WO2019009260A1 - 回折光学素子、光照射装置、照射パターンの読取り方法 - Google Patents

Abstract

照射パターンの段差を目立たなくすることができ、読取りを行う場合にはより正確に読取りが可能な回折光学素子、光照射装置、照射パターンの読取り方法を提供する。　回折光学素子１１０は、複数の回折格子が形成されて特定の配光特性が得られるように構成された矩形形状の単位セル１０を有しており、回折光学素子１１０を通過した光が、照射光量の異なる複数のドットの組合せにより照射パターンを形成するように、単位セル１０の回折格子が構成されている。

Description

回折光学素子、光照射装置、照射パターンの読取り方法

　本発明は、回折光学素子、光照射装置、照射パターンの読取り方法に関するものである。

　光学素子を介して光を所望のパターンとして照射して利用する技術が従来から知られている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。
　特許文献１では、ホログラムを用いて路面に所定の投影像を形成する技術が開示されている。
　また、特許文献２では、ホログラムを用いてバーコードを再生して、これを読み取る技術が開示されている。

　ホログラムとは異なる技術として、複数種類の回折格子を並べて配置した回折光学素子（ＤＯＥ）の利用が近年進んでいる。回折光学素子は、通過する光を所望の方向へ偏向させて光を整形して出射することにより、出射光によって所望のパターンを形成することが可能である。
　回折光学素子を用いて、特許文献１のように所望の照射パターンを拡大照射したり、特許文献２のようにバーコードを照射パターンとして照射したりすることが可能である。回折光学素子を用いることにより、ホログラムよりも安価に同様な効果を得ることが可能である。

　ここで、回折光学素子から照射される照射パターンは、ドットの集合により構成されている。したがって、例えば、直線を形成する照射パターンであっても、詳細に観察すると、ドットの最小サイズ（解像度）毎の段差が形成されたパターンで直線を表現した照射パターンとなっている。

　したがって、回折光学素子を用いて特許文献１のように、ある程度距離が離れた位置に照射パターンを拡大して照射する場合、照射パターンの解像度の粗さが目立つ傾向にある。
　また、回折光学素子を用いて特許文献２のようにバーコード等の情報を照射する場合には、解像度に起因するドットの段差によって読取りエラーを起こすおそれがあった。また、より細かい照射パターンをより精度よく読み取ることが可能となれば、より多くの情報を含んだ照射パターンとして、利用の場を広げることができる。

特開２０１５－１３２７０７号公報 特開平５－２０４２８９号公報

　本発明の課題は、照射パターンの段差を目立たなくすることができ、読取りを行う場合にはより正確に読取りが可能な回折光学素子、光照射装置、照射パターンの読取り方法を提供することである。

　本発明は、以下のような解決手段により、前記課題を解決する。なお、理解を容易にするために、本発明の実施形態に対応する符号を付して説明するが、これに限定されるものではない。

　第１の発明は、複数の回折格子が形成されて特定の配光特性が得られるように構成された矩形形状の単位セル（１０）を有した回折光学素子（１１０）であって、当該回折光学素子（１１０）を通過した光が、照射光量の異なる複数のドットの組合せにより照射パターンを形成するように、前記単位セル（１０）の回折格子が構成されている回折光学素子（１１０）である。

　第２の発明は、第１の発明に記載の回折光学素子（１１０）において、当該回折光学素子（１１０）を通過した光が、照射された面において照射パターン（３００）を形成し、前記照射パターン（３００）が、隣り合うドットの輝度が異なる複数のドットの組合せにより構成されるように、前記単位セル（１０）の回折格子が構成されていること、を特徴とする回折光学素子（１１０）である。

　第３の発明は、第１の発明に記載の回折光学素子（１１０）において、前記照射パターン（３００）は、照射された面において線又は図形を形成し、前記照射パターン（３００）は、線又は図形の中央側の照射光量が周辺側の照射光量よりも高くなるように、前記単位セル（１０）の回折格子が構成されていること、を特徴とする回折光学素子（１１０）である。

　第４の発明は、第１の発明に記載の回折光学素子（１１０）において、前記照射パターン（３００）が照射された面上で前記照射パターン（３００）を横断する方向における前記照射パターン（３００）の輝度分布は、ピークを持った多段階の分布を示すこと、を特徴とする回折光学素子（１１０）である。

　第５の発明は、第１の発明に記載の回折光学素子（１１０）において、前記単位セル（１０）が周期的に配列されて構成されていること、を特徴とする回折光学素子（１１０）である。

　第６の発明は、第１の発明に記載の回折光学素子（１１０）において、前記回折格子は、凹凸形状を有しており、前記凹凸形状が形成された面の法線方向から見て凸部と凹部との境界が曲線と複数の線分を繋げた折れ線との少なくとも一方を含むパターンを有すること、を特徴とする回折光学素子（１１０）である。

　第７の発明は、光源（１２０）と、前記光源（１２０）から光が照射される位置に配置された第１の発明から第６の発明までのいずれかに記載の回折光学素子（１１０）と、を備え、前記光源（１２０）から前記回折光学素子（１１０）へ照射される光の照射スポットの短軸方向の長さをｒとし、上記照射スポットの長軸方向の長さをＲとし、前記単位セル（１０）の短辺長さをｄとすると、ｒ／３＜ｄ＜１．５×Ｒの関係を満たす光照射装置（１００）である。

　第８の発明は、第７の発明に記載の光照射装置（１００）において、前記単位セル（１０）の長辺長さＤとすると、ｒ／３＜ｄ＜１．５×ｒ及びＲ／３＜Ｄ＜１．５×Ｒの双方の関係を満たすこと、を特徴とする光照射装置（１００）である。

　第９の発明は、第７の発明に記載の光照射装置（１００）において、前記照射スポットの短軸方向は、前記単位セル（１０）の短辺が延在する方向に沿って配置されていること、を特徴とする光照射装置（１００）である。

　第１０の発明は、第７の発明に記載の光照射装置（１００）によって照射された照射パターン（３００）の読取り方法であって、前記照射パターン（３００）の輝度分布を認識可能な形態で前記照射パターン（３００）をデータ化して取得するステップと、取得された前記照射パターン（３００）のデータについて、輝度分布の重心位置を前記照射パターン（３００）の位置として特定するステップと、を備える照射パターン（３００）の読取り方法である。

　第１１の発明は、光源（１２０）と、前記光源（１２０）から光が照射される位置に配置され、複数の回折格子が形成されて特定の配光特性が得られるように構成された矩形形状の単位セル（１０）を有した回折光学素子（１１０）と、を備え、前記光源（１２０）から前記回折光学素子（１１０）へ照射される光の照射スポット（１２２）の短軸方向の長さをｒとし、前記照射スポット（１２２）の長軸方向の長さをＲとし、前記単位セル（１０）の短辺長さをｄとすると、ｒ／３＜ｄ＜１．５×Ｒの関係を満たす光照射装置（１００）である。

　第１２の発明は、第１１の発明に記載の光照射装置（１００）において、前記単位セル（１０）の長辺長さＤとすると、ｒ／３＜ｄ＜１．５×ｒ及びＲ／３＜Ｄ＜１．５×Ｒの双方の関係を満たすこと、を特徴とする光照射装置（１００）である。

　第１３の発明は、第１１の発明に記載の光照射装置（１００）において、前記照射スポット（１２２）の短軸方向は、前記単位セル（１０）の短辺が延在する方向に沿って配置されていること、を特徴とする光照射装置（１００）である。

　第１４の発明は、第１１の発明に記載の光照射装置（１００）において、前記回折光学素子（１１０）は、前記単位セル（１０）が周期的に配列されて構成されていること、を特徴とする光照射装置（１００）である。

　第１５の発明は、第１１の発明に記載の光照射装置（１００）において、前記回折格子は、凹凸形状を有しており、前記凹凸形状が形成された面の法線方向から見て凸部と凹部との境界が曲線と複数の線分を繋げた折れ線との少なくとも一方を含むパターンを有すること、を特徴とする光照射装置（１００）である。

　第１６の発明は、第１１の発明に記載の光照射装置（１００）によって照射された照射パターン（３００）の読取り方法であって、前記照射パターン（３００）の輝度分布を認識可能な形態で前記照射パターン（３００）をデータ化して取得するステップと、取得された前記照射パターン（３００）のデータについて、輝度分布の重心位置を前記照射パターン（３００）の位置として特定するステップと、を備える照射パターン（３００）の読取り方法である。

　本発明によれば、照射パターンの段差を目立たなくすることができ、読取りを行う場合にはより正確に読取りが可能な回折光学素子、光照射装置、照射パターンの読取り方法を提供することができる。

本発明による光照射装置１００の概要を示す図である。 回折光学素子１１０を正面から見た図である。 単位セル１０を拡大して示した図である。 図３の単位セル１０の例における部分周期構造の一例を示す斜視図である。 回折光学素子を切断した断面図である。 従来の回折光学素子によって得られる照射パターンを説明する図である。 本実施形態の光照射装置１００が照射する照射パターン３００を拡大して示した図である。 ぼかしを行わない従来の照射パターンと、これをセンサで読み取ってラインを認識した例を示す図である。 ぼかしの量として１σ相当のぼかしを付与した本実施形態の照射パターン３００と、これをセンサで読み取ってラインを認識した例を示す図である。 ぼかしの量として２σ相当のぼかしを付与した本実施形態の照射パターン３００と、これをセンサで読み取ってラインを認識した例を示す図である。 輝度分布の重心位置を求めてラインの位置を特性する方法を説明する図である。 単位セル１０に照射スポット１２２が重なっている状態を示した図である。 検証実験における装置の配置を示す図である。 照射パターンをぼかす効果を確認する検証実験の結果を写真とともに示した図である。 照射パターンをぼかす効果を確認する検証実験の結果をまとめた図である。 単位セルを照射スポットに対して相対的に大きくする効果を確認する検証実験の結果を写真とともに示した図である。 単位セルを照射スポットに対して相対的に大きくする効果を確認する検証実験の結果をまとめた図である。 照射パターン３００の縦横比が大きい場合の照射スポット１２２の方向を示す図である。 回折光学素子１１０の断面形状の変形形態を示す図である。

　以下、本発明を実施するための最良の形態について図面等を参照して説明する。

（実施形態）
　図１は、本発明による光照射装置１００の概要を示す図である。
　なお、図１を含め、以下に示す各図は、模式的に示した図であり、各部の大きさ、形状は、理解を容易にするために、適宜誇張して示している。
　また、以下の説明では、具体的な数値、形状、材料等を示して説明を行うが、これらは、適宜変更することができる。

　本発明において用いる、形状や幾何学的条件、及び、それらの程度を特定する用語、例えば、「平行」、「直交」、「同一」等の用語や長さや角度の値等については、厳密な意味に縛られることなく、同様の機能を期待し得る程度の範囲を含めて解釈することとする。

　また、本発明において透明とは、少なくとも利用する波長の光を透過するものをいう。例えば、仮に可視光を透過しないものであっても、赤外線を透過するものであれば、赤外線用途に用いる場合においては、透明として取り扱うものとする。

　なお、本明細書及び特許請求の範囲において規定する具体的な数値には、一般的な誤差範囲は含むものとして扱うべきものである。すなわち、±１０％程度の差異は、実質的には違いがないものであって、本件の数値範囲をわずかに超えた範囲に数値が設定されているものは、実質的には、本件発明の範囲内のものと解釈すべきである。

　本実施形態の光照射装置１００は、回折光学素子１１０と、光源１２０とを備えている。
　本実施形態の光照射装置１００は、光源１２０が発光した光１２１を、回折光学素子１１０を透過させることにより、光を整形して、例えば、図１に示すような四角形を４つ並べた照射パターン３００を、例えば、スクリーン２００に照射可能である。
　なお、図１に示した照射パターン３００は、説明のため簡略化したものであり、本実施形態の光照射装置１００は、例えば、従来技術に示したようなバーコードを表す照射パターンを照射して利用してもよいし、車両等から路面等へ各種情報を表す照射パターンを照射してもよい。また、光照射装置１００は、距離測定、人体検出、立体物認識等における検出光の照射等に利用してもよい。また、光照射装置１００は、カメラ等で物体からの反射光を取込む装置と一体化してもよく、その場合、距離測定、３Ｄ認識、人体測定、物体認識、バー認識が可能である。

　光源１２０は、例えば波長が８５０ｎｍの光を発光するレーザ光源とすることができる。
　回折光学素子１１０は、光を整形する回折光学素子（ＤＯＥ）である。
　なお、本発明において「光を整形する」とは、光の進行方向を制御することにより、対象物又は対象領域に投影された光の形状（照射パターン）が任意の形状となるようにしたり、照射パターン内の強度分布を平坦化したり、全体的に又は部分的に任意の強度分布になるようにしたりすることをいう。例えば、図１の例に示されるように、光源１２０は、平面形状の回折光学素子１１０に直接投影した場合に照射スポット１２２が円形となる光１２１を発光する。この光１２１を、本発明の回折光学素子１１０を透過させることにより、照射パターン３００を、正方形の組合せ（図１の例）や、長方形、円形（図示せず）等、目的の形状とすることを、「光を整形する」いう。

　図２は、回折光学素子１１０を正面から見た図である。
　図３は、単位セル１０を拡大して示した図である。
　本実施形態の回折光学素子１１０は、複数の単位セル１０が周期的に配列されて構成されている。この複数の単位セル１０は、いずれも回折格子の構成が全く同じものであり、同一の単位セル１０が複数並べて配置されている。図２の例では、理解を容易にするために、縦３列、横３列の９枚の単位セル１０を配列した例として示したが、より多くの単位セル１０を並べて配置して、より大きな面積の回折光学素子１１０としてもよい。また、図２では、単位セル１０を分かりやすくするために隣り合う単位セル１０の境界部分でパターンが不連続となるようにパターンを描いているが、実際には、隣り合う単位セル１０の境界において、パターンが連続するように構成される場合が多い。したがって、回折光学素子を光学顕微鏡や走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）等で観察しただけでは、単位セルが並んで構成されているのか否かの判断が難しい場合が多い。そのような場合には、回折光学素子の表面のパターンを光学顕微鏡や走査型電子顕微鏡により撮影して、画像解析することによりパターンを抽出するとよい。
　単位セル１０は、矩形形状に形成されており、複数の回折格子が形成されており、この単位セル１０のみであっても、特定の配光特性、すなわち、光を所望のパターンに整形することができるように構成されている。

　本実施形態の単位セル１０は、図３に示したＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄのそれぞれの位置において深さが異なっている。すなわち、単位セル１０は、４段階の高さの異なる多段階形状により構成されている。そして、単位セル１０は、通常、異なる周期構造を持つ複数の領域（部分周期構造：例えば、図１のＥ，Ｆ領域）を有している。

　図４は、図３の単位セル１０の例における部分周期構造の一例を示す斜視図である。
　図５は、回折光学素子を切断した断面図である。
　単位セル１０は、図５に示すように、断面形状において複数の凸部１１ａが並んで配置されている高屈折率部１１を備えている。この高屈折率部１１は、凹凸形状が形成された面の法線方向から見て凸部と凹部との境界が曲線と複数の線分を繋げた折れ線との少なくとも一方を含むパターンを有している。この複雑なパターンによって、所望の位置へ向けて光を回折させることができる多数種類の回折格子の集合体として回折光学素子が構成されている。
　なお、図２から図５に示した回折格子は、説明のために誇張しており、単位セル１０内には図示したよりも多くのパターンが含まれている。

　高屈折率部１１は、例えば、クオーツ（ＳｉＯ_２、合成石英）をエッチング処理により形状を加工されて作られたものであってもよい。また、高屈折率部１１は、クオーツを加工した物から型取りを行って成形型を作成し、この成形型を利用して電離放射線硬化性樹脂組成物を硬化したものであってもよい。電離放射線硬化性樹脂組成物を用いてこのような周期構造の物を製造する方法は、様々な手法が公知であり、単位セル１０（回折光学素子１１０）の高屈折率部１１は、それら公知の手法を利用して、適宜作製することができる。

　また、凸部１１ａの間に形成されている凹部１２及び凸部１１ａの頂部付近の空間１３を含む図３の上方の部分は、空気が存在しており、高屈折率部１１よりも屈折率が低い低屈折率部１４となっている。これら高屈折率部１１及び低屈折率部１４が交互に並んで配置された周期構造により、光を整形する作用を備える回折層１５が構成されている。

　本実施形態の凸部１１ａは、側面形状の一方側（図５では、左側）に、高さの異なる４つの段部を備えた多段階形状を有している。具体的には、凸部１１ａは、最も突出したレベル１段部１１ａ－１と、レベル１段部１１ａ－１よりも一段低いレベル２段部１１ａ－２と、レベル２段部１１ａ－２よりもさらに一段低いレベル３段部１１ａ－３と、レベル３段部１１ａ－３よりもさらに一段低いレベル４段部１１ａ－４とを一側面側に有している。また、凸部１１ａの側面形状の他方側（図５では、右側）は、レベル１段部１１ａ－１からレベル４段部１１ａ－４まで直線状につながる側壁部１１ｂとなっている。
　なお、本実施形態の光照射装置では、光源１２０が波長８５０ｎｍのレーザ光源であることから、これに合せて、単位セル１０の回折格子は、波長が８５０ｎｍの光を回折するために最適となる深さに構成されている。

　上述したような多段階形状により構成されている部分周期構造は、各部分周期構造毎に、主に配列ピッチと配列方向とが異なって形成されている。それぞれの部分周期構造では、光を回折させて所定の方向に偏向させて出射するので、１つの部分周期構造では、非常に小さな点（ドット）として光が照射される。単位セル１０には、それぞれ所望の方向に光を偏向させるように構成されたこの部分周期構造が多数配置されており、全体としては、所望の照射パターン（例えば、図１の照射パターン３００）を投影可能となっている。

（ぼかしと重心位置の特定）
　次に、本実施形態の単位セル１０（回折光学素子１１０）がどのような照射パターン３００を照射するのかについて説明する。
　図６は、従来の回折光学素子によって得られる照射パターンを説明する図である。
　従来の回折光学素子によって、例えば、図６に示すように本実施形態と同様な正方形を４つ並べた照射パターン１３００を照射したとする。これを図６に示したように拡大して観察すると、多数のドットの組合せによって線が構成されている。したがって、遠くから観察すれば直線に見えている部分であっても、実際には、図６に示すように段差が生じている。このような段差は、拡大投影された場合には目立つものであり、より滑らかに観察可能であることが望まれる。また、例えば、バーコード等を照射パターンで構成してこれを読み取るような場合には、段差によって正しく読み取られないおそれがある。

　そこで、本実施形態では、照射パターン３００が、隣り合うドットの輝度が異なる複数のドットの組合せにより構成されるように、単位セル１０の回折格子を構成した。
　図７は、本実施形態の光照射装置１００が照射する照射パターン３００を拡大して示した図である。図７（ａ）は、照射パターン３００を投影した状態を示しており、図７（ｂ）は、図７（ａ）中に一点鎖線で示した照射パターン３００を横断する方向Ｌに沿った方向での輝度分布を示している。

　照射パターン３００は、線（又は図形）の中央側の照射光量が周辺側の照射光量よりも高くなるように、単位セル１０の回折格子が構成されている。
　すなわち、照射パターン３００が照射された面上で照射パターン３００を横断する方向における照射パターン３００の輝度分布は、ピークを持った多段階の分布を示す。以下、本実施形態のように照射パターン３００を、輝度分布のある多段階のドットで表現することを、「ぼかす」、「ぼかし」等と適宜呼ぶこととする。このような照射パターン３００とすることにより、照射パターンを見ると、線の中央から周辺へ向かうにしたがって徐々に輝度が低下するので、図７を見ただけでは、一見、線がぼやけてしまい、好ましくないかのようにも見える。
　しかし、このように照射パターン３００をぼかした線により構成することにより、先の図６に示した様な段差が目立たなくなり、見た目では滑らかな線として感じられ、従来よりも自然なパターンとして視認可能である。
　そして、このように照射パターン３００の線をぼかして表現することにより、照射パターン３００をセンサ等により読み取る場合に、従来よりも精度の高い正確な読取りが可能である。

　図８は、ぼかしを行わない従来の照射パターンと、これをセンサで読み取ってラインを認識した例を示す図である。
　図９は、ぼかしの量として１σ相当のぼかしを付与した本実施形態の照射パターン３００と、これをセンサで読み取ってラインを認識した例を示す図である。
　図１０は、ぼかしの量として２σ相当のぼかしを付与した本実施形態の照射パターン３００と、これをセンサで読み取ってラインを認識した例を示す図である。
　ここで、本実施形態では、照射パターン３００の元データにおける線の位置を重心（又は、ピーク位置）に持つようにした輝度分布をガウス分布となるようにしてデータを生成し、確率密度関数におけるσをぼかし具合のパラメータとして設定した。しかし、照射パターン３００のぼかし方は、上記に限らず、適宜既知の手法を用いることができる。

　図８（ａ）と図９（ａ）と図１０（ａ）とは、いずれも照射パターンで表現したい元のデータを示しており、これらはいずれも同じデータである。
　図８（ｂ）と図９（ｂ）と図１０（ｂ）とは、それぞれの条件で照射された照射パターンを示している。図８（ｂ）では、段差がはっきりと視認可能であるのに対して、図９（ｂ）及び図１０（ｂ）では、線が滑らかに見えている。
　図８（ｃ）と図９（ｃ）と図１０（ｃ）とは、それぞれ、図８（ｂ）と図９（ｂ）と図１０（ｂ）とにしめした照射パターンを撮像素子等のセンサによって読み取って、輝度分布の重心位置を照射パターンの位置として特定したラインを示している。従来の手法による図８（ｃ）の場合には、特定されたラインは何度も屈曲して描かれており、元のデータとの差異が大きい。これに対して、図９（ｃ）と図１０（ｃ）とでは、照射パターンの線をぼかしたことと、輝度分布の重心位置を照射パターンの位置として特定したこととの相乗効果により、元のデータに近いラインが得られている。

　図８（ｃ）と図９（ｃ）と図１０（ｃ）とには、輝度分布を数値で併記しているが、図１１を用いてより詳しく説明する。
　図１１は、輝度分布の重心位置を求めてラインの位置を特性する方法を説明する図である。図１１（ａ）は、投影された照射パターン３００を示している。図１１（ｂ）は、図１１（ａ）の照射パターン３００を撮像素子を用いてコンピュータに取り込み、ピーク輝度の位置を１００として輝度分布を数値化してマッピングしたデータを示している。図１１（ｃ）は、図１１（ｂ）中の四角で囲んだ範囲の輝度分布をグラフ化して示している。

　図１１に示すように、輝度分布の重心位置であるＧＰ（図１１（ｃ））を、ラインの中心位置として特定し、これを順次繰り返して特定された中心位置を結ぶことにより、適切な位置を特定でき、滑らかなラインを得ることができる。
　ここで、重心位置の求め方の一例を説明する。
　図１１（ｂ）に示すような輝度分布が得られたとする。このデータについて、左右方向にＸ１，Ｘ２，・・・，Ｘ２４と座標を設定する。また、このＸ座標に対応する輝度をＰ１，Ｐ２，・・・，Ｐ２４とすると、重心座標Ｘｇは、以下の式により求めることができる。
　Ｘｇ＝（Ｐ１×Ｘ１+Ｐ２×Ｘ２＋・・・+Ｐｎ×Ｘｎ）／（Ｐ１+Ｐ２＋・・・+Ｐｎ）
　なお、本実施形態では、上述のＸ座標を用いた手法で重心位置を順次演算したが、照射パターン３００の認識方法によっては、Ｙ座標をさらに導入して、以下の式により重心座標Ｙｇを求めることもできる。
　Ｙｇ＝（Ｐ１×Ｙ１+Ｐ２×Ｙ２＋・・・+Ｐｎ×Ｙｎ）／（Ｐ１+Ｐ２＋・・・+Ｐｎ）、又は、Ｙｇ＝（Ｐ１×Ｙ１×０．５+Ｐ２×Ｙ２×０．５＋・・・+Ｐｎ×Ｙｎ×０．５）／（Ｐ１+Ｐ２＋・・・+Ｐｎ）でもよい。

（照射パターンの分解能向上）
　本実施形態の光照射装置１００では、上述したぼかした照射パターンの形成と、その重心位置の特定によって、滑らかな照射パターンを実現し、かつ、読取りの場合の精度を向上している。これに加えて、本実施形態の光照射装置１００では、照射パターンの分解能の向上、すなわち、ドットの微細化を実施している。以下、この点について説明する。

　図１２は、単位セル１０に照射スポット１２２が重なっている状態を示した図である。
　従来は、単位セルを光源からの光の照射スポットのサイズよりも十分に小さく構成して、単位セルを多数並べて配置した回折光学素子としていた。これにより、光の照射スポットが回折光学素子上のいずれの位置にあっても、同じ照射パターンが得られるように構成されていた。
　しかし、単位セルが小さくなると、その決められた領域内に配置可能な回折格子の数が少なくなり、その結果、照射スポットの解像度が下がってしまう。
　そこで、本実施形態では、単位セル１０の大きさを照射スポット１２２に対して十分大きくした。これにより、１つの単位セル１０内により多くの種類の回折格子を構成することが可能となり、照射スポットの解像度を高めることが可能となる。その一方で、単位セル１０の大きさを大きくしすぎると、単位セル１０状に照射スポット１２２が当たらない領域が多くなり、必要な光が出力されずに部分的にドットが欠けた状態の照射パターンとなることが想定される。したがって、単位セルの大きさは、適切な上限及び下限の範囲内に納めることが必要である。

　図１２に示したように、照射スポット１２２の短軸方向の長さをｒとし、照射スポット１２２の長軸方向の長さをＲとし、単位セル１０の短辺長さをｄとすると、以下の関係を満たすことが望ましい。
　ｒ／３＜ｄ＜１．５×Ｒ
　また、単位セル１０の長辺長さＤとすると、以下の２つの関係を双方満たすことがさらに望ましい。
　ｒ／３＜ｄ＜１．５×ｒ
　Ｒ／３＜Ｄ＜１．５×Ｒ
　上記各関係を満たすことにより、解像度が高いことにより滑らかであって、かつ、ドット欠けの少ない良好な照射パターンを得ることができる。

　ここで、光源から回折光学素子へ照射される光の照射スポットの外径とする位置は、照射スポットの輝度が均一であれば、境界を明確に判別できる。しかし、光源によっては、回折光学素子へ照射されるスポットに輝度分布が生じて、境界の判断基準が曖昧になるおそれがある。そのような場合には、例えば、ピーク輝度を１として、その半値の輝度となる位置を境界位置としてもよいし、１／ｅ^２の輝度となる位置を境界位置としてもよい。特にレーザ光源であれば、周辺の輝度が若干低下することはあるものの、比較的均一な輝度分布を持つことから、上記のような境界位置の決め方で、十分に適切なスポットの外径を把握することができる。
　また、光源によっては、単一の光源素子であっても複数のビームを照射するものもある。複数のビームが別々の位置に照射される場合には、個々の照射スポットについて、上記関係を満たすようにする。また、複数のビームが略１箇所に集中して照射される場合には、複数のビームをまとめてみたときの最大の外径について、上記関係を満たすようにする。

（検証実験）
　以上説明した本実施形態の光照射装置１００の効果を確認するために、複数種類の回折光学素子を用意して照射パターンを観察して比較する検証実験を行った。
　図１３は、検証実験における装置の配置を示す図である。
　回折光学素子１１０とスクリーン２００との距離は、１３００ｍｍとし、スクリーンから２４０ｍｍ離れた位置のカメラＣＡにより照射パターン３００の一部を拡大して撮影した。撮影した映像を目視による官能評価を行った。なお、今回の検証実験では、ｄ＝Ｄである正方形の単位セル１０を用いた。

　この回折光学素子から投影される照射パターンを観察するとき、照射されるスポットが独立して見えるようにすれば、回折光学素子の回折特性を正しく把握することができる。そのためには、先ず、できる限り正しくコリメートされたレーザ光源を用いるとよい。光源自体が広がって進むものだと、回折光学素子とスクリーンとの距離（以下、照射距離）を離しても照射されるスポットが重なってしまい、各スポットを分離して観察できないからである。例えば、光源単体として、１ｍ先に照射されるスポットの直径が３ｍｍ以下となる程度にコリメートされたレーザ光源が望ましく、照射されるスポット直径が２ｍｍ以下であるとさらに望ましい。

　このコリメートされた光源を用いて、照射距離は、できれば１ｍ以上離すと、通常の回折光学素子の場合には、各スポットを独立して観察することが可能である。しかし、高解像度（高分解能）の回折格子では、１ｍでは不十分の場合もあり、その場合には、照射されるスポットが独立して投影されるまで照射距離を長くするとよい。

　また、単位セル１０の短辺長さｄ（又は長辺長さＤ）と、光源の波長λとを用いて、回折格子の照射解像度（照射分解能）を角度θで表すと、以下の式により表すことができる。
　θ＝Ａｓｉｎ（λ／ｄ）
　又は
　θ＝Ａｓｉｎ（λ／Ｄ）
　例えば、波長０．８５ｎｍ、ｄ＝５００μｍとすると、θ＝０．０９７５ｄｅｇとなる。この分解能の回折光学素子が１ｍ先のスクリーンに照射する照射パターンにおいて隣り合うスポットの中心間距離＝１０００ｍｍ×ｔａｎ（０．０９７４ｄｅｇ）＝１．７ｍｍとして求めることができる。
　したがって、仮に詳細が不明な回折光学素子であったとしても、回折格子のパターンを解析して単位セルのサイズを求めれば、上記の計算によって適切な照射距離を設定でき、回折光学素子の照射スポット（照射パターン）を以下に示すように観察することができる。

　図１４は、照射パターンをぼかす効果を確認する検証実験の結果を写真とともに示した図である。
　図１５は、照射パターンをぼかす効果を確認する検証実験の結果をまとめた図である。
　図１６は、単位セルを照射スポットに対して相対的に大きくする効果を確認する検証実験の結果を写真とともに示した図である。
　図１７は、単位セルを照射スポットに対して相対的に大きくする効果を確認する検証実験の結果をまとめた図である。
　図１５及び１７中の判定において、Ａが最も良好な結果であることを示し、次いでＢ，Ｃの順に良好な結果であることを示し、Ｆは、非常に悪い結果であって使用に適さないと判断したことを示している。
　図１５を見てわかるように、単位セル１０を照射スポット１２２に対して相対的に大きくすると良好な結果が得られるが、さらに、ぼかしを加えた場合には非常によい結果が得られている。
　また、図１７を見てわかるように、単位セル１０を大きくしすぎると、ドット欠けが目立ってくることから、先に示した条件式の範囲内に単位セル１０の大きさを収めることが望ましい。

　図１８は、照射パターン３００の縦横比が大きい場合の照射スポット１２２の方向を示す図である。
　先の説明では、照射パターン３００は、縦横比が１：１である例を挙げて説明を行った。しかし、照射パターン３００の縦横比が大きい場合には、図１８のように配置することが望ましい。すなわち、照射スポット１２２の短軸方向は、単位セル１０の短辺が延在する方向に沿って配置されていることが望ましい。このように配置した方が、その他の方向に照射スポット１２２の短軸方向が向く場合よりも、照射パターン３００の形状がより滑らかになるからである。

　以上説明したように、本実施形態によれば、光照射装置１００は、照射パターンの段差を目立たなくすることができ、見た目においても自然な照射パターンを照射することができる。また、本実施形態の光照射装置１００によって照射された照射パターンは、輝度の重心位置を照射パターンの位置として特定することにより、より精度よく正確な読み取りが可能である。

（変形形態）
　以上説明した実施形態に限定されることなく、種々の変形や変更が可能であって、それらも本発明の範囲内である。

（１）本実施形態において、照射パターンをぼかすことと、単位セル１０を照射スポットに対して相対的に大きくして解像度を高めることとの、２種類の構成を組み合わせた例を挙げて説明した。これに限らず、例えば、これら２種類の構成の一方のみを実施してもよい。

（２）本実施形態において、単位セル１０は、４レベルの段差を有した回折格子を備えている例を挙げて説明した。これに限らず、例えば、単位セルが有する回折格子は、２レベルであってもよいし、８レベルや１６レベル等であってもよい。

（３）本実施形態において、線をぼかして重心位置を特定することとして説明した。これに限らず、例えば、円形や多角形等の図形をぼかした形態で照射して、その重心位置を特定してもよい。

（４）本実施形態において、回折光学素子は、高屈折率部のみで構成されている簡単な形態として示した。これに限らず例えば、高屈折率部を形成するための透明基材を設けてもよいし、低屈折率部１４を樹脂により構成してもよいし、回折層を被覆する被覆層を設けてもよい。

（５）本実施形態において、回折光学素子は、波長が８５０ｎｍの光を回折するように設計されている例を挙げて説明した。これに限らず、例えば、回折光学素子は、赤外光に限らず、可視光等、どのような波長の光を回折するものに本発明を適用してもよい。

（６）本各実施形態において、光照射装置は、波長が８５０ｎｍの光を照射するように設計されている例を挙げて説明した。これに限らず、例えば、光源が波長５００ｎｍの光を発光するものとしてもよいし、赤外光に限らず、可視光等、どのような波長の光を発光する光源を光照射装置に適用してもよい。

（７）本実施形態において、図３に示すような単純な形状を例に挙げて、回折光学素子１１０の断面形状を説明した。これに限らず、回折光学素子１１０の断面形状は、適宜変更可能である。
　図１９は、回折光学素子１１０の断面形状の変形形態を示す図である。
　例えば、図１９に示すように、傾斜部（例えば、図１９中の部位Ｈ）や、くびれ部（例えば、図１９中の部位Ｉ）や、窪み部（例えば、図１９中の部位Ｊ）や、隅Ｒ部（例えば、図１９中の部位Ｋ、Ｌ）等を設けてもよい。これらの形状を追加することにより、例えば、０次光の低減や、回折効率の向上を図ることが可能である。

（８）本実施形態において、光照射装置１００を単体で用いる形態を主として説明した。これに限らず、例えば、光照射装置１００とカメラ等のセンサとを備えた１つの装置として構成してもよい。この場合、例えば、図１３に示したカメラＣＡを光源１２０及び回折光学素子１１０とともに１つの筐体に保持するとよく、特に、カメラＣＡと回折光学素子１１０とを近付けて配置すると、照射パターンを斜めから撮影することがなく、精度よく測定等を行える。なお、カメラＣＡを光源１２０と一体化せず、別々に設けて測定システムを構築してもよい。また、カメラＣＡを複数設けた構成としてもよい。

　なお、実施形態及び変形形態は、適宜組合せて用いることもできるが、詳細な説明は省略する。また、本発明は以上説明した各実施形態によって限定されることはない。

１０　　単位セル
１１　　高屈折率部
１１ａ　凸部
１１ａ－１　レベル１段部
１１ａ－２　レベル２段部
１１ａ－３　レベル３段部
１１ａ－４　レベル４段部
１１ｂ　側壁部
１２　　凹部
１３　　空間
１４　　低屈折率部
１５　　回折層
１００　光照射装置
１１０　　回折光学素子
１２０　　光源
１２１　　光
１２２　　照射スポット
２００　　スクリーン
３００　　照射パターン
１３００　照射パターン（従来）

Claims (16)

1. 　複数の回折格子が形成されて特定の配光特性が得られるように構成された矩形形状の単位セルを有した回折光学素子であって、
   　当該回折光学素子を通過した光が、照射光量の異なる複数のドットの組合せにより照射パターンを形成するように、前記単位セルの回折格子が構成されている回折光学素子。
2. 　請求項１に記載の回折光学素子において、
   　当該回折光学素子を通過した光が、照射された面において照射パターンを形成し、
   　前記照射パターンが、隣り合うドットの輝度が異なる複数のドットの組合せにより構成されるように、前記単位セルの回折格子が構成されていること、
   　を特徴とする回折光学素子。
3. 　請求項１に記載の回折光学素子において、
   　前記照射パターンは、照射された面において線又は図形を形成し、
   　前記照射パターンは、線又は図形の中央側の照射光量が周辺側の照射光量よりも高くなるように、前記単位セルの回折格子が構成されていること、
   　を特徴とする回折光学素子。
4. 　請求項１に記載の回折光学素子において、
   　前記照射パターンが照射された面上で前記照射パターンを横断する方向における前記照射パターンの輝度分布は、ピークを持った多段階の分布を示すこと、
   　を特徴とする回折光学素子。
5. 　請求項１に記載の回折光学素子において、
   　前記単位セルが周期的に配列されて構成されていること、
   　を特徴とする回折光学素子。
6. 　請求項１に記載の回折光学素子において、
   　前記回折格子は、凹凸形状を有しており、前記凹凸形状が形成された面の法線方向から見て凸部と凹部との境界が曲線と複数の線分を繋げた折れ線との少なくとも一方を含むパターンを有すること、
   　を特徴とする回折光学素子。
7. 　光源と、
   　前記光源から光が照射される位置に配置された請求項１から請求項６までのいずれかに記載の回折光学素子と、
   　を備え、
   　前記光源から前記回折光学素子へ照射される光の照射スポットの短軸方向の長さをｒとし、上記照射スポットの長軸方向の長さをＲとし、前記単位セルの短辺長さをｄとすると、
   　ｒ／３＜ｄ＜１．５×Ｒ
   　の関係を満たす光照射装置。
8. 　請求項７に記載の光照射装置において、
   　前記単位セルの長辺長さＤとすると、
   　ｒ／３＜ｄ＜１．５×ｒ
   　及び
   　Ｒ／３＜Ｄ＜１．５×Ｒ
   　の双方の関係を満たすこと、
   　を特徴とする光照射装置。
9. 　請求項７に記載の光照射装置において、
   　前記照射スポットの短軸方向は、前記単位セルの短辺が延在する方向に沿って配置されていること、
   　を特徴とする光照射装置。
10. 　請求項７に記載の光照射装置によって照射された照射パターンの読取り方法であって、
    　前記照射パターンの輝度分布を認識可能な形態で前記照射パターンをデータ化して取得するステップと、
    　取得された前記照射パターンのデータについて、輝度分布の重心位置を前記照射パターンの位置として特定するステップと、
    　を備える照射パターンの読取り方法。
11. 　光源と、
    　前記光源から光が照射される位置に配置され、複数の回折格子が形成されて特定の配光特性が得られるように構成された矩形形状の単位セルを有した回折光学素子と、
    　を備え、
    　前記光源から前記回折光学素子へ照射される光の照射スポットの短軸方向の長さをｒとし、前記照射スポットの長軸方向の長さをＲとし、前記単位セルの短辺長さをｄとすると、
    　ｒ／３＜ｄ＜１．５×Ｒ
    　の関係を満たす光照射装置。
12. 　請求項１１に記載の光照射装置において、
    　前記単位セルの長辺長さＤとすると、
    　ｒ／３＜ｄ＜１．５×ｒ
    　及び
    　Ｒ／３＜Ｄ＜１．５×Ｒ
    　の双方の関係を満たすこと、
    　を特徴とする光照射装置。
13. 　請求項１１に記載の光照射装置において、
    　前記照射スポットの短軸方向は、前記単位セルの短辺が延在する方向に沿って配置されていること、
    　を特徴とする光照射装置。
14. 　請求項１１に記載の光照射装置において、
    　前記回折光学素子は、前記単位セルが周期的に配列されて構成されていること、
    　を特徴とする光照射装置。
15. 　請求項１１に記載の光照射装置において、
    　前記回折格子は、凹凸形状を有しており、前記凹凸形状が形成された面の法線方向から見て凸部と凹部との境界が曲線と複数の線分を繋げた折れ線との少なくとも一方を含むパターンを有すること、
    　を特徴とする光照射装置。
16. 　請求項１１に記載の光照射装置によって照射された照射パターンの読取り方法であって、
    　前記照射パターンの輝度分布を認識可能な形態で前記照射パターンをデータ化して取得するステップと、
    　取得された前記照射パターンのデータについて、輝度分布の重心位置を前記照射パターンの位置として特定するステップと、
    　を備える照射パターンの読取り方法。

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