JP7061823B2 - 光学系装置および光学素子製造方法 - Google Patents
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Description
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。
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。
また、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L0とすると、距離L0が下記式Aの場合に光を大きく強め合う。
照射部1は、波長が940nmで、図6(a)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。また、光学素子2は、簡略的に、図6(b)に示すスリット状の開口がピッチ10μmで配列されたものとした。なお、光学素子のスリット以外の部分は光を完全に吸収する材料とした。また、照射部1と光学素子2の距離Lは、30μmから400μmまで10μmずつ変化させた38種類と、式Aのnが1~6の場合の53.19μm(n=1)、106.38μm(n=2)、159.67μm(n=3)、212.77μm(n=4)、265.96μm(n=5)、319.15μm(n=6)の6種類とした。図7~図9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。なお、横軸は配光角、縦軸は光源のパワーを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。
照射部1は、波長が940nmで、図16(a)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16(b)に示すように、高さが7μmのレンズ21をピッチが10μmで周期配列したものとした。また、レンズ表面は、非円弧状とした。材料は、屈折率が1.53のPDMSを想定した。距離Lは、式Aのnが1,2,4,6,8の場合の53.2μm(n=1)、106.4μm(n=2)、212.8μm(n=4)、319.1μm(n=6)、425.5μm(n=8)の5種類を用いた。図17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。なお、横軸は配光角、縦軸は光源のパワーを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。
照射部1は、波長が940nmの光を照射する光源10を、図18(a)に示すように正方配列にした複数光源とした。また、光源が照射する光は、図18(b)に示すようなバットウィング配光で、遠方界において図18(c)に示すような光強度のものを用いた。光学素子2は、図19(a)に示すように、ピッチが20μmであるレンズ21を正方配列にしたものとした。また、各レンズ21の形状は、図19(b)に示すように、平面視が1辺20μmの正方形で、高さが9.86μm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。材料は、屈折率が1.53のPDMSを想定した。距離Lは、212.8μm(式Aのn=1の場合)、425.5μm(式Aのn=2の場合)、638.3μm(式Aのn=3の場合)とした。図20~図22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。なお、図20~図22の(a)は、光学素子2から50cm先のドットパターンを示す図である。ドットの大きさは光強度の大きさを表す。また、図20~図22の(b)は図20~図22の(a)のx軸上の光の遠方界の光強度を、図20~図22の(c)は図20~図22の(a)のy軸上の光の遠方界の光強度を示す。なお、横軸は配光角、縦軸は光源のパワーを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。
照射部1は、波長が940nmの光を照射する光源を、図24(a)に示すように六方配列にした複数光源とした。また、光源が照射する光は、図24(b)に示すようなバットウィング配光で、遠方界において図24(c)に示すような光強度のものを用いた。光学素子2は、図25(a)に示すように、ピッチが22.5μmであるレンズ21を六方配列にしたものとした。また、各レンズ21の形状は、図25(b)に示すように、平面視が正六角形で、高さが12.9μm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。材料は、屈折率が1.53のPDMSを想定した。距離Lは、269.3μm(式Aのn=1の場合)、538.6μm(式Aのn=2の場合)、807.8μm(式Aのn=3の場合)とした。図26~28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。なお、図26~28の(a)は、光学素子2から50cm先のドットパターンを示す図である。ドットの大きさは光強度の大きさを表す。また、図26~28の(b)は図26~28の(a)のx軸上の光の遠方界の光強度を、図26~28の(c)は図26~28の(a)のy軸上の光の遠方界の光強度を示す。なお、横軸は配光角、縦軸は光源のパワーを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。
また、光学素子2のレンズ形状について更に検討した。すると、レンズ21の表面の異なる位置を透過した光が同一方向に出射されると干渉が生じてしまい、ドットのコントラストを低下させる原因となることがわかった。したがって、光学素子は、レンズ21からの透過光の出射方向の重複率が低くなるように設計される方が好ましい。
ここで、レンズからの透過光の出射方向はレンズ表面の傾きで決まる。すなわち、レンズからの透過光の出射方向の重複率は、レンズ表面の法線方向の重複率と同義である。したがって、レンズからの透過光の出射方向の重複率を低くするには、レンズ21を、表面の法線方向の重複率が低くなる形状にすればよい。例えば、レンズ21は、当該レンズ21の表面の断面における線にレンズ21が凹状から凸状又は凸状から凹状へ変化する変曲点や特異点があると、その前後にある凹部と凸部に法線方向の重複する面が生じる。
図30に変曲点があるレンズの例を、図31に変曲点がないレンズの例を示す。図30(a)は、y=sinxの曲線をy軸を中心に回転させた形状であり、図中の丸で示す部分に変曲点があるレンズである。一方、図31(a)はy=2|sinx|の曲線をy軸を中心に回転させた形状であり、変曲点のないレンズである。また、図30(b)、図31(b)は、当該レンズを周期配列した光学素子を用いた場合のドットパターンの遠方界における光強度を示す。照射部1は、波長が940nmで、図16(a)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16(b)に示すように、高さが10μmのレンズ21をピッチが10μmで周期配列したものとした。材料は、屈折率が1.53のPDMSを想定した。距離Lは、式Aのnが2の場合の106.4μm(n=2)を用いた。図31(b)、図32(b)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。なお、横軸は配光角、縦軸は光源のパワーを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。
(1)図32(a)に示すように、レンズ21を平面視(x-y平面)で正方形の微細領域210としてn個に分割する。そして、それぞれの微細領域210に重複しない1~nの番号を付与する。なお、微細領域210の1辺の大きさは、少なくとも照射部の光の波長の4分の1(λ/4)以下とする。
(2)図32(a)に示すように、分割した微細領域210のうちi番目(i=1,2,・・・,n)の微細領域の中心点をPi、内接する円をCiとする。また、分割した微細領域210のうちi番目以外の微細領域の中心点群をQiとする。
(3)図32(b)に示すように、点Piを通るx-y平面に垂直な線(z軸に平行な線)とレンズ表面の交点における法線ベクトルをNpi、円Ciを通るx-y平面に垂直な線(z軸に平行な線)とレンズ表面との交点における法線ベクトル群をNciとする。そして、図32(c)に示すように、NpiとNciのなす角の最小値をδθiとする。
(4)図32(b)に示すように、点群Qiを通るx-y平面に垂直な線(z軸に平行な線)とレンズ表面の交点における法線ベクトル群をNqiとする。
(5)分割した微細領域210のうちi番目の微細領域の状態フラグをFiとし、Fiの初期値を0とする。
(6)図32(d)に示すように、全てのi=1,2,・・・,nに対して、法線ベクトルNpiとベクトル群Nqiのなす角θiを計算し、θi<δθi以下の場合は、Fiを1に設定する。
(7)Fiが1である個数をmとすると、法線重複率は(m/n)×100(%)で求めることができる。なお、法線重複率は、nを無限大にする(n→∞)と収束する。
次に、レンズ形状の法線重複率と遠方界における光強度分布の関係についてシミュレーションをした。シミュレーションには、6種類のレンズをモデルとした。なお、後述するレンズ形状の数式は、光軸方向をz軸とし、それに直行する方向をx軸、y軸として表す。なお、照射部1は、波長が940nmの光を照射する光源10を、図18(a)に示すように正方配列にした複数光源とした。また、光源が照射する光は、図18(b)に示すようなバットウィング配光で、遠方界において図18(c)に示すような光強度のものを用いた。光学素子2は、平面形状がx=20μm、y=20μmの正方形で、ピッチが20μmであるレンズ21を正方配列にしたものとした。材料は、屈折率が1.53のPDMSを想定した。距離Lは、425.5μm(式Aのn=2の場合)とした。シミュレーションには、光学シミュレーションソフトBeamPROP(Synopsys社製)を用いた。
モデル1として図33(a)に示すレンズについて説明する。レンズの形状は次の式の通りである。
モデル2として図34(a)に示すレンズについて説明する。レンズの形状は次の式の通りである。
モデル3として図35(a)に示すレンズについて説明する。レンズの形状は次の式の通りである。
モデル4として図36(a)に示すレンズについて説明する。レンズの形状は次の式の通りである。
モデル5として図37(a)に示すレンズについて説明する。レンズの形状は次の式の通りである。
モデル6として図38(a)に示すレンズについて説明する。レンズの形状は次の式の通りである。
また、上述したような透過光の重複率の低いレンズ形状を設計することが難しい場合がある。また、透過光の重複率の低いレンズ形状を設計できたとしても、製造上、そのようなレンズ形状を再現することが難しい場合もある。このような場合、光学系装置は、開口70を有し、光の一部を遮蔽するアパーチャーマスク7を有していてもよい。具体的には、必要な透過光(以下、有効光という)を通す開口70を有し、ノイズとなる透過光(以下、ノイズ光という)を遮蔽するアパーチャーマスク7を用いればよい。ここで、有効光とは、ドットパターンの形成に寄与する光を意味する。したがって、開口70は、少なくともレンズの光軸を含む部分に形成される。また、開口70の大きさは、できる限り有効光を透過させることができる大きさに形成されるのが好ましい。また、ノイズ光とは、前記重複率を上げる光を意味する。レンズとアパーチャーマスク7との距離はノイズ光を遮蔽できれば任意でよいが、隣接するレンズの有効光の光路が重なる範囲よりレンズ側に配置されるのが望ましい。例えば、隣接するレンズ同士が接している場合には、それぞれのレンズの有効光は、レンズの焦点までの距離の2倍を超えると重なる。したがって、アパーチャーマスク7は、レンズの焦点までの距離の2倍の距離よりレンズ側に配置される方がよい。また、アパーチャーマスク7の開口70を焦点位置に配置すると、開口70を最も小さくでき、ノイズ光の多くを遮蔽できる点で好ましい。
アパーチャーマスク7の有無によるノイズ光の影響についてシミュレーションした。照射部1は、波長が940nmの光を照射する光源10を、図18(a)に示すように正方配列にした複数光源とした。また、光源が照射する光は、図18(b)に示すようなバットウィング配光で、遠方界において図18(c)に示すような光強度のものを用いた。光学素子2は、図39(a)に示すように、ピッチが33μmであるレンズ21を正方配列にしたものとした。また、各レンズ21の形状は、図39(b)に示すように、次の式
次に、アパーチャーマスク7と遠方界における光強度分布の関係についてシミュレーションをした。シミュレーションには、4種類のレンズをモデルとした。また、レンズの平面形状はx=20μm、y=20μmの正方形と、ピッチも20μmとした。なお、シミュレーションには、光学シミュレーションソフトBeamPROP(Synopsys社製)を用いた。
図42(a)にアパーチャーマスク7がない場合のモデル1を示す、レンズの周期は10μm、レンズ高さは5μmとし、インプリント法でレンズを作成した場合に特異点になりやすいレンズの境界部分の形状を0.5μm径の円弧状とした。この場合の光強度を図42(b)に示す。中心付近のピーク間に、ノイズ光である小さなピークが生じているのがわかる。
次に、レンズ21の境界部分の底部側に、レンズ21からの透過光を遮蔽するアパーチャーマスク7を形成したモデル2を図43(a)に示す。アパーチャーマスク7の幅は、0.5μm径の円弧の幅に合わせて1μmとした。また、遮蔽部の厚さは0.5μmとした。この場合の光強度を図43(b)に示す。アパーチャーマスク7がないモデル1に比べ、中心部のノイズ光がほとんど発生していないことが分かる。
モデル1のレンズにおいて、境界部分の円弧状の部分は、インプリント法で作成した際に歪みが生じ易い。そこで、図44(a)に示すように、モデル1のレンズの円弧状の部分を幅1μmの平坦な形状とし、モデル3とした。モデル3では、レンズ21の境界部分の底部側に、レンズ21からの透過光を遮蔽するアパーチャーマスク7を形成した。アパーチャーマスク7の幅は、平坦な部分の幅に合わせて1μmとした。また、遮蔽部の厚さは0.5μmとした。この場合の光強度を図44(b)に示す。アパーチャーマスク7がないモデルに比べ、中心部のノイズ光がほとんど発生していないことが分かる
次に、レンズ21の境界部分の表面に、光源からの光を遮蔽するアパーチャーマスク7を形成したモデル4を図45(a)に示す。アパーチャーマスク7の幅は、0.5μm径の円弧に入射する光を全て遮蔽することができるように1μmとした。この場合の光強度を図45(b)に示す。アパーチャーマスク7がないモデル1に比べ、中心部のノイズ光がほとんど発生していないことが分かる。
また、光学素子は、レンズの境界部分に透過光を当該レンズの照射角の外側(ドットパターンの照射範囲の外側)に屈折させる光拡散部8が形成されていてもよい。これにより、ノイズ光をドットパターンの外側に追い出すことができるので、きれいなドットパターンを得ることができる。光拡散部8の形状は入射した光をレンズの照射角の外側に屈折させることができればどのような形状でもよく、製造し易い任意の形状を選択すればよい。例えば、レンズの境界に平行な面による断面形状が三角形であるものを採用することができる。
光拡散部8の有無によるノイズ光の影響についてシミュレーションした。図46(a)に示すように、レンズはシミュレーション7に用いたレンズの境界部分に光拡散部8を有する形状とした。光拡散部8は、レンズの周囲を境界から1.5μmの幅で形成した。光拡散部8の断面形状(レンズの直近の境界に対して平行な断面)は、図46(b)に示すように、底辺の幅と高さが同じであるアスペクト1の相似形の三角形を並べた凹凸構造とした。相似形の各三角形は、当該三角形の底辺の位置とレンズの底面の位置が一致するように並べた。その他は、シミュレーション7と同じ条件とした。光拡散部8がある場合のドットパターンを図47に示す。
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。
(1.1)基板25上に遮光材料からなる膜を形成する。当該膜の形成は化学蒸着(CVD)等の方法を用いてもよいし、塗布によって形成してもよい。
(1.2)遮光材料からなる膜の上にレジストを塗布し、フォトリソグラフィやインプリント等の既存の技術によって、アパーチャーマスクの開口となる部分以外の位置にレジストを形成する。開口70の大きさは、できる限り有効光を透過させることができる大きさに形成すればよい。このレジストを用いて遮光材料をエッチングし、残ったレジストをアッシング等により除去すれば、アパーチャーマスク7を形成することができる。
(1.1)基板25上に遮光材料からなる膜を形成する。当該膜の形成は化学蒸着(CVD)等の方法を用いてもよいし、塗布によって形成してもよい。
(1.2)遮光材料からなる膜の上にレジストを塗布し、フォトリソグラフィやインプリント等の既存の技術によって、レンズの境界にあたる位置にのみ、ノイズ光を遮蔽できる所望の幅でレジストを形成する。このレジストを用いて遮光材料をエッチングし、残ったレジストをアッシング等により除去すれば、アパーチャーマスク7を形成することができる。
(2)次に、図50(a)に示すように、レンズ21上の全部または一部に光が透過するのを防止する遮光材料を塗布し遮光膜27を形成する。次に、図50(b)に示すように、当該レンズ21の境界にあたる位置に遮光材料の一部が残るように遮光材料を除去してアパーチャーマスク7を形成する(アパーチャーマスク形成工程)。例えば、レンズ21上にブラックレジスト等の遮光材料を塗布する。この遮光材料をエッチングにより所望量だけエッチバックしてやればレンズ21の境界にあたる溝の部分にのみ遮光材料が残った状態の光学素子を形成することができる。
エッチング方法はエッチバックができればどのような方法を用いてもよいが、例えば反応性イオンエッチング(RIE)やケミカルドライエッチング(CDE)などを用いればよい。これにより、図50(c)に示すように、光学素子2と一体となったアパーチャーマスク7を形成することができる。
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Pkをとる方向に対して、ピッチmPk又はPk/mで規則的に配列するとよい。特に、ピッチmP1又はP1/mとするのがよい。図51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P1と等しくしたものである。また、図51(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P1の1/2、すなわちP1/2としたものである。また、図51(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P1の2倍、すなわち2P1としたものである。
光学素子2に対する回転角度とドットパターンの関係についてシミュレーションをした。照射部は、ピッチは21μmの六方配列で、波長940nm、広がり角(FWHM)が20度、エミッターピッチが10μmのVCSELとした。光学素子は、屈折率が1.53、ピッチが21μm×36.37μmの長方形、FOIが60度×45度とした。また、光学素子と照射部の距離は1407μmとした。また、ドットパターンの投影位置は、光学素子から50cm先とした。光学素子2に対する回転角度θは、0度、1度、5度、10度、15度とした。図66~図70は、光学素子2に対する回転角度とドットパターンを示す図である。なお、シミュレーションには、光学シミュレーションソフトBeamPROP(Synopsys社製)を用いた。
1A 第1の照射部
1B 第2の照射部
2 光学素子
3 ミラー
4 ハーフミラー
5 ディフューザ型の光学素子
6 ディフューザ用照射部
7 アパーチャーマスク
8 光拡散部
10 光源
11 照射部
12 照射部
13 照射部
21 レンズ
25 基板
60 光源
70 開口
Claims (18)
- 開口を有し、レンズからの透過光の出射方向の重複率を上げるノイズ光の一部を遮蔽するためのアパーチャーマスクを具備することを特徴とする請求項1記載の光学系装置。
- 前記アパーチャーマスクは、少なくとも前記レンズの光軸を含む部分に開口を有するものであることを特徴とする請求項2記載の光学系装置。
- 前記アパーチャーマスクは、前記レンズのノイズ光の光路に配置されるものであることを特徴とする請求項2記載の光学系装置。
- 前記アパーチャーマスクは、前記レンズの境界部分に配置されるものであることを特徴とする請求項2記載の光学系装置。
- 前記アパーチャーマスクは、前記レンズの境界部分に照射される光を遮蔽するものであることを特徴とする請求項2記載の光学系装置。
- 前記アパーチャーマスクは、前記光学素子と一体に形成されていることを特徴とする請求項2ないし6のいずれかに記載の光学系装置。
- 前記光学素子は、前記レンズの境界部分に透過光を当該レンズの照射角の外側に屈折させる光拡散部が形成されていることを特徴とする請求項1記載の光学系装置。
- 前記光学素子の最も小さいピッチP1について前記式1を満たすと共に、2番目に小さいピッチP2についても前記式1を満たすことを特徴とする請求項1ないし8のいずれかに記載の光学系装置。
- mを1以上の自然数とすると、前記照射部は、前記光源をピッチmP1又はP1/mで六方配列としたものであり、
前記光学素子のレンズの平面形状は、短辺と長辺の比をP1:P2=1:√3とする長方形としたものであることを特徴とする請求項9記載の光学系装置。 - 前記照射部と前記光学素子の距離L1は、3P1 2/2λの1以上の倍数であることを特徴とする請求項10記載の光学系装置。
- 前記照射部の光を反射するミラーを具備することを特徴とする請求項1ないし11のいずれかに記載の光学系装置。
- 前記照射部を複数具備することを特徴とする請求項1ないし12のいずれかに記載の光学系装置。
- 前記照射部は、波長λの光を照射する複数の光源を規則的に配列した第1照射部と、波長λの光を照射する複数の光源を前記第1照射部の光源と縦および横に半周期ずつずらして規則的に配列した第2照射部と、で構成されることを特徴とする請求項13記載の光学系装置。
- 前記照射部は、波長λの光を照射する複数の光源を規則的に配列した第1照射部、第2照射部および第3照射部からなり、前記光学素子のレンズがピッチPkをとる方向に対して、当該第1照射部、第2照射部および第3照射部の各光源がそれぞれPk/3ずつずらして配列されることを特徴とする請求項13記載の光学系装置。
- 前記照射部は、各照射部を時間をずらして順番に発光させるものであることを特徴とする請求項13ないし15のいずれかに記載の光学系装置。
- 前記レンズの平面形状は、いずれかの辺の長さがRである正方形又は長方形であり、
前記レンズの配列は、iを2以上の自然数とすると、前記辺の方向に連なるレンズの列同士が、R/iずつずらして配列されたものであることを特徴とする請求項1ないし16のいずれかに記載の光学系装置。 - 前記照射部は複数の発光モードを有するVCSELからなり、当該発光モードは、光軸中心に最大強度を有するモードの割合が全体の40%以上であることを特徴とする請求項1ないし17のいずれかに記載の光学系装置。
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