JP2010146937A - 照明光学系および照明光の生成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】生成される照明光の光軸近傍の照度低下を防止し、照明光を利用する光学系の特性改善および低コスト化を実現する。
【解決手段】光源部２０から出射される光源光５０を、入射端面３１からロッドインテグレータ３０を通過させて出射端面３２から照明光５１として出力する照明光学系１０において、ロッドインテグレータ３０における入射端面３１の近傍にアキシコン４０を配置し、光源光５０が、アキシコン４０、ロッドインテグレータ３０を順に通過して照明光５１として出力されるようにして、照明光５１の光軸Ｃ_０の近傍における照度の低下を防止し、光軸Ｃ_０の近傍の光束で十分に光量を得られるようにして、照明光を利用する光学系の特性改善および低コスト化を実現する。
【選択図】 図２Ａ

Description

本発明は、照明光学系および照明光の生成方法に関する。

たとえば、特許文献１に開示されているように、超高圧水銀ランプなどを光源とする照明光学系では、光源像の近傍にロッドインテグレータの入射端面を置き、超高圧水銀ランプから出射される光を、ロッドインテグレータを通過させて光学的に均質化した後、射出端面から照明光として出力する構成が知られている。

ロッドインテグレータは一般的には矩形断面をもった直方体形状をしており、その内部で反射を繰り返すことで照度分布を均一化させる。
ところで、ロッドインテグレータは照明光を均一化するのに用いられるが、ロッドインテグレータの反射面である側面は平行に配置されているので、ロッドインテグレータを通過する照明光は、その照度は均一化されるが、その角度分布は変更されないまま出射される。

図１Ａに示されるように、超高圧水銀ランプ１００には発光部分であるアークの両側に一対の電極１０１および電極１０２を持ち、この部分が遮蔽物として作用するために、光軸方向の放射強度が低くなっている。

すなわち、図１Ａは、紙面内の上下方向（光軸方向）（図中では、０°と１８０°）が電極の対向方向を示しており、出射方向（０°側）およびランプを支持する口金１０３の側（１８０°）の方向が死角となって放射強度が極端に低くなることが判る。

この結果、従来技術のように単にロッドインテグレータ通過させただけでは、ロッドインテグレータから出射される照明光の光束の断面内において、中心の光軸近傍の光量が極端に減少し、中抜け状態の不均一な分布となることが明らかになった。

図１Ｂおよび図１Ｃは、このことを示すシミュレーションを示す概念図である。
すなわち、図１Ｂは、光軸方向に対向する電極１０１および１０２の間に形成されるアーク放電から光軸に交差する方向に光１０５が出力される状態を数千本の複数の光線でシミュレーションした状態を示している。ただし、本明細書では、見易やすさのため、光線の本数を減らして図示してある。他の図面も同様である。

また、図１Ｃは、この光１０５が、電極１０２の背後に位置する反射鏡１０４で反射されてロッドインテグレータ１０６に入射し、照明光１０７として出射される状態を複数の光線でシミュレーションした状態を示している。

図１Ｄは、数十万本の光線を使用してこのシミュレーションを行った結果を示す線図である。
なお、この図１Ｄは、ロッドインテグレータ１０６の出射端から１ｍ遠方に置いた曲率半径１０００ｍｍ、有効半径４５０ｍｍの図示しない球状スクリーン上での照度分布を示している。

すなわち、図１Ｄにおいて、縦軸は照度、横軸は、光軸を中心として、当該光軸に直交する方向の１軸上の座標を示している。
上述の図１Ｂおよび図１Ｃに示されるシミュレーションの結果、図１Ｄの照明光１０７
の配光分布１０７ａの曲線で示されるように、超高圧水銀ランプ１００のような光源の場合、ロッドインテグレータ１０６から出射される照明光１０７は、光軸近傍の照度が極端に低くなることが判る。このことは、光学系の光軸近傍部分の光を有効に使えないことを意味する。

なお、実際の超高圧水銀ランプではアーク領域は高温のガスで形成されるので上述のシミュレーションモデルのように中央部の照度が完全に欠落することはないが、中央部の照度が周辺に比べて落ちる現象が発生することには変わりがない。

なお、図１Ｄの配光分布１０７ａの曲線は、ギザギザの凹凸を有しているが、これは有限本数の光線でシミュレーションしたことが原因であり、実際は、凹凸の頂点部分の包絡線のように滑らかとなる。

このような、光軸近傍の照度が極端に低い中抜けの配光分布１０７ａのような配光特性は、照明光を利用する光学系にとっては好ましいものではない。
すなわち、このような中抜け状態の配光特性の照明光１０７を利用する場合、利用する光束の口径を大きくして光量を確保する必要がある。

ところが、一般に光学系は収差を有しており、光束の口径が大きくなるほど、光学素子が大口径化して、その影響を受けやすくなる。
あるいは必要な光量を確保するために大きなＮＡをもった光学系を採用する結果、照明光１０７を利用するシステムのコスト高の要因となる。
特開２００８−１６４８０１号公報

本発明の目的は、生成される照明光の光軸近傍の照度低下を防止し、照明光を利用する光学系の特性改善および低コスト化を実現することが可能な照明光学系および照明光の生成方法を提供することにある。

本発明の第１の観点は、発光手段から出射される光を導くロッドインテグレータと、
前記ロッドインテグレータにおける前記光の入射端の近傍に配置され、レンズ作用を具備した光学素子と、
を含む照明光学系を提供する。

本発明の第２の観点は、発光手段から出射される光を、レンズ作用を具備した光学素子およびロッドインテグレータを順に通過させて照明光を得る照明光の生成方法を提供する。

本発明によれば、生成される照明光の光軸近傍の照度低下を防止し、照明光を利用する光学系の特性改善および低コスト化を実現することが可能な照明光学系および照明光の生成方法を提供することができる。

本実施の形態では、一態様として、超高圧水銀ランプとともに照明光学系を構成するロッドインテグレータの入射端にアキシコンあるいはレンズを配置し、照明光の光軸近傍の配光特性を改善する。

たとえば、照明光学系において、光源像のできるロッドインテグレータの入射端面近傍にアキシコンを配置する。
従来の照明光学系では超高圧水銀ランプの形状から光軸方向の光強度が不足しており、配光特性に中抜け状態が生じていた。

本発明者らは、照明光学系のロッドインテグレータの入射端にアキシコンあるいはレンズを配置することで、照明光の光軸近傍の照度を高めるように配光特性を変えることができることを見出した。

このように、照明光の光軸近傍の照度を高めることにより、照明光を利用する光学系では、当該光学系の収差の小さな光軸近傍部分を活用でき、光学系の特性を改善することができる。

また、小さなＮＡあるいは大きなＦナンバーの光学系を採用することができ、照明光を利用する任意の光学システムのコストダウンが可能となる。
以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態について詳細に説明する。

（実施の形態１）
図２Ａは、本発明の一実施の形態である照明光の生成方法を実施する照明光学系の構成の一例を示す概念図である。

図２Ｂは、本実施の形態の照明光学系に用いられる光学素子の構成の一例を示す斜視図である。
図２Ｃは、本実施の形態の照明光学系に用いられるロッドインテグレータの構成の一例を示す斜視図である。

図２Ｄは、本実施の形態の照明光学系に用いられる光源部の構成の一例を示す斜視図である。
図２Ｅは、本実施の形態の照明光学系の効果を検証するためのシミュレーションの一例を示す概念図である。

図２Ｆは、本実施の形態の照明光学系のシミュレーションの結果を示す線図である。
図２Ａに例示されるように、本実施の形態の照明光学系１０は、光源部２０（発光手段）と、ロッドインテグレータ３０を備えている。

後述のように、光源部２０は、光軸Ｃ０の方向に対向する電極２２および電極２３と、この電極２２と電極２３間のアーク放電によって発生する光源光５０をロッドインテグレータ３０に向けて反射する反射鏡２６を備えている。

反射鏡２６は、光軸Ｃ０を対称軸とする回転対称な形状を呈し、光軸Ｃ０の上に、反射鏡２６、電極２２、電極２３、ロッドインテグレータ３０が同軸に配置されている。
すなわち、図２Ｄに例示されるように、一例として、本実施の形態の光源部２０は、超高圧水銀ランプ２１と、反射鏡２６を備えている。

超高圧水銀ランプ２１は、内部に一対の電極を有する発光部２１ａと、この発光部２１ａの両端に連設された一対の封止部２１ｂとからなる。
一対の封止部２１ｂには、一対の電極２２および電極２３の各々の電極棒２２ｂおよび電極棒２３ｂの基端部と外部リード線２４ａを接続する金属箔２４が封止されている。

すなわち、個々の電極２２および電極２３は、超高圧水銀ランプ２１の発光部２１ａに
対向して位置する電極棒２２ｂのおよび電極棒２３ｂ先端部に電極コイル２２ａおよび電極コイル２３ａが設けられた構成となっている。

一方の電極２３の側の外部リード線（図示せず）は口金２５に電気的に接続され、他方の電極２２の外部リード線２４ａは図示しない電力供給線に接続される。
発光部２１ａには発光金属としての水銀、アルゴン等の希ガスが封入されている。超高圧水銀ランプ２１は、一方の電極２３の側の封止部２１ｂに設けられた口金２５が、接着剤２８を介して反射鏡２６の支持筒部２７に一体に固定されている。

反射鏡２６はガラス、金属あるいはセラミックからなり、回転対称鏡面の内面に反射特性に優れた蒸着膜からなる反射面を有している。
超高圧水銀ランプ２１は、一対の電極２２および電極２３の対向方向（ランプ軸、すなわち光軸Ｃ_０）が、回転対称形状の反射鏡２６の軸と同軸となるように反射鏡２６に固定されている。

これにより、超高圧水銀ランプ２１はランプ軸が反射鏡２６の中心軸（光軸Ｃ_０）と略一致するようにして反射鏡２６に固着されている。
なお、反射鏡２６には導入孔（図示せず）が形成されており、この導入孔に前述の電力供給線が貫通されており、この電力供給線は反射鏡２６の背面側に導かれる。

図２Ｃに例示されるように、本実施の形態のロッドインテグレータ３０は、長さ方向の両端面が入射端面３１および出射端面３２をなす角柱形状を呈しており、光源部２０の光軸Ｃ_０に同軸に配置されている。

そして、光源部２０から出射される光源光５０は、反射鏡２６により、ロッドインテグレータ３０の入射端面３１に向かって収束されて入射し、反対側の出射端面３２から照明光５１として出力される。

本実施の形態の照明光学系１０の場合、光源部２０とロッドインテグレータ３０の間には、当該ロッドインテグレータ３０における入射端面３１の近傍にアキシコン４０（レンズ作用を具備した光学素子）が同軸に配置されている。

図２Ｂに例示されるように、このアキシコン４０は、光源部２０の側に面する位置に、凹形円錐面４０ａを備えた構成となっており、この凹形円錐面４０ａが、光源部２０およびロッドインテグレータ３０と同軸に光軸Ｃ_０上に位置するように配置される。

なお、図２Ａにおける光源光５０の２本の光線は、超高圧水銀ランプ２１からの光線の角度分布の中で最も強い光線の光路を代表的に例示している。
そして、反射鏡２６により光源光５０は、集光位置Ｐに収束するようにしてロッドインテグレータ３０に入射する。

この集光位置Ｐは、光源である電極２２および電極２３や両者間に形成されるアーク等の光源像が結像される位置である。
そして、本実施の形態の場合、光の分散作用をなす凹形円錐面４０ａを備えたアキシコン４０は、集光位置Ｐよりも光源部２０に近い位置に配置される。

すなわち、集光位置Ｐに収束される光源光５０は、集光位置Ｐの手前に配置されたアキシコン４０によって分散されてロッドインテグレータ３０の入射端面３１に入射する構成となっている。

このように、本実施の形態の照明光学系１０では、光源部２０からロッドインテグレータ３０に至る光源光５０の光路上に、当該光源光５０に対して屈折作用をもつアキシコン４０を配置することで、ロッドインテグレータ３０の出射端面３２から出射される照明光５１における光軸Ｃ_０の回りの照度分布等の配光特性を変化させることができる。

すなわち、本実施の形態の照明光学系１０では、ロッドインテグレータ３０における入射端面３１の近傍にアキシコン４０を設けたことにより、後述のシミュレーション結果のように、照明光５１は、従来技術のように光軸Ｃ_０の近傍の中央部の光量が低下せず、逆に当該中央部に強いピークを持つように配光特性が改善される。

本実施の形態の照明光学系１０の場合、アキシコン４０の凹形円錐面４０ａでの傾角θ（すなわち、光軸Ｃ_０に直交する平面と凹形円錐面４０ａの稜線とのなす角度）は、一例として、１６．３６度（円錐定数＝−１２．６）に設定されている。

なお、本実施の形態の場合、このアキシコン４０における凹形円錐面４０ａの傾角θは、１°から４５°の範囲（１°≦θ≦４５°）で任意設定できる。
すなわち、この傾角θの範囲に対応して、アキシコン４０の凹形円錐面４０ａの円錐定数（ｃｏｎｉｃ ｃｏｎｓｔａｎｔ）は、−３３００から−２の範囲に任意に設定される。

なお、上述の円錐定数は、アキシコン４０の凹形円錐面４０ａを定義する以下の（１）式に用いられる定数である。

この（１）式において、Ｚは光軸方向の位置、ｃは面の曲率、ｋは円錐定数、ｒは光軸からの距離を示す。
なお、曲率ｃが十分大きければ、以下の（２）式で、凹形円錐面４０ａ（Ａｘｉｃｏｎ）を近似して表すことができる。

図２Ｅは、上述のようなアキシコン４０を備えた構成の本実施の形態の照明光学系１０における光源光５０および照明光５１の光路のシミュレーションを示し、図２Ｆは、このシミュレーション結果を示している。

なお、上述と同様に、図２Ｆに例示される照明光５１の配光分布５１ａは、ロッドインテグレータ３０の出射端面３２から出射した照明光５１を、当該出射端面３２から１ｍ遠方に置いた曲率半径１０００ｍｍ、有効半径４５０ｍｍの図示しない球状スクリーン上に投写した場合の照度分布を示している。

すなわち、図２Ｆにおいて、縦軸は照度、横軸は、光軸を中心として、当該光軸に直交する方向の１軸上の座標を示している。
すなわち、横軸の中心は、光軸Ｃ_０と球状スクリーンの交点での照度、すなわち、光軸Ｃ_０の近傍（光路断面の中央部）の照度を示している。

この図２Ｆから明らかなように、ロッドインテグレータ３０の入射端面３１の側にアキシコン４０を配置した構成の本実施の形態の照明光学系１０によれば、ロッドインテグレータ３０から出射される照明光５２は、光軸Ｃ_０の近傍（光路断面の中央部）に照度のピークがくるような照度分布となっている。

このため、照明光５１を利用する後段の光学系では、照明光５１の光束の有効径を必要以上に大きく設計することなく、光軸Ｃ_０の近傍の照明光５２を利用するだけで十分な光量を確保できる。

このため、照明光５１を利用する任意の光学系においては、照明光５１の光束の口径を大きくする場合に比較して、収差等の光学誤差を低減して高性能化できる。
また、照明光５１を利用する任意の光学系において、必要な光量を確保するために、必要以上に大きなＮＡ（開口数）をもった高価な光学系を採用する必要もなく、照明光５１を利用するシステムのコスト低減を実現できる。

（実施の形態２）
図３Ａは、本発明の他の実施の形態である照明光の生成方法を実施する照明光学系の構成の一例を示す概念図である。

図３Ｂは、本実施の形態の照明光学系に用いられる光学素子の構成の一例を示す斜視図である。
図３Ｃは、本実施の形態の照明光学系の効果を検証するためのシミュレーションの一例を示す概念図である。

図３Ｄは、本実施の形態の照明光学系のシミュレーションの結果を示す線図である。
この実施の形態２の照明光学系１１では、上述の照明光学系１０におけるアキシコン４０の代わりに、凸形円錐面４１ａを備えたアキシコン４１（レンズ作用を具備した光学素子）を用いる点が異なっており、他は同様である。

従って、同一要素には共通の符号を付して重複した説明は割愛する。
図３Ａに例示されるように、ロッドインテグレータ３０における入射端面３１の側に、凸形円錐面４１ａを光源部２０に向けた姿勢でアキシコン４１が設けられている。

この場合、図３Ｂに例示されるように、アキシコン４１は、光軸方向に凸の凸形円錐面４１ａを備えた構成となっている。
このアキシコン４１は、光の収束作用を持つため、図３Ａに例示されるように、アキシコン４１（ロッドインテグレータ３０の入射端面３１）の位置は、光源光５０の集光位置Ｐよりも光源部２０から遠い位置に配置されている。

すなわち、このアキシコン４１は、当該アキシコン４１の前方で集光位置Ｐに収束して分散する光源光５０を収束してロッドインテグレータ３０の入射端面３１に導く構成となっている。

このアキシコン４１における凸形円錐面４１ａの傾角θは、一例として１３．６２°（円錐定数ｋ＝−１８．０３）に設定されている。
この実施の形態２の照明光学系１１の場合も、図３Ｃおよび図３Ｄのシミュレーション結果から明らかなように、光源部２０から出射された光源光５０を、アキシコン４１およびロッドインテグレータ３０を通過させることによって、出射端面３２から出射される照明光５２の光軸Ｃ_０の近傍での照度が低下することなく、照明光５２の光束断面内での配
光分布５２ａがほぼ一様になるように改善されている。

この結果、上述の実施の形態１の場合と同様の効果を得ることができる。
（実施の形態３）
図４Ａは、本発明のさらに他の実施の形態である照明光の生成方法を実施する照明光学系の構成の一例を示す概念図である。

図４Ｂは、本実施の形態の照明光学系に用いられる光学素子の構成の一例を示す斜視図である。
図４Ｃは、本実施の形態の照明光学系の効果を検証するためのシミュレーションの一例を示す概念図である。

図４Ｄは、本実施の形態の照明光学系のシミュレーションの結果を示す線図である。
この実施の形態３の照明光学系１２では、光学素子としてアキシコン４０の代わりに凹レンズ４２（レンズ作用を具備した光学素子）を用いる点が上述の実施の形態１の照明光学系１０と異なっており、他は同様である。従って、同一要素には共通の符号を付して重複した説明は割愛する。

図４Ａに例示されるように、この実施の形態３の照明光学系１２では、ロッドインテグレータ３０における入射端面３１の近傍に、凹レンズ面４２ａを光源部２０の側に向けた姿勢で、凹レンズ４２が同軸に配置されている。

この場合、凹レンズ４２は、図４Ｂに例示されるように、たとえば、曲率半径Ｒが−１２．１ｍｍの凹レンズ面４２ａを備え、この凹レンズ４２を、をロッドインテグレータ３０の入射端面３１の近傍に同軸に配置している。

そして、光源部２０から出射した光源光５０は、凹レンズ４２、ロッドインテグレータ３０を順に通過して出射端面３２から照明光５３として出力される。
なお、凹レンズ４２であるため、集光位置Ｐのよりも光源部２０に近い側に凹レンズ４２を配置している。

すなわち、集光位置Ｐの前方に設けられた凹レンズ４２は、集光位置Ｐに向かって収束する光源光５０を分散させてロッドインテグレータ３０の入射端面３１に入射させるように構成されている。

この実施の形態３の照明光学系１２の場合も、図４Ｃおよび図４Ｄのシミュレーション結果から明らかなように、ロッドインテグレータ３０の出射端面３２から出力される照明光５３の配光分布５３ａには、光軸Ｃ_０の近傍の光束の中央部に強いピークが見られ、光軸Ｃ_０の近傍の照度が低下するという技術的課題が解決されるように配光特性が改善されていることがわかる。

従って、上述の実施の形態１の照明光学系１０と同様の効果が得られる。
（実施の形態４）
図５Ａは、本発明のさらに他の実施の形態である照明光の生成方法を実施する照明光学系の構成の一例を示す概念図である。

図５Ｂは、本実施の形態の照明光学系に用いられる光学素子の構成の一例を示す斜視図である。
図５Ｃは、本実施の形態の照明光学系の効果を検証するためのシミュレーションの一例を示す概念図である。

図５Ｄは、本実施の形態の照明光学系のシミュレーションの結果を示す線図である。
この実施の形態４の照明光学系１３では、光学素子としてアキシコン４０（アキシコン４１）の代わりに凸レンズ４３（レンズ作用を具備した光学素子）を用いる点が上述の実施の形態１（実施の形態２）の照明光学系１０（照明光学系１１）と異なっており、他は同様である。従って、同一要素には共通の符号を付して重複した説明は割愛する。

すなわち、この実施の形態４の照明光学系１３では、図５Ａに例示されように、光源部２０に対向するロッドインテグレータ３０の入射端面３１の近傍に凸レンズ４３が同軸に配置され、光源部２０から出射された光源光５０は、凸レンズ４３、ロッドインテグレータ３０を順に通過して、出射端面３２から照明光５４として出力される。

図５Ｂに例示されるように、本実施の形態の凸レンズ４３は、一例として、曲率半径Ｒが６．２ｍｍの凸レンズ面４３ａを備えている。
この場合、凸レンズ４３は、集光作用をなすため、光源光５０の集光位置Ｐよりも光源部２０から遠方に配置している。

すなわち、凸レンズ４３は、当該凸レンズ４３の前方の集光位置Ｐに収束された後に分散する光源光５０を捕捉してロッドインテグレータ３０の入射端面３１に入射させる構成となっている。

本実施の形態４の照明光学系１３の場合も、ロッドインテグレータ３０の前段に凸レンズ４３を備えたことにより、図５Ｃおよび図５Ｄのシミュレーション結果からあきらかなように、照明光５４における光軸Ｃ_０の近傍の照度の低下が防止され、光軸Ｃ_０の近傍にピークを持つように照明光５４の配光分布５４ａが改善されているので、上述の実施の形態１と同様の効果を得ることができる。

（実施の形態５）
図６Ａは、本発明のさらに他の実施の形態である照明光の生成方法を実施する照明光学系の構成の一例を示す概念図である。

図６Ｂは、本実施の形態の照明光学系に用いられる光学素子の構成の一例を示す斜視図である。
図６Ｃは、本実施の形態の照明光学系の効果を検証するためのシミュレーションの一例を示す概念図である。

図６Ｄは、本実施の形態の照明光学系のシミュレーションの結果を示す線図である。
この実施の形態５の照明光学系１４では、光学素子としてアキシコン４０の代わりにフレネルレンズ４４（レンズ作用を具備した光学素子）を用いる点が上述の実施の形態１の照明光学系１０と異なっており、他は同様である。従って、同一要素には共通の符号を付して重複した説明は割愛する。

すなわち、この実施の形態５の照明光学系１４では、図６Ａに例示されように、光源部２０に対向するロッドインテグレータ３０の入射端面３１の近傍にフレネルレンズ４４が同軸に配置され、光源部２０から出射された光源光５０は、フレネルレンズ４４、ロッドインテグレータ３０を順に通過して、出射端面３２から照明光５５として出力される。

図６Ｂに例示されるように、本実施の形態のフレネルレンズ４４は、光軸Ｃ_０の回りに同心円状に刻設された凹形レンズパターン面４４ａを備えている。
このフレネルレンズ４４は、上述の凹形のアキシコン４０に相当し、その傾角θは、一
例として、１６．８°（円錐定数ｋ＝−１２．０）に設定されている。

また、フレネルレンズ４４は凹形レンズパターン面４４ａにより光源光５０の分散作用をなすため、光源光５０の光束の集光位置Ｐよりも光源部２０に近接して配置されている。

集光位置Ｐの前方に配置されたフレネルレンズ４４は、集光位置Ｐに向かって収束する光源光５０を分散させてロッドインテグレータ３０の入射端面３１に入射させる構成となっている。

この実施の形態５の照明光学系１４の場合も、図６Ｃおよび図６Ｄのシミュレーション結果から明らかなように、照明光５５における光軸Ｃ_０の近傍の照度の低下が防止され、光軸Ｃ_０の近傍にピークを持つように照明光５５の配光分布５５ａが改善されているので、上述の実施の形態１と同様の効果を得ることができる。

（実施の形態６）
図７Ａは、本発明のさらに他の実施の形態である照明光の生成方法を実施する照明光学系の構成の一例を示す概念図である。

図７Ｂは、本実施の形態の照明光学系に用いられる光学素子の構成の一例を示す斜視図である。
図７Ｃは、本実施の形態の照明光学系の効果を検証するためのシミュレーションの一例を示す概念図である。

図７Ｄは、本実施の形態の照明光学系のシミュレーションの結果を示す線図である。
この実施の形態６の照明光学系１５では、光学素子としてアキシコン４０の代わりにフレネルレンズ４５（レンズ作用を具備した光学素子）を用いる点が上述の実施の形態１の照明光学系１０と異なっており、他は同様である。従って、同一要素には共通の符号を付して重複した説明は割愛する。

すなわち、この実施の形態６の照明光学系１５では、図７Ａに例示されように、光源部２０に対向するロッドインテグレータ３０の入射端面３１の近傍にフレネルレンズ４５が同軸に配置され、光源部２０から出射された光源光５０は、フレネルレンズ４５、ロッドインテグレータ３０を順に通過して、出射端面３２から照明光５６として出力される。

図７Ｂに例示されるように、本実施の形態のフレネルレンズ４５は、光軸Ｃ_０の回りに同心円状に刻設された凸形レンズパターン面４５ａを備えている。
このフレネルレンズ４５は、上述の凸形状のアキシコン４１に相当するフレネルレンズで、たとえば、傾角θは１３．６２度（円錐定数ｋ＝−１８．０３）である。

このフレネルレンズ４５は、光源光５０の集光作用をもつため、光源部２０から集光位置Ｐよりも遠方に配置されている。
すなわち、フレネルレンズ４５は、前方の集光位置Ｐに収束して分散する光源光５０を収束してロッドインテグレータ３０の入射端面３１に入射させる構成となっている。

この実施の形態６の照明光学系１５の場合も、図７Ｃおよび図７Ｄのシミュレーション結果から明らかなように、照明光５６における光軸Ｃ_０の近傍の照度の低下が防止され、光軸Ｃ_０を中心として広い範囲で均一な照度をもつように、照明光５６の配光分布５６ａが改善されているので、上述の実施の形態１と同様の効果を得ることができる。

なお、本発明は、上述の実施の形態に例示した構成に限らず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。

超高圧水銀ランプの照度分布を示す線図である。 超高圧水銀ランプの電極の近傍における光の出力分布のシミュレーションを示す概念図である。 超高圧水銀ランプおよびロッドインテグレータを用いた従来技術の照明光学系のシミュレーションを示す概念図である。 従来技術の照明光学系のシミュレーションの結果を示す線図である。 本発明の一実施の形態である照明光の生成方法を実施する照明光学系の構成の一例を示す概念図である。 本発明の一実施の形態である照明光学系に用いられる光学素子の構成の一例を示す斜視図である。 本発明の一実施の形態である照明光学系に用いられるロッドインテグレータの構成の一例を示す斜視図である。 本発明の一実施の形態である照明光学系に用いられる光源部の構成の一例を示す斜視図である。 本発明の一実施の形態である照明光学系の効果を検証するためのシミュレーションの一例を示す概念図である。 本発明の一実施の形態である照明光学系のシミュレーションの結果を示す線図である。 本発明の他の実施の形態である照明光の生成方法を実施する照明光学系の構成の一例を示す概念図である。 本発明の一実施の形態である照明光学系に用いられる光学素子の構成の一例を示す斜視図である。 本発明の一実施の形態である照明光学系の効果を検証するためのシミュレーションの一例を示す概念図である。 本発明の一実施の形態である照明光学系のシミュレーションの結果を示す線図である。 本発明のさらに他の実施の形態である照明光の生成方法を実施する照明光学系の構成の一例を示す概念図である。 本発明の一実施の形態である照明光学系に用いられる光学素子の構成の一例を示す斜視図である。 本発明の一実施の形態である照明光学系の効果を検証するためのシミュレーションの一例を示す概念図である。 本発明の一実施の形態である照明光学系のシミュレーションの結果を示す線図である。 本発明のさらに他の実施の形態である照明光の生成方法を実施する照明光学系の構成の一例を示す概念図である。 本発明の一実施の形態である照明光学系に用いられる光学素子の構成の一例を示す斜視図である。 本発明の一実施の形態である照明光学系の効果を検証するためのシミュレーションの一例を示す概念図である。 本発明の一実施の形態である照明光学系のシミュレーションの結果を示す線図である。 本発明のさらに他の実施の形態である照明光の生成方法を実施する照明光学系の構成の一例を示す概念図である。 本発明の一実施の形態である照明光学系に用いられる光学素子の構成の一例を示す斜視図である。 本発明の一実施の形態である照明光学系の効果を検証するためのシミュレーションの一例を示す概念図である。 本発明の一実施の形態である照明光学系のシミュレーションの結果を示す線図である。 本発明のさらに他の実施の形態である照明光の生成方法を実施する照明光学系の構成の一例を示す概念図である。 本発明の一実施の形態である照明光学系に用いられる光学素子の構成の一例を示す斜視図である。 本発明の一実施の形態である照明光学系の効果を検証するためのシミュレーションの一例を示す概念図である。 本発明の一実施の形態である照明光学系のシミュレーションの結果を示す線図である。

符号の説明

１０ 照明光学系
１１ 照明光学系
１２ 照明光学系
１３ 照明光学系
１４ 照明光学系
１５ 照明光学系
２０ 光源部
２１ 超高圧水銀ランプ
２１ａ 発光部
２１ｂ 封止部
２２ 電極
２２ａ 電極コイル
２２ｂ 電極棒
２３ 電極
２３ａ 電極コイル
２３ｂ 電極棒
２４ 金属箔
２４ａ 外部リード線
２５ 口金
２６ 反射鏡
２７ 支持筒部
２８ 接着剤
３０ ロッドインテグレータ
３１ 入射端面
３２ 出射端面
４０ アキシコン
４０ａ 凹形円錐面
４１ アキシコン
４１ａ 凸形円錐面
４２ 凹レンズ
４２ａ 凹レンズ面
４３ 凸レンズ
４３ａ 凸レンズ面
４４ フレネルレンズ
４４ａ 凹形レンズパターン面
４５ フレネルレンズ
４５ａ 凸形レンズパターン面
５０ 光源光
５１ 照明光
５１ａ 配光分布
５２ 照明光
５２ａ 配光分布
５３ 照明光
５３ａ 配光分布
５４ 照明光
５４ａ 配光分布
５５ 照明光
５５ａ 配光分布
５６ 照明光
５６ａ 配光分布
Ｃ_０ 光軸
Ｐ 集光位置

Claims (14)

1. 発光手段から出射される光を導くロッドインテグレータと、
   前記ロッドインテグレータにおける前記光の入射端の近傍に配置され、レンズ作用を具備した光学素子と、
   を含むことを特徴とする照明光学系。
2. 請求項１記載の照明光学系において、
   前記光学素子は、アキシコン（円錐レンズ）からなることを特徴とする照明光学系。
3. 請求項２記載の照明光学系において、
   前記アキシコンにおける前記光の入射面の円錐定数（ｃｏｎｉｃ ｃｏｎｓｔａｎｔ）が−３３００から−２の範囲であることを特徴とする照明光学系。
4. 請求項２記載の照明光学系において、
   前記アキシコンにおける前記光の入射する円錐面と、前記光の光軸に直交する平面のなす傾角が１度から４５度の範囲であることを特徴とする照明光学系。
5. 請求項１記載の照明光学系において、
   前記光学素子は、凸レンズまたは凹レンズからなることを特徴とする照明光学系。
6. 請求項５記載の照明光学系において、
   前記凸レンズの曲率半径は３ｍｍから１００ｍｍの範囲であることを特徴とする照明光学系。
7. 請求項５記載の照明光学系において、
   前記凹レンズの曲率半径は−１００ｍｍから−４ｍｍの範囲であることを特徴とする照明光学系。
8. 請求項１記載の照明光学系において、
   前記光学素子は、フレネルレンズからなることを特徴とする照明光学系。
9. 請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の照明光学系において、
   前記発光手段は、超高圧水銀ランプと、前記超高圧水銀ランプから出射される光を前記ロッドインテグレータに向けて反射する反射鏡と、を含むことを特徴とする照明光学系。
10. 発光手段から出射される光を、レンズ作用を具備した光学素子およびロッドインテグレータを順に通過させて照明光を得ることを特徴とする照明光の生成方法。
11. 請求項１０記載の照明光の生成方法において、
    前記光学素子としてアキシコン（円錐レンズ）を用いることを特徴とする照明光の生成方法。
12. 請求項１０記載の照明光の生成方法において、
    前記光学素子として凸レンズまたは凹レンズを用いることを特徴とする照明光の生成方法。
13. 請求項１０記載の照明光の生成方法において、
    前記光学素子としてフレネルレンズを用いることを特徴とする照明光の生成方法。
14. 請求項１０から請求項１３のいずれか１項に記載の照明光の生成方法において、
    前記発光手段として超高圧水銀ランプを用いることを特徴とする照明光の生成方法。