JP4148055B2

JP4148055B2 - 集光方法及びレンズ

Info

Publication number: JP4148055B2
Application number: JP2003272811A
Authority: JP
Inventors: 博継石野
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2003-07-10
Filing date: 2003-07-10
Publication date: 2008-09-10
Anticipated expiration: 2023-07-10
Also published as: JP2005031016A

Description

本発明は、雨滴検知装置において受光素子に集光する集光方法及び受光素子に集光するためのレンズに関する。

車両のガラスの内面側に装着される雨滴検知装置として、ＬＥＤなど発光源からの光を平行光変換レンズにより平行光に変換してガラスに入射し、ガラスの外面（外側界面）で反射させ、その反射光を集光レンズにより集光してフォトダイオードなど受光素子で受光し、受光量によって雨滴を判定する雨滴検知装置が知られている。

そして、平行光変換レンズ及び集光レンズには、非球面レンズのレンズ形状を工夫し、図９に示すように焦点Ｆを一点に合わせた焦点一点型の非球面レンズ２００を用いており、受光素子の検知面３００に焦点がくるように平行光変換レンズ及び集光レンズを配置している。なお、実際には、受光素子の検知面３００に焦点Ｆを確実に合わせることが難しいため、受光素子の検知面３００に若干ぼやけて焦点Ｆが形成される。

しかし、雨滴検知装置の組付の際、発光素子、平行光変換レンズ、集光レンズ、受光素子などの間に機械的な位置ズレがあると、受光素子の出力に誤差が生じ初期品質が一定にならないという問題があった。

また、温度変化により位置ズレが発生すると、受光素子の出力が変化し、温度補正等の精度が低下するという問題もあった。

このような問題点を解決する方法として受光素子を大型化することが考えられるが、コスト高を招く。

本発明は、上記のような従来技術の問題点を解決し、受光素子を大型化することなく初期品質の一定化、温度補正等の精度の維持を図ることができる集光方法及びレンズを提供することを目的とする。

本発明の集光方法は、雨滴検知装置において受光素子に集光する集光方法において、集光スポット半径を前記受光素子のチップサイズの１／２〜３倍にすることを特徴とする。ここで、集光スポット半径が受光素子のチップサイズの１／２倍よりも小さい範囲を除外した理由は、集光スポット半径を受光素子のチップサイズの１／２倍よりも小さい範囲に設定した場合、集光スポットと受光素子との相対的な位置ズレが受光素子のチップサイズの１／２よりも大きくなると、受光素子の検知面での受光量が大幅に減少し、出力比（＝ズレ位置での受光量／正規（設計）位置での受光量）が過小になるからである。一方、集光スポット半径が受光素子のチップサイズの３倍よりも大きい範囲を除外した理由は、集光スポット半径を受光素子のチップサイズの３倍よりも大きい範囲に設定した場合、集光スポットにおいて受光素子で受光されないエリアが過大になり、受光素子が雨滴を検知できなくなる場合が増えるからである。これに対し、集光スポット半径を受光素子のチップサイズの１／２〜３倍の範囲に設定した場合、集光スポットと受光素子との相対的な位置ズレが受光素子のチップサイズの１／２よりも大きくなっても受光素子の検知面で受光量の減少は小さく出力比を維持でき、また、集光スポットにおいて受光素子で受光されないエリアが少なくなる。

このため、本発明の集光方法によると、機械的位置ズレ、温度変化による位置ズレがあっても受光素子の出力維持及び雨滴検知が可能となり、初期品質の一定化、温度補正等の精度の維持を図ることができる。

集光スポット半径を受光素子のチップサイズの１／２〜３倍に設定する方法としては、レンズの曲率を部分的に変えることを挙げることができる。

レンズにおいて曲率が互いに相違している各部は、光軸に近い部位で幅広に形成され、光軸から遠い部位で幅狭に形成する。これにより、光軸から遠い部位つまり外側部位から出射した外側スポットは集光スポットの中心部に集光されるため、集光スポットの中心部を明るくすることができ、また、光軸に近い部位つまり内側部位から出射した内側スポットは集光スポットの中心部及びその周囲に広がるため、集光スポットの中心部の周囲を暗くすることができる。したがって、外側部位を通る光の光路上に雨滴が存在する場合、集光スポットの中心部での光量は大きく低下することになり、この雨滴を検知することができるようになる。つまり、検知エリアが増大することになる。

レンズにおいて曲率が互いに相違している各部は、直線形状を有し、又は、焦点一点型のレンズの曲率半径よりも大きい凸形状を有し、又は、凹形状を有している。

また、本発明のレンズは、雨滴検知装置において受光素子に集光するためのレンズにおいて、集光スポット半径を前記受光素子のチップサイズの１／２〜３倍にするよう構成されることを特徴とする。

本発明のレンズによっても、上述した如き本発明の集光方法と同様、機械的位置ズレ、温度変化による位置ズレがあっても受光素子の出力維持及び雨滴検知が可能となり、初期品質の一定化、温度補正等の精度の維持を図ることができる。なお、本発明のレンズは、集光レンズに限定されるものではなく、平行光変換レンズにも適用可能である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本発明の集光方法を実施するとともに本発明のレンズが組み込まれた一実施形態に係る雨滴検知装置の構成図を示す。

図１において、雨滴検知装置１００は、ウインドシールド（ガラス）１上の雨滴を光学的に検出するために、ウインドシールド１に光（赤外線又は可視光）を照射する発光素子（発光ダイオードＬＥＤ）２と、ウインドシールド１からの反射光を受光し電気信号に変換する受光素子（フォトダイオードＰＤ）３とを備えている。

さらに、雨滴検知装置１００には、ＬＥＤ２及びＰＤ３を支持する回路基板４が設けられており、回路基板４は、センサケース５内に固定配置されている。雨滴検知装置１００は、プリズム６を光透過性の透明接着剤（シリコーンゴム）７を用いてウインドシールド１の車室内側壁面１ａに固着することによってウインドシールド１に取り付けられている。ＬＥＤ２とＰＤ３との位置関係は、ＬＥＤ２からウインドシールド１に照射された光がウインドシールド１で反射されてＰＤ３に入射するようウインドシールド１に対して斜め方向に向き合うように設定されている。

プリズム６は、ＬＥＤ２からの光が確実にＰＤ３に入射するようにＬＥＤ２の光を屈折させるとともに、車室外からの日射や街路灯などの外乱光がＰＤ３に入射するのを防止する機能を有している。プリズム６は、中央部に板状部８を有しており、板状部８の両側には、ＬＥＤ２及びＰＤ３と対面するように平行光変換レンズ９及び集光レンズ１０が形成されている。晴れ時、ＬＥＤ２から出射された光は、図示矢印で示すように、平行光変換レンズ９を経由してウインドシールド１の室外側壁面１ｂで全反射され、集光レンズ１０を経てＰＤ３に出射される。一方、降雨時、ＬＥＤ２から出射された光は、ウインドシールド１上に付着した雨滴によって散乱し室外側壁面１ｂで全反射されなくなり、ＰＤ３の受光量は減少するようになる。したがって、この受光量の減少に基づいて晴雨を判定することが可能となる。

図２は、集光レンズ１０の構成図を示す。

図２に示すように、集光レンズ１０の出射面１１は、全体として凸面形状をしており、しかも、光軸Ａから外側に向かって連続する複数の直線部分１２を有している。換言すると、集光レンズ１０の出射面１１は、光軸Ａから外側に向かって頂点角度が減少してゆく複数の円錐帯部を連続させたような形状を有している。そして、集光レンズ１０の出射面１１は、複数の円錐帯部１２の各中心位置１２ｏから出射される光が焦点Ｆを形成するように構成されており、設計上では、この焦点Ｆが受光素子３の検知面３１の中心位置３１ｏにくるように集光レンズ１０と受光素子３との位置合わせが行なわれる。そして、複数の円錐帯部１２から出射される光により受光素子３の検知面３１に集光スポットＳが形成される。なお、図２の拡大箇所に示す１点鎖線は、従来からの焦点一点型の非球面レンズ２００を表している。

集光スポット半径は、受光素子３のチップサイズに対し１／２〜３倍に設定する。

図３は、集光スポット半径を受光素子３のチップサイズに対し１／２倍以上に設定することの説明図を示している。図３において、受光素子３のチップサイズを１ｍｍ角とし、この受光素子３に対する集光スポットＳのズレを０．５ｍｍ前後とした場合における出力比（＝ズレ位置での受光量／正規（設計）位置での受光量）は、スポット径が約０．５ｍｍ以下では約０．５となるが、スポット径が０．５ｍｍよりも小さいと、受光素子３と集光スポットＳとのズレが０．５ｍｍよりも大きくなると、出力比が大幅に減少することになる。このため、集光スポット半径は受光素子３のチップサイズの１／２倍以上に設定する。

図４は、集光スポット半径を受光素子３のチップサイズに対し３倍以下に設定することの説明図を示している。図４において、集光スポット半径を受光素子３のチップサイズに対し３倍よりも大きく設定すると、各円錐帯部１２における中心位置１２ｏからの光Ｌｏは受光素子３の検知面３１で受光されるが、各円錐帯部１２における中心位置１２ｏから遠い部位１２ｄからの光Ｌｄは受光素子３の検知面３１を照射せず、この部位１２ｄの光路途中の雨滴を検知できなくなる。この検知できないエリアは、ウインドシールド１の室外側壁面１ｂ上に図４の如く同心円の縞状にあらわれる。一方、検知したいガラス面上の雨滴寸法は、直径２ｍｍ以上としている。ここで、通常使用される受光素子３の下限サイズを０．４ｍｍとして検知できないエリアの幅を２ｍｍ未満にするためには、集光スポット半径を１．２ｍｍ未満にする必要がある。このため、集光スポット半径は受光素子３のチップサイズの３倍以下に設定する。

図５は、他の実施形態に係る集光レンズの構成図を示す。

図５に示す集光レンズ１０の出射面１１は、図２図示の集光レンズ１０の出射面１１と同様、全体として凸面形状をしており、しかも、光軸Ａから外側に向かって連続する複数の直線部分１２を有しており、換言すると、集光レンズ１０の出射面１１は、光軸Ａから外側に向かって頂点角度が減少してゆく複数の円錐帯部を連続させたような形状を有している。そして、集光レンズ１０の出射面１１は、図２図示の集光レンズ１０の出射面１１と同様、複数の円錐帯部１２の各中心位置１２ｏから出射される光が焦点Ｆを形成するように構成されており、設計上では、この焦点Ｆが受光素子３の検知面３１の中心位置３１ｏにくるように集光レンズ１０と受光素子３との位置合わせが行なわれる。そして、複数の円錐帯部１２から出射される光により受光素子３の検知面３１に集光スポットＳが形成される。

ただし、図５図示の集光レンズ１０の出射面１１は、図示するように、光軸Ａに近い部位（内側円錐帯部）１２Ａで幅広に形成され、光軸Ａから遠い部位（外側円錐帯部）１２Ｂで幅狭に形成されている。これにより、光軸Ａから遠い外側部位（外側円錐帯部）１２Ｂから出射した外側スポットＳＢは集光スポットＳの中心部に集光されるため、集光スポットＳの中心部を明るくすることができ、また、光軸に近い内側部位（内側円錐帯部）１２Ａから出射した内側スポットＳＡは集光スポットＳの中心部及びその周囲に広がるため、集光スポットＳの中心部の周囲を暗くすることができる。したがって、外側円錐帯部１２Ｂを通る光の光路上に雨滴が存在する場合、集光スポットＳの中心部での光量は大きく低下することになり、この雨滴を検知することができるようになり、したがって、検知エリアが増大することになる。つまり、図６に示すように、雨滴検知装置１００に対し図６（Ａ）に示すようにＸ軸を定めたときの位置Ｘに対する受光素子３側の出力低下は、図６（Ｂ）にグラフαで示すようになり、内側円錐帯部１２Ａと外側円錐帯部１２Ｂの幅を同一に設定した場合の出力低下を表したグラフβと比べて広範囲で検知可能な出力低下が生じ、検知エリアが増大する。

上述した実施形態では、集光レンズ１０の出射面１１は複数の直線部分１２を有するよう構成したが、その他、図７に示すように焦点一点型のレンズの曲率半径よりも大きい凸形状１３を有するよう構成し、あるいは、図８に示すように凹形状１４を有するよう構成してもよく、集光レンズ１０において曲率が互いに相違している部分を有していればよい。

また、本発明のレンズは、上述したような集光レンズ１０に限定されるものではなく、平行光変換レンズ９にも適用可能である。

以上説明したように、本実施形態に係る集光方法及びレンズは、雨滴検知装置１００において受光素子３に集光する集光方法及びレンズにおいて、集光スポット半径を受光素子３のチップサイズの１／２〜３倍にすることを特徴とする。このため、集光スポットＳと受光素子３との相対的な位置ズレが受光素子３のチップサイズの１／２よりも大きくなっても受光素子３の検知面３１で受光量の減少は小さく出力比を維持でき、また、集光スポットＳにおいて受光素子３で受光されないエリアが少なくなる。したがって、機械的位置ズレ、温度変化による位置ズレがあっても受光素子３の出力維持及び雨滴検知が可能となり、初期品質の一定化、温度補正等の精度の維持を図ることができる。

本発明の集光方法を実施するとともに本発明のレンズが組み込まれた一実施形態に係る雨滴検知装置の構成図である。集光レンズの構成図である。集光スポット半径を受光素子のチップサイズに対し１／２倍以上に設定することの説明図である。集光スポット半径を受光素子のチップサイズに対し３倍以下に設定することの説明図である。他の実施形態に係る集光レンズの構成図である。図５図示の集光レンズによる作用効果の説明図である。集光レンズの変形例の構成図である。同じく集光レンズの変形例の構成図である。従来の集光レンズの構成図である。

符号の説明

１００雨滴検知装置
２発光素子
３受光素子
３１検知面
９平行光変換レンズ
１０集光レンズ
１１出射面
１２曲率が互いに相違している各部（直線部分）
１２Ａ光軸に近い部位（内側円錐帯部）
１２Ｂ光軸から遠い部位（外側円錐帯部）
１３曲率が互いに相違している各部（凸形状）
１４曲率が互いに相違している各部（凹形状）
Ｓ集光スポット
Ａ光軸

Claims

雨滴検知装置において受光素子に集光する集光方法において、
集光スポット半径を前記受光素子のチップサイズの１／２〜３倍にし、かつ、
レンズの曲率を部分的に変えることによって、前記集光スポット半径が前記受光素子のチップサイズの１／２〜３倍になり、前記レンズにおいて曲率が互いに相違している各部は、光軸に近い部位で幅広に形成され、光軸から遠い部位で幅狭に形成されていることを特徴とする集光方法。
雨滴検知装置において受光素子に集光するためのレンズにおいて、
集光スポット半径を前記受光素子のチップサイズの１／２〜３倍にするよう構成され、かつ、レンズの曲率は部分的に異なり、また、前記レンズにおいて曲率が互いに相違している各部は、光軸に近い部位で幅広に形成され、光軸から遠い部位で幅狭に形成されていることを特徴とするレンズ。