WO2024029616A1 - 光学素子、光学系装置および光学系装置の製造方法 - Google Patents

光学素子、光学系装置および光学系装置の製造方法 Download PDF

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WO2024029616A1
WO2024029616A1 PCT/JP2023/028540 JP2023028540W WO2024029616A1 WO 2024029616 A1 WO2024029616 A1 WO 2024029616A1 JP 2023028540 W JP2023028540 W JP 2023028540W WO 2024029616 A1 WO2024029616 A1 WO 2024029616A1
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WO
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optical element
medium layer
light
refractive index
system device
Prior art date
Application number
PCT/JP2023/028540
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
智宣 中村
哲 楊
晃史 縄田
大貴 小川
信義 粟屋
覚 田中
Original Assignee
Ｓｃｉｖａｘ株式会社
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Filing date
Publication date
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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B3/00—Simple or compound lenses
    • 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, an optical system device, and a method for manufacturing an optical system device.
  • Three-dimensional measurement sensors using the time-of-flight (TOF) method are about to be adopted in mobile devices, cars, robots, etc.
  • This method measures the distance to an object based on the time it takes for the light irradiated from the light source to the object to be reflected and returned. If a predetermined area of the object is uniformly irradiated with light from a light source, the distance at each irradiated point can be measured and the three-dimensional structure of the object can be detected.
  • the above sensor system includes an irradiation section that irradiates light, an optical element that controls the light from the irradiation section to a predetermined light distribution, a camera section that detects the light reflected from each point on the object, and the camera section that receives the light. It consists of a calculation unit that calculates the distance to the object from the signal. Since existing VCSEL, CMOS imager, CPU, etc. can be used for the irradiation section, camera section, and calculation section, the unique part of the above system is the optical element.
  • TOF has the need for long-distance measurement, and the intensity of the irradiated light must be strong enough to enable long-distance measurement.
  • randomly arranged microlens arrays are unsuitable for long-distance measurements because the intensity of the irradiated light is low due to the high uniformity of the irradiated light.
  • the present invention relates to an optical element that can be easily packaged with other components, an optical system device using the optical element, and a method for manufacturing the optical system device.
  • the optical element of the present invention provides an interface between a first medium layer having a first refractive index and a second medium layer having a second refractive index higher than the first refractive index.
  • the first medium layer is a gas
  • the second medium layer and the adjustment section are integrally formed of a second resin having a second refractive index.
  • the second medium layer is made of a second resin having a second refractive index
  • the first medium layer and the adjustment section are integrally formed of a first resin having a first refractive index. is preferred.
  • the surface of the first medium layer or the second medium layer opposite to the boundary surface is planar or curved.
  • an anti-reflection film is provided on a surface of the first medium layer or the second medium layer opposite to the boundary surface.
  • a surface of the first medium layer or the second medium layer opposite to the boundary surface has a fine uneven structure that functions as a moth eye.
  • a third medium layer may be provided on a surface of the second medium layer opposite to the boundary surface.
  • the third medium layer may be made of the same material as the first medium layer.
  • the first medium layer is preferably formed on a base material.
  • one or more functional layers having a specific function may be provided on a surface of the base material opposite to the surface on which the first medium layer is located.
  • the functional layer may be an aperture mask.
  • the functional layer may be a metal wiring.
  • the functional layer includes a metal wiring formed on the substrate, an insulating layer formed on the metal wiring, an aperture mask made of metal formed on the insulating layer, and a metal wiring formed on the substrate. and a conductive portion that electrically connects to the aperture mask.
  • the uneven shape may be a shape in which lenses are arranged periodically.
  • the optical element is capable of diffusing incident light into a predetermined diffusion range, the diffusion range being defined as the inside of a single closed curve in a predetermined plane, and the uneven shape having a plurality of irregularities having no periodicity.
  • the uneven shape has a width, where ⁇ is the wavelength of the light, n 1 is the refractive index of the first medium layer, and n 2 is the refractive index of the second medium layer.
  • the slope of the uneven shape does not have a part where the slope changes by 135 degrees, and the uneven shape has a slope such that the incident light is emitted to a region outside the diffusion range according to Snell's law. It is preferable that the area having the above is 5% or less of the total area.
  • the uneven shape is formed such that the light distribution calculated by Snell's law is proportional to cos ⁇ n ⁇ (1 ⁇ n ⁇ 7) from the center of the diffusion range toward the boundary. .
  • the optical system device of the present invention includes the above-described optical element of the present invention, and an irradiation section that is disposed on the first medium layer side of the optical element and has a light source that irradiates light to the optical element.
  • the optical element and the irradiation section are stacked with the adjustment section interposed therebetween.
  • the irradiation section may include a light source coating layer made of resin and covering the light source.
  • a cover part that includes the optical element and the irradiation part may be provided.
  • at least a portion of the cover portion may be made of a light-shielding material.
  • the uneven shape is a shape in which lenses that transmit light with a wavelength ⁇ are arranged periodically, and the irradiation section has a light source that irradiates the plurality of lenses with light with a wavelength ⁇ , m and n are natural numbers of 1 or more, the focal length of the lens according to the cross-sectional shape perpendicular to the y direction is f 1 , the focal length according to the cross-sectional shape perpendicular to the x direction is f 2 , and the pitch of the lens in the x direction Assuming that the pitch is P 1 and the pitch in the y direction is P 2 , the distance L 1 between the irradiation section and the first focal plane of the lens, and the distance L 2 between the second focal plane and the Formula 2 It is preferable to satisfy the following.
  • the method for manufacturing an optical system device of the present invention includes the above-described optical element of the present invention and an irradiation section that is disposed on the first medium layer side of the optical element and has a light source that irradiates the optical element with light. , comprising a laminating step of laminating layers through the adjusting portion, and a cover portion forming step of forming a cover portion that includes the optical element and the irradiation portion.
  • Another method of manufacturing an optical system device of the present invention includes a first resin supplying step of supplying a first resin that is photocurable and has a first refractive index onto a substrate to which an irradiation part is fixed; 1.
  • An uneven shape forming step of forming an uneven shape on the surface of a resin by an imprint method, and applying a second resin that is photocurable and has a second refractive index higher than the first refractive index on the uneven surface. It is characterized by comprising a second medium layer forming step of supplying and curing to form a second medium layer.
  • the optical element of the present invention is formed with an adjustment part to maintain a certain distance from the uneven shape of the optical element, it is easy to package the optical element with the irradiation part and other components.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an optical system element of the present invention.
  • FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing another optical system element of the present invention.
  • FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing still another optical system element of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic plan view showing functional layers of the optical system element of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing (a) a conventional optical system device and (b) an optical system device of the present invention. It is (a) a schematic cross-sectional view and (b) a top view which show the optical system element of this invention which has multiple functional layers.
  • FIG. 1 is a schematic perspective view showing an optical element of the present invention.
  • FIG. 1 is a schematic perspective view showing an optical element of the present invention.
  • FIG. 1 is an enlarged sectional view showing an optical element of the present invention.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating refraction of the optical element of the present invention.
  • 1 is a schematic plan view showing an optical system device of the present invention.
  • FIG. 7 is a diagram showing the light intensity at the camera section when the light intensity distribution P( ⁇ ) is made proportional to cos ⁇ n ⁇ (n is 1 to 7) [P( ⁇ ) ⁇ cos ⁇ n ⁇ ].
  • 1 is a schematic cross-sectional view showing an optical system device in which an optical element of the present invention is integrated with an irradiation section.
  • 1 is a schematic cross-sectional view showing an optical system device of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing an optical system device of the present invention in which a cover portion is formed.
  • FIG. 1 is a diagram for explaining an example of an optical system device of the present invention.
  • FIG. 3 is a schematic plan view showing the positional relationship between the irradiation section and the optical element according to the present invention.
  • 1 is a schematic cross-sectional view showing a method of manufacturing an optical system device of the present invention.
  • FIG. 7 is a schematic cross-sectional view showing another method of manufacturing an optical system device of the present invention. It is a schematic sectional view showing the manufacturing method of yet another optical system device of the present invention.
  • the optical element of the present invention includes a first medium layer 1 having a first refractive index and a second medium layer 2 having a second refractive index higher than the first refractive index.
  • the interface 11 has a concavo-convex shape 20 that exhibits an optical function.
  • an adjustment portion 7 is formed on the first medium layer 1 side from the uneven shape 20 (boundary surface 11) to provide a certain distance from the uneven shape 20.
  • the certain distance means the distance in the vertical or horizontal direction that needs to be provided between the concavo-convex shape 20 and the irradiation section or other components when combining the irradiation section or other components.
  • the distance in the vertical direction is preferably at least a distance that exceeds the height of the convex portion of the concavo-convex shape 20 on the first medium layer 1 side.
  • the adjustment section 7 By forming the adjustment section 7, vertical and horizontal alignments can be easily and accurately performed when combining the irradiation section and other components, making it easy to perform alignments in the vertical and horizontal directions when manufacturing optical system devices. Packaging becomes easier. It is preferable that the adjusting section 7 is formed integrally with the first medium layer 1 or the second medium layer 2.
  • the difference between the first refractive index and the second refractive index may be any value as long as it can at least make the concavo-convex shape 20 function optically. In order to widen the exit angle of the lens, it is better to increase the refractive index difference between the first refractive index and the second refractive index, for example, 1.8 or more, preferably 1.9 or more, and more preferably 2.0 or more. good.
  • the first medium layer 1 be made of gas, as shown in FIG. Although any gas may be used, air, an inert gas, etc. may be used.
  • the gas also includes gas in a reduced pressure state called vacuum.
  • the second medium layer 2 may be made of a material that can transmit at least light of a predetermined wavelength ⁇ , such as a resin such as silicone resin, epoxy resin, or acrylic resin (hereinafter referred to as second resin). Can be used.
  • the adjusting section 7 determines the thickness of the first medium layer 1 (the thickness of the space) by leaving a certain distance between the concavo-convex shape 20 and the periphery of the second medium layer 2. It is formed as the lower part of the side member 25.
  • the side members 25 may be made of any material.
  • the second medium layer and the adjustment section 7 may be integrally formed of a material having a second refractive index (for example, a second resin).
  • an optical element may be manufactured in any manner, for example, it may be manufactured using an imprint method. Specifically, manufacturing may be performed by forming the uneven shape 20 on the material of the second medium layer using a mold having a pattern in which the uneven shape 20 and the adjustment portion 7 are reversed. At this time, it is also possible to manufacture a plurality of optical elements by forming a plurality of regions with the concavo-convex shape 20 and the adjusting portion 7, and then dividing each region.
  • the refractive index difference between the first refractive index and the second refractive index may be reduced.
  • the refractive index difference may be, for example, 0.4 or less, preferably 0.2 or less. This makes it possible to reduce the irradiation angle to 30 degrees or less while keeping the sag of the lens at 10 ⁇ m or more.
  • the first medium layer 1 and the second medium layer 2 may be made of materials with a small difference in refractive index.
  • the first medium layer 1 and the second medium layer 2 may be made of any material as long as it can transmit at least light of a predetermined wavelength ⁇ , but examples include silicone resin, epoxy resin, and acrylic resin. type resin etc. can be used.
  • the adjusting section 7 can utilize the surface 12 of the first medium layer 1 on the opposite side to the boundary surface 11 as is, as shown in FIG. That is, the thickness of the first medium layer 1 may be set to a size that leaves a certain distance from the uneven shape 20 on the first medium layer 1 side than the uneven shape 20.
  • such an optical element may be manufactured in any manner, for example, it may be manufactured using an imprint method. Specifically, after forming the concavo-convex shape 20 on the material of the first medium layer using a mold having a pattern in which the concavo-convex shape 20 and the adjustment part 7 are reversed, the material of the second medium layer is applied, or Alternatively, it may be manufactured by forming the uneven shape 20 on the material of the second medium layer and then applying the material of the first medium layer. At this time, it is also possible to manufacture a plurality of optical elements by forming the concavo-convex shape 20 in a large area or in a plurality of regions, and then dividing this.
  • the surface 21 of the second medium layer 2 opposite to the boundary surface 11 can be formed into a planar shape as shown in FIG. 1(a) or FIG. 2(a). Further, the surface 21 can also be formed into a curved shape as shown in FIGS. 1(b) and 2(c) or 2(b) and 2(c).
  • the term "planar” or "curved” means that the surface has no irregularities larger than the wavelength of the emitted light and is sufficiently smooth.
  • layers, films, and shapes having various functions can be easily added to the surface 21.
  • an antireflection film can be formed on the surface 21. Thereby, reflection when light is emitted from the second medium layer 2 can be suppressed.
  • the surface 21 may be formed with a fine uneven structure that functions as a moth eye. The fine uneven structure is formed to be smaller than the wavelength of the light that passes through it.
  • the third medium layer 3 may be provided on the surface 21, as shown in FIGS. 1(d) and 2(d).
  • the second medium layer 2 needs to be made of a resin with a high refractive index.
  • resins with high refractive index often have poor environmental performance. Therefore, by arranging the third medium layer 3 on the surface of the second medium layer 2 so as to relieve the stress of the second medium layer 2, the environmental performance of the optical element can be improved.
  • the material for the third medium layer 3 may be any material as long as it can improve the environmental performance of the first medium layer 1 or the second medium layer 2.
  • silicone resin, epoxy resin, acrylic resin, etc. Resin etc. can be used.
  • the third medium layer 3 is preferably made of the same material as the first medium layer 1.
  • the first medium layer 1 may be formed on the base material 5.
  • one or more functional layers 6 having a specific function can be formed on the surface 52 of the base material 5 opposite to the surface 51 on which the first medium layer 1 is located.
  • the base material 5 for example, a glass substrate or the like can be used.
  • an intermediate resin layer 4A may be formed on the surface 51 of the base material 5, as shown in FIG. 3(c).
  • the intermediate resin layer 4A for example, a resin layer as a base that improves the adhesion between the base material 5 and the second medium layer 2 is applicable.
  • the first medium layer 1 being formed on the base material 5 means that the first medium layer 1 is in direct contact with the surface 51 of the base material 5, as shown in FIGS. 3(a) to 3(c).
  • the intermediate resin layer 4B for example, a resin layer as a base that improves the adhesion between the base material 5 and the first medium layer 1 is applicable.
  • the functional layer 6 may be of any material as long as it has a specific function, and for example, an aperture mask 61 as shown in FIG. 4(a) is applicable.
  • the aperture mask 61 has an opening 61a and is used to block part of the light. Thereby, electromagnetic waves that become noise can be prevented from being emitted from other than the opening 61a.
  • metal such as gold can be used, for example.
  • a metal wiring 62 as shown in FIG. 4(b) corresponds.
  • the metal wiring 62 constitutes a predetermined electric circuit or the like.
  • a metal wiring 62 was formed on the lower surface 52 of the base material 5, and an uneven shape 20 such as a lens was formed on the resin layer 2A on the surface.
  • the metal wiring 62 is insulated by the resin layer 2A, it is necessary to form a separate structure for conduction in order to establish conduction with the package side.
  • the optical element of the present invention as shown in FIG.
  • an uneven shape 20 such as a lens is formed on one surface 51 side of the base material 5, and a metal wiring 62 is formed on the other surface 52 side. Therefore, the metal terminal of the metal wiring 62 can be exposed on the surface. Therefore, there is no need for a structure for establishing electrical conduction with the package side, such as the irradiation section 8, and it is possible to connect directly to the contacts on the package side.
  • the metal wiring 62 for example, ITO or the like can be used.
  • the functional layer 6 may be a combination of layers having specific functions.
  • the functional layer is formed by forming a metal wiring 62 such as ITO formed on the surface 52 of the base material 5, an insulating layer 63 formed on the metal wiring 62, and an insulating layer 63 formed on the surface 52 of the base material 5. It is composed of an aperture mask 61 made of metal formed above, and a conductive portion 64 that electrically connects the metal wiring 62 and the aperture mask 61.
  • the optical element can be provided with eye-safe and EMI-compatible functions.
  • the aperture mask 61 with metal, the connection between the contacts on the package side and the metal wiring 62 can be facilitated.
  • the uneven shape 20 of the optical element may be of any shape as long as it has an optical function.
  • a shape that can control and emit incident light such as a microlens array (MLA) or a diffractive optical element (DOE), is applicable.
  • MLA microlens array
  • DOE diffractive optical element
  • the lenses of the microlens array may be arranged periodically or randomly.
  • Diffusion range 91 of optical element 100 is defined as the interior of a single closed curve in a predetermined plane.
  • the uneven shape 20 has a plurality of ridges and valleys without periodicity, as shown in FIG.
  • the diffusion range 91 is defined as the interior of a single closed curve 92, such as a polygon or an ellipse, in a predetermined plane 90, for example.
  • the predetermined plane 90 here is a plane (xy plane) perpendicular to the optical axis (z axis) of the light source that irradiates light to the optical element, and is at least the size of the light when the light source 2 emits light. It means a plane that is 100 times or more away from the optical element.
  • the uneven shape 20 is formed so as to refract the incident light into the diffusion range 91 according to Snell's law. This will be explained using FIG. 9.
  • Snell's law also holds true between the incident angle ⁇ 3 on the output surface 21 of the optical element and the refraction angle ⁇ 4 of the emitted light to the outside.
  • n 1 sin ⁇ 1 n 2 sin ⁇ 2
  • the light distribution of the emitted light that is, the intensity distribution at the outgoing 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 ⁇ 1 (gradient) of the uneven surface of the optical element (the surface of the uneven shape 20), so the frequency distribution of the incident angle ⁇ 1 is This corresponds to the frequency distribution of the inclination angle ⁇ 1 of the uneven surface of the element.
  • y yo ))) becomes.
  • the uneven shape 20 may be designed by calculating the frequency distribution of the inclination angle ⁇ 1 (gradient) on the surface of the optical element.
  • the uneven shape 20 when calculating according to Snell's law, has a region having a slope that causes the incident light to be emitted to a region outside the diffusion range 91 in 5% or less of the total region, preferably 3% or less, More preferably, it is designed to be 1% or less.
  • the wavelength of light incident on the optical element in vacuum must be ⁇ , the refractive index of the first medium layer 1 n 1 , and the refractive index of the second medium layer 2 n 2 .
  • the uneven shape 20 has a height of at least 2.5 times or more of ⁇ /(n 2 - n 1 ), preferably 5 times or more, and more preferably 10 times or more. good. Note that the height of the uneven shape 20 herein means the difference between the highest ridge and the lowest valley of the uneven shape 20.
  • the inclination angle ⁇ 1 of the uneven shape 20 changes gradually.
  • the uneven shape 20 is formed so that it does not have a portion where the inclination angle ⁇ 1 (gradient) of the surface changes by 135 degrees, preferably by 120 degrees, and more preferably by 90 degrees. Note that the change in the tilt angle ⁇ 1 can be ignored if the change is of a magnitude that cannot be detected by light.
  • the inclination angle of the surface of the uneven shape 20 is ⁇ 1 may be calculated from the height change in the width ⁇ /(n 2 -n 1 ) from any position to any position.
  • the width means the width of the uneven shape 20 in a direction perpendicular to the z-axis direction (direction parallel to the incident surface or the exit surface).
  • a general sensor system mainly includes an optical element 100, an irradiation unit 8, a camera unit 300 that detects light reflected from each point on an object 10, and a camera unit 300. It consists of a calculation unit 400 that calculates the distance to the object from the received signal.
  • the light intensity becomes lower as the light is reflected at a wider angle and enters the camera unit 300. Therefore, in order for the camera to better sense light incident from a wide angle, it is preferable that the intensity of the light transmitted through the optical element 100 increases as the angle ⁇ increases. That is, the light distribution in the far field from the optical element 100 is preferably such that the intensity increases as the angle ⁇ increases.
  • the uneven shape 20 is preferably formed so that the light distribution calculated by Snell's law increases monotonically from the center of the diffusion range 91 toward the boundary.
  • the concavo-convex shape 20 of the optical element may be designed such that the frequency distribution of the inclination monotonically increases as the inclination 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 light from the light source 2 is irradiated perpendicularly to the optical element of the present invention. do. Further, 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 intensity distribution in the cross section.
  • FIG. 11 shows the light intensity distribution P( ⁇ ) in the far field from the optical element 100 in an optical system in which light transmitted through the optical element 100 is reflected on a screen and returned to the camera as cos ⁇ n ⁇ .
  • This is a graph in which the intensity of light returning to the camera unit is calculated with respect to the incident angle ⁇ when the intensity of light is proportional to [P( ⁇ ) ⁇ cos ⁇ n ⁇ ] (n is 1 to 7). It can be seen that the larger the incident angle, the smaller the light intensity, but the larger n is, the smaller the difference becomes. Furthermore, 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 uneven shape 20 of the optical element is formed such that the light distribution calculated by Snell's law is proportional to cos ⁇ n ⁇ (1 ⁇ n ⁇ 7) from the center to the boundary of the diffusion range 91. Preferably, it is formed so as to be proportional to cos ⁇ 7 ⁇ .
  • the frequency distribution of the inclination angle ⁇ 1 of the concavo-convex shape 20 of the optical element is formed so as to be proportional to cos ⁇ n ⁇ 1 (1 ⁇ n ⁇ 7), and is preferably proportional to cos ⁇ 7 ⁇ 1 . formed in proportion.
  • each uneven shape 20 preferably has a height of at least 5 times or more of ⁇ /(n 2 - n 1 ), preferably 10 times or more, and more preferably 25 times or more. It's better to have.
  • the optical system device of the present invention as shown in FIG. 5(b), FIG. 6(a), FIG. 12, and FIG.
  • An irradiation unit 8 is arranged and irradiates the optical element with light. Further, the optical element and the irradiation section 8 are stacked with the adjustment section 7 interposed therebetween.
  • the irradiation unit 8 may be of any type as long as it has a light source 80 that irradiates light with a wavelength ⁇ .
  • the irradiation unit 8 may be a single light source or a plurality of light sources.
  • a plurality of light sources may be provided by passing light from a single light source through an aperture in which a plurality of pores are formed.
  • the irradiation section 8 is composed of a plurality of light sources, it is preferable that the light sources 80 are formed on the same plane because the distance and angle between the optical element and the irradiation section 8 can be adjusted accurately.
  • VCSEL Vertical Cavity Surface Emitting LASER
  • VCSELs include single-emitter VCSELs that have one light source 80 that can emit light in a direction perpendicular to the light-emitting surface, and multi-emitter VCSELs that have multiple light sources 80. Further, it is preferable that a light absorption film is formed in a portion other than the light source 80 because noise due to reflected light does not enter.
  • the irradiation section 8 is preferably formed integrally with the adjustment section 7 of the optical element of the present invention in contact with it.
  • the optical system device can utilize the adjusting section 7 to integrally form the irradiation section 8 and the optical element so that they are at an appropriate distance.
  • the irradiation unit 8 often generates heat when emitting light. If a gas with low thermal conductivity exists between the optical element and the irradiation section 8 as in the conventional case, there is a risk that the performance of the irradiation section 8 and the optical element may be deteriorated or damage may occur. Therefore, the irradiation section 8 may include a light source coating layer 85 made of resin and covering the light source 80, as shown in FIG. Since resin has higher thermal conductivity than gas, the heat dissipation of the light source can be improved. Further, since the resin can have a smaller refractive index difference with the material of the light source 80 than gas, the light extraction efficiency of the light source 80 can be improved.
  • the light source 80 is covered with the light source coating layer 85, there is a low possibility that the light source 80 will be exposed even if the optical system device is damaged, which is preferable from the viewpoint of eye safety. Further, a fine uneven structure that functions as an antireflection film or a moth eye can also be formed on the surface of the light source coating layer 85. Thereby, reflection when light is emitted from the light source coating layer 85 can be suppressed.
  • the resin constituting the light source coating layer 85 may be any resin as long as it can transmit at least light of wavelength ⁇ and can exhibit the optical function of the concavo-convex shape 20. For example, silicone resin, epoxy resin, acrylic resin, etc. can be used.
  • the surface of the light source coating layer 85 may include a base material such as glass or a metal layer.
  • the light source coating layer 85 be formed to a thickness such that the distance from the light source 80 to the surface 86 of the light source coating layer 85 is a constant distance. This makes it possible to easily and accurately perform alignment in the vertical and horizontal directions when combining optical elements and other components, making packaging easier when manufacturing optical system devices. For example, as shown in FIGS. 13(a) and 13(b), if the adjusting part 7 of the optical element and the surface 86 of the light source coating layer 85 are brought into contact with each other and formed integrally, the optical element and the irradiating part 8 can be A highly reliable optical system device in which distance, angle, etc. are adjusted can be provided.
  • the first medium layer 1 and the light source coating layer 85 in common.
  • the space between the concavo-convex shape 20 can be filled with only the material of the first medium layer 1, and it can be formed integrally with the optical element.
  • the boundary between the first medium layer 1 and the irradiation section 7 becomes the adjustment section 7.
  • the optical system device of the present invention may include a cover section 150 that includes the optical element and the irradiation section 8, as shown in FIG. Since the light source 80 is enclosed in the cover part 150, there is a low possibility that the light source 80 will be exposed even if the optical system device is damaged, which is preferable from the viewpoint of eye safety.
  • the resin constituting the cover portion 150 may be any resin as long as it can transmit at least light of wavelength ⁇ and can exhibit the optical function of the concavo-convex shape 20.
  • silicone resin, epoxy resin, acrylic resin, etc. can be used.
  • the above-mentioned side member 25 becomes the first medium layer 1 at the periphery of the second medium layer 2 between the irradiation part 8 and the second medium layer. Formed so that gas can be sealed.
  • titanium oxide TiO 2
  • a light-shielding material that suppresses the transmission of light such as ultraviolet rays may be used for the material constituting at least a portion of the cover portion 150 or the material covering the cover portion 150.
  • cover portion 150 may be integrally formed of the same material, or may be formed of different materials for each portion such as the top surface and side surfaces.
  • the side surfaces may be made of a material that blocks light
  • the top surface may be made of a material that transmits only infrared rays.
  • an optical element used in an optical system device includes a first medium layer 1 having a first refractive index and a second medium layer 2 having a second refractive index higher than the first refractive index.
  • FIG. 15(a) shows an optical system device in which the first medium layer 1 is gas and the second medium layer is resin
  • FIG. 15(b) shows an optical system device in which both the first medium layer 1 and the second medium layer are This is an example of an optical system device in the case of resin.
  • the lens 21 has a focal point at a position on the first medium layer 1 side and a predetermined distance f (f>0) away from the lens 21.
  • the optical element of the present invention can improve contrast as the focal length f increases, such as 10 ⁇ m or more, 20 ⁇ m or more, 40 ⁇ m or more, or 60 ⁇ m or more.
  • the position of a plane that includes the focal point of the lens 21 and is perpendicular to the optical axis of the lens will be referred to as the focal point position 25 of the optical element.
  • the shape of the lens 21 can be freely designed according to the desired spread pattern of dots (hereinafter referred to as dot pattern).
  • dot pattern the desired spread pattern of dots
  • the shape of the lens 21 may be a spherical lens.
  • the lens 21 may be an appropriately designed aspherical lens.
  • the focal length differs depending on the direction.
  • the focal length according to the cross-sectional shape perpendicular to the y direction is f 1
  • the focal length according to the cross-sectional shape perpendicular to the x direction is f 2 (f 1 ⁇ f 2 )
  • the size of the pitch in the x direction is f 1 .
  • the lens shape may be a convex lens, a concave lens, or the like. In the case of a convex lens, it is preferable that the convex lens portion faces the irradiation unit 8 side.
  • the periodic arrangement of the lenses 21 includes a square arrangement of square or rectangular lenses 21 in plan view, and a hexagonal arrangement of hexagonal lenses 21 in plan view.
  • the lens 21 may be of any type as long as it functions as a lens; for example, a Fresnel lens, a DOE lens, a metalens, etc. can also be used.
  • an anti-reflection film may be formed on the lens 21 to prevent the light from the irradiation section 8 from being reflected.
  • the irradiation unit 8 includes a light source 80 that irradiates a plurality of lenses 21 with light having a wavelength ⁇ .
  • the irradiation unit 8 may be a single light source or a plurality of light sources.
  • a plurality of light sources 80 are included in one irradiation unit 8, it is preferable that the light sources 80 are formed on the same plane.
  • one irradiation section 8 includes a plurality of light sources 80, even if each light source 80 and the optical element are moved in parallel, the number of light sources 80 for each lens 21 of the optical element in plan view must be arranged so that they are the same.
  • the apparent positions of the aggregated light sources 80 may be formed to coincide with each other.
  • the light sources included in the same irradiation section are arranged periodically, and the pitch P x of the light sources in the x direction is a natural number multiple or reciprocal multiple of the lens pitch P 1 , and the pitch P x of the light sources in the y direction
  • the pitch P y may be configured to be a natural number multiple of the lens pitch P 2 or a reciprocal number multiple of the natural number.
  • the pitches P x and P y of the light sources 80 are set to 1/2 of the pitches P 1 and P 2 of the lenses 21 of the optical element 2. Further, in FIG. 14(d), the pitches P x and P y of the light sources 80 are twice the pitches P 1 and P 2 of the lenses 21 of the optical element 2.
  • the irradiation section 8 and the optical element 2 are arranged so that the optical axis direction of the light source 80 of the irradiation section 8 and the optical axis direction of the lens 21 of the optical element 2 coincide.
  • the distance L 1 between the irradiation unit 8 and the first focal plane 251 of the lens 21, and the distance L 2 between the second focal plane 252 are determined by the incident light when the following formulas ⁇ and ⁇ are satisfied. can be converted into a high-contrast dot pattern.
  • m and n are natural numbers greater than or equal to 1
  • P1 is the pitch size of the lens 21 in the x direction
  • P2 is the pitch size in the y direction
  • ⁇ is the wavelength of the light incident from the irradiation part 8
  • f 1 is the focal length of the lens 21 according to the cross-sectional shape perpendicular to the y direction
  • f2 is the focal length of the lens 21 according to the cross-sectional shape perpendicular to the x direction
  • a, b, c, and d are coefficients indicating allowable errors. do.
  • the first focal plane 251 refers to a plane that is perpendicular to the optical axis (z direction) of the lens 21 and located at the focal position of the cross-sectional shape of the lens 21 perpendicular to the y direction.
  • the second focal plane 252 refers to a plane that is perpendicular to the optical axis (z direction) of the lens 21 and located at the focal point of the cross-sectional shape of the lens 21 perpendicular to the x direction.
  • the first focal plane 251 and the second focal plane 252 are located on the irradiation section 8 side of the lens 21 as a reference.
  • the distances L 1 and L 2 mean the distance (optical path length) that light travels in a vacuum in the same time as when it travels through a medium, and if the refractive index of the medium is N and the actual distance is L, then It is expressed as their product NL.
  • the values of the coefficients a, b, c, and d of the formulas ⁇ and ⁇ are preferably as small as 1, 0.5, 0.3, and 0.1.
  • equations ⁇ and ⁇ become the following equations 1 and 2, respectively.
  • the adjusting section 7 of the optical element of the present invention is formed so that the concavo-convex shape 20 and the illumination section can be spaced apart from each other by the predetermined distance, taking into consideration Equations 1 and 2, preferably Equations 3 and 4. is preferred.
  • the pitches P 1 and P 2 become too small than the wavelength ⁇ of the light from the light source 80, it becomes difficult to cause diffraction, so it is necessary to include enough lenses 21 to cause diffraction within the light distribution angle of the light source 80.
  • the pitches P 1 and P 2 should be sufficiently larger than the wavelength ⁇ of the light from the light source 80, for example, 5 times or more, preferably 10 times or more.
  • the above-described optical element for irradiating a dot pattern can be used not only for irradiating a dot pattern but also as a diffuser.
  • the irradiation part 8 and the optical element are arranged so that the distances L 1 and L 2 between the irradiation part 8 and the focal position 25 of the optical element do not satisfy at least formulas 1 and 2.
  • the optical system device may be configured by combining or integrating the optical system.
  • the irradiation section 8 and the optical element are prepared and aligned as appropriate.
  • the adjustment section 25 is brought into contact with the irradiation section 8 and bonded.
  • the optical system device may include one irradiation unit 8 and one optical element, but as shown in FIG. It is also possible to stack the irradiation section members integrally formed at one time. In this case, the optical element member and the irradiation part member may be laminated and bonded together, and then cut as shown in FIG. 17(c) to separate each optical system device.
  • the cover part 150 that includes the optical element and the irradiation part 8
  • an optical system device is first placed on the substrate, as shown in FIG. 18(a), for example.
  • a fluid material for the cover section 150 is supplied and covered over the optical system device, and is solidified to form the cover section 150.
  • the first medium layer 1 is a gas
  • the above-mentioned side member 25 becomes the first medium layer 1 at the periphery of the second medium layer 2 between the irradiation part 8 and the second medium layer. Formed so that gas can be sealed. Thereby, it is possible to protect the space that will become the first medium layer 1 from entering the material of the cover part 150.
  • cover part 150 can be formed for each optical system device, but as shown in FIG. 18, it is also possible to form the cover part 150 for a plurality of optical system devices at once. In this case, after forming the cover portion 150, it may be cut as shown in FIG. 18(c) to divide it into individual optical system devices.
  • the manufacturing method includes a first resin supply step, an uneven shape forming step, and a second medium layer forming step.
  • the first resin supply step is to supply the material of the first medium layer 1 onto the substrate to which the irradiation section is fixed.
  • a first resin 19 that is photocurable and has a first refractive index is supplied.
  • the irradiation part 8 such as VCSEL is fixed on a substrate 55 such as a lead frame by die bonding, and electrically connected by wire bonding.
  • a substrate 55 on which is fixed is prepared.
  • a photocurable first resin 19 may be supplied to the irradiation section 8 side of the substrate 55.
  • the uneven shape forming step is to form an uneven shape 20 on the surface of the first resin 19 by an imprint method.
  • a mold 50 having a pattern 20A similar to the uneven shape 20 is pressed onto the first resin 19 to form an uneven shape 20 on the first resin 19.
  • the first resin 19 is cured, the mold 50 is released, and the first medium layer 1 having the first refractive index is formed.
  • the second medium layer forming step is to form the second medium layer 2 by supplying a second medium layer material having a second refractive index higher than the first refractive index to the surface of the uneven shape 20. .
  • a photocurable second resin 29 is applied to the surface 21 of the uneven shape 20.
  • the second resin 29 is cured to form the second medium layer 2 having a second refractive index higher than the first refractive index.
  • an optical system device as shown in FIG. 15(h) can be manufactured.

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Abstract

その他の構成部品とパッケージングし易い光学素子や当該光学素子を用いた光学系装置および光学系装置の製造方法を提供することを目的とする。　第１の屈折率を有する第１媒質層１と第１の屈折率よりも高い第２の屈折率を有する第２媒質層２との境界面11に、光学的な機能を発揮する凹凸形状20を有する光学素子であって、凹凸形状20より第１媒質層１側に凹凸形状20と一定の距離を空けるためのアジャスト部７が形成されていることを特徴とする光学素子。

Description

光学素子、光学系装置および光学系装置の製造方法
　本発明は、光学素子、光学系装置および光学系装置の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光を照射する照射部と、照射部の光を所定の配光に制御する光学素子と、対象物の各点から反射してきた光を検知するカメラ部と、当該カメラ部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。照射部やカメラ部、演算部は既存のＶＣＳＥＬやＣＭＯＳイメージャ、ＣＰＵ等を使用できるため、上記システムの独自の部分は光学素子となる。
　従来の光学素子は、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する光学素子を用いて、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２０２３／２６９８７
　ここで、従来の光学素子は、光学的な機能を発揮する部分については種々検討されているが、照射部やその他の構成部品と組み合わせた光学系装置を製造する際のパッケージング等については未だ十分に考慮されていない。
　そこで本発明は、その他の構成部品とパッケージングし易い光学素子や当該光学素子を用いた光学系装置および光学系装置の製造方法に関するものである。
　上記目的を達成するために、本発明の光学素子は、第１の屈折率を有する第１媒質層と第１の屈折率よりも高い第２の屈折率を有する第２媒質層との境界面に、光学的な機能を発揮する凹凸形状を有する光学素子であって、前記凹凸形状より第１媒質層側に前記凹凸形状と一定の距離を空けるためのアジャスト部が形成されていることを特徴とする。
　ここで、前記第１媒質層は気体であり、前記第２媒質層および前記アジャスト部は、第２の屈折率を有する第２樹脂で一体に形成される方が好ましい。
　また、前記第２媒質層は、第２の屈折率を有する第２樹脂からなり、前記第１媒質層および前記アジャスト部は、第１の屈折率を有する第１樹脂で一体に形成される方が好ましい。
　また、前記第１媒質層又は前記第２媒質層の前記境界面とは反対側の面は、平面状又は曲面状である方が好ましい。
　また、前記第１媒質層又は前記第２媒質層の前記境界面とは反対側の面に反射防止膜を具備する方が好ましい。
　また、前記第１媒質層又は前記第２媒質層の前記境界面とは反対側の面は、モスアイとして機能する微細凹凸構造が形成されている方が好ましい。
　また、前記第２媒質層の前記境界面とは反対側の面に第３媒質層を具備してもよい。
　また、前記第３媒質層は、前記第１媒質層と同じ材料からなってもよい。
　また、前記第１媒質層は、基材上に形成されている方が好ましい。
　また、前記基材の前記第１媒質層がある面とは反対側の面に特定の機能を有する１以上の機能層を具備してもよい。
　また、前記機能層は、アパーチャーマスクであってもよい。
　また、前記機能層は、金属配線であってもよい。
　また、前記機能層は、前記基板上に形成された金属配線と、前記金属配線上に形成された絶縁層と、前記絶縁層上に形成された金属からなるアパーチャーマスクと、前記金属配線と前記アパーチャーマスクとを電気的に接続する導通部と、で構成されてもよい。
　また、前記凹凸形状はレンズが周期的に配列された形状であってもよい。
　また、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、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、前記凹凸形状は、周期性を持たない複数の稜部と谷部を有し、前記凹凸形状は、前記光の波長をλ、前記第１媒質層の屈折率をｎ１、前記第２媒質層の屈折率をｎ2とすると、幅がλ／（ｎ２－ｎ１）の範囲において前記凹凸形状の勾配が１３５度変化する部分を有さず、前記凹凸形状は、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％以下である方が好ましい。
　また、前記凹凸形状は、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好ましい。
　また、本発明の光学系装置は、上述した本発明の光学素子と、前記光学素子の前記第１媒質層側に配置され、当該光学素子に光を照射する光源を有する照射部と、を具備し、前記光学素子と前記照射部は、前記アジャスト部を介して積層されていることを特徴とする。
　ここで、前記照射部は、樹脂からなり前記光源を被覆する光源被覆層を具備してもよい。
　また、前記光学素子と前記照射部を内包するカバー部を具備してもよい。この場合、前記カバー部は、少なくとも一部が遮光性のある材料であってもよい。
　また、前記凹凸形状は、波長λの光を透過するレンズが周期的に配列された形状であり、前記照射部は、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ものであり、ｍ、ｎを１以上の自然数とし、前記レンズのｙ方向に垂直な断面形状による焦点距離をｆ１、ｘ方向に垂直な断面形状による焦点距離をｆ２、前記レンズのｘ方向のピッチの大きさをＰ１、ｙ方向のピッチの大きさをＰ２とすると、前記照射部と前記レンズの第１焦点面との距離Ｌ１、第２焦点面との距離Ｌ２が、下記式１および式２
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
 を満たす方が好ましい。
　また、本発明の光学系装置の製造方法は、上述した本発明の光学素子と、当該光学素子の前記第１媒質層側に配置され、当該光学素子に光を照射する光源を有する照射部を、前記アジャスト部を介して積層する積層工程と、前記光学素子と前記照射部を内包するカバー部を形成するカバー部形成工程と、を有することを特徴とする。
　また、本発明の別の光学系装置の製造方法は、照射部が固定された基板上に光硬化性で第１の屈折率を有する第１樹脂を供給する第１樹脂供給工程と、前記第１樹脂の表面にインプリント法によって凹凸形状を形成する凹凸形状形成工程と、前記凹凸形状の表面に光硬化性で前記第１の屈折率よりも高い第２の屈折率を有する第２樹脂を供給して硬化させ第２媒質層を形成する第２媒質層形成工程と、を有することを特徴とする。
　本発明の光学素子は、光学素子の凹凸形状と一定の距離を空けるためのアジャスト部が形成されているので、照射部やその他の構成部品とパッケージングがし易い。
本発明の光学系素子を示す概略断面図である。 本発明の別の光学系素子を示す概略断面図である。 本発明の更に別の光学系素子を示す概略断面図である。 本発明の光学系素子の機能層を示す概略平面図である。 （ａ）従来の光学系装置と（ｂ）本発明の光学系装置を示す概略断面図である。 機能層を複数有する本発明の光学系素子を示す（ａ）概略断面図および（ｂ）平面図である。 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。 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。 本発明の光学素子を照射部と一体化した光学系装置示す概略断面図である。 本発明の光学系装置を示す概略断面図である。 カバー部を形成した本発明の光学系装置を示す概略断面図である。 本発明の光学系装置の一例を説明するための図である。 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。 本発明の光学系装置の製造方法を示す概略断面図である。 本発明の別の光学系装置の製造方法を示す概略断面図である。 本発明の更に別の光学系装置の製造方法を示す概略断面図である。
　以下に、本発明の光学素子について説明する。本発明の光学素子は、図１、図２に示すように、第１の屈折率を有する第１媒質層１と第１の屈折率よりも高い第２の屈折率を有する第２媒質層２との境界面11に、光学的な機能を発揮する凹凸形状20を有するものである。
　また、本発明の光学素子は、凹凸形状20（境界面11）より第１媒質層１側に凹凸形状20と一定の距離を空けるためのアジャスト部７が形成されている。ここで一定の距離とは、照射部やその他の構成部品と組み合わせる際に、凹凸形状20と照射部やその他の構成部品との間に空ける必要のある垂直方向や水平方向の距離を意味する。特に垂直方向の距離は、少なくとも凹凸形状20の第１媒質層１側の凸部の高さを超える距離だけ空ける方がよい。アジャスト部７が形成されていることにより、照射部やその他の構成部品と組み合わせる際に、垂直方向や水平方向のアライメント等を容易かつ正確に行うことができるため、光学系装置を製造する際のパッケージングがし易くなる。当該アジャスト部７は、第１媒質層１又は第２媒質層２と一体に形成されている方が好ましい。
　第１の屈折率と第２の屈折率の差は、少なくとも凹凸形状20を光学的に機能させることができればどのようなものでもよい。レンズの出射角を広角にするには、第１の屈折率と第２の屈折率の屈折率差を大きくする方がよく、例えば、1.8以上好ましくは1.9以上、更に好ましくは2.0以上にすればよい。
　この場合、屈折率差を大きくするために、図１に示すように、第１媒質層１は気体とする方が好ましい。気体としてはどのようなものでもよいが、空気や不活性ガス等を用いればよい。また、当該気体には、真空と呼ばれるような減圧した状態の気体も含まれる。また、第２媒質層２は、少なくとも所定波長λの光を透過可能な材料を用いればよく、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樹脂（以下、第２樹脂という）を用いることができる。
　また、この場合、図１に示すように、アジャスト部７は、第２媒質層２の周縁に、凹凸形状20と一定の距離を空け、第１媒質層１の厚み（空間の厚み）を決める側方部材25の下部として形成される。側方部材25の材料はどのようなものでもよい。また、第２媒質層およびアジャスト部７は、第２の屈折率を有する材料（例えば、第２樹脂）で一体に形成されていてもよい。
　このような光学素子は、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ればよい。具体的には、凹凸形状20およびアジャスト部７を反転させたパターンを有するモールドを用いて、第２媒質層の材料に凹凸形状20を形成して製造すればよい。この際、凹凸形状20およびアジャスト部７を複数領域形成し、その後各領域を分割することにより複数の光学素子を製造することも可能である。
　また、光学素子には、例えばレンズから出射する光を狭角にしたい場合もある。レンズの出射角を狭角にするには、例えば、レンズのサグを小さくすることが考えられる。しかし、加工精度には限界があり、レンズのサグを一定以上小さくすることは困難であった。このような場合には、第１の屈折率と第２の屈折率の屈折率差を小さくしてもよい。これにより、例えば、凹凸形状20がレンズ形状である場合に、当該レンズのサグを大きく保ったままその照射角を小さくすることができる。当該屈折率差は、例えば、0.4以下好ましくは0.2以下にすればよい。これにより、当該レンズのサグを10μｍ以上に保ったままその照射角を30度以下にすることが可能となる。
　この場合、第１媒質層１と第２媒質層２は、互いの屈折率差が小さい材料を選択すればよい。当該第１媒質層１や第２媒質層２の材料としては、少なくとも所定波長λの光を透過可能なものであ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、アクリル系樹脂等を用いることができる。
　また、この場合、アジャスト部７は、図２に示すように、第１媒質層１の境界面11とは反対側の面12をそのまま利用することができる。すなわち、第１媒質層１の厚みは、凹凸形状20より第１媒質層１側に凹凸形状20と一定の距離を空ける大きさとすればよい。
　このような光学素子は、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ればよい。具体的には、凹凸形状20およびアジャスト部７を反転させたパターンを有するモールドを用いて、第１媒質層の材料に凹凸形状20を形成した後、第２媒質層の材料を塗布するか、あるいは、第２媒質層の材料に凹凸形状20を形成した後、第１媒質層の材料を塗布して製造すればよい。この際、凹凸形状20を大面積であるいは複数領域形成し、その後これを分割することにより複数の光学素子を製造することも可能である。
　また、第２媒質層２の境界面11とは反対側の面21は、図１（ａ）又は図２（ａ）に示すような平面状に形成することができる。また、面21は、図１（ｂ）、（ｃ）又は図２（ｂ）、（ｃ）に示すような曲面状に形成することもできる。ここで平面状又は曲面状とは、出射する光の波長より大きな凹凸がなく、十分に滑らかであることを意味する。平面状又は曲面状とすることにより面21に種々の機能を有する層や膜、形状を付加し易くすることができる。例えば、当該面21に反射防止膜を形成することができる。これにより、第２媒質層２から光が出射する際の反射を抑えることができる。また、反射を抑えるために、当該面21は、モスアイとして機能する微細凹凸構造が形成されていてもよい。当該微細凹凸構造は通過する光の波長より小さく形成される。
　また、第１媒質層１や第２媒質層２の高温高湿特性や高温－低温熱サイクル特性などの環境性能の向上等を目的として第２媒質層２側の表面21を保護したい場合がある。この場合には、図１（ｄ）、図２（ｄ）に示すように、面21に第３媒質層３を備えていてもよい。例えば、広角レンズを作成したい場合には、第２媒質層２を高屈折率の樹脂にする必要がある。しかし、高屈折率の樹脂は環境性能が低いことが多い。したがって、第２媒質層２の表面に、第２媒質層２の応力を緩和するような第３媒質層３を配置すれば光学素子の環境性能を向上することができる。
　第３媒質層３の材料としては、第１媒質層１又は第２媒質層２の環境性能を向上することが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、アクリル系樹脂等を用いることができる。また、第３媒質層３は、好ましくは、第１媒質層１と同じ材料からなる方がよい。
　また、図３に示すように、第１媒質層１は基材５上に形成されていてもよい。これにより、基材５の第１媒質層１がある面51とは反対側の面52に特定の機能を有する１以上の機能層６を形成することができる。この場合、機能層６の下面を凹凸形状20から一定の距離だけ空けるようにすれば、機能層６の下面がアジャスト部７となる。基材５としては、例えばガラス基板等を用いることができる。なお、基材５の面51には、図３（ｃ）に示すように、中間樹脂層４Ａが形成されていてもよい。中間樹脂層４Ａとしては、例えば、基材５と第２媒質層２との密着性を向上させる下地としての樹脂層などが該当する。また、第１媒質層１が基材５上に形成されているとは、図３（ａ）～（ｃ）に示すように、第１媒質層１が基材５の面51上に直接接触しているものだけでなく、図３（ｄ）に示すように、基材５上に１以上の中間樹脂層４Ｂを間に挟んで形成されている場合も含む。中間樹脂層４Ｂとしては、例えば、基材５と第１媒質層１との密着性を向上させる下地としての樹脂層などが該当する。
　機能層６としては、特定の機能を有するものであればどのようなものでもよいが、例えば、図４（ａ）に示すようなアパーチャーマスク61が該当する。アパーチャーマスク61は、開口61ａを有し、光の一部を遮蔽するためのものである。これにより、ノイズとなる電磁波が開口61ａ以外から出射されるのを防止することができる。アパーチャーマスク61としては、例えば金等の金属を用いることができる。
　また、別の機能層６としては、例えば、図４（ｂ）に示すような金属配線62が該当する。金属配線62は、所定の電気回路等を構成するものである。従来は、図５（ａ）に示すように、基材５の下面52に金属配線62を形成し、その表面の樹脂層２Ａにレンズ等の凹凸形状20を形成していた。この場合、金属配線62は樹脂層２Ａによって絶縁されてしまうため、パッケージ側と導通させるためには、別途導通させるための構造を形成する必要があった。一方、本発明の光学素子は、図５（ｂ）に示すように、基材５の一方の面51側にレンズ等の凹凸形状20を形成し、他方の面52側に金属配線62を形成するので、金属配線62の金属端子を表面に露出させることができる。したがって、照射部８等のパッケージ側と導通させるための構造が不要で、パッケージ側の接点と直接接続することができる。金属配線62としては、例えば、ＩＴＯ等を用いることができる。
　また、機能層６は、特定の機能を有する層の組合せであってもよい。例えば、図６（ａ）に示すように、機能層を、基材５の面52に形成されたＩＴＯ等の金属配線62と、金属配線62上に形成された絶縁層63と、絶縁層63上に形成された金属からなるアパーチャーマスク61と、金属配線62とアパーチャーマスク61とを電気的に接続する導通部64とで構成する。これにより、光学素子にアイセーフやＥＭＩ対応の機能を付与することができる。また、アパーチャーマスク61を金属で形成することにより、パッケージ側の接点と金属配線62の接続を容易にすることができる。
　光学素子の凹凸形状20は、光学的な機能を有するものであればどのようなものでもよい。例えば、マイクロレンズアレイ（ＭＬＡ）や回折光学素子（ＤＯＥ）等、入射した光を制御して出射可能な形状が該当する。マイクロレンズアレイのレンズは周期的に配列されたものでもよいし、ランダムに配列されたものでもよい。
　凹凸形状20の一例として、図７に示すように、入射した光を所定の拡散範囲91に拡散可能な光学素子100について説明する。光学素子100の拡散範囲91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る。また、凹凸形状20は、図８に示すように、周期性を持たない複数の稜部と谷部を有する。
　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（ｚ軸）と垂直な平面（ｘｙ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、光学素子から離れた平面を意味する。
　凹凸形状20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９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21が平面（ｘｙ平面）で、入射面18にｚ=ｆ（ｘ，ｙ）で規定される凹凸形状20を有する光学素子について考える。また、ここでは、ｘｙ平面に垂直な方向（ｚ軸方向）の光が入射面に入射するものとする。
　まず、光学素子の入射面22に対する光の入射角θ１と光学素子内における屈折光の屈折角θ２はスネルの法則から、ｎ１sinθ1＝ｎ2sinθ2の関係が成り立つ。また同様に、光学素子の出射面21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、光学素子の第１媒質層１の屈折率をｎ１、第２媒質層２の屈折率をｎ2、空気の屈折率をｎ3とすると、ｎ１sinθ1＝ｎ2sinθ2、ｎ2sinθ3＝ｎ3sinθ4が成り立つ。また、図９に示すように、θ3＝θ１－θ2である。すなわち、出射角θ4は、光学素子の入射面22と出射面21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、ｎ１θ１＝ｎ2θ２、ｎ2θ3＝ｎ3θ4と近似できる場合、θ４＝θ１（ｎ2－ｎ１）／ｎ3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９に示すように、入射角θ1は、光学素子の凹凸表面（凹凸形状20の表面）の傾き角θ１（勾配）と同じであるから、入射角θ１の頻度分布は光学素子の凹凸表面の傾き角θ１の頻度分布に対応する。
　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、光学素子表面の傾き角θ１（勾配）の頻度分布を計算して凹凸形状20を設計すればよい。この際、当該凹凸形状20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、光学素子がディフューザとして機能するためには、光学素子に入射する光の真空中の波長をλ、第１媒質層１の屈折率ｎ１、第２媒質層２の屈折率をｎ２とすると、凹凸形状20が、少なくともλ／（ｎ２－ｎ１）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、ここでいう凹凸形状20の高さとは、凹凸形状20の一番高い陵と一番低い谷の差を意味する。
　また、凹凸形状20の表面に傾き角θ１（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、凹凸形状20の傾き角θ１は緩やかに変化する方が好ましい。具体的には、凹凸形状20の表面の傾き角θ１（勾配）が１３５度、好ましくは１２０度、更に好ましくは９０度変化する部分を有さないように形成される。なお、当該傾き角θ１の変化は、光に感知できない大きさの変化であれば無視できる。したがって、光学素子に入射する光の真空中の波長をλ、第１媒質層１の屈折率をｎ１、第２媒質層２の屈折率をｎ２とすると、凹凸形状20の表面の傾き角θ１は、任意の位置から任意の位置までの幅λ／（ｎ２－ｎ１）における高さの変化から計算したものを用いればよい。ここで幅とは、凹凸形状20の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１０に示すように、主に光学素子100と照射部８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300と、カメラ部300が受光した信号から対象物の距離を算出する演算部400とからなる。ここで、広角で反射してカメラ部300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、光学素子100を透過した光の配光は角度θが大きいほど光強度が高いことが好ましい。すなわち光学素子100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、少なくとも凹凸形状20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、光学素子の凹凸形状20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、光学素子100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、光学素子100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100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11は、光学素子100を透過し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、光学素子100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、光学素子の凹凸形状20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、光学素子の凹凸形状20の傾き角θ１の頻度分布は、cos－ｎθ１（１≦ｎ≦７）に比例するように形成され、好ましくは、cos－７θ１に比例するように形成される。
　なお、凹凸形状20は大きい方が光の波としての性質の影響を小さくできる点で好ましい。具体的には、各凹凸形状20は、少なくともλ／（ｎ2－ｎ1）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。
　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、例えば図５（ｂ）や図６（ａ）、図１２、図１３に示すように、上述した本発明の光学素子と、光学素子の第１媒質層１側に配置され、当該光学素子に光を照射する照射部８と、を備えるものである。また、光学素子と照射部８は、アジャスト部７を介して積層される。
　ここで照射部８は、波長λの光を照射する光源80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８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８を複数光源で構成する場合には、当該光源80は、同一平面上に形成される方が、光学素子と照射部８の距離や角度を正確に調節できる点で好ましい。照射部８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には、発光面に垂直な方向に光を照射することができる光源80を一つ有するシングルエミッタVCSELや、光源80を複数有するマルチエミッタVCSELがある。また、光源80以外の部分に光吸収膜が形成されている方が反射光によるノイズが入らないため好ましい。
　また、照射部８は、図12に示すように、本発明の光学素子のアジャスト部７と当接させて一体に形成されたものである方が好ましい。これにより光学素子と照射部８の距離や角度等が調節された信頼性の高い光学系装置を提供することができる。特に、光学素子の凹凸形状20の光学的な機能を発揮させるために、照射部８に対する光学素子の位置の調節が必要な場合がある。この場合には、光学系装置は、アジャスト部７を利用して、照射部８と光学素子を適切な距離となるように一体に形成することができる。
　なお、照射部８は、発光時に発熱するものが多い。従来のように、光学素子と照射部８との間に熱伝導率の低い気体が存在すると、照射部８や光学素子の性能が低下したり損傷が生じたりするおそれがある。そこで、照射部８は、図１３に示すように、樹脂からなり光源80を被覆する光源被覆層85を備えていてもよい。樹脂は気体よりも熱伝導率が高いので、光源の放熱性を向上することができる。また、樹脂は気体よりも光源80の材料との屈折率差を小さくすることができるので、光源80の光取り出し効率を向上することができる。更に、光源80が光源被覆層85に被覆されていることにより、光学系装置の破損等が生じても光源80が剥き出しになる可能性が低く、アイセーフの観点からも好ましい。また、光源被覆層85の表面に反射防止膜やモスアイとして機能する微細凹凸構造を形成することもできる。これにより、光源被覆層85から光が出射する際の反射を抑えることができる。光源被覆層85を構成する樹脂としては、少なくとも波長λの光を透過可能なものであって、凹凸形状20の光学的な機能を発揮させることができるものであ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、アクリル系樹脂等を用いることができる。また、照射部８と第１媒質層１又は第２媒質層２の材料との密着性を向上させる下地としての樹脂等を用いることも可能である。また、光源被覆層85の表面にガラス等の基材や金属層を含んでいてもよい。
　また、光源被覆層85は、光源80から光源被覆層85の表面86までが一定の距離となる厚みに形成される方が好ましい。これにより、光学素子やその他の構成部品と組み合わせる際に、垂直方向や水平方向のアライメント等を容易かつ正確に行うことができるため、光学系装置を製造する際のパッケージングがし易くなる。例えば、図１３（ａ）、（ｂ）に示すように、光学素子のアジャスト部７と光源被覆層85の表面86とを当接させてと一体に形成すれば、光学素子と照射部８の距離や角度等が調節された信頼性の高い光学系装置を提供することができる。
　また、第１媒質層１を光源被覆層85と共通にすることも可能である。この場合、図１３（ｃ）に示すように、凹凸形状20との間を第１媒質層１の材料のみで充填して光学素子と一体に形成することができる。この場合、第１媒質層１と照射部７の境界がアジャスト部７となる。
　また、本発明の光学系装置は、図１４に示すように、光学素子と照射部８を内包するカバー部150を備えていてもよい。光源80がカバー部150に内包していることにより、光学系装置の破損等が生じても光源80が剥き出しになる可能性が低く、アイセーフの観点からも好ましい。カバー部150を構成する樹脂としては、少なくとも波長λの光を透過可能なものであって、凹凸形状20の光学的な機能を発揮させることができるものであ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、アクリル系樹脂等を用いることができる。なお、第１媒質層１が気体である場合には、上述した側方部材25は、第２媒質層２の周縁に、照射部８と第２媒質層の間に第１媒質層１となる気体が密閉できるように形成される。
　また、第２媒質層等に高屈折率の樹脂を用いる場合、当該樹脂には酸化チタン（ＴｉＯ２）が使用されることがある。しかしながら、酸化チタンは、光触媒として機能するため、紫外線等の光が当たると樹脂を分解する等の問題がある。そこで、この場合には、カバー部150の少なくとも一部を構成する材料やカバー部150を被覆する材料に紫外線等の光の透過を抑制する遮光性のある材料を用いてもよい。
　なお、カバー部150は、同じ材料で一体に形成されるものでもよいし、上面や側面等の部分ごとに異なる材料で形成してもよい。例えば、側面を遮光性のある材料で形成し、上面を赤外線のみ透過する材料で形成してもよい。
　次に、本発明の光学系装置の一例として、ドットパターンを照射する光学系装置について説明する。光学系装置に用いられる光学素子は、図15に示すように、第１の屈折率を有する第１媒質層１と第１の屈折率よりも高い第２の屈折率を有する第２媒質層２との境界面11に、波長λの光が透過するレンズ21が周期的に配列された凹凸形状20を有する光学素子である。また、図15（ａ）は、第１媒質層１が気体で第２媒質層が樹脂の場合の光学系装置、図15（ｂ）は、第１媒質層１および第２媒質層の両方が樹脂の場合の光学系装置の例である。
　また、レンズ21は、第１媒質層１側であって、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コントラストを向上することができる。なお以下、レンズ21の焦点を含み当該レンズの光軸に垂直な平面の位置を光学素子の焦点位置25という。
　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。例えば、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の形状を適切に設計した非球面レンズにすればよい。非球面レンズの場合には、方向によって焦点距離が異なる。図１５（ｃ）は、ｙ方向に垂直な断面形状による焦点距離がｆ１、ｘ方向に垂直な断面形状による焦点距離がｆ２（ｆ１≠ｆ２）、ｘ方向のピッチの大きさがＰ１、ｙ方向のピッチの大きさがＰ２である非球面レンズの例である。また、レンズ形状は、凸レンズや凹レンズ等を用いることができる。凸レンズの場合には、凸レンズ部分を照射部８側に向けたものである方が好ましい。
　また、レンズ21の周期配列には、図16に示すように、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、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８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てもよい。
　照射部８は、波長λの光をレンズ21の複数に照射する光源80を有するものである。照射部８は、単光源でも複数光源でもよい。１つの照射部８に複数の光源80が含まれる場合には、光源80は、同一平面上に形成される方が好ましい。また、１つの照射部８に複数の光源80が含まれる場合には、各光源80と光学素子を相対的に平行移動しても、平面視で、光学素子の各レンズ21に対する光源80の数が同じになるように配置する必要がある。このためには、レンズ21に対する各光源80の位置を一つのレンズに重ねて集約した場合に、当該集約した見かけの光源80の位置が互いに一致するように形成すればよい。例えば、同一の照射部に含まれる光源は周期配列されたものであり、当該光源のｘ方向のピッチＰｘはレンズのピッチＰ１の自然数倍又は自然数の逆数倍であると共に、ｙ方向のピッチＰｙはレンズのピッチＰ２の自然数倍又は自然数の逆数倍であるように構成すればよい。換言すると、同一の照射部８に含まれる光源80は、ｘ方向のピッチの大きさをＰｘ、ｙ方向のピッチの大きさをＰｙとし、ｊ、ｋを１以上の自然数とすると、Ｐｘ＝ｊＰ１又はｊＰｘ＝Ｐ１を満たし、Ｐｙ＝ｋＰ２又はｋＰｙ＝Ｐ２を満たすように規則的に配列すればよい。図16の（ａ），（ｂ）は、光源80のピッチＰｘ、Ｐｙを光学素子２のレンズ21のピッチＰ１、Ｐ２と等しくしたものである。また、図14（ｃ）は、光源80のピッチＰｘ、Ｐｙを光学素子２のレンズ21のピッチＰ１、Ｐ２の１／２としたものである。また、図14（ｄ）は、光源80のピッチＰｘ、Ｐｙを光学素子２のレンズ21のピッチＰ１、Ｐ２の２倍としたものである。
　照射部８と光学素子２は、照射部８の光源80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位置関係］
　図１５に示すように、照射部８とレンズ21の第１焦点面251との距離Ｌ１、第２焦点面252との距離Ｌ２は、下記式αおよび式βを満たす場合に入射した光をコントラストの大きなドットパターンに変換できる。ここで、ｍ、ｎは１以上の自然数、Ｐ１はレンズ21のｘ方向のピッチの大きさ、Ｐ２はｙ方向のピッチの大きさ、λは照射部８から入射する光の波長、ｆ１はレンズ21のｙ方向に垂直な断面形状による焦点距離、ｆ２はレンズ21のｘ方向に垂直な断面形状による焦点距離、ａ、ｂ、ｃ、ｄは許容される誤差を示す係数を意味する。なお、第１焦点面251とは、レンズ21の光軸（ｚ方向）と垂直で、レンズ21のｙ方向に垂直な断面形状による焦点位置にある平面を意味する。また、第２焦点面252とは、レンズ21の光軸（ｚ方向）と垂直で、レンズ21のｘ方向に垂直な断面形状による焦点位置にある平面を意味する。また、焦点がレンズ21の両側にある場合には、第１焦点面251、第２焦点面252は、レンズ21の照射部８側に位置するものを基準とする方が好ましい。また、距離Ｌ１、Ｌ２は、光が媒質中を進むときと同時間内に真空中を進む距離（光路長）を意味し、媒質の屈折率をN、実際の距離をＬとすると、それらの積NLで表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
　ここで式α、式βの係数ａ，ｂ，ｃ，ｄの値は1、0.5、0.3、0.1と小さい程好ましい。式α、式βの係数が、ａ＝ｂ＝ｃ＝ｄ＝1の場合、式α、式βはそれぞれ下記式１、式２となる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
　また、距離Ｌ１、Ｌ２は、ａ＝ｂ＝ｃ＝ｄ＝0である下記式３、式４を満たすときに最も光を強め合うことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000010
　なお、本発明の光学素子のアジャスト部７は、式１および式２、好ましくは式３および式４を考慮して凹凸形状20と照明部が当該所定の距離を空けられるように形成されることが好ましい。
　なお、ピッチＰ１、Ｐ２が光源80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80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Ｐ１、Ｐ２は、光源80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。
　また、上述したドットパターンを照射するための光学素子は、ドットパターンの照射に用いることができるだけでなく、ディフューザ用途にも用いることもできる。光学素子２をディフューザ用途に用いる場合は、照射部８と光学素子の焦点位置25との距離Ｌ１、Ｌ２が少なくとも式１、式２を満たさないように照射部８と光学素子を配置したり、一体化したりして光学系装置を構成すればよい。
[光学系装置の製造方法]
　次に、本発明の光学系装置の製造方法について説明する。まず、図１７（ａ）に示すように、照射部８と光学素子を用意し、適宜位置合わせを行う。次に、図１７（ｂ）に示すように、アジャスト部25を照射部８に当接して接着する。この際、アジャスト部25の高さを事前に適切に形成しておけば、アジャスト部25を当接するだけで、ｚ方向の位置合わせを行うことができる。なお、光学系装置は、照射部８と光学素子を１組ずつ形成することもできるが、図１７に示すように、複数の光学素子が一体に形成された光学素子部材と複数の照射部８が一体に形成された照射部部材を一括で積層することも可能である。この場合は、光学素子部材と照射部部材を積層して接着した後、図１７（ｃ）に示すように切断して、光学系装置ごとに分割すればよい。
　また、光学素子と照射部８を内包するカバー部150を形成する場合には、例えば図１８（ａ）に示すように、まず、基板上に光学系装置を配置する。次に、図１８（ｂ）に示すように、当該光学系装置上に流動性のあるカバー部150の材料を供給して覆い、固化してカバー部150を形成する。なお、第１媒質層１が気体である場合には、上述した側方部材25は、第２媒質層２の周縁に、照射部８と第２媒質層の間に第１媒質層１となる気体が密閉できるように形成される。これにより、第１媒質層１となる空間にカバー部150の材料が入らないように保護することができる。
　また、カバー部150は、光学系装置ごとに形成することもできるが、図１８に示すように、複数の光学系装置に対し一度にカバー部150を形成することも可能である。この場合は、カバー部150を形成した後、図１８（ｃ）に示すように切断して、光学系装置ごとに分割すればよい。
　また、第１媒質層１を光源被覆層85と共通にした場合の本発明の別の光学系装置の製造方法について説明する。当該製造方法は、第１樹脂供給工程と、凹凸形状形成工程と、第２媒質層形成工程とからなる。
　第１樹脂供給工程は、照射部が固定された基板上に第１媒質層１の材料を供給するものである。例えば、光硬化性で第１の屈折率を有する第１樹脂19を供給する。まず、図１９（ａ）、（ｂ）に示すように、リードフレーム等の基板55上にVCSEL等の照射部８をダイボンディングで固定し、ワイヤボンディングで電気的に接続して、照射部８が固定された基板55を用意する。次に、図１９（ｃ）に示すように、当該基板55の照射部８側に光硬化性の第１樹脂19を供給すればよい。
　凹凸形状形成工程は、第１樹脂19の表面にインプリント法によって凹凸形状20を形成するものである。図１９（ｄ）に示すように、当該第１樹脂19上に凹凸形状20と同様のパターン20Ａを有する型50を押圧し、当該第１樹脂19上に凹凸形状20を形成する。次に、図１９（ｅ）に示すように、第１樹脂19を硬化させて、型50を離型し、第１の屈折率を有する第１媒質層１を形成する。
　第２媒質層形成工程は、凹凸形状20の表面に第１の屈折率よりも高い第２の屈折率を有する第２媒質層の材料を供給して第２媒質層２を形成するものである。具体的には、図１９（ｆ）に示すように、当該凹凸形状20の表面21に光硬化性の第２樹脂29を塗布する。次に、図１９（ｇ）に示すように、第２樹脂29を硬化させ、第１の屈折率よりも高い第２の屈折率を有する第２媒質層２を形成する。
　このように形成された光学系装置は、適宜分割することにより、図１５（ｈ）に示すような光学系装置を製造することができる。
　１　第１媒質層
　２　第２媒質層
　３　第３媒質層
　４Ａ、４Ｂ　中間媒質層
　５　基材
　６　機能層
　７　アジャスト部
　８　照射部
　11　境界面
　19　第１樹脂
　20　凹凸形状
　29　第２樹脂
　61　アパーチャーマスク
　62　金属配線
　63　絶縁層
　64　導通部
　80　光源
　85　照射部側媒質層
　150　カバー部

Claims (23)

  1. 　第１の屈折率を有する第１媒質層と第１の屈折率よりも高い第２の屈折率を有する第２媒質層との境界面に、光学的な機能を発揮する凹凸形状を有する光学素子であって、
    　前記凹凸形状より第１媒質層側に前記凹凸形状と一定の距離を空けるためのアジャスト部が形成されていることを特徴とする光学素子。
  2. 　前記第１媒質層は気体であり、
    　前記第２媒質層および前記アジャスト部は、第２の屈折率を有する第２樹脂で一体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. 　前記第２媒質層は、第２の屈折率を有する第２樹脂からなり、
    　前記第１媒質層および前記アジャスト部は、第１の屈折率を有する第１樹脂で一体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。
  4. 　前記第１媒質層又は前記第２媒質層の前記境界面とは反対側の面は、平面状又は曲面状であ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. 　前記第１媒質層又は前記第２媒質層の前記境界面とは反対側の面に反射防止膜を具備することを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の光学素子。
  6. 　前記第１媒質層又は前記第２媒質層の前記境界面とは反対側の面は、モスアイとして機能する微細凹凸構造が形成されてい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。
  7. 　前記第２媒質層の前記境界面とは反対側の面に第３媒質層を具備することを特徴とする請求項１記載の光学素子。
  8. 　前記第３媒質層は、前記第１媒質層と同じ材料からなることを特徴とする請求項５記載の光学素子。
  9. 　前記第１媒質層は、基材上に形成されていることを特徴とする請求項１記載の光学素子。
  10. 　前記基材の前記第１媒質層がある面とは反対側の面に特定の機能を有する１以上の機能層を具備することを特徴とする請求項７記載の光学素子。
  11. 　前記機能層は、アパーチャーマスクであることを特徴とする請求項８記載の光学素子。
  12. 　前記機能層は、金属配線であることを特徴とする請求項８記載の光学素子。
  13. 　前記機能層は、前記基板上に形成された金属配線と、前記金属配線上に形成された絶縁層と、前記絶縁層上に形成された金属からなるアパーチャーマスクと、前記金属配線と前記アパーチャーマスクとを電気的に接続する導通部と、で構成されることを特徴とする請求項８記載の光学素子。
  14. 　前記凹凸形状はレンズが周期的に配列された形状であることを特徴とする請求項１記載の光学素子。
  15. 　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、
    　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、
    　前記凹凸形状は、周期性を持たない複数の稜部と谷部を有し、
    　前記凹凸形状は、前記光の波長をλ、前記第１媒質層の屈折率をｎ１、前記第２媒質層の屈折率をｎ2とすると、幅がλ／（ｎ２－ｎ１）の範囲において前記凹凸形状の勾配が１３５度変化する部分を有さず、
    　前記凹凸形状は、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請求項１記載の光学素子。
  16. 　前記凹凸形状は、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１３記載の光学素子。
  17. 　請求項１ないし３のいずれかに記載の光学素子と、
    　前記光学素子の前記第１媒質層側に配置され、当該光学素子に光を照射する光源を有する照射部と、を具備し、
    　前記光学素子と前記照射部は、前記アジャスト部を介して積層されていることを特徴とする光学系装置。
  18. 　前記照射部は、樹脂からなり前記光源を被覆する光源被覆層を具備することを特徴とする請求項１７記載の光学系装置。
  19. 　前記光学素子と前記照射部を内包するカバー部を具備することを特徴とする請求項１７記載の光学系装置。
  20. 　前記カバー部は、少なくとも一部が遮光性のある材料からなることを特徴とする請求項１９記載の光学系装置。
  21. 　前記凹凸形状は、波長λの光を透過するレンズが周期的に配列された形状であり、
    　前記照射部は、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ものであり、
    　ｍ、ｎを１以上の自然数とし、前記レンズのｙ方向に垂直な断面形状による焦点距離をｆ１、ｘ方向に垂直な断面形状による焦点距離をｆ２、前記レンズのｘ方向のピッチの大きさをＰ１、ｙ方向のピッチの大きさをＰ２とすると、前記照射部と前記レンズの第１焦点面との距離Ｌ１、第２焦点面との距離Ｌ２が、下記式１および式２
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
     を満たすことを特徴とする請求項１７記載の光学系装置。
  22. 　請求項１ないし３のいずれかに記載の光学素子と、当該光学素子の前記第１媒質層側に配置され、当該光学素子に光を照射する光源を有する照射部を、前記アジャスト部を介して積層する積層工程と、
    　前記光学素子と前記照射部を内包するカバー部を形成するカバー部形成工程と、
    を有することを特徴とする光学系装置の製造方法。
  23. 　照射部が固定された基板上に光硬化性で第１の屈折率を有する第１樹脂を供給する第１樹脂供給工程と、
    　前記第１樹脂の表面にインプリント法によって凹凸形状を形成する凹凸形状形成工程と、
    　前記凹凸形状の表面に光硬化性で前記第１の屈折率よりも高い第２の屈折率を有する第２樹脂を供給して硬化させ第２媒質層を形成する第２媒質層形成工程と、
    を有することを特徴とする光学系装置の製造方法。
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005070666A (ja) * 2003-08-27 2005-03-17 Sharp Corp マイクロレンズ基板の製造方法
WO2020217943A1 (ja) * 2019-04-22 2020-10-29 日本板硝子株式会社 放射角度変換素子および発光装置
WO2021230324A1 (ja) * 2020-05-13 2021-11-18 Ｓｃｉｖａｘ株式会社 光学系装置および光学素子製造方法
WO2023090435A1 (ja) * 2021-11-19 2023-05-25 Ｓｃｉｖａｘ株式会社 光学系装置および光学素子製造方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005070666A (ja) * 2003-08-27 2005-03-17 Sharp Corp マイクロレンズ基板の製造方法
WO2020217943A1 (ja) * 2019-04-22 2020-10-29 日本板硝子株式会社 放射角度変換素子および発光装置
WO2021230324A1 (ja) * 2020-05-13 2021-11-18 Ｓｃｉｖａｘ株式会社 光学系装置および光学素子製造方法
WO2023090435A1 (ja) * 2021-11-19 2023-05-25 Ｓｃｉｖａｘ株式会社 光学系装置および光学素子製造方法

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