JP2023542128A - 拡大された照明野を有する投影 - Google Patents

Abstract

光学デバイス（１）は、撮像面（３）上に分配される複数の画像を生成するように設けられた撮像系（２）を備える。光学デバイス（１）はさらに、マイクロレンズが個別画像（４）に割り当てられており、かつ個別画像（４）を投影面（１３）へ向かって投影することにより光ビームのチャネル（１２）を形成するように設けられている、マイクロレンズアレイＭＬＡ（９）を備える。光エキスパンダ（１７）は、ＭＬＡ（９）と投影面（１３）との間に配置されており、かつ入力面（２２）と少なくとも２つの出力面（２３，２６，３３）とを有する。光エキスパンダ（１７）は、個別画像（４）の個別投影（１４）が投影面（１３）上に形成されるよう、光ビームのチャネル（１２）を拡開させて投影面（１３）へ配向するように設けられている。全体投影（１５）は、個別投影（１４）を重ね合わせることにより、投影面（１３）上に形成される。

Description

本開示は、光学デバイス、光学装置、および全体投影を形成する方法に関する。

発明の背景
通常、スクリーンへの動画像の投影は、１つの撮像光学チャネルを有する投影装置を基礎としている。しかし、少なくとも傾斜面または湾曲面へ投影するということになると、このような装置には幾つかの欠点がある。すなわち、傾斜面では、対象物および投影光学系を広範囲に傾斜させないかぎり、鮮明な画像を達成することができない。当該アプローチは、湾曲した投影面では機能しない。さらに、傾斜配置は必要な設置スペースを増大させ、このことは小型化の要求に逆行する。Ｆ値（焦点距離／アパーチャサイズ）の増大の問題は焦点深度の増大によって解決することができるが、こうしたＦ値の増大は、通常、光強度の低下を伴う。

したがって、傾斜面および湾曲面への投影の場合、マイクロレンズアレイ（ＭＬＡ）などのマルチチャネル光学系を使用することが有利である。この場合、複数の個別画像がＭＬＡによりスクリーンへ投影されて重ね合わされる。全体投影の歪みは、個別画像が基本的に同じ画像内容を有するけれども相互に相対的にかつ全体投影に対してディストーション可能であるという事実によって補償することができる。一方、当該アプローチにより、コンパクトな設計が可能となる。なぜなら、マイクロレンズの焦点距離は、通常、シングルチャネル光学系の焦点距離よりも短いからである。他方で、マルチチャネル光学系は、湾曲したもしくは傾斜した投影面での鮮明な投影を実現するためにいずれにせよ必要となる光学焦点深度を有する。

しかしながら、マルチチャネル光学系は、照明野（ＦＯＩ）が比較的制限されているという欠点を有する。ここでの、また以下でのＦＯＩとは、光学系から発する光コーンの幅として定義される。光コーンの半円錐角が大きいほど、スクリーン上の全体投影を大きくすることができる。したがって、より大きな投影を可能にするには、より大きな／より多くのＭＬＡが必要である。しかし、このことはさらに、製造コストの増大、複雑さの増大および大きなアライメント労力につながる。

したがって、達成しようとする目的は、増大された照明野を有する全体投影を形成する光学デバイスを提供することである。さらに、本発明の目的は、増大された照明野を有する全体投影を形成する方法を提供することである。

この目的は各独立請求項の主題によって達成される。光学デバイスの実施形態および発展形態は、各従属請求項として規定されている。

発明の概要
一実施形態では、光学デバイスは、撮像面上に分配される複数の画像を生成するように設けられた撮像系を備える。

撮像面は、画像が生成される面である。撮像系は透過型撮像系であってよい。これは、撮像系が透過モードで動作可能であることを意味する。この場合、撮像系は、例えば、横方向での透過率のバリエーションを示すパターンマスクを有する。横方向とは、撮像面の主延在面に対して平行に延在する方向である。パターンマスクは撮像面上に配置される。パターンマスクは、撮像系によって構成可能な光源によって照明可能である。複数の画像は、パターンマスクを透過する光の部分によって撮像面に生成される。透過型撮像系については、より詳細に後述する。

撮像系は、放出型撮像系であってもよい。この場合、撮像系は、例えば、撮像面に配置された自己発光型ディスプレイを備える。例えば、自己発光型ディスプレイは、複数の発光ダイオード（ＬＥＤ）を備えたディスプレイである。ＬＥＤグループを活性化することによって、複数の画像が撮像面に生成される。

さらに、撮像系は、反射型撮像系であってもよい。この場合、撮像系は、撮像面内に配置された反射構造体を含んでいてよい。反射構造体は、光が当該反射構造体によって反射されるように光源によって照明される。反射光の各部分が撮像面に複数の画像を形成する。

撮像面は、横方向に延在する。画像は、撮像面上の１つもしくは複数の横方向で分配されうる。さらに、画像は、撮像面全体にわたって規則的にもしくは不規則に分配されてよく、このことは、隣接する画像間の距離が一定であってもよいし変化していてもよいことを意味する。画像または少なくとも画像のサブセットは、実質的に同じ内容を有しうる。これらの全てが、全体画像の１つのバージョンを表現することができる。しかし、画像は相互に異なっていてもよい。場合によっては、画像は、相互に相対的にかつ全体画像に対して歪んでいることもある。

光学デバイスはさらに、各マイクロレンズが複数の画像のそれぞれの個別画像に割り当てられたマイクロレンズアレイ（ＭＬＡ）を備えている。

ＭＬＡは、撮像面の主延在面に対して平行な主延在面を有することができる。ＭＬＡは、アレイ状に配置された複数のマイクロレンズを備えている。アレイは、アレイ内のマイクロレンズの位置に関して規則的であっても不規則であってもよい。

好ましい実施形態では、各マイクロレンズが複数の画像のうちの１つの個別画像に割り当てられる。ただし、マイクロレンズのグループを１つの個別画像に割り当てることも可能であり、または各マイクロレンズを個別画像のグループに割り当てることも可能である。

ＭＬＡのマイクロレンズは、それぞれの個別画像を投影面へ向かって投影することにより、それぞれの光ビームのチャネルを形成するように設けられている。

投影面は、個別画像の投影が生成される面である。投影面は、撮像面の主延在面に対して平行でありうる主延在面を有する。なお、好ましい実施形態では、投影面は撮像面に対して傾斜している。また、投影面が平坦な面ではなく自由曲面であることも可能である。

それぞれの個別画像に割り当てられているマイクロレンズは、当該個別画像の各点を投影面へ向かって投影する。これは、画像の各点が光ビームにより投影面へ向かって投影されることを意味する。したがって、投影された個別画像は、光ビームのチャネルを形成する。

光学デバイスは、ＭＬＡと投影面との間に配置された光エキスパンダをさらに備える。光エキスパンダは、ＭＬＡに面する入力面と投影面に面する少なくとも２つの出力面とを有する。

光エキスパンダは、関心波長範囲の光に対して透明である材料を含むことができる。ここでおよび以下に言及する「透明である」とは、少なくとも８０％または少なくとも９０％の透明度をいうものとする。例えば、光エキスパンダはガラスを含む。別の実施形態では、光エキスパンダは、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、シリコーン、またはエポキシなどのプラスチックを含む。

光エキスパンダは、ＭＬＡから到来する光ビームのチャネルが光エキスパンダを通過してから投影面に到達するように、ＭＬＡと投影面との間に配置されている。光エキスパンダの入力面はＭＬＡに面しており、光ビームのチャネルを受容する。入力面は、ＭＬＡの主延在面に対して平行であってよい。ただし、光エキスパンダの入力面をＭＬＡに対して傾斜させることも可能である。光エキスパンダの少なくとも２つの出力面は、投影面に面する。当該出力面は、入力面に対して平行であってもよいし傾斜していてもよい。当該出力面は、光エキスパンダを通過した光ビームのチャネルを投影面へ配向することができる。

光エキスパンダは、投影面へ配向された光ビームのチャネルによって個別画像の個別投影が投影面上に形成されるよう、光ビームのチャネルを拡開させて投影面へ配向するように設けられている。

これは、光エキスパンダが光ビームのチャネルによって形成される照明野を拡大することを意味する。換言すれば、光エキスパンダは、光ビームのチャネルを光学デバイスの光軸からさらに離れる方向へ配向するために設けられている。

光ビームのチャネルは、投影面へ配向され、個別画像の個別投影を形成する。これは、各個別画像が投影面上に個別投影を生じさせることを意味する。各個別投影はオーバーラップしていてよい。ただし、少なくとも幾つかの個別投影が相互に分離されていてもよい。

個別投影を少なくとも部分的に重ね合わせることによって、全体投影が投影面上に形成される。

投影面へ配向されて投影される個別画像の少なくとも幾つかの点は、全体投影のそれぞれ共通の点として重ね合わされる。ただし、相互に共通の点を共有しないという意味で、少なくとも別の個別投影に重ね合わされていない少なくとも１つの個別投影が存在してもよい。１つの個別投影の幾つかの点のみを別の個別投影の別の幾つかの点と重ね合わせることも可能である。

この実施形態の利点は、光学デバイスが小さな寸法を有しうることである。マイクロレンズが個別画像に割り当てられるため、撮像面と投影光学系すなわちＭＬＡとの間の距離を短縮することができる。これは、ＭＬＡの各マイクロレンズが従来の投影光学系と比較して小さな焦点距離を有するからである。したがって、設置長さを短縮することができ、このことがシステムの小型化につながる。マイクロレンズの焦点距離によって光学デバイスの全長は短縮されるが、複数のマイクロレンズにより画像輝度の比例増大は保証される。

別の利点は、光学デバイスを使用して、傾斜面上、湾曲面上または自由曲面上に全体投影を生成できることである。これは、全体投影におけるそれぞれ共通の点にそれぞれ重ね合わされる個別画像内の点の組み合わせを、ＭＬＡからの全体投影におけるそれぞれ共通の点の距離に応じて異ならせるように、撮像系を設計できるからである。換言すれば、投影面が傾斜している場合、各個別画像は依然として実質的に同じ内容を有しうるものであるが、各個別画像を異なる形式で実現することにより、全体投影の歪みを補償することができる。これは、個別画像が相互に相対的に歪みを受けうることを意味する。

光エキスパンダを使用することによって、有利にはＦＯＩを拡大することができる。光エキスパンダを用いない場合、ＭＬＡによってＦＯＩが制限され、全体投影の寸法がＦＯＩに依存することになる。このようなシステムでは、光コーンは約１０．５°の半円錐角を有する。光エキスパンダによって光ビームのチャネルを拡開することにより、例えば、半円錐角を３０°まで増大させることができる。したがって、より広い全体投影を実現することができる。光エキスパンダは全体投影の変形を引き起こすが、この変形は個別画像を適切に設計することによって補償することができる。したがって、光エキスパンダの使用は、光ビームの種々のチャネルを使用するＭＬＡ用途に特に適している。有利には、光エキスパンダをきわめて高い費用対効果で製造することができる。材料としてプラスチックが使用される場合、光エキスパンダは従来の成形技術によって製造可能である。

光学デバイスの幾つかの実施形態においては、光エキスパンダは、入力面が撮像面に対して平行であり、かつＭＬＡから到来する光ビームのチャネルを受容するように配置されている。

入力面とＭＬＡとは、光ビームの全てのチャネルが入力面によって受容されるように相互にアライメント可能である。したがって、入力面の横方向延在長さは、ＭＬＡの横方向延在長さと等しいかまたはそれ以上とすることができる。ＭＬＡと入力面とは離間されていてよい。有利には、光ビームの全てのチャネルが光エキスパンダによって受容されて再配向されるよう、光エキスパンダをＭＬＡに正対するように取り付けることができる。

幾つかの実施形態では、光エキスパンダは、光エキスパンダの第１の出力面が光ビームのチャネルの第１のサブセットを投影面の第１の部分領域へ配向するように設けられ、かつ光エキスパンダの第２の出力面が光ビームのチャネルの第２のサブセットを投影面の第２の部分領域へ配向するように設けられるように配置されている。

入力面によって受容された光ビームのチャネルは、光エキスパンダを通って伝搬し、その出力面で光エキスパンダから出る。光ビームのチャネルは出力面で解放され、これにより、光ビームのチャネルはさらに投影面へ向かって伝搬することができる。これは、第１の出力面と第２の出力面とが光ビームのチャネルの第１のサブセットと第２のサブセットとをそれぞれ異なる方向へ偏向させることを意味しうる。偏向は、例えば反射、屈折または回折によって生じさせることができる。なお、光ビームのチャネルの偏向は、入力面でまたは光エキスパンダ内で生じさせることもできる。

投影面の第１の部分領域と第２の部分領域とは相互に異なっていてよい。これは、第１の部分領域と第２の部分領域とを投影面において相互に空間的に分離できることを意味する。ただし、第１の部分領域と第２の部分領域とは少なくとも部分的にオーバーラップしていてもよい。第１の部分領域は、光エキスパンダから見て、第２の部分領域とは異なる方向にあってよい。有利には、第１の出力面と第２の出力面とは、光ビームのチャネルのそれぞれ異なるサブセットをそれぞれ異なる方向へ配向できるように配置可能である。

幾つかの実施形態では、光エキスパンダは、光ビームのチャネルの別のサブセットを投影面の別の部分領域へ配向するように設けられた少なくとも１つの別の出力面を有する。

出力面の数に応じて、光ビームのチャネルの２つ以上の別のサブセットおよび投影面の２つ以上の別の部分領域を設けることができる。幾つかの実施形態では、それぞれ異なる出力面が光ビームのチャネルのそれぞれ異なるサブセットを投影面の同じ部分領域へ配向するように設けられる。

上述したように、このことは、少なくとも１つの別の出力面が光ビームのチャネルの別のサブセットを別の方向へ偏向させることを意味しうる。偏向は、例えば反射、屈折または回折によって生じさせることができる。なお、光ビームのチャネルの別のサブセットの偏向は、入力面で既に、または光エキスパンダ内で生じさせることもできる。

投影面の別の部分領域を、第１の部分領域および第２の部分領域とは異ならせることができる。これは、当該別の部分領域を他の部分領域から空間的に分離できることを意味する。ただし、当該別の部分領域が少なくとも部分的に他の部分領域とオーバーラップしていてもよい。当該別の部分領域は、光エキスパンダから見て、他の部分領域とは異なる方向にあってよい。有利には、第１の出力面と第２の出力面とは、光ビームのチャネルの異なるサブセットを異なる方向へ配向できるように配置可能である。

幾つかの実施形態では、光エキスパンダの各出力面のうちの少なくとも１つは、それぞれの出力面での光ビーム屈折によって光ビームのチャネルのそれぞれのサブセットを配向するように設けられている。

光ビーム屈折はスネルの法則に従って生じる。スネルの法則とは、入射角と屈折角との正弦比が２つの関心媒質中での位相速度の比に等しいかまたは当該２つの媒質の屈折率の比の逆数に等しいことを述べたものである。この場合、第１の媒質は、光エキスパンダに使用される材料、例えばガラスである。第２の媒質は、環境、例えば空気である。入射角と屈折角とは、それぞれの出力面の傾斜に依存している。有利には、光ビームのチャネルのサブセットを特定の方向へ向ける配向を、光ビーム屈折によって効率的に実行することができる。

幾つかの実施形態では、光エキスパンダは、光ビームのチャネルのサブセットの少なくとも１つが光エキスパンダのセクション内で偏向されるように光エキスパンダのセクション内での光ビームの内部全反射を可能にする、別の面を含む。

一般に、第２の（「外部」）媒質が波に対して透過性を有しかつこの波が第１の（「内部」）媒質よりも速く進行する場合、一方の媒質内の波が他方の媒質との境界に十分な傾斜角で到達すれば、内部全反射（ＴＩＲ）が発生する。これは、入射角が全反射の臨界角と称される所定の値を超えた場合に、伝搬速度の異なる２つの非吸収性媒質の界面でＴＩＲが発生することを意味する。この場合、波はもはや第２の媒質へは進入せず、ほぼ完全に第１の媒質内へ反射される。

この場合、波とは、可視波長範囲の電磁波、すなわち光である。臨界角はスネルの法則を使用してθ_ｃ＝ａｒｃｓｉｎ（ｎ_２／ｎ_１）として決定され、ここで、ｎ_２は第２の媒質（例えば空気）の屈折率であり、ｎ_１は第１の媒質（例えば光エキスパンダの材料、ガラス）の屈折率である。ＴＩＲを発生させるために、第１の媒質（光エキスパンダの材料）の屈折率を第２の媒質（例えば空気）の屈折率より大きくすることができる。さらに、光ビームのチャネルの伝搬に対する光エキスパンダの別の面の傾斜を、入射角が臨界角を超えるように定めることができる。

光エキスパンダは、光ビームのＴＩＲが可能となる２つ以上の別の面を含むことができる。これは、光ビームがＴＩＲによって光エキスパンダ内で複数回偏向されうることを意味する。このことはさらに、光ビームのチャネルが光エキスパンダ内で光エキスパンダのそれぞれの出力面へ向かって導波されることを意味する。ＴＩＲによって光ビームのチャネルは偏向され、これにより光ビームの伝搬方向が変化する。有利には、光ビームのチャネルのサブセットを特定の方向へ向ける配向を、ＴＩＲによって効率的に行うことができる。このようにして、光ビームのチャネルのそれぞれのサブセットの方向を、出力面での光ビーム屈折の場合よりもさらに大きく発散させることができる。

幾つかの実施形態では、光エキスパンダの各出力面のうちの少なくとも１つが、光エキスパンダの入力面に対して傾斜している。

これは、少なくとも１つの出力面の法線ベクトルが入力面の法線ベクトルに対して平行でないことを意味する。ただし、光エキスパンダの入力面に対して平行な少なくとも１つの出力面が存在してもよい。有利には、光エキスパンダの入力面に対して少なくとも１つの出力面を傾斜させることによって、光ビームのチャネルのサブセットが配向される方向を制御することができる。

幾つかの実施形態では、光エキスパンダの各出力面のうちの少なくとも２つが相互に相対的に傾斜している。

これは、少なくとも１つの出力面の法線ベクトルが別の出力面の法線ベクトルに対して平行でないことを意味する。ただし、光エキスパンダの別の出力面に対して平行な少なくとも１つの出力面が存在してもよい。有利には、少なくとも２つの出力面を相互に相対的に傾斜させることによって、光ビームのチャネルのサブセットが配向される方向を独立して制御することができる。

幾つかの実施形態では、光エキスパンダは、投影面での全体投影が投影面の複数の部分領域のうちの１つにおける個別投影よりも大きくなるよう、照明野ＦＯＩを拡大するために設けられている。

上述したように、ＦＯＩは、投影光学系から発せられ、投影面へ向かって延びる光コーンの幅によって規定される。光コーンが幅広であるほど、投影面への全体投影を大きくすることができる。光エキスパンダは、光ビームのチャネルを拡開することによってＦＯＩを拡大する。すなわち、光ビームのチャネルの第１のサブセットが投影面の第１の部分領域へ配向される一方、光ビームのチャネルの第２のサブセットが光ビームのチャネルの第２の部分領域へ配向される。第１の部分領域と第２の部分領域とは異なる方向であってよいことに留意されたい。したがって、全体投影は、個別投影のそれぞれよりも大きい。換言すれば、個別投影は投影面の各部分領域のみをカバーすることができるのに対し、全体投影は部分領域の総体をカバーする。

上述したように、光エキスパンダを有さない従来の装置においては、ＦＯＩが制限されている。このようなシステムでは、光コーンは約１０．５°の半円錐角を有する。光エキスパンダによって光ビームのチャネルを拡開することにより、例えば開口角を３０°まで増大させることができる。

幾つかの実施形態では、撮像系は、撮像面に配置され、かつ撮像面上に分配される個別画像を提供する、パターンマスクを含む。

パターンマスクは、自己発光型、透過型または反射型であってよい。パターンマスクが自己発光型である場合、ＬＥＤのような光源のアレイを含むことができる。第１のグループの光源をアクティブ化することによって第１のパターンが生成され、この第１のパターンは、複数の画像のうちの第１の個別画像を形成する。同様に、第１のグループの光源から離れて配置された第２のグループの光源をアクティブ化することによって、第２の個別画像を形成する第２のパターンが生成される。パターンマスクは、複数の光源のグループを含むことができる。パターンマスク上の光源のグループの分布は、撮像面上の個別画像の分布に対応する。

パターンマスクが反射型である場合、このパターンマスクは反射構造体を含むことができる。反射構造体は、光が反射構造体によって反射されるよう、パターンマスクの前面から少なくとも１つの光源によって照明される。パターンマスクの前面は、ＭＬＡに面する。反射光の一部が複数の画像を形成する。

パターンマスクが透過型である場合、これは横方向での透過率のバリエーションを示している。パターンマスクは、少なくとも１つの光源によって照明可能であり、少なくとも１つの光源は、撮像系によって構成可能である。光源は、パターンマスクの後側からパターンマスクを照明することができ、これは、パターンマスクが光源とＭＬＡとの間に配置されることを意味する。複数の画像は、パターンマスクを透過する光の部分によって、撮像面に生成される。個別画像は、バイナリコードで実現されてもよいし、グレースケールで実現されてもよいし、カラーコードで実現されてもよい。パターンマスクの透過部分は、光スペクトル全体に対して透過性を有することができる。しかし、パターンマスクの種々の透過性部分が特定の波長範囲の光、例えば赤色、緑色または青色の波長範囲の光を透過させることも可能である。パターンマスクのそれぞれの透過性部分が特定の波長範囲に対してその透過率を変化させうることも同様に可能である。

パターンマスクは、フォトリソグラフィプロセスによりパターニングされたクロム層を有しうる。パターンマスクが後側から照明される場合、クロム層によって光が阻止され、クロム層が除去されたパターンマスクの部分を光が透過する。したがって、透過光により複数のパターンが生成され、各パターンが個別画像を形成する。パターンまたは個別画像は、それぞれ、撮像面上に分配されるように相互に空間的に分離される。個別画像は、アナログ形式で生成されてもよいし、連続形式で生成されてもよいし、ピクセル形式で生成されてもよい。

パターンマスク、特に透過型パターンマスクにより、複数の画像／パターンを効果的に生成することができる。パターンマスクは、特定の用途の要求に応じて調整することができる。例えば、特定の全体投影が所望される場合、パターンマスク側へ遡ることでパターンマスク上の個別画像の特徴を計算することができる。

幾つかの実施形態では、撮像系は、複数の画像を表示するように設けられた光源を含む。

幾つかのさらなる実施形態では、複数の光源が設けられる。上述したように、１つもしくは複数の光源は、（自己発光放出型撮像系の場合）パターンマスク上に、または（反射型撮像系の場合）パターンマスクに正対するように、または（透過型撮像系の場合）パターンマスクの後側に配置されうる。有利には、光源は、波長スペクトル全体において光を放出することができる。ただし、単色光を放出する光源も可能である。複数の光源が使用される場合、各光源は、例えば、フルＲＧＢスペクトルが放出されるように、特定の波長範囲の光を放出することができる。

幾つかの実施形態では、撮像系はさらに、コリメータレンズおよび／またはコンデンサレンズもしくはコンデンサレンズアレイを備えており、コリメータレンズおよびコンデンサレンズもしくはコンデンサレンズアレイは、光源のビーム路を形成するように設けられている。

コリメータレンズは、光源と撮像面との間に配置することができる。有利には、コリメータレンズは、発散性光源からのほぼ平行なビーム路で光を生成するために使用される。これは、コリメータレンズが光に所定の方向を与えられることを意味する。

コンデンサレンズもしくはコンデンサレンズアレイは、コリメータレンズと撮像面との間に配置することができる。有利には、コンデンサレンズもしくはコンデンサレンズアレイは、光源の光を最大限の量で撮像ビーム路へ導入することができ、各個別画像が均一に照明されることを保証する。

幾つかの実施形態では、ＭＬＡはさらに、主延在面が撮像面に対して平行であり、撮像面に面する後側と光エキスパンダに面する前側とを有する、基板を含む。ＭＬＡのマイクロレンズは、基板の前面に配置されている。

基材は、ガラスなどの透明材料を含みうる。ＭＬＡのマイクロレンズは、基板に直接に接触していてよい。パターンマスクが使用される場合、パターンマスクの前側が基板の後側に直接に接触するように、基板の後側にパターンマスクを配置することができる。基板の厚さは、マイクロレンズの焦点距離に応じて選択することができる。これは、マイクロレンズから撮像面／パターンマスクまでの距離がマイクロレンズの焦点距離にほぼ対応しうることを意味する。

コンデンサレンズアレイが使用される場合、コンデンサレンズアレイがパターンマスクの後側に直接に接触するように、コンデンサレンズアレイをパターンマスクの後側に配置することが可能である。

有利には、光学デバイスの製造は、両面から基板を処理することによって容易となる。これにより、光学デバイスをコンパクト化できると共に、システム全体の寸法を低減することができる。

幾つかの実施形態では、投影面が撮像面に対して傾斜しているか、または投影面が自由曲面である。

しかし、別の実施形態では、投影面は撮像面に対して平行である。投影面は、光学デバイスに含まれるスクリーンであってよい。投影面が光学デバイスの一部ではない壁または床によって形成されることも同様に可能である。

有利には、光学デバイスは、任意の所望の投影面に対して適応化可能である。ＭＬＡによるマルチチャネル投影により、個別投影の焦点深度の増大を達成することができる。したがって、個別投影に関しては、投影面がＭＬＡに対して横方向で可変の距離を有するならば、基本的に問題は生じない。

さらに、光学装置であって、光学デバイスを含み、特に照明装置またはプロジェクタである光学装置が提供される。

特に、光学装置は、広いＦＯＩが必要とされる任意の照明モジュールおよび投影システムに使用することができる。当該光学装置は、例えば、ウェルカムライトカーペット（ＷＬＣ）、室内天井ライトまたはワイドビューヘッドライトなどの自動車用途に使用可能である。ＷＬＣの場合には、ＷＬＣが自動車のドアラインに対して垂直に投影されることが望ましい。したがって、ＷＬＣをドアの近傍に配置できるようにするために、ＷＬＣにはより大きなＦＯＩが必要である。しかし、当該光学装置は、家庭用の用途、例えば天井光投影にも使用可能である。光学装置を、例えばキーボード投影のためにモバイルデバイスおよびスマートデバイスで使用することも可能である。

課題はさらに、全体投影を形成する方法によっても解決される。方法は、撮像面上に分配される複数の画像を生成することを含む。

方法はさらに、マイクロレンズアレイＭＬＡのマイクロレンズを複数の画像のそれぞれの個別画像に割り当て、それぞれの個別画像を投影面へ向かって投影することにより光ビームのそれぞれのチャネルを形成することを含む。

方法はさらに、光エキスパンダを用意して、ＭＬＡと投影面との間に光エキスパンダを配置することを含み、光エキスパンダは、ＭＬＡに面する入力面と投影面に面する少なくとも２つの出力面とを有し、かつ光ビームのチャネルを拡開させて投影面へ配向する。

方法はさらに、投影面へ配向された光ビームのチャネルにより投影面上に個別画像の個別投影を形成することと、個別投影を少なくとも部分的に重ね合わせることとを含む。

有利には、全体投影は、傾斜面上、湾曲面上または自由曲面上に生成されうる。さらに、光エキスパンダを使用することによって、有利にはＦＯＩを拡大することができる。これにより、より広い全体投影を実現することができる。

方法のさらなる実施形態は、上述したピクセル配置の実施形態から当業者である読者に明らかとなる。

図についての以下の説明は、例示的な実施形態をさらに例示し説明するものでありうる。機能的に同種の構成要素または同様の作用を有する構成要素は同一の符号によって示している。同一のまたは実質的に同一の構成要素は、それが最初に現れる図に関してのみ説明したところがあり、その説明は必ずしも後続の図において繰り返していない。

光学デバイスの一例を示す断面図である。 図１の例によるパターンマスクを示す上面図である。 図１の例による傾斜面での全体投影を示す図である。 光学デバイスの一実施形態を示す断面図である。 図４の実施形態によるパターンマスクを示す上面図である。 図４の実施形態による傾斜面での全体投影を示す図である。 光学デバイスの別の実施形態を示す断面図である。 図７の実施形態によるパターンマスクを示す上面図である。 図７の実施形態による傾斜面での全体投影を示す図である。 光学デバイスの別の実施形態を示す断面図である。 光学デバイスの別の実施形態を示す断面図である。 ａ～ｃ共に、一実施形態による例示的な投影面を示す概略図である。

詳細な説明
図１には、従来の例示的な光学デバイス１の断面図が示されている。図１の光学デバイス１は、撮像面３上に分配される複数の画像を生成する撮像系２を備えている。図１は小さな矢印で示されている３つの個別画像４を示しているが、個数は単なる例示に過ぎない。

示されているように、複数の画像は、撮像面３に配置された透過型パターンマスク５によって生成可能である。パターンマスク５は光源４０（図示せず）によって照明され、コリメートされた光ビーム６が後側７からパターンマスク５に当たる。

光学デバイス１は、さらに、マイクロレンズアレイ（ＭＬＡ）９の複数のマイクロレンズ８を有する。図１には、個別画像４の数に対応する３つのマイクロレンズ８が示されている。一般的には、個別画像４の数は、マイクロレンズ８の数と一致していてよい。パターンマスク５、ひいては撮像面３も、光源４０とＭＬＡ９との間に配置されている。

各マイクロレンズ８は、複数の画像のうちのそれぞれ１つの個別画像４に割り当てられている。マイクロレンズ８はそれぞれ破線で示された光軸１０を有しており、この光軸１０は個別画像４に対してオフセット１１を有しうる。割り当てられた個別画像４に対して生じるマイクロレンズ８の偏心は、投影距離に関連する。

各マイクロレンズ８は、それぞれの個別画像４を投影面１３上に投影することにより光ビームのそれぞれのチャネル１２を形成するように配置されている。したがって、個別投影１４は投影面１３上に形成される。図１に示されている例では、各個別投影１４は、投影面１３の同じ部分上に形成されている。大きな矢印で示されている全体投影１５は、全ての個別投影１４を重ね合わせることによって投影面１３上に形成されている。

全ての個別画像４は、それぞれ、全体画像または全体投影１５のバージョンを示している。図１に示されているように、投影面１３は、撮像面３に対して傾斜している。これは、ＭＬＡ９からの投影面１３の距離が投影面１３における長手方向ｚの位置に依存して変化することを意味している。長手方向ｚは、撮像面３に対しての横断方向であり、投影面１３に対して平行である。したがって、歪みのない全体投影１５を生成するためには、個別画像４を相互に僅かに異ならせることが必要となりうる。よって、個別画像４は、相互にかつ／または全体投影１５に対してプリディストーション可能である。当該プリディストーションは、例えば、個別画像４の光ビームのチャネル１２の発散に起因する歪みまたは個別画像４での拡大に起因する歪みを補正するものである。

図２には、図１の光学デバイス１において使用可能な例示的なパターンマスク５の上面図が示されている。パターンマスク５は、例えば、パターニングされたクロム層を有していてよい。パターンマスク５のうちクロム層が除去された部分は光に対して透過性を有するのに対して、パターンマスク５のうちクロム層が依然として存在する部分は光に対して不透明である。

したがって、後側７からパターンマスク５を照明することにより、複数のパターンが生成される。図２の例では、パターンは規則的な六角形グリッド上に配置されている。各パターンは、パターンマスク５全体にわたって分布するよう、隣接するパターンから離間されている。各パターンは、撮像面３において個別画像４を形成する。

図３には、図２のパターンマスク５に従った全体投影１５が示されている。全体投影１５は投影面に投影されるが、ここで、投影面は撮像面３に対して傾斜している（図１を参照）。全体投影１５は、長手方向ｚにおける長さｌおよび横方向ｘにおける幅ｗを有し、ここで、横方向ｘは撮像面３に対して平行であってよい。この例では、全体投影１５は、長手方向に増大する４つの矩形によって形成されている。各個別画像４、すなわち各パターンは、図２および図３から見て取れるように、全体投影１５の歪んだバージョンを示していることに留意されたい。上述したように、プリディストーションにより、傾斜した投影面１３上に投影されることによって生じる歪みが補償される。全体投影１５は、個別画像４の個別投影１４を重ね合わせることによって生成される。

図３にはさらに、投影面１３に投影された光ビームのチャネル１２によって形成されて全体投影１５を生成する光コーン１６のプロフィルが示されている。パターン全体の幅ｗは、光コーン１６の幅すなわち光コーン１６の半円錐角に制限されることに留意されたい。したがって、図１～図３の従来の光学デバイス１では、表示される全体投影１５の最大幅ｗが制限される。

図４には、光エキスパンダ１７を含む光学デバイス１の一実施形態の断面図が示されている。すなわち、図４の光学デバイス１では、ＭＬＡ９と投影面１３との間に配置された光エキスパンダ１７がさらに示されているという点で、図１に示されている例と異なっている。図１の例の要素に対応する図４の要素は、同じ参照符号で示されている。図４には２つの個別画像４のみが示されているが、個数は単なる例示に過ぎない。２つの個別画像４に対応して、図４には、ＭＬＡ９の２つのマイクロレンズ８が示されており、このマイクロレンズ８は、それぞれの個別画像４を投影面１３へ向かって投影することにより、光ビームのそれぞれのチャネル１２を形成する。

図４に示されている実施形態では、個別画像４は、相互に相対的に歪んでいるだけでなく、相互に異なっている。図４の上側の個別画像４によって表されている個別画像４の第１のサブセット１８は、全体投影１５の第１の部分１９のバージョンを示している。これは、上側の個別画像４としての菱形によって示されている。下側の個別画像４として表されている個別画像４の第２のサブセット２０は、全体投影１５の第２の部分２１のバージョンを示している。これは、下側の個別画像４としての鏃形で示されている。

図４の実施形態の光エキスパンダ１７は、ＭＬＡ９に面する入力面２２と、投影面１３に面する２つの出力面２３，２６とを有している。光エキスパンダ１７は、入力面２２が撮像面３に対して平行となり、ＭＬＡ９から到来する光ビームのチャネル１２を受容するように配置されている。

さらに、光エキスパンダ１７は、２つの出力面２３，２６の第１の出力面２３が光ビームのチャネル１２の第１のサブセット２４を投影面１３の第１の部分領域２５へ配向するように配置されている。光ビームのチャネル１２の第１のサブセット２４は、ＭＬＡ９による個別画像４の第１のサブセット１８の投影によって形成される光ビームのチャネル１２に対応する。

２つの出力面２３，２６の第２の出力面２６は、光ビームのチャネル１２の第２のサブセット２７を投影面１３の第２の部分領域２８へ配向し、ここで、光ビームのチャネル１２の第２のサブセット２７は、ＭＬＡ９による個別画像４の第２のサブセット２０の投影によって形成される光ビームのチャネル１２に対応する。

光エキスパンダ１７から見ると、投影面１３の第１の部分領域２５と第２の部分領域２８とは、異なる方向に存在する。よって、光エキスパンダ１７は、光ビームのチャネル１２を拡開する。光ビームのチャネル１２の拡開および配向は、出力面２３，２６での光ビーム屈折によって行われうる。しかし、光ビーム屈折は、図４に示されているように、光エキスパンダ１７の入力面２２で既に発生していることもある。

個別画像４の個別投影１４は、投影面へ配向された光ビームのチャネル１２によって投影面上に形成される。これは、光ビームのチャネル１２の第１のサブセット２４が投影面１３の第１の部分領域２５上に個別投影１４を形成し、投影面１３においてこれらの個別投影１４が全体投影１５の第１の部分１９に重ね合わされることを意味する。光ビームのチャネル１２の第２のサブセット２７は投影面１３の第２の部分領域２８上に個別投影１４を形成し、投影面１３においてこれらの個別投影１４が全体投影１５の第２の部分２１に重ね合わされる。

図４の実施形態では、投影面１３の第１の部分領域２５と第２の部分領域２８とは異なるものの、オーバーラップしている。これは、オーバーラップ領域２９において、光ビームのチャネル１２の第１のサブセット２４および第２のサブセット２７も同様に相互に重ね合わされていることを意味する。

図５には、図４の光学デバイス１において使用可能な、例示的な透過型パターンマスク５の上面図が示されている。図５の実施例では、パターンは、パターンマスク５の２つの別個のセクション３０に配置されている。各セクション３０は、規則的なパターングリッドを形成している。各セクション３０内の各パターンは、全てのパターンがパターンマスク５全体にわたって分布するよう、隣接するパターンから離間されている。各パターンは、撮像面３において個別画像４を形成する。

図６には、図５のパターンマスク５に従ったそれぞれの全体投影１５が示されている。全体投影１５は投影面に投影されるが、ここで、投影面は撮像面３に対して傾斜している（図４参照）。この実施例では、全体投影１５全体が５つの矩形によって形成されている。図６にはさらに、投影面１３へ配向された光ビームのチャネル１２の第１のサブセット２４および第２のサブセット２７によって形成されて全体投影１５を生成する２つの光コーン１６のプロフィルが示されている。２つの光コーン１６はオーバーラップしており、１つの大域的な光コーン１６とみなすことができる。

図６の全体投影１５の長さｌは、図３の全体投影１５の長さｌに等しい。しかし、大域的な光コーン１６のほうが大きい円錐角を有するため、当該実施形態の全体投影１５の幅ｗはより広くなっている。したがって、図１～図３による例に比べて、図４～図６による実施形態は、より大きい照明野を有する。これは、ＦＯＩを光エキスパンダ１７によって拡大できることを意味する。

図７には、光学デバイス１の別の実施形態の断面図が示されている。図７による実施形態の機能の基本方式は、図４による実施形態の機能の基本方式と同様である。したがって、図４による実施形態の要素に対応する図７の要素は、同じ参照符号で示されている。

図７には、３つの個別画像４が示されているが、個数は単なる例示に過ぎない。３つの個別画像４に対応して、図７にはＭＬＡ９の３つのマイクロレンズ８が示されており、このマイクロレンズ８は、それぞれの個別画像４を投影面１３へ向かって投影することにより、光ビームのそれぞれのチャネル１２を形成する。

図４の実施形態と同様に、個別画像４は、相互に相対的に歪んでいるだけでなく、相互に異なっている。図７に示されている上側の個別画像４によって表される個別画像４の第１のサブセット１８は、全体投影１５の第１の部分１９のバージョンを示している。下側の個別画像４によって表される個別画像４の第２のサブセット２０は、全体投影１５の第２の部分２１のバージョンを示している。中間の個別画像４によって表される個別画像４の第３のサブセット３１は、全体投影１５の第３の部分３２のバージョンを示している。

図７の実施形態による光エキスパンダ１７は、ＭＬＡ９に面する入力面２２と、投影面１３に面する３つの出力面２３，２６，３３とを有している。光エキスパンダ１７は、入力面２２が撮像面３に対して平行となり、ＭＬＡ９から到来する光ビームのチャネル１２を受容するように配置されている。

さらに、光エキスパンダ１７は、３つの出力面２３，２６，３３の第１の出力面２３が光ビームのチャネル１２の第１のサブセット２４を投影面１３の第１の部分領域２５へ配向するように配置されている。光ビームのチャネル１２の第１のサブセット２４は、ＭＬＡ９による個別画像４の第１のサブセット１８の投影によって形成される光ビームのチャネル１２に対応する。

３つの出力面２３，２６，３３のうちの第２の出力面２６は、光ビームのチャネル１２の第２のサブセット２７を投影面１３の第２の部分領域２８へ配向し、ここで、光ビームのチャネル１２の第２のサブセット２７は、ＭＬＡ９による個別画像４の第２のサブセット２０の投影によって形成される光ビームのチャネル１２に対応する。

３つの出力面２３，２６，３３のうちの第３の出力面３３は、光ビームのチャネル１２の第３のサブセット３４を投影面１３の第３の部分領域３５へ配向し、ここで、光ビームのチャネル１２の第３のサブセット３４は、ＭＬＡ９による個別画像４の第３のサブセット３１の投影によって形成される光ビームのチャネル１２に対応する。

光エキスパンダ１７から見ると、投影面１３の第１の部分領域２５と第２の部分領域２８と第３の部分領域３５とは、異なる方向に存在する。よって、光エキスパンダ１７は、光ビームのチャネル１２を拡開する。図７の実施形態では、光ビームのチャネル１２の拡開および配向は、光エキスパンダ１７内での内部全反射によって行われる。したがって、光エキスパンダ１７は、光エキスパンダ１７のセクション３７，３８内での光ビームの内部全反射を可能にする別の面３６を含む。

図７の光エキスパンダ１７は、光ビームのチャネル１２の第１のサブセット２４をＴＩＲによって第１の出力面２３へ向けて導波する第１のセクション３７を含む。当該第１のセクション３７は２つの別の面３６を含むので、光ビームのチャネル１２の第１のサブセット２４は、第１の出力面２３に到達するまでに２回、内部で偏向される。

光エキスパンダ１７はさらに、光ビームのチャネル１２の第２のサブセット２７をＴＩＲによって第２の出力面２６へ向けて導波する第２のセクション３８を含む。当該第２のセクション３８も２つの別の面３６を含むので、光ビームのチャネル１２の第２のサブセット２７は、第２の出力面２６に到達するまでに２回、内部で偏向される。ＴＩＲを生じさせるセクション３７，３８の個数は任意であり、この実施形態でのセクションの個数は単なる例示に過ぎない。

光ビームのチャネル１２の第３のサブセット３４は、光エキスパンダ１７の中央部分３９の第３の出力面３３において光エキスパンダ１７から出る。図７の実施例では、当該サブセットは内部で偏向されていない。

図４～図６の実施形態と同様に、個別画像４の個別投影１４は、投影面へ配向された光ビームのチャネル１２によって投影面上に形成され、投影面において光ビームのチャネル１２が少なくとも部分的に重ね合わされる。図７の実施形態では、投影面１３の第１の部分領域２５と第２の部分領域２８と第３の部分領域３５とは異なるもののオーバーラップしているので、２つのオーバーラップ領域２９が形成されている。この場合、光ビームのチャネル１２の異なるサブセットも相互に重ね合わされている。

図８には、図７の光学デバイス１に対して使用可能な、例示的な透過型パターンマスク５の上面図が示されている。図８の実施例では、パターンは、パターンマスク５の３つの別個のセクション３０に配置されている。各セクション３０は、規則的なパターングリッドを形成している。それぞれのセクション３０内の各パターンは、全てのパターンがパターンマスク５全体にわたって分布するよう、隣接するパターンから離間されている。各パターンは、撮像面３に個別画像４を形成する。

図９には、図８のパターンマスク５に従ったそれぞれの全体投影１５が示されている。全体投影１５は投影面に投影されるが、ここで、投影面は撮像面３に対して傾斜している（図７を参照）。この実施例では、全体投影１５が６つの矩形によって形成されている。図９にはさらに、投影面１３へ配向された光ビームのチャネル１２の第１のサブセット２４、第２のサブセット２７および第３のサブセット３４によって形成されて全体投影１５を生成する３つの光コーン１６のプロフィルが示されている。３つの光コーン１６はオーバーラップしているので、１つの大域的な光コーン１６とみなすことができる。

図９の全体投影１５の長さｌは、図３～図６の全体投影１５の長さｌに等しい。しかし、当該実施形態の全体投影１５の幅ｗは、図６よりも広い。なぜなら、大域的な光コーン１６がより大きな開口角を有しているからである。したがって、図７～図９による実施形態は、図４～図６による実施形態よりも大きな照明野を有している。これは、ＴＩＲを可能にする光エキスパンダ１７によってＦＯＩをさらに拡大できることを意味する。

図１０には、光学デバイス１の別の実施形態の断面図が示されている。光学デバイス１は、キャリア４１に取り付けられた光源４０を含む撮像系２を備えている。撮像系２はさらに、光源４０に正対するように配置されたコリメータレンズ４２を備えており、これにより、コリメータレンズ４２は、光源４０からの光のほぼ平行なビーム路を生成することができる。コリメータレンズ４２は、光源４０とコンデンサレンズアレイ４３との間に配置されている。

コンデンサレンズは、各個別画像４の均一な照明が保証されるように設けられている。したがって、コンデンサレンズアレイ４３は、パターンマスク５の後側７に取り付けられている。コンデンサレンズアレイ４３は、各コンデンサレンズがそれぞれの個別画像４を覆うようにパターンマスク５に取り付けることができる。

図１０に示されている光学デバイス１はさらに、それぞれ撮像面３およびパターンマスク５に対して平行な主延在面を有する透明基板４４を含む。基板４４は、ＭＬＡ９が配置された前面４５を有する。ＭＬＡ９は、基板４４と直接に接触している。基板４４の後面４６には、コンデンサレンズアレイ４３を備えたパターンマスク５が配置されている。パターンマスク５の前側４７は、基板４４の後面４６に直接に接触している。これは、撮像系２の部分すなわちコンデンサレンズアレイ４３およびパターンマスク５がＭＬＡ９を含む基板４４に取り付けられるコンパクトな設計を光学デバイス１の図示の実施形態が有することを意味する。

図１０の光学デバイス１はさらに、図４に示されている光エキスパンダ１７と同様の光エキスパンダ１７を有している。光エキスパンダ１７の出力面２３，２６のうちの１つでの光ビーム屈折を例示するために、例示的な２つの光ビーム６が示されている。

図１１には、光学デバイス１の別の実施形態の断面図が示されている。この実施形態は、図７に示されている光エキスパンダ１７と同様の光エキスパンダ１７を有している点で、図１０による実施形態と異なっている。複数の光ビーム６が、光エキスパンダ１７のセクション内の光ビームの内部全反射を示すために示されている。光エキスパンダ１７の中央部分３９では、光ビームは反射なしで光エキスパンダ１７を出る。

図１２のａ～ｃはそれぞれ、図４～図１１の光学デバイス１を含む光学装置４８を示している。光学装置４８は、例えばプロジェクタまたは照明装置であってよい。光学装置４８は、光学デバイス１が組み込まれるハウジングを有しうる。

図１２のａには光学装置４８が示されており、この光学装置４８は、平行な、すなわち傾斜していない投影面１３、例えばスクリーンの照明および／または投影を行う。これは、投影面１３の法線ベクトルが光学装置４８によって発せられる光コーン１６の光軸４９に対して平行であることを意味する。投影面１３は、光学装置４８から距離ｄだけ離間している。

図１２のｂには、傾斜した投影面１３、例えばスクリーンまたは床への照明および／または投影を行う光学装置４８が示されている。これは、投影面１３の法線ベクトルが光学装置４８によって発せられた光コーン１６の光軸４９に対しての横断方向であることを意味する。投影面１３の法線ベクトルと光コーン１６の光軸４９との間の角度δは、用途に依存する。例えば、光学装置４８が自動車用途におけるウェルカムライトカーペットのために使用される場合、角度δは一般的に６５°～８５°である。投影面１３に対して垂直な垂直方向ｙにおいて、光学装置４８は、高さｈだけ投影面１３から離間されうる。例えば、光学装置４８が自動車用途におけるウェルカムライトカーペットのために使用される場合、高さｈは典型的には１５０ｍｍ～２７０ｍｍである。

図１２のｃには、自由曲面を形成する投影面１３への照明および／または投影を行う光学装置４８が示されている。これは、投影面１３が非平坦面であることを意味する。

本明細書に開示した光学デバイス１の実施形態は、読者に着想の新規な態様を理解してもらう目的で説明している。好ましい実施形態を図示し説明してきたが、開示したコンセプトの多くの変更形態、修正形態、等価形態および代替形態を、特許請求の範囲から不要に離れることなく、当業者によって形成することができる。

開示は、開示した実施形態および特に図示しかつ上述したものに限定されないことが認識されるであろう。むしろ、別個の従属請求項または説明中に記載した特徴を、有利に組み合わせることができる。さらに、本開示の範囲は、当業者に明らかであって、添付の特許請求の範囲の範囲内に該当する変形形態および修正形態を含む。

特許請求の範囲または明細書において使用される「含む」なる用語は、対応する特徴または手順の他の要素または他のステップを排除しない。「１つの（ａ，ａｎ）」なる用語が特徴に関連して使用される場合、この用語は当該特徴が複数存在することを排除しない。さらに、特許請求の範囲におけるいずれの参照符号も範囲を限定するものと解釈されるべきではない。

この特許出願は、独国特許出願第１０２０２０１２７１８１．６号明細書の優先権を主張しており、その開示内容は参照により本明細書に組み込まれるものとする。

１ 光学デバイス
２ 撮像系
３ 撮像面
４ 個別画像
５ パターンマスク
６ 光ビーム
７ パターンマスクの後側
８ マイクロレンズ
９ マイクロレンズアレイ
１０ マイクロレンズの光軸
１１ オフセット
１２ 光ビームのチャネル
１３ 投影面
１４ 個別投影
１５ 全体投影
１６ 光コーン
１７ 光エキスパンダ
１８ 個別画像の第１のサブセット
１９ 全体投影の第１の部分
２０ 個別画像の第２のサブセット
２１ 全体投影の第２の部分
２２ 入力面
２３ 第１の出力面
２４ 光ビームのチャネルの第１のサブセット
２５ 投影面の第１の部分領域
２６ 第２の出力面
２７ 光ビームのチャネルの第２のサブセット
２８ 投影面の第２の部分領域
２９ オーバーラップ領域
３０ パターンマスクのセクション
３１ 個別画像の第３のサブセット
３２ 全体投影の第３の部分
３３ 第３の出力面
３４ 光ビームのチャネルの第３のサブセット
３５ 投影面の第３の部分領域
３６ 別の面
３７ 光エキスパンダの第１のセクション
３８ 光エキスパンダの第２のセクション
３９ 光エキスパンダの中央部分
４０ 光源
４１ キャリア
４２ コリメータレンズ
４３ コンデンサレンズアレイ
４４ 基板
４５ 基板の前面
４６ 基板の後面
４７ パターンマスクの前側
４８ 光学装置
４９ 光コーンの光軸
ｄ 距離
ｈ 高さ
ｌ 長さ
ｗ 幅
ｘ 横方向
ｙ 垂直方向
ｚ 長手方向
δ 角度

Claims (15)

1. 光学デバイス（１）であって、
   ・撮像面（３）上に分配される複数の画像（４）を生成するように設けられた撮像系（２）と、
   ・マイクロレンズ（８）が前記複数の画像のそれぞれの個別画像（４）に割り当てられており、かつ該それぞれの個別画像（４）を投影面（１３）へ向かって投影することにより光ビームのそれぞれのチャネル（１２）を形成するように設けられている、マイクロレンズアレイＭＬＡ（９）と、
   ・前記ＭＬＡ（９）と前記投影面（１３）との間に配置されており、かつ前記ＭＬＡ（９）に面する入力面（２２）と前記投影面（１３）に面する少なくとも２つの出力面（２３，２６，３３）とを有する、光エキスパンダ（１７）と
   を備え、
   前記光エキスパンダ（１７）は、
   ・前記個別画像（４）の個別投影（１４）が、前記投影面（１３）へ配向された光ビームのチャネル（１２）により前記投影面（１３）上に形成され、
   ・前記個別投影（１４）を少なくとも部分的に重ね合わせることにより、前記投影面（１３）上に全体投影（１５）が形成される
   よう、光ビームのチャネル（１２）を拡開させて前記投影面（１３）へ配向するように設けられている、
   光学デバイス（１）。
2. 前記光エキスパンダ（１７）は、前記入力面（２２）が前記撮像面（３）に対して平行となりかつ前記ＭＬＡ（９）から到来する光ビームのチャネル（１２）を受容するように配置されている、請求項１記載の光学デバイス（１）。
3. 前記光エキスパンダ（１７）は、
   ・該光エキスパンダ（１７）の第１の出力面（２３）が、光ビームのチャネル（１２）の第１のサブセット（２４）を前記投影面（１３）の第１の部分領域（２５）へ配向するように設けられ、かつ
   ・該光エキスパンダ（１７）の第２の出力面（２６）が、光ビームのチャネル（１２）の第２のサブセット（２７）を前記投影面（１３）の第２の部分領域（２８）へ配向するように設けられる
   ように配置されている、請求項１または２記載の光学デバイス（１）。
4. 前記光エキスパンダ（１７）は、少なくとも１つの別の出力面（３３）を有しており、該別の出力面（３３）は、光ビームのチャネル（１２）の別のサブセット（３４）を前記投影面（１３）の別の部分領域（３５）へ配向するように設けられている、請求項１から３までのいずれか１項記載の光学デバイス（１）。
5. 前記光エキスパンダ（１７）の各出力面（２３，２６，３３）のうちの少なくとも１つは、それぞれの出力面（２３，２６，３３）での光ビーム屈折によって、光ビームのチャネル（１２）のそれぞれのサブセット（２４，２７，３４）を配向するように設けられている、請求項１から４までのいずれか１項記載の光学デバイス（１）。
6. 前記光エキスパンダ（１７）は、光ビームのチャネル（１２）のサブセット（２４，２７，３４）のうちの少なくとも１つが該光エキスパンダ（１７）のセクション（３７，３８）内で偏向されるように該光エキスパンダ（１７）のセクション（３７，３８）内での光ビームの内部全反射を可能にする、別の面（３６）を含む、請求項３から５までのいずれか１項記載の光学デバイス（１）。
7. 前記光エキスパンダ（１７）の各出力面（２３，２６，３３）のうちの少なくとも１つが、前記光エキスパンダ（１７）の前記入力面（２２）に対して傾斜している、請求項１から６までのいずれか１項記載の光学デバイス（１）。
8. 前記光エキスパンダ（１７）の各出力面（２３，２６，３３）のうちの少なくとも２つが、相互に相対的に傾斜している、請求項１から７までのいずれか１項記載の光学デバイス（１）。
9. 前記光エキスパンダ（１７）は、前記投影面（１３）上の全体投影（１５）が前記投影面（１３）の各部分領域（２５，２８，３５）のうちの１つの部分領域上の前記個別投影（１４）よりも大きくなるよう、照明野を拡大するために設けられている、請求項３または４記載の光学デバイス（１）。
10. 前記撮像系（２）は、前記撮像面（３）内に配置され、かつ前記撮像面（３）上に分配される個別画像（４）を提供する、パターンマスク（５）を含む、請求項１から９までのいずれか１項記載の光学デバイス（１）。
11. 前記撮像系（２）は、
    ・前記複数の画像（４）を表示するように設けられた光源（４０）、
    ・コリメータレンズ（４２）、および／または
    ・コンデンサレンズもしくはコンデンサレンズアレイ（４３）
    を備え、
    前記コリメータレンズ（４２）および前記コンデンサレンズもしくはコンデンサレンズアレイ（４３）は、前記光源（４０）のビーム路を形成するように設けられている、
    請求項１から１０までのいずれか１項記載の光学デバイス（１）。
12. 前記ＭＬＡ（９）はさらに、主延在面が前記撮像面（３）に対して平行であり、かつ前記撮像面（３）に面する後面（４６）と前記光エキスパンダ（１７）に面する前面（４５）とを含む、基板（４４）を含み、
    前記ＭＬＡ（９）のマイクロレンズ（８）は、前記基板（４４）の前面（４５）に配置されている、
    請求項１から１１までのいずれか１項記載の光学デバイス（１）。
13. 前記投影面（１３）が前記撮像面（３）に対して傾斜しているか、または前記投影面（１３）が自由曲面である、請求項１から１２までのいずれか１項記載の光学デバイス（１）。
14. 光学装置（４８）であって、請求項１から１３までのいずれか１項記載の光学デバイス（１）を含み、照明装置またはプロジェクタである、光学装置（４８）。
15. 全体投影（１５）を形成する方法であって、該方法が、
    ・撮像面（３）上に分配される複数の画像を生成することと、
    ・マイクロレンズアレイＭＬＡ（９）のマイクロレンズ（８）を前記複数の画像のそれぞれの個別画像（４）に割り当て、該それぞれの個別画像（４）を投影面（１３）へ向かって投影することにより、光ビームのそれぞれのチャネル（１２）を形成することと、
    ・前記ＭＬＡ（９）に面する入力面（２２）と前記投影面（１３）に面する少なくとも２つの出力面（２３，２６，３３）とを含み、かつ光ビームのチャネル（１２）を拡開させて前記投影面（１３）へ配向する光エキスパンダ（１７）を用意し、前記ＭＬＡ（９）と前記投影面（１３）との間に配置することと、
    ・前記投影面（１３）へ配向された光ビームのチャネル（１２）により、前記投影面（１３）上に前記個別画像（４）の個別投影（１４）を形成することと、
    ・前記個別投影（１４）を少なくとも部分的に重ね合わせることと
    を含む、方法。

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