(57)【要約】第１微細構造面と第２微細構造面とを含み、第１微細構造面が軸に沿って第２微細構造面と整列する光学系が提供される。光源及び上記光学系を含む照明系も含まれる。光を拡散させる方法も含まれる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１微細構造面と、
第２微細構造面と
を備え、前記第１微細構造面が軸に沿って前記第２微細構造面と整列する光学系。
【請求項２】
請求項１に記載の光学系において、前記第１微細構造面は第１複数微細構造を含む光学系。
【請求項３】
請求項１に記載の光学系において、前記第２微細構造面は第２複数微細構造を含む光学系。
【請求項４】
請求項１に記載の光学系において、前記第１微細構造面及び前記第２微細構造面は、それぞれが独立して、マイクロレンズ、サドルレンズ、回折素子、ガウス拡散板、又はホログラフィック拡散板の微細構造を含む光学系。
【請求項５】
請求項１に記載の光学系において、前記第１微細構造面は第１視野を有し、前記第２微細構造面は前記第１視野よりも狭い第２視野を有する光学系。
【請求項６】
請求項１に記載の光学系において、前記第１及び第２微細構造化は、それぞれが独立して光学材料から形成される光学系。
【請求項７】
請求項１に記載の光学系において、前記第２微細構造面は前記第１微細構造面の鏡像である光学系。
【請求項８】
請求項１に記載の光学系において、支持体をさらに備えた光学系。
【請求項９】
請求項１に記載の光学系において、前記第１微細構造面は、３０°以上の角度範囲を有する第１視野を有する光学系。
【請求項１０】
請求項１に記載の光学系において、前記第１微細構造面及び前記第２微細構造面は、それぞれが独立してマイクロレンズアレイである光学系。
【請求項１１】
請求項１に記載の光学系において、前記第１微細構造面及び前記第２微細構造面の少なくとも一方に埋込層をさらに備えた光学系。
【請求項１２】
請求項１１に記載の光学系において、前記埋込層は平面状である光学系。
【請求項１３】
請求項１１に記載の光学系において、前記埋込層は適合的である光学系。
【請求項１４】
請求項８に記載の光学系において、前記第１微細構造面は前記支持体の一方の側にあり、前記第２微細構造面は前記支持体の反対側にある光学系。
【請求項１５】
請求項８に記載の光学系において、前記第１微細構造面及び前記第２微細構造面は前記支持体の同じ側にある光学系。
【請求項１６】
請求項１５に記載の光学系において、前記第１微細構造面は前記第２微細構造面と前記支持体との間に位置決めされる光学系。
【請求項１７】
請求項１５に記載の光学系において、前記第２微細構造面は前記第１微細構造面と前記支持体との間に位置決めされる光学系。
【請求項１８】
請求項１に記載の光学系において、保護層をさらに備えた光学系。
【請求項１９】
光源及び請求項１に記載の光学系を備えた照明系。
【請求項２０】
光を拡散させる方法であって、
光学系の第１微細構造面で入射光を受光するステップと、
前記光学系の第２微細構造面から光を透過させるステップと
を含み、透過光は、単一の微細構造面のみを含む光学系と比べて最小の高周波アーチファクトを示す方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、第１微細構造面と第２微細構造面とを含み、第１微細構造面が軸に沿って第２微細構造面と整列する光学系に関する。光源及び上記光学系を含む照明系も含まれる。光を拡散させる方法も含まれる。
【背景技術】
【０００２】
３次元（３Ｄ）イメージング、センシング、及びジェスチャ認識に関する用途では、光学コンポーネントを通常は用いて、通常は約８００ｎｍ〜約１０００ｎｍの範囲の波長を有するレーザを伴いプロービング中のシーンにわたって光パターンを投影する。特定の光パターンは、プロービング技術に応じて変わり、投光照明（flood illumination）、周期的な点グリッド、線、縞、市松等の種々の形態をとり得る。
【０００３】
拡散板は、回折拡散板及びガウス拡散板等のさまざまな形態をとり得る。マイクロレンズアレイを拡散目的で利用することもできる。
【０００４】
拡散板は、レーザ又はＬＥＤ等のさまざまな光源と共に働くことができる。特に関心が高いレーザ源は、垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）である。これらのＶＣＳＥＬ源は、小型パッケージへの適合性、出力、及び信頼性から３Ｄイメージング用途に有用である。このようなＶＣＳＥＬは、アレイ状に配置することができ、例えば、数百個が小さな面積で周期的又はランダムなグリッド上に配置される。アレイ内の各レーザは、実質的にコヒーレントな挙動を示すが、任意所与の２つの光源は、実質的に相互にインコヒーレントである。ＶＣＳＥＬ源又はアレイは、単独では３Ｄイメージング及びセンシング用途で必要な制御された照明を生成するのに適していない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、拡散板をＶＣＳＥＬアレイと共に用いることに関する問題は、高周波アーチファクトの出現である。投影された照明パターンにおける高周波アーチファクトは、３Ｄセンシング等の特定の光学用途での性能に問題を引き起こし得る。これらの高周波アーチファクトは、アレイにおける多数のコヒーレントＶＣＳＥＬ源が近接してインコヒーレントに重なることによる。
【０００６】
高周波アーチファクトの原因は、以下の論法で理解を深めることができる。光源アレイにおける個々の光源は、拡散板の一部を照明する。こうした理由で、アレイにおける２つの隣接した光源により照明された拡散板の領域間に重なりができる。各光源の出力は、スペックルパターン又は強い回折パターンを特徴とする。アレイにおけるいずれか２つの光源が相互にインコヒーレントなので、総出力は単に各光源からの強度パターンの和により与えられる。多くのこうした同様のスペックル又は回折パターンの累積効果が、高周波イメージアーチファクトの出現を引き起こす。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様では、第１微細構造面と第２微細構造面とを備え、第１微細構造面が軸に沿って第２微細構造面と整列する光学系が開示される。
【０００８】
本発明の別の態様では、光源及び上記光学系を備えた照明系が開示される。
【０００９】
本発明の別の態様によれば、光を拡散させる方法であって、光学系の第１微細構造面で入射光を受光するステップと、光学系の第２微細構造面から光を透過させるステップとを含み、透過光は、単一の微細構造面のみを含む光学系と比べて最小の高周波アーチファクトを示す方法が開示される。
【００１０】
本発明の上記目的、特徴、及び利点は、添付図面に関連して以下の説明を読めばより明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明による光学系の断面図である。
【図２】本発明の別の態様による光学系の概略図である。
【図３Ａ】本発明の別の態様による光学系の概略図である。
【図３Ｂ】本発明の別の態様による光学系の概略図である。
【図３Ｃ】本発明の別の態様による光学系の概略図である。
【図４Ａ】本発明の別に態様による光学系の概略図である。
【図４Ｂ】本発明の別に態様による光学系の概略図である。
【図５】本発明の別に態様による光学系の概略図である。
【図６】本発明の別に態様による光学系の概略図である。
【図７】本発明の別に態様による光学系の概略図である。
【図８】本発明の別に態様による光学系の概略図である。
【図９】光源及び光学系を含む照明系の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本明細書の一部に組み込まれてこれを構成する前述の図は、本発明の好ましい実施形態を示すものであり、詳細な説明と共に本発明の原理を説明する役割を果たす。図面及び説明の両方が説明のためのものにすぎず、本発明を制限するものではないことが明らかに理解される。
【００１３】
上記の概要及び以下の詳細な説明の両方が例示的且つ説明的なものにすぎず、本教示の種々の実施形態の説明を提供するためのものであることを理解されたい。
【００１４】
図１を参照すると、本発明は、第１微細構造面２及び第２微細構造面３を含み、第１微細構造面２が軸に沿って第２微細構造面と整列する光学系１に関する。光学系１は支持体７も含み得る。第１微細構造面２が第２微細構造面３と整列すると、これらは実質的に相互に平行になる。別の態様では、第１微細構造面２は、軸に沿って第２微細構造面３と整列しない。
【００１５】
単一光源又は光源アレイ等の光源からの照明を拡散させる光学系１が開示される。開示の光学系１は、全透過率への影響を最小限にしつつ高周波アーチファクトを最小化し且つより均一な照明を提供することができる。光学系１は、光源からの照明をパターンに分配するビーム整形面等の第１微細構造面２を含み得る。光学系は、パターンを受光してパターンを集光させる均質化面（homogenizing surface）等の第２微細構造面３も含み得る。
【００１６】
視野（ＦＯＶ）の概念は、光学系１により効果的に照明されている空間領域を指す。ＦＯＶは、大抵の場合は強度に関して角度空間で規定され、検出器が光学系１を中心に位置付けた円に沿って走査するゴニオメータシステムで測定される。このように、検出器は、常に光学系１の方を向いた円弧に沿って回転する。例えば強度の代わりに放射照度に基づく、他のＦＯＶ規定手法も考えられ得る。このように、光源は光学系１を照明し、光学系は続いて平坦な対象面を照明する。放射照度は、この面と平行に延びる検出器で測定される。実際には、透過型スクリーンが通常は用いられ、その画像がカメラで撮影される。適切なシステム較正を用いて、放射照度を計算し光学系のＦＯＶを特性化することができる。
【００１７】
第１微細構造面１は、照明の角度範囲、強度プロファイル、及び第１微細構造面２の微細構造の幾何学的形状により規定される第１視野（ＦＯＶ）を提供し得る。照明の角度範囲は、２次元に沿って投影され得る。例えば、第１ＦＯＶは、ｙ次元に沿って１２０°、ｘ次元に９０°の角度範囲を有することができ、矩形の空間領域を照明する。３Ｄセンシング用途では、第１ＦＯＶは、任意の１次元に沿って約３０°以上の角度範囲を有し得る。ＬＩＤＡＲ用途では、第１ＦＯＶは、任意の１次元に沿って約１°以上の角度範囲を有し得る。
【００１８】
第１ＦＯＶ等の像の強度プロファイルは、ある角度セグメントに沿った等間隔の点から得られた強度値セットである。一態様では、第１ＦＯＶ内の強度プロファイルは、角度に応じて実質的に均一である。別の態様では、第１ＦＯＶ内の強度プロファイルは、より多くのエネルギーをいわゆる「バットウィング」プロファイルでより広い角度に集める。別の態様では、第１ＦＯＶ内の強度プロファイルは、より多くのエネルギーを第１ＦＯＶの中心に集める。
【００１９】
第２微細構造面３は、高周波アーチファクトを除去又は最小化（実質的に除去）するために第１視野よりも狭い第２視野を有し得る。第２ＦＯＶは、第１ＦＯＶよりも約１／３〜１／１５の狭さにすることができるが、正確な値は他の要件に応じて変わり、最良の性能に最適化される必要がある。このような最適化は、モデリングツール又は直接実験により実行することができる。一例として、第１微細構造面２は、約１１０°×８５°のＦＯＶを有することができ、第２微細構造面３は、約５°〜約１５°の範囲のＦＯＶを有することができる。
【００２０】
第２微細構造面３の強度プロファイルは、いずれの方向に沿っても実質的に同じ強度プロファイルで概して等方性であり得る。別の態様では、第２微細構造面３は、２本の直交する軸に沿った第２ＦＯＶが異なるアナモルフィックパターンを単独で生成し得る。第２微細構造面３は、第２ＦＯＶが第１ＦＯＶよりも狭いという基本制約の下で、円形、正方形、矩形、線、十字パターン、点列、又は任意の特定の散乱分布等のパターンも生成し得る。所与の軸に沿った強度プロファイルは、フラットトップ、バットウィング、ガウシアン、又は任意の他の特定の強度プロファイルであり得る。垂直軸に沿った強度プロファイルは、所与の軸に沿ったプロファイルとは異なっていてもそうでなくてもよい。
【００２１】
一態様では、光学系１は、２つの反対向きの微細構造面を含み得る。一態様では、図１に示すように、光学系１は、支持体７の一方の側に第１微細構造面２、支持体７の反対側に第２微細構造面３を含み得る。各微細構造面２、３は、パターンを形成し得る複数の微細構造を含み得る。第１微細構造面２は光源を向き得る。第２微細構造面３は、例えば図９に示すように、光源８と反対側を向き得る。
【００２２】
別の態様では、光学系１は、それぞれが同じ方向を向いて光学系１の支持体７の同じ側に位置付けられた第１微細構造面２及び第２微細構造面３を含み得る。例えば、図５に示すように、第１微細構造面２及び第２微細構造面３は、両方が支持体７の同じ側にあり得る。第１微細構造面２は、第２微細構造面３と支持体７との間に位置付けられ得る。別の態様では、第２微細構造面３が、第１微細構造面２と支持体７との間に位置付けられ得る（図示せず）。いずれの変形形態でも、光源が支持体７側又は微細構造面側にあり得る。
【００２３】
第１微細構造面２は、第１複数微細構造を含み得る。第２微細構造面３は、第２複数微細構造を含み得る。第１及び第２微細構造面２、３は、それぞれが独立して、マイクロレンズ拡散板、サドルレンズ拡散板、回折素子、すりガラス等のガウス拡散板、又はホログラフィック拡散板等の微細構造を含む。
【００２４】
図２を参照すると、第１微細構造面２は、軸に沿って第２微細構造面３と整列し得る。一態様では、第１複数微細構造の各微細構造が、入射光のかなりの部分を第２微細構造面３の微細構造の開口にわたって集束させ得る。第２微細構造面３は、第１微細構造面２の鏡像であり得る。この特定の構成は、通常は「フライアイ」レンズと称される。
【００２５】
アレイにおけるマイクロレンズ等の個々の微細構造のサイズは、約１０μｍ〜約１００μｍの範囲にあり得る。
【００２６】
第２微細構造面３の微細構造は、第１微細構造面２の微細構造と同等以下のサイズ及び形状であり得る。第１微細構造面２及び第２微細構造面３のそれぞれの微細構造は、周期的なアレイ状に分配され得るか又はランダムに分配され得る。例えば、第１微細構造面２及び第２微細構造面３は、それぞれが独立してマイクロレンズアレイであり得る。
【００２７】
図３Ａ〜図３Ｃを参照すると、光学系１は、それぞれが独立して光学材料から形成された第１微細構造面２、第２微細構造面３、及び支持体７を含み得る。光学材料の非限定的な例として、Ｂｏｒｏｆｌｏａｔ等のガラス、ＵＶ硬化ポリマー、成形ポリマー、又はエンボス加工ポリマー等の高分子材料、石英ガラス、シリコン等のＩＲ材料、アモルファスシリコン、及びそれらの組み合わせが挙げられる。高分子材料は、例えばポリカーボネート又はアクリルであり得る。光学材料は、屈折率が１．５よりも大きな材料等の高屈折率材料であり得る。
【００２８】
図３Ａに関して、第１微細構造面２は、高分子材料から形成されることができ、微細構造として複数のマイクロレンズ拡散板を含む。支持体７は、ホウケイ酸ガラス製であり得る。第２微細構造面３は、支持体材料７に直接形成された複数のすりガラス微細構造を含み得る。
【００２９】
図３Ｂに関して、第１微細構造面２は、高分子材料から形成されることができ、複数のマイクロレンズ拡散板及びすりガラス微細構造を含む。支持体７は、ホウケイ酸ガラス製であり得る。第２微細構造面３は、支持体材料７に形成された複数のすりガラス微細構造を含み得る。
【００３０】
図３Ｃに関して、第１微細構造面２、支持体７、及び第２微細構造面３があり、これらの全てが、例えば熱エンボス加工又は成形プロセスにより形成され得るような同じ材料から形成される。
【００３１】
一態様では、光学系１は単一の光学材料から形成され得る。別の態様では、光学系１は異なる材料から形成され得る。例えば、第１微細構造面２及び第２微細構造面３のそれぞれを高分子材料製とすることができ、支持体７をガラス材料製とすることができる。図６に示すように、第１微細構造面２及び支持体７は、同じ光学材料から形成され、すなわちモノリシックである。図７に示すように、第１微細構造面２、支持体７、及び第２微細構造面３は、同じ光学材料から形成される。光学系１が第１微細構造面２及び第２微細構造面３を含む限り、光学系１の部品及び光学材料のあらゆる組み合わせが許容可能である。
【００３２】
光学系１の全厚は、パッケージング要件及び利用材料に応じて約０．１ｍｍ〜約２ｍｍの範囲にあり得る。一例として、支持体７は厚さ約０．３ｍのホウケイ酸ガラスであり得る一方で、両側の微細構造は厚さ約２０μｍ〜約１２０μｍの範囲のＵＶ硬化プロセスにより作製された高分子材料からなり得ることにより、約０．３４ｍｍ〜約０．５４ｍｍの範囲の全厚となる。別の例では、少なくとも一方の微細構造面２、３がアモルファスシリコンを含み得ることにより、アモルファスシリコン材料は屈折率が高いことから層を薄くすることができるので、約０．３２ｍｍ〜約０．４４ｍｍの範囲の全厚となる。
【００３３】
第１微細構造面２は、材料、微細構造設計、及び製造プロセスに応じて、約０．５ミクロン〜約１２０ミクロン、例えば約０．７５ミクロン〜約１００ミクロン、さらに別の例として約１ミクロン〜約９０ミクロンの範囲の厚さを有し得る。厚さは、基部（平面部分）及び微細構造化される部分を含み得る。
【００３４】
支持体７は、約０．０２ｍｍ〜約２ｍｍ、例えば約０．０５ｍｍ〜約１．６ｍｍ、さらに別の例として約０．１ｍｍ〜約１．８ｍｍの範囲の厚さを有し得る。
【００３５】
第２微細構造面３は、材料、微細構造設計、及び製造プロセスに応じて、約０．５ミクロン〜約１２０ミクロン、例えば約０．７５ミクロン〜約１００ミクロン、さらに別の例として約１ミクロン〜約９０ミクロンの範囲の厚さを有し得る。厚さは、基部（平面部分）及び微細構造化される部分を含む。
【００３６】
本発明の光学系１は、種々の物理形式をとり得る。図４Ａに示すように、光学系１は埋込層４をさらに含み得る。埋込層４は、第１微細構造面２及び第２微細構造面３の少なくとも一方にあり得る。図４Ａに示すように、埋込層４は平面状であり得る。平面状埋込層４は、光学系１のパッケージングの小型化を可能にすることができる。一態様では、図４Ｂに示すように、埋込層４は適合的（conforming）であり得る、すなわち微細構造面の微細構造に適合し得る。適合的埋込層４は、光学系１の耐久性を向上させることができる。光学系１は、平面状埋込層４、適合的埋込層、及びそれらの組み合わせを含み得る。一態様では、光学系１は、１つの埋込層、２つの埋込層等を含み得る。埋込層の数、タイプ、及び材料のあらゆる置き換えが考えられる。埋込層４は、約１ミクロン〜約１００ミクロンの範囲の厚さを有し得る。
【００３７】
埋込層４は、第１及び／又は第２微細構造面２、３を保護することができるとともに、微細構造面の屈折率整合につながり得る汚染を防止することができる。屈折率整合が起こるのは、流体等の何らかの物質が微細構造面２、３を覆って微細構造面２、３の正しい動作を阻止する場合である。埋込層としての使用に適した材料の非限定的な例として、ポリマー、石英ガラス、及びアモルファスシリコンが挙げられる。
【００３８】
埋込層４は、表面反射を低減して光の透過を増加させる反射防止コーティングでもあり得る。一態様では、埋込層４は単層である。別の態様では、埋込層４は複数の層等の少なくとも１つの層である。２つ以上の埋込層４が光学系１にある場合、各埋込層４は、同じ材料又は異なる材料を含み得る。
【００３９】
図８を参照すると、第１微細構造面２は平面状埋込層４に埋め込まれる。第２微細構造面３は、反射防止層等の適合的保護層５を伴った平面状埋込層４に埋め込まれる。保護層５は、ＴｉＯ２、ＳｉＯ２、ＭｇＦ２、ＩＴＯ、ＣａＦ２等の材料から形成され得る。
【００４０】
一態様では、光学系１は、支持体７の各側に２つ以上の微細構造面２、３を含み得る。例えば、光学系は、支持体７のうち光源からの照明を受光する側に第２微細構造面３及び第１微細構造面２を含むことができ、支持体７のうち光を透過させる側に付加的な第１微細構造面２及び付加的な第２微細構造面３を含むことができる。光学系１は、支持体７の両側に微細構造面２、３の任意の組み合わせを含み得る。さらに、光学系１は、支持体７の両側に埋込層４（平面状及び／又は適合的）の任意の組み合わせを含み得る。
【００４１】
光学系１は、成形、エッチング、研削、グレースケールリソグラフィ等の技術を用いて形成され得る。光学系の形成に用いられる技術は、ＦＯＶ、光学材料、予想される光源のタイプ等にある程度応じて変わり得る。
【００４２】
図９を参照すると、開示の光学系１及び光源８を含む照明系１０がさらに開示される。光源８は、光源アレイ１１であって、アレイ内の各光源が実質的にコヒーレントだが、アレイにおけるいずれか２つの光源が相互に実質的にインコヒーレントなものであり得る。一例は、垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）アレイである。アレイ内の個々の光源の配置の柔軟性はかなり高く、概して周期的だがランダム又は疑似ランダムでもある。アレイにおける各光源は、１／ｅ２の全幅が約１０°〜約３０°であり得るビーム広がりでコヒーレントであり得る。
【００４３】
別の態様では、光源８は、レーザ等の単一光源であり得る。
【００４４】
照明系１０は、コンシューマタイプの装置及び他の小型形式のパッケージ製品に特有であるように、小型且つ小さな体積に組み込むのに適したものであり得る。照明系１０の用途は、数ある中でも特に、３次元（３Ｄ）イメージング、デプスセンシング、ジェスチャ認識、自動車、セルラー通信装置、マシンビジョン、及びＬＩＤＡＲであり得る。
【００４５】
光を拡散させる方法であって、光学系１の第１微細構造面２で入射光を受光するステップと、光学系１の第２微細構造面３から光を透過させるステップとを含み、透過光は、単一の微細構造面のみを含む光学系と比べて最小の高周波アーチファクトを示す方法も開示される。特に、本方法は、入射光を送る光源を設けることを含み得る。光学系１の第１微細構造面２は、入射光を受光することができ、受光した入射光を光パターンの形態で光学系１の第２微細構造面３に向けて透過させることができる。第２微細構造面３は、透過光パターンを受光し、透過光パターンを均質化し、且つ最小の高周波アーチファクトを示す均質化された透過光パターンを透過させることができる。
【００４６】
この方法は、図１に示す光学系に関して説明されているが、光源が光学系１のいずれかの側に配置され得ると共に、透過光が単一の微細構造面のみを含む光学系と比べて最小の高周波アーチファクトを示す、図に開示された光学系１のいずれかで実行することができる。
【００４７】
上記説明から、本教示がさまざまな形態で実施され得ることが当業者には理解できる。したがって、これらの教示は特定の実施形態及びそれらの実施例に関連して記載されたが、本教示の真の範囲はそのように限定されるべきではない。種々の変形及び変更を本明細書中の教示の範囲から逸脱せずに行うことができる。
【００４８】
本範囲開示は広義に解釈されるものとする。本開示は、本明細書に開示される装置、動作、及び機械的作用を達成するための等価物、手段、システム、及び方法を開示することが意図される。開示された各構成（composition）、装置、物品、方法、手段、機械的要素、又は機構について、本開示は、本明細書に開示された多くの態様、機構、及び装置を実施するための等価物、手段、システム、及び方法をその開示に包含し且つ教示することも意図される。さらに、本開示は、一構成及びその多くの態様、特徴、及び要素を考慮する。このような構成は、その使用及び動作が動的なものとすることができ、本開示は、製造対象の構成及び／又は光学装置の使用の等価物、手段、システム、及び方法と、本明細書に開示された動作及び機能の説明及び趣旨と一致するその多くの態様とを包含することが意図される。本願の特許請求の範囲も同様に広義に解釈されるものとする。本明細書中の本発明の説明は、その多くの実施形態が本質的に例示的なものにすぎず、したがって本発明の要旨から逸脱しない変形形態は、本発明の範囲内にあることが意図される。このような変形形態は、本発明の趣旨及び範囲からの逸脱とみなされないものとする。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【国際調査報告】
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