JP2018137164A - 照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】照射距離に依存せず、均一な照明を実現する。【解決手段】出射面から光を出射する１つのレーザ光源１と、入射面がレーザ光源１の出射面に対向配置された１本の光ファイバ２と、入射面が光ファイバ２の出射面に対向配置され、当該入射面に入射された光の角度分布と照度分布とを変換する球レンズ３と、入射面が球レンズ３の出射面に対向配置されたロッドインテグレータ４とを備えた。【選択図】図１

Description

この発明は、照明用の光を出射する照明装置に関する。

レーザを光源とする照明装置及び当該照明装置を備えたプロジェクタでは、出射した光が均一であることが必要とされる。照明装置で現在主に使用されている白熱灯、蛍光灯及びＬＥＤと異なり、レーザは、スペクトル幅が非常に狭く、単色性が強い。そのため、波長が異なる複数のレーザ光源を使用して白色光を作り出す照明装置では、光が十分に均一化されず、色ムラが発生することがある。

そこで、従来の照明装置では、出射部の後段に、光拡散板やロッドインテグレータを配置している（例えば特許文献１参照）。また、ロッドインテグレータの後段に、当該ロッドインテグレータの出射面での光の照度分布を転写する転写光学系を配置したものもある。

特開２０１６−２１３０７号公報

複数のレーザ光源は、波長、広がり角、設置位置が異なる。そのため、ロッドインテグレータによって出射面での光の照度分布を均一化できたとしても、当該ロッドインテグレータへ入射された際の角度分布は保存されてしまう。そのため、照明装置から照射後の光の照度分布は十分に均一化されず、色ムラが発生するという課題がある。

また、ロッドインテグレータの後段に転写光学系を配置した場合、転写光学系の焦点位置では、ロッドインテグレータの出射面での均一化された光が転写されるため、均一な分布となる。しかしながら、焦点位置以外の照射箇所では、光が均一化されず、色ムラのある分布が発生するという課題がある。

なお、単一波長の光であっても、上記角度分布は保存されてしまうため、上記と同様の課題が生じる。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、照射距離に依存せず、均一な照明を実現できる照明装置を提供することを目的としている。

この発明に係る照明装置は、出射面から光を出射する１つのレーザ光源と、入射面がレーザ光源の出射面に対向配置された１本の光ファイバと、入射面が光ファイバの出射面に対向配置され、当該入射面に入射された光の角度分布と照度分布とを変換するレンズと、入射面がレンズの出射面に対向配置されたロッドインテグレータとを備えたことを特徴とする。

この発明によれば、上記のように構成したので、照射距離に依存せず、均一な照明を実現できる。

この発明の実施の形態１に係る照明装置の構成例を示す図である。 この発明の実施の形態１における球レンズの機能を説明する図である。 この発明の実施の形態１に係る照明装置の動作を説明する図である。 図４Ａ、図４Ｂは、この発明の実施の形態１に係る照明装置での光の強度分布を説明する図であり、図４Ａは光ファイバの出射面での光の強度分布の一例を示す図であり、図４Ｂは光ファイバから出射された後の光の強度分布の一例を示す図（球レンズがない場合）である。 図５Ａ、図５Ｂは、この発明の実施の形態１に係る照明装置での光の強度分布を説明する図であり、図５Ａはロッドインテグレータの入射面での光の強度分布の一例を示す図（球レンズがある場合）であり、図５Ｂはロッドインテグレータの出射面での光の強度分布の一例を示す図（球レンズがある場合）である。 この発明の実施の形態２に係る照明装置の構成例を示す図である。 この発明の実施の形態３に係る照明装置の構成例を示す図である。 この発明の実施の形態４に係る照明装置の構成例を示す図である。

以下、この発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る照明装置の構成例を示す図である。
照明装置は、図１に示すように、１つのレーザ光源１、１本の光ファイバ２、球レンズ３及びロッドインテグレータ４を備えている。

レーザ光源１は、出射面から光を出射する。レーザ光源１としては、例えば、半導体レーザ、固体レーザ又はファイバレーザが用いられる。このレーザ光源１は、単一波長の光を出射する光源が１つ又は複数個組み合わせられて構成される。

光ファイバ２は、入射面がレーザ光源１の出射面に対向配置されている。光ファイバ２は、コアとクラッドから成る細い繊維状のガラス物質であり、レーザ光源１から入射面に入射された光をコア内で全反射させながら導光し、出射面から出射する。
なお、光ファイバ２の出射面は、球レンズ３の入射面側の焦点位置に配置されている。

なお、光ファイバ２のコア径を１ｍｍとし、開口数ＮＡを０．２５とした場合、レーザ光源１を構成する光源の位置が光ファイバ２の開口数ＮＡの範囲内であれば、光ファイバ２の光軸上にない場合でも当該光源からの光を光ファイバ２へ結合できる。よって、レーザ光源１を構成する光源を複数個設置できる。なお、開口数ＮＡは、コア材とクラッド材との屈折率差で決まる。

球レンズ３は、入射面が光ファイバ２の出射面に対向配置されている。球レンズ３は、球状のガラスであり、入射面に入射された光を屈折し、当該光の角度分布と照度分布とを変換する。

図２は、球レンズ３の入射面側の焦点位置ｆにレーザ光源１を設置した場合での球レンズ３の機能を説明する図である。なお、レーザ光源１は、球レンズ３の光軸３１に対して、距離ｘだけ離れた箇所に設置されている。
球レンズ３は、図２に示すように、光軸３１に対して距離ｘだけ離れたレーザ光源１から入射された光を屈折する。この際、球レンズ３により屈折された光の光軸３１に対する角度は、θ’＝ｘ／ｆとなる。また、球レンズ３は、レーザ光源１から光軸３１に対する角度θで入射された光を、球レンズ３の出射面側の焦点位置ｆにおいて、光軸３１に対して距離ｘ’＝θ／ｆだけ離れた位置を通るように屈折する。すなわち、球レンズ３は、レーザ光源１からの光に対し、光軸３１に対する距離ｘの強度分布（照度分布）を光軸３１に対する角度θ’の強度分布（角度分布）に変換し、光軸３１に対する角度θの強度分布（角度分布）を光軸３１に対する距離ｘ’の強度分布（照度分布）に変換する。

なお、球レンズ３は、屈折率が２．０より大きい場合、焦点位置が球レンズ３の内側に入る。そのため、屈折率は２．０以下とすることが望ましい。

図１の説明に戻り、ロッドインテグレータ４は、入射面が球レンズ３の出射面に対向配置されている。ロッドインテグレータ４は、四角柱状のロッドレンズであり、入射面に入射された光を内部で全反射させながら伝播させることで、出射面で光の照度分布を均一化する。
なお、ロッドインテグレータ４の入射面は、球レンズ３の出射面側の焦点位置に配置されている。これにより、光ファイバ２の出射面でのファーフィールドパターンを、ロッドインテグレータ４の入射面に結像できる。

次に、実施の形態１に係る照明装置の動作例について、図３を参照しながら説明する。図３において、面Ａ−Ａ’は光ファイバ２の出射面の位置を示し、面Ｂ−Ｂ’はロッドインテグレータ４の入射面の位置を示し、面Ｃ−Ｃ’はロッドインテグレータ４の出射面の位置を示している。
レーザ光源１から出射された光は、光ファイバ２に入射されて導光された後、光ファイバ２の開口数ＮＡ以下の広がり角で出射される。光ファイバ２から出射された光は、球レンズ３に入射され、この球レンズ３によって、角度分布が照度分布に変換され、照度分布が角度分布に変換される。球レンズ３により角度分布と照度分布とが変換された光は、ロッドインテグレータ４に入射され、内部で全反射を繰り返し、出射される。

次に、実施の形態１に係る照明装置の効果について、図４，５を参照しながら説明する。ここで、図４Ａは光ファイバ２の出射面での光の角度分布及び照度分布を示している。また、図４Ｂは光ファイバ２から出射された後の光の角度分布及び照度分布を示している（球レンズ３がない場合）。また、図５Ａはロッドインテグレータ４の入射面での光の角度分布及び照度分布を示している（球レンズ３がある場合）。また、図５Ｂはロッドインテグレータ４の出射面での光の角度分布及び照度分布を示している（球レンズ３がある場合）。

光ファイバ２から出射される光は、光ファイバ２の内部を全反射しながら伝播する。そのため、図４Ａに示すように、光ファイバ２の出射面での光の角度分布は、０°付近よりも±θ_１°方向の方が強度が強い分布となる。また、照度分布は均一となる。

ここで、球レンズ３を用いない場合、光ファイバ２から出射された後の光は、図４Ｂに示すように、角度分布及び照度分布の両方とも偏りのある分布となる。
従来構成において、図４Ｂに示す分布である光がロッドインテグレータ４に入射して伝播すると、ロッドインテグレータ４の出射面では照度分布が均一となる。しかしながら、ロッドインテグレータ４の出射面での角度分布は、ロッドインテグレータ４に入射された際の角度分布が保存されている。よって、照明装置から照射後の光の照度分布は均一度が低下した分布となる。照射後の分布は、例えばレーザ光源１から出射される光が多波長の場合、各光源の発光面のサイズ、波長、広がり角、設置位置が異なるため、色毎に異なるビーム形の分布となる。また、レーザ光源１から出射される光が単一波長の場合でも、図５Ａに示す角度分布が保存されるため、照射後の照度分布はリング状となる。

一方、光ファイバ２の後段に球レンズ３を配置した場合、ロッドインテグレータ４の入射面は、光ファイバ２の出射面に対し、光ファイバ２から出射された光の角度分布と照度分布とが変換されたフーリエ変換面となる。つまり、光ファイバ２の出射面での光の角度分布がロッドインテグレータ４の入射面での光の照度分布となり、光ファイバ２の出射面での光の照度分布がロッドインテグレータ４の入射面での光の角度分布となる。
よって、ロッドインテグレータ４の入射面での光の角度分布は、図５Ａに示すように、図４Ｂで示した球レンズ３を使用しない場合と比べ、偏りが小さくなり、すなわち、均一化された分布となる。また、ロッドインテグレータ４の入射面での光の照度分布は、図５Ａに示すように、中心が外側よりも強度が低い分布となる。

図５Ａに示すような分布の光がロッドインテグレータ４に入射して伝播すると、ロッドインテグレータ４の出射面では照度分布が均一となる。また、ロッドインテグレータ４の出射面での光の角度分布は、ロッドインテグレータ４に入射された際の角度分布が保存されているため、均一のままとなる。よって、図５Ｂに示すように、ロッドインテグレータ４の出射面では光の角度分布と照度分布の両方が均一となり、照明装置から照射後の光の照度分布も均一化された分布となる。

以上のように、この実施の形態１によれば、出射面から光を出射する１つのレーザ光源１と、入射面がレーザ光源１の出射面に対向配置された１本の光ファイバ２と、入射面が光ファイバ２の出射面に対向配置され、当該入射面に入射された光の角度分布と照度分布とを変換する球レンズ３と、入射面が球レンズ３の出射面に対向配置されたロッドインテグレータ４とを備えたので、照射距離に依存せず、均一な照明を実現できる。
すなわち、光ファイバ２の後段に球レンズ３を設けることで、ロッドインテグレータ４に入射する光の角度分布を均一化でき、ロッドインテグレータ４の出射面での光の角度分布及び照度分布を共に均一化できる。このように、ロッドインテグレータ４の出射面での光の角度分布及び照度分布を均一化できるので、照明装置から出射した光は照射距離に依存せず、色ムラのない均一化された照明が可能となる。

なお上記では、光ファイバ２により出射された光の角度分布と照度分布とを変換するレンズとして、球レンズ３を用いた場合を示した。しかしながら、これに限らず、入射された光の角度分布と照度分布とを変換できるレンズであればよく、例えば、凸レンズ又はシリンドリカルレンズを用いてもよい。
なお、球レンズ３は、凸レンズ及びシリンドリカルレンズと比べ、焦点距離が短い。そのため、球レンズ３を用いることで、球レンズ３と光ファイバ２との間の距離、及び、球レンズ３とロッドインテグレータ４との間の距離を短くでき、照明装置全体を小型化できる。

また上記では、光ファイバ２の出射面での光の角度分布が、図４Ａに示すように、０°付近よりも±θ_１°方向の方が強度が強い場合を示した。しかしながら、これに限らず、０°付近の強度が強い角度分布でも、上記と同様の効果を奏する。

また上記では、ロッドインテグレータ４が、四角柱状のロッドレンズである場合を示した。しかしながら、これに限らず、ロッドインテグレータ４は、入射された光が内部で全反射をするような多角柱状のロッドレンズであればよい。

実施の形態２．
図６はこの発明の実施の形態２に係る照明装置の構成例を示す図である。この図６に示す実施の形態２に係る照明装置では、図１に示す実施の形態１に係る照明装置に対し、球レンズ３とロッドインテグレータ４との間に光拡散素子５を追加している。なお、ロッドインテグレータ４の入射面は、球レンズ３の出射面側の光学的な焦点位置に配置されている。その他の構成は同様であり、同一の符号を付してその説明を省略する。

光拡散素子５は、球レンズ３とロッドインテグレータ４との間に配置されている。光拡散素子５は、入射された光をある決まった拡散角の中で散乱させて均一化する光学素子である。光拡散素子５としては、例えば入射された光を拡散させる拡散板が用いられる。この光拡散素子５は、球レンズ３から出射された光を拡散させる。

なお、球レンズ３の屈折率が１．６よりも大きい場合、球レンズ３とロッドインテグレータ４との間の距離が１ｍｍ以下となり、光拡散素子５の設置が難しくなる。そのため、球レンズ３とロッドインテグレータ４との間に光拡散素子５を設置し易くするため、球レンズ３の屈折率は１．６以下が望ましい。

次に、実施の形態２に係る照明装置の動作例について説明する。
レーザ光源１から出射された光は、光ファイバ２に入射されて導光された後、光ファイバ２の開口数ＮＡ以下の広がり角で出射される。光ファイバ２から出射された光は、球レンズ３に入射され、この球レンズ３によって、角度分布が照度分布に変換され、照度分布が角度分布に変換される。球レンズ３により角度分布と照度分布とが変換された光は、光拡散素子５に入射され、この光拡散素子５によって拡散角以内で拡散される。光拡散素子５により拡散された光は、ロッドインテグレータ４に入射され、内部で全反射を繰り返し、出射される。

このように、球レンズ３とロッドインテグレータ４との間に光拡散素子５を設けることで、ロッドインテグレータ４の入射面での光の照度分布を均一化できる。そして、この均一化された光がロッドインテグレータ４を伝播することで、照度分布が更に均一化できる。

また、光ファイバ２の出射面での光の照度分布に偏りがある場合、ロッドインテグレータ４の入射面での光の角度分布は光軸対称ではなくなる。一方、ロッドインテグレータ４の前段に光拡散素子５を設けることで、ロッドインテグレータ４の入射面での光の角度分布の非対称性を軽減できる。

また、光ファイバ２の出射面の位置又はロッドインテグレータ４の入射面の位置が球レンズ３の焦点位置にない場合、ロッドインテグレータ４の入射面は光ファイバ２の出射面に対してフーリエ変換面とはならない。そのため、この場合には、ロッドインテグレータ４から出射された光は十分に均一化されない。一方、このような場合であっても、ロッドインテグレータ４の前段に光拡散素子５を設けることで、ロッドインテグレータ４の入射面での光の角度分布のムラを軽減でき、ロッドインテグレータ４から出射された光の色ムラを解消できる。

以上のように、この実施の形態２によれば、球レンズ３とロッドインテグレータ４との間に光拡散素子５を配置したので、実施の形態１における効果に加え、ロッドインテグレータ４の出射面での光の照度分布を更に均一化でき、色ムラのない照明が可能となる。

実施の形態３．
図７はこの発明の実施の形態３に係る照明装置の構成例を示す図である。この図７に示す実施の形態３に係る照明装置では、図１に示す実施の形態１に係る照明装置に対し、ロッドインテグレータ４の後段に光拡散素子６を追加している。その他の構成は同様であり、同一の符号を付してその説明を省略する。

光拡散素子６は、ロッドインテグレータ４の出射面に対し、入射面が平行（略平行の意味を含む）に対向配置されている。光拡散素子６は、入射された光をある決まった拡散角の中で散乱させて均一化する光学素子である。光拡散素子６としては、例えば入射させた光を拡散させる拡散板が用いられる。この光拡散素子６は、ロッドインテグレータ４から出射された光を拡散させる。

ここで、ロッドインテグレータ４の入射面と出射面の有効開口によりケラレが発生したり、エッジのチッピングが発生すると、ロッドインテグレータ４の出射面の全範囲を光が透過せず、すなわち、ロッドインテグレータ４から出射された光に部分的に照度が低い箇所が発生する場合がある。それに対し、ロッドインテグレータ４の後段に出射面と平行に光拡散素子６を配置することで、ロッドインテグレータ４の出射面の全範囲を光が透過しない場合でも均一化された光を出射できる。

以上のように、この実施の形態３によれば、ロッドインテグレータ４の出射面に対し、入射面が平行に対向配置された光拡散素子６を備えたので、実施の形態１における効果に加え、ロッドインテグレータ４の出射面の全範囲を光が透過しない場合でも、均一化された光を出射でき、照明装置から出射された光は照射距離に依存せず均一化した照明が可能となる。

なお上記では、図１に示す実施の形態１に係る照明装置に光拡散素子６を追加した場合を示した。しかしながら、これに限らず、図６に示す実施の形態２に係る照明装置に光拡散素子６を追加してもよい。

実施の形態４．
図８はこの発明の実施の形態４に係る照明装置の構成例を示す図である。この図８に示す実施の形態４に係る照明装置では、図１に示す実施の形態１に係る照明装置に対し、レーザ光源１を複数設け、当該複数のレーザ光源１と光ファイバ２との間に１枚の集光用レンズ７を追加している。その他の構成は同様であり、同一の符号を付してその説明を省略する。

複数のレーザ光源１は、互いに異なる波長（色）の光を出射する。図８では、４台のレーザ光源１（１ａ〜１ｄ）を設けた場合を示している。このレーザ光源１により出射されたレーザ光は集光用レンズ７に入射される。

集光用レンズ７は、集光面が複数のレーザ光源１の出射面に対向配置されている。この集光用レンズ７は、各レーザ光源１により出射されたレーザ光を空間伝播で集光し、１本の光ファイバ２へ結合させる。

次に、実施の形態４に係る照明装置の動作例について説明する。
複数のレーザ光源１から出射された光は、集光用レンズ７によって、１本の光ファイバ２の入射面に集光される。この集光用レンズ７により集光された光は、光ファイバ２に入射されて導光された後、光ファイバ２の開口数ＮＡ以下の広がり角で出射される。光ファイバ２から出射された光は、球レンズ３に入射され、この球レンズ３によって、角度分布が照度分布に変換され、照度分布が角度分布に変換される。球レンズ３により角度分布と照度分布とが変換された光は、ロッドインテグレータ４に入射され、内部で全反射を繰り返し、出射される。

ここで、複数のレーザ光源１から出射された光を空間伝播で集光させ、１本の光ファイバ２に入射させる場合、光ファイバ２への入射角度が各レーザ光源１の設置位置に依存する。よって、各レーザ光源１から出射された光を個々に光ファイバで伝播して１本の光ファイバ２に結合する場合と比べ、各レーザ光源１から出射された光の光ファイバ２への入射角度の差異が大きくなる。
そのため、従来構成では、ロッドインテグレータの出射面での光の照度分布は均一化されるが、ロッドインテグレータへ入射された際の角度分布は保存されるため、伝播後は角度分布に依存した偏りのある分布となり、色ムラのある照明となってしまう。

一方、実施の形態１における球レンズ３及びロッドインテグレータ４を用いた構成では、ロッドインテグレータ４の入射面を光ファイバ２の出射面に対してフーリエ変換面とすることができる。よって、ロッドインテグレータ４への入射角度の偏りがなくなり、ロッドインテグレータ４の出射面での光の照度分布だけではなく、照明装置から照射後の照度分布も均一化されるため、色ムラのない照明が可能となる。よって、複数のレーザ光源１から出射された光を空間伝播させて１本の光ファイバ２へ入射させる場合でも、照明装置から出射された光の照度分布は、照射距離に依存せず均一化できる。

以上のように、この実施の形態４によれば、複数のレーザ光源１から出射された光を集光し、光ファイバ２へ入射させる集光用レンズ７を用いた照明装置であっても、実施の形態１と同様の効果を奏する。

なお上記では、実施の形態１の構成に対し、複数のレーザ光源１に変更し、集光用レンズ７を追加した構成を示した。しかしながら、これに限らず、実施の形態２，３の構成に対し、複数のレーザ光源１に変更し、集光用レンズ７を追加してもよい。

また上記では、４台のレーザ光源１を用いた場合を示したが、レーザ光源１の台数はこれに限らず、複数台であればよい。

なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。

１，１ａ〜１ｄ レーザ光源、２ 光ファイバ、３ 球レンズ、４ ロッドインテグレータ、５，６ 光拡散素子、７ 集光用レンズ、３１ 光軸。

Claims (11)

1. 出射面から光を出射する１つのレーザ光源と、
   入射面が前記レーザ光源の出射面に対向配置された１本の光ファイバと、
   入射面が前記光ファイバの出射面に対向配置され、当該入射面に入射された光の角度分布と照度分布とを変換するレンズと、
   入射面が前記レンズの出射面に対向配置されたロッドインテグレータと
   を備えた照明装置。
2. 出射面から光を出射する複数のレーザ光源と、
   集光面が前記複数のレーザ光源の出射面に対向配置された集光用レンズと、
   入射面が前記集光用レンズの出射面に対向配置された１本の光ファイバと、
   入射面が前記光ファイバの出射面に対向配置され、当該入射面に入射された光の角度分布と照度分布とを変換するレンズと、
   入射面が前記レンズの出射面に対向配置されたロッドインテグレータと
   を備えた照明装置。
3. 前記レーザ光源は、半導体レーザ、固体レーザ又はファイバレーザである
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の照明装置。
4. 前記光ファイバの出射面は、前記レンズの入射面側の焦点位置に配置された
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の照明装置。
5. 前記光ファイバは、コア径が１ｍｍであり、開口数が０．２５である
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の照明装置。
6. 前記レンズは、屈折率が２．０以下である
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の照明装置。
7. 前記ロッドインテグレータの入射面は、前記レンズの出射面側の焦点位置に配置された
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の照明装置。
8. 前記レンズと前記ロッドインテグレータとの間に配置された光拡散素子を備えた
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の照明装置。
9. 前記レンズは、屈折率が１．６以下である
   ことを特徴とする請求項８記載の照明装置。
10. 前記光拡散素子は、拡散板である
    ことを特徴とする請求項８記載の照明装置。
11. 前記ロッドインテグレータの出射面に対し、入射面が平行に対向配置された光拡散素子を備えた
    ことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の照明装置。

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