JP4702200B2 - 受光器及び当該受光器を備えたレーダ装置 - Google Patents

Description

本発明は、外部からの光を検出する受光器及び当該受光器を備えたレーダ装置に関するものである。

従来、レーダ装置として、例えば特許文献１，２が開示されている。

特許文献１においては、反射物にて反射された反射光が、集光レンズを介して受信手段に受信される。

特許文献２においては、照明灯（ヘッドライト）を構成する筐体内に受光手段（フォトダイオード）が配置され、反射物にて反射された反射光が、ヘッドライトを構成するリフレクタにより反射され、さらに第２のリフレクタに反射されて受信手段に受信される。すなわち、反射物にて反射された反射光が、凹状のミラーであるリフレクタを介して受信手段に受信される。
特開２００１−１２９４３号公報 特開２００２−２３６１７８号公報

ところで、検知範囲の拡大や検知距離を延ばすことを目的として、広い角度範囲の光を検知しようとすると、特許文献１に示される構成において、同一形状の集光レンズであれば、直径を大きくする必要がある。なお、集光レンズにおいては、レンズ収差も考慮せねばならず、所望のレンズ有効径を確保するためには、集光レンズの直径をより大きくしなければならない。したがって、受光光学系（レーダ装置）の体格が大きくなる。

これに対し、特許文献２に示される構成においては、集光レンズの代わりに、凹状のミラーであるリフレクタを用いるため、収差の問題は生じず、その分受光光学系の体格を小型化することができる。しかしながら、広い角度範囲の光を検知しようとすると、特許文献２に示される構成において、同一形状のミラーであれば、ミラーの大きさを大きくする必要がある。したがって、受光光学系（レーダ装置）の体格が大きくなる。また、特許文献２に示される構成においては、受光手段が、照明灯を構成する筐体内であって光源の近傍に配置されるため、受光素子の温度が上昇し、素子特性が劣化する（受光素子の信頼性が低下する）恐れがある。

本発明は上記問題点に鑑み、体格を大型化することなく広い角度範囲の光を検知でき、且つ、受光素子の信頼性を向上することのできる受光器及び当該受光器を備えたレーダ装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために請求項１に記載の受光器は、外部から光が入射され、入射された光の屈折角度が、当該光の入射角度よりも小さくなるように、外部よりも屈折率の大きい材料からなる屈折体と、屈折体の入射面上に、受光面を入射面側に向けて配置された第１受光素子と、入射面と対向する屈折体の対向面に設けられ、入射面を通して屈折体に入射された光の少なくとも一部を、第１受光素子に向けて反射するミラーと、を備え、屈折体の入射面は曲面であり、該曲面として凹状の曲面部位と凸状の曲面部位を含むことを特徴とする。

このように本発明によれば、外部からの光（例えば反射物による反射光）は、外部（例えば空気）よりも屈折率の大きな材料からなる屈折体によって、入射角度よりも小さい角度で屈折される。すなわち、ミラーの光軸に対して角度のついた光は、屈折体によって屈折されることにより、屈折前の状態よりも光軸に対して平行に近づく。したがって、屈折体のない構成と比べて、ミラーで反射して受光素子に集光できる角度範囲（屈折体の入射面に対する入射角度の範囲）を広げることができる。また、ミラーによって集光するので、集光レンズのようにレンズ収差の問題は生じない。したがって、体格を大型化することなく広い角度範囲の光を検知することができる。なお、同一の角度範囲であれば、屈折体のない構成と比べて、受光素子（受光面）の面積を小さくすることができる。

また、受光器は照明灯と一体的に構成されないので、受光素子の信頼性を向上することができる。さらには、屈折体の入射面が曲面であり、該曲面として凹状の曲面部位と凸状の曲面部位を含んでいる。このように、入射面を曲面とすると、ミラーの光軸に対して垂直な平面とは異なる入射角度範囲の光を、効率よく集光できる。

具体的には、請求項２に記載のように、屈折体の対向面を入射面と反対側に凸の曲面とし、ミラーを曲面に沿う凹状のミラーとした構成としても良い。このように、凹状のミラーとすると、受光素子に対して効率よく集光することができる。

凹状のミラーとしては、例えば請求項３に記載のように、球面ミラーを採用することができる。球面ミラーの場合、焦点は存在しないが、入射角度によらずミラーの光軸とミラーによる反射光との交点位置のばらつきが小さい。そして、このばらつきを屈折体の効果によってさらに小さくすることができる。

なお、本発明者が確認したところ、請求項４に記載のように、ミラーの曲率半径に対する、屈折体の入射面と対向面との光軸に沿う対向距離の比を、０．２５以上、０．４０以下の範囲内となるように構成すると、広い角度範囲（屈折体の入射面に対する入射角度の範囲）の光を効率よく集光できることが明らかとなった。

また、請求項５に記載のように、凹状のミラーとして、放物面ミラーを採用することもできる。放物面ミラーの場合、屈折体のない構成においては、ミラーの光軸に平行な光を焦点に集光することができるものの、平行からずれた光のミラーによる反射光と光軸との交点位置のばらつきが大きい。しかしながら、屈折体の効果によってばらつきを小さくすることができるので、体格を大型化することなく広い角度範囲の光を検知することができる。

なお、本発明者が確認したところ、請求項６に記載のように、ミラーの放物頂点における曲率半径に対する、屈折体の入射面と対向面との光軸に沿う対向距離の比を０．３０以上、０．４５以下の範囲内となるように構成すると、広い角度範囲の光を効率よく集光できることが明らかとなった。

また、請求項７に記載のように、凹状のミラーとして、楕円面ミラーを採用することもできる。楕円面ミラーの場合、２つの焦点のうち、一方から光であれば、入射角度によらず他方の焦点に集光することができるものの、焦点を通らない光のミラーによる反射光と光軸との交点位置のばらつきが大きい。しかしながら、屈折体の効果によってばらつきを小さくすることができるので、体格を大型化することなく広い角度範囲の光を検知することができる。

なお、本発明者が確認したところ、請求項８に記載のように、ミラーの楕円頂点における曲率半径に対する、屈折体の入射面と対向面との光軸に沿う対向距離の比を０．１８以上、０．４０以下の範囲内となるように構成すると、広い角度範囲の光を効率よく集光できることが明らかとなった。

屈折体の構成材料としては、例えば請求項９に記載のように、ガラスを採用することができる。それ以外にも、請求項１０に記載の合成樹脂や、請求項１１に記載の半導体材料を採用することができる。屈折体の成形しやすさ、光の波長、要求される屈折率等に応じて選択採用することができる。

請求項１２に記載のように、第１受光素子を、屈折体の入射面に固定した構成としても良い。これによれば、第１受光素子が直接又は固定部材を介して間接的に入射面と接触するので、入射面を基準として、第１受光素子の位置を容易に決定することができる。

なお、第１受光素子が入射面と間接的に接触する構成においては、請求項１３に記載のように、第１受光素子を、屈折体と同等の屈折率を有する接着剤を介して、入射面に固定した構成とすると良い。これによれば、受光面に到達する前に、屈折体と固定部材との間における反射を極力小さくすることができる。

請求項１４に記載のように、屈折体の入射面に反射防止膜が設けられ、第１受光素子が、反射防止膜上に配置された構成としても良い。これによれば、屈折体の表面で反射される光を低減する（屈折体内に入射される光を増加する）ことができるので、集光効率を向上することも可能である。

請求項１５に記載のように、第１受光素子は半導体基板にフォトダイオードが構成されてなり、半導体基板は受光面の裏面側から一部除去された薄肉部を有し、該薄肉部にフォトダイオードが構成されても良い。このように、第１受光素子を所謂トレンチ構造とすることで、受光面の裏面側から受光することも可能となる。すなわち、集光（受光）効率を向上することができる。

請求項１６に記載のように、第１受光素子とは異なる第２受光素子を備え、第２受光素子は、その受光面の裏面が第１受光素子の受光面の裏面と相対するように、第１受光素子に接触配置された構成としても良い。これによれば、第２受光素子によっても受光することができるので、受光素子によって屈折体の入射面を妨げる範囲を大きくすることなく、集光（受光）効率を向上することができる。なお、請求項１７に記載のように、受光面の平面方向において、第２受光素子の面積が第１受光素子の面積よりも小さい構成とすると、第１受光素子の裏面のうち、露出された部位を配線スペースとして活用することができる。

なお、請求項１〜１７いずれか１項に記載の受信器は、体格を大型化することなく広い角度範囲の光を検知でき、且つ、受光素子の信頼性を向上することのできるものである。したがって、請求項１８に記載のようにレーダ装置、特に車両用レーザレーダ装置に好適である。

以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。
（第１実施形態）
先ず、第１実施形態に係る受光器が適用されるレーザレーダセンサの概略構成について説明する。図１は、レーザレーダセンサの一例を示す概略構成図である。なお、本発明においては受光器の構成に特徴があり、レーザレーダセンサを含むレーダ装置（図示略）については、例えば本出願人による特開２００５−２５７４０５号公報等に記載されているので、詳細な説明は省略する。また、以下においては、レーダ装置が車両用レーダ装置として用いられる例について説明するが、本発明によるレーダ装置は車両用に限らず、例えば所定のエリアに対する侵入者検出のために用いることも可能である。

図１に示すように、レーザレーダセンサ１０は、レーザ光を照射する送光器２０、反射物により反射された反射光を受信する受光器１００、及びレーザレーダＣＰＵ３０などを主要部として構成されている。

送光器２０は、パルス状のレーザ光を、レンズ２１及びスキャナ２２を介して放射するレーザダイオード２５を備えている。そして、レーザダイオード２５は、レーザダイオード駆動回路２６を介してレーザレーダＣＰＵ３０に接続され、レーザレーダＣＰＵ３０からの駆動信号によりレーザ光を放射（発光）する。また、スキャナ２２にはポリゴンミラー２３が鉛直軸を中心に回転可能に設けられ、レーザレーダＣＰＵ３０からの駆動信号がモータ駆動回路２４に入力されると、このポリゴンミラー２３は図示しないモータの駆動力により回転する。なお、このモータの回転位置は、モータ回転位置センサ２７によって検出され、レーザレーダＣＰＵ３０に出力される。本実施形態のポリゴンミラー２３は、面倒れ角が異なる６つのミラーを備えているため、車幅方向及び車高方向それぞれの所定角度の範囲で不連続にレーザ光が走査するように、レーザ光を出力することができる。しかしながら、スキャン方式にこだわる必要はなく、距離以外に２方位を測定できる方式であればよい。

受光器１００は、図示しない反射物（例えば先行車両のリフレクタ）に反射されたレーザ光を集光する集光部材１１０と、集光された反射光の強度に対応する電圧信号（受光信号）を出力する受光素子（フォトダイオード）１２０とを備えている。この受光器１００の構成については後述する。なお、受光素子１２０が出力する受光信号は、増幅器４０にて増幅された後に検出回路４１に入力される。そして、検出回路４１にて所定処理された後、レーザレーダＣＰＵ３０に出力され、レーザ光が照射されてから反射光が受光されるまでの時間に基づいて、反射物までの距離が検出され、レーザ光の照射角度に基づいて、反射物の方向が検出される。この検出結果は、認識・車間制御ＥＣＵに出力され、検出結果に基づいて車両が制御される。

次に、受光器１００について、図２を用いて説明する。図２は、受光器１００の概略構成を示す図であり、（ａ）は入射面側から見た平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線に沿う断面図である。

上述したように受光器１００は、集光部材１１０と受光素子１２０とを備えており、集光部材１１０は、屈折体１１１とミラー１１２から構成されている。なお、受光素子１２０が、特許請求の範囲に記載の第１受光素子に相当する。

屈折体１１１は、図２（ｂ）に示すように、外部（本実施形態においては車両外部）からの光（本実施形態においては、送光器２０から放射されたレーザ光の、反射物による反射光）を、屈折角θｒが入射角θｉよりも小さくなるように屈折させるものである。このような屈折体１１１の構成材料としては、周囲雰囲気（本実施形態においては空気）よりも屈折率の大きい（換言すれば絶対屈折率が１よりも大きい）公知の材料を、屈折体１１１の形状（成形のしやすさ）、入射光の波長、要求される屈折率等に応じて、適宜選択して採用することができる。例えばガラスや合成樹脂、シリコンやゲルマニウム等の半導体材料等を採用することができる。本実施形態においてはガラスを採用している。

本実施形態に係る屈折体１１１は、図２（ａ），（ｂ）に示すように、円柱状の部分を有しており、円柱部分の端面（ミラー１１２の光軸に対して垂直な平面）が、外部からの光の入射面１１１ａとされている。また、入射面１１１ａと対向する対向面１１１ｂが、入射面１１１ａと反対側に凸の曲面、より具体的には球面とされている。このような形状の屈折体１１１は、円柱状の部材を研磨することや、成型（プレス、射出）により形成することができる。なお、円柱部分は屈折体１１１を把持するのに好適であるが、受光器１００としての機能上、必ずしも必要ではない。

ミラー１１２は、屈折体１１１の対向面１１１ｂの表面に設けられ、入射面１１１ａを通して屈折体１１１に入射された光の少なくとも一部を、受光素子１２０に向けて反射するものである。このようなミラー１１２の構成材料としては、外部からの光を反射できる材料であれば採用することができる。例えばＡｌ、Ａｇ，Ａｕを蒸着等により対向面１１１ｂ表面に堆積させることで構成することができる。多層膜としても良い。

本実施形態に係るミラー１１２は、図２（ｂ）に示すように、入射面１１１ａと反対側に凸の球面状とされた屈折体１１１の対向面１１１ｂの表面に設けられている。すなわち、対向面１１１ｂに沿う凹状のミラー１１２として構成されている。このように、凹状のミラー１１２とすると、受光素子１２０に対して効率よく集光することができる。また、本実施形態においては、ミラー１１２が球面ミラーである。球面の場合、焦点は存在しないが、入射角θｉによらずミラー１１２の光軸（図２（ｂ）に示す２点鎖線）とミラー１１２による反射光との交点位置のばらつきが、他形状（放物面や楕円面）に比べて小さい。したがって、広い角度範囲（入射角θｉの範囲が広い）の光を検知するのに適している。

受光素子１２０は、半導体基板に構成されたフォトダイオードであり、屈折体１１１の入射面１１１ａ上に、受光面１２１を入射面１１１ａ側に向けて配置されている。その配置位置は、入射面１１１ａ上であれば特に限定されるものではない。受光素子１２０は、入射面１１１ａには固定されずに、入射面１１１ａ上に浮いて配置された構成としても良いが、好ましくは、直接又は固定部材を介して入射面１１１ａと接触し、屈折体１１１の入射面１１１ａに固定されると良い。この場合、入射面１１１ａを基準として、受光素子１２０の位置を容易に決定することができる。

なお、本実施形態においては、図２（ｂ）に示すように、矩形状の受光面１２１を有する受光素子１２０が、接着剤１３０を介して、光軸と重なる入射面１１１ａの位置に固定されている。また、接着剤１３０として、屈折体１１１と同等の屈折率を有する材料（例えばシリコン系接着剤）からなるものを採用している。このように、受光素子１２０が入射面１１１ａと固定部材を介して間接的に接触する構成においては、固定部材として屈折体１１１と同等の屈折率を有するものを採用すると、受光面１２１に到達する前に、屈折体１１１と固定部材（本実施形態においては接着剤１３０）との間における反射を極力小さくすることができる。

次に、上述した受光器１００の作用・効果について、図３を用いて説明する。図３は、屈折体１１１の効果を示す図である。図３に示すように、外部からの光は、外部（例えば空気）よりも屈折率の大きな材料からなる屈折体１１１によって、入射角θｉよりも小さい角度θｒで屈折される。すなわち、ミラー１１２の光軸に対して角度のついた光は、屈折体１１１によって屈折されることにより、屈折前の状態よりも光軸に対して平行に近づく。特に入射角θｉが大きい光ほど、図３に示すように屈折体１１１による屈折作用を強く受ける（スネルの法則）。外部からの光の一部は屈折体１１１の入射面１１１ａで反射されるため集光ロスとなるが、入射角θｉが大きいものほど、屈折作用による効果が反射ロスを上回り、集光効率が向上する。したがって、屈折体１１１のない構成と比べて、ミラー１１２で反射して受光素子１２０に集光できる角度範囲（屈折体１１１の入射面１１１ａに対する入射角θｉの範囲）を、図３に示すように角度差θｄ分、広げることができる。また、ミラー１１２によって集光するので、集光レンズのようにレンズ収差の問題は生じない。さらには、図示されないが、ミラー１１２での１回目の反射で受光素子１２０に入射されなかった光も、屈折体１１１と外部（空気）又は屈折体１１１とミラー１１２との間で反射を繰り返し、受光素子１２０に入射される。

このように、本実施形態に係る受光器１００によれば、体格を大型化することなく広い角度範囲の光を検知することができる。また、集光効率が高いので、同一の角度範囲であれば、屈折体１１１のない構成と比べて、受光素子１２０（受光面１２１）の面積を小さくすることができる。さらには、受光器１００を従来のように高温環境下に配置しない（照明灯と一体的に構成しない）ので、受光素子１２０の信頼性を向上することができる。したがって、レーザレーダセンサ１０を含むレーダ装置に好適である。

なお、本発明者は、ミラー１１２の曲率半径に対する、屈折体１１１の入射面１１１ａと対向面１１１ｂとの光軸に沿う対向距離Ｌ１（図２（ｂ）参照）の比（屈折体１１１の厚さの比）と、受光器１００の集光効率との関係について確認した。その結果を図４に示す。図４は、屈折体１１１の厚さ比と集光効率との関係を示す図である。なお、確認に際しては、ミラー１１２の曲率半径を８ｍｍ、屈折体１１１の円形入射面１１１ａの直径を１０ｍｍ、受光面方向の受光素子１２０の大きさを３ｍｍ角とした。また、送信から受信までのトータルの集光効率として１０％を確保するため、例えばレーザポインタからの光のように、ビーム径を絞って（平行光に近い状態で）送信した場合において、送信から反射物に反射されて受信までの間に５０％程度のロスが生じることを考慮し、受光器１００における集光効率を２０％以上確保できる範囲を、受光素子１２０が感度良く検知できるものとした。図４に示すように、屈折体１１１の厚さの比が、０．２５以上、０．４０以下の範囲内となるように受光器１００を構成すると、広い角度範囲（屈折体１１１の入射面１１１ａに対する入射角θｉの範囲）の光を効率よく集光できる（受光素子１２０が感度良く検知できる）ことが明らかとなった。なお、図４において、入射角θｉが０°の場合、集光効率の最大値が１００％とならないのは、受光素子１２０による遮光と屈折体１１１の入射面１１１ａでの反射によるものである。

また、本実施形態においては、屈折体１１１の入射面１１１ａを円形状とし、入射面１１１ａ上に配置される受光素子１２０の受光面１２１を矩形状とする例を示した。しかしながら、それぞれの形状は上記例に限定されるものではない。

また、本実施形態においては、受光素子１２０が、光軸と重なる入射面１１１ａの位置に固定される例を示した。しかしながら、受光素子１２０の配置位置は、上記例に限定されるものではない。使用環境に応じて、受光素子１２０を光軸からずれた入射面１１１ａの位置に固定されても良い。

また、本実施形態においては、屈折体１１１の入射面１１１ａが、光軸に対して垂直な平面である例を示した。しかしながら、入射面１１１ａの形状は、上記例に限定されるものではない。例えば、図５（ａ）に示すように、凹状の入射面１１１ａとしても良いし、図５（ｂ）に示すように、凸状の入射面１１１ａとしても良い。さらには、図５（ｃ）に示すように、凹状部位と凸状部位を含む入射面１１１ａとしても良い。このように、入射面１１１ａを曲面とすると、入射面１１１ａがミラー１１２の光軸に対して垂直な平面の場合とは異なる角度範囲の光を、効率よく集光できる。特に、図５（ｃ）に示すように、光軸を挟んで凹凸が替わる構成とすると角度範囲が光軸対象ではなく、片側に偏っている場合に、集光効率を向上し、広い角度範囲の光を検知することができる。図５は、受光器１００の変形例を示す断面図であり、（ａ）は凹状の入射面１１１ａ、（ｂ）は凸状の入射面１１１ａ、（ｃ）は凹状部位と凸状部位を含む入射面１１１ａを有している。図５（ａ）〜（ｃ）は、図２（ｂ）に対応している。なお、図５（ａ），（ｂ）においては、集光効率を向上するために、受光素子１２０の配置を光軸からずらしている。

さらには、屈折体１１１の入射面１１１ａを、図６に示すようにフレネル面としても良い。このような構成とすると、上述した曲面と同様の効果を発揮しつつ、さらに受光器１００の体格（光軸に沿う方向）を小型化することができる。図６は、受光器１００の参考例を示す断面図であり、フレネル面は、図５（ｂ）に示す凸状の入射面１１１ａに対応している。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態を、図７に基づいて説明する。図７は、本発明の第２実施形態に係る受光器１００の概略構成を示す断面図であり、第１実施形態に示した図２（ｂ）に対応している。なお、図７においては、接着剤１３０を省略して図示している。

本実施形態においては、図７に示すように、屈折体１１１の対向面１１１ｂを放物面とし、凹状のミラー１１２を、放物面ミラー１１２とする点を特徴とする。より具体的には、放物面ミラー１１２とその焦点との間に、矩形状の受光面１２１を有する受光素子１２０が、光軸と重なる入射面１１１ａの位置に固定されている。

このような構成を採用した場合、第１実施形態に示した球面ミラー同様、外部からの光は、外部（例えば空気）よりも屈折率の大きな材料からなる屈折体１１１によって、図７に示すように入射角θｉよりも小さい角度θｒで屈折される。すなわち、ミラー１１２の光軸に対して角度のついた光は、屈折体１１１によって屈折されることにより、屈折前の状態よりも光軸に対して平行に近づき、ミラー１１２による反射光と光軸との交点位置のばらつきが小さくなる（交点位置が焦点付近となる）。外部からの光の一部は屈折体１１１の入射面１１１ａで反射されるため集光ロスとなるが、入射角θｉが大きいものほど、屈折作用による効果が反射ロスを上回り、集光効率が向上する。したがって、屈折体１１１のない構成と比べて、ミラー１１２で反射して受光素子１２０に集光できる角度範囲（屈折体１１１の入射面１１１ａに対する入射角θｉの範囲）を広げることができる。また、ミラー１１２によって集光するので、集光レンズのようにレンズ収差の問題は生じない。さらには、図示されないが、１回目のミラー１１２での反射で受光素子１２０に入射されなかった光も、屈折体１１１と外部（空気）又は屈折体１１１とミラー１１２との間で反射を繰り返し、受光素子１２０に入射される。

このように、本実施形態に係る受光器１００によれば、屈折体１１１のない構成において、ミラー１１２の光軸に平行な光を焦点に集光することができるものの、平行からずれた光のミラー１１２による反射光と光軸との交点位置のばらつきが大きい放物面ミラー１１２を採用する構成でありながら、第１実施形態に係る受光器１００同様、体格を大型化することなく広い角度範囲の光を検知することができる。また、集光効率が高いので、同一の角度範囲であれば、屈折体１１１のない構成と比べて、受光素子１２０（受光面１２１）の面積を小さくすることができる。さらには、受光器１００を従来のように高温環境下に配置しない（照明灯と一体的に構成しない）ので、受光素子１２０の信頼性を向上することができる。したがって、レーザレーダセンサ１０を含むレーダ装置に好適である。

なお、本発明者は、ミラー１１２の放物頂点における曲率半径に対する、屈折体１１１の入射面１１１ａと対向面１１１ｂとの光軸に沿う対向距離Ｌ２の比（屈折体１１１の厚さの比）と、受光器１００の集光効率との関係について確認した。その結果を図８に示す。図８は、屈折体１１１の厚さ比と集光効率との関係を示す図である。なお、確認に際しては、ミラー１１２の曲率半径を６ｍｍ、屈折体１１１の円形入射面１１１ａの直径を１０ｍｍ、受光面方向の受光素子１２０の大きさを３ｍｍ角とした。また、送信から受信までのトータルの集光効率として１０％を確保するため、例えばレーザポインタからの光のように、ビーム径を絞って（平行光に近い状態で）送信した場合において、送信から反射物に反射されて受信までの間に５０％程度のロスが生じることを考慮し、受光器１００における集光効率を２０％以上確保できる範囲を、受光素子１２０が感度良く検知できるものとした。図８に示すように、屈折体１１１の厚さの比が、０．３０以上、０．４５以下の範囲内となるように受光器１００を構成すると、広い角度範囲（屈折体１１１の入射面１１１ａに対する入射角θｉの範囲）の光を効率よく集光できる（受光素子１２０が感度良く検知できる）ことが明らかとなった。

また、本実施形態においては、広い角度範囲の光を検出する構成について説明した。しかしながら、放物面ミラー１１２は、ミラー１１２の光軸に平行な光を焦点に集光することができる。すなわち、入射角θｉの小さい光に対しては、ミラー１１２の光軸とミラー１１２による反射光との交点位置のばらつきが小さく、このばらつきを屈折体１１１の効果によってさらに小さくすることができる。したがって、角度範囲の狭い光においては、受光素子１２０をミラー１１２の焦点位置に配置することで、効率よく検知することができる。

また、本実施形態においては、屈折体１１１の入射面１１１ａを円形状とし、入射面１１１ａ上に配置される受光素子１２０の受光面１２１を矩形状とする例を示した。しかしながら、それぞれの形状は上記例に限定されるものではない。

また、本実施形態においては、受光素子１２０が、光軸と重なる入射面１１１ａの位置に固定される例を示した。しかしながら、受光素子１２０の配置位置は、上記例に限定されるものではない。使用環境に応じて、受光素子１２０を光軸からずれた入射面１１１ａの位置に固定されても良い。

また、本実施形態においては、屈折体１１１の入射面１１１ａが、光軸に対して垂直な平面である例を示した。しかしながら、第１実施形態の図５（ａ）〜（ｃ）に示したように、入射面１１１ａを曲面としても良い。さらには、第１実施形態の図６に示したように、フレネル面としても良い。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態を、図９に基づいて説明する。図９は、本発明の第３実施形態に係る受光器１００の概略構成を示す断面図であり、第１実施形態に示した図２（ｂ）に対応している。なお、図９においては、接着剤１３０を省略して図示している。

本実施形態においては、図９に示すように、屈折体１１１の対向面１１１ｂを楕円面（図９においてはミラー面が短軸と交わる偏楕円面）とし、凹状のミラー１１２を、楕円面ミラー１１２とする点を特徴とする。そして、矩形状の受光面１２１を有する受光素子１２０が、光軸と重なる入射面１１１ａの位置に固定されている。

このような構成を採用した場合、第１実施形態に示した球面ミラー同様、外部からの光は、外部（例えば空気）よりも屈折率の大きな材料からなる屈折体１１１によって、図９に示すように入射角θｉよりも小さい角度θｒで屈折される。すなわち、ミラー１１２の光軸に対して角度のついた光は、屈折体１１１によって屈折されることにより、屈折前の状態よりも光軸に対して平行に近づき、ミラー１１２による反射光と光軸との交点位置のばらつきが小さくなる（交点位置が焦点付近となる）。外部からの光の一部は屈折体１１１の入射面１１１ａで反射されるため集光ロスとなるが、入射角θｉが大きいものほど、屈折作用による効果が反射ロスを上回り、集光効率が向上する。したがって、屈折体１１１のない構成と比べて、ミラー１１２で反射して受光素子１２０に集光できる角度範囲（屈折体１１１の入射面１１１ａに対する入射角θｉの範囲）を広げることができる。また、ミラー１１２によって集光するので、集光レンズのようにレンズ収差の問題は生じない。さらには、図示されないが、ミラー１１２での１回目の反射で受光素子１２０に入射されなかった光も、屈折体１１１と外部（空気）又は屈折体１１１とミラー１１２との間で反射を繰り返し、受光素子１２０に入射される。

このように、本実施形態に係る受光器１００によれば、屈折体１１１のない構成において、２つの焦点のうち、一方から光であれば、入射角θｉによらず他方の焦点に反射することができるものの、焦点を通らない光のミラー１１２による反射光と光軸との交点位置のばらつきが大きい楕円面ミラー１１２を採用する構成でありながら、第１実施形態に係る受光器１００同様、体格を大型化することなく広い角度範囲の光を検知することができる。また、集光効率が高いので、同一の角度範囲であれば、屈折体１１１のない構成と比べて、受光素子１２０（受光面１２１）の面積を小さくすることができる。さらには、受光器１００を従来のように高温環境下に配置しない（照明灯と一体的に構成しない）ので、受光素子１２０の信頼性を向上することができる。したがって、レーザレーダセンサ１０を含むレーダ装置に好適である。

なお、本発明者は、ミラー１１２の楕円頂点における曲率半径に対する、屈折体１１１の入射面１１１ａと対向面１１１ｂとの光軸に沿う対向距離Ｌ３の比（屈折体１１１の厚さの比）と、受光器１００の集光効率との関係について確認した。その結果を図１０に示す。図１０は、屈折体１１１の厚さ比と集光効率との関係を示す図である。なお、確認に際しては、ミラー１１２の曲率半径を８ｍｍ、屈折体１１１の円形入射面１１１ａの直径を１０ｍｍ、受光面方向の受光素子１２０の大きさを３ｍｍ角とした。また、送信から受信までのトータルの集光効率として１０％を確保するため、例えばレーザポインタからの光のように、ビーム径を絞って（平行光に近い状態で）送信した場合において、送信から反射物に反射されて受信までの間に５０％程度のロスが生じることを考慮し、受光器１００における集光効率を２０％以上確保できる範囲を、受光素子１２０が感度良く検知できるものとした。図１０に示すように、屈折体１１１の厚さの比が、０．１８以上、０．４０以下の範囲内となるように受光器１００を構成すると、広い角度範囲（屈折体１１１の入射面１１１ａに対する入射角θｉの範囲）の光を効率よく集光できる（受光素子１２０が感度良く検知できる）ことが明らかとなった。

また、本実施形態においては、屈折体１１１の入射面１１１ａを円形状とし、入射面１１１ａ上に配置される受光素子１２０の受光面１２１を矩形状とする例を示した。しかしながら、それぞれの形状は上記例に限定されるものではない。

また、本実施形態においては、受光素子１２０が、光軸と重なる入射面１１１ａの位置に固定される例を示した。しかしながら、受光素子１２０の配置位置は、上記例に限定されるものではない。使用環境に応じて、受光素子１２０を光軸からずれた入射面１１１ａの位置に固定されても良い。楕円面ミラー１１２は、２つの焦点のうち、一方から光であれば、入射角θｉによらず他方の焦点に反射することができる。したがって、図１１に示すように、受光素子１２０の配置位置を、屈折体１１１の入射面上であってミラー１１２による反射光の焦点への光路上に設けても良い。これにより、広い角度範囲の光を効率よく集光することができる。図１１は、受光器１００の変形例を示す断面図である。

また、本実施形態においては、屈折体１１１の入射面１１１ａが、光軸に対して垂直な平面である例を示した。しかしながら、第１実施形態の図５（ａ）〜（ｃ）に示したように、入射面１１１ａを曲面としても良い。さらには、第１実施形態の図６に示したように、フレネル面としても良い。

また、本実施形態においては、図９に示すように、偏楕円面ミラーを示した。しかしながら、偏楕円面以外の楕円面ミラー（ミラー面が長軸と交わる楕円面）を採用することもできる。

（参考形態）
次に、本発明の参考形態を、図１２に基づいて説明する。図１２は、本発明の参考形態に係る受光器１００の概略構成を示す断面図であり、第１実施形態に示した図２（ｂ）に対応している。なお、図１２においては、接着剤１３０を省略して図示している。

本参考形態においては、図１２に示すように、屈折体１１１の対向面１１１ｂを入射面１１１ａと反対側に凸の曲面に対応するフレネル面とし、ミラー１１２をフレネル面に沿うフレネルミラー１１２とする点を特徴とする。そして、矩形状の受光面１２１を有する受光素子１２０が、光軸と重なる入射面１１１ａの位置に固定されている。なお、本参考形態においては、第１実施形態に示した曲面に対応して対向面１１１ｂがフレネル面とされ、ミラー１１２がフレネルミラー１１２とされている。

このように、フレネルミラー１１２を採用した受光器１００においても、第１〜第３の各実施形態に示した凹状のミラー１１２と同様の効果を期待することができる。また、凹状のミラー１１２を備える受光器１００よりも、光軸に沿う方向の体格を小型化することができる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態になんら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々変形して実施することが可能である。

本実施形態においては、接着剤１３０を介して受光素子１２０を屈折体１１１の入射面１１１ａに固定する例を示した。しかしながら、受光素子１２０は、少なくとも入射面１１１ａ上に配置されていれば良い。したがって、図１３に示すように、屈折体１１１の入射面１１１ａの表面に反射防止膜１４０を設け、受光素子１２０を反射防止膜１４０に対して固定しても良い。このように、反射防止膜１４０を設けると、屈折体１１１の表面（例えば空気と入射面１１１ａとの間）で反射される光を低減する（屈折体１１１内に入射される光を増加する）ことができる。すなわち、集光効率を向上することも可能である。なお、反射防止膜１４０の構成は、送光器２０から放射されるレーザ光の波長に応じて設定されれば良い。図１３は、受光器１００のその他変形例を示す断面図である。

また、本実施形態においては、受光素子１２０として半導体基板に構成されたフォトダイオードを採用し、屈折体１１１の入射面１１１ａ上に、受光面１２１を入射面１１１ａ側に向けて配置される例を示した。すなわち、受光面１２１側からのみ受光する例を示した。しかしながら、図１４に示すように、受光素子１２０を受光面１２１の裏面１２２側から一部除去され、光検知部位が薄肉部１２３とされた構成としても良い。このように、受光素子１２０を所謂トレンチ構造とすると、受光面１２１の裏面１２２側から受光することも可能となり、集光（受光）効率を向上することができる。図１４は、受光器１００のその他変形例を示す断面図である。

また、本実施形態においては、１つの受光素子１２０のみが屈折体１１１の入射面１１１ａ上に配置される例を示した。しかしながら、複数の受光素子１２０が入射面１１１ａ上に配置されても良い。しかしながら、複数の受光素子１２０を入射面１１１ａ上の異なる部位にそれぞれ配置すると、外部からの光を複数の受光素子１２０が遮ることとなり、屈折体１１１による効果が低減される。そこで、例えば２つの受光素子１２０ａ，１２０ｂを備える構成において、図１５（ａ）に示すように、受光面１２１ａを入射面１１１ａ側に向けて配置された第１受光素子１２０ａに対し、受光面１２１ｂが入射面１１１ａとは反対側に向くように（受光面１２１ｂの裏面が第１受光素子１２０ａの受光面１２１ａの裏面と相対するように）、第２受光素子１２０ｂが第１受光素子１２０ａに接触配置された構成としても良い。このように、２つの受光素子１２０ａ，１２０ｂを積層した構成とすると、受光素子１２０によって屈折体１１１の入射面１１１ａを妨げる範囲を大きくすることなく、集光（受光）効率を向上することができる。なお、図１５（ｂ）に示すように、光軸に垂直な方向において、第２受光素子１２０ｂの面積を第１受光素子１２０ａの面積よりも小さい構成とすると、第１受光素子１２０ａの受光面１２１ａの裏面のうち、露出された部位を配線スペースとして活用することができる。図１５は、（ａ），（ｂ）ともに、受光器１００のその他変形例を示す断面図である。

レーザレーダセンサの概略構成を示す図である。 第１実施形態に係る受光器の概略構成を示す図であり、（ａ）は入射面側から見た平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線に沿う断面図である。 屈折体の効果を示す図である。 屈折体の厚さ比と集光効率との関係を示す図である。 受光器の変形例を示す断面図であり、（ａ）は凹状の入射面、（ｂ）は凸状の入射面、（ｃ）は凹状部位と凸状部位を含む入射面を有している。 受光器の参考例を示す断面図である。 第２実施形態に係る受光器の概略構成を示す断面図である。 屈折体の厚さ比と集光効率との関係を示す図である。 第３実施形態に係る受光器の概略構成を示す断面図である。 屈折体の厚さ比と集光効率との関係を示す図である。 受光器の変形例を示す断面図である。 参考形態に係る受光器の概略構成を示す断面図である。 受光器のその他変形例を示す断面図である。 受光器のその他変形例を示す断面図である。 （ａ），（ｂ）ともに、受光器のその他変形例を示す断面図である。

符号の説明

１０・・・レーザレーダセンサ
１００・・・受光器
１１０・・・集光部材
１１１・・・屈折体
１１１ａ・・・入射面
１１２・・・ミラー
１２０・・・受光素子
１２１・・・受光面

Claims (18)

1. 外部から光が入射され、入射された光の屈折角度が、前記光の入射角度よりも小さくなるように、外部よりも屈折率の大きい材料からなる屈折体と、
   前記屈折体の入射面上に、受光面を前記入射面側に向けて配置された第１受光素子と、
   前記入射面と対向する前記屈折体の対向面に設けられ、前記入射面を通して前記屈折体に入射された前記光の少なくとも一部を、前記第１受光素子に向けて反射するミラーと、を備え、
   前記屈折体の入射面は曲面であり、該曲面として凹状の曲面部位と凸状の曲面部位を含むことを特徴とする受光器。
2. 前記屈折体の対向面は、前記入射面と反対側に凸の曲面であり、
   前記ミラーは、前記曲面に沿う凹状のミラーであることを特徴とする請求項１に記載の受光器。
3. 前記ミラーは、球面ミラーであることを特徴とする請求項２に記載の受光器。
4. 前記ミラーの曲率半径に対する、前記屈折体の前記入射面と前記対向面との光軸に沿う対向距離の比が０．２５以上、０．４０以下の範囲内にあることを特徴とする請求項３に記載の受光器。
5. 前記ミラーは、放物面ミラーであることを特徴とする請求項２に記載の受光器。
6. 前記ミラーの放物頂点における曲率半径に対する、前記屈折体の前記入射面と前記対向面との光軸に沿う対向距離の比が０．３０以上、０．４５以下の範囲内にあることを特徴とする請求項５に記載の受光器。
7. 前記ミラーは、楕円面ミラーであることを特徴とする請求項２に記載の受光器。
8. 前記ミラーの楕円頂点における曲率半径に対する、前記屈折体の前記入射面と前記対向面との光軸に沿う対向距離の比が０．１８以上、０．４０以下の範囲内にあることを特徴とする請求項７に記載の受光器。
9. 前記屈折体は、ガラスからなることを特徴とする請求項１〜８いずれか１項に記載の受光器。
10. 前記屈折体は、合成樹脂からなることを特徴とする請求項１〜８いずれか１項に記載の受光器。
11. 前記屈折体は、半導体材料からなることを特徴とする請求項１〜８いずれか１項に記載の受光器。
12. 前記第１受光素子は、前記屈折体の入射面に固定されていることを特徴とする請求項１〜１１いずれか１項に記載の受光器。
13. 前記第１受光素子は、前記屈折体と同等の屈折率を有する接着剤を介して、前記入射面に固定されていることを特徴とする請求項１２に記載の受光器。
14. 前記屈折体の入射面に反射防止膜が設けられ、
    前記第１受光素子は、前記反射防止膜上に配置されていることを特徴とする請求項１〜１１いずれか１項に記載の受光器。
15. 前記第１受光素子は、半導体基板にフォトダイオードが構成されてなり、
    前記半導体基板は前記受光面の裏面側から一部除去された薄肉部を有し、該薄肉部に前記フォトダイオードが構成されていることを特徴とする請求項１〜１４いずれか１項に記載の受光器。
16. 前記第１受光素子とは異なる第２受光素子を備え、
    前記第２受光素子は、その受光面の裏面が前記第１受光素子の受光面の裏面と相対するように、前記第１受光素子に接触配置されていることを特徴とする請求項１〜１４いずれか１項に記載の受光器。
17. 前記受光面の平面方向において、前記第２受光素子の面積が、前記第１受光素子の面積よりも小さいことを特徴とする請求項１６に記載の受光器。
18. レーザ光を照射する送光器と、
    反射物による前記レーザ光の反射光を受信する、請求項１〜１７いずれか１項に記載の受光器と、を備えることを特徴とするレーダ装置。

Images