JP2019527928A - パノラマセンシング装置 - Google Patents

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Abstract

本発明は、フレネルレンズシステム（１１０）と光感知デバイス（１２０）とを備えるパノラマセンシング装置を提供する。フレネルレンズシステムは、錐台形状の複合フレネルレンズ（１１１）を含む。当該錐台の側壁の内面及び外面の少なくとも一方は、少なくとも２つのフレネルユニットが配置された歯面である。光感知デバイスは、フレネルレンズシステムによって収束された光線を感知するために用いられる。錐台形状の複合フレネルレンズを使用して検出範囲の境界に対するセンシングを実現するため、レンズ全体の面積が同じである場合、より広い検出範囲を取得したり、各方向からの光エネルギーを収集したりすることができる。また、錐台の側壁に配置された複合フレネル屈折面は、球面又は球状多面体に配置された複合フレネル屈折面と比較すれば、加工難度が大幅に低減され、精度及び良品率も対応するように向上する。【選択図】図３

Description

本発明は、パノラマセンシング装置の技術分野に関し、特に、パノラマ又は非パノラマの広視野角の使用場面に適した、フレネルレンズを使用して広視野角をセンシングするためのセンシング装置に関する。
パノラマセンシング技術の使用はますます広まっている。既存のパノラマセンシング技術は通常、「内部点検出」という設計構想が採用されている。すなわち、センシング範囲内のあらゆる箇所の状況を包括的に検出することであり、一般的には、センシングしたスペクトルバンドは主に、赤外光及び可視光を含む。このような検出構想に基づいて、使用される集光レンズは通常、球面フレネルレンズとして設計されている。
図１を参照されたい。従来のパノラマセンシング装置は、球面フレネルレンズＡＡと光感知デバイスＢＢとを含む。球面フレネルレンズＡＡは、歯面となった外面を有する複合フレネルレンズであり、当該歯面は、球面上に緊密に分布した複数のフレネルユニットａａから構成されている。光感知デバイスＢＢとしては、受動型赤外線（ＰＩＲ）センサが採用されている。
特に歯面を球面の内面に配置することが望まれる場合、球面複合フレネルレンズの原型の製造は非常に困難である。従って、実際の使用において、球面に近似するように球状多面体を使用することが多い。まず各面の平面製造が行われた後、次に球状に近い多面体として組み立てられる。球状多面体の生産において同様に精度に対する要求が高いことが明らかである。さらに、球状多面体の隣接面間の稜角部分によって、内部点検出の構想の実現においては、依然としてブラインドゾーンが存在する。
他方では、内部点検出の構想下において、フレネルユニットが球面の表面上に緊密に分布しているため、単一のフレネルユニットの面積が比較的小さく、センシング距離が比較的短く、カバー範囲も比較的狭く、このため、広範囲のパノラマセンシングの実現は困難である。
本発明は、フレネルレンズシステムと光感知デバイスとを備えるパノラマセンシング装置を提供する。フレネルレンズシステムは、錐台形状の複合フレネルレンズを含む。当該錐台の側壁の内面及び外面の少なくとも一方は、少なくとも２つのフレネルユニットが配置された歯面である。光感知デバイスは、フレネルレンズシステムによって収束された光線を感知するために用いられる。
本発明に係るパノラマセンシング装置によれば、錐台形状の複合フレネルレンズを使用して検出範囲の境界に対するセンシングを実現することは、周辺境界のみを検出するほとんどの使用場面にとって十分である。レンズ全体の面積が同じである場合、錐台の側壁に設けられた複合フレネル屈折面は、各内部点を考慮する必要がなく境界のみを検出するため、より広い検出範囲を得るようにセンシング距離を比較的大きく設計してよい。また、錐台の側壁に配置された複合フレネル屈折面は、球面又は球状多面体に配置された複合フレネル屈折面と比較すれば、加工難度が大幅に低減され、精度及び良品率も対応するように向上する。
本発明に係る装置は、様々な方向からの光信号を受信することができるため、例えば、太陽追跡を必要としない太陽光発電システムに用いられるなど、光エネルギー収集器としても使用され得る。
以下、図面と併せて、本発明に係る具体的な実施形態について詳細に説明する。
従来のパノラマセンシング装置の概略図である。 本発明に用いられる反射型フレネルレンズの概略図である。 本発明の実施形態１におけるパノラマセンシング装置の概略図である。 本発明の実施形態２におけるパノラマセンシング装置の概略図である。 本発明の実施形態３におけるパノラマセンシング装置の概略図である。 本発明の実施形態４におけるパノラマセンシング装置の概略図である。
本発明に係るパノラマセンシング装置にはフレネルレンズが採用されている。理解を容易にするために、まず関連する概念について紹介する。
フレネル（Ｆｒｅｓｎｅｌ）レンズは、薄型のレンズである。通常のレンズの連続した原曲面を複数のセグメントに分割し、各セグメントの厚さを減少させた後に、各セグメントの曲面を同一の平面又は同一のほぼ平滑な曲面に設けることにより、フレネルレンズが形成される。原曲面から進化した不連続の屈折面は通常、段丘状又は歯状であり、フレネル屈折面と称されてよい。原曲面によって生成されたフレネル屈折面は、フレネルユニットと称されてよい。各フレネルユニットは、自らの光学中心を有する。１つのフレネルユニットを形成する複数の「歯」は、同心円又は同心楕円の構造を形成することができる。
１つ以上のフレネルユニットからなる巨視的曲面は、歯面と称される。本明細書における「巨視的曲面」は、滑らかな表面に関しては滑らかな表面自体を示し、歯面に関しては当該歯面の滑らかな包絡面を示す。言い換えれば、歯面全体の巨視的な物理的形状を示す。１つのフレネルユニットのみを有する歯面を「単純フレネル屈折面」と称し、２つ以上のフレネルユニットを有する歯面を「複合フレネル屈折面」と称する。一方が歯面であり、他方が滑らかな面であるレンズは、「単面フレネルレンズ」と称されてよく、例えば、「単面単純フレネルレンズ」及び「単面複合フレネルレンズ」を含むことができる。両面が歯面であるレンズは、「両面フレネルレンズ」と称されてよい。
フレネルレンズは、反射面と組み合わさって反射型フレネルレンズを形成することもできる。例えば、単面フレネルレンズ又は両面フレネルレンズの片面に反射膜をコーティングすること、又は、フレネルレンズの後の光路上に反射鏡を配置することができる。図２を参照すると、一方が単純フレネル屈折面ＣＣであり、他方が反射膜でコーティングされた平滑表面ＤＤである反射型単面単純フレネルレンズが示されている。当該平滑表面は、平面であってもよく、凹面又は凸面であってもよい。
以下、具体例と併せて、本発明に係るパノラマセンシング装置について詳細に説明する。簡潔にするために、以下の実施形態において、円形の横断面を有する円錐台で錐台を表示する。他の実施形態では、方形又は多角形の横断面を有する錐台など、他の形状の横断面を有する錐台を採用してもよい。
＜実施形態１＞
１つの実施形態として、図３に示すように、本発明に係るパノラマセンシング装置は、フレネルレンズシステム１１０と光感知デバイス１２０とを備えている。
フレネルレンズシステム１１０は、錐台形状の複合フレネルレンズ１１１を含む。当該錐台の側壁は、内面が歯面（図中において点線で表示）であり、外面が滑らかである。他の実施形態では、歯面は錐台の外面に位置してもよい。或いは、錐台の内外面両方とも歯面であってもよい。
フレネルレンズシステム１１０は、錐台の頂面に配置された頂部フレネルレンズ１１２をさらに含む。本明細書における「頂面」は、面積がより小さい端部を示し、「底面」は、面性がより大きい端部を示す。頂部フレネルレンズ１１２は、錐台の頂面の形状と一致する平面円形形状を有する。実施形態１において、頂部フレネルレンズ１１２は、単面単純フレネルレンズであり、その歯面は内面に位置し、錐台の回転軸と重なる中心を有するフレネルユニットから構成されている。
実施形態１において、フレネルレンズシステム内の全てのフレネルユニットが共通の焦点を有するため、光感知デバイス１２０は、当該共通の焦点（錐台の底面に位置する）に配置された１つのものである。本発明における光感知デバイス１２０によって感知されるスペクトル範囲は、可視光、赤外光、レーダ波、電波、マイクロ波、Ｘ線、ガンマ線などのような電磁スペクトルのうちの任意の１つ又は複数であり得る。
実施形態１におけるフレネルレンズシステムの巨視的曲面は、錐台の内部の錐面及び錐台の頂部の平面を含むため、既存の球面又は球状多面体構造のフレネルレンズと比較すれば、製造難度が大幅に低減される。さらに、境界検出のために大量のレンズ表面積（錐台の側壁）を使用することによって、信号対雑音比だけでなく、監視範囲も大幅に改善される。
好ましい実施形態として、実施形態１では、錐台の側壁上のフレネルユニットは、錐台の回転軸を中心に均等に配置されている。一方では、フレネルユニットは、同じ形状で均等に分布していることにより、製造の難度をさらに低減することができる。他方では、装置の様々な方向における検出距離及び性能が一致するように保たれる。
さらに好ましくは、実施形態１では、錐台の側壁の内面におけるフレネルユニットは、錐台の回転軸を中心に１列のみ配置されている。そのため、単一のレンズユニットの面積をできるだけ大きくすることにより、レンズ全体の面積を増大させることなく監視範囲をさらに高めることができる。
実施形態１における装置は、強い境界検出能力を有するだけでなく、様々な方向からの光を同一焦点面に集束させることもできるため、太陽追尾システムを必要としない太陽光発電システムにも用いられ、閉鎖された内部を有し、且つ各方向に適用可能なソーラーシステムとして形成することができる。
＜実施形態２＞
１つの実施形態として、図４に示すように、本発明に係るパノラマセンシング装置は、フレネルレンズシステム２１０と光感知デバイス２２０とを備えている。
フレネルレンズシステム２１０は、錐台形状の複合フレネルレンズ２１１を含む。当該錐台の側壁は、内面が歯面（図中において点線で表示）であり、外面が滑らかである。
フレネルレンズシステム２１０は、錐台の頂面に配置された頂部フレネルレンズ２１２をさらに含む。頂部フレネルレンズ２１２は、底面が錐台の頂面と重なる円錐形状を有する。実施形態２において、頂部フレネルレンズ２１２は、単面単純フレネルレンズであり、その歯面は内面に位置し、錐台の回転軸と重なる中心を有するフレネルユニットから構成されている。
フレネルレンズシステム２１０は、錐台の底面に配置された底部反射鏡２１３をさらに含む。底部反射鏡２１３は、錐台の底面の形状と一致する平面円形形状を有する。実施形態２における底部反射鏡２１３は、反射型フレネルレンズである。その反射面は面であり、その歯面は、単純フレネル屈折面又は複合フレネル屈折面である。他の実施形態では、底部反射鏡は、簡単な平面反射鏡又は曲面反射鏡であってもよい。
光感知デバイス２２０は、フレネルレンズシステムにおける各フレネルユニットの共通の焦点（錐台の頂面に位置する）に配置された１つの単面感知デバイスであってもよく、１つの両面感知デバイスであってもよい。
実施形態２において、尖った円錐形の頂部が採用されているため、塵埃、雨及び雪からの保護が容易となり、センシング作業への影響が回避される。上方へ向くように取り付けられ頂面を有するセンシング装置に関しては、尖った円錐形の頂部を使用することが特に有利である。また、底部反射鏡が追加されているため、装置の検出角度は効果的に増大する。また、底部反射鏡は、反射型フレネルレンズであるため、反射と共に再び集光し、信号強度をさらに向上させることができる。
＜実施形態３＞
１つの実施形態として、図５を参照されたい。本発明に係るパノラマセンシング装置は、フレネルレンズシステム３１０と光感知デバイス（不図示）とを備えている。
フレネルレンズシステム３１０は、錐台形状の複合フレネルレンズ３１１を含む。当該錐台の側壁の内面及び外面は、両方とも歯面（図中、内面のフレネルユニットは点線で表示され、外面のフレネルユニットは実線で表示されている）である。各歯面上のフレネルユニットは、錐台の回転軸を中心に均等に配置されており、両方の歯面上のフレネルユニットの数は同じである。他の実施形態では、内外の２つの歯面上のフレネルユニットの数はそれぞれ異なってもよい。好ましい実施形態として、実施形態３では、内面に位置するフレネルユニットの中心と外面に位置するフレネルユニットの中心とは等間隔でずれている。中心付近に位置するフレネルレンズの信号強度が最も強いため、このような構造は、検出範囲を効果的に拡大することができる。他の実施形態では、内面及び外面のそれぞれに位置するフレネルユニットの中心は互いに重なっていてもよい。
フレネルレンズシステム３１０は、錐台の頂面に配置された頂部フレネルレンズ３１２をさらに含む。頂部フレネルレンズ３１２は、錐台の頂面の形状と一致する平面円形形状を有する。実施形態３において、頂部フレネルレンズ３１２は、単面複合フレネルレンズであり、その歯面は内面に位置する。歯面上のフレネルユニットは、錐台の回転軸を中心に均等に配置されている。好ましい実施形態として、頂部フレネルレンズ３１２の歯面は、周囲に位置する一周のフレネルユニットが中央に位置する１つのフレネルユニット３１２ａを囲むように配置され、中央に位置するフレネルユニットは、裏面に反射膜がさらにコーティングされて反射型フレネルレンズを形成している。
フレネルレンズシステム３１０は、錐台の底面に配置された底部反射鏡３１３をさらに含む。底部反射鏡３１３は、別の錐台として形成されている鏡面反射鏡であってよい。当該別の錐台の底面は、複合フレネルレンズ３１１によって形成された錐台の底面と重なっている。底部反射鏡の頂面は、取付ベースとして機能してもよい。
実施形態３における光感知デバイス（不図示）は、１つであってもよく複数であってもよい。例えば、複数の光感知デバイスが底部反射鏡３１３に配置されてよい。各光感知デバイスは、フレネルレンズシステム３１０内の１つ又は複数のフレネルユニットの焦点に対応する。
実施形態３において、コンパクトな構造における広範囲の検出を実現するために、より柔軟な光路設計余地を有する２つの反射鏡が用いられている。また、頂部フレネルレンズとして平面形状の複合フレネルレンズが採用されているため、錐台状の複合フレネルレンズの検出境界の内部においてより狭い範囲を有するもう１つの境界を検出することができる。この「両境界検出」は、検出範囲を確保しつつ、装置の検出機能の信頼性を効果的に向上させることができる。
実施形態３におけるパノラマセンシング装置は、信頼性の高い信号の検出だけでなく、太陽エネルギーの収集及び利用にも用いられ得る。
＜実施形態４＞
１つの実施形態として、図６に示すように、本発明に係るパノラマセンシング装置は、フレネルレンズシステム４１０と光感知デバイス４２０とを備えている。
フレネルレンズシステム４１０は、錐台形状の複合フレネルレンズ４１１を含む。当該錐台の側壁は、内面が歯面であり、外面が滑らかである。当該錐台の側壁は、頂面から上方へ延在し続けると完全な錐面を形成する。ただし、頂面よりも上方の側壁部分には、フレネルユニットがもはや分布しておらず、従って、実施形態４では境界信号のみが監視される。このような完全な錐面の閉鎖構造は、実施形態２で説明した尖った円錐形の頂部と同様のメリットを有する。
フレネルレンズシステム４１０は、錐台の底面に配置された底部反射鏡４１３をさらに含む。底部反射鏡４１３は、反射型フレネルレンズである。
光感知デバイス４２０は、フレネルレンズシステム４１０における各フレネルユニットの共通の焦点（錐台の頂面に位置する）に配置されている。
好ましい実施形態として、実施形態４における装置は、装置の取付ベースとして機能することができるソーラー充電式電池４３０をさらに備えている。ソーラーパネルは、ベースの周囲に配置される。他の実施形態では、ソーラーパネルは、センシング装置の外部に取外し可能に配置されてもよい。太陽エネルギーによる給電方式は、電源コードを接続する必要はなく、装置の取付及び使用においてより高い柔軟性及び利便性を与えることができる。
ソーラー電源装置以外に、他の機能モジュールも本発明に係る各実施形態にさらに含まれてもよい。具体的な使用場面や設計のニーズに応じて選択及び配置することができる。例えば、装置は以下を備えてもよい。
無線通信モジュール
協動する他の装置と無線通信を行うために用いられる。他の装置は例えば、パノラマ映像監視システム、警報システムなどであってよい。ここで、無線通信は、赤外線通信、４３３ＭＨｚ公衆周波数帯域無線通信、ＷｉＦｉ通信、ブルートゥース通信、近距離無線通信、ＲＦＩＤ通信などを含む。無線通信の採用により、配線接続の手間をさらに省き、装置の使用のためのより高い自由度を提供することができる。
信号分析及び処理モジュール
光感知デバイスによって生成された検出信号を分析して処理するために用いられる。
制御モジュール
装置の全体の作動状態を制御するために用いられる。
以上、具体的な例を用いて本発明の原理及び実施形態について詳述したが、上記の実施形態は本発明の理解を深めるためのものにすぎず、本発明を限定するものではないことについては理解されたい。当業者は、本発明の趣旨に基づいて、上記の具体的な実施形態を変更することができる。

Claims (11)

  1. 錐台形状の複合フレネルレンズを含むフレネルレンズシステムと、前記フレネルレンズシステムによって収束された光線を感知するための光感知デバイスとを備え、前記錐台の側壁の内面及び外面の少なくとも一方は、少なくとも２つのフレネルユニットが配置された歯面であることを特徴とするパノラマセンシング装置。
  2. 前記錐台の側壁の内面及び外面のうちの一方が歯面であり、他方が滑らかな表面であり、前記歯面上のフレネルユニットは、前記錐台の回転軸を中心に均等に配置されている、或いは、
    前記錐台の側壁の内面及び外面は、両方とも歯面であり、各歯面上のフレネルユニットは、前記錐台の回転軸を中心に均等に配置されており、両方の歯面上のフレネルユニットの数は同じ又は異なっていることを特徴とする請求項１に記載のパノラマセンシング装置。
  3. 前記錐台の側壁の内面及び外面は、両方とも歯面であり、両方の歯面上のフレネルユニットの数は同じであり、内面に位置するフレネルユニットの中心と、外面に位置するフレネルユニットの中心とが互いに重なっている、又は、等間隔でずれていることを特徴とする請求項２に記載のパノラマセンシング装置。
  4. 前記フレネルレンズシステムは、前記錐台の頂面に配置された頂部フレネルレンズをさらに含み、前記頂部フレネルレンズは、前記錐台の頂面の形状と一致する平面円形形状を有する、或いは、前記頂部フレネルレンズは、底面が前記錐台の頂面と重なる円錐形状を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のパノラマセンシング装置。
  5. 前記頂部フレネルレンズは、単面又は両面単純フレネルレンズであり、各歯面は、前記錐台の回転軸と重なる中心を有するフレネルユニットから構成されている、或いは、
    前記頂部フレネルレンズは、単面又は両面複合フレネルレンズであり、各歯面上のフレネルユニットは、前記錐台の回転軸を中心に均等に配置されていることを特徴とする請求項４に記載のパノラマセンシング装置。
  6. 前記頂部フレネルレンズは、両面複合フレネルレンズであり、両方の歯面上のフレネルユニットの数は同じであり、内面に位置するフレネルユニットの中心と、外面に位置するフレネルユニットの中心とが互いに重なっている、又は、等間隔でずれていることを特徴とする請求項５に記載のパノラマセンシング装置。
  7. 前記フレネルレンズシステムは、前記錐台の底面に配置された底部反射鏡をさらに含み、前記底部反射鏡は、前記錐台の底面の形状と一致する平面円形形状を有する、或いは、前記底部反射鏡は、底面が前記錐台の底面と重なる別の錐台として形成されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のパノラマセンシング装置。
  8. 前記底部反射鏡は、鏡面反射鏡又は反射型フレネルレンズであり、前記反射型フレネルレンズは、反射面が平面であり、歯面が単純フレネル屈折面又は複合フレネル屈折面であり、前記複合フレネル屈折面を構成するフレネルユニットは、前記錐台の回転軸を中心に均等に配置されていることを特徴とする請求項７に記載のパノラマセンシング装置。
  9. 前記フレネルレンズシステム内の全てのフレネルユニットは、共通の焦点を有し、前記光感知デバイスは、当該共通の焦点に配置された１つのものであり、前記光感知デバイスは、単面感知デバイス又は両面感知デバイスである、或いは、
    前記フレネルレンズシステム内の全てのフレネルユニットは、２つ以上の焦点を有し、前記光感知デバイスは、２つ以上あり、少なくとも１つの前記光感知デバイスは、２つ以上の前記焦点のうちの１つに配置されていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載のパノラマセンシング装置。
  10. 前記光感知デバイスは、信号検出デバイス又は光エネルギー収集デバイスであることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載のパノラマセンシング装置。
  11. 前記錐台の側壁の内面又は外面上のフレネルユニットは、前記錐台の回転軸を中心に１列のみ配置されていること、
    前記装置は、前記装置に太陽エネルギーから電力を供給するためのソーラー電源装置をさらに備えること、及び
    前記装置は、外部装置と無線通信するための無線通信モジュールを備えること、の少なくとも１つの特徴をさらに備えることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載のパノラマセンシング装置。
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