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。