JP6551548B2 - 光混合器、およびそれを用いた複数波長均質光源 - Google Patents

Description

本発明は、光を均一に混色する光混合器と、それを用いた複数波長均質光源に関するものである。

特許文献１、２などで光を拡散する技術が提案されている。

特開２０１５−１４８７３０号公報 特開２００７−６７０７６号公報

一般的にプロジェクタや液晶テレビなどの表示装置では、赤、緑、青の３色の光源を用いる。このため、表示装置では３色の異なる光源から出射する光束を均質な光束に変換して用いている。

複数光源からの光線を均質にするため、特許文献１は、複数の光源から出射した光束を遠方に拡散層を配置する技術が、また特許文献２は、複数の光源からの光線を光源直下に拡散層を配備する技術が開示されている。

特許文献１は、部屋を照らす照明装置の技術のため、小型化に不向きである。特許文献２は、拡散層が光源直下にあるため、出射する光の効率が低いことが課題である。

本発明の目的は、複数の光源から出射する光束を小型に効率良く混合し、均質化できる光混合器、およびそれを用いた複数波長均質光源を提供することである。

上記目的は、例えば、特許請求の範囲に記載の発明により達成することができる。

より具体的な例を挙げれば、本発明に伴う複数波長均質光源は、波長の異なる光を出射する複数の光源を具備した複数波長光源基板と、光を混合する光混合器とを備え、光混合器は、透明な材料で形成されたで柱形状とし、その上面または底面の最外径よりも側面の長さを大きくし、光混合器の内部は光を散乱させる機能を有する多数の散乱粒子を有し、光混合器の側面は光を反射する機能と、光混合器の上面と底面は光を透過する機能と、上面または底面から入射した光を前記側面の反射機能と、散乱粒子の散乱機能で光を混合する機能とを備え、複数波長均質光源は、複数波長光源基板の複数の光源が配備された面と、光混合器の上面または底面を密接させたものである。

複数の波長の均質な光を出射可能な複数波長均質光源を省電力で明るく小型で安価に提供できる。

複数波長均質光源１を示した概略図である。（実施例１） 複数波長光源基板２を示した概略図である。（実施例１） 光混合器６で散乱粒子９が零の場合の側面の距離依存性を計算した結果である。（実施例１） 光混合器６の散乱粒子９の密度依存性を計算した結果である。（実施例１） 光混合器６の散乱粒子９を配備する領域特性を計算した結果である。（実施例１） 光混合器６の散乱粒子９を配備する領域の大きさ依存性を計算した結果である。（実施例１） 複数波長均質光源１のシステムブロック図である。（実施例１） 複数波長均質光源１の製造方法例１を説明する図である。（実施例２） 複数波長均質光源１の製造方法例２を説明する図である。（実施例２） 複数波長均質光源１の製造方法例３を説明する図である。（実施例２） 複数波長均質光源１の製造方法例４を説明する図である。（実施例２） 複数波長均質光源１の製造方法例５を説明する図である。（実施例２） 複数波長均質光源３１を示した概略図である。（実施例３） 複数波長均質光源３４を示した概略図である。（実施例３） 複数波長均質光源３６を示した概略図である。（実施例３） 複数波長均質光源４１を示した概略図である。（実施例３） 複数波長均質光源４４を示した概略図である。（実施例３） 複数波長光源基板４８を示した概略図である。（実施例３） 複数波長光源基板５０を示した概略図である。（実施例３） 複数波長均質光源６１を示した概略図である。（実施例３） 映像投射装置７０を示した概略図である。（実施例４） 照明部７３の製造方法例を説明する図である。（実施例４） 映像投射装置７０の応用例を説明する図である。（実施例４） 光混合器６の例を説明する図である。（実施例１） 複数波長均質光源２０１を示した概略図である。（実施例５）

以下、図に示す実施例に基づいて本発明を実施するための形態を説明するが、これによりこの本発明が限定されるものではない。図では、同じ機能を持つものに同じ符号を付与している。

本発明における実施例１について図を用い説明する。

図１、図２を用い複数波長均質光源１について説明する。図１は複数波長均質光源１の斜視図（Ａ）と断面図（Ｂ）を、図２は複数波長光源基板２を示した概略図である。

複数波長均質光源１は図１に示すように複数波長光源基板２と光混合器６から構成されている。

複数波長光源基板２は、少なくとも複数の光源を具備した光源基板であり、実施例１では図２に示すように３個の光源、赤色の光を出射するＲ光源３、緑色の光を出射するＧ光源４、青色の光を出射するＢ光源５を具備している。なお図２における破線１０，１１は複数波長光源基板２の中心軸を示すものである。

光混合器６は、屈折率Ｎ１の透明材質で形成された長さＬの四角柱であり、その内部には、屈折率Ｎ１とは異なる屈折率Ｎ２の透明材質で形成された散乱粒子９が含まれている。

四角柱は、透明であれば材質は硝子であっても、樹脂であっても任意で構わない。内部に微小な散乱粒子を含有するため、製造は樹脂の方が容易である。また四角柱の表面は、荒れていると光が漏れ効率が悪くなるため、鏡面であることが望ましい。

一般的にライトパイプは、光を混合するために入射面と出射面の形状を複数展開したときに隙間無く並べられる多角形であることが望ましい。

光混合器６もライトパイプの内面反射の機能を利用しているため、入射面７と出射面８は、複数個を展開した時に隙間無く並べられる多角形（略正三角形、四角形、略正六角形）が望ましい。

散乱粒子９は、透明な材質でなくとも良く、光を散乱させる機能があれば、材質、形状は任意で構わない。散乱粒子９に、効率良く散乱させる機能を実現するには、透明な球体を散乱粒子として適用すると良い。散乱粒子が光源の波長より小さすぎると後方散乱が増加するため効率が悪くなる。逆に波長より大きすぎると散乱せずに進行してしまう。このため、Ｍｉｅ散乱理論から鑑みるに、入射光が可視光の場合、散乱粒子は、透明な球状粒子で波長より少し大きい１μｍないし５μｍ程度が望ましい。

光混合器６は、複数波長光源基板２に密接して取り付けられている。複数波長光源基板２の各光源から出射した光は、光混合器の入射面７から入射し、光混合器の内部で均質に混合され出射面８から図中矢印の方向に出射する。

複数波長光源基板２と入射面７は可能な範囲で密接させることが望ましい。密接させることで、複数波長光源基板２の光源から出射した光を効率良く光混合器６に導光することができる。透明材質の屈折率Ｎ１と同じ程度の屈折率を持つ透明な接着剤で取り付けられることがより望ましい。空気層を無くすことで、複数波長光源基板２の光源から出射した光を最も効率良く光混合器６に導光することができる。

光混合器６に入射した光は、入射面７から距離Ｌ１まで透明な光混合器６の側面で内面反射することで閉じ込められる。内面反射を繰り返すことで混合される。さらに、入射面７から距離Ｌ１より光が進行すると、内面反射で光が閉じ込められ内面反射で混合されるだけでなく、屈折率Ｎ２の透明材質である散乱粒子で散乱することでも混合させる。このため入射した光は、照度および角度成分を持つ輝度が一様に均質化される。

複数波長光源基板２のＲ光源３、Ｇ光源４、Ｂ光源５は、図２に示すように幅ＷＬ、高さＨＬの範囲内に配備されている。光混合器６の入射面７の幅Ｈ、高さＷは、図示したように各光源が配備された範囲幅ＷＬ，高さＨＬよりも大きくすることが望ましい。このように設定することで、各光源から出射される光をロス無く効率的に光混合器６に導光することができる。

光混合器６の入射面７の幅Ｗと高さＨは、光源の範囲である幅ＷＬ，高さＨＬに比べ大きくすると複数波長光源基板２と光混合器６の取り付けの誤差に対する許容量が増加する。逆に大きくしすぎると、出射する輝度が小さくなる。これは、輝度が出射面８の面積に反比例する光学原理に基づく現象である。つまり、光混合器６の入射面７の幅Ｗと高さＨは、取り付けの誤差のみを考慮した上で光源の範囲である幅ＷＬ，高さＨＬよりも僅かに大きく設定されることが望ましい。

上記したように複数波長光源基板２の発光点位置が異なるＲ光源３、Ｇ光源４、Ｂ光源５から出射した各色光は、光混合器６を通過することで、各々照度、輝度が均質化されて光混合器６から効率良く出射することになる。

次に図３ないし６を用いて、光混合器６を用いた複数波長均質光源１の性能について計算した結果について説明する。

図３は、光混合器６の散乱粒子９が零の透明なロッドであることを想定した場合の出射面８の輝度／照度分布の距離Ｌの依存性、図４は、光混合器６の散乱粒子９の密度依存性、図５は、光混合器６の散乱粒子９を配備する領域特性、図６は、光混合器６の散乱粒子９を配備する領域依存性を各々計算した結果である。

本計算の条件を以下に記すが、もちろん一例であり、本計算のパラメータと同じ条件でなくとも良い。

光混合器６は、形状が一片１ｍｍの正方形四角柱であり、内部は、屈折率が１．５８の透明材質である。散乱粒子９は、直径２μｍの球体で、屈折率が１．４８の透明材質である。

光源は、一片が０．２ｍｍの正方形の発光面で、中心軸から０．３ｍｍオフセットさせた位置に配備した。光源は完全拡散であるランバシアンな光を出射することを想定している。検出する受光面は出射面８に配備し、出射面８を１１×１１に分割して、各領域に入射する光量を照度とし、各領域に入射する角度２０度以内の光量を輝度として算出した。

まず図３を用いて、光混合器６内に散乱粒子９が零のときの透明ロッドにおける出射面の照度と輝度の長さ依存性について説明する。図中横軸は光混合器６の長さＬを対数表示している。縦軸は照度または輝度分布であり均質化の指標である。本指標は、出射面８の各領域の照度と輝度の各々最小値と最大値の比を示したものである。１の時、最小値と最大値が一致しているという意味であり、０．９を超えたとき、略均質になっていると判定できる。黒塗りのマークが照度で、白抜きのマークが輝度を示している。

計算結果では、照度および輝度分布は長さＬが大きくなると共に分布が向上し、照度分布は４ｍｍ、輝度分布は３０ｍｍを超えると均質（図中０．９を超える）になることが分かる。上述したように入射した光が内面反射により混合されるためである。照度に対して輝度を均質にするには７．５倍程度の長さが必要になることが分かる。

本発明では、短い距離で照度分布も輝度分布も共に均質にするため、側面の内面反射と散乱粒子による散乱の２個の光学原理を用いて光を混合している。

光混合器６の長さＬは４ｍｍで照度が均質になるため、図４ないし６の計算は、光混合器６の長さＬを４ｍｍに固定して計算している。なお、照度分布は散乱粒子９を充填した場合、さらに向上するため、以降図では計算結果を割愛する。

図４を用いて散乱粒子９を光混合器６全体に充填したときの散乱粒子９の密度を変えた結果について説明する。

図の横軸は散乱粒子９の体積密度であり、縦軸は輝度分布と出射面８に到達する合計輝度を示している。合計輝度は散乱粒子９の体積密度が零のときを基準に規格化したものである。

図から体積密度が増加すると輝度分布が向上して、合計輝度が低下することが分かる。散乱粒子９による混合機能を加えたことで、均質化が向上する反面、散乱した光が光混合器６の内面に閉じ込められずに漏れでてしまうことを意味する。

合計輝度が７割程度まで低下するが、少なくとも輝度分布は密度が０．４％の時に概ね均質になる。光混合器６の長さは、散乱粒子９を充填することで、散乱粒子９が零の場合の７．５分の１に短小化できるといえる。

次に図５を用いて、光混合器６の散乱粒子９を配備する領域特性について説明する。図５は、散乱粒子９の付与する領域を変えて合計輝度と輝度分布を計算した結果である。本計算では、一例として散乱粒子９の体積密度を０．８４％として計算したものである。図５の縦軸は合計輝度と輝度分布を示している。縦軸は散乱粒子９が零の場合に合計輝度により正規化している。棒グラフの白塗りが合計輝度、黒塗りが輝度分布を示している。

横軸は、左側から、散乱粒子９が零の場合、入射面７側１ｍｍの長さに散乱粒子９を配備した場合、出射面８側１ｍｍの長さに散乱粒子９を配備した場合、全て散乱粒子９を配備した場合である。

散乱粒子９が零の場合、合計輝度は大きいが輝度分布が零である。入射面７側に散乱粒子９を配備した場合も、同様に合計輝度は大きいが輝度分布が低い。

出射面８側に散乱粒子９を配備した場合、合計輝度も輝度分布も十分高い。全体に散乱粒子９を配備した場合、輝度分布は高いが合計輝度が小さい。

照度分布が低い入射面７側に散乱粒子９を配備しても、輝度分布を改善する効果は小さい。逆に照度分布が高まる出射面８側に配備すると輝度分布の改善効果が大きい。また散乱粒子９を出射面８側に配備した場合、合計輝度は散乱粒子９が零の場合と同等であり、無駄なロスが無いといえる。以上から、散乱粒子９は、入射面７側にあるよりも出射面８側にあるほうが望ましいといえる。

光混合器６は、入射した光を先に内面反射による混合機能で照度分布を向上させ、後で、内面反射と散乱の２個の混合機能で輝度分布を向上させるものであり、短い距離で、効率良く光を均質にできる機能を有しているといえる。

次に図６を用いて、散乱粒子９を出射面８側に配備する領域の大きさについて説明する。

図６は、光混合器６の散乱粒子９を配備する領域依存性を計算した結果である。側面と接する外界を空気とした場合と、側面を反射率Ｒ＝９０％のミラー構造とした２個の条件で計算している。また、図５の計算同様に、一例として散乱粒子９の体積密度を０．８４％として計算したものである。

左側のグラフは縦軸が輝度分布、右側のグラフは縦軸が合計輝度を示したものである。横軸は共に散乱粒子９の充填された領域の長さＬＰと光混合器６の長さＬの比率を示している。以降この比率を充填領域率と記す。例えば、充填領域率２５％とは、光混合器６の長さＬが４ｍｍなので、出射面８側から長さＬＰが１ｍｍの領域に散乱粒子９を充填したという意味である。側面と接する外界を空気とした場合が黒塗り、側面を反射率Ｒ＝９０％のミラー構造とした場合が白塗りで示してある。

充填領域率が増えると、輝度分布は向上する。側面が空気と接しているときは、合計輝度が一旦向上し、その後低下していく。ミラー構造の場合は、合計輝度が単調に低下していく。

輝度分布は側面の条件に拠らず、充填領域率が１７．５％を超えると均質になる。この時合計輝度は、空気の時に１．０２、ミラー構造のとき、０．８５であった。つまり、側面は空気として、充填領域率を１７．５％とすると、均質な光が最良の効率で得られる。

ミラー構造であっても、全体に散乱粒子９を充填したときの合計輝度０．７（粒子密度０．４％時）よりも高い合計輝度０．８５が得られていることが分かる。

また、光混合器６の側面の長さＬ（約４ｍｍ）は、入射面７の最大径ＬＭ（約１．４１ｍｍ）よりも２．８３倍大きい。照度を向上させるため、入射面７の最大径ＬＭよりも側面の長さＬを長く設定する必要がある。最大径ＬＭは光源の大きさ程度のサイズと設定すれば良いが、側面の長さは、最大径ＬＭの３倍よりも小さい長さに設定して、散乱粒子９の密度を決めると良い。

言い換えると、側面の長さＬは、最大径ＬＭの３倍よりも小さくできるといえる。

以上説明したように、光混合器は、散乱粒子を充填させることで、短い距離で光を均質化することができる。また、散乱粒子９を出射面８側のみに配備させることで、効率良く光を均質化できる。

図７は、複数波長均質光源１のシステムブロック図を示したものである。複数波長均質光源１は、Ｒ光源３、Ｇ光源４、Ｂ光源５が配備された複数波長光源基板２と、光混合器６から構成されている。外部から電源１２が供給されると、複数波長光源基板２に具備された電気線（図示なし）を経てＲ光源３、Ｇ光源４、Ｂ光源５を各々個別の光量で発光させることができる。発光した光は、光混合器６を経て均質化された光が出射する。例えばＲ光源３のみを光らせると赤色の均質な光が出射する。Ｒ光源３、Ｇ光源４、Ｂ光源５を各々個別に所定の光量を発光させると白色の均質な光を出射する。

以上説明したように複数波長均質光源１は、複数の波長の均質な光を出射させることができ、色を調整する機能も有している。

図２４に光混合器６の粒子充填例を示す。光混合器６は、ここまで透明な領域と散乱粒子９が分離した例（１）で説明したが、もちろん図２４（２）のように密度を変えても、図２４（３）のように全体に散乱粒子９を充填してももちろん構わない。図２４（２）に示すように密度を変える場合は、出射面８側の密度を高めることで、効率を高めることができる。

本発明における実施例２について図を用い説明する。

図８ないし図１２を用い複数波長均質光源１の製造方法の一例について説明する。

図８は複数波長均質光源１の製造方法例１を説明する図である。

最初に図８（１）に示すように複数波長光源基板２に成型用ケース２０をセットして、上方から光混合器６の透明材料をディスペンサ２１にて充填する。

複数波長光源基板２は、赤色、緑色、青色のＬＥＤチップ光源を備えたＬＥＤを想定しており、例えば、ＯＳＲＡＭ製ＬＴＲＢ−Ｒ８ＳＦで実現される。このＬＥＤは、１×１ｍｍ以下の範囲内にＬＥＤチップ光源が図１９に図示したようなトライアングル状に配置されたものである。

成型用ケース２０は、光混合器６の外形を成型するためのケースであり、光混合器６の側面の形状と一致したケースである。このケースは、金属、樹脂、硝子など任意の材質で構わないが、その側面は、内面反射する機能を損なわないように表面粗さをＲａ＜１．０μｍの鏡面にすることが望ましい。また、最後成型用ケース２０を取り外し易くするため、側面には紙面上下方向に傾き（テーパ）があっても構わない。

透明材料は、光硬化性樹脂を想定しており、例えば、ウレタンアクリレート系の光硬化樹脂の日立化成(株)製ヒタロイド９５０１で実現できる。この材料の屈折率は１．４９である。もちろん透明であれば、他の樹脂であっても、熱可塑性樹脂であってもなんら構わない。

ディスペンサ２１で透明材料を充填したあと、次に図８（３）に示すように透明材料と散乱粒子９を混合した混合材料をディスペンサ２１で充填する。

この透明材料は、ヒタロイド９５０１であり、散乱粒子９は、透明樹脂粒子を想定している。例えば、積水化成品工業(株)製テクポリマーＳＳＸ−３０２ＡＢＥを使用することができる。これは、架橋ポリスチレン樹脂でできた微粒子であり、形状は球形、平均直径は２μｍで、全体の略９５％の粒子が平均直径と０．５μｍ以内の差である単分散粒子である。この屈折率は１．５８である。

もちろん散乱粒子９は空気や、金属、不透明樹脂などであっても構わない。形状も球形でなくともなんら構わない。透明な２μｍ程度の球形を用いることで、散乱方向を前方のみに制御でき、光のロスを少なく効率を高める効果が得られる。図８（１）と（２）で充填する透明材料は、同じものであることが望ましいが、屈折率が略同じであれば、別の材料であっても構わない。屈折率が大きく異なる場合、境界での反射によりロスが発生することに留意すべきである。

テクポリマーＳＳＸ−３０２Ａとヒタロイド９５０１は同等の比重であるため、充填した混合材料の散乱粒子が、透明材料側に大きく移動することが無い。

先行して充填した透明材料と後に充填した混合材料の隙間に空気が残留しないようにゆっくり充填すると良い。

なお、目視可能なレベル直径０．１ｍｍの空気層が充填時は入らないように注意すると良い。目視困難なレベルの空気層は、散乱粒子９と同様に散乱に寄与するため、内部に残留しても良い。

次に、図８（４）に示すように上方からＵＶ光をＵＶ照射器２２で照射する。この際、上側のみが固まらないように、ＵＶ光の照射量を少なくして時間をかけてゆっくり照射すると良い。成型用ケース２０を透明とした場合、側面側からもＵＶ光を照明できるため、短時間で効果できる効果が得られる。

最後に、成型用ケース２０を取り外すことで、複数波長均質光源１が完成する（５）。

なお、散乱粒子９と透明樹脂の比重を大きく変えることで、混合材料を一度のみ充填し、散乱粒子９と透明樹脂が重力で分離する現象を用いても良い。

図９は、複数波長均質光源１の製造方法例２を説明する図である。

製造方法例２では、透明材料を充填後（１）、ＵＶ光を照射し透明材料を固める（２）。混合材料を充填後（３）、再度ＵＶ光を照射し透明材料を固める（４）。最後に整形用ケース２０を取り外すことで、複数波長均質光源１が完成する（５）。

製造方法例２は、例えば、透明材料より散乱粒子９の比重が大きい場合であっても、重力により透明材料側に散乱粒子９が浸透することを防止できる。つまり性能を安定化する効果が得られる。

図１０は、複数波長均質光源１の製造方法例３を説明する図である。

製造方法例３では、透明材料を充填後（１）、ＵＶ光を照射し透明材料を固める（２）。次に再度透明材料充填し、ＵＶ光を照明し透明材料を固める（３）。混合材料を充填後（４）、再度ＵＶ光を照射し透明材料を固める（５）。最後に整形用ケース２０を取り外すことで、複数波長均質光源１が完成する（６）。

製造方法例３は、透明材料を複数回に分けて積層することを想定している。このように複数回に分けて積層することで、透明材料が未硬化にならないように光量が強いＵＶ光により硬化時間を短くする効果が得られる。

図１１は、複数波長均質光源１の製造方法例４を説明する図である。

製造方法例３と製造方法例４との違いは、図１１（５）に示すように混合材料を硬化する前に透明なプレート２７を上方に配備したあと、透明プレート越しにＵＶ光を硬化する点である。

このように透明プレート越しに硬化すると、出射面８を所望の形状に成型することができるため、出射する光の角度分布を精度よく製造できる効果が得られる。

もちろん、製造方法例１ないし３で、最後に出射面８を切断し、研磨する工程を選択しても出射する光の角度分布を精度よく製造できる。

図１２は、複数波長均質光源１の製造方法例５を説明する図である。

図１２（１）に示すように、混合材料を成型した粒子部２３と透明材料を成型した透明部２４を事前に用意して、複数波長光源基板２と粒子部２３と透明部２４との境界２５、２６を透明接着剤で接合しても良い。

製造方法例５では、高温の熱可塑性材料の樹脂や硝子を用いる場合に有効である。この場合透明接着剤の屈折率を透明材料に近いものを使うと、光のロスを小さくできる。

以上説明したように、複数波長均質光源１は、容易に製造することができる。

本発明における実施例３について図を用い説明する。

図１３ないし図２０を用い複数波長均質光源１、複数波長光源基板２の変形例について説明する。

図１３は複数波長均質光源３１の斜視図（Ａ）と断面図（Ｂ）を示した概略図である。

複数波長均質光源３１は図１３に示すように複数波長光源基板２、光混合器６、筐体３２から構成されている。

複数波長均質光源１と比べ、筐体３２を配備した点が異なる。光混合器６を成型するときに利用した成型用ケース２１をそのまま筐体３２として用いるものである。

筐体３２は、透明でない樹脂または金属で構成されていることを想定している。光混合器６との境界３３は、光を反射する機能を有している。光を反射する機能は、金属または樹脂の筐体３２の境界３３を鏡面加工、反射膜を形成、低反射率膜を形成することで実現できる。

つまり複数波長均質光源３１の光混合器６は、実施例１のように内面反射で光を閉じ込める機能は無いが、境界３３での反射機能により光を閉じ込める機能を持つ。

境界３３のように反射率を持たせたる場合、図６で説明したように、合計輝度が若干低くなるが、ハンドリングし易い効果がある。また、成型用ケースを取り外す工程が無くなるため、コスト面にメリットがある。

図１４は複数波長均質光源３４の斜視図（Ａ）と断面図（Ｂ）を示した概略図である。

複数波長均質光源３４の筐体３５は、複数波長均質光源３１の筐体３２と比べて、一部の側面を無くした点が異なる。この場合、一部側面を成型する際に補助プレートが必要になる。一部を空気面とすることで、出射する輝度を向上する効果と、ＵＶ光を照射し易くなる効果が得られる。複数波長均質光源３１同様にハンドリングの良い効果も得られる。

ここでは、１面を無くした例を説明したが、２面を無くしたとしてもなんら構わない。

図１５は複数波長均質光源３６の斜視図（Ａ）と断面図（Ｂ）を示した概略図である。

複数波長均質光源３６の光混合器４０は、複数波長均質光源１の光混合器６と、散乱粒子９を充填した層の先に透明部３８を設けた点が異なる。

光混合器４０は、複数波長光源基板２に密接した透明部３７と、その透明部３７に密接した粒子部３９と、その粒子部３９に隣接した透明部３８がある。光は、透明部３７、粒子部３９を経て光混合器６同様に均質な光に変換される。均質になった光は、透明部３８に閉じ込められたまま、出射面８から出射する。例えば、構造上の制約で、複数波長光源基板２と出射面８を遠ざけたい場合、光混合器４０の構成とすることで、光をロスすることなく、均質な光の出射面を変えられる効果を有する。もちろん、透明部３８をさらに延長しても、湾曲させてもなんら構わない。

図１６は複数波長均質光源４１の斜視図（Ａ）と断面図（Ｂ）を示した概略図である。

複数波長均質光源４１の透明部４２は、複数波長均質光源３６の透明部３８と、出射面８の形状を円にした点が異なる。

例えば、スポットライト照明や、車のヘッドライトでは、遠方に照明された領域も円形の方が望ましい場合がある。遠方に光をレンズで照明する場合、照明された領域の形状は、光源の形状になる。複数波長均質光源４１は、出射面８が円形のため、スポットライト照明や、車のヘッドライトの光源として適用することで、遠方に照明された領域を円形にすることができる。

図１７は複数波長均質光源４４の斜視図（Ａ）と断面図（Ｂ）を示した概略図である。

複数波長均質光源４４の透明部４５は、複数波長均質光源４１の透明部４２と、出射面８の形状を凸形状にした点が異なる。

図のように透明部４５の出射面の８を凸形状にすると、出射する光の配光分布（角度特性）を変えることができる。

例えば、ライティング用途で、全角１８０を超える周辺にも光を出射させたいとき、図のように凸形状にすると良い。逆にプロジェクタ用途で光を前方のみに出射させたい場合は、凹形状にすると良い。用途に応じて配光分布を制御できる。

図１８は複数波長光源基板４８を示した概略図である。

複数波長光源基板４８は、複数波長光源基板２と黄色の光を出射するＹ光源４９を具備した点が異なる。

複数波長光源基板４８の４個の光源が配備された幅ＷＬ、高さＨＬの範囲は、複数波長光源基板２と同様に、光混合器６の入射面７の幅Ｈ、高さＷよりも小さい。

複数波長光源基板４８は４個の光源を搭載しているため、複数波長均質光源１は、４個の波長を各々均質した光を出射することができる。

また、入射面７の範囲内に光源が４個配備されているため、複数波長光源基板４８は、複数波長光源基板２を適用したときと同じ光学効率が実現できる。

例えば、テレビに代表される映像表示装置では、色再現範囲を拡大するために、３原色以外の色の光を利用することが知られている。複数波長光源基板４８を適用することで、色再現範囲の広い複数波長均質光源を実現できる。

また、例えば、Ｙ光源４９に近赤外の光源を適用すれば、赤外線検出用の光源と、表示装置用の光源を備えた複数波長均質光源が実現できる。

図１９は複数波長光源基板５０を示した概略図である。

複数波長光源基板５０は、複数波長光源基板２とＲ光源３の位置を変更した点が異なる。３個の光源が配備された幅ＷＬ、高さＨＬの範囲が、光混合器６の入射面７の幅Ｈ、高さＷよりも小さければ、図１９に示したように位置がずれてもなんら問題ない。

図２０は複数波長均質光源６１の斜視図（Ａ）と断面図（Ｂ）を示した概略図である。

複数波長均質光源６１は図１３に示すように複数波長光源基板５０、光混合器６２から構成されている。

複数波長均質光源１の光混合器６と比べ、光混合器６２の形状を正三角柱にした点が異なる。複数波長光源基板５０のようにトライアングルに配置された光源と正三角柱の光混合器６２は組み合わせが良い。

上述したように輝度は、面積に反比例する。光混合器６２は、複数波長光源基板５０の配置に合わせ正三角柱にして、光混合器６の出射面８の面積より小さくしている。このため、複数波長均質光源１よりも複数波長均質光源６１は、効率が向上する効果が得られる。

以上、波長の異なる複数の光源を搭載した複数波長均質光源の例について説明したが、これに限定されず、例えば、各光源を同一波長の光源に変えた均質光源として構成とすることもできる。このような同一波長の均質光源は、高輝度で均質な光を出射させることができるという効果がある。

本発明における実施例４について図を用い説明する。

図２１ないし図２４を用いて、複数波長均質光源を適用した応用例を説明する。

図２１は、映像投射装置７０を示した概略図である。映像投射装置７０は、プロジェクタやヘッドマウントディスプレイ等に内蔵されるもので、映像を生成し、スクリーンにその映像を投射する機能を有する。

映像投射装置７０は、照明部７３と映像生成部７４を有する映像生成装置７１と、投射部７２がある。

照明部７３は、筐体７５に複数波長光源基板２と光混合器６が配備されている。複数波長光源基板２から出射した光は、光混合器６で均質化されて、筐体７５の放物線ミラー７６で、略平行な光に変換される。放物線ミラー７６は、光混合器６の出射面８に焦点を持つ放物線の形状をもつミラーである。焦点から出射した光は、放物線で平行になることが一般的に知られており、放物線ミラー７６は、この原理を用いたものである。

映像生成部７４には、マイクロディスプレイ７８と偏光ミラー７７が配備されている。マイクロディスプレイ７８は、ここでは、ＬＣＯＳを想定している。偏光ミラー７７は、所定の偏光の光を反射して、その偏光とは直交する偏光の光を透過するワイヤグリッドフィルムを想定している。なお偏光ミラー７７は、筐体７５と筐体８０に支持機構があり、筐体カバー８１で抑えて固定することを想定している。

放物線ミラー７６で略平行になった光は、偏光ミラーで所定の偏光の光が反射して、マイクロディスプレイ７８に照明される。マイクロディスプレイ７８で映像を構成する画素がＯｎの光はその偏光が直交して反射する。逆に画素がＯｆｆの光はそのままの偏光で反射する。

マイクロディスプレイ７８を反射した光は、再度偏光ミラー７７に入射する。このとき、画素がＯｎの光のみが透過する。すなわち映像信号の情報を持つ光だけが映像生成部７４から出射する。

映像生成部７４を出射した光は、投射部にて、所定のスクリーンに結像される。投射部は、マイクロディスプレイ７８で生成された映像を所定のスクリーンに投射する光学レンズなどである。

複数波長光源基板２とマイクロディスプレイ７８は、メイン基板７９上に搭載している。このため、複数波長光源基板２とマイクロディスプレイ７８を接続するフレキシブルケーブルを使うことなく簡便な構成が実現できる。

ＬＣＯＳを使う映像投射装置では、一般的に赤色、緑色、青色の光源を時間分割して発光するフィールドシーケンシャルカラー（ＦＳＣ）技術により映像のカラー化を実現している。本実施例においても同様にＦＳＣ技術を用いてカラー化することを想定している。

ＦＳＣ技術を用いる場合、照度だけでなく輝度も均質な赤色、緑色、青色の光をマイクロディスプレイに照明されなければならない。照明される光が不均一の場合は、映像が均一な色、明るさとならずに不均一になってしまう。

光混合器６を適用しているため、映像投射装置７０では、映像を均一な色、明るさとすることができる。

通常は、光源をダイクロミラーで合成して均質な光を高い効率で生成することができる。しかし、３個の光源を別々に配備し、個別にレンズ３個で集光したあと、２枚のダイクロミラーで合成するため、従来技術では、合計８部品もあり、小型化が難しかった。

本実施例の映像投射装置７０は、従来８部品が光混合器６および複数波長光源基板の２部品で実現できる。このため、小さなスペースで小型化することができるといえる。

次に図２２を用いて、照明部の製造方法例について説明する。

図２２は、照明部７３の製造方法例を説明する図である。

照明部７３の筐体７５は、図１３の複数波長均質光源３１の筐体３２に放物線ミラー７６や偏光ミラー７７の支持部を一体にして成型したものである。

このため、メイン基板７９に筐体７５を取り付け、その状態で、ディスペンサ２１から透明材料と混合材料を充填する（１）。また、ＵＶ照射器を横から照射すると、放物線ミラー７６で反射するため、光混合器６を硬化するために照明できる（２）。

筐体７５の光混合器６との境界は、上記したように、光を反射する機能を有している。光を反射する機能は、金属を鏡面加工、反射膜を形成、低反射率膜を形成することで実現できる。筐体７５の境界は、スペースが少ないため、反射率の高い金属か白色シリコーン樹脂などを鏡面加工した金型で成型するのが簡単である。

以上説明したように、応用する製品の筐体を光混合器を製造するための成型用ケースとして用いても良い。製造プロセスを少なくできるため、コスト面での効果が期待できる。

次に図２３を用いて映像投射装置７０の応用例について説明する。

図２３Ａは、ヘッドマウントディスプレイ１０１、図２３Ｂは、ポケットプロジェクタ１０３、図１５Ｃはヘッドアップディスプレイ１０７の概略を示した図である。

ヘッドマウントディスプレイ１０１は、使用者１００の頭部に装着されており、へッドマウントディスプレイ１０１の内部に搭載された映像投射装置７０から使用者１００の眼に映像が投射される。使用者は、空中に浮かんでいるような映像である虚像１０２が視認できる。

ポケットプロジェクタ１０３は、映像投射装置７０からスクリーン１０５に映像１０４が投射される。使用者１００はスクリーンに映った映像を実像として視認できる。

ヘッドアップディスプレイ１０７は、内部に搭載された映像投射装置７０から映像が虚像生成手段１０８に投射される。虚像生成手段は、一部の光を透過させ、残りを反射させるビームスプリッタの機能と、曲面構造であり、使用者１００の眼に映像を直接投射することで虚像を生成するレンズ機能も有している。

使用者１００は、使用者は、空中に浮かんでいるような映像である虚像１０６が視認できる。このようなヘッドアップディスプレイは、車の運転手用のアシスト機能や、デジタルサイネージなどに適用が期待されている。

いずれの映像投射装置においても、小型で、明るいことが望まれており、本実施例の複数波長均質光源を用いることで、小型で明るい映像投射装置を実現できる。

また、他にもスポットライト照明や車のヘッドライト、可視光通信などの光源にも適用できる。

以上説明したように、光混合器６は、透明な材料で形成されたで柱形状（図１、図２０、図２４）である。また、光混合器６の内部は光を散乱させる機能を有する多数の散乱粒子９を有している。また、光混合器６の側面は、光を反射する機能と、光混合器の上面（入射面７または出射面８）と底面（入射面７または出射面８）は、光を透過する機能と、上面または底面から入射した光を側面の反射機能と、散乱粒子９の散乱機能で光を混合し、上面または底面から混合された光を出射する機能を備えている。また、光混合器６は、上面または底面の最外径ＬＭよりも側面の長さＬが大きい。

また、光混合器６の上面または底面の形状を、略正三角柱または、四角形、または、略正六角柱としても良い。

また、光混合器６の内部に備わった散乱粒子９の密度を、側面に沿って異ならせている。

また、光混合器６の上面または底面側とで、透明な材料の領域と、透明な材料と散乱粒子９が混合した領域とで分けている。

また、光混合器６の散乱粒子９は、透明な略球体形状とし、光混合器６の透明な材料とは異なる屈折率としている。

また、光混合器の側面の長さＬに対する前記上面または底面の最外径ＬＭの比（Ｌ／ＬＭ）は、３より小さい。

また、光混合器６の内部に配備された散乱粒子９の体積密度は、１％より小さい。

また、散乱粒子９の直径は、１μｍないし５μｍの範囲にすると良い。

また、複数波長均質光源は、波長の異なる光を出射する複数の光源を具備した複数波長光源基板２と、光を混合する光混合器６を備えている。また、複数波長均質光源１は、複数波長光源基板２の複数の光源が配備された面と、光混合器６の上面または底面を密接させている。

また、複数波長光源基板２の複数の光源が配備された領域（図２の幅ＷＬ、高さＨＬで囲まれた領域）は、上面または底面（入射面７の幅Ｗ、高さＨで囲まれた領域）よりも小さくしている。

また、光混合器６の側面に沿って複数波長光源基板２から遠い側の光混合器の内部に備わった散乱粒子９の密度が高い（例えば、図２４（２））。

また光混合器６の側面に沿って前記複数波長光源基板２から遠い側だけに散乱粒子９を備えさせている（例えば、図２４（１））。

また、複数波長光源基板２に配備された複数の光源と、光混合器の上面または底面との間は、光混合器の透明な材料と略同じ屈折率の材料で満たされている。

本発明における実施例５について図を用い説明する。

図２５を用いて、複数波長均質光源の変形例について説明する。

図２５は複数波長均質光源１の斜視図（Ａ）と断面図（Ｂ）を示した概略図である。

複数波長均質光源２０１は、光混合器２０２と、複数波長光源基板４８と、筐体２０３で構成されている。

光混合器２０２は、散乱粒子９が均一な密度で充填されており、図１２の粒子部２３と同じである。

複数波長光源基板４８は、図１８で図示したように４個の光源を搭載し、４個の波長の光を出射する機能を有している。

筐体２０３は、光混合器２０２と複数波長光源基板４８を支持する機構であり、内壁２０５が光を反射する機能を有している。

例えば、白樹脂やアルミなどで実現できる。東レ・ダウコーニング(株)製ＭＳ−２００２を用いると、９８％程度の高い反射率を実現できる。

複数波長光源基板４８と光混合器２０２の間は、空気層である。透明部２４に変えて空気層にすると、とスネルの法則により入射角度が変換されないため、透明部２４より短い距離（図中紙面上下方向）で照度を均一にすることが可能となる。すなわち複数波長均質光源２０１の距離（図中紙面上下方向）を短くできる利点を有する。

１ 複数波長均質光源、
２ 複数波長光源基板、
３ Ｒ光源、
４ Ｇ光源、
５ Ｂ光源、
６ 光混合器、
７ 入射面、
８ 出射面、
９ 散乱粒子、
１０ 中心軸、
１１ 中心軸、
１２ 電源、
２０ 成型用ケース、
２１ ディスペンサ、
２２ ＵＶ照射器、
２３ 粒子部、
２４ 透明部、
２５ 境界、
２６ 境界、
２７ プレート、
３１ 複数波長均質光源、
３２ 筐体、
３３ 境界、
３４ 複数波長均質光源、
３５ 筐体、
３６ 複数波長均質光源、
３７ 透明部、
３８ 透明部、
３９ 粒子部、
４０ 光混合器、
４１ 複数波長均質光源、
４２ 透明部、
４３ 光混合器、
４４ 複数波長均質光源、
４５ 透明部、
４６ 光混合器、
４８ 複数波長光源基板、
４９ Ｙ光源、
５０ 複数波長光源基板、
６１ 複数波長均質光源、
６２ 光混合器、
７０ 映像投射装置、
７１ 映像生成装置、
７２ 投射部、
７３ 照明部、
７４ 映像生成部、
７５ 筐体、
７６ 放物線ミラー、
７７ 偏光ミラー、
７８ マイクロディスプレイ、
７９ メイン基板、
８０ 筐体、
８１ 筐体カバー、
１００ 使用者、
１０１ ヘッドマウントディスプレイ、
１０３ ポケットプロジェクタ、
１０７ ヘッドアップディスプレイ

Claims (15)

1. 光源からの光を混合する光混合器であって、
   透明な材料で形成されたで柱形状であり、該柱形状の上面または底面の最外径よりも側面の長さが大きく、かつ前記底面には前記光源から出射される光が入射面と、前記上面には光が出射する出射面と、
   前記入射面側に位置し、透明部材で形成される第１の透明部と、
   前記第１の透明部に密接し散乱粒子を含む粒子部と、を有し、
   内部には、光を散乱させる機能を有する多数の前記散乱粒子を含み、
   前記光混合器の側面が、光を反射する機能を有し、
   前記光混合器の上面と底面が、光を透過する機能を有し、
   前記入射面から入射した光が、前記側面の反射機能と、前記散乱粒子の散乱機能とによって混合され、混合された光が前記出射面から出射し、
   かつ該光混合器の内部に備わった前記散乱粒子の密度を、前記入射面から前記出射面との間において異ならせた
   ことを特徴とする光混合器。
2. 請求項１に記載の光混合器であって、
   前記散乱粒子の密度は、前記入射面側よりも前記出射面側の方が大きいことを特徴とする光混合器。
3. 請求項１に記載の光混合器であって、
   前記第１の透明部と前記粒子部は接合され、前記第１の透明部と前記粒子部の境界面は同じである
   ことを特徴とする光混合器。
4. 請求項１記載の光混合器であって、
   該光混合器の前記上面または前記底面側とで、前記透明な材料の領域と、前記透明な材料と前記散乱粒子が混合した領域とで分けたことを特徴とした光混合器。
5. 請求項４記載の光混合器であって、
   前記散乱粒子は、透明な略球体形状とし、前記光混合器の前記透明な材料とは異なる屈折率としたことを特徴とする光混合器。
6. 請求項５記載の光混合器であって、
   前記光混合器の側面の長さＬに対する前記上面または底面の最外径ＬＭの比（Ｌ／ＬＭ）は、３より小さいことを特徴とする光混合器。
7. 請求項６記載の光混合器であって、
   前記光混合器の内部に配備された前記散乱粒子の体積密度は、１％より小さいことを特徴とする光混合器。
8. 請求項７記載の光混合器であって、
   前記散乱粒子の直径は、１μｍないし５μｍの範囲としたことを特徴とする光混合器。
9. 複数波長の均質な光を出射する複数波長均質光源であって、
   波長の異なる光を出射する複数の光源を具備した光源基板と、
   前記光源基板に搭載された、光を混合する光混合器と、を備え、
   該光混合器は、
   透明な材料で形成されたで柱形状であり、該柱形状の上面または底面の最外径よりも側面の長さが大きく、かつ前記底面には前記光源から出射される光が入射面と、前記上面には光が出射する出射面と、
   前記入射面側に位置し、透明部材で形成される第１の透明部と、
   前記第１の透明部に密接し散乱粒子を含む粒子部と、を有し、
   内部には、光を散乱させる機能を有する多数の前記散乱粒子を含み、
   前記光混合器の側面が、光を反射する機能を有し、
   前記光混合器の上面と底面が、光を透過する機能を有し、
   前記入射面から入射した光が、前記側面の反射機能と、前記散乱粒子の散乱機能とによって混合され、混合された光が前記出射面から出射し、
   かつ該光混合器の内部に備わった前記散乱粒子の密度を、前記入射面から前記出射面との間において異ならせた
   ことを特徴とする複数波長均質光源。
10. 請求項９に記載の複数波長均質光源であって、
    前記散乱粒子の密度は、前記入射面側よりも前記出射面側の方が大きい
    ことを特徴とする複数波長均質光源。
11. 請求項９に記載の複数波長均質光源であって、
    前記第１の透明部と前記粒子部は接合され、前記第１の透明部と前記粒子部の接合の境界面は同じである
    ことを特徴とする複数波長均質光源。
12. 請求項９乃至１１のいずれかに記載の複数波長均質光源であって、
    波長の異なる複数の前記光源が、前記光源基板に配置され、
    かつ前記光混合器は、略正三角柱または、四角形、または、略正六角柱である
    ことを特徴とする映像装置用の複数波長均質光源。
13. 請求項１２に記載の複数波長均質光源であって、
    前記複数の光源として、Ｒ光源と、Ｇ光源と、Ｂ光源と、Ｙ光源の４つの光源が、前記光源基板に略正四角形に配置され、
    かつ前記光混合器は、前記配置に対応した正四角柱である、
    ことを特徴とする映像装置用の複数波長均質光源。
14. 請求項９乃至１１のいずれかに記載の複数波長均質光源であって、
    前記散乱粒子は、透明な略球体形状とし、前記光混合器の前記透明な材料とは異なる屈折率としたことを特徴とする複数波長均質光源。
15. 請求項９乃至１１のいずれかに記載の複数波長均質光源であって、
    前記光源基板に配置された前記複数の光源と、前記光混合器の前記入射面との間は、前記光混合器の透明な材料と略同じ屈折率の材料で満たされていることを特徴とする複数波長均質光源。

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