JPH04326306A - 光ファイバーライトガイド - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、均一な照明光が得られ
る光ファイバーライトガイドを構成する技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】シート状物の欠陥検査装置に使われるラ
イン状光源、液晶プリンターにおける液晶シャッターの
バックライト等に冷光源として光ファイバーラインライ
トが使われている。

【０００３】これらライトガイドに使われる光源部は、
一般にハロゲンランプやキセノンランプ等の発光光をレ
ンズや凹面鏡を使って集束するものであるが、この集束
部はランプ（フィラメント）形状や凹面鏡の形状等によ
って決まる明るさ斑をもつ。従ってこれをそのままライ
トガイドの入射光とすると、出射光にも斑を生じ好まし
くない。

【０００４】そこで光源部の明るさ斑を減少せしめるた
めに、従来から以下のような装置が提案されている。 Ａ．入射端の手前に拡散板をおく。 Ｂ．入射端の手前に円柱の透明ロッドをおく。 Ｃ．特願昭６３−１０６７７９号報に記載されるように
、入射端の手前に、入射端と出射端でのファイバーの配
列がランダムに変換されている第二の光ファイバーライ
トガイドと、これにつながる円柱の透明ロッドをおく。 Ｄ．特開昭６０−２０２４１１号報に記載されるように
、入射端に置いた積分球を使って均一化する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記装置Ａは、入射光
量が簡単に一桁以上落ちてしまい、効率が極めて悪いの
で好ましくなく、また■は明るさ斑の減少が十分でなく
好ましくない。

【０００６】上記装置Ｂは均一性の高い光線が得られる
上、効率も５０％前後を得る事が出来て、性能的には満
足できるが他の方法に比べてコストが高くつくのが欠点
である。また上記装置Ｃは均一性の点では好ましいもの
の、効率が悪く好ましくない。

【０００７】本発明の目的は、均一性・効率が高い光フ
ァイバーライトガイドを、低コストで実現する事である
。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明による請求項１の
光ファイバーライトガイドは、一端が集束され、他端が
任意の形状に配列された多数の光ファイバーを用いて照
明光を伝送するライトガイドにおいて、光源側集束端に
多角柱の透明ロッドないしは多角柱の側面を形成する鏡
面群をその一方の底面が該集束端に接するように置かれ
たことを特徴とするものである。

【０００９】また請求項２による光ファイバーライトガ
イドは、特に上記多角柱が正六角柱，正五角柱のいずれ
かとするものである。

【００１０】さらに請求項３による光ファイバーライト
ガイドは、上記多角柱の底面が長方形，直角三角形，正
三角形，他の鋭角三角形のいずれかとするものである。

【００１１】加えて、請求項４による光ファイバーライ
トガイドは、上記多角柱の底面が正方形であるものであ
る。

【００１２】

【作用】本発明の光学部品は、前記従来装置Ｂの円柱透
明ロッドを、多角柱の透明ロッドないしは多角柱の側面
を形成する鏡面群に置き換えることによって、十分なミ
キシング作用を持たせるものである。以下は多角柱の透
明ロッドの場合について説明するが、多角柱側面の鏡面
群についても全く同様の議論が成り立つ。

【００１３】図１，図２は本発明請求項１及び請求項２
の一実施例のラインライトガイドを示したもので、図１
は斜視図、図２はｙ方向からみた部分平面図である。

【００１４】ランプ１の光は凹面鏡２で正六角柱透明ロ
ッド３の一方の底面に集束される。この入射光線の多く
は３の中を側面に反射しながら通過し、ミキシングされ
、ロッド３の入射端で存在した不均一が減じられて、口
金４に集束された光ファイバーに入り、出射ファイバー
端６から出射する。

【００１５】ここで多角形透明ロッドによってミキシン
グが行われる原理を図３，図４を使って説明する。

【００１６】ランプ１と凹面鏡２によって作られる集束
光は、ｘ軸と平行な光軸付近を通るメリディオナルレイ
に近い光線から構成される。そこでランプの光軸をロッ
ドの軸と一致させ、メリディオナルレイのミキシングの
様子を調べる。断面方向からみればメリディオナルレイ
は中心から発する光と考えて良い。

【００１７】図３はこの場合の入射光線の経路をロッド
の断面方向から見た図であり、それぞれ底面の形状が（
Ａ）円（比較例），（Ｂ）正二〇角形，（Ｃ）正八角形
，（Ｄ）正六角形，（Ｅ）正方形（長方形），（Ｆ）正
三角形の場合である。

【００１８】（Ａ）　　断面が円の場合　　・・・　　
中心から発する光は必ず平行逆向きに反射し中心に戻る
。従って反射光もまたメリディオナルレイである。各光
線は一定の反射モードをなし、このロッドの中を十分長
い距離通過してミキシングが行われる結果、ランダムで
等方的なメリディオナルレイの集合となったとすると、
出射光は光軸からの距離に反比例する強度分布の光とな
る。

【００１９】実際には入射光は完全なメリディオナルレ
イではないため、強度分布は上記とやや異なるものの、
中心部が強く周辺が弱いパターンを持つ。

【００２０】（Ｂ）と（Ｃ）　　断面が七角以上の正多
角形の場合　　・・・　　　　中心から発する光はもは
や平行逆向きに反射しないが、比較的中心付近に戻る。 従って反射光はもはやメリディオナルレイではなく、反
射する度に角度を変え、ランダムな光になってゆく。従
って十分長いロッドを使って反射回数を増やせば出射光
は均一に近ずく。

【００２１】正二〇角形（Ｂ）に比べて正八角形（Ｃ）
は反射による拡散の度合いが大きく、比較的短い距離で
均一化が進むが、一回の反射では反射光が全体に広がら
ない（陰の部分ができる）ため周辺に暗い部分が出来や
すく、これを避けるためにはある程度長いロッドが必要
である。

【００２２】（Ｄ）、（Ｅ）と（Ｆ）　　断面が正六角
形（五角形），正方形（長方形），正三角形の場合　　
・・・　　これらは一回の反射で光が断面全体に広がる
性質を持ち、このためかなり短い距離で均一度を上げる
事ができる。

【００２３】一方図４はランプの光軸がロッドの光軸か
らずれた場合の入射光線の経路をロッドの断面方向から
見た図であり、それぞれ底面の形状が（Ａ）正六角形，
（Ｂ）正方形，（Ｃ）正三角形，（Ｄ）鈍角三角形であ
る。

【００２４】（Ａ）　　断面が正六角形（五角形）の場
合　　・・・　　　　偏芯したことによって遠くなった
側面に反射した光は断面全体に広がらず、陰の部分を生
じる。これにより短い距離で均一度を上げる事が難しく
なる。断面が正五角形の場合は、偏芯の程度が大きくな
ると、同様の問題を生じる。

【００２５】（Ｂ）と（Ｃ）　　断面が正方形（長方形
），正三角形の場合　　・・・　　これらは偏芯しても
一回の反射で光が断面全体に広がる性質は変わらず、こ
の場合にもかなり短い距離で均一度を上げる事ができる
。

【００２６】（Ｄ）　　断面が鈍角三角形の場合　　・
・・　　偏芯した位置によっては特定の側面（鈍角をは
さむ面）の反射光が陰の部分を持つ。これにより短い距
離で均一度を上げる事が難しくなる。

【００２７】また円柱ロッドの場合には、偏芯した集束
光はリング状の明部をもつ不均一な出力光となることが
、簡単な推論からわかる。

【００２８】以上まとめると、集束性の光源光について
イ　　円柱ロッドは中心部が強く、周辺部が弱い強度分
布（偏芯した場合はリング状の強度分布）を生じせしめ
、均一な出力光を得られない。 ロ　　多角柱ロッドは均一な出力光を作るミキシング作
用を持つ（請求項１）。 ハ　　正六角柱ロッドないしは正五角ロッドは、入射集
束光がロッドの中心軸に入射する場合には短いロッドで
高いミキシング効果を得られる（請求項２）。 ニ　　底面が正方形，長方形，鈍角三角形以外の三角形
である多角柱ロッドは、偏芯した入射光に対しても高い
ミキシング効果を得られる（請求項３）。となる。

【００２９】以上の推論から正三角柱ロッド，正四角柱
ロッドが最も有利に感じられる。しかしながら一方では
光ファイバーバンドルの入射端の形状は円形が最も作り
易いという事情があり、正三角柱ロッド，正四角柱ロッ
ドではこの円形の端面をミキシングロッドにつなぐ際に
生じる光のロスが大きいという問題もある。特に正三角
柱ロッドでは大きな問題である。

【００３０】このような場合には、効率をより重視する
目的に正六角柱，正五角柱ないしはそれ以上の角数の多
角柱ロッドを、コンパクト（長さが短い）ことないしは
均一性の高さをより重視する目的にを正三角柱，正四角
柱を採用すればよい。

【００３１】光ファイバーバンドルの端面形状をロッド
の底面にあわせる場合には、正三〜六角柱を採用すれば
よいが、作り易さと性能を考えれば，請求項４に示した
正四角柱が最も好まい。

【００３２】更に正三角柱，正四角柱，正六角柱のロッ
ドについて、均一化原理を説明する。

【００３３】図８は正三角柱のロッドを片方の端（底面
，出射側）から見たもので、実線の三角形が他端の底面
（光源側）であり、その中の黒点が光源の位置を示すも
のとする。

【００３４】側面の反射光は万華鏡のようにこの光源の
像を作る。白ぬき丸が一回反射した光による像、白四角
が二回反射した光による像、白三角が三回反射した光に
よる像、×印が四回反射した光による像、＋印が四回反
射した光による像、である。

【００３５】結果的に出射光はこれら多数の光源像から
の光の合成になるが、その結果個々の光源像の光の不均
一が打ち消されるわけである。

【００３６】図９，図１１，図１０はそれぞれ正三角柱
，正四角柱，正六角柱のロッドについて同様の図を示し
たもので、光源はそれぞれ底面の中心に位置するものと
した。光源の像は中心からｒ１〜ｒ６〜の距離に存在し
、出射光の均一性は視野（光ファイバーの開口円）内に
はいる光源像の数が多いほど良いと思われる。そこで底
面積を一定（＝１）としたときの開口円の半径ｒと円内
の光源像の数を求めたものが図７である。グラフは各ロ
ッドとも同様の傾向を見せることから、これらのミキシ
ング性能に大きな差はないものと思われる。

【００３７】開口円の半径ｒは開口角±θとロッドの長
さＬを使って

【数１】 ただし　　ｎ：ロッドの屈折率と書ける。これを使って
θ＝３０゜のときのＬ／ｄ（ｄ＝１：正四角柱の辺の長
さ）が３，５，７のときのｒを図７中に示した。正四角
柱ならＬ／ｄが５で光源像数は８となり、すでにかなり
のミキシング効果があると予測される。

【００３８】以上多角柱の透明ロッドの場合について説
明したが、多角柱側面の鏡面群の場合には数１でｎ＝１
，∴θｎ＝θとなる点、及び鏡面の反射損失が異なる点
を除けば、機能的には同じである。

【００３９】

【実施例】図６は本発明の実施例の平面図であり、ロッ
ド３は底面の一辺がｄ＝２０ｍｍの正四角柱のＰＭＭＡ
（アクリルプラスチック）である。本装置に於いて、ラ
イトガイドの出射端からＤ＝５０ｍｍ離れた線上で有効
照明幅２５０ｍｍについて照度を測定し、その最大値Ｉ
ｍａｘと最小値Ｉｍｉｎから光量斑を数２で求めた。こ
の値をロッドの長さＬに対してプロットしたものが図５
である。

【数２】

【００４０】なおここでＬ＝０はロッドの無い場合で、
比較例である。

【００４１】ロッドの無い状態で４６％あった光量斑が
、Ｌ＝１００（Ｌ／ｄ＝５）で１１％、Ｌ＝１５０（Ｌ
／ｄ＝７．５）のとき７％と劇的に減少した。さらにこ
の時の平均照度はロッドの無い時の約６７％であった。 これは正四角柱ロッドから円形断面のファイバー束に光
が入るときの効率が約７８％、正四角柱ロッドの光線透
過率約９２％から計算される値７２％に近い数値である
。

【００４２】

【発明の効果】本発明の光ファイバーライトガイドは、
光源光の入射部に多角柱の透明導光路を形成することに
よって入射光の均一化を行い、光量斑の少ない良質の照
明光を効率よく得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による光ファイバーライトガイドである
。

【図２】本発明による光ファイバーライトガイドの部分
図である。

【図３】本発明のミキシング効果を説明する説明図であ
る。

【図４】本発明のミキシング効果を説明する説明図であ
る。

【図５】本発明の実施例の効果を示すグラフである。

【図６】本発明の実施例の平面図である。

【図７】本発明の多角柱ロッドの長さとミキシング効果
の関係を示す説明図である。

【図８】本発明の正三角柱ロッドのミキシング原理の説
明図である。

【図９】本発明の正三角柱ロッドの長さとミキシング効
果を関係ずける説明図である。

【図１０】本発明の正六角柱ロッドの長さとミキシング
効果を関係ずける説明図である。

【図１１】本発明の正四角柱ロッドの長さとミキシング
効果を関係ずける説明図である。

【符号の説明】

１　　　　　　　　　　光源（電球） ２　　　　　　　　　　曲面鏡 ３　　　　　　　　　　透明ロッド ４　　　　　　　　　　口金 ５　　　　　　　　　　光ファイバー束６　　　　　　
　　　　光出射部 ７　　　　　　　　　　照度測定面

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　一端が集束され、他端が任意の形状に
   配列された多数の光ファイバーを用いて照明光を伝送す
   るライトガイドにおいて、光源側集束端に多角柱の透明
   ロッドないしは多角柱の側面を形成する鏡面群をその一
   方の底面が該集束端に接するように置かれたことを特徴
   とする光ファイバーライトガイド。
2. 【請求項２】　　上記多角柱が正六角柱，正五角柱のい
   ずれかである請求項１記載の光ファイバーライトガイド
   。
3. 【請求項３】　　上記多角柱の底面が長方形，直角三角
   形，正三角形，他の鋭角三角形のいずれかである請求項
   １記載の光ファイバーライトガイド。
4. 【請求項４】　　上記多角柱の底面が正方形である請求
   項１記載の光ファイバーライトガイド。