JP2022140317A - 光学検出システム - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は光学検出システムを提供し、当該光学検出システムは光源、投射モジュール及び検出モジュールを含む。【解決手段】光源は照明光束を提供する。投射モジュールは照明光束の伝達経路上に配置される。照明光束は投射モジュールによって目標物体まで伝達される。目標物体は照明光束を反射して、検出光束を形成する。検出モジュールは検出光束の伝達経路上に配置される。検出モジュールは少なくとも一つの検出ユニットを含む。各検出ユニットは受光素子及び検出素子を含み、かつ、検出ユニットが光軸を有する。受光素子は目標物体と検出素子との間に位置し、光軸に沿って検出光束を検出素子まで誘導し、受光素子が光軸に焦点を有し、かつ、検出素子が焦点に位置しない。本発明の光学検出システムは光信号の受信量を高めて、光学検出効果を高めることができる。【選択図】図１

Description

本発明は電子装置に関し、特に光学検出システムに関する。

ライダー（Ｌｉｇｈｔ（Ｌａｓｅｒ） Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｒａｎｇｉｎｇ，ＬｉＤＡＲ）は一種の光学遠距離検知技術であり、光を利用して目標の距離を測定する。ライダーは高精度に距離を測定し、物体外形を識別し、かつ、周辺の立体地理情報モデルを構築することができ、測定距離が長く、高精度、高識別度などの利点を有し、かつ、環境の明るさに影響されることなく、昼夜問わずに周辺の障害物の形状、距離などの情報を検出することができる。ライダーの走査範囲は１００から２００メートルであるため、自動運転車に必要なより遠く、より正確であるという検出ニーズを満たすことができる。

光学検出において、取り込める信号光エネルギーが多い程、測定できる距離がより長くなり、信号雑音比も高くなり、光雑音（例えば、太陽光または環境光）に抵抗する能力がより高く、誤判断が起こりにくい。光検出器が信号光エネルギーを取り込む実験式（Ｅｍｐｉｒｉｃａｌ ｆｏｒｍｕｌａ）から分かるように、光検出器が取り込める信号光エネルギーは受光面積に正比例する。受光素子を一切有しない場合、受光面積が光検出器の面積に相当し、かつ、受光効率が１である。受光素子を有する場合、受光面積が受光素子の面積に相当し、かつ、受光効率を計算する必要がある。しかし、この方法では、大角度（５０°以上）で入射された時に、一部の光が受光素子内での全反射により出光できず、ロスが発生し、一部の光を屈折させても光検出器に納めることができない。従って、利得がないのみならず、さらに多いロスが発生する。

「背景技術」部分は本発明内容に対する理解を促すためのものであり、「背景技術」に開示された内容には当業者が既知の従来技術以外の一部構成が含まれている可能性がある。「背景技術」に開示された内容は、当該内容または本発明の一つ若しくは複数の実施例が解決しようとする課題が本発明の出願前に既に当業者に把握または認識されていたことを意味するものではない。

本発明は、光信号の受信量を高めて、光学検出効果を高めることができる光学検出システムを提供する。

本発明のその他の目的と利点について、本発明が開示する技術特徴からさらに理解を深めることができる。

前記一つ、一部またはすべての目的、並びにその他の目的を達成すべく、本発明は光学検出システムを提供し、当該光学検出システムが光源、投射モジュール及び検出モジュールを含む。光源は照明光束を提供する。投射モジュールは照明光束の伝達経路上に配置される。照明光束は投射モジュールによって目標物体まで伝達される。目標物体は照明光束を反射して検出光束を形成する。検出モジュールは検出光束の伝達経路上に配置される。検出モジュールは少なくとも一つの検出ユニットを含む。各検出ユニットは受光素子及び検出素子を含み、かつ、検出ユニットが光軸を有する。受光素子は目標物体と検出素子との間に位置し、光軸に沿って検出光束を検出素子まで誘導し、受光素子が光軸に焦点を有し、かつ、検出素子が焦点に位置しない。

以上の通り、本発明の光学検出システムにおいて、検出モジュールは光源、投射モジュール及び検出モジュールを含み、検出モジュールは検出光束の伝達経路上に配置され、かつ、検出モジュールは少なくとも一つの検出ユニットを含む。各検出ユニットは受光素子及び検出素子を含む。また、受光素子は光軸に焦点を有し、かつ、検出素子が受光素子の焦点に位置しない。これにより、受光素子の辺縁のところまで伝達された検出光束が検出素子の外まで伝達されて、光信号の損失を来すことを防ぐことができる。従って、本発明の設計により、光信号の受信量を高めて、光学検出効果を高めることができる。

本発明の前記特徴と利点をより明確、分かりやすく示すために、以下は実施例を挙げて、かつ図面を参照しながら詳しく説明する。

本発明の一実施例の光学検出システムの概略図。 図１の検出モジュールの概略図。 本発明の一実施例の検出モジュールの概略図。 本発明の別の実施例の検出モジュールの概略図。 本発明の別の実施例の検出モジュールの概略図。 本発明の別の実施例の検出モジュールの概略図。 本発明の別の実施例の検出モジュールの概略図。

本発明の前記及びその他の技術内容、特徴と効果は、以下の図面を参照した好ましい実施例の詳細説明において、より明確に示されている。以下の実施例に言及される方向用語、例えば、上、下、左、右、前または後などは図面を参照する方向のみである。従って、使用される方向用語は説明を目的とし、本発明を制限するものではない。

図１は本発明の一実施例の光学検出システムの概略図である。図１を参考する。本実施例は光学検出システム１００を提供し、例えば実体形状を有する任意の物体である目標物体１０を検出する。光学検出システム１００は光源１１０、投射モジュール１２０及び検出モジュール１３０を含む。光源１１０は照明光束Ｌ１を提出する。投射モジュール１２０は照明光束Ｌ１の伝達経路上に配置されている。本実施例において、光学検出システム１００中の光源１１０と投射モジュール１２０と検出モジュール１３０は非共軸方式で配置されている。照明光束Ｌ１は投射モジュール１２０によって目標物体１０まで伝達される。目標物体１０は照明光束Ｌ１を反射して検出光束Ｌ２を形成する。本実施例において、光源１１０は例えば赤外線を用いる半導体レーザー（Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｌａｓｅｒ）であるが、本発明はこれに限定されない。

本実施例において、投射モジュール１２０は例えば任意数の光学素子（例えば、レンズ）、平面視野レーザー対物レンズ（Ｆ‐ｔｈｅｔａ ｌｅｎｓ）または反射鏡とマイクロエレクトロメカニカルシステム（Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ，ＭＥＭＳ）の組合せであるが、本発明はこれに限定されない。即ち、本実施例において、光源１１０が提供した照明光束Ｌ１は、投射モジュール１２０中のイクロエレクトロメカニカルシステムと平面視野レーザー対物レンズを組合せによって、走査方式で投射される。

本実施例において、光学検出システム１００はさらにプロセッサ１４０を含み、プロセッサ１４０は光源１１０及び検出モジュール１３０に電気的に接続され、光源１１０を制御し、検出モジュール１３０のデータ読み取り及び／または前記データに基づく更なる制御を行う。プロセッサ１４０は例えば中央処理装置（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ，ＣＰＵ）であり、またはその他の汎用若しくは特定用途のプログラマブルマイクプロセッサ（Ｍｉｃｒｏｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）、デジタルシグナルプロセッサ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ，ＤＳＰ）、プログラマブルコントローラー、特定用途向け集積回路（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ，ＡＳＩＣ）またはその他の種類の素子、または前記素子の組合せであってもよいが、本発明はこれに限定されない。例を挙げると、本実施例において、プロセッサ１４０は検出モジュール１３０が受信した光信号に基づいて、即時にまたは随時に光源１１０のオン／オフを行い、または光源１１０のパワーを調整してもよいが、本発明はこれに限定されない。

図２は図１の検出モジュールの概略図である。図１と図２を同時に参考する。検出モジュール１３０は検出光束Ｌ２の伝達経路上に配置され、検出光束Ｌ２を受信して信号識別を行う。検出モジュール１３０は少なくとも一つの検出ユニットＵを含む。本実施例において、検出ユニットＵの数が例えば一組である。言い換えれば、本実施例の検出モジュール１３０は単一の検出ユニットＵによって構成されている。別の実施例において、検出ユニットＵの数が複数であってもよい。各組の検出ユニットＵは受光素子１３２及び検出素子１３４を含み、かつ、検出ユニットＵは光軸Ｉを有する。受光素子１３２は光軸Ｉに沿って検出光束Ｌ２を検出素子１３４まで誘導し、及び受光面積を広くするものである。本実施例において、受光素子１３２はレンズを含み、例えば、屈折度が正のレンズであるが、本発明はこれに限定されない。従って、受光素子１３２は光軸Ｉ上に焦点Ｆを有する。

検出ユニットＵの検出素子１３４は検出光束Ｌ２の伝達経路上に位置し、受光素子１３２は目標物体１０と検出素子１３４との間に位置する。検出素子１３４は例えばフォトダイオード（Ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ，ＰＤ）、アバランシェフォトダイオード（Ａｖａｌａｎｃｈｅ ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ，ＡＰＤ）であるが、本発明はこれに限定されない。本実施例において、図２が示すように、受光素子１３２の受光面積が検出素子１３４の検出面の面積より大きい。なお、検出素子１３４は受光素子１３２の焦点Ｆに位置しない。例を挙げると、本実施例において、検出素子１３４は受光素子１３２とその焦点Ｆとの間に位置する。従って、検出光束Ｌ２が伝達されて受光素子１３２を通る時に、検出光束Ｌ２は受光素子１３２に通ることで屈折及び収縮が発生し、かつ、引き続き検出素子１３４まで伝達される。これにより、受光素子１３２の辺縁のところまで伝達された検出光束Ｌ２（即ち、受光素子１３２を通った後に焦点Ｆに集束できなかった光）が検出素子１３４の外まで伝達されて、光信号の損失が発生することを回避できる。言い換えれば、本実施例の設計により、光信号の受信量を高めて、光学検出効果を高めることができる。

図３は本発明の一実施例の検出モジュールの概略図である。図３を参考する。本実施例の検出モジュール１３０Ａは図２が示す検出モジュール１３０に類似する。両者の異なる点は、本実施例において、検出ユニットＵの数が複数であり、かつ、複数の検出ユニットＵの光軸Ｉの方向が互いに異なる。具体的に言うと、本実施例の検出ユニットＵの数が二つである。二つの検出ユニットＵ中の検出素子１３４の検出面Ｓと検出モジュール１３０Ａの中心軸Ｃとの間にそれぞれ９０度より大きい夾角Ｂを有し、かつ、二つの検出ユニットＵそれぞれの光軸Ｉが対応する検出面Ｓに垂直である。言い換えれば、本実施例の検出素子１３４の検出面Ｓが中心軸Ｃに背向し、かつ傾斜している。従って、単一の検出ユニットＵの受光可能な角度が６０度である場合、本実施例の検出モジュール１３０Ａの受光角度が１２０度に達する。即ち、図３が示すように、二つの検出ユニットＵがそれぞれ負６０度から０度の入射光、及び０度から正６０度の入射光を受ける。本実施例において、入射角が正負５０度の検出光束Ｌ２の総合光学効率（受光面積と受光効率の積が検出面積に対する比例値で定義することができる）は、従来方式に比較して１２８％に達することができる。

図４は本発明の別の実施例の検出モジュールの概略図である。図４を参考する。本実施例の検出モジュール１３０Ｂは図２が示す検出モジュール１３０に類似する。両者の異なる点は、本実施例において、検出ユニットＵの数が三つに増え、三つの検出ユニットＵそれぞれの光軸Ｉが対応する検出面Ｓに垂直であり、かつ隣接する検出ユニットＵの光軸Ｉの間に形成される角度が同じである。従って、単一の検出ユニットＵの受光可能な角度が６０度である場合、本実施例の検出モジュール１３０Ｂの受光角度が１８０度に達する。即ち、図４が示すように、三つの検出ユニットＵがそれぞれ負９０度から負３０度の入射光、負３０度から正３０度の入射光、及び正３０度から正９０度の入射光を受ける。

図５は本発明の別の実施例の検出モジュールの概略図である。図５を参考する。本実施例の検出モジュール１３０Ｃは図３が示す検出モジュール１３０Ａに類似する。両者の異なる点は、本実施例において、二つの検出ユニットＵ中の検出素子１３４の検出面Ｓと検出モジュール１３０Ｃの中心軸Ｃがそれぞれ９０度より小さい夾角Ｂを有する。言い換えれば、本実施例の検出素子１３４の検出面Ｓが中心軸Ｃに面し、かつ傾斜している。従って、単一の検出ユニットＵの受光可能な角度が６０度の場合、本実施例の検出モジュール１３０Ｃの受光角度が１２０度に達する。同時に、本実施例の配置は異なる体積の検出モジュール１３０Ｃにも適用することができる。

図６は本発明の別の実施例の検出モジュールの概略図である。図６を参考する。本実施例の検出モジュール１３０Ｄは図２が示す検出モジュール１３０に類似する。両者の異なる点は、本実施例において、検出ユニットＵ１はさらに受光素子１３２を囲んで配置された遮光部材１３６を含み、かつ、受光素子１３２が遮光部材１３６と検出素子１３４との間に位置し、即ち、遮光部材１３６が受光素子１３２の入光側に配置されてもよい。詳しく言うと、遮光部材１３６は受光素子１３２が受光可能な最大入射角度の境界部分に配置され、外部の光雑音が伝達されて受光素子１３２に入ることを防ぐ。これにより、良好な検出効果を高めることができる。本実施例において、受光素子１３２の入光側と出光側のどちらにも遮光部材１３６を配置しているが、別の実施例において、遮光部材１３６を受光素子１３２の入光側のみに配置してもよく、本発明はこれに限定されない。

図７は本発明の別の実施例の検出モジュールの概略図である。図７を参考する。本実施例の検出モジュール１３０Ｅは図６が示す検出モジュール１３０Ｄに類似する。両者の異なる点は、本実施例において、遮光部材１３６は受光素子１３２の入光側のみに配置され、検出ユニットＵ２はさらに反射部材１３８を含み、反射部材１３８が受光素子１３２と検出素子１３４との間に配置されている。詳しく言うと、図７が示すように、反射部材１３８は例えば環状であり、かつ内壁に反射材質の反射柱体または反射環を有する。詳しく言うと、反射部材１３８は受光素子１３２の出光側から検出素子１３４までの光伝達経路の周りに配置され、内部に伝達される検出光束Ｌ２を反射し、検出光束Ｌ２を検出素子１３４まで伝達する。これにより、検出強度を高めることができる。また、受光素子１３２の焦点Ｆは受光素子１３２と検出素子１３４との間に位置する。即ち、検出素子１３４は受光素子１３２の焦点Ｆの後方に配置され、受光素子１３２を通って反射部材１３８の中まで伝達された検出光束Ｌ２を焦点ぼけ（ｄｅｆｏｃｕｓ）作用により均等に入射させる効果を達成できる。これにより、良好な検出効果を高めることができる。

以上を纏めると、本発明の光学検出システムにおいて、検出モジュールは光源、投射モジュール及び検出モジュールを含み、検出モジュールが検出光束の伝達経路上に配置され、かつ、検出モジュールが少なくとも一つの検出ユニットを含む。各検出ユニットは受光素子及び検出素子を含む。また、受光素子は光軸に焦点を有し、かつ、検出素子は受光素子の焦点に位置しない。これにより、受光素子の辺縁のところまで伝達された検出光束が検出素子の外まで伝達されて、光信号損失が発生することを防ぐ。従って、本発明の設計により、光信号の受光量を高め、光学検出効果を高めることができる。

以上の内容は本発明の好ましい実施例のみであり、これを以って本発明の実施範囲を制限すべきではない。本発明の請求の範囲及び明細書の内容を基に行った簡単かつ等価な変更と修正はすべて本発明の範囲内に属する。また、本発明の任意の実施例または請求項は、必ずしも本発明のすべての目的または利点または特徴を達成するものとは限らない。また、要約書と発明の名称は特許検索に利用されるものであり、本発明の権利範囲を制限するものではない。また、明細書で言及される「第一」、「第二」などの用語は素子（ｅｌｅｍｅｎｔ）の名称を示しものであり、素子の数の上限または下限を制限するものではない。

１０ 目標物体
１００ 光学検出システム
１１０ 光源
１２０ 投射モジュール
１３０、１３０Ａ、１３０Ｂ、１３０Ｃ、１３０Ｄ、１３０Ｅ 検出モジュール
１３２ 受光素子
１３４ 検出素子
１３６ 遮光部材
１３８ 反射部材
１４０ プロセッサ
Ｂ 夾角
Ｃ 中心軸
Ｆ 焦点
Ｌ１ 照明光束
Ｌ２ 検出光束
Ｉ 光軸
Ｓ 検出面
Ｕ、Ｕ１、Ｕ２ 検出ユニット

Claims (12)

1. 目標物体を検出する光学検出システムであって、
   前記光学検出システムは光源、投射モジュール及び検出モジュールを含み、
   前記光源は照明光束を提供し、
   前記投射モジュールは前記照明光束の伝達経路上に配置され、前記照明光束が前記投射モジュールによって前記目標物体まで伝達され、前記目標物体が前記照明光束を反射して検出光束を形成し、
   前記検出モジュールは前記検出光束の伝達経路上に配置され、前記検出モジュールは少なくとも一つの検出ユニットを含み、
   各前記少なくとも一つの検出ユニットは受光素子及び検出素子を含み、かつ、各前記少なくとも一つの検出ユニットは光軸を有し、前記受光素子が前記目標物体と前記検出素子との間に位置して、前記光軸に沿って前記検出光束を前記検出素子まで誘導し、
   前記受光素子は前記光軸に焦点を有し、かつ、前記検出素子は前記焦点に位置しないことを特徴とする、光学検出システム。
2. 前記少なくとも一つの検出ユニットの数が複数であることを特徴とする、請求項１に記載の光学検出システム。
3. 前記複数の検出ユニットの複数の前記光軸の方向が互いに異なることを特徴とする、請求項２に記載の光学検出システム。
4. 隣接する前記複数の検出ユニットの複数の前記光軸の間の夾角の角度が同じであることを特徴とする、請求項２に記載の光学検出システム。
5. 前記複数の検出素子の複数の検出面にうちの少なくとも二つと前記検出モジュールの中心軸との間にそれぞれ９０度より大きい夾角を有し、前記光軸が前記検出面に垂直であることを特徴とする、請求項２に記載の光学検出システム。
6. 前記複数の検出素子の複数の検出面のうちの少なくとも二つと前記検出モジュールの中心軸とそれぞれ９０度より小さい夾角を有し、前記光軸が前記検出面に垂直であることを特徴とする、請求項２に記載の光学検出システム。
7. 前記検出素子は前記受光素子と前記焦点との間に位置することを特徴とする、請求項１に記載の光学検出システム。
8. 前記焦点は前記受光素子と前記検出素子との間に位置することを特徴とする、請求項１に記載の光学検出システム。
9. 前記少なくとも一つの検出ユニットはさらに遮光部材を含み、
   前記遮光部材は前記受光素子を囲んで配置され、かつ、前記受光素子が前記遮光部材と前記検出素子との間に位置することを特徴とする、請求項１に記載の光学検出システム。
10. 前記少なくとも一つの検出ユニットはさらに、前記受光素子と前記検出素子との間に配置された反射部材を含むことを特徴とする、請求項１に記載の光学検出システム。
11. 前記受光素子の受光面積が前記検出素子の検出面の面積より大きいことを特徴とする、請求項１に記載の光学検出システム。
12. 前記受光素子がレンズを含むことを特徴とする、請求項１に記載の光学検出システム。

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