JP2009267314A - 受光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】広視野角と高速応答とを両立すると共に光検出効率が高い受光装置を提供する。
【解決手段】受光装置１８Ａは、集光レンズ２４、全反射型のテーパ集光器３６、及び光検出器２６を備えている。テーパ集光器３６は、光出射端面３６Ｏの面積が光入射端面３６Ｉの面積より小さくなるように形成されたテーパ状の柱状体である。テーパ集光器３６は、その光入射端面３６Ｉが、集光レンズ２４の結像位置に位置するように配置されている。テーパ集光器３６の光出射側には、光出射端面３６Ｏの面積に応じて受光面２６Ａの面積が小さい光検出器２６が、テーパ集光器３６の光出射端面３６Ｏに近接して配置されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、受光装置に係り、特に、レーザレーダ装置等の広い範囲の視野を監視する光計測装置の光検出部に用いられる広視野角の受光装置に関する。

従来、広い範囲の視野を監視する光計測装置として、レーザレーダ装置が知られている。レーザレーダ装置は、レーザ光の直進性を利用して対象までの距離などを計測する光計測装置である。レーザレーダ装置は、レーザ光を出力する光出力部と、レーザ光を検出する光検出部とで構成されている。光出力部では、レーザ光源からパルス変調されて出力されたレーザ光を、光偏向器で偏向して対象物に照射する。光検出部では、対象物から反射されたレーザ光（反射パルス光）を受光装置で受光し、光電変換により得られた電気信号を解析器に出力する。解析器では、反射パルス光の遅延時間から、対象物までの距離を算出する。

上記のレーザレーダ装置は、車両前方の障害物との距離を測定する測距装置（自動車用レーザレーダ装置）としても使用されている。自動車用レーザレーダ装置の光検出部には、広い視野角を備え且つ応答速度が速い受光装置が必要とされる。レーザレーダ装置に使用される受光装置は、通常、集光レンズと光検出器とで構成されている。光検出器は、集光レンズの焦点位置に配置されて、反射パルス光を受光する。自動車用レーザレーダ装置では、広い視野角で多くの光量を受光するために、大口径で短焦点の集光レンズが使用されている。また、光検出器としても、高速応答のｐｉｎフォトダイオードやアバランシェフォトダイオードが用いられている。

特開２００３−６０２１３号公報

しかしながら、従来の受光装置では、広視野角と高速応答の２つの特性はトレードオフの関係にある。受光装置の視野角を大きくすると、監視範囲が拡大するという性能向上が望める。その一方で、周波数応答が劣化する、反射パルス光以外の外光（いわゆる迷光）の受光量が増加し信号対雑音比（Ｓ／Ｎ）が悪化する、等の弊害が生じる。

ここで、広視野角と高速応答とがトレードオフの関係にある理由を具体的に説明する。従来の受光装置では、光検出器は集光レンズの焦点位置に配置されるので、視野全角をθ、集光レンズの焦点距離をｆとすると、結像面の直径がｆθより大きい光検出器を用いなければ、視野内に在る対象物からの反射パルス光を受光できない。このため、従来の受光装置では、集光レンズの結像面に、直径がｆθより大きい大面積のフォトダイオードを設置するしかない。フォトダイオードは、受光面積が大きくなるほど接合容量が大きくなり、応答速度が遅くなる。従って、広視野角と高速応答とを両立することは困難である。

例えば、２０度〜５０度の視野全角を得るためには、口径が２０ｍｍ〜４０ｍｍで、焦点距離が１５ｍｍ〜２０ｍｍの大口径で短焦点距離のフレネルレンズが用いられている。この場合には、７ｍｍ×５ｍｍ〜２０ｍｍ×１０ｍｍといった大面積のフォトダイオードが必要になる。一般に低接合容量で高速応答とされるｐｉｎフォトダイオードであっても、０Ｖバイアスでの接合容量は５ｐＦ（ピコファラド）／ｍｍ^２であり、１００Ｖバイアスでの接合容量は０．５ｐＦ／ｍｍ^２である。上記の２０ｍｍ×１０ｍｍといった大面積では、０Ｖバイアス状態での応答周波数は２ＭＨｚ（メガヘルツ）、１００Ｖバイアス状態での応答周波数は２０ＭＨｚ〜３０ＭＨｚ程度であり、応答速度は遅い。

また、高電圧バイアス状態で高度なエレクトロニクス技術を駆使して、ｐｉｎフォトダイオードの応答速度を速くし、光検出器の性能不足を補償することも考えられるが、現実的ではない。同様に、アバランシェフォトダイオードを用いることも考えられるが、アバランシェフォトダイオードは、高価である上に、駆動電圧が高く且つ温度補償が必要であるなど取扱いが難しく、実用的ではない。

特許文献１には、入射面に拡散板を光学結合した集光レンズと、アバランシェフォトダイオードとを備えた受光装置が開示されている。この受光装置では、入射面に拡散板を光学結合した集光レンズにより広角な範囲の光を効率よく集光すると共に、集光した光を応答速度が速いアバランシェフォトダイオードで受光して、広視野角と高速応答とを両立している。しかしながら、拡散板に入射した光は拡散板により立体角πステラジアン（ｓｒ）で拡散される。

特許文献１の受光装置では、これらの拡散光の内、集光レンズの開口数（ＮＡ）が許容する角度で集光レンズに入射した光線しかフォトダイオードに到達しないため、光検出器の受光光量が大幅に低下するという問題がある。例えば、集光レンズのＮＡを０．５程度にすると、拡散板に入射した光のうち約１６％の光量しかフォトダイオードに到達しなくなるという、大幅な光量低下を招いてしまう。

本発明は、上記問題に鑑み成されたものであり、本発明の目的は、広視野角と高速応答とを両立すると共に、光検出効率が高い受光装置を提供することにある。

上記目的を達成するために請求項１に記載の受光装置は、入射した光を集光する集光レンズと、前記集光レンズの結像位置に配置され且つ前記集光レンズにより集光された光が入射する光入射部と光を出射する光出射部とを備え、前記光出射部の面積が前記光入射部の面積より小さく、反射により前記光入射部から入射された光を前記光出射部に向って伝搬する集光器と、前記集光器の前記光出射部に近接配置され且つ前記集光器から出射された光を検出する光検出器と、を備えたことを特徴としている。

請求項２に記載の受光装置は、請求項１に記載の受光装置において、前記集光器は、入射する光に対し透明な材料で構成されたテーパ状の柱状体であり、前記テーパ状の柱状体の側面が反射膜で被覆され、前記テーパ状の柱状体と前記反射膜との界面での全反射又は前記反射膜での反射により前記光入射部から入射された光を前記光出射部に向って伝搬することを特徴としている。

請求項３に記載の受光装置は、請求項２に記載の受光装置において、前記反射膜が入射する光に対し反射率の高い金属蒸着膜であることを特徴としている。

請求項４に記載の受光装置は、請求項１〜３の何れか１項に記載の受光装置において、前記光出射部と前記光検出器とが、前記テーパ状の柱状体を構成する材料の屈折率と整合する屈折率整合剤で接合されたことを特徴としている。

請求項５に記載の受光装置は、請求項１に記載の受光装置において、前記集光器は、入射する光に対し透明で且つ空気より屈折率が高い材料で構成されたテーパ状の柱状体であり、前記テーパ状の柱状体の側面と空気との界面での全反射により前記光入射部から入射された光を前記光出射部に向って伝搬することを特徴としている。

請求項６に記載の受光装置は、請求項５に記載の受光装置において、前記テーパ状の柱状体を構成する材料の屈折率が２以上であることを特徴としている。

請求項７に記載の受光装置は、請求項５又は６に記載の受光装置において、前記光出射部と前記光検出器とが、前記テーパ状の柱状体を構成する材料の屈折率と整合する屈折率整合剤で接合されたことを特徴としている。

請求項８に記載の受光装置は、請求項１に記載の受光装置において、前記集光器は、テーパ状の貫通孔を備え且つ入射する光に対し不透明な物体であり、前記テーパ状の貫通孔の内側面が反射膜で被覆され、前記反射膜での反射により前記光入射部から入射された光を前記光出射部に向って伝搬することを特徴としている。

請求項９に記載の受光装置は、請求項８に記載の受光装置において、前記反射膜が入射する光に対し反射率の高い金属蒸着膜であることを特徴としている。

以上説明したように各請求項に係る発明によれば、以下の効果がある。

請求項１に記載の発明によれば、光出射部の面積が光入射部の面積より小さい集光器を用いて、反射により集光器を伝搬した光を集光器の光出射部に近接配置された光検出器で検出するので、光検出器で検出される光量を確保しながら、広視野角と高速応答とを両立することができる、という効果がある。

請求項２に記載の発明によれば、テーパ状の柱状体と反射膜との界面での全反射又は反射膜での反射により光を伝搬するので、伝搬中に集光器の外部に光が漏れ出すことがなく、漏れ損失を防止することができる、という効果がある。

請求項３に記載の発明によれば、均一な反射膜を形成することができ、反射率を高くすることができる、という効果がある。

請求項４に記載の発明によれば、屈折率整合剤により光出射部での端面反射が防止され、光検出器で検出される光量を増加させることができる、という効果がある。

請求項５に記載の発明によれば、テーパ状の柱状体の側面と空気との界面での全反射により光を伝搬するので、簡易な構成とすることができる、という効果がある。

請求項６に記載の発明によれば、漏れ損失を抑制することができる、という効果がある。

請求項７に記載の発明によれば、光出射部での端面反射が防止され、光検出器で検出される光量を増加させることができる、という効果がある。

請求項８に記載の発明によれば、反射膜での反射により光を伝搬するので、伝搬中に集光器の外部に光が漏れ出すことがなく、漏れ損失を防止することができると共に、光出射部での端面反射が発生することがなく、光検出器で検出される光量を更に増加させることができる、という効果がある。

請求項９に記載の発明によれば、均一な反射膜を形成することができ、反射率を高くすることができる、という効果がある。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態の一例を詳細に説明する。

＜レーザレーダ装置の概略構成＞
図１（Ａ）及び（Ｂ）はレーザレーダ装置の構成を表す概略図である。
図１（Ａ）に示すように、レーザレーダ装置１０は、レーザ光源１２と光偏向器１４とを備えた光出力部１６と、受光装置１８と解析器２０とを備えた光検出部２２と、で構成されている。受光装置１８は、少なくとも集光レンズ２４と光検出器２６とを含んで構成されている。レーザ光源１２からパルス変調されて出力されたレーザ光は、光偏向器１４で偏向されて対象物３０に照射される。対象物３０で反射されたレーザ光は、受光装置１８の集光レンズ２４で集光されて、光検出器２６で検出される。光検出器２６は、検出した光を電気信号に変換して解析器２０に入力する。

図１（Ｂ）に示すように、レーザ光源１２から出力されたパルスレーザ光（実線で示す）が、光検出器２６で反射パルス光（点線で示す）として検出されるまでの時間を「遅延時間τ」とする。解析器２０は、遅延時間τと光速ｃとを用いて、対象物３０までの距離Ｌを、τ＝２Ｌｃの関係に基づいて算出する。

図２は自動車用レーザレーダ装置の監視範囲を示す図である。
図２に示すように、上記のレーザレーダ装置１０は、車両３２の前部に設置されて、先行車両等、車両前方の障害物との距離を測定する測距装置として使用される。自動車用レーザレーダ装置の監視範囲３４は、レーザレーダ装置１０からの距離が約１００ｍで、視野全角が約５０度の範囲である。受光装置１８には、この監視範囲３４にある対象物からの反射パルス光を、１ｎｓ以下の時間分解能で受光する性能が求められている。

＜第１の実施の形態＞
図３（Ａ）は本発明の第１の実施の形態に係る受光装置の斜視図であり、図３（Ｂ）は図３（Ａ）に示す受光装置の光軸に沿った断面図である。図３（Ａ）に示すように、第１の実施の形態に係る受光装置１８Ａは、集光レンズ２４、全反射型のテーパ集光器３６、及び光検出器２６を備えている。テーパ集光器３６は、光出射端面３６Ｏの面積が光入射端面３６Ｉの面積より小さくなるように形成されたテーパ状の柱状体である。テーパ集光器３６が配置される配置面に対し平行な方向を「水平方向」とし、前記配置面に対し垂直な方向を「鉛直方向」とする。

そして、図３（Ｂ）に示すように、光軸Ｌを含む水平方向の断面において、テーパ面３６Ｔと光軸Ｌとが成す角度を「テーパ角θｄ」と定義する。テーパ角θｄが大きくなるほど、光入射端面３６Ｉの面積に対し、光出射端面３６Ｏの面積がより小さくなる。テーパ状の柱状体の光軸Ｌに直交する断面の面積は、光入射端面３６Ｉ側から光出射端面３６Ｏ側に向って、直線的に減少することが好ましい。また、テーパ集光器３６の光軸方向の長さが「全長Ｌ_total」である。テーパ角θｄが小さくなるほど、テーパ集光器３６の全長Ｌ_totalは長くなる。

テーパ集光器３６は、その光入射端面３６Ｉが、集光レンズ２４の結像位置に位置するように配置されている。なお、集光レンズ２４の焦点距離が、観察対象までの距離に比べ充分に短い場合には、結像位置は「焦点位置」と同義になる。また、光入射端面３６Ｉが集光レンズ２４の結像位置に位置するように、集光レンズ２４を移動可能に配置してもよい。光検出器２６は、テーパ集光器３６の光出射端面３６Ｏに近接して配置されている。また、光検出器２６は、テーパ集光器３６の光出射端面３６Ｏから射出された光が、光検出器２６の受光面２６Ａで受光されるように、受光面２６Ａを光出射端面３６Ｏ側に向けて配置されている。光出射端面３６Ｏの面積は光入射端面３６Ｉの面積より小さい。テーパ集光器３６の光出射側には、光出射端面３６Ｏの面積に応じて、受光面２６Ａの面積が小さい光検出器２６が配置されている。

本実施の形態では、テーパ集光器３６は、入射する反射パルス光に対し透明で且つ空気より屈折率ｎが高い光学材料で構成されている。テーパ集光器３６に入射した光は、高屈折率のテーパ面３６Ｔと空気との界面で全反射されて伝搬する。空気の屈折率ｎは約１である。空気より屈折率が高い光学材料としては、例えば、ｎ＝１．５の光学ガラス、ｎ＝１．８のサファイヤ、ｎ＝２．６のルチルなどが挙げられる。後述する通り、テーパ集光器３６における漏れ損失を低減する観点から、テーパ集光器３６を構成する光学材料は屈折率が高い方が好ましい。具体的には、屈折率ｎが２以上の高屈折率の光学材料を用いることが好ましい。

また、テーパ集光器３６は、図１４（Ａ）に示すように、テーパ状の円柱体でもよいが、本実施の形態では、テーパ集光器３６がテーパ状の角柱体である場合について説明する。テーパ状の角柱体では、光入射端面３６Ｉと光出射端面３６Ｏとは、互いに相似する「矩形状」となる。レーザレーダ装置では、鉛直方向よりも水平方向における監視範囲の拡大がより重要である。従って、光入射端面３６Ｉと光出射端面３６Ｏとは、水平方向に延びる二辺が鉛直方向に延びる二辺よりも長い「長方形」であることが好ましい。

集光レンズ２４には、大口径で短焦点距離のレンズを用いることが好ましい。上述した通り、例えば、２０度〜５０度の視野全角を得るためには、口径が２０ｍｍ〜４０ｍｍで、焦点距離が１５ｍｍ〜２０ｍｍのフレネルレンズなどを用いることができる。また、光検出器２６としては、一般に、光起電力効果を利用するフォトダイオードを用いられる。フォトダイオードとしては、他のフォトダイオードに比べて接合容量が小さく、応答速度の速いｐｉｎフォトダイオードがより好ましい。

図３（Ａ）及び（Ｂ）に示す受光装置１８Ａでは、集光レンズ２４に入射した光（反射パルス光及び外光）は、集光レンズ２４により集光されて、テーパ集光器３６の光入射端面３６Ｉに照射される。光入射端面３６Ｉに所定範囲の入射角度（θ_ＯＫ）で入射された光は、図４（Ａ）に示すように、テーパ集光器３６の側面（テーパ面３６Ｔ）と空気との界面で全反射を繰り返して光軸方向に低損失で伝搬し、又はテーパ集光器３６内を光軸Ｌに沿って直進し、光出射端面３６Ｏから射出される。光出射端面３６Ｏから射出された光は、光検出器２６の受光面２６Ａで受光される。テーパ集光器３６に入射した光が、テーパ集光器３６内を低損失で伝搬することで、光検出器２６で検出される光量が確保される。

図５は従来の受光装置の構成を示す光軸に沿った断面図である。上述した通り、従来の受光装置１８では、光検出器２６は集光レンズ２４の結像位置（焦点位置）に配置されるので、視野全角をθ、集光レンズの焦点距離をｆとすると、結像面の直径がｆθより大きい光検出器２６を用いなければ、視野内に在る対象物からの反射パルス光を受光できない。このため、集光レンズ２４の結像面に、直径２ａ（＞ｆθ）の大面積の受光面を備えたフォトダイオードを設置するしかない。

これに対して、本実施の形態では、図３（Ｂ）に示すように、テーパ集光器３６の光入射端面３６Ｉが、集光レンズ２４の結像位置に位置するように配置されている。光入射端面３６Ｉの直径を２ａとすることで、視野内に在る対象物からの反射パルス光が入射端面３６Ｉに入射する。光入射端面３６Ｉに入射した光は、テーパ集光器３６内を低損失で伝搬して、光出射端面３６Ｏから射出される。

光出射端面３６Ｏの面積は光入射端面３６Ｉの面積よりも小さい。従って、光入射端面３６Ｉに入射した光は、テーパ集光器３６により集光されて、光出射端面３６Ｏから射出される。ここで、光出射端面３６Ｏの直径を２ｂ（＜２ａ）とすると、テーパ集光器３６の光出射側に、直径２ｂの小面積の受光面２６Ａを備えた光検出器２６を設置することで、光出射端面３６Ｏから射出された光を受光することができる。

光検出器２６の受光面２６Ａの面積は、図５に示す従来の受光装置の（ｂ／ａ）^２倍に縮小し、これに比例して接合容量も減少する。フォトダイオードの周波数応答は、受光面積に略比例して増加する「接合容量」と「直列抵抗」との積に応じて決まる。従って、テーパ集光器３６の集光倍率（ｂ／ａ）^２を適宜設計することで、接合容量の減少に応じて動作周波数帯域を５〜１０倍まで広域化することができる。即ち、テーパ集光器３６を設けることで、広視野角と高速応答とを比較的容易に両立することができる。

ここで、全反射型のテーパ集光器３６の設計方法について説明する。図６は全反射型テーパ集光器の最大反射回数を表すグラフである。横軸はテーパ角θｄ（単位：ｄｅｇ）を表し、縦軸は最大反射回数を表す。図６に示すグラフは、テーパ集光器３６を屈折率ｎが１．５の光学ガラスで構成した場合の、テーパ角θｄ＝０〜５度での最大反射回数を表している。この例では、光入射端面３６Ｉへの入射角度を、π／４（太い点線で表す）、π／８（細い点線で表す）、π／１６（実線で表す）と変化させている。

図６から分かるように、テーパ集光器３６を屈折率ｎが１．５の光学ガラスで構成した場合には、数度（１〜５度）のテーパ角θｄでも数回しか反射しない。入射角度が大きくなるほど、最大反射回数は減少する。例えば、テーパ角θｄが５度の場合には、入射角度がπ／４（＝４５度）での反射回数は０回である。これは、図４（Ｂ）に示すように、光入射端面３６Ｉに所定範囲以外の入射角度（θ_ＮＧ）で入射した光は、テーパ集光器３６の側面と空気との界面に入射する際に、全反射の臨界角を超えてしまい、反射されずに外部に漏れ出るためである。

上記では１回も反射せずに外部に漏れ出る例について説明したが、何回か反射した後に外部に漏れ出ることもある。テーパ面３６Ｔでの反射では、１回反射する毎にテーパ角θｄの２倍だけ光軸Ｌに対する角度が増加する。このため、何回か反射すると、全反射の臨界角を超えてしまい、外部に漏れ出て「漏れ損失」を生じることになる。

この「漏れ損失」を回避して、テーパ集光器３６の集光倍率（ｂ／ａ）^２を大きくするためには、テーパ集光器３６を構成する光学材料の屈折率ｎを高くすることが考えられる。例えば、屈折率ｎが２以上とすれば、実用的な設計及び寸法で１０以上の集光倍率を達成することが可能である。又は、テーパ角θｄを小さくしてテーパ集光器３６の全長Ｌ_totalを長くすることが考えられる。

以上説明した通り、第１の実施の形態に係る受光装置では、全反射型のテーパ集光器を集光レンズと光検出器との間に配置したので、集光レンズで集光された光がテーパ集光器に入射し、テーパ集光器内を低損失で伝搬されて、小面積の光検出器の受光面で受光される。従って、光検出器で検出される光量を確保しながら、広視野角と高速応答とを両立することができる。

＜第２の実施の形態＞
図７（Ａ）は本発明の第２の実施の形態に係る受光装置の斜視図であり、図７（Ｂ）は図７（Ａ）に示す受光装置の光軸に沿った水平方向の断面図である。図７（Ａ）に示すように、第２の実施の形態に係る受光装置１８Ｂは、集光レンズ２４、ミラー側壁型のテーパ集光器３８、及び光検出器２６を備えている。第１の実施の形態の全反射型のテーパ集光器３６に代えて、ミラー側壁型のテーパ集光器３８を用いた以外は、第１の実施の形態に係る受光装置と同じ構成であるため、同じ構成部分には同じ符号を付して説明を簡略化する。

テーパ集光器３８は、光出射端面３８Ｏの面積が光入射端面３８Ｉの面積より小さくなるように形成されたテーパ状の柱状体である。テーパ集光器３８は、その光入射端面３８Ｉが、集光レンズ２４の結像位置に位置するように配置されている。また、テーパ集光器３８の光出射側には、受光面２６Ａの面積が小さい光検出器２６が、光出射端面３８Ｏに近接して配置されている。

本実施の形態では、テーパ集光器３８は、入射する反射パルス光に対し透明な光学材料で構成されたテーパ状の角柱体である。また、漏れ損失を防止するために、テーパ状の角柱体の側面（テーパ面３８Ｔ）が反射膜４０で被覆されている。反射膜４０は金属、半金属等の光反射性物質で形成されている。光入射端面３８Ｉに入射した光は、テーパ面３８Ｔと反射膜４０との界面で全反射されて光軸方向に伝搬すると共に、反射膜４０の表面で反射されて光軸方向に伝搬する。

テーパ状の柱状体を構成する「透明な光学材料」としては、アクリル樹脂等の透明樹脂や光学ガラス等を用いることができる。入射する反射パルス光の波長に応じて、入射光に対して透明な材料が適宜選択される。反射膜（ミラー側壁）４０は、入射する反射パルス光に対し、８５％〜９５％の高い反射率を有することが好ましい。このような反射膜４０としては、例えば、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）等の高反射性金属を蒸着して形成した金属蒸着膜が挙げられる。

反射パルス光の波長が可視域の場合には、可視光に対し約９５％の反射率を有するＡｇ、約８５〜９０％の反射率を有するＡｌが好ましい。実用性の観点からはＡｌが特に好適である。反射パルス光の波長が近赤外域（６００ｎｍ〜１０００ｎｍ）から赤外域（１０００ｎｍ以上）の場合には、近赤外光又は赤外光に対し約９５％の反射率を有するＡｕ、約９５％の反射率を有するＡｇ、約８５％の反射率を有するＡｌが好ましい。実用性の観点からはＡｕが特に好適である。

図７（Ａ）及び（Ｂ）に示す受光装置１８Ｂでは、集光レンズ２４に入射した光（反射パルス光及び外光）は、集光レンズ２４により集光されて、テーパ集光器３８の光入射端面３８Ｉに照射される。光入射端面３８Ｉに所定範囲の入射角度（θ_ＯＫ）で入射された光は、図８（Ａ）に示すように、テーパ面３８Ｔと反射膜４０との界面で全反射を繰り返して伝搬されると共に、反射膜４０で繰り返し反射されて伝搬され、光出射端面３８Ｏから射出される。又は、テーパ集光器３８内を光軸Ｌに沿って直進し、光出射端面３８Ｏから射出される。

テーパ集光器３８の側面が反射膜４０で被覆されているので、図４（Ｂ）に示したような、伝搬光が外部に漏れ出る「漏れ損失」は発生しない。光出射端面３８Ｏから射出された光は、光検出器２６の受光面２６Ａで受光される。テーパ集光器３８に入射した光が、テーパ集光器３６内を「漏れ損失」無く伝搬することで、光検出器２６で検出される光量が確保される。

以上説明した通り、第２の実施の形態に係る受光装置では、ミラー側壁型のテーパ集光器を集光レンズと光検出器との間に配置したので、集光レンズで集光された光がテーパ集光器に入射し、テーパ集光器内を「漏れ損失」無く伝搬されて、小面積の光検出器の受光面で受光される。従って、光検出器で検出される光量を確保しながら、広視野角と高速応答とを両立することができる。

＜第３の実施の形態＞
図９は本発明の第３の実施の形態に係る受光装置の光軸に沿った水平方向の断面図である。図９に示すように、第３の実施の形態に係る受光装置１８Ｃは、集光レンズ２４、側面に反射膜４０が設けられたミラー側壁型のテーパ集光器３８、及び光検出器２６を備えている。第２の実施の形態のテーパ集光器３８と光検出器２６とを屈折率整合剤４２で接合した以外は、第２の実施の形態に係る受光装置と同じ構成であるため、同じ構成部分には同じ符号を付して説明を簡略化する。

図１０はミラー側壁型テーパ集光器の最大反射回数を表すグラフである。横軸はテーパ角θｄ（単位：ｄｅｇ）を表し、縦軸は出射端全反射までの反射回数を表す。図１０に示すグラフは、テーパ集光器３８を屈折率ｎが１．５の光学ガラスで構成した場合の、テーパ角θｄ＝０〜５度での最大反射回数を表している。この例では、光入射端面３８Ｉへの入射角度を、π／４（太い点線で表す）、π／８（細い点線で表す）、π／１６（実線で表す）と変化させている。

図１０から分かるように、側面に反射膜４０が設けられたミラー側壁型のテーパ集光器３８は、「漏れ損失」が発生しないにも拘らず、数度（例えば、１〜５度）のテーパ角θｄでも数回しか反射せず集光器として動作しなくなる。入射角度が大きくなるほど、反射回数は減少する。例えば、テーパ角θｄが５度の場合には、入射角度がπ／８（＝２２．５度）での反射回数は３回だけである。これは、図８（Ｂ）に示すように、光入射端面３８Ｉに所定範囲以外の入射角度（θ_ＮＧ）で入射した光が、テーパ集光器３８内を伝搬して光出射端面３８Ｏに到達したときに、光出射端面３８Ｏへの入射角が臨界角を超えてしまい、出射されずに全反射されて光入射端面３８Ｉ側に戻ることによる。以下では、これを「端面反射」という。

ここで、ミラー側壁型のテーパ集光器３８の設計方法について説明する。図１０に示すように、ミラー側壁型のテーパ集光器３８では「漏れ損失」は発生しないが、「端面反射」による光損失が発生する。テーパ集光器３８を設計する上での第１の制約は、「端面反射」による光損失が発生することである。

本実施の形態では、設計上の第１の制約、即ち「端面反射」の問題を回避して、テーパ集光器３８の光伝搬効率を向上させるために、テーパ集光器３６の光出射端面３８Ｏと光検出器２６の受光面２６Ａとを、テーパ集光器３８を構成する光学材料と屈折率が整合する屈折率整合剤４２で接合する。屈折率整合剤４２により「端面反射」を防止することができ、光出射端面３８Ｏに到達した光を、光検出器２６の受光面２６Ａに全部導くことができる。

屈折率整合剤４２としては、テーパ集光器３８を構成する光学材料の屈折率以上の屈折率を有する材料を使用する。例えば、テーパ集光器３８を屈折率ｎが１．５の材料で構成した場合には、屈折率ｎが１．５以上の屈折率整合剤４２を用いる。光検出器２６として用いられるフォトダイオードの材料は、一般に屈折率が高く、屈折率が高い屈折率整合剤を用いても支障はない。例えば、Ｓｉ（シリコン）はｎ＝２．０であり、ＧａＡｓ（ガリウム砒素）はｎ＝３．５である。

屈折率整合剤４２としては、光や熱で硬化する硬化性樹脂等の光学接着剤などを用いることができる。また、屈折率整合剤４２として、液状又はゲル状のマッチングオイルを用いることができる。マッチングオイルを用いる場合には、光出射端面３８Ｏと受光面２６Ａとをマッチングオイルを介して密着させる。

更に、テーパ集光器３８を設計する上で、第２の制約がある。第２の制約は、「端面反射」以外の「戻り光」により光損失が発生することである。テーパ集光器３８内で何回か反射を繰り返す間に、反射パルス光の光軸Ｌに対する入射角が９０度を超えてしまい、反射パルス光が、光出射端面３８Ｏに向うのではなく、逆に光入射端面３８Ｉ側に戻ることがあり得る。この「戻り光」によっても光損失が発生する。

図１１はミラー側壁型テーパ集光器の反射回数を表すグラフである。横軸はテーパ角θｄ（単位：ｄｅｇ）を表し、縦軸は光入射端面に戻るまでの反射回数を表す。図１１に示すグラフは、テーパ集光器３８を屈折率ｎが１．５の材料で構成した場合の、テーパ角θｄ＝０〜１０度での反射回数を表している。この例では、光入射端面３８Ｉへの入射角度を、π／４（太い点線で表す）、π／８（細い点線で表す）、π／１６（実線で表す）と変化させている。

図１１から分かるように、テーパ角θｄ＝０〜１０度では、何度か反射されなければ「戻り光」は発生しない。即ち、「戻り光」は頻繁には発生しないので、設計上は無視できることが分かる。例えば、入射角度がπ／４（＝４５度）、即ち、視野全角が９０度の場合でも、反射回数が５回未満では「戻り光」は発生しない。図５に示す従来の受光装置では、視野全角９０度を実現するためには、Ｆナンバーが１．０という極限に近い集光レンズ２４が必要になる。これに対し、本実施の形態では、視野全角が９０度と広視野角のテーパ集光器３８を容易に実現することができる。

図１２はミラー側壁型テーパ集光器の具体的設計例を示すグラフである。横軸はテーパ集光器３８の集光倍率（ｂ／ａ）^２を表し、縦軸（右側）は光出射端面３８Ｏの直径（単位：ｍｍ）を表し、縦軸（左側）はテーパ集光器３８の全長Ｌ_total（単位：ｍｍ）を表す。テーパ集光器３８の光入射端面３８Ｉの直径を１０ｍｍとし、テーパ角θｄを５度として計算した。また、上述した「端面反射」や「戻り光」は発生しないものとして計算した。図１２から分かるように、全長Ｌ_totalが８０ｍｍ弱のテーパ集光器３８で、１０倍の集光倍率を実現することができる。

図１３は図１２に示す設計例に基づいて設計した受光装置の光軸に沿った水平方向の断面図である。図９に示す受光装置１８Ｃの構成を具体化した一例を示している。図１３に示す例では、以下の条件で受光装置が構成されている。

（１）集光レンズ
・視野全角：２８度
・口径（レンズ直径）：４０ｍｍ
・焦点距離ｆ：２０ｍｍ
（２）テーパ集光器
・光入射端面の直径：１０ｍｍ
・光出射端面の直径：３．３ｍｍ
・全長Ｌ_total：８０ｍｍ
・テーパ角θｄ：５度
・光学材料：アクリル樹脂（屈折率ｎ＝１．５）
・反射膜：アルミニウム蒸着膜
（３）屈折率整合剤
・光学接着剤（屈折率ｎ＝１．５）
（４）光検出器（フォトダイオード）
・受光面の直径：３．３ｍｍ

図５に示す従来の受光装置では、２０度〜５０度の視野全角を得るためには、口径が約１０ｍｍｍの大面積フォトダイオードを用いるしかなかった。このため、１００Ｖ近い高逆バイアス電圧、高度の前置増幅器等、高度なエレクトロニクス技術を駆使しなければ、６０〜７０ＭＨｚという周波数帯域を実現することはできなかった。図１３に示す受光装置では、フォトダイオードの口径は３．３ｍｍと従来の約１／３となり、フォトダイオードの受光面の面積は従来の約１／１０となる。フォトダイオードの小面積化に伴って、接合容量も従来の１／１０となり、数Ｖの逆バイアス電圧で動作周波数帯域は従来の約１０倍の数百ＭＨｚとなる。

以上説明した通り、第３の実施の形態に係る受光装置では、ミラー側壁型のテーパ集光器を集光レンズと光検出器との間に配置したので、集光レンズで集光された光がテーパ集光器に入射し、テーパ集光器内を「漏れ損失」無く伝搬される。また、テーパ集光器と光検出器とを屈折率整合剤で接合したので、テーパ集光器での「端面反射」による光損失が発生せず、テーパ集光器の光出射端面に到達した光が、小面積の光検出器の受光面で全部受光される。従って、光検出器で検出される光量を確保しながら、広視野角と高速応答とを両立することができる。

なお、上記の実施の形態では、テーパ集光器がテーパ状の角柱体で構成される例について説明したが、集光器は、図１４（Ａ）に示すように、テーパ状の円柱体４４でもよい。テーパ状の円柱体４４では、光出射端面４４Ｏの面積が光入射端面４４Ｉの面積より小さい。光入射端面４４Ｉと光出射端面４４Ｏとは、互いに相似する円形状、楕円形状、又は長円形状となる。円柱体４４の側面は、反射膜で被覆されていてもよい。図１４（Ａ）に示す集光器によれば、テーパ状の角柱体と同様に、光入射端面４４Ｉに入射した光を低損失で伝搬して集光し、光検出器で検出される光量を確保することができる。

また、集光器は、図１４（Ｂ）に示すように、テーパ状の貫通孔４６Ｈを備えた直方体４６でもよい。直方体４６は、入射する反射パルス光を透過しない材料で構成されている。貫通孔４６Ｈの光出射側開口４６Ｏの面積は、光入射側開口４６Ｉの面積より小さい。光入射側開口４６Ｉと光出射側開口４６Ｏとは、互いに相似する矩形状となる。また、貫通孔４６Ｈの内側の側面は、反射膜（側面ミラー）で被覆されている。なお、円柱状の貫通孔とすることもできる。

図１４（Ｂ）に示す集光器によれば、第２の実施の形態のミラー側壁型のテーパ集光器と同様に、光入射側開口４６Ｉに入射した光は、側面ミラーで反射されてテーパ状の貫通孔４６Ｈを「漏れ損失」無く伝搬し、集光されて光出射側開口４６Ｏから射出される。貫通孔４６Ｈは端面を備えていないので、「端面反射」により光損失が発生することはない。

また、集光器は、図１４（Ｃ）に示すように、テーパ状の貫通孔４８Ｈを備えた筒状体４８でもよい。例えば、台形の４枚の板状体を用意し、斜辺同士を接合して筒状に組み立てることで筒状体４８を作製することができる。貫通孔４８Ｈの光出射側開口４８Ｏの開口面積は、光入射側開口４８Ｉの開口面積より小さい。光入射側開口４８Ｉと光出射側開口４８Ｏとは、互いに相似する矩形状となる。また、貫通孔４８Ｈの内側の側面は、反射膜で被覆されている。なお、円柱状の貫通孔とすることもできる。

図１４（Ｃ）に示す集光器によれば、第２の実施の形態のミラー側壁型のテーパ集光器と同様に、光入射側開口４８Ｉに入射した光は、側面ミラーで反射されてテーパ集光器内を「漏れ損失」無く伝搬し、集光されて光出射側開口４８Ｏから射出される。貫通孔４８Ｈは端面を備えていないので、「端面反射」により光損失が発生することはない。また、筒状体４８は組立ても簡単である。

なお、上記の第１〜第３の実施の形態では、漏れ損失、端面反射、及び戻り光を、光利用効率が低下する原因として説明したが、例えば、図４（Ｂ）に示す「漏れ損失」や図８（Ｂ）に示す「端面反射」は、反射パルス光の検出効率を低下させる反面、周到に設計されたバッフルやシュラウド等、複雑な迷光排除手段を設けることなく、視野角以外の経路から侵入する外光（迷光）が光検出器で受光されるのを防止する効果がある。外光（迷光）が受光されるのを防止することで、Ｓ／Ｎが向上する。

また、上記の第１〜第３の実施の形態では、光検出器（フォトダイオード）の受光面積の縮小を高速応答性に結び付けて説明したが、フォトダイオード（ＰＤ）の受光面積が小さいほど、ＰＤ素子収量が増加して低価格になるので、受光装置についてもコストダウンを図ることができる。

（Ａ）及び（Ｂ）はレーザレーダ装置の構成を表す概略図である。 自動車用のレーザレーダ装置の監視範囲を示す図である。 （Ａ）は本発明の第１の実施の形態に係る受光装置の斜視図であり、（Ｂ）は（Ａ）に示す受光装置の光軸に沿った断面図である。 （Ａ）は入射した光がテーパ集光器を伝搬する様子を示す図であり、（Ｂ）は入射した光がテーパ集光器の外部に漏れ出る様子を示す図である。 従来の受光装置の構成を示す光軸に沿った断面図である。 全反射型テーパ集光器の最大反射回数を表すグラフである。 （Ａ）は本発明の第２の実施の形態に係る受光装置の斜視図であり、（Ｂ）は（Ａ）に示す受光装置の光軸に沿った水平方向の断面図である。 （Ａ）は入射した光がテーパ集光器を伝搬する様子を示す図であり、（Ｂ）は入射した光がテーパ集光器の端面で反射される様子を示す図である。 本発明の第３の実施の形態に係る受光装置の光軸に沿った水平方向の断面図である。 ミラー側壁型テーパ集光器の最大反射回数を表すグラフである。 ミラー側壁型テーパ集光器の反射回数を表すグラフである。 ミラー側壁型テーパ集光器の具体的設計例を示すグラフである。 図１２に示す設計例に基づいて設計した受光装置の光軸に沿った水平方向の断面図である。 （Ａ）〜（Ｃ）は各々、集光器の他の一例を示す斜視図である。

符号の説明

１０ レーザレーダ装置
１２ レーザ光源
１４ 光偏向器
１６ 光出力部
１８ 受光装置
１８Ａ 受光装置
１８Ｂ 受光装置
１８Ｃ 受光装置
２０ 解析器
２２ 光検出部
２４ 集光レンズ
２６ 光検出器
２６Ａ 受光面
３０ 対象物
３２ 車両
３４ 監視範囲
３６ テーパ集光器
３６Ｔ テーパ面
３６Ｏ 光出射端面
３６Ｉ 光入射端面
３８ テーパ集光器
３８Ｔ テーパ面
３８Ｏ 光出射端面
３８Ｉ 光入射端面
４０ 反射膜
４２ 屈折率整合剤
４４ 円柱体
４４Ｏ 光出射端面
４４Ｉ 光入射端面
４６ 直方体
４６Ｈ 貫通孔
４６Ｏ 光出射側開口
４６Ｉ 光入射側開口
４８ 筒状体
４８Ｈ 貫通孔
４８Ｏ 光出射側開口
４８Ｉ 光入射側開口
ｆ 焦点距離
Ｌ 光軸
Ｌ_total テーパ集光器の全長
θｄ テーパ角

Claims (9)

1. 入射した光を集光する集光レンズと、
   前記集光レンズの結像位置に配置され且つ前記集光レンズにより集光された光が入射する光入射部と光を出射する光出射部とを備え、前記光出射部の面積が前記光入射部の面積より小さく、反射により前記光入射部から入射された光を前記光出射部に向って伝搬する集光器と、
   前記集光器の前記光出射部に近接配置され且つ前記集光器から出射された光を検出する光検出器と、
   を備えた受光装置。
2. 前記集光器は、入射する光に対し透明な材料で構成されたテーパ状の柱状体であり、前記テーパ状の柱状体の側面が反射膜で被覆され、前記テーパ状の柱状体と前記反射膜との界面での全反射又は前記反射膜での反射により前記光入射部から入射された光を前記光出射部に向って伝搬する請求項１に記載の受光装置。
3. 前記反射膜が入射する光に対し反射率の高い金属蒸着膜である請求項２に記載の受光装置。
4. 前記光出射部と前記光検出器とが、前記テーパ状の柱状体を構成する材料の屈折率と整合する屈折率整合剤で接合された請求項１〜３の何れか１項に記載の受光装置。
5. 前記集光器は、入射する光に対し透明で且つ空気より屈折率が高い材料で構成されたテーパ状の柱状体であり、前記テーパ状の柱状体の側面と空気との界面での全反射により前記光入射部から入射された光を前記光出射部に向って伝搬する請求項１に記載の受光装置。
6. 前記テーパ状の柱状体を構成する材料の屈折率が２以上である請求項５に記載の受光装置。
7. 前記光出射部と前記光検出器とが、前記テーパ状の柱状体を構成する材料の屈折率と整合する屈折率整合剤で接合された請求項５又は６に記載の受光装置。
8. 前記集光器は、テーパ状の貫通孔を備え且つ入射する光に対し不透明な物体であり、前記テーパ状の貫通孔の内側面が反射膜で被覆され、前記反射膜での反射により前記光入射部から入射された光を前記光出射部に向って伝搬する請求項１に記載の受光装置。
9. 前記反射膜が入射する光に対し反射率の高い金属蒸着膜である請求項８に記載の受光装置。