JP6563022B2 - パターン化された照射を生成するための装置 - Google Patents
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Description
「能動光学部品」:光感知または発光部品。例えば、フォトダイオード、画像センサ、LED、OLED、レーザチップなどがある。能動光学部品は、裸のダイとして、またはパッケージ内に、すなわちパッケージ化された部品として存在することができる。
例えば、米国特許第7,970,177B2号は、回折光学素子を用いた構造化光の生成に基づく距離計算のための装置を記載している。
1つ以上の目的は、本開示に記載される主題による装置によって少なくとも部分的に達成される。
z0=‥‥n d2/2λ、(n=1、2、3、4、…)であり式中、
z0は2つの格子の間の距離、dは格子の格子定数(スリット分離)、λは光源によって発光される波長、すなわち観察される縞パターンを形成する光の波長を示す。
2d2/λ
およびそれの整数倍数であり、dは格子の格子定数を示し、λは単色光源の波長を示す。
−レンズピッチPで規則的に配列された複数のマイクロレンズを含むマイクロレンズアレイを含み、マイクロレンズは、透過型マイクロレンズまたは反射型マイクロレンズであり得、第1の光学的構成はさらに、
−マイクロレンズアレイを照射するための照射ユニットを含み、
照射ユニットは、各々が波長Lの光を発し、各々がアパーチャを有する光源のアレイ(LSA)を含む。アパーチャは共通面(発光面)に位置し、発光面はマイクロレンズアレイから距離Dに位置する。生成された構造化光(およびパターン化された照射)における特に高いコントラストに対する特別な条件は、レンズピッチP、距離Dおよび波長Lを以下のように相互にリンクする:
P2=2LD/Nであり、
Nは整数であり、N≧1である。
アパーチャは、光源から分離可能である必要はない。例えば、半導体レーザの場合、光が発光される活性領域はアパーチャを確立する。
波長Lは、光源によって発光される光の波長である。光源がレーザである場合、それは単に放射されるレーザ放射の(中間)波長である。混合波長を放射する光源の場合、波長Lは、原則として、放射される波長のいずれかであり得る。しかしながら、いずれにしても、上記の式が満たされる波長Lについては特に良好なコントラストが存在し、一方、他の波長は波長Lで生成されたパターンを重ね合わせ、結果として、波長Lでパターンのぼけが生じる可能性がある。したがって、波長Lは、それぞれの光源の波長スペクトルにおけるピーク波長とすることができる。
いくつかの実施形態では、複数のマイクロレンズのすべてのマイクロレンズは、同種(congeneric)のマイクロレンズである。
上述したように、マイクロレンズは、透過型または反射型であり得る。
一実施形態では、マイクロレンズは集光レンズ(収束レンズ)、例えば凸レンズである。
マイクロレンズのレンズアパーチャは、円形であってもよいが、(非円形の)楕円であってもよい。さらに、多角形のレンズアパーチャまたはさらに他のレンズアパーチャ形状、例えば矩形、特に正方形、六角形、または他のものも可能である。好適なレンズアパーチャ形状を選択することによって、生成される照射パターンに最終的に寄与するよう、MLAによって透過および反射される光の割合を最適化(最大化)することが可能である。
VCSELを発光体として設けることにより、垂直方向に、すなわち光軸に沿って、発光方向に沿って、非常に小型の装置の設計を可能にすることができる。また、小さなピッチQも、エッジ発光レーザを使用するよりもVCSELを使用して実現する方が簡単である。
−レンズピッチP2で規則的に配列された複数の透過型または反射型の第2のマイクロレンズを含む第2のマイクロレンズアレイ(第2のMLA)と、
−第2のマイクロレンズアレイを照射するための第2の照射ユニット(第2のLSA)とを含み、
第2の照射ユニットは、各々が波長L2の光を発し、各々が第2のアパーチャと称されるアパーチャを有する第2の光源のアレイを含み、第2のアパーチャは、第2のマイクロレンズアレイから距離D2に位置する第2の発光面と称される共通面に位置し、レンズピッチP2、距離D2および波長L2について、
(P2)2=2*L2*D2/N2が適用され、
N2は整数であり、N2≧1であり、
−第2のマイクロレンズアレイおよび第1の光学的構成のマイクロレンズアレイは同一ではなく(言い換えれば、第2のマイクロレンズアレイおよび第1の光学的構成のマイクロレンズアレイは異なる実体であり、または第2のマイクロレンズアレイは、−任意選択的に第1の光学的構成のマイクロレンズアレイと同種であるが−第1の光学的構成のマイクロレンズアレイとは異なり)、または
−第2の照射ユニットおよび第1の光学的構成の照射ユニットは、同一ではなく(言い換えれば、第2の照射ユニットおよび第1の光学的構成の照射ユニットは異なる実体であり、または第2の照射ユニットは、−任意選択的に第1の光学的構成の照射ユニットと同種であるが−第1の光学的構成の照射ユニットとは異なり)、または
−第2のマイクロレンズアレイと第1の光学的構成のマイクロレンズアレイとは同一ではなく、第2の照射ユニットと第1の光学的構成の照射ユニットとは同一ではない。
−第1の光学的構成のMLAは第1のMLAと呼ばれ;
−第1の光学的構成のLSAは第1のLSAと呼ばれ;
−第1の光学的構成のマイクロレンズは第1のマイクロレンズと呼ばれ;
−第1の光学的構成の光源は第1の光源と呼ばれ;
−第1の光源のアパーチャは第1のアパーチャと呼ばれ;
−レンズピッチPはレンズピッチP1と呼ばれ;
−波長Lは波長L1と呼ばれ;
−距離Dは距離D1と呼ばれ;
−整数Nは整数N1と呼ばれる。
別の実施形態では、レンズピッチP1およびP2は互いに異なっている。この場合、(上記の式を満たしながら)距離D1およびD2が同一であることを提供することが依然として可能である。これは、例えば、波長L1、L2および/または整数N1、N2がそれに応じて選択されることを提供することによって達成され得る。しかしながら、この場合、距離D1およびD2が同一でないことがあり得る。本実施形態では、第1および第2の光源がそれぞれ配置される光源ピッチQ1、Q2を互いに異ならせてもよい。
これはスペースを節約し、および/またはMLAのより均一な照射に寄与することができる。
いくつかの実施形態では、光源のアレイは、(より明瞭にするために)「第1の光源のアレイ」と呼ばれ得、照射ユニットは、第1の光源のアレイに加えて、第2の光源のアレイを含み、第1および第2の光源のアレイは、同一の単一部品の基板に含まれる。
いくつかの実施形態では、すべてのm個のマイクロレンズアレイの境界線は、共通点で隣接している。
いくつかの実施形態では、照射ユニットは、光源のアレイに加えて、(M−1)個の光源のアレイをさらに含み、Mは、M≧3の整数である。
m個の光源のアレイの各々のそれぞれの境界線は、互いに対して360度/Mの角度にあり得る。
−レンズピッチP2で規則的に配列された複数の透過型または反射型の第2のマイクロレンズを含む第2のマイクロレンズアレイと、
−第2のマイクロレンズアレイを照射するための第2の照射ユニットとを備える。
(P2)2=2*L2*D2/N2であり、
N2は整数であり、N2≧1である。第2のマイクロレンズアレイおよび第1の光学的構成のマイクロレンズアレイは別々のマイクロレンズアレイであり、第2の光源のアレイおよび第1の光学的構成の光源のアレイは別々の光源のアレイである。つまり、光源のアレイは同一ではなく、マイクロレンズアレイは同一ではない。
ある実施形態では、P2=Pであり、第2のマイクロレンズアレイは、第1の光学的構成のマイクロレンズアレイに対して角度φだけ回転される。回転軸は、発光面に対して垂直に整列させることができ;装置のすべての光源のアレイに対する発光面は互いに平行であり、互いに一致させることもできる。
さらに、P=Qを適用することができる。
例えば、2つ以上のMLAを使用して、特にこれらが相互に回転されるとき、複雑さが増大した構造化光を生成することができ、特に小さい回転角が場合によっては有用であり得る。
−レンズピッチP’で規則的に配列された複数の透過型または反射型の第2のマイクロレンズを含む第2のマイクロレンズアレイを含み、
第2のマイクロレンズアレイは、第1のマイクロレンズアレイに対して回転され、光源のアレイの光源は、第2のマイクロレンズアレイを照射するように構造化および構成される。
いくつかの実施形態では、光源のアレイの光源は、光源ピッチQで規則的に配列される。そこでは、P=Qが当てはまり得る(が、必ずしもそうである必要はない)。
角度φは最大4度に達することができる。
−第1の光源のアレイと同種である第2の光源のアレイを含み、
第2の光源のアレイは、第1の光源のアレイに対して回転され、第2の光源のアレイの光源は、マイクロレンズアレイを照射するように構造化および構成される。
追加の光学部品は回折光学部品を含み得る。
−レンズピッチPで規則的に配列された複数の透過型または反射型マイクロレンズを含むマイクロレンズアレイと、
−マイクロレンズアレイを照射するための照射ユニットとを含む。
P2=2LD/Nであり、
Nは整数であり、N≧1である。
光源は、(光が発光される)わずか単一のアパーチャを有することによって特徴付けることができる。
光源は、ある範囲のマイクロレンズを照射するように構造化および構成することができる。この範囲は、サブセットであってもよく、またはMLAのすべてのマイクロレンズを含むことができる。
いくつかの実施形態では、光源はレーザである。
いくつかの実施形態では、光源はLEDである。
上記の例は、光がアパーチャからMLAに伝搬する光路の光路長が、アパーチャからMLAまでの幾何学的距離と同一である実現例に対応する。しかしながら、これまでに発表したように、必ずしもそうとは限らない。いくつかの実現例では、前記幾何学的距離は光路長とは異なり、一般に、上記の式で使用される距離Dは前記光路長である。
−レンズピッチPで規則的に配列された複数の透過型または反射型マイクロレンズを含むマイクロレンズアレイと、
−マイクロレンズアレイを照射するための照射ユニットとを含む。
P2=2LD/Nであり、
Nは整数であり、N≧1である。
光路長が幾何学的距離と同一である場合に対して上述した様々な実施形態および特徴は、もちろん、これらの2つの大きさが互いに異なる場合にも適用することができる。
ある実施形態では、デバイスは、各々が装置の1つ以上を含む1つまたは複数のサブグループの装置のそれぞれの照射ユニットを選択的にオンまたはオフに切り替えるためのコントローラを備える。
−それぞれの装置のそれぞれのピッチP、
−それぞれの装置のそれぞれの波長L、
−それぞれの装置のそれぞれの距離D、
−それぞれの装置のそれぞれの整数N、のうちの少なくとも1つにおいて異なる。
例えば、装置は、別個のデバイスとして、例えばモジュールとして、製造することができる。デバイスを設計する場合、2つ以上の装置を単一のデバイスに実装することを計画することができる。これは、新しいデバイスを設計するときに新しい装置を設計する必要性を取り除くことができる。デバイスおよび装置のコストを低く抑えることができる。
光感知素子は、例えば、感光性画素であってもよい。
デバイスは光学装置であってもよい。
角度は、5度と40度との間となり得る。さらなる実施形態および利点は、従属請求項および図面から明らかになる。
各光源1は、複数のマイクロレンズ2を照射する。単一の光源1によって照射されるマイクロレンズのサブセットは、例えば、6または10個より多いマイクロレンズを含むことができる。
(P1)2=2*(L1)*(D1)/(N1)。
上述したように、図8〜図10の実施形態ついて上で提案されるように、2つ以上のMLAおよび1つ以上の共有LSAを有する実施形態(または同様に、2つ以上のLSAおよび1つ以上の共有MLAを有する実施形態)を、2つ以上の光学的構成を含むとして解釈する代わりに、そのような実施形態を、前記MLAおよび前記LSAを含む光学的構成を含むとして見ることも可能である。
図9Bは、全体として矩形領域を占めるm=3のMLAを示す。
しかしながら、いくつかの実施形態では、例えば、上述のパイスライスのような構成は、構造化光の生成において異なるMLAの特に均一な関与を提供することができる。
いくつかの実施形態では、すべてのm個のMLAが、同一の単一部品の光学部品に含まれる。例えば、すべてのm個のMLAは、まさに同じプロセスステップによって同時に製造することができる。
より複雑な光パターンを形成するさらに別の方法を図13〜図16に示す。この場合、異なるレンズピッチを有する少なくとも2つ、例えば4つのMLAを選択することによって、複雑な単位セルが形成される。
MLAについて上述したのと同様に、LSAもQ1、Q2、Q3、Q4となる同一の(レンズ源)ピッチを有することができる。そして、異なるLSAを、例えば図9においてMLAに対して示すように、互いに対してシフトさせることができる。そして、それらを、MLAについて上述したように(図11,12参照)、例えば0.1度と4度との間のような小さな角度で互い関して回転させることもできる。2つ以上のLSA、例えばそれらのすべては、同種のLSAであってもよい(が、ただしそうする必要はない)。
付加的な光学部品、例えばDOEおよびプリズムアレイ3は、それぞれ、MLAとともに単一部品の光学部品で実現されてもよい(または2つ以上の場合にはおそらくはm個のMLA)。
図20Aは、3つの相互にシフトされたLSAを単純に重ねた結果を示す。同一のLSAの光源は、同様の記号、すなわち第1のLSAの場合は菱形、第2のLSAの場合は円形、第3のLSAの場合は四角形で表される。
いくつかの実現例では、そのような輝度の変動が望ましい場合がある(例えば、輝度変動それ自体がパターンおよび特徴の複雑さにそれぞれ寄与し得る)。しかしながら、他の実現例では、そのような輝度の変動は望ましくない。
1)(図22A、図22Bおよび図23A、図23Bにそれぞれ示されたMLA L1、L2からの複雑さに対応する)より大きな複雑さを生じさせ、および
2)特徴輝度の変動を克服するか、少なくとも強く低減する実現例が示される。
装置のいくつかが含まれている場合にデバイスによって比較的高い光輝度を生成することができ、一方で、それにもかかわらず、装置の配置は非常に浅くあることができる。
Claims (30)
- 構造化光を生成するための装置であって、第1の光学的構成を備え、前記第1の光学的構成は、
レンズピッチPで規則的に配列された複数の透過型または反射型マイクロレンズを含むマイクロレンズアレイと、
前記マイクロレンズアレイを照射するための照射ユニットとを含み、
前記照射ユニットは、各々が波長Lの光を発し、各々がアパーチャを有する光源のアレイを含み、前記アパーチャは、前記マイクロレンズアレイから距離Dに位置する共通発光面に位置し、
P2=2LD/Nであり、
Nは整数であり、N≧1であり、
前記光源の各々は、前記複数のマイクロレンズのそれぞれのサブセットを照射するように構成され、前記サブセットの各々は複数の隣接するマイクロレンズを含み、前記光源の各特定の1つからの光が、干渉パターンを生成するように、それぞれのサブセット内の異なるマイクロレンズを通過する、構造化光を生成するための装置。 - 前記マイクロレンズは非球面マイクロレンズである、請求項1に記載の装置。
- 前記マイクロレンズアレイは2次元マイクロレンズアレイである、請求項1に記載の装置。
- 前記光源のアレイは、光源の2次元アレイである、請求項1に記載の装置。
- 前記照射ユニットは、空間的にインコヒーレントな光を発光するように構造化および構成されている、請求項1に記載の装置。
- 前記光源のアレイは、垂直共振器面発光レーザのアレイを備える、請求項1に記載の装置。
- 前記アレイの光源は、光源ピッチQで規則的に配列されており、P=Qである、請求項1に記載の装置。
- 前記マイクロレンズが前記ピッチPで配列される軸は、前記光源が前記ピッチQで配列される軸に平行に整列される、請求項7に記載の装置。
- 前記アレイの前記光源は、光源ピッチQで規則的に配列され、PおよびQについてpP=qQが適用され、pおよびqは共通因子を持たない整数であり、p≧1およびq≧1である、請求項1に記載の装置。
- 前記マイクロレンズが前記ピッチPで配列される軸は、前記光源が前記ピッチQで配列される軸と平行に整列される、請求項9に記載の装置。
- 前記装置は、第2の光学的構成を備え、前記第2の光学的構成は、
レンズピッチP2で規則的に配列された複数の透過型または反射型の第2のマイクロレンズを含む第2のマイクロレンズアレイと、
前記第2のマイクロレンズアレイを照射するための第2の照射ユニットとを備え、
前記第2の照射ユニットは、各々が波長L2の光を発し、各々が第2のアパーチャと称されるアパーチャを有する第2の光源のアレイを含み、前記第2のアパーチャは、前記第2のマイクロレンズアレイから距離D2に位置する第2の発光面と称される共通面に位置し、
(P2)2=2*L2*D2/N2であり、
N2は整数であり、N2≧1であり、
前記第2のマイクロレンズアレイは前記第1の光学的構成の前記マイクロレンズアレイとは異なるか、または
第2の照射ユニットは、前記第1の光学的構成の照射ユニットとは異なるか、または
前記第2のマイクロレンズアレイは前記第1の光学的構成の前記マイクロレンズアレイとは異なり、かつ前記第2の照射ユニットは前記第1の光学的構成の照射ユニットとは異なる、請求項1に記載の装置。 - 前記第2のマイクロレンズアレイは、前記第1の光学的構成の前記マイクロレンズアレイとは異なり、前記第2のマイクロレンズアレイは、前記第1の光学的構成の前記マイクロレンズアレイに対して、前記発光面に平行な方向にシフトされる、請求項11に記載の装置。
- 前記レンズピッチPと前記レンズピッチP2とは互いに異なる、請求項11に記載の装置。
- 前記波長Lと前記波長L2とは互いに異なる、請求項11に記載の装置。
- 前記第2のマイクロレンズアレイは、前記第1の光学的構成の前記マイクロレンズアレイに対して回転される、請求項11に記載の装置。
- 前記第2のマイクロレンズアレイと前記第1の光学的構成の前記マイクロレンズアレイとは、両方とも、各々、相互に垂直な2つの対称軸を有する矩形形状であり、前記第2のマイクロレンズアレイの前記対称軸と、前記第1の光学的構成の前記マイクロレンズアレイの前記対称軸との間の角度φは、少なくとも1度から最大20度となる、請求項15に記載の装置。
- 前記第2のマイクロレンズアレイおよび前記第1の光学的構成の前記マイクロレンズアレイは、単一部品光学部品において実施される、請求項11に記載の装置。
- 前記光学的構成は、追加の光学部品を含み、前記マイクロレンズアレイは、前記照射ユニットと前記追加の光学部品との間に配置される、請求項1に記載の装置。
- 前記追加の光学部品は、少なくとも1つのプリズムを含む、請求項18に記載の装置。
- 前記追加の光学部品はプリズムアレイを含む、請求項18に記載の装置。
- 前記構造化光は、前記干渉パターンに由来する、請求項1に記載の装置。
- 前記光源のうちの隣接する光源によって照射されるそれぞれのサブセットは、部分的に重なっている、請求項1に記載の装置。
- 前記光源の各々は、前記波長Lの光を円形または非円形の断面を有する発光円錐形に発光し、隣接する光源の発光円錐は部分的に重なっている、請求項1に記載の装置。
- 構造化光を生成するための装置であって、光学的構成を備え、前記光学的構成は、
レンズピッチP1で規則的に配列された複数の透過型または反射型のマイクロレンズを含む第1のマイクロレンズアレイと、
レンズピッチP2で規則的に配列された複数の透過型または反射型のマイクロレンズを含む第2のマイクロレンズアレイと、
前記第1のマイクロレンズアレイおよび前記第2のマイクロレンズアレイを照射するための照射ユニットとを含み、
前記照射ユニットは、
各々が波長L1の光を発し、各々がアパーチャを有する第1の光源のアレイを含み、前記アパーチャは、前記第1のマイクロレンズアレイから距離D1に位置する共通の第1の発光面に位置し、
(P1)2=2*(L1)*(D1)/(N1)であり、
N1は整数であり、N1≧1であり、前記照射ユニットはさらに、
各々が波長L2の光を発し、各々がアパーチャを有する第2の光源のアレイを含み、前記アパーチャは、前記第1のマイクロレンズアレイから距離D2に位置する共通の第2の発光面に位置し、
(P2)2=2*(L2)*(D2)/(N2)であり、
N2は整数であり、N2≧1である、構造化光を生成するための装置。 - 前記第1の光源のアレイは、前記第2の光源のアレイと同一である、請求項24に記載の装置。
- 前記第1の光源のアレイは、前記第2の光源のアレイとは異なる、請求項24に記載の装置。
- 距離D1は距離D2と異なる、請求項26に記載の装置。
- 波長L1は波長L2と異なる、請求項26に記載の装置。
- レンズピッチP1はレンズピッチP2と異なる、請求項24に記載の装置。
- 前記第1の発光面は、前記第2の発光面と同一である、請求項24に記載の装置。
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