JP6928897B2 - 照明装置 - Google Patents

Description

本発明は、投影面上の被照明領域を照明する照明装置に関する。

例えば、特許文献１に開示されているように、光源および回折光学素子を含んだ照明装置が知られている。特許文献１に開示された照明装置では、回折光学素子が光源からの光を回折することで、投影面上に位置する被照明領域を所望のパターンで照明することができる。

特開２０１５−１３２７０７号公報

回折光学素子として、計算機合成ホログラム（ＣＧＨ：Computer Generated Hologram）が知られている。計算機合成ホログラムは、任意の回折特性を持つ構造をコンピュータ上での計算によって設計することで作製される。一具体例として、被照明領域として照明すべき所望のパターンを点像の集合体と考え、各点像からの発散光と回折光学素子への入射を予定された光とによる干渉パターンを計算し、干渉パターンに対応した構造を作製することで、回折光学素子が得られる。

このようにして作製された回折光学素子によって再生される像は、厳密には、各点像の再生像となる像の集合である。そして、回折光学素子の設計で想定される点像は、回折光学素子の微細構造等の制約から、大きくすることはできない。したがって、各点像を再生する再生光は、被照明領域に分散して入射することになる。この場合、明るさのむらが生じ、更には光が入射していない領域が生じてしまうことすら考えられる。しかしながら、回折光学素子へ入射する入射光の実際の入射角度が、厳密には、設計で想定した入射光の入射角度と異なる。そして、実際の入射光は、若干の拡散角を持つ拡散光となる。これらのこと等に起因して、回折光学素子での再生光も発散光となる。この結果、照明装置によって、投影面上の被照明領域を或る程度一様に照明することができる。

ただし、昨今では、回折光学素子を用いた照明装置の適用範囲が拡大されている。そして、照明装置に対して、より広い被照明領域を照明することや、照明装置の設置上の制約に起因し、投影面に対して大きく傾斜した方向から被照明領域を照明することが、要求されることもある。そして、上述した従来の照明装置では、被照明領域を十分に一様な明るさで照明することができないこともある。

本発明は、以上の点を考慮してなされたものであり、被照明領域を一様な明るさで照明することができる照明装置の提供を目的とする。

本発明による第１の照明装置は、
投影面上の被照明領域を照明する照明装置であって、
コヒーレント光源と、
前記コヒーレント光源から射出したコヒーレント光を整形する整形光学系と、
前記整形光学系で整形された前記コヒーレント光を回折して、複数の単位像を前記投影面上に投影することで、前記被照明領域を照明する回折光学素子と、を備え、
前記投影面上での前記単位像の密度は、或る領域において、当該或る領域と比較して投影距離が長くなる他の領域よりも、高くなっている。

本発明による第１の照明装置において、前記被照明領域を複数の分割領域に分割した場合、任意の一つの分割領域における前記投影面上での前記単位像の密度は、当該一つの分割領域よりも投影距離が長くなる他の任意の一つの分割領域における前記投影面上での前記単位像の密度以上となっていてもよい。

本発明による第１の照明装置において、前記或る領域における前記投影面への前記コヒーレント光の入射角度は、前記他の領域における前記投影面への前記コヒーレント光の入射角度よりも、小さくなっていてもよい。

本発明による第１の照明装置において、前記被照明領域を複数の分割領域に分割した場合、前記任意の一つの分割領域における前記投影面への前記コヒーレント光の入射角度は、前記他の任意の一つの分割領域における前記投影面への前記コヒーレント光の入射角度以下となっていてもよい。

本発明による第２の照明装置は、
投影面上の被照明領域を照明する照明装置であって、
コヒーレント光源と、
前記コヒーレント光源から射出したコヒーレント光を整形する整形光学系と、
前記整形光学系で整形された前記コヒーレント光を回折して、複数の単位像を前記投影面上に投影することで、前記被照明領域を照明する回折光学素子と、を備え、
前記投影面上での前記単位像の密度は、或る領域において、当該或る領域と比較して前記投影面への前記コヒーレント光の入射角度が大きくなる他の領域よりも、高くなっている。

本発明による第２の照明装置において、前記被照明領域を複数の分割領域に分割した場合、任意の一つの分割領域における前記投影面上での前記単位像の密度は、当該一つの分割領域よりも前記投影面への前記コヒーレント光の入射角度が大きくなる他の任意の一つの分割領域における前記投影面上での前記単位像の密度以上となっている。

本発明による第１または第２の照明装置において、前記投影面への法線方向に沿って前記投影面から離間した或る面上において、複数の単位像は互いから離間していてもよい。

本発明による第３の照明装置は、
投影面上の被照明領域を照明する照明装置であって、
コヒーレント光源と、
前記コヒーレント光源から射出したコヒーレント光を整形する整形光学系と、
前記整形光学系で整形された前記コヒーレント光を回折して、複数の単位像を前記投影面上に投影することで、前記被照明領域を照明する回折光学素子と、を備え、
前記投影面への法線方向に沿って前記投影面から離間した或る面上において、一つの単位像を再生するコヒーレント光が入射する領域は、他の単位像を再生するコヒーレント光が入射する領域から離間している。

本発明によれば、被照明領域を十分に一様な明るさで照明することができる。

図１は、本開示による一実施の形態を説明するための図であって、照明装置を示す斜視図である。 図２は、照明装置によって再生される単位像を説明するための図である。 図３は、照明装置によって照明される被照明領域を示す平面図である。 図４は、回折光学素子の作製方法を説明するための図である。 図５は、回折光学素子と被照明領域との位置関係をｙｚ平面で示す図であって、単位像の投影面積の変化を説明するための図である。 図６は、回折光学素子と被照明領域との位置関係をｙｚ平面で示す図であって、単位像の投影面積の変化を説明するための図である。 図７は、投影距離と単位像の投影面積との関係を説明するための図である。 図８は、投影距離と単位像の投影面積との関係を説明するための図である。 図９は、回折光学素子と被照明領域との位置関係をｙｚ平面で示す図であって、入射角度と単位像の投影面積との関係を説明するための図である。 図１０は、図１に対応する図であって、照明装置の一変形例を示す斜視図である。 図１１は、図１に対応する図であって、照明装置の他の変形例を示す斜視図である。 図１２は、図１に対応する図であって、照明装置の更に他の変形例を示す斜視図である。

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、照明装置１０の全体構成を模式的に示す斜視図である。照明装置１０は、被照明領域ＬＺを照明する装置である。本実施の形態による照明装置１０は、コヒーレント光源２０と、コヒーレント光源２０から射出したコヒーレント光を整形する整形光学系３０と、整形光学系３０で整形されたコヒーレント光を回折して被照明領域ＬＺに向ける回折光学素子４０と、を有している。この照明装置１０は、回折光学素子４０でコヒーレント光を回折して複数の単位像Ｉｕを投影面Ｐｐに投影することで、投影面Ｐｐ上の被照明領域ＬＺを照明する。とりわけ本実施の形態による照明装置１０では、被照明領域ＬＺを一様な明るさで照明するための工夫が成されている。以下、図示された具体例を参照しながら、一実施の形態による照明装置１０について説明していく。

上述したように、照明装置１０は、投影面Ｐｐ上の被照明領域ＬＺを照明する装置である。図示された例において、実空間における被照明領域ＬＺは、長手方向ｄｌを有した細長い領域となっている。この被照明領域ＬＺは、例えば、長手方向ｄｌへの長さの短手方向ｄｗへの長さに対する比が１０以上、さらには、この比が１００以上となる被照明領域ＬＺ、典型的にはライン状の被照明領域ＬＺとすることもできる。このような照明装置は、例えば、自動車や船等の移動体に適用され得る。移動体では、進行方向の前方に広がる領域を照明する必要がある。とりわけ、高速で走行する自動者の前照灯、いわゆるヘッドランプは、当該自動車の前方近傍から前方遠方までの路面を明るく照らすことが好ましい。

図示された例において、投影面Ｐｐは、長手方向ｄｌと平行なｚ方向および幅方向ｄｗと平行なｘ方向によって画定されるｘｚ平面となっている。また、法線方向ｎｄは、ｘｚ平面と直交するｙ方向と平行になっている。

ただし、図示された例に限られず、照明装置１０が、所定の輪郭を有した領域を照明するようにしてもよい。

上述したように、図示された照明装置１０は、その構成要素として、コヒーレント光源２０、整形光学系３０及び回折光学素子４０を有している。以下、照明装置１０の各構成要素について順に説明していく。

コヒーレント光源２０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、コヒーレント光源２０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、一具体例として、半導体レーザー光源を例示することができる。図１に示された例において、コヒーレント光源２０は、単一の光源を含んでいる。したがって、図示された例では、コヒーレント光源２０から発振されるコヒーレント光の波長域に対応した色で、被照明領域ＬＺが照明される。

ただし、コヒーレント光源２０が複数のコヒーレント光源２０を含み、各コヒーレント光源２０から射出した光が重ね合わされた後、整形光学系３０及び回折光学素子４０に向かうようにしてもよい。また、図１０及び図１１に示された変形例のように、各コヒーレント光源２０から射出した光が当該コヒーレント光源２０に対応して設けられた整形光学系３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃ及び回折光学素子４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃを経て、その後に被照明領域ＬＺ上で重ね合わされてもよい。このような例において、コヒーレント光源２０に含まれる複数のコヒーレント光源２０は、同一の波長域の光を射出するようにしてもよい。コヒーレント光源２０が同一の波長域の光を射出するコヒーレント光源２０を含むことで、被照明領域ＬＺを明るく照明することが可能となる。

なお、図１０及び図１１に示す例において、コヒーレント光源２０は、第１コヒーレント光源２０Ａ、第２コヒーレント光源２０Ｂ及び第３コヒーレント光源２０Ｃを有している。コヒーレント光源２０が、複数のコヒーレント光源を含む場合には、各コヒーレント光源２０からのコヒーレント光の射出、より具体的には射出の発停および射出量を調節することで、被照明領域ＬＺの照明色や被照明領域ＬＺの明るさを制御するようにしてもよい。

次に、整形光学系３０について説明する。整形光学系３０は、コヒーレント光源２０から射出したコヒーレント光を整形する。言い換えると、整形光学系３０は、コヒーレント光の光軸に直交する断面での形状や、コヒーレント光の光束の立体的な形状を整形する。典型的には、整形光学系３０は、コヒーレント光の光軸に直交する断面でのコヒーレント光の光束断面積を拡大させる。

図示された例において、整形光学系３０は、コヒーレント光源２０から射出したコヒーレント光を拡幅した平行光束に整形する。すなわち、整形光学系３０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３０は、コヒーレント光の光路に沿った順で、第１レンズ３１及び第２レンズ３２を有している。第１レンズ３１は、コヒーレント光源２０から射出したコヒーレント光を発散光束に整形する。第２レンズ３２は、第１レンズ３１で生成された発散光束を、平行光束に整形し直す。すなわち、第２レンズ３２は、コリメートレンズとして機能する。

次に、回折光学素子４０について説明する。回折光学素子４０は、コヒーレント光源２０から射出した光に対して回折作用を及ぼす素子である。回折光学素子４０は、コヒーレント光源２０からの光を回折して、被照明領域ＬＺに向ける。したがって、被照明領域ＬＺは、回折光学素子４０での回折光によって、照明されることになる（図１参照）。

回折光学素子４０は、典型的には、ホログラム素子である。回折光学素子４０としてホログラム素子を用いることで、ホログラム素子の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被照明領域ＬＺの全域を照明す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。

被照明領域ＬＺは、回折光学素子４０に対して予め定めた位置に、予め定めたサイズおよび形状でｘｙｚ座標の実空間に設定されている。被照明領域ＬＺの位置、サイズおよび形状は、回折光学素子４０の回折特性に依存しており、回折光学素子４０の回折特性を調整することで、被照明領域ＬＺの位置、サイズおよび形状を任意に調整することができる。従って、回折光学素子４０を設計する際には、まず被照明領域ＬＺの位置、サイズおよび形状を決定して、決定した被照明領域ＬＺの全域を照明できるように、回折光学素子４０の回折特性を調整すればよい。

回折光学素子４０は、計算機合成ホログラム（ＣＧＨ：Computer Generated Hologram）として作製され得る。計算機合成ホログラムは、任意の回折特性を持つ構造をコンピュータ上で計算することによって作製される。したがって、計算機合成ホログラムを回折光学素子４０として採用することで、コヒーレント光源や光学系を用いた物体光及び参照光の生成や、露光によるホログラム記録材料への干渉縞の記録を不要とすることができる。照明装置１０は、例えば図１に示すように、回折光学素子４０に対して予め定めた位置に、予め定めたサイズおよび形状の被照明領域ＬＺを照明することを想定されている。被照明領域ＬＺに関する情報をパラメータとしてコンピュータに入力することで、この被照明領域ＬＺを照明可能な回折特性を持つ構造、例えば凹凸面を、コンピュータでの演算によって特定することができる。特定された構造を、例えば樹脂賦型により形成することで、計算機合成ホログラムとしての回折光学素子４０を、簡易な手順にて低コストで作製することができる。

回折光学素子４０で回折された光が、照明光として、被照明領域ＬＺを照明する。図示された例において、回折光学素子４０と被照明領域ＬＺとの間には、他の光学素子等が介在していない。したがって、回折光学素子４０での回折光は、被照明領域ＬＺに直接入射する。回折光学素子４０上の各点における回折光は、被照明領域ＬＺの少なくとも一部を照明する。すなわち、回折光学素子４０上の各点における回折光は、所定の拡散角度範囲内を進行して、被照明領域ＬＺを照明する。

本実施の形態による回折光学素子４０は、図２に示すように、整形光学系３０からのコヒーレント光を回折して、複数の単位像Ｉｕを投影面Ｐｐ上に生成する。投影面Ｐｐ上の被照明領域ＬＺは、複数の単位像Ｉｕの集合体によって、照明されることになる。この回折光学素子４０は、次のようにして設計される。まず、図３に示すように、被照明領域ＬＺの形状を設定する。次に、図３に示すように、各単位像Ｉｕの原像となる点像Ｉｐを仮想面Ｐｖ上に配列してなる点像パターンを設定する。例えば、点像Ｉｐは、被照明領域ＬＺ内に敷き詰められる。図３に示された例において、点像パターンの外輪郭は、被照明領域ＬＺの外輪郭に概ね一致している。

次に、図４に示すように、回折光学素子４０への入射光Ｌｉと、各点像Ｉｐから回折光学素子４０に向かう発散光Ｌｄと、を設定する。ここで、「回折光学素子４０への入射光Ｌｉ」は、回折光学素子４０が照明装置１０に組み込まれた状態において整形光学系３０から回折光学素子４０へ入射するようになる光と同一の光路を進む光とする。「各点像Ｉｐから回折光学素子４０に向かう発散光Ｌｄ」は、照明装置１０の実際の使用時に、回折光学素子４０の各位置で回折されて各点像Ｉｐに向かうようになる回折光の光路を逆向きに進んで、点像Ｉｐの位置から回折光学素子４０内の各位置へ入射する光とする。その後、回折光学素子４０への入射光と各点像Ｉｐから回折光学素子４０に向かう発散光とによって形成される回折光学素子４０上での干渉パターンを形成し、この干渉パターンに対応した微細構造を作製する。微細構造としては、凹凸パターンが例示される。干渉パターンの計算は、「回折光学素子４０への入射光」や「各点像Ｉｐから回折光学素子４０に向かう発散光」のモデル設計を含め、計算機によって実行される。また、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、作製され得る。

次に、以上に説明した照明装置１０の作用について説明する。

図１に示すように、光源２０から射出したコヒーレント光は、まず、整形光学系３０に入射する。整形光学系３０では、光源２０から射出した光を拡大する。すなわち、光軸に直交する断面においてコヒーレント光が占める領域が広がるよう、整形光学系３０は光を整形する。整形光学系３０は、第１レンズ３１及び第２レンズ３２を有している。図１に示すように、整形光学系３０の第１レンズ３１は、光源２０から射出した光を発散させて発散光束に変換する。そして、整形光学系３０の第２レンズ３２は、発散光束を平行光束へとコリメートする。

整形光学系３０で整形された光は、次に、回折光学素子４０へと向かう。回折光学素子４０は、整形光学系３０からのコヒーレント光を回折して、被照明領域ＬＺに向ける。図２に示すように、回折光学素子４０は、整形光学系３０からのコヒーレント光を回折することで、複数の点像Ｉｐの各々に対応した複数の単位像Ｉｕを投影面Ｐｐ上に再生する。複数の単位像Ｉｕは、投影面Ｐｐ上において被照明領域ＬＺ内に投影される。そして、この単位像Ｉｕの集合体により、被照明領域ＬＺが照明される。

上述したように、このような回折特性を有した回折光学素子４０は、仮想面Ｐｖ上に配列された多数の点像Ｉｐを再生する素子として計算機合成ホログラムにより作製され得る。この計算機合成ホログラムによって構成される回折光学素子４０は、各点像Ｉｐからの発散光と使用時に回折光学素子４０へ入射する入射光との干渉パターンに対応する微細構造として、作製される。この作製時に、微細構造を作製するにあたっての制約や、計算機での計算量の制約等から、点像Ｉｐの数を無条件に増やすことは不可能であり、また点像Ｉｐは点として設計される。したがって、照明装置１０の実際の使用においては、投影面Ｐｐ上の被照明領域ＬＺ内に点像Ｉｐの配列に起因した明るさのむらが生じてしまう可能性がある。さらには、被照明領域ＬＺ内に再生された隣り合う二つの単位像Ｉｕの間に隙間が生じることも想定され得る。このような不具合は、被照明領域ＬＺが大面積の場合にとりわけ顕著となる。

一方、本実施の形態では、被照明領域ＬＺ内に明るさのむらが生じてしまうといった不具合に対処するため、以下の三つの工夫を提案する。なお、以下の三つの工夫は、互いから独立して照明装置１０又は回折光学素子４０に適用することができる。そして、照明装置１０又は回折光学素子４０が、以下の三つの工夫のうちのいずれか一以上の工夫を有していることで、被照明領域ＬＺ内の明るさのむらを効果的に抑制することも可能である。

図５及び図６を参照しながら、第１の工夫について説明する。

上述したように、点像Ｉｐは仮想面Ｐｖに配列されているものと想定して、回折光学素子４０に付与されるべき構造が特定される。そして、単位像Ｉｕを投影される投影面Ｐｐが仮想面Ｐｖと重なる場合、設計通りの回折特性を付与された回折光学素子４０の各位置で回折されて一つの点像Ｉｐを原像とする単位像Ｉｕを再生する回折光は、図５及び図６において点線で示すように、投影面Ｐｐ上における極めて狭い領域に集光する。

一方、図５及び図６から明らかなように、回折光学素子４０の各位置で回折されて一つの単位像Ｉｕを再生する回折光の光束の断面積は、仮想面Ｐｖ上で最も小さくなる。すなわち、回折光によって仮想面Ｐｖ上に再生される単位像Ｉｕの面積は、最も小さくなる。したがって、仮想面Ｐｖ上において、一つの単位像Ｉｕを再生するコヒーレント光が入射する領域は、他の単位像Ｉｕを再生するコヒーレント光が入射する領域から離間しやすくなる。ここで、光束の断面積とは、当該光束の光軸に直交する断面において光束が占める面積、言い換えると光束が通過する面積のことを意味する。また、光束の光軸とは、光束の最も中心を通過する軸線のことを意味する。

そこで、本実施の形態の第１の工夫では、投影面Ｐｐへの法線方向ｎｄに沿って投影面Ｐｐから仮想面Ｐｖをずらす。すなわち、回折光学素子４０の回折特性を設計する際における回折光学素子４０と仮想面Ｐｖとの相対位置関係と、実際の使用における回折光学素子４０と投影面Ｐｐとの相対位置関係が異なる。この結果、投影面Ｐｐ上に投影された一つの単位像Ｉｕの面積は、投影面Ｐｐの法線方向ｎｄに沿って投影面Ｐｐからずれた或る面上に投影された当該一つの単位像Ｉｕの面積よりも大きくすることができる。少なくとも、投影面Ｐｐ上に投影された一つの単位像Ｉｕの面積は、回折光学素子４０に対して回折特性設計時における仮想面Ｐｖと同一の相対位置にある面上に投影される一つの単位像Ｉｕの面積と比較して、大きくなる。

したがって、このような照明装置１０を用いた場合、投影面Ｐｐへの法線方向ｎｄに沿って投影面Ｐｐから離間した或る面上において、一つの単位像Ｉｕを再生するコヒーレント光が入射する領域が、その他の単位像Ｉｕを再生するコヒーレント光が入射する領域から離間することもある。言い換えると、このような照明装置１０を用いた場合、投影面Ｐｐへの法線方向ｎｄに沿って投影面Ｐｐから離間した或る面上において、一つの単位像Ｉｕを再生するコヒーレント光が入射する領域が、その他の単位像Ｉｕを再生するコヒーレント光が入射する領域との間に隙間をあけることも起こり得る。

図５に示された具体例では、回折特性を設計する際の仮想面Ｐｖは、実際の投影面Ｐｐよりも法線方向ｎｄにそって上方に位置している。回折光学素子４０の各位置で回折した回折光Ｌ５は、投影面Ｐｐに到達する前に集光し、その後、発散しながら投影面Ｐｐに接近する。結果として、一つの点像Ｉｐを再生する単位像Ｉｕが投影される投影面Ｐｐ上の領域を、仮想面Ｐｖ上に再生される点像Ｉｐの大きさよりも、格段に大きくすることができる。

同様に、図６に示された具体例では、仮想面Ｐｖは、実際の投影面Ｐｐよりも法線方向ｎｄにそって下方に位置している。回折光学素子４０の各位置で回折した回折光Ｌ６は、仮想面Ｐｖで集光または収束する前に、投影面Ｐｐに到達する。結果として、一つの点像Ｉｐを再生する単位像Ｉｕが投影される投影面Ｐｐ上の領域を、仮想面Ｐｖ上に再生される点像Ｉｐの大きさよりも、格段に大きくすることができる。

以上のような照明装置１０に対する第１の工夫によれば、複数の単位像Ｉｕを隙間無く投影面Ｐｐ上に投影して、被照明領域ＬＺを一様な明るさでむらなく照明することが可能となる。その一方で、単位像Ｉｕの数を必要以上に多く設定することを回避して、回折特性設計時における点像Ｉｐの数が増加することも効果的に抑制することができる。これにより、回折特性設計時における計算機の負担を必要以上に増大させることなく、明るさのむらを抑制し得る照明装置１０を簡易に作製することが可能となる。

なお、図５及び図６に示すように、法線方向ｎｄに沿って仮想面Ｐｖ及び投影面Ｐｐがずれて配置されると、仮想面Ｐｖ上における点像Ｉｐの位置と、投影面Ｐｐ上における単位像Ｉｕの位置は、仮想面Ｐｖ及び投影面Ｐｐの面方向に沿ってずれてしまう。法線方向ｎｄに沿って仮想面Ｐｖ及び投影面Ｐｐをずらして回折光学素子４０を製造する場合、このようなずれを考慮して、仮想面Ｐｖ上における点像Ｉｐの配列パターンを決定することが好ましい。

図７及び図８を参照しながら、第２の工夫について説明する。

上述したように回折光学素子４０を作製する際の回折特性の設計では、回折光学素子４０に点像Ｉｐを再生する回折特性を付与しようとしている。しかしながら、実際に作製された回折光学素子４０では、図７及び図８に示すように、回折光学素子４０の各位置で回折されて投影面Ｐｐ上に一つの単位像Ｉｕを再生するコヒーレント光は、入射光の拡散特性等に依存して、いくらかの拡散角をもった拡散光となる。したがって、投影面Ｐｐ上に再生される単位像Ｉｕは、一定の面積を持った領域となる。そして、図８に示すように、回折光学素子４０の各位置から当該位置で回折された回折光の投影面Ｐｐ上への入射位置までの距離を表す投影距離Ｌｐが長くなれば、投影面Ｐｐ上に単位像Ｉｕが大きく投影される。逆に、図７に示すように、投影距離Ｌｐが短くなれば、投影面Ｐｐ上に単位像Ｉｕが小さく投影される。

したがって、投影面Ｐｐに投影される単位像Ｉｕの大きさが小さくなる傾向のある被照明領域ＬＺ内における投影距離Ｌｐが短くなる領域に、より多くの単位像Ｉｕが投影されることが好ましい。そこで、本実施の形態の第２の工夫では、投影面Ｐｐ上での単位像Ｉｕの密度を、被照明領域ＬＺ内で変化させている。具体的には、投影面Ｐｐ上での単位像Ｉｕの密度を、或る領域において、当該或る領域と比較して投影距離が長くなる他の領域よりも、高くしている。すなわち、投影距離Ｌｐが長くなり単位像Ｉｕが大きくなる傾向のある投影面Ｐｐ上の領域とは別の投影面Ｐｐ上の領域において、単位像Ｉｕを高密度で再生するようにしている。

上述したように、図３は、被照明領域ＬＺ内に設定された多数の点像Ｉｐの配列パターンの一例を示している。ただし、図３に示された例において、投影面Ｐｐは、仮想面Ｐｖと重なる位置に配置され、上述した第１の工夫はなされていないものとする。したがって、照明装置１０で照明を行う場合、被照明領域ＬＺ内には、図３に示された点像Ｉｐの各々に対応して単位像Ｉｕが再生されることになる。

図３に示された例において、被照明領域ＬＺは長手方向ｄｌを有している。照明装置１０は、長手方向ｄｌにおける一側から被照明領域ＬＺを照明する。図３に示された例において、被照明領域ＬＺは、単位像Ｉｕの密度を説明する便宜上、長手方向ｄｌに沿った六つの分割領域ＤＺに区分けされている。第１〜第６分割領域ＤＺ１〜ＤＺ６は同一の面積を有している。図示された被照明領域ＬＺは、長手方向ｄｌにおける照明装置１０に近接する一側から、照明装置１０から離間する他側に向けて、第１〜第６分割領域ＤＺ１〜ＤＺ６を含んでいる。投影距離Ｌｐは、第６分割領域ＤＺ６で最も長くなり、第１分割領域ＤＺ１で最も短くなる。投影距離Ｌｐは、第６分割領域ＤＺ６から第１分割領域ＤＺ１へとしだいに短くなっていく。そして、投影距離Ｌｐが短くなれば、上述したように投影面Ｐｐ上に単位像Ｉｕが小さく再生されるようになる。

一方、図３に示すように、各分割領域ＤＺ内に位置する点像Ｉｐの数は異なっている。このため、照明装置１０で照明を行った際に、各分割領域ＤＺ内に投影される単位像Ｉｕの数も異なるようになる。つまり、単位面積あたりに存在する単位像Ｉｕの数を表す単位像Ｉｕの密度は、複数の分割領域ＤＺの間で異なっている。とりわけ、図示された例では、任意の一つの分割領域ＤＺにおける投影面Ｐｐ上での単位像Ｉｕの密度は、当該一つの分割領域ＤＺよりも投影距離Ｌｐが長くなる他の任意の一つの分割領域ＤＺにおける投影面Ｐｐ上での単位像Ｉｕの密度以上となっている。より具体的には、各分割領域ＤＺ内における単位像Ｉｕの密度は、第６分割領域ＤＺ６から第１分割領域ＤＺ１に向けて次第に高くなっていく。

図３に示された例によれば、被照明領域ＬＺを区分けしてなる各分割領域ＤＺに再生される単位像Ｉｕの密度は、分割領域ＤＺまでの投影距離Ｌｐが短くなるにつれて、高くなっていく。つまり、一つ単位像Ｉｕの投影面積が小さくなる分割領域ＤＺに、より高密度で単位像Ｉｕを再生することができる。これにより、投影面Ｐｐ上の被照明領域ＬＺ内での明るさのむらをさらに効果的に抑制することができる。例えば、投影面Ｐｐ上に隙間無く単位像Ｉｕを再生することも可能となる。

以上のような照明装置１０に対する第２の工夫によれば、複数の単位像Ｉｕを隙間無く投影面Ｐｐ上に再生して、被照明領域ＬＺを一様な明るさでむらなく照明することが可能となる。その一方で、単位像Ｉｕの数を必要以上に多く設定することを回避して、回折特性設計時における点像Ｉｐの数が増加することも効果的に抑制することができる。これにより、回折特性設計時における計算機の負担を必要以上に増大させることなく、明るさのむらを抑制し得る照明装置１０を簡易に作製することが可能となる。

図９を参照しながら、第３の工夫について説明する。

上述したように、実際に作製された回折光学素子４０を用いた場合、回折光学素子４０の各位置で回折されて投影面Ｐｐ上に一つの単位像Ｉｕを再生するコヒーレント光は、入射光の拡散特性等に依存して、いくらかの拡散角をもった拡散光となる。したがって、投影面Ｐｐ上に再生される単位像Ｉｕは、一定の面積を持った領域に生成される。図９に示すように、単位像Ｉｕを再生するコヒーレント光の投影面Ｐｐへの入射方向が投影面Ｐｐの法線方向ｎｄに対して傾斜していると、単位像Ｉｕは投影面Ｐｐ上において更に広がる。より具体的には、図１に示すように、単位像Ｉｕは、当該単位像Ｉｕを再生するコヒーレント光の入射方向を、投影面Ｐｐの法線方向ｎｄに沿って投影面Ｐｐに投影した投影面Ｐｐ上の方向ｄｘに、延びる。

そして、単位像Ｉｕを再生するコヒーレント光の投影面Ｐｐへの入射方向が投影面Ｐｐの法線方向ｎｄに対してなす角度を表すコヒーレント光の投影面Ｐｐへの入射角度θｉが大きくなれば、投影面Ｐｐ上に単位像Ｉｕが大きく投影される。逆に、入射角度θｉが小さくなれば、投影面Ｐｐ上に単位像Ｉｕが小さく投影される。ここで、図９に示された例において、回折光Ｌ９１の拡散角θｄは、回折光Ｌ９２の拡散角θｄと同一となっている。そして、入射角度θｉが大きくなる回折光Ｌ９１によって投影面Ｐｐ上に投影される単位像Ｉｕの面積は、入射角度θｉが小さくなる回折光Ｌ９２によって投影面Ｐｐ上に投影される単位像Ｉｕの面積よりも大きくなっている。

したがって、投影面Ｐｐに投影される単位像Ｉｕの大きさが小さくなる傾向のある被照明領域ＬＺ内における入射角度θｉが小さくなる領域に、より多くの単位像Ｉｕが投影されることが好ましい。そこで、本実施の形態の第３の工夫では、投影面Ｐｐ上での単位像Ｉｕの密度を、被照明領域ＬＺ内で変化させている。具体的には、投影面Ｐｐ上での単位像Ｉｕの密度を、或る領域において、当該或る領域と比較して入射角度θｉが大きくなる他の領域よりも、高くしている。すなわち、入射角度θｉが大きくなり単位像Ｉｕが大きくなる傾向のある投影面Ｐｐ上の領域とは別の投影面Ｐｐ上の領域において、単位像Ｉｕを高密度で再生するようにしている。

ここで、図３に示された被照明領域ＬＺは、長手方向ｄｌにおける照明装置１０に近接する一側から、照明装置１０から離間する他側に向けて、第１〜第６分割領域ＤＺ１〜ＤＺ６を含んでいる。そして、入射角度θｉは、第６分割領域ＤＺ６で最も大きくなり、第１分割領域ＤＺ１で最も小さくなる。入射角度θｉは、第６分割領域ＤＺ６から第１分割領域ＤＺ１へとしだいに小さくなっていく。

その一方で、図３に示された例において、単位面積あたりに存在する単位像Ｉｕの数を表す単位像Ｉｕの密度は、複数の分割領域ＤＺの間で異なっている。とりわけ、図示された例では、任意の一つの分割領域ＤＺにおける投影面Ｐｐ上での単位像Ｉｕの密度は、当該一つの分割領域ＤＺよりも入射角度θｉが大きくなる他の任意の一つの分割領域ＤＺにおける投影面Ｐｐ上での単位像Ｉｕの密度以上となっている。より具体的には、各分割領域ＤＺ内における単位像Ｉｕの密度は、第６分割領域ＤＺ６から第１分割領域ＤＺ１に向けて次第に高くなっていく。

図３に示された例によれば、被照明領域ＬＺを区分けしてなる各分割領域ＤＺに再生される単位像Ｉｕの密度は、分割領域ＤＺまでの入射角度θｉが小さくなるにつれて、高くなっていく。つまり、一つ単位像Ｉｕの投影面積が小さくなる分割領域ＤＺに、より高密度で単位像Ｉｕを再生することができる。これにより、投影面Ｐｐ上の被照明領域ＬＺ内での明るさのむらをさらに効果的に抑制することができる。例えば、投影面Ｐｐ上に隙間無く単位像Ｉｕを再生することも可能となる。

以上のような照明装置１０に対する第３の工夫によれば、複数の単位像Ｉｕを隙間無く投影面Ｐｐ上に再生して、被照明領域ＬＺを一様な明るさでむらなく照明することが可能となる。その一方で、単位像Ｉｕの数を必要以上に多く設定することを回避して、回折特性設計時における点像Ｉｐの数が増加することも効果的に抑制することができる。これにより、回折特性設計時における計算機の負担を必要以上に増大させることなく、明るさのむらを抑制し得る照明装置１０を簡易に作製することが可能となる。

なお、図３に示された例では、入射角度θｉが大きくなる分割領域ＤＺにおいて、投影距離Ｌｐが長くなり、入射角度θｉが小さくなる分割領域ＤＺにおいて、投影距離Ｌｐが短くなっている。したがって、上述した第２の工夫と第３に工夫とが同時に実現され、極めて効果的に、被照明領域ＬＺを一様な明るさでむらなく照明することが可能となる。

上述した一実施の形態において、照明装置１０は、コヒーレント光源２０と、コヒーレント光源２０から射出したコヒーレント光を整形する整形光学系３０と、整形光学系３０で整形されたコヒーレント光を回折する回折光学素子４０と、を含んでいる。そして、回折光学素子４０がコヒーレント光を回折して複数の単位像Ｉｕを投影面Ｐｐ上に再生することで、被照明領域ＬＺを照明する。回折光学素子４０の各位置で回折されて投影面Ｐｐ上に一つの単位像Ｉｕを再生するコヒーレント光は、入射光の拡散特性等に依存して、いくらかの拡散角をもった拡散光となる。したがって、投影面Ｐｐ上において、単位像Ｉｕは、一定の面積を持った領域に投影される。そして、回折光学素子４０の各位置から当該位置で回折された回折光の投影面Ｐｐ上への入射位置までの距離を表す投影距離Ｌｐが長くなれば、投影面Ｐｐ上に単位像Ｉｕが大きく再生される。逆に、投影距離Ｌｐが短くなれば、投影面Ｐｐ上に単位像Ｉｕが小さく再生される。そして、上述した一実施の形態では、投影面Ｐｐ上での単位像Ｉｕの密度は、或る領域において、当該或る領域と比較して投影距離Ｌｐが長くなる他の領域よりも、高くなっている。すなわち、投影距離Ｌｐが長くなり単位像Ｉｕが大きくなる傾向のある投影面Ｐｐ上の領域とは別の投影面Ｐｐ上の領域において、単位像Ｉｕを高密度で再生することができる。したがって、投影面Ｐｐ上の被照明領域ＬＺ内での明るさのむらを効果的に抑制し、被照明領域ＬＺを十分に一様な明るさで照明することが可能となる。

上述した一実施の形態の具体例において、被照明領域ＬＺを複数の分割領域ＤＺに分割した場合、任意の一つの分割領域ＤＺにおける投影面Ｐｐ上での単位像Ｉｕの密度は、当該一つの分割領域ＤＺよりも投影距離Ｌｐが長くなる他の任意の一つの分割領域ＤＺにおける投影面Ｐｐ上での単位像Ｉｕの密度以上となっている。このような例では、被照明領域ＬＺを区分けしてなる各分割領域ＤＺに再生される単位像Ｉｕの密度は、分割領域ＤＺまでの投影距離Ｌｐが短くなるにつれて、高くなっていく。つまり、一つ単位像Ｉｕの面積が小さくなる分割領域ＤＺに、より高密度で単位像Ｉｕを再生することができる。これにより、投影面Ｐｐ上の被照明領域ＬＺ内での明るさのむらをさらに効果的に抑制することができる。例えば、投影面Ｐｐ上に隙間無く単位像を再生することも可能となる。

また、上述した一実施の形態において、照明装置１０は、コヒーレント光源２０と、コヒーレント光源２０から射出したコヒーレント光を整形する整形光学系３０と、整形光学系３０で整形されたコヒーレント光を回折する回折光学素子４０と、を含んでいる。そして、回折光学素子４０がコヒーレント光を回折して複数の単位像Ｉｕを投影面Ｐｐ上に再生することで、被照明領域ＬＺを照明する。このとき、単位像Ｉｕを再生するコヒーレント光の投影面Ｐｐへの入射方向が投影面Ｐｐの法線方向ｎｄに対して傾斜していると、単位像Ｉｕは投影面Ｐｐ上において広がる。単位像Ｉｕを再生するコヒーレント光の投影面Ｐｐへの入射方向が投影面Ｐｐの法線方向ｎｄに対してなす角度を表すコヒーレント光の投影面Ｐｐへの入射角度θｉが大きくなれば、投影面Ｐｐ上に単位像Ｉｕが大きく再生される。逆に、入射角度θｉが短くなれば、投影面Ｐｐ上に単位像Ｉｕが小さく再生される。そして、上述した一実施の形態では、投影面Ｐｐ上での単位像Ｉｕの密度は、或る領域において、当該或る領域と比較して投影面Ｐｐへのコヒーレント光の入射角度θｉが大きくなる他の領域よりも、高くなっている。すなわち、入射角度θｉが大きくなり単位像Ｉｕが大きくなる傾向のある投影面Ｐｐ上の領域とは別の投影面Ｐｐ上の領域に、単位像Ｉｕを高密度で再生することができる。したがって、投影面Ｐｐ上の被照明領域ＬＺ内での明るさのむらを効果的に抑制し、被照明領域ＬＺを十分に一様な明るさで照明することが可能となる。

上述した一実施の形態の具体例において、被照明領域ＬＺを複数の分割領域ＤＺに分割した場合、任意の一つの分割領域ＤＺにおける投影面Ｐｐ上での単位像Ｉｕの密度は、当該一つの分割領域ＤＺよりも投影面Ｐｐへのコヒーレント光の入射角度θｉが大きくなる他の任意の一つの分割領域ＤＺにおける投影面Ｐｐ上での単位像Ｉｕの密度以上となっている。このような例では、被照明領域ＬＺを区分けしてなる各分割領域ＤＺに再生される単位像Ｉｕの密度は、分割領域ＤＺまで投影面Ｐｐへのコヒーレント光の入射角度θｉが大きくなるにつれて、高くなっていく。つまり、一つ単位像Ｉｕの面積が小さくなる分割領域ＤＺに、より高密度で単位像Ｉｕを再生することができる。これにより、投影面Ｐｐ上の被照明領域ＬＺ内での明るさのむらをさらに効果的に抑制することができる。例えば、投影面Ｐｐ上に隙間無く単位像Ｉｕを再生することも可能となる。

上述した一実施の形態において、照明装置１０は、コヒーレント光源２０と、コヒーレント光源２０から射出したコヒーレント光を整形する整形光学系３０と、整形光学系３０で整形されたコヒーレント光を回折する回折光学素子４０と、を含んでいる。そして、回折光学素子４０がコヒーレント光を回折して複数の単位像Ｉｕを投影面Ｐｐ上に再生することで、被照明領域ＬＺを照明する。このような回折光学素子４０は、仮想面Ｐｖ上に配列された多数の点像Ｉｐを再生する計算機合成ホログラムとして作製され得る。この場合、各点像Ｉｐからの発散光および想定される入射光の干渉パターンに対応する微細構造として、計算機合成ホログラムは作製され得る。このとき、微細構造を作製するにあたっての制約や、計算機での計算量の制約等から、点像Ｉｐの数は無条件に増やすことは不可能であり、また点像Ｉｐは点として設計される。このため、照明装置１０の実際の使用においては、投影面Ｐｐ上の被照明領域ＬＺ内に点像Ｉｐの配列に起因した明るさのむらが生じてしまう可能性がある。一方、上述した一実施の形態では、回折光学素子４０の設計において点像Ｉｐが配列される仮想面Ｐｖは、実際の投影面Ｐｐから当該投影面Ｐｐへの法線方向ｎｄに沿ってずらして設定することができる。そして、上述した一実施の形態によれば、投影面Ｐｐの法線方向ｎｄに沿って投影面Ｐｐから離間した仮想面Ｐｖ上において、一つの単位像Ｉｕを再生するコヒーレント光が入射する領域は、他の単位像Ｉｕを再生するコヒーレント光が入射する領域から離間するようになるが、実際の投影面Ｐｐ上では、各単位像Ｉｕを再生するコヒーレント光は仮想面Ｐｖ上よりも拡散してより広い領域に入射することができる。したがって、投影面Ｐｐ上の被照明領域ＬＺ内での明るさのむらを効果的に抑制し、被照明領域ＬＺを十分に一様な明るさで照明することが可能となる。

一実施の形態を複数の具体例により説明してきたが、これらの具体例が一実施の形態を限定することを意図していない。上述した一実施の形態は、その他の様々な具体例で実施されることが可能であり、その要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。

以下、図面を参照しながら、変形の一例について説明する。以下の説明および以下の説明で用いる図面では、上述した具体例と同様に構成され得る部分について、上述の具体例における対応する部分に対して用いた符号と同一の符号を用いるとともに、重複する説明を省略する。

上述した一実施の形態の具体例として、照明装置１０が、細長い領域を照明する例を示したが、これに限られない。照明装置１０が、所定の輪郭を有した領域を照明し、したがって、所定の輪郭を表示する装置として機能するようにしてもよい。所定の輪郭として、例えば矢印等を例示することができる。

また、図１２に示す例のように、回折光学素子４０が、複数の要素回折光学素子４１を含み、各要素回折光学素子が、複数の単位像Ｉｕを投影面Ｐｐ上に投影するようにしてもよい。この場合、各要素回折光学素子４１が、それぞれ、被照明領域ＬＺの全域を照明するようにしてもよいし、被照明領域ＬＺの一部分を照明するようにしてもよい。複数の要素回折光学素子４１が、互いに異なる領域を照明する場合、各要素回折光学素子４１によって照明される領域は、互いに重なり合っていてもよいし、或いは、互いからずれていて重なり合わないようにしてもよい。

１０ 照明装置
２０ コヒーレント光源
２０Ａ 第１コヒーレント光源
２０Ｂ 第２コヒーレント光源
２０Ｃ 第３コヒーレント光源
３０ 整形光学系
３１ 第１レンズ
３２ 第２レンズ
４０ 回折光学素子
４１ 要素回折光学素子
ｄｌ 長手方向
ｄｗ 幅方向
ｎｄ 法線方向
Ｉｕ 単位像
Ｉｐ 点像
θｄ 拡散角
Ｌｐ 投影距離
θｉ 入射角度
Ｐｖ 仮想面
Ｐｐ 投影面
ＬＺ 被照明領域
ＤＺ 分割領域

Claims (7)

1. 投影面上の被照明領域を照明する照明装置であって、
   コヒーレント光源と、
   前記コヒーレント光源から射出したコヒーレント光を整形する整形光学系と、
   前記整形光学系で整形された前記コヒーレント光を回折して、複数の単位像を前記投影面上に投影することで、前記被照明領域を照明する回折光学素子と、を備え、
   前記投影面上での前記単位像の密度は、或る領域において、当該或る領域と比較して投影距離が長くなる他の領域よりも、高く、
   前記投影面への法線方向に沿って前記投影面から離間した或る面上において、複数の単位像は互いから離間する、照明装置。
2. 前記被照明領域を複数の分割領域に分割した場合、任意の一つの分割領域における前記投影面上での前記単位像の密度は、当該一つの分割領域よりも投影距離が長くなる他の任意の一つの分割領域における前記投影面上での前記単位像の密度以上である、請求項１に記載の照明装置。
3. 前記或る領域における前記投影面への前記コヒーレント光の入射角度は、前記他の領域における前記投影面への前記コヒーレント光の入射角度よりも、小さい、請求項１又は２に記載の照明装置。
4. 前記被照明領域を複数の分割領域に分割した場合、前記任意の一つの分割領域における前記投影面への前記コヒーレント光の入射角度は、前記他の任意の一つの分割領域における前記投影面への前記コヒーレント光の入射角度以下である、請求項２に記載の照明装置。
5. 投影面上の被照明領域を照明する照明装置であって、
   コヒーレント光源と、
   前記コヒーレント光源から射出したコヒーレント光を整形する整形光学系と、
   前記整形光学系で整形された前記コヒーレント光を回折して、複数の単位像を前記投影面上に投影することで、前記被照明領域を照明する回折光学素子と、を備え、
   前記投影面上での前記単位像の密度は、或る領域において、当該或る領域と比較して前記投影面への前記コヒーレント光の入射角度が大きくなる他の領域よりも、高く、
   前記投影面への法線方向に沿って前記投影面から離間した或る面上において、複数の単位像は互いから離間する、照明装置。
6. 前記被照明領域を複数の分割領域に分割した場合、任意の一つの分割領域における前記投影面上での前記単位像の密度は、当該一つの分割領域よりも前記投影面への前記コヒーレント光の入射角度が大きくなる他の任意の一つの分割領域における前記投影面上での前記単位像の密度以上である、請求項５に記載の照明装置。
7. 投影面上の被照明領域を照明する照明装置であって、
   コヒーレント光源と、
   前記コヒーレント光源から射出したコヒーレント光を整形する整形光学系と、
   前記整形光学系で整形された前記コヒーレント光を回折して、複数の単位像を前記投影面上に投影することで、前記被照明領域を照明する回折光学素子と、を備え、
   前記投影面への法線方向に沿って前記投影面から離間した或る面上において、一つの単位像を再生するコヒーレント光が入射する領域は、他の単位像を再生するコヒーレント光が入射する領域から離間している、照明装置。

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