JPH0643028A

JPH0643028A - 光量検出装置

Info

Publication number: JPH0643028A
Application number: JP5133854A
Authority: JP
Inventors: Fumito Orii; 文人折井; Noriyuki Iyama; 紀之猪山; Shunei Takechi; 俊英武智; Kazuyoshi Sumiya; 和好角谷
Original assignee: NipponDenso Co Ltd; Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Denso Corp; Olympus Corp
Priority date: 1992-05-27
Filing date: 1993-05-12
Publication date: 1994-02-18
Anticipated expiration: 2017-03-25
Also published as: US5432599A; JP3268888B2

Abstract

(57)【要約】【目的】０°〜９０°の全ての入射角に対して、適正
な出力ができる光量検出装置を実現する。【構成】光電素子の受光面２の前面に光学素子４を配
し、光学素子４を透過した光を受光面２に導いて光量を
検出する。光学素子における受光面２側に複数のプリズ
ム面４ａ，４ｂ…を形成する。各プリズム面４ａ，４ｂ
…は光軸に対して同心円状で、且つ光電素子の出力に対
応した光束幅が受光面に達するように、その傾き角と放
射領域とを入射角ごとに設定し、全範囲での光量検出を
可能とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、太陽などの光源が移動
することによって入射角が常に変化する性質を有する入
射光の強度検出などを行うため、入射光の強度に応じて
電気的出力特性が変化する光電素子（光電半導体素子）
を用いた光量検出装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】光量検出装置は、可視光、赤外線などの
入射光を光電素子によって検出し、検出した信号に基づ
いて環境の測定や各種機器の制御を行うために使用され
ている。例えば、自動車用空調装置において車室内の温
度制御を行う際、外気温度及び車室内の温度を温度セン
サーで検出し、それに基づいて車室内の温度制御を行う
だけでは、車室内に差し込む太陽光が乗員に当たった場
合に体感温度が温度計の検出温度よりも高くなっている
ので、快適な車室温度に対応出来ない。このため、自動
車用空調装置においては車室内外の温度計の他に光量検
出装置を使用し、差し込む太陽光の量も検出して、その
検出結果を考慮することにより車室内の温度の制御を行
っている。

【０００３】かかる従来の光量検出装置としては、特開
昭６１−２１０９１５号公報に記載されるように、光電
素子の受光面の前方に、透明な樹脂板に遮光材を塗布あ
るいは粘着させたフィルターを配置した構造が知られて
いる。このような構成では、遮光材の濃度を光の入射角
に応じてセッティングすることにより、フィルターを設
けた領域に入射する光の光量を減衰させることで光電素
子の入射角に対する感度特性を調整し、光電素子の受光
面に垂直に入射する光に加えて、垂直よりも傾いて入射
する光も同様な感度で検出するよう平滑化している。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
光量検出装置は、前方に配置する透明な樹脂板に遮光材
を塗布あるいは粘着させたフィルターを組合わせる必要
があるため、部品点数や加工工程が多くなると共に、構
造が複雑となっていた。また、水平方向から入射する光
がフィルターを介して光電素子の受光面に当たった場合
には、充分な出力を取り出すことができず、垂直から水
平までの全範囲にわたる方向からの入射光に対して、出
力特性の全てを平滑化することができにくいと共に、入
射角に応じて任意の特性に調整することが構造上難しい
ものとなっていた。

【０００５】本発明は、上記事情を考慮してなされたも
のであり、簡単な構成で、しかも入射する光の方向が垂
直方向から水平方向まで変化しても出力特性を平滑する
ことができると共に、任意の感度特性に調整することが
可能な光量検出装置を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の光量検出装置
は、光の強度に応じて電気的出力特性が変化する光電素
子と、この光電素子の受光面に対向するように光の制御
面が配置されたプリズム面の集合体からなる光学素子を
備えていることを特徴とする。また、本発明の光量検出
装置は、自身の受光面に照射される光の強度に応じて電
気的出力特性が変化し車輛の車室内に配置される光電素
子と、この光電素子の受光面に対向して設けられた光学
素子とを備え、この光学素子を透過して前記受光面に照
射される光の強度による前記光電素子の電気的出力特性
と車室内への日射により乗員が実際に感じる熱負荷とが
同じになるように光軸に対する傾き角と放射方向の領域
を有したプリズム面が前記光学素子に複数段形成されて
いることを特徴とする。

【０００７】

【作用】上記構成では、光電素子の受光面に対する入射
光の入射角が変化しても、入射角ごとに定められた入射
光の光束幅が、光学素子のプリズム面を介してその光電
素子の受光面に達するため、垂直方向から水平方向まで
の全範囲の入射角に対して所定の出力特性を得ることが
できる。

【０００８】

【実施例１】図１は、光電素子１を示し、光が入射する
受光面２と、受光面２からの電気信号を外部に出力する
リード３とを備えている。この光電素子１としては、入
射した光の強度に応じて電気的出力特性が変化する光電
半導体素子が使用されている。この図１は光電素子１の
前方に何も配置されておらず、光束が直接に入射する場
合を示し、有効領域幅Ｌの受光面２に対して入射角θを
０°〜９０°まで変化させて、その出力電流の変化を測
定すると、図２に示す出力特性となる。すなわち入射角
θにおいて受光面２に有効に作用する光束幅はｈ（θ）
であるため、ｈ（θ）＝Ｌ・ｓｉｎθとなって、光電素
子１の出力電流Ｉ（θ）は、Ｉ（θ）＝ｋ・ｈ（θ）＝
ｋ・Ｌ・ｓｉｎθのように、ｈ（θ）に比例する。ここ
で、θ＝９０°における有効光束幅ｈ₉₀は、ｈ₉₀＝Ｌ・
ｓｉｎ９０°＝Ｌであり、θ＝９０°における出力電流
Ｉ₉₀をｉアンペアとしてｉを代入すると、Ｉ₉₀＝ｉ＝ｋ
・Ｌ・ｓｉｎ９０°となり、ｉ＝ｋ・Ｌとなって、入射
角θでの出力電流Ｉ（θ）は、Ｉ（θ）＝ｉ・ｓｉｎθ
の関係があるところから、図２に示す特性図となる。

【０００９】このような出力特性を有する光電素子を、
例えば自動車用空調装置の日射光の光量検出に適用する
場合、その出力は図３のような特性が必要となる。図４
および図５は自動車１００の車室内におけるダッシュボ
ード１１０上に光量検出装置１２０を設けた場合を示
す。乗員（図示省略）は、自動車のフロントシートに着
座しており、この乗員が自動車１００のフロントガラス
を通して太陽光の日射を受ける場合、太陽光の入射角θ
が大きくなる（すなわち太陽の仰角が大きくなる）のに
従って体感温度を高く感じ、入射角θが３０〜５０°で
上限の体感温度となる。また、日射高度が高くなり、入
射角θがさらに大きくなる場合においては、自動車の屋
根によって太陽光が遮られ、車室内が日陰になる割合が
増えるため、体感温度が低くなる。かかる体感温度は車
室内への日射熱負荷と密接な関係があり、太陽光の入射
角θと日射熱負荷との関係は、日射高度が高くなる（入
射角θが大きくなる）のに従って、車室内の日射熱負荷
が略正弦曲線状に増加する一方、所定以上に日射高度が
大きくなると減少するようになっている。ダッシュボー
ド１１０上に設けられた光量検出装置１２０は、このよ
うな日射熱負荷と同様な出力特性を必要とするところか
ら、図３に示す特性が必要となるものである。

【００１０】図６は、図２の出力特性Ａを図３の出力特
性Ｂに調整するための比較特性図であり、入射角θ＝０
〜３０°付近までの出力は増幅させる必要がある一方、
入射角θ＝３０°付近〜９０°までは減衰させる必要が
ある。この入射角θごとに出力電流Ｉを増幅又は減衰さ
せるためには、光電素子１の受光面２に有効に作用する
光束幅ｈ（θ）を拡げたり挟めたりすることで調整で
き、このｈ（θ）を拡げたり挟めたりする手段として、
図７に示すように光電素子の受光面２に対向した位置
に、プリズム面の集合体である光を透過するプラスチッ
クからなる光学素子（プリズム体）４を配置するもので
ある。

【００１１】かかる光学素子４の光電素子側には、複数
のプリズム面４ａ，４ｂ…（図１２参照）が形成される
が、このプリズム面４ａ，４ｂ…の光軸に対する傾き角
と光束の放射領域（傾き角を有した面の放射方向の幅）
は段ごとに変化するように設定される。これにより図８
に示すように、光電素子側から見ると、光学素子の光軸
を中心としてプリズム面が同心円状に複数形成される。

【００１２】次に、このフレネル面の傾き角と光束の放
射領域の設定手順を説明する。（１）まず光の入射角θを９０°から０°まで１０°ご
とに変化させた場合における所定の出力値ｊ₉₀、ｊ₈₀、
…ｊ₀（図６参照）を得るために必要な必要光束幅
Ｈ₉₀、Ｈ₈₀、…Ｈ₁₀、Ｈ₀を求める。これは裸状態のθ
＝９０°における出力値ｉ₉₀で、図６に示す各出力値ｊ
₉₀、ｊ₈₀、…ｊ₀を除し、その商を裸状態のθ＝９０°
における有効光束幅ｈ₉₀＝Ｌに乗ずることで算出でき
る。これにより算出されたＨ₉₀、Ｈ₈₀、Ｈ₇₀、…Ｈ₁₀、
Ｈ₀は１０°ごとの裸状態の受光面に有効に作用する光
束幅ｈ₉₀、ｈ₈₀、ｈ₇₀、…ｈ₁₀、ｈ₀に対し、それぞれ
必要な増幅率又は減衰率の出力が得られる幅となってい
る。

【００１３】（２）次に、求めたＨ₉₀、Ｈ₈₀、Ｈ₇₀、…
Ｈ₁₀、Ｈ₀の光が各入射角において光電素子の受光面に
過不足なく有効に作用するようプリズム面を設定する。
図７はプリズム面を設定しようとする光学素子４と、光
学素子４に対して中心線（光軸）上の所定の位置に置い
た光電素子の受光面２の関係を示し、同図の中心線上で
光学素子外面から受光面側へｍ入った点Ｓを第１番目の
プリズム面４ａの起点とする。ここでｍは光学素子４の
肉厚である。

【００１４】（３）そして、図９に示すように、上述し
て求めた入射角θ＝９０°の必要光束幅Ｈ₉₀を中心線に
対して振分けで光源側から光学素子外面へ照射した時、
Ｈ₉₀とＸ，Ｙで示すそれより外側との境界上の光が光学
素子４を透過し、プリズム面４ａ（図９では左右に２面
となっているが、立体的には単一面）を通って光電素子
の受光面２の左右端に到達するよう、Ｓ点を起点とした
プリズム面４ａの中心線に対する傾き角αを決定する。

【００１５】（４）図１０は光が入射角θ＝８０°で照
射された状態を示す。同図においては、光学素子４を透
過し、（３）で決定した傾き角αを有するプリズム面４
ａを通って受光面２に到達する光のうち、最も左側へ到
達する光をＸとすると共に、この光Ｘと平行に入射角θ
＝８０°の必要光束幅Ｈ₈₀だけ右側に離れた光をＹと
し、この光Ｙが光学素子４を透過してプリズム面４ａを
通る点をＰとしてある。このＰ点をプリズム面４ａの終
点と定め、これにより、プリズム面４ａの傾き角と放射
領域が設定される。更に、Ｐ点から光Ｙの光学素子内の
経路を光源側に逆行した場合の光学素子の肉厚がｍとな
る位置をＱ点とすると、このＱ点が２番目のプリズム面
４ｂの起点となる。

【００１６】（５）図１１は光が入射角θ＝７０°で照
射された状態を示し、θ＝８０°で照射された時と同様
に既に傾き角を有するプリズム面４ａを通って受光面２
に到達する光のうち、最も左側へ到達する光をＸとし、
この光Ｘと平行に入射角θ＝７０°の必要光束幅Ｈ₇₀だ
け右側に離れた光をＹとしている。光Ｙが光学素子を透
過し、第２番目のプリズム面４ｂを通って受光面２の右
端に到達するよう、Ｑを起点としてプリズム面４ｂの中
心線に対する傾きβを決める。以上のように各プリズム
面の傾き角と放射領域を決めることで、Ｈ₉₀、Ｈ₈₀、Ｈ
₇₀を過不足無く光電素子の受光面に有効に作用させるこ
とができる。

【００１７】（６）図１２は入射角θ＝６０°で照射さ
れた状態を示し、光Ｙが傾き角βのプリズム面４ｂを通
る点Ｒを求め、これにより第２番目のプリズム面４ｂの
終点として、その放射領域を設定する。以下（３）〜
（５）を繰り返すことにより、各プリズム面の傾き角と
放射領域を設定できる。

【００１８】（７）次に入射角θ＝３０°〜０°の範囲
では、増幅させた出力特性とする必要があり、この場合
は、各入射角θでの増幅率を算出し、この増幅率を裸状
態で受光面に作用する有効光束幅ｈ（θ）に乗じて各角
度での必要光束幅Ｈ（θ）を算出する。図１３および図
１４は入射角θ＝３０°およびθ＝０°における照射状
態を示し、有効光束幅ｈ（θ）および上述のようにして
算出された必要光束幅Ｈ（θ）から、（３）〜（６）の
手順を行うことにより、θ＝３０°，２０°，１０°，
０°の角度におけるプリズム面の傾き角および放射領域
を設定することができる。

【００１９】従って、以上のように設定したプリズム面
を有する光学素子を光電素子の受光面に対向配置するこ
とにより、全範囲の入射角に対し、所定の出力特性を得
ることができる。本実施例においては、入射角θの分割
間隔を１０°以下の小さな角度で設定することができ、
これにより、さらに光電素子の出力特性をさらに近似さ
せることができる。しかしながら、かかる分割間隔をあ
る程度以下とした場合には、プリズム面の各エッジが受
光面２に向かう光線と干渉したり、光学素子の作製時に
プリズム面の凹凸が小さくなりすぎるところから好まし
くなく、その分割間隔は３〜１０°程度が実用的であ
る。なお、上記説明では光学素子４の光源側の外形形状
を球面としたが、入射角θ＝０°における入射光がプリ
ズム面を通過し、光電素子１の受光面２に到達する構成
であれば、円錐形状や台形形状などの適宜な凸面形状に
することが可能である。

【００２０】

【実施例２】この実施例２においては、光学素子４のプ
リズム面の中心線に対する傾き角を実施例１の傾き角α
よりも小さな角度α′とする場合について説明する。図
１５は実施例１における図１に対応する光路図であり、
実施例１と同一の要素は同一の符号で対応させてある。
本実施例においては、受光面２の有効領域幅Ｌ′が実施
例１における有効領域幅Ｌよりも小さくなっている光電
素子１を使用しており、これにより光電素子１の出力特
性も異なっている。

【００２１】図１５は光電素子１の前方に何も配置され
ておらず、この状態で受光面２に入射する光の強度の分
布が一定な平行光束の入射角θを０°から９０°まで変
化させたとき、光電素子１から出力される電流の変化を
測定すると、図１６に示す特性となる。図１７はこの図
１６で示す出力電流の特性において、出力電流の最大値
を１００％として各入射角θにおける出力電流の割合に
換算した相対出力比の特性を示している。これらの図に
おける特性曲線は、ほぼ正弦曲線に近似している。こ
れは、図１５において光電素子１の受光面２に強度分布
が一定な平行光束が入射角θで入射する時、受光面２に
有効に作用する光束幅ｈ（θ）は、図１５に示すように
受光面２の幅Ｌ′のｓｉｎθ倍であり、受光面２が受け
る光は、光の強度の分布が一定な平行光束であるため、
受光面２に有効に作用する光束幅ｈ（θ）に比例すると
共に、光電素子１の出力特性が光の強度に比例すること
により理論上正弦曲線になることを裏付けているもので
ある。

【００２２】このような出力特性を有する光電素子１
を、例えば自動車用空調装置の日射光の光量検出に適用
する場合、その出力は図１８に示すような相対出力比の
特性を有していることが望ましい。すなわち、乗員に対
して日射光の入射角が４０°前後で体感温度を高く感
じ、入射角が小さい場合よりも大きい場合に体感温度を
高く感じることが実状に合って望ましい。なお、図１８
に示す相対出力比の特性は、車輛の車室内における光量
検出装置の取り付け位置や車輛の形状により適宜、変更
されるものである。この要求を満たす手段として、以下
に述べる方法を実施例により説明する。なお、本実施例
で要求されるのは、出力電流値の絶対値のレベルではな
く、相対出力比の特性であるところから、出力電流レベ
ルは任意に設定可能である。

【００２３】図１９は、図１８で示す相対出力比特性の
１００％の位置の電流値を任意の値２．７μＡに仮定し
て、出力電流特性に換算した特性図である。図２０は光
電素子１の前方に何も配置しない場合（図１５）の出力
電流特性を特性曲線Ｃとし、要求される相対出力比の特
性を出力電流特性に換算したものを特性曲線Ｄとして、
両者を比較したものである。同図に示すように要求され
る特性Ｄを満たすためには、特性Ｃをある種の変換手段
により特性Ｄに変換する必要がある。すなわち、入射角
θが０°から３５°付近までは出力電流を増やす必要が
あり、一方、３５°付近から９０°まで出力電流を減ら
す必要がある。また、これらの増減を行う比率は、入射
角ごとに異なっている。

【００２４】かかる入射角θごとに出力電流を増減する
に際しては図１５に示す光電素子１の受光面２に有効に
作用する光束幅ｈ（θ）を拡大・縮小することで可能で
ある。すなわち、受光面２が受ける光の強度は受光面２
に有効に作用する光束幅ｈ（θ）に比例し、光電素子１
の出力電流は、受光面２が受ける光の強度に比例するた
めである。この光束幅ｈ（θ）を拡大、縮小するため、
図２１の断面図に示すように、光源と光電素子１の間に
光電素子１の受光面２に対向して、光束を透過する樹脂
からなるプリズム面の集合体である光学素子４を配置す
る。

【００２５】この光学素子４の光電素子１側との対向部
分には、複数段のプリズム面４ａ，４ｂ…が形成される
が、このプリズム面４ａ，４ｂ…の光軸に対する傾き角
と、放射領域（その傾き角を有するプリズム面の放射方
向の幅）は、各段ごとに最適に設定される。これにより
図２２に示すように、光学素子４を光電素子１側から見
ると、光軸を中心にしてプリズム面が同心円状に複数段
形成された構造となっている。

【００２６】次に、本実施例における各プリズム面の傾
き角とその放射領域を最適に設定する方法を説明する。（１）まず、平行光束の入射角θを９０°から０°ま
での１０°ごとに分け、図２０において要求される出力
電流特性Ｄから、各入射角における必要な出力電流値を
読み取り、ｊ₉₀、ｊ₈₀、…ｊ₀とする。次にこれらの出
力電流値を得るために必要な光束幅（以下、必要光束幅
と称す）Ｈ₉₀、Ｈ₈₀、…Ｈ₁₀、Ｈ₀を求める。このた
め、図１６に示す光電素子１の前方に何も配置しない裸
状態の出力電流特性（特性曲線Ｃ）における入射角θ＝
９０°での出力電流値ｉ₉₀で、ｊ₉₀、ｊ₈₀、…ｊ₀をそ
れぞれ除し、その商を光電素子１の前方に何も配置しな
い場合の、入射角θ＝９０°における受光面２に有効に
作用する光束幅（すなわち、図１５に示す光電素子１の
受光面２の幅Ｌ′）に乗ずることで必要光束幅を算出す
る。具体的には、Ｈ₉₀＝Ｌ′×ｊ₉₀／ｉ₉₀、Ｈ₈₀＝Ｌ′
×ｊ₈₀／ｉ₉₀、Ｈ₇₀＝Ｌ′×ｊ₇₀／ｉ₉₀…Ｈ₀＝Ｌ′×
ｊ₀／ｉ₉₀により算出する。これにより算出された
Ｈ₉₀、Ｈ₈₀、Ｈ₇₀、…Ｈ₁₀、Ｈ₀は１０°ごとの裸状態
の受光面に有効に作用する光束幅ｈ₉₀、ｈ₈₀、ｈ₇₀、…
ｈ₁₀、ｈ₀に対し、それぞれ必要な増幅率又は減衰率の
出力が得られる幅となっている。

【００２７】（２）次に、求めたＨ₉₀、Ｈ₈₀、Ｈ₇₀、…
Ｈ₀の光束が各入射角において光電素子１の受光面２に
過不足なく到達するよう、プリズム面の中心線に対する
傾き角と放射領域を設定する。図２３は、プリズム面を
設定しようとする光学素子４の光源側の球面の輪郭（入
射面）と、光学素子４に対して（すなわち、前記輪郭の
頂部に対して）所定の位置においた光電素子１の受光面
２との関係を示す断面図である。同図の中心線上におい
て、光学素子４の光源側の入射面から受光面２の方向に
寸法ｍだけ入った点Ｓを、第１番目のプリズム面４ａの
起点とする。ここで、ｍは光学素子４に与えられる所定
の肉厚であり、例えば１ｍｍが設定される。

【００２８】（３）そして、図２４に示すように、上述
の方法で求めた入射角θ＝９０°の必要光束幅Ｈ₉₀の光
束を、中心線に対して振分けで光源側から光学素子４に
入射した時、Ｘ，Ｙで示すＨ₉₀の幅とそれより外側との
境界線の光線が、それぞれ光学素子４を透過してプリズ
ム面４ａ（図２４は断面のため左右２面となっている
が、立体的には単一な面）を通り、光線Ｘは光電素子１
の受光面２の左端に到達するよう、また、光線Ｙは受光
面２の右端に到達するよう、Ｓ点を起点としたプリズム
面４ａの中心線に対する傾き角αを決定する。このと
き、必要光束幅Ｈ₉₀のＸ、Ｙの外側の光線は、プリズム
面４ａによって拡散されて、受光面２に到達しない。

【００２９】（４）図２５は光源から光学素子４に入射
角θ＝８０°で光束が入射した状態の断面を示す。同図
において入射した光束が光学素子４を透過し、（３）で
決定した傾き角αを有するプリズム面４ａを通り、受光
面２に到達する光束のうち、最も左に到達する光線をＸ
とすると共に、この光線Ｘと平行で入射角θ＝８０°の
必要光束幅Ｈ₈₀だけ右に離れた光線をＹとする。この光
線Ｙが光学素子４を透過してプリズム面４ａを通り受光
面２に到達する時、この光線Ｙがプリズム面４ａを通過
する点をＰとする。このＰ点をプリズム面４ａの終点と
定める。以上により、プリズム面４ａの中心線に対する
傾き角と放射領域が設定される。更に、Ｐ点から光線Ｙ
の経路に沿って、光学素子４内を光源方向に逆行し、光
学素子４の肉厚がｍとなった点をＱと定める。この点Ｑ
を第２番目のプリズム面４ｂの起点とする。このとき、
必要光束幅Ｈ₈₀の光線Ｘの左側の光線は起点Ｓの左側の
プリズム面４ａによって屈折されて、受光面２に到達し
ない。また、光線Ｙの右側の光線はプリズム面４ｂによ
って屈折されて受光面２に到達しない。

【００３０】（５）図２６は、光源から光学素子４に入
射角θ＝７０°で光束が入射した状態を示す。（４）で
述べた入射角θ＝８０°で入射した場合と同様に、光学
素子４を透過し、既に決定されているプリズム面４ａを
通過して、受光面２に到達する光束のうち、最も左に到
達する光線をＸとすると共に、この光線Ｘと平行で入射
角θ＝７０°の必要光束幅Ｈ₇₀だけ右に離れた光線Ｙと
する。この光線Ｙが、光学素子４を透過して、２番目の
プリズム面４ｂを通り、受光面２の有効受光領域の右端
に到達するよう、点Ｑを起点としたプリズム面４ｂの中
心線に対する傾き角βを決定する。この決定方法によれ
ば、入射角θ＝９０°および８０°で入射する光束が、
プリズム面４ｂを通って受光面２に到達することはな
く、入射角θ＝９０°および８０°における必要光束幅
に影響を与えることはない。すなわち、光線Ｘの左側の
光線は起点Ｓの左側のプリズム面４ａによって、屈折ま
たは反射されて受光面２に到達しない。また、光線Ｙの
右側の光線は、プリズム面４ｂに屈折されて受光面２に
到達しない。

【００３１】（６）図２７は、光源から光学素子４に入
射角θ＝６０°で光束が入射した状態を示し、（４）お
よび（５）で述べたと同様に光線Ｘ、光線Ｙを示す。こ
の光線Ｙが傾き角βのプリズム面４ｂを通過する点をＲ
とし、Ｒをプリズム面４ｂの終点と定める。以上によ
り、プリズム面４ｂの中心線に対する傾き角と放射領域
幅が決定する。光線Ｘの左側の光線は、受光面２に到達
せず、また、光線Ｙの右側の光線は、Ｒを起点するプリ
ズム面４ｃによって屈折された受光面２に到達しない。
以下、上述した方法を繰り返すことにより、順次各入射
角に対応したプリズム面４ｃ，４ｄ…の中心線に対する
傾き角と放射領域を設定できる。

【００３２】（７）次に入射角θ＝３０°〜０°の範囲
では、増幅させた出力特性とする必要があり、この場合
は、各入射角θでの増幅率を算出し、この増幅率を裸状
態で受光面に作用する有効光束幅ｈ（θ）に乗じて各角
度での必要光束幅Ｈ（θ）を算出する。図２８および図
２９は入射角θ＝３０°およびθ＝０°の入射光束が、
光学素子４に入射した状態を示すが、それぞれの必要光
束幅Ｈ₃₀、Ｈ₀が過不足なく光電素子１の受光面２の有
効受光領域に到達するよう、上述の（３）から（５）の
方法を同様に行うことで、それぞれの入射角に対応した
プリズム面の設定ができる。

【００３３】以上の方法で設定した５段のリング形状の
プリズム面を有する光学素子４を、光電素子１の受光面
２に対向させて配置することで、全範囲の入射角におい
て必要な光束幅の光束を、受光面に過不足なく到達する
ことができ、図２０の特性曲線Ｄに示すような所望の出
力電流特性を得ることができる。本実施例では、入射角
を１０°毎に分けてプリズム面の設定をしたが、１０°
程度の分割でも、入射角の全範囲にわたるため、必要な
出力電流特性にほぼ近似させることができる。

【００３４】

【実施例３】本実施例では、光学素子が半透明材料で形
成される場合について説明する。例えば、厚さ１ｍｍに
対して７０％の透過率となっているポリカーボネート樹
脂などの半透明材料の場合、透明な材料に比べ透過率が
低いことや、材料の内部を光が透過する際に内部拡散効
果が大きくなることなどの影響があるため、これらを考
慮した設定を行う必要がある。

【００３５】図３０は、半透明で厚さ（例えば１ｍｍ）
の一様な樹脂板５を光電素子１の受光面２と光源の間に
受光面２と平行に配置し、これを介して実施例２と同一
の光源から、強度の分布が一定な平行光束を受光面２に
入射角θで入射させた状態を示す。図３１は、図３０に
おいて入射角θを０°から９０°まで変化させた時の光
電素子１の出力電流特性を特性曲線Ｅとして示すととも
に、実施例２で説明した図１６に示す光電素子１の前方
に何も配置されていない状態で、光源から強度の分布が
一定な平行光束が入射角θで受光面２に直接入射する場
合での出力電流特性に、材料の透過率のみを考慮して、
７０％を乗じて得た特性曲線Ｆを示して比較したもので
ある。

【００３６】この特性曲線ＥとＦとの差は、入射角ごと
に異なる光の透過する道のり（樹脂板に入射してから、
出射するまでの道のり）によって透過率に差が生じるこ
とに加え、半透明材料の透過率以外の要因によるもので
ある。この透過率以外の要因としては、表面反射、内部
拡散などがあり、それらが複合した結果として現れてい
る。入射角θ＝９０°から７０°付近までは、表面反射
による減衰が小さいのに加え、内部拡散による影響が大
きく他の入射角に比べ出力が高くなることから、特性曲
線Ｆ以上となる所もある。また、θ＝６０°付近から０
°までは、表面反射による減衰と、透過する道のりが長
いことによる透過率の低下などとによって、出力が大幅
に低下している。このように半透明の材料では、材料自
体が有した上述のような出力に影響を与える特性がある
ため、これを考慮した上でプリズム面の設定を行う必要
がある。

【００３７】図３２における特性曲線Ｍは実施例２と同
様に自動車用空調装置の日射光の光量検出に適用する場
合に、望まれる相対出力比特性（図１８参照）の、１０
０％の位置の電流値を２．３μＡと仮定して出力電流特
性に換算したものである。また、特性曲線Ｇは、図３１
に示す特性曲線Ｅの入射角θ＝９０°，８０°，７０°
…０°における出力電流値ｋ₉₀，ｋ₈₀，ｋ₇₀…ｋ₀と、
図１６に示す光学素子１の前方に何も配置しない場合の
出力電流特性の入射角θ＝９０°，８０°，７０°…０
°における出力電流値ｉ₉₀，ｉ₈₀，ｉ₇₀…ｉ₀の対応す
る入射角ごとの比較（すなわち、ｉ₉₀／ｋ₉₀、ｉ₈₀／Ｋ
₈₀、ｊ₇₀／ｋ₇₀…ｊ₀／ｋ₀）に、特性曲線Ｍの入射角
θ＝９０°、８０°、７０°…０°で要求される電流値
ｍ₉₀、ｍ₈₀，ｍ₇₀…ｍ₀に対応する入射角ごとに乗じた
値（すなわち、ｍ₉₀×ｉ₉₀／ｋ₉₀、ｍ₈₀×ｉ₈₀／ｋ₈₀、
ｍ₇₀×ｉ₇₀／ｋ₇₀…ｍ₀×ｉ₀／ｋ₀）を、特性曲線と
して示したものである。同図において、特性曲線Ｇは半
透明材料が有する出力に影響を与える特性を考慮して、
特性曲線Ｍを補正したものであり、この特性曲線Ｇを目
標としてプリズム面の設定をすることで、要求される出
力特性を有した光学素子とすることができる。

【００３８】図３３は上述の目標となる特性曲線Ｇと、
光電素子１の前方に何も配置しない場合の出力電流特性
の特性曲線Ｎとを示して、比較したものである。同図に
おいて、特性曲線Ｎを特性曲線Ｇに調整するためには、
入射角θ＝０°〜４０°付近までは出力電流を増やす必
要があり、θ＝４０°付近から９０°までは減らす必要
がある。この増減の比率は、各入射角ごとに異なってい
るし、実施例１および２の透明な材料を使用する場合と
も違っている。

【００３９】この入射角θごとに出力電流を増減するた
めに、実施例２と同様に図１５の光電素子１の受光面２
に有効に作用する光束幅ｈ（θ）を増減させることで、
受光面２が受ける光の強度を増減して調整する。その手
段として、半透明材料からなるプリズム面の集合体であ
る光学素子を、各プリズム面の傾き角とその放射領域を
最適に設定して配置する。

【００４０】次に設定の方法を説明する。まず、平行光
束の入射角θを９０°から０°まで１０°ごとに分け、
図３３の特性曲線Ｇで示す目標の出力電流特性から各入
射角における必要な出力電流値を読み取り、ｊ₉₀、
ｊ₈₀、ｊ₇₀…ｊ₀とする。次に、これらの出力電流値を
得るための必要光束幅Ｈ₉₀、Ｈ₈₀、Ｈ₇₀…Ｈ₀を求め
る。すなわち、特性曲線Ｎの入射角θ＝９０°における
出力電流値ｉ₉₀でｊ₉₀、ｊ₈₀、ｊ₇₀…ｊ₀をそれぞれ除
し、その商に光電素子１の受光面２の幅Ｌ′をそれぞれ
乗ずることにより求めることができる。具体的には、Ｈ
₉₀＝Ｌ′×ｊ₉₀／ｉ₉₀、Ｈ₈₀＝Ｌ′×ｊ₈₀／ｉ₉₀、Ｈ₇₀
＝Ｌ′×ｊ₇₀／ｉ₉₀…Ｈ₀＝Ｌ′×ｊ₀×ｉ₉₀である。
次に得られた各入射角における必要光束幅が、過不足な
く受光面２に到達するように、実施例２で行った方法と
同様に複数のプリズム面の中心線に対する傾き角と放射
領域を、順次設定する。

【００４１】図３４は、上述の半透明材料を使用して、
入射角θ＝９０°における必要光束幅Ｈ₉₀を過不足なく
受光面に到達させるように、プリズム面の設定をした例
を示す。θ＝９０°では実施例２の場合とは異なった幅
（実施例２より狭く、約０．６倍）の光束が、受光面に
到達するように、プリズム面の傾き角が設定されてい
る。また、図３５および図３６は、同一の材料を使用し
て入射角θ＝４０°およびθ＝０°における必要光束幅
を過不足なく受光面に到達させるようにプリズム面の設
定をした例を示す。θ＝４０°およびθ＝０°でも、実
施例２の場合と異なった幅（θ＝４０°で約１．１倍、
θ＝０°で約２倍）の光束が、受光面に到達するよう
に、プリズム面の傾き角と放射領域が設定されている。
よって、設定された複数のプリズム面の傾きと放射領域
は、実施例２とは異なっている。以上の方法でプリズム
面を設定した光学素子を光電素子の受光面の前方に配置
して出力特性を測定すると、図３２における特性曲線
Ｍ′となる。この時のこの特性曲線Ｍ′は目標の特性曲
線Ｍとほぼ近似している。

【００４２】

【実施例４】この実施例４においても前記実施例と同様
に半透明材料からなる光学素子を使用する場合について
説明する。図３７は半透明で厚さの一様な樹脂板を光電
素子の受光面前方の所定の位置に平行に配し、この樹脂
板を介して一定の光量の光を照射し、その受光面に対す
る入射角を変化させた時の光電素子の出力特性を示す。
同図においては、光電素子の受光面前方に何も置かない
図２に示す裸状態での出力特性のうちの一部の光が樹脂
板内部の拡散現象によって樹脂板から放出されて受光す
る特性を有する。特に入射角θ＝７０°〜９０°の真上
付近においては、樹脂板の表面での反射が少なくなっ
て、樹脂板内部に入る光が強くなり、これにより樹脂板
から放出される光も強くなって受光面により大きく作用
するため、θ＝０°〜６０°に比べ出力がより大きくな
っている。

【００４３】このような半透明の樹脂からなる光学素子
による実施例について述べる。図３８は出力特性の特性
図を示し、同図におけるＱは得ようとする出力特性であ
る。半透明の場合は拡散現象による出力特性Ｐの出力が
加わるため、透明の場合の必要光束幅に基づいてプリズ
ム面を決定すると、出力特性Ｑを得ることができない。
このため、図３７に示す拡散現象による出力特性Ｐを、
得ようとする出力特性Ｑから差引いた特性曲線Ｒを見か
け上の目的の特性としてプリズム面を決定する。

【００４４】図３９はこの見かけ上の目的の特性Ｒを裸
状態の出力特性Ｓと比較した特性図である。これによる
と、θ＝０°〜２０°付近では増幅する必要があり、θ
°＝２０°付近から９０°までは、減衰させる必要があ
る。そこでθ＝１０°ごとにその増幅または減衰比率を
求め、更にその比率を裸状態の各θにおける受光面に有
効に作用する光束幅ｈ₉₀・ｈ₈₀…ｈ₀に乗じて、必要光
束幅Ｈ′₉₀・Ｈ′₈₀…Ｈ′₀を求める。このＨ′₉₀・
Ｈ′₈₀…Ｈ′₀だけが各入射角θにおいて受光面に到達
するように、同心円状の複数段のプリズム面の傾き角と
放射領域を設定する。例えばθ＝９０°では、実施例１
の透明の場合よりも減衰率が高くなり、必要光束幅も狭
くなる。

【００４５】このことを考慮して、図４０に示すよう
に、実施例１の必要光束幅Ｈ₉₀より狭い光束幅Ｈ′₉₀が
過不足なく受光面に到達するよう、プリズム面の光軸に
対する傾き角α′を決定する。以後、各入射角ごとに
Ｈ′₈₀、Ｈ′₇₀、…Ｈ′₀に従って実施例１と同様の手
順で複数段のプリズム面の傾き角と放射領域とを設定す
る。

【００４６】図４１は本実施例の別例を示し、特性曲線
Ｔが得ようとする出力特性である。この特性曲線Ｔから
拡散現象による出力（特性曲線Ｐ）を差引いて見かけ上
の目的の特性曲線Ｕを求めるが、この特性曲線Ｕでは、
その出力が部分的にマイナスとなっている。ところが、
必要光束幅がマイナスとなることは、実際上有り得ない
ことから、見かけ上の出力の最低値が０以上となるまで
特性曲線ＴおよびＵを同比率で増加させて図４２に示す
特性曲線Ｔ′およびＵ′とする。

【００４７】図４３はこの増加させた特性曲線Ｕ′と裸
状態の出力特性Ｓとの比較を示し、この比較から入射角
θにおける増幅または減衰比率を求め、必要光束幅
Ｈ₉₀″・Ｈ₈₀″…Ｈ₀″を求める。そして、求めた
Ｈ₉₀″・Ｈ₈₀″…Ｈ₀″に従って、実施例１および２と
同様の手順で複数段のプリズム面の傾き角と放射領域を
決定する。従って、このような半透明の材料においても
その実施が可能となる。なお、得ようとする特性によっ
ては、θ＝０°〜３０°付近の増幅率が特に高くなり、
構造上プリズム面が設定できなくなる場合もあるが、こ
の場合は半透明の材料の透過率を増大させて内部の拡散
現象による影響を抑制し、相対的に増幅率を下げること
により設定することができる。

【００４８】図４４は透過率が１ｍｍで７０％の半透明
のポリカーボネート樹脂を用い、上述した手順で形成し
た光学素子４を示す。光電素子の受光面２に対向するプ
リズム面は５°ごとの入射角に対し、その傾き角と放射
領域を設定しており、プリズム面が８面で構成され、且
つ入射角θ＝９０°から３０°付近まで光束幅が減衰
し、３０°付近から０°までは光束幅が増幅するように
なっている。

【００４９】図４５はこの光学素子を光電素子の受光面
前方の所定位置に配置して、得られた光の入射角に対す
る光電素子の出力特性を示し、得ようとする出力特性に
適合している。

【００５０】

【実施例５】この実施例５では、プリズム面の集合体で
ある光学素子の光源側の入射面に、外観デザイン上の観
点からの艶を抑えるために、シボ（サンドブラストやケ
ミカルエッチングなどにより梨地にした面を転写するこ
とで得られる面）を施した場合のプリズム面の設定方法
について説明する。光学素子の表面にシボが施された場
合、光源からの光が乱反射すると共に、入射した光はシ
ボによる凹凸で屈折後の方向が揃わないため、必要な光
束幅が確実に受光面に到達できず、電流出力特性に影響
を与える。この影響の度合いはシボの粗さや深さによっ
て、また入射角の違いによって異なる。このため、設定
しようとするシボの粗さと深さにおける影響の度合を各
入射角ごとにあらかじめ確認した上で影響した分を補正
すべき量として、プリズム面の傾き角と放射領域を設定
する際に必要光束幅に反映させることが必要となる。あ
らかじめ、補正量を確認するには、予定している光学素
子の光源側の表面形状で、シボを施さない場合と、シボ
を施した場合との出力特性を比較する。それには要求さ
れる出力電流特性を得るために設定した傾き角と放射領
域を有した各プリズム面を備えた光学素子について、入
射面を鏡面仕上げした金型を製作し、この金型を用いて
成形した後、設定しようとするシボを同一の金型に施
し、再度成形して、２種類の光学素子を成形し、この２
種類の光学素子の特性を測定して比較することで行う。

【００５１】図４６は、シボの有無による特性の比較を
予め行った例を示す。本実施例では、実施例３で用いた
光学素子と同一のものを用いると共に、この光学素子を
成形する金型にシボを施し、同一条件で成形したものを
用いている。図４６において、特性曲線Ｖがシボなし、
特性曲線Ｗがシボ有りとなっている。具体的には、シボ
のレベルは、＃ＢＫ−１５５Ｇと同等のもので行った。
同図によれば、シボによる特性への影響として、入射角
が０°から３０°付近までは出力電流の低下が現れ、３
０°付近から７０°付近までは増減の幅が小さく、ま
た、７０°付近から９０°までは、むしろ出力が増えて
いる。

【００５２】各入射角での出力増減の割合を確認し、新
たにプリズム面を設定する際、各入射角における必要光
束幅を補正することでシボを施した光学素子を使用した
場合の出力特性を要求される特性にすることができる。
このシボを施した光学素子の使用時には補正した必要光
束幅が過不足なく受光素子の有効受光面の領域に到達す
るように、前述の（１）〜（７）の手順で、入射角に対
応したプリズム面の設定を行う。この場合、適応できる
シボのレベルは、＃ＴＨ１１０番（棚沢八光社）と同等
程度までであり、それ以上粗くなると特に０°付近の出
力が低下するため、補正が困難になる。

【００５３】

【実施例６】この実施例６では、自動車空調装置の日射
光の光量検出に具体的に適用するため、波長８００ｎｍ
（近赤外線）の光の厚さ１ｍｍに対する透過率が７０％
の黒色ポリカーボネート樹脂を使用し、デザイン上から
の理由で艶を抑えるために所定のシボ（具体的には、＃
ＢＫ−１５５Ｇと同等）を施した、プリズムの集合体で
ある光学素子について説明する。

【００５４】図４７は、上述の実施例３および実施例５
で説明した半透明材料を用いた場合の補正と、シボを施
す場合の補正とを組み合わせ、入射角の分割間隔を５°
として、光学素子の複数のプリズム面の中心線に対する
傾き角と、放射領域の設定をしたプリズムの集合体の光
学素子を示す。同図では、分割間隔が５°のため、プリ
ズム面が１０面あり、それぞれのプリズム面が最適な傾
き角と放射領域を有している。

【００５５】図４８は、図４７で示す光学素子を図２１
で示す配置と同様に、光学素子の受光面に対して配置し
て入射角を変化させた時に測定して得られた電流出力特
性を示す。また、図４９は図４８で示した測定して得ら
れた電流出力特性を、出力電流の最大値を１００％とし
て各入射各θにおける出力電流の割合を求めた場合の相
対出力比特性に置き換えて実線で示すと共に、図１８に
示す要求される相対出力比特性を破線で示して比較した
ものである。同図は測定して得られた出力特性が要求さ
れる相対出力比特性にほぼ近似したものになっているこ
とを示している。

【００５５】

【発明の効果】以上のとおり本発明は、光電素子の受光
面に対する入射角に応じて、入射光量を制御することが
できるため、入射角θ＝０°〜９０°の全範囲に対し
て、光電素子の出力特性を制御できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１における光電素子への入射状
態を示す側面図である。

【図２】光電素子の出力特性を示す特性図である。

【図３】光電検出の特性図である。

【図４】車輛に適用した平面図である。

【図５】車輛に適用した側面図である。

【図６】光電素子の出力調整を示す特性図である。

【図７】光学素子の断面図である。

【図８】光学素子の底面図である。

【図９】実施例１によってプリズム面の設定を説明する
断面図である。

【図１０】実施例１によってプリズム面の設定を説明す
る断面図である。

【図１１】実施例１によってプリズム面の設定を説明す
る断面図である。

【図１２】実施例１によってプリズム面の設定を説明す
る断面図である。

【図１３】実施例１によってプリズム面の設定を説明す
る断面図である。

【図１４】実施例１によってプリズム面の設定を説明す
る断面図である。

【図１５】実施例２の入射状態に示す側面図である。

【図１６】実施例２の光学素子の出力特性図である。

【図１７】実施例２の光学素子の相対出力比特性図であ
る。

【図１８】実施例２の光学素子の相対出力比特性図であ
る。

【図１９】電流値に変換した特性図である。

【図２０】実施例２の調整を示す特性図である。

【図２１】実施例２の全体の断面図である。

【図２２】実施例２の光学素子の底面図である。

【図２３】実施例２のプリズム面設定を示す断面図であ
る。

【図２４】実施例２のプリズム面設定を示す断面図であ
る。

【図２５】実施例２のプリズム面設定を示す断面図であ
る。

【図２６】実施例２のプリズム面設定を示す断面図であ
る。

【図２７】実施例２のプリズム面設定を示す断面図であ
る。

【図２８】実施例２のプリズム面設定を示す断面図であ
る。

【図２９】実施例２のプリズム面設定を示す断面図であ
る。

【図３０】実施例３の説明する断面図である。

【図３１】実施例３の光学素子の出力特性図である。

【図３２】実施例３の出力特性図である。

【図３３】実施例３の出力特性図である。

【図３４】実施例３のプリズム面の設定を示す断面図で
ある。

【図３５】実施例３のプリズム面の設定を示す断面図で
ある。

【図３６】実施例３のプリズム面の設定を示す断面図で
ある。

【図３７】実施例４の出力特性図である。

【図３８】実施例４の出力特性図である。

【図３９】実施例４の出力特性図である。

【図４０】実施例４のプリズム面の設定を示す断面図で
ある。

【図４１】実施例４の変形例の特性図である。

【図４２】実施例４の変形例の特性図である。

【図４３】実施例４の変形例の特性図である。

【図４４】実施例４の配置を示す断面図である。

【図４５】実施例４の出力特性図である。

【図４６】実施例５の出力特性図である。

【図４７】実施例５の断面図である。

【図４８】実施例６の出力特性図である。

【図４９】実施例６の出力特性図である。

【符号の説明】

１光電素子２受光面４光学素子４ａプリズム面

【手続補正書】

【提出日】平成５年５月１９日

【手続補正１】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図４９

【補正方法】変更

【補正内容】

【図４９】

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者武智俊英愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地日本電装株式会社内 (72)発明者角谷和好愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地日本電装株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光の強度に応じて電気的出力特性が変化
する光電素子と、この光電素子の受光面に対向する光の
制御面が配置されたプリズム面の集合体からなる光学素
子とを備えていることを特徴とする光量検出装置。
【請求項２】自身の受光面に照射される光の強度に応
じて電気的出力特性が変化し車輛の車室内に配置される
光電素子と、この光電素子の受光面に対向して設けられ
た光学素子とを備え、この光学素子を透過して前記受光
面に照射される光の強度による前記光電素子の電気的出
力特性と車室内への日射により乗員が実際に感じる熱負
荷とが同じになるように光軸に対する傾き角と放射方向
の領域を有したプリズム面が前記光学素子に複数段形成
されていることを特徴とする光量検出装置。
【請求項３】前記光電素子は車室のダッシュボード上
に配置されることを特徴とする請求項２記載の光量検出
装置。
【請求項４】前記光学素子のプリズム面は光学素子の
光軸に対して同心円状で複数段形成されていることを特
徴とする請求項１または２記載の光量検出装置。
【請求項５】前記光学素子における複数段のプリズム
面のそれぞれの前記光軸に対する傾き角と放射方向の領
域は光の入射角ごとの前記光電素子の出力に対応した光
束幅が前記光電素子の受光面に達するように設定されて
いることを特徴とする請求項４記載の光量検出装置。
【請求項６】前記光学素子が半透明材質で形成されて
おり、前記複数段のプリズム面の光軸に対する傾き角と
放射方向の領域が当該光学素子の半透明度に合わせて設
定されていることを特徴とする請求項４記載の光量検出
装置。
【請求項７】前記光学素子の光入射面にシボが施され
ており、前記複数段のプリズム面の光軸に対する傾き角
と放射方向の領域がシボの密度に合わせて設定されてい
ることを特徴とする請求項４記載の光量検出装置。