JPH0312601A - 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
源として光フアイバーライトガイドが使われるが、照度
圧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条
件は次のような事である。

（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。

事も重要である。

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太き（、
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。一方接
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（効率もさほど悪（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、高度な技術必要とされる。

従って従来技術の範囲では上記（１）〜（４）の条件を
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、上記課題に鑑み、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、第１図〜第４図及び
第１０図に示すように、以下のような特徴を有する本発
明の光束を均一化する光学部品を提供する。

即ち、本発明の第１項による光束を均一化する光学部品
は、下記条件Ａを満たし、相対する一対の辺にプリズム
単位が複数個形成された両鋸歯状の透明板ｌと、前記透
明板１と辺の長さが等しい矩形の透明板７とを、これら
の透明板１．７より屈折率の低い層８を間に形成しつつ
交互に積層したことを特徴とする。

（条件Ａ） プリズム単位が複数個形成された辺に平行にＹ軸、これ
に垂直な辺に平行にＸ軸、板厚方向にＺ軸をとるとき、
前記プリズム単位がＸ軸と｛１｝｛２｝式で示される角
度θないし一〇をなすこと。

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 −θ ｎ：透明板ｌの屈折率 また本発明第２項は、第１項の両鋸歯状の透明板１と透
明板７の互いに接する面の少なくともいずれか一方に金
属鍍金を施すか、或は金属鍍金を施したフィルムないし
は金属箔を間に挟む等の方法で、眉間に金属反射面を含
むように積層した光学部品である。

さらに本発明第３項は、第１項の両鋸歯状の透明板ｌを
間隔をあけて平行に積層した光学部品である。

本発明は例えば、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にしろスライド投影機にしろ後に設
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］ 以下、図面を参照しつつ本発明に使われる光学部品の作
用について説明する。

まず、第１図を使って本発明の両鋸歯状の透明板１の作
用を説明する。

第１図（ａ）は両鋸歯状の透明板１をＺ軸方向からみた
図であり、第１図（ｂ）はその斜視図である。透明板１
は矩形の等厚透明板の対向する２辺にプリズム単位３０
を多数形成し、それらプリズム単位３０が板厚方向に作
る一対の面の一方が光の入射面２０、他方が出射面２２
となるように構成される。第１図においては、その矩形
が横の長さＷ、縦の長さＬの長方形であり、それら長辺
にプリズム単位３０を形成した場合を示している。プリ
ズム単位３０を形成した辺と直交する辺６は後述するよ
うに反射面とされる。

ここで、プリズム単位３０が複数個形成された辺に平行
にＹ軸、これに垂直な辺に平行にＸ軸、板の厚さ方向に
２軸をとるとき、Ｘ軸に平行に入射する光１ｉ１４につ
いて考える。

入射面２０における、各プリズム単位３０において、Ｘ
軸と角度子〇をなす面を＋０面（図において、３で表わ
す）、−〇をなす面を一θ面（図において、２で表わす
）と呼び、出射面に於いては入射面の＋０面と平行な面
を＋０面、−０面と平行な面を−０面と呼ぶことにする
。＋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２２に到達する。

ｓｌｎ　　（−一θ）　＝ｎｓｉｎ　　（Ｌ−θ＋α）
・・■、　　　　　π ２ 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−０面に入射し一
θ面から出射する光線５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。

また出射面２２に達する以前に側面６に達した光は入射
角がπ／２−θ。となり、０式から、　　　　　π ｎ５ｘｎ　　（−−θ、）＝ｎｃｏｓθ０（，’ｎ＞１
） が成り立つため、側面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。また側面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同様な結果となる
。

両鋸歯状の透明板１は入射面２０に垂直に入射する光束
を、入射面２０にて光軸を角度α、−αだけまげた光束
に分け、一定の距離を置いた出射面２２でもとの軸と平
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１１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２２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１２図に示すように、入射面２ｏ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２０と出射面２２の
位置決め精度が要求されない。

次に第２図（ａ）、（ｂ）はそれぞれ本発明に使われる
透明板７の平面図、斜視図であり、透明板１に対応して
、横の長さＷ、入射面２０と出射面２２の間の距離りの
長方形状の透明板となっている。

第３図は画調積状の透明板ｌと透明板７を交互に高さＨ
まで、積層した本発明による光学部品１７である。透明
板１の厚さはｄ　ｌ　％透明板７の厚さはｄ、になって
いる。

第４図は本発明第１項の積層状態を示すものであり、両
鍔歯状の透明板ｌと透明板７の間に低屈折率層８が入っ
て積層されている。

低屈折率層８は低屈折率の接着剤でもよいし、低屈折率
のフィルムを用いてもよい。また空間をあけるだけでも
よく、この場合は両鍔歯状の透明板１と透明板７の間に
光学的な接着がないように積層するだけでよい。低屈折
率層８があるために両鍔歯状の透明板１．透明板７の各
々は、入射面の法線に対して小さい角度で入った光線に
対しては独立な導光体として機能する。本発明はビーム
性を有する光線を入射光とすることが前提であるため、
低屈折率層８と両鍔歯状の透明板ｌ、透明板７との屈折
率差を十分大きくとることにより、このことは容易に成
り立たせることができる。

さらに第２項では両鍔歯状の透明板ｌと透明板７の間に
金属反射面なお（ことによって、各々の透明板の導光体
としての独立性を与えている。

ここで入射面に入射する入射光が第５図の光量分布を持
っていたとすれば、出射光は第６図の光量分布９（透明
板７を単に透過した光）、光量分布１０（透明板１の＋
０面に入射し＋０面から出射する光線）、光量分布１１
（−θ面に入射し一θ面から出射する光線）、光量分布
１０°　（＋０面に入射し面６で反射した後−θ面から
出射する光線）、光量分布１１゛　（−θ面に入射し面
６で反射した後手θ面から出射する光線）の合成となる
。前記した両鍔歯状の透明板１．透明板７の独立性のた
めに、両鍔歯状の透明板ｌに入射し透明板７から出射す
る光線や、透明板に入射し両鍔歯状の透明板１から出射
する光線は存在しない。ここで両鍔歯状の透明板１の厚
さｄ、が、透明体７の厚さｄ２の２倍であれば、光量分
布９，１０゜１１の光強度はほぼ等しくなって出射光は
光量分布１２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。

本発明第３項は第１Ｏ図に示す通り、透明板７を省き、
代わりに隙間４０をあけたもので、上記と同様の効果が
ある。この際、両鍔歯状の透明板ｌの該隙間４０に接す
る面を反射面とすれば該隙間４０は完全な導光路となっ
て、その効果は第２項に於ける透明板７とほぼ変わりな
い。反射面を形成しない場合も、面に平行に近い角度で
入射する光に対する反射率は比較的大きいため、近似的
な導光路とみなすことができ、やや損失が増えるものの
第２項と同様な効果が得られる。

第６図かられかるように、出射面の幅いっばいの光束を
得るためにはｄｌ　＝ｄ＊　Ｘ２としてＬ　ｔａｎα＝
Ｗ／３になるようにＬを選べばよい。

すなわち とすればよ（、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Ｙ方向にプリズ
ムの周期Ｔの光量斑を持ち、２方向にｄｌ　＋ｄａ　＋
ｄｓの周期の光量斑をもつ。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、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ｔ 従ってＴが小さいはど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大きくなる
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＝θ。と置い
ても第７図１３〜１５に示すような光線成分があり、厳
密には第６図に示す通りにはならないが、θ→θ。であ
れば広がり角δがあまり大きくなければ第６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
意のプリズム面の一部が、隣の面が作るプリズムの頂角
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７図における１３〜１５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１３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。

５ｉｎ（ｘ／２−ψ）　＝　ｎ　５ｉｎ（π／　２−φ
）、、ＣＯＳψ＝　ｎ　ｃｏｓφ 、’、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＝２０゜であるから ｄφ＝ｄψ／２ｎｃｏｓψ　−○ δ１＝　δ／２ｎｃｏｓψ　・・・　６次に第１４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％式％ ） 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２項より大きければ、
広がり角内に φ゛＝２（ψ＋Δψ）　・・・　０ 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／（４ｎｃｏｓθ。−１）３．Δθ〈δ
／　（１＋　８　ｎ”）　””　　　　−Ｏこれからの
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。

本発明の光学部品の特徴は第６図からも分かるように、
入射面に垂直に入射する光束のうち、部を透明板７（第
３項では隣合う両鋸歯状の透明板１の間の隙間）を通過
させ、残りを両鋸歯状の透明板ｌの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
も光源が３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。

ここでｄｌとｄ２の比は中央の光源と左右に分かれた光
源の強度比を決めるもので、第６図のように等しい強度
よければａ　ｌ／　ａ　ｚ　＝　２にすればよ（、また
り、αは左右に分かれる光源の位置を決めるものであり
、第６図のように部品幅いっばいに均一な光束が必要で
あれば０式から決定すればよい。また必要な光束の幅が
部品幅Ｗより小さい場合は、Ｌ　ｔａｎαをより小さく
したり、それに併せてａ　ｌ／　ａ　ｍを調節してもよ
い。

本発明による光学部品は、Ｙ軸方向にのみ光量均一化の
効果を持つが、第８図に示すように光量の不均一が一方
向に限られる光源１６ａを使用する場合は、本発明にか
かる光学部品１７を一つ使った装置でよいが、光量の不
均一が２次元の光源１６ｂの場合は、第９図の様に光学
部品１７をＹ軸を直交させて２段にして均一化をはかる
必要がある。

なお、本発明に係る光学部品において、光線が入射する
際、及び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。この反射率はｎ＝１．５前後で、ｌＯ％
程度になる。この損失を減少し、効率を高めるには、反
射防止膜をコーティングすれば良い。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１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、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（ａ）　、　（ｂ）はそれぞれ両鍔歯状の透明板
１の平面図、斜視図である。第２図（ａ）　、　（ｂ）
はそれぞれ本発明に使用する透明板７の平面図、斜視図
である。第３図は本発明第１項の光学部品（第２項も同
様の形状）を示す図、第４図は両鍔歯状の透明板１、透
明板７の積層状態を示した図である。 第５図は入射光の光量分布を示す図、第６図は光量の均
一化が行なわれる原理を説明するための図である。 第７図は入射光束が広がり角をもつために、第１図に示
した光線と異なる行路を通る光線が存在することを示す
図である。 第８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構成図、第９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である
。 第１０図は本発明第３項による光学部品を示しす図であ
る。 第１１図及び第１２図はそれぞれ両鍔歯状の透明板ｌの
変形を示す図、第１３図及び第１４図はそれぞれ■が導
かれる根拠を説明するための図である。 ｌ・・・両鍔歯状の透明板 ２・・・−０面 ３・・・＋０面 ６・・・側面 ７・・・透明板 ８・・・低屈折率層 １６ａ、１６ｂ−光源 １７・・・本発明の光学部品

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）下記条件Ａを満たし、相対する一対の辺にプリズ
   ム単位が複数個形成された両鋸歯状の透明板１と、 前記透明板１と辺の長さが等しい矩形の透明板７とを、
   これらの透明板１、７より屈折率の低い層８を間に形成
   しつつ交互に積層したことを特徴とする光束を均一化す
   る光学部品。 （条件Ａ） プリズム単位が複数個形成された辺に平行にＹ軸、これ
   に垂直な辺に平行にＸ軸、板厚方向にＺ軸をとるとき、
   前記プリズム単位がＸ軸と｛１｝｛２｝式で示される角
   度θないし−θをなすこと。 θ＿０−δ／（１＋８ｎ＾２）＾１＾／＾２＜θ＜θ＿
   ０＋δ／（１＋８ｎ＾２）＾１＾／＾２・・・｛１｝θ
   ＿０＝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 ｎ：透明板１の屈折率
2. （２）請求項１記載の両鋸歯状の透明板１と、前記透明
   板１と辺の長さが等しい矩形の透明板７とを金属反射面
   を間に挟んで交互に積層したことを特徴とする光束を均
   一化する光学部品。
3. （３）請求項１記載の両鋸歯状の透明板１を、矩形の透
   明板７を除去した状態であって、低屈折率層の間隔をお
   いて平行に積層した光束を均一化する光学部品。