JP2018531430A

JP2018531430A - アサーマル光学アセンブリ

Info

Publication number: JP2018531430A
Application number: JP2018520581A
Authority: JP
Inventors: エンゲルハルト，カイ; ロッシ，マルクス
Original assignee: Heptagon Micro Optics Pte Ltd
Current assignee: Ams Sensors Singapore Pte Ltd
Priority date: 2015-10-22
Filing date: 2016-10-21
Publication date: 2018-10-25
Anticipated expiration: 2036-10-21
Also published as: US11073677B2; JP6952030B2; CN108292026A; KR20180070669A; EP3365719A4; WO2017069705A1; US20200064584A1; CN108292026B; TWI700517B; EP3365719B1; EP3365719A1; TW201732322A

Abstract

本開示は、幅広い温度変化に対して実質的に安定した出力を生成する光学アセンブリについて説明する。この光学アセンブリは、たとえば、ドットのアレイまたはその他のパターンを物体または投影面に投影するように配置されたアレイ生成器の一部として統合することができる。

Description

本開示は光学アセンブリに関する。

背景
光学アセンブリは、広範囲にわたる商用、産業用、および軍用デバイスおよびシステムにおいて使用される。これらのアセンブリは、たとえば、回折、屈折、または反射部品等のさまざまな種類の受動光学素子を含み得る。いくつかの用途ではハイブリッド光学素子が好都合になり得る。ハイブリッド光学素子は、たとえば、屈折または反射光学部品の表面にエッチング、微細加工、またはエンボス加工された回折面を有し得る。このようなハイブリッド素子は、場合によって、屈折材料のたとえば分散および熱的挙動に基づく材料の選択において高い柔軟性をもたらすことができる。

用途次第で、温度変化等のさまざまな要因が光学アセンブリの性能に悪影響を及ぼす場合がある。たとえば、状況によって、光学アセンブリは、赤外（ＩＲ）光を発するように動作可能な垂直共振器面発光レーザ（vertical cavity surface-emitting laser：ＶＣＳＥＬ）等の発光素子も含む光電子モジュールに統合される場合がある。光学アセンブリのごく近くでＶＣＳＥＬが動作すると、当該アセンブリの光学素子に、熱によって引起された変化が生じる場合がある。たとえば、光学アセンブリがポリマーレンズを含む場合、温度が変化すると、レンズの寸法および／または屈折率が変化する場合がある。そうすると、このような変化により、光学アセンブリの出力が、光学規格から外れる可能性がある。

上記またはその他の問題に鑑みると、用途によっては、アサーマル光学アセンブリ（すなわち幅広い温度変化に対して実質的に安定した出力を生成する光学アセンブリ）を提供することが望ましい。

概要
本開示は、アサーマル光学アセンブリ、言換えると幅広い温度変化に対して実質的に安定した出力を生成する光学アセンブリについて説明する。この光学アセンブリは、たとえば、ドットのアレイまたはその他のパターンを物体または投影面に投影するように配置されたアレイ生成器の一部として統合することができる。

たとえば、一局面において、ハイブリッド光学アセンブリは、第１の透過基板と、第１の透過基板から離隔した第２の透過基板とを備える。第１の非球面レンズは第１の透過基板の第１の面の上にあり、第２のハイブリッド回折／屈折レンズは第１の透過基板の第２の面の上にある。同様に、第３の非球面レンズは第２の透過基板の第１の面の上にあり、第４の非球面レンズは第２の透過基板の第２の面の上にある。第３の非球面レンズは第２の回折／屈折レンズに面している。ハイブリッド光学アセンブリの出力は、２０℃〜１００℃の温度範囲に対して実質的な安定性を示す。

別の局面において、ハイブリッド光学アセンブリは、発光素子（たとえばＶＳＣＥＬ）のアレイを含む光学パターン生成器に統合されてもよい。発光素子のアレイは、当該発光素子によって生成された光が、ハイブリッド光学アセンブリの第４のレンズ、第３のレンズ、第２のレンズ、および第１のレンズをこの順で通過することにより、これらの発光素子の配置に対応する光学ドットのパターンを投影するように、配置される。

別の局面に従うと、光学ドットのパターンを生成する方法は、アレイまたはその他のパターンで配置された複数の発光素子から光を発するステップを含む。発した光が、３つの非球面レンズと１つのハイブリッド回折／屈折レンズとを含むハイブリッド光学アセンブリを通過するようにする。ハイブリッド光学アセンブリを通過した光は、物体または平面上に投影されてドットのパターンを形成する。

いくつかの実装例は、以下の特徴のうちの１つ以上を含む。たとえば、ハイブリッド光学アセンブリの第１の透過基板と第２の透過基板とは、４ｍｍ〜１０ｍｍの範囲の距離だけ相互に離隔していてもよい。いくつかの例において、第１および第２の透過基板は透明なホウケイ酸ガラスからなり、第１、第２、第３および第４のレンズはエポキシからなる。いくつかの場合において、光学アレイ生成器の発光素子はＶＣＳＥＬである。

いくつかの実装例は以下の利点のうちの１つ以上を提供する。たとえば、場合によって、投影されたドットの品質を、広い温度範囲に対して比較的高くすることができる（すなわち各ドットに対する光学エネルギのほとんどは、２０℃〜１００℃の温度範囲に対し、半径が比較的小さい、たとえば約３．５μｍ以下の各重心（centroid）の中に含まれる）。

他の局面、特徴および利点は、以下の詳細な説明、添付の図面、および請求項から直ちに明らかになるであろう。

アサーマル光学アセンブリを含む光学アレイ生成器の一例を示す図である。図１の光学アレイ生成器によって投影面に投影された光学ドットのアレイの一例を示す図である。非球面レンズの一例を示す図である。光学アセンブリに含まれ得るハイブリッド回折／屈折レンズの一例の特性を示す図である。異なる温度のうちの１つの温度における光学アセンブリの性能を示すグラフである。異なる温度のうちの１つの温度における光学アセンブリの性能を示すグラフである。異なる温度のうちの１つの温度における光学アセンブリの性能を示すグラフである。

詳細な説明
本開示は、たとえばドットのアレイまたはその他のパターンを投影するように配置されたアレイ生成器に統合することができるハイブリッドアサーマル光学アセンブリについて説明する。光学パターン投影は、３次元（３Ｄ）または深度マッピング、エリア照明、およびＬＣＤバックライト等の多様な用途において使用することができ、たとえば物体の表面を表わす１組の３次元座標を参照する。深度マッピングのプロセスの一部として、深度の値が、あるシーンにおける１つまたは複数の物体の相当な部分にわたりかつある範囲の動作温度（たとえば２０℃〜１００℃）に対して確実にわかるように、領域上に光（すなわち可視光、赤外光、またはその他の光）を高品質のパターン（たとえば高解像度、かつ最適な円内エネルギ）および十分に制御された強度で、投影することができる。

図１に示されるように、ハイブリッド光学アセンブリ２０は、いくつかの受動光学素子、すなわちレンズＡ、Ｂ、ＣおよびＤを含む。これらのうちの２つのレンズＡおよびＢは、第１の透過（たとえばガラスまたはウェハ）基板３２の両面上に配置され、その他２つのレンズＣおよびＤは、第２の透過（たとえばガラスまたはウェハ）基板３４の両面上に配置されている。レンズＡ、Ｂ、ＣおよびＤそれぞれの光学軸は相互に整列し、レンズＢおよびＣそれぞれの内面は、距離ｄだけ互いに離隔している。この距離ｄは、いくつかの用途において、数（たとえば４）ミリメートル（ｍｍ）から約１０ｍｍの範囲に含まれる。いくつかの実装例において、光学軸は整列しているが幾何学的経路は整列していない場合がある。たとえば、折畳まれた光路を有する実装例において、幾何学的経路は整列していないがレンズＡ、Ｂ、ＣおよびＤそれぞれの光学軸は整列している。ＶＣＳＥＬ等の発光素子のアレイ２２を光学アセンブリ２０の前に配置し、レンズＤがＶＣＳＥＬアレイ２２に最も近くレンズＡがＶＣＳＥＬアレイ２２から最も遠くなるようにしてもよい。場合によって、このような実装例は特に好都合となり得る。なぜなら、アセンブリの全体の設置面積を低減する（すなわち、設置面積に直交する寸法であるその厚みを大きくする）ことができるからである。

図２に示されるように、光学アセンブリ２０は、ＶＣＳＥＬアレイ２２からの光（たとえばＩＲ光）が光学アセンブリ２０に対して発せられたときに輪郭が明確な光学ドット３８のアレイが投影面３６上に現われるように配置される。さまざまなレンズＡ、Ｂ、ＣおよびＤは集合的に、投影面２６上に現われるドット３８のアレイがたとえばアレイ２２のＶＣＳＥＬの配置に対応するように、光を平行にして集束させるのに役立つ。図２はＶＣＳＥＬアレイ２２の特定の配置を示しているが、その他の配置、およびアレイ２２内のＶＣＳＥＬ発光体のその他の数を、その他の実装例に対して提供することができる。

示されている例において、レンズＡ、ＣおよびＤは非球面レンズとして実現される。一般的に、非球面レンズはたとえば以下の形態の面を有するように設計することができる。

この場合、光軸はｚ方向であると想定され、ｚ（ｒ）はサグ（sag）である、すなわち、軸からの距離ｒにおける頂点からの面の変位のｚ成分である。非球面係数α_ｉは、Ｒおよびκによって特定される軸対称二次曲面からの表面のずれを説明する。図３を参照されたい。他方、レンズＢはハイブリッド回折／屈折レンズとして実現される。レンズＢは、非球面式を、以下のレンズＢの回折相Φを説明する多項展開式と組合わせて用いることにより、説明することができる。

式中、Ｍはハイブリッド回折／屈折レンズの回折次数であり、Ｎは級数における多項係数の数であり、Ａ_ｉはρの２ｉ条の係数であり、ρは正規化された径方向口径座標である。レンズの特徴および特定の実装例におけるそれぞれの特定について以下で説明する。

レンズＡ〜Ｄの具体的な特性は、光学アセンブリ２０が実質的にアサーマル（すなわちその出力は広範囲の温度変化、たとえば２０℃〜１００℃に対して実質的な安定性を示す）となるような、特定である。さらに、レンズ（たとえばレンズＡ〜Ｄ）は収差補正ももたらすことができる。

コンピュータモデリングを用いて、レンズおよび光学アセンブリの異なる特性が温度変化に伴ってどのように変動するかを判断した。ハイブリッド光学アセンブリの実装例を説明するデータは、以下の表Ｉ〜表ＶＩに示される。コンピュータモデリングに基づく各表面に関連する寸法（半径、厚み、および直径）は、表Ｉおよび表ＶＩに記載されている（単位ミクロン（μｍ））。レンズ面の形状およびハイブリッド屈折／回折素子Ｂの特徴を説明するさらに他の表面係数は、表ＩＩおよび表Ｖに記載されている。しかしながら、その他の実装例では異なる寸法が適切な場合がある。さらに、以下で説明するハイブリッド光学アセンブリの例は、たとえば、Ｚｅｍａｘ等のシーケンシャルおよび／またはノンシーケンシャル光線追跡シミュレーションソフトウェアによってモデル化またはシミュレートすることができ、以下に含まれる数字は、さまざまな構成要素（たとえば厚み、直径、表面形状、係数）、照明アセンブリ内におけるそれぞれの位置を説明しており、これらの数字は複数の小数位を含む。たとえば、以下のさまざまな構成要素の非球面を説明するのに用いられる非球面係数は、９個以上もの小数位を含み得る。しかしながら、最大９個の小数位が含まれているものの、場合によって、照明アセンブリ内のさまざまな構成要素およびそれぞれの位置を十分に説明するために必要な小数位は遥かに少ない場合がある。たとえば、場合によって、以下でさらに説明するハイブリッド光学アセンブリ内のさまざまな構成要素およびそれぞれの位置を効果的に説明するのに必要な小数位は、２個または３個または４個以下である。

複数の表面が、レンズＡ〜Ｄを含む光学アセンブリ２０を定める。以下の表Ｉは、総トラック長が約４ｍｍであるいくつかの実装例の光学アセンブリ２０およびＶＣＳＥＬアレイ２２におけるさまざまな表面を記載している。

このように、レンズＡ（lens A）は表面４および６によって画定され、レンズＢ（lens B）は表面８、９および１０によって画定され、レンズＣ（lens C）は表面１３および１４によって画定され、レンズＤ（lens D）は表面１６、１７および１８によって画定される。表ＩＩは、総トラック長が約４ｍｍであるいくつかの実装例の光学アセンブリ２０およびＶＣＳＥＬアレイ２２における光学面のさまざまな表面形状、係数、および特徴を記載している。この実装例において、各表面の円錐定数はゼロである。さらに、この実装例は、レンズＢの回折相を説明する非球面多項式および多項展開式によって説明しているが、表面を説明するその他の方法も本開示の範囲に含まれる。

以下の表ＩＩＩは、上述の実装例に関連するその他の情報を記載している。

上記情報（すなわち表Ｉ、表ＩＩおよび表ＩＩＩ内）は、限定ではなく、当業者が本発明を実施し使用することを可能にする例として提供される。

以下の表ＩＶは、総トラック長が約６．３５６ｍｍであるいくつかの実装例の光学アセンブリ２０およびＶＣＳＥＬアレイ２２におけるさまざまな表面を記載している。

このように、レンズＡは表面４および６によって画定され、レンズＢは表面８、９および１０によって画定され、レンズＣは表面１３および１４によって画定され、レンズＤは表面１６、１７および１８によって画定されている。以下の表Ｖは、総トラック長が約６．３５６ｍｍであるいくつかの実装例の光学アセンブリ２０およびＶＣＳＥＬアレイ２２における光学面のさまざまな表面形状および特徴を記載している。この実装例では、各表面の円錐定数はゼロである。さらに、この実装例は、レンズＢの回折相を説明する非球面多項式および多孔展開式によって説明しているが、表面を説明するその他の方法も、本開示の範囲に含まれる。

以下の表ＶＩは、上述の実装例に関連するその他の情報を記載している。

上記情報（すなわち表ＩＶ、表Ｖおよび表ＶＩ内）は、限定ではなく、当業者が本発明を実施し使用することを可能にする例として提供される。

リスト中のレンズ材料の中で、Ｄ２６３ＴＥＣＯは、耐薬品性が高い透明なホウケイ酸ガラスであり、Ｒ１４はエポキシ樹脂である。これらの材料のその他の特性は以下の表ＶＩＩに記載されている。実装例によってその他のレンズ材料が使用される場合もある。

特定の実装例において、ハイブリッドレンズＢの回折／屈折面（すなわちSurface ID 10）は図４に示される特徴を有し得る。これは、口径の中心からの半径／距離に応じてどのように相およびライン周波数が変化するかを示している。曲線１０２は相の変化を示し、曲線１０４はライン周波数の変化を示す。さらに、上記ハイブリッド回折／屈折面の回折次数は４に等しいが、その他の実装例において、回折次数は１または別の値に等しくてもよい。一般的に、回折次数は、製造し易さおよび／またはハイブリッド回折／屈折レンズＢの直径に依存し得る。

屈折率の値について、コンピュータモデリングは、屈折率データはシステム温度および圧力の大気に関連があり波長はシステム温度および圧力の大気中で測定されると想定した。波長０．９４００００μｍに対し、絶対空気屈折率の値は、２０℃で１．０００２７０、６０℃で１．０００２３７、１００℃で１．０００２１２であった。

上記詳細は例示に過ぎず、その他の実装例においてレンズおよびレンズ面のうちの１つ以上のさまざまな特性またはパラメータを調整することにより実質的にアサーマルな光学アセンブリを得ることができる。たとえば、上記実装例のいくつかのパラメータはさらに以下の表８のような有効焦点距離正規化パラメータで説明することができる。

上記実装例はさらにアスペクト比で説明することができる。この場合のアスペクト比は、最大直径光学面をハイブリッド光学アセンブリの総トラック長で除算したものであると定義される。たとえば、いくつかの実装例において、ハイブリッド光学アセンブリのアスペクト比は０．５であってもよく、その他の実装例において、このアスペクト比はハイブリッド光学アセンブリの意図される用途に応じてより大きくても小さくてもよい。たとえば、総トラック長が約４ｍｍであるいくつかの実装例において、アスペクト比は約０．３５６であってもよく、総トラック長が約６．３５６であるその他いくつかの実装例において、アスペクト比は約０．２２４であってもよい。

先に示したように、光学アセンブリ２２は、投影面３６にドットのアレイまたはその他のパターンを投影するように配置された光学パターン生成器の一部として統合されてもよい。コンピュータモデリングに基づく図５Ａ、図５Ｂおよび図５Ｃのグラフに示されるように、光学アセンブリ２２を用いて、ドットの高品質のアレイを投影面に投影することができる。図５Ａ〜図５Ｃにおいて、各曲線（たとえば２０２、２０４）は異なるフィールドポイントを示し、これはたとえばＶＣＳＥＬアレイ２２から投影されたドットである。グラフの上の値（すなわち０．０００ｍｍ〜０．５５０ｍｍ）は、各フィールドポイントの、ＶＣＳＥＬアレイ面の中心からの距離を示す。図５Ａは２０℃における曲線を示し、図５Ｂは６０℃における曲線を示し、図５Ｃは１００℃における曲線を示す。

図５Ａ〜図５Ｃにおける各曲線は、面３６に投影されたドットの中心からの所与の半径を有する重心の中に閉じ込められた光エネルギの部分を示している。半径約３．５μｍまでの曲線の傾斜の急峻さは、投影されたドットが高品質であることを示している（すなわち各ドットの光学エネルギのほとんどは半径約３．５μｍの重心の中に含まれる）。さらに、投影されたドットのアレイの高い品質は実質的に２０℃〜１００℃の温度範囲にわたり維持される。すなわち、約２０℃〜６０℃の動作温度において、光の約８０％が、可能なすべての光源（ＶＣＳＥＬ）位置に対し、約３．４μｍよりもわずかに小さい半径を有する円（ドット）に閉じ込められるのに対し、最大１００℃までの動作温度では、光の約８０％が、可能なすべての光源（ＶＣＳＥＬ）位置に対し、約３．５μｍよりもわずかに小さい半径を有する円に閉じ込められる。したがって、アサーマル光学アセンブリ２０の出力の品質は、動作範囲２０℃〜１００℃にわたって実質的に一定である。このように、たとえ温度が変動しても高品質のシステム性能を得ることができる。

特徴のさまざまな修正および組合わせは上述の例から明白であり本発明の精神に含まれる。したがって、その他の実装例は請求項の範囲に含まれる。

Claims

ハイブリッド光学アセンブリであって、
第１の透過基板と、
前記第１の透過基板の第１の面上の第１の非球面レンズと、
前記第１の透過基板の第２の面上の第２のハイブリッド回折／屈折レンズと、
前記第１の透過基板から離隔した第２の透過基板と、
前記第２の透過基板の第１の面上の第３の非球面レンズと、
前記第２の透過基板の第２の面上の第４の非球面レンズとを備え、
前記第３の非球面レンズは、前記第２のハイブリッド回折／屈折レンズに面しており、前記ハイブリッド光学アセンブリの出力は、２０℃〜１００℃の温度範囲に対して実質的な安定性を示す、ハイブリッド光学アセンブリ。
前記第１の透過基板と前記第２の透過基板とは、４ｍｍ〜１０ｍｍの範囲の距離だけ互いに離隔している、請求項１に記載のハイブリッド光学アセンブリ。
前記第１の透過基板および前記第２の透過基板は透明なホウケイ酸ガラスからなり、前記第１、第２、第３、および第４のレンズはエポキシからなる、請求項１または２に記載のハイブリッド光学アセンブリ。
光学パターン生成器であって、
発光素子のアレイと、
請求項１〜３のいずれか１項に記載のハイブリッド光学アセンブリとを備え、
前記発光素子のアレイは、前記発光素子によって生成された光が、前記ハイブリッド光学アセンブリの前記第４のレンズ、前記第３のレンズ、前記第２のレンズ、および前記第１のレンズをこの順で通過することにより、前記発光素子の配置に対応する光学ドットのパターンを投影するように、配置される、光学パターン生成器。
前記発光素子はＶＣＳＥＬである、請求項４に記載の光学アレイ生成器。
光学ドットのパターンを生成する方法であって、前記方法は、
アレイまたはその他のパターンで配置された複数の光学素子から光を発するステップと、
前記発した光が、３つの非球面レンズと１つのハイブリッド回折／屈折レンズとを含むハイブリッド光学アセンブリを通過するようにするステップと、
前記ハイブリッド光学アセンブリを通過した光を物体または平面上に投影するステップとを含み、前記投影した光はドットのパターンを形成する、方法。
前記発した光が、請求項１〜３のいずれか１項に記載のハイブリッド光学アセンブリを通過するようにするステップを含む、請求項６に記載の方法。
前記第１の非球面レンズの焦点距離正規化曲率は９．２１であり、前記第２のハイブリッド回折／屈折レンズの焦点距離正規化曲率は２．８５であり、前記第３の非球面レンズの焦点距離正規化曲率は０．３４であり、前記第４の非球面レンズの焦点距離正規化曲率は０．７８である、請求項１に記載のハイブリッド光学アセンブリ。
前記第１の非球面レンズ、前記第２のハイブリッド回折／屈折レンズ、前記第３の非球面レンズ、および前記第４の非球面レンズの焦点距離正規化直径はそれぞれ、０．４９、０．４９、０．３５、および０．２９である、請求項１に記載のハイブリッド光学アセンブリ。
前記第１の非球面レンズ、前記第２のハイブリッド回折／屈折レンズ、前記第３の非球面レンズ、および前記第４の非球面レンズの焦点距離正規化厚さはそれぞれ、０．００４４、１．０４８、０．０６７、および０．０６７である、請求項１に記載のハイブリッド光学アセンブリ。
アスペクト比が０．３５６である、請求項８に記載のハイブリッド光学アセンブリ。
前記第１、第３、および第４の非球面レンズはそれぞれ以下の係数

を有し、
前記第２のハイブリッド回折／屈折レンズは以下の係数

を有する、請求項８に記載のハイブリッド光学アセンブリ。
アスペクト比が０．２２４である、請求項８に記載のハイブリッド光学アセンブリ。
前記第１、第３、および第４の非球面レンズはそれぞれ以下の係数

を有し、
前記第２のハイブリッド回折／屈折レンズは以下の係数

を有する、請求項８に記載のハイブリッド光学アセンブリ。