JPWO2008078820A1 - インテグレータおよびそれを用いた光学ユニット - Google Patents

Abstract

光源１１からの入射光を、入射面２１ａと出射面２１ｂを有する導光体により、集光および導光して特定方向の特定範囲に均一な光強度分布の面光源として出射するインテグレータ２１であって、上記導光体は、入射面２１ａよりも出射面２１ｂの面積が大きく、入射光の最大入射光線角度よりも出射光の最大出射光線角度を小さく変換する光線角度変換手段が形成されている。

Description

本発明は、光源からの入射光を集光および導光して特定方向の特定範囲に均一な光強度分布の面光源として出射するインテグレータに関し、たとえば、液晶パネルを用いてスクリーン上に映像あるいは画像を投影するプロジェクタ等の光学ユニットに利用してとくに有効なものに関する。

プロジェクタ等の光学ユニットでは、照明光学系としてインテグレータを用いる方式が知られている。図１３はそのインテグレータ方式の光学ユニット１０１を示す。

同図に示す光学ユニット１０１はプロジェクタであって、光源１１、集光反射鏡（リフレクタ）１２、インテグレータ３１、コリメートレンズ４１、画像変換手段としての液晶板４３、投影光学系４５などを用いて構成されている。

同図において、光源１１からの光は集光反射鏡１２で集光されてインテグレータ３１の入射面３１ａに入射される。インテグレータ３１は、矩形断面のガラスロッド等からなる導光体を用いて構成され、その一端の入射面３１ａから入射した光を内面反射させながら集光および導光して他端の出射面３１ｂから出射させる。

出射面３１ｂからの出射光は、コリメータレンズ４１で平行度を高められた後、液晶板４３の画像形成面に照射される。液晶板４３には動画や静止画などの画像が、画像信号による画素単位での光透過制御によって描画される。その液晶板４３の画像形成面を背後から均一に照射することによって前面から得られる透過光像を、投影光学系４５でスクリーン４７上に結像させることにより、その液晶板４３での描画画像をスクリーン４７に拡大投影することができる。

上述したインテグレータ方式の照明光学系では、インテグレータ３１をなす導光体のロッド断面積を小さくしたり、その長さを長くしたりすることにより、液晶板等の被照明領域を照明する照明光の面内光強度分布を均一化させることができるとされている（たとえば、特許文献１参照）。

上述した照明光学系では、断面積が一様な形状の導光体いわゆるストレートロッドをインテグレータ３１として用いているが、図１４に示すように、傾斜角が全長にわたって一定な単純テーパ状とすることで入射面３２ａよりも出射面３２ｂの面積を大きくした導光体いわゆるテーパロッドを、インテグレータ３２として用いた照明光学系も提供されている（たとえば、特許文献２参照）。

図１４は上記テーパロッドを用いたインテグレータ方式の光学ユニット１０１を示す。図１３との相違点に着目すると、図１４に示す光学ユニット１０１では、インテグレータ３２にテーパロッドを用いたことにより、ストレートロッドを用いた場合よりも、出射光の出射角度をより小さくすることができる。

これにより、液晶板４３に照射する照明光の質を高めて画像（映像や静止画像）の表示品質を高めることが可能となる。また、出射光の平行度を高めるために設置されるコリメートレンズ４１等の後段の光学系に要求される光学特性も、レンズ枚数を減らす等、比較的緩やかなものとすることができる。

上記のように、従来においては、ストレートロッドまたはテーパロッドを用いて、光源からの入射光を集光および導光して特定方向の特定範囲に均一な光強度分布の面光源として出射するインテグレータを構成し、これを用いてプロジェクタ等の光学ユニットを構成していた。

特開２００２−９０８８３号公報 特開２００４−７００９５号公報

しかしながら、上述した従来の技術には次のような問題があった。

すなわち、上述したインテグレータ３１，３２は、出射光の出射角度をストレートロッドよりも小さくできるテーパロッドを用いた場合であっても、プロジェクタ等の照明光学系において、インテグレータ３２の入射側では、入射面３２aに光源１１からの光を集光して効率良く入射させるために、大きな集光反射１２を用いる必要性があった。また、インテグレータ３２の出射側では、出射面３２ｂからの出射光を特定範囲に均一に照射させるために、コリメートレンズ４１等のコリメート光学系を用いる必要性があった。

上記インテグレータ３１，３２からの出射光は、その出射角度が一定ではなく、ある程度のバラツキ分布がある。このため、その出射光を液晶板４３等の照明光として用いた場合、所定の許容範囲を超える角度で出射された光は、画像光として利用することができない。この結果、照明光学系の照明効率が悪くなるという問題が生じる。この問題を回避するために、上述した従来の技術ではコリメート光学系がどうしても必要であった。

プロジェクタ等の照明光学系では、液晶板等に照射して良質な透過光画像（または反射光画像）を得るのに適した照明光を作成する必要がある。このためには、液晶板等の画像形成面の全体を均一な光強度分布で照明できることが要求される。

つまり、プロジェクタ等の照明系では、光源からの入射光を集光および導光して特定方向の特定範囲、たとえば液晶板の画像形成領域に均一な光強度分布の面光源として出射するに際し、その出射光の方向均一性に加えて、光強度分布の均一性が良質な照明光が、良質な透過光画像（または反射光画像）を得る上で不可欠である。光強度分布の均一性が悪いと、投影画像の品質が低下する。とくに、カラー画像の投影においては、色ムラ・コントラスト低下や色調再現などにおいてその影響が顕著に現れやすい。

本発明は以上のような問題を解決するものであって、その目的は、光源から光を入射させるための大きな集光反射鏡や、射出光の方向均一性を高めるためのコリメート光学系を用いなくても高い光利用効率を確保できるようにし、これにより、プロジェクタ等の照明系全体の小型化および低コスト化を可能にし、さらに、液晶板等の照明対象を照明するに際しては、特定範囲内での光強度分布の均一性を高めて色ムラ等のない高品質の画像再生を可能にするインテグレータを提供することにある。

本発明の上記以外の目的および構成については、本明細書の記述および添付図面により明らかにする。

上記課題の解決手段として、本発明は以下の手段を提供する。
（１）光源からの入射光を集光および導光して特定方向の特定範囲に均一な光強度分布の面光源として出射するインテグレータであって、
該インテグレータは、入射面よりも出射面の面積が大きい導光体であり、入射光の最大入射光線角度よりも出射光の最大出射光線角度を小さく変換する光線角度変換手段が形成されていることを特徴とするインテグレータ。

（２）上記手段（１）のインテグレータであって、
上記インテグレータは、空洞内側に反射鏡面を有する中空構造の導光体であり、上記入射面の開口部よりも上記出射面の開口部の面積が大きく形成されていることを特徴とするインテグレータ。

（３）上記手段（１）のインテグレータであって、
上記インテグレータは、上記入射面をなす入光側端面と上記出射面をなす出光側端面を有する固体光学部材からなる中実構造の導光体であり、上記入射面の表面面積がその入射面の開口面積と同じかそれよりも大きく形成され、上記入光側端面と上記出光側端面との間の導光路内側に、上記光線角度変換手段を形成する全反射面を有することを特徴とする
インテグレータ。

（４）上記手段（３）のインテグレータであって、
上記インテグレータは、入・出射面の一部又は、全てを除く導光路内側を全反射面とするために、外表面の鏡面反射加工または光学境界面の全反射加工が施されていることを特徴とするインテグレータ。

（５）上記手段（１）〜（４）のインテグレータであって、
上記光線角度変換手段を形成する反射面が上記導光体の導光方向に対して傾斜するとともに、上記導光体全長の１／２長さ部分での導光断面積が入射面部での断面積と出射面部での断面面積の和の半分よりも大きいことを特徴とするインテグレータ。

（６）上記手段（１）〜（５）のインテグレータであって、
上記光線角度変換手段を形成する反射面が上記導光体の導光方向に対して傾斜することにより上記導光体の導光断面積が上記入射面部から上記出射面部に向かって増加するとともに、上記導光体の任意位置での導光断面積が、入・出射面積および長さが同じ単純テーパ状導光体の対応位置における導光断面積よりも、全長にわたって同じか、大きいことを特徴とするインテグレータ。

（７）上記手段（１）〜（６）のインテグレータであって、
上記導光体の導光断面が矩形状であるとともに、その導光体の内側４側面が非球面形状からなる側面形状であり、その内側の反射面が上記光線角度変換手段を形成していることを特徴とするインテグレータ。

（８）上記手段（１）〜（７）のインテグレータであって、
上記導光体の導光断面が矩形状であるとともに、その内側４側面の反射面がそれぞれ、上記出射面部に向かって所定の非球面係数で傾斜しながら導光断面積が広がっていくことを特徴とするインテグレータ。

（９）上記手段（１）〜（８）のインテグレータであって、
上記導光体の光入射側の断面形状が、発光光源の形状に相似で、かつ、発光光源と同じか、それより大きいことを特徴とするインテグレータ。

（１０）上記手段（１）及び（３）〜（９）のインテグレータであって、
上記導光体の入射面が凹面状であることを特徴とするインテグレータ。

（１１）上記手段（１）〜（１０）のインテグレータであって、
上記出射面部の断面形状が、上記出射面の光出射方向に配置されて出射光を透過または反射して画像を形成する画像変換手段の形状に相似で、かつ、その断面積が画像変換手段の画像面積より等しいか、大きいことを特徴とするインテグレータ。

（１２）上記手段（１）〜（１１）のインテグレータを用いたことを特徴とする光学ユニット。

（１３）上記手段（１２）の光学ユニットであって、
カラー原色又は、補色をなす複数色の光源と、各色の光源からの入射光をそれぞれ光線角度変換しながら特定範囲に均一な光強度分布の面光源として出射する上記手段（１）〜（１１）のインテグレータと、各色の出射光を同一範囲に重ね合わせる色合成光学系とを備えたことを特徴とする光学ユニット。

（１４）上記手段（１３）において、上記色合成光学系がクロスプリズムを用いて構成されていることを特徴とする光学ユニット。

（１５）上記手段（１３）において、上記色合成光学系がダイクロイックミラーを用いて構成されていることを特徴とする光学ユニット。

プロジェクタ等の照明系において、光源から光を入射させるための大きな集光反射鏡や、射出光の方向均一性を高めるためのコリメート光学系を用いなくても高い光利用効率を確保できるようにし、これにより、プロジェクタ等の照明系全体の小型化および低コスト化を可能にし、さらに、液晶板等の照明対象を照明するに際しては、特定範囲内での光強度分布の均一性を高めて色ムラ等のない高品質の画像再生を可能にするインテグレータおよび光学ユニットを提供できる。

本発明の上記以外の作用／効果については、本明細書の記述および添付図面により明らかにする。

図１は、本発明の技術が適用されたインテグレータ２１および光学ユニット１００の第１実施形態を示す。同図において、（ａ）は照明系を含む光学ユニット１００全体の概略断面図、（ｂ）はインテグレータ２１の各位置（Ａ，Ｂ，Ｃ）における断面をそれぞれ示す。

まず、同図の（ａ）に示す光学ユニット１００はプロジェクタであって、光源１１、インテグレータ２１、画像変換手段としての液晶板４３、投影光学系４５などを用いて構成されている。

同図において、光源１１はＬＥＤ（発光ダイオード）が使用され、インテグレータ２１の入射面２１ａに近接して設置されている。この光源１１からの光は、インテグレータ２１の入射面２１ａに直接入射される。

インテグレータ２１は、光源１１からの光を集光および導光して特定方向の特定範囲に均一な光強度分布の面光源として出射するためのものであって、ガラスまたはプラスチックなどの固体光学部材からなる中実構造の導光体によって構成されている。

インテグレータ２１に入射した光は、インテグレータ２１内を反射しながら導光されて出射面２１ｂから出射される。出射光は液晶板４３の画像形成面に照射される。液晶板４３には動画や静止画などの画像が、画像信号による画素単位での光透過制御によって描画される。

その液晶板４３の画像形成面を背後から均一に照射することによって前面から得られる透過光像が、投影光学系４５でスクリーン４７上に結像されることにより、その液晶板４３での描画画像がスクリーン４７に拡大投影される。

なお、液晶板には、動画や静止画などの画像を画素単位での光反射制御によって描画する反射式もあるが、これを用いる場合は、その液晶板へ斜めに光を入射し、その反射光像を投影光学系へ入射するか、偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）を出射光と反射式液晶との間に挿入し液晶からの反射光像を９０度方向を変えて投影光学系でスクリーン上に結像させればよい。

導光体であるインテグレータ２１は、その一端に入射面２１ａが、他端に出射面２１ｂがそれぞれ形成されている。入射面２１ａと出射面２１ｂを除く導光路内側には、鏡面反射をなす全反射面が形成されている。この全反射面は、金属蒸着等による外表面の鏡面反射加工または光学境界面の全反射加工等により形成される。

ここで、この実施形態のインテグレータ２１は、４側面に反射面を有する矩形断面状に形成されているとともに、入射面２１ａ部よりも出射面２１ｂ部での断面積が大きく、かつ、４側面の各反射面がそれぞれ、出射面２１ｂ部に向かって所定の非球面係数で傾斜しながら導光断面積が広がって行くように形成されている。

インテグレータ２１の入・出射面２１ａ，２１ｂを除く導光路内側に形成された反射面は、導光方向に対して傾斜するとともに、インテグレータ２１全長の１／２長さ部分（Ｃ位置）での導光断面積が、入射面部（Ａ位置）での断面積と出射面部（Ｂ位置）での断面面積の和の半分よりも大きくなるように形成されている。

インテグレータ２１内の反射面は、インテグレータ２１の長さ位置に応じて導光軸（導光方向の中心軸）ｚｏに対する角度が漸減するような非球面テーパ状に形成されている。

上記インテグレータ２１では、図２に示すように、導光軸ｚｏに対して高角度で入射した光は、入射面２１ａに近い傾斜角の大きいところで反射される。この結果、その反射光Ｌ１１の導光軸ｚｏに対する角度は、入射角よりも大幅に低くなる。

一方、導光軸ｚｏに対して比較的低角度で入射した光は、入射面２１ａから少し離れて傾斜角が比較的小さくなったところで反射される。この結果、その反射光Ｌ１３の導光軸ｚｏに対する角度は、入射角よりも低くはなるが、その度合いは上記の場合よりも小さくなる。

このように、上記インテグレータ２１に入射した光は、入射角度が大きい光ほど、大きく角度変換されて導光される。つまり、上記インテグレータ２１には、入射光の最大入射光線角度よりも出射光の最大出射光線角度を小さく変換するような光線角度変換機能が形成されている。

このような光線角度変換機能により、入射面２１ａには光の導光軸ｚｏに対して広角度の光が入射しても、出射面２１ｂからは導光軸ｚｏに対する角度が縮小された光が多く出射されるようになる。つまり、入射面２１ａからは広角度の入射光も導入できる一方、出射面２１ｂから角度の広がりが抑制された出射光を得ることができる。

これにより、光源から光を入射させるための大きな集光反射鏡がなくても、光を効率良く集光および導光することができ、また、コリメート光学系を設置しなくても、射出光の方向均一性を高めることができる。このことは、高い光利用効率を確保しつつ、プロジェクタ等の照明系全体を小型化および低コスト化するのに非常に有効である。

また、上記インテグレータでは、上記光線角度変換機能が、出射光の方向均一性を良好にすることに加えて、光強度分布の均一性を高めるという効果も併せて得ることができる。

図３は、上記光線角度変換機能を備えたインテグレータ２１の導光状態を、従来の単純テーパ状のインテグレータ３２のそれと一緒に示す。

同図に示すように、非球面テーパ状のインテグレータ２１は、そのテーパの傾斜が入射側で大きく、出射側へ行くほど緩やかになる非球面状の傾斜となっている。一方、単純テーパ状のインテグレータ３２は全長にわたって一定の傾斜となっている。

また、非球面テーパ状のインテグレータ２１では、導光断面積が入射面２１ａ部から出射面２１ｂ部に向かって増加するとともに、インテグレータ２１の任意位置での導光断面積が、入・出射面積および長さｈが同じ単純テーパ状導光体の対応位置における導光断面積よりも、全長にわたって大きい。

上記非球面テーパインテグレータ２１と単純テーパインテグレータ３２にそれぞれ同じ方向からの光Ｌｉが入射した場合、その入射光Ｌｉはいずれもインテグレータ２１，３２内を反射しながら導光されて出射されるが、その導光の状態にはそれぞれ、次のような特徴がある。

すなわち、少なくとも、非球面テーパインテグレータ２１の長さ方向の中間より入射側に近い位置で反射した光については、その反射位置での反射面の水平方向（導光軸ｚｏ方向）に対する傾斜角が比較的大きいことにより、反射角（入射光軸と反射光軸のなす角度）が大きい。このため、そこでの１次反射光の到達距離は、単純テーパインテグレータ３２のそれよりも長くなる。

しかし、長さの中心を越えた反射側に近い位置で反射した２次反射光に関しては、その反射位置での反射面の水平方向に対する傾斜角が小さくなることにより、上記とは逆に反射角が小さくなる。このため、そこでの二次反射光の到達距離は、単純テーパインテグレータ３２のそれよりも短くなる。

この結果、上記非球面テーパインテグレータ２１では、２次反射光については、もう一回反射する確率が高くなる。この反射確率が高くなることにより、出射光の一定範囲内における光強度分布の均一化が進む。これにより、上記非球面テーパインテグレータ２１では、単純テーパインテグレータ３２よりも光強度分布の均一性にもすぐれた出射光を得ることができる。

上記非球面テーパインテグレータ２１は、そのテーパの非球面係数すなわち長さに対するテーパ傾斜角の変化状態により、出射光の方向性および光強度分布の状態をそれぞれ任意に設計することができる。つまり、出射光の方向性および光強度分布を用途に応じて最適化するための制御性が良好である。

図４の（ａ）は、上記非球面テーパインテグレータ２１による入射光線の集光および導光の状態のコンピュータ・シミュレーション結果を示す。また、同図の（ｂ）は、そのインテグレータ２１からの出射光の光強度分布パターンのコンピュータ・シミュレーション結果を示す。

図５の（ａ）は上記非球面テーパインテグレータ２１の出射光による照度分布グラフ、同図の（ｂ）は上記単純テーパインテグレータ３２の出射光による照度分布グラフをそれぞれ示す。

図４および図５に例示したように、本発明に係る非球面テーパインテグレータ２１は、その出射光の方向性および光強度分布状態のいずれもが、単純テーパインテグレータ３２のそれよりも良好である。

以上のように、上記実施形態にインテグレータ２１は、プロジェクタ等の照明系において、光源から光を入射させるための大きな集光反射鏡や、射出光の方向均一性を高めるためのコリメート光学系を用いなくても高い光利用効率を確保することが可能であり、これにより、プロジェクタ等の照明系全体の小型化および低コスト化が可能になる。さらに、液晶板等の照明対象を照明するに際しては、特定範囲内での光強度分布の均一性を高めて色ムラ等のない高品質の画像再生が可能になる。

また、上記インテグレータの実施形態では、図１の（ｂ）に示したように、入射面２１ａ部および出射面２１ｂ部の断面形状がそれぞれ、光源１１の発光面および画像変換手段である液晶板４３の形状に対応して、共に同じ縦横比の矩形に形成されている。

入射面２１ａ部の断面形状は、発光光源１１の形状に相似であるとともに、その発光光源１１よりも大きく形成されている。これにより、入射面２１ａに入射する光の割合を高めることができる。

出射面２１ｂ部の断面形状は、画像変換手段をなす液晶板４３の画像形成面の形状に相似であるとともに、その断面積が画像変換手段の画像面積より等しいか、大きく形成されている。これにより、出射光を液晶板４３の画像形成面に過不足無く照射して光の利用効率を一層高くすることができる。

上記インテグレータ２１は導光断面が矩形状で、その導光体の内側４側面が非球面形状に形成されているが、この場合も、その４側面の反射面は、入射光の最大入射光線角度より小さい最大出射光線角度に出射光を変換する光線角度変換手段を形成している。

上記インテグレータ２１の入射面２１ａと出射面２１ｂを除く導光路内側には、鏡面反射をなす全反射面が形成されている、この全反射面は、金属蒸着等による外表面の鏡面反射加工、または屈折率差のある光学材料の被覆等による光学境界面の全反射加工により形成することができる。具体的には、Ａｌ，Ａｇ，Ａｕ等の金属蒸着膜または、誘電体多層膜コートを使用する。

図６は、上記非球面テーパインテグレータ２１と単純テーパインテグレータ３２の入射面２１ａ，３２ａ付近での入射光の挙動をモデル的に例示する。

同図に示すように、単純テーパインテグレータ３２の入射面３２ａに大角度（急角度）で入射した光Ｌ２は、インテグレータ３２内の反射面に垂直に近い角度で入射する。このため、単純テーパインテグレータ３２では、大角度で入射した光Ｌ２が反射されずにインテグレータ３２の側面を通り抜けてしまう確率が高く、光量損失が大きくなってしまう傾向がある。この光量損失は、たとえば屈折率差を利用した全反射面でとくに問題となる。

しかし、上記非球面テーパインテグレータ２１では、入射側に近いところほど反射面の傾斜が急になっていることにより、入射面２１ａに大角度で入射した光Ｌ１も、その急傾斜の反射面に低角度で入射することにより確実に反射されて集光および導光される。これにより、屈折率差を利用した全反射面でも、光量損失を抑えて入射光Ｌ１を効率良く集光および導光させることができる。

（実施例）
図１に示したインテグレータ２１および光学ユニット１００において、光源１１は、発光面から距離０．４ｍｍの位置で１．５ｍｍ×２．５ｍｍの光線分布を持つＩｎＧａＮ系のＬＥＤを使用した。

このＬＥＤから出射した光線は、発光面から距離０．４ｍｍの位置で入射端形状１．７ｍｍ×２．８ｍｍの非球面側面を持つインテグレータ２１に効率良く入射させることができた。

インテグレータ２１は、所定の非球面係数により側面形状が非球面に設計された金型を用い、光学部材用の樹脂を射出成型法により加工したものである。表１〜表４はその非球面係数の例を示す。

インテグレータ２１内で光は反射を繰り返しながら出射端へ導かれるが、出射端から出
射する光線は光量が均質化され、かつ拡がりが制御された光束とすることができた（図４参照）。

出射端面形状は、インテグレータ２１の後方に位置する矩形パネル状液晶板４５の対角１／２インチ縦横比４：３に対し、縦横比４：３で対角１３ｍｍの矩形断面形状としたが、インテグレータ２１から出射された光はコンデンサレンズを介さずとも、ほぼ全量が液晶板４５に照射された。

上記非球面インテグレータ２１から出射光量を、単純テーパインテグレータ３２のそれと比較したところ、非球面テーパインテグレータ２１では単純テーパインテグレータ３２よりも７％の光量増加が確認された。

光強度分布の均一性については、表１の非球面次数によって断面サイズが決定された側面形状を持つインテグレータ２１に、発光面から距離０．４ｍｍの位置で１．５ｍｍ×２．５ｍｍの分布を持つ光線分布を持つＩｎＧａＮ系のＲＧＢ三色のＬＥＤからの光を入射し、インテグレータの出射端から１０ｍｍの部分でＳｉ製のディテクタを縦横走査して光量を測定した。そして、縦方向の光量を積算し、横方向での分布をプロットした。

この結果は、図５にその一部を例示したように、上記非球面インテグレータ２１では光強度分布の均一性が大幅に改善されることが確認された。

表１〜４はそれぞれ、Ｒ（Ｒｅｄ）、Ｇ（Ｇｒｅｅｎ）、Ｂ（Ｂｌｕｅ）の色別に使用するインテグレータの非球面係数を例示するものであって、Ｘは導光路の長さ（Ｘ＝０，０が入射面位置）、Ｈ＋とＨ−は導光中心軸からの水平距離、Ｖ＋とＶ−は導光中心軸からの垂直距離をそれぞれ示す。

図７は、本発明の技術が適用されたインテグレータ２１および光学ユニット１００の第２実施形態を示す。

上述した第１実施形態との相違に着目すると、同図に示した第２実施形態では、インテグレータ２１の入射面２１ａが凹面状に形成されている。

インテグレータ２１は通常、たとえばガラスや樹脂などの光学材料を用いて構成される。このインテグレータ２１に入射した光は、入射前の光屈折率ｎ１と入射後の光屈折率ｎ２との差比に応じて屈折されることにより、インテグレータ２１内での光線方向が変化する。

ここで、図８の（ａ）に示すように、インテグレータ２１の入射面２１ａが導光軸に対して垂直な平面であった場合、その導光軸に対して角度θ１で入射した光は、インテグレータ２１に入射後、その入射角θよも小さい屈折角θ２でインテグレータ２１内を進行する。

このように、インテグレータ２１の入射面２１ａが平面の場合、インテグレータ２１に入射した光は、入射面２１ａに垂直な導光軸を基準に屈折されて、その進行方向が内側に屈曲してしまう。このため、インテグレータ２１内での反射機会が少なくなってしまう。この反射機会が減ると、出射光の光強度分布の均一性を向上させる効果が損なわれてしまう。

これに対し、入射面２１ａが凹面状に形成されたインテグレータ２１では、同図の（ｂ）に示すように、その入射面２１ａへの入射光は、その入射点における入射面の法線を基準に屈折される。このため、その法線に対して入射角θ１でインテグレータ２１内に入射した光は、インテグレータ２１内に屈折角θ２（θ１＞θ２）で入射するが、その屈折角θ２が入射点における入射面の法線を基準とするため、外側に屈曲して進行するようになる。

これにより、インテグレータ２１内での反射機会が多くなって、出射光の光強度分布の均一性をさらに向上させる効果が得られる。

図９は、入射面２１ａが凹面状に形成されたインテグレータ２１による入射光線の集光および導光の状態のコンピュータ・シミュレーション結果を示す。また、同図の（ｂ）は、そのインテグレータ２１からの出射光の光強度分布パターンのコンピュータ・シミュレーション結果を示す。同図に示すように、入射面２１ａを凹面状に形成することにより、出射光の光強度分布の均一性をさらに向上させる効果を得られることが確認された。

図１０は、上記非球面インテグレータ２１を用いたカラー光学ユニット１１０の第１実施形態を示す。

同図に示す光学ユニット１１０はＲＧＢカラー照明系を含むものであって、ＲＧＢ（赤緑青）のカラー３原色を色別に発光する３つの光源１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂと、各色の光源１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂからの入射光（Ｒ，Ｇ，Ｂ）をそれぞれ光線角度変換しながら特定範囲に均一な光強度分布の面光源として出射する３本のインテグレータ２１Ｒ，２１Ｇ，２１Ｂと、各色ごとの出射光（Ｒ，Ｇ，Ｂ）を同一範囲に重ね合わせる色合成光学系を備えている。これらは単一の筐体５０内に集合・設置されている。

色合成光学系は、１個のクロスプリズム５２と２個の反射プリズム５１，５３を用いて構成されている。

インテグレータ２１Ｒ，２１Ｂから出射されたＲ色光およびＢ色光はそれぞれ、反射プリズム５１，５３で直角方向に反射されてクロスプリズム５２の両側面に入射される。クロスプリズム５２は、インテグレータ２１Ｇから出射されたＧ色光にＲ色光およびＢ色光を重ね合わせて合成する。この３色合成光（ＲＧＢ）が液晶板４３の画像形成面に照射される。

液晶板４３には動画や静止画などのカラー画像が、画像信号による画素（ピクセル）単位での光透過制御によって描画される。この液晶板４３の画像形成面を背後から均一に照射することによって前面から得られる透過光像が、投影光学系４５でスクリーン４７上に結像されることにより、その液晶板４３でのカラー描画画像がスクリーン４７に拡大投影される。

図１１は、上記非球面インテグレータ２１を用いたカラー光学ユニット１１０の第２実施形態を示す。上記実施形態との相違点に着目すると、この実施形態では、色合成光学系が、１個の反射プリズム５４と、２個のダイクロイックプリズム５５，５６を用いて構成されている。

インテグレータ２１Ｒから出射されたＲ色光は、プリズム５４で直角方向に反射されて第１のダイクロイックプリズム５５に入射される。第１のダイクロイックプリズム５５は、プリズムと光学多層膜により構成され、Ｒ色の波長領域の光を選択的に透過させるとともに、Ｇ色の波長領域の光を選択的に反射させる色分解機能を待たせられている。この第１のダイクロイックプリズム５５により、Ｒ色とＧ色の合成光が作成され、第２のダイクロイックプリズム５６に入射される。

第２のダイクロイックプリズム５６は、Ｒ色およびＧ色の波長領域の光を選択的に反射させるとともに、Ｂ色の波長領域の光を選択的に透過させる色分解機能を待たせられている。この第２のダイクロイックプリズム５６は、第１のダイクロイックプリズム５５から入射されるＲＧ合成光を、インテグレータ２１Ｂから出射されたＢ色光に重ね合わせてＲＧＢ合成光を作成し、液晶板４３に照射する。

図１２は、上記非球面インテグレータ２１を用いたカラー光学ユニット１１０の第３実施形態を示す。上記実施形態との相違点に着目すると、この実施形態では、色合成光学系が、１枚の全反射ミラー５７と、２枚のダイクロイックミラー５８，５９を用いて構成されている。

インテグレータ２１Ｒから出射されたＲ色光は、全反射ミラー５７で直角方向に反射されて第１のダイクロイックミラー５８に入射される。第１のダイクロイックミラー５８は、光学ガラス又は、プラスチック等の透明板と光学多層膜により構成され、Ｒ色の波長領域の光を選択的に透過させるとともに、Ｇ色の波長領域の光を選択的に反射させる色分解機能を待たせられている。この第１のダイクロイックミラー５８により、Ｒ色とＧ色の合成光が作成され、第２のダイクロイックミラー５９に入射される。

第２のダイクロイックミラー５９は、Ｒ色およびＧ色の波長領域の光を選択的に反射させるとともに、Ｂ色の波長領域の光を選択的に透過させる色分解機能を待たせられている。この第２のダイクロイックミラー５９は、第１のダイクロイックミラー５８から入射されるＲＧ合成光を、インテグレータ２１Ｂから出射されたＢ色光に重ね合わせてＲＧＢ合成光を作成し、液晶板４３に照射する。

この第３実施形態のカラー光学ユニット１１０は、プリズムを用いないことにより軽量化および低コスト化に有利である。
又、本光学系では、光合成部の入・出射光に画像情報が、含まれていない為、通常では、面精度が悪く、使用できないプラスチックを基板に使用する事が可能となり、更なる軽量化と低コスト化を実現できる。

以上、本発明をその代表的な実施例に基づいて説明したが、本発明は上述した以外にも種々の態様が可能である。たとえば、本発明のインテグレータ２１は矩形以外の断面でもよく、用途に応じて、たとえば円形あるいは楕円その他の断面形状であってもよい。

プロジェクタ等の照明系において、光源から光を入射させるための大きな集光反射鏡や、射出光の方向均一性を高めるためのコリメート光学系を用いなくても高い光利用効率を確保できるようにし、これにより、プロジェクタ等の照明系全体の小型化および低コスト化を可能にし、さらに、液晶板等の照明対象を照明するに際しては、特定範囲内での光強度分布の均一性を高めて色ムラ等のない高品質の画像再生を可能にするインテグレータおよび光学ユニットを提供できる。

本発明の技術が適用されたインテグレータおよび光学ユニットの第１実施形態を示す概略図である。 本発明に係るインテグレータの動作をモデル化して示す図である。 本発明に係るインテグレータの動作をモデル化して示す図である。 本発明の第１実施形態によるインテグレータの特性をコンピュータでシミュレーションして示す図である。 本発明に係るインテグレータと従来のインテグレータの光強度分布状態を示すグラフである。 本発明に係るインテグレータと従来のインテグレータの入射面付近での入射光の挙動を示す図である。 本発明の技術が適用されたインテグレータおよび光学ユニットの第２実施形態を示す概略図である。 本発明の第２実施形態によるインテグレータの特徴を説明するための考察参照図である。 本発明の第２実施形態によるインテグレータの特性をコンピュータでシミュレーションして示す図である。 本発明のインテグレータを用いたカラー光学ユニットの第１実施形態を示す概略図である。 本発明のインテグレータを用いたカラー光学ユニットの第２実施形態を示す概略図である。 本発明のインテグレータを用いたカラー光学ユニットの第３実施形態を示す概略図である。 従来のインテグレータおよび光学ユニットの第１構成例を示す概略図である。 従来のインテグレータおよび光学ユニットの第２構成例を示す概略図である。

符号の説明

１００ 光学ユニット（本発明）
１０１ 光学ユニット（従来）
１１０ カラー光学ユニット（本発明）
１１ 光源
１１Ｒ Ｒ色光源
１１Ｇ Ｇ色光源
１１Ｂ Ｂ色光源
１２ 集光反射鏡（リフレクタ）
２１Ｒ Ｒ色用インテグレータ
２１Ｇ Ｇ色用インテグレータ
２１Ｂ Ｂ色用インテグレータ
２１ インテグレータ（本発明）
２１ａ 入射面
２１ｂ 出射面
３１ インテグレータ（ストレートロッド）
３１ａ 入射面
３１ｂ 出射面
３２ 単純テーパ状インテグレータ
３２ａ 入射面
３２ｂ 出射面
４１ コリメートレンズ
４３ 液晶板
４５ 投影光学系
４７ スクリーン
５１，５３ 反射プリズム
５２ クロスプリズム
５４ 反射プリズム
５５ ダイクロイックプリズム
５６ ダイクロイックプリズム
５７ 全反射ミラー
５８ ダイクロイックミラー
５９ ダイクロイックミラー
ｚｏ 導光軸（導光方向の中心軸）

Claims (15)

1. 光源からの入射光を集光および導光して特定方向の特定範囲に均一な光強度分布の面光源として出射するインテグレータであって、
   該インテグレータは、入射面よりも出射面の面積が大きい導光体であり、入射光の最大入射光線角度よりも出射光の最大出射光線角度を小さく変換する光線角度変換手段が形成されていることを特徴とするインテグレータ。
2. 請求項１に記載のインテグレータであって、
   上記インテグレータは、空洞内側に反射鏡面を有する中空構造の導光体であり、上記入射面の開口部よりも上記出射面の開口部の面積が大きく形成されていることを特徴とするインテグレータ。
3. 請求項１に記載のインテグレータであって、
   上記インテグレータは、上記入射面をなす入光側端面と上記出射面をなす出光側端面を有する固体光学部材からなる中実構造の導光体であり、上記入射面の表面面積がその入射面の開口面積と同じかそれよりも大きく形成され、上記入光側端面と上記出光側端面との間の導光路内側に、上記光線角度変換手段を形成する全反射面を有することを特徴とするインテグレータ。
4. 請求項３に記載のインテグレータであって、
   上記インテグレータは、入・出射面の一部又は、全てを除く導光路内側を全反射面とするために、外表面の鏡面反射加工または光学境界面の全反射加工が施されていることを特徴とするインテグレータ。
5. 請求項１〜４に記載のインテグレータであって、
   上記光線角度変換手段を形成する反射面が上記導光体の導光方向に対して傾斜するとともに、上記導光体全長の１／２長さ部分での導光断面積が入射面部での断面積と出射面部での断面面積の和の半分よりも大きいことを特徴とするインテグレータ。
6. 請求項１〜５に記載のインテグレータであって、
   上記光線角度変換手段を形成する反射面が上記導光体の導光方向に対して傾斜することにより上記導光体の導光断面積が上記入射面部から上記出射面部に向かって増加するとともに、上記導光体の任意位置での導光断面積が、入・出射面積および長さが同じ単純テーパ状導光体の対応位置における導光断面積よりも、全長にわたって同じか、大きいことを特徴とするインテグレータ。
7. 請求項１〜６に記載のインテグレータであって、
   上記導光体の導光断面が矩形状であるとともに、その導光体の内側４側面が非球面形状からなる側面形状であり、その内側の反射面が上記光線角度変換手段を形成していることを特徴とするインテグレータ。
8. 請求項１〜７に記載のインテグレータであって、
   上記導光体の導光断面が矩形状であるとともに、その内側４側面の反射面がそれぞれ、上記出射面部に向かって所定の非球面係数で傾斜しながら導光断面積が広がっていくことを特徴とするインテグレータ。
9. 請求項１〜８に記載のインテグレータであって、
   上記導光体の光入射側の断面形状が、発光光源の形状に相似で、かつ、発光光源と同じか、それより大きいことを特徴とするインテグレータ。
10. 請求項１及び３〜９に記載のインテグレータであって、
    上記導光体の入射面が凹面状であることを特徴とするインテグレータ。
11. 請求項１〜１０に記載のインテグレータであって、
    上記出射面部の断面形状が、上記出射面の光出射方向に配置されて出射光を透過または反射して画像を形成する画像変換手段の形状に相似で、かつ、その断面積が画像変換手段の画像面積より等しいか、大きいことを特徴とするインテグレータ。
12. 請求項１〜１１に記載のインテグレータを用いたことを特徴とする光学ユニット。
13. 請求項１２に記載の光学ユニットであって、
    カラー原色又は、補色をなす複数色の光源と、各色の光源からの入射光をそれぞれ光線角度変換しながら特定範囲に均一な光強度分布の面光源として出射する請求項１〜１１に記載のインテグレータと、各色の出射光を同一範囲に重ね合わせる色合成光学系とを備えたことを特徴とする光学ユニット。
14. 請求項１３において、上記色合成光学系がクロスプリズムを用いて構成されていることを特徴とする光学ユニット。
15. 請求項１３において、上記色合成光学系がダイクロイックミラーを用いて構成されていることを特徴とする光学ユニット。