TW202212729A - 照明裝置、投影機裝置 - Google Patents

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大川真吾
柳澤裕幸
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Abstract

本發明之課題在於在使用空間光相位調變器進行重現像之產生時，謀求降低光瞳位置處之光能密度，而謀求安全性之提高。 本發明之照明裝置具備：光源部，其具有發光元件；空間光相位調變器，其藉由對來自光源部之入射光實施空間光相位調變，而於像面上空開間隔地產生複數個重現像；及投射部，其將複數個重現像經由個別之投射透鏡重疊投射於投射面上。

Description

照明裝置、投影機裝置
本發明係關於一種照明裝置、及投影機裝置，特別係關於一種用於藉由光能密度之降低而提高安全性之技術。
對非照明物照射光之照明裝置正在廣泛普及。作為照明裝置之一例，可舉出照射由特定之配光圖案(光強度分佈圖案)實現之光之前照燈等車輛用燈具、或將對來自光源之入射光例如藉由液晶面板等之空間光調變器賦予光強度分佈而產生之圖像投射至特定之投射面之投影機裝置等。
再者，對於關聯之先前技術可舉出下述專利文獻1。於專利文獻1之圖14中，揭示如下之情形，即：於使光源發出之雷射光平行並經由衍射光學元件、及投射透鏡照射至被照明區域之構成中，作為衍射光學元件使用複數個要素衍射部二維排列而成者，作為投射透鏡使用複數個單位透鏡二維排列而成者，藉由以衍射光學元件中之不鄰接之要素衍射部分別照明同一照明範圍之方式構成，而入射至被照明區域之各點之同調光之入射方向成為廣範圍，而提高同調光之安全性。 [先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本特開2019-21471號公報
[發明所欲解決之課題]
此處，所投射之重現像之產生可藉由對來自光源之光實施空間光強度調變而進行。或者，重現像之產生亦可藉由對來自光源之光實施空間光相位調變而進行。於藉由強度調變而產生重現像之情形下，藉由將來自光源之光之一部分予以遮光或減光而實現光強度分佈，但於藉由相位調變而實現之重現像之產生中，由於不進行如此之遮光或減光，因此可提高光之利用效率。
另一方面，於例如投影機裝置般將於像面中產生之重現像經由投射透鏡投射至投射面之情形下，於投射透鏡之光瞳位置(焦點面)處光能密度增加。於提高安全性而言，理想的是謀求如此之光瞳位置處之光能密度之降低。特別是，於藉由上述之相位調變進行重現像之產生之情形下，由於該光能密度為進一步增加之傾向，因此採取對策實屬有效。
本發明係鑒於上述之事態而完成者，其目的在於：在使用空間光相位調變器進行重現像之產生時，謀求光瞳位置處之光能密度之降低，而謀求安全性之提高。 [解決課題之技術手段]
本發明之照明裝置具備：光源部，其具有發光元件；空間光相位調變器，其藉由對來自前述光源部之入射光實施空間光相位調變，而於像面上空開間隔地產生複數個重現像；及投射部，其將前述複數個重現像經由個別之投射透鏡重疊投射於投射面上。 藉此，重現像對於投射面之投射，就每一投射透鏡經由分散之各者之光瞳位置而進行。
於上述之本發明之照明裝置中，考量將前述空間光相位調變器設為如下之構成，即：使用較將相位調變面依每一前述重現像等分而形成之區域更廣之區域之入射光，產生各前述重現像。 藉此，與針對將相位調變面根據重現像之數目等分而形成之每一區域個別地產生重現像之情形相比，可將光瞳位置處之各光線之直徑擴大化。
於上述之本發明之照明裝置中，考量設為具備控制部之構成，該控制部藉由控制前述空間光相位調變器之相位調變圖案而使前述重現像之位置或形狀變化。 作為重現像之位置之變化，考量面內方向位置之變化或光軸方向位置之變化，藉由面內方向位置之變化而可進行重現像之投射區域之位置調整，藉由光軸方向位置之變化而可進行對焦調整。又，藉由重現像之形狀之變化而可進行光學像差之修正。
於上述之本發明之照明裝置中，考量前述控制部設為使前述重現像之面內方向位置變化之構成。 藉此，可進行各重現像之投射區域之位置調整。
於上述之本發明之照明裝置中，考量將前述控制部設為根據前述重現像之投射距離，使前述重現像之面內方向上之間隔變化之構成。 藉此，即便投射距離變化亦可不於各重現像之投射區域產生偏移。
於上述之本發明之照明裝置中，考量前述控制部設為使前述重現像之光軸方向位置變化之構成。 藉此，可進行投射像之對焦調整。
於上述之本發明之照明裝置中，考量前述控制部設為根據前述重現像之投射距離，使前述重現像之光軸方向位置變化之構成。 藉此，可根據投射距離之變化補償投射像之對焦偏移。
於上述之本發明之照明裝置中，考量將前述控制部設為使前述重現像之形狀變化之構成。 藉此，可以修正透鏡失真等光學像差之方式使重現像之形狀變化。
於上述之本發明之照明裝置中，考量設為在光軸方向上之前述像面與前述投射透鏡之間配置有擴散板之構成。 藉由擴散板，謀求入射至投射透鏡之各光線之光束直徑之擴大化。
於上述之本發明之照明裝置中，考量設為具備屈曲光學元件之構成，該屈曲光學元件使來自前述空間光相位調變器之入射光線沿著將前述像面上之前述重現像之面內方向間隔擴大之方向屈曲。 例如，藉由稜鏡等屈曲光學元件來擴大像面中之重現像之面內方向間隔。
又，本發明之投影機裝置具備：光源部，其具有發光元件；空間光相位調變器，其藉由對來自前述光源部之入射光實施空間光相位調變，而於像面上空開間隔地產生複數個重現像；投射部，其將前述複數個重現像經由個別之投射透鏡重疊投射於投射面上；及空間光強度調變器，其於前述像面上實施對前述重現像之空間光強度調變。 藉由如此之投影機裝置，亦可獲得與上述之本發明之照明裝置同樣之作用。
以下，參照附圖，按照如下之順序對於本發明之實施形態進行說明。 ＜1.第一實施形態＞ (1-1.照明裝置之構成、及作為實施形態之重現像投射手法) (1-2.藉由相位調變而實現之重現像產生手法) (1-3.複數個重現像之產生手法) ＜2.第二實施形態＞ ＜3.第三實施形態(針對投影機裝置之應用)＞ ＜4.變化例＞ ＜5.實施形態之匯總＞ ＜6.本發明＞
＜1.  第一實施形態＞ (1-1. 照明裝置之構成、及作為實施形態之投射手法) 圖1及圖2係用於說明作為本發明之第一實施形態之照明裝置1之構成例之圖，圖1係顯示照明裝置1所具有之光學系統之概略構成例之立體圖，圖2係顯示該光學系統中之相位調變器5之後段部分之概略構成與相位調變器5之控制系統之構成之圖。
首先，作為圖1所示之光學系統之構成，照明裝置1具備：光源部2、鏡3、鏡4、相位調變器5、鏡6、鏡7、及投射透鏡部8。圖中之箭頭表示光之路徑，自光源部2發出之光經由鏡3、鏡4、相位調變器5、鏡6、鏡7之後入射至投射透鏡部8。 該照明裝置1構成為相位調變器5進行對來自光源部2之入射光之空間光相位調變，藉此於投射面Sp上重現所期望之圖像(光強度分佈)。如此之照明裝置1例如考量針對車輛用之前照燈(headlight)等之各種燈具之應用。於針對前照燈之應用之情形下，考量採用藉由利用相位調變器5進行之空間光相位調變使遠光光束或近光光束之照射範圍變化之構成。
此處，於以下之說明中，將藉由投射透鏡部8執行之像之投射方向(與投射面Sp正交之方向)定義為Z方向。又，將與Z方向正交之面(即與投射面Sp平行之面)設為X-Y面。於照明裝置1水平地配置之狀態下，將X方向設為與水平方向、將Y方向設為與垂直方向分別一致之方向。
光源部2具有一個或複數個發光元件，作為朝相位調變器5之入射光之光源發揮功能。作為光源部2所具有之發光元件，例如可舉出雷射發光元件。再者，對於發光元件亦可使用LED(Light Emitting Diode，發光二極體)、放電燈等。
相位調變器5例如包含反射型之液晶面板，對入射光實施空間光相位調變。具體而言，於本例中，對於自光源部2發出並經由鏡3、4而入射之光實施空間光相位調變。
再者，作為相位調變器5亦可不是使用反射型而是使用透射型之空間光相位調變器。 再者，以下有時將「空間光相位調變」簡稱為「相位調變」。
此處，於本實施形態之照明裝置1中，相位調變器5藉由對入射光之相位調變，而於圖2所示之像面Si空開間隔地產生複數個重現像Im。具體而言，於本例中，產生四個重現像Im。
投射透鏡部8具有與在像面Si產生之重現像Im同數目之投射透鏡8a(即，本例中為四個：參照圖1)，各投射透鏡8a將所產生之重現像Im中對應之一個重現像Im投射至投射面Sp。此時，對於各投射透鏡8a使用非球面透鏡，各投射透鏡8a將各自對應之重現像Im重疊投射於投射面Sp上。具體而言，本例中之各投射透鏡8a構成為對投射面Sp上之同一區域重疊投射各自之重現像Im。 藉此，於像面Si中產生複數個重現像Im，但作為投射面Sp上之投射像，成為該等重現像Im重疊而成之單一之圖像。 再者，於本例中，投射透鏡部8設為各投射透鏡8a形成為一體之構成。
此處，圖2所示之像面Si係可換言為光源側之焦點位置(焦點面)者。圖2提取通過重現像Im中之各點之光線中之通過像中心之光線、與通過像高為最高之位置之光線而顯示。如圖示般各光線藉由相位調變器5以收斂光之狀態經由鏡6、7被導引至像面Si，於像面Si中連結焦點。於像面Si中連結了焦點之後之各光線，以發散光之狀態入射至投射透鏡8a。入射至投射透鏡8a之各光線，被轉換成平行光，且像中心之光線以外之光線之行進方向朝該像中心之光線側屈曲，藉此於光瞳位置Sf，各光線之主光線彼此交叉。 經由光瞳位置Sf之各光線中像中心之光線彼此投射至投射面Sp上之同一位置(圖中「p1」之組)。同樣地，針對通過重現像Im中之中心以外之各位置之光線，各個重現像Im內之相同位置之光線彼此，透射至投影面Sp上之各個同一位置(圖中「p2」「p3」之組)。
如上述般藉由設為如下之構成，即：相位調變器5於像面Si空開間隔地產生複數個重現像Im，並將該等重現像Im經由不同之投射透鏡8a重疊投射於投射面Sp上，而重現像Im對於投射面Sp之投射經由就每一投射透鏡8a分散之各個光瞳位置Sf而進行。 因此，於使用相位調變器5進行重現像Im之產生之情形下，可謀求光瞳位置Sf處之光能密度之降低，而謀求安全性之提高。
於本例中，由相位調變器5調變之相位調變圖案，可藉由控制部9任意設定。 控制部9例如構成為具備具有微電腦CPU(Central Processing Unit，中央處理單元)、ROM(Read Only Memory，唯讀記憶體)、RAM(Random Access Memory，隨機存取記憶體)等記憶裝置之微電腦，進行照明裝置1之整體控制。 控制部9將用於在像面Si中空開間隔地產生複數個重現像Im之相位調變圖案(相位分佈)設定於相位調變器5。具體而言，控制部9對相位調變器5指示用於實現上述之相位調變圖案之像素單位之驅動信號值，執行對來自光源部2之入射光之空間光相位調變。
(1-2.藉由相位調變而實現之重現像產生手法) 參照圖3及圖4對於藉由相位調變而實現之重現像Im之產生手法進行說明。 圖3係與藉由包含液晶面板之相位調變器5而實現之光之折射作用相關之說明圖。再者，圖3中利用透射型液晶面板之例進行說明，但於使用反射型液晶面板時亦獲得同樣之折射作用。
於圖3中，作為將液晶面板以與厚度方向平行之面切斷之剖面之樣態，而顯示3像素份額之區域之剖面之樣態。如圖示般作為相位調變器5之液晶面板，於液晶層之兩端針對每一像素而形成一對像素電極。 於該液晶面板中，可針對每一像素而控制施加於電極間之電壓，而藉由該施加電壓之值使液晶層中之液晶分子之傾斜變化。藉由液晶分子之傾斜之狀態而產生折射率之差，而通過液晶層之光之光路長變化，藉此可產生相位差。例如於圖示之例中，於最上段所示之像素之液晶分子之傾斜狀態下，光路長變長(折射率變高)，以後，至中段之像素、下段之像素而光路長依序變短(折射率變低)。 於圖中，藉由雙箭頭表示入射光向液晶面板之偏光方向，藉由縱線表示伴隨著光之行進之波面之變化之樣態，藉由如上述之每一像素之光路長之設定，該情形之入射光之波面隨著在液晶層內行進而如圖示般自鉛直狀態逐漸後傾。其結果為，該情形之入射光之行進方向如藉由圖中之中空箭頭所示般，自與面板厚度方向平行之方向變化成向上之方向。
如此般於相位調變器5中，可藉由每一像素之光路長之設定(亦即相位之設定)而使入射光之行進方向變化。 於圖4中，針對設定作為集光(菲涅耳)透鏡之相位分佈之情形(圖4A)、及設定作為衍射(稜鏡)透鏡之相位分佈之情形(圖4B)，分別顯示相位分佈之波面之樣態、及光線之行進方向之變化之樣態(虛線箭頭)。 於圖4A所示之集光透鏡之情形下，相位分佈之波面成為大致球面狀，所入射之光線以沿相位分佈之波面之法線方向行進之方式折射。因此，獲得如圖示之集光作用。 於圖4B所示之衍射透鏡之情形下，相位分佈之波面如圖示般成為大致直線狀，所入射之光線分別向同方向折射。因此，如圖示般獲得面內位置移動之作用。
藉由如上述之光之折射作用，而可於像面Si上，形成光線密度增加之部分與稀疏之部分。亦即，藉由相位調變器5之相位調變圖案之設定，可於像面Si上產生所期望之光強度分佈(即像)。
再者，作為求得用於產生所期望之重現像Im之相位分佈之手法，可舉出例如以下述參考文獻1中所揭示之手法為代表之自由形式(Freeform)法等。 參考文獻1：特表2017-520022號公報
(1-3.複數個重現像之產生手法) 此處，如上述般於本實施形態中，於像面Si產生複數個重現像Im，但於本例中該等之重現像Im在不針對每一重現像Im區分相位調變面下產生。 關於此點，將參照圖5至圖9進行說明。
圖5係用於說明在複數個重現像Im之產生時，針對每一重現像Im區分相位調變器5之相位調變面Sm之手法之圖。 此處，相位調變面Sm意指相位調變器5中之可調變相位部分之出射面。所謂可調變相位部分意指可進行對入射光之相位調變之部分。
將所產生之四個重現像Im分別設為「A」「B」「C」「D」。於進行每一重現像Im之區分之手法中，如圖5A至圖5D所示般，針對所產生之每一重現像Im將相位調變面Sm予以等分(將所形成之各個區域設為區域a、b、c、d)，針對該被等分之每一區域，於像面Si產生分別對應之一個重現像Im。
圖6概略性地顯示進行每一重現像Im之區分之情形下之相位分佈之波面之形狀。再者，圖6中代表性地僅針對區域a及區域b例示相位分佈之波面之形狀。 如該圖6所例示般，進行每一重現像Im之區分之手法為如下之手法，即：針對就每一重現像Im等分之每一區域，分別設定用於產生重現像Im之相位分佈圖案並進行相位調變。
圖7係例示進行每一重現像Im之區分之情形下之光線之樣態之圖。再者，圖7中僅顯示「A」至「D」之四個重現像Im中任一個重現像Im之光線。 於進行每一重現像Im之區分之情形下，各重現像Im使用對相位調變面Sm之全域中其1/4之區域入射之光而產生。可用於一個重現像Im之產生之相位調變面Sm之區域比較窄，因此自相位調變器5至到達像面Si之間之各光線之直徑有變窄之傾向，其結果為瞳徑變小。
瞳徑變小，意指光瞳位置Sf處之光能密度增加。因此，於本例中，採用在不進行每一重現像Im之區分下產生複數個重現像Im之手法。
圖8概略性地顯示不進行每一重現像Im之區分之情形下之相位分佈之波面形狀之例。 圖中概略性地顯示用於產生「A」「B」各者之重現像Im之相位分佈之波面形狀之例，如該圖所例示般，若設為不進行每一重現像Im之區分者，則各重現像Im之產生不如圖5般限制於被等分之區域之範圍內，而可使用朝超過該區域之範圍之更廣區域之入射光來產生。
於本例中，藉由不進行每一重現像Im之區分，而使用較將相位調變面Sm針對每一重現像Im等分而形成之區域更廣之區域之入射光，產生各重現像Im。 亦即，本例之控制部9將如此般以可使用較將相位調變面Sm針對每一重現像Im等分而形成之區域更廣之區域之入射光產生各重現像Im之方式計算出之相位調變圖案設定於相位調變器5，並執行對來自光源部2之入射光之相位調變。
圖9係例示不進行每一重現像Im之區分之情形、亦即使用較將相位調變面Sm就每一重現像Im等分而形成之區域更廣之區域之入射光產生各重現像Im之手法之情形下之光線之樣態之圖。再者，於圖9中亦與前文之圖7同樣地，僅顯示與「A」至「D」之四個重現像Im中任一個重現像Im相關之光線。
該情形之重現像Im使用較被等分之區域更廣之區域之入射光而產生，因此與圖7之情形相比，成為自相位調變器5至到達像面Si為止之期間之各光線之直徑變寬之傾向，結果可謀求瞳徑之擴大化。 藉由謀求瞳徑之擴大化，而可謀求光瞳位置Sf處之光能密度之降低，從而可提高安全性。
＜2.第二實施形態＞ 繼而，對於第二實施形態進行說明。 第二實施形態係使重現像Im之位置或形狀變化者。 圖10係用於說明作為第二實施形態之照明裝置1A之構成例之圖。再者，於圖10中與前文之圖2同樣地針對光學系統之構成僅顯示較相位調變器5更後段之構成。關於以光學系統中之光源部2為首之其他部分與圖1之情形相同，因此省略圖示。 又，於以下之說明中，對於與已說明之部分同樣之部分賦予同一符號且省略說明。
與作為第一實施形態之照明裝置1之相異點係追加有測距感測器10與集光透鏡11之點、及設置控制部9A取代控制部9之點。 測距感測器10測定Z方向上之與物體相隔之距離。作為測距感測器10，例如可使用藉由間接ToF(Time of Flight，飛行時間)方式或直接ToF(Direct ToF)方式而實現之測距感測器、或藉由結構光(Structured Light)方式而實現之測距感測器等。於本例中，使用藉由間接ToF方式而實現之測距感測器10。該情形下，測距感測器10接收經由投射透鏡部8投射、且由物體反射之光而進行與該物體相隔之距離之測定。 集光透鏡11將來自物體之反射光集光並向測距感測器10之感測器面上引導。
此處，於本例中，包含測距感測器10與集光透鏡11之測距單元以其光軸與投射透鏡部8之光軸、亦即重疊投射各重現像Im之投射光學系統之光軸一致之方式配置。 圖11中，例示將與投射光學系統之光軸間距離空開某程度地配置該測距單元之情形，若為如此之配置，則於由測距單元測距之視野(測距視野)與重現像Im之投射區域產生偏移，而於測距視野內，形成用於測距之光成為非照射之所謂光影之區域。 藉由如上述般以投射光學系統與光軸一致之方式配置測距單元，而可謀求防止產生如此之光影之區域。
於圖10中，控制部9A在如下之點上與控制部9不同，即：根據由測距感測器10測定之與投射面Sp相隔之距離(以下表述為「投射距離」)，進行如以下所說明般用於使各重現像Im之面內方向位置或光軸方向位置變化之相位調變圖案之控制。
此處，於各重現像Im重疊投射於投射面Sp上之同一區域之狀態下，會因投射距離變化，而於投影面Sp上之各重現像Im之投射區域產生偏移。亦即，於投射像產生模糊(解析度下降)。
因此，於本例中，如圖12及圖13所例示般，根據投射距離使像面Si上之各重現像Im之面內方向間隔變化。 於圖12中顯示對應於投射距離為200 mm時應於像面Si上設定之各重現像Im之中心間距離之例，於圖13中顯示對應於投射距離為2000 mm時應於像面Si上設定之各重現像Im之中心間距離之例。 具體而言，於該情形之例中，與圖12A所示之投射距離=200 mm之情形對應之各重現像Im之中心間距離，如圖12B所示般X方向、Y方向均為6.54 mm，相對於此，與圖13A所示之投射距離=2000 mm之情形對應之各重現像Im之中心間距離，如圖13B所示般X方向、Y方向均為6.26 mm。 如該例所示般，隨著投射距離變大，而加寬像面Si上之各重現像Im之中心間距離。藉此，即便投射距離變化，亦可避免於各重現像Im之投射區域產生偏移，而可謀求防止因投射距離導致投射像之解析度下降。
又，於本例中，除了如此之各重現像Im之中心間距離之控制外，亦進行使各重現像Im之形狀變化之控制。具體而言，進行使各重現像Im之形狀變化之控制，以實現透鏡失真修正。再者，此處所言之透鏡失真係因投射透鏡8a所致之透鏡失真。 該情形下，由於透鏡失真表現為枕形畸變，因此透鏡失真修正乃藉由使原本應為矩形之重現像之形狀以桶型畸變之方式變化而進行(參照圖12B、圖13B)。
又，於本例中，進行根據投射距離使各重現像Im之光軸方向位置變化之控制。亦即，於圖14中使各重現像Im沿表示為方向D1或方向D2之方向移動。此相當於進行投射像之對焦調整。
具體而言，控制部9A隨著投射距離變短，而使各重現像Im沿遠離投射透鏡部8之方向(方向D2)移動。 藉此，可補償與投射距離之變化相應之投射像之對焦偏移。
圖15係為了實現由上述說明之作為第二實施形態之控制而應由控制部9A執行之具體之處理程序之例之流程圖。 首先，控制部9A於步驟S101中，進行初始設定距離之讀入。此處所言之初始設定距離係投射距離之初始設定值。將表示該初始設定距離之資訊儲存於控制部9A可讀出之記憶裝置，於步驟S101中，控制部9A進行讀入記憶於該記憶裝置之初始設定距離之資訊之處理。
於繼步驟S101之步驟S102中，控制部9A取得與距離相應之相位調變圖案。亦即，取得與步驟S101中讀入之初始設定距離相應之相位調變圖案、或者與於後文中所說明之步驟S106中經更新之距離相應之相位調變圖案。 作為此處之相位調變圖案，使用以實現如前文之參照圖12至圖14而說明之與投射距離相應之各重現像Im之面內方向間隔之調整或對焦調整(光軸方向位置之調整)、及透鏡失真修正之方式計算出之相位調變圖案。 於本例中，表示每一投射距離之相位調變圖案之資訊儲存於控制部9A可讀出之記憶裝置，控制部9A讀出記憶於該記憶裝置之相位調變圖案之資訊並取得。
繼步驟S102之步驟S103中，控制部9A進行藉由所取得之相位調變圖案而實施之相位調變執行控制。亦即，將所取得之相位調變圖案設定於相位調變器5並執行相位調變。
然後，於後續之步驟S104中，控制部9A執行藉由測距感測器10進行之測距作為測距處理，進而於接下來之步驟S105中判定設定距離與測距值是否相等、亦即判定在步驟S104之測距處理中測定到之距離之值是否與設定距離(步驟S101之初始設定距離、或於後文中所說明之步驟S106中被更新之距離之值)相等。
於步驟S105中，於判定為設定距離等於測距值時，控制部9A將處理前進至步驟S107。 另一方面，於步驟S105中，於判定為設定距離不等於測距值時，控制部9A前進至步驟S106，將設定距離更新為測距值，並將處理前進至步驟S107。
於步驟S107中，控制部9A判定是否連續進行投射距離調整。該步驟S107之判定處理作為如下之處理發揮功能，即：於執行前文之步驟S103中相應於初始設定距離之相位調變以後，判定投射距離是否處於可變化之狀態。 考量各種是否連續地進行投射距離調整之判定之具體例。例如，於控制部9A具有將投射面Sp之位置設定於Z方向上之任意位置之功能之情形下，控制部9A進行藉由該功能而判定是否處於應使投射距離變化之狀態之處理。或者，亦考量伴隨著使用者調整照明裝置1A之配置位置而投射距離變化之情況，於該情形下，例如考量進行是否為該配置位置之調整模式中之判定。
於步驟S107中，於獲得連續地進行投射距離調整之判定結果時，控制部9A返回步驟S102。藉此，於推定為可能繼續投射距離變化之狀態時，在藉由測距判定為投射距離變化時(S105:否)，進行藉由與變化後之投射距離相應之相位調變圖案而產生之重現像Im之投射(S102、S103)。亦即，實現與變化後之投射距離相應之各重現像Im之面內方向間隔之調整或對焦調整。再者，於投射距離自步驟S104之測距前之值不變化時，繼續藉由與該測距前之值相應之相位調變圖案而產生之重現像Im之投射狀態。
另一方面，於步驟S107中，於獲得不連續進行投射距離調整之判定結果時，控制部9A前進至步驟S108，在取得與距離相應之相位調變圖案之後，於後續之步驟S109中，進行藉由所取得之相位調變圖案而實現之相位調變執行控制。該等步驟S108之取得處理、步驟S109之控制處理分別係與上述之步驟S102之取得處理、步驟S103之控制處理相同內容之處理，而避免重複說明。 控制部9A與執行了步驟S109之控制處理相應地結束圖15所示之一系列處理。
再者，上述中作為與投射距離(亦包含步驟S101之初始設定距離)相應之相位調變圖案之取得處理，舉出讀出預先記憶於記憶裝置之相位調變圖案之資訊並取得之例，但與投射距離相應之相位調變圖案當然亦可藉由進行基於上述之自由形式(Freeform)法等之計算而可取得。
＜3.第三實施形態(針對投影機裝置之應用)＞ 第三實施形態係將目前為止所說明之作為實施形態之照明裝置應用於投影機裝置者。 圖16係用於說明應用作為第一實施形態之照明裝置1之投影機裝置20之構成例之圖。再者，圖16亦與前文之圖2同樣地針對光學系統之構成僅顯示較相位調變器5更後段之構成，關於以光源部2為首之光學系統之其他部分與圖1之情形相同，因此省略圖示。
如圖示般投影機裝置20與第一實施形態之照明裝置1相比，於在像面Si之位置設置強度調變器21，且設置控制部9取代控制部9B之點上不同。
強度調變器21例如包含透射型之液晶面板，對入射光實施空間光強度調變(以下有時亦簡稱為「強度調變」)。具體而言，強度調變器21藉由配置於像面Si之位置，而對藉由相位調變器5執行之相位調變而產生之各重現像Im實施強度調變。
控制部9B與控制部9同樣地，構成為具備具有CPU、ROM、RAM等記憶裝置之微電腦，基於目標圖像進行相位調變器5之相位分佈(相位調變圖案)之計算、及強度調變器21之光強度分佈(強度調變圖案)之計算，且基於計算出之相位分佈控制藉由相位調變器5執行之相位調變動作，且基於計算出之光強度分佈控制藉由強度調變器21執行之強度調變動作。
如圖示般，控制部9B具有相位圖案計算部22與強度圖案計算部23。相位圖案計算部22計算用於在像面Si空開間隔地產生具有作為目標圖像之光強度分佈之複數個重現像Im(本例中為四個)之相位調變圖案。 強度圖案計算部23計算為了將目標圖像之光強度分佈重現於投射面Sp上而應設定於強度調變器21之強度調變圖案。具體而言，強度圖案計算部23輸入目標圖像與由相位圖案計算部22計算出之相位調變圖案，基於該等目標圖像與相位調變圖案而計算強度調變器21之強度調變圖案。更具體而言，強度圖案計算部23計算用於消除根據自相位圖案計算部22輸入之相位調變圖案而求得之各重現像Im之光強度分佈、與目標圖像之光強度分佈之差分的強度調變器21之強度調變圖案。此相當於因藉由相位調變而產生之重現像Im之目標圖像中之高頻成分之再現性成為下降之傾向，因此計算用於彌補該高頻成分之強度調變圖案。
控制部9B藉由利用相位圖案計算部22計算出之相位調變圖案執行由相位調變器5實施之相位調變動作，藉由利用強度圖案計算部23計算出之強度調變圖案執行由強度調變器21實施之強度調變動作。
此處，於先前之投影機裝置中，藉由對來自光源之光實施由空間光強度調變器執行之空間光強度調變而獲得重現像，於空間光強度調變中將來自光源之入射光之一部分予以遮蔽或減光，因此光之利用效率降低，而有難以謀求高對比度化之事態。
相對於此，如圖16般藉由設為應用照明裝置1、亦即應用藉由空間光相位調變而重現所期望之光強度分佈之照明裝置之投影機裝置，而可謀求光之利用效率之提高，從而可謀求投射像之對比度提高。於圖16所示之構成中，藉由相位調變器5之相位調變而於強度調變器21之調變面重現與目標圖像相應之光強度分佈，相當於在進行由強度調變器21執行之強度調變之前，預先形成目標圖像之粗略之光強度分佈，成為所謂之與液晶顯示器之背光之區域分割驅動相似之控制。惟，此處之光強度分佈係藉由相位調變而形成者，因此成為謀求防止來自光源之光之利用效率之降低者。 該情形之強度調變器21以調整藉由相位調變器5而重現之所謂低頻圖像之重現像Im之細節，而於投射面Sp上重現與目標圖像相應之光強度分佈之方式發揮功能。藉此，可謀求投射像之解析度下降之抑制，從而可謀求投射像之高對比度化。
再者，作為投影機裝置，亦可採用應用作為第二實施形態之照明裝置1A之構成。該情形下，於相位調變圖案計算部22中，根據由測距感測器10測定到之距離(投射距離)進行用於各重現像Im之面內方向間隔之調整或對焦調整之相位調變圖案之計算。
又，於上述中舉出使用透射型之液晶面板作為強度調變器21之例，但亦可使用反射型之液晶面板或DMD等之反射型之空間光調變器。
＜4.變化例＞ 此處，作為實施形態並不限定於上述所說明之具體例，可採用作為多種變化例之構成。 例如，關於光學系統，亦可採用設置如圖17所示之屈曲光學元件15之構成。屈曲光學元件15使來自相位調變器5之入射光線沿擴大像面Si中之重現像Im之面內方向間隔之方向屈曲，因此例如可使用稜鏡。 於具有要求藉由擴大重現像Im之面內方向間隔、而配置於重疊投射各重現像Im之投射光學系統之光軸附近之零件之情形下，可謀求配置該零件之空間之擴大化，而易於配置該零件。 例如，如圖18所例示般，易於將第二實施形態中所說明之測距單元(測距感測器10及集光透鏡11)配置於光軸附近之位置。
再者，於藉由屈曲光學元件15擴大重現像Im之面內方向間隔之情形下，如圖17或圖18所示之投射透鏡部8'般，可採用將各投射透鏡8a設為個別構體之構成。
又，作為配置於藉由重現像Im之面內方向間隔之擴大而產生之空間之零件，並不限定於上述之測距單元，例如亦可設為包含進行圖像攝像之影像感測器及攝像用之透鏡之攝像單元等其他零件。
又，於目前為止之說明中，對於使用反射型之液晶面板作為相位調變器5之例進行了說明，於將反射型之空間光相位調變器使用於相位調變器5之情形下，成為將相位調變面Sm以自與入射光軸正交之狀態傾斜之狀態而配置。因此，如圖19A、圖19B所例示般，根據在相位調變面Sm之何一區域接受調變，而相位調變面Sm至重現像Im之距離不同。 具體而言，於圖19A、圖19B中，顯示以相位調變面Sm相對於與入射光軸正交之面So傾斜之方式配置相位調變器5，但該情形下，於在圖19A所示之區域A1接受調變之光、與在圖19B所示之區域A2接受調變之光之間，相位調變面Sm至重現像Im之距離(光路長)不同。具體而言，與圖19A相比圖19B之與重現像Im相隔之距離更長。 因此，使用如此般以取消將相位調變器5傾斜配置之情形之距離之差之方式計算出之相位調變圖案，進行重現像Im之產生。藉此，可對齊各重現像Im於Z方向上之位置。
又，於光學系統之構成中，亦可採用如圖20或圖21所示之構成。 圖20係應用擴散板16之例。 具體而言，係將擴散板16配置於光軸方向上之成為像面Si與投射透鏡8a之間之位置者。 藉由該擴散板16，謀求入射至投射透鏡8a之各光線之光束直徑之擴大化，其結果為可謀求瞳徑之擴大化。
圖21係應用遠焦光學系統17之例。 如圖示般藉由將遠焦光學系統17配置於像面Si之近前，而擴大各重現像Im。
又，於目前為止之說明中，舉出在複數個重現像Im之產生時僅使用一個相位調變器5之例，但亦可如圖22及圖23所例示般，設為如下之構成，即：設置複數個相位調變器5，各個相位調變器5分別於像面Si上空開間隔地產生複數個重現像Im。此處，於圖23中，僅提取圖22中所示之各光線中由一個相位調變器5輸出之光線而顯示。 藉由如此般設為設置複數個相位調變器5且各相位調變器5分別產生複數個重現像Im之構成，而可使來自光源部2之光分散地入射至複數個相位調變器5，而可謀求光能密度之降低。因此，可謀求相位調變器5之長壽命化。
又，省略藉由圖示進行之說明，亦可採用如下之構成，即：設置與光源波長相應之複數個相位調變器5，各個相位調變器5於像面Si上空開間隔地產生複數個重現像Im，且使該等之重現像Im在投射面Sp上重疊。例如，考量設為如下之構成，即：作為光源而設置R(紅色)、G(綠色)、B(藍色)各個光源，且作為相位調變器5亦設置R、G、B各個相位調變器5，各相位調變器5基於來自分別對應之色之光源之入射光，於像面Si上空開間隔地產生複數個重現像Im，使各個重現像Im藉由投射透鏡部8在投射面Sp上重疊。
＜5.實施形態之匯總＞ 如以上所說明般，作為實施形態之照明裝置(照明裝置1、1A、投影機裝置20)具備：光源部(光源部2)，其具有發光元件；空間光相位調變器(相位調變器5)，其藉由對來自光源部之入射光實施空間光相位調變，而於像面空開間隔地產生複數個重現像，及投射部(投射部8、8')，其將複數個重現像經由不同之投射透鏡重疊投射於投射面上。 藉此，重現像對於投射面之投射，經由就每一投射透鏡分散之各個光瞳位置而進行。 因此，於使用空間光相位調變器進行重現像之產生之情形下，可謀求光瞳位置處之光能密度之降低，而可謀求安全性之提高。
又，於作為實施形態之照明裝置中，空間光相位調變器使用較將相位調變面就每一重現像等分而形成之區域更廣之區域之入射光產生各重現像。 藉此，與針對將相位調變面根據重現像之數目等分而形成之每一區域個別地產生重現像之情形相比，可將光瞳位置處之各光線之直徑擴大化。 因此，謀求瞳徑之擴大化，而可謀求光瞳位置處之光能密度之降低，從而可提高安全性。
進而，於作為實施形態之照明裝置中，具備控制部(控制部9A)，其藉由控制空間光相位調變器之相位調變圖案而使重現像之位置或形狀變化。 作為重現像之位置之變化，考量面內方向位置之變化或光軸方向位置之變化，藉由面內方向位置之變化而可進行重現像之投射區域之位置調整，藉由光軸方向位置之變化而可進行對焦調整。又，藉由重現像之形狀之變化而可進行光學像差之修正。 根據上述構成，該等重現像之調整或修正藉由相位調變圖案之控制而進行，因此可無需另外設置用於該調整或修正之光學元件與空間光相位調變器，而可謀求光學系統之小型化。
又者，於作為實施形態之照明裝置中，控制部使前述重現像之面內方向位置變化。 藉此，可進行各重現像之投射區域之位置調整。 因此，即便因某種要因而使得重現像之投射區域自期望位置偏移時，亦可以使投影區域之位置與該期望位置一致之方式予以修正。
又，於作為實施形態之照明裝置中，控制部根據重現像之投射距離，使重現像之面內方向上之間隔變化。 藉此，即便投射距離變化，亦可避免於各重現像之投射區域產生偏移。 因此，可謀求防止因投影距離之變化而於投射面上重現像之解析度下降。
進而，於作為實施形態之照明裝置中，控制部使重現像之光軸方向位置變化。 藉此，可進行投射像之對焦調整。
又者，於作為實施形態之照明裝置中，控制部根據重現像之投射距離，使重現像之光軸方向位置變化。 藉此，可補償與投射距離之變化相應之投射像之對焦偏移。 因此，可謀求防止因投影距離之變化而於投射面上重現像之解析度下降。又，無需設置在重現像之對焦調整時用於驅動透鏡之構成，而可謀求光學系統之小型化。
又，於實施形態之照明裝置中，控制部使重現像之形狀變化。 藉此，可使重現像之形狀變化，以修正透鏡失真等光學像差。 可藉由用於產生重現像之空間光相位調變器，進行重現像之光學像差修正，而無需另行設置用於修正之光學元件，而可謀求光學系統之小型化。
進而，於實施形態之照明裝置中，於光軸方向上之像面與投射透鏡之間配置有擴散板(擴散板16)。 藉由擴散板，謀求入射至投射透鏡之各光線之光束直徑擴大化。 因此，可謀求瞳徑之擴大化，藉由光瞳位置處之光能密度降低而可謀求安全性之提高。
進而，又，於作為實施形態之照明裝置中，具備屈曲光學元件(屈曲光學元件15)，其使來自空間光相位調變器之入射光線沿擴大像面中之重現像之面內方向間隔之方向屈曲。 例如，藉由稜鏡等屈曲光學元件來擴大像面中之重現像之面內方向間隔。 藉由擴大重現像之面內方向間隔，於具有要求配置於重疊投射各重現像之投射光學系統之光軸附近之零件之情形下，可謀求配置該零件之空間之擴大化，而易於配置該零件。例如，於配置測距感測器之情形下，為了防止測距之視野與重現像之投影區域之偏移而要求將測距感測器配置於光軸附近之位置，於該情形下，可提高測距感測器之配置之容易性。
又，作為實施形態之投影機裝置(投影機裝置20)具備：光源部(光源部2)，其具有發光元件；空間光相位調變器(相位調變器5)，其藉由對來自光源部之入射光實施空間光相位調變，而於像面空開間隔地產生複數個重現像；投射部(投射部8、8')，其將複數個重現像經由不同之投射透鏡重疊投射於投射面上；及空間光強度調變器(強度調變器21)，其於像面中實施對重現像之空間光強度調變。 藉由如此之投影機裝置，獲得與作為上述之實施形態之照明裝置同樣之作用。 因此，關於對藉由空間光相位調變而產生之重現像實施空間光強度調變並投射至投射面之投影機裝置，可謀求光瞳位置處之光能密度之降低，而可謀求安全性之提高。
再者，本說明書所記載之效果終極而言僅為例示而並非被限定者，亦可具有其他之效果。
＜6.本發明＞ 此外，本發明亦可採用如以下之構成。 (1) 一種照明裝置，其具備：光源部，其具有發光元件； 空間光相位調變器，其藉由對來自前述光源部之入射光實施空間光相位調變，而於像面上空開間隔地產生複數個重現像；及 投射部，其將前述複數個重現像經由個別之投射透鏡重疊投射於投射面上。 (2) 如前述(1)之照明裝置，其中前述空間光相位調變器使用較將相位調變面依每一前述重現像等分而形成之區域更廣之區域之入射光，產生各前述重現像。 (3) 如前述(1)或(2)之照明裝置，其具備控制部，該控制部藉由控制前述空間光相位調變器之相位調變圖案而使前述重現像之位置或形狀變化。 (4) 如前述(3)之照明裝置，其中前述控制部使前述重現像之面內方向位置變化。 (5) 如前述(4)之照明裝置，其中前述控制部根據前述重現像之投射距離，使前述重現像之面內方向上之間隔變化。 (6) 如前述(3)至(5)中任一項之照明裝置，其中前述控制部使前述重現像之光軸方向位置變化。 (7) 如前述(6)之照明裝置，其中前述控制部根據前述重現像之投射距離，使前述重現像之光軸方向位置變化。 (8) 如前述(3)至(7)中任一項之照明裝置，其中前述控制部使前述重現像之形狀變化。 (9) 如前述(1)至(8)中任一項之照明裝置，其中在光軸方向上之前述像面與前述投射透鏡之間配置有擴散板。 (10) 如前述(1)至(9)中任一項之照明裝置，其具備屈曲光學元件，該屈曲光學元件使來自前述空間光相位調變器之入射光線沿著將前述像面上之前述重現像之面內方向間隔擴大之方向屈曲。 (11) 一種投影機裝置，其具備：光源部，其具有發光元件； 空間光相位調變器，其藉由對來自前述光源部之入射光實施空間光相位調變，而於像面上空開間隔地產生複數個重現像； 投射部，其將前述複數個重現像經由個別之投射透鏡重疊投射於投射面上；及 空間光強度調變器，其於前述像面上實施對前述重現像之空間光強度調變。
1,1A:照明裝置 2:光源部 3,4,6,7:鏡 5:相位調變器 8,8':投射透鏡部 8a:投射透鏡 9,9A,9B:控制部 10:測距感測器 11:集光透鏡 15:屈曲光學元件 16:擴散板 17:遠焦光學系統 20:投影機裝置 21:強度調變器 22:相位圖案計算部 23:強度圖案計算部 a,b,c,d:區域 A,B,C,D:重現像 A1,A2:區域 D1,D2,X,Y,Z:方向 Im:重現像 p1,p2,p3:組 S101～S109:步驟 Sf:光瞳位置 Si:像面 Sm:相位調變面 So:面 Sp:投射面
圖1係顯示作為本發明之第一實施形態之照明裝置所具有之光學系統之概略構成例之立體圖。 圖2係顯示作為第一實施形態之照明裝置所具有之光學系統中之相位調變器5之後段部分之概略構成與相位調變器5之控制系統之構成之圖。 圖3係顯示將液晶面板以與厚度方向平行之面予以切斷之剖面之樣態之圖。 圖4A-4B係例示空間光相位調變器之相位分佈與入射光之光線之行進方向之變化之關係之圖。 圖5A-5D係與針對每一重現像區分相位調變面之手法相關之說明圖。 圖6係概略性地顯示進行每一重現像之區分之情形之相位分佈之波面之形狀之圖。 圖7係例示進行每一重現像之區分之情形下之光線之樣態之圖。 圖8係概略性地顯示不進行每一重現像之區分之情形下之相位分佈之波面形狀之例之圖。 圖9係例示不進行每一重現像之區分之情形下之光線之樣態之圖。 圖10係用於說明作為第二實施形態之照明裝置之構成例之圖。 圖11係顯示將與重現像之投射光學系統之光軸間距離空開某程度地配置測距單元之情形之例之圖。 圖12A-12B係與相應於投射距離之各重現像之面內方向間隔之調整例相關之說明圖。 圖13A-13B同樣地係與相應於投射距離之各重現像之面內方向間隔之調整例相關之說明圖。 圖14係與相應於投射距離之各重現像之光軸方向位置之調整例相關之說明圖。 圖15係顯示為了實現作為第二實施形態之控制而應執行之具體之處理程序之例之流程圖。 圖16係用於說明作為實施形態之投影機裝置之構成例之圖。 圖17係與使用屈曲光學元件之例相關之說明圖。 圖18係於藉由屈曲光學元件之應用而產生之空間內配置測距單元之例之說明圖。 圖19A-19B係與將空間光相位調變器傾斜配置時之問題點相關之說明圖。 圖20係與應用擴散板之例相關之說明圖。 圖21係與應用遠焦光學系統之例相關之說明圖。 圖22係使用複數個空間光相位調變器之情形之例之說明圖。 圖23係同樣地使用複數個空間光相位調變器之情形之例之說明圖。
1:照明裝置
5:相位調變器
6,7:鏡
8:投射透鏡部
8a:投射透鏡
9:控制部
Im:重現像
p1,p2,p3:組
Sf:光瞳位置
Si:像面
X,Y,Z:方向

Claims (11)

  1. 一種照明裝置，其具備：光源部，其具有發光元件； 空間光相位調變器，其藉由對來自前述光源部之入射光實施空間光相位調變，而於像面上空開間隔地產生複數個重現像；及 投射部，其將前述複數個重現像經由個別之投射透鏡重疊投射於投射面上。
  2. 如請求項1之照明裝置，其中前述空間光相位調變器使用較將相位調變面依每一前述重現像等分而形成之區域更廣之區域之入射光，產生各前述重現像。
  3. 如請求項1之照明裝置，其具備控制部，該控制部藉由控制前述空間光相位調變器之相位調變圖案而使前述重現像之位置或形狀變化。
  4. 如請求項3之照明裝置，其中前述控制部使前述重現像之面內方向位置變化。
  5. 如請求項4之照明裝置，其中前述控制部根據前述重現像之投射距離，使前述重現像之面內方向上之間隔變化。
  6. 如請求項3之照明裝置，其中前述控制部使前述重現像之光軸方向位置變化。
  7. 如請求項6之照明裝置，其中前述控制部根據前述重現像之投射距離，使前述重現像之光軸方向位置變化。
  8. 如請求項3之照明裝置，其中前述控制部使前述重現像之形狀變化。
  9. 如請求項1之照明裝置，其中在光軸方向上之前述像面與前述投射透鏡之間配置有擴散板。
  10. 如請求項1之照明裝置，其具備屈曲光學元件，該屈曲光學元件使來自前述空間光相位調變器之入射光線沿著將前述像面上之前述重現像之面內方向間隔擴大之方向屈曲。
  11. 一種投影機裝置，其具備：光源部，其具有發光元件； 空間光相位調變器，其藉由對來自前述光源部之入射光實施空間光相位調變，而於像面上空開間隔地產生複數個重現像； 投射部，其將前述複數個重現像經由個別之投射透鏡重疊投射於投射面上；及 空間光強度調變器，其於前述像面上實施對前述重現像之空間光強度調變。
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