JP4242810B2

JP4242810B2 - 導光部材、照明装置、プロジェクタ

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Description

本発明は、導光部材、照明装置、プロジェクタに関するものである。

従来、特定箇所に効率良く照明する集光照明装置、例えば車のヘッドライト、スタンド照明、スポットライト、懐中電灯、データプロジェクタ用照明ユニット等は、相対的により点光源に近い発光源を反射形状が工夫された反射ユニットに反射させ、また反射した光を光学レンズ等により光束の指向性を高めると言った比較的単純な方法により通常集光性能が高い照明を行なおうとしている。

一般照明も同様であるが、装置そのもののサイズをさほど大きくせずに、これらの集光性能を高め、より明るい照明光を得たいとする欲求は高い。しかしながら一般的には、より明るい照明光を得るために、サイズは大きくなる傾向にあるが、発光源の印加電力を大きくし出力を高め、或いはその集光性能を高めるために発光源に対し相対的に拡大した反射ユニット或いは光学レンズを適用するようにしている。

従って、集光効率良く明るさを得ようとするには照明装置のサイズは必然的に発光源に対し大きくならざるを得ない。換言すれば、高出力で且つ点光源に近い小型発光源があれば、照明装置全体も小型化が可能となる。そのような要求から従来方式においても発光源の小型化が進められており、特に高出力が可能な放電タイプによる小型発光源が現在有力な手段となっている。但し、小型放電タイプの発光源であっても回路規模を小さくすることが困難な高圧電源による駆動が必要であるなど、照明装置トータルとしての小型化に対する課題も多く、既にほぼ限界に近づいてきていると言われている。

一方、次世代小型発光源として発光ダイオード（以下、ＬＥＤ）が昨今著しい注目を浴びている。これまでＬＥＤと言えば、小型、高耐性、長寿命などの長所はあるものの、その発光効率及び発光出力の制約から各種計器類用インジケータ照明や制御状態の確認ランプとしての用途が主であった。しかしながら近年発光効率が急速に改善されつつあり、従来最も高効率とされている放電タイプの高圧水銀ランプや蛍光燈ランプの発光効率を超えるのは時間の問題であると言われている。この高効率高輝度ＬＥＤの出現により、ＬＥＤによる高出力発光源が急速に実用性を帯びてきている。また最近になり従来の赤色、緑色に加えて青色ＬＥＤが実用段階を向かえたこともその応用を加速させている。事実、この高効率高輝度ＬＥＤを複数用いることにより、これまでは明るさ或いは効率の点で不可能であった交通信号灯、屋外用大型フルカラーディスプレイ、自動車の各種ランプ、携帯電話の液晶表示のバックライトへの実用化が始まっている。

このようなＬＥＤの優れた適用条件に着目し、ＬＥＤをプロジェクタ表示装置用の照明装置として適用した例がある。これらは複数のＬＥＤを構成することにより光量を確保し、個々の発光源からの一部の光束を光学レンズ等の光学素子により集光し、照射する光変調素子が許容する入射角に上手く納まるように光束制御するようにしている。このようなＮＡを小さくなるように変換する所謂平行性の高い光を得る工夫としては、特許第3048353、特開２０００−２３１３４４などが挙げられる。一般に広く使われている液晶デバイスのような光変調素子は、照明光として許容される入射角が非常に小さいため、単なる集光性能のみならず、より平行性の高い光束を形成し照射されることが理想とされ、光変調素子における光利用効率を高める上で非常に重要なポイントとなっている。
特許第３０４８３５３号公報特開２０００−２３１３４４号公報

しかし、上記のようにＬＥＤを発光源として用いようとする場合、点光源ではなく面発光の拡散光源として扱わねばならないと言う制約から発光する光をレンズ等の光学素子を使って、点光源の場合のように効率良く容易に集光し平行性を高めた光束を得ることが理論上非常に困難になってくる。さらに、光量を確保するためには必然的に多数のＬＥＤを構成することが必要になってくるが、その分構成サイズが大きくなることから複数ＬＥＤの光を合成して平行性を高めた光束を得ることが一層困難になってくる。このことは、ＬＥＤが優れた小型光源として多くの特性を備えながらも、より効率良く集光し平行性を高めた光束を得たいと言う目的からは、さらに遊離していく結果となっている。

即ち、ＬＥＤは小型光源で且つ元来有する数々の優位性に加え、高輝度かつ高効率化に向けて進化していくと言う好材料を備えながら、所定部位に集光性、平行性を高めた効率の良い照明が必要な装置に対しては、非常に適用し難いと言う根本的問題を残していた。

本発明は、このような課題に着目してなされたものであり、その目的とするところは、ＬＥＤ等の発光体を用いた場合に困難とされてきた、集光性、平行性に優れ、且つ非常に明るい照明光を得ると言う根本的課題を解決し、拡散された光を効率よく取り込むことができる導光部材、照明装置、プロジェクタを提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明の第１の態様に係る導光部材は、光源が射出する拡散光の略中心を中心軸とし、前記拡散光を導光する導光部材であって、入射端面と、前記入射端面よりも面積の大きい出射端面と、少なくとも前記入射端面に入射した前記拡散光を前記出射端面まで内面反射によって導く全反射面と、で構成されるテ−パーロッドと、前記中心軸から前記全反射面までの距離よりも遠い位置に配置され、前記テーパーロッドを被う反射面または反射層で構成されるパイプと、を有し、前記パイプは、前記テーパーロッドを被うミラー反射面で構成され、前記ミラー反射面と前記中心軸までの距離は、前記テーパーロッドの入射端面側よりも出射端面側の方が長いテーパーパイプであり、前記中心軸に対する前記ミラー反射面の勾配角τ ₁ は、前記中心軸に対する前記全反射面の勾配角τ ₂ よりも小さく且つ勾配角τ ₁ 、τ ₂ は正の値である。

また、本発明の第２の態様に係る導光部材は、第１の態様に係る導光部材において、前記テーパーロッドの媒質の屈折率ｎ _g は、前記パイプと前記テーパーロッドとの間隙の媒質の屈折率ｎ _a よりも大きい。

また、本発明の第３の態様に係る導光部材は、第１の態様に係る導光部材において、前記テーパーロッドの媒質はガラスであり、前記パイプと前記テーパーロッドとの間隙の媒質は空気である。

また、本発明の第４の態様に係る導光部材は、第１の態様に係る導光部材において、前記テーパーロッドの媒質はプラスチックであり、前記パイプと前記テーパーロッドとの間隙の媒質は空気である。

また、本発明の第５の態様に係る導光部材は、第１の態様に係る導光部材において、前記テーパーロッドの出射端面部における、前記中心軸から前記全反射面までの距離と前記中心軸から前記ミラー反射面までの距離とは略等しい。

また、本発明の第６の態様に係る導光部材は、第５の態様に係る導光部材において、前記テーパーパイプと前記テーパーロッドとは、前記テーパーロッドの出射端面部における前記ミラー反射面と前記全反射面裏面とを接着する接着剤によって保持されている。

また、本発明の第７の態様に係る導光部材は、第１の態様に係る導光部材において、前記パイプの反射面または反射層は、少なくとも前記テーパーロッドの入射端面部周囲を覆うように構成されている。

また、本発明の第８の態様に係る導光部材は、第１の態様に係る導光部材において、前記中心軸方向の前記パイプの長さは、前記中心軸方向の前記テーパーロッドの長さよりも長い。

また、本発明の第９の態様に係る導光部材は、第１の態様に係る導光部材において、前記テーパーロッドの出射端面から射出する拡散光の前記中心軸からの最大拡散角度αの要求値と、前記テーパーロッドの出射端面の面積Ｓ _o の要求値を満足するように、前記中心軸に対する前記ミラー反射面の勾配角τ ₁ 、前記中心軸に対する前記全反射面の勾配角τ ₂ 、前記出射端面に導かれる拡散光のうち光源から射出する際の前記中心軸からの最大拡散角度α、前記テーパーロッドの入射端面の面積Ｓ _i の各値を設定する。

また、本発明の第１０の態様に係る導光部材は、第９の態様に係る導光部材において、上記設定をする際に、各値は以下の条件式を満足するように設定される。
ｓｉｎ ^-1 ｛（ｎ _a ／ｎ _g ）ｃｏｓ（−α＋２τ ₁ −τ ₂ ）｝＋２τ ₂ ＞θ ₀
θ ₀ ＝ｓｉｎ ^-1 （ｎ _a ／ｎ _g ）
ただし、ｎ _a ＜ｎ _g 、０＜ α，τ ₁ ，τ ₂ ＜ π／２、τ ₁ ＜τ ₂ 、
θ ₀ は臨界角である。

また、本発明の第１１の態様に係る導光部材は、第９の態様に係る導光部材において、前記中心軸からの最大拡散角度αで光源から射出する拡散光が入射する領域にのみ、前記勾配角τ ₁ よりも大きな角度の勾配角τ ₀ のミラー反射面を更に有する。

また、本発明の第１２の態様に係る照明装置は、第１の態様の導光部材を用いた照明装置であって、少なくとも前記テーパーロッドの入射端面に入射する拡散光を射出する光源と、前記光源を、前記テーパーロッドおよび／または前記パイプに対して固定する保持手段とを有する。

また、本発明の第１３の態様に係る照明装置は、第１の態様の導光部材を用いた照明装置であって、少なくとも前記テーパーロッドの入射端面に入射する拡散光を射出する光源と、前記光源を、前記パイプに対して固定する保持手段と、を有し、前記パイプは前記光源のリフレクタとして構成されている。

また、本発明の第１４の態様に係る照明装置は、第１２または第１３の態様に係る照明装置において、請求項１記載の導光部材を用いた照明装置であって、前記光源は、ＬＥＤの発光体である。

また、本発明の第１５の態様に係る照明装置は、第１２または第１３の態様に係る照明装置において、前記テーパーロッドの全反射面で内面反射され出射端面まで導かれる拡散光には、前記光源から射出した後に直接テーパーロッド内に入射した拡散光の他に、前記光源から射出した後に前記ミラー反射面で反射してからテーパーロッド内に入射した拡散光も含まれる。

また、本発明の第１６の態様に係る照明装置は、第１２または第１３の態様に係る照明装置において、前記テーパーロッドの全反射面で内面反射され出射端面まで導かれる拡散光には、前記光源を射出し前記入射端面に入射した拡散光の他に、前記光源を射出し前記テーパーロッドの側面から内部に入射する拡散光も含まれる。

また、本発明の第１７の態様に係る照明装置は、第１２または第１３の態様に係る照明装置において、前記パイプの反射面または反射層は、前記光源が射出した拡散光を反射した反射光が、前記テーパーロッドの内面を反射して出射端面まで導ける角度で前記テーパーロッドの入射端面、および／または側面に入射するように反射面または反射層の勾配角τ1 が設定されている。

また、本発明の第１８の態様に係る照明装置は、第１２または第１３の態様に係る照明装置において、前記テーパーロッドの側面に入射する反射光を反射した前記パイプの反射面または反射層は、前記側面でのフレネル反射を抑制するように、前記中心軸に対する前記反射面の勾配角τ ₁ が負の値である。

また、本発明の第１９の態様に係る照明装置は、第１２または第１３の態様に係る照明装置を用いたプロジェクタであって、更に、入力された映像情報に応じて前記テーパーロッドの出射端面から射出した照明光を変調する空間変調手段と、前記空間変調手段で変調した照明光をスクリーン等へ投影する投影光学手段とを有する。

本発明によれば、集光性、平行性に優れ、且つ非常に明るい照明光を得ることが可能になり、拡散された光を効率よく取り込むことができる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。図１（Ａ）、（Ｂ）は、本発明の導光部材としてのＮＡ変換光学素子の第１の構成例を示す図である。ここでのＮＡ変換光学素子は、ベースブロック４上に配置された発光体としてのＬＥＤ（光源）１が射出する拡散光７の略中心を中心軸１−１として拡散光７を導光するものであり、内面が鏡面反射するように形成されたテーパ−パイプ３と、このテーパ−パイプ３の内部に配置され、全面がＡＲコートされたテーパ−ロッド２とからなるダブルテーパー素子である。５は、テーパーロッド２とテーパーパイプ３との間隙である。

テーパ−ロッド２は、ＬＥＤ１側に向けられた、面積Ｓ_iを有する入射端面２−１と、入射端面２−１の面積Ｓ_iよりも大きい面積Ｓ_oを有する出射端面２−２と、少なくとも入射端面２−１に入射した拡散光７を出射端面２−２まで内面反射によって導く側面（全反射面）２−３とで構成される。

テーパーパイプ３は、入射端面３−１と、中心軸１−１から全反射面２−３までの距離よりも遠い位置、すなわち、テーパ−ロッド２の外部に配置されてテーパーロッド２を被う例えばミラー反射面３−１または反射層とを備えている。テーパーパイプ３のミラー反射面３−１と中心軸１−１までの距離は、テーパーロッド２の入射端面２−１側よりも出射端面２−２側の方が長い。なお、６はレンズである。

また、テーパーロッド２の出射端面２−２周辺における、中心軸１−１から全反射面２−３までの距離と、中心軸１−１からミラー反射面３−２までの距離とは略等しくなっている。

このような構成によれば、ＬＥＤ１から射出された拡散光７の多くは入射端面２−１を介してテーパーロッド２内に入射されるが、拡散光７の他の一部はテーパーパイプ３のミラー反射面３−２で反射された後、テーパーロッド２の側面を介してテーパーロッド２内部に入射されることになる。したがって、拡散光から効果的により多くの発光量を得ることができ、得られた光をさらに効果的にＮＡ変換し、明るく平行性の高い照明光を得ることができる。

以下に図２を参照してテーパー勾配の設定条件について説明する。図２は、テーパーパイプ３とＬＥＤ１の位置関係が図１とは多少異なっているが、説明の本質を損なうものではない。

ここでは図２に示すように、ＬＥＤ１から中心軸１−１に対して最大拡散角度αで媒質（ここでは空気）の絶対屈折率がｎ_aの間隙５に出射された拡散光７がテーパーパイプ３の側面に入射角βで入射し、反射角βで反射された後、テーパーロッド２の側面に入射角γで入射し、媒質（ここではガラス）の絶対屈折率がｎ_gのロッド内部に屈折角ζで透過され、その後、入射角θでテーパーロッド２の他の側面に入射し、その後反射される。ここで、τ₁は、中心軸１−１に対するテーパーパイプ３の勾配角、τ₂は、中心軸１−１に対するテーパーロッド２の勾配角であり、αとの関係で決まる。ここでは、τ₁，τ₂は正の値であり、τ₁＜τ₂である。また、ｎ_a＜ｎ_gであり、例えば、ｎ_a＝１（空気）であり、ｎ_g＝１．５（ガラス）である。また、θ₀は、ロッド内部の媒質の屈折率で決まる全反射条件を満足する臨界角であり、θ＞θ₀でなければならない。ロッド内部の媒質はプラスチックであってもよい。さらに、０＜α、β、γ、ζ、θ、τ₁、τ₂＜π／２である。

図２より、
β＝（π／２−α）＋τ₁ …（１）
γ＝β＋τ₁−τ₂ …（２）
ｎ_a・ｓｉｎ γ＝ｎ_g・ｓｉｎ ζ …（３）
上記式（１）〜（３）より、
ζ＝ｓｉｎ^-1｛（ｎ_a／ｎ_g）ｃｏｓ（−α＋２τ₁−τ₂）｝…（４）
が成り立つ。

θ＝ζ＋２τ₂＞θ₀…（５）であるが、これに、式（４）で求めたζを代入すると、
θ＝ｓｉｎ^-1｛（ｎ_a／ｎ_g）ｃｏｓ（−α＋２τ₁−τ₂）｝＋２τ₂＞θ₀
…（６）
となる。テーパーロッド２の内部に入射した光線が全反射して出射面に到達するためには、式（６）の関係を満たすように、テーパー勾配τ₁、τ₂が決定されねばならない。

また、ｎ_g・ｓｉｎ θ₀＝ｎ_a …（７）が成り立つことより、
θ₀＝ｓｉｎ^-1（ｎ_a／ｎ_g） …（８）となり、臨界角θ₀は、２つの媒質の絶対屈折率ｎ_a、ｎ_gで決まる値であることがわかる。

以下に、テーパー勾配の設定手順を説明するが、ここでは、ＬＥＤから出射された拡散光が図３に示すような光路に従って進行する場合を想定する。すなわち、ＬＥＤ１からの拡散光７が中心軸１−１に対して最大拡散角度αで出射されてテーパーパイプ３の側面で反射され、立体角Ω_iでテーパーロッド２の内部に入射された後、全反射しながら進行して最終的に中心軸１−１に対してα’（立体角Ω_o）で出射端面２−２から出射される。

以下に図４を参照して各パラメータの設定手順を説明するが、ここでは、まず立体角Ω₀（ＮＡ）を仮設定し、これに基づいて各パラメータを求めていくこととする。まず、所望の立体角Ω₀（ＮＡ）を仮設定する（ステップＳ１）。次に、テーパーロッド２の入射端面２−１の面積Ｓ_iと、出射端面２−２の面積Ｓ₀とを仮設定する（ステップＳ２）。次に、仮設定値としての面積Ｓ_i及びＳ₀から勾配角τ₂を決定し、上記した制約条件τ₁＜τ₂を満たすように勾配角τ₁を決定する（ステップＳ３）。次に、テーパーロッド２の媒質ｎ_gと、は、テーパーロッド２とテーパーパイプ３との間隙５の媒質ｎ_aから、上記した式（８）を用いて臨界角θ₀を求める（ステップＳ４）。

次に、臨界角θ₀、勾配角τ₁、τ₂、屈折率ｎ_a、ｎ_gから、式（６）を用いて許容光線角（最大拡散角度）αを求める（ステップＳ５）。次に、求めた許容光線角αからなる立体角をテーパーロッド２の入射許容立体角Ω_i’とおき、算出式：Ω_i’×Ｓ_i＝Ω_o’×Ｓ_oから、立体角Ω_o’を求める（ステップＳ６）。次に、立体角Ω_o’（ＮＡ）は所望する出射光の立体角（ＮＡ）を満たすか否かを判断し（ステップＳ７）、ＮＯの場合には、立体角Ω_oを立体角Ω_o’よりも小さくなる値で再設定し（ステップＳ８）、その後、ステップＳ２に戻って上記した工程を繰り返す。そして、ステップＳ７の判断がＹＥＳになったときに処理を終了する。

図５は、ＬＥＤから出射される光線の光路の変形例を示す図である。この変形例では、ＬＥＤ１から発せられた拡散光のうち、テーパーパイプ３で反射した拡散光がテーパーロッド２内部を一度突き抜けて、テーパーパイプ３で再度反射し、この拡散光が再びテーパーロッド２に入射して、その後はテーパーロッド２内を全反射して出射面２−２から出射するようになっている。

図６は、テーパー勾配の設定条件の他の例を説明するための図である。図６は、ＬＥＤ１から出射される拡散光がさらに急峻な最大拡散角度αで拡散された場合のようすを示している。ここでは、このような場合でも拡散光がテーパーパイプ３に入射されるようにするために、テーパーパイプ３の側面の勾配角τ₁よりも大きな勾配角τ₀をもつミラー反射面Ｘを設けている。勾配角τ₀を考慮したときの設定条件は以下のようになる。

ｓｉｎ^-1｛（ｎ_a／ｎ_g）ｃｏｓ（−α＋２τ₀−τ₂）｝＋２τ₂＞θ₀
…（６)'
θ₀＝ｓｉｎ^-1（ｎ_a／ｎ_g） …（８）'
ここで、ｎ_a、ｎ_gは、媒質の絶対屈折率であり、ここでは、ｎ_a＜ｎ_g
なお、０＜α、β、γ、ζ、θ、τ₀、τ₁、τ₂＜π／２である。

τ₀、τ₁は、テーパーパイプ３、τ₂はテーパーロッド２の勾配角であり、αとの関係で決まる。また、τ₁＜τ₀、τ₂でなければならない。

図７は、テーパーロッド２の勾配は正（τ₂＞０）であるが、テーパーパイプ３の勾配に負の値（−τ₁）をもたせて逆テーパー形状にしたことを特徴とする。このような構成によれば、テーパーロッド２の側面でのフレネル反射を抑制することが可能となる。

図８（Ａ）、（Ｂ）は、本発明の導光部材としてのＮＡ変換光学素子の第２の構成例を示す図である。この構成例では、テーパーロッド２の入射端面が尖鋭化されているのでＬＥＤ１から射出される拡散光が直接テーパーロッド２に入射されず、いったんテーパーパイプ３で反射され、その後、テーパーロッド２の側面から入射される。

図９（Ａ）、（Ｂ）は、本発明の導光部材としてのＮＡ変換光学素子の第３の構成例を示す図である。この構成例では、テーパーパイプ３の代わりに、入射端面３０−１から出射端面３０−２まで同じ太さをもつストレートパイプ３０を使用し、テーパーロッド２の代わりに複数の段差部をもつ多段テーパーロッド２０を使用してＮＡ変換光学素子を構成したことを特徴とする。

図１０は、テーパー保持方法について説明するための図である。ここでは、テーパーロッド２とテーパーパイプ３とは、テーパーロッド２の出射端面２−２周辺において、ミラー反射面３−２と全反射面２−３裏面とを接着剤８によって接着することにより保持されている。この構成では、テーパーロッド２の出射端面２−２周辺における、中心軸１−１から全反射面２−３までの距離と、中心軸１−１からミラー反射面３−２までの距離とが略等しくなる。このように、ミラー反射面３−２と全反射面２−３裏面とを接着剤８によって接着することによりＮＡが小さい光線部分での接着なので漏れ光を少なくすることができる。

図１１は、本発明の導光部材としてのＮＡ変換光学素子の第４の構成例を示す図である。前記した実施形態、例えば図１の構成によれば、ＬＥＤ１からの拡散光の一部を反射させた後、テーパーロッド２の入射端面２−１付近の側面に入射させるためのテーパーパイプ３の構造は、テーパーロッド２の側面をほぼ包囲するような構造になっていた。このような構造は、図５に示す例のように、いったん拡散光がテーパーロッド２を突き抜けてテーパーパイプ３で反射し、再びテーパーロッド２に入射する場合に有効となる。しかしながら、拡散光が一度だけテーパーパイプ３に反射し、その後、テーパーロッド２に入射するだけであっても効果は十分期待できる。

図１１の構成はそのような考えに基づき、テーパーパイプとして機能するリフレクター９を、少なくともテーパーロッド２の入射端面２−１の周囲を覆うようにＬＥＤ１に固定している。このような構成によれば、ＬＥＤ１からの拡散光は、リフレクター９に一度だけ反射してテーパーロッド２に入射することとなる。

光量損失が極めて少なくするために、リフレクター９の内側側面には高反射率の鏡面コートが施されている。リフレクター９の側面形状は、多面体のように平面で構成されていても良いし、曲面で構成されていてもよい。この側面形状、大きさ、ＬＥＤとの相対位置関係は、図２乃至図４で説明した方法に準じて決定することができる。

図１２は、図１１で説明した構成の変形例であり、リフレクター９を曲面で形成したことを特徴とする。リフレクター９の反射面を任意の曲面で形成することにより、リフレクター９に入射する光線のそれぞれの位置や角度に応じて反射角を制御することができ、その反射光線がテーパーロッド２側面に入射した後、多くの光線が全反射条件を満足してテーパーロッド２の出射端面２−２に導光されるように形状を設計することができる。

以下に、本発明のＮＡ変換光学素子の応用例について説明する。図１３（Ａ）、（Ｂ）は、本ＮＡ変換光学素子を回動式の照明装置に適用した例を示している。本発明のＮＡ変換光学素子を採用することにより装置が大型になることなしにＮＡ変換効率を向上させることができる。

この照明装置で用いられるＬＥＤ発光チップ１０３は、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）色の発光を実現するために、３個のＲ用ＬＥＤ発光チップ１０３Ｒと、１個のＢ用ＬＥＤ発光チップ１０３Ｂと、４個のＧ用ＬＥＤ発光チップ１０３Ｇを１組として、２組のＬＥＤ発光チップをリング状に配置している。このようなリングの内側には、回転モータ１０８により回転されるロッド支持部１０７により支持され、ダブルテーパー素子１００とプリズム１０４の組と、ダブルテーパー素子１０１とプリズム１０５の組から構成される一体可動部が収納されている。

この一体可動部をロッド支持部１０７を介して回転させながら、各ＬＥＤ発光チップ１０３Ｒ、１０３Ｂ、１０３Ｇを順次切り替えてパルス発光させる。すると、上記回転に伴って変化するダブルテーパー素子１００，１０１に対応するＬＥＤが発光し、そのＬＥＤからの拡散光がダブルテーパー素子１００，１０１、プリズム１０４，１０５により導光され、その後、一体可動部に隣接して配置されたテーパーロッド１０６に入射される。拡散光はテーパーロッド１０６内を全反射しながら進行し、出射端１０６−１から出射される。

図１４（Ａ）、（Ｂ）は、本ＮＡ変換光学素子を回動式の照明装置に適用した他の例を示している。ここでは可動部をダブルテーパー素子１００とプリズム１０４の組のみから構成し、図１３のテーパーロッド１０６の代わりにダブルテーパー素子１０９を配置したことを特徴とする。

図１５は、本ＮＡ変換光学素子を回動部をもたない照明装置に適用した例を示している。この構成は、４つのＬＥＤパッケージ２００〜２０３を矩形状に配置し、各ＬＥＤパッケージ２００〜２０３に隣接して４つのダブルテーパー素子３００〜３０３を導光部材として配置する。さらに、各ダブルテーパー素子３００〜３０３から導光された光線を均一に混合して出射面３０４−１から出射するために空間変調手段としてのインテグレータロッド３０４を配置する。

図１６は、図１５で説明した照明装置をプロジェクタに適用した例を示している。照明装置のインテグレータロッド３０４の出射面３０４−１に、偏光板３０５、液晶表示デバイス３０６、カラーモザイクフィルタ３０８、偏光板３０７を順に配置し、さらにその後段に投影光学手段としての投影レンズ３０９を配置して光線をスクリーン３１０に投影するようになっている。なお、液晶表示デバイス３０６はカラーモザイクフィルタ３０８ではなく、モノクロであって、ＬＥＤをＲ→（Ｇ１＋Ｇ２）→Ｂの面順次照明とし、それに同期して変調するようにしてもよい。

図１７は、本発明のＮＡ変換光学素子を適用したＬＥＤパッケージ構造を示す図である。ＬＥＤパッケージ４０２は、熱伝導ブロック４０５上にＬＥＤ発光チップ４００、電極４０１、４０４を配置し、これらをテーパーロッド２とテーパーパイプ３とからなるダブルテーパー素子といっしょに導光樹脂４０３により封止した構成である。これにより、光源としてのＬＥＤ発光チップ４００は、テーパーロッド２及びテーパーパイプ３に固定される。導光樹脂４０３は、ＬＥＤ発光チップ４００が射出した拡散光をテーパーロッド２の入射端面まで導光する役目をもつ。ここで、テーパーパイプ３は中空であり、テーパーロッド２は中密で媒質の屈折率は空気よりも大きい。導光樹脂４０３は、シリコン系透明樹脂あるいはエポキシ系透明樹脂からなるが、その屈折率はテーパーロッド２の媒質の屈折率と略同等である。中心軸１−１方向のテーパーパイプ３の長さは、中心軸１−１方向のテーパーロッド２の長さよりも長くなっている。

上記した実施形態によれば、ＬＥＤ等の発光体を用いた場合に困難とされてきた、集光性、平行性に優れ、且つ非常に明るい照明光を得ると言う根本的課題を解決し、拡散された光を効率よく取り込むことができる。

本発明の導光部材としてのＮＡ変換光学素子の第１の構成例を示す図である。テーパー勾配の設定条件について説明するための図である。テーパー勾配の設定について説明するための図である。各パラメータの設定手順を示すフローチャートである。ＮＡ変換光学素子の基本光路以外の光線光路を示す図である。テーパー勾配の設定条件の他の例を説明するための図である。 τ₁≦０、τ₂＞０の場合の拡散光７の光路を示す図である。本発明の導光部材としてのＮＡ変換光学素子の第２の構成例を示す図である。本発明の導光部材としてのＮＡ変換光学素子の第３の構成例を示す図である。テーパー保持方法について説明するための図である。本発明の導光部材としてのＮＡ変換光学素子の第４の構成例を示す図である。図１１で説明した構成の変形例を示す図である。本ＮＡ変換光学素子を回動式の照明装置に適用した例を示す図である。本ＮＡ変換光学素子を回動式の照明装置に適用した他の例を示す図である。本ＮＡ変換光学素子を回動部をもたない照明装置に適用した例を示す図である。図１５で説明した照明装置をプロジェクタに適用した例を示す図である。本発明のＮＡ変換光学素子を収納したＬＥＤパッケージ構造を示す図である。

符号の説明

１…ＬＥＤ、２…テーパーロッド、３…テーパーパイプ、４…ベースブロック、５…間隙、６…レンズ、７…拡散光。

Claims

光源が射出する拡散光の略中心を中心軸とし、前記拡散光を導光する導光部材であって、
入射端面と、前記入射端面よりも面積の大きい出射端面と、少なくとも前記入射端面に入射した前記拡散光を前記出射端面まで内面反射によって導く全反射面と、で構成されるテ−パーロッドと、
前記中心軸から前記全反射面までの距離よりも遠い位置に配置され、前記テーパーロッドを被う反射面または反射層で構成されるパイプと、を有し、
前記パイプは、前記テーパーロッドを被うミラー反射面で構成され、前記ミラー反射面と前記中心軸までの距離は、前記テーパーロッドの入射端面側よりも出射端面側の方が長いテーパーパイプであり、
前記中心軸に対する前記ミラー反射面の勾配角τ ₁ は、前記中心軸に対する前記全反射面の勾配角τ ₂ よりも小さく且つ勾配角τ ₁ 、τ ₂ は正の値であることを特徴とする導光部材。
前記テーパーロッドの媒質の屈折率ｎ_gは、前記パイプと前記テーパーロッドとの間隙の媒質の屈折率ｎ_aよりも大きいことを特徴とする請求項１記載の導光部材。
前記テーパーロッドの媒質はガラスであり、前記パイプと前記テーパーロッドとの間隙の媒質は空気であることを特徴とする請求項１記載の導光部材。
前記テーパーロッドの媒質はプラスチックであり、前記パイプと前記テーパーロッドとの間隙の媒質は空気であることを特徴とする請求項１記載の導光部材。
前記テーパーロッドの出射端面部における、前記中心軸から前記全反射面までの距離と前記中心軸から前記ミラー反射面までの距離とは略等しい
ことを特徴とする請求項１記載の導光部材。
前記テーパーパイプと前記テーパーロッドとは、
前記テーパーロッドの出射端面部における前記ミラー反射面と前記全反射面裏面とを接着する接着剤によって保持されている
ことを特徴とする請求項５記載の導光部材。
前記パイプの反射面または反射層は、少なくとも前記テーパーロッドの入射端面部周囲を覆うように構成されていることを特徴とする請求項１記載の導光部材。
前記中心軸方向の前記パイプの長さは、前記中心軸方向の前記テーパーロッドの長さよりも長い
ことを特徴とする請求項１記載の導光部材。
前記テーパーロッドの出射端面から射出する拡散光の前記中心軸からの最大拡散角度αの要求値と、
前記テーパーロッドの出射端面の面積Ｓ_oの要求値を満足するように、
前記中心軸に対する前記ミラー反射面の勾配角τ₁、
前記中心軸に対する前記全反射面の勾配角τ₂、
前記出射端面に導かれる拡散光のうち光源から射出する際の前記中心軸からの最大拡散角度α、
前記テーパーロッドの入射端面の面積Ｓ_i
の各値を設定することを特徴とする請求項１記載の導光部材。
上記設定をする際に、各値は以下の条件式を満足するように設定される。
ｓｉｎ^-1｛（ｎ_a／ｎ_g）ｃｏｓ（−α＋２τ₁−τ₂）｝＋２τ₂＞θ₀
θ₀＝ｓｉｎ^-1（ｎ_a／ｎ_g）
ただし、ｎ_a＜ｎ_g、０＜ α，τ₁，τ₂＜ π／２、τ₁＜τ₂、
θ₀は臨界角である、ことを特徴とする請求項９記載の導光部材。
前記中心軸からの最大拡散角度αで光源から射出する拡散光が入射する領域にのみ、前記勾配角τ₁よりも大きな角度の勾配角τ₀のミラー反射面を更に有することを特徴とする請求項９記載の導光部材。
請求項１記載の導光部材を用いた照明装置であって、
少なくとも前記テーパーロッドの入射端面に入射する拡散光を射出する光源と、
前記光源を、前記テーパーロッドおよび／または前記パイプに対して固定する保持手段と
を有することを特徴とする照明装置。
請求項１記載の導光部材を用いた照明装置であって、
少なくとも前記テーパーロッドの入射端面に入射する拡散光を射出する光源と、
前記光源を、前記パイプに対して固定する保持手段と、を有し、
前記パイプは前記光源のリフレクタとして構成されていること、を特徴とする照明装置。
前記光源は、ＬＥＤの発光体であることを特徴とする請求項１２または１３記載の照明装置。
前記テーパーロッドの全反射面で内面反射され出射端面まで導かれる拡散光には、前記光源から射出した後に直接テーパーロッド内に入射した拡散光の他に、前記光源から射出した後に前記ミラー反射面で反射してからテーパーロッド内に入射した拡散光も含まれることを特徴とする請求項１２または１３記載の照明装置。
前記テーパーロッドの全反射面で内面反射され出射端面まで導かれる拡散光には、前記光源を射出し前記入射端面に入射した拡散光の他に、前記光源を射出し前記テーパーロッドの側面から内部に入射する拡散光も含まれることを特徴とする請求項１２または１３記載の照明装置。
前記パイプの反射面または反射層は、前記光源が射出した拡散光を反射した反射光が、前記テーパーロッドの内面を反射して出射端面まで導ける角度で前記テーパーロッドの入射端面、および／または側面に入射するように反射面または反射層の勾配角τ1 が設定されていることを特徴とする請求項１２または１３記載の照明装置。
前記テーパーロッドの側面に入射する反射光を反射した前記パイプの反射面または反射層は、前記側面でのフレネル反射を抑制するように、前記中心軸に対する前記反射面の勾配角τ₁が負の値であることを特徴とする請求項１２または１３記載の照明装置。
請求項１２または１３に記載の照明装置を用いたプロジェクタであって、
更に、入力された映像情報に応じて前記テーパーロッドの出射端面から射出した照明光を変調する空間変調手段と、
前記空間変調手段で変調した照明光をスクリーン等へ投影する投影光学手段とを有する
ことを特徴とするプロジェクタ。