JP7418050B2 - 光学系装置 - Google Patents
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Description
前記レンズの焦点距離をf、nを1以上の自然数とし、前記レンズのピッチのうち小さいものからk番目(kは1以上の自然数)のピッチの大きさをPkとすると、いずれか1以上のピッチPkについて、前記照射部と前記光学素子の焦点位置との距離L2が、下記式α
また、VCSELの光強度を大きくする場合、当該VCSELの光には、シングルモードやマルチモード等の複数の発光モードが含まれることが知られている。具体的な発光モードの例を図2に示す。図2に示す発光モードのうち互いに回転対称である(2)と(3)、(4)と(6)、(7)と(9)、(8)と(10)は、必ず同率で存在するため、これらの類似モードをそれぞれ合成すると図3に示すようにA、B、C、D、E、Fの6種類に集約できる。
一方、これら6種類のモードを1種類だけその他のモードの2倍にして合成すると図4(b)に示すように、A:B:C:D:E:F=2:1:1:1:1:1は、最大強度が0.03、A:B:C:D:E:F=1:1:1:2:1:1は、最大強度が0.0389、A:B:C:D:E:F=1:1:1:1:1:2は、最大強度が0.0285となる。すなわち、各モードのうち、最大強度が光軸中心にあるモードA又はD、または、最大強度が光軸中心に近いモードFの割合が増えると、6種類のモードを同じ割合にした場合に比べて、合成後の光の最大強度が大きくなることがわかる。図4(c)は、6種類のモードのうち、更に、モードA、モードD、モードFだけをその他のモードの5倍にして合成したものである。A:B:C:D:E:F=5:1:1:1:1:1は、最大強度が0.0354、A:B:C:D:E:F=1:1:1:5:1:1は、最大強度が0.0608、A:B:C:D:E:F=1:1:1:1:1:5は、最大強度が0.0343となった。すなわち、モードDを5倍にして合成した光(A:B:C:D:E:F=1:1:1:5:1:1)は、特に顕著に合成後の光の最大強度が大きくなった。
従来、nを1以上の自然数とし、照射部1から入射する光の波長をλ、光学素子2のレンズ21のピッチをP、照射部1と光学素子2の間の距離をL0とすると、距離L0が下記式Aの場合に入射した光をコントラストの大きなドットパターンに変換できると考えられてきた(図6参照)。
次に、照射部1と光学素子2の焦点位置9との距離L1を下記式3とし、δを種々に変化させた場合の遠方界における光強度分布についてシミュレーションをした。
照射部1は、波長が940nm(λ=0.94)で、図7に示すようなガウシアン配光である光を照射する単光源とした。光学素子2は、図1に示すように、複数のレンズ21をピッチP1が30μm(P1=30)となるように周期配列したものを用いた。また、レンズ21としては、直径が30μm、屈折率が1.5、焦点距離fが(a)20μm、(b)40μm、(c)60μmとなる3種類を用いた。図8(a)は、各レンズに図8(b)に示すように平行光を照射した際の光の伝搬の様子を示す図である。なお、式3中のnは2とした。図9~図11に光学シミュレーションソフトBeamPROP(Synopsys社製)を用いたシミュレーションの結果を示す。このシミュレーションは、計算を簡単にするために図2における奥行き方向を考慮しない2Dの計算結果である。
照射部1は、波長が940nm(λ=0.94)で、図7に示すようなガウシアン配光である光を照射する単光源とした。光学素子2は、図1に示すように、複数のレンズ21をピッチP1が30μm(P1=30)で正方配列にしたもので、屈折率は1.5とした。また、レンズ表面は、x軸方向とy軸方向で曲率が同じとなる回転対称のものとした。また、レンズ21としては、図12~図14に示すように、焦点距離fが20μm、40μm、60μmである3種類を用いた。なお、式3中のnは2とした。図15~図23に光学シミュレーションソフトBeamPROP(Synopsys社製)を用いたシミュレーションの結果を示す。このシミュレーションは、図1における奥行き方向も考慮した3Dの計算結果である。
照射部1は、波長が940nm(λ=0.94)で、図7に示すようなガウシアン配光である光を照射する単光源とした。光学素子2は、図1に示すように、複数のレンズ21をピッチP1が30μm(P1=30)で正方配列にしたもので、屈折率は、1.5とした。また、レンズ21の形状は、図24(a)に示すような、平面視が1辺30μmの正方形で、高さが16.26μmのものとした。また、レンズ表面は、x軸方向とy軸方向で曲率が異なる非回転対称の非球面とした。図24(b)は、当該光学素子に平行光を入射させた際の遠方界における配光分布の投影図である。また、図24(c)は、遠方界におけるx軸方向とy軸方向の角度に対する配光分布である。また、レンズ21の焦点距離fは、図25に示すように、20μmであるものを用いた。図25(b)は、レンズ21に平行光を入射させた際の出射光の投影図である。なお、x軸方向とy軸方向で集光の仕方に違いがあるが、最も集光している点を焦点位置(0μm)としている。また、式3中のnは2とした。図26~図29に光学シミュレーションソフトBeamPROP(Synopsys社製)を用いたシミュレーションの結果を示す。このシミュレーションは、図1における奥行き方向も考慮した3Dの計算結果である。
光学素子の製造方法について説明する。光学素子2のレンズ21は、どのように製造してもよいが、例えば、インプリント法を用いて製造することができる。具体的には、スピンコータ等の周知の方法によって、基板25上にレンズ21の材料を所定の膜厚で塗布する(塗布工程)。材料としては、波長λの光を透過するレンズ21を形成できればどのようなものでもよく、例えばポリジメチルシロキサン(PDMS)を用いることができる。
照射部1に複数の光源10を有する場合には、各光源10と光学素子2を相対的に平行移動しても、平面視で、光学素子2の各レンズ21に対する光源10の数が同じになるように配置する必要がある。具体的には、mを1以上の自然数とすると、照射部は、光学素子のレンズ21のいずれかの周期方向に対して、複数の光源を当該周期のm倍又は1/m倍で規則的に配列するとよい。換言すると、照射部1の光源10は、光学素子2のレンズ21がピッチPkをとる方向に対して、ピッチmPk又はPk/mで規則的に配列するとよい。特に、ピッチmP1又はP1/mとするのがよい。図30の(a),(b)は、m=1として、光源10のピッチを光学素子2のレンズ21のピッチP1と等しくしたものである。また、図30(c)は、m=2とし、光源10のピッチを光学素子2のレンズ21のピッチP1の1/2、すなわちP1/2としたものである。また、図30(d)は、m=2とし、光源10のピッチを光学素子2のレンズ21のピッチP1の2倍、すなわち2P1としたものである。
2 光学素子
3 ミラー
6 ディフューザ用照射部
8 距離調節手段
9 焦点位置
10 光源
21 レンズ
Claims (4)
- 波長λの光を透過するレンズが周期的に配列された光学素子と、
波長λの光を前記レンズの複数に照射する光源を有する照射部と、
を具備し、
前記光学素子は、前記レンズの凸レンズ部分を照射部側に向けたものであり、
前記レンズの焦点距離をf、nを1以上の自然数とし、前記レンズのピッチのうち小さいものからk番目(kは1以上の自然数)のピッチの大きさをPkとすると、いずれか1以上のピッチPkについて、前記照射部と前記光学素子の焦点位置との距離L1が、下記式2
- 最も小さいピッチP1について、前記式2を満たすことを特徴とする請求項1記載の光学系装置。
- 2番目に小さいピッチP2について、前記式2を満たすことを特徴とする請求項2記載の光学系装置。
- 前記光学素子と前記照射部の距離を調節する距離調節手段を具備す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光学系装置。
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