WO2016047426A1 - 光積分器および、それを用いた映像投射装置 - Google Patents

光積分器および、それを用いた映像投射装置 Download PDF

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optical integrator
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optical
exit
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川村　友人
黒田　敏裕
大地 酒井
寿行 高岩
裕 川上
俊輝 中村
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日立化成株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to an optical integrator that uniformly mixes light and a video projection apparatus using the same.
  • Patents such as Patent Documents 1 and 2 are proposed for video projection apparatuses using a transparent rod, and Patent Document 3 is proposed for a display apparatus including a light diffusion layer.
  • FSC field sequential color
  • Patent Document 1 describes a method of guiding light beams from a plurality of light sources to a rod with a lens.
  • Patent Document 2 describes a method in which light beams from a plurality of light sources are combined by a dichroic mirror and then guided to a rod.
  • Patent Document 3 describes a method using a light diffusion layer as a method for homogenizing light from a white light source.
  • Such a video projection device for a display device is required to be power-saving, bright and compact in order to be worn on the body.
  • An object of the present invention is to provide a small optical integrator that improves color mixing and homogeneity in order to reduce the size of the optical system of a video projection apparatus equipped with a multichip light source in which a plurality of light sources are mounted in a single housing. It is to be.
  • the optical integrator according to the present invention includes a light incident surface, a light exit surface, and a side surface connecting the light entrance surface and the light exit surface, and the inside of the light integrator has a refractive index of 1.
  • the light guide member contains scattering particles having a refractive index of 2 different from the refractive index of 1 that scatters light, and light incident from the incident surface is guided from the incident surface side toward the exit surface.
  • the scattered light propagates while being scattered by the scattering particles inside the member, and part of the scattered light is guided to the exit surface by propagating while being confined inside the photodetector by internal reflection of the side surface. Is.
  • a low-power, bright and compact video projector can be provided at low cost.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a display device 101.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a display device 101.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a display device 101.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a system of a display device 101.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating an adjustment flow of the display device 101.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating an adjustment flow of the display device 101.
  • FIG. 6 is a diagram showing an optical integrator 201.
  • FIG. 6 is a diagram showing an optical integrator 211.
  • FIG. 2 is a diagram showing an optical integrator 221.
  • FIG. FIG. 6 is a diagram showing an optical integrator 231. It is a figure explaining the arrangement
  • optical integrator 001 First, the optical integrator 001 will be described with reference to FIG.
  • the optical integrator 001 has a rectangular column shape having a length L, a height H, and a width W, and the inside thereof is filled with a medium 1 having a predetermined refractive index N1 having a high transparency.
  • the optical integrator 001 has incident / exit surfaces 002 and 003 and TIR side surfaces 004 to 007.
  • the entrance / exit surfaces 002 and 003 are surfaces on which light enters or exits.
  • TIR internal reflection
  • the inside of the optical integrator 001 is randomly filled with scattering particles 008 filled with a highly transparent medium 2 having a refractive index 2 different from that of the medium 1. According to Snell's law, light rays are emitted at an angle different from the incident angle when passing through media having different refractive indexes.
  • the scattering particle 008 has a function of scattering by changing the angle of the traveling light beam using the principle.
  • the scattering particles may be spherical or other shapes. From the viewpoint of cost, it is desirable to use a spherical product that is a general-purpose product.
  • the diameter is preferably larger than the wavelength of the incident light and not more than 10 times the wavelength.
  • the diameter is 10 times the wavelength or more
  • the angle at which the light beam can be changed becomes small, and the optical integrator 001 is lengthened in order to obtain the desired color mixing property and homogeneity. become unable.
  • the scattering particles are other than spherical and there are no irregularities on the surface of the scattering particles, the same can be said about the above.
  • a fine structure of wavelength order may be provided on the surface of the scattering particles.
  • a large scattering effect can be obtained even if the shape is arbitrarily set and the maximum diameter of the scattering particles is increased.
  • the height H and width W of the incident / exit surfaces 002 and 003 are approximately the same as the incident light beam or at least the minimum size considering the mounting tolerance.
  • the height H and width W of the incident / exit surfaces 002 and 003 are substantially the same as the incident light beam. In this case, it is preferable to adjust at the time of assembly in consideration of mounting tolerances.
  • the luminance of the light beam that exits the incident / exit surfaces 002 and 003 is inversely proportional to the area. For this reason, when the area of the incident / exit surface is doubled relative to the area of the incident light beam, the luminance is halved. Further, when the area is increased, the confinement effect is reduced and the color mixing performance is also reduced. For this reason, it is necessary to further increase the packing rate of the scattering particles, and the efficiency further deteriorates.
  • Width W and height H of the entrance / exit surfaces 002 and 003 are defined as width W> height H.
  • the length L is preferably longer than three times the width W.
  • Ordinary surface light sources have a Lambertian distribution with a half-width of 60 °. If the refractive index of a general transparent material is 1.5, it can be said that the light flux taken into the optical integrator 001 is distributed within a range of ⁇ 35 ° according to Snell's law. A 35 ° light beam will be reflected approximately twice as it travels a length L that is three times the width W. That is, the following formula (1) is satisfied. L ⁇ Tan35 ° ⁇ 2 ⁇ W Formula (1)
  • the color mixing property and uniformity can be satisfied by adjusting the filling rate of the scattering particles 008.
  • the efficiency can be maintained while satisfying the color mixing and homogeneity by adjusting the filling rate.
  • the width W and the height H are 1 mm square, the length is 4 mm, the diameter of the scattering particles 008 is about 2 ⁇ m, the refractive index 1 is 1.48, and the refractive index 2 is 1.58.
  • the total volume of the medium 2 of the scattering particles 008 with respect to the total volume is preferably set in the range of 0.5% to 1.0%.
  • the incident / exit surfaces 002 and 003 are substantially parallel. Light can enter and exit while maintaining the average angle of vertically incident light, which is desirable in terms of efficiency.
  • the incident / exit surfaces 002 and 003 have the same shape. Light leakage at the TIR side surface can be reduced, efficient reflection at the TIR side surface can be performed, and loss can be reduced.
  • the filling rate of the scattering particles 008 is inversely proportional to the mean free path, which is the average distance between the light and the scattering particles 008, and the light transmittance falls by the number of times the light and the scattering particles collide. Therefore, it can be said that it is proportional to the mean free path. That is, the filling rate of the scattering particles 008 is inversely proportional to the brightness. If the scattering particles 008 are excessively filled, the efficiency is lowered. Therefore, the filling rate of the scattering particles 008 may be determined in consideration of the color mixing property, homogeneity, and efficiency. Further, it is desirable to reduce the surface roughness of the TIR side surface. By reducing the surface roughness of the TIR side surface, leakage light from the reflection side surface is reduced, and high light output is possible.
  • the surface roughness of the incident / exit side surfaces 002 and 003 may be increased. In this case, since the incident / exit surface is rough, the light can be made uniform by surface scattering.
  • the optical integrator of the present invention is not particularly limited as long as it has a structure filled with a medium 1 and scattering particles (medium 2) having a refractive index different from that of the medium 1 and scattering propagating light. It can be easily obtained by using the materials and manufacturing methods described below.
  • a highly transparent material is selected as the material of the medium 1 from the viewpoint of propagating light.
  • an acrylic photo-curing resin is used, but there is no particular limitation as long as it is a highly transparent material.
  • an epoxy-based thermosetting resin, a thermoplastic resin such as acrylic or polycarbonate, glass, etc. May be used.
  • a photocurable resin When a photocurable resin is used, it is easy to mix with the medium 2 when the solid medium 2 is used, and since a process such as cooling and drying is not required after curing, a viewpoint of improving work efficiency, a predetermined It is more preferable from the viewpoint of easily obtaining an optical integrator of the shape. In addition, it is more preferable to use an acrylic material because the transmittance is high and the light use efficiency can be increased.
  • the medium 2 can be efficiently obtained by mixing particles having a refractive index different from that of the medium 1 in the medium 1.
  • crosslinked polystyrene fine particles are used as the material of the medium 2, but other materials such as plastic particles and glass particles of other materials may be used as long as the materials are highly transparent.
  • the refractive index difference between the medium 1 and the medium 2 is 0.005 or more. In the range of 0.005 or more and 0.015 or less, the specific gravity of the medium 1 and the medium 2 can be easily brought close to each other, and it is easy to mix the medium 2 with the medium 1, and the scattering of the efficiency is suppressed. It is more preferable from the viewpoint that the above effect can be easily obtained.
  • the refractive indexes of the medium 1 and the medium 2 are compared, either refractive index may be large.
  • the refractive index difference in the present invention is the difference between the refractive index of the medium 1 or the medium 2 having a high refractive index and the refractive index of the material 2 or the medium 1 having a low refractive index. The calculated value.
  • the particle diameter of the medium 2 is desirably 0.5 ⁇ m or more and 5 ⁇ m or less. This is because, as described above, if the particle size is small, light is scattered too much and the light extraction efficiency decreases, and if the particle size is large, light is difficult to scatter. In addition, it is desirable that the particle diameter is substantially uniform, but there is no problem because 90% or more of the particles are included in the above particle diameter range because the effect is obtained.
  • a method of integrating the medium 1 and the medium 2 for example, there is a method in which a liquid medium 1 is prepared, and then the medium 1 and the medium 2 are mixed and then photocured into a predetermined shape. It can be manufactured by other methods such as pressing, injection molding, and cutting. Among these, the use of the liquid medium 1 is more preferable because the medium 2 can be easily mixed, and the state in which the medium 2 is mixed with the medium 1 is also more preferable because it is easy to process into a predetermined shape. .
  • the outer periphery may be cut to the product size, or the mold with the product size space is produced, and the resin is poured into the mold and cured. May be.
  • the surface roughness (Ra; arithmetic average roughness) of the optical integrator of the present embodiment is desirably small in the length direction of the side surface. This is because when light strikes the side surface and the surface is rough in the length direction of the side surface, the light escapes from the side surface beyond the critical angle. In the direction perpendicular to the length direction, the surface may be rough as long as the light propagation is not adversely affected. In addition, the light incident surface and the light exit surface can be roughened in a range that does not adversely affect the light emission because the effect of increasing the diffusion of light can be expected.
  • the surface roughness of the side surface in the optical axis direction is preferably more than 0 ⁇ m to 2.0 ⁇ m, more preferably more than 0 ⁇ m to 1.0 ⁇ m, and further preferably more than 0 ⁇ m to 0.5 ⁇ m.
  • the surface roughness of the light incident surface and the light exit surface is equal to or greater than the surface roughness of the side surface, preferably 0.01 ⁇ m to 10 ⁇ m, more preferably 0.5 ⁇ m to 5 ⁇ m, and 0.5 ⁇ m to 3 ⁇ m. Even better.
  • the surface roughness in the direction perpendicular to the optical axis of the side surface is more than 0 ⁇ m, and the upper limit is preferably equal to or less than the values listed for the surface roughness of the light incident surface and the light emitting surface described above.
  • the surface roughness in the direction perpendicular to the optical axis of the side surface is preferably smaller within the above range, but may be arbitrarily selected from the viewpoint of processing efficiency.
  • the surface roughness in the cutting direction and the surface roughness substantially perpendicular to the cutting direction tend to be smaller in the former cutting direction.
  • the surface roughness in the direction substantially perpendicular to the cutting direction becomes particularly rough. In this case, by setting the cutting direction as the optical axis direction, it is possible to maintain the light propagation efficiency while maintaining the work efficiency.
  • the surface roughness is transferred to the optical integrator.
  • the surface roughness (Ra) of the side surface is preferably 1/2 or less of the average particle diameter of the scattering particles introduced as the medium 2. This can be realized in a state where the scattering particles do not protrude from the side surface of the optical integrator, or by scattering and smoothing the scattering particles protruding from the side surface using polishing or cutting.
  • FIG. 2 is a schematic view showing the video projection device 011.
  • the light path 022 indicated by a broken line is an imaginary line described to assist in explaining the progress of the light beam.
  • the light source 012 is a multi-chip light source equipped with a chip that emits light in the red, green, and blue wavelength bands.
  • the light source 012 is assumed to be an inexpensive LED that can be generally purchased.
  • the light emitted from the optical integrator 001 is illuminated on the video generation device 014 via the illumination lens 013.
  • the light travels through the polarization filter 025 from the illumination lens 013 and reaches the image generation device 014, and is selected as linearly polarized light in a predetermined direction.
  • the light selected for polarization in a predetermined direction by the polarization filter 025 is illuminated by the video generation device 014.
  • the image generation device 014 is a transmissive liquid crystal element without a color filter. For this reason, since the number of pixels can be reduced to 1/3 compared to a liquid crystal having a color filter, a high-resolution image can be realized.
  • a display area 015 of the video generation device 014 indicates an area where video is generated. Colorization is realized by FSC technology that emits light in the red, green, and blue wavelength bands in the light source 012 every time.
  • the display area 015 has a function of selecting a predetermined polarization for each pixel, which is either a vertical direction or a parallel direction. In the case of making it effective as an image, a polarized light parallel to the direction selected by the polarization filter 025 is selected.
  • the light rays that are effective and invalid as the image traveling in the display area 015 are incident on the polarizing filter 026.
  • the polarization filter 026 only the light beam having an effective polarization as an image passes, and the light beam having an invalid polarization is absorbed or reflected.
  • the light shielding openings 016 and 017 are light shielding openings arranged so that extra light outside the display area 015 is not emitted.
  • the lens unit 018 is a projection lens that requires a plurality of lenses, and has a function of enlarging and forming an image of the display area 015 on a screen (not shown).
  • the lens unit 018 has a mechanism that can move in a direction away from and a direction away from the image generation device 014. With such a mechanism, it is possible to provide a focus function for changing the image formation position of the image according to the projection distance.
  • the light emitted from the lens unit 018 is reflected by the optical axis changing element 019 and projected onto a screen (not shown) through the emission window 020.
  • the optical axis changing element 019 has a function of bending an image. It can be realized by a prism as shown in the figure or a simple reflection mirror. It is desirable to ensure the surface accuracy of the surface through which the light passes so that the image is not distorted.
  • the exit window 020 has a function of preventing dust and water droplets from entering from the outside. It is an optically transparent flat plate, and it is desirable to form an antireflection film in the red to blue region (wavelength range of 430 nm to 670 nm) so as to reduce the efficiency loss.
  • the image projection device 011 is equipped with a light detection unit 021 and can detect light emitted from the light source 012.
  • the light detection unit 021 is light detection with a color filter function capable of detecting light for each color.
  • a photodetector that does not depend on the wavelength can be used for the light detection unit 021.
  • the signal of the photodetector may be monitored in synchronization with the timing at which red, green, and blue are sequentially emitted by the FSC.
  • the light detection unit 021 can be made cheaper than using a light detector with a color filter function.
  • the light detection unit 021 stores an initial value of light emitted from the light source 012 to be set to a predetermined color temperature and brightness, and feedback control is performed when the amount of light changes due to temperature or deterioration over time. It is desirable to have a configuration that can be used.
  • the light source 012 includes a red chip 031, a green chip 032, and a blue chip 033 that emit light in the red, green, and blue wavelength bands. This is a multi-chip light source mounted in one housing.
  • the centers of the red chip 031, the green chip 032, and the blue chip 033 are preferably matched with the center of the incident / exit surface 002 (in the figure, the lines 034 and 035 have tolerances).
  • the width W LED and the height H LED are 1 mm
  • the width W and the height H may be set to about 1.1 mm if the mounting tolerance is ⁇ 0.05 mm.
  • FIGS. 4A to 4C are schematic views of the display device 101, FIG. 4A is a front view, and FIGS. 4B and 4C are side views.
  • the display device 101 is assumed to be a smartphone, a tablet PC, or the like, and includes a panel 102 for controlling the display device 101 with a finger using video display and electrostatic capacitance, a control button 103, and the like.
  • a video projection device 011 is provided at the upper part in FIG. 4A of the display device 101, and a video can be projected in the upper part direction in FIG. 4A.
  • the video projection device 011 has a rotation mechanism 104 that can rotate in the direction of the arrow 105 in the display device 101. As shown in side views of FIGS. 4B and 4C, the video projection direction is upward or backward. Can be selected.
  • FIG. 5 illustrates a system block of the display device 101.
  • the display device 101 includes a light projection (light detection unit) 021, a light source 012, and a video projection device 011 including a data table 120 in which setting values for controlling the light source are stored.
  • the communication unit 112 has a function of acquiring external information by accessing information on the Internet such as WiFi or Bluetooth (registered trademark) or an external server 119 such as an electronic device owned by the user 111. .
  • the display device 101 includes a display unit 113 that displays information to the user 111 via the panel 102, an acceleration sensor that detects acceleration based on a principle such as an electric element or capacitance, and a sensing unit 114 that senses the external environment using a GPS or the like. It also has.
  • the display device 101 also includes a power supply unit 115 that supplies power from a battery or the like, and an imaging unit 116 that acquires external images using a camera or the like.
  • the display device 101 is also provided with a control unit 117 that allows the user to control the display device 101 by voice recognition of a user's words using a microphone, a touch sensor of the panel 102, a button 103, and the like.
  • the display device 101 also includes a controller 118 which is a main chip for controlling the above-described devices and the above-described units in accordance with user control.
  • the display device 101 includes an image projection device 011 that allows not only the user 111 to observe a predetermined image on the display unit 113 but also allows the user 111 and a plurality of other people to observe the image simultaneously.
  • the controller 118 detects the location where the display device 101 is arranged, selects surrounding information from the external server 119, and drives the video projection device 011.
  • the selected information may be displayed on the screen.
  • the controller 118 confirms the image data list held by the user 111 on the display unit 113 by the user 111 and displays only the image selected by the user 111 on the screen by the video projection device 011.
  • the user may have a function of allowing other people to observe the video.
  • the controller 118 processes the video signal acquired by the video information of the imaging unit 116, and the controller 118 has the step. And a function of notifying the user 111 of information such as “attention to level difference” by causing the video projection device 011 to emit light.
  • the power supply unit 115 supplies necessary power to the apparatus via the controller 118. At this time, it is desirable that the controller 118 has a function of saving power by supplying power only to necessary devices according to necessity.
  • controller 118 desirably has a function of monitoring light amount information from the light detection unit 021 in the video projection device 011 and controlling the output of the light source 012.
  • the light amounts 00 (R), I0 (G), I0 ( B) is stored in the data table 120.
  • the video projection device 011 When receiving a command for image projection of the video projection device 011 from the controller 118, the video projection device 011 starts to emit light from the light source 012 (131 in FIG. 6A). Next, the light detection unit 021 detects the light amounts I1 (R), I1 (G), and I1 (B) of the light source 012 (132 in FIG. 6A). Is there any error from the specified color coordinates by comparing the detected light amounts I1 (R), I1 (G), I1 (B) with the initial light amounts I0 (R), I0 (G), I0 (B)? Check (133 in FIG. 6A). As long as the video projection device 011 is in operation, if there is no color coordinate error, a predetermined time is left (135 in FIG. 6A), and the light amount is detected again by the light detection unit 021 (132 in FIG. 6A). Repeat the adjustment flow.
  • a semiconductor light source such as an LED has a characteristic that its output changes depending on the temperature. For this reason, the light output of each color emitted from the light source 012 changes due to the temperature change of the environment or the heat generation of the electronic circuit disposed in the vicinity of the light source 012.
  • the light amounts of the red chip 031, the green chip 032, and the blue chip 033 in the light source 012 are controlled so that the error is corrected (134 in FIG. 6A).
  • the control of the amount of light can be realized by a method of changing the drive current or a method of changing the light emission time.
  • the light amount is detected again (132 in FIG. 6A), and it is checked whether the color is a predetermined color (133 in FIG. 6A).
  • the video projection device 011 be feedback controlled so that the color coordinates do not exceed a certain range.
  • the optical integrator 001 is a resin. For this reason, it is assumed that the transmittance is deteriorated due to deterioration with the passage of time or ultraviolet rays. In addition, it is assumed that the amount of light emitted by the light source 012 deteriorates with time and the light amount itself is reduced.
  • the video projection device 011 In response to a command for image projection of the video projection device 011 from the controller 118, the video projection device 011 starts to emit light from the light source 012 as shown in FIG. 6B (131 in FIG. 6B).
  • the light detection unit 021 detects the light amounts I2 (R), I2 (G), and I2 (B) of the light source 012 (140 in FIG. 6B).
  • the addition value IT2 of the detected light amounts I2 (R), I2 (G), and I2 (B) is compared with the initial addition value IT0 of the light amounts I0 (R), I0 (G), and I0 (B) (FIG. 6B). 141).
  • the difference in the light amount is smaller than the predetermined set value, it is assumed that either the light source 012 or the photodetector has deteriorated, and the initial light amounts I0 (R), I0 (G), and I0 (B) are set as IT2.
  • the setting of the initial light quantity is changed to the light quantity I0 (R), I0 (G), and I0 (B) according to the ratio of IT0, and the setting value of the data table 120 is updated (142 in FIG. 6B).
  • the light detection unit 021 again detects the light amounts I2 (R), I2 (G), and I2 (B) of the light source 012 (140 in FIG. 6B).
  • the addition value IT2 of the detected light amounts I2 (R), I2 (G), and I2 (B) is compared with the initial addition value IT0 of the light amounts I0 (R), I0 (G), and I0 (B) (FIG. 6B). 141).
  • the light detection unit 021 detects the light amounts I3 (R), I3 (G), and I3 (B) (FIG. 6B). 132).
  • the light amounts of the red chip 031, the green chip 032, and the blue chip 033 in the light source 012 are controlled so as to correct the error (134 in FIG. 6B).
  • the light amount is detected again (132 in FIG. 6B) and it is checked whether the predetermined color coordinates are obtained (133 in FIG. 6B).
  • the change in brightness due to deterioration with time can be corrected by checking only at the time of activation. Therefore, the flow of steps 132 and 135 in FIG. 6B may be repeatedly controlled except at the time of activation.
  • the optical integrator 201 is an example in which the shape of the optical integrator 001 in FIG. 1 is changed from a quadrangular prism to a cylinder.
  • the optical integrator 201 has a length L, a diameter W, and a cylindrical shape, and the inside thereof is filled with a medium 1 having a predetermined refractive index N1 with high transparency.
  • the optical integrator 201 has incident / exit surfaces 202 and 203 and a TIR side surface 204.
  • the inside of the optical integrator 201 is randomly filled with scattering particles 008 filled with a highly transparent medium 2 having a refractive index 2 different from that of the medium 1. Similar to the optical integrator 001, it has a function of scattering by changing the angle of the traveling light beam.
  • the travel distance is strong and weak, so that good homogeneity cannot be obtained.
  • the light integrator 201 is provided with scattering particles 008 therein, so that even if it has a cylindrical shape, there is no problem and color mixing and homogeneity can be obtained.
  • the diameter W of the incident / exit surfaces 202 and 003 is preferably set to be at least twice as large as the area of the incident light beam in consideration of the mounting tolerance and the like than the incident light beam. This is because the luminance is inversely proportional to the area as described above.
  • optical integrator 211 Next, the optical integrator 211 will be described with reference to FIG.
  • the optical integrator 211 is an example in which the shape of the optical integrator 001 is changed from a quadrangular prism to a triangular prism.
  • the optical integrator 211 has a triangular prism shape having a length L and a length W on one side, and the inside thereof is filled with a medium 1 having a predetermined refractive index N1 having a high transparency.
  • optical integrator 211 has incident / exit surfaces 212 and 213 and TIR side surfaces 214 to 216.
  • the inside of the optical integrator 211 is randomly filled with scattering particles 008 filled with a highly transparent medium 2 having a refractive index 2 different from that of the medium 1. Similar to the optical integrator 001, it has a function of scattering by changing the angle of the traveling light beam.
  • the shape of the red chip 031, the green chip 032, and the blue chip 033 in the light source 012 is a triangular prism in accordance with a triangle shape as shown in FIG.
  • the length W of the incident / exit surfaces 212 and 213 is preferably set to be larger than the area of the incident light beam and at least twice or less in consideration of the mounting tolerance of the incident light beam. This is because the luminance is inversely proportional to the area as described above.
  • the space is wasted more than a square pole, thereby obtaining an effect of improving efficiency while ensuring color mixing and homogeneity.
  • optical integrator 221 Next, the optical integrator 221 will be described with reference to FIG.
  • the optical integrator 221 is an example in which the shape of the optical integrator 001 is changed to a curved shape.
  • the optical integrator 221 has a curved shape having a length L, a width W, and a height H in the longitudinal direction, and the inside thereof is filled with a medium 1 having a predetermined refractive index N1 with high transparency.
  • optical integrator 221 has incident / exit surfaces 222 and 223 and TIR side surfaces 224 to 227.
  • the inside of the optical integrator 221 is randomly filled with scattering particles 008 filled with a highly transparent medium 2 having a refractive index 2 different from that of the medium 1. Similar to the optical integrator 001, it has a function of scattering by changing the angle of the traveling light beam.
  • the optical integrator 221 is characterized in that the normal lines of the incident / exit surfaces 222 and 223 are different, and it is possible to easily bend between the light source 012 and the illumination lens 013 in mounting.
  • optical integrator 231 will be described with reference to FIG.
  • the light integrator 231 is an example in which the ratio of the light incident / exit surface of the light integrator 001 is changed.
  • the optical integrator 231 has TIR side surfaces 234 to 237 of an entrance surface 232 and an exit surface 233.
  • the inside is filled with a medium 1 having a predetermined high refractive index N1.
  • the incident surface 232 is a square having a width Wi
  • the exit surface 233 is a square having a width W0, and a length L.
  • the incident surface 232 and the exit surface 233 are different in size.
  • the inside of the optical integrator 231 is randomly filled with scattering particles 008 filled with a highly transparent medium 2 having a refractive index 2 different from that of the medium 1. Similar to the optical integrator 001, it has a function of scattering by changing the angle of the traveling light beam.
  • the light quantity per solid angle is more efficient if the light source is smaller and the display area is larger, according to the Etendue relationship of the physical laws to be preserved.
  • the optical integrator 231 is configured such that the incident surface 232 and the exit surface 233 have different sizes so that the entrance surface 232 is on the light source 012 side and the exit surface 233 is on the illumination lens 013 side. With this arrangement, the transmission efficiency from the illumination lens 013 to the display area 015 can be improved.
  • FIG. 11A shows the optical integrator 201
  • FIG. 11B shows the incident / exit surface 212 of the optical integrator 211
  • FIG. 11C shows the incident / exit surface 222 of the optical integrator 221
  • FIG. 11D shows the incident surface 232 of the optical integrator 231. It is an example used.
  • red chip 031, the green chip 032, and the blue chip 033 are arranged in a triangle so that the cylindrical light integrator 201 is arranged inside the incident / exit surface 202, there is little waste and it is advantageous in terms of efficiency.
  • optical integrator 211 if it is arranged in a triangle inside the input / output surface 212, there is little waste and it is advantageous in terms of efficiency.
  • four red chips 031, two green chips 032, and four blue chips 033 can be arranged on the square incident / exit surface 222.
  • the effect of improving the brightness can be expected by increasing the number of green chips that the human eye feels bright.
  • the red chip 031, the green chip 032, and the blue chip 033 may be arranged in a row on the square incident surface 232 like the optical integrator 231.
  • Currently available multi-chip light sources equipped with three-color chips include the above-described triangle arrangement and the one arranged in a row. Even in a single row as shown in FIG. 11D, the color mixing property and the homogeneity can be ensured by making the size of the incident surface 232 equal to or larger than the outermost shape of the chip. That is, the color mixing property and the homogeneity can be ensured by making the area of the incident / exit surface equal to or larger than the outermost shape of the chip regardless of the arrangement of the chips.
  • the shape of the incident surface 232 is not a square as shown in FIG.
  • FIG. 12 is a schematic diagram showing the video projection device 301.
  • the video projection device 301 is an optical system that employs a virtual image system that projects a video image directly to the eye, such as a head-mounted display.
  • the lens unit 302 has an incident surface 303, a beam split surface 304, a reflection lens 305, an exit surface 306, a transmission surface 307, and a reflection surface 308.
  • the entrance surface 303, the exit surface 306, and the transmission surface 307 are transparent planes.
  • the beam splitting surface has a light branching function that allows predetermined light to pass therethrough and reflects the rest. Such a light branching function can be realized by a dielectric multilayer film.
  • the surface of the reflective lens surface 305 is a lens surface that is reflectively coated. There is an eye in the direction of the arrow of the optical path 022 on the upper surface in the drawing.
  • the reflection surface 308 is a reflection surface provided so that light travels to the light detection unit 021.
  • the reflecting lens surface 305 and the reflecting surface 308 can be generally realized by a dielectric multilayer film or a metal coating such as aluminum or silver alloy.
  • the human recognizes the image in combination with the lens function of the eye. This is called a virtual image because an image is generated on a temporary screen combined with a lens function of a human eye, compared to a real image that looks at an image projected on a screen like a normal projector.
  • the head-mounted display projects an image directly to the eyes, so the outside world can only be seen with the eyes through the lens unit 032.
  • the emission surface 306 and the transmission surface 307 be surfaces with high optical transparency.
  • an optical system employing a virtual image method used for a head mounted display can be realized in a small size.
  • FIG. 13 is a schematic diagram showing the video projection device 331.
  • the video projection device 331 is a modification of the video projection device 301, and is an optical system that employs a virtual image system that projects a video directly onto the eye, such as a head-mounted display.
  • the image generation device 334 is assumed to be a reflective liquid crystal element.
  • the light emitted from the illumination lens 013 enters the polarization beam splitter 333.
  • the polarization beam splitter 333 is a general optical element that reflects predetermined polarized light and transmits polarized light orthogonal to the polarized light.
  • the light beam reflected by the polarization beam splitter 333 travels to the light detection unit 021 and is used for monitoring the light amount.
  • the light transmitted through the polarization beam splitter 333 is illuminated on the video generation device 334.
  • the reflective liquid crystal element is assumed to be a liquid crystal without a color filter. For this reason, since the number of pixels can be reduced to 1/3 compared to a liquid crystal having a color filter, a high-resolution image can be realized.
  • a display area 335 of the video generation device 334 indicates an area where video is generated. Colorization is realized by FSC technology that emits light in the red, green, and blue wavelength bands in the light source 012 every time.
  • the display area 335 has a function of selecting a predetermined polarization for each pixel, which is either a vertical direction or a parallel direction. In the case of making it effective as an image, a polarization in a direction parallel to the polarization reflected by the polarization beam splitter 333 is selected.
  • the light rays that are effective and invalid as the image reflected from the display area 335 are incident on the polarization beam splitter 333 again, and only the light rays that are effective as the image are reflected.
  • Light rays effective as the reflected image travel to the lens unit 302 and are projected onto the eye as described above.
  • the light shielding openings 016 and 017 are light shielding openings arranged so that extra light outside the display area 015 is not emitted.
  • the reflective liquid crystal element can reduce the thickness of the liquid crystal layer, so that the polarization selection speed can be increased. For this reason, the effect of improving flickering called color break is obtained.
  • FIG. 14 is a schematic diagram showing the video projection device 341.
  • the video projection device 341 is a real image optical system used for a projector, and is different from the video projection device 011 in that the optical axis changing element 019 is deleted.
  • the video projection device 341 has a completely straight configuration from the light source 012. The cost is advantageous in that the optical axis changing element 019 is deleted.
  • FIG. 15A shows a display device 351 that uses the video projection device 301
  • FIG. 15B shows a display device 353 that uses the video projection device 34
  • FIG. 15C shows an outline of the display device 356 that uses the video projection device 341. is there.
  • the display device 351 shown in FIG. 15A is a head mounted display.
  • the display device 351 is mounted on the user's 111 head, and an image is projected onto the eyes of the user 111 from the image projection device 301 mounted inside the display device 351.
  • the user can visually recognize a virtual image 352 that is an image floating in the air.
  • the display device 353 shown in FIG. 15B is a pocket projector.
  • An image 354 is projected onto the screen 355 from the image projection device 341 mounted inside the display device 353.
  • the user 111 can visually recognize the video image displayed on the screen as a real image.
  • the display device 356 shown in FIG. 15C is a head-up display.
  • a video is projected from the video projection device 341 mounted inside the display device 356 to the virtual image generation unit 357.
  • the virtual image generation unit 357 has a function of a beam splitter that transmits part of light and reflects the rest, and a curved surface structure, and also has a lens function of generating a virtual image by directly projecting an image on the eyes of the user 111. is doing.
  • the user 111 can visually recognize the virtual image 352 that is a video floating in the air.
  • Such a head-up display is expected to be applied to an assist function for a car driver, digital signage, and the like.
  • Any display device is desired to be small and bright, and by using the optical integrator of the present invention, a small and bright image projection device can be realized.
  • the optical integrator 001 has a rectangular column shape with a length of 4.15 mm, a height of 1.05 mm, and a width of 1.05 mm.
  • the inside is filled with the medium 1 having a high refractive index of 1.49. Further, the inside of the optical integrator 001 is randomly filled with scattering particles 008 viewed in the medium 2 having a high refractive index of 1.59. The volume of the scattering particles is 0.5% with respect to the volume of the optical integrator 001.
  • Hitachi Chemical 9501 (trade name) manufactured by Hitachi Chemical Co., Ltd. This is a urethane acrylate-based photo-curing resin.
  • As the medium 2 Sekisui Plastics Co., Ltd.
  • Techpolymer SSX-302ABE (trade name) is used. This is a fine particle made of a crosslinked polystyrene resin, which is a monodisperse particle having a spherical shape, an average diameter of 2 ⁇ m, and approximately 95% of the particles having a difference within 0.5 ⁇ m from the average diameter.
  • the optical integrator was manufactured as follows. First, 0.5% of the total volume of fine particles is placed in a photo-curing resin and stirred for about 10 minutes with a stirring rod. Defoaming will occur sufficiently by allowing it to stand for 4 hours or more after stirring. By enclosing the bottom and side surfaces with a metal plate, a gap having a length of 50 mm, a width of 7 mm, and a depth of 1.05 mm is formed, a resin is poured therein, and a glass plate is covered from above. At this time, air should be prevented from entering inside. Thereafter, a UV lamp is irradiated through the glass to sufficiently cure the resin.
  • the product is taken out and cut into a width of 1.05 mm and a length of 4.15 m with a dicer (DAC552, manufactured by DISCO Corporation).
  • a dicer DAC552, manufactured by DISCO Corporation.
  • the blade is fed in parallel to the length direction. This is to reduce the surface leakage in the optical axis direction of the side surface and reduce the light leakage from the optical integrator by causing processing lines of the dicer to occur along the length direction of the optical integrator. .
  • the side surface is processed using a dicing blade with a particle size of # 5000, the rotational speed is 30,000 rpm, the cutting speed is 0.5 mm / s, and the light input / output surface is a particle size with a # 3000 dicing blade.
  • the surface roughness in this example is the result of measuring the centerline average roughness Ra based on JIS B0601'1982.
  • the cutting surface was divided into particles without the medium 2 protruding from the side surface. Further, the non-cutting side surface was embedded in the medium 1 without the medium 2 protruding from the side surface.
  • an LED (LTRAM R8SF made by OSRAM) is used. Three LEDs of red, green, and blue are mounted on one LED, and an improvement in color reproducibility can be expected compared to a white LED.
  • the LED is placed in close contact with the center of the incident surface of the optical integrator, the anode is shared, a resistor of 1 k ⁇ is connected between the ground and the red chip, and a 150 ⁇ resistor is applied to the blue chip, and a voltage of 2.7 V is applied to the LED.
  • the light was emitted, and the front luminance, uniformity, and color mixing of the exit surface of the optical integrator were evaluated.
  • CA-1500 (trade name) manufactured by Konica Minolta was used.
  • the luminance, chromaticity x, and chromaticity y data were measured by 121 divisions of 11 divisions in the width direction and 11 divisions in the height direction, and the average luminance, Uniformity, and color mixing properties were calculated as follows.
  • Average luminance average value of front luminance at 121 points of measurement
  • Uniformity Minimum / maximum front brightness of 121 measurement points
  • Color mixing Maximum / minimum chromaticity value of 121 measurement points
  • average brightness 34,400 cd / m 2 Uniformity 90.7%
  • chromaticity x The color mixing property was 0.020, and the color mixing property was 0.024, and the uniformity of light could be achieved while ensuring sufficient brightness.
  • this invention is not limited to the above-mentioned Example, Various modifications are included.
  • the above-described embodiments have been described in detail for easy understanding of the present invention, and are not necessarily limited to those having all the configurations described. It is also possible to add the configuration of another embodiment to the configuration of one embodiment. Further, it is possible to add, delete, and replace other configurations for a part of each embodiment.
  • each of the above-described configurations may be configured such that a part or all of the configuration is configured by hardware, or is realized by executing a program by a processor.
  • control lines and information lines indicate what is considered necessary for the explanation, and not all the control lines and information lines on the product are necessarily shown. In practice, it can be considered that almost all the components are connected to each other.

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Abstract

本発明は、混色性と均質性を高める小型の光積分器を提供することを目的とする。本発明の光積分器は、光の入射面と出射面（００２、００３）と、入射面と出射面とをつなぐ側面（００４、００５、００６、００７）を備え、その内部は、ある屈折率の導光部材で満たされており、その導光部材は、導光部材の屈折率とは異なる屈折率を有し、光を散乱させる散乱粒子を含有し、入射面から入射した光は、入射面側から出射面方向へ導光部材の内部の散乱粒子で散乱されながら伝播すると共に、散乱された散乱光の一部は、側面の内面反射により光検出器の内部に閉じ込められながら伝播することで、出射面へと導光されることを特徴とする。

Description

光積分器および、それを用いた映像投射装置
　本発明は、光を均一に混色する光積分器と、それを用いた映像投射装置に関するものである。
　透明ロッドを用いた映像投射装置の特許は文献１、２など、光拡散層を備えた表示装置は特許文献３など提案されている。
特開２００４－３３４０８３号公報 特開２０００－１３１６６５号公報 特開２０１０－７９１１７号公報
　通常のプロジェクタなどの表示装置用の映像投射装置では、赤、緑、青の３色の光源を時間分割しカラー化する光学系が一般的である。このカラー化技術は、通常フィールドシーケンシャルカラー（以下、ＦＳＣ）と呼ばれる手法である。
　ＦＳＣを用いるには、混色性と均質性の高い３色の光線を、映像投射装置内に搭載されたＬＣＯＳやＤＭＤなどの映像生成装置に照明しなければならない。
　複数光源からの光線の混色性と均質性に関して、特許文献１には、複数の光源からの光線をレンズでロッドに導光する方法が記載されている。特許文献２には、複数の光源からの光線をダイクロミラーで合成したあと、ロッドに導光する方法が記載されている。
　また、白色光源の光を均質化する方法として、光拡散層を用いるものが特許文献３に記載されている。
　近年は、ヘッドマウントディスプレイに代表されるウエアラブルな表示装置の開発が進められている。このような表示装置用の映像投射装置は、体に装着するため、省電力で明るく小型であることが求められている。
　映像投射装置を小型にするために、複数の光源を１個の筐体に搭載したマルチチップ光源を用いた場合、特許文献１、２に用いているロッドを想定すると、混色性と均質性を満足するために長いロッドが必要になり、小型化に向かない。また、特許文献３のような光拡散層を用いる場合、複数の光源位置が異なるため、混色性を満足することができない。
　本発明の目的は、複数の光源を１個の筐体に搭載したマルチチップ光源を搭載した映像投射装置の光学系を小型化するため、混色性と均質性を高める小型の光積分器を提供することである。
　上記目的は、例えば、特許請求の範囲に記載の発明により達成することができる。
　より具体的な例を挙げれば、本発明に従う光積分器は、光の入射面と、出射面と、入射面と出射面とをつなぐ側面を備え、その内部は、屈折率１の導光部材で満たされており、その導光部材は、光を散乱させる屈折率１とは異なる屈折率２の散乱粒子を含有し、入射面から入射した光は、入射面側から出射面方向へ導光部材の内部の散乱粒子で散乱されながら伝播すると共に、散乱された散乱光の一部は、側面の内面反射により光検出器の内部に閉じ込められながら伝播することで、出射面へと導光されるものである。
　省電力で明るく小型な映像投射装置を安価に提供できる。
光積分器００１を示した概略図である。 映像投射装置０１１を示した概略図である。 光源０１２と光積分器００１の配置関係を説明する図である。 表示装置１０１を示した概略図である。 表示装置１０１を示した概略図である。 表示装置１０１を示した概略図である。 表示装置１０１のシステムを示した概略図である。 表示装置１０１の調整フローを示した図である。 表示装置１０１の調整フローを示した図である。 光積分器２０１を示した図である。 光積分器２１１を示した図である。 光積分器２２１を示した図である。 光積分器２３１を示した図である。 光源と光積分器の配置関係を説明する図である。 光源と光積分器の配置関係を説明する図である。 光源と光積分器の配置関係を説明する図である。 光源と光積分器の配置関係を説明する図である。 映像投射装置３０１を示した概略図である。 映像投射装置３３１を示した概略図である。 映像投射装置３４１を示した概略図である。 表示装置を示した概略図である。 表示装置を示した概略図である。 表示装置を示した概略図である。
　以下、図に示す実施例に基づいて本発明を実施するための形態を説明するが、これによりこの本発明が限定されるものではない。
　本発明における実施例１について図を用い説明する。
　最初に図１を用い光積分器００１について説明する。
　光積分器００１は、長さＬ、高さＨ、幅Ｗの四角柱の形状をしており、その内部は所定の透明度の高い屈折率Ｎ１の媒質１で満たされている。また、光積分器００１は、入出射面００２、００３と、ＴＩＲ側面００４ないし００７がある。
　入出射面００２、００３は、光が入射する面、または出射する面である。
　スネルの法則より、臨界角より大きい入射角を持つ光線は屈折率の高い媒質から屈折率の低い媒質へ進行できず、内面反射（Total Internal Reflection、以下ＴＩＲと記す）することが知られている。このため、本実施例の中では、光積分器００１の側面のことをＴＩＲ側面と記す。ＴＩＲ側面００４ないし００７は、入出射面００２、００３から入射した光をＴＩＲにより光積分器００１無の内部に閉じ込める機能を有する面である。
　光積分器００１の内部には、媒質１とは異なる屈折率２の透明度の高い媒質２で満たされた散乱粒子００８がランダムに充填されている。前記スネルの法則に従い、光線は、屈折率の異なる媒質を通過するときに、入射する角度とは異なる角度で出射する。散乱粒子００８は、その原理を用い、進行する光線の角度を変更させることで散乱させる機能を有する。
　屈折率１と屈折率２の差を大きくした方がスネルの法則に従い、より大きな拡散機能が得られる。
　散乱粒子は、球状、またはその他の形状でも構わない。汎用品である球状とすることがコスト面からは望ましい。
　散乱粒子を球状とした場合は、その直径が小さいほど光線の曲げられる角度が大きくなり、高い散乱性能が得られる。その直径は、入射する光線の波長より大きく、その波長の１０倍以下にすることが望ましい。
　散乱粒子の直径が波長より小さいと、大きな散乱が得られる。しかし散乱粒子に光線が当たる確立が小さくなるため、均質性を確保するため、散乱粒子の充填率を増やすことになるが、効率の低下が問題となる。
　逆に直径が波長の１０倍以上になると、光線の変更できる角度が小さくなり、所望の混色性と均質性を得るため光積分器００１を長くすることになるが、目的とする小型化に寄与できなくなる。
　散乱粒子を球状以外で、その散乱粒子の表面に凹凸が無い場合は、概ね上記と同じことが言える。
　もちろん、散乱粒子の表面に波長オーダーの微細構造を設けても良い。この場合は、形状を任意にして、散乱粒子の最大直径を大きくしても、大きな散乱効果が得られることが期待できる。
　また、入出射面００２、００３の高さＨ、幅Ｗは、入射する光線と略同等か、少なくとも取り付けの公差を考慮した最小のサイズとすることが望ましい。もちろん、入出射面００２、００３の高さＨ、幅Ｗは、入射する光線と略同等とすることが最も望ましく、この場合は、取り付けの公差を考慮して、組立て時に調整すると良い。
　入出射面００２、００３を出射する光線の輝度は、面積に反比例する。このため、入射する光線の面積に対し、入出射面の面積を２倍にすると、輝度が半分になる。また、面積を大きくすると閉じ込めの効果が落ち、混色性能も小さくなる。このため、さらに散乱粒子の充填率を増加する必要があり、効率がさらに劣化する。
　逆に入射する光線より入出射面００２、００３の面積を小さくすると、光線を取り込めなくなり、効率が低下する。
　以上から、入出射面００２、００３の面積は、入射する光線サイズと略同等にして調整するか、組立ての公差を考慮して少なくとも２倍以下に設定した方が良い。
　入出射面００２，００３の幅Ｗと高さＨは、幅Ｗ＞高さＨと定義する。この場合、長さＬは、幅Ｗの３倍より長くとすると良い。
　通常の面光源は半値半幅が６０°のランバシアンの分布をしている。一般的な透明材料の屈折率を１．５とすると、スネルの法則に従えば光積分器００１の内部に取り込まれた光束は±３５°の範囲内に分布しているといえる。３５°の光線は、幅Ｗの３倍の長さＬを進行すると、約２回反射することになる。すなわち、下記式（１）を満足することになる。
　Ｌ×Ｔａｎ３５°≧２×Ｗ・・・式（１）
　約２回反射する程度の長さがあると、散乱粒子００８の充填率を調整することで、混色性と均質性を満たす事ができる。
　幅Ｗの３倍を越える長さＬに設定した場合は、充填率を減らす調整をすることで、混色性と均質性を満たしたままで効率を維持できる。
　例えば、幅Ｗ、高さＨを１ｍｍ角とした場合、長さを４ｍｍ、散乱粒子００８の直径を約２μｍ、屈折率１を１．４８、屈折率２を１．５８とした場合、媒質１の総体積に対する散乱粒子００８の媒質２の総体積を０．５％ないし１．０％の範囲に設定すると良い。
　また、入出射面００２，００３は、略平行にすることが望ましい。垂直に入射する光の平均角度を保ったまま光の入出射が可能となり、効率面で望ましい。
　また、入出射面００２，００３とは同じ形状にすることが望ましい。ＴＩＲ側面での光の漏れを低減すると共に、ＴＩＲ側面での効率のよい反射を行うことができ、ロスを低減できる。
　また、散乱粒子００８の充填率は、光と散乱粒子００８の衝突する平均的な距離である平均自由行程と反比例するものであり、光の透過率は、光と散乱粒子が衝突した回数分落ちるため、平均自由行程に比例すると言える。すなわち、散乱粒子００８の充填率は、明るさに反比例する。散乱粒子００８を充填しすぎると、効率が落ちるため、混色性および均質性と効率を考慮して、散乱粒子００８の充填率を決めると良い。
　また、ＴＩＲ側面は、表面粗さを小さくすることが望ましい。ＴＩＲ側面の表面粗さを小さくすることで反射側面からの漏れ光を低減し、高光量出力を可能とする。
　長さ方向の表面粗さは、長さ方向と直交する方向よりも小さくすることが望ましい。これは、加工方法等（切削や成型）によって異方性のある荒れが発生しやすいが、光軸方向の表面粗さを小さくすることで、反射側面からの漏れ光を低減し、高光量出力を可能とする。
　入出射側面００２、００３は、表面荒さが大きくしても良い。この場合、入出射面が荒れていることによって表面散乱による光の均一化が可能となる。
　本発明の光積分器は、媒質１と、該媒質１とは異なる屈折率を有し、伝搬する光を散乱せしめる散乱粒子（媒質２）が充填された構造であれば特に限定はないが、以下に説明する材料及び製造方法を用いることによって容易に得ることができる。
　＜媒質１＞
　まず、媒質１の材質として、光を伝搬する観点から透明性の高い材料が選択される。本実施例ではアクリル系の光硬化樹脂を使用するが、透明度の高い材料であれば特に限定はなく、例えば、エポキシ系の熱硬化性の樹脂やアクリルやポリカーボネイト等の熱可塑性樹脂や、ガラス等を使用してもよい。
　光硬化性樹脂を用いると固形の媒質２を使用する際に該媒質２との混合が容易である観点、また硬化後に冷却や乾燥等の工程を必要としないため作業効率が向上する観点、所定の形状の光積分器を得られやすい観点からより好ましい。また、アクリル系の材料を使用すると透過率が高く、光の利用効率を高めることが可能となるため、より好ましい。
　＜媒質２＞
　媒質２は、媒質１中に、媒質１と異なる屈折率の粒子を混合させることによって効率良く得ることができる。媒質２の材質として、本実施例では、架橋ポリスチレン微粒子を使用するが、透明度の高い材料であれば、その他の材質のプラスチック粒子やガラス粒子等、他の材料を使用してもよい。
　ただし、光を散乱させるためには屈折率差があることが重要であるため、媒質１と媒質２との間で屈折率差は０．００５以上あることが望ましい。０．００５以上０．０１５以下であると、媒質１と媒質２の比重を近接させやすくなり媒質２を媒質１に混合させるのが容易である観点及び、効率の低下を抑えたうえで、散乱の効果も得られやすいという観点からより好ましい。ここで、媒質１と媒質２の屈折率を比較したときに、どちらの屈折率が大きくてもよい。なお、本発明における屈折率差とは、媒質１又は媒質２のうち、高屈折率である媒質１又は媒質２の屈折率と、低屈折率である材質２又は媒質１の屈折率の差分から算出される値とする。
　＜粒径＞
　媒質２の粒径は、０．５μｍ以上、５μｍ以下であることが望ましい。これは、前述のように、粒径が小さいと光が散乱しすぎて光の取り出し効率が低下してしまい、粒径が大きいと光が散乱しにくいためである。また、粒径は略均一である方が望ましいが、９０％以上の粒子が上記粒径範囲内に含まれていれば効果は得られるため問題ない。
　＜製造方法＞
　媒質１と媒質２を一体化する工法としては、例えば液状の媒質１を用意し、次いで媒質１と媒質２を混合させ、それを所定の形状に光硬化させて製作する方法があるが、熱プレス、射出成形、削りだし等、他の工法でも製作可能である。中でも液状の媒質１を用いると、媒質２を容易に混合させることができるため、より好ましく、媒質１に媒質２を混合させた状態も液状であると、所定の形状に加工しやすいためさらに好ましい。
　製品形状作成時には、製品の高さの板を製作後に外周を切断して製品サイズにしてもよいし、製品サイズの空間を持つ型を製作して、型に樹脂を流し込んで硬化させて製作してもよい。
　＜表面粗さ＞
　本実施例の光積分器の表面粗さ（Ｒａ；算術平均粗さ）は、側面の長さ方向では小さくすることが望ましい。これは光が側面にあたったときに側面の長さ方向で面が荒れていると、臨界角を超えて光が側面から抜けてしまうためである。長さ方向に垂直な方向では、光の伝搬に悪影響のない範囲で面が荒れていてもよい。また光入射面や光出射面については、光の拡散が高まる効果が見込めるため、光の出射に悪影響のない範囲で面が荒れていてもよい。以上の観点から側面の光軸方向の表面粗さは０μｍ超～２．０μｍであると良く、０μｍ超～１．０μｍであるとより良く、０μｍ超～０．５μｍであるとさらに良い。光入射面及び光出射面の表面粗さは、上記側面の表面粗さ以上であって、０．０１μｍ～１０μｍであると良く、０．５μｍ～５μｍであるとより良く、０．５μｍ～３μｍであるとさらに良い。尚、側面の光軸に対して垂直方向の表面粗さは０μｍ超であって、上限は上述した光入射面及び光出射面の表面粗さで列挙した値以下であると良い。
　側面の光軸（図中長さＬの方向）に対して垂直方向の表面粗さは上述の範囲内で小さい方が好ましいが、加工効率の観点から任意に選択して構わない。具体的には、例えば切削加工によって側面を形成する場合、切削方向の表面粗さと、切削方向と略垂直方向の表面粗さは、前者の切削方向の表面粗さの方が小さくなる傾向にあり、加工効率の向上のために切削速度等を変化させると、特に、切削方向と略垂直方向の表面粗さが荒くなる。この場合、切削方向を光軸方向とすることによって、作業効率を維持しつつ、光の伝搬効率を保持させることが可能となる。また、成形等を利用する場合であって、かつ成形鋳型側に切削痕等の表面粗さの方向性を有する場合、該表面粗さは、光積分器に転写される。この場合も同様に、光軸方向を表面粗さの小さい方向とすることによって、良好な光の伝搬効率を保持させることが可能となる。
　また、媒質２に固形の粒子を用いる場合、媒質２からなる散乱粒子が側面から突出することによる凸部又は／及び該散乱粒子が側面から脱落した跡による凹部からなる凹凸が表面荒さに寄与する程度に存在すると、上述したように側面からの光の漏れが発生する一因となる。以上のことから、さらに側面の表面粗さ（Ｒａ）は、媒質２として導入する散乱粒子の平均粒径の１／２以下であると良い。これは、光積分器の側面から散乱粒子を突出させない状態又は、側面から突出する散乱粒子を研磨や切断等を用いて切断し、平滑化しておくことによって実現できる。
　次に図２、光積分器００１を用いた映像投射装置０１１について説明する。
　図２は映像投射装置０１１を示す概略図である。
　図２に示す映像投射装置０１１には、光源０１２、光積分器００１、照明レンズ０１３、偏光フィルタ０２５、映像生成装置０１４、レンズユニット０１８、光軸変更素子０１９、出射窓０２０、光検出部０２１がある。なお、破線で記載した光進路０２２は、光線の進行を説明するのに補助するため記載した仮想線である。
　光源０１２は、赤、緑、青の波長帯の光を出射するチップを搭載したマルチチップ光源である。光源０１２は一般的に購入できる安価なＬＥＤを想定している。
　光源０１２から出射した３色の光線は、光積分器００１に入射し、前述した散乱粒子で拡散され、また、光積分器００１内に閉じ込められ、高い混色性と均質性が実現される。
　光積分器００１を出射した光は、照明レンズ０１３を介し映像生成装置０１４に照明される。
　光は、照明レンズ０１３から、映像生成装置０１４に到達する前に、偏光フィルタ０２５を進行し、所定方向の直線偏光の光に選択される。
　偏光フィルタ０２５で所定方向の偏光に選択された光は、映像生成装置０１４に照明される。
　ここで映像生成装置０１４はカラーフィルタの無い透過タイプの液晶素子を想定している。このため、カラーフィルタの有る液晶と比べ画素を１／３にできるため、高い解像度の映像が実現できる。映像生成装置０１４の表示エリア０１５は映像が生成される領域を示している。なお、カラー化は、光源０１２にある赤、緑、青の波長帯の光を時間毎に光らせるＦＳＣの技術で実現される。
　表示エリア０１５は、画素毎に所定の偏光をその偏光とは垂直方向か平行方向かどちらかを選択する機能を有している。映像として有効にする場合は、偏光フィルタ０２５で選択された方向と平行な偏光を選択する。
　表示エリア０１５を進行する映像として有効な光線と無効な光線は、偏光フィルタ０２６に入射する。偏光フィルタ０２６では、映像として有効な偏光の光線のみが通過し、無効な偏光の光線は吸収または反射する。
　偏光フィルタ０２６で映像として有効な光線だけが、レンズユニット０１８に進行する。
　遮光開口０１６、０１７は表示エリア０１５の外側の余計な光線が出射しないように配置した遮光開口である。
　レンズユニット０１８は、複数枚のレンズを要する投射レンズであり、表示エリア０１５の映像をスクリーン（図示無し）に拡大結像させる機能を持つ。
　図では、３枚組で記載したが、投射する映像の拡大率や投射距離に応じて、さらに多くの枚数であっても、逆に少なくともなんら構わない。
　なお、レンズユニット０１８は、映像生成装置０１４から遠ざかる方向と近づく方向に動かせる機構を持たせることが望ましい。このような機構により投射距離に応じて映像の結像位置を変えるフォーカス機能を備えさせることができる。
　レンズユニット０１８を出射した光は、光軸変更素子０１９で反射し、出射窓０２０を経てスクリーン（図示無し）に投射される。
　光軸変更素子０１９は、映像を曲げる機能を有する。図示のようなプリズムか、単純な反射ミラーなどで実現できる。映像が歪まないよう光線の通過する面の面精度を確保することが望ましい。
　出射窓０２０は、外部から埃や水滴などが入ることを防止する機能を有する。光学的に透明な平板であり、効率のロスが減るように赤から青の領域（波長４３０ｎｍ～６７０ｎｍの範囲）で反射防止膜を形成することが望ましい。
　また、映像投射装置０１１には、光検出部０２１が搭載されており、光源０１２から出射する光を検出することができる。例えば、光検出部０２１は色毎の光を検出できるカラーフィルタ機能付きの光検出であることを想定している。ＦＳＣ制御のため、光検出部０２１に波長依存のない光検出器を用いることもできる。この場合は、ＦＳＣにより赤、緑、青が順次発光させるタイミングと同期させて光検出器の信号をモニタすれば良い。この場合、カラーフィルタ機能付きの光検出器を用いるより光検出部０２１を安価にできる。
　この光検出部０２１により、所定の色温度と明るさの設定にする光源０１２から出射する光の初期値を記憶しておいて、温度や経時劣化などで、光量が変化したときにフィードバック制御が出来る構成とすることが望ましい。
　次に図３を用いて、光源０１２と光積分器００１の配置関係を説明する
　光源０１２は、赤、緑、青の波長帯の光を出射する赤チップ０３１、緑チップ０３２、青チップ０３３が１個の筐体内に搭載されたマルチチップ光源である。
　光源０１２から出射した赤、緑、青の波長帯の光は、光積分器００１の入出射面００２（または入出射面００３）に入射する。光源０１２に搭載された赤チップ０３１、緑チップ０３２、青チップ０３３の最大外形の幅ＷＬＥＤと高さＨＬＥＤよりも、光積分器００１の入出射面００２の幅Ｗと高さＨの方が大きく設定する。また、設計上は、赤チップ０３１、緑チップ０３２、青チップ０３３の中心と、入出射面００２の中心を一致させると良い（図では、線０３４、０３５が公差する点）。例えば、幅ＷＬＥＤと高さＨＬＥＤとが１ｍｍとした場合、搭載の公差±０．０５ｍｍとすれば、幅Ｗと高さＨは１．１ｍｍ程度に設定すると良い。
　次に図４Ａ～図４Ｃを用いて、映像投射装置０１１を用いた表示装置１０１について説明する。
　図４Ａ～図４Ｃは表示装置１０１の概略図であり、図４Ａは正面図であり、図４Ｂ及び図４Ｃは側面図である。
　表示装置１０１は、スマートフォンやタブレットＰＣなどを想定しており、映像の表示と、静電容量を利用し指で表示装置１０１を制御するパネル１０２や、制御用のボタン１０３などがある。また表示装置１０１の図４Ａ中上部には、映像投射装置０１１が配備されており、図４Ａ中上部方向へ、映像が投射できる。
　また映像投射装置０１１は、表示装置１０１内で矢印１０５の方向に回転できる回転機構１０４を持っており、側面図である図４Ｂ及び図４Ｃに示すように、上方や後方に映像の投射する方向を選択できる。
　このような、モバイル用途の表示装置を実現するには、小型でなければならない。また、バッテリーを持続して使用するには高い光利用効率が求められる。
　上述したように小型で高効率な映像投射装置０１１を実現しようとした場合に、複数の光源を１個の筐体に搭載したマルチチップ光源を搭載した映像投射装置の光学系を小型化するため、混色性と均質性を高める小型の光積分器が求められている。
　次に図５を用い表示装置１０１のシステムについて説明する。
　図５は、表示装置１０１のシステムブロックを図示したものである。
　表示装置１０１は、光モニタ（光検出部）０２１、光源０１２、光源を制御する設定値を記憶させたデータテーブル１２０を備えた映像投射装置０１１が具備されている。
　通信部１１２は、ＷｉＦｉやＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）のようなインターネット上の情報や使用者１１１が所持している電子機器などの外部サーバ１１９とアクセスして外部情報を取得する機能を有している。
　表示装置１０１は、パネル１０２を介して使用者１１１に情報を表示する表示部１１３、電素子や静電容量などの原理で加速度を検知する加速度センサやＧＰＳなどで外部環境をセンシングするセンシング部１１４も具備している。
　表示装置１０１は、バッテリーなどから電力を供給する電力供給部１１５、カメラなどで、外界映像を取得する撮像部１１６も具備されている。
　表示装置１０１は、マイクによる使用者の言葉の音声認識や、パネル１０２のタッチセンサー、ボタン１０３などによる使用者が表示装置１０１を制御する制御部１１７も具備している。
　また、表示装置１０１は、使用者の制御に応じて上記装置、上記の各部をコントロールするメインチップであるコントローラ１１８も具備している。
　表示装置１０１は、使用者１１１だけが所定の映像を表示部１１３で観察するだけでなく、使用者１１１と他の複数人が同時に映像を観察できる映像投射装置０１１を備えている。
　このため、例えば、センシング部１１４で得られた情報を元にコントローラ１１８は、表示装置１０１の配置されている場所を検出し、外部サーバ１１９から周囲の情報を選択し、映像投射装置０１１を駆動して、選択した情報をスクリーンに表示する機能を有していても良い。
　また、例えば、コントローラ１１８は、使用者１１１が保持している画像データリストを表示部１１３にて使用者１１１が確認し、使用者１１１が選択した画像のみが映像投射装置０１１でスクリーンに表示して、使用者が他の複数人に映像を観察させられる機能なども有していても良い。
　また、例えば、コントローラ１１８は、使用者１１１が歩行している際に通路に小さい段などがあった場合、撮像部１１６の映像情報で取得した映像信号をコントローラ１１８は処理し、段があることを認識して、映像投射装置０１１を発光させ“段差有り注意”といった情報を使用者１１１に知らせる機能なども有していても良い。
　また、電力供給部１１５は、コントローラ１１８を介し装置に必要な電力を供給する。このときコントローラ１１８は、必要性に応じて、必要な装置にのみ電力を供給することで節電する機能を有していることが望ましい。
　また、コントローラ１１８は、映像投射装置０１１内にある光検出部０２１からの光量情報をモニタし、光源０１２の出力を制御する機能を有していることが望ましい。
　図６Ａ及び図６Ｂを用いて、表示装置１０１の光源０１２の調整フローについて説明する。
　出荷前の初期値設定時に、映像投射装置０１１から出射される画像を指定の色座標になるよう光源０１２の赤、緑、青の波長帯の光量Ｉ０（Ｒ）、Ｉ０（Ｇ）、Ｉ０（Ｂ）をデータテーブル１２０に格納しておく。
　コントローラ１１８から映像投射装置０１１の映像投射する命令を受けると、映像投射装置０１１は光源０１２の発光を始める（図６Ａの１３１）。次に光検出部０２１で光源０１２の光量Ｉ１（Ｒ）、Ｉ１（Ｇ）、Ｉ１（Ｂ）を検知する（図６Ａの１３２）。検知した光量Ｉ１（Ｒ）、Ｉ１（Ｇ）、Ｉ１（Ｂ）と初期の光量Ｉ０（Ｒ）、Ｉ０（Ｇ）、Ｉ０（Ｂ）を比較することで指定の色座標からの誤差がないかチェックする（図６Ａの１３３）。
　映像投射装置０１１が動作中である限り、色座標の誤差が無い場合は、所定の時間を置いて（図６Ａの１３５）、再度、光検出部０２１で光量を検知する（図６Ａの１３２）調整フローを繰り返す。
　ＬＥＤのような半導体光源は、温度により、出力が変化する特性がある。このため、環境の温度変化や、光源０１２近傍に配備された電子回路の発熱などで、光源０１２から出射される各色の光出力が変化する。出力が変化した場合は、誤差が補正されるように光源０１２内の赤チップ０３１、緑チップ０３２、青チップ０３３の光量を制御する（図６Ａの１３４）。光量の制御は、駆動電流を変える方法や、発光時間を変えるなどの方法で実現できる。
　光量制御の調整が完了した後に、再度光量を検知し（図６Ａの１３２）所定の色になっているかをチェックする（図６Ａの１３３）。
　このように映像投射装置０１１は色座標が一定の範囲を超えないようにフィードバック制御することが望ましい。
　光積分器００１は、樹脂であることを想定している。このため、経時的であってり、紫外線を受けるなどで劣化して、透過率が落ちることが想定される。また、光源０１２が経時劣化して発光する光量自体が落ちることも想定される。
　斯様な場合に備えて、明るさの制御を行う方法について図６Ｂを用いて説明する。
　コントローラ１１８から映像投射装置０１１の映像投射する命令を受け、図６Ｂに示すように、映像投射装置０１１は光源０１２の発光を始める（図６Ｂの１３１）。次に光検出部０２１で光源０１２の光量Ｉ２（Ｒ）、Ｉ２（Ｇ）、Ｉ２（Ｂ）を検知する（図６Ｂの１４０）。検知した光量Ｉ２（Ｒ）、Ｉ２（Ｇ）、Ｉ２（Ｂ）の加算値ＩＴ２と初期の光量Ｉ０（Ｒ）、Ｉ０（Ｇ）、Ｉ０（Ｂ）の加算値ＩＴ０を比較する（図６Ｂの１４１）。
　光量の差が所定の設定値より小さい場合は、光源０１２か光検出器のどちらかが劣化したものと想定し、初期の光量Ｉ０（Ｒ）、Ｉ０（Ｇ）、Ｉ０（Ｂ）をＩＴ２とＩＴ０の比率に応じて初期光量の設定を光量Ｉ０（Ｒ）、Ｉ０（Ｇ）、Ｉ０（Ｂ）に変更してデータテーブル１２０の設定値を更新する（図６Ｂの１４２）。
　設定値の更新後に、再度、光検出部０２１で光源０１２の光量Ｉ２（Ｒ）、Ｉ２（Ｇ）、Ｉ２（Ｂ）を検知する（図６Ｂの１４０）。検知した光量Ｉ２（Ｒ）、Ｉ２（Ｇ）、Ｉ２（Ｂ）の加算値ＩＴ２と初期の光量Ｉ０（Ｒ）、Ｉ０（Ｇ）、Ｉ０（Ｂ）の加算値ＩＴ０を比較する（図６Ｂの１４１）。光量の差が所定の設定値の範囲内であることが確認できた場合は、次に光検出部０２１で、光量Ｉ３（Ｒ）、Ｉ３（Ｇ）、Ｉ３（Ｂ）を検知する（図６Ｂの１３２）。検知した光量Ｉ３（Ｒ）、Ｉ３（Ｇ）、Ｉ３（Ｂ）と再設定された初期の光量Ｉ０（Ｒ）、Ｉ０（Ｇ）、Ｉ０（Ｂ）を比較することで所定の色からの誤差がないかチェックする（図６Ｂの１３３）。
　映像投射装置０１１が動作中である限り、色座標の誤差が無い場合は、所定の時間を置いて（図６Ｂの１３５）、再度、光検出部０２１で光量を検知する（図６Ｂの１３２）調整フローを繰り返す。
　光量の出力に誤差がある場合は、誤差を補正するように光源０１２内の赤チップ０３１、緑チップ０３２、青チップ０３３の光量を制御する（図６Ｂの１３４）。
　光量制御の調整が完了した後に、再度光量を検知し（図６Ｂの１３２）所定の色座標になっているかをチェックする（図６Ｂの１３３）。
　以上のように明るさもモニタすることで、経時劣化による明るさ低下による色座標の調整ができなくなる不具合を回避できる。
　図６Ｂに示したように、経時劣化による明るさの変化は、起動時だけチェックすることで、補正できるので、起動時以外は、図６Ｂの１３２と１３５のフローを繰り返し制御すれば良い。
　本発明における実施例２について図を用い説明する。
　ここでは、光積分器００１の変形例について説明する。
　まず図７の光積分器２０１について説明する。
　光積分器２０１は、図１の光積分器００１の形状を四角柱から円柱に変えた例である。光積分器２０１は、長さＬ、直径Ｗ、円柱の形状をしており、その内部は所定の透明度の高い屈折率Ｎ１の媒質１で満たされている。
　また、光積分器２０１は、入出射面２０２、２０３と、ＴＩＲ側面２０４がある。
　光積分器２０１の内部には、媒質１とは異なる屈折率２の透明度の高い媒質２で満たされた散乱粒子００８がランダムに充填されている。光積分器００１同様、進行する光線の角度を変更させることで散乱させる機能を有する。
　通常、ロッド型の光積分器では、円柱形状にすると、進行距離に強弱が発生するため、良好な均質性が得られないことが知られている。これに対して、光積分器２０１は、内部に散乱粒子００８が配備されているため、円柱形状であっても問題なく、混色性と均質性が得られる。
　例えば、ファイバーのように延伸して製造する方法が実現でき、コスト面でメリットが得られる。
　また、入出射面２０２、００３の直径Ｗは入射する光線よりも取り付けの公差などを考慮して、入射する光線の面積より大きく、少なくとも２倍以下に設定することが望ましい。前述したように、輝度が面積に反比例するためである。
　次に図８を用い光積分器２１１について説明する。
　光積分器２１１は、光積分器００１の形状を四角柱から三角柱に変えた例である。光積分器２１１は、長さＬ、一辺の長さＷの三角柱の形状をしており、その内部は所定の透明度の高い屈折率Ｎ１の媒質１で満たされている。
　また、光積分器２１１は、入出射面２１２、２１３と、ＴＩＲ側面２１４ないし２１６がある。
　光積分器２１１の内部には、媒質１とは異なる屈折率２の透明度の高い媒質２で満たされた散乱粒子００８がランダムに充填されている。光積分器００１同様、進行する光線の角度を変更させることで散乱させる機能を有する。
　光源０１２内の赤チップ０３１、緑チップ０３２、青チップ０３３が図３で示したようにトライアングルの形状をしている場合に合わせて形状を三角柱にしている。
　入出射面２１２、２１３の長さＷは入射する光線よりも取り付けの公差などを考慮して、入射する光線の面積より大きく、少なくとも２倍以下に設定することが望ましい。前述したように、輝度が面積に反比例するためである。
　光積分器２１１は、トライアングル形状をした光源０１２と組み合わせた場合に、四角柱よりも無駄な空間を減らすことで、混色性と均質性を確保したまま効率を向上する効果が得られる。
　次に図９を用い光積分器２２１について説明する。
　光積分器２２１は、光積分器００１の形状を湾曲に変えた例である。光積分器２２１は、長手方向の長さＬ、幅Ｗ、高さＨの湾曲した形状をしており、その内部は所定の透明度の高い屈折率Ｎ１の媒質１で満たされている。
　また、光積分器２２１は、入出射面２２２、２２３と、ＴＩＲ側面２２４ないし２２７がある。
　光積分器２２１の内部には、媒質１とは異なる屈折率２の透明度の高い媒質２で満たされた散乱粒子００８がランダムに充填されている。光積分器００１同様、進行する光線の角度を変更させることで散乱させる機能を有する。
　光積分器２２１は、入出射面２２２と２２３の法線が異なる点が特徴であり、実装上、光源０１２と照明レンズ０１３の間を曲げることが容易に可能になる。
　混色性と均質性を確保し、実装設計上の自由度が高くできる効果が得られる。
　次に図１０を用い光積分器２３１について説明する。
　光積分器２３１は、光積分器００１の入出射面の比率を変更した例である。
　光積分器２３１は、入射面２３２、出射面２３３の、ＴＩＲ側面２３４ないし２３７がある。その内部は所定の透明度の高い屈折率Ｎ１の媒質１で満たされている。入射面２３２は幅Ｗｉの正方形、出射面２３３は幅Ｗ０の正方形、長さＬであり、入射面２３２、出射面２３３のサイズが異なる点に特徴がある。
　光積分器２３１の内部には、媒質１とは異なる屈折率２の透明度の高い媒質２で満たされた散乱粒子００８がランダムに充填されている。光積分器００１同様、進行する光線の角度を変更させることで散乱させる機能を有する。
　立体角当たりの光量は保存させる物理法則のエタンデユーの関係に従えば、光源が小さく、表示エリアが大きい方が高効率である。光積分器２３１は、入射面２３２と出射面２３３のサイズを異ならせて、入射面２３２を光源０１２側とし、出射面２３３を照明レンズ０１３側に配置する。このように配置すると、照明レンズ０１３から表示エリア０１５までの伝達効率を向上できる。
　次に図１１Ａ～図１１Ｄを用いてマルチチップ光源のチップ配置と、光積分器の入出射面の関係および変形例について説明する。
　図１１Ａは、光積分器２０１、図１１Ｂは、光積分器２１１の入出射面２１２、図１１Ｃは、光積分器２２１の入出射面２２２、図１１Ｄは光積分器２３１の入射面２３２を各々用いた例である。
　円柱形状の光積分器２０１には、入出射面２０２の内部に配置されるように赤チップ０３１、緑チップ０３２、青チップ０３３をトライアングルに配置すると、無駄が少なく、効率面で有利である。また、同様に光積分器２１１においても、入出射面２１２の内部にトライアングルに配置すると、無駄が少なく、効率面で有利である。
　光積分器２２１のように四角の入出射面２２２では、赤チップ０３１、緑チップ０３２を２個、青チップ０３３の４個配置することができる。このような場合は、人の眼が明るく感じる緑チップを増設することで、明るさを向上できる効果が期待できる。
　光積分器２３１のように四角の入射面２３２では、赤チップ０３１、緑チップ０３２、青チップ０３３を１列に配置しても良い。現在入手可能な３色のチップ搭載したマルチチップ光源は、前述のトライアングル配置のものと、１列に配置されたものなどがある。図１１Ｄのように１列のものでも入射面２３２のサイズをチップ最外形と等しくするか、またはそれよりも大きくすることで、混色性と、均質性が確保できる。すなわち、チップの配置によらず、入出射面の面積をチップ最外形と等しくするか、またはそれよりも大きくすることで、混色性と、均質性が確保できる。
　効率性を重視する場合は、図１１Ｄのように入射面２３２の形状を正方形でなく、チップの配置に合わせて長方形にする方が望ましい。
　本発明における実施例３について図を用い説明する。
　ここでは、映像投射装置０１１の変形例について説明する。
　図１２は映像投射装置３０１を示す概略図である。映像投射装置３０１は、ヘッドマウントディスプレイなどのように眼に直接映像を投射する虚像方式を採用した光学系である。
　図１２に示す映像投射装置３０１は、図２の映像投射装置０１１と異なるレンズユニット３０２を配置した点が異なる。
　レンズユニット３０２は、入射面３０３、ビームスプリット面３０４、反射レンズ３０５、出射面３０６、透過面３０７、反射面３０８がある。
　入射面３０３、出射面３０６、透過面３０７は、透明な平面である。ビームスプリット面は、所定の光を通過させ、残りを反射させる光分岐機能を備える。このような光分岐機能は、誘電体の多層膜で実現できる。
　反射レンズ面３０５の面は反射コートされたレンズ面である。図中上面の光進路０２２の矢印の方向に眼がある。眼からの映像までの距離Ｌは、反射レンズ面３０５の焦点距離Ｆと表示エリア０１５と反射レンズ面までの光学的な距離Ａから下記式（２）に示す一般的なレンズの式で概算できる。なお、距離Ｌは、虚像であるため、符号が負になることが特徴である。
　１／Ｆ＝１／Ａ＋１／Ｌ・・・式（２）
　反射面３０８は、光検出部０２１に光が進行するように設けた反射面である。反射レンズ面３０５や反射面３０８などは、一般的に誘電体多層膜か、または、アルミニウムや銀合金等の金属コートで実現できる。
　偏光フィルタ０２６で映像として有効な光線だけが、レンズユニット３０２の入射面３０３に進行する。入射面３０３を通過した光線は、ビームスプリット面３０４に進行する。ビームスプリット面で一部の光は、透過して反射レンズ面３０５に到達する。反射レンズ面でレンズ効果が光線に付与され、反射し、再度ビームスプリット面３０４に到達する。ビームスプリット面３０４では、一部の光が反射し、出射面３０６を経て眼に直接投射される。
　虚像方式では、眼のレンズ機能と組み合わされて人は映像を認識する。通常のプロジェクタのようにスクリーンに投射された映像をみる実像に対して、人の眼のレンズ機能と組み合わせた仮のスクリーンに映像が生成されることから虚像と呼ばれる。
　なお、ヘッドマウントディスプレイでは、眼に映像を直接投射するため、レンズユニット０３２越しにしか、眼で外界を見ることができない。この外界の見易さであるシースルー性を確保するため、出射面３０６、透過面３０７は光学透明度の高い面とすることが望ましい。
　以上説明したように映像投射装置３０１では、レンズユニット３０２と光積分器００１を搭載することで、ヘッドマウントディスプレイに用いる虚像方式を採用した光学系を小型に実現できる。
　図１３は映像投射装置３３１を示す概略図である。映像投射装置３３１は、映像投射装置３０１の変形例であり、ヘッドマウントディスプレイなどのように眼に直接映像を投射する虚像方式を採用した光学系である。
　図２に示す映像投射装置３３１は、映像投射装置３０１と異なる映像生成装置３３４を搭載している。映像生成装置３３４は反射型の液晶素子を想定している。
　照明レンズ０１３を出射した光は、偏光ビームスプリッタ３３３に入射する。偏光ビームスプリッタ３３３は所定の偏光を反射し、その偏光とは直交する偏光を透過する一般的な光学素子である。
　偏光ビームスプリッタ３３３で反射した光線は、光検出部０２１に進行し光量のモニタに用いられる。偏光ビームスプリッタ３３３を透過した光は、映像生成装置３３４に照明される。
　反射型の液晶素子は、カラーフィルタの無い液晶を想定している。このため、カラーフィルタの有る液晶と比べ画素を１／３にできるため、高い解像度の映像が実現できる。映像生成装置３３４の表示エリア３３５は映像が生成される領域を示している。なお、カラー化は、光源０１２にある赤、緑、青の波長帯の光を時間毎に光らせるＦＳＣの技術で実現される。
　表示エリア３３５は、画素毎に所定の偏光をその偏光とは垂直方向か平行方向かどちらかを選択する機能を有している。映像として有効にする場合は、偏光ビームスプリッタ３３３で反射する偏光と平行な方向の偏光を選択する。
　表示エリア３３５を反射した映像として有効な光線と無効な光線は、偏光ビームスプリッタ３３３に再度入射し、映像として有効な偏光の光線のみが反射する。反射した映像として有効な光線は、レンズユニット３０２に進行して、前述したように眼に投射される。
　遮光開口０１６、０１７は表示エリア０１５の外側の余計な光線が出射しないように配置した遮光開口である。
　透過型の液晶素子に比べ、反射型の液晶素子は、液晶層の厚みを薄くできるため、偏光の選択スピードを高速にできる。このため、カラーブレイクと呼ばれるチラつきが改善される効果が得られる。
　次に映像投射装置０１１の変形例について説明する。
　図１４は映像投射装置３４１を示す概略図である。映像投射装置３４１は、プロジェクタに用いる実像の光学系であり、映像投射装置０１１とは、光軸変更素子０１９が削除された点が異なる。映像投射装置３４１は、光源０１２から完全にストレートな構成である。光軸変更素子０１９が削除された点でコスト面が有利になる。
　次に図１５Ａ～図１５Ｃを用いて表示装置１０１の変形例について説明する。
　図１５Ａは、映像投射装置３０１を用いた表示装置３５１、図１５Ｂは、映像投射装置３４１を用いた表示装置３５３、図１５Ｃは映像投射装置３４１を用いた表示装置３５６の概略を示した図である。
　図１５Ａに示す表示装置３５１は、ヘッドマウントディスプレイである。表示装置３５１は、使用者１１１の頭部に装着されており、表示装置３５１の内部に搭載された映像投射装置３０１から使用者１１１の眼に映像が投射される。使用者は、空中に浮かんでいるような映像である虚像３５２が視認できる。
　図１５Ｂに示す表示装置３５３は、ポケットプロジェクタである。表示装置３５３の内部に搭載された映像投射装置３４１からスクリーン３５５に映像３５４が投射される。使用者１１１はスクリーンに映った映像を実像として視認できる。
　図１５Ｃに示す表示装置３５６は、ヘッドアップディスプレイである。表示装置３５６の内部に搭載された映像投射装置３４１から映像が虚像生成部３５７に投射される。虚像生成部３５７は、一部の光を透過させ、残りを反射させるビームスプリッタの機能と、曲面構造であり、使用者１１１の眼に映像を直接投射することで虚像を生成するレンズ機能も有している。
　使用者１１１は、使用者は、空中に浮かんでいるような映像である虚像３５２が視認できる。このようなヘッドアップディスプレイは、車の運転手用のアシスト機能や、デジタルサイネージなどに適用が期待されている。
　いずれの表示装置においても、小型で、明るいことが望まれており、本発明の光積分器を用いることで、小型で明るい映像投射装置を実現できる。
　本発明における実施例４について説明する。
　光積分器００１は、長さ４．１５ｍｍ、高さ１．０５ｍｍ、幅１．０５ｍｍの四角柱の形状をしている。その内部は、透明度の高い屈折率１．４９の媒質１で満たされている。また、光積分器００１の内部には、透明度の高い屈折率１．５９の媒質２でみたされた散乱粒子００８がランダムに充填されている。散乱粒子の体積は、光積分器００１の体積に対して０．５％である。媒質１として、日立化成（株）製ヒタロイド９５０１（商品名）を使用する。これは、ウレタンアクリレート系の光硬化樹脂である。また、媒質２として、積水化成品工業（株）製テクポリマーＳＳＸ－３０２ＡＢＥ（商品名）を使用する。これは、架橋ポリスチレン樹脂でできた微粒子であり、形状は球形、平均直径は２μｍで、全体の略９５％の粒子が平均直径と０．５μｍ以内の差である単分散粒子である。
　光積分器は、以下のように製造した。まず光硬化樹脂の中に、全体の体積の０．５％の微粒子を入れ、攪拌棒にて約１０分間攪拌する。攪拌後４時間以上の自然放置により、十分に脱泡する。底面および側面を金属板で囲むことにより、長さ５０ｍｍ、幅７ｍｍ、深さ１．０５ｍｍの空隙を作り、そこに樹脂を流し込み、上からガラス板を被せる。このとき、内部に空気が入らないようにする。その後、ガラス越しにＵＶランプを照射させ、樹脂を十分に硬化させる。その後製品を取り出して、ダイサー（ＤＡＣ５５２、株式会社ディスコ製）にて幅１．０５ｍｍ、長さ４．１５ｍに切り出す、ダイサーで側面を加工するときには、長さ方向に平行に刃を送り加工する。これは、ダイサーの加工スジが光積分器の長さ方向に沿って発生するようにして、側面の光軸方向の表面粗さを小さくし、光積分器からの光漏れを低減するためである。なお、側面は粒径；＃５０００のダイシングブレードを用い、回転数；３０，０００ｒｐｍ、切削速度；０．５ｍｍ／ｓの条件で加工し、光入出力面は、粒径；＃３０００のダイシングブレードを用い、回転数；３０，０００ｒｐｍ、切削速度；０．５ｍｍ／ｓの条件で加工した。側面の光軸方向の表面粗さはＲａ＝０．３μｍで、光軸垂直方向の表面粗さはＲａ＝１．０μｍ、光入出力面の表面粗さはＲａ＝２．０μｍであった。なお、本実施例での表面粗さは、JIS B0601'1982に基づき中心線平均粗さRaを測定した結果である。
　側面を金属顕微鏡で拡大して観察したところ、切削面は、媒質２が側面から突出すること無く、粒子が分断されていた。また、非切削側面は、媒質２が側面から突出すること無く、媒質１に埋め込まれていた。
　光源としては、ＬＥＤ（ＯＳＲＡＭ製　ＬＴＲＢ　Ｒ８ＳＦ）を使用する。１つのＬＥＤに赤、緑、青の３チップが搭載されたものであり、白色ＬＥＤと比較すると色再現性の向上が見込める。ＬＥＤを光積分器の入射面中心に密着させて配置し、アノードを共通にして、グランドと赤チップの間には１ｋΩ、青チップには１５０Ωの抵抗を挟みＬＥＤに電圧２．７Ｖ印加して発光させ、光積分器の出射面の正面輝度、Uniformityおよび混色性を評価した。輝度計はコニカミノルタ製ＣＡ－１５００（商品名）を使用した。出射面について、幅方向１１分割、高さ方向１１分割の１２１分割で輝度、色度ｘおよび色度ｙのデータを測定し、以下により平均輝度、Uniformityおよび混色性を算出した。
平均輝度：測定１２１点の正面輝度の平均値
Uniformity:測定１２１点の正面輝度の最小値／最大値
混色性：測定１２１点の色度の最大値－最小値
　測定の結果、平均輝度３４，４００cd/m2、Uniformity９０．７％、色度ｘの混色性０．０２０色度ｙの混色性０．０２４であり、十分な明るさを確保したうえで光の均一化を達成できた。
　なお、本実施例の図中において、同じ機能のものには、例えば、図３、図１１の赤チップ０３１、緑チップ０３２、青チップ０３３のように同じ符号を振っている。
　また、本実施例の中では、チップが３個および４個のマルチチップ光源を用いた例を説明したが、もちろんチップが１個であっても高い均質性が得られる。またチップが２個以上であれば５個、６個であっても混色性と均質性を両立することができる。
　なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであって、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
　また、上記の各構成は、それらの一部又は全部が、ハードウェアで構成されても、プロセッサでプログラムが実行されることにより実現されるように構成されてもよい。また、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてよい。
　００１　光積分器
　００２、００３　入出射面
　００４～００７　ＴＩＲ側面
　００８　散乱粒子
　０１１　映像投射装置
　０１２　光源
　０１４　映像生成装置
　０１５　表示エリア
　０１８　レンズユニット
　０１９　出射窓
　０２１　光検出部
　０２２　光進路
　１０１　表示装置

Claims (12)

  1. 　光を拡散させる光積分器であって、
    　該光積分器は、光を入射する入射面と、前記光を出射する出射面と、前記入射面と前記出射面とをつなぐ側面を備え、
    　前記光積分器の内部は、屈折率Ｎ１の導光部材で満たされており、
    　該導光部材は、光を散乱させる前記屈折率Ｎ１とは異なる屈折率Ｎ２の散乱粒子を含有し、
    　前記入射面から入射した前記光は、前記入射面側から前記出射面方向へ前記導光部材の内部の前記散乱粒子で散乱されながら伝播し、
    　前記散乱された散乱光の一部は、前記側面で内面反射して前記出射面へと導光される光積分器。
  2. 　前記入射面と前記出射面とが略平行に対向してなる請求項１に記載の光積分器。
  3. 　前記入射面と前記出射面とが略同一形状である請求項１又は２に記載の光積分器。
  4. 　前記側面が前記入射面と略垂直である請求項１～３のいずれかに記載の光積分器。
  5. 　前記側面における光軸方向の表面粗さ（Ｒａ）が、０＜Ｒａ≦０．５μｍを満たす請求項１～４のいずれかに記載の光積分器。
  6. 　前記側面における光軸方向の表面粗さ（Ｒａ）が、前記散乱粒子の平均粒径の１／２以下である請求項１～５のいずれかに記載の光積分器。
  7. 　前記側面における光軸方向の表面粗さ（Ｒａ）が、前記側面における光軸と垂直方向の表面粗さ（Ｒａ）よりも小さい請求項１～６のいずれかに記載の光積分器。
  8. 　前記入射面の表面粗さ（Ｒａ）及び／又は出射面の表面粗さ（Ｒａ）が、前記側面における光軸方向の表面粗さ（Ｒａ）より大きい請求項１～７のいずれかに記載の光積分器。
  9. 　前記入射面と前記出射面間の前記側面の長さが、前記入射面及び前記出射面の最大径の３倍よりも長い請求項１～８のいずれかに記載の光積分器。
  10. 　前記入射面に、２つ以上の発光点を有する光源からの光が入射される請求項１～９のいずれかに記載の光積分器。
  11. 　前記入射面に、３つ以上の発光点を有する光源からの光が入射され、前記３つ以上の発光点のうち、任意の３つの発光点が、非同軸に配置される請求項１０に記載の光積分器。
  12. 　映像を外部に投射する映像投射装置であって、
    　少なくとも２個以上の発光点を有する光源と、
    　前記光源から出射した光が入射する請求項１～１１のいずれか一項に記載の光積分器と、
    　映像を生成する映像生成装置と、
    　前記光積分器から出射する光を映像生成装置に照明するレンズ部と、
    　前記映像生成装置から出射した映像を外部に投射する投射部と、
    を少なくとも備えた、映像投射装置。
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