マイクロレンズアレイを用いたライトカーペットプロジェクターの設計

マイクロレンズアレイを用いた

ライトカーペットプロジェクターの設計

Optical and Photonic Solutions Blog～日本語版～

公開日：2024年7月26日

当社のTechTalkにてThomas Tessnow氏がマイクロレンズアレイ(MLA)を使用したライトカーペットプロジェクターの設計方法について講演を行いました。MLAがシンボルプロジェクターやライトカーペットなどの車載投影アプリケーションにおける具体的な利用事例でした。

この記事では、上記技術講演のうち、LucidShapeのマクロフォーカルレンズツールとオプティマイザを使用してレンズアレイを設計するためのプロセスについて概要を説明します。

MLAは複数の材料で構成されていますが、LucidShapeは複数の材料に対応したレンズに関する問題を解決する能力があります。これは最小限のCAD作業を追加することで、多数のマスク画像が作成可能なマスクの計算方法といった機能となります。

図1：ライトカーペットの例(© Driving Vision News 2022)

車載投影用マイクロレンズアレイ

マイクロレンズアレイは略してMLAと使われる事も多いです。MLAは通常直径1mm以下の小さなレンズの配列です。MLAはガラス基板とプラスチックレンズアレイで構成されていることが多く、自動車産業ではシンボルプロジェクターやライトカーペットなどの投影用途に使用されています。大きさが小さく、ターゲット表面に画像を投影できる事から、前述のような用途に最適です。

MLAは、半導体製造のウェハバッチプロセスによって製造され、その後、個々のピースに切断されます。この工程により、光学部品とマスク間については精度の高いアライメントが可能となります。これは、レンズによって投影される画像がすべてファーフィールドで重ね合わさるため、非常に重要となります。

MLAのための光学設計

MLAのための光学系の設計プロセスは、LucidShapeを使って詳細に解析できます。LuchidShapeは、1つのレンズを設計し、自動的に矩形パターンを生成することができます。これは、レンズアレイのサイズと間隔をMF-Lensダイアログで簡単に変更できる点で有効です。
5x5のレンズアレイを例に、各レンズのサイズが1x1mmである場合のプロセスを概説します。レンズ層は厚さ0.2mmのプラスチック製で、厚さ3mmのガラス層がある場合、マスクはプラスチックレンズの内側のガラス層の上にあることになります。

図2：地面にシンボルを投影するマスク付き5x5マイクロレンズ・アレイの例

マスク面の計算と処理

光学系を設計し、利用可能な投影領域を定義した後、画像を選択し、そのマスクが計算されます。これにはLucidShapeの座標設定において、表示したい画像の形状にCADサーフェスを作成する必要があります。このCADサーフェスをLucidShapeにインポートし、レイファイルセンサーを追加します。

次に光線追跡が実行され、画像用サーフェスに到達するすべての光線が収集されます。これらの光線は反転され、マスク平面に到達するまで逆方向に追跡されていきます。マスク面の照度センサーが照度分布を収集し、それをサーフェスに変換してCADにエクスポートします。エクスポートされたサーフェスを使用可能なマスク・サーフェスに加工した後、LucidShapeに再インポートし、解析して検証します。

図3：10x10のMLAで、各象限に異なる画像を配置したアニメーション用マスク

まとめ

マイクロレンズアレイは、車載投影アプリケーションに不可欠なコンポーネントです。LucidShapeソフトウェアを使用すれば、これらのアレイの設計と最適化を効率的かつ効果的に行うことができます。このソフトウェアでは、任意の投影平面上のターゲット画像に対するマスクの計算も可能です。一定の制限はあるものの、複数のマスクやLEDを使用して小さなアニメーションを作成するなど、さらなる機能の拡張が可能です。この技術は今も進化を続けており、それとともに応用の可能性も広がり続けています。

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