JP2022074585A - 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。【解決手段】光源側に配置され、複数のマイクロレンズが平面視で六方格子状に配列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、複数のマイクロレンズが平面視で六方格子状に配列されてなる第二レンズアレイと、を有し、第一レンズアレイにおける隣接するマイクロレンズの光軸間距離が最短となる方向に対して、第二レンズアレイにおける隣接するマイクロレンズの光軸間距離が最短となる方向が直交する方向に第一及び第二レンズアレイがそれぞれ配置され、第一及び第二レンズアレイの各々マイクロレンズの直径をＰ、マイクロレンズの深さをＤとしたときに、０．３＜Ｄ／Ｐ＜０．６５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、高効率で高視野角と小型・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、複数のマイクロレンズが平面視で六方格子状に配列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、複数のマイクロレンズが平面視で六方格子状に配列されてなる第二レンズアレイと、を有し、第一レンズアレイにおける隣接するマイクロレンズの光軸間距離が最短となる方向に対して、第二レンズアレイにおける隣接するマイクロレンズの光軸間距離が最短となる方向が直交する方向に第一及び第二レンズアレイがそれぞれ配置され、第一及び第二レンズアレイの各々マイクロレンズの直径をＰ、マイクロレンズの深さをＤとしたときに、０．３＜Ｄ／Ｐ＜０．６５である。

また、上記発明において、マイクロレンズが平面視で正六角形状であることが好ましい。

また、上記発明において、マイクロレンズが平凹状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はマイクロ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、拡散素子と、面発光レーザ光源とを備える。

また、本発明の空間認識装置は、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、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。 本発明の拡散素子を構成する第一及び第二のレンズアレイを示す図である。 第一及び第二のレンズアレイを構成するマイクロレンズを示す正面図、及び断面図である。 マイクロレンズのアスペクト比を変化させた時の水平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。 本発明の他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を構成する第一レンズアレイ２１及び第二レンズアレイ２２を示す図である。また、図４は、本発明の第一及び第二のレンズアレイを構成するマイクロレンズを示す正面図及び、断面図である。

本発明の拡散素子２０を構成する第一レンズアレイ２１は、図３に示すように、複数のマイクロレンズ２０ｘが平面視で六方格子状に配列されている。また、各マイクロレンズ２０ｘは、図４に示すように平面視で正六角形状とされると共に、その断面形状が、レーザ光源１０側に開口を向けた平凹状とされる。また、本発明の拡散素子２０を構成する第二レンズアレイ２２も第一レンズアレイ２１とその基本構成は同様とされる。

本発明の拡散素子２０は、図３に示すように、第一レンズアレイにおける隣接するマイクロレンズ２０ｘの光軸間距離が最短となるＸ１、Ｘ２、Ｘ３・・の配列方向に対して、第二レンズアレイにおける隣接するマイクロレンズの光軸間距離が最短となるＹ１、Ｙ２、Ｙ３・・の配列方向が直交する方向に前記第一及び第二レンズアレイがそれぞれ配置される。

本発明の拡散素子２０を構成する第一レンズアレイ２１及び第二レンズアレイ２２は、レーザ光源などの点光源の強度を均一化しつつノンガウスの照射パターンの配光特性を得る事ができるが、図４に示す、第一及び第二レンズアレイにおけるマイクロレンズ２０ｘの直径をＰ、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（広視野角化）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を構成するマイクロレンズ２０ｘのアスペクト比を０．３＜Ｄ／Ｐ＜０．６５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水平発散角を８０度から１６０度と広視野角化することを可能とする。

本発明の拡散素子２０において、各レンズアレイ２１及び・又は２２を構成するマイクロレンズ２０ｘは、上述した平面視で正六角形状とされるものに限定されず、各マイクロレンズ２０ｘの平面視における六方格子状配列が維持されるものであれば、円形、又は、三角形、正方形、八角形などの多角形であってもよい。

また、マイクロレンズ２０ｘの断面形状がレーザ光源１０側に開口を向けた平凹状とされるものに限定されず、平凸状であってもよい。

図５は、レンズアレイ２１及び２２を構成するマイクロレンズ２０ｘのアスペクト比を変化させた時の水平発散角及び光利用効率を説明するグラフである。

図５に示すように、本発明の拡散素子２０において、マイクロレンズ２０ｘのアスペクト比が０．３を下回ると、水平発散角が８０度を下回り、広視野角化が困難となる。また、アスペクト比が０．６５を上回っても水平発散角は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。

図６は、本発明の投射装置において、第二レンズアレイ２２の出射面での照射パターンを示す図である。

図６に示すように、本発明の投射装置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が広視野角化される。

〔他の実施の形態〕
以下、他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７は、本実施の形態に係る拡散素子を示す斜視図である。

本実施の形態の拡散素子２０は、図７に示すように、基本構成は上述した拡散素子２０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、マイクロレンズが形成された面とは反対側の出射面側の面に、マイクロレンズ２０ｘの光軸間距離が最短となるＸ１、Ｘ２、Ｘ３・・の配列方向及びＹ１、Ｙ２、Ｙ３・・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。なお、半円柱状の曲面と同様の光学的機能を備えるものであれば、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してもよい。更に、第一レンズアレイ２１及び・又は、第二レンズアレイ２２を構成する各マイクロレンズ２０ｘの出射面側が、各マイクロレンズ２０ｘに対応して、凸レンズ形状とされてもよい。

［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８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８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については上述の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、均一化しつつノンガウスの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する。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 マイクロレンズ
１００ 空間認識装置又は測距装置

Claims (7)

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、複数のマイクロレンズが平面視で六方格子状に配列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、複数のマイクロレンズが平面視で六方格子状に配列されてなる第二レンズアレイと、を有し、
   前記第一レンズアレイにおける隣接するマイクロレンズの光軸間距離が最短となる方向に対して、前記第二レンズアレイにおける隣接するマイクロレンズの光軸間距離が最短となる方向が直交する方向に前記第一及び第二レンズアレイがそれぞれ配置され、
   前記第一及び第二レンズアレイの各々マイクロレンズの直径をＰ、マイクロレンズの深さをＤとしたときに、
   ０．３＜Ｄ／Ｐ＜０．６５であることを特徴とする拡散素子。
2. 前記マイクロレンズが平面視で正六角形状である請求項１に記載の拡散素子。
3. 前記マイクロレンズが平凹状である請求項１又は２に記載の拡散素子。
4. 前記第一及び第二レンズアレイは、前記マイクロ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３のいずれかに記載の拡散素子。
5. 請求項１から４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
6. 請求項５に記載の投射装置と、受光手段とを備える空間認識装置。
7. 請求項５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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