WO2023032094A1 - 光学素子およびこれを用いた光学系装置 - Google Patents

光学素子およびこれを用いた光学系装置 Download PDF

Info

Publication number
WO2023032094A1
WO2023032094A1 PCT/JP2021/032171 JP2021032171W WO2023032094A1 WO 2023032094 A1 WO2023032094 A1 WO 2023032094A1 JP 2021032171 W JP2021032171 W JP 2021032171W WO 2023032094 A1 WO2023032094 A1 WO 2023032094A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
light
optical element
unevenness
diffusion range
recesses
Prior art date
Application number
PCT/JP2021/032171
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
小川大貴
縄田晃史
粟屋信義
田中覚
Original Assignee
Ｓｃｉｖａｘ株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Ｓｃｉｖａｘ株式会社 filed Critical Ｓｃｉｖａｘ株式会社
Priority to JP2023511563A priority Critical patent/JP7448272B2/ja
Priority to PCT/JP2021/032171 priority patent/WO2023032094A1/ja
Publication of WO2023032094A1 publication Critical patent/WO2023032094A1/ja

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/481—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/02—Diffusing elements; Afocal elements

Definitions

  • the present invention relates to an optical element and an optical system device using the same.
  • Three-dimensional measurement sensors using the time-of-flight (TOF) method are about to be adopted in mobile devices, cars, robots, etc. This measures the distance to an object from the time it takes for the light emitted from the light source to the object to be reflected and returned. If the light from the light source irradiates a predetermined area of the object uniformly, the distance at each irradiated point can be measured and the three-dimensional structure of the object can be detected.
  • TOF time-of-flight
  • the sensor system for this purpose consists of a light source unit that irradiates an object with a beam (light), a camera unit that detects the light reflected from each point of the object, and a calculation that calculates the distance of the object from the signals received by the camera. consists of
  • the unique part of the above system is the light source section consisting of the light source and diffusion filter (optical element).
  • Diffusion filters optical elements
  • which shape the beam by transmitting light, especially lasers, to uniformly irradiate the target in a controlled area are characteristic components of such systems.
  • DOE diffractive optical element
  • the microlens array used for the diffusion filter has an aspherical lens with a diameter of several 10 ⁇ m arranged over the entire surface of the filter.
  • a microlens array type diffusion filter is often designed by determining the basic shape of lenses based on geometrical optics and arranging them in an array so as to satisfy specifications such as the illumination angle. For example, since it is desirable that the irradiation angle of a diffusion filter for TOF matches the viewing angle of the camera, it often has a rectangular projection pattern such as 60 ⁇ 45 or 110 ⁇ 85. When it is desired to have a rectangular projection pattern, such a light distribution can be easily obtained by arranging basic patterns having circular symmetry in a grid pattern.
  • the microlens array has the disadvantage that it is difficult to spread light over a wide angle.
  • a VCSEL light source in which lasers are arranged periodically on a chip is combined with a diffusion filter composed of microlenses that are similarly arranged in a periodic manner, interference fringes are observed in the irradiation intensity due to the moire of the VCSEL period and the period of the microlenses. may occur.
  • the narrower the period of the microlens array the more likely speckle, in which light is concentrated in a specific place like a dot, is likely to occur due to the influence of light interference.
  • the microlens arrays are also randomly arranged in order to obtain optical characteristics that do not depend on the arrangement of the VCSELs (see Patent Document 1, for example).
  • an object of the present invention is to provide an optical element that has no discontinuous portions between lenses and suppresses the reduction in light efficiency and the occurrence of uneven light distribution due to scattering and the like.
  • an optical element of the present invention is capable of diffusing incident light into a predetermined diffusion range, and includes a transparent body having unevenness on at least one surface, the diffusion range being a predetermined diffusion range.
  • the unevenness has ridges and valleys without periodicity, the unevenness has a wavelength of the light of ⁇ and a refractive index of the transparent body of n 1 , where the refractive index of the medium surrounding the transparent body is n 0 , there is no portion where the slope of the unevenness changes by 180 degrees in the range of width ⁇ /(n 1 ⁇ n 0 ), and the unevenness is It is characterized in that 5% or less of the total area has a gradient that causes the incident light to be emitted to the area outside the diffusion range according to Snell's law.
  • the irregularities are preferably formed so that the light distribution calculated by Snell's law monotonically increases from the center of the diffusion range toward the boundary, and preferably the distribution calculated by Snell's law. It is preferable that the light distribution is formed so as to be proportional to cos - n ⁇ (1 ⁇ n ⁇ 7) from the center to the boundary of the diffusion range.
  • the unevenness preferably has a height of 2.5 times or more of ⁇ /(n 1 ⁇ n 0 ).
  • an optical system device of the present invention is characterized by comprising the optical element of the present invention and a light source for irradiating the optical element with light.
  • the optical element of the present invention and the optical system device using the same have few discontinuous portions between the lenses, and can suppress a decrease in light efficiency or uneven light distribution due to scattering or the like. can.
  • FIG. 1 is a schematic perspective view showing an optical element of the present invention
  • FIG. 1 is an enlarged cross-sectional view showing an optical element of the present invention
  • FIG. It is a figure explaining refraction of the optical element of the present invention.
  • 4 is a graph showing the relationship between the inclination angle ⁇ 1 of the uneven surface of the incident surface and the output angle ⁇ 4 of the light from the optical element 1.
  • FIG. 1 is a schematic plan view showing an optical system device of the present invention
  • FIG. 10 is a diagram showing the light intensity at the camera unit when the light intensity distribution P( ⁇ ) is proportional to cos ⁇ n ⁇ (n is 1 to 7) [P( ⁇ ) ⁇ cos ⁇ n ⁇ ].
  • FIG. 4A is a diagram showing the size of unevenness 11, (b) light distribution by ray tracing simulation, and (c) light distribution by electromagnetic field simulation.
  • FIG. 4A is a diagram showing the size of unevenness 11, (b) light distribution by ray tracing simulation, and (c) light distribution by electromagnetic field simulation.
  • FIG. 4A is a diagram showing the size of unevenness 11, (b) light distribution by ray tracing simulation, and (c) light distribution by electromagnetic field simulation.
  • FIG. 4A is a diagram showing the size of unevenness 11, (b) light distribution by ray tracing simulation, and (c) light distribution by electromagnetic field simulation.
  • FIG. 4A is a diagram showing the size of unevenness 11, (b) light distribution by ray tracing simulation, and (c) light distribution by electromagnetic field simulation.
  • FIG. 4A is a diagram showing the size of unevenness 11, (b) light distribution by ray tracing simulation, and (c) light distribution by electromagnetic field simulation.
  • FIG. 4A is a diagram showing the size of unevenness 11, (b) light distribution by ray tracing simulation, and (c) light distribution by electromagnetic field simulation.
  • the optical element 1 of the present invention will be described below.
  • the optical element 1 of the present invention can diffuse incident light into a predetermined diffusion range 91, as shown in FIG.
  • the diffusion range 91 is defined as the inside of a single closed curve 92 such as a polygon or an ellipse on a predetermined plane 90.
  • the predetermined plane 90 referred to here is a plane perpendicular to the optical axis of the light source that irradiates the optical element with light, and is at least 100 times larger than the size of the light emitted from the light source 2 when emitted from the optical element 1. Detached plane means.
  • the optical element 1 consists of a transparent body having unevenness 11 on at least one side, as shown in FIG.
  • the unevenness 11 has a plurality of non-periodic ridges and valleys.
  • ⁇ 4 g( ⁇ 1 )
  • the light distribution of the output light that is, the intensity distribution at the output angle ⁇ 4 has a one-to-one relationship with the frequency distribution at the incident angle ⁇ 1 .
  • the incident angle ⁇ 1 is the same as the inclination angle (gradient) of the uneven surface of the optical element 1, so the frequency distribution of the incident angle ⁇ 1 is the inclination angle of the uneven surface of the optical element 1.
  • the frequency distribution of FIG. 4 shows the relationship between the inclination angle ⁇ 1 of the uneven surface of the incident surface and the output angle ⁇ 4 of the light from the optical element 1 when the exit surface is flat and the incident surface is uneven.
  • y yo and ⁇ z/ ⁇ y
  • y yo ))) becomes.
  • x xo ))) becomes.
  • the unevenness 11 should be designed by calculating the frequency distribution of the tilt angles (gradients) of the surface of the optical element 1 .
  • the unevenness 11 is calculated according to Snell's law, 5% or less, preferably 3% or less of the entire area has a gradient that causes the incident light to be emitted to the area outside the diffusion range 91.
  • it should be designed to be 1% or less.
  • the unevenness 11 should have a height of at least 2.5 times ⁇ /(n 1 ⁇ n 0 ), preferably 5 times or more, and more preferably 10 times or more. Better.
  • the height of the unevenness 11 here means the difference between the highest peak and the lowest valley of the unevenness 11 .
  • the width is ⁇ /( n 1 ⁇ n 0 ), preferably 2 times or less, more preferably 3 times or less.
  • the width means the width in the direction perpendicular to the z-axis direction (the direction parallel to the incident surface or the exit surface).
  • a general sensor system as shown in FIG. It consists of a camera unit 30 that detects light and a calculation unit 40 that calculates the distance to an object from the signal received by the camera unit 30.
  • FIG. the light intensity that is reflected at a wider angle and is incident on the camera unit 30 becomes lower. Therefore, it is preferable that the light distribution of the light from the light source unit 20 has a higher light intensity as the angle ⁇ increases so that the camera can also detect light incident from a wide angle. That is, it is preferable that the light distribution in the far-field from the light source unit 20 has a distribution in which the intensity increases as the angle ⁇ increases.
  • the unevenness 11 is preferably formed so that the light distribution calculated by Snell's law monotonically increases from the center of the diffusion range 91 toward the boundary.
  • the unevenness 11 of the optical element 1 may be designed so that the frequency distribution of the tilt monotonously increases as the tilt increases.
  • the center of the diffusion range 91 means the position of the intersection of the optical axis of the light source 2 and the diffusion range 91 when the optical element 1 of the present invention is vertically irradiated with light from the light source 2.
  • the boundary of the diffusion range 91 is a portion corresponding to the closed curve 92 described above, and means the position of the maximum peak in the light distribution intensity distribution in the cross section.
  • the light intensity distribution P( ⁇ ) in the far-field from the light source unit 20 must be proportional to cos ⁇ 7 ⁇ [P( ⁇ ) ⁇ cos ⁇ 7 ⁇ ]. Therefore, it is most preferable that the light distribution of the light emitted from the light source 2 and transmitted through the optical element 1 is proportional to cos ⁇ 7 ⁇ .
  • FIG. 6 shows the light intensity distribution P( ⁇ ) in the far-field from the light source unit 20 in an optical system in which the light emitted from the light source unit 20 is reflected on the screen and returned to the camera by cos - n ⁇ .
  • 7 is a graph showing the intensity of light returning to the camera section calculated with respect to the incident angle ⁇ when proportional to (n is 1 to 7) [P( ⁇ ) ⁇ cos ⁇ n ⁇ ]. It can be seen that the larger the incident angle, the smaller the light intensity, but the larger the n, the smaller the difference. Also, it can be seen that if the light intensity distribution P( ⁇ ) is made proportional to cos ⁇ 7 ⁇ [P( ⁇ ) ⁇ cos ⁇ 7 ⁇ ], the intensity of the light returning to the camera becomes uniform with respect to the angle ⁇ .
  • the unevenness 11 of the optical element 1 is formed so that the light distribution calculated by Snell's law is proportional to cos - n ⁇ (1 ⁇ n ⁇ 7) from the center of the diffusion range 91 toward the boundary. is better, preferably formed to be proportional to cos ⁇ 7 ⁇ .
  • the frequency distribution of the inclination of the unevenness 11 of the optical element 1 is formed to be proportional to cos -n ⁇ (1 ⁇ n ⁇ 7), preferably to cos -7 ⁇ . be done.
  • FREQUENCY ((n ⁇ 1) (arctan ( ⁇ z/ ⁇ y
  • x xo )).
  • the size of the diffusion filter is small.
  • the steps of the unevenness 11 be small.
  • the pattern size is reduced and the size of the crests and valleys becomes closer to the wavelength of light, the wave nature of light cannot be ignored, and structural design to obtain the desired light distribution needs to be corrected as a wave. become. This point will be described with reference to FIGS. 7 to 12.
  • n 1 be the refractive index of the transparent body
  • n 0 be the refractive index of the medium surrounding the transparent body.
  • similar shape and the height of the unevenness 11 is ⁇ / (n 1 - n 0 ) 5 times or less (Fig. 7), 10 times or more (Fig. 8), 25 times or more (Fig. 9), 40 times or more ( 10), 50 times or more (FIG. 11), and 65 times or more (FIG. 12).
  • the refractive index n 1 of the optical element 1 is 1.53, the refractive index n 0 was 1.
  • the wavelength of incident light to the optical element 1 was 630 nm, and the unevenness 11 used had a light distribution proportional to cos ⁇ 7 ⁇ .
  • the height of the unevenness 11 here means the difference between the highest peak and the lowest valley of the unevenness 11.
  • Figures 7 to 12 (b) are ray tracings ignoring wave properties.
  • Figures 7 to 12 (c) are the results obtained by electromagnetic field simulation taking into account the properties of waves.
  • the unevenness 11 is large in that the influence of the properties of light as a wave can be reduced.
  • the unevenness 11 should have a height of at least 5 times ⁇ /(n 1 ⁇ n 0 ), preferably 10 times or more, and more preferably 25 times or more. good.
  • the exit surface is flat and the entrance surface is uneven, but conversely, the entrance surface may be flat and the exit surface may be uneven. Further, as long as it can be designed so that the incident light can be emitted within the diffusion range 91 according to Snell's law, it is not necessary that one of the surfaces be flat, and curved surfaces such as arches or spheres may be used. It is also possible to form
  • the optical system device of the present invention is mainly composed of the above-described optical element 1 of the present invention and a light source 2 for irradiating the optical element 1 with light.
  • the light source 2 is one that emits collimated light, but it is not limited to this, and any light source that can irradiate the optical element 1 with light may be used.
  • a Vertical Cavity Surface Emitting Laser (VCSEL) or an LED can be used.
  • the light source 2 may be arranged so that the optical element 1 can be irradiated with the light from the light source 2 .
  • the optical system device of the present invention has a camera unit 30 for detecting light reflected from each point of the object 10, and a calculation unit 40 for calculating the distance of the object from the signal received by the camera unit 30. You may have

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Optical Elements Other Than Lenses (AREA)

Abstract

各レンズ同士の間に非連続な部分がなく、散乱等によって光効率が低下したり配光むらが生じたりすることを抑制した光学素子を提供することを目的とする。　入射した光を所定の拡散範囲に拡散可能なものであって、少なくとも片面に凹凸を有する透明体を含み、前記拡散範囲は、所定の平面における単一の閉曲線の内部として規定され、前記凹凸は、周期性を持たない稜部と谷部を有し、前記凹凸は、前記光の波長をλ、前記透明体の屈折率をｎ１、当該透明体の周囲の媒質の屈折率をｎ０とすると、幅がλ／（ｎ１－ｎ０）の範囲において前記凹凸の勾配が１８０度変化する部分を有さず、前記凹凸は、スネルの法則によって入射光を前記拡散範囲外の領域に出射させるような勾配を有する領域が全領域の５％以下である光学素子。

Description

光学素子およびこれを用いた光学系装置
　本発明は、光学素子およびこれを用いた光学系装置に関するものである。
　タイムオブフライト（ＴＯＦ）法を用いた３次元計測センサが携帯機器、車、ロボット等に採用されようとしている。これは、光源から対象物に照射された光が反射され戻って来るまでの時間から対象物の距離を計測するものである。光源からの光が対象物の所定の領域に均一に照射されていれば、照射されている各点における距離を測定でき対象物の立体構造が検知できることになる。
　このためのセンサーシステムは、対象物にビーム（光）を照射する光源部と対象物の各点から反射してきた光を検知するカメラ部及びカメラが受光した信号から対象物の距離を算出する演算部からなる。
　カメラ部と演算部は既存のＣＭＯＳイメージャとＣＰＵを使用できるため、上記システムの独自の部分は光源と拡散フィルタ（光学素子）からなる光源部となる。特にレーザ等の光を透過させることでビームを整形し、対象物に対して制御された領域での均一な照射を行う拡散フィルタ（光学素子）は、上記システムの特徴的な部品となる。
　このような配光制御を行う拡散フィルタ（Diffuser）としては、回折光学素子（ＤＯＥ）を用いる方法とマイクロレンズアレイを用いる方法が知られている。しかし、ＤＯＥを用いる方法は制御できない散乱光が多く、光の利用効率が悪くなることが知られている。
　一方、拡散フィルタに用いるマイクロレンズアレイは直径数１０μｍの非球面レンズをフィルタ全面に配置したものである。マイクロレンズアレイ型の拡散フィルタは、照射角をはじめとした仕様を満たすよう幾何光学に基づいて基本形状となるレンズを決定し、それらをアレイ状に配置することで設計されることが多い。例えば、ＴＯＦ用の拡散フィルタの照射角はカメラの視野角と一致することが望ましいため、６０×４５や１１０×８５などの長方形の投影パターンを持つ場合が多い。長方形の投影パターンを持たせたい場合、円対象の形状を持つ基本パターンを格子状に配置することで簡単にそうした配光分布を持たせることができる。
　しかしながら、マイクロレンズアレイは、光を広角に広げることが難しいという欠点がある。また、チップ上に周期的にレーザが配列されたＶＣＳＥＬ光源に同じく周期的に配置されたマイクロレンズからなる拡散フィルタを組み合わせた場合、ＶＣＳＥＬの周期とマイクロレンズの周期のモアレによって照射強度に干渉縞が生じることがある。これを抑えるためには、ＶＣＳＥＬ周期を考慮したマイクロレンズの配置に設計する必要がある。例えば、マイクロレンズアレイの周期を一般的なＶＣＳＥＬの周期に比べて十分に小さくする必要がある。しかし、マイクロレンズアレイの周期が狭くなるほど、光の干渉の影響による特定の場所に光がドットのように集中するスペックルが発生しやすくなる。
　また、マイクロレンズアレイを用いた拡散フィルタにおいて、ＶＣＳＥＬの配置に依存しない光学特性を得るために、マイクロレンズアレイをランダムに配置することも行われている（例えば、特許文献１参照）。
特表２００６－５００６２１
　しかし、マイクロレンズアレイをランダムに配置する場合、各レンズ同士の間に非連続な部分が生じ、散乱等によって、光配光分布に寄与しない光が生じるため、光効率が低下したり、光配光分布にむらが生じたりする問題がある。
　そこで本発明は、各レンズ同士の間に非連続な部分がなく、散乱等によって光効率が低下したり配光むらが生じたりすることを抑制した光学素子を提供することを目的とする。
　上記目的を達成するために、本発明の光学素子は、入射した光を所定の拡散範囲に拡散可能なものであって、少なくとも片面に凹凸を有する透明体を含み、前記拡散範囲は、所定の平面における単一の閉曲線の内部として規定され、前記凹凸は、周期性を持たない稜部と谷部を有し、前記凹凸は、前記光の波長をλ、前記透明体の屈折率をｎ１、当該透明体の周囲の媒質の屈折率をｎ０とすると、幅がλ／（ｎ１－ｎ０）の範囲において前記凹凸の勾配が１８０度変化する部分を有さず、前記凹凸は、スネルの法則によって入射光を前記拡散範囲外の領域に出射させるような勾配を有する領域が全領域の５％以下であることを特徴とする。
　この場合、前記凹凸は、スネルの法則によって計算される配光分布が前記拡散範囲の中央から境界に向けて単調増加するように形成される方が良く、好ましくはスネルの法則によって計算される配光分布が前記拡散範囲の中央から境界に向けてcos－ｎθ（１≦ｎ≦７）に比例するように形成される方がよい。
　前記凹凸は、λ／（ｎ１－ｎ０）の２．５倍以上の高さを有する方が好ましい。
　また、本発明の光学系装置は、本発明の光学素子と、前記光学素子に光を照射する光源と、を具備することを特徴とする。
　本発明の光学素子およびこれを用いた光学系装置は、各レンズ同士の間に非連続な部分が少なく、散乱等によって光効率が低下したり配光むらが生じたりすることを抑制することができる。
本発明の光学素子を示す概略斜視図である。 本発明の光学素子を示す拡大断面図である。 本発明の光学素子の屈折を説明する図である。 入射面の凹凸表面の傾き角θ１と光学素子１からの光の出射角θ４との関係を示すグラフである。 本発明の光学系装置を示す概略平面図である。 光強度分布Ｐ（θ）をcos－ｎθ（ｎは１～７）に比例［Ｐ（θ）∝cos－ｎθ］させた場合のカメラ部での光強度を示す図である。 （ａ）凹凸11の大きさと、その際の（ｂ）光線追跡シミュレーションによる配光分布と、（ｃ）電磁界シミュレーションによる配光分布を示す図である。 （ａ）凹凸11の大きさと、その際の（ｂ）光線追跡シミュレーションによる配光分布と、（ｃ）電磁界シミュレーションによる配光分布を示す図である。 （ａ）凹凸11の大きさと、その際の（ｂ）光線追跡シミュレーションによる配光分布と、（ｃ）電磁界シミュレーションによる配光分布を示す図である。 （ａ）凹凸11の大きさと、その際の（ｂ）光線追跡シミュレーションによる配光分布と、（ｃ）電磁界シミュレーションによる配光分布を示す図である。 （ａ）凹凸11の大きさと、その際の（ｂ）光線追跡シミュレーションによる配光分布と、（ｃ）電磁界シミュレーションによる配光分布を示す図である。 （ａ）凹凸11の大きさと、その際の（ｂ）光線追跡シミュレーションによる配光分布と、（ｃ）電磁界シミュレーションによる配光分布を示す図である。
　以下に、本発明の光学素子１について説明する。本発明の光学素子１は、図１に示すように、入射した光を所定の拡散範囲91に拡散可能なものである。
　ここで、拡散範囲91とは、所定の平面90において、例えば多角形や楕円等の単一の閉曲線92の内部として規定される。また、ここでいう所定の平面90とは、光学素子に光を照射する光源の光軸と垂直な平面であって、当該光源２の出射時の光サイズの少なくとも１００倍以上、光学素子１から離れた平面を意味する。
　光学素子１は、図２に示すように、少なくとも片面に凹凸11を有する透明体からなる。当該凹凸11は、周期性を持たない複数の稜部と谷部を有する。
　凹凸11は、スネルの法則によって入射光を拡散範囲91内に屈折させるように形成される。これについて図３を用いて説明する。ここでは説明を簡単にするために、出射面19が平面（ｘｙ平面）で、入射面18にｚ=ｆ（ｘ，ｙ）で規定される凹凸11を有する光学素子１について考える。また、ここでは、ｘｙ平面に垂直な光が入射面に入射するものとする。
　まず、光学素子１の入射面18に対する光の入射角θ１と光学素子１内における屈折光の屈折角θ２はスネルの法則から、sinθ1＝ｎsinθ2の関係が成り立つ。また同様に、光学素子１の出射面19への入射角θ３と外部への出射光の屈折角θ４の間にもスネルの法則が成り立つ。したがって、光学素子１の屈折率をｎとすると、sinθ1＝ｎsinθ2、ｎsinθ3＝sinθ4が成り立つ。また、図２に示すように、θ3＝θ１－θ2である。すなわち、出射角θ4は、光学素子１の入射面18と出射面19のスネルの法則から計算できることから、θ４＝ｇ(θ１）と表すことができる。例えば、入射角θ１が十分に小さく、θ１＝ｎθ２、ｎθ3＝θ4と近似できる場合、θ４＝（ｎ－１）θ１と表すことができる。
　このように、出射光の配光分布すなわち出射角θ４の強度分布は、入射角θ1の頻度分布と１対１の関係となる。また、図３に示すように、入射角θ1は、光学素子１の凹凸表面の傾き角（勾配）と同じであるから、入射角θ１の頻度分布は光学素子１の凹凸表面の傾き角の頻度分布に対応する。出射面が平面で入射面に凹凸がある場合における入射面の凹凸表面の傾き角θ１と光学素子１からの光の出射角θ４との関係を図４に示す。
　また、ｚのｘとｙに対する偏微分∂ｚ／∂ｘ|ｙ＝ｙｏ、∂ｚ／∂ｙ|ｘ＝ｘｏは、それぞれｙ＝ｙｏ、ｘ＝ｘｏの面で切った時の傾きを表す。したがって、光が光学素子１の入射面に垂直に入射する時のｙ＝ｙｏ面の入射角をθｉｘ、ｘ＝ｘｏ面における入射角をθｉｙとすると、tanθｉｘ＝∂ｚ／∂ｘ|ｙ＝ｙｏ、tanθｉｙ＝∂ｚ／∂ｙ|ｘ＝ｘｏであるから、θｉｘ＝arctan（∂ｚ／∂ｘ|ｙ＝ｙｏ）、θｉｙ＝arctan（∂ｚ／∂ｙ|ｘ＝ｘｏ）で表すことができる。
　一方、光学素子１から出射する光のｙ=ｙｏ面の出射角をθｏｘ、ｘ＝ｘｏ面における出射角をθｏｙとすると、上述したように、入射角θｉｘと出射角θｏｘ、入射角θｉｙと出射角θｏｙとの間にはスネルの法則が成り立つことから、θｏｘ＝g（θｉｘ）、θｏｙ＝g（θｉｙ）で表すことができる。
　また、出射光の配光強度分布ｈ（θｏ）はθｏの頻度関数FREQUENCY（θ）を用いると、ｈ（θｏ）＝FREQUENCY（θｏ）となる。したがって、これらの関係を組み合わせるとｘ方向の配光強度分布ｈ（θｏｘ）は、
ｈ（θｏｘ）＝FREQUENCY（θｏｘ）＝FREQUENCY（ｇ（θｉｘ））＝FREQUENCY（g（arctan（∂ｚ／∂ｘ|ｙ＝ｙｏ）））
となる。
同様に、ｙ方向の配光強度分布ｈ（θｏｙ）は、
ｈ（θｏｙ）＝FREQUENCY（θｏｙ）＝FREQUENCY（ｇ（θｉｙ））＝FREQUENCY（g（arctan（∂ｚ／∂ｙ|ｘ＝ｘｏ）））
となる。
　以上より、所定の配光強度分布を実現するには、光学素子１表面の傾き角（勾配）の頻度分布を計算して凹凸11を設計すればよい。この際、当該凹凸11は、スネルの法則によって計算した場合に、入射光を拡散範囲91外の領域に出射させるような勾配を有する領域が全領域の５％以下、好ましくは３％以下、更に好ましくは１％以下となるように設計する方がよい。
　なお、光学素子１がディフューザーとして機能するためには、光学素子１に入射する光の真空中の波長をλ、透明体の屈折率をｎ１、当該透明体の周囲の媒質の屈折率をｎ０とすると、凹凸11が、少なくともλ／（ｎ１－ｎ０）の２．５倍以上の高さを有する方がよく、好ましくは５倍以上、更に好ましくは１０倍以上の高さを有するほうがよい。なお、ここでいう凹凸11の高さとは、凹凸11の一番高い陵と一番低い谷の差を意味する。
　また、凹凸11に勾配が急激に変化する部分を有すると、散乱や回折等の影響を受ける点で好ましくない。したがって、凹凸11の勾配は緩やかに変化する方が好ましい。具体的には、光学素子１に入射する光の真空中の波長をλ、透明体の屈折率をｎ１、当該透明体の周囲の媒質の屈折率をｎ０とすると、幅がλ／（ｎ１－ｎ０）の１倍以下、好ましくは２倍以下、更に好ましくは３倍以下の範囲において凹凸11の勾配が１８０度変化する部分を有さないように形成される。ここで幅とは、上記ｚ軸方向に対して垂直な方向（入射面又は出射面に平行な方向）の幅を意味する。
　また、一般的なセンサーシステムは、図５に示すように、主に光学素子１と光源２とからなり対象物10に光を照射する光源部20と、対象物10の各点から反射してきた光を検知するカメラ部30と、カメラ部30が受光した信号から対象物の距離を算出する演算部40とからなる。ここで、広角で反射してカメラ部30に入射した光ほど光強度が低くなる。したがって、広角から入射した光もカメラで良好に感知するためには、光源部20の光の配光は角度θが大きいほど光強度が高いことが好ましい。すなわち光源部20からの遠方界（far-field）での光の配光は、角度θが大きい程、強度が高くなる分布になっていることが好ましい。したがって、少なくとも凹凸11は、スネルの法則によって計算される配光分布が拡散範囲91の中央から境界に向けて単調増加するように形成される方が好ましい。このためには、上述したように、光学素子１の凹凸11は、傾きの頻度分布が、傾きの増加とともに単調増加するように設計すればよい。
　なお、本明細書において、拡散範囲91の中央とは、光源２の光を本発明の光学素子１に垂直に照射した場合において、当該光源２の光軸と拡散範囲91との交点の位置を意味する。また、拡散範囲91の境界とは、上述した閉曲線92に相当する部分で、断面における配光強度分布においては、最大ピークの位置を意味する。
　また、光源２から出た光がスクリーンに反射してカメラに戻る光学系において、スクリーンにおける反射がランバート反射であるとすると、カメラに戻る光の強度を角度θに対して均一にするためには、光源部20からの遠方界（far-field）での光強度分布Ｐ（θ）をcos－７θに比例［Ｐ（θ）∝cos－７θ］させる必要がある。このため光源２から出て光学素子１を透過した光の配光分布はcos－７θに比例させることが最も好ましい。
　図６は、光源部20から出た光がスクリーンに反射してカメラに戻る光学系において、光源部20からの遠方界（far-field）での光強度分布Ｐ（θ）をcos－ｎθ（ｎは１～７）に比例［Ｐ（θ）∝cos－ｎθ］させた場合に、カメラ部に戻る光の強度を入射角θに対して計算したグラフである。入射角が大きいほど光強度は小さいが、ｎが大きいほどその差は小さくなることがわかる。また、光強度分布Ｐ（θ）をcos－７θに比例［Ｐ（θ）∝cos－７θ］させると、カメラに戻る光の強度は角度θに対して均一になることがわかる。
　ただし、光を広角に広げる照射を行う場合、完全にcos－７θに比例させるのは難しいため、カメラの感度上cos－ｎθ（１≦ｎ≦７）に比例させた光強度分布でも許容できる。
　したがって、光学素子１の凹凸11は、スネルの法則によって計算される配光分布が拡散範囲91の中央から境界に向けてcos－ｎθ（１≦ｎ≦７）に比例するように形成される方がよく、好ましくは、cos－７θに比例するように形成される方がよい。このためには、光学素子１の凹凸11の傾きの頻度分布は、cos－ｎθ（１≦ｎ≦７）に比例するように形成され、好ましくは、cos－７θに比例するように形成される。
　具体的には、もし－ａ≦θｏｘ≦ａにおいてｈ（θｏｘ）がｃｏｓ－ｎθｏｘに比例するならば、FREQUENCY（g（arctan（∂ｚ／∂ｘ|ｙ＝ｙｏ）））＝ｃｏｓ－ｎθｏｘ＝ｃｏｓ－ｎ（g（arctan（∂ｚ／∂ｘ|ｙ＝ｙｏ）））となる。また、同様に、もし－ｂ≦θｏｙ≦ｂにおいてｈ（θｏｙ）がｃｏｓ－ｎθｏｙに比例するならば、FREQUENCY（g（arctan（∂ｚ／∂ｙ|ｘ＝ｘｏ）））＝ｃｏｓ－ｎθｏｙ＝ｃｏｓ－ｎ（g（arctan（∂ｚ／∂ｙ|ｘ＝ｘｏ）））となる。
　また上述したように、スネルの関係を満たし、入射角θ１が十分に小さく、θ１＝ｎθ２、ｎθ３＝θ４と近似できる場合、θ４＝（ｎ－１）θ１であるから、θｉ＝（ｎ－１）θｏと表すことができる。したがって、FREQUENCY（（ｎ－１）（arctan（∂ｚ／∂ｘ|ｙ＝ｙｏ）））＝ｃｏｓ－ｎθｏｘ＝ｃｏｓ－ｎ（（ｎ－１）arctan（∂ｚ／∂ｘ|ｙ＝ｙｏ））となる。また、同様に、FREQUENCY（（ｎ－１）（arctan（∂ｚ／∂ｙ|ｘ＝ｘｏ）））＝ｃｏｓ－ｎθｏｙ＝ｃｏｓ－ｎ（（ｎ－１）arctan（∂ｚ／∂ｙ|ｘ＝ｘｏ））となる。
　また、スマートフォンの３Ｄセンシングなど、モバイル系の部品として利用する場合、拡散フィルタ（Diffuser）の大きさは小さいものが好ましい。また、成型の容易さや生産性を考えると凹凸11の段差は小さい方が好ましい。しかし、パターンサイズを縮小し、陵や谷のサイズが光の波長に近くなると光の波としての性質を無視できなくなり、所望の配光分布を得るための構造設計にも波としての補正が必要になる。この点について、図７～図１２を用いて説明する。
　光学素子１に入射する光の真空中の波長をλ、透明体の屈折率をｎ１、当該透明体の周囲の媒体の屈折率をｎ０とすると、図７～図１２の（ａ）は、相似形であって凹凸11の高さがλ／（ｎ１－ｎ０）の５倍以下（図７）、１０倍以上（図８）、２５倍以上（図９）、４０倍以上（図１０）、５０倍以上（図１１）、６５倍以上（（図１２）である６種類の凹凸11をもつ光学素子１を示すものである。ここで、光学素子１の屈折率ｎ１は１．５３、屈折率ｎ０は１とした。また、光学素子１への入射光の波長は６３０ｎｍとした。また、凹凸11は、配光分布がcos－７θに比例するものを用いた。なお、ここでいう凹凸11の高さとは、凹凸11の一番高い陵と一番低い谷の差を意味する。図７～１２の（ｂ）は、波としての性質を無視した光線追跡シミュレーションによる結果である。また、図７～１２の（ｃ）は、波としての性質を考慮に入れた電磁界シミュレーションで得られた結果である。
　シミュレーションの結果、屈折光学系による光線追跡シミュレーションでは、凹凸11のサイズが異なっても配光分布に変化はないが、電磁界シミュレーションでは、凹凸11のサイズによって配光分布が変化していることがわかる。具体的には、凹凸11のサイズを小さくする程、波動光学的影響が大きくなり、光線追跡シミュレーションと電磁界シミュレーションで配光分布の差が大きくなる。したがって、凹凸11は大きい方が光の波としての性質の影響が少なくできる点で好ましい。具体的には、凹凸11は、少なくともλ／（ｎ１－ｎ０）の５倍以上の高さを有する方がよく、好ましくは１０倍以上、更に好ましくは２５倍以上の高さを有するほうがよい。
　なお、上記説明では、出射面が平面で入射面に凹凸がある場合について説明したが、逆に入射面が平面で出射面に凹凸があってもよい。また、スネルの法則によって入射光を拡散範囲91内に出射できるように設計できれば、いずれか一方の面が平面である必要はなく、アーチ状や球面状のような曲面でもよいし、両面に凹凸を形成することも可能である。
　次に、本発明の光学系装置について説明する。本発明の光学系装置は、図５に示すように、上述した本発明の光学素子１と、当該光学素子１に光を照射する光源２と、で主に構成される。
　光源２は、上記説明では、コリメート光を照射するものについて説明したが、これに限られるものではなく、光学素子１に光を照射できるものであればどのようなものでもよい。例えば、垂直共振面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）やＬＥＤを用いることができる。光源２は、光学素子１に光源２の光を照射できるように配置すればよい。
　また、本発明の光学系装置は、対象物10の各点から反射してきた光を検知するカメラ部30や、当該カメラ部30が受光した信号から対象物の距離を算出する演算部40を有していてもよい。
　１　光学素子
　２　光源
　11　凹凸
　91　拡散範囲
　92　閉曲線

Claims (5)

  1. 　入射した光を所定の拡散範囲に拡散可能な光学素子であって、
    　少なくとも片面に凹凸を有する透明体を含み、
    　前記拡散範囲は、所定の平面における単一の閉曲線の内部として規定され、
    　前記凹凸は、周期性を持たない複数の稜部と谷部を有し、
    　前記凹凸は、前記光の波長をλ、前記透明体の屈折率をｎ１、当該透明体の周囲の媒質の屈折率をｎ０とすると、幅がλ／（ｎ１－ｎ０）の範囲において前記凹凸の勾配が１８０度変化する部分を有さず、
    　前記凹凸は、スネルの法則によって入射光を前記拡散範囲外の領域に出射させるような勾配を有する領域が全領域の５％以下であることを特徴とする光学素子。
  2. 　前記凹凸は、スネルの法則によって計算される配光分布が前記拡散範囲の中央から境界に向けて単調増加するように形成されることを特徴とする請求項１記載の光学素子。
  3. 　前記凹凸は、スネルの法則によって計算される配光分布が前記拡散範囲の中央から境界に向けてcos－ｎθ（１≦ｎ≦７）に比例するように形成されることを特徴とする請求項２記載の光学素子。
  4. 　前記凹凸は、λ／（ｎ１－ｎ０）の２．５倍以上の高さを有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素子。
  5. 　請求項１ないし４のいずれかに記載の光学素子と、
    　前記光学素子に光を照射する光源と、
    を具備することを特徴とする光学系装置。
PCT/JP2021/032171 2021-09-01 2021-09-01 光学素子およびこれを用いた光学系装置 WO2023032094A1 (ja)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2023511563A JP7448272B2 (ja) 2021-09-01 2021-09-01 光学素子およびこれを用いた光学系装置
PCT/JP2021/032171 WO2023032094A1 (ja) 2021-09-01 2021-09-01 光学素子およびこれを用いた光学系装置

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/JP2021/032171 WO2023032094A1 (ja) 2021-09-01 2021-09-01 光学素子およびこれを用いた光学系装置

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2023032094A1 true WO2023032094A1 (ja) 2023-03-09

Family

ID=85410963

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2021/032171 WO2023032094A1 (ja) 2021-09-01 2021-09-01 光学素子およびこれを用いた光学系装置

Country Status (2)

Country Link
JP (1) JP7448272B2 (ja)
WO (1) WO2023032094A1 (ja)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2004021052A1 (ja) * 2002-08-30 2004-03-11 Kimoto Co., Ltd. 光制御フィルム
JP2006500621A (ja) 2002-09-20 2006-01-05 コーニング・インコーポレーテッド 光線成形及び均一化のためのランダムマイクロレンズアレイ
WO2017010257A1 (ja) * 2015-07-16 2017-01-19 デクセリアルズ株式会社 拡散板、表示装置、投影装置及び照明装置

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2004021052A1 (ja) * 2002-08-30 2004-03-11 Kimoto Co., Ltd. 光制御フィルム
JP2006500621A (ja) 2002-09-20 2006-01-05 コーニング・インコーポレーテッド 光線成形及び均一化のためのランダムマイクロレンズアレイ
WO2017010257A1 (ja) * 2015-07-16 2017-01-19 デクセリアルズ株式会社 拡散板、表示装置、投影装置及び照明装置

Also Published As

Publication number Publication date
JPWO2023032094A1 (ja) 2023-03-09
JP7448272B2 (ja) 2024-03-12

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9036158B2 (en) Pattern projector
KR102439748B1 (ko) 광학 소자 및 광학 시스템
JP6070274B2 (ja) 拡散素子、照明光学系および計測装置
JP6186679B2 (ja) 照明光学系、計測装置及びそれに用いられる回折光学素子
JP7061823B2 (ja) 光学系装置および光学素子製造方法
KR20200097779A (ko) 광학 시스템
CN113767249A (zh) 照明装置
US20190121154A1 (en) Laser projection device
JP5361903B2 (ja) オプトエレクトロニクス装置および画像記録装置
WO2023032094A1 (ja) 光学素子およびこれを用いた光学系装置
JP2016191839A (ja) 光学素子、投影装置および計測装置
US20210325686A1 (en) Diffractive optical element with collimator function
EP4025930B1 (en) Spot pattern projector for solid-state lidar system
CN118159878A (zh) 光学元件及使用其的光学系统装置
TW202118177A (zh) 光源、感測器及照明場景的方法
TWI838490B (zh) 基於飛行時間的三維感測系統
WO2024029616A1 (ja) 光学素子、光学系装置および光学系装置の製造方法
WO2023026987A1 (ja) 光学系装置
TWI728307B (zh) 光學裝置
WO2024117157A1 (ja) 拡散板、発光デバイス及びセンサモジュール
JP2024026011A (ja) 光学系装置および光学素子製造方法
TW202101027A (zh) 基於飛行時間的三維感測系統
CN117120771A (zh) 照明装置、透镜、扩散元件与透镜的组件以及行驶体
CN111580281A (zh) 光学装置
WO2022223738A1 (en) Optical tilt sensor

Legal Events

Date Code Title Description
ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2023511563

Country of ref document: JP

Kind code of ref document: A

121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 21955983

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2021955983

Country of ref document: EP

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2021955983

Country of ref document: EP

Effective date: 20240402