WO2010103595A1 - 受光素子用フィルタおよび受光装置 - Google Patents

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WO2010103595A1
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light receiving
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井上恭明
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ナルックス株式会社
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    • G02B5/20—Filters
    • G02B5/208—Filters for use with infrared or ultraviolet radiation, e.g. for separating visible light from infrared and/or ultraviolet radiation
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    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/02—Details
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    • H01L31/02161—Coatings for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier
    • H01L31/02162—Coatings for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier for filtering or shielding light, e.g. multicolour filters for photodetectors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/02—Details
    • H01L31/0232—Optical elements or arrangements associated with the device
    • H01L31/02325—Optical elements or arrangements associated with the device the optical elements not being integrated nor being directly associated with the device

Definitions

  • the present invention relates to a light receiving element filter used for a light receiving element that receives signal light having a known spectral distribution and a light receiving device including the light receiving element filter.
  • An imaging device for example, Japanese Patent No. 3214195
  • a target with signal light having a known spectral distribution such as an infrared region and receives reflected light from the target to acquire the target image, and the distance to the target
  • an object detection apparatus that irradiates a space with signal light having a known spectral distribution such as an infrared region and detects the presence or absence of an object in the space is widely used.
  • a bandpass filter that transmits the wavelength of the signal light is used.
  • the disturbance cannot be sufficiently removed by the conventional method.
  • the light-receiving element filter according to the aspect of the present invention is used for a light-receiving element that receives signal light having a known spectral distribution.
  • the energy density of disturbance light in the light receiving element is N1
  • the energy density of the signal light in the light receiving element is N2
  • N1 / (N2) 2 under constraints. Is configured to be minimal.
  • N1 / (N2) 2 under the constraint condition Is configured to be minimized it is possible to obtain a light receiving element that maximizes the S / N ratio under the constraint condition.
  • the signal light is light in the infrared wavelength region.
  • the signal light is light in the infrared wavelength region and can be used safely because it is a wavelength region that the eyes cannot recognize, and since the irradiance of sunlight is lower than the visible light region, Disturbance due to light can be reduced.
  • the light source of the signal light is a laser or a light emitting diode that emits light in the infrared wavelength range.
  • signal light having a known spectral distribution can be easily generated.
  • the disturbance light is mainly sunlight.
  • N1 since the spectrum distribution of sunlight is known, N1 can be obtained with high accuracy.
  • a light receiving device includes a lens optical system, a light receiving element, and a light receiving element filter according to any of the embodiments of the present invention.
  • the light receiving device can receive a signal with high accuracy by maximizing the S / N ratio under the constraint condition.
  • the distance measuring device includes the light receiving device according to the aspect of the present invention.
  • the distance measuring device includes the light receiving device according to the aspect of the present invention, the distance can be measured with high accuracy.
  • the method for manufacturing a light receiving element filter according to the present invention is a method for manufacturing a light receiving element filter used for a light receiving element that receives signal light having a known spectral distribution.
  • the step of tentatively determining the specifications of the filter for the light receiving element, the step of obtaining N1 with the energy density of disturbance light in the light receiving element as N1, and the energy density of the signal light in the light receiving element as N2 A step of seeking N1 / (N2) 2 N1 / (N2) 2 under the constraints Determining the specification of the filter for the light receiving element so as to minimize.
  • N1 / (N2) 2 under constraints Is minimized, a light receiving element that maximizes the S / N ratio can be manufactured under the constraints.
  • N1 is obtained from the spectral distribution of disturbance light and the characteristics of the light receiving element filter
  • N2 is the known spectral distribution of the signal light and the light receiving element. Obtained from filter characteristics.
  • N1 / (N2) 2 when the spectral distribution of disturbance light is known, with high accuracy, N1 / (N2) 2 Therefore, it is possible to reliably manufacture a light receiving element that maximizes the S / N ratio.
  • the light-receiving element filter according to the aspect of the present invention is a light-receiving element filter used for a light-receiving element that receives signal light having a known spectral distribution, and the main disturbance light is sunlight and incident signal light.
  • the ratio of the amount of transmitted signal light to the amount of light is 70% to 87%.
  • the S / N ratio near the maximum value is obtained by setting the ratio of the amount of transmitted signal light to the amount of incident signal light to be 70% or more and 87% or less. Can do.
  • FIG. 10 is a diagram showing the relationship between the transmittance defined with respect to FIGS. 8 and 9 and N1 / (N2) 2 . It is a figure which shows the relationship between N1 / (N2) 2 and the distance measurement precision of the distance measuring apparatus shown in FIG.
  • FIG. 1 is a diagram showing an example of a configuration of a distance measuring device provided with a light receiving element filter according to the present invention.
  • the light source may be a laser or a light emitting diode that emits light in the infrared wavelength range.
  • the reason for using signal light in the infrared wavelength range is that it can be used safely because it is a wavelength range that the human eye cannot recognize, and as shown in FIG. 3, the irradiance of sunlight is compared to the visible light range. Since it is low, the disturbance due to sunlight can be reduced.
  • the light reflected by the target object passes through the first lens 103, the absorption filter 105, the second lens 107, the third lens 109, and the band pass filter 111 and reaches the light receiving element 113.
  • the first lens 103 is a concave lens, for example, and functions so as to obtain an image with a wide angle of view.
  • the second lens 107 is, for example, a convex lens and functions to adjust various optical performances.
  • the third lens 109 is, for example, a convex lens and functions to form an image on the light receiving element.
  • the light receiving element 113 may be an imaging element such as a so-called CCD (Charge-Coupled Device) or CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor).
  • CCD Charge-Coupled Device
  • CMOS Complementary Metal-Oxide Semiconductor
  • the light imaged on the light receiving element 113 is sent to a processing unit (not shown), and the distance to the measurement object is obtained in the processing unit based on the phase principle or the operating time measurement principle. If the light receiving element 113 is a two-dimensional array, a two-dimensional image having distance information can be obtained.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating an example of a spectral distribution of light emitted by the light source 101a and the light source 101b.
  • the horizontal axis represents wavelength, and the vertical axis represents relative intensity.
  • the center wavelength of the emitted light is 940 nm.
  • FIG. 3 is a diagram showing the spectral distribution of sunlight, which is the main disturbance.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating the quantum efficiency with respect to the wavelength of the light receiving element 113 as an example.
  • the quantum efficiency is the ratio of the number of photons converted into electrons to the photons received by the light receiving element 113.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating the transmittance of the absorption filter 105 with respect to the wavelength as an example.
  • the absorption filter 105 is a filter composed of, for example, a resin or glass to which an absorption pigment is added. Commercial products can be used. An example is Iupilon S3000R (trade name) using polycarbonate resin manufactured by Mitsubishi Plastics Engineering Plastics.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating the transmittance of the bandpass filter 111 with respect to the wavelength as an example.
  • the bandpass filter 111 is, for example, a filter made of a dielectric multilayer film or a filter using a dye or a pigment.
  • the center wavelength of the transmission band of the bandpass filter 111 is preferably set to the center wavelength of the emitted light.
  • a band-pass filter composed of a dielectric multilayer film is described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-266653 as an example.
  • a band-pass filter using a dye or a pigment is described in Japanese Utility Model Laid-Open No. 5-21201, as an example.
  • FIG. 7 is a flowchart showing a procedure for determining the specifications of the bandpass filter 111.
  • determining the specification of the bandpass filter 111 means determining the transmittance of the bandpass filter 111 with respect to the wavelength.
  • the main disturbance light is sunlight
  • S indicates signal light intensity
  • N indicates noise, that is, disturbance light intensity.
  • N the noise component is assumed to behave like light shot noise.
  • the average value of the number of photons is determined by the intensity of the light source, but the distribution of the number of photons shows a Poisson distribution. Therefore, the standard deviation with respect to the average value of the number of photons is given by the square root of the number of photons. The above assumption will be verified later.
  • the number of incident light photons of disturbance light on the light receiving element is represented by the energy density N1 of disturbance light on the light receiving element
  • the number of incident photons of signal light on the light receiving element is represented by the number of signal light on the light receiving element.
  • energy density N2 N1 / (N2) 2 (3) It becomes.
  • step S010 in FIG. 7 the specification (transmittance with respect to wavelength) of the bandpass filter 111 is provisionally determined.
  • the energy density N2 of the signal light in the light receiving element 113 is obtained.
  • the energy density N2 of the signal light in the light receiving element 113 may be obtained by measurement or by calculation. In the case of obtaining by measurement, light that is emitted from the light source and reflected and scattered by the target object in an environment without disturbance light, passes through the absorption filter and the bandpass filter, and enters the position of the light receiving element 113. The spectrum and intensity are measured with a spectrum analyzer or the like. Energy density N2 is obtained from the measured light intensity information for each wavelength.
  • the energy density N1 of disturbance light in the light receiving element 113 is obtained.
  • the disturbance light energy density N1 in the light receiving element 113 may be obtained by measurement or by calculation. In the case of obtaining by measurement, for example, in an environment where there is no disturbance light other than signal light and sunlight, among the light reflected and scattered by the target object, the light passes through the absorption filter and the bandpass filter, and the light receiving element 113. Measure the spectrum and intensity of the light incident on the position with a spectrum analyzer or the like. The energy density N1 is obtained from the measured light intensity information for each wavelength.
  • the emission intensity (Is) of each wavelength of sunlight and the reflectance (R2) of the target object of each wavelength, the absorption filter transmittance (T3), and the bandpass filter transmittance (T4) are calculated in advance. taking measurement. Also, the light capture efficiency ( ⁇ ) determined by the lens design is calculated.
  • the emission intensity (Is) of each wavelength of sunlight, the reflectance (R2) of the target object of each wavelength, the transmittance of the absorption filter (T3), the transmittance of the bandpass filter (T4), the light capture efficiency of the lens ( ⁇ ) Is the energy density N1 of sunlight of each wavelength.
  • the effective energy density may be obtained by multiplying the quantum efficiency (FIG. 4) of the light receiving element 113.
  • step S040 of FIG. N1 / (N2) 2 Find the value of.
  • step S050 of FIG. N1 / (N2) 2 The transmittance of the band-pass filter 111 is changed so that the value of is minimized.
  • step S050 in FIG. 7 Details of step S050 in FIG. 7 will be described below.
  • FIG. 8 is a diagram showing the characteristics of the bandpass filter when the transmittance of the bandpass filter having the center wavelength of 940 nm is changed.
  • the transmittance of the bandpass filter is the ratio of the light amount of the signal light that passes through the bandpass filter to the light amount of the signal light that enters the bandpass filter.
  • the horizontal axis represents the wavelength, and the vertical axis represents the relative intensity of the light after passing through the bandpass filter.
  • the bandpass filter has a trapezoidal shape, and its characteristics are changed by changing the width of the lower base of the trapezoid.
  • 8A, 8B, 8C, and 8D show the characteristics of bandpass filters having trapezoidal bottom widths of 140 nm, 100 nm, 85 nm, and 70 nm, respectively, together with the spectral distribution of signal light. .
  • the characteristics of the bandpass filter can be changed by adjusting the material, film thickness, and number of layers of the film, for example, in the case of a filter composed of a dielectric multilayer film.
  • Table 1 shows the transmittance and N1 / (N2) 2 of the bandpass filters of FIGS. 8 (a), (b), (c) and (d). It is a table
  • N1 / (N2) 2 The value of is minimum in the case of FIG.
  • N1 / (N2) 2 the transmittance of a bandpass filter and N1 / (N2) 2 Is represented by a function shown in FIG. Therefore, N1 / (N2) 2 Obtaining the minimum value corresponds to obtaining the minimum value of the function shown in FIG.
  • the transmittance of the bandpass filter shown on the horizontal axis is divided into sufficiently small intervals, and N1 / (N2) 2 for each interval The minimum value may be obtained.
  • FIG. 9 is a diagram showing the characteristics of the bandpass filter when the transmittance of the bandpass filter having the center wavelength of 850 nm is changed.
  • the horizontal axis represents the wavelength, and the vertical axis represents the relative intensity of the light after passing through the bandpass filter.
  • the bandpass filter has a trapezoidal shape, and its characteristics are changed by changing the width of the lower base of the trapezoid.
  • 9 (a), (b), (c), and (d) show the characteristics of bandpass filters having trapezoidal lower base widths of 100 nm, 70 nm, 60 nm, and 45 nm, respectively, together with the spectral distribution of signal light. .
  • Table 2 shows the bandpass filter transmittance and N1 / (N2) 2 for the bandpass filters of FIGS. 9 (a), (b), (c) and (d). It is a table
  • N1 / (N2) 2 When comparing the values of Table 1, the values in Table 1 are generally smaller. The reason is as follows. When comparing the irradiance of 850 nm and the irradiance of 940 nm in the spectral distribution of sunlight in FIG. 3, the irradiance of 940 nm is much smaller. This is due to the difference in spectral absorption at the ground surface. Therefore, it is better to use 940nm signal light. N1 / (N2) 2 The value of becomes smaller and the S / N ratio is improved.
  • the S / N ratio can be maximized with respect to the center wavelength.
  • the constraint conditions in this case are the shape of the bandpass filter 111 and the center wavelength. Furthermore, after obtaining the bandwidth that maximizes the S / N ratio for each center wavelength, the center wavelength that maximizes the S / N ratio can be determined.
  • the constraint condition in this case is the shape of the bandpass filter 111.
  • the filter has a trapezoidal shape determined by the size of the lower base, but other shapes can be arbitrarily changed to maximize the S / N ratio.
  • Figure 10 shows the transmittance of the bandpass filter and N1 / (N2) 2 It is a figure which shows the relationship.
  • the horizontal axis represents the transmittance of the bandpass filter.
  • the vertical axis is N1 / (N2) 2 Represents.
  • N1 / (N2) 2 Represents in region 3, as the transmission of the bandpass filter decreases, N1 / (N2) 2 Decreases and the S / N ratio improves.
  • N1 / (N2) 2 Indicates the minimum value, and the S / N ratio indicates the maximum value.
  • N1 / (N2) 2 Increases and the S / N ratio deteriorates.
  • N1 / (N2) 2 when the transmittance of the bandpass filter is 70% or more and 87% or less.
  • the value of indicates a value near the minimum value and increases rapidly outside this range. Therefore, the S / N ratio near the maximum value can be obtained by setting the transmittance of the band-pass filter to 70% or more and 87% or less.
  • FIG. N1 / (N2) 2 It is a figure which shows the relationship between the distance measurement precision of the distance measuring apparatus shown in FIG.
  • the horizontal axis in FIG. N1 / (N2) 2 The vertical axis represents distance measurement error (relative value in arbitrary units).
  • Data relating to FIG. 11 was collected by performing distance measurement with the distance measuring device under simulated sunlight with an illuminance of 100,000 lux.
  • FIG. N1 / (N2) 2 It can be seen that the value of is substantially proportional to the distance measurement error. Therefore, it can be seen that the expressions (1) and (2) obtained on the assumption that the noise component behaves like light shot noise are appropriate. as a result, N1 / (N2) 2
  • the distance measurement error can be minimized by minimizing.

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Abstract

　屋外における太陽光などによる外乱を十分に除去することのできる受光素子用フィルタを提供する。本発明の態様による受光素子用フィルタは、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。本発明の態様による受光素子用フィルタは、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、制約条件の下で　Ｎ１／（Ｎ２）２ が最小となるように構成されている。

Description

受光素子用フィルタおよび受光装置
　本発明は、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および該受光素子用フィルタを備えた受光装置に関する。
　赤外領域などの既知のスペクトル分布を有する信号光を対象に照射して、対象からの反射光を受光して対象の画像を取得する撮像装置（たとえば、特許3214195号公報）や対象までの距離を測定する距離測定装置が開発されている（たとえば、特許3272699号公報）。また、赤外領域などの既知のスペクトル分布を有する信号光を空間に照射して、該空間内の物体の有無を検出する物体検出装置は広く使用されている。
　上記のような撮像装置、距離測定装置および物体検出装置などを、特に屋外で使用する場合に太陽光などの外乱が、距離測定精度や物体検出精度に大きな影響を与える。外乱の影響を小さくするために、信号光の波長を透過させる帯域フィルタなどが使用されている。しかし、たとえば、屋外における太陽光の強度の影響が非常に大きい場合には、従来の方法によって十分に外乱を除去することができない。
特許第３２１４１９５号 特許第３２７２６９９号
　したがって、屋外における太陽光などによる外乱を十分に除去することのできる受光素子用フィルタおよび上記外乱の影響を十分に除去することのできる受光素子に対するニーズがある。
　本発明の態様による受光素子用フィルタは、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。本発明の態様による受光素子用フィルタは、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、制約条件の下で
　Ｎ１／（Ｎ２）２
が最小となるように構成されている。
　本発明の態様による受光素子用フィルタによれば、制約条件の下で
　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。
　本発明の実施形態による受光素子用フィルタにおいて、信号光は赤外線波長領域の光である。
　本実施形態によれば、信号光は赤外線波長領域の光であり、目が認識することができない波長域なので安全に使用でき、太陽光の放射照度が可視光域に比較して低いので、太陽光による外乱を低減できる。
　本発明の実施形態による受光素子用フィルタにおいて、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。
　本実施形態によれば、既知のスペクトル分布を有する信号光を容易に生成することができる。
　本発明の実施形態による受光素子用フィルタにおいて、外乱光が主に太陽光である。
　本実施形態によれば、太陽光のスペクトル分布が既知であるので、高い精度でＮ１を求めることができる。
　本発明の態様による受光装置は、レンズ光学系、受光素子および本発明のいずれかの実施形態による受光素子用フィルタを含む。
　本態様による受光装置は、制約条件の下でＳ／Ｎ比を最大とすることによって、高い精度で信号を受け取ることができる。
　本発明の態様による距離測定装置は、本発明の態様による受光装置を含む。
　本態様による距離測定装置は、本発明の態様による受光装置を含むので、高い精度で距離を測定することができる。
　本発明による受光素子用フィルタを製造する方法は、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る。本方法は、該受光素子用フィルタの仕様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、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。
　本発明によれば、制約条件の下で
　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。
　本発明の実施形態による受光素子用フィルタを製造する方法において、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特性から求める。
　本実施形態によれば、外乱光のスペクトル分布が既知の場合に、高い精度で、
　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。
　本発明の態様による受光素子用フィルタは、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、主な外乱光が太陽光であり、入射する信号光の光量に対する透過する信号光の光量の比率が７０％以上８７％以下であるように構成されている。
　本発明の態様による受光素子用フィルタによれば、入射する信号光の光量に対する透過する信号光の光量の比率を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。
本発明による受光素子用フィルタを備えた距離測定装置の構成の一例を示す図である。 光源によって発光される光のスペクトル分布の一例を示す図である。 主要な外乱である太陽光のスペクトル分布を示す図である。 受光素子の、波長に対する量子効率を一例として示す図である。 吸収フィルタの、波長に対する透過率を一例として示す図である。 バンドパスフィルタの、波長に対する透過率を一例として示す図である。 バンドパスフィルタの仕様を定める手順を示す流れ図である。 中心波長９４０ｎｍのバンドパスフィルタの透過率を変化させた場合の、バンドパスフィルタの特性を示す図である。 中心波長８５０ｎｍのバンドパスフィルタの透過率を変化させた場合の、バンドパスフィルタの特性を示す図である。 図８および図９に関して定義した透過率とN1/(N2)2との関係を示す図である。 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１は、本発明による受光素子用フィルタを備えた距離測定装置の構成の一例を示す図である。図１において、光源１０１ａおよび光源１０１ｂから対象物体に向けて光が照射される。光源は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ってもよい。赤外線波長範囲の信号光を使用する理由は、人間の目が認識することができない波長域なので安全に使用できること、および図３に示すように、太陽光の放射照度が可視光域に比較して低いので、太陽光による外乱を低減できることである。対象物体によって反射された光は、第１レンズ１０３、吸収フィルタ１０５、第２レンズ１０７、第３レンズ１０９およびバンドパスフィルタ１１１を通過して受光素子１１３に到達する。
　第１レンズ１０３は、たとえば、凹レンズであり、画角の広い画像が得られるように機能する。第２レンズ１０７は、たとえば、凸レンズであり、各種光学性能を調製するように機能する。第３レンズ１０９は、たとえば、凸レンズであり、受光素子へ結像するように機能する。
　受光素子１１３は、いわゆるＣＣＤ（Charge-Coupled Device）やＣＭＯＳ（Complementary Metal-Oxide Semiconductor）などの撮像素子であってもよい。
　受光素子１１３に結像された光は、図示しない処理ユニットに送られ、処理ユニット内で位相原理または作動時間測定原理に基づいて測定対象物までの距離が求められる。受光素子１１３を２次元アレイとすれば、距離の情報を有する２次元画像が得られる。
　図２は、光源１０１ａおよび光源１０１ｂによって発光される光のスペクトル分布の一例を示す図である。横軸は波長を表し、縦軸は相対強度を表す。本例において、発光される光の中心波長は９４０ｎｍである。
　図３は、主要な外乱である太陽光のスペクトル分布を示す図である。
　図４は、受光素子１１３の、波長に対する量子効率を一例として示す図である。ここで、量子効率とは、受光素子１１３が受け取った光子に対する、電子に変換される光子の数の比率である。
　図５は、吸収フィルタ１０５の、波長に対する透過率を一例として示す図である。吸収フィルタ１０５は、たとえば、吸収色素を添加した樹脂やガラスから構成されるフィルタである。市販品を利用することができる。一例として、三菱樹脂エンジニアリングプラスチック株式会社製のポリカーボネート樹脂を使用したユーピロンＳ３０００Ｒ（商品名）などである。
　図６は、バンドパスフィルタ１１１の、波長に対する透過率を一例として示す図である。バンドパスフィルタ１１１は、たとえば、誘電体多層膜から構成されるフィルタや染料や顔料を使用したフィルタである。バンドパスフィルタ１１１の透過帯域の中心波長は、発光される光の中心波長に設定するのが好ましい。誘電体多層膜から構成されるバンドパスフィルタは、一例として特開2005-266653号公報に記載されている。染料や顔料を使用したバンドパスフィルタは、一例として実開平5-21201号公報に記載されている。
　図７は、バンドパスフィルタ１１１の仕様を定める手順を示す流れ図である。ここで、バンドパスフィルタ１１１の仕様を定めるとは、バンドパスフィルタ１１１の、波長に対する透過率を定めることを言う。以下において、主な外乱光が太陽光である場合を例として説明する。
　最初に Ｓ／Ｎ比を考察する。ここで、Ｓは信号光強度を示し、Ｎはノイズ、すなわち外乱光強度を示す。信号光強度Ｓは一般的に
　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。
　一方、ノイズＮは
　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。
　したがって、
　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。
　式（２）において、受光素子への外乱光の入射光子数を、受光素子上の外乱光のエネルギ密度Ｎ１で表し、受光素子への信号光の入射光子数を、受光素子上の信号光のエネルギ密度Ｎ２で表すと、
　N1/(N2)2　　　（３）
となる。
　図７のステップＳ０１０において、バンドパスフィルタ１１１の仕様（波長に対する透過率）を仮に定める。
　図７のステップＳ０２０において、受光素子１１３における信号光のエネルギ密度Ｎ２を求める。受光素子１１３における信号光のエネルギ密度Ｎ２は、測定によって求めても、計算によって求めてもよい。測定によって求める場合は外乱光が無い環境下において、光源から発光され、対象物体で反射、散乱された光の内、吸収フィルタ、バンドパスフィルタを通過し受光素子１１３の位置へ入射される光のスペクトル及び強度をスペクトラムアナライザなどで測定する。測定された波長毎の光強度情報からエネルギ密度Ｎ２を得る。計算によって求める場合には、事前に光源の各波長の発光強度(I0)及び各波長の対象物体の反射率(R1)、吸収フィルタ透過率(T1)、バンドパスフィルタ透過率(T2)を測定する。またレンズ設計により決まる光取り込み効率(η)を計算する。光源の各波長の発光強度(I0)に各波長の対象物体の反射率(R1)、吸収フィルタの透過率(T1)、バンドパスフィルタの透過率(T2)、レンズ部光取り込み効率(η)を乗じた値が各波長の光源光のエネルギ密度Ｎ２となる。Ｎ２を求める際に、受光素子１１３の量子効率（図４）を乗じて、実効エネルギ密度を求めてもよい。
　図７のステップＳ０３０において、受光素子１１３における外乱光のエネルギ密度Ｎ１を求める。受光素子１１３における外乱光のエネルギ密度Ｎ１は、測定によって求めても、計算によって求めてもよい。測定によって求める場合には、たとえば、信号光及び太陽光以外の外乱光が無い環境下において太陽光が対象物体で反射、散乱された光の内、吸収フィルタ、バンドパスフィルタを通過し受光素子１１３の位置へ入射される光のスペクトル及び強度をスペクトラムアナライザなどで測定する。測定された波長毎の光強度情報からエネルギ密度Ｎ1を得る。計算によって求める場合には、事前に太陽光の各波長の発光強度(Is)及び各波長の対象物体の反射率(R2)、吸収フィルタ透過率(T3)、バンドパスフィルタ透過率(T4)を測定する。またレンズ設計により決まる光取り込み効率(η)を計算する。太陽光の各波長の発光強度(Is)に各波長の対象物体の反射率(R2)、吸収フィルタの透過率(T3)、バンドパスフィルタの透過率(T4)、レンズ部光取り込み効率(η)を乗じた値が各波長の太陽光のエネルギ密度Ｎ１となる。Ｎ１を求める際に、受光素子１１３の量子効率（図４）を乗じて、実効エネルギ密度を求めてもよい。
　図７のステップＳ０４０において、
　N1/(N2)2　
の値を求める。
　図７のステップＳ０５０において、
　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。
　図７のステップＳ０５０の詳細な内容について以下に説明する。
　図８は、中心波長９４０ｎｍのバンドパスフィルタの透過率を変化させた場合の、バンドパスフィルタの特性を示す図である。バンドパスフィルタの透過率とは、バンドパスフィルタに入射する信号光の光量に対するバンドパスフィルタを透過する信号光の光量の比率である。横軸は波長を表し、縦軸はバンドパスフィルタ透過後の光の相対強度を表す。バンドパスフィルタは、台形状であり、台形の下底の幅を変化させることによって特性を変化させている。図８（ａ）、（ｂ）、（ｃ）および（ｄ）は、台形の下底の幅が、それぞれ、１４０ｎｍ、１００ｎｍ、８５ｎｍおよび７０ｎｍのバンドパスフィルタの特性を信号光のスペクトル分布とともに示す。バンドパスフィルタの特性は、たとえば、誘電体多層膜から構成されるフィルタであれば、膜の材料、膜厚および層数を調整することにより変化させることができる。
　表１は、図８（ａ）、（ｂ）、（ｃ）および（ｄ）のバンドパスフィルタの透過率および
　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。
　一般的に、バンドパスフィルタの透過率と
　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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　図９は、中心波長８５０ｎｍのバンドパスフィルタの透過率を変化させた場合の、バンドパスフィルタの特性を示す図である。横軸は波長を表し、縦軸はバンドパスフィルタ透過後の光の相対強度を表す。バンドパスフィルタは、台形状であり、台形の下底の幅を変化させることによって特性を変化させている。図９（ａ）、（ｂ）、（ｃ）および（ｄ）は、台形の下底の幅が、それぞれ、１００ｎｍ、７０ｎｍ、６０ｎｍおよび４５ｎｍのバンドパスフィルタの特性を信号光のスペクトル分布とともに示す。
　表２は、図９（ａ）、（ｂ）、（ｃ）および（ｄ）のバンドパスフィルタについて、バンドパスフィルタの透過率および
　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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　表１および表２において、
　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。
　上記のように、図７に示した方法によれば、バンドパスフィルタ１１１の中心波長を決めて帯域幅を求める際に
　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。
　上記の実施形態においては、フィルタの形状は下底の大きさによって定まる台形形状としたが、他の形状を任意に変化させてＳ／Ｎ比を最大とすることもできる。
　このようにして、図７に示した方法によれば、制約条件の下で、
　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。
　図１０は、バンドパスフィルタの透過率と
　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。
　一般的に、主な外乱光が太陽光である場合に、バンドパスフィルタの透過率が７０％以上８７％以下である場合に
　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。
　図１１は、
　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。

Claims (8)

  1. 　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。
  2. 　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。
  3. 　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。
  4. 　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。
  5. 　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。
  6. 　請求項５に記載された受光装置を含む距離測定装置。
  7. 　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。
  8. 　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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