JP2002501625A - 撮像用照明装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、イメージセンサ、ロボット工学、ナビゲーション−及び監視システムにて使用される撮像用装置に関する。前記装置は、光源（１）として複数の直列に接続されたレーザ及び拡散、発散レンズ並びに光学素子を有する照明装置を有する。前記光学素子により、レーザ光が高い光出力で安全規定に従って放射される。

Description

【発明の詳細な説明】 撮像用照明装置 本発明は、請求項１の上位概念による撮像用照明装置に関する。 本発明は、イメージセンサ、ロボット工学、ナビゲーション−及び監視システ ムにて使用される撮像用装置に関する。その種のセンサに対する光源として、有 利に半導体レーザが使用され、該半導体レーザは、有利に１つの方向で拡開され る。カメラとしては電子的に制御されるシャッタ付きのＣＣＤカメラが設けられ る。対象物により反射された光は、カメラの対物レンズの前に取付られた光学フ ィルタにより、周囲の残りの可視及び赤外光からフィルタリングされ、その結果 実質的にレーザ光が、カメラにて１つの画像に処理される。 光源としてレーザを使用する場合、レーザビームによる事故を防止するための 規定を遵守すべきである。当該の規定は、例えばＧａＡｓレーザに対して７５０ 〜８５０ｎｍの波長のもとでレーザ光の拡開放射の際肉眼の網膜へのレーザビー ムの作用に対して最大許容照射を維持するのにたんに５０〜１００ｍＶのレーザ 出力しか許容しない。 ＤＥ−ＯＳＰ４３３５２４４に記載されている撮像 用装置ではレーザの光出力が次のように分布される、即ち、被照射領域内に存在 位置している、光学系例えば人間の肉眼が場合により光学的補助手段によってレ ーザ光学的の点結像を行い得ないように分布される。それにより例えば扇状光束 の生成による照射装置の照射特性は損なわれない。 本発明の基礎を成す課題とするところは、１Ｗより大のレーザ出力のもとで照 射領域仝体にて最大許容照射が維持され、良好な空間的な分解能及び高い画周波 数を有し、コンパクトな構造手法で作成し得る撮像用装置を提供することにある 。 本発明は請求項１に記載されている有利な実施形態及び／又は発展形態はサブ クレームにて記載されている。 本発明により得られる利点とするところは、１つの点状のレーザ光源を１つの 拡げられた光源へ変換すること及び照射装置の光出射面を正方形状に構成するこ とにより、肉眼の最大許容照射に対する最適条件が充足されることである（ＩＥ Ｃ８２５／１参照）。方向依存性の発散ダイバージェンスを有するレーザにより 方形面の最適照射を達成するため複数の個別のレーザが円弧アーチ状に配され、 その結果レーザ光は、大きな側方の放射損失なしで直接的に拡散、発散レンズに 当たり、照射装置の出力側に存在位置の光学素子が最大照射を受けるように拡開 される。更に有利には、複 数のレーザが直列に接続され、それにより、一層より少ない電流で同じレーザ高 出力（例えば各レーザごと０．８Ｗ／Ａ）生ぜしめられる。 レーザ光源のパルス状作動により、数ｎｓ〜数１００ｎｓのパルス長のもとで ２００Ｗまでのレーザ出力のさらなる増大を達成し得る。オンオフ比は１％であ り１つの画像フレームに対するパルスの数は１０００〜４０００である。 本発明の更なる利点とするところは、個個のレーザのできるだけ短くて、誘導 の少ない結合及びレーザとレーザに対するドライバとの結合に存する。隣接する レーザのボンディング及びレーザとレーザに対するドライバとの結合のためのス トリップ線路の使用により、照明装置内での損失が少なく、ノイズの無い結合が 得られる。 次に略示図を参照して１つの実施例に即して本発明を説明する。 図１に示す照明装置では、ケーシングＧ中に、１つのレーザ光源１と１つの光 学素子２が間隔Ｄ１をおいて挿入配置されている。間隔Ｄ１は、例えば１２０ｍ ｍである。光学素子２は、例えば１００ｍｍＸ１００ｍｍの面積を有する方形板 プレートとして構成されており、複数のレンズから成る。ここで、レーザ光源１ のほうに向いた側に存在位置するレンズＦは、間隔Ｄ１に相応する焦点距離を有 する大面積の集光レンズ、 例えばフレネルレンズとして構成されている。それにつづいてさらなるシリンド リカルレンズが設けられており、それらのシリンドリカルレンズは、例えば、レ ーザから離隔したしたほうの側に、ほぼ同じ焦点距離を有する多数の面状に相互 に密に接合されたマイクロレンズが設けられており、前記のほぼ同じ焦点距離は 、集光レンズの焦点距離に比して小さい。それぞれのレンズのシリンドリカルレ ンズは、同じ幅を有する。個々のレンズは相異なる幅を有してもよい。例えば、 ４つのシリンドリカルレンズＺ１，Ｚ２，Ｚ３，Ｚ４がフレネルレンズＦにつづ いて配置されている。シリンドリカルレンズＺ１，Ｚ２，Ｚ３，Ｚ４のマイクロ レンズは例えば０．５ｍｍの半径を有する。レンズＺ１〜Ｚ４の幅Ｂは、例えば レンズＺ１では０．７ｍｍ、レンズＺ２では０．５ｍｍ、レンズＺ３では０．２ ｍｍ、レンズＺ４では０．２ｍｍである。レンズＺ１，Ｚ２は、次のように配置 構成されている、即ち、レーザ光が拡開され、最適の照射角が調整セッティング されるように配置構成される。レンズＺ３、Ｚ４によっては、レーザ光の均一な 強度分布が達成される。シリンドリカルレンズＺ１〜Ｚ４の代わりに、１つのホ ログラフィックディフューザを設けてもよい。 レーザ光源１は、複数の直列に接続されたレーザＬから成り、該レーザ端面は 、相互に傾斜して配置されている（図２）。それにより、レーザの円弧アーチ状 の配置構成が得られ、該レーザの円弧アーチ状の配置構成により、光学素子の最 適照射が達成される。例えば、１８ｍｍの半径を有する１つの円弧上に５つのレ ーザが配され、前記の１つの円弧上の中心点は、レーザ光源から間隔Ｄ２をおい て配された拡散、発散レンズＬの光軸上に位置する（図１）。円弧アーチ状の配 置構成により、レーザ光は、大きな側方の放射損失なしで拡散、発散レンズへ当 たる。個々のレーザは、例えば４つの並列なボンディングワイヤＢ―これはウエ ッジボンディング（Ｋｅｉｌｂｏｎｄｅｎ；Ｗｅｄｇｅｂｏｎｄｉｎｇ）によっ て作成されるーに接続されている。それにより、幅広で低誘導の（ｉｎｄｕｋｔ ｉｏｎｓａｒｍｅ；ｏｆ ｌｏｗ ｉｍｐｅｄａｎｃｅ）短い結合、接続が形成 される。レーザは、コンタクト支持点Ｋを介して、ストリップ線路を用いてレー ザドライバと接続されている。ストリップ線路は、例えば１５ｍｍの幅を有する 。 光学素子の最適照射を達成するため、例えば６．３ｍｍの焦点距離ｆを有する 拡散、発散レンズＬにより拡開される。間隔Ｄ２は、焦点距離ｆのほぼ２倍であ る。レーザ光源１は、ケーシング３―この中にシリンドリカルレンズＬが一体的 に統合化して組込まれているーにより囲繞されている。 光学素子及びレーザ光源の上述の構成に対して、８０Ｗの照射装置の許容光出 力まで、クラスＩのレーザ 装置を配置できる。本発明は、実施例中に示されたレーザ光源に限定されるもの でなく、直列に接続されたレーザの数のみならず、レーザの配置を所望の光出力 に応じて変化させ得る。例えば、直列に接続されたレーザを有する２つのレーザ 光源を並列配置することもできる。それにより一層高い光出力が得られる。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項 【提出日】平成１１年３月１６日（１９９９．３．１６） 【補正内容】 ＤＥ−ＯＳＰ４３３５２４４に記載されている撮像用装置ではレーザの光出力 が次のように分布される、即ち、被照射領域内に存在位置している、光学系例え ば人間の肉眼が場合により光学的補助手段によってレーザ光学的の点結像を行い 得ないように分布される。それにより例えば扇状光束の生成による照射装置の照 射特性は損なわれない。 更にＵＳ４９７１４１５Ａ及びＪＰ６０１９３１４０Ａからも複数の半導体レ ーザから成る円弧アーチ状配置構成帯体が公知である。 本発明の基礎を成す課題とするところは、１Ｗより大のレーザ出力のもとで照 射領域全体にて最大許容照射が維持され、良好な空間的な分解能特性及び高い画 像フレーム周波数を有し、コンパクトな構造手法で作成し得る撮像用装置を提供 することにある。 本発明は請求項１に記載されている。有利な実施形態及び／又は発展形態はサ ブクレームにて記載されている。 本発明により得られる利点とするところは、１つの点状のレーザ光源を１つの 拡げられた光源へ変換すること及び照射装置の光出射面を正方形状に構成するこ とにより、肉眼の最大許容照射に対する最適条件が充足されることである（ＩＥ Ｃ８２５／１参照）。方向依存性の発散ダイバージェンスを有するレーザにより 方形面の最適照射と達成するため複数の個別のレーザ が円弧アーチ状に配され、その結果レーザ光は、大きな側方の放射損失なしで直 接的に拡散、発散レンズに当たり、照射装置の出力側に存在位置の光学素子が最 大照射を受けるように拡開される。更に有利には、複数のレーザが直列に接続さ れ、それにより、一層より少ない電流で同じレーザ高出力（例えば各レーザごと ０．８Ｗ／Ａ）生ぜしめられる。レーザ光源のパルス状作動により、数ｎｓ〜数 １００ｎｓのパルス長のもとで２００Ｗまでのレーザ出力のさらなる増大を達成 し得る。オンオフ比は、ほぼ１％であり、１つの画像フレームに対するパルスの 数は１０００〜４０００である。 レーザ光源１は、複数の直列に接続されたレーザＬから成り、該レーザ端面は 、相互に傾斜して配置されている（図２）。それにより、レーザの円弧アーチ状 の配置構成が得られ、該レーザの円弧アーチ状の配置構成により、光学素子の最 適照射が達成される。例えば、１８ｍｍの半径を有する１つの円弧上に５つのレ ーザが配され、前記の１つの円弧上の中心点は、レーザ光源から間隔Ｄ２をおい て配された拡散、発散レンズＺの光軸上に位置する（図１）。円弧アーチ状の配 置構成により、レーザ光は、大きな側方の放射損失なしで拡散、発散レンズへ当 たる。個々のレーザは、例えば４つの並列なボンディングワイヤＢ―これはウエ ッジボンディング（Ｋｅｉｌｂｏｎｄｅｎ；Ｗｅｄｇｅｂｏｎｄｉｎｇ）によっ て作成されるーに接続されている。それにより、幅広で低誘導の（ｉｎｄｕｋｔ ｉｏｎｓａｒｍｅ）短い結合、接続が形成される。レーザは、コンタクト支持点 Ｋを介して、ストリップ線路を用いてレーザドライバと接続されている。ストリ ップ線路は、例えば１５ｍｍの幅を有する。 光学素子の最適照射を達成するため、例えば６．３ｍｍの焦点距離ｆを有する 拡散、発散レンズＺにより拡開される。間隔Ｄ２は、焦点距離ｆのほぼ２倍であ る。レーザ光源１は、ケーシング３―この中にシリンドリカルレンズＺが一体的 に統合化して組込まれているーにより囲繞されている。 光学素子及びレーザ光源の上述の構成に対して、８０Ｗの照射装置の許容光出 力まで、クラスＩのレーザ装置を配置できる。本発明は、実施例中に示されたレ ーザ光源に限定されるものでなく、直列に接続されたレーザの数のみならず、レ ーザの配置を所望の光出力に応じて変化させ得る。例えば、直列に接続されたレ ーザを有する２つのレーザ光源を並列配置することもできる。それにより一層高 い光出力が得られる。 請求の範囲 １．撮像用の照明装置であって、該照明装置は、レーザ光源（１）及びレーザ 光をフォーミング生成するのための、レーザ光源（１）により照明、照射される 光学素子（２）を有し、前記光学素子（２）への照射が拡散、発散レンズ（Ｚ） を介して行われるように構成されており、前記拡散、発散レンズ（Ｚ）は、レー ザ光源（１）と、光学素子（２）との間に設けられている撮像用照明装置におい て、 レーザ光源は複数の電気的に直列に接続されたレーザを有し、次のように円弧 アーチ状に配置されており、即ち、当該の円弧アーチの中心点が拡散、発散レン ズ（Ｚ）の光学軸上に位置するように円弧アーチ状に配置されており、 光学素子は複数のシリンドリカルレンズから構成され、ここで、レーザ光源（ １）の方に向いた側に配置されたレンズが集光レンズ（Ｆ）として構成され、集 光レンズ（Ｆ）につづいてさらなるシリンドリカルレンズ（Ｚ１，Ｚ２…）が配 され、前記シリンドリカルレンズは、レーザから離隔したほうの側に、多数の面 状に相互に密に接合されたマイクロレンズを有することを特徴とする撮像用装置 。 ２．光学素子（２）は、４つのシリンドリカルレンズ（Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３，Ｚ ４）を有し、レンズ（Ｚ１ ，Ｚ２）はレーザ光を拡開し、レンズ（Ｚ３，Ｚ４）はレーザ光の強度分布を決 定するように構成されていることを特徴とする請求項１記載の装置。 ３．更なるシリンドリカルレンズ（Ｚ１，Ｚ２…）の代わりに１つのホログラ フイックデイフユーザが設けられていることを特徴とする請求項１記載の装置。 ４．集光レンズ（Ｆ）は、フレネルレンズとして構成されていることを特徴と する請求項１から３までのうちいずれか１項記載の装置。 ５．１つのシリンドリカルレンズの複数のマイクロレンズの焦点距離は相互に 等しく、かつ、集光レンズの焦点距離に比して小であることを特徴とする請求項 １から４までのうちいずれか１項記載の装置。 ６．拡散、発散レンズ（Ｚ）は、レーザ光源（１）から間隔Ｄ２をおいて配置 されており、前記間隔Ｄ２は、拡散、発散レンズ（Ｚ）の焦点距離の２倍にほぼ 等しいことを特徴とする請求項１記載の装置。 ７．個々のレーザ（Ｌ）は、ボンディングワイヤを介して低誘導で相互に結合 されていることを特徴とする請求項１から６までのうちいずれか１項記載の装置 。 ８．レーザ光源（１）及び光学素子（２）は、集光レンズの焦点距離に相応す る間隔Ｄ１をおいて配置されていることを特徴とする請求項１から７までのうち いずれか１項記載の装置。 【図１】 【図２】

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．撮像用の照明装置であって、該照明装置は、レーザ光源（１）及びレーザ 光のフォーミング生成のための、レーザ光源（１）により照明、照射される光学 素子（２）を有し、該光学素子（２）の照明、照射が拡散、発散レンズ（Ｚ）を 介して行われるように構成されており、前記拡散、発散レンズ（Ｚ）は、レーザ 光源（１）と、光学素子（２）との間に設けられている撮像用照明装置において 、 レーザ光源は複数の電気的に直列に接続されたレーザを有し、円弧アーチ状に 配置されており、レーザ光は大きな放射損失なしで拡散、発散レンズへ当たり、 個々のレーザは、低誘導で相互に結合されていることを特徴とする撮像用照明装 置。 ２．個々のレーザはボンディングワイヤを介して相互に結合されていることを 特徴とする請求項１記載の装置。 ３．拡散、発散レンズは、レーザ光源から間隔Ｄ２をおいて配置されており、 前記間隔Ｄ２は、拡散、発散レンズの焦点距離の２倍にほぼ等しいことを特徴と する請求項１記載の装置。 ４．光学素子は複数のシリンドリカルレンズから構成された正方形板として構 成されており、レーザ光源の方に向いた側に配されたレンズが集光レンズとして 構成され、集光レンズにつづいてさらなるシリンドリカルレンズが設けられてお り、シリンドリカルレンズは、レーザから離隔したほうの側で多数の面状に相互 に密に接合されたマイクロレンズを有することを特徴とする請求項１記載の装置 。 ５．１つのシリンドリカルレンズのマイクロレンズの焦点距離は相互に等しく 、かつ、集光レンズの焦点距離に比して小であることを特徴とする請求項４記載 の装置。 ６．集光レンズは、フレネルレンズとして構成されていることを特徴とする請 求項４及び５記載の装置。 ７．光学素子は、４つのシリンドリカルレンズ（Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３，Ｚ４）を 有し、レンズ（Ｚ１，Ｚ２）はレーザ光を拡開し、レンズ（Ｚ３，Ｚ４）はレー ザ光の強度分布を決定するように構成されていることを特徴とする請求項４から ６までのうちいずれか１項記載の装置。 ８．さらなるシリンドリカルレンズの代わりに１つのホログラフィックディフ ユーザが設けられていることを特徴とする請求項４記載の装置。 ９．レーザ光源及び光学素子は、集光レンズの焦点距離に相応する間隔Ｄ１を おいて配置されていることを特徴とする請求項１から８までのうちいずれか１項 記載の装置。