知財求人 - 知財ポータルサイト「IP Force」
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024005895
(43)【公開日】2024-01-17
(54)【発明の名称】測定装置及び照射装置
(51)【国際特許分類】
G01S 7/481 20060101AFI20240110BHJP
G01C 3/06 20060101ALI20240110BHJP
【ＦＩ】
G01S7/481
G01C3/06 120Q
【審査請求】未請求
【請求項の数】8
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022106334
(22)【出願日】2022-06-30
(71)【出願人】
【識別番号】000001133
【氏名又は名称】株式会社小糸製作所
(74)【代理人】
【識別番号】110000176
【氏名又は名称】弁理士法人一色国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】本橋 和也
【テーマコード（参考）】
2F112
5J084
【Ｆターム（参考）】
2F112AD01
2F112BA03
2F112CA12
2F112DA05
2F112DA25
2F112DA32
2F112EA05
2F112FA03
2F112FA07
2F112FA21
2F112FA45
2F112GA03
5J084AA05
5J084AD01
5J084BA03
5J084BA07
5J084BA40
5J084BB02
5J084CA03
5J084EA04
5J084EA07
(57)【要約】
【課題】光を照射できない領域が生じることを抑制すること。
【解決手段】本開示に係る測定装置は、間隔をあけて配置された複数の発光素子を有する発光部と、光軸をシフトさせた複数のメタレンズを有し、或る前記メタレンズを介して照射される複数の前記発光素子の光の間に、別の前記メタレンズを介して前記発光素子からの光を照射する光学系と、を備える。
【選択図】図６
【解決手段】本開示に係る測定装置は、間隔をあけて配置された複数の発光素子を有する発光部と、光軸をシフトさせた複数のメタレンズを有し、或る前記メタレンズを介して照射される複数の前記発光素子の光の間に、別の前記メタレンズを介して前記発光素子からの光を照射する光学系と、を備える。
【選択図】図６
【特許請求の範囲】
【請求項1】
間隔をあけて配置された複数の発光素子を有する発光部と、
光軸をシフトさせた複数のメタレンズを有し、或る前記メタレンズを介して照射される複数の前記発光素子の光の間に、別の前記メタレンズを介して前記発光素子からの光を照射する光学系と
を備える、測定装置。
光軸をシフトさせた複数のメタレンズを有し、或る前記メタレンズを介して照射される複数の前記発光素子の光の間に、別の前記メタレンズを介して前記発光素子からの光を照射する光学系と
を備える、測定装置。
【請求項2】
請求項１に記載の測定装置であって、
複数の前記メタレンズは、共通の平面上に設けられている、測定装置。
複数の前記メタレンズは、共通の平面上に設けられている、測定装置。
【請求項3】
請求項１又は２に記載の測定装置であって、
所定方向に隣接する２つの前記メタレンズによって形成された或る前記発光素子の発光点の像の一部が重なり合う、測定装置。
所定方向に隣接する２つの前記メタレンズによって形成された或る前記発光素子の発光点の像の一部が重なり合う、測定装置。
【請求項4】
請求項１又は２に記載の測定装置であって、
前記発光素子の発光点の直径をＤ、
所定方向に並ぶ前記メタレンズの間隔をｔ、
としたとき、
ｔ＜Ｄの条件を満たす、測定装置。
前記発光素子の発光点の直径をＤ、
所定方向に並ぶ前記メタレンズの間隔をｔ、
としたとき、
ｔ＜Ｄの条件を満たす、測定装置。
【請求項5】
請求項１又は２に記載の測定装置であって、
所定方向に隣接する２つの前記発光素子の発光点から照射され複数の前記メタレンズによって形成された像の一部が重なり合う、測定装置。
所定方向に隣接する２つの前記発光素子の発光点から照射され複数の前記メタレンズによって形成された像の一部が重なり合う、測定装置。
【請求項6】
請求項１又は２に記載の測定装置であって、
前記メタレンズの焦点距離をｆ、
前記発光素子の発光点の直径をＤ、
所定方向に並ぶ前記発光素子の間隔をＰ、
前記所定方向に並ぶ前記メタレンズの間隔をｔ、
前記所定方向に並ぶ前記メタレンズの数をＮ、
としたとき、
の条件を満たす、測定装置。
前記メタレンズの焦点距離をｆ、
前記発光素子の発光点の直径をＤ、
所定方向に並ぶ前記発光素子の間隔をＰ、
前記所定方向に並ぶ前記メタレンズの間隔をｔ、
前記所定方向に並ぶ前記メタレンズの数をＮ、
としたとき、
【請求項7】
請求項１又は２に記載の測定装置であって、
前記メタレンズの焦点距離をｆ、
前記発光素子の発光点の直径をＤ、
所定方向に並ぶ前記発光素子の間隔をＰ、
前記所定方向に並ぶ前記メタレンズの間隔をｔ、
前記所定方向に並ぶ前記メタレンズの数をＮ、
としたとき、
ｔ＜Ｄ
且つ
の条件を満たす、測定装置。
前記メタレンズの焦点距離をｆ、
前記発光素子の発光点の直径をＤ、
所定方向に並ぶ前記発光素子の間隔をＰ、
前記所定方向に並ぶ前記メタレンズの間隔をｔ、
前記所定方向に並ぶ前記メタレンズの数をＮ、
としたとき、
ｔ＜Ｄ
且つ
【請求項8】
間隔をあけて配置された複数の発光素子を有する発光部と、
光軸をシフトさせた複数のメタレンズを有し、或る前記メタレンズを介して照射される複数の前記発光素子の光の間に、別の前記メタレンズを介して前記発光素子からの光を照射する光学系と
を備える、照射装置。
光軸をシフトさせた複数のメタレンズを有し、或る前記メタレンズを介して照射される複数の前記発光素子の光の間に、別の前記メタレンズを介して前記発光素子からの光を照射する光学系と
を備える、照射装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、測定装置及び照射装置に関する。
【背景技術】
【0002】
特許文献１には、パルス光を射出してから反射光を受光するまでの光の飛行時間に基づいて、反射物までの距離を測定する測距装置が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開２０２１－１５２５３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
発光素子となるＶＣＳＥＬを２次元配置して発光部（光源）を構成する場合、エミッタ間の隙間によって、複数の発光素子が間隔をあけて配置される。この結果、測定エリアに照射される光に隙間があいてしまい、測定できない領域が生じてしまう。
【0005】
本発明は、光を照射できない領域が生じることを抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
上記目的を達成するための本発明の一形態は、間隔をあけて配置された複数の発光素子を有する発光部と、光軸をシフトさせた複数のメタレンズを有し、或る前記メタレンズを介して照射される複数の前記発光素子の光の間に、別の前記メタレンズを介して前記発光素子からの光を照射する光学系とを備える、測定装置である。
【0007】
その他、本願が開示する課題、及びその解決方法は、発明を実施するための形態の欄、及び図面により明らかにされる。
【発明の効果】
【0008】
本発明によれば、光を照射できない領域が生じることを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【0009】
【発明を実施するための形態】
【0010】
以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しつつ説明する。なお、以下の説明において、同一の又は類似する構成について共通の符号を付して重複した説明を省略することがある。
【0011】
【0012】
以下の説明では、図２に示すように各方向を定めている。Ｚ方向は、投光用光学系１４の光軸に沿った方向である。なお、測定装置１の測定対象となる対象物９０は、測定装置１に対してＺ方向に離れていることになる。また、Ｘ方向及びＹ方向は、Ｚ方向に対して垂直な方向である。なお、発光部１２を構成する複数の発光素子１２１は、Ｘ方向及びＹ方向に沿って２次元配置されている（後述；図４参照）。受光部２０の複数の画素２２１も、Ｘ方向及びＹ方向に沿って２次元配置されている。
【0013】
測定装置１は、対象物９０までの距離を測定する装置である。測定装置１は、いわゆるＬｉＤＡＲ（Light Detection and Ranging、Laser Imaging Detection and Ranging）としての機能を有する装置である。測定装置１は、測定光を出射し、対象物９０の表面で反射した反射光を検出し、測定光を出射してから反射光を受光するまでの時間を計測することによって、対象物９０までの距離をＴＯＦ方式（Time of flight）で測定する。測定装置１は、照射部１０と、受光部２０と、制御部３０とを有する。
【0014】
照射部１０は、対象物９０に向かって測定光を照射する照射装置である。照射部１０は、所定の画角で測定エリア５０（図２参照）に測定光を照射することになる。照射部１０は、発光部１２と、投光用光学系１４とを有する。発光部１２は、光を出射する部材（光源）である。例えば、発光部１２は、面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）アレイチップで構成されている。投光用光学系１４は、発光部１２から出射された光を測定エリア５０に照射する光学系である。照射部１０の詳しい構成については、後述する。
【0015】
受光部２０は、対象物９０からの反射光を受光する。受光部２０は、測定エリア５０（図２参照）からの反射光を受光することになる。受光部２０は、受光センサ２２と、受光用光学系２４とを有する。受光センサ２２は、２次元配置された複数の画素２２１を有する。例えば、ＶＧＡの受光センサ２２の場合、４８０×６４０の画素２２１が２次元配置されている。各画素２２１は、受光素子を有しており、受光素子は、受光量に応じた信号を出力する。受光用光学系２４は、測定エリア５０からの反射光を受光部２０に受光させる光学系である。受光用光学系２４は、測定エリア５０の像を受光センサ２２の受光面で結像させる。
【0016】
制御部３０は、測定装置１の制御を司る。制御部３０は、照射部１０を制御し、照射部１０から照射させる光を制御する。また、制御部３０は、受光部２０の出力結果に基づいて、対象物９０までの距離をＴＯＦ方式（Time of flight）で測定する。制御部３０は、不図示の演算装置及び記憶装置を有する。演算装置は、例えばＣＰＵ、ＧＰＵなどの演算処理装置である。演算装置の一部がアナログ演算回路で構成されても良い。記憶装置は、主記憶装置と補助記憶装置とにより構成され、プログラムやデータを記憶する装置である。記憶装置に記憶されているプログラムを演算装置が実行することにより、対象物９０までの距離を測定するための各種処理が実行される。図１には、各種処理の機能ブロックが示されている。
【0017】
制御部３０は、設定部３２と、タイミング制御部３４と、測距部３６とを有する。設定部３２は、各種設定を行う。タイミング制御部３４は、各部の処理タイミングを制御する。例えば、タイミング制御部３４は、発光部１２から光を射出させるタイミングなどを制御する。測距部３６は、対象物９０までの距離を測定する。測距部３６は、信号処理部３６２と、時間検出部３６４と、距離算出部３６６とを有する。信号処理部３６２は、受光センサ２２の出力信号を処理する。時間検出部３６４は、光の飛行時間（光を照射してから反射光が到達するまでの時間）を検出する。距離算出部３６６は、対象物９０までの距離を算出する。
【0018】
図３は、測定方法の一例を説明するためのタイミングチャートである。
【0019】
制御部３０（タイミング制御部３４）は、照射部１０の発光部１２に所定の周期でパルス光を出射させる。図３の上側には、発光部１２がパルス光を出射するタイミング（出射タイミング）が示されている。発光部１２から出射された光は、投光用光学系１４を介して測定エリア５０に照射される。測定エリア５０内の対象物９０の表面で反射した光は、受光用光学系２４を介して受光センサ２２に受光される。受光センサ２２の各画素２２１は、パルス状の反射光を受光することになる。図３の中央には、パルス状の反射光が到達するタイミング（到達タイミング）が示されている。図３の下側には、受光センサ２２の或る画素２２１の出力信号が示されている。受光センサ２２の各画素２２１は、受光量に応じた信号を出力する。
【0020】
制御部３０（タイミング制御部３４）は、発光部１２の全ての発光素子１２１から光を出射させて測定エリア５０の全体に光を一括して照射しても良いし、発光部１２の一部の発光素子１２１（例えば１つの発光素子１２１）から光を出射させて測定エリア５０の所定の領域のみに光を照射しても良い。発光部１２の一部の発光素子１２１（例えば１つの発光素子１２１）から光を出射させる場合、制御部３０は、発光させる発光部１２に対応する画素２２１から出力される信号を取得する（発光させる発光部１２に対応していない画素２２１の信号は処理しない）。本実施形態の照射部１０は、発光部１２の一部の発光素子１２１（例えば１つの発光素子１２１）から光を出射して、測定エリア５０の所定の領域（後述する照射スポット群に相当）に光を照射することが可能である。
【0021】
制御部３０の測距部３６（信号処理部３６２）は、各画素２２１の出力信号に基づいて、反射光の到達タイミングを検出する。例えば、信号処理部３６２は、各画素２２１の出力信号のピークのタイミングに基づいて、反射光の到達タイミングを検出する。なお、信号処理部３６２は、外乱光（例えば太陽光）の影響を除去するため、画素２２１の出力信号のＤＣ成分をカットした信号のピークに基づいて、反射光の到達タイミングを求めても良い。
測距部３６（時間検出部３６４）は、光の出射タイミングと、光の到達タイミングとに基づいて、光を照射してから反射光が到達するまでの時間Ｔｆを検出する。時間Ｔｆは、測定装置１と対象物９０との間を光が往復する時間に相当する。そして、測距部３６（距離算出部３６６）は、時間Ｔｆに基づいて、対象物９０までの距離Ｌを算出する。なお、光を照射してから反射光が到達するまでの時間をＴｆとし、光の速度をＣとしたとき、距離Ｌは、Ｌ＝Ｃ×Ｔｆ／２となる。制御部３０は、受光部２０の画素２２１ごとに検出した時間Ｔｆに基づいて、画素２２１ごとに対象物９０までの距離を算出することによって、距離画像を生成する。
測距部３６（時間検出部３６４）は、光の出射タイミングと、光の到達タイミングとに基づいて、光を照射してから反射光が到達するまでの時間Ｔｆを検出する。時間Ｔｆは、測定装置１と対象物９０との間を光が往復する時間に相当する。そして、測距部３６（距離算出部３６６）は、時間Ｔｆに基づいて、対象物９０までの距離Ｌを算出する。なお、光を照射してから反射光が到達するまでの時間をＴｆとし、光の速度をＣとしたとき、距離Ｌは、Ｌ＝Ｃ×Ｔｆ／２となる。制御部３０は、受光部２０の画素２２１ごとに検出した時間Ｔｆに基づいて、画素２２１ごとに対象物９０までの距離を算出することによって、距離画像を生成する。
【0022】
＜照射部１０について＞
図４Ａは、発光部１２の発光素子１２１の配置の説明図である。
発光部１２は、例えば面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）アレイチップで構成されている。発光部１２は、発光素子１２１（例えば面発光レーザー；ＶＣＳＥＬ）を複数有しており、複数の発光素子１２１は２次元配置されている。複数の発光素子１２１は、Ｘ方向及びＹ方向に間隔をあけて、配置されている。このように、発光素子１２１となるＶＣＳＥＬを２次元配置した場合、エミッタ間の隙間によって、複数の発光素子１２１が間隔をあけて配置される。図中には、発光素子１２１がＸ方向及びＹ方向にそれぞれ３個ずつ配置されているが、実際には、３以上の発光素子１２１がＸ方向及びＹ方向に沿って配置されている。
図４Ａは、発光部１２の発光素子１２１の配置の説明図である。
発光部１２は、例えば面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）アレイチップで構成されている。発光部１２は、発光素子１２１（例えば面発光レーザー；ＶＣＳＥＬ）を複数有しており、複数の発光素子１２１は２次元配置されている。複数の発光素子１２１は、Ｘ方向及びＹ方向に間隔をあけて、配置されている。このように、発光素子１２１となるＶＣＳＥＬを２次元配置した場合、エミッタ間の隙間によって、複数の発光素子１２１が間隔をあけて配置される。図中には、発光素子１２１がＸ方向及びＹ方向にそれぞれ３個ずつ配置されているが、実際には、３以上の発光素子１２１がＸ方向及びＹ方向に沿って配置されている。
【0023】
図４Ｂは、測定エリア５０に照射される光の参考説明図である。図中の１つの丸印は、或る発光素子１２１（１つの発光素子１２１）から出射した光が１つのレンズを介して測定エリア５０に照射される範囲を示している。図中の１つの丸印は、１つの発光素子１２１の発光点の像に相当する。
図４Ａに示すように複数の発光素子１２１が間隔をあけて配置されている場合、投光用光学系１４が発光素子１２１の発光点の像をそのまま測定エリア５０に投影すると、図４Ｂに示すように、測定エリア５０に照射される光に隙間があくことがある。この結果、測定エリア５０上に光を照射できない領域が生じてしまい、測定エリア５０上に測定できない領域が生じてしまう。
図４Ａに示すように複数の発光素子１２１が間隔をあけて配置されている場合、投光用光学系１４が発光素子１２１の発光点の像をそのまま測定エリア５０に投影すると、図４Ｂに示すように、測定エリア５０に照射される光に隙間があくことがある。この結果、測定エリア５０上に光を照射できない領域が生じてしまい、測定エリア５０上に測定できない領域が生じてしまう。
【0024】
図４Ｃは、本実施形態における測定エリア５０に照射される光の説明図である。
本実施形態の投光用光学系１４は、所定方向（Ｘ方向及びＹ方向）に光軸をシフトさせた複数のレンズを有している。これにより、図４Ｃに示すように、測定エリア５０上に光を照射できない領域が生じることを抑制している。以下、この点について説明する。
本実施形態の投光用光学系１４は、所定方向（Ｘ方向及びＹ方向）に光軸をシフトさせた複数のレンズを有している。これにより、図４Ｃに示すように、測定エリア５０上に光を照射できない領域が生じることを抑制している。以下、この点について説明する。
【0025】
図５は、レンズユニット１５の説明図である。
投光用光学系１４は、複数のレンズエレメントを有するレンズユニット１５を有する。本実施形態では、レンズエレメントはメタレンズ１６で構成されており、レンズユニット１５は、複数のメタレンズ１６を有する（投光用光学系１４は、複数のメタレンズ１６を有する）。メタレンズ１６は、光の波長よりも小さい微小構造体を所定のパターンで配置することによって光の透過強度や位相を変化させ、レンズ（ここでは凸レンズ）として機能する光学エレメントである。
図中には、複数のメタレンズ１６を構成する微小構造体の配置パターンが示されている。メタレンズ１６を構成する微小構造体は、Ｘ方向及びＹ方向に平行な平面（ＸＹ平面）上に配置されている。本実施形態のメタレンズ１６は、基板（例えばガラス基板）の表面に設けられた微小構造体で構成されている。つまり、本実施形態のメタレンズ１６は、メタサーフェスにより構成されている。但し、メタレンズ１６は、メタサーフェスに限られるものではなく、微小構造体を３次元配置させたメタマテリアルにより構成されても良い。
投光用光学系１４は、複数のレンズエレメントを有するレンズユニット１５を有する。本実施形態では、レンズエレメントはメタレンズ１６で構成されており、レンズユニット１５は、複数のメタレンズ１６を有する（投光用光学系１４は、複数のメタレンズ１６を有する）。メタレンズ１６は、光の波長よりも小さい微小構造体を所定のパターンで配置することによって光の透過強度や位相を変化させ、レンズ（ここでは凸レンズ）として機能する光学エレメントである。
図中には、複数のメタレンズ１６を構成する微小構造体の配置パターンが示されている。メタレンズ１６を構成する微小構造体は、Ｘ方向及びＹ方向に平行な平面（ＸＹ平面）上に配置されている。本実施形態のメタレンズ１６は、基板（例えばガラス基板）の表面に設けられた微小構造体で構成されている。つまり、本実施形態のメタレンズ１６は、メタサーフェスにより構成されている。但し、メタレンズ１６は、メタサーフェスに限られるものではなく、微小構造体を３次元配置させたメタマテリアルにより構成されても良い。
【0026】
レンズユニット１５には、Ｘ方向及びＹ方向に沿ってそれぞれ複数個のメタレンズ１６が配置されている。図中には、Ｘ方向に沿って２個のメタレンズ１６が並んで配置されており、Ｙ方向に沿って２個のメタレンズ１６が並んで配置されている。但し、Ｘ方向又はＹ方向に並ぶメタレンズ１６の数は、２以上でも良い。
【0027】
複数のメタレンズ１６は、Ｘ方向及びＹ方向に光軸をずらして配置されている。図中には、メタレンズ１６がＸ方向及びＹ方向に間隔ｔをあけて配置されていることが示されている。それぞれのメタレンズ１６の光軸は、Ｚ方向に平行である。
【0028】
本実施形態では、共通の平面上（例えば同じガラス基板上）に微小構造体が配置されることによって、複数のメタレンズ１６が共通の平面上に配置されている。なお、仮に複数の凸レンズが２次元配置された場合、凸レンズは光軸からの距離に応じて厚さが異なる形状であるために、隣接する凸レンズの境界部に筋状の凹部が形成されてしまい、この筋状の凹部の影響によって測定エリア５０に影が形成されるおそれがある。これに対し、本実施形態のように複数のメタレンズ１６を共通の平面上に設けた場合には、レンズの境界部を平坦にすることができるため、測定エリア５０に影が形成されることを防止できる。なお、メタレンズ１６を用いることによって、レンズの直径を小さく設定したり、レンズの光軸のシフト量を小さく設定したりすることが可能である。例えば、図中の光軸間距離ｔを小さく設定することが可能である。
【0029】
図６Ａは、１つのメタレンズ１６によって形成された発光素子１２１の発光点の像の説明図である。図中の丸印は、或る発光素子１２１（１つの発光素子１２１）が或るメタレンズ１６（１つのメタレンズ１６）を介して測定エリア５０に光を照射する範囲を示している。以下の説明では、或る発光素子１２１（１つの発光素子１２１）が或るメタレンズ１６（１つのメタレンズ１６）を介して測定エリア５０に光を照射する範囲（図中の１つの丸印に相当する範囲）のことを「照射スポット」と呼ぶ。図６Ａに示すように、１つの発光素子１２１の発光点は、１つのメタレンズ１６を介して、測定エリア５０に１つの像（照射スポット）を形成する。
【0030】
図６Ｂは、複数のメタレンズ１６によって形成された発光素子１２１の発光点の像の説明図である。図６Ｂに示すように、１つの発光素子１２１の発光点は、複数のメタレンズ１６を介して、測定エリア５０に複数の像（照射スポット）を形成する。以下の説明では、或る発光素子１２１（１つの発光素子１２１）が複数のメタレンズ１６を介して形成した複数の像（照射スポット）のことを照射スポット群と呼ぶ。図５に示すように、Ｘ方向に沿って２個のメタレンズ１６が並んで配置され、Ｙ方向に沿って２個のメタレンズ１６が並んで配置される場合、或る発光素子１２１の発光点は、測定エリア５０上でＸ方向に２つ並び、Ｙ方向に２つ並ぶ複数の像（照射スポット群）を形成する。つまり、この場合の照射スポット群は、２×２で配置された複数の照射スポットにより構成される。なお、複数のメタレンズ１６がＸ方向及びＹ方向にＮ個ずつ並んで配置される場合には、或る発光素子１２１（１つの発光素子１２１）は、測定エリア５０上でＸ方向及びＹ方向にＮ個ずつ並ぶ像（照射スポット群）を形成する。つまり、この場合の照射スポット群は、Ｎ×Ｎで配置された複数の照射スポットにより構成される。
【0031】
図６Ｂに示すように、Ｘ方向及びＹ方向に隣り合う２つの照射スポット（所定方向に隣接する２つのメタレンズ１６によって形成された或る発光素子１２１の発光点の２つの像）は、一部が重なり合う。隣接する照射スポットが重なることによって、隣り合う２つの照射スポットの間に隙間が形成されることを抑制でき、測定エリア５０上に光を照射できない領域が生じることを抑制できる。
【0032】
図７は、所定方向（Ｘ方向又はＹ方向）に隣り合う２つの照射スポット（所定方向に隣接する２つのメタレンズ１６によって形成された或る発光素子１２１の発光点の像）の一部が重なるための光学条件の説明図である。図中には、同じ照射スポット群に属する２つの照射スポットの一部が重なる様子が描かれている。
【0033】
図中のＳ１は、或る発光素子１２１の発光点を示している（説明のため、発光点が紙面垂直方向に向かって描かれているが、発光点はＺ方向に垂直である）。また、図中のＬ１，Ｌ２は、所定方向（Ｘ方向又はＹ方向）に隣接する２つのメタレンズ１６を示している（説明のため、メタレンズが凸レンズ形状に描かれている）。以下の説明では、この２つのメタレンズのことを第１メタレンズＬ１及び第２メタレンズＬ２と呼ぶことがある。図中のＩは、メタレンズ１６を介して測定エリア５０に形成される像（照射スポット）を示している（説明のため、像が紙面垂直方向に向かって描かれているが、像はＺ方向に垂直である）。以下の説明では、第１メタレンズＬ１による発光点Ｓ１の像（照射スポット）のことを像Ｉ１１と呼び、第１メタレンズＬ２による発光点Ｓ１の像（照射スポット）のことを像Ｉ１２と呼ぶことがある。
【0034】
ここでは、メタレンズ１６の焦点距離をｆとし、発光素子１２１の発光点の直径をＤとし、所定方向（Ｘ方向又はＹ方向）に並ぶメタレンズ１６の間隔（光軸間の距離）をｔとする。
【0035】
図中のθ１は、第１メタレンズＬ１の中心と像Ｉ１１の中心とを結ぶ線（図中の一点鎖線）と、第１メタレンズＬ１の中心と像Ｉ１１の上端（隣接する像Ｉ１２の側の端部）とを結ぶ線とのなす角度である。なお、第１メタレンズＬ１の中心と像Ｉ１１の中心とを結ぶ線（図中の一点鎖線）は、発光点Ｓ１の中心と第１メタレンズＬ１の中心とを結ぶ線の延長線上にある。また、第１メタレンズＬ１の中心と像Ｉ１１の上端とを結ぶ線は、発光点Ｓ１の下端と第１メタレンズＬ１の中心とを結ぶ線の延長線上にある。角度θ１は、照射スポットの画角の半分に相当する。角度θ１は次式のように示すことができる。
【0036】
【数1】
【0037】
また、図中のθ２は、第１メタレンズＬ１の中心と像Ｉ１１の中心とを結ぶ線（図中の一点鎖線）と、第２メタレンズＬ２の中心と像Ｉ１２の下端（隣接する像Ｉ１１の側の端部）とを結ぶ線とのなす角度である。なお、第２メタレンズＬ２の中心と像Ｉ１２の下端とを結ぶ線は、発光点Ｓ１の上端と第２メタレンズＬ２の中心とを結ぶ線の延長線上にある。角度θ２は次式のように示すことができる。
【0038】
【数2】
【0039】
角度θ２が角度θ１よりも小さいとき（θ２＜θ１）、像Ｉ１１と像Ｉ１２の一部が重なり合う。このため、像Ｉ１１と像Ｉ１２の一部が重なり合うための条件は、次の通りである。
【0040】
【数3】
【0041】
なお、上式の括弧内の大小関係に基づいて（２ｔ－Ｄ）／２ｆ＜Ｄ／２ｆになるため、像Ｉ１１と像Ｉ１２の一部が重なり合うための条件は、ｔ＜Ｄと表すこともできる。
【0042】
上式の条件（又はｔ＜Ｄ）を満たすことによって、隣接する２つの照射スポット（同じ照射スポット群に属する２つの照射スポット）の一部が重なり合う。これにより、隣り合う２つの照射スポットの間に隙間が形成されることを抑制でき、測定エリア５０上に光を照射できない領域が生じることを抑制できる。このため、上式の条件を満たすことが望ましい。なお、本実施形態では、メタレンズ１６を用いることによって、レンズの直径を小さく設定したり、レンズの光軸のシフト量を小さく設定したりすることが可能であるため、発光素子１２１の発光点の直径Ｄが小さくても、上式の条件を満たす投光用光学系１４を実現することが容易となる。
【0043】
図６Ｃは、複数のメタレンズ１６によって形成された複数の発光素子１２１の発光点の像（複数の照射スポット群）の説明図である。図中の多数の円形状の像（照射スポット）は、図４Ｃに示す像と同様である。
また、図６Ｃの太線で囲まれた領域は、複数のメタレンズ１６によって形成された或る発光点（１つの発光点）の像であり、照射スポット群を示している。図中の太線で囲んだ領域は、図６Ｂに示す照射スポット群と同様である。ここでは、メタレンズ１６がＸ方向及びＹ方向に２個ずつ並んで配置されるため、図中の太線で囲まれた領域には、Ｘ方向及びＹ方向に２個ずつ照射スポットが並んで配置されている。なお、メタレンズ１６がＸ方向及びＹ方向にＮ個ずつ並んで配置される場合には、図中の太線で囲まれた領域には、Ｘ方向及びＹ方向にＮ個ずつ照射スポットが並んで配置されることになる。図４Ａに示すように、複数の発光素子１２１がＸ方向及びＹ方向に沿って２次元配置されているため、複数の照射スポット群（図６Ｃの太線で囲んだ領域）もＸ方向及びＹ方向に沿って２次元配置されることになる。
また、図６Ｃのハッチングの施された複数の像（間隔をあけて配置された複数の照射スポット）は、或るメタレンズ１６（１つのメタレンズ１６）によって形成された複数の発光素子１２１の発光点のそれぞれの像（照射スポット）である。ハッチングで示された像は、図４Ｂに示す像と同様である。ハッチングで示された像の間には、白丸で示された像（照射スポット）が配置されている。ここでは、メタレンズ１６がＸ方向及びＹ方向に２個ずつ並んで配置されるため、ハッチングで示された２つの像の間には、１つの白丸で示された像が配置されている。なお、メタレンズ１６がＸ方向及びＹ方向にＮ個ずつ並んで配置される場合には、ハッチングで示された２つの像の間には、Ｎ－１個の像（白丸で示される像）が配置されることになる。
また、図６Ｃの太線で囲まれた領域は、複数のメタレンズ１６によって形成された或る発光点（１つの発光点）の像であり、照射スポット群を示している。図中の太線で囲んだ領域は、図６Ｂに示す照射スポット群と同様である。ここでは、メタレンズ１６がＸ方向及びＹ方向に２個ずつ並んで配置されるため、図中の太線で囲まれた領域には、Ｘ方向及びＹ方向に２個ずつ照射スポットが並んで配置されている。なお、メタレンズ１６がＸ方向及びＹ方向にＮ個ずつ並んで配置される場合には、図中の太線で囲まれた領域には、Ｘ方向及びＹ方向にＮ個ずつ照射スポットが並んで配置されることになる。図４Ａに示すように、複数の発光素子１２１がＸ方向及びＹ方向に沿って２次元配置されているため、複数の照射スポット群（図６Ｃの太線で囲んだ領域）もＸ方向及びＹ方向に沿って２次元配置されることになる。
また、図６Ｃのハッチングの施された複数の像（間隔をあけて配置された複数の照射スポット）は、或るメタレンズ１６（１つのメタレンズ１６）によって形成された複数の発光素子１２１の発光点のそれぞれの像（照射スポット）である。ハッチングで示された像は、図４Ｂに示す像と同様である。ハッチングで示された像の間には、白丸で示された像（照射スポット）が配置されている。ここでは、メタレンズ１６がＸ方向及びＹ方向に２個ずつ並んで配置されるため、ハッチングで示された２つの像の間には、１つの白丸で示された像が配置されている。なお、メタレンズ１６がＸ方向及びＹ方向にＮ個ずつ並んで配置される場合には、ハッチングで示された２つの像の間には、Ｎ－１個の像（白丸で示される像）が配置されることになる。
【0044】
図６Ｃに示すように、Ｘ方向及びＹ方向に隣り合う２つの照射スポット群（太線で囲まれた領域）は、一部が重なり合う。隣接する照射スポット群が重なることによって、隣接する２つの照射スポット群の間に隙間が形成されることを抑制でき、測定エリア５０上に光を照射できない領域が生じることを抑制できる。
【0045】
図８は、所定方向（Ｘ方向又はＹ方向）に隣接する２つの照射スポット群の一部が重なるための光学条件の説明図である。
【0046】
図中のＳ２は、発光点Ｓ１と所定方向（Ｘ方向又はＹ方向）に隣接する発光点を示している。ここでは、所定方向に隣接する発光素子１２１の距離（発光点同士の中心間距離）をＰとする。図中のＬ１、ＬＮは、所定方向の端部に位置するメタレンズ１６を示している（Ｎは、所定方向に並ぶメタレンズ１６の数を示している。図中には、説明の簡略化のため、Ｎ＝２として第２メタレンズＬ２が描かれている）。以下の説明では、ＬＮで示されたメタレンズのことを第Ｎメタレンズと呼ぶ。図中のＩ１Ｎは、第ＮメタレンズＬＮによる発光点Ｓ１の像を示している。また、図中のＩ２１は、第１メタレンズＬ１による発光点Ｓ２の像を示している。像Ｉ１１～像Ｉ１Ｎは、同じ照射スポット群に属しており、像Ｉ２１は、像Ｉ１１～像Ｉ１Ｎの照射スポット群と隣接する照射スポット群に属している。
【0047】
図中のθ３は、第１メタレンズＬ１の中心と像Ｉ１１の中心とを結ぶ線（図中の一点鎖線）と、第ＮメタレンズＬＮ（第２メタレンズＬ２）の中心と像Ｉ１Ｎ（Ｉ１２）の上端（隣接する像Ｉ２１の側の端部）とを結ぶ線とのなす角度である。なお、第ＮメタレンズＬＮの中心と像Ｉ１Ｎ（Ｉ１２）の上端とを結ぶ線は、発光点Ｓ１の下端と第ＮメタレンズＬＮ（第２メタレンズＬ２）の中心とを結ぶ線の延長線上にある。角度θ３は、照射スポット群の画角の半分に相当する。角度θ３は、次式のように示すことができる（上式は、Ｎ＝２の場合の角度θ３を示す式であり、上式の右辺第１項は、レンズ１個分の像中心のズレ量を示している）。
【0048】
【数4】
【0049】
また、図中のθ４は、第１メタレンズＬ１の中心と像Ｉ１１の中心とを結ぶ線と、第１メタレンズＬ１の中心と像Ｉ２１の下端（隣接する像Ｉ１Ｎの側の端部）とを結ぶ線とのなす角度である。なお、第１メタレンズＬ１の中心と像Ｉ２１の下端とを結ぶ線は、発光点Ｓ２の上端と第１メタレンズＬ１の中心とを結ぶ線の延長線上である。角度θ４は、次式のように示すことができる。
【0050】
【数5】
【0051】
角度θ４が角度θ３よりも小さいとき（θ４＜θ３）、像Ｉ１Ｎと像Ｉ２１とが重なり合う。このため、像Ｉ１Ｎと像Ｉ２１の一部が重なり合うための条件は、次の通りである（なお、次式では、右辺にｔの項を残すように変形している）。
【0052】
【数6】
【0053】
＝＝＝小括＝＝＝
本実施形態の測定装置１は、発光部１２と、発光部１２の光を測定エリア５０に照射する投光用光学系１４とを備えている。発光部１２は、図４に示すように、間隔をあけて配置された複数の発光素子１２１を有する。投光用光学系１４は、光軸をシフトさせた複数のメタレンズ１６を有する。本実施形態の投光用光学系１４は、或るメタレンズ１６を介して照射される複数の発光素子１２１の光の間に、別のメタレンズ１６を介して発光素子１２１からの光を照射する。すなわち、本実施形態の投光用光学系１４は、或るメタレンズ１６を介して複数の発光素子１２１のそれぞれから出射される光によって間隔をあけて複数の照射スポット（図６Ｃのハッチングを施した照射スポット）を形成するとともに、この複数の照射スポットの間に、別のメタレンズ１６を介して発光素子１２１から照射される光によって照射スポット（図６Ｃの白丸に示す照射スポット）を形成する。これにより、図４Ｂに示す場合と比べて、光を照射できない領域が生じることを抑制できる。
本実施形態の測定装置１は、発光部１２と、発光部１２の光を測定エリア５０に照射する投光用光学系１４とを備えている。発光部１２は、図４に示すように、間隔をあけて配置された複数の発光素子１２１を有する。投光用光学系１４は、光軸をシフトさせた複数のメタレンズ１６を有する。本実施形態の投光用光学系１４は、或るメタレンズ１６を介して照射される複数の発光素子１２１の光の間に、別のメタレンズ１６を介して発光素子１２１からの光を照射する。すなわち、本実施形態の投光用光学系１４は、或るメタレンズ１６を介して複数の発光素子１２１のそれぞれから出射される光によって間隔をあけて複数の照射スポット（図６Ｃのハッチングを施した照射スポット）を形成するとともに、この複数の照射スポットの間に、別のメタレンズ１６を介して発光素子１２１から照射される光によって照射スポット（図６Ｃの白丸に示す照射スポット）を形成する。これにより、図４Ｂに示す場合と比べて、光を照射できない領域が生じることを抑制できる。
【0054】
本実施形態では、複数のメタレンズ１６は、共通の平面上に設けられている。これにより、測定エリア５０に影が形成されることを抑制できる。
【0055】
本実施形態では、所定方向に隣接する２つのメタレンズ１６によって形成された或る発光素子１２１（１つの発光素子１２１）の発光点の像の一部が重なり合う。つまり、本実施形態では、図６Ｂに示す照射スポットの一部が重なり合う。これにより、光を照射できない領域が生じることを更に抑制できる。なお、所定方向に隣接する２つのメタレンズ１６によって形成された或る発光素子１２１（１つの発光素子１２１）の発光点の像（照射スポット）が重なり合わない場合であっても、或るメタレンズ１６を介して照射される複数の発光素子１２１の光（図６Ｃのハッチングを施した照射スポット）の間に、別のメタレンズ１６を介して発光素子１２１からの光（図６Ｃの白丸に示す照射スポット）を照射することができれば、図４Ｂに示す場合と比べて、光を照射できない領域が生じることを抑制できる。
【0056】
本実施形態では、発光部１２及び投光用光学系１４は、前述の数式３（又はｔ＜Ｄ）に示す条件を満たしている（図７参照）。これにより、所定方向に隣接する２つのメタレンズ１６によって形成された或る発光素子１２１（１つの発光素子１２１）の発光点の像（照射スポット）の一部を重なり合わせることができ、光を照射できない領域が生じることを抑制できる。
【0057】
本実施形態では、所定方向に隣接する２つの発光素子１２１の発光点から照射され複数のメタレンズ１６によって形成された像の一部が重なり合う。つまり、本実施形態では、図６Ｃに示す照射スポット群の一部が重なり合う。これにより、光を照射できない領域が生じることを更に抑制できる。なお、所定方向に隣接する２つの発光素子１２１の発光点から照射され複数のメタレンズ１６によって形成された像（照射スポット群）が重なり合わない場合であっても、或るメタレンズ１６を介して照射される複数の発光素子１２１の光（図６Ｃのハッチングを施した照射スポット参照）の間に、別のメタレンズ１６を介して発光素子１２１からの光（図６Ｃの白丸に示す照射スポット参照）を照射することができれば、図４Ｂに示す場合と比べて、光を照射できない領域が生じることを抑制できる。
【0058】
本実施形態では、発光部１２及び投光用光学系１４は、前述の数式６に示す条件を満たしている（図８参照）。これにより、所定方向に隣接する２つの発光素子１２１の発光点から照射され複数のメタレンズ１６によって形成された像（照射スポット群）の一部を重なり合わせることができ、光を照射できない領域が生じることを抑制できる。
【0059】
本実施形態では、発光部１２及び投光用光学系１４は、前述の数式３（又はｔ＜Ｄ）及び数式６に示す条件を両方とも満たしている（図７及び図８参照）。これにより、同じ照射スポット群における照射スポットが重なり合うとともに、隣接する照射スポット群の間においても照射スポット照射スポットが重なり合うことができ、光を照射できない領域が生じることを抑制できる。
【0060】
以上、本発明の実施形態につき詳述したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。また、上記の実施形態は本発明を分かりやすく説明するために構成を詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、上記の実施形態の構成の一部について、他の構成に追加、削除、置換することが可能である。
【符号の説明】
【0061】
１ 測定装置、１０ 照射部、
１２ 発光部、１２１ 発光素子、
１４ 投光用光学系、１５ レンズユニット、１６ メタレンズ、
２０ 受光部、２２ 受光センサ、２２１ 画素、
２４ 受光用光学系、
３０ 制御部、３２ 設定部、
３４ タイミング制御部、３６ 測距部、
３６２ 信号処理部、３６４ 時間検出部、３６６ 距離算出部、
５０ 測定エリア、９０ 対象物
１２ 発光部、１２１ 発光素子、
１４ 投光用光学系、１５ レンズユニット、１６ メタレンズ、
２０ 受光部、２２ 受光センサ、２２１ 画素、
２４ 受光用光学系、
３０ 制御部、３２ 設定部、
３４ タイミング制御部、３６ 測距部、
３６２ 信号処理部、３６４ 時間検出部、３６６ 距離算出部、
５０ 測定エリア、９０ 対象物
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】