JP2017152204A - 光源装置及び照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の光源から射出された互いに異なる波長の光を、同一の拡散角を有する光束へと調整することができ、その後の当該光束の取り扱いを各光束で均一化させることが可能な光源装置を提供すること。【解決手段】光源装置１０は、第１光源２０ａ及び第２光源２０ｂと、第１光源２０ａが射出する光３１ａを第１光束３３ａへと調整する第１光学素子３２ａと、第２光源２０ｂが射出する光３１ｂを第２光束３３ｂへと調整する第２光学素子３２ｂと、を備え、ある１つの基準面ｐｌに投影した第１光束３３ａの拡散角と、基準面ｐｌに投影した第２光束３３ｂの拡散角とが、等しい。【選択図】図１

Description

本発明は、長手方向を有した被照明領域を照明するための光源装置、及び、そのような光源装置を用いた照明装置に関する。

例えば、特許文献１に開示されているように、光源とホログラム素子とを含んだ照明装置が知られている。特許文献１に開示された照明装置では、ホログラム素子が光源からの光を回折することで、所望のパターンで路面を照明することができる。特許文献１に開示された照明装置では、単一の光源で生成されたレーザー光を単一のホログラム素子で回折している。

特開２０１５−１３２７０７号公報

しかしながら、特許文献１では、照明されるべき領域、すなわち被照明領域のエッジが不鮮明となることを防止するための工夫について、検討がなされていない。被照明領域のエッジの鮮明さは、長手方向を有する被照明領域を照明する場合、とりわけライン状の被照明領域を照明する場合に、より顕著に感知されることになる。また、同一波長域又は異なる波長域の複数の光源を用いて被照明領域を照明する場合に、被照明領域のエッジがより不鮮明となりやすい。

特に、色（波長域）が異なる複数の光（レーザー光）を被照明領域において重ね合わせ、当該被照明領域を特定の色で照明する照明装置を実現しようとすると、被照明領域のエッジが不鮮明となるという前述の問題は、無視できない。特に、長手方向を有する被照明領域を照明する場合には、光源から遠くなるほどこの問題は顕著である。

本件発明者は、鋭意検討を重ねた結果、ホログラム素子に入射する光束の拡散角（立体角）を複数の光で揃えることにより、ホログラム素子の回折特性の設計が容易となる、すなわち、複数のホログラム素子の間で光束の取り扱いを均一化できることを知見した。

本発明は、以上の知見に基づいている。本発明の目的は、複数の光源から射出された互いに異なる波長の光を、同一の拡散角を有する光束へと調整することができ、その後の当該光束の取り扱いを各光束で均一化させることが可能な光源装置を提供することである。

本発明による光源装置は、第１光源及び第２光源と、
前記第１光源が射出する光を第１光束へと調整する第１光学素子と、
前記第２光源が射出する光を第２光束へと調整する第２光学素子と、を備え、
ある１つの基準面に投影した前記第１光束の拡散角と、前記基準面に投影した前記第２光束の拡散角とが、等しい。

本発明による光源装置において、前記第１光束は、第１光軸を有しており、
前記第２光束は、第２光軸を有しており、
前記第１光軸及び前記第２光軸は、前記基準面と平行であってもよい。

本発明による光源装置において、前記第１光学素子及び前記第２光学素子は、前記基準面と平行な方向に配列されていてもよい。

本発明による光源装置において、前記基準面と直交するある１つの第２基準面に投影した前記第１光束の拡散角と、前記第２基準面に投影した前記第２光束の拡散角とが、等しくてもよい。

本発明による光源装置において、前記第１光軸及び前記第２光軸は、前記第２基準面と平行であってもよい。

本発明による光源装置において、前記第１光学素子及び前記第２光学素子は、前記第２基準面と直交する方向に配列されていてもよい。

本発明による光源装置において、前記第１光軸及び前記第２光軸と平行な任意の面に投影した前記第１光束の拡散角と、前記任意の面に投影した前記第２光束の拡散角とが、等しくてもよい。

本発明による光源装置においては、前記基準面に投影した前記第１光源の幅と前記基準面に投影した前記第１光源が射出する光の拡散角との積を前記基準面に投影した前記第１光束の最小幅で除した値と、前記基準面に投影した前記第２光源の幅と前記基準面に投影した前記第２光源が射出する光の拡散角との積を前記基準面に投影した前記第２光束の最小幅で除した値とが、等しい。

また、本発明による光源装置においては、前記第２基準面に投影した前記第１光源の幅と前記第２基準面に投影した前記第１光源が射出する光の拡散角との積を前記第２基準面に投影した前記第１光束の最小幅で除した値と、前記第２基準面に投影した前記第２光源の幅と前記第２基準面に投影した前記第２光源が射出する光の拡散角との積を前記第２基準面に投影した前記第２光束の最小幅で除した値とが、等しい。

あるいは、本発明による光源装置において、前記任意の面に投影した前記第１光源の幅と前記任意の面に投影した前記第１光源が射出する光の拡散角との積を前記任意の面に投影した前記第１光束の最小幅で除した値と、前記任意の面に投影した前記第２光源の幅と前記任意の面に投影した前記第２光源が射出する光の拡散角との積を前記任意の面に投影した前記第２光束の最小幅で除した値とが、等しくてもよい。

あるいは、本発明による光源装置は、３つの光源を有していても良い。すなわち、当該光源装置は、第１光源、第２光源及び第３光源と、
前記第１光源が射出する光を第１光束へと調整する第１光学素子と、
前記第２光源が射出する光を第２光束へと調整する第２光学素子と、
前記第３光源が射出する光を第３光束へと調整する第３光学素子と、を備え、
ある１つの基準面に投影した前記第１光束の拡散角と、前記基準面に投影した前記第２光束の拡散角と、前記基準面に投影した前記第３光束の拡散角とが、等しい。

本発明による光源装置において、前記第１光束は、第１光軸を有しており、
前記第２光束は、第２光軸を有しており、
前記第３光束は、第３光軸を有しており、
前記第１光軸、前記第２光軸及び前記第３光軸は、前記基準面と平行であってもよい。

本発明による光源装置において、前記第１光学素子、前記第２光学素子及び前記第３光学素子は、前記基準面と平行な方向に配列されていてもよい。

本発明による光源装置において、前記基準面と直交するある１つの第２基準面に投影した前記第１光束の拡散角と、前記第２基準面に投影した前記第２光束の拡散角と、前記第２基準面に投影した前記第３光束の拡散角とが、等しくてもよい。

本発明による光源装置において、前記第１光軸、前記第２光軸及び前記第３光軸は、前記第２基準面と平行であってもよい。

本発明による光源装置において、前記第１光学素子、前記第２光学素子及び前記第３光学素子は、前記第２基準面と直交する方向に配列されていてもよい。

本発明による光源装置において、前記第１光軸、前記第２光軸及び前記第３光軸と平行な任意の面に投影した前記第１光束の拡散角と、前記任意の面に投影した前記第２光束の拡散角と、前記任意の面に投影した前記第３光束の拡散角とが、等しくてもよい。

本発明による光源装置において、前記基準面に投影した前記第１光源の幅と前記基準面に投影した前記第１光源が射出する光の拡散角との積を前記基準面に投影した前記第１光束の最小幅で除した値と、前記基準面に投影した前記第２光源の幅と前記基準面に投影した前記第２光源が射出する光の拡散角との積を前記基準面に投影した前記第２光束の最小幅で除した値と、前記基準面に投影した前記第３光源の幅と前記基準面に投影した前記第３光源が射出する光の拡散角との積を前記基準面に投影した前記第３光束の最小幅で除した値とが、等しくてもよい。

本発明による光源装置において、前記第２基準面に投影した前記第１光源の幅と前記第２基準面に投影した前記第１光源が射出する光の拡散角との積を前記第２基準面に投影した前記第１光束の最小幅で除した値と、前記第２基準面に投影した前記第２光源の幅と前記第２基準面に投影した前記第２光源が射出する光の拡散角との積を前記第２基準面に投影した前記第２光束の最小幅で除した値と、前記第２基準面に投影した前記第３光源の幅と前記第２基準面に投影した前記第３光源が射出する光の拡散角との積を前記第２基準面に投影した前記第３光束の最小幅で除した値とが、等しくてもよい。

本発明による光源装置において、前記任意の面に投影した前記第１光源の幅と前記任意の面に投影した前記第１光源が射出する光の拡散角との積を前記任意の面に投影した前記第１光束の最小幅で除した値と、前記任意の面に投影した前記第２光源の幅と前記任意の面に投影した前記第２光源が射出する光の拡散角との積を前記任意の面に投影した前記第２光束の最小幅で除した値と、前記任意の面に投影した前記第３光源の幅と前記任意の面に投影した前記第３光源が射出する光の拡散角との積を前記任意の面に投影した前記第３光束の最小幅で除した値とが、等しくてもよい。

以上のような光源装置を利用した照明装置も、本発明の範囲内である。すなわち、本発明の照明装置は、被照明領域を照明する照明装置であって、
以上のような光源装置と、
前記第１光束を回折して前記被照明領域に向ける第１ホログラム素子と、
前記第２光束を回折して前記被照明領域に向ける第２ホログラム素子と、を備え、
前記第１ホログラム素子での回折光が前記被照明領域の全域を照明し、前記第２ホログラム素子での回折光が前記被照明領域の全域を照明する。

あるいは、本発明による照明装置は、被照明領域を照明する照明装置であって、
以上のような光源装置と、
前記第１光束を回折して前記被照明領域に向ける第１ホログラム素子と、
前記第２光束を回折して前記被照明領域に向ける第２ホログラム素子と、
前記第３光束を回折して前記被照明領域に向ける第３ホログラム素子と、を備え、
前記第１ホログラム素子での回折光が前記被照明領域の全域を照明し、前記第２ホログラム素子での回折光が前記被照明領域の全域を照明し、前記第３ホログラム素子での回折光が前記被照明領域の全域を照明する。

本発明による照明装置において、前記被照明領域は、長手方向を有していてもよい。

本発明によれば、複数の光源から射出された互いに異なる波長の光を、同一の拡散角を有する光束へと調整することができ、その後の当該光束の取り扱いを各光束で均一化させることが可能な光源装置を提供することである。

図１は、本発明による一実施の形態を説明するための図であって、照明装置を示す斜視図である。 図２は、図１の照明装置のホログラム素子の回折特性を説明するための図である。図２は、被照明領域の長手方向からホログラム素子を示している。 図３は、図１の照明装置のホログラム素子に含まれる要素ホログラムの回折特性を説明するための図である。図３は、被照明領域の長手方向からホログラム素子を示している。 図４は、レーザー光源から射出されたレーザー光が光学素子を透過する様子を模式的に示している。 図５は、光学素子を透過したレーザー光の光束を水平面に投影した図である。 図６は、光学素子を透過したレーザー光の光束を当該レーザー光の光軸に平行な鉛直面に投影した図である。 図７は、従来の光源装置において、光学素子を透過したレーザー光の光束を当該レーザー光の光軸に平行な鉛直面に投影した状態を示している。

以下、図面を参照して本発明の一実施の形態について説明する。なお、本件明細書に添付する図面においては、図示と理解のしやすさの便宜上、適宜縮尺および縦横の寸法比等を、実物のそれらから変更し誇張してある。

また、本明細書において用いる、形状や幾何学的条件並びにそれらの程度を特定する、例えば、「平行」、「直交」、「同一」等の用語や、長さや角度の値等については、厳密な意味に縛られることなく、同様の機能を期待し得る程度の範囲を含めて解釈することとする。

図１は、照明装置１０の全体構成を模式的に示す斜視図である。照明装置１０は、長手方向を有した被照明領域Ｚ、例えば、長手方向の短手方向に対する比が１０以上、さらには、この比が１００以上となる被照明領域Ｚ、典型的にはライン状の被照明領域Ｚを、照明する装置である。この照明装置１０は、例えば、自動車や船等の乗り物に適用され得る。乗り物では、進行方向の前方に広がる領域を照明する必要がある。とりわけ、高速で走行する自動車の前照灯、いわゆるヘッドランプは、当該自動車の前方近傍から前方遠方までの路面を明るく照らすことが好ましい。また、サーチライトと呼ばれる探照灯においては、前方に広がる細長い領域のみを明るく照らすことが要求されることもある。ここで説明する照明装置１０では、長手方向ｄｌを有した被照明領域Ｚ、とりわけ照明装置１０の前方に位置し且つ照明装置１０から離間する方向に長手方向ｄｌを有する被照明領域Ｚを、そのエッジを鮮明としながら、安全に照明し得るようにするための工夫が、施されている。したがって、前照灯や探照灯への適用においては、照明することが適切ではない領域、例えば対向車線を照明することなく、所定の範囲内のみをそのエッジまで鮮明に照明することができる。また、撮像素子・コンピューターによる画像解析と組み合わせることで、被照明領域Ｚ内に存在する異物や不審物等を高精度に視覚化することも可能となる。

図１に示すように、照明装置１０は、光を投射する光源装置１５と、光源装置１５からの光を回折して被照明領域Ｚに向けるホログラム素子４０と、を有している。光源装置１５は、光源２０と、光源２０から射出された光を整形する整形光学系３０と、を有している。

図１に示された例において、光源装置１５は、複数の光源２０を有している。光源２０としては、レーザー光を発振するレーザー光源を用いることができる。レーザー光源から射出されるレーザー光は、直進性に優れ、被照明領域Ｚを高精度に照明するための光として好適である。複数の光源２０は、独立して設けられていてもよいし、共通の基板上に当該複数の光源２０が並べて配置された光源モジュールであってもよい。複数の光源２０は、一例として、赤色の発光波長域の光を発振する第１レーザー光源２０ａと、緑色の発光波長域の光を発振する第２レーザー光源２０ｂと、青色の発光波長域の光を発振する第３レーザー光源２０ｃと、を有している。この例によれば、複数の光源２０で発光された三つのレーザー光を重ね合わせることで、白色の照明光を含む種々の色の照明光を生成することができる。ただし、この例に限られず、光源装置１５は、発光波長域が互いに相違する二つの光源２０又は四つ以上の光源２０を有するようにしてもよい。また、発光強度を高めるために、発光波長域ごとに、複数個ずつの光源２０が設けられていてもよい。

次に、整形光学系３０について説明する。整形光学系３０は、光源２０から射出されたレーザー光を整形する。言い換えると、整形光学系３０は、レーザー光の光軸に直交する断面での形状や、レーザー光の光束の立体的な形状を整形する。図示された例において、整形光学系３０は、光源２０から射出されたレーザー光を拡幅した平行光束に整形する。図１に示すように、整形光学系３０は、レーザー光の光路に沿った順で、レンズ３１及びコリメートレンズ３２を有している。レンズ３１は、光源２０から射出されたレーザー光を発散光束に整形する。コリメートレンズ３２は、レンズ３１で生成された発散光束を、平行光束に整形し直す。

図示された例において、光源装置１５は、第１〜第３レーザー光源２０ａ、２０ｂ、２０ｃにそれぞれ対応して、第１整形光学系３０ａ、第２整形光学系３０ｂ及び第３整形光学系３０ｃを有している。第１整形光学系３０ａは、第１レンズ３１ａ及び第１コリメートレンズ３２ａを有し、第２整形光学系３０ｂは、第２レンズ３１ｂ及び第２コリメートレンズ３２ｂを有し、第３整形光学系３０ｃは、第３レンズ３１ｃ及び第３コリメートレンズ３２ｃを有している。

次に、ホログラム素子４０について説明する。ホログラム素子４０は、光源装置１５からの光を回折して、被照明領域Ｚに向ける。したがって、被照明領域Ｚは、ホログラム素子４０での回折光によって、照明されることになる。

図示された例において、照明装置１０は、複数のホログラム素子４０を有している。より具体的には、照明装置１０は、第１ホログラム素子４０ａ、第２ホログラム素子４０ｂ及び第３ホログラム素子４０ｃを有している。各ホログラム素子４０ａ，４０ｂ，４０ｃは、レーザー光を発振する第１〜第３レーザー光源２０ａ，２０ｂ，２０ｃのそれぞれに対応して設けられている。この例によれば、第１〜第３レーザー光源２０ａ，２０ｂ，２０ｃが異なる波長域のレーザー光を発振する場合にも、各ホログラム素子４０ａ，４０ｂ，４０ｃは、対応するレーザー光で生成された異なる波長域のレーザー光を高効率で回折することが可能となる。

図２に示すように、本実施の形態では、各ホログラム素子４０ａ，４０ｂ，４０ｃで回折された回折光が、それぞれ、被照明領域Ｚの全域を照明する。後述するように、各ホログラム素子４０ａ，４０ｂ，４０ｃからの回折光が、それぞれ、被照明領域Ｚ内のみをその全域に亘って照明することで、被照明領域Ｚ内における明るさのムラや色のムラを効果的に目立たなくすることができる。

図１及び図２に示された例において、複数のホログラム素子４０は、被照明領域Ｚの長手方向ｄｌに垂直な第１配列方向ｄａに配列されている。また、複数のホログラム素子４０が配列された第１配列方向ｄａは、被照明領域Ｚが位置する面ｐｌと平行である。とりわけ図示された例において、複数のホログラム素子４０が配列された第１配列方向ｄａは、水平方向となっている。すなわち、図示された具体例では、地面や水面よりも鉛直方向上方に配置された複数のホログラム素子４０からの回折光で、地面や水面等の水平面ｐｌ上を照明し、この水平面ｐｌ上に被照明領域Ｚが形成される。そして、複数のホログラム素子４０は、水平方向にずらして配置されている。

また、図３に示すように、各ホログラム素子４０は、複数の要素ホログラム４５に区分けされている。各要素ホログラム４５は、干渉縞パターンが記録されたホログラム記録媒体として構成されている。干渉縞パターンを種々に調整することで、各要素ホログラム４５で回折される光の進行方向、言い換えると、各要素ホログラム４５で拡散される光の進行方向を、制御することができる。そして、図３に示すように、各要素ホログラム４５に入射した光源装置１５からの光は、当該要素ホログラム４５で回折されて、それぞれ、被照明領域Ｚの全域を照明する。後述するように、各要素ホログラム素子４５からの回折光が、それぞれ、被照明領域Ｚ内のみを全域に亘って照明することで、被照明領域Ｚ内における明るさのムラを効果的に目立たなくすることができる。

図３に示された例において、第１ホログラム素子４０ａは複数の第１要素ホログラム４５ａを含み、第２ホログラム素子４０ｂは複数の第２要素ホログラム４５ｂを含み、第３ホログラム素子４０ｃは複数の第３要素ホログラム４５ｃを含んでいる。各ホログラム素子４０において、複数の要素ホログラム４５は、複数のホログラム素子４０の配列方向と平行な第１配列方向ｄａに配列されている。すなわち、各ホログラム素子４０に含まれる複数の要素ホログラム４５は、被照明領域Ｚの長手方向ｄｌに垂直な方向であって且つ被照明領域Ｚが形成する面ｐｌと平行な第１配列方向ｄａに配列されている。また、各ホログラム素子４０において、複数の要素ホログラム４５は、被照明領域Ｚの長手方向ｄｌに垂直な方向であって且つ被照明領域Ｚが形成する面ｐｌの法線方向ｎｄである第２配列方向ｄｂにも配列されている。図示された例において、複数の要素ホログラム４５は、鉛直方向ｄｂ及び水平方向ｄａに配列されている。

ここで、被照明領域Ｚは、ホログラム素子４０によって照明されるニアフィールドの被照明領域と考えることができる。一方、ファーフィールドの被照明領域は、実際の被照明領域の寸法よりも、角度空間における拡散角度分布として表現されることが多い。本明細書における「被照明領域」という用語は、実際の被照射面積（照明範囲）に加え角度空間における拡散角度範囲も包含するものとする。

要素ホログラム４５は、例えば実物の散乱板からの散乱光を物体光として用いて作製することができる。より具体的には、要素ホログラム４５の母体であるホログラム感光材料に、互いに干渉性を有するコヒーレント光からなる参照光と物体光とを照射すると、これらの光の干渉による干渉縞がホログラム感光材料に形成されて、要素ホログラム４５が作製される。参照光としては、コヒーレント光であるレーザー光が用いられ、物体光としては、例えば安価に入手可能な等方散乱板からの散乱光が用いられる。

要素ホログラム４５を作製する際に用いた参照光の光路を逆向きに進むよう要素ホログラム４５に向けてレーザー光を照射することで、要素ホログラム４５を作製する際に用いた物体光の元となる散乱板の配置位置に、散乱板の再生像が生成される。要素ホログラム４５を作製する際に用いた物体光の元となる散乱板が均一的な面散乱をしていれば、要素ホログラム４５により得られる散乱板の再生像も、均一な面照明となり、この散乱板の再生像が生成される領域を被照明領域Ｚとすることができる。

また、各要素ホログラム４５に形成される複雑な干渉縞のパターンは、現実の物体光と参照光とを用いて形成する代わりに、予定した再生照明光の波長や入射方向、並びに、再生されるべき像の形状や位置等に基づき計算機を用いて設計することが可能である。このようにして得られた要素ホログラム４５は、計算機合成ホログラム（ＣＧＨ：Computer Generated Hologram）とも呼ばれる。例えば、照明装置１０が地面上や水面上の一定の大きさを有した被照明領域Ｚを照明することに用いられる場合、物体光を生成することが困難であり、計算機合成ホログラムを要素ホログラム４５として用いることが好適である。

また、各要素ホログラム４５上の各点における拡散角度特性が同じであるフーリエ変換ホログラムを計算機合成により形成してもよい。さらに、ホログラム素子４０の入射側あるいは出射側にレンズなどの光学部材を設けて、回折光が被照明領域Ｚの全域に入射するように調整してもよい。

ホログラム素子４０を複数の要素ホログラム４５で構成することによる利点の一つは、光源装置１５からの光、例えばレーザー光の光エネルギー密度を拡散により低下させ得ることである。また、その他の利点の一つは、要素ホログラム４５が指向性の面光源として利用可能になるため、従来のランプ光源（点光源）と比較して、同じ照度分布を達成するための光源面上の輝度を低下させ得ることである。これにより、光源２０としてレーザー光源を用いた場合でも、レーザー光の安全性向上に寄与することができ、被照明領域Ｚ内からレーザー光を人間の目で直視しても、単一の点光源を直視する場合に比べ、人間の目に悪影響を与えるおそれが少なくなる。

さらに、レーザー光に代表されるコヒーレント光を用いた場合、例えばＷＯ２０１２／０３４１７４に開示されているように、スペックルの発生という問題が生じる。スペックルは、斑点模様として認識され、生理的な不快感を与え得る。ホログラム素子４０が複数の要素ホログラム４５を含むことで、各要素ホログラム４５からの回折光にそれぞれ対応して生成されたスペックルパターンが被照明領域Ｚにおいて重なり合って平均化され、観察者に観察されることになる。これにより、スペックルを目立ちにくくすることができる。

要素ホログラム４５の具体的な形態としては、フォトポリマーを用いた体積型ホログラム記録媒体でもよいし、銀塩材料を含む感光媒体を利用して記録するタイプの体積型ホログラム記録媒体でもよいし、レリーフ型（エンボス型）のホログラム記録媒体でもよい。

ところで、一般に、半導体レーザーなどのレーザー光源２０の発光領域は、厳密には点状ではなく、所定の長さ及び幅を有している。このため、発光領域のうちコリメートレンズ３２の焦点位置に対応する部位から射出されたレーザー光は、当該コリメートレンズ３２によって平行な光束へと調整されるものの、当該焦点位置に対応する部位以外の部位から射出されたレーザー光は、コリメートレンズ３２によって完全に平行な光束には調整されず、当該レーザー光の進行方向に向かって拡散する（横断面の幅及び長さがレーザー光の進行方向に向かって次第に大きくなる）光束となる。この様子は、図７に概略的に示されている。なお、図７においては、簡単のため、レンズ３１は光源２０に含まれており、その図示は省略されている。

更に、レーザー光源２０の発光領域の長さ（図７における上下方向の長さ）は、射出されるレーザー光２１の波長域、すなわちレーザー光２１の色、によって異なる。例えば、青色レーザー光を射出する第３レーザー光源２０ｃの発光領域は、赤色レーザー光及び緑色レーザー光を射出する第１及び第２レーザー光源２０ａ、２０ｂの各発光領域よりも小さい（図７における上下方向の長さが短い）場合を考える。言い換えると、第３レーザー光３１ｃの第３光束３３ｃの拡散角よりも、第１レーザー光３１ａの第１光束３３ａ及び第２レーザー光３１ｂの第２光束３３ｂの拡散角の方が、大きい場合、第１レーザー光３１ａに対応する第１コリメートレンズ３２ａの光学特性と、第２レーザー光３１ｂに対応する第２コリメートレンズ３２ｂの光学特性と、第３レーザー光３１ｃに対応する第３コリメートレンズ３２ｃの光学特性と、が同一であるならば、図７に示すように、コリメートされた第３レーザー光３１ｃの第３光束３３ｃの拡散角よりも、コリメートされた第１レーザー光３１ａの光束３３ａ及び第２レーザー光の第２光束３３ｂの拡散角の方が、大きくなる。

この場合、第１〜第３ホログラム素子４０ａ、４０ｂ、４０ｃの回折特性が同じであるならば、第１ホログラム素子４０ａによって回折された第１レーザー光３１ａが照明する面ｐｌ上の照明領域と、第２ホログラム４０ｂによって回折された第２レーザー光３１ｂが照明する面ｐｌ上の照明領域と、第３ホログラム４０ｃによって回折された第３レーザー光３１ｃが照明する面ｐｌ上の照明領域とが、ずれてしまう。このずれは、照明装置１０からの距離が大きいほど顕著である。このため、以上のような照明装置１０が車両等の照明として採用された場合、被照明領域Ｚの特に遠方領域において、エッジがぼやけてしまう。

以上のようなずれを回避するため、光源装置１５は、以下に詳述されるように、第１レーザー光源２０ａに対応する第１コリメートレンズ３２ａの光学特性と、第２レーザー光源２０ｂに対応する第２コリメートレンズ３２ｂの光学特性と、第３レーザー光源２０ｃに対応する第３コリメートレンズ３２ｃの光学特性とが、異なっており、コリメートされた第１光束３３ａ、第２光束３３ｂ及び第３光束３３ｃの拡散角が、各光束３３ａ、３３ｂ、３３ｃで等しいように調整されている（図４参照）。このことによって、第１〜第３光束３３ａ、３３ｂ、３３ｃが第１〜第３ホログラム素子４０ａ、４０ｂ、４０ｃを透過した際に当該第１、第２及び第３ホログラム４０ａ、４０ｂ、４０ｃから被照明領域Ｚへと向かう各光束３３ａ、３３ｂ、３３ｃの拡散の程度が揃えられるようになっている。

以下、複数の光束の拡散角を同一とするための調整方法について説明する。なお、以下の説明においては、第１レーザー光源２０ａから射出された第１レーザー光２１ａの第１光束３３ａの拡散角と、第２レーザー光源２０ｂから射出された第２レーザー光２１ｂの第２光束３３ｂの拡散角と、を同一とするための調整方法について記載するが、以下の調整方法により、３つのレーザー光源から射出されたレーザー光の各光束の拡散角を同一とすることができ、更には、４以上のレーザー光源から射出されたレーザー光の各光束の拡散角を同一とすることもできる。

まず、「エタンデュ」と称される保存量について説明する。エタンデュとは、光源から照射面に至るまでの光路において、光束の断面積Ｓとその断面を透過する光束の立体角（拡散角）Ωとの積Ｓ・Ωによって規定される物理量である。このエタンデュは、拡散板等を含まない、屈折及び反射による光学系に対して保存される量であることが知られている。

ここで、拡散角とは、一般に光束の立体角を意味するが、本実施の形態においては、光軸３４に平行な平面である基準面に投影した光束３３の輪郭線が成す角として扱っても成立する。従って、以下の説明においては、特に断らない限り、光束３３を前記基準面に投影した際に当該光束３３の輪郭線がなす角度を意味するものとして使用する。

本実施の形態の光源装置１５において、各光軸３４ａ、３４ｂに平行で面ｐｌに対して任意の角度を有する面を基準面とし、当該基準面に投影した第１レーザー光源２０ａの発光領域の幅（長さ）をｄＳ１、第１レーザー光源２０ａが射出する第１レーザー光２１ａの拡散角をｄΩ１、前記基準面に投影した第１光束３３ａの拡散角をｄΩ１’、第１コリメートレンズ３２ａの第１後側焦点位置３５ａにおける第１光束３３ａの幅をｄＳ１’とすると、エタンデュの保存則から、
［数１］
ｄＳ１・ｄΩ１＝ｄＳ１’・ｄΩ１’
という関係が成立する。

同様に、前記基準面に投影した第２レーザー光源２０ｂの発光領域の長さをｄＳ２、第２レーザー光源２０ｂが射出する第２レーザー光２１ｂの拡散角をｄΩ２、前記基準面に投影した第２光束３３ｂの拡散角をｄΩ２’、第２コリメートレンズ３２ｂの第２後側焦点位置３５ｂにおける第２光束３３ｂの幅をｄＳ２’とすると、エタンデュの保存則から
［数２］
ｄＳ２・ｄΩ２＝ｄＳ２’・ｄΩ２’
という関係が成立する。

すなわち、前述の２式より、第１光束３３ａの拡散角ｄΩ１’と第２光束３３ｂの拡散角ｄΩ２’とが等しくなるためには、
［数３］
（ｄＳ１・ｄΩ１）／ｄＳ１’＝（ｄＳ２・ｄΩ２）／ｄＳ２’
という関係が成立しなければならない。

ｄＳ１及びｄΩ１は第１レーザー光源２０ａ及び第１レーザー光２１ａに固有の値であり、ｄＳ２及びｄΩ２は第２レーザー光源２０ｂ及び第２レーザー光２１ｂに固有の値であるから、前述の関係式は、実質的にはｄＳ１’とｄＳ２’との関係を規定している。すなわち、第１コリメートレンズ３２ａの光学特性を適宜選択した場合、当該第１コリメートレンズ３２ａによってｄＳ１’の値が決定されるため、前述の関係式を充足するように、第２コリメートレンズ３２ｂの光学特性、すなわちｄＳ２’が決定されることになる。ここで、光学特性とは、具体的には、第２コリメートレンズ３２ｂの焦点距離及び口径である。

なお、第１光軸３４ａ及び第２光軸３４ｂは、面ｐｌと平行である。また、第１コリメートレンズ３２ａ及び第２コリメートレンズ３２ｂは、面ｐｌと平行な方向に配列されている（図１参照）。更に、本実施の形態において、第１光軸３４ａ及び第２光軸３４ｂは、面ｐｌと平行であり、且つ、被照明領域Ｚの長手方向ｄｌに延びている。また、第１コリメートレンズ３２ａ及び第２コリメートレンズ３２ｂは、面ｐｌと直交し長手方向ｄｌと平行な面と直交する方向に配列されている（図１参照）。

次に、図５及び図６を参照して、照明装置１５の作用について説明する。

図５は、第１及び第２コリメートレンズ３２ａ、３２ｂを透過した第１及び第２レーザー光２０ａ、２０ｂの第１及び第２光束３３ａ、３３ｂを、基準面としての水平面である面ｐｌに投影した図であり、図６は、第１及び第２コリメートレンズ３２ａ、３２ｂを透過した第１及び第２レーザー光２０ａ、２０ｂの第１及び第２光束３３ａ、３３ｂを、基準面としての光軸３４ａ、３４ｂに平行な鉛直面ｐｎに投影した図である。

図５に示すように、投影対象の基準面として水平面である面ｐｌを選択した場合、第１レーザー光源２０ａから射出された第１レーザー２１ａは、第１コリメートレンズ４３ａによって、拡散角がｄΩｌ’の第１光束３３ａへと調整される。また、第２レーザー光源２０ｂから射出された第２レーザー２１ｂは、第２コリメートレンズ４３ｂによって、拡散角がｄΩｌ’の第１光束３３ｂへと調整される。すなわち、第１ホログラム要素４０ａに入射する第１光束３３ａの拡散角と、第２ホログラム要素４０ｂに入射する第２光束３３ｂの拡散角とが、水平方向において揃えられる。このことにより、第１ホログラム要素４０ａにより回折された第１光束３３ａが照明する照明領域と、第２ホログラム要素４０ｂにより回折された第２光束３３ｂが照明する照明領域とが、被照明領域Ｚの幅方向ｄｗ（図１参照）において揃えられる。すなわち、被照明領域Ｚの長手方向ｄｌの両側のエッジが鮮明とされつつ照明される。

また、図６に示すように、投影対象の基準面として鉛直面である面ｐｎを選択した場合、第１レーザー光源２０ａから射出された第１レーザー２１ａは、第１コリメートレンズ４３ａによって、拡散角がｄΩｎ’の第１光束３３ａへと調整される。また、第２レーザー光源２０ｂから射出された第２レーザー２１ｂは、第２コリメートレンズ４３ｂによって、拡散角がｄΩｎ’の第１光束３３ｂへと調整される。すなわち、第１ホログラム要素４０ａに入射する第１光束３３ａの拡散角と、第２ホログラム要素４０ｂに入射する第２光束３３ｂの拡散角とが、鉛直方向において揃えられる。このことにより、第１ホログラム要素４０ａにより回折された第１光束３３ａが照明する照明領域と、第２ホログラム要素４０ｂにより回折された第２光束３３ｂが照明する照明領域とが、被照明領域Ｚの長手方向ｄｌ（図１参照）において揃えられる。すなわち、被照明領域Ｚの長手方向ｄｌの手前側及び奥側のエッジが鮮明とされつつ照明される。

更に、各光軸３４ａ、３４ｂに平行で面ｐｌに対して任意の角度を有する面を基準面として選択した場合にも、第１ホログラム要素４０ａに入射する第１光束３３ａの拡散角と、第２ホログラム要素４０ｂに入射する第２光束３３ｂの拡散角とが、揃えられる。このことにより、被照明領域Ｚが水平面に対して傾斜している場合、あるいは湾曲している場合においても、第１ホログラム要素４０ａにより回折された第１光束３３ａが照明する照明領域と、第２ホログラム要素４０ｂにより回折された第２光束３３ｂが照明する照明領域とが、被照明領域Ｚの幅方向ｄｗ及び長手方向ｄｌ（図１参照）において揃えられる。すなわち、任意の傾斜ないし曲率を有する被照明領域Ｚの幅方向ｄｗ及び長手方向ｄｌのそれぞれのエッジが鮮明とされつつ照明される。

以上のような本実施の形態によれば、複数の光源２０から射出された互いに異なる波長域の第１レーザー光２１ａおよび第２レーザー光２１ｂを、同一の拡散角を有する第１光束３３ａ及び第２光束３３ｂへと調整することができる。このため、その後の第１光束３３ａ及び第２光束３３ｂの取り扱いを各光束３３ａ、３３ｂで均一化させることができ、本実施の形態の光源装置１５を有する照明装置１０に採用されるホログラム要素４０を容易に設計することができる。

以上の照明装置１０において、ホログラム要素４０によって回折される第１及び第２光束３３ａ、３３ｂは、被照明領域Ｚの幅方向ｄｗにおいてそれぞれ同程度の広がりをもって当該被照明領域Ｚへと進むことになる。この結果、被照明領域Ｚの幅方向ｄｗにおいて、第１ホログラム要素４０ａによる第１光束３３ａの回折光が照明する照明領域と、第２ホログラム要素４０ｂによる第２光束３３ｂの回折光が照明する照明領域とが、一致する。すなわち、本実施の形態の光源装置１５を採用した照明装置１０によれば、被照明領域Ｚの幅方向の両側のエッジが鮮明とされつつ被照明領域Ｚが照明され得る。

また、本実施の形態の光源装置１５を有する照明装置１０においては、ホログラム要素４０に入射する第１及び第２光束３３ａ、３３ｂの拡散角ｄΩｎ１’、ｄΩｎ２’が被照明領域Ｚの長手方向ｄｌにおいても揃えられる。このため、各ホログラム４０ａ、４０ｂによって回折された第１及び第２光束３３ａ、３３ｂは、被照明領域Ｚの長手方向ｄｌを含む鉛直面に投影して観察した際に、それぞれ同程度の広がりをもって当該被照明領域Ｚへと進む。この結果、被照明領域Ｚの長手方向ｄｌにおいて、第１ホログラム要素４０ａによる第１光束３３ａの回折光が照明する照明領域と、第２ホログラム要素４０ｂによる第２光束３３ｂの回折光が照明する照明領域とが、一致する。すなわち、照明装置１０により、被照明領域Ｚの長手方向ｄｌの両側のエッジが鮮明とされつつ照明され得る。

更に、例えば路面が傾斜するなどして被照明領域Ｚが面ｐｌに対して角度を有している場合であっても、本実施の形態の光源装置１５を有する照明装置１０によれば、ホログラム要素４０に入射する第１及び第２光束３３ａ、３３ｂの拡散角が被照明領域Ｚの幅方向ｄｗ及び長手方向ｄｌの双方において揃えられる。この結果、被照明領域Ｚの幅方向ｄｗ及び長手方向ｄｌの双方において、第１ホログラム４０ａによる第１光束３３ａの回折光が照明する照明領域と、第２ホログラム４０ｂによる第２光束３３ｂの回折光が照明する照明領域とが、一致する。すなわち、照明装置１０により、面ｐｌに対して角度を有する被照明領域Ｚを照明する場合であっても、当該被照明領域Ｚの幅方向ｄｗ及び長手方向ｄｌの両側のエッジが鮮明とされつつ照明され得る。

また、本実施の形態の光源装置１５において、第１光軸３４ａと第２光軸３４ｂとは面ｐｌ及び面ｐｎと平行であり、当該面ｐｎと直交する方向に配列されている。このため、第１及び第２光束３３ａ、３３ｂを同一の方向かつ被照明領域Ｚに対して同一の高さからホログラム要素４０に入射させることができるため、当該ホログラム要素４０の設計が一層容易である。

また、本実施の形態の光源装置１５において、第１コリメートレンズ３２ａと第２コリメートレンズ３２ｂとは、面ｐｌと平行であり且つ面ｐｎと直交するように配列されている。このため、簡易な光路調整によって、面ｐｌ及び面ｐｎと平行であり、当該面ｐｎと直交する方向に配列されている、という前述の第１光束３３ａ及び第２光束３３ｂを容易に生成することができる。

なお、以上の光源装置１５は、２つの光源２０を有するものとして説明したが、以上に記載した調整方法により、３つのレーザー光源２０から射出されたレーザー光３１の各光束３３の拡散角を同一とすることができ、更には、４以上のレーザー光源２０から射出されたレーザー光３１の各光束３３の拡散角を同一とすることもできる。この場合も、その後の光束３３の取り扱いを各レーザー光３３で均一化させることができるため、以上のような光源装置１５を有する照明装置１０に採用されるホログラム要素４０を容易に設計することができる。

ｄｌ 長手方向
ｄｗ 幅方向
ｄａ 第１配列方向
ｄｂ 第２配列方向
ｄＳ 光源の幅(長さ)
ｄＳ’ 光束の幅
ｄΩ 光源から射出された光の拡散角
ｄΩ’ 光束の拡散角
Ｚ 被照明領域
Ｚａ 照明領域
Ｚｂ 照明領域
Ｚｘ 被照明領域
Ｚｙ 両縁部分
Ｚｚ 周縁部分
１０ 照明装置
１５ 光源装置
２０ 光源
２０ａ 第１レーザー光源
２０ｂ 第２レーザー光源
２０ｃ 第３レーザー光源
２１ レーザー光
２１ａ 第１レーザー光
２１ｂ 第２レーザー光
３０ 整形光学系
３０ａ 第１整形光学系
３０ｂ 第２整形光学系
３０ｃ 第３整形光学系
３１ レンズ
３１ａ 第１レンズ
３１ｂ 第２レンズ
３１ｃ 第３レンズ
３２ コリメートレンズ
３２ａ 第１コリメートレンズ
３２ｂ 第２コリメートレンズ
３２ｃ 第３コリメートレンズ
３３ 光束
３３ａ 第１光束
３３ｂ 第２光束
３４ 光軸
３４ａ 第１光軸
３４ｂ 第２光軸
３５ 焦点位置
３５ａ 第１後側焦点位置
３５ｂ 第２後側焦点位置
４０ ホログラム素子
４０ａ 第１ホログラム素子
４０ｂ 第２ホログラム素子
４０ｃ 第３ホログラム素子
４５ 要素ホログラム
４５ａ 第１要素ホログラム
４５ｂ 第２要素ホログラム
４５ｃ 第３要素ホログラム

Claims (23)

1. 第１光源及び第２光源と、
   前記第１光源が射出する光を第１光束へと調整する第１光学素子と、
   前記第２光源が射出する光を第２光束へと調整する第２光学素子と、
   を備え、
   ある１つの基準面に投影した前記第１光束の拡散角と、前記基準面に投影した前記第２光束の拡散角とが、等しい
   ことを特徴とする光源装置。
2. 前記第１光束は、第１光軸を有しており、
   前記第２光束は、第２光軸を有しており、
   前記第１光軸及び前記第２光軸は、前記基準面と平行である
   ことを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
3. 前記第１光学素子及び前記第２光学素子は、前記基準面と平行な方向に配列されている
   ことを特徴とする請求項２に記載の光源装置。
4. 前記基準面と直交するある１つの第２基準面に投影した前記第１光束の拡散角と、前記第２基準面に投影した前記第２光束の拡散角とが、等しい
   ことを特徴とする請求項２または３に記載の光源装置。
5. 前記第１光軸及び前記第２光軸は、前記第２基準面と平行である
   ことを特徴とする請求項４に記載の光源装置。
6. 前記第１光学素子及び前記第２光学素子は、前記第２基準面と直交する方向に配列されている
   ことを特徴とする請求項５に記載の光源装置。
7. 前記第１光軸及び前記第２光軸と平行な任意の面に投影した前記第１光束の拡散角と、前記任意の面に投影した前記第２光束の拡散角とが、等しい
   ことを特徴とする請求項６に記載の光源装置。
8. 前記基準面に投影した前記第１光源の幅と前記基準面に投影した前記第１光源が射出する光の拡散角との積を前記基準面に投影した前記第１光束の最小幅で除した値と、前記基準面に投影した前記第２光源の幅と前記基準面に投影した前記第２光源が射出する光の拡散角との積を前記基準面に投影した前記第２光束の最小幅で除した値とが、等しい
   ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の光源装置。
9. 前記第２基準面に投影した前記第１光源の幅と前記第２基準面に投影した前記第１光源が射出する光の拡散角との積を前記第２基準面に投影した前記第１光束の最小幅で除した値と、前記第２基準面に投影した前記第２光源の幅と前記第２基準面に投影した前記第２光源が射出する光の拡散角との積を前記第２基準面に投影した前記第２光束の最小幅で除した値とが、等しい
   ことを特徴とする請求項４乃至７のいずれかに記載の光源装置。
10. 前記任意の面に投影した前記第１光源の幅と前記任意の面に投影した前記第１光源が射出する光の拡散角との積を前記任意の面に投影した前記第１光束の最小幅で除した値と、前記任意の面に投影した前記第２光源の幅と前記任意の面に投影した前記第２光源が射出する光の拡散角との積を前記任意の面に投影した前記第２光束の最小幅で除した値とが、等しい
    ことを特徴とする請求項７に記載の光源装置。
11. 第１光源、第２光源及び第３光源と、
    前記第１光源が射出する光を第１光束へと調整する第１光学素子と、
    前記第２光源が射出する光を第２光束へと調整する第２光学素子と、
    前記第３光源が射出する光を第３光束へと調整する第３光学素子と、
    を備え、
    ある１つの基準面に投影した前記第１光束の拡散角と、前記基準面に投影した前記第２光束の拡散角と、前記基準面に投影した前記第３光束の拡散角とが、等しい
    ことを特徴とする光源装置。
12. 前記第１光束は、第１光軸を有しており、
    前記第２光束は、第２光軸を有しており、
    前記第３光束は、第３光軸を有しており、
    前記第１光軸、前記第２光軸及び前記第３光軸は、前記基準面と平行である
    ことを特徴とする請求項１１に記載の光源装置。
13. 前記第１光学素子、前記第２光学素子及び前記第３光学素子は、前記基準面と平行な方向に配列されている
    ことを特徴とする請求項１２に記載の光源装置。
14. 前記基準面と直交するある１つの第２基準面に投影した前記第１光束の拡散角と、前記第２基準面に投影した前記第２光束の拡散角と、前記第２基準面に投影した前記第３光束の拡散角とが、等しい
    ことを特徴とする請求項１２乃至１３のいずれかに記載の光源装置。
15. 前記第１光軸、前記第２光軸及び前記第３光軸は、前記第２基準面と平行である
    ことを特徴とする請求項１４に記載の光源装置。
16. 前記第１光学素子、前記第２光学素子及び前記第３光学素子は、前記第２基準面と直交する方向に配列されている
    ことを特徴とする請求項１５に記載の光源装置。
17. 前記第１光軸、前記第２光軸及び前記第３光軸と平行な任意の面に投影した前記第１光束の拡散角と、前記任意の面に投影した前記第２光束の拡散角と、前記任意の面に投影した前記第３光束の拡散角とが、等しい
    ことを特徴とする請求項１６のいずれかに記載の光源装置。
18. 前記基準面に投影した前記第１光源の幅と前記基準面に投影した前記第１光源が射出する光の拡散角との積を前記基準面に投影した前記第１光束の最小幅で除した値と、前記基準面に投影した前記第２光源の幅と前記基準面に投影した前記第２光源が射出する光の拡散角との積を前記基準面に投影した前記第２光束の最小幅で除した値と、前記基準面に投影した前記第３光源の幅と前記基準面に投影した前記第３光源が射出する光の拡散角との積を前記基準面に投影した前記第３光束の最小幅で除した値とが、等しい
    ことを特徴とする請求項１１乃至１７のいずれかに記載の光源装置。
19. 前記第２基準面に投影した前記第１光源の幅と前記第２基準面に投影した前記第１光源が射出する光の拡散角との積を前記第２基準面に投影した前記第１光束の最小幅で除した値と、前記第２基準面に投影した前記第２光源の幅と前記第２基準面に投影した前記第２光源が射出する光の拡散角との積を前記第２基準面に投影した前記第２光束の最小幅で除した値と、前記第２基準面に投影した前記第３光源の幅と前記第２基準面に投影した前記第３光源が射出する光の拡散角との積を前記第２基準面に投影した前記第３光束の最小幅で除した値とが、等しい
    ことを特徴とする請求項１４乃至１７のいずれかに記載の光源装置。
20. 前記任意の面に投影した前記第１光源の幅と前記任意の面に投影した前記第１光源が射出する光の拡散角との積を前記任意の面に投影した前記第１光束の最小幅で除した値と、前記任意の面に投影した前記第２光源の幅と前記任意の面に投影した前記第２光源が射出する光の拡散角との積を前記任意の面に投影した前記第２光束の最小幅で除した値と、前記任意の面に投影した前記第３光源の幅と前記任意の面に投影した前記第３光源が射出する光の拡散角との積を前記任意の面に投影した前記第３光束の最小幅で除した値とが、等しい
    ことを特徴とする請求項１７に記載の光源装置。
21. 被照明領域を照明する照明装置であって、
    請求項１乃至１０のいずれかに記載の光源装置と、
    前記第１光束を回折して前記被照明領域に向ける第１ホログラムと、
    前記第２光束を回折して前記被照明領域に向ける第２ホログラムと、
    を備え、
    前記第１ホログラムでの回折光が前記被照明領域の全域を照明し、前記第２ホログラムでの回折光が前記被照明領域の全域を照明する
    ことを特徴とする照明装置。
22. 被照明領域を照明する照明装置であって、
    請求項１１乃至２０のいずれかに記載の光源装置と、
    前記第１光束を回折して前記被照明領域に向ける第１ホログラムと、
    前記第２光束を回折して前記被照明領域に向ける第２ホログラムと、
    前記第３光束を回折して前記被照明領域に向ける第３ホログラムと、
    を備え、
    前記第１ホログラムでの回折光が前記被照明領域の全域を照明し、前記第２ホログラムでの回折光が前記被照明領域の全域を照明し、前記第３ホログラムでの回折光が前記被照明領域の全域を照明する
    ことを特徴とする照明装置。
23. 前記被照明領域は、長手方向を有している
    ことを特徴とする請求項２１または２２に記載の照明装置。

Images