JP2020106771A - 回折光学素子およびこれを用いた光学系装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ＶＣＳＥＬアレイのように光源を複数有する場合であっても、投影パターンのむらを低減することができる回折光学素子（ＤＯＥ）およびこれを用いた光学系装置を提供すること【解決手段】 入射した光を凹凸構造によって制御して位置（ｘ，ｙ）における位相がφ１（ｘ，ｙ）となるように出射する回折光学素子１であって、光源９から入射した光を平行光に制御できる回折レンズを同一平面上に複数配置し、位置（ｘ，ｙ）における出射光の位相をφ２（ｘ，ｙ）、平行光を所定目的の投影パターンに制御できる投影用回折光学素子の位置（ｘ，ｙ）における位相をφ３（ｘ，ｙ）とすると、凹凸構造は、位相φ１（ｘ，ｙ）が、φ１（ｘ，ｙ）＝φ２（ｘ，ｙ）＋φ３（ｘ，ｙ）−２ｍπ （ｍは任意の整数）を満たすように形成する。【選択図】 図２

Description

本発明は、回折光学素子およびこれを用いた光学系装置に関するものである。

近年、光の回折現象を利用して投影パターンを制御する回折光学素子（ＤＯＥ）が様々な分野で利用されている。

例えば、セキュリティ認証のための３Ｄセンシングの分野では、ストラクチャーライト（Structure Light）やＴｏＦ（Time of Flight）という技術にＤＯＥが使用されている。具体的には、ストラクチャーライトに用いられるドットプロジェクタには、光の回折現象を利用して、入射した光を多数のドットに分岐するＤＯＥが使用されている。また、ＴｏＦ（Time of Flight）センサには、回折現象を利用して、入射した光を所望の形状、強度で投影するＤＯＥが使用されている（例えば、特許文献１）。なお、ＴｏＦとは照射した光線が対象に当たり、反射光が戻るまでにかかる時間から距離を計測する技術である。

このように使用される従来のＤＯＥは、入射光として平行光を想定している。例えば、ＴｏＦでは、光を照射する光源と、当該光を平行光にするためのコリメータレンズが使用され、ＤＯＥに平行光を入射させている。

特開２０１１−１６９７０１

一方、前記光源としては種々のものがあるが、近年、少ない電力で高出力が見込めることからＶＣＳＥＬ（Vertical Cavity Surface Emitting LASER）アレイの利用が増加している。

ここで、従来の装置においては、単一光源からの光を単一のコリメータレンズで平行光にしてＤＯＥに入射させることを想定している。しかしながら、図１に示すように、ＶＣＳＥＬアレイは複数の光源９からなるものであり、単一のコリメータレンズ６で入射光を完全に平行光とするのは困難なためＤＯＥ２による投影パターンにむらが生じるという問題がある。

また、スマートフォンやタブレット等の携帯端末に用いるＴｏＦセンサ等の装置は、薄型化が望まれている。しかしながら、コリメータレンズは厚みが大きいため、これを用いたＴｏＦセンサは、携帯端末の薄型化の障害となっている。よって、さらなる薄型化、軽量化、低価格化が期待されている。

また、従来のＤＯＥ２は、平行光を前提としているため、直進した０次光が投影パターンに現れてしまうという問題もあった。

そこで本発明は、ＶＣＳＥＬアレイのように光源を複数有する場合であっても、投影パターンのむらを低減することができる回折光学素子（ＤＯＥ）およびこれを用いた光学系装置を提供することを目的とする。また、コリメータレンズを必要とせず、０次光の影響の小さい回折光学素子（ＤＯＥ）を提供することを目的とする。

本発明の回折光学素子は、入射した光を凹凸構造によって制御して位置（ｘ，ｙ）における位相がφ_１（ｘ，ｙ）となるように出射するものであって、所定位置から入射した光を平行光に制御できる回折レンズを同一平面上に複数配置し、位置（ｘ，ｙ）における出射光の位相をφ_２（ｘ，ｙ）、平行光を所定目的の投影パターンに制御できる投影用回折光学素子の位置（ｘ，ｙ）における位相をφ_３（ｘ，ｙ）とすると、前記凹凸構造は、前記位相φ_１（ｘ，ｙ）が、
φ_１（ｘ，ｙ）＝φ_２（ｘ，ｙ）＋φ_３（ｘ，ｙ）−２ｍπ （ｍは任意の整数）
を満たすように形成されたものであることを特徴とする。

この場合、０≦φ_１（ｘ，ｙ）＜２πとなるように設計する方が好ましい。

また、前記回折レンズは、それぞれの焦点距離がランダムに設計されたものであっても良い。

また、前記回折レンズは、前記同一平面上にランダムに配置されたものであっても良い。

また、前記凹凸構造は、前記回折光学素子の片面にのみ形成することができる。

また、本発明の光学系装置は、光を照射する複数の光源と、前記各回折レンズの所定位置が前記各光源の位置に合うように設計された上述した本発明の回折光学素子と、を具備することを特徴とする。

この場合、前記各光源は、同一の光源から出射した光がそれぞれ対応する同一の回折レンズに総て照射されるように配置される方が好ましい。

また、前記各光源は、同一平面上にランダムに配置されたものであっても良い。

また、前記回折光学素子は、前記凹凸構造が前記回折光学素子の片面にのみ形成されており、当該凹凸構造が形成されていない側の面で前記光源と貼り合わせることができる。

本発明の回折光学素子およびこれを用いた光学系装置は、各光源に合わせてコリメート用の回折レンズをそれぞれ想定して設計されるため、投影パターンのむらを低減することができる。また、本発明の回折光学素子は、コリメータレンズを必要としないため、これを用いた光学系装置を小型化することができる。また、本発明の回折光学素子は、広がりのある光源を前提としているため、多くの０次光は広がりのある光として投影パターンから外れることになり、０次光の投影パターンへの影響を小さくすることができる。

従来の回折光学素子を用いた光学系装置を示す図である。 本発明の回折光学素子を用いた光学系装置を示す図である。 本発明の回折光学素子作成方法を説明する図である。 本発明の回折光学素子を作製するための回折レンズを説明する側面図である。 本発明の回折光学素子を作製するための回折レンズを説明する平面図である。 所定位置から入射した光を平行光にする回折レンズの位相分布を示す図である。 入射した光の強度、形状を変更する投影用回折光学素子の位相分布を示す図である。 本発明に係る回折光学素子の位相分布を示す図である。 焦点距離がランダムになるように設計された回折レンズの位相分布を示す図である。 同一平面上でランダムに配置した回折レンズの位相分布を示す図である。

以下に、本発明の回折光学素子について説明する。本発明の回折光学素子（ＤＯＥ）は、図２に示すように、各光源９の位置（所定位置）から入射した平行光でない広がりのある光を凹凸構造による回折を利用して制御し、位置（ｘ，ｙ）における位相がφ_１（ｘ，ｙ）となるように出射するものである。

位相φ_１（ｘ，ｙ）は、次にように決定する。まず、図３に示すように、仮想的に同一平面状に配置した複数の回折レンズ３と投影用回折光学素子４を想定する。そして、各回折レンズ３と投影用回折光学素子の組み合わせについて、所定位置からの光を平行光にするための回折レンズ３による位相分布と、平行光を所定目的の投影パターンにするための投影用回折光学素子４の位相分布を決定する。そして、これらの位相分布を重ね合わせることにより、本発明の回折光学素子による位相分布を決定する。

具体的には、それぞれの回折レンズと投影用回折光学素子の組み合わせについて、所定位置から入射した光を平行光に制御できる回折レンズ３の位置（ｘ，ｙ）における出射光の位相をφ_２（ｘ，ｙ）、平行光を所定目的の投影パターンに制御できる投影用回折光学素子４の位置（ｘ，ｙ）における位相をφ_３（ｘ，ｙ）とすると、位相φ_１（ｘ，ｙ）が、下記式（１）を満たすように決定する。
φ_１（ｘ，ｙ）＝φ_２（ｘ，ｙ）＋φ_３（ｘ，ｙ）−２ｍπ・・・・・・（１）
ここで、ｍは任意の整数である。

そして、凹凸構造は、当該位相φ_１（ｘ，ｙ）が上記式（１）を満たすように形成される。

まず、位相φ_２（ｘ，ｙ）の求め方を以下に示す。ここで、ｐ個の回折レンズがあるとし、その中心の位置を（ｘ_ｐ，ｙ_ｐ）とする。図４に示すように、平行光が焦点10に向かう光について、第ｉ番目の回折レンズ３の中心11の位置（ｘ_ｉ，ｙ_ｉ）から出発した光と任意の点12の位置（ｘ，ｙ）から出発した光の光路差を考える。ここで、焦点10および中心11を通る直線は、回折レンズ３の面に対する法線であり、当該法線と直交する方向をｘ軸、ｙ軸として位置を決める。焦点距離をｒ、回折レンズ３の中心11と任意の点12との距離をｄ、空気の屈折率をｎ_０とすると、光路差Δは以下のように表される。

したがって、この二つの光が強め合うように回折レンズ３の厚さの分布（凹凸構造）を調整すれば良い。ここで、回折レンズ３の中心の厚さと位置（ｘ，ｙ）の厚さの差をＴ（ｄ）、回折レンズ３の屈折率をｎ_１とすると、回折レンズ３によって生まれる光路差は、
（ｎ_１−ｎ_０）Ｔ（ｄ）
で表される。よって二つの光が強め合う条件（焦点に光が集まる条件）は、
で表される。ここで、ｍ_１は任意の整数である。
両辺に２π/λをかけると位相差の条件は以下のようになる。
よって、回折レンズ３の中心からの距離ｄの位相分布φ_２（ｄ）は
と表される。なお、０≦φ（ｄ）＜２πとなるようにｍ_１を選んでいる。

ここで、図５より、
であるため、上記式よりφ_２（ｘ，ｙ）は、
となる。

図６に所定位置から入射した光を平行光にする回折レンズ３を同一平面上に複数配置した場合の位相分布を示す。

また、φ_３（ｘ，ｙ）は、目的となる投影パターンに応じて自由に設計できる。投影パターンには、例えば、光強度を均一にするような光強度分布を調節するものや、入射した光の形状を変更するもの、入射した平行光を多数のドットに分岐するものなどがある。このような位相分布は、従来から知られている電磁光学設計・評価ソフト、例えば、ＶｉｒｔｕａｌＬａｂ等のソフトを用いてシミュレーションにより設計すれば良い。図７にＴｏＦ（Time of Flight）に用いられる入射した平行光を所定形状の均一な光強度に投影する投影用回折光学素子４の位相分布を示す。

以上のようにして求めた位相分布は重ねることができることから、
φ_１（ｘ，ｙ）＝φ_２（ｘ，ｙ）＋φ_３（ｘ，ｙ）
となるように、凹凸構造を形成すれば良い。これにより、図２に示すように、１つの回折光学素子１によって、図３に示す回折レンズ３と投影用回折光学素子４を並べた場合と同じ投影パターンを照射することができる。図８に本発明に係る回折光学素子の位相分布を示す。

なお、周期が２πであることから、任意の整数をｍとすると、位相φ_１（ｘ，ｙ）は下記式（１）で表されるものであっても良い。
φ_１（ｘ，ｙ）＝φ_２（ｘ，ｙ）＋φ_３（ｘ，ｙ）−２ｍπ・・・・・・（１）

このようにして位置（ｘ，ｙ）における位相φ_１（ｘ，ｙ）が決定すれば、当該位置（ｘ，ｙ）における凹凸構造の高さＨ（ｘ，ｙ）は、下記式（２）で決定することができる。

なお、凹凸構造の高さＨ（ｘ，ｙ）のばらつきはなるべく小さい方が好ましいため、ｍの値を調節して、
０≦φ_１（ｘ，ｙ）＜２π
とする方が好ましい。

凹凸構造の形成は、従来からＤＯＥを作製する際に用いられている任意の方法を用いれば良く、例えば、インプリントやインサート成形、フォトリソグラフィー等を用いることができる。凹凸構造は、回折光学素子の両面に形成することも可能であるが、加工プロセスを簡易にするためには、片面にのみ形成する方が良い。

回折光学素子の材料としては、使用する波長の光に対して透明であればどのようなものでも良く、例えば、ガラスや樹脂を用いることができる。

このように形成された回折光学素子は、コリメータレンズ６を必要としない。したがって、当該回折光学素子を用いた光学系装置を小型化、薄型化することができる。また、本発明の回折光学素子は、広がりのある光源を前提としているため、光源から直進する多くの０次光をそのまま広がりのある光として直進させることができ、投影パターンから外すことができる。したがって、０次光の投影パターンへの影響を小さくすることができる。また、凹凸構造は、回折光学素子の片面にのみ形成すれば良いため、加工プロセスが簡単で、コストも下げることができる。

また、VCSELアレイのように複数の光源を規則的に配置したものである場合、光源と回折光学素子の間隔が広い等の条件によっては、照射されるパターンにその影響が出ることがある。例えば、VCSELアレイが六方配列の場合、照射されるパターンに六角形の紋様などの特徴が出る。そこで、この問題を解決するために、各回折レンズ３は、図９に示すように、それぞれの焦点距離がランダムになるように設計された位相分布を用いてもよい。また、当該問題を解決する別の方法としては、光源自体の配列をランダムにしても良い。この場合には、図１０に示すように回折レンズ３を光源の配置に合わせて同一平面上でランダムに配置した位相分布を用いてもよい。この際、回折光学素子１と光源９の隙間はできる限り小さい方が好ましい。

次に、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２に示すように、光を照射する複数の光源９と、上述した本発明の回折光学素子１と、で主に構成される。

光源９としては、回折光学素子１を透過できる波長の光を照射できるものであればどのようなものでも良く、例えば、レーザ光を照射することができるレーザ光源を用いることができる。具体的には、複数の光源からなるＶＣＳＥＬアレイを用いることができる。

回折光学素子１は、上述した各回折レンズ３の所定位置が各光源の位置に合うように設計されたものを用いる。これにより、回折光学素子１の設計に用いられる回折レンズ３は、複数の光源のそれぞれに合わせて入射光を確実に平行光にすることができる。したがって、本発明の光学系装置は、従来の装置のように単一のコリメータレンズを用いる場合と比較して、より確実に投影パターンのむらを低減することができる。

また、回折光学素子１は、所定目的の投影パターンに制御できるものであればどのようなものでも良い。例えば、入射した広がりのある光を多数のドットに分岐するものや、入射した光の形状を変更するもの、光強度分布を調節するものなどがある。光強度分布の調節は、光強度を均一に調節するものでも良いし、所定の配光となるよう調節するものでも良い。なお、回折光学素子１の凹凸構造は、光源側に配置しても光の投影側に配置しても良い。

また、光源９の一つから出射する光が複数の回折レンズ３に入射するとゴースト結像が生じるという問題がある。したがって、各光源９は、同一の光源から出射した光がそれぞれ対応する同一の回折レンズ３に総て照射されるように配置される方が好ましい。この場合、回折光学素子１は、回折レンズ３を各光源の位置に対応するように配置した位相分布を用いて設計される。

また、VCSELアレイのように複数の光源を規則的に配置したものである場合、光源と回折光学素子の間隔が広い等の条件によっては、照射されるパターンにその影響が出ることがある。例えば、VCSELアレイが六方配列の場合、照射されるパターンに六角形の紋様などの特徴が出る。そこで、この問題を解決するために、回折光学素子１は、図９に示すように、各回折レンズ３の焦点距離がランダムになる位相分布から設計されたものを用いても良い。また、当該問題を解決する別の方法としては、光源自体の配列をランダムにしても良い。この場合、回折光学素子１は、図１０に示すように、回折レンズ３を光源の配置に合わせて同一平面上でランダムに配置した位相分布から設計されたものを用いればよい。この際、回折光学素子１と光源９の隙間はできる限り小さい方が好ましい。

本発明の光学系装置は、コリメータレンズを必要としないため、装置を小型化、薄型化することができる。また、回折光学素子は、凹凸構造が前記回折光学素子の片面にのみ形成されており、当該凹凸構造が形成されていない側の面で前記光源と貼り合わせられて作ることも可能である。

また、従来の光学系装置においては、回折光学素子に入射する光が平行光であったため、最も光強度の強い０次光が投影パターンに現れてしまうという問題があったが、本発明の光学系装置は、光源９から広がった光を直接、回折光学素子１に入射させるため、光源から直進する多くの０次光をそのまま広がりのある光として直進させることができ、投影パターンから外すことができる。したがって、０次光の投影パターンへの影響を小さくすることができる。また、従来の光学系装置は、コリメータレンズの表面とＤＯＥの表面の両方で表面反射が発生していたが、本発明の光学系装置は、コリメータレンズがなく、回折光学素子１の表面のみで発生するため、表面反射の影響が小さいというメリットがある。

１ 回折光学素子
２ ＤＯＥ
３ 回折レンズ
４ 投影用回折光学素子
６ コリメータレンズ
９ 光源
10 焦点
11 回折レンズの中心
12 回折レンズの任意の点

Claims (9)

1. 入射した光を凹凸構造によって制御して位置（ｘ，ｙ）における位相がφ_１（ｘ，ｙ）となるように出射する回折光学素子であって、
   所定位置から入射した光を平行光に制御できる回折レンズを同一平面上に複数配置し、位置（ｘ，ｙ）における出射光の位相をφ_２（ｘ，ｙ）、平行光を所定目的の投影パターンに制御できる投影用回折光学素子の位置（ｘ，ｙ）における位相をφ_３（ｘ，ｙ）とすると、前記凹凸構造は、前記位相φ_１（ｘ，ｙ）が、
   φ_１（ｘ，ｙ）＝φ_２（ｘ，ｙ）＋φ_３（ｘ，ｙ）−２ｍπ （ｍは任意の整数）
   を満たすように形成されたものであることを特徴とする回折光学素子。
2. ０≦φ_１（ｘ，ｙ）＜２πであることを特徴とする請求項１記載の回折光学素子。
3. 前記回折レンズは、それぞれの焦点距離がランダムに設計されたものであることを特徴とする請求項１又は２記載の光学素子。
4. 前記回折レンズは、前記同一平面上にランダムに配置されたものであることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の回折光学素子。
5. 前記凹凸構造は、前記回折光学素子の片面にのみ形成されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の回折光学素子。
6. 光を照射する複数の光源と、
   前記各回折レンズの所定位置が前記各光源の位置に合うように設計された請求項１ないし４のいずれかに記載の回折光学素子と、
   を具備することを特徴とする光学系装置。
7. 前記各光源は、同一の光源から出射した光がそれぞれ対応する同一の回折レンズに総て照射されるように配置されることを特徴とする請求項６記載の光学系装置。
8. 前記各光源は、同一平面上にランダムに配置されたものであることを特徴とする請求項６又は７記載の光学系装置。
9. 前記回折光学素子は、前記凹凸構造が前記回折光学素子の片面にのみ形成されており、当該凹凸構造が形成されていない側の面で前記光源と貼り合わせられていることを特徴とする請求項６ないし８のいずれかに記載の光学系装置。