JP2019029125A - 光源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】発光点とレンズ要素との相対的な位置の影響を受けにくく、より安定して所望の向きに光を出射できる光源装置を提供する。【解決手段】光源装置１００は、光を拡散して出射する発光点１１１が複数配列された発光素子１１０と、単位レンズ要素１４０ａが複数並べて配列されており、発光素子１１０からの光が入射する位置に配置されたレンズシート１４０と、を備え、単位レンズ要素１４０ａは、発光点１１１のそれぞれに対応して配置され、発光点１１１から出射された拡散光を平行光に近づけて出射するものであり、かつ、単位レンズ要素１４０ａは、隣接する単位レンズ要素１４０ａの間に隙間なく配置されている。【選択図】図１

Description

本発明は、光を平行光に近い状態で出射する光源装置に関するものである。

近年、センサーシステムの用途が拡大している。センサーには色々な種類があり、検出する情報も様々である。その中の１つの手段として、光源から対象物に対して光を照射し、反射してきた光から情報を得るというものがある。例えば、パターン認証センサー、赤外線レーダー等は、その一例である。

これらのセンサーの光源は、用途に応じた波長分布、明るさ、広がり等をもったものが使用される。光の波長は、可視光から赤外線までの範囲がよく用いられる。特に、赤外線は、外光の影響を受けにくく、不可視であり、対象物のやや内部を観察することも可能という特徴があるため、広く用いられている。また、光源の種類としては、ＬＥＤ光源、レーザー光源等が多く用いられる。例えば、遠いところを検知する場合には光の広がりが少ないレーザー光源が好適に用いられ、比較的近いところを検知する場合、ある程度の広がりを持った領域を照射する場合等にはＬＥＤ光源が好適に用いられる。

ところで、対象とする照射領域の大きさ、形状等は、必ずしも光源からの光の広がり（プロファイル）と一致しているとは限らず、拡散板、レンズ、遮蔽板等により光を整形する必要がある。光を整形する手段として、回折光学素子（Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｌｅｍｅｎｔ ：ＤＯＥ）が挙げられる。これは異なる屈折率を持った材料が周期性を持って配列している場所を光が通過する際の回折現象を応用したものである。ＤＯＥは、基本的に単一波長の光に対して設計されるが、理論的には、ほぼ任意の形状に光を整形することが可能である。また、ＤＯＥでは、照射領域内の光分布の均一性を制御することが可能である。ＤＯＥのこのような特性は、不要な領域への照射を抑えることによる高効率化、光源数の削減等による装置の小型化等の点で有利となる。
また、ＤＯＥは、レーザーの様な平行光源、ＬＥＤの様な拡散光源のいずれにも対応可能であり、また、紫外光から可視光、赤外線までの広い範囲の波長に対して適用可能である。

通常、ＤＯＥに対しては平行光を入射して、この平行光を所望の方向に向けて出射するようにＤＯＥが設計される。したがって、ＤＯＥに向けて光を照射する光源装置には、光を平行光として出射することが要求される。そのため、このような用途に用いる光源装置では、レーザー発光素子やＬＥＤ発行素子とともに、コリメータレンズが配置されている。

ここで、例えば、ＶＣＳＥＬ（Vertical Cavity Surface Emitting Laser）では、複数の発光素子（発光点）を同一面に並べて配置して、これを１つの発光素子として利用することで、発光光量を高めている。しかし、ＶＣＳＥＬでは、複数の発光素子（発光点）を並べていることから、それぞれの発光点から光が広がりながら進む。よって、位置によって光の進む向きが様々であって、これを単一のレンズで平行光にするためには、ＶＣＳＥＬから出る光が点光源とみなせる程度に発光点から十分に距離を取った位置にコリメータレンズを配置する必要がある。しかし、そのような配置は、装置が異常に大型化してしまうことから、現実的ではない。

特許文献１には、ＶＣＳＥＬの各発光点からの光を、各発光点に対応したマイクロレンズによってそれぞれ適切に偏向する技術が開示されている。
しかし、特許文献１のように必要な範囲のみにマイクロレンズを配置した構成では、部品の寸法精度や組み立て精度の影響を受けて発光点とマイクロレンズとの位置ずれが生じた場合に、正しく平行光にすることができないおそれが高かった。

特開２０１６−２２４０５８号公報

本発明の課題は、発光点とレンズ要素との相対的な位置の影響を受けにくく、より安定して所望の向きに光を出射できる光源装置を提供することである。

本発明は、以下のような解決手段により、前記課題を解決する。なお、理解を容易にするために、本発明の実施形態に対応する符号を付して説明するが、これに限定されるものではない。

第１の発明は、光を拡散して出射する発光点（１１１）が複数配列された光源部（１１０）と、単位レンズ要素（１４０ａ）が複数並べて配列されており、前記光源部（１１０）からの光が入射する位置に配置されたレンズシート（１４０）と、を備え、前記単位レンズ要素（１４０ａ）は、前記発光点（１１１）のそれぞれに対応して配置され、前記発光点（１１１）から出射された拡散光を平行光に近づけて出射するものであり、かつ、前記単位レンズ要素（１４０ａ）は、隣接する単位レンズ要素（１４０ａ）の間に隙間なく配置されている、光源装置（１００）である。

第２の発明は、第１の発明に記載の光源装置（１００）において、前記レンズシート（１４０）は、前記単位レンズ要素（１４０ａ）が配列されていない領域に前記光源部（１１０）との位置合わせ用のアライメントマーク（１４０ｂ）を備えること、を特徴とする光源装置（１００）である。

第３の発明は、第１の発明又は第２の発明に記載の光源装置（１００）において、前記単位レンズ要素（１４０ａ）は、回折格子により構成されていること、を特徴とする光源装置（１００）である。

第４の発明は、第１の発明から第３の発明までのいずれか１項に記載の光源装置（１００）において、前記発光点（１１１）が出射する光の全角での拡散角をθとし、前記発光点（１１１）の配列間隔をＰとしたとき、前記発光点（１１１）と前記単位レンズ要素（１４０ａ）との間の距離ｄは、０．５×Ｐ／ｔａｎθ≦ｄ≦１．２×Ｐ／ｔａｎθの関係を満たすこと、を特徴とする光源装置（１００）である。

本発明によれば、発光点とレンズ要素との相対的な位置の影響を受けにくく、より安定して所望の向きに光を出射できる光源装置を提供することができる。

本発明による光源装置１００を備えた光照射装置１の実施形態を示す断面図である。 光源装置１００を光の出射する向きである図１中の上方から見た図であり、レンズシート１４０をホルダ１３０から分離した状態で示した図である。 図２の単位レンズ要素１４０ａ付近を拡大して示した図である。 単位レンズ要素１４０ａを含む断面でレンズシート１４０を切断した断面図である。 単位レンズ要素１４０ａを２レベルの回折格子により構成した変形例において、単位レンズ要素１４０ａを含む断面でレンズシート１４０を切断した断面図である。 単位レンズ要素１４０ａを４レベルの回折格子により構成した変形例において、単位レンズ要素１４０ａを含む断面でレンズシート１４０を切断した断面図である。 単位レンズ要素１４０ａを屈折型のマイクロレンズにより構成した変形例において、単位レンズ要素１４０ａを含む断面でレンズシート１４０を切断した断面図である。 単位レンズ要素１４０ａが配列されている形態を単位レンズ要素１４０ａの外形形状のみで表した図である。 正方配列の発光点１１１に対応した単位レンズ要素１４０ａが配列されている形態を単位レンズ要素１４０ａの外形形状のみで表した図である。 発光素子１１０とレンズシート１４０とを模式的に示した図である。 評価条件をまとめて示す図である。 レンズシート１４０が設計位置、すなわち図１１に示した関係にある状態における光の広がりを示した図である。 レンズシート１４０が設計位置からＸ方向に１０μｍ位置がずれた状態における光の広がりを示した図である。 レンズシート１４０が設計位置から−Ｚ方向に１０μｍ位置が近づいた状態における光の広がりを示した図である。 レンズシート１４０が設計位置からＺ方向に１０μｍ位置が離れた状態における光の広がりを示した図である。 光の広がりに対するレンズシート１４０のＺ方向位置の位置（距離ｄ）の変化の影響を示す図である。 図１６中の距離Ｌ=７５０μｍにおける光の広がりに対する距離ｄの変化の影響を示した図である。 隣接する単位レンズ要素１４０ａの間に隙間なく単位レンズ要素１４０ａを配置した理由を説明する図である。 撮影の条件を示す図である。 本実施形態の光源装置１００と比較例の投影像の撮影結果を比較する図である。

以下、本発明を実施するための最良の形態について図面等を参照して説明する。

（実施形態）
図１は、本発明による光源装置１００を備えた光照射装置１の実施形態を示す断面図である。
なお、図１を含め、以下に示す各図は、模式的に示した図であり、各部の大きさ、形状は、理解を容易にするために、適宜誇張して示している。
また、以下の説明では、具体的な数値、形状、材料等を示して説明を行うが、これらは、適宜変更することができる。
本明細書において、形状や幾何学的条件を特定する用語、例えば、平行や直交等の用語については、厳密に意味するところに加え、同様の光学的機能を奏し、平行や直交と見なせる程度の誤差を有する状態も含むものとする。
本明細書において、板、シート、フィルム等の言葉を使用しているが、これらは、一般的な使い方として、厚さの厚い順に、板、シート、フィルムの順で使用されており、本明細書中でもそれに倣って使用している。しかし、このような使い分けには、技術的な意味は無いので、これらの文言は、適宜置き換えることができるものとする。
本明細書中において、シート面とは、各シートにおいて、そのシート全体として見たときにおける、シートの平面方向となる面を示すものであるとする。なお、板面、フィルム面に関しても同様であるとする。
また、本発明において透明とは、少なくとも利用する波長の光を透過するものをいう。例えば、仮に可視光を透過しないものであっても、赤外線を透過するものであれば、赤外線用途に用いる場合においては、透明として取り扱うものとする。
なお、本明細書及び特許請求の範囲において規定する具体的な数値には、一般的な誤差範囲は含むものとして扱うべきものである。すなわち、±１０％程度の差異は、実質的には違いがないものであって、本件の数値範囲をわずかに超えた範囲に数値が設定されているものは、実質的には、本件発明の範囲内のものと解釈すべきである。

光照射装置１は、光源装置１００に、回折光学素子１５０を組み合わせた構成となっており、例えば、センサーの検出光を照射するために用いられる。

回折光学素子（ＤＯＥ）１５０は、回折現象により光の進行方向を制御して光を整形する素子であり、樹脂層１５１と、基材１５２と、密着層１５３とを備える。
樹脂層１５１は、異なる周期構造を持つ複数の領域（部分周期構造）からなる光学素子パターン１５１ａを有する。光学素子パターン１５１ａは、微細な凹凸形状からなる回折格子の集合体として構成されており、光の回折を利用して、回折光学素子１５０に入射した光を所定の方向へ向けて偏向して出射するように構成されている。個々の凹凸形状では、それぞれ特定の方向にしか光を向けることができないが、多数種類の回折格子を多数配置することにより、回折光学素子１５０全体として、光を整形して出射することができる。なお、光を整形するとは、例えば、円形で入射した光を四角形状や十文字形状等の所望の投影像となるように形を整えて出射することを指している。

ここで、回折光学素子１５０は、所望の形に光を整形して出射できるように設計及び製造されるが、通常は、平行光が入射した場合に所望の形に光が成形されるように設計及び製造される。この理由としては、例えば、多数の発光点から拡散光が回折光学素子に入射する場合には、回折光学素子上のある入射位置に着目しても、その位置には、複数の方向から光が入射することとなってしまう。この場合、複数の方向から入射する光を全て同じ方向に回折により偏向させて出射させることができず、光の利用効率が悪いだけではなく、所望の形に光を整形することが困難である。
このような理由から、本実施形態の回折光学素子１５０は、平行光が入射することを前提とした形状に設計及び製造されている。

樹脂層１５１は、光学素子パターン１５１ａに対応する凹凸パターンが形成された原版を用いて、例えば、基材上に塗布された紫外線硬化樹脂を賦型して凹凸パターンを転写し、紫外線を照射して硬化させることにより形成できる。

紫外線硬化樹脂としては、例えば、ウレタンアクリレート系、ポリエステルアクリレート系、エポキシアクリレート系、ポリエーテルアクリレート系、ポリチオール系、ブタジエンアクリレート等を用いることができる。なお、樹脂層１５１を形成するための材料は、紫外線硬化樹脂に限定されない。樹脂層１５１は、例えば、電子線硬化樹脂で形成してもよい。また、樹脂層１５１は、熱硬化型や紫外線硬化型のＳＯＧ（Spin on Glass）を用いて構成してもよい。また、上記各パターンは、原版から賦型により転写する例に限らず、上記各パターンの凹凸形状を有する原版から作製された樹脂の中間版を用いて賦型してもよい。

基材１５２は、樹脂層１５１を賦型する際のベースとなる部材である。基材１５２としては、例えば、ガラスを用いることができる。また、基材１５２には、ポリカーボネート（ＰＣ）樹脂、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）樹脂、メタクリル酸メチル・ブタジエン・スチレン（ＭＢＳ）樹脂、メタクリル酸メチル・スチレン（ＭＳ）樹脂、アクリル・スチレン（ＡＳ）樹脂、アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン（ＡＢＳ）樹脂等の透明樹脂を用いることができる。

基材１５２と樹脂層１５１との間には、密着層１５３が設けられている。密着層１５３は、例えば、アクリル基やエポキシ基等の官能基を持ったカップリング剤を用いて構成されている。この密着層１５３を設けることにより、基材１５２と樹脂層１５１との密着性を良好にすることができる。

以上のように構成された回折光学素子１５０は、接着材で構成される接合層１６２を介して、後述のレンズシート１４０と接合されている。

光源装置１００は、回折光学素子１５０に向けて光を出射するものであり、発光素子１１０と、基板１２０と、ホルダ１３０と、レンズシート１４０とを備えている。

発光素子１１０は、光を拡散して出射する発光点１１１が複数配列された光源部である。本実施形態の発光素子１１０は、垂直共振器面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）を用いている。本実施形態では、発光素子１１０は、１８個の発光点１１１が発光点１１１の間隔を１辺の長さとする正三角形の頂点に発光点１１１を配置する三角配列とした（図２参照）。なお発光点１１１の配列は、三角配列に限らず、例えば、正方配列であってもよい。
発光素子１１０は、それぞれの発光点１１１が全て、略同一光量で同時に発光し、全体で見ると面光源とも見ることができる。

基板１２０は、発光素子１１０が実装されている配線基板であり、基板１２０と発光素子１１０との間は、配線１１２で電気的に接続されている。なお、発光素子１１０は、配線１１２を用いずに、基板１２０に対して直接、電気手的に接続する形態であってもよい。基板１２０は、ホルダ１３０の一端側（図１では、下端側）に不図示の接着材を用いて接合されている。

ホルダ１３０は、枠形に形成された部品であり、中央が貫通した開口部となっている。ホルダ１３０は、レンズシート１４０の周縁部が載せられる頂部１３０ａを備えている。そして、この頂部１３０ａの上に、接着材で構成される接合層１６１を介してレンズシート１４０が載せられて固定されている。なお、本実施形態のホルダ１３０の頂部１３０ａは、平面で構成されているが、溝をさらに設けてもよい。

図２は、光源装置１００を光の出射する向きである図１中の上方から見た図であり、レンズシート１４０をホルダ１３０から分離した状態で示した図である。
レンズシート１４０は、発光素子１１０からの光が入射する位置に配置されており、各発光点１１１が発光する光を平行光にして回折光学素子１５０へ向けて出射するために設けられた、コリメータレンズとしての機能を有している。
ここで、発光素子１１０は、発光点１１１が多数配列されて構成されている。そして、個々の発光点１１１からは、拡散光が出射される。そこで、これら発光点１１１のそれぞれに対応して発光点１１１と同数配置され、発光点１１１から出射された拡散光を平行光に近づけて出射する単位レンズ要素１４０ａが複数並べて配列されている。
図３は、図２の単位レンズ要素１４０ａ付近を拡大して示した図である。
図２及び図３に示すように、単位レンズ要素１４０ａは、１８個の発光点１１１のそれぞれに対応して発光点１１１の配列ピッチと同じピッチで１８個が三角配列されている。

上述したように、単位レンズ要素１４０ａは、各発光点１１１が発光する光を平行光にして回折光学素子１５０へ向けて出射する。本実施形態では、この単位レンズ要素１４０ａについても、回折光学素子（ＤＯＥ）の技術を用いて構成した回折フレネルレンズを用いている。

図４は、単位レンズ要素１４０ａを含む断面でレンズシート１４０を切断した断面図である。図４（ａ）は、単位レンズ要素１４０ａを１つ含む範囲を示しており、図４（ｂ）は、さらに拡大して示している。
本実施形態の単位レンズ要素１４０ａは、図４に示すように略理想的なブレーズ形状の回折フレネルレンズを構成している。図４（ａ）中に矢印で示した範囲が、１つの単位レンズ要素１４０ａとなっている。また、図４（ｂ）に示すブレーズの深さｈは、発光点１１１が発光するレーザー光の波長をλとし、樹脂層１５１の屈折率をｎとしたときに、以下の関係を満たしている。
ｈ＝λ／（ｎ−１）

図５は、単位レンズ要素１４０ａを２レベルの回折格子により構成した変形例において、単位レンズ要素１４０ａを含む断面でレンズシート１４０を切断した断面図である。図５（ａ）は、単位レンズ要素１４０ａを１つ含む範囲を示しており、図５（ｂ）は、さらに拡大して示している。
先に図４に示したブレーズ形状の回折フレネルレンズは、理想的であるが、製造上は不利な形状である。そこで、単位レンズ要素１４０ａは、例えば、図５に示すような２レベルの回折格子により構成してもよい。この場合、図５（ｂ）に示すブレーズの深さｈは、発光点１１１が発光するレーザー光の波長をλとし、樹脂層１５１の屈折率をｎとしたときに、以下の関係を満たしている。
ｈ＝λ／（２×（ｎ−１））

図６は、単位レンズ要素１４０ａを４レベルの回折格子により構成した変形例において、単位レンズ要素１４０ａを含む断面でレンズシート１４０を切断した断面図である。図６（ａ）は、単位レンズ要素１４０ａを１つ含む範囲を示しており、図６（ｂ）は、さらに拡大して示している。
単位レンズ要素１４０ａは、例えば、図６に示すような４レベルの回折格子により構成してもよい。この場合、図６（ｂ）に示すブレーズの深さｈは、発光点１１１が発光するレーザー光の波長をλとし、樹脂層１５１の屈折率をｎとしたときに、以下の関係を満たしている。
ｈ＝３×λ／（４×（ｎ−１））
また、１段あたりの高さは、ｈ／３＝λ／（４×（ｎ−１））である。

図７は、単位レンズ要素１４０ａを屈折型のマイクロレンズにより構成した変形例において、単位レンズ要素１４０ａを含む断面でレンズシート１４０を切断した断面図である。
単位レンズ要素１４０ａは、回折フレネルレンズにより構成することは必須ではなく、例えば、図７に示すような通常の屈折型のマイクロレンズにより構成してもよい。また、図示はしないが、屈折型の通常のフレネルレンズにより単位レンズ要素１４０ａを構成してもよい。

図８は、単位レンズ要素１４０ａが配列されている形態を単位レンズ要素１４０ａの外形形状のみで表した図である。
図８（ａ）は、本実施形態で採用した単位レンズ要素１４０ａの形態を示している。図８（ｂ）は、単位レンズ要素１４０ａの外形形状の変形例を示している。
本実施形態の単位レンズ要素１４０ａは、発光点１１１の三角配列に対応して、三角配列にしたがって配列されている。したがって、１つの単位レンズ要素１４０ａの外形形状は、正六角形となっており、これを密着して並べた配置となっている（図８（ａ）の形態）。
しかし、各発光点１１１に対応させて単位レンズ要素１４０ａを配置すると、その配置された領域は、レンズシート１４０の外形形状より小さな特定の範囲になる。したがって、外側に配置されている単位レンズ要素１４０ａでは、他の単位レンズ要素１４０ａと隣接しない辺が存在する。この他の単位レンズ要素１４０ａと隣接しない辺については、単位レンズ要素１４０ａとして機能する領域を広げることが可能である。したがって、例えば、図８（ｂ）に示すように、他の単位レンズ要素１４０ａと隣接しない辺については、単位レンズ要素１４０ａの中心に中心点をもつ円弧形状としてもよい。このようにすることで、後述する位置ずれに対する対応力をさらに高めることが可能である。

図９は、正方配列の発光点１１１に対応した単位レンズ要素１４０ａが配列されている形態を単位レンズ要素１４０ａの外形形状のみで表した図である。
図９（ａ）は、全ての単位レンズ要素１４０ａの形状を同一とした形態を示している。図９（ｂ）は、外側の単位レンズ要素１４０ａの辺の一部を円弧形状とした例を示している。
上述した本実施形態の例では、発光点１１１が三角配列であり、これに対応して、単位レンズ要素１４０ａも三角配列である例を示した。しかし、発光素子１１０における発光点１１１の配列は、正方配列である場合もある。この場合には、単位レンズ要素１４０ａの配列も、図９（ａ）に示すような正方配列とするとよい。さらに、正方配列においても、先の図８（ｂ）に例示したように、外側に配置されている単位レンズ要素１４０ａについては、形状を変更することが望ましい。すなわち、外側に配置されている単位レンズ要素１４０ａの他の単位レンズ要素１４０ａと隣接しない辺については、単位レンズ要素１４０ａの中心に中心点をもつ円弧形状としてもよい。

図１０は、発光素子１１０とレンズシート１４０とを模式的に示した図である。
発光点１１１が出射する光の全角での拡散角をθとし、発光点１１１の配列間隔をＰとしたとき、発光点１１１と単位レンズ要素１４０ａとの間の距離ｄは、以下の関係にあることが理想的である。
ｄ＝Ｐ／ｔａｎθ
また、レンズシート１４０のシート面に直交する方向から見たときに単位レンズ要素１４０ａの中心と発光点１１１の中心とが一致することが理想的である。
しかし、厳密に上記関係を満たすように配置することは難しく、ある程度の位置ずれが生じることが想定される。そこで、発光点１１１と単位レンズ要素１４０ａとの間の位置ずれがレンズシート１４０からの出射光に与える影響をシミュレーションによって調べた結果を以下に説明する。

図１１は、評価条件をまとめて示す図である。
以下に示すシミュレーションでは、発光点の配列ピッチ：９０μｍ、発光点からの光の広がり角度θ＝２５°（全角）の共通条件下で、かつ、以下の条件１から条件５の形態について行った。
（条件１）
条件１は、光の広がりによってレンズシート１４０に照射される範囲の外径が、単位レンズ要素１４０ａのレンズ径（９０μｍ）と等しくなる形態であり、ｄ＝２００μｍとした。
（条件２）
条件２は、光の広がりによってレンズシート１４０に照射される範囲の外径が、単位レンズ要素１４０ａのレンズ径（９０μｍ）よりも大きくなる形態であり、ｄ＝２５０μｍとした。
（条件３）
条件３は、光の広がりによってレンズシート１４０に照射される範囲の外径が、単位レンズ要素１４０ａのレンズ径（９０μｍ）よりも小さくなる形態であり、ｄ＝１５０μｍとした。
（条件４）
条件４は、単位レンズ要素１４０ａのレンズ径を上記条件１〜３の９０μｍより小さな７０μｍとした形態である。また、光の広がりによってレンズシート１４０に照射される範囲の外径が、単位レンズ要素１４０ａのレンズ径（７０μｍ）と等しくなる形態であり、ｄ＝１５０μｍとした。
（条件５）
条件５は、単位レンズ要素１４０ａのレンズ径を上記条件４の７０μｍよりさらに小さな６０μｍとした形態である。また、光の広がりによってレンズシート１４０に照射される範囲の外径が、単位レンズ要素１４０ａのレンズ径（６０μｍ）と等しくなる形態であり、ｄ＝１００μｍとした。

以上の５つの条件（形態）について、発光点１１１と単位レンズ要素１４０ａとの相対位置を変化させて、光の進み方を調べた。
図１２は、レンズシート１４０が設計位置、すなわち図１１に示した関係にある状態における光の広がりを示した図である。なお、図１２から図１６において、横軸は、距離Ｌを示し、縦軸は光量（ａｕ）を示している。距離Ｌは、レンズシート１４０からの距離に相当する。また、図中の番号１〜５は、上記の条件１〜５に対応している。
図１２のグラフでは、距離Ｌが変っても光量が変化していないので、いずれの条件であっても、略平行に光が進んでいるものと判断できる。

図１３は、レンズシート１４０が設計位置からＸ方向に１０μｍ位置がずれた状態における光の広がりを示した図である。ここで、Ｘ方向は、図１１中に示したように、レンズシート１４０のシート面に沿った方向である。
図１３のグラフでは、距離Ｌが大きくなるにつれて、光量が低下しており、光が広がっていることがわかる。特に、条件５では、光量低下が著しい。これらのことから、レンズシート１４０のシート面に沿った方向（Ｘ方向）における位置を正しく設置することが重要であるといえる。

図１４は、レンズシート１４０が設計位置から−Ｚ方向に１０μｍ位置が近づいた状態における光の広がりを示した図である。ここで、−Ｚ方向は、図１１中に示したように、レンズシート１４０が発光点１１１に近づく向きである。
図１４のグラフでは、距離Ｌが変っても光量が変化していないので、いずれの条件であっても、略平行に光が進んでいるものと判断できる。レンズシート１４０が発光点１１１に近づく場合には、照射位置が単位レンズ要素１４０ａから外れないので、影響が少ないと考えられる。

図１５は、レンズシート１４０が設計位置からＺ方向に１０μｍ位置が離れた状態における光の広がりを示した図である。ここで、Ｚ方向は、図１１中に示したように、レンズシート１４０が発光点１１１から離れる向きである。
図１５のグラフでは、図１４の場合よりも変化が見られるものの、距離Ｌが変っても光量が変化していないので、いずれの条件であっても、略平行に光が進んでいるものと判断できる。この結果では、レンズシート１４０が発光点１１１から多少離れても、影響が少ないと判断できる。

図１６は、光の広がりに対するレンズシート１４０のＺ方向位置の位置（距離ｄ）の変化の影響を示す図である。
図１７は、図１６中の距離Ｌ=７５０μｍにおける光の広がりに対する距離ｄの変化の影響を示した図である。
上記図１４及び図１５の結果のみでは、さらにレンズシート１４０が発光点１１１に対して近づいたり離れたりしてもよいのか、判断できない。そこで、さらにレンズシート１４０と発光点１１１との間の距離ｄを変化させてシミュレーションを行った。なお、このシミュレーションでは、発光点の配列ピッチ：９０μｍ、発光点からの光の広がり角度θ＝２５°（全角）の共通条件下で、距離ｄを３０μｍから３５０μｍの間で１１箇所、適宜設定した。

図１７に示すように、ｄ＝１００μｍ〜２３０μｍの範囲であれば、光量が２５（ａｕ）以上を保っており、十分に平行光として利用可能であると判断できる。よって、これを一般化すると、以下の条件を満たせば、平行光を得られることがわかった。
０．５×Ｐ／ｔａｎθ≦ｄ≦１．２×Ｐ／ｔａｎθ

上述したように、レンズシート１４０の位置がＺ方向で前後する場合には、ある程度の余裕があり、上記の範囲内であれば、平行光を出射できる。しかし、レンズシート１４０の位置がシート面に沿ったＸ方向にずれる場合には、余裕が少ない。
そこで、本実施形態のレンズシート１４０は、レンズ要素が配列されていない領域に発光素子１１０との位置合わせ用のアライメントマーク１４０ｂを備える（図２、図３参照）。本実施形態では、このアライメントマーク１４０ｂを発光素子１１０の四隅に合せることで、単位レンズ要素１４０ａと発光点１１１との位置決めを行うことができる。なお、アライメントマーク１４０ｂは、図では、４箇所設けているが、例えば、３箇所にしてもよい。また、合わせる位置も発光素子１１０の四隅に限らず、適切に位置を決めることができる部位であれば、他の目印となる部位に合せてもよい。なお、単位レンズ要素１４０ａを通してでは、その下の発光点１１１がぼやけてみえないので、このアライメントマーク１４０ｂを設けることは、非常に有効である。
なお、アライメントマーク１４０ｂは、例えば、光学素子パターン１５１ａを形成するときに同時に形成可能なように、微細な凹凸形状の集合体により構成するとよい。また、アライメントマーク１４０ｂは、凹凸形状に限らず、印刷等により形成してもよい。

また、図３に示したように、単位レンズ要素１４０ａは、隣接する単位レンズ要素１４０ａの間に隙間なく配置されている。すなわち、隣り合う単位レンズ要素１４０ａの間には、単位レンズ要素１４０ａとして機能する領域のみが存在している。このようにすることにより、レンズシート１４０の位置がずれた場合の余裕を確保している。

図１８は、隣接する単位レンズ要素１４０ａの間に隙間なく単位レンズ要素１４０ａを配置した理由を説明する図である。
図１８中の範囲Ａは、本実施形態の単位レンズ要素１４０ａの範囲を示している。この範囲は、単位レンズ要素１４０ａのレンズ形状（回折格子）が構成されている。範囲Ｂは、比較例として示した範囲であり、レンズがこの範囲内に構成されているものである。範囲Ｃの黒点は、発光点を示している。範囲Ｄのハッチングを付した範囲は、発光点１１１からの光が照射される範囲である。範囲Ｅは、レンズシート１４０の位置がシート面に沿ってずれたときの上記範囲Ｄが移動した一例を示している。範囲Ｆは、レンズシート１４０の位置が発光点から離れたときの上記範囲Ｄが広がった一例を示している。
範囲Ｅのように移動したとしても、隣接する単位レンズ要素１４０ａの間に隙間なく単位レンズ要素１４０ａを配置したことにより、光が単位レンズ要素１４０ａ内に収まることができる。
また、範囲Ｆの様に照射範囲が広がったとしても、同様に光が単位レンズ要素１４０ａ内に収まることができる。
これに対して、比較例の範囲Ｂのように必要最小限の大きさの単位レンズ要素としてしまうと、範囲Ｅや範囲Ｆが範囲Ｂから外れてしまい、適切に平行光に偏向させることができない。

次に、本実施形態の光源装置１００の効果を実際に写真撮影した結果を示す。
図１９は、撮影の条件を示す図である。
安定化電源５０１から光源装置１００に電力を供給した。光源装置１００は、固定治具５０２に固定した。光源装置１００から１５０ｍｍ離れた位置に半透明の投影スクリーン５０３を設けた。この投影スクリーン５０３の裏面側からカメラ５０４を用いて投影像を撮影した。
図２０は、本実施形態の光源装置１００と比較例の投影像の撮影結果を比較する図である。図２０（ａ）は、光源装置１００からレンズシート１４０を外した比較例の撮影結果であり、図２０（ｂ）は、レンズシート１４０を備えた本実施形態の光源装置１００の撮影結果である。
図２０に示すように、比較例では、大きく広がった光となって撮影されているのに対して、本実施形態の光源装置では、入射した光を適切に平行光にしていることから、小さな点として撮影されている。

以上説明したように、本実施形態によれば、光源装置１００は、多数の発光点１１１からの光を適切に平行光にして出射できる。また、発光点１１１とレンズシート１４０との相対位置が多少ずれたとしても、適切に平行光を出射できる余裕を備えている。

１ 光照射装置
１００ 光源装置
１１０ 発光素子
１１１ 発光点
１１２ 配線
１２０ 基板
１３０ ホルダ
１３０ａ 頂部
１４０ レンズシート
１４０ａ 単位レンズ要素
１４０ｂ アライメントマーク
１５０ 回折光学素子
１５１ 樹脂層
１５１ａ 光学素子パターン
１５２ 基材
１５３ 密着層
１６１ 接合層
１６２ 接合層
５０１ 安定化電源
５０２ 固定治具
５０３ 投影スクリーン
５０４ カメラ

Claims (4)

1. 光を拡散して出射する発光点が複数配列された光源部と、
   単位レンズ要素が複数並べて配列されており、前記光源部からの光が入射する位置に配置されたレンズシートと、
   を備え、
   前記単位レンズ要素は、前記発光点のそれぞれに対応して配置され、前記発光点から出射された拡散光を平行光に近づけて出射するものであり、
   かつ、
   前記単位レンズ要素は、隣接する単位レンズ要素の間に隙間なく配置されている、
   光源装置。
2. 請求項１に記載の光源装置において、
   前記レンズシートは、前記単位レンズ要素が配列されていない領域に前記光源部との位置合わせ用のアライメントマークを備えること、
   を特徴とする光源装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載の光源装置において、
   前記単位レンズ要素は、回折格子により構成されていること、
   を特徴とする光源装置。
4. 請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の光源装置において、
   前記発光点が出射する光の全角での拡散角をθとし、前記発光点の配列間隔をＰとしたとき、前記発光点と前記単位レンズ要素との間の距離ｄは、
   ０．５×Ｐ／ｔａｎθ≦ｄ≦１．２×Ｐ／ｔａｎθ
   の関係を満たすこと、
   を特徴とする光源装置。