JP2019124732A - 光射出装置及び画像表示システム - Google Patents

Abstract

【課題】アレイ化したレンズを用いて装置の小型化や組立精度の低減を図りつつ、アレイ化したレンズに起因する強度バラツキや回折の発生を抑制して、良好な光の射出状態を維持可能にする光射出装置及びこれを用いた画像表示システムを提供すること。【解決手段】複数の小レンズ３３１，４３１で構成された光学素子３３，４３を用いる。この上で、さらに、複数の小レンズ３３１，４３１のアレイピッチＰを、コリメーター３２，４２の焦点距離ｆに対して、両者の比例関係に基づいて定まる所定の数値範囲内とする。【選択図】図１

Description

本発明は、例えば画像表示システムとしてのプロジェクターに適用可能である光射出装置及び光射出装置を用いた画像表示システムに関する。

従来、画像が表示された表示面上で操作される指示体（例えば、ペンや使用者の指等）の位置を検出し、この検出結果に基づいて、指示体の軌跡に応じた表示や、表示の変更を行う画像表示システムが知られている。例えば、プロジェクター及びプロジェクターが投写する投写面に沿って光を射出する光射出装置を備え、投写面上で操作される指示体による光の反射によって、プロジェクターが指示体の位置を検出し、この検出結果に基づく投写を行う画像表示システムが開示されている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１に記載の光射出装置は、光源と、光源から射出された光を平行化するレンズであるコリメーターと、コリメーターにて平行化された光のうち、投写面に沿う方向（第１方向）の光を広角化する指向性レンズ（パウエルレンズ）と、を備えている。なお、パウエルレンズは、第１方向に直交する第２方向から見て、光入射側が凸面状で、光射出側が平坦状に形成され、第１方向から見て、矩形状に形成されている。

しかしながら、上記特許文献１では、特許文献１に記載の光射出装置は、光源とパウエルレンズとの位置がずれると、投写面上における光強度の偏りが顕著になるため、プロジェクターが指示体の位置を精度よく検出することが困難なものとなる。そのため、特許文献１に記載の光射出装置は、光源とパウエルレンズとの位置合わせのための工数が増加するといった課題がある。

上記問題を解決するために、パウエルレンズをアレイ化することが考えられる。アレイ化することで、小型化や、組立精度の低減を図ることが期待される。ただし、組立精度による強度バラツキを低減するためにはアレイピッチをある程度以上細かくする必要があるが、その一方で、アレイピッチを細かくしすぎると光の回折が発生し、干渉縞が現れてしまう可能性がある。

特開２０１５−１１１３８５号公報

本発明は、アレイ化したレンズを用いて装置の小型化や組立精度の低減を図りつつ、アレイ化したレンズに起因する強度バラツキや回折の発生を抑制して、良好な光の射出状態を維持可能にする光射出装置及びこれを用いた画像表示システムを提供することを目的とする。

本発明に係る光射出装置は、光を射出する光源と、光源から射出された光を平行化するコリメーターと、コリメーターを通過した光を、光源の光軸に対して互いに異なる方向に延びる第１方向及び第２方向のうちの第１方向に対応する方向について広角化する複数のレンズを有する光学素子とを備え、複数のレンズは、第１方向に沿って配列され、コリメーターの焦点距離に対する複数のレンズの第１方向のアレイピッチを、比例関係に基づく所定の数値範囲内としている。

上記光射出装置では、複数のレンズで構成された光学素子を用いることで、装置の小型化や組立精度の低減を図っている。この上で、さらに、複数のレンズのアレイピッチを、コリメーターの焦点距離に対して、両者の比例関係に基づいて定まる所定の数値範囲内とすることで、光学素子を構成する複数のレンズに起因する強度バラツキや回折の発生を抑制して、良好な光の射出状態を維持できる。

本発明の具体的な側面では、コリメーターの焦点距離に対する複数のレンズのアレイピッチは、光源からの光の射出状態に応じて定められる。この場合、複数のレンズを、例えば光源からの光の波長や広がり具合等に応じて、適切なものにできる。

本発明の別の側面では、コリメーターの焦点距離をｆｍｍとし、複数のレンズの第１方向のアレイピッチをＰｍｍとし、光源からの光の波長をλμｍとし、光源の第１方向の幅をＬμｍとし、光源からの光の第１方向の角度幅をＷ°とした場合に、

を満たしている。この場合、上式（１）を満たすことで回折の発生を抑制できるとともに、上式（２）を満たすことで強度バラツキを抑制できる。

本発明のさらに別の側面では、光学素子において、複数のレンズの第１方向のアレイピッチは、所定範囲内で異なる値を有し、コリメーターの焦点距離をｆｍｍとし、複数のレンズの第１方向のアレイピッチの中心値をＰｍｍとし、光源からの光の波長をλμｍとし、光源の第１方向の幅をＬμｍとし、光源からの光の第１方向の角度幅をＷ°とした場合に、

を満たしている。この場合、複数のレンズの第１方向のアレイピッチが、所定範囲内で異なる値を有しつつ上式（３）を満たすことで回折の発生を抑制できるとともに、上式（４）を満たすことで強度バラツキを抑制できる。

本発明のさらに別の側面では、光源からの光の角度幅は、光の最大強度に対して１０％以上の強度を有する範囲である。この場合、例えば光射出装置を画像表示システムへ適用する際に、利用可能な程度の強度を有する光の成分を基準として、良好な光の射出状態を定めることができる。

本発明のさらに別の側面では、光源からの光による光線束の有効幅内に、２つよりも多くの複数のレンズが含まれている。この場合、光源側からの光を複数のレンズにおいて十分に平均化できる。

本発明のさらに別の側面では、光学素子において、第１方向と第２方向とは、光源の光軸に直交するとともに、互いに直交する。

本発明に係る画像表示システムは、上記いずれかの光射出装置と、光射出装置から射出された光の反射位置を検出する検出装置と、検出装置により検出された検出結果に応じた画像を投射する投射装置とを備える。

上記画像表示システムでは、光射出装置を備えることで、検出装置により検出結果に基づいて指示体の軌跡に応じた表示や、表示の変更を行う、いわゆるインタラクティブな画像表示をすることができる。この際、特に、光射出装置において、装置の小型化や組立精度の低減を図りつつ、回折の発生を抑制して、良好な光の射出状態を維持できるので、検出装置での検出精度を高い状態に維持できる。

第１実施形態に係る画像表示システムの概略構成を示す模式図である。 画像表示システムの概略構成を示すブロック図である。 第１実施形態に係る光射出装置の概略構成を示す模式図である。 コリメーターの焦点距離が小さい場合の光射出の様子を示す概念図である。 コリメーターの焦点距離が大きい場合の光射出の様子を示す概念図である。 コリメーターの焦点距離と複数の小レンズあるいは複数のレンズのアレイピッチとの関係を示すグラフである。 光源から射出される光の様子について一例を示す側面図である。 図６における光源から射出された光の特性について示すためのグラフである。 光射出装置から射出された光の被照射面に対する強度分布を示す模式図である。 光射出装置から射出された光の強度分布を示すグラフである。 複数の小レンズのアレイピッチの変化に対する強度バラツキの変化について示すグラフである。 複数の小レンズのアレイピッチの変化に対する回折による干渉縞の変化について示すグラフである。 コリメーターの焦点距離と複数の小レンズのアレイピッチとの間で満たすべき数値関係を示すためのグラフである。 第２実施形態に係る光射出装置における複数の小レンズのアレイピッチの変化に対する強度バラツキの変化について示すグラフである。 複数の小レンズのアレイピッチの変化に対する回折による干渉縞の変化について示すグラフである。 コリメーターの焦点距離と複数の小レンズのアレイピッチとの間で満たすべき数値関係を示すためのグラフである。 第３実施形態に係る光射出装置の概略構成を示す模式図である。 図１５のうち複数の小レンズで構成される光学素子について拡大した図である。

〔第１実施形態〕
以下、図１等を参照しつつ、第１実施形態に係る光射出装置及び画像表示システムについて一例を説明する。

図１に概念的に示すように、本実施形態の画像表示システム１００は、プロジェクター１及び光射出装置２を備える。また、図２に示すように、プロジェクター１は、画像投射を行う本体部分である投射装置１５と、光射出装置２から射出された光ＥＬ（図１参照）に起因する成分である反射光ＲＬを検出する検出装置としての撮像装置１６とを備えている。

投射装置１５は、投射用光源１１、光変調装置１２、投射レンズ１３及び制御部１４を備え、入力された画像情報に応じた画像や、撮像装置１６により検出された検出結果に応じた画像を投影すべく、映像光ＧＬを投射レンズ１３から投射する。プロジェクター１は、図１に示すように、スクリーンやホワイトボード等の被照射面ＳＣの上方の壁面に設置された支持装置Ｍに支持され、下方を向く側から被照射面ＳＣに画像を投射する。なお、以下では、説明の便宜上、図１に示すように、被照射面ＳＣに対する法線方向を前後方向として被照射面ＳＣに向かう方向を前方向（＋Ｙ方向）、重力に逆らう方向を上方向（＋Ｚ方向）、被照射面ＳＣに向かって右側を右方向（＋Ｘ方向）として記載する。被照射面ＳＣは、ＸＺ面に平行な面となっている。

投射装置１５は、投射用光源１１から射出された光を、画像情報に応じて光変調装置１２にて変調し、変調した光を投射レンズ１３から被照射面ＳＣに投射する。なお、光変調装置１２としては、液晶パネルを利用したものや、マイクロミラー型の装置、例えば、ＤＭＤ等を利用したものを用いることができる。

制御部１４は、ＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭ等を備え、コンピューターとして機能するものであり、プロジェクター１の動作の制御のほか、例えば、撮像装置１６から出力された情報に基づく画像の投射に関わる制御等を行う。

光射出装置２は、図１に示すように、対象平面となる被照射面ＳＣ上方の壁面に設置され、この被照射面ＳＣに沿って光ＥＬを射出する。ここでは、例えば、光ＥＬとして、光強度のピークが約９４０ｎｍの波長を射出するレーザー赤外光が射出される。

撮像装置１６は、例えば、ＣＣＤやＣＭＯＳ等の撮像素子（図示省略）を備え、映像光ＧＬが照射される被照射面ＳＣを撮影し、撮影した情報を制御部１４に出力する。この際、併せて、撮像装置１６は、光射出装置２から射出された赤外光である光ＥＬが被照射面ＳＣやその近傍にある指示体（例えば、ペンや使用者の指等）によって反射された成分である反射光ＲＬを検知することにより、指示体の位置（反射位置）を検出し、検出した情報を制御部１４に出力する。プロジェクター１は、撮像装置１６から出力された情報に基づいて、被照射面ＳＣ上における指示体の位置を解析し、その解析結果に基づいて、例えば、画像情報に指示体の軌跡を示す線を重畳した重畳画像の投射や、投射する画像の変更等を行う。以上により、被照射面ＳＣ上でのユーザーの動作に応じた画像表示であるインタラクティブな画像表示をすることができる。

以下、図３を参照して、光射出装置２の構成についてより詳細に説明する。図３は、光射出装置２の概略構成を示す模式図である。光射出装置２は、被照射面ＳＣから上方（＋Ｚ側）に離間し、左右方向における被照射面ＳＣの略中央に配置される。すなわち、光射出装置２は、被照射面ＳＣの中心位置ＣＸの位置に配置されている。光射出装置２は、第１の光射出部３、第２の光射出部４及びこれらを覆うカバーガラス２２を備えている。これらのうち、第１の光射出部３と第２の光射出部４とは、左右対称の一対構成となっている。

光射出装置２のうち、第１の光射出部３は、第１光源３１、第１コリメーター３２及び第１光学素子３３を備えている。第１の光射出部３において、第１コリメーター３２及び第１光学素子３３は、第１光源３１の第１光軸３Ａ上に配置され、第１の光射出部３は、左斜め下方に光を射出する。

一方、第２の光射出部４は、第１の光射出部３と同様に、第２光源４１、第２コリメーター４２及び第２光学素子４３を備えている。第２の光射出部４において、第２コリメーター４２及び第２光学素子４３は、第２光源４１の第２光軸４Ａ上に配置され、第２の光射出部４は、右斜め下方に光を射出する。つまり、光射出装置２を構成する第１の光射出部３と第２の光射出部４とは、互いに異なる方向に光ＥＬを射出する。

第１光軸３Ａと第２光軸４Ａとは、第１コリメーター３２と第１光学素子３３との間及び第２コリメーター４２と第２光学素子４３との間で交差している。すなわち、光射出装置２において、第１の光射出部３及び第２の光射出部４からそれぞれ射出される光の一部が重なるように構成されている。

光源３１，４１は、既述のように、光強度のピークが約９４０ｎｍの波長を射出するレーザー光源であり、例えば発光部である活性層、活性層の両側に積層されたクラッド層等を有して構成されている。光源３１，４１は、活性層に沿う第１方向Ｈと、第１方向Ｈに直交し、活性層やクラッド層が積層される積層方向（第２方向Ｖ）とで配光特性が異なるタイプ、例えばマルチモード発振型のレーザー光源が用いられている。ここで、各光源３１，４１からの光は、第１方向Ｈ及び第２方向Ｖに直交する第３方向Ｓを各光軸３Ａ，４Ａに沿った方向として射出される。なお、本実施形態では、第１方向Ｈと第３方向Ｓとが、図１に示す被照射面ＳＣに沿った方向となっている、すなわち、ＸＹ面に平行になっている。

コリメーター３２，４２は、光源３１の各点から射出された光を略平行化する。すなわち、コリメーター３２，４２は、入射する光を平行化する。例えば、コリメーター３２は、光源３１のうち第１光軸３Ａ上の一点から射出されて第１光軸３Ａに対して角度を有して拡がる成分光を、第１光軸３Ａに対して略平行となるように進行させる。

光学素子３３，４３は、屈折率が高い合成樹脂等で平面視矩形状に形成されている。光学素子３３は、図３に示すように、光の入射側に複数の小レンズ３３１あるいは複数のレンズ３３１が設けられ、光の射出側が平坦状に形成されている。複数の小レンズ３３１は、各々が矩形状の一辺に沿ってすなわち第２方向Ｖについて一様に延出し、この一辺に直交する方向すなわち第１方向Ｈに沿って配列されている。言い換えると、光学素子３３は、第１の光射出部３において、複数の小レンズ３３１が第１方向Ｈに沿って配列され、各々が第２方向Ｖに延出した状態となるように、配置されている。

光学素子３３は、コリメーター３２を通過した光ＥＬを、第１方向Ｈにおいては広角化し、第２方向Ｖにおいては、コリメーター３２にて平行化された方向を維持し、光軸３Ａを中心として射出する。すなわち、光学素子３３は、入射する光ＥＬを光軸３Ａに直交する方向のうち第１方向Ｈに対応する方向にのみ広角化する。この際、光学素子３３を構成する複数の小レンズ３３１により、光ＥＬは、広角化されつつ重畳した状態となる。同様のことが、光学素子４３においてもなされる。すなわち、光学素子４３は、コリメーター３２を通過した光ＥＬを第１方向Ｈに対応する方向にのみ広角化し、この際、複数の小レンズ４３１あるいは複数のレンズ４３１により、光ＥＬは、広角化されつつ重畳した状態となる。なお、図６は、上記のような複数の小レンズ３３１，４３１による光ＥＬの広角化の様子の一例を示している。

以上のような構成を有することにより、本実施形態に係る光射出装置２は、例えば図１に示すように、画像表示システム１００の設置された場合において、被照射面ＳＣ上やその近傍の全体に亘って光ＥＬを照射し、指示体が光ＥＬの照射領域に来ると光ＥＬの成分の一部が反射されこれを撮像装置１６が検知することで、適切な指示体の検知がなされる。なお、図８Ａは、第１の光射出部３からの射出成分及び第２の光射出部４からの射出成分、さらにはこれらを総合した射出成分に関して、被照射面ＳＣに沿う領域における強度分布の一例を示している。

ここで、例えば上記のような構成の画像表示システム１００において、プロジェクター１での指示体の位置検出精度をよくするには、光射出装置２からの光ＥＬが十分な光量で安定供給されることが重要となる。すなわち、仮に光射出装置２における強度バラツキや、光の回折によって干渉縞が生じることで、被照射面ＳＣの位置によって検出度合に大きな差が出てしまう、といったことが無いようにすることが重要である。

特に、光射出装置２における光の強度バラツキや回折の抑制のためには、コリメーター３２（あるいは４２）の焦点距離ｆと、光学素子３３（あるいは４３）を構成する複数の小レンズ３３１（あるいは４３１）のアレイピッチＰとの関係が重要となる。本実施形態では、複数の小レンズ３３１（あるいは４３１）は、同じ大きさ及び形状を有し、アレイピッチＰは一定の間隔になっている、すなわちアレイピッチＰの値は１つの光学素子３３（あるいは４３）内において同一であるものとする。なお、第１の光射出部３と第２の光射出部４との対称性により、以下では、原則として第１の光射出部３に関する構成のみについて説明するが、第２の光射出部４においても同様のことが当てはまる。

例えば、図４Ａに概念的に示すように、コリメーター３２の焦点距離ｆが小さい場合、コリメーター３２から射出される光ＥＬの光線束の幅も小さくなる一方、角度幅は大きくなる。したがって、複数の小レンズ３３１のアレイピッチＰを小さく（細かく）する必要がある。これに対して、例えば図４Ｂに概念的に示すように、焦点距離ｆが大きい場合、光源での光ＥＬの射出状態が図４Ａの場合と同様であれば、コリメーター３２から射出される光ＥＬの光線束の幅が大きくなり、角度幅は小さくなる。したがって、複数の小レンズ３３１のアレイピッチＰを大きくできる。ただし、焦点距離ｆを大きくすると、図４Ａの場合に比べて、装置としては大型化することになる。

光射出装置２における光ＥＬの強度バラツキの抑制のためには、上記のようなことを勘案しつつ、光ＥＬの光線束の幅に対してある程度以上の細かさのアレイピッチＰとしておくことが必要になる。一方で、アレイピッチＰを細かくしすぎると、今度は、光ＥＬにおいて回折による干渉縞の発生の問題が生じる。すなわち被照射面ＳＣの位置によって光ＥＬの成分が強め合ったり打ち消しあったりして強度に斑ができてしまう可能性がある。

本実施形態では、上記した図４に示される関係から、コリメーター３２の焦点距離ｆに対する複数の小レンズ３３１のアレイピッチＰを、比例関係に基づく所定の数値範囲内とする。具体的には、焦点距離ｆとアレイピッチＰとの関係について、図５のグラフに示されるような範囲内とすることが考えられる。

まず、図５において、横軸は、アレイピッチＰであり、縦軸は、焦点距離ｆである。ここでは、図中において、焦点距離ｆとアレイピッチＰとが比例する関係にある直線（すなわちグラフの原点Ｏを通る直線）である直線Ｃ１と直線Ｃ２との間に挟まれた領域Ｄ１をもって上記所定の数値範囲内としている。すなわち、領域Ｄ１を超えて直線Ｃ１側となってしまうと、コリメーター３２の焦点距離ｆに対して複数の小レンズ３３１のアレイピッチＰが小さすぎる（細かすぎる）ことになり、回折の影響のおそれが生じる。一方、領域Ｄ１を超えて直線Ｃ２側となってしまうと、焦点距離ｆに対して（すなわち光線束の幅に対して）アレイピッチＰが大きすぎることになり、強度バラツキの影響のおそれが生じる。

なお、上記では、光源３１側での発光については、ある一定の状態となっていることを前提として回折や強度バラツキの発生について説明しているが、光源３１側の状態によっても、領域Ｄ１の範囲（すなわち直線Ｃ１と直線Ｃ２の傾き）が変化することも考えられる。具体的には、例えば光源３１からの光ＥＬの波長や広がり具合といった光の射出状態に応じて直線Ｃ１や直線Ｃ２が定められる。図にも双方向矢印で示しているように、例えば射出される光の波長が短くなれば、より回折が生じ難くなり、直線Ｃ１の傾きが大きくなる。つまり、領域Ｄ１の範囲が広がる。逆に、射出される光の波長が長くなれば、直線Ｃ１の傾きが小さくなり、領域Ｄ１の範囲が狭まる。

また、光源３１の寸法すなわち光源の幅が大きくなる場合も、光の発生が面的なものとなるので、より回折が生じ難くなり、直線Ｃ１の傾きが大きくなる。つまり、領域Ｄ１の範囲が広がる。逆に、光源の幅が小さくなれば、直線Ｃ１の傾きが小さくなり、領域Ｄ１の範囲が狭まる。

さらに、例えば図４あるいは図６に示す光源３１（発光部のみを代表して示している）において、発生する際の光ＥＬの角度幅（放射角度幅）Ｗ（図６参照）については、広がるほど光線束の幅が大きくなるため、アレイピッチＰを大きくしやすくなる。したがって、強度バラツキが生じ難くなり、直線Ｃ２の傾きが小さくなる。つまり、領域Ｄ１の範囲が広がる。逆に、角度幅Ｗが狭まれば、直線Ｃ２の傾きが大きくなり、領域Ｄ１の範囲が狭まる。

ここで、仮に、光源３１，４１の幅の広い方向をできるだけ平行な光としたい方向にしてしまうと、コリメーター３２で平行化しても、光源３１，４１の幅が広いことで角度を持った光の成分が発生するため、ある程度広角化されてしまうことになる。したがって、光源３１，４１の幅が広くなる方向をできるだけ平行な光を射出させる方向とはせず、広角化させる方向としている。従来技術においては、さらに、光源の幅の広い方向と光源からの光の広がりがより大きくなっている方向とは直交するようにしている（例えば、上記特許文献１の図４等参照）。これを踏まえつつ、本実施形態では、図５を参照して考慮した上記の条件から、複数の小レンズ３３１，４３１の配列方向すなわち光を広角化させる方向である第１方向Ｈについて、光源３１，４１の幅を広くし、かつ、光の広がりを大きくすることで、領域Ｄ１の範囲がより広げられる。

以下、図６〜図１０を参照して、光射出装置２についての具体的一実施例について考察することで、最終結果として、上記領域Ｄ１について、すなわち直線Ｃ１や直線Ｃ２についての具体的数値の一例を、図５に対応する図１１に示す。

まず、図６に示すように、ここでの一例では、まず、光源３１については、光源３１の寸法すなわち光源の幅ＬをＬ＝１１μｍとし、射出される光ＥＬの角度幅Ｗを、Ｗ＝３９°とする。なお、光ＥＬの波長λについては、既述の通り、λ＝９４０ｎｍ（すなわち０．９４０μｍ）を基準波長とする。

また、コリメーター３２については、焦点距離ｆをｆ＝４．４８ｍｍ、直径φをφ＝４ｍｍとする。

さらに、光学素子３３については、複数の小レンズ３３１のアレイピッチＰをＰ＝０．９ｍｍの等間隔とする。

ここで、光ＥＬに関しては、さらに、図７に示すような特性となっているものとする。すなわち、光源３１から放射される際の強度分布については、図７中左側のグラフに示されるように、水平方向（第１方向Ｈ）については、曲線Ｑ１に示される分布特性を有し、垂直方向（第２方向Ｖ）については、曲線Ｑ２に示される分布特性を有する。ここでは、水平方向（第１方向Ｈ）についての強度に関して、光の最大強度に対して１０％以上の強度を有する範囲を、光ＥＬの角度幅Ｗとしている。つまり、見方を変えると、光源３１からは、１０％以上の強度を有する角度範囲が、３９°となるような特性の光が射出されている、ということになる。次に、光ＥＬに関して、光学素子３３への入射強度分布すなわち複数の小レンズ３３１への入射強度分布については、図７中右側のグラフＧ１〜Ｇ３に示されるようなものとなっている。なお、これらのグラフは、図６のＡ−Ａ断面における光ＥＬの光線束断面の様子を示すものである。すなわち、コリメーター３２を経て平行化された後であって、光学素子３３へ入射する前の状態のものである。グラフＧ１〜Ｇ３より、中心側の強度が高く周辺側に行くにしたがって強度が下がっていく分布になっていることが分かる。このような状態にある光ＥＬが、光学素子３３を経ることで、複数の小レンズ３３１での拡散作用によって広角化されつつ均一化された状態で被照射面ＳＣの全体を覆うべくカーテン状に広げられる。

図８Ａは、光射出装置２から射出された光ＥＬの被照射面ＳＣに対する強度分布を模式的に示す図であり、図８Ｂは、光ＥＬの強度分布を示すグラフである。図８Ａ及び８Ｂともに各位置における強度を示している。例えば、図８Ａにおいて、光射出装置２のうち第１の光射出部３の強度分布は、符号３Ｌで示され、第２の光射出部４の強度分布は、符号４Ｌで示されている。光射出装置２全体としての強度分布は、符号２Ｌで示されており、強度分布３Ｌと強度分布４Ｌとを重畳させたものに相当する。また、図８Ｂにおいて、横軸は、被照射面ＳＣについて垂直下向きの方向（−Ｚ方向）を基準すなわち０°とした角度でありこれにより方向あるいは位置を示しており、縦軸は、光の強度を示している。

本実施形態では、図示のように、被照射面ＳＣのうち光射出装置２から最も遠くなる右下及び左下についての強度を確保すべく、各光源３１，４１について、最も強度の強くなる光軸に沿った方向（光ＥＬの進行方向について角度ゼロとなる方向）を、アスペクト比（例えば、２：１あるいはこれに近い比率）に応じて、被照射面ＳＣの右下及び左下に向くようにそれぞれ設置している。このため、図８Ａ及び８Ｂに示すように、各光源３１，４１における強度分布あるいはこれらを総合した強度分布のいずれにおいても、アスペクト比に応じて被照射面ＳＣの右下及び左下への方向である±４５°の方向あたりでの強度が最も高いものとなっている。

以上のような構成において、上記実施例では、図６に示される複数の小レンズ３３１のアレイピッチＰについて、Ｐ＝０．９ｍｍとしていたものを変化させる一方、コリメーター３２の焦点距離ｆ等の他の値を固定したままの状態とすることで、アレイピッチＰの取りうる範囲を検討した。

まず、アレイピッチＰの変化に対する強度バラツキの変化について検討した。ここでは、アレイピッチＰの値を定めるごとに、光学素子３３を、双方向の矢印ＡＲ１に示す方向すなわち水平方向（第１方向Ｈ）について位置を変化（移動）させて移動量に伴う放射強度の変化を見た。図９は、その変化の様子を示すグラフである。例えば、図中左側のグラフＧＶ１は、アレイピッチＰをＰ＝１．３ｍｍとした場合において、光学素子３３を矢印ＡＲ１について、アレイピッチＰ１つ分に対して０％〜１００％までの範囲で動かした場合の強度の変化の様子を示している。なお、この場合、０％すなわち動かさない場合と１００％すなわちアレイピッチＰ１つ分位置を動かした場合とで、アレイの規則性（周期性）から全く同じ状態となる。したがって、０％から１００％まで動かした間での場合の強度の変化の様子が、生じうる強度バラツキ（強度の斑）を示す指標になると考えることができる。グラフＧＶ１に示されるように、Ｐ＝１．３ｍｍであれば、ほとんど強度の変化がなく強度バラツキが十分に抑えられていると考えられる。一方、上記と同様のことを、Ｐ＝１．４ｍｍとした場合において行ったものが、図９中中央側のグラフＧＶ２であり、Ｐ＝１．５ｍｍとした場合において行ったものが、図９中右側のグラフＧＶ３である。これらの結果から、グラフＧＶ３の状態（Ｐ＝１．５ｍｍ）では、強度バラツキの発生がかなり大きくなってきており、これを抑制するためには、アレイピッチＰは、大きくても、Ｐ＝１．４ｍｍ程度までとしておくことが好ましいと考えられる。

なお、この場合、コリメーター３２の直径φは、φ＝４ｍｍであり、平行光束化されている光ＥＬの光線束の幅（有効幅）もほぼ同程度である。したがって、アレイピッチＰとの関係では、光ＥＬによる光線束の有効幅内に、２つよりも多くの複数の小レンズ３３１が含まれていることになる。さらに、Ｐ＝１．３ｍｍであれば、光ＥＬによる光線束の有効幅内に、３つ分の複数の小レンズ３３１が含まれていることになる。

次に、アレイピッチＰの変化に対する回折による干渉縞の発生具合の変化について検討した。ここでは、図１０におけるグラフＧＤ１〜ＧＤ３に示されるように、アレイピッチＰの値を定めるごとに、被照射面ＳＣについての位置を示す角度ごとでの強度の変化幅（あるいは振動幅）を確認した。例えば、図中左側のグラフＧＤ１は、アレイピッチＰをＰ＝０．４ｍｍとした場合における強度の変化（振動）の様子を示している。この場合、強度の変化幅（あるいは振動幅）がかなり大きいことが分かる。このことから、回折による干渉縞が発生していること、すなわち、光が干渉して強め合う箇所と打ち消しあう箇所が存在してこれらの間での強度の差が大きくなっていることが分かる。この場合、特に、強度が最も弱くなるところでの検出感度が下がってしまうおそれがある。したがって、このような強度の変化（振動）が十分に抑制されることが望ましい。上記と同様のことを、Ｐ＝０．５ｍｍとした場合において行ったものが、図中中央側のグラフＧＤ２であり、Ｐ＝０．６ｍｍとした場合において行ったものが、図中右側のグラフＧＤ３である。これらの結果から、グラフＧＤ３の状態（Ｐ＝０．６ｍｍ）では、強度の変化（振動）すなわち回折による干渉縞の発生が十分に抑制されている。したがって、この場合、アレイピッチＰは、小さくても、Ｐ＝０．６ｍｍ程度までとしておくことが好ましいと考えられる。

以上を踏まえて、図１１に示すような、領域Ｄ１についての、すなわち直線Ｃ１や直線Ｃ２についての具体的数値の一例の導出を試みる。

まず、既述のように、直線Ｃ１及び直線Ｃ２は、焦点距離ｆとアレイピッチＰとの比例関係を示すものである。つまり、

であり、直線Ｃ１に関する比例定数をｋ_１とし、直線Ｃ２に関する比例定数をｋ_２とすれば、これらの直線は、それぞれ

となる。つまり、領域Ｄ１については、

かつ、

となる。

さらに、図５を参照して説明したように、光ＥＬの射出状態に応じても、直線Ｃ１や直線Ｃ２が変化しうる。

ここでは、まず、直線Ｃ１に係る事項について考える。上記の場合、既述のように、例えば光ＥＬとして使用する赤外光の波長λ（単位：μｍ）は、短く（小さく）なるほど直線Ｃ１の傾きが大きくなる。つまり、領域Ｄ１の範囲が広がる。したがって、波長λは、上記のような直線Ｃ１に関する式において反比例する要素となる。

また、例えば光源３１の幅Ｌ（単位：μｍ）すなわち光ＥＬの射出時の範囲は、広く（大きく）なるほど、直線Ｃ１の傾きが大きくなる。つまり、領域Ｄ１の範囲が広がる。したがって、幅Ｌは、上記のような直線Ｃ１に関する式において比例する要素となる。つまり、

であり、直線Ｃ１に関する比例定数を改めてＫ_１とすれば、

となる。

ここで、上述した例での各値を代入すると、ｆ＝４．４８ｍｍ、λ＝０．９４０μｍ、Ｌ＝１１μｍであり、アレイピッチＰの下限は、Ｐ＝０．６ｍｍ程度とするのが望ましいことから、Ｋ_１を、Ｋ_１＝０．６３８、すなわち、直線Ｃ１を

とするのが望ましいことが分かる。

次に、直線Ｃ２に係る事項について考える。上記の場合、既述のように、光源３１の角度幅Ｗ（単位：°）は、広がる（大きくなる）ほど、直線Ｃ２の傾きが小さくなる。つまり、領域Ｄ１の範囲が広がる。したがって、角度幅Ｗは、上記のような直線Ｃ２に関する式において比例する要素となる。つまり、

であり、直線Ｃ２に関する比例定数を改めてＫ_２とすれば、

となる。

ここで、上述した例での各値を代入すると、ｆ＝４．４８ｍｍ、Ｗ＝３９°、Ｌ＝１１μｍであり、アレイピッチＰの上限は、Ｐ＝１．４ｍｍ程度とするのが望ましいことから、Ｋ_２を、Ｋ_２＝１２４．８、すなわち、直線Ｃ２を

とするのが望ましいことが分かる。

以上について、先と同様に、領域Ｄ１について示せば、コリメーター３２の焦点距離をｆｍｍとし、複数の小レンズ３３１のアレイピッチをＰｍｍとし、光源３１からの光ＥＬの波長をλμｍとし、光源３１の幅をＬμｍとし、光源３１からの光ＥＬの角度幅をＷ°とした場合に、

を満たしていることになる。上記説明から明らかなように、この場合、上式（１）を満たすことで回折の発生を抑制できるとともに、上式（２）を満たすことで強度バラツキを抑制できる。

以上のように、本実施形態では、複数の小レンズ３３１，４３１で構成された光学素子３３，４３を用いることで、装置の小型化や組立精度の低減を図っている。この上で、さらに、複数の小レンズ３３１，４３１のアレイピッチＰを、コリメーター３２，４２の焦点距離ｆに対して、両者の比例関係に基づいて定まる所定の数値範囲内とすることで、光学素子３３，４３を構成する複数の小レンズ３３１，４３１に起因する強度バラツキや回折の発生を抑制して、良好な光の射出状態を維持できる。

なお、例えば焦点距離ｆの値等が上記の場合（ｆ＝４．４８ｍｍ）とは異なる態様においても、上記と同様の考察ができる。特に、比例、反比例の関係性については同様であることから、取得される定数Ｋ_１等については、焦点距離ｆの値等が異なる同様の態様においても、上記の場合と同等程度のものになると考えられる。したがって、上式（１）、（２）を満たすような関係にある構成とすることで、上記と同様の態様で各数値が異なる場合においても、同様に良好な光の射出状態を維持できる可能性が高いと考えられる。

〔第２実施形態〕
以下、図１２〜図１４を参照して、第２実施形態に係る光射出装置について説明する。本実施形態は、第１実施形態の変形例であり、光学素子における複数の小レンズの構成を除いて、第１実施形態の場合と同様であるので、同一の機能を有するものについては、同じ符号を適用し、各部の詳細な説明や図示については省略する。また、画像表示システムへの適用も第１実施形態の場合と同様であるので省略する。

図１２〜図１４は、第１実施形態において示した図９〜図１１にそれぞれ対応する図であり、本実施形態における複数の小レンズの特性や、関係式について示している。

本実施形態では、複数の小レンズにおいて、アレイピッチが、所定範囲内で異なる値を有している、あるいは所定範囲内のランダム性を有している点において、ピッチを一定の値としていた第１実施形態の場合と異なっている。ここでは一例として、基準となる中心値のアレイピッチＰに対して±３０％の範囲で、複数の小レンズのピッチがランダムになっているものとする。例えば、各小レンズを、互いに大きさが異なり、相似形で形成されるようにする、といったことが考えられる。

まず、強度バラツキに関しては、第１実施形態において図９を参照して示した場合と同様のことについて、図１２においてグラフで示している。具体的には、図１２において、例えば、図中左側のグラフＧＶ１は、基準となる中心値のアレイピッチＰをＰ＝１．３ｍｍとし、±３０％の範囲でランダム性を有したレンズアレイとなっている場合における強度の変化の様子を示している。なお、ここでのアレイピッチＰ１つ分とは、基準のアレイピッチＰ１つ分とする。グラフＧＶ１に関して説明した場合と同様に、Ｐ＝１．４ｍｍとした場合については、図１２中中央側のグラフＧＶ２となり、Ｐ＝１．５ｍｍとした場合については、図１２中右側のグラフＧＶ３となった。これらの結果から、グラフＧＶ３の状態（Ｐ＝１．５ｍｍ）では、強度バラツキの発生がかなり大きくなってきており、これを抑制するためには、アレイピッチＰは、大きくても、Ｐ＝１．４ｍｍ程度までとしておくことが好ましいと考えられる。つまり、第１実施形態の場合とほぼ同様であることが分かった。

一方、回折による干渉縞の発生具合に関しては、第１実施形態の場合と異なる結果が生じた。ここで、第１実施形態において図１０を参照して示した場合と同様のことについて、図１３においてグラフで示している。具体的には、図１３のうち、例えば、図中左側のグラフＧＤ１は、基準のアレイピッチＰをＰ＝０．３ｍｍとし、±３０％の範囲でランダム性を有したレンズアレイとなっている場合における強度の変化（振動）の様子を示している。同様に、基準のアレイピッチＰ＝０．４ｍｍとした場合において行ったものが、図１３中中央側のグラフＧＤ２であり、基準のアレイピッチＰ＝０．５ｍｍとした場合において行ったものが、図１３中右側のグラフＧＤ３である。これらの結果から、グラフＧＤ１の状態（Ｐ＝０．３ｍｍ）であれば、強度の変化（振動）すなわち回折による干渉縞の発生が十分に抑制されている。したがって、この場合、基準のアレイピッチＰは、小さくても、Ｐ＝０．３ｍｍ程度までとしておくことが好ましいと考えられる。この場合、ランダム性を有する構成としたことにより、特に、回折による干渉縞が発生しにくくなったことが要因と考えられる。

以上を踏まえて、図１４に示すような、領域Ｄ１についての、すなわち直線Ｃ１や直線Ｃ２についての具体的数値の一例の導出を試みる。

まず、直線Ｃ１に係る事項について考える。第１実施形態の場合と同様に、

であり、直線Ｃ１に関する比例定数を改めてＫ_１とすれば、

となる。

ここで、上述した例での各値を代入すると、ｆ＝４．４８ｍｍ、λ＝０．９４０μｍ、Ｌ＝１１μｍであり、アレイピッチＰの下限は、Ｐ＝０．３ｍｍ程度とするのが望ましいことから、Ｋ_１を、Ｋ_１＝１．２８、すなわち、直線Ｃ１を

とするのが望ましいことが分かる。

一方、直線Ｃ２に関しては、強度バラツキに関する事項について、第１実施形態の場合と数値的な差異が見られないことから、

とするのが望ましいことが分かる。

以上について、先と同様に、領域Ｄ１について示せば、コリメーター３２の焦点距離をｆｍｍとし、複数の小レンズ３３１のアレイピッチをＰｍｍとし、光源３１からの光ＥＬの波長をλμｍとし、光源３１の幅をＬμｍとし、光源３１からの光ＥＬの角度幅をＷ°とした場合に、

を満たしていることになる。上記説明から明らかなように、この場合、複数の小レンズのアレイピッチＰが、所定範囲内のランダム性を有しつつ上式（３）を満たすことで回折の発生を抑制できるとともに、上式（４）を満たすことで強度バラツキを抑制できる。

以上のように、本実施形態においても、複数の小レンズで構成された光学素子を用いることで、装置の小型化や組立精度の低減を図っている。この上で、さらに、複数の小レンズのアレイピッチＰを、コリメーターの焦点距離ｆに対して、両者の比例関係に基づいて定まる所定の数値範囲内とすることで、光学素子を構成する複数の小レンズに起因する強度バラツキや回折の発生を抑制して、良好な光の射出状態を維持できる。

〔第３実施形態〕
以下、図１５、図１６を参照して、第３実施形態に係る光射出装置について説明する。本実施形態は、第１実施形態等の変形例であり、光学素子の構成を除いて、第１実施形態等の場合と同様であるので、同一の機能を有するものについては、同じ符号を適用し、各部の詳細な説明については省略する。また、画像表示システムへの適用も第１実施形態の場合と同様であるので省略する。

本実施形態では、第１実施形態等において個別の部材となっている第１光学素子３３及び第２光学素子４３について、図１５及び図１６に示すように、一体化された光学素子体３４Ｕとなっている点が、他の実施形態の場合と異なっている。

より具体的に説明すると、まず、図１５は、図３に対応する図であり、図１５において概略構成を示すように、本実施形態に係る光射出装置３０２は、第１の光射出部３０３、第２の光射出部３０４及びこれらを覆うカバーガラス２２を備えている。これらのうち、第１の光射出部３０３は、第１光源３１、第１コリメーター３２及び第１光学素子３３を備え、第２の光射出部３０４は、第１の光射出部３０３と同様に、第２光源４１、第２コリメーター４２及び第２光学素子４３を備えている。ただし、第１の光射出部３０３の第１光学素子３３と、第２の光射出部３０４の第２光学素子４３とは、１つの部材である光学素子体３４Ｕとして一体化されている。光学素子体３４Ｕは、屈折率が高い合成樹脂等で形成されており、左側に第１光学素子３３を有し、右側に第２光学素子４３を有し、左右対称に形成されている。

なお、図１６に一例を示す各光学素子３３，４３を構成する複数の小レンズ３３１，４３１については、種々の形状とすることができる。例えば、アレイピッチＰについて、第１実施形態の場合のように一定の値とする場合のほか、第２実勢形態の場合のようにランダム性を持たせる構成とするといったことも考えられる。

以上のように、本実施形態においても、複数の小レンズ３３１，４３１で構成された光学素子３３，４３を一体化した光学素子体３４Ｕを用いることで、装置の小型化や組立精度の低減を図っている。この上で、さらに、複数の小レンズのアレイピッチＰを、コリメーターの焦点距離ｆに対して、両者の比例関係に基づいて定まる所定の数値範囲内とすることで、光学素子を構成する複数の小レンズに起因する強度バラツキや回折の発生を抑制して、良好な光の射出状態を維持できる。

〔その他〕
以上実施形態に即して本発明を説明したが、本発明は、上記の各実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能である。

まず、上記の各実施形態において、レンズアレイを構成する複数の小レンズの個々の形状については、目的とする広角化等を図れることを前提として、種々の曲面形状とすることができる。例えば球面とする場合や、非球面とすることも考えられる。また、光軸の延びる方向に関して対称性を有する場合のほか、非対称な形状とすることも考えられる。

また、光源における各種値についても種々のものが採用可能であり、例えば光ＥＬの波長λや、光源３１の幅Ｌ、あるいは光ＥＬの角度幅Ｗについて、種々の値のものを採用することができる。この際、上述した関係を満たす範囲となるように、例えばコリメーター３２や光学素子３３の設計を定めることになる。

また、上記各実施形態では、画像表示システム１００として、いわゆるフロント型のプロジェクター１を用いる構成を説明したが、画像を表示する装置を用いる構成であれば、これに限定されるものではない。例えば、液晶ディスプレイや有機ＥＬディスプレイ等の画像表示面上を光射出装置からの光で覆うような構成であってもよい。

１…プロジェクター、２…光射出装置、３…第１の光射出部、４…第２の光射出部、３Ａ，４Ａ…光軸、１１…投射用光源、１２…光変調装置、１３…投射レンズ、１４…制御部、１５…投射装置、１６…撮像装置、２２…カバーガラス、３１，４１…光源、３２，４２…コリメーター、３３，４３…光学素子、３４Ｕ…光学素子体、１００…画像表示システム、３０２…光射出装置、３０３…第１の光射出部、３０４…第２の光射出部、３３１，４３１…小レンズ、ＡＲ１…矢印、Ｃ１，Ｃ２…直線、Ｄ１…領域、ＥＬ…光、Ｇ１〜Ｇ３…グラフ、ＧＤ１〜ＧＤ３…グラフ、ＧＬ…映像光、ＧＶ１〜ＧＶ３…グラフ、Ｈ…水平方向（第１方向、Ｌ…幅、Ｍ…支持装置、Ｏ…原点、Ｐ…アレイピッチ、Ｑ１，Ｑ２…曲線、ＲＬ…反射光、ＳＣ…被照射面、Ｖ…第２方向、Ｗ…角度幅（放射角度幅）、ｆ…焦点距離、λ…波長、φ…直径

Claims (8)

1. 光を射出する光源と、
   前記光源から射出された光を平行化するコリメーターと、
   前記コリメーターを通過した光を、前記光源の光軸に対して互いに異なる方向に延びる第１方向及び第２方向のうちの前記第１方向に対応する方向について広角化する複数のレンズを有する光学素子と
   を備え、
   前記複数のレンズは、前記第１方向に沿って配列され、
   前記コリメーターの焦点距離に対する前記複数のレンズの前記第１方向のアレイピッチを、比例関係に基づく所定の数値範囲内としている、光射出装置。
2. 前記コリメーターの焦点距離に対する前記複数のレンズのアレイピッチは、前記光源からの光の射出状態に応じて定められる、請求項１に記載の光射出装置。
3. 前記コリメーターの焦点距離をｆｍｍとし、前記複数のレンズの前記第１方向のアレイピッチをＰｍｍとし、前記光源からの光の波長をλμｍとし、前記光源の前記第１方向の幅をＬμｍとし、前記光源からの光の前記第１方向の角度幅をＷ°とした場合に、
   

   

   

   を満たしている、請求項１及び２のいずれか一項に記載の光射出装置。
4. 前記光学素子において、前記複数のレンズの前記第１方向のアレイピッチは、所定範囲内で異なる値を有し、
   前記コリメーターの焦点距離をｆｍｍとし、前記複数のレンズの前記第１方向のアレイピッチの中心値をＰｍｍとし、前記光源からの光の波長をλμｍとし、前記光源の幅をＬμｍとし、前記光源からの光の前記第１方向の角度幅をＷ°とした場合に、
   

   

   

   を満たしている、請求項１及び２のいずれか一項に記載の光射出装置。
5. 前記光源からの光の角度幅は、光の最大強度に対して１０％以上の強度を有する範囲である、請求項３及び４のいずれか一項に記載の光射出装置。
6. 前記光源からの光による光線束の有効幅内に、２つよりも多くの前記複数のレンズが含まれている、請求項１〜５のいずれか一項に記載の光射出装置。
7. 前記光学素子において、前記第１方向と前記第２方向とは、前記光源の光軸に直交するとともに、互いに直交する、請求項１〜６のいずれか一項に記載の光射出装置。
8. 請求項１〜請求項７のいずれか一項に記載の光射出装置と、
   前記光射出装置から射出された光の反射位置を検出する検出装置と、
   前記検出装置により検出された検出結果に応じた画像を投射する投射装置と
   を備える、画像表示システム。

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