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Patent Searching and Data


Title:
INTEGRATOR AND OPTICAL UNIT USING THE SAME
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2008/078820
Kind Code:
A1
Abstract:
An integrator (21) collects and guides light inputted from alight source (11) by a light guiding body having a light entering surface (21a) and a light outgoing surface (21b), and outputs the light as a surface light source having uniform light intensity distribution within a specific range in a specific direction. In the light guiding body, the area of the light outgoing surface (21b) is larger than that of the light entering surface (21a), and a beam angle converting means for converting the maximum outgoing light angle of outgoing light to be smaller than the maximum entering light angle of entering light is formed.

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Inventors:
SHINDO, Mikio (C/O HOYA CORPORATION, 7-5 Nakaochiai 2-chome, Shinjuku-k, Tokyo 25, 1618525, JP)
Application Number:
JP2007/075208
Publication Date:
July 03, 2008
Filing Date:
December 27, 2007
Export Citation:
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Assignee:
HOYA CORPORATION (7-5 Nakaochiai 2-chome, Shinjuku-ku Tokyo, 25, 1618525, JP)
HOYA株式会社 (〒25 東京都新宿区中落合2丁目7番5号 Tokyo, 1618525, JP)
International Classes:
G03B21/14; G02B19/00; G02B27/09; G02F1/1335
Foreign References:
JP2000180962A2000-06-30
JPH0943562A1997-02-14
JPH09160034A1997-06-20
Attorney, Agent or Firm:
ANIYA, Setuo et al. (21 TOWA BLDG. 3F, 4-6-1 Iidabash, Chiyoda-ku Tokyo 72, 1020072, JP)
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Claims:
 光源からの入射光を集光および導光して特定方向の特定範囲に均一な光強度分布の面光源として出射するインテグレータであって、
 該インテグレータは、入射面よりも出射面の面積が大きい導光体であり、入射光の最大入射光線角度よりも出射光の最大出射光線角度を小さく変換する光線角度変換手段が形成されていることを特徴とするインテグレータ。
 請求項1に記載のインテグレータであって、
 上記インテグレータは、空洞内側に反射鏡面を有する中空構造の導光体であり、上記入射面の開口部よりも上記出射面の開口部の面積が大きく形成されていることを特徴とするインテグレータ。
 請求項1に記載のインテグレータであって、
 上記インテグレータは、上記入射面をなす入光側端面と上記出射面をなす出光側端面を有する固体光学部材からなる中実構造の導光体であり、上記入射面の表面面積がその入射面の開口面積と同じかそれよりも大きく形成され、上記入光側端面と上記出光側端面との間の導光路内側に、上記光線角度変換手段を形成する全反射面を有することを特徴とするインテグレータ。
 請求項3に記載のインテグレータであって、
 上記インテグレータは、入・出射面の一部又は、全てを除く導光路内側を全反射面とするために、外表面の鏡面反射加工または光学境界面の全反射加工が施されていることを特徴とするインテグレータ。
 請求項1~4に記載のインテグレータであって、
 上記光線角度変換手段を形成する反射面が上記導光体の導光方向に対して傾斜するとともに、上記導光体全長の1/2長さ部分での導光断面積が入射面部での断面積と出射面部での断面面積の和の半分よりも大きいことを特徴とするインテグレータ。
 請求項1~5に記載のインテグレータであって、
 上記光線角度変換手段を形成する反射面が上記導光体の導光方向に対して傾斜することにより上記導光体の導光断面積が上記入射面部から上記出射面部に向かって増加するとともに、上記導光体の任意位置での導光断面積が、入・出射面積および長さが同じ単純テーパ状導光体の対応位置における導光断面積よりも、全長にわたって同じか、大きいことを特徴とするインテグレータ。
 請求項1~6に記載のインテグレータであって、
 上記導光体の導光断面が矩形状であるとともに、その導光体の内側4側面が非球面形状からなる側面形状であり、その内側の反射面が上記光線角度変換手段を形成していることを特徴とするインテグレータ。
 請求項1~7に記載のインテグレータであって、
 上記導光体の導光断面が矩形状であるとともに、その内側4側面の反射面がそれぞれ、上記出射面部に向かって所定の非球面係数で傾斜しながら導光断面積が広がっていくことを特徴とするインテグレータ。
 請求項1~8に記載のインテグレータであって、
 上記導光体の光入射側の断面形状が、発光光源の形状に相似で、かつ、発光光源と同じか、それより大きいことを特徴とするインテグレータ。
 請求項1及び3~9に記載のインテグレータであって、
 上記導光体の入射面が凹面状であることを特徴とするインテグレータ。
 請求項1~10に記載のインテグレータであって、
 上記出射面部の断面形状が、上記出射面の光出射方向に配置されて出射光を透過または反射して画像を形成する画像変換手段の形状に相似で、かつ、その断面積が画像変換手段の画像面積より等しいか、大きいことを特徴とするインテグレータ。
 請求項1~11に記載のインテグレータを用いたことを特徴とする光学ユニット。
 請求項12に記載の光学ユニットであって、
 カラー原色又は、補色をなす複数色の光源と、各色の光源からの入射光をそれぞれ光線角度変換しながら特定範囲に均一な光強度分布の面光源として出射する請求項1~11に記載のインテグレータと、各色の出射光を同一範囲に重ね合わせる色合成光学系とを備えたことを特徴とする光学ユニット。
 請求項13において、上記色合成光学系がクロスプリズムを用いて構成されていることを特徴とする光学ユニット。
 請求項13において、上記色合成光学系がダイクロイックミラーを用いて構成されていることを特徴とする光学ユニット。 
 
Description:
インテグレータおよびそれを用 た光学ユニット

 本発明は、光源からの入射光を集光およ 導光して特定方向の特定範囲に均一な光強 分布の面光源として出射するインテグレー に関し、たとえば、液晶パネルを用いてス リーン上に映像あるいは画像を投影するプ ジェクタ等の光学ユニットに利用してとく 有効なものに関する。

 プロジェクタ等の光学ユニットでは、照 光学系としてインテグレータを用いる方式 知られている。図13はそのインテグレータ 式の光学ユニット101を示す。

 同図に示す光学ユニット101はプロジェク であって、光源11、集光反射鏡(リフレクタ) 12、インテグレータ31、コリメートレンズ41、 画像変換手段としての液晶板43、投影光学系4 5などを用いて構成されている。

 同図において、光源11からの光は集光反 鏡12で集光されてインテグレータ31の入射面3 1aに入射される。インテグレータ31は、矩形 面のガラスロッド等からなる導光体を用い 構成され、その一端の入射面31aから入射し 光を内面反射させながら集光および導光し 他端の出射面31bから出射させる。

 出射面31bからの出射光は、コリメータレ ズ41で平行度を高められた後、液晶板43の画 像形成面に照射される。液晶板43には動画や 止画などの画像が、画像信号による画素単 での光透過制御によって描画される。その 晶板43の画像形成面を背後から均一に照射 ることによって前面から得られる透過光像 、投影光学系45でスクリーン47上に結像させ ことにより、その液晶板43での描画画像を クリーン47に拡大投影することができる。

 上述したインテグレータ方式の照明光学 では、インテグレータ31をなす導光体のロ ド断面積を小さくしたり、その長さを長く たりすることにより、液晶板等の被照明領 を照明する照明光の面内光強度分布を均一 させることができるとされている(たとえば 特許文献1参照)。

 上述した照明光学系では、断面積が一様 形状の導光体いわゆるストレートロッドを ンテグレータ31として用いているが、図14に 示すように、傾斜角が全長にわたって一定な 単純テーパ状とすることで入射面32aよりも出 射面32bの面積を大きくした導光体いわゆるテ ーパロッドを、インテグレータ32として用い 照明光学系も提供されている(たとえば、特 許文献2参照)。

 図14は上記テーパロッドを用いたインテ レータ方式の光学ユニット101を示す。図13と の相違点に着目すると、図14に示す光学ユニ ト101では、インテグレータ32にテーパロッ を用いたことにより、ストレートロッドを いた場合よりも、出射光の出射角度をより さくすることができる。

 これにより、液晶板43に照射する照明光 質を高めて画像(映像や静止画像)の表示品質 を高めることが可能となる。また、出射光の 平行度を高めるために設置されるコリメート レンズ41等の後段の光学系に要求される光学 性も、レンズ枚数を減らす等、比較的緩や なものとすることができる。

 上記のように、従来においては、ストレ トロッドまたはテーパロッドを用いて、光 からの入射光を集光および導光して特定方 の特定範囲に均一な光強度分布の面光源と て出射するインテグレータを構成し、これ 用いてプロジェクタ等の光学ユニットを構 していた。

特開2002-90883号公報

特開2004-70095号公報

 しかしながら、上述した従来の技術には のような問題があった。

 すなわち、上述したインテグレータ31,32 、出射光の出射角度をストレートロッドよ も小さくできるテーパロッドを用いた場合 あっても、プロジェクタ等の照明光学系に いて、インテグレータ32の入射側では、入射 面32aに光源11からの光を集光して効率良く入 させるために、大きな集光反射12を用いる 要性があった。また、インテグレータ32の出 射側では、出射面32bからの出射光を特定範囲 に均一に照射させるために、コリメートレン ズ41等のコリメート光学系を用いる必要性が った。

 上記インテグレータ31,32からの出射光は その出射角度が一定ではなく、ある程度の ラツキ分布がある。このため、その出射光 液晶板43等の照明光として用いた場合、所定 の許容範囲を超える角度で出射された光は、 画像光として利用することができない。この 結果、照明光学系の照明効率が悪くなるとい う問題が生じる。この問題を回避するために 、上述した従来の技術ではコリメート光学系 がどうしても必要であった。

 プロジェクタ等の照明光学系では、液晶 等に照射して良質な透過光画像(または反射 光画像)を得るのに適した照明光を作成する 要がある。このためには、液晶板等の画像 成面の全体を均一な光強度分布で照明でき ことが要求される。

 つまり、プロジェクタ等の照明系では、 源からの入射光を集光および導光して特定 向の特定範囲、たとえば液晶板の画像形成 域に均一な光強度分布の面光源として出射 るに際し、その出射光の方向均一性に加え 、光強度分布の均一性が良質な照明光が、 質な透過光画像(または反射光画像)を得る で不可欠である。光強度分布の均一性が悪 と、投影画像の品質が低下する。とくに、 ラー画像の投影においては、色ムラ・コン ラスト低下や色調再現などにおいてその影 が顕著に現れやすい。

 本発明は以上のような問題を解決するも であって、その目的は、光源から光を入射 せるための大きな集光反射鏡や、射出光の 向均一性を高めるためのコリメート光学系 用いなくても高い光利用効率を確保できる うにし、これにより、プロジェクタ等の照 系全体の小型化および低コスト化を可能に 、さらに、液晶板等の照明対象を照明する 際しては、特定範囲内での光強度分布の均 性を高めて色ムラ等のない高品質の画像再 を可能にするインテグレータを提供するこ にある。

 本発明の上記以外の目的および構成につ ては、本明細書の記述および添付図面によ 明らかにする。

 上記課題の解決手段として、本発明は以下 手段を提供する。
 (1)光源からの入射光を集光および導光して 定方向の特定範囲に均一な光強度分布の面 源として出射するインテグレータであって
 該インテグレータは、入射面よりも出射面 面積が大きい導光体であり、入射光の最大 射光線角度よりも出射光の最大出射光線角 を小さく変換する光線角度変換手段が形成 れていることを特徴とするインテグレータ

 (2)上記手段(1)のインテグレータであって、
 上記インテグレータは、空洞内側に反射鏡 を有する中空構造の導光体であり、上記入 面の開口部よりも上記出射面の開口部の面 が大きく形成されていることを特徴とする ンテグレータ。

 (3)上記手段(1)のインテグレータであって、
 上記インテグレータは、上記入射面をなす 光側端面と上記出射面をなす出光側端面を する固体光学部材からなる中実構造の導光 であり、上記入射面の表面面積がその入射 の開口面積と同じかそれよりも大きく形成 れ、上記入光側端面と上記出光側端面との の導光路内側に、上記光線角度変換手段を 成する全反射面を有することを特徴とする
インテグレータ。

 (4)上記手段(3)のインテグレータであって、
 上記インテグレータは、入・出射面の一部 は、全てを除く導光路内側を全反射面とす ために、外表面の鏡面反射加工または光学 界面の全反射加工が施されていることを特 とするインテグレータ。

 (5)上記手段(1)~(4)のインテグレータであって 、
 上記光線角度変換手段を形成する反射面が 記導光体の導光方向に対して傾斜するとと に、上記導光体全長の1/2長さ部分での導光 面積が入射面部での断面積と出射面部での 面面積の和の半分よりも大きいことを特徴 するインテグレータ。

 (6)上記手段(1)~(5)のインテグレータであって 、
 上記光線角度変換手段を形成する反射面が 記導光体の導光方向に対して傾斜すること より上記導光体の導光断面積が上記入射面 から上記出射面部に向かって増加するとと に、上記導光体の任意位置での導光断面積 、入・出射面積および長さが同じ単純テー 状導光体の対応位置における導光断面積よ も、全長にわたって同じか、大きいことを 徴とするインテグレータ。

 (7)上記手段(1)~(6)のインテグレータであって 、
 上記導光体の導光断面が矩形状であるとと に、その導光体の内側4側面が非球面形状か らなる側面形状であり、その内側の反射面が 上記光線角度変換手段を形成していることを 特徴とするインテグレータ。

 (8)上記手段(1)~(7)のインテグレータであって 、
 上記導光体の導光断面が矩形状であるとと に、その内側4側面の反射面がそれぞれ、上 記出射面部に向かって所定の非球面係数で傾 斜しながら導光断面積が広がっていくことを 特徴とするインテグレータ。

 (9)上記手段(1)~(8)のインテグレータであって 、
 上記導光体の光入射側の断面形状が、発光 源の形状に相似で、かつ、発光光源と同じ 、それより大きいことを特徴とするインテ レータ。

 (10)上記手段(1)及び(3)~(9)のインテグレータ あって、
 上記導光体の入射面が凹面状であることを 徴とするインテグレータ。

 (11)上記手段(1)~(10)のインテグレータであっ 、
 上記出射面部の断面形状が、上記出射面の 出射方向に配置されて出射光を透過または 射して画像を形成する画像変換手段の形状 相似で、かつ、その断面積が画像変換手段 画像面積より等しいか、大きいことを特徴 するインテグレータ。

 (12)上記手段(1)~(11)のインテグレータを用 たことを特徴とする光学ユニット。

 (13)上記手段(12)の光学ユニットであって、
 カラー原色又は、補色をなす複数色の光源 、各色の光源からの入射光をそれぞれ光線 度変換しながら特定範囲に均一な光強度分 の面光源として出射する上記手段(1)~(11)の ンテグレータと、各色の出射光を同一範囲 重ね合わせる色合成光学系とを備えたこと 特徴とする光学ユニット。

 (14)上記手段(13)において、上記色合成光 系がクロスプリズムを用いて構成されてい ことを特徴とする光学ユニット。

 (15)上記手段(13)において、上記色合成光 系がダイクロイックミラーを用いて構成さ ていることを特徴とする光学ユニット。

 プロジェクタ等の照明系において、光源 ら光を入射させるための大きな集光反射鏡 、射出光の方向均一性を高めるためのコリ ート光学系を用いなくても高い光利用効率 確保できるようにし、これにより、プロジ クタ等の照明系全体の小型化および低コス 化を可能にし、さらに、液晶板等の照明対 を照明するに際しては、特定範囲内での光 度分布の均一性を高めて色ムラ等のない高 質の画像再生を可能にするインテグレータ よび光学ユニットを提供できる。

 本発明の上記以外の作用/効果については 、本明細書の記述および添付図面により明ら かにする。

 図1は、本発明の技術が適用されたインテ グレータ21および光学ユニット100の第1実施形 態を示す。同図において、(a)は照明系を含む 光学ユニット100全体の概略断面図、(b)はイン テグレータ21の各位置(A,B,C)における断面をそ れぞれ示す。

 まず、同図の(a)に示す光学ユニット100は ロジェクタであって、光源11、インテグレ タ21、画像変換手段としての液晶板43、投影 学系45などを用いて構成されている。

 同図において、光源11はLED(発光ダイオー )が使用され、インテグレータ21の入射面21a 近接して設置されている。この光源11から 光は、インテグレータ21の入射面21aに直接入 射される。

 インテグレータ21は、光源11からの光を集 光および導光して特定方向の特定範囲に均一 な光強度分布の面光源として出射するための ものであって、ガラスまたはプラスチックな どの固体光学部材からなる中実構造の導光体 によって構成されている。

 インテグレータ21に入射した光は、イン グレータ21内を反射しながら導光されて出射 面21bから出射される。出射光は液晶板43の画 形成面に照射される。液晶板43には動画や 止画などの画像が、画像信号による画素単 での光透過制御によって描画される。

 その液晶板43の画像形成面を背後から均 に照射することによって前面から得られる 過光像が、投影光学系45でスクリーン47上に 像されることにより、その液晶板43での描 画像がスクリーン47に拡大投影される。

 なお、液晶板には、動画や静止画などの 像を画素単位での光反射制御によって描画 る反射式もあるが、これを用いる場合は、 の液晶板へ斜めに光を入射し、その反射光 を投影光学系へ入射するか、偏光ビームス リッター(PBS)を出射光と反射式液晶との間 挿入し液晶からの反射光像を90度方向を変え て投影光学系でスクリーン上に結像させれば よい。

 導光体であるインテグレータ21は、その 端に入射面21aが、他端に出射面21bがそれぞ 形成されている。入射面21aと出射面21bを除 導光路内側には、鏡面反射をなす全反射面 形成されている。この全反射面は、金属蒸 等による外表面の鏡面反射加工または光学 界面の全反射加工等により形成される。

 ここで、この実施形態のインテグレータ2 1は、4側面に反射面を有する矩形断面状に形 されているとともに、入射面21a部よりも出 面21b部での断面積が大きく、かつ、4側面の 各反射面がそれぞれ、出射面21b部に向かって 所定の非球面係数で傾斜しながら導光断面積 が広がって行くように形成されている。

 インテグレータ21の入・出射面21a,21bを除 導光路内側に形成された反射面は、導光方 に対して傾斜するとともに、インテグレー 21全長の1/2長さ部分(C位置)での導光断面積 、入射面部(A位置)での断面積と出射面部(B位 置)での断面面積の和の半分よりも大きくな ように形成されている。

 インテグレータ21内の反射面は、インテ レータ21の長さ位置に応じて導光軸(導光方 の中心軸)zoに対する角度が漸減するような 球面テーパ状に形成されている。

 上記インテグレータ21では、図2に示すよ に、導光軸zoに対して高角度で入射した光 、入射面21aに近い傾斜角の大きいところで 射される。この結果、その反射光L11の導光 zoに対する角度は、入射角よりも大幅に低く なる。

 一方、導光軸zoに対して比較的低角度で 射した光は、入射面21aから少し離れて傾斜 が比較的小さくなったところで反射される この結果、その反射光L13の導光軸zoに対する 角度は、入射角よりも低くはなるが、その度 合いは上記の場合よりも小さくなる。

 このように、上記インテグレータ21に入 した光は、入射角度が大きい光ほど、大き 角度変換されて導光される。つまり、上記 ンテグレータ21には、入射光の最大入射光線 角度よりも出射光の最大出射光線角度を小さ く変換するような光線角度変換機能が形成さ れている。

 このような光線角度変換機能により、入 面21aには光の導光軸zoに対して広角度の光 入射しても、出射面21bからは導光軸zoに対す る角度が縮小された光が多く出射されるよう になる。つまり、入射面21aからは広角度の入 射光も導入できる一方、出射面21bから角度の 広がりが抑制された出射光を得ることができ る。

 これにより、光源から光を入射させるた の大きな集光反射鏡がなくても、光を効率 く集光および導光することができ、また、 リメート光学系を設置しなくても、射出光 方向均一性を高めることができる。このこ は、高い光利用効率を確保しつつ、プロジ クタ等の照明系全体を小型化および低コス 化するのに非常に有効である。

 また、上記インテグレータでは、上記光 角度変換機能が、出射光の方向均一性を良 にすることに加えて、光強度分布の均一性 高めるという効果も併せて得ることができ 。

 図3は、上記光線角度変換機能を備えたイ ンテグレータ21の導光状態を、従来の単純テ パ状のインテグレータ32のそれと一緒に示 。

 同図に示すように、非球面テーパ状のイ テグレータ21は、そのテーパの傾斜が入射 で大きく、出射側へ行くほど緩やかになる 球面状の傾斜となっている。一方、単純テ パ状のインテグレータ32は全長にわたって一 定の傾斜となっている。

 また、非球面テーパ状のインテグレータ2 1では、導光断面積が入射面21a部から出射面21 b部に向かって増加するとともに、インテグ ータ21の任意位置での導光断面積が、入・出 射面積および長さhが同じ単純テーパ状導光 の対応位置における導光断面積よりも、全 にわたって大きい。

 上記非球面テーパインテグレータ21と単 テーパインテグレータ32にそれぞれ同じ方向 からの光Liが入射した場合、その入射光Liは ずれもインテグレータ21,32内を反射しながら 導光されて出射されるが、その導光の状態に はそれぞれ、次のような特徴がある。

 すなわち、少なくとも、非球面テーパイ テグレータ21の長さ方向の中間より入射側 近い位置で反射した光については、その反 位置での反射面の水平方向(導光軸zo方向)に する傾斜角が比較的大きいことにより、反 角(入射光軸と反射光軸のなす角度)が大き 。このため、そこでの1次反射光の到達距離 、単純テーパインテグレータ32のそれより 長くなる。

 しかし、長さの中心を越えた反射側に近 位置で反射した2次反射光に関しては、その 反射位置での反射面の水平方向に対する傾斜 角が小さくなることにより、上記とは逆に反 射角が小さくなる。このため、そこでの二次 反射光の到達距離は、単純テーパインテグレ ータ32のそれよりも短くなる。

 この結果、上記非球面テーパインテグレ タ21では、2次反射光については、もう一回 射する確率が高くなる。この反射確率が高 なることにより、出射光の一定範囲内にお る光強度分布の均一化が進む。これにより 上記非球面テーパインテグレータ21では、 純テーパインテグレータ32よりも光強度分布 の均一性にもすぐれた出射光を得ることがで きる。

 上記非球面テーパインテグレータ21は、 のテーパの非球面係数すなわち長さに対す テーパ傾斜角の変化状態により、出射光の 向性および光強度分布の状態をそれぞれ任 に設計することができる。つまり、出射光 方向性および光強度分布を用途に応じて最 化するための制御性が良好である。

 図4の(a)は、上記非球面テーパインテグレ ータ21による入射光線の集光および導光の状 のコンピュータ・シミュレーション結果を す。また、同図の(b)は、そのインテグレー 21からの出射光の光強度分布パターンのコ ピュータ・シミュレーション結果を示す。

 図5の(a)は上記非球面テーパインテグレー タ21の出射光による照度分布グラフ、同図の( b)は上記単純テーパインテグレータ32の出射 による照度分布グラフをそれぞれ示す。

 図4および図5に例示したように、本発明 係る非球面テーパインテグレータ21は、その 出射光の方向性および光強度分布状態のいず れもが、単純テーパインテグレータ32のそれ りも良好である。

 以上のように、上記実施形態にインテグ ータ21は、プロジェクタ等の照明系におい 、光源から光を入射させるための大きな集 反射鏡や、射出光の方向均一性を高めるた のコリメート光学系を用いなくても高い光 用効率を確保することが可能であり、これ より、プロジェクタ等の照明系全体の小型 および低コスト化が可能になる。さらに、 晶板等の照明対象を照明するに際しては、 定範囲内での光強度分布の均一性を高めて ムラ等のない高品質の画像再生が可能にな 。

 また、上記インテグレータの実施形態で 、図1の(b)に示したように、入射面21a部およ び出射面21b部の断面形状がそれぞれ、光源11 発光面および画像変換手段である液晶板43 形状に対応して、共に同じ縦横比の矩形に 成されている。

 入射面21a部の断面形状は、発光光源11の 状に相似であるとともに、その発光光源11よ りも大きく形成されている。これにより、入 射面21aに入射する光の割合を高めることがで きる。

 出射面21b部の断面形状は、画像変換手段 なす液晶板43の画像形成面の形状に相似で るとともに、その断面積が画像変換手段の 像面積より等しいか、大きく形成されてい 。これにより、出射光を液晶板43の画像形成 面に過不足無く照射して光の利用効率を一層 高くすることができる。

 上記インテグレータ21は導光断面が矩形 で、その導光体の内側4側面が非球面形状に 成されているが、この場合も、その4側面の 反射面は、入射光の最大入射光線角度より小 さい最大出射光線角度に出射光を変換する光 線角度変換手段を形成している。

 上記インテグレータ21の入射面21aと出射 21bを除く導光路内側には、鏡面反射をなす 反射面が形成されている、この全反射面は 金属蒸着等による外表面の鏡面反射加工、 たは屈折率差のある光学材料の被覆等によ 光学境界面の全反射加工により形成するこ ができる。具体的には、Al,Ag,Au等の金属蒸着 膜または、誘電体多層膜コートを使用する。

 図6は、上記非球面テーパインテグレータ 21と単純テーパインテグレータ32の入射面21a,3 2a付近での入射光の挙動をモデル的に例示す 。

 同図に示すように、単純テーパインテグ ータ32の入射面32aに大角度(急角度)で入射し た光L2は、インテグレータ32内の反射面に垂 に近い角度で入射する。このため、単純テ パインテグレータ32では、大角度で入射した 光L2が反射されずにインテグレータ32の側面 通り抜けてしまう確率が高く、光量損失が きくなってしまう傾向がある。この光量損 は、たとえば屈折率差を利用した全反射面 とくに問題となる。

 しかし、上記非球面テーパインテグレー 21では、入射側に近いところほど反射面の 斜が急になっていることにより、入射面21a 大角度で入射した光L1も、その急傾斜の反射 面に低角度で入射することにより確実に反射 されて集光および導光される。これにより、 屈折率差を利用した全反射面でも、光量損失 を抑えて入射光L1を効率良く集光および導光 せることができる。

 (実施例)
 図1に示したインテグレータ21および光学ユ ット100において、光源11は、発光面から距 0.4mmの位置で1.5mm×2.5mmの光線分布を持つInGaN のLEDを使用した。

 このLEDから出射した光線は、発光面から 離0.4mmの位置で入射端形状1.7mm×2.8mmの非球 側面を持つインテグレータ21に効率良く入射 させることができた。

 インテグレータ21は、所定の非球面係数 より側面形状が非球面に設計された金型を い、光学部材用の樹脂を射出成型法により 工したものである。表1~表4はその非球面係 の例を示す。

 インテグレータ21内で光は反射を繰り返し がら出射端へ導かれるが、出射端から出
射する光線は光量が均質化され、かつ拡がり が制御された光束とすることができた(図4参 )。

 出射端面形状は、インテグレータ21の後 に位置する矩形パネル状液晶板45の対角1/2イ ンチ縦横比4:3に対し、縦横比4:3で対角13mmの 形断面形状としたが、インテグレータ21から 出射された光はコンデンサレンズを介さずと も、ほぼ全量が液晶板45に照射された。

 上記非球面インテグレータ21から出射光 を、単純テーパインテグレータ32のそれと比 較したところ、非球面テーパインテグレータ 21では単純テーパインテグレータ32よりも7%の 光量増加が確認された。

 光強度分布の均一性については、表1の非 球面次数によって断面サイズが決定された側 面形状を持つインテグレータ21に、発光面か 距離0.4mmの位置で1.5mm×2.5mmの分布を持つ光 分布を持つInGaN系のRGB三色のLEDからの光を入 射し、インテグレータの出射端から10mmの部 でSi製のディテクタを縦横走査して光量を測 定した。そして、縦方向の光量を積算し、横 方向での分布をプロットした。

 この結果は、図5にその一部を例示したよ うに、上記非球面インテグレータ21では光強 分布の均一性が大幅に改善されることが確 された。

 表1~4はそれぞれ、R(Red)、G(Green)、B(Blue)の色 に使用するインテグレータの非球面係数を 示するものであって、Xは導光路の長さ(X=0,0 が入射面位置)、H+とH-は導光中心軸からの水 距離、V+とV-は導光中心軸からの垂直距離を それぞれ示す。
 

 図7は、本発明の技術が適用されたインテ グレータ21および光学ユニット100の第2実施形 態を示す。

 上述した第1実施形態との相違に着目する と、同図に示した第2実施形態では、インテ レータ21の入射面21aが凹面状に形成されてい る。

 インテグレータ21は通常、たとえばガラ や樹脂などの光学材料を用いて構成される このインテグレータ21に入射した光は、入射 前の光屈折率n1と入射後の光屈折率n2との差 に応じて屈折されることにより、インテグ ータ21内での光線方向が変化する。

 ここで、図8の(a)に示すように、インテグ レータ21の入射面21aが導光軸に対して垂直な 面であった場合、その導光軸に対して角度 1で入射した光は、インテグレータ21に入射 、その入射角θよも小さい屈折角θ2でインテ グレータ21内を進行する。

 このように、インテグレータ21の入射面21 aが平面の場合、インテグレータ21に入射した 光は、入射面21aに垂直な導光軸を基準に屈折 されて、その進行方向が内側に屈曲してしま う。このため、インテグレータ21内での反射 会が少なくなってしまう。この反射機会が ると、出射光の光強度分布の均一性を向上 せる効果が損なわれてしまう。

 これに対し、入射面21aが凹面状に形成さ たインテグレータ21では、同図の(b)に示す うに、その入射面21aへの入射光は、その入 点における入射面の法線を基準に屈折され 。このため、その法線に対して入射角θ1で ンテグレータ21内に入射した光は、インテグ レータ21内に屈折角θ2(θ1>θ2)で入射するが その屈折角θ2が入射点における入射面の法 を基準とするため、外側に屈曲して進行す ようになる。

 これにより、インテグレータ21内での反 機会が多くなって、出射光の光強度分布の 一性をさらに向上させる効果が得られる。

 図9は、入射面21aが凹面状に形成されたイ ンテグレータ21による入射光線の集光および 光の状態のコンピュータ・シミュレーショ 結果を示す。また、同図の(b)は、そのイン グレータ21からの出射光の光強度分布パタ ンのコンピュータ・シミュレーション結果 示す。同図に示すように、入射面21aを凹面 に形成することにより、出射光の光強度分 の均一性をさらに向上させる効果を得られ ことが確認された。

 図10は、上記非球面インテグレータ21を用 いたカラー光学ユニット110の第1実施形態を す。

 同図に示す光学ユニット110はRGBカラー照 系を含むものであって、RGB(赤緑青)のカラ 3原色を色別に発光する3つの光源11R,11G,11Bと 各色の光源11R,11G,11Bからの入射光(R,G,B)をそ ぞれ光線角度変換しながら特定範囲に均一 光強度分布の面光源として出射する3本のイ ンテグレータ21R,21G,21Bと、各色ごとの出射光( R,G,B)を同一範囲に重ね合わせる色合成光学系 を備えている。これらは単一の筐体50内に集 ・設置されている。

 色合成光学系は、1個のクロスプリズム52 2個の反射プリズム51,53を用いて構成されて る。

 インテグレータ21R,21Bから出射されたR色 およびB色光はそれぞれ、反射プリズム51,53 直角方向に反射されてクロスプリズム52の両 側面に入射される。クロスプリズム52は、イ テグレータ21Gから出射されたG色光にR色光 よびB色光を重ね合わせて合成する。この3色 合成光(RGB)が液晶板43の画像形成面に照射さ る。

 液晶板43には動画や静止画などのカラー 像が、画像信号による画素(ピクセル)単位で の光透過制御によって描画される。この液晶 板43の画像形成面を背後から均一に照射する とによって前面から得られる透過光像が、 影光学系45でスクリーン47上に結像されるこ とにより、その液晶板43でのカラー描画画像 スクリーン47に拡大投影される。

 図11は、上記非球面インテグレータ21を用 いたカラー光学ユニット110の第2実施形態を す。上記実施形態との相違点に着目すると この実施形態では、色合成光学系が、1個の 射プリズム54と、2個のダイクロイックプリ ム55,56を用いて構成されている。

 インテグレータ21Rから出射されたR色光は 、プリズム54で直角方向に反射されて第1のダ イクロイックプリズム55に入射される。第1の ダイクロイックプリズム55は、プリズムと光 多層膜により構成され、R色の波長領域の光 を選択的に透過させるとともに、G色の波長 域の光を選択的に反射させる色分解機能を たせられている。この第1のダイクロイック リズム55により、R色とG色の合成光が作成さ れ、第2のダイクロイックプリズム56に入射さ れる。

 第2のダイクロイックプリズム56は、R色お よびG色の波長領域の光を選択的に反射させ とともに、B色の波長領域の光を選択的に透 させる色分解機能を待たせられている。こ 第2のダイクロイックプリズム56は、第1のダ イクロイックプリズム55から入射されるRG合 光を、インテグレータ21Bから出射されたB色 に重ね合わせてRGB合成光を作成し、液晶板4 3に照射する。

 図12は、上記非球面インテグレータ21を用 いたカラー光学ユニット110の第3実施形態を す。上記実施形態との相違点に着目すると この実施形態では、色合成光学系が、1枚の 反射ミラー57と、2枚のダイクロイックミラ 58,59を用いて構成されている。

 インテグレータ21Rから出射されたR色光は 、全反射ミラー57で直角方向に反射されて第1 のダイクロイックミラー58に入射される。第1 のダイクロイックミラー58は、光学ガラス又 、プラスチック等の透明板と光学多層膜に り構成され、R色の波長領域の光を選択的に 透過させるとともに、G色の波長領域の光を 択的に反射させる色分解機能を待たせられ いる。この第1のダイクロイックミラー58に り、R色とG色の合成光が作成され、第2のダ クロイックミラー59に入射される。

 第2のダイクロイックミラー59は、R色およ びG色の波長領域の光を選択的に反射させる ともに、B色の波長領域の光を選択的に透過 せる色分解機能を待たせられている。この 2のダイクロイックミラー59は、第1のダイク ロイックミラー58から入射されるRG合成光を インテグレータ21Bから出射されたB色光に重 合わせてRGB合成光を作成し、液晶板43に照 する。

 この第3実施形態のカラー光学ユニット110は 、プリズムを用いないことにより軽量化およ び低コスト化に有利である。
 又、本光学系では、光合成部の入・出射光 画像情報が、含まれていない為、通常では 面精度が悪く、使用できないプラスチック 基板に使用する事が可能となり、更なる軽 化と低コスト化を実現できる。

 以上、本発明をその代表的な実施例に基 いて説明したが、本発明は上述した以外に 種々の態様が可能である。たとえば、本発 のインテグレータ21は矩形以外の断面でも く、用途に応じて、たとえば円形あるいは 円その他の断面形状であってもよい。

 プロジェクタ等の照明系において、光源 ら光を入射させるための大きな集光反射鏡 、射出光の方向均一性を高めるためのコリ ート光学系を用いなくても高い光利用効率 確保できるようにし、これにより、プロジ クタ等の照明系全体の小型化および低コス 化を可能にし、さらに、液晶板等の照明対 を照明するに際しては、特定範囲内での光 度分布の均一性を高めて色ムラ等のない高 質の画像再生を可能にするインテグレータ よび光学ユニットを提供できる。

本発明の技術が適用されたインテグレ タおよび光学ユニットの第1実施形態を示す 概略図である。 本発明に係るインテグレータの動作を デル化して示す図である。 本発明に係るインテグレータの動作を デル化して示す図である。 本発明の第1実施形態によるインテグレ ータの特性をコンピュータでシミュレーショ ンして示す図である。 本発明に係るインテグレータと従来の ンテグレータの光強度分布状態を示すグラ である。 本発明に係るインテグレータと従来の ンテグレータの入射面付近での入射光の挙 を示す図である。 本発明の技術が適用されたインテグレ タおよび光学ユニットの第2実施形態を示す 概略図である。 本発明の第2実施形態によるインテグレ ータの特徴を説明するための考察参照図であ る。 本発明の第2実施形態によるインテグレ ータの特性をコンピュータでシミュレーショ ンして示す図である。 本発明のインテグレータを用いたカラ ー光学ユニットの第1実施形態を示す概略図 ある。 本発明のインテグレータを用いたカラ ー光学ユニットの第2実施形態を示す概略図 ある。 本発明のインテグレータを用いたカラ ー光学ユニットの第3実施形態を示す概略図 ある。 従来のインテグレータおよび光学ユニ ットの第1構成例を示す概略図である。 従来のインテグレータおよび光学ユニ ットの第2構成例を示す概略図である。

符号の説明

 100 光学ユニット(本発明)
 101 光学ユニット(従来)
 110 カラー光学ユニット(本発明)
 11 光源
 11R R色光源
 11G G色光源
 11B B色光源
 12 集光反射鏡(リフレクタ)
 21R R色用インテグレータ
 21G G色用インテグレータ
 21B B色用インテグレータ
 21 インテグレータ(本発明)
 21a 入射面
 21b 出射面
 31 インテグレータ(ストレートロッド)
 31a 入射面
 31b 出射面
 32 単純テーパ状インテグレータ
 32a 入射面
 32b 出射面
 41 コリメートレンズ
 43 液晶板
 45 投影光学系
 47 スクリーン
 51,53 反射プリズム
 52 クロスプリズム
 54 反射プリズム
 55 ダイクロイックプリズム
 56 ダイクロイックプリズム
 57 全反射ミラー
 58 ダイクロイックミラー
 59 ダイクロイックミラー
 zo 導光軸(導光方向の中心軸)