CN118103738A - 光学系统装置 - Google Patents

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CN118103738A
CN118103738A CN202280068218.3A CN202280068218A CN118103738A CN 118103738 A CN118103738 A CN 118103738A CN 202280068218 A CN202280068218 A CN 202280068218A CN 118103738 A CN118103738 A CN 118103738A
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绳田晃史
中村智宣
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Abstract

在用微透镜置换绕射光栅的装置中，光点图形的对比度较低。本发明的目的在于提供一种光学系统装置，其具备：光学元件(2)，周期性地排列有使波长λ的光透过的透镜(21)；及照射部(1)，具有向多个透镜(21)照射波长λ的光的光源(10)，如果将透镜(21)的焦点距离作为f，将n作为1以上的自然数并将在透镜(21)的间距中从小到第k个(k为1以上的自然数)的间距的大小作为Pk，则关于任意1以上的间距Pk，照射部(1)与光学元件(2)的焦点位置(9)的距离L1满足下述式1。

Description

光学系统装置
技术领域
本发明涉及一种光学系统装置。
背景技术
在便携式仪器、汽车、机器人等中采用了使用飞行时间(TOF)法的三维计测传感器。这是根据从光源照射到对象物的光被反射回为止的时间，计测对象物的距离的方法。如果来自光源的光均匀地照射到对象物的规定区域，则能够测定出被照射的各点的距离，能够检测出对象物的立体构造。
上述传感器系统由光照射部、照相机部及运算部所构成，该光照射部向对象物照射光，该照相机部检测从对象物的各点反射的光，该运算部从由照相机所接收的光的信号算出对象物的距离。
由于照相机部及运算部可使用已有的CMOS图像传感器及CPU，因此上述系统的独有的部分是由激光及滤光器所构成的光照射部。尤其向微透镜阵列透过激光来对光束进行整形并且对对象物的得到控制的区域均匀地进行照射的扩散滤光器成为上述系统的特征零件。
在此，由于现有的扩散滤光器的微透镜阵列呈周期构造，因此存在因绕射的影响而光强度发生不均的问题。于是，为了抑制该不均，进行了随机配置各透镜等的研究(例如，专利文献1)。
另一方面，TOF中，有远距离测定的需求，照射光需要有可进行远距离测定程度的强度。但是，随机配置的微透镜阵列具有较高的照射光的均匀性，相应地强度会降低，因此不适合远距离测定。
于是，作为可节省电力而且可处理强光的信号的方法，研究了照射光点图形并从该光的飞行时间进行三维计测的方法。
以往，作为将已射入的光转换为光点图形的装置，已周知利用Lau效果的光学系统装置(例如，非专利文献1)。该装置由规定间距P的绕射光栅及光源所构成，如果将光源的光的波长作为λ并将n作为1以上的自然数，则配置成绕射光栅与光源的距离L0满足下述式A。
数式1
另外，也研究了用微透镜置换该绕射光栅的方法(例如，专利文献2)。
专利文献
专利文献1：日本国特表2006-500621号公报
专利文献2：国际公开第2017/131585号
非专利文献1：H.Hamam,Lau Array Illuminator,Applied Optics,43(14):2888-2894,May 10,2004.
发明内容
但是，如果用微透镜置换绕射光栅，则存在光点图形的对比度较低的问题。
于是，本发明的目的在于提供一种光学系统装置，其能够照射对比度较高的光。另外，相反地本发明的目的还在于提供一种可作为用于照射均匀的光的柔光镜而被利用的光学系统装置。
为了实现上述目的，本发明的光学系统装置的特征为，具备：光学元件，周期性地排列有使波长λ的光透过的透镜；及照射部，具有向多个所述透镜照射波长λ的光的光源，如果将所述透镜的焦点距离作为f，将n作为1以上的自然数并将在所述透镜的间距中从小到第k个(k为1以上的自然数)的间距的大小作为Pk，则关于任意1以上的间距Pk，所述照射部与所述光学元件的焦点位置的距离L1满足下述式1。
数式2
此时，优选所述距离L1满足下述式2。
数式3
另外，关于最小的间距P1，优选满足所述式1，即使关于第2小的间距P2，也优选满足所述式1。
另外，本发明的其他光学系统装置的特征为，具备：光学元件，周期性地排列有使波长λ的光透过的透镜；及照射部，具有向多个所述透镜照射波长λ的光的光源，如果将所述透镜的焦点距离作为f，将n作为1以上的自然数并将在所述透镜的间距中从小到第k个(k为1以上的自然数)的间距的大小作为Pk，则关于任意1以上的间距Pk，所述照射部与所述光学元件的焦点位置的距离L2满足下述式α。
数式4
另外，优选具备对所述光学元件与所述照射部的距离进行调节的距离调节单元。
本发明的光学系统装置能够照射对比度较高的光。
附图说明
图1是表示本发明的光学系统装置的概要剖视图。
图2是表示在每一个发光模式的远场中的光强度的图。
图3是表示在进行分类并合成的每一个发光模式的远场中的光强度的图。
图4是表示在每一个发光模式的改变比例而进行合成的光的远场中的光强度的图。
图5是表示本发明所涉及的光学元件的概要平面图。
图6是表示现有光学系统装置的概要剖视图。
图7是表示在用于模拟的照射部的远场中的配光分布的图。
图8是表示来自用于模拟1的透镜的光的传递情形的图。
图9是表示基于模拟1(焦点距离20μm)的光学特性的图。
图10是表示基于模拟1(焦点距离40μm)的光学特性的图。
图11是表示基于模拟1(焦点距离60μm)的光学特性的图。
图12是表示当向用于模拟2的透镜(焦点距离20μm)射入平行光时的光的情形的图。
图13是表示当向用于模拟2的透镜(焦点距离40μm)射入平行光时的光的情形的图。
图14是表示当向用于模拟2的透镜(焦点距离60μm)射入平行光时的光的情形的图。
图15是模拟2(焦点距离20μm)中的缘于不同δ的投影图。
图16是模拟2(焦点距离40μm)中的缘于不同δ的投影图。
图17是模拟2(焦点距离60μm)中的缘于不同δ的投影图。
图18是模拟2(焦点距离20μm)中的缘于不同δ的配光分布。
图19是模拟2(焦点距离40μm)中的缘于不同δ的配光分布。
图20是模拟2(焦点距离60μm)中的缘于不同δ的配光分布。
图21是表示模拟2(焦点距离20μm)中的缘于不同δ的最大光强度的图。
图22是表示模拟2(焦点距离40μm)中的缘于不同δ的最大光强度的图。
图23是表示模拟2(焦点距离60μm)中的缘于不同δ的最大光强度的图。
图24是对本发明的透镜进行说明的图。
图25是表示当向用于模拟3的透镜射入平行光时的光的情形的图。
图26是模拟3(焦点距离20μm)中的缘于不同δ的投影图。
图27是模拟3中的缘于不同δ的配光分布(x轴方向)。
图28是模拟3中的缘于不同δ的配光分布(y轴方向)。
图29是表示模拟3中的缘于不同δ的最大光强度的图。
图30是表示本发明所涉及的照射部与光学元件的位置关系的概要平面图。
图31是表示本发明的其他光学系统装置的概要剖视图。
图32是表示作为本发明的柔光镜的光学系统装置的概要剖视图。
图33是表示具有本发明的位置调节单元的光学系统装置的概要剖视图。
符号说明
1-照射部；2-光学元件；3-反射镜；6-柔光镜用照射部；8-距离调节单元；9-焦点位置；10-光源；21-透镜。
具体实施方式
以下，对本发明的光学系统装置进行说明。如图1所示，本发明的光学系统装置主要由照射波长λ的光的照射部1和具有周期性的透镜21的光学元件2所构成。
只要照射部1具有向多个透镜21照射波长λ的光的光源，则可以是任意的。另外，照射部1既可以是单光源，还可以是多个光源。另外，还可以使单光源的光通过形成有多个细孔的光圈，由此做成多个光源。当用多个光源构成照射部时，优选该光源形成在同一平面上。作为照射部1的具体例，例如可例举通过较少电力就可以期待高输出的VCSEL(VerticalCavity Surface Emitting LASER)。VCSEL是具有能够在垂直于发光面的方向上照射光的多个光源10的装置。另外，如果在光源以外的部分形成有光吸收膜，则防止受缘于反射光的干扰，因此应优选。
发光模式
另外，当加大VCSEL的光强度时，已周知该VCSEL的光包含单模及多模等多个发光模式。图2中表示具体的发光模式的例子。在图2所示的发光模式中相互旋转对称的(2)与(3)、(4)与(6)、(7)与(9)、(8)与(10)一定以同样比率存在，因此如果对这些类似模式分别进行合成，则如图3所示地可汇集成A、B、C、D、E、F的6种。
如果对这些6种模式以相同比例(A:B:C:D:E:F＝1:1:1:1:1:1)进行合成，则成为如图4(a)所示，最大强度为0.0271。并且，图是当将光源的能量作为1时的各配光角上的远场的光强度。
另一方面，对这些6种模式，如果只将1种做成其他模式的2倍后进行合成，则如图4(b)所示，A:B:C:D:E:F＝2:1:1:1:1:1的最大强度为0.03，A:B:C:D:E:F＝1:1:1:2:1:1的最大强度为0.0389，A:B:C:D:E:F＝1:1:1:1:1:2的最大强度为0.0285。即，在各模式中，如果增加最大强度在光轴中心的模式A或D，或者增加最大强度靠近光轴中心的模式F的比例，则与将6种模式做成相同比例时相比，可知道合成后的光的最大强度变大。图4(c)是在6种模式中进一步只将模式A、模式D、模式F做成其他模式的5倍后进行合成的图。A:B:C:D:E:F＝5:1:1:1:1:1的最大强度为0.0354，A:B:C:D:E:F＝1:1:1:5:1:1的最大强度为0.0608，A:B:C:D:E:F＝1:1:1:1:1:5的最大强度为0.0343。即，将模式D做成5倍后进行合成的光(A:B:C:D:E:F＝1:1:1:5:1:1)，合成后的光的最大强度尤其显著地增加。
从以上内容，当使用具有多个发光模式的VCSEL时，当发光模式中在光轴中心具有最大强度的发光模式的比例更多时，该VCSEL的光源能够加大所生成的光点的光强度，也能够加大对比度，因此应优选。从而，光源的发光模式中在光轴中心具有最大强度的模式的比例可以为40％以上，优选45％以上，更优选60％以上。对VCSEL的发光层的电流注入径路进行控制等，通过已知的方法对该发光模式进行调整即可。
光学元件2上周期性地排列有使波长λ的光透过的透镜21。在此，透镜21在离透镜21规定的距离f(f＞0)的位置具有焦点。焦点距离f如10μm以上、20μm以上、40μm以上、60μm以上那样越来越大，则与现有的光学元件相比，本发明的光学元件更能够提高对比度。
根据想要照射的光点的扩散方式的图形(以下，称为光点图形)，可自由设计透镜21的形状。例如，当想要将光点图形做成圆状时，将透镜21的形状做成球面透镜即可。另外，当想要将光点图形做成非圆形时，将透镜21的形状做成适当设计的非球面透镜即可。作为具体的透镜形状，例如有凸透镜或凹透镜，除此之外还有根据不同截面看上去像凸透镜或凹透镜的滑鞍型的透镜等。另外，图5(a)所示的正方形排列俯视观察时呈正方形或长方形的透镜21的排列方式，或者图5(b)所示的六方形排列俯视观察时呈六角形的透镜21的排列方式等符合周期性排列。另外，只要透镜21作为透镜而发挥功能，则可以是任意的，例如还可以使用菲涅耳透镜或DOE透镜、超透镜等。另外，优选在透镜21上形成有反射防止膜，其防止来自照射部的光发生反射。
照射部1与光学元件2被配置成，照射部1的光源的光轴方向与光学元件2的透镜21的光轴方向一致。
照射部与光学元件的位置关系
以往，认为如果将n作为1以上的自然数，将从照射部1射入的光的波长作为λ，将光学元件2的透镜21的间距作为P并将照射部1与光学元件2之间的距离作为L0，则当距离L0为下述式A时，能够将已射入的光转换为对比度较大的光点图形(参照图6)。
数式5
但是，本发明者等进行了潜心研究，其结果知道了如果将光学元件的焦点距离作为f，则当距离L0为下述式B时，能够将光更大地相加强，形成对比度较大的光点图形。尤其，知道了当满足下述式C时最能将光相加强。
数式6
数式7
如图1所示，如果用照射部1与光学元件2的焦点位置9的距离L1(L1＝L0-f)表示式B及式C，而不是用照射部1与光学元件2之间的距离L0表示，则成为下述式D及式E。
数式8
数式9
另外，透镜21有时具有多个周期。例如，如图5(a)所示，当正方形排列俯视观察时呈正方形的透镜21时，除了与相邻的透镜的间距P1之外，还存在对角线方向的间距及间距/>等各种间距。另外，如图2(b)所示，当六方形排列俯视观察时呈正六角形的透镜21时，除了与相邻的透镜的间距P1之外，还存在间距/>等。另外，如有规律地排列俯视观察时呈长方形的透镜那样，有时透镜21还会具有不同的多个周期。此时，如果将在透镜21的间距中从小到第k个(k为1以上的自然数)的间距的大小作为Pk并将系数作为a(a≤1)、b(b≤1)，则关于任意1以上的间距Pk，使照射部与光学元件的焦点位置9的距离L1满足下述式F即可。
数式10
在此，式F的系数a如a＝1、a＝0.5、a＝0.3、a＝0.1那样越小越好。另外，系数b也如b＝1、b＝0.5、b＝0.3、b＝0.1那样越小越好。当式F的系数为a＝1、b＝1时，式F成为下述式1。
数式11
另外，最优选距离L1满足a＝b＝0的下述式2。
数式12
并且，关于任意2以上的间距Pk，优选对照射部1与光学元件2的焦点位置9的距离L1进行调节，以便满足式1。此时，由于绕射最受间距最小的透镜的影响，因此关于最小的间距P1，优选满足式1，更优选即便关于第2小的间距P2，也满足式1。
并且，如果间距Pk与光源10的光的波长λ相比过小，则难以发生绕射，因此只要包含在光源10的配光角内发生绕射所充分的透镜21，则优选间距Pk尤其优选间距P1与光源10的光的波长λ相比充分大，例如5倍以上，优选10倍以上。
模拟
接下来，关于当将照射部1与光学元件2的焦点位置9的距离L1作为下述式3并对δ进行各种变化时的远场中的光强度分布，进行了模拟。
数式13
模拟1
将照射部1做成照射波长为940nm(λ＝0.94)且如图7所示的高斯分布的光的单光源。如图1所示，使用了将多个透镜21以间距P1为30μm(P1＝30)方式周期性排列的光学元件2。另外，作为透镜21，使用了直径为30μm、折射率为1.5及焦点距离f为(a)20μm、(b)40μm、(c)60μm的3种。图8(a)是表示当对各透镜如图8(b)所示地照射平行光时的光的传递情形的图。并且，将式3中的n做成2。图9～图11中表示了使用光学模拟软件BeamPROP(Synopsys社制)的模拟结果。为了将计算简单化，该模拟是并未考虑图2中的深度方向的2D的计算结果。
如以往那样，图9～图11的(a)的图标是当照射部1与光学元件2之间的距离L0满足上述式A时的光强度分布。另外，图9～图11的(b)的图标是当照射部1与光学元件2的焦点位置9之间的距离L1满足上述式2时的光强度分布。另外，图9～图11的(c)的图标表示对δ值的各光强度分布的最大光强度的不同。并且，图9～图11的(a)、(b)中的横轴为配光角，纵轴表示当将光源的能量作为1时的远场的光强度。另外，图9～图11的(c)中的横轴为δ，纵轴表示当将光源的能量作为1时的远场的光强度。
模拟的结果为，当光学元件2满足式1时得出与满足式A时相比更佳的峰值，知道了峰值的光强度也大。另外，知道了当满足式2时峰值的光强度最大。
模拟2
将照射部1做成照射波长为940nm(λ＝0.94)且如图7所示的高斯分布的光的单光源。如图1所示，将多个透镜21以30μm(P1＝30)的间距P1正方形排列而做成光学元件2，折射率为1.5。另外，透镜表面呈x轴方向与y轴方向的曲率相同的旋转对称的形状。另外，如图12～图14所示，作为透镜21，使用了焦点距离f为20μm、40μm、60μm的3种。并且，将式3中的n做成2。图15～图23中表示了使用光学模拟软件BeamPROP(Synopsys社制)的模拟结果。该模拟是将图1中的深度方向也考虑的3D的计算结果。
图15～图17是对3种透镜当对式3的δ进行各种改变时离光学元件50cm前方的投影图像。另外，图18～图20是对3种透镜当对式3的δ进行各种改变时的光强度分布。另外，图21～23是对3种透镜表示对δ值的各光强度分布的最大光强度的图。
并且，图18～20图(a)、(b)中的横轴为配光角，纵轴表示当将光源的能量作为1时的远场的光强度。另外，图18～图20的(c)中的横轴为δ，纵轴表示当将光源的能量作为1时的远场的光强度。
模拟的结果为，当光学元件2满足式1时得出与满足式A时相比更佳的峰值，知道了峰值的光强度也大。另外，知道了当满足式2时峰值的光强度最大。
模拟3
将照射部1做成照射波长为940nm(λ＝0.94)且如图7所示的高斯分布的光的单光源。如图1所示，将多个透镜21以30μm(P1＝30)的间距P1正方形排列而做成光学元件2，折射率为1.5。另外，如图24(a)所示，透镜21的形状为当俯视观察时一边为30μm的正方形，高度为16.26μm。另外，透镜表面呈x轴方向与y轴方向的曲率不同的非旋转对称的非球面。图24(b)是当对该光学元件射入平行光时的远场中的配光分布的投影图。另外，图24(c)是远场中的对x轴方向与y轴方向的角度的配光分布。另外，如图25所示，使用了焦点距离f为20μm的透镜21。图25(b)是当对透镜21射入平行光时的出射光的投影图。并且，虽然在x轴方向与y轴方向上的聚光的方式不同，但是最能聚光的点是焦点位置(0μm)。另外，将式3中的n做成2。图26～图29中表示了使用光学模拟软件BeamPROP(Synopsys社制)的模拟结果。该模拟是将图1中的深度方向也考虑的3D的计算结果。
图26是当对式3的δ进行各种改变时离光学元件50cm前方的投影图像。另外，图27是当对式3的δ进行各种改变时的x轴方向的光强度分布。另外，图28是当对式3的δ进行各种改变时的y轴方向的光强度分布。另外，图29是表示对δ值的x轴方向及y轴方向的各光强度分布的最大光强度的图。
并且，图26～28图的横轴为配光角，纵轴表示当将光源的能量作为1时的远场的光强度。另外，图29的横轴为δ，纵轴表示当将光源的能量作为1时的远场的光强度。
模拟的结果为，当光学元件2满足式3时得出与满足式A时相比更佳的峰值，知道了峰值的光强度也大。另外，也知道了由于使用了x轴方向与y轴方向的曲率不同的非旋转对称的透镜，因此在x轴方向与y轴方向上的峰值的光强度成为最大的位置不同，但是只要满足式3，则也具有充分的光强度。
光学元件制造方法
对光学元件的制造方法进行说明。可任意制造光学元件2的透镜21，例如可通过压印(imprint)法制造。具体而言，通过旋涂等已周知的方法，在基板25上以规定的膜厚涂布透镜21的材料(涂布工序)。作为材料，只要能够形成使波长λ的光透过的透镜21，则可以是任意的，例如可使用聚二甲基硅氧烷(PDMS)。
接下来，准备具有周期性排列有透镜21的图形的反转图形的模具，将该模具加压于涂布在基板25上的材料，而转印图形(压印工序)。
由此，能够制造透镜21的焦点位置9的参差不齐较小的光学元件，因此能够减小距离L1的误差。
照射部的间距
当在照射部1具有多个光源10时，需要配置成即便各光源10与光学元件2相对进行平行移动，当俯视观察时，对光学元件2的各透镜21的光源10的数量也相同。具体而言，如果将m做成1以上的自然数，则对于光学元件的透镜21的任意周期方向，将照射部的多个光源以该周期的m倍或1/m倍有规律地进行排列即可。换言之，对于光学元件2的透镜21处于间距Pk的方向，将照射部1的光源10以间距mPk或Pk/m有规律地进行排列即可。尤其，优选间距mP1或P1/m。图30的(a)、(b)表示m＝1并将光源10的间距做成与光学元件2的透镜21的间距P1相同的情况。另外，图30(c)表示m＝2并将光源10的间距做成光学元件2的透镜21的间距P1的1/2即P1/2的情况。另外，图30(d)表示m＝2并将光源10的间距做成光学元件2的透镜21的间距P1的2倍即2P1的情况。
并且，在六方形排列光源10的照射部1的情况下，如果将光学元件的透镜21的平面形状做成长方形，将该长方形的短边与长边的比做成并将光源10的间距做成mP1或P1/m，则对各透镜21的光源10的数量均等，因此应优选。另外，此时关于最小的间距P1(长方形的短边的大小)及第2小的间距P2(长方形的长边的大小)，为了满足式1，优选考虑而使照射部1与光学元件2的距离L1满足下述式4，更优选满足下述式5。
数式14
数式15
另外，如图31所示，照射部1的光不需要直接照射到光学元件2，而是还可以借由反射照射部1的光的反射镜3来进行照射。此时，照射部1与光学元件2的焦点位置9的距离L1表示实质上的距离(光路的距离)。从而，在图31的情况下，距离L1成为用箭头表示的照射部1到反射镜3的距离La和从反射镜3到光学元件2的焦点位置9的距离Lb之和即La+Lb。由此，能够使用反射镜3来调节距离L。另外，还可以调节来自光源的光的方向。
另外，本发明所涉及的光学元件2并不仅可以用于照射光点图形，而是还可以用于柔光镜用途。
如图32所示，在将光学元件2作为柔光镜而加以使用的第1方法中，准备将照射波长λ的光的多个光源10排列成与用于光点图形的照射中的照射部1相同的柔光镜用照射部6。之后，将柔光镜用照射部6与光学元件2的焦点位置9的距离L2做成并不满足式1即可。换言之，使距离L2满足下述式α即可。
数式16
由此，如上述的模拟1～3所示，知道了各峰值的宽度变宽而光强度的不均变小。
并且，更优选距离L2接近下述式β。
数式17
将这样形成的柔光镜，能够与上述的用于照射光点图形的光学系统装置组合使用。由此，对远距离的对象物，能够通过光点图形保证照射光的强度而测定距离或形状等，对近距离的对象物，能够照射柔光镜的光来更加正确地测定距离或形状等。
另外，如图33所示，本发明的光学系统装置还可以具有照射部1和调节光学元件2的距离的距离调节单元8。由此，能够简单地调节照射部1与光学元件2的焦点位置9的距离L1。另外，通过调节照射部1与光学元件2的焦点位置9的距离L1，能够将本发明的光学系统装置切换为光点图形的照射及作为柔光镜的照射而加以使用。作为距离调节单元8，例如使用已周知的驱动器(actuator)即可。

Claims (6)

1.一种光学系统装置，其特征为，
具备：光学元件，周期性地排列有使波长λ的光透过的透镜；
及照射部，具有向多个所述透镜照射波长λ的光的光源，
如果将所述透镜的焦点距离作为f，将n作为1以上的自然数并将在所述透镜的间距中从小到第k个(k为1以上的自然数)的间距的大小作为Pk，则关于任意1以上的间距Pk，所述照射部与所述光学元件的焦点位置的距离L1满足下述式1。
数式1
2.根据权利要求1所述的光学系统装置，其特征为，所述距离L1满足下述式2。
数式2
3.根据权利要求1所述的光学系统装置，其特征为，关于最小的间距P1，满足所述式1。
4.根据权利要求3所述的光学系统装置，其特征为，关于第2小的间距P2，满足所述式1。
5.一种光学系统装置，其特征为，
具备：光学元件，周期性地排列有使波长λ的光透过的透镜；
及照射部，具有向多个所述透镜照射波长λ的光的光源，
如果将所述透镜的焦点距离作为f，将n作为1以上的自然数并将在所述透镜的间距中从小到第k个(k为1以上的自然数)的间距的大小作为Pk，则关于任意1以上的间距Pk，所述照射部与所述光学元件的焦点位置的距离L2满足下述式α。
数式3
6.根据权利要求1至5中任意一项所述的光学系统装置，其特征为，具备对所述光学元件与所述照射部的距离进行调节的距离调节单元。
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