JP6787135B2 - 照射光学系およびプロジェクタ - Google Patents

Description

本開示は、例えばインタラクティブ検知技術に用いられる照射光学系、および映像を投影するプロジェクタに関する。

ＬＬＰ（Laser Light Plane）方式によるインタラクティブ検出が、プロジェクタや大型スクリーンでのインタラクティブ検知技術として知られている（特許文献１，２参照）。インタラクティブ検知技術としては、照射光学系によって光の薄い膜をプロジェクタの投影面等の検出可能面上に生成する方法が知られている。その光の薄い膜に対して指等の物体が通過すると、通過した部位に散乱光が生ずる。その散乱光を検出光としてカメラで検出する。これにより、物体の部位を判断してインタラクティブ操作等を行うことができる。インタラクティブ検知技術では通常、照射光を視覚的に分からないようにするために赤外光線が用いられる。

特開２０１０−１９１９６１号公報 特開２００９−２０５４４２号公報 特開２００４−２５８６２０号公報 米国特許第４８２６２９９号明細書 特開２００１−２８２４４６号公報

プロジェクタの仕様として、超広角での映像投影が要求される場合がある。この場合、投影光学系としては例えば、特許文献３に記載されているような超短焦点レンズを用いることが考えられる。また、インタラクティブ検知技術における照射光学系としては、例えばロッドレンズや特許文献５に記載のような一方向にのみ屈折力を有するレンズを用いることが考えられる。また、特許文献４に記載のようなレーザラインジェネレータレンズ（パウエルレンズ）を用いることが考えられる。しかしながら、超広角のプロジェクタにインタラクティブ検知技術を適用する場合、照射光学系で広角な範囲を照射することが困難となり、製造が煩雑になり得る。また、面内の光量の調整自由度が少なくなり得る。

従って、均一に近い光の膜を形成することができるようにした照射光学系およびプロジェクタを提供することが望ましい。

本開示の一実施の形態に係る照射光学系は、光源からの光の面内分布を均一な面内分布に近づける均一化部と、均一化部によって均一な面内分布に近付けられた光を所定の方向に発散させる照射レンズ部とを備え、照射レンズ部が、光源側から順に、所定の方向に負の屈折力を有する第１および第２のシリンドリカルレンズを含み、第２のシリンドリカルレンズが、光の入射面と光の射出面とを含み、以下の条件を満足するものである。
｜Ｒｏｕｔ｜＞｜Ｒｉｎ｜ ……（１）
ただし、
Ｒｉｎ：所定の方向における光の入射面の曲率半径
Ｒｏｕｔ：所定の方向における光の射出面の曲率半径
とする。

本開示の一実施の形態に係るプロジェクタは、可視光投影面に映像を投影する可視光投影光学系と、可視光投影面に対して略平行となる光の膜を形成する照射光学系とを備え、照射光学系が、光源からの光の面内分布を均一な面内分布に近づける均一化部と、均一化部によって均一な面内分布に近付けられた光を所定の方向に発散させる照射レンズ部とを含み、照射レンズ部が、光源側から順に、所定の方向に負の屈折力を有する第１および第２のシリンドリカルレンズを含み、第２のシリンドリカルレンズが、光の入射面と光の射出面とを含み、以下の条件を満足するものである。
｜Ｒｏｕｔ｜＞｜Ｒｉｎ｜ ……（１）
ただし、
Ｒｉｎ：所定の方向における光の入射面の曲率半径
Ｒｏｕｔ：所定の方向における光の射出面の曲率半径
とする。

本開示の一実施の形態に係る照射光学系またはプロジェクタでは、光源からの光の面内分布が均一に近づけられ、その光が第１および第２のシリンドリカルレンズを含む照射レンズ部によって、所定の方向に発散する。

本開示の一実施の形態に係る照射光学系またはプロジェクタによれば、面内分布が均一に近づけられ光を第１および第２のシリンドリカルレンズを含む照射レンズ部によって所定の方向に発散させるようにしたので、均一に近い光の膜を形成することができる。
なお、ここに記載された効果は必ずしも限定されるものではなく、本開示中に記載されたいずれかの効果であってもよい。

ＬＬＰ方式によるインタラクティブ検出の概念を模式的に示す説明図である。 広角、かつプロジェクタの近傍に映像投影する場合における赤外照射の概念を模式的に示す説明図である。 ２本のロッドレンズを用いた赤外照射の概念を模式的に示す説明図である。 図３に示した赤外照射の状態を正面方向から見た一例を示す説明図である。 投影レンズ兼受光レンズを用いたインタラクティブ検出の概念を模式的に示す説明図である。 図５に示した投影レンズ兼受光レンズを介して観察される赤外照射光の面内分布の一例を模式的に示す説明図である。 本開示の第１の実施の形態に係るプロジェクタの一構成例を示す断面図である。 比較例に係る照射光学系のＹ方向の一構成例を示す光学系断面図である。 比較例に係る照射光学系のＸ方向の一構成例を示す光学系断面図である。 比較例に係る照射光学系の具体的な数値設計例に対応する光学系断面図である。 比較例に係る照射光学系を用いた場合の赤外照射光の角度分布の一例を模式的に示す説明図である。 比較例に係る照射光学系を用いた場合の赤外照射光の面内分布の一例を模式的に示す説明図である。 可視光投影光学系により取り込まれる光の面内分布の一例を模式的に示す説明図である。 図１２と図１３の面内分布を合わせた最終的な光の面内分布（赤外撮像素子に取り込まれる光の面内分布）の一例を模式的に示す説明図である。 照射光学系にパウエルレンズを用いた場合の赤外照射光の角度分布の一例を模式的に示す説明図である。 本開示の第１の実施の形態に係る照射光学系の一構成例を示す光学系断面図である。 図１６に示した照射光学系における照射レンズ部の非球面の作用を模式的に示す説明図である。 図１６に示した照射光学系による赤外照射光の面内分布の一例を模式的に示す説明図である。 図１６と図１３の面内分布を合わせた最終的な光の面内分布（赤外撮像素子に取り込まれる光の面内分布）の一例を模式的に示す説明図である。 第１の実施の形態の第１の変形例に係る照射レンズ部の一構成例を示す光学系断面図である。 第１の実施の形態の第２の変形例に係る照射レンズ部の一構成例を示す光学系断面図である。 第２の実施の形態に係る照射光学系の一構成例を示す光学系断面図である。 第３の実施の形態に係る照射光学系の一構成例を示す光学系断面図である。 第３の実施の形態の変形例に係る照射光学系の一構成例を示す光学系断面図である。 第４の実施の形態に係る照射光学系の一構成例を示す光学系断面図である。

以下、本開示の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、説明は以下の順序で行う。
０．インタラクティブ検出の課題（図１〜図６）
１．第１の実施の形態
１．１ プロジェクタの説明（図７）
１．２ 比較例に係る赤外照射光学系の構成および課題（図８〜図１５）
１．３ 第１の実施の形態における赤外照射光学系の構成（図１６）
１．４ 第１の実施の形態における赤外照射光学系の作用・効果（図１７〜図１９）
１．５ 変形例
１．５．１ 第１の変形例（図２０）
１．５．２ 第２の変形例（図２１）
１．５．３ その他の変形例
２．第２の実施の形態（図２２）
３．第３の実施の形態
３．１ 構成（図２３）
３．２ 変形例（図２４）
４．第４の実施の形態（図２５）
５．その他の実施の形態

＜０．インタラクティブ検出の課題＞
図１は、ＬＬＰ方式によるインタラクティブ検出の概念を模式的に示している。
インタラクティブ検知技術では、照射光学系として例えばロッドレンズ１１１やレーザラインジェネレータレンズ（パウエルレンズ）を用いて、図１のように薄い光の膜１３２をプロジェクタの投影面１３１等の検出可能面上に生成する。光の膜１３２は、例えばプロジェクタの投影面１３１に対して所定の高さに生成する。また、照射光は通常、視覚的に分からないようにするために赤外光１１０が用いられる。ロッドレンズ１１１は、所定の方向（図中Ｘ方向）にのみ屈折力を有し、入射した赤外光１１０を所定の方向に発散させることで光の膜１３２を生成する。

図１に示したように、薄い光の膜１３２に対して指等の指示物（物体）１２１が通過すると、通過した部位に散乱光１２２が生ずる。その散乱光１２２を検出光としてカメラ１１２で検出する。これにより、物体１２１の部位を判断してインタラクティブなタッチ操作等を行うことができる。

このようなインタラクティブ検知技術を、特に超広角のプロジェクタに適用する場合、以下で説明するように、照射光学系で広角な範囲を照射することが困難となり、製造が煩雑になり得る。また、面内の光量の調整自由度が少なくなり得る。

（広角な範囲をカバーが困難。製造が煩雑）
図２は、広角、かつプロジェクタの近傍に映像投影する場合における赤外照射の概念を模式的に示している。例えば、図２に示すように非常に広角な範囲を、しかも近傍に映像投影するプロジェクタ１１３に対して、ロッドレンズ１１１やパウエルレンズ等を用いて投影面１３１上に光の膜１３２を生成する場合、Ｘ方向に高々全幅９０°程度の角度範囲までしか照射光を生成することができない。

このため、投影面１３１のすべてのエリアをカバーするためには、ロッドレンズ１１１やパウエルレンズの配置数を２本や４本といった複数本使う必要が出てくる。図３は、２本のロッドレンズ１１１Ａ，１１１Ｂを用いた赤外照射の概念を模式的に示している。図４は、図３に示した赤外照射の状態を正面方向から見た一例を示している。

しかしながら、複数のロッドレンズ１１１Ａ，１１１Ｂを配置した場合、傾く等により、互いの配置角度にばらつきが生ずると、図４に示したように、生成される光の膜１３２Ａ，１３２Ｂに角度的なばらつきが生ずる。この結果として、面内の位置により物体検出可能な高さが不適当に高くなり、タッチ操作に違和感が生じる。傾きが大きい場合には、製造段階で調整を行うことになり、調整工程が非常に煩雑になるおそれがある。

（面内の光量の調整自由度が少ない）
図５は、投影レンズ兼受光レンズを用いたインタラクティブ検出の概念を模式的に示している。図６は、図５に示した投影レンズ兼受光レンズを介して観察される赤外照射光の面内分布の一例を模式的に示している。

図５に示したように、映像の投影レンズと検出光の受光レンズとを１つにした投影レンズ兼受光レンズ１１４を用いて、映像の投影と物体１２１の検出光の取り込みとを行う方法が知られている。特に超短焦点のプロジェクタにおいて、１つの投影レンズ兼受光レンズ１１４を用いてインタラクティブ検出を行う場合、本来均一だった照射光の面内分布が、例えば図６に示したように偏って映る現象が想定される。これは、投影レンズ兼受光レンズ１１４の周辺光量比やビネッティング、像高による透過率変化、および影係数の変化等によって生ずる。この面内分布の偏りに対してデジタル的に補正をかけることも想定されるが、ダイナミックレンジ面での限界もあるため、照射光学系によって光量分布を変える方法がより有力である。この場合、ロッドレンズ１１１やパウエルレンズでは、面内分布をどこにどれだけ重点的に配分するかといった自由度が少ない。すなわち、置く位置や角度の自由度が少ない。結果的に、ロッドレンズ１１１やパウエルレンズを用いた場合、照射光の面内分布を狙った通りに近づけ、ひいてはインタラクティブシステム全体としての面内分布の均一化が難しい。照射光の面内分布が均一でないインタラクティブシステムの場合、操作によっては誤検出されるおそれがある。

＜１．第１の実施の形態＞
［１．１ プロジェクタの全体構成］
図７は、本開示の第１の実施の形態に係るプロジェクタの一構成例を示している。
本実施の形態に係るプロジェクタは、映像投影と共に、物体検出を行うインタラクティブ検出機能を備えている。

このプロジェクタは、赤外照射部１と、可視光投影・赤外光受光部４とを備えている。
可視光投影・赤外光受光部４は、可視光照明部５と、偏光分離素子６と、ライトバルブ７と、可視光投影光学系８と、赤外光受光部９とを備えている。

可視光照明部５は、赤色光源５１Ｒと、緑色光源５１Ｇと、青色光源５１Ｂと、ダイクロイックミラー５２，５３と、可視光照明光学系５４とを有している。

赤色光源５１Ｒは赤色光を発する例えば赤色レーザ光源である。緑色光源５１Ｇは、緑色光を発する例えば緑色レーザ光源である。青色光源５１Ｂは青色光を発する例えば青色レーザ光源である。ダイクロイックミラー５２は、赤色光源５１Ｒからの赤色光をダイクロイックミラー５３に向けて透過する一方、緑色光源５１Ｇからの緑色光をダイクロイックミラー５３に向けて反射する。ダイクロイックミラー５３は、ダイクロイックミラー５２からの赤色光と緑色光とを可視光照明光学系５４に向けて透過する一方、青色光源５１Ｂからの青色光を可視光照明光学系５４に向けて反射する。

可視光照明光学系５４は、赤色光、緑色光、および青色光からなる可視光による映像投影用の照明光を生成して、偏光分離素子６を介してライトバルブ７を照明する。偏光分離素子６は、可視光照明光学系５４からの照明光のうち所定の偏光成分をライトバルブ７に向けて反射する。

ライトバルブ７は、例えばＬＣＯＳ（Liquid Crystal On Silicon）等の反射型の液晶素子である。ライトバルブ７は、可視光照明光学系５４からの照明光のうち所定の偏光成分を映像データに基づいて変調する。ライトバルブ７はまた、その変調光を偏光分離素子６を介して可視光投影光学系８に向けて出射する。ライトバルブ７からは、入射時とは偏光状態が回転された偏光成分が変調光として出射される。なお、ライトバルブ７では、入射した偏光成分をそのままの偏光状態でライトバルブ７に戻すことで黒表示を行うことが可能である。これにより、可視光の映像が生成される。

可視光投影光学系８は、例えば広角の超短焦点レンズで構成される。ライトバルブ７で生成された可視光４１の映像は、可視光投影光学系８によってスクリーン等の可視光投影面３１上に表示される。

赤外照射部１は、赤外光源２と、照射光学系３とを備えている。赤外光源２は例えば波長７００ｎｍ以上の赤外光を発する赤外レーザ光源である。照射光学系３は、可視光投影面３１に対して略平行となる光の膜３２を形成する。光の膜３２は、可視光投影面３１に対して所定の高さを有し、少なくとも可視光投影面３１に対応する領域３１Ａに形成する。光の膜３２に指等の物体が入ると、指等の物体に当たった赤外光が散乱する。この散乱した赤外光が検出光４２として、可視光投影光学系８を介して、赤外光受光部９で検出される。

赤外光受光部９は、赤外撮像素子６１と、赤外受光光学系６２とを有している。赤外撮像素子６１は、可視光投影面３１と共役の関係にあり、実際に赤外光が散乱した位置が光るように映ることで、指等の物体の位置を検出することができる。

本実施の形態において、赤外照射部１の照射光学系３は、具体的には図１６に示すように構成されるが、図１６に示す構成を説明する前に、まず、比較例に係る赤外照射光学系の構成および課題を説明する。

［１．２ 比較例に係る赤外照射光学系の構成および課題］
図８は、比較例に係る照射光学系のＹ方向の断面の構成例を示している。図９は、比較例に係る照射光学系のＸ方向の断面（上面方向から見た断面）の構成例を示している。

図８および図９に示した比較例に係る照射光学系は、赤外光源２が発する光の入射側から順に、コリメータレンズＬ１と、ロッドレンズＬ２とで構成されている。この比較例に係る照射光学系では、コリメータレンズＬ１によって平行光を作り、基本となる平行光線を作ったのち、その平行光線をロッドレンズＬ２に入射させて光の膜３２を可視光投影面３１に対して所定の高さに生成する。

ここで、この比較例に係る照射光学系の具体的な数値設計例を表１に示す。また、この具体的な数値設計例に対応するＸ方向の光学系断面図を図１０に示す。なお、表１には、設計パラメータとして、照射光学系の面Ｎｏ．と、面の種類と、近軸曲率半径（Ｒ）と、光軸上の面間隔（ｄ）と、ｄ線（波長５８７．６ｎｍ）における屈折率の値（ｎｄ）と、ｄ線におけるアッベ数の値（νｄ）とを示す。Ｓ０面は、赤外光源２に相当する。

表１に示したように、コリメータレンズＬ１は両面が球面で構成されている。ロッドレンズＬ２は、両面がＸ方向に屈折力を有するシリンドリカル面で構成されている。

図１１は、比較例に係る照射光学系を用いた場合の赤外照射光の角度分布の一例を模式的に示している。図１１において横軸は角度、縦軸は光量比を示す。図１２は、比較例に係る照射光学系を用いた場合の赤外照射光の面内分布の一例を模式的に示している。図１２には、４０ｍｍ離れた位置に２５インチ（１６：９）の可視光投影面３１が存在し、その可視光投影面３１上に光の膜３２を生成した場合の光の強度分布を示す。図１１および図１２に示したように、比較例に係る照射光学系では、中心帯の光量が非常に大きい一方で周辺の光量が大きく低下している。この比較例に係る照射光学系では、広角の超短焦点のプロジェクタに対しては直接的には使用が難しい。この比較例に係る照射光学系では、図６に示した面内分布と同様な分布域を持ってしまうために、より一層面内分布が不均一になる。代わりの手法として、例えば図３に示すように複数のロッドレンズ１１１Ａ，１１１Ｂを配置を並べることで互いに面内分布を補完する方法も考えられるが、各ロッドレンズ１１１Ａ，１１１Ｂが傾くと図４に示したように、生成される光の膜１３２Ａ，１３２Ｂに角度的なばらつきが生ずるため、高度な調整作業が必要になるという欠点がある。

図１３は、可視光投影光学系８により取り込まれる光の面内分布の一例を模式的に示している。図１４は、図１３の面内分布と図１２の比較例に係る照射光学系による面内分布とを合わせた最終的な光の面内分布（赤外撮像素子６１に取り込まれる光の面内分布）の一例を模式的に示している。

図１３および図１４の面内分布では、可視光投影光学系８および赤外光受光部９の光路中に遮光マスクを配置することで受光光線をバランスさせている。赤外撮像素子６１に取り込まれる最終的な光の面内分布としては、おおむね目安として３０％の面内光量比以上が必要であるが、図１４に示した例では、それを大幅に下回る分布となってしまっている。このため、例えば反射ミラーを側面設置するなどして面内光量をバランスさせる必要があり、部品点数が増大してしまう。

また、参考として、図１５に、照射光学系にパウエルレンズを用いた場合の赤外照射光の角度分布の一例を模式的に示す。なおパウエルレンズを使用した場合には、そもそも発散角が狭くなるという問題がある。図１５に示したように、パウエルレンズを用いた場合、非常に狭角な角度分布となり、広角、かつプロジェクタの近傍に映像投影する場合に均一な光の膜３２を形成することは困難である。

［１．３ 第１の実施の形態における赤外照射光学系の構成］
図１６は、本開示の第１の実施の形態に係る照射光学系３の一構成例を示している。

この照射光学系は、図１６に示したように、赤外光源２側から順に、赤外光源２からの光の面内分布を均一な面内分布に近づける均一化部１０と、均一化部１０によって均一な面内分布に近付けられた光を所定の方向（Ｘ方向）に発散させる照射レンズ部２０とを備えている。均一化部１０と照射レンズ部２０との間には、メカアパーチャＳｔが配置されている。

均一化部１０は、赤外光源２側から順に、コリメータレンズＬ１１と、リレーレンズＬ１２と、シリンドリカルレンズアレイＬ１３と、リレーレンズＬ１４と、リレーレンズＬ１５と、シリンドリカルレンズアレイＬ１６と、リレーレンズＬ１７と、リレーレンズＬ１８とを有している。

照射レンズ部２０は、赤外光源２側から順に、第１の照射レンズＬ２１と、第２の照射レンズＬ２２とを有している。第１の照射レンズＬ２１は、所定の方向に負の屈折力を有する第１のシリンドリカルレンズで構成されている。第２の照射レンズＬ２２は、所定の方向に負の屈折力を有する第２のシリンドリカルレンズで構成されている。

図１６に示した照射光学系３に対応する具体的な数値実施例を表２、表３に示す。なお、以降で説明する他の数値実施例についても同様の設計パラメータを示す。

表２には、面Ｎｏ．と、面の種類と、近軸曲率半径（Ｒ）と、光軸上の面間隔（ｄ）と、ｄ線（波長５８７．６ｎｍ）における屈折率の値（ｎｄ）と、ｄ線におけるアッベ数の値（νｄ）とを示す。Ｓ０面は、赤外光源２に相当する。

表３には、非球面の係数と、シリンドリカルレンズアレイＬ１３，Ｌ１６のアレイ幅とを示す。非球面形状は、以下の式によって定義される。なお、表３において、「Ｅ−ｉ」は１０を底とする指数表現、すなわち、「１０^-i」を表しており、例えば、「０．１２３４５Ｅ−０５」は「０．１２３４５×１０^-5」を表している。
また、非球面形状の式において、
ｚ：非球面の深さ（サグ量）
ｃ：近軸曲率＝１／Ｒ
ｒ：光軸からレンズ面までの距離（シリンドリカル面の場合、ｒはＸ方向の距離）
ｋ：コーニック係数
βｎ：第ｎ次の非球面係数
とする。

［１．４ 第１の実施の形態における赤外照射光学系の作用・効果］
次に、本実施の形態に係る照射光学系３の作用および効果を説明する。併せて、本実施の形態に係る照射光学系３における好ましい構成を説明する。
なお、本明細書に記載された効果はあくまでも例示であって限定されるものではなく、また他の効果があってもよい。以降の他の実施の形態についても同様である。

図１６に示した照射光学系３では、赤外光源２からの光に対して、コリメータレンズＬ１１によって平行光を作る。コリメータレンズＬ１１によって基本となる平行光線を作ったのち、リレーレンズＬ１２と、シリンドリカルレンズアレイＬ１３と、リレーレンズＬ１４と、リレーレンズＬ１５とによって、第１の均一面を生成する。その後、シリンドリカルレンズアレイＬ１６と、リレーレンズＬ１７と、リレーレンズＬ１８とによって、第２の均一面を生成し、メカアパーチャＳｔを通過させる。メカアパーチャＳｔを通過した光線が、さらに第１の照射レンズＬ２１と第２の照射レンズＬ２２とを通過することで、光の膜３２が可視光投影面３１に対して所定の高さに生成される。

図１６に示した照射光学系３では、コリメータレンズＬ１１以外はいずれもシリンドリカル面であり、図のＸ方向にだけ屈折力を有している。第１および第２の照射レンズＬ２１，Ｌ２２は、メカアパーチャＳｔ近傍の光量分布を分布の変換をしながら可視光投影面３１から所定の高さに転写するという機能を持ち、おおむね可視光投影面３１とメカアパーチャＳｔ近傍を共役に結び付ける。シリンドリカルレンズアレイＬ１６と、リレーレンズＬ１７と、リレーレンズＬ１８は、そのメカアパーチャＳｔ近傍の均一光線を作るもので、シリンドリカルレンズアレイＬ１３と、リレーレンズＬ１４と、リレーレンズＬ１５は、瞳観察をした場合に生じる像を略均一に近づけ、レーザ安全規格上のクラス１相当に低減させるために入れている。

第１および第２の照射レンズＬ２１，Ｌ２２は、２枚の負のシリンドリカルレンズを組み合わせており、小さな焦点距離を持つことで広角に光を照射することができるようになっている。ここで照射側に一番近い第２の照射レンズＬ２２は、Ｘ方向において負のメニスカスレンズで、かつ以下の条件を満足することが好ましい。これにより、全反射を避けながら適正に広角な光線を生成することができる。
｜Ｒｏｕｔ｜＞｜Ｒｉｎ｜ ……（１）
ただし、
Ｒｉｎ：第２の照射レンズＬ２２のＸ方向における光の入射面の曲率半径
Ｒｏｕｔ：第２の照射レンズＬ２２のＸ方向における光の射出面の曲率半径
とする。

さらに、第２の照射レンズＬ２２のＸ方向における光の入射面に関して、
コーニック係数＜−１
の条件を満足することで、投影距離がさらに近い場合にも対応が可能になる。

図１７は、図１６に示した照射光学系における照射レンズ部２０の非球面の作用を模式的に示している。

照射レンズ部２０は、第１の照射レンズＬ２１に対する光の入射高をｈ、光の最大の入射高をｈｍａｘとしたとき、ｈ＝０．８ｈｍａｘ以上１．０ｈｍａｘ以下の高さにおいて、以下の条件を満足する第１および第２の光線の組み合わせが、少なくとも１組存在するように構成されていることが好ましい。なお、図１７の例では、光軸から下側の領域において、光軸に平行な光線角度を０°とし、光軸に平行な光線に対して下側をプラス、上側をマイナスとしている。光軸から下側の領域において、入射角および射出角は、光軸に平行な光線に対して下側に向かうほど角度が大きくなるものとする。

θｉｎ１＜θｉｎ２ ……（２）
θｏｕｔ１＞θｏｕｔ２ ……（３）
ただし、
θｉｎ１：第１の照射レンズＬ２１への第１の光線の入射角
θｉｎ２：第１の照射レンズＬ２１への第２の光線の入射角
θｏｕｔ１：第１の照射レンズＬ２１からの第１の光線の射出角
θｏｕｔ２：第１の照射レンズＬ２１からの第２の光線の射出角
とする。

第１の照射レンズＬ２１は、Ｘ方向において両凹レンズとすることで第２の照射レンズＬ２２の屈折力を補う役割を担う。第１および第２の照射レンズＬ２１，Ｌ２２のいずれか一方における光の入射面と射出面とのいずれか１つの面に、変曲点を有することが好ましい。変曲点の作用として、上記式（２），（３）の条件を満足し、高い軸外の入射光線は、入射角に対して射出角が反転する現象を生じるように作用させることが好ましい。

図１８は、図１６に示した照射光学系３による赤外照射光の面内分布の一例を模式的に示している。図１３は、可視光投影光学系８により取り込まれる光の面内分布の一例を模式的に示している。図１９は、図１３の面内分布と図１８の照射光学系３による面内分布とを合わせた最終的な光の面内分布（赤外撮像素子６１に取り込まれる光の面内分布）の一例を模式的に示している。

上記式（２），（３）の条件を満足することで、光量のロスを少なくすることができる他、可視光投影面３１上の端部に対応する領域に対してより多くの光量を照射することができ、面内分布を図１８のような状態にすることができる。なお、上記式（２），（３）の条件は必ず必要なわけではないが、可視光投影面３１の位置が近ければ近いほど必要となる。可視光投影光学系８側の面内分布が図１３のようであれば、合計で図１９のような面内分布とすることができる。この結果、照射光学系３をロッドレンズで構成するよりも、面内分布の均一化が可能である。

図１６に示した照射光学系３は、ＬＬＰ方式によるインタラクティブ検知技術と相性がよいため、可視光投影光学系８と共に用いられることに適している。このとき、照射光学系３の照射レンズ部２０は、可視光投影面３１に対して略平行となる光の膜３２を形成することが好ましい。また、図７に示したように、可視光投影面３１に対応する領域３１Ａでの光の膜３２の厚み（略平行となる光束幅Φ）は、１０ｍｍ未満であることが好ましい。こうすることによって、ＬＬＰ方式で検出されるスポット径を小さくすることができ、精度を上げることができる。

また、図１６に示した構成例では、コリメータレンズＬ１１とシリンドリカルレンズアレイＬ１３との間にリレーレンズＬ１２を配置しているが、この役割は光学的にはほとんどなく、後述する第２の実施の形態に示す構成における光路折り曲げに対しての事前準備のために入れている。このため、リレーレンズＬ１２を省いた構成として小型化、低コスト化した構成も考えられる。

図１６に示した照射光学系３を用いることで、ＬＬＰ方式の照射平面（光の膜３２）を自在に設計でき、特に超短焦点レンズを用いたプロジェクタの場合でも、比較的均一な受光プロファイルにすることができる。また、照射平面を作るのに何本ものロッドレンズを必要とせず、部品点数と調整工程を削減することができる。また図１６に示した照射光学系３を用いることで、レーザ安全規格上のクラス１が保てるようにも設計できる。

［１．５ 変形例］
（１．５．１ 第１の変形例）
図２０は、本実施の形態の第１の変形例に係る照射光学系の一構成例を示している。また、図２０に示した第１の変形例に係る照射光学系に対応する具体的な数値実施例を表４、表５に示す。

図２０に示した第１の変形例では、第１および第２の照射レンズＬ２１，Ｌ２２の２組のシリンドリカルレンズ（Ｓ１８面〜Ｓ２１面）の形状が図１６に示した構成例とは異なっている。具体的には、第２の照射レンズＬ２２の形状がＸ方向において両凹形状とされている。このような構成でも、図１６に示した構成例と同様の作用・効果を得ることができる。

（１．５．２ 第２の変形例）
図２１は、本実施の形態の第２の変形例に係る照射光学系の一構成例を示している。また、図２１に示した第２の変形例に係る照射光学系に対応する具体的な数値実施例を表６、表７に示す。

図２１に示した第２の変形例では、第１および第２の照射レンズＬ２１，Ｌ２２の２組のシリンドリカルレンズ（Ｓ１８面〜Ｓ２１面）の形状が図１６に示した構成例とは異なっている。具体的には、第１の照射レンズＬ２１の形状がＸ方向において負のメニスカスレンズの形状とされている。このような構成でも、図１６に示した構成例と同様の作用・効果を得ることができる。

図２１に示した第２の変形例ではまた、光の膜３２の生成位置の前提を変更している。具体的には、照射レンズ部２０の先端から８０ｍｍ離れた位置に２１インチ相当の可視光投影面３１が存在し、その可視光投影面３１上に光の膜３２を生成するという前提に変更している。可視光投影光学系８による可視光投影面３１の位置に合わせて、光の膜３２の位置を合わせるため、このような光の膜３２の生成位置の違いは可視光投影光学系８の設計の違いによって容易に生じる。この場合、可視光投影光学系８に対して掛かる負担が小さいために、図２１に示した照射レンズ部２０のレンズ形状は図１６および図２０の構成例に比べて緩やかになっていることが分かる。図２１に示した第２の変形例では、第２の照射レンズＬ２２のレンズ面に変曲点があるが、画角が狭まっているために変曲点がなくても使用上の問題は少ない。

（１．５．３ その他の変形例）
図１６に示した照射光学系３の構成例では、メカアパーチャＳｔに対する入射光量に若干マージンを持たせることで、レンズの左右方向の調整を不要とする構成になっている。持たせるマージンは１０％〜３０％程度が適切である。一方で、この部分のマージンをほぼ０に設計し、レンズ調整工程を入れれば光量を稼ぐことも可能である。この場合、レーザ出力が足りない場合や温度上昇が気になる場合には効果を発揮する。

また、赤外光源２としてはレーザ光源を用いるのが望ましい。これはＬＥＤを使用した場合には発光源からの放射角が大きく、光量ロスが大きくなり投入電力が桁違いに大きくなってしまい適さないためである。レーザ光源は視覚的に目立たなくする、という観点から、７００ｎｍ以上の赤外光がより望ましい。さらに言えば、受光側の偏光分離素子６の波長特性を考慮して、８２０ｎｍ以下の赤外光がより望ましい。また、レーザ光源の偏光方向はシリンドリカル面に対してＰ偏光となる方が望ましい。これは特に広角域においてＰ偏光の方が透過ロスが少ないためである。

また、以上では技術親和性より、可視光投影光学系８に超短焦点レンズを用いた例を説明したが、可視光投影光学系８に通常の投影距離のレンズを用いてもよい。また超短焦点レンズを使用した場合、可視光投影面３１が非常に近くなるため、図７に示した構成例では、可視光投影光学系８を投影レンズと赤外光の検出レンズとを兼ねる同軸検出系にしたが、投影レンズと赤外光の検出レンズとを別々の構成にしてもよい。

また、照射光学系３において、第２の照射レンズＬ２２をプラスチックで作った場合、耐摩耗性がよくないが、第２の照射レンズＬ２２の先端部に平行な平面板を入れることでその対策をすることができる。また先端部に入れる素子としては入射曲率と射出曲率とがほぼ同じ程度のシリンドリカルアーチ状の光学素子でも問題はない。楕円形や他の形状でも厚みが略一定の素子であれば問題ないが、偏光方向はＰ偏光をある程度保つ方がより有利である。あるいは耐摩耗性自体はハードコートを適用して軽減することも可能である。

また、以上の説明では、照射レンズ部２０が、負のシリンドリカルレンズからなる第１および第２の照射レンズＬ２１，Ｌ２２で構成されている例を挙げたが、照射レンズ部２０がさらに他のレンズを含んでいてもよい。例えば、照射レンズ部２０が所定の方向（Ｘ方向）において正の屈折力を有するシリンドリカルレンズを含んでいてもよい。この場合、例えば、照射レンズ部２０が、赤外光源２側から順に、正のシリンドリカルレンズと、第１の負のシリンドリカルレンズと、第２の負のシリンドリカルレンズとが配置された正負負の３枚構成であってもよい。また例えば、照射レンズ部２０が、赤外光源２側から順に、第１の負のシリンドリカルレンズと、正のシリンドリカルレンズと、第２の負のシリンドリカルレンズとが配置された負正負の３枚構成であってもよい。

＜２．第２の実施の形態＞
次に、本開示の第２の実施の形態について説明する。以下では、上記第１の実施の形態と同様の構成および作用を有する部分については、適宜説明を省略する。

図２２は、第２の実施の形態に係る照射光学系３の一構成例を示している。本実施の形態に係る照射光学系３は、図１６に示した照射光学系３の構成例に対して、均一化部１０の構成が大きく異なっている。

本実施の形態では、均一化部１０を折り返し光学系とすることで、全長を短縮し、部品点数を削減している。具体的には、図１６に示した照射光学系３の構成例に対して、偏光分離素子１１と、λ／４板１２と、ミラー１３とを追加して折り返し光学系とし、リレーレンズＬ１５と、シリンドリカルレンズアレイＬ１６と、リレーレンズＬ１７とを構成から省略している。偏光分離素子１１としては、偏光ビームスプリッタやワイヤーグリッドを用いることができる。ミラー１３は平面ミラーである。

本実施の形態では、偏光分離素子１１に対して、赤外光源２とコリメータレンズＬ１１とが、第１の方向に配置されている。リレーレンズＬ１２と、シリンドリカルレンズアレイＬ１３と、リレーレンズＬ１４と、λ／４板１２と、ミラー１３とが、第２の方向（偏光分離素子１１によって折り曲げられた赤外光源２からの光の光路上）に配置されている。リレーレンズＬ１８と照射レンズ部２０は、第３の方向（偏光分離素子１１に対して第２の方向とは反対側）に配置されている。

偏光分離素子１１は、赤外光源２からの光のうち第１の偏光成分（例えばＳ偏光成分）をシリンドリカルレンズアレイＬ１３およびミラー１３等が配置された方向に向けて反射する。偏光分離素子１１はまた、ミラー１３で反射され、再度、シリンドリカルレンズアレイＬ１３等に入射した光のうち第２の偏光成分（例えばＰ偏光成分）を照射レンズ部２０に向けて出射する。λ／４板１２は、第１の偏光成分と第２の偏光成分との変換用に設けられている。

本実施の形態では、図１６に示した照射光学系３と光学的な光路は実質的に同等であり、具体的な数値実施例も上記表２、表３と同等となる。Ｓ２面とＳ３面との間に偏光分離素子１１が配置され、Ｓ８面とＳ９面との中間地点にミラー１３がおかれ、Ｓ３面〜Ｓ８面が、Ｓ１４面〜Ｓ９面と同一面になる。

なお、図２２では、赤外光源２とコリメータレンズＬ１１の入射角が最終的な照射方向の軸に対して９０°になっているが、偏光分離素子１１の入射角のり影響などから、この入射角は最終的な照射方向の軸に近くなるように浅めにする方が好ましい。あるいは、偏光分離素子１１を板状ではなくキューブ状とすることで、この入射角の影響を低減することも可能であり、その場合には９０°配置が好ましい。

＜３．第３の実施の形態＞
次に、本開示の第３の実施の形態について説明する。以下では、上記第１の実施の形態または上記第２の実施の形態と同様の構成および作用を有する部分については、適宜説明を省略する。

［３．１ 構成］
図２３は、第３の実施の形態に係る照射光学系３の一構成例を示している。また、図２３に示した本実施の形態に係る照射光学系３に対応する具体的な数値実施例を表８、表９に示す。

本実施の形態に係る照射光学系３は、図１６に示した照射光学系３の構成例に対して、均一化部１０の構成が大きく異なっている。図１６に示した照射光学系３では、均一化部１０に５つのリレーレンズＬ１２，Ｌ１４，Ｌ１５，Ｌ１７，Ｌ１８が用いられているが、本実施の形態では、これらに代えて、２つのリレーレンズＬ１４Ａ，Ｌ１７Ａを備えている。これにより、材料費の低減を図ることが可能である。リレーレンズＬ１４Ａは、シリンドリカルレンズアレイＬ１３とシリンドリカルレンズアレイＬ１６との間に配置されている。リレーレンズＬ１７Ａは、シリンドリカルレンズアレイＬ１６とメカアパーチャＳｔとの間に配置されている。

［３．２ 変形例］
図２４は、本実施の形態の変形例に係る照射光学系３の一構成例を示している。
光量が相対的に足りない場合、光線の入射方向を２方向として面内均一化を得ることも可能である。具体的には、図２４に示したように、均一化部１０として、２系統の均一化部１０Ａ，１０Ｂを備えてもよい。均一化部１０Ａ，１０Ｂの構成はそれぞれ、図２３の構成と略同様であってもよい。

＜４．第４の実施の形態＞
次に、本開示の第４の実施の形態について説明する。以下では、上記第１ないし第３の実施の形態と同様の構成および作用を有する部分については、適宜説明を省略する。

図２５は、第４の実施の形態に係る照射光学系３の一構成例を示している。また、図２５に示した本実施の形態に係る照射光学系３に対応する具体的な数値実施例を表１０、表１１に示す。

本実施の形態に係る照射光学系３は、図１６に示した照射光学系３の構成例に対して、均一化部１０の構成が大きく異なっている。図１６に示した照射光学系３の構成例では、レーザ安全規格をクラス１に収める目的で２つのシリンドリカルレンズアレイＬ１３，Ｌ１６を用いたが、図２５に示したように、１枚のシリンドリカルレンズアレイＬ１６と拡散板あるいは回折素子１４とを組み合わせた構成であってもよい。

ただし拡散板を用いる場合には、高さ方向（Ｙ方向）への光線の広がりを低減すべく、縦方向の拡散角を０．２ｄｅｇ、可能なら０．１ｄｅｇ以内に収めるのが望ましい。これは光線の太さをなるべく低減することで、検出誤りを低減させるためである。また、若干可視光投影面３１上の光束が収束気味になるようにコリメータＬ１１の位置を構成するのがより望ましい。こうすることで光線が太くなる影響を低減することが可能である。

この構成の場合、図２３に示した構成例において、シリンドリカルレンズアレイＬ１３とリレーレンズＬ１４Ａを取り除き、メカアパーチャＳｔの直前に拡散板あるいは回折素子１４を配置することで、安全規格緩和の効果が期待できる。なお、表１０、表１１には、図２３、表８、表９に示した構成例を元にした構成を示しているが、その他、図１６、表２、表３等に示した構成例を元にした構成であってもよい。

＜５．その他の実施の形態＞
本開示による技術は、上記各実施の形態の説明に限定されず種々の変形実施が可能である。

本開示において、均一化部１０による「均一化」とは、赤外光源２からの光の面内分布を完全に均一にするものである必要はない。例えば、均一化レベルが赤外光源２によるレーザ発光時のプロファイルよりも向上していればある程度、照射レンズ部２０の設計で不均一性を吸収することが可能である。例えば、十分な長さがないライトパイプなどを均一化部１０として使用する構成も考えられる。あるいは上記第１の実施の形態において、シリンドリカルレンズアレイＬ１３，Ｌ１６のレンズアレイピッチが不十分で均一面が十分に均一でない場合においても、ある程度均一レベルが向上していれば照射レンズ部２０の設計で不均一性を吸収することが可能である。

また例えば、本技術は以下のような構成を取ることができる。
（１）
光源からの光の面内分布を均一な面内分布に近づける均一化部と、
前記均一化部によって均一な面内分布に近付けられた光を所定の方向に発散させる照射レンズ部と
を備え、
前記照射レンズ部は、前記光源側から順に、前記所定の方向に負の屈折力を有する第１および第２のシリンドリカルレンズを含む
照射光学系。
（２）
前記第２のシリンドリカルレンズは、光の入射面と光の射出面とを含み、以下の条件を満足する
上記（１）に記載の照射光学系。
｜Ｒｏｕｔ｜＞｜Ｒｉｎ｜ ……（１）
ただし、
Ｒｉｎ：前記所定の方向における前記光の入射面の曲率半径
Ｒｏｕｔ：前記所定の方向における前記光の射出面の曲率半径
とする。
（３）
前記照射レンズ部は、
前記第１のシリンドリカルレンズに対する光の入射高をｈ、光の最大の入射高をｈｍａｘとしたとき、
ｈ＝０．８ｈｍａｘ以上１．０ｈｍａｘ以下の高さにおいて、以下の条件を満足する第１および第２の光線の組み合わせが、少なくとも１組存在するように構成されている
上記（１）または（２）に記載の照射光学系。
θｉｎ１＜θｉｎ２ ……（２）
θｏｕｔ１＞θｏｕｔ２ ……（３）
ただし、
θｉｎ１：前記第１のシリンドリカルレンズへの前記第１の光線の入射角
θｉｎ２：前記第１のシリンドリカルレンズへの前記第２の光線の入射角
θｏｕｔ１：前記第１のシリンドリカルレンズからの前記第１の光線の射出角
θｏｕｔ２：前記第１のシリンドリカルレンズからの前記第２の光線の射出角
とする。
（４）
前記１および第２のシリンドリカルレンズのいずれか一方における光の入射面と射出面とのいずれか１つの面に、変曲点を有する
上記（１）ないし（３）のいずれか１つに記載の照射光学系。
（５）
可視光投影面に映像を投影する可視光投影光学系と共に用いられ、
前記照射レンズ部は、前記可視光投影面に対して略平行となる光の膜を形成する
上記（１）ないし（４）のいずれか１つに記載の照射光学系。
（６）
前記可視光投影面に対応する領域での前記光の膜の厚みは、１０ｍｍ未満である
上記（５）に記載の照射光学系。
（７）
前記光源はレーザ光源である
上記（１）ないし（６）のいずれか１つに記載の照射光学系。
（８）
前記光源は波長７００ｎｍ以上の赤外光を発する赤外光源である
上記（１）ないし（７）のいずれか１つに記載の照射光学系。
（９）
前記均一化部は、２つのシリンドリカルレンズアレイを含む
上記（１）ないし（８）のいずれか１つに記載の照射光学系。
（１０）
前記均一化部は、シリンドリカルレンズアレイと偏光分離素子とを含む
上記（１）ないし（８）のいずれか１つに記載の照射光学系。
（１１）
前記均一化部は、さらにミラーを含み、
前記偏光分離素子に対して、前記光源が第１の方向に配置され、前記シリンドリカルレンズアレイと前記ミラーとが第２の方向に配置され、前記照射レンズ部が第３の方向に配置され、
前記偏光分離素子は、前記光源からの光のうち第１の偏光成分を前記シリンドリカルレンズアレイと前記ミラーとに向けて反射すると共に、前記ミラーで反射され、再度、前記シリンドリカルレンズに入射した光のうち第２の偏光成分を前記照射レンズ部に向けて出射する
上記（１０）に記載の照射光学系。
（１２）
可視光投影面に映像を投影する可視光投影光学系と、
前記可視光投影面に対して略平行となる光の膜を形成する照射光学系と
を備え、
前記照射光学系は、
光源からの光の面内分布を均一な面内分布に近づける均一化部と、
前記均一化部によって均一な面内分布に近付けられた光を所定の方向に発散させる照射レンズ部と
を含み、
前記照射レンズ部は、前記光源側から順に、前記所定の方向に負の屈折力を有する第１および第２のシリンドリカルレンズを含む
プロジェクタ。

本出願は、日本国特許庁において２０１５年２月５日に出願された日本特許出願番号第２０１５−０２１０２０号を基礎として優先権を主張するものであり、この出願のすべての内容を参照によって本出願に援用する。

当業者であれば、設計上の要件や他の要因に応じて、種々の修正、コンビネーション、サブコンビネーション、および変更を想到し得るが、それらは添付の請求の範囲やその均等物の範囲に含まれるものであることが理解される。

Claims (11)

1. 光源からの光の面内分布を均一な面内分布に近づける均一化部と、
   前記均一化部によって均一な面内分布に近付けられた光を所定の方向に発散させる照射レンズ部と
   を備え、
   前記照射レンズ部は、前記光源側から順に、前記所定の方向に負の屈折力を有する第１および第２のシリンドリカルレンズを含み、
   前記第２のシリンドリカルレンズは、光の入射面と光の射出面とを含み、以下の条件を満足する
   照射光学系。
   ｜Ｒｏｕｔ｜＞｜Ｒｉｎ｜ ……（１）
   ただし、
   Ｒｉｎ：前記所定の方向における前記光の入射面の曲率半径
   Ｒｏｕｔ：前記所定の方向における前記光の射出面の曲率半径
   とする。
2. 前記照射レンズ部は、
   前記第１のシリンドリカルレンズに対する光の入射高をｈ、光の最大の入射高をｈｍａｘとしたとき、
   ｈ＝０．８ｈｍａｘ以上１．０ｈｍａｘ以下の高さにおいて、以下の条件を満足する第１および第２の光線の組み合わせが、少なくとも１組存在するように構成されている
   請求項１に記載の照射光学系。
   θｉｎ１＜θｉｎ２ ……（２）
   θｏｕｔ１＞θｏｕｔ２ ……（３）
   ただし、
   θｉｎ１：前記第１のシリンドリカルレンズへの前記第１の光線の入射角
   θｉｎ２：前記第１のシリンドリカルレンズへの前記第２の光線の入射角
   θｏｕｔ１：前記第１のシリンドリカルレンズからの前記第１の光線の射出角
   θｏｕｔ２：前記第１のシリンドリカルレンズからの前記第２の光線の射出角
   とする。
3. 前記１および第２のシリンドリカルレンズのいずれか一方における光の入射面と射出面とのいずれか１つの面に、変曲点を有する
   請求項１に記載の照射光学系。
4. 可視光投影面に映像を投影する可視光投影光学系と共に用いられ、
   前記照射レンズ部は、前記可視光投影面に対して略平行となる光の膜を形成する
   請求項１に記載の照射光学系。
5. 前記可視光投影面に対応する領域での前記光の膜の厚みは、１０ｍｍ未満である
   請求項４に記載の照射光学系。
6. 前記光源はレーザ光源である
   請求項１に記載の照射光学系。
7. 前記光源は波長７００ｎｍ以上の赤外光を発する赤外光源である
   請求項１に記載の照射光学系。
8. 前記均一化部は、２つのシリンドリカルレンズアレイを含む
   請求項１に記載の照射光学系。
9. 前記均一化部は、シリンドリカルレンズアレイと偏光分離素子とを含む
   請求項１に記載の照射光学系。
10. 前記均一化部は、さらにミラーを含み、
    前記偏光分離素子に対して、前記光源が第１の方向に配置され、前記シリンドリカルレンズアレイと前記ミラーとが第２の方向に配置され、前記照射レンズ部が第３の方向に配置され、
    前記偏光分離素子は、前記光源からの光のうち第１の偏光成分を前記シリンドリカルレンズアレイと前記ミラーとに向けて反射すると共に、前記ミラーで反射され、再度、前記シリンドリカルレンズに入射した光のうち第２の偏光成分を前記照射レンズ部に向けて出射する
    請求項９に記載の照射光学系。
11. 可視光投影面に映像を投影する可視光投影光学系と、
    前記可視光投影面に対して略平行となる光の膜を形成する照射光学系と
    を備え、
    前記照射光学系は、
    光源からの光の面内分布を均一な面内分布に近づける均一化部と、
    前記均一化部によって均一な面内分布に近付けられた光を所定の方向に発散させる照射レンズ部と
    を含み、
    前記照射レンズ部は、前記光源側から順に、前記所定の方向に負の屈折力を有する第１および第２のシリンドリカルレンズを含み、
    前記第２のシリンドリカルレンズは、光の入射面と光の射出面とを含み、以下の条件を満足する
    プロジェクタ。
    ｜Ｒｏｕｔ｜＞｜Ｒｉｎ｜ ……（１）
    ただし、
    Ｒｉｎ：前記所定の方向における前記光の入射面の曲率半径
    Ｒｏｕｔ：前記所定の方向における前記光の射出面の曲率半径
    とする。