JP4897472B2 - 光学デバイスおよび電子機器 - Google Patents

Description

この発明は、所定範囲に存在する被検出物に対し、この被検出物までの距離および方向を検出する光学デバイス、および、この光学デバイスを有する電子機器に関する。

従来、光学デバイスとしては、図９に示すように、複数の発光素子と、この発光素子と同数の発光側レンズ１０１と、一つの受光素子と、一つの受光側レンズ１０２とを備え、被検出物までの距離および方向を検出するものがある（特開平９−２０３６３１号公報：特許文献１参照）。

上記複数の発光素子から光を上記被検出物に照射し、この被検出物で反射した光を上記受光側レンズで集光して、上記受光素子上にスポットを形成する。このとき、上記複数の発光素子からはタイミングを遅らせて順番に発光させ、それと同期して上記受光素子の信号を読み取ることで、上記各発光素子が動作中に上記受光素子より得られる出力に基づいて、上記被検出物までの距離および方向を検出する。
特開平９−２０３６３１号公報

しかしながら、上記従来の光学デバイスでは、上記発光素子および上記発光側レンズ１０１を複数設けるため、発光側のスペースを大きくとる必要があり、デバイス全体としても大型なものになっていた。また、上記被検出物までの距離および方向を検出するために、上記各発光素子を順番に全て発光させる必要があり、上記被検出物の検出時間を要していた。

また、上記光学デバイスでは、所定の一方向への発光ビームのスキャンを行うが、例えば、この一方向に直交する他方向を検出するために、他方向へのスキャンを追加しようとすると、上記発光素子および上記発光側レンズを倍数追加する必要があり、デバイスとしては、当然に、巨大なものとなり実用的ではなくなるという問題があった。

そこで、この発明の課題は、小型化を図ることができると共に上記被検出物の検出時間を短縮できる光学デバイスを提供することにある。

上記課題を解決するため、この発明の光学デバイスは、
被検出物までの距離および方向を三角測量方式により検出する光学デバイスであって、
一つの発光素子と、
上記発光素子の発光による上記被検出物からの反射光を受光する一つの二次元位置検出受光素子と、
上記二次元位置検出受光素子から出力される信号を処理すると共に所定のタイミングで上記発光素子を駆動する集積回路と
を備え、
上記発光素子の光軸上にトロイダルレンズを有し、
上記トロイダルレンズは、上記発光素子の光軸方向からみて、中心部より両端部の幅が大きくなるように、形成されていることを特徴としている。

この発明の光学デバイスによれば、上記一つの発光素子、上記一つの二次元位置検出受光素子および上記集積回路を備えているので、上記発光素子を一つだけ使用しており、小型化を図ることができると共に、上記被検出物の検出時間を短縮できる。
また、上記発光素子の光軸上にトロイダルレンズを有するので、上記発光素子からの出射光を、上記トロイダルレンズに集光して、効率よく利用でき、上記発光素子からの出射光を、比較的遠方に存在する上記被検出物まで届けることができて、検出範囲を拡大できる。
また、上記トロイダルレンズは、上記発光素子の光軸方向からみて、中心部より両端部の幅が大きくなるように、形成されているので、上記トロイダルレンズからの光の照射範囲内での光強度を均一にしてある。

また、一実施形態の光学デバイスでは、上記二次元位置検出受光素子は、ＣＭＯＳエリアセンサである。

この実施形態の光学デバイスによれば、上記二次元位置検出受光素子は、ＣＭＯＳエリアセンサであるので、上記被検出物が複数存在しても、上記各被検出物の位置を検出できる。

また、一実施形態の光学デバイスでは、上記発光素子と上記トロイダルレンズの間にフレネルレンズを有する。

この実施形態の光学デバイスによれば、上記発光素子と上記トロイダルレンズの間にフレネルレンズを有するので、上記フレネルレンズによって、上記発光素子からの出射光のかなり多くの部分を集光して、一旦、擬似点光源とし、この疑似点光源を上記トロイダルレンズによって検出に必要な部分に照射する。したがって、上記発光素子からの出射光がかなり遠方に存在する上記被検出物まで効率よく届くので、検出範囲を大幅に拡大できる。

また、一実施形態の光学デバイスでは、
上記発光素子の発光波長は、赤外領域にあり、
上記二次元位置検出受光素子の受光波長は、赤外にピーク感度を有し、
上記発光素子の光軸上の上記トロイダルレンズと、上記二次元位置検出受光素子の光軸上に設けられた受光側レンズとは、可視光をカットする光学特性を有する。

この実施形態の光学デバイスによれば、上記発光素子の発光波長は、赤外領域にあり、上記二次元位置検出受光素子の受光波長は、赤外にピーク感度を有し、上記発光素子の光軸上の上記トロイダルレンズと、上記二次元位置検出受光素子の光軸上に設けられた受光側レンズとは、可視光をカットする光学特性を有するので、利用する光の波長を可視光線より赤外線を用いることで、外乱光の影響を低減できる。

また、一実施形態の光学デバイスでは、上記集積回路は、所定の時間内で所定の回数だけ上記発光素子をパルス発光させ、この発光のタイミングに同期して上記受光素子からの信号を有効信号として抽出し、パルス発光回数分の平均値として出力する。

この実施形態の光学デバイスによれば、上記集積回路は、所定の時間内で所定の回数だけ上記発光素子をパルス発光させ、この発光のタイミングに同期して上記受光素子からの信号を有効信号として抽出し、パルス発光回数分の平均値として出力するので、定常的な外乱光が上記受光素子に入射しても、この影響はキャンセルされ、精度のよい検出が可能となる。

また、この発明の電子機器は、上記光学デバイスを有することを特徴としている。

ここで、電子機器とは、例えば、部屋の障害物や壁等を検知しながら自動で掃除する自走式掃除機や、扉前方のどの位置に人が居るかを検知しカメラの向きや焦点を制御して最適な状態にするドアホンなどである。

この発明の電子機器によれば、上記光学デバイスを有しているので、小型化を図ることができると共に、上記被検出物の検出時間を短縮できる。

この発明の光学デバイスによれば、上記一つの発光素子、上記一つの二次元位置検出受光素子および上記集積回路を備えているので、小型化を図ることができると共に上記被検出物の検出時間を短縮できる。

また、この発明の電子機器によれば、上記光学デバイスを有しているので、小型化を図ることができると共に、上記被検出物の検出時間を短縮できる。

以下、この発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。

図１Ａは、この発明の光学デバイスの一実施形態である平面図を示し、図１Ｂは、図１ＡのＡ−Ａ断面図を示し、図１Ｃは、図１ＡのＢ−Ｂ断面図を示している。

この光学デバイスは、一つの発光素子２と、上記発光素子２の発光による被検出物からの反射光を受光する一つの二次元位置検出受光素子３（以下、受光素子という）と、上記受光素子３から出力される信号を処理すると共に所定のタイミングで上記発光素子２を駆動する一つの集積回路としてのＩＣ４とを有し、上記被検出物までの距離および方向を三角測量方式により検出する。

上記発光素子２、上記受光素子３および上記ＩＣ４は、リードフレーム１上に配置されている。上記発光素子２と上記受光素子３とは、別々に透光性樹脂５でモールドされ、互いのパッケージは、上記リードフレーム１により、一定間隔に保たれている。

上記受光素子３は、例えば、ＣＭＯＳエリアセンサである。ここで、上記発光素子２の発光波長は、赤外領域にあり、上記受光素子３の受光波長は、赤外にピーク感度を有している。

上記透光性樹脂５には、遮光性樹脂６が一体にモールドされている。この遮光性樹脂６には、上記発光素子２の光の通路となる発光側窓部６ａ、および、上記受光素子３の光の通路となる受光側窓部６ｂが、設けられている。

上記発光側窓部６ａの直上で上記発光素子２の光軸上に、フレネルレンズ７が設けられ、上記発光素子２から出射された光を効率よく利用する。このフレネルレンズ７により、上記発光素子２から放たれる光のかなり多くの部分を集光し、ほぼ一点に集光させる。

上記フレネルレンズ７の上方で上記発光素子２の光軸上に、トロイダルレンズ８が設けられ、上記フレネルレンズ７により集光された一点から放たれる光を、扇形状にして、デバイス外へ照射する。

上記トロイダルレンズ８からの照射光は、検出範囲内（つまり、照射光の扇形内）にある上記被検出物に反射し、この反射光は、上記受光素子３の上方で上記受光素子３の光軸上に設けられた受光側レンズ９を通して、上記受光素子３の受光面上に集光される。この受光面上での集光位置は、上記被検出物の位置（距離および方向）により変わるため、この集光位置により、上記被検出物の位置を検出できる。

上記トロイダルレンズ８と上記受光側レンズ９とは、可視光をカットする光学特性を有する。このため、可視光線が外乱光として存在しても、上記受光素子３まで届かない。

上記トロイダルレンズ８および上記受光側レンズ９は、遮光性樹脂からなるケース部１０に、取り付けられている。つまり、上記トロイダルレンズ８および上記受光側レンズ９と、上記ケース部１０とは、２色成形で一体成形されている。このケース部１０は、上記遮光性樹脂６の上記窓部６ａ，６ｂ側および上記フレネルレンズ７を、覆っている。

上記ケース部１０には、上記発光素子２からの光が直接に上記受光素子３へ入射しないように、内壁１０ａを設けている。上記ケース部１０に導電性樹脂材料を使用し、このケース部１０を、デバイスのグランド端子（例えば、上記リードフレーム１のグランド部）に金属ネジで電気的に接続することで、シールド効果で外部の電磁ノイズの影響を除去し、安定した出力を得られるようにしている。

上記ＩＣ４は、所定の時間内で所定の回数だけ上記発光素子２をパルス発光させ、この発光のタイミングに同期して上記受光素子３からの信号を有効信号として抽出し、パルス発光回数分の平均値として出力する。このため、定常的な外乱光が上記受光素子３に入射しても、この影響はキャンセルされて、精度のよい検出が可能となる。

図２Ａと図２Ｂに示すように、上記トロイダルレンズ８は、上記発光素子２の光軸方向（矢印Ｙ方向）からみて、中心部より両端部の幅が大きくなるように、形成されている。つまり、上記トロイダルレンズ８の幅は、両端部から、上記発光素子２の光軸が通る中央部にかけて、次第に狭くなるように、形成されている。図２Ａは、トロイダルレンズの斜視図を示し、図２Ｂは、図２Ａの矢印Ｙ方向からみた平面図を示す。

そして、図３に示すように、上記トロイダルレンズ８から所定距離離れた位置にある平面Ｓ上において、上記発光素子２から出射される光の強度を測定すると、図４に示すように、上記発光素子２の光軸Ｘに対して離れた位置においても、光強度を均一にできる。なお、図４中、横軸は、平面Ｓ上での光軸Ｘを基準とした位置を示し、縦軸は、光強度を示す。

これに対して、トロイダルレンズの幅が、両端部から中央部にわたって、均一である場合、図５に示すように、上記発光素子２の光軸Ｘから離れるに従い、光強度が弱くなり、精度のよい検出ができない。

次に、図６〜図８を用いて、上記光学デバイスの検出原理について説明する。なお、図７は、図６の発光側の拡大図を示し、図８は、図６の受光側の拡大図を示す。

図６と図７に示すように、上記発光素子２から出射された光を効率よく利用するために、上記フレネルレンズ７により、上記発光素子２から放たれる光のかなり多くの部分を集光しほぼ一点に集光させる。

次に、この一点から放たれる光を、上記トロイダルレンズ８を通して、扇形状にして、デバイス外へ照射する。このとき、照射光の検出範囲内に被検出物Ａ，Ｂがあると、そこで反射した光の一部が、図６と図８に示すように、上記受光側レンズ９を通して、上記受光素子３（ＣＭＯＳエリアセンサ）の受光部にスポットとして集光される。

このスポット位置は、デバイスから上記被検出物Ａ，Ｂまでの距離により、Ｘ軸方向で変動する。つまり、デバイスからの距離が遠いほど、スポット位置は、Ｘ軸の負の方向に寄る。上記被検出物Ａは、上記被検出物Ｂよりも、遠い位置にあるので、上記被検出物Ａからのスポットは、上記被検出物Ｂからのスポットよりも、Ｘ軸の負の方向に位置している。一方、上記スポット位置は、上記被検出物Ａ，Ｂの方向により、Ｙ軸方向で変動する。

したがって、上記受光素子３の受光面上のどの位置にスポットがあるかにより、上記被検出物Ａ，Ｂの位置を特定できる。もちろん、上記被検出物Ａ，Ｂが複数個存在する場合も、それぞれの位置を検出可能である。

上記構成の光学デバイスを電子機器に搭載してもよい。この電子機器とは、例えば、部屋の障害物や壁等を検知しながら自動で掃除する自走式掃除機や、扉前方のどの位置に人が居るかを検知しカメラの向きや焦点を制御して最適な状態にするドアホンなどである。したがって、上記自走式掃除機では、効率の良い掃除ができ、上記ドアホンでは、ドアホンの映像を部屋で確認する場合に、モニターに鮮明な人の映像を映し出すことができて、防犯に役立つ。

上記構成の光学デバイスによれば、上記一つの発光素子２、上記一つの二次元位置検出受光素子３および上記ＩＣ４を備えているので、上記発光素子２を一つだけ使用しており、小型化を図ることができると共に、上記被検出物の検出時間を短縮できる。また、三角測量方式を利用しているため、上記被検出物の光反射率によらず精度よく検出できる。

また、上記二次元位置検出受光素子３は、ＣＭＯＳエリアセンサであるので、上記被検出物が複数存在しても、上記各被検出物の位置を検出できる。

また、上記発光素子２の光軸上にトロイダルレンズ８を有するので、上記発光素子２からの出射光を、上記トロイダルレンズ８に集光して、効率よく利用でき、上記発光素子２からの出射光を、比較的遠方に存在する上記被検出物まで届けることができて、検出範囲を拡大できる。

また、上記発光素子２と上記トロイダルレンズ８の間にフレネルレンズ７を有するので、上記フレネルレンズ７によって、上記発光素子２からの出射光のかなり多くの部分を集光して、一旦、擬似点光源とし、この疑似点光源を上記トロイダルレンズ８によって検出に必要な部分に照射する。したがって、上記発光素子２からの出射光がかなり遠方に存在する上記被検出物まで効率よく届くので、検出範囲を大幅に拡大できる。

また、上記トロイダルレンズ８は、上記発光素子２の光軸方向からみて、中心部より両端部の幅が大きくなるように、形成されているので、上記トロイダルレンズ８からの光の照射範囲内での光強度を均一にしてある。

これは、上記発光素子２からの出射光の強度分布は、光軸上では強く、この光軸から外れるにしたがって弱くなるが、上記トロイダルレンズ８を、中心部より両端部の幅が大きくなるように、形成することで、光照射範囲内での光強度が均一になり、精度のよい検出が可能となる。

また、上記発光素子２の発光波長は、赤外領域にあり、上記二次元位置検出受光素子３の受光波長は、赤外にピーク感度を有し、上記発光素子２の光軸上の上記トロイダルレンズ８と、上記二次元位置検出受光素子３の光軸上に設けられた受光側レンズ９とは、可視光をカットする光学特性を有するので、利用する光の波長を可視光線より赤外線を用いることで、外乱光の影響を低減できる。例えば、屋内の蛍光灯程度の光であれば影響を受けない。

また、上記ＩＣ４は、所定の時間内で所定の回数だけ上記発光素子２をパルス発光させ、この発光のタイミングに同期して上記受光素子３からの信号を有効信号として抽出し、パルス発光回数分の平均値として出力するので、定常的な外乱光が上記受光素子３に入射しても、この影響はキャンセルされ、精度のよい検出が可能となる。例えば、白熱灯や太陽光のように赤外光が含まれる光の環境下で使用できる。

上記構成の電子機器によれば、上記光学デバイスを有しているので、小型化を図ることができると共に、上記被検出物の検出時間を短縮できる。

本発明の光学デバイスの一実施形態を示す平面図である。 図１ＡのＡ−Ａ断面図である。 図１ＡのＢ−Ｂ断面図である。 トロイダルレンズの斜視図である。 図２Ａの矢印Ｙ方向からみた平面図である。 発光素子からの出射光の状態を説明する説明図である。 発光素子の光軸を基準とした位置と光強度との関係を示すグラフである。 通常のトロイダルレンズを用いた場合で、発光素子の光軸を基準とした位置と光強度との関係を示すグラフである。 光学デバイスの光学系を示すと共に検出原理を説明する説明図である。 図６の発光側の拡大図である。 図６の受光側の拡大図である。 従来の光学デバイスを示す斜視図である。

１ リードフレーム
２ 発光素子
３ 二次元位置検出受光素子
４ ＩＣ（集積回路）
５ 透光性樹脂
６ 遮光性樹脂
６ａ 発光側窓部
６ｂ 受光側窓部
７ フレネルレンズ
８ トロイダルレンズ
９ 受光側レンズ
１０ ケース部
１０ａ 内壁
Ｓ 平面
Ａ，Ｂ 被検出物
１０１ 発光側レンズ
１０２ 受光側レンズ

Claims (6)

1. 被検出物までの距離および方向を三角測量方式により検出する光学デバイスであって、
   一つの発光素子と、
   上記発光素子の発光による上記被検出物からの反射光を受光する一つの二次元位置検出受光素子と、
   上記二次元位置検出受光素子から出力される信号を処理すると共に所定のタイミングで上記発光素子を駆動する集積回路と
   を備え、
   上記発光素子の光軸上にトロイダルレンズを有し、
   上記トロイダルレンズは、上記発光素子の光軸方向からみて、中心部より両端部の幅が大きくなるように、形成されていることを特徴とする光学デバイス。
2. 請求項１に記載の光学デバイスにおいて、
   上記二次元位置検出受光素子は、ＣＭＯＳエリアセンサであることを特徴とする光学デバイス。
3. 請求項１に記載の光学デバイスにおいて、
   上記発光素子と上記トロイダルレンズの間にフレネルレンズを有することを特徴とする光学デバイス。
4. 請求項１に記載の光学デバイスにおいて、
   上記発光素子の発光波長は、赤外領域にあり、
   上記二次元位置検出受光素子の受光波長は、赤外にピーク感度を有し、
   上記発光素子の光軸上の上記トロイダルレンズと、上記二次元位置検出受光素子の光軸上に設けられた受光側レンズとは、可視光をカットする光学特性を有することを特徴とする光学デバイス。
5. 請求項１に記載の光学デバイスにおいて、
   上記集積回路は、所定の時間内で所定の回数だけ上記発光素子をパルス発光させ、この発光のタイミングに同期して上記受光素子からの信号を有効信号として抽出し、パルス発光回数分の平均値として出力することを特徴とする光学デバイス。
6. 請求項１に記載の光学デバイスを有する電子機器。

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