JP2022074568A - 拡散素子、投射装置、及び空間認識装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高効率で高視野角と小型・薄型化を両立する拡散素子、これを用いた投射装置、空間認識装置及び測距装置を提供すること。
【解決手段】光源からの入射光を拡散する拡散素子であって、光源側に配置され、複数のシリンドリカルレンズがアレイ状に配列がされてなる第一レンズアレイと、第一レンズアレイの光源とは反対側に配置され、第一レンズアレイの配列方向と直交する方向に複数のシリンドリカルレンズがアレイ状に配列されてなる第二レンズアレイと、を有し、第一及び第二レンズアレイの各シリンドリカルレンズ間の間隔をＰ、シリンドリカルレンズの深さをＤとしたときに、０．３＜Ｄ／Ｐ＜０．８である。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ光源からの入射光を拡散する拡散素子、これを用いた投射装置、空間認識装置及び測距装置に関する。

近年、対象物までの距離の情報や対象物の３次元形状の情報を取得する手法として、ＴＯＦ（Ｔｉｍｅ ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ）方式の測定手法が注目されている。

特に、小型・高出力の垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）が実用化しており、このＶＣＳＥＬを光源としたＴＯＦ方式の測定装置の一例として、ＶＣＳＥＬから発せられるレーザ光を振幅変調して、対象物上の所定の照射領域に照射し、その対象物からの反射光の位相差を画素単位で抽出する事で対象物の３次元情報や対象物までの距離情報を取得する小型高精度なＴＯＦカメラが実用化されている。

通常、これらのＶＣＳＥＬから出射したレーザ光は、拡散板、回折光学素子（ＤＯＥ）又はマイクロレンズアレイなどの拡散素子により、照射光の均一化や、三次元情報などの空間認識や測距を行う領域である照射領域に所定の視野角をもったレーザ光を照射するように配光特性の制御が行われている（例えば特許文献１）。

特開２０２０－６７６６４号公報

近年、スマートフォンにＴＯＦ方式の画像センサを搭載することで、被写体の三次元情報や距離情報を正確に取得し、特殊撮影機能やジェスチャー認識、ＡＲ（拡張現実）などの新しい付加機能の開発が進められている。

しかしながら、従来のこれらの拡散素子では、高効率で広視野角と小型・薄型化を両立する事が困難であるという問題を有していた。

本発明はこのような従来の問題点を考慮してなされたものであり、高効率で広視野角と小型・薄型化を両立する拡散素子、これを用いた投射装置、空間認識装置及び測距装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するための手段としては、以下の通りである。即ち、本発明の拡散素子は、光源からの入射光を拡散する拡散素子であって、光源側に配置され、複数のシリンドリカルレンズがアレイ状に配列がされてなる第一レンズアレイと、第一レンズアレイの光源とは反対側に配置され、第一レンズアレイの配列方向と直交する方向に複数のシリンドリカルレンズがアレイ状に配列されてなる第二レンズアレイと、を有し、第一及び第二レンズアレイの各シリンドリカルレンズ間の間隔をＰ、シリンドリカルレンズの深さをＤとしたときに、０．３＜Ｄ／Ｐ＜０．８である。

また、上記発明において、シリンドリカルレンズが平凹シリンドリカルレンズであることが好ましい。

また、上記発明において、第一及び第二レンズアレイの各シリンドリカルレンズは、光軸に直交する方向に対するレンズ開口端部の傾斜角度をαとしたときに、６６ｄｅｇ＞αであることが好ましい。

また、上記発明において、第一及び第二レンズアレイの各シリンドリカルレンズ間に、レンズピッチ及び又はレンズ深さが不規則なランダムピッチのシリンドリカルレンズ群を配してなることが好ましい。

また、上記発明において、第一及び第二レンズアレイは、シリンドリカルレンズが形成された面とは反対側の面に、各レンズアレイの配列方向に半円柱状の曲面が形成されてなることが好ましい。

また、本発明の投射装置は、前記拡散素子と、レーザ光源とを備える。

また、本発明の空間認識装置は、前記投射装置と、受光手段とを備える。

また、本発明の測距装置は、前記投射装置と、受光手段とを備える。

本発明によれば、高効率で高視野角と小型・薄型化を両立する拡散素子、これを用いた投射装置、空間認識装置及び測距装置を提供することができる。

本発明の投射装置を示す図である。 本発明の投射装置に用いられるレーザ光源を示す図である。 本発明の第１の実施の形態の拡散素子を構成するレンズアレイを示す図である。 レンズアレイを構成するシリンドリカルレンズを示す断面図である。 本発明の拡散素子を構成するレンズアレイの別の例を示す図である。 本発明の拡散素子を構成するシリンドリカルレンズのアスペクト比を変化させた時の対角発散角及び光利用効率を説明するグラフである。 本発明の第１の実施の形態の投射装置において、シリンドリカルレンズのアスペクト比を０．６及び０．８とした時の（ａ）レイアウト、（ｂ）シリンドリカルレンズ形状、（ｃ）第二レンズアレイの出射面での照射パターン、（ｄ）出射光の配光特性、（ｅ）３Ｄ光線図、及び（ｆ）２Ｄ光線図を説明する図である。 本発明の第１の実施の形態の投射装置において、第二レンズアレイの出射面での照射パターンを示す図である。 本発明の第２の実施の形態の拡散素子を示す(ａ)断面図、及び（ｂ）斜視図である。 本発明の第３の実施の形態の拡散素子を示す斜視図である。 本発明の空間認識装置及び測距装置を示す図である。

［投射装置］
以下、本発明に係る投射装置及びこの投射装置に用いられる拡散素子について図面を参照して説明する。

図１は、本発明の投射装置を示す図である。本発明の投射装置１は、図１に示すようにレーザ光源１０と、拡散素子２０とを備える。

レーザ光源１０は、垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）やＬＥＤ等の光源が好適に用いられる。本発明で用いるレーザ光源としてのＶＣＳＥＬは、アレイ状に複数のＶＣＳＥＬ素子が配置されたものであり、本実施の形態では、図２に示すように、各ＶＣＳＥＬ素子間は０．０４ｍｍピッチで、縦横１０×１０のアレイ状に配列されている。

[拡散素子]
拡散素子２０は、図１に示すように、レーザ光源１０側から所定の空気間隔をあけて配置される第一レンズアレイ２１及び第一レンズアレイから所定の間隔をあけて配置される第二レンズアレイ２２をこの順に備えている。

図３は、本発明の拡散素子２０を構成するレンズアレイを示す斜視図及び、このレンズアレイを構成するシリンドリカルレンズ２０ｘの形状を示す図である。また、図４は、シリンドリカルレンズ２０ｘの形状を示す断面図である。

拡散素子２０を構成する第一レンズアレイ２１は、図３に示すように、レーザ光源１０側に開口を向けた平凹状のシリンドリカルレンズ２０ｘがアレイ状に複数配列がされてなるマイクロシリンドリカルレンズアレイシートである。また、第二レンズアレイ２２も第一レンズアレイ２１と同一形状とされ、レーザ光源１０側に開口を向けた平凹状のシリンドリカルレンズ２０ｘがアレイ状に複数配列がされるマイクロレンズアレイシートであり、第一レンズアレイ２１の配列方向と直交する方向に配置される。

なお、本発明では、第一レンズアレイ２１及び第二レンズアレイ２２を構成するシリンドリカルレンズ２０ｘは、図３又は図４に示す平凹状のシリンドリカルレンズに限られず、図５に示すように平凸状のシリンドリカルレンズを配列したレンズアレイでもよい。また、例えば、第一レンズアレイ２１を平凹状のシリンドリカルレンズアレイとし、第二レンズアレイ２２を平凸状のシリンドリカルレンズアレイとする事も可能である。

シリンドリカルレンズアレイは、一般的にレーザ光源などの点光源の強度を均一化しつつノンガウスの矩形照射パターンの配光特性を得る事ができるが、本発明の拡散素子２０では、図３に示すように、第一及び第二レンズアレイにおける隣接するシリンドリカルレンズ２０ｘ間の間隔をＰ、凹状シリンドリカルレンズ２０ｘの開口から底面迄の深さをＤとし、間隔Ｐ及び深さＤの比（アスペクト比）を最適化する事で、光源から所定の距離にある被照射面でのビーム発散角（視野角）を最大化（広視野角）する事を可能とするものである。

本発明の拡散素子２０は、同一形状の第一及び第二のレンズアレイ２１及び２２をそれぞれ直交配置し、各レンズアレイ２１及び２２を構成するシリンドリカルレンズ２０ｘのアスペクト比を０．３＜Ｄ／Ｐ＜０．８とし、それぞれのレンズアレイ２１及び２２のビーム発散角の直交方向の合成として、第二レンズアレイ２２の出射面での出射光の対角発散角を８０度から１６０度と広視野角化することを可能としている。

図６は、レンズアレイ２１及び２２を構成するシリンドリカルレンズ２０ｘのアスペクト比を変化させた時の対角発散角及び光利用効率を説明するグラフである。

図６に示すように、シリンドリカルレンズ２０ｘのアスペクト比が０．３を下回ると、対角発散角が８０度を下回り、高視野角化が困難となる。また、アスペクト比が０．８を上回っても対角発散角は１６０度以上となる事はなく、拡散素子での光量ロスが大きくなるため好ましくない。

〔第１の実施の形態〕
以下、第１の実施の形態に係る拡散素子を図面を用いて説明する。

図７は、第１の実施の形態の投射装置において、レンズアレイ２１及び２２を構成するシリンドリカルレンズ２０ｘのアスペクト比を０．６及び０．８とした時の（ａ）レイアウト、（ｂ）シリンドリカルレンズ形状、（ｃ）第二レンズアレイの出射面での照射パターン、（ｄ）出射光の配光特性、（ｅ）３Ｄ光線図及び、（ｆ）２Ｄ光線図をそれぞれ説明する図である。

図７の（ｆ）に示すように、第１の実施の形態の拡散素子２０は、第一及び第二レンズアレイ２１及び２２の各レンズアレイシートの厚みが０．１ｍｍであり、第一レンズアレイ２１及び第二レンズアレイ２２の間隔は０．１５ｍｍとされる。また、レーザ光源１０としてのＶＣＳＥＬ素子は、約０．４ｍｍ角のチップであり、第一レンズアレイ２１は、ＶＣＳＥＬ素子の発光面から０．６ｍｍの位置に配置される。

第１の実施の形態の拡散素子２０における第一及び第二レンズアレイ２１及び２２は、隣接するシリンドリカルレンズ２０ｘの間隔Ｐが０．０６ｍｍ、開口から底面迄の深さＤが０．０３６ｍｍ（アスペクト比０．６）、又は間隔Ｐが０．０６ｍｍ、開口から底面迄の深さＤが０．０４８ｍｍ（アスペクト比０．８）の何れかが好適に選択されるが、この例に限定される事なく、アスペクト比０．３＜Ｄ／Ｐ＜０．８の範囲で間隔Ｐ及び深さＤの比（アスペクト比）を適宜選択することが好ましい。

また、第１の実施の形態の拡散素子２０は、第一及び第二レンズアレイ２１及び２２の各シリンドリカルレンズ２０ｘは、図４に示すように、光軸に直交する方向に対するレンズ開口端部の傾斜角度をαとしたときに、６６ｄｅｇ＞αであることが好ましい。本発明のレンズアレイを、金型を用いて射出成形で成形する場合には、金型の切削加工性及び成形品の金型からの離型性を良好にするものである。

図８は、本発明の第１の実施の形態の投射装置において、第二レンズアレイの出射面での照射パターンを示す図である。

図８に示すように、本発明の第１の実施の形態の投射装置１は、それぞれのレンズアレイ２１及び２２のビーム発散角の直交方向の合成として、第二レンズアレイ２２の出射面での出射光の対角発散角が約１６０度（約±８０度）と広視野角化される。

〔第２の実施の形態〕
以下、第２の実施の形態に係る拡散素子について図面を参照して説明する

図９は、本発明の第２の実施の形態の拡散素子を示す(ａ)断面図、及び（ｂ）斜視図である。

第２の実施の形態の拡散素子２０は、図９（ａ）に示すように、第一レンズアレイ２１及び第二レンズアレイ２２は、レーザ光源１０（図示せず）側に開口を向けた平凹状シリンドリカルレンズ２０ｘが所定間隔をあけてアレイ状に複数配列がされてなるマイクロシリンドリカルレンズアレイシートである。第一レンズアレイ２１及び第二レンズアレイ２２は、第１の実施の形態の拡散素子と同様に、シリンドリカルレンズの配列方向が直交する方向にそれぞれが配置される。

また、図９（ａ）及び図９（ｂ）に示すように、第一及び第二レンズアレイ２１及び２２の各シリンドリカルレンズ２０ｘの間にはレンズピッチ及び又はレンズ深さが不規則なランダムピッチの平凹シリンドリカルレンズ２３ｘが複数配置される。

第２の実施の形態の拡散素子２０は、このような構成とする事で、ＶＣＳＥＬ素子からの回折の影響を最小化する事ができる。

なお、本実施の形態におけるシリンドリカルレンズ２０ｘ及びランダムピッチのシリンドリカルレンズ２３ｘは、上述した通り、平凹状シリンドリカルレンズに限られず、平凸状シリンドリカルレンズとしてもよい。

〔第３の実施の形態〕
以下、第３の実施の形態に係る拡散素子について図面を参照して説明する

図１０は、本発明の第３の実施の形態の拡散素子を示す斜視図である。

第３の実施の形態の拡散素子２０は、図１０に示すように、その基本構成は第１及び第２の実施の形態に係る拡散素子と同様であるが、第一レンズアレイ２１及び第二レンズアレイ２２は、シリンドリカルレンズが形成された面とは反対側の出射面側の面に、各レンズアレイの配列方向に半円柱状（かまぼこ状）の曲面が一体的に形成されてなる。本実施の形態における半円柱状の曲面の曲率半径は４ｍｍとされるが、特にこの例に限定される事はなく、曲率半径は適宜選択されるものである。更に、別の例においては、半円柱状の曲面と同様の光学的機能を備えるものとして、出射面側に凸形状の凸レンズが、一体又は別体として配置されていてもよい。図１０中、レンズ２５は、上述の出射面側に凸形状の凸レンズを第一レンズアレイ２１及び第二レンズアレイ２２とは別体に備えた例を示す。

［空間認識装置・測距装置］
以下、本発明の空間認識装置又は測距装置について図面を参照して説明する。図１１は、本発明の投射装置を備えた空間認識装置又は測距装置を示す図である。

図１１に、本発明の空間認識装置又は測距装置（１００）として、投射装置１と受光手段２を備えたＴＯＦ（Ｔｉｍｅ ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ）方式の測定装置を示す。

投射装置１については上述に説明した通りであるから詳述は省略するが、本発明の投射装置１は、レーザ光源１０からの点光源の強度を、拡散素子２０により、均一化しつつ矩形照射パターンの配光特性に変換し、レーザ光源１０から所定の距離にある被照射面で広いビーム発散角（視野角）をもって測定対象物３に照射可能としている。

投射装置１からの照射光は、測定対象物３で反射され、受光手段２に配置されたレンズを介してＣＭＯＳセンサなどの固体撮像素子で画素単位での反射光の受光シグナルを検出可能としている。

本発明の空間認識装置及び・又は測距装置１００は、レーザ光源１０として垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）が好適に用いられ、このＶＣＳＥＬから発せられるレーザ光を振幅変調して、対象物上の所定の照射領域に照射し、測定対象物３からの反射光の位相差を受光手段２に備えたＣＭＯＳセンサにより画素単位で抽出する事で対象物の３次元情報や対象物までの距離情報を取得している。なお、レーザ光源１０から発する光を振幅変調して、反射光の位相差情報から対象物の３次元情報や対象物までの距離情報を取得する方式（インダイレクト方式）に限定される事はなく、投射装置２のレーザ光源１０から発する光を矩形パルス状の照射光として測定対象物３に向けて照射し、受光部２にて、投射装置１が照射光を出射してから、受光手段２のＣＭＯＳセンサで反射光を検出するまでの時間（飛行時間）を計測し、この飛行時間に基づいて対象物の３次元情報や対象物までの距離情報を取得する方式（ダイレクト方式）の計測方法を用いるものでもよい。

１ 投射装置
２ 受光手段
３ 測定対象物
１０ レーザ光源
２０ 拡散素子
２１、２２ 第一及び第二のレンズアレイ
２０ｘ シリンドリカルレンズ
１００ 空間認識装置又は測距装置

Claims (8)

1. 光源からの入射光を拡散する拡散素子であって、
   光源側に配置され、複数のシリンドリカルレンズがアレイ状に配列がされてなる第一レンズアレイと、
   前記第一レンズアレイの光源とは反対側に配置され、前記第一レンズアレイの配列方向と直交する方向に複数のシリンドリカルレンズがアレイ状に配列されてなる第二レンズアレイと、を有し、
   前記第一及び第二レンズアレイの各シリンドリカルレンズの間隔をＰ、シリンドリカルレンズの深さをＤとしたときに、
   ０．３＜Ｄ／Ｐ＜０．８であることを特徴とする拡散素子。
2. 前記シリンドリカルレンズが平凹シリンドリカルレンズである請求項１に記載の拡散素子。
3. 前記第一及び第二レンズアレイの各シリンドリカルレンズは、光軸に直交する方向に対するレンズ開口端部の傾斜角度をαとしたときに、６６ｄｅｇ＞αであることを特徴とする請求項２に記載の拡散素子。
4. 前記第一及び第二レンズアレイの各シリンドリカルレンズ間に、レンズピッチ及び又はレンズ深さが不規則なランダムピッチのシリンドリカルレンズ群を配してなる請求項１から３のいずれかに記載の拡散素子。
5. 前記第一及び第二レンズアレイは、前記シリンドリカルレンズが形成された面とは反対側の面に、各レンズアレイの配列方向に半円柱状の曲面が形成されてなる請求項１から４のいずれかに記載の拡散素子。
6. 請求項１から５のいずれかに記載の拡散素子と、レーザ光源とを備える投射装置
7. 請求項６に記載の投射装置と、受光手段とを備える空間認識装置。
8. 請求項６に記載の投射装置と、受光手段とを備える測距装置。

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