JP2010177035A - 発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】主光源体については従来のものを使用しつつ凹面鏡の開口寸法のみを小さくし、かつ、主光源体から放射された光を無駄なく所定の照射点あるいは照射範囲に向けて照射できる発光装置を提供する。
【解決手段】発光装置１０を、焦点Ｆ１を有し、開口縁２５を含んで切除された切り欠き部分Ｚが凹面反射部２３に形成されている一部切欠凹面鏡１２と、発光中心が焦点Ｆ１と一致するようにして一部切欠凹面鏡１２に配設された主光源体１４と、中心が焦点Ｆ１と一致するようにして主光源体１４の切り欠き部分Ｚ側の近傍に配置され、主光源体１４から凹面反射部２３の切り欠き部分Ｚに向けて放射される光Ｌ２を焦点Ｆ１に向けて反射させる反射凹球面２６を有する反射体１６とで構成することにより、上記課題を解決することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、製品の薄型化が求められるプロジェクター等に好適な発光装置に関する。

発光装置から放射された光を利用して画像を拡大投射するプロジェクターは、従来から、パーソナルコンピュータとともに会議におけるプレゼンテーション等に用いられており、最近では、このような用途だけでなく、ホームシアター用の映写機としてのニーズも急激に拡大している。

このように、プロジェクターの使用が一般的になり、ビジネスマンがプロジェクターを出張時に持ち歩いたり、家庭でプロジェクターが使用される機会が増加したことによって、プロジェクターの薄型化が求められるようになってきている。

プロジェクターを薄型化するためには、内蔵する発光装置を薄型化に適した形状にする必要がある。一般に、プロジェクターに内蔵される発光装置は、主光源体から放射される光の利用効率を向上させるため、当該主光源体に凹面鏡が組み合わされているが、発光装置をプロジェクター等の薄型化に対応させるためには、現段階では構造的に非常な困難を伴う主光源体の小型化ではなく、主光源体よりも遥かに大きい凹面鏡の開口寸法を短くすることが現実的である。そこで、一般的な形状の主光源体を使用しつつ、凹面鏡の開口寸法を短くした発光装置の例として、特許文献１を挙げることができる。特許文献１の発光装置１は、図６に示すように、主光源体２および小口径凹面鏡３に加えて、主光源体２を中心として主光源体２の照射側封止部に取着され、小口径凹面鏡３の反射面３ａに対向して配置され、主光源体２から放射されて凹面鏡３の開口３ｂから直接出光しようとする光Ｒを凹面鏡３に向けて反射させる副反射鏡４を備えている。

このようにすることで凹面鏡３の開口３ｂの直径Ｄを小さくすることが出来るが、小口径としたことに伴って増加する、開口３ｂから直接出光しようとする光Ｒ(本来は、仮想線で示す大口径凹面鏡３’の開口部近傍で反射されて集光点Ｆ２に向かう光Ｒ)を副反射鏡４で反射させて再び凹面鏡３の反射面３ａに戻すようにして、小口径化による光量減少を出来る限り抑制しようとしている。

特開２００６−３０３７８号公報

しかしながら、この発光装置１には小口径化に起因する問題があった。すなわち、主光源体２の大きさはそのままで、開口３ｂの直径Ｄだけを小さくしていくと、小口径凹面鏡３で反射して発光装置１の照射方向へ向かう光の一部が主光源体２や特に副反射鏡４によって乱反射され、開口３ｂから非照射方向に出光して所定の照射位置を照らすことができなくなる（図中Ｒ１。図示したように、小口径凹面鏡３が楕円面であり、まず小口径凹面鏡３で反射した光が副反射鏡４で反射されると該反射光が焦点Ｆ１に戻らず、副反射鏡４と小口径凹面鏡３との間で反射を繰り返し、最終的には非照射方向に出光することになる。これは集光点Ｆ２に集光するような場合において顕著である。）。このような方式では小口径化は可能なものの副反射鏡４が小口径凹面鏡３の前方中央に設置されているが故に主光源体２から放射された光の一部が特に副反射鏡４によって乱反射されてしまい、光のロス(迷光)が多くなるという問題がある。

本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みて開発されたものである。それ故に本発明の主たる課題は、主光源体については従来のものを使用しつつ凹面鏡の開口寸法のみを小さくし、かつ、主光源体から放射された光を無駄なく所定の照射点あるいは照射範囲に向けて照射できる発光装置を提供することにある。

請求項１に記載の発明は、「焦点Ｆ１を有し、開口縁２５を含んで切除された切り欠き部分Ｚが凹面反射部２３に形成されている一部切欠凹面鏡１２と、
発光中心が前記焦点Ｆ１と一致するようにして前記一部切欠凹面鏡１２に配設された主光源体１４と、
中心が前記焦点Ｆ１と一致するようにして前記主光源体１４の切り欠き部分Ｚ側の近傍に配置され、前記主光源体１４から前記凹面反射部２３の切り欠き部分Ｚに向けて放射される光Ｌ２を前記焦点Ｆ１に向けて反射させる反射凹球面２６を有する反射体１６とを備えていることを特徴とする発光装置１０」である。

この発明によれば、一部切欠凹面鏡１２は凹面反射部２３の一部を切り欠くことによって形成されているので、切除した部分だけ小さくなり、且つ反射体１６が主光源体１４の切り欠き部分Ｚ側の近傍に配置されているため、発光点、即ち焦点Ｆ１から切り欠き部分Ｚに向けて放射された光Ｌ２はまず反射体１６によって反射されて焦点Ｆ１を通り、続いて一部切欠凹面鏡１２にて反射されて集光点Ｆ２あるいは照射面に至る。一方、主光源体１４から放射され、直接一部切欠凹面鏡１２に反射された光Ｌ１は、前記光Ｌ２と入り混じって集光点Ｆ２又は照射面に照射されることになる。ここで重要な点は反射体１６が主光源体１４の切り欠き部分Ｚ側の近傍に配置されていることである。これによって特許文献１の発光装置１と違い、一部切欠凹面鏡１２で反射して発光装置１０の照射方向へ向かう光が主光源体１４に遮られることはないので、一部切除による開口寸法ｄの短縮に基づく障害問題はない。

請求項２に記載の発明は、請求項１の発光装置１０に関し、「前記主光源体１４よりも照射側にて前記主光源体１４に沿って前記一部切欠凹面鏡１２に向けて立設され、照射方向をそれた入射光Ｌ３を屈折させて所定の照射位置に向ける補正レンズ３４をさらに備えている」ことを特徴とする。

この発明によれば、図４に示すように、請求項１に記載の発明の作用効果(小型化)に加えて、主光源体１４よりも照射方向側に配設された補正レンズ３４により、一部切欠凹面鏡１２の光反射面１８で反射することなくあるいは反射したものの、照射方向をそれて周囲に拡散し、周囲の者に不所望な眩しさ（＝グレア）を与える光Ｌ３（＝迷光）を所定の照射位置へ向けることができる。

この発明によれば、従来の主光源体を使用しつつ凹面鏡の開口寸法を小さくしているにもかかわらず、主光源体から放射された光のロスを極小化できる発光装置を提供することができた。

本発明にかかる発光装置の第１実施例を示す断面図である。 第１実施例の他の態様を示す断面図である。 第１実施例の他の態様を示す断面図である。 本発明にかかる発光装置の第２実施例を示す断面図である。 第２実施例にかかる発光装置を用いた光学系を示す概略図である。 従来技術を示す図である。

以下、本発明を図示実施例に従い、まず、一部切欠凹面鏡１２、主光源体１４、および反射体１６とで構成された第１実施例について説明し、続いて、補正レンズ３４をさらに備えている第２実施例について説明する。なお、一部切欠凹面鏡１２、主光源体１４、および反射体１６の変形例については第１実施例で説明するが、これら変形例については第２実施例でも同様に適用され得る。また、第２実施例は、補正レンズ３４の有無において第１実施例と相違するだけであるから、第２実施例の説明では共通部分について第１実施例の説明を援用してその説明を省略し、相違部分を中心に説明する。

（第１実施例）
本発明を適用した発光装置１０は、薄型化が求められるプロジェクター等の機器に用いられるものであり、図１〜図３に示すように、一部切欠凹面鏡１２と、主光源体１４と、反射体１６とを備えている。

一部切欠凹面鏡１２は焦点Ｆ１を有し、その内側に形成された、主光源体１４からの光Ｌ１を反射させる光反射面１８と、光反射面１８で反射された光を一部切欠凹面鏡１２から出光する開口２０と、一部切欠凹面鏡１２の底部に設けられ、主光源体１４が接着剤２１にて取り付けられる主光源体取付部２２とを有している。この一部切欠凹面鏡１２の凹面反射部２３には、１点鎖線で示す開口縁２５を含んで切除された切り欠き部分Ｚが形成されており、その一例として、焦点Ｆ１を通る中心軸ＣＬを有する回転楕円面である凹面反射部２３を中心軸ＣＬに平行な面Ｐで切り欠くことによって得られたものがある。例えば、図１、３に示す発光装置１０における一部切欠凹面鏡１２は、中心軸ＣＬを通る面Ｐで凹面反射部２３を切り欠くことによって形成されており、図２に示す一部切欠凹面鏡１２は、中心軸ＣＬから図中下方に離間するように設定された、中心軸ＣＬに平行な面Ｐで凹面反射部２３を切り欠くことによって形成されている。図示していないが前記面Ｐは、中心軸ＣＬに平行でなくてもよく、中心軸ＣＬを含む中心面ＣＰで分けたときにおける一方の半凹面鏡部２３ａの開口縁２５を含む全部又は一部分を切り欠く面であればよい。

本実施例における光反射面１８に用いられる回転楕円面は、焦点Ｆ１が凹面反射部２３の内側に位置し、集光点Ｆ２が凹面反射部２３よりも照射方向側に位置するように設定されている（もちろん、焦点Ｆ１および集光点Ｆ２の両方が凹面反射部２３よりも照射方向側に位置するようにしてもよい。）。また、「回転楕円面」は、焦点Ｆ１から放射され、当該楕円面で反射された光がすべて集光点Ｆ２に集光されるというような特徴を有している。

なお、凹面反射部２３は、回転楕円面に限られず、回転放物面、あるいは、それぞれが焦点Ｆ１を有する複数の小反射面を各焦点Ｆ１が一致するようにして組み合わせることによって形成された自由曲面（この場合、自由曲面の中心を通り、開口２０に直交する直線が中心軸ＣＬとなる。）を用いることができる。「回転放物面」の場合は、焦点Ｆ１から放射され、当該放物面で反射された光がすべて平行光となり、「自由曲面」の場合は、焦点Ｆ１から放射された光が各小反射面の形状に応じて集光あるいは平行光となり所定の照射点あるいは照射範囲を照射する。

一部切欠凹面鏡１２の材質としては、ガラスあるいはアルミニウムなどを使用することができ、光反射面１８は金属蒸着により形成されている（アルミニウムの場合、金属蒸着ではなく、アルマイト処理をしてもよい。）。また、ガラスを用いる場合、一部切欠凹面鏡１２の外表面２４に赤外線透過被膜を設けてもよい。

主光源体１４は、発光部１４ａと、発光部１４ａから突設された左右一対の封止部１４ｂと、一対のマウントＭとで構成されたダブルエンドタイプの放電灯であり（勿論、シングルエンドタイプでもよく、また、放電灯の他にハロゲンランプ等の白熱灯を使用することもできる。シングルエンドタイプの場合は適当な反射体１６の保持アームが必要となる。）、一部切欠凹面鏡１２の内側にて中心軸ＣＬに一致し、かつ、発光部１４ａの発光中心（後述する電極１４ｄ間）が一部切欠凹面鏡１２の焦点Ｆ１に一致するようにして、一方の封止部１４ｂが一部切欠凹面鏡１２の主光源体取付部２２に接着剤２１で固定されている。

マウントＭは、封止部１４ｂに埋設された金属箔１４ｃと、一端が発光部１４ａ内に配設され、他端が金属箔１４ｃの一端側に接続された電極１４ｄと、一端が金属箔１４ｃの他端側に接続され、他端が封止部１４ｂを貫通して外部に延びる外部リード棒１４ｅとで構成されている。

反射体１６は、反射凹球面２６を有するアルミニウム板等の金属製部材であり、本実施例では、その端部が主光源体１４の封止部１４ｂに巻設された金属製のバンド２８で固定されている（図１の例では反射体１６の両端部が固定されており、図２の例では開口２０側の端部のみが固定されている。）。

反射体１６の反射凹球面２６は、その中心が光反射面１８の焦点Ｆ１（＝主光源体１４の発光中心）に一致するようにして、主光源体１４の発光部１４ａの近傍にて発光部１４ａの外面に沿うように配置されており、主光源体１４から凹面反射部２３の切り欠き部分Ｚに向けて放射される光Ｌ２を反射する。図１(イ)の場合、凹面反射部２３の下半分が切除された状態なので、これをカバーするための反射体１６の反射凹球面２６は封止部１４ｂを避けた半球状のもので、凹面側に反射面が形成されている[図１(ロ)]。図２のような場合は、理論的には焦点Ｆ１と切り欠き部分Ｚのエッジとを結ぶ直線と反射凹球面２６との交点の軌跡で反射凹球面２６を切断し、照射側の部分(主光源体取付部２２への取付側封止部１４ｂの反対側)を反射凹球面２６とすることになる（実際は若干オーバーラップするように形成される。）。

図２の場合、反射凹球面２６のない部分から光Ｌ１１が出射されて下側の凹面反射部２３によって集光点Ｆ２(あるいは照射面)に向かって反射される事になるが、反射凹球面２６の外面に接する状態で集光点Ｆ２(あるいは照射面)に向かうように反射された光Ｌ１１の、下側の凹面反射部２３による反射点Ｑ(換言すれば、直線Ｌ１１と下側の凹面反射部２３の交点Ｑ)より封止部１４ｂに近い領域Ｍでの反射光は、反射凹球面２６に遮られて迷光になるが、この光は発光部１４ａと封止部１４ｂの境目から封止部１４ｂ側を通る光で照明にはもともと寄与しない光であり、迷光になったとしても光量ロスには繋がらない。

以上から反射凹球面２６の中心（＝主光源体１４の発光中心）から放射され、当該反射凹球面２６で反射した光は、再び反射凹球面２６の中心を通過して光反射面１８がある図中上方に進み、直接光反射面１８に反射された光と混ざり合って集光点Ｆ２(あるいは照射面)に進むことになる。

このような発光装置１０に給電装置１００を組み合わせることによって光源装置３０が形成される。給電装置１００は、商用電源１０２（直流電源でもよい）と主点灯回路１０４と始動回路１０６とで構成されている。

主点灯回路１０４は、商用電源１０２からの電圧を受けて、発光装置１０に供給される電圧のばらつきや、経時的な電圧変化などを考慮し、発光装置１０の連続点灯に必要な一定電力を安定的に発光装置１０の電極１４ｄ間に供給するための回路である。

始動回路１０６は、発光装置１０の点灯始動時において、主点灯回路１０４から受けた電圧を、電極１４ｄ間で絶縁破壊が生じる電圧まで高めて発光装置１０の電極１４ｄ間に印加する回路であり、導線１０８を用いて主光源体１４の外部リード棒１４ｅに対して電気的に接続されている。

次に、この発光装置１０を発光させるときの手順について説明すると、給電装置１００を用いて電極１４ｄ間に始動用の高電圧を印加することにより、当該電極１４ｄ間に絶縁破壊が生じ、その後、グロー放電を経て電極１４ｄ間にアーク放電を生じさせることにより主光源体１４が安定的に発光する。

主光源体１４から放射された光のうち、一部切欠凹面鏡１２の光反射面１８に向かう光Ｌ１は、当該光反射面１８で反射した後、発光装置１０の外部にある集光点Ｆ２(あるいは照射面)に集光される。一方、凹面反射部２３の切り欠き部分Ｚに向かう光Ｌ２は、反射体１６の反射凹球面２６で反射され、上述のように、再び反射凹球面２６の中心（＝焦点Ｆ１）を通過して光反射面１８に向かい、光反射面１８で反射して集光点Ｆ２(あるいは照射面)に集光される。

なお、上述の実施例では、反射体１６がアルミニウム板等の金属製部材である場合について説明したが、反射体１６の態様はこれに限られるものではなく、例えば図３に示すように、主光源体１４における発光部１４ａの外面にアルミニウム等の金属を蒸着させた蒸着膜を用いることができる。このようにすれば、主光源体１４と反射体１６とを一体的に形成できるので、金属製のバンド２８が不要となり、発光装置１０の生産性をより向上させることができる。また、図２の形態において一部切欠状の反射体１６を蒸着膜で形成してもよい。

また、図１に示すように、主光源体１４の発光中心（＝焦点Ｆ１）と、光反射面１８の開口２０側端Ａとを通過する直線上に、発光部１４ａおよび封止部１４ｂの接合部Ｂと、反射体１６における反射凹球面２６の底側端Ｃとが位置し、かつ、主光源体１４の発光中心（＝焦点Ｆ１）と、反射凹球面２６の照射方向側端Ｄとを通過する直線上の光が光反射面１８で反射して封止部１４ｂの直近を通って集光点Ｆ２(あるいは照射面)に向かうように、一部切欠凹面鏡１２、主光源体１４、および反射体１６を設定するとよい。これにより、主光源体１４の電極１４ｄ間から放射された後、発光部１４ａを通る有効光（封止部１４ｂを通る一部の光は、当該封止部１４ｂ内で乱反射されるので有効に使用できる光とは成り得ない。）を全て光反射面１８で反射させ、集光点Ｆ２(あるいは照射面)への集光とすることができる。

（第２実施例）
第２実施例に係る発光装置１０も図４に示すように、第１実施例と同様、一部切欠凹面鏡１２と、主光源体１４と、反射体１６とを備えている点において共通し、さらに補正レンズ３４を備えている点と、一部切欠凹面鏡１２が第１実施例のものより小さく、発光点（＝焦点Ｆ１）から出た光Ｌ１の一部が、凹面反射部２３によって反射されずに非照射方向に出光してしまう点が第１実施例と相違している。そこで、共通部分については第１実施例の説明を援用し、相違する補正レンズ３４及び小口径一部切欠凹面鏡１２に関する内容を中心にして説明する。

補正レンズ３４は、主光源体１４よりも発光装置１０の照射方向側に配設され、小口径一部切欠凹面鏡１２の光反射面１８で反射することなく照射方向をそれた光Ｌ３（＝迷光）を入光させ、これを屈折させて所定の照射位置に向けるレンズである。

図示するように、迷光Ｌ３を集光点Ｆ２(あるいは照射面)に集光させるように補正レンズ３４を設定することにより、迷光Ｌ３を集光に変換して主光源体１４からの光の利用効率をさらに向上させることができるとともに、周囲の者に不所望なまぶしさを与える光（＝グレア）を低減させることができるが、最大の利点は一部切欠凹面鏡１２を更に小口径化して小型化を実現できる処にある。

ところで、本実施例の発光装置１０を用いたプロジェクターの光学系として、例えば図５に示すような光学系２００を挙げることができる。この光学系２００は、マイクロディスプレイである照射面２０２を照射するためのものであり、発光装置１０と、照射面２０２と、ロッドレンズ２０４と、一対の凸レンズ２０６とで構成されている。ロッドレンズ２０４は、その一方端面２０４ａから導入された光の照度分布を均一化して他方端面２０４ｂから出光させる光学部材である。

発光装置１０から出光された光は、集光点Ｆ２(あるいは照射面)に一致するように配置されたロッドレンズ２０４の一方端面２０４ａからロッドレンズ２０４の内部に導入され、ロッドレンズ２０４の内部で照度分布が均一化された状態で他方端面２０４ｂから出光される。ロッドレンズ２０４から出光された光は、一対の凸レンズ２０６を介して照射面２０２を照射する。

ここで、発光装置１０から出光された光がロッドレンズ２０４の一方端面２０４ａからロッドレンズ２０４の内部に導入されるようにするためには、当該光の一方端面２０４ａに対する入射角θが中心軸ＣＬから所定の角度（例えば４５°）以内でなければならない。さもないと、光が一方端面２０４ａで反射してしまうからである。

図４に示すように、主光源体１４から放射された光Ｌ１のうち、光反射面１８での反射位置が一部切欠凹面鏡１２の底部に近いほど入射角θが小さくなる。このため、入射角θを小さくするには、一部切欠凹面鏡１２を浅く（すなわち、開口２０から底までの距離を短く）形成しなければならない。一部切欠凹面鏡１２を浅くするとその分迷光Ｌ３が増加することになる。この点、本実施例の発光装置１０は、迷光Ｌ３を集光点Ｆ２(あるいは照射面)に集光させるように補正レンズ３４を備えているので、光の利用効率を低下させることなく、入射角θを小さくすることができる。したがって、本実施例の発光装置１０は、プロジェクター用の光源としてさらに好適であるといえる。

なお、本実施例でも、第１実施例の変形例と同様、一部切欠凹面鏡１２の光反射面１８を回転放物面や自由曲面で構成してもよい。「回転放物面」である場合、補正レンズ３４には迷光を屈折させて平行光にするレンズが用いられ、「自由曲面」である場合には、迷光を屈折させて平行光や所定の照射位置に向かう光にするレンズが用いられる。

１０…発光装置
１２…一部切欠凹面鏡
１４…主光源体
１６…反射体
１８…光反射面
２０…開口
２１…接着剤
２２…主光源体取付部
２３…凹面反射部
２４…（一部切欠凹面鏡１２の）外表面
２６…反射凹球面
２８…バンド
３０…光源装置
３４…補正レンズ
１００…給電装置
１０２…商用電源
１０４…主点灯回路
１０６…始動回路
１０８…導線
２００…光学系
２０２…照射面
２０４…ロッドレンズ
２０６…凸レンズ

Claims (2)

1. 焦点を有し、開口縁を含んで切除された切り欠き部分が凹面反射部に形成されている一部切欠凹面鏡と、
   発光中心が前記焦点と一致するようにして前記一部切欠凹面鏡に配設された主光源体と、
   中心が前記焦点と一致するようにして前記主光源体の切り欠き部分側の近傍に配置され、前記主光源体から前記凹面反射部の切り欠き部分に向けて放射される光を前記焦点に向けて反射させる反射凹球面を有する反射体とを備えていることを特徴とする発光装置。
2. 前記主光源体よりも照射側にて前記主光源体に沿って前記一部切欠凹面鏡に向けて立設され、照射方向をそれた入射光を屈折させて所定の照射位置に向ける補正レンズをさらに備えていることを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
   

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