JP2001174326A

JP2001174326A - 受光装置

Info

Publication number: JP2001174326A
Application number: JP35649099A
Authority: JP
Inventors: Koya Izeki; 孝弥井関
Original assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Current assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Priority date: 1999-12-15
Filing date: 1999-12-15
Publication date: 2001-06-29

Abstract

(57)【要約】【課題】簡易かつ信頼性の高い構成で、限られた受光
面積の受光素子に多くの光を集光して高い受光感度が得
られる受光装置を提供する。【解決手段】円筒部１１にハンドル１２が付いて、円
筒部１１の前方中央には前方向にレーザ光を出射する半
導体レーザ１３を固設し、反射レーザ光を集光するため
半導体レーザ１３の周囲を囲むようにフレネルレンズか
ら成る集光レンズ１４を配置する。円筒部１１の後方中
央には受信した光を電気信号に変換するフォトダイオー
ド１５を固設し、その直前の位置に集光器１６を配置す
る。集光器１６により焦点ずれしてフォトダイオード１
５から外れる光線もフォトダイオード１５に入射させる
ことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高い受光効率が得
られる受光装置に関し、特に、近距離からの光に対して
著しく高い受光効率が得られる受光装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、レーザを使って気体の存在を検知
する又は気体の濃度を測定することが行われている。光
を特によく吸収する波長が各気体に特有に存在すること
が知られており、その波長の光の減衰量によってその気
体の存在を検出する又はその気体の濃度を測定すること
ができる。

【０００３】これに関連する公知文献として特開平５−
７９９７６号公報には、光吸収中心波長の前後に周波数
ｆで光を周波数変調すると共に同周波数ｆで振幅変調し
て送信し、受信する光の周波数２ｆ成分であるＩ2f（光
の強度と気体の濃度に比例する）と周波数ｆ成分である
Ｉf（光の強度に比例する）との比Ｉ2f／Ｉfから気体の
濃度を測定するガス濃度測定装置が記載されている。こ
こで濃度とは注目する気体の分圧と大気の全圧との比の
ことである。

【０００４】図５は、レーザ光の発振周波数と受光素子
の出力との関係を示す図である。ここでは、メタンの赤
外線吸収現象を利用して、メタンを検知する場合の原理
を示す。メタンの吸収線に波長安定化した半導体レーザ
を照射し、受光することで、光路上のメタンを検知す
る。その際に、上述のように半導体レーザの周波数を周
波数ｆで変調することで、周波数２ｆ成分を受光するこ
とができる。この周波数２ｆ成分は照射半導体レーザの
強度とメタンの濃度に比例するので、メタンの濃度を測
定することができる。

【０００５】このようなガス濃度測定装置のハンディ型
として、持ち歩きできるものがある。このハンディ型
は、レーザ光を壁や床などの標的に照射して標的からの
後方散乱光を受信して人が行けないような所望の遠隔地
点に狙いを定めてガス濃度測定をするものである。この
場合、受信光が微弱になるため、通常は適当な距離に焦
点を合わせた集光レンズを用いて受信光を集めることで
感度を上げている。

【０００６】図６は、従来技術を説明する図である。半
導体レーザ１３からの光を標的２１に向けて照射し、そ
の標的２１から反射散乱してくる光を集光レンズ１４で
集めて、受光素子であるフォトダイオード１５で受光す
る。このときの、受光効率Ａ（＝受光強度／出射強度）
は、

【０００７】

【数１】Ａ＝ρη(Ｒ)Ａo／Ｒ² （１） ρ：標的の単位立体角当たりの反射率（／sr） η(Ｒ)：光学系効率（＝受光強度／集光レンズ入射強
度）Ａo：集光レンズ面積（ｍ²）Ｒ：集光レンズから標的までの距離（ｍ）ここで、

【０００８】

【数２】１／ｆ＝(１／Ｒ)＋(１／Ｌ) （２）ｆ：集光レンズの焦点距離（ｍ）Ｌ：集光レンズから標的の像までの距離（ｍ）

【０００９】式（１）に示すように、標的までの距離Ｒ
が大きくなるに従って、標的から集光レンズを見込む立
体角（＝Ａo／Ｒ²）は、Ｒの２乗に比例して小さくな
り、その分だけ受光効率が下がる。そこで、従来のハン
ディ遠隔ガス検知器では、例えば１０ｍの範囲のガス検
知に対して約６ｍ離れた標的に焦点を合わせてその像の
位置にフォトダイオードをおいて、遠距離の標的に対す
る光学系の効率を上げるように設計している。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかし、逆に近距離の
標的に対しては、焦点がずれて像の位置とフォトダイオ
ードの位置が大きく異なってしまうため、光学系の効率
が極めて小さくなり、受光効率も遠距離の標的よりかえ
って小さくなってしまう。近距離の標的に対しても焦点
を合わせるためにオートフォーカス機構を採用すると、
オートフォーカス特有の問題として、近くに標的が存在
する場合にその近くの標的に焦点が合ってしまって遠く
の標的に対する感度が低くなってしまううえ、フォーカ
シングに時間がかかって瞬時に測定することができず、
さらに、構造が複雑になり、故障の原因を増やして、信
頼性に欠ける。また、焦点ずれした光を受光するために
受光素子であるフォトダイオードの受光面積を大きくす
ると、フォトダイオードが高価になるとともに熱雑音に
よるノイズが増えてしまう。

【００１１】本発明は、上記問題点に鑑み、簡易かつ信
頼性の高い構成で、限られた受光面積の受光素子に多く
の光を集光して高い受光感度が得られる受光装置を提供
することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明の受光装置は、受
信する光を電気信号に変換する受光素子と、該受光素子
の前に配置され円錐台形の光学通路を形成して受信する
光を集光する集光器と、を備えるものである。

【００１３】また、前記集光器は、金属の表面で光を反
射させて円錐台形の光学通路を形成することで、簡易に
製造できて、軽量にすることができる。さらに、前記集
光器は、ガラスの内面で光を反射させて円錐台形の光学
通路を形成することで、更に簡易に製造することができ
る。

【００１４】また、受信する光を集光する集光レンズを
更に備え、前記集光器は前記集光レンズで集光された光
を更に集光するものであることで、集光レンズからの光
を効率的に集光することができる。

【００１５】また、前記集光器は、前記集光レンズから
の光が直接に受光素子に至るのを遮らない位置に配置さ
れていることで、集光レンズで集光する光をすべて受光
素子に入射するとともに、集光しきれない光も受光素子
に入射させることができる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照しながら本
発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。図１
は、本発明の一実施の形態としてガス濃度測定装置の構
成を示す図である。全体構成の大枠となる円筒部１１に
ハンドル１２が付いて持ち運べるようになっている。円
筒部１１の前方中央には前方向にレーザ光を出射する半
導体レーザ１３を固設し、反射レーザ光を集光するため
半導体レーザ１３の周囲を囲むようにフレネルレンズか
ら成る集光レンズ１４を配置する。また、円筒部１１の
後方中央には受信した光を電気信号に変換するフォトダ
イオード１５を固設し、その直前の位置にフォトダイオ
ード１５との間に微調整のためのすき間を設けて集光器
１６を配置する。

【００１７】図２は、図１の部分拡大図であり、集光器
１６とフォトダイオード１５を示す図である。集光器１
６の内側は円錐台の形状をしている。集光器１６は集光
レンズ１４の開口端とフォトダイオード１５とを結ぶ直
線を遮らない位置が望ましい。すなわち、集光器１６は
フォトダイオード１５から集光レンズ１４の開口を見込
む角度以上に開いていることが望ましい。集光器１６は
焦点ずれによってフォトダイオード１５から少し外れる
光線をフォトダイオード１５に入射させるものであるの
で、集光レンズ１４からフォトダイオード１５までの全
長を覆うものである必要はなく、フォトダイオード１５
の直前の部分だけに存在すればよい。すなわち、集光器
１６は集光レンズ１４とフォトダイオード１５の間の距
離の１／５〜１／２０の長さ、好ましくは１／１０程度
の長さを有するものがよい。これよりも長い場合には、
製造が困難になるとともに、重量が重くなって扱いにく
くなる。また、これよりも短い場合には、集光の機能が
十分に生かされない。

【００１８】図３は、受信した光が集光器によって集光
される動作を説明する図である。図３(a)は、本実施の
形態の集光器１６によって、受信した光が集光されるこ
とを示す図である。焦点ずれのために、集光器１６がな
ければ外側に行ってしまう光線Ｋが、集光器１６の内壁
で反射してフォトダイオード１５に入射することが示さ
れている。この集光器１６はアルミ削り出しの円錐台形
の孔の内面に金を蒸着することで簡単に製造することが
できる。図３(b)は、集光器の他の例を示す図である。
この例は、ガラス１７を円錐台形に研磨して両端面に無
反射コーティングを施したものである。ガラス内面で全
反射されるので、集光効果が得られる。上述の内面鏡型
よりもさらに作成が簡単である。図３(a)と同様に、ガ
ラス１７がなければ外側に行ってしまう光線Ｋが、ガラ
ス１７の内面で全反射してフォトダイオード１５に入射
することが示されている。

【００１９】図４は、集光器により受光効率が上がるこ
とを示す実験データを示すグラフである。横軸が標的ま
での距離Ｒ（ｍ）に対する縦軸が受光効率Ａを示す。こ
こで、標的には硫酸バリウム（ＢaＳＯ₄）を用いてレー
ザ光を垂直入射させた。受光面は、図２に示すように直
径２ｍｍの円形で、集光器の全長は３０ｍｍ、前方開口
は直径１８ｍｍ、後方開口は直径４ｍｍのそれぞれ円形
のものを用いた。

【００２０】集光レンズ開口は直径１２０ｍｍ、集光レ
ンズとフォトダイオードまでの距離Ｌ＝２６８（＝２６
５＋３）ｍｍである。図４から、集光器が存在すること
によって、近距離において著しく受光効率が上がること
が分かる。例えば、距離Ｒ＝１ｍにおいては受光効率が
５倍以上高くなっている。また、遠距離においても、受
光効率が上がっている。これは、遠距離において焦点ず
れした光が集光されるためと考えられる。さらに、合焦
位置である６ｍの位置においてもわずかに受光効率は上
がっている。これは、レンズの収差及び回折により広が
った光が集光されるためと考えられる。

【００２１】なお、本発明は上記実施の形態に限定され
るものではない。ガス濃度計ではなく、光の伝播時間か
ら距離を測定する距離計、光の吸収率によって光路上の
温度を測定する温度計、光のドップラー効果によって風
向きを測定する風向計、若しくは、有線又は無線光通信
の受信機などであってもよい。

【００２２】さらに、図４に示すように合焦位置からの
光の受光効率も高めることができるので、反射型ではな
く、送光器と受光器とを異なる位置に固定した透過型の
場合であってもよい。

【００２３】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、受光装
置における受光効率を高めることができる。特に、近距
離からの受光に対する受光効率を著しく高めることがで
きる。また、オートフォーカスを使わずに広い範囲の距
離からの光を効率よく受信するので、手前に格子が存在
しその先に壁が存在するような場合でも手前の格子から
の反射光とその先の壁からの反射光の両方を効率よく、
しかも瞬時に受光することができる。さらに、受光素子
の受光面積を広げずに受光光量を増やすものであるの
で、受光素子の熱雑音を増やさずに信号成分のみを増や
すことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態としてガス濃度測定装置
の構成を示す図である。

【図２】図１の部分拡大図である。

【図３】受信した光が集光器によって集光される動作を
説明する図である。

【図４】集光器により受光効率が上がることを示す実験
データを示すグラフである。

【図５】レーザ光の発振周波数と受光素子の出力との関
係を示す図である。

【図６】従来技術を説明する図である。

【符号の説明】

１１円筒部１２ハンドル１３半導体レーザ１４集光レンズ１５フォトダイオード（受光素子）１６集光器１７ガラス（集光器）２１標的

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】受信する光を電気信号に変換する受光素
子と、該受光素子の前に配置され円錐台形の光学通路を
形成して受信する光を集光する集光器と、を備えること
を特徴とする受光装置。
【請求項２】前記集光器は、金属の表面で光を反射さ
せて円錐台形の光学通路を形成することを特徴とする請
求項１記載の受光装置。
【請求項３】前記集光器は、ガラスの内面で光を反射
させて円錐台形の光学通路を形成することを特徴とする
請求項１記載の受光装置。
【請求項４】受信する光を集光する集光レンズを更に
備え、前記集光器は前記集光レンズで集光された光を更
に集光するものであることを特徴とする請求項１乃至３
いずれかに記載の受光装置。
【請求項５】前記集光器は、前記集光レンズからの光
が直接に受光素子に至るのを遮らない位置に配置されて
いることを特徴とする請求項４記載の受光装置。