光照射装置

【課題】回折光学素子により照射範囲を制御するとともに多品種に展開することが容易であって、多品種で量産することが比較的容易である光照射装置を提供する。
【解決手段】光照射装置は、発光ダイオードからなる発光素子１と、発光素子１から放射された光を透過させ回折により光の伝播方向を制御する回折光学素子２とを備える。回折光学素子２は、回折ディフューザであって、入射光を回折させる格子パターンが形成された少なくとも１個の基本格子３からなり、基本格子３は、複数個の基本格子３を一体に配列した格子基板から切り離して形成されている。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光素子から放射された光の照射範囲を回折光学素子により制御する光照射装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、発光素子から放射された光の強度プロフィールを所望形状とするために、回折光学素子を用いることが提案されている（たとえば、特許文献１参照）。特許文献１には、２枚のレンズの間に回折光学素子を配置した装置が記載され、一方のレンズを通して回折光学素子に入射した楕円形状の強度プロフィールを持つ光を、矩形の強度プロフィールを持つ光に整形する旨の記載がある。また、回折光学素子が回折ディフューザを含むことが記載されている。すなわち、特許文献１は、光を照射する際の形状や強度分布を制御するために回折光学素子を利用している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−１９９０８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、回折光学素子は、発光素子が放射する光に対して透明な材料からなる基材の表面に、光を回折させるように格子パターンが形成されている。格子パターンは、微細な凹凸や、微細なスリットにより形成されている。また、この種の回折光学素子は、発光素子の発光面に合わせて１枚ずつ形成されている。そのため、多品種で量産することが難しいという問題を有している。
【０００５】
本発明は、回折光学素子により照射範囲を制御するとともに多品種に展開することが容易であって、多品種で量産することが比較的容易である光照射装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上記目的を達成するために、発光素子と、発光素子から放射された光を透過させ回折により光の伝播方向を制御する回折光学素子とを備え、回折光学素子は、入射光を回折させる格子パターンが形成された少なくとも１個の基本格子からなり、基本格子は、複数個の基本格子を一体に配列した格子基板から切り離して形成されていることを特徴とする。
【０００７】
この光照射装置において、回折光学素子は回折ディフューザであって、格子基板は格子パターンが２次元で周期的に形成されており、基本格子は１周期の整数倍の格子パターンを含むことが好ましい。
【０００８】
この光照射装置において、回折光学素子は、入射面と出射面との両面に回折を生じる格子パターンが形成されていることが好ましい。
【０００９】
この光照射装置において、発光素子と回折光学素子との間に配置され発光素子からの光線束を集める収束光学素子をさらに備えることが好ましい。
【００１０】
この光照射装置において、収束光学素子は、回折レンズであることがさらに好ましい。
【００１１】
この光照射装置において、回折レンズは、複数個の回折レンズを一体に配列したレンズ基板から切り離して形成されていることがさらに好ましい。
【００１２】
この光照射装置において、回折光学素子を複数枚備え、回折光学素子は、発光素子から放射された光が順に透過するように配置されていることが好ましい。
【００１３】
この光照射装置において、回折光学素子は、互いに重ね合わされていることがさらに好ましい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の構成によれば、回折光学素子により照射範囲を制御するとともに多品種に展開することが容易であり、多品種で量産することが比較的容易になるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】実施形態１を示す分解斜視図である。
【図２】同上に用いる回折光学素子の例を示す正面図である。
【図３】同上の構成例を示す断面図である。
【図４】同上に用いる格子基板を示す斜視図である。
【図５】同上の他の構成例を示す分解斜視図である。
【図６】同上に用いる格子基板の構成例を示す断面図である。
【図７】同上の構成例を示す断面図である。
【図８】同上の構成例を示す断面図である。
【図９】実施形態２を示す分解斜視図である。
【図１０】同上を示す概略断面図である。
【図１１】同上の構成例を示す断面図である。
【図１２】同上の他の構成例を示す分解斜視図である。
【図１３】実施形態３を示す分解斜視図である。
【図１４】実施形態４に用いる格子基板を示す断面図である。
【図１５】（ａ）（ｂ）はそれぞれ同上の構成例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
（実施形態１）
本実施形態の光照射装置は、図１に示すように、発光素子１と回折光学素子２とを用いて形成されている。回折光学素子２は、発光素子１の発光面に重ねて配置され、発光素子１から放射された光を透過させる際に、回折を利用して光の伝播方向を制御するように格子パターンが形成されている。この種の回折光学素子２は、ＤＯＥ（＝Digital Optical Element）と呼ばれている。ここに、回折光学素子２は発光素子１の発光面から離して配置されるが、回折光学素子２を発光素子１の発光面に密着させてもよい。発光素子１は、発光ダイオードを想定しているが、有機ＥＬ素子、半導体レーザなどでもよい。
【００１７】
回折光学素子２は、発光素子１から放射された光を透過させるために、発光素子１から放射される光に対して透明な材料が基材として選択されている。すなわち、発光素子１が赤外領域の光を放射する場合、合成樹脂（ポリエチレンなど）やシリコンなどを基材に用いることが可能であり、発光素子１が紫外領域の光を放射する場合、石英ガラスなどを基材に用いることが可能である。発光素子１が可視光域の光を放射する場合は、ガラスや合成樹脂（ポリカーボネートなど）を基材に用いることが可能である。
【００１８】
また、回折光学素子２は、図２に示すように、格子パターンが形成された少なくとも１個の基本格子３を備える。基本格子３は、基材の表面に光を回折させる格子パターンとして微細な凹凸が形成されている。基材として合成樹脂が用いられる場合、基材を成形することにより、回折光学素子２として必要な格子パターンが形成される。
【００１９】
図２（ａ）に示す回折光学素子２は、回折ディフューザを形成するように基本格子３の格子パターンが設定されている。図２（ａ）に示す例では、回折光学素子２は、複数個（図示例では２５個）の基本格子３が一体に配列されている。すなわち、回折光学素子２は、縦横に同数個（図示例は５個）ずつの基本格子３が配列された形状を有している。なお、基本格子３の個数は、発光素子１の発光面の形状や出射する光線束の断面形状に応じて適宜に設定される。なお、基本格子３の個数は１個であってもよい。
【００２０】
図２（ａ）に示す回折光学素子２は、回折ディフューザを形成するために、光軸を有していないから、回折光学素子２を構成する基本格子３の個数は任意である。また、この回折光学素子２には光軸が設けられないから、発光素子１に対して回折光学素子２の位置がずれていたとしても光の伝播方向に対する影響はほとんど生じない。たとえば、発光素子１の発光面よりも面積が大きい回折光学素子２を用いることも可能である。
【００２１】
一方、図２（ｂ）に示す回折光学素子２は、所望の断面形状の平行光線束を出射するビーム整形素子を形成するように格子パターンが設定されている。つまり、基本格子３は中央に光軸を有し、回折光学素子２を透過した光の断面形状が、たとえば、円形、楕円形、長方形など光軸を対称軸とする適宜の形状になる格子パターンが設定される。この種の格子パターンは、フレネル型ＤＯＥとして知られている。また、図２（ｂ）に示す回折光学素子２は光軸を有しているから基本格子３を１個だけ備えている。この回折光学素子２は、基本格子３の光軸を発光素子１の発光面の中央に一致させるように配置される。
【００２２】
回折光学素子２を発光素子１と組み合わせた光照射装置は、たとえば図３に示す構造になる。図示例では、発光素子１は一面に開口窓１１を備えた器体１０の中に配置され、回折光学素子２は開口窓１１を覆うように器体１０に取り付けられている。器体１０は不透明材料により形成される。なお、図示例では、回折光学素子２において格子パターン２０が形成された面が発光素子１に対面するように、回折光学素子２を器体１０に取り付けている。
【００２３】
ところで、回折光学素子２は、図４に示すように、複数個の回折光学素子２を一体に配列した格子基板４から切り離して形成される。図示例の格子基板４は、９×９個の回折光学素子２を一体に配列して形成されており、必要な個数（本実施形態では、５×５個）の基本格子３を格子基板４から切り離すことにより、回折光学素子２が形成される。したがって、図４に示す格子基板４からは、２５個の基本格子３を備えた回折光学素子２を８１個切り出すことができる。
【００２４】
なお、格子基板４における個々の回折光学素子２の間には切り代を設けておくことが好ましい。上述したように、あらかじめ成形した格子基板４から切り出して回折光学素子２を形成しているから、１個ずつの回折光学素子２を成形する場合に比較すると、成形に要する時間が短縮されることになる。その結果、回折光学素子２を個々に成形する場合に比較すると、１個の回折光学素子２を形成するのに要する時間が短縮される。すなわち、回折光学素子２の生産性が高まることになる。
【００２５】
回折光学素子２が回折ディフューザである場合、上述した構成のように、基本格子３を複数個用いることが可能であるから、発光素子１の発光面のサイズに応じて適宜のサイズになるように格子基板４から切り離して回折光学素子２が形成される。すなわち、格子基板４を加工可能な最大サイズで形成し、一方、格子基板４を形成する基本格子３は格子パターンを同形状として比較的小さいサイズで形成しておくことが望ましい。このような格子基板４を用いると、発光素子１の発光面のサイズが異なっていても適宜サイズの回折光学素子２を形成して発光素子１に適合させることが可能になる。
【００２６】
格子基板４を形成するすべての基本格子３を同形状に形成する場合、個々の基本格子３がそれぞれ独立して回折ディフューザとして機能するように形成されていることが望ましい。すなわち、各基本格子３に形成される格子パターンが周期構造を有し、回折ディフューザとして機能させるのに必要な１周期の整数倍の格子パターンが１個の基本格子３に形成されていることが好ましい。この場合、格子基板４には複数周期の格子パターンが２次元で配列されることになる。
【００２７】
格子パターンの１周期のサイズは、発光素子１の発光面から放射された光が回折光学素子２に投影されるサイズに応じて決定される。すなわち、回折光学素子２に投影されるサイズよりも１周期のサイズが小さくなるように格子パターンが設定される。なお、発光素子１の発光面が正方形である場合を想定しているが、長方形、円形、楕円形などである場合でも同様であって、格子パターンの１周期のサイズは、発光素子１から回折光学素子２に光が投影されるサイズよりも小さく設定される。
【００２８】
上述の構成によって、回折光学素子２を格子基板４から切り出す部位にかかわらず、格子基板４から切り出された回折光学素子２のサイズが等しければ、その回折光学素子２には同周期分の格子パターンが含まれることになる。ただし、切り代は無視する。回折ディフューザとして機能させる場合、格子パターンの位相は影響しないから、回折光学素子２のサイズが等しければ、格子パターンの位相が異なっていても回折ディフューザとして同機能が得られる。すなわち、格子基板４から回折光学素子２を切り出す際に、サイズに着目するだけで、切り出す位置を考慮する必要がないから、回折光学素子２の製造が容易になる。
【００２９】
上述のように、複数の基本格子３を２次元配列することにより周期構造の格子パターンを形成した格子基板４から回折光学素子２を切り出す構成では、図５に示すように、回折光学素子２のサイズを発光素子１の発光面のサイズよりも大きくすることが好ましい。すなわち、図５に示す回折光学素子２の寸法Ｗ１，Ｗ２と、発光素子１の寸法Ｕ１，Ｕ２とが、Ｗ１＞Ｕ１かつＷ２＞Ｕ２となるように寸法を設定することが好ましい。この場合、発光素子１の発光面の全周に亘って回折光学素子２の周縁との間にマージンが形成されるように、発光素子１と回折光学素子２との位置を合わせる。つまり、発光素子１の発光面の全周に亘って回折光学素子２の周部が突出した形になる。このように、発光素子１に対して回折光学素子２がマージンを有していることによって、厳密な位置合わせが不要になり、量産が容易になる。
【００３０】
なお、格子基板４を形成する基本格子３は、必ずしも同形状でなくてもよく、格子基板４を構成する基本格子３の個数および配置は、光照射装置を量産する際に、回折光学素子２の効率のよい取数になるように設計される。すなわち、多品種で量産することが容易になる。
【００３１】
上述した例では、回折光学素子２の一面に格子パターンを形成する場合を想定しているが、回折光学素子２への入射面と出射面との両方に格子パターンを形成してもよい。この場合、回折光学素子２の各面に形成される格子パターンは、同じ形状であってもよいが、互いに異なる形状に形成することが好ましい。回折光学素子２の入射面と出射面とに異なる格子パターンが形成されていれば、１種類の格子パターンで光を拡散させる場合よりも拡散性が向上する可能性がある。とくに、回折光学素子２の１面にのみ格子パターンが形成されている場合よりも２面に格子パターンが形成されている場合のほうが、両格子パターンの効果の合成によって拡散性が高まる可能性がある。
【００３２】
上述した構成例は、回折光学素子２の表裏の一面にのみ格子パターンを形成することを想定しているが、図６に示すように、回折光学素子２の表裏の両面にそれぞれ格子パターン２１，２２を形成してもよい。回折光学素子２の各面に形成される格子パターン２１，２２は、上述した回折ディフューザとビーム整形素子とから選択され、両面の格子パターン２１，２２は同種類であっても異種類であってもよい。すなわち、回折光学素子２は、２つの格子パターン２１，２２が、ともに回折ディフーザである場合と、ともにビーム整形素子である場合と、一方が回折ディフューザで他方がビーム整形素子である場合とのいずれかの構成になる。
【００３３】
格子パターン２１，２２を両面に備える回折光学素子２を発光素子１と組み合わせた光照射装置は、たとえば図７に示す構造になる。図３に示した実施形態１の構成と同様に、発光素子１は一面に開口窓１１を備えた器体１０の中に配置され、回折光学素子２は開口窓１１を覆うように器体１０に取り付けられる。ここに、回折光学素子２は表裏の両面に格子パターン２１，２２を備えるから、一方の格子パターン２１は、器体１０の外側に露出することになる。この構成では、発光素子１から放射された光は、回折光学素子２を通して器体１０の外部に放射される。したがって、回折光学素子２に付与した特性に応じた配光が得られることになる。
【００３４】
図７に示した構成例は、回折光学素子２の表裏の両面に格子パターン２１，２２が形成されているから、回折光学素子２の表裏の両面を同時に成形しなければならない。格子パターン２１，２２は微細であるから、一般に、ナノインプリントのような技術を用いて形成される。そのため、回折光学素子２の表裏の両面を同時に成形する場合には高度な技術を要することになり、結果的にコスト高になる可能性がある。また、格子パターン２１，２２の組合せごとに、異なる品種の回折光学素子２を作製しなければならないから、多品種化する場合には、在庫数が増加する可能性があり、このこともコスト増につながる。
【００３５】
回折光学素子２のコスト増を抑制する場合、図８に示すように、表裏の一面にのみ格子パターン２１，２２が形成された２枚の回折光学素子２を重ね合わせる構成を採用することが好ましい。すなわち、格子パターン２１，２２は、回折光学素子２の表裏の一面にのみ形成されているから、２枚の回折光学素子２の表裏の他面同士を重ね合わせることによって、図６に示した回折光学素子２と同様に機能させることが可能である。また、２枚の回折光学素子２の組合せによる多品種化が可能であるから、多品種化する場合でも、在庫数の増加を抑制することが可能になる。さらに、重ね合わされる２枚の回折光学素子２は互いに貼り合わせてあってもよい。重ね合わせる回折光学素子２は、３枚以上であってもよい。
【００３６】
（実施形態２）
本実施形態は、図９、図１０に示すように、発光素子１と回折光学素子２との間に、発光素子１からの光線束を集める収束光学素子５が配置される。収束光学素子５は具体的にはレンズが用いられている。また、回折光学素子２は、図２（ａ）に示した回折ディフューザとして機能するものを用いる。
【００３７】
したがって、図３に示した実施形態１の構成と同様に、発光素子１が器体１０に収納する場合、図１１に示すように、器体１０の開口窓１１を覆うように収束光学素子５が配置され、回折光学素子２は、発光素子１との間に収束光学素子５を介して配置されることになる。
【００３８】
この構成では、収束光学素子５を発光素子１と回折光学素子２との間に配置することにより、収束光学素子５の光軸を中心として光線束の広がりが調節されるから、回折光学素子２を通った光線束の発散角が調節されることになる。また、収束光学素子５には光軸があるが、回折ディフューザとして機能する回折光学素子２には光軸がないから、回折光学素子２と収束光学素子５との位置合わせは容易である。なお、収束光学素子５は回折光学素子２と一体化してもよい。
【００３９】
収束光学素子５は、通常のレンズを用いるほか、図１２に示すように、回折レンズ５１を用いてもよい。回折レンズ５１は、回折を利用して光の伝播方向を制御するレンズであって、実施形態１において用いたビーム整形素子と同様の構成を有する。すなわち、回折レンズ５１は、発光素子１からの光に対して透明な基材の表面に、光を回折させる微細な凹凸からなる格子パターンが形成されている。
【００４０】
収束光学素子５として回折レンズ５１を用いる場合、実施形態１において説明した回折光学素子２と同様に、複数個の回折レンズ５１を一体に配列したレンズ基板（回折光学素子２の格子基板４に相当）が形成される。したがって、回折レンズ５１は、レンズ基板から切り離して形成される。なお、この構成を採用する場合、回折光学素子２となる基本格子３と回折レンズ５１とを一体に配列した格子基板４を形成することが可能であるから、１枚の格子基板４から回折光学素子２と回折レンズ５１とを形成することが可能になる。
【００４１】
また、回折光学素子２と回折レンズ５１とがともに回折を利用しているから、回折光学素子２と回折レンズ５１との表面が平面状であって、両者の位置合わせが容易になる。さらに、回折光学素子２と回折レンズ５１とは、２枚の基材を用いて個別に設けるほか、１枚の基材の表裏の一面に回折光学素子２となる格子パターンを形成し、他面に回折レンズ５１となる格子パターンを形成することも可能である。
【００４２】
上述したように、回折光学素子２と収束光学素子５とを個別に設けておけば、回折光学素子２と収束光学素子５との位置を調節して、光線束の発散角を調節することが可能である。また、回折光学素子２と収束光学素子５との組合せを変更することによって、光線束の発散角を様々に変更することが可能になる。一方、回折光学素子２と収束光学素子５（回折レンズ５１）とを基材の表裏に形成しておけば調節箇所が少なくなり、光照射装置の組立作業が容易になる。他の構成および動作は実施形態１と同様である。
【００４３】
（実施形態３）
実施形態２は、回折ディフューザとして機能する回折光学素子２に収束光学素子５を組み合わせることにより光線束の発散角を調節している。これに対して、本実施形態は、図１３に示すように、回折ディフューザとなる回折光学素子２と発光素子１との間に、回折ディフューザとなる別の回折光学素子６を配置することにより、光線束の発散角を調節する構成を採用している。回折光学素子６は、回折光学素子２と同様に複数個の基本格子３を一体に配列した格子基板４（図４参照）から切り離して形成される。
【００４４】
図示例では、回折光学素子２と回折光学素子６とが、同じ個数の基本格子３を備えている。ただし、回折光学素子２と回折光学素子６とにおいて、基本格子３の個数が等しいことは必須ではない。また、回折光学素子２と回折光学素子６とは、異なる格子パターンを備えることが好ましいが、格子パターンは同じであってもよい。
【００４５】
本実施形態の構成では、発光素子１から放射された光は、回折光学素子６により発散角が制御された後、さらに回折光学素子２により発散角が制御される。したがって、回折光学素子２のみを用いる場合とは異なる発散角が得られることになる。また、この構成では１枚の格子基板４から回折光学素子２と回折光学素子６とを切り出すことが可能であり、量産時の生産性が向上することになる。
【００４６】
本実施形態では、２枚の回折光学素子２、６を用いた例を示したが、実施形態１において説明したように、１枚の基材の表裏の一面に回折光学素子２に相当する格子パターンを形成し、他面に回折光学素子６に相当する格子パターンを形成してもよい。すなわち、回折光学素子２と回折光学素子６とに相当する機能を１枚の基材で実現することも可能である。他の構成および動作は実施形態１と同様である。
【００４７】
（実施形態４）
実施形態２において説明した構成は、図１０、図１２のように、回折光学素子２と収束光学素子５とを用いている。また、実施形態２では、収束光学素子５として回折レンズ５１を用いるとともに１枚の基材の表裏の一面に回折光学素子２が設けられ、他面に回折レンズ５１となる格子パターンが形成される場合についても説明した。
【００４８】
これに対して本実施形態は、収束光学素子５として、図１４に示すように、一面が連続した（微分可能な）曲面に形成され、光軸と平行な厚み寸法が連続的に変化するように形成されたレンズ５２を用いる。レンズ５２は基材の表裏の一面側に形成されている。この基材は他面に回折光学素子２となる格子パターン２０が形成される。格子パターン２０は、実施形態１と同様に、回折ディフューザまたはビーム整形素子として機能するように形成されている。
【００４９】
本実施形態は、基材に１個の回折光学素子２としての格子パターン２０と１個のレンズ５２とを備えた構造物を基本格子３としている。そして、実施形態１と同様に、複数個の基本格子３が一体に配列された格子基板４から切り離した１個ないし複数個の基本格子３が、発光素子１の発光面に重ねて配置される。発光素子１が器体１０に収納されている場合、図１５（ａ）に示す構成と、図１５（ｂ）に示す構成とのいずれかが採用される。図１５（ａ）に示す構成は、レンズ５２が発光素子１に対面し格子パターン２０が器体１０の外側に露出しており、図１５（ｂ）に示す構成は、格子パターン２０が発光素子１に対面しレンズ５２が器体の外側に露出している。
【００５０】
格子基板４は、透光性を有した熱可塑性合成樹脂の板材が基材に用いられ、加熱されるとともに成形されることによって、レンズ５２が形成される。また、回折光学素子２として機能させるための格子パターンも、レンズ５２の成形時に同時に成形される。
【００５１】
本実施形態の構成を採用すると、１枚の格子基板４を成形し、この格子基板４から回折光学素子２を切り離すことによって、レンズ５２を付加した複数個の回折光学素子２を製造することが可能になり、回折光学素子２の生産性が高まることになる。また、表面が連続した曲面であるレンズ５２を用いるから、照射される光の強度分布に連続性があり、回折レンズ５１を用いる場合に比べて強度分布のむらが少ないという利点もある。他の構成および動作は実施形態１と同様である。
【符号の説明】
【００５２】
１発光素子
２回折光学素子
３基本格子
４格子基板
５収束光学素子
６回折光学素子
２０格子パターン
２１格子パターン
２２格子パターン
５１回折レンズ
５２レンズ

【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光素子と、前記発光素子から放射された光を透過させ回折により光の伝播方向を制御する回折光学素子とを備え、前記回折光学素子は、入射光を回折させる格子パターンが形成された少なくとも１個の基本格子からなり、前記基本格子は、複数個の前記基本格子を一体に配列した格子基板から切り離して形成されていることを特徴とする光照射装置。
【請求項２】
前記回折光学素子は回折ディフューザであって、前記格子基板は前記格子パターンが２次元で周期的に形成されており、前記基本格子は１周期の整数倍の前記格子パターンを含むことを特徴とする請求項１記載の光照射装置。
【請求項３】
前記回折光学素子は、入射面と出射面との両面に回折を生じる格子パターンが形成されていることを特徴とする請求項１又は２記載の光照射装置。
【請求項４】
前記発光素子からの光線束を集める収束光学素子をさらに備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光照射装置。
【請求項５】
前記収束光学素子は、回折レンズであることを特徴とする請求項４記載の光照射装置。
【請求項６】
前記回折レンズは、複数個の前記回折レンズを一体に配列したレンズ基板から切り離して形成されていることを特徴とする請求項５記載の光照射装置。
【請求項７】
前記回折光学素子を複数枚備え、前記回折光学素子は、前記発光素子から放射された光が順に透過するように配置されていることを特徴とする請求項２記載の光照射装置。
【請求項８】
前記回折光学素子は、互いに重ね合わされていることを特徴とする請求項７記載の光照射装置。

【図１】