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【発明の名称】 受光器及び当該受光器を備えたレーダ装置
【発明者】 【氏名】加藤 久弥

【氏名】松下 規由起

【要約】 【課題】体格を大型化することなく広い角度範囲の光を検知でき、且つ、受光素子の信頼性を向上することのできる受光器及び当該受光器を備えたレーダ装置を提供する。

【構成】受光器100を、外部から光が入射され、入射された光の屈折角度θrが、当該光の入射角度θiよりも小さい屈折体111と、屈折体111の入射面111a上に、受光面121を入射面111a側に向けて配置された第1受光素子120と、入射面111aと対向する屈折体111の対向面111bに設けられ、入射面111aを通して屈折体111に入射された光の少なくとも一部を、第1受光素子120に向けて反射するミラー112と、を備える構成とした。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
外部から光が入射され、入射された光の屈折角度が、前記光の入射角度よりも小さい屈折体と、
前記屈折体の入射面上に、受光面を前記入射面側に向けて配置された第1受光素子と、
前記入射面と対向する前記屈折体の対向面に設けられ、前記入射面を通して前記屈折体に入射された前記光の少なくとも一部を、前記第1受光素子に向けて反射するミラーと、を備えることを特徴とする受光器。
【請求項2】
前記屈折体の対向面は、前記入射面と反対側に凸の曲面であり、
前記ミラーは、前記曲面に沿う凹状のミラーであることを特徴とする請求項1に記載の受光器。
【請求項3】
前記ミラーは、球面ミラーであることを特徴とする請求項2に記載の受光器。
【請求項4】
前記ミラーの曲率半径に対する、前記屈折体の前記入射面と前記対向面との光軸に沿う対向距離の比が0.25以上、0.40以下の範囲内にあることを特徴とする請求項3に記載の受光器。
【請求項5】
前記ミラーは、放物面ミラーであることを特徴とする請求項2に記載の受光器。
【請求項6】
前記ミラーの放物頂点における曲率半径に対する、前記屈折体の前記入射面と前記対向面との光軸に沿う対向距離の比が0.30以上、0.45以下の範囲内にあることを特徴とする請求項5に記載の受光器。
【請求項7】
前記ミラーは、楕円面ミラーであることを特徴とする請求項2に記載の受光器。
【請求項8】
前記ミラーの楕円頂点における曲率半径に対する、前記屈折体の前記入射面と前記対向面との光軸に沿う対向距離の比が0.18以上、0.40以下の範囲内にあることを特徴とする請求項7に記載の受光器。
【請求項9】
前記屈折体の対向面は、前記入射面と反対側に凸の曲面に対応するフレネル面であり、
前記ミラーは、前記フレネル面に沿うフレネルミラーであることを特徴とする請求項1に記載の受光器。
【請求項10】
前記屈折体の入射面は、曲面であることを特徴とする請求項1〜9いずれか1項に記載の受光器。
【請求項11】
前記入射面は、凹状又は凸状の曲面であることを特徴とする請求項10に記載の受光器。
【請求項12】
前記入射面は、凹状の曲面部位と凸状の曲面部位を含むことを特徴とする請求項10に記載の受光器。
【請求項13】
前記屈折体の入射面は、フレネル面であることを特徴とする請求項1〜9いずれか1項に記載の受光器。
【請求項14】
前記屈折体は、ガラスからなることを特徴とする請求項1〜13いずれか1項に記載の受光器。
【請求項15】
前記屈折体は、合成樹脂からなることを特徴とする請求項1〜13いずれか1項に記載の受光器。
【請求項16】
前記屈折体は、半導体材料からなることを特徴とする請求項1〜13いずれか1項に記載の受光器。
【請求項17】
前記第1受光素子は、前記屈折体の入射面に固定されていることを特徴とする請求項1〜16いずれか1項に記載の受光器。
【請求項18】
前記第1受光素子は、前記屈折体と同等の屈折率を有する接着剤を介して、前記入射面に固定されていることを特徴とする請求項17に記載の受光器。
【請求項19】
前記屈折体の入射面に反射防止膜が設けられ、
前記第1受光素子は、前記反射防止膜上に配置されていることを特徴とする請求項1〜16いずれか1項に記載の受光器。
【請求項20】
前記第1受光素子は、前記受光面の裏面側から一部除去された薄肉部を有することを特徴とする請求項1〜19いずれか1項に記載の受光器。
【請求項21】
前記第1受光素子とは異なる第2受光素子を備え、
前記第2受光素子は、その受光面の裏面が前記第1受光素子の受光面の裏面と相対するように、前記第1受光素子に接触配置されていることを特徴とする請求項1〜19いずれか1項に記載の受光器。
【請求項22】
前記受光面の平面方向において、前記第2受光素子の面積が、前記第1受光素子の面積よりも小さいことを特徴とする請求項21に記載の受光器。
【請求項23】
レーザ光を照射する送光器と、
反射物による前記レーザ光の反射光を受信する、請求項1〜22いずれか1項に記載の受光器と、を備えることを特徴とするレーダ装置。
【発明の詳細な説明】【技術分野】
【0001】
本発明は、外部からの光を検出する受光器及び当該受光器を備えたレーダ装置に関するものである。
【背景技術】
【0002】
従来、レーダ装置として、例えば特許文献1,2が開示されている。
【0003】
特許文献1においては、反射物にて反射された反射光が、集光レンズを介して受信手段に受信される。
【0004】
特許文献2においては、照明灯(ヘッドライト)を構成する筐体内に受光手段(フォトダイオード)が配置され、反射物にて反射された反射光が、ヘッドライトを構成するリフレクタにより反射され、さらに第2のリフレクタに反射されて受信手段に受信される。すなわち、反射物にて反射された反射光が、凹状のミラーであるリフレクタを介して受信手段に受信される。
【特許文献1】特開2001−12943号公報
【特許文献2】特開2002−236178号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
ところで、検知範囲の拡大や検知距離を延ばすことを目的として、広い角度範囲の光を検知しようとすると、特許文献1に示される構成において、同一形状の集光レンズであれば、直径を大きくする必要がある。なお、集光レンズにおいては、レンズ収差も考慮せねばならず、所望のレンズ有効径を確保するためには、集光レンズの直径をより大きくしなければならない。したがって、受光光学系(レーダ装置)の体格が大きくなる。
【0006】
これに対し、特許文献2に示される構成においては、集光レンズの代わりに、凹状のミラーであるリフレクタを用いるため、収差の問題は生じず、その分受光光学系の体格を小型化することができる。しかしながら、広い角度範囲の光を検知しようとすると、特許文献2に示される構成において、同一形状のミラーであれば、ミラーの大きさを大きくする必要がある。したがって、受光光学系(レーダ装置)の体格が大きくなる。また、特許文献2に示される構成においては、受光手段が、照明灯を構成する筐体内であって光源の近傍に配置されるため、受光素子の温度が上昇し、素子特性が劣化する(受光素子の信頼性が低下する)恐れがある。
【0007】
本発明は上記問題点に鑑み、体格を大型化することなく広い角度範囲の光を検知でき、且つ、受光素子の信頼性を向上することのできる受光器及び当該受光器を備えたレーダ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0008】
上記目的を達成するために請求項1に記載の受光器は、外部から光が入射され、入射された光の屈折角度が、当該光の入射角度よりも小さい屈折体と、屈折体の入射面上に、受光面を入射面側に向けて配置された第1受光素子と、入射面と対向する屈折体の対向面に設けられ、入射面を通して屈折体に入射された光の少なくとも一部を、第1受光素子に向けて反射するミラーと、を備えることを特徴とする。
【0009】
このように本発明によれば、外部からの光(例えば反射物による反射光)は、外部(例えば空気)よりも屈折率の大きな材料からなる屈折体によって、入射角度よりも小さい角度で屈折される。すなわち、ミラーの光軸に対して角度のついた光は、屈折体によって屈折されることにより、屈折前の状態よりも光軸に対して平行に近づく。したがって、屈折体のない構成と比べて、ミラーで反射して受光素子に集光できる角度範囲(屈折体の入射面に対する入射角度の範囲)を広げることができる。また、ミラーによって集光するので、集光レンズのようにレンズ収差の問題は生じない。したがって、体格を大型化することなく広い角度範囲の光を検知することができる。なお、同一の角度範囲であれば、屈折体のない構成と比べて、受光素子(受光面)の面積を小さくすることができる。
【0010】
また、受光器は照明灯と一体的に構成されないので、受光素子の信頼性を向上することができる。
【0011】
具体的には、請求項2に記載のように、屈折体の対向面を入射面と反対側に凸の曲面とし、ミラーを曲面に沿う凹状のミラーとした構成としても良い。このように、凹状のミラーとすると、受光素子に対して効率よく集光することができる。
【0012】
凹状のミラーとしては、例えば請求項3に記載のように、球面ミラーを採用することができる。球面ミラーの場合、焦点は存在しないが、入射角度によらずミラーの光軸とミラーによる反射光との交点位置のばらつきが小さい。そして、このばらつきを屈折体の効果によってさらに小さくすることができる。
【0013】
なお、本発明者が確認したところ、請求項4に記載のように、ミラーの曲率半径に対する、屈折体の入射面と対向面との光軸に沿う対向距離の比を、0.25以上、0.40以下の範囲内となるように構成すると、広い角度範囲(屈折体の入射面に対する入射角度の範囲)の光を効率よく集光できることが明らかとなった。
【0014】
また、請求項5に記載のように、凹状のミラーとして、放物面ミラーを採用することもできる。放物面ミラーの場合、屈折体のない構成においては、ミラーの光軸に平行な光を焦点に集光することができるものの、平行からずれた光のミラーによる反射光と光軸との交点位置のばらつきが大きい。しかしながら、屈折体の効果によってばらつきを小さくすることができるので、体格を大型化することなく広い角度範囲の光を検知することができる。
【0015】
なお、本発明者が確認したところ、請求項6に記載のように、ミラーの放物頂点における曲率半径に対する、屈折体の入射面と対向面との光軸に沿う対向距離の比を0.30以上、0.45以下の範囲内となるように構成すると、広い角度範囲の光を効率よく集光できることが明らかとなった。
【0016】
また、請求項7に記載のように、凹状のミラーとして、楕円面ミラーを採用することもできる。楕円面ミラーの場合、2つの焦点のうち、一方から光であれば、入射角度によらず他方の焦点に集光することができるものの、焦点を通らない光のミラーによる反射光と光軸との交点位置のばらつきが大きい。しかしながら、屈折体の効果によってばらつきを小さくすることができるので、体格を大型化することなく広い角度範囲の光を検知することができる。
【0017】
なお、本発明者が確認したところ、請求項8に記載のように、ミラーの楕円頂点における曲率半径に対する、屈折体の入射面と対向面との光軸に沿う対向距離の比を0.18以上、0.40以下の範囲内となるように構成すると、広い角度範囲の光を効率よく集光できることが明らかとなった。
【0018】
また、請求項9に記載のように、屈折体の対向面を、入射面と反対側に凸の曲面に対応するフレネル面とし、ミラーをフレネル面に沿うフレネルミラーとした構成としても良い。このようにフレネルミラーを採用すると、凹状のミラーと同様の効果を発揮しつつ、さらに受光器の体格を小型化することができる。
【0019】
なお、屈折体の入射面は、ミラーの光軸に対して垂直な平面としても良いし、請求項10に記載のように、曲面としても良い。具体的には、請求項11に記載のように、凹状又は凸状の曲面としても良いし、請求項12に記載のように、凹状の曲面部位と凸状の曲面部位を含む構成としても良い。このように、入射面を曲面とすると、ミラーの光軸に対して垂直な平面とは異なる入射角度範囲の光を、効率よく集光できる。さらには、請求項13に記載のように、屈折体の入射面をフレネル面としても、曲面と同様の効果を発揮しつつ、さらに受光器の体格を小型化することができる。
【0020】
屈折体の構成材料としては、例えば請求項14に記載のように、ガラスを採用することができる。それ以外にも、請求項15に記載の合成樹脂や、請求項16に記載の半導体材料を採用することができる。屈折体の成形しやすさ、光の波長、要求される屈折率等に応じて選択採用することができる。
【0021】
請求項17に記載のように、第1受光素子を、屈折体の入射面に固定した構成としても良い。これによれば、第1受光素子が直接又は固定部材を介して間接的に入射面と接触するので、入射面を基準として、第1受光素子の位置を容易に決定することができる。
【0022】
なお、第1受光素子が入射面と間接的に接触する構成においては、請求項18に記載のように、第1受光素子を、屈折体と同等の屈折率を有する接着剤を介して、入射面に固定した構成とすると良い。これによれば、受光面に到達する前に、屈折体と固定部材との間における反射を極力小さくすることができる。
【0023】
請求項19に記載のように、屈折体の入射面に反射防止膜が設けられ、第1受光素子が、反射防止膜上に配置された構成としても良い。これによれば、屈折体の表面で反射される光を低減する(屈折体内に入射される光を増加する)ことができるので、集光効率を向上することも可能である。
【0024】
請求項20に記載のように、第1受光素子を、受光面の裏面側から一部除去された薄肉部を有する構成としても良い。このように、第1受光素子を所謂トレンチ構造とすることで、受光面の裏面側から受光することも可能となる。すなわち、集光(受光)効率を向上することができる。
【0025】
請求項21に記載のように、第1受光素子とは異なる第2受光素子を備え、第2受光素子は、その受光面の裏面が第1受光素子の受光面の裏面と相対するように、第1受光素子に接触配置された構成としても良い。これによれば、第2受光素子によっても受光することができるので、受光素子によって屈折体の入射面を妨げる範囲を大きくすることなく、集光(受光)効率を向上することができる。なお、請求項22に記載のように、受光面の平面方向において、第2受光素子の面積が第1受光素子の面積よりも小さい構成とすると、第1受光素子の裏面のうち、露出された部位を配線スペースとして活用することができる。
【0026】
なお、請求項1〜22いずれか1項に記載の受信器は、体格を大型化することなく広い角度範囲の光を検知でき、且つ、受光素子の信頼性を向上することのできるものである。したがって、レーダ装置、特に車両用レーザレーダ装置に好適である。
【発明を実施するための最良の形態】
【0027】
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。
(第1実施形態)
先ず、第1実施形態に係る受光器が適用されるレーザレーダセンサの概略構成について説明する。図1は、レーザレーダセンサの一例を示す概略構成図である。なお、本発明においては受光器の構成に特徴があり、レーザレーダセンサを含むレーダ装置(図示略)については、例えば本出願人による特開2005−257405号公報等に記載されているので、詳細な説明は省略する。また、以下においては、レーダ装置が車両用レーダ装置として用いられる例について説明するが、本発明によるレーダ装置は車両用に限らず、例えば所定のエリアに対する侵入者検出のために用いることも可能である。
【0028】
図1に示すように、レーザレーダセンサ10は、レーザ光を照射する送光器20、反射物により反射された反射光を受信する受光器100、及びレーザレーダCPU30などを主要部として構成されている。
【0029】
送光器20は、パルス状のレーザ光を、レンズ21及びスキャナ22を介して放射するレーザダイオード25を備えている。そして、レーザダイオード25は、レーザダイオード駆動回路26を介してレーザレーダCPU30に接続され、レーザレーダCPU30からの駆動信号によりレーザ光を放射(発光)する。また、スキャナ22にはポリゴンミラー23が鉛直軸を中心に回転可能に設けられ、レーザレーダCPU30からの駆動信号がモータ駆動回路24に入力されると、このポリゴンミラー23は図示しないモータの駆動力により回転する。なお、このモータの回転位置は、モータ回転位置センサ27によって検出され、レーザレーダCPU30に出力される。本実施形態のポリゴンミラー23は、面倒れ角が異なる6つのミラーを備えているため、車幅方向及び車高方向それぞれの所定角度の範囲で不連続にレーザ光が走査するように、レーザ光を出力することができる。しかしながら、スキャン方式にこだわる必要はなく、距離以外に2方位を測定できる方式であればよい。
【0030】
受光器100は、図示しない反射物(例えば先行車両のリフレクタ)に反射されたレーザ光を集光する集光部材110と、集光された反射光の強度に対応する電圧信号(受光信号)を出力する受光素子(フォトダイオード)120とを備えている。この受光器100の構成については後述する。なお、受光素子120が出力する受光信号は、増幅器40にて増幅された後に検出回路41に入力される。そして、検出回路41にて所定処理された後、レーザレーダCPU30に出力され、レーザ光が照射されてから反射光が受光されるまでの時間に基づいて、反射物までの距離が検出され、レーザ光の照射角度に基づいて、反射物の方向が検出される。この検出結果は、認識・車間制御ECUに出力され、検出結果に基づいて車両が制御される。
【0031】
次に、受光器100について、図2を用いて説明する。図2は、受光器100の概略構成を示す図であり、(a)は入射面側から見た平面図、(b)は(a)のA−A線に沿う断面図である。
【0032】
上述したように受光器100は、集光部材110と受光素子120とを備えており、集光部材110は、屈折体111とミラー112から構成されている。なお、受光素子120が、特許請求の範囲に記載の第1受光素子に相当する。
【0033】
屈折体111は、図2(b)に示すように、外部(本実施形態においては車両外部)からの光(本実施形態においては、送光器20から放射されたレーザ光の、反射物による反射光)を、屈折角θrが入射角θiよりも小さくなるように屈折させるものである。このような屈折体111の構成材料としては、周囲雰囲気(本実施形態においては空気)よりも屈折率の大きい(換言すれば絶対屈折率が1よりも大きい)公知の材料を、屈折体111の形状(成形のしやすさ)、入射光の波長、要求される屈折率等に応じて、適宜選択して採用することができる。例えばガラスや合成樹脂、シリコンやゲルマニウム等の半導体材料等を採用することができる。本実施形態においてはガラスを採用している。
【0034】
本実施形態に係る屈折体111は、図2(a),(b)に示すように、円柱状の部分を有しており、円柱部分の端面(ミラー112の光軸に対して垂直な平面)が、外部からの光の入射面111aとされている。また、入射面111aと対向する対向面111bが、入射面111aと反対側に凸の曲面、より具体的には球面とされている。このような形状の屈折体111は、円柱状の部材を研磨することや、成型(プレス、射出)により形成することができる。なお、円柱部分は屈折体111を把持するのに好適であるが、受光器100としての機能上、必ずしも必要ではない。
【0035】
ミラー112は、屈折体111の対向面111bの表面に設けられ、入射面111aを通して屈折体111に入射された光の少なくとも一部を、受光素子120に向けて反射するものである。このようなミラー112の構成材料としては、外部からの光を反射できる材料であれば採用することができる。例えばAl、Ag,Auを蒸着等により対向面111b表面に堆積させることで構成することができる。多層膜としても良い。
【0036】
本実施形態に係るミラー112は、図2(b)に示すように、入射面111aと反対側に凸の球面状とされた屈折体111の対向面111bの表面に設けられている。すなわち、対向面111bに沿う凹状のミラー112として構成されている。このように、凹状のミラー112とすると、受光素子120に対して効率よく集光することができる。また、本実施形態においては、ミラー112が球面ミラーである。球面の場合、焦点は存在しないが、入射角θiによらずミラー112の光軸(図2(b)に示す2点鎖線)とミラー112による反射光との交点位置のばらつきが、他形状(放物面や楕円面)に比べて小さい。したがって、広い角度範囲(入射角θiの範囲が広い)の光を検知するのに適している。
【0037】
受光素子120は、半導体基板に構成されたフォトダイオードであり、屈折体111の入射面111a上に、受光面121を入射面111a側に向けて配置されている。その配置位置は、入射面111a上であれば特に限定されるものではない。受光素子120は、入射面111aには固定されずに、入射面111a上に浮いて配置された構成としても良いが、好ましくは、直接又は固定部材を介して入射面111aと接触し、屈折体111の入射面111aに固定されると良い。この場合、入射面111aを基準として、受光素子120の位置を容易に決定することができる。
【0038】
なお、本実施形態においては、図2(b)に示すように、矩形状の受光面121を有する受光素子120が、接着剤130を介して、光軸と重なる入射面111aの位置に固定されている。また、接着剤130として、屈折体111と同等の屈折率を有する材料(例えばシリコン系接着剤)からなるものを採用している。このように、受光素子120が入射面111aと固定部材を介して間接的に接触する構成においては、固定部材として屈折体111と同等の屈折率を有するものを採用すると、受光面121に到達する前に、屈折体111と固定部材(本実施形態においては接着剤130)との間における反射を極力小さくすることができる。
【0039】
次に、上述した受光器100の作用・効果について、図3を用いて説明する。図3は、屈折体111の効果を示す図である。図3に示すように、外部からの光は、外部(例えば空気)よりも屈折率の大きな材料からなる屈折体111によって、入射角θiよりも小さい角度θrで屈折される。すなわち、ミラー112の光軸に対して角度のついた光は、屈折体111によって屈折されることにより、屈折前の状態よりも光軸に対して平行に近づく。特に入射角θiが大きい光ほど、図3に示すように屈折体111による屈折作用を強く受ける(スネルの法則)。外部からの光の一部は屈折体111の入射面111aで反射されるため集光ロスとなるが、入射角θiが大きいものほど、屈折作用による効果が反射ロスを上回り、集光効率が向上する。したがって、屈折体111のない構成と比べて、ミラー112で反射して受光素子120に集光できる角度範囲(屈折体111の入射面111aに対する入射角θiの範囲)を、図3に示すように角度差θd分、広げることができる。また、ミラー112によって集光するので、集光レンズのようにレンズ収差の問題は生じない。さらには、図示されないが、ミラー112での1回目の反射で受光素子120に入射されなかった光も、屈折体111と外部(空気)又は屈折体111とミラー112との間で反射を繰り返し、受光素子120に入射される。
【0040】
このように、本実施形態に係る受光器100によれば、体格を大型化することなく広い角度範囲の光を検知することができる。また、集光効率が高いので、同一の角度範囲であれば、屈折体111のない構成と比べて、受光素子120(受光面121)の面積を小さくすることができる。さらには、受光器100を従来のように高温環境下に配置しない(照明灯と一体的に構成しない)ので、受光素子120の信頼性を向上することができる。したがって、レーザレーダセンサ10を含むレーダ装置に好適である。
【0041】
なお、本発明者は、ミラー112の曲率半径に対する、屈折体111の入射面111aと対向面111bとの光軸に沿う対向距離L1(図2(b)参照)の比(屈折体111の厚さの比)と、受光器100の集光効率との関係について確認した。その結果を図4に示す。図4は、屈折体111の厚さ比と集光効率との関係を示す図である。なお、確認に際しては、ミラー112の曲率半径を8mm、屈折体111の円形入射面111aの直径を10mm、受光面方向の受光素子120の大きさを3mm角とした。また、送信から受信までのトータルの集光効率として10%を確保するため、例えばレーザポインタからの光のように、ビーム径を絞って(平行光に近い状態で)送信した場合において、送信から反射物に反射されて受信までの間に50%程度のロスが生じることを考慮し、受光器100における集光効率を20%以上確保できる範囲を、受光素子120が感度良く検知できるものとした。図4に示すように、屈折体111の厚さの比が、0.25以上、0.40以下の範囲内となるように受光器100を構成すると、広い角度範囲(屈折体111の入射面111aに対する入射角θiの範囲)の光を効率よく集光できる(受光素子120が感度良く検知できる)ことが明らかとなった。なお、図4において、入射角θiが0°の場合、集光効率の最大値が100%とならないのは、受光素子120による遮光と屈折体111の入射面111aでの反射によるものである。
【0042】
また、本実施形態においては、屈折体111の入射面111aを円形状とし、入射面111a上に配置される受光素子120の受光面121を矩形状とする例を示した。しかしながら、それぞれの形状は上記例に限定されるものではない。
【0043】
また、本実施形態においては、受光素子120が、光軸と重なる入射面111aの位置に固定される例を示した。しかしながら、受光素子120の配置位置は、上記例に限定されるものではない。使用環境に応じて、受光素子120を光軸からずれた入射面111aの位置に固定されても良い。
【0044】
また、本実施形態においては、屈折体111の入射面111aが、光軸に対して垂直な平面である例を示した。しかしながら、入射面111aの形状は、上記例に限定されるものではない。例えば、図5(a)に示すように、凹状の入射面111aとしても良いし、図5(b)に示すように、凸状の入射面111aとしても良い。さらには、図5(c)に示すように、凹状部位と凸状部位を含む入射面111aとしても良い。このように、入射面111aを曲面とすると、入射面111aがミラー112の光軸に対して垂直な平面の場合とは異なる角度範囲の光を、効率よく集光できる。特に、図5(c)に示すように、光軸を挟んで凹凸が替わる構成とすると角度範囲が光軸対象ではなく、片側に偏っている場合に、集光効率を向上し、広い角度範囲の光を検知することができる。図5は、受光器100の変形例を示す断面図であり、(a)は凹状の入射面111a、(b)は凸状の入射面111a、(c)は凹状部位と凸状部位を含む入射面111aを有している。図5(a)〜(c)は、図2(b)に対応している。なお、図5(a),(b)においては、集光効率を向上するために、受光素子120の配置を光軸からずらしている。
【0045】
さらには、屈折体111の入射面111aを、図6に示すようにフレネル面としても良い。このような構成とすると、上述した曲面と同様の効果を発揮しつつ、さらに受光器100の体格(光軸に沿う方向)を小型化することができる。図6は、受光器100の変形例を示す断面図であり、フレネル面は、図5(b)に示す凸状の入射面111aに対応している。
【0046】
(第2実施形態)
次に、本発明の第2実施形態を、図7に基づいて説明する。図7は、本発明の第2実施形態に係る受光器100の概略構成を示す断面図であり、第1実施形態に示した図2(b)に対応している。なお、図7においては、接着剤130を省略して図示している。
【0047】
本実施形態においては、図7に示すように、屈折体111の対向面111bを放物面とし、凹状のミラー112を、放物面ミラー112とする点を特徴とする。より具体的には、放物面ミラー112とその焦点との間に、矩形状の受光面121を有する受光素子120が、光軸と重なる入射面111aの位置に固定されている。
【0048】
このような構成を採用した場合、第1実施形態に示した球面ミラー同様、外部からの光は、外部(例えば空気)よりも屈折率の大きな材料からなる屈折体111によって、図7に示すように入射角θiよりも小さい角度θrで屈折される。すなわち、ミラー112の光軸に対して角度のついた光は、屈折体111によって屈折されることにより、屈折前の状態よりも光軸に対して平行に近づき、ミラー112による反射光と光軸との交点位置のばらつきが小さくなる(交点位置が焦点付近となる)。外部からの光の一部は屈折体111の入射面111aで反射されるため集光ロスとなるが、入射角θiが大きいものほど、屈折作用による効果が反射ロスを上回り、集光効率が向上する。したがって、屈折体111のない構成と比べて、ミラー112で反射して受光素子120に集光できる角度範囲(屈折体111の入射面111aに対する入射角θiの範囲)を広げることができる。また、ミラー112によって集光するので、集光レンズのようにレンズ収差の問題は生じない。さらには、図示されないが、1回目のミラー112での反射で受光素子120に入射されなかった光も、屈折体111と外部(空気)又は屈折体111とミラー112との間で反射を繰り返し、受光素子120に入射される。
【0049】
このように、本実施形態に係る受光器100によれば、屈折体111のない構成において、ミラー112の光軸に平行な光を焦点に集光することができるものの、平行からずれた光のミラー112による反射光と光軸との交点位置のばらつきが大きい放物面ミラー112を採用する構成でありながら、第1実施形態に係る受光器100同様、体格を大型化することなく広い角度範囲の光を検知することができる。また、集光効率が高いので、同一の角度範囲であれば、屈折体111のない構成と比べて、受光素子120(受光面121)の面積を小さくすることができる。さらには、受光器100を従来のように高温環境下に配置しない(照明灯と一体的に構成しない)ので、受光素子120の信頼性を向上することができる。したがって、レーザレーダセンサ10を含むレーダ装置に好適である。
【0050】
なお、本発明者は、ミラー112の放物頂点における曲率半径に対する、屈折体111の入射面111aと対向面111bとの光軸に沿う対向距離L2の比(屈折体111の厚さの比)と、受光器100の集光効率との関係について確認した。その結果を図8に示す。図8は、屈折体111の厚さ比と集光効率との関係を示す図である。なお、確認に際しては、ミラー112の曲率半径を6mm、屈折体111の円形入射面111aの直径を10mm、受光面方向の受光素子120の大きさを3mm角とした。また、送信から受信までのトータルの集光効率として10%を確保するため、例えばレーザポインタからの光のように、ビーム径を絞って(平行光に近い状態で)送信した場合において、送信から反射物に反射されて受信までの間に50%程度のロスが生じることを考慮し、受光器100における集光効率を20%以上確保できる範囲を、受光素子120が感度良く検知できるものとした。図8に示すように、屈折体111の厚さの比が、0.30以上、0.45以下の範囲内となるように受光器100を構成すると、広い角度範囲(屈折体111の入射面111aに対する入射角θiの範囲)の光を効率よく集光できる(受光素子120が感度良く検知できる)ことが明らかとなった。
【0051】
また、本実施形態においては、広い角度範囲の光を検出する構成について説明した。しかしながら、放物面ミラー112は、ミラー112の光軸に平行な光を焦点に集光することができる。すなわち、入射角θiの小さい光に対しては、ミラー112の光軸とミラー112による反射光との交点位置のばらつきが小さく、このばらつきを屈折体111の効果によってさらに小さくすることができる。したがって、角度範囲の狭い光においては、受光素子120をミラー112の焦点位置に配置することで、効率よく検知することができる。
【0052】
また、本実施形態においては、屈折体111の入射面111aを円形状とし、入射面111a上に配置される受光素子120の受光面121を矩形状とする例を示した。しかしながら、それぞれの形状は上記例に限定されるものではない。
【0053】
また、本実施形態においては、受光素子120が、光軸と重なる入射面111aの位置に固定される例を示した。しかしながら、受光素子120の配置位置は、上記例に限定されるものではない。使用環境に応じて、受光素子120を光軸からずれた入射面111aの位置に固定されても良い。
【0054】
また、本実施形態においては、屈折体111の入射面111aが、光軸に対して垂直な平面である例を示した。しかしながら、第1実施形態の図5(a)〜(c)に示したように、入射面111aを曲面としても良い。さらには、第1実施形態の図6に示したように、フレネル面としても良い。
【0055】
(第3実施形態)
次に、本発明の第3実施形態を、図9に基づいて説明する。図9は、本発明の第3実施形態に係る受光器100の概略構成を示す断面図であり、第1実施形態に示した図2(b)に対応している。なお、図9においては、接着剤130を省略して図示している。
【0056】
本実施形態においては、図9に示すように、屈折体111の対向面111bを楕円面(図9においてはミラー面が短軸と交わる偏楕円面)とし、凹状のミラー112を、楕円面ミラー112とする点を特徴とする。そして、矩形状の受光面121を有する受光素子120が、光軸と重なる入射面111aの位置に固定されている。
【0057】
このような構成を採用した場合、第1実施形態に示した球面ミラー同様、外部からの光は、外部(例えば空気)よりも屈折率の大きな材料からなる屈折体111によって、図9に示すように入射角θiよりも小さい角度θrで屈折される。すなわち、ミラー112の光軸に対して角度のついた光は、屈折体111によって屈折されることにより、屈折前の状態よりも光軸に対して平行に近づき、ミラー112による反射光と光軸との交点位置のばらつきが小さくなる(交点位置が焦点付近となる)。外部からの光の一部は屈折体111の入射面111aで反射されるため集光ロスとなるが、入射角θiが大きいものほど、屈折作用による効果が反射ロスを上回り、集光効率が向上する。したがって、屈折体111のない構成と比べて、ミラー112で反射して受光素子120に集光できる角度範囲(屈折体111の入射面111aに対する入射角θiの範囲)を広げることができる。また、ミラー112によって集光するので、集光レンズのようにレンズ収差の問題は生じない。さらには、図示されないが、ミラー112での1回目の反射で受光素子120に入射されなかった光も、屈折体111と外部(空気)又は屈折体111とミラー112との間で反射を繰り返し、受光素子120に入射される。
【0058】
このように、本実施形態に係る受光器100によれば、屈折体111のない構成において、2つの焦点のうち、一方から光であれば、入射角θiによらず他方の焦点に反射することができるものの、焦点を通らない光のミラー112による反射光と光軸との交点位置のばらつきが大きい楕円面ミラー112を採用する構成でありながら、第1実施形態に係る受光器100同様、体格を大型化することなく広い角度範囲の光を検知することができる。また、集光効率が高いので、同一の角度範囲であれば、屈折体111のない構成と比べて、受光素子120(受光面121)の面積を小さくすることができる。さらには、受光器100を従来のように高温環境下に配置しない(照明灯と一体的に構成しない)ので、受光素子120の信頼性を向上することができる。したがって、レーザレーダセンサ10を含むレーダ装置に好適である。
【0059】
なお、本発明者は、ミラー112の楕円頂点における曲率半径に対する、屈折体111の入射面111aと対向面111bとの光軸に沿う対向距離L3の比(屈折体111の厚さの比)と、受光器100の集光効率との関係について確認した。その結果を図10に示す。図10は、屈折体111の厚さ比と集光効率との関係を示す図である。なお、確認に際しては、ミラー112の曲率半径を8mm、屈折体111の円形入射面111aの直径を10mm、受光面方向の受光素子120の大きさを3mm角とした。また、送信から受信までのトータルの集光効率として10%を確保するため、例えばレーザポインタからの光のように、ビーム径を絞って(平行光に近い状態で)送信した場合において、送信から反射物に反射されて受信までの間に50%程度のロスが生じることを考慮し、受光器100における集光効率を20%以上確保できる範囲を、受光素子120が感度良く検知できるものとした。図10に示すように、屈折体111の厚さの比が、0.18以上、0.40以下の範囲内となるように受光器100を構成すると、広い角度範囲(屈折体111の入射面111aに対する入射角θiの範囲)の光を効率よく集光できる(受光素子120が感度良く検知できる)ことが明らかとなった。
【0060】
また、本実施形態においては、屈折体111の入射面111aを円形状とし、入射面111a上に配置される受光素子120の受光面121を矩形状とする例を示した。しかしながら、それぞれの形状は上記例に限定されるものではない。
【0061】
また、本実施形態においては、受光素子120が、光軸と重なる入射面111aの位置に固定される例を示した。しかしながら、受光素子120の配置位置は、上記例に限定されるものではない。使用環境に応じて、受光素子120を光軸からずれた入射面111aの位置に固定されても良い。楕円面ミラー112は、2つの焦点のうち、一方から光であれば、入射角θiによらず他方の焦点に反射することができる。したがって、図11に示すように、受光素子120の配置位置を、屈折体111の入射面上であってミラー112による反射光の焦点への光路上に設けても良い。これにより、広い角度範囲の光を効率よく集光することができる。図11は、受光器100の変形例を示す断面図である。
【0062】
また、本実施形態においては、屈折体111の入射面111aが、光軸に対して垂直な平面である例を示した。しかしながら、第1実施形態の図5(a)〜(c)に示したように、入射面111aを曲面としても良い。さらには、第1実施形態の図6に示したように、フレネル面としても良い。
【0063】
また、本実施形態においては、図9に示すように、偏楕円面ミラーを示した。しかしながら、偏楕円面以外の楕円面ミラー(ミラー面が長軸と交わる楕円面)を採用することもできる。
【0064】
(第4実施形態)
次に、本発明の第4実施形態を、図12に基づいて説明する。図12は、本発明の第4実施形態に係る受光器100の概略構成を示す断面図であり、第1実施形態に示した図2(b)に対応している。なお、図12においては、接着剤130を省略して図示している。
【0065】
本実施形態においては、図12に示すように、屈折体111の対向面111bを入射面111aと反対側に凸の曲面に対応するフレネル面とし、ミラー112をフレネル面に沿うフレネルミラー112とする点を特徴とする。そして、矩形状の受光面121を有する受光素子120が、光軸と重なる入射面111aの位置に固定されている。なお、本実施形態においては、第1実施形態に示した曲面に対応して対向面111bがフレネル面とされ、ミラー112がフレネルミラー112とされている。
【0066】
このように、フレネルミラー112を採用した受光器100においても、第1〜第3の各実施形態に示した凹状のミラー112と同様の効果を期待することができる。また、凹状のミラー112を備える受光器100よりも、光軸に沿う方向の体格を小型化することができる。
【0067】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態になんら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々変形して実施することが可能である。
【0068】
本実施形態においては、接着剤130を介して受光素子120を屈折体111の入射面111aに固定する例を示した。しかしながら、受光素子120は、少なくとも入射面111a上に配置されていれば良い。したがって、図13に示すように、屈折体111の入射面111aの表面に反射防止膜140を設け、受光素子120を反射防止膜140に対して固定しても良い。このように、反射防止膜140を設けると、屈折体111の表面(例えば空気と入射面111aとの間)で反射される光を低減する(屈折体111内に入射される光を増加する)ことができる。すなわち、集光効率を向上することも可能である。なお、反射防止膜140の構成は、送光器20から放射されるレーザ光の波長に応じて設定されれば良い。図13は、受光器100のその他変形例を示す断面図である。
【0069】
また、本実施形態においては、受光素子120として半導体基板に構成されたフォトダイオードを採用し、屈折体111の入射面111a上に、受光面121を入射面111a側に向けて配置される例を示した。すなわち、受光面121側からのみ受光する例を示した。しかしながら、図14に示すように、受光素子120を受光面121の裏面122側から一部除去され、光検知部位が薄肉部123とされた構成としても良い。このように、受光素子120を所謂トレンチ構造とすると、受光面121の裏面122側から受光することも可能となり、集光(受光)効率を向上することができる。図14は、受光器100のその他変形例を示す断面図である。
【0070】
また、本実施形態においては、1つの受光素子120のみが屈折体111の入射面111a上に配置される例を示した。しかしながら、複数の受光素子120が入射面111a上に配置されても良い。しかしながら、複数の受光素子120を入射面111a上の異なる部位にそれぞれ配置すると、外部からの光を複数の受光素子120が遮ることとなり、屈折体111による効果が低減される。そこで、例えば2つの受光素子120a,120bを備える構成において、図15(a)に示すように、受光面121aを入射面111a側に向けて配置された第1受光素子120aに対し、受光面121bが入射面111aとは反対側に向くように(受光面121bの裏面が第1受光素子120aの受光面121aの裏面と相対するように)、第2受光素子120bが第1受光素子120aに接触配置された構成としても良い。このように、2つの受光素子120a,120bを積層した構成とすると、受光素子120によって屈折体111の入射面111aを妨げる範囲を大きくすることなく、集光(受光)効率を向上することができる。なお、図15(b)に示すように、光軸に垂直な方向において、第2受光素子120bの面積を第1受光素子120aの面積よりも小さい構成とすると、第1受光素子120aの受光面121aの裏面のうち、露出された部位を配線スペースとして活用することができる。図15は、(a),(b)ともに、受光器100のその他変形例を示す断面図である。
【図面の簡単な説明】
【0071】
【図1】レーザレーダセンサの概略構成を示す図である。
【図2】第1実施形態に係る受光器の概略構成を示す図であり、(a)は入射面側から見た平面図、(b)は(a)のA−A線に沿う断面図である。
【図3】屈折体の効果を示す図である。
【図4】屈折体の厚さ比と集光効率との関係を示す図である。
【図5】受光器の変形例を示す断面図であり、(a)は凹状の入射面、(b)は凸状の入射面、(c)は凹状部位と凸状部位を含む入射面を有している。
【図6】受光器の変形例を示す断面図である。
【図7】第2実施形態に係る受光器の概略構成を示す断面図である。
【図8】屈折体の厚さ比と集光効率との関係を示す図である。
【図9】第3実施形態に係る受光器の概略構成を示す断面図である。
【図10】屈折体の厚さ比と集光効率との関係を示す図である。
【図11】受光器の変形例を示す断面図である。
【図12】第4実施形態に係る受光器の概略構成を示す断面図である。
【図13】受光器のその他変形例を示す断面図である。
【図14】受光器のその他変形例を示す断面図である。
【図15】(a),(b)ともに、受光器のその他変形例を示す断面図である。
【符号の説明】
【0072】
10・・・レーザレーダセンサ
100・・・受光器
110・・・集光部材
111・・・屈折体
111a・・・入射面
112・・・ミラー
120・・・受光素子
121・・・受光面
【出願人】 【識別番号】000004260
【氏名又は名称】株式会社デンソー
【出願日】 平成18年6月27日(2006.6.27)
【代理人】 【識別番号】100106149
【弁理士】
【氏名又は名称】矢作 和行

【識別番号】100121991
【弁理士】
【氏名又は名称】野々部 泰平


【公開番号】 特開2008−8678(P2008−8678A)
【公開日】 平成20年1月17日(2008.1.17)
【出願番号】 特願2006−177106(P2006−177106)