专利名称：光学装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种例如在投影装置用光源等中使用的光学装置。
背景技术：
例如，作为液晶投影仪等投射型显示装置中使用的光源，下述构成的光学装置为人所知组合放电灯和例如椭圆面反射镜，将放电灯放射的光用椭圆 面。近年来，越来越要求液晶投影仪的投射画面进ー步增加亮度。如图7所示，椭圆面反射镜40具有使第I焦点Fl发出的光聚光到第2焦点F2的功能。但是，在使用了该椭圆面反射镜40的光学装置中，从位于椭圆面反射镜40的第I焦点Fl的放电灯以等密度放射的光线聚光到第2焦点F2时，光线密度随着远离椭圆面反射镜40的光轴X而有变小的倾向，并且存在因放电灯的光晕而使光线无法抵达的区域(中空区域)存在于光轴X附近的问题。对这ー问题，如图8所示，提出了以下技术方案在反射器40A的光射出方向前方配置非球面透镜45，对应非球面透镜45的光入射面46或光射出面47的形状，调整反射器40A的反射面41的形状，从而调整非球面透镜45的光射出面47的射出光分布，使光线密度为等密度，这样ー来，减小因放电灯的光晕而产生的中空区域(參照专利文献I)。具体而言，使反射器40A的反射面41为使反射器40A相对于非球面透镜45的光轴X侧的入射光线的光线密度较小的形状，进ー步，对从非球面透镜45射出的光线的角度通过非球面透镜45进行调整，使非球面透镜45中的光射出面47中的光线密度平均化、即非球面透镜45的光射出面47中的角度间隔d(p—祥。专利文献I :日本特开2002-298625号公报
发明内容
但是，在非球面透镜45的光射出面47中，为获得光线密度等密度的射出光分布而设计反射器40A的反射面41的形状吋，未考虑到反射器40A的反射面41上的从反射点看到的放电灯的电弧大小，因此聚光位置Q上的电弧像的大小不恒定，光的利用率下降，存在无法获得足够强的照度的问题。即，如图9所示，从各电极的前端42a、42b放射的光线入射到反射面41上的任意的反射位置R5时，在该反射位置R5反射的光线在维持入射到该反射位置も时的光线间的角度α的状态下，入射到非球面透镜45，之后在聚光位置Q中以大小A成像。另ー方面，从各电极的前端42a、42b放射的光线入射到反射面41上的任意的反射位置R6时，在该反射位置R6反射的光线在维持入射到该反射位置R6时的光线间的角度β ( > α )的状态下，入射到非球面透镜45，之后在聚光位置Q中成像，但非球面透镜45的光射出面47中的光线密度为等密度时，在聚光位置Q中以不同的大小Β( >Α)成像。其结果是，来自反射位置R6的光线的一部分会不入射到光圈50，产生无法利用的光线。本发明根据以上情况而出现，其目的在于提供一种可获得较高的光的利用效率、并可获得较高的照度的光学装置。本发明的光学装置，具有高压放电灯；凹面聚光镜，在光轴沿着该高压放电灯的电弧的方向延伸的状态下，包围该高压放电灯地配置；以及非球面透镜，配置在该凹面聚光镜的光射出方向前方，相对上述凹面聚光镜的光轴旋转对称，其特征在干，上述凹面聚光镜的反射面具有如下形状以使上述非球面透镜的光射出面能够获得在位于上述高压放电灯的电弧中心的垂直于上述凹面聚光镜的光轴的方向上的反射位置反射的光线从上述非球面透镜的光射出面射出的位置的光线密度变得最小的射出光分布的方式，在与上述非球面透镜的光入射面及光射出面的形状之间的关系中设定的形状。
在本发明的光学装置中优选，上述非球面透镜的光射出面中的射出光分布如下所述在从上述高压放电灯的电弧中心朝向上述凹面聚光镜的反射面中的任意的反射位置的光线的方向与上述凹面聚光镜的光轴所成的角度为Θ时，以使得随着从光线密度最小的位置朝向上述非球面透镜的周边缘ー侧及上述非球面透镜的中心轴ー侧而光线密度变大的方式，光线密度随着Sine变化。 并且，在本发明的光学装置中优选，上述凹面聚光镜的反射面由相对上述凹面聚光镜的光轴分别以设定的角度连续配置的多个微小反射面要素构成。在该构成的光学装置中优选，构成上述凹面聚光镜的反射面的微小反射面要素是1000个以上。根据本发明的光学装置，通过具有在与非球面透镜的光入射面及光射出面的形状的关系中被调整的形状的凹面聚光镜的反射面、及非球面透镜的光入射面及/或光射出面的作用，在非球面透镜的光射出面中可以获得在位于凹面聚光镜的反射面上的电弧中心的垂直于光轴的方向上的反射位置被反射的光线从非球面透镜的光射出面射出的位置处的光线密度变得最小的射出光分布，从而可使凹面聚光镜中的反射面上的任意的反射位置的各电弧像的光束直径基本一致，光的利用效率变高，可获得足够高的照度。
图I是与高压放电灯放射的光的光线追踪线同时表示本发明的光学装置的一例中的构成概要的说明图。图2是表示构成本发明的光学装置的光源装置的一例中的构成的概要的说明用截面图。图3是用于说明从电弧中心朝向反射面上的任意的反射位置的光线方向和凹面聚光镜的光轴所成的角度Θ与从该反射位置看到的电弧的大小D的关系的说明图。图4是表示从电弧中心朝向反射面上的任意的反射位置的光线方向和凹面聚光镜的光轴所成的角度与从非球面透镜的光射出面射出的各光线间的角度间隔的关系的说明图。图5是表示图I所示的光学装置中的、从各电极前端放射的光线的光线追踪线的说明图。图6是与光线追踪线同时表示构成本发明的光学装置的非球面透镜的其他构成例的说明图，(A)具有平行光性，(B)具有发散性。图7是从椭圆面反射镜中的第I焦点分别以等角度间隔放射的多条光线的光线追踪图。图8是与从放电灯放射的光的光线追踪线同时表示现有的光学装置的一例中的构成概要的说明图。图9是表示图8所示的光学装置中的、从各电极前端放射的光线的光线追踪线的说明图。
具体实施例方式以下详细说明本发明的实施方式。图I是与高压放电灯放射的光的光线追踪线同时表示本发明的光学装置的一例中的构成概要的说明图，图2是表示构成本发明的光学装置的光源装置的一例中的构成的概要的说明用截面图。本实施方式涉及的光学装置具有光源装置10，由例如交流点灯型的高压放电灯 11以及在光轴X沿着高压放电灯11的电弧的方向延伸的状态下包围高压放电灯11地配置的凹面聚光镜20构成；以及非球面透镜30，配置在凹面聚光镜20的光射出方向前方，相对凹面聚光镜20的光轴旋转对称，该光学装置的构成是，来自高压放电灯11的放射光由凹面聚光镜20及非球面透镜30聚光，并通过被设定为规定大小的光圈50 (參照图5)进行照射。构成光源装置10的高压放电灯11例如由超高压水银灯构成，例如具有放电容器15，其由球形的发光管部12以及在该发光管部12的两端连接的杆状的密封部13A、13B构成，例如由石英玻璃形成。在发光管12的内部，一对电极16沿着放电容器15的管轴彼此相对地配置。其中，电极间距离例如是O. 5 2. 0mm，例如是I. 0mm。各电极16的沿着放电容器15的管轴延伸的杆状的电极轴部17通过气密埋设在密封部13A、13B中的例如钥构成的金属箔18，电连接到从密封部13A、13B的外端向轴方向外方突出伸出的杆状的外部导线19。并且，发光管部12的内部封入有作为发光物质的水银以及作为缓冲气体的稀有气体。水银的密封量为O. 05mg/mm3以上，例如是O. 08mg/mm3。并且，水银的密封量在作为投影装置用光源使用吋，优选是O. 15mg/mm3以上。稀有气体例如是氩气，其封入量例如是lOkPa。该光源装置10中的凹面聚光镜20例如如下形成在硼硅酸玻璃等玻璃构成的基材中的、形成反射从高压放电灯11放射的光的反射空间的反射部21的内表面上，形成反射面22。具体而言具有反射部21，在包括光轴X的截面中，外表面形状具有沿着椭圆面的形态，形成了向前方(图2中的右方)开ロ的光射出ロ 23;筒状颈部28，与该反射部21的后端(图2中的左端)中的中央位置连续，向光轴方向后方延伸形成。该凹面聚光镜20，在筒状颈部28内插通有高压放电灯11的ー个密封部13A，如上所述，在光轴X沿着高压放电灯11的电弧方向延伸的状态下，通过填充到形成于ー个密封部13A的外周面和筒状颈部28的内周面之间的间隙的粘合剂29固定。该凹面聚光镜20中的反射面22的构成是，多个微小反射面要素25沿着基材中的反射部21的内表面无间隙地连续配置，各微小反射面要素25相对凹面聚光镜20的光轴X分别以设定的角度(入射到微小反射面要素25的光线的反射角度)配置，从而形成可在非球面透镜30的光射出面32中获得下述特定的射出光分布的内表面形状。各微小反射面要素25例如由将凸曲面作为镜面的凸曲面镜构成，在构成反射面22的表面上，例如形成由ニ氧化硅(SiO2)层和氧化钛(TiO2)层交互层积的、整体厚O. 5
10μ m的电介质多层膜。微小反射面要素25的个数例如优选1000个以上，从而可正确调整非球面透镜30的光射出面32中的射出光分布。本实施方式涉及的光学装置中的非球面透镜30例如由硼硅酸玻璃(例如“BK7”、テンパックス(注册商标)等)、石英玻璃构成，入射来自光源装置10的光的光入射面31为具有凹凸的透镜面，并且光射出面23为平面形状，具有聚光性。该非球面透镜30在其中心轴C与光源装置10中的凹面聚光镜20的光轴X —致的状态下配置。 并且在上述光学装置中，为了在非球面透镜30的光射出面32中获得在反射位置Ra反射的光线从非球面透镜30的光射出面32射出的位置处的光线密度变得最小的射出光分布，凹面聚光镜20中的反射面22形成为在与非球面透镜30的光入射面31的形状之间的关系中被设定的形状，其中反射位置Ra位于高压放电灯11的电弧中心Ac的垂直于凹面聚光镜20的光轴的方向上。具体而言，凹面聚光镜20中的反射面22形成为如下所述的形状在从高压放电灯11的电弧中心Ac朝向凹面聚光镜20中的反射面22上的任意的反射位置的光线方向与凹面聚光镜20的光轴X所成的角度为Θ时，在非球面透镜30的光射出面32中能够获得以随着从光线密度变得最小的位置朝向非球面透镜30的周边缘ー侧及非球面透镜30的中心轴C ー侧而光线密度变大的方式，光线密度随着sin Θ而变化的射出光分布的形状。其中，凹面聚光镜20的有效反射区域例如是40° ( Θ <150°的范围。凹面聚光镜20中的反射面22之所以是这一形状，其原因如下。为了调整非球面透镜30的光射出面32中的射出光分布，在作为点光源的高压放电灯11中，实际上形成在电极16之间的电弧具有一定大小，因此需要考虑从凹面聚光镜20的反射面22上的反射位置看到的电弧的大小。具体如图3所示，在设从电弧中心Ac朝向反射位置R的光线的方向Lp和凹面聚光镜20的光轴X所成的角度(以下称为“放射角度”)为Θ，电弧在凹面聚光镜20的光轴方向的长度为L时,从凹面聚光镜20中的反射面22上的任意的反射位置R看到的电弧(图3中虚线包围的区域)的大小D可表示为D =LXsin Θ。因此，从凹面聚光镜20中的反射面22上的任意的反射位置R看到的电弧的大小与sin Θ成比例地变化，因此为了使在聚光位置Q上成像的电弧像的大小恒定，将非球面透镜30的光射出面32中的射出光分布设定为光线密度随着sin Θ变化即可。并且，根据上述关系式，当Θ =90°时电弧大小D变得最大，因此设定成在非球面透镜30的光射出面32中的射出光分布中，在反射位置Ra反射的光线从非球面透镜30的光射出面32射出的位置的光线密度变得最小，随着朝向非球面透镜30的中心轴C ー侧的位置及非球面透镜30的周边缘ー侧的位置，光线密度变大，其中上述反射位置Ra在凹面聚光镜20中的反射面22上位于通过电弧中心Ac垂直于凹面聚光镜20的光轴X的方向上。并且，构成凹面聚光镜20的反射面22的各微小反射面要素25的配置角度如下设定。即，为易于理解，如图4所示，从作为点光源的高压放电灯中的电弧中心Ac分别以等角度间隔d Θ放射的4条光线I1 I4以聚光角限制(最外、最内光线间的角度)Φ在聚光位置Q上聚光，以此情况为例进行说明，则在凹面聚光镜20中的反射面22上的反射位置R1上反射的、从电弧中心Ac以最小放射角度(Θ 2-d Θ )放射的光线I1从非球面透镜30的光射出面32射出的角度，与在反射面22上的反射位置R2上反射的、从电弧中心Ac以放射角度(Θ 2)放射的光线I2从非球面透镜30的光射出面32射出的角度之间的角度间隔(1Φ1,2的值，根据下述数式I计算(下述数式I中k = 2吋)。接着，在聚光角限制Φ的范围内，在从聚光位置Q以角度间隔Cltci,2引出的2条直线和光轴方向上的非球面透镜30的配置位置的各交点位置上，通过配置在反射位置R1及R2上的微小反射面要素25，光线I1. I2分别被反射，以此该微小反射面要素25相对于凹面聚光镜20的光轴X的配置角度在与非球面透镜30的光射出面31的形状的关系中设定。对于在反射面22中的反射位置R3、R4中反射的、从电弧中心Ac以放射角度(Θ 2+d Θ，Θ 2+2d θ )放射的光线13、14，进行上述操作，从而设定配置在各反射位置R3、R4的微小反射面要素25的配置角度，可取得对凹面聚光镜20的反射面22的连续的形状数据。凹面聚光镜20中的反射面22的形状调整(设定)实际上优选以N = 1000以上，換言之通过1000个以上的微小反射面要素25构成反射面22，这样一来，可正确进行非球面透镜30的光射出面32中的射出光分布的调整，切实获得所需的效果O并且，非球面透镜30的光入射面31的形状可对应构成该非球面透镜30的材料的折射率，通过光线的入射角和射出角的关系设定。(数式I)
权利要求
1.ー种光学装置，具有高压放电灯；凹面聚光镜，在光轴沿着该高压放电灯的电弧的方向延伸的状态下，包围该高压放电灯地配置；以及非球面透镜，配置在该凹面聚光镜的光射出方向前方，相对上述凹面聚光镜的光轴旋转对称，其特征在于， 上述凹面聚光镜的反射面具有如下形状以使上述非球面透镜的光射出面能够获得在位于上述高压放电灯的电弧中心的垂直于上述凹面聚光镜的光轴的方向上的反射位置反射的光线从上述非球面透镜的光射出面射出的位置的光线密度变得最小的射出光分布的方式，在与上述非球面透镜的光入射面及光射出面的形状之间的关系中设定的形状。
2.根据权利要求I所述的光学装置，其特征在于，上述非球面透镜的光射出面中的射出光分布如下所述在从上述高压放电灯的电弧中心朝向上述凹面聚光镜的反射面中的任意的反射位置的光线的方向与上述凹面聚光镜的光轴所成的角度为Θ时，以使得随着从光线密度最小的位置朝向上述非球面透镜的周边缘ー侧及上述非球面透镜的中心轴ー侧而光线密度变大的方式，光线密度随着sin0变化。
3.根据权利要求2所述的光学装置，其特征在于，上述凹面聚光镜的反射面由相对上述凹面聚光镜的光轴分别以设定的角度连续配置的多个微小反射面要素构成。
4.根据权利要求3所述的光学装置，其特征在干，构成上述凹面聚光镜的反射面的微小反射面要素是1000个以上。
全文摘要
本发明提供一种光学装置，可获得较高的光的利用效率、并可获得较高的照度，该光学装置具有高压放电灯；凹面聚光镜，在光轴沿着高压放电灯的电弧的方向延伸的状态下，包围高压放电灯地配置；以及非球面透镜，配置在该凹面聚光镜的光射出方向前方，相对凹面聚光镜的光轴旋转对称，凹面聚光镜的反射面具有如下形状以使非球面透镜的光射出面能够获得在位于上述高压放电灯的电弧中心的垂直于光轴的方向上的反射位置反射的光线从非球面透镜射出的位置的光线密度变得最小的射出光分布的方式，在与非球面透镜的光入射面及光射出面的形状之间的关系中设定的形状。
文档编号F21V13/04GK102691974SQ20121004391
公开日2012年9月26日 申请日期2012年2月24日 优先权日2011年3月25日
发明者冈崎佳生, 清水干雄 申请人:优志旺电机株式会社