[go: up one dir, main page]

WO2021229848A1 - 光学系装置および光学素子製造方法 - Google Patents

光学系装置および光学素子製造方法 Download PDF

Info

Publication number
WO2021229848A1
WO2021229848A1 PCT/JP2020/047275 JP2020047275W WO2021229848A1 WO 2021229848 A1 WO2021229848 A1 WO 2021229848A1 JP 2020047275 W JP2020047275 W JP 2020047275W WO 2021229848 A1 WO2021229848 A1 WO 2021229848A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
light
lens
irradiation unit
optical element
optical system
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/JP2020/047275
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
縄田晃史
中村智宣
田中覚
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Scivax Corp
Original Assignee
Scivax Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Scivax Corp filed Critical Scivax Corp
Priority to JP2021521863A priority Critical patent/JP7061823B2/ja
Priority to US17/924,936 priority patent/US20230204824A1/en
Priority to CN202080100825.4A priority patent/CN115552278B/zh
Publication of WO2021229848A1 publication Critical patent/WO2021229848A1/ja
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B3/00—Simple or compound lenses
    • G02B3/0006—Arrays
    • G02B3/0037—Arrays characterized by the distribution or form of lenses
    • G02B3/0056—Arrays characterized by the distribution or form of lenses arranged along two different directions in a plane, e.g. honeycomb arrangement of lenses
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/481—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B3/00—Simple or compound lenses
    • G02B3/0006—Arrays
    • G02B3/0037—Arrays characterized by the distribution or form of lenses
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B3/00—Simple or compound lenses
    • G02B3/02—Simple or compound lenses with non-spherical faces
    • G02B3/04—Simple or compound lenses with non-spherical faces with continuous faces that are rotationally symmetrical but deviate from a true sphere, e.g. so called "aspheric" lenses
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/02—Diffusing elements; Afocal elements
    • G02B5/0273—Diffusing elements; Afocal elements characterized by the use
    • G02B5/0284—Diffusing elements; Afocal elements characterized by the use used in reflection
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/02—Diffusing elements; Afocal elements
    • G02B5/0273—Diffusing elements; Afocal elements characterized by the use
    • G02B5/0294—Diffusing elements; Afocal elements characterized by the use adapted to provide an additional optical effect, e.g. anti-reflection or filter
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/08—Mirrors
    • G02B5/0808—Mirrors having a single reflecting layer
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/20—Filters
    • G02B5/28—Interference filters
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/18—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities
    • H01S5/183—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/005—Optical components external to the laser cavity, specially adapted therefor, e.g. for homogenisation or merging of the beams or for manipulating laser pulses, e.g. pulse shaping
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/40—Arrangement of two or more semiconductor lasers, not provided for in groups H01S5/02 - H01S5/30
    • H01S5/42—Arrays of surface emitting lasers
    • H01S5/423—Arrays of surface emitting lasers having a vertical cavity

Definitions

  • the present invention relates to an optical system device and an optical element manufacturing method.
  • Three-dimensional measurement sensors using the time of flight (TOF) method are about to be adopted in mobile devices, cars, robots, etc. This measures the distance of an object from the time it takes for the light emitted from the light source to be reflected and returned to the object. If the light from the light source is uniformly applied to a predetermined area of the object, the distance at each point of irradiation can be measured and the three-dimensional structure of the object can be detected.
  • TOF time of flight
  • the sensor system consists of a light irradiation unit that irradiates the object with light, a camera unit that detects the light reflected from each point of the object, and a calculation unit that calculates the distance of the object from the signal received by the camera.
  • the unique part of the above system is the light irradiation unit consisting of the laser and the optical filter.
  • a diffusion filter that shapes a beam by transmitting laser light through a microlens array and uniformly irradiates an object in a controlled region is a characteristic component of the above system.
  • the conventional diffusion filter has a problem that the light intensity becomes uneven due to the influence of diffraction because the microlens array has a periodic structure. Therefore, in order to suppress this unevenness, some measures have been taken such as randomly arranging each lens (for example, Patent Document 1).
  • TOF has a need for long-distance measurement, and the intensity of irradiation light needs to be strong enough for long-distance measurement.
  • the randomly arranged microlens array is not suitable for long-distance measurement because the intensity is low due to the high uniformity of the irradiation light.
  • a diffractive optical element which is composed of a concave-convex pattern of a dielectric and changes the phase difference of light depending on the position of a transmission surface
  • DOE diffractive optical element
  • VCSEL vertically resonant surface emitting laser
  • the light emitted from the VCSEL is first converted into parallel light by the collimating lens.
  • the collimated light passes through the uneven pattern to change the phase difference, and the diffraction of the light gives a predetermined orientation distribution.
  • the surface of the object to be irradiated is irradiated with light with a predetermined intensity distribution.
  • the light emitted by the VCSEL has a spread angle of about 20 degrees, and when used for a dot projector, a collimating lens is required as described above.
  • a collimated lens in order to generate collimated light, it is necessary to arrange a light source at the focal position of the lens. In order to obtain high quality collimated light, there is a problem that the focal length is long and the device size becomes large.
  • an object of the present invention is to provide an optical system device that does not require a collimating lens and has high light efficiency that can be used, and a method for manufacturing an optical element used in the device.
  • the optical system apparatus of the present invention includes an optical element in which lenses transmitting light having a wavelength ⁇ are periodically arranged, and a light source that irradiates a plurality of lenses having a wavelength ⁇ light.
  • n is a natural number of 1 or more
  • the distance L 1 between the irradiation unit and the optical element is the following equation 1 with respect to the pitch P k of. It is characterized by satisfying.
  • the lens should be an aspherical lens having an overlap rate of 10% or less in the normal direction of the surface.
  • the aperture mask may have an opening and be equipped with an aperture mask for shielding a part of light.
  • the aperture mask may have an aperture at least in a portion including the optical axis of the lens. Further, the aperture mask may be arranged in the optical path of the noise light of the lens. The aperture mask may be arranged at the boundary portion of the lens. Further, an aperture mask that shields the light emitted to the boundary portion of the lens may be provided.
  • the aperture mask may be integrally formed with the optical element.
  • the optical element may have a light diffusing portion formed at the boundary portion of the lens to refract the transmitted light to the outside of the irradiation angle of the lens.
  • the shape of the lens can be non-rotational symmetry.
  • a mirror that reflects the light of the irradiation unit may be provided.
  • optical system device of the present invention may include a plurality of the irradiation units.
  • the irradiation unit includes a first irradiation unit in which a plurality of light sources irradiating light having a wavelength ⁇ are regularly arranged, and a plurality of light sources irradiating light having a wavelength ⁇ vertically and vertically with the light source of the first irradiation unit. It may be composed of a second irradiation part which is arranged side by side by half a cycle and regularly arranged.
  • the irradiation unit includes a first irradiation unit, a second irradiation unit, and a third irradiation unit in which a plurality of light sources irradiating light having a wavelength ⁇ are regularly arranged, and the lens of the optical element has a pitch Pk .
  • the light sources of the first irradiation unit, the second irradiation unit, and the third irradiation unit may be arranged so as to be shifted by Pk / 3 with respect to the direction to be taken.
  • each of the irradiation units may be one that emits light in order with a time lag.
  • planar shape of the lens is a square or a rectangle whose side length is R, and the arrangement of the lenses is a row of lenses connected in the direction of the sides, where i is a natural number of 1 or more. They may be arranged so as to be staggered by R / i.
  • the irradiation unit is composed of a VCSEL having a plurality of light emission modes, and it is preferable that the ratio of the mode having the maximum intensity at the center of the optical axis is 40% or more in the light emission mode.
  • the irradiation unit regularly arranges a plurality of light sources at m times or 1 / m times of the period with respect to any periodic direction of the lens of the optical element. It was done.
  • the optical system device of the present invention is arranged between the diffuser that diffuses the light of the irradiation unit into a predetermined shape and the light source and the diffuser, and transmits a part of the light of the irradiation unit to partially transmit the light.
  • a half mirror that reflects the light and a mirror that reflects the light reflected by the half mirror to the optical element may be further provided.
  • the optical system device of the present invention includes a diffuser irradiation unit in which a plurality of light sources irradiating light having a wavelength ⁇ are arranged in the same manner as the irradiation unit, and the distance L 2 between the diffuser irradiation unit and the optical element is provided.
  • the following formula 2 It may satisfy.
  • the optical system device of the present invention includes a diffuser irradiation unit in which a plurality of light sources irradiating light having a wavelength ⁇ are arranged, and when m is a natural number of 1 or more, the diffuser irradiation unit is the optical element.
  • a plurality of light sources may be arranged so as not to be m times or 1 / m times the period of the lens with respect to the period direction of the lens.
  • the optical system device of the present invention includes the diffuser irradiation unit having the same regular arrangement as the light source of the irradiation unit, and the rotation angles of the irradiation unit and the diffuser irradiation unit may be different.
  • the optical element manufacturing method of the present invention is an optical element manufacturing method for forming an optical element in which lenses transmitting light having a wavelength ⁇ are periodically arranged, and is one of the light transmitted through the lens on a substrate. It is characterized by having an aperture mask forming step of forming an aperture mask for shielding a portion and a lens forming step of forming the lens on a substrate on which the aperture mask is formed.
  • the lens in the lens forming step, the lens may be formed so that the aperture mask is arranged in the optical path of the noise light of the lens.
  • the lens in the lens forming step, the lens may be formed so that the boundary of the lens is arranged on the shielding portion of the aperture mask.
  • the optical element manufacturing method of the present invention is an optical element manufacturing method for forming an optical element in which lenses transmitting light having a wavelength ⁇ are periodically arranged, and the light is transmitted on the lens. It is characterized by having an aperture mask forming step of applying a light-shielding material to prevent the light-shielding material and removing the light-shielding material so that a part of the light-shielding material remains at a position corresponding to the boundary of the lens.
  • the optical system device of the present invention does not require a collimating lens and can irradiate light with high efficiency of available light.
  • the optical system apparatus of the present invention is mainly composed of an irradiation unit 1 that irradiates light having a wavelength ⁇ and an optical element 2 having a periodic lens 21.
  • the irradiation unit 1 may be any one as long as it irradiates light having a wavelength ⁇ . Further, the irradiation unit 1 may be a single light source or a plurality of light sources. Further, a plurality of light sources may be obtained by passing the light of a single light source through an aperture in which a plurality of pores are formed. When the irradiation unit is composed of a plurality of light sources, it is preferable that the light sources are formed on the same plane. As a specific example of the irradiation unit 1, for example, a VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting LASER), which can be expected to have a high output with a small amount of electric power, can be mentioned. The VCSEL has a plurality of light sources 10 capable of irradiating light in a direction perpendicular to the light emitting surface.
  • VCSEL Very Cavity Surface Emitting LASER
  • the light of the VCSEL includes a plurality of light emission modes such as a single mode and a multi-mode.
  • An example of a specific light emission mode is shown in FIG. Of the emission modes shown in FIG. 2, (2) and (3), (4) and (6), (7) and (9), and (8) and (10), which are rotationally symmetric with each other, always exist at the same ratio. Therefore, when these similar modes are combined, they can be aggregated into six types, A, B, C, D, E, and F, as shown in FIG.
  • FIG. 4 (c) is a composite of the six modes, in which only mode A, mode D, and mode F are multiplied by five of the other modes.
  • the light source of the VCSEL has a large proportion of the light emission modes having the maximum intensity at the center of the optical axis among the light emission modes. It is preferable in that the light intensity can be increased and the contrast can be increased. Therefore, the ratio of the light emitting mode of the light source having the maximum intensity at the center of the optical axis is preferably 40% or more, preferably 45% or more, and more preferably 60% or more.
  • the light emission mode may be adjusted by a conventionally known method such as controlling the current injection path of the light emitting layer of the VCSEL.
  • the optical element 2 is a periodic array of lenses 21 that transmit light having a wavelength of ⁇ .
  • the shape of the lens 21 can be freely designed according to the pattern of how the dots to be irradiated are spread (hereinafter referred to as a dot pattern). For example, when the dot pattern is desired to be circular, the shape of the lens 21 may be rotationally symmetric like a spherical lens. Further, when it is desired to make the dot pattern non-circular, the shape of the lens 21 may be appropriately adjusted by making it non-rotational symmetric like an aspherical lens.
  • Specific lens shapes include, for example, a saddle-shaped lens that looks like a convex lens or a concave lens depending on the cross section, in addition to a convex lens and a concave lens.
  • the periodic arrangement includes a square or rectangular lens 21 arranged in a square arrangement in a plan view as shown in FIG. 5 (a) and a hexagonal lens 21 in a plan view as shown in FIG. 5 (b). Applicable to those that make a hexagonal arrangement.
  • the distance L 0 is expressed by the following formula A.
  • the light is greatly strengthened.
  • the distance between the irradiation unit 1 and the optical element 2 means the distance from the light emitting surface of the light source of the irradiation unit to the surface of the optical element on the side close to the light source of the lens 21.
  • the distance L between the irradiation unit 1 and the optical element 2 greatly intensifies the light even when the distance L is n times the distance L 0 (n is a natural number of 1 or more) as shown in the following formula B. Furthermore, it was found that when n is an even number, the light is further enhanced.
  • the error with respect to the distance L between the irradiation unit 1 and the optical element 2 is preferably within 10%, preferably within 5%, and more preferably within 3% of L 0.
  • Specifically expressing that the error with respect to the distance L is within 10% of L 0 can be expressed as the following equation C.
  • the irradiation unit 1 and the optics are used for any one or more pitch P k.
  • the distance L 1 from the element 2 is the following equation 1 You just have to meet.
  • the distance L between the irradiation unit 1 and the optical element 2 is preferable to adjust the distance L between the irradiation unit 1 and the optical element 2 so as to satisfy the equation 1 for any two or more pitches P k.
  • the equation 1 is also applied to the second smallest pitch P 2. Better to meet.
  • the pitch P is too smaller than the wavelength ⁇ of the light of the light source 10, diffraction is unlikely to occur. Therefore, as long as the lens 21 sufficient to generate diffraction is included in the light distribution angle of the light source 10, the pitch is pitched.
  • P should be sufficiently larger than the wavelength ⁇ of the light of the light source 10, for example, 5 times or more, preferably 10 times or more.
  • the irradiation unit 1 is a single light source that irradiates light having a wavelength of 940 nm and having a Gaussian light distribution as shown in FIG. 16 (a).
  • the optical element 2 is a lens 21 having a height of 7 ⁇ m arranged periodically at a pitch of 10 ⁇ m.
  • the lens surface has a non-arc shape.
  • the material was assumed to be PDMS with a refractive index of 1.53.
  • n in the formula A is 1, 2, 4, 6, 8.
  • FIG. 17 shows the results of a simulation using the optical simulation software BeamPROP (manufactured by Synopsys).
  • the horizontal axis is the light distribution angle
  • the vertical axis is the light intensity in the far field at each light distribution angle when the power of the light source is 1.
  • the light intensity of each peak Turned out to be big.
  • the irradiation unit 1 is a plurality of light sources in which the light sources 10 for irradiating light having a wavelength of 940 nm are arranged in a square array as shown in FIG. 18 (a). Further, the light emitted by the light source had a butt wing light distribution as shown in FIG. 18 (b) and had a light intensity as shown in FIG. 18 (c) in the distant field.
  • the optical element 2 is a square array of lenses 21 having a pitch of 20 ⁇ m. Further, as shown in FIG. 19B, the shape of each lens 21 is a square having a side view of 20 ⁇ m and a height of 9.86 ⁇ m.
  • the lens surface is an aspherical surface with non-rotational symmetry having different curvatures in the x-axis direction and the y-axis direction.
  • the material was assumed to be PDMS with a refractive index of 1.53.
  • 20 to 22 show the results of simulation using the optical simulation software BeamPROP (manufactured by Synopsys).
  • 20 to 22 (a) are views showing a dot pattern 50 cm ahead of the optical element 2. The size of the dots represents the size of the light intensity. Further, (b) of FIGS.
  • FIGS. 20 to 22 shows the light intensity in the far field of the light on the x-axis of FIGS. 20 to 22 (a), and FIGS. 20 to 22 (c) show the light intensity of FIGS. 20 to 22.
  • (A) shows the light intensity in the far field of light on the y-axis.
  • the horizontal axis is the light distribution angle
  • the vertical axis is the light intensity in the far field at each light distribution angle when the power of the light source is 1.
  • FIG. 23 shows the results of a simulation using the optical simulation software LightTools (manufactured by Synopsys).
  • FIG. 23A is a diagram showing an irradiation pattern 50 cm ahead of the diffuser.
  • FIG. 23 (b) shows the light intensity in the far field of the light on the x-axis of FIG. 23 (a)
  • FIG. 23 (c) shows the light intensity of the light in the far field on the y-axis of FIG. 23 (a). Is shown.
  • the dot pattern has clear peaks and the light intensity of each peak is also high.
  • the light intensity of each peak is very high as compared with the one using the diffuser.
  • L having this pitch satisfying the formula A is 425.5 ⁇ m, it can be seen that the peaks are more clearly aligned and the light intensity is higher in the result of FIG. 21 than in the result of FIG.
  • the irradiation unit 1 has a plurality of light sources in which the light sources irradiating light having a wavelength of 940 nm are arranged in a hexagonal arrangement as shown in FIG. 24 (a). Further, the light emitted by the light source had a butt wing light distribution as shown in FIG. 24 (b) and had a light intensity as shown in FIG. 24 (c) in the distant field.
  • the optical element 2 is a hexagonal array of lenses 21 having a pitch of 22.5 ⁇ m. Further, as shown in FIG. 25B, the shape of each lens 21 is a regular hexagon in a plan view and a height of 12.9 ⁇ m.
  • the lens surface is an aspherical surface with non-rotational symmetry having different curvatures in the x-axis direction and the y-axis direction.
  • the material was assumed to be PDMS with a refractive index of 1.53.
  • Figures 26 to 28 show the results of simulation using the optical simulation software BeamPROP (manufactured by Synopsys). Note that FIGS. 26 to 28 (a) are views showing a dot pattern 50 cm ahead of the optical element 2. The size of the dots represents the size of the light intensity.
  • FIGS. 26 to 28 shows the light intensity in the far field of the light on the x-axis of (a) of FIGS. 26 to 28, and (c) of FIGS. 26 to 28 (a) of FIGS. 26 to 28.
  • the horizontal axis is the light distribution angle
  • the vertical axis is the light intensity in the far field at each light distribution angle when the power of the light source is 1.
  • FIG. 29 shows a simulation result when a diffuser capable of forming an irradiation pattern having substantially the same shape as the above dot pattern is used.
  • FIG. 29A is a diagram showing an irradiation pattern 50 cm ahead of the diffuser.
  • FIG. 29 (b) shows the light intensity in the far field of the light on the x-axis of FIG. 29 (a)
  • FIG. 29 (c) shows the light intensity of the light in the far field on the y-axis of FIG. 29 (a). Is shown.
  • the dot pattern has clear peaks and the light intensity of each peak is also high.
  • the light intensity of each peak is very high as compared with the one using the diffuser.
  • the lens shape of the optical element 2 was further examined. Then, it was found that when light transmitted through different positions on the surface of the lens 21 is emitted in the same direction, interference occurs, which causes a decrease in dot contrast. Therefore, it is preferable that the optical element is designed so that the overlap rate in the emission direction of the transmitted light from the lens 21 is low.
  • the lens 21 may be shaped so that the overlap rate in the normal direction of the surface is low.
  • the lens 21 has an inflection point or a singular point in which the lens 21 changes from concave to convex or convex to concave in a line in a cross section of the surface of the lens 21, the concave and convex portions before and after the lens 21 have an inflection point and a convex portion. Overlapping surfaces in the normal direction occur.
  • FIG. 30 shows an example of a lens having an inflection point
  • FIG. 31 shows an example of a lens having no inflection point
  • FIGS. 30 (b) and 31 (b) show the light intensity in the far field of the dot pattern when the optical element in which the lens is periodically arranged is used.
  • the irradiation unit 1 is a single light source that irradiates light having a wavelength of 940 nm and having a Gaussian light distribution as shown in FIG. 16 (a).
  • the optical element 2 is a lens 21 having a height of 10 ⁇ m arranged periodically at a pitch of 10 ⁇ m.
  • the material was assumed to be PDMS with a refractive index of 1.53.
  • As the distance L, 106.4 ⁇ m (n 2) when n in the formula A was 2. was used.
  • 31 (b) and 32 (b) show the results of a simulation using the optical simulation software BeamPROP (manufactured by Synopsys).
  • the horizontal axis is the light distribution angle
  • the vertical axis is the light intensity in the far field at each light distribution angle when the power of the light source is 1.
  • the shape of the lens changes from concave to convex or from convex to concave at this portion. In this case, there is a region where the light transmitted through the convex portion and the light transmitted through the concave portion travel in the same direction. Therefore, as shown in FIG. 30B, noise light is generated between the dots due to the interference, and the contrast is increased. It becomes a factor to lower.
  • the shape of the lens is composed of only a convex portion.
  • the transmitted light does not overlap, a clean dot pattern without noise light can be formed as shown in FIG. 31 (b). Therefore, it is preferable that the line in the cross section of the surface of the lens 21 has no inflection point or singular point, and even if such a point is present, it is preferable that either the concave portion or the convex portion has a sufficiently large shape. good.
  • the overlap rate in the normal direction of the surface of the lens 21 can be measured as follows.
  • the lens 21 is divided into n pieces as a square fine region 210 in a plan view (xy plane). Then, the numbers 1 to n that do not overlap are assigned to each of the fine regions 210.
  • the size of one side of the fine region 210 is at least one-fourth ( ⁇ / 4) or less of the wavelength of the light of the irradiation unit.
  • i-th among the divided micro areas 210 (i 1,2, ⁇ , n) the center point P i of the fine region, the circle inscribed C Let i be.
  • FIG. 32 (b) as shown in the point P i and a line perpendicular to the x-y plane passing through the (z-axis line parallel to) the normal vector at the intersection of the lens surface N pi, circle C i
  • N ci be the normal vector group at the intersection of the line perpendicular to the xy plane (the line parallel to the z-axis) passing through the lens surface.
  • the minimum value of the angle formed by N pi and N ci is ⁇ ⁇ i .
  • N qi be a normal vector group at the intersection of a line perpendicular to the xy plane (a line parallel to the z axis) passing through the point group Q i and the lens surface. .. (5) a state flag of the i-th fine regions and F i of the divided micro areas 210, the initial value of F i and 0. (6)
  • the normal overlap rate can be obtained by (m / n) ⁇ 100 (%). The normal overlap rate converges when n is set to infinity (n ⁇ ⁇ ).
  • the irradiation unit 1 is a plurality of light sources in which the light sources 10 for irradiating light having a wavelength of 940 nm are arranged in a square array as shown in FIG. 18 (a). Further, the light emitted by the light source had a butt wing light distribution as shown in FIG. 18 (b) and had a light intensity as shown in FIG.
  • the material was assumed to be PDMS with a refractive index of 1.53.
  • Optical simulation software BeamPROP manufactured by Synopsys was used for the simulation.
  • FIG. 33 (a) The lens shown in FIG. 33 (a) will be described as a model 1.
  • the shape of the lens is as follows.
  • the white area in FIG. 33 (b) was a region where the normals did not overlap, and the normal overlap rate was 0%.
  • FIGS. 33 (c) and 33 (d) show the light intensity in the distant field. It can be seen that there is almost no noise light and the peak light intensity is strong as a whole.
  • FIG. 34 (a) The lens shown in FIG. 34 (a) will be described as a model 2.
  • the shape of the lens is as follows.
  • the black area in FIG. 34 (b) is the area where the normals overlap, and the normal overlap rate was 5.3%.
  • FIGS. 34 (c) and 34 (d) show the light intensity in the distant field. Although there is little noise light, it can be seen that the peak light intensity is slightly lower than that of Model 1.
  • FIG. 35 (a) The lens shown in FIG. 35 (a) will be described as a model 3.
  • the shape of the lens is as follows.
  • the black area in FIG. 35 (b) is the area where the normals overlap, and the normal overlap rate was 12.8%.
  • FIGS. 35 (c) and 35 (d) show the light intensity in the distant field. It can be seen that the normal overlap rate exceeds 10% as compared with model 1, and the light intensity of the peak is further lowered as compared with model 1 and model 2.
  • FIG. 36 (a) The lens shown in FIG. 36 (a) will be described as a model 4.
  • the shape of the lens is as follows.
  • the black area in FIG. 36 (b) is the area where the normals overlap, and the normal overlap rate was 49.8%.
  • FIGS. 36 (c) and 36 (d) show the light intensity in the distant field. It can be seen that the normal overlap rate is higher than that of Model 3 and the light intensity is weak as a whole.
  • FIG. 37 (a) The lens shown in FIG. 37 (a) will be described as a model 5.
  • the shape of the lens is as follows.
  • the black area in FIG. 37 (b) is the area where the normals overlap, and the normal overlap rate was 62.2%.
  • FIGS. 37 (c) and 37 (d) show the light intensity in the distant field. It can be seen that the normal overlap rate is higher than that of the model 4, the noise light is abundant, and the light intensity is weak as a whole.
  • FIG. 38 (a) The lens shown in FIG. 38 (a) will be described as a model 6.
  • the shape of the lens is as follows.
  • the white area in FIG. 38 (b) was a region where the normals did not overlap, and the normal overlap rate was 0%.
  • FIGS. 38 (c) and 38 (d) show the light intensity in the distant field. It can be seen that there is almost no noise light and the peak light intensity is strong as a whole.
  • the surface of the lens 21 should have a shape in which the overlap rate in the normal direction is 10% or less, preferably 5% or less, and more preferably 3% or less. Further, on the surface of the lens 21, the overlap rate of the transmitted light from the lens 21 in the far field is preferably 10% or less, preferably 5% or less, and more preferably 3% or less.
  • the optical system device may have an aperture 70 and an aperture mask 7 that shields a part of light.
  • an aperture mask 7 may be used which has an opening 70 for passing necessary transmitted light (hereinafter referred to as effective light) and shields transmitted light which becomes noise (hereinafter referred to as noise light).
  • the effective light means light that contributes to the formation of the dot pattern. Therefore, the aperture 70 is formed at least in the portion including the optical axis of the lens.
  • the size of the opening 70 is preferably formed to a size capable of transmitting effective light as much as possible.
  • the noise light means light that increases the overlap rate.
  • the distance between the lens and the aperture mask 7 may be arbitrary as long as it can block noise light, but it is desirable that the distance is arranged on the lens side from the range where the optical paths of the effective light of the adjacent lenses overlap. For example, when adjacent lenses are in contact with each other, the effective light of each lens overlaps when it exceeds twice the distance to the focal point of the lens. Therefore, it is better that the aperture mask 7 is arranged on the lens side rather than twice the distance to the focal point of the lens. Further, it is preferable to arrange the aperture 70 of the aperture mask 7 at the focal position in that the aperture 70 can be made the smallest and most of the noise light can be blocked.
  • the boundary between the lenses 21 becomes a singular point, and light is scattered and causes noise light.
  • the boundary portion between the lenses 21 is likely to be distorted, which tends to cause an increase in the overlap rate of transmitted light. Therefore, an aperture mask 7 that shields the transmitted light of the lens 21 may be formed at the boundary portion of the lens 21.
  • the aperture mask 7 can be arranged between the light source and the optical element. For example, the aperture mask 7 that shields the light from the light source may be formed at the boundary portion of the lens 21.
  • the shape of the opening 70 of the aperture mask 7 may be any shape as long as it can pass effective light, and may be any shape such as a circular shape, an elliptical shape, a square shape, or a hexagonal shape. Further, the aperture 70 may be formed for each lens, or the openings 70 for each lens may be connected to each other.
  • the material of the aperture mask 7 may be any material as long as it can suppress the transmission of light.
  • an absorbent material that absorbs light from the irradiation unit or a reflective material that reflects the light is used. Can be used.
  • the absorbent material that absorbs light for example, black resist can be used.
  • the reflective material that reflects light for example, a metal such as silver, aluminum, or chromium oxide can be used.
  • the aperture mask 7 may be configured as a separate body from the optical element, or may be integrally formed with the optical element.
  • the irradiation unit 1 is a plurality of light sources in which the light sources 10 for irradiating light having a wavelength of 940 nm are arranged in a square array as shown in FIG. 18 (a). Further, the light emitted by the light source had a butt wing light distribution as shown in FIG. 18 (b) and had a light intensity as shown in FIG. 18 (c) in the distant field. As shown in FIG. 39A, the optical element 2 is a square array of lenses 21 having a pitch of 33 ⁇ m. Further, as shown in FIG. 39 (b), the shape of each lens 21 has the following equation.
  • the cross-sectional shape of the boundary portion of the lens which tends to be a singular point when the lens is created by the imprint method, has a parabolic shape with a width of 1.5 ⁇ m, which has a minimum boundary value and is smoothly connected to the lens shape of the above formula. ..
  • the material was assumed to be PDMS with a refractive index of 1.53.
  • a circular opening 70 having a diameter of 16.5 ⁇ m was used, which was arranged in a square matrix. Further, as shown in FIG. 39 (a), the aperture mask 7 is arranged so that the center of the aperture 70 is the position of the focal point of the lens. Regarding the influence of noise light depending on the presence or absence of the aperture mask 7, a dot pattern without the aperture mask 7 is shown in FIG. 40, and a dot pattern with the aperture mask 7 is shown in FIG. 41. The dot pattern is on a 70 cm ⁇ 70 cm plate 50 cm away from the optical element.
  • the optical simulation software BeamPROP manufactured by Synopsys was used for the simulation.
  • FIG. 42 (a) shows model 1 without the aperture mask 7.
  • the lens period is 10 ⁇ m
  • the lens height is 5 ⁇ m
  • the shape of the lens is an arc with a diameter of 0.5 ⁇ m.
  • the light intensity in this case is shown in FIG. 42 (b). It can be seen that a small peak, which is noise light, is generated between the peaks near the center.
  • FIG. 43A shows a model 2 in which an aperture mask 7 for shielding the transmitted light from the lens 21 is formed on the bottom side of the boundary portion of the lens 21.
  • the width of the aperture mask 7 was set to 1 ⁇ m in accordance with the width of the arc having a diameter of 0.5 ⁇ m.
  • the thickness of the shielding portion was set to 0.5 ⁇ m.
  • the light intensity in this case is shown in FIG. 43 (b). It can be seen that almost no noise light is generated in the central portion as compared with the model 1 without the aperture mask 7.
  • the arcuate portion of the boundary portion is likely to be distorted when created by the imprint method. Therefore, as shown in FIG. 44 (a), the arcuate portion of the lens of the model 1 has a flat shape with a width of 1 ⁇ m, and is used as the model 3.
  • an aperture mask 7 that shields the transmitted light from the lens 21 is formed on the bottom side of the boundary portion of the lens 21.
  • the width of the aperture mask 7 was set to 1 ⁇ m according to the width of the flat portion.
  • the thickness of the shielding portion was set to 0.5 ⁇ m.
  • the light intensity in this case is shown in FIG. 44 (b). It can be seen that almost no noise light is generated in the center compared to the model without the aperture mask 7.
  • FIG. 45A shows a model 4 in which an aperture mask 7 that shields light from a light source is formed on the surface of the boundary portion of the lens 21.
  • the width of the aperture mask 7 was set to 1 ⁇ m so that all the light incident on the arc having a diameter of 0.5 ⁇ m could be shielded.
  • the light intensity in this case is shown in FIG. 45 (b). It can be seen that almost no noise light is generated in the central portion as compared with the model 1 without the aperture mask 7.
  • the optical element may have a light diffusing portion 8 formed at the boundary portion of the lens to refract the transmitted light to the outside of the irradiation angle of the lens (outside the irradiation range of the dot pattern).
  • the shape of the light diffusing portion 8 may be any shape as long as the incident light can be refracted to the outside of the irradiation angle of the lens, and any shape that is easy to manufacture may be selected.
  • a lens having a triangular cross-sectional shape due to a plane parallel to the boundary of the lens can be adopted.
  • FIG. 46 (a) The effect of noise light due to the presence or absence of the light diffusing unit 8 was simulated.
  • the lens has a shape having a light diffusing portion 8 at the boundary portion of the lens used in the simulation 7.
  • the light diffusing portion 8 was formed with a width of 1.5 ⁇ m from the boundary around the lens.
  • the cross-sectional shape of the light diffusing portion 8 (cross-section parallel to the nearest boundary of the lens) is a similar triangle of aspect 1 having the same width and height of the base. It has an uneven structure arranged side by side.
  • the triangles having similar figures were arranged so that the position of the base of the triangle and the position of the bottom of the lens coincided with each other. Others were the same as in Simulation 7.
  • FIG. 47 shows a dot pattern when the light diffusing unit 8 is present.
  • the lens 21 of the optical element 2 may be manufactured in any way, and can be manufactured by using, for example, an imprint method. Specifically, the material of the lens 21 is coated on the substrate 25 with a predetermined film thickness by a well-known method such as a spin coater (coating step). As the material, any material can be used as long as it can form a lens 21 that transmits light having a wavelength ⁇ , and for example, polydimethylsiloxane (PDMS) can be used.
  • PDMS polydimethylsiloxane
  • a mold having a pattern inversion pattern in which the lenses 21 are periodically arranged is prepared, and the mold is pressed against the material applied on the substrate 25 to transfer the pattern (imprint process).
  • a mold having the inversion pattern of the light diffusing portion 8 may be used together with the pattern.
  • the aperture mask 7 when forming the aperture mask 7 on the optical element, it has an aperture mask forming step. First, a case where the aperture mask 7 is formed so as to be arranged in the optical path of the noise light of the lens 21 will be described.
  • an aperture mask 7 is formed on the substrate 25 to prevent light from transmitting at least at a position separated from the position corresponding to the optical axis of the lens 21 by a predetermined distance (1).
  • the aperture mask 7 may be formed by any method, and for example, it may be formed by the following method.
  • a resist is applied on a film made of a light-shielding material, and a resist is formed at a position other than the opening portion of the aperture mask by existing techniques such as photolithography and imprint.
  • the size of the opening 70 may be formed so as to allow effective light to pass through as much as possible.
  • the aperture mask 7 can be formed by etching the light-shielding material with this resist and removing the remaining resist by ashing or the like.
  • any material may be used as long as it can block the light to be used, and for example, a metal such as silver, aluminum or chromium oxide or a resin such as black resist can be used.
  • a transparent film 26 for adjusting the distance between the lens 21 and the aperture mask 7 is formed.
  • the transparent film 26 may be formed in any way, and may be formed by applying a transparent material on the substrate 25 with a predetermined film thickness by, for example, a well-known method such as a spin coater.
  • the material may be any material that transmits light having a wavelength of ⁇ , and for example, polydimethylsiloxane (PDMS) can be used.
  • PDMS polydimethylsiloxane
  • the lens 21 is formed as shown in FIG. 48 (c) (lens forming step).
  • the lens may be formed by any method, and for example, the lens 21 may be formed by aligning with the aperture mask 7 and using an existing technique such as an imprint method. In this case, the distance between the lens 21 and the aperture mask 7 is determined by the size of the transparent film 26 and the residual film due to imprinting. In this way, as shown in FIG. 48 (d), the aperture mask 7 integrated with the optical element 2 can be formed. The distance between the lens 21 and the aperture mask 7 can be adjusted only by the size of the residual film by imprinting without forming the transparent film 26.
  • the aperture mask 7 when the aperture mask 7 that shields the transmitted light from the lens is formed on the transmitted light side of the lens 21 at the boundary portion, the aperture mask 7 is formed by the following method. do it.
  • an aperture mask 7 is formed on the substrate 25 to prevent light from being transmitted to a position corresponding to a lens boundary (aperture mask forming step).
  • the aperture mask 7 may be formed by any conventionally known method, and may be formed by, for example, the following method.
  • CVD chemical vapor deposition
  • a resist is applied on a film made of a light-shielding material, and a resist is formed with a desired width that can block noise light only at the position corresponding to the boundary of the lens by existing techniques such as photolithography and imprint. do.
  • the aperture mask 7 can be formed by etching the light-shielding material with this resist and removing the remaining resist by ashing or the like.
  • any material may be used as long as it can block the light to be used, and for example, a metal such as silver, aluminum or chromium oxide or a resin such as black resist can be used.
  • the lens 21 is formed so that the boundary of the lens 21 is arranged on the aperture mask 7 as shown in FIG. 49 (b) (lens forming step). ..
  • the lens may be formed by any method, and for example, the lens 21 may be formed by aligning with the aperture mask 7 and using an existing technique such as an imprint method. As a result, as shown in FIG. 49 (c), the aperture mask 7 integrated with the optical element 2 can be formed.
  • the aperture mask 7 that shields the light from the light source is formed on the light source side of the lens 21 at the boundary portion, it can be formed by the following method. good.
  • the lens 21 of the optical element may be formed in any way, and existing techniques such as an imprint method may be used.
  • a light-shielding material for preventing light from being transmitted is applied to all or part of the lens 21 to form the light-shielding film 27.
  • the light-shielding material is removed so that a part of the light-shielding material remains at the position corresponding to the boundary of the lens 21 to form the aperture mask 7 (aperture mask forming step).
  • a light-shielding material such as black resist is applied onto the lens 21. If the light-shielding material is etched back by a desired amount by etching, it is possible to form an optical element in which the light-shielding material remains only in the groove portion corresponding to the boundary of the lens 21.
  • any material may be used as long as it can block the light to be used and the etching rate with respect to the lens 21 is sufficiently high.
  • the sufficiently high etching rate means that the optical characteristics of the lens 21 are not affected.
  • Any etching method may be used as long as etch back is possible, and for example, reactive ion etching (RIE) or chemical dry etching (CDE) may be used.
  • RIE reactive ion etching
  • CDE chemical dry etching
  • the irradiation unit 1 has a plurality of light sources 10, even if each light source 10 and the optical element 2 are relatively translated, the number of light sources 10 for each lens 21 of the optical element 2 is the same in a plan view. It is necessary to arrange so as to be. Specifically, assuming that m is a natural number of 1 or more, the irradiation unit regularly uses a plurality of light sources at m times or 1 / m times of the period with respect to any period direction of the lens 21 of the optical element. It is good to arrange in.
  • the light source 10 of the irradiation unit 1 may be regularly arranged at a pitch mP k or P k / m with respect to the direction in which the lens 21 of the optical element 2 takes the pitch P k.
  • the pitch mP 1 or P 1 / m is preferable.
  • m 2
  • the pitch of the light source 10 is twice the pitch P 1 of the lens 21 of the optical element 2, that is, 2P 1 .
  • P 2 ⁇ in order to satisfy Equation 1 for the smallest pitch P 1 (the size of the short side of the rectangle) and the second smallest pitch P 2 (the size of the long side of the rectangle).
  • the distance L 1 between the irradiation unit 1 and the optical element 2 is set. Is preferable, and more preferably It is better to say.
  • the light of the irradiation unit 1 does not need to directly irradiate the optical element 2, but may be irradiated through the mirror 3 that reflects the light of the irradiation unit 1.
  • the distance L 1 between the irradiation unit 1 and the optical element 2 means a substantial distance.
  • the distance L 1 in the case of FIG. 52 is a La + Lb from the distance La and the mirror 3 from the irradiation portion 1 to the mirror 3 which is the sum of the distance Lb to the optical element 2 shown by the arrow.
  • the distance L can be adjusted by using the mirror 3. It is also possible to adjust the direction of the light from the light source.
  • FIG. 53A is a schematic plan view of the irradiation unit 1 viewed from the optical element 2 side.
  • the optical element 2 is a regular arrangement of lenses 21 having a rectangular planar shape.
  • a light source 10 arranged in a hexagonal arrangement was used as the irradiation unit 1.
  • the arrangement of the light source 10 shown in FIG. 53 (a) can be divided into four as shown in FIG. 53 (b) when decomposed.
  • the dot patterns emitted from the arrangements of the light sources 10 at the upper left and lower left and at the upper right and lower right in FIG. 53B are the same, so that they can be identified. Therefore, the arrangement of the light source 10 with respect to the optical element 2 can be substantially classified into the two types shown in FIG. 53 (c).
  • the irradiation unit 1 includes a first irradiation unit 1A in which a plurality of light sources 10 irradiating light having a wavelength ⁇ are regularly arranged, and a plurality of light sources 10 irradiating light having a wavelength ⁇ .
  • the same light distribution can be realized even if it is composed of the light source 10 of the first irradiation unit 1A and the second irradiation unit 1B which is regularly arranged by shifting the light source 10 in the vertical and horizontal directions by half a cycle.
  • the irradiation unit 1 is composed of a first irradiation unit, a second irradiation unit, and a third irradiation unit in which a plurality of light sources 10 for irradiating light having a wavelength ⁇ are regularly arranged, and each irradiation unit is composed of an optical element 2.
  • the lens 21 may be arranged so as to be shifted by P k / 3 with respect to the direction in which the pitch P k is taken.
  • FIG. 55 (a) shows a case where the optical element 2 uses lenses 21 having a rectangular planar shape in a regular arrangement, and the irradiation unit 1 uses a light source 10 arranged in a hexagonal arrangement. ..
  • the irradiation unit may cause the first irradiation unit, the second irradiation unit, and the third irradiation unit to emit light in order at different times.
  • the resolution can be tripled by performing three measurements with the light receiving sensor.
  • the arrangement of the lenses 21 is a lens connected in the direction of the above-mentioned side, assuming that i is a natural number of 1 or more.
  • the 21 columns may be arranged by shifting them by R / i. As a result, the number of emitted dots can be multiplied by i.
  • the irradiation unit 1 is arranged in a hexagonal arrangement so that the light source 10 that irradiates light having a wavelength of 940 nm has a minimum pitch of 21 ⁇ m. Further, the size of the light source 10 is assumed to be 10 ⁇ m. Further, the planar shape of the lens 21 of the optical element 2 is assumed to be a rectangle with a length of 21 ⁇ m and a width of 36.4 ⁇ m. The distance between the irradiation unit 1 and the optical element 2 was set to 1407 ⁇ m. As shown in FIG.
  • FIG. 57 (a) when the lenses 21 in adjacent rows of the optical elements 2 are arranged in the same manner, the positions of the light sources 10 with respect to each lens 21 are combined as shown in FIG. 57 (b). Therefore, the number of lights of the light source 10 per lens 21 is two. In this case, the illuminated dot pattern is as shown in FIG. 57 (c).
  • FIG. 58 (a) when the lenses 21 in the adjacent rows of the optical elements 2 are arranged so as to be shifted by R / 2, the positions of the light sources 10 with respect to each lens 21 are combined in FIG. 58 (b). ), And the number of lights of the light source 10 per lens 21 is four.
  • the number of dots of the illuminated dot pattern is doubled as shown in FIG. 58 (c).
  • FIG. 59 (a) when the lenses 21 in the adjacent rows of the optical elements 2 are arranged by shifting them by R / 3, the positions of the light sources 10 with respect to each lens 21 are combined in FIG. 59 (b). ), And the number of lights of the light source 10 per lens 21 is six. In this case, since the light of the light source 10 per lens 21 is tripled, the number of dots of the illuminated dot pattern is tripled as shown in FIG. 59 (c).
  • the light of the light source 10 per lens 21 is 2i. It becomes an individual. Therefore, the light of the light source 10 per lens 21 is i times when the rows of adjacent lenses 21 are not shifted at all, and the number of emitted dots is also i times.
  • the optical system device is arranged between the diffuser that diffuses the light of the irradiation unit 1 into a predetermined shape, the light source 10, and the diffuser, and transmits a part of the light of the irradiation unit 1.
  • a half mirror that partially reflects the light and a mirror that reflects the light reflected by the half mirror 4 to the optical element 2 may be provided.
  • optical element 2 according to the present invention can be used not only for irradiating a dot pattern but also for a diffuser application.
  • irradiation for a diffuser in which a plurality of light sources 10 for irradiating light having a wavelength ⁇ are arranged in the same manner as the irradiation unit 1 used for irradiating a dot pattern is performed.
  • Prepare part 6 The distance L 2 between the diffuser irradiation unit 6 and the optical element 2 is the following equation 2. You just have to meet. As a result, as shown in Simulation 1 and FIGS. 7 to 9 described above, it can be seen that the width of each peak is widened and the unevenness of the light intensity is reduced.
  • the distance L 2 is the following formula 3. It is better to meet.
  • the optical element 2 may be used in common, or as shown in FIG. 61 (b), the optical element 2a for the dot pattern and the optics for the diffuser. Two of the elements 2b may be used.
  • a diffuser irradiation unit 6 in which a plurality of light sources 60 for irradiating light having a wavelength ⁇ are arranged is prepared. Then, assuming that m is a natural number of 1 or more, the diffuser irradiation unit 6 does not make a plurality of light sources 60 m times or 1 / m times the periodic direction of the lens 21 of the optical element 2. All you have to do is arrange them.
  • the plurality of light sources 60 of the diffuser irradiation unit 6 may be m times or 1 / m times the cycle.
  • the diffuser irradiation unit 6 for the optical element may be rotated with respect to the optical axis direction of the light source 60.
  • the arrangement of the plurality of light sources 60 can be shifted with respect to the periodic direction of the lens 21 of the optical element 2 so as not to be m times or 1 / m times the period.
  • the rotation angle ⁇ means the angle difference in the direction in which the light source 10 of the diffuser irradiation unit 6 takes the pitch mP k or P k / m with respect to the direction in which the lens 21 of the optical element 2 takes the pitch P k.
  • the pitch of the irradiation unit 1 and the pitch of the optical element 2 match (when ⁇ is 0 degrees)
  • the angle ⁇ increases, the position of the light source 10 begins to shift.
  • the irradiation section was a VCSEL having a hexagonal arrangement with a pitch of 21 ⁇ m, a wavelength of 940 nm, a spread angle (FWHM) of 20 degrees, and an emitter pitch of 10 ⁇ m.
  • the optical element was a rectangle with a refractive index of 1.53, a pitch of 21 ⁇ m ⁇ 36.37 ⁇ m, and a FOI of 60 degrees ⁇ 45 degrees.
  • the distance between the optical element and the irradiation unit was 1407 ⁇ m.
  • the projection position of the dot pattern was 50 cm ahead of the optical element.
  • the rotation angle ⁇ with respect to the optical element 2 was set to 0 degree, 1 degree, 5 degree, 10 degree, and 15 degree.
  • 66 to 70 are views showing a rotation angle and a dot pattern with respect to the optical element 2.
  • the optical simulation software BeamPROP manufactured by Synopsys was used for the simulation.
  • the optical element 2 can be used as a diffuser by appropriately adjusting the rotation angle ⁇ of the diffuser irradiation unit 6 with respect to the optical element.
  • the third method of using the optical element 2 as a diffuser is a method of increasing the number of dots in the dot pattern to make the irradiated light seemly uniform.
  • the planar shape of the lens 21 is a square, rectangle, diamond or parallelogram whose side length is R, as described above.
  • the rows of the lenses 21 connected in the direction of the side described above are arranged so as to be shifted by R / i. Then, i may be adjusted so that the number of emitted dots is equal to or higher than the resolution of the light receiving sensor.
  • the diffuser formed in this way can be used in combination with the optical system device for irradiating the above-mentioned dot pattern.
  • the intensity of the irradiation light is secured by the dot pattern and the distance and shape are measured, and for short-distance objects, the distance and shape are more accurate by irradiating the diffuser light. Can be measured.
  • Irradiation unit 1A 1st irradiation unit 1B 2nd irradiation unit 2 Optical element 3 Mirror 4 Half mirror 5 Diffuser type optical element 6 Diffuser irradiation unit 7 Aperture mask 8 Light diffuser 10 Light source 11 Irradiation unit 12 Irradiation unit 13 Irradiator 21 Lens 25 Substrate 60 Light source 70 Aperture

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Semiconductor Lasers (AREA)
  • Sheets, Magazines, And Separation Thereof (AREA)
  • Lenses (AREA)

Abstract

コリメートレンズが不要で、利用できる光の効率が高い光学系装置を提供することを目的とする。　波長λの光を照射する光源部１と、周期的なレンズからなる凹凸構造を有する光学素子２と、を具備し、ｎを１以上の自然数とし、前記凹凸構造のピッチのうち小さいものからｋ番目（ｋは１以上の自然数）のピッチの大きさをＰｋとすると、いずれか１以上のピッチＰｋについて、前記光源部と前記光学素子の距離Ｌ１が、下記式１を満たすように設計する。

Description

光学系装置および光学素子製造方法
　本発明は、光学系装置および光学素子製造方法に関するものである。
　タイムオブフライト（ＴＯＦ）法を用いた３次元計測センサが携帯機器、車、ロボット等に採用されようとしている。これは、光源から対象物に照射された光が反射され戻って来るまでの時間から対象物の距離を計測するものである。光源からの光が対象物の所定の領域に均一に照射されていれば、照射されている各点における距離を測定でき対象物の立体構造が検知できることになる。
　上記センサーシステムは対象物に光を照射する光照射部と対象物の各点から反射してきた光を検知するカメラ部及びカメラが受光した信号から対象物の距離を算出する演算部からなる。
　カメラ部と演算部は既存のＣＭＯＳイメージャとＣＰＵを使用できるため、上記システムの独自の部分はレーザと光学フィルタからなる光照射部となる。特にマイクロレンズアレイにレーザ光を透過させることでビームを整形し、対象物に対して制御された領域での均一な照射を行う拡散フィルタは、上記システムの特徴的な部品となる。
　ここで、従来の拡散フィルタは、マイクロレンズアレイが周期構造であるために、回折の影響で光強度のむらが生じるという問題があった。そこで、このむらを抑制するために、各レンズをランダムに配置する等の工夫が行われている（例えば、特許文献１）。
特表２００６－５００６２１
　一方、ＴＯＦには、遠距離測定のニーズがあり、照射光のインテンシティには、遠距離測定ができるだけの強さが必要となる。しかし、ランダムに配置したマイクロレンズアレイは照射光の均一性が高い分、インテンシティが低くなるため、遠距離測定には不向きである。
　そこで、電力を節減しなおかつ強い光の信号を処理できる方法としてドットパターンを照射し、この光のタイムオブフライトから３次元計測を行うことが検討されている。
　このような入射したレーザ光をドットパターンに変換する光学フィルタとしては、誘電体の凹凸パターンからなり、光の位相差を透過面の位置によって変化させる回折光学素子（ＤＯＥ）が広く用いられている。またレーザ光源としては二次元アレイを容易に作れる垂直共振面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）を用いることが多い。
　ＶＣＳＥＬから発光した光は、まずコリメートレンズによって平行光に変換される。ＤＯＥは、このコリメート光が凹凸パターンを透過することで位相差を変化させ、それらの光の回折によって、所定の配向分布を与える。その結果、照射対象物の表面には、所定の強度分布で光が照射される。
　ここで、ＶＣＳＥＬが照射する光には、２０度前後の拡がり角があり、ドットプロジェクタに使用する場合には、上述したようにコリメートレンズが必要になる。しかし、コリメートレンズは、コリメート光を生成するために、当該レンズの焦点位置に光源を配置する必要がある。質の高いコリメート光を得るには焦点距離が長く、デバイスサイズが大きくなるという問題があった。
　そこで本発明は、コリメートレンズが不要で、利用できる光の効率が高い光学系装置および当該装置に用いる光学素子の製造方法を提供することを目的とする。
　上記目的を達成するために、本発明の光学系装置は、波長λの光を透過するレンズが周期的に配列された光学素子と、波長λの光を前記レンズの複数に照射する光源を有する照射部と、を具備し、ｎを１以上の自然数とし、前記レンズのピッチのうち小さいものからｋ番目（ｋは１以上の自然数）のピッチの大きさをＰｋとすると、いずれか１以上のピッチＰｋについて、前記照射部と前記光学素子の距離Ｌ１が、下記式１
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
 を満たすことを特徴とする。
　この場合、前記レンズは、表面の法線方向の重複率が１０％以下である非球面レンズである方がよい。
　また、開口を有し、光の一部を遮蔽するためのアパーチャーマスクを具備していてもよい。前記アパーチャーマスクは、少なくとも前記レンズの光軸を含む部分に開口を有するものであればよい。また、前記アパーチャーマスクは、前記レンズのノイズ光の光路に配置されていればよい。前記アパーチャーマスクは、前記レンズの境界部分に配置されていてもよい。また、前記レンズの境界部分に照射される光を遮蔽するアパーチャーマスクを具備するようにしてもよい。
　また、前記アパーチャーマスクは、前記光学素子と一体に形成されていてもよい。
　また、前記光学素子は、前記レンズの境界部分に透過光を当該レンズの照射角の外側に屈折させる光拡散部が形成されていてもよい。
　また、前記レンズの形状は、非回転対称とすることができる。
　また、最も小さいピッチＰ１について、前記式１を満たす方がよく、その次に、２番目に小さいピッチＰ２について、前記式１を満たす方が好ましい。
　また、前記Ｌ１の距離を調節するために、前記照射部の光を反射するミラーを備えていてもよい。
　また、本発明の光学系装置は、前記照射部を複数備えていてもよい。
　また、前記照射部は、波長λの光を照射する複数の光源を規則的に配列した第１照射部と、波長λの光を照射する複数の光源を前記第１照射部の光源と縦および横に半周期ずつずらして規則的に配列した第２照射部と、で構成されていてもよい。
　また、前記照射部は、波長λの光を照射する複数の光源を規則的に配列した第１照射部、第２照射部および第３照射部からなり、前記光学素子のレンズがピッチＰｋをとる方向に対して、当該第１照射部、第２照射部および第３照射部の各光源がそれぞれＰｋ／３ずつずらして配列されていてもよい。
　この場合、前記各照射部は、時間をずらして順番に発光させるものであってもよい。
　また、前記レンズの平面形状は、いずれかの辺の長さがＲである正方形又は長方形であり、前記レンズの配列は、ｉを１以上の自然数とすると、前記辺の方向に連なるレンズの列同士が、Ｒ／ｉずつずらして配列されたものであってもよい。
　前記照射部は複数の発光モードを有するＶＣＳＥＬからなり、当該発光モードは、光軸中心に最大強度を有するモードの割合が全体の４０％以上である方が好ましい。
　また、ｍを１以上の自然数とすると、前記照射部は、前記光学素子のレンズのいずれかの周期方向に対して、複数の光源を当該周期のｍ倍又は１／ｍ倍で規則的に配列したものである。
　また、前記照射部は、前記光源をピッチｍＰ１又はＰ１／ｍで六方配列としたものであり、前記光学素子のレンズの平面形状は、短辺と長辺の比をＰ１：Ｐ２＝１：√３とする長方形としたものであってもよい。
　また、本発明の光学系装置は、前記照射部の光を所定形状に拡散するディフューザと、前記光源と前記ディフューザとの間に配置され、前記照射部の光の一部を透過し、一部を反射するハーフミラーと、前記ハーフミラーが反射した光を前記光学素子に反射するミラーと、を更に具備していてもよい。
　また、本発明の光学系装置は、波長λの光を照射する複数の光源を前記照射部と同一に配列したディフューザ用照射部を具備し、前記ディフューザ用照射部と前記光学素子の距離Ｌ２が、下記式２
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
 を満たすものであってもよい。
　また、本発明の光学系装置は、波長λの光を照射する複数の光源を配列したディフューザ用照射部を具備し、ｍを１以上の自然数とすると、前記ディフューザ用照射部は、前記光学素子のレンズの周期方向に対して、複数の光源を当該周期のｍ倍又は１／ｍ倍とならないように配列したものであってもよい。
　また、本発明の光学系装置は、前記照射部の光源と同じ規則配列されたディフューザ用照射部を具備し、前記照射部と前記ディフューザ用照射部の回転角度は異なるものであってもよい。
　また、本発明の光学素子製造方法は、波長λの光を透過するレンズが周期的に配列された光学素子を形成する光学素子製造方法であって、基板上に前記レンズを透過した光の一部を遮蔽するためのアパーチャーマスクを形成するアパーチャーマスク形成工程と、前記アパーチャーマスクが形成された基板に前記レンズを形成するレンズ形成工程と、を有することを特徴とする。
　この場合、前記レンズ形成工程は、前記アパーチャーマスクが前記レンズのノイズ光の光路に配置されるように当該レンズを形成すればよい。例えば、前記レンズ形成工程は、前記アパーチャーマスクの遮蔽部分に前記レンズの境界が配置されるように当該レンズを形成すればよい。
　また、本発明の光学素子製造方法は、波長λの光を透過するレンズが周期的に配列された光学素子を形成する光学素子製造方法であって、前記レンズ上に前記光が透過するのを防止する遮光材料を塗布し、当該レンズの境界にあたる位置に前記遮光材料の一部が残るように当該遮光材料を除去するアパーチャーマスク形成工程を有することを特徴とする。
　本発明の光学系装置は、コリメートレンズが不要で、利用できる光の効率が高い光を照射することができる。
本発明の光学系装置を示す概略断面図である。 発光モードごとの遠方界における光強度を示す図である。 分類して合成した発光モードごとの遠方界における光強度を示す図である。 発光モードごとの割合を変えて合成した光の遠方界における光強度を示す図である。 本発明に係る光学素子を示す概略平面図である。 シミュレーション１を説明するための図である。 シミュレーション１（30～150μｍ）の遠方界における光強度を示す図である。 シミュレーション１（159.57～270μｍ）の遠方界における光強度を示す図である。 シミュレーション１（280～400μｍ）の遠方界における光強度を示す図である。 シミュレーション１（96.38～110.38μｍ）の遠方界における光強度を示す図である。 シミュレーション１（111.38～116.38μｍ）の遠方界における光強度を示す図である。 シミュレーション１（202.77～216.77μｍ）の遠方界における光強度を示す図である。 シミュレーション１（217.77～222.77μｍ）の遠方界における光強度を示す図である。 シミュレーション１（309.15～323.15μｍ）の遠方界における光強度を示す図である。 シミュレーション１（324.15～329.15μｍ）の遠方界における光強度を示す図である。 シミュレーション２を説明するための図である。 シミュレーション２の遠方界における光強度を示す図である。 シミュレーション３の光源の配置および配光特性を示す図である。 シミュレーション３の光学素子を示す図である。 シミュレーション３（ｎ＝１）の遠方界における光強度を示す図である。 シミュレーション３（ｎ＝２）の遠方界における光強度を示す図である。 シミュレーション３（ｎ＝３）の遠方界における光強度を示す図である。 シミュレーション３の比較例の遠方界における光強度を示す図である。 シミュレーション４の光源の配置および配光特性を示す図である。 シミュレーション４の光学素子を示す図である。 シミュレーション４（ｎ＝１）の遠方界における光強度を示す図である。 シミュレーション４（ｎ＝２）の遠方界における光強度を示す図である。 シミュレーション４（ｎ＝３）の遠方界における光強度を示す図である。 シミュレーション４の比較例の遠方界における光強度を示す図である。 シミュレーション５（変曲点あり）の遠方界における光強度を示す図である。 シミュレーション５（変曲点なし）の遠方界における光強度を示す図である。 法線重複率の測定方法を説明する図である。 シミュレーション６（モデル１）の遠方界における光強度を示す図である。 シミュレーション６（モデル２）の遠方界における光強度を示す図である。 シミュレーション６（モデル３）の遠方界における光強度を示す図である。 シミュレーション６（モデル４）の遠方界における光強度を示す図である。 シミュレーション６（モデル５）の遠方界における光強度を示す図である。 シミュレーション６（モデル６）の遠方界における光強度を示す図である。 本発明に係るアパーチャーマスクを示す図である。 シミュレーション７（アパーチャーマスクあり）の遠方界における光強度を示す図である。 シミュレーション７（アパーチャーマスクなし）の遠方界における光強度を示す図である。 シミュレーション８（モデル１）の遠方界における光強度を示す図である。 シミュレーション８（モデル２）の遠方界における光強度を示す図である。 シミュレーション８（モデル３）の遠方界における光強度を示す図である。 シミュレーション８（モデル４）の遠方界における光強度を示す図である。 本発明に係る光拡散部を示す図である。 シミュレーション９の遠方界における光強度を示す図である。 本発明の光学素子製造方法を示す図である。 本発明の別の光学素子製造方法を示す図である。 本発明の別の光学素子製造方法を示す図である。 本発明に係る照射部と光学素子の位置関係を示す概略平面図である。 本発明の別の光学系装置を示す概略断面図である。 本発明の別の光学系装置の原理を示す概略平面図である。 本発明の２種類の照射部を用いた光学系装置を示す概略断面図である。 本発明の別の光学系装置の原理を示す概略平面図である。 本発明の３種類の照射部を用いた光学系装置を示す概略断面図である。 本発明に係る光学素子の配列とドット数（１倍）の関係を説明するための図である。 本発明に係る光学素子の配列とドット数（２倍）の関係を説明するための図である。 本発明に係る光学素子の配列とドット数（３倍）の関係を説明するための図である。 ディフューザを併用した本発明の光学系装置に示す概略断面図である。 ドットパターン照射の機能とディフューザの機能を有する本発明の光学系装置を示す概略断面図である。 本発明に係る照射部と光学素子の位置関係を示す概略平面図である。 照射部と光学素子の角度θ（０～７°）の違いよる光源位置のばらつきを示す図である。 照射部と光学素子の角度θ（８～１５°）の違いよる光源位置のばらつきを示す図である。 照射部と光学素子の角度θ（９０°）の違いよる光源位置のばらつきを示す図である。 シミュレーション１０（θ＝０°）の遠方界における光強度を示す図である。 シミュレーション１０（θ＝１°）の遠方界における光強度を示す図である。 シミュレーション１０（θ＝５°）の遠方界における光強度を示す図である。 シミュレーション１０（θ＝１０°）の遠方界における光強度を示す図である。 シミュレーション１０（θ＝１５°）の遠方界における光強度を示す図である。
　以下に、本発明の光学系装置について説明する。本発明の光学系装置は、図１に示すように、波長λの光を照射する照射部１と、周期的なレンズ21を有する光学素子２と、で主に構成される。
　照射部１は、波長λの光を照射するものであればどのようなものでもよい。また、照射部１は、単光源でも複数光源でもよい。また、単光源の光を複数の細孔が形成されたアパーチャーに通すことにより複数光源としたものでもよい。照射部を複数光源で構成する場合には、当該光源は、同一平面上に形成される方が好ましい。照射部１の具体例としては、例えば、少ない電力で高出力が見込めるＶＣＳＥＬ（Vertical Cavity Surface Emitting LASER）を挙げることができる。ＶＣＳＥＬは、発光面に垂直な方向に光を照射することができる光源10を複数有するものである。
［発光モード］
　また、ＶＣＳＥＬの光強度を大きくする場合、当該ＶＣＳＥＬの光には、シングルモードやマルチモード等の複数の発光モードが含まれることが知られている。具体的な発光モードの例を図２に示す。図２に示す発光モードのうち互いに回転対称である（２）と（３）、（４）と（６）、（７）と（９）、（８）と（１０）は、必ず同率で存在するため、これらの類似モードをそれぞれ合成すると図３に示すようにＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆの６種類に集約できる。
　これら６種類のモードを同じ割合（Ａ:Ｂ:Ｃ:Ｄ:Ｅ:Ｆ＝１:１:１:１:１:１）で合成すると図４（ａ）に示すようになり、最大強度は０．０２７１となる。なお、図は、光源のパワーを１としたときの各配光角における遠方界の光強度である。
　一方、これら６種類のモードを１種類だけその他のモードの２倍にして合成すると図４（ｂ）に示すように、Ａ:Ｂ:Ｃ:Ｄ:Ｅ:Ｆ＝２:１:１:１:１:１は、最大強度が０．０３、Ａ:Ｂ:Ｃ:Ｄ:Ｅ:Ｆ＝１:１:１:２:１:１は、最大強度が０．０３８９、Ａ:Ｂ:Ｃ:Ｄ:Ｅ:Ｆ＝１:１:１:１:１:２は、最大強度が０．０２８５となる。すなわち、各モードのうち、最大強度が光軸中心にあるモードＡ又はＤ、または、最大強度が光軸中心に近いモードＦの割合が増えると、６種類のモードを同じ割合にした場合に比べて、合成後の光の最大強度が大きくなることがわかる。図４（ｃ）は、６種類のモードのうち、更に、モードＡ、モードＤ、モードＦだけをその他のモードの５倍にして合成したものである。Ａ:Ｂ:Ｃ:Ｄ:Ｅ:Ｆ＝５:１:１:１:１:１は、最大強度が０．０３５４、Ａ:Ｂ:Ｃ:Ｄ:Ｅ:Ｆ＝１:１:１:５:１:１は、最大強度が０．０６０８、Ａ:Ｂ:Ｃ:Ｄ:Ｅ:Ｆ＝１:１:１:１:１:５は、最大強度が０．０３４３となった。すなわち、モードＤを５倍にして合成した光（Ａ:Ｂ:Ｃ:Ｄ:Ｅ:Ｆ＝１:１:１:５:１:１）は、特に顕著に合成後の光の最大強度が大きくなった。
　以上のことから、複数の発光モードを有するＶＣＳＥＬを用いる場合には、当該ＶＣＳＥＬの光源は、発光モードのうち光軸中心に最大強度を有する発光モードの割合が多い方が、生成されるドットの光強度を大きくすることができ、コントラストも大きくできる点で好ましい。したがって、光源の発光モードのうち光軸中心に最大強度を有するモードの割合は、４０％以上、好ましくは４５％以上、更に好ましくは６０％以上である方がよい。当該発光モードは、ＶＣＳＥＬの発光層の電流注入経路をコントロールする等、従来から知られている方法で調整すればよい。
　光学素子２は、波長λの光を透過するレンズ21が周期的に配列されたものである。レンズ21の形状は、照射したいドットの広がり方のパターン（以下、ドットパターンという）に合わせて自由に設計することができる。たとえば、ドットパターンを円状にしたい場合には、レンズ21の形状を球面レンズのような回転対称にすればよい。また、ドットパターンを非円形にしたい場合には、レンズ21の形状を非球面レンズのような非回転対称にして適宜調節すればよい。具体的なレンズ形状としては、例えば、凸レンズや凹レンズの他、断面によって凸レンズや凹レンズに見えるサドル型のレンズなどがある。また、周期配列には、図５（ａ）に示すような平面視で正方形や長方形のレンズ21を正方配列にするものや、図５（ｂ）に示すような平面視で六角形のレンズ21を六方配列にするものなどが該当する。
［照射部と光学素子の距離］
　また、照射部１から入射する光の波長をλ、光学素子２のレンズ21のピッチをＰ、照射部１と光学素子２の間の距離をＬ０とすると、距離Ｌ０が下記式Ａの場合に光を大きく強め合う。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
 なお、本明細書中で、照射部１と光学素子２の間の距離とは、照射部の光源の発光面から、光学素子のレンズ21の光源に近い側の面までの距離を意味する。実際には、レンズ21の大きさによる誤差は生じるが、照射部１と光学素子２のレンズ21との間の距離は、レンズ21の垂直方向(光軸方向)の大きさよりもはるかに大きいので、このように定義しても十分な精度を有している。
　また、照射部１と光学素子２の距離Ｌは、下記式Ｂのように、距離Ｌ０のｎ倍（ｎは１以上の自然数）である場合にも光を大きく強め合うことがわかった。更に、ｎが偶数のときに更に光を大きく強め合うことがわかった。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
　なお、照射部１と光学素子２の距離Ｌに対する誤差は、Ｌ０の１０％以内、好ましくは５％以内、更に好ましくは３％以内にするのがよい。距離Ｌに対する誤差がＬ０の１０％以内であることを具体的に式で表すと、下記式Ｃのように表すことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
　また、レンズ21には、周期が複数存在する場合がある。例えば、図２（ａ）に示すように、平面視で正方形のレンズ21を正方配列にした場合には、隣り合うレンズとのピッチＰ１の他、対角線方向のピッチＰ２（＝√２Ｐ１）や、ピッチＰ３（＝√５Ｐ１）等種々のピッチが存在する。また、図２（ｂ）に示すように、平面視で正六角形のレンズ21を六方配列にした場合には、隣り合うレンズとのピッチＰ１の他、ピッチＰ２（＝√３Ｐ１）等が存在する。また、平面視で長方形のレンズを規則的に配列する場合のように、レンズ21が異なる周期を複数有する場合もある。この場合には、レンズ21のピッチのうち小さいものからｋ番目（ｋは１以上の自然数）のピッチの大きさをＰｋとすると、いずれか１以上のピッチＰｋについて、照射部１と光学素子２との距離Ｌ１が、下記式１
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
 を満たすようにすればよい。
　なお、好ましくは、いずれか２以上のピッチＰｋについて、式１を満たすように、照射部１と光学素子２との距離Ｌを調節する方がよい。その場合、回折は、ピッチが最も小さいものの影響が最も大きくなるため、最も小さいピッチＰ１について、式１を満たす方がよく、更に好ましくは、２番目に小さいピッチＰ２についても、式１を満たす方がよい。
　なお、ピッチＰが光源10の光の波長λより小さくなり過ぎると回折を生じ難くなるため、光源10の配光角内に回折を生じるのに十分なレンズ21が含まれている限りにおいて、ピッチＰは、光源10の光の波長λより十分に大きい方がよく、例えば５倍以上、好ましくは１０倍以上がよい。
　次に、照射部１と光学素子２の距離Ｌを種々に変化させた場合の遠方界における光強度分布等についてシミュレーションをした。
［シミュレーション１］
　照射部１は、波長が９４０ｎｍで、図６（ａ）に示すようなガウシアン配光である光を照射する単光源とした。また、光学素子２は、簡略的に、図６（ｂ）に示すスリット状の開口がピッチ１０μｍで配列されたものとした。なお、光学素子のスリット以外の部分は光を完全に吸収する材料とした。また、照射部１と光学素子２の距離Ｌは、３０μｍから４００μｍまで１０μｍずつ変化させた３８種類と、式Ａのｎが１～６の場合の５３．１９μｍ（ｎ＝１）、１０６．３８μｍ（ｎ＝２）、１５９．６７μｍ（ｎ＝３）、２１２．７７μｍ（ｎ＝４）、２６５．９６μｍ（ｎ＝５）、３１９．１５μｍ（ｎ＝６）の６種類とした。図７～図９に光学シミュレーションソフトBeamPROP（Synopsys社製）を用いたシミュレーションの結果を示す。なお、横軸は配光角、縦軸は光源のパワーを１としたときの各配光角における遠方界の光強度である。
　また、式Ａのｎが２，４，６の場合の１０６．３８μｍ（ｎ＝２）、２１２．７７μｍ（ｎ＝４）、３１９．１５μｍ（ｎ＝６）の３種類について、それぞれ１μｍずつ前後に１０μｍ変化させたものについてもシミュレーションした。その結果を図１０～１５に示す。
　シミュレーションの結果、光強度分布は、距離Ｌが５３．１９μｍ（ｎ＝１）、１０６．３８μｍ（ｎ＝２）、１５９．６７μｍ（ｎ＝３）、２１２．７７μｍ（ｎ＝４）、２６５．９６μｍ（ｎ＝５）、３１９．１５μｍ（ｎ＝６）である場合に、きれいなピークが出ていることがわかった。また、ｎが偶数である１０６．３８μｍ（ｎ＝２）、２１２．７７μｍ（ｎ＝４）、３１９．１５μｍ（ｎ＝６）のときには、各ピークの光強度も大きいことがわかった。また、距離Ｌが式１を満たしていれば、比較的きれいなピークを維持しており、距離Ｌに多少の誤差があっても光強度は十分に強いことがわかる。
［シミュレーション２］
　照射部１は、波長が９４０ｎｍで、図１６（ａ）に示すようなガウシアン配光である光を照射する単光源とした。光学素子２は、図１６（ｂ）に示すように、高さが７μｍのレンズ21をピッチが１０μｍで周期配列したものとした。また、レンズ表面は、非円弧状とした。材料は、屈折率が１．５３のＰＤＭＳを想定した。距離Ｌは、式Ａのｎが１，２，４，６，８の場合の５３．２μｍ（ｎ＝１）、１０６．４μｍ（ｎ＝２）、２１２．８μｍ（ｎ＝４）、３１９．１μｍ（ｎ＝６）、４２５．５μｍ（ｎ＝８）の５種類を用いた。図１７に光学シミュレーションソフトBeamPROP（Synopsys社製）を用いたシミュレーションの結果を示す。なお、横軸は配光角、縦軸は光源のパワーを１としたときの各配光角における遠方界の光強度である。
　シミュレーションの結果、光学素子２は、レンズ21を複数配列したものであっても、距離Ｌが５３．２μｍ（ｎ＝１）、１０６．４μｍ（ｎ＝２）、２１２．８μｍ（ｎ＝４）、３１９．１μｍ（ｎ＝６）、４２５．５μｍ（ｎ＝８）である場合に、きれいなピークが出ており、各ピークの光強度も大きいことがわかる。また、ｎが偶数である１０６．４μｍ（ｎ＝２）、２１２．８μｍ（ｎ＝４）、３１９．１μｍ（ｎ＝６）、４２５．５μｍ（ｎ＝８）のときには、各ピークの光強度も大きいことがわかった。
［シミュレーション３］
　照射部１は、波長が９４０ｎｍの光を照射する光源10を、図１８（ａ）に示すように正方配列にした複数光源とした。また、光源が照射する光は、図１８（ｂ）に示すようなバットウィング配光で、遠方界において図１８（ｃ）に示すような光強度のものを用いた。光学素子２は、図１９（ａ）に示すように、ピッチが２０μｍであるレンズ21を正方配列にしたものとした。また、各レンズ21の形状は、図１９（ｂ）に示すように、平面視が１辺２０μｍの正方形で、高さが９．８６μｍとした。また、レンズ表面は、ｘ軸方向とｙ軸方向で曲率が異なる非回転対称の非球面とした。材料は、屈折率が１．５３のＰＤＭＳを想定した。距離Ｌは、２１２．８μｍ（式Ａのｎ＝１の場合）、４２５．５μｍ（式Ａのｎ＝２の場合）、６３８．３μｍ（式Ａのｎ＝３の場合）とした。図２０～図２２に光学シミュレーションソフトBeamPROP（Synopsys社製）を用いたシミュレーションの結果を示す。なお、図２０～図２２の（ａ）は、光学素子２から５０ｃｍ先のドットパターンを示す図である。ドットの大きさは光強度の大きさを表す。また、図２０～図２２の（ｂ）は図２０～図２２の（ａ）のｘ軸上の光の遠方界の光強度を、図２０～図２２の（ｃ）は図２０～図２２の（ａ）のｙ軸上の光の遠方界の光強度を示す。なお、横軸は配光角、縦軸は光源のパワーを１としたときの各配光角における遠方界の光強度である。
　また、比較例として、上記ドットパターンと概ね同形状の照射パターンを形成できるディフューザを用いた場合のシミュレーションをした。図２３に光学シミュレーションソフトLightTools（Synopsys社製）を用いたシミュレーションの結果を示す。図２３（ａ）は、ディフューザから５０ｃｍ先の照射パターンを示す図である。また、図２３（ｂ）は図２３（ａ）のｘ軸上の光の遠方界の光強度を、図２３（ｃ）は図２３（ａ）のｙ軸上の光の遠方界の光強度を示す。
　シミュレーションの結果、ドットパターンは、きれいにピークが出ており、各ピークの光強度も大きいことがわかる。また、ディフューザを用いたものと比較して、各ピークの光強度が非常に大きいことがわかる。また、光学素子２のレンズが正方配列の場合、対角線方向にも２８．３μｍのピッチが存在する。このピッチが式Ａを満たすＬは、４２５．５μｍであるため、図２０の結果よりも図２１の結果の方が、各ピークがきれいに揃っており、光強度も大きいことがわかる。
［シミュレーション４］
　照射部１は、波長が９４０ｎｍの光を照射する光源を、図２４（ａ）に示すように六方配列にした複数光源とした。また、光源が照射する光は、図２４（ｂ）に示すようなバットウィング配光で、遠方界において図２４（ｃ）に示すような光強度のものを用いた。光学素子２は、図２５（ａ）に示すように、ピッチが２２．５μｍであるレンズ21を六方配列にしたものとした。また、各レンズ21の形状は、図２５（ｂ）に示すように、平面視が正六角形で、高さが１２．９μｍとした。また、レンズ表面は、ｘ軸方向とｙ軸方向で曲率が異なる非回転対称の非球面とした。材料は、屈折率が１．５３のＰＤＭＳを想定した。距離Ｌは、２６９．３μｍ（式Ａのｎ＝１の場合）、５３８．６μｍ（式Ａのｎ＝２の場合）、８０７．８μｍ（式Ａのｎ＝３の場合）とした。図２６～２８に光学シミュレーションソフトBeamPROP（Synopsys社製）を用いたシミュレーションの結果を示す。なお、図２６～２８の（ａ）は、光学素子２から５０ｃｍ先のドットパターンを示す図である。ドットの大きさは光強度の大きさを表す。また、図２６～２８の（ｂ）は図２６～２８の（ａ）のｘ軸上の光の遠方界の光強度を、図２６～２８の（ｃ）は図２６～２８の（ａ）のｙ軸上の光の遠方界の光強度を示す。なお、横軸は配光角、縦軸は光源のパワーを１としたときの各配光角における遠方界の光強度である。
　また、比較例として、上記ドットパターンと概ね同形状の照射パターンを形成できるディフューザを用いた場合のシミュレーション結果を図２９に示す。図２９（ａ）は、ディフューザから５０ｃｍ先の照射パターンを示す図である。また、図２９（ｂ）は図２９（ａ）のｘ軸上の光の遠方界の光強度を、図２９（ｃ）は図２９（ａ）のｙ軸上の光の遠方界の光強度を示す。
　シミュレーションの結果、ドットパターンは、きれいにピークが出ており、各ピークの光強度も大きいことがわかる。また、ディフューザを用いたものと比較して、各ピークの光強度が非常に大きいことがわかる。
［透過光の重複率］
　また、光学素子２のレンズ形状について更に検討した。すると、レンズ21の表面の異なる位置を透過した光が同一方向に出射されると干渉が生じてしまい、ドットのコントラストを低下させる原因となることがわかった。したがって、光学素子は、レンズ21からの透過光の出射方向の重複率が低くなるように設計される方が好ましい。
［レンズ形状］
　ここで、レンズからの透過光の出射方向はレンズ表面の傾きで決まる。すなわち、レンズからの透過光の出射方向の重複率は、レンズ表面の法線方向の重複率と同義である。したがって、レンズからの透過光の出射方向の重複率を低くするには、レンズ21を、表面の法線方向の重複率が低くなる形状にすればよい。例えば、レンズ21は、当該レンズ21の表面の断面における線にレンズ21が凹状から凸状又は凸状から凹状へ変化する変曲点や特異点があると、その前後にある凹部と凸部に法線方向の重複する面が生じる。
［シミュレーション５］
　図３０に変曲点があるレンズの例を、図３１に変曲点がないレンズの例を示す。図３０（ａ）は、ｙ＝sinｘの曲線をｙ軸を中心に回転させた形状であり、図中の丸で示す部分に変曲点があるレンズである。一方、図３１（ａ）はｙ＝２｜sinｘ｜の曲線をｙ軸を中心に回転させた形状であり、変曲点のないレンズである。また、図３０（ｂ）、図３１（ｂ）は、当該レンズを周期配列した光学素子を用いた場合のドットパターンの遠方界における光強度を示す。照射部１は、波長が９４０ｎｍで、図１６（ａ）に示すようなガウシアン配光である光を照射する単光源とした。光学素子２は、図１６（ｂ）に示すように、高さが１０μｍのレンズ21をピッチが１０μｍで周期配列したものとした。材料は、屈折率が１．５３のＰＤＭＳを想定した。距離Ｌは、式Ａのｎが２の場合の１０６．４μｍ（ｎ＝２）を用いた。図３１（ｂ）、図３２（ｂ）に光学シミュレーションソフトBeamPROP（Synopsys社製）を用いたシミュレーションの結果を示す。なお、横軸は配光角、縦軸は光源のパワーを１としたときの各配光角における遠方界の光強度である。
　図３０（ａ）に示すレンズは、レンズの断面形状に変曲点を有するため、この部分でレンズの形状が凹状から凸状又は凸状から凹状に変化する。この場合、凸状部を透過した光と凹上部を透過した光が同じ方向に進む領域が生じるため、図３０（ｂ）に示すように、干渉によってドットの間にノイズ光が生じ、コントラストを下げる要因となる。一方、図３１（ａ）に示すレンズは、レンズの断面形状に変曲点がないため、レンズの形状が凸状部のみで構成される。この場合、透過した光が重複することがないため、図３１（ｂ）に示すように、ノイズ光のないきれいなドットパターンを形成することができる。したがって、レンズ21の表面の断面における線に変曲点や特異点はない方が好ましく、また、このような点あったとしても、凹部又は凸部のいずれかが十分に大きい形状にする方がよい。
　なお、レンズ21の表面の法線方向の重複率は、次のようにして測定することができる。
（１）図３２（ａ）に示すように、レンズ21を平面視（ｘ－ｙ平面）で正方形の微細領域210としてｎ個に分割する。そして、それぞれの微細領域210に重複しない１～ｎの番号を付与する。なお、微細領域210の１辺の大きさは、少なくとも照射部の光の波長の４分の１（λ／４）以下とする。
（２）図３２（ａ）に示すように、分割した微細領域210のうちｉ番目（ｉ＝１，２，・・・，ｎ）の微細領域の中心点をＰｉ、内接する円をＣｉとする。また、分割した微細領域210のうちｉ番目以外の微細領域の中心点群をＱｉとする。
（３）図３２（ｂ）に示すように、点Ｐｉを通るｘ－ｙ平面に垂直な線（ｚ軸に平行な線）とレンズ表面の交点における法線ベクトルをＮｐｉ、円Ｃｉを通るｘ－ｙ平面に垂直な線（ｚ軸に平行な線）とレンズ表面との交点における法線ベクトル群をＮｃｉとする。そして、図３２（ｃ）に示すように、ＮｐｉとＮｃｉのなす角の最小値をδθｉとする。
（４）図３２（ｂ）に示すように、点群Ｑｉを通るｘ－ｙ平面に垂直な線（ｚ軸に平行な線）とレンズ表面の交点における法線ベクトル群をＮｑｉとする。
（５）分割した微細領域210のうちｉ番目の微細領域の状態フラグをＦｉとし、Ｆｉの初期値を０とする。
（６）図３２（ｄ）に示すように、全てのｉ＝１，２，・・・，ｎに対して、法線ベクトルＮｐｉとベクトル群Ｎｑｉのなす角θｉを計算し、θｉ＜δθｉ以下の場合は、Ｆｉを１に設定する。
（７）Ｆｉが１である個数をｍとすると、法線重複率は（ｍ／ｎ）×１００（％）で求めることができる。なお、法線重複率は、ｎを無限大にする（ｎ→∞）と収束する。
［シミュレーション６］
　次に、レンズ形状の法線重複率と遠方界における光強度分布の関係についてシミュレーションをした。シミュレーションには、６種類のレンズをモデルとした。なお、後述するレンズ形状の数式は、光軸方向をz軸とし、それに直行する方向をｘ軸、ｙ軸として表す。なお、照射部１は、波長が９４０ｎｍの光を照射する光源10を、図１８（ａ）に示すように正方配列にした複数光源とした。また、光源が照射する光は、図１８（ｂ）に示すようなバットウィング配光で、遠方界において図１８（ｃ）に示すような光強度のものを用いた。光学素子２は、平面形状がｘ＝２０μｍ、ｙ＝２０μｍの正方形で、ピッチが２０μｍであるレンズ21を正方配列にしたものとした。材料は、屈折率が１．５３のＰＤＭＳを想定した。距離Ｌは、４２５．５μｍ（式Ａのｎ＝２の場合）とした。シミュレーションには、光学シミュレーションソフトBeamPROP（Synopsys社製）を用いた。
[モデル１]
　モデル１として図３３（ａ）に示すレンズについて説明する。レンズの形状は次の式の通りである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
 　図３３（ｂ）の白い領域は、法線が重複していない領域であり、法線重複率は０％であった。また、図３３（ｃ）（ｄ）は、遠方界における光強度を示す。ノイズ光がほとんどなく、ピークの光強度も全体的に強いことが分かる。
[モデル２]
　モデル２として図３４（ａ）に示すレンズについて説明する。レンズの形状は次の式の通りである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000010
 　図３４（ｂ）の黒い領域が、法線の重複している領域であり、法線重複率は５．３％であった。また、図３４（ｃ）（ｄ）は、遠方界における光強度を示す。ノイズ光は少ないが、モデル１と比較すると、ピークの光強度がやや低いことが分かる。
[モデル３]
　モデル３として図３５（ａ）に示すレンズについて説明する。レンズの形状は次の式の通りである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000011
 　図３５（ｂ）の黒い領域が、法線の重複している領域であり、法線重複率は１２．８％であった。また、図３５（ｃ）（ｄ）は、遠方界における光強度を示す。モデル１と比較すると法線重複率が１０％を超えており、モデル１やモデル２と比較すると、ピークの光強度がさらに低くなることが分かる。
[モデル４]
　モデル４として図３６（ａ）に示すレンズについて説明する。レンズの形状は次の式の通りである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000012
 　図３６（ｂ）の黒い領域が、法線の重複している領域であり、法線重複率は４９．８％であった。また、図３６（ｃ）（ｄ）は、遠方界における光強度を示す。モデル３と比較して法線重複率がさらに高く、全体的に光強度が弱いことが分かる。
[モデル５]
　モデル５として図３７（ａ）に示すレンズについて説明する。レンズの形状は次の式の通りである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000013
 　図３７（ｂ）の黒い領域が、法線の重複している領域であり、法線重複率は６２．２％であった。また、図３７（ｃ）（ｄ）は、遠方界における光強度を示す。モデル４と比較して法線重複率がさらに高く、ノイズ光が多く、全体的に光強度が弱いことが分かる。
[モデル６]
　モデル６として図３８（ａ）に示すレンズについて説明する。レンズの形状は次の式の通りである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000014
 　図３８（ｂ）の白い領域は、法線が重複していない領域であり、法線重複率は０％であった。また、図３８（ｃ）（ｄ）は、遠方界における光強度を示す。ノイズ光がほとんどなく、ピークの光強度も全体的に強いことが分かる。
　以上の結果より、レンズ21の表面は、法線方向の重複率が１０％以下、好ましくは５％以下、更に好ましくは３％以下となる形状がよい。また、レンズ21の表面は、レンズ21からの透過光の遠方界における重複率が１０％以下、好ましくは５％以下、更に好ましくは３％以下である方がよい。
[アパーチャーマスク]
　また、上述したような透過光の重複率の低いレンズ形状を設計することが難しい場合がある。また、透過光の重複率の低いレンズ形状を設計できたとしても、製造上、そのようなレンズ形状を再現することが難しい場合もある。このような場合、光学系装置は、開口70を有し、光の一部を遮蔽するアパーチャーマスク７を有していてもよい。具体的には、必要な透過光（以下、有効光という）を通す開口70を有し、ノイズとなる透過光（以下、ノイズ光という）を遮蔽するアパーチャーマスク７を用いればよい。ここで、有効光とは、ドットパターンの形成に寄与する光を意味する。したがって、開口70は、少なくともレンズの光軸を含む部分に形成される。また、開口70の大きさは、できる限り有効光を透過させることができる大きさに形成されるのが好ましい。また、ノイズ光とは、前記重複率を上げる光を意味する。レンズとアパーチャーマスク７との距離はノイズ光を遮蔽できれば任意でよいが、隣接するレンズの有効光の光路が重なる範囲よりレンズ側に配置されるのが望ましい。例えば、隣接するレンズ同士が接している場合には、それぞれのレンズの有効光は、レンズの焦点までの距離の２倍を超えると重なる。したがって、アパーチャーマスク７は、レンズの焦点までの距離の２倍の距離よりレンズ側に配置される方がよい。また、アパーチャーマスク７の開口70を焦点位置に配置すると、開口70を最も小さくでき、ノイズ光の多くを遮蔽できる点で好ましい。
　また、例えばレンズ21同士の境界部分は特異点となり、光が散乱してノイズ光の原因となる。また、例えばインプリント法によってレンズ21を形成する場合、レンズ21同士の境界部分には歪みが生じやすく、透過光の重複率を上げる原因となりやすい。したがって、このようなレンズ21の境界部分に当該レンズ21の透過光を遮蔽するアパーチャーマスク７を形成してもよい。また、アパーチャーマスク７は、光源と光学素子の間に配置することもできる。例えば、レンズ21の境界部分に光源からの光を遮蔽するアパーチャーマスク７を形成すればよい。
　また、アパーチャーマスク７の開口70の形状は、有効光を通すことができればどのような形状でもよく、円状、楕円状、四角形状、六角形状等の任意の形状にすることができる。また、レンズごとに開口70が形成されたものでもよいし、レンズごとの開口70同士がつながっているものでもよい。
　また、アパーチャーマスク７の材料としては、光の透過を抑制できるものであればどのようなものでもよいが、例えば、照射部からの光を吸収する吸収材や、当該光を反射する反射材を用いることができる。光を吸収する吸収材としては、例えばブラックレジストを用いることができる。また、光を反射する反射材としては、例えば銀、アルミニウム、酸化クロム等の金属を用いることができる。
　なお、アパーチャーマスク７は、光学素子と別体として構成されてもよいし、光学素子と一体に形成されていてもよい。
［シミュレーション７］
　アパーチャーマスク７の有無によるノイズ光の影響についてシミュレーションした。照射部１は、波長が９４０ｎｍの光を照射する光源10を、図１８（ａ）に示すように正方配列にした複数光源とした。また、光源が照射する光は、図１８（ｂ）に示すようなバットウィング配光で、遠方界において図１８（ｃ）に示すような光強度のものを用いた。光学素子２は、図３９（ａ）に示すように、ピッチが３３μｍであるレンズ21を正方配列にしたものとした。また、各レンズ21の形状は、図３９（ｂ）に示すように、次の式
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000015
 で表され、平面視が１辺３３μｍの正方形で、高さが１７．５μｍとした。レンズの焦点までの光軸上の距離は68.5μｍである。また、インプリント法でレンズを作成した場合に特異点になりやすいレンズの境界部分の断面形状は、境界が最小値となり、上記式のレンズ形状と滑らかにつながる１．５μｍ幅の放物線状とした。材料は、屈折率が１．５３のＰＤＭＳを想定した。光源と光学素子の距離Ｌは、は1158.5μｍ（式Ａのｎ＝２の場合）とした。アパーチャーマスク７は、図３９（ｃ）に示すように、直径１６．５μｍの円状の開口70が正方配列されたものを用いた。また、アパーチャーマスク７は、図３９（ａ）に示すように、開口70の中心がレンズの焦点の位置となるように配置した。アパーチャーマスク７の有無によるノイズ光の影響について、アパーチャーマスク７のない場合のドットパターンを図４０に、アパーチャーマスク７がある場合のドットパターンを図４１に示す。ドットパターンは、光学素子から５０ｃｍ離れた７０ｃｍ×７０ｃｍのプレート上におけるものである。なお、シミュレーションには、光学シミュレーションソフトBeamPROP（Synopsys社製）を用いた。
　アパーチャーマスク７がない場合には、図４０に示すように、中心付近のドット間に、ノイズ光である小さなドットが生じているのがわかる。一方、アパーチャーマスク７を配置した場合には、図４１に示すように、中心付近のドット間に、ノイズ光によるドットが生じておらず、きれいなドットパターンを形成していることがわかる。
［シミュレーション８］
　次に、アパーチャーマスク７と遠方界における光強度分布の関係についてシミュレーションをした。シミュレーションには、４種類のレンズをモデルとした。また、レンズの平面形状はｘ＝２０μｍ、ｙ＝２０μｍの正方形と、ピッチも２０μｍとした。なお、シミュレーションには、光学シミュレーションソフトBeamPROP（Synopsys社製）を用いた。
[モデル１]
　図４２（ａ）にアパーチャーマスク７がない場合のモデル１を示す、レンズの周期は10μｍ、レンズ高さは５μｍとし、インプリント法でレンズを作成した場合に特異点になりやすいレンズの境界部分の形状を0.5μｍ径の円弧状とした。この場合の光強度を図４２（ｂ）に示す。中心付近のピーク間に、ノイズ光である小さなピークが生じているのがわかる。
[モデル２]
　次に、レンズ21の境界部分の底部側に、レンズ21からの透過光を遮蔽するアパーチャーマスク７を形成したモデル２を図４３（ａ）に示す。アパーチャーマスク７の幅は、0.5μｍ径の円弧の幅に合わせて1μｍとした。また、遮蔽部の厚さは０．５μｍとした。この場合の光強度を図４３（ｂ）に示す。アパーチャーマスク７がないモデル１に比べ、中心部のノイズ光がほとんど発生していないことが分かる。
[モデル３]
　モデル１のレンズにおいて、境界部分の円弧状の部分は、インプリント法で作成した際に歪みが生じ易い。そこで、図４４（ａ）に示すように、モデル１のレンズの円弧状の部分を幅１μｍの平坦な形状とし、モデル３とした。モデル３では、レンズ21の境界部分の底部側に、レンズ21からの透過光を遮蔽するアパーチャーマスク７を形成した。アパーチャーマスク７の幅は、平坦な部分の幅に合わせて1μｍとした。また、遮蔽部の厚さは０．５μｍとした。この場合の光強度を図４４（ｂ）に示す。アパーチャーマスク７がないモデルに比べ、中心部のノイズ光がほとんど発生していないことが分かる
[モデル４]
　次に、レンズ21の境界部分の表面に、光源からの光を遮蔽するアパーチャーマスク７を形成したモデル４を図４５（ａ）に示す。アパーチャーマスク７の幅は、0.5μｍ径の円弧に入射する光を全て遮蔽することができるように1μｍとした。この場合の光強度を図４５（ｂ）に示す。アパーチャーマスク７がないモデル１に比べ、中心部のノイズ光がほとんど発生していないことが分かる。
[光拡散部]
　また、光学素子は、レンズの境界部分に透過光を当該レンズの照射角の外側（ドットパターンの照射範囲の外側）に屈折させる光拡散部８が形成されていてもよい。これにより、ノイズ光をドットパターンの外側に追い出すことができるので、きれいなドットパターンを得ることができる。光拡散部８の形状は入射した光をレンズの照射角の外側に屈折させることができればどのような形状でもよく、製造し易い任意の形状を選択すればよい。例えば、レンズの境界に平行な面による断面形状が三角形であるものを採用することができる。
［シミュレーション９］
　光拡散部８の有無によるノイズ光の影響についてシミュレーションした。図４６（ａ）に示すように、レンズはシミュレーション７に用いたレンズの境界部分に光拡散部８を有する形状とした。光拡散部８は、レンズの周囲を境界から1.5μｍの幅で形成した。光拡散部８の断面形状（レンズの直近の境界に対して平行な断面）は、図４６（ｂ）に示すように、底辺の幅と高さが同じであるアスペクト１の相似形の三角形を並べた凹凸構造とした。相似形の各三角形は、当該三角形の底辺の位置とレンズの底面の位置が一致するように並べた。その他は、シミュレーション７と同じ条件とした。光拡散部８がある場合のドットパターンを図４７に示す。
　光拡散部８を配置した場合には、図４７に示すように、ドット間にノイズ光によるドットがあまり生じておらず、きれいなドットパターンを形成していることがわかる。
[光学素子製造方法]
　光学素子の製造方法について説明する。光学素子２のレンズ21は、どのように製造してもよいが、例えば、インプリント法を用いて製造することができる。具体的には、スピンコータ等の周知の方法によって、基板25上にレンズ21の材料を所定の膜厚で塗布する（塗布工程）。材料としては、波長λの光を透過するレンズ21を形成できればどのようなものでもよく、例えばポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）を用いることができる。
　次に、レンズ21が周期的に配列されたパターンの反転パターンを有するモールドを用意し、当該モールドを基板25上に塗布した材料に加圧して、パターンを転写する（インプリント工程）。なお、上述した光拡散部８を有する光学素子を形成する場合には、前記パターンと共に当該光拡散部８の反転パターンを有するモールドを用いればよい。
　これにより、レンズ21の高さ方向のばらつきが小さい光学素子を製造することができるため、距離Ｌ１の誤差を小さくすることができる。
　また、光学素子にアパーチャーマスク７を形成する場合には、アパーチャーマスク形成工程を有する。まず、アパーチャーマスク７がレンズ21のノイズ光の光路に配置されるよう形成する場合について説明する。
（１）図４８（ａ）に示すように、基板25上であって、少なくともレンズ21の光軸にあたる位置から所定距離離れた位置に光が透過するのを防止するアパーチャーマスク７を形成する（アパーチャーマスク形成工程）。アパーチャーマスク７はどのような方法で形成してもよいが、例えば、以下の方法で形成すればよい。
（１．１）基板25上に遮光材料からなる膜を形成する。当該膜の形成は化学蒸着（CVD）等の方法を用いてもよいし、塗布によって形成してもよい。
（１．２）遮光材料からなる膜の上にレジストを塗布し、フォトリソグラフィやインプリント等の既存の技術によって、アパーチャーマスクの開口となる部分以外の位置にレジストを形成する。開口70の大きさは、できる限り有効光を透過させることができる大きさに形成すればよい。このレジストを用いて遮光材料をエッチングし、残ったレジストをアッシング等により除去すれば、アパーチャーマスク７を形成することができる。
　遮光材料としては使用する光を遮光できればどのような材料を用いてもよいが、例えば、銀、アルミニウム、酸化クロム等の金属やブラックレジスト等の樹脂を用いることができる。
（２）基板25上にアパーチャーマスク７を形成した後、図４８（ｂ）に示すように、レンズ21とアパーチャーマスク７との距離を調節するための透明膜26を形成する。透明膜26はどのように形成してもよく、例えば、スピンコータ等の周知の方法によって、基板25上に透明な材料を所定の膜厚で塗布して形成すればよい。材料としては、波長λの光を透過するものであればどのようなものでもよく、例えばポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）を用いることができる。
（３）基板25上に透明膜26を形成した後、図４８（ｃ）に示すように、レンズ21を形成する（レンズ形成工程）。レンズはどのような方法で形成してもよいが、例えば、アパーチャーマスク７との位置合わせを行い、インプリント法等の既存の技術を用いてレンズ21を形成すればよい。この場合、レンズ21とアパーチャーマスク７との距離は、透明膜26とインプリントによる残膜の大きさによって決まる。このようにして、図４８（ｄ）に示すように、光学素子２と一体となったアパーチャーマスク７を形成することができる。なお、レンズ21とアパーチャーマスク７との距離の調節は、透明膜26を形成せずに、インプリントによる残膜の大きさのみによって調節することも可能である。
　また、図４９（ｃ）に示すように、レンズ21の境界部分であってレンズの透過光側に、レンズからの透過光を遮蔽するアパーチャーマスク７を形成する場合には、以下の方法で形成すればよい。
（１）図４９（ａ）に示すように、基板25上であって、レンズの境界にあたる位置に光が透過するのを防止するアパーチャーマスク７を形成する（アパーチャーマスク形成工程）。アパーチャーマスク７は従来から知られているどのような方法で形成してもよいが、例えば、以下の方法で形成すればよい。
（１．１）基板25上に遮光材料からなる膜を形成する。当該膜の形成は化学蒸着（CVD）等の方法を用いてもよいし、塗布によって形成してもよい。
（１．２）遮光材料からなる膜の上にレジストを塗布し、フォトリソグラフィやインプリント等の既存の技術によって、レンズの境界にあたる位置にのみ、ノイズ光を遮蔽できる所望の幅でレジストを形成する。このレジストを用いて遮光材料をエッチングし、残ったレジストをアッシング等により除去すれば、アパーチャーマスク７を形成することができる。
　遮光材料としては使用する光を遮光できればどのような材料を用いてもよいが、例えば、銀、アルミニウム、酸化クロム等の金属やブラックレジスト等の樹脂を用いることができる。
（２）基板25上にアパーチャーマスク７を形成した後、図４９（ｂ）に示すように、アパーチャーマスク７上にレンズ21の境界が配置されるようにレンズ21を形成する（レンズ形成工程）。レンズはどのような方法で形成してもよいが、例えば、アパーチャーマスク７との位置合わせを行い、インプリント法等の既存の技術を用いてレンズ21を形成すればよい。これにより、図４９（ｃ）に示すように、光学素子２と一体となったアパーチャーマスク７を形成することができる。
　また、図５０（ｃ）に示すように、レンズ21の境界部分であってレンズの光源側に、光源からの光を遮蔽するアパーチャーマスク７を形成する場合には、以下の方法で形成すればよい。
（１）レンズ21が周期的に配列された光学素子を用意する。当該光学素子のレンズ21の形成はどのように行ってもよく、例えばインプリント法などの既存の技術を用いればよい。
（２）次に、図５０（ａ）に示すように、レンズ21上の全部または一部に光が透過するのを防止する遮光材料を塗布し遮光膜27を形成する。次に、図５０（ｂ）に示すように、当該レンズ21の境界にあたる位置に遮光材料の一部が残るように遮光材料を除去してアパーチャーマスク７を形成する（アパーチャーマスク形成工程）。例えば、レンズ21上にブラックレジスト等の遮光材料を塗布する。この遮光材料をエッチングにより所望量だけエッチバックしてやればレンズ21の境界にあたる溝の部分にのみ遮光材料が残った状態の光学素子を形成することができる。
　遮光材料としては、使用する光を遮光することができ、レンズ21に対するエッチングレートが十分に高ければどのような材料を用いてもよい。ここでエッチングレートが十分に高いとは、レンズ21の光学特性に影響がない程度を意味する。
　エッチング方法はエッチバックができればどのような方法を用いてもよいが、例えば反応性イオンエッチング（RIE）やケミカルドライエッチング（CDE）などを用いればよい。これにより、図５０（ｃ）に示すように、光学素子２と一体となったアパーチャーマスク７を形成することができる。
[照射部のピッチ]
　照射部１に複数の光源10を有する場合には、各光源10と光学素子２を相対的に平行移動しても、平面視で、光学素子２の各レンズ21に対する光源10の数が同じになるように配置する必要がある。具体的には、ｍを１以上の自然数とすると、照射部は、光学素子のレンズ21のいずれかの周期方向に対して、複数の光源を当該周期のｍ倍又は１／ｍ倍で規則的に配列するとよい。換言すると、照射部１の光源10は、光学素子２のレンズ21がピッチＰｋをとる方向に対して、ピッチｍＰｋ又はＰｋ／ｍで規則的に配列するとよい。特に、ピッチｍＰ１又はＰ１／ｍとするのがよい。図５１の（ａ），（ｂ）は、ｍ＝１として、光源10のピッチを光学素子２のレンズ21のピッチＰ１と等しくしたものである。また、図５１（ｃ）は、ｍ＝２とし、光源10のピッチを光学素子２のレンズ21のピッチＰ１の１／２、すなわちＰ１／２としたものである。また、図５１（ｄ）は、ｍ＝２とし、光源10のピッチを光学素子２のレンズ21のピッチＰ１の２倍、すなわち２Ｐ１としたものである。
　なお、照射部１が光源10を六方配列としたものである場合には、光学素子のレンズ21の平面形状を長方形とし、当該長方形の短辺と長辺の比をＰ１：Ｐ２＝１：√３とし、光源10のピッチをｍＰ１又はＰ１／ｍすると、各レンズ21に対する光源10の数が均一になるため好ましい。また、この場合には、最も小さいピッチＰ１（長方形の短辺の大きさ）と２番目に小さいピッチＰ２（長方形の長辺の大きさ）について式１を満たすために、Ｐ２＝√３Ｐ１を考慮して、照射部１と光学素子２との距離Ｌ１は、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000016
 とするのが好ましく、更に好ましくは、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000017
 とするのがよい。
　また、照射部１の光は、図５２に示すように、直接光学素子２に照射する必要はなく、照射部１の光を反射するミラー３を介して照射してもよい。この場合、照射部１と光学素子２との距離Ｌ１とは実質的な距離を意味する。したがって、図５２の場合の距離Ｌ１は、矢印で示す照射部１からミラー３までの距離Ｌａとミラー３から光学素子２までの距離Ｌｂの和であるＬａ＋Ｌｂとなる。これにより、ミラー３を用いて距離Ｌを調節することができる。また、光源からの光の方向を調節することも可能である。
　次に、本発明の別の実施形態について説明する。図５３（ａ）は、光学素子２側から照射部１を見た概略平面図である。ここで、光学素子２は、平面形状が長方形のレンズ21を規則的に配列にしたものとした。また、照射部１は、各光源10を六方配列にしたものを用いた。図５３（ａ）に示す光源10の配置は、分解すると図５３（ｂ）に示すように４つに分けることができる。このうち、図５３（ｂ）の左上と左下および右上と右下の光源10の配置から照射されるドットパターンは同一であるため、同一視することができる。したがって、光学素子２に対する光源10の配置としては、実質的には図５３（ｃ）に示す２種類に分類することができる。
　したがって、図５４に示すように、照射部１を、波長λの光を照射する複数の光源10を規則的に配列した第１照射部１Ａと、波長λの光を照射する複数の光源10を前記第１照射部１Ａの光源10と縦および横に半周期ずつずらして規則的に配列した第２照射部１Ｂと、で構成しても同様の配光を実現することができる。この場合、図５３の（ａ）と（ｃ）を比較すればわかる通り、照射部１の光源10同士のピッチを２倍にすることができるという利点がある。
　また、照射部１を、波長λの光を照射する複数の光源10を規則的に配列した第１照射部、第２照射部および第３照射部で構成し、各照射部を、光学素子２のレンズ21がピッチＰｋをとる方向に対してＰｋ／３ずつずらして配列するようにしてもよい。例えば、光学素子２は、平面形状が長方形のレンズ21を規則的に配列にしたものとし、照射部１は、各光源10を六方配列にしたものを用いた場合を図５５（ａ）に示す。この場合、図５５（ａ）に示す照射部１は、図５５（ｂ）～（ｄ）に示すように、光学素子２のレンズがピッチＰ２をとる方向に対して、光源10がＰ２／３ずつずらして配列された第１の照射部11、第２の照射部12、第３の照射部13の３つで構成することができる。したがって、図５６に示すように、光学素子２と第１照射部11、第２照射部12および第３照射部13の３つで光学系装置を構成することにより、照射部の光強度を下げずに出射されるドットの数を３倍に増やすことができる。また、ＴＯＦに用いる受光センサの解像度が低い場合には、ドットの数が３倍になっても全てを感知することができない場合もある。この場合には、照射部は、第１照射部、第２照射部および第３照射部を時間をずらして順番に発光させるようにすることも可能である。これにより、受光センサで３回の測定を行うことにより、解像度を３倍に増やすことができる。
　また、レンズ21の平面形状が、いずれかの辺の長さがＲである正方形又は長方形の場合、当該レンズ21の配列は、ｉを１以上の自然数とすると、上述した辺の方向に連なるレンズ21の列同士を、Ｒ／ｉずつずらして配列してもよい。これにより、出射するドットの数をｉ倍にすることができる。
　当該原理は、次のように説明することができる。なお、ここで照射部１は、波長が９４０ｎｍの光を照射する光源10を最小ピッチが21μｍとなるように六方配列にしたものとした。また、光源10の大きさは10μｍであるとした。また、光学素子２のレンズ21の平面形状は、縦21μｍ、横36.4μｍの長方形であるとした。また、照射部１と光学素子２の距離は1407μｍとした。図５７（ａ）に示すように、光学素子２の隣接する列のレンズ21が同一に配置される場合には、各レンズ21に対する光源10の位置を合成すると図５７（ｂ）に示すようになり、レンズ21の１個当たりの光源10の光は２個となる。この場合、照射されるドットパターンは、図５７（ｃ）のようになる。一方、図５８（ａ）に示すように、光学素子２の隣接する列のレンズ21をＲ／２ずつずらして配列した場合には、各レンズ21に対する光源10の位置を合成すると図５８（ｂ）に示すようになり、レンズ21の１個当たりの光源10の光は４個となる。この場合、レンズ21の１個当たりの光源10の光が２倍になるため、照射されるドットパターンのドットの数は、図５８（ｃ）のように２倍になる。更に、図５９（ａ）に示すように、光学素子２の隣接する列のレンズ21をＲ／３ずつずらして配列した場合には、各レンズ21に対する光源10の位置を合成すると図５９（ｂ）に示すようになり、レンズ21の１個当たりの光源10の光は６個となる。この場合、レンズ21の１個当たりの光源10の光が３倍になるため、照射されるドットパターンのドットの数は、図５９（ｃ）のように３倍になる。このように、光学素子２の隣接する列のレンズ21をＲ／ｉずつずらして配列した場合には、各レンズ21に対する光源10を合成すると、レンズ21の１個当たりの光源10の光は２ｉ個となる。したがって、レンズ21の１個当たりの光源10の光は隣接するレンズ21の列を全くずらさない場合のｉ倍となり、出射されるドットの数もｉ倍となる。
　また、本発明の光学素子２と、従来のディフューザ型の光学素子５を併用したい場合もある。この場合、光学系装置は、図６０に示すように、照射部１の光を所定形状に拡散するディフューザと、光源10とディフューザとの間に配置され、照射部１の光の一部を透過し、一部を反射するハーフミラーと、ハーフミラー４が反射した光を光学素子２に反射するミラーと、を備えるようにしてもよい。
　また、本発明に係る光学素子２は、ドットパターンを照射するために用いることができるだけでなく、ディフューザ用途にも用いることもできる。
　光学素子２をディフューザとして用いる第１の方法は、図６１に示すように、波長λの光を照射する複数の光源10をドットパターンの照射に利用する照射部１と同一に配列したディフューザ用照射部６を用意する。そして、ディフューザ用照射部６と光学素子２との距離Ｌ２が、下記式２
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000018
 を満たすようにすればよい。これにより、上述したシミュレーション１および図７～図９に示すように、各ピークの幅が広がって光強度のむらが小さくなることがわかる。
　なお、より好ましくは、距離Ｌ２が、下記式３
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000019
 を満たす方がよい。
　なお、この場合、図６１（ａ）に示すように、光学素子２を共通にして用いてもよいし、図６１（ｂ）に示すように、ドットパターン用の光学素子２ａとディフューザ用の光学素子２ｂの２つを用いてもよい。
　また、光学素子２をディフューザとして用いる第２の方法は、波長λの光を照射する複数の光源60を配列したディフューザ用照射部６を用意する。そして、ｍを１以上の自然数とすると、ディフューザ用照射部６は、光学素子２のレンズ21の周期方向に対して、複数の光源60を当該周期のｍ倍又は１／ｍ倍とならないように配列すればよい。
　なお、図６２（ａ）に示すように、ディフューザ用照射部６の複数の光源60が当該周期のｍ倍又は１／ｍ倍である場合もある。この場合には、図６２（ｂ）に示すように、光学素子に対するディフューザ用照射部６を光源60の光軸方向に対して回転させればよい。これにより、光学素子２のレンズ21の周期方向に対して、複数の光源60が当該周期のｍ倍又は１／ｍ倍とならないように配列をずらすことができる。図６３～図６５は、光学素子２にディフューザ用照射部６の光を照射した場合の各レンズ21に対する光源60の位置を一つのレンズ21に合成した状態を示す図である。ここで回転角度θは、光学素子２のレンズ21がピッチＰｋをとる方向に対する、ディフューザ用照射部６の光源10がピッチｍＰｋ又はＰｋ／ｍをとる方向の角度差を意味とする。例えば、図６２（ａ）に示すように、照射部１のピッチと光学素子２のピッチが一致する場合（θが０度の場合）には、どのレンズ21においても光源10の位置が同一であるため、図６３（θ＝０°）に示すように、それぞれの光源10の位置がきれいに重なる。一方、角度θが大きくなるにつれて光源10の位置にずれが生じ始める。
［シミュレーション１０］
　光学素子２に対する回転角度とドットパターンの関係についてシミュレーションをした。照射部は、ピッチは21μｍの六方配列で、波長940nm、広がり角（FWHM）が20度、エミッターピッチが10μｍのＶＣＳＥＬとした。光学素子は、屈折率が1.53、ピッチが21μｍ×36.37μｍの長方形、FOIが60度×45度とした。また、光学素子と照射部の距離は1407μmとした。また、ドットパターンの投影位置は、光学素子から50cm先とした。光学素子２に対する回転角度θは、０度、１度、５度、１０度、１５度とした。図６６～図７０は、光学素子２に対する回転角度とドットパターンを示す図である。なお、シミュレーションには、光学シミュレーションソフトBeamPROP（Synopsys社製）を用いた。
　図６６に示すように、ディフューザ用照射部６の複数の光源60が光学素子のレンズの周期が一致している（回転角度が０度）場合には、きれいにドットパターンが出ているのに対し、回転角度が大きくなり、光源60の周期とレンズの周期のずれが大きくなるにつれて、ピーク幅が広がり、光が拡散しているのがわかる。したがって、光学素子に対するディフューザ用照射部６の回転角度θを適宜調節することにより、光学素子２をディフューザとして用いることができる。
　また、光学素子２をディフューザとして用いる第３の方法は、ドットパターンのドットの数を増やして、照射される光を見かけ上均一にする方法である。ここで見かけ上とは、例えば、ＴＯＦに用いる場合には、照射された光の反射光を受光する受光センサの解像度以上にドットの数を大きくすることを意味する。ドットパターンのドットの数を増やすには、上述したように、レンズ21の平面形状を、いずれかの辺の長さがＲである正方形、長方形、ひし型又は平行四辺形とする。また、当該レンズ21の配列は、上述した辺の方向に連なるレンズ21の列同士を、Ｒ／ｉずつずらして配列する。そして、出射するドットの数を受光センサの解像度以上となるようにｉを調節すればよい。
　このように形成されたディフューザは、上述したドットパターンを照射するための光学系装置と組み合わせて用いることができる。これにより、遠距離の対象物は、ドットパターンによって照射光のインテンシティを担保して距離や形状等を測定し、近距離の対象物はディフューザの光を照射して距離や形状等をより正確に測定することができる。
　１　照射部
　１Ａ　第１の照射部
　１Ｂ　第２の照射部
　２　光学素子
　３　ミラー
　４　ハーフミラー
　５　ディフューザ型の光学素子
　６　ディフューザ用照射部
　７　アパーチャーマスク
　８　光拡散部
　10　光源
　11　照射部
　12　照射部
　13　照射部
　21　レンズ
　25　基板
　60　光源
　70　開口

Claims (29)

  1. 　波長λの光を透過するレンズが周期的に配列された光学素子と、
    　波長λの光を前記レンズの複数に照射する光源を有する照射部と、
    を具備し、
    　ｎを１以上の自然数とし、前記レンズのピッチのうち小さいものからｋ番目（ｋは１以上の自然数）のピッチの大きさをＰｋとすると、いずれか１以上のピッチＰｋについて、前記照射部と前記光学素子の距離Ｌ１が、下記式１
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
     を満たすことを特徴とする光学系装置。
  2. 　前記レンズは、表面の法線方向の重複率が１０％以下である非球面レンズであることを特徴とする請求項１記載の光学系装置。
  3. 　開口を有し、光の一部を遮蔽するためのアパーチャーマスクを具備することを特徴とする請求項１又は２記載の光学系装置。
  4. 　前記アパーチャーマスクは、少なくとも前記レンズの光軸を含む部分に開口を有するものであることを特徴とする請求項３記載の光学系装置。
  5. 　前記アパーチャーマスクは、前記レンズのノイズ光の光路に配置されるものであることを特徴とする請求項３記載の光学系装置。
  6. 　前記アパーチャーマスクは、前記レンズの境界部分に配置されるものであることを特徴とする請求項３記載の光学系装置。
  7. 　前記アパーチャーマスクは、前記レンズの境界部分に照射される光を遮蔽するものであることを特徴とする請求項３記載の光学系装置。
  8. 　前記アパーチャーマスクは、前記光学素子と一体に形成されていることを特徴とする請求項３ないし７のいずれかに記載の光学系装置。
  9. 　前記光学素子は、前記レンズの境界部分に透過光を当該レンズの照射角の外側に屈折させる光拡散部が形成されていることを特徴とする請求項１又は２記載の光学系装置。
  10. 　前記レンズの形状は、非回転対称であることを特徴とする請求項１ないし９のいずれかに記載の光学系装置。
  11. 　最も小さいピッチＰ１について、前記式１を満たすことを特徴とする請求項１ないし１０のいずれかに記載の光学系装置。
  12. 　２番目に小さいピッチＰ２について、前記式１を満たすことを特徴とする請求項１ないし１１のいずれかに記載の光学系装置。
  13. 　前記照射部の光を反射するミラーを具備することを特徴とする請求項１ないし１２のいずれかに記載の光学系装置。
  14. 　前記照射部を複数具備することを特徴とする請求項１ないし１３のいずれかに記載の光学系装置。
  15. 　前記照射部は、波長λの光を照射する複数の光源を規則的に配列した第１照射部と、波長λの光を照射する複数の光源を前記第１照射部の光源と縦および横に半周期ずつずらして規則的に配列した第２照射部と、で構成されることを特徴とする請求項１４記載の光学系装置。
  16. 　前記照射部は、波長λの光を照射する複数の光源を規則的に配列した第１照射部、第２照射部および第３照射部からなり、前記光学素子のレンズがピッチＰｋをとる方向に対して、当該第１照射部、第２照射部および第３照射部の各光源がそれぞれＰｋ／３ずつずらして配列されることを特徴とする請求項１４記載の光学系装置。
  17. 　前記照射部は、各照射部を時間をずらして順番に発光させるものであることを特徴とする請求項１４ないし１６のいずれかに記載の光学系装置。
  18. 　前記レンズの平面形状は、いずれかの辺の長さがＲである正方形又は長方形であり、
    　前記レンズの配列は、ｉを１以上の自然数とすると、前記辺の方向に連なるレンズの列同士が、Ｒ／ｉずつずらして配列されたものであることを特徴とする請求項１ないし１７のいずれかに記載の光学系装置。
  19. 　前記照射部は複数の発光モードを有するＶＣＳＥＬからなり、当該発光モードは、光軸中心に最大強度を有するモードの割合が全体の４０％以上であることを特徴とする請求項１ないし１８のいずれかに記載の光学系装置。
  20. 　ｍを１以上の自然数とすると、前記照射部は、前記光学素子のレンズのいずれかの周期方向に対して、複数の光源を当該周期のｍ倍又は１／ｍ倍で規則的に配列したものであることを特徴とする請求項１ないし１９のいずれかに記載の光学系装置。
  21. 　前記照射部は、前記光源をピッチｍＰ１又はＰ１／ｍで六方配列としたものであり、
    　前記光学素子のレンズの平面形状は、短辺と長辺の比をＰ１：Ｐ２＝１：√３とする長方形としたものであることを特徴とする請求項１ないし２０のいずれかに記載の光学系装置。
  22. 　前記照射部の光を所定形状に拡散するディフューザと、
    　前記光源と前記ディフューザとの間に配置され、前記照射部の光の一部を透過し、一部を反射するハーフミラーと、
    　前記ハーフミラーが反射した光を前記光学素子に反射するミラーと、
    を具備することを特徴とする請求項１ないし２１のいずれかに記載の光学系装置。
  23. 　波長λの光を照射する複数の光源を前記照射部と同一に配列したディフューザ用照射部を具備し、
    　前記ディフューザ用照射部と前記光学素子の距離Ｌ２が、下記式２
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
     を満たすことを特徴とする請求項１ないし２１のいずれかに記載の光学系装置。
  24. 　波長λの光を照射する複数の光源を配列したディフューザ用照射部を具備し、
    　ｍを１以上の自然数とすると、前記ディフューザ用照射部は、前記光学素子のレンズの周期方向に対して、複数の光源を当該周期のｍ倍又は１／ｍ倍とならないように配列したものであることを特徴とする請求項１ないし２１のいずれかに記載の光学系装置。
  25. 　前記照射部の光源と同じ規則配列されたディフューザ用照射部を具備し、
    　前記照射部と前記ディフューザ用照射部の回転角度は異なることを特徴とする請求項１ないし２１のいずれかに記載の光学系装置。
  26. 　波長λの光を透過するレンズが周期的に配列された光学素子を形成する光学素子製造方法であって、
    　基板上に前記レンズを透過した光の一部を遮蔽するためのアパーチャーマスクを形成するアパーチャーマスク形成工程と、
    　前記アパーチャーマスクが形成された基板に前記レンズを形成するレンズ形成工程と、
    を有することを特徴とする光学素子製造方法。
  27. 　前記レンズ形成工程は、前記アパーチャーマスクが前記レンズのノイズ光の光路に配置されるように当該レンズを形成するものであることを特徴とする請求項２５記載の光学素子製造方法。
  28. 　前記レンズ形成工程は、前記アパーチャーマスクの遮蔽部分に前記レンズの境界が配置されるように当該レンズを形成するものであることを特徴とする請求項２５記載の光学素子製造方法。
  29. 　波長λの光を透過するレンズが周期的に配列された光学素子を形成する光学素子製造方法であって、
    　前記レンズ上に前記光が透過するのを防止する遮光材料を塗布し、当該レンズの境界にあたる位置に前記遮光材料の一部が残るように当該遮光材料を除去するアパーチャーマスク形成工程を有することを特徴とする光学素子製造方法。
PCT/JP2020/047275 2020-05-13 2020-12-17 光学系装置および光学素子製造方法 Ceased WO2021229848A1 (ja)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2021521863A JP7061823B2 (ja) 2020-05-13 2020-12-17 光学系装置および光学素子製造方法
US17/924,936 US20230204824A1 (en) 2020-05-13 2020-12-17 Optical System Device
CN202080100825.4A CN115552278B (zh) 2020-05-13 2020-12-17 光学系统装置及光学元件制造方法

Applications Claiming Priority (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2020084820 2020-05-13
JP2020-084820 2020-05-13
JP2020135464 2020-08-08
JP2020-135464 2020-08-08

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2021229848A1 true WO2021229848A1 (ja) 2021-11-18

Family

ID=78524437

Family Applications (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2020/047275 Ceased WO2021229848A1 (ja) 2020-05-13 2020-12-17 光学系装置および光学素子製造方法
PCT/JP2021/018246 Ceased WO2021230324A1 (ja) 2020-05-13 2021-05-13 光学系装置および光学素子製造方法

Family Applications After (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2021/018246 Ceased WO2021230324A1 (ja) 2020-05-13 2021-05-13 光学系装置および光学素子製造方法

Country Status (4)

Country Link
US (1) US20230204824A1 (ja)
JP (1) JP7061823B2 (ja)
CN (1) CN115552278B (ja)
WO (2) WO2021229848A1 (ja)

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2022104454A (ja) * 2020-12-28 2022-07-08 株式会社ダイセル マイクロレンズアレイ、拡散板及び照明装置
WO2023026987A1 (ja) * 2021-08-25 2023-03-02 Ｓｃｉｖａｘ株式会社 光学系装置
WO2023090435A1 (ja) * 2021-11-19 2023-05-25 Ｓｃｉｖａｘ株式会社 光学系装置および光学素子製造方法
JPWO2024029616A1 (ja) * 2022-08-05 2024-02-08
WO2024143498A1 (ja) * 2022-12-27 2024-07-04 Ｓｃｉｖａｘ株式会社 光学系装置
WO2024143433A1 (ja) * 2022-12-27 2024-07-04 Ｓｃｉｖａｘ株式会社 光学系装置
WO2025057909A1 (ja) * 2023-09-11 2025-03-20 Ｓｃｉｖａｘ株式会社 光学系装置

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN217034418U (zh) * 2022-01-11 2022-07-22 深圳迈塔兰斯科技有限公司 光学系统及包含其的光固化打印系统
WO2024128049A1 (ja) * 2022-12-15 2024-06-20 Ａｇｃ株式会社 マイクロレンズアレイ、及び投影装置
WO2024143481A1 (ja) * 2022-12-27 2024-07-04 Ｓｃｉｖａｘ株式会社 三次元撮影装置

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0264501A (ja) * 1988-08-30 1990-03-05 Sharp Corp マイクロレンズアレイ及びその製造方法
JP2000298201A (ja) * 1999-04-14 2000-10-24 Omron Corp マイクロレンズアレイ
JP2002277610A (ja) * 2001-03-21 2002-09-25 Ricoh Co Ltd 遮光部付きマイクロレンズ基板の作製方法
JP2005156203A (ja) * 2003-11-21 2005-06-16 Matsushita Electric Works Ltd レーザ測距装置
WO2017131585A1 (en) * 2016-01-26 2017-08-03 Heptagon Micro Optics Pte. Ltd. Multi-mode illumination module and related method
JP2018511034A (ja) * 2015-01-29 2018-04-19 ヘプタゴン・マイクロ・オプティクス・プライベート・リミテッドＨｅｐｔａｇｏｎ Ｍｉｃｒｏ Ｏｐｔｉｃｓ Ｐｔｅ． Ｌｔｄ． パターン化された照射を生成するための装置

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10509147B2 (en) * 2015-01-29 2019-12-17 ams Sensors Singapore Pte. Ltd Apparatus for producing patterned illumination using arrays of light sources and lenses
KR101945661B1 (ko) * 2015-03-12 2019-02-07 주식회사 쿠라레 확산판
DE102017217345B4 (de) * 2017-09-28 2019-12-24 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Optischer Strahlformer
JP7102797B2 (ja) * 2018-03-12 2022-07-20 株式会社リコー 光学装置、これを用いた距離計測装置、及び移動体
US11624832B2 (en) * 2018-06-08 2023-04-11 Samsung Electronics Co., Ltd. Illumination device and electronic device including the same
US11175010B2 (en) * 2018-09-20 2021-11-16 Samsung Electronics Co., Ltd. Illumination device and electronic apparatus including the same
US12374864B2 (en) * 2018-09-24 2025-07-29 Ams Sensors Asia Pte. Ltd. Producing illumination beams using micro-lens arrays
US11085609B1 (en) * 2021-02-08 2021-08-10 Himax Technologies Limited Illumination device

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0264501A (ja) * 1988-08-30 1990-03-05 Sharp Corp マイクロレンズアレイ及びその製造方法
JP2000298201A (ja) * 1999-04-14 2000-10-24 Omron Corp マイクロレンズアレイ
JP2002277610A (ja) * 2001-03-21 2002-09-25 Ricoh Co Ltd 遮光部付きマイクロレンズ基板の作製方法
JP2005156203A (ja) * 2003-11-21 2005-06-16 Matsushita Electric Works Ltd レーザ測距装置
JP2018511034A (ja) * 2015-01-29 2018-04-19 ヘプタゴン・マイクロ・オプティクス・プライベート・リミテッドＨｅｐｔａｇｏｎ Ｍｉｃｒｏ Ｏｐｔｉｃｓ Ｐｔｅ． Ｌｔｄ． パターン化された照射を生成するための装置
WO2017131585A1 (en) * 2016-01-26 2017-08-03 Heptagon Micro Optics Pte. Ltd. Multi-mode illumination module and related method

Cited By (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2022104454A (ja) * 2020-12-28 2022-07-08 株式会社ダイセル マイクロレンズアレイ、拡散板及び照明装置
WO2023026987A1 (ja) * 2021-08-25 2023-03-02 Ｓｃｉｖａｘ株式会社 光学系装置
WO2023090435A1 (ja) * 2021-11-19 2023-05-25 Ｓｃｉｖａｘ株式会社 光学系装置および光学素子製造方法
JPWO2023090435A1 (ja) * 2021-11-19 2023-05-25
JP7623743B2 (ja) 2021-11-19 2025-01-29 Ｓｃｉｖａｘ株式会社 光学系装置および光学素子製造方法
JPWO2024029616A1 (ja) * 2022-08-05 2024-02-08
JP7752436B2 (ja) 2022-08-05 2025-10-10 Ｓｃｉｖａｘ株式会社 光学素子、光学系装置および光学系装置の製造方法
WO2024143498A1 (ja) * 2022-12-27 2024-07-04 Ｓｃｉｖａｘ株式会社 光学系装置
WO2024143433A1 (ja) * 2022-12-27 2024-07-04 Ｓｃｉｖａｘ株式会社 光学系装置
WO2025057909A1 (ja) * 2023-09-11 2025-03-20 Ｓｃｉｖａｘ株式会社 光学系装置

Also Published As

Publication number Publication date
CN115552278A (zh) 2022-12-30
JP7061823B2 (ja) 2022-05-02
WO2021230324A1 (ja) 2021-11-18
JPWO2021229848A1 (ja) 2021-11-18
CN115552278B (zh) 2025-03-04
US20230204824A1 (en) 2023-06-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP7061823B2 (ja) 光学系装置および光学素子製造方法
JP6424418B2 (ja) 光学素子、投影装置および計測装置並びに製造方法
JP5487592B2 (ja) レーザー加工方法
US8469549B2 (en) Beam shaper
JP7418050B2 (ja) 光学系装置
CN108351437B (zh) 扩散板、扩散板的设计方法、扩散板的制造方法、显示装置、投影装置和照明装置
JP7436369B2 (ja) ランバート分布を有する光をバットウィング分布に変換するマイクロ構造
CN109891318A (zh) 用于在光致抗蚀剂衬底上生成图案的光刻设备
CN114556168A (zh) 扩散板、显示装置、投影装置以及照明装置
JP2019139163A (ja) 拡散板、拡散板の設計方法、表示装置、投影装置及び照明装置
JP2022536694A (ja) 格子結合器の片側パターン化を使用した光学接眼レンズ
JP2011107195A (ja) 光学素子および光学素子の製造方法ならびに微細凹凸構造および成形型
JP6755076B2 (ja) 光学素子、投影装置および計測装置
CN116224607A (zh) 结构光投射器及3d结构光模组
KR20210118868A (ko) 확산판
JP2020106771A (ja) 回折光学素子およびこれを用いた光学系装置
JP2019511748A (ja) 光強度調整方法
CN115903100B (zh) 组合式微透镜阵列匀光结构及其制作方法、镜头及设备
JP2017097058A (ja) 光広角照射装置
CN216792482U (zh) 匀光元件
US9353929B2 (en) Beam diffusing module and beam generating system
WO2023090435A1 (ja) 光学系装置および光学素子製造方法
CN113466981A (zh) 衍射光学元件、投射模组及电子设备
US20230405928A1 (en) Light source assembly and 3d printer
JP7448272B2 (ja) 光学素子およびこれを用いた光学系装置

Legal Events

Date Code Title Description
ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2021521863

Country of ref document: JP

Kind code of ref document: A

121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 20934946

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 20934946

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

WWG Wipo information: grant in national office

Ref document number: 202080100825.4

Country of ref document: CN