(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射端面から入射した光束を側面で反射して出射端面から出射させるインテグラルロッドと、入射端面と出射端面が露出するようにインテグラルロッドを収容するケースと、ケースの内部に空気を供給してインテグラルロッドを空冷する給気装置とを備える光インテグレータにおいて、
ケースが、供給された空気を高速の気流としてインテグラルロッドの出射端面近傍に排出する排気部を有することを特徴とする光インテグレータ。
【請求項２】
ケースが、排気部として、給気装置からの空気の供給路の断面積よりも内部の断面積が小さく、先端がインテグラルロッドの出射端面に向いたノズルを有することを特徴とする請求項１に記載の光インテグレータ。
【請求項３】
ケースが、排気部として、給気装置からの空気の供給路の断面積よりも断面積の小さい間隙をインテグラルロッドの側面との間に形成する開口を、インテグラルロッドの出射端面近傍に有することを特徴とする請求項１に記載の光インテグレータ。
【請求項４】
ケースがインテグラルロッドの入射端面近傍に開口を有し、給気装置がケースの内部のインテグラルロッドの入射端面近傍に配置されて、ケースの開口を介して外部の空気を吸入することを特徴とする請求項１に記載の光インテグレータ。
【請求項５】
ケースが、給気装置から空気を供給される部位と排気部との間に、給気装置から空気を供給される部位よりも断面積が小さく、供給された空気を高速の気流としてインテグラルロッドの側面に沿って進行させる絞り部を有することを特徴とする請求項１に記載の光インテグレータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光束の強度分布を均一化する光インテグレータに関し、より詳しくは、インテグラルロッドにより強度分布を均一化する光インテグレータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
光源からの光を空間変調素子で変調し、変調後の光を投射することにより画像をスクリーン上に表示する投射型の画像表示装置がある。明るさにむらのない画像を表示するためには、空間変調素子に強度が均一な光束を導く必要があるが、多くの場合、光源が発する光束には中央部と周辺部とで大きな強度差が存在する。このため、光源からの光束の強度分布を変換して均一な強度分布とする光インテグレータが用いられる。
【０００３】
光インテグレータにはいくつかの種類があるが、インテグラルロッドと呼ばれるものが最も簡素な構成であり、多用されている。インテグラルロッドは、透明なガラスで作製された多角柱状の素子であり、一方の端面から入射した光束を側面で反射しながら他方の端面に導いて出射させる。側面での光の反射にはガラスと空気の屈折率の差による全反射を利用するのが一般的である。
【０００４】
光源からの光は収束光束として入射端面に導かれ、インテグラルロッドの内部に入った後、入射角に応じた回数だけ側面で反射される。このため、出射端面から発散光束として出射する光は入射前の中央部の光と周辺部の光が混じり合った状態となって、均一な強度分布となる。インテグラルロッドから出射した光束は、コンデンサレンズによって空間変調素子上に集光される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
通常、インテグラルロッドは保護のために中空のケースに収容されるが、入射端面と出射端面は外部に露出した状態とされる。このため、使用中に入射端面や出射端面に埃等の異物が付着することがある。入射端面に付着した異物は光束の一部を遮ることになるが、光束の強度分布はその後に均一化されるため、表示する画像に異物の影響が現れることはない。ところが、出射端面と変調光学素子はコンデンサレンズに関して互いに共役な位置にあるから、出射端面に付着した異物は変調光学素子上に明瞭な影を形成し、表示する画像上にも明瞭な影となって現れる。したがって、出射端面の清掃が必要である。
【０００６】
明るい画像を表示するために、光源としては高出力のものが用いられる。このため、インテグラルロッドは高温になり、時に破損することもある。破損を防止するために、インテグラルロッドは耐熱性ガラスで作製されることが多い。しかし、耐熱性ガラスは高価である上、加工が難しく、装置の製造コストの上昇を招いている。
【０００７】
高温による破損を防止するために、ケースの内部に空気を流通させて、インテグラルロッドを冷却することも行われている。しかし、ケースの内部に空気を流通させると、空気中の異物がインテグラルロッドの側面に付着することがある。側面に付着した異物は全反射に悪影響を及ぼして、光量の低下を招く。
【０００８】
側面の外面に金属等の蒸着により反射膜を設けて、反射膜によって光を反射するようにすれば、側面に異物が付着しても問題は生じない。しかし、反射膜を設けると、インテグラルロッド製造の工程数が増して、コストが上昇する。
【０００９】
本発明は、これら諸問題に鑑みてなされたもので、インテグラルロッドの材料が特に耐熱性に優れていなくてもよく、しかも、その出射端面に異物の付着し難い光インテグレータを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明では、入射端面から入射した光束を側面で反射して出射端面から出射させるインテグラルロッドと、入射端面と出射端面が露出するようにインテグラルロッドを収容するケースと、ケースの内部に空気を供給してインテグラルロッドを空冷する給気装置とを備える光インテグレータにおいて、ケースが、供給された空気を高速の気流としてインテグラルロッドの出射端面近傍に排出する排気部を有するものとする。
【００１１】
この光インテグレータは、インテグレータロッドの冷却のためにケース内に空気を供給するものであるが、冷却に用いた空気を高速の気流としてインテグラルロッドの出射端面近傍に排出する。排出された高速の気流は、インテグラルロッドの出射端面に付着した異物の除去に利用することができる。
【００１２】
ここで、ケースが、排気部として、給気装置からの空気の供給路の断面積よりも内部の断面積が小さく、先端がインテグラルロッドの出射端面に向いたノズルを有する構成とするとよい。ノズル内部の断面積は空気の供給路の断面積よりも小さいから、ノズルを通る空気は高速の気流となる。ノズルの先端は出射端面に向かっており、高速の気流は出射端面に吹き付ける。したがって、出射端面に付着している異物は吹き飛ばされて除去される。なお、ノズルは出射端面から出射する光束を遮らない位置に配置しておく。
【００１３】
ケースが、排気部として、給気装置からの空気の供給路の断面積よりも断面積の小さい間隙をインテグラルロッドの側面との間に形成する開口を、インテグラルロッドの出射端面近傍に有する構成としてもよい。ケースの開口はインテグラルロッドの出射端面近傍に位置して、自己の縁とインテグラルロッドの側面との間に間隙を形成する。この間隙の断面積は空気の供給路の断面積よりも小さいから、これを通過する空気は高速の気流となる。高速の気流となった空気はインテグラルロッドの出射端面の傍らを通過して出射端面の表面付近を負圧にし、出射端面に付着している異物を吸い取って除去する。
【００１４】
上記の光インテグレータは、ケースがインテグラルロッドの入射端面近傍に開口を有し、給気装置がケースの内部のインテグラルロッドの入射端面近傍に配置されて、ケースの開口を介して外部の空気を吸入する構成とすることができる。このようにすると、給気装置がケースに収容され、また、ケースの開口が空気の供給路となるから、全体が小型になる。
【００１５】
ケースが、給気装置から空気を供給される部位と排気部との間に、給気装置から空気を供給される部位よりも断面積が小さく、供給された空気を高速の気流としてインテグラルロッドの側面に沿って進行させる絞り部を有するようにしてもよい。この構成では、インテグラルロッドの出射端面の異物だけでなく、側面に付着した異物も除去することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の光インテグレータの実施形態について図面を参照しながら説明する。第１の実施形態の光インテグレータ１の構成を図１に模式的に示す。光インテグレータ１は、インテグラルロッド１１、ケース１２、給気装置１８を備えている。
【００１７】
インテグラルロッド１１は透明なガラスで作製されており、断面が長方形の四角柱である。後述するように、インテグラルロッド１１は空冷されるため、材料であるガラスは特に耐熱性の高いものではない。インテグラルロッド１１の一方の端面１１ａは光束を入射させる入射端面であり、他方の端面１１ｂは光束を出射させる出射端面である。入射端面１１ａには不図示の光源より収束光束Ｌ１が導かれる。入射端面１１ａからインテグラルロッド１１の内部に入射した光束は、側面１１ｃで何度も全反射されながら出射端面１１ｂに導かれ、出射端面１１ｂから発散光束Ｌ２として出射する。
【００１８】
側面１１ｃでの反射の回数は入射角に応じて相違するため、入射前の光束Ｌ１の各部位の光がインテグラルロッド１１の内部で混じり合うようになり、光源からの光束Ｌ１の強度分布が均一でなくても、インテグラルロッド１１から出射する光束Ｌ２の強度分布は均一になる。強度分布が均一になった光束Ｌ２は、用途に応じて、発散光束のまま、または平行光束もしくは収束光束とされて、照射対象面に導かれる。
【００１９】
ケース１２は、入射端面１１ａと出射端面１１ｂのみが露出するように、インテグラルロッド１１を収容する。ケース１２は、円筒状の鏡筒１３、円形の２つの平板１４、１５、およびノズル１６で構成されている。鏡筒１３はインテグラルロッド１１と同じ長さを有し、平板１４、１５は鏡筒１３の両端部に隙間なく固定されている。平板１４、１５はインテグラルロッド１１の断面と合同な長方形の開口を有しており、インテグラルロッド１１の入射端面１１ａ側の端部と出射端面１１ｂ側の端部は、側面１１ｃが開口の縁に密接するように平板１４、１５にそれぞれ取り付けられている。
【００２０】
ノズル１６は平板１５に取り付けられており、その先端は出射端面１１ｂに向かっている。ノズル１６は全体が出射光束Ｌ２の外に位置しており、出射光束Ｌ２を遮ることはない。
【００２１】
給気装置１８はパイプ１９によって鏡筒１３に接続されている。給気装置１８はファンまたはポンプとそれらを駆動するモータより成り、パイプ１９を介して空気Ａ１をケース１２の内部に供給する。パイプ１９は平板１４の近くに取り付けられており、空気はインテグラルロッド１１の入射端面１１ａ側の端部に供給される。供給された空気はインテグラルロッド１１を冷却しながら平板１５に向かって進み、ノズル１６を通って外部に排出される。
【００２２】
ノズル１６の内部の断面積はパイプ１９の内部の断面積の数分の１以下であり、ノズル１６を通る空気の速度はパイプ１９内での速度の数倍になる。つまり、ノズル１６は排気Ａ２を高速の気流とする。
【００２３】
高速の気流となってノズル１６から出た排気Ａ２は、インテグラルロッド１１の出射端面１１ｂに吹き付ける。したがって、出射端面１１ｂに埃等の異物が付着していてもその異物は吹き飛ばされることになり、出射端面１１ｂは異物の付着がない状態に保たれる。
【００２４】
鏡筒１３は内側に突出した部位１３ａを有しており、ケース１２の内部の断面積はインテグラルロッド１１の入射端面１１ａから出射端面１１ｂまでの全範囲わたって一様ではない。鏡筒１３の突出部１３ａとこれに対向するインテグラルロッド１１の中央部との間の断面積は、空気が供給される部位の断面積よりも小さく、突出部１３ａとインテグラルロッド１１の間を通る空気は供給直後の空気よりも高速になる。高速の気流となった空気はインテグラルロッド１１の側面１１ｃに沿って進み、突出部１３ａよりも平板１５側の断面積の大きい空間に達した後も、側面１１ｃに沿って進む。
【００２５】
側面１１ｃに異物が付着していたときでも、その異物は高速の気流となった空気により吹き飛ばされて、空気と共にノズル１６から排出される。したがって、インテグラルロッド１１の側面１１ｃの大部分は異物の付着がない状態に保たれ、側面１１ｃは光を良好に全反射することができる。
【００２６】
給気装置１８から供給される空気のケース１２内での圧力損失を抑えるために、突出部１３ａと平板１４側の部位の間および突出部１３ａと平板１５側の部位の間は、いずれも傾斜面とされている。なお、本実施形態ではノズル１６を平板１５に取り付けているが、ノズル１６を鏡筒１３の平板１５近傍部位に取り付けるようにしてもよい。
【００２７】
第２の実施形態の光インテグレータ２の構成を図２に模式的に示す。この光インテグレータ２は、上記の光インテグレータ１からノズル１６を省略するとともに、鏡筒１３および平板１５の形状を変更したものである。鏡筒１３の突出部１３は平板１５にまで達しており、ケース１２の内部の平板１５の近傍には断面積の大きい空間は存在しない。
【００２８】
出射端面１１ｂ側から見たケース１２およびインテグラルロッド１１を図３に示す。平板１５はインテグラルロッド１１の断面よりも少し大きい長方形の開口を有しており、インテグラルロッド１１の端部の側面１１ｃと平板１５の開口の縁の間には間隙１７が形成されている。間隙１７の面積はパイプ１９の内部の断面積の数分の１以下であり、間隙１７を通る空気の速度はパイプ１９内での速度の数倍になる。つまり、間隙１７は排気Ａ２を高速の気流とする。
【００２９】
高速の気流となって間隙１７から出た排気Ａ２は、出射端面１１ｂの傍らを通って出射端面１１ｂの表面付近を負圧Ａ３とする。したがって、出射端面１１ｂに異物が付着していてもその異物は排気Ａ２で吸い取られることになり、出射端面１１ｂは異物の付着がない状態に保たれる。
【００３０】
インテグラルロッド１１の側面１１ｃが、鏡筒１３の突出部１３ａとの間を通る高速の気流によって異物が付着していない状態に保たれることは、光インテグレータ１と同様である。なお、ここでは間隙１７をインテグラルロッド１１の全周に形成する構成としたが、平板１５と３以下の側面１１ｃとの間に間隙１７を形成するようにしてもよい。平板１５と１の側面１１ｃとの間に間隙１７を形成した例を図４に示す。
【００３１】
第３の実施形態の光インテグレータ３の構成を図５に模式的に示す。この光インテグレータ３は、光インテグレータ２の平板１４を省略するとともに、給気装置１８としてファン１８ａおよびおモータ１８ｂをケース１２の内部に備えたものである。
【００３２】
ファン１８ａは入射端面１１ａ側の端部近傍に、インテグラルロッド１１を取り囲むようにして配置されている。モータ１８ｂはファン１１ａをインテグラルロッド１１の回りに回転させて、鏡筒１３の端部の大きな開口から空気Ａ１を吸入させる。
【００３３】
他の構成は光インテグレータ２と同様であり、重複する説明は省略する。なお、ノズル１６を有する第１の実施形態の光インテグレータ１も、供給装置１８をこのような構成とすることができる。
【００３４】
本発明の光インテグレータを投射型の画像表示装置に適用した第４の実施形態について説明する。本実施形態の画像表示装置４の概略構成を図６に示す。画像表示装置４は、光源４１、リフレクタ４２、光インテグレータ４３、コンデンサレンズ４４、ミラー４５、空間変調素子４６、および投射光学系４７を備えている。
【００３５】
光源４１は、メタルハライドランプ等の高出力のアーク放電ランプであり、強度の高い白色光を発する。リフレクタ４２は回転楕円鏡である。光源４１はリフレクタ４２の第１焦点上に配置されており、光源４１が発する光はリフレクタ４２で反射されて、その第２焦点に収束する収束光束とされる。ただし、反射後の光束の強度分布は、光源４１のアークの構造により、均一にはならない。
【００３６】
光インテグレータ４３は第１〜第３の実施形態の光インテグレータ１〜３のいずれかである。なお、図６では、ケース１２、給気装置１８等を省略してインテグラルロッド１１のみを示している。インテグラルロッド１１は、リフレクタ４２の光軸がその中心を通り、入射端面１１ａがリフレクタ４２の第２焦点上に位置するように配置されている。リフレクタ４２からの収束光束は入射端面１１ａから入射して、インテグラルロッド１１によって強度分布が均一な光束とされる。
【００３７】
コンデンサレンズ４４は、インテグラルロッド１１の出射端面１１ｂから出射する強度分布が均一な発散光束を集光して、空間変調素子４６の全面に導く。インテグラルロッド１１の出射端面１１ｂと空間変調素子４６は供役である。ミラー４５は、装置構成を小型化するために設けられたもので、コンデンサレンズ４４から空間変調素子４６に至る光路を折曲げる。
【００３８】
空間変調素子４６は、角度可変の微小なミラー素片が２次元に多数配列されたデジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）である。ＤＭＤの各ミラー素片は、その角度によって、入射光を２方向のどちらかに択一的に反射する。各ミラー素片の角度は映像信号に応じて個別に制御され、ＤＭＤが１方向に反射した光束が映像を表すものとなる。
【００３９】
投射光学系４７は空間変調素子４６からの映像を表す光束を投射してスクリーンＳ上に結像させる。なお、図６では、空間変調素子４６からスクリーンＳに至る光路が、インテグラルロッド１１からの光路およびミラー４５からの光路と同一平面上にあるように表現しているが、実際には、空間変調素子４６は映像を表す光束が図６の紙面に対して垂直方向に進むように配置されており、投影光学系４７やスクリーンＳもそれに対応して配置されている。
【００４０】
インテグラルロッド１１の出射端面１１ｂと空間変調素子４６が供役であるため、出射端面１１ｂに異物が付着すると、その異物が空間変調素子４６上に結像して明確な影を形成し、その影がスクリーンＳ上に明瞭に現れることになるが、前述のように、インテグラルロッド１１の出射端面１１ｂは異物の付着がない状態に保たれるから、そのような事態は生じない。また、インテグラルロッド１１の側面１１ｃも異物の付着がない状態に保たれるから、側面１１ｃの全反射の能力が低下することはなく、常に明るい像を提供することができる。
【００４１】
【発明の効果】
インテグラルロッドを収容するケースに、供給された空気を高速の気流としてインテグラルロッドの出射端面近傍に排出する排気部を設けた本発明の光インテグレータでは、出射端面に付着した異物が排気によって除去されるから、断面内のどこにも異物による欠けのない光束を常に提供することができる。したがって、例えば投射型の画像表示装置の照明光学系として用いれば、影のない良好な画像を表示することが可能である。出射端面の清掃作業も不要であり、使い勝手のよい光インテグレータとなる。
【００４２】
ケースが、排気部として、給気装置からの空気の供給路の断面積よりも内部の断面積が小さく、先端がインテグラルロッドの出射端面に向いたノズルを有する構成では、出射端面に付着している異物を確実に除去することができる。
【００４３】
ケースが、排気部として、給気装置からの空気の供給路の断面積よりも断面積の小さい間隙をインテグラルロッドの側面との間に形成する開口を、インテグラルロッドの出射端面近傍に有する構成では、ケースがきわめて簡素になり、高い製造効率を維持することができる。
【００４４】
ケースがインテグラルロッドの入射端面近傍に開口を有し、給気装置がケースの内部のインテグラルロッドの入射端面近傍に配置されて、ケースの開口を介して外部の空気を吸入する構成では、光インテグレータ全体としての小型化が容易である。
【００４５】
ケースが、給気装置から空気を供給される部位と排気部との間に、給気装置から空気を供給される部位よりも断面積が小さく、供給された空気を高速の気流としてインテグラルロッドの側面に沿って進行させる絞り部を有する構成では、インテグラルロッドの側面に付着した異物も除去されるから、全反射への悪影響によって光量が低下するのを防止することができる。光量低下の防止のためにインテグラルロッドの側面に反射膜を設ける必要もない。
【図面の簡単な説明】
【図１】  第１の実施形態の光インテグレータの構成を模式的に示す断面図。
【図２】  第２の実施形態の光インテグレータの構成を模式的に示す断面図。
【図３】  インテグラルロッドの出射端面側から見た第２の実施形態の光インテグレータの正面図。
【図４】  第２の実施形態の光インテグレータの変形例を示す正面図。
【図５】  第３の実施形態の光インテグレータの構成を模式的に示す断面図。
【図６】  第４の実施形態の投射型画像表示装置の構成を模式的に示す図。
【符号の説明】
１、２、３  光インテグレータ
１１          インテグラルロッド
１２          ケース
１３          鏡筒
１３ａ        鏡筒突出部（絞り部）
１４          平板
１５          平板
１６          ノズル
１７          間隙
１８          給気装置
１８ａ        ファン
１８ｂ        モータ
１９          パイプ
４１          光源
４２          リフレクタ
４３          光インテグレータ
４４          コンデンサレンズ
４５          ミラー
４６          空間変調素子
４７          投射光学系
【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】
0003985431.tif 000007