(57)【要約】【課題】均一な強度分布を持つ光束を得るための光混合素子において、光束出射側の開口部自体に集光性を持たせることで、光束を集中させて効率良く有効利用を図り、部品点数を減らすことで実用性を高める。【解決手段】一端面１０ａと他端面１０ｂと周面１０ｃとで囲まれる中実の棒状部材１０を備える。一端面１０ａから棒状部材１０内に入射した光線が、周面１０ｃの内側において繰り返し反射された後に、他端面１０ｂを通って棒状部材１０から出射される。他端面１０ｂでの開口数が前記一端面１０ａでの開口数よりも小さくなるように、他端面１０ｂが凸面とされている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一端面と他端面と周面とで囲まれる中実の棒状部材を備え、前記一端面から前記棒状部材内に入射した光線が、前記周面の内側において繰り返し反射された後に、前記他端面を通って前記棒状部材から出射される光混合素子において、
前記他端面での開口数が前記一端面での開口数よりも小さくなるように、前記他端面が凸面とされていることを特徴とする光混合素子。
【請求項２】
前記一端面が凹面とされている請求項１に記載の光混合素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば均一な照明光を必要とする照明光学系のように、均一な光量分布の光束を必要とする光学系において利用できる光混合素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、光路内の光量分布を均一にすることを目的とする素子の代表的なものにフライアイレンズがある。これは、小さなレンズユニットを同一平面上に多数配置したものであって、光路中に挿入することによって、通過する光束を混合し強度分布を均一化させる役割を果たす。フライアイレンズは公知技術として多数の企業で製品化されている。
【０００３】
フライアイレンズの他に既知の素子としてビームインテグレータと呼ばれる光混合素子がある（特許文献１、２参照）。図５の従来例に示すビームインテグレータ１００は、内部が空洞（又は中実）の筒状部材１０１の内面１０１ａを鏡面としたもので、入射端１０１ｂから筒状部材１０１に入射する光線Ｌは、屈折せずに進行方向を維持したまま筒状部材１０１内を進行し、内面１０１ａにおいて反射を繰り返し、出射端１０１ｃから屈折せずに出射する。これにより、筒状部材１０１に入射する光線Ｌにより構成される光束は、各光線Ｌが反射を繰り返しながら進行することで強度分布が均一化される。このような光混合素子を製品化したものとして、欧州Ｕｎａｘｉｓ社の“Ｌｉｇｈｔ  Ｔｕｎｎｅｌ”や、米国ＯＣＩＳ社の“Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ  Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ  Ｌｉｇｈｔ  Ｐｉｐｅ”がある。
【０００４】
図６の従来例に示すビームインテグレータ２００は、中実の透明な棒状部材２０１を用いたものであり、棒状部材２０１に入射する光線Ｌは、入射側端面２０１ａでの屈折により進行方向を変化させた後に棒状部材２０１内を進行し、周面２０１ｂ内側において反射を繰り返し、出射側端面２０１ｃで再度屈折した後に出射する。これにより、筒状部材１０１に入射する光線Ｌにより構成される光束は、各光線Ｌが反射を繰り返しながら進行することで強度分布が均一化される。
【特許文献１】米国特許第５０５９０１３号公報
【特許文献２】米国特許第５６２５７３８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
フライアイレンズにおいては、光路から一部外側に向けて発散する光線があり、それを回収することは困難である。
【０００６】
光混合素子から発散する光束の拡がりは入射する光束の拡がりに依存する。すなわち、一般に光源から光混合素子に入射する光束は拡がりが大きいことが多く、それと同等水準の拡がりで光束は光混合素子から発散しながら出射される。これは、図５のビームインテグレータ１００においては、光線Ｌは屈折することなく鏡面において反射され、また、図６のビームインテグレータ２００においては、入射側端面２０１ａと出射側端面２０１ｃが平坦面であることによる。これにより、光線入射角θｉと光線出射角θｏが等しく、光混合素子の一端面での開口数（ＮＡ）と他端面での開口数が等しくなる。そのため、光混合素子から出射される光束を集光するための凸レンズを置くなどの配慮をしても、その集光レンズの外側に発散して失われる光束が存在し、利用しうる光束が減少することとなる。例えば図７に示すように、ビームインテグレータ１００、ビームインテグレータ２００から出射される光束を利用する照明光学系３００を設ける場合、その照明光学系３００を構成する最前列の凸レンズ３０１によって光線Ｌを集光しても、その凸レンズ３０１よりも外側に向けて発散する光線Ｌ′は取り込まれずに無駄となる。本発明は、そのような問題を解決できる光混合素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、一端面と他端面と周面とで囲まれる中実の棒状部材を備え、前記一端面から前記棒状部材内に入射した光線が、前記周面の内側において繰り返し反射された後に、前記他端面を通って前記棒状部材から出射される光混合素子において、前記他端面での開口数が前記一端面での開口数よりも小さくなるように、前記他端面が凸面とされていることを特徴とする。
本発明によれば、棒状部材の他端面での開口数を一端面での開口数よりも小さくすることで、その他端面を通って出射される光束の発散角を絞ることができる。これにより、光混合素子から出射される強度が均一化した光束を利用する光学系において、取り込むことができる光束を増やし、光束の有効利用を図ることができる。
【０００８】
前記一端面が凹面とされているのが好ましい。これにより、棒状部材の一端面と他端面における開口数の差をより大きくし、より光束の有効利用を図ることができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、均一な強度分布を持つ光束を得るための光混合素子において、光束出射側の開口部自体に集光性を持たせることで、光束を集中させて効率良く有効利用を図ることができ、しかも部品点数を減らすことで実用性を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
図１に示す示す照明システムＳにおいては、光源１の発する光束は直接あるいは光源１を囲む反射ミラー２を介して、光混合素子であるビームインテグレータ３に入射され、ビームインテグレータ３から照明光学系３００に向かい出射される。照明光学系３００によって光束は結像面または集光面に集束され、所定の用途に用いられる。例えば、顕微鏡における試料の照明光、液晶パネルのバックライト、干渉を利用した計測器における試料への入射光等として利用される。
【００１１】
ビームインテグレータ３は、透光性を有する材料を棒状に加工することで得られる中実の棒状部材１０を備える。棒状部材１０は、一端面１０ａと他端面１０ｂと周面１０ｃとで囲まれる。本実施形態の棒状部材１０は軸線を回転中心とする回転体形状であって、周面１０ｃは円柱面に沿うものとされている。なお、棒状部材１０は、一端面１０ａと他端面１０ｂと周面１０ｃとで囲まれる中実の棒状であれば形状は限定されず、例えば、横断面が非円形でもよいし、周面１０ｃが角柱面、円錐面、角錐面等に沿うものでもよく、軸線が屈曲していてもよく、また、フレキシブルな材質により成形することで撓み変形可能であってもよい。
【００１２】
一端面１０ａから棒状部材１０内に入射する光線は、一端面１０ａでの屈折により進行方向を変化させた後に棒状部材１０内を進行し、周面１０ｃの内側において繰り返し反射された後に、他端面１０ｂを通って棒状部材１０から出射される。その出射される光線は、他端面１０ｂでの屈折により進行方向が変化した後に照明光学系３００に向かう。これにより、棒状部材１０に入射される光束の光量分布は、光束を構成する各光線が繰り返し反射されつつ進行することで均一化される。
【００１３】
図２、図３に示すように、本実施形態の一端面１０ａは棒状部材１０の軸線Ｃ１に対し直交する平坦面とされ、棒状部材１０の他端面１０ｂは凸面とされている。本実施形態における他端面１０ｂは球面に沿う凸曲面とされているが、非球面に沿う凸曲面でもよいし、多面体に沿う凸面でもよい。これにより、棒状部材１０の他端面１０ｂでの開口数は一端面１０ａでの開口数よりも小さくされる。
【００１４】
すなわち、棒状部材１０の一端面１０ａに入射角θで入射する光線Ｌを考え、棒状部材１０の材質の屈折率をｎ、棒状部材１０の軸線Ｃ１を基準にして光線Ｌが棒状部材１０の内部に進入する角度をθ′として、棒状部材１０の外側が空気であるとすると、θ′は次式で表される。簡単のため、入射端面１０ａは光軸に対して垂直平面であると仮定する。
θ′＝ｓｉｎ-1（ｓｉｎθ／ｎ）…（１）
棒状部材１０の一端面１０ａにおける開口数ＮＡinは次式で表される。
ＮＡin＝ｓｉｎθ…（２）
よって、ＮＡinが最大値１である場合のθ′であるθ′max は次式で表される。
θ′max ＝ｓｉｎ-1（１／ｎ）…（３）
棒状部材１０の他端面１０ｂが沿う球面の半径をｒ、棒状部材１０の直径を２ａとすると、他端面１０ｂの最外周での法線Ｒ１が棒状部材１０の軸線Ｃ１に対しなす角φは次式で表される。
φ＝ｓｉｎ-1（ａ／ｒ）…（４）
他端面１０ｂの最外周を通って出射される光線Ｌが、その出射直前に棒状部材１０の内部において法線Ｒ１に対してなす角αは次式で表される。
α＝φ−θ′…（５）
他端面１０ｂの最外周を通って出射される光線Ｌが、その出射直後に棒状部材１０の外部において法線Ｒ１に対してなす角βは次式で表される。
β＝ｓｉｎ-1（ｎｓｉｎα）…（６）
他端面１０ｂの最外周を通って出射される光線Ｌが、その出射直後に棒状部材１０の外部において軸線Ｃ１の方向に対してなす角Υは、上記（３）〜（６）式より次式で表される。
Υ＝φ−β
＝ｓｉｎ -1 （ａ／ｒ）−ｓｉｎ-1（ｎｓｉｎα）
＝ｓｉｎ -1 （ａ／ｒ）−ｓｉｎ-1〔ｎｓｉｎ｛ｓｉｎ-1（ａ／ｒ）−ｓｉｎ-1（ｓｉｎθ′／ｎ）｝〕…（７）
棒状部材１０の他端面１０ｂにおける開口数ＮＡout は次式で表される。
ＮＡout ＝ｓｉｎΥ…（８）
よって、他端面１０ｂにおける開口数ＮＡout は次式で表される。なお、θ′は最大値のθ′max であるとし、ここでは９０度であるとする。
ＮＡout ＝ｓｉｎ［ｓｉｎ-1（ａ／ｒ）−ｓｉｎ-1〔ｎｓｉｎ｛ｓｉｎ-1（ａ／ｒ）−ｓｉｎ-1（１／ｎ）｝〕］…（９）
【００１５】
図４は、棒状部材１０の一端面１０ａにおける開口数ＮＡin＝１、棒状部材１０の屈折率ｎ＝１．５とし、ｒ／ａの値を横軸、他端面１０ｂにおける開口数ＮＡout を縦軸とし、上記（９）式を用いてプロットした点を結んだ線を示す。図４より、他端面１０ｂにおける開口数ＮＡout は、ｒのとり方にも依存するが、常に一端面１０ａにおける開口数ＮＡinよりも小さくなることを確認できる。これにより、棒状部材１０に入射する光束よりも棒状部材１０から出射する光束の発散度を下げ、棒状部材１０から照明光学系３００に向けて出射される光量を集中し、換言すれば棒状部材１０自身に光学的パワーを与え、凸レンズを用いて集光するよりも効率良く光源１の発する光の利用率を高めることができる。
【００１６】
本発明は上記実施形態に限定されない。例えば、棒状部材の周面の外周に反射材をコーティングし、棒状部材の材質の臨界角以上の角度で一端面から入射する光線も周面の内側において繰り返し反射可能としてもよい。また、上記実施形態では棒状部材の一端面を平坦面としたが、他端面での開口数が一端面での開口数よりも小さければ一端面を凸面としてもよい。光の有効利用を図る上では、図２において２点鎖線Ｅで示すように棒状部材１０の一端面１０ａを凹面とし、一端面１０ａでの開口数と他端面１０ｂでの開口数との差を大きくするのが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施形態のビームインテグレータを用いた照明システムの構成説明図
【図２】本発明の実施形態のビームインテグレータの作用説明図
【図３】本発明の実施形態のビームインテグレータの要部の拡大図
【図４】本発明の実施形態のビームインテグレータを構成する棒状部材の他端面の凸面形状と開口数との関係を示す図
【図５】従来のビームインテグレータの構成説明図
【図６】従来の別のビームインテグレータの構成説明図
【図７】従来の別のビームインテグレータの問題点の説明図
【符号の説明】
【００１８】
３  ビームインテグレータ（光混合素子）
１０  棒状部材
１０ａ  一端面
１０ｂ  他端面
１０ｃ  周面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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