JP2018106852A - 照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高次の回折光による悪影響を受けなくする。【解決手段】照明装置１は、光源２と、光源から出射された光を回折する複数の回折光学素子３と、複数の回折光学素子で回折された光のうち１次回折光を集光させる複数の第１レンズ４を有する第１レンズ群５と、複数の第１レンズにて集光された光の少なくとも一部を透過させる複数の開口部を有する絞り７と、複数の開口部を透過した光の進行方向を変化させて被照明領域を照明する複数の第２レンズ８を有する第２レンズ群９と、を備える。【選択図】図１

Description

本開示は、被照明領域を照明する照明装置に関する。

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

ホログラム素子のような回折光学素子では、回折光として、１次回折光の他に、２次以上の高次の回折光が生じる。照明装置で使用されるのは１次回折光であるが、高次の回折光が迷光となって観察者の眼に入り込むなどの安全性上の問題を引き起こすおそれがある。
本開示は、高次の回折光による悪影響を受けないようにした照明装置を提供するものである。

上記の課題を解決するために、本開示の一態様では、光源と、
前記光源から出射された光を回折する複数の回折光学素子と、
前記複数の回折光学素子で回折された光のうち１次回折光を集光させる複数の第１レンズを有する第１レンズ群と、
前記複数の第１レンズにて集光された光の少なくとも一部を透過させる複数の開口部を有する絞りと、
前記複数の開口部を透過した光の進行方向を変化させて被照明領域を照明する複数の第２レンズを有する第２レンズ群と、を備える、照明装置が提供される。

前記複数の開口部のそれぞれは、対応する前記１次回折光の回折パターンに応じた形状を有してもよい。

前記絞りは、前記複数の開口部の形状を可変させる開口制御部を有してもよい。

前記複数の開口部は、前記第１レンズ群の後側焦点位置近傍で、かつ前記第２レンズ群の前側焦点位置近傍に配置されてもよい。

前記第１レンズ群の焦点距離と前記第２レンズ群の焦点距離とは等しくてもよい。

前記回折光学素子は、それぞれが入射光を回折する複数の要素回折部を有し、
前記複数の要素回折部のそれぞれごとに、前記第１レンズおよび前記第２レンズが設けられてもよい。

前記１次回折光が入射される前記第１レンズに２次以上の高次の回折光が入射されないように、前記複数の回折光学素子に対して前記複数の第１レンズが位置決めされてもよい。

前記光源は、複数の発光波長域の光を出射する複数の光源部を有し、
前記複数の回折光学素子、前記複数の第１レンズおよび前記複数の第２レンズは、前記複数の光源部に対応づけて設けられてもよい。

前記被照明領域は、前記複数の第２レンズを通過した光の進行方向に延びる長手方向を有してもよい。

本開示によれば、高次の回折光による悪影響を受けなくなる。

本開示の一実施形態による照明装置の要部を示す図。 各ホログラム素子の２次回折光の進行方向を示す図。 赤緑青色用の３つのホログラム素子を備えた照明装置の一例を示す図。 本実施形態による照明装置を車両のヘッドライトの一部として使用する例を示す図。 縦横に分割された複数の要素ホログラム素子を有するホログラム素子を示す図。 矩形状の第１レンズ群と第２レンズ群とを備えた照明装置の照明範囲を示す図。

以下、図面を参照して本開示の一実施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は本開示の一実施形態による照明装置１の要部を示す図である。図１の照明装置１は、複数の光源２と、複数の回折光学素子３と、複数の第１レンズ４を有する第１レンズ群５と、複数の開口部６を有する絞り７と、複数の第２レンズ８を有する第２レンズ群９とを備えている。

各光源２は、典型的にはコヒーレント光を出射するコヒーレント光源、例えばレーザ光源である。複数の光源２は、同じ発光波長域の光を出射してもよいし、それぞれ異なる発光波長域の光を出射してもよい。また、複数の光源２は、別体であってもよいし、一つの基板上に複数の光源部が配列されたレーザアレイのような形態でもよい。

各回折光学素子３は、光源２から出射された光を回折する。各回折光学素子３は、典型的にはホログラム素子１０である。ホログラム素子１０は、回折特性を設計しやすいため、各ホログラム素子１０により照明される被照明領域１１の位置、形状、照明色、照明パターンなどを任意に調整可能となる。以下では、複数の回折光学素子３として複数のホログラム素子１０を適用する例を説明する。ホログラム素子１０の中でも、計算機合成ホログラム（ＣＧＨ：Computer Generated Hologram）は、物体光を発光する光源や、干渉縞を形成するための光学系や、干渉縞を形成するためのブランクのホログラム記録材料などが不要であり、干渉縞の記録工程をコンピュータ上で行えるため、任意の回折特性を持つ干渉縞を容易に生成できる。

第１レンズ群５の各第１レンズ４は、各ホログラム素子１０に対応づけて設けられている。各第１レンズ４は、対応するホログラム素子１０の１次回折光を集光する。各ホログラム素子１０の回折光は、１次回折光の他に、２次以上の高次の回折光を含んでいる。図２は各ホログラム素子１０の２次回折光Ｌ１の進行方向を示す図である。図２に示すように、２次回折光Ｌ１を含む高次の回折光は、１次回折光とは異なる方向に進行する。第１レンズ４は、対応するホログラム素子１０の１次回折光の位置に合わせて配置されている。よって、ホログラム素子１０で回折された２次回折光Ｌ１を含む高次の回折光は、対応する第１レンズ４には入射されない。このため、各ホログラム素子１０に対応する第１レンズ４には、各ホログラム素子１０の１次回折光のみが入射され、２次以上の高次の回折光は入射されなくなる。

絞り７は、複数の第１レンズ４にて集光された光の少なくとも一部を透過させる複数の開口部６を有する。各開口部６は、各第１レンズ４に対応づけて設けられている。各開口部６は、理想的には、対応する第１レンズ４の後側焦点位置に配置するのが望ましいが、各開口部６の位置を第１レンズ４の光軸方向に沿って多少前後してもよい。

ホログラム素子１０からの高次回折光は、対応する第１レンズ４には入射されないが、隣の第１レンズ４に入射されるおそれがある。ところが、隣の第１レンズ４に入射された高次回折光は、絞り７の開口部６とは異なる方向に進行するため、絞り７の開口部６以外の箇所に入射されて、第２レンズ８側には進行しなくなる。これにより、図１の照明装置では、第１レンズ４と絞り７によってホログラム素子４の高次回折光を遮断でき、高次回折光が迷光となって観察者の目に入るおそれはなくなる。

絞り７の各開口部６は、対応する１次回折光の回折パターンに応じた形状を有する。第２レンズ８は、対応する開口部６を透過した光の進行方向を変化させて、被照明領域１１を照明する。開口部６の形状に応じて、第２レンズ群９の各第２レンズ８に入射されるビーム形状が変化し、被照明領域１１の照明パターンも変化する。よって、各開口部６を対応する１次回折光の回折パターンに応じた形状に予め設定しておけば、ホログラム素子１０の回折特性に応じた照明パターンで被照明領域１１を照明できる。

ホログラム素子１０は、いったん記録形成した干渉縞を変更するのは容易ではないが、ホログラム素子１０の干渉縞を変更しなくても、絞り７の開口部６の形状を変更することにより、被照明領域１１の照明パターンを変更することができる。例えば、液晶シャッタのように電気的に可視光透過率を可変制御できる部材、すなわち開口制御部にて絞り７を作製すれば、１次回折光の回折パターンによらず、開口部６の形状を変化させることにより、被照明領域１１の照明パターンを変更することができる。

絞り７の各開口部６は、理想的には、第２レンズ群９の対応する第２レンズ８の前側焦点位置に配置するのが望ましいが、各開口部６の位置は、第２レンズ８の光軸方向に沿って多少前後してもよい。

このように、絞り７の各開口部６は、理想的には、第１レンズ群５の対応する第１レンズ４の後側焦点位置であって、かつ第２レンズ群９の対応する第２レンズ８の前側焦点位置に配置されるのが望ましい。

第１レンズ４の後側焦点距離ｆ１と第２レンズ８の前側焦点距離ｆ２は、典型的には同じ値に設定される。これにより、第２レンズ８により形成される再生像は、ホログラム素子１０に干渉縞を記録する際に用いた参照像と同サイズになる。

なお、第１レンズ４の後側焦点距離ｆ１と第２レンズ８の前側焦点距離ｆ２は、必ずしも同じである必要はない。例えば、ｆ１よりもｆ２が大きければ大きい程、第２レンズ８により形成される再生像のサイズが大きくなる。また、ｆ１よりもｆ２が小さければ小さい程、第２レンズ８により形成される再生像のサイズが小さくなる。

図１には、回折光学素子３、第１レンズ４および第２レンズ８が５つずつ図示されているが、２つ以上であればよく、これらの数には特に制限はない。

図１では、第２レンズ群９の各第２レンズ８がそれぞれ異なる場所にホログラム素子１０の再生像を形成する例を示している。これらの再生像が形成される場所が被照明領域１１である。複数の第２レンズ８が再生像を形成する場所は、図１に示したものに限定されない。例えば、複数の第２レンズ８のうち、２以上の第２レンズ８が同じ場所に再生像を形成してもよい。また、複数の回折光学素子３には、それぞれ異なる発光波長域の光が入射されてもよい。

図３は赤緑青色用の３つのホログラム素子１０を備えた照明装置１の一例を示す図である。図３の各ホログラム素子１０の各１次回折光は、第１レンズ４、絞り７および第２レンズ８を介して、被照明領域１１の全域を照明している。これにより、被照明領域１１は、赤、緑および青が混合した白色で照明される。被照明領域１１を白色以外の色で照明する場合には、必要に応じて、任意の光源２の点灯を停止させればよい。また、各光源２の光強度を可変制御できる場合には、各光源２ごとに光強度を調整することで、被照明領域１１の色相、明度および彩度を可変できる。なお、本明細書において、「被照明領域１１の全域」とは、各ホログラム素子１０で回折された回折光の照明範囲が完全に一致する場合だけでなく、それぞれの照明範囲のずれが±２０％以内であることを意味する。この数値範囲は、本発明者が作製した照明装置１のプロトタイプによる実験結果から導出されたものである。

図４は本実施形態による照明装置１を車両のヘッドライトの一部として使用する例を示す図である。図４の照明装置１は、図１と同様に複数の光源２、複数のホログラム素子１０、第１レンズ群５、絞り７および第２レンズ群９を備えており、追加の構成として、複数の整形光学系１２を備えている。複数の光源２は、コヒーレント光を出射するコヒーレント光源２である。

各整形光学系１２は、対応する光源２から放射されたコヒーレント光を整形および平行化する。より具体的には、各整形光学系１２は、光源２から放射されたコヒーレント光のビーム口径を広げる第３レンズ１３と、第３レンズ１３を通過したコヒーレント光を平行化する第４レンズ１４とを有する。第４レンズ１４で平行化されたコヒーレント光は、対応するホログラム素子１０に入射される。なお、整形光学系１２の光学構成は、図１に限定されるものではない。

各ホログラム素子１０には、対応する光源２にて放射されて、対応する整形光学系１２で整形されたコヒーレント光が入射される。各ホログラム素子１０は、入射されたコヒーレント光を回折させて、被照明領域１１の全域を照明する。

被照明領域１１は、第２レンズ８を通過した光が投影される所定の二次元平面上に設けられている。図４の被照明領域１１は、第１方向と、この第１方向に交差する第２方向とに延在する照明範囲を有する。典型的には、図４の被照明領域１１は、長手方向ｄｌと短手方向ｄｗを有する。より具体的には、被照明領域１１は、短手方向ｄｗに所定の幅を有し、長手方向ｄｌに延在するライン状の照明範囲である。短手方向ｄｗの幅は有限であるが、長手方向ｄｌの長さは、特に問わない。また、被照明領域１１は必ずしも一つとは限らない。例えば、本実施形態による照明装置１を乗物に搭載する場合、乗物の前後方向を長手方向ｄｌとするライン状の被照明領域１１を、乗物の幅分の間隔を隔てて２つ配置してもよい。このように、乗物の幅分の間隔を隔てて２つの被照明領域１１を配置する利点は、乗物の進行方向に何らかの障害物があった場合に、その障害物を避けて走行できるか否かを２つのライン状の被照明領域１１の間隔によって容易に判断できることである。

図１における複数のホログラム素子１０は、被照明領域１１の法線方向ｎｄに沿って縦置きされている。すなわち、複数のホログラム素子１０は、被照明領域１１の法線方向ｎｄに沿って縦置きされている。なお、複数のホログラム素子１０は、被照明領域１１がある面上の短手方向ｄｗに沿って横置きされていてもよい。

図４の各ホログラム素子１０に対応づけて、第１レンズ群５の第１レンズ４と、絞り７内の開口部６と、第２レンズ群９の第２レンズ８とが設けられている。すなわち、光源２、整形光学系１２、ホログラム素子１０、第１レンズ４、開口部６および第２レンズ８は、同数ずつ設けられている。図４の例では、発光波長域の異なる光を出射する３つの光源２を設けており、整形光学系１２、ホログラム素子１０、第１レンズ４、開口部６および第２レンズ８は、各発光色に対応づけて設けられている。

各光源２から出射されたコヒーレント光は、対応する整形光学系１２にて整形および平行化された後、対応するホログラム素子１０に入射される。各ホログラム素子１０は、入射されたコヒーレント光を、予め記録された干渉縞にて回折させる。各ホログラム素子１０に対応して設けられる各第１レンズ４は、各ホログラム素子１０で回折された１次回折光を入射する位置に配置されている。すなわち、各ホログラム素子１０で回折された２次以上の高次回折光は、対応する第１レンズ４には入射されないようにしている。これにより、各第１レンズ４の光軸後方側では、高次回折光の影響を受けなくなる。

図１の複数のホログラム素子１０のそれぞれは、図５に示すように、縦横に分割された複数の要素ホログラム素子（要素回折部）１０ｃを有していてもよい。各要素ホログラム素子１０ｃは、被照明領域１１の全域または部分領域を照明することが可能な回折特性を有する。各要素ホログラム素子１０ｃのサイズは必ずしも同一である必要はない。複数のホログラム素子１０のうち、一部のホログラム素子１０のみが複数の要素ホログラムを有し、残りのホログラム素子１０は単一構造であってもよい。

各ホログラム素子１０が複数の要素ホログラム素子１０ｃを有し、各要素ホログラム素子１０ｃが例えば被照明領域１１の全域を照明する回折特性を有する場合、光源２から出射されるコヒーレント光の光強度を弱めることができる。これにより、要素ホログラム素子１０ｃで回折されずに要素ホログラム素子１０ｃを透過した１要素ホログラム素子１０ｃあたりの０次光の光強度が弱くなり、０次光が視認しにくくなる。また、被照明領域１１内の各点には、複数の要素ホログラム素子１０ｃからのコヒーレント光がそれぞれ異なる入射角度で入射される。これにより、光の干渉パターンが無相関に重ねられて平均化され、結果として、被照明領域１１内では人間の目に観察されるスペックルが目立たなくなる。

一方、各要素ホログラム素子１０ｃが例えば被照明領域１１の部分領域を照明するようにすることにより、被照明領域１１内の部分領域ごとに、照明色や照明パターン等の照明態様を変更できる。

各ホログラム素子１０が複数の要素ホログラム素子１０ｃを有する場合、各要素ホログラム素子１０ｃごとに第１レンズ４、絞り７の開口部６、および第２レンズ８を設けてもよい。これにより、各要素ホログラム素子１０ｃで回折された１次回折光のみを第１レンズ４に入射させることができ、第１レンズ４の光軸後方側では高次回折光の影響を受けなくなる。

図４の照明装置１は、第２レンズ群９内の各第２レンズ８を通過した光が被照明領域１１の全域をそれぞれ照明する例を示したが、第２レンズ８ごとに、被照明領域１１上の照明面積や照明形状が相違していてもよい。

図６は、矩形状の第１レンズ群５と、同じく矩形状の第２レンズ群９とを備えた照明装置１の照明範囲を示す図である。ホログラム素子１０は、５つの要素ホログラム素子１０ｃを有する。第１レンズ群５は、短冊状の５つの第１レンズ４を有し、同じく第２レンズ群９は、短冊状の５つの第２レンズ８を有する。なお、第１レンズ４と第２レンズ５の形状は必ずしも短冊状である必要はなく、図４のように円形や楕円形等でもよい。

図６における５つの第２レンズ８を通過した光は、被照明領域１１上のそれぞれ異なる領域および面積の照明範囲を照明する。例えば、５つの第２レンズ８を、並び順に、第２レンズ８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ、８ｅとすると、第２レンズ８ａの照明面積＞第２レンズ８ｂの照明面積＞第２レンズ８ｃの照明面積＞第２レンズ８ｄの照明面積＞第２レンズ８ｅの照明面積となる。第２レンズ８ａ〜８ｅにより照明される照明範囲は、被照明領域の長手方向に沿った方向に延びている。

なお、５つの第２レンズ８が照明する照明範囲の形状およびサイズは、図６に示したものに限定されない。図６では、各第２レンズ８がライン状の照明を行っているが、少なくとも一つの第２レンズ８は、台形状やその他の任意の形状の照明を行ってもよい。また、本実施形態の照明装置１を車両のヘッドライトに組み込む場合、複数の第２レンズ８のうち少なくとも一つは、路面の照明以外の用途、例えば車両進行方向や側方に位置する任意の物体照明用などに用いてもよい。

このように、本実施形態では、複数の回折光学素子３で回折された１次回折光を集光する複数の第１レンズ４と、これら第１レンズ４にて集光された光を透過させる複数の開口部６を有する絞り７と、これら開口部６を透過した光の進行方向を変化させて被照明領域１１を照明する複数の第２レンズ８とを備えるため、各回折光学素子３で回折された２次以上の高次回折光は、対応する第１レンズ４に入射されなくなり、第１レンズ４よりも光軸後方側は、高次回折光の影響を受けなくなる。これにより、高次回折光が迷光となって観察者の目に入るおそれがなくなり、コヒーレント光の安全性が高くなる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１ 照明装置、２ 光源、３ 回折光学素子、４ 第１レンズ、５ 第１レンズ群、６ 開口部、７ 絞り、８ 第２レンズ、９ 第２レンズ群、１０ ホログラム素子、１０ｃ 要素ホログラム素子、１１ 被照明領域、１２ 整形光学系、１３ 第３レンズ、１４ 第４レンズ

Claims (9)

1. 光源と、
   前記光源から出射された光を回折する複数の回折光学素子と、
   前記複数の回折光学素子で回折された光のうち１次回折光を集光させる複数の第１レンズを有する第１レンズ群と、
   前記複数の第１レンズにて集光された光の少なくとも一部を透過させる複数の開口部を有する絞りと、
   前記複数の開口部を透過した光の進行方向を変化させて被照明領域を照明する複数の第２レンズを有する第２レンズ群と、を備える、照明装置。
2. 前記複数の開口部のそれぞれは、対応する前記１次回折光の回折パターンに応じた形状を有する、請求項１に記載の照明装置。
3. 前記絞りは、前記複数の開口部の形状を可変させる開口制御部を有する、請求項１または２に記載の照明装置。
4. 前記複数の開口部は、前記第１レンズ群の後側焦点位置近傍で、かつ前記第２レンズ群の前側焦点位置近傍に配置される、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の照明装置。
5. 前記第１レンズ群の焦点距離と前記第２レンズ群の焦点距離とは等しい、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の照明装置。
6. 前記回折光学素子は、それぞれが入射光を回折する複数の要素回折部を有し、
   前記複数の要素回折部のそれぞれごとに、前記第１レンズおよび前記第２レンズが設けられる、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の照明装置。
7. 前記１次回折光が入射される前記第１レンズに２次以上の高次の回折光が入射されないように、前記複数の回折光学素子に対して前記複数の第１レンズが位置決めされる、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の照明装置。
8. 前記光源は、複数の発光波長域の光を出射する複数の光源部を有し、
   前記複数の回折光学素子、前記複数の第１レンズおよび前記複数の第２レンズは、前記複数の光源部に対応づけて設けられる、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の照明装置。
9. 前記被照明領域は、前記複数の第２レンズを通過した光の進行方向に延びる長手方向を有する、請求項１乃至８のいずれか一項に記載の照明装置。