光学系统装置及光学元件制造方法与流程

1.本发明涉及一种光学系统装置及光学元件制造方法。


背景技术：

2.使用飞行时间(tof)法的三维测算传感器被用于便携设备、车、机器人等。它基于从光源向对象物照射的光经反射返回来为止的时间来测算对象物的距离。只要来自光源的光向对象物的规定区域均匀地照射，就能够测定被照射的各点上的距离，能够检测出对象物的立体构造。
3.上述传感器系统包括：光照射部，其向对象物照射光；摄像头部，其检测从对象物的各点反射来的光；以及运算部，其基于摄像头接收的信号来计算对象物的距离。
4.摄像头部和运算部能够使用已有的cmos成象仪和cpu，因此上述系统的独特部分为包括激光器和滤光器的光照射部。特别是，通过使微透镜阵列透射激光束对光束进行整形并且对对象物在被控制的区域内进行均匀照射的扩散滤波器是上述系统的特征性部件。
5.这里，以往的扩散滤波器的微透镜阵列是周期构造，因此存在因衍射的影响而产生光强度不均匀的问题。因此，为了抑制该不均匀，考虑随机配置各透镜等(例如专利文献1)。
6.现有技术文献
7.专利文献
8.专利文献1：日本特表2006-500621


技术实现要素：

9.另一方面，tof存在远距离测定的需求，在照射光的光强(indensity)方面，远距离测定需要尽可能大的强度。但是，由于随机配置的微透镜阵列的照射光的均匀性较高，而对应地光强会降低，因此不适合于远距离测定。
10.因此，作为节省电力还能够处理较强的光的信号的方法，研究了照射点图案(dot pattern)并基于该光的飞行时间进行三维测算的方法。
11.作为将这样的入射的激光束转换成点图案的滤光器，广泛使用采用电介质的凹凸图案形成并且使光的相位差根据透射面的位置发生变化的衍射光学元件(doe)。另外，作为激光束源，多使用能够容易地做出二维阵列的垂直腔面发射激光器(vcsel)。
12.从vcsel发出的光，首先由准直透镜转换成平行光。doe通过该准直光透射凹凸图案而使相位差发生变化，通过该光的衍射施予规定的定向分布。其结果是，光以规定的强度分布被照射于照射对象物的表面。
13.这里，vcsel照射的光中有20度左右的发散角，在用于点投影仪的情况下，如上述的那样需要准直透镜。但是，为了生成准直光，准直透镜需要将光源配置于该透镜的焦点位置。存在为了得到质量较高的准直光而使焦点距离较长且设备尺寸较大的问题。
14.因此，本发明的目的是提供一种不需要准直透镜且可利用的光的效率较高的光学
系统装置及用于该装置的光学元件的制造方法。
15.为了达成上述目的，本发明的光学系统装置，其特征在于，包括：光学元件，其是将使波长为λ的光透射的透镜周期性排列而得到的；以及照射部，其具有将波长为λ的光向所述透镜中的多个透镜照射的光源，在将n设为1以上的自然数、所述透镜的间距中的从小到第k个(k为1以上的自然数)间距的大小设为pk时，针对任意1个以上的间距pk，所述照射部与所述光学元件的距离l1满足下式1：
16.(数1)
[0017][0018]
在这种情况下，优选所述透镜是表面的法线方向的重复率为10％以下的非球面透镜。
[0019]
另外，也可以是，具有多孔障板，该多孔障板具有开口，用于将光的一部分遮蔽。所述多孔障板可以至少在包含所述透镜的光轴的部分具有开口。另外，所述多孔障板可以配置于所述透镜的噪声光的光路中。所述多孔障板也可以配置于所述透镜的边界部分。另外，也可以是，具有将被照射于所述透镜的边界部分的光遮蔽的多孔障板。
[0020]
另外，也可以是，所述多孔障板与所述光学元件一体形成。
[0021]
另外，也可以是，所述光学元件在所述透镜的边界部分形成有光扩散部，该光扩散部使透射光向该透镜的照射角的外侧折射。
[0022]
另外，所述透镜的形状能够为非旋转对称。
[0023]
另外，优选针对最小的间距p1，满足所述式1，接着更优选，针对第2小的间距p2，满足所述式1。
[0024]
另外，也可以是，具有为了调节所述l1的距离将所述照射部的光反射的反射镜。
[0025]
另外，也可以是，本发明的光学系统装置具有多个所述照射部。
[0026]
另外，也可以是，所述照射部包括：第1照射部，其是将照射波长为λ的光的多个光源有规则地排列而得到的；以及第2照射部，其是将照射波长为λ的光的多个光源以与所述第1照射部的光源在纵向及横向上各错开半周期的方式有规则地排列而得到的。
[0027]
另外，也可以是，所述照射部包括将照射波长为λ的光的多个光源有规则地排列而得到的第1照射部、第2照射部及第3照射部，在所述光学元件的透镜取间距pk的方向上，该第1照射部、第2照射部及第3照射部的各光源分别以各错开pk/3的方式排列。
[0028]
在这种情况下，也可以是，所述各照射部错开时间依序发光。
[0029]
另外，也可以是，所述透镜的平面形状是某一边的长度为r的正方形或长方形，关于所述透镜的排列，在设i为1以上的自然数时，在所述边的方向上连续的透镜的列彼此以各错开r/i的方式排列。
[0030]
更优选所述照射部包括具有多个发光模式的vcsel，该发光模式中，在光轴中心具有最大强度的模式的比例为整体的40％以上。
[0031]
另外，在设m为1以上的自然数时，所述照射部是使多个光源在所述光学元件的透镜的任一周期方向上以该周期的m倍或1/m倍有规则地排列而得到的。
[0032]
另外，也可以是，所述照射部是使所述光源以间距mp1或p1/m为六方排列而得到的，所述光学元件的透镜的平面形状是短边与长边的比为p1：p2＝1：√3的长方形。
[0033]
另外，也可以是，本发明的光学系统装置还包括：扩散器，其将所述照射部的光呈规定形状扩散；半反射镜，其配置于所述光源与所述扩散器之间，使所述照射部的光的一部分透射，将一部分反射；以及反射镜，其将由所述半反射镜反射的光向所述光学元件反射。
[0034]
另外，也可以是，本发明的光学系统装置具有将照射波长为λ的光的多个光源与所述照射部同样排列而得到的扩散器用照射部，所述扩散器用照射部与所述光学元件的距离l2满足下式2：
[0035]
(数2)
[0036][0037]
另外，也可以是，本发明的光学系统装置具有将照射波长为λ的光的多个光源排列而得到的扩散器用照射部，在设m为1以上的自然数时，所述扩散器用照射部是使多个光源在所述光学元件的透镜的周期方向上以不会成为该周期的m倍或1/m倍的方式排列而得到的。
[0038]
另外，也可以是，本发明的光学系统装置具有以与所述照射部的光源相同的规则排列而得到的扩散器用照射部，所述照射部和所述扩散器用照射部的旋转角度不同。
[0039]
另外，本发明的光学元件制造方法，用于形成将使波长为λ的光透射的透镜周期性排列而得到的光学元件，所述光学元件制造方法的特征在于，包括：多孔障板形成工序，在基板上形成用于遮蔽透射过所述透镜的光的一部分的多孔障板；以及透镜形成工序，在形成有所述多孔障板的基板形成所述透镜。
[0040]
在这种情况下，所述透镜形成工序中，可以以使所述多孔障板配置于所述透镜的噪声光的光路中的方式形成该透镜。例如，所述透镜形成工序中，以使所述透镜的边界配置于所述多孔障板的遮蔽部分的方式形成该透镜。
[0041]
另外，本发明的光学元件制造方法中，用于形成将使波长为λ的光透射的透镜周期性排列而得到的光学元件，所述光学元件制造方法的特征在于，包括：多孔障板形成工序，在所述透镜上涂覆防止所述光透射的遮光材料，以在相当于该透镜的边界的位置残留有所述遮光材料的一部分的方式去除该遮光材料。
[0042]
发明效果
[0043]
本发明的光学系统装置不需要准直透镜，并且能够照射可利用的光的效率较高的光。
附图说明
[0044]
图1是表示本发明的光学系统装置的概略截面图。
[0045]
图2是表示每个发光模式的远场光强度的图。
[0046]
图3是表示分类合成的每个发光模式的远场光强度的图。
[0047]
图4是表示改变每个发光模式的比例后合成的光的远场光强度的图。
[0048]
图5是表示本发明涉及的光学元件的概略俯视图。
[0049]
图6是用于说明仿真1的图。
[0050]
图7是表示仿真1(30～150μm)的远场光强度的图。
[0051]
图8是表示仿真1(159.57～270μm)的远场光强度的图。
[0052]
图9是表示仿真1(280～400μm)的远场光强度的图。
[0053]
图10是表示仿真1(96.38～110.38μm)的远场光强度的图。
[0054]
图11是表示仿真1(111.38～116.38μm)的远场光强度的图。
[0055]
图12是表示仿真1(202.77～216.77μm)的远场光强度的图。
[0056]
图13是表示仿真1(217.77～222.77μm)的远场光强度的图。
[0057]
图14是表示仿真1(309.15～323.15μm)的远场光强度的图。
[0058]
图15是表示仿真1(324.15～329.15μm)的远场光强度的图。
[0059]
图16是用于说明仿真2的图。
[0060]
图17是表示仿真2的远场光强度的图。
[0061]
图18是表示仿真3的光源的配置及配光特性的图。
[0062]
图19是表示仿真3的光学元件的图。
[0063]
图20是表示仿真3(n＝1)的远场光强度的图。
[0064]
图21是表示仿真3(n＝2)的远场光强度的图。
[0065]
图22是表示仿真3(n＝3)的远场光强度的图。
[0066]
图23是表示仿真3的比较例的远场光强度的图。
[0067]
图24是表示仿真4的光源的配置及配光特性的图。
[0068]
图25是表示仿真4的光学元件的图。
[0069]
图26是表示仿真4(n＝1)的远场光强度的图。
[0070]
图27是表示仿真4(n＝2)的远场光强度的图。
[0071]
图28是表示仿真4(n＝3)的远场光强度的图。
[0072]
图29是表示仿真4的比较例的远场光强度的图。
[0073]
图30是表示仿真5(有拐点)的远场光强度的图。
[0074]
图31是表示仿真5(无拐点)的远场光强度的图。
[0075]
图32是说明法线重复率的测定方法的图。
[0076]
图33是表示仿真6(模型1)的远场光强度的图。
[0077]
图34是表示仿真6(模型2)的远场光强度的图。
[0078]
图35是表示仿真6(模型3)的远场光强度的图。
[0079]
图36是表示仿真6(模型4)的远场光强度的图。
[0080]
图37是表示仿真6(模型5)的远场光强度的图。
[0081]
图38是表示仿真6(模型6)的远场光强度的图。
[0082]
图39是表示本发明涉及的多孔障板的图。
[0083]
图40是表示仿真7(有多孔障板)的远场光强度的图。
[0084]
图41是表示仿真7(无多孔障板)的远场光强度的图。
[0085]
图42是表示仿真8(模型1)的远场光强度的图。
[0086]
图43是表示仿真8(模型2)的远场光强度的图。
[0087]
图44是表示仿真8(模型3)的远场光强度的图。
[0088]
图45是表示仿真8(模型4)的远场光强度的图。
[0089]
图46是表示本发明涉及的光扩散部的图。
[0090]
图47是表示仿真9的远场光强度的图。
[0091]
图48是表示本发明的光学元件制造方法的图。
[0092]
图49是表示本发明的另一光学元件制造方法的图。
[0093]
图50是表示本发明的另一光学元件制造方法的图。
[0094]
图51是表示本发明涉及的照射部与光学元件的位置关系的概略俯视图。
[0095]
图52是表示本发明的另一光学系统装置的概略截面图。
[0096]
图53是表示本发明的另一光学系统装置的原理的概略俯视图。
[0097]
图54是表示使用本发明的两种照射部的光学系统装置的概略截面图。
[0098]
图55是表示本发明的另一光学系统装置的原理的概略俯视图。
[0099]
图56是表示使用本发明的3种照射部的光学系统装置的概略截面图。
[0100]
图57是用于说明本发明涉及的光学元件的排列和点数(1倍)的关系的图。
[0101]
图58是用于说明本发明涉及的光学元件的排列和点数(2倍)的关系的图。
[0102]
图59是用于说明本发明涉及的光学元件的排列和点数(3倍)的关系的图。
[0103]
图60是表示并用扩散器的本发明的光学系统装置的概略截面图。
[0104]
图61是表示具有点图案照射功能和扩散器功能的本发明的光学系统装置的概略截面图。
[0105]
图62是表示本发明涉及的照射部和光学元件的位置关系的概略俯视图。
[0106]
图63是表示由照射部与光学元件的角度θ(0～7
°
)的不同引起的光源位置的偏差的图。
[0107]
图64是表示由照射部与光学元件的角度θ(8～15
°
)的不同引起的光源位置的偏差的图。
[0108]
图65是表示由照射部与光学元件的角度θ(90
°
)的不同引起的光源位置的偏差的图。
[0109]
图66是表示仿真10(θ＝0
°
)的远场光强度的图。
[0110]
图67是表示仿真10(θ＝1
°
)的远场光强度的图。
[0111]
图68是表示仿真10(θ＝5
°
)的远场光强度的图。
[0112]
图69是表示仿真10(θ＝10
°
)的远场光强度的图。
[0113]
图70是表示仿真10(θ＝15
°
)的远场光强度的图。
[0114]
附图标记说明
[0115]
1 照射部
[0116]
1a 第1照射部
[0117]
1b 第2照射部
[0118]
2 光学元件
[0119]
3 反射镜
[0120]
4 半反射镜
[0121]
5 扩散器型的光学元件
[0122]
6 扩散器用照射部
[0123]
7 多孔障板
[0124]
8 光扩散部
[0125]
10 光源
[0126]
11 照射部
[0127]
12 照射部
[0128]
13 照射部
[0129]
21 透镜
[0130]
25 基板
[0131]
60 光源
[0132]
70 开口
具体实施方式
[0133]
以下，对本发明的光学系统装置进行说明。如图1所示，本发明的光学系统装置主要包括：照射部1，其照射波长为λ的光；以及光学元件2，其具有周期性透镜21。
[0134]
照射部1只要照射波长为λ的光，就可以是任意装置。另外，照射部1既可以是单光源，也可以是多个光源。另外，也可以使单光源的光通过形成有多个细孔的孔缝(aperture)，由此形成多个光源。在照射部由多个光源构成的情况下，优选该光源形成于同一平面上。作为照射部1的具体例，例如能够列举以较少的电力而可以预期高输出的vcsel(vertical cavity surface emitting laser，垂直腔面发射激光器)。vcsel具有多个能够向与发光面垂直的方向照射光的光源10。
[0135]
(发光模式)
[0136]
另外，已知在使vcsel的光强度增大的情况下，该vcsel的光中包含单模式或多模式等多个发光模式。图2示出具体的发光模式的例子。图2所示的发光模式中互为旋转对称的(2)和(3)、(4)和(6)、(7)和(9)、(8)和(10)必须以相同比率存在，因此如果将这些类似模式分别合成，则能够如图3所示的那样合并成a、b、c、d、e、f这6种。
[0137]
如果将这6种模式以相同的比例(a：b：c：d：e：f＝1：1：1：1：1：1)合成，则成为图4(a)所示的那样，最大强度为0.0271。此外，图中是使光源的功率为1时的各配光角度的远场光强度。
[0138]
另一方面，如果将这6种模式以仅其中1种为其他模式的2倍的方式合成，则如图4(b)所示的那样，a：b：c：d：e：f＝2：1：1：1：1：1时，最大强度为0.03，a：b：c：d：e：f＝1：1：1：2：1：1时，最大强度为0.0389，a：b：c：d：e：f＝1：1：1：1：1：2时，最大强度为0.0285。即可知，如果将各模式中最大强度位于光轴中心的模式a或d、或者最大强度靠近光轴中心的模式f的比例增加，则与将6种模式设为相同比例的情况相比，合成后的光的最大强度增大。图4(c)是进一步仅使6种模式中的模式a、模式d、模式f为其他模式的5倍来合成的结果。a：b：c：d：e：f＝5：1：1：1：1：1时，最大强度为0.0354，a：b：c：d：e：f＝1：1：1：5：1：1时，最大强度为0.0608，a：b：c：d：e：f＝1：1：1：1：1：5时，最大强度为0.0343。即，使模式d为5倍来合成的光(a：b：c：d：e：f＝1：1：1：5：1：1)，合成后的光的最大强度特别显著地增大。
[0139]
基于以上所述，在使用具有多个发光模式的vcsel的情况下，关于该vcsel的光源，发光模式中在光轴中心具有最大强度的发光模式的比例越大，能够使所生成的点的光强度越大，对比度也能够越大，故优选。因此，优选光源的发光模式中在光轴中心具有最大强度的模式的比例为40％以上，优选为45％以上，更优选为60％以上。该发光模式可以用对vcsel的发光层的电流注入路径进行控制等以往已知的方法来调整。
[0140]
光学元件2是将使波长为λ的光透射的透镜21周期性排列而得到的。透镜21的形状能够根据要照射的点较大的那方的图案(以下称为点图案)自由地设计。例如，在要使点图案为圆形的情况下，只要使透镜21的形状为球面透镜那样的旋转对称即可。另外，在要使点图案为非圆形的情况下，只要使透镜21的形状为非球面透镜那样的非旋转对称来适当地调节即可。作为具体的透镜形状，例如除了凸透镜或凹透镜以外，还有能够根据截面看出是凸透镜或凹透镜的鞍形透镜等。另外，周期排列中，在图5(a)所示的俯视图中正方形或长方形的透镜21为正方排列，在图5(b)所示的俯视图中六边形的透镜21为六方排列等。
[0141]
(照射部与光学元件的距离)
[0142]
另外，在将从照射部1入射的光的波长设为λ、光学元件2的透镜21的间距设为p、照射部1与光学元件2之间的距离设为l0时，距离l0在下式a的情况下使光较大地增强。
[0143]
(数3)
[0144][0145]
此外，在本说明书中，照射部1与光学元件2之间的距离是指从照射部的光源的发光面至光学元件的透镜21的靠近光源的一侧的面的距离。实际上，虽然会产生由透镜21的大小引起的误差，但照射部1与光学元件2的透镜21之间的距离远大于透镜21的垂直方向(光轴方向)的大小，因此即使这样定义也具有足够的精度。
[0146]
另外，如下式b所示的那样，可知在照射部1与光学元件2的距离l为距离l0的n倍(n为1以上的自然数)的情况下也会使光较大地增强。进而，可知在n为偶数时会进一步使光较大地增强。
[0147]
(数4)
[0148][0149]
此外，相对于照射部1与光学元件2的距离l的误差为l0的10％以内，优选为5％以内，更优选为3％以内。若将相对于距离l的误差为l0的10％以内的情况具体用公式来表示，则能够如下式c那样表示。
[0150]
(数5)
[0151][0152]
另外，有在透镜21中存在多个周期的情况。例如如图2(a)所示，在俯视图中正方形的透镜21为正方排列的情况下，除了与相邻的透镜之间的间距p1以外，还存在对角线方向的间距p2(＝√2p1)或间距p3(＝√5p1)等各种间距。另外，如图2(b)所示，在俯视图中正六边形的透镜21为六方排列的情况下，除了与相邻的透镜之间的间距p1以外，还存在间距p2(＝√3p1)等。另外，如在俯视图中长方形透镜有规则地排列的情况那样，还存在透镜21具有多个不同周期的情况。在这种情况下，将透镜21的间距中从小到第k个(k为1以上的自然数)间距的大小设为pk时，针对任意1个以上的间距pk，照射部1与光学元件2的距离l1满足下式1即可。
[0153]
(数6)
[0154][0155]
此外，优选针对任意2个以上的间距pk，对照射部1与光学元件2的距离l进行调节以满足式1。在这种情况下，就衍射而言，间距最小者的影响最大，因此优选针对最小的间距p1满足式1，更优选针对第2小的间距p2也满足式1。
[0156]
此外，由于在间距p与光源10的光的波长λ相比过分小时难以产生衍射，所以在光源10的配光角内包含有足够用以产生衍射的透镜21的限度内，间距p可以与光源10的光的波长λ相比足够大为佳，例如为5倍以上，优选为10倍以上。
[0157]
接着，对使照射部1与光学元件2的距离l发生各种变化时的远场的光强度分布等进行了仿真。
[0158]
(仿真1)
[0159]
照射部1是照射波长为940nm且为如图6(a)所示那样的高斯配光的光的单光源。另外，光学元件2简略而言是图6(b)所示的将缝隙状开口以间距10μm排列而得到的装置。此外，光学元件的缝隙以外的部分为将光完全吸收的材料。另外，照射部1与光学元件2的距离l为在从30μm至400μm每次变化10μm的38种、式a的n为1～6的情况下的53.19μm(n＝1)、106.38μm(n＝2)、159.67μm(n＝3)、212.77μm(n＝4)、265.96μm(n＝5)、319.15μm(n＝6)这6种。图7～图9示出使用光学仿真软件beamprop(synopsys公司制)得到的仿真结果。此外，横轴是配光角，纵轴是光源的功率为1时的各配光角的远场光强度。
[0160]
另外，针对式a的n为2、4、6的情况下的106.38μm(n＝2)、212.77μm(n＝4)、319.15μm(n＝6)这3种，对在前后分别每隔1μm而变化了10μm的情况也进行了仿真。图10～15示出其结果。
[0161]
从仿真结果可知，在距离l为53.19μm(n＝1)、106.38μm(n＝2)、159.67μm(n＝3)、212.77μm(n＝4)、265.96μm(n＝5)、319.15μm(n＝6)的情况下，光强度分布出现了良好的峰。另外可知，在n为偶数的106.38μm(n＝2)、212.77μm(n＝4)、319.15μm(n＝6)时，各峰的光强度也较大。另外可知，只要距离l满足式1，就可维持比较良好的峰，即使距离l稍微有点误差，光强度也足够强。
[0162]
(仿真2)
[0163]
照射部1是照射波长为940nm且为如图16(a)所示那样的高斯配光的光的单光源。如图16(b)所示，光学元件2是将高度为7μm的透镜21以间距10μm周期排列而得到的装置。另外，透镜表面为非圆弧状。材料设定折射率为1.53的pdms。距离l使用在式a的n为1、2、4、6、8的情况下的53.2μm(n＝1)、106.4μm(n＝2)、212.8μm(n＝4)、319.1μm(n＝6)、425.5μm(n＝8)这5种。图17示出使用光学仿真软件beamprop(synopsys公司制)得到的仿真结果。此外，横轴是配光角，纵轴是光源的功率为1时的各配光角的远场光强度。
[0164]
从仿真结果可知，即使光学元件2是排列多个透镜21而得到的装置，在距离l为53.2μm(n＝1)、106.4μm(n＝2)、212.8μm(n＝4)、319.1μm(n＝6)、425.5μm(n＝8)的情况下，也会出现良好的峰，各峰的光强度也较大。另外可知，在n为偶数的106.4μm(n＝2)、212.8μm(n＝4)、319.1μm(n＝6)、425.5μm(n＝8)时，各峰的光强度也较大。
[0165]
(仿真3)
[0166]
照射部1是使照射波长为940nm的光的光源10如图18(a)所示那样为正方排列而得
到的多个光源。另外，光源照射的光使用图18(b)所示那样的蝙蝠翼状配光且在远场为图18(c)所示那样的光强度的光。如图19(a)所示，光学元件2是使间距为20μm的透镜21为正方排列而得到的装置。另外，如图19(b)所示，各透镜21的形状在俯视时是1边为20μm的正方形且高度为9.86μm。另外，透镜表面是在x轴方向和y轴方向上曲率不同的非旋转对称的非球面。材料设定折射率为1.53的pdms。距离l为212.8μm(式a的n＝1的情况)、425.5μm(式a的n＝2的情况)、638.3μm(式a的n＝3的情况)。图20～图22示出使用光学仿真软件beamprop(synopsys公司制)得到的仿真结果。此外，图20～图22的(a)是表示自光学元件2起前面50cm处的点图案的图。点的大小表示光强度的大小。另外，图20～图22的(b)示出图20～图22的(a)的x轴上的光的远场光强度，图20～图22的(c)示出图20～图22的(a)的y轴上的光的远场光强度。此外，横轴是配光角，纵轴是光源的功率为1时的各配光角的远场光强度。
[0167]
另外，作为比较例，对使用能够形成与上述点图案大致相同形状的照射图案的扩散器的情况进行了仿真。图23示出使用光学仿真软件lighttools(synopsys公司制)得到的仿真结果。图23(a)是表示自扩散器起前面50cm处的照射图案的图。另外，图23(b)示出图23(a)的x轴上的光的远场光强度，图23(c)示出图23(a)的y轴上的光的远场光强度。
[0168]
从仿真结果可知，点图案出现良好的峰，各峰的光强度也较大。另外可知，与使用扩散器的装置相比，各峰的光强度非常大。另外，在光学元件2的透镜为正方排列的情况下，对角线方向上也存在28.3μm的间距。由于该间距满足式a的l为425.5μm，所以可知与图20的结果相比，图21的结果是各峰更良好地一致，光强度也更大。
[0169]
(仿真4)
[0170]
照射部1是使照射波长为940nm的光的光源如图24(a)所示的那样为六方排列而得到的多个光源。另外，光源照射的光使用图24(b)所示那样的蝙蝠翼状配光且在远场为图24(c)所示那样的光强度的光。如图25(a)所示，光学元件2是使间距为22.5μm的透镜21为六方排列而得到的装置。另外，如图25(b)所示，各透镜21的形状俯视时为正六边形且高度为12.9μm。另外，透镜表面是在x轴方向和y轴方向上曲率不同的非旋转对称的非球面。材料设定折射率为1.53的pdms。距离l为269.3μm(式a的n＝1的情况)、538.6μm(式a的n＝2的情况)、807.8μm(式a的n＝3的情况)。图26～28示出使用光学仿真软件beamprop(synopsys公司制)得到的仿真结果。此外，图26～28的(a)是表示自光学元件2起前面50cm处的点图案的图。点的大小表示光强度的大小。另外，图26～28的(b)示出图26～28的(a)的x轴上的光的远场光强度，图26～28的(c)示出图26～28的(a)的y轴上的光的远场光强度。此外，横轴是配光角，纵轴是光源的功率为1时的各配光角的远场光强度。
[0171]
另外，作为比较例，图29示出使用能够形成与上述点图案大致相同形状的照射图案的扩散器的情况下的仿真结果。图29(a)是表示自扩散器起前面50cm处的照射图案的图。另外，图29(b)示出图29(a)的x轴上的光的远场光强度，图29(c)示出图29(a)的y轴上的光的远场光强度。
[0172]
从仿真结果可知，点图案出现良好的峰，各峰的光强度也较大。另外可知，与使用扩散器的装置相比，各峰的光强度非常大。
[0173]
(透射光的重复率)
[0174]
另外，进一步对光学元件2的透镜形状进行了研究。于是可知，透射过透镜21的表面不同位置的光向同一方向出射时，会导致产生干涉，成为使点的对比度下降的原因。因
此，更优选光学元件被设计成来自透镜21的透射光的出射方向的重复率降低。
[0175]
(透镜形状)
[0176]
这里，来自透镜的透射光的出射方向由透镜表面的斜率决定。即，来自透镜的透射光的出射方向的重复率与透镜表面的法线方向的重复率是同义。因此，为了降低来自透镜的透射光的出射方向的重复率，只要使透镜21为表面的法线方向的重复率会降低的形状即可。例如，如果透镜21在该透镜21的表面截面中的线上有透镜21从凹状变成凸状或从凸状变成凹状的拐点或奇异点，则在位于其前后的凹部和凸部产生法线方向重复的面。
[0177]
(仿真5)
[0178]
图30示出具有拐点的透镜的例子，图31示出没有拐点的透镜的例子。图30(a)为使y＝sinx的曲线以y轴为中心旋转而得到的形状且在图中的用圆圈所表示的部分具有拐点的透镜。另一方面，图31(a)为使y＝2|sinx|的曲线以y轴为中心旋转而得到的形状且没有拐点的透镜。另外，图30(b)、图31(b)示出使用将该透镜周期排列而得到的光学元件的情况下的点图案的远场光强度。照射部1是照射波长为940nm且为图16(a)所示那样的高斯配光的光的单光源。如图16(b)所示，光学元件2是将高度为10μm的透镜21以10μm间距周期排列而得到的装置。材料设定折射率为1.53的pdms。距离l使用式a的n为2的情况下的106.4μm(n＝2)。图31(b)、图32(b)示出使用光学仿真软件beamprop(synopsys公司制)得到的仿真结果。此外，横轴是配光角，纵轴是光源的功率为1时的各配光角的远场光强度。
[0179]
图30(a)所示的透镜在透镜的截面形状上具有拐点，因此在该部分透镜的形状从凹状变成凸状或从凸状变成凹状。在这种情况下，产生透射过凸状部的光和透射过凹上部的光在相同方向上前进的区域，因此如图30(b)所示的那样，在点之间因干涉而产生噪声光，成为使对比度降低的主要原因。另一方面，图31(a)所示的透镜在透镜的截面形状上没有拐点，因此透镜的形状仅由凸状部构成。在这种情况下，透射过的光没有重复，因此如图31(b)所示的那样，能够形成没有噪声光的良好的点图案。因此，更优选在透镜21的表面截面中的线上没有拐点或奇异点，另外，即使有这样的点，也优选为凹部和凸部中的任一者足够大的形状。
[0180]
此外，透镜21的表面的法线方向的重复率能够如以下那样测定。
[0181]
(1)如图32(a)所示，在俯视图(x-y平面)中将透镜21分割成n个作为正方形的微细区域210。然后，对各微细区域210标注不重复的1～n的编号。此外，微细区域210的1边的大小至少设为照射部的光的波长的4分之1(λ/4)以下。
[0182]
(2)如图32(a)所示，将分割而得到的微细区域210中的第i个(i＝1、2、
…
、n)微细区域的中心点设为pi、内切的圆设为ci。另外，将分割而得到的微细区域210中的第i个以外的微细区域的中心点组设为qi。
[0183]
(3)如图32(b)所示，将通过点pi的与x-y平面垂直的线(与z轴平行的线)和透镜表面的交点处的法线矢量设为n
pi
、将通过圆ci的与x-y平面垂直的线(与z轴平行的线)和透镜表面的交点处的法线矢量组设为n
ci
。然后，如图32(c)所示，将n
pi
与n
ci
构成的角的最小值设为δθi。
[0184]
(4)如图32(b)所示，将通过点组qi的与x-y平面垂直的线(与z轴平行的线)和透镜表面的交点处的法线矢量组设为n
qi
。
[0185]
(5)将分割而得到的微细区域210中的第i个微细区域的状态标志设为fi、fi的初始
值设为0。
[0186]
(6)如图32(d)所示，针对全部i＝1、2、
…
、n，计算法线矢量n
pi
与矢量组n
qi
构成的角θi，在θi＜δθi以下的情况下，将fi设定为1。
[0187]
(7)将fi为1的个数设为m时，法线重复率能够用(m/n)
×
100(％)求取。此外，法线重复率在使n为无限大(n
→
∞)时收敛。
[0188]
(仿真6)
[0189]
接着，针对透镜形状的法线重复率与远场的光强度分布的关系进行了仿真。在仿真中，以6种透镜为模型。此外，后述的透镜形状的公式中，将光轴方向表示为z轴、与z轴直行的方向表示为x轴、y轴。此外，照射部1是使照射波长为940nm的光的光源10如图18(a)所示的那样为正方排列而得到的多个光源。另外，光源照射的光使用图18(b)所示那样的蝙蝠翼状配光且在远场为图18(c)所示那样的光强度的光。光学元件2是使平面形状为x＝20μm、y＝20μm的正方形且间距为20μm的透镜21为正方排列而得到的装置。材料设定折射率为1.53的pdms。距离l为425.5μm(式a的n＝2的情况)。在仿真中，使用光学仿真软件beamprop(synopsys公司制)。
[0190]
(模型1)
[0191]
作为模型1，对图33(a)所示的透镜进行说明。透镜的形状如下式所示。
[0192]
(数7)
[0193][0194]
图33(b)的白色区域是法线不重复的区域，法线重复率为0％。另外，图33(c)、(d)示出远场光强度。可知几乎没有噪声光，峰的光强度也整体上较强。
[0195]
(模型2)
[0196]
作为模型2，对图34(a)所示的透镜进行说明。透镜的形状如下式所示。
[0197]
(数8)
[0198][0199]
图34(b)的黑色区域是法线重复的区域，法线重复率为5.3％。另外，图34(c)、(d)示出远场光强度。可知噪声光较少，但峰的光强度比模型1稍低。
[0200]
(模型3)
[0201]
作为模型3，对图35(a)所示的透镜进行说明。透镜的形状如下式所示。
[0202]
(数9)
[0203][0204]
图35(b)的黑色区域是法线重复的区域，法线重复率为12.8％。另外，图35(c)、(d)示出远场光强度。可知与模型1相比，法线重复率超过10％，与模型1或模型2相比，峰的光强度进一步降低。
[0205]
(模型4)
[0206]
作为模型4，对图36(a)所示的透镜进行说明。透镜的形状如下式所示。
[0207]
(数10)
[0208][0209]
图36(b)的黑色区域是法线重复的区域，法线重复率为49.8％。另外，图36(c)、(d)示出远场光强度。可知与模型3相比，法线重复率进一步提高，整体上光强度较弱。
[0210]
(模型5)
[0211]
作为模型5，对图37(a)所示的透镜进行说明。透镜的形状如下式所示。
[0212]
(数11)
[0213][0214]
图37(b)的黑色区域是法线重复的区域，法线重复率为62.2％。另外，图37(c)、(d)示出远场光强度。可知与模型4相比，法线重复率进一步提高，噪声光增加，整体上光强度较弱。
[0215]
(模型6)
[0216]
作为模型6，对图38(a)所示的透镜进行说明。透镜的形状如下式所示。
[0217]
(数12)
[0218][0219]
图38(b)的白色区域是法线不重复的区域，法线重复率为0％。另外，图38(c)、(d)示出远场光强度。可知几乎没有噪声光，峰的光强度也整体上较强。
[0220]
基于以上的结果，透镜21的表面是法线方向的重复率为10％以下、优选为5％以下、更优选为3％以下的形状。另外，关于透镜21的表面，来自透镜21的透射光的远场重复率为10％以下，优选为5％以下，更优选为3％以下。
[0221]
(多孔障板)
[0222]
另外，存在难以设计如上述那样的透射光的重复率较低的透镜形状的情况。另外，即使能够设计出透射光的重复率较低的透镜形状，有时在制造上也难以再现那样的透镜形状。在这样的情况下，光学系统装置也可以具有将光的一部分遮蔽的多孔障板7，该多孔障板7具有开口70。具体而言，可以使用如下多孔障板7：具有使所需要的透射光(以下称为有效光)穿过的开口70，将作为噪声的透射光(以下称为噪声光)遮蔽。这里，有效光是指有助于形成点图案的光。因此，开口70形成于至少包含透镜的光轴的部分。另外，优选开口70的大小形成为能够尽可能使有效光透射的大小。另外，噪声光是指会提高所述重复率的光。透镜与多孔障板7的距离只要能够遮蔽噪声光就可以是任意的，但期望比相邻透镜的有效光的光路重叠的范围靠透镜侧配置。例如，在相邻透镜彼此接触的情况下，各透镜的有效光在超过至透镜的焦点为止的距离的2倍时重叠。因此，优选多孔障板7与至透镜的焦点为止的距离的2倍距离相比靠透镜侧配置。另外，在将多孔障板7的开口70配置于焦点位置时，能够使开口70最小，能够遮蔽噪声光的大部分，故优选。
[0223]
另外，例如透镜21彼此的边界部分会成为奇异点，光会发生散乱而成为噪声光的原因。另外，例如在利用压印法形成透镜21的情况下，在透镜21彼此的边界部分容易产生变形，容易成为提高透射光的重复率的原因。因此，也可以在这样的透镜21的边界部分形成将该透镜21的透射光遮蔽的多孔障板7。另外，多孔障板7也能够配置于光源与光学元件之间。
例如，可以在透镜21的边界部分形成将来自光源的光遮蔽的多孔障板7。
[0224]
另外，多孔障板7的开口70的形状只要能够使有效光穿过，就可以是任意的形状，能够为圆形、楕圆形、四边形、六边形状等任意形状。另外，既可以在每个透镜形成开口70，也可以使每个透镜的开口70彼此连接。
[0225]
另外，作为多孔障板7的材料，只要能够抑制光的透射，就可以是任意材料，例如能够使用将来自照射部的光吸收的吸收材料或使该光反射的反射材料。作为将光吸收的吸收材料，例如能够使用黑色光阻层。另外，作为使光反射的反射材料，例如能够使用银、铝、氧化铬等金属。
[0226]
此外，多孔障板7既可以与光学元件分体构成，也可以与光学元件一体形成。
[0227]
(仿真7)
[0228]
对因有无多孔障板7而引起的对于噪声光的影响进行了仿真。照射部1是使照射波长为940nm的光的光源10如图18(a)所示的那样为正方排列而得到的多个光源。另外，光源照射的光使用图18(b)所示那样的蝙蝠翼状配光且在远场为图18(c)所示那样的光强度的光。如图39(a)所示，光学元件2是使间距为33μm的透镜21为正方排列而得到的装置。另外，如图39(b)所示，各透镜21的形状由下式表示：
[0229]
(数13)
[0230][0231]
俯视时是1边为33μm的正方形且高度为17.5μm。至透镜的焦点为止的光轴上的距离为68.5μm。另外，在用压印法制作透镜的情况下容易成为奇异点的透镜的边界部分的截面形状，为边界是最小值且与上述式的透镜形状平滑连接的宽度为1.5μm的抛物线状。材料设定折射率为1.53的pdms。光源与光学元件的距离l为1158.5μm(式a的n＝2的情况)。如图39(c)所示，多孔障板7使用使直径为16.5μm的圆形开口70为正方排列而得到的部件。另外，如图39(a)所示，多孔障板7以开口70的中心成为透镜焦点的位置的方式配置。关于因有无多孔障板7而引起的对于噪声光的影响，图40示出没有多孔障板7的情况下的点图案，图41示出有多孔障板7的情况下的点图案。点图案是与光学元件相距50cm的70cm
×
70cm的感光板上的图案。此外，在仿真中，使用光学仿真软件beamprop(synopsys公司制)。
[0232]
如图40所示，可知在没有多孔障板7的情况下，在中心附近的点间产生了作为噪声光的较小的点。另一方面，如图41所示，可知在配置有多孔障板7的情况下，在中心附近的点间未产生由噪声光引起的点，形成了良好的点图案。
[0233]
(仿真8)
[0234]
接着，对多孔障板7与远场的光强度分布的关系进行了仿真。在仿真中，以4种透镜为模型。另外，在透镜的平面形状为x＝20μm、y＝20μm的正方形时，间距也为20μm。此外，在仿真中，使用光学仿真软件beamprop(synopsys公司制)。
[0235]
(模型1)
[0236]
图42(a)示出没有多孔障板7的情况的模型1，透镜的周期为10μm，透镜高度为5μm，在用压印法制作透镜的情况下容易成为奇异点的透镜的边界部分的形状为半径0.5μm的圆弧状。图42(b)示出这种情况下的光强度。可知在中心附近的峰间产生了作为噪声光的较小的峰。
[0237]
(模型2)
[0238]
接着，图43(a)示出在透镜21的边界部分的底部侧形成有将来自透镜21的透射光遮蔽的多孔障板7的模型2。多孔障板7的宽度根据半径0.5μm的圆弧的宽度设为1μm。另外，遮蔽部的厚度为0.5μm。图43(b)示出这种情况下的光强度。可知与没有多孔障板7的模型1相比，几乎不产生中心部的噪声光。
[0239]
(模型3)
[0240]
在模型1的透镜中，边界部分的圆弧状的部分在用压印法制作时容易产生变形。因此，如图44(a)所示，使模型1的透镜的圆弧状的部分为宽度1μm的平坦的形状，从而形成模型3。在模型3中，在透镜21的边界部分的底部侧形成有将来自透镜21的透射光遮蔽的多孔障板7。多孔障板7的宽度根据平坦部分的宽度设为1μm。另外，遮蔽部的厚度为0.5μm。图44(b)示出这种情况下的光强度。可知与没有多孔障板7的模型相比，几乎不产生中心部的噪声光。
[0241]
(模型4)
[0242]
接着，图45(a)示出在透镜21的边界部分的表面形成有将来自光源的光遮蔽的多孔障板7的模型4。多孔障板7的宽度设为1μm，以便能够将入射到半径为0.5μm的圆弧的光全部遮蔽。图45(b)示出这种情况下的光强度。可知与没有多孔障板7的模型1相比，几乎不产生中心部的噪声光。
[0243]
(光扩散部)
[0244]
另外，光学元件也可以在透镜的边界部分形成有使透射光向该透镜的照射角的外侧(点图案的照射范围的外侧)折射的光扩散部8。由此，能够将噪声光排除到点图案的外侧，因此能够得到良好的点图案。只要能够使入射的光向透镜的照射角的外侧折射，光扩散部8的形状就可以是任意形状，选择容易制造的任意形状即可。例如，能够采用与透镜的边界平行的面上的截面形状呈三角形的形状。
[0245]
(仿真9)
[0246]
对因有无光扩散部8而引起的对于噪声光的影响进行了仿真。如图46(a)所示，透镜设为在用于仿真7的透镜的边界部分具有光扩散部8的形状。光扩散部8在透镜的周围自边界起以1.5μm的宽度形成。如图46(b)所示，光扩散部8的截面形状(与透镜的最近的边界平行的截面)为将底边宽度和高度相同的纵横(aspect)比为1的相似形状的三角形并列而成的凹凸构造。相似形状的各三角形以使该三角形的底边位置与透镜底面的位置一致的方式并列。其他设为与仿真7相同的条件。图47示出具有光扩散部8的情况下的点图案。
[0247]
如图47所示，可知在配置有光扩散部8的情况下，在点间基本上未产生由噪声光引起的点，形成了良好的点图案。
[0248]
(光学元件制造方法)
[0249]
对光学元件的制造方法进行说明。光学元件2的透镜21可以以任意方式制造，例如能够使用压印法来制造。具体而言，利用自旋式涂覆机等公知的方法，在基板25上以规定的膜厚涂覆透镜21的材料(涂覆工序)。作为材料，只要能够形成使波长为λ的光透射的透镜21，就可以是任意材料，例如能够使用聚二甲基矽氧烷(pdms)。
[0250]
接着，准备具有将透镜21周期性排列而得到的图案的反转图案的模具，将该模具在基板25上对所涂覆的材料进行加压，来转印图案(压印工序)。此外，在形成具有上述光扩
散部8的光学元件的情况下，只要使用与所述图案一起具有该光扩散部8的反转图案的模具即可。
[0251]
由此，能够制造透镜21的高度方向的偏差较小的光学元件，因此能够减小距离l1的误差。
[0252]
另外，在光学元件形成多孔障板7的情况下，具有多孔障板形成工序。首先，对将多孔障板7以配置于透镜21的噪声光的光路的方式形成的情况进行说明。
[0253]
(1)如图48(a)所示，在基板25上，至少在与相当于透镜21的光轴的位置相距规定距离的位置处形成防止光透射的多孔障板7(多孔障板形成工序)。多孔障板7可以用任意方法形成，例如可以用以下的方法形成。
[0254]
(1.1)在基板25上形成采用遮光材料构成的膜。该膜的形成既可以使用化学蒸镀(cvd)等方法，也可以通过涂覆来形成。
[0255]
(1.2)在采用遮光材料构成的膜上涂覆光阻层，利用光刻或压印等已有技术，在作为多孔障板的开口的部分以外的位置形成光阻层。开口70的大小只要形成为能够尽可能地使有效光透射的大小即可。使用该光阻层对遮光材料进行蚀刻，并通过灰化等去除残留的光阻层，就能够形成多孔障板7。
[0256]
作为遮光材料，只要能够将使用的光遮挡住，就可以使用任意材料，例如能够使用银、铝，氧化铬等金属或黑色光阻层等树脂。
[0257]
(2)如图48(b)所示，在基板25上形成多孔障板7之后，形成用于调节透镜21与多孔障板7的距离的透明膜26。透明膜26可以以任意方式形成，例如可以利用自旋式涂覆机等公知的方法，在基板25上以规定的膜厚涂覆透明的材料来形成。作为材料，只要可使波长为λ的光透射，就可以是任意材料，例如能够使用聚二甲基矽氧烷(pdms)。
[0258]
(3)如图48(c)所示，在基板25上形成透明膜26之后，形成透镜21(透镜形成工序)。透镜可以用任意方法形成，例如与多孔障板7进行对位，使用压印法等已有的技术形成透镜21即可。在这种情况下，透镜21与多孔障板7的距离由透明膜26和因压印产生的残膜的大小决定。这样，如图48(d)所示，能够形成与光学元件2成为一体的多孔障板7。此外，透镜21与多孔障板7的距离的调节也能够不形成透明膜26而仅由因压印产生的残膜的大小来调节。
[0259]
另外，如图49(c)所示，在透镜21的边界部分且在透镜的透射光侧形成将来自透镜的透射光遮蔽的多孔障板7的情况下，可以用以下的方法来形成。
[0260]
(1)如图49(a)所示，在基板25上，在相当于透镜的边界的位置形成防止光透射的多孔障板7(多孔障板形成工序)。多孔障板7可以用以往已知的任意方法形成，例如可以用以下的方法形成。
[0261]
(1.1)在基板25上形成采用遮光材料构成的膜。该膜的形成既可以使用化学蒸镀(cvd)等方法，也可以通过涂覆来形成。
[0262]
(1.2)在采用遮光材料构成的膜上涂覆光阻层，利用光刻或压印等已有的技术，仅在相当于透镜的边界的位置以能够遮蔽噪声光的所期望的宽度形成光阻层。使用该光阻层对遮光材料进行蚀刻，并通过灰化等去除残留的光阻层，就能够形成多孔障板7。
[0263]
作为遮光材料，只要能够将使用的光遮挡住，就可以使用任意材料，例如能够使用银、铝、氧化铬等金属或黑色光阻层等树脂。
[0264]
(2)如图49(b)所示，在基板25上形成多孔障板7之后，以将透镜21的边界配置在多
孔障板7上的方式形成透镜21(透镜形成工序)。透镜可以用任意方法形成，例如可以与多孔障板7进行对位，使用压印法等已有的技术来形成透镜21。由此，如图49(c)所示，能够形成与光学元件2为一体的多孔障板7。
[0265]
另外，如图50(c)所示，在透镜21的边界部分且在透镜的光源侧形成将来自光源的光遮蔽的多孔障板7的情况下，可以用以下的方法形成。
[0266]
(1)准备将透镜21周期性排列而得到的光学元件。该光学元件的透镜21的形成可以任意进行，例如可以使用压印法等已有的技术。
[0267]
(2)接着，如图50(a)所示，在透镜21上的全部或局部涂覆防止光透射的遮光材料形成遮光膜27。接着，如图50(b)所示，在相当于该透镜21的边界的位置以使遮光材料的一部分残留的方式将遮光材料去除，形成多孔障板7(多孔障板形成工序)。例如，在透镜21上涂覆黑色光阻层等遮光材料。只要通过对该遮光材料进行蚀刻而回蚀期望的量，就能够形成仅在相当于透镜21的边界的槽的部分残留有遮光材料的状态的光学元件。
[0268]
作为遮光材料，只要能够遮挡住使用的光并且针对透镜21的蚀刻速率足够高，就可以使用任意材料。这里，蚀刻速率足够高是指对透镜21的光学特性不产生影响的程度。
[0269]
只要能够回蚀，蚀刻方法就可以使用任意方法，例如可以使用反应离子蚀刻(rie)或化学干式蚀刻(cde)等。由此，能够如图50(c)所示的那样形成与光学元件2一体的多孔障板7。
[0270]
(照射部的间距)
[0271]
在照射部1具有多个光源10的情况下，即使使各光源10与光学元件2相对地平行移动，也需要配置成在俯视图中相对于光学元件2的各透镜21的光源10的数量相同。具体而言，设m为1以上的自然数时，照射部可以将多个光源在光学元件的透镜21的任一周期方向上以该周期的m倍或1/m倍有规则地排列。换言之，照射部1的光源10可以在光学元件2的透镜21取间距pk的方向上以间距mpk或pk/m有规则地排列。特别是，间距可以设为mp1或p1/m。图51的(a)、(b)中，设m＝1，使光源10的间距等于光学元件2的透镜21的间距p1。另外，图51(c)中，设m＝2，使光源10的间距为光学元件2的透镜21的间距p1的1/2、即p1/2。另外，图51(d)中，设m＝2，使光源10的间距为光学元件2的透镜21的间距p1的2倍、即2p1。
[0272]
此外，在照射部1是使光源10为六方排列而得到的装置的情况下，使光学元件的透镜21的平面形状为长方形、该长方形的短边与长边之比为p1：p2＝1：√3、光源10的间距为mp1或p1/m时，相对于各透镜21的光源10的数量变得均匀，故优选。另外，在这种情况下，就最小的间距p1(长方形的短边的大小)与第2小的间距p2(长方形的长边的大小)而言，由于满足式1，所以考虑到p2＝√3p1，优选照射部1与光学元件2的距离l1为
[0273]
(数14)
[0274][0275]
更优选为
[0276]
(数15)
[0277][0278]
另外，如图52所示，照射部1的光不需要直接照射于光学元件2，也可以经由对照射
部1的光进行反射的反射镜3来照射。在这种情况下，照射部1与光学元件2的距离l1是指实质的距离。因此，图52的情况下的距离l1成为由箭头所示的从照射部1至反射镜3为止的距离la和从反射镜3至光学元件2为止的距离lb的和即la+lb。由此，能够使用反射镜3来调节距离l。另外，也能够对来自光源的光的方向进行调节。
[0279]
接着，对本发明的另一实施方式进行说明。图53(a)是从光学元件2侧观察照射部1的概略俯视图。这里，光学元件2是将平面形状呈长方形的透镜21有规则地排列而得到的装置。另外，照射部1使用使各光源10为六方排列而得到的装置。图53(a)所示的光源10的配置，若进行分解，则能够如图53(b)所示那样分成4个。其中，从图53(b)的左上和左下、以及右上和右下的光源10的配置被照射出的点图案是相同的，因此能够视为相同。因此，作为光源10相对于光学元件2的配置，实质上能够分成图53(c)所示的两种。
[0280]
因此，如图54所示，使照射部1包括第1照射部1a和第2照射部1b也能够实现同样的配光，该第1照射部1a是将照射波长为λ的光的多个光源10有规则地排列而得到的，该第2照射部1b是将照射波长为λ的光的多个光源10以与所述第1照射部1a的光源10在纵向及横向上各错开半周期的方式有规则地排列而得到的。在这种情况下，如比较图53的(a)和(c)可知的那样，具有能够使照射部1的光源10彼此的间距变成2倍的优点。
[0281]
另外，也可以使照射部1包括将照射波长为λ的光的多个光源10有规则地排列而得到的第1照射部、第2照射部及第3照射部，并且使各照射部在光学元件2的透镜21取间距pk的方向上以各错开pk/3的方式排列。例如，图55(a)示出光学元件2是将平面形状呈长方形的透镜21有规则地排列而得到的并且照射部1使用使各光源10为六方排列而得到的装置的情况。在这种情况下，如图55(b)～(d)所示，图55(a)所示的照射部1能够包括在光学元件2的透镜取间距p2的方向上光源10以各错开p2/3的方式排列而得到的第1照射部11、第2照射部12、第3照射部13这3个装置。因此，如图56所示，光学元件2和第1照射部11、第2照射部12及第3照射部13这3个装置构成光学系统装置，由此不会使照射部的光强度降低，而能够使被出射的点的数量增加到3倍。另外，在用于tof的受光传感器的分辨率较低的情况下，即使点的数量变成3倍，有时也无法感测全部。在这种情况下，照射部也能够使第1照射部、第2照射部及第3照射部以错开时间的方式依序发光。由此，通过用受光传感器进行3次测定，能够使分辨率增加到3倍。
[0282]
另外，在透镜21的平面形状是某一边的长度为r的正方形或长方形的情况下，该透镜21的排列也可以是，设i为1以上的自然数时，使在上述边的方向上连续的透镜21的列彼此以各错开r/i的方式排列。由此，能够使出射的点的数量成为i倍。
[0283]
该原理能够如以下那样进行说明。此外这里，照射部1是使照射波长为940nm的光的光源10以最小间距为21μm的方式六方排列而得到的装置。另外，光源10的大小为10μm。另外，光学元件2的透镜21的平面形状为纵向21μm、横向36.4μm的长方形。另外，照射部1与光学元件2的距离为1407μm。如图57(a)所示，在光学元件2的相邻列的透镜21同样配置的情况下，若将光源10相对于各透镜21的位置合成，则成为图57(b)所示的那样，每1个透镜21的光源10的光成为2个。在这种情况下，被照射的点图案成为如图57(c)所示的那样。另一方面，如图58(a)所示，在使光学元件2的相邻列的透镜21以各错开r/2的方式排列的情况下，若将光源10相对于各透镜21的位置合成，则成为图58(b)所示的那样，每1个透镜21的光源10的光成为4个。在这种情况下，每1个透镜21的光源10的光成为2倍，因此被照射的点图案的点
的数量如图58(c)所示的那样成为2倍。进一步，如图59(a)所示，在使光学元件2的相邻的列的透镜21以各错开r/3的方式排列的情况下，若将光源10相对于各透镜21的位置合成，则成为图59(b)所示的那样，每1个透镜21的光源10的光成为6个。在这种情况下，由于每1个透镜21的光源10的光成为3倍，因此被照射的点图案的点的数量如图59(c)所示的那样成为3倍。这样，在使光学元件2的相邻列的透镜21以各错开r/i的方式排列的情况下，若将光源10相对于各透镜21合成，则每1个透镜21的光源10的光成为2i个。因此，每1个透镜21的光源10的光成为使相邻的透镜21的列完全不错开的情况下的i倍，被出射的点的数量也成为i倍。
[0284]
另外，也存在要将本发明的光学元件2和以往的扩散器型的光学元件5并用的情况。在这种情况下，如图60所示，光学系统装置也可以包括：扩散器，其将照射部1的光呈规定形状扩散；半反射镜，其配置于光源10与扩散器之间，使照射部1的光的一部分透射，将照射部1的光的一部分反射；以及反射镜，其将由半反射镜4反射的光向光学元件2反射。
[0285]
另外，本发明涉及的光学元件2，不仅能够用于照射点图案，还能够用于扩散器用途。
[0286]
如图61所示，使用光学元件2作为扩散器的第1方法中，准备与将照射波长为λ的光的多个光源10用于点图案照射的照射部1同样地排列的扩散器用照射部6。然后，扩散器用照射部6与光学元件2的距离l2满足下式2即可。
[0287]
(数16)
[0288][0289]
由此，如上述的仿真1及图7～图9所示的那样，可知各峰的宽度增大且光强度的不均匀减小。
[0290]
此外，更优选距离l2满足下式3。
[0291]
(数17)
[0292][0293]
此外，在这种情况下，也可以如图61(a)所示的那样以共用的方式使用光学元件2，也可以如图61(b)所示的那样使用点图案用的光学元件2a和扩散器用的光学元件2b这2个装置。
[0294]
另外，使用光学元件2作为扩散器的第2方法中，准备将照射波长为λ的光的多个光源60排列而得到的扩散器用照射部6。而且，设m为1以上的自然数时，扩散器用照射部6可以将多个光源60在光学元件2的透镜21的周期方向上以不会成为该周期的m倍或1/m倍的方式排列。
[0295]
此外，如图62(a)所示，还存在扩散器用照射部6的多个光源60为该周期的m倍或1/m倍的情况。在这种情况下，如图62(b)所示，可以使相对于光学元件的扩散器用照射部6在光源60的光轴方向上旋转。由此，在光学元件2的透镜21的周期方向上，多个光源60能够以不会成为该周期的m倍或1/m倍的方式错开排列。图63～图65是表示将向光学元件2照射扩散器用照射部6的光时的光源60相对于各透镜21的位置合成到一个透镜21的状态的图。这里，旋转角度θ是扩散器用照射部6的光源10取间距mpk或pk/m的方向与光学元件2的透镜21取间距pk的方向的角度差。例如如图62(a)所示，在照射部1的间距与光学元件2的间距一致
的情况(θ为0度的情况)下，无论在哪个透镜21中光源10的位置都相同，因此如图63(θ＝0
°
)所示的那样各光源10的位置良好地重叠。另一方面，随着角度θ增大，光源10的位置开始产生偏离。
[0296]
(仿真10)
[0297]
对相对于光学元件2的旋转角度与点图案的关系进行了仿真。照射部是间距为21μm的六方排列、波长为940nm、发散角(fwhm)为20度、发射器间距为10μm的vcsel。光学元件的折射率为1.53、间距为21μm
×
36.37μm的长方形、foi为60度
×
45度。另外，光学元件与照射部的距离为1407μm。另外，点图案的投影位置为自光学元件起前面50cm处。相对于光学元件2的旋转角度θ为0度、1度、5度、10度、15度。图66～图70是表示相对于光学元件2的旋转角度和点图案的图。此外，在仿真中，使用光学仿真软件beamprop(synopsys公司制)。
[0298]
如图66所示，可知在扩散器用照射部6的多个光源60与光学元件的透镜的周期一致(旋转角度为0度)的情况下，出现良好的点图案，与此相对，随着旋转角度增大、光源60的周期与透镜的周期的偏离增大，峰宽度变大，光扩散开。因此，通过适当地调节扩散器用照射部6相对于光学元件的旋转角度θ，能够使用光学元件2作为扩散器。
[0299]
另外，使用光学元件2作为扩散器的第3方法是使点图案的点的数量增加、使被照射的光在表观上变得均匀的方法。这里，表观上是指例如在用于tof的情况下使点的数量增大到接收被照射的光的反射光的受光传感器的分辨率以上。为了使点图案的点的数量增加，如上述的那样，使透镜21的平面形状为某一边的长度为r的正方形、长方形、菱形或平行四边形。另外，关于该透镜21的排列，使在上述边的方向上连续的透镜21的列彼此以各错开r/i的方式排列。然后，对i进行调节以使出射的点的数量成为受光传感器的分辨率以上即可。
[0300]
这样形成的扩散器，能够与用于照射上述点图案的光学系统装置组合使用。由此，远距离的对象物能够由点图案来保证照射光的光强，对距离或形状等进行测定，近距离的对象物能够照射扩散器的光更精确地对距离或形状等进行测定。