JP4242810B2 - 導光部材、照明装置、プロジェクタ - Google Patents

導光部材、照明装置、プロジェクタ Download PDF

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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Si を有する入射端面2−1と、入射端面2−1の面積Si よりも大きい面積So 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na 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ng 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、na <ng であり、例えば、na =1(空気)であり、ng =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)
a ・sin γ=ng ・sin ζ …(3)
上記式(1)〜(3)より、
ζ=sin-1{(na /ng )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{(na /ng )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、ng ・sin θ0 =na …(7)が成り立つことより、
θ0 =sin-1(na /ng ) …(8)となり、臨界角θ0 は、2つの媒質の絶対屈折率na 、ng 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Ωi 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Ωo )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Si 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Si 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ng 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na 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na 、ng 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Ωi ’とおき、算出式:Ωi ’×Si =Ωo ’×So から、立体角Ωo ’を求める(ステップS6)。次に、立体角Ωo ’(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Ωo を立体角Ωo ’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{(na /ng )cos(−α+2τ0 −τ2 )}+2τ2 >θ0
…(6)'
θ0 =sin-1(na /ng ) …(8)'
ここで、na 、ng は、媒質の絶対屈折率であり、ここでは、na <ng
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 (19)

  1. 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。
  2. 前記テーパーロッドの媒質の屈折率ng 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na よりも大きいことを特徴とする請求項記載の導光部材。
  3. 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。
  4. 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。
  5. 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記載の導光部材。
  6. 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記載の導光部材。
  7. 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。
  8. 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。
  9. 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So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Si
    の各値を設定することを特徴とする請求項記載の導光部材。
  10. 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{(na /ng )cos(−α+2τ1 −τ2 )}+2τ2 >θ0
    θ0 =sin-1(na /ng
    ただし、na <ng 、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記載の導光部材。
  11. 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記載の導光部材。
  12. 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。
  13. 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。
  14. 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。
  15. 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。
  16. 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。
  17. 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。
  18. 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。
  19. 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。
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