(57)【要約】【課題】  回折素子を用いた光学系において、透過する光束の回折角の調整を可能とする回析パターン投影光学系を提供する。【解決手段】  コヒーレントまたは部分コヒーレントな光源と，第一の、レンズまたはレンズ群（以下第一のレンズ）と，回折素子および第二の、レンズまたはレンズ群（以下第二のレンズ）をこの順序で配置し、前記第一のレンズと前記第二のレンズを合成したレンズ群の入射側（物体側）合成焦点位置は，入射光束の発散原点位置あるいは収束位置と略同じか，出射側（像側）に配置する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
コヒーレントまたは部分コヒーレントな光を出す光源と，第一のレンズまたはレンズ群（以下第一レンズ）と，第二のレンズまたはレンズ群（以下第二レンズ）と，回折素子とからなる回折パターン投影光学系において，
前記回折素子は，前記第一レンズと前記第二レンズとの間に配設され，
前記第一レンズと前記第二レンズを合成したレンズ群の入射側（物体側）合成焦点位置は，入射光束の発散原点位置あるいは収束位置と略同じか，出射側（像側）にあり，
前記回折素子は，該回折素子に対するファーフィールドの位置で，複数の閉領域が二次元に分布する明暗パターンを生成するものである，
ことを特徴とする回折パターン投影光学系
【請求項２】
前記第一レンズは正の屈折力を持ち，前記第二レンズは負の屈折力を持つことを特徴とする請求項１に記載の回折パターン投影光学系
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は，回折素子を用いて，光学的な計測や３次元の空間認識等に用いられる回折パターンを投影する回折パターン投影光学系に関する。
【背景技術】
【０００２】  従来，ファイバグレーティングと呼ばれる回折素子を用いて，多数の光スポットを対象物に投影し，これらの光スポット画像を撮像して，各光スポットの３次元位置を検出し，その情報によって，対象物の位置や形状を測定したり，人を監視したりする技術が提案されている。【０００３】  例えば，特許文献１（特開平５−１６１６１３）において開示された技術では，図６に示すように，図示しないレーザダイオードより出射しコリメートされたレーザ光束１１が、複数のファイバが直交して２層に配置された、ファイバグレーティング３１の回折作用により規則正しく配向されたスポットビーム１１ｎを含むスポットビーム群を出射する。【０００４】  各スポットビームが観測基準面９０やその周囲にある観測対象に投影されてそれぞれ光スポットを形成する。図示しない撮像装置でこの光スポット群を撮像し、その画像を一定時間毎にフレームメモリに記憶させる。例えば，スポットビーム１１ｎは，観測基準面９０に到達して，光スポット１１ｎａを投影生成し，該光スポット１１ｎａは撮像装置で撮像される。【０００５】  フレームメモリに一定時間毎に記憶された各光スポット投影画像における各光スポットの位置データと参照データ用メモリにおける対応データとを比較して観測対象である患者の位置や形状を認識する。【０００６】  このようにして，回折素子を使って光スポットを投影する利点として，コヒーレントまたはコヒーレントに近い光源を用いて略平行光束を生成し，これを複数のビームに分けるので，結像により光スポットを生成する場合と異なり，長い距離にわたって明瞭な光スポットを得られることが挙げられる。【０００７】  このことについて，図１を用いて，１次元に簡略化して，より詳しく説明する。コリメータレンズ２０の前側焦点面ｆ０にその発光点１０ａが配置された光源１０を出射した光束１１は，コリメータレンズ２０で光軸１００に沿った平行光束となり，回折格子３０を透過する際に回折され，０次光束１１０，＋１次光束１１１，＋２次光束１１２，・・・，＋ｎ次光束１１ｎを生成する。【０００８】  これらはそれぞれ平行光束であり，それぞれ，回折格子３０を起点として，光軸からθ１，θ２，θｎの角度で伝搬する光束となる。また，図示しないが，同様に，さらに高次の光束とマイナスの次数の光束も生成する。この時，光束の波長をλ，回折格子のピッチをｄとすると、条件式（１）
ｄｓｉｎθｎ＝ｎλ          （１）
の関係が成り立つ。【０００９】  これらの光束は，観測基準面９０上で，それぞれ光スポットを生成するが，平行光束で照射しているため，観測基準面９０のコリメータレンズ２０からの距離や，観測基準面の周囲に位置する観測対象のコリメータレンズ２０からの距離に依らず，広い距離範囲に渡って，同様の光スポットを得ることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開平５−１６１６１３
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】  このようにして，対象となる空間に複数個の光スポットを投影する場合，その対象の大きさや空間の広さ，必要な測定分解能や測定レンジなどによって，投影される光スポットの間隔すなわち回折角を調整する必要がある。【００１２】  通常，回折角は，回折格子の格子間隔できまるので，回折角を調整するには，ファイバグレーティングの場合は，ファイバの間隔（ファイバを隙間なく並べる場合にはファイバの太さ）を調整すればよい。【００１３】  しかし，様々な状況に応じて，最適な回折角のファイバグレーティングを用意することは，装置製造のコストを考えると現実的ではない。これは，一定間隔の格子状素子を用いる場合だけでなく，ホログラフィックに２次元のドットパターンを発生させる場合や，符号化パターンを生成する場合も同様である。【００１４】  ファイバの格子間隔を変えずに、光束の回折角が調整でき、光スポットの間隔が調整できれば、光学系の設計が容易になる。
【課題を解決するための手段】
【００１５】  本発明は，このような課題を解決するためになされたもので，コヒーレントまたは部分コヒーレントな光源と，第一の、レンズまたはレンズ群（以下第一のレンズ）と，回折素子および第二の、レンズまたはレンズ群（以下第二のレンズ）とからなる回折パターン投影光学系において，前記回折素子は，第一のレンズと第二のレンズとの間に配設され，前記第一のレンズと前記第二のレンズを合成したレンズ群の入射側（物体側）合成焦点位置は，入射光束の発散原点位置あるいは収束位置と略同じか，出射側（像側）にあり，前記回折素子は，該回折素子に対するファーフィールドの位置で，複数の閉領域が二次元に分布する明暗パターンを生成するものである，
ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】  上記のように構成することによって，前記回折素子で回折された光束は，回折素子の出射側（像側）にある第二のレンズのパワー（屈折力）および，第二のレンズと前記回折素子との距離に応じて，光束が受ける回折角が調整される。【００１７】  その際，第一のレンズと第二のレンズを合成したレンズ群の物体側合成焦点位置が，入射光束の発散原点位置あるいは収束位置と略同じ位置にあれば，この投影光学系からの出射光束は，回折素子による回折効果を除いて考えれば，略平行光束となる。【００１８】  そのため，前記回折素子の内部構造と該光源の波長で決まるファーフィールドの位置（フラウンホーファ領域）においては，出射光束が回折されて生成された光スポット列が観察されるとともに，その光スポットの間隔は，前記のように，第二のレンズのパワーや第二のレンズと回折素子の距離によって調節ができるようになる。【００１９】  なお，その際，光スポットが対象物で反射されるときの対象物面での照度を上げる，あるいは，線状または楕円状の光量分布を持つ光源を使用したときに，対象物面での光スポットの光量分布をより円形に近づけるなどの目的で，回折パターン投影光学系から出射する光束は，若干収束気味の光束に調整したい場合がある。そのような場合には，前記レンズ群の物体側合成焦点位置が，入射光束の発散原点位置より若干像側に来るように調整することで，収束気味の光束を出射させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】は従来の回折光学系の構成を説明する正面図ないしは平面図である。
【図２】（ａ）、（ｂ）は本発明の第１の実施形態を説明する正面図ないしは平面図である。
【図３】（ａ）、（ｂ）は本発明の第２の実施形態を説明する正面図ないしは平面図である。
【図４】は本発明の第３の実施形態を説明する正面図ないしは平面図である。
【図５】は光束の光量分布を示す平面図である。
【図６】はファイバグレーティングの動作を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】以下，本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００２２】  以下，本発明の実施の形態について，詳細に説明する。なお，患者の見守り装置や物体の３次元形状計測などに本光学系を用いる場合，ファイバグレーティングなどの回折素子は，図６、３１に示したような２次元の回折作用を持つ素子を用いるが，ここでは，説明の簡単化のために，１次元の場合の回折の例を図示して説明する。
【００２３】（第１の実施形態）
図２（ａ）に示す実施形態において，本発明の回折パターン投影光学系は，第一のレンズである凸レンズ２１と第二のレンズである凹レンズ４１により，合成レンズ２０１を形成している。
【００２４】  レーザダイオードなどの光源１０の発光点１０ａは，概ね，合成レンズ２０１の焦点面ｆ１に配置され，この発光点１０ａから出射した光束１１は，合成レンズ２０１を通過して，概ね平行光束である光束１１０となる。
【００２５】  ここで，光束１１は，凸レンズ２１により収束光束となり，この状態で凹レンズ４１から距離ｄ１の位置にあるファイバグレーティング３１を通過して回折光束が発生する。
【００２６】  回折光束のうち，次数＋ｎの回折光は，凹レンズ４１を通過して，光束の伝搬方向がθｎからθｎ’に変化し，概ね平行な光束１１ｎとなる。ここで，この配置では，θｎ＜θｎ’である。図示しない＋ｎ＋１次以降の高次光やマイナスの次数の回折光も当然発生するが、図示は省略した。
【００２７】  ここで，図２（ｂ）に示す実施形態では，ファイバグレーティング３１の位置を，第二のレンズである凹レンズ４１からｄ１’の距離としたとき，ｄ１’＜ｄ１とすると，ファイバグレーティング３１通過後の伝搬方向θｎには変化がないが，凹レンズ４１を通過後の伝搬方向は，θｎ”となる。
【００２８】  このとき，ｄ１’＜ｄ１であるため，θｎ”＜θｎ’となり，光スポットの間隔は，図２（ａ）の場合よりも小さくなる。このようにして，ファイバグレーティング３１の位置の設定により，光スポットの間隔を任意に設定することができる。
【００２９】（第２の実施形態）
図３に示す本発明の第２の実施形態では，図２に示した実施形態に対して，ほぼ平行光束を出射する光源１０１を用いている点が異なる。ほぼ平行光束を出射する光源の例としては，気体レーザや固体レーザなどが挙げられる。これらから出射される光束は，ガウスビームであり，厳密には平行光束ではなく，有限距離の位置にビームウエスト，即ち収束点あるいは発散の原点を持つが，説明を単純化する為に，収束点あるいは発散の原点が無限遠にある平行光束として説明する。
【００３０】  図３（ａ）に示す実施形態では，光源１０１を出射した光束１１は，平行光束のまま，合成レンズ２０１に入射する。合成レンズ２０１の焦点距離をほぼ無限遠に設定しておけば，合成レンズ２０１を出射する出射光束１１０〜１１ｎもほぼ平行光束となる。
【００３１】  ここで，第一のレンズであるレンズ２１と第二のレンズであるレンズ４１の焦点距離や配置を調整することにより，出射光束１１０〜１１ｎのビーム径を調整することができる。また，ｄ１の値の設定によって，光束の伝搬方向θｎを調整できることは，図２に示した実施形態と同様である。
【００３２】  図３（ｂ）に示す実施形態では，光源１０１を出射した光束１１は，レンズ５１により収束光束となり，収束位置（発散の原点）ｃ１を通過後，発散光束となって，第一のレンズであるレンズ２１に入射する。
【００３３】  収束位置（発散の原点）ｃ１を通過した光束は，図２に示す光学系において，光源１０を出射した光束と同様であり，合成レンズ２０１の前側（物体側）焦点面ｆ１をほぼｃ１に合わせれば，合成レンズ２０１を通過した光束１１はほぼ平行光束である出射光束１１０〜１１ｎとなる。ｄ１の値の設定によって，光束の伝搬方向θｎを調整できることは，こちらも，図２に示した実施形態と同様である。
【００３４】（第３の実施形態）
図４に示す実施形態では，合成レンズ２０２が第一のレンズである凸レンズ２１と第二のレンズである凸レンズ４２で構成されており，図２，図３で示した実施形態の合成レンズ２０１の構成とは，凹レンズ４１の代わりに凸レンズ４２が配置されている点が異なっている。この場合，光束１１は，凸レンズ２１を通過した時点で，若干の発散光束であり，凸レンズ４２を通過して，ほぼ平行光束１１０，１１ｎとなる。ファイバグレーティング３１で回折されたｎ次回折光の伝搬方向θｎは，凸レンズ４２を通過して，θｎ’となるが，図２，図３の実施形態と異なり，θｎ＞θｎ’である。
【００３５】  なお，第１の実施形態や第３の実施形態のように，光源としてレーザダイオードを用いた場合，発光点の光量分布形状が，図５（ａ）に示すように長楕円形状となっている場合がある。このような場合，通常，合成レンズ２０１，２０２を通過して平行光束となったときの光束内の光量分布は，図５（ｂ）に示すような扁平な分布となり，これによって，対象物上で生成される光スポットも，同様の扁平な形状になる。
【００３６】  これを，より円形に近い形状にしたい場合は，合成レンズ２０１や合成レンズ２０２の前側（物体側）焦点面ｆ１が，光源１０の発光点１０ａよりやや像側になるようにすればよい。光束１１０，１１ｎの光量分布は，合成レンズ２０１，２０２を出射後，徐々に変化し，図５（ｃ）に示すように円形に近い形状を経て，合成レンズ２０１，２０２に対して，発光点１０ａと共役な位置で，光量分布は図５（ｄ）に示すような長楕円形状となり，その後は，徐々に発散していく。ここで，一定の許容範囲を持って，円形に近い形状の範囲が，対象物の存在する範囲をカバーするようにすればよい。
【００３７】  例えば，合成レンズ２０１または合成レンズ２０２の前側焦点面ｆ１と光源１０の発光点１０ａとの距離ｄｄｅｆは，合成レンズ２０１または合成レンズ２０２の合成焦点距離をｆｓ，合成レンズ２０１または合成レンズ２０２の後側（像側）主面から対象物の存在範囲の最も遠いと想定される位置までの距離をｄｏｂｊとしたとき条件式（２）
ｄｄｅｆ≦ｆｓ２／（ｄｏｂｊ−ｆｓ）                （２）
を満たすようにすれば，収束光束の状態で対象物上の光スポットを形成することができ，好適である。
【００３８】  このような形状の変化は，対象物の位置に、光源に共役な位置を配置しようとする場合よりも緩やかであり，検出すべき光量分布の変化が小さいので，撮像装置や画像処理技術を用いて検出することが容易となる。第２の実施形態のように，平行光束が出射される光源を用いた場合は，光束内の光量分布が円形状であることが多い。
【００３９】  また，レーザダイオードでも，シングルモードの場合は，極端な長楕円形上にはならず，中心に近い部分を使えば，ほぼ円形の光量分布とみなせる場合もある。このような場合でも，対象物上の光スポットの照度を上げるために，合成レンズ２０１，２０２を出射後の光束がやや収束気味の光束とすることも可能である。この場合も，前述と同様に，合成レンズ２０１や合成レンズ２０２の前側（物体側）焦点面ｆ１が，光束１１の収束位置あるいは発散の原点ｃ１よりやや像側になるように配置すればよい。
【００４０】  なお，このような解決策である，合成レンズの焦点面と光束（光源）の位置関係に関する解決策は，合成レンズが正の屈折力を持つ場合も，負の屈折力を持つ場合も同様である。
【００４１】  以上の実施形態において，第一のレンズであるレンズ１，第二のレンズであるレンズ２は，一方または両方が，２枚以上のレンズから構成されるレンズ群でもよい。
【００４２】  また，回折素子として，ファイバグレーティングを用いているが，透過率分布により格子を形成した強度格子や，より一般的に位相分布により格子を形成した位相格子，強度格子と位相格子の組み合わせなど，いずれでも実施可能である。ファイバグレーティングの利用は位相格子の一種ということができるが，回折効率が広い次数にわたって均一で，光の利用効率が高い利点がある。
【００４３】  また，ホログラフィックに形成した回折光学素子で一定の次数の範囲の光スポット群を生成することもできる。
【００４４】  さらに，回折素子は，必ずしも一定間隔に近いようなスポットパターンではなく，スポットがランダムに分布するパターンや，一定の規則を持って分布するパターンを生成するものでも実施可能である。
【符号の説明】
【００４５】１０，１０１  光源
１０ａ，１０１ａ  発光点
１１  光源を出射した光束
２１，４１，４２  レンズ
３１  ファイバグレーティング
１１０，１１ｎ  ファイバグレーティングおよび合成レンズ通過後の光束
２０１，２０２  合成レンズ
ｃ１  光束の収束位置あるいは発散の原点
ｆ１  合成レンズの前側（物体側）焦点面
【図１】
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【図６】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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