WO2022181305A1 - 照明システム、照明システムの設計方法 - Google Patents

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WO2022181305A1
WO2022181305A1 PCT/JP2022/004652 JP2022004652W WO2022181305A1 WO 2022181305 A1 WO2022181305 A1 WO 2022181305A1 JP 2022004652 W JP2022004652 W JP 2022004652W WO 2022181305 A1 WO2022181305 A1 WO 2022181305A1
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diffractive optical
projection
optical element
projection plane
light
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牧夫 倉重
俊平 西尾
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大日本印刷株式会社
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    • F21S43/00—Signalling devices specially adapted for vehicle exteriors, e.g. brake lamps, direction indicator lights or reversing lights
    • F21S43/20—Signalling devices specially adapted for vehicle exteriors, e.g. brake lamps, direction indicator lights or reversing lights characterised by refractors, transparent cover plates, light guides or filters
    • F21S43/26—Refractors, transparent cover plates, light guides or filters not provided in groups F21S43/235 - F21S43/255
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    • G02B27/42—Diffraction optics, i.e. systems including a diffractive element being designed for providing a diffractive effect
    • G02B27/4233—Diffraction optics, i.e. systems including a diffractive element being designed for providing a diffractive effect having a diffractive element [DOE] contributing to a non-imaging application
    • G02B27/425—Diffraction optics, i.e. systems including a diffractive element being designed for providing a diffractive effect having a diffractive element [DOE] contributing to a non-imaging application in illumination systems
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21W—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES F21K, F21L, F21S and F21V, RELATING TO USES OR APPLICATIONS OF LIGHTING DEVICES OR SYSTEMS
    • F21W2103/00—Exterior vehicle lighting devices for signalling purposes
    • F21W2103/60—Projection of signs from lighting devices, e.g. symbols or information being projected onto the road
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21Y—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES F21K, F21L, F21S and F21V, RELATING TO THE FORM OR THE KIND OF THE LIGHT SOURCES OR OF THE COLOUR OF THE LIGHT EMITTED
    • F21Y2113/00—Combination of light sources
    • F21Y2113/30—Combination of light sources of visible and non-visible spectrum

Definitions

  • the present disclosure relates to lighting systems and methods of designing lighting systems.
  • a laser light source that emits coherent light may be used as the light source of the lighting device.
  • a laser light source generally has a smaller light emitting point size and higher brightness than an LED (Light Emitting Device). Since the laser light source emits coherent light, it can have high directivity, so that a sufficient amount of light can reach a long distance. Light distribution can be finely controlled by using various optical elements such as a diffractive optical element and a lens array, a microdisplay, and the like.
  • a lighting device that projects a desired projection pattern as described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2015-132707 has been proposed by combining a laser light source and an optical element.
  • laser light generated by a single light source is diffracted by a single optical element such as a hologram. Diffraction at an optical element forms the desired projected pattern from light from a single light source.
  • a projection pattern is projected onto a projection plane remote from the illumination device.
  • a desired projection pattern can be projected without using an imaging optical system.
  • a laser light source is used as the light source of the lighting device, the divergence angle of the light projected from the lighting device can be reduced. Compared to the case of using LEDs as light sources, the projection pattern projected onto the projection surface can be efficiently and clearly displayed.
  • the projection pattern When the projection surface is located far from the lighting device, the projection pattern may be projected so unclear that it cannot be properly recognized.
  • the sharpness of the projected pattern depends on the relationship between the optical elements and the projection plane in the illumination system. By appropriately setting the relationship between the optical element and the projection plane in the illumination device, it is possible to project a recognizable and clear projection pattern.
  • An object of the present disclosure is to appropriately project a pattern onto a projection surface using an illumination device.
  • a first lighting system of the present disclosure includes: a projection plane; a lighting device that projects a projection pattern onto the projection plane,
  • the illumination device has a light source that emits coherent light and a diffraction optical element that diffracts the coherent light from the light source to form the projection pattern,
  • the diffractive optical element includes a plurality of element diffractive optical elements arranged two-dimensionally in a direction parallel to the projection plane; resolution basic period length r on the projection plane determined from the specified resolution of the projection pattern at the intersection position of the perpendicular drawn from the center of the element diffractive optical element on the projection plane, and the element diffractive optical element at that position and the wavelength ⁇ of the light included in the projection pattern projected at the position satisfy the following relationship (i). sin ⁇ > ⁇ /(6r) (i)
  • a second lighting system of the present disclosure includes: a projection plane; a lighting device that projects a projection pattern onto the projection plane,
  • the illumination device has a light source that emits coherent light and a diffraction optical element that diffracts the coherent light from the light source to form the projection pattern
  • the diffractive optical element includes a plurality of element diffractive optical elements, A length L of a perpendicular line from the center of the element diffractive optical element to the projection plane, a resolution basic period length r on the projection plane determined from the designated resolution of the projection pattern at a certain position on the projection plane, and the resolution A cross-sectional length p of the element diffractive optical element on a plane including the extending direction of the fundamental period length r and the direction connecting the center of the element diffractive optical element and the center of the resolution fundamental period length r, the position and the The angle ⁇ formed by the line connecting the center of the element diffractive optical element to the normal from the center of the element diffractive optical element to the projection plane, and
  • the angle ⁇ formed by the line connecting the position and the center of the element diffractive optical element with respect to the normal from the center of the element diffractive optical element to the projection plane is greater than 0°. It can be big.
  • the projection pattern may include light with wavelengths in the visible light wavelength range and/or electromagnetic waves with wavelengths in the infrared range.
  • a first illumination system design method of the present disclosure is a design method for an illumination system that projects a projection pattern onto a projection plane, A resolution basic period length r on the projection plane determined from the specified resolution of the projection pattern at the intersection position of the perpendicular drawn from the center of the element diffractive optical element with respect to the projection plane and included in the projection pattern at that position determining the wavelength ⁇ of the light; determining the positional relationship between the projection plane and the illuminating device so that an angle ⁇ that is half the angle at which the element diffractive optical element is viewed at the position satisfies the following relationship (i). sin ⁇ > ⁇ /(6r) (i)
  • a second illumination system design method of the present disclosure is a design method for an illumination system that projects a projection pattern onto a projection plane, a step of determining a resolution basic period length r on the projection plane determined from a specified resolution of the projection pattern at a certain position on the projection plane and a wavelength ⁇ of light contained in the projection pattern at that position; Determining the length p of the cross section of the element diffractive optical element in a plane including the extending direction of the resolution basic period length r and the direction connecting the center of the element diffractive optical element and the center of the resolution basic period length r process and A length L of a perpendicular from the center of the diffractive optical element element to the projection plane and a line connecting the position and the center of the diffractive optical element are perpendicular to the projection plane from the center of the diffractive optical element element. and determining the positional relationship between the projection plane and the illumination device such that the angle ⁇ formed with respect to the projection plane satisfies the following relationship (ii). L ⁇ /
  • FIG. 1 is a perspective view schematically showing the schematic configuration of an illumination system.
  • FIG. 2 is an enlarged plan view of the illumination system observed from the normal direction of the projection plane.
  • FIG. 3A is a diagram showing an enlarged part of an example of a projection pattern projected onto a projection plane.
  • FIG. 3B is a diagram showing an enlarged part of another example of the projection pattern projected onto the projection plane.
  • FIG. 4 is a diagram of an illumination system in which a portion of the projection plane is observed from a direction parallel to the projection plane.
  • FIG. 5 is a diagram of the illumination system in which another part of the projection plane is observed from a direction parallel to the projection plane.
  • FIG. 1 is a perspective view schematically showing the schematic configuration of the illumination system 1 of this embodiment.
  • the illumination system 1 has a projection plane 3 and an illumination device 10 .
  • a projection pattern 4 is projected onto a projection plane 3 by an illumination device 10 .
  • the projection plane 3 functions as a display plane that displays the projection pattern 4 projected from the lighting device 10 so that it can be properly observed by surrounding observers.
  • the projection plane 3 is a plane away from the illumination device 10 .
  • Projection surface 3 is preferably a flat surface so as to properly display projection pattern 4 .
  • the projection plane 3 has a predetermined width in the first direction d1 and extends in the second direction d2.
  • the projection plane 3 is, for example, a portion of the road surface.
  • the length of the projection plane 3 in the first direction d1 is defined by the later-described diffractive optical element 14 of the illumination device 10, and the length of the projection plane 3 in the second direction d2 is determined by the distance between the projection plane 3 and the illumination device 10. Defined by relationships. In the illustrated example, the first direction d1 and the second direction d2 are orthogonal to each other.
  • the projection pattern 4 displays a predetermined pattern on the projection plane 3 for the observer to observe.
  • the projection pattern 4 contains light with wavelengths in the visible light wavelength range. Specifically, the projection pattern 4 contains light with a wavelength ⁇ of 380 nm or more and 700 nm or less.
  • the projected pattern 4 displays predetermined information for the observer to observe. In the example shown in FIG. 1, the characters "STOP" are displayed as the predetermined information.
  • the information displayed by the projection pattern 4 is arbitrary, and may include not only characters but also patterns, images, symbols, numbers, and the like.
  • the display color, size, character line type, and line width of the predetermined information are also arbitrary, and at least part of the predetermined information may be color-coded with a plurality of colors.
  • the projection pattern 4 may contain, for example, electromagnetic waves with wavelengths in the infrared region other than light in the visible light wavelength region.
  • the projection pattern 4 may contain an electromagnetic wave with a wavelength of 780 nm or more and 3000 nm or less.
  • the electromagnetic wave with the wavelength in the infrared region may be irradiated at the same position as the position where the light in the visible wavelength region is irradiated at the same time as the light in the visible wavelength region, or at a different position.
  • the electromagnetic waves with wavelengths in the infrared region may be irradiated at different timings from the light with wavelengths in the visible light region.
  • the projected pattern 4 may contain only electromagnetic waves with wavelengths in the infrared region without including light in the visible wavelength range.
  • the projection pattern 4 may contain electromagnetic waves other than the light in the visible light wavelength range and the electromagnetic waves in the infrared range, such as ultraviolet rays, millimeter waves, and terahertz waves.
  • the term “light” includes not only light in the visible light wavelength range but also electromagnetic waves such as the infrared range.
  • the lighting device 10 is a device that projects a projection pattern 4 onto the projection plane 3 .
  • lighting device 10 is part of an installation type information display lamp.
  • the illumination device 10 may be various illumination lights such as a searchlight.
  • the illumination device 10 may be mounted on various mobile bodies.
  • the lighting device 10 can be mounted not only on vehicles such as automobiles and bicycles, but also on moving bodies such as ships, airplanes, and trains.
  • the lighting device 10 can be mounted on terminals capable of displaying information, such as computer displays, mobile terminals such as tablets and smartphones, and televisions.
  • the illumination device 10 has a light source 12, a shaping optical system 13, and a diffractive optical element 14.
  • the illumination device 10 may further have a housing that houses the light source 12 , the shaping optical system 13 and the diffractive optical element 14 .
  • Each component of the lighting device 10 will be described below.
  • the light source 12 emits coherent light, which is light with the same wavelength and phase.
  • Various types of light sources can be used as the light source 12 .
  • a laser light source that oscillates laser light can be used as the light source 12 that emits coherent light.
  • light source 12 is configured as a semiconductor laser light source and is supported by, for example, a circuit board. In the example shown in FIG. 1, three light sources 12 are provided, each emitting light of a different wavelength.
  • the wavelength of light emitted by the light source 12 corresponds to the wavelength of light included in the projection pattern 4 . For example, when the projection pattern 4 is projected so as to include light in the visible wavelength range, the light source 12 emits light in the visible wavelength range.
  • the three light sources 12 emit coherent light in red, green, and blue wavelength regions, respectively.
  • the light source 12 may emit light in other color wavelength ranges.
  • the projection pattern 4 is projected so as to include electromagnetic waves in the infrared region other than light in the visible light wavelength range, the light source 12 emits electromagnetic waves in the infrared region.
  • the shaping optical system 13 shapes the light emitted from the light source 12 .
  • the shaping optical system 13 shapes the shape of the cross section perpendicular to the optical axis of the light from the light source 12 and the three-dimensional shape of the light radiation space.
  • the shaping optical system 13 expands the cross-sectional area of the projection light on the cross section perpendicular to the optical axis of the light.
  • the shaping optical system 13 shapes the light emitted from the light source 12 into widened parallel light.
  • the shaping optical system 13 functions as a collimating optical system. As shown in FIG. 1, the shaping optical system 13 has a first lens 13a and a second lens 13b in order along the optical path of coherent light.
  • the first lens 13a shapes the light emitted from the light source 12 into divergent light.
  • the second lens 13b reshapes the divergent light generated by the first lens 13a into parallel light.
  • the second lens 13b functions as a collimator lens.
  • a plurality of shaping optical systems 13 are provided.
  • the shaping optical system 13 is provided corresponding to each light source 12 .
  • the number of shaping optical systems 13 is the same as that of the light sources 12 .
  • the diffractive optical element 14 diffracts the light that has passed through the shaping optical system 13 to form the projection pattern 4 .
  • Light diffracted by the diffractive optical element 14 is projected onto the projection plane 3 .
  • a plurality of diffractive optical elements 14 are provided.
  • a diffractive optical element 14 is provided corresponding to each shaping optical system 13 .
  • the number of diffractive optical elements 14 is the same as that of the shaping optical system 13 .
  • FIG. 2 shows an enlarged view of one diffractive optical element 14 .
  • the diffractive optical element 14 includes multiple element diffractive optical elements 15 .
  • the plurality of element diffractive optical elements 15 are minute thin plate-like members, and are two-dimensionally arranged on the same plane in the diffractive optical element 14 without any gaps.
  • the element diffractive optical element 15 diffracts light and emits it from the exit surface 15a.
  • the multiple element diffractive optical elements 15 each diffract the light from the shaping optical system 13 to form the projection pattern 4 as a whole.
  • Each element diffractive optical element 15 may form the entire predetermined information displayed by the projection pattern 4, or may form a part of the predetermined information.
  • each element diffractive optical element 15 The diffraction characteristics of each element diffractive optical element 15 are designed so as to correctly illuminate each corresponding illumination range of the projection plane 3, so that the projection pattern 4 projected onto the projection plane 3 can be a predetermined information. can be displayed properly.
  • the irradiation width w along the first direction d1 of the light diffracted by one element diffractive optical element 15 incident on an arbitrary position along the second direction d2 on the projection plane 3 is Each element diffracts so that it is the same as the irradiation width w along the first direction d1 of the light diffracted by another one element diffractive optical element 15 incident on an arbitrary position along the second direction d2 of 3
  • the diffraction properties of the optical element 15 are adjusted.
  • the element diffractive optical element 15 is typically a hologram element.
  • a hologram element as the element diffractive optical element 15, it becomes easier to design diffraction characteristics, and it is relatively easy to design a hologram element that can display information on a predetermined position, size and shape on the projection plane 3. be able to.
  • the element diffractive optical element 15 is composed of a hologram element, by using a computer generated hologram (CGH), the diffraction characteristics can be designed relatively easily using a computer.
  • CGH computer generated hologram
  • the element diffractive optical element 15 may be a phase-type diffractive optical element or an amplitude-type diffractive optical element. Although the element diffractive optical element 15 is configured as a transmissive type in the example shown in FIG. 1, it may be configured as a reflective type. When the element diffractive optical element 15 is configured as a phase-type diffractive optical element, the fine structure forming the element diffractive optical element 15 may be a concavo-convex pattern structure in which the optical path length changes according to the light incident position, or a light incident position. A pattern structure having a different refractive index can be employed depending on the thickness.
  • a fine structure consisting of a concave-convex pattern is preferable in that it can be mass-produced by resin molding using a photolithographic technique.
  • the fine structure forming the element diffractive optical element 15 can employ a structure in which the transmittance varies according to the incident position of light.
  • FIGS. 3A and 3B show enlarged portions of the projection pattern 4 projected onto the projection surface 3 by the illumination device 10.
  • FIGS. 3A and 3B show the letter "T" of the "STOP" characters shown in FIG.
  • the projection pattern 4 is displayed on the projection plane 3 with a resolution basic period length r on the projection plane 3 determined by a certain designated resolution.
  • the resolution basic period length r means the unit pixel period length when the resolution necessary for displaying the illumination pattern as a system is displayed on the projection plane 3 .
  • the resolved fundamental period length r is the width of the line with the smallest thickness in the projection pattern 4 .
  • FIG. 3A the resolved fundamental period length r is the width of the line with the smallest thickness in the projection pattern 4 .
  • the resolution fundamental period length r is the width (thickness) of the horizontal line of the letter "T".
  • the resolved fundamental period length r is the reciprocal of the fundamental spatial frequency of the dots that make up the projected pattern 4 .
  • the letter "T” is formed from a plurality of dots, and the resolution fundamental frequency r is the width of one dot forming the letter "T".
  • FIG. 4 is an enlarged view of a part of the illumination system 1 when a part of the projection plane 3 is observed from a certain direction parallel to the projection plane 3.
  • FIG. 4 the illumination system 1 is observed from a direction orthogonal to the width direction of the line with the smallest thickness in the projection pattern 4 .
  • the direction in which the element diffractive optical elements 15 are arranged is parallel to the projection plane 3 .
  • An output surface 15 a of the element diffractive optical element 15 is parallel to the projection plane 3 .
  • a part of the projection pattern 4 is projected at the resolution basic period length r at the intersection position 5 of the perpendicular drawn from the center of the element diffractive optical element 15 with respect to the projection plane 3.
  • Position 5 is the center position of the resolution basic period length r, for example, the center position of the width of the horizontal line of the letter "T".
  • the projection pattern 4 is displayed with the resolution basic period length r centered on the position 5 of the projection plane 3 .
  • the resolution basic period length r is, for example, 100 ⁇ m or more and 1 m or less.
  • a projection pattern 4 projected onto position 5 on projection plane 3 is diffracted by one or more element diffractive optical elements 15 in diffractive optical element 14. formed by the emitted light.
  • a projection pattern 4 projected onto position 5 contains light of wavelength ⁇ .
  • a wavelength ⁇ is a visible light wavelength, and is, for example, 380 nm or more and 700 nm or less.
  • the element diffractive optical element 15 forming the projection pattern 4 projected at position 5 is viewed from position 5 at an angle 2 ⁇ .
  • the line makes an angle 2 ⁇ .
  • the angle 2 ⁇ is, for example, 6 ⁇ 10 ⁇ 5 degrees or more and 0.6 degrees or less.
  • the angle ⁇ , the wavelength ⁇ and the resolution fundamental period length r that is, the projection pattern at the intersection position 5 of the perpendicular drawn from the center of the element diffractive optical element 15 with respect to the projection plane 3
  • the resolution basic period length r on the projection plane 3 determined from the specified resolution of 4, the angle ⁇ that is half the angle 2 ⁇ looking into the element diffractive optical element 15 at the position 5, and the projection pattern 4 projected at the position 5
  • the wavelength ⁇ of light satisfies the following relationship (i). sin ⁇ > ⁇ /(6r) (i)
  • the angle ⁇ , wavelength ⁇ , and fundamental resolution period r satisfy the following relationship (i*).
  • the angle ⁇ , wavelength ⁇ , and fundamental resolution period r satisfy the following relationship (i**). sin ⁇ > ⁇ /(2r) (i**)
  • FIG. 5 is an enlarged view of part of the illumination system 1 in which another part of the projection plane 3 is observed from a certain direction parallel to the projection plane 3.
  • FIG. 5 similarly to the example shown in FIG. ing.
  • the direction in which the element diffractive optical elements 15 are arranged may be parallel to the projection plane 3 or may be non-parallel to the projection plane 3 .
  • the output surface 15 a of the element diffractive optical element 15 may be non-parallel to the projection plane 3 .
  • part of the projection pattern 4 is projected with the resolution fundamental period length r.
  • Position 6 is the center position of the resolution basic period length r, for example, the center position of the width of the horizontal line of the letter "T".
  • the projection pattern 4 is displayed with the resolution basic period length r centered on the position 6 of the projection plane 3 .
  • the resolution basic period length r is, for example, 100 ⁇ m or more and 1 m or less.
  • the part of the projection pattern 4 projected onto the position 6 on the projection plane 3 is one or more of the elements diffractive optical element 15 in the diffractive optical element 14. Formed by diffracted light.
  • the projection pattern 4 projected onto the position 6 contains light of wavelength ⁇ .
  • a wavelength ⁇ is a visible light wavelength, and is, for example, 380 nm or more and 700 nm or less.
  • the projection plane 3 and the element diffractive optical element 15 projecting the projection pattern 4 including the light of wavelength ⁇ onto the position 6 are separated by a distance L. More specifically, L is the length of the perpendicular line from the center of the element diffractive optical element 15 to the projection plane 3 .
  • the length L is, for example, 0.5 m or more and 100 m or less.
  • the element diffractive optical element 15 projecting the projection pattern 4 containing light of wavelength ⁇ at position 6 extends with length p.
  • the length p of the element diffractive optical element 15 is defined as a plane including the extending direction of the resolution fundamental period length r and the direction connecting the center of the element diffractive optical element 15 and the center of the resolution fundamental period length r. means the length of the cross-section of the element diffractive optical element 15 on the observation plane from a certain direction parallel to the projection plane 3 as shown in FIG.
  • the length p is, for example, 100 ⁇ m or more and 5 mm or less.
  • the line connecting the position 6 and the center of the element diffractive optical element 15 projecting the projection pattern 4 containing the light of wavelength ⁇ at the position 6 is the It makes an angle ⁇ with the normal from the center to the plane of projection 3 .
  • the angle ⁇ may be 0°, it is preferably greater than 0°, more preferably 60° or more, and even more preferably 80° or more.
  • a position 6 where the projection pattern 4 is projected is preferably a position shifted from the center of the element diffractive optical element 15 . Projected pattern 4 is preferably projected in a direction deviated from the front direction of illumination device 10 on projection plane 3 .
  • the above-mentioned length L, wavelength ⁇ , resolution fundamental period length r, length p and angle ⁇ that is, the length of the normal from the center of the element diffractive optical element 15 to the projection plane 3 L, the resolution basic period length r of the projection pattern 4 at the position 6 where the projection plane 3 is located, the direction in which the resolution basic period length r extends, the center of the element diffraction optical element 15, and the center of the resolution basic period length r are defined as
  • the length p of the section of the element diffractive optical element 15 in the plane containing the connecting direction and the line connecting the position 6 and the center of the element diffractive optical element 15 are perpendicular to the projection plane 3 from the center of the element diffractive optical element 15.
  • the length L, wavelength ⁇ , fundamental period length r, length p and angle ⁇ satisfy the following relationship (ii*).
  • the length L, wavelength ⁇ , fundamental period length r, length p and angle ⁇ satisfy the following relationship (ii**).
  • the illumination system 1 is designed such that the projection pattern 4 is properly projected onto the projection plane 3 .
  • a projection pattern 4 to be projected onto the projection plane 3 is determined. Specifically, from the specified resolution of the projection pattern 4 at the intersection position 5 of the perpendicular drawn from the center of the element diffractive optical element 15 to the projection plane 3 so that the projection pattern 4 can display predetermined information on the projection plane 3
  • the wavelength ⁇ of the light contained in the projection pattern 4 at the fixed resolution fundamental period length r on the projection plane 3 and the position 5 is determined. After that, the positional relationship between the projection surface 3 and the illumination device 10 is determined so that the projection pattern 4 can be projected appropriately.
  • the positional relationship between the projection plane 3 and the illumination device 10 is determined so that the angle ⁇ that is half the angle at which the element diffractive optical element 15 is viewed at the position 5 satisfies the following relationship (i).
  • sin ⁇ > ⁇ /(6r) (i) Preferably, the positional relationship between the projection plane 3 and the illumination device 10 is determined so as to satisfy the following relationship (i*).
  • the positional relationship between the projection plane 3 and the illumination device 10 is determined so as to satisfy the following relationship (i**). sin ⁇ > ⁇ /(2r) (i**)
  • the lighting system 1 is designed as follows. First, as in the design method described above, the resolution basic period length r on the projection plane 3 determined from the specified resolution of the projection pattern 4 at the position 6 on the projection plane 3 and the light included in the projection pattern 4 at the position 6 A wavelength ⁇ is determined. Next, a plane including the length p of the element diffractive optical element 15, more specifically, the direction in which the resolution basic period length r extends and the direction connecting the center of the element diffractive optical element 15 and the center of the resolution basic period length r A cross-sectional length p of the element diffractive optical element 15 at is determined.
  • the positional relationship between the projection surface 3 and the illumination device 10 is determined so that the projection pattern 4 formed by the element diffractive optical element 15 can be projected appropriately.
  • the length L of the perpendicular from the center of the element diffractive optical element 15 to the projection plane 3 and the line connecting the position 6 and the center of the element diffractive optical element 15 extend from the center of the element diffractive optical element 15 to the projection plane.
  • the positional relationship between the projection plane 3 and the illumination device 10 is determined such that the angle ⁇ formed with the perpendicular to the projection plane 3 satisfies the following relationship (ii).
  • the positional relationship between the projection plane 3 and the illumination device 10 is determined so as to satisfy the following relationship (ii*).
  • the positional relationship between the projection plane 3 and the illumination device 10 is determined so as to satisfy the following relationship (ii**).
  • the projection pattern may not be displayed clearly.
  • a blurred projected pattern for example, does not allow an observer to properly perceive information displayed by the projected pattern. It is required to appropriately project a projection pattern onto a projection plane by an illumination device.
  • increasing the size of the element diffractive optical element increases the cost of appropriately designing the diffraction characteristics of the element diffractive optical element and the cost of manufacturing the element diffractive optical element. It is preferable to appropriately project the projection pattern onto the projection plane while suppressing the size of the element diffractive optical element.
  • the sharpness of the projection pattern depends on the positional relationship between the diffractive optical elements and the projection plane in the illumination device. By appropriately setting the positional relationship between the element diffractive optical element and the projection surface in the illumination device, it is possible to project a recognizable and clear projection pattern. As a result of repeated experiments by the present inventors, specifically, the projection pattern could be clearly projected onto the projection plane by setting the positional relationship between the diffractive optical elements and the projection plane as follows.
  • the resolution basic period length r an angle ⁇ that is half the angle 2 ⁇ at which the element diffractive optical element 15 is viewed at the position 5, and the wavelength ⁇ of the light included in the projection pattern 4 projected at the position 5 satisfy the following relationship (i): , the projection pattern 4 is projected onto the projection surface 3 clearly enough to be recognized. sin ⁇ >( ⁇ /6r) (i)
  • the angle ⁇ , the wavelength ⁇ , and the resolution basic period length r satisfy the following relationship (i*), so that the projection pattern 4 is clearly projected onto the projection surface 3 so as to be clearly recognized.
  • the wavelength ⁇ of the light contained in 4 satisfies the following relationship (ii), so that the projection pattern 4 is projected onto the projection plane 3 clearly enough to be recognized.
  • the projection pattern 4 can be clearly projected without making the element diffraction optical element 15 larger than necessary.
  • the cost of designing and manufacturing the element diffractive optical element 15 can be reduced.
  • the angle ⁇ formed by the line connecting the position 6 and the center of the element diffractive optical element 15 with respect to the normal from the center of the element diffractive optical element 15 to the projection plane 3 is greater than 0°.
  • the size of the minimum resolved spot on the projection plane 3 that can be achieved by the illumination system 1 is greatly affected by the angle ⁇ .
  • the projected pattern 4 contains light in the visible light wavelength range and/or electromagnetic waves in the infrared wavelength range. Since the projection pattern 4 contains light in the visible light wavelength range, the viewer can observe the predetermined pattern displayed on the projection plane 3 .
  • the illumination system 1 can be used as a sensor because the projection pattern 4 contains electromagnetic waves with wavelengths in the infrared range. Since the projection pattern 4 includes both light in the visible wavelength range and electromagnetic waves in the infrared wavelength range, the illumination system 1 can be used as a sensor corresponding to the pattern displayed on the projection plane 3 .
  • the illumination system 1 is designed so that the angle ⁇ , which is half the angle at which the element diffractive optical element 15 is viewed at the position 5, satisfies the following relationship (i). sin ⁇ > ⁇ /(6r) (i) In the illumination system 1 designed in this way, the illumination device 10 projects the projection pattern 4 onto the projection surface 3 clearly enough to be recognized.
  • the lighting system 1 is designed to satisfy the following relationship (i*). sin ⁇ > ⁇ /(4r) (i*) In the illumination system 1 designed in this manner, the projection pattern 4 is clearly projected onto the projection surface 3 so as to be clearly recognized.
  • the illumination system 1 is designed to satisfy the following relationship (i**). sin ⁇ > ⁇ /(2r) (i**) In the illumination system 1 designed in this manner, the projection pattern 4 is clearly projected so that the difference between the portion where the projection pattern 4 is displayed and the portion where it is not displayed can be more clearly recognized.
  • the illumination system 1 is arranged such that the length L of the normal from the center of the element diffractive optical element 15 to the projection plane 3 and the line connecting the position 6 and the center of the element diffractive optical element 15 are from the center of the element diffractive optical element 15 .
  • the angle ⁇ formed with the normal to the projection plane 3 is designed so as to satisfy the following relationship (ii). L ⁇ /(rpcos 2 ⁇ ) ⁇ 3 (ii) In the illumination system 1 designed in this way, the illumination device 10 projects the projection pattern 4 onto the projection surface 3 clearly enough to be recognized.
  • the illumination system 1 is designed to satisfy the following relationship (ii*). L ⁇ /(rpcos 2 ⁇ ) ⁇ 2 (ii*) In the illumination system 1 designed in this manner, the projection pattern 4 is clearly projected onto the projection surface 3 so as to be clearly recognized.
  • the illumination system 1 is designed to satisfy the following relationship (ii**). L ⁇ /(rpcos 2 ⁇ ) ⁇ 1 (ii**) In the illumination system 1 designed in this manner, the projection pattern 4 is clearly projected so that the difference between the portion where the projection pattern 4 is displayed and the portion where it is not displayed can be more clearly recognized.
  • the projection pattern 4 can be projected clearly without making the element diffractive optical element 15 larger than necessary.
  • the cost of designing and manufacturing the element diffractive optical element 15 can be reduced.
  • the illumination system 1 of the present embodiment includes the projection plane 3 and the illumination device 10 that projects the projection pattern 4 onto the projection plane 3.
  • the illumination device 10 includes the light source 12 that emits coherent light. and an element diffractive optical element 15 that diffracts the coherent light from the light source 12 to form the projection pattern 4, and the intersection position 5 of the perpendicular drawn from the center of the element diffractive optical element 15 with respect to the projection plane 3
  • the resolution basic period length r on the projection plane 3 determined from the specified resolution of the projection pattern 4 at the position 5, the half angle ⁇ of the angle at which the element diffractive optical element 15 is viewed at the position 5, and the projection pattern 4 projected at the position 5
  • the wavelength ⁇ of the included light satisfies the following relationship (i). sin ⁇ > ⁇ /(6r) (i) According to such an illumination system 1, the projection pattern 4 can be projected clearly enough to be recognized without making the element diffractive optical element 15 larger than necessary.

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Abstract

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）

Description

照明システム、照明システムの設計方法
　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。レーザー光源は、コヒーレント光を発光するため指向性を高くできるので、十分な量の光を遠方まで到達させることができる。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、配光を細かく制御できる。
　レーザー光源と光学素子とを組み合わせて、特開２０１５－１３２７０７号公報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。特開２０１５－１３２７０７号公報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。投影パターンが、照明装置から離れ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できる。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できる。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できる。
　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。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。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できる。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／（ｒｐｃｏｓ２δ）＜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電磁波を含んでもよい。
　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／（ｒｐｃｏｓ２δ）＜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。
　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から離れた面である。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。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。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。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。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。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、可視光波長域の光以外、例えば赤外線領域の波長の電磁波を含んでいてもよい。具体的には、投影パターン４は、波長が７８０ｎｍ以上３０００ｎｍ以下の電磁波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電磁波は、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電磁波は、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。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電磁波のみを含んでいてもよい。
　投影パターン４は、上述した可視光波長域の光及び赤外線領域の電磁波以外の電磁波、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。
　本明細書において、単なる「光」という語は、可視光波長域の光だけでなく赤外線領域等の電磁波も含む。
　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である。照明装置１０は、サーチライトなどの種々の照明灯であってもよい。照明装置１０は、種々の移動体への搭載も考えられる。照明装置１０は、例えば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搭載も可能である。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、テレビ等への搭載も可能である。
　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。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。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。光源１２は、他の色の波長域の光を出射してもよい。投影パターン４が可視光波長域の光以外、例えば投影パターン４が赤外線領域の電磁波を含むように投影される場合、光源１２は、赤外線領域の電磁波を出射する。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。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。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。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。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。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。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、所定の情報を適切に表示できる。
　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。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、量産できる点において好ましい。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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。
　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＊＊）
　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。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。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。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。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。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だけ離れている。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。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。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。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。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。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。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／（ｒｐｃｏｓ２δ）＜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／（ｒｐｃｏｓ２δ）＜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／（ｒｐｃｏｓ２δ）＜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。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／（ｒｐｃｏｓ２δ）＜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／（ｒｐｃｏｓ２δ）＜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／（ｒｐｃｏｓ２δ）＜１　・・・（ｉｉ＊＊）
　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。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。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。
　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。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できる。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できた。
　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）
　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＊）
　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／（ｒｐｃｏｓ２δ）＜３　・・・（ｉｉ）
　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／（ｒｐｃｏｓ２δ）＜２　・・・（ｉｉ＊）
　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／（ｒｐｃｏｓ２δ）＜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。要素回折光学素子１５の設計や製造のコストを低減できる。
　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。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電磁波を含んでいる。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。投影パターン４が赤外線領域の波長の電磁波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。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電磁波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。
　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。
　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／（ｒｐｃｏｓ２δ）＜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。
　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／（ｒｐｃｏｓ２δ）＜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。
　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／（ｒｐｃｏｓ２δ）＜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。要素回折光学素子１５の設計や製造のコストを低減できる。
　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／（ｒｐｃｏｓ２δ）＜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電磁波を含む、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／（ｒｐｃｏｓ２δ）＜３　・・・（ｉｉ）
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