DE69727996T2

DE69727996T2 - Optisches Element zur Umwandlung eines optischen Strahlengangs, Strahlengangswandler und optischer Projektor und Bildanzeigevorrichtung mit dem genannten optischen Element

Info

Publication number: DE69727996T2
Application number: DE69727996T
Authority: DE
Inventors: Shigeru Kyoto-shi Aoyama; Masayuki Kyoto-shi Shinohara; Tsukasa Kyoto-shi Yamashita; Hiroshi Kyoto-shi Kitajima
Original assignee: Omron Corp; Omron Tateisi Electronics Co
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 1996-05-14
Filing date: 1997-05-14
Publication date: 2005-04-07
Anticipated expiration: 2017-05-15
Also published as: EP0807832A3; US6276803B1; ATE261586T1; JP3409587B2; DE69727996D1; JPH09304608A; EP1398651A1; EP0807832B1; EP0807832A2

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf optische Strahlengangumwandlungselemente, optische Wandler sowie optische Projektoren und Bildanzeigevorrichtungen, die solche optischen Elemente verwenden.
Ein Aufbau eines Beispiels eines Flüssigkristallprojektors 1 ist in 1 gezeigt. Dieser Flüssigkristallprojektor 1 verwendet eine Integratorlinse 5 zur Schaffung einer gleichförmigen Leuchtdichteverteilung. Das Prinzip der Einstellung dieser Leuchtdichteverteilung ist in den 2(a) bis 2(c) gezeigt.
Dieser Flüssigkristallprojektor 1 ist folgendermaßen aufgebaut. Eine Integratorlinse (Linsenfeld) 5, eine Vosatzlinse 6 und eine Kondensorlinse 7 sind vor einem Unterseitenbeleuchter 4 angeordnet, der aus einer Lampe 2 und einem Parabolreflektor 3 aufgebaut ist. Eine Flüssigkristallanzeigetafel 8 ist vor der Kondensorlinse 7 angeordnet, und eine Projektorlinse 10 ist vor der Flüssigkristallanzeigetafel 8 angeordnet.
Bei dem Flüssigkristallprojektor 1, der wie in 1 gezeigt aufgebaut ist, treten also Lichtstrahlen r, die von der Lampe 2 nach hinten abgegeben und durch den Reflektor 3 reflektiert worden sind, in die Integratorlinse 5 als im Wesentlichen parallele Strahlen ein. Wie in 2(b) gezeigt, nimmt eine Leuchtdichteverteilung in einer Richtung (X-Achsenrichtung) senkrecht zur optischen Achse der Lichtstrahlen r vor Eintritt in die Integratorlinse 5 ein Maximum auf der optischen Achse an und vermindert sich drastisch mit Abweichung der Lichtstrahlen von der optischen Achse. Das heißt, es ist hell in der Mitte und dunkel am Rand. Die Vorsatzlinse 6 ist geringfügig vor den Brennpunkten der betreffenden Linsenelementbereiche der Integratorlinse angeordnet, und die Kondensorlinse 7 ist im Brennpunkt der Vorsatzlinse 6 angeordnet. Damit werden die Lichtstrahlen r, die die betreffenden Linsenelementbereiche der Integratorlinse 5 durchlaufen haben, durch die betreffenden Linsenelementbereiche der Integratorlinse 5 kondensiert, treten dann in die Vorsatzlinse 6 als zerstreute Lichtstrahlen ein und werden auf den gesamten Teil der Kondensorlinse 7, wie in 2(a) gezeigt, eingestrahlt. Die durch die Kondensorlinse 7 kollimierten Lichtstrahlen durchlaufen dann die Flüssigkristallanzeigetafel 8, und es wird ein durch die Flüssigkristallanzeigetafel 8 erzeugtes Bild über die Projektorlinse 10 auf einen Schirm 11 projiziert.
Da die unterschiedliche Lichtstärken aufweisenden Lichtstrahlen r, die die einzelnen Lichtelementbereiche der Integratorlinse 5 durchlaufen haben, durch die Kondensorlinse 7 auf diese Weise zusammengefasst werden, werden die eine ungleichförmige Lichtstärkeverteilung aufweisenden Lichtstrahlen in Lichtstrahlen mit gleichförmiger Lichtstärkeverteilung umgewandelt, indem sie das optische System, welches die Integratorlinse 5, die Vorsatzlinse 6 und die Kondensorlinse 7, wie in 2(c) gezeigt, enthält, durchlaufen, und treten danach in die Flüssigkristallanzeigetafel 8 ein. Dadurch wird die Leuchtdichteverteilung eines auf den Schirm 11 projizierten Bildes ebenfalls gleichförmig.
3 zeigt ein Beispiel einer Bildanzeigevorrichtung 16, welche eine Mikrolinse zur Verbesserung der Leuchtdichte verwendet. Wie in 3 gezeigt, weist diese Bildanzeigevorrichtung 16 ein Mikrolinsenfeld 17 auf, welches so angeordnet ist, dass es der Flüssigkristallanzeigetafel 8 gegenüberliegt. Die Flüssigkristallanzeigetafel 8 ist durch Einsiegeln eines Flüssigkristallmaterials 23 zwischen einem Glassubstrat 21 und einem Glassubstrat 22 ausgebildet. Das Glassubstrat 21 weist darauf ausgebildet einen Schwarzmatrixbereich 19 mit Verdrahtungen und dergleichen zur Ansteuerung von TFTs 18, transparente Elektroden 20 und dergleichen auf. Das Glassubstrat 22 weist darauf ausge bildet eine die gesamte Oberfläche einnehmende gemeinsame Elektrode auf. Die vom Schwarzmatrixbereich 19 umgebenen Abschnitte transparenter Elektroden 20 dienen als Pixellöcher 24. Linsen 25, die das Mikrolinsenfeld 17 ausbilden, sind so angeordnet, dass sie jeweils den Pixellöchern 24 gegenüberliegen.
Wenn das Mikrolinsenfeld 17 nicht verwendet wird, wird also ein Teil der Lichtstrahlen r, die in die Flüssigkristallanzeigetafel 8 eingetreten sind, wie in 4 gezeigt, durch den Schwarzmatrixbereich 19 abgeschirmt. Die Lichtausnutzungseffizienz ist daher vemindert, was seinserseits die Leuchtdichte der Bildanzeigevorrichtung 16 vermindert. Im Gegensatz dazu werden, wenn das Mikrolinsenfeld 17 verwendet wird, die Lichtstrahlen r, die in die einzelnen Linsen 25 des Mikrolinsenfelds 17 eingetreten sind, auf die betreffenden Pixellöcher 24 der Flüssigkristallanzeigetafel 8, wie in 5 gezeigt, kondensiert. Das heißt, alle Lichtstrahlen, die in die Flüssigkristallanzeigetafel 8 eingetreten sind, können durch die Pixellöcher 24 hindurch durchgelassen werden. Das Ergebnis ist, dass die Lichtausnutzungseffizienz durch Verwendung des Mikrolinsenfelds 17 und damit die Leuchtdichte der Bildanzeigevorrichtung 16 verbessert werden kann.
Im Hinblick auf die vorgenannten Beispiele ist es denkbar, eine Bildanzeigevorrichtung 16 mit hoher Leuchtdichteverteilung sowie gleichförmiger Leuchtdichteverteilung herzustellen, wenn das Mikrolinsenfeld 17 zwischen dem optischen System und der Flüssigkristallanzeigetafel 8, so wie in 2(a) gezeigt, eingefügt wird.
Wenn jedoch das aus der Integratorlinse 5, der Vorsatzlinse 6 und der Kondensorlinse 7 aufgebaute optische System verwendet wird, wird der Zerstreuungswinkel θ des Lichts, das die Kondensorlinse 7 durchlaufen hat, weit (siehe 2(a)). Daher werden Lichtstrahlen r, wie die durch unterbrochene Linien in 5 angegebenen, durch den Schwarzmatrixbereich 19 abgeschirmt, so dass die Lichtstrahlen mit dem Mikrolinsenfeld 17 nicht wirkungsvoll auf die Pixellöcher 24 kondensiert werden können.
Ferner wird, wenn ein optisches System, wie es in 2(a) gezeigt ist, verwendet wird, das optische System kompliziert. Da eine Vorsatzlinse 6 angeordnet werden muss, wird die Bildanzeigevorrichtung 16 teuer.
US 4477148 beschreibt ein optisches Tiefpassfilter, welches Mikrostreifenprismen auf den gegenüberliegenden Flächen von ersten und zweiten Durchlasselementen aufweist. Der Raum zwischen dem ersten und zweiten Durchlasselement ist mit einem klaren Klebstoff ausgefüllt.
Die vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf die vorgenannten Umstände gemacht. Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein optisches Element zu schaffen, das die Lichtstärkeverteilung gleichförmiger machen kann, ohne den Lichtzerstreuungswinkel zu erhöhen. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, wichtige Anwendungen, die ein solches optisches Element verwenden, zu gestatten.
Demgemäß schafft die vorliegende Erfindung ein optisches Strahlengangumwandlungselement gemäß Anpruch 1.
Die beiden Prismenfelder können auf Vorder- und Rückseite einer Platte ausgebildet sein.
Die Form eines auf einer Lichteintrittsseite angeordneten Prismenfelds und ein Brechungsindex der Platte sind so eingerichtet, dass ein Lichtstrahl, dessen Strahlengang durch das auf der Lichteintrittsseite angeordnete Prismenfeld umgewandelt worden ist, innen am Außenumfang der Platte totalreflektiert wird.
Vorzugsweise ist eines der Prismenfelder aus einem Übergang zwischen einem ersten Abschnitt mit einem ersten Brechungsindex und einem zweiten Abschnitt mit einem zweiten Brechungsindex aufgebaut; und das andere Prismenfeld aus einer Oberfläche des zweiten Abschnitts aufgebaut.
Es können zwei Platten enthalten sein, wobei bei jeder Platte eine Oberfläche derselben eben und die andere Oberfläche zu dem Prismenfeld geformt ist; eine Seite mit der ebenen Oberfläche einer der Platten ist so angeordnet, dass sie einer Prismenfeldseite der anderen Platte gegenüberliegt; ein Prismenwinkel eines auf einer Lichteintrittsseite angeordneten Prismenfelds reicht von 35 bis 45°; und ein Prismenwinkel eines auf einer Lichtaustrittsseite angeordneten Prismenfelds reicht von 60 bis 70°.
In einer Ausführungsform sind die Prismenfelder Rücken an Rücken angeordnet; und Prismenwinkel beider Prismenfelder sind auf 60° oder mehr eingestellt.
Eine Oberfläche wengistens eines Prismenfelds kann mit einem Material abgeflacht sein, welches einen Brechungsindex hat, der sich von einem Brechungsindex eines Materials, aus dem das Prismenfeld aufgebaut ist, unterscheidet.
Eine Licht reflektierende Oberfläche kann zwischen einem ersten Prismenfeld und einem zweiten Prismenfeld in einer solchen Weise ausgebildet sein, dass ein Außenumfang beider Prismenfelder umschlossen ist.
Vorzugsweise ist die Lichtverschiebungsgröße ungefähr gleich 1/4 eines effektiven Bereichs eines einfallenden Lichtstroms, und stärker bevorzugt ist die Lichtverschiebungsgröße ungefähr gleich 1/8 eines effektiven Bereichs eines einfallenden Lichtstroms.
Ein Strahlengangwandler kann ausgebildet werden, bei welchem eine Anzahl von optischen Strahlengangumwandlungselementen, wie in Anspruch 1 angegeben, so eingerichtet ist, dass sie längs eines Strahlengangs angeordnet sind.
Bei einem solchen Strahlengangwandler kann ein optisches Strahlengangumwandlungselement, bei welchem wenigstens eines der beiden Prismenfelder, wie weiter oben diskutiert, mit abgeflachter Oberfläche vorgesehen sein kann, auf der Lichteintrittsseite und ein optisches Strahlengangumwandlungselement mit einem Raum zwischen den beiden Platten, wie weiter oben diskutiert, kann auf der Lichtaustrittsseite angeordnet sein.
Bei einem Strahlengangwandler können Prismenanordnungsrichtungen von wenigstens Teilen der optischen Strahlengangumwandlungselemente voneinander verschieden sein.
Es kann eine Bildanzeigevorrichtung vorgesehen sein, die eine Lichtquelle, ein optisches Strahlengangumwandlungselement nach Anspruch 1 und eine Bildanzeigetafel aufweist.
Eine solche Bildanzeigevorrichtung kann ein projizierendes optisches System zur Ausbildung eines Bildes auf der Bildanzeigetafel auf einen Schirm hin aufweisen.
Es kann ein optischer Projektor ausgebildet sein, der eine Lichtquelle und das optische Strahlengangumwandlungselement nach Anspruch 1 aufweist.
Jedes der optischen Strahlengangumwandlungselemente gemäß der Erfindung weist zwei Prismenfelder auf, wobei die Prismenanordnungsrichtungen der beiden Prismenfelder zueinander parallel sind. Wenn ein Lichtstrahl ein Prismenfeld auf der Lichteintrittsseite durchläuft, wird also der Lichtstrahl durch die Wirkung eines solchen Prismas gebrochen. Die Ausbreitungsrichtung des Lichtstrahls wird durch Brechung am Prismenfeld gegenüber der des Lichtstrahls vor der Einstrahlung geändert. Da die Richtung des Lichtstrahls geändert worden ist, weicht der Lichtstrahl allmählich von der Erstreckung der Original-Lichtstrahlausbreitungsrichtung ab, bis der Lichtstrahl in das Prismenfeld auf der Lichtaustrittsseite über das Prismenfeld auf der Lichteintrittsseite eintritt. Wenn also das optische System so ausgelegt ist, dass ein Lichtstrahl, der von der Erstreckung der Original-Lichtstrahlausbreitungsrichtung abgewichen ist, ein Lichtstrahl wird, der parallel zur Original-Lichtstrahlausbreitungsrichtung ist, nachdem ein solcher Lichtstrahl das Prismenfeld auf der Lichtaustrittsseite durchlaufen hat, wird der Licht strahl durch Durchlaufen des optischen Strahlengangumwandlungselements parallel verschoben.
Wenn das solche Prismenfelder verwendende optische Strahlengangumwandlungselement verwendet wird, werden Lichtstrahlen, die in das optische Strahlengangumwandlungselement eingetreten sind, durch ein Prismenfeld aufgespalten und für jeden Aufspaltungsbereich umgeordnet. Auch wenn ein Lichtstrom eine ungleichförmige Lichtstärkeverteilung vor dem Einstrahlen hat, ist daher für die Lichtstrahlen ihre Lichtstärkeverteilung durch Durchleiten durch das optische Strahlengangumwandlungselement gleichförmig gemacht.
Außerdem können Lichtstrahlen, die in irgendeinen Bereich des optischen Strahlengangumwandlungselements eingetreten sind, parallel zur Original-Lichtstrahlausbreitungsrichtung verschoben werden. Es besteht daher keine Wahrscheinlichkeit, dass der Lichtzerstreuungswinkel durch die Lichtstrahlen, die das optische Strahlengangumwandlungselement durchlaufen haben, wie bei dem vorgenannten optischen System, das die Integratorlinse und dergleichen verwendet, erhöht wird.
Ferner können die Lichtstärkeverteilung und Leuchtdichteverteilung ohne Erhöhung des Lichtzerstreuungswinkels gleichförmig gemacht werden. Außerdem kann, anders als bei dem die Integratorlinse und dergleichen verwendenden optischen System, ein einfacher Aufbau verwirklicht werden, der seinerseits nicht nur dazu beiträgt, die Dicke des optischen Systems zur Lieferung einer gleichförmigen Lichtstärkeverteilung dünn zu machen, sondern auch die Herstellungskosten zu verringern.
Wenn ferner eine Licht reflektierende Oberfläche so ausgebildet wird, dass sie den Außenumfang eines Raums zwischen den beiden Prismenfeldern umschließt, oder wenn Lichtstrahlen an der äußeren Umfangsfläche zwischen den beiden Prismenfeldern totalreflektiert werden, kann ein Entweichen von Licht aus dem Bereich zwischen den Prismenfeldern verhindert werden, was seiner seits zu einer Verbesserung von Lichtausnutzungseffizienz und Leuchtdichte beiträgt.
Wenn die Prismenfelder in der gleichen Richtung orientiert sind, wird der Prismenwinkel des auf der Lichteintrittsseite angeordneten Prismenfelds auf 35 bis 45° eingestellt, während der Prismenwinkel des auf der Lichtaustrittsseite angeordneten Prismenfelds auf 60 bis 70° eingestellt wird. Damit kann die Effizienz des optischen Strahlengangumwandlungselements verbessert werden. Ähnlich werden, wenn die Prismenfelder Rücken an Rücken angeordnet sind, die Prismenwinkel beider Prismenfelder auf 60° oder mehr eingestellt. Dadurch kann die Effizienz des optischen Strahlengangumwandlungselements verbessert werden.
Wenn ein Strahlengangwandler eine Anzahl von erfindungsgemäßen optischen Strahlengangumwandlungselementen aufweist, können die Lichtstärkeverteilung und Leuchtdichteverteilung gleichförmiger gemacht werden. Wenn die Prismenfeldrichtungen der betreffenden optischen Strahlengangumwandlungselemente voneinander unterschiedlich gemacht werden, können insbesondere die Beleuchtungsstärkeverteilung und Leuchtdichteverteilung auf einer zweidimensionalen Basis vergleichförmigt werden.
Wenn ferner die erfindungsgemäßen optischen Strahlengangumwandlungselemente auf optische Projektoren und Bildanzeigevorrichtungen angewandt werden, kann nicht nur die Leuchtdichteverteilung vergleichförmigt werden, sondern auch die Leuchtdichte verbessert werden.
Auf weitere bevorzugte Merkmale der Erfindung wird in den abhängigen Ansprüchen Bezug genommen.
In den Zeichnungen ist:
1 eine Schemadarstellung, welchen einen Aufbau eines Flüssigkristallprojektors zeigt.
2(a) ist eine Darstellung, die das Arbeiten eines optischen Systems zeigt, das zwischen einer Flüssigkristallanzeige tafel und einem Unterseitenbeleuchter in dem in 1 gezeigten Flüssigkristallprojektor zwischengelegt ist.
2(b) ist ein Diagramm, welches eine Lichtstärkeverteilung von Licht, bevor das Licht in das in 1 gezeigte optische System eintritt, zeigt.
2(c) ist ein Diagramm, welches eine Lichtstärkeverteilung von Licht, nachdem es das in 1 gezeigte optische System durchlaufen hat, zeigt.
3 ist eine teilabgeschnittene perspektivische Ansicht, welche einen Aufbau eines Hauptteils einer Flüssigkristallanzeigevorrichtung zeigt.
4 ist ein Diagramm, welches einen Zustand, in welchem Lichtstrahlen eine Flüssigkristallanzeige durchlaufen, veranschaulicht, wenn kein Mikrolinsenfeld verwendet wird.
5 ist ein Diagramm, welches einen Zustand, in welchem Lichtstrahlen die Flüssigkristallanzeigetafel durchlaufen, veranschaulicht, wenn ein Mikrolinsenfeld verwendet wird.
6 ist eine schematische Seitenansicht, welche ein optisches Strahlengangumwandlungselement zeigt, welches ein Beispiel ist.
7 ist eine perspektivische Ansicht, welche eine in 6 gezeigte Prismenfeldplatte zeigt.
8 ist ein Diagramm, welches Lichtstrahlen zur Erläuterung des Arbeitens des in 6 gezeigten optischen Strahlengangumwandlungselements zeigt.
9 ist ein Diagramm, welches einen zulässigen Bereich für Prismenwinkel α, β als Funktion des Brechungsindexes n zeigt.
10 ist eine schematische Seitenansicht, welche ein optisches Strahlengangumwandlungselement zeigt, welches eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist.
11 ist eine schematische Seitenansicht, welche ein optisches Strahlengangumwandlungselement zeigt, welches eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist.
12 ist eine schematische Seitenansicht, welche ein optisches Strahlengangumwandlungselement zeigt, welches eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist.
13 ist eine schematische Seitenansicht, welche ein optisches Strahlengangumwandlungselement zeigt, welches eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist.
14 ist ein Diagramm, welches einen zulässigen Bereich für den Prismenwinkel α in Abhängigkeit vom Brechungsindex n zeigt.
15(a), 15(b), 15(c), 15(d), und 15(e) sind Diagramme, welche ein Prinzip veranschaulichen, wie eine Lichtstärkeverteilung durch das in 13 gezeigte optische Strahlengangumwandlungselement vergleichförmigt wird.
16 ist eine schematische Seitenansicht, welche ein optisches Strahlengangumwandlungselement zeigt, welches eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist.
17 ist eine schematische Seitenansicht, welche ein optisches Strahlengangumwandlungselement zeigt, welches eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist.
18 ist eine schematische Seitenansicht, welche ein optisches Strahlengangumwandlungselement zeigt, welches ein weiteres Beispiel ist.
19 ist eine schematische Seitenansicht, welche ein optisches Strahlengangumwandlungselement zeigt, welches eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist.
20 ist eine schematische Seitenansicht, welche ein optisches Strahlengangumwandlungselement zeigt, welches eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist.
21 ist ein schematisches Diagramm, welches einen Strahlengangwandler zeigt, welcher eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist.
22(a), 22(b), 22(c) sind Diagramme, welche ein Arbeiten des in 21 gezeigten Strahlengangwandlers veranschaulichen.
23 ist eine perspektivische Ansicht, welche einen Strahlengangwandler zeigt, welcher eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist.
24 ist eine perspektivische Ansicht, welche einen Strahlengangwandler zeigt, der eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist.
25 ist eine perspektivische Ansicht, welche eine Prismenfeldplatte zeigt, bei welcher Prismen auf einer zweidimensionalen Basis angeordnet sind.
26 ist ein schematisches Diagramm, welches einen Aufbau eines optischen Projektors zeigt, der eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist.
27 ist ein schematisches Diagramm, welches einen Aufbau eines optischen Projektors zeigt, der eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist.
28 ist eine teilabgeschnittene vergrößerte Schnittansicht, welche eine Bildanzeigevorrichtung zeigt, die eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist.
29 ist ein Funktionsdiagramm der in 28 gezeigten Bildanzeigevorrichtung.
30 ist eine teilabgeschnittene vergrößerte Schnittansicht, welche eine Bildanzeigevorrichtung zeigt, die eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist.
31 ist ein schematisches Diagramm, welches einen Aufbau eines Flüssigkristallprojektors zeigt, der eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist.
Erstes Beispiel
6 ist eine schematische Seitenansicht, welche einen Aufbau eines optischen Strahlengangumwandlungselements 31 zeigt. In diesem Beispiel ist das optische Strahlengangumwandlungselement 31 aus zwei Prismenfeldplatten 32, 35 gebildet. Wie in 7 gezeigt, ist die Prismenfeldplatte 32 so aufgebaut, dass eine erste ebene Fläche 33 auf einer Seite derselben und ein erstes Prismenfeld 34 mit einer Anordnung von eindimensionalen Prismen auf der anderen Seite derselben angeordnet ist. Ähnlich ist die Prismenfeldplatte 35 so ausgebildet, dass eine zweite ebene Fläche 36 auf einer Seite derselben und ein zweites Prismenfeld 37 mit einem Feld aus eindimensionalen Prismen auf der anderen Seite derselben angeordnet ist. Die Prismenfeldplatte 32, die das erste Prismenfeld 34 und die erste ebene Fläche 33 aufweist, ist auf einer Lichteintrittsseite angeordnet, während die Prismenfeldplatte 35, die das zweite Prismenfeld 37 und die zweite ebene Fläche 36 aufweist, auf einer Lichtaustrittsseite angeordnet ist. Das erste Prismenfeld 34, das auf der Prismenfeldplatte 32 angeordnet ist, die auf der Lichteintrittsseite vorgesehen ist, liegt der zweiten ebenen Fläche 36 gegenüber, die auf der Prismenfeldplatte 35 angeordnet ist, das auf der Lichtaustrittsseite vorgesehen ist. Die Prismenfeldplatten 32, 35 sind aus Glas, transparentem Kunstharz oder einem Verbundkörper aus Glas und transparentem Kunstharz. Die aus dem ersten und zweiten Prismenfeld 34, 37 ausgebildeten Prismen haben die gleiche Abstandsteilung und sind so vorgesehen, dass die Prismenanordnungsrichtungen bei beiden Prismenfeldern 34, 37 die gleichen sind. Zur Vereinfachung der Erläuterung sind die Brechnungsindizes beider Prismenfeldplatten 32, 35 auf den gleichen Wert eingestellt, es ist aber nicht notwendigerweise erforderlich, dass beide Prismenfeldplatten aus Materialien bestehen, die den gleichen Brechungsindex haben.
Wenn ein Lichtstrahl r, der parallel zur optischen Achse verläuft, in die Prismenfeldplatte 32 von der ersten ebenen Fläche 33 her eintritt, wird also, wie in 8 gezeigt, ein solcher Lichtstrahl r beim Austritt aus dem ersten Prismenfeld 34 gebrochen und tritt in die Prismenfeldplatte 35, die auf der Lichtaustrittsseite vorgesehen ist, schräg von der zweiten ebenen Fläche 36 her ein. Der Lichtstrahl r, der so in die Prismenfeldplatte 35 eingetreten ist, wird nicht nur beim Schrägeintritt in die zweite ebene Fläche 36, sondern auch beim Schrägaustritt aus der zweiten Prismenfeldplatte 37 abgelenkt. Das erste Prismenfeld 34 und das zweite Prismenfeld 37 sind hierbei so angeordnet, dass die Neigungsrichtung des Bereichs im ersten Prismenfeld 34, durch welche der Lichtstrahl r verläuft, zur Neigungsrichtung des Bereichs im zweiten Prismenfeld 37, durch welchen der Lichtstrahl r verläuft, entgegengesetzt ist. Das heißt, die Formen (Prismenwinkel α, β) der ersten und zweiten Prismenfeldplatte 32, 35 sind so ausgelegt, dass ein Lichtstrahl, der beide Prismenfeldplatten 32, 35 durchlaufen hat, parallel zur optischen Achse, wie der ursprüngliche Einfallslichtstrahl, austritt. Das heißt, der Lichtstrahl r, der parallel zur optischen Achse ist, ist in seiner Ausbreitungsrichtung nicht geändert, sondern lediglich parallel verschoben, selbst nachdem der Lichtstrahl r das optische Strahlengangumwandlungselement 31 durchlaufen hat. Dadurch wird der Lichtzerstreuungswinkel sehr klein. Ferner werden, wie in 8 gezeigt, Lichtstrahlen, die parallel zur optischen Achse eingetreten sind, durch das erste Prismenfeld 34 in betreffende Prismenbereiche aufgespalten und in Richtungen senkrecht zur optischen Achse für jeden Lichtstrahl r, der den entsprechenden Bereich durchläuft, umgeordnet, wobei sie parallel verschoben werden. Wenn daher Lichtstrahlen r, die eine solche gleichförmige Lichtstärkeverteilung haben, wie sie beispielsweise in 2(a) gezeigt ist, das optische Strahlengangumwandlungselement durchlaufen, werden ihre Strah lengänge in einer solchen Weise umgewandelt, dass die Abstände von der optischen Achse umgeordnet werden. Dadurch wird die Lichtstärkeverteilung solcher Lichtstrahlen r vergleichförmigt. Durch Verwendung eines solchen optischen Strahlengangumwandlungselements 31 kann daher eine gleichförmige Lichtstärkeverteilung ohne Erhöhung von Lichtzerstreuungswinkeln vorgesehen werden.
Strahlengangumwandlungsbedingungen
Bei dem so aufgebauten optischen Strahlengangumwandlungselement 31 werden Bedingungen zur Umwandlung von Strahlengängen ohne Erhöhung von Lichtzerstreuungswinkeln gewonnen. Zunächst ist es notwendig, dass ein Lichtstrahl r, der in die auf der Lichteintrittsseite angeordnete Prismenfeldplatte 32 eingetreten ist, nicht totalreflektiert wird. Diese Bedingung wird durch die folgende Ungleichung (1) ausgedrückt. α < θc = sin–1(1/n) (1)wobei α der Prismenwinkel des ersten Prismenfelds 34; n (> 1) der Brechungsindex der Prismenfeldplatte 32 ist; und θc de Grenzwinkel der Totalreflexion ist.
Ähnlich wird die Bedingung, dass der Lichtstrahl r nicht durch das zweite Prismenfeld 37 der auf der Lichtaustrittsseite angeordneten Prismenfeldplatte 35 totalreflektiert wird, durch die folgende Ungleichung (2) ausgedrückt. β – θ2 < θc = sin–1(1/n) (2)wobei β der Prismenwinkel des zweiten Prismenfelds (37) ist; θ₂ der Lichtaustrittswinkel aus der zweiten ebenen Fläche (36) ist; n der Brechungsindex der Prismenfeldplatte 35 ist; und θc der Grenzwinkel der Totalreflexion ist.
Die Bedingung, dass der Lichtstrahl r, der aus dem zweiten Prismenfeld 37 ausgetreten ist, parallel zur Ausbreitungsrichtung des ursprünglichen Einfallslichtstrahls verläuft, lässt sich in den folgenden Gleichungen (3) bis (5) ausdrücken, die aus dem die Lichtstrahlen in 8 zeigenden Diagramm gewonnen sind. sinγ = n·sinα (3) sin(γ – α) = n·sinθ2 (4) n·sin(β – θ2) = sinβ (5)
Ein Beziehungsausdruck zwischen α und β kann durch Eliminieren von γ und θ₂ aus diesen Gleichungen (3) bis (5) gewonnen werden. Das gewünschte optische Strahlengangumwandlungselement kann daher gewonnen werden, indem eine bestimmte Beziehung zwischen α und β in einem solchen Bereich vorgegeben wird, dass die Ungleichungen (1) und (2) erfüllt sind.
Um ferner die Effizienz des optischen Strahlengangumwandlungselements zu maximieren, ist es erforderlich, dass ein Lichtstrahl r, der aus der Prismenfeldplatte 32 über einen einzelnen geneigten Bereich des Prismenfelds 34 ausgetreten ist, nur durch einen einzigen geneigten Bereich in dem zweiten Prismenfeld 37 verläuft. Das heißt, wenn ein Teil des Lichtbündels r, das einen geneigten Bereich des ersten Prismenfelds 34 durchlaufen hat, einen ähnlich geneigten Bereich des zweiten Prismenfelds 37 durchläuft, tritt ein solches Lichtbündel r so aus, dass es gegenüber der optischen Achse abweicht. Dadurch wird die Effizienz vermindert. Zur Überwindung dieses Problems muss eine Ungleichung 6 erfüllt werden, indem der Winkel θ₂ zwischen dem Lichtstrahl r, der in das zweite Prismenfeld 37 eingetreten ist, und der optischen Achse größer als ein Winkel (90° – β) zwischen der geneigten Fläche des zweiten Prismenfelds (37) und der optischen Achse gemacht wird. θ2 > 90° – β (6)
9 zeigt den Bereich von α, β, der die vorgenannten Ungleichungen und Gleichungen (1) bis (6) erfüllt, in Abhängigkeit vom Brechungsindex n. Wie sich aus 9 ergibt, muss, wenn der Brechungsindex n von 1,46 bis 1,59 reicht, der Prismenwinkel α des ersten Prismenfelds 34 auf Werte eingestellt werden, die von 35 bis 45° reichen. Ferner muss der Prismenwinkel β des zweiten Prismenfelds 37 auf Werte eingestellt werden, die von 60 bis 70° reichen.
Zweites Beispiel
Ein in 10 gezeigtes optisches Strahlengangumwandlungselement 38 ist eine Abwandlung des ersten Beispiels. Dieses optische Strahlengangumwandlungselement 38 ist durch Abflachung des auf der Prismenfeldplatte 32 angeordneten ersten Prismenfelds 34 auf einer Seite durch Einfüllen eines Materials 39, wie etwa eines transparenten Kunstharzes oder eines transparenten Klebstoffes, mit einem Brechungsindex, der niedriger als der Brechungsindex n der Prismenfeldplatte 32 ist, und Verbindung der zweiten ebenen Fläche 36 des Prismenfelds 35 auf der anderen Seite mit dem Material 39 mit dem niedrigeren Brechungsindex ausgebildet.
Erste Ausführungsform
Ein in 11 gezeigtes optisches Strahlengangumwandlungselement 40 ist eine erste Ausführungsform. Dieses optische Strahlengangumwandlungselement 40 ist durch Formgießen der Prismenfeldplatte 35 auf der anderen Seite direkt auf das erste Prismenfeld 34 der Prismenfeldplatte 32 auf der einen Seite ausgebildet. Bei diesem optischen Strahlengangumwandlungselement 40 wird ein Lichtstrahl, der sich zu einem Außenumfang 41 des Prismenfelds 35 verlagert hat, am Außenumfang 41 der Prismenfeldplatte 35 totalreflektiert und tritt dann aus dem zweiten Prismenfeld 37 aus. Die Menge an verlorenem Licht kann daher durch Verbessern der Lichtausnutzungseffizienz reduziert werden. Es ist anzumerken, dass eine reflektierende Dünnschicht am Außenumfang 41 der Prismenfeldplatte 35 unter Verwendung einer Aluminiumbeschichtung, eines optischen Mehrschichtfilms oder dergleichen ausgebildet sein kann.
Zweite Ausführungsform
Ein in 12 gezeigtes optisches Strahlengangumwandlungselement 42 ist eine Abwandlung der ersten Ausführungsform. Dieses optische Strahlengangumwandlungselement 42 ist durch Anordnen der Prismenfeldplatte 32 so, dass sie der Prismenfeldplatte 35 zugekehrt ist, bei gleichzeitigem Zwischenlegen eines Raums zwischen ihnen und durch Anordnen einer rahmenartigen Licht reflektierenden Platte (Innenflächenspiegel) 43 so, dass sie den Raum zwischen den beiden Prismenfeldplatten 32, 35 umschließt, ausgebildet. Durch Anordnen der Licht reflektierenden Platte 43 zwischen den Prismenfeldplatten 32, 35 kann ein Lichtstrahl, der aus der Prismenfeldplatte 32 schräg ausgetreten ist, durch die Licht reflektierende Platte 43 reflektiert werden. Dadurch kann die Lichtausnutzungseffizienz durch Verhindern eines Entweichens von Licht verbessert werden. Ferner können beide Prismenfeldplatten 32, 35 durch die Licht reflektierende Platte 43 integriert werden.
Dritte Ausführungsform
13 ist eine schematische Seitenansicht, welche ein optisches Strahlengangumwandlungselement 44 zeigt, welches eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist. Dieses optische Strahlengangumwandlungselement 44 weist ein erstes und zweites Prismenfeld 34, 37 auf, die auf Vorder- und Rückseite einer Platte 45 ausgebildet sind, deren Brechungsindex n ist. Das erste und zweite Prismenfeld 34, 37 sind aus Prismen aufgebaut, die die gleiche Abstandsteilung haben. Die Prismenwinkel α beider Prismenfelder 34, 37 sind auf 60° oder mehr eingestellt.
Wie in 13 gezeigt, tritt also ein Lichtstrahl r, der in das Prismenfeld 34 parallel zur optischen Achse eingetreten ist, in die Platte 45 unter Brechung an dem ersten Prismenfeld 34 ein und tritt dann aus dem zweiten Prismenfeld 37 aus. Wenn hierbei die Dicke der Platte 45 und die Positionen von erstem und zweitem Prismenfeld 34, 37 in einer solchen Weise definiert sind, dass ein geneigter Bereich des ersten Prismenfelds 34, durch welchen der Lichtstrahl r verläuft, sich parallel zu einem geneigten Bereich des zweiten Prismenfelds 37 erstreckt, durch welchen der Lichtstrahl r verläuft, dann wird der Lichtstrahl r, der parallel zur optischen Achse eingetreten ist, in einer Richtung senkrecht zur optischen Achse verschoben und tritt parallel zur optischen Achse aus, da die Prismenwinkel α von erstem und zweitem Prismenfeld 34, 37 die gleichen sind. Daher kann dieses optische Strahlengangumwandlungselement 44 eine gleichförmige Lichtstärkeverteilung ohne Erhöhung des Lichtzerstreuungswinkels bieten.
Die Bedingung, dass ein an einem geneigten Bereich des ersten Prismenfelds 34 gebrochener Lichtstrahl in einen geneigten Bereich des zweiten Prismenfelds 37 mit dem gleichen Neigungswinkel eintritt und parallel zur optischen Achse austritt, kann hierbei mit folgender Ungleichung (7) ausgedrückt werden. θ2 > 90° – α (7)wobei der Austrittswinkel des Lichtstrahls r im ersten Prismenfeld 34 θ₂ ist, und der Prismenwinkel von erstem und zweitem Prismenfeld α ist. Der Austrittswinkel θ₂ ist hierbei gegeben als θ2 = α – sin–1(sinα/n) (8)
Die vorgenannte Ungleichung (7) kann also geschrieben werden als α – sin–1(sinα/n) > 90° – α.
14 zeigt den Bereich des Prismenwinkels α in Abhängigkeit vom Brechungsindex n. Wie aus 14 ersichtlich ist, wird, wenn der Brechungsindex n kleiner als 1,6 ist, der Bereich des Prismenwinkels α, wie oben beschrieben, 60° oder mehr.
15(a)–15(e) veranschaulichen ein Prinzip, wie eine Lichtstärkeverteilung durch das so aufgebaute optische Strahlengangumwandlungselement 44 vergleichförmigt wird. 15(a) zeigt eine ungleichförmige Lichtstärkeverteilung von Licht, be vor das Licht in das optische Strahlengangumwandlungselement 44 eintritt; 15(b) zeigt einen Lichtstrahl, der sich in eine Richtung nach oben links und eine Richtung nach oben rechts nach Durchlaufen des optischen Strahlengangumwandlungselements 44 verschiebt; 15(c) und (d) zeigen Lichtstärkeverteilungen, die durch einen nach links verschobenen Lichtstrahl bzw. einen nach rechts verschobenen Lichtstrahl ausgebildet sind; 15(e) zeigt eine Lichtstärkeverteilung des Lichts, das das optische Strahlengangumwandlungselement durchlaufen hat, wobei die Lichtstärkeverteilung durch Zusammenfügen der in den 15(c) und 15(d) gezeigten Lichtstärkeverteilungen gebildet wird.
Wie die Lichtstärkeverteilung vergleichförmigt wird, wird unter Bezug auf die 15(a) bis 15(e) beschrieben. Wenn ein Lichtstrahl mit einer Lichtstärkeverteilung 47, wie sie etwa in 15(a) gezeigt ist, durch das optische Strahlengangumwandlungselement 44 nach links verschoben wird, scheint die in 15(a) gezeigte Lichtstärkeverteilung 47 direkt nach links verschoben zu sein. Der nach links am linken Abschnitt des ersten Prismenfelds 34 gebrochene Lichtstrahl kehrt jedoch unter Totalreflexion am Außenumfang 46 des optischen Strahlengangumwandlungselements 44 nach rechts zurück. Dadurch weist eine Lichtstärkeverteilung 48a einen durch die unterbrochene Linie in 15(c) angegebenen Abschnitt so zwei Mal gedreht, wie er durch die durchgehende Linie angegeben ist, auf. Ähnlich wird eine Lichtstärkeverteilung 48b des durch das optische Strahlengangumwandlungselement 44 nach rechts verschobenen Lichtstrahls wie in 15(d) gezeigt. Da der nach links verschobene Lichtstrahl und der nach rechts verschobene Lichtstrahl aus dem optischen Strahlengangumwandlungselement 44 austreten, wird die Lichtstärkeverteilung der aus dem optischen Strahlengangumwandlungselement 44 austretenden Lichtstrahlen eine Lichtstärkeverteilung 49, die gleichförmig, wie in 15(e) gezeigt, und da bei durch Zusammenfügen der in den 15(c) und (d) gezeigten Beleuchtungsstärkeverteilung gebildet ist.
Vierte Ausführungsform
Ein in 16 gezeigtes optisches Strahlengangumwandlungselement 50 ist eine Abwandlung der dritten Ausführungsform. Dieses optische Strahlengangumwandlungselement 50 ist durch integriertes Verbinden von Prismenfeldplatten 51, 52 mit einem Bindemittelabschnitt 53 ausgebildet. Die Prismenfeldplatten 51, 52 haben den gleichen Brechungsindex n₂ (> 1) und den gleichen Prismenwinkel α und sind so angeordnet, dass ihre gemusterten Seiten einander gegenüberstehen. Der Bindemittelabschnitt 53 ist ein mit Ultraviolettlicht härtendes transparentes Kunstharz, ein mit Ultraviolettlicht härtender transparenter Klebstoff oder dergleichen mit einem Brechungsindex n₁ (> n₂ > 1), der größer als der Brechungsindex n₂ der Prismenfeldplatten 51, 52 ist. Bei diesem optischen Strahlengangumwandlungselement 50 ist das erste Prismenfeld 34 am Übergang zwischen der Prismenfeldplatte 51 auf der einen Seite und dem Bindemittelabschnitt 53 und das zweite Prismenfeld 37 am Übergang zwischen dem Bindemittelabschnitt 53 und der zweiten Prismenfeldplatte 52 auf der anderen Seite ausgebildet.
Auch bei dem optische Strahlengangumwandlungselement 50 tritt ein Lichtstrahl, der parallel zur optischen Achse verläuft, als verschobener Lichtstrahl, der parallel zur optischen Achse verläuft, aus, wobei er längs eines ähnlichen Strahlengangs unter Bedingungen, die ähnlich denjenigen bei der fünften Ausführungsform sind, verläuft.
Es lässt sich sagen, dass diese Ausführungsform eine Abwandlung der dritten Ausführungsform ist, vorgesehen durch Abflachen des auf der Platte (Bindemittelabschnitt) der dritten Ausführungsform angeordneten ersten Prismenfelds und des zweiten Prismenfelds, deren Brechungsindex n₁ ist, während ein transparentes Material eingefüllt wird, dessen Brechungsindex kleiner als der Brechungsindex n₁ der Platte ist.
Fünfte Ausführungsform
Ein in 17 gezeigtes optisches Strahlengangumwandlungselement 54 ist eine Ausführungsform entsprechend der dritten Ausführungsform. Diese Ausführungsform ist nicht nur durch Anordnen der Prismenfeldplatte 51 mit dem ersten Prismenfeld 34 und der Prismenfeldplatte 52 mit dem zweiten Prismenfeld 37 so, dass erstes und zweites Prismenfeld 34, 37 Rücken an Rücken angeordnet sind, sondern auch durch Umschließen des Außenumfangs des Raums zwischen den beiden Prismenfeldplatten 51, 52 mit einer Licht reflektierenden Platte 43 in rahmenartiger Form ausgebildet. Diese Ausführungsform gestattet auch die Reflexion eines Lichtstrahls durch die Licht reflektierende Platte 43. Dadurch kann ein Entweichen von Licht aus dem Raum zwischen den Prismenfeldplatten 51, 52 verhindert werden, was seinerseits zu einer Verminderung an verlorener Lichtmenge beiträgt.
18 ist eine schematische Seitenansicht, die ein optisches Strahlengangumwandlungselement 55 zeigt, das ein drittes Beispiel ist. Dieses optische Strahlengangumwandlungselement 55 ist ausgebildet, indem eine Prismenfeldplatte 57 mit dem auf einer Platte 56 ausgebildeten ersten Prismenfeld 34 und eine Prismenfeldplatte 58 mit dem auf einer Platte 56 ausgebildeten zweiten Prismenfeld 37 in einer solchen Weise angeordnet sind, dass das erste Prismenfeld 34 dem zweiten Prismenfeld 37 gegenüberliegt. Beide Prismenfeldplatten 57, 58 haben den gleichen Brechungsindex n (> 1) und den gleichen Abstand ihrer Prismen.
Bei dem so aufgebauten optischen Strahlengangumwandlungselement tritt ein Lichtstrahl, der parallel zur optischen Achse eingetreten ist, als verschobener Lichtstrahl, der parallel zur optischen Achse verläuft, aus. Die Lichtstärkeverteilung eines solchen Lichtstrahls kann also vergleichförmigt werden, ohne den Strahlungswinkel des Lichtbündels zu erhöhen.
Sechste Ausführungsform
Ein in 19 gezeigtes optisches Strahlengangumwandlungselement 59 ist eine Abwandlung des dritten Beispiels. Dieses optische Strahlengangumwandlungselement 59 ist durch Abflachen des auf der Prismenfeldplatte 57 ausgebildeten ersten Prismenfelds 34 unter Befüllen mit transparentem Material 60, dessen Brechungsindex kleiner als der Brechungsindex n der Prismenfeldplatte 57 ist, durch Abflachen des auf der Prismenfeldplatte 58 ausgebildeten zweiten Prismenfelds unter Befüllen mit transparentem Material 60, dessen Brechungsindex kleiner als der Brechungsindex n der Prismenfeldplatte 58 ist, und durch Umschließen des Außenumfangs eines Raumes zwischen beiden Prismenfeldplatten 57, 58 mit der Licht reflektierenden Platte 43 in rahmenartiger Form ausgebildet.
Siebte Ausführungsform
Ein in 20 gezeigtes optisches Strahlengangumwandlungselement 61 ist ebenfalls eine Abwandlung des dritten Beispiels. Dieses optische Strahlengangumwandlungselement 61 ist durch Abflachen der Prismenfelder 34, 37 unter Einfüllen eines transparenten Materials 60 zwischen dem ersten Prismenfeld 34 der Prismenfeldplatte 57 auf der einen Seite und dem zweiten Prismenfeld 37 der Prismenfeldplatte 58 auf der anderen Seite und durch Integrieren beider Prismenfeldplatten 57, 58 mit dem transparenten Material 60 ausgebildet. Das transparente Material 60 hat einen Brechungsindex n₂, der kleiner als der Brechungsindex n₁ der Prismenfeldplatten 57, 58 ist.
Es lässt sich sagen, dass diese Ausführungsform durch Abflachen des ersten Prismenfelds 34 und des zweiten Prismenfelds 37, die auf beiden Oberflächen einer Platte mit dem Brechungsindex n₂ ausgebildet sind, unter Einfüllen eines transparenten Materials, dessen Brechungsindex n₁ größer als der Brechungsindex n₂ der Platte ist, ausgebildet ist.
Achte Ausführungsform
21 ist eine schematische Ansicht, welche einen Strahlengangwandler 62 zeigt, der eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist. Dieser Strahlengangwandler 62 weist ein erstes optisches Strahlengangumwandlungselement 63 und ein zweites optisches Strahlengangumwandlungselement 64 gemäß der Erfindung angeordnet längs des Strahlenganges auf, wobei die Prismenanordnungsrichtungen beider optischer Strahlengangumwandlungselemente 63, 64 parallel zueinander angeordnet sind. Durch Verwenden einer Anzahl optischer Strahlengangumwandlungselemente 63, 64 kann, wenn eine durch das erste optische Strahlengangumwandlungselement 63 vorgesehene Lichtstärkeverteilung nicht angemessen gleichförmig ist, eine gleichförmigere Lichtstärkeverteilung durch das zweite optische Strahlengangumwandlungselement 64 geschaffen werden.
Das erste optische Strahlengangumwandlungselement 63 verschiebt einen Lichtstrahl um einen Betrag L/4, wenn angenommen wird, dass die Breite des effektiven Bereichs, in den ein Lichtstrom parallel zur optischen Achse eintritt, L ist. Ähnlich verschiebt das zweite optische Strahlengangumwandlungselement 64 einen Lichtstrahl um einen Betrag L/8. Beispielsweise tritt also, wie in 22(a) gezeigt, ein Lichtstrom mit einer ungleichförmigen Lichtstärkeverteilung in das erste optische Strahlengangumwandlungselement 63 ein, wobei die Lichtstärkeverteilung eines solchen Lichtstroms durch Durchführen durch das erste optische Strahlengangumwandlungselement 63, wie in 22(b) gezeigt, vergleichförmigt worden ist. Auch nach Durchlaufen des ersten optischen Strahlengangumwandlungselements 63 verbleibt jedoch weiterhin eine Ungleichförmigkeit, die sich mit einem Zyklus von L/2 zeigt, in der so vergleichförmigten Lichtstärkeverteilung. Eine solche mit einem Zyklus von L/2 sich zeigende Ungleichförmigkeit wird durch das zweite optische Strahlengangumwandlungselement 64, das so aufgebaut ist, dass ein Lichtstrahl um den halben Verschiebungsbetrag des ersten optisches Strahlengangumwandlungselement 63 verschoben wird, behoben. Die Lichtstärkeverteilung des Lichtstroms, der das zweite optische Strahlengangumwandlungselement 64 durchlaufen hat, wird so gleichförmig, wie dies in 22(c) gezeigt ist.
Neunte Ausführungsform
23 ist eine perspektivische Ansicht, welche einen Strahlengangwandler 65 zeigt, der eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist. Dieser Strahlengangwandler 65 kennzeichnet sich dadurch, dass die Prismenfeldrichtung eines ersten optischen Strahlengangumwandlungselements 66 und diejenige eines zweiten optischen Strahlengangumwandlungselements 67 unterschiedlich gemacht sind, wobei das erste und zweite optische Strahlengangumwandlungselement 66, 67 parallel zum Strahlengang angeordnet sind. Insbesondere sind in der in 23 gezeigten Ausführungsform die beiden Prismenfeldrichtungen so eingestellt, dass sie zueinadner senkrecht sind. Das heißt, das erste Prismenfeld 34 und das zweite Prismenfeld 37 sind so ausgebildet, dass die Prismenanordnungsrichtungen auf beiden Oberflächen des ersten optischen Strahlengangumwandlungselements 66 parallel zueinander sind, während ein drittes Prismenfeld 68 und ein viertes Prismenfeld 69 so ausgebildet sind, dass ihre Prismenanordnungsrichtungen auf beiden Oberflächen des zweiten optischen Strahlengangumwandlungselements 67 parallel zueinander sind. Das erste optische Strahlengangumwandlungselement 66 und das zweite optische Strahlengangumwandlungselement 67 sind so angeordnet, dass die Prismenanordnungsrichtung von erstem und zweitem Prismenfeld 34, 37 und diejenige des dritten und vierten Prismenfelds 68, 69 senkrecht zueinander sind. Während ein Raum zwischen erstem und zweitem optischen Strahlengangumwandlungselement 66, 67 in 23 vorhanden ist, kann ferner ein transparenter Klebstoff, dessen Brechungsindex kleiner als derjenige der optischen Strahlengangumwandlungselemente 66, 67 ist, in einem solchen Raum geladen sein.
Gemäß dem Strahlengangwandler 65 ist also eine Richtung, in welche ein Lichtstrahl durch das erste optische Strahlengangumwandlungselement 66 verschoben wird, von einer Richtung verschieden, in welche ein Lichtstrahl durch das zweite optische Strahlengangumwandlungselement 67 verschoben wird. Daher können Lichtstrahlen auf einer zweidimensionalen Basis verschoben und zusammengefügt werden, so dass deren Lichtstärkeverteilung auf einer zweidimensionalen Basis vergleichförmigt werden kann.
Zehnte Ausführungsform
Ein in 24 gezeigter Strahlengangwandler 70 ist eine Abwandlung der neunten Ausführungsform. Das erste optische Strahlengangumwandlungselement ist aus dem ersten Prismenfeld 34 und dem zweiten Prismenfeld 37 gebildet, die einander so gegenüberstehen, dass die Prismenanordnungsrichtungen derselben zueinander parallel sind, während das zweite optische Strahlengangumwandlungselement aus dem dritten Prismenfeld 68 und dem vierten Prismenfeld 69 gebildet ist, die einander so gegenüberstehen, dass die Prismenanordnungsrichtungen derselben parallel zueinander sind. Die Prismenanordnungsrichtung des ersten optischen Strahlengangumwandlungselements und diejenige des zweiten optischen Strahlengangumwandlungselements sind senkrecht zueinander. Genauer ist das erste Prismenfeld 34 des ersten optischen Strahlengangumwandlungselements an der Innenseite einer Platte 71 angeordnet, die sich auf einer Außenseite befindet; sind das zweite Prismenfeld 37 des ersten optischen Strahlengangumwandlungselements und das dritte Prismenfeld 68 des zweiten optischen Strahlengangumwandlungselements Rücken an Rücken auf den beiden Flächen einer Platte 72, die sich in der Mitte befindet, in einer solchen Weise angeordnet, dass ihre Prismenanordnungsrichtungen senkrecht zueinander sind; und ist das vierte Prismenfeld 69 des zweiten optischen Strahlengangumwandlungselements an der Innenseite einer Platte 73 angeordnet, die sich auf einer Außenseite befindet. Eine (nicht gezeigte) Licht reflektierende Platte deckt einen Außenumfang ab, der sich von der Platte 71 auf der Außenseite zu der Platte 73 auf der Außenseite erstreckt. Bei dem so aufgebauten Strahlengangwandler 70 kann auch die Lichtstärkeverteilung eines Lichtbündels auf einer zweidimensionalen Basis ohne Erhöhung des Zerstreuungswinkels des Lichtbündels vergleichförmigt werden.
Viertes Beispiel
Um eine Lichtstärkeverteilung auf einer zweidimensionalen Basis ohne Erhöhung des Zerstreuungswinkels eines Lichtbündels zu vergleichförmigen, kann ein optisches Strahlengangumwandlungselement mit zwei Prismenfeldern 74 verwendet werden, wie es in 25 gezeigt ist. Jedes Prismenfeld 74 weist eine große Anzahl von Prismen 75, die jeweils die Form einer Pyramide haben, angeordnet auf einer zweidimensionalen Basis, auf. Während diese Ausführungsform einen größeren Lichtmengenverlust zeigt als der Strahlengangwandler gemäß der zehnten Ausführungsform, kann ein kompakter Strahlengangwandler vorgesehen werden, da dieser Wandler unter Verwendung von einem optischen Strahlengangumwandlungselement allein verwirklicht werden kann.
Elfte Ausführungsform
26 ist ein Schema, welches einen Aufbau eines optischen Projektors 76 zeigt, der ein optisches Strahlengangumwandlungselement gemäß der Erfindung verwendet. Dieser optische Projektor 76 enthält: eine Punktlichtquelle 77, ein optisches Kollimationselement 78, wie etwa eine Linse, und ein optisches Strahlengangumwandlungselement 79 gemäß der Erfindung. Von der Punktlichtquelle 77 eingestrahlte Lichtstrahlen werden durch das optische Kollimationselement 78 in kollimierte Lichtstrahlen umgewandelt; die Lichtstärkeverteilung derselben wird durch das optische Strahlengangumwandlungselement 79 vergleichförmigt; und danach treten die Lichtstrahlen aus. Daher kann gemäß diesem op tischen Projektor bewirkt werden, dass kollimierte Lichtstrahlen mit einer gleichförmigen Lichtstärkeverteilung austreten.
Zwölfte Ausführungsform
27 ist eine schematische Darstellung, welche einen Aufbau eines weiteren optischen Projektors 80 zeigt, der ein optisches Strahlengangumwandlungselement gemäß der Erfindung verwendet. Dieser optische Projektor 80 enthält eine Flächenlichtquelle 81, sowie das optische Strahlengangumwandlungselement 79 gemäß der Erfindung. Die Lichtstärkeverteilung von von der Flächenlichtquelle 81 her eingestrahlten Lichtstrahlen wird durch das optische Strahlengangumwandlungselement 79 vergleichförmigt, und die Lichtstrahlen treten danach aus. Daher kann auch gemäß diesem optischen Projektor 80 bewirkt werden, dass kollimierte Lichtstrahlen mit einer gleichförmigen Lichtstärkeverteilung austreten.
Dreizehnte Ausführungsform
28 ist eine teilabgeschnittene vergrößerte Schnittansicht, welche eine Bildanzeigevorrichtung 82 zeigt, die ein optisches Strahlengangumwandlungselement gemäß der Erfindung verwendet. Diese Bildanzeigevorrichtung 82 weist eine Flüssigkristallanzeigetafel 83 und ein optisches Strahlengangumwandlungselement 84, die integriert sind, auf. Die Flüssigkristallanzeigetafel 83 ist ausgebildet, indem ein Glassubstrat 87 und ein Glassubstrat 93 einander gegenüberstehend angeordnet und ein Flüssigkristallmaterial 94 dazwischen eingesiegelt ist. Das Glassubstrat 87 weist TFTs 85 und darauf ausgebildete transparente Elektroden 86 auf. Das Glassubstrat 93 weist eine Schwarzmatrix 89, Farbfilter 90, eine die gesamte Fläche einnehmende gemeinsame Elektrode 91, einen Lichtstärkeverteilungsfilm 92 und dergleichen darauf ausgebildet auf. Das optische Strahlengangumwandlungselement 84 ist durch Anordnen einer Prismenfeldplatte 95, auf der das erste Prismenfeld 34 ausgebildet ist, auf der Lichteintrittsseite und einer Prismenfeldplatte 95, auf der das zweite Prismenfeld 37 ausgebildet ist, auf der Lichtaustrittsseite so, dass sie einander gegenüberstehen, und durch Integrieren beider Prismenfeldplatten 95, 96 unter Einfüllen eines transparenten Harzes 97 zwischen dem ersten Prismenfeld 34 und dem zweiten Prismenfeld 37, wobei das transparente Harz 97 einen niedrigen Brechungsindex hat, ausgebildet. Dieses optische Strahlengangumwandlungselement 84 ist mit der flachen Seite der Prismenfeldplatte 96 auf der Lichtaustrittsseite auf eine Oberfläche der Flüssigkristallanzeigetafel 83 aufgeschichtet, wobei ein Glassubstrat 98 auf die ebene Fläche der Prismenfeldplatte 95 auf der Lichteintrittsseite aufgeschichtet ist.
29 ist ein Funktionsblockdiagramm der vorgenannten Bildanzeigevorrichtung 82. Eine Spannungsversorgung 99 liefert Spannung an eine Eingangsschnittstellenschaltung 100, eine Treiberschaltung 101 sowie eine Flächenlichtquelle 102. Die Flüssigkristallanzeigetafel 83 wird durch die Treiberschaltung 101 angesteuert. Wenn ein Bildsignal an die Eingagnsschnittstellenschaltung 100 gesendet wird, werden Pixel auf der Flüssigkristallanzeigetafel 83 einer Ein/Aus-Steuerung unterworfen, so dass Bildmuster erzeugt werden. Wenn ferner die Flächenlichtquelle 102 Licht abgibt, wird die Lichtstärkeverteilung von von der Flächenlichtquelle 102 eingestrahlten Lichtstrahlen durch das optische Strahlengangumwandlungselement 84 vergleichförmigt und das Licht danach auf die Flüssigkristallanzeigetafel 83 eingestrahlt, so dass ein Bild durch die Lichtstrahlen ausgebildet wird, die durch Pixel auf der Flüssigkristallanzeigetafel 83 hindurchgegangen sind.
Gemäß dieser Bildanzeigevorrichtung 82 ist nicht nur die Leuchtdichte auf dem Schirm der Flüssigkristallanzeigetafel durch das optische Strahlengangumwandlungselement vergleichförmigt, sondern es lässt sich auch eine Leuchtdichteverminderung auf der Vorderseite verhindern.
Vierzehnte Ausführungsform
30 ist eine teilabgeschnittene vergrößerte Schnittansicht, welche eine Bildanzeigevorrichung 103 zeigt, die das erfindungsgemäße optische Strahlengangumwandlungselement 84 verwendet. Diese Bildanzeigevorrichung 103 ist dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Mikrolinsenfeld 104 auf einer Oberfläche des optischen Strahlengangumwandlungselements 84 ausbildet, die der Flüssigkristallanzeigetafel gegenüberliegt, wobei das optische Strahlengangumwandlungselement 84 auf der Flüssigkristallanzeigetafel 83 aufgeschichtet ist. Die in das optische Strahlengangumwandlungselement 84 von einer Flächenlichtquelle her eingestrahlten Lichtstrahlen haben daher eine durch das optische Strahlengangumwandlungselement 84 vergleichförmigte Lichtstärkeverteilung und werden danach durch die Mikrolinse 104 auf Pixellöcher der Flüssigkristallanzeigetafel 83 kondensiert und durchlaufen die Pixellöcher und treten durch die Pixellöcher zur Vorderseite der Mikrolinse 104 der Flüssigkristallanzeigetafel 83 aus.
Gemäß dieser Ausführungsform lässt sich daher die Lichtausnutzungseffizienz verbessern, was seinerseits die Herstellung einer Bildanzeigevorrichtung mit hoher Leuchdichte und gleichförmiger Lichtstärkeverteilung ermöglicht.
Fünfzehnte Ausführungsform
31 ist ein Schema, welches einen Aufbau eines Flüssigkristallprojektors 105 unter Verwendung des erfindungsgemäßen optischen Strahlengangumwandlungselements 84 zeigt. Dieser Flüssigkristallprojektor 105 ist dadurch gekennzeichnet, dass das optische Strahlengangumwandlungselement 84 (oder ein Strahlengangwandler) und das Mikrolinsenfeld 104 vor einem Unterflächenbeleuchter 108, der aus einer Lampe 106 und einem Parabolreflektor 107 besteht, angeordnet sind, dass das Flüssigkristallanzeigefeld 83 vor dem optischen Strahlengangumwandlungselement 84 und dem Mikrolinsenfeld 104 angeordnet ist, und eine Projektorlinse 109 vor der Flüssigkristallanzeigetafel 83 angeordnet ist.
Lichtstrahlen r, die nach hinten von der Lampe 106 eingestrahlt und durch den Reflektor 107 reflektiert worden sind, werden auf das optische Strahlengangumwandlungselement 84 als im Wesentlichen parallele Lichtstrahlen eingestrahlt, werden hinsichtlich ihrer Lichtstärkeverteilung durch das optische Strahlengangumwandlungselement 84 vergleichförmigt und danach auf die Pixellöcher der Flüssigkristallanzeigetafel 83 durch das Mikrolinsenfeld 104 konzentriert. Die Lichtstrahlen, die die Flüssigkristallanzeigetafel 83 durchlaufen haben, erzeugen über die Projektorlinse 109 ein Bild auf einem Schirm 110.
Der so aufgebaute Flüssigkristallprojektor 105 kann gleichförmige und helle Bilder liefern. Ferner kommt er daher, anders als der herkömmliche Flüssigkristallprojektor, ohne kompliziertes optisches System, eine Integratorlinse, eine Vorsatzlinse und eine Kondensorlinse eingeschlossen, aus, was seinerseits zu einer Verminderung der Herstellungskosten beiträgt.
Vorteil der Erfindung
Wie oben beschrieben, ermöglicht ein erfindungsgemäßes optisches Strahlengangumwandlungselement die Aufspaltung eines Lichtstroms und eine Umordnung der betreffenden aufgespaltenen Lichtstrahlen. Daher lässt sich eine Lichtstärkeverteilung ohne Vergrößerung des Lichtzerstreuungswinkels vergleichförmigen. Ferner ist ein Strahlengangwandler gemäß der Erfindung aus einer Anzahl von optischen Strahlengangumwandlungselementen ausgebildet. Eine Lichtstärkeverteilung lässt sich daher besser vergleichförmigen, und außerdem kann eine Lichtstärkeverteilung auf einer zweidimensionalen Basis vergleichförmigt werden. Wenn daher der erfindungsgemäße optische Strahlengangwandler auf Bildanzeigevorrichtungen oder dergleichen angewandt wird, können gleichförmige Bilder, deren Lichtstärkeverteilungen vergleichförmigt sind, geliefert werden.

Claims

Strahlengangumwandlungselement, welches zwei Prismenfelder (34, 37) enthält, wobei die beiden Prismenfelder eine Anzahl von Prismen aufweisen, die im Wesentlichen dreieckförmig ausgebildet und in Reihen angeordnet sind, wobei die Prismenreihen des ersten und des zweiten Prismenfeldes im Wesentlichen parallel zueinander sind; jedes Prismenfeld (34, 37) auf einer Platte (32, 35) angeordnet ist, wobei die Ebene der Platte senkrecht zur Lichteintrittsrichtung des Strahlengangumwandlungselements ist; das Strahlengangumwandlungselement so aufgebaut ist, dass es den durch das Element gehenden Strahlengang durch Brechung des Lichts durch das erste und zweite Prismenfeld ändert, derart, dass der Weg des das Strahlengangumwandlungselement verlassenden Lichts gegenüber dem ursprünglichen Weg des in das Strahlengangumwandlungselement eintretenden Lichts abgelenkt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Form eines jeden der beiden Prismenfelder (34, 37) und der Brechungsindex der Platte(n) (32, 35), auf welcher/welchen die Prismenfelder ausgebildet sind, so ausgelegt ist/sind, dass Licht, dessen Strahlengang (1) durch das auf der Lichteintrittsseite angeordnete Prismenfeld so gebrochen worden ist, dass es auf einen Außenumfang (46) der Prismenfeldplatte fällt, auf dem Außenumfang (46) der Platte innen totalreflektiert wird.
Optisches Strahlengangumwandlungselement nach Anspruch 1, wobei die beiden Prismen (34, 37) auf Vorder- bzw. Rückseite einer Platte (45) ausgebildet sind.
Optisches Strahlengangumwandlungselement nach Anspruch 2, wobei die beiden Prismenfelder (34, 37) Prismenbasisflächenwinkel α haben, die auf 60° oder mehr eingestellt sind, und wobei die Prismen des ersten und des zweiten Feldes voneinander weg weisen.
Optisches Strahlengangumwandlungselement nach Anspruch 1, wobei eines der Prismenfelder (34, 37) aus einem Übergang zwischen einem ersten Abschnitt (51) mit einem ersten Brechungsindex und einem zweiten Abschnitt (53) mit einem zweiten Brechungsindex aufgebaut ist; und das andere Prismenfeld aus einer Oberfläche des zweiten Abschnitts aufgebaut ist.
Optisches Strahlengangumwandlungselement nach Anspruch 1, wobei das erste und zweite Prismenfeld sich auf zwei getrennten Platten befinden und wobei bei jeder Platte (32, 35) eine Seitenfläche (33, 36) derselben flach und ein Prismenfeld (34, 37) auf der anderen Seitenfläche derselben ausgebildet ist, und wobei die flache Seitenfläche (36) einer der beiden Platten der Prismenfeldseite (34) der anderen der beiden Platten zugekehrt ist.
Optisches Strahlengangumwandlungselement nach Anspruch 5, wobei das eine der beiden Prismenfelder (34, 37), das auf einer Lichteintrittsseite angeordnet ist, einen Prismenbasisflächenwinkel α hat, der in einen Bereich von 35° bis 40° eingestellt ist, und wobei das andere der beiden Prismenfelder, das auf einer Lichtaustrittsseite angeordnet ist, einen Prismenbasisflächenwinkel β hat, welcher in einen Bereich von 60° bis 70° eingestellt ist.
Optisches Strahlengangumwandlungselement nach Anspruch 5, wobei eine Lichtreflexionsfläche (43) so ausgebildet ist, dass ein Raum zwischen den beiden Platten (32, 35) umschlossen ist.
Optisches Strahlengangumwandlungselement nach Anspruch 1, wobei bei wenigstens einem der beiden Prismenfelder (34, 37) seine prismatische Oberfläche mit einem Material (39) abgeflacht ist, das einen Brechungsindex hat, der sich vom Brechungsindex des einen Prismenfelds unterscheidet.
Optisches Strahlengangumwandlungselement nach Anspruch 1, bei welchem, wobei L die Breite eines effektiven Bereichs ist, in welchen ein Lichtstrom parallel zur optischen Achse eintritt, ein Ort, wo Licht durch Durchlaufen der beiden Prismenfelder austritt, um einen Betrag L/4 parallel verschoben ist.
Optisches Strahlengangumwandlungselement nach Anspruch 1, bei welchem, wobei L die Breite eines effektiven Bereichs ist, in welchen ein Lichtstrom parallel zur optischen Achse eintritt, ein Ort, wo Licht durch Durchlaufen der beiden Prismenfelder austritt, um eine Betrag L/8 parallel verschoben ist.
Strahlengangwandler mit einer Anzahl von optischen Strahlengangumwandlungselementen nach Anspruch 1, angeordnet längs eines Strahlengangs.
Strahlengangwandler nach Anspruch 11, wobei ein optisches Strahlengangumwandlungselement gemäß Anspruch 8 auf einer Lichteintrittsseite angeordnet ist; und ein optisches Strahlengangumwandlungselement nach Anspruch 7 auf einer Lichtaustrittsseite angeordnet ist.
Bildanzeigevorrichtung mit einer Lichtquelle, dem optischen Strahlengangumwandlungselement nach Anspruch 1 und einem Bildanzeigefeld.
Bildanzeigevorrichtung nach Anspruch 13, welches ferner ein optisches Einstrahlungssystem zur Ausbildung eines Bildes auf dem Bildanzeigefeld auf einen Bildschirm hin aufweist.
Optischer Projektor mit einer Lichtquelle und dem optischen Strahlengangumwandlungselement nach Anspruch 1.