JPH035717A - 光束を均一化する方法及び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方法及び光学部品に
関する。

［従来技術］ 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
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１ 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。

（ａ）光量が全体で均一である。

（ｂ）効率が高い。

さらにコストや実用性を考えると （ｃ）設計、製作が容易である。

（ｄ）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。−左
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（ａ）〜（ｄ）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、ビーム性を損なわず
に光強度の均一化を行なうことを可能とし、高効率で均
一な光束が得られる光束を均一化する方法及び光学部品
を提供することにある。

本発明の光束を均一化する方法は、入射光束を、複数の
互いに平行な帯状反射面で反射して、入射光束と平行で
ない複数の反射光を得て、それら複数の反射光の合成に
より元の入射光束を均一化する方法であって、該帯状反
射面はその法線ベクトルと入射光軸を含む面に平行な方
向に長い帯状をしており、その面に垂直な方向に配列す
ることを特徴とする。

また、上記本発明の方法を使用した請求項２に記載の光
学部品は、少なくとも光束の入射面と、反射面と、出射
面とを有する透明媒体からなり、前記反射面が前記透明
媒体に切り込まれた複数の互いに平行な帯状反射面から
構成されることを特徴とする。

また、上記本発明の方法を使用した請求項３に記載の光
学部品は、透明板に帯状反射面を形成した部材と、該部
材の背後に配置された反射鏡とから構成されることを特
徴とする。

［作用］ 本発明の方法においては、各帯状反射面からの各反射光
は入射光自体が持っている光量分布をそのまま有し、か
つ各帯状反射面はそれぞれ所定距離ずれているために、
それらの反射光の光量分布もずれた状態で合成されるた
め、出射光全体では、入射光が持っている光量分布に比
べ、均一化されたものになる。

請求項２に記載の光学部品においては、入射面から透明
体内に入射した光は、透明体の一面に形成された帯状反
射面により反射し、光量分布が全体で均一化された状態
で出射面から出射される。

請求項３に記載の光学部品においては、前記透明板に入
射した光は、前記帯状反射面で反射する光と、該透明板
を透過し、前記反射鏡で反射する光の合成により元の入
射光が均一化される。

［実地例］ 以下、本発明の光束を均一化する方法及び光束を均一化
する光学部品について説明する。

第１図は本発明の光束を均一化する方法の原理を示す図
である。

同図は本発明に於ける反射面の一部を示し、Ａ、Ｂは各
々隣合う帯状反射面を示している。これらはＸ軸方向に
距離ｄだけずれているが、このように異なるＸ座標の帯
状反射面が２軸方向に並んで全体の反射面が構成される
。

簡単のために帯状反射面の幅は等しくｔと置き、ｔは入
射光束のＺ軸方向の幅に比べて十分小さ（、面Ａ、Ｂに
入射する光線のＳ方向の強度分布は実質的に等しいもの
とする。なおここでＳ。

Ｓ′は各々入射光軸、出射光軸に垂直でＸＹ面に平行な
軸を示している。また、Ｘ軸は帯状反射面の法線方向に
とっている。

いま、第２図のような光量分布を有する入射光束２５を
考える。このとき反射光の光量分布は面Ａ、Ｂ各々につ
いて第３図１．．１．どなる。入射光線は完全な平行光
ではな（Ｘ軸方向にも広がりを持っているから、これら
は反射面から離れるにしたがって混じり合い、結局これ
らによる反射光は第３図Ｉの様になり均一化が達成され
る。

実際には、全体の反射面は上記のように隣合う反射面が
Ｘ軸方向にずれながら多数並んで構成され、実用的な断
面積をカバーする。ここで帯状反射面の幅ｔは上記の論
議から解る通り小さいほど各々の反射光がよく混じり合
い好ましい。逆にｔが大きいとＸ軸方向に幅ｔの光量不
均一を生ずる恐れがあり好ましくない。

本発明に於ける帯状反射面の配列は、第１図あるいは第
４図、第５図の様な構成単位を２軸方向に並べて周期的
な構造としても良いし、また隣合う帯状反射面のずれｄ
がランダムになるように配列してもよい。前者の場合Ｘ
軸方向に構成単位を周期とした不均一を生じる恐れがあ
るが、このように予測される不均一を除けば反射面全体
として一定した均一化効果が期待できる。例えば第４図
は４つの面で構成した構成単位の例であり、第８図のよ
うな均一効果をねらったものである。この構成単位を並
べた反射面は第１図の構成単位を並べたものより均一化
効果が高いことは第３図と第８図を比較すれば明らかで
あるが、このように構成単位が多数の面からなるものは
構成単位のもつ幅が大きくなるため構成単位を周期とす
る不均一を生じる恐れが高くなる。このような場合には
第４図の代わりに第５図の構成単位を採用することによ
って、この周期的不均一を若干減することができる。

又後者のランダムな配列では、帯状反射面の幅ｔが十分
小さく、面の数が十分に多くないと、各面のＸ座標に地
域的な片寄りが生ずる恐れがあり、これによって思わぬ
不均一が生ずることがあるため注意が必要である。

実際には設計、制作の容易さや、効果の予測がしやすい
点などから考えて、前者の周期的な配列を選択すること
の方が好ましいと思われる。

更に反射面に於いては、隣合う帯状反射面の間に段差に
よって隙間ができるが、この隙間を通じて漏れる光が損
失となるため、ここに反射面３０（第１図、第４図、第
５図）を設けて全ての光が有効に利用できるようにする
ことが望ましい。ただ入射光の広がり角が小さい場合、
またｔに比較してｄが十分小さい場合には隙間からの漏
れは小さいから、反射面は必ずしも必要ではない。

次に上記本発明の方法を透明な媒体の一面に帯状に切込
みを入れ、その切込みで帯状反射面を形成した実施例に
ついて説明する。

第６図はその光学部品の斜視図を示す図である。同図に
おいて、１０は所定屈折率の透明媒体、１１は光束の入
射面、１３は出射面である。

１２は入射光と平行または垂直でない角度にとられた透
明媒体の一面であり、帯状の反射面が形成される面であ
る。なお、座標軸のとり方は前記方法のとり方と一致し
ている。

本実施例は、入射光軸と反射光軸のなす角を９０°とし
、これらと垂直な入射面１１と出射面１３を形成し、入
射光軸と角度４５°をなす反射面１２を、透明な材料で
ブロック状に成形したものである。このようにブロック
状にすることにより、入射光束と出射光束の反射面に対
する位置配置を容易に所定の角度に定めることができる
。

反射面１２に形成された帯状反射面Ａ、Ｂは、Ｘ軸方向
において距離ｄだけ離れた２つの互いに平ｉテな面に属
する帯状の面であり、Ｘ軸方向に交互に繰り返して形成
されており、各々の面の幅ｔは等しい。この面には金属
が鍍金されており、光線はこれらの面で全反射する。

ここでは入射光ｌとして第２図の分布を持ったものを反
射面１２に反射させると、反射光２は帯状反射面Ａ群に
よる反射光■、と帯状反射面８群による反射光１．の和
となり、第３図の工の様に均一化される。

ここで１．．１．は Ｄ　Ｘ　＝　ｄ　／　ｃｏｓ４５°＝ＪΣ−Ｄたけずれ
て重なることになる。この光学部品では反射面の幅全体
に均一な光量を得ることは困難で、両端に光量の小さい
部分を生じることが普通である。従って必要とされる光
束幅より若干大きめの反射面を作り、端の部分を除いた
光束を使えばよい。

さらに、第７図に示すものは４つの平行面に属する帯状
反射面群によって反射面を構成した実施例（第５図に示
した構成と同じ）であり、Ａ、　ＢＣ，Ｄの各々が属す
る面群による反射面が、第８図１．．１．、Ｉ。、ＩＱ
の光量分布を与え、トータルの光量分布Ｉは第３図のも
のより更に均一になっている。

第６図、第７図の様な透明ブロックを使用する場合、入
射面、出射面１反射面以外の側面は周りが空気、ないし
は低屈折率の媒体であれば、実質的に反射面となり、導
光路の側面として機能する。さらに積極的に金属を鍍金
することにより確実な反射面としてもよい。

本発明による光束均一化手段は、−軸方向のみの均一化
を行なうものであるから、二次元的な光量分布を有する
光源４ａの均一化を行なうためには第９図（ａ）の様に
二段にして実施する。

第６図、第７図の様なブロックを使う場合は第９図（ｂ
）の様に一方の入射面と他方の入射面を結合してしまえ
ばよ（、また（ｂ）の様なブロックを一体成形してもよ
い。さらに第１０図の様に入射光が一軸方向の不均一の
み持つ光源４ｂの場合には、−段のみの均一化手段で十
分である。

本発明において入射光軸と反射光軸のなす角、即ち反射
角は必ずしも９０゛である必要はないが、本発明品を装
置に組み込む際の簡便さや、設計の容易さを考えれば９
０”に近い角度を採用することは好ましい。また第６図
、第７図の様に透明ブロックを使う場合には、反射面へ
の入射角が全反射角５ＩＮ−’　（１／ｎ）より大きく
なるように反射角を小さ（とることによって、反射面へ
の金属鍍金を省（ことが可能である。この際には全反射
角が小さい高屈折率材料でブロックを形成することが好
ましい。

また、本発明の方法においては、第６図、第７図の様に
透明ブロックを使うことは必ずしも必要ではなく、前述
の条件を満たす反射面が実現されていればよい。装置の
軽量化のためには反射面のみ与えて、光路は空洞とする
こともできる。

第１１図にその一例を示す。

第１１図は透明板に反射鍍金４２を帯状に施した部材４
１の背後に、一定の距離をおいて反射鏡４０を設置した
ものである。この光学部品に入射光ｌを所定の角度で入
射させると、部材４１の反射鍍金４２で反射する光と４
１を通過して部材４０で反射する光とで本発明の効果を
得ることができる。またここで部材４１を複数枚一定の
間隔をおいて各々ずらして設置してもよ（、例えば部材
４１を三枚と部材４０とで第８図の効果を得ることも可
能である。この隔置も後ろに位置する部材４０は透過す
る成分を残す必要がないので単なる反射鏡を用いればよ
い。又可能であれば第１４．５図の反射面３０に相当す
る反射面を設置してもよい。

また、透明板の厚さを前述した所定の長さに設定し、部
材４１において反射鍍金４２を帯状に施した面の反対側
の面に反射鍍金を全面に形成して反射鏡とし、部材４１
と反射鏡４２とを一体化した構成でも良い。

なお、第６図、第７図に示した光学部品において、入射
光束が入射面１１に入射する際及び光束が出射面１３か
ら出射する際に、光束の一部が反射し、透過光が減少す
る。この損失を減少し、効率を高めるには、無反射防止
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
とも効果がある。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明の光束を均一化する方法に
よれば、簡単な方法で不均一な光束を、そのビーム性を
損なわずに光強度の均一化を行なうことを可能する効果
があり、その適用においても各種の形態をとりつる利点
がある。

また、請求項２記載の光束を均一化する光学部品は、独
立した一個の光学部品として、一体成形することも可能
で、安価で実用的に光強度の均一化を行なうことができ
る利点がある。

さらに、請求項３記載の光束を均一化する光学部品は、
透明板に帯状反射面を形成した部材と、反射鏡のみで簡
単に製造することができ、しかも軽量である利点がある
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発′明の方法の原理を示す図、第２図は入射
光の光量分布を示す図、第３図は第１図の装置によって
光量の均一化が行なわれた光量分布を示す図、第４図及
び第５図はそれぞれ、反射面の配置の例を示す図、第６
図は本発明の光学部品を示す斜視図、第７図は反射面が
Ａ〜Ｄの４群によって構成された例を示す図、第８図は
これによる出射光の均一化を示した光量分布図である。 第９図（ａ）、（ｂ）はそれぞれ第１図ないし第４図の
ブロックを二つ組み合わせて二次元的な均一化を行なう
方法を示した図、第１０図は一つのブロックで一次元的
のみの均一化を行なう場合を示した図、第１１図は本発
明の方法の他の実施例を示す斜視図である。 １・・・入射光 ２・・・出射光 １０・・・反射ブロック １１・・・入射面 １２・・・反射面 １３・・・出射面 １０・・・反射ブロック ４．４゛・・・光源 Ａ、Ｂ、Ｃ，Ｄ・・・帯状反射面 １、、ＩＢ　、１．．１．　・Ａ−Ｄの帯状反射面群に
よる反射光強度 ■・・・合成反射光強度

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）入射光束を、複数の互いに平行な帯状反射面で反
   射して、入射光束と平行でない複数の反射光を得て、そ
   れら複数の反射光の合成により元の入射光束を均一化す
   る方法であって、該帯状反射面はその法線ベクトルと入
   射光軸を含む面に平行な方向に長い帯状をしており、そ
   の面に垂直な方向に配列することを特徴とする、光束を
   均一化する方法。
2. （２）請求項１記載の光束を均一化する方法を採用し、
   少なくとも光束の入射面と、反射面と、出射面とを有す
   る透明媒体からなり、 前記反射面が前記透明媒体に切り込まれた複数の互いに
   平行な帯状反射面から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。