WO2022255187A1 - 測距装置 - Google Patents

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WO2022255187A1
WO2022255187A1 PCT/JP2022/021399 JP2022021399W WO2022255187A1 WO 2022255187 A1 WO2022255187 A1 WO 2022255187A1 JP 2022021399 W JP2022021399 W JP 2022021399W WO 2022255187 A1 WO2022255187 A1 WO 2022255187A1
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WO
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light
bpf
infrared rays
distance measuring
measuring device
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PCT/JP2022/021399
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French (fr)
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雄二郎 矢内
啓祐 小玉
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富士フイルム株式会社
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    • G01S7/4816Constructional features, e.g. arrangements of optical elements of receivers alone

Definitions

  • the present invention relates to a distance measuring device that measures the distance to an object using infrared rays.
  • LiDAR Light Detection
  • LiDAR Light Detection
  • Patent Document 1 discloses a deflection unit that deflects illumination light from a light source to scan an object and deflects reflected light from the object, a deflection unit that guides illumination light from the light source to the deflection unit, and a deflection unit that deflects light reflected from the object.
  • a branching portion for guiding the reflected light from the portion to the light receiving element, the branching portion having a first surface on which the illumination light from the light source is incident; and a second surface including a reflective area for reflecting light from the first surface, and the illumination light from the first surface is incident on the transmissive area without passing through other surfaces.
  • LiDAR is being considered for use as a rangefinder (range sensor) for realizing automatic driving of automobiles.
  • a distance measuring device used for automatic driving needs to be able to detect an object at a maximum distance of about 200m. That is, a distance measuring device used for automatic driving needs to measure measurement light reflected by an object at a distance of up to about 200 m. Such measurement light is very weak and has a very low S/N ratio (Signal to Noise ratio).
  • a bandpass filter is arranged on the incident side of the light receiving element. In other words, the distance measuring device uses a band-pass filter that transmits only light in the wavelength range corresponding to the measurement light and blocks light in other wavelength ranges, thereby removing noise other than the measurement light. Therefore, the S/N ratio is improved.
  • the distance measuring device for automatic operation can receive the measurement light reflected by the object with the light receiving element in a wide range of angles.
  • a distance measuring device that uses a bandpass filter to improve the S/N ratio, there is a trade-off between the S/N ratio and the angular range of light that can be received by the light receiving element. Therefore, there is a demand for a distance measuring device that can measure measurement light reflected by an object with a light receiving element over a wide angle range while maintaining a high S/N ratio.
  • An object of the present invention is to solve such problems of the prior art, and while maintaining a high S/N ratio, the measurement light (infrared rays) reflected by the object corresponds to a wide angle range.
  • the present invention has the following configurations.
  • a light source that emits infrared light
  • a light receiving unit that receives infrared rays emitted from a light source and reflected by an object
  • a band-pass filter member that transmits infrared rays and is arranged on the light-receiving surface side of the light-receiving unit
  • a distance measuring device wherein the band-pass filter member has a band-pass filter and a refracting member that refracts infrared rays and is arranged in contact with the band-pass filter.
  • the refractive member is any one of a microlens array, a lenticular lens, a prism sheet, a Fresnel lens, and a meniscus lens.
  • the measurement light (infrared rays) reflected by the object is received by the light receiving element and measured corresponding to a wide angle range. can be done.
  • FIG. 1 is a diagram conceptually showing an example of the distance measuring device of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram conceptually showing a bandpass filter member.
  • FIG. 3 is a conceptual diagram for explaining an example of a bandpass filter member.
  • FIG. 4 is a conceptual diagram for explaining a preferred configuration of the bandpass filter member shown in FIG. 3.
  • FIG. 5 is a conceptual diagram for explaining another example of the bandpass filter member.
  • FIG. 6 is a conceptual diagram for explaining another example of the bandpass filter member.
  • FIG. 7 is a conceptual diagram for explaining another example of the bandpass filter member.
  • FIG. 8 is a conceptual diagram for explaining another example of the bandpass filter member.
  • FIG. 9 is a conceptual diagram for explaining another example of the bandpass filter member.
  • FIG. 10 is a conceptual diagram for explaining another example of the distance measuring device of the present invention.
  • FIG. 11 is a conceptual diagram for explaining another example of the bandpass filter member.
  • Infrared rays (infrared rays) generally include near-infrared rays, middle-infrared rays, and far-infrared rays. However, other wavelengths can be used if desired.
  • FIG. 1 conceptually shows an example of the distance measuring device of the present invention.
  • the distance measuring device 10 shown in FIG. 1 is a distance measuring device that measures the distance to an object using the LiDAR described above. , a bandpass filter member 16 and mirrors 18 and 20 .
  • the bandpass filter member 16 has a bandpass filter 30 and a refraction member 32, as will be described later. Except for having such a bandpass filter member 16, the rangefinder 10 is basically the same as a rangefinder using LiDAR, in which a bandpass filter is used to improve the S/N ratio.
  • the light source 12 emits, for example, pulsed infrared rays.
  • the distance measuring device 10 scans the infrared rays emitted by the light source 12 one-dimensionally or two-dimensionally as necessary.
  • the scanning method is not limited, and examples include a method of alternately rotating the main body clockwise and counterclockwise at a predetermined rotation angle, a method using a known light deflection means, and a combination of these known methods. be.
  • Infrared rays emitted by the light source 12 are reflected by the mirror 18 and emitted from an emission window 24 fixed to the main body into a space for distance measurement of an object.
  • the band-pass filter member 16 band-pass filter 30
  • the distance measuring device 10 can measure the infrared rays emitted by the light source 12 and reflected by the object with a high S/N ratio.
  • the bandpass filter member 16 has the refraction member 32, so that the infrared rays reflected by the object can be measured by the light receiving element 14 over a wide range of angles. This point will be described in detail later.
  • a measurement result obtained by the light receiving element 14 is supplied to a data processing section (not shown).
  • the data processing unit calculates the distance to the object or, furthermore, the direction in which the object whose distance is measured exists, in the same way as in known distance measuring devices. For example, the data processing unit determines the distance to the object from the direction of infrared rays emitted from the light source 12, the timing of emitting infrared rays from the light source 12 (emission time), and the timing of receiving infrared rays from the light receiving element 14. etc.
  • the light source 12 is not limited, and various known light sources (light emitting elements) used for LiDAR and the like can be used as long as they can emit infrared rays.
  • An example of the light source 12 is an LED (Light Emitting Diode).
  • the infrared rays emitted by the light source 12 may be diffused light or parallel light (collimated light), but are usually parallel light.
  • the wavelengths (central wavelength, peak wavelength) of the infrared rays emitted by the light source 12 are not limited, and may be within the wavelength range of the infrared rays described above.
  • the wavelength of the infrared rays emitted by the light source 12 is preferably 800-1650 nm, more preferably 850-1600 nm.
  • the light receiving element 14 receives and measures the infrared rays reflected by the object as described above, and is a light receiving section in the present invention.
  • the light-receiving element 14 is also not limited, and a known light-receiving element (light-receiving sensor) used for LiDAR or the like can be used as long as it can measure infrared rays.
  • Examples of the light receiving element 14 include a CCD (Charge Coupled Device) sensor, a CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) sensor, a photomultiplier (photomultiplier tube), a photodiode, and InGaAs (indium gallium arsenide ) sensors and the like are exemplified.
  • the light receiving element 14 may be an imaging element (image sensor, area sensor) such as a CCD sensor, or a light detection element such as a photodiode.
  • the light receiving element 14 may optionally include a filter that blocks visible light, a filter that blocks unnecessary infrared light, a filter that blocks visible light and unnecessary infrared light, and other light other than infrared light emitted by the light source 12. may have a filter that blocks the light.
  • a bandpass filter member 16 is arranged on the optical path of infrared rays (incident light) from the entrance window 26 to the light receiving element 14 .
  • the bandpass filter is also called "BPF".
  • FIG. 2 conceptually shows an example of the BPF member 16 .
  • the BPF member 16 has a BPF 30 and a refracting member 32 .
  • the refracting member 32 is a member that refracts infrared rays.
  • the BPF member 16 is basically arranged with the BPF 30 on the light receiving element 14 side.
  • the infrared rays reflected by the object enter the BPF 30 after being refracted by the refracting member 32 .
  • the distance measuring device 10 of the present invention maintains a high S/N ratio due to the BPF 30, and responds to a wide angle range, The infrared rays reflected by the object can be measured by the light receiving element 14 . This point will be described in detail later.
  • the BPF 30 is not limited. That is, in order to improve the S/N ratio in a distance measuring device such as LiDAR, the BPF 30 blocks noise other than the infrared rays emitted by the light source 12, and reduces the wavelength corresponding to the infrared rays emitted by the light source 12.
  • a variety of known BPFs are available that transmit a wide range of light.
  • a BPF using a cholesteric liquid crystal layer in which a cholesteric liquid crystal phase is fixed is preferably exemplified.
  • a cholesteric liquid crystal layer selectively reflects specific circularly polarized light in a specific wavelength range and transmits other light.
  • a BPF using a cholesteric liquid crystal layer allows light with a wavelength between the selective reflection wavelength ranges of the two cholesteric liquid crystal layers to pass through by stacking two cholesteric liquid crystal layers with different selective reflection wavelength ranges. be.
  • a BPF using a cholesteric liquid crystal layer two cholesteric liquid crystal layers having different selective reflection wavelength ranges are laminated, as necessary, so that circularly polarized light to be selectively reflected has a different rotation direction.
  • the BPF 30 can block both right-handed circularly polarized light and left-handed circularly polarized light in the wavelength region near the infrared light emitted by the light source 12 .
  • the BPF 30 can use various known materials other than the BPF using the cholesteric liquid crystal layer.
  • An example is a dielectric multilayer film in which organic or inorganic high-refractive-index layers and low-refractive-index layers are alternately laminated.
  • the width of the transmission wavelength range (transmission wavelength band) of the BPF 30 is not limited, and the S/N ratio required for the distance measuring device 10 and the infrared rays incident on the light receiving element 14 are It may be appropriately set according to the allowable angle range, the temperature dependence of the oscillation wavelength of the light source 12, and the like.
  • the transmission wavelength range of the BPF 30 is preferably 70 nm or less, more preferably 67.5 nm or less, and even more preferably 65 nm or less. By setting the width of the transmission wavelength range of the BPF 30 to 70 nm or less, it is preferable in that the S/N ratio can be further improved.
  • the BPF member 16 has, in addition to such a BPF 30, a refracting member 32 that refracts infrared rays.
  • the refracting member 32 refracts the infrared rays that are reflected by the object and enter the BPF member 16 from a direction oblique to the normal to the BPF 30, so that the infrared rays enter the BPF 30 from a direction close to the normal, that is, from the front. be.
  • the BPF 30 and the refraction member 32 are in contact.
  • the normal line is a line orthogonal to a plane such as a sheet surface, a layer surface, a plate surface, or a tangent to a curved surface. That is, an oblique direction is a direction having an angle with respect to the normal.
  • incident light from the front direction that is, from the normal direction is also referred to as "frontal incidence” for convenience.
  • incident light from an oblique direction ie, a direction having an angle with respect to the normal line, is also referred to as "oblique incidence" for convenience.
  • the distance measuring device 10 of the present invention uses the BPF member 16 having the refraction member 32 in addition to the BPF 30, thereby maintaining a high S/N ratio due to having the BPF 30 and responding to a wide angle range. , the infrared rays reflected by the object can be received and measured by the light receiving element 14 .
  • distance measuring devices such as LiDAR installed in automobiles transmit light of wavelengths close to the measurement light in order to measure the weak measurement light reflected by the object with a high S/N ratio.
  • a BPF that shields light of other wavelengths.
  • the narrower the transmission wavelength range of the BPF the more the S/N ratio can be improved.
  • a rangefinder for automatic driving can measure the range of an object over as wide a range as possible. For this reason, it is necessary for the range finder to widen the angle range in which the light receiving element can measure the measurement light reflected by the object.
  • the distance measuring device 10 of the present invention uses the BPF member 16 having the BPF 30 and the refracting member 32, and the infrared rays reflected by the object and obliquely incident on the BPF member 16 are refracted by the refracting member 32. After that, it enters the BPF 30 .
  • the infrared rays incident on the BPF member 16 from a direction obliquely incident on the BPF 30 are refracted by the refracting member 32, and the infrared rays incident on the BPF 30 are refracted in a direction close to frontal incidence, that is, in the normal direction of the BPF 30. You can do it in the near direction.
  • the BPF 30 and the refraction member 32 are in contact with each other. Therefore, there is no air interface between the BPF 30 and the refracting member 32, and the infrared rays refracted by the refracting member 32 can enter the BPF 30 as they are. That is, the BPF 30 and the refracting member 32 are in contact with each other, so that the effect of having the refracting member 32 is maximized, and the incident direction of the infrared rays incident on the BPF member 16 from an oblique direction to the BPF 30 is changed to the front direction. It can be close to the incident.
  • the distance measuring device 10 of the present invention even if the transmission wavelength range of the BPF 30 is narrowed, the infrared rays incident on the BPF member 16 from the direction of oblique incidence to the BPF 30 can be transmitted through the BPF 30 . That is, according to the distance measuring device 10 of the present invention, the infrared rays reflected by the object can be measured by the light receiving element 14 over a wide range of angles while maintaining a high S/N ratio.
  • the refracting member 32 is not limited, and various optical elements capable of refracting light can be used.
  • the refractive index difference between the refractive member 32 and the BPF 30 is small.
  • the BPF 30 is formed of the cholesteric liquid crystal layer described above, the BPF 30 has a refractive index of about 1.5 to 1.7. Therefore, in this case, the refractive member 32 is preferably made of a material having a refractive index within the range of 1.5 to 1.7 or close to 1.5 to 1.7.
  • Suitable examples of the refractive member 32 include a microlens array, a lenticular lens, a prism sheet, a Fresnel lens, a meniscus lens, and the like.
  • FIG. 3 conceptually shows a BPF member 16 using a microlens array as a refractive member 32a. It should be noted that the effects shown below are the same for a cylindrical lens when a lenticular lens is used as a refracting member.
  • the infrared rays incident on the microlenses (ball crown lenses) of the refractive member 32a (microlens array) from the normal direction (broken line) remain in the same direction. proceed.
  • the infrared rays incident on the microlenses of the refracting member 32a from a direction having an angle with respect to the normal line are refracted as shown in the partially enlarged view of FIG. is close to normal to the BPF 30, ie, frontal incidence.
  • most of the infrared rays incident on the BPF member 16 from oblique incident directions to the BPF 30 can approach the front incidence and enter the BPF 30, and the measurement angle range of the light receiving element 14 can be widened.
  • the incident direction of the infrared rays to the BPF 30 is changed from the original incident direction due to refraction by the microlenses. , may be away from front incidence.
  • a microlens array it is preferable to fabricate a microlens array to be the refractive member 32a as follows. Furthermore, it is more preferable to fabricate the microlens array that serves as the refracting member 32a so that the angle ⁇ between the normal Z1 and the normal Z2 is 25° or less. Alternatively, a region where the angle ⁇ formed by the normal Z1 and the normal Z2 preferably exceeds 30°, more preferably exceeds 25°, may be covered with a light shielding member such as infrared light shielding paint.
  • the degree of oblique incidence of infrared rays to the BPF 30 with respect to frontal incidence can be suppressed from becoming larger than the direction of incidence on the refracting member 32a (microlens). As a result, it is possible to reduce infrared rays that obliquely enter the BPF 30 and are blocked.
  • Infrared light incident on the refracting member 32a (microlens array) from the direction of frontal incidence on the BPF 30 is refracted in a direction having an angle with respect to the frontal incidence, depending on the incident position on the microlens. , BPF 30.
  • the angle formed by the infrared light refracted by the microlens and incident on the BPF 30 with respect to the front incidence (normal direction) is not as large as the difference. Therefore, the increase in the amount of infrared light that enters the refracting member 32a from the direction of front incidence to the BPF 30 and is blocked by the BPF 30 due to refraction by the microlens is very small and does not pose a substantial problem. In this regard, the same applies to other refractive members described below.
  • a prism sheet can also be used as the refractive member 32 of the BPF member 16 .
  • FIG. 5 conceptually shows the BPF member 16 using a prism sheet having an isosceles triangular prism shape as the refracting member 32b.
  • the infrared rays incident on the prisms of the refracting member 32b (prism sheet) from the normal direction travel in a direction close to that direction.
  • the infrared rays incident on the prism of the refracting member 32b from a direction having an angle with respect to the normal line are refracted as shown in the partially enlarged view of region B in FIG. get closer.
  • the refracting member 32a using a microlens array As a result, as in the case of the refracting member 32a using a microlens array, most of the infrared rays incident on the BPF member 16 from the direction of oblique incidence to the BPF 30 can approach the front incidence and enter the BPF 30.
  • the measurement angle range can be widened.
  • the normal angle at each position where infrared rays are incident and the angle formed by the normal to the BPF 30 are constant. Therefore, for the same reason as in the example of using a microlens array as the refractive member 32a shown in FIG. 25° or less is more preferable.
  • the shape of the prism is not limited to an isosceles triangle as shown in FIG.
  • the BPF member 16 may use a prism sheet using triangular prisms having infrared rays incident surfaces with different angles as conceptually shown in FIG. 6 as the refracting member 32c.
  • the infrared rays incident on the prisms of the refracting member 32c from the normal direction travel in a direction close to that direction.
  • the infrared rays incident on the prism of the refracting member 32c from a direction having an angle with respect to the normal line are refracted as shown in the partially enlarged view of the region C in FIG. get close to
  • the refracting member 32a using a microlens array most of the infrared rays incident on the BPF member 16 from the direction of oblique incidence to the BPF 30 can approach the front incidence and enter the BPF 30.
  • the measurement angle range can be widened.
  • the inclination of the normal to the normal to the BPF 30 is different on each inclined surface of the prism, but on one inclined surface, the angle of the normal at each position where the infrared rays are incident and , and the angle formed by the normal to the BPF 30 are constant. Therefore, for the same reason as in the refracting member 32a using the microlens array shown in FIG. and more preferably 25° or less.
  • a refracting member 32d using a Fresnel lens can also be used.
  • Various known Fresnel lenses are available.
  • a refractive member of the BPF member 16 as conceptually shown in FIG. 8, a refractive member 32e arranged concentrically like a Fresnel lens with an acute angle of a right triangle facing outward is also suitable as a refractive member. Available.
  • a refraction member as in the refraction member 32a using a microlens array, as shown by an arrow in FIG. It is possible to make most of the light incident on the BPF 30 by approximating it to frontal incidence, so that the measurement angle range of the light receiving element 14 can be widened.
  • a meniscus lens can also be used as the refractive member 32 of the BPF member 16 .
  • a meniscus lens is a lens whose both surfaces are curved in the same direction.
  • the degrees of curvature that is, the curvatures of both surfaces of the meniscus lens may differ, but are preferably the same.
  • the infrared rays can be more preferably frontally incident on the BPF 30 and can be emitted from the BPF member 16 in the same direction as the incident direction, as will be described later.
  • FIG. 9 conceptually illustrates a BPF member 16 having a refractive member 32f using a meniscus lens.
  • the BPF 30 is provided on the concave side of the meniscus lens, with the convex side of the meniscus lens being the light incident side to the BPF member 16.
  • the BPF 30 and the refraction member 32 are in contact with each other. Therefore, in the case of the refractive member 32f using a meniscus lens, the BPF 30 is curved along the curved surface of the meniscus lens.
  • FIG. 9 shows an example in which the infrared rays reflected by the object obliquely enter the optical axis of the refracting member 32f, that is, the light receiving element 14.
  • FIG. 9 an infrared ray entering the meniscus lens, which is the refraction member 32f shown on the right side of the figure, from the front incidence, that is, from the normal direction, is directed in the same direction as in the refraction member 32a using the microlens array shown in FIG. proceed.
  • the refractive member 32f the meniscus lens, has the same curvature on both surfaces.
  • the BPF 30 is curved with the same curvature as the refracting member 32f. Therefore, the infrared rays that have passed through the refracting member 32f enter the BPF 30 from the normal direction, that is, enter the BPF 30 from the front.
  • the infrared rays obliquely incident on the refracting member 32f shown in the center and left sides of the figure are refracted by the refracting member 32f so as to reverse their progress in the oblique direction. As a result, these infrared rays are incident on the curved BPF 30 at angles close to frontal incidence.
  • the infrared rays incident at an angle with respect to the frontal incidence are refracted due to the refractive index difference with air according to Snell's law after passing through the curved BPF 30 .
  • the direction of travel of light after passing through the BPF 30 is substantially the same as the direction of incidence on the BPF member 16 .
  • the refractive index is the average value of nx, ny and nz of the cholesteric liquid crystal layer, so that the angle of refraction substantially follows Snell's law.
  • the infrared rays when the infrared rays are incident in the same direction as the optical axis of the meniscus lens that is the refraction member 32f, that is, the normal line of the light receiving element 14, the front light beam is incident on the refraction member 32f shown in the center of the figure.
  • the incident infrared rays travel in the same direction as before and enter the BPF 30 frontally.
  • the infrared rays obliquely incident on the refraction member 32f shown on the right and left sides of the figure are refracted so as to be focused by the refraction member 32f.
  • these infrared rays are incident on the curved BPF 30 at angles close to frontal incidence. Further, the infrared rays incident at an angle with respect to the frontal incidence pass through the curved BPF 30, and are refracted according to the above-described Snell's law due to the refractive index difference with air. As a result, the direction of travel of light after passing through the BPF 30 is substantially the same as the direction of incidence on the BPF member 16 .
  • the miniaturization of light receiving elements has progressed. It is preferable to use a small light receiving element 14 for miniaturization of the distance measuring device as well. Therefore, the area of the light receiving surface of the light receiving element 14 may be small with respect to the beam diameter of the infrared rays (light beam) reflected by the object. Corresponding to this, in the distance measuring device 10 of the present invention, as conceptually shown in FIG. may be placed.
  • the effect of the BPF member 16 having the refracting member 32 is more preferably exhibited, and the infrared rays incident on the BPF member 16 from a direction obliquely incident on the BPF 30 are more preferably can be incident on the BPF 30 by approaching front incidence.
  • the measurement angle range of the light receiving element 14 can be made wider.
  • This effect can be suitably obtained in all of the refractive members exemplified above.
  • the effect of having the lens 36 can be greatly obtained.
  • the BPF 30 is located on the light receiving element 14 side in the BPF member 16 .
  • the BPF member 16 using a meniscus lens as the refractive member 32f, as conceptually shown in FIG.
  • the refracting member 32f may be arranged on the light receiving element 14 side.
  • the BPF 30 curves along the curved surface of the refractive member 32f.
  • the left side of FIG. 11 shows the case where the infrared rays reflected by the object enter the condenser lens 36 obliquely with respect to the optical axis in the configuration in which the BPF 30 is provided on the infrared incident side.
  • the infrared rays are condensed by the condensing lens 36 so that they can enter the curved BPF 30 at an angle close to frontal incidence, that is, from a direction close to the normal direction.
  • the infrared rays reflected by the object are incident on the condenser lens 36 from the optical axis direction in the configuration in which the BPF 30 is provided on the infrared incident side.
  • the infrared rays are condensed by the condensing lens 36 so that they can enter the curved BPF 30 at an angle close to the front incidence, that is, from a direction close to the normal direction.
  • most of the infrared rays that have entered the BPF member 16 from oblique incident directions to the BPF 30 can be made to enter the BPF 30 by approaching frontal incidence, and the measurement angle range of the light receiving element 14 can be increased. can be wide.
  • the condensing lens 36 is not limited, and known optical members such as various convex lenses can be used as long as they can condense infrared rays.
  • the distance measuring device 10 of the present invention using the BPF member 16 having the refracting member 32 in addition to the BPF 30, the infrared rays incident on the BPF member 16 from a direction obliquely incident on the BPF 30 are refracted. It can be refracted by the member 32 to enter the BPF 30 closer to frontal incidence.
  • the transmission wavelength range of the BPF 30 can be sufficiently narrowed to ensure a high S/H ratio, and the angle range of infrared rays that can be received and measured by the light receiving element 14 can be widened. can.
  • the light source 12 (light emitting element) often has temperature dependence in the wavelength of emitted light. Moreover, most of the light sources 12 generate heat by emitting infrared rays (light). Therefore, when the distance measuring device 10 is used continuously, the wavelength of the emitted light fluctuates due to heat generation of the light source.
  • the BPF 30 also has temperature dependence in the central transmission wavelength. Therefore, when the BPF 30 is heated by heat generated by the light source 12 or the like, the central transmission wavelength varies due to the heating.
  • the infrared rays that should be able to pass through are subject to wavelength fluctuations due to temperature fluctuations.
  • the possibility that the light is blocked by the BPF 30 is increased due to such factors as the above.
  • the central transmission wavelength of the BPF 30 varies, even if the infrared rays are refracted by the refracting member 32 and enter the BPF 30 at near frontal incidence, the infrared rays that should be able to pass through will change the wavelength due to temperature fluctuations.
  • the possibility that the light is blocked by the BPF 30 due to fluctuations or the like increases.
  • the temperature dependence of the wavelength of the light emitted from the light source 12 is x [nm/° C.]
  • the temperature dependence of the central transmission wavelength of the BPF 30 is y [ nm/° C.] satisfies the formula “x ⁇ 0.05 ⁇ y ⁇ x+0.05”.
  • the temperature dependence x of the light source 12 and the temperature dependence y of the BPF 30 more preferably satisfy “x ⁇ 0.04 ⁇ y ⁇ x+0.04”, and “x ⁇ 0.03 ⁇ y ⁇ x+0.03”. More preferably.
  • It can be suitably used for measuring distances in automatic driving of automobiles.
  • distance measuring device 12
  • light source 14
  • light receiving element 16
  • BPF (bandpass filter) member 18
  • exit window 26
  • entrance window 30

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Abstract

高いS/N比で、広い角度範囲に対応して、対象物によって反射された測定光を受光できる測距装置の提供を課題とする。赤外線光源と、光源から出射され、対象物によって反射された赤外線を受光する受光部と、受光部の受光面側に配置された、赤外線を透過するBPF(バンドパスフィルター)部材とを有し、BPF部材は、BPFと、BPFに接触して配置される、赤外線を屈折させる屈折部材とを有することにより、課題を解決する。

Description

測距装置
 本発明は、赤外線を用いて対象物までの距離を測定する測距装置に関する。
 光源から測定光を出射し、対象物によって反射された測定光を受光素子で測定して、光源の発光から受光素子による受光までの時間によって、対象物までの距離を測定する、LiDAR(Light Detection And Ranging)と呼ばれる技術が知られている。
 例えば、特許文献1には、光源からの照明光を偏向して物体を走査すると共に、物体からの反射光を偏向する偏向部と、光源からの照明光を偏向部に導光すると共に、偏向部からの反射光を受光素子に導光する分岐部とを備え、分岐部は、光源からの照明光が入射する第一面と、第一面からの照明光が透過する透過領域および偏向部からの反射光が反射する反射領域を含む第二面とを有し、第一面からの前記照明光は、他の面を介さずに透過領域に入射する光学装置が開示されている。
 LiDARは、自動車の自動運転を実現するための測距装置(測距センサー)としての利用が検討されている。
 ここで、自動運転に利用される測距装置では、最大で200m程度、離れている対象物を検出できる必要がある。すなわち、自動運転に利用される測距装置では、最大で200m程度、離れた位置の対象物によって反射された測定光を測定する必要がある。
 このような測定光は、非常に微弱であり、S/N比(Signal to Noise ratio)が非常に低い。これに対応して、測距装置では、特許文献1にも記載されるように、バンドパスフィルターを受光素子の入射側に配置している。すなわち、測距装置では、測定光に対応する波長域の光のみを透過し、それ以外の波長域の光を遮蔽するバンドパスフィルターを用いることで、ノイズとなる測定光以外の光を除去して、S/N比を向上している。
特開2020-122689号公報
 自動運転を行うためには、様々な位置の対象物(物体)を検出して、距離を測定できる必要がある。ここで、測距装置が受光できる光の角度範囲が狭いと、自動車の全方位に対応して対象物との距離を測定するために、1台の自動車に多数の測距装置を装着する必要が生じてしまう。
 そのため、自動運転に対応する測距装置は、広い角度範囲に対応して、対象物で反射された測定光を、受光素子で受光できるのが好ましい。
 一方で、高いS/N比を確保するためには、バンドパスフィルターによる透過光の狭帯域性を確保する必要がある。
 ところが、多くのバンドパスフィルターでは、斜め方向から光が入射した場合に、透過する光の波長域が短波長側に変動する、いわゆる短波シフトが生じる。そのため、広い角度範囲からの光を受光素子で受光しようとすると、斜め方向から入射した測定光(反射光)が短波シフトによってバンドパスフィルターで遮光され、測定できなくなる。
 バンドパスフィルターを通過できる波長帯域を広くすることで、測定光が斜め方向から入射した場合でも、バンドパスフィルターを通過することが可能になる。しかしながら、この場合には、測定光の波長以外の光もバンドパスフィルターを透過できるので、受光素子で測定されることになり、S/N比が低くなってしまう。
 すなわち、S/N比を向上するためにバンドパスフィルターを用いる測距装置では、S/N比と、受光素子で受光できる光の角度範囲とが、トレードオフの関係にある。
 そのため、高いS/N比を維持したまま、広い角度範囲に対応して、対象物によって反射された測定光を受光素子で測定できる測距装置の出現が望まれている。
 本発明の目的は、このような従来技術の問題点を解決することにあり、高いS/N比を維持したまま、広い角度範囲に対応して、対象物によって反射された測定光(赤外線)を受光素子で受光して測定できる測距装置を提供することにある。
 この課題を解決するために、本発明は、以下の構成を有する。
 [1] 赤外線を出射する光源と、
 光源から出射され、対象物によって反射された赤外線を受光する受光部と、
 受光部の受光面側に配置された、赤外線を透過するバンドパスフィルター部材とを有し、
 バンドパスフィルター部材は、バンドパスフィルターと、バンドパスフィルターに接触して配置される、赤外線を屈折させる屈折部材とを有することを特徴とする測距装置。
 [2] バンドパスフィルター部材は、受光部側から、バンドパスフィルターおよび屈折部材の順で設けられる、[1]に記載の測距装置。
 [3] 屈折部材が、マイクロレンズアレイ、レンチキュラーレンズ、プリズムシート、フレネルレンズ、および、メニスカスレンズのいずれかである、[1]または[2]に記載の測距装置。
 [4] バンドパスフィルター部材の光入射側に、集光レンズを有する、[1]~[3]のいずれかに記載の測距装置。
 [5] 光源による出射光の波長の温度依存性をx[nm/℃]、バンドパスフィルターの透過中心波長の温度依存性をy[nm/℃]とした際に、
  x-0.05≦y≦x+0.05
を満たす、[1]~[4]のいずれかに記載の測距装置。
 本発明によれば、測距装置において、高いS/N比を維持したまま、広い角度範囲に対応して、対象物によって反射された測定光(赤外線)を受光素子で受光して測定することができる。
図1は、本発明の測距装置の一例を概念的に示す図である。 図2は、バンドパスフィルター部材を概念的に示す図である。 図3は、バンドパスフィルター部材の一例を説明するための概念図である。 図4は、図3に示すバンドパスフィルター部材の好ましい構成を説明するための概念図である。 図5は、バンドパスフィルター部材の別の例を説明するための概念図である。 図6は、バンドパスフィルター部材の別の例を説明するための概念図である。 図7は、バンドパスフィルター部材の別の例を説明するための概念図である。 図8は、バンドパスフィルター部材の別の例を説明するための概念図である。 図9は、バンドパスフィルター部材の別の例を説明するための概念図である。 図10は、本発明の測距装置の別の例を説明するための概念図である。 図11は、バンドパスフィルター部材の別の例を説明するための概念図である。
 以下、本発明の測距装置について、添付の図面に示される好適実施例を基に詳細に説明する。
 以下に記載する構成要件の説明は、本発明の代表的な実施態様に基づいてなされるが、本発明は、以下の実施態様に制限されるものではない。
 また、以下に示す図は、いずれも、本発明を説明するために、本発明を概念的に示す図である。従って、各部材の大きさ、厚さ、長さ、角度、および、位置関係等は、必ずしも、実際のものとは一致しない。
 本明細書において、『~』を用いて表される数値範囲は、『~』の前後に記載される数値を下限値および上限値として含む範囲を意味する。
 赤外線(赤外光)とは、一般的に、近赤外線、中赤外線、および、遠赤外線を含むが、本発明では、特に、波長780~1700nmの光のことを赤外線と言う。ただし、必要によっては、これ以外の波長を使用することも可能である。
 図1に、本発明の測距装置の一例を概念的に示す。
 図1に示す測距装置10は、上述したLiDARによって対象物までの距離を測定する測距装置であって、破線で示す本体と、本体の内部に配置される、光源12と、受光素子14と、バンドパスフィルター部材16と、ミラー18および20とを有する。
 測距装置10において、バンドパスフィルター部材16は、後述するように、バンドパスフィルター30、および、屈折部材32を有する。
 測距装置10は、このようなバンドパスフィルター部材16を有する以外は、基本的に、バンドパスフィルターを用いてS/N比を向上した、LiDARを用いる測距装置と同様のものである。
 測距装置10において、光源12は、例えばパルス状に赤外線を出射する。
 なお、測距装置10は、必要に応じて、光源12が出射する赤外線を1次元的または2次元的に走査する。走査方法には制限はなく、本体を所定の回転角で時計回りおよび反時計回りに交互に回転する方法、公知の光偏向手段を用いる方法、および、これらの併用等の公知の方法が例示される。
 光源12が出射した赤外線は、ミラー18によって反射されて、本体に固定された出射窓24から、対象物の測距を行う空間に出射される。
 出射窓24から出射して、対象物によって反射された赤外線は、入射窓26から本体内部に入射して、ミラー20によって反射され、バンドパスフィルター部材16に入射、透過して、受光素子14に入射して測定される。ここで、本体内部に入射した光は、バンドパスフィルター部材16(バンドパスフィルター30)を透過する際に、光源12が出射する赤外線に対応する所定の波長域以外のノイズとなる光をカットされて、受光素子14に入射する。
 その結果、測距装置10によれば、高いS/N比で、光源12が出射し、対象物で反射された赤外線を測定できる。また、本発明の測距装置10は、バンドパスフィルター部材16が屈折部材32を有することにより、広い角度範囲に対応して、対象物で反射された赤外線を受光素子14で測定できる。この点に関しては、後に詳述する。
 受光素子14による測定結果は、図示しないデータ処理部に供給される。
 データ処理部は、公知の測距装置と同様に、対象物までの距離、あるいはさらに、距離を測定された対象物が存在する方向を算出する。例えば、データ処理部は、光源12からの赤外線の出射方向、ならびに、光源12による赤外線の出射タイミング(出射時刻)および受光素子14による赤外線を受光タイミング(受光時刻)等から、対象物までの距離等を算出する。
 本発明の測距装置10において、光源12には、制限はなく、赤外線を出射可能であれば、LiDAR等に利用される公知の光源(発光素子)が、各種、利用可能である。
 光源12としては、一例として、LED(Light Emitting Diode)等が例示される。
 光源12が出射する赤外線は、拡散光でも、平行光(コリメート光)でもよいが、通常、平行光である。
 光源12が出射する赤外線の波長(中心波長、ピーク波長)には、制限はなく、上述した赤外線の波長範囲であればよい。光源12が出射する赤外線の波長は、800~1650nmが好ましく、850~1600nmがより好ましい。
 測距装置10において、受光素子14は、上述のように、対象物によって反射された赤外線を受光して測定するものであり、本発明における受光部である。
 受光素子14にも制限はなく、赤外線を測定可能であればLiDAR等に用いられる、公知の受光素子(受光センサー)が利用可能である。
 一例として、受光素子14としては、一例として、CCD(Charge Coupled Device)センサー、CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)センサー、フォトマルチプライヤ―(光電子増倍管)、フォトダイオード、および、InGaAs(インジウムガリウムヒ素)センサー等が例示される。
 受光素子14は、CCDセンサー等の撮像素子(イメージセンサー、エリアセンサー)でもよく、あるいは、フォトダイオード等の光検出素子でもよい。
 なお、受光素子14は、必要に応じて、可視光を遮光するフィルター、不要な赤外線を遮光するフィルター、ならびに、可視光および不要な赤外線を遮光するフィルター等、光源12が出射した赤外線以外の光を遮光するフィルターを有してもよい。
 入射窓26から受光素子14に至る赤外線(入射光)の光路には、バンドパスフィルター部材16が配置される。以下の説明では、バンドパスフィルターのことを『BPF』ともいう。
 図2に、BPF部材16の一例を概念的に示す。
 BPF部材16は、BPF30と、屈折部材32とを有する。屈折部材32は、赤外線を屈折させる部材である。本発明の測距装置10において、BPF部材16は、基本的に、BPF30を受光素子14側にして配置される。すなわち、本発明においては、対象物によって反射された赤外線は、屈折部材32によって屈折された後に、BPF30に入射する。
 本発明の測距装置10は、BPF30に加えて屈折部材32を有するBPF部材16を用いることにより、BPF30を有することによる高いS/N比を維持した上で、広い角度範囲に対応して、対象物で反射された赤外線を受光素子14で測定できる。この点に関しては、後に詳述する。
 本発明において、BPF30には、制限はない。すなわち、BPF30は、LiDAR等の測距装置において、S/N比を向上するために、光源12が出射した赤外線以外のノイズとなる光を遮光して、光源12が出射した赤外線に対応する波長域の光を透過する公知のBPFが、各種、利用可能である。
 BPF30としては、コレステリック液晶相を固定してなるコレステリック液晶層を用いるBPFが好ましく例示される。周知のように、コレステリック液晶層は、特定の波長域の、特定の円偏光を選択的に反射し、それ以外の光を透過するものである。
 コレステリック液晶層を用いるBPFは、選択的な反射波長域が異なる2つのコレステリック液晶層を積層することにより、2つのコレステリック液晶層の選択的な反射波長域の間の波長の光を通過させるものである。
 コレステリック液晶層を用いるBPFは、必要に応じて、選択的な反射波長域が異なる2つのコレステリック液晶層のそれぞれにおいて、選択的に反射する円偏光の旋回方向が異なるコレステリック液晶層を積層するのが好ましい。これにより、BPF30が、光源12が出射した赤外線の近傍の波長域において、右円偏光および左円偏光の両方の赤外線を遮光することができる。
 上述のように、BPF30は、コレステリック液晶層を用いるBPF以外にも、公知の各種の物が利用可能である。
 一例として、有機または無機の高屈折率層と低屈折率層とを交互に積層した誘電多層膜等が例示される。
 本発明の測距装置10において、BPF30の透過波長域(透過波長帯域)の広さには、制限はなく、測距装置10に要求されるS/N比、受光素子14に入射する赤外線の許容角度範囲、および、光源12の発振波長の温度依存性等に応じて、適宜、設定すればよい。
 BPF30の透過波長域は、70nm以下が好ましく、67.5nm以下がより好ましく、65nm以下がさらに好ましい。
 BPF30の透過波長域の広さを70nm以下とすることにより、S/N比をより向上できる等の点で好ましい。
 BPF部材16は、このようなBPF30に加え、赤外線を屈折させる屈折部材32を有する。屈折部材32は、対象物によって反射され、BPF30の法線に対して斜め方向からBPF部材16に入射する赤外線を屈折して、赤外線を、法線に近い方向すなわち正面からBPF30に入射させるものである。
 また、BPF部材16において、BPF30と屈折部材32とは、接触している。
 なお、法線とは、シート表面、層表面および板状物の表面などの平面、または、曲面の接線に対して直交する線である。すなわち、斜め方向とは、法線に対して角度を有する方向である。
 以下の説明では、正面方向すなわち法線方向からの光の入射を、便宜的に『正面入射』ともいう。また、以下の説明では、斜め方向すなわち法線に対して角度を有する方向からの光の入射を、便宜的に『斜め入射』ともいう。
 本発明の測距装置10は、BPF30に加えて、屈折部材32を有するBPF部材16を用いることにより、BPF30を有することによる高いS/N比を維持した上で、広い角度範囲に対応して、対象物で反射された赤外線を受光素子14で受光、測定できる。
 上述のように、自動車に搭載されるLiDAR等の測距装置では、対象物で反射された微弱な測定光を高いS/N比で測定するために、測定光近傍の波長の光を透過し、それ以外の波長の光を遮光するBPFが用いられる。BPFの透過波長域を狭くするほど、S/N比は向上できる。
 一方で、自動運転に対応する測距装置は、できるだけ広い範囲に対応して対象物の測距を行えるのが好ましい。そのために、測距装置は、対象物で反射された測定光を、受光素子が測定できる角度範囲を広くする必要がある。
 ところが、多くのBPFは、光が斜め入射した場合に、透過する光の波長域が短波長側に変動する、いわゆる短波シフトが生じる。そのため、広い角度範囲からの光を受光素子で受光しようとしても、斜め入射した測定光がBPFで遮光され、測定できなくなる。
 BPFの透過波長域を広くすれば、斜め方向から入射した測定光も透過可能になる。しかしながら、この場合には、余分な光もBPFを透過して受光素子に入射し、測定されることになり、S/N比が低くなってしまう。
 すなわち、バンドパスフィルターと受光素子とを組み合わせた測距装置では、S/N比と、受光素子で受光できる光の角度範囲とは、トレードオフの関係にある。
 これに対して、本発明の測距装置10は、BPF30と屈折部材32とを有するBPF部材16を用い、対象物で反射され、BPF部材16に斜め入射した赤外線を、屈折部材32で屈折した後に、BPF30に入射する。これにより、BPF30に対して斜め入射する方向からBPF部材16に入射した赤外線を、屈折部材32で屈折して、BPF30への赤外線の入射を正面入射に近い方向、すなわち、BPF30の法線方向に近い方向にできる。
 しかも、BPF30と屈折部材32とは、接触している。そのため、BPF30と屈折部材32との間に空気界面がなく、屈折部材32で屈折された赤外線が、そのまま、BPF30に入射できる。すなわち、BPF30と屈折部材32とが接触していることで、屈折部材32を有することの効果を最大限に生かして、斜め方向からBPF部材16に入射した赤外線のBPF30への入射方向を、正面入射に近くできる。
 その結果、本発明の測距装置10によれば、BPF30の透過波長域を狭くしても、BPF30に斜め入射する方向からBPF部材16に入射した赤外線が、BPF30を透過することができる。
 すなわち、本発明の測距装置10によれば、高いS/N比を維持した上で、広い角度範囲に対応して、対象物で反射された赤外線を受光素子14で測定できる。
 BPF部材16において、屈折部材32には、制限はなく、光を屈折できる各種の光学素子が、利用可能である。
 ここで、屈折部材32による屈折は、基本的に、屈折部材の法線(破線)に対して、下記のSnellの法則で角度が決まる。
 nair×sin(θ0)=n×sin(θ1
 nairは空気の屈折率(=1)、θ0は屈折部材への光の入射角、nは屈折部材の形成材料の屈折率、θ1は出射角(屈折角)である。
 ここで、界面反射を防止するためには、屈折部材32とBPF30とは、屈折率の差が小さいのが好ましい。例えば、BPF30を上述したコレステリック液晶層で形成した場合には、BPF30の屈折率は1.5~1.7程度である。従って、この場合には、屈折部材32は、屈折率が1.5~1.7の範囲内、または、屈折率が1.5~1.7に近い材料で形成するのが好ましい。
 屈折部材32としては、一例として、マイクロレンズアレイ、レンチキュラーレンズ、プリズムシート、フレネルレンズ、および、メニスカスレンズ等か好適に例示される。
 図3に、マイクロレンズアレイを屈折部材32aとして用いるBPF部材16を概念的に示す。なお、以下に示す作用効果は、屈折部材としてレンチキュラーレンズを用いた場合のシリンドリカルレンズでも同様である。
 上述のように、屈折部材による屈折は、基本的に、屈折部材の法線に対してSnellの法則で角度が決まる。従って、図3における領域Aの部分拡大図に示すように、屈折部材32a(マイクロレンズアレイ)のマイクロレンズ(球冠レンズ)に、法線方向(破線)から入射した赤外線は、そのままの方向に進行する。
 一方、屈折部材32aのマイクロレンズに、法線に対して角度を有する方向から入射した赤外線は、図3の部分拡大図(図中左側)に示すように、屈折されて、BPF30への入射方向が、BPF30の法線方向すなわち正面入射に近くなる。
 その結果、BPF30に対して斜め入射する方向からBPF部材16に入射した赤外線の多くを、正面入射に近づけてBPF30に入射することが可能になり、受光素子14による測定角度範囲を広くできる。
 ここで、図3の部分拡大図の図中右側に示すように、マイクロレンズへの赤外線の入射方向によっては、マイクロレンズによる屈折によって、BPF30への赤外線の入射方向が、元の入射方向よりも、正面入射から離れてしまう場合もある。
 このような不都合を抑制するために、図4に概念的に示すように、マイクロレンズの全ての領域で、BPF30の法線Z1と、マイクロレンズの法線Z2とが成す角度θが、30°以下となるように、屈折部材32aとなるマイクロレンズアレイを作製するのが好ましい。さらに、法線Z1と法線Z2とが成す角度θが25°以下となるように、屈折部材32aとなるマイクロレンズアレイを作製するのがより好ましい。
 あるいは、好ましくは法線Z1と法線Z2が成す角度θが30°を超える領域、より好ましくは25°を超える領域を、赤外線遮光塗料等の遮光部材で覆ってもよい。
 このような構成を有することにより、正面入射に対するBPF30への赤外線の斜め入射の程度が、屈折部材32a(マイクロレンズ)によって、屈折部材32aへの入射方向よりも大きくなることを抑制できる。
 その結果、BPF30に斜め入射して、遮光される赤外線を低減できる。
 なお、BPF30に正面入射する方向から屈折部材32a(マイクロレンズアレイ)に入射した赤外光は、マイクロレンズへの入射位置によっては、逆に、正面入射に対して角度を有する方向に屈折されて、BPF30に入射する場合もある。
 しかしながら、この場合でも、マイクロレンズで屈折されてBPF30に入射する赤外光が、正面入射(法線方向)に対して成す角度は、差程、大きくはない。そのため、BPF30に正面入射する方向から屈折部材32aに入射して、マイクロレンズによる屈折によってBPF30で遮光される赤外光の増加は、非常に少なく、実質的に、問題にはならない。
 この点に関しては、以下に示す他の屈折部材も、同様である。
 BPF部材16の屈折部材32としては、プリズムシートも利用可能である。図5に、プリズムの形状が二等辺三角形であるプリズムシートを屈折部材32bとして用いるBPF部材16を概念的に示す。
 図3に示すマイクロレンズアレイを用いる屈折部材32aと同様、屈折部材32b(プリズムシート)のプリズムに法線方向から入射した赤外線は、そのままの方向に近い方向に進行する。
 一方、屈折部材32bのプリズムに、法線に対して角度を有する方向から入射した赤外線は、図5における領域Bの部分拡大図に示すように屈折されて、BPF30への入射方向が正面入射に近くなる。
 その結果、マイクロレンズアレイを用いる屈折部材32aと同様、BPF30に斜め入射する方向からBPF部材16に入射した赤外線の多くを、正面入射に近づけてBPF30に入射することが可能になり、受光素子14による測定角度範囲を広くできる。
 ここで、プリズムの形状が二等辺三角形である屈折部材32bは、赤外線が入射する各位置における法線の角度と、BPF30の法線が成す角度とが、一定である。
 そのため、図3に示す屈折部材32aとしてマイクロレンズアレイを用いた例と同様の理由で、プリズムシートを用いる屈折部材32bでは、BPF30の表面に対するプリズムの傾斜角を30°以下にするのが好ましく、25°以下にするのがより好ましい。
 BPF部材16の屈折部材32としてプリズムシートを用いる場合には、プリズムの形状は、図5に示すような二等辺三角形に制限はされない。例えば、BPF部材16は、屈折部材32cとして、図6に概念的に示すような、赤外線の入射面の角度が異なる三角形状のプリズムを用いるプリズムシートを用いてもよい。
 図3に示すマイクロレンズアレイを用いる屈折部材32aと同様、屈折部材32cのプリズムに法線方向から入射した赤外線は、そのままの方向に近い方向に進行する。
 一方、屈折部材32cのプリズムに、法線に対して角度を有する方向から入射した赤外線は、図6における領域Cの部分拡大図に示すように屈折されて、BPF30への入射方向が、正面入射に近くなる。
 その結果、マイクロレンズアレイを用いる屈折部材32aと同様、BPF30に斜め入射する方向からBPF部材16に入射した赤外線の多くを、正面入射に近づけてBPF30に入射することが可能になり、受光素子14による測定角度範囲を広くできる。
 ここで、屈折部材32c(プリズムシート)は、プリズムの各傾斜面では、BPF30の法線に対する法線の傾きは異なるが、1つの傾斜面では、赤外線が入射する各位置における法線の角度と、BPF30の法線が成す角度とが、一定である。
 そのため、図3に示すマイクロレンズアレイを用いる屈折部材32aと同様の理由で、屈折部材32cでは、赤外線の入射面積が大きい、BPF30の表面に対する角度が小さい側の斜面の傾斜角を30°以下にするのが好ましく、25°以下にするのがより好ましい。
 BPF部材16の屈折部材32としては、図7に概念的に示すように、フレネルレンズを用いる屈折部材32dも利用可能である。フレネルレンズは、公知の各種の物が利用可能である。
 さらに、BPF部材16の屈折部材としては図8に概念的に示すように、直角三角形の鋭角を外側に向けて、フレネルレンズのように同心円状に配列した屈折部材32eも、屈折部材として好適に利用可能である。
 このような屈折部材でも、マイクロレンズアレイを用いる屈折部材32aと同様、図7を例示して図中に矢印で示すように、BPF30に対して斜め入射する方向からBPF部材16に入射した赤外線の多くを、正面入射に近づけてBPF30に入射することが可能になり、受光素子14による測定角度範囲を広くできる。
 BPF部材16の屈折部材32としては、メニスカスレンズも利用可能である。本発明において、メニスカスレンズとは、両面が同じ方向に湾曲しているレンズである。
 なお、本発明の測距装置において、メニスカスレンズの両面の湾曲の度合いすなわち曲率は、異なってもよいが、同じであるのが好ましい。このようなメニスカスレンズを用いることにより、より好適に赤外線をBPF30に正面入射できると共に、後述するように、BPF部材16において、入射方向と同方向に赤外線を出射できる。
 図9に、メニスカスレンズを用いる屈折部材32fを有するBPF部材16を概念的に示す。
 屈折部材32fとしてメニスカスレンズを用いる場合には、メニスカスレンズの凸側をBPF部材16への光入射側として、凹側にBPF30を設ける。また、本発明の測距装置のBPF部材16においては、BPF30と屈折部材32とは、接触している。従って、メニスカスレンズを用いる屈折部材32fの場合には、BPF30は、メニスカスレンズの曲面に沿って湾曲した状態となる。
 対象物に反射された赤外線が屈折部材32fの光軸すなわち受光素子14に斜め入射した例を、図9に左側に示す。
 この場合には、図中右側に示す、屈折部材32fであるメニスカスレンズに正面入射すなわち法線方向から入射した赤外線は、図3に示すマイクロレンズアレイを用いる屈折部材32aと同様、そのままの方向に進行する。図9に示す例では、好ましい態様として、屈折部材32fであるメニスカスレンズは、両面の曲率が同じである。また、上述のように、BPF30は、屈折部材32fと同じ曲率で湾曲している。従って、屈折部材32fを透過した赤外線は、BPF30に法線方向から入射すなわち正面入射する。
 他方、図中中央および左側に示す、屈折部材32fに斜め入射した赤外線は、屈折部材32fによって斜め方向への進行を戻すように屈折される。その結果、これらの赤外線は、正面入射に近い角度で湾曲されたBPF30に入射する。
 また、正面入射に対して角度を有して入射した赤外線は、湾曲するBPF30を透過した後、上述したSnellの法則に従って、空気との屈折率差で屈折される。その結果、BPF30を透過した後の光の進行方向は、BPF部材16への入射方向と、ほぼ同じ方向になる。なお、BPF30がコレステリック液晶層である場合、屈折率を、コレステリック液晶層のnx、nyおよびnzの平均値とすることで、屈折角がSnellの法則に概ね従う。
 一方、図9の右側に示すように、赤外線が屈折部材32fであるメニスカスレンズの光軸すなわち受光素子14の法線と同方向に入射した場合には、図中中央に示す屈折部材32fに正面入射した赤外線は、先と同様、そのままの方向に進行しBPF30に正面入射する。
 他方、図中の右および左側に示す、屈折部材32fに斜め入射した赤外線は、屈折部材32fによって集光するすように屈折される。その結果、これらの赤外線は、正面入射に近い角度で湾曲されたBPF30に入射する。
 また、正面入射に対して角度を有して入射した赤外線は、先と同様、湾曲するBPF30を透過した後、上述したSnellの法則に従って、空気との屈折率差で屈折される。その結果、BPF30を透過した後の光の進行方向は、BPF部材16への入射方向と、ほぼ同じ方向になる。
 その結果、屈折部材32fとしてメニスカスレンズを用いた場合でも、マイクロレンズアレイを用いる屈折部材32aを用いた場合と同様、BPF30の法線に対して斜め方向からBPF部材16に入射した赤外線の多くを、正面入射に近づけてBPF30に入射することが可能になり、受光素子14による測定角度範囲を広くできる。
 ところで、近年では、受光素子は小型化が進んでいる。測距装置も、小型化のために小型の受光素子14を用いるのが好ましい。そのため、対象物で反射された赤外線(光ビーム)のビーム径に対して、受光素子14の受光面の面積が、小さい場合もある。
 これに対応して、本発明の測距装置10では、図10に概念的に示すように、BPF部材16の光入射側に、BPF部材16に入射する赤外線を集光する、集光レンズ36を配置してもよい。
 さらに、集光レンズ36を設けることにより、BPF部材16が屈折部材32を有することの効果を、より好適に発現して、BPF30に斜め入射する方向からBPF部材16に入射した赤外線を、より好適に正面入射に近づけて、BPF30に入射できる。その結果、受光素子14による測定角度範囲を、より広くできる。
 この効果は、先に例示した屈折部材の全てにおいて、好適に得ることができる。中でも、図7に示す屈折部材32dとしてフレネルレンズを用いる構成、図8に示す屈折部材32eを用いる構成、および、図9に示す屈折部材32fとしてメニスカスレンズを用いる構成のBPF部材16では、集光レンズ36を有する効果を大きく得られる。
 ここで、上述した例は、いずれも、BPF部材16において、BPF30を受光素子14側に位置していた。
 これに対して、測距装置が、集光レンズ36を有する場合には、屈折部材32fとしてメニスカスレンズを用いるBPF部材16は、図11に概念的に示すように、BPF30を赤外線の入射側、屈折部材32fを受光素子14側に配置してもよい。
 上述のように、屈折部材32fとしてメニスカスレンズを用いるBPF部材16は、BPF30が、屈折部材32fの曲面に沿って湾曲する。
 図11の左側に、BPF30を赤外線の入射側に設けた構成において、対象物によって反射された赤外線が、集光レンズ36に光軸に対して斜め入射した場合を示す。この場合には、赤外線は、集光レンズ36によって集光されることで、湾曲するBPF30に正面入射に近い角度すなわち法線方向に近い方向から入射することができる。
 図11の右側に、BPF30を赤外線の入射側に設けた構成において、対象物によって反射された赤外線が、集光レンズ36に光軸方向から入射した場合を示す。この場合にも、同様に、赤外線は、集光レンズ36によって集光されることで、湾曲するBPF30に正面入射に近い角度すなわち法線方向に近い方向から入射することができる。
 その結果、同様に、BPF30に対して斜め入射する方向からBPF部材16に入射した赤外線の多くを、正面入射に近づけてBPF30に入射にすることが可能になり、受光素子14による測定角度範囲を広くできる。
 なお、集光レンズ36には、制限はなく、赤外線を集光できるものであれば、各種の凸レンズ等、公知の光学部材が利用可能である。
 以上のように、BPF30に加えて、屈折部材32を有するBPF部材16を用いる本発明の測距装置10によれば、BPF30に対して斜め入射する方向からBPF部材16に入射した赤外線を、屈折部材32によって屈折して、正面入射に近づけてBPF30に入射できる。
 その結果、本発明の測距装置10によれば、BPF30の透過波長域を十分に狭くして高いS/H比を確保できると共に、受光素子14で受光、測定可能な赤外線の角度範囲を広くできる。
 ここで、光源12(発光素子)は、多くの場合、出射光の波長に温度依存性を有する。また、光源12の多くは、赤外線(光)の出射によって、発熱する。従って、測距装置10を連続的に使用した場合には、光源の発熱に起因して出射光の波長が変動する。
 一方、BPF30も、多くの場合、透過中心波長に温度依存性を有する。そのため、光源12の発熱等によってBPF30が加熱された場合には、加熱に起因して透過中心波長が変動する。
 光源12が出射する赤外線の波長変動が生じた場合には、赤外線を屈折部材32で屈折して、正面入射に近づけてBPF30に入射しても、本来は透過できる赤外線が、温度変動による波長変動等に起因してBPF30で遮光される可能性が高くなる。同様に、BPF30の透過中心波長の変動が生じた場合にも、赤外線を屈折部材32で屈折して、正面入射に近づけてBPF30に入射しても、本来は透過できる赤外線が、温度変動による波長変動等に起因してBPF30で遮光される可能性が高くなる。
 これに対して、本発明の測距装置10においては、好ましい態様として、光源12による出射光の波長の温度依存性をx[nm/℃]、BPF30の透過中心波長の温度依存性をy[nm/℃]とした際に、式『x-0.05≦y≦x+0.05』を満たす。
 このような構成を有することにより、発熱によって光源12が出射する赤外線の波長変動、および、加熱に起因するBPF30の透過中心波長の変動は、ほぼ、連動する。その結果、赤外線の波長および透過中心波長の変動が生じても、BPF部材16が屈折部材32を有することの効果を最大限に発揮して、波長シフトによって赤外線がBPF30で遮光されることを抑制して、受光素子14による広い測定角度範囲を確保できる。
 光源12の温度依存性xおよびBPF30の温度依存性yは、『x-0.04≦y≦x+0.04』を満たすのがより好ましく、『x-0.03≦y≦x+0.03』を満たすのがさらに好ましい。
 以上、本発明の測距装置について詳細に説明したが、本発明は上述の例に限定はされず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良や変更を行ってもよいのは、もちろんである。
 自動車の自動運転における距離の測定等に、好適に利用可能である。
 10 測距装置
 12 光源
 14 受光素子
 16 BPF(バンドパスフィルター)部材
 18,20 ミラー
 24 出射窓
 26 入射窓
 30 BPF(バンドパスフィルター)
 32,32a,32b,32c,32d,32e,32f 屈折部材
 36 集光レンズ

Claims (5)

  1.  赤外線を出射する光源と、
     前記光源から出射され、対象物によって反射された赤外線を受光する受光部と、
     前記受光部の受光面側に配置された、赤外線を透過するバンドパスフィルター部材とを有し、
     前記バンドパスフィルター部材は、バンドパスフィルターと、前記バンドパスフィルターに接触して配置される、赤外線を屈折させる屈折部材とを有することを特徴とする測距装置。
  2.  前記バンドパスフィルター部材は、前記受光部側から、前記バンドパスフィルターおよび前記屈折部材の順で設けられる、請求項1に記載の測距装置。
  3.  前記屈折部材が、マイクロレンズアレイ、レンチキュラーレンズ、プリズムシート、フレネルレンズ、および、メニスカスレンズのいずれかである、請求項1または2に記載の測距装置。
  4.  前記バンドパスフィルター部材の光入射側に、集光レンズを有する、請求項1~3のいずれか1項に記載の測距装置。
  5.  前記光源による出射光の波長の温度依存性をx[nm/℃]、前記バンドパスフィルターの透過中心波長の温度依存性をy[nm/℃]とした際に、
      x-0.05≦y≦x+0.05
    を満たす、請求項1~4のいずれか1項に記載の測距装置。
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