(57)【要約】  光インテグレータ収容空間を有する光インテグレータホルダであって、前記光インテグレータ収容空間に、光インテグレータからの漏れ光を正反射又は乱反射する反射面を有する、光インテグレータホルダ。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光インテグレータ収容空間を有する光インテグレータホルダであって、
前記光インテグレータ収容空間に、光インテグレータ側面からの漏れ光を正反射又は乱反射する反射面を有する、光インテグレータホルダ。
【請求項２】
前記反射面が、前記光インテグレータ収容空間を構成する内壁面である、請求項１に記載の光インテグレータホルダ。
【請求項３】
前記反射面が、金属からなる、請求項１又は２に記載の光インテグレータホルダ。
【請求項４】
前記反射面が、白色体からなる、請求項１又は２に記載の光インテグレータホルダ。
【請求項５】
請求項１〜４の何れか１項の光インテグレータホルダの光インテグレータ収容空間に光インテグレータを収容した光インテグレータユニットであって、
前記光インテグレータが、少なくともその一部に、光を散乱する光散乱部を有する光インテグレータユニット。
【請求項６】
前記光インテグレータが、光を入射する入射面と、前記光を出射する出射面と、前記入射面と前記出射面とをつなぐ側面を有する中実ロッドからなり、
前記光散乱部は、屈折率Ｎ１の媒質に、前記屈折率Ｎ１とは異なる屈折率Ｎ２の散乱粒子を含有してなる請求項５に記載の光インテグレータユニット。
【請求項７】
前記光インテグレータの前記側面と、前記反射面を、略平行にかつ近接して配置した、請求項６に記載の光インテグレータユニット。
【請求項８】
前記光インテグレータが、前記光散乱部と、前記屈折率Ｎ１の媒質のみからなり前記側面が全反射面である全反射部とを有する、請求項６又は７に記載の光インテグレータユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光インテグレータを保持する光インテグレータホルダ及びこの光インテグレータホルダを用いた光インテグレータユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
投写型表示装置に組み込まれた光積分機（以下、光インテグレータ）に関し、光源から発せられた光の輝度分布を均一化（以下、光の均一化ともいう）する技術が各種開示されている。【０００３】
投写型表示装置に組み込まれる光インテグレータには、ロッドインテグレータとフライアイインテグレータとがある。ロッドインテグレータは、ロッドの一方の端面から入射した光をロッド内で面内反射させ、出射面で重畳させることによって、輝度分布を均一化するものである。ロッドインテグレータは、フライアイインテグレータに比べて、投写型表示装置の小型化に対応しやすいといった利点を有し、発光素子を光源とする投写型表示装置に適している。【０００４】
ロッドインテグレータのロッドには、ガラスロッド等の中実ロッドと、ミラーを貼り合わせてなる中空ロッドとがある。中空ロッドでは、銀又はアルミ等が蒸着されたミラーの反射面を用いて光を反射させるので、面内反射を繰り返す間に反射損失が発生する。一方、中実ロッドでは、面内反射がほぼ全反射となるので、中空ロッドに比べて反射損失が少ないという利点がある。【０００５】
中実ロッドに関し、投写型表示装置の小型化に対応する技術として、中実ロッドの内部に、光を散乱させる機能を有する散乱粒子をランダムに充填して、散乱を利用して光の均一化を行う技術が開示されている（特許文献１）。
特許文献１の技術によれば、全反射の繰り返しで光の均一化を行う従来の中実ロッドを用いる場合と比べて、よりコンパクトなサイズで同等の機能を奏する光インテグレータを実現することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１６−６５９０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ただし、特許文献１の技術では、光源から出射されて中実ロッドに入射した光が、散乱粒子に衝突して散乱光となるため、その散乱光の一部が光インテグレータの側面から出射して、光出射効率の低下につながるという課題があった。
なお、本明細書において、光インテグレータの入射面に入射する光束量に対する、光インテグレータの出射面から出射する光束量の割合を光出射効率と定義する。【０００８】
本発明は、上記の課題を解決し、中実ロッドの内部に充填した散乱粒子による光の散乱を利用して光の均一化を行う光インテグレータを用いた光インテグレータユニットにおいて、光出射効率を改善する技術を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記のような問題を解決するため、本発明者らは鋭意検討した結果、特定の構造の光インテグレータホルダを用いることによって上記課題を解決することができることを見出し、本発明を完成させた。本発明は、以下の［１］〜［８］を提供する。
［１］  光インテグレータ収容空間を有する光インテグレータホルダであって、前記光インテグレータ収容空間に、光インテグレータ側面からの漏れ光を正反射又は乱反射する反射面を有する、光インテグレータホルダ。
［２］  前記反射面が、前記光インテグレータ収容空間を構成する内壁面である、［１］に記載の光インテグレータホルダ。
［３］  前記反射面が、金属からなる、［１］又は［２］に記載の光インテグレータホルダ。
［４］  前記反射面が、白色体からなる、［１］又は［２］に記載の光インテグレータホルダ。
［５］  ［１］〜［４］の何れか１つの光インテグレータホルダの光インテグレータ収容空間に光インテグレータを収容した光インテグレータユニットであって、
前記光インテグレータが、少なくともその一部に、光を散乱する光散乱部を有する光インテグレータユニット。
［６］  前記光インテグレータが、光を入射する入射面と、前記光を出射する出射面と、前記入射面と前記出射面とをつなぐ側面を有する中実ロッドからなり、
前記光散乱部は、屈折率Ｎ１の媒質に、前記屈折率Ｎ１とは異なる屈折率Ｎ２の散乱粒子とを含有してなる［５］に記載の光インテグレータユニット。
［７］  前記光インテグレータの前記側面と、前記反射面を、略平行にかつ近接して配置した、［６］に記載の光インテグレータユニット。ここで略平行とは、実質的に平行であればよく、完全な平行を意味してもしなくてもよく、発明の効果を著しく阻害しない範囲での誤差を許容するものである。また、近接とは、接触しない程度で近傍であることを意味する。
［８］  前記光インテグレータが、前記光散乱部と、前記屈折率Ｎ１の媒質のみからなり前記側面が全反射面である全反射部とを有する、［６］又は［７］に記載の光インテグレータユニット。
【発明の効果】
【００１０】
中実ロッドの内部に散乱粒子を充填して、その散乱粒子により散乱させた散乱光を利用して光の均一化を行う光インテグレータを用いた光インテグレータユニットにおいて、上記構成からなる光インテグレータホルダを用いることにより、光インテグレータ側面からの漏れ光を光インテグレータ収容空間の反射面で反射させて、再度光インテグレータ内に回収することができ、光出射効率を改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】一実施形態における光インテグレータユニットの垂直断面図である。
【図２】他の実施形態における光インテグレータユニットの垂直断面図である。
【図３】実施例の光インテグレータユニットの全体斜視図である。
【図４】実施例の光インテグレータユニットの垂直断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の一実施形態における光インテグレータユニットを詳述する。なお、本発明は下記の実施形態に限定されるものではない。
【００１３】
[光インテグレータユニット]
図１に示すように、本実施形態の光インテグレータユニット１０は、光源１と、光源１の光軸上に配置される光インテグレータ２と、この光インテグレータ２を収容する光インテグレータ収容空間３を有する光インテグレータホルダ５からなる。本実施形態では、光源を含むインテグレータユニットとして説明するが、光源はインテグレータユニットの外部に設けることもできる。
光インテグレータ収容空間３は、光インテグレータ側面９からの漏れ光を正反射又は乱反射する反射面６を有する。
【００１４】
[光インテグレータ]
光インテグレータ２は、入射面７と出射面８と側面９を有すればよい。その他の形状は特に限定されないが、例えば、断面が矩形又は多角形の角柱、入射側が小さく出射側が大きい角錐台、円柱等の形状とすることができる。
本明細書において、入射面７とはＬＥＤ等の光源１からの光を入射する面を意味し、出射面８とは入射した光を出射する面を意味し、側面９とは入射面７と出射面８をつなぐ面を意味する。
【００１５】
本実施形態の光インテグレータ２は、内部に散乱粒子を含有する中実部材からなり、屈折率Ｎ１の媒質に、前記屈折率Ｎ１とは異なる屈折率Ｎ２の散乱粒子とを含有してなる光散乱部１１を有する。
臨界角より大きい入射角を持つ光線は屈折率の高い媒質から屈折率の低い媒質へ進行できないため、屈折率Ｎ１の媒質のみからなる光インテグレータでは、面内反射がほぼ全反射となり、側面９からの光の漏れ（以下、漏れ光という）は発生しないが、屈折率Ｎ１の媒質に、前記屈折率Ｎ１とは異なる屈折率Ｎ２の散乱粒子とを含有してなる光散乱部１１では、漏れ光が発生する。
本発明によれば、この漏れ光が、光インテグレータ収容空間３の反射面６で、正反射又は乱反射して光インテグレータ２の内部に回収されるため、漏れ光に起因する光出射効率の低下を回避し、光出射効率を改善することができる。
【００１６】
図１に示す実施形態では、光インテグレータ２全体が、光散乱部１１からなる。
その他の実施形態として、図２に示すように、入射面７側を、屈折率Ｎ１の媒質のみからなる全反射部１２とし、出射面８側を、屈折率Ｎ１の媒質に、前記屈折率Ｎ１とは異なる屈折率Ｎ２の散乱粒子を含有してなる光散乱部１１とすることもできる。
図２に示すように、光インテグレータ２の入射面７側を全反射部１２とし、出射面８側を光散乱部１１とすることで、光出射効率を更に向上させることができる。
全反射部１２と光散乱部１１の比率は、１：１〜１０：１であることが好ましく、１．５：１〜５：１がより好ましい。
【００１７】
屈折率Ｎ１の媒質としては、光硬化性樹脂、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂等の中から任意の樹脂を選択することができる。このうち、光硬化性樹脂を選択することで、散乱粒子との混合が容易であるという利点及び、硬化後に冷却や乾燥等の工程を必要としないため作業効率が向上するという利点及び、所定の形状に成形しやすいという利点が得られる。また、アクリル系樹脂等を選択することで、光の利用効率を高めることができる。
【００１８】
屈折率Ｎ２の散乱粒子としては、プラスチック、ガラス、もしくは、他の材料からなる粒子を用いることができる。散乱粒子は、球状、又はその他の形状を有する。汎用品である球状とすることで、コストを抑制することができる。中実部材に含有される散乱粒子のうち、９０％以上の散乱粒子の粒径が、０．５μｍ以上、５μｍ以下の範囲にあることが望ましい。粒径が小さくなるにつれて光が散乱しやすくなり、過度に散乱が起こると光の取り出し効率が低下する傾向がある。一方、粒径が大きくなるにつれて、光が散乱しづらくなる傾向がある。散乱粒子の粒径を上記の範囲に収めることにより、光の取り出し効率を低下させることなく、十分な光拡散効果を得ることができる。
【００１９】
スネルの法則により、屈折率Ｎ１と屈折率Ｎ２の差分が大きいほど、より大きな拡散機能を得ることができる。屈折率Ｎ１と屈折率Ｎ２は、どちらの屈折率が大きくてもよいが、屈折率Ｎ１と屈折率Ｎ２の差は０．００５以上あることが望ましい。屈折率Ｎ１と屈折率Ｎ２の差が０．００５以上かつ０．０１５以下であると、散乱粒子と中実部材の比重を近接させやすくなり、散乱粒子を中実部材に混合させるのが容易となる。また、十分な光拡散効果を得ることもできる。
【００２０】
散乱粒子の含有率は、好ましくは０．１〜１０体積％、より好ましくは０．５〜３体積％であり、出射面から出射させる光の均一性及び/又は光量に応じて調整することができる。
屈折率Ｎ１の媒質に屈折率Ｎ２の散乱粒子を含有してなる光散乱部１１内において、散乱粒子の含有率に差をつけて、出射面５側で散乱粒子をより多く含有させることもできる。
上記の実施形態では、屈折率Ｎ１の媒質に屈折率Ｎ２の散乱粒子を含有してなる光散乱部１１について説明したが、光インテグレータ２の表面に凹凸形状をつけて光を散乱させることもできる。
【００２１】
[光インテグレータホルダ]
光インテグレータホルダ５は、光インテグレータ収容空間３部分と、筐体４部分を有する。
光インテグレータ収容空間３は、光インテグレータ側面からの漏れ光を正反射又は乱反射させる反射面６を有する。反射面６の反射率は、０％超の範囲で高いほど好ましい。
【００２２】
本実施形態では、筐体４で囲まれた内部空間を光インテグレータ収容空間３として、光インテグレータ収容空間３に面した筐体４の壁面を反射面６としている。筐体４の壁面を反射面６とすることにより、反射面６の変形を抑制することができる。
その他の実施形態として、光インテグレータ収容空間３に面した筐体４の壁面と、光インテグレータ２の側面９との間に、独立部材の反射体を配置して反射面６とすることもできる。
反射面６と光インテグレータ２の側面９とは、平行にかつ近接して配置することが好ましい。このように配置することにより、光インテグレータ２の内部に回収される光量を効果的に増加させることができる。ここで略平行とは、実質的に平行であればよく、完全な平行を意味してもしなくてもよいことを意味する。具体的には、例えば、平行方向から−１０度以上１０度以下の範囲内の方向であり、発明の効果を著しく阻害しない範囲での誤差は許容される。また、ここで近接とは、接触しない程度で近傍であることを意味する。具体的には、例えば、光インテグレータ２と筐体４の間隙（Ｘ）が０．００１mm以上１mm以下の範囲内であり、発明の効果を著しく阻害しない範囲での誤差は許容される。光漏れを少なくする観点から、０．００１mm以上０．３mm以下が好ましく、０．００１mm以上０．１mm以下が更に好ましい。
【００２３】
反射面６は、反射率の高い高反射材料で構成される。
本明細書において、高反射材料とは、反射率が８５％以上の材料を意味する。高反射材料の反射率は、好ましくは８８％以上、より好ましくは９０％以上である。
【００２４】
反射面６は、例えば、アルミ、銀等の金属をめっき加工又は蒸着加工することで得ることができる。また、反射面６は、白色シリコン又は白色ポリカーボネート樹脂製の白色体で構成することで得ることもできる。
反射面６を上記の金属や白色体で構成することにより、光インテグレータ２の内部に回収される光量を効果的に増加させることができる。
【００２５】
筐体４の内壁面の反射面６のみを高反射材料で構成してもよいし、或いは、筐体４自体を高反射材料で構成することもできる。
筐体４自体を高反射材料で構成し、その筐体内に形成する光インテグレータ収容空間３の内壁面を反射面６として用いることで、より簡易な構成で本発明の効果を得ることができる。
【実施例】
【００２６】
以下、本発明を実施例により更に具体的に説明するが、本発明はその要旨を超えない限り、以下の実施例に限定されない。【００２７】
図３及び図４に示す光インテグレータユニット１０を用いて、光インテグレータ２の正面輝度を測定した。【００２８】
（光インテグレータの仕様）
光インテグレータ２は、長さ４．１５ｍｍ、高さ１．０５ｍｍ、幅１．０５ｍｍの四角柱の形状を有する。その内部は、透明度の高い、屈折率１．５１の媒質で満たされ、その媒質中には、透明度の高い、屈折率１．５９の粒子がランダムに分布している。媒質として日立化成（株）製ヒタロイド９５０１（商品名）を使用した。これは、ウレタンアクリレート系の光硬化樹脂である。また、粒子として、積水化成品工業（株）製テクポリマーＳＳＸ−３０２ＡＢＥ（商品名）を使用した。これは、架橋ポリスチレン樹脂の微粒子であり、形状は球形、平均直径は２μｍで、全体の９５％以上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。【００２９】
（光インテグレータの製造方法）
光インテグレータ２は、以下のように製造した。まず、光硬化樹脂の中に、全体の重量の０．６％の微粒子を入れ十分攪拌し、その後脱泡した。厚み１．０５ｍｍの金属板の中央を６０ｍｍ角でくりぬいたものを製作し、その両面をガラス板で挟んだものを型とした。これにより、型内に長さ６０ｍｍ、幅６０ｍｍ、深さ１．０５ｍｍの空隙ができる。この空隙に上記脱泡後の樹脂を流し込んだ。このとき中に空気が入らないようにした。その後、ガラス越しにＵＶランプを照射させ、樹脂を十分に硬化させた。その後、製品を取り出して、ダイサー（ＤＡＣ５５２、（株）ディスコ製）にて、幅１．０５ｍｍ、長さ４．１５ｍｍに切り出した。側面は粒径＃５０００のダイシングブレードを用い、回転数３０，０００ｒｐｍ、切削速度１ｍｍ／ｓの条件で加工した。【００３０】
（光インテグレータホルダを構成する筐体の仕様）
筐体４は、２ｃｍ角の白色ポリカーボネート（ユーピロンＥＨＲ３１００、三菱エンジニアリングプラスチックス（株）製）を肉厚が３ｍｍとなるように切削することにより製作した。形状はＬ字型断面をもつ柱体とし、これを２つ組み合わせて、光インテグレータ２の側面９の外周を囲うように配置して、光インテグレータ収容空間３とした。このように、Ｌ字型断面をもつ柱体を２つ組合せて光インテグレータ収容空間３を形成することにより、光インテグレータ２と筐体４の間隙（Ｘ）の調整が容易となる。また、同形状とすることにより、筐体４の内面で、光インテグレータ２の側面９の外周を囲う箇所に、反射面６となる反射体を設置する作業を簡単に行うことができる。【００３１】
（反射面）
反射面６は、下記表１に示すシート又はテープを、筐体４の内面で、光インテグレータ２の側面９の外周を囲う箇所に設置して形成した。
実施例１では、拡散反射の効果確認を目的に白色シートを選定し、筐体４の内面の上記箇所に貼り付けた。白色シートとして、東レ（株）製ルミラーＥ２０を使用した。この面に光が当たると散乱反射し、その反射率は約９０％であった。
実施例２では、正反射の効果確認を目的に銀色シートを選定し、筐体４の内面の上記箇所に貼り付けた。銀色シートとして、きもと（株）製レフホワイトＲＷ１２５を使用した。この面に光が当たると正反射し、その反射率は約９０％であった。
比較例１では、光が反射しない場合の確認を目的に黒色テープを選定し、筐体４の内面の上記箇所に貼り付けた。黒色テープとして、ニチバン（株）製ビニールテープＶＴ−１９６を使用した。【００３２】
（光源）
光源１として、ＬＥＤ（ＯＳＲＡＭ社製  ＬＴＲＢ  Ｒ８ＳＦ）を使用した。１つのＬＥＤに赤、青、緑の３素子が搭載されたものである。【００３３】
（輝度測定）
ＬＥＤを光インテグレータの入射面中心に密着させて配置し、アノードを共通にして、グランドと赤色素子の間には１ｋΩ、青色素子には１５０Ωの抵抗を挟み、ＬＥＤに２．７Ｖ印加して発光させ、光インテグレータ２を、前記Ｌ字型断面をもつ柱体で囲ったうえで、輝度計１３を用いて光インテグレータの出射面の正面輝度を測定した。
このとき、光インテグレータホルダ２と筐体４の間隙（Ｘ）は０．１ｍｍに設定した。
輝度計１３は、コニカミノルタ（株）製２次元色彩輝度計ＣＡ−１５００を使用した。輝度は、光インテグレータ出射面内の平均値で評価した。【００３４】
（評価結果）
評価結果を表１に示す。
実施例１：光インテグレータ側面外周に白色シートを設置したとき、輝度は３３，１６０ｃｄ／ｍ２となり、ホルダーのないとき（比較例２）と比較して約９％の輝度上昇となった。
実施例２光インテグレータ側面外周に銀色シートを設置したとき、輝度は３３，９７０ｃｄ／ｍ２となり、ホルダーのないとき（比較例２）と比較して約１１％の輝度上昇となった。
比較例１：光インテグレータ側面外周に黒色テープを設置したとき、輝度は３０，１５０ｃｄ／ｍ２となり、ホルダーのないとき（比較例２）とほとんど変わらなかった。【００３５】
【表１】
2018221579.tif 000003
【００３６】
表１に示すように、光インテグレータ収容空間に反射面を有する実施例１及び実施例２によれば、中実ロッドの内部に散乱粒子を充填し、散乱光を利用して光の均一化を行う光インテグレータを用いた光インテグレータユニットにおいて、光出射効率を改善することができる。
【符号の説明】
【００３７】
１  光源
２  光インテグレータ
３  光インテグレータ収容空間
４  筐体
５  光インテグレータホルダ
６  反射面
７  入射面
８  出射面
９  側面
１０  光インテグレータユニット
１１  光散乱部
１２  全反射部
１３  輝度計
【図１】
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【図２】
2018221579.tif 000005
【図３】
2018221579.tif 000006
【図４】
2018221579.tif 000007
【国際調査報告】
2018221579.tif 000008
2018221579.tif 000009
2018221579.tif 000010