JP7085112B2 - 回折光学素子の回折特性の設計方法および照明装置 - Google Patents

Description

本発明は、光源からの光を回折して被照明領域を照明することで表示を行う回折光学素子の回折特性の設計方法に関する。また、本発明は、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して投影面上に向ける。これにより、投影面上の被照明領域が照明されて、被照明領域の形状に対応したパターンの表示を行うことができる。

特開２０１５－１３２７０７号公報

昨今、このような照明装置は普及し、その適用範囲も拡大しつつある。しかしながら、照明装置の用途によっては、観察者が、意図されたパターンとして表示を把握することができないこともあった。

この不具合について本件発明者らが鋭意検討を行ったところ、照明装置から被照明領域内を見込む各方向に或る程度均一な光度分布で光を照射しているにもかかわらず、或いは、照明装置から被照明領域内の各位置に或る程度均一な照度分布で光を照射しているにもかかわらず、観察者が或る観察点から被照明領域内の各位置を見込んだ際の輝度角度分布が大きく変動することがあった。そしてこの場合、観察者によって知覚される被照明領域内での明るさが大きく変動し、観察者は、被照明領域の一部分を照明されていると認識できないこともあった。このような状況から、観察者が、意図された表示パターンとして表示を把握することができないこともあった。

本件発明は、このような点を考慮してなされたものであって、回折光学素子での回折光を用いて被照明領域を照明することで、意図した表示を観察点から観察可能とすることを目的とする。

本開示による回折特性の設計方法は、
光源からの光を回折して被照明領域を照明することで表示を行う回折光学素子の回折特性の設計方法であって、
観察点を決定する工程と、
前記観察点から前記被照明領域を観察した際の輝度分布が所定の輝度分布となるように、前記回折光学素子の回折特性を決定する工程と、を備える。

本開示による回折特性の設計方法が、
表示したいパターンを決定する工程と、
前記表示したいパターン及び前記観察点に基づいて被照明領域を決定する工程と、を更に備えるようにしてもよい。

本開示による回折特性の設計方法が、
表示したいパターンの明るさの分布を決定する工程を更に備え、
表示したいパターンの明るさの分布に基づき、前記所定の輝度分布が決定されるようにしてもよい。

本開示による回折特性の設計方法において、決定される明るさの分布は、前記パターンの縁部において縁部から離間した中央部よりも明るくなる分布、又は、前記パターン内で均一な明るさとなる分布であるようにしてもよい。

本開示による回折特性の設計方法において、前記回折特性は、前記被照明領域の反射特性に基づいて、決定されるようにしてもよい。

本開示による回折特性の設計方法において、前記回折特性は、前記被照明領域の反射特性に基づき、前記回折光学素子から単位立体角内に放射されるエネルギー量の分布を特定することで、決定されるようにしてもよい。

本開示による回折特性の設計方法において、前記回折特性は、前記被照明領域の拡散反射特性に基づき、前記回折光学素子から前記被照明領域の単位面積領域内に入射する光束量の分布を特定することで、決定されるようにしてもよい。

本開示による回折特性の設計方法において、
前記回折光学素子は、複数の要素回折光学部を含み、
各要素回折光学部について回折特性を決定していくようにしてもよい。

本開示による照明装置は、
コヒーレント光を射出する光源と、
前記光源から射出されたコヒーレント光を整形する整形光学系と、
前記整形光学系にて整形されたコヒーレント光を回折して被照明領域に向ける回折光学素子と、を備え、
前記回折光学素子は、或る観察点から前記被照明領域を観察した際の輝度分布が所定の分布となるように回折特性を調節されている。

本開示による照明装置において、前記回折光学素子は、或る観察点から前記被照明領域を観察した際の輝度分布が一定となるように回折特性を調節されていてもよい。

本開示による照明装置において、前記回折光学素子は、或る観察点から前記被照明領域を観察した際の輝度分布が被照明領域の縁部で前記縁部から離間した中央部よりも高くなるように回折特性を調節されていてもよい。

本開示による照明装置において、前記回折光学素子は、前記被照明領域の反射特性に基づいて、前記回折特性を調節されていてもよい。

本開示による照明装置において、前記回折光学素子は、互いに異なる回折特性を有した複数の要素回折光学部を含んでいてもよい。

本発明によれば、回折光学素子での回折光を用いて被照明領域を照明することで、意図した表示を観察点から観察可能とすることができる。

図１は、本開示の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、回折光学素子の回折特性の設計方法の一例を示すフローチャートである。 図３は、投影面上の被照明領域の一例を示す斜視図である。 図４は、図３の被照明領域に観察される表示パターンの一例を示す図である。 図５は、図３に対応する図であって、投影面上の被照明領域の他の例を示す斜視図である。 図６は、図５の被照明領域に観察される表示パターンの他の例を示す図である。 図７は、回折特性の設計方法を説明するための図である。 図８は、観察点から被照明領域を観察した場合の輝度分布の一例を示すグラフである。 図９は、回折特性の設計方法を説明するための図である。 図１０は、観察点から被照明領域を観察した場合の輝度分布の他の例を示すグラフである。 図１１は、図４に対応する図であって、表示パターンの更に他の例を示す図である。 図１２は、図８に対応する図であって、図１１の表示パターンを観察した際の輝度分布を示すグラフである。 図１３は、図１０に対応する図であって、図１１の表示パターンを観察した際の輝度分布を示すグラフである。 図１４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１５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１６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。 図１７は、図３に対応する図であって、従来の被照明領域の一例を示す斜視図である。 図１８は、図４に対応する図であって、図１７の被照明領域に観察される表示パターンを示す図である。 図１９は、図５に対応する図であって、従来の被照明領域の他の例を示す斜視図である。 図２０は、図６に対応する図であって、図１９の被照明領域に観察される表示パターンを示す図である。

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、投影面ＰＰ上の被照明領域ＬＺを照明することで、表示パターンＤＰの表示行う装置である。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。とりわけ本実施の形態による照明装置１０では、当該照明装置１０によって表示することが意図された表示パターンＤＰを観察者が観察可能とするための工夫、具体的には、コヒーレント光を照射された被照明領域ＬＺを或る観察点から観察した際の輝度分布が所定の分布となるように回折光学素子４０の回折特性を調節しておくといった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１に示された例において、実空間における被照明領域ＬＺは、第１方向ｄｘを長手方向とする細長い矩形状の領域となっている。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、高速で移動する移動体、例えば車両や飛行機や、急制動が難しい移動体、例えば船舶等の前照灯、いわゆるヘッドランプは、当該移動体の前方の領域を明るく照明する、或いは、周囲の通行者等に何らかの表示を行うことが好ましいこともある。

図１に示された例において、照明装置１０及び被照明領域ＬＺの一部分は、第１方向ｄｘにおいて同一の位置に配置されている。その一方で、照明装置１０及び被照明領域ＬＺは、第１方向ｄｘと直交する第２方向ｄｙに離間している。また、照明装置１０及び被照明領域ＬＺは、第１方向ｄｘ及び第２方向ｄｙの両方と直交する第３方向ｄｚにも離間している。照明装置１０は、第１方向ｄｘ及び第３方向ｄｚと平行な投影面ＰＰ上にコヒーレント光を照射し、被照明領域ＬＺは、第１方向ｄｘ及び第３方向ｄｚと平行な投影面ＰＰ上の領域となっている。第２方向ｄｙは、投影面ＰＰ及び被照明領域ＬＺへの法線方向ｎｄと平行になっている。

また、図１や、図３、図５に示された例では、第３方向ｄｚにおける被照明領域ＬＺの照明装置１０とは逆側に位置する観察点ＶＰから被照明領域ＬＺを観察することが想定されている。この例において、観察点ＶＰは、照明装置１０と第１方向ｄｘにおいて同一の位置に配置されている。観察点ＶＰは、第２方向ｄｙにおいて、照明装置１０及び被照明領域ＬＺの両方からずれて位置している。

なお、照明装置１０によって表示される表示パターンＤＰは、図示された矩形状またはライン形状に限られることなく、種々の図形、パターン、マーク、デザイン、イラスト、キャラクター、文字、記号等とすることができる。照明装置１０は、表示パターンＤＰを表示することにより、何らかの情報を発信するようにしてもよい。また、観察点ＶＰ、投影面ＰＰ、被照明領域ＬＺ、照明装置１０の位置についても、図示された配置は例示に過ぎず、種々の変更が可能である。

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は、波長および位相が揃ったコヒーレント光を射出することができる。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が複数の光源２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃを含み、各光源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１４及び図１５に示された変形例のように、各光源２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃから射出した光が当該光源２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ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に含まれる複数の光源２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ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光源２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ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。或いは、コヒーレント光源２０に含まれる複数の光源２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃは、異なる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が異なる波長域の光を射出する光源２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃを含むことで、被照明領域ＬＺを種々の色で照明することが可能となる。

なお、図１４及び図１５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２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ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）。

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。

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。

図１に示された例において、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。ただし、回折光学素子４０と被照明領域ＬＺとの相対位置を、角度空間で表すこともできる。角度空間は、一例として、第１方向ｄｘ及び第３方向ｄｚの両方に平行なｘｚ面での相対角度および第２方向ｄｙ及び第３方向ｄｚの両方に平行なｙｚ面での相対角度を用いた座標で定義される。

被照明領域ＬＺの位置および形状は、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の位置および形状を任意に調整することができる。逆に言えば、所望する被照明領域ＬＺの位置および形状に合わせて、回折光学素子４０の回折特性を設計することになる。すなわち、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に付与されるべき回折特性については、後述する。

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を照明可能な所望の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。

所望の回折特性を付与される回折光学素子４０は、一例として、以下のように得られる。まず、回折光学素子４０への第１の光と、所望する被照明領域ＬＺから回折光学素子４０に向かう第２の光と、を設定する。第１の光は、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再生照明光と同一の光路を進む光とする。第２の光は、照明装置１０の実際の使用において回折光学素子４０で回折されて被照明領域ＬＺの各位置に入射するようになる再生光の光路を逆向きに進んで、被照明領域ＬＺの各位置から回折光学素子４０へ入射する光とする。そして、第１の光と第２の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計算し、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、第１の光や第２の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、当該コヒーレント光を投影面ＰＰ上の被照明領域ＬＺに向けることができる。そして、或る観察点ＶＰから被照明領域ＬＺを観察した場合、被照明領域ＬＺに対応した輪郭を有する表示パターンＤＰを視認することができる。

ところで、昨今、このような照明装置は普及し、その適用範囲も拡大しつつある。そして、既に言及したように、照明装置の用途や使用条件によっては、観察者が、照明装置によって表示されることを意図された表示パターンＤＰとして、被照明領域ＬＺを認識することができないことが生じた。この不具合の原因について本件発明者が鋭意検討を重ねたところ、次のことが確認された。

すなわち、図１７や図１９に示すように、従来の照明装置１１０は、被照明領域ＬＺ内の各位置を或る程度の均一な明るさ分布で照明するよう、設計されていた。例えば、従来の照明装置１１０は、単位立体角内に放出されるエネルギー量、すなわち光度〔ｃｄ〕が照明装置１１０から被照明領域ＬＺを見込む角度範囲内において均一となるよう、或いは、被照明領域ＬＺの単位面積領域内に入射する光束量〔ｌｍ〕が被照明領域ＬＺ内において均一となるよう、回折特性を設定されていた。ここで、図１７に示された例での被照明領域ＬＺは、図１に示された例と同様に、第１方向ｄｘに細長い矩形状の領域となっている。一方、図１９に示された例での被照明領域ＬＺは、第３方向ｄｚに細長い矩形状の領域となっている。

一方、図１８には、図１７に示された被照明領域ＬＺを、図１７に示された観察点ＶＰから観察者によって視認される横長の被照明領域ＬＺ内の明るさ分布を示している。同様に、図２０には、図１９に示された被照明領域ＬＺを、図１９に示された位置から観察者によって視認される縦長の被照明領域ＬＺ内の明るさ分布を示している。すなわち、照明装置１１０から照射される光度を、照明装置１１０から被照明領域ＬＺを見込む角度範囲内において一定としても、或いは、被照明領域ＬＺの単位面積領域内に入射する光束量〔ｌｍ〕を被照明領域ＬＺ内において一定としても、観察者の位置から被照明領域ＬＺを見込んだ場合の被照明領域ＬＺ上での輝度分布は一定とならない。そして、観察者は、被照明領域の一部分を照明されていると認識できないこともあった。この場合、観察者は、照明装置１１０によって照明されることが意図された投影面ＰＰ上の領域の全域を、被照明領域ＬＺとして認識することができない。この結果、観察者は、照明装置１１０によって表示されることが意図された表示パターンＤＰを、認識することができない。

そして、本件発明者らは、このような不具合の発生が、被照明領域ＬＺが形成される投影面ＰＰでの反射特性に起因していると考えた。すなわち、投影面ＰＰでの反射が、ランバート反射とも呼ばれる完全拡散反射ではなく、正反射方向への拡散が強くなる指向性を有している。この結果、観察方向が正反射方向と一致するようになる被照明領域ＬＺ内の領域を最も明るく観察することになり、図１７～図２０に示すように、観察方向が正反射方向に対してより大きな角度をなすようになる被照明領域ＬＺ内の領域を暗く観察することになる。

このように観察者によって認識される明るさが、投影面ＰＰ上の照明されている領域内で変化し、観察者によって視認される被照明領域ＬＺが、表示することを意図された表示パターンＤＰとは異なる表示として認識され得る。

とりわけ、昨今では照明装置の適用範囲が広がったことから、この不具合が生じ易い状況で照明装置が使用されることもある。例えば、移動体の前照灯等として用いられる照明装置は、多くの場合、地面、路面、水面等の投影面を照明する。この用途において、通行者等の観察者は、大面積の被照明領域ＬＺを近接した位置から観察することがある。この用途において、観察者の被照明領域ＬＺを見込む角度範囲は非常に広くなり、投影面ＰＰの反射特性に影響を受けやすくなる。

一方、本実施の形態においては、このような不具合に対処するための工夫がなされている。具体的には、コヒーレント光を照射された被照明領域ＬＺを或る観察点ＶＰから観察した際の輝度分布が所定の分布となるように回折光学素子４０の回折特性を調節しておくといった工夫が成されている。具体的には、図２に示された設計方法により、回折光学素子４０の回折特性が設計されている。

まず、第１工程Ｓ１として、表示パターンＤＰが決定される。第１工程Ｓ１において、表示パターンＤＰの輪郭又は形状だけでなく、表示パターンＤＰの明るさの分布も決定されるようにしてもよい。この工程で決定される表示パターンＤＰとして、図４に示された表示パターンＤＰや図６に示された表示パターンＤＰが例示される。図４に示された表示パターンＤＰは、図１に示された例と同様に、第１方向ｄｘに細長い矩形状のパターンとなっている。また、図４に示された表示パターンＤＰでは、均一な色で均一な明るさで表示されることを意図されている。一方、図６に示された表示パターンＤＰは、図１に示された例とは異なり、第３方向ｄｚに細長い矩形状のパターンとなっている。また、図６に示された表示パターンＤＰでも、均一な色で均一な明るさで表示されることを意図されている。

次に、第２工程Ｓ２として、回折光学素子４０の位置および観察点ＶＰが決定される。第２工程Ｓ２では、実際の使用において想定される回折光学素子４０の配置および観察点ＶＰを予め決定しておくことになる。なお、回折光学素子４０の位置および観察点ＶＰは、並行して決定される必要はなく、別々に決定されるようにしてもよい。とりわけ、回折光学素子４０の位置は、第２工程Ｓ２として決定される必要はなく、第２工程Ｓ２とは別の工程として、後述する第６工程Ｓ６の前に決定されるようにしてもよい。

その後、第３工程Ｓ３として、観察方向ｄｗが決定される。図３に示すように、観察方向ｄｗは、観察点ＶＰから表示パターンＤＰを観察する方向である。図示された例において、観察者は被照明領域ＬＺを直接観察するので、観察方向ｄｗは、観察点ＶＰから被照明領域ＬＺを観察する方向に一致する。

次に、第４工程Ｓ４として、被照明領域ＬＺを決定する。この工程では、被照明領域ＬＺの形状又は輪郭と、被照明領域ＬＺの投影面ＰＰ上における位置が決定される。被照明領域ＬＺの形状および位置は、観察点ＶＰ及び観察方向ｄｗに基づいて決定される。例えば、図３及び図５に示された例では、観察点ＶＰから被照明領域ＬＺを直接観察することを想定されている。これらの例において、被照明領域ＬＺは、所定の位置に配置された表示パターンＤＰの各微小面積部分、例えば各単位面積領域を、観察点ＶＰから投影面ＰＰ上へ観察方向ｄｗに投影した領域の集合として、決定される。

その後、第５工程Ｓ６として、輝度分布が決定される。この工程で決定される輝度分布は、観察点ＶＰから被照明領域ＬＺ内の各微小面積領域（例えば単位面積領域）を見込んだ場合の当該微小面積領域上での輝度の分布のことである。輝度分布は、第１工程Ｓ１で決定された表示パターンＤＰの明るさ分布に基づいて決定される。表示パターンＤＰの明るい部分に対応する被照明領域ＬＺ内の領域での輝度は高く設定され、表示パターンＤＰの暗い部分に対応する被照明領域ＬＺ内の領域での輝度は低く設定される。

図７～図１０は、決定された輝度分布の一例を示している。図７～図１０に示された例では、図７および図９に示された角度座標系により、被照明領域ＬＺ内で微小面積領域の位置を角度によって特定している。図８及び図１０は、被照明領域ＬＺ内の各微小面積領域での輝度を各角度座標に対する分布として示している。

図７に示された角度座標系では、被照明領域ＬＺ内における各微小面積領域の位置を、ｘｚ面への投影において観察点ＶＰと当該微小面積領域とを結ぶ線分ｌｘ１，ｌｘ２が第３方向ｄｚに対してなす角度によって、表している。したがって、第１方向ｄｘにおいて観察点ＶＰと同一位置にある微小面積領域の角度を０°としている。第１方向ｄｘにおける一方の側に位置する微小面積領域の角度を正の値として特定し、第１方向ｄｘにおける他方の側に位置する微小面積領域の角度を負の値として特定している。図８に示された輝度角度分布は、被照明領域ＬＺ内となる第３方向ｄｚにおける特定の位置において第１方向ｄｘに沿って延びる領域についての輝度分布であるが、このような輝度分布を、第３方向ｄｚにおける各位置において特定する。

図９に示された角度座標系では、被照明領域ＬＺ内における各微小面積領域の位置を、ｙｚ面への投影において観察点ＶＰと当該微小面積領域とを結ぶ線分ｌｙ１，ｌｙ２が第２方向ｄｙに対してなす角度によって、表している。図１０に示された輝度角度分布は、被照明領域ＬＺ内となる第１方向ｄｘにおける特定の位置において第３方向ｄｚに沿って延びる領域についての輝度分布であるが、このような輝度分布を、第１方向ｄｘにおける各位置において特定する。

なお、図４及び図６に示された均一な明るさの表示パターンＤＰを表示するには、観察点ＶＰから被照明領域ＬＺ内を見込んだ際の輝度の角度分布も、図８及び図１０に示すように、一定の輝度を有するようになる。図８に示された輝度分布では、被照明領域ＬＺ内における第１方向ｄｘに沿った両端部に対応する角度θｘ１と角度θｘ２との間で、輝度は一定となっている。同様に、図１０に示された輝度分布でも、被照明領域ＬＺ内における第３方向ｄｚに沿った両端部に対応する角度θｙ１と角度θｙ２との間で、輝度は一定となっている。

次に、第６工程Ｓ６として、回折光学素子４０の回折特性が決定される。回折特性は、回折光学素子４０から単位立体角内（微小角度範囲内）に射出するエネルギー量の分布、すなわち光度の分布を特定することで、或いは、回折光学素子４０から被照明領域ＬＺの各位置とも呼べる各単位面積領域に入射するエネルギー量の分布、すなわち照度の分布を特定することで、決定される。

本実施の形態において、回折光学素子４０の回折特性は、上記第５工程Ｓ５で決定された輝度分布に加え、投影面ＰＰ又は被照明領域ＬＺでの反射特性も考慮して、決定される。具体的には、まず、被照明領域ＬＺが設定される投影面ＰＰ上の領域の反射特性、とりわけ拡散反射特性を調査する。この反射特性を考慮することで、被照明領域ＬＺ内の或る微小面積領域に特定の入射角度θｉで入射した光束量のうち、観察点ＶＰに向けて反射される量を推測することができる。このようにして設計された回折特性を有する回折光学素子４０を用いることで、観察点ＶＰから被照明領域ＬＺを観察した際の輝度分布を、第５工程Ｓ５で決定された所定の輝度分布と同様の傾向を有するようになる。すなわち、第６工程を経て設計された回折特性を有する回折光学素子４０によれば、第５工程Ｓ５で決定された所定の輝度分布を高精度に再現することができる。したがって、照明装置１０によって照明されている被照明領域ＬＺを観察点ＶＰから観察することにより、照明装置１０によって表示することを意図された表示パターンＤＰを視認することができる。

以上に説明した一実施の形態において、回折光学素子４０の回折特性は、観察点ＶＰを決定する工程と、観察点ＶＰから被照明領域ＬＺを観察した際の輝度分布が所定の輝度分布となるように回折光学素子４０の回折特性を決定する工程と、を経て設計される。すなわち、回折光学素子４０は、或る観察点ＶＰから被照明領域ＬＺを観察した際の輝度分布が所定の分布となるように回折特性を調節されている。このような回折光学素子４０を用いた照明装置１０によって照明された被照明領域ＬＺを観察した場合、意図した表示パターンＤＰを投影面ＰＰ上に精度良く視認することが可能となる。

上述した一実施の形態の一具体例において、表示したい表示パターンＤＰを決定する工程が更に設けられ、表示したい表示パターンＤＰ及び観察点ＶＰからの観察方向ｄｗに基づいて、表示パターンＤＰと被照明領域ＬＺとの相対位置および被照明領域ＬＺの形状が決定される。このような方法によって決定された被照明領域ＬＺを観察点ＶＰから観察することにより、所望の表示パターンＤＰを意図した位置に精度良く観察することができる。

上述した一実施の形態の一具体例において、回折光学素子４０の回折特性は、表示したい表示パターンＤＰの明るさの分布を決定する工程を更に経て、表示したい表示パターンＤＰの明るさの分布に基づいた所定の輝度分布が得られるように、決定されている。このような方法によって決定された被照明領域ＬＺを観察点ＶＰから観察することにより、所望の表示パターンＤＰを意図した明るさ分布で精度良く観察することができる。

上述した一具体例において、観察される表示パターンＤＰが均一な明るさとなるように、回折光学素子４０の回折特性が設計されている。すなわち、回折光学素子４０は、或る観察点ＶＰから被照明領域ＬＺを観察した際の輝度分布が被照明領域ＬＺ内で一定となるように回折特性を調節されている。このように回折特性を調節された回折光学素子４０を用いることで、被照明領域ＬＺを観察点から観察した際に、所望の表示パターンＤＰを精度良く観察することができる。

上述した一実施の形態の一具体例において、回折光学素子４０は、被照明領域ＬＺの反射特性に基づいて、回折特性を調節されている。このように回折特性を調節された回折光学素子４０を用いることで、被照明領域ＬＺを観察点から観察した際に、所望の表示パターンＤＰを精度良く観察することができる。

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。

上述した一具体例において、図４及び図６に示すように、或る観察点ＶＰから被照明領域ＬＺを観察した際の輝度が一定となるように回折光学素子４０の回折特性を調節した。しかしながら、観察点ＶＰから被照明領域ＬＺ内の各位置を見込んだ際の輝度が変動して表示パターンＤＰが所望の明るさ分布で観察され得るよう、回折光学素子４０の回折特性を適宜調節することができる。例えば、表示パターンＤＰの輪郭を明瞭とするため、図１１～図１３に示すように、或る観察点ＶＰから被照明領域ＬＺを観察した際の輝度分布が被照明領域ＬＺの縁部Ａｅで縁部Ａｅから離間した中央部Ａｃよりも高くなるように、回折光学素子４０の回折特性を調節してもよい。図１１は、図４に対応する図であって、表示パターンＤＰを示している。図１２及び図１３は、それぞれ、図８又は図１０に対応する図であって、輝度の角度分布をグラフで示している。図１２及び図１３に示すように、被照明領域ＬＺの縁部Ａｅに対応する角度θｘ１，θｘ２，θｙ１，θｙ２での輝度は、被照明領域ＬＺの中央部Ａｃに対応する角度での輝度よりも高くなっている。図１１～図１３に示されているように回折特性を調節された回折光学素子４０を用いることで、光源を高出力化することなく、光源の有効利用を図ることで、被照明領域ＬＺを観察点から観察した際に所望の表示パターンＤＰを明瞭に観察することが可能となる。

また、図１６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部４１を含み、各要素回折光学部４１が、コヒーレント光を回折によって被照明領域ＬＺに向けるようにしてもよい。この例において、各要素回折光学部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部４１が、互いに異なる領域を照明する場合、各要素回折光学部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。このような回折光学素子４０によれば、各要素回折光学部４１と被照明領域ＬＺとの間での相対位置に基づいて、当該要素回折光学部４１の回折特性を調節することができる。このように回折特性を調節された回折光学素子４０を用いることで、被照明領域ＬＺを観察点ＶＰから観察した際に、所望の表示パターンＤＰを精度良く視認することができる。また、複数の要素回折光学部４１からの回折光を重ね合わせることで、観察点ＶＰから被照明領域ＬＺを観察した場合の輝度分布を高い自由度で調節することが可能となる。

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 要素回折光学部
ｄｘ 第１方向
ｄｙ 第２方向
ｄｚ 第３方向
ｎｄ 法線方向
ｄｗ 観察方向
θｉ 入射角度
ＤＰ 表示パターン
ＶＰ 観察点
ＰＰ 投影面
ＬＺ 被照明領域
Ａｅ 縁部
Ａｃ 中央部

Claims (11)

1. 光源からの光を回折して被照明領域を照明することで表示を行う回折光学素子の回折特性の設計方法であって、
   観察点を決定する工程と、
   前記観察点から前記被照明領域を観察した際の輝度分布が所定の輝度分布となるように、前記回折光学素子の回折特性を決定する工程と、を備える回折特性の設計方法。
2. 表示したいパターンの明るさの分布を決定する工程を更に備え、
   表示したいパターンの明るさの分布に基づき、前記所定の輝度分布が決定される、請求項１に記載の回折特性の設計方法。
3. 決定される明るさの分布は、前記パターンの縁部において縁部から離間した中央部よりも明るくなる分布、又は、前記パターン内で均一な明るさとなる分布である、請求項２に記載の回折特性の設計方法。
4. 前記回折特性は、前記被照明領域の反射特性に基づいて、決定される、請求項１～３のいずれか一項に記載の回折特性の設計方法。
5. 前記回折特性は、前記被照明領域の拡散反射特性に基づき、前記回折光学素子から前記被照明領域の単位面積領域内に入射する光束量の分布を特定することで、決定される、請求項１～４のいずれか一項に記載の回折特性の設計方法。
6. 前記回折光学素子は、複数の要素回折光学部を含み、
   各要素回折光学部について回折特性を決定していく、請求項１～５のいずれか一項に記載の回折特性の設計方法。
7. コヒーレント光を射出する光源と、
   前記光源から射出されたコヒーレント光を整形する整形光学系と、
   前記整形光学系にて整形されたコヒーレント光を回折して被照明領域に向ける回折光学素子と、を備え、
   前記回折光学素子は、予め決定された観察点から前記被照明領域を観察した際の輝度分布が所定の分布となるように回折特性を調節されている、照明装置。
8. 前記回折光学素子は、予め決定された観察点から前記被照明領域を観察した際の輝度分布が一定となるように回折特性を調節されている、請求項７に記載の照明装置。
9. 前記回折光学素子は、予め決定された観察点から前記被照明領域を観察した際の輝度分布が被照明領域の縁部で前記縁部から離間した中央部よりも高くなるように回折特性を調節されている、請求項７に記載の照明装置。
10. 前記回折光学素子は、前記被照明領域の反射特性に基づいて、前記回折特性を調節されている、請求項７～９のいずれか一項に記載の照明装置。
11. 前記回折光学素子は、互いに異なる回折特性を有した複数の要素回折光学部を含む、請求項７～１０のいずれか一項に記載の照明装置。

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