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JP7068639B2 - Direction display device - Google Patents

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JP7068639B2
JP7068639B2 JP2017132174A JP2017132174A JP7068639B2 JP 7068639 B2 JP7068639 B2 JP 7068639B2 JP 2017132174 A JP2017132174 A JP 2017132174A JP 2017132174 A JP2017132174 A JP 2017132174A JP 7068639 B2 JP7068639 B2 JP 7068639B2
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  • Diffracting Gratings Or Hologram Optical Elements (AREA)
  • Projection Apparatus (AREA)

Description

本開示は、被照明領域を照明することで方向を表示する方向表示装置に関する。 The present disclosure relates to a direction display device that displays a direction by illuminating an illuminated area.

例えば人の流れを誘導する目的のように、種々の目的で、方向を表示する方向表示装置が利用に供されてきた(例えば特許文献1)。このような方向表示装置として、地面や壁面に埋め込まれた複数の発光体や、天井や壁等に固定されたプロジェクターを、例示することができる。ただし、地面に発光体を埋め込むことは、煩雑な作業をともない、費用も高価となる。一方、プロジェクターは、当該プロジェクターから射出する映像光の光軸が非表示面の法線方向に沿うように、設置しなければならない。例えば、プロジェクターは、地面に向けて真下に映像光を射出するよう、配置される。さもなければ、プロジェクターによって表示される映像がぼけてしまい、表示された方向を識別し得ないことも想定される。すなわち、これらの従来の方向表示装置は、設置場所に制約をともなっており、広く普及するに至っていない。 Directional display devices that display directions have been used for various purposes, for example, for the purpose of guiding the flow of people (for example, Patent Document 1). As such a direction display device, a plurality of light emitters embedded in the ground or a wall surface, a projector fixed to a ceiling, a wall, or the like can be exemplified. However, embedding a luminous body in the ground involves complicated work and is expensive. On the other hand, the projector must be installed so that the optical axis of the image light emitted from the projector is along the normal direction of the non-display surface. For example, the projector is arranged so as to emit image light directly below toward the ground. Otherwise, it is assumed that the image displayed by the projector will be blurred and the displayed direction cannot be identified. That is, these conventional directional display devices have restrictions on the installation location and have not been widely used.

特表2002-505757号公報Special Table 2002-505757 Gazette

本開示は、以上の点を考慮してなされたものであり、設置場所の制約を効果的に緩和し、方向を高精度に表示することができる方向表示装置を提供することを目的とする。 The present disclosure has been made in consideration of the above points, and an object of the present invention is to provide a direction display device capable of effectively alleviating restrictions on the installation location and displaying directions with high accuracy.

本開示による方向表示装置は、
被照明領域を照明することで方向を表示する装置であって、
コヒーレント光源と、
前記コヒーレント光源から射出したコヒーレント光を整形する整形光学系と、
前記整形光学系で整形された前記コヒーレント光を回折して被照明領域に向ける回折光学素子と、を備える。
The direction display device according to the present disclosure is
A device that displays the direction by illuminating the illuminated area.
With a coherent light source,
An orthopedic optical system that shapes the coherent light emitted from the coherent light source,
It includes a diffractive optical element that diffracts the coherent light shaped by the shaping optical system and directs it to an illuminated region.

本開示による方向表示装置において、前記整形光学系は、前記コヒーレント光の光束断面積を拡大させるようにしてもよい。 In the direction display device according to the present disclosure, the shaping optical system may increase the luminous flux cross-sectional area of the coherent light.

本開示による方向表示装置において、
前記回折光学素子は、複数の要素回折光学素子を含み、
前記複数の要素回折光学素子に含まれる少なくとも二つの要素回折光学素子は、異なる回折特性を有するようにしてもよい。
In the direction display device according to the present disclosure,
The diffractive optical element includes a plurality of element diffractive optical elements.
At least two element diffractive optical elements included in the plurality of element diffractive optical elements may have different diffraction characteristics.

本開示による方向表示装置において、前記少なくとも二つの要素回折光学素子は、同一の領域を照明するようにしてもよい。 In the direction display device according to the present disclosure, the at least two element diffractive optical elements may illuminate the same area.

本開示による方向表示装置において、前記少なくとも二つの要素回折光学素子は、異なる領域を照明するようにしてもよい。 In the direction display device according to the present disclosure, the at least two element diffractive optical elements may illuminate different regions.

本開示による方向表示装置において、異なる要素回折光学素子で回折された光は、前記被照明領域を区分けしてなる複数の要素被照明領域のうちの異なる要素被照明領域を照明するようにしてもよい。 In the direction display device according to the present disclosure, the light diffracted by the different element diffractive optical elements may illuminate a different element illuminated area among a plurality of element illuminated areas formed by dividing the illuminated area. good.

本開示による方向表示装置において、前記少なくとも二つの要素回折光学素子は、前記回折光学素子から前記被照明領域への入射角度が最大となる入射光の光路を含み且つ前記被照明領域への法線方向に平行な面と、前記回折光学素子が位置する仮想面と、の交線に平行な方向に沿って配列されていてもよい。 In the direction display device according to the present disclosure, the at least two element diffractive optical elements include an optical path of incident light having a maximum incident angle from the diffractive optical element to the illuminated region, and have a normal to the illuminated region. It may be arranged along the direction parallel to the intersection of the plane parallel to the direction and the virtual plane on which the diffractive optical element is located.

本開示による方向表示装置において、前記回折光学素子から前記被照明領域への入射角度の最小値が45°を超えるようにしてもよい。 In the direction display device according to the present disclosure, the minimum value of the incident angle from the diffractive optical element to the illuminated region may exceed 45 °.

本開示による方向表示装置において、各要素回折光学素子は、当該要素回折光学素子から射出する0次光の光路を含む領域に光を回折するようにしてもよい。 In the direction display device according to the present disclosure, each element diffractive optical element may diffract light into a region including an optical path of the 0th order light emitted from the element diffractive optical element.

方向表示装置の設置場所の制約を効果的に緩和し、方向を高精度に表示することができる。 It is possible to effectively relax the restrictions on the installation location of the direction display device and display the direction with high accuracy.

図1は、本開示による一実施の形態を説明するための図であって、方向表示装置を示す斜視図である。FIG. 1 is a diagram for explaining one embodiment according to the present disclosure, and is a perspective view showing a direction display device. 図2は、図1の方向表示装置の回折光学素子と被照明領域の一例との位置関係をxyz座標系で示す図である。FIG. 2 is a diagram showing the positional relationship between the diffractive optical element of the direction display device of FIG. 1 and an example of the illuminated area in an xyz coordinate system. 図3は、図2の回折光学素子と被照明領域との位置関係をθV-θH角度座標系で示す図である。FIG. 3 is a diagram showing the positional relationship between the diffractive optical element of FIG. 2 and the illuminated region in a θV−θH angular coordinate system. 図4は、図2の回折光学素子と被照明領域との位置関係をyz座標系で示す図である。FIG. 4 is a diagram showing the positional relationship between the diffractive optical element of FIG. 2 and the illuminated area in the yz coordinate system. 図5は、図2の回折光学素子と被照明領域との位置関係をxz座標系で示す図である。FIG. 5 is a diagram showing the positional relationship between the diffractive optical element of FIG. 2 and the illuminated area in the xz coordinate system. 図6は、反復フーリエ変換法の処理手順の一例を示すフローチャートである。FIG. 6 is a flowchart showing an example of the processing procedure of the iterative Fourier transform method. 図7は、図1に対応する図であって、回折光学素子が複数の要素回折光学素子を含む例を示す斜視図である。FIG. 7 is a diagram corresponding to FIG. 1, and is a perspective view showing an example in which the diffractive optical element includes a plurality of element diffractive optical elements. 図8は、図2に対応する図であって、図7の方向表示装置の回折光学素子と被照明領域の他の例との位置関係をxyz座標系で示す図である。FIG. 8 is a diagram corresponding to FIG. 2, and is a diagram showing the positional relationship between the diffractive optical element of the direction display device of FIG. 7 and another example of the illuminated region in the xyz coordinate system. 図9は、図3に対応する図であって、図8の回折光学素子と被照明領域の他の例との位置関係をθV-θH角度座標系で示す図である。9 is a diagram corresponding to FIG. 3, and is a diagram showing the positional relationship between the diffractive optical element of FIG. 8 and another example of the illuminated region in a θV−θH angular coordinate system. 図10は、回折光学素子と被照明領域との位置関係をyz座標系で示す図であって、回折光の被照明領域への入射位置のずれを説明するための図である。FIG. 10 is a diagram showing the positional relationship between the diffractive optical element and the illuminated region in the yz coordinate system, and is a diagram for explaining the deviation of the incident position of the diffracted light in the illuminated region. 図11は、回折光学素子と被照明領域との位置関係をxz座標系で示す図であって、各要素回折光学素子からの回折光によって照明される領域のずれを説明するための図である。FIG. 11 is a diagram showing the positional relationship between the diffractive optical element and the illuminated region in the xz coordinate system, and is a diagram for explaining the deviation of the region illuminated by the diffracted light from each element diffractive optical element. .. 図12は、回折光学素子と被照明領域との位置関係をyz座標系で示す図であって、要素回折光学素子からの回折光が被照明領域内に異なる領域を照明する例を説明するための図である。FIG. 12 is a diagram showing the positional relationship between the diffractive optical element and the illuminated region in the yz coordinate system, and is for explaining an example in which the diffracted light from the element diffractive optical element illuminates a different region within the illuminated region. It is a figure of. 図13は、図1に対応する図であって、方向表示装置の一変形例を示す図である。FIG. 13 is a diagram corresponding to FIG. 1 and is a diagram showing a modified example of the direction display device. 図14は、図1に対応する図であって、方向表示装置の他の変形例を示す図である。FIG. 14 is a diagram corresponding to FIG. 1 and is a diagram showing another modification of the direction display device. 図15(a)~図15(j)は、被照明領域の変形例を示す図である。15 (a) to 15 (j) are views showing a modified example of the illuminated area.

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。 Hereinafter, an embodiment of the present disclosure will be described with reference to the drawings. In the drawings attached to the present specification, the scale and the aspect ratios are appropriately changed and exaggerated from those of the actual product for the convenience of illustration and comprehension.

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。 In addition, the terms such as "parallel", "orthogonal", and "identical", and the values of length and angle, etc., which specify the shape and geometric conditions and their degrees as used in the present specification, are strictly used. The interpretation is to include the range in which similar functions can be expected, without being bound by any meaning.

図1は、方向表示装置10の全体構成を模式的に示す斜視図である。方向表示装置10は、被照明領域Zを照明することで、方向を表示する装置である。すなわち、被照明領域Zは、方向を表示し得る形状、パターン、文字等を含んでいる。観察者は、被照明領域Zを観察することで特定の方向を把握することができる。図1~図5に示された例において、被照明領域Zは、方向表示装置10の遠方に位置し、長手方向dlを有する四角形形状の領域となっている。被照明領域Zの長手方向dlは、方向表示装置10の遠方を横切る方向に延びている。ただし、図1~図5に示された例に限れられず、被照明領域Zは、特定の方向を示すことができる種々の領域とすることができる。図15(a)~図15(j)には、被照明領域Zの他の例が示されている。図15(a)~図15(j)に示された被照明領域Zは、いずれも、紙面の左右方向を観察者に表示することができ、とりわけ図15(c)~図15(j)に示された被照明領域Zは、紙面の左右方向における右向きを観察者に示している。 FIG. 1 is a perspective view schematically showing the overall configuration of the direction display device 10. The direction display device 10 is a device that displays the direction by illuminating the illuminated area Z. That is, the illuminated area Z includes a shape, a pattern, characters, and the like that can display the direction. The observer can grasp a specific direction by observing the illuminated area Z. In the example shown in FIGS. 1 to 5, the illuminated area Z is located far away from the direction display device 10 and is a quadrangular area having a longitudinal direction dl. The longitudinal direction dl of the illuminated area Z extends in a direction crossing the distance of the direction display device 10. However, the area Z is not limited to the examples shown in FIGS. 1 to 5, and the illuminated area Z can be various areas that can indicate a specific direction. 15 (a) to 15 (j) show other examples of the illuminated area Z. In each of the illuminated areas Z shown in FIGS. 15 (a) to 15 (j), the left-right direction of the paper surface can be displayed to the observer, and in particular, FIGS. 15 (c) to 15 (j). The illuminated area Z shown in the above indicates to the observer the rightward direction of the paper surface in the left-right direction.

方向表示装置10は、人の流れを誘導する方向を示す装置として使用され得る。例えば、劇場の閉会時の退出経路を示す装置として、又は、非常時における避難経路を示す装置として、方向表示装置10を使用することができる。また、別の適用例として、車、列車、船、飛行機等の移動体に搭載され、当該移動体の進行方向等を表示する装置として、方向表示装置10を用いることができる。 The direction display device 10 can be used as a device that indicates a direction for guiding the flow of a person. For example, the direction display device 10 can be used as a device for indicating an exit route at the closing of a theater or as a device for indicating an evacuation route in an emergency. Further, as another application example, the direction display device 10 can be used as a device mounted on a moving body such as a car, a train, a ship, an airplane, etc. and displaying the traveling direction of the moving body.

とりわけ、ここで説明する方向表示装置10は、方向を高精度に表示するための工夫を施され、これにより、方向表示装置10の設置場所の制約を効果的に緩和している。したがって、以下に説明する方向表示装置10は、被照明領域Zとの相対位置に強い拘束を受けることなく、例えば被照明領域から遠方に離間した位置や、被照明領域Zに対する照明光の入射角度が大きくなってしまう位置等にも、設置することができる。 In particular, the direction display device 10 described here has been devised to display the direction with high accuracy, thereby effectively relaxing the restriction on the installation location of the direction display device 10. Therefore, the direction display device 10 described below is not strongly constrained by the position relative to the illuminated area Z, for example, a position far away from the illuminated area or an incident angle of the illuminated light with respect to the illuminated area Z. It can also be installed in a position where the size becomes large.

以下、図示された具体例を参照しながら、一実施の形態について説明する。 Hereinafter, one embodiment will be described with reference to the illustrated specific example.

図1に示すように、方向表示装置10は、光を投射するコヒーレント光源20と、コヒーレント光源20から射出した光を回折する回折光学素子40と、を有している。図1及び図2に示すように、方向表示装置10は、コヒーレント光源20から射出した光の光路に沿って、コヒーレント光源20と回折光学素子40との間に、整形光学系30を有している。図示された例において、コヒーレント光源20から射出した光は、整形光学系30及び回折光学素子40を経て、被照明領域Zに向かう。以下、方向表示装置10の各構成要素について、順に説明していく。 As shown in FIG. 1, the direction display device 10 includes a coherent light source 20 that projects light and a diffractive optical element 40 that diffracts light emitted from the coherent light source 20. As shown in FIGS. 1 and 2, the direction display device 10 has a shaping optical system 30 between the coherent light source 20 and the diffractive optical element 40 along the optical path of the light emitted from the coherent light source 20. There is. In the illustrated example, the light emitted from the coherent light source 20 passes through the shaping optical system 30 and the diffractive optical element 40 and heads toward the illuminated region Z. Hereinafter, each component of the direction display device 10 will be described in order.

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Zが照明される。 As the coherent light source 20, various types of light sources can be used. Typically, a laser light source can be used as the coherent light source 20, and a semiconductor laser light source can be exemplified as a specific example. In the example shown in FIG. 1, the coherent light source 20 includes a single light source. Therefore, in the illustrated example, the illuminated region Z is illuminated with a color corresponding to the wavelength range of the coherent light oscillated from the coherent light source 20.

ただし、被照明領域Zを所望の色に照明することができるよう、コヒーレント光源20が複数のコヒーレント光源20を含み、各コヒーレント光源20から射出した光が重ね合わされた後、整形光学系30及び回折光学素子40に向かうようにしてもよい。また、図13及び図14に示された変形例のように、各コヒーレント光源20から射出した光が当該コヒーレント光源20に対応して設けられた整形光学系30A,30B,30C及び回折光学素子40A,40B,40Cを経て、その後に被照明領域Z上で重ね合わされてもよい。このような例において、コヒーレント光源20に含まれる複数のコヒーレント光源20は、異なる波長域の光を射出するだけでなく、同一の波長域の光を射出するようにしてもよい。コヒーレント光源20が同一の波長域の光を射出するコヒーレント光源20を含むことで、被照明領域Zを明るく照明することが可能となる。 However, the coherent light source 20 includes a plurality of coherent light sources 20 so that the illuminated area Z can be illuminated with a desired color, and after the light emitted from each coherent light source 20 is superimposed, the shaping optical system 30 and diffraction are performed. It may be directed toward the optical element 40. Further, as in the modified examples shown in FIGS. 13 and 14, the shaping optical systems 30A, 30B, 30C and the diffractive optical element 40A provided corresponding to the coherent light source 20 by the light emitted from each coherent light source 20 are provided. , 40B, 40C, and then superimposed on the illuminated area Z. In such an example, the plurality of coherent light sources 20 included in the coherent light source 20 may not only emit light in different wavelength ranges but also emit light in the same wavelength range. By including the coherent light source 20 in which the coherent light source 20 emits light in the same wavelength range, it is possible to brightly illuminate the illuminated region Z.

なお、図13及び図14に示す例において、コヒーレント光源20は、第1コヒーレント光源20A、第2コヒーレント光源20B及び第3コヒーレント光源20Cを有している。コヒーレント光源20が、複数のコヒーレント光源を含む場合には、各コヒーレント光源20からのコヒーレント光の射出、より具体的には射出の発停および射出量を調節することで、被照明領域Zの照明色や被照明領域Zの明るさを制御するようにしてもよい。 In the examples shown in FIGS. 13 and 14, the coherent light source 20 has a first coherent light source 20A, a second coherent light source 20B, and a third coherent light source 20C. When the coherent light source 20 includes a plurality of coherent light sources, the illumination of the illuminated area Z is performed by adjusting the emission of the coherent light from each coherent light source 20, more specifically, the start / stop and the emission amount of the emission. The color and the brightness of the illuminated area Z may be controlled.

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。すなわち、整形光学系30に入射する前のコヒーレント光の光束断面積la1よりも、整形光学系30から出射した後のコヒーレント光の光束断面積la2が、大きい。 Next, the shaping optical system 30 will be described. The shaping optical system 30 shapes the coherent light emitted from the coherent light source 20. In other words, the shaping optical system 30 shapes the shape of the cross section orthogonal to the optical axis of the coherent light and the three-dimensional shape of the luminous flux of the coherent light. Typically, the orthopedic optical system 30 enlarges the luminous flux cross-sectional area of the coherent light in a cross section orthogonal to the optical axis of the coherent light. That is, the luminous flux cross-sectional area la2 of the coherent light after being emitted from the shaping optical system 30 is larger than the luminous flux cross-sectional area la1 of the coherent light before being incident on the shaping optical system 30.

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。 In the illustrated example, the shaping optical system 30 shapes the coherent light emitted from the coherent light source 20 into a widened parallel light flux. That is, the shaping optical system 30 functions as a collimating optical system. As shown in FIG. 1, the orthopedic optical system 30 has a first lens 31 and a second lens 32 in the order along the optical path of the coherent light. The first lens 31 shapes the coherent light emitted from the coherent light source 20 into a divergent luminous flux. The second lens 32 reshapes the divergent luminous flux generated by the first lens 31 into a parallel luminous flux. That is, the second lens 32 functions as a collimating lens.

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Zに向ける。したがって、被照明領域Z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)。 Next, the diffractive optical element 40 will be described. The diffractive optical element 40 is an element that exerts a diffracting action on the light emitted from the coherent light source 20. The diffractive optical element 40 diffracts the light from the coherent light source 20 and directs it toward the illuminated region Z. Therefore, the illuminated region Z is illuminated by the diffracted light of the diffractive optical element 40 (see FIG. 1).

回折光学素子40は、整形光学系30で整形されたコヒーレント光を角度空間における所定の拡散角度範囲内に回折させて、予め定めた位置およびサイズの被照明領域Z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。後述するように、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Z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。 The diffractive optical element 40 diffracts the coherent light shaped by the shaping optical system 30 within a predetermined diffusion angle range in the angular space to illuminate the illuminated region Z at a predetermined position and size. The diffractive optical element 40 is typically a hologram element. As will be described later, by using the hologram element as the diffractive optical element 40, it becomes easy to design the diffraction characteristics of the hologram element, and the hologram element illuminates the entire area of the illuminated area Z having a predetermined position, size and shape. The design of is also relatively easy.

被照明領域Z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設けられている。被照明領域Zの位置、サイズおよび形状は、回折光学素子40の回折特性に依存しており、回折光学素子40の回折特性を調整することで、被照明領域Zの位置、サイズおよび形状を任意に調整することができる。従って、回折光学素子40を設計する際には、まず被照明領域Zの位置、サイズおよび形状を決定して、決定した被照明領域Z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。 The illuminated area Z is provided at a predetermined position with respect to the diffractive optical element 40 in a predetermined size and shape. The position, size and shape of the illuminated region Z depend on the diffraction characteristics of the diffractive optical element 40, and the position, size and shape of the illuminated region Z can be arbitrarily adjusted by adjusting the diffraction characteristics of the diffractive optical element 40. Can be adjusted to. Therefore, when designing the diffractive optical element 40, the position, size, and shape of the illuminated area Z are first determined, and the diffraction characteristics of the diffractive optical element 40 are determined so that the entire area of the determined illuminated area Z can be illuminated. Should be adjusted.

回折光学素子40を、計算機合成ホログラム(CGH:Computer Generated Hologram)として作製することができる。計算機合成ホログラムは、任意の回折特性を持つ構造をコンピュータ上での計算によって設計することで作製される。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。方向表示装置10は、例えば図1に示すように、回折光学素子40に対して予め定めた位置に、予め定めたサイズおよび形状の被照明領域Zを照明することを想定されている。被照明領域Z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Zを照明可能な回折特性を持つ構造、例えば凹凸面を、コンピュータでの演算によって特定することができる。特定された構造を、例えば樹脂賦型により形成することで、計算機合成ホログラムとしての回折光学素子40を、簡易な手順にて低コストで作製することができる。 The diffractive optical element 40 can be produced as a computer-generated hologram (CGH). A computer-synthesized hologram is produced by designing a structure having arbitrary diffraction characteristics by calculation on a computer. Therefore, by adopting the computer-synthesized hologram as the diffractive optical element 40, it is not necessary to generate object light and reference light using a coherent light source or an optical system, and to record interference fringes on the hologram recording material by exposure. can. As shown in FIG. 1, for example, the direction display device 10 is supposed to illuminate the illuminated area Z having a predetermined size and shape at a predetermined position with respect to the diffractive optical element 40. By inputting information about the illuminated area Z into the computer as a parameter, a structure having a diffraction characteristic capable of illuminating the illuminated area Z, for example, an uneven surface can be specified by a computer calculation. By forming the specified structure, for example, by resin shaping, the diffractive optical element 40 as a computer-synthesized hologram can be manufactured at low cost by a simple procedure.

回折光学素子40で回折された光が、照明光として、被照明領域Zを照明する。図示された例において、回折光学素子40と被照明領域Z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Z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Z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Zを照明する。 The light diffracted by the diffractive optical element 40 illuminates the illuminated area Z as illumination light. In the illustrated example, no other optical element or the like is interposed between the diffractive optical element 40 and the illuminated region Z. Therefore, the diffracted light in the diffractive optical element 40 is directly incident on the illuminated region Z. The diffracted light at each point on the diffractive optical element 40 illuminates at least a part of the illuminated region Z. That is, the diffracted light at each point on the diffractive optical element 40 travels within a predetermined diffusion angle range to illuminate the illuminated region Z.

ここで、図2では、実空間における被照明領域Zを斜視図で示している。また、図3では、回折光学素子40が設けられた位置を基準とした角度空間における被照明領域Zを示している。図3において、被照明領域Zは、回折光学素子40上の基準位置に対する角度座標、具体的には、角度θV及び角度θHによって表される座標系で示されている。ここで、角度θVは、図4に示すように、図2のyz面への投影において、回折光学素子40上の基準位置に対する被照明領域Zの相対位置を、z軸方向に対する角度で表している。また、角度θHは、図5に示すように、図2のxz面への投影において、回折光学素子40上の基準位置に対する被照明領域Zの相対位置を、z軸方向に対する角度で表している。 Here, in FIG. 2, the illuminated area Z in the real space is shown in a perspective view. Further, FIG. 3 shows an illuminated region Z in an angular space with reference to the position where the diffractive optical element 40 is provided. In FIG. 3, the illuminated region Z is shown by the angular coordinates with respect to the reference position on the diffractive optical element 40, specifically, the coordinate system represented by the angle θV and the angle θH. Here, as shown in FIG. 4, the angle θV represents the relative position of the illuminated region Z with respect to the reference position on the diffractive optical element 40 in the projection on the yz plane of FIG. 2 as an angle with respect to the z-axis direction. There is. Further, as shown in FIG. 5, the angle θH represents the relative position of the illuminated region Z with respect to the reference position on the diffractive optical element 40 in the projection on the xz plane of FIG. 2 as an angle with respect to the z-axis direction. ..

なお、非限定的な図1~図5に示された例において、回折光学素子40は、その出射面がxy面上に位置するように配置され、被照明領域Zはxz面上に広がっている。しかしながら、この例に限られず、例えば、被照明領域Zが、xz面に対して傾斜していてもよい。 In the non-limiting example shown in FIGS. 1 to 5, the diffractive optical element 40 is arranged so that its emission surface is located on the xy surface, and the illuminated region Z extends on the xz surface. There is. However, the present invention is not limited to this example, and for example, the illuminated area Z may be inclined with respect to the xz plane.

回折光学素子40の設計には、例えば反復フーリエ変換法が用いられる。図6は反復フーリエ変換法の処理手順の一例を示すフローチャートである。まず、回折光学素子40での回折によって実現されるべき被照明領域Z上での放射照度分布に基づき、回折光学素子40からの1次回折光強度の角度空間分布をコンピュータにて計算するとともに、ランダムな位相分布を準備する(ステップS1)。 For example, an iterative Fourier transform method is used in the design of the diffractive optical element 40. FIG. 6 is a flowchart showing an example of the processing procedure of the iterative Fourier transform method. First, based on the radiation illuminance distribution on the illuminated region Z to be realized by diffraction by the diffractive optical element 40, the angular spatial distribution of the primary diffracted light intensity from the diffractive optical element 40 is calculated by a computer and randomly. A phase distribution is prepared (step S1).

次に、ステップS1で計算した角度空間分布にランダムな位相分布を組み合わせた電場の複素振幅分布を生成する(ステップS2)。その後、得られた複素振幅分布に対して逆フーリエ変換(IFT)を施して、被照明領域Z上の電場の複素振幅分布を生成する(ステップS3)。 Next, a complex amplitude distribution of the electric field is generated by combining the angular space distribution calculated in step S1 with a random phase distribution (step S2). Then, the obtained complex amplitude distribution is subjected to an inverse Fourier transform (IFT) to generate a complex amplitude distribution of the electric field on the illuminated region Z (step S3).

得られた複素振幅分布は、ランダムな位相分布を用いて計算したために、そのランダム性を反映した光強度分布を有する。次に、得られた光強度分布を被照明領域Z上の設計照明強度分布に合わせて修正する(ステップS4)。その後、ステップS4で修正した光強度分布と、ステップS3で生成した複素振幅分布の位相情報とを含む複素振幅分布に対してフーリエ変換を施して、回折光学素子40上の電場の複素振幅分布を計算する(ステップS5)。次に、ステップS5で計算した複素振幅分布に含まれる光強度分布を、ステップS1で計算した角度空間分布に置換した複素振幅分布を生成する(ステップS6)。次に、ステップS6で生成した複素振幅分布を用いて、ステップS3以降の処理を繰り返す。 Since the obtained complex amplitude distribution is calculated using a random phase distribution, it has a light intensity distribution that reflects the randomness. Next, the obtained light intensity distribution is modified according to the design lighting intensity distribution on the illuminated area Z (step S4). After that, a Fourier transform is applied to the complex amplitude distribution including the light intensity distribution corrected in step S4 and the phase information of the complex amplitude distribution generated in step S3 to obtain the complex amplitude distribution of the electric field on the diffractive optical element 40. Calculate (step S5). Next, a complex amplitude distribution is generated in which the light intensity distribution included in the complex amplitude distribution calculated in step S5 is replaced with the angular spatial distribution calculated in step S1 (step S6). Next, using the complex amplitude distribution generated in step S6, the processes after step S3 are repeated.

ステップS3~S6の処理を繰り返すうちに、回折光学素子40からの出射角度空間における光強度分布が、ステップS1で計算した光強度分布に近づいていく。 While the processes of steps S3 to S6 are repeated, the light intensity distribution in the emission angle space from the diffractive optical element 40 approaches the light intensity distribution calculated in step S1.

図6の処理手順は、被照明領域Zが回折光学素子40から遠方にあることを前提とした場合の処理であり、被照明領域Z上の回折像は、フラウンホーファ回折像である。したがって、被照明領域Zの法線方向ndが回折光学素子40の出射面の法線方向nd1と非平行であっても、被照明領域Zの全域にわたって、照明強度を均一化でき、被照明領域Z内のボケを抑制できる。 The processing procedure of FIG. 6 is a process on the premise that the illuminated region Z is far from the diffraction optical element 40, and the diffraction image on the illuminated region Z is a Fraunhofer diffraction image. Therefore, even if the normal direction nd of the illuminated area Z is not parallel to the normal direction nd1 of the emission surface of the diffractive optical element 40, the illumination intensity can be made uniform over the entire area of the illuminated area Z, and the illuminated area can be uniformed. Blurring in Z can be suppressed.

ところで、図1に示す例では、被照明領域Zは、方向表示装置10からz方向に離間して設定され、z方向と直交するx方向に延びている。このような例において、方向表示装置10からの照明光L1の進行方向が、yz平面内で、ごく僅かにでもずれると、被照明領域Zの幅wが大きく変動する。また、被照明領域Zが方向表示装置10の近傍に位置していたとしても、方向表示装置10から射出した照明光L1の被照明領域Zへの入射角度αが大きくなる場合には、同様に、照明光L1の進行方向のごく僅かなずれによって、被照明領域Zの幅wが大きく変動する。そして、幅wが太くなってしまうと、被照明領域Zの近傍に位置する観察者からは、もはや被照明領域Zを細長状の領域として認識することができなくなることも想定される。この場合、観察者は、照明光によって照明されている領域の形状から、いずれかの方向を特定することができなくなる。すなわち、観察者は、方向を表示するための照明が行われていることすら理解し得なくなる。このような問題から、高精度の照明が要求される方向表示装置は、従来、その設置位置に制約があり、被照明領域Zの近傍や被照明領域Zへの照明光の入射角度が小さくなる位置に配置する必要があった。 By the way, in the example shown in FIG. 1, the illuminated area Z is set apart from the direction display device 10 in the z direction and extends in the x direction orthogonal to the z direction. In such an example, if the traveling direction of the illumination light L1 from the direction display device 10 deviates even slightly in the yz plane, the width w of the illuminated region Z greatly fluctuates. Further, even if the illuminated area Z is located in the vicinity of the direction display device 10, if the incident angle α of the illumination light L1 emitted from the direction display device 10 to the illuminated area Z becomes large, the same applies. The width w of the illuminated area Z greatly fluctuates due to a slight deviation in the traveling direction of the illumination light L1. If the width w becomes thicker, it is assumed that the illuminated area Z can no longer be recognized as an elongated area by the observer located in the vicinity of the illuminated area Z. In this case, the observer cannot specify either direction from the shape of the area illuminated by the illumination light. That is, the observer cannot even understand that the lighting for indicating the direction is provided. Due to such a problem, the directional display device that requires high-precision lighting has conventionally been limited in its installation position, and the angle of incidence of the illumination light on the vicinity of the illuminated area Z or the illuminated area Z becomes small. It had to be placed in a position.

なお、被照明領域Zへの入射角度αとは、入射光の進行方向が被照明領域Zの法線方向ndに対してなす角度のことである。 The incident angle α to the illuminated region Z is an angle formed by the traveling direction of the incident light with respect to the normal direction nd of the illuminated region Z.

その一方で、ここで説明する方向表示装置10は、回折光学素子40により照明光L1の光路を調整している。一般に、回折光学素子40の光路調整機能は高精度であることから、被照明領域Zを所望のパターンで高精度に照明することができる。このため、被照明領域Zとの相対位置に強い拘束を受けることなく、例えば被照明領域Zから遠方に離間した位置や、被照明領域Zに対する照明光の入射角度αが大きくなってしまう位置等にも、方向表示装置10を設置することができる。 On the other hand, in the direction display device 10 described here, the optical path of the illumination light L1 is adjusted by the diffractive optical element 40. In general, since the optical path adjusting function of the diffractive optical element 40 is highly accurate, the illuminated area Z can be illuminated with a desired pattern with high accuracy. Therefore, the position relative to the illuminated area Z is not strongly constrained, for example, a position far away from the illuminated area Z, a position where the incident angle α of the illumination light with respect to the illuminated area Z becomes large, and the like. Also, the direction display device 10 can be installed.

例えば、図6を参照して説明した設計により作製された計算機合成ホログラムからなる回折光学素子40によれば、一定の方向から入射する光の進行方向を、角度空間において、±0.1°の精度で調整することができる。このような回折光学素子40を用いることにより、回折光学素子40から1m以上120m以下の距離にある被照明領域Zや、照明光の被照明領域Zへの入射角度αが最小でも45°以上となり最大で89.99°以下となる被照明領域Zを、所望するパターンで高精度に照明することが可能となる。 For example, according to the diffractive optical element 40 made of a computer-synthesized hologram manufactured by the design described with reference to FIG. 6, the traveling direction of light incident from a certain direction is ± 0.1 ° in an angular space. It can be adjusted with precision. By using such a diffractive optical element 40, the incident angle α of the illuminated region Z at a distance of 1 m or more and 120 m or less from the diffractive optical element 40 and the illuminated region Z of the illumination light becomes 45 ° or more at the minimum. It is possible to illuminate the illuminated area Z having a maximum of 89.99 ° or less with a desired pattern with high accuracy.

また、更なる工夫として、図7に示すように、回折光学素子40が、複数の要素回折光学素子41を有するようにしてもよい。複数の要素回折光学素子41は、回折光学素子40を平面分割して配置されている。言い換えると、回折光学素子40は、複数の要素回折光学素子41をタイリングして構成されている。この例においては、各要素回折光学素子41が、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。すなわち、各要素回折光学素子41が、上述したようにホログラム素子等として構成される。 Further, as a further device, as shown in FIG. 7, the diffractive optical element 40 may have a plurality of element diffractive optical elements 41. The plurality of element diffractive optical elements 41 are arranged by dividing the diffractive optical element 40 into a plane. In other words, the diffractive optical element 40 is configured by tiling a plurality of element diffractive optical elements 41. In this example, each element diffractive optical element 41 exerts a diffracting action on the light emitted from the coherent light source 20. That is, each element diffractive optical element 41 is configured as a hologram element or the like as described above.

なお、図7に示された例においても、方向表示装置10によって照明される被照明領域Zは、方向表示装置10の遠方に位置し、長手方向を有する四角形形状の領域となっている。ただし、被照明領域Zの長手方向dlは、方向表示装置10から離間する方向、すなわちz方向に延びている。図8及び図9は、それぞれ図2又は図3に対応する図であって、図7の被照明領域Zを実空間または角度空間において示している。 Also in the example shown in FIG. 7, the illuminated area Z illuminated by the direction display device 10 is located far away from the direction display device 10 and is a quadrangular region having a longitudinal direction. However, the longitudinal direction dl of the illuminated area Z extends in a direction away from the direction display device 10, that is, in the z direction. 8 and 9 are views corresponding to FIGS. 2 or 3, respectively, and show the illuminated area Z of FIG. 7 in real space or angular space, respectively.

図10に示すように、回折光学素子40上の二つの位置から光L101,L102が、平行な方向に射出して、被照明領域Zに入射する場合、二つの光L101,L102は、被照明領域Z内の異なる点に入射する。そして、二つの光L101,L102が、被照明領域Zと非平行な方向にずれている場合、被照明領域Z内への入射位置のずれ量a’[mm]は、二つの光L101,L102の光路の最小ずれ量a[mm]よりも大きくなる。具体的には、被照明領域Zへの法線方向ndに沿った面において、二つの光L101,L102の光路がa[mm]だけずれている場合、被照明領域Z上での入射位置のずれ量a’[mm]は、被照明領域Zへの入射角度α[°]を用いた次の式によって表される。
a’=a/cosα ・・・式(1)
すなわち、被照明領域Z上でのずれ量a’[mm]は、実際の光線のずれ量a[mm]以上となる。
As shown in FIG. 10, when the lights L101 and L102 are emitted in parallel directions from two positions on the diffractive optical element 40 and are incident on the illuminated region Z, the two lights L101 and L102 are illuminated. It is incident on different points in the region Z. When the two lights L101 and L102 are displaced in a direction non-parallel to the illuminated area Z, the amount of deviation a'[mm] of the incident position into the illuminated area Z is the two lights L101 and L102. It becomes larger than the minimum deviation amount a [mm] of the optical path of. Specifically, when the optical paths of the two light L101 and L102 are deviated by a [mm] on the surface along the normal direction nd to the illuminated area Z, the incident position on the illuminated area Z The amount of deviation a'[mm] is expressed by the following equation using the angle of incidence α [°] on the illuminated area Z.
a'= a / cosα ・ ・ ・ Equation (1)
That is, the deviation amount a'[mm] on the illuminated area Z is equal to or larger than the actual deviation amount a [mm] of the light beam.

例えば、図7に示された回折光学素子40において、y軸方向に配列された二つの要素回折光学素子41が、同一の回折特性を有していたとすると、この二つの要素回折光学素子41によって照明される領域は、それぞれ、図11に示すように、実線で示された被照明領域Z1および点線で示された被照明領域Z2となり、被照明領域Z1及び被照明領域Z2はz軸方向にずれてしまう。被照明領域Z1及び被照明領域Z2のz軸方向へのずれ量は、y軸方向における二つの要素回折光学素子41のずれ量よりも格段に大きくなる。 For example, in the diffractive optical element 40 shown in FIG. 7, assuming that the two element diffractive optical elements 41 arranged in the y-axis direction have the same diffraction characteristics, the two element diffractive optical elements 41 As shown in FIG. 11, the illuminated areas are the illuminated area Z1 shown by the solid line and the illuminated area Z2 shown by the dotted line, respectively, and the illuminated area Z1 and the illuminated area Z2 are in the z-axis direction. It will shift. The amount of deviation of the illuminated area Z1 and the illuminated area Z2 in the z-axis direction is significantly larger than the amount of deviation of the two element diffraction optical elements 41 in the y-axis direction.

以上の点から、回折光学素子40が複数の要素回折光学素子41を有するようにして、複数の要素回折光学素子に含まれる少なくとも二つの要素回折光学素子41が、異なる回折特性を有することが好ましい。この例において、少なくとも二つの要素回折光学素子41の回折特性を、各要素回折光学素子41によって照明されるべき領域に対する当該要素回折光学素子41の相対位置に応じて設定することができる。例えば、各要素回折光学素子41が、それぞれ、被照明領域Zの全域を照明する場合には、被照明領域Zに対する各要素回折光学素子41の相対位置を考慮して、当該要素回折光学素子41の回折特性を決定すればよい。このような例によれば、複数の要素回折光学素子41の各々が、被照明領域Zを所望のパターンで高精度に照明することができる。 From the above points, it is preferable that the diffractive optical element 40 has a plurality of element diffractive optical elements 41, and at least two element diffractive optical elements 41 included in the plurality of element diffractive optical elements have different diffraction characteristics. .. In this example, the diffraction characteristics of at least two element diffractive optical elements 41 can be set according to the relative position of the element diffractive optical element 41 with respect to the region to be illuminated by each element diffractive optical element 41. For example, when each element diffractive optical element 41 illuminates the entire area of the illuminated area Z, the element diffractive optical element 41 takes into consideration the relative position of each element diffractive optical element 41 with respect to the illuminated area Z. Diffraction characteristics may be determined. According to such an example, each of the plurality of element diffractive optical elements 41 can illuminate the illuminated area Z with a desired pattern with high accuracy.

なお、上述した式(1)が成り立つのは、二つの光L101,L102が、被照明領域Zに直交する面上での二つの光L101,L102の最大間隔がa[mm]となっている場合である。そして、被照明領域Zに直交する面に沿って光L101,L102がずれると、被照明領域Z上での入射位置のずれが最大となり、そのずれ量が上述した式(1)のa’ [mm]となる。また、式(1)から明らかなように、入射角度α[°]が大きくなると、被照明領域Z上での入射位置のずれ量a’[mm]も大きくなり、入射角度α[°]が小さくなると、被照明領域Z上での入射位置のずれ量a’[mm]も小さくなる。 The above equation (1) holds true because the maximum distance between the two lights L101 and L102 on the plane orthogonal to the illuminated area Z is a [mm]. This is the case. Then, when the light L101 and L102 are displaced along the plane orthogonal to the illuminated region Z, the deviation of the incident position on the illuminated region Z becomes maximum, and the deviation amount is a'[1] described above. mm]. Further, as is clear from the equation (1), as the incident angle α [°] increases, the amount of deviation a'[mm] of the incident position on the illuminated region Z also increases, and the incident angle α [°] increases. When it becomes smaller, the amount of deviation a'[mm] of the incident position on the illuminated area Z also becomes smaller.

したがって、被照明領域Zを所望のパターンで高精度に照明する観点からは、図8に示された一つの面pl1と他の一つの面pl2との交線lxに沿って配列された複数の要素回折光学素子41が、それぞれ、その位置に応じて回折特性を調節されていることが好ましい。交線lxを特定する一つ面pl1は、回折光学素子40から被照明領域Zへの入射角度α[°]が最大となる入射光L81の光路を含み且つ被照明領域Zへの法線方向ndに平行な面である。すなわち、この面pl1は、被照明領域Zへの法線方向ndと、この法線方向ndに対して最大の角度α[°]をなすようになる回折光学素子40の出射面上の或る位置と被照明領域Z上の或る位置とを結ぶ直線分laと、を含んでいる。一方、他の一つの面pl2は、回折光学素子40の出射面が位置する仮想面である。図示された例において、この面pl2は、xy面である。 Therefore, from the viewpoint of illuminating the illuminated area Z with a desired pattern with high accuracy, a plurality of lux arranged along the line of intersection lx between one surface pl1 and the other surface pl2 shown in FIG. It is preferable that each of the element diffraction optical elements 41 has its diffraction characteristics adjusted according to its position. The one-sided pl1 that specifies the line of intersection lx includes the optical path of the incident light L81 that maximizes the incident angle α [°] from the diffractive optical element 40 to the illuminated region Z, and the normal direction to the illuminated region Z. It is a plane parallel to nd. That is, this surface pl1 is located on the emission surface of the diffractive optical element 40 having a maximum angle α [°] with respect to the normal direction nd to the illuminated region Z and the normal direction nd. It includes a linear component la connecting a position and a certain position on the illuminated area Z. On the other hand, the other surface pl2 is a virtual surface on which the emission surface of the diffractive optical element 40 is located. In the illustrated example, this plane pl2 is the xy plane.

すなわち、複数の要素回折光学素子41が同一の回折特性を有していると仮定すると、交線lxに方向に沿って異なる位置に配置された要素回折光学素子41からの回折光によって照明される被照明領域Z上の領域が、大きく変化することになる。したがって、この交線lxの方向に配列された要素回折光学素子41の回折特性を、個別に調節しておくことが、被照明領域Zを所望のパターンで高精度に照明する上で有効である。また、その前提として、回折光学素子40をこの交線lxの方向に分割することが、被照明領域Zを所望のパターンで高精度に照明する上で有効となる。 That is, assuming that the plurality of element diffractive optical elements 41 have the same diffraction characteristics, they are illuminated by the diffracted light from the element diffractive optical elements 41 arranged at different positions along the direction along the crossing line lx. The area on the illuminated area Z will change significantly. Therefore, it is effective to individually adjust the diffraction characteristics of the element diffraction optical elements 41 arranged in the direction of the line of intersection lx in order to illuminate the illuminated area Z with a desired pattern with high accuracy. .. Further, as a premise, it is effective to divide the diffractive optical element 40 in the direction of the line of intersection lux in order to illuminate the illuminated area Z with a desired pattern with high accuracy.

なお、図7に示された例において、複数の要素回折光学素子41は、マトリクス状に配置されている。言い換えると、回折光学素子40は、交線lxの方向に一致するy軸方向に分割され、さらに、y軸方向に直交するx軸方向にも配列されている。この例では、交線lxの方向に一致するy軸方向に並ぶ複数の要素回折光学素子41の各々が、その配置位置に応じた互いに異なる回折特性を有するようにしてもよい。また、x軸方向に並ぶ複数の要素回折光学素子41の各々も、その配置位置に応じた互いに異なる回折特性を有するようにしてもよい。その一方で、複数の要素回折光学素子41が、交線lxの方向に一致するy軸方向に配列され、且つ、各要素回折光学素子41が、x軸方向に細長く延びるようにしてもよい。 In the example shown in FIG. 7, the plurality of element diffraction optical elements 41 are arranged in a matrix. In other words, the diffractive optical element 40 is divided in the y-axis direction corresponding to the direction of the line of intersection lx, and is further arranged in the x-axis direction orthogonal to the y-axis direction. In this example, each of the plurality of element diffractive optical elements 41 arranged in the y-axis direction corresponding to the direction of the line of intersection lk may have different diffraction characteristics depending on the arrangement position thereof. Further, each of the plurality of element diffraction optical elements 41 arranged in the x-axis direction may also have different diffraction characteristics depending on their arrangement positions. On the other hand, the plurality of element diffractive optical elements 41 may be arranged in the y-axis direction corresponding to the direction of the line of intersection lx, and each element diffractive optical element 41 may be elongated in the x-axis direction.

さらに別の工夫として、回折光学素子40が複数の要素回折光学素子41を含む例においては、図12に示すように、少なくとも二つの要素回折光学素子41が、異なる領域を照明するようにしてもよい。 As yet another device, in the example in which the diffractive optical element 40 includes a plurality of element diffractive optical elements 41, at least two element diffractive optical elements 41 may illuminate different regions as shown in FIG. good.

0次光の進行方向に対して回折光の進行方向がなす角度を回折角度とすると、この回折角度に応じて、回折を実現するための回折光学素子の構造、例えば干渉縞パターンをなす凹凸のピッチを設計する。また、回折効率を最適化するには、回折角度に応じて設計された回折を実現するための回折光学素子の構造に応じて、回折効率に影響を与え得る構成、一具体例として干渉縞パターンを形成する凹凸の深さを調整することになる。したがって、広範に亘る回折角度を実現するための構造を一つの回折光学素子内に設ける場合、当該一つの回折光学素子内の各位置で回折効率に影響を与え得る構成を最適化する必要がある。例えば、広範に亘るピッチの凹凸を一つの回折光学素子内に設ける必要がある場合、各位置での凹凸のピッチに応じて、当該位置での凹凸の深さを最適化していく必要がある。しかしながら、実際の方向表示装置にそのような複雑な構成を付与することは実質的に不可能であり、また、商業的にも成立し得ない。この結果、広い回折角度範囲を持ち広範な領域に照明光を拡散させることができる回折光学素子では、回折効率が低下し、これにともなって、方向表示装置のエネルギー効率が低下してしまっていた。 Assuming that the angle formed by the traveling direction of the diffracted light with respect to the traveling direction of the 0th-order light is the diffraction angle, the structure of the diffraction optical element for realizing diffraction according to this diffraction angle, for example, the unevenness forming the interference fringe pattern. Design the pitch. Further, in order to optimize the diffraction efficiency, a configuration that can affect the diffraction efficiency depending on the structure of the diffraction optical element for realizing the diffraction designed according to the diffraction angle, as a specific example, the interference fringe pattern. The depth of the unevenness that forms the Therefore, when a structure for realizing a wide range of diffraction angles is provided in one diffractive optical element, it is necessary to optimize a configuration that can affect the diffraction efficiency at each position in the one diffractive optical element. .. For example, when it is necessary to provide unevenness with a wide range of pitches in one diffractive optical element, it is necessary to optimize the depth of unevenness at that position according to the pitch of the unevenness at each position. However, it is practically impossible to give such a complicated configuration to an actual direction display device, and it cannot be commercially established. As a result, in a diffractive optical element having a wide diffraction angle range and capable of diffusing illumination light over a wide range, the diffraction efficiency is lowered, and the energy efficiency of the direction display device is lowered accordingly. ..

このような不具合に対処するため、図12に示すように、異なる要素回折光学素子41で回折された光が、被照明領域Zを区分けしてなる複数の要素被照明領域Zeのうちの異なる要素被照明領域を照明するようにしてもよい。図12に示された例において、被照明領域Zは、第1要素被照明領域Ze1及び第2要素被照明領域Ze2に区分けされている。一つの要素回折光学素子41aからの回折光によって第1要素被照明領域Ze1を照明し、他の要素回折光学素子41bからの回折光によって第2要素被照明領域Ze2を照明するようにしてもよい。各要素回折光学素子41a,41bでの回折角度範囲Rθ1,Rθ2は、被照明領域Zの全域に回折光を広げる場合の回折角度範囲Rθよりも狭くなっている。これにより、要素回折光学素子41での回折効率を改善し、一定のエネルギーによって、被照明領域Zを明るく照明することができる。このように電源の負担を軽減することができるので、バッテリー等による電力供給も可能となり、この点からも、方向表示装置10の設置位置に関する自由度を向上させることができる。 In order to deal with such a problem, as shown in FIG. 12, the light diffracted by the different element diffractive optical elements 41 divides the illuminated area Z into different elements among the plurality of elements illuminated areas Ze. The illuminated area may be illuminated. In the example shown in FIG. 12, the illuminated area Z is divided into a first element illuminated area Ze1 and a second element illuminated area Ze2. The first element illuminated region Ze1 may be illuminated by the diffracted light from one element diffracting optical element 41a, and the second element illuminated region Ze2 may be illuminated by the diffracted light from the other element diffracting optical element 41b. .. The diffraction angle ranges Rθ1 and Rθ2 in the element diffractive optical elements 41a and 41b are narrower than the diffraction angle range Rθ when the diffracted light is spread over the entire area of the illuminated region Z. As a result, the diffraction efficiency of the element diffraction optical element 41 can be improved, and the illuminated region Z can be brightly illuminated with a constant energy. Since the burden on the power supply can be reduced in this way, it is possible to supply electric power by a battery or the like, and from this point as well, the degree of freedom regarding the installation position of the direction display device 10 can be improved.

なお、被照明領域Zが含む要素被照明領域Zeの数は二つに限られることなく、三以上としてもよい。図8及び図9に二点鎖線で示す例では、被照明領域Zが四つの要素被照明領域Zeを含んでいる。この例では、回折光学素子40が、四以上の要素回折光学素子41を含み、各要素被照明領域Zeが一以上の要素回折光学素子41からの回折光によって照明される。 The number of element illuminated areas Ze included in the illuminated area Z is not limited to two, and may be three or more. In the example shown by the alternate long and short dash line in FIGS. 8 and 9, the illuminated area Z includes four element illuminated areas Ze. In this example, the diffractive optical element 40 includes four or more element diffractive optical elements 41, and each element illuminated region Ze is illuminated by diffracted light from one or more element diffractive optical elements 41.

また、各要素回折光学素子41は、当該要素回折光学素子41から射出する0次光の光路を含む要素被照明領域Zeに光を回折するようにしてもよい。このような例によれば、0次光の進行方向に対して回折光の進行方向がなす角度、すなわち回折角度を小さくすることができる。これにより、各要素回折光学素子41での回折効率をさらに効果的に改善することができ、結果として、方向表示装置10のエネルギー効率をさらに効果的に向上させることができる。 Further, each element diffractive optical element 41 may diffract light into the element illuminated region Ze including the optical path of the 0th order light emitted from the element diffractive optical element 41. According to such an example, the angle formed by the traveling direction of the diffracted light with respect to the traveling direction of the 0th-order light, that is, the diffraction angle can be reduced. As a result, the diffraction efficiency of each element diffraction optical element 41 can be further effectively improved, and as a result, the energy efficiency of the direction display device 10 can be further effectively improved.

以上に説明してきた一実施の形態において、方向表示装置10は、被照明領域Zを照明することで方向を表示する装置であって、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Zに向ける回折光学素子40と、を含んでいる。このような一実施の形態では、整形光学系30で整形されたコヒーレント光を回折する回折光学素子40によって、光の光路が被照明領域Zに向けられる。回折光学素子40によれば、整形光学系30で整形されたコヒーレント光の進行方向を所望の角度空間に高精度に回折することができる。これにより、方向表示装置10から遠方に離間する被照明領域Zや、回折光学素子40の法線方向nd1に対してその法線方向ndが大きな角度、例えば45°を超えるようになる被照明領域Zを、予定した所望のパターンにて、高精度に照明することができる。そして、被照明領域Zが特定の形状、例えば細長い形状を有することで、方向を表示することができる。このような方向表示装置10は、高い自由度で、その設置位置を選択することができる。設置位置の自由度が改善されるので、プロジェクターを吊り下げることが不可能な環境や、埋め込み式の表示装置を設置することが困難な環境においても、この方向表示装置10を用いて方向の表示を行うことができる。 In one embodiment described above, the direction display device 10 is a device that displays the direction by illuminating the illuminated area Z, and shapes the coherent light source 20 and the coherent light emitted from the coherent light source 20. It includes a shaping optical system 30 and a diffractive optical element 40 that diffracts the coherent light shaped by the shaping optical system 30 and directs it toward the illuminated region Z. In such an embodiment, the optical path of the light is directed to the illuminated region Z by the diffractive optical element 40 that diffracts the coherent light shaped by the shaping optical system 30. According to the diffractive optical element 40, the traveling direction of the coherent light shaped by the shaping optical system 30 can be diffracted into a desired angle space with high accuracy. As a result, the illuminated region Z far away from the direction display device 10 and the illuminated region where the normal direction nd of the diffractive optical element 40 exceeds a large angle, for example, 45 ° with respect to the normal direction nd1. Z can be illuminated with high accuracy in a desired desired pattern. Then, when the illuminated area Z has a specific shape, for example, an elongated shape, the direction can be displayed. Such a direction display device 10 can select its installation position with a high degree of freedom. Since the degree of freedom of the installation position is improved, the direction display device 10 is used to display the direction even in an environment where it is impossible to suspend the projector or when it is difficult to install an embedded display device. It can be performed.

また、この方向表示装置10の電力消費量は、プロジェクターと比較して大幅に低い。したがって、例えば太陽電池等を組み合わせたバッテリーとともに設置することで、電力需用をまかなうことも可能である。すなわち、電源の確保が容易であることからも、方向表示装置10の設置位置の自由度を向上させることができ、さらには携帯することも可能となる。 Further, the power consumption of the direction display device 10 is significantly lower than that of the projector. Therefore, for example, by installing it together with a battery combined with a solar cell or the like, it is possible to meet the demand for electric power. That is, since it is easy to secure a power source, it is possible to improve the degree of freedom in the installation position of the direction display device 10, and it is also possible to carry it.

このような方向表示装置10は、人の流れを誘導する方向を示す方向表示装置として、例えば、方向の表示が行われる被照明領域Zから離間した位置に配置することができる。この方向表示装置10の動作は、その用途に応じて、センサ等の検出結果に基づいて自動的に行われるようにしてもよい。例えば、方向表示装置10が、照度センサを含み、方向表示装置10の設置環境の明るさの変化にともない被照明領域Zを照明して方向を表示するようにしてもよい。また、方向表示装置10が、地震を検出可能な加速度センサを含み、加速度センサによる地震の検出にともなって被照明領域Zを照明して方向を表示するようにしてもよい。さらに、方向表示装置10が、カメラを含み、カメラの撮像結果に基づいて被照明領域Zを照明して方向を表示するようにしてもよい。 Such a direction display device 10 can be arranged at a position away from the illuminated area Z where the direction is displayed, for example, as a direction display device that indicates a direction for guiding the flow of people. The operation of the direction display device 10 may be automatically performed based on the detection result of the sensor or the like according to the application. For example, the direction display device 10 may include an illuminance sensor and illuminate the illuminated area Z to display the direction as the brightness of the installation environment of the direction display device 10 changes. Further, the direction display device 10 may include an acceleration sensor capable of detecting an earthquake, and may display the direction by illuminating the illuminated area Z with the detection of the earthquake by the acceleration sensor. Further, the direction display device 10 may include a camera and illuminate the illuminated area Z based on the image pickup result of the camera to display the direction.

また、上述した一実施の形態の一具体例において、整形光学系30は、コヒーレント光の光束断面積を拡大させる。このような例によれば、エタンデュの保存則から、整形光学系30で整形されたコヒーレント光は、光束の断面積の拡大にともなって、その放射立体角を狭めることになる。したがって、整形光学系30で整形されたコヒーレント光の発散角を、整形光学系30の入射する前のコヒーレント光の発散角よりも、大幅に小さくすることができる。すなわち、図示された例では回折光学素子40への入射光の発散角を、効果的に低減することができる。これにより、回折光学素子40での回折により、被照明領域Zを所望のパターンでさらに高精度に照明することができる。 Further, in one specific example of the above-described embodiment, the shaping optical system 30 expands the luminous flux cross-sectional area of the coherent light. According to such an example, according to the conservation law of Etandu, the coherent light shaped by the shaping optical system 30 narrows its radiated solid angle as the cross-sectional area of the luminous flux increases. Therefore, the divergence angle of the coherent light shaped by the shaping optical system 30 can be made significantly smaller than the divergence angle of the coherent light before the incident of the shaping optical system 30. That is, in the illustrated example, the divergence angle of the incident light on the diffractive optical element 40 can be effectively reduced. As a result, the illuminated area Z can be illuminated with a desired pattern with higher accuracy by diffraction with the diffraction optical element 40.

さらに、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、複数の要素回折光学素子41を含み、複数の要素回折光学素子41に含まれる少なくとも二つの要素回折光学素子41は、異なる回折特性を有するようにした。この例では、各要素回折光学素子41の被照明領域Zに対する相対位置に応じて、当該要素回折光学素子41の回折特性を調整することができる。したがって、各要素回折光学素子41が、所定の領域を高精度に照明することができ、結果として、被照明領域Zを高精度に照明して方向を表示することができる。 Further, in one specific example of the above-described embodiment, the diffractive optical element 40 includes a plurality of element diffractive optical elements 41, and at least two element diffractive optical elements 41 included in the plurality of element diffractive optical elements 41. It was made to have different diffraction characteristics. In this example, the diffraction characteristics of each element diffractive optical element 41 can be adjusted according to the relative position of each element diffractive optical element 41 with respect to the illuminated region Z. Therefore, each element diffractive optical element 41 can illuminate a predetermined area with high accuracy, and as a result, can illuminate the illuminated area Z with high accuracy and display the direction.

また、この少なくとも二つの要素回折光学素子41は、異なる領域を照明するようにしてもよい。この例によれば、一つの要素回折光学素子41での回折光が照明すべき領域を小さくすることができる。したがって、各要素回折光学素子41での回折角度範囲Rθ1,Rθ2を狭くすることができる。これにより、各要素回折光学素子41での回折効率を改善することができる。結果として、方向表示装置10のエネルギー効率を向上させることができる。すなわち、入力するエネルギーを増加させることなく、被照明領域Zを明るく照明し明瞭に方向を表示することができる。 Further, the at least two element diffractive optical elements 41 may illuminate different regions. According to this example, the region to be illuminated by the diffracted light in one element diffractive optical element 41 can be reduced. Therefore, the diffraction angle ranges Rθ1 and Rθ2 in each element diffraction optical element 41 can be narrowed. This makes it possible to improve the diffraction efficiency of each element diffraction optical element 41. As a result, the energy efficiency of the direction display device 10 can be improved. That is, the illuminated area Z can be brightly illuminated and the direction can be clearly displayed without increasing the input energy.

さらに、この少なくとも二つの要素回折光学素子41が、回折光学素子40から被照明領域Zへの入射角度αが最大となる入射光線の光路L81を含み且つ被照明領域Zへの法線方向ndに平行な面pl1と、回折光学素子40が位置する仮想面pl2と、の交線lxに平行な方向に沿って配列されるようにしてもよい。隣り合う要素回折光学素子41が同一の回折特性を有する場合、各要素回折光学素子41から同一の入射角度αで被照明領域Zに入射する光は、隣り合う要素回折光学素子の配列ピッチをaとすると、次の式で表されるa’だけ、被照明領域上でずれる。
a’=a/cosα ・・・式(1)
同一の回折特性を有する複数の要素回折光学素子41からの回折光は、回折光学素子40の法線方向nd1に対して非平行な法線方向ndを有する被照明領域Z上において、要素回折光学素子41の配列ピッチa以上ずれた領域に入射する。このずれ量は、入射角度αが最大となる場合に、最も大きくなる。すなわち、上述した面pl1と面pl2との交線lxに沿って配列された複数の要素回折光学素子41が、同一の回折特性を有する場合、各要素回折光学素子41によって照明される領域のずれ量a’が最大となる。したがって、この交線lxに沿って配列された要素回折光学素子41の回折特性を、当該要素回折光学素子41によって照明されるべき被照明領域Z又はその一部の領域に対する相対位置に応じて、設定することで、被照明領域Zを所望のパターンでより高精度に照明することができる。
Further, the at least two element diffractive optical elements 41 include the optical path L81 of the incident light beam having the maximum incident angle α from the diffractive optical element 40 to the illuminated region Z, and are in the normal direction nd to the illuminated region Z. The parallel plane pl1 and the virtual plane pl2 on which the diffractive optical element 40 is located may be arranged along a direction parallel to the intersection line lx. When the adjacent element diffractive optical elements 41 have the same diffraction characteristics, the light incident on the illuminated region Z from each element diffractive optical element 41 at the same incident angle α has the arrangement pitch of the adjacent element diffractive optical elements a. Then, only a'expressed by the following equation shifts on the illuminated area.
a'= a / cosα ・ ・ ・ Equation (1)
The diffracted light from the plurality of element diffractive optical elements 41 having the same diffraction characteristics is the element diffractive optics on the illuminated region Z having the normal direction nd non-parallel to the normal direction nd1 of the diffractive optical element 40. It is incident on a region deviated by an arrangement pitch a or more of the element 41. This amount of deviation becomes maximum when the incident angle α is maximum. That is, when the plurality of element diffractive optical elements 41 arranged along the line of intersection lx between the surface pl1 and the surface pl2 have the same diffraction characteristics, the displacement of the region illuminated by each element diffractive optical element 41 The amount a'is the maximum. Therefore, the diffraction characteristics of the element diffractive optical elements 41 arranged along the intersecting line lx are set according to the relative position with respect to the illuminated region Z to be illuminated by the element diffractive optical element 41 or a part thereof. By setting, the illuminated area Z can be illuminated with a desired pattern with higher accuracy.

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。 Although one embodiment has been described by a plurality of embodiments, these embodiments are not intended to limit one embodiment. One embodiment described above can be implemented in various other specific examples, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the gist thereof.

10 方向表示装置
20 コヒーレント光源
20A 第1コヒーレント光源
20B 第2コヒーレント光源
20C 第3コヒーレント光源
30 整形光学系
31 第1レンズ
32 第2レンズ
40 回折光学素子
41 要素回折光学素子
41a 第1要素回折光学素子
41b 第2要素回折光学素子
Z 被照明領域
Ze 要素被照明領域
Ze1 第1要素被照明領域
Ze2 第2要素被照明領域
10 Direction display device 20 Coherent light source 20A 1st coherent light source 20B 2nd coherent light source 20C 3rd coherent light source 30 Orthopedic optical system 31 1st lens 32 2nd lens 40 Diffraction optical element 41 Element diffractive optical element 41a 1st element diffractive optical element 41b 2nd element diffractive optical element Z illuminated area Ze element illuminated area Ze1 1st element illuminated area Ze2 2nd element illuminated area

Claims (5)

被照明領域を照明することで方向を表示する方向表示装置であって、
コヒーレント光源と、
前記コヒーレント光源から射出したコヒーレント光を整形する整形光学系と、
前記整形光学系で整形された前記コヒーレント光を回折して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、複数の要素回折光学素子を含み、
前記複数の要素回折光学素子に含まれる少なくとも二つの要素回折光学素子は、異なる回折特性を有し、
前記被照明領域は、その長手方向に沿って二以上の要素被照明領域に区分けされ、
前記少なくとも二つの要素回折光学素子のうちの異なる要素回折光学素子で回折された光が、前記二以上の要素被照明領域のうちの異なる要素被照明領域を照明し、
前記被照明領域は、前記被照明領域の法線方向からの観察において前記方向表示装置から離間する方向に長手方向を有する、方向表示装置。
A direction display device that displays the direction by illuminating the illuminated area.
With a coherent light source,
An orthopedic optical system that shapes the coherent light emitted from the coherent light source,
A diffractive optical element that diffracts the coherent light shaped by the shaping optical system and directs it to an illuminated region.
The diffractive optical element includes a plurality of element diffractive optical elements.
At least two element diffractive optical elements included in the plurality of element diffractive optical elements have different diffraction characteristics.
The illuminated area is divided into two or more element illuminated areas along its longitudinal direction.
The light diffracted by the different element diffractive optical elements of the at least two element diffractive optics illuminates the different element illuminated areas of the two or more element illuminated areas.
The illuminated area is a direction display device having a longitudinal direction in a direction away from the direction display device when observing the illuminated area from the normal direction .
前記長手方向に沿った前記要素被照明領域の長さは、当該要素被照明領域が前記方向表示装置から離間するにつれて、長くなる、請求項に記載の方向表示装置。 The direction display device according to claim 1 , wherein the length of the element illuminated area along the longitudinal direction becomes longer as the element illuminated area is separated from the direction display device. 前記少なくとも二つの要素回折光学素子の各々から射出する0次光は、当該要素回折光学素子によって照明される要素被照明領域内に進む、請求項1又は2に記載の方向表示装置。 The direction display device according to claim 1 or 2 , wherein the 0th-order light emitted from each of the at least two element diffractive optical elements travels into the element illuminated region illuminated by the element diffractive optical element. 前記整形光学系は、前記コヒーレント光の光束断面積を拡大させる、請求項1~3のいずれか一項に記載の方向表示装置。 The direction display device according to any one of claims 1 to 3 , wherein the orthopedic optical system expands the luminous flux cross-sectional area of the coherent light. 前記少なくとも二つの要素回折光学素子は、前記回折光学素子から前記被照明領域への入射角度が最大となる入射光の光路を含み且つ前記被照明領域への法線方向に平行な面と、前記回折光学素子が位置する仮想面と、の交線に平行な方向に沿って配列されている、請求項1~4のいずれか一項に記載の方向表示装置。 The at least two element diffractive optical elements include an optical path of incident light having a maximum incident angle from the diffractive optical element to the illuminated region, and a plane parallel to the normal direction to the illuminated region, and the above. The direction display device according to any one of claims 1 to 4 , which is arranged along a direction parallel to the intersection with the virtual surface on which the diffractive optical element is located.
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