JPH02277002A - 光束を均一する光学部品 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、光フアイバーライトガイドの光線入射部分や
スライド投影機の照明光源などに必要とされる、均一で
かつ単一指向性を有する光束を得る技術に関する。

［従来の技術］ シート状物の欠陥検査装置に使われるライン状光源や、
液晶プリンターにおける液晶のパックライト等に、冷光
源として光フアイバーライトガイドが使われるが、照度
塩のない良質の照明を得るために、これらの光線入射部
分には入射光の均一化をはかるために拡散板を用いたり
、特願昭６３−１０６７７９号にあるように光ファイバ
ーと導光体を使った装置が考案されている。

またスライド投影機の光源部には投影像の全体に明るさ
の斑がないようにリレーコンデンサーを使った光学系が
一般的に使用されている。

［発明が解決しようとする課題］ これらの光源部ないし光源均一化手段に必要とされる特
徴は次のようなことである。

（１）光量が全体で均一である。

（２）効率が高い。

さらにコストや実用性を考えると、 （３）設計、制作が容易である。

（４）小型で場所をとらない。

ことも重要である。

前述した拡散板を用いる方法や、特願昭６３−１０６７
７９号にある光ファイバーと導光体を使う方法は、反射
曲面やレンズを使って指向性を持った光束を作り、これ
を均一化部品を通して明るさ斑を除去するものであるが
、前者は拡散板によって光線が散乱する角度が大きく、
光のビーム性が損なわれ光ファイバーの開口角内におさ
まらない光が損失となるため効率が極めて悪い。一方、
後者は均一化性能も良好で、光のビーム性を損なわず効
率もよいが、小型化が困難であり、又ランダムミキシン
グの方法は品質を保持しつつ量産することが容易でない
。

更に前述したリレーコンデンサーを使った光学系は、均
一化性能が良く効率もさほど悪くないが、使用電球９反
射板、コンデンサーレンズ等の設計、調整が十分注意深
く行なわれなければならず、高度な技術が必要とされる
。従って従来技術の範囲では（１）〜（４）を同時に満
たす光学系を実現することは困難である。

［課題を解決するための手段］ 本発明の目的は、上記従来技術の問題点に鑑み、小型化
が可能且つ高効率で光束を均一化することができる光学
部品を提供することにある。

以上のような目的を達成するため、本発明の光束を均一
化する光学部品は、対向する一対の面に単位となるプリ
ズム片（以下、プリズム単位と称する）が複数個形成さ
れた両鋸歯状透明体を積層したもの又は該積層したもの
と同様の形状を有する透明体であって、 （イ）前言己一対の面の一方を光束の入射面、他方を出
射面とし、入射面及び出射面に垂直にＸ軸、前記両鋸歯
状透明体の積層方向にＺ軸、更にＸ軸及びＺ軸に対して
共に垂直方向にＹ軸をとるとき、前記各プリズム単位を
構成する両面が作る稜線が２軸と平行であり、 （ロ）前記プリズム単位の並び方向が前記Ｙ軸の方向と
一致し、 （ハ）前記各プリズム単位を構成する両面がそれぞれＸ
軸と下記［１］、［２］式で示される角度θないし−θ
をなす ことを特徴としている。

但し、δ：入射光束の広がり角、ないしは出射光束を利
用する装置が利用できる広 がり角（±δ）のいずれか小さい方 で、δくθ。

ｎ：透明体の屈折率 本発明は特願昭６３−１０６７７９号にある方法と同様
に反射曲面やレンズを使って指向性を持った光束を作り
、これを均一化部品を通して明るさ斑を除去する方法に
使われる光束均一化部品であって、該手法と同様に光束
のビーム性を損なわず光量の均一化を行なう特徴を持つ
ものである。

この特徴は高い効率を得るために重要であって、光フア
イバーライトガイドまたはスライド投影機においても、
後に設置された光学系の開口角を越えた角度に広がる光
線は利用されず損失となるため、光源は平行光である必
要はないものの、単一指向性を持った光束であることが
望まれる。

［作用］ 第１図を使って本発明の詳細な説明する。第１図におい
て、１は本発明に係る光学部品の両鋸歯状透明体の平面
図である。該両鋸歯状透明体１は対向する平行な２面に
、それぞれプリズム単位３０を一列に並べた構成の板状
物である。そして−対の面の一方を光束の入射面２０．
他方を出射面２２とする。図において、入射面２０及び
出射面２２に垂直にＸ軸、前記鋸歯状透明体の厚さ方向
にＺ軸、更にＸ軸及びＺ軸に対して共に垂直方向にＹ軸
をとるものとする。

ここで、入射面２０からＸ軸に平行に入射する光線４に
ついて考える。入射面２０においてＸ軸と角度子〇をな
す面を＋０面（図において３で示す）、−〇をなす面を
一θ面（図において２で示す）と呼び、出射面２２に於
いては入射面の＋０面と平行な面を＋０面、−θ面と平
行な面を一θ面と呼ぶことにする。スネルの法則により
、＋０面に入射した光線は屈折により０式を満足する角
度αだけ方向を変え、Ｙ軸方向にＬ　ｔａｎαだけ離れ
た出射面に到達する。

この光線が＋０面に当たれば光線は元通りＸ軸に平行な
光線５となって出射する。このように＋０面に入射し＋
０面から出射する光線、あるいは同様に一θ面に入射し
一θ面から出射する光線は、それぞれＬ　ｔａｎα、−
Ｌｔａｎαだけ平行にずれて出射する。ここでθを前述
の０式で求められるθ。に等しくとればα＝−〇となり
、Ｘ軸に平行なすべての光は上記した２つの光路のいず
れかを通ることになる。

また出射２２面に達する以前に、Ｙ軸に垂直な面６に達
した光はその入射角がπ／２−θ。となり、０式及び全
反射条件から ｎ５１ｎ（−一〇、）＝ｎｃｏｓθ０ （’、’ｎ＞１） が成り立つため、面６が他の物質と光学的に接触してお
らず、空気層に面しておれば全反射して出射面に達する
。また面６に金属蒸着等によって反射面にしておけば、
この面が他の物質と接していても、また全反射条件を満
たさな（ても同様な結果とすることができる。

また、面６の平滑性が悪い、あるいは他の物質と光学的
に接している等の理由で反射が充分得られない場合には
、第３図の７°、８°がなくなるため側面付近が暗（な
る傾向がある。従って、このようなときは、側面付近の
光をすて、均一性の良好な部分のみを利用することや、
あるいはＬｔａｎαをＷ／４より大きめにとるなどの対
処が必要である。いずれにせよ効率は低下するため、前
述のように側面の反射が得られる構成にすることが好ま
しい。

ここで入射面２０に入射する入射光が第２図の光量分布
を持っていたとすれば、出射光は第３図の光量分布７（
＋０面に入射し、＋０面から出射する光線によるもの）
、光量分布８（−θ面に入射し、−θ面から出射する光
線によるもの）、光量分布７°　（＋０面に入射し面６
で反射した後、−θ面から出射する光線によるもの）、
光量分布８°　（−θ面に入射し面６で反射した後、＋
０面から出射する光線によるもの）の合成によって光量
分布９の様に均一化される。この場合において、入射光
の平行性が損なわれていないことは明°らかである。

第３図かられかるように、出射面２０の幅Ｗいっばいの
光束を得るためにはＬ　ｔａｎα＝Ｗ／４になるように
Ｌ（入射面と出射面との間の距離）を選べばよい。すな
わち とすればよく、θ＝θ。であれば となる。

入射光が完全な平行光ならば光量分布はブリズム単位３
０の周期Ｔの光量斑を持つが、本発明は若干の広がり角
を持つ光束の均一化を実現するものであるから、実際に
は出射面から所定の距離をおいて光を利用することによ
り周期Ｔの光量斑を除（ことができる。その距離をＤと
置けばＤ＞Ｔ／ｌａｎδ　　　　　　　・・・■である
。但しここでδは入射光束の広がり角、ないしは出射光
束を利用する装置が利用できる広がり角のいずれか小さ
い方を表わす。

従ってＴが小さいほどＤが小さく取れ、装置の小型化に
は好ましいが、あまり小さ（すると鋸状になった面の角
が加工精度の限界によって持つ丸みの影響が大きくなる
ため、むやみに小さ（することは好ましくない。

また広がり角δが０でないことは屈折角αの値が対応す
る広がりを持つことを意味し、このためθ＝θ。と置い
ても第４図における光線１０〜１２に示すような光線成
分があり、厳密には第３図に示す通りにはならないが、
θ岬θ。であれば広がり角δがあまり太き（なければ第
３図の効果が得られる。本発明の均一化部品が有効に働
（ためにはδがθより小さいことが必要であり、入射面
、出射面の任意のプリズム単位３０を構成する一面から
入射した光が、他面の凹頂角にさえぎられるような大き
な角度の光線は、その大部分が、第４図における光線ｌ
Ｏ〜１２の様な光路を取るため、はとんど有効な光線と
はならない。

次に、θの値の有効な範囲の求め方について説明する。

第５図で入射面において広がり角がδの光束は屈折率ｎ
の媒体に入るときその広がり角がδ゛になるとすれば、
δ°は第一近似で以下のように表わされる。

ｓｉｎ　（π／２−ψ）＝ｎｓｉｎ（π／２−φ）、、
ＣＯＳψ＝ｎｃｏｓφ 、’、ｓｉｎψｄψ＝ｎｓｉｎφｄφ 、′、ｄφ＝　（ｓｉｎψ／ｎ５ｉｎφ）ｄψδ’　＝
　（ｓｉｎψ／ｎ５ｉｎφ）δこのとき角ψはθ。に等
しいとすれば、φ＝２ψ＝２００であるから ｄφ＝ｄψ／２ｎｃｏｓψ　・・・Ｏ δ１　＝　　δ／２ｎｃｏｓ　　ψ　　・・・　０次に
第６図のように角ψをΔψだけ増加させたときを考える
。平行光の曲がる角度φ°は０式を使って φ°＝φ＋Δφ＝φ＋Δψ／２ｎｃｏｓψ＝２ψ＋Δψ
／２ｎｃｏｓψ ＝２（ψ＋Δψ）　−（２−１／　２　ｎ　ｃｏｓψ）
Δψ・・・　Ｏ Δψが小さければ媒体内の広がり角は０式のδ゛にほぼ
等しい、もしδ°が０式の右辺第二項より大きければ、
広がり角内に φ　＝２（ψ＋Δψ）　・・・　Ｏ を満たす光線成分を持つことになる。この成分は本発明
の効果を最も効率よく発揮する成分であるから、この成
分を有することが本発明を適用するための条件となる。

よって δ’　＞　（２−１／２ｎｃｏｓψ）Δψ、°、Δψく
δ／（４ｎｃｏｓψ−１）、、Δθくδ／（４ｎｃｏｓ
θ。−１）、“、Δθくδ／　（１＋８ｎ”）””　　
　　−’　　Ｏこれから０式が導かれる。

この推論は入射光の広がり角について行なったが、δが
出射光の有効な広がり角の場合は、出射面において視線
を追跡することによって全く同様な結果を得ることにな
る。

本発明の特徴点は、入射面に垂直に入射する光束を、入
射面にて光軸を角度α、−αだけ曲げた光束に分け、一
定の距離をおいた出射面で元の軸と平行な光束に戻すこ
とにより、あたかも元の光源の１／２の光量の光源が２
つ並んだのと同様な効果を得るものである。これによっ
て光束の均一化がなされるが、これはまた光束を拡大す
る効果も持っている。

この効果は第１図において、光束の入射面２０及び出射
面２２に形成された各プリズム単位３０の周期Ｔ（プリ
ズムのピッチとも言える）には影響されず、プリズム単
位３０がＸ軸となす角度θが正確に形成されてさえおれ
ば達成されるものである。例えば、第７図に示すように
入射面２０側のプリズム単位３０の周期Ｔ１が出射面２
２側の周期Ｔ２に比べて、２倍の長さになっているよう
な構成でも採用できる。

また、第８図に示すように、入射面２０と出射面２２の
各プリズム単位３０のＹ軸方向のずれｄｙは上記効果上
問題とならず、製造上、入射面と出射面の位置決め精度
が要求されない利点がある。

［実施例］ 以下、本発明に係る光束を均一化する光学部品について
具体的な実施例に基づき説明する。

本発明による光束均一化部品１５は、第１図の形状の両
側歯状透明体１を積層したもの、ないしはこれと同様の
形状を有する透明体で、積層物の一例を第９図に示した
。これは同じ形状の厚さｄの両側歯状透明体１を揃えて
高さＨまで積層した例で、接着剤は透明なものを使わな
ければならない。なお、本発明においては、全体の形状
が重要であり、積層物である必要はなく、第１０図のよ
うに、第９図と同じ形状の透明体を射出成形などで一体
成形したものでも、機能的には同等である。

また第１１図は、重なり合う出射面の波形が１／２周期
（Ｔ／２）だけずれるように積層した実施例である。こ
の様に積層される両側歯状透明体１は同一形状である必
要はなく、プリズム単位３０の周期Ｔや位相が異なるも
のを積層したものであってもよい。この条件は、各積層
間で成り立つとともに、前述したように一つの両側歯状
透明体ｌの入射面と出射面間でも成り立つものである。

本発明で°°両両歯歯状透明体積層したもの、ないしは
積層したものと同様の形状を有する透明体”という表現
を用いたのはこのためである。

この様にプリズム単位３０の周期Ｔや位相の異なる両側
歯状透明体ｌを積層することにより、前述した周期Ｔの
光量斑が現れにく（なる効果がある。第１１図において
板厚ｄがＴより小さければ、■式に変わって０式が周期
Ｔの光量斑が現れない条件になる。

Ｄ＞ｄ／ｌａｎδ°　　　　　　　・・・■但しここで
δ゛は入射光束、ないしは出射光束を利用する装置が利
用できる板厚方向の広がり角のいずれか小さい方を表わ
す。

本発明による光学部品１５は、Ｙ軸方向にのみ光量均一
化の効果を持つが、光量の不均一が方向に限られる光源
１３を使用する場合は、第１２図に示すように本発明を
一つ使った装置でよいが、光量の不均一が２次元である
光源１３°の場合は、第１３図の様に本発明をＹ軸を直
行させて２段にして均一化をはかる必要がある。

さらに、光源の光量不均一が極めて大きく、段ではこの
不均一を十分取り除くことができない場合は、Ｌ　ｔａ
ｎαの異なる部品を多段にすることにより十分な均一化
を達成することができる。簡単には一段目の１．、ｔａ
ｎα、＝Ｗ／４として、ｍ段目のＬ　ｍｔａｎＱ　１＆
　＝　Ｗ／　２　”’とすればよい。第１６図（Ｅ）に
３段の構成にした一例を示す。第１６図（Ａ）〜（Ｄ）
はそれぞれ第１６図（Ｅ）のＡ−Ｄの位置の光量分布を
示し、段数を重ねるほど光量が均一化されることが分か
る。

本発明では、プリズムの面に光線が入射する際、プリズ
ムの面から光線が出射する際に光線の一部が反射し、透
過光が減少する。この反射面は、ｎ＝１．５前後で１０
％程度になる。例えば、第１３図の構成では、このよう
な面が４つあり、これによる損失は４０％程度になる。

この損失を減少し、効率を高めるには、各プリズム面に
所定の入射角で反射率が最小となる無反射コーティング
を施せば良い。また、低屈折率の材料を薄くコーティン
グすることによって、反射率を下げることも効果がある
。

以下に設計、制作の実際を示すことによって、その容易
さを示し、さらに得られた性能を示す。

ここでは第１０図に示されるタイプを第１３図に示すよ
うに使い、３５ｍｍスライド映写機用に、フィルムサイ
ズより若干大きめの縦３ｃｍＸ横４ｃｍの光束を得るも
・のとする。

まず縦方向の均一化のための部品としてＷ＝３ｃｍ Ｈ＝　４　ｃｍ 材質はメタクリル（ＰＭＭＡ）樹脂を使うこととして ｎ　＝　１．４９ ■式を使って θ＝θ、　＝２６．５’ これから　ｔａｎθ。＝０．５０で０式を使ってＬ　＝
　Ｗ／　２　＝　１．５ｃｍ 制作を容易にするため Ｔ＝２．０ｍｍ とする。次に横方向の均一化に使われる部品についても
θ、Ｔは等しくとり Ｗ＝４Ｃｍ Ｈ＝　３　ｃｍ から Ｌ＝Ｗ／２＝２ｃｍ となる。

設計は以上で終わりであり、極めて簡単である。第１３
図の構成で入射光として第１４図の光量分布のものを使
用したとき、出射光の光量分布は第１５図の様になり、
十分な均一化がなされていることがわかる。なお、第１
４図、第１５図は実際の入射光、出射光の測定例であり
、Ｙ軸は出射面の長辺に平行にとられ、各々の面の中心
を通る直線上と、これからＨ／４だけ離れた直線上の光
量分布を示している。

ここで光束の広がり角δ＝２０°とすればＤ＞Ｔ／ｌａ
ｎδ＝５．５ｍｍ であり、第９図における本光学部品の必要とする長さは
、最低で １．５　＋２．０　＋０．５５＝４．０５ｃｍであり、
若干の余裕を見たとしても５ｃｍ足らずで十分である。

この様に本発明を使った光学系は極めてコンパクトであ
り、同様の機能の光学系をリレーコンデンサーを使って
構成する場合、同様のサイズにまとめることは相当能し
い。

本発明に使われる透明材料の屈折率は００式かられかる
とおり高いぼどθを太き（取れ、より小型にすることが
でき好ましい。また必ずしも部品全体を同じ材料で作る
必要はなく、第１７図に示すように屈折率の高い材料と
低い材料を使うことによって、より一層の小型化を可能
にすることができる。

第１７図において、ｎ　＋　＝　１．４９　　ｎ　ｚ　
＝　１．４０とし、ｎｌの層はｎ２の層に比べ十分薄い
とする。

前記の設計例にならって θ＝θ。＝　２６．５＠ とすれば、二つの材料の境界で屈折することにより となる。前記Ｗ＝４ｃｍの時、０式からと前記設計例よ
り２ｍｍ程度短（することができる。

なお、第１７図でｎ２はｎ、より小さくなければ小型化
にならないため意味がない。またｎｌとｎ２の違いが大
きい程小型化の効果が大きいが、あまり違いが太き（な
ると■の全反射条件が成りたなくなるため、その場合は
面６に金属蒸着をするなどして、反射面とする必要があ
る。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明による光学部品は、光源に
反射曲面やレンズを使って作られた不均一な光束を、そ
のビーム性を損なわずに光強度の均一化を行うことを可
能とし、高効率で均一な光束が得られる光源が容易に制
作でき、実用上大きな効果を有するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は相対する一対の辺が鋸状に成形された長方形の
両鍔歯状透明体を通過する光線の様子を示した平面図、
第２図は入射光の光量分布を示す図、第３図は光量の均
一化が行なわれる原理を示した光量分布図、第４図は入
射光束が広がり角を持つために第１図に示した光線と異
なる光路を通る光線が存在することを示した図、第５図
及び第６図はそれぞれ０式が導かれる根拠を説明するた
めの図、第７図及び第８図は両鍔歯状透明体の変形を示
した図、第９図及び第１１図はそれぞれ本発明による積
層物の実施例を示す図、第１０図は第９図の実施例と同
一形状のものを一体成形した透明体を示す図、第１２図
は一方向にのみ光量の不均一を持つ入射光に本発明を適
応する場合の実施例の図、第１３図は２次元的に不均一
を持つ入射光に適応する場合の使用方法を示す図、第１
４図及び第１５図はそれぞれ入射光、出射光の光量分布
を示す図、第１６図（Ａ）〜（Ｅ）はそれぞれ多段化の
効果を示す図、第１７図は本発明の小型化した実施例を
示す図である。 １・・・両鋸歯状透明体 ２・・・−０面 ３・・・＋０面 ６・・・側面 ２０・・・入射面 ２２・・・出射面 ３０・・・プリズム単位 １３．１３°・・・光源 １５・・・光束を均一化する光学部品 代理人　　弁理士　　山　下　譲　平 第 図 第 図 第 図 第 図 第 図 第 図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）対向する一対の面にプリズム単位が複数個形成さ
   れた両鋸歯状透明体を積層したもの又は該積層したもの
   と同様の形状を有する透明体であって、 （イ）前記一対の面の一方を光束の入射面、他方を出射
   面とし、入射面及び出射面に垂直にＸ軸、前記両鋸歯状
   透明体の積層方向にＺ軸、更にＸ軸及びＺ軸に対して共
   に垂直方向にＹ軸をとるとき、前記各プリズム単位を構
   成する両面が作る稜線がＺ軸と平行であり、 （ロ）前記プリズム単位の並び方向が前記Ｙ軸の方向と
   一致し、 （ハ）前記各プリズム単位を構成する両面がそれぞれＸ
   軸と下記［１］、［２］式で示される角度θないし−θ
   をなす ことを特徴とする光束を均一化する光学部品。 θ＿ｏ−δ／〔（１＋８ｎ＾２）＾１＾／＾２〕＜θ＜
   θ＿ｏ＋δ／〔（１＋８ｎ＾２）＾１＾／＾２〕・・・
   ［１］θ＿ｏ＝ＣＯＳ＾−＾１（〔１＋（１＋８ｎ＾２
   ）＾１＾／＾２〕／〔４ｎ〕）・・［２］但し、δ：入
   射光束の広がり角、ないしは出射光束を利用する装置が
   利用できる広がり角（±δ）のいずれか小さい方で、δ
   ＜θ＿ｏ ｎ：透明体の屈折率