JP2024025838A - 低スペックル照明のための光源と一致したディフューザー - Google Patents

Abstract

【課題】光源およびディフューザーからなる、スペックルを減らすための静的構成のシステムを提供する。【解決手段】ディフューザー１４はランダム分布したマイクロレンズ１６を備えることができ、各マイクロレンズ１６は素散乱ユニットのような散乱ユニットを含む。各散乱ユニットは、ディフューザー１４の表面（第１表面１８、第２表面）全体に異なるスケールでランダムに分布させることができる。各光源１２はディフューザー１４のマイクロレンズ１６に整列させることができる。【選択図】図４Ａ

Description

本開示は、一般に、スペックルを低減した照明を提供するために、光源アレイと一致したディフューザーに関する。

いくつかの光源アレイ、例えば垂直共振器型面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）は、ビーム整形ディフューザーと組み合わさったとき、粒状に見える光の分布であるスペックルを生成し、光源が十分にコヒーレントであるときひと際目立つ。この粒状性は用途によっては障害となる。

スペックルはコヒーレントな照明では避けられないが、スペックルが生成する粒状の見た目は、いくつかのセンシング用途では視覚的に障害となる、または性能を制限するおそれがある。いわゆる完全なスペックルでは、光の分布の中で１００％のコントラスト変化が認められ、スペックルパターンが極めて目立つものになる。スペックルの存在が有害ないくつかの用途では、スペックルのコントラストを除去または十分に最小化することが大きな関心事となっている。スペックルは、十分にコヒーレントな光源がビーム整形要素、例えばディフューザー、を照射することで生成されうる。スペックルは粗い表面への光の照射でも認められるが、我々はここではディフューザーがスペックルパターンの主な発生源である場合について注目する。

スペックルを低減する効果的な方法は、ディフューザーに対して光源の動きを導入することである。特に、ビームがディフューザーを横切って動くにつれて、スペックルの統計的分布が変化する。もし動きが独立したスペックルパターンを複数生成するのに十分であれば、スペックルコントラストを減少させる平均化効果が起こり、ある適切な積分時間にわたって、画像が均一に見えるようになる。動きを伴う他のアプローチでは、望ましい平均化効果を生み出すために互いに動いている複数のディフューザーを使用することもできる。スペックルコントラストを減少させる助けとなるその他の要素は広域スペクトルの照明であるが、概して動きほど効果的ではない。

動きは、スペックルの粒状の見た目を目立たせなくする効果的な方法として使用することができるが、それはまた光学系に複雑さをもたらすだけでなく、それを実装するためにより多くのスペースを必要とする。場合によっては、これは容認できる妥協かもしれないが、ほかの場合は、容認することができない。そのような場合、スペックルコントラストを低減させる選択肢は限られている、もしくは、時には存在しない。基本的なレベルでは、スペックルは、ビームがディフューザーを通過するときの干渉および散乱の結果である。（同様の現象はディフューザーまたは一般的に粗い表面からの反射でも観察できる。）拡散面の詳細および性質はスペックルパターンの統計的特性に影響を与えうるが、光源が十分にコヒーレントである限り、典型的な粒状の見た目は必ず現れる。

必要とされているのは、光源およびディフューザーからなる、スペックルを減らすための静的構成のシステムである。光源は複数の発光素子から構成することができ、これは個々にはコヒーレントであるが、相互にはほぼインコヒーレントである。

本開示の特徴は例示的に示され、以下の図に限定されず、同一の参照符号は同一の要素を示す：
本発明の一実施形態による、光源の一部である。 本発明の一実施形態による、ディフューザーの表面の一部である。 本発明の一実施形態による、ディフューザーの境界と一致した光源の説明図である。 図４Ａは、本発明の一実施形態による、システムを図示する。 図４Ｂは、本発明の別の実施形態による、システムを図示する。

一実施形態では、ランダムに分布したマイクロレンズからなるディフューザーが開示されて、各マイクロレンズは散乱ユニットを含む。

別の実施形態では、光源および前記ディフューザーを含むシステムが開示されている。

別の実施形態では、システムを使用する方法であり、この方法は、ディフューザーのマイクロレンズに整列されている光源から光を放射するステップと、及びディフューザーの整列したマイクロレンズで、放射された光を受光するステップと、を備え、前記システムは静的構成になっている。

様々な実施形態の追加的な特徴および利点は、部分的には、以下の明細書に記載され、部分的には、明細書から明らかになる、または、様々な実施形態の実施によって知ることができる。様々な実施形態の目的および他の利点は、本明細書の説明で指摘した要素および組み合わせによって実現および達成される。

本開示は、説明の簡潔さのために、主に実施例を挙げて説明している。以下の説明では、本開示の十分な理解を促すために、いくつもの具体的な詳細を記載する。しかし、本開示はこれらの具体的な詳細に限定されることなく実施することができることは容易に明らかであろう。他には、いくつかの方法や構成は具体的に説明されていないが、それは不必要に本開示を不明瞭にするのを避けるためである。

加えて、本開示の範囲から逸脱しない範囲で、添付された図に図示されている要素は、追加的な構成要素を含んでも良く、これらの図に図示されている要素のうちいくつかは、省くまたは／および変更してもよい。さらに、図に図示されている要素は縮尺通りに描かれてない場合があり、従って、要素は図示されたものとは異なるサイズまたは／および構成を有する場合がある。

前述の一般的な説明と以下の詳細な説明はどちらも、例示的かつ説明的なものであり、本教示の様々な実施形態の説明を提供することを意図していることを理解されよう。加えて、「上」、「下」、「右」、および／または「左」という表現は、相対的な物理的関係を提供することを意図しており、限定することを意図していない。

その広範かつ多様な実施形態において、本明細書に開示されるのは、ディフューザー、光源、並びにディフューザー及び光源を含むシステムである。上記の（静的構成になっている）システムを使用する方法は、（動的構成になっている）システムと比較してスペックルパターンを減少させることができる。

光源１２は、アレイのような複数の光源とすることができる。各光源１２は個別にコヒーレントなものとすることができる。複数の光源１２は、相互にはほぼインコヒーレントなものとすることができる。ある態様では、光源１２は、個々の素子はコヒーレントなレーザー照明をもたらす数百個の発光素子からなるＶＣＳＥＬアレイとすることができ、複数の発光素子は相互にインコヒーレントなものとすることができる。例えば、アレイの一番目の光源１２ａは、ディフューザー１４を通って伝搬して一番目のスペックルパターンを生成し、この一番目のスペックルパターンは、ディフューザー１４を通って伝搬し二番目のスペックルパターンを生成するアレイの二番目の光源１２ｂから統計的に独立している。一番目のスペックルパターンおよび二番目のスペックルパターンは、複素振幅ではなく、強度で足し合わされる。

光源は基板上に取り付けることができる。

図１は、ＶＣＳＥＬアレイの一部を図示しており、それぞれの黒いドットは個々の光源１２を表している。各光源１２は、直径Ｄによって特徴づけられる。光源１２のアレイは、その周期性を指定する他のパラメータによって特徴づけられる。複数の光源１２は、六角形の配置またはランダムな配置のように、様々な構成で配列することができる。図１に図示されている六角形の構成は、周期性パラメータΛ_ｘおよびΛ_ｙによって定義することができる。

コヒーレントな照明がスペックルにつながる主な理由は、光源１２がディフューザー１４内の複数の散乱ユニットを照射できるビーム２２を放射するからである。ディフューザー１４は、特殊な方法で振幅および位相を変化させることで光を拡散させる散乱ユニットを含むことができる。例えば、複数の散乱ユニットからの複素振幅は、連合してスペックルパターンで観測される強い変調を生じさせることができる。必ずしもマイクロレンズで構成されていない、他タイプのディフューザーも使用できることに留意されたい。

ディフューザー１４はランダム分布したマイクロレンズ１６を備えることができ、各マイクロレンズ１６は素散乱ユニットのような散乱ユニットを含む。各散乱ユニットは、ディフューザー１４の表面（第１表面１８、第２表面２０）全体に異なるスケールでランダムに分布させることができる。図２は、ディフューザー１４の表面の輪郭モデルを示している。例示的な散乱ユニットが白い円内に示されている。

システム１０は、光源１２およびディフューザー１４を含むことができる。各光源１２は、ディフューザー１４の単一のマイクロレンズ１６と関連付けることができる。このようにして、複数のマイクロレンズ１６の照射が要因となる干渉効果は除去または十分に減少させることができる。図３は、ここでは黒いドットで示されている各光源１２を囲む多角形の線によって、各マイクロレンズ１６が図示されている。一般的に、各マイクロレンズ１６の境界は多角形の曲線で画定する必要はなく、代わりに、曲がった／直線のセグメントおよび／または、連続の／不連続の形状からなる、一般的な形態を想定することもできる。光源１２アレイは、図１で示された同じ六角形のグリッドとすることができる。各マイクロレンズ１６の領域内では、関連する光源１２からの光ビームをマイクロレンズ１６から離れる方向に広げる勾配によって特徴づけられる表面プロファイルが画定される。各光源１２はほぼ単一のマイクロレンズ１６に関連付けることができるため、複数のマイクロレンズ１２からの干渉は存在しないとみなすことができ、スペックルコントラストは最小となり得る。任意の光源１２と関連する境界形状は、様々な形態をとることができる。任意の２つの光源１２に関連する境界形状は、異なるものとすることができる。さらに、マイクロレンズ１６の前述した境界形状内のサグプロファイルもまた、異なり得る。境界形状およびサグプロファイルの全体的なランダム分布は、モアレフリンジのような画像アーチファクトの発生を避けるための周期的な配置に使用することができる。

光システム１０において、ディフューザー１４は光源１２からの光であるビーム２２に対して一致（例えば整列）させなければならない。光源１２とディフューザー１４の第１表面１８との間における距離は調整可能である。光源１２から放射された光２２が、ディフューザー１４におけるほぼ１つのマイクロレンズ１６を照射するようほとんど制約された状態のままであれば、距離におけるいくらかの調整は許容できる。距離が大きくなれば、複数のマイクロレンズ１６が単一の光源１２によって照射され、スペックルコントラストが増大するおそれがある。

図４Ａは、複数の光源のような光源１２およびディフューザー１４を含む光システム１０を図示する。ディフューザー１４は、複数のマイクロレンズのようなマイクロレンズ１６を有する。各光源１２はディフューザー１４のマイクロレンズ１６に整列させることができる。光源１２は、光ビーム２２を整列したマイクロレンズに照射することができる。図４に示されているように、ディフューザー１４のマイクロレンズ１６は第１表面１８上に存在することができ、その第１表面１８は、光システム１０の光源１２に指向するものとすることができる。図４Ｂに示されているように、ディフューザー１４のマイクロレンズ１６は第２表面２０上に存在することができ、その第２表面２０は、光システム１０の光源１２から離背した方向に指向するものとすることができる。

以上の説明から、当業者は、本教示は様々な形態で実施することができることを、理解することができる。従って、これらの教示は特定の実施形態および実施例に関連して説明されているが、本教示の真の範囲はそのように限定されるべきではない。これらの教示の範囲から逸脱することなく、様々な変更および修正を加えることができる。

この範囲開示は広く解釈されるべきである。本開示は、ここで開示された装置、活動、および機械的作用を実現するための等価物、手段、システムおよび方法を開示することを意図している。開示された各装置、物品、方法、機械的要素または機構について、この開示は、ここに開示された多くの態様、機構および装置を実施するための等価物、手段、機構および手段についても開示し、教示することを包含することを意図している。本出願の特許請求の範囲も同様に広く解釈される。本発明の多くの実施形態における発明の説明は、その性質上、単なる例示であり、したがって、本発明の要旨を逸脱しない変形は、本発明の範囲内であることが意図される。そのような変形は、本発明の趣旨および範囲から逸脱したものとはみなされない。

１０ 光システム
１２ 光源
１４ ディフューザー
１６ マイクロレンズ
１８ 第１表面
２０ 第２表面
２２ 光ビーム

Claims (14)

1. ディフューザーであって、
   各マイクロレンズが散乱ユニットを含む該マイクロレンズのランダム分布を備える、ディフューザー。
2. 請求項１に記載のディフューザーにおいて、各散乱ユニットは、前記ディフューザーの表面にわたり異なるスケールでランダムに分布している、ディフューザー。
3. 請求項１に記載のディフューザーにおいて、前記マイクロレンズは、前記ディフューザーの第１表面上にランダムに分布している、ディフューザー。
4. 請求項１に記載のディフューザーにおいて、前記マイクロレンズは、前記ディフューザーの第２表面上にランダムに分布している、ディフューザー。
5. システムであって、
   光源と、及び
   請求項１に記載のディフューザーと、
   を備える、システム。
6. 請求項５に記載のシステムにおいて、前記光源は複数の光源である、システム。
7. 請求項６に記載のシステムにおいて、前記複数の光源の各光源は、個別にコヒーレントである、システム。
8. 請求項６に記載のシステムにおいて、前記複数の光源は、相互にインコヒーレントである、システム。
9. 請求項５に記載のシステムにおいて、前記光源は、前記ディフューザーのマイクロレンズに整列している、システム。
10. 請求項６に記載のシステムにおいて、各光源は、前記ディフューザーの各マイクロレンズに対して整列している、システム。
11. 請求項９に記載のシステムにおいて、前記マイクロレンズは、前記光源の方向を指向いている、前記ディフューザーの第１表面上に存在している、システム。
12. 請求項９に記載のシステムにおいて、前記マイクロレンズは、前記光源から離背した方向を向いている、前記ディフューザーの第２表面上に存在している、システム。
13. システムを使用する方法であって、
    光源から光を放射するステップであり、前記光源はディフューザーのマイクロレンズに整列されているものである、該光を放射するステップと、及び
    前記ディフューザーの整列された前記マイクロレンズで放射された光を受光するステップと、
    を備え、
    前記システムは静的構成になっている、
    方法。
14. 請求項１３に記載の方法であって、さらに、整列された前記マイクロレンズから光を放射するステップであり、前記マイクロレンズから放射された光は、動的構成のシステムと比較して低減されたスペックルを示す、該ステップを備える、方法。