特許 7418050 光学系装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-01-11

(45)【発行日】2024-01-19

(54)【発明の名称】光学系装置

(51)【国際特許分類】

   G02B 3/00 20060101AFI20240112BHJP

   F21V 5/04 20060101ALI20240112BHJP

   F21V 13/02 20060101ALI20240112BHJP

   G01S 7/481 20060101ALI20240112BHJP

   G01S 7/484 20060101ALI20240112BHJP

   F21Y 115/30 20160101ALN20240112BHJP

【ＦＩ】

G02B3/00 A

F21V5/04 200

F21V5/04 350

F21V13/02 400

G01S7/481 A

G01S7/484

F21Y115:30

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2022563212

(86)(22)【出願日】2022-08-19

(86)【国際出願番号】 JP2022031411

(87)【国際公開番号】W WO2023026987

(87)【国際公開日】2023-03-02

【審査請求日】2023-03-06

(31)【優先権主張番号】P 2021137560

(32)【優先日】2021-08-25

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

【早期審査対象出願】

【前置審査】

(73)【特許権者】

【識別番号】504097823

【氏名又は名称】ＳＣＩＶＡＸ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100131657

【弁理士】

【氏名又は名称】奥田 律次

(72)【発明者】

【氏名】縄田 晃史

(72)【発明者】

【氏名】中村 智宣

(72)【発明者】

【氏名】田中 覚

【審査官】中村 説志

(56)【参考文献】

【文献】米国特許第１１０８５６０９（ＵＳ，Ｂ１）

【文献】特表２０１８－５１１０３４（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１７／１３１５８５（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０２０／２２２７０４（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特許第７０６１８２３（ＪＰ，Ｂ２）

【文献】国際公開第２０２１／２３０３２４（ＷＯ，Ａ１）

【文献】中国特許出願公開第１１５２２４５８３（ＣＮ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０２Ｂ ３／００

Ｆ２１Ｖ ５／００

Ｆ２１Ｖ ５／０４

Ｆ２１Ｖ １３／０２

Ｆ２１Ｖ １４／００

Ｆ２１Ｙ１１５／３０

Ｇ０２Ｓ ７／４８１

Ｈ０１Ｓ ５／０２２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

波長λの光を透過するレンズが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、
を具備し、
前記光学素子は、前記レンズの凸レンズ部分を照射部側に向けたものであり、
前記レンズの焦点距離をｆ、ｎを１以上の自然数とし、前記レンズ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Ｐ_ｋとすると、いずれか１以上のピッチＰ_ｋについて、前記照射部と前記光学素子の焦点位置との距離Ｌ_１が、下記式２

【数3】

を満たすことを特徴とする光学系装置。

【請求項2】

最も小さいピッチＰ_１について、前記式２を満たすことを特徴とする請求項１記載の光学系装置。

【請求項3】

２番目に小さいピッチＰ_２について、前記式２を満たすことを特徴とする請求項２記載の光学系装置。

【請求項4】

前記光学素子と前記照射部の距離を調節する距離調節手段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系装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、光学系装置に関するものである。

【背景技術】

【0002】

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。

【0003】

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。

【0004】

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。

【0005】

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）。

【0006】

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。

【0007】

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。

【0008】

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L_０が下記式Ａを満たすように配置したものである。

【数1】

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）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0009】

【文献】特表２００６－５００６２１

【文献】国際公開第２０１７／１３１５８５

【文献】H. Hamam, Lau Array Illuminator, Applied Optics, 43(14):2888-2894, May 10, 2004.

【発明の開示】

【発明が解決しようとする課題】

【0010】

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。

【0011】

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を提供することを目的とする。また、逆に均一な光を照射するためのディフューザとして利用可能な光学系装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0012】

上記目的を達成するために、本発明の光学系装置は、波長λの光を透過するレンズが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、を具備し、前記レンズの焦点距離をｆ、ｎを１以上の自然数とし、前記レンズ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Ｐ_ｋとすると、いずれか１以上のピッチＰ_ｋについて、前記照射部と前記光学素子の焦点位置との距離Ｌ_１が、下記式１

【数2】

を満たすことを特徴とする。

【0013】

この場合、前記距離Ｌ_１が、下記式２

【数3】

を満たす方が好ましい。

【0014】

また、最も小さいピッチＰ_１について、前記式１を満たす方がよく、好ましくは、２番目に小さいピッチＰ_２についても、前記式１を満たす方がよい。

【0015】

また、本発明の別の光学系装置は、波長λの光を透過するレンズが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、を具備し、
前記レンズの焦点距離をｆ、ｎを１以上の自然数とし、前記レンズ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Ｐ_ｋとすると、いずれか１以上のピッチＰ_ｋについて、前記照射部と前記光学素子の焦点位置との距離Ｌ_２が、下記式α

【数4】

を満たすことを特徴とする。

【0016】

また、前記光学素子と前記照射部の距離を調節する距離調節手段を具備する方が好ましい。

【発明の効果】

【0017】

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。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】本発明の光学系装置を示す概略断面図である。

【図2】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。

【図3】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。

【図4】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。

【図5】本発明に係る光学素子を示す概略平面図である。

【図6】従来の光学系装置を示す概略断面図である。

【図7】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。

【図8】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。

【図9】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。

【図10】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。

【図11】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。

【図12】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。

【図13】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。

【図14】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。

【図15】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。

【図16】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。

【図17】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。

【図18】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。

【図19】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。

【図20】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。

【図21】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。

【図22】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。

【図23】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。

【図24】本発明のレンズを説明する図である。

【図25】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。

【図26】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。

【図27】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。

【図28】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。

【図29】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。

【図30】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。

【図31】本発明の別の光学系装置を示す概略断面図である。

【図32】本発明のディフューザとしての光学系装置に示す概略断面図である。

【図33】本発明の位置調節手段を有する光学系装置を示す概略断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0019】

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、で主に構成される。

【0020】

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。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を複数有するものである。また、光源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。

【0021】

［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２に示す。図２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３に示すようにＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆの６種類に集約できる。

【0022】

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４（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４（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４（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。

【0023】

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。

【0024】

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。

【0025】

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の形状を適切に設計した非球面レンズにすればよい。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５（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５（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。

【0026】

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。

【0027】

［照射部と光学素子の位置関係］
従来、ｎを１以上の自然数とし、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Ｌ_０とすると、距離Ｌ_０が下記式Ａの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と考えられてきた（図６参照）。

【数5】

【0028】

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Ｌ_０は、下記式Ｂ

【数6】

である方が、光をより大きく強め合いコントラストの大きなドットパターンを生じることがわかった。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。

【数7】

【0029】

式Ｂ、式Ｃを、照射部１と光学素子２の間の距離Ｌ_０ではなく、図１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Ｌ_１（Ｌ_１＝Ｌ_０－ｆ）で表すと、下記式Ｄ、式Ｅとなる。

【数8】

【数9】

【0030】

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５（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Ｐ_１の他、対角線方向のピッチＰ_２（＝√２Ｐ１）や、ピッチＰ_３（＝√５Ｐ１）等種々のピッチが存在する。また、図２（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Ｐ_１の他、ピッチＰ_２（＝√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Ｐ_ｋ、係数をａ（ａ≦１）、ｂ（ｂ≦１）とすると、いずれか１以上のピッチＰ_ｋについて、照射部と光学素子の焦点位置９との距離Ｌ_１が、下記式Ｆ

【数10】

を満たすようにすればよい。

【0031】

ここで式Ｆの係数ａはａ＝１、ａ＝０．５、ａ＝０．３、ａ＝０．１と小さい程好ましい。また、係数ｂもｂ＝１、ｂ＝０．５、ｂ＝０．３、ｂ＝０．１と小さい程好ましい。式Ｆの係数が、ａ＝１、ｂ＝１の場合、式Ｆは下記式１となる。

【数11】

【0032】

また、距離Ｌ_１は、ａ＝ｂ＝０である下記式２を満たす場合が最も好ましい。

【数12】

【0033】

なお、好ましくは、いずれか２以上のピッチＰ_ｋ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Ｌ_１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Ｐ_１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Ｐ_２についても、式１を満たす方がよい。

【0034】

なお、ピッチＰ_ｋ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Ｐ_ｋ、特にピッチＰ_１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。

【0035】

［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Ｌ_１を下記式３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。

【数13】

【0036】

［シミュレーション１］
照射部１は、波長が９４０ｎｍ（λ＝０．９４）で、図７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１に示すように、複数のレンズ21をピッチＰ_１が３０μｍ（Ｐ_１＝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８（ａ）は、各レンズに図８（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３中のｎは２とした。図９～図１１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。

【0037】

図９～図１１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Ｌ_０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９～図１１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Ｌ_１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９～図１１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９～図１１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９～図１１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。

【0038】

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。

【0039】

［シミュレーション２］
照射部１は、波長が９４０ｎｍ（λ＝０．９４）で、図７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１に示すように、複数のレンズ21をピッチＰ_１が３０μｍ（Ｐ_１＝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１２～図１４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ｎは２とした。図１５～図２３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１における奥行き方向も考慮した３Ｄの計算結果である。

【0040】

図１５～図１７は、３種類のレンズに対して、式３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１８～図２０は、３種類のレンズに対して、式３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２１～２３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。

【0041】

なお、図１８～２０図の（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。

【0042】

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。

【0043】

［シミュレーション３］
照射部１は、波長が９４０ｎｍ（λ＝０．９４）で、図７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１に示すように、複数のレンズ21をピッチＰ_１が３０μｍ（Ｐ_１＝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２４（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２４（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２４（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２５に示すように、２０μｍであるものを用いた。図２５（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３中のｎは２とした。図２６～図２９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１における奥行き方向も考慮した３Ｄの計算結果である。

【0044】

図２６は、式３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２８は、式３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２９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。

【0045】

なお、図２６～２８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２９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。

【0046】

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３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３を満たしていれば、十分な光強度を有することもわかる。

【0047】

[光学素子製造方法]
光学素子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。

【0048】

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）。

【0049】

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を製造することができるため、距離Ｌ_１の誤差を小さくすることができる。

【0050】

[照射部のピッチ]
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Ｐ_ｋをとる方向に対して、ピッチｍＰ_ｋ又はＰ_ｋ／ｍで規則的に配列するとよい。特に、ピッチｍＰ_１又はＰ_１／ｍとするのがよい。図３０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Ｐ_１と等しくしたものである。また、図３０（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Ｐ_１の１／２、すなわちＰ_１／２としたものである。また、図３０（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Ｐ_１の２倍、すなわち２Ｐ_１としたものである。

【0051】

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Ｐ_１：Ｐ_２＝１：√３とし、光源10のピッチをｍＰ_１又はＰ_１／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Ｐ_１（長方形の短辺の大きさ）と２番目に小さいピッチＰ_２（長方形の長辺の大きさ）について式１を満たすために、Ｐ_２＝√３Ｐ_１を考慮して、照射部１と光学素子２との距離Ｌ_１は、下記式４を満たすのが好ましく、

【数14】

更に好ましくは、下記式５を満たすの方がよい。

【数15】

【0052】

また、照射部１の光は、図３１に示すように、直接光学素子２に照射する必要はなく、照射部１の光を反射するミラー３を介して照射してもよい。この場合、照射部１と光学素子２の焦点位置９との距離Ｌ_１とは実質的な距離（光路の距離）を意味する。したがって、図３２の場合の距離Ｌ_１は、矢印で示す照射部１からミラー３までの距離Ｌａとミラー３から光学素子２の焦点位置９までの距離Ｌｂの和であるＬａ＋Ｌｂとなる。これにより、ミラー３を用いて距離Ｌを調節することができる。また、光源からの光の方向を調節することも可能である。

【0053】

また、本発明に係る光学素子２は、ドットパターンを照射するため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。

【0054】

光学素子２をディフューザとして用いる第１の方法は、図３２に示すように、波長λの光を照射する複数の光源10をドットパターンの照射に利用する照射部１と同一に配列したディフューザ用照射部６を用意する。そして、ディフューザ用照射部６と光学素子２の焦点位置９との距離Ｌ_２が式１を満たさないようにすればよい。換言すれば、距離Ｌ_２が下記式αを満たすようにすればよい。

【数16】

これにより、上述したシミュレーション１～３に示すように、各ピークの幅が広がって光強度のむらが小さくなることがわかる。

【0055】

なお、より好ましくは、距離Ｌ_２が下記式β

【数17】

に近い方がよい。

【0056】

このように形成されたディフューザは、上述したドットパターンを照射するための光学系装置と組み合わせて用いることができる。これにより、遠距離の対象物は、ドットパターンによって照射光のインテンシティを担保して距離や形状等を測定し、近距離の対象物はディフューザの光を照射して距離や形状等をより正確に測定することができる。

【0057】

また、本発明の光学系装置は、図３３に示すように、照射部１と光学素子２の距離を調節する距離調節手段８を更に有していてもよい。これにより、照射部１と光学素子２の焦点位置９との距離Ｌ_１を簡単に調節することができる。また、照射部１と光学素子２の焦点位置９との距離Ｌ_１を調節することにより、本発明の光学系装置をドットパターンの照射とディフューザとしての照射に切り替えて使用することができる。距離調節手段８としては、例えば、周知のアクチュエータを用いればよい。

【符号の説明】

【0058】

１ 照射部
２ 光学素子
３ ミラー
６ ディフューザ用照射部
８ 距離調節手段
９ 焦点位置
10 光源
21 レンズ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】

【図23】

【図24】

【図25】

【図26】

【図27】

【図28】

【図29】

【図30】

【図31】

【図32】

【図33】