JP2003156669A - インテグレータ光学ユニット - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 インテグレータロッドの出射端面への異物の
付着を確実に防止し、しかも、光量損失、色収差および
出射端面の損傷を伴わない光学ユニットを提供する。 【解決手段】 インテグレータロッドの出射端面の周囲
に密閉空間を形成する機構を備えて、インテグレータロ
ッドの出射端面の全体が密閉空間内に位置するようにす
る。密閉空間を形成する機構の一部として、縁がインテ
グレータロッドの側面に密接し、表面が鏡筒の内面のイ
ンテグレータロッドと交差する向きの部分に密接し、表
面が互いに密接する複数の板状部材を用いる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光束の強度分布を
均一化するインテグレータロッドを含む光学ユニットに
関し、より詳しくは、インテグレータロッドの出射端面
の保護に関する。

【０００２】

【従来の技術】光源からの光を空間変調素子で変調し、
変調後の光を投射することにより画像をスクリーン上に
表示する投射型の画像表示装置がある。明るさにむらの
ない画像を表示するためには、空間変調素子に強度が均
一な光束を導く必要があるが、多くの場合、光源が発す
る光束には中央部と周辺部とで大きな強度差が存在す
る。このため、光源からの光束の強度分布を変換して均
一な強度分布とする光インテグレータが用いられる。

【０００３】光インテグレータにはいくつかの種類があ
るが、インテグレータロッドと呼ばれるものが最も簡素
な構成であり、多用されている。インテグレータロッド
は、透明なガラスで作製された多角柱状の素子であり、
一方の端面から入射した光束を側面で反射しながら他方
の端面に導いて出射させる。側面での光の反射にはガラ
スと空気の屈折率の差による全反射を利用するのが一般
的である。

【０００４】光源からの光は収束光束として入射端面に
導かれ、インテグレータロッドの内部に入った後、入射
角に応じた回数だけ側面で反射される。このため、イン
テグレータロッド内を進行する間に入射前の光束の中央
部の光と周辺部の光が混じり合い、出射端面上において
光は均一な強度分布となる。この光は入射前の収束光束
と同じ角度の発散光束として出射端面から出射する。イ
ンテグレータロッドから出射した光束は、コンデンサレ
ンズによって収束光束とされ、出射端面に対して共役な
位置に配置された空間変調素子上に結像する。したがっ
て、空間変調素子上においても光の強度分布は均一にな
る。

【０００５】インテグレータロッドは保護のために中空
の鏡筒に収容されて光学ユニットとされるが、一般に、
入射端面と出射端面は外部に露出した状態とされる。こ
のため、使用中に入射端面や出射端面に埃等の異物が付
着することがある。入射端面に付着した異物は光束の一
部を遮ることになるが、光束の強度分布はその後に均一
化されるため、表示する画像に異物の影響が現れること
はない。ところが、出射端面と変調光学素子は共役な位
置関係にあるから、出射端面に付着した異物は変調光学
素子上に明瞭な影を形成し、表示する画像上にも明瞭な
影となって現れる。しかも、スクリーンに投射された画
像は拡大されているから、異物による影も拡大され、小
さな異物も目立ちやすい。

【０００６】この不都合を解消するために、インテグレ
ータロッドの出射端面を密閉空間内に位置させることも
行われている。この構成を図９に示す。インテグレータ
ロッド５１を収容する鏡筒５３にはコンデンサレンズ５
４も保持されており、鏡筒５３の内面には段差が設けら
れている。この段差の部分には、インテグレータロッド
５１の出射端面５２よりも小さな窓を有する板状のマス
ク部材５５が取り付けられており、インテグレータロッ
ド５１は、出射端面５２の縁部がマスク部材５５の窓の
周囲に当接するように、マスク部材５５に押し当てられ
ている。このような機構によって、インテグレータロッ
ド５１の出射端面５２の前方に密閉空間Ｂが形成されて
いる。

【０００７】この構成では、出射端面５２への異物の付
着は完全に防止される。コンデンサレンズ５４の表面に
異物が付着することはあるが、出射端面５２から出射す
る光束は発散光束であって出射端面５２から離れるほど
断面が大きくなるから、コンデンサレンズ５４に付着し
た異物によって遮られる光は、同じ大きさの異物が出射
端面５２自体に付着した場合に比べて、遙かに少ない。
しかも、コンデンサレンズ５４の表面は変調光学素子に
対して共役な位置にないから、変調光学素子上での異物
の影はぼやける。したがって、スクリーンに表示される
画像の質の低下が大きく軽減される。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところが、図９に示し
た従来の光学ユニットでは、密閉空間Ｂを形成するため
にインテグレータロッド５１の出射端面５２自体を利用
しており、出射端面５２の縁部はマスク部材５５に当接
する。図９の構成におけるインテグレータロッド５１の
出射端面５２を図１０に示す。図１０において斜線を付
した部分が、マスク部材５５に当接する縁部である。イ
ンテグレータロッド５１内を進む光は出射端面５２全体
に達するが、縁部に達した光はマスク部材５５によって
遮られることになって、光量損失が生じる。しかも、光
は出射端面５２上では均一な強度分布になっているか
ら、失われる光の割合は出射端面５２全体に対するマス
ク部材５５に当接している縁部の面積比となり、光量損
失は大きい。

【０００９】また、マスク部材５５にはいくらかの厚さ
があるため、縁部の近傍を通って出射する光に、マスク
部材５５の端面での反射や、マスク部材５５の厚さに応
じた回折が生じる。このため、表示する映像の縁部に色
収差が生じ易い。

【００１０】さらに、出射端面５２の縁部にはマスク部
材５５に押し当てる力が加わっており、この力の大きさ
が温度変動によるインテグレータロッド５１の膨張収縮
によって変動する。このため、使用中に出射端面５２の
縁部付近にひび割れや欠けが発生することがある。ひび
割れや欠けがマスク部材５５に当接する縁部内にとどま
っているときは問題はないが、縁部を超えて中央部に達
すると、出射する光に影響して、その形状に応じた影が
変調光学素子上に現れることになる。

【００１１】本発明はこのような問題点に鑑みてなされ
たもので、インテグレータロッドの出射端面への異物の
付着を確実に防止し、しかも、光量損失、色収差、出射
端面の損傷等の不都合を伴わない光学ユニットを提供す
ることを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明では、インテグレータロッドとインテグレー
タロッドを収容する鏡筒より成る光学ユニットは、イン
テグレータロッドの出射端面の周囲に密閉された空間を
形成する機構を備え、インテグレータロッドの出射端面
の全体が密閉された空間内に位置するものとする。

【００１３】この光学ユニットでは、インテグレータロ
ッドの出射端面は、その一部分だけでなく、全体が密閉
空間内に位置するため、出射端面のどの部位にも異物が
付着することがなく、力が加わることもない。また、出
射端面のあらゆる部位から光が出射し、出射直後の光に
反射や回折が生じることもない。

【００１４】ここで、密閉された空間を形成する機構
が、インテグレータロッドの出射端面のあらゆる部位か
らの光を透過させるようにすることもできる。

【００１５】上記の光学ユニットは、鏡筒が、その内面
の一部に、インテグレータロッドを取り囲みインテグレ
ータロッドと交差する向きの部分を含み、密閉された空
間を形成する機構が、その一部として、縁の一部がイン
テグレータロッドの側面に密接し、表面の一部が鏡筒の
内面のインテグレータロッドと交差する向きの部分に密
接し、かつ表面の一部が互いに密接する複数の板状部材
を含む構成とすることができる。

【００１６】この構成では、複数の板状部材によって、
鏡筒の内部がインテグレータロッドの出射端面側と入射
端面側とに仕切られる。各板状部材とインテグレータロ
ッドの間は、板状部材のインテグレータロッド側の縁が
インテグレータロッドの側面に密接することにより密閉
される。板状部材と板状部材の間は、それらの表面が互
いに密接することで密閉される。また、板状部材と鏡筒
との間は、板状部材の表面が鏡筒の内面のうちインテグ
レータロッドと交差する向きの部分に密接することによ
り密閉される。したがって、各板状部材の鏡筒側の縁が
鏡筒の内面のうちインテグレータロッドの側面に沿う部
分に接する必要はない。このため、インテグレータロッ
ドや鏡筒の大きさにバラツキがあっても、確実にかつ容
易に密閉空間を形成することが可能である。

【００１７】密閉された空間を形成する機構が、その一
部として、インテグレータロッドの出射端面からの光に
所定の作用を施す光学素子を含むようにしてもよい。

【００１８】インテグレータロッドから出射する光は発
散光束であるが、密閉空間を形成する機構が光学素子を
含むようにすると、その光学素子は、出射端面からあま
り離れていない位置に存在することになり、光学ユニッ
トと別に配置する場合に比べて小型で済む。この光学素
子を正のパワーを有するレンズとすると、小径の光束を
提供することができて、この光学ユニットと組み合わせ
る光学系も小型化する。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の光学ユニットの一
実施形態について図面を参照しながら説明する。本実施
形態の光学ユニット１の全体構成を図１〜図４に示す。
図１は光学ユニット１の外観を示す斜視図、図２は内部
を示す破断斜視図、図３は光軸を含む断面図、図４は構
成要素を分離して示す分解斜視図である。

【００２０】光学ユニット１は、インテグレータロッド
１０およびインテグレータロッド１０を収容する鏡筒２
０より成る。インテグレータロッド１０は、高屈折率の
ガラスで作製されており、細長い四角柱の形状を有す
る。光を入射させる入射端面１１および光を出射させる
出射端面１２は長方形であり、その縦横比は、照明対象
範囲の縦横比に略等しく設定され、例えば、アスペクト
比が４：３の空間変調素子の照明に光学ユニット１を用
いるときは略４：３である。なお、光学ユニット１の前
後について、以下、インテグレータロッド１０の入射端
面１１側を後、出射端面１２側を前という。

【００２１】鏡筒２０は、円筒状で最も外部に位置する
外筒２１、外筒２１に挿入された内筒２２、およびイン
テグレータロッドを保持し内筒２２に挿入された保持部
２３より成る。外筒２１の内面の前寄りの部位には段差
が設けられており、外筒２１の内径はこの段差を介して
前側で小さく後側で大きくなっている。内筒２２の外面
にはリブ２２ａ、２２ｂが設けられており、内筒２２
は、前端のリブ２２ａが外筒２１の段差の壁面に当接
し、リブ２２ａの周面と後方のリブ２２ｂの周面が外筒
２１の内面に接することで、外筒２１に取り付けられ、
位置を固定されている。

【００２２】保持部２３は、インテグレータロッド１０
に沿う棒状の幹部２３ａと、幹部２３ａに固定され、イ
ンテグレータロッド１０を取り囲む環状の支持部２３
ｂ、２３ｃと、幹部２３ａに固定され、弾性によってイ
ンテグレータロッド１０の側面１３に当接してインテグ
レータロッド１０を保持する板状の当接部２３ｄより成
る。内筒２２の前端付近の内面にも段差が設けられてお
り、保持部２３は、支持部２３ｂが内筒２２の段差の壁
面に当接し、支持部２３ｂと支持部２３ｃの周面が内筒
２２の内面に接することで、内筒２２に取り付けられ、
位置を固定されている。

【００２３】光学ユニット１は、インテグレータロッド
１０を保持部２３によって保持し、その保持部２３を内
筒２２に取り付け、さらにその内筒２２を外筒に取り付
けることによって組み立てる。組み立てられた状態で
は、インテグレータロッド１０の入射端面１１側の端部
は、外筒２１および内筒２２の後端から突出する。この
突出した部分、特に入射端面１１の周辺部を保護するた
めに、幹部２３ａの後端には、入射端面１１よりもやや
大きい窓を有する板状の保護部２３ｅが取り付けられて
いる。

【００２４】光学ユニット１は、インテグレータロッド
１０から出射する発散光束を収束させるコンデンサレン
ズ３０も含む構成であり、レンズ３０は、外筒２１の前
端付近に固定されている。レンズ３０の外筒２１への取
り付けは、外筒２１に内筒２２を取り付ける前に行って
おく。なお、諸収差を抑えるために、コンデンサレンズ
３０としては非球面レンズを用いている。

【００２５】焦点距離、口径等のレンズ３０の特性や、
インテグレータロッド１０の出射端面１２からレンズ３
０まで距離は、光学ユニット１を使用する装置の光学系
の設定、例えば照明対象面までの距離に応じて定める必
要があり、インテグレータロッド１０とレンズ３０の組
み合わせを変え得るようにしておくのが望ましい。光学
ユニット１で鏡筒２０の筒部を外筒２１と内筒２２から
成る構成としているのはこのためである。外筒２１を替
えるだけで、種々のレンズ３０を使用することが可能に
なり、また、インテグレータロッド１０の出射端面１２
からレンズ３０までの距離を異なる値に設定することが
できる。ただし、必ずしもこのように外筒２１と内筒２
２に分ける必要はなく、単一の鏡筒としても構わない。

【００２６】光学ユニット１では、インテグレータロッ
ド１０の出射端面１２の周囲に密閉された空間Ａを形成
して、出射端面１２の全体を密閉空間Ａ内に位置させ
る。この機構について説明する。レンズ３０の周面は外
筒２１の内面に密接している。また、内筒２２の前端面
と外筒２１の段差の壁面、および保持部２３の前端面の
縁部と内筒２２の段差の壁面も密接している。したがっ
て、隙間が生じ得るのは、インテグレータロッド１０と
保持部２３の間だけである。

【００２７】このインテグレータロッド１０と保持部２
３の間を密閉するために、光学ユニット１では、薄い板
状の２枚の部材４１、４２を用いる。これらの密閉部材
４１、４２は、内筒２２を外筒２１に取り付ける前に、
内筒２２の前方から取り付けられる。板状部材４１、４
２の配置を図５〜図８に模式的に示す。

【００２８】図５は、密閉部材４１、４２を取り付ける
前の保持部２３、内筒２２およびインテグレータロッド
１０の正面図であり、インテグレータロッド１０に対す
る密閉部材４１、４２の向きも示している。図６および
図７はそれぞれ、密閉部材４１、４２を取り付けた状態
の正面図および断面図であり、図８は内筒２２を外筒２
１に取り付けた状態の断面図である。なお、これらの図
において、鏡筒２０の一部である保持部２３を内筒２２
と一体の部材として表しており、符号２３ｂは前述の支
持部を指す。

【００２９】密閉部材４１、４２はいずれも、円盤から
一部を切除した形状であり、円弧状の縁と、互いに直交
する２つの直線の縁を有する。一方の密閉部材４１は、
その２つの直線の縁がインテグレータロッド１０の４つ
の側面１３のうちの隣り合う２つに密接するように配置
され、他方の密閉部材４２は、その２つの直線の縁がイ
ンテグレータロッド１０の４つの側面１３の他の２つに
密接するように配置される。密閉部材４１、４２には、
正面から見て、互いに重なり合う部分が存在し、密閉部
材４１、４２はこれらの部位の表面が互いに密接するよ
うにも配置される。密閉部材４１、４２はこのような配
置で支持部２３ｂに取り付けられるが、この取り付けに
より、密閉部材４１、４２の表面は支持部２３ｂの表面
に密接する。

【００３０】密閉部材４１、４２の支持部２３ｂへの取
り付けはねじによって行う。前掲の図４に示すように、
支持部２３ｂにはねじ（不図示）を固定するねじ穴４４
が設けられており、密閉部材４１、４２には、ねじより
も大径の貫通孔４３が設けられている。ねじを貫通孔４
３に通してねじ穴４４に係合させることにより、密閉部
材４１、４２は支持部２３ｂに取り付けられる。貫通孔
４３がねじよりも大径であるため、ねじを締め付けるま
では密閉部材４１、４２は光軸に対して垂直な平面内で
可動であり、これにより、密閉部材４１、４２の直線の
縁をインテグレータロッド１０の側面に確実に密接させ
ることができる。

【００３１】図７および図８に示すように、支持部２３
ｂの厚さは、密閉部材４１を取り付ける部位と密閉部材
４２を取り付ける部位とで、密閉部材４２の厚さだけ相
違するように設定されている。これにより、支持部２３
ｂに密接した密閉部材４１と密閉部材４２が互いの表面
で密接する状態が確保される。

【００３２】光学ユニット１では、レンズ３０、鏡筒２
０、密閉部材４１、４２およびインテグレータロッド１
０の側面１３が密閉空間Ａを形成する機構となり、イン
テグレータロッド１０の出射端面１２自体は密閉空間Ａ
の形成には関与せず、出射端面１２全体が密閉空間Ａ内
に位置する。したがって、出射端面１２に埃等の異物が
付着することはなく、出射端面１２に力が加わることも
ない。また、出射端面１２のあらゆる部位から光が出射
し、出射に際して光に反射や回折が生じることもない。
コンデンサレンズ３０は出射端面１２のあらゆる部位か
ら出射した光を遮ることなく透過させるに足る口径を有
しており、密閉空間Ａを形成する機構によって遮られる
光は皆無である。

【００３３】コンデンサレンズ３０も含む光学ユニット
１を使用する光学装置では、別途コンデンサレンズを備
える必要がない。また、コンデンサレンズ３０は、別途
備える場合のコンデンサレンズよりも小口径でよい。し
かも、インテグレータロッド１３から出射する発散光束
がコンデンサレンズ３０によって出射端面１２に近い位
置で収束させられるため、光学ユニット１からの光束を
受ける光学系を小口径とすることも容易であり、光学ユ
ニット１を使用する光学装置は小型化する。

【００３４】密閉空間Ａを形成する機構の一部として、
コンデンサレンズ３０に代えて透明な平行平板を使用す
ることもできる。また、フィルター板、偏光板、位相
板、回折格子板等の他の種類の光学素子を備える構成と
して、その光学素子を密閉空間Ａを形成する機構の一部
として利用することも可能である。このようにすると、
各光学素子の機能が付加された光学ユニットとなり、有
用性が増す。例えば、照明用の光源としては一般に広い
波長範囲の光を発するランプが使用され、ランプが発す
る光の強度は全波長にわたって一様ではないが、ランプ
が発する光の強度の波長依存性に応じた透過率のフィル
ターを備えるようにすれば、強度が波長によらず略一定
の光束を供給し得る光学ユニットとなる。

【００３５】なお、光学ユニット１では、インテグレー
タロッド１０の側面１３と支持部２３ｂの間を２枚の密
閉部材４１、４２によって密閉するようにしているが、
密閉部材の数は２枚に限られず、３枚でも４枚でもよ
い。ただし、例示したように、直交する２つの直線の縁
を有する２枚の密閉部材４１、４２を用いると、インテ
グレータロッド１０の側面１３に対する自由度に何ら制
約を受けることなく、部品点数を最小限に抑えることが
できる。インテグレータロッド１０は四角柱以外の多角
柱とすることも可能であり、そのようにするときでも、
隣り合う側面に密接する２つの直線の縁を有する密閉部
材を使用するのが好ましい。

【００３６】

【発明の効果】インテグレータロッドとインテグレータ
ロッドを収容する鏡筒より成る光学ユニットにおいて、
本発明のように、インテグレータロッドの出射端面の周
囲に密閉された空間を形成する機構を備え、インテグレ
ータロッドの出射端面の全体が密閉された空間内に位置
するものとすると、出射端面への異物の付着を確実に防
止することができる上、出射端面のあらゆる部位から光
を出射させることができる。また、出射に際しての光の
反射や回折による色収差の発生も防止することができ
る。しかも、出射端面のどの部位にも力が加わることが
なく、インテグレータロッドの出射端面側の端部の機械
的損傷も避けられる。

【００３７】密閉された空間を形成する機構が、インテ
グレータロッドの出射端面のあらゆる部位からの光を透
過させるようにすると、光の遮断による光量損失が皆無
になる。

【００３８】鏡筒が、その内面の一部に、インテグレー
タロッドを取り囲みインテグレータロッドと交差する向
きの部分を含み、密閉された空間を形成する機構が、そ
の一部として、縁の一部がインテグレータロッドの側面
に密接し、表面の一部が鏡筒の内面のインテグレータロ
ッドと交差する向きの部分に密接し、かつ表面の一部が
互いに密接する複数の板状部材を含む構成とすると、イ
ンテグレータロッドや鏡筒の大きさにバラツキがあって
も、確実にかつ容易に密閉空間を形成することが可能で
ある。しかも、インテグレータロッドや鏡筒の大きさが
異なる種々の光学ユニットを製造するときでも、同じ板
状部材を使用することが可能であり、製造効率が高ま
る。

【００３９】密閉された空間を形成する機構が、その一
部として、インテグレータロッドの出射端面からの光に
所定の作用を施す光学素子を含むようにすると、この光
学ユニットを使用する光学装置において、光学素子を別
途備える必要がなくなる上、別途備える場合よりも小さ
な光学素子とすることができる。したがって、光学装置
の小型化が容易になり、製造コストも大幅に低下する。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施形態の光学ユニットの斜視
図。

【図２】 上記光学ユニットの破断斜視図。

【図３】 上記光学ユニットの縦断面図。

【図４】 上記光学ユニットの分解斜視図。

【図５】 密閉部材を取り付ける前の保持部、内筒およ
びインテグレータロッドの正面図、ならびにインテグレ
ータロッドに対する密閉部材の向きを示す図。

【図６】 密閉部材を取り付けた後の保持部、内筒およ
びインテグレータロッドの正面図。

【図７】 密閉部材を取り付けた後の保持部、内筒およ
びインテグレータロッドの縦断面図。

【図８】 内筒を外筒に取り付けた後の上記光学ユニッ
トの縦断面図。

【図９】 従来の光ユニットの縦断面図。

【図１０】 図９の光ユニットにおけるインテグレータ
ロッドの出射端面の正面図。

【符号の説明】

１ 光学ユニット １０ インテグレータロッド １１ 入射端面 １２ 出射端面 １３ 側面 ２０ 鏡筒 ２１ 外筒 ２２ 内筒 ２２ａ、２２ｂ リブ ２３ 保持部 ２３ａ 幹部 ２３ｂ、２３ｃ 支持部 ２３ｄ 当接部 ２３ｅ 保護部 ３０ コンデンサレンズ ４１、４２ 密閉部材 ４３ 貫通孔 ４４ ねじ穴 Ａ 密閉空間

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｇ０３Ｂ 21/14 Ｇ０３Ｂ 21/14 Ｚ Ｆターム(参考） 2H044 AD03 AE01 2H087 KA07 LA24 PA01 PA17 PB01 QA02 QA05 QA13 QA33 RA26 2H091 FA50Z LA02 LA03 LA07 MA07

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 インテグレータロッドとインテグレータ
   ロッドを収容する鏡筒より成る光学ユニットにおいて、 インテグレータロッドの出射端面の周囲に密閉された空
   間を形成する機構を備え、インテグレータロッドの出射
   端面の全体が密閉された空間内に位置することを特徴と
   する光学ユニット。
2. 【請求項２】 密閉された空間を形成する機構が、イン
   テグレータロッドの出射端面のあらゆる部位からの光を
   透過させることを特徴とする請求項１に記載の光学ユニ
   ット。
3. 【請求項３】 鏡筒が、その内面の一部に、インテグレ
   ータロッドを取り囲みインテグレータロッドと交差する
   向きの部分を含み、 密閉された空間を形成する機構が、その一部として、縁
   の一部がインテグレータロッドの側面に密接し、表面の
   一部が鏡筒の内面のインテグレータロッドと交差する向
   きの部分に密接し、かつ表面の一部が互いに密接する複
   数の板状部材を含むことを特徴とする請求項１に記載の
   光学ユニット。
4. 【請求項４】 密閉された空間を形成する機構が、その
   一部として、インテグレータロッドの出射端面からの光
   に所定の作用を施す光学素子を含むことを特徴とする請
   求項１に記載の光学ユニット。