JP5963993B2 - 光均一化装置 - Google Patents
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Description
この発明は、光の輝度分布の均一化や広がり角の均一化を図る光均一化装置に関するものである。
照明用光源から発光された光の輝度分布を均一化する光均一化装置として、オプティカルインテグレータを用いている光均一化装置が以下の特許文献１に開示されている。
このオプティカルインテグレータは、石英ガラスや蛍石のような光学材料を用いている内面反射型のガラスロッドからなるロッドインテグレータで構成されている。
ロッドインテグレータは、入射面から入射された光を全反射しながら伝搬することで、出射面から輝度分布が均一な光を出射することができる。
ただし、ロッドインテグレータの入射面から広がり角が異なる複数の光が同じ入射角で入射された場合、各々の光の輝度分布が均一化されても、広がり角が異なるまま複数の光がロッドインテグレータの出射面から出射されるため、転写光学系を用いて、ロッドインテグレータの出射面の像を転写するようにしている。
このオプティカルインテグレータは、石英ガラスや蛍石のような光学材料を用いている内面反射型のガラスロッドからなるロッドインテグレータで構成されている。
ロッドインテグレータは、入射面から入射された光を全反射しながら伝搬することで、出射面から輝度分布が均一な光を出射することができる。
ただし、ロッドインテグレータの入射面から広がり角が異なる複数の光が同じ入射角で入射された場合、各々の光の輝度分布が均一化されても、広がり角が異なるまま複数の光がロッドインテグレータの出射面から出射されるため、転写光学系を用いて、ロッドインテグレータの出射面の像を転写するようにしている。
従来の光均一化装置は以上のように構成されているので、転写光学系を用いて、ロッドインテグレータの出射面の像を転写するようにしている。しかし、転写光学系内のレンズによる収差等の影響で、ロッドインテグレータにより均一化された輝度分布が不均一になり、その不均一さが光の波長によって異なる。このため、波長が異なるレーザ光（例えば、赤色レーザ、緑色レーザ、青色レーザなど）を発光する複数の光源が用いられる場合には、色ムラが生じてしまう課題があった。
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、複数の光の広がり角を同じ角度に合わせることができる光均一化装置を得ることを目的とする。
この発明に係る光均一化装置は、光を伝搬する伝搬光学系と、伝搬光学系により伝搬された光が入射面から入射され、入射面から入射された光を全反射しながら伝搬することで、出射面から輝度分布が均一な光を出射するロッドインテグレータとを備え、伝搬光学系により広がり角が異なる複数の光が伝搬される場合、ロッドインテグレータに入射された後の複数の光の広がり角が一致する入射角度で複数の光がロッドインテグレータの入射面に入射されるようにしたものである。
この発明によれば、伝搬光学系により広がり角が異なる複数の光が伝搬される場合、ロッドインテグレータに入射された後の複数の光の広がり角が一致する入射角度で複数の光がロッドインテグレータの入射面に入射されるように構成したので、複数の光の広がり角を同じ角度に合わせることができる効果がある。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１による光均一化装置を示す斜視図であり、図２は図１の光均一化装置におけるＡ−Ａ’断面図である。
この実施の形態１では、光均一化装置が、光を伝搬する伝搬光学系である集光光学系１，３とロッドインテグレータ５から構成されている例を説明する。
図１及び図２において、集光光学系１は例えばレンズなどから構成されており、ロッドインテグレータ５の入射面５ａに光２を集光する光学部品である。
集光光学系３は例えばレンズなどから構成されており、ロッドインテグレータ５の入射面５ａに光４を集光する光学部品である。
この実施の形態１では、集光光学系１，３により集光される光２，４の広がり角は異なっており、光２の広がり角が光４の広がり角より大きいものとして説明する。
図１では、各々の集光光学系１，３が１つの光を集光している例を示しているが、１つの集光光学系が複数の光２，４を集光するものであってもよい。
図１はこの発明の実施の形態１による光均一化装置を示す斜視図であり、図２は図１の光均一化装置におけるＡ−Ａ’断面図である。
この実施の形態１では、光均一化装置が、光を伝搬する伝搬光学系である集光光学系１，３とロッドインテグレータ５から構成されている例を説明する。
図１及び図２において、集光光学系１は例えばレンズなどから構成されており、ロッドインテグレータ５の入射面５ａに光２を集光する光学部品である。
集光光学系３は例えばレンズなどから構成されており、ロッドインテグレータ５の入射面５ａに光４を集光する光学部品である。
この実施の形態１では、集光光学系１，３により集光される光２，４の広がり角は異なっており、光２の広がり角が光４の広がり角より大きいものとして説明する。
図１では、各々の集光光学系１，３が１つの光を集光している例を示しているが、１つの集光光学系が複数の光２，４を集光するものであってもよい。
ロッドインテグレータ５は入射面５ａから集光光学系１，３により集光された光２，４が入射され、入射された光２，４を全反射しながら伝搬することで、出射面５ｂから輝度分布が均一な光２，４を出射する光学部品である。
ロッドインテグレータ５における光２，４の入射面５ａと出射面５ｂは平行であり、入射面５ａと出射面５ｂは全面光学研磨されている。
ロッドインテグレータ５の側面５ｃ〜５ｆは光２，４の反射面になっており、全面光学研磨されている。
ロッドインテグレータ５における光２，４の入射面５ａと出射面５ｂは平行であり、入射面５ａと出射面５ｂは全面光学研磨されている。
ロッドインテグレータ５の側面５ｃ〜５ｆは光２，４の反射面になっており、全面光学研磨されている。
図１では、ロッドインテグレータ５の形状が四角柱である例を示しているが、これに限るものではなく、例えば、ロッドインテグレータ５の形状が円柱や多角柱などであってもよい。
また、ロッドインテグレータ５は、内部を中空にして、側面５ｃ〜５ｆがミラーで構成されているライトパイプであってもよい。
また、ロッドインテグレータ５は、内部を中空にして、側面５ｃ〜５ｆがミラーで構成されているライトパイプであってもよい。
上述したように、光２の広がり角と光４の広がり角は異なっており（図１の例では、光２の広がり角が光４の広がり角より大きい）、ロッドインテグレータ５に入射された後の光２，４の光の広がり角を一致させるために、ロッドインテグレータ５の入射面５ａに対する光２，４の入射角が異なるようにしている。
図１の例では、ロッドインテグレータ５の入射面５ａに対して光２を垂直に入射する一方で、ロッドインテグレータ５の入射面５ａに対して光４を斜めに入射するようにしている。
図１の例では、ロッドインテグレータ５の入射面５ａに対して光２を垂直に入射する一方で、ロッドインテグレータ５の入射面５ａに対して光４を斜めに入射するようにしている。
ロッドインテグレータ５の入射面５ａを全面光学研磨しているので、入射面５ａの反射率は、ロッドインテグレータ５の屈折率と、入射面５ａに対する光２，４の入射角とから求まるフレネル反射で決まる。ロッドインテグレータ５の出射面５ｂの反射率についても、入射面５ａと同様である。
ロッドインテグレータ５の入射面５ａと出射面５ｂに対して、光の反射防止膜を施すことで、光２，４が入射される際の損失を小さく抑えることができる。
なお、ロッドインテグレータ５は、光２，４の吸収が小さい材料が用いられるものとする。例えば、光２，４の波長が可視域の場合には、ＢＫ７などの光学ガラスや合成石英等の材料が用いられる。
ロッドインテグレータ５の入射面５ａと出射面５ｂに対して、光の反射防止膜を施すことで、光２，４が入射される際の損失を小さく抑えることができる。
なお、ロッドインテグレータ５は、光２，４の吸収が小さい材料が用いられるものとする。例えば、光２，４の波長が可視域の場合には、ＢＫ７などの光学ガラスや合成石英等の材料が用いられる。
次に動作について説明する。
集光光学系１は、ロッドインテグレータ５の入射面５ａに光２を集光し、集光光学系３は、ロッドインテグレータ５の入射面５ａに光４を集光する。
これにより、光２，４がロッドインテグレータ５の入射面５ａから入射されるが、光２，４はロッドインテグレータ５の入射面５ａで屈折する。
光２，４が入射面５ａで屈折することで、光２，４の広がり角は、ロッドインテグレータ５に入射される前と入射された後で変化する。
ロッドインテグレータ５の内に入射された光２は、ロッドインテグレータ５の内を伝搬するが、光２は広がりを持つため、図２に示すように、ロッドインテグレータ５の側面５ｄに向かって進むものと、ロッドインテグレータ５の側面５ｆに向かって進むものがあり（図２では、側面５ｄに向かっている光を２ａで表記し、側面５ｆに向かっている光を２ｂで表記している）、ロッドインテグレータ５の側面５ｄに向かって進んだ光２ａは側面５ｄで反射され、ロッドインテグレータ５の側面５ｆに向かって進んだ光２ｂは側面５ｆで反射される。
集光光学系１は、ロッドインテグレータ５の入射面５ａに光２を集光し、集光光学系３は、ロッドインテグレータ５の入射面５ａに光４を集光する。
これにより、光２，４がロッドインテグレータ５の入射面５ａから入射されるが、光２，４はロッドインテグレータ５の入射面５ａで屈折する。
光２，４が入射面５ａで屈折することで、光２，４の広がり角は、ロッドインテグレータ５に入射される前と入射された後で変化する。
ロッドインテグレータ５の内に入射された光２は、ロッドインテグレータ５の内を伝搬するが、光２は広がりを持つため、図２に示すように、ロッドインテグレータ５の側面５ｄに向かって進むものと、ロッドインテグレータ５の側面５ｆに向かって進むものがあり（図２では、側面５ｄに向かっている光を２ａで表記し、側面５ｆに向かっている光を２ｂで表記している）、ロッドインテグレータ５の側面５ｄに向かって進んだ光２ａは側面５ｄで反射され、ロッドインテグレータ５の側面５ｆに向かって進んだ光２ｂは側面５ｆで反射される。
また、ロッドインテグレータ５の内に入射された光４は、ロッドインテグレータ５の内を伝搬するが、光４は広がりを持つため、図２に示すように、ロッドインテグレータ５の側面５ｄに向かって進むものと、ロッドインテグレータ５の側面５ｆに向かって進むものがあり（図２では、側面５ｄに向かっている光を４ａで表記し、側面５ｆに向かっている光を４ｂで表記している）、ロッドインテグレータ５の側面５ｄに向かって進んだ光４ａは側面５ｄで反射され、ロッドインテグレータ５の側面５ｆに向かって進んだ光４ｂは側面５ｆで反射される。
ただし、ロッドインテグレータ５の側面５ｄ，５ｆは、空気とロッドインテグレータ５の界面になっているため、空気とロッドインテグレータ５の屈折率で決まる臨界角より入射角度が大きい光は、ロッドインテグレータ５の側面５ｄ，５ｆで反射されるが、その臨界角より入射角度が小さい光は、ロッドインテグレータ５の側面５ｄ，５ｆで屈折して、ロッドインテグレータ５の外側に出射される。
ロッドインテグレータ５の側面５ｄで反射された光２は、ロッドインテグレータ５の側面５ｆに向かって進み、ロッドインテグレータ５の側面５ｆに向かって進んだ光２は側面５ｆで反射される。
ロッドインテグレータ５の側面５ｄと側面５ｆの間で光２の反射が繰り返されたのち、ロッドインテグレータ５の出射面５ｂに到達した光２は、出射面５ｂからロッドインテグレータ５の外側に出射される。
ロッドインテグレータ５に入射された光２は、ロッドインテグレータ５内を伝搬される間に光の中心部と周辺部が混ぜ合わされることで、ロッドインテグレータ５の出射面５ｂ上で均一な輝度分布になる。
ロッドインテグレータ５の側面５ｄと側面５ｆの間で光２の反射が繰り返されたのち、ロッドインテグレータ５の出射面５ｂに到達した光２は、出射面５ｂからロッドインテグレータ５の外側に出射される。
ロッドインテグレータ５に入射された光２は、ロッドインテグレータ５内を伝搬される間に光の中心部と周辺部が混ぜ合わされることで、ロッドインテグレータ５の出射面５ｂ上で均一な輝度分布になる。
また、ロッドインテグレータ５の側面５ｄで反射された光４は、ロッドインテグレータ５の側面５ｆに向かって進み、ロッドインテグレータ５の側面５ｆに向かって進んだ光４は側面５ｆで反射される。
ロッドインテグレータ５の側面５ｄと側面５ｆの間で光４の反射が繰り返されたのち、ロッドインテグレータ５の出射面５ｂに到達した光４は、出射面５ｂからロッドインテグレータ５の外側に出射される。
ロッドインテグレータ５に入射された光４は、ロッドインテグレータ５内を伝搬される間に光の中心部と周辺部が混ぜ合わされることで、ロッドインテグレータ５の出射面５ｂ上で均一な輝度分布になる。
ロッドインテグレータ５の側面５ｄと側面５ｆの間で光４の反射が繰り返されたのち、ロッドインテグレータ５の出射面５ｂに到達した光４は、出射面５ｂからロッドインテグレータ５の外側に出射される。
ロッドインテグレータ５に入射された光４は、ロッドインテグレータ５内を伝搬される間に光の中心部と周辺部が混ぜ合わされることで、ロッドインテグレータ５の出射面５ｂ上で均一な輝度分布になる。
ここでは、光２，４がロッドインテグレータ５の側面５ｄ，５ｆで繰り返し反射されることを説明し、ロッドインテグレータ５の側面５ｃ，５ｅでの反射については言及していないが、実際には、側面５ｄ，５ｆでの反射と同様に、ロッドインテグレータ５の側面５ｃと側面５ｅの間でも光２，４が繰り返し反射される。
光２，４が入射面５ａで屈折することで、光２，４の広がり角が、ロッドインテグレータ５に入射される前と入射された後で変化することは既に述べているが、この実施の形態１の例では、ロッドインテグレータ５に入射される前の光４の広がり角が、ロッドインテグレータ５に入射される前の光２の広がり角より小さいため、仮に、ロッドインテグレータ５の入射面５ａに対する光２，４の入射角が同じであれば、ロッドインテグレータ５に入射された後の光４の広がり角も、ロッドインテグレータ５に入射された後の光２の広がり角より小さくなる。
そこで、この実施の形態１では、ロッドインテグレータ５に入射された後の光４の広がり角を、ロッドインテグレータ５に入射された後の光２の広がり角と一致させるために、ロッドインテグレータ５の入射面５ａに対する光２，４の入射角が異なるようにしている。
図１の例では、ロッドインテグレータ５の入射面５ａに対して光２を垂直に入射する一方で、ロッドインテグレータ５の入射面５ａに対して光４を斜めに入射するようにしている。
具体的には、光２の最外広がり角（光２ａの角度）が、例えば、半角で２５°、光４の最外広がり角（光４ａの角度）が、例えば、半角で１５°である場合、光２と光４の最外広がり角の角度差が半角で１０°であるため、光２の中心軸２ｃに対して光４の中心軸４ｃを１０°傾ければ、ロッドインテグレータ５に入射された後の光２，４の広がり角が一致する。このため、光２の中心軸２ｃがロッドインテグレータ５の入射面５ａに対して垂直であれば、光４が１０°の入射角でロッドインテグレータ５の入射面５ａに入射されるように、集光光学系３の位置又は角度を調整する。
図１の例では、ロッドインテグレータ５の入射面５ａに対して光２を垂直に入射する一方で、ロッドインテグレータ５の入射面５ａに対して光４を斜めに入射するようにしている。
具体的には、光２の最外広がり角（光２ａの角度）が、例えば、半角で２５°、光４の最外広がり角（光４ａの角度）が、例えば、半角で１５°である場合、光２と光４の最外広がり角の角度差が半角で１０°であるため、光２の中心軸２ｃに対して光４の中心軸４ｃを１０°傾ければ、ロッドインテグレータ５に入射された後の光２，４の広がり角が一致する。このため、光２の中心軸２ｃがロッドインテグレータ５の入射面５ａに対して垂直であれば、光４が１０°の入射角でロッドインテグレータ５の入射面５ａに入射されるように、集光光学系３の位置又は角度を調整する。
この実施の形態１では、ロッドインテグレータ５の入射面５ａに対して光２を垂直に入射する一方で、ロッドインテグレータ５の入射面５ａに対して光４を斜めに入射することで、ロッドインテグレータ５に入射された後の光４の最外広がり角を、ロッドインテグレータ５に入射された後の光２の最外広がり角と一致させているので、転写光学系を搭載する必要がない。このため、波長が異なるレーザ光（例えば、赤色レーザ、緑色レーザ、青色レーザなど）を発光する複数の光源が用いられる場合でも、転写光学系を搭載することに伴う色ムラが発生しない。
以上より、この実施の形態１によれば、ロッドインテグレータ５の出射面５ｂ上で均一な輝度分布を得ることができるとともに、広がり角が異なる複数の光２，４の広がり角を同じ角度に合わせることができる効果を奏する。
以上より、この実施の形態１によれば、ロッドインテグレータ５の出射面５ｂ上で均一な輝度分布を得ることができるとともに、広がり角が異なる複数の光２，４の広がり角を同じ角度に合わせることができる効果を奏する。
この実施の形態１では、広がり角が異なる２つの光２，４が入射される場合について示したが、広がり角が異なる３つ以上の光が入射される場合について同様に適用することができる。
広がり角が異なる３つ以上の光が入射される場合、ロッドインテグレータ５に入射された後の３つ以上の光の最外広がり角が一致するように、ロッドインテグレータ５の入射面５ａに対する３つ以上の光の入射角が異なるようにすればよい。
例えば、最も広がり角が大きい光を入射面５ａに対して垂直に入射し、広がり角が小さい光ほど、入射面５ａに対して斜めに入射するようにすればよい。
これにより、広がり角が異なる複数のレーザ光（例えば、赤色レーザ光、緑色レーザ光、青色レーザ光）についても適用することができる。
広がり角が異なる３つ以上の光が入射される場合、ロッドインテグレータ５に入射された後の３つ以上の光の最外広がり角が一致するように、ロッドインテグレータ５の入射面５ａに対する３つ以上の光の入射角が異なるようにすればよい。
例えば、最も広がり角が大きい光を入射面５ａに対して垂直に入射し、広がり角が小さい光ほど、入射面５ａに対して斜めに入射するようにすればよい。
これにより、広がり角が異なる複数のレーザ光（例えば、赤色レーザ光、緑色レーザ光、青色レーザ光）についても適用することができる。
実施の形態２．
図３はこの発明の実施の形態２による光均一化装置を示す斜視図であり、図４は図３の光均一化装置におけるＡ−Ａ’断面図である。
また、図５はこの発明の実施の形態２による光均一化装置のファイバー１２の出射端面１２ａの傾斜角度を示す説明図である。
この実施の形態２では、光均一化装置が、光を伝搬する伝搬光学系であるファイバー１１，１２とロッドインテグレータ５から構成されている例を説明する。
図３から図５において、図１及び図２と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
図３はこの発明の実施の形態２による光均一化装置を示す斜視図であり、図４は図３の光均一化装置におけるＡ−Ａ’断面図である。
また、図５はこの発明の実施の形態２による光均一化装置のファイバー１２の出射端面１２ａの傾斜角度を示す説明図である。
この実施の形態２では、光均一化装置が、光を伝搬する伝搬光学系であるファイバー１１，１２とロッドインテグレータ５から構成されている例を説明する。
図３から図５において、図１及び図２と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
ファイバー１１は光２を伝搬して、出射端面１１ａからロッドインテグレータ５の入射面５ａに向けて出射する。
ファイバー１１の出射端面１１ａは、ロッドインテグレータ５の入射面５ａと平行に配置されるように、ファイバー１１の中心軸に対して垂直である。
ファイバー１２は光４を伝搬して、出射端面１２ａからロッドインテグレータ５の入射面５ａに向けて出射する。
ファイバー１２の中心軸は、ファイバー１１の中心軸と平行であり、ファイバー１２の出射端面１２ａは、ロッドインテグレータ５の入射面５ａに対する角度が斜めになるように、ファイバー１２の中心軸に対して斜めにカットされている。
ファイバー１１の出射端面１１ａは、ロッドインテグレータ５の入射面５ａと平行に配置されるように、ファイバー１１の中心軸に対して垂直である。
ファイバー１２は光４を伝搬して、出射端面１２ａからロッドインテグレータ５の入射面５ａに向けて出射する。
ファイバー１２の中心軸は、ファイバー１１の中心軸と平行であり、ファイバー１２の出射端面１２ａは、ロッドインテグレータ５の入射面５ａに対する角度が斜めになるように、ファイバー１２の中心軸に対して斜めにカットされている。
ファイバー１１，１２の出射端面１１ａ，１２ａに対して、光の反射防止膜を施すことで、光２，４を出射する際の損失を小さく抑えることができる。また、ファイバー１１，１２の出射端面１１ａ，１２ａでの反射に伴う光源（ファイバーと接続されている光源）の破壊や特性の変化を抑制することが可能になる。
特に、ファイバー１１の出射端面１１ａは、ファイバー１１の中心軸に対して垂直であり、ファイバー１１への反射が大きいため、反射防止膜を施す必要性が高い。ファイバー１２の出射端面１２ａは、斜めにカットされており、ファイバー１１への反射が小さいため、出射端面１２ａの傾斜角度によっては、反射防止膜が不要である。
特に、ファイバー１１の出射端面１１ａは、ファイバー１１の中心軸に対して垂直であり、ファイバー１１への反射が大きいため、反射防止膜を施す必要性が高い。ファイバー１２の出射端面１２ａは、斜めにカットされており、ファイバー１１への反射が小さいため、出射端面１２ａの傾斜角度によっては、反射防止膜が不要である。
ファイバー１１，１２から出射される光２，４のビームが広がる場合、ファイバー１１，１２から出射された光２，４が、ロッドインテグレータ５の入射面５ａでけられて、結合効率が低くなる可能性がある。そのため、ファイバー１１，１２から出射される光２，４のビームが広がる場合には、ファイバー１１，１２の出射端面１１ａ，１２ａをロッドインテグレータ５の入射面５ａに近づけて、結合損失を小さく抑えるようにする必要がある。
図３では、ファイバー１１とファイバー１２を別々の部材として記載しているが、ファイバー１１とファイバー１２が束ねられているバンドルファイバーであってもよい。
図３では、ファイバー１１とファイバー１２を別々の部材として記載しているが、ファイバー１１とファイバー１２が束ねられているバンドルファイバーであってもよい。
次に動作について説明する。
ファイバー１１から出射された光２は、空間を伝搬したのち、ロッドインテグレータ５の入射面５ａから入射される。光２はロッドインテグレータ５に入射される際、ロッドインテグレータ５の入射面５ａで屈折する。
ファイバー１２から出射された光４は、空間を伝搬したのち、ロッドインテグレータ５の入射面５ａから入射される。光４はロッドインテグレータ５に入射される際、ロッドインテグレータ５の入射面５ａで屈折する。
ファイバー１１から出射された光２は、空間を伝搬したのち、ロッドインテグレータ５の入射面５ａから入射される。光２はロッドインテグレータ５に入射される際、ロッドインテグレータ５の入射面５ａで屈折する。
ファイバー１２から出射された光４は、空間を伝搬したのち、ロッドインテグレータ５の入射面５ａから入射される。光４はロッドインテグレータ５に入射される際、ロッドインテグレータ５の入射面５ａで屈折する。
ロッドインテグレータ５の内に入射された光２は、ロッドインテグレータ５の内を伝搬するが、光２は広がりを持つため、図４に示すように、ロッドインテグレータ５の側面５ｄに向かって進むものと、ロッドインテグレータ５の側面５ｆに向かって進むものがあり（図４では、側面５ｄに向かっている光を２ａで表記し、側面５ｆに向かっている光を２ｂで表記している）、ロッドインテグレータ５の側面５ｄに向かって進んだ光２ａは側面５ｄで反射され、ロッドインテグレータ５の側面５ｆに向かって進んだ光２ｂは側面５ｆで反射される。
また、ロッドインテグレータ５の内に入射された光４は、ロッドインテグレータ５の内を伝搬するが、光４は広がりを持つため、図４に示すように、ロッドインテグレータ５の側面５ｄに向かって進むものと、ロッドインテグレータ５の側面５ｆに向かって進むものがあり（図４では、側面５ｄに向かっている光を４ａで表記し、側面５ｆに向かっている光を４ｂで表記している）、ロッドインテグレータ５の側面５ｄに向かって進んだ光４ａは側面５ｄで反射され、ロッドインテグレータ５の側面５ｆに向かって進んだ光４ｂは側面５ｆで反射される。
ただし、ロッドインテグレータ５の側面５ｄ，５ｆは、空気とロッドインテグレータ５の界面になっているため、上述したように、空気とロッドインテグレータ５の屈折率で決まる臨界角より入射角度が大きい光は、ロッドインテグレータ５の側面５ｄ，５ｆで反射されるが、その臨界角より入射角度が小さい光は、ロッドインテグレータ５の側面５ｄ，５ｆで屈折して、ロッドインテグレータ５の外側に出射される。
ロッドインテグレータ５の側面５ｄで反射された光２は、ロッドインテグレータ５の側面５ｆに向かって進み、ロッドインテグレータ５の側面５ｆに向かって進んだ光２は側面５ｆで反射される。
ロッドインテグレータ５の側面５ｄと側面５ｆの間で光２の反射が繰り返されたのち、ロッドインテグレータ５の出射面５ｂに到達した光２は、出射面５ｂからロッドインテグレータ５の外側に出射される。
ロッドインテグレータ５に入射された光２は、ロッドインテグレータ５内を伝搬される間に光の中心部と周辺部が混ぜ合わされることで、ロッドインテグレータ５の出射面５ｂ上で均一な輝度分布になる。
ロッドインテグレータ５の側面５ｄと側面５ｆの間で光２の反射が繰り返されたのち、ロッドインテグレータ５の出射面５ｂに到達した光２は、出射面５ｂからロッドインテグレータ５の外側に出射される。
ロッドインテグレータ５に入射された光２は、ロッドインテグレータ５内を伝搬される間に光の中心部と周辺部が混ぜ合わされることで、ロッドインテグレータ５の出射面５ｂ上で均一な輝度分布になる。
また、ロッドインテグレータ５の側面５ｄで反射された光４は、ロッドインテグレータ５の側面５ｆに向かって進み、ロッドインテグレータ５の側面５ｆに向かって進んだ光４は側面５ｆで反射される。
ロッドインテグレータ５の側面５ｄと側面５ｆの間で光４の反射が繰り返されたのち、ロッドインテグレータ５の出射面５ｂに到達した光４は、出射面５ｂからロッドインテグレータ５の外側に出射される。
ロッドインテグレータ５に入射された光４は、ロッドインテグレータ５内を伝搬される間に光の中心部と周辺部が混ぜ合わされることで、ロッドインテグレータ５の出射面５ｂ上で均一な輝度分布になる。
ロッドインテグレータ５の側面５ｄと側面５ｆの間で光４の反射が繰り返されたのち、ロッドインテグレータ５の出射面５ｂに到達した光４は、出射面５ｂからロッドインテグレータ５の外側に出射される。
ロッドインテグレータ５に入射された光４は、ロッドインテグレータ５内を伝搬される間に光の中心部と周辺部が混ぜ合わされることで、ロッドインテグレータ５の出射面５ｂ上で均一な輝度分布になる。
ここでは、光２，４がロッドインテグレータ５の側面５ｄ，５ｆで繰り返し反射されることを説明し、ロッドインテグレータ５の側面５ｃ，５ｅでの反射については言及していないが、実際には、側面５ｄ，５ｆでの反射と同様に、ロッドインテグレータ５の側面５ｃと側面５ｅの間でも光２，４が繰り返し反射される。
この実施の形態２では、ロッドインテグレータ５に入射された後の光２の最外広がり角（光２ａの角度）と、ロッドインテグレータ５に入射された後の光４の最外広がり角（光４ａの角度）とを一致させるために、ファイバー１２の出射端面１２ａを中心軸に対して斜めにカットしている。
以下、ファイバー１２の出射端面１２ａの傾斜角度について説明する。
以下、ファイバー１２の出射端面１２ａの傾斜角度について説明する。
例えば、光２の最外広がり角と、光４の最外広がり角との角度差がφである場合、ファイバー１１から出射された光２の光軸に対して、ファイバー１２から出射された光４の光軸の角度をφだけ傾ければ、ロッドインテグレータ５に入射された後の光２の最外広がり角と、ロッドインテグレータ５に入射された後の光４の最外広がり角とが一致する。
ファイバー１２から光４を出射するとき、ファイバー１２のコアと空気の界面で光４が屈折する。この屈折角は、ファイバー１２の中心軸に対する光４（ファイバー１２の出射端面１２ａから出射された光４）の光軸の傾きθ’になる。
したがって、ファイバー１２のコアと空気の界面での屈折率をｎ、出射端面１２ａの傾斜角度をθ、ファイバー１２のコアと空気の界面での屈折角をθ”とすると、スネルの法則より、傾斜角度θと屈折角θ”の関係は、下記の式（１）で表すことができる。
ｎ×ｓｉｎθ＝ｓｉｎθ”
θ’＝θ”−θ （１）
このため、出射端面１２ａの傾斜角度θは、下記の式（２）より算出することができる。
ファイバー１２から光４を出射するとき、ファイバー１２のコアと空気の界面で光４が屈折する。この屈折角は、ファイバー１２の中心軸に対する光４（ファイバー１２の出射端面１２ａから出射された光４）の光軸の傾きθ’になる。
したがって、ファイバー１２のコアと空気の界面での屈折率をｎ、出射端面１２ａの傾斜角度をθ、ファイバー１２のコアと空気の界面での屈折角をθ”とすると、スネルの法則より、傾斜角度θと屈折角θ”の関係は、下記の式（１）で表すことができる。
ｎ×ｓｉｎθ＝ｓｉｎθ”
θ’＝θ”−θ （１）
このため、出射端面１２ａの傾斜角度θは、下記の式（２）より算出することができる。
例えば、ファイバー１２のコアが合成石英で構成されており、光４の波長が６３３ｎｍであるとすれば、屈折率ｎは１．４５７となる。このとき、光２の最外広がり角と光４の最外広がり角の角度差が、例えば、半角で１０°であるとすると、ロッドインテグレータ５に入射された後の光２の最外広がり角と、ロッドインテグレータ５に入射された後の光４の最外広がり角とが一致するために必要なファイバー１２の出射端面１２ａの傾斜角度θは、２０．１９度となる。
この実施の形態２では、ファイバー１１の出射端面１１ａをロッドインテグレータ５の入射面５ａと平行に配置する一方で、ファイバー１２の出射端面１２ａがロッドインテグレータ５の入射面５ａに対する角度が斜めになるように、ファイバー１２の出射端面１２ａをファイバー１２の中心軸に対して斜めにカットすることで、ロッドインテグレータ５に入射された後の光４の最外広がり角を、ロッドインテグレータ５に入射された後の光２の最外広がり角と一致させているので、転写光学系を搭載する必要がない。このため、波長が異なるレーザ光（例えば、赤色レーザ、緑色レーザ、青色レーザなど）を発光する複数の光源が用いられる場合でも、転写光学系を搭載することに伴う色ムラが発生しない。
以上より、この実施の形態２によれば、ロッドインテグレータ５の出射面５ｂ上で均一な輝度分布を得ることができるとともに、広がり角が異なる複数の光２，４の広がり角を同じ角度に合わせることができる効果を奏する。
以上より、この実施の形態２によれば、ロッドインテグレータ５の出射面５ｂ上で均一な輝度分布を得ることができるとともに、広がり角が異なる複数の光２，４の広がり角を同じ角度に合わせることができる効果を奏する。
この実施の形態２では、広がり角が異なる２つの光２，４が入射される場合について示したが、波長が異なる複数の光や広がり角が異なる３つ以上の光が入射される場合について同様に適用することができる。
波長が異なる場合は、波長分散を考慮して、複数のファイバーの出射端面の傾斜角度θを設定すればよい。また、広がり角が異なる３つ以上の光が入射される場合、ロッドインテグレータ５に入射された後の３つ以上の光の広がり角が一致するように、ロッドインテグレータ５の入射面５ａに対する複数のファイバーの出射端面の傾斜角度θが異なるようにすればよい。
例えば、最も広がり角が大きい光を出射するファイバーの出射端面をロッドインテグレータ５の入射面５ａと平行に配置し、広がり角が小さい光を出射するファイバーの出射端面ほど、ロッドインテグレータ５の入射面５ａに対する角度が斜めになるように、中心軸に対して斜めにカットされているようにすればよい。
これにより、広がり角が異なる複数のレーザ光（例えば、赤色レーザ光、緑色レーザ光、青色レーザ光）についても適用することができる。
波長が異なる場合は、波長分散を考慮して、複数のファイバーの出射端面の傾斜角度θを設定すればよい。また、広がり角が異なる３つ以上の光が入射される場合、ロッドインテグレータ５に入射された後の３つ以上の光の広がり角が一致するように、ロッドインテグレータ５の入射面５ａに対する複数のファイバーの出射端面の傾斜角度θが異なるようにすればよい。
例えば、最も広がり角が大きい光を出射するファイバーの出射端面をロッドインテグレータ５の入射面５ａと平行に配置し、広がり角が小さい光を出射するファイバーの出射端面ほど、ロッドインテグレータ５の入射面５ａに対する角度が斜めになるように、中心軸に対して斜めにカットされているようにすればよい。
これにより、広がり角が異なる複数のレーザ光（例えば、赤色レーザ光、緑色レーザ光、青色レーザ光）についても適用することができる。
実施の形態３．
図６はこの発明の実施の形態３による光均一化装置を示す斜視図であり、図７は図６の光均一化装置におけるＡ−Ａ’断面図である。
この実施の形態３では、光均一化装置が、光を伝搬する伝搬光学系であるファイバー１１，１３とロッドインテグレータ５から構成されている例を説明する。
図６及び図７において、図３及び図４と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
ファイバー１３は光４を伝搬して、出射端面１３ａからロッドインテグレータ５の入射面５ａに向けて出射する。
ファイバー１３の出射端面１３ａはファイバー１３の中心軸に対して垂直であるが、ファイバー１３の出射端面１３ａがロッドインテグレータ５の入射面５ａに対して斜めになるように、ファイバー１３の中心軸がファイバー１１の中心軸に対して傾いている。
図６はこの発明の実施の形態３による光均一化装置を示す斜視図であり、図７は図６の光均一化装置におけるＡ−Ａ’断面図である。
この実施の形態３では、光均一化装置が、光を伝搬する伝搬光学系であるファイバー１１，１３とロッドインテグレータ５から構成されている例を説明する。
図６及び図７において、図３及び図４と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
ファイバー１３は光４を伝搬して、出射端面１３ａからロッドインテグレータ５の入射面５ａに向けて出射する。
ファイバー１３の出射端面１３ａはファイバー１３の中心軸に対して垂直であるが、ファイバー１３の出射端面１３ａがロッドインテグレータ５の入射面５ａに対して斜めになるように、ファイバー１３の中心軸がファイバー１１の中心軸に対して傾いている。
ファイバー１３はコアとクラッドで構成されており、コアの屈折率に対してクラッドの屈折率の方が低い。ファイバー１３のコアとクラッドは、光４の吸収が小さい材料が用いられる。
ファイバー１３の出射端面１３ａに対して、光の反射防止膜を施すことで、光４を出射する際の損失を小さく抑えることができる。また、ファイバー１３の出射端面１３ａでの反射に伴う光源（ファイバー１３と接続されている光源）の破壊や特性の変化を抑制することが可能になる。ファイバー１３の出射端面１３ａは、ファイバー１３の中心軸に対して垂直であり、ファイバー１３への反射が大きいため、反射防止膜を施す必要性が高い。
ファイバー１３の出射端面１３ａに対して、光の反射防止膜を施すことで、光４を出射する際の損失を小さく抑えることができる。また、ファイバー１３の出射端面１３ａでの反射に伴う光源（ファイバー１３と接続されている光源）の破壊や特性の変化を抑制することが可能になる。ファイバー１３の出射端面１３ａは、ファイバー１３の中心軸に対して垂直であり、ファイバー１３への反射が大きいため、反射防止膜を施す必要性が高い。
次に動作について説明する。
ファイバー１１から出射された光２は、空間を伝搬したのち、ロッドインテグレータ５の入射面５ａから入射される。光２はロッドインテグレータ５に入射される際、ロッドインテグレータ５の入射面５ａで屈折する。
ファイバー１３から出射された光４は、空間を伝搬したのち、ロッドインテグレータ５の入射面５ａから入射される。光４はロッドインテグレータ５に入射される際、ロッドインテグレータ５の入射面５ａで屈折する。
ファイバー１１から出射された光２は、空間を伝搬したのち、ロッドインテグレータ５の入射面５ａから入射される。光２はロッドインテグレータ５に入射される際、ロッドインテグレータ５の入射面５ａで屈折する。
ファイバー１３から出射された光４は、空間を伝搬したのち、ロッドインテグレータ５の入射面５ａから入射される。光４はロッドインテグレータ５に入射される際、ロッドインテグレータ５の入射面５ａで屈折する。
ロッドインテグレータ５の内に入射された光２は、ロッドインテグレータ５の内を伝搬するが、光２は広がりを持つため、図７に示すように、ロッドインテグレータ５の側面５ｄに向かって進むものと、ロッドインテグレータ５の側面５ｆに向かって進むものがあり（図７では、側面５ｄに向かっている光を２ａで表記し、側面５ｆに向かっている光を２ｂで表記している）、ロッドインテグレータ５の側面５ｄに向かって進んだ光２ａは側面５ｄで反射され、ロッドインテグレータ５の側面５ｆに向かって進んだ光２ｂは側面５ｆで反射される。
また、ロッドインテグレータ５の内に入射された光４は、ロッドインテグレータ５の内を伝搬するが、光４は広がりを持つため、図７に示すように、ロッドインテグレータ５の側面５ｄに向かって進むものと、ロッドインテグレータ５の側面５ｆに向かって進むものがあり（図７では、側面５ｄに向かっている光を４ａで表記し、側面５ｆに向かっている光を４ｂで表記している）、ロッドインテグレータ５の側面５ｄに向かって進んだ光４ａは側面５ｄで反射され、ロッドインテグレータ５の側面５ｆに向かって進んだ光４ｂは側面５ｆで反射される。
ただし、ロッドインテグレータ５の側面５ｄ，５ｆは、空気とロッドインテグレータ５の界面になっているため、上述したように、空気とロッドインテグレータ５の屈折率で決まる臨界角より入射角度が大きい光は、ロッドインテグレータ５の側面５ｄ，５ｆで反射されるが、その臨界角より入射角度が小さい光は、ロッドインテグレータ５の側面５ｄ，５ｆで屈折して、ロッドインテグレータ５の外側に出射される。
ロッドインテグレータ５の側面５ｄで反射された光２は、ロッドインテグレータ５の側面５ｆに向かって進み、ロッドインテグレータ５の側面５ｆに向かって進んだ光２は側面５ｆで反射される。
ロッドインテグレータ５の側面５ｄと側面５ｆの間で光２の反射が繰り返されたのち、ロッドインテグレータ５の出射面５ｂに到達した光２は、出射面５ｂからロッドインテグレータ５の外側に出射される。
ロッドインテグレータ５に入射された光２は、ロッドインテグレータ５内を伝搬される間に光の中心部と周辺部が混ぜ合わされることで、ロッドインテグレータ５の出射面５ｂ上で均一な輝度分布になる。
ロッドインテグレータ５の側面５ｄと側面５ｆの間で光２の反射が繰り返されたのち、ロッドインテグレータ５の出射面５ｂに到達した光２は、出射面５ｂからロッドインテグレータ５の外側に出射される。
ロッドインテグレータ５に入射された光２は、ロッドインテグレータ５内を伝搬される間に光の中心部と周辺部が混ぜ合わされることで、ロッドインテグレータ５の出射面５ｂ上で均一な輝度分布になる。
また、ロッドインテグレータ５の側面５ｄで反射された光４は、ロッドインテグレータ５の側面５ｆに向かって進み、ロッドインテグレータ５の側面５ｆに向かって進んだ光４は側面５ｆで反射される。
ロッドインテグレータ５の側面５ｄと側面５ｆの間で光４の反射が繰り返されたのち、ロッドインテグレータ５の出射面５ｂに到達した光４は、出射面５ｂからロッドインテグレータ５の外側に出射される。
ロッドインテグレータ５に入射された光４は、ロッドインテグレータ５内を伝搬される間に光の中心部と周辺部が混ぜ合わされることで、ロッドインテグレータ５の出射面５ｂ上で均一な輝度分布になる。
ロッドインテグレータ５の側面５ｄと側面５ｆの間で光４の反射が繰り返されたのち、ロッドインテグレータ５の出射面５ｂに到達した光４は、出射面５ｂからロッドインテグレータ５の外側に出射される。
ロッドインテグレータ５に入射された光４は、ロッドインテグレータ５内を伝搬される間に光の中心部と周辺部が混ぜ合わされることで、ロッドインテグレータ５の出射面５ｂ上で均一な輝度分布になる。
ここでは、光２，４がロッドインテグレータ５の側面５ｄ，５ｆで繰り返し反射されることを説明し、ロッドインテグレータ５の側面５ｃ，５ｅでの反射については言及していないが、実際には、側面５ｄ，５ｆでの反射と同様に、ロッドインテグレータ５の側面５ｃと側面５ｅの間でも光２，４が繰り返し反射される。
この実施の形態３では、ロッドインテグレータ５に入射された後の光２の最外広がり角と、ロッドインテグレータ５に入射された後の光４の最外広がり角とを一致させるために、ファイバー１１の出射端面１１ａをロッドインテグレータ５の入射面５ａと平行に配置する一方で、ファイバー１３の出射端面１３ａがロッドインテグレータ５の入射面５ａに対して斜めになるように、ファイバー１３の中心軸をファイバー１１の中心軸に対して傾けている。
具体的には、光２の最外広がり角（光２ａの角度）が、例えば、半角で２５°、光４の最外広がり角（光４ａの角度）が、例えば、半角で１５°である場合、光２と光４の最外広がり角の角度差が半角で１０°であるため、光２の中心軸２ｃに対して光４の中心軸４ｃを１０°傾ければ、ロッドインテグレータ５に入射された後の光２，４の広がり角が一致する。このため、ファイバー１１の出射端面１１ａがロッドインテグレータ５の入射面５ａと平行であれば、光４が１０°の入射角でロッドインテグレータ５の入射面５ａに入射されるように、ファイバー１３の中心軸をファイバー１１の中心軸に対して傾けている。
これにより、ロッドインテグレータ５に入射された後の光４の最外広がり角が、ロッドインテグレータ５に入射された後の光２の最外広がり角と一致するので、転写光学系を搭載する必要がない。このため、波長が異なるレーザ光（例えば、赤色レーザ、緑色レーザ、青色レーザなど）を発光する複数の光源が用いられる場合でも、転写光学系を搭載することに伴う色ムラが発生しない。
以上より、この実施の形態３によれば、ロッドインテグレータ５の出射面５ｂ上で均一な輝度分布を得ることができるとともに、広がり角が異なる複数の光２，４の広がり角を同じ角度に合わせることができる効果を奏する。
以上より、この実施の形態３によれば、ロッドインテグレータ５の出射面５ｂ上で均一な輝度分布を得ることができるとともに、広がり角が異なる複数の光２，４の広がり角を同じ角度に合わせることができる効果を奏する。
この実施の形態３では、広がり角が異なる２つの光２，４が入射される場合について示したが、波長が異なる複数の光や広がり角が異なる３つ以上の光が入射される場合について同様に適用することができる。
波長が異なる場合は、波長分散を考慮して、複数のファイバーの中心軸の傾きを設定すればよい。また、広がり角が異なる３つ以上の光が入射される場合、ロッドインテグレータ５に入射された後の３つ以上の光の広がり角が一致するように、ロッドインテグレータ５の入射面５ａに対する複数のファイバーの中心軸の傾きが異なるようにすればよい。
例えば、最も広がり角が大きい光を出射するファイバーの出射端面をロッドインテグレータ５の入射面５ａと平行に配置し、広がり角が小さい光を出射するファイバーの出射端面ほど、ロッドインテグレータ５の入射面５ａに対する角度が斜めになるように、当該ファイバーの中心軸を傾けるようにすればよい。
これにより、広がり角が異なる複数のレーザ光（例えば、赤色レーザ光、緑色レーザ光、青色レーザ光）についても適用することができる。
波長が異なる場合は、波長分散を考慮して、複数のファイバーの中心軸の傾きを設定すればよい。また、広がり角が異なる３つ以上の光が入射される場合、ロッドインテグレータ５に入射された後の３つ以上の光の広がり角が一致するように、ロッドインテグレータ５の入射面５ａに対する複数のファイバーの中心軸の傾きが異なるようにすればよい。
例えば、最も広がり角が大きい光を出射するファイバーの出射端面をロッドインテグレータ５の入射面５ａと平行に配置し、広がり角が小さい光を出射するファイバーの出射端面ほど、ロッドインテグレータ５の入射面５ａに対する角度が斜めになるように、当該ファイバーの中心軸を傾けるようにすればよい。
これにより、広がり角が異なる複数のレーザ光（例えば、赤色レーザ光、緑色レーザ光、青色レーザ光）についても適用することができる。
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。
この発明に係る光均一化装置は、光の輝度分布の均一化を図るだけでなく、複数の光の広がり角の均一化を図る必要性があるものに適している。
１ 集光光学系（伝搬光学系）、２，２ａ，２ｂ 光、２ｃ 光２の中心軸、３ 集光光学系（伝搬光学系）、４，４ａ，４ｂ 光、４ｃ 光４の中心軸、５ ロッドインテグレータ、５ａ 入射面、５ｂ 出射面、５ｃ〜５ｆ 側面、１１ ファイバー（伝搬光学系）、１１ａ ファイバー１１の出射端面、１２ ファイバー（伝搬光学系）、１２ａ ファイバー１２の出射端面、１３ ファイバー（伝搬光学系）、１３ａ ファイバー１３の出射端面。
Claims (5)
- 光を伝搬する伝搬光学系と、
前記伝搬光学系により伝搬された光が入射面から入射され、前記入射面から入射された光を全反射しながら伝搬することで、出射面から輝度分布が均一な光を出射するロッドインテグレータとを備え、
前記伝搬光学系により広がり角が異なる複数の光が伝搬される場合、前記ロッドインテグレータに入射された後の前記複数の光の広がり角が一致する入射角度で前記複数の光が前記ロッドインテグレータの入射面に入射されることを特徴とする光均一化装置。 - 前記伝搬光学系は、前記ロッドインテグレータの入射面に光を集光する集光光学系で構成されていることを特徴とする請求項１記載の光均一化装置。
- 前記伝搬光学系は、前記ロッドインテグレータの入射面に向けて光を出射する複数のファイバーで構成されており、
前記ロッドインテグレータに入射された後の前記複数の光の広がり角が一致するように、前記ロッドインテグレータの入射面に対する前記複数のファイバーの出射端面の角度が決定されていることを特徴とする請求項１記載の光均一化装置。 - 前記複数のファイバーの中で、広がり角が小さい光を出射するファイバーの出射端面ほど、前記ロッドインテグレータの入射面に対する角度が斜めになるように、前記広がり角が小さい光を出射するファイバーの出射端面が当該ファイバーの中心軸に対して斜めにカットされていることを特徴とする請求項３記載の光均一化装置。
- 前記複数のファイバーの中で、広がり角が小さい光を出射するファイバーの出射端面ほど、前記ロッドインテグレータの入射面に対する角度が斜めになるように、前記広がり角が小さい光を出射するファイバーの中心軸が傾いていることを特徴とする請求項３記載の光均一化装置。
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