光学装置
【課題】 高い光の利用効率を得ることができて高い照度を得ることができる光学装置を提供すること。
【解決手段】 高圧放電ランプと、光軸が高圧放電ランプのアークの方向に沿って延びる状態で、高圧放電ランプを取り囲むよう配置された凹面集光鏡と、この凹面集光鏡の光出射方向前方に配置された、凹面集光鏡の光軸に対して回転対称な非球面レンズとを備えた光学装置において、凹面集光鏡の反射面が、非球面レンズの光出射面において、高圧放電ランプのアーク中心の光軸に垂直な方向に位置される反射位置で反射される光線が非球面レンズから出射される位置での光線密度が最小となる出射光分布が得られるよう、非球面レンズの光入射面および光出射面の形状との関係において設定された形状を有する構成とされている。
【解決手段】 高圧放電ランプと、光軸が高圧放電ランプのアークの方向に沿って延びる状態で、高圧放電ランプを取り囲むよう配置された凹面集光鏡と、この凹面集光鏡の光出射方向前方に配置された、凹面集光鏡の光軸に対して回転対称な非球面レンズとを備えた光学装置において、凹面集光鏡の反射面が、非球面レンズの光出射面において、高圧放電ランプのアーク中心の光軸に垂直な方向に位置される反射位置で反射される光線が非球面レンズから出射される位置での光線密度が最小となる出射光分布が得られるよう、非球面レンズの光入射面および光出射面の形状との関係において設定された形状を有する構成とされている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えばプロジェクタ装置用光源などに用いられる光学装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、液晶プロジェクタなどの投射型表示装置に用いられる光源としては、放電ランプと例えば楕円面反射鏡とを組み合わせて、放電ランプから放射された光を楕円面反射鏡によって反射し、例えばロッドインテグレータやインテグレータレンズ（フライアイレンズ）などの適宜の光学系に入射して照射面に照射する構成の光学装置が知られている。近年においては、液晶プロジェクタの投射画面の、より一層の明るさの要請が高まってきている。
【０００３】
図７に示すように、楕円面反射鏡４０は、第１焦点Ｆ１から発せられる光を第２焦点Ｆ２に集光させる機能を有する。しかしながら、このような楕円面反射鏡４０が用いられた光学装置においては、楕円面反射鏡４０の第１焦点Ｆ１に位置される放電ランプから等密度で放射された光線が第２焦点Ｆ２に集光されるに際して、光線密度が楕円面反射鏡４０の光軸Ｘから遠くなるに従って小さくなる傾向があり、また、放電ランプのケラレにより光線が飛ばない領域（中抜け領域）が光軸Ｘ付近に存在するという問題がある。
【０００４】
このような問題に対して、図８に示すように、リフレクタ４０Ａの光出射方向前方に非球面レンズ４５を配置し、非球面レンズ４５における光入射面４６または光出射面４７の形状に応じてリフレクタ４０Ａの反射面４１の形状を調整することにより非球面レンズ４５の光出射面４７での出射光分布を光線密度が等密度となるよう調整し、これにより、放電ランプのケラレにより生じる中抜け領域を小さくする技術が提案されている（特許文献１参照。）。
具体的には、リフレクタ４０Ａの反射面４１を、非球面レンズ４５に対するリフレクタ４０Ａの光軸Ｘ側の入射光線の光線密度を小さくするような形状とし、さらに、非球面レンズ４５から出射される光線の角度を非球面レンズ４５により調整して非球面レンズ４５における光出射面４７での光線密度の均一化、すなわち、非球面レンズ４５の光出射面４７での光線間の角度間隔ｄφを一様にしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−２９８６２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、非球面レンズ４５の光出射面４７において、光線密度が等密度となる出射光分布が得られるようリフレクタ４０Ａの反射面４１の形状を設計した場合には、リフレクタ４０Ａの反射面４１上における反射点から見たときの放電ランプのアークの大きさを考慮していないため、集光位置Ｑにおけるアーク像の大きさが一定にならず、光の利用率が低下して十分に高い照度が得られないことがあるという問題があることが判明した。すなわち、図９に示すように、各々の電極の先端４２ａ，４２ｂから放射された光線が反射面４１上における任意の反射位置Ｒ5に入射されると、当該反射位置Ｒ5において反射された光線は、当該反射位置Ｒ5に入射される際の光線間の角度αが維持された状態で、非球面レンズ４５に入射され、その後、集光位置Ｑにおいて大きさＡで結像される。一方、各々の電極の先端４２ａ，４２ｂから放射された光線が反射面４１上における任意の反射位置Ｒ6に入射されると、当該反射位置Ｒ6において反射された光線は、当該反射位置Ｒ6に入射される際の光線間の角度β（＞α）が維持された状態で、非球面レンズ４５に入射され、その後、集光位置Ｑにおいて結像されることになるが、非球面レンズ４５の光出射面４７における光線密度が等密度とされる場合には、集光位置Ｑにおいて異なる大きさＢ（＞Ａ）で結像されてしまう。その結果、反射位置Ｒ6からの光線の一部がアパーチャー５０に入射されないことがあり、利用できない光線が生じてしまうこととなる。
【０００７】
本発明は、以上のような事情に基づいてなされたものであって、高い光の利用効率を得ることができて高い照度を得ることができる光学装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の光学装置は、高圧放電ランプと、光軸が当該高圧放電ランプのアークの方向に沿って延びる状態で、当該高圧放電ランプを取り囲むよう配置された凹面集光鏡と、この凹面集光鏡の光出射方向前方に配置された、前記凹面集光鏡の光軸に対して回転対称な非球面レンズとを備えた光学装置において、
前記凹面集光鏡の反射面は、前記非球面レンズの光出射面において、前記高圧放電ランプのアーク中心の前記凹面集光鏡の光軸に垂直な方向に位置される反射位置で反射される光線が前記非球面レンズの光出射面から出射される位置での光線密度が最小となる出射光分布が得られるよう、前記非球面レンズの光入射面および光出射面の形状との関係において設定された形状を有することを特徴とする。
【０００９】
本発明の光学装置においては、前記非球面レンズの光出射面における出射光分布は、前記高圧放電ランプのアーク中心から前記凹面集光鏡の反射面における任意の反射位置に向かう光線の方向と前記凹面集光鏡の光軸とがなす角度をθとするとき、光線密度が最小となる位置より前記非球面レンズの周縁側および前記非球面レンズの中心軸側に向かうに従って光線密度が大きくなるよう、光線密度がｓｉｎθに従って変化するものであることが好ましい。
【００１０】
また、本発明の光学装置においては、前記凹面集光鏡の反射面は、前記凹面集光鏡の光軸に対して各々設定された角度で連続して配設された複数の微小反射面要素により構成されていることが好ましい。
このような構成とされた光学装置においては、前記凹面集光鏡の反射面を構成する微小反射面要素が１０００個以上であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の光学装置によれば、非球面レンズの光入射面および光出射面の形状との関係において調整された形状を有する凹面集光鏡の反射面、および、非球面レンズの光入射面および／または光出射面の作用により、非球面レンズの光出射面において凹面集光鏡の反射面上におけるアーク中心の光軸に垂直な方向に位置される反射位置で反射される光線が非球面レンズの光出射面から出射される位置での光線密度が最小となる出射光分布が得られる構成とされていることにより、凹面集光鏡における反射面上における任意の反射位置に係る各アーク像の光束径を略一致したものとすることができるので、光の利用効率が高くなり、十分に高い照度を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の光学装置の一例における構成の概略を高圧放電ランプから放射される光の光線追跡線とともに示す説明図である。
【図２】本発明の光学装置を構成する光源装置の一例における構成の概略を示す説明用断面図である。
【図３】アーク中心から反射面上の任意の反射位置に向かう光線の方向と凹面集光鏡の光軸とがなす角度θと、当該反射位置からみたアークの大きさＤとの関係を説明するための説明図である。
【図４】アーク中心から反射面上の任意の反射位置に向かう光線の方向と凹面集光鏡の光軸とがなす角度と、非球面レンズの光出射面から出射される各光線間の角度間隔との関係を示す説明図である。
【図５】図１に示す光学装置における、各々の電極の先端から放射される光線の光線追跡線を示す説明図である。
【図６】本発明の光学装置を構成する非球面レンズの他の構成例を光線追跡線とともに示す説明図であって、（Ａ）平行光化性を有するもの、（Ｂ）発散性を有するものである。
【図７】楕円面反射鏡における第１焦点から各々等角度間隔で放射される複数本の光線の光線追跡図である。
【図８】従来における光学装置の一例における構成の概略を放電ランプから放射される光の光線追跡線とともに示す説明図である。
【図９】図８に示す光学装置における、各々の電極の先端から放射される光線の光線追跡線を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図１は、本発明の光学装置の一例における構成の概略を高圧放電ランプから放射される光の光線追跡線とともに示す説明図、図２は、本発明の光学装置を構成する光源装置の一例における構成の概略を示す説明用断面図である。
この実施の形態に係る光学装置は、例えば交流点灯型の高圧放電ランプ１１および光軸Ｘが高圧放電ランプ１１のアーク方向に沿って延びる状態で高圧放電ランプ１１を取り囲むよう配置された凹面集光鏡２０により構成された光源装置１０と、凹面集光鏡２０の光出射方向前方に配置された、凹面集光鏡２０の光軸に対して回転対称な非球面レンズ３０とを備えており、高圧放電ランプ１１からの放射光を凹面集光鏡２０および非球面レンズ３０により集光しながら所定の大きさに設定されたアパーチャー５０（図５参照）を介して照射する構成とされている。
【００１４】
光源装置１０を構成する高圧放電ランプ１１は、例えば超高圧水銀ランプよりなり、例えば球形状の発光管部１２およびこの発光管部１２の両端に連続するロッド状の封止部１３Ａ，１３Ｂにより構成された、例えば石英ガラスよりなる放電容器１５を備えている。
発光管部１２の内部には、一対の電極１６が放電容器１５の管軸に沿って互いに対向して配置されている。ここに、電極間距離は、例えば０．５〜２．０ｍｍであって、例えば１．０ｍｍである。各々の電極１６は、放電容器１５の管軸に沿って延びるロッド状の電極軸部１７が封止部１３Ａ，１３Ｂにおいて気密に埋設された例えばモリブデンからなる金属箔１８を介して封止部１３Ａ，１３Ｂの外端より軸方向外方に突出して伸びるロッド状の外部リード１９に電気的に接続されている。
【００１５】
また、発光管部１２の内部には、発光物質としての水銀と、バッファガスとしての希ガスとが封入されている。
水銀の封入量は、０．０５ｍｇ／ｍｍ3以上であって、例えば０．０８ｍｇ／ｍｍ3である。また、水銀の封入量は、プロジェクタ装置用光源として用いられる場合には、０．１５ｍｇ／ｍｍ3以上であることが好ましい。
希ガスは、例えばアルゴンガスであり、その封入量は例えば１０ｋＰａである。
【００１６】
この光源装置１０における凹面集光鏡２０は、例えば棚珪酸ガラスなどのガラスよりなる基材における、高圧放電ランプ１１から放射される光を反射する反射空間を形成する反射部２１に係る内表面に反射面２２が形成されてなるものである。具体的には、光軸Ｘを含む断面において、外面形状が楕円面に沿った形態を有する、前方（図２において右方）に開口する光出射口２３が形成された反射部２１と、この反射部２１の後端（図２における左端）における中央位置に連続して光軸方向後方に延びるよう形成された筒状頸部２８とを有する。この凹面集光鏡２０は、筒状頸部２８内に、高圧放電ランプ１１の一方の封止部１３Ａが挿通され、上述したように、光軸Ｘが高圧放電ランプ１１のアーク方向に沿って延びる状態で、一方の封止部１３Ａの外周面と筒状頸部２８の内周面との間に形成される間隙に充填された接着剤２９によって固定されている。
【００１７】
この凹面集光鏡２０における反射面２２は、複数の微小反射面要素２５が基材における反射部２１に係る内表面に沿って隙間なく連続して配設されて構成されており、各々の微小反射面要素２５が凹面集光鏡２０の光軸Ｘに対して各々設定された角度（微小反射面要素２５に入射される光線の反射角度）で配設されることにより、非球面レンズ３０の光出射面３２において後述する特定の出射光分布が得られる内面形状とされている。
各々の微小反射面要素２５は、例えば凸曲面を鏡面とする凸曲面鏡よりなり、反射面２２を構成する表面には、例えばシリカ（ＳｉＯ2）層とチタニア（ＴｉＯ2）層が交互に積層されてなる、全体で厚さ０．５〜１０μｍの誘電体多層膜が形成されている。
微小反射面要素２５の数は、例えば１０００個以上であることが好ましく、これにより、非球面レンズ３０の光出射面３２における出射光分布を正確に調整することができる。
【００１８】
この実施の形態に係る光学装置における非球面レンズ３０は、例えば硼珪酸ガラス（例えば「ＢＫ７」やテンパックス（登録商標）など）、石英ガラスよりなり、光源装置１０からの光が入射される光入射面３１が凹凸を有するレンズ面とされていると共に光出射面３２が平面形状とされた集光性を有するものとされている。この非球面レンズ３０は、その中心軸Ｃが光源装置１０における凹面集光鏡２０の光軸Ｘと一致する状態で、配設されている。
【００１９】
而して、上記の光学装置においては、凹面集光鏡２０における反射面２２が、非球面レンズ３０の光出射面３２において、高圧放電ランプ１１のアーク中心Ａｃの凹面集光鏡２０の光軸に垂直な方向に位置される反射位置Ｒａで反射される光線が非球面レンズ３０の光出射面３２から出射される位置での光線密度が最小となる出射光分布が得られるよう、非球面レンズ３０の光入射面３１の形状との関係において設定された形状とされている。具体的には、凹面集光鏡２０における反射面２２は、高圧放電ランプ１１のアーク中心Ａｃから凹面集光鏡２０における反射面２２上の任意の反射位置に向かう光線の方向と凹面集光鏡２０の光軸Ｘとがなす角度をθとするとき、非球面レンズ３０の光出射面３２において、光線密度が最小となる位置より非球面レンズ３０の周縁側および非球面レンズ３０の中心軸Ｃ側に向かうに従って光線密度が大きくなるよう、光線密度がｓｉｎθに従って変化する出射光分布の得られる形状とされている。ここに、凹面集光鏡２０の有効反射領域は、例えば４０°≦θ≦１５０°の範囲である。凹面集光鏡２０における反射面２２がこのような形状とされる理由は、次に示すとおりである。
【００２０】
非球面レンズ３０の光出射面３２における出射光分布を調整するためには、点光源としての高圧放電ランプ１１においては、実際上は、電極１６間に形成されるアークが大きさを有することから、凹面集光鏡２０の反射面２２上の反射位置からみたアークの大きさを考慮することが必要とされる。具体的には、図３に示すように、凹面集光鏡２０における反射面２２上の任意の反射位置Ｒからみたアーク（図３において破線で囲まれた領域）の大きさＤは、アーク中心Ａｃから反射位置Ｒに向かう光線の方向Ｌｐと凹面集光鏡２０の光軸Ｘとがなす角度（以下、「放射角度」という。）をθ、アークの凹面集光鏡２０の光軸方向の長さをＬとするとき、Ｄ＝Ｌ×ｓｉｎθで表すことができる。このことから、凹面集光鏡２０の反射面２２上における任意の反射位置Ｒからみたアークの大きさＤは、ｓｉｎθに比例して変化するものと考えられ、従って、集光位置Ｑにおいて結像されるアーク像の大きさを一定にするためには、非球面レンズ３０の光出射面３２における出射光分布を、光線密度がｓｉｎθに従って変化するものに設定すればよいことになる。そして、上記関係式より、θ＝９０°のときにアークの大きさＤが最大となることから、非球面レンズ３０の光出射面３２における出射光分布においては、凹面集光鏡２０における反射面２２上の、アーク中心Ａｃの凹面集光鏡２０の光軸Ｘに垂直な方向に位置される反射位置Ｒａで反射される光線が非球面レンズ３０の光出射面３２から出射される位置での光線密度が最小となり、非球面レンズ３０の中心軸Ｃ側の位置および非球面レンズ３０の周縁側の位置に向かうに従って光線密度が大きくなるよう設定される。
【００２１】
そして、凹面集光鏡２０の反射面２２を構成する各々の微小反射面要素２５の配設角度は、次のようにして設定される。すなわち、理解を容易にするために、図４に示すように、点光源としての高圧放電ランプにおけるアーク中心Ａｃから各々等角度間隔ｄθで放射される４本の光線Ｉ1〜Ｉ4が、集光角制限（最外、最内光線間の角度）Φで、集光位置Ｑに集光される場合を例に挙げて説明すると、凹面集光鏡２０における反射面２２上の反射位置Ｒ1において反射される、アーク中心Ａｃから最小放射角度（θ2−ｄθ）で放射される光線Ｉ1が非球面レンズ３０の光出射面３２から出射される角度と、反射面２２における反射位置Ｒ2において反射される、アーク中心Ａｃから放射角度（θ2）で放射される光線Ｉ2が非球面レンズ３０の光出射面３２から出射される角度との角度間隔ｄΦ1,2の値を下記式１に基づいて算出する（下記式１においてｋ＝２のとき）。次に、集光角制限φの範囲内において集光位置Ｑから角度間隔ｄΦ1,2で引いた２本の直線と光軸方向における非球面レンズ３０の配置位置との各交点位置に、反射位置Ｒ1および反射位置Ｒ2に配設される微小反射面要素２５によって、光線Ｉ1、Ｉ2がそれぞれ反射されるよう、当該微小反射面要素２５の、凹面集光鏡２０の光軸Ｘに対する配設角度が非球面レンズ３０の光入射面３１の形状との関係において設定される。このような操作を、反射面２２における反射位置Ｒ3，Ｒ4において反射される、アーク中心Ａｃから放射角度（θ2＋ｄθ，θ2＋２ｄθ）で放射される光線Ｉ3，Ｉ4について、行うことにより、各々の反射位置Ｒ3、Ｒ4に配設される微小反射面要素２５の配設角度が設定され、凹面集光鏡２０の反射面２２についての連続した形状データを取得することができる。凹面集光鏡２０における反射面２２の形状の調整（設定）は、実際上、Ｎ＝１０００以上として、換言すれば、１０００個以上の微小反射面要素２５により反射面２２が構成されるよう、行われることが好ましく、これにより、非球面レンズ３０の光出射面３２における出射光分布の調整を正確に行うことができて所期の効果を確実に得ることができる。
また、非球面レンズ３０の光入射面３１の形状は、当該非球面レンズ３０を構成する材料の屈折率に応じて、光線の入射角と出射角の関係から設定することができる。
【００２２】
【数１】
【００２３】
上記式１は、次のようにして得られたものである。すなわち、まず、アーク中心Ａｃから最小放射角度（θ2−ｄθ）で放射される、凹面集光鏡２０の反射面２２における反射位置Ｒ1において反射される光線Ｉ1が非球面レンズ３０の光出射面３２から出射される角度と、アーク中心Ａｃから放射角度θ2で放射される、光線Ｉ2が凹面集光鏡２０の反射面２２における反射位置Ｒ2において反射される光線Ｉ2が非球面レンズ３０の光出射面３２から出射される角度との角度間隔ｄΦ1,2を、凹面集光鏡２０の反射面２２および非球面レンズ３０の光入射面３１の作用によりｓｉｎθ2に比例させた場合、ｄΦ1,2は、下記式２で与えられる。また、非球面レンズ３０の光出射面３２から出射される光線Ｉ2と光線Ｉ3との角度間隔ｄΦ2,3、および、光線Ｉ3と光線Ｉ4との角度間隔ｄΦ3,4についても、同様であり、それぞれ、光線Ｉ3が凹面集光鏡２０における反射面２２上の反射位置Ｒ3に向かう方向と凹面集光鏡２０の光軸Ｘとがなす角度（θ2＋ｄθ）、光線Ｉ4が凹面集光鏡２０における反射面２２上の反射位置Ｒ4に向かう方向と凹面集光鏡２０の光軸Ｘとがなす角度（θ2＋２ｄθ）によって与えられる。
【００２４】
【数２】
【００２５】
非球面レンズ３０の光出射面３２から出射される各光線Ｉ1〜Ｉ4の角度間隔の総和Ｓ1（＝ｄΦ1,2＋ｄΦ2,3＋ｄΦ3,4）は、ｓｉｎθ2、ｓｉｎ（θ2＋ｄθ）、ｓｉｎ（θ2＋２ｄθ）の値がいずれも１以下であるので、Ｓ1＜Φとなる。そのため、非球面レンズ３０の光出射面３２から出射される各光線Ｉ1〜Ｉ4の角度間隔の総和Ｓ1と集光角制限Φとの差分についても、ｓｉｎθkに比例するように分割して、上記ｄΦ1,2、ｄΦ2,3、ｄΦ3,4に加える必要がある。従って、ｄΦ1,2は下記式３によって与えられ、非球面レンズ３０の光出射面３２から出射される各光線Ｉ1〜Ｉ4の角度間隔の総和Ｓ2は、下記式４で与えられる。
【００２６】
【数３】
【００２７】
【数４】
【００２８】
上記式４において、ｓｉｎθ2の値は１以下であるので、Ｓ2＜Φとなる。そこで、ｄΦ1,2、ｄΦ2,3、ｄΦ3,4の総和ＳMと集光角制限Φとの差分を、ｓｉｎθに比例するように分割してｄΦ1,2、ｄΦ2,3、ｄΦ3,4に加える作業を、例えばＭ回繰り返して行ったときに、当該総和ＳMと集光角制限Φとの差がほとんどない状態（ＳM≒Φ）になったとすると、非球面レンズ３０の光出射面３２から出射される各光線Ｉ1〜Ｉ4の角度間隔の総和ＳMは、下記式５によって与えられ、また、光線Ｉ1と光線Ｉ2との角度間隔ｄΦ1,2は、下記式６によって与えられ、この式６から、上記式１が導出される。
【００２９】
【数５】
【００３０】
【数６】
【００３１】
而して、上記の光学装置においては、上述したように、凹面集光鏡２０における反射面２２上の任意の反射位置からみたときのアークの大きさを考慮して、凹面集光鏡２０における反射面２２の形状が、高圧放電ランプ１１のアーク中心Ａｃから凹面集光鏡２０の反射面２２における任意の反射位置に向かう光線の方向と凹面集光鏡２０の光軸Ｘとがなす角度をθとするとき、非球面レンズ３０の光出射面３２において、光線密度が最小となる位置より非球面レンズ３０の周縁側の位置および非球面レンズ３０の中心軸Ｃ側の位置に向かうに従って光線密度が大きくなるよう、光線密度がｓｉｎθに従って変化する出射光分布の得られる形状とされている。
これにより、図５に示すように、各々の電極の先端１６ａ，１６ａから放射された光線が反射面２２における反射位置Ｒ5に入射されると、当該反射位置Ｒ5において反射された光線は、当該反射位置Ｒ5に入射される際の光線間の角度αが維持された状態で、非球面レンズ３０の光入射面３１に入射され、その後、集光位置Ｑにおいて大きさＡのアーク像として結像される。また、各々の電極の先端１６ａ，１６ａから放射された光線が反射面２２における任意の反射位置Ｒ6に入射されると、当該反射位置Ｒ6において反射された光線は、当該反射位置Ｒ6に入射される際の光線間の角度β（＞α）が維持された状態で、非球面レンズ３０の光入射面３１に入射され、その後、集光位置Ｑにおいて結像されることになるが、特定の形状に調整された凹面集光鏡２０の反射面２２および非球面レンズ３０の光入射面３１の作用によって、集光位置Ｑにおいて一定の大きさＡのアーク像として結像される。
すなわち、反射面２２上の反射位置Ｒ5において反射される光線は、当該反射位置Ｒ5に対応する非球面レンズ３０の光出射面３２の位置付近の光線密度を等密度で出射する場合（図９参照。）に比べて大きくしているために、非球面レンズ３０の光出射面３２での出射光分布が等密度で出射する場合に比べて大きなアーク像として集光位置Ｑにおいて結像される。また、反射面２２上の反射位置Ｒ6において反射される光線は、当該反射位置Ｒ6に対応する非球面レンズ３０の光出射面３２の位置付近の光線密度を等密度で出射する場合（図９参照。）に比べて小さくしているために、非球面レンズ３０の光出射面３２での出射光分布が等密度で出射する場合に比べて小さなアーク像として集光位置Ｑにおいて結像される。これにより、集光位置Ｑにおいて、アパーチャー５０の大きさの範囲内で形成された一定の大きさＡのアーク像として結像されることとなる。
従って、上記構成の光学装置によれば、集光位置Ｑにおいて、アーク像の大きさが揃うので、高圧放電ランプ１１のアークの大きさに起因してアパーチャー５０に入射されなかった光線を利用することができるようになって光の利用効率が高くなる結果、十分に高い照度を得ることができる。
【００３２】
以上のように、上記構成の光学装置は、集光位置においてアーク像の大きさが揃うので、例えばロッドインテグレータ，インテグレータレンズ等の小型の光学部材を有効に使うことができ、例えばＬＣＤプロジェクタなどのプロジェクタ装置用の光源として有用なものとなる。このような投影装置においては、例えばインテグレータレンズの入射面において、凹面集光鏡の反射上における任意の反射位置に係る各アーク像の光束径を略一致したものとすることができるので、インテグレータレンズの入射面から外れる光がなくなって光の利用率が向上する結果、投影装置の投射画面に十分な明るさを得ることができる。
【００３３】
以下、本発明の効果を確認するために行った実験例について説明する。
＜実験例１＞
図１および図２に示す構成に従って、本発明に係る光学装置を作製した。各構成部材の仕様は次に示すとおりである。
〔高圧放電ランプの仕様〕
放電容器：材質；石英ガラス、発光管部の最大外径；φ１２ｍｍ、発光管部の肉厚；３．２ｍｍ、発光管部の内容積；７５ｍｍ3、
電極間距離：１．０ｍｍ、
水銀の封入量：０．１５ｍｇ／ｍｍ3、アルゴン（希ガス）の封入量：１０ｋＰａ、
定格電圧：７５Ｖ、定格消費電力：３００Ｗ、
〔凹面集光鏡の仕様〕
基材の材質：硼珪酸ガラス
光出射口の開口径：φ５２ｍｍ、反射部の光軸方向の長さ：２８ｍｍ、
反射面を構成する微小反射面要素：凸曲面鏡、数：１０００個
配設位置：高圧放電ランプのアーク中心位置が光出射口の開口端面より２１ｍｍ光軸方向内方側に位置される位置、
〔非球面レンズの仕様〕
材質：硼珪酸ガラス（テンパックス（登録商標））、屈折率：１．４７、
配設位置：凹面集光鏡の光出射口の開口端面より２５ｍｍ光軸方向外方側の位置、
集光位置：光出射面より３０ｍｍ光軸方向外方側の位置
凹面集光鏡の反射面の形状および非球面レンズの光入射面の形状：非球面レンズの光出射面において、凹面集光鏡における反射面上の、アーク中心の光軸に垂直な方向（θ＝９０°）に位置される反射位置で反射される光線が非球面レンズの光出射面から出射される位置での光線密度が最小となり、当該位置より非球面レンズの中心軸側および非球面レンズの周縁側に向かうに従って光線密度が大きくなるよう、光線密度がｓｉｎθに従って変化する出射光分布の得られる形状、非球面レンズの光出射面での最大光線密度を１としたときの最小光線密度（相対値）；０．６４、
有効反射領域：４０°≦θ≦１４０°の範囲、
【００３４】
また、上記において作製した本発明に係る光学装置において、凹面集光鏡として、凹面集光鏡の反射面の形状を、非球面レンズの光入射面の形状との関係において、非球面レンズの光出射面において光線密度が等密度となる出射光分布の得られる形状としたものを用いたことの他は、上記光学装置と同一の構成を有する比較用の光学装置を作製した。
【００３５】
本発明に係る光学装置および比較用の光学装置について、非球面レンズによる集光位置に、光入射面の外径寸法がφ３ｍｍであるロッド状のインテグレータレンズを配設し、このインテグレータレンズから照射される光の照度を測定したところ、本発明に係る光学装置によれば、比較用の光学装置を用いた場合より３％程度高い照度が得られることが確認された。
【００３６】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、種々の変更を加えることができる。
例えば、本発明の光学装置においては、非球面レンズは、光出射面が凹凸を有するレンズ面とされた構成のものであってもよく、また、光入射面および光出射面の両方が凹凸を有するレンズ面とされた構成のものであってもよい。
また、非球面レンズは、集光性を有するものに限定されず、例えば図６（Ａ）に示すように、平行光化性を有するもの３０Ａであっても、図６（Ｂ）に示すように、発散性を有するもの３０Ｂであってもよい。例えば、平行光化性を有する非球面レンズ３０Ａが用いられる場合には、例えばインテグレータレンズ等の光学部材の光入射面において、各アーク像の光束径を略一致したものとすることができるので、インテグレータレンズの入射面から外れる光がなくなって光の利用率が向上する結果、高い照度を得ることができる。
さらにまた、本発明の光学装置を構成する高圧放電ランプは、超高圧水銀ランプに限定されるものではなく、例えばショートアーク型のキセノンランプを用いることができる。
【符号の説明】
【００３７】
１０ 光源装置
１１ 高圧放電ランプ
１２ 発光管部
１３Ａ，１３Ｂ 封止部
１５ 放電容器
１６ 電極
１６ａ 先端
１７ 電極軸部
１８ 金属箔
１９ 外部リード
Ａｃ アーク中心
２０ 凹面集光鏡
２１ 反射部
２２ 反射面
２３ 光出射口
２５ 微小反射面要素
２８ 筒状頸部
２９ 接着剤
Ｘ 凹面集光鏡の光軸
３０，３０Ａ，３０Ｂ 非球面レンズ
３１ 光入射面
３２ 光出射面
Ｑ 集光位置
４０ 楕円面反射鏡
４０Ａ リフレクタ
４１ 反射面
４２ａ，４２ｂ 電極の先端
４５ 非球面レンズ
４６ 光入射面
４７ 光出射面
５０ アパーチャー
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えばプロジェクタ装置用光源などに用いられる光学装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、液晶プロジェクタなどの投射型表示装置に用いられる光源としては、放電ランプと例えば楕円面反射鏡とを組み合わせて、放電ランプから放射された光を楕円面反射鏡によって反射し、例えばロッドインテグレータやインテグレータレンズ（フライアイレンズ）などの適宜の光学系に入射して照射面に照射する構成の光学装置が知られている。近年においては、液晶プロジェクタの投射画面の、より一層の明るさの要請が高まってきている。
【０００３】
図７に示すように、楕円面反射鏡４０は、第１焦点Ｆ１から発せられる光を第２焦点Ｆ２に集光させる機能を有する。しかしながら、このような楕円面反射鏡４０が用いられた光学装置においては、楕円面反射鏡４０の第１焦点Ｆ１に位置される放電ランプから等密度で放射された光線が第２焦点Ｆ２に集光されるに際して、光線密度が楕円面反射鏡４０の光軸Ｘから遠くなるに従って小さくなる傾向があり、また、放電ランプのケラレにより光線が飛ばない領域（中抜け領域）が光軸Ｘ付近に存在するという問題がある。
【０００４】
このような問題に対して、図８に示すように、リフレクタ４０Ａの光出射方向前方に非球面レンズ４５を配置し、非球面レンズ４５における光入射面４６または光出射面４７の形状に応じてリフレクタ４０Ａの反射面４１の形状を調整することにより非球面レンズ４５の光出射面４７での出射光分布を光線密度が等密度となるよう調整し、これにより、放電ランプのケラレにより生じる中抜け領域を小さくする技術が提案されている（特許文献１参照。）。
具体的には、リフレクタ４０Ａの反射面４１を、非球面レンズ４５に対するリフレクタ４０Ａの光軸Ｘ側の入射光線の光線密度を小さくするような形状とし、さらに、非球面レンズ４５から出射される光線の角度を非球面レンズ４５により調整して非球面レンズ４５における光出射面４７での光線密度の均一化、すなわち、非球面レンズ４５の光出射面４７での光線間の角度間隔ｄφを一様にしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−２９８６２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、非球面レンズ４５の光出射面４７において、光線密度が等密度となる出射光分布が得られるようリフレクタ４０Ａの反射面４１の形状を設計した場合には、リフレクタ４０Ａの反射面４１上における反射点から見たときの放電ランプのアークの大きさを考慮していないため、集光位置Ｑにおけるアーク像の大きさが一定にならず、光の利用率が低下して十分に高い照度が得られないことがあるという問題があることが判明した。すなわち、図９に示すように、各々の電極の先端４２ａ，４２ｂから放射された光線が反射面４１上における任意の反射位置Ｒ5に入射されると、当該反射位置Ｒ5において反射された光線は、当該反射位置Ｒ5に入射される際の光線間の角度αが維持された状態で、非球面レンズ４５に入射され、その後、集光位置Ｑにおいて大きさＡで結像される。一方、各々の電極の先端４２ａ，４２ｂから放射された光線が反射面４１上における任意の反射位置Ｒ6に入射されると、当該反射位置Ｒ6において反射された光線は、当該反射位置Ｒ6に入射される際の光線間の角度β（＞α）が維持された状態で、非球面レンズ４５に入射され、その後、集光位置Ｑにおいて結像されることになるが、非球面レンズ４５の光出射面４７における光線密度が等密度とされる場合には、集光位置Ｑにおいて異なる大きさＢ（＞Ａ）で結像されてしまう。その結果、反射位置Ｒ6からの光線の一部がアパーチャー５０に入射されないことがあり、利用できない光線が生じてしまうこととなる。
【０００７】
本発明は、以上のような事情に基づいてなされたものであって、高い光の利用効率を得ることができて高い照度を得ることができる光学装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の光学装置は、高圧放電ランプと、光軸が当該高圧放電ランプのアークの方向に沿って延びる状態で、当該高圧放電ランプを取り囲むよう配置された凹面集光鏡と、この凹面集光鏡の光出射方向前方に配置された、前記凹面集光鏡の光軸に対して回転対称な非球面レンズとを備えた光学装置において、
前記凹面集光鏡の反射面は、前記非球面レンズの光出射面において、前記高圧放電ランプのアーク中心の前記凹面集光鏡の光軸に垂直な方向に位置される反射位置で反射される光線が前記非球面レンズの光出射面から出射される位置での光線密度が最小となる出射光分布が得られるよう、前記非球面レンズの光入射面および光出射面の形状との関係において設定された形状を有することを特徴とする。
【０００９】
本発明の光学装置においては、前記非球面レンズの光出射面における出射光分布は、前記高圧放電ランプのアーク中心から前記凹面集光鏡の反射面における任意の反射位置に向かう光線の方向と前記凹面集光鏡の光軸とがなす角度をθとするとき、光線密度が最小となる位置より前記非球面レンズの周縁側および前記非球面レンズの中心軸側に向かうに従って光線密度が大きくなるよう、光線密度がｓｉｎθに従って変化するものであることが好ましい。
【００１０】
また、本発明の光学装置においては、前記凹面集光鏡の反射面は、前記凹面集光鏡の光軸に対して各々設定された角度で連続して配設された複数の微小反射面要素により構成されていることが好ましい。
このような構成とされた光学装置においては、前記凹面集光鏡の反射面を構成する微小反射面要素が１０００個以上であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の光学装置によれば、非球面レンズの光入射面および光出射面の形状との関係において調整された形状を有する凹面集光鏡の反射面、および、非球面レンズの光入射面および／または光出射面の作用により、非球面レンズの光出射面において凹面集光鏡の反射面上におけるアーク中心の光軸に垂直な方向に位置される反射位置で反射される光線が非球面レンズの光出射面から出射される位置での光線密度が最小となる出射光分布が得られる構成とされていることにより、凹面集光鏡における反射面上における任意の反射位置に係る各アーク像の光束径を略一致したものとすることができるので、光の利用効率が高くなり、十分に高い照度を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の光学装置の一例における構成の概略を高圧放電ランプから放射される光の光線追跡線とともに示す説明図である。
【図２】本発明の光学装置を構成する光源装置の一例における構成の概略を示す説明用断面図である。
【図３】アーク中心から反射面上の任意の反射位置に向かう光線の方向と凹面集光鏡の光軸とがなす角度θと、当該反射位置からみたアークの大きさＤとの関係を説明するための説明図である。
【図４】アーク中心から反射面上の任意の反射位置に向かう光線の方向と凹面集光鏡の光軸とがなす角度と、非球面レンズの光出射面から出射される各光線間の角度間隔との関係を示す説明図である。
【図５】図１に示す光学装置における、各々の電極の先端から放射される光線の光線追跡線を示す説明図である。
【図６】本発明の光学装置を構成する非球面レンズの他の構成例を光線追跡線とともに示す説明図であって、（Ａ）平行光化性を有するもの、（Ｂ）発散性を有するものである。
【図７】楕円面反射鏡における第１焦点から各々等角度間隔で放射される複数本の光線の光線追跡図である。
【図８】従来における光学装置の一例における構成の概略を放電ランプから放射される光の光線追跡線とともに示す説明図である。
【図９】図８に示す光学装置における、各々の電極の先端から放射される光線の光線追跡線を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図１は、本発明の光学装置の一例における構成の概略を高圧放電ランプから放射される光の光線追跡線とともに示す説明図、図２は、本発明の光学装置を構成する光源装置の一例における構成の概略を示す説明用断面図である。
この実施の形態に係る光学装置は、例えば交流点灯型の高圧放電ランプ１１および光軸Ｘが高圧放電ランプ１１のアーク方向に沿って延びる状態で高圧放電ランプ１１を取り囲むよう配置された凹面集光鏡２０により構成された光源装置１０と、凹面集光鏡２０の光出射方向前方に配置された、凹面集光鏡２０の光軸に対して回転対称な非球面レンズ３０とを備えており、高圧放電ランプ１１からの放射光を凹面集光鏡２０および非球面レンズ３０により集光しながら所定の大きさに設定されたアパーチャー５０（図５参照）を介して照射する構成とされている。
【００１４】
光源装置１０を構成する高圧放電ランプ１１は、例えば超高圧水銀ランプよりなり、例えば球形状の発光管部１２およびこの発光管部１２の両端に連続するロッド状の封止部１３Ａ，１３Ｂにより構成された、例えば石英ガラスよりなる放電容器１５を備えている。
発光管部１２の内部には、一対の電極１６が放電容器１５の管軸に沿って互いに対向して配置されている。ここに、電極間距離は、例えば０．５〜２．０ｍｍであって、例えば１．０ｍｍである。各々の電極１６は、放電容器１５の管軸に沿って延びるロッド状の電極軸部１７が封止部１３Ａ，１３Ｂにおいて気密に埋設された例えばモリブデンからなる金属箔１８を介して封止部１３Ａ，１３Ｂの外端より軸方向外方に突出して伸びるロッド状の外部リード１９に電気的に接続されている。
【００１５】
また、発光管部１２の内部には、発光物質としての水銀と、バッファガスとしての希ガスとが封入されている。
水銀の封入量は、０．０５ｍｇ／ｍｍ3以上であって、例えば０．０８ｍｇ／ｍｍ3である。また、水銀の封入量は、プロジェクタ装置用光源として用いられる場合には、０．１５ｍｇ／ｍｍ3以上であることが好ましい。
希ガスは、例えばアルゴンガスであり、その封入量は例えば１０ｋＰａである。
【００１６】
この光源装置１０における凹面集光鏡２０は、例えば棚珪酸ガラスなどのガラスよりなる基材における、高圧放電ランプ１１から放射される光を反射する反射空間を形成する反射部２１に係る内表面に反射面２２が形成されてなるものである。具体的には、光軸Ｘを含む断面において、外面形状が楕円面に沿った形態を有する、前方（図２において右方）に開口する光出射口２３が形成された反射部２１と、この反射部２１の後端（図２における左端）における中央位置に連続して光軸方向後方に延びるよう形成された筒状頸部２８とを有する。この凹面集光鏡２０は、筒状頸部２８内に、高圧放電ランプ１１の一方の封止部１３Ａが挿通され、上述したように、光軸Ｘが高圧放電ランプ１１のアーク方向に沿って延びる状態で、一方の封止部１３Ａの外周面と筒状頸部２８の内周面との間に形成される間隙に充填された接着剤２９によって固定されている。
【００１７】
この凹面集光鏡２０における反射面２２は、複数の微小反射面要素２５が基材における反射部２１に係る内表面に沿って隙間なく連続して配設されて構成されており、各々の微小反射面要素２５が凹面集光鏡２０の光軸Ｘに対して各々設定された角度（微小反射面要素２５に入射される光線の反射角度）で配設されることにより、非球面レンズ３０の光出射面３２において後述する特定の出射光分布が得られる内面形状とされている。
各々の微小反射面要素２５は、例えば凸曲面を鏡面とする凸曲面鏡よりなり、反射面２２を構成する表面には、例えばシリカ（ＳｉＯ2）層とチタニア（ＴｉＯ2）層が交互に積層されてなる、全体で厚さ０．５〜１０μｍの誘電体多層膜が形成されている。
微小反射面要素２５の数は、例えば１０００個以上であることが好ましく、これにより、非球面レンズ３０の光出射面３２における出射光分布を正確に調整することができる。
【００１８】
この実施の形態に係る光学装置における非球面レンズ３０は、例えば硼珪酸ガラス（例えば「ＢＫ７」やテンパックス（登録商標）など）、石英ガラスよりなり、光源装置１０からの光が入射される光入射面３１が凹凸を有するレンズ面とされていると共に光出射面３２が平面形状とされた集光性を有するものとされている。この非球面レンズ３０は、その中心軸Ｃが光源装置１０における凹面集光鏡２０の光軸Ｘと一致する状態で、配設されている。
【００１９】
而して、上記の光学装置においては、凹面集光鏡２０における反射面２２が、非球面レンズ３０の光出射面３２において、高圧放電ランプ１１のアーク中心Ａｃの凹面集光鏡２０の光軸に垂直な方向に位置される反射位置Ｒａで反射される光線が非球面レンズ３０の光出射面３２から出射される位置での光線密度が最小となる出射光分布が得られるよう、非球面レンズ３０の光入射面３１の形状との関係において設定された形状とされている。具体的には、凹面集光鏡２０における反射面２２は、高圧放電ランプ１１のアーク中心Ａｃから凹面集光鏡２０における反射面２２上の任意の反射位置に向かう光線の方向と凹面集光鏡２０の光軸Ｘとがなす角度をθとするとき、非球面レンズ３０の光出射面３２において、光線密度が最小となる位置より非球面レンズ３０の周縁側および非球面レンズ３０の中心軸Ｃ側に向かうに従って光線密度が大きくなるよう、光線密度がｓｉｎθに従って変化する出射光分布の得られる形状とされている。ここに、凹面集光鏡２０の有効反射領域は、例えば４０°≦θ≦１５０°の範囲である。凹面集光鏡２０における反射面２２がこのような形状とされる理由は、次に示すとおりである。
【００２０】
非球面レンズ３０の光出射面３２における出射光分布を調整するためには、点光源としての高圧放電ランプ１１においては、実際上は、電極１６間に形成されるアークが大きさを有することから、凹面集光鏡２０の反射面２２上の反射位置からみたアークの大きさを考慮することが必要とされる。具体的には、図３に示すように、凹面集光鏡２０における反射面２２上の任意の反射位置Ｒからみたアーク（図３において破線で囲まれた領域）の大きさＤは、アーク中心Ａｃから反射位置Ｒに向かう光線の方向Ｌｐと凹面集光鏡２０の光軸Ｘとがなす角度（以下、「放射角度」という。）をθ、アークの凹面集光鏡２０の光軸方向の長さをＬとするとき、Ｄ＝Ｌ×ｓｉｎθで表すことができる。このことから、凹面集光鏡２０の反射面２２上における任意の反射位置Ｒからみたアークの大きさＤは、ｓｉｎθに比例して変化するものと考えられ、従って、集光位置Ｑにおいて結像されるアーク像の大きさを一定にするためには、非球面レンズ３０の光出射面３２における出射光分布を、光線密度がｓｉｎθに従って変化するものに設定すればよいことになる。そして、上記関係式より、θ＝９０°のときにアークの大きさＤが最大となることから、非球面レンズ３０の光出射面３２における出射光分布においては、凹面集光鏡２０における反射面２２上の、アーク中心Ａｃの凹面集光鏡２０の光軸Ｘに垂直な方向に位置される反射位置Ｒａで反射される光線が非球面レンズ３０の光出射面３２から出射される位置での光線密度が最小となり、非球面レンズ３０の中心軸Ｃ側の位置および非球面レンズ３０の周縁側の位置に向かうに従って光線密度が大きくなるよう設定される。
【００２１】
そして、凹面集光鏡２０の反射面２２を構成する各々の微小反射面要素２５の配設角度は、次のようにして設定される。すなわち、理解を容易にするために、図４に示すように、点光源としての高圧放電ランプにおけるアーク中心Ａｃから各々等角度間隔ｄθで放射される４本の光線Ｉ1〜Ｉ4が、集光角制限（最外、最内光線間の角度）Φで、集光位置Ｑに集光される場合を例に挙げて説明すると、凹面集光鏡２０における反射面２２上の反射位置Ｒ1において反射される、アーク中心Ａｃから最小放射角度（θ2−ｄθ）で放射される光線Ｉ1が非球面レンズ３０の光出射面３２から出射される角度と、反射面２２における反射位置Ｒ2において反射される、アーク中心Ａｃから放射角度（θ2）で放射される光線Ｉ2が非球面レンズ３０の光出射面３２から出射される角度との角度間隔ｄΦ1,2の値を下記式１に基づいて算出する（下記式１においてｋ＝２のとき）。次に、集光角制限φの範囲内において集光位置Ｑから角度間隔ｄΦ1,2で引いた２本の直線と光軸方向における非球面レンズ３０の配置位置との各交点位置に、反射位置Ｒ1および反射位置Ｒ2に配設される微小反射面要素２５によって、光線Ｉ1、Ｉ2がそれぞれ反射されるよう、当該微小反射面要素２５の、凹面集光鏡２０の光軸Ｘに対する配設角度が非球面レンズ３０の光入射面３１の形状との関係において設定される。このような操作を、反射面２２における反射位置Ｒ3，Ｒ4において反射される、アーク中心Ａｃから放射角度（θ2＋ｄθ，θ2＋２ｄθ）で放射される光線Ｉ3，Ｉ4について、行うことにより、各々の反射位置Ｒ3、Ｒ4に配設される微小反射面要素２５の配設角度が設定され、凹面集光鏡２０の反射面２２についての連続した形状データを取得することができる。凹面集光鏡２０における反射面２２の形状の調整（設定）は、実際上、Ｎ＝１０００以上として、換言すれば、１０００個以上の微小反射面要素２５により反射面２２が構成されるよう、行われることが好ましく、これにより、非球面レンズ３０の光出射面３２における出射光分布の調整を正確に行うことができて所期の効果を確実に得ることができる。
また、非球面レンズ３０の光入射面３１の形状は、当該非球面レンズ３０を構成する材料の屈折率に応じて、光線の入射角と出射角の関係から設定することができる。
【００２２】
【数１】
【００２３】
上記式１は、次のようにして得られたものである。すなわち、まず、アーク中心Ａｃから最小放射角度（θ2−ｄθ）で放射される、凹面集光鏡２０の反射面２２における反射位置Ｒ1において反射される光線Ｉ1が非球面レンズ３０の光出射面３２から出射される角度と、アーク中心Ａｃから放射角度θ2で放射される、光線Ｉ2が凹面集光鏡２０の反射面２２における反射位置Ｒ2において反射される光線Ｉ2が非球面レンズ３０の光出射面３２から出射される角度との角度間隔ｄΦ1,2を、凹面集光鏡２０の反射面２２および非球面レンズ３０の光入射面３１の作用によりｓｉｎθ2に比例させた場合、ｄΦ1,2は、下記式２で与えられる。また、非球面レンズ３０の光出射面３２から出射される光線Ｉ2と光線Ｉ3との角度間隔ｄΦ2,3、および、光線Ｉ3と光線Ｉ4との角度間隔ｄΦ3,4についても、同様であり、それぞれ、光線Ｉ3が凹面集光鏡２０における反射面２２上の反射位置Ｒ3に向かう方向と凹面集光鏡２０の光軸Ｘとがなす角度（θ2＋ｄθ）、光線Ｉ4が凹面集光鏡２０における反射面２２上の反射位置Ｒ4に向かう方向と凹面集光鏡２０の光軸Ｘとがなす角度（θ2＋２ｄθ）によって与えられる。
【００２４】
【数２】
【００２５】
非球面レンズ３０の光出射面３２から出射される各光線Ｉ1〜Ｉ4の角度間隔の総和Ｓ1（＝ｄΦ1,2＋ｄΦ2,3＋ｄΦ3,4）は、ｓｉｎθ2、ｓｉｎ（θ2＋ｄθ）、ｓｉｎ（θ2＋２ｄθ）の値がいずれも１以下であるので、Ｓ1＜Φとなる。そのため、非球面レンズ３０の光出射面３２から出射される各光線Ｉ1〜Ｉ4の角度間隔の総和Ｓ1と集光角制限Φとの差分についても、ｓｉｎθkに比例するように分割して、上記ｄΦ1,2、ｄΦ2,3、ｄΦ3,4に加える必要がある。従って、ｄΦ1,2は下記式３によって与えられ、非球面レンズ３０の光出射面３２から出射される各光線Ｉ1〜Ｉ4の角度間隔の総和Ｓ2は、下記式４で与えられる。
【００２６】
【数３】
【００２７】
【数４】
【００２８】
上記式４において、ｓｉｎθ2の値は１以下であるので、Ｓ2＜Φとなる。そこで、ｄΦ1,2、ｄΦ2,3、ｄΦ3,4の総和ＳMと集光角制限Φとの差分を、ｓｉｎθに比例するように分割してｄΦ1,2、ｄΦ2,3、ｄΦ3,4に加える作業を、例えばＭ回繰り返して行ったときに、当該総和ＳMと集光角制限Φとの差がほとんどない状態（ＳM≒Φ）になったとすると、非球面レンズ３０の光出射面３２から出射される各光線Ｉ1〜Ｉ4の角度間隔の総和ＳMは、下記式５によって与えられ、また、光線Ｉ1と光線Ｉ2との角度間隔ｄΦ1,2は、下記式６によって与えられ、この式６から、上記式１が導出される。
【００２９】
【数５】
【００３０】
【数６】
【００３１】
而して、上記の光学装置においては、上述したように、凹面集光鏡２０における反射面２２上の任意の反射位置からみたときのアークの大きさを考慮して、凹面集光鏡２０における反射面２２の形状が、高圧放電ランプ１１のアーク中心Ａｃから凹面集光鏡２０の反射面２２における任意の反射位置に向かう光線の方向と凹面集光鏡２０の光軸Ｘとがなす角度をθとするとき、非球面レンズ３０の光出射面３２において、光線密度が最小となる位置より非球面レンズ３０の周縁側の位置および非球面レンズ３０の中心軸Ｃ側の位置に向かうに従って光線密度が大きくなるよう、光線密度がｓｉｎθに従って変化する出射光分布の得られる形状とされている。
これにより、図５に示すように、各々の電極の先端１６ａ，１６ａから放射された光線が反射面２２における反射位置Ｒ5に入射されると、当該反射位置Ｒ5において反射された光線は、当該反射位置Ｒ5に入射される際の光線間の角度αが維持された状態で、非球面レンズ３０の光入射面３１に入射され、その後、集光位置Ｑにおいて大きさＡのアーク像として結像される。また、各々の電極の先端１６ａ，１６ａから放射された光線が反射面２２における任意の反射位置Ｒ6に入射されると、当該反射位置Ｒ6において反射された光線は、当該反射位置Ｒ6に入射される際の光線間の角度β（＞α）が維持された状態で、非球面レンズ３０の光入射面３１に入射され、その後、集光位置Ｑにおいて結像されることになるが、特定の形状に調整された凹面集光鏡２０の反射面２２および非球面レンズ３０の光入射面３１の作用によって、集光位置Ｑにおいて一定の大きさＡのアーク像として結像される。
すなわち、反射面２２上の反射位置Ｒ5において反射される光線は、当該反射位置Ｒ5に対応する非球面レンズ３０の光出射面３２の位置付近の光線密度を等密度で出射する場合（図９参照。）に比べて大きくしているために、非球面レンズ３０の光出射面３２での出射光分布が等密度で出射する場合に比べて大きなアーク像として集光位置Ｑにおいて結像される。また、反射面２２上の反射位置Ｒ6において反射される光線は、当該反射位置Ｒ6に対応する非球面レンズ３０の光出射面３２の位置付近の光線密度を等密度で出射する場合（図９参照。）に比べて小さくしているために、非球面レンズ３０の光出射面３２での出射光分布が等密度で出射する場合に比べて小さなアーク像として集光位置Ｑにおいて結像される。これにより、集光位置Ｑにおいて、アパーチャー５０の大きさの範囲内で形成された一定の大きさＡのアーク像として結像されることとなる。
従って、上記構成の光学装置によれば、集光位置Ｑにおいて、アーク像の大きさが揃うので、高圧放電ランプ１１のアークの大きさに起因してアパーチャー５０に入射されなかった光線を利用することができるようになって光の利用効率が高くなる結果、十分に高い照度を得ることができる。
【００３２】
以上のように、上記構成の光学装置は、集光位置においてアーク像の大きさが揃うので、例えばロッドインテグレータ，インテグレータレンズ等の小型の光学部材を有効に使うことができ、例えばＬＣＤプロジェクタなどのプロジェクタ装置用の光源として有用なものとなる。このような投影装置においては、例えばインテグレータレンズの入射面において、凹面集光鏡の反射上における任意の反射位置に係る各アーク像の光束径を略一致したものとすることができるので、インテグレータレンズの入射面から外れる光がなくなって光の利用率が向上する結果、投影装置の投射画面に十分な明るさを得ることができる。
【００３３】
以下、本発明の効果を確認するために行った実験例について説明する。
＜実験例１＞
図１および図２に示す構成に従って、本発明に係る光学装置を作製した。各構成部材の仕様は次に示すとおりである。
〔高圧放電ランプの仕様〕
放電容器：材質；石英ガラス、発光管部の最大外径；φ１２ｍｍ、発光管部の肉厚；３．２ｍｍ、発光管部の内容積；７５ｍｍ3、
電極間距離：１．０ｍｍ、
水銀の封入量：０．１５ｍｇ／ｍｍ3、アルゴン（希ガス）の封入量：１０ｋＰａ、
定格電圧：７５Ｖ、定格消費電力：３００Ｗ、
〔凹面集光鏡の仕様〕
基材の材質：硼珪酸ガラス
光出射口の開口径：φ５２ｍｍ、反射部の光軸方向の長さ：２８ｍｍ、
反射面を構成する微小反射面要素：凸曲面鏡、数：１０００個
配設位置：高圧放電ランプのアーク中心位置が光出射口の開口端面より２１ｍｍ光軸方向内方側に位置される位置、
〔非球面レンズの仕様〕
材質：硼珪酸ガラス（テンパックス（登録商標））、屈折率：１．４７、
配設位置：凹面集光鏡の光出射口の開口端面より２５ｍｍ光軸方向外方側の位置、
集光位置：光出射面より３０ｍｍ光軸方向外方側の位置
凹面集光鏡の反射面の形状および非球面レンズの光入射面の形状：非球面レンズの光出射面において、凹面集光鏡における反射面上の、アーク中心の光軸に垂直な方向（θ＝９０°）に位置される反射位置で反射される光線が非球面レンズの光出射面から出射される位置での光線密度が最小となり、当該位置より非球面レンズの中心軸側および非球面レンズの周縁側に向かうに従って光線密度が大きくなるよう、光線密度がｓｉｎθに従って変化する出射光分布の得られる形状、非球面レンズの光出射面での最大光線密度を１としたときの最小光線密度（相対値）；０．６４、
有効反射領域：４０°≦θ≦１４０°の範囲、
【００３４】
また、上記において作製した本発明に係る光学装置において、凹面集光鏡として、凹面集光鏡の反射面の形状を、非球面レンズの光入射面の形状との関係において、非球面レンズの光出射面において光線密度が等密度となる出射光分布の得られる形状としたものを用いたことの他は、上記光学装置と同一の構成を有する比較用の光学装置を作製した。
【００３５】
本発明に係る光学装置および比較用の光学装置について、非球面レンズによる集光位置に、光入射面の外径寸法がφ３ｍｍであるロッド状のインテグレータレンズを配設し、このインテグレータレンズから照射される光の照度を測定したところ、本発明に係る光学装置によれば、比較用の光学装置を用いた場合より３％程度高い照度が得られることが確認された。
【００３６】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、種々の変更を加えることができる。
例えば、本発明の光学装置においては、非球面レンズは、光出射面が凹凸を有するレンズ面とされた構成のものであってもよく、また、光入射面および光出射面の両方が凹凸を有するレンズ面とされた構成のものであってもよい。
また、非球面レンズは、集光性を有するものに限定されず、例えば図６（Ａ）に示すように、平行光化性を有するもの３０Ａであっても、図６（Ｂ）に示すように、発散性を有するもの３０Ｂであってもよい。例えば、平行光化性を有する非球面レンズ３０Ａが用いられる場合には、例えばインテグレータレンズ等の光学部材の光入射面において、各アーク像の光束径を略一致したものとすることができるので、インテグレータレンズの入射面から外れる光がなくなって光の利用率が向上する結果、高い照度を得ることができる。
さらにまた、本発明の光学装置を構成する高圧放電ランプは、超高圧水銀ランプに限定されるものではなく、例えばショートアーク型のキセノンランプを用いることができる。
【符号の説明】
【００３７】
１０ 光源装置
１１ 高圧放電ランプ
１２ 発光管部
１３Ａ，１３Ｂ 封止部
１５ 放電容器
１６ 電極
１６ａ 先端
１７ 電極軸部
１８ 金属箔
１９ 外部リード
Ａｃ アーク中心
２０ 凹面集光鏡
２１ 反射部
２２ 反射面
２３ 光出射口
２５ 微小反射面要素
２８ 筒状頸部
２９ 接着剤
Ｘ 凹面集光鏡の光軸
３０，３０Ａ，３０Ｂ 非球面レンズ
３１ 光入射面
３２ 光出射面
Ｑ 集光位置
４０ 楕円面反射鏡
４０Ａ リフレクタ
４１ 反射面
４２ａ，４２ｂ 電極の先端
４５ 非球面レンズ
４６ 光入射面
４７ 光出射面
５０ アパーチャー
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高圧放電ランプと、光軸が当該高圧放電ランプのアークの方向に沿って延びる状態で、当該高圧放電ランプを取り囲むよう配置された凹面集光鏡と、この凹面集光鏡の光出射方向前方に配置された、前記凹面集光鏡の光軸に対して回転対称な非球面レンズとを備えた光学装置において、
前記凹面集光鏡の反射面は、前記非球面レンズの光出射面において、前記高圧放電ランプのアーク中心の前記凹面集光鏡の光軸に垂直な方向に位置される反射位置で反射される光線が前記非球面レンズの光出射面から出射される位置での光線密度が最小となる出射光分布が得られるよう、前記非球面レンズの光入射面および光出射面の形状との関係において設定された形状を有することを特徴とする光学装置。
【請求項２】
前記非球面レンズの光出射面における出射光分布は、前記高圧放電ランプのアーク中心から前記凹面集光鏡の反射面における任意の反射位置に向かう光線の方向と前記凹面集光鏡の光軸とがなす角度をθとするとき、光線密度が最小となる位置より前記非球面レンズの周縁側および前記非球面レンズの中心軸側に向かうに従って光線密度が大きくなるよう、光線密度がｓｉｎθに従って変化するものであることを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
【請求項３】
前記凹面集光鏡の反射面は、前記凹面集光鏡の光軸に対して各々設定された角度で連続して配設された複数の微小反射面要素により構成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光学装置。
【請求項４】
前記凹面集光鏡の反射面を構成する微小反射面要素が１０００個以上であることを特徴とする請求項３に記載の光学装置。
【請求項１】
高圧放電ランプと、光軸が当該高圧放電ランプのアークの方向に沿って延びる状態で、当該高圧放電ランプを取り囲むよう配置された凹面集光鏡と、この凹面集光鏡の光出射方向前方に配置された、前記凹面集光鏡の光軸に対して回転対称な非球面レンズとを備えた光学装置において、
前記凹面集光鏡の反射面は、前記非球面レンズの光出射面において、前記高圧放電ランプのアーク中心の前記凹面集光鏡の光軸に垂直な方向に位置される反射位置で反射される光線が前記非球面レンズの光出射面から出射される位置での光線密度が最小となる出射光分布が得られるよう、前記非球面レンズの光入射面および光出射面の形状との関係において設定された形状を有することを特徴とする光学装置。
【請求項２】
前記非球面レンズの光出射面における出射光分布は、前記高圧放電ランプのアーク中心から前記凹面集光鏡の反射面における任意の反射位置に向かう光線の方向と前記凹面集光鏡の光軸とがなす角度をθとするとき、光線密度が最小となる位置より前記非球面レンズの周縁側および前記非球面レンズの中心軸側に向かうに従って光線密度が大きくなるよう、光線密度がｓｉｎθに従って変化するものであることを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
【請求項３】
前記凹面集光鏡の反射面は、前記凹面集光鏡の光軸に対して各々設定された角度で連続して配設された複数の微小反射面要素により構成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光学装置。
【請求項４】
前記凹面集光鏡の反射面を構成する微小反射面要素が１０００個以上であることを特徴とする請求項３に記載の光学装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１２−２０４１２３（Ｐ２０１２−２０４１２３Ａ）
【公開日】平成２４年１０月２２日（２０１２．１０．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−６７１７０（Ｐ２０１１−６７１７０）
【出願日】平成２３年３月２５日（２０１１．３．２５）
【出願人】（０００１０２２１２）ウシオ電機株式会社 (1,414)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１０月２２日（２０１２．１０．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月２５日（２０１１．３．２５）
【出願人】（０００１０２２１２）ウシオ電機株式会社 (1,414)
【Ｆターム（参考）】
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