JP2023515226A - 有限領域の光源の角度放出パターンを迅速に測定することを可能にする光学装置 - Google Patents

Abstract

機械的な動きを伴わずに光源の角度放出パターンを測定することを可能にするための装置であって、その光軸に沿って連続的に：フーリエ対物レンズ（２）と呼ばれる第１の対物レンズであって、フーリエ表面（３）を形成するように配置され、その各点は物体の観測方向に対応する、第１の対物レンズと、前記フーリエ表面上に配置され、透過に使用される拡散器（８）と、前記拡散器の上流に配置され、前記フーリエ対物レンズ（２）および前記面光源に向かって後方散乱された光を減衰させるように配置された光学密度の物質（１２）と、前記拡散器（８）の平面の下流に配置され、前記拡散器の表面を結像するように配置されたビデオ光度計（９）と、を有することを特徴とする、装置。

Description

本発明は、高角度分解能および大開口角で有限領域の光源の角度放出パターンを迅速に測定するための放射測定装置に関する。本発明は特に、自律車両またはスマートフォン用の３Ｄセンサなどの用途に使用することができる、レーザまたは発光ダイオードタイプの光放射光源、およびこれらの構成要素のマトリクスに適用される。

光源の遠視野角度放出パターンを測定する最も簡単な方法は、放出された光を拡散スクリーン上に投影し、ビデオ光度計を使用して、スクリーンによって散乱された光を測定することである。その場合、位置／放出角度較正により、光源の角度放出パターンを推定することが可能になる。この技術は、実施が簡単であるため、長い間使用されてきた。この測定構成は、特にＵＳ １０２１５６２２ Ｂ２に記載されている。本願の図１は、このタイプの構成の模式図を示す。直径ｄの光源１は、光源から距離Ｄに位置する拡散スクリーン８上に半角θの円錐状に光を放出する。全ての方向に再放出された光は、ビデオ光度計９によって取り込まれ、光源の放出円錐の画像を与える。システムの較正および幾何学的歪みの補正の後、開口角２θにわたる光源１の遠視野角度放出パターンを推定することができる。

この構成は、いくつかの欠点を有する。光源およびビデオ光度計は障害物により同じ軸に沿って配向することができず、これは放出円錐上または得られた画像上のいずれかに歪みを誘発する。スクリーン上の拡散は、吸収されなければならない著しい迷光を誘発し、これは、システムのサイズが大きいほど、さらに困難である。最後に、光源のサイズｄが拡散スクリーンのサイズと比較して無視できない場合、最大角度分解能Δθは以下のように制限される：

最大角度分解能は光源と拡散スクリーンとの間の距離Ｄを増加させることによって改善することができるが、拡散スクリーンの最小直径Ｗは同じ開口角θを維持するために以下のように増加する：

図２に示すように、いくつかの光源サイズについて距離Ｄの関数としてシステムの最大角度分解能を与えるが、必要な距離は光源サイズと共に急速に増加し、１度または２度よりも低い角度分解能を維持する。拡散スクリーンのサイズは、大きな開口角が必要な場合、急速に非常に大きくなり、これらの大きな装置上の迷光の問題を扱いにくくする。しかしながら、この種の構成に基づく測定システムは、様々な企業によって販売されている。

拡散スクリーンを透過拡散器８に置き換えるシステムの単純な変形例が、本願の図４に示され、企業Ｇａｍｍａ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃによって名称ＶＣＳＥＬ Ｔｅｓｔ Ｓｙｓｔｅｍｓ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ Ｓｙｓｔｅｍｓ）として市販されている。ビデオ光度計９を拡散器の反対側にオフセットさせることで、光源１とビデオ光度計とを同じ軸に沿って位置合わせすることができるので、歪みの問題を克服する。角度分解能および開口角制約は、もちろん、上記と同じである。拡散器の厚さはまた、システムの角度分解能に影響を与えないようにできるだけ小さくなければならず、これは、システムのサイズ、したがって拡散器のサイズが増加するにつれて、さらに困難になる。この構成は、透過構成と呼ばれる。

原理集合体がＷＯ ００／３７９２３に記載されて最近ではＣＮ ２０２１０１８３６ Ｕの光源の特徴付けのために記載されたこの種のシステムの別の変形例が、２００６年にＲａｄｉａｎｔ Ｉｍａｇｉｎｇ社により販売された（Ｒｙｋｏｗｓｋｉ、ＤＫｒｅｙｓａｒ、ＳＷａｄｍａｎ、Ｔｈｅ ｕｓｅ ｏｆ ａｎ ｉｍａｇｉｎｇ ｓｐｈｅｒｅ ｆｏｒ ｈｉｇｈ ｔｈｒｏｕｇｈｐｕｔ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｄｉｓｐｌａｙ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ － ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｃｈａｌｌｅｎｇｅｓ ａｎｄ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ，” ＳＩＤ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ， ９．３， ２００６参照）。この集合体は、図５に概略的に示されるシステム構成に従って、拡散スクリーンの代わりに拡散半球を使用する。測定される光源１は、半球８の中心に配置される。球体１０の底部は、寄生反射を低減するために可能な限り吸収性である材料からなる。球体によって散乱された光は、凸面鏡１１を用いてわずかに軸外のビデオ光度計９によって結像される。この光学集合体の主な利点は１８０度に近い大きな開口角を可能にすることであるが、幾何学的制約に関連する角度分解能の問題は以前と全く同じである。一方、球によって数回散乱された迷光は、複雑な補正を必要とする（Ｖ． Ｃｏｌｌｏｍｂ－Ｐａｔｔｏｎ， Ｐ． Ｂｏｈｅｒ， Ｔ． Ｌｅｒｏｕｘ， “Ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ ｓｕｒｖｅｙ ｏｆ ｖｉｅｗｉｎｇ ａｎｇｌｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｄｅｖｉｃｅｓ： ａ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｓｔｕｄｙ，” ＳＩＤ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ， Ｓａｎ Ａｎｔｏｎｉｏ， １７．４ （２００９） ｆｏｒ ａ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｗｉｔｈ ｏｔｈｅｒ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓを参照）。

上述の技術の全ては、分解能が制限される。さらに、それらは、様々な観測角度に従って一定の距離で観測されるような光源の測定を可能にすることができない。

高い角度分解能および大きな開口角で光源の角度放出パターンを迅速に測定するために、好ましい技術は、結像センサに関連するフーリエ対物レンズを使用することにある。この技術は本願出願人によって特許されており、文献ＦＲ ２ ７４９ ３８８ Ａに記載されている。本システムの原理を図６に示す。システムは、物体１の区域によって放出された光を収集し、フーリエ平面３と呼ばれる焦点面上で観測の各方向を再集束することを可能にする、フーリエ対物レンズ２を備える。この平面は、視野レンズ４および転写レンズ６を介して２次元センサ７上に再結像される。視野レンズ４と転写レンズ６との間に位置し、物体１上の測定区域に光学的に結合した絞り５は、観測方向とは無関係に、測定区域の見かけのサイズを規定することを可能にする。このタイプの光学系によって実行される測定は、試験中の光源の遠視野放出を評価することを可能にする。

この光学系は、絞り５によって規定される測定区域よりも大きいサイズの面光源の測定によく適している。

それは高分解能測定を可能にするが、図６に示されるシステムはそれにもかかわらず、測定区域よりもサイズが小さい光源を測定するときに不利な点を有する。実際、測定される光源がシステムの光軸と完全に位置合わせした状態が維持されてはいない場合、特定の方向に放出される各光ビームの主光線は第１のフーリエ平面（３）上に集束され、さらには第１のフーリエ平面（３ｂｉｓ）上に集束され、これは、光源のシフトに伴って変化する角度に沿った、第１のフーリエ平面の直接像である。したがって、２次元センサ７への平均入射角は変化し、センサの特性および入射角に対するその感度に応じて、測定結果は、絞り５によって規定される測定区域の内側の光源の位置に非常に依存し得る。

さらに、この装置は３つの異なる対物レンズ２、４、および６を必要とし、したがって、多数のレンズの使用を必要とする。

最後に、そのような装置に適用可能なスループットの保存の法則を適用することにより、観測される表面が大きくなると、および／または、開口角が大きくなると、開口の制約が対物レンズ６において大きくなり、システムのコストが急激に高くなる。

本発明の１つの目的は特に、前述の欠点の全てまたは一部に対処することである。

本発明の第１の態様によれば、好ましくは機械的な動きを伴わずに、光源の角度放出パターンを測定することを可能にする装置が提案される。

本発明の第１の態様による装置は、その光軸に沿って連続的に：
フーリエ対物レンズと呼ばれる第１の対物レンズであって、フーリエ表面を形成するように配置され、その各点は物体の観測方向に対応する、第１の対物レンズと、
フーリエ表面上に配置され、透過に使用される拡散表面と、
前記拡散表面の下流に配置され、前記拡散表面を結像するように配置されたビデオ光度計と、
を有する。

フーリエ表面は、理想的な条件下ではフーリエ平面として文献に記載されることが多い。実際には、それはシステムの軸の周りの回転の対称性の平面ではなく表面である。

装置は例えば、拡散表面の上流に配置され、フーリエ対物レンズおよび試験される光源に向かって後方散乱された光線を減衰させるように配置された光学密度（光学濃度）の物質、例えば吸収層またはブレードを含むことができる。ここで述べる光学密度の物質は、「吸収層」または「密度（濃度）フィルタ」と呼ばれることがある。

この装置は、リアルタイムで光源の角度放出パターンを推定するために、拡散器上の位置と、試験される光源の放出角度との間の対応を較正するための手段によって較正することができる。

第１の可能性によれば、フーリエ表面の各点は、光源の放出の単一の角度方向に対応する。したがって、光源の遠視野光放出を測定することが可能である。

第２の可能性によれば、フーリエ表面の各点は、光源によって放出される光線であって、一定の距離にかつ観測の角度方向に観測される光線の全てに対応する。これは、この一定の距離でこの方向に見られる光源の測定を可能にする。このように、例えば人間の眼に対して無害であることを保証するために、機械的な動きを伴わずに、決定された距離で見られる光源の角度放出パターンを測定することができる装置が提案される。

フーリエ対物レンズは、第１の可能性に従ったような無限遠ではなく、所与の距離で見られるような光源によって放出された光を収集し、その後、フーリエ表面に再集束する。この場合、この表面の各点は、光源から来るビームであって、所与の角度方向に配置されていて光源から一定の距離にある点で収束するビームの全てに対応する。好ましくは、一定の距離は１０ｃｍである。１０ｃｍの距離は、人間の目による光の収集をシミュレートするために、特定の標準によって推奨される。他の標準化された視距離が存在する。１つの可能性によれば、一定の距離は、別のそのような標準化された観測距離によって決定される。

好ましくは、ビデオ光度計の光軸は、試験される光源の法線と平行に配向される。

一実施形態によれば、密度－拡散器対は、一方の側でつや消し処理され、他方の側で反射防止された、例えば平坦な、光学密度の物質によって形成することができる。

別の実施形態によれば、密度－拡散器対は、一方の側で拡散フィルムが接合され、他方の側で反射防止処理された、例えば平坦な、光学密度の物質によって形成することができる。

本発明の別の態様によれば、有限領域の光源の角度放出パターンを測定するための方法であって、その光軸に沿って連続的に：
フーリエ対物レンズと呼ばれる第１の対物レンズであって、フーリエ表面を形成し、その各点は物体の観測方向に対応する、第１の対物レンズと、
第１の対物レンズのフーリエ表面上に配置され、透過に使用される拡散表面と、
拡散表面の下流に配置され、拡散表面を結像するように配置されたビデオ光度計と、
を有することを特徴とする、方法が提案される。

本発明の他の利点および特殊性は、添付の図面を参照して、決して限定するものではない実施形態および実施形態の詳細な説明を読むことによって明らかになるであろう。

光源の遠視野角度測定専用の従来技術の状態を説明する図である。 光源のいくつかの直径について、光源拡散スクリーン距離に応じた、図１のシステムの拡散スクリーンの角度分解能を示す図である。 システムのいくつかの開口角について、光源拡散スクリーン距離に応じた、図１のシステムの拡散スクリーンのサイズを示す図である。 図１の拡散スクリーンの代わりに透過拡散器を使用する従来技術のバージョンを説明する図である。ビデオ光度計９は光源の光軸上に位置合わせすることができるのでシステムはもはや幾何学的歪みを有さないが、図２の制約は依然として有効である。 拡散スクリーンの代わりに拡散半球を使用する、従来技術の別のバージョンを説明する図である。半球の表面は、凸面鏡１１およびわずかに軸外のビデオ光度計９によって結像される。システムの開口角は球体のサイズにかかわらず常に大きいが、角度分解能は常に図２の制約を受ける。 フーリエ対物レンズ装置に基づく従来技術の状態を説明する図である。光源１によって放出された光は、物体１から来る各方向を一次フーリエ平面３上で再集束させるフーリエ対物レンズ２によって収集される。この一次フーリエ平面は、視野レンズ４および転写レンズ６を介して二次フーリエ平面３ｂｉｓ上に再結像される。物体１上の測定区域に光学的に結合した絞り５は、観測の方向とは無関係に、測定区域の見かけのサイズを規定することを可能にする。検出は、二次フーリエ平面３ｂｉｓ上に配置された検出器７のマトリクスによって実行される。 図では平坦に示されているが回転表面とすることができる拡散器８上に放出の各方向を集束させるフーリエ対物レンズ２を含む、図４の集合体に基づく本発明の原理を示す図である。光源に向かって後方散乱される迷光を強く減衰させるために、光学密度の物質１２を拡散器の前に配置することができる。角度測定は、拡散器の平面の反対側でビデオ光度計９によって実行される。 距離Ｒ（典型的には１０ｃｍ）で光源の視覚をシミュレートすることによって光源から来る光を収集する特定のフーリエ対物レンズ２を含む本発明の特定の構成を示す図である。半径Ｒの球体１３上の各視点は、同じタイプの拡散器８／光学密度の物質１２に再集束される。この特定の構成では、光源は、従来のフーリエ対物レンズのような無限遠ではなく、有限距離Ｒで見られる。

以下に記載される実施形態は本質的に限定するものではないので、特に、この特徴の選択は技術的な優位性を与えるか、または本発明を先行技術と区別するのに充分であれば、記載される特徴からの選択のみを含む本発明の変形形態を考慮することができる。この選択は少なくとも１つの好ましくは機能的な特徴を、構造的な詳細なしに、またはこの部分のみが技術的な利点を付与するか、または本発明を先行技術と区別するのに十分である場合には構造的な詳細の一部のみを伴って、含む。

本発明は、図４に概略的に示すように、透過構成に基づいている。

図７に概略的に示されており、２つの追加の要素、すなわち、放出光源１と透過拡散器との間のフーリエ対物レンズ２であって、平坦であるか、または選択された回転表面３に追従することができる、フーリエ対物レンズ２と、場合によっては、拡散器の前に配置された光学密度の物質１２とが、追加されている。これらの２つの追加の要素は、装置の実際的な実現のために３つの決定的な利点をもたらす。

フーリエ対物レンズ２は、放出物体１の全表面から来る各光ビームの収集と、拡散器（ディフューザ）（ｄｉｆｆｕｓｅｒ）３の表面上へのその集束とを保証する。これらの条件下では、システムの角度分解能は、もはやシステムのサイズ条件によって規定されず、フーリエ対物レンズ２の固有の特性によって規定される。したがって、これは、先に説明した拡散器の距離およびサイズに対する幾何学的制約なしに、大きな光源に対して非常に良好であり得る。このフーリエ対物レンズの実現に関連する制約は、図６に示される古典的なフーリエシステムに関連する制約とも異なる。後者の図６の場合、集束は、すべての入射角について、システムの光軸に対して可能な限り平行でなければならず、これは複雑な光学系を必要とする。焦点の位置は、必ずしも平面ではなく、回転表面である。本発明の場合、焦点の位置は拡散器の表面上になければならず、これは平面または任意の回転表面のいずれかであり得るが、各光ビームの入射角はシステムの光軸に沿って配向される必要はなく、これはこの光学部品の実際的な実現に対する大きな制約を排除する。拡散器は、軸外光ビームに対してさえもその役割を果たすことができるので、数十度の偏差が許容される。この制約を排除することは、数ｃｍ^２の光源サイズに対してさえも、限られたサイズおよび合理的な費用でフーリエ対物レンズが製造され得ることを意味する。

拡散器の平面の前に光学密度の物質を導入することにより、フーリエ対物レンズ２および光源１で後方散乱される迷光を大幅に低減することも可能になる。実際、後方散乱光は光学密度の物質１２を２回通過するが、ビデオ光度計９によって検出される有用な光はそれを１回だけ通過する。高出力光源を測定するために、光学密度の物質を設定することは、いかなる特定の問題も提起せず、ほとんどの場合、ビデオ光度計の飽和を回避するために必要でさえある。１．０の光学密度の物質が使用される場合、例えば、システム内で後方散乱される寄生光は１％のオーダーであり、これは、１０％のオーダーである測定のための有用な透過光と比較して完全に無視できる０．００５％未満の反射部分（５％のオーダーの反射で未処理の光学素子）を測定チャンネル内に生成する。システムの性能、特に角度分解能は拡散器の品質に依存し、拡散器の品質は非常に均一でなければならず、可能な限り最小の厚さでなければならない。密度／拡散器対を製造するための実用的な方法は、一方の側でつや消し処理された、または一方の側で拡散フィルムが接合された、較正された厚さの黒色ガラス板を使用することである。この板は、後方散乱光を制限するために、他方の側で反射防止処理されなければならない。

また、拡散器は、フーリエ対物レンズ２と光学密度の物質１２とで構成される収集部と、ビデオ光度計９で構成される受光部とを光学的に分離する。その結果、システムは、光源とシステムの光軸との位置合わせにあまり敏感でなくなる。センサへの入射角は、ビデオ光度計９の光学系のみに依存し、したがって、拡散器によって生成される分離ゆえに、光源の位置から完全に独立している。

前述の本発明は、光源の遠視野角度放出パターンを測定する。フーリエ対物レンズ２は、所与の方向に放出された全ての光ビームを収集し、それらを、拡散器が配置されたフーリエ表面上の同じ点で再集束させる。光源の光線は、このタイプの特徴付けの場合には通常そうであるように、無限遠から来るように観測される。

レーザ光源などの特定の用途において、角度の特徴付けはまた、光源がＩＥＣ６０８２５－１規格などの特定の安全規格に準拠することを確実にすることを目的とする（ＩＥＣ， “ＩＥＣ ６０８２５－１ － Ｓａｆｅｔｙ ｏｆ ｌａｓｅｒ ｐｒｏｄｕｃｔｓ － Ｐａｒｔ １： Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ，” １．２ ｅｄｉｔｉｏｎ （２００８）を参照）。この場合、４００～１１００ｎｍの波長では、測定装置は、１０ｃｍの推奨観測距離で人間の眼をシミュレートしなければならない。その場合、従来のフーリエ対物レンズ（２）は、図８に示すように、光源から１０ｃｍのところに置かれた仮想球表面を観測するように設計することができる。その場合、少なくとも３８．５°の開口角にわたってシステムによって収集された角度データは、７ｍｍの瞳孔直径に対して１０ｃｍの目の開口角に対応する４°にわたって平均化される。得られた値は、人間の目によって各角度で収集可能な最大光を表し、光源の無害性を保証するために、特定の放射輝度を超えてはならない。

容易に理解されるように、本発明は、説明された実施例に限定されず、本発明の範囲から逸脱することなく、これらの実施例に多くの変更を加えることができる。加えて、本発明の様々な特徴、形態、変形、および実施形態は、それらが不適合または相互排他的でない限り、様々な組み合わせで一緒にグループ化され得る。

Claims (8)

1. 有限領域の光源の角度放出パターンを測定するための装置であって、その光軸に沿って連続的に：
   フーリエ対物レンズ（２）と呼ばれる第１の対物レンズであって、フーリエ表面（３）を形成するように配置され、その各点は物体の観測方向に対応する、第１の対物レンズと、
   前記フーリエ表面上に配置され、透過に使用される拡散表面（８）と、
   前記拡散表面（８）の下流に配置され、前記拡散表面を結像するように配置されたビデオ光度計（９）と、
   を有することを特徴とする、装置。
2. 前記拡散表面の上流に配置され、前記フーリエ対物レンズ（２）および前記光源に向かって後方散乱された光を減衰させるように配置された光学密度の物質（１２）を含むことを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. 前記フーリエ表面（３）の各点は、前記光源の放出の角度方向に対応することを特徴とする、請求項１または２に記載の装置。
4. 前記フーリエ表面（３）の各点は、
   前記光源によって放出される光線であって、前記光源から一定の距離にかつ観測の角度方向に位置する点で収束する光線の全てに対応することを特徴とする、請求項１または２に記載の装置。
5. 前記ビデオ光度計（９）の光軸は、試験される前記光源の法線と平行に配向されることを特徴とする、請求項１～４のいずれか１項に記載の装置。
6. 前記密度－拡散器対（８、１２）は、一方の側でつや消し処理され、他方の側で反射防止処理された、光学密度の物質によって形成されることを特徴とする、請求項１～５のいずれか１項に記載の装置。
7. 前記密度－拡散器対（８、１２）は、一方の側で拡散フィルムが接合され、他方の側で反射防止処理された、光学密度の物質によって形成されることを特徴とする、請求項１～５のいずれか１項に記載の装置。
8. 有限領域の光源の角度放出パターンを測定するための方法であって、その光軸に沿って連続的に：
   フーリエ対物レンズ（２）と呼ばれる第１の対物レンズであって、フーリエ表面（３）を形成し、その各点は物体の観測方向に対応する、第１の対物レンズと、
   前記フーリエ表面上に配置され、透過に使用される拡散表面（８）と、
   前記拡散表面（８）の下流に配置され、前記拡散表面を結像するように配置されたビデオ光度計（９）と、
   を配置することを特徴とする、方法。
   
   

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