(57)【要約】  示されているのは、少なくとも１つの光源４と光チャネル６，６ａ，６ｂのアレイとを有する投射装置２である。各チャネルは、第１の屈折光学自由形状面８ａ，８ｂと、第２の屈折光学自由形状面１０ａ，１０ｂと、投射光学系１２とを備える。第１および第２の屈折光学自由形状面８，１０は、光源４と投射光学系１２との間に配置され、物体光パターン１３ａ，１３ｂ，１３ａ'，１３ｂ'，１３ａ''，１３ｂ''によって投射光学系１２のケーラー照明を生じ、像１４ａ，１４ｂが投射光学系１２の像面上に投射される結果となり、光チャネル６のアレイの像が互いに重ね合わされる。【選択図】  図１
2018527620.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの光源（４）および光チャネル（６，６ａ，６ｂ，６ｃ）のアレイを含む投射装置（２）であって、各チャネルは、
第１および第２の屈折光学自由形状面（８，８ａ，８ｂ，１０，１０ａ，１０ｂ）および投射光学系（１２，１２ａ，１２ｂ）を備え、
前記第１および第２の屈折光学自由形状面（８，１０）は、前記光源（４）と前記投射光学系（１２）との間に配置され、物体光パターン（１３，１３ａ，１３ｂ，１３ａ’，１３ａ’’）によって投射光学系（１２）のケーラー照明を引き起こし、画像（１４）が投射光学系（１２）の像面に投射される結果、光チャネルのアレイの画像が互いに重ね合わされる、投射装置（２）。
【請求項２】
前記投射光学系（１２）の像平面に投射されるべき鮮明な画像を生成するために、前記物体光パターン（１３ａ，１３ｂ）上に空間的な高周波パターンを与えるように構成された透過変調構造（２０，２０ａ，２０ｈ）を含む、請求項１に記載の投射装置（２）。
【請求項３】
前記第１の屈折光学自由形状面（８）は、前記光源によって発せられた光線の空間光再分配および／または光線方向角の制御を行うように構成され、および／または
前記第２の屈折光学自由形状面は、光線を前記投射光学系（１２）にケーラー照明に従って収束するように方向付けるように構成され、
前記第１および第２の屈折光学自由形状面は互いに影響を及ぼす、請求項１または２のいずれかに記載の投射装置（２）。
【請求項４】
前記第１および／または第２の屈折光学自由形状面（８，１０）は、前記透過変調構造（２０）の光透過領域において、前記透過変調構造の光不透過領域への放射照度と比較するとより高い放射照度を得るために、前記透過変調構造（２０）の前記光透過領域（２９ａ）において、前記光源（４）から光（１６）の放射照度を増すように構成されている、請求項１ないし３のいずれかに記載の投射装置（２）。
【請求項５】
前記透過変調構造は、前記透過変調構造（２０）の光透過領域における前記増加した放射照度に基づいて物体光パターンを形成し、前記投射光学系（１２）は、前記投射光学系（１２）の像面において物体光パターン（１３）による照明を得るために、前記透過変調構造から物体光パターンを結像するように構成されている、請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記第１および第２の屈折光学自由形状面（８，１０）は、実際の光パターン（１３ａ）に基づいて、前記光源（４）と前記第２の屈折光学自由形状面（１０）との間の光チャネル（６ａ）内で仮想物体光パターン（１３ａ'／１３ａ''）を生成するように構成され、前記仮想物体光パターンは、前記投射される画像の結像から生じ、且つ、前記実際の光パターンは、前記第１および第２の屈折光学自由形状面を透過した後に形成される、請求項１ないし４のいずれかに記載の装置。
【請求項７】
前記投射光学系（１２）は、前記投射される画像を、実投射面または仮想投射面（１８）に結像するように構成されている、または
前記光チャネルのアレイの前記投射光学系は、前記投射される画像を、実投射面または仮想投射面（１８）上に重ね合わせるように構成されている、
請求項１ないし６のいずれかに記載の投射装置（２）。
【請求項８】
前記光チャネルのアレイの個々のチャネルは、同じ被写体を有する画像を実投射面または仮想投射面に重ね合わせるように構成されている、請求項１ないし７のいずれかに記載の投射装置（２）。
【請求項９】
前記光チャネルのアレイの前記個々のチャネルまたはチャネル群は、実投射面または仮想投射面（１８）上に互いに異なる画像を生成するように構成されており、前記異なる画像（５０ａ，５０ｂ）を少なくとも部分的に重ね合わせることによって、全体画像（５０）が前記実投射面または仮想投射面（１８）上に生成される、請求項１ないし８のいずれかに記載の投射装置（２）。
【請求項１０】
前記光チャネルのアレイの２つのチャネルまたは２つのチャネル群は異なる波長範囲を処理するように構成され、前記第１のチャネルまたは前記第１のチャネル群は、第１の波長範囲の結像誤差を低減し、前記第２のチャネルまたは前記第２のチャネル群は、第２の波長範囲の結像誤差を低減するように構成された、請求項１ないし９のいずれかに記載の投射装置（２）。
【請求項１１】
前記投射装置は、異なる波長範囲の複数のカラーフィルタまたは複数の光源を含み、前記複数のカラーフィルタまたは前記複数の光源は、第１の波長範囲の光を前記第１のチャネルまたは前記第１のチャネル群に導き、前記第２の波長範囲の光を前記第２のチャネルまたは前記第２のチャネル群に導くように構成されている、請求項１０に記載の投射装置（２）。
【請求項１２】
前記光源（４）と前記第１の屈折光学自由形状面（８）との間、および／または投射光学系（１２）の後ろの、少なくとも２つのチャネルからなる前記光チャネルのアレイは、主に光の再分配によって前記光チャネルの主光線角度分布を設定するように構成された共通の屈折光学構造体（５２，５４）を含む、請求項１ないし１１のいずれかに記載の投射装置（２）。
【請求項１３】
前記投射光学系（１２）は、投射された画像における結像誤差または複数の結像誤差を補正するように構成された少なくとも１つの更なる屈折光学自由形状面（１２ａ'，１２ａ"）を含む、請求項１ないし１２のいずれかに記載の投射装置（２）。
【請求項１４】
前記光チャネルのアレイのすべてのチャネルの光学構造が、平面基板上および／または平面内に配置される、請求項１ないし１３のいずれかに記載の投射装置（２）。
【請求項１５】
少なくとも１つの光学構造は、前記投射光学系の像平面において非対称的な光分布を生成するように構成され、前記光学構造（８，１０，１２，２０）は、隣接する光チャネル（６）の互いに隣接する光学構造の間の不連続性を低減するために、傾斜面上に配置され、かつ、前記投射光学系（１２）は、非対称な光分布に基づいて画像を投射するように構成されている、請求項１ないし１４のいずれかに記載の投射装置（２）。
【請求項１６】
互いに隣接する光チャネルの前記第１および／または第２の屈折光学自由形状面および／または前記投射光学系がそれぞれ共通の湾曲エンベロープ（６５ａ，６５ｂ，６５ｃ）上に配置され、前記互いに隣接した光チャネルの主光線の方向角（６７ａ，６７ｂ，６７ｃ）は、前記画像を重ね合わせる際の投射アーチファクトおよび／または光学的に不活性な領域および／または前記アレイチャネル間の不連続性を避けるために適合される、請求項１ないし１５のいずれかに記載の投射装置（２）。
【請求項１７】
前記投射装置が、散乱および／または迷光を抑制する少なくとも１つのさらなる透過変調構造（４４，４６，４８）を含む、請求項１ないし１６のいずれかに記載の投射装置（２）。
【請求項１８】
前記光チャネル（６）が、六角形、矩形、帯状、歪んだ規則的な、不規則な、または確率的なタイリングを含む、請求項１ないし１７のいずれかに記載の投射装置（２）。
【請求項１９】
少なくとも１つの光源と光チャネルのアレイとを含む投射装置を使用して投射するための方法（２１００）であって、前記方法は、
前記光源と投射光学系との間に第１または第２の屈折光学自由形状面を配置するステップ（２１０５）と、
第１および第２の屈折光学自由形状面を用いて、投射光学系のケーラー照明を物体光パターンによって引き起こし（２１１０）、その結果、画像が投射光学系の像面に投射されるステップと、
光チャネルのアレイの画像を互いに重ね合わせるステップ（２１１５）と、を含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、投射装置と、屈折光学的自由形状面を有する投射方法とに関する。実施形態は、自由形状アレイ投射を示す。実施形態によれば、自由形状の表面は、物体光パターンによって投射装置の投射光学系のケーラー照明を生成する。
【背景技術】
【０００２】
ビーム整形／投射ユニットは、背景のような適用分野の多くの構造化照明を生成し、一般照明における照明を強調し、自動車用途のための定義された放射プロファイルを生成し、例えば測定目的のために物体上に光パターンを生成する場合に使用できる。情報は光学的に視覚化することができ、これは実際のターゲットを照射することによって、および目に視える虚像を生成することによって行うことができる。
【０００３】
異なる解決方法間の比較を客観的に行うことができるようにするために、そのようなビーム整形器／投射ユニットのいくつかの関連する特徴量を以下に簡単に要約する。以下の特徴量は、照明および投射タスクにおけるほとんどの用途に関連する。
【０００４】
（Ａ）十分に大きな光束／光パワーを保証
（Ｂ）コンパクトで小型化された光学系であり、主に光学系の厚さに力点が置かれている
（Ｃ）光学系を通した高出力／パワー効率
（Ｄ）ほとんどの異なる光分布を生成する方法：
−粗い、滑らかで弱く変化する分布
−作品における例えば高解像度画像のような、高い解像度を有する、微細な、高度にパターン化された光分布
−小さいコントラストから非常に高いコントラストまでの範囲（照明なしの照明範囲内のターゲット領域など）
−エッジジオメトリ
−組合せのほとんどの異なる要件
（Ｅ）空間光源不均質性、特に色混合の方法に対する均質化効果、特に光源位置および光源配置に対する十分な許容
【０００５】
（ｉ）単一チャネルの巨視的プロジェクタを有する光分布のパターン照明および投射はよく知られている[Malacara]。ターゲット上の任意の所望の光分布（Ｄ）を生成することができる。しかしながら、光は、例えば、吸収性スライドまたはダイナミックイメージャによって薄れてしまい、パワー効率（Ｃ）を著しく損なう可能性がある。通常、ケーラー照明の原理が適用され、これは光源の空間領域をターゲットの光領域（Ｅ）に変換することを意味するが、ハニカム集光[Pan]を使用する場合と同様にさらに光の混合を具体的に導入する必要がある。単一チャネルプロジェクタ（Pan、US2006 / 0285078A1）の小型化、すなわち、光学系の高さの低減、を行う場合、光学領域または表面を同時に縮小しなければならず、透過光束（Ａ）を減少させる必要がある。
【０００６】
（ｉｉ）非常に高いパワー効率（Ｃ）の任意の所望のパターン化された照明パターンを生成するために、屈折または反射照明自由形態を使用することができる[Ries、Oliker]。この種の自由形状の照明は、屈折または反射光の再分配に基づいており、主に吸収または減衰構造を必要としない。通常、光源光は、追加の投射ユニットなしでターゲットに転送される。測定目的のためのストリップパターンを生成することは、出願［DE102011014779A1］の実施例として言及されるべきである。しかしながら、この種の自由形式の再配布を適用すると、かなりの欠陥が示される。光の再分配では、自由形状に入射する光分布／自由形状（すなわち、光源分布または主光学系によって変更された光源分布）が周知でなければならず、変化を受けてはならず、それは、系が、比較的耐性がないことを意味する（E）。この場合、均一化および光混合効果およびケーラー照明などは存在しない。上述したマクロプロジェクタと同様に、ここでも小型化および光束問題が適用される（Ａ，Ｂ）。しかしながら、最大の欠点は、現実的な光源分布のための光分布生成における限界解像度である[Zwick]。対象上の非常に細かい光分布パターンは、光源分布がほぼ波面として、すなわち例えば非常によく集束された光源放射または非常に小さい光源領域を用いて記述できる場合にのみ生成できる。さもなければ、その結果は、一方では光学設計において考慮されなければならない比較的強いぼけまたは塗りつぶし効果であり[Wu]、他方では微細な対象パターンを妨げることである。この理由から、再分配の自由形式の最もありがちな実用化は、非常に滑らかなあるいは均質な照明を生成している[Luo、Wu、Zhao]。
【０００７】
（ｉｉｉ）投射光学系と自由形式光学系を接続する場合、基本的に２つの傾向が見られる。一方では、上記のような再分布自由形式は、スライドまたはイメージャまたは光ミキサの良好な均質照明のために使用される[Zhao、Minano]。他方、結像自由形状、すなわちプロジェクタの光照明経路内の自由形状要素は、より高い結像品質のよりコンパクトな光学系をもたらすことができる[Rico、US 8717671 B2、US 8616711、US 2015/0205099 A1] 。しかしながら、（ｉ）で述べたような欠点は、これによって減少しない。
【０００８】
（ｉｖ）（ｉ）で説明したような低光束、すなわち光学的高さを減少させるときのターゲット上の低輝度の欠点は、いわゆるアレイプロジェクタによって排除されている[DE 102009024894 A1、DE 102011076083 A1、Sieler]。少なくとも１つの集光レンズレットを有する複数の光チャネル、結像される対象パターンおよび１つの光チャネル当たり少なくとも１つの投射レンズレットを使用することによって、光学高さが低減され、しかも高い光束が確保される。均質化と光の混合効果、光源分布に対するケーラー照明の原理と公差がここにある。しかしながら、潜在的に低いパワー効率またはシステム伝送の問題が依然として存在する。画像化される物体パターンの結果として光を吸収するかまたは退色させることにより、かなりの伝送損失が生じる可能性がある。かなりの損失は、たとえば、照明強度が最大であるグレースケールプロファイルを生成するとき、より明るくないかまたは欠けている背景照明上に狭い光パターン特徴を形成するとき、または照明されるべき実領域または仮想領域の非自明な境界を生成するときに生じる。
【０００９】
したがって、周知の単一チャネルプロジェクタまたは照明構成は、プロジェクタ／照明構成の小型化が光束の透過の減少を伴うという欠点を示す。さらに、実際の入力光分布を有する自由形状の光再分布を有する現在の照明構成は、かなりの欠点を示し、空間的に高い周波数の照明パターンを生成するために、ほぼコリメートされた入力光または小さな光源領域のみで使用することができる。さもなければ、結果は、比較的強い汚れまたはぶれ効果であり、その結果、投射された画像において微細なパターンを生成することができない。加えて、そのようなシステムは光学的に不耐性である。さらに、プロジェクタの開口は、プロジェクタの入力光束を大幅に低減することができ、その結果、パワー伝送が大幅に低減される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００６／０２８５０７８号明細書
【特許文献２】独国特許出願公開第１０２０１１０１４７７９号明細書
【特許文献３】米国特許第８６１６７１１号明細書
【特許文献４】米国特許出願公開第２０１５／０２０５０９９号明細書
【特許文献５】米国特許第８７１７６７１号明細書
【特許文献６】独国特許出願公開第１０２００９０２４８９４号明細書
【特許文献７】独国特許出願公開第１０２０１１０７６０８３明細書
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】Daniel Malacara and Zacarias Malacara, "Handbook of Optical Design", (2004) by Marcel Dekker, Inc, NEW YORK, BASEL.
【非特許文献２】Harald Ries and Julius Muschaweck. "Tailored freeform optical surfaces." J. Opt. Soc. Am. A, 19(3):590−595, Mar 2002.
【非特許文献３】V. I. Oliker. "Mathematical aspects of design of beam shaping surfaces in geometrical optics." Trends in Nonlinear Analysis, page 191−222, 2002.
【非特許文献４】S. Zwick, R. Fesler, J. Jegorov, and G. Notni, "Resolution limitations for tailored picture−generating freeform surfaces." OPTICS EXPRESS   20, 3642 (2012).
【非特許文献５】Rengmao Wu, Pablo Benitez, Yaqin Zhang, and Juan C. Minano, "Influence of the characteristics of a light source and target on the monge−ampere equation method in freeform optics design," Opt. Lett., 39(3):634−637,  (2014).
【非特許文献６】Luo, Y., , Feng, Z., Han, Y., Li, H.,"Design of compact and smooth free−form optical system with uniform il
【非特許文献７】Shuang Zhao, Kai Wang, Fei Chen, Zong Qin, and Sheng Liu, "Integral freeform illumination lens design of LED based pico−projector Integral freeform," APPLIED OPTICS 52, 2985 (2013).
【非特許文献８】Juan C. Minano, Pablo Benitez, Jose Blen, Asuncion Santamaria, "High−efficiency free−form condenser overcoming rotational symmetry limitations," Optics Express 16, 20193−20205, (2008).
【非特許文献９】https://www.ricoh.com/technology/tech/040＿projection.html, looked up on August 14, 2015
【非特許文献１０】Sieler, Marcel; Schreiber, Peter; Dannberg, Peter; Brauer, Andreas; Tunnermann, Andreas,  "Ultraslim fixed pattern projectors with inherent homogenization of illumination", Applied optics 51, 64−74 (2012).
【非特許文献１１】Zexin Feng, Lei Huang, Guofan Jin, and Mali Gong, "Designing double freeform optical surfaces for controlling both irradiance and wavefront," Opt. Express, 21(23), 28693−28701, Nov 2013.
【非特許文献１２】M. Born and E. Wolf, "Principles of Optics", Cambridge University Press (1999).
【非特許文献１３】M. M. Sulman, J. F. Williams, and R. D. Russel, "An efficient approach for the numerical solution of mongeamp`ere equation," Appl. Numer. Math. 61, 298−307 (2011).
【非特許文献１４】Jacob Rubinstein and Gershon Wolansky, "Intensity control with a free−form lens," J. Opt. Soc. Am. A, 24(2):463−469,  (2007).
【非特許文献１５】D. Michaelis, P. Schreiber, and A. Brauer, "Cartesian oval representation of freeform optics in illumination systems," Opt. Lett. 36(6), 918−920 (2011).
【非特許文献１６】Winston, R., Minano, J. C., and Benitez, P. G., "Nonimaging Optics", Elsevier Academic Press, Oxford, (2006).
【非特許文献１７】Shealy, D.L., "Geometrical Methods" and "Classical (Non−laser) Methods" in "Laser Beam Shaping" ed. F. Dickey and S. Holswade, Dekker, (2000).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
したがって、本発明の根底にある目的は、画像を投射するための、またはパターン化された照明のための改良された概念を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
この目的は、独立請求項の主題によって達成される。さらなる本発明の実装形態は、従属請求項に定義されている。
【００１４】
実施形態は、少なくとも１つの光源および光チャネルのアレイを含む投射装置を示し、各チャネルは、第１および第２の屈折光学自由表面および投射光学系を含む。第１および第２の屈折光学自由形状面は、光源と投射光学系との間に配置され、物体光パターンによって投射光学系のケーラー照明を引起こし、その結果、投射光学系の像面に像が投射される画像が生じ、光チャネルのアレイの画像は、互いに重ね合わされる。従って、光チャネルの画像を重ね合わせることによって、全体の光分布または全体的な結像化または全体画像を達成することができる。投射光学系によって結像される光パターンは、物体光パターンとみなされる。換言すれば、物体光パターンは、従来のアレイプロジェクタとは対照的に、結像時にスライドが使用されるのではなく、光分布が使用される、対象物である。
【００１５】
本発明の基礎を成すアイデアは、光チャネルに配置された２つの屈折光学自由形状面によって、光の再分配および光源の光の角度分布の変化を得るためにケーラー照明を使用しており、投射光学系を用いて投射像に表現することができる物体光パターンを生成する。物体光パターンは、実物と仮想の両方であってもよい。入射光は、コリメートされても発散してもよい。換言すれば、物体光パターンは、投射光学系が光分布を用いて画像を投射するように投射光学系内に光分布を生じさせることができる。屈折光学自由形状面を用いることにより、少なくとも完全に反射防止された面で、投射された像または照明ターゲットへの光入力パワーの完全な伝達が可能になる。したがって、全体的な光出力の損失を低減することができ、より明るく、より強く照明された画像を投射または結像することができる。すなわち、ターゲットまたは像面に対する放射照度が増加する。放射照度および強度という用語は、その後、同義語として使用され、両方の用語は、コリメートされた光およびコリメートされていない光または発散光の両方に関連する。特に、強度という用語は、専らコリメートされた光に限定されない。
【００１６】
上記の原理は、投射光学系の自由形式光分布とケーラー照明とを組み合わせることによってかなり改善することができる。ケーラー照明は、空間的な光源パターンが投射光学系の入射瞳に収差のやり方で結像されることを意味する。換言すれば、光源は、ケーラー照明によって、投射光学系の平面または（湾曲した）表面に結像される。前記平面または表面は、投射光学系の入射瞳である。すなわち、入射瞳における空間光の分布は、光源パターンによって決定される。しかしながら、自由形状の光再分布のために、入射瞳における角度分布情報は、達成されるべき照明分布によって決定される。投射光学系の入射瞳の後方にある投射装置の結果は、投射光学系によってターゲット上に結像される空間物体光パターンである。物体光パターンは、光源と投射光学系との間に位置する。自由形状面に近い物体光パターン（第１の自由形状面の前の仮想物体光パターン、２つの自由形状面上またはその間の仮想物体光パターン、第２の自由形状面の後の実物体光パターン）は、発散またはコリメートされていない入射光にもかかわらず、空間的に高い周波数の情報を特に多く含むことができる。すなわち、空間的に高い周波数を持つ光分布特性が鋭い物体光パターンを生成することができる。このような物体光パターンが投射光学系によってピックアップされた場合、空間的に延長された光源の発散光またはコリメートされていない光が使用されているにもかかわらず、ぼけ効果または重畳アーチファクトなしに、またはぼけ効果または重畳アーチファクトが低減した状態でターゲット上に照明パターンを生成することができる。投射光学系のケーラー照明を伴わない従来の自由形状の照明コンセプトと比較したときのぼかし効果の目に見える減少は、少なくとも２０％、少なくとも４０％または少なくとも６０％の画像鮮明度の改善を可能にする。
【００１７】
実施形態によれば、投射装置は透過変調構造を含むことができ、透過変調構造は、投射光学系の画像の平面内に投射される鮮明な画像を生成するために、光パターン上に空間的に高周波のパターンを強く影響させるように構成される。従って、画像は、例えば、より鮮明なエッジまたはより微細な構造を含む物体光パターンに基づいて結像することができるだけでなく、透過変調構造を用いずに生成されたマッピングと比較して、滑らかな強度分布または放射照度を高度に変化させる。透過変調構造は、例えば、光の透過率が異なる領域を含むか、または構造の領域が（主に）光を透過し、構造のさらなる領域が（主に）光を反射および／または吸収するように変調された開口、スライド、マスクまたはイメージャであってもよい。換言すれば、透過変調構造に入射する光は、本質的にまたは専ら光透過領域において透過または通過され、透過変調構造の光不透過領域に入射する光は（基本的に）反射または吸収され、従って、伝達されないか、または構造を通過することはない。透過変調構造は結果的に光の強度変調を引き起こすが、ここで強度変調という用語はコリメートされ発散する光に適用され、特にコリメートされた光には限定されない。
【００１８】
さらなる実施形態によれば、透過変調構造の光透過領域において、透過変調構造の光不透過領域に対する放射照度と比較してより高い照度を得るために、第１および／または第２の光学屈折自由形状面は、透過変調構造の光透過領域において、光源からの光の放射強度を増加させるように構成されてもよい。換言すれば、両方の光学屈折自由形状面は、透過変調構造の透過領域または光透過領域、すなわち例えば開口、スライドまたはマスクの光分配（および光の角度分布）を行うことができる。これは、透過変調構造によって吸収されるかまたは透過されない光の部分が低減され、したがって、画像を投射するための光強度または放射照度の増加が利用可能となるため、有利である。その結果、明るさまたは照度を上げて画像を投射することが可能になる。
【００１９】
この構成では、透過変調構造は、第１および第２の光学屈折自由形状面によって予め成形された（最終）物体光パターンを形成することができる。したがって、投射光学系は、投射光学系の画像領域内の物体光パターンによる照明を得るために、透過変調構造内にまたは少なくとも透過変調構造に近接して配置された物体面または物体領域を含むことができる。遠視野照明、すなわち無限遠の照明ターゲットの場合、投射光学系の左側焦点面、すなわち光源に面した焦点面は少なくとも透過変調構造に近い。遠視野照明、すなわち無限遠の照明ターゲットの場合、投射光学系の左側焦点面、すなわち光源に面した焦点面は少なくとも透過変調構造に近い。有限距離で投影装置まで（実在／仮想の）ターゲットを照明する場合、投影光学系の物体面または物体領域を透過変調構造に近づけるために古典的な結像法則[Born−Wolf]が適用される。さらなる屈折光学自由形状面は、物体光パターンに類似する透過変調構造の平面内の光パターンを得るために、光再分布を実行する。物体光パターンに対する光パターンの類似性は、対象を認識すること、または少なくとも粗い構造または少なくとも位置を照合することにに関連する。従って、物体光パターンは、よりシャープな輪郭または一般により高い空間周波数を含むことができるが、パターンまたは粗い形状、または少なくとも投射されるべき画像の位置は、既に光パターンで認識され得る。結像のために提供される物体光パターンは、透過変調構造によって形成される。さらに、この実施形態の光学屈折自由形状面は、物体光パターンによる投射光学系のケーラー照明が得られるような方法で、入射光の角度分布の変化を生成する。
【００２０】
さらなる実施形態によれば、第１の屈折光学自由形状面は、空間光再配分を実行するように、および／または光源によって放射される光線の光線角度を制御するように構成できる。これに代えてまたはこれに加えて、第２の屈折光学自由形状面は、第１および第２の屈折光学自由形状面が互いに影響を及ぼすケーラー照明に従って収束するように光線を投射光学系に向け直すように構成することができる。特に、新たに設けられた光分布に基づいて光パターンを生成することができるように、投射光学系のケーラー照明と空間光再配分の両方を有するために、結合された微分方程式を解くことによって数学的観点から第１および第２の光学屈折自由形状面を得ることができる。
【００２１】
更なる実施形態は、光源と第２の屈折光学自由形状面との間の光チャネル内の仮想物体光パターンを実際の光パターンに基づいて生成する第１及び第２の屈折光学自由形状面を示し、仮想物体光パターンは、投射されるべき画像のマッピングであり、実光パターンは、第１および第２の屈折光学自由形状面を透過した後に形成される。換言すれば、第１および第２の屈折光学自由形状面は、ここに第２の光学屈折自由形状面の前方に位置する仮想物体光パターンを生成する。比喩的に表現すると、第２の屈折光学自由形状面の後ろで実光パターンの光ビームを延ばすことによっても同じことが得られる。仮想物体光パターンは、投射光学系における実際の光パターンが投射されるべき画像としてどのように表されるかを示すための補助表現である。従って、投射光学系は、仮想物体光パターンが示されている平面または表面近くの物体光パターンを使用でき、最終的にそのターゲット上に物体光を結像することができる。換言すれば、投射光学系の物体面は、仮想物体光パターンが得られる表面近くまたは表面内に配置される。さらに、ぼけの影響が最も少ない（または最大のまたは鮮明な内容の情報を有する）仮想物体光パターンは、平面内に位置せず複雑な形状をとることができる。この場合、投射光学系の対物面を、この仮想物体光パターンの中心位置に配置することができ、したがって、それに近づけることができる。なぜなら、最小のぼけを有する仮想物体光パターンと対物面とが一致しないからである。それにもかかわらず、ここでの対物面は、少なくともほぼ（部分的に）照準される仮想物体光パターン内にあってもよい。複雑な形状を有するこのような物体光パターンを改善された又はよりシャープな方法で結像することができるようにするために、より自由な形状を使用して、投射光学系の物体領域が、物体光パターンの形状によりよく一致するように、投射光学系が実現される。物体光パターンが（平面的な）平面の形状を有する場合、投射光学パターンの投射光学系の物体面は、物体光パターンが表される平面内にある。そうでなければ、照準される物体光パターンは結像されず、物体光パターン（照準されていない）である隣接する光パターンが結像される。
【００２２】
さらなる実施形態は、投射光学系が、実投射面または仮想投射面上に投射されるべき画像を結像するように構成され、光チャネルアレイの投射光学系は、投射されるべき画像を実物体または上に重ねるように構成される仮想投射面である。これは、投射光学系が、壁のように実際の投射領域または表面（ターゲット）に投射されるべき画像を結像することができるので、利点がある。これに加えて又はこれに代えて、投射装置は理論的には無限の実像のみを理論的に生じる虚像を投射することもできるが、目のような更なるレンズを用いて実際の投射面に撮影することができる。この場合、目は無限遠に調整される。同様に、投射装置は、要素までの有限距離で虚像を生成し、目のようなさらなる光学系を使用して、この画像を実際の投射面に結像することができる。この場合、目は無限の距離に調整される。同様に、投射装置は、要素までの有限距離で虚像を生成し、目のようなさらなる光学系を使用して、この画像を実際の投影面にもたらすことができる。この場合、目は有限の物体距離に調整される。これは、光チャネルのアレイの個々のチャネルが、実際のまたは仮想の投射面上に同じ被写体を有するそれぞれの画像を重ね合わせるように構成され得ることを意味する。これは、この実施形態によれば、各チャネルが、例えば、輝度分布または波長範囲が異なる（すなわち例示的に異なる基本色を含む）同じ被写体を有する画像を生成し、異なるチャネルからの画像を重ねると、投射面上の光分布が改善されるので利点がある。これは、不均質な光源分布における光分布の均質化をもたらす。さらに、着色された光源装置の改善された混色は、これによって達成され得る。最後に、光源配置または光学部品製造の不正確さに対するシステムの耐性が増加する。従って、全体の撮像の対象は、光チャネルの投射された（個々の）画像から構成されてもよく、光チャネルの画像はそれぞれ異なる対象を含む。換言すれば、投射された（個々の）画像における画像誤差（例えば、製造の不正確さによって生じる）は、例えば、全体的な画像を形成するためにさらなる画像を重ね合わせることによって補償される不均質な輝度分布を呈することがある。あるいは、個々のチャネルまたはチャネル群は、実際または仮想の投射面上に異なる画像を生成するように構成することができ、実際のまたは仮想の投射面上の全体画像は、異なる画像を互いに少なくとも部分的に重ね合わせることによって生成される。これは、同じサイズの個々の画像においてかなり複雑さが増してしか示され得ないチャネルの個々の投射画像から総合的な合成画像を生成することができるので有利である。これは、例えば、投射光学系の大きな放射角が投射面の照射または照明に有利である場合に起こり得る。
【００２３】
さらなる実施形態は、異なる波長範囲を処理するように構成された少なくとも２つのチャネルまたは２つのチャネル群を示し、第１のチャネルまたは第１のチャネル群は、第１の波長範囲内の結像エラーを低減し、第２のチャネルまたは第２のチャネル群は、第２の波長範囲内の結像エラーを低減する。したがって、異なる光チャネルを異なる波長領域に対して最適化することができ、例えば、チャネルが最適化された波長範囲内のより低い不鮮明さまたは色収差で、より正確な投射を提供することができる。さらに、投射装置は、ここでは、複数のカラーフィルタまたは異なる波長範囲の複数の光源を備えてもよく、複数のカラーフィルタまたは複数の光源は、第１のチャネルまたは第１のチャネル群の第１の波長範囲の光を導き、第２のチャネルまたは第２のチャネル群の第２の波長範囲の光を導くように構成される。従って、好ましくは、アレイ内の１つのチャネルまたは１つのチャネル群は、例えば赤、緑および青の３つの基本色についてそれぞれ最適化されてもよい。光学構造を個々の波長範囲にチューニングまたは調整することにより、画像誤差を低減でき、画像を投射する際に、着色された個々の画像を重ね合わせて典型的には改良された鮮明度、または例えば、白色光にチューニングされたチャネルによって生成された全体的な画像と比較した場合に改良されたシャープさや低減されたアーティファクトや低減されたカラーフリンジのような収差を含む全体的な画像を形成する。
【００２４】
さらなる実施形態によれば、光チャネルのアレイのすべてのチャネルの光学構造は、平面基板上および／または平面内に配置される。この配置は製造の複雑さを増加させる必要がなく、したがって安価に製造することができるので、これは利点である。ここで、光学構造は、例えば第１及び第２の屈折光学自由形状面、および任意にはさらなる屈折光学自由形状面、投射光学系、及び任意にはさらなる投射レンズおよび透過変調構造のように、光チャネル内の光分布に影響を及ぼす全ての要素をまとめる。
【００２５】
さらなる実施形態によれば、少なくとも１つの光学構造は、投射光学系の像平面に非対称な光分布を生成するように構成されてもよく、光学構造は、隣接する光チャネルの互いに隣接する光学構造間の不連続性を低減するために、傾斜した平面上に配置され、かつ投射光学系は、非対称の光分布に基づいて画像を投射するように構成されている。投射像における非対称な光分布が望ましい場合、屈折光学自由形状面は、典型的には、光分布の非対称性を生じる斜面またはプリズム面部分を含む。光学構造を平面内に配置する場合、投射画像内のアーチファクトを典型的に引き起こす可能性のあるジャンプまたは不連続は、隣接チャネルの光学構造が互いに接する表面に生じる。傾斜面上に光学構造を配置することにより、隣接する光学構造間の不連続度またはジャンプの程度が低減され、ここでのアーチファクトも低減される。さらなる実施形態によれば、第１および第２の屈折光学自由形状面のそれぞれおよび投射光学系は、曲面上の光チャネルに少なくとも１つ配置されてもよく、光チャネルの主放射角は、画像を重ね合わせるときに、アレイのチャネル間の投射アーチファクトおよび／または光学的に不活性な領域および／または不感帯を低減または回避するために調整される。この配置は、例えば、光チャネルのアレイの全てのチャネルが共通のエンベロープ上に配置される場合に有利であり、個々のチャネルの主放射角は、上述の影響を最小にし、投射像を重ね合わせた後に、数学的な視点から、可能な最良の全体的な結像を得るために、個々に調整できる。
【００２６】
さらに、実施形態は、少なくとも１つの光源および任意選択の一次光学系と、隣接する光チャネルとを含む、ビーム整形器／投射ユニットまたは自由形状アレイプロジェクタとも呼ばれる投射装置を示す。各光チャネルは、少なくとも２つの屈折自由形状面、投射レンズ／光学系、および１つまたは複数の透過変調構造を含む。入射側に配置された光学自由形状面は、一方では空間的な実または仮想の光パターンが形成され、他方では下流の投射レンズ／光学系のケーラー照明が可能となるように、空間光再分配と放射角度の制御の両方を引き起こす。
【００２７】
投射レンズ／光学系は、自由形状の光再分布によって生成された光パターンを透過変調ユニットによって１つまたは複数の実または仮想ターゲットに転送し、個々のチャネルの個々の光分布を重ね合わせることによって全体の光分布を形成する。
【００２８】
アレイプロジェクタで光を再分配する自由形状面を使用するだけではほとんど役に立たない。さらに、それらの効果において結合された少なくとも２つの自由形状面を使用することが有利である。
【００２９】
実施形態によれば、ビーム整形器／投射ユニットは、同時に大きな光束（Ｂ）を有するコンパクトな超薄型光学系（Ａ）である。自由形状の光再分布によって平滑／粗くパターン化された光分布を生成することができ、自由形状光再分布と透過変調構造（Ｄ）を組み合わせることによって、ほぼ任意のコントラストを有する非常に微細な高解像度光パターンを生成することができる。自由形状の光再分布を適用することにより、光学系のパワー伝達をかなり改善することができる（Ｃ）。非常に微細な高解像度のターゲット光パターンでは、光学系内の実際の光パターンは自由形状光再分布によって生成され、これは透過変調構造（開口のような）に非常によく適合し、光の損失の多い退色を強力に低減する。より細かいターゲットの光分布では、無損失の自由形状の光再分布を排他的に適用することができ、透過変調構造はむしろ散乱および迷光の最小化に役立つ。特にここでは、従来の自由形状の光再分布において（ii）で述べたパターンスミアリング／ぼけが、我々の新規な光学系によって非常に強く低減され得ることが強調されなければならない。２つの自由形状面の共通の効果により、光学系内の結果は、投射レンズ／光学系によってターゲット上に転写される少しぼけた物体光パターンである。この場合、結像投射レンズ／光学系によって撮像されなければならない仮想物体光パターンが頻繁に使用される。結像投射光学系は、最も簡単な場合には、単一のマイクロレンズであってもよい。マルチサーフェス光学系は、改善された結像品質のために使用されてもよい。非自明に分布された「物体光パターン」と、些細ではないターゲット形状とでは、画像投射光学系のさらなる自由形状面が有利である。最も異なる種類のターゲット光パターンに加えて、ソース領域内の空間的不均質性がターゲット（Ｅ）上に見えないように、ケーラー照明原理が光学系によって適用される。個々のチャネルの光分布をターゲット上に重ね合わせることにより、全体の光分布が生じる。擬似的に等しい光の部分分布を有する少なくともいくつかのチャネルがそれぞれ等しいターゲット領域に作用する場合、結果は光の混合および光学系の均質化効果（Ｅ）である。
【００３０】
本発明の有利な実施形態によれば、光の再分配及び光の角度分布の適合を行うために、光チャネルにその効果が結合された少なくとも２つの自由形状面を配置することが有利である。
【００３１】
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態を詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】図１は、投射装置の概略図を示す。
【図２】図２は、ビーム整形器／投射ユニットまたは投射装置の本発明の実施形態の概略図である。
【図３Ａ】図３Ａは、３つの屈折面と開口構造を有する実施形態を用いた効果の原理を説明するための、ビーム整形器／投射ユニットの単一チャネル（ここではチャネル傾斜なし）の概略図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、３つの屈折面と開口構造を有する実施形態を用いた効果の原理を説明するための、ビーム整形器／投射ユニットの単一チャネル（ここではチャネル傾斜なし）の概略図である。
【図４】図４は、単一のチャネルを使用する排他的な自由形状のビーム再分配による最小構造ぼけを有する仮想物体パターン平面の概略図である。
【図５】図５は、簡略化されたモデルおよび従来のアレイプロジェクタとの相違を使用して、排他的な光再分配を有する自由形状アレイプロジェクタのいくつかの特性を示す概略図である。
【図６】図６は、空間光パターンを得てビームの角度分布を制御するために２つの自由形状を同時に設計する基本的な考えを説明するための２つの自由形状面の概略図であり、図６（ａ）は、コリメートされた入力強度を特定のバンドルされた出力強度に再分布させるための自由形状レーザビーム整形の図を示し、自由形状の表面は楕円体／円錐の対の組に分解され、関連する焦点は相手方を構成する基本要素に配置され、図６（ｂ）は、ある入力光強度パターンまたはある入力光強度構造を有する束ねられた光源からある光強度分布を有する理想的に収束する光束を生成することを概略的に示す図であり、２つの自由形状面は、入力楕円と出力楕円（デカルト楕円）のペアの組に分解され、図６（ｃ）は、ある入力光強度を有する束ねられた光源光から特定の光強度パターンまたはある光強度構造を有する特定の角度分布の収束光束を生成することを概略的に示す図であり、２つの自由形状面は、出力における入力楕円体と一般化デカルト楕円のペアの組に分解される。
【図７】図７は、従来のハニカム集光の一般化として透過変調構造（吸収アパーチャなど）を有さない投射装置（または自由形状アレイプロジェクタ）の概略図であり、右側のインセットが光学チャネルの２つの照明自由形態の表面プロファイルを示している。
【図８】図８は、１つまたはいくつかの均質または構造化されたおよび単色の、多色または白色放射光源（この場合、典型的にはマルチチップＲＧＧＢ光源）が存在する場合のケーラー照明および混合および均質化効果を説明するための自由形状アレイプロジェクタの概略図である。
【図９】図９は、自由形状の光再分配、吸収／反射光退色および結像の協働により生じた非常に高い空間周波数および高いシステム伝送でターゲットパターンを生成するための一実施形態による自由形状アレイプロジェクタの概略図であり、１つのチャネルについて、右側のインセットは、吸収開口を示し、両方の照明自由形状および左側のインセットの表面プロファイルは、光再分配の結果として光ビームが好ましくは開口を通って伝搬することを示す。
【図１０】図１０は、図７と比較した場合の逆コントラスト条件での屈折光再分布によってターゲット光パターンを生成するための投射装置の概略図である。
【図１１】図１１は、潜在的に不連続なチャネル遷移、擬似エッジ、不感帯、入力光などの不十分なコリメートの結果として散乱および迷光を最小化するための追加の開口構造（アパーチャ層／アパーチャ壁）を有する自由形状アレイプロジェクタの概略図である。。
【図１２】図１２は、ターゲット上の矩形背景照明を有する明るい三角形パターンを生成するための自由形状アレイプロジェクタの概略図であり、異なるチャネルの重畳は、ターゲットに適用され、左：全てのチャネルが、準均等単一チャネル照明でターゲットの同じ領域に作用し、右：チャネルの異なる群が、異なる単一チャネル照明でターゲットの異なる領域に作用し、インセットは光チャネルの２つの照明自由形状の表面プロファイルを示す。
【図１３】図１３は、個々のチャネルの主放射方向を必要とされるターゲット分布に適合させるために、全部／一部のチャネルに共通する下流および上流の追加光学表面／自由形状面を有する自由形状アレイプロジェクタの概略図である。
【図１４】図１４は、自由形状再分布による背景照明を加えない三角ターゲット分布を生成する投射装置の概略図であり、パワー分布の強い非対称性は、自由形状の顕著なブレーズ特性（プリズム形状）によって達成されるが、異なるチャネル間の遷移時に光学表面の強い不連続性をもたらし、迷光の最小化のために開口構造を必要とする。
【図１５】図１５は、入力側の第１の２つの自由形状面の間に開口を有する図１４の投射装置を示す図である。
【図１６】図１６は、自由形状アレイプロジェクタの概略図であり、入力側の第１の２つの自由形状アレイは傾斜面上に配置され、投射レンズアレイは階段状構造上に配置され、これは、非対称の光分布で必要とされる自由形状アレイのチャネル間の不連続性／急峻な遷移を強く最小限にすることを可能にし、製造を著しく容易にする。
【図１７】図１７は、傾斜面上に投射レンズアレイを有し、迷光最小化のために第１の基板上に開口を追加導入した、図１６の投射装置を示す図である。
【図１８】図１８は、付加的に傾斜された光源ユニット（コリメート光学系および／または光源の傾斜）を有する図１７の投射装置を示す図である。
【図１９】図１９は、曲面上の光チャネルの配列を有する自由形状アレイプロジェクタの概略図であり、ここで個々のチャネルの主放射角は、光屈折によってソースおよびターゲット分布に適合させることができ、同時に、チャネル間の不連続／急峻な遷移／不感帯／光学的に不活性な領域を低減または防止することができる。
【図２０】図２０は、光チャネルの配置のためのタイリングまたはモザイクのタイプの異なる例の概略図である。
【図２１】図２１は、個々のチャネルが、光学構造の適応による色収差補正を示すように、異なるチャネル領域内に異なるカラーフィルタを有する自由形状のアレイプロジェクタの概略図である。
【図２２】図２２は、画像を投射する方法の概略ブロック図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
以下の図面の説明では、同一の要素または同等の効果を持つ要素には同じ参照符号を付し、その説明は異なる実施形態間で相互に交換可能である。
【００３４】
実施形態によれば、本発明の目的は、パターニングされた照明を生成するための、または潜在的に大きな光束を有する投射のための超薄型高効率光学要素を提供することであり、さらに、光源放射の均質化効果／色混合物が生じる。ほとんどの異なる構造的特徴（例えば、高解像度、高コントラストなどの微細パターンのような）を有する実および／または仮想ターゲット上の光分布を可能にする必要がある。
【００３５】
図１は、少なくとも１つの光源４および光チャネル６,６ａ，６ｂのアレイを備える投射装置２の概略ブロック図を示す。各チャネルは、第１の屈折光学自由形状面８ａ，８ｂと、第２の屈折光学自由形状面１０ａ，１０ｂと、投射光学系１２とを備える。第１および第２の屈折光学自由形状面８，１０は、光源４と投射光学系１２との間に配置され、投射光学系１２の画像領域において投射されるべき画像１４ａ，１４ｂを形成する物体光パターン１２（実物体光パターン１３ａ，１３ｂおよび仮想物体光パターン１３ａ'，１３ａ"，１３ｂ"，１３ｂ"）によって投射光学系１２のケーラー照明を生じ、光チャネル６のアレイの画像は、互いに重ね合わされる。光源４は、実施形態に応じて発散光またはコリメート光、インコヒーレントまたはコヒーレント光、または部分コヒーレント光、単色光、多色光または白色光、すなわち特定のスペクトル分布を有する光であってもよい光１６ａおよび１６ｂを放射し、これを光チャネル６に導くように構成されている。ここでは、最初に光１６が第１の光学自由形状面８に入射し、続いて第２の光学自由形状面１０に入射する。これに対応して、第２の屈折光学自由形状面１０は、屈折光学自由形状面８の後ろに配置されてもよく、「前方」および「後方」の空間的関係は、各要素への光１６の伝播または入射の方向を指す。
【００３６】
屈折光学自由形状面は、実施形態に従って、実オブジェクト光パターン１３ａ,１３ｂおよび仮想オブジェクト光パターン１３ａ'，１３ｂ'，１３ａ''，１３ｂ''の両方を生成することができる。投射光学系は、投射光学系の対物面を選択された物体光パターンに配置することによって、ターゲットとされた物体光パターンをターゲット上に結像させる。仮想物体光パターンの場合、投影光学系１２は、投影光学系が屈折光学自由形状面の実光パターンに対応して物体面内の仮想光パターンを結像するように、屈折光学自由形状面によって形成される実際の光パターンを示すが、光源４と第２の屈折光学自由形状面１０との間に投影光学系１２の物体面／物体表面が配置されている。
【００３７】
投射光学系によって結像される光パターンは、物体光パターンとみなされる。換言すれば、物体光パターンは、投射光学系を用いた結像の際の対象物であり、従来のアレイプロジェクタとは対照的に、スライドは使用されず、光分布が使用される。
【００３８】
光の（現在の）空間的な分布もまた、光のパターンまたは光の分配とみなされるべきである。これが結像用に設けられている場合には、物体光パターンとなる。シャープなエッジ、高いコントラスト、急峻なエッジ、大きな輝度変調のような空間的に高い周波数の情報を特に多く含むことができるこの種の光パターンは、特に重要な物体光パターンと考えることができる。このような光パターンは、結果として、小さなぼけおよびスミアリング効果を示す。一方では、光が実際の物体から発するときにそれらは形成できる。各物点からビームが放射される。結果は、放射位置と角度との間の相関関係である。例えば、吸収性スライドを通って放射するとき、その結果は、放射角とはほとんど無関係の空間光分布であり、すなわち、すべての放射角に対してほぼ等しい空間分布が存在し、その重ね合わせにより、例えば結像によってシャープなパターンをもたらすことができる。放射位置と角度との間の特別な依存性を有する同様の光パターンは、スライドのような実際の物体とは無関係に、光の再配分と光ビーム制御によって生成され、空間的に高周波の照明パターンを可能にする。空間的に高周波の照明パターンをここに高効率で生成することができるので、ぼけの影響が最も少ないこれらの物体光パターンは特に重要である。
【００３９】
図２はさらに、画像１４ａ,１４ｂが重ね合わされて全体の光分布または全体的な結像または全体的な画像を形成し得る実際の投射面または領域１８を示す。しかしながら、代わりの実施形態によれば、投射光学系は、実際の全体画像が無限にしか形成されない、またはさらなる光学系を使用するように、仮想ターゲット上に画像１４ａ,１４ｂを結像することもできる。
【００４０】
本発明の投射装置２は、後にしばしば自由形状アレイプロジェクタまたはビーム整形器／投射ユニットと呼ばれるが、同時に大きな光束、高いシステム透過／パワー効率を有する非常に平坦な光学系を可能にし、高い解像度を有する任意の光分布が実ターゲットまたは仮想ターゲット上に生成され、同時にケーラー照明原理および光源光均質化を適用することができる新規な光学概念を示す。図２の例示的実現は、光源１６または光源ユニット（光源および潜在的な主光学系を含む）を概略的に示し、そこから光１６が放射され、各アレイチャネルにそれぞれ２つの照明自由形状を有するアレイに入射する。ここで考えられる実現は、入力側の第１の自由形状面は、光学基板／要素の端面側に配置され、入力側の第２の自由形状面は、第２の、それ以降の光学基板／要素の入力側に配置されることである。好ましくは、透明な屈折材料がこのために使用される。チャネルごとの２つの自由形状の表面パターンは、一方では、光屈折によって光学系内に実際のまたは仮想の光物体分布が生成され、他方では、光がケーラー照明に対応するそれぞれの投射レンズ／光学系に入射するように実施される。
【００４１】
換言すれば、第１及び第２の光学屈折自由形状面８，１０は、実光源パターン１３ａに基づいて、光源４と第２の屈折光学自由形状面１０との間の光チャネル６ａ〜６ｉにおける仮想物体光パターン１３ａ'を生成するように実現でき、仮想物体光パターンは、投射されるべき画像の結像であり、現実の光パターンが前記第１及び第２の屈折光学自由形状面を介して照射された後に形成される。
【００４２】
図２のインセット８ｉ、１０ｈは、例示的に２つの表面プロファイルを示す。文字「ＩＯＦ」に関連付けられた表面変形を認識することは容易である。これらの表面変形は、純粋に屈折する光の再分布によって限定された解像度の光学系−内部光パターンを生成する。これらの光パターンは、後続の投射レンズアレイ１２による光学結像によってターゲット１８に転写される。暗い背景のフィールド上の明るい文字列「ＩＯＦ」は、ターゲット上に表示される。上述のぼけ効果の最小化にもかかわらず、ターゲット上の文字は、鋭い構造エッジを潜在的に含まなくてもよい。ターゲット上にさらに細かい光パターンを生成するために、さらに送信変調構造２０が使用される。図示の実施形態では、第２の光学基板／要素上に波線を有する開口構造が使用される。今までのところ、残ったぼけ効果のために、このような微細なターゲット分布を排他的な自由な形の光再分布で生成することは不可能であった。しかしながら、開口構造は、パワー損失を最小限に抑えることができるように、自由形式の光再分配によって適切な方法で照明することができる。実施形態では、チャネル毎の２つの照明自由形状は、アパーチャの透過領域の領域においてより大きな照度を生じる。フェーディングと光再分布の両方によって形成された開口の背後に形成される実際の光パターンは、ある又は十分な結像鮮明度を有するチャネルのそれぞれの投射レンズによってターゲット１８上に結像される。この実施例では、文字列「ＩＯＦ」に対する最もシャープな物体光パターンの位置は、スライド面と同一ではない。このため、投射光学系の物体面は、潜在的に最も鮮明な「ＩＯＦ」物体光パターンとスライド面との間に配置されている。ここでは文字列のぼけが増えている。スライドの画像にもデフォーカスがある。図示された自由形状アレイプロジェクタ２の実施形態では、全てのチャネルが、準均等の個別の光分布で同じターゲット領域を照射する。すなわち、これは、光源光の最大度合いの均質化を可能にする。チャネル重畳は、例えば、入力側の第１の２つの自由形状内の屈折光偏向効果によって達成されてもよい。物体生成構造および投射レンズの従来のオフセットおよび湾曲した表面上のチャネル構成（下記参照）もここで適用することができる。チャネル毎のケーラー照明原理の適用は、明確にするために図２には示されていないが、以下の図に例示される。
【００４３】
図３は、３つの屈折表面及び開口構造２０ａの効果に分解された単一チャネル６ａ（ここではチャネル傾斜なし）の機能のモードを示す。コリメートされた光源から放射される光１６ａは、第１の屈折自由形状面８ａに入射する。ここで、この自由形状面は、（光学基板の出射側のような）光学素子２２の出射側に配置されている。この自由形状面は、光の再分配によって空間的強度パターンまたは照明パターンを生成する。すなわち、その結果がターゲット分布に対応する強度変調された光分布となるように、光は屈折的に適切に再指向される。理想的な場合（フレネル損失を無視する場合）、これは１００％の効率で行われる。図３ａにおいて、この光分布１４ａ'は、直線状のコリメートされた入射光および傾斜しコリメートされた入射光の両方について、第１の自由形状面のすぐ後ろで検出されたものである（上部のグレースケール画像を参照）。検出器位置２４は、第１の自由形状面のすぐ後ろの太線で示されている。光分布は、元々光軸上で理想的にコリメートされた入射光が自由形状の後ろにあるビーム角度スペクトルを示すように（図３ａの左側参照）、対応するビーム方向変化によって行われる。光の再分配とは別に、第１の自由形状面は、光軸に対して傾斜した入射光が排他的に同じ光チャネルの第２の自由形状面に入射し、クロストークがなくなると自由形状領域が生じるために、さらに、常に、一般的な光収束を生成しなければならない。しかしながら、強度変調または透過変調された光分布がチャネルに設けられた投射レンズ上に完全に当たるという単一の自由形式によって保証することはできない。これは図３ａの右側の図に示されている。しかしながら、光軸に対してより強く傾斜したコリメートされた入射光は、最終的に投射レンズ１２ａのために設けられた空間領域の外側に部分的に位置する。これは図３ａの右側の図に示されている。結果として、投影レンズレットの領域におけるクロストークは、クロストークがない自由形状領域をもたらすために、入射角スペクトルが強く制限されている場合にのみ回避することができる。
【００４４】
定義された方法で投射レンズ／投射光学系に光をもたらすためには、第２の自由形状面が必要である。実施形態では、この自由形状面は第２の光学素子２６の入力側（広い光学基板の入射面のように、図３ｂ参照）に配置される。ここでの好ましい変化は、光源１６ａがケーラー照明原理（図３ｂ，ｃ参照）に対応して収差的な方法で投射光学系１２ａの入力瞳に結像することである。第２の自由形状面は、強度パターン化された光分布のビーム方向を適切な方法で転換しなければならない。
【００４５】
２つの自由形状面（図３の実施形態では１つの投射レンズのみ）に続く投射光学系１２ａの効果は、２つの異なる方法で解釈することができる。第１の２つの自由形状面は、放射角にさらに影響を及ぼす強度構造の光分布を生成する。２つの自由形状面の共通の効果は、発散光の入射にもかかわらず、わずかにぼけた物体光パターンを形成する。この場合、これは第２の自由形状面に近い仮想物体パターンである。最良の物体パターンのより正確な図は、図４および図５に見ることができる。投射レンズは、この仮想物体パターンをターゲットに結像させる。第２の方法の説明は、図３ｂ、ｃに示される。チャネル（または光軸が規定することが困難な場合の中心軸）の光軸に沿ったコリメートされた入力光に対して、ターゲット上の所望の光パターン１４ａ''が２つの入力自由形状によって生成される。ここでは投射レンズ１２ａは不要である（図３ｂの左右参照）。投射レンズのない傾斜したコリメートされた光に対しては、収差があるが主にシフトされたターゲット画像１４'''が生成される（図４ｃの右参照）。一方では、投射レンズは、ターゲット画像のシフトを防止する（図４ｂ参照）、すなわち、パターン化された照明分布を塗りつぶす主効果を減少させ、他方、収差が低減される。さらに、光分布におけるぼけ効果の完全な回避を防止するさらなる収差が存在し得る。また、図３ｄ、ｅは、入射光の増大した角度発散を伴うターゲット光分布の増加するスミアリングを示す。ここでの投射光学系は、約＋／−７°の開口数のために設計されている。入力ビーム角度発散＋／−４．５°（図３ｄ参照）では、投射レンズはまだ完全に光で満たされていない。すなわち、エタンデュは依然として光学系によってかなり増加している。光分布パターンのぼけはほとんどない（図３ｄおよび３ｄの右図参照）。投射光学系がないと、ターゲット上に激しい光分布のぼけがあり（図３ｄの左側参照）、そのような場合には、純粋に屈折効果によって生じるより微細な構造分解能は不可能である。＋／−７°（エタンデュ保全）の達成可能な最大角度限界に近い約＋／−６°の入力角度の広がりの増加により、収差によって引き起こされる顕著なぼけ効果が見える（図３ｅ）。それにもかかわらず、これらのパターンスミアリング効果は、従来の単一または２つの領域の自由形状ビーム整形（Zwick、Feng、Ries、Oliker）よりも桁違いに小さい。このように、２つの屈折自由形状要素と投射レンズとの協働は、ぼけ効果を劇的に減少させる。残りの構造的なぼけの主な原因の詳細な議論を、以下に、図４，図５参照して説明する。
【００４６】
鮮明な照明パターンを生成するために、（吸収／反射開口、グレースケールフィルタ等のような）追加の透過変調構造２０ａを使用することができる（図３ｆ参照）。図３ｆにおいて、投射光学系は、投射結像の理想的な物体面が第１の２つの自由形状面の間に位置するように調整されている。従って、図３ｆの左の開口構造２０ａは、投射光学系／投射レンズの理想的な物体面の外側にあり、その結果、焦点外れの結果として開口構造のあいまいな結像が生じる。コントラストのある第１の２つの自由形状レンズの間の開口構造は、幾分シャープなターゲット面上に結像される。より多くの開口構造は、スプリアスおよび迷光の最小化に役立つ（図９，１４−１８の下側を参照）。屈折自由形状のビーム整形と透過変調構造との協力により、ターゲット上の鮮明な光パターンを同時に高効率で達成することができる。自由形状のビーム整形は、送信変調構造体の適合照明を生成でき、透過変調構造体は、わずかな光だけをフェードアウトさせなければならない。
【００４７】
最も簡単な場合、投射光学系１２は、十分な結像品質で（自由形状のビーム整形または開口構造によって生成された）物体光分布をターゲットに転写する球面、円錐または非球面の単一投射レンズを含む。例えば、大きな開口数が必要とされるあるいは色誤差の結果として、結像品質が十分でない場合、マルチ表面投射対物が適用されてもよい。複雑なやり方で分配される「物体光パターン」および重要なターゲット形状、さらには結像投射光学系のさらなる自由形状の表面が有利である（図５ｅ参照）。
【００４８】
図４は、単一チャネル６ａの自由形状ビーム整形における有効仮想物体パターン平面の位置を例示的に示す。相対的に強く発散する光１６ａ（図４の底部の矢印を参照、エテンデュ保全の結果として考えられるアレイプロジェクタの最大角度スペクトルにほぼ対応する）が光学要素に入射して、入力側の第１の２つの自由形状面８ａ，１０ａによって再分配される（ビーム整形器／プロジェクタ装置の残りの要素が図示されていない図４の自由形状面を参照）。破線で囲まれた面１５ａにおける入力側の第２自由形状面の直後の実光分布１３ａを考えると、殆どぼけて見えにくい光のパターンであることがわかる（破線で囲まれているトップのほとんどの面１５ａのグレースケール画像１３ａを参照）。光のぼけは、強いビーム角の発散を表す。この実際の光パターンから出発して、すべての光ビームは、それらのビーム方向に対応する後方向に延長される。すなわち、仮想光パターン１３ａ'，１３ａ"の特徴が以下で検討される。（投射光学系の設定または形状を使用して）結像のために選択された光パターンは、物体光パターン１３ａ'，１３ａ"となる。入力光の発散が強いにもかかわらず、この例では入力側の第１の自由形状面の方向に物体位置を有する弱くぼけた仮想物体光パターンが存在するという事実が観察され得る。
【００４９】
この仮想的に最小限にぼけた物体パターン平面をターゲットに結像させることにより、排他的な光再分布と従来の結像変換（物体面から像平面への結像）を用いて可能な最も鮮明な光パターンが得られる。最良の物体パターン平面の位置は、特定の設計によって制御することができる。
【００５０】
図５は、無限遠（遠方界）のターゲットを有するシステムを用いた自由形状アレイプロジェクタのいくつかの本質的な特性を示す。特徴量の大まかな近似は、簡略化されたモデルによって示され、従来のアレイプロジェクタとの違いが示される（DE 102009024894 A1、DE 102011076083 A1、Sieler）。自由形状アレイプロジェクタ２に関しては、（透過変調構造を使用しない）屈折光再分配プロセスのみが考慮される。さらに、考慮すべきことは近軸近似に限定され、中程度の光再分布プロセスにも対応する。自由形状のアレイプロジェクタのこの応用分野は、当然のことながら、これらの近似を越えても見出すことができる。
【００５１】
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【００５２】
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【００５３】
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【００５４】
ここで提示される自由形状のアレイプロジェクタ２において、各アレイチャネル６ａ内の集光レンズレットは、２つのそれぞれの自由形状構造に置き換えられている（図５ｂ，ｃ，ｄ参照）。図５では、これらの自由形状は、２つの基板の出力側と入力側に配置されている。ケーラー照明原理によれば、両方の自由形状面は、投射光学系の光軸に沿って理想的にコリメートされた入射光で収束光束を生成する（図５ｂ参照）。ここで、ターゲット上（または開口面上）の照射強度分布は、収束した全体的な光束（図５ｃ，ｄ参照）内のパワーの再分布によって追加的に可能にされる。光の再分配は、ビーム角を同時に考慮しながら、対応する自由形式設計方法[Michaelis、Feng、Rubinstein]を修正することによって可能になる。数学的により複雑な設計方法とは別に、単純化されたモデル考察は、一方で自由形状アレイプロジェクタの機能モードの理解を高め、他方では特徴量を推定するのに役立つかもしれない。
【００５５】
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【００５６】
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【００５７】
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【００５８】
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【００５９】
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【００６０】
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【００６１】
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【００６２】
さらに、記載された光学システムでは、例えば、第２の自由形状の照明を傾斜したコリメート光入射でシフトするような、さらなるぼけ効果が生じることがある。
【００６３】
従来のアレイプロジェクタと自由形式のアレイプロジェクタとの粗推定式を以下に比較する。
【００６４】
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【００６５】
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【００６６】
従来のアレイプロジェクタでは、所定の固定された物体位置を有する物体構造（スライドのような）が投射レンズによってターゲットに結像される。しかしながら、光の再光分布パターンでは、異なる照明強度は、異なる長手方向の位置または物体の位置から生じるようである（（Ｉ）参照）。これは、（物体平面（シェル）から像平面（シェル）までの）従来の結像では、最も適切な平均物体幅を適用しなければならないことを意味する（（ＩＩ）参照）。その結果、従来の自由形状の光再分布[Ries、Oliker、Michaelis、Rubinstein、Feng、Wu、Luo、Zhao]と比較すると、パターンぼけ効果の除去ではなく減少が得られる（V）参照）。
【００６７】
パターンぼけ効果のさらなる低減は、投射光学系の結像特性を適合させることによって達成することができる。有効物体光パターンは、縦方向（図５ｅ参照）に非自明の延長部を含む、すなわち自由形状面３８上に位置するので、１つまたはいくつかの自由形状面１２ａ'、１２ａ''を有する投射光学系１２ａは、は、ターゲット上で鮮明な結像を達成するために必要である。換言すれば、投射光学系１２ａは、投射画像における結像誤差（ぼかし効果のような）または複数の結像誤差を補正するように構成された少なくとも１つのさらなる屈折光学自由形状面１２ａ'、１２ａ"を備えることができる。結像誤差は、例えば、物体光パターンが平面内にあるのではなく、自由形状面３８上に位置し、したがって、平均して最大で自由形状面３８または物体光パターンに近い投射光学系（それ以上の自由形状面を持たない）の物体面によって配置されてもよいという事実によって生じてもよい。
【００６８】
新しい照明概念の重要な構成要素は、放射強度分布（または照射強度分布）およびビーム方向の両方が制御される２つの結合した屈折自由形状面のアレイである。文献では、典型的な解法は、例えば変動問題を用いて適切なアレイマッピングを決定し、続いて前記マッピング[Rubinstein、Feng]を用いて自由形状面の表面を計算することである。
【００６９】
自由形状面のデカルト楕円表現に基づいており、Olikerによって十分に知られている解法「支持放物面」のいくつかの考えを適応させる、比較的簡単な代替法を以下に示す。この方法では、単一の自由形状がデカルト楕円セグメントの離散集合によって表され、共通の焦点がソース構造上に位置する。他のデカルト楕円焦点は照明ターゲット（投射面）に分配され、すなわち、ターゲット分布を離散化するために使用される。これが、すべての表面または領域セグメントの焦点パラメータが確立される理由である。各セグメントは、依然として自由パラメータ−光源点と要素の間の距離または要素の厚さの尺度である光路長のパラメータを含む。これらのパラメータを変更すると、ターゲット位置での出力分布が変化する。光路長パラメータが決定されるという事実により、単一の自由形状面を使用してある種のターゲット分布を実現することができる。光路長のこれらのパラメータは、Oliker [Oliker]によって提案されたアルゴリズムを使用して決定することができる。
【００７０】
ビーム方向をさらに制御するために、第２の自由形状が必要である。レーザービーム成形は、そのような自由形状の光再分布[Shealy]の最もよく知られている例の１つであると考えることができる。この場合、ある入力強度分布を有する理想的にコリメートされたレーザビームは、２つの自由形状面を使用しながら、所望のターゲット強度を有するコリメートされた出力ビームに伝達することができる。光の再分配は以下のように説明することができる。第１の自由形状は、第２の自由形状面において正確に所望の出力強度パターンを生成する。もちろん、光の再分配にはビーム方向の変更が必要であるため、入射するビームをそこでコリメートすることはできない。従って、第２の自由形状は、適切な方法で屈折によってビーム方向を変化させる。これらの説明は、デカルト楕円形の表現と組み合わせることになる。第２の自由形状で所望の強度分布を生成するために、第１の自由形状面は、関連する焦点が正確に第２の自由形状に位置する楕円／円錐によって分解されなければならない。各入力セグメントによって収集された出力をコリメートするために、第２の楕円体／円錐セグメントが第２の自由形状面で使用される。関連する焦点は、対応する第１の自由形状に正確に配置されなければならない。従って、入射面と出射面の両方が、楕円／円錐の離散した組に分解され、個々の入力セグメントが特定の出力セグメントに関連付けられ、それぞれの焦点がそれぞれの関連する対応物に配置される（図６ａ参照）。二重の自由形状要素の特定の形状は、各セグメント対の波長パラメータに依存する。これらのパラメータは反復的に決定される。第２の自由形状の形状についての最初の仮定が、開始される。その後、単一の自由形式の場合と同様に、入力セグメント６１の経路長パラメータが得られる。各セグメント対の全体の経路長は、今や互いに異なっている。この情報は、出力セグメント６３ａの経路長パラメータを変更するのに使用できる。結果は、２番目の出力自由形式の新しい形になる。この手順は、収束するまで繰り返される。離散化する基本要素のタイプを変更することによって、角度分布の異なる状況を実現することができる。入力面の楕円面表示が維持され、出力面の楕円面が従来のデカルト楕円６３ｂに置き換えられた場合、結果は集束ビーム束（図６ｂ参照）による放射強度分布（または照度分布）になる。ビーム方向の重要でない分布は、一般化された楕円６３ｃを用いて得ることができる（図６ｃ参照）。充分に多数の離散要素を使用して滑らかな自由形状面が生成される。
【００７１】
換言すれば、第１の屈折光学自由形状面８は、空間光再分布および／または光源によって照射される光ビームのビーム角の制御を行うように実施することができる。代替的にまたは追加的に、第２の屈折光学自由形状面は、ケーラー照明に従って収束的に投射光学系１２に光ビームを導くように構成することができ、第１および第２の屈折光学自由形状面は、互いに影響を及ぼす。
【００７２】
図７は、図２による自由形状のアレイプロジェクタ２の概略部分を示しているが、透過変調構造（吸収開口など）はない。このような光学系は、集光アレイ面が２つの自由形状のアレイ面で置き換えられたハニカム集光[WAKO]の一般化であるとも考えられる。ターゲット光パターンを生成することは、チャネル内にパターン化された、通常は仮想の光分布を生成し、投射レンズによってそのターゲット上に結像させる屈折自由形態の光再分布によって排他的に行われる。このような構成の利点は、理想的な場合には、完全に反射する表面に対して１００％の透過が得られることである。さらに、光学系はエタンデュ保全に近い動作をする。しかしながら、高解像度の投射光学系を使用する場合でさえ、屈折的に生成される光分布が収差を含むので、ターゲット上の非常に鮮明な光分布を生成することができない。この収差に起因するぼけは、通常、入力角の発散の増加に伴って、すなわち潜在的にほぼ可能なエテンデュ保全に近づくと増加する（図３ｄ，ｅ参照）。加えて、このような構成では、個々のチャネル間の遷移（例えば、製造上の形状偏差によって生じる）においても迷光が形成される可能性がある。このような自由形状のアレイプロジェクタまたは自由形状のハニカム集光は、したがって、かなり滑らかなターゲット画像を有する用途およびある迷光耐性の場合に使用される。
【００７３】
図８は、図５の自由形状アレイプロジェクタ（光源光均質化/色混合等）の混合及び均質化効果を概略的に示す。光源光１６は、１つまたは複数の、および均質な、または構造化された、かつ単色の、多色または白色放射光源から発生することができる。非常に頻繁に、光源は空間的に強くパターン化されるが、角度空間においてむしろ連続的な光分布を示す。この理由から、照射のためのケーラー原理が好ましくは使用され、光源角分布が空間ターゲット位置に転写される。図８の太い連続的な矢印４０は、この機能のモードを例示的に示している。同様に、ケーラー照明原理は図３に容易に見て取ることができる。アレイ特性のために、考慮されたソース角度の発散の合計は、ターゲット表面に重ね合わされた複数のサブ間隔にさらに分割される（図８の破線の矢印４２参照）。これにより、さらなる光混合を達成することが可能になる。自由形式のアレイプロジェクタでは、この配置にはさらなる意味がある。十分に良好な屈折光再分布を生成するために、入力光分布は周知でなければならない。小さな角度間隔では、この分布は準均質であると考えることができる。
【００７４】
非常に高い空間周波数と高い光学系透過率の両方を有するターゲットパターンを得るために、屈折自由形状のビーム整形および吸収／反射の光退色を組み合わせることができる。図９は、そのような光学要素の機能モードを示す。ここで屈折自由成形されたビーム形状は、アパーチャ構造を通過する光の大部分を伝播させ、さらに光を投射レンズ上に（例えばケーラー照明原理に従って）転写するために使用される。したがって、両方の照明自由形状は、開口に適合した実空間光パターンを生成すると同時に、ケーラー照明原理を保証するためにビーム角度を制御する。図９の左側のインセット２７の太い矢印１６は、光ビームが開口構造を通って好ましくは案内されることを示している。開口構造は、投射光学系の理想的な物体面／物体空間に配置され、結果的にターゲット上に鮮明に結像される。すなわち、図７とは対照的に、非常に鋭い構造エッジを有する文字列が形成される。換言すれば、透過変調構造２０は、透過変調構造２０の光透過領域２９ａにおける照射強度の増加に基づいて物体光パターンを形成することができる。このように、透過変調構造と自由形状の光再分配との協力は、物体光パターンを形成することができる。さらに、投射光学系１２は、投射光学系の像面における物体光パターンの照明を得るために、透過変調構造から物体光パターンを結像することができる。
【００７５】
図１０は、図２と比較すると、逆光パターンが純粋に屈折効果によって生成できることを示している。ここでは、屈折自由形状のビーム成形とそれに続く投射によって、明るい背景に暗い文字列が生成された。インセット８ｉと８ｉ'と１０ｈと１０ｈ'における窪みとバルジがここに交換される。
【００７６】
スプリアスエッジ、不感帯などの、個々のアレイチャネル間の製造に起因する非理想的な遷移領域は、迷光および散乱光を生じ得る。さらに、不十分な光コリメートは、アレイ光学系の受光角度領域の外側の迷光および散乱光にもつながり、個々の光チャネル間のクロストーク、ひいてはターゲット照明に近いゴースト画像を生じる。このようなスプリアス効果を最小限に抑えるために、さらなる吸収／反射構造を導入することができる。これらは、開口層および個々のチャネル間の絶縁開口壁の両方であってもよい。図１１は、特に簡単な開口構成を例示的に示す。第１の自由形状アレイの前の開口４４は、個々のチャネル間の理想的でない遷移領域をカバーするために使用されてもよい。特に、このような開口は、理想的な光学系表面の不連続的または不連続的に微分可能な遷移に非常に有用である。同様のことが、２つの自由形状アレイ間または第２の自由形状アレイのすぐ後ろの開口４６,４８にも当てはまる。しかしながら、このような開口は、投射結像光学系の物体面が開口に近接しているときに二重の機能を発揮してもよい。この場合、迷光の最小化とシャープなターゲットパターンの詳細の両方を同じ開口構造によって行うことができる。対照的に、投射アレイと第２の自由形状アレイとの間の開口は、チャネルクロストークを最小にするためにむしろ役立ち得る。換言すれば、投射装置は、迷光および／または散乱光を抑制する少なくとも１つのさらなる透過変調構造４４,４６,４８を備えることができる。
【００７７】
全てのチャネルの全ての光分布を互いに重ね合わせると、所望のターゲット光分布が得られる。任意選択で、すべてのチャネルが同じターゲット光分布を生成することができ（図２，８−１１および図１２の左を参照）、最大限の均質化を可能にする。しかしながら、異なるチャネルタイプはまた、異なるターゲットの照明５０ａ，５０ｂ（図１２右参照）を生じ、ターゲット上のすべての光分布を重ねるだけで、最終的な分布の所望の形状を生成する。これは、ターゲットを完全に照射するために非常に高い放射角度が必要な場合に特に実用的である。より小さい開口数を有する異なるチャネルタイプは、ターゲットの異なる領域をカバーすることができる。異なる光学領域は、トポロジー的に異なる透過変調構造及び照明自由形態を含む。例えば、仮想物体光パターンの強く異なる結像方向または定性的に異なる位置を考慮するために、投射装置のエリア依存性の定性的に異なる結像光学系が生じてもよい。巧みなチャネルの重ね合わせによって、個々のチャネル、特に照明の自由形状に対する要求が緩和される。
【００７８】
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【００７９】
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【００８０】
また、以下、図１４〜図１８について説明する。図１４は、第２の屈折光学自由形状面１０と投射光学系２０との間の平面内にプリズム屈折光学自由形状面８，１０及び透過変調構造２０を有する投射装置２を示す。図１５は、図１４の投射装置を示し、開口構造２０は、第１の屈折光学自由形状面８と第２の屈折光学自由形状面１０との間の平面内に配置されている。図１６は投射装置２を示しており、ここでは光チャネルのアレイ内に第１および第２の屈折光学自由形状面８，１０、開口２０および投射光学系１２が傾斜面に存在し、投射装置の傾斜面は段差を含む。図１７は図１６の投射装置２を示しており、ここでは投射光学系の傾斜面は連続的な構造を有し、段差は存在しない。図１８は、図１７の投射装置を示しており、光源４も傾斜面上に配置されている。
【００８１】
図１２では、明るくされない矩形の背景上の明るい三角形がターゲット上に生成される。２つの入力側自由形状は、少なくとも近似的に歪んだ矩形のエッジ形状（矩形入力分布から矩形出力分布へのマッピング）を含む。しかしながら、背景照明のない三角形の分布が、長方形レンズレット配列による純粋な自由形状のビーム成形によってターゲット上に得られる場合、対応する自由形状のエッジは、光源およびターゲット分布のトポロジを反映する。この場合、これは、歪んだ準矩形の入力自由形状からの光が歪んだ三角形の自由形状に変換されることを意味する（図１４参照）。しかしながら、入出力分布のトポロジー的に異なる形態とは別に、出力分布に強い非対称性が生じる。一方、入力光では、アレイチャネルごとに均質な分布が仮定できるが、出力分布の三角形の形態のため、各アレイチャネルの光は非対称に強く分布しなければならない。これは、自由形状８，１０の顕著なブレーズ特性（プリズム形状）によって行われる。入力側の第１の自由形状は、三角形のベース領域の方向に多くの光をもたらす必要があり、入力側の第２の自由形状は、ビーム角度補正用のビームの部分的なタイルバックを引き起こす。しかしながら、自由形状のこのブレーズ特性は、異なるチャネル間の遷移における光学表面における強い不連続性をもたらす。これらのブレーズバックエッジは、一方では迷光となり、他方では、構造物を製造する際の困難さとなる。迷光の最小化は、開口構造２０（図１４参照）を導入することによって再び可能にすることができる。ここで、迷光解析は、ほとんどの異なる開口位置および形状に対して実行されなければならない（図１４,１５参照）。
【００８２】
一般的に、簡単な平面アレイのチャネル配置が維持されている場合（図２〜図１５参照）、パワーの再分配におけるいかなる非対称性によっても、構造的不連続性が潜在的により強くなる。顕著な最小化、および部分的には不連続性の除去さえも、適合されたチャネル構成によって達成することができる。このような変更を実現する簡単な方法は、傾斜面上のチャネル配置である（図１６，１７参照）。非常に頻繁に、有効な焦点距離（図５参照）（マイクロ光学系）と自由形式のアレイプロジェクタの横方向の広がりは、光学系−ターゲット距離の倍数だけ小さくなる。この場合、ターゲットパターンは、チャネル − ターゲット距離の小さな変動が重要な役割を果たさない遠距離フィールド分布であると理解することができる。パワー分布非対称性は、すべてのチャネル遷移において同様の不連続関係を生じる。同様の平均不連続高さの相違（ここでは２つの寸法）によるチャネルの長手方向シフトによって、結果は、不連続性が大幅に減少した傾斜面上のアレイとなる（図１６，１７参照）。勿論、アナログ戦略は、ほぼ有限で適用されるが、非常に小さい光学系−ターゲット距離には適用されない。例えば、コリメートされた傾斜した光源ユニット４（一次光学系を有する光源、図１８参照）、または図１３に対応する追加の変換光学系によって適合された入力分布を提供することがここに有利であり得る。換言すれば、少なくとも１つの光学構造は、投射光学系の像面に非対称な光分布を生成するように構成でき、光学構造は、隣接する光チャネル６の相互に隣接する光学構造間の不連続性を低減するために、傾斜した平面上に配置され、投射光学系１２は、非対称な光分布に基づいて画像を投射するように構成される。光学構造は、第１または第２のまたはさらなる屈折光学自由形状面、透過変調構造、またはさらには光源であってもよい。
【００８３】
有限光学系−ターゲット距離または個々のチャネルの重要でない主ビーム傾斜分布（図１２と同様に光学系を重ね合わせるため）では、不連続なチャネル遷移を最小にするために、チャネルごとに異なる縦方向のチャネルシフトが必要となる。その結果、個々のチャネルは、湾曲した包絡面６５ａ，６５ｂ，６５ｃ（図１９参照）上に配置される。これは、アレイエンベロープ、すなわち光学粗構造が、屈折によってチャネルの主ビームをチェックすることを意味する（例えば、図１９の矢印参照）。コントラストにおける個々のチャネルの照射強度分布は、チャネル微細構造および透過変調ユニットによって生成される。したがって、曲面上のチャネル構成によって、図１３に対応する追加の光学系の機能は、一方で、自由形式のアレイプロジェクタ自体によって実行され、他方では、チャネル間の不連続／不感帯ゾーンは同時に最小化される。チャネルエッジが隣接チャネルのセクションカーブによって決定される場合、不連続／不感帯は完全に回避することができる。光学形式は、個々のチャネル構造の極限（[Michaelis]に類似して）を形成することによって生成される。換言すれば、第１および／または第２の屈折光学自由形状面および／または互いに隣接する光チャネルの投射光学系は、共通の湾曲したエンベロープ６５ａ，６５ｂ，６５ｃ上に配置することができ、互いに隣接する光チャネルの主放射角６７ａ，６７ｂ，６７ｃは、投射アーチファクトおよび／または光学的に不活性な領域および／または画像を重ね合わせるときにアレイチャネル間の不連続性を完全に回避するか、または少なくともかなり低減するように適合される。さらに、エンベロープは、さらなる（屈折性）光学系として機能することができ、または同じ効果を有する光学自由形状面５２，５４の機能を果たすことができる（図１３参照）。したがって、光学的に活性な自由形状の表面がなくても、光の再分配によって、かつ損失のある光退色によって限られた範囲でのみ、ターゲット分布を大きく達成することができる。不感帯は、例えば、隣接する光チャネル間または光チャネルのエッジ領域内の遷移領域において特に生じ得る光学的に不活性な領域であってもよい。したがって、投射アーチファクトを低減するために、チャネル間に多くの光を減衰させるデッドゾーンまたは光学的に不活性な領域は生成されない。投射装置の光透過率は最大化される。
【００８４】
ほとんどの異なるタイプのタイルまたはモザイクが、チャネル構成に適用されてもよい。また、図１〜図１８において、簡略化のために、長方形の配列方式が適用された。図２０は、例示的に、６つの異なるタイプのタイリングが示されている、光チャネルのアレイにおける光チャネルの６つの例示的な構成を例示的に示す。タイリングのタイプにはさまざまな選択基準がある。光学的効果が可能な限り単純に実施される完全なタイリング（すなわち、わずかな不感帯、小さな未使用領域、わずかな退色）が達成されるべきである。後者は、好ましくは、自由形式の再分配プロセスをほとんど行わないことを意味する。一方では、これにより光学表面がより容易になる。一方、エテンデュ維持（図５参照）によれば、ビーム角スペクトルはそれほど影響を受けない。光学的に活性な領域を有する入力側自由形状アレイの完全なタイリングは、効率の理由から望ましい。入力側の第２自由形状面（チャネル毎）のエッジ形状は、効率を最大にする場合には、チャネルのターゲット照明形状によって粗く決定される。できるだけ容易に軽い再分配を実現するために、入力側の第１および第２の自由形状面のエッジ／サイズの類似性が有利である。適切なタイプのタイリングをこれから決定することができる。保護レンズ／光学系の適切なタイル張り方法も同様に考慮されるべきである。一方では、入力瞳孔の照明は光源の形状（ケーラー照明）によって決定される。他方、製造面も考慮する必要がある。例えば、高品質の結像マイクロレンズを生成するためには、リフロー法およびＵＶ成形が実用的であり得る。この場合、通常は丸いレンズエッジのみが存在し、これは、例えば、実用的には、六角形のタイリングを行うように見える。換言すれば、光チャネルは、六角形、矩形、帯状の歪んだ、規則正しい、不規則な、または確率的なタイリングを含むことができる。
【００８５】
対照的に、より一貫性の高い光源では、周期的な配置は、グリッド効果を妨害する可能性がある。このような場合、確率的な取り決めはむしろ実用的であろう。
【００８６】
自由形式のアレイプロジェクタは、色収差を示すことがある。異なる光学材料が使用される色誤差の古典的な収差補正は可能であるが、はるかに複雑な光学系をもたらす。ここでの対策は、個々のチャネルが限られた波長スペクトルのみを扱い、波長に直接補正することである。これは、異なる色源６０によってのみ異なるチャネル群を照明することによって達成することができる。別の方法は、カラーフィルタを光チャネルに組込むことである（図２１参照）。換言すれば、光チャネルのアレイの２つのチャネルまたは２つのチャネル群が、異なる波長領域を処理するように構成され、第１のチャネルまたは第１のチャネル群は、第１の波長範囲の結像誤差を低減し、第２のチャネルは第２のチャネル群を使用して第２の波長範囲の結像誤差を低減する。
【００８７】
図２２は、少なくとも１つの光源および光チャネルのアレイを有する投射装置を用いて投射する方法２１００の概略フローチャートを示す。この方法は、光源と投射光学系との間に第１および第２の屈折光学自由形状面を配置するステップ２１０５と、第１および第２の屈折光学自由形状面を用いて、物体光パターンにより投射光学系のケーラー照明を生じさせ、画像が投射光学系の像面に投射されるステップ２１１０と、光チャネルのアレイの像を互いに重ね合わせるステップ２１１５とを含む。
【００８８】
本発明のさらなる実施形態は、以下の実施例に関する。
【００８９】
（１）少なくとも１つの光源と、隣接する光学チャネルからなる任意選択の主光学系とを有するビーム整形器または投射ユニットであって、
−各チャネルは、少なくとも２つの光学的に屈折を有する自由形状面と、投射レンズ/光学系と、１つまたは複数の強度変調構造とを備え
−入力側に配置された光学自由形状面は、空間的な実及び／又は仮想光パターンが一方で形成され、下流の投射レンズ／光学系のケーラー照明が他方で可能となるように、空間光再分布及びビーム角度制御の両方をもたらし
−投射レンズ／光学系は、自由形状光再分布によっておよび強度変調ユニットによって生成された光パターンを、１つまたは複数の実ターゲットまたは仮想ターゲットに所望の方法でもたらし
−すべてのチャネルの個々の光分布を１つまたはいくつかの実および/または仮想ターゲットに重ね合わせることにより、所望の全体的な光分布が得られる。
【００９０】
（２）各チャネルにおいて、２つの入力側光学自由形状面が、空間再分配および光源光分布からのビーム角の影響により、最小限のぼけ効果を有するチャネル方向の所望の仮想物体光パターンを生成し、かつ下流投射レンズ／光学系がこれらの仮想物体光パターンを、可能な最良の方法で１つまたは複数の実および／または仮想ターゲット上に投射する、強度変調ユニットのない実施例１によるビーム整形器または投射ユニット
【００９１】
（３）２つの入力側自由表面に起因して形成された複雑な仮想物体パターンの収差を最小にするために、投射光学系が１つまたはいくつかの自由形状面を含む、先の実施例のいずれかによるビーム成形器または投射ユニット
【００９２】
（４）空間的な再配分とビーム角度に影響を与えることによって損失が少なく、下流の投射レンズ／光学系は形成可能な光パターンを１つまたは複数の実および／または仮想ターゲットに可能な限り最良に結像させることにより、各チャネルにおいて、２つの入射側光学自由形状面が強度変調ユニットを介して光源光を導く、実施例１によるビーム整形器または投射ユニット
【００９３】
（５）ほぼすべての光チャネルがほぼ同じターゲット光分布を生成し、したがって最大限度の均質化または潜在的な色混合を生成する先の実施例のいずれかによるビーム整形器または投射ユニット
【００９４】
（６）光チャネルのすべてまたは群が、潜在的に異なるターゲット位置で異なるターゲット光分布を生成し、すべての光チャネルを重合わせることによってターゲット上の全体の光分布が形成される、先の実施例のいずれかによるビーム整形器または投射ユニット
【００９５】
（７）光の再分配によって主に達成され、光吸収によって限られた程度にのみ達成されるように、個々のチャネルの主ビーム角分布を光源および所望のターゲット分布に適合させる、全ての／いくつかのチャネルに共通の下流および／または上流の付加的な光学表面／自由形状面を有する、先の実施例のいずれかによるビーム整形器または投射ユニット
【００９６】
（８）光学系の受光角度領域の外側の入射光により生じる個々のチャネル間の理想的ではない構造的な移行や粗さ／構造的な形状の偏差のような製造起因のアーチファクト（外部からの入射光によって生じる）の結果として、チャネル配置および光学的形態（不感帯、スプリアスエッジ、チャネル遷移領域など）により、潜在的に光学的に不活性な領域によって引き起こされる迷光および散乱光を抑制および最小化するために、アパーチャ層のような異なる、さらには強度変調構造を有する先の実施例のいずれかによるビーム整形器または投射ユニット
【００９７】
（９）すべてのチャネル、すなわち照明自由形状面、投射レンズ／光学系および強度変調構造の全ての光学構造が平面基板上に位置する、または平面上に配置される、先の実施例のいずれかに記載のビーム整形器または投射ユニット
【００９８】
（１０）光学構造の少なくともいくつかが傾斜面上に配置され、隣接チャネルの光学構造間の不連続／急峻な遷移が非対称の光分布で最小限に抑えられる、先の実施例のいずれかによるビーム整形器または投射ユニット。
【００９９】
（１１）光学構造の少なくともいくつかが湾曲した自由形状面上に配置されており、個々のチャネルの主放射角がこれによって適合されていてもよく、かつ同時に、光学チャネル間の不連続／急峻な遷移／不感帯／光学的に不活性な領域を低減または防止することができる前述の実施例のいずれかによるビーム整形器または投射ユニット
【０１００】
（１２）六角形、矩形、帯状の配置のような光チャネルの異なる配列またはタイル状のトポロジが存在してもよいが、確率的タイリングまで歪んだ規則的および不規則な配置さえ適用することができる、先の実施例のいずれかによるビーム整形器または投射ユニット確率的タイリングを適用することができる。
【０１０１】
（１３）異なる光チャネル／チャネル領域が、チャネル内の追加の異なるカラーフィルタに起因するか、または異なる関連するカラー光源ユニットにより、限定された波長のみを提供し、かつチャネルごとの光学系構造の適応による色収差のチャネル方向の補正を保証することができる、先の実施例のいずれかによるビーム整形器または投射ユニット
【０１０２】
いくつかの態様は、装置に関連して説明されているが、これらの態様は、対応する方法の説明も表しているので、装置のブロックまたは要素は、対応する方法ステップまたは方法ステップの特徴であると理解されるべきである。同様に、方法ステップに関連して、または方法ステップとして記載されている態様は、対応するブロックまたは対応する装置の詳細または特徴の記述も表す。
【０１０３】
上述した実施形態は、本発明の原理の例示に過ぎない。本明細書に記載されている構成および詳細の変更および変形は、当業者には明らかであると理解されるべきである。したがって、本発明は、実施形態の説明および論述を用いて本明細書に提示されている具体的な詳細ではなく添付の特許請求の範囲の保護の範囲によってのみ限定されることが意図されている。
参考文献
【０１０４】
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【図１】
2018527620.tif 000017
【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【手続補正書】
【提出日】平成29年11月14日(2017.11.14)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの光源（４）および光チャネル（６，６ａ，６ｂ，６ｃ）のアレイを含む投射装置（２）であって、各チャネルは、
第１および第２の屈折光学自由形状面（８，８ａ，８ｂ，１０，１０ａ，１０ｂ）および投射光学系（１２，１２ａ，１２ｂ）を備え、
前記第１および第２の屈折光学自由形状面（８，１０）は、前記少なくとも１つの光源（４）と前記投射光学系（１２）との間に配置され、物体光パターン（１３，１３ａ，１３ｂ，１３ａ’，１３ａ’’）によって前記投射光学系（１２）のケーラー照明を引き起こし、前記アレイの前記光チャネルの画像を前記投射光学系（１２）の像面上に重ね合わせることによって投射される画像（１４）を生じ、前記物体光パターン（１３，１３ａ，１３ｂ，１３ａ’，１３ａ’’）は、前記投射光学系（１２）によって結像される光パターンであり、光分布を含む、投射装置（２）。
【請求項２】
前記投射光学系（１２）の像平面に投射される前記画像を生成するために、透過変調構造なしでの結像と比較して、空間的な高周波パターンを前記物体光パターン（１３ａ，１３ｂ）に強く影響させるように構成された透過変調構造（２０，２０ａ，２０ｈ）を含む、請求項１に記載の投射装置（２）。
【請求項３】
前記第１の屈折光学自由形状面（８）は、前記光源によって発せられた光線の空間光再分配および／または光線方向角の制御を行うように構成され、および／または
前記第２の屈折光学自由形状面は、光線を前記投射光学系（１２）にケーラー照明に従って収束するように方向付けるように構成され、
前記第１および第２の屈折光学自由形状面は互いに影響を及ぼす、請求項１または２のいずれかに記載の投射装置（２）。
【請求項４】
前記第１および／または第２の屈折光学自由形状面（８，１０）は、前記透過変調構造（２０）の光透過領域において、前記透過変調構造の光不透過領域への放射照度と比較するとより高い放射照度を得るために、前記透過変調構造（２０）の前記光透過領域（２９ａ）において、前記光源（４）から光（１６）の放射照度を増すように構成されている、請求項１ないし３のいずれかに記載の投射装置（２）。
【請求項５】
前記透過変調構造は、前記透過変調構造（２０）の光透過領域における前記増加した放射照度に基づいて物体光パターンを形成し、前記投射光学系（１２）は、前記投射光学系（１２）の像面において物体光パターン（１３）による照明を得るために、前記透過変調構造から物体光パターンを結像するように構成されている、請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記第１および第２の屈折光学自由形状面（８，１０）は、実際の光パターン（１３ａ）に基づいて、前記光源（４）と前記第２の屈折光学自由形状面（１０）との間の光チャネル（６ａ）内で仮想物体光パターン（１３ａ'／１３ａ''）を生成するように構成され、前記仮想物体光パターンは、前記投射される画像の結像から生じ、且つ、前記実際の光パターンは、前記第１および第２の屈折光学自由形状面を透過した後に形成される、請求項１ないし４のいずれかに記載の装置。
【請求項７】
前記投射光学系（１２）は、前記投射される画像を、実投射面または仮想投射面（１８）に結像するように構成されている、または
前記光チャネルのアレイの前記投射光学系は、前記投射される画像を、実投射面または仮想投射面（１８）上に重ね合わせるように構成されている、
請求項１ないし６のいずれかに記載の投射装置（２）。
【請求項８】
前記光チャネルのアレイの個々のチャネルは、同じ被写体を有する画像を実投射面または仮想投射面に重ね合わせるように構成されている、請求項１ないし７のいずれかに記載の投射装置（２）。
【請求項９】
前記光チャネルのアレイの前記個々のチャネルまたはチャネル群は、実投射面または仮想投射面（１８）上に互いに異なる画像を生成するように構成されており、前記異なる画像（５０ａ，５０ｂ）を少なくとも部分的に重ね合わせることによって、全体画像（５０）が前記実投射面または仮想投射面（１８）上に生成される、請求項１ないし８のいずれかに記載の投射装置（２）。
【請求項１０】
前記光チャネルのアレイの２つのチャネルまたは２つのチャネル群は異なる波長範囲を処理するように構成され、前記第１のチャネルまたは前記第１のチャネル群は、第１の波長範囲の結像誤差を低減し、前記第２のチャネルまたは前記第２のチャネル群は、第２の波長範囲の結像誤差を低減するように構成された、請求項１ないし９のいずれかに記載の投射装置（２）。
【請求項１１】
前記投射装置は、異なる波長範囲の複数のカラーフィルタまたは複数の光源を含み、前記複数のカラーフィルタまたは前記複数の光源は、第１の波長範囲の光を前記第１のチャネルまたは前記第１のチャネル群に導き、前記第２の波長範囲の光を前記第２のチャネルまたは前記第２のチャネル群に導くように構成されている、請求項１０に記載の投射装置（２）。
【請求項１２】
前記光源（４）と前記第１の屈折光学自由形状面（８）との間、および／または投射光学系（１２）の後ろの、少なくとも２つのチャネルからなる前記光チャネルのアレイは、主に光の再分配によって前記光チャネルの主光線角度分布を設定するように構成された共通の屈折光学構造体（５２，５４）を含む、請求項１ないし１１のいずれかに記載の投射装置（２）。
【請求項１３】
前記投射光学系（１２）は、投射された画像における結像誤差または複数の結像誤差を補正するように構成された少なくとも１つの更なる屈折光学自由形状面（１２ａ'，１２ａ"）を含む、請求項１ないし１２のいずれかに記載の投射装置（２）。
【請求項１４】
前記光チャネルのアレイのすべてのチャネルの光学構造が、平面基板上および／または平面内に配置される、請求項１ないし１３のいずれかに記載の投射装置（２）。
【請求項１５】
少なくとも１つの光学構造は、前記投射光学系の像平面において非対称的な光分布を生成するように構成され、前記光学構造（８，１０，１２，２０）は、隣接する光チャネル（６）の互いに隣接する光学構造の間の不連続性を低減するために、傾斜面上に配置され、かつ、前記投射光学系（１２）は、非対称な光分布に基づいて画像を投射するように構成されている、請求項１ないし１４のいずれかに記載の投射装置（２）。
【請求項１６】
互いに隣接する光チャネルの前記第１および／または第２の屈折光学自由形状面および／または前記投射光学系がそれぞれ共通の湾曲エンベロープ（６５ａ，６５ｂ，６５ｃ）上に配置され、前記互いに隣接した光チャネルの主光線の方向角（６７ａ，６７ｂ，６７ｃ）は、前記画像を重ね合わせる際の投射アーチファクトおよび／または光学的に不活性な領域および／または前記アレイチャネル間の不連続性を避けるために適合される、請求項１ないし１５のいずれかに記載の投射装置（２）。
【請求項１７】
前記投射装置が、散乱および／または迷光を抑制する少なくとも１つのさらなる透過変調構造（４４，４６，４８）を含む、請求項１ないし１６のいずれかに記載の投射装置（２）。
【請求項１８】
前記光チャネル（６）が、六角形、矩形、帯状、歪んだ規則的な、不規則な、または確率的なタイリングを含む、請求項１ないし１７のいずれかに記載の投射装置（２）。
【請求項１９】
少なくとも１つの光源と光チャネルのアレイとを含む投射装置を使用して投射するための方法（２１００）であって、前記方法は、
前記光源と投射光学系との間に第１または第２の屈折光学自由形状面を配置するステップ（２１０５）と、
前記第１および第２の屈折光学自由形状面を用いて、前記投射光学系のケーラー照明を物体光パターンによって引き起こすステップ（２１１０）であって、前記物体光パターンは、前記投射光学系によって結像される光パターンであって、光分布を含むステップと、
前記光チャネルのアレイの前記画像を前記投射光学系の像面内で互いに重ね合わせて、投影される画像をもたらすためのステップ（２１１５）と、を含む方法。
【国際調査報告】
2018527620.tif 000040
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2018527620.tif 000043