CN116997747A - 照明系统和照明系统的设计方法 - Google Patents

照明系统和照明系统的设计方法 Download PDF

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CN116997747A CN202280014914.6A CN202280014914A CN116997747A CN 116997747 A CN116997747 A CN 116997747A CN 202280014914 A CN202280014914 A CN 202280014914A CN 116997747 A CN116997747 A CN 116997747A
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西尾俊平
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Abstract

照明系统(1)具备投影面(3)和向投影面(3)投影投影图案(4)的照明装置(10)。照明装置(10)具有：光源(12)，其射出相干光；和衍射光学元件(14)，其使来自光源(12)的相干光衍射而形成投影图案(4)。衍射光学元件(14)包含在与投影面(3)平行的方向上二维排列的多个要素衍射光学元件(15)。由相对于投影面(3)从某要素衍射光学元件(15)的中心垂下的垂线的交叉位置(5)处的投影图案(4)的指定分辨率所决定的所述投影面上的分辨率基本周期长度r、在该位置(5)处观察到要素衍射光学元件(15)的角度的一半的角度θ、以及投影到该位置(5)处的投影图案(4)所包含的光的波长λ满足以下的关系(i)。sinθ>λ/(6r)...(i)。

Description

照明系统和照明系统的设计方法
技术领域
本公开涉及照明系统和照明系统的设计方法。
背景技术
作为照明装置的光源，有时使用发出相干光的激光光源。与LED(Light EmittingDevice)相比，激光光源的发光点尺寸小，而且亮度高。为了发出相干光，激光光源能够提高指向性，因此激光光源能够使足够量的光到达远方。通过使用衍射光学元件、透镜阵列等各种光学元件、或者微型显示器等，能够精细地控制配光。
将激光光源和光学元件组合在一起，提出了如日本特开2015-132707号公报所记载的那样的用于投影所期望的投影图案的照明装置。在日本特开2015-132707号公报所公开的照明装置中，利用全息图等单一的光学元件对由单一光源生成的激光进行衍射。通过由光学元件进行的衍射，由来自单一光源的光形成所期望的投影图案。投影图案被投影到远离照明装置的投影面上。
在使用激光光源和衍射光学元件作为照明装置的光源的情况下，不使用成像光学系统就能够投影出期望的投影图案。在使用激光光源作为照明装置的光源的情况下，能够减小从照明装置投射的光的发散角度。与使用LED作为光源的情况相比，能够高效且鲜明地显示投影到投影面上的投影图案。
发明内容
在投影面相对于照明装置位于远方的情况下，有时仅不鲜明地投影成无法恰当地识别投影图案的程度。投影图案的鲜明度依赖于照明装置中的光学元件与投影面的关系性。通过恰当地设定照明装置中的光学元件与投影面的关系，能够以可识别的方式鲜明地投影投影图案。本公开的目的在于通过照明装置恰当地将图案投影到投影面上。
本公开的第1照明系统具备：
投影面；和
照明装置，其将投影图案投影于所述投影面，
所述照明装置具有：光源，其射出相干光；和衍射光学元件，其使来自所述光源的相干光衍射而形成所述投影图案，
所述衍射光学元件包含在与所述投影面平行的方向上二维排列的多个要素衍射光学元件，
由相对于所述投影面从某个所述要素衍射光学元件的中心垂下的垂线的交叉位置处的所述投影图案的指定分辨率决定的所述投影面上的分辨率基本周期长度r、在该位置处观察到所述要素衍射光学元件的角度的一半的角度θ、以及投影到该位置处的所述投影图案所包含的光的波长λ满足以下的关系(i)，
sinθ＞λ/(6r)…(i)。
本公开的第2照明系统具备：
投影面；和
照明装置，其将投影图案投影于所述投影面，
所述照明装置具有：光源，其射出相干光；和衍射光学元件，其使来自所述光源的相干光衍射而形成所述投影图案，
所述衍射光学元件包含多个要素衍射光学元件，
从所述要素衍射光学元件的中心朝向所述投影面的垂线的长度L、由所述投影面的某个位置处的所述投影图案的指定分辨率决定的所述投影面上的分辨率基本周期长度r、所述要素衍射光学元件在包含所述分辨率基本周期长度r所延伸的方向和连结所述要素衍射光学元件的中心与所述分辨率基本周期长度r的中心的方向的面中的截面的长度p、将该位置和所述要素衍射光学元件的中心连结的线与从所述要素衍射光学元件的中心朝向所述投影面的垂线所成的角度δ、以及投影到该位置处的所述投影图案所包含的光的波长λ满足以下的关系(ii)，
Lλ/(rpcos2δ)＜3…(ii)。
在本公开的第2照明系统中，也可以是，将所述位置和所述要素衍射光学元件的中心连结的线与从所述要素衍射光学元件的中心朝向所述投影面的垂线所成的角度δ大于0°。
在本公开的第1或第2照明系统中，所述投影图案可以包含可见光波长区域的波长的光和/或红外线区域的波长的电磁波。
本公开的第1照明系统的设计方法是将投影图案投影于投影面的照明系统的设计方法，其中，
所述第1照明系统的设计方法具备如下工序：
决定由相对于所述投影面从某个要素衍射光学元件的中心垂下的垂线的交叉位置处的所述投影图案的指定分辨率决定的所述投影面上的分辨率基本周期长度r、和该位置处的所述投影图案所包含的光的波长λ；和
决定所述投影面与所述照明装置的位置关系，以使在该位置处观察到所述要素衍射光学元件的角度的一半的角度θ满足以下的关系(i)，
sinθ＞λ/(6r)…(i)。
本公开的第2照明系统的设计方法是将投影图案投影于投影面的照明系统的设计方法，其中，
所述第2照明系统的设计方法具备如下工序：
决定由所述投影面的某个位置处的所述投影图案的指定分辨率决定的所述投影面上的分辨率基本周期长度r、和该位置处的所述投影图案所包含的光的波长λ；
决定要素衍射光学元件在如下面中的截面的长度p，其中，所述面包含所述分辨率基本周期长度r所延伸的方向、和连结所述要素衍射光学元件的中心与所述分辨率基本周期长度r的中心的方向；以及
决定所述投影面与所述照明装置的位置关系，以使从所述要素衍射光学元件的中心朝向所述投影面的垂线的长度L、以及将所述位置和所述要素衍射光学元件的中心连结的线与从所述要素衍射光学元件的中心朝向所述投影面的垂线所成的角度δ满足以下的关系(ii)，
Lλ/(rpcos2δ)＜3…(ii)。
根据本公开，能够通过照明装置将图案恰当地投影于投影面。
附图说明
图1是示意性地示出照明系统的概略结构的立体图。
图2是从投影面的法线方向观察照明系统的放大俯视图。
图3A是将投影到投影面上的投影图案的一例的一部分放大示出的图。
图3B是将投影到投影面上的投影图案的另一例的一部分放大示出的图。
图4是照明系统的从与投影面平行的方向观察投影面的一部分的图。
图5是照明系统的从与投影面平行的方向观察投影面的另一部分的图。
具体实施方式
以下，参照附图对本公开的一个实施方式进行说明。此外，在本说明书所附的附图中，为了便于图示和理解，恰当地将比例尺和纵横的尺寸比等相对于实物的比例尺和纵横的尺寸比进行变更并夸张。
关于在本说明书中使用的、用于确定形状、几何学的条件以及它们的程度的例如“平行”、“正交”、“相同”等用语、或者长度、角度的值等，不限于严格的意思，包含能够期待同样的功能的程度的范围来进行解释。
图1是示意性地示出本实施方式的照明系统1的概略结构的立体图。如图1所示，照明系统1具有投影面3和照明装置10。在照明系统1中，通过照明装置10将投影图案4投影到投影面3上。
投影面3作为这样的显示面发挥功能：其以从周围的观察者来看被恰当地观察到的方式显示从照明装置10投影的投影图案4。投影面3是从照明装置10离开的面。投影面3优选为平坦面，以恰当地显示投影图案4。如图1所示，在本实施方式中，投影面3在第1方向d1上具有规定的宽度，并在第2方向d2上延伸。投影面3例如是道路的路面的一部分。投影面3在第1方向d1上的长度由照明装置10的特别是后述的衍射光学元件14规定，投影面3在第2方向d2上的长度由投影面3与照明装置10的关系规定。在图示的例子中，第1方向d1与第2方向d2相互正交。
投影图案4在投影面3上显示供观察者观察的规定的图案。投影图案4包含可见光波长区域的波长的光。具体而言，投影图案4包含波长λ为380nm以上且700nm以下的光。例如，投影图案4显示用于供观察者观察的规定的信息。在图1所示的例子中，作为规定的信息而显示“STOP”这样的文字。投影图案4所显示的信息是任意的，不仅是文字，也可以包含图案、图像、记号、数字等。规定的信息的显示颜色或尺寸、文字种类、线宽也是任意的，也可以将规定的信息的至少一部分以多种颜色进行颜色区分。
除了可见光波长区域的光以外，投影图案4例如也可以包含红外线区域的波长的电磁波。具体而言，投影图案4也可以包含波长为780nm以上且3000nm以下的电磁波。在投影图案4中，红外线区域的波长的电磁波可以与可见光波长区域的光同时照射到与可见光波长区域的光被照射的位置相同的位置，也可以照射到不同的位置。或者，在投影图案4中，红外线区域的波长的电磁波也可以在与可见光波长区域的光不同的定时被照射。投影图案4也可以不包含可见光波长区域的光，而仅包含红外线区域的波长的电磁波。
投影图案4也可以包含除了上述的可见光波长区域的光及红外线区域的电磁波以外的电磁波、例如紫外线、毫米波、太赫兹波。
在本说明书中，简单的“光”这一用语不仅包含可见光波长区域的光，还包含红外线区域等的电磁波。
照明装置10是向投影面3投影投影图案4的装置。在本实施例中，照明装置10是设置型的信息显示灯的一部分。照明装置10也可以是探照灯等各种照明灯。对于照明装置10，也可以考虑将其搭载于各种移动体。照明装置10不仅能够搭载于例如汽车、自行车等车辆，还能够搭载于船舶、飞机、列车等移动体。照明装置10也可以搭载于能够显示信息的终端、例如计算机的显示器、平板电脑、智能手机等便携终端、电视机等。
如图1所示，照明装置10具有光源12、整形光学系统13以及衍射光学元件14。照明装置10也可以还具有收纳光源12、整形光学系统13和衍射光学元件14的壳体。以下，对照明装置10的各构成要素进行说明。
光源12射出波长和相位一致的光即相干光。作为光源12，能够使用各种型式的光源。典型地，作为射出相干光的光源12，能够使用振荡出激光的激光光源。作为一个具体例，光源12构成为半导体激光光源，其例如由电路基板支承。在图1所示的例子中，设置有分别射出不同波长的光的3个光源12。光源12射出的光的波长与投影图案4所包含的光的波长对应。例如，在投影图案4以包含可见光波长区域的光的方式被投影的情况下，光源12射出可见光波长区域的光。典型地，3个光源12分别射出红、绿、蓝的波长区域的相干光。光源12也可以射出其他颜色的波长区域的光。在投影图案4以例如投影图案4包含除了可见光波长区域的光以外的、红外线区域的电磁波的情况下，光源12射出红外线区域的电磁波。不限于图示的例子，光源12也可以是任意的数量。
整形光学系统13对从光源12射出的光进行整形。换言之，整形光学系统13对来自光源12的光在与光轴正交的截面上的形状、光的放射空间的立体形状进行整形。典型地，整形光学系统13使与光的光轴正交的截面上的投影光的截面积扩大。在图示的例子中，整形光学系统13将从光源12射出的光整形为扩宽后的平行光。整形光学系统13作为准直光学系统发挥功能。如图1所示，整形光学系统13沿着相干光的光路依次具有第1透镜13a和第2透镜13b。第1透镜13a将从光源12射出的光整形为发散光。第2透镜13b将由第1透镜13a生成的发散光重新整形为平行光。第2透镜13b作为准直透镜发挥功能。在图1所示的例子中，设置有多个整形光学系统13。整形光学系统13与各光源12对应地设置。整形光学系统13的数量与光源12相同。
衍射光学元件14使通过了整形光学系统13的光衍射而形成投影图案4。被衍射光学元件14衍射的光被投影到投影面3。在图1所示的例子中，设置有多个衍射光学元件14。衍射光学元件14与各整形光学系统13对应地设置。衍射光学元件14的数量与整形光学系统13相同。
在图2中放大示出了一个衍射光学元件14。如图2所示，衍射光学元件14包含多个要素衍射光学元件15。多个要素衍射光学元件15是微小的薄板状的部件，且在衍射光学元件14中、在同一平面上不隔开间隙地二维排列。要素衍射光学元件15使光衍射并从出射面15a射出。多个要素衍射光学元件15分别使来自整形光学系统13的光衍射，由此作为整体形成投影图案4。各要素衍射光学元件15也可以形成投影图案4所显示的规定的信息的整体，也可以分别形成规定的信息的一部分。
关于各要素衍射光学元件15，以正确地对各自所对应的投影面3的各照明范围进行照明的方式来设计衍射特性，由此，投影到投影面3上的投影图案4能够恰当地显示规定的信息。
如图2所示，以如下方式对各要素衍射光学元件15的衍射特性进行调整：入射到投影面3的沿着第2方向d2的任意位置处的、由1个要素衍射光学元件15衍射后的光的沿着第1方向d1的照射宽度w与入射到投影面3的沿着第2方向d2的任意位置处的、由另一个要素衍射光学元件15衍射后的光的沿着第1方向d1的照射宽度w相同。
要素衍射光学元件15典型的是全息元件。通过使用全息元件作为要素衍射光学元件15，由此，容易对衍射特性进行设计，可在投影面3上显示预先确定的位置、尺寸以及形状的信息的全息元件的设计也能够比较容易地进行。
在由全息元件构成要素衍射光学元件15的情况下，通过使用计算机合成全息图(CGH：Computer Generated Hologram)，能够比较容易地使用计算机来设计上述的衍射特性。
要素衍射光学元件15可以是相位型的衍射光学元件，也可以是振幅型的衍射光学元件。要素衍射光学元件15在图1所示的例子中构成为透过型，但也可以构成为反射型。在要素衍射光学元件15构成为相位型的衍射光学元件的情况下，构成要素衍射光学元件15的微细结构能够采用：光路长度根据光的入射位置而变化的凹凸图案结构；或者，折射率根据光的入射位置而不同的图案结构。由凹凸图案构成的微细结构在能够通过利用了光刻技术的树脂成型进行量产这一点上是优选的。在要素衍射光学元件15构成为振幅型的衍射光学元件的情况下，构成要素衍射光学元件15的微细结构能够采用透射率根据光的入射位置而不同的结构。
接着，对照明系统1中的投影面3与照明装置10的衍射光学元件14、特别是要素衍射光学元件15之间的关系进行说明。
在图3A和图3B中，由照明装置10投影到投影面3上的投影图案4的一部分被放大示出。作为例子，在图3A和图3B中示出图1所示的“STOP”文字中的“T”。投影图案4以由某指定分辨率决定的投影面3上的分辨率基本周期长度r显示于投影面3。分辨率基本周期长度r是指在投影面3上显示作为系统的照明图案的显示所需的分辨率的情况下的、单位像素周期长度。在图3A所示的例子中，分辨率基本周期长度r是在投影图案4中粗细度最小的线的宽度。在图3A所示的例子中，分辨率基本周期长度r是文字“T”的横线的宽度(粗细)。在图3B所示的例子中，分辨率基本周期长度r是构成投影图案4的点的基本空间频率的倒数。在图3B所示的例子中，文字“T”由多个点形成，分辨率基本频率r是形成文字“T”的一个点的宽度。
图4是照明系统1的、从与投影面3平行的某个方向观察投影面3的一部分的局部放大图。在图4所示的例子中，从与投影图案4中的粗细度最小的线的宽度的宽度方向正交的方向观察照明系统1。在图4所示的例子中，要素衍射光学元件15所排列的方向与投影面3平行。要素衍射光学元件15的出射面15a与投影面3平行。在图4所示的例子中，在相对于投影面3从某个要素衍射光学元件15的中心垂下的垂线的交叉位置5，投影图案4的一部分以分辨率基本周期长度r被投影。位置5是分辨率基本周期长度r的中心的位置，例如是文字“T”的横线的宽度的中心的位置。在从图4所示的方向进行的观察中，投影图案4以投影面3的位置5为中心，以分辨率基本周期长度r显示。分辨率基本周期长度r例如为100μm以上且1m以下。
在从图4所示的方向进行的观察中，被投影到投影面3的位置5处的投影图案4的一部分由被衍射光学元件14中的一个或多个要素衍射光学元件15衍射的光形成。被投影到位置5处的投影图案4包含波长λ的光。波长λ为可见光波长，例如为380nm以上且700nm以下。
在图4中，形成被投影到位置5处的投影图案4的要素衍射光学元件15被从位置5以角度2θ看到。换言之，在从图4所示的方向进行的观察中，将包含波长λ的光的投影图案4投影到位置5处的要素衍射光学元件15的两端分别与位置5连结而成的2条线形成角度2θ。角度2θ例如为6×10-5°以上且0.6°以下。
在图4所示的例子中，上述的角度θ、波长λ以及分辨率基本周期长度r(即、由相对于投影面3从某要素衍射光学元件15的中心垂下的垂线的交叉位置5处的投影图案4的指定分辨率所决定的投影面3上的分辨率基本周期长度r、在位置5处观察要素衍射光学元件15的角度2θ的一半的角度θ、以及投影到位置5处的投影图案4所包含的光的波长λ)满足以下的关系(i)。
sinθ>λ/(6r)...(i)
优选的是，角度θ、波长λ和分辨率基本周期长度r满足以下关系(i*)。
sinθ>λ/(4r)...(i*)
更优选的是，角度θ、波长λ和分辨率基本周期长度r满足以下关系(i**)。
sinθ>λ/(2r)...(i**)
图5是照明系统1的从与投影面3平行的某个方向观察投影面3的另一部分的局部放大图。在图5所示的例子中，与图4所示的例子同样地，从与投影图案4中的粗细度最小的线的宽度的宽度方向正交的方向观察照明系统1。在图5所示的例子中，要素衍射光学元件15所排列的方向可以与投影面3平行，也可以与投影面3不平行。要素衍射光学元件15的出射面15a也可以与投影面3不平行。在图5所示的例子中，在投影面3上的某个位置6，投影图案4的一部分以分辨率基本周期长度r被投影。位置6是分辨率基本周期长度r的中心的位置，例如是文字“T”的横线的宽度中心的位置。在从图4所示的方向进行的观察中，投影图案4以投影面3的位置6为中心以分辨率基本周期长度r显示。分辨率基本周期长度r例如为100μm以上且1m以下。
在从图5所示的方向进行的观察中，投影到投影面3的某个位置6处的投影图案4的一部分由被衍射光学元件14中的一个或多个要素衍射光学元件15衍射的光形成。投影到位置6处的投影图案4包含波长λ的光。波长λ为可见光波长，例如为380nm以上且700nm以下。
在图5中，投影面3、与向位置6投影包含波长λ的光的投影图案4的要素衍射光学元件15以距离L的量分离。更详细而言，从要素衍射光学元件15的中心向投影面3垂直的垂线的长度为L。长度L例如为0.5m以上且100m以下。
在从图5所示的方向进行的观察中，将包含波长λ的光的投影图案4投影到位置6处的要素衍射光学元件15以长度p延伸。要素衍射光学元件15的长度p是指：包含分辨率基本周期长度r所延伸的方向、和连结要素衍射光学元件15的中心与分辨率基本周期长度r的中心的方向的面(例如图5所示那样的从与投影面3平行的某个方向观察投影面3的另一部分的观察面)中的、要素衍射光学元件15的截面的长度。长度p例如为100μm以上且5mm以下。
在图5所示的例子中，连结位置6和、将包含波长λ的光的投影图案4投影到位置6处的要素衍射光学元件15的中心的线相对于从该要素衍射光学元件15的中心向投影面3垂直的垂线成角度δ。角度δ可以为0°，但优选大于0°，更优选为60°以上，进一步优选为80°以上。被投影投影图案4的位置6优选是从要素衍射光学元件15的中心偏离的位置。投影图案4优选在投影面3上向从照明装置10的正面方向偏离的方向投影。
在图5所示的例子中，上述的长度L、波长λ、分辨率基本周期长度r、长度p以及角度δ(即、从要素衍射光学元件15的中心向投影面3垂直的垂线的长度L、投影面3的某个位置6处的投影图案4的分辨率基本周期长度r、包含分辨率基本周期长度r所延伸的方向和连结要素衍射光学元件15的中心与分辨率基本周期长度r的中心的方向的面中的要素衍射光学元件15截面的长度p、连结位置6与要素衍射光学元件15的中心的线与从要素衍射光学元件15的中心向投影面3垂直的垂线所成的角度δ、以及投影到位置6处的投影图案4所包含的光的波长λ)满足以下的关系(ii)。
Lλ/(rpcos 2δ)<3...(ii)
优选的是，长度L、波长λ、基本周期长度r、长度p和角度δ满足以下关系(ii*)。
Lλ/(rpcos 2δ)<2...(ii*)
更优选的是，长度L、波长λ、基本周期长度r、长度p和角度δ满足以下关系(ii**)。
Lλ/(rpcos 2δ)<1...(ii**)
接着，对照明系统1的设计方法进行说明。
照明系统1被设计为将投影图案4恰当地投影到投影面3。首先，决定待投影到投影面3的投影图案4。具体而言，决定投影面3上的分辨率基本周期长度r和位置5处的投影图案4所包含的光的波长λ，使得投影图案4能够将规定的信息显示于投影面3，其中，所述分辨率基本周期长度r是由相对于投影面3从某个要素衍射光学元件15的中心垂下的垂线的交叉位置5处的、投影图案4的指定分辨率所决定的。之后，以能够恰当地投影投影图案4的方式决定投影面3与照明装置10的位置关系。具体而言，以在位置5处观察到要素衍射光学元件15的角度的一半的角度θ满足以下的关系(i)的方式来决定投影面3与照明装置10的位置关系。
sinθ>λ/(6r)...(i)
优选的是，投影面3与照明装置10的位置关系以满足以下的关系(i*)的方式来决定。
sinθ>λ/(4r)...(i*)
更优选的是，投影面3与照明装置10的位置关系以满足以下的关系(i**)的方式来决定。
sinθ>λ/(2r)...(i**)
或者，照明系统1以如下方式设计。首先，与上述的设计方法同样地决定由投影面3的某个位置6处的投影图案4的指定分辨率决定的投影面3上的分辨率基本周期长度r、和位置6处的投影图案4所包含的光的波长λ。接着，决定要素衍射光学元件15的长度p，更详细而言，决定包含分辨率基本周期长度r所延伸的方向和连结要素衍射光学元件15的中心与分辨率基本周期长度r的中心的方向的面中的、要素衍射光学元件15的截面的长度p。之后，以能够恰当地投影由要素衍射光学元件15形成的投影图案4的方式来决定投影面3与照明装置10的位置关系。具体而言，以从要素衍射光学元件15的中心向投影面3垂直的垂线的长度L、以及连结位置6和要素衍射光学元件15的中心的线与从要素衍射光学元件15的中心向投影面3垂直的垂线所成的角度δ满足以下的关系(ii)的方式，决定投影面3与照明装置10的位置关系。
Lλ/(rpcos 2δ)<3...(ii)
优选的是，投影面3与照明装置10的位置关系以满足以下的关系(ii*)的方式来决定。
Lλ/(rpcos 2δ)<2...(ii*)
更优选的是，投影面3与照明装置10的位置关系以满足以下的关系(ii**)的方式来决定。
Lλ/(rpcos 2δ)<1...(ii**)
在以往的照明装置中，特别是在投影面相对于照明装置位于远方的情况下，即使从照明装置向投影面投影投影图案，有时投影图案也仅是不鲜明地显示。不鲜明的投影图案例如无法使观察者恰当地识别出投影图案所显示的信息。因此，要求通过照明装置将投影图案恰当地投影到投影面上。
通常，照明装置中的衍射光学元件(更详细而言是衍射光学元件所包含的要素衍射光学元件)的大小越大，越能够在投影面鲜明地显示投影图案。然而，若增大要素衍射光学元件，则用于恰当地设计要素衍射光学元件的衍射特性的成本、以及要素衍射光学元件的制造成本会增大。优选的是，在抑制要素衍射光学元件增大的同时，将投影图案恰当地投影到投影面。
投影图案的鲜明度依赖于照明装置中的要素衍射光学元件与投影面之间的位置关系性。通过恰当地设定照明装置中的要素衍射光学元件与投影面之间的位置关系，能够以可识别的方式鲜明地投影投影图案。本公开者反复进行了实验，具体而言，通过如以下这样设定要素衍射光学元件与投影面之间的位置关系，能够将投影图案鲜明地投影到投影面。
如本实施方式那样，由相对于投影面3从某要素衍射光学元件15的中心垂下的垂线的交叉位置5处的投影图案4的指定分辨率而决定的投影面3上的分辨率基本周期长度r、在位置5处看到要素衍射光学元件15的角度2θ的一半的角度θ、以及投影到位置5处的投影图案4所包含的光的波长λ满足以下的关系(i)，由此，投影图案4以能够识别的程度被鲜明地投影到投影面3。
sinθ>(λ/6r)...(i)
通过使角度θ、波长λ以及分辨率基本周期长度r满足以下的关系(i*)，由此，投影图案4被鲜明地投影到投影面3上而被明确地识别。
sinθ>λ/(4r)...(i*)
通过使角度θ、波长λ以及分辨率基本周期长度r满足以下的关系(i**)，由此，以在投影面3中显示有投影图案4的部分与未显示投影图案4的部分的差异被更明确地识别的方式鲜明地进行投影。
sinθ>(λ/2r)...(i**)
或者，如本实施方式那样，从要素衍射光学元件15的中心向投影面3垂直的垂线的长度L、由投影面3的某个位置6处的投影图案4的指定分辨率所决定的投影面3上的分辨率基本周期长度r、包含分辨率基本周期长度r所延伸的方向和将要素衍射光学元件15的中心与分辨率基本周期长度r的中心连结的方向的面中的要素衍射光学元件15截面的长度p、将位置6与要素衍射光学元件15的中心连结的线与从要素衍射光学元件15的中心向投影面3垂直的垂线所成的角度δ、以及投影到位置6处的投影图案4所包含的光的波长λ满足以下的关系(ii)，由此，投影图案4以能够识别的程度被鲜明地投影到投影面3。
Lλ/(rpcos 2δ)<3...(ii)
通过使长度L、波长λ、分辨率基本周期长度r、长度p以及角度δ满足以下的关系(ii*)，投影图案4以在投影面3上被明确识别的方式被鲜明地投影。
Lλ/(rpcos 2δ)<2...(ii*)
通过使长度L、波长λ、分辨率基本周期长度r、长度p以及角度δ满足以下的关系(ii**)，由此，以在投影面3中显示有投影图案4的部分与未显示投影图案4的部分的差异被更明确地识别的方式鲜明地进行投影。
Lλ/(rpcos 2δ)<1...(ii**)
通过满足上述的任一关系，能够在不使要素衍射光学元件15增大到必要以上的情况下使投影图案4鲜明地投影。能够降低要素衍射光学元件15的设计、制造的成本。
特别是，连结位置6和要素衍射光学元件15的中心的线与从要素衍射光学元件15的中心向投影面3垂直的垂线所成的角度δ大于0°。在这样的情况下，照明系统1能够实现的投影面3上的最小分辨率光斑的大小受到角度δ的影响较大。通过满足考虑了角度δ的影响的关系式(ii)、(ii*)或(ii**)中的任一个，能够利用来自照明装置10的光将投影图案4以能够判别基于指定分辨率的分辨率基本周期长度r的方式投影到足够远的投影面3上。
投影图案4包含可见光波长区域的光和/或红外线区域的波长的电磁波。通过使投影图案4包含可见光波长区域的光，由此能够使观察者观察到显示于投影面3的规定的图案。通过使投影图案4包含红外线区域的波长的电磁波，由此能够将照明系统1用作传感器。通过使投影图案4包含可见光波长区域的光和红外线区域的波长的电磁波这两者，由此能够将照明系统1用作与显示于投影面3的图案相对应的传感器。
在本实施方式中，照明系统1被设计成：在位置5处看到要素衍射光学元件15的角度的一半的角度θ满足以下的关系(i)。
sinθ>λ/(6r)...(i)
在这样设计的照明系统1中，通过照明装置10将投影图案4以能够识别的程度鲜明地投影到投影面3上。
照明系统1被设计为满足以下的关系(i*)。
sinθ>λ/(4r)...(i*)
在这样设计的照明系统1中，投影图案4以在投影面3上被明确地识别的方式被鲜明地投影。
照明系统1被设计为满足以下的关系(i**)。
sinθ>λ/(2r)...(i**)
在这样设计的照明系统1中，以在投影面3中显示有投影图案4的部分与未显示投影图案4的部分的差异被更明确地识别的方式鲜明地进行投影。
或者，照明系统1被设计成：从要素衍射光学元件15的中心向投影面3垂直的垂线的长度L、以及连结位置6与要素衍射光学元件15的中心的线与从要素衍射光学元件15的中心向投影面3垂直的垂线所成的角度δ满足以下的关系(ii)。
Lλ/(rpcos 2δ)<3...(ii)
在这样设计的照明系统1中，通过照明装置10将投影图案4以能够识别的程度鲜明地投影到投影面3。
照明系统1被设计为满足以下的关系(ii*)。
Lλ/(rpcos 2δ)<2...(ii*)
在这样设计的照明系统1中，投影图案4以在投影面3中被明确地识别的方式被鲜明地投影。
照明系统1被设计为满足以下的关系(ii**)。
Lλ/(rpcos 2δ)<1...(ii**)
在这样设计的照明系统1中，以在投影面3中显示有投影图案4的部分与未显示投影图案4的部分的差异被更明确地识别的方式鲜明地投影。
通过以满足上述的任一关系的方式设计照明系统1，能够在不使要素衍射光学元件15增大到必要以上的情况下使投影图案4鲜明地投影。能够降低要素衍射光学元件15的设计、制造的成本。
如上所述，本实施方式的照明系统1具备投影面3和将投影图案4投影到投影面3上的照明装置10，照明装置10具有射出相干光的光源12和使来自光源12的相干光衍射而形成投影图案4的要素衍射光学元件15，由相对于投影面3从某要素衍射光学元件15的中心垂下的垂线的交叉位置5处的投影图案4的指定分辨率所决定的投影面3上的分辨率基本周期长度r、在位置5处观察到要素衍射光学元件15的角度的一半的角度θ、以及投影到位置5处的投影图案4所包含的光的波长λ满足以下的关系(i)。
sinθ>λ/(6r)...(i)
根据这样的照明系统1，能够在不使要素衍射光学元件15增大到必要以上的情况下使投影图案4以能够识别的程度鲜明地投影。
本公开的方式并不限定于上述的实施方式，也包含本领域技术人员能够想到的各种变形，本公开的效果也不限定于上述的内容。即，在不脱离从权利要求书所规定的内容及从其等同物导出的本公开的概念性思想和主旨的范围内，能够进行各种追加、变更以及部分删除。
标号说明
1：照明系统；
3：投影面；
4：投影图案；
5：位置；
6：位置；
10：照明装置；
12：光源；
13：整形光学系统；
14：衍射光学元件；
15：要素衍射光学元件。

Claims (6)

1.一种照明系统，其中，
所述照明系统具备：
投影面；和
照明装置，其将投影图案投影于所述投影面，
所述照明装置具有：光源，其射出相干光；和衍射光学元件，其使来自所述光源的相干光衍射而形成所述投影图案，
所述衍射光学元件包含在与所述投影面平行的方向上二维排列的多个要素衍射光学元件，
由相对于所述投影面从某个所述要素衍射光学元件的中心垂下的垂线的交叉位置处的所述投影图案的指定分辨率决定的所述投影面上的分辨率基本周期长度r、在该位置处观察到所述要素衍射光学元件的角度的一半的角度θ、以及投影到该位置处的所述投影图案所包含的光的波长λ满足以下的关系(i)，
sinθ＞λ/(6r)…(i)。
2.一种照明系统，其中，
所述照明系统具备：
投影面；和
照明装置，其将投影图案投影于所述投影面，
所述照明装置具有：光源，其射出相干光；和衍射光学元件，其使来自所述光源的相干光衍射而形成所述投影图案，
所述衍射光学元件包含多个要素衍射光学元件，
从所述要素衍射光学元件的中心朝向所述投影面的垂线的长度L、由所述投影面的某个位置处的所述投影图案的指定分辨率决定的所述投影面上的分辨率基本周期长度r、所述要素衍射光学元件在包含所述分辨率基本周期长度r所延伸的方向和连结所述要素衍射光学元件的中心与所述分辨率基本周期长度r的中心的方向的面中的截面的长度p、将该位置和所述要素衍射光学元件的中心连结的线与从所述要素衍射光学元件的中心朝向所述投影面的垂线所成的角度δ、以及投影到该位置处的所述投影图案所包含的光的波长λ满足以下的关系(ii)，
Lλ/(rpcos2δ)＜3…(ii)。
3.根据权利要求2所述的照明系统，其中，
将所述位置和所述要素衍射光学元件的中心连结的线与从所述要素衍射光学元件的中心朝向所述投影面的垂线所成的角度δ大于0°。
4.根据权利要求1至3中的任意一项所述的照明系统，其中，
所述投影图案包含可见光波长区域的波长的光和/或红外线区域的波长的电磁波。
5.一种照明系统的设计方法，所述照明系统通过照明装置将投影图案投影于投影面，其中，
所述照明系统的设计方法具备如下工序：
决定由相对于所述投影面从某个要素衍射光学元件的中心垂下的垂线的交叉位置处的所述投影图案的指定分辨率决定的所述投影面上的分辨率基本周期长度r、和该位置处的所述投影图案所包含的光的波长λ；和
决定所述投影面与所述照明装置的位置关系，以使在该位置处观察到所述要素衍射光学元件的角度的一半的角度θ满足以下的关系(i)，
sinθ＞λ/(6r)…(i)。
6.一种照明系统的设计方法，所述照明系统通过照明装置将投影图案投影于投影面，其中，
所述照明系统的设计方法具备如下工序：
决定由所述投影面的某个位置处的所述投影图案的指定分辨率决定的所述投影面上的分辨率基本周期长度r、和该位置处的所述投影图案所包含的光的波长λ；
决定要素衍射光学元件在如下面中的截面的长度p，其中，所述面包含所述分辨率基本周期长度r所延伸的方向、和连结所述要素衍射光学元件的中心与所述分辨率基本周期长度r的中心的方向；以及
决定所述投影面与所述照明装置的位置关系，以使从所述要素衍射光学元件的中心朝向所述投影面的垂线的长度L、以及将所述位置和所述要素衍射光学元件的中心连结的线与从所述要素衍射光学元件的中心朝向所述投影面的垂线所成的角度δ满足以下的关系(ii)，
Lλ/(rpcos2δ)＜3…(ii)。
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