JP2012122950A - Ｌｅｄライダー装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小型化、軽量化が可能であって、よりブラインドエリアが小さく、性能も実際の装置として実用性のあるＬＥＤライダー装置を提供する。
【解決手段】ＬＥＤライダー装置において、光を発するＬＥＤ光源と、ＬＥＤ光源が放出する光を平行にするとともに、光のうち測定対象によって散乱されて戻る光を集光するレンズと、ＬＥＤ光源を配置するホールが形成され、ＬＥＤ光源の光軸に対し傾けて配置されるミラーと、ミラーにより反射した光を透過させるためのピンホールが形成された遮光フィルタと、遮光フィルタの前記ピンホールを透過した光を受ける受光装置と、を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＬＥＤライダー装置に関する。より詳細には、ＬＥＤ光源を用いたライダー装置に関する。

ライダー装置とは、光を用いて室内のガス濃度や大気中の粉塵等の状態を測定することのできる装置であって、近年その室内状態等の測定の需要及びその重要性が増してきている。

ライダー装置の光源としては、レーザーが多く用いられているが、レーザーは非常に大掛かりな装置であることが多く、持ち運びや設置に手間がかかり、室内のガス濃度や大気中の粉塵等の状態を簡便に測定するには重さや大きさ等によって困難が伴う場合が多い。

一方で、このライダー装置の光源として、例えば下記非特許文献１乃至３に、ＬＥＤをライダー装置の光源として用いる技術が提案されている。

椎名達雄、小山護哲、"ＬＥＤライダーの試案"、第２７回レーザセンシングシンポジウム予稿集、８４−８５、２００９年 椎名達雄、小山護哲、"ＬＥＤライダーのパルス光源の開発"、第２７回レーザセンシングシンポジウム予稿集、８６−８７、２００９年 Ｍ．Ｋｏｙａｍａ、Ｔ．Ｓｈｉｉｎａ、"Ｌｉｇｈｔ"Ｓｏｕｒｃｅ Ｍｏｄｕｌｅ ｆｏｒ ＬＥＤ Ｌｉｄｅｒ"、ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ２５ｔｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｌａｓｅｒ Ｒａｄａｒ Ｃｏｎｆｅｒｅｃｅ，Ｓ０１Ｐ−３２−１−４（２０１０）

しかしながら、上記非特許文献１乃至３に記載の技術で用いる砲弾型ＬＥＤ光源はコリメート性が低く、実際の装置としての性能において未だ解決すべき課題が残る。

また一般に、従来のライダーは、観測を行なうことのできない距離範囲いわゆるブラインドエリアを有しており、しかもこのブラインドエリアは近距離測定に現われ、近距離測定が難しいといった課題もある。

そこで、本発明は上記課題を鑑み、小型化、軽量化が可能であって、よりブラインドエリアが小さく、性能も実際の装置として実用性のあるＬＥＤライダー装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決する本発明の第一の観点にかかるＬＥＤライダー装置は、光を発するＬＥＤ光源と、ＬＥＤ光源が放出する光を平行にするとともに、光のうち測定対象によって散乱されて戻る光を集光するレンズと、砲弾型ＬＥＤ光源を配置するホールが形成され、ＬＥＤ光源の光軸に対し傾けて配置されるミラーと、ミラーにより反射した光を透過させるためのピンホールが形成された遮光フィルタと、遮光フィルタのピンホールを透過した光を受ける受光装置と、を有する。

本発明により、小型化、軽量化が可能であって、よりブラインドエリアが小さく、性能も実際の装置として実用性のあるＬＥＤライダー装置を提供することができる。

実施形態に係るＬＥＤライダー装置の概略図である。 実施形態に係るＬＥＤライダー装置の砲弾型ＬＥＤ光源近傍の拡大図である。 実施例に係るＬＥＤライダー装置の結果を示す図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を用いて詳細に説明する。ただし、本発明は多くの異なる形態による実施が可能であり、以下に示す実施形態、実施例の例示に限定されるものではない。

図１は、本実施形態に係るＬＥＤライダー装置（以下「本装置」という。）１の概略図である。本図で示すように、本装置１は、光を発する砲弾型ＬＥＤ光源２と、砲弾型ＬＥＤ光源２が放出する光を平行にするとともに、この光のうち測定対象によって散乱されて戻る光を集光するレンズ３と、砲弾型ＬＥＤ光源２を配置するホール４１が形成され、砲弾型ＬＥＤ光源２の光軸２１に対し傾けて配置されるミラー４と、ミラー４により反射した光を透過させるためのピンホール５１が形成された遮光フィルタ５と、遮光フィルタ５のピンホール５１を透過した光を受ける受光装置５と、この受光装置６と遮光フィルタ５の間に配置されるバンドパスフィルタ７と、を有する。

本実施形態において、砲弾型ＬＥＤ光源２は、砲弾型をしたＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅ）であって、具体的には半導体からなり光を発するＬＥＤ素子を透明樹脂で砲弾のような形で覆ったものをいう。砲弾型ＬＥＤは、先端部が球形状をしており、放出される光に予め広がりを持たせておくことができる。

また、本実施形態においてレンズ３は、砲弾型ＬＥＤ光源２が放出した光を平行にするとともに、この光のうち測定対象によって散乱されて戻る光を集光することができる。すなわち本実施形態では、送信用のレンズと受信用のレンズに同じレンズをそのまま用いることができ、その送受信用レンズの先にミラー等を配置する必要がなく、いわゆるブラインドエリアが殆どない。

本実施形態においてレンズ３は、上記の通り、砲弾型ＬＥＤ光源２が放出した光を平行にするとともに、この光のうち測定対象によって散乱されて戻る光を集光することができる限りにおいて限定されるわけではないが、例えばフレネルレンズであることはより小型化することができる点において有用である。

また本実施形態において、ミラー４は、光を反射することのできる部材であって、砲弾型ＬＥＤ光源２を配置するホール４１が形成されており、砲弾型ＬＥＤ光源２の光軸２１に対し傾けて配置されている。なお砲弾型ＬＥＤ光源２の光軸２１とは、砲弾型ＬＥＤ光源２が発する光の中心となる軸をいい、この軸に対して光が対称に広がっている。

本実施形態に係るミラー４には上記の通りホール４１が形成されており、ホール４１の領域内に砲弾型ＬＥＤ光源２が配置されており、このホール４１から砲弾型ＬＥＤ光源２の光が上記レンズ３に放出できるようになっている。この場合において、砲弾型ＬＥＤ光源２は、ミラー４の反射面より突出していないことが好ましい。このようにしておくことで、ミラーから反射された光が遮光フィルタ５に入る前に砲弾型ＬＥＤ光源２によって吸収又は散乱されてしまうことを防止することができる。

また本実施形態において、ミラー４は、砲弾型ＬＥＤ光源２の光軸２１、及びレンズ３の光軸３１に垂直な面３２に対し傾けて配置されている。このように配置することで、散乱によって戻ってきた光は、レンズ３により集光される過程で反射され、向きを変えた後完全に集光し、受光装置６に入ることとなる。本実施形態では、砲弾型ＬＥＤ光源２を用いているため、散乱によって戻ってきた光が集光する位置は、砲弾型ＬＥＤ光源２の透明樹脂の効果により、砲弾型ＬＥＤ光源２が配置された位置よりもレンズから離れた位置となっている。そこで、本実施形態では砲弾型ＬＥＤ光源２をミラーに近い位置に配置することでミラーによってさえぎられることなく広く光を放出することができる一方、散乱によって戻ってきた光をミラーで反射させ離れた位置で集光、検知することができる。

なお本実施形態においてミラー４を傾ける角度は、受光量の調整、ＬＥＤライダー装置内に受光装置６を無駄なくコンパクトに配置することができる限り適宜調整が可能であり特に限定されるわけではないが、例えば、ミラーの反射面４２と砲弾型ＬＥＤ光源２の光軸２１又はレンズの光軸３１に垂直な面３２とのなす角βが３０度以上６０度以下の範囲であることが好ましく、より好ましくは５０度以上５５度以下の範囲であることが好ましく、最も好ましくは４５度である。

また本実施形態においてミラー４の大きさは、レンズ３の大きさによって適宜調整可能であり、限定されるわけではないが、レンズ３の縁部に戻ってきた光であってもミラー４によって反射が可能であるようにしておくことが好ましい。

また本実施形態において、ミラー４に形成されたホールの側面４２に、フード４３が付されていることが好ましい。図２に、このフード４３を設けた場合の砲弾型ＬＥＤ光源２及びミラー４の部分拡大図を示しておく。本実施形態係るフード４３は、光を吸収する又は光の反射を抑える部材であることが好ましく、例えば黒い紙、黒い塗料（つや消し）、不織紙を用いることができる。本実施形態では、フードを設けることで砲弾型ＬＥＤ光源２から放出される光がこのホール側面４２によって受光装置６側に向かってしまうことを防止することができるようになる。

また本実施形態において受光装置６は、大気など装置外部から反射された光を取り込みその受光量を計測することのできる装置である。受光装置６はこの限りにおいて限定されるわけではないが、例えばＰＭＴ（ＰｈｏｔｏＭｕｌｔｉｐｌｉｅｒ Ｔｕｂｅ）と、このＰＭＴに接続されたフォトンカウンタとを有して構成されていることが好ましい。このようにすることで、ＰＭＴにより光エネルギーを電気エネルギーに変換し、フォトンをカウントすることができるようになる。

また本実施形態において、受光装置６とミラー４の間には、装置外部から反射される光のみを受光装置６に取り込ませそれ以外の光を遮断するための遮光フィルタ５が配置されている。遮光フィルタ５にはピンホール５１が形成されており、このピンホール５１にミラー４によって反射され、集光する光の焦点がくるようピンホール５１の位置を調整することで、測定に悪影響を与える光を除去することができるようになる。

また本実施形態において、受光装置６とミラー４の間には、バンドパスフィルタ７を有している。本装置ではバンドパスフィルタ７を透過させることで、必要な範囲の波長の光を取り込ませることができ、より正確な測定を可能とすることができる。なお、砲弾型ＬＥＤ光源において、十分波長分離ができている場合は、このバンドパスフィルタを設けるには及ばない。

また本装置では、砲弾型ＬＥＤ光源２をレンズ３側に照射した光の一部がレンズ３によって反射され、ミラー４によって更に反射され受光装置６に入射してしまうといった問題が生じるおそれがある。そのため、本装置では砲弾型ＬＥＤ光源２の光軸とレンズの光軸とをずらすことが好ましい。この場合の角度としては、適宜調整可能であるが、例えば砲弾型ＬＥＤ光源２の広がり角をαとした場合、０．５α以上２α以下の範囲でずれていることが好ましく、より好ましくはα以上２α以下である。この範囲内とすることで、本装置では、砲弾型ＬＥＤ光源２から発せられた光がレンズによって反射されたとしても受光装置６側に反射される量を抑えることができるといった効果がある。なおここで砲弾型ＬＥＤ光源２の広がり角とは、光強度が最大強度の半分になる半値全幅をいう。

また本装置１では、上記ＬＥＤ光源２、レンズ３、ミラー４、遮光フィルタ５、受光装置６、バンドパスフィルタ７を収納、設置するためのハウジング８を有していることも好ましい。このようにハウジング８を設けることで系を固定し一体として持ち運びができるようになるといった利点がある。

以上本実施形態に係るＬＥＤライダー装置は、小型化、軽量化が可能であって、よりブラインドエリアが小さく、性能も実際の装置として実用性がある。

なお本実施形態では、砲弾型ＬＥＤ光源を用いているが、散乱して戻る光の焦点位置が光源の位置より離れた位置になるものであれば特に限定はされず、例えば面発光型のＬＥＤ光源であってもよい。

以下、上記実施形態に係る装置について実際に作成しその効果を確認した。以下説明する。

本装置は、幅２３０ｍｍ、奥行き２３０ｍｍ、高さ２１０ｍｍのハウジングを形成し、その内部に、砲弾型ＬＥＤ光源、フレネルレンズ、ミラー、ＰＭＴ、ピンホールが形成された遮光フィルタを所定の配置で設置した。

本実施例において砲弾型ＬＥＤ光源は波長３９２ｎｍ、径３ｍｍのものを用いた。ＬＥＤをパルス発振させるにいたっては、無安定マルチバイブレータ回路と単安定マルチバイブレータの複合回路を作成し、パルス励起信号をＬＥＤドライブ回路に入力した。これによりパルスドライブ回路は３０ｍｍ×４５ｍｍとなり小型化することができた。なおこの砲弾型ＬＥＤ光源はパルス駆動する際、大電流を流すこととなるため連続波駆動する場合に比べ若干波長のシフトがあるが、特に大きな影響は無い。

本実施形態においてフレネルレンズは、砲弾型ＬＥＤ光源から１８０ｍｍ離した位置に配置し、砲弾型ＬＥＤ光源から発せられた光をコリメートさせるようにした。なおビーム径は６０ｍｍ、ビームの広がり角は９．５ｍｒａｄとなるようにした。なお、装置外部から反射した光は上記ビーム径より当然に広がっていることを想定し１９０ｍｍ×１９０ｍｍ（ｆ＝１４０ｍｍ）のものを使用した。

また本実施形態においてミラーは、１２０ｍｍ×６０ｍｍの板状であってホールが形成され、このホールに上記砲弾型ＬＥＤ光源が配置されるようにした。なおミラーの反射面と砲弾型ＬＥＤ光源とのなす角は４５となるように設置した。

本実施例においてＰＭＴは浜松ホトニクス製、型番１９２４Ｐを用い、この前面には遮光フィルタを配置し、ピンホールの径は４ｍｍとした。この結果、本装置の視野角（ＦＯＶ）は１０．７ｍｒａｄとなった。

次に、上記作成したＬＥＤライダー装置について動作確認を行なった。この動作確認は、まず本装置のレンズから６．４ｍはなれたハードターゲット（壁）に対し光を照射させることで行なった。

まず砲弾型ＬＥＤ光源から、パルス幅１０．２ｎｓ、１１２ｋＨｚ、５５ｍＷで光を放出させ、その信号を確認した。図３にこの結果を示す。この結果、６．４ｍの位置に壁からのエコーと思われるピークを確認することができ、実測値と一致した。この結果、本実施例に係るＬＥＤライダー装置は、小型化、軽量化が可能であって、よりブラインドエリアが小さく、性能も実際の装置として実用性があることを確認した。

（実施例２）
本実施例では、ミラーのホール側面に黒い塗料が付されたフードを設け、更に、砲弾型ＬＥＤ光源の光軸とレンズの光軸とをずらした点が上記実施例１と異なるがそれ以外は同様とした。

図３で示す結果では、本図が示すとおり、０ｍの位置において極めて強いピークが観測されている。これは、上記実施形態において述べるように、砲弾型ＬＥＤ光源がレンズから反射された光をうけている可能性、更に砲弾型ＬＥＤ光源がミラーのホール側面に反射して受光装置に入ってきてしまっている可能性があると見出した。そこで、本実施例ではミラーのホールの側面にフードを設けるとともに、砲弾型ＬＥＤ光源の光軸とレンズの光軸とを１０度傾けて上記実施例１と同様の測定を行った。この結果を図５に示す。なお、実施例１、２において、ホールは、直径４ｍｍの空洞が、ミラー（厚さ３ｍｍ）の反射面に対して４５度傾いて貫通するよう、即ち砲弾型ＬＥＤ光源の光軸と平行となるよう形成している。

この結果、０ｍにおける強度が改善前（実施例１）に比べ、非常に低く抑えることができていることを確認し、本手段の有用性を確認することができた。

本発明は、ＬＥＤライダー装置として産業上の利用可能性がある。

Claims (5)

1. 光を発するＬＥＤ光源と、
   前記ＬＥＤ光源が放出する光を平行にするとともに、前記光のうち測定対象によって散乱されて戻る光を集光するレンズと、
   前記ＬＥＤ光源を配置するホールが形成され、前記ＬＥＤ光源の光軸に対し傾けて配置されるミラーと、
   前記ミラーにより反射した光を透過させるためのピンホールが形成された遮光フィルタと、
   前記遮光フィルタの前記ピンホールを透過した光を受ける受光装置と、を有するＬＥＤライダー装置。
2. 前記ＬＥＤ光源は、砲弾型である請求項１記載のＬＥＤライダー装置。
3. 前記遮光フィルタと前記受光装置の間にバンドパスフィルタを有する請求項１記載のＬＥＤライダー装置。
4. 前記ミラーのホール側面にフードを備えた請求項１記載のＬＥＤライダー装置。
5. 前記ＬＥＤ光源の光の広がり角をαとした場合、前記レンズの光軸と前記ＬＥＤの光軸とのなす角βが０．５α度以上２α度以下の範囲内にある請求項１記載のＬＥＤライダー装置。