WO2023090435A1 - 光学系装置および光学素子製造方法 - Google Patents

光学系装置および光学素子製造方法 Download PDF

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WO2023090435A1
WO2023090435A1 PCT/JP2022/042921 JP2022042921W WO2023090435A1 WO 2023090435 A1 WO2023090435 A1 WO 2023090435A1 JP 2022042921 W JP2022042921 W JP 2022042921W WO 2023090435 A1 WO2023090435 A1 WO 2023090435A1
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optical element
adhesive
distance
irradiation unit
light
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PCT/JP2022/042921
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English (en)
French (fr)
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縄田晃史
中村智宣
楊哲
野崎剛
田中覚
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Ｓｃｉｖａｘ株式会社
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    • 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
    • G02B3/00—Simple or compound lenses

Definitions

  • the present invention relates to an optical system device and an optical element manufacturing method.
  • 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 above sensor system consists of a light irradiation unit that irradiates the object with light, a camera unit that detects the light reflected from each point on the object, and a calculation unit that calculates the distance of the object from the signal received by the camera.
  • the unique part of the above system is the light irradiation section consisting of a laser and an optical filter.
  • a diffusion filter which shapes the beam by passing the laser light through a microlens array to provide uniform illumination of a controlled area on the target, is a distinctive component of the system.
  • TOF has a need for long-distance measurement, and the intensity of the irradiated light must be strong enough to enable long-distance measurement.
  • the randomly arranged microlens array is not suitable for long-distance measurement because the uniformity of the irradiated light is high and the intensity is low.
  • Non-Patent Document 1 an optical system device using the Lau effect is known as a device that converts incident light into a dot pattern (for example, Non-Patent Document 1).
  • This is composed of a diffraction grating with a predetermined pitch P and a light source. It is placed in [Formula A] A device in which the diffraction grating is replaced with a microlens is also being studied (for example, Patent Document 2).
  • an object of the present invention is to provide an optical system device capable of irradiating high-contrast light and a method of manufacturing the same.
  • the optical system device of the present invention comprises an optical element in which lenses having a focal length of f and transmitting light of wavelength ⁇ are periodically arranged at a pitch P, and a light of wavelength ⁇ .
  • an irradiation unit having a light source that irradiates a plurality of the lenses; a bottom member for fixing the irradiation unit; a side member for fixing the optical element and the bottom member; one or both of an upper end side adhesive layer that adheres the upper end or a lower end side adhesive layer that adheres the lower end of the bottom member and the side member;
  • the height from the top surface of the bottom member to the irradiation surface of the irradiation unit is H0
  • the height H1 from the top surface of the bottom member to the top end of the side member is obtained by the following formula. It is preferable to satisfy
  • the height H 1 is the following formula and the thickness ⁇ 1 of the upper adhesive layer satisfies 0 ⁇ 1 ⁇ f.
  • the light source is a VCSEL having a cavity length t converted to the distance in the medium between the irradiation unit and the optical element, and the height H1 is obtained by the following formula and the thickness ⁇ 1 of the upper adhesive layer satisfies 0 ⁇ 1 ⁇ t.
  • the height H2 from the lower end of the side member to the lower surface of the optical element is calculated by the following formula. It is preferable to satisfy
  • the height H 2 is the following formula is satisfied, and the thickness ⁇ 2 of the bottom adhesive layer satisfies 0 ⁇ 2 ⁇ f.
  • the light source is a VCSEL having a cavity length t in terms of the distance in the medium between the irradiation unit and the optical element, and the height H2 is obtained by the following formula and the thickness ⁇ 2 of the bottom adhesive layer satisfies 0 ⁇ 2 ⁇ t.
  • a mask that is arranged between the irradiation section and the optical element and that scatters or absorbs the light reflected from the surface of the optical element.
  • the electrode of the irradiating section be arranged at a position where the light reflected by the surface of the optical element is not reflected back to the optical element.
  • the method of manufacturing an optical system device comprises: an optical element in which lenses having a focal length of f and transmitting light of wavelength ⁇ are periodically arranged at pitch P;
  • a method for manufacturing an optical system device comprising: an irradiation unit having a light source for irradiating a plurality of light sources; a bottom member for fixing the irradiation unit; and a side member for fixing the optical element and the bottom member, an upper end side adhesive placing step of placing an adhesive between the optical element and the upper ends of the side members, or a lower end side adhesive placing step of placing an adhesive between the bottom member and the lower ends of the side members;
  • L 1 is the distance between the irradiation unit and the focal position of the optical element, and n is a natural number of 1 or more, the distance L 1 is expressed by the following formula a distance adjusting step of adjusting the distance between the irradiation unit and the optical element by pressing the adhesive so as to satisfy the above; and an adhesive curing step of curing the
  • the height from the upper surface of the bottom member to the irradiation surface of the irradiation unit is H0
  • the height H from the upper surface of the bottom member to the upper end of the side member is measured before the distance adjustment step. 1 is the following formula It is preferable to have a side member forming step of forming the side member on the bottom member so as to satisfy
  • the height H1 is obtained by the following formula
  • the side member is formed on the bottom member so that , it is preferable to press the adhesive.
  • the light source is a VCSEL having a cavity length t converted to the distance in the medium between the irradiation unit and the optical element
  • the side member forming step is such that the height H1 is formula is formed on the bottom member so that the thickness ⁇ 1 of the adhesive placed in the upper end side adhesive placement step satisfies 0 ⁇ 1 ⁇ t. , it is preferable to press the adhesive.
  • the height from the top surface of the bottom member to the irradiation surface of the irradiation unit is H0
  • the height H2 from the bottom end of the side member to the bottom surface of the optical element is measured before the distance adjusting step. is the following formula It is preferable to have a side member forming step of forming the side member on the optical element so as to satisfy the following.
  • the height H2 is determined by the following formula is formed on the optical element so that the thickness ⁇ 2 of the adhesive placed in the lower end side adhesive placement step satisfies 0 ⁇ 2 ⁇ f. , it is preferable to press the adhesive.
  • the light source is a VCSEL having a cavity length t converted to the distance in the medium between the irradiation unit and the optical element
  • the side member forming step is such that the height H2 is formula is formed on the optical element so that the thickness ⁇ 2 of the adhesive placed in the lower end side adhesive placement step satisfies 0 ⁇ 2 ⁇ t. , it is preferable to press the adhesive.
  • the adhesive is pressed until the contrast of the dot pattern obtained by irradiating the optical element with the light from the irradiation unit reaches a predetermined value or more, thereby adjusting the distance between the irradiation unit and the optical element. may be adjusted.
  • the optical system device of the present invention can irradiate high-contrast light.
  • the method of manufacturing an optical system device according to the present invention can easily and reliably manufacture an optical system device that can irradiate high-contrast light.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an optical system device of the present invention
  • FIG. It is a schematic sectional drawing which shows the irradiation part and optical element of this invention. It is a figure which shows the light intensity in the far field for every emission mode.
  • FIG. 5 is a diagram showing light intensity in the far field for each emission mode classified and synthesized.
  • FIG. 10 is a diagram showing the light intensity in the far field of light synthesized by changing the ratio for each light emission mode;
  • 1 is a schematic plan view showing an optical element according to the present invention;
  • FIG. It is a schematic sectional view showing a conventional optical system device.
  • FIG. 4 is a schematic plan view showing the positional relationship between an irradiation section and an optical element according to the present invention; It is a schematic sectional drawing explaining reflection in the optical element surface which concerns on this invention.
  • FIG. 4 is a schematic cross-sectional view for explaining positions of electrodes of an irradiation section according to the present invention; It is a schematic sectional drawing explaining the mask which concerns on this invention.
  • It is a figure which shows the manufacturing method of the optical system apparatus of this invention.
  • It is a figure which shows the manufacturing method of the optical system apparatus of this invention.
  • FIG. 4 is a diagram showing how light propagates from a lens used in Simulation 1;
  • FIG. 4 is a diagram showing optical characteristics based on Simulation 1 (focal length of 20 ⁇ m);
  • FIG. 4 is a diagram showing optical characteristics based on Simulation 1 (focal length of 40 ⁇ m);
  • FIG. 4 is a diagram showing optical characteristics based on Simulation 1 (focal length of 60 ⁇ m);
  • FIG. 10 is a diagram showing the state of light when parallel light is incident on the lens (focal length of 20 ⁇ m) used in Simulation 2;
  • FIG. 10 is a diagram showing the state of light when parallel light is made incident on the lens (focal length of 40 ⁇ m) used in Simulation 2;
  • FIG. 10 is a diagram showing the state of light when parallel light is made incident on the lens (focal length of 60 ⁇ m) used in Simulation 2;
  • FIG. 10 is a projection diagram due to a difference in ⁇ in Simulation 2 (focal length of 20 ⁇ m).
  • FIG. 10 is a projection diagram due to a difference in ⁇ in Simulation 2 (focal length of 40 ⁇ m).
  • FIG. 10 is a projection diagram due to a difference in ⁇ in Simulation 2 (focal length of 60 ⁇ m). It is a light distribution due to a difference in ⁇ in simulation 2 (focal length of 20 ⁇ m).
  • FIG. 10 is a diagram showing the maximum light intensity due to the difference in ⁇ in simulation 2 (focal length of 20 ⁇ m);
  • FIG. 10 is a diagram showing the maximum light intensity depending on the difference in ⁇ in Simulation 2 (focal length of 40 ⁇ m);
  • FIG. 10 is a diagram showing the maximum light intensity depending on the difference in ⁇ in simulation 2 (focal length of 60 ⁇ m); It is a figure explaining the lens of this invention.
  • FIG. 11 is a diagram showing the state of light when parallel light is made incident on the lens used in Simulation 3;
  • FIG. 10 is a projection diagram due to a difference in ⁇ in Simulation 3 (focal length of 20 ⁇ m). It is light distribution (x-axis direction) by the difference of (delta) in the simulation 3.
  • FIG. It is a light distribution (y-axis direction) due to the difference in ⁇ in simulation 3.
  • FIG. 10 is a diagram showing the maximum light intensity depending on the difference in ⁇ in simulation 3; 4 is a diagram showing contrast, dot size, and background depending on the difference in ⁇ in Example 1.
  • FIG. 10 is a projection diagram due to a difference in ⁇ in Simulation 3 (focal length of 20 ⁇ m). It is light distribution (x-axis direction) by the difference of (delta) in the simulation 3.
  • FIG. It is a light distribution (y-axis direction) due to the difference in ⁇ in simulation 3.
  • FIG. 10 is a diagram showing the maximum light intensity depending
  • the optical system device of the present invention comprises an irradiation section 1 for irradiating light of wavelength ⁇ , an optical element 2 having periodic lenses 21, and a bottom member for fixing the irradiation section 1. 3, a side member 4 for fixing the optical element 2 and the bottom member 3, an upper end adhesive layer 51 for bonding the optical element 2 and the upper end of the side member 4 or the lower ends of the bottom member 3 and the side member 4 Either one or both of the lower end side adhesive layers 52 that adhere the .
  • the irradiation unit 1 may be of any type as long as it has a light source that irradiates a plurality of lenses 21 with light of wavelength ⁇ . Also, the irradiation unit 1 may be a single light source or a plurality of light sources. Alternatively, a plurality of light sources may be provided by passing light from a single light source through an aperture formed with a plurality of pores. When the irradiation section is composed of a plurality of light sources, the light sources are preferably formed on the same plane. In addition, let the surface which radiate
  • a specific example of the irradiation unit 1 is a VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting LASER) that is expected to produce high output with low power.
  • VCSELs include a single-emitter VCSEL having one light source 10 capable of irradiating light in a direction perpendicular to the light-emitting surface, and a multi-emitter VCSEL having a plurality of light sources 10 .
  • Flash mode Further, it is known that when the light intensity of a VCSEL is increased, the light of the VCSEL includes a plurality of light emission modes such as single mode and multimode. Examples of specific light emission modes are shown in FIG. Of the light emission modes shown in FIG. 3, (2) and (3), (4) and (6), (7) and (9), and (8) and (10), which are rotationally symmetrical to each other, always exist at the same rate. Therefore, by synthesizing these similar modes, they can be grouped into six types of A, B, C, D, E, and F as shown in FIG.
  • the light source of the VCSEL has a higher proportion of the light emission modes having the maximum intensity at the center of the optical axis, the more dots are generated. It is preferable in that the light intensity can be increased and the contrast can be increased. Therefore, the ratio of the mode having the maximum intensity at the center of the optical axis among the emission modes of the light source should be 40% or more, preferably 45% or more, and more preferably 60% or more.
  • the emission mode may be adjusted by a conventionally known method such as controlling the current injection path of the emission layer of the VCSEL.
  • the optical element 2 is a periodic array of lenses 21 that transmit light of wavelength ⁇ .
  • the lens 21 has a focal point at a predetermined distance f (f>0) from the lens 21 .
  • the optical element of the present invention can improve the contrast more than the conventional one as the focal length f becomes larger such as 10 ⁇ m or more, 20 ⁇ m or more, 40 ⁇ m or more, or 60 ⁇ m or more.
  • the shape of the lens 21 can be freely designed according to the spread pattern of the dots to be irradiated (hereinafter referred to as dot pattern). For example, if the dot pattern is desired to be circular, the shape of the lens 21 should be a spherical lens. Further, when the dot pattern is desired to be non-circular, the shape of the lens 21 may be changed to an aspherical lens and appropriately adjusted. Specific lens shapes include, for example, a convex lens, a concave lens, and a saddle-shaped lens that looks like a convex lens or a concave lens depending on the cross section. Further, the periodic array includes a square array of square or rectangular lenses 21 in plan view as shown in FIG. are arranged in a hexagonal array.
  • the lens 21 may be of any kind as long as it functions as a lens, and for example, a Fresnel lens, a DOE lens, a metalens, or the like can be used. Further, it is preferable that the lens 21 is formed with an antireflection film that prevents the light from the irradiation section from being reflected.
  • the irradiation unit 1 and the optical element 2 are arranged so that the optical axis direction of the light source of the irradiation unit 1 and the optical axis direction of the lens 21 of the optical element 2 are aligned.
  • n is any natural number of 1 or more
  • ⁇ is the wavelength of light incident from the irradiation unit 1
  • P is the pitch of the lens 21 of the optical element 2
  • L0 is the distance between the irradiation unit 1 and the optical element 2.
  • the distance L 0 can be calculated by the following formula B [Formula B] , it was found that the light is strengthened to a greater extent. In particular, it was found that the light is most intensified when the following formula C is satisfied. [Formula C]
  • the irradiation unit 1 has a plurality of light sources 10, even if each light source 10 and the optical element 2 are relatively translated, the number of the light sources 10 for each lens 21 of the optical element 2 in a plan view is should be arranged to be the same. Specifically, if m is a natural number of 1 or more, the irradiating unit regularly illuminates a plurality of light sources m times or 1/m times the period in any of the periodic directions of the lens 21 of the optical element.
  • the light sources 10 of the irradiation unit 1 are preferably arranged regularly at a pitch mPk or Pk /m in the direction in which the lenses 21 of the optical element 2 have the pitch Pk .
  • the pitch mP 1 or P 1 /m is preferable.
  • the distance L1 between the irradiation section 1 and the focal position 9 of the optical element 2 is adjusted so as to satisfy Expression 1 for any two or more pitches Pk .
  • diffraction is most affected by the smallest pitch, so it is better for the smallest pitch P 1 to satisfy Equation 1, and more preferably for the second smallest pitch P 2 also Equation 1 Better to fill
  • P 2 ⁇
  • the distance L 1 between the irradiation unit 1 and the optical element 2 preferably satisfies the following formula 3, [Formula 3] More preferably, the following formula 4 should be satisfied. [Formula 4]
  • the distance L 1 is given by Equation 5 below: [Formula 5] It is preferable to satisfy The cavity length t here means the distance converted into the distance in the medium between the irradiation unit and the optical element.
  • the pitch Pk is too much smaller than the wavelength ⁇ of the light from the light source 10, it is difficult for diffraction to occur.
  • the pitch P k especially the pitch P 1 , should be sufficiently larger than the wavelength ⁇ of the light from the light source 10, for example, 5 times or more, preferably 10 times or more.
  • the bottom member 3 is for fixing the irradiation section 1 .
  • the surface of the bottom member 3 on which the irradiation unit 1 is fixed may be a flat surface, or may be formed with a concave groove in which the irradiation unit 1 can be embedded.
  • a general method such as fixing the irradiation unit 1 to the bottom member 3 with an adhesive may be used.
  • the side member 4 is for fixing the optical element 2 and the bottom member 3 with a predetermined distance therebetween.
  • the upper ends of the optical element 2 and the side member 4 are adhered via the upper end adhesive layer 51 .
  • the lower ends of the bottom member 3 and the side members 4 are bonded with a lower end adhesive layer 52 .
  • the side member 4 can be formed integrally with the bottom member 3 without using the lower end adhesive layer 52 as long as it has the upper end adhesive layer 51. good.
  • the side member 4 may be formed integrally with the optical element without using the upper end side adhesive layer 51 as long as it has the lower end side adhesive layer 52. .
  • the side member 4 is formed in a cylindrical shape surrounding the periphery of the irradiation section 1 so that the irradiation section 1 can be sealed when the optical element 2, the bottom member 3, and the side member 4 are adhered with an adhesive. may be formed.
  • bottom member 3 and the side members 4 can be used for the bottom member 3 and the side members 4, but, for example, those that are less deformed by the surrounding environment are preferred. Moreover, it is preferable that the adhesive layer is not deformed or deteriorated by the resin forming the adhesive layer.
  • the upper end adhesive layer 51 is formed between the upper end of the side member 4 and the optical element in order to arrange the irradiation unit 1 between the optical element 2 and the bottom member 3 . for gluing.
  • the lower end adhesive layer 52 is formed between the lower end of the side member 4 and the bottom member 3 to bond the bottom member 3 and the side member 4 together. Further, the upper end side adhesive layer 51 and the lower end side adhesive layer 52 are in the state of fluid adhesive before being solidified, and the distance L1 between the irradiation surface of the irradiation unit 1 and the focal position of the lens of the optical element 2 is It has the function of adjusting.
  • the upper end side adhesive layer 51 or the lower end side adhesive layer 52 may be formed over the entire surface of the end portion of the side member 4, or may be formed only partially. Any material can be used for the upper adhesive layer 51 or the lower adhesive layer 52 as long as the side member 4 and the optical element 2 or the bottom member 3 can be adhered.
  • An adhesive such as a base resin may be used.
  • a photocurable adhesive, a UV addition adhesive, or a thermosetting adhesive may be used.
  • the side member 4 and the bottom member 3 are adhered by the lower end side adhesive layer 52 as shown in FIG. 1(a), or are integrally formed as shown in FIG.
  • the height from the upper surface of the material 3 to the irradiation surface of the irradiation unit 1 is assumed to be H0 .
  • the height H1 from the upper surface of the bottom member 3 to the upper end of the side member 4 is at least given by the following formula 6 [Formula 6] It is preferable to satisfy
  • the height H 1 satisfies the following formula 7 [Formula 7] It is better to control the thickness .delta.1 of the upper end side adhesive layer 51 to satisfy 0 ⁇ .delta.1 ⁇ f after forming so as to satisfy the following condition. This ensures that the distance L 1 is [Formula 8] meet.
  • the height H1 is given by the following equation 9 [Formula 9] It is preferable to control the thickness .delta.1 of the upper adhesive layer 51 so that 0 ⁇ .delta.1 ⁇ t after the formation so as to satisfy the following condition. This ensures that the distance L 1 is [Formula 10] meet.
  • the height H2 from the lower end of the side member 4 to the lower surface of the optical element 2 is at least given by the following formula (11). [Formula 11] It is preferable to satisfy
  • height H 2 satisfies the following formula 12 [Formula 12] It is better to control the thickness .delta.2 of the upper end side adhesive layer 51 so that 0 ⁇ .delta.2 ⁇ f after forming so as to satisfy the following condition. This ensures that the distance L 1 is [Formula 8] meet.
  • the height H2 is given by the following equation 13 [Formula 13] It is preferable to control the thickness .delta.2 of the lower end side adhesive layer 52 to 0 ⁇ .delta.2 ⁇ t after the formation so as to satisfy the following condition. This ensures that the distance L 1 is [Formula 10] meet.
  • the position through which the light reflected by the surface of the optical element 2 passes is not arranged with something that reflects the light back to the optical element 2 (for example, the electrode 15).
  • the optical element 2 for example, the electrode 15
  • the electrode 15 of the irradiation section 1 may be largely displaced from the position through which the light reflected by the surface of the optical element 2 passes.
  • the irradiation section 1 may be of a flip-chip type, and the electrode 15 may be arranged on the back side of the light source 10.
  • a mask 6 may be arranged between the irradiation section 1 and the optical element 2 to scatter or absorb the light reflected by the surface of the optical element 2.
  • FIG. The position of the mask 6 may be anywhere between the irradiation unit 1 and the optical element 2 as long as it does not block the light emitted from the irradiation unit 1 to the optical element 2.
  • FIG. arranged in the space between the electrode 15 and the optical element 2 as shown in FIG. It can be arranged on the element 2 or the like.
  • a black resist for example, can be used as the light-absorbing material.
  • a material having a non-mirror surface can be used.
  • FIG. 1 The manufacturing method includes an optical element 2 in which lenses 21 having a focal length of f and transmitting light of wavelength ⁇ are periodically arranged at a pitch P, and a light source for irradiating a plurality of lenses 21 with light of wavelength ⁇ . a bottom member 3 for fixing the irradiation unit 1; and a side member 4 for fixing the optical element 2 and the bottom member 3.
  • the lens 21 of the optical element 2 may be manufactured in any manner, but can be manufactured using, for example, an imprint method. Specifically, the material of the lens 21 is applied to the substrate 25 with a predetermined film thickness by a well-known method such as a spin coater (application step). Any material can be used as long as it can form the lens 21 that transmits light of wavelength ⁇ , and for example, polydimethylsiloxane (PDMS) can be used.
  • PDMS polydimethylsiloxane
  • a mold having a reverse pattern of the pattern in which the lenses 21 are arranged periodically is prepared, and the mold is pressed against the material coated on the substrate 25 to transfer the pattern (imprinting process).
  • the adhesive 51a is placed between the upper ends of the optical element 2 and the side member 4, as shown in FIG. 12(a).
  • the adhesive 52a is placed between the lower ends of the bottom member 3 and the side members 4, as shown in FIG. 13(a).
  • the adhesive may be arranged on the entire surface of the end (upper end or lower end) of the side member 4, or may be arranged only on a part thereof. Also, the adhesive may be arranged at a position where it is desired to adhere to the optical element 2 or the side member 4 on the bottom member 3 side. Any adhesive may be used as long as it can bond the side member 4 and the optical element 2 or the bottom member 3 together.
  • silicone resin, epoxy resin, acrylic resin, or the like may be used.
  • a photocurable adhesive, a UV addition adhesive, or a thermosetting adhesive may be used.
  • the distance between the irradiation unit and the focal position of the optical element is L 1
  • n is a natural number of 1 or more
  • the distance L 1 is Formula 11 below [Formula 11]
  • the distance between the irradiation unit and the optical element is adjusted by pressing the adhesive so as to satisfy the following. Any method may be used to adjust the distance as long as it can be adjusted so as to satisfy Equation (11).
  • a conventionally known sensor may be used to measure the distance between the irradiation unit and the optical element, and the distance L1 may bring the irradiation unit and the optical element closer to the distance that satisfies Equation (11).
  • the distance between the irradiation section and the optical element is adjusted by pressing the adhesive until the contrast of the dot pattern obtained by irradiating the optical element with the light from the irradiation section reaches a predetermined value or more. There may be.
  • the adhesive is cured while maintaining the distance L1 adjusted in the distance adjusting step.
  • an upper adhesive layer 51 that adheres the optical element and the upper ends of the side members 4 or a lower adhesive layer 52 that adheres the lower ends of the bottom member 3 and the side members 4 is formed.
  • the adhesive is a photocurable adhesive
  • the adhesive may be cured by irradiating it with light.
  • the adhesive may be cured by applying heat.
  • the adhesive is a UV addition type adhesive
  • the distance L1 between the irradiation unit and the focal position of the optical element is adjusted by a distance adjustment step, and then the adhesive is applied. It is also possible to keep the distance L1 until the agent has fully cured.
  • the distance adjustment step when adjusting the distance by adjusting the thickness of the adhesive placed on the upper end of the side member 4 (thickness of the upper end adhesive layer 51), Assuming that the height to H 0 is H 0 , the height H 1 from the upper surface of the bottom member 3 to the upper end of the side member 4 is obtained by the following formula 12 before the distance adjustment process.
  • the side member 4 is arranged with adhesive 52a between the bottom member 3 and the lower end of the side member 4, as shown in FIG. 14(a), and adhered, as shown in FIG. 14(b).
  • the side member 4 is pressed against the adhesive 52a to adjust the height H1 , and the adhesive 52a is cured as shown in FIG. 14(c). Further, the side member 4 may be integrally formed with the bottom member 3 so as to have a predetermined height H1 .
  • the height H1 is given by the following formula 13 [Formula 13]
  • the side member 4 is formed on the bottom member 3 to satisfy It is preferable to press the adhesive. As a result, it is possible to manufacture an optical system device in which the distance L1 between the irradiation section and the focal position of the optical element satisfies Equation (11) without fail.
  • the height H1 is determined by the following formula 14 [Formula 14]
  • the side member 4 is formed on the bottom member 3 so as to satisfy It is preferable to press the adhesive.
  • the distance adjustment step when adjusting the distance by adjusting the thickness of the adhesive placed on the lower end of the side member 4 (thickness of the lower end adhesive layer 52), the irradiation surface of the irradiation unit is adjusted from the upper surface of the bottom member 3. If the height from the lower end of the side member 4 to the lower surface of the optical element is H 0 before the distance adjustment process, the height H 2 from the lower end of the side member 4 to the lower surface of the optical element is given by the following formula 15 [Formula 15] It is preferable to have a side member forming step for forming the side member 4 on the optical element so as to satisfy the following.
  • the side member 4 has an adhesive 51a arranged between the optical element 2 and the upper end of the side member 4 as shown in FIG.
  • the side member 4 is pressed against the adhesive 51a to adjust the height H2 , and the adhesive 51a is cured as shown in FIG. 15(c).
  • the side member 4 may be integrally formed with the optical element 2 so as to have a predetermined height H2.
  • the height H2 is given by the following formula 16 [Formula 16]
  • the side member 4 is formed on the optical element so that the distance adjustment step is performed so that the thickness ⁇ 2 of the adhesive placed in the lower end adhesive placement step is 0 ⁇ 2 ⁇ f. It is preferable to press the agent. As a result, it is possible to manufacture an optical system device in which the distance L1 between the irradiation section and the focal position of the optical element satisfies Equation (11) without fail.
  • the height H2 is given by the following formula 17 [Formula 17]
  • the side member 4 is formed on the optical element so that the distance adjustment step is performed so that the thickness ⁇ 2 of the adhesive placed in the lower end adhesive placement step is 0 ⁇ 2 ⁇ t. It is preferable to press the agent.
  • the lens 21 three types having a diameter of 30 ⁇ m, a refractive index of 1.5, and a focal length f of (a) 20 ⁇ m, (b) 40 ⁇ m, and (c) 60 ⁇ m were used.
  • FIG. 17(a) is a diagram showing how light propagates when each lens is irradiated with parallel light as shown in FIG. 17(b).
  • Equation 18 is set to 2.
  • 18 to 20 show the results of simulation using optical simulation software BeamPROP (manufactured by Synopsys). This simulation is a 2D calculation result that does not consider the depth direction in FIG. 2 for simplicity of calculation.
  • Graphs of (a) of FIGS. 18 to 20 are light intensity distributions when the distance L0 between the irradiation unit 1 and the optical element 2 satisfies the above-mentioned formula A as in the conventional art.
  • Graphs in (b) of FIGS. 18 to 20 are light intensity distributions when the distance L1 between the irradiation unit 1 and the focal position 9 of the optical element 2 satisfies the above-mentioned formula 2.
  • FIG. Graphs (c) of FIGS. 18 to 20 show differences in the maximum light intensity of each light intensity distribution with respect to the value of ⁇ . 18 to 20, the horizontal axis indicates the light distribution angle, and the vertical axis indicates the light intensity in the far field when the power of the light source is set to 1.
  • the horizontal axis in (c) of FIGS. 18 to 20 indicates ⁇
  • the vertical axis indicates the light intensity of the far field when the power of the light source is set to one.
  • the optical element 2 that satisfies the formula 1 has a clearer peak than the one that satisfies the formula A, and the peak light intensity is also higher. Also, it can be seen that the peak light intensity is maximized when Expression 2 is satisfied.
  • the lens surface was rotationally symmetrical, with the same curvature in the x-axis direction and the y-axis direction.
  • the lens 21 as shown in FIGS. 21 to 23, three types with focal lengths f of 20 ⁇ m, 40 ⁇ m and 60 ⁇ m were used.
  • nk in Equation 3 is set to 2.
  • 24 to 32 show the results of simulation using optical simulation software BeamPROP (manufactured by Synopsys). This simulation is a 3D calculation result in which the depth direction in FIG. 2 is also considered.
  • FIGS. 24 to 26 are projected images 50 cm ahead from the optical element when ⁇ in Equation 18 is changed in various ways for three types of lenses.
  • 27 to 29 show light intensity distributions when ⁇ in Equation 18 is changed in various ways for three types of lenses.
  • 30 to 32 show the maximum light intensity of each light intensity distribution with respect to the value of ⁇ for three types of lenses.
  • the horizontal axis indicates the light distribution angle
  • the vertical axis indicates the light intensity in the far field when the power of the light source is set to 1.
  • the horizontal axis represents ⁇
  • the vertical axis represents the light intensity of the far field when the power of the light source is set to 1.
  • the optical element 2 that satisfies the formula 1 has a clearer peak than the one that satisfies the formula A, and the peak light intensity is also higher. Also, it can be seen that the peak light intensity is maximized when Expression 2 is satisfied.
  • the shape of the lens 21 was a square with a side of 30 ⁇ m in plan view and a height of 16.26 ⁇ m, as shown in FIG. 33(a).
  • the lens surface was a non-rotationally symmetrical aspherical surface with different curvatures in the x-axis direction and the y-axis direction.
  • FIG. 33(b) is a projection diagram of the light distribution in the far field when parallel light is incident on the optical element.
  • FIG. 33(c) shows the light distribution with respect to the angles in the x-axis direction and the y-axis direction in the far field.
  • the focal length f of the lens 21 was 20 ⁇ m as shown in FIG.
  • FIG. 34(b) is a projection view of emitted light when parallel light is incident on the lens 21.
  • FIG. Although there is a difference in the way light is collected in the x-axis direction and the y-axis direction, the point where the light is most concentrated is the focal position (0 ⁇ m).
  • nk in Equation 18 is set to 2.
  • 35 to 38 show the results of simulation using optical simulation software BeamPROP (manufactured by Synopsys). This simulation is a 3D calculation result in which the depth direction in FIG. 2 is also considered.
  • FIG. 35 shows projected images 50 cm ahead from the optical element when ⁇ in Equation 18 is varied.
  • FIG. 36 shows light intensity distributions in the x-axis direction when ⁇ in Equation 3 is varied.
  • FIG. 37 shows light intensity distributions in the y-axis direction when ⁇ in Equation 18 is varied.
  • FIG. 38 shows the maximum light intensity of each light intensity distribution in the x-axis direction and the y-axis direction with respect to the value of ⁇ .
  • the horizontal axis in FIGS. 36 and 37 indicates the light distribution angle
  • the vertical axis indicates the light intensity in the far field when the power of the light source is set to 1.
  • the horizontal axis represents ⁇
  • the vertical axis represents the light intensity of the far field when the power of the light source is set to 1.
  • the optical element 2 that satisfies the formula 18 has a clearer peak than the one that satisfies the formula A, and the peak light intensity is also higher.
  • the positions where the peak light intensity is maximized are different in the x-axis direction and the y-axis direction, but Equation 18 is satisfied. It can also be seen that there is sufficient light intensity if
  • the cavity length of the VCSEL converted into air was 30 ⁇ m.
  • the shape of the lens 21 was a square with a side of 32 ⁇ m in plan view and a height of 17 ⁇ m.
  • the lens surface was an aspherical surface with different curvatures in the x-axis direction and the y-axis direction. Also, the focal length f of the lens 21 used was 20 ⁇ m. Further, the distance between the irradiation unit 1 and the focal position 9 of the optical element 2 was set to 1084 ⁇ m, and the contrast and dot size of the dot pattern were examined when the difference ⁇ from this distance was varied.
  • the result of measuring the contrast of the dot at the center position when the dot pattern was projected onto the screen 1.5 m away from the optical element is shown in FIG. 39(a), the result of measuring the dot size is shown in FIG. FIG. 39(c) shows the result of ground measurement.

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Abstract

コントラストの高い光を照射することができる光学系装置およびその製造方法を提供することを目的とする。　焦点距離がｆであって波長λの光を透過するレンズがピッチＰで周期的に配列された光学素子２と、波長λの光をレンズの複数に照射する光源を有する照射部１と、照射部を固定する底部材と、光学素子と底部材を固定するための側方部材と、光学素子と側方部材の上端を接着する上端側接着層又は底部材と側方部材の下端を接着する下端側接着層のいずれか一方又は両方と、を具備し、照射部と光学素子の焦点位置との距離をＬ１、ｎを１以上の自然数とすると、距離Ｌ１は、下記式を満たす光学系装置。

Description

光学系装置および光学素子製造方法
　本発明は、光学系装置および光学素子製造方法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。
　上記センサーシステムは対象物に光を照射する光照射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レーザと光学フィルタからなる光照射部となる。特にマイクロレンズアレイにレーザ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は、上記システムの特徴的な部品となる。
　ここで、従来の拡散フィルタは、マイクロレンズアレイが周期構造であるために、回折の影響で光強度のむらが生じるという問題があった。そこで、このむらを抑制するために、各レンズをランダムに配置する等の工夫が行われている（例えば、特許文献１）。
　一方、ＴＯＦには、遠距離測定のニーズがあり、照射光のインテンシティには、遠距離測定ができるだけの強さが必要となる。しかし、ランダムに配置したマイクロレンズアレイは照射光の均一性が高い分、インテンシティが低くなるため、遠距離測定には不向きである。
　そこで、電力を節減しなおかつ強い光の信号を処理できる方法としてドットパターンを照射し、この光のタイムオブフライトから３次元計測を行うことが検討されている。
　従来、入射した光をドットパターンに変換するものとしては、Ｌａｕ効果を利用した光学系装置が知られている（例えば、非特許文献１）。これは、所定ピッチＰの回折格子と光源で構成されるもので、光源の光の波長をλ、ｎを１以上の自然数とすると、回折格子と光源の距離L０が下記式Ａを満たすように配置したものである。
［式Ａ］
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000015
　また、当該回折格子をマイクロレンズに置き換えたものも検討されている（例えば、特許文献２）。
特表２００６－５００６２１ 国際公開第２０１７／１３１５８５ H. Hamam, Lau Array Illuminator, Applied Optics, 43(14):2888-2894, May 10, 2004.
　しかしながら、回折格子をマイクロレンズに置き換えたものでは、ドットパターンのコントラストが低いという問題があった。また、光源とマイクロレンズとの距離の調節が難しいという問題もあった。
　そこで本発明は、コントラストの高い光を照射することができる光学系装置およびその製造方法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、本発明の光学系装置は、焦点距離がｆであって波長λの光を透過するレンズがピッチＰで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、前記照射部を固定する底部材と、前記光学素子と前記底部材を固定するための側方部材と、前記光学素子と前記側方部材の上端を接着する上端側接着層又は前記底部材と前記側方部材の下端を接着する下端側接着層のいずれか一方又は両方と、を具備し、前記照射部と前記光学素子の焦点位置との距離をＬ１、ｎを１以上の自然数とすると、前記距離Ｌ１は、下記式
 
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000016
を満たすことを特徴とする。
　この場合、前記底部材の上面から前記照射部の照射面までの高さをＨ０とすると、前記底部材の上面から前記側方部材の上端までの高さＨ１が、下記式
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000017
を満たす方が好ましい。
　また、前記高さＨ１が、下記式
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000018
を満たすと共に、前記上端側接着層の厚さδ１が、０＜δ１＜ｆである方が好ましい。
　また、前記光源は、前記照射部と前記光学素子の間の媒体中の距離に換算した共振器長がｔであるＶＣＳＥＬであり、前記高さＨ１が、下記式
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000019
を満たすと共に、前記上端側接着層の厚さδ１が、０＜δ１＜ｔである方が好ましい。
　また、前記底部材の上面から前記照射部の照射面までの高さをＨ０とすると、前記側方部材の下端から前記光学素子の下面までの高さＨ２が、下記式
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000020
を満たす方が好ましい。
　また、前記高さＨ２が、下記式
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000021
 
を満たすと共に、前記下端側接着層の厚さδ２が、０＜δ２＜ｆである方が好ましい。
　また、前記光源は、前記照射部と前記光学素子の間の媒体中の距離に換算した共振器長がｔであるＶＣＳＥＬであり、前記高さＨ２が、下記式
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000022
を満たすと共に、前記下端側接着層の厚さδ２が、０＜δ２＜ｔである方が好ましい。
　また、前記照射部と前記光学素子の間に配置され、前記光学素子の表面から反射された光を散乱又は吸収するマスクを具備する方が好ましい。
　前記照射部の電極は、前記光学素子の表面で反射された光を再び当該光学素子に反射することのない位置に配置される方が好ましい。
　また、本発明の光学系装置の製造方法は、焦点距離がｆであって波長λの光を透過するレンズがピッチＰで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、前記照射部を固定する底部材と、前記光学素子と前記底部材を固定するための側方部材と、からなる光学系装置の製造方法であって、接着剤を前記光学素子と前記側方部材の上端の間に配置する上端側接着剤配置工程又は接着剤を前記底部材と前記側方部材の下端の間に配置する下端側接着剤配置工程と、前記照射部と前記光学素子の焦点位置との距離をＬ１、ｎを１以上の自然数とすると、前記距離Ｌ１が、下記式
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000023
を満たすように前記接着剤を押圧して前記照射部と前記光学素子の距離を調節する距離調節工程と、前記距離Ｌ１を保ったまま前記接着剤を硬化させる接着剤硬化工程と、を有することを特徴とする。
　この場合、前記底部材の上面から前記照射部の照射面までの高さをＨ０とすると、前記距離調節工程の前に、前記底部材の上面から前記側方部材の上端までの高さＨ１が、下記式
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000024
を満たすように前記側方部材を前記底部材上に形成する側方部材形成工程を有する方が好ましい。
　また、前記側方部材形成工程は、前記高さＨ１が、下記式
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000025
を満たすように前記側方部材を前記底部材上に形成し、前記距離調節工程は、前記上端側接着剤配置工程で配置した接着剤の厚さδ１が、０＜δ１＜ｆとなるように、当該接着剤を押圧する方が好ましい。
　また、前記光源は、前記照射部と前記光学素子の間の媒体中の距離に換算した共振器長がｔであるＶＣＳＥＬであり、前記側方部材形成工程は、前記高さＨ１が、下記式
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000026
を満たすように前記側方部材を前記底部材上に形成し、前記距離調節工程は、前記上端側接着剤配置工程で配置した接着剤の厚さδ１が、０＜δ１＜ｔとなるように、当該接着剤を押圧する方が好ましい。
　また、前記底部材の上面から前記照射部の照射面までの高さをＨ０とすると、前記距離調節工程の前に、前記側方部材の下端から前記光学素子の下面までの高さＨ２が、下記式
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000027
を満たすように前記側方部材を前記光学素子上に形成する側方部材形成工程を有する方が好ましい。
　また、前記側方部材形成工程は、前記高さＨ２が、下記式
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000028
を満たすように前記側方部材を前記光学素子上に形成し、前記距離調節工程は、前記下端側接着剤配置工程で配置した接着剤の厚さδ２が、０＜δ２＜ｆとなるように、当該接着剤を押圧する方が好ましい。
　また、前記光源は、前記照射部と前記光学素子の間の媒体中の距離に換算した共振器長がｔであるＶＣＳＥＬであり、前記側方部材形成工程は、前記高さＨ２が、下記式
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000029
を満たすように前記側方部材を前記光学素子上に形成し、前記距離調節工程は、前記下端側接着剤配置工程で配置した接着剤の厚さδ２が、０＜δ２＜ｔとなるように、当該接着剤を押圧する方が好ましい。
　また、前記距離調節工程は、前記照射部の光を前記光学素子に照射して得られるドットパターンのコントラストが所定値以上になるまで前記接着剤を押圧して前記照射部と前記光学素子の距離を調節するものであってもよい。
　本発明の光学系装置は、コントラストの高い光を照射することができる。また、本発明の光学系装置の製造方法は、コントラストの高い光を照射することができる光学系装置を簡単かつ確実に製造することができる。
本発明の光学系装置を示す概略断面図である。 本発明の照射部と光学素子を示す概略断面図である。 発光モードごとの遠方界における光強度を示す図である。 分類して合成した発光モードごとの遠方界における光強度を示す図である。 発光モードごとの割合を変えて合成した光の遠方界における光強度を示す図である。 本発明に係る光学素子を示す概略平面図である。 従来の光学系装置を示す概略断面図である。 本発明に係る照射部と光学素子の位置関係を示す概略平面図である。 本発明に係る光学素子表面での反射を説明する概略断面図である。 本発明に係る照射部の電極の位置を説明する概略断面図である。 本発明に係るマスクを説明する概略断面図である。 本発明の光学系装置の製造方法を示す図である。 本発明の光学系装置の製造方法を示す図である。 本発明の側方部材と底部材の接着方法を示す図である。 本発明の側方部材と光学素子の接着方法を示す図である。 シミュレーションに用いた照射部の遠方界における配光分布を示す図である。 シミュレーション１に用いたレンズからの光の伝搬の様子を示す図である。 シミュレーション１（焦点距離２０μｍ）に基づく光学特性を示す図である。 シミュレーション１（焦点距離４０μｍ）に基づく光学特性を示す図である。 シミュレーション１（焦点距離６０μｍ）に基づく光学特性を示す図である。 シミュレーション２に用いたレンズ（焦点距離２０μｍ）に平行光を入射させた場合の光の様子を示す図である。 シミュレーション２に用いたレンズ（焦点距離４０μｍ）に平行光を入射させた場合の光の様子を示す図である。 シミュレーション２に用いたレンズ（焦点距離６０μｍ）に平行光を入射させた場合の光の様子を示す図である。 シミュレーション２（焦点距離２０μｍ）におけるδの違いによる投影図である。 シミュレーション２（焦点距離４０μｍ）におけるδの違いによる投影図である。 シミュレーション２（焦点距離６０μｍ）におけるδの違いによる投影図である。 シミュレーション２（焦点距離２０μｍ）におけるδの違いによる配光分布である。 シミュレーション２（焦点距離４０μｍ）におけるδの違いによる配光分布である。 シミュレーション２（焦点距離６０μｍ）におけるδの違いによる配光分布である。 シミュレーション２（焦点距離２０μｍ）におけるδの違いによる最大光強度を示す図である。 シミュレーション２（焦点距離４０μｍ）におけるδの違いによる最大光強度を示す図である。 シミュレーション２（焦点距離６０μｍ）におけるδの違いによる最大光強度を示す図である。 本発明のレンズを説明する図である。 シミュレーション３に用いたレンズに平行光を入射させた場合の光の様子を示す図である。 シミュレーション３（焦点距離２０μｍ）におけるδの違いによる投影図である。 シミュレーション３におけるδの違いによる配光分布（ｘ軸方向）である。 シミュレーション３におけるδの違いによる配光分布（ｙ軸方向）である。 シミュレーション３におけるδの違いによる最大光強度を示す図である。 実施例１におけるδの違いによるコントラスト、ドットサイズ、バックグラウンドを示す図である。
　以下に、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１，図２に示すように、波長λの光を照射する照射部１と、周期的なレンズ21を有する光学素子２と、照射部１を固定する底部材３と、光学素子２と底部材３を固定するための側方部材４と、光学素子２と側方部材４の上端を接着する上端側接着層51又は底部材３と側方部材４の下端を接着する下端側接着層52のいずれか一方又は両方と、で主に構成される。
　照射部１は、波長λの光をレンズ21の複数に照射する光源を有するものであればどのようなものでもよい。また、照射部１は、単光源でも複数光源でもよい。また、単光源の光を複数の細孔が形成されたアパーチャーに通すことにより複数光源としたものでもよい。照射部を複数光源で構成する場合には、当該光源は、同一平面上に形成される方が好ましい。なお、照射部１の光を出射する面を照射面とする。照射部１の具体例としては、例えば、少ない電力で高出力が見込めるＶＣＳＥＬ（Vertical Cavity Surface Emitting LASER）を挙げることができる。ＶＣＳＥＬは、発光面に垂直な方向に光を照射することができる光源10を一つ有するシングルエミッタVCSELや、光源10を複数有するマルチエミッタVCSELがある。
［発光モード］
　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３に示す。図３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４に示すようにＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆの６種類に集約できる。
　これら６種類のモードを同じ割合（Ａ:Ｂ:Ｃ:Ｄ:Ｅ:Ｆ＝１:１:１:１:１:１）で合成すると図５（ａ）に示すようになり、最大強度は０．０２７１となる。なお、図は、光源のパワーを１としたときの各配光角における遠方界の光強度である。
　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５（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５（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。
　以上のことから、複数の発光モードを有するＶＣＳＥＬを用いる場合には、当該ＶＣＳＥＬの光源は、発光モードのうち光軸中心に最大強度を有する発光モードの割合が多い方が、生成されるドットの光強度を大きくすることができ、コントラストも大きくできる点で好ましい。したがって、光源の発光モードのうち光軸中心に最大強度を有するモードの割合は、４０％以上、好ましくは４５％以上、更に好ましくは６０％以上である方がよい。当該発光モードは、ＶＣＳＥＬの発光層の電流注入経路をコントロールする等、従来から知られている方法で調整すればよい。
　光学素子２は、波長λの光を透過するレンズ21が周期的に配列されたものである。ここでレンズ21とは、レンズ21から所定の距離ｆ（ｆ＞０）離れた位置に焦点を有するものである。本発明の光学素子は、焦点距離ｆが１０μｍ以上、２０μｍ以上、４０μｍ以上、６０μｍ以上のように大きくなる程、従来のものよりコントラストを向上することができる。
　レンズ21の形状は、照射したいドットの広がり方のパターン（以下、ドットパターンという）に合わせて自由に設計することができる。たとえば、ドットパターンを円状にしたい場合には、レンズ21の形状を球面レンズにすればよい。また、ドットパターンを非円形にしたい場合には、レンズ21の形状を非球面レンズにして適宜調節すればよい。具体的なレンズ形状としては、例えば、凸レンズや凹レンズの他、断面によって凸レンズや凹レンズに見えるサドル型のレンズなどがある。また、周期配列には、図６（ａ）に示すような平面視で正方形や長方形のレンズ21を正方配列にするものや、図６（ｂ）に示すような平面視で六角形のレンズ21を六方配列にするものなどが該当する。また、レンズ21は、レンズとして機能すればどのようなものでもよく、例えば、フレネルレンズやＤＯＥレンズ、メタレンズ等を用いることもできる。また、レンズ21には、照射部からの光が反射するのを防止する反射防止膜が形成されている方が好ましい。
　照射部１と光学素子２は、照射部１の光源の光軸方向と光学素子２のレンズ21の光軸方向が一致するように配置される。
［照射部と光学素子の距離］
　従来、ｎを１以上の任意の自然数とし、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の場合に光を大きく強め合うと考えられてきた（図７参照）。
［式Ａ］
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000030
　しかしながら、本発明者等が鋭意研究した結果、光学素子の焦点距離をｆとすると、距離Ｌ０は、下記式Ｂ
［式Ｂ］
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000031
である方が、光をより大きく強め合うことがわかった。特に、下記式Ｃを満たすときに最も光を強め合うことがわかった。
［式Ｃ］
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000032
　式Ｂ、式Ｃを、照射部１と光学素子２の間の距離Ｌ０ではなく、図２に示すように、照射部１と光学素子２の焦点位置９との距離Ｌ１（Ｌ１＝Ｌ０－ｆ）で表すと、下記式Ｄ、式Ｅとなる。
［式Ｄ］
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000033
［式Ｅ］
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000034
　また、レンズ21には、周期が複数存在する場合がある。例えば、図６（ａ）に示すように、平面視で正方形のレンズ21を正方配列にした場合には、隣り合うレンズとのピッチＰ１の他、対角線方向のピッチＰ２（＝√２Ｐ１）や、ピッチＰ３（＝√５Ｐ１）等種々のピッチが存在する。また、図６（ｂ）に示すように、平面視で正六角形のレンズ21を六方配列にした場合には、隣り合うレンズとのピッチＰ１の他、ピッチＰ２（＝√３Ｐ１）等が存在する。また、平面視で長方形のレンズを規則的に配列する場合のように、レンズ21が異なる周期を複数有する場合もある。この場合には、レンズ21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、ｎｋを１以上の任意の自然数とし、０≦ａ≦ｆ、０≦ｂ≦ｆとすると、いずれか１以上のピッチＰｋについて、照射部と光学素子の焦点位置９との距離Ｌ１が、下記式１
［式１］
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000035
を満たすようにすればよい。
　ここで式１のａはａ＝ｆ、ａ＝０．５ｆ、ａ＝０．３ｆ、ａ＝０．１ｆと小さい程好ましい。また、ｂもｂ＝ｆ、ｂ＝０．５ｆ、ｂ＝０．３ｆ、ｂ＝０．１ｆと小さい程好ましい。また、距離Ｌ１は、ａ＝ｂ＝０である下記式２を満たす場合が最も好ましい。
［式２］
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000036
[照射部のピッチ]
　また、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８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８（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８（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。
　なお、好ましくは、いずれか２以上のピッチＰｋについて、式１を満たすように、照射部１と光学素子２の焦点位置９との距離Ｌ１を調節する方がよい。その場合、回折は、ピッチが最も小さいものの影響が最も大きくなるため、最も小さいピッチＰ１について、式１を満たす方がよく、更に好ましくは、２番目に小さいピッチＰ２についても、式１を満たす方がよい。
　なお、照射部１が光源10を六方配列としたものである場合には、光学素子のレンズ21の平面形状を長方形とし、当該長方形の短辺と長辺の比をＰ１：Ｐ２＝１：√３とし、光源10のピッチをｍＰ１又はＰ１／ｍすると、各レンズ21に対する光源10の数が均一になるため好ましい。また、この場合には、最も小さいピッチＰ１（長方形の短辺の大きさ）と２番目に小さいピッチＰ２（長方形の長辺の大きさ）について式１を満たすために、Ｐ２＝√３Ｐ１すなわち（Ｐ２）２＝３（Ｐ１）２を考慮して、照射部１と光学素子２との距離Ｌ１は、下記式３を満たすのが好ましく、
［式３］
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000037
更に好ましくは、下記式４を満たすの方がよい。
［式４］
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000038
　また、本発明者が鋭意、研究した結果、光源として共振器長がｔであるＶＣＳＥＬを用いると、式１において、０≦ａ≦ｔ、０≦ｂ≦ｔの範囲であれば、コントラストがあまり変わらないことがわかった。したがって、距離Ｌ１は、下記式５
［式５］
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000039
を満す方が好ましい。なお、ここでいう共振器長ｔは、照射部と光学素子の間の媒体中の距離に換算した距離を意味する。
　なお、ピッチＰｋが光源10の光の波長λより小さくなり過ぎると回折を生じ難くなるため、光源10の配光角内に回折を生じるのに十分なレンズ21が含まれている限りにおいて、ピッチＰｋ、特にピッチＰ１は、光源10の光の波長λより十分に大きい方がよく、例えば５倍以上、好ましくは１０倍以上がよい。
　底部材３は、照射部１を固定するためのものである。底部材３の照射部１を固定する面は、平面であってもよいし、照射部１を埋め込めるような凹状の溝を形成したものでもよい。固定の仕方は、底部材３に照射部１を接着剤で固定する等の一般的な方法を用いればよい。
　側方部材４は、光学素子２と底部材３の間を所定距離だけ空けて固定するためのものである。光学素子２と側方部材４の上端は、上端側接着層51を介して接着される。また、底部材３と側方部材４の下端は、下端側接着層52で接着される。なお、側方部材４は、図１（ｂ）に示すように、上端側接着層51を有していれば下端側接着層52を用いずに、底部材３と一体に形成されていてもよい。また、側方部材４は、図１（ｄ）に示すように、下端側接着層52を有していれば上端側接着層51を用いずに、光学素子と一体に形成されていてもよい。
　なお、側方部材４は、照射部１の周囲を囲う筒状に形成し、光学素子２、底部材３、側方部材４を接着剤で接着した際に、照射部１を密閉できるように形成してもよい。
　底部材３や側方部材４の材質は周知のものを用いることができるが、例えば、周囲の環境による変形が小さいものがよい。また、接着層を形成する樹脂によって変形したり劣化したりしないものがよい。
　上端側接着層51は、照射部１を、光学素子２と底部材３の間に配置するために、側方部材４の上端と光学素子の間に形成され、光学素子２と側方部材４を接着するためのものである。また、下端側接着層52は、側方部材４の下端と底部材３の間に形成され、底部材３と側方部材４を接着するためのものである。また、上端側接着層51および下端側接着層52は、固化させる前の流動性のある接着剤の状態において、照射部１の照射面と光学素子２のレンズの焦点位置との距離Ｌ１を調節する機能を有する。
　上端側接着層51又は下端側接着層52は側方部材４の端部の全面に形成してもよいし、一部だけに形成してもよい。また、上端側接着層51又は下端側接着層52の材質は側方部材４と光学素子２又は底部材３を接着できればどのようなものでもよいが、例えば、シリコン系樹脂やエポキシ系樹脂、アクリル系樹脂等の接着剤を用いればよい。接着剤の種類としては、例えば、光硬化型接着剤やＵＶ付加型接着剤、熱硬化型接着剤を用いればよい。
　ここで、側方部材４と底部材３が図１（ａ）に示すように下端側接着層52で接着されているか、図１（ｂ）に示すように一体として形成されている場合の底部材３の上面から照射部１の照射面までの高さをＨ０とする。この場合、底部材３の上面から側方部材４の上端までの高さＨ１は、少なくとも下記式６
［式６］
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000040
を満たす方が好ましい。
　より好ましくは、高さＨ１が、下記式７
［式７］
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000041
を満たすように形成した後、上端側接着層51の厚さδ１を、０＜δ１＜ｆにコントロールする方がよい。これにより、距離Ｌ１は、確実に下記式８
［式８］
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000042
を満たす。
　また、光源が、共振器長がｔであるＶＣＳＥＬである場合、高さＨ１が、下記式９
［式９］
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000043
を満たすように形成した後、上端側接着層51の厚さδ１を、０＜δ１＜ｔにコントロールする方が好ましい。これにより、距離Ｌ１は、確実に下記式１０
［式１０］
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000044
を満たす。
　また、側方部材４と光学素子が図１（ｃ）に示すように上端側接着層51で接着されているか、図１（ｄ）に示すように一体として形成されている場合の底部材３の上面から照射部１の照射面までの高さをＨ０とする。この場合、側方部材４の下端から光学素子２の下面までの高さＨ２は、少なくとも下記式１１
［式１１］
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000045
を満たす方が好ましい。
　より好ましくは、高さＨ２が、下記式１２
［式１２］
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000046
を満たすように形成した後、上端側接着層51の厚さδ２を、０＜δ２＜ｆにコントロールする方がよい。これにより、距離Ｌ１は、確実に下記式８
［式８］
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000047
を満たす。
　また、光源が、共振器長がｔであるＶＣＳＥＬである場合、高さＨ２が、下記式１３
［式１３］
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000048
を満たすように形成した後、下端側接着層52の厚さδ２を、０＜δ２＜ｔにコントロールする方が好ましい。これにより、距離Ｌ１は、確実に下記式１０
［式１０］
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000049
を満たす。
　また、本発明者が鋭意、研究した結果、図９に示すように、照射部１から光学素子２に照射された光が光学素子２の表面で反射した光が、例えば照射部１の電極15等により再び光学素子２に照射されるとノイズやゴーストの原因となり、コントラストが低下することがわかった。したがって、光学素子２の表面で反射された光が通る位置には、当該光を再び光学素子２に反射するようなもの（例えば、電極15）が配置されていない方が好ましい。また、光学素子２の表面で反射された光が通る位置にそのようなものを配置する場合でも、当該光を再び光学素子２に反射することのない位置に配置する方が好ましい。このためには、例えば、図１０（ａ）に示すように、照射部１の電極15を、光学素子２の表面で反射された光が通る位置から大きくずらせばよい。また、図１０（ｂ）に示すように、照射部１をフィリップチップ型のものにして、光源10の背面側に電極15を配置してもよい。
　また、光学素子２の表面で反射された光が通る位置に、当該光を再び光学素子２に反射するようなものを配置する必要がある場合もある。この場合には、図１１に示すように、照射部１と光学素子２の間に配置され、光学素子２の表面で反射された光を散乱又は吸収するマスク６を配置してもよい。マスク６の位置は、照射部１と光学素子２の間であって、照射部１から光学素子２に出射される光を遮らない位置であればどこに配置してもよく、例えば図１１（ａ）に示すように、電極15上に配置したり、図１１（ｂ）に示すように、電極15と光学素子２の間の空間に配置したり、図１１（ｃ）に示すように、光学素子２上に配置したりすることができる。光を吸収する材料としては、例えばブラックレジストを用いることができる。また、光を散乱させる場合には、例えば、表面が鏡面でない材料を用いることができる。
　次に、本発明の光学系装置の製造方法について図１２、図１３を用いて説明する。当該製造方法は、焦点距離がｆであって波長λの光を透過するレンズ21がピッチＰで周期的に配列された光学素子２と、波長λの光をレンズ21の複数に照射する光源を有する照射部１と、照射部１を固定する底部材３と、光学素子２と底部材３を固定するための側方部材４と、からなる光学系装置の製造方法であって、接着剤を光学素子２と側方部材４の上端の間に配置する上端側接着剤配置工程又は接着剤を底部材３と側方部材４の下端の間に配置する下端側接着剤配置工程と、照射部１と光学素子２の距離を調節する距離調節工程と、接着剤を硬化させる接着剤硬化工程で主に構成される。
　まず、本発明の光学系装置に用いる光学素子２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。
　次に、レンズ21が周期的に配列されたパターンの反転パターンを有するモールドを用意し、当該モールドを基板25上に塗布した材料に加圧して、パターンを転写する（インプリント工程）。
　これにより、レンズ21の焦点位置９のばらつきが小さい光学素子２を製造することができるため、距離Ｌ１の誤差を小さくすることができる。
　上端側接着剤配置工程では、図１２（ａ）に示すように、接着剤51aを光学素子２と側方部材４の上端の間に配置する。また、下端側接着剤配置工程では、図１３（ａ）に示すように、接着剤52aを底部材３と側方部材４の下端の間に配置する。当該接着剤は側方部材４の端部（上端又は下端）の全面に配置してもよいし、一部だけに配置してもよい。また、接着剤は、光学素子２や底部材３側の側方部材４と接着したい位置に配置してもよい。また、接着剤は側方部材４と光学素子２又は底部材３を接着できればどのようなものでもよいが、例えば、シリコン系樹脂やエポキシ系樹脂、アクリル系樹脂等の接着剤を用いればよい。接着剤の種類としては、例えば、光硬化型接着剤やＵＶ付加型接着剤、熱硬化型接着剤を用いればよい。
　距離調節工程は、図１２（ｂ）又は図１３（ｂ）に示すように、照射部と光学素子の焦点位置との距離をＬ１、ｎを１以上の自然数とすると、距離Ｌ１が、下記式１１
［式１１］
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000050
を満たすように接着剤を押圧して照射部と光学素子の距離を調節するものである。距離の調節は、式１１を満たすように調節できればどのような方法を用いてもよい。例えば、従来から知られているセンサを用いて、照射部と光学素子の距離を測定し、距離Ｌ１が、式１１を満たす距離まで照射部と光学素子を近づければよい。また、別の方法としては、照射部の光を光学素子に照射して得られるドットパターンのコントラストが所定値以上になるまで接着剤を押圧して照射部と光学素子の距離を調節するものであってもよい。
　接着剤硬化工程は、図１２（ｃ）又は図１３（ｃ）に示すように、距離調節工程で調節した距離Ｌ１を保ったまま接着剤を硬化させるものである。これにより、光学素子と側方部材４の上端を接着する上端側接着層51又は底部材３と側方部材４の下端を接着する下端側接着層52が形成される。接着剤が光硬化型接着剤の場合には、接着剤に光を照射して硬化させればよい。また、接着剤が、熱硬化型接着剤の場合には、接着剤に熱を加えて硬化させればよい。また、接着剤がＵＶ付加型接着剤の場合には、接着剤に光を照射した後に、距離調節工程によって、照射部と光学素子の焦点位置との距離Ｌ１を調節し、その後に当該接着剤が十分に硬化するまで距離Ｌ１を保持することも可能である。
　なお、距離調節工程において、側方部材４の上端に配置された接着剤の厚み（上端側接着層51の厚み）によって距離を調節する場合には、底部材３の上面から照射部の照射面までの高さをＨ０とすると、距離調節工程の前に、底部材３の上面から側方部材４の上端までの高さＨ１が、下記式１２
［式１２］
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000051
を満たすように側方部材４を底部材３上に形成する側方部材形成工程を有する方がよい。この場合、側方部材４は、図１４（ａ）に示すように、接着剤52aを底部材３と側方部材４の下端の間に配置し、図１４（ｂ）に示すように、接着剤52aに対して側方部材４を押圧して高さＨ１を調節し、図１４（ｃ）に示すように、当該接着剤52aを硬化して形成すればよい。また、所定の高さＨ１となるように、側方部材４を底部材３と一体に形成してもよい。
　また、より好ましくは、側方部材形成工程は、高さＨ１が、下記式１３
［式１３］
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000052
を満たすように側方部材４を底部材３上に形成し、距離調節工程は、上端側接着剤配置工程で配置した接着剤の厚さδ１が、０＜δ１＜ｆとなるように、当該接着剤を押圧する方が好ましい。これにより、照射部と光学素子の焦点位置との距離Ｌ１が確実に式１１を満たす光学系装置を製造することができる。
　また、上述したように、本発明者が鋭意、研究した結果、光源として照射部と光学素子の間の媒体中の距離に換算した共振器長がｔであるＶＣＳＥＬを用いると、式１０の範囲で、コントラストがあまり変わらないことがわかった。したがって、この場合には、側方部材形成工程は、高さＨ１が、下記式１４
［式１４］
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000053
を満たすように側方部材４を底部材３上に形成し、距離調節工程は、上端側接着剤配置工程で配置した接着剤51aの厚さδ１が、０＜δ１＜ｔとなるように、当該接着剤を押圧する方が好ましい。
　また、距離調節工程において、側方部材４の下端に配置された接着剤の厚み（下端側接着層52の厚み）によって距離を調節する場合には、底部材３の上面から照射部の照射面までの高さをＨ０とすると、距離調節工程の前に、側方部材４の下端から光学素子の下面までの高さＨ２が、下記式１５
［式１５］
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000054
を満たすように側方部材４を光学素子上に形成する側方部材形成工程を有する方がよい。この場合、側方部材４は、図１５（ａ）に示すように、接着剤51aを光学素子２と側方部材４の上端の間に配置し、図１５（ｂ）に示すように、接着剤51aに対して側方部材４を押圧して高さＨ２を調節し、図１５（ｃ）に示すように、当該接着剤51aを硬化して形成すればよい。また、所定の高さＨ２となるように、側方部材４を光学素子２と一体に形成してもよい。
　また、より好ましくは、側方部材形成工程は、高さＨ２が、下記式１６
［式１６］
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000055
を満たすように側方部材４を光学素子上に形成し、距離調節工程は、下端側接着剤配置工程で配置した接着剤の厚さδ２が、０＜δ２＜ｆとなるように、当該接着剤を押圧する方が好ましい。これにより、照射部と光学素子の焦点位置との距離Ｌ１が確実に式１１を満たす光学系装置を製造することができる。
　また、上述したように、本発明者が鋭意、研究した結果、光源として照射部と光学素子の間の媒体中の距離に換算した共振器長がｔであるＶＣＳＥＬを用いると、式１０の範囲で、コントラストがあまり変わらないことがわかった。したがって、この場合には、側方部材形成工程は、高さＨ２が、下記式１７
［式１７］
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000056
を満たすように側方部材４を光学素子上に形成し、距離調節工程は、下端側接着剤配置工程で配置した接着剤の厚さδ２が、０＜δ２＜ｔとなるように、当該接着剤を押圧する方が好ましい。
［シミュレーション］
　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１８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。
［式１８］
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000057
［シミュレーション１］
　照射部１は、波長が９４０ｎｍ（λ＝０．９４）で、図１６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２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１７（ａ）は、各レンズに図１７（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１８中のｎｋは２とした。図１８～図２０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。
　図１８～図２０の（ａ）のグラフは、従来のように、照射部１と光学素子２の間の距離Ｌ０が上述した式Aを満たす場合の光強度分布である。
　また、図１８～図２０の（ｂ）のグラフは、照射部１と光学素子２の焦点位置９との間の距離Ｌ１が上述した式２を満たす場合の光強度分布である。
　また、図１８～図２０の（ｃ）のグラフは、δの値に対する各光強度分布の最大光強度の違いを示すものである。
　なお、図１８～図２０の（ａ）（ｂ）における横軸は配光角、縦軸は光源のパワーを１としたときの遠方界の光強度を示す。また、図１８～図２０の（ｃ）における横軸はδ、縦軸は光源のパワーを１としたときの遠方界の光強度を示す。
　シミュレーションの結果、光学素子２は、式Ａを満たすものよりも式１を満たすものの方がきれいなピークが出ており、ピークの光強度も大きいことがわかる。また、式２を満たすときにピークの光強度が最大になることがわかる。
［シミュレーション２］
　照射部１は、波長が９４０ｎｍ（λ＝０．９４）で、図１６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２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２１～図２３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ｎｋは２とした。図２４～図３２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２における奥行き方向も考慮した３Ｄの計算結果である。
　図２４～図２６は、３種類のレンズに対して、式１８のδを種々に変化させた場合の光学素子から５０ｃｍ先の投影像である。また、図２７～図２９は、３種類のレンズに対して、式１８のδを種々に変化させた場合の光強度分布である。また、図３０～３２は、３種類のレンズに対して、δの値に対する各光強度分布の最大光強度を示すものである。
　なお、図２７～２９図における横軸は配光角、縦軸は光源のパワーを１としたときの遠方界の光強度を示す。また、図３０～図３２における横軸はδ、縦軸は光源のパワーを１としたときの遠方界の光強度を示す。
　シミュレーションの結果、光学素子２は、式Ａを満たすものよりも式１を満たすものの方がきれいなピークが出ており、ピークの光強度も大きいことがわかる。また、式２を満たすときにピークの光強度が最大になることがわかる。
［シミュレーション３］
　照射部１は、波長が９４０ｎｍ（λ＝０．９４）で、図１６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２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３３（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３３（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３３（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３４に示すように、２０μｍであるものを用いた。図３４（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１８中のｎｋは２とした。図３５～図３８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２における奥行き方向も考慮した３Ｄの計算結果である。
　図３５は、式１８のδを種々に変化させた場合の光学素子から５０ｃｍ先の投影像である。また、図３６は、式３のδを種々に変化させた場合のｘ軸方向の光強度分布である。また、図３７は、式１８のδを種々に変化させた場合のｙ軸方向の光強度分布である。また、図３８は、δの値に対するｘ軸方向およびｙ軸方向の各光強度分布の最大光強度を示すものである。
　なお、図３６，３７図の横軸は配光角、縦軸は光源のパワーを１としたときの遠方界の光強度を示す。また、図３８の横軸はδ、縦軸は光源のパワーを１としたときの遠方界の光強度を示す。
　シミュレーションの結果、光学素子２は、式Ａを満たすものよりも式１８を満たすものの方がきれいなピークが出ており、ピークの光強度も大きいことがわかる。また、ｘ軸方向とｙ軸方向で曲率が異なる非回転対称のレンズを用いているため、ｘ軸方向とｙ軸方向ではピークの光強度が最大になる位置は異なるが、式１８を満たしていれば、十分な光強度を有することもわかる。
［実施例１］
　照射部１としては、波長が９４５ｎｍ（λ＝０．９４５）でバットウィング配光である光を照射する光源が３２μｍピッチで正方配列されたＶＣＳＥＬを用いた。空気中に換算したＶＣＳＥＬの共振器長は、３０μｍであった。光学素子２は、複数のレンズ21をピッチＰ１が３２μｍ（Ｐ１＝３２）で正方配列にしたもので、屈折率は、１．５３のものを用いた。また、レンズ21の形状は、平面視が１辺３２μｍの正方形で、高さが１７μｍ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球面とした。また、レンズ21の焦点距離ｆは、２０μｍであるものを用いた。また、照射部１と光学素子２の焦点位置９との距離を１０８４μｍとし、この距離からの差δを種々に変化させた場合のドットパターンのコントラストおよびドットサイズを調べた。光学素子から１．５ｍ離れたスクリーンにドットパターンを投影した際の中心位置のドットのコントラストを測定した結果を図３９（ａ）に、ドットサイズを測定した結果を図３９（ｂ）に、バックグラウンドを測定した結果を図３９（ｃ）に示す。
　図３９に示すように、－３０≦δ≦３０の範囲、すなわち共振器長と同程度の誤差範囲であればコントラストやドットサイズがあまり変わらないことがわかった。
　１　照射部
　２　光学素子
　３　底部材
　４　側方部材
　９　焦点位置
　10　光源
　21　レンズ
　51　上端側接着層
　52　下端側接着層
　51a　接着剤
　52a　接着剤

Claims (17)

  1. 　焦点距離がｆであって波長λの光を透過するレンズがピッチＰで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、
    　前記照射部を固定する底部材と、
    　前記光学素子と前記底部材を固定するための側方部材と、
    　前記光学素子と前記側方部材の上端を接着する上端側接着層又は前記底部材と前記側方部材の下端を接着する下端側接着層のいずれか一方又は両方と、
    を具備し、
    　前記照射部と前記光学素子の焦点位置との距離をＬ１、ｎを１以上の自然数とすると、前記距離Ｌ１は、下記式
    Figure JPOXMLDOC01-appb-I000001
    を満たすことを特徴とする光学系装置。
  2. 　前記底部材の上面から前記照射部の照射面までの高さをＨ０とすると、前記底部材の上面から前記側方部材の上端までの高さＨ１が、下記式
    Figure JPOXMLDOC01-appb-I000002
    を満たすと共に、前記上端側接着層の厚さδ１が、０＜δ１＜ｆであることを特徴とする請求項１記載の光学系装置。
  3. 　前記高さＨ１が、下記式
    Figure JPOXMLDOC01-appb-I000003
    を満たすと共に、前記上端側接着層の厚さδ１が、０＜δ１＜ｆであることを特徴とする請求項２記載の光学系装置。
  4. 　前記光源は、前記照射部と前記光学素子の間の媒体中の距離に換算した共振器長がｔであるＶＣＳＥＬであり、
    　前記高さＨ１が、下記式
    Figure JPOXMLDOC01-appb-I000004
    を満たすと共に、前記上端側接着層の厚さδ１が、０＜δ１＜ｔであることを特徴とする請求項２記載の光学系装置。
  5. 　前記底部材の上面から前記照射部の照射面までの高さをＨ０とすると、前記側方部材の下端から前記光学素子の下面までの高さＨ２が、下記式
    Figure JPOXMLDOC01-appb-I000005
    を満たすことを特徴とする請求項１記載の光学系装置。
  6. 　前記高さＨ２が、下記式
    Figure JPOXMLDOC01-appb-I000006
    を満たすと共に、前記下端側接着層の厚さδ２が、０＜δ２＜ｆであることを特徴とする請求項５記載の光学系装置。
  7. 　前記光源は、前記照射部と前記光学素子の間の媒体中の距離に換算した共振器長がｔであるＶＣＳＥＬであり、
    　前記高さＨ２が、下記式
    Figure JPOXMLDOC01-appb-I000007
    を満たすと共に、前記下端側接着層の厚さδ２が、０＜δ２＜ｔであることを特徴とする請求項５記載の光学系装置。
  8. 　前記照射部と前記光学素子の間に配置され、前記光学素子の表面で反射された光を散乱又は吸収するマスクを具備することを特徴とする請求項１ないし８のいずれかに記載の光学系装置。
  9. 　前記照射部の電極は、前記光学素子の表面で反射された光を再び当該光学素子に反射することのない位置に配置されることを特徴とする請求項１ないし８のいずれかに記載の光学系装置。
  10. 　焦点距離がｆであって波長λの光を透過するレンズがピッチＰで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、前記照射部を固定する底部材と、前記光学素子と前記底部材を固定するための側方部材と、からなる光学系装置の製造方法であって、
    　接着剤を前記光学素子と前記側方部材の上端の間に配置する上端側接着剤配置工程又は接着剤を前記底部材と前記側方部材の下端の間に配置する下端側接着剤配置工程と、
    　前記照射部と前記光学素子の焦点位置との距離をＬ１、ｎを１以上の自然数とすると、前記距離Ｌ１が、下記式
    Figure JPOXMLDOC01-appb-I000008
    を満たすように前記接着剤を押圧して前記照射部と前記光学素子の距離を調節する距離調節工程と、
    　前記距離Ｌ１を保ったまま前記接着剤を硬化させる接着剤硬化工程と、
    を有することを特徴とする光学系装置の製造方法。
  11. 　前記底部材の上面から前記照射部の照射面までの高さをＨ０とすると、前記距離調節工程の前に、前記底部材の上面から前記側方部材の上端までの高さＨ１が、下記式
    Figure JPOXMLDOC01-appb-I000009
    を満たすように前記側方部材を前記底部材上に形成する側方部材形成工程を有することを特徴とする請求項１０記載の光学系装置の製造方法。
  12. 　前記側方部材形成工程は、前記高さＨ１が、下記式
    Figure JPOXMLDOC01-appb-I000010
    を満たすように前記側方部材を前記底部材上に形成し、
    　前記距離調節工程は、前記上端側接着剤配置工程で配置した接着剤の厚さδ１が、０＜δ１＜ｆとなるように、当該接着剤を押圧することを特徴とする請求項１１記載の光学系装置の製造方法。
  13. 　前記光源は、前記照射部と前記光学素子の間の媒体中の距離に換算した共振器長がｔであるＶＣＳＥＬであり、
    　前記側方部材形成工程は、前記高さＨ１が、下記式
    Figure JPOXMLDOC01-appb-I000011
    を満たすように前記側方部材を前記底部材上に形成し、
    　前記距離調節工程は、前記上端側接着剤配置工程で配置した接着剤の厚さδ１が、０＜δ１＜ｔとなるように、当該接着剤を押圧することを特徴とする請求項１１記載の光学系装置の製造方法。
  14. 　前記底部材の上面から前記照射部の照射面までの高さをＨ０とすると、前記距離調節工程の前に、前記側方部材の下端から前記光学素子の下面までの高さＨ２が、下記式
    Figure JPOXMLDOC01-appb-I000012
    を満たすように前記側方部材を前記光学素子上に形成する側方部材形成工程を有することを特徴とする請求項１０記載の光学系装置の製造方法。
  15. 　前記側方部材形成工程は、前記高さＨ２が、下記式
    Figure JPOXMLDOC01-appb-I000013
    を満たすように前記側方部材を前記光学素子上に形成し、
    　前記距離調節工程は、前記下端側接着剤配置工程で配置した接着剤の厚さδ２が、０＜δ２＜ｆとなるように、当該接着剤を押圧することを特徴とする請求項１１記載の光学系装置の製造方法。
  16. 　前記光源は、前記照射部と前記光学素子の間の媒体中の距離に換算した共振器長がｔであるＶＣＳＥＬであり、
    　前記側方部材形成工程は、前記高さＨ２が、下記式
    Figure JPOXMLDOC01-appb-I000014
    を満たすように前記側方部材を前記光学素子上に形成し、
    　前記距離調節工程は、前記下端側接着剤配置工程で配置した接着剤の厚さδ２が、０＜δ２＜ｔとなるように、当該接着剤を押圧することを特徴とする請求項１１記載の光学系装置の製造方法。
  17. 　前記距離調節工程は、前記照射部の光を前記光学素子に照射して得られるドットパターンのコントラストが所定値以上になるまで前記接着剤を押圧して前記照射部と前記光学素子の距離を調節するものであることを特徴とする請求項１０記載の光学系装置の製造方法。
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