JP2006139202A - 光パイプ及び照明光学装置及び光学装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 構造が簡単で低価格であって、素子としての長さが短くとも照度、及び輝度の方向特性の均一性が高い光パイプ、及びそれを用いて照明装置全体として低価格、小型を実現しつつ、所定の領域にわたって、明るさ及び明るさの均一性が高く、輝度の方向特性が良好な照明を行うことができる照明光学装置、およびそれを用いた光学装置を提供する。
【解決手段】 入射面５ａと、射出面と、入射面５ａの中心及び射出面の中心を通る中心軸６ｂの側から入射した光を反射する側面と、を有する光パイプにおいて、側面の少なくとも一部を、中心軸６ｂを含む断面で見て波型形状とする。
【選択図】 図２

Description

本発明は、光を導く光パイプ、及び投影装置、露光装置、顕微鏡などの照明光学装置、およびこの照明光学装置を用いた光学装置に関する。

投影装置、露光装置、顕微鏡などの光学装置の照明光学系においては、物体の所定範囲にわたって明るく、かつ明るさの均一性が高く、所定の開口数（ＮＡ）を持って、物体を照明できることが求められる。照明の光源としては、発光スペクトル特性、発光量、放射角度特性、発光部の大きさ、光源装置としての大きさ、経済性などを考慮して、用途に応じて様々なもの、例えば、ハロゲンランプなどの白熱ランプ、水銀ランプ、キセノンランプやメタルハライドランプなどの放電ランプ、発光ダイオード(ＬＥＤ)、各種レーザーなどが用いられる。これらのうち、放電ランプ、ＬＥＤ、レーザーなどは、実効的な発光部の大きさが小さく、これらを光源に用いて所定範囲を照明しようとすると明るさムラが生じやすい。

そこでしばしば、フライアイレンズ（ハエの目レンズ）や光パイプを用いて、見かけ上の発光部（２次光源）の大きさを大きくすることが行われる。光パイプとは、光が通過する部分が、円柱状、円錐状、多角柱状、多角錘状など棒状の形状を有し、その両底面の一方が光入射面、他方が光射出面となり、側面が高反射性（全反射含む）を有する光学素子であって、光が通過する部分が中空の場合、透光性材料で充満されている場合を含む。また光パイプは、ロッド、ロッドレンズ、導光ロッドなどと称されることもある。
フライアイレンズは多数の要素レンズを隙間なく集合させた光学素子であって一般にかなり高価であるが、光パイプは単一部材で構成することができるので、フライアイレンズより安価である。このような光パイプ、あるいはそれを用いた照明光学系が、特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４などに開示されている。
特開昭６４−９１３号公報 特開２００２−６２５８８号公報 特開２００４−２０７２４号公報 特開２００４−１８４６１１号公報

特許文献１では、中空の円筒形状、あるいはガラスよりなる円柱形状を有する光パイプを用いた照明装置が開示されている。また、光入射面と光射出面の大きさが異なる光パイプを用いる例も開示されている。
特許文献２では、側壁の一部に、光の反射角を入射角より大きくする微細構造、具体的には回折格子を設けた光パイプが開示されている。
特許文献３では、特許文献２と同様の目的で、側壁の一部に光偏向部、具体的には回折格子、あるいはレンズ作用を有する光屈折部材を設けた光パイプが開示されている。
特許文献４では、光入射面と光射出面の間に光屈折手段、具体的にはレンズアレイ、凹レンズなどを設け、側壁での光の反射回数を増やした光パイプが開示されている。

特許文献１に示されているように、光パイプの入射面の中心近傍に光源発光部（１次光源）の像を結像させると、この光源像（２次光源）から発せられる光のうち、開き角の小さい光は側壁で反射を受けずに射出面に到達し、開き角が大きくなるに従って側壁で１回、２回、…ｍ回、…ｎ回と多数回の反射を受け射出面に到達する。射出面の各点では、０からｎまでの各々の反射回数に応じた方向に光が出て行く。最多反射回数（ｎ回）は、光源像から発せられる光のある最大開き角に対し、入射面と射出面の大きさが同じ場合、光パイプの直径と長さに依存し、直径が小さい程、また長さが長い程多い。この最多反射回数が充分多ければ、光パイプの射出面では光パイプの光混合効果により、均一な照度分布が得られるとされている。

しかし、光源像（２次光源）が点光源に近く、その大きさが光パイプの入射面の大きさに比べて相当に小さい場合は、光パイプ射出面からの光の放射角度特性が、図９に示す様に反射回数に対応する方向に集中する形となり、輝度の方向特性が不均一になる。この問題を改善するためには光パイプの入射面・射出面の大きさを小さくするか、光パイプの長さを長くする必要がある。しかし、光パイプの入射面・射出面の大きさを小さくするのは、見かけ上光源の大きさを大きくするという光パイプの効果を減殺してしまう。また光パイプの長さを長くすると、照明装置として大型化、高価格化を招くという問題がある。

特許文献１に記載の他の形態、即ち光パイプをテーパー状とし、入射面より射出面の大きさを小さくする形態では、短い長さで反射回数を稼ぐことができるが、見かけ上光源の大きさを大きくするという光パイプの効果を減殺する作用を持つ。特許文献１に記載の更に他の形態、即ち光パイプをテーパー状とし、入射面より射出面の大きさを大きくする形態では、見かけ上光源の大きさを大きくするという光パイプの効果を助長する作用を持つが、一定の反射回数を得るためには、光パイプを更に長くする必要がある。したがって何れの形態であっても根本的な問題の解決にはならない。

特許文献２に示される、側壁の一部に光の反射角を入射角より大きくする微細構造、具体的には回折格子を設けた光パイプは、射出面から出る光の開き角を小さくせんとするものである。しかし、このような微細構造を形成するには多くの工程を必要とし、素子として高価格になるばかりでなく、その効果においても、光パイプ内での反射回数が減ることになるから、見かけ上の光源の大きさが余り大きくならず、その結果照度の均一化効果が低減されてしまうという問題がある。

特許文献３に示される、側壁の一部に光偏向部、具体的には回折格子、あるいはレンズ作用を有する光屈折部材を設けた光パイプは、射出面から出る光の開き角を小さくせんとするものである。しかし、このような光偏向部を形成するには多くの工程を必要とし、素子として高価格になるばかりでなく、その効果においても、光パイプとして反射回数が減ることになり、見かけ上の光源の大きさが余り大きくならず、その結果照度の均一化効果が低減されてしまうという、特許文献２に開示の光パイプと同様の問題がある。

特許文献４に示される、光入射面と光射出面の間に光屈折手段、具体的にはレンズアレイ、凹レンズなどを設けた光パイプは、光パイプの長さを長くすることなく側壁での光の反射回数を増やし、以って照度の均一化効果を高めんとするものである。しかし、凹レンズを設ける場合、この凹レンズによって形成される光源の像（虚像）を２次光源と考えると、元の光源に比べ大きさが小さくなるから、特許文献１の問題点として記した通り、輝度の方向特性の不均一性が助長されるという問題がある。レンズアレイを設ける場合は、輝度の方向特性の不均一性はいくらか改善されるが、レンズアレイは一般に高価であるから、照明装置として高価格化を招くという問題が避けられない。

本発明は上記のような問題点に鑑みてなされたものであり、構造が簡単で低価格であって、素子としての長さが短くとも照度、及び輝度の方向特性の均一性が高い光パイプ、及びそれを用いて照明装置全体として低価格、小型を実現しつつ、所定の領域にわたって、明るさ及び明るさの均一性が高く、輝度の方向特性が良好な照明を行うことができる照明光学装置、およびそれを用いた光学装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、以下の手段を提供する。
本発明は、入射面と、射出面と、前記入射面の中心及び前記射出面の中心を通る中心軸の側から入射した光を反射する側面と、を有する光パイプであって、前記側面の少なくとも一部が、中心軸を含む断面で見て波型形状を有することを特徴とする光パイプを提供する。

このように構成される光パイプでは、光パイプの入射面から入射した光のうちの一部は、直接射出面に到達し、残りの光は、光パイプの側面（内面もしくは外面）に当たり、側面によって反射を受ける。このとき光パイプの側面は、少なくとも一部が、中心軸を含む断面から見て波型形状を有しているので、その接線の傾きは場所によって異なり、見かけ上一定の角度で入射した光であっても、場所によって反射角度が異なる。よって、入射面の異なる位置から入射した光は、同じ入射角度であっても、光パイプ内面の異なる位置に当たり、見かけ上異なる反射角で反射されることになる。

従って、光パイプが、中心軸を含む断面で見たときにその内面が光軸に平行な直線状であれば、ある開き角（光軸との交差角）で発した光は、反射を経てもその角度は射出面まで維持される。これに対し、本発明の光パイプによれば、ある開き角の入射光の１回の反射に対して開き角が幅を持ち、このような反射を複数回経た光、および反射を経ずに直接到達した光とも混合して、射出面の各点では様々な開き角で光が放射されることになる。

更に、光パイプが、中心軸を含む断面で見たときにその内面が光軸に平行な直線状であればｍ（ｍは１以上の整数）回しか反射を受けないような開き角の入射光に対し、ｍ＋１回以上の反射を受ける光も生成される。これは、実効的に光パイプの長さが長くなったことに相当するので、短い長さで高い光混合効果を得る事ができる。
このように、この光パイプの射出面は、照度、及び輝度の方向特性の均一性が良好な面光源として機能する。

この光パイプにおいて、内部が中空とされて光の通過する中空領域をなし、前記入射面に開口部を有する端部部材が配され、該端部部材の前記中空領域に面する面が反射面であってもよい。

この構成では、端部部材の中空領域に面する面が反射面であるので、光パイプの側面によって反射された光のうち、入射面の方向へ反射された光のうちの相当部分を、再び射出面側に反射させて戻すことができるので、光パイプの入射面から入射した光を、少ない光量損失で射出面に届けることができる。これは、光パイプの長さに大きな制限があるなどの理由で波型形状の接線の最大傾き角を相当に大きく取る必要がある場合に特に有効である。

また、この光パイプにおいて、内部が光の通過する領域とされ、該内部が、光透過性材料で構成されていてもよい。

また、この光パイプにおいて、前記側面が有する前記波型形状部分の任意の位置から、前記入射面近傍に形成された光源像もしくは光源が見えるよう前記波型形状が設定されていてもよい。

この構成では、光軸との交差角が大きい光が側面に入射しても、反射光の割合が高くなりにくいので、射出面での輝度の方向特性（配光特性）が、角度の大きな方に片寄りにくくなり、この光パイプを用いた照明光学装置によって照明される物体が、液晶パネルの場合のように、照明光の傾き角範囲を狭くする必要がある物体である場合にも、良好な照明を行うことができる。

また、射出面に到達するまでに反射された回数の多い光の割合が少なくなるので、反射損失による光量低下が生じにくい。
さらに、反射を複数回受ける際、入射面の方向へ反射される光が少なくなり、光量損失が低減される。

この光パイプにおいて、前記側面は、前記入射面側から前記射出面側に向かうにつれて前記中心軸から離間するように傾斜していてもよい。

このように構成される光パイプでは、光パイプに入射した光が光パイプ内で複数回反射を繰り返しても、光軸との交差角が反射前より大きくなることがなく、よって射出面において輝度の方向特性（配光特性）が角度の大きな方に片寄ることがない。
また、入射面の方に戻る反射光は生じないので、光量損失が低減される。

本発明は、光源、前記いずれかの光パイプ、及び照明レンズを有することを特徴とする照明光学装置を提供する。

このように構成される照明光学装置では、素子としての長さが短くとも照度、及び輝度の方向特性の均一性が高い光パイプを用いて照明を行うことができる。

本発明は、前記の照明光学装置を有することを特徴とする光学装置を提供する。

このように構成される照明光学装置では、素子としての長さが短くとも照度、及び輝度の方向特性の均一性が高い光パイプを用いて照明を行うことができる。

以上説明したように、本発明によれば、構造が簡単で低価格であって、素子としての長さが短くとも照度、及び輝度の方向特性の均一性が高い光パイプ、及びそれを用いて照明装置全体として低価格、小型を実現しつつ、所定の領域にわたって、明るさ及び明るさの均一性が高く、輝度の方向特性が良好な照明を行うことができる照明光学装置、およびそれを用いた光学装置を実現できる。

以下、本発明による照明光学装置の好適な実施の形態を、図を参照しつつ説明する。
［第１実施形態］
図１は、本発明に基づく照明光学装置の第１の実施形態の基本的な構成を断面図として示している。図１において符号１で示す部材は光源部であって、発光源として、水銀ランプ、キセノンランプ、メタルハライドランプなどの放電ランプを備えている。図１において符号２で示す部分はその発光部を示す。発光部２はこれら放電ランプの電極間の空間に形成され、概ね球状あるいは回転楕円体形状に近い形をなす。その大きさは、１ミリメートル程度から１０ミリメートル程度である。図１において符号３で示す部材は、発光部２に比べて十分大きい楕円反射鏡であって、その第１焦点近傍に発光部２が配置される。従って、その第２焦点近傍には発光部２の像が形成される。以下、この像を光源像４と称する。

図１において符号５で示す部材は、円筒状の中空部材６を含み、その各々の端面を入射面５ａ、射出面５ｂとする光パイプである。図２に、光パイプ５の一部を拡大して示す。 入射面５ａと射出面５ｂは、円形形状であって同じ或いはほぼ同じ大きさを有する。入射面５ａの大きさは光源像４に比べて大きく、数倍から１００倍程度である。更に、入射面５ａには、中心に開口部７ａを有すると共に射出面５ｂ側に高反射性膜７ｂが付設された板状部材７（端部部材）が設けられる。開口部７ａの大きさは光源像４の大きさと同程度である。

中空部材６の内面は、光パイプ５の側面となり、中心軸６ｂを含む断面で見たとき、正弦波に似た波型形状を有し、その表面には高反射性膜６ａが付設されている。高反射性膜６ａ、及び高反射性膜７ｂとしては、アルミニウム、クロム、金、銀などの金属反射膜、あるいは誘電体多層膜を用いることができる。但し、中空部材６や板状部材７の材料に金属を用い、所定の面を鏡面仕上げとすれば高反射性が得られるので、この場合、高反射性膜６ａ、及び高反射性膜７ｂは省略してもよい。中空部材６内面の波型形状のより具体的な構成については、後述する。

光パイプ５は、その中心軸６ｂと楕円反射鏡３の光軸（第１焦点と第２焦点を通る直線）が一致するよう、また、入射面５ａの中心が概ね楕円反射鏡３の第２焦点に位置するよう配置される。
図１において符号８ａで示す部材は照明レンズであって、その光軸は光パイプ５の中心軸６ｂと一致している。図１において符号９で示す面は被照射面であって、照明レンズ８ａに関して光パイプ５の射出面５ｂと共役な位置に配設される。被照射面９には照明されるべき物体、即ち本照明光学装置が用いられる光学装置が投影装置であれば液晶などの空間光変調器やスライド、露光装置であればマスクあるいはレチクル、顕微鏡であれば観察試料、が置かれる。図１に符号１０で示す軸線は本照明光学装置の光軸であって、楕円反射鏡３の光軸、光パイプ５の中心軸６ｂ、照明レンズ８ａの光軸を含む。
上記の他、図示はしないが、透過波長帯域を制限するフィルターや、偏光子を、光源部１から被照射面９までの間の適当な位置に設けてもよい。

次に上記のように構成した照明光学装置の動作について説明する。発光部２から発した光は楕円反射鏡３で反射され、楕円反射鏡３の第２焦点位置、即ち光パイプ５の開口部７ａの近傍に、発光部２の実像として倍率１倍で光源像４を形成する。光源像４を形成する光の最大開き角（光軸１０との交差角）をθａとすると、光源像４からは開き角θａ以下の範囲で光が光パイプ５内に発せられる。

このうち、光パイプ５の長さをＬ、射出面５ｂの内面直径をｄとして、開き角がｔａｎθｂ＝ｄ/２Ｌで与えられる角度θｂ以下の光は直接射出面５ｂに到達する。一方、角度θｂ以上の光は光パイプ５の内面に当たり、高反射性膜６ａによって高い反射率を以って反射を受ける。このとき光パイプ５の内面の断面は波型形状を有しているので、その接線の傾きは場所によって異なり、見かけ上一定の角度で入射した光であっても、場所によって反射角度が異なる。よって、光源像４は、光パイプ５の内径に比べかなり小さいがある大きさを持つので、同じ開き角で光源像４の異なる位置から発した光は、光パイプ内面の異なる位置に当たり、見かけ上異なる反射角で反射されることになる。

従って、光パイプ５が、中心軸６ｂを含む断面で見たときにその内面が光軸１０に平行な直線であれば、ある開き角（光軸との交差角）で発した光は、反射を経てもその角度は射出面まで維持されるが、本発明の光パイプ５によれば、ある開き角の入射光の１回の反射に対して開き角が幅を持ち、このような反射を複数回経た光、および反射を経ずに直接到達した光とも混合して、図３に示すように射出面の各点では様々な開き角で光が放射されることになる。

更に、光パイプ５が、中心軸６ｂを含む断面で見たときにその内面が光軸１０に平行な直線であればｍ（ｍは１以上の整数）回しか反射を受けないような開き角の入射光に対し、ｍ＋１回以上の反射を受ける光も生成される。これは、実効的に光パイプの長さが長くなったことに相当するので、短い長さで高い光混合効果を得る事ができる。
このように、光パイプ５の射出面５ｂは、照度、及び輝度の方向特性の均一性が良好な面光源として機能する。照明レンズ８ａによりこの面光源が被照射面９に投影され、所定の物体が照明される。この照明方法はクリティカル照明に相当する。

次に、中空部材６内面の波型形状のより具体的な構成について説明する。上記説明から理解される通り、光混合効果を高めるには、波型形状の接線の最大傾き角が大きい方がよいが、大きすぎるといくつか問題が生じる。
一つは、ある開き角を持って内面に当たった光に対し、光軸１０との交差角が大きくなると反射光の割合が高くなり、射出面５ｂでの輝度の方向特性（配光特性）が、角度の大きな方に片寄ることである（但し、この場合でも輝度の方位特性に大きなピークやディップは生じない）。照明される物体が、液晶パネルの場合のように、照明光の傾き角範囲を狭くする必要がある物体の場合、これは欠点となる。

二つ目は、射出面５ｂに到達するまでに反射された回数の多い光の割合が高くなり、反射損失によって光量低下を招きやすくなることである。
三つ目は、反射を複数回受ける際、一部の光が入射面５ａの方向へ戻り、光量損失となることである。但し、戻り光のうち相当部分は、入射面５ａに配設された高反射性膜７ｂによって再び射出面５ｂに戻すことができるので、光パイプ５の長さに大きな制限があるなどの理由で波型形状の接線の最大傾き角を相当に大きく取る必要がある場合には高反射性膜７ｂは有効である。

以上のような問題を惹起せず、一定の光混合効果を得るには、波型形状の接線の最大傾き角を概ね次のように設定すればよい。即ち、中空部材６内面の、光源像４から開き角θａ以下の範囲で発せられる光が到達する全ての位置で、光源像４全体が見えるよう設定する。換言すると、中空部材６内面の波型形状の接線の最大傾き角を、中空部材６内面の任意の点と光源像４の任意の点とを結んだ直線の傾き角（光軸１０となす角度）より小さくなるよう設定する。このとき、波型形状の接線の最大傾き角は入射面５ａに近いほど大きく設定できる。尚、いうまでもなく、光源像４から光が実際上到達しない入射面５ａの近くは、波型形状とする必要はない。

波型形状の接線の最大傾き角をこのように設定した後、この波型形状の振幅と波長は比例関係となり、一方が決まれば残りが決まる。上記説明から理解される通り、所定の接線の最大傾き角及び光パイプ５の長さに対し、より高い光混合効果を得るには、波型形状の波長を短くして波の数を多くしたほうがよいが、光パイプ５の製作が困難になることの他、短すぎると光の回折の効果が顕になり、光パイプ５の特性に波長依存性が生じる恐れがある。結局、波型形状の波長としては、照明光の中心波長の１０００倍程度以上で、波型形状の波の数として少なくとも２つ望ましくは１０以上が取れるよう設定すればよい。

以上の説明では、光パイプ５の入射面５ａと射出面５ｂを円形形状としたが、他の形状、例えば長方形としてもよい。照明されるべき物体が液晶パネルのように長方形であれば、これと相似な長方形とすれば、光パイプ５の射出面５ｂを発した光を効率よく照明として用いることができる。

しかし、一般に入射面・射出面が長方形の光パイプは、該長方形の長辺を含む反射面２面の間隔と、短辺を含む反射面２面の間隔が異なるので、この２方向で反射回数が異なる。よって、光の混合効果においても方向によって違いが生じるという問題がある。
本発明に基づく、入射面・射出面が長方形の光パイプでは、光混合効果が高いのでこのような問題は生じにくいが、短辺を含む反射面２面に持たせる波型形状の波の数を、長辺を含む反射面２面に持たせる波型形状の波の数より多くすることにより実効的な反射回数を揃えられるので、方向による光の混合効果の差を低減できる。
また、光源にＬＥＤを用いる場合などは、光源像４の位置に直接その光源を配置してもよい。この場合も基本的な動作及び効果は上記の通りである。

［第２実施形態］
図４は、本発明に基づく照明光学装置の第２の実施形態の基本的な構成を示す図である。この照明光学装置は、照明レンズ８ａの代わりに照明レンズ８ｂを用いる他は、第１実施形態に示す照明光学装置の構成とほぼ同様の構成である。以下、第１実施形態に示す照明光学装置と同様または同一の構成については同じ符号を用いて示す。

照明レンズ８ｂは所定の焦点距離を有し、その前側焦平面が光パイプ５の射出面５ｂと一致するよう配置される。また、被照射面９は、照明レンズ８ｂの後側焦平面の位置に配置される。この配置はケーラー照明に用いられる配置と同様である。
第１実施形態で説明した通り、本発明による光パイプ５の射出面５ｂは、照度、及び輝度の方向特性の均一性が良好な面光源として機能するが、光源像４の強度分布が光軸１０に対し非対称であったり、光パイプ５の製作誤差による非対称性などにより、射出面５ｂでいくらかの照度ムラが発生する場合がある。しかしこのような照明レンズ８ｂの配置により、被照射面９では均一な照度分布を得る事ができる。

［第３実施形態］
図５は、本発明に基づく照明光学装置の第３の実施形態の基本的な構成を示す図である。この照明光学装置は、光パイプ５の代わりに光パイプ１１を用いる他は、第１、あるいは第２実施形態の構成とほぼ同様の構成である。以下、第１、あるいは第２実施形態に示す照明光学装置と同様または同一の構成については同じ符号を用いて示す。なお、図５では、照明レンズ８ａ，８ｂ及び被照射面９の図示は省略されている。

光パイプ１１は、中空の光パイプ５において、光が通過する領域が、光透過率及び屈折率の均一性の高い材料で充満されられたものである。この材料の屈折率ｎはなるべく高いことが望ましい。ここで、図５では、この光パイプ１１の入射面を符号１１ａで示し、射出面を符号１１ｂで示している。
光パイプ５の内面に相当する光パイプ１１の側面１１ｃには、光パイプ５と同様の波型形状が付与されている。光パイプ１１の周辺は光パイプ１１を支持する部材（図示せず）以外は空気である。

本実施形態の基本的な動作及び効果は第１実施形態と同様であって重複する説明は省略する。第１実施形態と大きく異なるのは、光パイプ側面での反射に全反射を利用している点である。また、これによって第１実施形態とは以下のような違いを生じる。
光パイプ１１の側面１１ｃが波型形状を付与されず平坦な円筒形状であれば、図５に示すように側面に垂直な端面から光が入射する場合、開き角θがｓｉｎθ＜(ｎ２−１)−１/２を満たす光について、側面で全反射を受けこれを繰り返して射出面まで伝わる。

しかし本実施形態に示す光パイプ１１は側面１１ｃに波型形状が付与されているので、入射光の開き角がθ以下であっても、複数回全反射を繰り返す間に光軸との交差角が大きくなって全反射の条件から外れる場合がある。全反射の条件から外れた光は相当の割合で側面１１ｃから漏れるため損失になる。この漏れによる損失を小さくするためには、光パイプ１１の材料の屈折率ｎを高くするのが最も効果的であるが、入射光の最大開き角θａが小さくなるよう楕円反射鏡３の形状を設定する、光パイプ１１の側面１１ｃに形成する波型形状の波の数を少なくして最大反射回数を制限するという方法を採ってもよい。

但し、漏れ光は光軸との交差角が大きいので、ある程度の漏れ光が生じることにより、射出面１１ｂでの輝度の方向特性が角度の大きな方に偏ることを防ぐことができる。よって、必要以上に漏れ光の発生を押さえなくともよい。
また、本実施形態の光パイプ１１は、第１実施形態における高反射性膜６ａが不要であり、材料に樹脂を用いて成形によって光パイプ１１を製作することにより、安価に実現できる。

［第４実施形態］
図６は、本発明に基づく照明光学装置の第４の実施形態の基本的な構成を示す図である。この照明光学装置は、光パイプ５の代わりに光パイプ１２を用いる他は、第１、あるいは第２実施形態の構成とほぼ同様の構成である。以下、第１、あるいは第２実施形態に示す照明光学装置と同様または同一の構成については同じ符号を用いて示す。なお、図６では、照明レンズ８ａ，８ｂ及び被照射面９の図示は省略されている。

光パイプ１２は中空円錐台状の中空部材１３よりなり、その各々の端面が入射面１２ａ及び射出面１２ｂをなす。入射面１２ａと射出面１２ｂは、円形形状である。入射面１２ａの大きさは光源像４と同程度かそれより大きく、光源像４の大きさの１倍から数倍程度である。射出面１２ｂの大きさは入射面１２ａより大きく、入射面１２ａの１．１倍から１００倍程度である。

図７は、中空部材１３の一部を拡大して示す図（断面図）である。図７に示す通り、中空部材１３の内面は、中心軸１３ｂを含む断面で見たとき、正弦波に似た波型形状を有し、その表面は高反射性膜１３ａが付設されている。高反射性膜１３ａとしては、アルミニウム、クロム、金、銀などの金属反射膜、あるいは誘電体多層膜を用いることができる。

中空部材１３内面の波型形状は、その接線の傾きが任意の点で、図７に示すように、入射面１２ａ側から射出面１２ｂ側に向かうにつれて（図７の左側から右側に向かうにつれて）、中心軸１３ｂから離間する傾斜を持つよう決められる。波型形状の波長は、第１実施形態同様、より高い光混合効果を得るために、短くして波の数を多くしたほうがよいが、光パイプの製作が困難になることの他、短すぎると光の回折の効果が顕になり、光パイプの特性に波長依存性が生じる恐れがある。よって、波型形状の波長としては、照明光の中心波長の１０００倍程度以上で、波型形状の波の数として少なくとも２つ望ましくは１０以上が取れるよう設定すればよい。

次に上記のように構成した照明光学装置の動作について説明する。発光部２から発した光は楕円反射鏡３で反射を受け、その第２焦点位置、即ち光パイプ１２の入射面１２ａ中心近傍に、発光部２の実像として倍率１倍で光源像４を形成する。光源像４を形成する光の最大開き角（光軸１０との交差角）をθａとすると、光源像４からは開き角θａ以下の範囲で光が光パイプ１２内に発せられる。このうち、光パイプ１２の長さをＬ、射出面１２ｂの内面直径をｄとして、開き角がｔａｎθｂ＝ｄ/２Ｌで与えられる角度θｂ以下の光は直接射出面１２ｂに到達する。

一方、角度θｂ以上の光は光パイプ１２の内面に当たり、高反射性膜１３ａによって高い反射率を以って反射を受ける。このとき光パイプ１２の内面の断面は波型形状を有しているので、その接線の傾きは場所によって異なり、見かけ上一定の角度で入射した光であっても、場所によって反射角度が異なる。よって、光源像４は、小さいがある大きさを持つので、同じ開き角で光源像４の異なる位置から発した光は、光パイプ内面の異なる位置に当たり、見かけ上異なる反射角で反射されることになる。

従って、光パイプの内面の断面がある傾き（光軸に対してα）を持った直線であれば、ある開き角（光軸１０との交差角）で光源像４を発した光は、１回の反射で２αだけ光軸との交差角が減少し、射出面１２ｂでは反射回数に応じた特定の開き角で光が射出されるが、本実施形態に示す光パイプ１２によれば、ある開き角の入射光の１回の反射に対して開き角が幅を持ち、このような反射を複数回経た光、および反射を経ずに直接到達した光とも混合して、図８に示すように射出面の各点では様々な開き角で光が放射されることになる。

ただし、光パイプ１２内面の波型形状の接線の傾きを上記の通り設定しているので、第１実施形態と異なり、光パイプ１２内で複数回反射を繰り返しても、光軸との交差角が反射前より大きくなることがなく、よって射出面１２ｂにおいて輝度の方向特性（配光特性）が角度の大きな方に片寄ることがない。また、入射面１２ａの方に戻る反射光は生じない。よって、第１実施形態における板状部材７に相当する部材を設ける必要はない。

以上のように、本実施形態の光パイプ１２の射出面１２ｂは、照度、輝度の方向特性の均一性及び配光特性が良好な面光源として機能する。よって、照明レンズ８ａまたは８ｂを用いて被照射面９の照明を行えば、それぞれクリティカル照明相当、ケーラー照明相当の照明として、良好な照明特性を得ることができる。

尚、光パイプ１２として、上記の様に光が通過する領域が中空のもの以外に、第３実施形態同様、光が通過する領域が光透過率及び屈折率の均一性の高い材料で充満されているものを用いることもできる。この場合、波型形状の接線の傾きが上記の通り設定されているので、第３実施形態とは異なり、開き角θがｓｉｎθ＜(ｎ２−１)−１/２を満たす入射光について、側面で複数回全反射を繰り返す間に光軸との交差角が大きくなって全反射の条件から外れるということがない。従って、光損失がなく、光の利用効率が高くなる。

本発明の第一実施形態に係る照明光学装置の構成を示す図である。 図１の一部拡大図である。 本発明の第一実施形態に係る照明光学装置の射出面の各点における光の放出の様子を示す図である。 本発明の第二実施形態に係る照明光学装置の構成を示す図である。 本発明の第三実施形態に係る照明光学装置の構成を示す図である。 本発明の第四実施形態に係る照明光学装置の構成を示す図である。 図６の一部拡大図である。 本発明の第四実施形態に係る照明光学装置の射出面の各点における光の放出の様子を示す図である。 従来の光パイプ射出面からの光の放射角度特性を示す図である。

符号の説明

１ 光源部（光源）
４ 光源像
５ 光パイプ
５ａ 入射面
５ｂ 射出面
７ 板状部材（端部部材）
７ａ 開口部
８ａ 照明レンズ

Claims (7)

1. 入射面と、射出面と、前記入射面の中心及び前記射出面の中心を通る中心軸の側から入射した光を反射する側面と、を有する光パイプであって、前記側面の少なくとも一部が、中心軸を含む断面で見て波型形状を有することを特徴とする光パイプ。
2. 内部が中空とされて光の通過する中空領域をなし、前記入射面に開口部を有する端部部材が配され、該端部部材の前記中空領域に面する面が反射面であることを特徴とする請求項１に記載の光パイプ。
3. 内部が光の通過する領域とされ、該内部が、光透過性材料で構成されてなることを特徴とする請求項１に記載の光パイプ。
4. 前記側面が有する前記波型形状部分の任意の位置から、前記入射面近傍に形成された光源像もしくは光源が見えるよう前記波型形状が設定されてなることを特徴とする請求項１に記載の光パイプ。
5. 前記側面は、前記入射面側から前記射出面側に向かうにつれて前記中心軸から離間するように傾斜していることを特徴とする請求項１に記載の光パイプ。
6. 光源と、
   請求項１から５のいずれかに記載の光パイプと、
   照明レンズと、
   を有することを特徴とする照明光学装置。
7. 請求項６に記載の照明光学装置を有することを特徴とする光学装置。

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