JP7030757B2 - An optical element including a plurality of regions, an optical system including the optical element, and a method of using the optical system. - Google Patents

An optical element including a plurality of regions, an optical system including the optical element, and a method of using the optical system. Download PDF

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Description

[関連出願]
本願は、2018年10月26日に出願された米国仮出願第62/751,337号の優先権を主張し、当該出願の全開示を参照により本明細書に援用する。
[Related application]
This application claims the priority of US Provisional Application No. 62 / 751,337 filed October 26, 2018, which is incorporated herein by reference in its entirety.

本発明は、表面を有する本体を備えた光学素子であって、表面はモザイク分割で周期的に配置された複数の領域を有し、複数の領域の各領域が微細構造のランダム空間分布を有する光学素子に関する。光学系が、光源及び上記光学素子を備える。上記光学素子及び光学系を作製及び使用する方法も開示される。 The present invention is an optical element having a main body having a surface, the surface has a plurality of regions periodically arranged by mosaic division, and each region of the plurality of regions has a random spatial distribution of a fine structure. Regarding optical elements. The optical system includes a light source and the above optical elements. Also disclosed are methods of making and using the above optical elements and optical systems.

3D走査及びジェスチャ認識に関する用途では、光学コンポーネントを利用して、通常は約700nm~約1000nmの範囲の波長を有するレーザに関連して、プロービング中のシーンにわたって光パターンを投影する。光パターンは、プロービング技術に応じて変わり、スポット、ライン、ストライプ、市松等の周期的格子等の種々の形態をとり得る。 For applications related to 3D scanning and gesture recognition, optical components are utilized to project light patterns over the scene during probing in connection with lasers, typically having wavelengths in the range of about 700 nm to about 1000 nm. The light pattern varies depending on the probing technique and can take various forms such as spots, lines, stripes, periodic grids such as checkers and the like.

光パターンの投影に用いられる現在の技術は、1つ又は複数の回折光学素子が特定の回折次数分布を発生させることに依存する。回折光学素子(DOE)は、当然ながら回折パターン等の光パターンを生成するのに適している。DOEは、干渉及び/又は回折により光パターンを生成することができる、通常は光の1波長分の薄い表面構造として表され得る。したがって、DOEから出力される光円錐は、逆比例関係にあるその最小構造により規定される。すなわち、広がり角度が大きくなるほど必要となる構造が小さくなる。しかしながら、DOEは、設計波長からのずれ又は製造誤差の影響を非常に受けやすく、その結果として主に、0次の回折が他の次数の回折よりもはるかに強くなり、これは3Dセンシング用途で許容不可能なアイセーフ問題を引き起こす。 Current techniques used to project light patterns rely on one or more diffractive optics to generate a particular diffractive order distribution. The diffractive optical element (DOE) is, of course, suitable for generating an optical pattern such as a diffractive pattern. DOE can be represented as a thin surface structure, usually one wavelength of light, capable of producing light patterns by interference and / or diffraction. Therefore, the light cone output from the DOE is defined by its minimum structure, which is inversely proportional. That is, the larger the spread angle, the smaller the required structure. However, DOEs are very susceptible to deviations from the design wavelength or manufacturing errors, and as a result, primarily 0th order diffraction is much stronger than other order diffractions, which is for 3D sensing applications. Causes unacceptable eye safe problems.

特許文献1は、例えばスポットパターンを発生させるDOEを記載している。ランダムなスポットパターンは、シーンの大きな部分を捕捉することができるように広い角度範囲に対応しなければならないことが多い。広角シーンを照明するために、DOEは非常に小さな構造を有するパターンを必要とする。例えば、波長850nmのレーザで60°の範囲を照射するためには、1.7μmの最小構造を有するDOEが必要となる。角度範囲が広くなるほど、必要となる構造はさらに小さくなる。最大効率のためには、DOEをグレースケールの連続位相プロファイルとして設計し製造する必要がある。しかしながら、そのような小さな構造を有するグレースケールDOEの作製は困難であり得る。その代わりに、グレースケールDOEは概して、最大でも80%の効率を有する2値位相プロファイルで作製される。残りのエネルギーは、主光パターン外の高次の回折次数に奪われる。特許文献1に開示されるような複数のDOEの使用は、0次回折に対処するのに役立つ。しかしながら、複数のDOEの使用は、悪化的な効果があり、実際の効果は約50%~60%である。 Patent Document 1 describes, for example, a DOE that generates a spot pattern. Random spot patterns often have to correspond to a wide angular range so that they can capture large parts of the scene. To illuminate a wide-angle scene, DOE requires a pattern with a very small structure. For example, in order to irradiate a range of 60 ° with a laser having a wavelength of 850 nm, a DOE having a minimum structure of 1.7 μm is required. The wider the angular range, the smaller the required structure. For maximum efficiency, DOE should be designed and manufactured as a grayscale continuous phase profile. However, it can be difficult to make a grayscale DOE with such a small structure. Instead, grayscale DOEs are generally made with a binary phase profile with an efficiency of up to 80%. The remaining energy is deprived of higher order diffraction orders outside the main light pattern. The use of multiple DOEs as disclosed in Patent Document 1 is useful in dealing with 0th order diffraction. However, the use of multiple DOEs has a deteriorating effect, with an actual effect of about 50% to 60%.

米国特許第8,630,039号明細書U.S. Pat. No. 8,630,039

一態様では、表面を有する本体を備えた光学素子であって、表面はモザイク分割で周期的に配置された複数の領域を有し、複数の領域の各領域が微細構造のランダム空間分布を有する光学素子が開示される。 In one aspect, it is an optical element having a body having a surface, the surface having a plurality of regions periodically arranged by mosaic division, and each region of the plurality of regions has a random spatial distribution of a fine structure. Optical elements are disclosed.

別の態様では、光源と、表面を有する本体を含む光学素子であり、表面はモザイク分割で周期的に配置された複数の領域を有し、複数の領域の各領域が微細構造のランダム空間分布を有する光学素子とを備えた光学系も開示される。 In another embodiment, it is an optical element including a light source and a body having a surface, the surface has a plurality of regions periodically arranged by mosaic division, and each region of the plurality of regions has a random spatial distribution of a fine structure. Also disclosed is an optical system comprising an optical element having the above.

別の態様では、光学系を使用する方法であって、光源から光学素子に入力ビームを投影するステップであり、光学素子は表面を有する本体を含み、表面はモザイク分割で周期的に配置された複数の領域を有し、複数の領域の各領域が微細構造のランダム空間分布を有するステップと、入力ビームをターゲットパターンに整形するステップとを含む方法がさらに開示される。 In another aspect, it is a method using an optical system, which is a step of projecting an input beam from a light source onto an optical element, the optical element including a body having a surface, the surface being periodically arranged in mosaic division. Further disclosed is a method comprising a step of having a plurality of regions, each region of the plurality of regions having a random spatial distribution of fine structure, and a step of shaping an input beam into a target pattern.

種々の実施形態のさらなる特徴及び利点は、以下の説明に一部記載されると共に説明から一部明らかであり、又は種々の実施形態の実施により知ることができる。種々の実施形態の目的及び他の利点は、本明細書の説明で特に指摘される要素及び組み合わせにより実現及び達成される。 Further features and advantages of the various embodiments are described in part in the following description and are partly apparent from the description, or can be found in the implementation of the various embodiments. The objectives and other advantages of the various embodiments are realized and achieved by the elements and combinations specifically noted in the description herein.

本開示のその複数の態様及び実施形態は、詳細な説明及び添付図面からより十分に理解することができる。 A plurality of embodiments and embodiments thereof of the present disclosure can be more fully understood from the detailed description and the accompanying drawings.

本発明の一態様による光学素子の図である。It is a figure of the optical element by one aspect of this invention. 本発明の一態様によるモザイク分割で周期的に配置された複数の領域の図である。It is a figure of a plurality of regions periodically arranged by the mosaic division by one aspect of this invention. モザイク分割の正方形の幾何学的外側境界を有する、2つの直交次元で繰返し順で周期的に配置された4つの微細構造領域を示す。Shown are four microstructural regions periodically arranged in a repeating order in two orthogonal dimensions with the geometric outer boundaries of the squares of the mosaic division. 市松格子状の正方形の幾何学的外側境界を有する2つの微細構造領域の図である。FIG. 3 is a diagram of two microstructural regions with geometric outer boundaries of checkered squares. 本発明の別の態様によるモザイク分割で周期的に配置された複数の領域の図である。It is a figure of a plurality of regions periodically arranged by the mosaic division by another aspect of this invention. 本発明の別の態様によるモザイク分割で周期的に配置された複数の領域の図である。It is a figure of a plurality of regions periodically arranged by the mosaic division by another aspect of this invention. 本発明の別の態様によるモザイク分割で周期的に配置された複数の領域の図である。It is a figure of a plurality of regions periodically arranged by the mosaic division by another aspect of this invention. 本発明の別の態様によるモザイク分割で周期的に配置された複数の領域の図である。It is a figure of a plurality of regions periodically arranged by the mosaic division by another aspect of this invention. 本発明の一態様による光学素子を含む光学系の図である。It is a figure of the optical system including the optical element by one aspect of this invention. 正方形、円形、六角形、及び五角形の幾何学的外側境界を有する種々の微細構造に関する輪郭プロットの図である。FIG. 3 is a diagram of contour plots for various microstructures with geometric outer boundaries of squares, circles, hexagons, and pentagons. 鞍形プロファイルにより規定された種々の微細構造及びそれらの組み合わせに関する輪郭プロットの図である。FIG. 3 is a contour plot diagram of the various microstructures defined by the saddle profile and their combinations. 本発明の一態様による光学素子で生成されたスペックルを有するターゲットパターンを示す。A target pattern having a speckle generated by an optical element according to one aspect of the present invention is shown. 微細構造が焦点距離により特徴付けられ且つ光学素子間の分離が焦点距離と一致する、連続した光学素子10の図である。FIG. 5 is a diagram of continuous optical elements 10 in which the microstructure is characterized by focal length and the separation between the optical elements is consistent with the focal length. 微細構造が焦点距離により特徴付けられ、且つモザイク分割表面間の本体の厚さが上記焦点距離と一致する、光学素子の図である。FIG. 3 is a diagram of an optical element in which the microstructure is characterized by a focal length and the thickness of the body between the mosaic split surfaces matches the focal length.

本明細書及び図面を通して、同様の参照符号は同様の要素を示す。 Throughout the specification and drawings, similar reference numerals indicate similar elements.

上記の概要及び以下の詳細な説明の両方が説明的なものにすぎず、本教示の種々の実施形態の説明を提供するためのものであることを理解されたい。 It should be understood that both the above overview and the following detailed description are merely descriptive and are intended to provide explanations for the various embodiments of the present teaching.

したがって、本発明の目的は、表面を有する本体を備え得る光学素子であって、表面はモザイク分割で周期的に配置された複数の領域を有し、複数の領域の各領域が微細構造のランダム空間分布を有する改良された光学素子を提供することである。光学系は、光源2及び光学素子10を備え得る。 Therefore, an object of the present invention is an optical element capable of comprising a main body having a surface, the surface having a plurality of regions periodically arranged by mosaic division, and each region of the plurality of regions is a random structure having a fine structure. It is to provide an improved optical element having a spatial distribution. The optical system may include a light source 2 and an optical element 10.

光学素子は、レーザ等の光源2からの入力ビーム5を受光することができる。光学素子は、入力ビーム5をランダムなスポット分布等のターゲットパターン7として投影することができる。光学素子は、高効率での入力ビーム5の投影、及び/又は0次回折光強度が高くないスペックルを有するターゲットパターン7、9の投影等、いくつかの特性を示し得る。一態様では、光学素子は、光学素子に対して光源2が移動しても変化しないスペックルを有するターゲットパターン7、9として入力ビーム5を投影することができる。 The optical element can receive the input beam 5 from the light source 2 such as a laser. The optical element can project the input beam 5 as a target pattern 7 such as a random spot distribution. The optics may exhibit some properties such as the projection of the input beam 5 with high efficiency and / or the projection of the target patterns 7 and 9 having speckles with low 0th order diffracted light intensity. In one aspect, the optical element can project the input beam 5 as target patterns 7 and 9 having speckles that do not change even if the light source 2 moves with respect to the optical element.

図1は、第1表面12a及び第2表面12b等の表面12を有する本体11を含む、本発明の一態様による光学素子10を示す。図7は、本発明の別の態様による、第1光学素子10a及び第2光学素子10bを連続で含む光学系100を示す。第1光学素子10a及び第2光学素子10bのそれぞれの説明は同様とすることができる。例えば、第1光学素子10aは、第1表面12a及び第2表面12b等の表面12を有する第1本体11aを含むことができ、第2光学素子10bは、第1表面12a及び第2表面12b等の表面12を有する第2本体11bを含むことができる。簡単のために、光学素子(10、10a、及び10b)、本体(11、11a、及び11b)、及び表面(12、12a、及び12b)に関連する本明細書の開示は、別段の指示のない限りは各コンポーネントに等しく適用可能である。 FIG. 1 shows an optical element 10 according to an aspect of the present invention, which includes a main body 11 having a surface 12 such as a first surface 12a and a second surface 12b. FIG. 7 shows an optical system 100 that continuously includes a first optical element 10a and a second optical element 10b according to another aspect of the present invention. The description of each of the first optical element 10a and the second optical element 10b can be the same. For example, the first optical element 10a can include a first body 11a having a surface 12 such as a first surface 12a and a second surface 12b, and the second optical element 10b can include a first surface 12a and a second surface 12b. The second main body 11b having the surface 12 such as the above can be included. For simplicity, the disclosure herein relating to optics (10, 10a, and 10b), bodies (11, 11a, and 11b), and surfaces (12, 12a, and 12b) is otherwise indicated. Unless otherwise applicable, it is equally applicable to each component.

光学素子10の本体11は、光学材料を含み得る。本体11としての使用に適した光学材料の非限定的な例として、ガラス又はプラスチック、例えば、紫外線硬化ポリマー、ポリカーボネート、アクリル、石英ガラス、シリコン、又はアモルファスシリコン等のその変種が挙げられる。他の光学材料を用いることもできる。さらに、本体11は、複数の層に単一の光学材料又は結合された複数の光学材料を含むことができ、これらの層は機械的支持用の基板と他の層とを含むことができ、他の層とは、反射防止コーティング用の層又はITO及び金属コーティング等の他の目的の他の層等である。 The body 11 of the optical element 10 may include an optical material. Non-limiting examples of optical materials suitable for use as the body 11 include glass or plastics, such as variants thereof such as UV curable polymers, polycarbonate, acrylics, quartz glass, silicon, or amorphous silicon. Other optical materials can also be used. Further, the body 11 can include a single optical material or a plurality of coupled optical materials in a plurality of layers, and these layers can include a substrate for mechanical support and another layer. The other layer is a layer for antireflection coating or another layer for other purposes such as ITO and metal coating.

光学素子10の本体11は、第1表面12a及び第2表面12b等の表面12を含み得る。第1表面12aは、第2表面12bと反対の向きであり得る。一態様では、光学素子10は、任意の数の表面12、例えば、1つの表面、2つの表面、3つの表面等を含むことができる。光学素子10の表面12の数は、光学素子10の形状に応じて変わり得る。 The main body 11 of the optical element 10 may include a surface 12 such as a first surface 12a and a second surface 12b. The first surface 12a can be oriented in the opposite direction to the second surface 12b. In one aspect, the optical element 10 can include any number of surfaces 12, such as one surface, two surfaces, three surfaces, and the like. The number of surfaces 12 of the optical element 10 may vary depending on the shape of the optical element 10.

本体11の第1表面12a及び/又は第2表面12b等の表面12は、モザイク分割で周期的に配置された複数の領域22を有し得る。複数の領域22の各領域20は、複数の領域22の隣接領域の外側境界と(隙間なく)当接し得る幾何学的外側境界を有し得る。図2Aに示すように、複数の領域22は、例えば3×3配列で周期的に配置される。図2Bに示すように、A、B、C、及びD等で示すような各領域20を、複数の領域22の2つの直交次元で繰返し順で配置することができる。図2Cは、市松状に配置された異なるパターンで示す2つの領域を示す。 The surface 12 such as the first surface 12a and / or the second surface 12b of the main body 11 may have a plurality of regions 22 periodically arranged by mosaic division. Each region 20 of the plurality of regions 22 may have a geometric outer boundary that can abut (without gaps) the outer boundaries of adjacent regions of the plurality of regions 22. As shown in FIG. 2A, the plurality of regions 22 are periodically arranged in, for example, a 3 × 3 array. As shown in FIG. 2B, each region 20 as shown by A, B, C, D and the like can be arranged in a repeating order in two orthogonal dimensions of a plurality of regions 22. FIG. 2C shows two regions represented by different patterns arranged in a checkered pattern.

複数の領域20の各領域22の幾何学的外側境界は、任意の多角形、例えば三角形、正方形、矩形、五角形、六角形、七角形、八角形等であり得る。一態様では、複数の領域の各領域が同じ幾何学的外側境界を有し得る。図2Aに示すように、各領域20は正方形を有することができ、複数の領域22も同じく正方形の形状でモザイク分割の周期的な配置を形成することができる。一態様では、幾何学的外側境界は任意形状であり得る。各領域20は、鞍形微細構造等の微細構造のランダム空間分布を含み得る。図3に示すように、各領域20は六角形を有することができ、複数の領域22は任意形状でモザイク分割の周期的な配置を形成することができる。一例では、各領域20は、鞍形微細構造のランダム空間配分布を含み得る。 The geometric outer boundary of each region 22 of the plurality of regions 20 can be any polygon, such as a triangle, a square, a rectangle, a pentagon, a hexagon, a heptagon, an octagon, and the like. In one aspect, each region of the plurality of regions may have the same geometric outer boundary. As shown in FIG. 2A, each region 20 can have a square, and the plurality of regions 22 can also form a periodic arrangement of mosaic divisions in the shape of a square. In one aspect, the geometric outer boundary can be arbitrary in shape. Each region 20 may include a random spatial distribution of microstructures such as saddle-shaped microstructures. As shown in FIG. 3, each region 20 can have a hexagon, and the plurality of regions 22 can form an arbitrary arrangement of mosaic divisions in an arbitrary shape. In one example, each region 20 may contain a random spatial distribution of saddle-shaped microstructures.

一態様では、複数の領域22のうち2つ以上の領域20がモザイク分割で異なる幾何学的外側境界を有し得る。図4に示すように、複数の領域22のうち第1領域20aは、六角形の幾何学的外側境界を有し得る。複数の領域22のうち第2領域20bは、細長い菱形の幾何学的外側境界を有し得る。複数の領域22は、第1領域20a及び第2領域20bを含み、第1領域及び第2領域の幾何学的外側境界は異なる。図5は、第1領域20aが五角形の幾何学的外側境界を有する複数の領域22を示す。複数の領域22のうち第2領域20bは、六角形の幾何学的外側境界を有する。 In one aspect, two or more of the regions 22 may have different geometric outer boundaries in the mosaic division. As shown in FIG. 4, the first region 20a of the plurality of regions 22 may have a hexagonal geometric outer boundary. Of the plurality of regions 22, the second region 20b may have an elongated rhombic geometric outer boundary. The plurality of regions 22 include the first region 20a and the second region 20b, and the geometric outer boundaries of the first region and the second region are different. FIG. 5 shows a plurality of regions 22 in which the first region 20a has a pentagonal geometric outer boundary. Of the plurality of regions 22, the second region 20b has a hexagonal geometric outer boundary.

モザイク分割は、例えば図2A~図3に示すように、複数の領域22の各領域20が同じ幾何学的外側境界を有するような単純なものであり得る。一態様では、モザイク分割は、例えば図4~図6に示すように複雑なものであってもよく、複数の領域22のうち2つ以上の領域20(20a、20b、20c、20d)が異なる幾何学的外側境界を有し得る。図6に示すように、複数の領域22は、五角形の幾何学的外側境界を有する第1領域20aと、六角形の幾何学的外側境界を有する第2領域20bと、細長い菱形の幾何学的外側境界を有する第3領域20cと、星形等の任意形状の幾何学的外側境界を有する第4領域20dとを含む。 The mosaic division can be as simple as, for example, as shown in FIGS. 2A-3, where each region 20 of the plurality of regions 22 has the same geometric outer boundaries. In one aspect, the mosaic division may be complex, for example as shown in FIGS. 4-6, with two or more regions 20 (20a, 20b, 20c, 20d) of the plurality of regions 22 being different. It can have a geometric outer boundary. As shown in FIG. 6, the plurality of regions 22 have a first region 20a having a pentagonal geometric outer boundary, a second region 20b having a hexagonal geometric outer boundary, and an elongated rhombic geometry. It includes a third region 20c having an outer boundary and a fourth region 20d having a geometric outer boundary having an arbitrary shape such as a star shape.

任意の数の領域20を複数の領域22において用いることができる。追加として又は代替として、複数の領域22の各領域20は、微細構造のランダム空間分布が同じであっても異なっていてもよい。複数の領域22の領域20は、ターゲットパターン7、9で最良のコントラストを得るモザイク分割を形成するよう周期的配置で配置され得る。 Any number of regions 20 can be used in the plurality of regions 22. In addition or as an alternative, each region 20 of the plurality of regions 22 may have the same or different random spatial distribution of microstructures. The regions 20 of the plurality of regions 22 may be arranged in a periodic arrangement so as to form a mosaic division that obtains the best contrast in the target patterns 7 and 9.

各領域20は、相互に異なるランダム空間分布を有し得る。明確に言うと、各領域20は、領域20内の微細構造のランダム空間分布により形成され得る。微細構造のランダム分布は、領域のサイズ、微細構造のサイズ、他の変数、及びそれらの組み合わせに基づき得る。各領域20内の微細構造のランダム空間分布は、ターゲットパターン7、9の周期的なアーチファクトを最小化することができ、且つターゲットパターン7、9のランダムスポット分布をもたらすことができる。 Each region 20 may have different random spatial distributions from each other. To be clear, each region 20 can be formed by a random spatial distribution of microstructure within the region 20. The random distribution of the microstructure can be based on the size of the region, the size of the microstructure, other variables, and combinations thereof. The random spatial distribution of the microstructure within each region 20 can minimize the periodic artifacts of target patterns 7 and 9, and can result in a random spot distribution of target patterns 7 and 9.

図1を再度参照すると、光学素子10は、第1モザイク分割等のモザイク分割で周期的に配置された複数の領域22を有する第1表面12aを有する本体11を含み得る。本体11は、第1表面12aの第1モザイク分割と同じ又は異なる第2モザイク分割等のモザイク分割で周期的に配置された複数の領域22を有する第2表面12bを含み得る。 Referring again to FIG. 1, the optical element 10 may include a body 11 having a first surface 12a having a plurality of regions 22 periodically arranged in a mosaic division such as a first mosaic division. The body 11 may include a second surface 12b having a plurality of regions 22 periodically arranged in a mosaic division such as a second mosaic division that is the same as or different from the first mosaic division of the first surface 12a.

図7を再度参照すると、光学系100が開示されている。光学系100は、光源2と光学素子10a、10bとを含み得る。図7に示すように、光学素子10aは第1本体11aを含むことができ、光学素子10bは第2本体11bを含むことができる。第1本体11a及び第2本体11bのそれぞれは、図1の光学素子10に関して上述した通りであり得る。例えば、第1本体11aは、第1モザイク分割等のモザイク分割で周期的に配置された複数の領域22を有する表面12aを有することができ、複数の領域22の各領域20が微細構造のランダム空間分布を有する。別の例として、第2本体11bは、第2モザイク分割等のモザイク分割で周期的に配置された複数の領域を有する表面12bを有することができ、複数の領域22の各領域20が微細構造のランダム空間分布を有する。このように、第1本体11aは、光源2から入力ビーム5を受光して第1モザイク分割に基づくターゲットパターン7を出力することができる。第2本体11bは、ターゲットパターン7を受光して第2モザイク分割に基づく第2ターゲットパターン9を出力することができる。 With reference to FIG. 7 again, the optical system 100 is disclosed. The optical system 100 may include a light source 2 and optical elements 10a and 10b. As shown in FIG. 7, the optical element 10a can include the first main body 11a, and the optical element 10b can include the second main body 11b. Each of the first main body 11a and the second main body 11b may be as described above with respect to the optical element 10 of FIG. For example, the first main body 11a can have a surface 12a having a plurality of regions 22 periodically arranged in a mosaic division such as the first mosaic division, and each region 20 of the plurality of regions 22 has a random structure. It has a spatial distribution. As another example, the second main body 11b can have a surface 12b having a plurality of regions periodically arranged in a mosaic division such as a second mosaic division, and each region 20 of the plurality of regions 22 has a fine structure. Has a random spatial distribution of. In this way, the first main body 11a can receive the input beam 5 from the light source 2 and output the target pattern 7 based on the first mosaic division. The second main body 11b can receive the target pattern 7 and output the second target pattern 9 based on the second mosaic division.

単一の本体11に2つの表面12a、12bがある場合(図1)、又は第1本体11aに第1表面12aがあり第2本体11bに第2表面12bがある場合(図7)、ターゲットパターン7、9の角度範囲を広げることが可能であり得る。この場合、表面12a、12bの一方がマイクロレンズアレイの形態をとり得る。 Target if a single body 11 has two surfaces 12a, 12b (FIG. 1), or if the first body 11a has a first surface 12a and the second body 11b has a second surface 12b (FIG. 7). It may be possible to extend the angular range of patterns 7 and 9. In this case, one of the surfaces 12a and 12b may take the form of a microlens array.

図2Aを再度参照すると、破線の正方形は複数の領域22の領域20を示し、各領域20が微細構造のランダム空間分布を有する。一態様では、複数の領域22の各領域20は、微細構造の同一のランダム空間分布を有する。別の態様では、複数の領域22のうち2つ以上の領域が微細構造の異なるランダム空間分布を有する。微細構造のランダム空間分布は、図7に示すように、コヒーレント光源等の光源2からの入力ビーム5をターゲットパターン7、9に整形することができる。微細構造は、例えば米国特許第6,410,213号に記載のように、マイクロレプリケーション、熱エンボス加工、射出成形、反応性イオンエッチング、又はイオンビームミリング、又はシングルポイントレーザ描画等のさまざまな方法により形成され得る。 Referring again to FIG. 2A, the dashed squares indicate regions 20 of the plurality of regions 22, where each region 20 has a random spatial distribution of microstructure. In one aspect, each region 20 of the plurality of regions 22 has the same random spatial distribution of microstructure. In another aspect, two or more of the plurality of regions 22 have a random spatial distribution with different microstructures. As shown in FIG. 7, the random spatial distribution of the fine structure can shape the input beam 5 from the light source 2 such as the coherent light source into the target patterns 7 and 9. The microstructure can be described in a variety of methods such as micro-replication, thermal embossing, injection molding, reactive ion etching, or ion beam milling, or single point laser drawing, eg, as described in US Pat. No. 6,410,213. Can be formed by.

微細構造は、解析的又は数値的な形態で画定することができる。例えば、微細構造は、曲率半径、コーニック定数、及び場合によっては非球面係数を有するレンズの形状をとり得る。A. Betzold、G. M. Morris、及びT. R. M. Salesによる掲載物「Efficient Structured Light Generator」(Frontiers in Optics 2016, OSA Technical Digest (Optical Society of America, 2016), paper FTu5A.4)には、曲率半径及びコーニック定数により実質的に表される円錐プロファイルに基づくマイクロレンズが開示されている。しかしながら、参照により本明細書に援用されるSalesの米国特許第7,813,054号に記載されているような鞍形のレンズ又は微細構造を、単独で又は円錐レンズと組み合わせて用いることで、不均一なスポットパターンを発生させることが可能なことによりさらなる改善が得られることが分かった。各領域20の微細構造は鞍形を含み得る。鞍形以外の微細構造を各領域20で用いてもよい。 The microstructure can be defined in analytical or numerical form. For example, the microstructure can take the form of a lens with a radius of curvature, a conic constant, and possibly an aspheric coefficient. A. Betzold, GM Morris, and TRM Sales's publication "Efficient Structured Light Generator" (Frontiers in Optics 2016, OSA Technical Digest (Optical Society of America, 2016), paper FTu5A.4) includes radius of curvature and conic constants. Disclosed are microlenses based on a conical profile substantially represented by. However, by using a saddle-shaped lens or microstructure as described in Sales US Pat. No. 7,831,054, which is incorporated herein by reference, alone or in combination with a conical lens. It was found that further improvement can be obtained by being able to generate a non-uniform spot pattern. The microstructure of each region 20 may include a saddle shape. A microstructure other than the saddle shape may be used in each region 20.

鞍形の微細構造は、次式として定義されるサグ関数を有し得る。 The saddle-shaped microstructure can have a sag function defined as the following equation.

Figure 0007030757000001
Figure 0007030757000001

式中、αは実定数であり、R及びRは曲率半径を示し、κ及びκはコーニック定数であり、pは実数であるのが、最も単純な場合である。微細構造は、次式として定義することもできる。 In the simplest case, α is a real constant, R x and R y are radii of curvature, κ x and κ y are conic constants, and p is a real number. The microstructure can also be defined as the following equation.

s(x,y)=αxy (2) s (x, y) = αxy (2)

式中、この場合もαは実定数である。それらの外観から、式(1)及び(2)で表される微細構造は鞍形レンズである。 In the equation, α is also a real constant in this case as well. From their appearance, the microstructure represented by the equations (1) and (2) is a saddle-shaped lens.

図8は、幾何学的外側境界が円形、正方形、六角形、及び五角形である微細構造の輪郭プロットを示す。幾何学的外側境界は、不規則境界、多角形境界、及び任意形状境界を含め、一関数及び一般的な境界関数により数学的に定義することができる。式(1)及び(2)で表されるような鞍形微細構造及び正方形境界とのその組み合わせの輪郭図を、図9に示す。鞍形微細構造の他の関連特性は、米国特許第7,813,054号に記載されており、その開示を参照により本明細書に援用する。 FIG. 8 shows contour plots of microstructures with geometric outer boundaries of circles, squares, hexagons, and pentagons. Geometric outer boundaries can be mathematically defined by one function and general boundary functions, including irregular boundaries, polygonal boundaries, and arbitrary shape boundaries. FIG. 9 shows a contour diagram of the saddle-shaped microstructure as represented by the formulas (1) and (2) and its combination with the square boundary. Other relevant properties of the saddle-shaped microstructure are described in US Pat. No. 7,831,054, the disclosure of which is incorporated herein by reference.

上述のように、光学系100は、ランダムなスポット分布を有するターゲットパターン7、9を発生させることができる。光学系100は、シーン走査及び深さプロファイリング用のセンサ及びコンピュータアルゴリズム等の他のコンポーネントも含み得る。 As described above, the optical system 100 can generate target patterns 7 and 9 having a random spot distribution. Optical system 100 may also include other components such as sensors and computer algorithms for scene scanning and depth profiling.

ターゲットパターン7、9は、複数の領域の領域20のそれぞれにおける微細構造のランダム空間分布に従ったランダムなスポット分布であり得る。微細構造のランダム空間分布は、光源2からの入力ビーム5を、スペックルを有するターゲットパターン7、9に整形することができる。ランダムなスポット分布は、特定の角度範囲にわたるものとすることができ、且つ2つの垂直方向で同じであっても異なっていてもよい。0次回折光強度が高くないこのようなランダムなスポット分布と、照明運動に対して固定されたスペックルとが、3Dセンシング用途で構造化光を提供するのに役立ち得る。 The target patterns 7 and 9 may be a random spot distribution according to a random spatial distribution of the fine structure in each of the regions 20 of the plurality of regions. The random spatial distribution of the fine structure allows the input beam 5 from the light source 2 to be shaped into the target patterns 7 and 9 having speckles. The random spot distribution can span a particular angular range and may be the same or different in the two vertical directions. Such a random spot distribution with low 0th order diffracted light intensity and speckles fixed to the illumination motion can help provide structured light for 3D sensing applications.

一態様では、ターゲットパターン7、9のコントラストを高め、且つターゲットパターン7、9におけるスペックルを光学素子10に対する入力ビーム5の移動に伴って変わらないよう固定するために、モザイク分割における各領域20の周期的配置を規定する1周期を、入力ビーム5のサイズよりも小さくすることができる。 In one aspect, each region 20 in the mosaic division is to increase the contrast of the target patterns 7 and 9 and to fix the speckles in the target patterns 7 and 9 so as not to change with the movement of the input beam 5 with respect to the optical element 10. One cycle, which defines the periodic arrangement of optics, can be made smaller than the size of the input beam 5.

ターゲットパターン7、9は、0次回折光がランダムなスポット分布における関心の他の次数の回折光と強度の点で区別できないように生成することができる。0次回折光強度は、ランダムなスポット分布における他のいずれのスポットとも同じエネルギー量を提供し得る。このように、アイセーフに関するいかなる問題もなくすことができる。さらに、通常は単一の表面パターンを用いて、高効率を確保するターゲットパーン7、9を発生させることができる。図7の光学系で示すような連続で用いられる複数の光学素子10a、10bを、入力ビーム5の有効範囲を既存の製造法で製造できる範囲を超えて増加させるため等、他の理由で利用することができる。このような条件では、光学素子10a、10bの一方が単純なマイクロレンズアレイであり得る。 The target patterns 7 and 9 can be generated so that the 0th order diffracted light is indistinguishable from the diffracted light of other order of interest in the random spot distribution in terms of intensity. The 0th order diffracted light intensity may provide the same amount of energy as any other spot in a random spot distribution. In this way, any problems with iSafe can be eliminated. In addition, usually a single surface pattern can be used to generate target pans 7 and 9 that ensure high efficiency. A plurality of continuously used optical elements 10a and 10b as shown in the optical system of FIG. 7 are used for other reasons such as to increase the effective range of the input beam 5 beyond the range that can be manufactured by the existing manufacturing method. can do. Under such conditions, one of the optical elements 10a and 10b may be a simple microlens array.

複数の領域22の各領域20は、回折格子方程式(垂直入射)により2つのスポット間の角度分離を決定することができる。 Each region 20 of the plurality of regions 22 can determine the angle separation between the two spots by the diffraction grating equation (vertical incident).

Figure 0007030757000002
Figure 0007030757000002

式中、θは次数mの回折角であり、λは入力ビームの波長であり、Λは格子周期である。全体的なモザイク分割ジオメトリは、微細構造のランダム空間分布と直接的な相関があり得る。例えば、正方配列モザイク分割(例えば図2A~図2C参照)は、正方格子上に回折次数を生成する。同様に、六角格子モザイク分割(例えば図3参照)は、六角格子上に次数を生成する。角度間隔は、異なる方向に沿って同じであっても異なっていてもよい格子周期に応じて変わる。微細構造のランダム空間分布は、モザイク分割を形成するための複数の領域22における各領域20の周期的配置に応じて複雑なランダムスポット分布を発生させることができる。モザイク分割ジオメトリは、スポットジオメトリを決定することができるが、複数の領域22の各領域20は、種々の回折次数間のパワーの分布を決定する。換言すれば、領域20のそれぞれの中の微細構造は、「オン又はオフにされる」ことによりランダムスポットパターンを発生させる回折次数を有する。 In the equation, θ m is the diffraction angle of order m, λ is the wavelength of the input beam, and Λ is the lattice period. The overall mosaic split geometry can be directly correlated with the random spatial distribution of the microstructure. For example, a square array mosaic division (see, eg, FIGS. 2A-2C) produces a diffraction order on a square grid. Similarly, the hexagonal grid mosaic division (see, eg, FIG. 3) produces an order on the hexagonal grid. The angular spacing varies depending on the grid period, which may be the same or different along different directions. The random spatial distribution of the fine structure can generate a complex random spot distribution according to the periodic arrangement of each region 20 in the plurality of regions 22 for forming the mosaic division. The mosaic split geometry can determine the spot geometry, but each region 20 of the plurality of regions 22 determines the distribution of power among the various diffraction orders. In other words, the microstructure within each of the regions 20 has a diffraction order that produces a random spot pattern by being "turned on or off".

光学素子を作製する方法は、モザイク分割を形成するよう複数の領域22の周期的配置を選択するステップを含み得る。本方法は、格子周期を形成するよう複数の領域22内の各領域を割り当てるステップも含む。本方法は、複数の領域を形成するよう各領域20内で微細構造をランダムに空間的に分布させるステップも含む。一態様では、各領域内の微細構造は、鞍形微細構造を単独で又は他の形状の微細構造と共に含み得る。 The method of making the optics may include selecting the periodic arrangement of the plurality of regions 22 to form a mosaic division. The method also includes allocating each region within the plurality of regions 22 to form a grid period. The method also includes a step of randomly spatially distributing the microstructure within each region 20 to form a plurality of regions. In one aspect, the microstructure within each region may include the saddle-shaped microstructure alone or in conjunction with other shaped microstructures.

米国特許第7,813,054号に記載のような微細構造は、単独での使用時にランダムなスペックルパターンを発生させることができる。換言すれば、微細構造の領域20は、レーザ等の光源2から入力ビーム5を受光すると、スペックルを有する低分解能のターゲットパターン7、9を発生させることができる。入力ビーム5を受光する各領域20の特定の場所に応じて、スペックルパターンは変わり得る。 Ultrastructures such as those described in US Pat. No. 7,831,054 can generate random speckle patterns when used alone. In other words, the region 20 of the fine structure can generate low-resolution target patterns 7 and 9 having speckles when the input beam 5 is received from the light source 2 such as a laser. The speckle pattern may change depending on the specific location of each region 20 that receives the input beam 5.

モザイク分割を形成するための複数の領域22の周期的配置により、微細構造に対して光源2が移動する場合にスペックルを有するターゲットパターン7、9の移動を阻止することができる。この場合、ターゲットパターン7、9は所定位置に静止すると言える。さらに、複数の領域22の周期的配置は、3Dセンシング用途に有用なターゲットパターン7、9のコントラストの向上につながり得る。波長633nmのレーザ等の光源2により照明された場合の、光学素子10を実際に実装して得られたスペックルを有するターゲットパターン7、9からの写真を、図10に示す。 The periodic arrangement of the plurality of regions 22 for forming the mosaic division can prevent the movement of the target patterns 7 and 9 having speckles when the light source 2 moves with respect to the fine structure. In this case, it can be said that the target patterns 7 and 9 are stationary at predetermined positions. Further, the periodic arrangement of the plurality of regions 22 may lead to an improvement in the contrast of the target patterns 7 and 9 useful for 3D sensing applications. FIG. 10 shows photographs from target patterns 7 and 9 having speckles obtained by actually mounting the optical element 10 when illuminated by a light source 2 such as a laser having a wavelength of 633 nm.

各領域20内の微細構造は、特定の焦点距離を有し得る。一態様では、2つの光学素子10a、10b(図11)の連続使用か単一の光学素子10の使用(図12)かに関係なく、第1表面12a側の焦点距離は第2表面12b側の焦点距離と一致し得る。鏡面対称なので、相互に対向配置されると、光学素子10の各微細構造は他方の鏡像に面する。 The microstructure within each region 20 may have a particular focal length. In one aspect, the focal length on the first surface 12a side is on the second surface 12b side, regardless of whether the two optical elements 10a and 10b (FIG. 11) are used continuously or a single optical element 10 (FIG. 12). Can match the focal length of. Since they are mirror-symmetrical, each microstructure of the optical element 10 faces the other mirror image when they are arranged so as to face each other.

光学系100を使用する方法であって、光源2から光学素子10に入力ビーム5を投影するステップであり、光学素子10は表面12を有する本体11を含み、表面12はモザイク分割で周期的に配置された複数の領域22を有し、複数の領域22の各領域20が微細構造のランダム空間分布を有するステップと、入力ビーム5をターゲットパターン7、9に整形するステップとを含む方法も開示される。本方法は、微細構造のランダム空間分布からのスペックルを光学素子10に対する入力ビーム5の移動に伴って変わらないよう固定するステップも含み得る。 A method using an optical system 100, which is a step of projecting an input beam 5 from a light source 2 onto an optical element 10. The optical element 10 includes a main body 11 having a surface 12, and the surface 12 is periodically divided into mosaics. Also disclosed is a method including a step of having a plurality of arranged regions 22 and each region 20 of the plurality of regions 22 having a random spatial distribution of a fine structure, and a step of shaping the input beam 5 into target patterns 7 and 9. Will be done. The method may also include fixing the speckle from the random spatial distribution of the microstructure so that it does not change with the movement of the input beam 5 with respect to the optical element 10.

本範囲開示は広義に解釈されるものとする。本開示は、本明細書に開示される装置、動作、及び機械的作用を達成するための等価物、手段、システム、及び方法を開示することが意図される。開示された各構成、回折光学素子、光学系、方法、手段、機械的要素、又は機構について、本開示は、本明細書に開示された多くの態様、機構、及び構成を実施するための等価物、手段、システム、及び方法をその開示に包含し且つ教示することも意図される。さらに、本開示は、一構成及びその多くの態様、特徴、及び要素を考慮する。このような構成は、その使用及び動作が動的なものとすることができ、本開示は、製造対象の構成及び/又は顔料の使用の等価物、手段、システム、及び方法と、本明細書に開示された動作及び機能の説明及び趣旨と一致するその多くの態様とを包含することが意図される。本願の特許請求の範囲も同様に広義に解釈されるものとする。 This scope disclosure shall be construed in a broad sense. The present disclosure is intended to disclose equivalents, means, systems, and methods for achieving the devices, operations, and mechanical actions disclosed herein. With respect to each disclosed configuration, diffractive optical element, optical system, method, means, mechanical element, or mechanism, the present disclosure is equivalent to implement many aspects, mechanisms, and configurations disclosed herein. It is also intended to include and teach objects, means, systems, and methods in their disclosure. In addition, the present disclosure considers one configuration and many aspects, features, and elements thereof. Such configurations can be dynamic in their use and operation, and the present disclosure relates to the equivalents, means, systems, and methods of the configuration and / or use of pigments to be manufactured and herein. It is intended to include many aspects thereof that are consistent with the description and intent of the actions and functions disclosed in. The scope of claims of the present application shall be construed in a broad sense as well.

本明細書中の本発明の説明は、その多くの実施形態が本質的に例示的なものにすぎず、したがって本発明の要旨から逸脱しない変形形態は、本発明の範囲内にあることが意図される。このような変形形態は、本発明の趣旨及び範囲からの逸脱とみなされないものとする。 The description of the invention herein is intended to be within the scope of the invention, as many embodiments thereof are merely exemplary in nature and thus variants that do not deviate from the gist of the invention are within the scope of the invention. Will be done. Such variants shall not be deemed to deviate from the spirit and scope of the invention.

Claims (16)

光学素子であって、
表面を有する本体
を備え、前記表面はモザイク分割で周期的に配置された複数の領域を有し、
該複数の領域の各領域が幾何学的外側境界を有し、前記複数の領域のうち2つ以上の領域が多角形形状の異なる幾何学的外側境界を有し、前記複数の領域の各領域の幾何学的外側境界が、当該領域に隣接する領域の幾何学的外側境界と当接し、且つ
前記複数の領域の各領域が微細構造のランダム空間分布を有し、前記微細構造は鞍形である光学素子。
It ’s an optical element,
It comprises a body having a surface, the surface having a plurality of regions periodically arranged in a mosaic division.
Each region of the plurality of regions has a geometric outer boundary, and two or more regions of the plurality of regions have geometric outer boundaries having different polygonal shapes, and each region of the plurality of regions has a different geometric outer boundary. The geometric outer boundary of is in contact with the geometric outer boundary of the region adjacent to the region, and each region of the plurality of regions has a random spatial distribution of microstructure, and the microstructure is saddle-shaped. An optical element.
請求項1に記載の光学素子において、各領域が2つの直交次元で繰返し順で配置され得る光学素子。 The optical element according to claim 1, wherein each region can be arranged in a repeating order in two orthogonal dimensions. 請求項1に記載の光学素子において、前記複数の領域の各領域が微細構造の同一のランダム空間分布を有する光学素子。 The optical element according to claim 1, wherein each region of the plurality of regions has the same random spatial distribution of a fine structure. 請求項1に記載の光学素子において、前記複数の領域のうち2つ以上の領域が微細構造の異なるランダム空間分布を有する光学素子。 The optical element according to claim 1, wherein two or more of the plurality of regions have a random spatial distribution having different microstructures. 請求項1に記載の光学素子において、表面を有する前記本体は第1表面及び第2表面を含む光学素子。 The optical element according to claim 1, wherein the main body having a surface is an optical element including a first surface and a second surface. 請求項に記載の光学素子において、前記第2表面は前記第1表面と反対の向きである光学素子。 The optical element according to claim 5 , wherein the second surface is in the opposite direction to the first surface. 請求項1に記載の光学素子において、前記本体は第2表面も有し、該第2表面は第2モザイク分割で周期的に配置された複数の領域を有し、且つ該複数の領域の各領域が微細構造のランダム空間分布を有する光学素子。 In the optical element according to claim 1, the main body also has a second surface, the second surface has a plurality of regions periodically arranged by a second mosaic division, and each of the plurality of regions. An optical element whose region has a random spatial distribution with a fine structure. 光学系であって、
光源と、
表面を有する本体を含む光学素子であり、前記表面はモザイク分割で周期的に配置された複数の領域を有し、該複数の領域の各領域が幾何学的外側境界を有し、前記複数の領域のうち2つ以上の領域が多角形形状の異なる幾何学的外側境界を有し、前記複数の領域の各領域の幾何学的外側境界が、当該領域に隣接する領域の幾何学的外側境界と当接し、前記複数の領域の各領域が微細構造のランダム空間分布を有し、前記微細構造は鞍形である光学素子と
を備えた光学系。
It ’s an optical system,
Light source and
An optical element comprising a body having a surface, wherein the surface has a plurality of regions periodically arranged by mosaic division, each region of the plurality of regions has a geometric outer boundary, and the plurality of regions. Two or more of the regions have different geometric outer boundaries of polygonal shape, and the geometric outer boundary of each region of the plurality of regions is the geometric outer boundary of the region adjacent to the region. An optical system in which each region of the plurality of regions has a random spatial distribution of a microstructure, and the microstructure is provided with an optical element having a saddle shape.
請求項8に記載の光学系において、前記光源はコヒーレント光源である光学系。 In the optical system according to claim 8, the light source is an optical system that is a coherent light source. 請求項9に記載の光学系において、前記コヒーレント光源はレーザである光学系。 In the optical system according to claim 9, the coherent light source is an optical system that is a laser. 請求項9に記載の光学系において、前記光学素子は、微細構造のランダム空間分布に従ってターゲットパターンを投影する光学系。 In the optical system according to claim 9, the optical element is an optical system that projects a target pattern according to a random spatial distribution of a fine structure. 請求項11に記載の光学系において、前記ターゲットパターンは、指定の角度範囲にわたるランダムスポット分布である光学系。 In the optical system according to claim 11, the target pattern is an optical system having a random spot distribution over a designated angle range. 請求項11に記載の光学系において、前記ターゲットパターンは2つの垂直方向で異なる光学系。 In the optical system according to claim 11, the target pattern is an optical system that differs in two vertical directions. 請求項8に記載の光学系において、ターゲットパターンのコントラストを向上させ且つスペックルを固定するために、前記周期的配置を規定する周期が、前記光源からの入力ビームのサイズよりも小さい光学系。 The optical system according to claim 8, wherein the period defining the periodic arrangement is smaller than the size of the input beam from the light source in order to improve the contrast of the target pattern and fix the speckle. 光学系を使用する方法であって、
光源から光学素子に入力ビームを投影するステップであり、前記光学素子は表面を有する本体を含み、前記表面はモザイク分割で周期的に配置された複数の領域を有し、該複数の領域の各領域が幾何学的外側境界を有し、前記複数の領域のうち2つ以上の領域が多角形形状の異なる幾何学的外側境界を有し、前記複数の領域の各領域の幾何学的外側境界が、当該領域に隣接する領域の幾何学的外側境界と当接し、前記複数の領域の各領域が微細構造のランダム空間分布を有し、前記微細構造は鞍形であるステップと、
前記入力ビームをターゲットパターンに整形するステップと
を含む方法。
It is a method that uses an optical system.
A step of projecting an input beam from a light source onto an optical element, wherein the optical element includes a body having a surface, the surface having a plurality of regions periodically arranged by mosaic division, and each of the plurality of regions. The regions have geometric outer boundaries, two or more of the plurality of regions have different geometric outer boundaries of polygonal shape, and the geometric outer boundaries of each region of the plurality of regions. However, the step is in contact with the geometric outer boundary of the region adjacent to the region, each region of the plurality of regions has a random spatial distribution of microstructure, and the microstructure is saddle-shaped.
A method comprising shaping the input beam into a target pattern.
請求項15に記載の方法において、前記微細構造のランダム空間分布からのスペックルを前記光学素子に対する前記入力ビームの移動に伴って変わらないよう固定するステップをさらに含む方法。
The method of claim 15, further comprising fixing the speckle from the random spatial distribution of the microstructure so that it does not change with the movement of the input beam to the optical element.
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