JP2020034966A - 光学素子、光射出装置および画像表示システム - Google Patents

Abstract

【課題】小レンズをアレイ化した光学素子を用いる場合に、小レンズのつなぎ目に生じたダレに入射した光による回折ノイズを抑制する光射出装置を提供する。【解決手段】光射出装置２は、第１光射出部３および第２光射出部４を備える。第１光射出部３は、第１光源３１の光を広角化する第１光学素子３３を備え、第２光射出部は、第２光源４１の光を広角化する第２光学素子４３を備える。第１光学素子の第１入射面３３Ｎには、複数の第１小レンズ３３０が並んでいる。第１小レンズは、第１入射面に対する第１小レンズの接線の成す角度の最大値が、第１入射面に対する第１光Ｅ１の成す角度よりも大きい形状であるため、隣り合う第１小レンズのつなぎ目に第１光Ｅ１が入射しない。第２光学素子４３も同様に構成されている。【選択図】図３

Description

本発明は、光学素子および光学素子を備えた光射出装置、ならびに光射出装置を備えた画像表示システムに関する。

特許文献１には、画像が表示されたスクリーンなどの表示面上で操作されるペンや指などの指示体の位置を検出し、指示体の軌跡に応じた表示や操作を行う画像表示システムが開示されている。特許文献１の画像表示システムは、プロジェクターおよびプロジェクターが投写する投写面（表示面）に沿って光を射出する光射出装置を備え、光射出装置から射出される光により、投写面を覆うライトカーテンを作り出す。投写面上で操作される指示体による光の反射に基づい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。

特許文献１の光射出装置は、光射出部および筐体を備える。光射出部は、光源と、光源から射出された光を略平行化するレンズであるコリメーターと、コリメーターにて略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を備える。特許文献１では、指向性レンズとしてパウエルレンズが用いられている。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、且つ、光射出側が平坦状であり、第１方向から見て矩形状である。

特開２０１５−１１１３８５号公報

指向性レンズとして単一のパウエルレンズを用いると、パウエルレンズと光源との位置がずれた場合に、投写面に沿う方向の光の強度分布の偏りが顕著となる。そのため、指向性レンズの入射面を、凸面状の小レンズをアレイ化した形状にすることが提案されている。小レンズをアレイ化することによって、小レンズのそれぞれによって広角化された光が重畳される。従って、パウエルレンズと光源との位置精度が低下しても、投写面に沿う方向の光の強度分布の偏りを抑制することができる。

しかしながら、小レンズをアレイ化した光学素子は、アレイを構成する小レンズのつなぎ目にダレが生じる。小レンズをアレイ化した光学素子は、その製造上、小レンズのつなぎ目のダレをなくすことは不可能である。ダレが生じた部分に光が入射すると、アレイ化により生じる回折ノイズが増幅されるという問題がある。

上記の問題点に鑑みて、本発明の課題は、小レンズをアレイ化した光学素子を用いる場合に、小レンズのつなぎ目に生じたダレに入射した光による回折ノイズを抑制することにある。

本発明に係る光射出装置は、第１光源と、前記第１光源から射出された光を第１光軸に対して略平行化する第１コリメーターと、前記第１コリメーターから射出された第１光を、前記第１光軸と異なる第１方向について広角化する複数の第１小レンズが形成された第１入射面を備える第１光学素子と、第２光源と、前記第２光源から射出された光を第２光軸に対して略平行化する第２コリメーターと、前記第２コリメーターから射出された第２光を、前記第２光軸と異なり、且つ、前記第１方向と同一の方向について広角化する複数の第２小レンズが形成された第２入射面を備える第２光学素子と、を備え、前記第１小レンズは、前記第１入射面に対する前記第１小レンズの接線の成す角度の最大値が、前記第１入射面に対する前記第１光の成す角度よりも大きい形状であり、前記第２小レンズは、前記第２入射面に対する前記第２小レンズの接線の成す角度の最大値が、前記第２入射面に対する前記第２光の成す角よりも大きい形状であることを特徴とする。

本発明において、前記第１小レンズは、前記第１光と同一方向に延びる前記第１小レンズの接線との接点に対して前記第１小レンズのつなぎ目側の領域において、前記第１入射面に対する前記第１小レンズの接線の成す角度が、前記第１入射面に対する前記第１光の成す角度よりも大きい形状である。

本発明において、前記第２小レンズは、前記第２光と同一方向に延びる前記第２小レンズの接線との接点に対して前記第２小レンズのつなぎ目側の領域において、前記第２入射面に対する前記第２小レンズの接線の成す角度が、前記第２入射面に対する前記第２光の成す角度よりも大きい形状である。

本発明において、前記第１小レンズは、パウエルレンズである。

本発明において、前記第２小レンズは、パウエルレンズである。

本発明において、前記第１光学素子に設けられた前記複数の第１小レンズは、複数のサイズの前記第１小レンズを含む。

本発明において、前記第２光学素子に設けられた前記複数の前記第２小レンズは、複数のサイズの前記第２小レンズを含む。

本発明において、前記光学素子の下流側に、曲面形状のカバーレンズが設けられている。

本発明において、前記カバーレンズは、前記第１方向に略平行な回転軸線を中心として回転可能である。

本発明に係る画像表示システムは、上記の光射出装置と、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写する投写装置と、を備えることを特徴とする。

本発明に係る光学素子は、コリメーターで光軸に対して略平行化された第１光を、前記光軸と異なる第１方向について広角化する複数の小レンズが形成された入射面を備える光学素子であって、前記小レンズは、前記入射面に対する前記小レンズの接線の成す角度の最大値が、前記入射面に対する前記第１光の成す角度よりも大きい形状であることを特徴とする。

本発明において、前記小レンズは、パウエルレンズである。

本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。 プロジェクターの概略構成を示すブロック図である。 本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。 光射出装置から射出された光の投写面に沿う領域における強度分布を示す図である。 光射出装置から射出された光の理論的な強度分布を示すグラフである。 第１光学素子の一部を示す平面図である。 小レンズのつなぎ目にダレがない光学素子から射出される光の強度分布をシミュレーションした結果を示すグラフである。 小レンズのつなぎ目にダレがある光学素子から射出される光の強度分布をシミュレーションした結果を示すグラフである。 小レンズのつなぎ目に突起がある光学素子から射出される光の強度分布をシミュレーションした結果を示すグラフである。 変形例１の光射出装置の概略構成を示す模式図である。 変形例２の光射出装置の概略構成を示す模式図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。なお、以下に示す各図においては、各構成要素を図面上で認識され得る程度の大きさとするため、各構成要素の寸法や比率を実際のものとは適宜異ならせてある。

（画像表示システムの構成）
図１は、本実施形態に係る画像表示システム１００の概略構成を示す模式図である。画像表示システム１００は、図１に示すように、プロジェクター１および光射出装置２を備える。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投写面ＳＣの上方の壁面に設置された支持装置Ｍに支持され、下方を向く側から投写面ＳＣに画像を投写する。光射出装置２は、後で詳細に説明するが、図１に示すように、投写面ＳＣの上方に設置され、投写面ＳＣに沿って光を射出してライトカーテンＬＣを作り出す。

なお、本明細書では、説明の便宜上、図１に示すように、投写面ＳＣに対する法線方向を前後方向Ｙとし、投写面ＳＣに向かう方向を前方（＋Ｙ方向）とする。また、鉛直方向（重力方向）をＺ方向とし、重力に逆らう方向を上方（＋Ｚ方向）とする。また、前後方向Ｙおよび鉛直方向Ｚに直交する方向を左右方向Ｘとし、投写面ＳＣに向かって右側を＋Ｘ方向とする。投写面ＳＣは、ＸＺ面に平行な面である。

図２は、プロジェクター１の概略構成を示すブロック図である。プロジェクター１は、図２に示すように、投写装置１５と、検出装置としての撮像装置１６とを備える。投写装置１５は、投写用光源１１、光変調装置１２、投写レンズ１３、および制御部１４を備える。投写装置１５は、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、投写レンズ１３から映像光ＧＬとして投写する。

投写装置１５は、投写用光源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、変調した光を投写レンズ１３から投写面ＳＣに投写する。なお、投写用光源１１としては、放電型のものや、発光ダイオード、レーザー等の固体光源を用いることができる。また、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、後述する撮像装置１６から出力された情報に基づく画像の投写に関わる制御等を行う。

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、被写体としての投写面ＳＣを撮影し、撮影した情報を制御部１４に出力する。また、撮像装置１６は、光射出装置２から射出された光が指示体（例えば、ペン１０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、投写面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写や、投写する画像の変更等を行う。以上により、投写面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。

（光射出装置の構成）
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、投写面ＳＣの上方（＋Ｚ方向）で左右方向Ｘにおいて投写面ＳＣの略中央に配置される。光射出装置２は、投写面ＳＣに沿って光を射出する。光射出装置２は、装置本体２１およびカバーレンズ２２を備えている。装置本体２１は、第１光射出部３、第２光射出部４、およびこれらを内部に収容する筐体５を備えている。

図１に示すように、光射出装置２は、投写面ＳＣの上方の壁面から前方に突出するように設置される。そのため、第１光射出部３および第２光射出部４は、投写面ＳＣに対して後方の出射位置から下方に向けて光を照射する。

カバーレンズ２２は、下方に凸の曲面形状である。カバーレンズ２２は、前後方向Ｙから見て円弧形状あるいは楕円弧形状であり、仮想中心面Ｐｖを中心として対称に配置される。また、カバーレンズ２２は前後方向Ｙに延びており、鉛直方向Ｚから見て矩形状である。カバーレンズ２２は、左右方向Ｘと略平行な回転軸線である第１軸Ｌを中心として回転可能に支持される。これにより、装置本体２１の取付角度とカバーレンズ２２の取付角度とがずれた場合に、カバーレンズ２２を回転させてずれを解消することが可能である。あるいは、カバーレンズ２２を回転させると、第１光射出部３および第２光射出部４からカバーレンズ２２への光の入射方向が変わるような形状のカバーレンズ２２を用いれば、カバーレンズ２２の角度調整によってライトカーテンＬＣの形状を変更することも可能である。

図３に示すように、第１光射出部３および第２光射出部４は、左右方向Ｘに並んでおり、互いに異なる方向を中心に光を射出する。第１光射出部３と第２光射出部４との間で、投写面ＳＣに直交し、且つ、鉛直方向Ｚに延びる面（ＹＺ平面に沿う面）を仮想中心面Ｐｖとしたとき、第１光射出部３および第２光射出部４は、仮想中心面Ｐｖを基準として左右対称に構成される。第１光射出部３は、第１光源３１、第１コリメーター３２、および第１光学素子３３を備える。第１コリメーター３２および第１光学素子３３は、第１光源３１の光軸である第１光軸３Ａ上に配置され、左斜め下方に光を射出する。

第２光射出部４は、第１光射出部３と同様に、第２光源４１、第２コリメーター４２、および第２光学素子４３を備え、第２光源４１から第２光学素子４３に至る第２光路を有する。第２コリメーター４２および第２光学素子４３は、第２光源４１の光軸である第２光軸４Ａ上に配置され、右斜め下方を中心に光を射出する。

光射出装置２は、前後方向Ｙから見た場合に、第１光軸３Ａと第２光軸４Ａとが第１光学素子３３および第２光学素子４３の光路前段で交差する。具体的には、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との間および第２コリメーター４２と第２光学素子４３との間で交差する。すなわち、光射出装置２において、第１光射出部３及び第２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。

第１光源３１および第２光源４１は、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する。第１光源３１および第２光源４１は、活性層に沿う幅方向Ｈと、幅方向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。第１光源３１および第２光源４１からの光は、幅方向Ｈおよび積層方向Ｖに直交するＳ方向に射出される。すなわち、Ｓ方向が第１光軸３Ａ、第２光軸４Ａに沿った方向である。本実施形態では、幅方向ＨとＳ方向とが、図１に示す投写面ＳＣに沿った方向となっている。すなわち、幅方向ＨとＳ方向とが、ＸＺ面に平行になっている。

第１コリメーター３２は、第１光源３１から射出された光を略平行化する。同様に、第２コリメーター４２は、第２光源４１から射出された光を略平行化する。例えば、第１コリメーター３２は、第１光軸３Ａ上の１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。同様に、第２コリメーター４２は、第２光軸４Ａ上の１点から射出されて第２光軸４Ａに対して角度を有して拡がる成分光を、第２光軸４Ａに対して略平行となるように進行させる。

第１光学素子３３および第２光学素子４３は、単一の光学素子体３４に設けられている。光学素子体３４は、屈折率が高い合成樹脂等の素材からなり、鉛直方向Ｚから見て矩形状である。光学素子体３４は、図３に示すように、左側（−Ｘ方向）に第１光学素子３３を有し、右側（＋Ｘ方向）に第２光学素子４３を有し、仮想中心面Ｐｖを基準として左右対称な形状である。第１光射出部３と第２光射出部４との間で、投写面ＳＣに直交し、鉛直方向Ｚに延びる面（ＹＺ平面に沿う面）を仮想中心面Ｐｖとしたとき、光学素子体３４は、仮想中心面Ｐｖに対して対称となるように配置される。

第１光学素子３３は、仮想中心面Ｐｖから遠ざかるに従って、第１コリメーター３２からの距離が大きくなる方向に傾斜する。第１光学素子３３は、第１コリメーター３２と対向する側（光入射側）に複数の第１小レンズ３３０を配列した第１入射面３３Ｎが設けられ、光射出側に第１平面３３Ｓが設けられている。各第１小レンズ３３０はパウエルレンズであり、第１コリメーター３２の側が凸面状である。第１入射面３３Ｎにおいて、各第１小レンズ３３０は積層方向Ｖに延びており、積層方向Ｖと直交する方向に複数の第１小レンズ３３０が配列される。複数の第１小レンズ３３０は、第１入射面３３Ｎにおいて幅方向Ｈに配列されると共に、仮想中心面Ｐｖから遠ざかるに従って、第１コリメーター３２からの距離が大きくなる方向に配列される。

第１光学素子３３は、第１コリメーター３２から射出される第１光Ｅ１を、幅方向Ｈにおいては広角化し、積層方向Ｖにおいては、第１コリメーター３２にて略平行化された方向を維持し、第１光軸３Ａを中心として射出する。すなわち、第１光学素子３３は、入射する第１光Ｅ１を第１光軸３Ａに直交する方向のうち幅方向Ｈに対応する方向にのみ広角化する。この際、第１光学素子３３に設けられた複数の第１小レンズ３３０は、幅方向Ｈにおいて隣り合う第１小レンズ３３０で広角化した光が重畳されるように形成されている。

第２光学素子４３は、仮想中心面Ｐｖに対して第１光学素子３３と対称に構成される。すなわち、第２光学素子４３は、第２コリメーター４２と対向する側（光入射側）に複数の第２小レンズ４３０を配列した第２入射面４３Ｎが設けられ、光射出側に第２平面４３Ｓが設けられている。各第２小レンズ４３０はパウエルレンズである。第２光学素子４３は、第２コリメーター４２から射出される第２光Ｅ２を第２光軸４Ａに直交する方向のうち幅方向Ｈに対応する方向にのみ広角化する。この際、第２光学素子４３に設けられた複数の第２小レンズ４３０は、幅方向Ｈにおいて隣り合う第２小レンズ４３０で広角化した光が重畳されるように形成されている。

光射出装置２は、図３に示すように、第１光学素子３３および第２光学素子４３から射出される光の幅方向Ｈが投写面ＳＣに沿う方向となるように配置される。すなわち、第１光射出部３および第２光射出部４は、第１光学素子３３および第２光学素子４３で広角化された光が投写面ＳＣの左右方向Ｘに沿う方向で広角化されるように配置される。すなわち、光射出装置２は、第１コリメーター３２および第２コリメーター４２から射出される第１光Ｅ１および第２光Ｅ２を、第１光軸３Ａおよび第２光軸４Ａのいずれとも異なる第１方向である左右方向Ｘに広角化させる。

また、光射出装置２は、図３に示すように、仮想中心面Ｐｖに対し、第１光射出部３および第２光射出部４が異なる方向に傾斜し、第１光射出部３が射出する光の一部と、第２光射出部４が射出する光の一部が仮想中心面Ｐｖの位置で重なる。具体的には、−Ｙ方向から見て、第１光軸３Ａが仮想中心面Ｐｖに対して時計回りの方向に傾斜し、第２光軸４Ａが仮想中心面Ｐｖに対して反時計回り方向に傾斜する。仮想中心面Ｐｖに対する第１光軸３Ａの傾斜角θａの大きさと第２光軸４Ａの傾斜角θｂの大きさは同一（θａ＝θｂ）であり、第１光射出部３と第２光射出部４とは、仮想中心面Ｐｖに対して略対称に配置される。これにより、光射出装置２は、投写面ＳＣの全面に沿う領域に光を射出して、投写面ＳＣの全面を覆うライトカーテンＬＣを作り出す。

傾斜角θａ、θｂは、投写面ＳＣの縦横比に対応した角度に設定される。例えば、光射出装置２は、縦横比が２：１の横長の投写面ＳＣに沿って効率良く光を射出するように構成される。具体的には、光射出装置２から最も遠い位置となる投写面ＳＣの下辺の左右の端部に向かう光が最も強度が高くなるようにするため、第１光軸３Ａが投写面ＳＣの下辺の左側の端部に向かい、且つ、第２光軸４Ａが投写面ＳＣの下辺の右側の端部に向かうように、傾斜角θａ、θｂが設定される。縦横比が２：１の場合には、傾斜角θａ、θｂは４５°に設定される。なお、投写面ＳＣの縦横比は、２：１に限定されるものではなく、他の値であってもよい。例えば、１６：１０であってもよい。

光射出装置２は、第１光射出部３の光路と第２光射出部４の光路とが交差していることにより、図３に示すように、第１光射出部３が射出する光と第２光射出部４が射出する光が光射出装置２に近い位置で重なる。すなわち、光射出装置２は、光射出装置２近傍の領域に十分な光強度の光を射出することが可能となる。これによって、光射出装置２は、投写面ＳＣ近くに配置された場合であっても、この投写面ＳＣにおける光射出装置２近傍の領域においても、指示体を検出可能な光強度の光を射出する。

図４は、光射出装置２から射出された光の投写面ＳＣに沿う領域における強度分布を示す図である。具体的に、図４は、第１光射出部３から射出された光（第１射出光）の強度分布３Ｌ、および、第２光射出部４から射出された光（第２射出光）の強度分布４Ｌを示したものである。なお、投写面ＳＣのサイズに比べて第１光射出部３、第２光射出部４それぞれの光を射出する部位と仮想中心面Ｐｖとの距離が著しく小さいため、強度分布を説明するにあたっては、図４に示すように、第１光射出部３、第２光射出部４それぞれの光を射出する部位が仮想中心面Ｐｖに位置するものとして近似する。図４に示す光の強度分布３Ｌ，４Ｌは、第１射出光、第２射出光それぞれの指示体を検出可能な光強度の範囲を示したものである。

図５は、光射出装置２から射出された光の理論的な強度分布を示すグラフであり、仮想中心面Ｐｖ（図３参照）に対する角度と、相対的な光強度との関係を示すグラフである。具体的に、図５は、第１射出光の強度分布３Ｌ、および、第２射出光の強度分布４Ｌを示すグラフである。

本実施形態の光射出装置２は、横方向（Ｘ方向）の長さと縦方向（Ｚ方向）の長さとの比が２：１の横長の投写面ＳＣに沿って効率良く光を射出する。図５に示すように、仮想中心面Ｐｖに対して反時計回りに傾斜する角度を＋（正）とすると、第１光射出部３の傾斜角θａ（図３参照）が−４５°、第２光射出部４の傾斜角θｂ（図３参照）が４５°である。これにより、光射出装置２から射出された光の強度分布は、投写面ＳＣに対し光射出装置２から最も遠い位置となる下辺の左右の端部に向かう光が強度のピークとなる。すなわち、第１射出光は、θａが−４５°、すなわち、投写面ＳＣにおける第１光射出部３が照射対象とする領域で第１光射出部３から最も遠い位置となる左側の下端部に向かう光が最も光強度が高いものとなる。同様に、第２射出光は、θｂが４５°、すなわち、投写面ＳＣにおける第２光射出部４が照射対象とする領域で第２光射出部４から最も遠い位置となる右側の下端部に向かう光が最も光強度が高いものとなる。これにより、図４に示すように、光射出装置２から射出された光は、指示体を検出可能な光強度で投写面ＳＣの全領域に沿って射出される。

（小レンズの形状）
図６は、第１光学素子３３の一部を示す平面図であり、図３の領域Ａの拡大図である。第１光学素子３３と第２光学素子４３とは仮想中心面Ｐｖに対して対称である。従って、以下に第１光学素子３３に設けられた第１小レンズ３３０の形状を説明し、第２小レンズ４３０の形状については同様であるため、説明を省略する。

図３に示すように、第１小レンズ３３０は凸面状であり、第１入射面３３Ｎに沿って並んでいる。第１小レンズ３３０は、図６に示すように、積層方向Ｖに沿う中心軸３３１を通り、第１平面３３Ｓに直交するレンズ中心面３３２に対して非対称の非球面状である。すなわち、第１小レンズ３３０は、レンズ中心面３３２に対して仮想中心面Ｐｖ側となる第１面３３３、およびレンズ中心面３３２に対して第１面３３３とは反対側の第２面３３４を有し、第１面３３３と第２面３３４とは、非対称な形状である。第１面３３３および第２面３３４の形状は、投写面ＳＣに沿う方向の光強度分布の偏りが抑制される形状である。また、以下に説明するように、第１小レンズ３３０は、隣り合う第１小レンズ３３０とのつなぎ目３３５に、第１コリメーター３２から出射した第１光Ｅ１が入射しない形状である。本明細書において、隣り合う第１小レンズ３３０のつなぎ目３３５とは、製造上、レンズ形状にダレや突起が生じた部分を意味する。

第１小レンズ３３０において、第１光Ｅ１の入射方向（すなわち、第１光軸３Ａの方向）と同一方向に延びる第１接線Ｆ１と第１小レンズ３３０とが接する第１接点Ｃ１は、第２面３３４に位置する。第２面３３４は、第１接点Ｃ１に対してつなぎ目３３５の側（すなわち、レンズ頂点とは反対側）となる第１領域３３４ａ、および、第１接点Ｃ１に対してつなぎ目３３５とは反対側（すなわち、レンズ頂点側）の第２領域３３４ｂを備える。本実施形態の第１小レンズ３３０は、レンズ中心面３３２からつなぎ目３３５の側に向かうに従って、第１入射面３３Ｎに対する第２面３３４の接線の成す角度が増大する形状である。そのため、第２面３３４の第１領域３３４ａおよびつなぎ目３３５は、第１光Ｅ１と同一方向に延びる第１接線Ｆ１に対して第１平面３３Ｓ側に凹んだ形状となっている。

このように、第１小レンズ３３０は、第２面３３４の第１領域３３４ａおよびつなぎ目３３５が、第１接線Ｆ１に対して凹んだ形状であるため、第１光Ｅ１が第１小レンズ３３０に入射したとき、第１領域３３４ａおよびつなぎ目３３５は、第２面３３４の第２領域３３４ｂによって第１光Ｅ１から遮蔽される。そのため、第１領域３３４ａおよびつなぎ目３３５に第１光Ｅ１が入射することはない。

第１小レンズ３３０は、第１入射面３３Ｎに対する第１小レンズ３３０の接線Ｆの成す角度の最大値θｍａｘが、第１入射面３３Ｎに対する第１光Ｅ１の成す角度θ０よりも大きい形状である。図６に示すように、第１入射面３３Ｎに対する第１光Ｅ１の成す角度θ０は、第１入射面３３Ｎに対する第１接線Ｆ１の成す角度であり、第１接点Ｃ１を通り第１入射面３３Ｎと平行な面と第１接線Ｆ１との成す角度である。また、上記のように、第１小レンズ３３０は、レンズ中心面３３２からつなぎ目３３５の側に向かうに従って第１入射面３３Ｎに対する接線の成す角度が増大する形状である。従って、第１入射面３３Ｎに対する第１小レンズ３３０の接線の成す角度は、第２面３３４とつなぎ目３３５との境界３３６が接点となる場合において最大値θｍａｘとなる。

本実施形態では、第１入射面３３Ｎに対する第１小レンズ３３０の接線Ｆの成す角度の最大値θｍａｘを、第１入射面３３Ｎに対する第１光Ｅ１の成す角度θ０よりも大きくしたことによって、第１小レンズ３３０の第１領域３３４ａおよびつなぎ目３３５が、第１接線Ｆ１に対して凹んだ位置にある形状となり、つなぎ目３３５に第１光Ｅ１が入射しない形状が実現されている。

なお、第１小レンズ３３０は、少なくともつなぎ目３３５に第１光Ｅ１が入射しなければよく、そのためには、少なくともつなぎ目３３５が第１接線Ｆ１に対して凹んだ位置にある形状であればよい。

本実施形態の第１小レンズ３３０は、第１光Ｅ１の入射方向に延びる第１接線Ｆ１との接点である第１接点Ｃ１が、第１小レンズ３３０の第２面３３４に位置する。このような場合には、つなぎ目３３５に第１光Ｅ１を入射させない条件は、第１入射面３３Ｎに対する第２面３３４の接線の成す角度の最大値を最大値θｍａｘとして、最大値θｍａｘ＞角度θ０の関係式を満たすように、第２面３３４の形状を設定することである。但し、第２面３３４の形状は、レンズ中心面３３２からつなぎ目３３５の側に向かうに従って第１入射面３３Ｎに対する第２面３３４の接線の成す角度が増大する形状であるものとする。

また、本実施形態の第１小レンズ３３０は、第１接点Ｃ１に対してつなぎ目３３５側の領域である第１領域３３４ａにおいて、第１入射面３３Ｎに対する第１小レンズ３３０の接線の成す角度が、第１入射面３３Ｎに対する第１光Ｅ１の成す角度θ０よりも大きい形状である。これにより、第１領域３３４ａおよびつなぎ目３３５の全領域が第１接線Ｆ１に対して凹んだ形状となる。

第１光学素子３３において、複数の第１小レンズ３３０は、大きさがランダム化されており、複数の大きさのものを含んでいる。大きさが異なる第１小レンズ３３０は、断面を相似形とし、その大きさに関わらず、最大値θｍａｘ＞角度θ０の条件を満たす形状である。第１光射出部３は、第１光学素子３３が大きさの異なる複数の第１小レンズ３３０を有しているため、第１小レンズ３３０をアレイ化したことによる干渉縞が低減されている。すなわち、第１小レンズ３３０が同じ大きさで形成されている場合には、各第１小レンズ３３０から射出された光は、位相差によって波同士で強め合うところと、打ち消し合うところとが規則的に交互に現れ、光の明暗、すなわち干渉縞が発生する。本実施形態の第１光学素子３３は、第１小レンズ３３０の大きさをランダム化させることによって、干渉縞を低減させている。

一方、複数の第１小レンズ３３０の大きさをランダム化したことに起因して光強度にばらつきが生じ、回折ノイズが増幅されるが、本実施形態では、隣り合う第１小レンズ３３０のつなぎ目３３５に第１光Ｅ１が入射しないレンズ形状を採用しているため、回折ノイズが低減されている。従って、第１光射出部３は、干渉縞および回折ノイズが抑制された光を射出する。また、第２光射出部４は、同様の構成により、干渉縞および回折ノイズが抑制された光を射出する。

（つなぎ目の形状によるノイズ低減効果のシミュレーション）
図７は、小レンズのつなぎ目にダレがない光学素子から射出される光の強度分布をシミュレーションした結果を示すグラフである。また、図８は、小レンズのつなぎ目にダレがある光学素子から射出される光の強度分布をシミュレーションした結果を示すグラフであり、図９は小レンズのつなぎ目に突起がある光学素子から射出される光の強度分布をシミュレーションした結果を示すグラフである。図８、図９のシミュレーションにおいて、ダレ幅および突起幅は、いずれも２０μｍである。図７〜図９は、仮想中心面Ｐｖ（図３参照）に対する角度と、光強度（ｍＷ／ｄｅｇ）との関係を示す図であり、破線は必要強度の理論値を示し、実線はシミュレーション結果を示す。

図７〜図９によれば、つなぎ目にダレがある光学素子、および、つなぎ目に突起がある光学素子は、いずれも、回折ノイズ（強度分布のばらつき）が大きく、ダレがない光学素子の強度分布のばらつきの倍以上であった。従って、つなぎ目に光を入射させないレンズ形状を採用することによって、回折ノイズが大幅に低減されることがわかる。

（本形態の主な作用効果）
以上のように、本実施形態の光射出装置２は、第１光射出部３および第２光射出部４を備えており、第１光射出部３は、光を射出する第１光源３１と、第１光源３１から射出された光を第１光軸３Ａに対して略平行化する第１コリメーター３２と、第１コリメーター３２から射出された第１光Ｅ１を、第１光軸３Ａと異なる第１方向である左右方向Ｘについて広角化する複数の第１小レンズ３３０が形成された第１光学素子３３を備える。また、第２光射出部４は、光を射出する第２光源４１と、第２光源４１から射出された光を第２光軸４Ａに対して略平行化する第２コリメーター４２と、第２コリメーター４２から射出された第２光Ｅ２を、第２光軸４Ａと異なる第１方向である左右方向Ｘについて広角化する複数の第２小レンズ４３０が形成された第２光学素子４３を備える。第１小レンズ３３０は、第１小レンズ３３０が形成された第１入射面３３Ｎに対する第１小レンズ３３０の接線の成す角度の最大値θｍａｘが、第１入射面３３Ｎに対する第１光Ｅ１の成す角度θ０よりも大きい形状であり、第２小レンズ４３０についても、同様の形状である。すなわち、第２入射面４３Ｎに対する第２小レンズ４３０の接線の成す角度の最大値が、第２入射面４３Ｎに対する第２光Ｅ２の成す角よりも大きい形状である。

本実施形態の第１光学素子３３は、第１入射面３３Ｎに設けられた第１小レンズ３３０が上記の形状であり、その結果、隣り合う第１小レンズ３３０のつなぎ目３３５が第１光Ｅ１と同一方向に延びる第１接線Ｆ１に対して凹んだ形状となっている。従って、第１光学素子３３は、隣り合う第１小レンズ３３０のつなぎ目３３５に第１光Ｅ１が入射することがないので、レンズのダレ部分に光が入射することに起因する回折ノイズを低減させることができる。これにより、第１小レンズ３３０の大きさをランダム化したことによって干渉縞を低減させると共に、ランダム化に起因する回折ノイズの増大を抑制できる。よって、干渉縞および回折ノイズが低減された光を射出することが可能な第１光学素子３３が実現される。また、第２光学素子４３についても同様に、干渉縞および回折ノイズが低減された光を射出することが可能である。

本実施形態では、このような第１光学素子３３および第２光学素子４３を用いることによって、干渉縞および回折ノイズが低減された光を射出することが可能な光射出装置２が実現される。これにより、本実施形態の画像表示システム１００は、ペン１０などの指示体からの反射光ＲＬから指示体の位置を検出する際の検出精度を増大させることができる。また、指示体を検出可能な領域を増大させることができる。

本実施形態の第１小レンズ３３０は、第１光Ｅ１の入射方向に延びる第１接線Ｆ１との接点である第１接点Ｃ１に対してつなぎ目３３５側の領域である第１領域３３４ａにおいて、第１入射面３３Ｎに対する第１小レンズ３３０の接線の成す角度が、第１入射面３３Ｎに対する第１光Ｅ１の成す角度θ０よりも大きい形状である。これにより、第１領域３３４ａおよびつなぎ目３３５の全領域が第１接線Ｆ１に対して凹んだ形状となり、つなぎ目３３５に第１光Ｅ１が入射することはない。よって、第１光射出部３から、干渉縞および回折ノイズが低減された光を射出することができる。また、第２小レンズ４３０についても同様の形状であるため、第２光射出部４から、干渉縞および回折ノイズが低減された光を射出することができる。

本実施形態では、第１光軸３Ａと第２光軸４Ａとが第１光学素子３３および第２光学素子４３の光路前段で交差する。従って、光射出装置２は、光射出装置２近傍の領域に十分な光強度の光を射出することが可能となるため、光射出装置２が投写面ＳＣ近くに配置された場合であっても、投写面ＳＣにおける光射出装置２近傍の領域においても、指示体を検出可能な光強度の光を射出することができる。

本実施形態では、第１光射出部３および第２光射出部４は、パウエルレンズからなる第１小レンズ３３０および第２小レンズ４３０をアレイ化したレンズアレイを備えている。このように、パウエルレンズをアレイ化することによって、隣り合う第１小レンズ３３０および第２小レンズ４３０によって広角化された光が重畳される。従って、第１光源３１と第１光学素子３３との位置精度の低下、および、第２光源４１と第２光学素子４３との位置精度の低下があっても、投写面ＳＣに沿う方向の光の強度分布の偏りを抑制することができる。よって、第１光源３１と第１光学素子３３との位置合わせ精度の緩和、および、第２光源４１と第２光学素子４３との位置合わせ精度の緩和が可能となる。

本実施形態では、複数の第１小レンズ３３０は、大きさがランダム化されており、複数のサイズの第１小レンズ３３０を含んでいる。これにより、第１小レンズ３３０から射出された光に発生する干渉縞を低減させることができる。また、第２小レンズ４３０についても同様の構成であり、複数の第２小レンズ４３０は、大きさがランダム化されており、複数のサイズの第２小レンズ４３０を含んでいる。従って、第２小レンズ４３０から射出された光に発生する干渉縞を低減させることができる。

本実施形態の光射出装置２は、第１光学素子３３および第２光学素子４３の下流側に設けられた曲面形状のカバーレンズ２２を備える。カバーレンズ２２を曲面形状にすることによって、第１光射出部３および第２光射出部４から出射される光がカバーレンズ２２へ入射する際の入射角度を小さくすることができる。従って、界面反射による光のロスを低減させることができる。

本実施形態では、左右方向Ｘに略平行な回転軸線である第１軸Ｌを中心としてカバーレンズ２２が回転可能に支持されている。これにより、カバーレンズ２２の取付角度を適正な角度に調整することができる。

［変形例１］
図１０は、変形例１の光射出装置２Ａの概略構成を示す模式図である。変形例１の光射出装置２Ａは、第１光学素子１３３と第２光学素子１４３が単一の光学素子体に設けられておらず、別体である点を除いて、上記実施形態と同様に構成されている。また、画像表示システムへの適用も上記実施形態の場合と同様である。

変形例１の第１光学素子１３３は、複数の第１小レンズ３３０が形成された第１入射面３３Ｎを備えており、第１小レンズ３３０は、上記実施形態と同様に、隣り合う第１小レンズ３３０のつなぎ目に第１光Ｅ１が入射しない形状である。同様に、第２光学素子１４３は、複数の第２小レンズ４３０が形成された第２入射面４３Ｎを備えており、第２小レンズ４３０は、上記実施形態と同様に、隣り合う第２小レンズ４３０のつなぎ目に第２光Ｅ２が入射しない形状である。従って、上記実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

［変形例２］
図１１は、変形例２の光射出装置２Ｂの概略構成を示す模式図である。変形例２の光射出装置２Ｂは、変形例１と同様に、第１光学素子２３３と第２光学素子２４３が単一の光学素子体に設けられておらず、別体である。また、前後方向Ｙから見た場合に、第１光軸３Ａは、第１コリメーター３２と第１光学素子３３との間の光路上で第２光軸４Ａと交差しないように第１光射出部３と第２光射出部４が構成されている。変形例２の光射出装置２Ｂは、上記２点を除いて、上記実施形態と同様に構成されている。また、画像表示システムへの適用も上記実施形態の場合と同様である。

変形例２の第１光学素子２３３は、複数の第１小レンズ３３０が形成された第１入射面３３Ｎを備えており、第１小レンズ３３０は、上記実施形態と同様に、隣り合う第１小レンズ３３０のつなぎ目に第１光Ｅ１が入射しない形状である。同様に、第２光学素子１４３は、複数の第２小レンズ４３０が形成された第２入射面４３Ｎを備えており、第２小レンズ４３０は、上記実施形態と同様に、隣り合う第２小レンズ４３０のつなぎ目に第２光Ｅ２が入射しない形状である。従って、上記実施形態と同様の作用効果を得ることができる。また、第１光射出部３の光路と第２光射出部４の光路を交差させなくてもよいため、第１光射出部３と第２光射出部４の設計の自由度が増大する。

［他の実施形態］
本発明は、上記実施形態および変形例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。例えば、上記実施形態の画像表示システム１００は、プロジェクター１によって投写面ＳＣに映像光ＧＬを投写するものであったが、投写面ＳＣは画像を表示する表示面であればよい。例えば、液晶ディスプレイや有機ＥＬディスプレイ等の表示面を光射出装置によって形成されるライトカーテンで覆う構成であってもよい。

１…プロジェクター、２、２Ａ、２Ｂ…光射出装置、３…第１光射出部、３Ａ…第１光軸、４…第２光射出部、４Ａ…第２光軸、５…筐体、１０…ペン、１１…投写用光源、１２…光変調装置、１３…投写レンズ、１４…制御部、１５…投写装置、１６…撮像装置、２１…装置本体、２２…カバーレンズ、３１…第１光源、３２…第１コリメーター、３３、１３３、２３３…第１光学素子、３３Ｎ…第１入射面、３３Ｓ…第１平面、３４…光学素子体、４１…第２光源、４２…第２コリメーター、４３、１４３、２４３…第２光学素子、４３Ｎ…第２入射面、４３Ｓ…第２平面、１００…画像表示システム、３３０…第１小レンズ、３３１…中心軸、３３２…レンズ中心面、３３３…第１面、３３４…第２面、３３４ａ…第１領域、３３４ｂ…第２領域、３３５…つなぎ目、３３６…境界、４３０…第２小レンズ、Ｃ１…第１接点、Ｅ１…第１光、Ｅ２…第２光、Ｆ１…第１接線、ＧＬ…映像光、Ｈ…幅方向、Ｌ…第１軸、ＬＣ…ライトカーテン、Ｍ…支持装置、Ｐｖ…仮想中心面、ＲＬ…反射光、ＳＣ…投写面、Ｖ…積層方向、Ｘ…左右方向、Ｙ…前後方向、Ｚ…鉛直方向。

Claims (14)

1. 第１光源と、
   前記第１光源から射出された光を第１光軸に対して略平行化する第１コリメーターと、
   前記第１コリメーターから射出された第１光を、前記第１光軸と異なる第１方向について広角化する複数の第１小レンズが形成された第１入射面を備える第１光学素子と、
   第２光源と、
   前記第２光源から射出された光を第２光軸に対して略平行化する第２コリメーターと、
   前記第２コリメーターから射出された第２光を、前記第２光軸と異なり、且つ、前記第１方向と同一の方向について広角化する複数の第２小レンズが形成された第２入射面を備える第２光学素子と、を備え、
   前記第１小レンズは、前記第１入射面に対する前記第１小レンズの接線の成す角度の最大値が、前記第１入射面に対する前記第１光の成す角度よりも大きい形状であり、
   前記第２小レンズは、前記第２入射面に対する前記第２小レンズの接線の成す角度の最大値が、前記第２入射面に対する前記第２光の成す角よりも大きい形状であることを特徴とする光射出装置。
2. 前記第１小レンズは、前記第１光と同一方向に延びる前記第１小レンズの接線との接点に対して前記第１小レンズのつなぎ目側の領域において、前記第１入射面に対する前記第１小レンズの接線の成す角度が、前記第１入射面に対する前記第１光の成す角度よりも大きい形状であることを特徴とする請求項１に記載の光射出装置。
3. 前記第２小レンズは、前記第２光と同一方向に延びる前記第２小レンズの接線との接点に対して前記第２小レンズのつなぎ目側の領域において、前記第２入射面に対する前記第２小レンズの接線の成す角度が、前記第２入射面に対する前記第２光の成す角度よりも大きい形状であることを特徴とする請求項１または２に記載の光射出装置。
4. 第１光軸と第２光軸を含む面に直交する方向から見た場合に、第１光軸は、第１コリメーターと第１光学素子との間の光路上で第２光軸と交差することを特徴とする請求項１から３の何れか一項に記載の光射出装置。
5. 第１光軸と第２光軸を含む面に直交する方向から見た場合に、第１光軸は、第１コリメーターと第１光学素子との間の光路上で第２光軸と交差しないことを特徴とする請求項１から３の何れか一項に記載の光射出装置。
6. 前記第１小レンズは、パウエルレンズであることを特徴とする請求項１から５の何れか一項に記載の光射出装置。
7. 前記第２小レンズは、パウエルレンズであることを特徴とする請求項１から６の何れか一項に記載の光射出装置。
8. 前記第１光学素子に設けられた前記複数の第１小レンズは、複数のサイズの前記第１小レンズを含むことを特徴とする請求項１から７の何れか一項に記載の光射出装置。
9. 前記第２光学素子に設けられた前記複数の前記第２小レンズは、複数のサイズの前記第２小レンズを含むことを特徴とする請求項１から８の何れか一項に記載の光射出装置。
10. 前記光学素子の下流側に、曲面形状のカバーレンズが設けられていることを特徴とする請求項１から９の何れか一項に記載の光射出装置。
11. 前記カバーレンズは、前記第１方向に略平行な回転軸線を中心として回転可能であることを特徴とする請求項１０に記載の光射出装置。
12. 請求項１から１１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、
    投写面と
    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前記投写面に投写する投写装置と、を備えることを特徴とする画像表示システム。
13. 入射する第１光を、前記第１光の入射方向と異なる第１方向について広角化する複数の小レンズが形成された入射面を備える光学素子であって、
    前記小レンズは、前記入射面に対する前記小レンズの接線の成す角度の最大値が、前記入射面に対する前記第１光の成す角度よりも大きい形状であることを特徴とする光学素子。
14. 前記小レンズは、パウエルレンズであることを特徴とする請求項１３に記載の光学素子。