JPH02294614A - 光束を均一化する光学部品 - 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、光ファ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ための光学部品に関
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バックライト等に、冷光
源として光ファイバーライトガイドが使われるが、照度
斑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＾ると、 （３）設計、制作が容易である。

（４）小型で場所をとらない。

こども重要である。

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，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、片面が平面で、他方の面が条件Ａを
満たすようにプリズム単位が筋状に複数個形成された長
方形の透明板２枚を、それぞれのプリズム単位の稜線を
互いに平行に、かつ互いの平面の側が向かい合うように
平行に設置されたものを構造単位とし、少なくとも一つ
の構造単位を平行に重ね合わせることによって構成され
ることを特徴としている。

（条件Ａ） 前記透明板の面の直行する２辺にそれぞれ平行にＹ軸、
Ｚ軸をとり、面に垂直方向にＸ軸をとれば、前記プリズ
ム単位の稜線はＹ軸、Ｚ軸のいずれか一方に平行で、か
つ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
すように形成されている。

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〈θ。

ｎ：透明体の屈折率 なお、光強度分布が正規分布のような光束を広範囲にお
いて効率よく均一化させるためには、条件Ａの座標系の
ＸＺ面に平行な反射面及び／またはＸＹ面に平行な反射
面を設置すると良い。

本発明は特願昭６３−　１０［３７７９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、光ファ
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図を参照して本発明の作用を説明する。

第１図において、■，２は本発明に係る構造単位ｌ５を
構成する長方形の透明板である。第１図は、構造単位１
５をプリズム単位３０が形成された面に平行な軸方向か
ら見たもので、この軸をＹ軸とする。入射光はプリズム
単位３０が形成された面に垂直なＸ軸に沿って図面の上
から入射するものとする。なお、Ｚ軸をＸ軸及びＹ軸に
直交する方向に取る。

まずＸ軸に平行に入射する光線について考える。透明板
ｌの入射面においてＸ軸と角度十〇をなす面を＋θ面（
図において４で示す）、一〇をなす面を一〇面（図にお
いて３で示す）と呼び、透明板２の出射面２３に於いて
は入射面２０の＋θ面と平行な面を＋θ面、一θ面と平
行な面を−θ面と呼ぶことにする。スネルの法則により
、＋θ面に入射した光線は屈折により■式を満足する角
度αだけ方向を変え、透明板ｌを出る際、屈折によりＸ
軸と■式を満足する角度βをなす光線となる。この角度
αと角度βとの詳細図を第２図に示す。更に透明板２に
入る際、Ｘ軸となす角度は再びαとなって出射面２３に
到達する。結局出射面２３に達するまでに光線がＹ軸方
向に動いた距離Ｑは■式となる。

ｓｘｎ（−一〇）＝ｎｓｉｎ（五一〇＋α）　・・・■
．　　　π ｓｉｎβ＝ｎｓｉｎａ　　　　　　　　　　　　　　　
　．．．■Ｑ”　　（ｄ＋　　＋ｄｚ）　　ｔａｎａ＋
Ｌｔａｎ　　β　　　・・・■この光線が＋θ面に当た
れば光線は元通りＸ軸に平行な光線となって出射する。

このように＋θ面に入射し＋θ面から出射する光線、あ
るいは同様に−θ面に入射し−θ面から出射する光線は
、それぞれＱ　　−Ｑだけ平行にずれて出射する。ここ
でθを■式で求められるθ。に等しくとればα＝一〇と
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、透明体１．２だけであると、Ｙ軸方向にＱあるい
はーＱだけずれたために透明板２からはずれてしまう光
は損失となるが、第１図に示すように構造単位１５の両
側に表面が反射面である反射板を設け、全体の形状が筒
状の導光路となっている場合には、その導光路の反射面
７で反射して透明板２に達する． ここで入射面２０に入射する入射光が第３図の光量分布
を持っていたとすれば、出射光は第４図の光量分布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９（−θ面に入射し、一〇面から出射する光
線によるもの）、光量分布８゜　（＋θ面に入射し、面
７で反射した後一θ面から出射する光線によるもの）、
光量分布９゜　（一〇面に入射し、面７で反射した後十
θ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１ｏの様に均一化される。また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。導光路の反射面７
がない構成の発明（請求項１記載の発明）については光
量分布８゜と光量分布９が存在しないため光量分布１０
’の様になる。

内面が反射面である筒状の導光路が形成する構成（請求
項２記載の発明）においては第４図からわかるように、
出射面の幅いっぱいの光束を得るためにはＱ＝Ｗ／４に
なるように透明板１の厚さｄｌ，透明板２の厚さｄ２，
それらの距離Ｌを選べばよい。ｄ＋，ｄ２が十分小さい
場合はとすればよい。

入射光が完全な平行光ならば光量分布はプリズム単位の
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の光量斑を除くことができる．その距離をＤと置け
ば ＤＯＴ／ｔａｎ　　δ　　　　　　　　　　　　・・・
■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。

従って周期Ｔが小さいほど距離Ｄが小さく取れ、装置の
小型化には好ましいが、あまり小さくすると鋸状になっ
た面の角が加工精度の限界によって持つ丸みの影響が太
き《なるため、むやみに小さくすることは好ましくない
。

また広がり角δがＯ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：００と置い
ても第５図における光線１１〜１３に示すような光線成
分があり、厳密には第４図に示す通りにはならないが、
θ絢θ。であれば、広がり角δがあまり大きくなければ
第４図の効果が得られる。本発明の均一化部品が有効に
働くためにはδがθより小さいことが必要であり、入射
面２０、出射面２３の任意のプリズム単位３０の一部が
、隣の面が作るプリズムの頂角に遮られるような大きな
角度の光線はその大部分が第５図１１〜１３のような光
路を取るため、ほ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６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）．．Ｃ
ＯＳψ＝ｎｃｏｓφ ．’．ｓｉｎψｄψ＝　ｎ　ｓｉｎφｄφ．’．ｄφ＝
　（ｓｉｎψ／ｎｓｉｎφ）ｄψδ’　＝　（ｓｉｎψ
／ｎｓｉｎφ）δこのとき角ψはθ。に等しいとすれば
、φ＝２ψ＝２０。であるから ｄ＄＝ｄψ／　２　ｎ　ｃｏｓψ　…　ｏδ゜２　δ／
２ｎｃｏｓψ　・・・　　■次に第７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○式を使って φ１　＝φ＋Δφ＝φ＋Δψ／　２　ｎ　ｃｏｓ　　ψ
＝２ψ＋Δψ／２ｎｃｏｓ　　ψ ＝２（ψ＋Δψ）　　１２−１　／　２　ｎｃｏｓ　　
ψ）Δψ・・・　Ｏ Δψが小さければ媒体内の広がり角は■式のδ゜にほぼ
等しい、もしδ゜がＯ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《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）．゜．八〇〈δ／（４ｎｃ
ｏｓθ。−１）．゛．Δθくδ／　（１＋８ｎ”）””
　　　　−　　Ｏこれから■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、透
明板１にて光軸を角度β，一βだけ曲げた光束に分（づ
、一定の距離をおいた透明板２で元の軸と平行な光束番
こ戻すことにより、あたかも元の光源のＩ／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、透明板１の入射面２０、透
明板２の出射面２３に形成された各プリズム単位３０の
周期Ｔ（プリズムの巾とも言える）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８図に示
すように入射面２０側のプリズム単位３０のピッチ（周
期）Ｔ１が出射面２３側のビッチ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９図に示すように、入射面２０と出射面２３の
各プリズム単位３０のＹ軸方向のずれｃｉｙは問題とな
らず、従って、透明板１及び２の位置決め精度が要求さ
れない利点がある。

［実施例］ 次に本発明の光束を均一化する光学部品について具体的
な実施例に基づき詳細に説明する。

第１０図に本発明の光束を均一化する光学部品の斜視図
を示す。第１０図（ａ）が反射面を有さない構成、第１
０図（ｂ）が反射面を有する構成である。反射面は部品
の上下の側面にも設置されているが、これによってＺ方
向に角度をもった光線が上下の面から漏れて損失になる
のを防いでいる。両図に示すようにプリズム単位３０は
図中、Ｚ軸方向に延びて形成され、複数個設けられ、筋
状に形成されている。透明体ｌ及び２はそれぞれ射出成
形などで一体成形され、前述の間隔Ｌたけ離れて平行に
配置される。

なお、本発明においては、全体の形状が重要であり、一
体成形したものである必要はなく、第１１図のように、
同じ形状の厚さｄの片鋸南状透明体５０を揃えて高さＨ
まで積層し、第１０図と同じ形状の透明体にしたもので
も、機能的には同等である。この場合、接着剤は透明な
ものを使わなければならない。

また第１２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。透
明体工及び２において、この様に積層される片鋸歯状透
明体５０は同一形状である必要はなく、プリズム単位３
０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。

この様にプリズム単位３０の周期Ｔや位相の異なる片鋸
歯状透明体１を積層することにより、前述した周期Ｔの
光量斑が現れにくくなる効果がある。第１２図において
板厚ｄがＴより小さければ、■式に変わって■式が周期
Ｔの光量斑が現れない条件になる。

Ｄａｄ／ｔａｎδ゜　　　　　　　・・・■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。

なお、本発明において透明板１，２の間は空気の空間と
するのが一般的であり、光束の均一化効果も一番大きい
が、空気中に配置することができない場合などにおいて
は、空気のかわりに、透明板１．２の屈折率より小さい
屈折率を有する気体または液体等の媒体（真空含む）中
に本発明に係る構造単位を配置しても、本発明を構成で
きることは明らかである。第１３図は屈折率ｎ２の媒体
中に構造単位（屈折率ｎ　ｌ＋　ｎ　＋　＞　ｎ　２）
を配置した構成を示す図であり、ブリスム単位の角度、
屈折率等は前配媒体の屈折率に応じて選定設計される。

また、第１図の構造単位は一軸方向にのみ光量均一化の
効果を持ち、第１４図に示すように光量の不均一が一方
向に限られる光源４３を使用する場合は、この構造単位
ｌ５を一つ使った装置でもよいが、光量の不均一が２次
元の光源４３゜の場合は、第１５図の様に構造単位１５
を均一化軸を直行させて２つ使っ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、第１４図、
第１５図の様に１〜２段程度ではこの不均一を十分取り
除《ことができない場合は、Ｑ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Ｑ＝Ｗ／４としてｍ段目をＱ，＝Ｗ／２
’″＋１とすればよい。

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、側面が反射面であるタイプを設計する．３５
ｍｍ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２８ｎ＋ｍＸ横４０ＩｎＩ！＋の光束を得るもの
とする。

第６図の構成を採用し、まず縦方向の均一化のための部
品として Ｗ＝２８ｍｍ Ｈ＝４０ｍｍ 材質はメタクリル樹脂（ＰＭＭＡ樹脂）を使うこととし
て ｎ　＝　１．４９ ■式を使って θ＝θ。＝　２６．５’ ■，■式から α＝　２６．　５’　　　β＝４１．８°Ｑ＝Ｗ／４　
＝７＋ｎｍ，　ｄ＋　＝ｃＬ　＝１．５　ｍｍとして■
式に代入 ７＝（１．５Ｘ２）Ｘ０．５　＋ＬＸ０．８９これから Ｌ＝：６．２ｍｍ 制作を容易にするため Ｔ　＝　ｌ．Ｏｍｍ 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《とり Ｗ＝４０ｍｍ Ｈ＝２８ｍｍ Ｑ＝Ｗ／４　＝　１　０ｍｍ，　　ｄ　＋　＝　ｄａ　
＝１．５　ｍｍとして１　０　＝　（１．５Ｘ　２）　
Ｘ　Ｏ．５　＋　Ｌ　Ｘ　Ｏ．８９これから Ｌ”９．６ｍｍ となる。

設計は以上で終わりであり極めて簡単である．第１６図
、第１７図は第１図の構成において、本設計例での入射
光５出射光の測定例で、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。入射光とし
て第１６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１７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。

ここで光束の広がり角δ＝２０゜とすればＤ　＞　Ｔ　
／　ｔａｎδ＝２．８ｍ＋ｎであり、本光学部品の必要
とする長さは，最低で ６．２　　＋９．６　　＋１．５　　Ｘ　４　＋２．８
　　＝２４．６ｒｏｍ若干の余裕を見たとしても３ｃｍ
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のは困難であり、特願昭
６３−１０６７７９号に示される方法では不可能である
。

なお、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。この反射損失は、ｎ＝１．５前
後で１０％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。

［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、 ■透明体ｌ、２は一体成形で製造でき、設計も簡単なの
で、安価に提供できる。

■透明体１、２は板状であり、その間を空間とすること
ができるので、軽量且つコンパクトである。

■両透明体１、２の位置合せが簡単であり、取付け作業
も簡単に行うことができる。

等の利点を有する。

また、本発明によれば、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、実用土大きな効
果を有するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の構造単位を示した図、第２図はその部
分拡大図、第３図は入射光の光量分布を示す図、第４図
は光鳳の均一化が行なわれる原理を示した図、第５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６
図及び第７図はそれぞれ■式が導かれる根拠を説明する
ための図、第８図及び第９図は透明体の変形を示した図
、第１０図（ａ）　，　（ｂｌはそれぞれ一体成形した
透明体を使用した実施例を示す図、第１１図及び第１２
図はそれぞれ本発明に係る積層物の実施例を示す図、第
１３図は空気の空間のかわりに低屈折率の媒体を使用し
た実施例を示す図、第１４図はひとつの構造単位で均一
化部品を構成した例を示す図、第１５図は均一化方向の
直行する二つの構造単位で構成した例を示す図、第１６
図及び第１７図はそれぞれ入射光、出射光の光量分布を
示す図である。 １．２・・・透明体 ３・・・−θ面 ４・・・＋θ面 ７・・・反射面 １５・・・構造単位 ２０・・・透明体１の入射面 ２１・・・透明体１の出射面 ２２・・・透明体２の入射面 ２３・・・透明体２の出射面 ３０・・・プリズム単位 ４３．４３゜・・・光源 ５０・・・片鋸歯状透明体

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）片面が平面で、他方の面が条件Ａを満たすように
   プリズム単位が筋状に複数個形成された長方形の透明板
   ２枚を、それぞれのプリズム単位の稜線を互いに平行に
   、かつ互いの平面の側が向かい合うように平行に設置さ
   れたものを構造単位とし、少なくとも一つの構造単位を
   平行に重ね合わせることによって構成されることを特徴
   とする光束を均一化する光学部品。 条件Ａ 前記透明板の面の直行する２辺にそれぞれ平行にＹ軸、
   Ｚ軸をとり、面に垂直方向にＸ軸をとれば、前記プリズ
   ム単位の稜線はＹ軸、Ｚ軸のいずれか一方に平行で、か
   つ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
   すように形成されている。 θ＿０−δ／（１＋８ｎ＾２）＾１＾／＾２＜θ＜θ＿
   ０＋δ／（１＋８ｎ＾２）＾１＾／＾２・・・［１］ θ＿０＝ｃｏｓ＾−＾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＿０ ｎ：透明体の屈折率
2. （２）請求項１記載の光学部品に接して、条件Ａの座標
   系のＸＺ面に平行な反射面及び／またはＸＹ面に平行な
   反射面を設置することを特徴とする光学部品。