JP2007033852A - ロッドインテグレータおよび照射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】照射装置の小型化、組立性の向上および組立精度の図ると共に光源からからの光の効率的利用を図ること。
【構成】このロッドインテグレータ２は、光源１からの光を入射し均一の光として出射する。そして、光源１が挿入される開口部２ｃを備える反射ミラー部５と、反射ミラー部５が固定され、光源１からの光を直接入射すると共に反射ミラー部５で反射した光を入射するインテグレータ本体部６とを有し、反射ミラー部５には、光源１からの光であって光源１の光軸に対して大きな角度を持つ光源１からの光を反射させるため、光源１の光軸に対し交叉する方向に伸びた反射面を有し、インテグレータ本体部６へ入射させる集光反射ミラー５ａが設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、映像の投影等に用いるロッドインテグレータおよび照射装置に関する。

現在、大型の表示装置として、ライトバルブ等を用いて画像情報を投影レンズによって、スクリーン上に拡大投影する表示装置が知られている。このような画像を拡大投影する分野では、被照射面上に投影される画像の照度を上げることが重要な技術課題の一つである。すなわち、光源から出射される光を無駄のないようにより多くの光を集束させることにより、光の照度を上げて照射するようにし、均一で照度の高い投影画像を得ることの必要性が高まってきている。

また、投影装置の用途の拡大にともない、装置そのものの小型化も要求されている。しかしながら、均一で、照度の高い面光源を得るだけでも、一般的に装置そのものの構造が複雑で大型となりやすい。このような状況の中で、光の集束の効率が高くて、小型化に適した装置の一つとして、均一な照明をするための楕円鏡とその楕円鏡の内面反射の光を集束させることを可能とした、中空あるいは中実で棒状のロッドインテグレータを用いたものが種々提案されている。

例えば、特許文献１には、ロッドインテグレータ部分に光が集束するように、楕円形ミラーの外側に環状パラボラセグメントが配置されたライトバルブ均等照射装置が開示されている。ライトバルブ均等照射装置は、さらに、その環状パラボラセグメントの外端に、光源を包み込むような形状でパラボラミラーリングが配置された構成となっている。また、特許文献１の装置は、パラボラミラーリングの開口部より外側、すなわち楕円形ミラーで集束された光の出射口より外側の離れた位置に、パラボラミラーリングで集束しきれない光源の光を楕円形ミラー側に反射させて集束させる球状ミラーリングを有する構成となっている。この球状ミラーリングは、楕円形ミラーから出射される集束光を通過させてターゲットに照射させる開口部を有する構造となっている。このような構成により、特許文献１の装置は、光源からの光をターゲットに有効に照射することが可能であることが開示されている。

また、特許文献２記載の投射型表示装置には、ある一定のアークの長さを持ったアーク灯光源からの光を、ランプリフレクターで均一な照度分布にして、ロッドインテグレータの入射面に片面非球面レンズを介して集束させることが開示されている。さらに、この投射型表示装置は、ロッドインテグレータの入射面に、光漏れを防止するための平面反射面を有する集光ミラーを接して設ける構成となっている。

特開平８−２３４１０９号公報（要約書） 特開２００２−４８９９９号公報（要約書）

しかしながら、特許文献１に記載された構造では、環状のパラボラミラーリングと、その環状パラボラミラーリングと離れて同様な形状をした楕円形ミラーが配置されているので、ロッドインテグレータである光透過トンネルまでの間に必要とされる部品点数が多くなる。したがって、部品収納スペースがより多く必要とされることから、小型化するための適性は十分とはいえないものである。よって、特許文献１記載の装置は、コンパクト化して、小型の装置を実現するには困難であり、多数の部品の存在によって組立性が悪化し、組立精度が落ちやすいものとなっている。

また、特許文献２記載の構造は、光源がランプリフレクターの焦点にあるので、反射光は平行光線となって無駄が少なくなる。しかしながら、この構造では、ランプリフレクターが存在し、しかも反射光とロッドインテグレータとの間に片面非球面レンズがあるので、特許文献１記載の装置同様に、装置の小型化、組立性の向上、組立精度の向上は困難である。

最近、装置の省エネ・コンパクト化のために、従来主流とされてきた光源の例えばキセノンランプや、アーク灯に代わって、発光ダイオードが多く用いられるようになっている。この発光ダイオードの場合、後方に出射する光が発生しないため、特許文献１や特許文献２記載の反射鏡としての楕円形ミラーやランプリフレクターが不要となり小型化しやすいものとなる。

この発光ダイオードを使用したもので、出願人が開発中のものとして、例えば、図１３がある。図１３では、光源１０１としての発光ダイオードと、内面で全反射するように構成された中空のロッドインテグレータ１０２との間に隙間があるので、光源１０１から発せられた光のうち、入射面１０２ａで有効に利用される光の量は、図１３に示す角度すなわち光の領域（以後単に領域という）βの範囲であって、領域αは、ロッドインテグレータ１０２には集束、入射されない。したがって、出射面１０２ｂからの光も中継レンズ１０３ａに領域βのみの光が出射され、中継レンズ１０３ｂで拡大されて、パネル１０４に投射される。図１３で分かるように、光源１０１からの領域αに相当する多くの光量が無駄になっている。したがって、パネル１０４に投射される光は、量が少なくなり、パネル１０４の投射画像には充分な照度が得られない。

この図１３の装置を改善したものとして、図１４にさらに他の開発中のものを示す。これは、上述の中空のロッドインテグレータ１０２に白色発光ダイオードの光源１０１の一部が、ロッドインテグレータ１０２の入射面１０２ａより内側に配置されるような構成となっている。この場合においても、図１４中で示す、領域δの部分はロッドインテグレータ１０２に入射されずロスとなり、また図のαに相当する部分は、出射面１０２ｂから光が出射するときに、中継レンズ１０３ａから外れるような現象が起こり得る。この場合には、中継レンズ１０３ａを大きくすれば、中継レンズ１０３ａから外れた光を集束して、投射（投影）に役立てることも可能であるが、中継レンズ１０３ａおよび１０３ｂを大きくせざるを得ず、結果としてコストが高くなるとともにコンパクト化が困難となる。

本発明のロッドインテグレータは、照射装置に組み込む場合、装置の小型化、組立性の向上、および組立精度の向上を図り得ると共に、光源からの光の効率的利用を図り得ることを目的としている。また、本発明の照射装置は、装置の小型化、組立性の向上、および組立精度の向上を図り得ると共に、光源からの光の効率的利用を図り得ることを目的としている。

上述の課題を解決するため、本発明のロッドインテグレータは、光源からの光を入射し均一の光として出射するロッドインテグレータにおいて、光源が挿入される開口部を備える反射ミラー部と、反射ミラー部が固定され、光源からの光を直接入射すると共に反射ミラー部で反射した光を入射するインテグレータ本体部とを有し、反射ミラー部には、光源からの光であって光源の光軸に対して大きな角度を持つ光を反射させる反射面であって、光源の光軸に対し交叉する方向に伸び、インテグレータ本体部へ光を入射させる反射面を有する集光反射ミラーが設けられている。

本発明によれば、照射装置に組み込む場合、装置の小型化、組立性の向上および組立精度の向上を図りうると共に光源からの光の効率的利用を図り得るロッドインテグレータとなる。

また、本発明のロッドインテグレータは、反射ミラー部は、１つの集光反射ミラーと、インテグレータ本体部と集光反射ミラーとをつなぐ１つのつなぎ部を備える反射板が複数集まって構成され、反射ミラーとつなぎ部とは、「へ」の字型形状に一体化して形成されている。このため、大きな光源を使用した場合も、光を効率的に利用できると共に光源を囲み込むことが容易となる。

また、反射ミラー部とインテグレータ本体部は、１枚の板金より形成されるのが好ましい。この構成を採用すると、製造が容易となる。

さらに、反射ミラー部とインテグレータ本体部は一体化されると共に、開口部が空洞とされ、他の部分が透明な樹脂または無機材料で充実化されるのが好ましい。この構成によれば、一体成形が可能となり、製造の容易化やコスト低減が可能となる。

さらに、本発明のロッドインテグレータは、上述の発明に加え、反射ミラー部は、インテグレータ本体部の入射面に平行な面が内面に設けられている空洞としての光源収納部を備え、インテグレータ本体部と反射ミラー部は同じ材料で形成されている。この構成を採用すると、インテグレータ本体部に向かう光は、そのままインテグレータ本体部内に取り込まれることとなる。

さらにまた、反射ミラー部は、外面輪郭が５面以上の多面体に形成されているのが好ましい。この構成によれば、より多くの光をインテグレータ本体部に導くことができる。

また、本反射ミラー部とインテグレータ本体部は、同一な材料で一体形成されるのが好ましい。この構成によれば、反射ミラー部の固定力がアップし、またロッドインテグレータの取り扱いが容易となる。

さらに、反射ミラー部とインテグレータ本体部は、同一または異なる材料で別体として形成され、両者が固定されている構成とするのが好ましい。この構成を採用すると、ロッドインテグレータの形状を種々なものとすることができる。

さらにまた、本発明の照射装置は、上述のロッドインテグレータと、光源と、ロッドインテグレータから出射される光を集光させる中継レンズと、この中継レンズを通過した光が照射されるパネル面とを有するものとしている。

この照射装置は、装置の小型化、組立性の向上および組立精度の向上を図り得ると共に光源からの光の効率的利用を図り得るものとなる。

本発明のロッドインテグレータは、照射装置に組み込む場合、装置の小型化、組立性の向上、および組立精度の向上を図り得ると共に、光源からの光の効率的利用を図り得るものとなる。また、本発明の照射装置は、装置の小型化、組立性の向上、および組立精度の向上を図り得ると共に、光源からの光の効率的利用を図り得るものとなる。

以下、本発明の実施の形態に係るロッドインテグレータおよび照射装置について、図を参照しながら説明する。なお、照射装置の説明に先立ち、照射装置に使用されるロッドインテグレータ２，２０の基本的な構造や性能について、従来のロッドインテグレータ１０２を例にして説明する。

照射装置に用いられるロッドインテグレータ１０２は、入射した光が出射されるに際し、均一な出射光または投射光とする働きを有するものである。一般に、光源は所定の面積を有しているので、円スポット光の入射光強度の分布状態を表す図１０に示すように、ロッドインテグレータ１０２に入射される光の強度、いいかえると光の明るさは、どの部分でも一定の明るさになるとは限らない。すなわち、光源の中心（図１０の「０」で示される部分）が最も光強度が強く、その中心から離れるにしたがって、光の強度は小さくなる傾向にある。図１０に示すように、角形の入射断面で光の強さを測定・比較してみると、短い辺ａ、長い辺ｂ、対角線ｃとでは、円形状のスポット同様いずれもロッドの中心点「０」から距離が遠くなるにしたがい、入射光の強度は小さくなっている。

このような、不均一な光の強さの分布を均一な出射の光とするためには、ロッドインテグレータ１０２を用いることが有効な手段である。ロッドインテグレータ１０２に入射された光が出射されるときに、均一な出射光となる様子を図１１で模式的に示す。すなわち、図１１で示すように、ロッドインテグレータ１０２の入射面１０２ａから入射された光は、ロッドインテグレータ２の内面で全反射を繰り返して、出射面１０２ｂでは、ほぼ均一な光となって出射されることなる。この結果、プロジェクタなどに利用した場合、投射映像の明るさにムラがなくなり、均一な照度を持った映像を得ることができる。

また、図１２に示すように、ロッドインテグレータ１０２を用いた照射装置では、光源１０１からの光の入射と、入射された光が投射されるパネルまたはスクリーン面１０４との間には、共役関係が成立する。すなわち、光源１０１の中心から入射面１０２ａの端部に入射される光線と、光軸１０１ａとの角度をαとすると、ロッドインテグレータ１０２の出射面１０２ｂから光線は、角度αに相当する分だけ広がりを持つ。ここで、ロッドインテグレータ１０２の垂直方向の長さ（幅）をｄ_１、中継レンズ１０３ａ、１０３ｂの焦点を通ってパネル面１０４に投射される光で、中継レンズ１０３ｂの焦点からパネルまたはスクリーン面１０４に投射される光線と光軸１０１ａとの角度をβとする。このとき、中継レンズ１０３ａからの光線が、中継レンズ１０３ａの焦点を通って、パネルまたはスクリーン面１０４到達する位置と、上述の中継レンズ１０３ｂから投射される光線の位置とが一致する投射面幅の長さ（幅）を
ｄ_２とすると、次の関係式が成り立つ。
ｄ_１×α＝ｄ_２×β
すなわち、ロッドインテグレータ１０２の入射面１０２ａに入射される光源１０１からの光の量や角度は、出射面１０２ｂから出射される光を左右する重要な意味を持っている。

以上のような要件を満たすロッドインテグレータ１０２と同様な機能を持つロッドインテグレータを有する照射装置について、以下に具体例を挙げながら説明する。

本発明の第１の実施の形態を、図１から図４を参照しながら説明する。
図１は、照射装置１０の光源１から出射される光の光軸１ａを含む平面で切断したときの断面図である。図２は、ロッドインテグレータ２の図で、（Ａ）はその斜視図で、（Ｂ）は正面図である。図３は、照射装置１０の断面図である。本発明の第１の実施の形態に係る照射装置１０は、光源１と、光源１に面している側の形状に工夫が施された中空のロッドインテグレータ２とで構成される。なお、ロッドインテグレータ２の後方には、中継レンズ１０３ａ、１０３ｂと同様な中継レンズ３ａ、３ｂと、パネル１０４と同様なパネル４が配置されている。

光源１としては、光の強度分布が比較的に安定し、また小型化しやすいものが好ましい。すなわち、光源１は、直線的な長さを持つ、例えばアーク灯やキセノンランプのようなものであっても小型化されているものであればよい。しかし、光源１としては、面光源となる、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）などを用いるとより好ましい。

ロッドインテグレータ２は、光源１の光軸１ａに対し直交する面で切った断面が場所によって異なることとなる反射ミラー部５と光軸１ａに対し直交する断面がどこでも同じとなるインテグレータ本体部６とを有する構成となっている。反射ミラー部５は、光軸１ａに対し交叉する方向に伸びた反射面を有する集光反射ミラー５ａと、この集光反射ミラー５ａとインテグレータ本体部６とをつなぐつなぎ部５ｂから構成され、光源１側に光源１が挿入される開口部２ｃが設けられている。

発光ダイオードからなる光源１とした場合、光源１から出射された光は、ロッドインテグレータ２の反射ミラー部５を形成する４つの反射板、すなわち集光反射ミラー５ａおよびつなぎ部５ｂからなる反射板が４つ集まった反射ミラー部５で反射される。集光反射ミラー５ａとつなぎ部５ｂは、「へ」の字型にかつ１枚の金属板で形成されており、ロッドインテグレータ２のインテグレータ本体部６と一体化している。すなわち、反射ミラー部５とインテグレータ本体部６とは、１枚の金属板から板金加工で形成された金属一体化物となっている。そして、光源１を囲む内側の面とインテグレータ本体部６の内面は、鏡面加工が施されている。

光源１側に近い位置にある集光反射ミラー５ａで反射された光は、中空のロッドインテグレータ２のインテグレータ本体部６の入射面２ａより、インテグレータ本体部６に導かれる。このインテグレータ本体部６内に導かれた光は、インテグレータ本体部６内で全反射を繰り返しながら出射口すなわち出射面２ｂから出射し、中継レンズ３ａ、３ｂを経てパネル４に投射される。すなわち、反射ミラー部５は、光源１から直接入射面２ａに向かっている光と、ロッドインテグレータ２の入射面２ａの幅からはみ出している領域αの光の多くを、集光反射ミラー５ａとつなぎ部５ｂとで反射を繰り返しながら、入射面２ａに収束させて、インテグレータ本体部６に入射させる。なお、光源１から出射された光のうち、集光反射ミラー５ａの反射面５ａ１で反射された光は、１回の反射でインテグレータ本体部６に入っていくが、つなぎ部５ｂに向かった光の一部は、数回の反射によってインテグレータ本体部６に取り込まれ、そのときの入射角度は一定しない。

つなぎ部５ｂの機能は、集光反射ミラー５ａをインテグレータ本体部６につなぐ機能の他に、光源１からの光のうち、光源１から入射面２ａに直接入射される光や、集光反射ミラー５ａで１回反射して入射面２ａに入射する光以外の光の一部を入射面２ａに入射させる働きを持っている。すなわち、反射ミラー部５の光の領域γは、光源１から出射される光のうち、光軸１ａに対して大きな角度を持つ光を入射面２ａに入射させることとなる。一方、領域αのうち、領域γを除いた領域の光は、つなぎ部５ｂの反射面５ｂ１で反射されて集光反射ミラー５ａ等で再度反射される光となる。この領域γの光と、領域αの光の一部とは、光源１から直接入射される領域βの光と一緒に、ロッドインテグレータ２の入射面２ａに導かれる。

上述のように、ロッドインテグレータ２の入射面２ａに導かれた光は、インテグレータ本体部６に入射される。インテグレータ本体部６に入射した光は、インテグレータ本体部６内で全反射を繰り返しながら、インテグレータ本体部６内を通過して出射面２ｂから出射される。したがって、入射した領域βの光は、出射側でも領域βとして出射し、集光反射ミラー５ａで反射される領域γは、出射されるときは出射面２ｂ側の領域γとして出射される。なお、図１で示したように、集光反射ミラー５ａの製作上やむを得ず死角となる部分は、極微小にすることが可能であることから、領域βと領域γの殆ど全ての光が入射面２ａに導入され、領域αから領域γを引いた領域の光が、つなぎ部５ｂで集光反射ミラー５ａなどに戻され、一部がインテグレータ本体部６に入る。

光源１から発せられた光を無駄なく集束させるための反射ミラー部５は、上述したように集光反射ミラー５ａおよびつなぎ部５ｂより構成されている。したがって、光軸１ａに直交する平面で切断した断面図である図３に示すように、この集光反射ミラー５ａおよびつなぎ部５ｂの光軸１ａに対する角度をそれぞれθ、λとするとき、この角度θ、λは任意に種々変更・組み合わせをすることができる。したがって、この組み合わせによって、ロッドインテグレータ２の出射面２ｂにおける出射される出射角の領域（β＋γ）も種々変化することとなる。また、この集光反射ミラー５ａおよびつなぎ部５ｂの角度θ、λの変更に合わせて、中間レンズ３ａおよび３ｂも適宜選択する幅が広がることとなる。

さらに、集光反射ミラー５ａの長さをｄ_３、つなぎ部５ｂの長さをｄ_４とするとき、これらの長さｄ_３およびｄ_４も適宜変更ができる。したがって、これらの長さを適宜変更することにより色々なバリエーションを得ることができる。このような構成にすると、パネル４への投射にあたって、光の量すなわち光の強度を落とさずに、必要な投射角を持ちかつ均一な照度を持って出射または投射が可能となる。さらに、出射光を狭い領域に集中して集束させることもできるので、レンズの小型化も可能となり、コンパクト化に適していることが分かる。

図２（Ａ）は、図１の本発明の第１の実施の形態に係る照射装置１０のロッドインテグレータ２のみを取り出して、斜視図で示してある。ロッドインテグレータ２のインテグレータ本体部６は、金属製で断面が矩形または正方形の中空の筒状をしており、内面は光の反射が充分に行われるように、鏡面となっている。

また、集光反射ミラー５ａおよびつなぎ部５ｂは、上述の金属製角形の筒状体の各面の延長線上に一体となって形成されている。また、集光反射ミラー５ａとつなぎ部５ｂは、内面側が鏡面となっているインテグレータ本体部６の各辺が、四隅のコーナーで切り込み分割され、その分割された各辺が折り曲げられて形成されていると共にその内面は同様に鏡面となっている。折り目は、インテグレータ本体部６の入射面２ａに対して、「へ」の字型の必要とする任意の角度に折り曲げられて一体的になっている。この結果、構造は極めて単純となり、製造しやすくまた小型化に適する構造となっている。なお、この集光反射ミラー５ａおよびつなぎ部５ｂを別途組み合わせ作成したのち、インテグレータ本体部６の入射面２ａに取り付けるようにしても、効果は変わらない。

図２（Ｂ）は、図２（Ａ）を光源１側から見た正面図である。光源１は、インテグレータ本体部６の入射面２ａに対して、中心の位置に配置されていて、その光源１に対して、複数の反射板からなる反射ミラー部５がインテグレータ本体部６の入射面２ａに十字型に配置される構成となっている。したがって、斜線で塗りつぶした空隙５ｃはカバーされないので、ここから、若干の光が漏れることになる。しかし、実際にはこの反射ミラー部５の寸法や上述したように集光反射ミラー５ａおよびつなぎ部５ｂの角θ、λの変更等設計上の自由度が高いので、この光の漏れ量は、極めて小さくなるように反射ミラー部５を構成することができる。

さらに、図２（Ｂ）の空隙５ｃの部分にも反射ミラー（図示せず）を設け、反射ミラー部５を八角形の反射ミラーの形状とすれば、上述の若干の光の漏れを防ぐことができ、さらに多くの光をインテグレータ本体部６の入射面２ａに導くことが可能となる。なお、上述の反射のための鏡面部分には、高反射率を有する金属等をコーティングしたり、鏡面劣化防止の保護皮膜を設けたり、用途によってはダイクロイックコーティング等を施して使用することも可能である。またなお、光源１は、円形で表示してあるが、この光源１の形状は、楕円形あるいは角形例えば、三角形、四角形、五角形等の多角形状としても良い。さらになお、図１では、光軸１ａの上側の領域のみβ、γの関係を示しているが、光軸１ａの下側や左右の領域でも同じ関係が発生する。

また、図４（Ａ）は、反射ミラー部５の第１の変形例を示す図である。この図に示すように、集光反射ミラー５ａとつなぎ部５ｂの連結部分を平面状の反射ミラー５ｄとして、反射ミラー部５を多角形状として、光源１からの光をインテグレータ本体部６に導くようにしている。このような構成にすることにより、より多くの光を入射面２ａに案内しやすくなる。

さらに、図４（Ｂ）は、反射ミラー部５の第２の変形例を示す図である。この第２の変形例は、集光反射ミラー５ａと連結しているつなぎ部５ｂの代わりに、光軸１ａの水平方向の断面が円弧状となる半球状片５ｅを設けたものである。半球状片５ｅで反射された光は、より多く集光反射ミラー５ａで反射されて、インテグレータ本体部６に導かれる。なお、この球面の形状は、球面形状や楕円形状であっても良いし、また非球面形状であっても良い。

次に、本発明の第２の実施の形態に係る照射装置１０Ａを、図５および図６を用いて説明する。この集光照射装置１０Ａは、光源１と、中実の反射ミラー部５０と中実のインテグレータ本体部６０とでなるロッドインテグレータ２０とで構成される。なお、ロッドインテグレータ２０の後方には、中継レンズ３ａ、３ｂと、パネル４が配置されている。

第２の実施の形態と、第１の実施の形態との大きく異なる点は、中空のロッドインテグレータ２の代わりに、中空の部分がない中実のロッドとしたロッドインテグレータ２０を使用している点にある。また、反射ミラー部５０は、集光反射ミラー５ａの反射面５ａ１に相当する集光反射面５０ａと、つなぎ部５ｂの反射面５ｂ１に相当する反射面５０ｂと、反射面５ａ１と同様の機能を有する反射面５０ｃ（図６参照）などを有する多面体となっている。なお、以下の説明にあたっては、第１の実施の形態に係る照射装置１０と同一の部材については、同一の符号を使用し、その説明を省略または簡略化する。

反射ミラー部５０と、インテグレータ本体部６０とは、同一な透明樹脂材にて一体成形によって形成されている。材料としては、樹脂材以外に無機材料を使用しても良い。また、反射ミラー部５０とインテグレータ本体部６０とを異なる材料とし、両部分を接合させて一体化する構造としても良い。

図５は、光源１から出射される光の光軸１ａを含む平面で照射装置１０Ａを切断した断面図である。反射ミラー部５０は、集光反射面５０ａと反射面５０ｂ、５０ｃ（図６参照）と、開口部２ｃで形成された空洞となる光源収納部５１を有する。この光源収納部５１を囲む部分が集光反射ミラーとつなぎ部となる。さらに、インテグレータ本体部６０の入射面でありかつ反射ミラー部５０の出射面となる入射面２ａと、反射ミラー部５０の入射面となる屈折平面２ｄとを反射ミラー部５０は有する構成となっている。すなわち、反射ミラー部５０の出射面２ａは、インテグレータ本体部６０の入射面２ａと同一となっている。光源収納部５１には、光源１、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）が収納される。光源１は、例えばアーク灯等の場合とは異なり、光源１からの光が、全面からほぼ均一に面発光されるようになっている。このことは、実施の形態１と同様である。

光源収納部５１には、入射面２ａと平行に屈折平面２ｄが幅ｄ_５をもって設けられている。この幅ｄ_５は、光源１からの直接の光が屈折平面２ｄで屈折されたとき、インテグレータ本体部６０の入射面２ａの幅に納まるように構成されている。このインテグレータ本体部６０の幅に納めるには、インテグレータ本体部６０の屈折率と、屈折平面２ｄおよび入射面２ａの距離等の関係で決めることができるから、それぞれの値を適性に組み合わせて構成することで実現が可能となる。すなわち、光源１の中心から屈折平面２ｄの端部を結んだ線と光軸１ａとの角をβとすると、光源１からの光は、屈折平面２ｄで屈折平面２ｄの界面から離れるように屈折し、インテグレータ本体部６０の入射面２ａの端部に到達する。この屈折した光と光軸１ａとの角をβとすると、インテグレータ本体部６０に入射した光は、インテグレータ本体部６０内で全反射を繰り返して出射面２ｂに到達し、出射面２ｂで同じ角度βを持った領域内に出射される。

光源１から直接、入射面２ａに入射する光以外の内、光源１から出射し、集光反射面５０ａに向かう光は、一旦、反射ミラー部５０内に入り、その後、光の臨界角の関係で反射ミラー部５０の外へは出ていかず、集光反射面５０ａですべて反射する。この集光反射面５０ａで反射される光は、インテグレータ本体部６０内で全反射を繰り返して出射面２ｂから領域γとして出射される。したがって、全体の出射光は、光源１から直接入射される光と、集光反射面５０ａで反射され、インテグレータ本体部６０に入射される光の領域γが加えられて（β＋γ）となる。なお、図５では、光軸１ａの上側の領域のみβ、γで示してあるが、同様のことは、光軸１ａの下側の領域や左右の領域でも発生する。

この構成では、光源１が光源収納部５１にすっぽり納まっているので、光が漏れることがなく、無駄が殆ど発生しない。なお、反射面５０ｃで反射される光も、その殆どがインテグレータ本体部６０に取り込まれる。また、反射面５０ｂに向かう光は、一部が反射するものの、多くが反射ミラー部５０から外部に出ていく。この部分での透過を防止するには、反射面５０ｂに反射用のアルミ材等を付加させることで、透過防止と反射機能を達成することができる。このような構成によって、均一な光が中継レンズ３ａに投射されることとなる。中継レンズ３ａに投射された光は、中継レンズ３ｂを通ってパネル４に投射される。なお、屈折平面２ｄは、図示しないが凸レンズ状にしても良い。

図６（Ａ）は、図５の本発明の第２の実施の形態に係る照射装置１０Ａの光源１の一部とロッドインテグレータ２０のみを取り出した斜視図である。反射ミラー部５０は、多面体の構成となっている。ここで、光源１から直接入射面２ａに入射される光以外の光を、入射面２ａに集光させる面は、集光反射面５０ａと反射面５０ｃである。集光反射面５０ａと反射面５０ｃに光を反射しかえす反射面は、反射面５０ｂおよび５０ｄである。光源１からの光は、この反射ミラー部５０でその多くがインテグレータ本体部６０の入射面２ａに導かれ、四角柱状のインテグレータ本体部６０内で全反射を繰り返して、出射面２ｂより出射される。また、図６（Ｂ）は、図６（Ａ）の光源１側からの正面図である。この実施の形態では、反射ミラー部５０とインテグレータ本体部６０は、高度な透明性と、高屈折率を有する耐熱、耐老化性のある樹脂で成形されている。なお、光源１は、円形で表示してあるが、この光源１の形状は、楕円形あるいは角形例えば、三角形、四角形、五角形等の多角形状としても良い。

また、反射ミラー部５０は、ロッドインテグレータ２０の光軸１ａに対して垂直な断面が、多角形（図６（Ｂ）では八角形）をしている。インテグレータ本体部６０は、入射面２ａと出射面２ｂとロッド表面２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄとを有している。反射ミラー部５０とインテグレータ本体部６０は、上述のように透明の樹脂ではあるが、インテグレータ本体部６０に入射面２ａから入射される光は、インテグレータ本体部６０の内部で全反射を繰り返して出射面２ｂに導かれる構成となっている。すなわち、インテグレータ本体部６０の内部で完全に全反射が繰り返されることで漏出する光は発生せず、すべての光が出射面２ｂに導かれる。なお、設計上、光の漏れるおそれのある場合は、反射ミラー部５０およびインテグレータ本体部６０の内部表面に、反射コーティングまたは漏光防止のスミ塗り等を施すようにしても良い。

なお、反射ミラー部５０とインテグレータ本体部６０は、材料に樹脂を用いると、成形加工が可能である。この成形にあたっては、公知の成形方法のいずれでも作成可能ではあるが、高精度を要する場合は、圧縮成形で作成するのが好ましい。なお、必要に応じてガラス等の無機材料を研磨してロッドインテグレータ２０としたり、インテグレータ本体部６０としたりしても良い。

図７は、反射ミラー部５０の第１の変形例を示す斜視図である。この反射ミラー部５０Ａが、図６（Ａ）と異なる点は、反射面５０ｃがなく、４面からなる集光反射面５０ａが設けられていることである。すなわち、反射面５０ｂの延長上に集光反射面５０ａだけが設けられている構成となっている。よって、反射ミラー部５０より反射面が少ない構造のため、製造が簡単となる。反射ミラー部５０Ａによる集光、反射の効果は、ほぼ反射ミラー部５０と同じである。特に樹脂で成形加工をする場合には、型製作が簡単なため、精度が出しやすい利点がある。

図８（Ａ）は、反射ミラー部５０の第２の変形例を示す斜視図である。この反射ミラー部５０Ｂは、照射装置１０Ａの反射面５０ｂの代わりに反射面５０ｂと円錐状の表面の一部である錐形反射面５０ｅとが組み合わせられて設けられてあり、また集光反射面５０ａの代わりに、円錐状の表面をした錐形集光反射面５０ｆが設けられている。錐形集光反射面５０ｆを設けることにより、光源１がどのような種類（形状）のものにも対応でき、出射光の均一性を安定させる効果がある。照射装置１０Ａのインテグレータ本体部６０の各側面２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄによって、光は確実に全反射を繰り返して、出射面２ｂより出射される。

図８（Ｂ）は、反射ミラー部５０の第３の変形例を示す斜視図である。この反射ミラー部５０Ｃは、集光反射面５０ａを、集光反射面５０ａと円錐の表面の一部である錐形集光反射面５０ｇとを組み合わせた形状としたものである。この第３の変形例においても、上述の第２の変形例と同様に光源１はどのような種類（形状）であっても効果的である。なお、反射ミラー部５０Ｂ、５０Ｃのいずれも、光源１が円形であればなお効果的である。

さらにまた、図９に、反射ミラー部５０の第４の変形例を示す。図９（Ａ）は、ロッドインテグレータ２０の側面図である。この反射ミラー部５０Ｄが、反射ミラー部５０、５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃと異なる点は、反射ミラー部５０Ｄに、つなぎ部としての曲面反射面５０ｈと、集光反射ミラーとしての曲面集光反射面５０ｉが設けられていることである。

光源１からの光は、反射ミラー部５０Ｄを通り抜け、インテグレータ本体部６０に直接入射する光と、曲面集光反射面５０ｉで反射される光とが一緒になって、インテグレータ本体部６０に入り、その内部で全反射を繰り返し、出射面２ｂより照度が均一となって出射される。なお、曲面反射面５０ｈで反射された光の一部は、曲面集光反射面５０ｉ等で再度反射され、やがてインテグレータ本体部６０内に入り、出射面２ｂより出射される。

この曲面反射面５０ｈや曲面集光反射面５０ｉは、一体であっても良いし、例えば曲面分割線７０で分割し、複数の曲面片にして、例えばパラボラアンテナのように合体させたものであっても良い。

図９（Ｂ）は、図９（Ａ）の正面図である。図９（Ｂ）に示す例では、分割する場合の曲面分割線７０は４個であるが、さらに曲面分割線７０を多くして分割片すなわち曲面反射面５０ｈを増やし、これを複数組み合わせた多曲面形状としても良い。このような構成とすることによって、光源１がどのようなものであっても、集光に対応することがより容易となる。なお、反射ミラー部５０Ｄの光軸１ａに直角な断面の形状は、円形以外の楕円形、多角形状であっても良い。

本発明の第１の実施の形態に係る中空のロッドインテグレータ２に用いる金属には、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）の金属やその合金、鉄（Ｆｅ）およびその合金のステンレスなどを用いることができる。また、必要に応じて金属表面を、めっき、イオンプレーティング、スパッタリング等で、金、銀、銅、クロム（Ｃｒ）、錫（Ｓｎ）、白金（Ｐｔ）、パラジュウム（Ｐｄ）、ロジュウム（Ｒｈ）等の金属単体あるいはそれらの合金などでコーティングをしても良い。光の反射時には吸熱して温度が上昇するので、金属または合金のなかで、放熱性の高いすなわち熱伝導性の良い材料が好ましい。さらには、中空のロッドインテグレータ２を後述の樹脂（特に耐熱性のある樹脂等）またはガラス等で製作しておいて、上述の金属をコーティングしても良い。

本発明の第２の実施の形態に係る中実のロッドインテグレータ２０の樹脂には、アクリル系、ポリカーボネート系、ポリスチレン系、ポリエチレン系、ポリプロピレン系、ポリエステル系、含フッ素系の樹脂またはこれらの樹脂を配合した樹脂等を用いることができる。特に光を反射する際に熱を吸収するために、耐熱性のある樹脂が好ましい。なお、これらの樹脂へ金属コーティングする際は、上述の金属にコーティングする場合に準じて、コーティングすることが可能である。なお、透明な樹脂の代わりに石英ガラス、硼珪ガラス、フリントガラス、クラウンガラス等の無機の透明性を有するガラスを用いても良い。

上述した各実施の形態および各変形例は、本発明の好適な実施例であるが、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更実施可能である。例えば、インテグレータ本体部６，６０を四角柱状としたが、三角柱や５角以上の多角柱としても良く、また円柱状や断面楕円の柱状としても良い。

また、ロッドインテグレータ２，２０や照射装置１０、１０Ａは、プロジェクタに使用される例を示したが、半導体製造装置、顕微鏡等、照明光学系一般に適用することができる。

本発明の第１の実施の形態に係る照射装置を示す図で、照射装置の光軸を含む面で切断した断面図である。 図１に示す照射装置のロッドインテグレータを示す図で、（Ａ）はその斜視図で、（Ｂ）は、ロッドインテグレータの入射面側から見た正面図である。 図１に示す照射装置中のロッドインテグレータの集光反射ミラーと反射ミラーの関係を示す図である。 図１に示すロッドインテグレータの反射ミラー部の変形例を示す図で、（Ａ）は、第１の変形例を示す図で、（Ｂ）は、第２の変形例を示す図である。 本発明の第２の実施の形態に係る照射装置を示す図で、照射装置の光軸を含む面で切断した断面図である。 図５に示す照射装置に用いられるロッドインテグレータを示す図で、（Ａ）は、その斜視図で、（Ｂ）は、ロッドインテグレータの入射面側から見た正面図である。 図５に示す照射装置のロッドインテグレータ中の反射ミラー部の第１の変形例を示す斜視図である。 図５に示す照射装置のロッドインテグレータ中の反射ミラー部のさらなる変形例を示す図で、（Ａ）は、第２の変形例を示す斜視図で、（Ｂ）は、第３の変形例を示す斜視図である。 図５に示すロッドインテグレータの反射ミラー部の第４の変形例を示す図で、（Ａ）は、ロッドインテグレータの側面図で、（Ｂ）は、正面図である。 従来のロッドインテグレータ（本発明のインテグレータ本体部）の入射面に入射される入射光強度を示す模式図である。 従来のロッドインテグレータ（本発明のインテグレータ本体部）に入射した光が全反射して出射する様子を示す原理図である。 従来の照射装置における、入射光と出射光との共役関係を示す原理図である。 本出願人の開発中の照射装置で、光源がロッドインテグレータの入射面より離れた位置にある様子を示す概念図である。 本出願人の開発中の他の照射装置で、光源がロッドインテグレータに一部挿入された様子を示す概念図である。

符号の説明

１ 光源
２ ロッドインテグレータ
２ａ 入射面
２ｂ 出射面
２ｃ 開口部
５ 反射ミラー部
５ａ 集光反射ミラー
５ｂ つなぎ部（反射ミラー）
６ インテグレータ本体部
５０ 反射ミラー部
５０ａ 集光反射面（集光反射ミラーの反射面）
５０ｂ 反射面（つなぎ部の反射面）
５１ 光源収納部
６０ インテグレータ本体部

Claims (9)

1. 光源からの光を入射し均一の光として出射するロッドインテグレータにおいて、上記光源が挿入される開口部を備える反射ミラー部と、上記反射ミラー部が固定され、上記光源からの光を直接入射すると共に上記反射ミラー部で反射した光を入射するインテグレータ本体部とを有し、上記反射ミラー部には、上記光源からの光であって上記光源の光軸に対して大きな角度を持つ光を反射させる反射面であって、上記光源の光軸に対し交叉する方向に伸び、上記インテグレータ本体部へ光を入射させる反射面を有する集光反射ミラーが設けられていることを特徴とするロッドインテグレータ。
2. 前記反射ミラー部は、１つの前記集光反射ミラーと、前記インテグレータ本体部と前記集光反射ミラーとをつなぐ１つのつなぎ部を備える反射板が複数集まって構成され、前記反射ミラーと前記つなぎ部とは、「へ」の字型形状に一体化して形成されていることを特徴とする請求項１記載のロッドインテグレータ。
3. 前記反射ミラー部と前記インテグレータ本体部は、１枚の板金より形成されていることを特徴とする請求項１または２記載のロッドインテグレータ。
4. 前記反射ミラー部と前記インテグレータ本体部は一体化されると共に、前記開口部が空洞とされ、他の部分が透明な樹脂または無機材料で充実化されていることを特徴とする請求項１記載のロッドインテグレータ。
5. 前記反射ミラー部は、前記インテグレータ本体部の入射面に平行な面が内面に設けられている前記空洞としての光源収納部を備え、前記インテグレータ本体部と前記反射ミラー部は同じ材料で形成されていることを特徴とする請求項４記載のロッドインテグレータ。
6. 前記反射ミラー部は、外面輪郭が５面以上の多面体に形成されていることを特徴とする請求項５記載のロッドインテグレータ。
7. 前記反射ミラー部と前記インテグレータ本体部は、同一な材料で一体形成されていることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項記載のロッドインテグレータ。
8. 前記反射ミラー部と前記インテグレータ本体部は、同一または異なる材料で別体として形成され、両者が固定されていることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項記載のロッドインテグレータ。
9. 請求項１から８のいずれかに記載のロッドインテグレータと、光源と、上記ロッドインテグレータから出射される光を集光させる中継レンズと、この中継レンズを通過した光が照射されるパネル面とを有することを特徴とする照射装置。

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