JP2009282222A - レンズ素子 - Google Patents

Abstract

【課題】生産性を向上させながらも光学特性に優れたセンサ用のレンズ素子を提供する。
【解決手段】集光レンズ３２がフレネルレンズ形状の光学面を有しているので、集光レンズ３２の軸上厚Ｄ２を、コリメートレンズ３１の軸上厚Ｄ１に合わせ込むように、光学面を分割シフトでき、これにより樹脂材から一体的に成形する際に生産性を向上させながらも最適な成形を行うことが出来、安価なレンズ素子３０を提供することができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、レンズ素子に関し、特に被検物を検出するセンサに用いられると好適なレンズ素子に関する。

例えば自動ドア等においては、人が接近したことを検知してドアの開動作等を行う為に、光学センサを設けることが多い。このような光学センサにおいては、自動ドア等の上方に赤外半導体レーザと受光素子とを並設し、自動ドアの周辺を監視領域として、赤外半導体レーザよりその監視領域に向けて赤外光を照射し、監視領域からの反射光を受光素子にて受光し、その受光量の変化にて自動ドアに接近する人などを検知し、自動ドア等に開信号を与えるようにしている（特許文献１参照）。
特開２００５−３２５５３７号公報

ところで、このような光学センサにおいて、ある程度離れた物体まで赤外光を到達させようとする場合には、光の減衰を抑えるべく無限平行光束を用いることが望ましい。そこで、通常の光学センサには、赤外半導体レーザから出射された光束を略平行光に変換するコリメートレンズが設けられている。一方、物体からの弱い反射光を有効に受光する為に、通常は受光素子の手前に集光レンズが設けられている。ここで、光学センサの低コスト化や小型化を図るために、コリメートレンズと集光レンズとを一体化して樹脂成形しようとする試みがある。

しかるに、一般的にコリメートレンズと集光レンズとは、光学センサの仕様や配置の要求に合わせて、焦点距離や開口数ＮＡを個別に最適化することが求められる。よって、コリメートレンズと集光レンズの軸上厚は、主に焦点距離、開口数ＮＡ、レンズ外周部分の必要厚等によって決定されるので、コリメートレンズと集光レンズとを一体化しようとすると、軸上厚の異なる２つの凸レンズを一度の工程で成形する必要がある。

一方、樹脂により成形される凸レンズの生産性は、一般に軸上厚が厚くなる程悪くなる傾向がある。これは、主に樹脂レンズを成形する際の過熱、冷却の時間（タクトタイム）が長くなることが主原因とされる。従って、軸上厚の異なる２つの凸レンズを一度の工程で成形しようとすると、全体のタクトタイムは、軸上厚が厚い方のレンズにより決まってしまうことから、期待されるほど生産性が向上しないという問題がある。又、軸上厚が厚い方のレンズに最適な成形条件で成形を行うと、軸上厚が薄い方のレンズの成形条件からずれてしまうため、それにより光学性能の劣化を招く恐れもある。

本発明は、かかる従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、生産性を向上させながらも光学特性に優れたセンサ用のレンズ素子を提供することを目的とする。

本発明のレンズ素子は、被検物に光を投光する光源と、前記被検物によって反射された戻り光を受光する受光素子とを有するセンサ用のレンズ素子であって、
前記光源から投光された光を略平行光とするコリメートレンズと、前記戻り光を前記受光素子に集光する集光レンズとを、樹脂材から一体的に形成しており、
前記コリメートレンズと前記集光レンズのうち少なくとも一方は、フレネルレンズ形状の光学面を有していることを特徴とする。

本発明によれば、前記コリメートレンズと前記集光レンズのうち少なくとも一方が、フレネルレンズ形状の光学面を有しているので、前記少なくとも一方のレンズの軸上厚を任意に薄く設定できるため、前記コリメートレンズと前記集光レンズの軸上厚をほぼ同じに合わせることで、樹脂材から両者を一体的に成形する際に生産性を向上させながらも最適な成形を行うことが出来、安価なレンズ素子を提供することができる。フレネルレンズ形状の光学面はレンズの片面でも両面でも良い。

更に本発明において、前記集光レンズがフレネルレンズ形状の光学面を有するようにすることで、集光レンズにおいて戻り光の検出性を高めるために有効径を大きく確保しようとした場合でも、その軸上厚を薄く調整することが可能になる。

更に本発明において、前記コリメートレンズの軸上厚をＤ１とし、前記集光レンズの軸上厚をＤ２とするとき、以下の式を満たすようにすると好ましい。
０．８ ＜ Ｄ２／Ｄ１ ＜ １．２ （１）
即ち、Ｄ２／Ｄ１の比を１に近づけることで、より成形性に優れたレンズ素子を提供できるのである。かかる観点から、以下の式を満たすと更に好ましい。
０．９ ＜ Ｄ２／Ｄ１ ＜ １．１ （１’）

更に本発明において、前記光源は単一波長λの光を投光し、前記コリメートレンズと前記集光レンズのうち少なくとも一方には、前記波長λ以外の波長の光の通過を抑制する手段が設けられていると、前記受光素子には、前記光源からの戻り光以外の光束が入射しにくくなるので、誤検知を抑制して精度の良い検知が可能になる。

ここで、「抑制する手段」とは、前記受光素子に向かう光路内に配置した、波長λの光束のみを通過させるダイクロイックフィルタや回折板、あるいは前記レンズ素子の光学面に設けたダイクロイック膜や回折構造等がある。また、光源にＬＥＤを用いた場合でも、このような波長選択機能をレンズ素子を含む光学系（カバーガラス、或いは走査ミラーを用いたセンサであれば、その走査ミラーも含む）に設けることは、迷光防止に一定の効果が期待できる。但し、一般にレンズは光源波長に対して最適化して設計されるため、波長選択機能はレンズ自体に設けることで、光源と、波長選択機能を持つレンズ素子との対応関係が適切となるためより好ましい。

更に本発明において、前記光源は不可視光を出射すると、肉眼で見えにくくなるので、通過する人間に気づかれにくいという利点がある。

更に本発明において、前記被検物までの距離に応じて、前記コリメートレンズと前記集光レンズの光軸が相対的に傾けることで、特に前記集光レンズにて像高をもった光束を集光する場合など光量の損失を抑えることができるので好ましい。

被検物までの距離が有限である場合には、前記コリメートレンズと前記集光レンズの光軸が平行配置されていると、被検物から反射された光を受光素子で受光する際、集光レンズに対し斜めに光線が入射されることになり、前記受光素子への入射光が受光面の中心から外れた位置に集光したり、集光光線の像の形が収差によって乱れやすくなる等の不具合が発生する。そこで前記コリメートレンズと前記集光レンズとは、被検物までの距離によって最適化された向きに光軸方向を調整されていることが好ましい。

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。図１は、本実施の形態のレンズ素子を用いた自動ドア用センサのシステム図である。図１において、センサＳＮは、基本的な構成として、不可視光である波長λ＝８００ｎｍ付近の光束を出射する赤外発光ダイオードなどの光源１０と、フォトダイオードなどからなる受光素子２０と、レンズ素子３０とを備え、自動ドアＡＤ近傍の床面を監視領域Ｆとして物体を検知する機能を有する。レンズ素子３０は、コリメートレンズ３１と集光レンズ３２とを樹脂で一体的に形成したものである。光源１０と受光素子２０は、自動ドアＡＤの例えば上方に並設されている。なお図１のセンサＳＮでは、光源１０と受光素子２０とレンズ素子３０とを１セットしか示していないが、複数セットを用いると監視範囲が広がり更に有効的である。

図２は、センサＳＮの分解斜視図である。図３は、レンズ素子３０の断面図である。図２において、ボックス状の筐体ＣＳの下部には、光源１０と受光素子２０とを実装した基板ＳＢが組み込まれる。一方、筐体ＣＳの上部には、レンズ素子３０が組み付けられ、筐体ＣＳの内側の段部ＳＴに接着されている。

図３において、レンズ素子３０の集光レンズ３２は、その両側光学面がフレネルレンズ形状となっている。一方、コリメートレンズ３１は屈折レンズである。コリメートレンズ３１の軸上厚をＤ１とし、集光レンズ３２の軸上厚をＤ２とするとき、以下の式を満たしている。
０．８ ＜ Ｄ２／Ｄ１ ＜ １．２ （１）

本実施の形態によれば、集光レンズ３２がフレネルレンズ形状の光学面を有しているので、集光レンズ３２の軸上厚Ｄ２を、コリメートレンズ３１の軸上厚Ｄ１に合わせ込むように、光学面を分割シフトでき、これにより樹脂材から一体的に成形する際に生産性を向上させながらも最適な成形を行うことが出来、安価なレンズ素子３０を提供することができる。

更に、本実施の形態では、センサＳＮから監視領域Ｆまでの距離（例えば１〜２ｍ）に合わせて、光源１０からの反射光を受光素子２０で適切に受光できるように、光源１０の出射面と受光素子２０の受光面とを傾けている。これに合わせて、コリメートレンズ３１と集光レンズ３２の光軸とを、互いに所定の角度θ（例えば１°以下）で傾けている。これにより、適切な光量の光束を受光素子２０で受光することができる。

レンズ素子３０を形成するにあたり、樹脂材料を用いると光学面形状の自由度が高いが、一般に温度や湿度環境の変化に対して屈折率の変化を生じやすい。ここでレンズ素子と成り得る樹脂材料の中では、たとえばポリカーボネートは比較的高温の条件下でも使用出来るなど、樹脂材料による対環境性能変動耐性は異なる。よって、使用する環境、必要とされる温度条件や湿度条件に応じて樹脂材料を選択するとよい。

さらに、温度変化に伴う光源１０の波長変動や、コリメートレンズ３１、集光レンズ３２の屈折率変化を補正するために、その光学面に回折構造を付加してもよい。又、迷光防止の観点から、光源波長λ以外の波長について透過率の低いカバーガラス等を用いたり、レンズ素子３０の表面にダイクロイック膜等を成膜することは任意である。

コリメートレンズ３１と集光レンズ３２は、軸上厚Ｄ１，Ｄ２を略同一とすることで、生産性の向上を図ることが出来るが、双方をフレネルレンズ化することで、さらなる薄型化や、使用する材料を減らす効果も期待される。又、レンズ素子３０は、レンズの周囲にフランジ部分を設けると、そこからの反射光により迷光が生じる恐れがあるため、フランジ部分は設けないか、出来る限り小さくするのが好ましい。特に、コリメートレンズ３１と集光レンズ３２の間にフランジ部分を設けず直接接合したり、あるいは、フランジ部分の表面を光が散乱しやすい面にしたり、遮光部材を設けたりすることが好ましい。遮光部材を設ける場合は、レンズ素子３０の固定の役割を併せ持ってもよい。

センサＳＮの動作を説明すると、光源１０は、その監視領域Ｆに向けて赤外光を投光する。光源１０から投光された光束は、レンズ素子３０のコリメートレンズ３１を通過し、略平行光となって監視領域Ｆに向かう。

監視領域Ｆからの戻り光は、集光レンズ３２を通過して、受光素子２０の受光面に至る。受光素子２０は、監視領域Ｆからの反射光に応じて電気信号に変換し、電気信号を増幅器２１を介して制御系に含まれる判定論理回路２２に提供する。ここで、監視領域Ｆに被検物としても人間Ｈが進入した場合、反射光の受光量（もしくは強度）が変化して所定の閾値を超えるので、それを検知した判定論理回路２２は、自動ドアＡＤのドア駆動部（不図示）に開信号を出力する。これにより、人間Ｈの通過するタイミングに応じて自動ドアＡＤを開閉させることができる。判定論理回路２２は、通常よく用いられるものであってよい。尚、本実施の形態のセンサＳＮを利用して、光の干渉等を用いて被検物までの距離を測定することもできる。

図４は、別な実施の形態のセンサを示すシステム図である。上述した実施の形態に対し、本実施の形態にかかるセンサＳＮは、更に所定の速度で回転するポリゴンミラー４０を有している。光源１０から出射された光束は、レンズ素子３０のコリメートレンズ３１を通過し、回転するポリゴンミラー４０で反射され監視領域Ｆ内で走査される。監視領域Ｆからの戻り光は、ポリゴンミラー４０で反射され、集光レンズ３２を通過して、受光素子２０の受光面で検出される。走査光の届く範囲内に被検物としての人間Ｈが進入すれば、光量変化によりそれを検知できる。ポリゴンミラー４０の代わりにガルバノミラーを用いても良い。

以上、本発明を実施の形態を参照して説明してきたが、本発明は上記実施の形態に限定して解釈されるべきではなく、適宜変更・改良が可能であることはもちろんである。例えば、本発明のレンズ素子を用いたセンサは、自動ドアに限らず、エレベータ、エスカレータ、車載用ドアなど各種の用途に用いることができる。

本実施の形態のレンズ素子を用いた自動ドア用センサのシステム図である。 センサＳＮの分解斜視図である。 レンズ素子３０の断面図である。 別な実施の形態のセンサを示すシステム図である。

符号の説明

１０ 光源
２０ 受光素子
２１ 増幅器
２２ 判定論理回路
３０ レンズ素子
３１ コリメートレンズ
３２ 集光レンズ
４０ ポリゴンミラー
λ 波長
ＡＤ 自動ドア
ＣＳ 筐体
Ｄ１ コリメートレンズの軸上厚
Ｄ２ 集光レンズの軸上厚
Ｆ 監視領域
Ｈ 人間
ＳＢ 基板
ＳＮ センサ
ＳＴ 段部

Claims (6)

1. 被検物に光を投光する光源と、前記被検物によって反射された戻り光を受光する受光素子とを有するセンサ用のレンズ素子であって、
   前記光源から投光された光を略平行光とするコリメートレンズと、前記戻り光を前記受光素子に集光する集光レンズとを、樹脂材から一体的に形成しており、
   前記コリメートレンズと前記集光レンズのうち少なくとも一方は、フレネルレンズ形状の光学面を有していることを特徴とするレンズ素子。
2. 前記集光レンズがフレネルレンズ形状の光学面を有していることを特徴とする請求項１に記載のレンズ素子。
3. 前記コリメートレンズの軸上厚をＤ１とし、前記集光レンズの軸上厚をＤ２とするとき、以下の式を満たすことを特徴とする請求項１又は２に記載のレンズ素子。
   ０．８ ＜ Ｄ２／Ｄ１ ＜ １．２ （１）
4. 前記光源は単一波長λの光を投光し、前記コリメートレンズと前記集光レンズのうち少なくとも一方には、前記波長λ以外の波長の光の通過を抑制する手段が設けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のレンズ素子。
5. 前記光源は不可視光を出射することを特徴とする請求項４に記載のレンズ素子。
6. 前記被検物までの距離に応じて、前記コリメートレンズと前記集光レンズの光軸が相対的に傾いていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のレンズ素子。

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