JP6901053B1 - 照明システム、照明システムの設計方法 - Google Patents

Abstract

【課題】照明装置によって投影面に適切にパターンを投影する。【解決手段】照明システム１は、投影面３と、投影面３に投影パターン４を投影する照明装置１０と、を備える。照明装置１０は、コヒーレント光を出射する光源１２と、光源１２からのコヒーレント光を回折させて投影パターン４を形成する回折光学素子１４と、を有する。回折光学素子１４は、投影面３と平行な方向に二次元配列された複数の要素回折光学素子１５を含む。投影面３に対しある要素回折光学素子１５の中心から降ろした垂線の交差位置５における投影パターン４の指定解像度から決まる前記投影面上での解像基本周期長ｒ、当該位置５において要素回折光学素子１５を見込む角度の半分の角度θ、及び当該位置５に投影される投影パターン４に含まれる光の波長λが、次の関係（ｉ）を満たす。ｓｉｎθ＞λ／（６ｒ） ・・・（ｉ）【選択図】図４

Description

本開示は、照明システム及び照明システムの設計方法に関する。

照明装置の光源としてコヒーレント光を発光するレーザー光源を用いることがある。レーザー光源は、一般に、ＬＥＤ（Light Emitting Device)に比べて発光点サイズが小さい上、輝度が高い。また、コヒーレント光を発光するため指向性を高めることができ、十分な量の光を遠方まで到達させることができる。さらに、回折光学素子やレンズアレイ等の各種光学素子やマイクロディスプレイ等を用いることにより、配光を細かく制御することも可能となる。

このようなレーザー光源と光学素子とを組み合わせて、特許文献１に記載されているような、所望の投影パターンを投影する照明装置が提案されている。特許文献１に開示された照明装置では、単一光源で生成されたレーザー光をホログラム等の単一の光学素子で回折している。光学素子での回折により、単一光源からの光から所望の投影パターンを形成している。この投影パターンが、照明装置から離間した投影面に投影される。

照明装置の光源としてレーザー光源と回折光学素子を用いる場合、結像光学系を用いることなく、所望の投影パターンを投影することができる。また、照明装置の光源としてレーザー光源を用いる場合、照明装置から投射される光の発散角度を小さくすることができる。このことから、光源としてＬＥＤを用いる場合と比較して、投影面に投影される投影パターンを効率よく鮮明に表示することができる。

特開２０１５−１３２７０７号公報

ところで、投影面が照明装置から遠方に位置する場合、投影パターンが適切に認識できない程に不鮮明にしか投影されないことがある。本開示者らが検討したところ、投影パターンの鮮明さは、照明装置における光学素子と投影面との関係性に依存することが知見された。すなわち、照明装置における光学素子と投影面との関係を適切に設定することにより、認識可能なように鮮明に投影パターンを投影することができることが知見された。本開示は、照明装置によって投影面に適切にパターンを投影することを目的とする。

本開示の第１の照明システムは、
投影面と、
前記投影面に投影パターンを投影する照明装置と、を備え、
前記照明装置は、コヒーレント光を出射する光源と、前記光源からのコヒーレント光を回折させて前記投影パターンを形成する回折光学素子と、を有し、
前記回折光学素子は、前記投影面と平行な方向に二次元配列された複数の要素回折光学素子を含み、
前記投影面に対しある前記要素回折光学素子の中心から下ろした垂線の交差位置における前記投影パターンの指定解像度から決まる前記投影面上での解像基本周期長ｒ、当該位置において前記要素回折光学素子を見込む角度の半分の角度θ、及び当該位置に投影される前記投影パターンに含まれる光の波長λが、次の関係（ｉ）を満たす。
ｓｉｎθ＞λ／（６ｒ） ・・・（ｉ）

本開示の第２の照明システムは、
投影面と、
前記投影面に投影パターンを投影する照明装置と、を備え、
前記照明装置は、コヒーレント光を出射する光源と、前記光源からのコヒーレント光を回折させて前記投影パターンを形成する回折光学素子と、を有し、
前記回折光学素子は、複数の要素回折光学素子を含み、
前記要素回折光学素子の中心から前記投影面への垂線の長さＬ、前記投影面のある位置における前記投影パターンの指定解像度から決まる前記投影面上での解像基本周期長ｒ、前記解像基本周期長ｒの延びる方向と前記要素回折光学素子の中心と前記解像基本周期長ｒの中心とを結ぶ方向とを含む面における前記要素回折光学素子の断面の長さｐ、当該位置と前記要素回折光学素子の中心とを結ぶ線が前記要素回折光学素子の中心から前記投影面への垂線に対してなす角度δ、及び当該位置に投影される前記投影パターンに含まれる光の波長λが次の関係（ｉｉ）を満たす。
Ｌλ／（ｒｐｃｏｓ^２δ）＜３ ・・・（ｉｉ）

本開示の第２の照明システムにおいて、前記位置と前記要素回折光学素子の中心とを結ぶ線が前記要素回折光学素子の中心から前記投影面への垂線に対してなす角度δは、０°より大きくてもよい。

本開示の第１または第２の照明システムにおいて、前記投影パターンは、可視光波長域の波長の光及び／又は赤外線領域の波長の光を含んでもよい。

本開示の第１の照明システムの設計方法は、投影面に投影パターンを投影する照明システムの設計方法であって、
前記投影面に対しある要素回折光学素子の中心から下ろした垂線の交差位置における前記投影パターンの指定解像度から決まる前記投影面上での解像基本周期長ｒ及び当該位置における前記投影パターンに含まれる光の波長λを決定する工程と、
当該位置において前記要素回折光学素子を見込む角度の半分の角度θが、次の関係（ｉ）を満たすように、前記投影面と前記照明装置との位置関係を決定する工程と、を備える。
ｓｉｎθ＞λ／（６ｒ） ・・・（ｉ）

本開示の第２の照明システムの設計方法は、投影面に投影パターンを投影する照明システムの設計方法であって、
前記投影面のある位置における前記投影パターンの指定解像度から決まる前記投影面上での解像基本周期長ｒ及び当該位置における前記投影パターンに含まれる光の波長λを決定する工程と、
前記解像基本周期長ｒの延びる方向と要素回折光学素子の中心と前記解像基本周期長ｒの中心とを結ぶ方向とを含む面における前記要素回折光学素子の断面の長さｐを決定する工程と、
前記要素回折光学素子の中心から前記投影面への垂線の長さＬ、及び前記位置と前記要素回折光学素子の中心とを結ぶ線が前記要素回折光学素子の中心から前記投影面への垂線に対してなす角度δが、次の関係（ｉｉ）を満たすように、前記投影面と前記照明装置との位置関係を決定する工程と、を備える。
Ｌλ／（ｒｐｃｏｓ^２δ）＜３ ・・・（ｉｉ）

本開示によれば、照明装置によって投影面に適切にパターンを投影することができる。

図１は、照明システムの概略構成を模式的に示す斜視図である。 図２は、照明システムを投影面の法線方向から観察した拡大平面図である。 図３Ａは、投影面に投影される投影パターンの一例の一部を拡大して示す図である。 図３Ｂは、投影面に投影される投影パターンの他の例の一部を拡大して示す図である。 図４は、投影面の一部を投影面に平行な方向から観察した照明システムの図である。 図５は、投影面の他の一部を投影面に平行な方向から観察した照明システムの図である。

以下、図面を参照して本開示の一実施の形態について説明する。なお、本件明細書に添付する図面においては、図示と理解のしやすさの便宜上、適宜縮尺および縦横の寸法比等を、実物のそれらから変更し誇張してある。

また、本明細書において用いる、形状や幾何学的条件並びにそれらの程度を特定する、例えば、「平行」、「直交」、「同一」等の用語や、長さや角度の値等については、厳密な意味に縛られることなく、同様の機能を期待し得る程度の範囲を含めて解釈することとする。

図１は、本実施の形態の照明システム１の概略構成を模式的に示す斜視図である。図１に示されているように、照明システム１は、投影面３と、照明装置１０と、を有している。照明システム１において、投影パターン４が照明装置１０によって投影面３に投影される。

投影面３は、照明装置１０から投影される投影パターン４を周囲の観察者から適切に観察されるように表示する表示面として機能する。投影面３は、照明装置１０から離間した面である。投影面３は、投影パターン４を適切に表示するよう、平坦面であることが好ましい。図１に示されているように、本実施の形態において、投影面３は、第１方向ｄ１に所定の幅を有し、第２方向ｄ２に延在している。このような投影面３は、例えば道路の路面の一部である。投影面３の第１方向ｄ１における長さ（幅）は、照明装置１０の特に後述する回折光学素子１４によって規定され、投影面３の第２方向ｄ２における長さは、投影面３と照明装置１０との関係によって規定される。また、図示されている例において、第１方向ｄ１と第２方向ｄ２とは、互いに直交している。

投影パターン４は、観察者に観察させる所定のパターンを投影面３に表示する。したがって、投影パターン４は、可視光波長域の波長の光を含んでいる。具体的には、投影パターン４は、波長λが３８０ｎｍ以上７００ｎｍ以下の光を含んでいる。例えば、投影パターン４は、観察者に観察させるための所定の情報を表示する。図１に示されている例では、所定の情報として「ＳＴＯＰ」という文字を表示している。しかしながら、投影パターン４が表示する情報は任意であり、文字だけでなく、絵柄や画像、記号、数字などを含んでいてもよい。また、所定の情報の表示色やサイズ、文字線種、線幅も任意であり、所定の情報の少なくとも一部を複数色で色分けしてもよい。

投影パターン４は、可視光波長域以外の光、例えば赤外線領域の波長の光を含んでいてもよい。投影パターン４において、赤外線領域の波長の光は、可視光波長域の光と同時に可視光波長域の光が照射されている位置と同一の位置に照射されてもよいし、異なる位置に照射されてもよい。あるいは、投影パターン４において、赤外線領域の波長の光は、可視光波長域の光とは異なるタイミングで照射されてもよい。さらには、投影パターン４は、可視光波長域の光を含まず、赤外線領域の波長の光のみを含んでいてもよい。

なお、投影パターン４は、上述した可視光波長域及び赤外線領域以外の光、例えば紫外線、ミリ波やテラヘルツ波を含んでいてもよい。

照明装置１０は、投影面３に投影パターン４を投影する装置である。本実施の形態において、照明装置１０は、設置型の情報表示灯の一部として用いられるものである。ただし、照明装置１０は、サーチライトなどの種々の照明灯としても適用可能である。また、照明装置１０は、種々の移動体への搭載も考えられ、すなわち自動車や自転車等の車両だけでなく、船舶や飛行機、列車などの移動体への適用も可能である。さらには、照明装置１０は、情報を表示可能な端末、例えばコンピュータのディスプレイ、タブレットやスマートフォン等の携帯端末、テレビ等に適用することも可能である。

図１に示すように、照明装置１０は、光源１２と、整形光学系１３と、回折光学素子１４と、を有している。また、照明装置１０は、光源１２、整形光学系１３及び回折光学素子１４を収容する筐体を、さらに有していてもよい。以下、照明装置１０の各構成要素について、説明する。

光源１２は、波長及び位相が揃った光であるコヒーレント光を出射する。光源１２として、種々の型式の光源を用いることができる。典型的には、コヒーレント光を出射する光源１２として、レーザー光を発振するレーザー光源を用いることができる。一具体例として、光源１２は、半導体レーザー光源として構成され、例えば回路基板によって支持される。図１に示されている例では、それぞれ異なる波長の光を出射する３つの光源１２が設けられている。光源１２が出射する光の波長は、投影パターン４に含まれる光の波長に対応している。例えば、投影パターン４が可視光波長域の光を含むように投影される場合、光源１２は、可視光波長域の光を出射する。この場合、典型的には、３つの光源１２は、それぞれ赤、緑、青の波長域のコヒーレント光を出射する。しかしながら、光源１２は、他の色の波長域の光を出射してもよい。あるいは、投影パターン４が可視光波長域の以外の光、例えば投影パターン４が赤外線領域の光を含むように投影される場合、光源１２は、赤外線領域の光を出射する。なお、図示されている例に限らず、光源１２は、任意の数であってもよい。

整形光学系１３は、光源１２から出射した光を整形する。言い換えると、整形光学系１３は、光源１２からの光の光軸に直交する断面での形状や、光の放射空間の立体的な形状を整形する。典型的には、整形光学系１３は、光の光軸に直交する断面での投影光の断面積を拡大させる。特に、図示された例において、整形光学系１３は、光源１２から出射した光を拡幅した平行光に整形する。すなわち、整形光学系１３は、コリメート光学系として機能する。図１に示すように、整形光学系１３は、コヒーレント光の光路に沿った順で、第１レンズ１３ａ及び第２レンズ１３ｂを有している。第１レンズ１３ａは、光源１２から出射した光を発散光に整形する。第２レンズ１３ｂは、第１レンズ１３ａで生成された発散光を、平行光に整形し直す。すなわち、第２レンズ１３ｂは、コリメートレンズとして機能する。図１に示されている例では、複数の整形光学系１３が設けられている。整形光学系１３は、各光源１２に対応して設けられている。このため、整形光学系１３は、光源１２と同一の数となっている。

回折光学素子１４は、整形光学系１３を通過した光を回折させて、投影パターン４を形成する。回折光学素子１４で回折された光が、投影面３に投影される。図１に示されている例では、複数の回折光学素子１４が設けられている。回折光学素子１４は、各整形光学系１３に対応して設けられている。このため、回折光学素子１４は、整形光学系１３と同一の数となっている。

図２には、１つの回折光学素子１４が拡大して示されている。図２に示されているように、回折光学素子１４は、複数の要素回折光学素子１５を含んでいる。とりわけ、複数の要素回折光学素子１５は、微小な薄板状の部材であり、回折光学素子１４において同一平面上に隙間をあけることなく二次元配列されている。要素回折光学素子１５は、光を回折させて出射面１５ａから出射させる。複数の要素回折光学素子１５は、それぞれで整形光学系１３からの光を回折させることで、全体として投影パターン４を形成する。各要素回折光学素子１５は、投影パターン４が表示する所定の情報の全体を形成してもよいし、所定の情報の一部ずつを形成してもよい。

各要素回折光学素子１５が、それぞれ対応した投影面３の各照明範囲を正しく照明するように回折特性を設計されていることで、投影面３に投影される投影パターン４が表示する所定の情報を適切に表示することができる。

図２に示すように、投影面３の第２方向ｄ２に沿った任意の位置に入射する１つの要素回折光学素子１５で回折した光の第１方向ｄ１に沿った照射幅ｗが、投影面３の第２方向ｄ２に沿った任意の位置に入射する他の１つの要素回折光学素子１５で回折した光の第１方向ｄ１に沿った照射幅ｗと、同一となるように、各要素回折光学素子１５の回折特性は調整されている。

要素回折光学素子１５は、典型的には、ホログラム素子である。要素回折光学素子１５としてホログラム素子を用いることで、回折特性を設計しやすくなり、予め定めた位置、サイズおよび形状の情報を投影面３に表示できるようなホログラム素子の設計も比較的容易に行うことができる。

要素回折光学素子１５をホログラム素子で構成する場合には、計算機合成ホログラム（ＣＧＨ：Computer Generated Hologram）を用いることで、上述した回折特性を比較的容易に計算機を用いて設計することができる。

要素回折光学素子１５は、位相型の回折光学素子であってもよいし、振幅型の回折光学素子であってもよい。更に、要素回折光学素子１５は、図１に示された例において透過型として構成されているが、反射型として構成されてもよい。要素回折光学素子１５が位相型の回折光学素子として構成される場合、要素回折光学素子１５をなす微細構造は、光の入射位置に応じて光路長が変化する凹凸パターン構造や、光の入射位置に応じて屈折率が異なるパターン構造を採用することができる。凹凸パターンからなる微細構造は、フォトリソグラフィー技術を利用した樹脂成形により、量産することができる点において好ましい。また、要素回折光学素子１５が振幅型の回折光学素子として構成される場合、要素回折光学素子１５をなす微細構造は、光の入射位置に応じて透過率が異なる構造を採用することができる。

次に、照明システム１における、投影面３と照明装置１０の回折光学素子１４、特に要素回折光学素子１５との関係について、説明する。

図３Ａ及び図３Ｂには、照明装置１０によって投影面３に投影された投影パターン４の一部が拡大して示されている。例として、図３Ａ及び図３Ｂには、図１に示された「ＳＴＯＰ」の文字のうち「Ｔ」が示されている。投影パターン４は、ある指定解像度から決まる投影面３上での解像基本周期長ｒで投影面３に表示されている。ここで、解像基本周期長ｒとは、システムとして照明パターンの表示に必要な解像度を投影面３にて表示した場合の単位ピクセル周期長のことを意味する。図３Ａに示されている例において、解像基本周期長ｒは、投影パターン４において、太さが最も小さい線の幅である。すなわち、図３Ａに示されている例では、解像基本周期長ｒは、「Ｔ」の文字の横線の幅（太さ）である。あるいは、図３Ｂに示されている例において、解像基本周期長ｒは、投影パターン４を構成するドットの基本空間周波数の逆数である。すなわち、図３Ｂに示されている例では、「Ｔ」の文字は、複数のドットから形成されており、解像基本周波数ｒは、「Ｔ」の文字を形成する１つのドットの幅である。

図４は、投影面３の一部を投影面３に平行なある方向から観察した照明システム１の一部の拡大図である。とりわけ、図４に示されている例では、投影パターン４のうち、太さが最も小さい線の幅の幅方向に直交する方向から照明システム１が観察されている。図４に示されている例では、要素回折光学素子１５が配列される方向は、投影面３と平行となっている。すなわち、要素回折光学素子１５の出射面１５ａは、投影面３と平行となっている。また、図４に示されている例では、投影面３に対しある要素回折光学素子１５の中心から降ろした垂線の交差位置５において、投影パターン４の一部が、解像基本周期長ｒで投影されている。とりわけ、位置５は、解像基本周期長ｒの中心の位置であり、例えば、「Ｔ」の文字の横線の幅の中心の位置となっている。すなわち、図４に示されている方向からの観察において、投影パターン４は、投影面３の位置５を中心として解像基本周期長ｒで表示されている。この解像基本周期長ｒは、例えば１００μｍ以上１ｍ以下である。

図４に示されている方向からの観察おいて、投影面３の位置５に投影されている投影パターン４の一部は、回折光学素子１４における１つまたは複数の要素回折光学素子１５で回折された光によって形成される。この位置５に投影される投影パターン４は、波長λの光を含んでいる。波長λは、可視光波長であり、例えば３８０ｎｍ以上７００ｎｍ以下である。

また、図４において、位置５に投影される投影パターン４を形成する要素回折光学素子１５は、位置５から角度２θで見込まれている。言い換えると、図４に示されている方向からの観察において、位置５に波長λの光を含む投影パターン４を投影している要素回折光学素子１５の両端のそれぞれと位置５とを結ぶ２つの線は、角度２θをなしている。角度２θは、例えば６×１０^−５°以上０．６°以下である。

図４に示された例において、上述した角度θ、波長λ及び解像基本周期長ｒ、すなわち、投影面３に対しある要素回折光学素子１５の中心から降ろした垂線の交差位置５における投影パターン４の指定解像度から決まる投影面３上での解像基本周期長ｒ、位置５において要素回折光学素子１５を見込む角度２θの半分の角度θ、及び位置５に投影される投影パターン４に含まれる光の波長λが、次の関係（ｉ）を満たしている。
ｓｉｎθ＞λ／（６ｒ） ・・・（ｉ）
好ましくは、角度θ、波長λ及び解像基本周期長ｒは、次の関係（ｉ＊）を満たしている。
ｓｉｎθ＞λ／（４ｒ） ・・・（ｉ＊）
より好ましくは、角度θ、波長λ及び解像基本周期長ｒは、次の関係（ｉ＊＊）を満たしている。
ｓｉｎθ＞λ／（２ｒ） ・・・（ｉ＊＊）

また、図５は、投影面３の他の一部を投影面３に平行なある方向から観察した照明システム１の一部の拡大図である。図５に示されている例では、図４に示されている例と同様に、投影パターン４のうち、太さが最も小さい線の幅の幅方向に直交する方向から照明システム１が観察されている。図５に示されている例では、要素回折光学素子１５が配列される方向は、投影面３と平行となっていてもよいし、投影面３と非平行となっていてもよい。すなわち、要素回折光学素子１５の出射面１５ａは、投影面３と非平行であってもよい。図５に示されている例では、投影面３上のある位置６において、投影パターン４の一部が解像基本周期長ｒで投影されている。とりわけ、位置６は、解像基本周期長ｒの中心の位置であり、例えば、「Ｔ」の文字の横線の幅の中心の位置となっている。すなわち、図４に示されている方向からの観察において、投影パターン４は、投影面３の位置６を中心として解像基本周期長ｒで表示されている。この解像基本周期長ｒは、例えば１００μｍ以上１ｍ以下である。

図５に示されている方向からの観察おいて、投影面３のある位置６に投影されている投影パターン４の一部は、回折光学素子１４における１つまたは複数の要素回折光学素子１５で回折された光によって形成される。この位置６に投影される投影パターン４は、波長λの光を含んでいる。波長λは、可視光波長であり、例えば３８０ｎｍ以上７００ｎｍ以下である。

図５において、投影面３と位置６に波長λの光を含む投影パターン４を投影している要素回折光学素子１５とは、距離Ｌだけ離間している。より詳しくは、要素回折光学素子１５の中心から投影面３への垂線の長さがＬである。この長さＬは、例えば０．５ｍ以上１００ｍ以下である。

図５に示されている方向からの観察おいて、位置６に波長λの光を含む投影パターン４を投影している要素回折光学素子１５は、長さｐで延びている。ここで、要素回折光学素子１５の長さｐとは、解像基本周期長ｒの延びる方向と要素回折光学素子１５の中心と解像基本周期長ｒの中心とを結ぶ方向とを含む面、例えば図５に示されているような投影面３の他の一部を投影面３に平行なある方向からの観察面における要素回折光学素子１５の断面の長さのことを意味する。この長さｐは、例えば１００μｍ以上５ｍｍ以下である。

図５に示されている例において、位置６と位置６に波長λの光を含む投影パターン４を投影している要素回折光学素子１５の中心とを結ぶ線は、当該要素回折光学素子１５の中心から投影面３への垂線に対して角度δをなしている。この角度δは、０°であってもよいが、０°より大きいことが好ましく、６０°以上であることがより好ましく、８０°以上であることがさらに好ましい。すなわち、投影パターン４が投影される位置６は、要素回折光学素子１５の中心からずれた位置であることが好ましい。言い換えると、投影パターン４は、投影面３において照明装置１０の正面方向からずれた方向に投影されることが好ましい。

図５に示された例において、上述した長さＬ、波長λ、解像基本周期長ｒ、長さｐ及び角度δ、すなわち、要素回折光学素子１５の中心から投影面３への垂線の長さＬ、投影面３のある位置６における投影パターン４の解像基本周期長ｒ、解像基本周期長ｒの延びる方向と要素回折光学素子１５の中心と解像基本周期長ｒの中心とを結ぶ方向とを含む面における要素回折光学素子１５の断面の長さｐ、位置６と要素回折光学素子１５の中心とを結ぶ線が要素回折光学素子１５の中心から投影面３への垂線に対してなす角度δ、及び位置６に投影される投影パターン４に含まれる光の波長λが、次の関係（ｉｉ）を満たしている。
Ｌλ／（ｒｐｃｏｓ^２δ）＜３ ・・・（ｉｉ）
好ましくは、長さＬ、波長λ、基本周期長ｒ、長さｐ及び角度δは、次の関係（ｉｉ＊）を満たしている。
Ｌλ／（ｒｐｃｏｓ^２δ）＜２ ・・・（ｉｉ＊）
より好ましくは、長さＬ、波長λ、基本周期長ｒ、長さｐ及び角度δは、次の関係（ｉｉ＊＊）を満たしている。
Ｌλ／（ｒｐｃｏｓ^２δ）＜１ ・・・（ｉｉ＊＊）

次に、照明システム１の設計方法について説明する。

照明システム１は、投影面３に適切に投影パターン４が投影されるように設計される。すなわち、まず、投影面３に投影されるべき投影パターン４が決定される。具体的には、投影パターン４が所定の情報を投影面３に表示できるよう、投影面３に対しある要素回折光学素子１５の中心から降ろした垂線の交差位置５における投影パターン４の指定解像度から決まる投影面３上での解像基本周期長ｒ及び位置５における投影パターン４に含まれる光の波長λが決定される。その後、投影パターン４を適切に投影できるよう、投影面３と照明装置１０との位置関係が決定される。具体的には、位置５において要素回折光学素子１５を見込む角度の半分の角度θが、次の関係（ｉ）を満たすように、投影面３と照明装置１０との位置関係が決定される。
ｓｉｎθ＞λ／（６ｒ） ・・・（ｉ）
好ましくは、投影面３と照明装置１０との位置関係は、次の関係（ｉ＊）を満たすよう決定される。
ｓｉｎθ＞λ／（４ｒ） ・・・（ｉ＊）
より好ましくは、投影面３と照明装置１０との位置関係は、次の関係（ｉ＊＊）を満たすよう決定される。
ｓｉｎθ＞λ／（２ｒ） ・・・（ｉ＊＊）

あるいは、照明システム１は、次のように設計される。まず、上述した設計方法と同様に、投影面３のある位置６における投影パターン４の指定解像度から決まる投影面３上での解像基本周期長ｒ及び位置６における投影パターン４に含まれる光の波長λが決定される。次に、要素回折光学素子１５の長さｐ、より詳しくは解像基本周期長ｒの延びる方向と要素回折光学素子１５の中心と解像基本周期長ｒの中心とを結ぶ方向とを含む面における要素回折光学素子１５の断面の長さｐが決定される。その後、要素回折光学素子１５によって形成される投影パターン４を適切に投影できるよう、投影面３と照明装置１０との位置関係が決定される。具体的には、要素回折光学素子１５の中心から投影面３への垂線の長さＬ、及び位置６と要素回折光学素子１５の中心とを結ぶ線が要素回折光学素子１５の中心から投影面３への垂線に対してなす角度δが、次の関係（ｉｉ）を満たすように、投影面３と照明装置１０との位置関係が決定される。
Ｌλ／（ｒｐｃｏｓ^２δ）＜３ ・・・（ｉｉ）
好ましくは、投影面３と照明装置１０との位置関係は、次の関係（ｉｉ＊）を満たすように決定される。
Ｌλ／（ｒｐｃｏｓ^２δ）＜２ ・・・（ｉｉ＊）
より好ましくは、投影面３と照明装置１０との位置関係は、次の関係（ｉｉ＊＊）を満たすように決定される。
Ｌλ／（ｒｐｃｏｓ^２δ）＜１ ・・・（ｉｉ＊＊）

ところで、従来の照明装置では、特に投影面が照明装置から遠方に位置する場合、照明装置から投影面に投影パターンを投影しても、投影パターンが不鮮明にしか表示されないことがあった。不鮮明な投影パターンは、例えば投影パターンが表示する情報を観察者に適切に認識させることができない。このため、照明装置によって投影面に投影パターンを適切に投影することが求められる。

一般に、照明装置における回折光学素子、より詳しくは回折光学素子に含まれる要素回折光学素子の大きさが大きいほど、投影面に投影パターンを鮮明に表示することができる。しかしながら、要素回折光学素子を大きくすると、要素回折光学素子の回折特性を適切に設計するためのコスト及び要素回折光学素子の製造のコストが増大してしまう。このため、要素回折光学素子を大きくすることは抑制しながら、投影面に投影パターンを適切に投影することが好ましい。

本開示者らが検討したところ、投影パターンの鮮明さは、照明装置における要素回折光学素子と投影面との位置の関係性に依存することが知見された。すなわち、照明装置における要素回折光学素子と投影面との位置関係を適切に設定することにより、認識可能なように鮮明に投影パターンを投影することができることが知見された。本開示者らが実験を繰り返したところ、具体的には、要素回折光学素子と投影面との位置関係を以下のように設定することで、投影パターンを投影面に鮮明に投影することができることが知見された。

本実施の形態のように、投影面３に対しある要素回折光学素子１５の中心から降ろした垂線の交差位置５における投影パターン４の指定解像度から決まる投影面３上での解像基本周期長ｒ、位置５において要素回折光学素子１５を見込む角度２θの半分の角度θ、及び位置５に投影される投影パターン４に含まれる光の波長λが、次の関係（ｉ）を満たしていることで、投影パターン４が投影面３に認識可能な程度に鮮明に投影される。
ｓｉｎθ＞（λ／６ｒ） ・・・（ｉ）

また、角度θ、波長λ及び解像基本周期長ｒは、次の関係（ｉ＊）を満たしていることで、投影パターン４が投影面３に明確に認識されるように鮮明に投影される。
ｓｉｎθ＞λ／（４ｒ） ・・・（ｉ＊）

さらに、角度θ、波長λ及び解像基本周期長ｒは、次の関係（ｉ＊＊）を満たしていることで、投影面３において投影パターン４が表示されている部分と表示されていない部分との違いがより明確に認識されるように鮮明に投影される。
ｓｉｎθ＞（λ／２ｒ） ・・・（ｉ＊＊）

あるいは、本実施の形態のように、要素回折光学素子１５の中心から投影面３への垂線の長さＬ、投影面３のある位置６における投影パターン４の指定解像度から決まる投影面３上での解像基本周期長ｒ、解像基本周期長ｒの延びる方向と要素回折光学素子１５の中心と解像基本周期長ｒの中心とを結ぶ方向とを含む面における要素回折光学素子１５の断面の長さｐ、位置６と要素回折光学素子１５の中心とを結ぶ線が要素回折光学素子１５の中心から投影面３への垂線に対してなす角度δ、及び位置６に投影される投影パターン４に含まれる光の波長λが、次の関係（ｉｉ）を満たしていることで、投影パターン４が投影面３に認識可能な程度に鮮明に投影される。
Ｌλ／（ｒｐｃｏｓ^２δ）＜３ ・・・（ｉｉ）

また、長さＬ、波長λ、解像基本周期長ｒ、長さｐ及び角度δが次の関係（ｉｉ＊）を満たしていることで、投影パターン４が投影面３に明確に認識されるように鮮明に投影される。
Ｌλ／（ｒｐｃｏｓ^２δ）＜２ ・・・（ｉｉ＊）

さらに、長さＬ、波長λ、解像基本周期長ｒ、長さｐ及び角度δが次の関係（ｉｉ＊＊）を満たしていることで、投影面３において投影パターン４が表示されている部分と表示されていない部分との違いがより明確に認識されるように鮮明に投影される。
Ｌλ／（ｒｐｃｏｓ^２δ）＜１ ・・・（ｉｉ＊＊）

上述のいずれかの関係を満たすことで、要素回折光学素子１５を必要以上に大きくすることなく、投影パターン４を鮮明に投影させることができる。このため、要素回折光学素子１５の設計や製造のコストを低減することができる。

特に、位置６と要素回折光学素子１５の中心とを結ぶ線が要素回折光学素子１５の中心から投影面３への垂線に対してなす角度δは、０°より大きい。このような場合、照明システム１が実現しうる投影面３上の最小解像スポットの大きさは角度δの影響を大きく受ける。従って、角度δの影響を加味した関係式（ｉｉ）、（ｉｉ＊）または（ｉｉ＊＊）のいずれかを満たすことにより、十分に遠方の投影面３に対して照明装置１０からの光によって投影パターン４を指定解像度に基づいた解像基本周期長ｒが判別可能なように投影することができる。

投影パターン４は、可視光波長域の光及び／又は赤外線領域の波長の光を含んでいる。投影パターン４が可視光波長域の光を含んでいることで、投影面３に表示された観察者に所定のパターンを観察させることができる。また、投影パターン４が赤外線領域の波長の光を含んでいることで、照明システム１をセンサとして用いることができる。とりわけ、投影パターン４が可視光波長域の光及び赤外線領域の波長の光の両方を含んでいることで、照明システム１を投影面３に表示されたパターンに対応したセンサとして用いることができる。

本実施の形態において、照明システム１は、位置５において要素回折光学素子１５を見込む角度の半分の角度θが、次の関係（ｉ）を満たすように設計される。
ｓｉｎθ＞λ／（６ｒ） ・・・（ｉ）
このように設計される照明システム１では、照明装置１０によって投影パターン４が投影面３に認識可能な程度に鮮明に投影される。

また、照明システム１は、次の関係（ｉ＊）を満たすよう設計される。
ｓｉｎθ＞λ／（４ｒ） ・・・（ｉ＊）
このように設計される照明システム１では、投影パターン４が投影面３に明確に認識されるように鮮明に投影される。

さらに、照明システム１は、次の関係（ｉ＊＊）を満たすよう設計される。
ｓｉｎθ＞λ／（２ｒ） ・・・（ｉ＊＊）
このように設計される照明システム１では、投影面３において投影パターン４が表示されている部分と表示されていない部分との違いがより明確に認識されるように鮮明に投影される。

あるいは、照明システム１は、要素回折光学素子１５の中心から投影面３への垂線の長さＬ、及び位置６と要素回折光学素子１５の中心とを結ぶ線が要素回折光学素子１５の中心から投影面３への垂線に対してなす角度δが、次の関係（ｉｉ）を満たすように設計される。
Ｌλ／（ｒｐｃｏｓ^２δ）＜３ ・・・（ｉｉ）
このように設計される照明システム１では、照明装置１０によって投影パターン４が投影面３に認識可能な程度に鮮明に投影される。

また、照明システム１は、次の関係（ｉｉ＊）を満たすよう設計される。
Ｌλ／（ｒｐｃｏｓ^２δ）＜２ ・・・（ｉｉ＊）
このように設計される照明システム１では、投影パターン４が投影面３に明確に認識されるように鮮明に投影される。

さらに、照明システム１は、次の関係（ｉｉ＊＊）を満たすよう設計される。
Ｌλ／（ｒｐｃｏｓ^２δ）＜１ ・・・（ｉｉ＊＊）
このように設計される照明システム１では、投影面３において投影パターン４が表示されている部分と表示されていない部分との違いがより明確に認識されるように鮮明に投影される。

上述のいずれかの関係を満たすように照明システム１を設計することで、要素回折光学素子１５を必要以上に大きくすることなく、投影パターン４を鮮明に投影させることができる。このため、要素回折光学素子１５の設計や製造のコストを低減することができる。

以上のように、本実施の形態の照明システム１は、投影面３と、投影面３に投影パターン４を投影する照明装置１０と、を備え、照明装置１０は、コヒーレント光を出射する光源１２と、光源１２からのコヒーレント光を回折させて投影パターン４を形成する要素回折光学素子１５と、を有し、投影面３に対しある要素回折光学素子１５の中心から降ろした垂線の交差位置５における投影パターン４の指定解像度から決まる投影面３上での解像基本周期長ｒ、位置５において要素回折光学素子１５を見込む角度の半分の角度θ、及び位置５に投影される投影パターン４に含まれる光の波長λが、次の関係（ｉ）を満たす。
ｓｉｎθ＞λ／（６ｒ） ・・・（ｉ）
このような照明システム１によれば、要素回折光学素子１５を必要以上に大きくすることなく、投影パターン４が認識可能な程度に鮮明に投影させることができる。

本開示の態様は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、当業者が想到しうる種々の変形も含むものであり、本開示の効果も上述した内容に限定されない。すなわち、特許請求の範囲に規定された内容およびその均等物から導き出される本開示の概念的な思想と趣旨を逸脱しない範囲で、種々の追加、変更および部分的削除が可能である。

１ 照明システム
３ 投影面
４ 投影パターン
５ 位置
６ 位置
１０ 照明装置
１２ 光源
１３ 整形光学系
１４ 回折光学素子
１５ 要素回折光学素子

Claims (6)

1. 投影面と、
   前記投影面に投影パターンを投影する照明装置と、を備え、
   前記照明装置は、コヒーレント光を出射する光源と、前記光源からのコヒーレント光を回折させて前記投影パターンを形成する回折光学素子と、を有し、
   前記回折光学素子は、前記投影面と平行な方向に二次元配列された複数の要素回折光学素子を含み、
   前記投影面に対しある前記要素回折光学素子の中心から降ろした垂線の交差位置における前記投影パターンの指定解像度から決まる前記投影面上での解像基本周期長ｒ、当該位置において前記要素回折光学素子を見込む角度の半分の角度θ、及び当該位置に投影される前記投影パターンに含まれる光の波長λが、次の関係（ｉ）を満たす、照明システム。
   ｓｉｎθ＞λ／（６ｒ） ・・・（ｉ）
2. 投影面と、
   前記投影面に投影パターンを投影する照明装置と、を備え、
   前記照明装置は、コヒーレント光を出射する光源と、前記光源からのコヒーレント光を回折させて前記投影パターンを形成する回折光学素子と、を有し、
   前記回折光学素子は、複数の要素回折光学素子を含み、
   前記要素回折光学素子の中心から前記投影面への垂線の長さＬ、前記投影面のある位置における前記投影パターンの指定解像度から決まる前記投影面上での解像基本周期長ｒ、前記解像基本周期長ｒの延びる方向と前記要素回折光学素子の中心と前記解像基本周期長ｒの中心とを結ぶ方向とを含む面における前記要素回折光学素子の断面の長さｐ、当該位置と前記要素回折光学素子の中心とを結ぶ線が前記要素回折光学素子の中心から前記投影面への垂線に対してなす角度δ、及び当該位置に投影される前記投影パターンに含まれる光の波長λが次の関係（ｉｉ）を満たす、照明システム。
   Ｌλ／（ｒｐｃｏｓ^２δ）＜３ ・・・（ｉｉ）
3. 前記位置と前記要素回折光学素子の中心とを結ぶ線が前記要素回折光学素子の中心から前記投影面への垂線に対してなす角度δは、０°より大きい、請求項２に記載の照明システム。
4. 前記投影パターンは、可視光波長域の波長の光及び／又は赤外線領域の波長の光を含む、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の照明システム。
5. 照明装置によって投影面に投影パターンを投影する照明システムの設計方法であって、
   前記投影面に対しある要素回折光学素子の中心から降ろした垂線の交差位置における前記投影パターンの指定解像度から決まる前記投影面上での解像基本周期長ｒ及び当該位置における前記投影パターンに含まれる光の波長λを決定する工程と、
   当該位置において前記要素回折光学素子を見込む角度の半分の角度θが、次の関係（ｉ）を満たすように、前記投影面と前記照明装置との位置関係を決定する工程と、を備える、照明システムを設計する方法。
   ｓｉｎθ＞λ／（６ｒ） ・・・（ｉ）
6. 照明装置によって投影面に投影パターンを投影する照明システムの設計方法であって、
   前記投影面のある位置における前記投影パターンの指定解像度から決まる前記投影面上での解像基本周期長ｒ及び当該位置における前記投影パターンに含まれる光の波長λを決定する工程と、
   前記解像基本周期長ｒの延びる方向と要素回折光学素子の中心と前記解像基本周期長ｒの中心とを結ぶ方向とを含む面における前記要素回折光学素子の断面の長さｐを決定する工程と、
   前記要素回折光学素子の中心から前記投影面への垂線の長さＬ、及び前記位置と前記要素回折光学素子の中心とを結ぶ線が前記要素回折光学素子の中心から前記投影面への垂線に対してなす角度δが、次の関係（ｉｉ）を満たすように、前記投影面と前記照明装置との位置関係を決定する工程と、を備える、照明システムを設計する方法。
   Ｌλ／（ｒｐｃｏｓ^２δ）＜３ ・・・（ｉｉ）

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