JP2022000192A - レーザードップラーセンサ - Google Patents

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義博 市川
Yoshihiro Ichikawa
渉 小野寺
Wataru Onodera
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Abstract

【課題】レーザ光源の不安定化を効果的に抑制する。【解決手段】レーザードップラーセンサは、対象物(500)にレーザ光を照射する発光部(221)と、発光部を被覆し、レーザ光が透過する透過面(241)を有する透光性部材(240)とを備える。透光性部材の透過面は、レーザ光の照射光路に対して傾斜して配置されている。これにより、カバー部において反射された戻り光(RB)の光路を出射光(LB)の光路に対してずれた状態にすることができ、結果として光の干渉に起因する発光部の不安定化を抑制することが可能である。【選択図】図2

Description

本発明は、光を対象物に照射することで、対象物に関する各種情報を検出するレーザードップラーセンサの技術分野に関する。
この種の装置として、例えば生体に対して光を照射すると共に、生体で反射又は透過された光を検出することで、血流や脈波等の生体に関する情報を取得する装置が知られている。このような装置では、照射後の散乱等によってレーザ光源に戻ってきてしまう光(以下、適宜「戻り光」と称する)により光の干渉が発生し、レーザ光源の不安定化が発生するおそれがある。このため、例えば特許文献1では、レーザ光源のカバー部分に遮光構造(ピンホール)を設け、戻り光を低減するという技術が提案されている。
特開2007−175416号公報
しかしながら、上述した特許文献1に記載されているような装置では、カバー部分(即ち、レーザ光が透過すべき部材)での反射によって生ずる戻り光が存在するため、レーザ光源の不安定化を十分に抑制することができない。また、遮光構造によって照射可能な光量が低下してしまうため、遮光構造がない場合と同等の光量を得るためには、レーザ光源の出力を大きくすることが要求されてしまう。更には、遮光構造を形成することによるコストの増大も避けられない。
本発明が解決しようとする課題には上記のようなものが一例として挙げられる。本発明は、比較的簡単な構成で、レーザ光源の不安定化を効果的に抑制可能なレーザードップラーセンサを提供することを課題とする。
上記課題を解決するためのレーザードップラーセンサは、対象物にレーザ光を照射する発光部と、前記発光部を被覆し、前記レーザ光が透過する透過面を有する透光性部材とを備え、前記透過面は、前記レーザ光の照射光路に対して傾斜して配置されている。
第1実施例に係るレーザードップラーセンサの全体構成を示す斜視図である。 第1実施例に係るセンサ部の構成を示す断面図である。 センサ部における出射光及び戻り光の光路を示す断面図である。 第1実施例に係る比較例に係るセンサ部の構成を示す断面図である。 第1変形例に係るセンサ部の構成を示す断面図である。 第2変形例に係るセンサ部の構成を示す断面図である。 第3変形例に係るセンサ部の構成を示す断面図である。 第4変形例に係るセンサ部の構成を示す断面図である。 第5変形例に係るセンサ部の構成を示す断面図である。 第6変形例に係るセンサ部の構成を示す断面図である。 第7変形例に係るセンサ部の構成を示す断面図である。 第8変形例に係るセンサ部の構成を示す断面図である。 第2実施例に係るレーザードップラーセンサの全体構成を示す斜視図である。 第2実施例に係るセンサ部の構成を示す断面図である。
<1>
本実施形態に係るレーザードップラーセンサは、対象物にレーザ光を照射する発光部と、前記発光部を被覆し、前記レーザ光が透過する透過面を有する透光性部材とを備え、前記透過面は、前記レーザ光の照射光路に対して傾斜して配置されている。
本実施形態のレーザードップラーセンサによれば、その動作時には、例えば半導体レーザとして構成される発光部から対象物に対してレーザ光が照射される。照射されたレーザ光は、対象物において散乱される。この散乱光を受光すれば、そこから対象物に関する情報を示す信号を生成し、例えば対象物である生体の血流速度や脈波等を検出することができる。
発光部から照射された光は、対象物に照射される前に、発光部を被覆するように設けられた透過性部材を透過する。なお、ここでの「被覆」とは、透過性部材が発光部の周囲を完全に覆うことを意味するものではなく、照射されたレーザ光が通過する範囲をカバーするように設けられているという趣旨である。よって、透過性部材は、例えば発光部の一例である光源を覆うモールドとして設けられてもよいし、モールドより外側に位置するカバー部材や窓のようなものとして設けられていてもよい。透過性部材は、例えばガラス等の透光性の高い部材を含んで構成された透過面を有しており、発光部から照射された光は透過面を透過して対象物に照射される。
ここで本実施形態では特に、透過性部材の透過面が、レーザ光の照射光路に対して傾斜して配置されている。即ち、レーザ光の照射光路と、透過面とが直交しないように配置されている。なお、透過面は平面に限定されるものではなく、曲面であってもよい。また、透過面は、表又は裏の少なくとも一方が照射光路に対して傾斜されて配置されていればよく、傾斜された面とは反対側の面は傾斜されずともよい。
ここで仮に、透過性部材の透過面がレーザ光の照射光路に対して傾斜していないとすると、発光部から照射されたレーザ光は、透過面において反射され発光部に向かう戻り光となる。より具体的には、照射されたレーザ光と同様の経路を逆に辿って、発光部に戻ってくる戻り光が発生してしまう。この結果、戻り光に起因する光の干渉が発生し、発光部の不安定化(具体的には、モードホップ)を生ずる。
しかるに本実施形態では、上述したように、透光性部材の透過面がレーザ光の照射光路に対して傾斜して配置されているため、透光面で反射した光は発光部に向かう戻り光とはならない。具体的には、透過面の傾斜に応じて反射角度が変化し、発光部とずれた位置に向かう戻り光となる。よって、光の干渉に起因する発光部の不安定化を抑制することができる。
なお、透過面の傾斜角度は、発光部から照射される際のレーザ光の拡散角度よりも大きくすることが好ましい。これにより、傾斜した透過面と拡散された(言い換えれば、角度を持って照射された)レーザ光の照射光路とが直交してしまうことを防止できる。また、透過面の傾斜角度は、透過性部材の効率的なレイアウトを実現できる程度に小さく設定されることが好ましい。即ち、透過面の傾斜角度を大きくし過ぎることで、透過性部材の配置スペースが大きくなってしまうことは、出来る限り避けることが好ましい。
以上説明したように、本実施形態に係るレーザードップラーセンサによれば、透過性部材の透過面が傾斜されていることにより、戻り光に起因する発光部の不安定化を効果的に抑制することができる。
<2>
本実施形態に係るレーザードップラーセンサの一態様では、前記透過面から見て前記発光部側に配置されており、前記対象物で散乱された前記レーザ光を受光する受光部を更に備える。
この態様によれば、発光部から出射され、透過面を透過して対象物に照射されたレーザ光は、対象物において反射された後、再び透過面を透過して受光部で受光される。即ち、本態様に係るレーザードップラーセンサは、所謂反射型のレーザードップラーセンサとして構成される。
反射型のレーザードップラーセンサにおいても、透過面を傾斜して配置することにより、発光部の不安定化を抑制することができる。なお、透過面は、発光部から照射されたレーザ光が透過する部分において傾斜されていればよく、受光部において受光されるべき光(即ち、対象物において散乱された光)のみが透過する部分においては傾斜されずともよい。
<3>
上述した受光部を備える態様では、前記透光性部材は、前記発光部に対応する第1透過面、及び前記受光部に対応する第2透過面を有しており、前記第1透過面及び前記第2透過面は、互いに対称の傾斜角度を有するように配置されていてもよい。
このように構成すれば、発光部に対応する第1透過面(即ち、主として発光部から照射されたレーザ光が透過する面)と、受光部に対応する第2透過面(即ち、主として対象物で散乱されたレーザ光が透過する面)とが、互いに対称の傾斜角度を有するように配置されるため、組み立て時における部品の取付方向が限定されない。
ここで仮に、対称性を考慮せず透過性部材の透過面を傾斜させると、傾斜方向に応じて部品の取付方向が限定されてしまうことになる。具体的には、第1透過面となるべき部分と第2透過面となるべき部分とが異なった形状となり、取付方向を間違うと使用できない或いは正常に機能しないものになってしまうおそれがある。
しかるに本態様では、上述したように、第1透過面と第2透過面とが互いに対称の傾斜角度を有している。このため、第1透過面と第2透過面との違いを意識せずに組み立て作業が可能である。よって、生産効率を向上させることができる。
なお、上述した説明からも分かるように、本態様における「対称の傾斜角度を有する」とは、第1透過面と第2透過面とが、互いの形状を区別せずに組み立て可能な対称状態であることを言う。対称の傾斜角度を有する形状の例としては、第1透過面と第2透過面がM字型に配置されるような形状や、第1透過面と第2透過面とが山形に配置されるような形状等が挙げられる。
<4>
上述した第1透過面及び第2透過面が対称の傾斜角度を有する態様では、前記受光部は、前記第1透過面及び前記第2透過面の対称中心に対して、前記発光部よりも近い位置に配置されていてもよい。
このように構成すれば、受光部が第1透過面及び第2透過面の対称中心に近い位置に配置されるため、受光部の受光効率を高めることができる。具体的には、受光部が、第1透過面及び第2透過面の両方を介して、より広い範囲で光を受光することが可能となる。この結果、受光部における受光光量の不足を防止することができる。
一方で、発光部は、受光部よりも第1透過面及び第2透過面の対称中心から遠い位置に配置される。このため、受光部と発光部との間の距離を大きくすることができる。よって、例えば発光部から照射されたレーザ光が、対象物を介さずに直接受光部に受光されてしまうといった不都合を好適に回避できる。
<5>
本実施形態に係るレーザードップラーセンサの一態様では、前記発光部及び前記透光性部材と別体として設けられており、前記対象物で散乱された前記レーザ光を受光する受光部を更に備える。
この態様によれば、発光部から出射され、透過面を透過して対象物に照射されたレーザ光は、対象物を透過した後、別体として設けられた受光部で受光される。即ち、本態様に係るレーザードップラーセンサは、所謂透過型のレーザードップラーセンサとして構成される。
透過型のレーザードップラーセンサにおいても、透過性部材の透過面を傾斜して配置することにより、発光部の不安定化を抑制することができる。なお、受光部側にも透過性部材が設けられる場合には、受光部側の透過性部材の透過面も発光部側と同様に傾斜させることで、部品の共通化を図ってもよい。
本実施形態に係るレーザードップラーセンサの作用及び他の利得については、以下に示す実施例において、より詳細に説明する。
以下では、図面を参照してレーザードップラーセンサの実施例について詳細に説明する。
<第1実施例>
第1実施例に係るレーザードップラーセンサについて、図1から図12を参照して説明する。なお、第1実施例に係るレーザードップラーセンサは、対象物において反射されたレーザ光を受光して各種情報を取得する反射型のセンサとして構成されている。
<装置構成>
先ず、第1実施例に係るレーザードップラーセンサの全体構成について、図1を参照して説明する。ここに図1は、第1実施例に係るレーザードップラーセンサの全体構成を示す斜視図である。
図1において、第1実施例に係るレーザードップラーセンサは、プローブ部100と、プローブ部100に設けられたセンサ部200と、接続ケーブル300と、接続端子400とを備えて構成されている。なお、ここでの図示は省略しているが、センサ部200は、後述する発光素子(即ち、対象物に対してレーザ光を照射する素子)及び受光素子(即ち、対象物で反射されたレーザ光を受光する素子)を有している。
第1実施例に係るレーザードップラーセンサの動作時には、センサ部200が有する発光素子からレーザ光が照射されると共に、対象物で反射されたレーザ光が受光素子において受光される。この際、受光素子では、受光したレーザ光に応じた信号が生成される。生成された信号は、接続ケーブル300及び接続端子400を介して、外部の装置(例えば、信号に各種演算処理を施して、対象物に関する情報を出力可能な装置等)に出力される。
次に、センサ部200の具体的な構成について、図2を参照して詳細に説明する。ここに図2は、第1実施例に係るセンサ部の構成を示す断面図である。
図2において、第1実施例に係るセンサ部200は、プローブ100内部に埋め込まれ、表面を一部露出させるように構成されている。センサ部200は、素子基板210と、発光素子221と、受光素子222と、モールド部230と、カバー部240とを備えて構成されている。
発光素子221は、「発光部」の一具体例であり、素子基板210上に配置されている。発光素子221は、例えば半導体レーザ等として構成される。受光素子222は、「受光部」の一具体例であり、発光素子221と同様に素子基板210上に配置されている。受光素子222は、例えばフォトダイオード等として構成される。発光素子221及び受光素子222は、透明材料からなるモールド部230によって周囲を覆われている。
カバー部240は、「透光性部材」の一具体例であり、モールド部230よりも更に外側に位置し、その一部がプローブ部100の外部に露出されている。カバー部240は、発光素子221から出射されたレーザ光、及び対象物で反射された戻り光を透過するために、例えば透明性の高いガラスのように透光性を有する材料で構成されている。カバー部240は、装置の動作時において、対象物と接触する部分でもある。
本実施例では特に、カバー部240は、主に発光素子221から出射されたレーザ光が透過する第1透過面241、及び主に受光素子に受光されるべき戻り光が透過する第2透過面242を有している。第1透過面241は、発光素子221から出射されるレーザ光の光路に対して傾斜して配置されている。即ち、レーザ光の光路と第1透過面241とが互いに直交しないように(例えば、5°程度ずれた状態で)配置されている。第2透過面242は、対称中心SCを中心として、第1透過面241と対称の傾斜角度を有するように配置されている。この結果、カバー部240は、M字型の部材として構成されている。
また本実施例では、カバー部240の対称中心SCから発光素子221までの距離L1と比べて、対称中心SCから受光素子222までの距離L2が小さくなるように配置されている。即ち、L1>L2となるように、発光素子221及び受光素子222が、カバー部240の対称中心SCに対してずれて配置されている。このように発光素子221及び受光素子222を配置すれば、受光素子222における受光範囲を拡大しつつ、発光素子221と受光素子との間の距離を確保できる。
<作用効果>
次に、カバー部240を傾斜させることで得られる効果について、図3及び図4を参照して詳細に説明する。ここに図3は、センサ部における出射光及び戻り光の光路を示す断面図である。また図4は、第1実施例に係る比較例に係るセンサ部の構成を示す断面図である。
図3において、第1実施例に係るセンサ部200の動作時には、発光素子221から図の真上方向に出射光LBが出射される。出射光LBは、カバー部240の第1透過面241を透過して対象物に照射されることになるが、その一部は、第1透過面241において反射され戻り光RBとなる。この戻り光RBとしては、第1透過面241の内側(即ち、発光素子221側)の境界で反射された光、及び第1透過面241の外側(即ち、対象物側)の境界で反射された光が挙げられる。これらの戻り光RBは、第1透過面241が傾斜されているために、出射光LBとずれた角度で反射される。
図4において、カバー部240が傾斜されていないセンサ部200bについて考える。比較例に係るセンサ部200bでも同様に、カバー部240における反射によって戻り光RBが発生する。しかしながら、ここでの戻り光RBは、出射光LBの光路とカバー部240の面とが直交しているために、発光素子221に向かう光(より具体的には、出射光LBと同じ経路を辿って発光素子221に戻ってくる光)となる。この場合、光の干渉が発生し、発光素子221における不安定化が生じてしまうおそれがある。
これに対し、本実施例のように傾斜されたカバー部240によれば、戻り光RBの光路が出射光LBの光路に対してずれた状態になる(図3参照)。よって、光の干渉に起因する発光素子221の不安定化を抑制することができる。なお、第1透過面241の傾斜角度は、出射光LBの拡散角度よりも大きくすることが好ましい。これにより、傾斜した第1透過面241と拡散された出射光LBの光路とが直交してしまうことを防止できる。また、第1透過面241の傾斜角度は、カバー部240の効率的なレイアウトを実現できる程度に小さく設定されることが好ましい。
ちなみに、受光素子222側の第2透過面242については、出射光LBが入射されないため、上述したような戻り光の光路を変化させる機能は有していない。しかしながら、第1透過面241と第2透過面242とが対称の傾斜角度を有することで、カバー部240は、発光素子221側と受光素子222側とが対称的な形状となる。この結果、製造工程における部品の組み立て時において、第1透過面241と第2透過面242との違いを意識せずに組み立て作業が可能である。即ち、対称性を有するカバー部240は、組み立て時における部品の取付方向が限定されない。よって、生産効率を向上させることができる。
また、カバー部240の形状がM字型になることで、使用時において対象物がM字のくぼみ部分に固定される。このため、使用中の対象物のずれを低減でき、より好適な計測を実現することが可能となる。
<変形例>
次に、カバー部240の変形例について、図5から図12を参照して説明する。ここに図5から図12は夫々、第1から第8変形例に係るセンサ部の構成を示す断面図である。
図5において、第1変形例に係るセンサ部200cでは、カバー部240の第1透過面241及び第2透過面242が山型になるように配置されている。このように、第1透過面241及び第2透過面242の傾斜方向は、第1実施例のM字型に限定される訳ではない。
第1変形例に係るセンサ部200cにおいても、出射光LBの光路に対して第1透過面241が傾斜されているため、戻り光RBは出射光LBとずれた角度で反射される。よって、光の干渉に起因する発光素子221の不安定化を抑制することができる。
なお、第1透過面241及び第2透過面242が対称の傾斜角度を有しているため、部品の対称性も保持され、生産効率を向上させることができる。また、使用時においては、山型の凸部分が対象物に食い込むことで対象物のずれを低減することができる。
図6及び図7において、第2変形例に係るセンサ部200d及び第3変形例に係るセンサ部200eでは、カバー部240の第1透過面241及び第2透過面242が夫々曲面として構成されている。このような構成においても、戻り光RBは出射光LBとずれた角度で反射されるため、光の干渉に起因する発光素子221の不安定化を抑制することができる。なお、第1透過面241及び第2透過面242は、平面及び曲面が併存するような形状とされても構わない。
図8及び図9において、第4変形例に係るセンサ部200f及び第5変形例に係るセンサ部200gでは、カバー部240の第1透過面241のみが傾斜するように配置され、第2透過面242は傾斜して配置されていない。このように構成した場合、カバー部240の対称性は失われるが、戻り光RBは出射光LBとずれた角度で反射されるため、光の干渉に起因する発光素子221の不安定化を抑制することができる。
図10及び図11において、第6変形例に係るセンサ部200h及び第7変形例に係るセンサ部200iでは、カバー部240の第1透過面241及び第2透過面242の一方の面のみが傾斜されている。具体的には、第6変形例に係るセンサ部200hでは、カバー部240の内側の面(即ち、発光素子221側の面)のみが傾斜されており、外側の面(即ち、対象物側の面)は傾斜されていない。逆に、第7変形例に係るセンサ部200iでは、カバー部240の外側の面のみが傾斜されており、内側の面は傾斜されていない。このような構成においても、傾斜した一方の面では、戻り光RBは出射光LBとずれた角度で反射される。従って、光の干渉に起因する発光素子221の不安定化を抑制することができる。
図12において、第8変形例に係るセンサ部200jでは、カバー部240に代えてモールド部230の透過面が傾斜して配置されている。具体的には、モールド部230に第1透過面231及び第2透過面232が夫々形成されており、モールド部230が「透光性部材」の一具体例として機能する。このように構成した場合、モールド部230の第1透過面231において、戻り光RBは出射光LBとずれた角度で反射される。従って、光の干渉に起因する発光素子221の不安定化を抑制することができる。なお、モールド部230の透過面に加えて、カバー部240の透過面も傾斜されてよい。
以上説明したように、第1実施例に係るレーザードップラーセンサによれば、出射光LBが透過する透過面が傾斜されていることにより、戻り光RBに起因する発光素子221の不安定化を効果的に抑制することができる。
<第2実施例>
次に、第2実施例に係るレーザードップラーセンサについて、図13及び図14を参照して説明する。なお、第2実施例は、上述した第1実施例と比較して一部の構成が異なるのみであり、その他の部分については概ね同様である。このため、以下では、第1実施例と異なる部分について詳細に説明し、他の重複する部分については適宜説明を省略するものとする。
先ず、第2実施例に係るレーザードップラーセンサの全体構成について、図13を参照して説明する。ここに図13は、第2実施例に係るレーザードップラーセンサの全体構成を示す斜視図である。
図13において、第2実施例に係るレーザードップラーセンサは、発光側センサ部250を有する発光側プローブ部110と、受光側センサ部260を有する受光側プローブ部120と、接続ケーブル300と、接続端子400とを備えて構成されている。即ち、第2実施例に係るレーザードップラーセンサでは、プローブ部が発光側と受光側とで別体として構成されている。
第2実施例に係るレーザードップラーセンサの動作時には、対象物500が、発光側プローブ部110と受光側プローブ部120との間に配置される。第2実施例に係るレーザードップラーセンサでは、発光側センサ部250が有する発光素子からレーザ光が照射されると、対象物500を透過したレーザ光が、受光側センサ部260が有する受光素子において受光される。即ち、第2実施例に係るレーザードップラーセンサは、透過型のセンサとして構成されている。
続いて、第2実施例に係るセンサ部の具体的な構成について、図14を参照して説明する。ここに図14は、第2実施例に係るセンサ部の構成を示す断面図である。
図14において、発光側センサ部250は、素子基板210と、発光素子221と、モールド部230と、カバー部240とを備えて構成されている。他方、受光側センサ部260は、素子基板210bと、発光素子222と、モールド部230bと、カバー部240bとを備えて構成されている。
発光側センサ部250におけるカバー部240は、発光素子221から出射されるレーザ光の光路に対して傾斜して配置されている。即ち、出射光LBの光路とカバー部240の透過面とが互いに直交しないように配置されている。これにより、カバー部240において反射された戻り光RBは、出射光LBとずれた角度で反射される。従って、光の干渉に起因する発光素子221の不安定化を抑制することができる。
なお、受光側センサ部260におけるカバー部240bも、発光側と同様に傾斜されているが、受光側においては光の干渉を考慮せずともよいため、必ずしも傾斜して配置することは要求されない。ただし、発光側と同様に傾斜されたカバー部240bを用いれば、部品を共通化してコストの増大を防止することができる。
ちなみに、カバー部240及び240bの形状を、例えば図3で示したM字型や図5で示した山型にすることで、部品の対称性を実現し生産性を向上させることもできる。また、第2実施例においても、第1実施例において挙げた各変形例を採用することが可能である。
以上説明したように、第2実施例に係るレーザードップラーセンサによれば、出射光LBが透過する透過面が傾斜されていることにより、戻り光RBに起因する発光素子221の不安定化を効果的に抑制することができる。
本発明は、上述した実施形態に限られるものではなく、特許請求の範囲及び明細書全体から読み取れる発明の要旨或いは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴うレーザードップラーセンサもまた本発明の技術的範囲に含まれるものである。
100 プローブ部
110 発光側プローブ部
120 受光側プローブ部
200 センサ部
210 素子基板
221 発光素子
222 受光素子
230 モールド部
240 カバー部
231,241 第1透過面
232,242 第2透過面
250 発光側センサ部
260 受光側センサ部
300 接続ケーブル
400 接続端子
500 対象物
LB 出射光
RB 戻り光
SC 対称中心

Claims (1)

  1. 対象物にレーザ光を照射する発光部と、
    前記発光部を被覆し、前記レーザ光が透過する透過面を有する透光性部材と
    を備え、
    前記透過面は、前記レーザ光の照射光路に対して傾斜して配置されている
    ことを特徴とするレーザードップラーセンサ。
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