JP2018531430A6 - アサーマル光学アセンブリ - Google Patents
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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。
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。
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。
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。
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αi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、Ai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 (14)
- 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。
- 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。
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