JPH0323401A - 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、これらの光綿入射部
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）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、上記問題点に鑑み、小型化が可能かつ
高効率で光束を均一化することのできる光学部品を提供
することにある。

以上のような目的達成のため、本発明による光束を均一
化する光学部品は、面の法線と（１）（２）式で示され
る角度θないし−θをなす二種類の面が交互に繰り返す
屈折率ｎのプリズム列が外側に成形された、互いに平行
で、かつプリズム列も平行である一対のプリズム列形成
面を有し、これらのブリズム列形成面と垂直で且つプリ
ズムの稜線と平行な反射率、透過率が共にゼロでない複
数ノ平行平面（以下部分反射面と言う）を、前記の二つ
のプリズム列形成面の間に有することを特徴とする。

？ θ。−■〈θ ｆ了］＝『Ｐ ？ ＜０■＋ｒ口１Ｐ　　　゜゜゛■ 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 但しδ：入射光束のいずれか小さい方で，δ〈θ ｎ：プリズムの屈折率 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。

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］ 入射面となる一方のプリズム列形成面に垂直に入射され
た光束は、プリズムにより光軸を角度α一αだけ曲げた
光束に分けられる。その後、部分反射面で透過、反射に
よる分岐を繰り返し、広範囲に光束が分割される。これ
ら光束は出射面となる他方のプリズム列形成面で再び元
の光束に平行な広い範囲に分散した多数の光束にされる
。この作用により、入射面の異なる場所に入射した異な
る強度の光線が出射面では重なり合い、場所による光線
強度の違いを打ち消した均一な出射光束を得ることがで
きる。

［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詳細に説明する。

第１図は本発明の一実施例の外観を示す斜視図であり、
第２図は本発明を上から見た図である。

第１図において、ｌは直方体状の光学部品である。該光
学部品１は全体が屈折率ｎの透明材料で作られている。

直方体の対向する一面はプリズム列形成面２０．２２と
され、そのプリズムはその一面の法線と後述する角度θ
ないし−θをなす二種類の面２，３が交互に繰り返して
形成されている。また、各プリズム列形成面２０．２２
は互いに平行で、各プリズム列も平行に形成されている
。

７は光学部品ｌ内に設けられた複数の部分反射面であり
、反射率、透過率が共にＯでない平面である。各部分反
射面７はプリズム列形成面２０．２２と垂直で且つプリ
ズムの稜線と平行であり、それぞれの部分反射面７は互
いに平行である。

次に第２図を用いて本発明の光束均一化の作用について
説明する。説明のため、プリズム列形成面２０．２２の
プリズムの配列方向にＹ軸、該Ｙ軸と直交する方向にＸ
軸をとる。本発明の光学部品１は一方のプリズム列形成
面２０に光量斑のある光東■。を入射し、もう一方のプ
リズム列形成面２２から均一な出射光Ｉを得る。入射光
、出射光の光軸は両プリズム列形成面の法線に平行（Ｘ
軸に平行）にとる。

まずＸ軸に平行に入射する光線４について考える。入射
面においてＸ軸と角度十〇をなす面を十〇面（図におい
て３で示す）、−θをなす面を一〇面（図において２で
示す）と呼び、出射面に於いては入射面の＋θ面と平行
な面を＋θ面、θ面と平行な面を−θ面と呼ぶことにす
る。

＋θ面に入射した光ｉ１ｉ１　４は屈折により■式を満
足する角度αだけ方向を変える。

．　　　　π ｓ１ｎ　　（−−θ）＝ｎｓｉｎ（二一θ＋α）　・・
・■２２ 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、対向する−θ面に当たることなく進行する。

さらに屈折光はＸ軸に平行な部分反射面７で反射と透過
を繰り返し、分岐を繰り返して反対側のプリズム列形成
面に達する。これらの分岐光線の内、奇数回の反射を受
けたものは＋θ面に平行であり、＝θ面に達してＸ軸に
平行な光線となって出射する。また偶数回の反射を受け
たものは一〇面に平行であり、＋θ面に達してＸ軸に平
行な光線となって出射する。−θ面に入射した光線も同
様に考えれば、結果として出射光はＸ軸と平行でＹ軸方
向に多数分岐した光線になる。

この様にして入射面の一部に入射した光が出射面では広
げられ、全体均一な光量分布になる。なお、第２図にお
いて、５は＋θ面に入射した光線の出射光線を示し、６
はーθ面に入射した光線の出射光線を示している。

この様な光学部品１を制作するには、例えば透明板の片
面に金属鍍金により反射模様（網点、格子、ディザ模様
等）を形成したものを、光学的な接着が得られるように
積層して直方体のブロックを作り、これの反射面に垂直
な面に、射出成形や押し出し成形あるいはプレス成形な
どにより片面にプリズム列を成形した透明板を接着する
等の方法を使えばよい。

この例の様に、部分反射面７を反射模様によって作る場
合には、反射率を容易にコントロールでき好ましいが、
その陰が出射光の均一性を害さないようになるべく細か
い模様とするのが好ましい。また他には屈折率の異なる
薄層を透明板の間にはさんで積層する方法らある。この
場合は面全体が均一な反射率を示す点で好ましい。反射
率のコントロールは光線の入射角が知られているため、
これを基に計算し、薄い層の屈折率を調整して行なえば
よい。

更にこれらの中間的な方法として、透明板の片面に屈折
率の異なる材料で反射模様を作って積層する方法もある
。特に反射模様の屈折率を低くして、入射光が全反射条
件を満たすようにとれば前記の金属鍍金と同様の取扱と
なる。例えば表面にくぼみを作って隙間で反射模様を構
成すればよい。

また本発明の部分反射面７は、簡単には反射率の等しい
ものを等間隔に並べればよい。これは必ずしも必要条件
ではないが、この様にすれば光束の均一効果を予測する
ことが容易である。このとき各部分反射面７の透過率ｔ
と反射率ｒはおよそ以下の■■式に等しくとれば、入射
面のある位置に入射した出射光は、出射幅内でおよそ均
一な強度分布を持つ。

ｄ 最も外側にあたり、入射位置から±２ＬｔａｎαだけＹ
方向に移動した位置の光線は平均して均であるので整数
とは限らない）。各々に分岐した光線が同じ強度である
なら、その強度は入射光を分岐数で除したものに等しく
なければならず、従って部分反射面の透過率ｔは以下の
式を満たさなければならず、これから■式が得られる。

ｄ ｒ＝１−ｔ ・・・■ 但し　ｔ：透過率 ｒ：反射率 ｄ：部分反射面の間隔 Ｌ：部品の厚さ 以下■式を説明する。

入射面でＸ軸と角度±αをなしてわかれた光線は出射面
で２Ｌｔａｎαの幅に分岐する。この幅のこれはあくま
で一つの目安であって必ずしも透過率■式のものと厳密
に等しくとる必要もなく、また■式と等しくしても、各
分岐光の強度が等しくなるわけではなく、おおよそ均一
に分岐されるという程度のものである．この様に本発明
は理想的な均一化を可能にするものではないが、かなり
大きな均一化効果は得ることができる 本発明に於ける部分反射面７の数及び間隔は、原理的に
は数が多いほど、間隔が狭いほど分岐数が増えて均一化
効果が大きいと考えられるが、あまり多いとこの面の凹
凸、欠陥や異物等による散乱による、効率の低下が問題
となる。また生産性も低下する。従って必要十分なだけ
の数及び間隔にする事が望ましい．これらの値は入射光
の不均一の程度に依存し、短い周期の不均一が大きい場
合は面の数を多くする必要がある。

第２図の側面８における光線の入射角は、部品全体が一
つの材質で構成されるとき、全反射条件を満たすため、
滑らかな面であれば反射面として作用する。このため入
射面の側面付近に入射した光線の一部で側面８に当たる
光も、反射して内側に戻されるから無駄にならず、有効
利用される。

逆に側面８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十分得られない場合には
、出射光の側面付近が暗くなる傾向がある．従ってこの
様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Ｌ　ｔａｎαをより大き
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８の反射が得られる構成
にすることが好ましい。

また部品の厚さＬは入射のある位置に入った光線が出射
面で広がる幅２Ｌｔａｎαを決めており、入射光がもつ
不均一の性格をもとに決定すればよい．例えば入射光が
周期の大きい不均一を持ち、中心面に対しておよそ面対
称の強度分布を示すものであれば不均一の最も大きな周
期はＷと考えられるから２Ｌｔａｎα２ｗとすればよく
、入射光が非対称の強度分布であれば不均一の最も大き
な周期は２Ｗであり、２Ｌｔａｎα．２Ｗとすればよい
。また入射光が小さい周期の不均一のみ持つ場合には、
２Ｌｔａｎαはそれらの不均一の周期の最も大きなもの
より大きくとればよい。

以上の議論はＸ軸に平行な入射光についてのものである
が、Ｘ軸となす角が小さい光線については屈折角が異な
るだけで同様の効果が得られる． 入射光が完全な平行光ならば光量分布はプリズムの周期
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Ｓと置けば ＳＡＴ／ｔａｎδ　　　　　　　　　　・・・■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Ｓ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ａ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図において、入射後プリズムの反対面で反
射する光線ｌ４や出射前にプリズムの反対面で反射する
光線ｌ５のような光線成分があり、厳密には第２図に示
す通りにはならないが、θ→θ。であって、広がり角δ
があまり大きくなければ第２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、出射面の任意の小面の一部
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図の光１ｉ１１４
，１５の様な光路を取るため、ほとんど有効な光線とは
ならない。

θの値の有効な範囲は次のように求められる． 第８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／ｎｓｉｎφ）ｄψδ’　　
＝　（ｓｉｎψ／ｎｓｉｎφ）δこのとき角ψはθ。に
等しいとすれば、φ＝２ψ＝２θ。であるから ｄφ＝ｄψ／２ｎｃｏｓψ　　　　　　　・ナ争■δ′
＝δ／２ｎｃｏｓψ　　　　　　　　・・・■次に第９
図のように角ψを△ψだけ増加させた時を考える。平行
光の曲がる角度φ゜は■式を使って φ゛＝φ＋△φ＝φ＋△ψ／２ｎｃｏｓψ＝２ψ＋Δψ
／２ｎｃｏｓψ ＝２（ψ＋△ψ）−（２−１／２ｎ　ｃｏｓψ）△ψ・
・・◎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◎式の右辺第二項より大きけ
れば、広がり角内に φ゜＝２（ψ＋△ψ）　　　　　　　　　・・・＠を満
たす光線或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’　＞　（２−１／２ｎ　ｃｏｓψ）△ψ・゜・△ψ
〈δ／　（４ｎ　ｃａｓψ−１）．゜．△θくδ／　（
４ｎ　ｃｏｓθ。−１）．゜．△θくδ／７ｒＴ］＝ｒ
肩１　　　　　　　・・・■・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
． 本発明に於いては、プリズムの屈折率と部分反射面７を
有する導光部の屈折率は必ずしも等しい必要はないが、
入射側プリズムでの入射角、屈折角が、出射側プリズム
での屈折角、入射角に等しくなるために、異なる屈折率
の境界面はＸ軸に垂直な平行平面でなければならない。

またプリズムの屈折率に対し、導光部の屈折率を低くす
ることによって、同じ均一性能をより薄い部品で得るこ
とができる．この効果の最も大きい例として導光部を空
間（空気）にしたものについて説明する。

第３図はこの実施例で、第４図はこれを上部からみた図
である．１０は境界面としての平行平面３３．３４を有
するプリズム部である。また、この実施例では、部分反
射面７は所定の透過率、反射率をもった反射板７であり
、導光部に相当するプリズム部１０．１０間に配置され
ている。側面には反射鏡９が設置されているが、実際に
は上下の側面にも反射鏡を設置するのがより好ましい。

プリズム部ｌＯから導光部に光線が入る際、光線がＸ軸
となす角は屈折によって ｎ　ｓｉｎａ　＝　ｓｉｎβ　　　　　　　　　　・・
・■を満たす角βになる。これによって先ほど２Ｌｔａ
ｎαで表わされた出射光の広がりは、２　（Ｄ＋　ｔａ
ｎａ＋Ｄｔ　ｔａｎβ＋Ｄｓｔａｎａ）と表わされる。

これらを等しいとおけばとなり、右辺第二項だけ部品が
薄くなることがわかる。

導光部を屈折率ｎ，の材料で作る場合は■式が■゜式に
代わるだけで後は同様である。

ｎ　ｓｉｎａ　＝　ｎｄ　ｓｉｎβ　　　　　　　　・
・・■９本発明において、部分反射面は上記実施例のよ
うに等間隔に置かれた場合、入射光がこの間隔と一致す
るか、その整数倍の周期の不均一を持つ場合、十分な均
一効果が得られないことがある。この様な時には部分反
射面の間隔として複数の異なるものを混在させることに
よって、特定の周期の不均一が現われにくくすればよい
。

また、特定の光源に対し、その光量分布を基に部分反射
面の配置、透過率、反射率を最適化することによってよ
り大きな効果を達成することも可能である。

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、光量の不均一が一方向に限られる光源１
１ａを使用する場合は、第５図に示すように本発明の光
学部品１３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１ｌｂの場合は、第６図の様に本発明の光
学部品１３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。

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．この反射率はｎ＝１．５前後で１０％程
度である。例えば第６図の構成ではこの様な面が４つあ
り、これによる損失は４０％程度になる。この損失を減
少し効率を高めるためには各プリズム列形成面に所定の
入射角で反射率が最小となる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
ることによって反射率を下げることら効果がある。

［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
易に制作できるようになった。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による光学部品の第一の実施例を示す斜
視図である。 第２図は第一の実施例の光学部品の平面図である。 第３図は本発明による光学部品の第二の実施例を示す斜
視図である。 第４図は第二の実施例の光学部品の平面図である。 第５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使用方法を示す図である。 第６図は２次元的に不均一を持つ入射光に本発明を適応
する場合の使用方法を示す図である。 第７図は入射光束が広がり角を持つために、第２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
た図である。 第８図，第９図はそれぞれプリズム角に許される有効範
囲を説明するための図である。 ｌ，１３・・・本発明の光学部品 ２・・・一〇面 ３・・・＋θ面 ７・・・部分反射面， 反射板 ８・・・側面 ９・・・反射鏡 １ｏ・・・プリズム部 １ ｌａ， ｌ １ｂ・・・光源

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 面の法線と（１）（２）式で示される角度θないし−θ
   をなす二種類の面が交互に繰り返す屈折率ｎのプリズム
   列が外側に成形された、互いに平行で、かつプリズム列
   も平行である一対のプリズム列形成面を有し、これらの
   プリズム列形成面と垂直で且つプリズムの稜線と平行な
   反射率、透過率が共にゼロでない複数の平行平面を、前
   記の二つのプリズム列形成面の間に有することを特徴と
   する、光束を均一化する光学部品。 θ＿０−δ／√（１＋８ｎ＾２）＜θ ＜θ＿０＋δ／√（１＋８ｎ＾２）・・・（１）θ＿０
   ＝ｃｏｓ＾−＾１［１＋√（１＋８ｎ＾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：プリズムの屈折率