系の結像倍率βｏｐｔが決定される。
【００３８】
アークの動きが及ぼす影響を本発明にしたがって低減するためには、以下の手段を実施することができる。
【００３９】
1. リレーの結像倍率は低減されるか、またはインテグレータ面積が相応に大きく選択されることにより、受光角θは小さくなる。
【００４０】
2. また、もちろんリレーの結像倍率を変えずに、真っ直ぐなインテグレータを使用する代わりに、円錐形に形成されたインテグレータを使用することもできる。このインテグレータの入射面を大きくするためには、Ａ＞（ＡＤＭＤ（１＋ｏ））／β２とし、出射面はＡ＝（ＡＤＭＤ（１＋ｏ））／β２によって決定される。このようにして光の角度領域は拡大され、受光角がθ＞ａｒｃｓｉｎ（β・ｓｉｎ１２°）である光は犠牲にされる。
【００４１】
3. もちろん原則的には、リレー光学系の結像倍率を変えずに入射面および出射面を同様に拡大することもできる。その際には、チップの出射面の画像はこれより大きくなり、このことによっても、有効光束の一部の割合が損失される。
【００４２】
ＤＬＰプロジェクタがすでに既存のシステムとして存在する場合、本発明では、最適化された値に適合された放電ランプを、個別に設定された（最適な適合を行う場合より偏心値が低減した）楕円反射器を使用することもできる。
【００４３】
本願では、放電ランプから出力され反射器によって集束された光の光強度の変動を補償するための方法と、該方法を使用する光学的システムとを開示する。ここでは光は、所定のエタンデュを有する集光光学系に所定の受光角で入力結合され、最大有効光束はエタンデュと受光角と反射器特性とに依存して決定され、最大有効光束が、設定されたパーセンテージだけ低減されるように、反射器特性および／または受光角および／またはエタンデュが適合される。
【図１Ａ】
2010516028.tif 000003
【図１Ｂ】
2010516028.tif 000004
【図２】
2010516028.tif 000005
【図３ａ】
2010516028.tif 000006
【図３ｂ】
2010516028.tif 000007
【図４】
2010516028.tif 000008
【図５】
2010516028.tif 000009
【図６】
2010516028.tif 000010
【手続補正書】
【提出日】平成21年7月10日(2009.7.10)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
放電ランプから出力され反射器によって集束された有効光の光強度の変動の影響を低減するための方法であって、
前記光を、所定のエタンデュおよび所定の受光角を有する集光光学系に入力結合する方法において、
エタンデュおよび／または受光角および／または反射器特性に依存して、最大有効光束を求めるステップと、
前記最大有効光束が所定のパーセンテージの量だけ低減されるように、前記反射器特性および／または前記受光角および／または前記エタンデュを変化するステップ
とを実施する方法。
【請求項２】
前記所定のパーセンテージの量は、５〜２０％の間の領域内にあり、とりわけ８〜１２％の間の領域内にある、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記集光光学系に、受光角および入力結合面が前記最大有効光束の低減を引き起こすエレメントを前置接続する、請求項１または２記載の方法。
【請求項４】
前置接続された前記エレメントは、円錐形に形成されたガラス体または中空体である、請求項３記載の方法。
【請求項５】
楕円反射器を使用する場合には前記受光角を小さくして前記入力結合面を拡大することにより、前記最大有効光束がパーセンテージだけ低減されるようにする、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
【請求項６】
前記反射器の偏心値を低減することによって、前記最大有効光束をパーセンテージだけ低減する、請求項５記載の方法。
【請求項７】
放物面反射器を使用する場合には前記受光角を拡大して前記入力結合面を小さくすることにより、前記最大有効光束が低減されるようにする、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
【国際調査報告】
2010516028.tif 000011
2010516028.tif 000012
2010516028.tif 000013
2010516028.tif 000014