JP4359659B1 - 受光素子用フィルタおよび受光装置 - Google Patents
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Abstract
N1/(N2)2
が最小となるように構成されている。
【選択図】 図8
Description
N1/(N2)2
が最小となるように構成されている。
N1/(N2)2
が最小となるように構成することによって、制約条件の下でS/N比を最大とする受光素子を得ることができる。
N1/(N2)2
を求めるステップと、制約条件の下で
N1/(N2)2
を最小とするように、該受光素子用フィルタの仕様を定めるステップと、を含む。
N1/(N2)2
が最小となるようにすることによって、制約条件の下でS/N比を最大とする受光素子を製造することができる。
N1/(N2)2
を求めることができるので、確実にS/N比を最大とする受光素子を製造することができる。
S= (信号光の入射光子数)×(受光素子の量子効率)×(積分時間)×(受光素子面積)
で計算される。
N= 定数×(外乱光の入射光子数)1/2
で計算されると仮定する。Nが入射光子数の平方根に比例する理由は、ノイズ成分が光ショットノイズのような挙動を示すと仮定したからである。光子数の平均値は、光源の強さによって決まるが、光子数の分布はポアソン分布を示す。したがって、光子数の平均値に対する標準偏差は光子数の平方根で与えられる。上記の仮定については、後で検証する。
S/N =A×(信号光の入射光子数)/( 外乱光の入射光子数)1/2 (1)
となる。ここで、Aは、定数である。式(1)の両辺を2乗し逆数を取ると、
(N/S)2 =B× (外乱光の入射光子数)/ (信号光の入射光子数)2 (2)
となる。ここで、B=1/A2である。
N1/(N2)2 (3)
となる。
N1/(N2)2
の値を求める。
N1/(N2)2
の値が最小となるように、バンドパスフィルタ111の透過率を変化させる。
N1/(N2)2
の値を示す表である。表1において、
N1/(N2)2
の値は図8(c)の場合に最小となる。
N1/(N2)2
との関係は、後に説明する図10に示される関数で表される。したがって、
N1/(N2)2
の最小値を求めることは、図10に示される関数の最小値を求めることに相当する。関数の最小値を求めるには、たとえば、横軸で示されるバンドパスフィルタの透過率を十分に小さな区間に分割し、区間ごとの
N1/(N2)2
の値を求め、その最小値を求めてもよい。
N1/(N2)2
の値を示す表である。表2において、
N1/(N2)2
の値は図9(c)の場合に最小となる。
N1/(N2)2
の値を比較すると、全般的に表1の値の方が小さい。その理由は、以下のとおりである。図3の太陽光のスペクトル分布において850nmの放射照度と940nmの放射照度とを比較すると、940nmの放射照度のほうがはるかに小さい。これは、地表におけるスペクトル吸収の差によるものである。したがって、940nmの信号光を使用した方が、
N1/(N2)2
の値は小さくなり、S/N比は向上する。
N1/(N2)2
を最小とすることにより、該中心波長に対してS/N比を最大とすることができる。この場合の制約条件は、バンドパスフィルタ111の形状及び中心波長である。さらに、中心波長ごとにS/N比を最大とする帯域幅を求めた後に、S/N比を最大とする中心波長を定めることができる。この場合の制約条件は、バンドパスフィルタ111の形状である。
N1/(N2)2
を最小とすることにより、S/N比を最大とするバンドパスフィルタ111の仕様(波長に対する透過率)を定めることができる。
N1/(N2)2
との関係を示す図である。横軸は、バンドパスフィルタの透過率を表す。縦軸は、
N1/(N2)2
を表す。領域3において、バンドパスフィルタの透過率が減少するにしたがって、
N1/(N2)2
は減少し、S/N比は向上する。領域2において、
N1/(N2)2
は最小値を示し、S/N比は最大値を示す。領域1において、バンドパスフィルタの透過率が減少するにしたがって、
N1/(N2)2
は増加し、S/N比は劣化する。
N1/(N2)2
の値は、最小値付近の値を示し、この範囲の外側では、急速に増大する。したがって、バンドパスフィルタの透過率を70%以上87%以下とすることによって最大値付近のS/N比を得ることができる。
N1/(N2)2
と、図1に示した距離測定装置の距離測定精度との関係を示す図である。図11の横軸は、
N1/(N2)2
を表し、縦軸は、距離測定誤差(任意単位による相対値)を表す。図11に関するデータは、照度10万ルクスの擬似太陽光の下で、該距離測定装置による距離測定を行うことによって採取した。図11によれば、
N1/(N2)2
の値と、距離測定誤差とはほぼ比例することがわかる。したがって、ノイズ成分が光ショットノイズのような挙動を示すと仮定して求めた式(1)および式(2)は、妥当であることがわかる。結果として、
N1/(N2)2
を最小とすることによって距離測定誤差を最小とすることができる。
111 バンドパスフィルタ
113 受光素子
Claims (8)
- 既知のスペクトル分布を有する信号光を受光する受光素子に使用される受光素子用フィルタであって、受光素子における外乱光のエネルギ密度をN1、受光素子における該信号光のエネルギ密度をN2として
N1/(N2)2
が最小となるように、該受光素子用フィルタに入射する該信号光の光量に対する、該受光素子用フィルタを透過する光量の比率を、70%以上87パーセント以下の範囲内で定めた、受光素子用フィルタ。 - 信号光が赤外線波長領域の光である請求項1に記載の受光素子用フィルタ。
- 信号光の光源が赤外線波長範囲で発光するレーザまたは発光ダイオードである請求項2に記載の受光素子用フィルタ。
- 外乱光が主に太陽光である請求項1から3のいずれかに記載の受光素子用フィルタ。
- レンズ光学系、受光素子および請求項1から4のいずれかに記載された受光素子用フィルタを含む受光装置。
- 請求項5に記載された受光装置を含む距離測定装置。
- 既知のスペクトル分布を有する信号光を受光する受光素子に使用される受光素子用フィルタを製造する方法であって、
該受光素子用フィルタの波長に対する透過率の特性を仮に定めるステップと、
該受光素子における外乱光のエネルギ密度をN1として、N1を求めるステップと、
該受光素子における信号光のエネルギ密度をN2として、N2を求めるステップと、
N1/(N2)2
を求めるステップと、
該受光素子用フィルタの波長に対する透過率の特性を変化させて、該受光素子用フィルタに入射する該信号光の光量に対する、該受光素子用フィルタを透過する光量の比率を変化させながら、
N1/(N2)2
を最小とするステップと、を含む受光素子用フィルタを製造する方法。 - N1を外乱光のスペクトル分布および前記受光素子用フィルタの波長に対する透過率の特性から求め、N2を前記信号光の前記既知のスペクトル分布および前記受光素子用フィルタの波長に対する透過率の特性から求める請求項1に記載の受光素子用フィルタを製造する方法。
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