專利名稱：光學(xué)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光學(xué)裝置。特別涉及用于投影裝置的光學(xué)裝置。

背景技術(shù)：
投影裝置一般有采用液晶(LCD)面板的方式和采用DLP的方式。
采用LCD面板的方式有單片式和三片式，但不論何種方式，均將來自光源的放射光分離為3種顏色(RGB)，在LCD面板上對與圖像信息對應(yīng)的光進(jìn)行透過調(diào)整，之后使透過面板的3種顏色合成并投射到屏幕上。
另一方面，采用DLP(注冊商標(biāo))的方式將來自光源的放射光經(jīng)由分割形成RGB的區(qū)域的旋轉(zhuǎn)濾光器(Rotating Filter)，分時照射到空間調(diào)制元件(也稱為光調(diào)制裝置，具體地說是指DMD元件等)等，通過該DMD元件使特定的光反射并照射到屏幕上。DMD元件是按照每個象素分別鋪設(shè)數(shù)百萬個微鏡的元件，通過控制各個微鏡的朝向來控制光的投射。
DLP方式與LCD方式相比，光學(xué)系統(tǒng)簡單并且不需要使用三片LCD面板，因此具有容易實(shí)現(xiàn)裝置整體小型化的優(yōu)點(diǎn)。
另一方面，投影裝置的光源采用高水銀蒸氣壓的高壓放電燈。這是因?yàn)?，通過提高水銀蒸氣壓，能夠以高輸出功率獲得可見波長區(qū)域的光。
此外，為使投射到屏幕上的圖像明亮，將該放電燈(下面，簡稱為“燈”)組裝在旋轉(zhuǎn)橢圓面形狀的凹面反射鏡(大致呈碗形)中。通過使用凹面反射鏡，能夠?qū)碜詿舻姆派涔庥行У丶性诿娣e有限的屏幕上。
近些年來，特別是在用于演示的投影裝置等中，很多情況下需要外出使用，因此從容易攜帶的意義出發(fā)，非常需要裝置小巧、輕便。
并且，若要求投影裝置小型化，則當(dāng)然也要求安裝于投影裝置中的光學(xué)裝置(放電燈及凹面反射鏡)小型化。
并且，雖然受到這種尺寸上、形狀上的制約，但是當(dāng)然必須提高燈的放射光的利用效率。
圖10表示為了提高光的利用效率而研制的反射鏡的結(jié)構(gòu)。
反射鏡200采用了橢圓面反射鏡部分210與球面反射鏡部分220在放射方向上前后放置的結(jié)構(gòu)。具體地說，在反射鏡200的前方開口側(cè)形成有橢圓面反射鏡部分210，在后方開口側(cè)、即頂部側(cè)形成有球面反射鏡220。
在該結(jié)構(gòu)中，可以使從燈100向反射鏡頂部側(cè)放射的光L1在球面反射鏡部分220反射，暫時向電弧方向(光L2)返回，之后穿過放電電弧由橢圓面反射鏡部分210(光L3)朝前方開口反射(光L4)。
該結(jié)構(gòu)與使用僅有橢圓面的反射鏡時相比，能夠切實(shí)地利用向反射鏡的頂部附近放射或在頂部附近反射的光，因此能夠提高光的利用效率。
但是，在電極的體積大的情況等，仍然存在放電電弧放射的光(L1)被電極本身遮擋，或者在反射鏡200反射的光(L2)被電極或其它燈構(gòu)成部分遮擋的問題。
圖10所示的結(jié)構(gòu)例如記載在日本特開平3-266824號或日本實(shí)開昭63-162320號中。
專利文獻(xiàn)1日本特開平3-266824
專利文獻(xiàn)2日本實(shí)開昭63-162320
專利文獻(xiàn)3日本特開2002-298625

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的課題在于提供一種能夠有效利用燈的放射光并且適合小型化要求的光學(xué)裝置。
為了解決上述課題，本發(fā)明的一種光學(xué)裝置由一對電極相對設(shè)置在放電容器內(nèi)的短弧型放電燈；以及被配置成在光軸與該放電燈的電弧方向一致的狀態(tài)下包圍該放電燈的凹面反射鏡構(gòu)成。
(甲)并且，凹面反射鏡由前方橢圓面反射鏡部分、中央球面反射鏡部分、及后方橢圓面反射鏡部分構(gòu)成。前方橢圓面反射鏡部分與后方橢圓面反射鏡部分均構(gòu)成為，至少第一焦點(diǎn)在電極間一致，并且具有相對于該凹面反射鏡的光放射方向彼此處于前后的位置關(guān)系。此外，中央球面反射鏡部分以第一焦點(diǎn)為中心位置，位于前方橢圓面反射鏡部分與后方橢圓面反射鏡部分之間。
(乙)進(jìn)而，虛擬切線VTL與光軸Z形成的角度α和虛擬直線VSL與光軸Z形成的角度β的關(guān)系為β＞α。在此，虛擬切線VTL為從電極間的中心位置A1向位于凹面反射鏡的頂部側(cè)的電極E1的外表面形成的直線，虛擬直線VSL為由中央球面反射鏡部分與后方橢圓面反射鏡部分的邊界位置與中心位置A1形成的直線。
(丙)進(jìn)而，位于凹面反射鏡的光放射方向的相反側(cè)的電極E1的體積V(mm3)與穩(wěn)定點(diǎn)亮?xí)r的燈功率(P)之間的關(guān)系滿足0.07×EXP(0.014×P)＜V。
在本發(fā)明中，凹面反射鏡由前方橢圓面反射鏡部分、中央球面反射鏡部分、及后方橢圓面反射鏡部分構(gòu)成，因此在后方橢圓面反射鏡部分反射的光并不返回放電電弧，而是使其向前方開口反射。
進(jìn)而，從電極間的中心位置A1向位于凹面反射鏡的頂部側(cè)的電極的外表面形成的虛擬切線VTL與放電燈的電極延伸的方向之間形成的角度α，和由中央球面反射鏡部分與后方橢圓面反射鏡部分的邊界位置與中心位置A1處形成的虛擬直線VSL與放電燈的電極延伸的方向之間形成的角度β的關(guān)系為β＞α，因此限定了位于頂部側(cè)的電極的形狀，以使應(yīng)該在后方橢圓面反射鏡部分反射的光充足。
進(jìn)而，一對電極中位于凹面反射鏡的光放射方向的相反側(cè)的電極的體積V(mm3)與穩(wěn)定點(diǎn)亮?xí)r的燈功率(P)之間的關(guān)系滿足0.07×EXP(0.014×P)＜V，從而位于頂部側(cè)的電極的體積和形狀受到限制，但能夠具有耐受熱容量的功能。



圖1表示本發(fā)明涉及的光學(xué)裝置的整體結(jié)構(gòu)。
圖2表示本發(fā)明涉及的光學(xué)裝置的其它實(shí)施例。
圖3表示用于說明本發(fā)明涉及的光學(xué)裝置的光放射的結(jié)構(gòu)。
圖4表示本發(fā)明涉及的光學(xué)裝置的局部放大圖。
圖5表示本發(fā)明涉及的光學(xué)裝置的電極體積與虛擬切線的變形例。
圖6表示本發(fā)明涉及的光學(xué)裝置的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
圖7表示本發(fā)明涉及的光學(xué)裝置的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
圖8表示本發(fā)明涉及的光學(xué)裝置的放電燈。
圖9表示本發(fā)明涉及的光學(xué)裝置的供電裝置。
圖10表示現(xiàn)有的光學(xué)裝置。

具體實(shí)施例方式 圖1表示本發(fā)明涉及的光學(xué)裝置的整體的外觀圖。
光學(xué)裝置由放電燈(以下簡稱為“燈”)10和凹面反射鏡(以下簡稱為“反射鏡”)20構(gòu)成。燈10的一對電極在發(fā)光部中相對設(shè)置。反射鏡20以包圍燈10的方式設(shè)置，燈10的電弧方向、即將電極的前端之間連接的方向與反射鏡20的光軸Z一致。
燈10具有發(fā)光部11和其兩端的封閉部12(12a、12b)，一個的封閉部12a被安裝于反射鏡20的頭部(頂部)24。燈10與反射鏡20的固定使用粘接劑等，但是也可以如圖所示將兩者直接安裝，也可以使用燈頭(反射基底/Reflex Base)等其它部件，將燈10安裝在反射基底上，將反射鏡20固定在該反射基底上。
反射鏡20整體為凹面形狀(大致碗形)，在前方具有用于光放射的前方開口M1，在后方(頂部)具有燈10穿過的頂部開口M2，從該前方開口M1開始，依次構(gòu)成有前方橢圓面反射鏡部分21、中央球面反射鏡部分22、后方橢圓面反射鏡部分23、以及筒狀的頭部24。在前方橢圓面反射鏡部分21、中央球面反射鏡部分22、以及后方橢圓面反射鏡部分23這三個反射鏡部分反射燈10的放射光，從前方開口M1放射到反射鏡外部。
具體地說，前方橢圓面反射鏡部分21由在前端邊緣形成有前方開口M1的旋轉(zhuǎn)橢圓面反射鏡構(gòu)成，以與該前方橢圓面反射鏡部分21的后方連續(xù)的狀態(tài)設(shè)有由球面鏡構(gòu)成的中央球面反射鏡部分22，以與該中央球面反射鏡部分22的后方連續(xù)的狀態(tài)設(shè)有由旋轉(zhuǎn)橢圓面反射鏡21構(gòu)成的后方橢圓面反射鏡部分23。
進(jìn)而，在后方橢圓面反射鏡部分23的后端邊緣形成有頂部開口M2，連續(xù)形成以該頂部開口M2為一個開口的頭部24。燈10的封閉部12a以從頂部開口M2進(jìn)入并從開口M3突出的方式設(shè)置，因此頭部24的內(nèi)徑稍大于封閉部12a的外徑，整體形狀為大致圓筒形。另外，頭部24不需要是在整個區(qū)域具有外壁的圓筒形狀，也可以在一部分具有冷卻用開口或粘接劑注入用開口，此外，形狀也不局限于圓筒。進(jìn)而，頭部24并不是必需的，只要放電燈10能用外部機(jī)構(gòu)保持，則也可以僅設(shè)置頂部開口M2。
在此，前方橢圓面反射鏡部分21的第一焦點(diǎn)的位置、中央球面反射鏡部分22的中心點(diǎn)的位置、以及后方橢圓面反射鏡部分23的第一焦點(diǎn)的位置均形成于燈10的電極之間。該位置最優(yōu)選為電弧最明亮的位置(亮點(diǎn))，但只要是電極間的任意位置，則未必限定于亮點(diǎn)，例如也可方便地設(shè)定在電極間的中心位置。這是由于，如后文所述，電極間距離為2.0mm左右很小的長度。
此外，最優(yōu)選前方橢圓面反射鏡部分21的第一焦點(diǎn)的位置、中央球面反射鏡部分22的中心點(diǎn)的位置、以及后方橢圓面反射鏡部分23的第一焦點(diǎn)的位置在光學(xué)上完全一致，但若是實(shí)用上沒有影響的范圍，則也可產(chǎn)生一些位置偏差。這是由于，用作投影裝置的光源的燈的電極間距離為2.0mm以下很小的長度，在該范圍內(nèi)，即使前方橢圓面反射鏡部分21的第一焦點(diǎn)的位置、中央球面反射鏡部分22的中心點(diǎn)的位置、以及后方橢圓面反射鏡部分23的第一焦點(diǎn)的位置存在偏差，實(shí)質(zhì)上也能發(fā)揮本發(fā)明的作用效果。因此，只要該三個位置存在于一對電極間、形成有電弧的區(qū)域內(nèi)，則在本發(fā)明中可認(rèn)為三個位置實(shí)質(zhì)上一致。
前方橢圓面反射鏡部分21、中央球面反射鏡部分22、以及后方橢圓面反射鏡部分23連續(xù)形成，因此前方橢圓面反射鏡部分21的后端邊緣的開口徑與中央球面反射鏡部分22的前端邊緣的開口徑相同，中央球面反射鏡部分22的后端邊緣的開口徑與后方橢圓面反射鏡部分23的前端邊緣的開口徑相同。
前方橢圓面反射鏡部分21、中央球面反射鏡部分22、以及后方橢圓面反射鏡部分23在物理上可以由同一部件構(gòu)成整體，但是也可以使各反射鏡部分獨(dú)立形成，或者僅使任意一個獨(dú)立形成，并將它們組合。
構(gòu)成各反射鏡部分的材料沒有特殊限制，只要能將來自燈的放射光反射即可。但是，從用于投影裝置的意義出發(fā)，優(yōu)選耐熱性、耐強(qiáng)度性優(yōu)良的部件。具體地說，是將硼硅酸玻璃、石英玻璃等作為基材的部件。要求耐熱性的理由在于在燈點(diǎn)亮?xí)r，反射鏡會達(dá)到400℃左右的高溫。另外，要求耐強(qiáng)度性的理由在于在投影裝置的內(nèi)部，在與其它電氣部件或光學(xué)部件密集配置的情況下不會產(chǎn)生變形，或者在燈萬一破損時不會同樣破損。
各反射鏡部分的反射面在上述耐熱性、耐強(qiáng)度性優(yōu)良的基材上實(shí)施有用于使可視光區(qū)域的光的反射的反射膜。反射膜通過蒸鍍鋁、銠等金屬蒸鍍膜，或者蒸鍍將氧化硅(SiO2)與氧化鈦(TiO2)適當(dāng)層積而成的多層膜而形成。另外，反射膜是整體上厚度為數(shù)μm左右的薄膜，因此未在附圖中表示。
進(jìn)而，反射鏡20例如也可使用鋁、銅等金屬材料。在是金屬材料的情況下，可由原材料本身反射可視光時，不需要金屬蒸鍍膜等反射膜。
圖2是圖1的變形例，表示在反射鏡20的前方開口M1處安裝有透光性的前玻璃25的結(jié)構(gòu)。前玻璃25例如由硼硅酸玻璃構(gòu)成，如圖所示，可以與反射鏡20直接接合，或者也可以將前玻璃25安裝在框架部件上，將框架部件和反射鏡接合。通過設(shè)置前玻璃25，能夠使反射鏡20的內(nèi)部形成密閉結(jié)構(gòu)。根據(jù)該密閉結(jié)構(gòu)，在放電燈10萬一破損時等，能夠防止碎片的散落。進(jìn)而，在安裝前玻璃25的情況下，反射鏡20的內(nèi)部也可以不是完全密閉的結(jié)構(gòu)，可以在前玻璃25與反射鏡20的前方開口M1之間設(shè)置冷卻風(fēng)用開口。該冷卻用開口例如可以設(shè)置在框架部件上，或在前方橢圓面反射鏡部分21的一部分上設(shè)置成切口。
另外，前玻璃也可以不直接安裝于反射鏡20的前方開口M1上，而是采用如下結(jié)構(gòu)在反射鏡的外部、即在投影裝置或其它安裝部件上準(zhǔn)備實(shí)質(zhì)上相當(dāng)于前玻璃的部件，在將反射鏡20安裝于這種投影裝置或安裝部件上的情況下，其結(jié)果為在反射鏡的前方開口M1設(shè)置前玻璃。
另一方面，如圖1所示的結(jié)構(gòu)，在不存在前玻璃25的情況下，具有以下優(yōu)點(diǎn)。即，在反射鏡20反射的光大部分透過前玻璃25射入設(shè)置在前方的光學(xué)元件上，但是存在很少量的光在前玻璃25再次反射而再次對燈10進(jìn)行照射的成分。在這種情況下，不僅光的利用效率下降，而且還成為使燈達(dá)到高溫的原因。
圖3表示用于說明本發(fā)明涉及的光學(xué)裝置的光的放射方向的結(jié)構(gòu)。為了便于說明，對燈及反射鏡的構(gòu)成要素進(jìn)行了部分刪除。
前方橢圓面反射鏡部分21的第一焦點(diǎn)F121、中央球面反射鏡部分22的中心點(diǎn)F122、以及后方橢圓面反射鏡部分23的第一焦點(diǎn)F123均與燈10的電極間的中心位置A1一致。
此外，來自前方橢圓面反射鏡部分21的反射光、及來自后方橢圓面反射鏡部分23的反射光的第二焦點(diǎn)位于棒形透鏡30的入射面31的中心點(diǎn)A2。但是，在來自前方橢圓面反射鏡部分21的反射光、及來自后方橢圓面反射鏡部分23的反射光被燈自身遮擋等而無法在光學(xué)上聚光于中心點(diǎn)A2時，也可以將前方橢圓面反射鏡部分21的第二焦點(diǎn)或后方橢圓面反射鏡部分23的第二焦點(diǎn)分別設(shè)置在棒形透鏡30的內(nèi)部的、光軸Z的延長線上的位置F23。該第二焦點(diǎn)的位置由棒形透鏡30的入射面31的大小、反射鏡20的前方開口徑、或燈的封閉部的尺寸等決定。
燈的放射光在反射鏡20反射，入射到棒形透鏡30。其中，光L21為在前方橢圓面反射鏡部分21反射的光，并朝中心點(diǎn)A2聚光。另外，如上所述，反射鏡20為旋轉(zhuǎn)面體，因此為了簡便，在圖中僅示例了比光軸Z在上方的一束光，實(shí)際上以光軸Z為中心在所有方向上均存在光。
在來自燈的放射光中，光L22為朝中央球面反射鏡部分22放射的光，在由中央球面反射鏡部分22反射之后，經(jīng)由相同的光路再次返回中心位置A1(F122)。并且，在穿過中心位置A1之后，在前方橢圓面反射鏡部分21反射，在與光L21相同的線路上前進(jìn)。即，中央球面反射鏡部分22是以位置A1為中心點(diǎn)的球面，因此承擔(dān)著使反射光全部返回位置點(diǎn)A1的任務(wù)。這樣，在前方橢圓面反射鏡部分21的后方設(shè)置中央球面反射鏡部分22的優(yōu)點(diǎn)在于有效利用放射光，假如在僅由前方橢圓面反射鏡部分21構(gòu)成反射鏡的情況下，在中心位置A1產(chǎn)生的光中，會根據(jù)放射角度而不能引導(dǎo)至棒形透鏡30的入射面31，另外如果僅用前方橢圓面反射鏡部分21將在中心位置A1產(chǎn)生的光全部引導(dǎo)至棒形透鏡30的入射面31，則會產(chǎn)生反射鏡20的大小(徑向)增大、或增大反射鏡20的前方開口徑等尺寸上的問題。關(guān)于這一點(diǎn)，可參照上述專利文獻(xiàn)1或?qū)＠墨I(xiàn)2。此外，中央球面反射鏡不需要必須是球面，只要能夠使光反射到燈中相對的一對電極之間即可，因此也可以是在電極之間具有第一焦點(diǎn)、第二焦點(diǎn)的橢圓面或滿足此要求的凹面。
在來自燈的放射光中，光L23為在后方橢圓面反射鏡部分23反射的光，朝中心點(diǎn)A2聚光。另外，在附圖中，將前方橢圓面反射鏡部分21的反射光標(biāo)于光軸Z的上方，將后方橢圓面反射鏡部分23的反射光標(biāo)于光軸Z的下方，但這是由于光線的軌跡在附圖上很復(fù)雜，因此僅是為了方便說明而作出了分開標(biāo)識，任何反射光均以光軸Z為中心存在于所有方向上。
在此，設(shè)置后方橢圓面反射鏡部分23的優(yōu)點(diǎn)在于，能夠進(jìn)一步提高光的利用效率。這是由于，假設(shè)考慮未設(shè)置后方橢圓面反射鏡部分23而是球面反射鏡部分形成至頭部的情況，則即使來自電弧的放射光中朝頭部附近(圖3中的位置232)放射的光(與光軸Z的角度小的光)在球面反射鏡部分反射，該反射光也受到燈的玻璃管引起的折射的影響，不能返回電弧，而與電極等沖突并被遮擋。總之，即使使用球面反射鏡部分，在頭部24附近反射的光也不能朝電弧方向返回并良好地引導(dǎo)至前方橢圓面反射鏡部分21。因此，在球面反射鏡部分22的后方進(jìn)一步設(shè)置后方橢圓面反射鏡部分23，使射入到該后方橢圓面反射鏡部分23的光不朝電弧方向反射，而是直接朝中心點(diǎn)A2反射。
在此，在光學(xué)上難以使后方橢圓面反射鏡部分23聚光于中心點(diǎn)A2的情況下，不需要必須聚光于中心點(diǎn)A2。也可以在棒形透鏡30的內(nèi)部形成第二焦點(diǎn)F2。
這樣，本發(fā)明的第一特征在于由前方橢圓面反射鏡部分、中央球面反射鏡部分、以及后方橢圓面反射鏡部分構(gòu)成凹面反射鏡。根據(jù)該結(jié)構(gòu)，即使縮小凹面反射鏡的尺寸，也能夠良好地獲得放射光，而不會被燈的構(gòu)成部件或構(gòu)成元件遮擋。
圖4表示圖1所示的光學(xué)裝置的局部放大圖。
角度α是從電極間的中心位置A1向位于反射鏡20的頂部側(cè)的電極E1的外表面延伸的虛擬切線VTL(virtual tangential line)與光軸Z相交的角度。
角度β是將中央球面反射鏡部分22與后方橢圓面反射鏡部分23的邊界位置BL(boundary location)和中心位置A1連接的虛擬直線VSL(virtual straight line)與光軸Z相交的角度。
在此，角度β必須大于角度α。這是由于，在角度α大于角度β的情況下，從電弧向后方橢圓面反射鏡部分23直射的放射光會消失，無法利用后方橢圓面反射鏡部分23的功能。因此，電極E1必須設(shè)計(jì)成使角度β大于角度α的形狀。角度β與角度α的關(guān)系更優(yōu)選角度β＞角度α×1.5。這是由于，為了充分利用后方橢圓面反射鏡部分23的功能，需要優(yōu)選角度β大于角度α的1.5倍。此外，將后方橢圓面反射鏡部分23的后端邊緣部分232與中心位置A1連接的直線與光軸Z形成的角度為角度α的最小值。若表示為數(shù)值例，則角度α為30°，角度β為60°。
圖5表示電極形狀與虛擬切線VTL的變形例。
(a)表示在電極前端形成有突起的結(jié)構(gòu)。電極E1及電極E2分別由棒形部分Ep和大徑部Ea構(gòu)成，在大徑部Ea的前端分別形成有突起p1及p2。在這種情況下，中心位置A1嚴(yán)格地說是突起p1及p2前端之間的分離距離Dp的中心。但是，為了簡便，可用電極E1和電極E2前端之間的分離距離De的中心代替。這是由于，電極間距離為2.0mm以下很小的長度，突起的大小也是0.3mm這樣很小的量級。此外，也是因?yàn)?，突起p伴隨燈的點(diǎn)亮而反復(fù)增長和蒸發(fā)，突出長度始終變化。另外，日本特開2004-247092號及日本特開2001-312997號中記載了產(chǎn)生突起的理由及機(jī)理。因此，虛擬切線VTL為中心位置A1與大徑部Ea外表面的切線。
(b)表示電極E1的前端為圓臺形狀的結(jié)構(gòu)。電極E1由棒形部件Ep和前端的圓臺部分Eb構(gòu)成。虛擬切線VTL為中心位置A1與圓臺部分Eb的切線，在中心位置A1與圓臺部分Eb的距離近的情況下，切線VTL為與前端面的外周邊緣Eb2接觸的直線，此外在中心位置A1與圓臺部分Eb的前端面的距離較遠(yuǎn)的情況下，虛擬切線VTL為與圓臺部分Eb的底座的外周邊緣Eb1接觸的直線。即，根據(jù)圓臺部分Eb與中心位置A1的距離的大小，虛擬切線VTL與電極Eb接觸的位置會變化。這種電極E1主要用于直流點(diǎn)亮型燈的陽極。
(c)表示電極E1為棒形電極并卷繞有線圈C的結(jié)構(gòu)。電極E1由棒形部分Ep和線圈Ec構(gòu)成。在這種情況下，虛擬切線VTL用與線圈Ec的外周邊緣C1接觸的直線描繪。這是由于，線圈Ec為遮擋放射光的因素。這種電極主要在小型放電燈上采用，交流點(diǎn)亮型燈采用兩個電極上，直流點(diǎn)亮型燈采用陰極上。線圈Ec是將線狀物質(zhì)卷繞在棒形部分上的結(jié)構(gòu)，但是也有通過切削加工一體物而形成的情況。另外，線圈Ec在燈點(diǎn)亮起動時起到起動起點(diǎn)的功能，在平常點(diǎn)亮?xí)r起到散熱部件的功能。
(d)表示電極E1為所謂熔融電極的結(jié)構(gòu)。電極E1由棒形部分Ep、線圈部分Ec、大徑部Ed、和突起p構(gòu)成。該電極在一根棒上卷繞線條線圈，由該狀態(tài)將線圈熔化，從而形成大徑部Ed。即，線圈部分Ec沒有完全熔化而保留線圈的形狀，但是大徑部Ed完全熔融到不保留線圈的形狀而形成。此外，突起p可以是棒形部分Ep的前端，但起初也可以不形成突起p。因?yàn)闀匀划a(chǎn)生。在這種情況下，虛擬切線VTL為中心位置A1與大徑部Ed的外周邊緣或線圈部分Ec的外周邊緣中的任意一個相連的直線。
以上，在圖5中表示了電極的具體例子，并對虛擬切線VTL及中心位置A2的定義進(jìn)行了說明，其重點(diǎn)在于，來自電弧的放射光不被電極遮擋地直射到后方橢圓面反射鏡部分23的區(qū)域達(dá)到最大的切線為虛擬切線VTL。此外，本發(fā)明的第二特征在于虛擬切線VTL和光軸Z形成的角度α與虛擬直線VSL和光軸Z形成的角度β的關(guān)系為β＞α。
進(jìn)而，本發(fā)明的放電燈將電極E1的體積V(mm3)與額定點(diǎn)亮?xí)r的點(diǎn)亮功率P(wattage)之間的關(guān)系規(guī)定為“0.07×EXP(0.014×P)＜V”。這是因?yàn)?，本發(fā)明的放電燈在亮燈時溫度很高，因此若電極體積小，則在熱容量方面無法承受而熔融。特別是在本發(fā)明中，根據(jù)上述“角度β＞角度α”的規(guī)定，電極形狀受到限制，并且放電空間的內(nèi)容積在300mm3以下且放電空間的最大尺寸(電極延伸方向的尺寸)為12mm左右，即比較小，因此存在無法隨意增大電極體積的前提。本發(fā)明為了同時滿足電極在燈點(diǎn)亮?xí)r不熔融、以及放射光能夠到達(dá)后方橢圓面反射鏡部分這兩點(diǎn)，對電極的體積進(jìn)行了規(guī)定。這是本發(fā)明的第三特征。
在本發(fā)明中，根據(jù)實(shí)驗(yàn)導(dǎo)出電極體積V(mm3)與點(diǎn)亮功率P(wattage)的關(guān)系。
在實(shí)驗(yàn)中，點(diǎn)亮數(shù)種電極體積V(mm3)與點(diǎn)亮功率P(wattage)不同的放電燈，進(jìn)行與電極熔融有關(guān)的觀察。
具體地說，對點(diǎn)亮功率P為230W、250W、275W這3種進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對于230W，觀察電極體積V(mm3)為1.55、1.60、1.72、1.92、2.02這5種；對于250W，觀察電極體積V(mm3)為2.15、2.27、2.46、2.78這4種；對于275W，觀察電極體積V(mm3)為3.01、3.08、3.24、3.34、3.40、3.68、3.95這7種。每種燈各點(diǎn)亮5根，因此實(shí)驗(yàn)的燈的總計(jì)根數(shù)是16種×5根為80根。
放電燈的結(jié)構(gòu)如后述的圖8所示，在電極E的前端具有突起。因此，電極如圖5(a)所示。
放電燈的點(diǎn)亮以點(diǎn)亮2小時后熄滅15分鐘作為一個循環(huán)，觀察重復(fù)50個循環(huán)后的電極。
觀察電極時，在上述50個周期結(jié)束后，通過X線裝置觀察電極E1，將突起完全消失判斷為“熔融”，將突起的形狀保留點(diǎn)亮初期的一半以上判斷為“未熔融”。X線裝置使用SMX-100(島津制造所制造)。
在實(shí)驗(yàn)中，電極體積及點(diǎn)亮功率均作為投影裝置的燈而選擇屬于一般范圍的值。此外，作為點(diǎn)亮條件的“以點(diǎn)亮2小時后熄滅15分鐘作為一個循環(huán)，重復(fù)50個循環(huán)”是假設(shè)投影裝置的比較苛刻的使用狀況而進(jìn)行的。
圖6表示實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
對于230W，電極體積V(mm3)為1.55、1.60的燈的突起5根均完全消失。另一方面，電極體積V(mm3)為1.72、1.92、2.02的3種燈各自的突起5根均幾乎完全保留。此外，對于250W，電極體積V(mm3)為2.15的5根燈的突起均完全消失。另一方面，電極體積V(mm3)為2.27、2.46、2.78的3種燈各自的突起5根均幾乎完全保留。進(jìn)而，對于275W，電極體積V(mm3)為3.01、3.08的燈各自的突起5根均完全消失。另一方面，電極體積V(mm3)為3.24、3.34、3.40、3.68、3.95的5種燈各自的突起5根均完全保留。
圖7表示將上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果制成圖表?？v軸表示電極體積V(mm3)，橫軸表示額定點(diǎn)亮功率P(wattage)。
在各點(diǎn)亮功率P(wattage)中，以未熔融的電極中體積最小的電極為點(diǎn)，描繪近似曲線。該近似曲線為“V＝0.0675e0.0141P”(e的0.0141P次冪)?？紤]到誤差等，導(dǎo)出電極體積V(mm3)與額定點(diǎn)亮功率P(wattage)的關(guān)系式為“0.07×EXP(0.014×P)＜V”。
這樣，在本發(fā)明中，即使電極的形狀受到限制，以使電弧的放射光到達(dá)凹面反射鏡的后方橢圓面反射鏡部分，但從該電極在燈點(diǎn)亮?xí)r不熔融的觀點(diǎn)出發(fā)，電極體積V與點(diǎn)亮功率P的關(guān)系被規(guī)定為“0.07×EXP(0.014×P)＜V”。
在此，本發(fā)明中，“電極體積”不包含棒形部分，而是指棒形部分前端的大徑部分。在圖5(a)中指前端大徑部Ea的體積。另外，嚴(yán)格地說也應(yīng)包含突起P的體積而進(jìn)行解釋，但突起p的體積與大徑部Ea的體積相比非常小，并且體積隨點(diǎn)亮?xí)r間的經(jīng)過而變化，因此實(shí)際上可以用大徑部Ea的體積來求出。在圖5(b)中指圓臺部分Eb的體積。在這種情況下，也與(a)同樣不包含棒形部分Ep的體積。在圖5(c)中包含線圈部分Ec及比線圈部分Ec更向前端突出的棒形部分的體積而進(jìn)行解釋。不包含比線圈部分Ec靠后端的棒形部分Ep的體積。在圖5(d)中指線圈部分Ec與大徑部分Ed的總計(jì)體積。
此外，“點(diǎn)亮功率”是在燈或其容器上顯示的燈功率，指不包含鎮(zhèn)流器造成的損失的燈的消耗功率。
在此，圖1所示光學(xué)裝置的數(shù)值例如下 反射鏡整體長度(光軸方向的長度)為34.2mm， 前方橢圓面反射鏡部分21的長度(光軸方向的長度)為26.0mm， 中央球面反射鏡部分22的長度(光軸方向的長度)為6.4mm， 后方橢圓面反射鏡部分23的長度(光軸方向的長度)為2.0mm， 前方橢圓面反射鏡部分21的前方開口徑為39.3mm， 中央球面反射鏡部分22的前方開口徑為22.0mm， 后方橢圓面反射鏡部分23的前方開口徑為18.0mm， 后方橢圓面反射鏡部分23的后方開口徑為φ10.0mm， 前方橢圓面反射鏡部分21的第一焦點(diǎn)距離為6.0mm， 前方橢圓面反射鏡部分21的第二焦點(diǎn)距離為65.0mm， 燈的電極間距離為1.0mm， 反射鏡的前方開口與光學(xué)元件的入射面的距離為33.0mm， 光學(xué)元件的入射面的面積為28.27mm2(φ6)。
角度α為30°。
角度β為60°。
圖8表示作為本發(fā)明的對象的高壓放電燈。
放電燈10具有由石英玻璃的放電容器形成的大致球形的發(fā)光部11。在該發(fā)光部11中，在前端具有塊狀部的一對電極E(E1、E2)以2mm以下的間隔相對設(shè)置。此外，在發(fā)光部11的兩端部形成有封閉部12。在該封閉部12中，例如通過收縮密封(Shrink Seal)氣密地埋設(shè)有由鉬構(gòu)成的導(dǎo)電用金屬箔13。電極E的軸部與金屬箔13的一端接合，此外外部導(dǎo)線14與金屬箔13的另一端接合，從而從外部的供電裝置進(jìn)行供電。
電極E(E1)在棒形部分Ep上形成有大徑部Em，在大徑部Em的周圍設(shè)置有線圈部分Ec。在大徑部Em的前端形成有突起p。這些棒形部分Ep、大徑部Em、線圈部分Ec、以及突起p由一根鎢棒通過切削加工而作成。因此，與所謂熔融電極(通過在鎢棒上卷繞線條線圈，并使該線圈熔融，從而形成大徑部的電極)相比，電極整體的形狀可按設(shè)計(jì)制作，能夠準(zhǔn)確地形成角度α。另外，雖然也預(yù)先形成突起p作為種子，但由于隨著燈的照亮而反復(fù)增長、蒸發(fā)，因此突起p的大小會變化。另外，起初也可以制作不存在突起p的電極E。在這種情況下，也會隨著燈的點(diǎn)亮而自然形成突起。
在發(fā)光部11中封入有水銀、稀有氣體、和鹵素氣體。水銀用于獲得所需的可視光波長、例如波長為360～780nm的放射光，封入0.2mg/mm3以上。該封入量根據(jù)溫度條件而不同，但是在點(diǎn)亮?xí)r達(dá)到200大氣壓以上的很高的蒸氣壓。此外，通過將水銀封入更多，可制作出點(diǎn)亮?xí)r的水銀蒸氣壓在250大氣壓以上、300大氣壓以上的高水銀蒸氣壓放電燈，水銀蒸氣壓越高，越能夠?qū)崿F(xiàn)適用于投影裝置的光源。
稀有氣體例如封入氬氣約13kPa。其功能在于改善點(diǎn)亮起動性。鹵素通過碘、溴、氯等與水銀或其它金屬的化合物的形式封入。鹵素的封入量在10-6μmol/mm3～10-2μmol/mm3的范圍中選擇。鹵素的功能在于所謂的利用鹵素循環(huán)實(shí)現(xiàn)的長壽命化，但在如本發(fā)明的放電燈等非常小型且點(diǎn)亮蒸氣壓非常高的放電燈中，還能起到防止放電容器失透的作用。
若表示放電燈的數(shù)值例，則例如發(fā)光部11的最大外徑為11.5mm，電極間距離為1.0mm，發(fā)光管內(nèi)容積為75mm3，額定電壓為70V，額定功率為200W，并進(jìn)行交流點(diǎn)亮。
此外，這種放電燈內(nèi)置于小型投影裝置中，要求整體尺寸非常小，另一方面還要求高發(fā)光光量。因此，發(fā)光部內(nèi)的熱影響極為嚴(yán)格。燈的管壁負(fù)荷值為0.8～2.0W/mm2，具體為1.5W/mm2。
在將這種具有高水銀蒸氣壓及管壁負(fù)荷值的放電燈安裝在如投影裝置或高架投影儀等演示用儀器中的情況下，能夠提供顯色性良好的光。
另外，放電燈并不局限于交流點(diǎn)亮，也可以為直流點(diǎn)亮。
圖9表示用于點(diǎn)亮本發(fā)明涉及的放電燈的供電裝置。
供電裝置由具有開關(guān)元件Qx的斬波電路91、包括線圈Lx和電容器Cx的平滑電路92，點(diǎn)亮起動用起動電路93、以及驅(qū)動開關(guān)元件Qx的控制電路94構(gòu)成。
控制電路94通過電阻R1、R2、R3檢測放電燈10的點(diǎn)亮電壓及點(diǎn)亮電流，換算求出點(diǎn)亮功率，并且與標(biāo)準(zhǔn)功率值進(jìn)行比較，對開關(guān)元件Qx進(jìn)行反饋控制。
在斬波電路91中控制的電流在平滑電路92中變成直流輸出，供給到放電燈10。
點(diǎn)亮動作如下首先，若由起動電路93產(chǎn)生高壓脈沖，則在放電燈10的電極間產(chǎn)生絕緣擊穿，產(chǎn)生輝光放電。輝光放電隨即變成電弧放電，放電燈達(dá)到穩(wěn)定。
如上所述，在本發(fā)明涉及的光學(xué)裝置中，凹面反射鏡由前方橢圓面反射鏡部分、中央球面反射鏡部分、及后方橢圓面反射鏡部分構(gòu)成，因此在后方橢圓面反射鏡部分反射的光并不返回放電電弧，而是使其向前方開口反射。
此外，從電極間的中心位置A1向位于凹面反射鏡的頂部側(cè)的電極的外表面形成的虛擬切線VTL與放電燈的電極延伸的方向之間形成的角度α，和由中央球面反射鏡部分與后方橢圓面反射鏡部分的邊界位置與中心位置A1形成的虛擬直線VSL與放電燈的電極延伸的方向之間形成的角度β的關(guān)系為β＞α，因此限定了位于頂部側(cè)的電極的形狀，以使應(yīng)該在后方橢圓面反射鏡部分反射的光充足。
進(jìn)而，一對電極中位于凹面反射鏡的光放射方向的相反側(cè)的電極的體積V(mm3)與穩(wěn)定點(diǎn)亮?xí)r的燈功率(P)之間的關(guān)系滿足0.07×EXP(0.014×P)＜V，從而位于頂部側(cè)的電極的體積與形狀受到限制，但能夠具有耐受熱容量的功能。
權(quán)利要求
1.一種光學(xué)裝置，由一對電極相對設(shè)置在放電容器內(nèi)的短弧型放電燈；以及被配置成在光軸與該放電燈的電弧方向一致的狀態(tài)下包圍該放電燈的凹面反射鏡構(gòu)成，其特征在于
上述凹面反射鏡由前方橢圓面反射鏡部分、中央球面反射鏡部分、及后方橢圓面反射鏡部分構(gòu)成，
上述前方橢圓面反射鏡部分與上述后方橢圓面反射鏡部分均構(gòu)成為至少第一焦點(diǎn)在上述電極間一致，并且具有相對于該凹面反射鏡的光放射方向彼此處于前后的位置關(guān)系，上述中央球面反射鏡部分以上述第一焦點(diǎn)為中心位置(CP)，位于上述前方橢圓面反射鏡部分與上述后方橢圓面反射鏡部分之間，并且
從上述中心位置(CP)向位于上述凹面反射鏡的頂部側(cè)的電極的外表面形成的虛擬切線(VTL)與放電燈的電極延伸的方向之間形成的角度α，和由上述中央球面反射鏡部分與上述后方橢圓面反射鏡部分的邊界位置與上述中心位置(CP)形成的虛擬直線(VSL)與放電燈的電極延伸的方向之間形成的角度β的關(guān)系為β＞α，
在上述放電燈中，上述一對電極中位于上述凹面反射鏡的光放射方向的相反側(cè)的電極的體積V(mm3)與穩(wěn)定點(diǎn)亮?xí)r的燈功率(P)之間的關(guān)系滿足0.07×EXP(0.014×P)＜V。
全文摘要
本發(fā)明提供一種能夠有效利用燈的放射光并且適合小型化要求的光學(xué)裝置。在由放電燈(10)和凹面反射鏡(20)構(gòu)成的光學(xué)裝置中，(甲)凹面反射鏡(20)由前方橢圓面反射鏡部分(21)、中央球面反射鏡部分(22)、及后方橢圓面反射鏡部分(23)構(gòu)成。(乙)虛擬切線(VTL)與光軸Z形成的角度α、和虛擬直線(VSL)與光軸(Z)形成的角度β的關(guān)系為β＞α。(丙)電極(E1)的體積V(mm3)與燈功率(P)之間的關(guān)系滿足0.07×EXP(0.014×P)＜V。
文檔編號F21V7/04GK101255973SQ20071015989
公開日2008年9月3日 申請日期2007年12月25日 優(yōu)先權(quán)日2007年2月27日
發(fā)明者東間崇寬, 堀川好廣, 紺谷亙 申請人:優(yōu)志旺電機(jī)株式會社