レーザ受光ユニット
【課題】レンズカバーの曲率や厚み、あるいは受光レンズまでの距離などを適切に設定することによって、レンズカバーの受光レンズに対する影響を回避するだけではなく、レンズカバーを受光レンズの補助レンズとして利用することで受光レンズの集光率を向上させることが可能なレーザ受光ユニットを提供する。
【解決手段】一実施形態では、ケース２と、ケース２外部からのレーザ光を内部へ透過させる曲面状のレンズカバー３と、ケース２内部に配置されるとともにレーザ光を受光する受光面５ａを有して受光量に応じた信号を出力する受光素子５と、ケース２内部に配置されるとともレンズカバー３を透過したレーザ光を受光面５ａに結像させる受光レンズ４とを備え、この受光レンズ４と受光素子５との間の距離間隔を、受光レンズ４の焦点距離とレンズカバー３の曲率および厚みとに基づいて受光量が最大となるように定める。
【解決手段】一実施形態では、ケース２と、ケース２外部からのレーザ光を内部へ透過させる曲面状のレンズカバー３と、ケース２内部に配置されるとともにレーザ光を受光する受光面５ａを有して受光量に応じた信号を出力する受光素子５と、ケース２内部に配置されるとともレンズカバー３を透過したレーザ光を受光面５ａに結像させる受光レンズ４とを備え、この受光レンズ４と受光素子５との間の距離間隔を、受光レンズ４の焦点距離とレンズカバー３の曲率および厚みとに基づいて受光量が最大となるように定める。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、赤外線やレーザ光を利用する測定装置などの受光ユニットに関し、特に、レーザ光を利用するとともに曲面状レンズカバーが使用される測定装置などのレーザ受光ユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、赤外線によって侵入者などを検知する赤外線感知器やレーザ光を利用して距離などを測定する距離測定装置などにおいては、それらの筐体の内部に受光素子とその受光素子の受光面への結像を行う受光レンズ（受光光学系）とが配置されるとともに、筐体の前面などに形成された開口部にはレンズカバーがはめ込まれて配置されている。赤外線やレーザ光はこのレンズカバーを透過して筐体の内部へと入り、さらに受光レンズによって受光素子の受光面に結像することになる（例えば、特許文献１および特許文献２参照。）。
【０００３】
このようなレンズカバーの主な目的としては、検知や測定に不要な波長成分の光の除去、外部からの衝撃などの防止による内部保護などが挙げられる。また、屋外への設置が想定されるものでは、雨や雪などの水分や風が運んでくる土、砂、埃などの内部への浸入防止も重要な目的となる。
【０００４】
赤外線やレーザ光の受光素子の受光面への結像自体はあくまでも受光レンズによって行われるから、受光レンズなどの光学設計においてレンズカバーの存在やその影響が特に厳密に考慮されることはなかった。
【０００５】
赤外線を用いる赤外線感知器では、上述したようなレンズカバーの存在によって、不要な波長成分の光が除去されるだけでなく必要な近赤外領域の光も若干減衰するために感度がやや低下することがあるものの、受光レンズの結像性能に直接的な影響を与えることはほとんどないと考えられる。
【０００６】
レーザ光を利用する距離測定装置としては、例えば、図６に示すようなレーザエリアセンサ１０１も挙げられる。このレーザエリアセンサ１０１は、レーザ投光部１１０と、受光レンズ１２４および受光素子１２５を有するレーザ受光部１２０と、レーザ投光部１１０およびレーザ受光部１２０による距離測定方向を変える走査機構１３０などを筐体１０２内に備え、走査機構１３０によって周期的に測定方向を変えながら距離測定を行うように構成されている。
【０００７】
レーザ光は赤外線とは異なり、干渉性の高いコヒーレント光であるという特徴を有している。ただ、レーザエリアセンサ１０１のレーザ受光部１２０に使用されている受光レンズカバー１２３は平板状であるため、上述した赤外線感知器と同様に感度がやや低下することはあり得るものの、受光素子１２５の受光面に対する受光レンズ１２４の結像性能にはほとんど影響を与えなかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００５−２４１５５４号公報
【特許文献２】特開２００２−２８６８４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところが、同じくレーザ光を利用する距離測定装置などにおいても、レンズカバーが平板状ではなくて例えば曲面状であって、且つ厚みが一定以上ある場合には、レンズカバーの曲率および厚みなどによって光路が屈折し、内部の受光レンズに対して集光率の大幅な悪化を招くなど、結像性能に明らかに影響を与えることがあることがわかった。なお、これには、レーザ光の受光素子としてよく用いられるアバランシェ・フォトダイオード（ＡＰＤ）の結像点がかなり厳密であることも影響していると考えられる。
【００１０】
図７は、レーザ光を利用する距離測定装置などにおいて、曲面状のレンズカバー１０３の影響を説明するための光学シミュレーションの概略説明図である。この光学シミュレーションでは、レンズカバー１０３としてはポリカーボネイト素材で厚みが２ｍｍ、レンズカバー１０３から結像点までの距離は５００ｍｍとして、レンズカバー１０３正面からΦ２０ｍｍの平行光を当てたときの結像点のＸ軸方向（水平軸方向）およびＹ軸方向（鉛直軸方向）それぞれの変位量を求めている。また、図８（ａ）および図８（ｂ）は、その光学シミュレーション結果の例を示す写真（画像）であって、図８（ａ）はレンズカバー１０３の曲率がＲ５０（内径：Ｒ４８）の場合であり、図８（ｂ）はレンズカバー１０３の曲率がＲ３０（内径：Ｒ２８）の場合である。
【００１１】
これらの図８（ａ）および図８（ｂ）で示すように、レンズカバー１０３の曲率によって平行光のボケが生じているが、ボケ量は図８（ｂ）の方が大きい。平行光の直径に対して、レンズカバー１０３の曲率が大きいほど平行光の両端（Ｘ軸方向）における影響が強くなるからである。Ｘ軸方向でのボケはレンズカバー１０３の曲率の大きさに比例して大きくなり、Ｘ軸両端での結像点は本来の結像点よりも外側方向へ離れることになる。
【００１２】
このことは、レンズカバー内にてレンズカバーの直径に近いような大口径の集光レンズを使用している場合に、特にレンズカバーの影響が大きいということになり、集光レンズのｆ値（焦点距離）に基ずいた光学設計値などが最適値から外れてしまい得るということを示す。つまり、レンズカバー内にて光学系を持つ赤外線センサやレーザユニットなどにおいて、このレンズカバー内径に近似のレンズ径を持つ場合には、レンズのｆ値に従った結像点に受光素子の受光面を配置しても、レンズカバーの影響によるＸ軸方向のボケが大きく、結果として受光素子の受光面での受光量が減少することになって、赤外線センサやレーザユニットなどの性能に大きく影響を与えてしまう。
【００１３】
図９は、レンズカバーの影響によって結像点がずれてしまうことの概略説明図である。この図に示すように、Ｙ軸方向については結像点Ｐｙはレンズのｆ値に従った本来の位置のままである。ところが、Ｘ軸方向については、レンズカバーの曲率および厚みなどによって結像点Ｐｘが変化して移動している。具体的には、Ｘ軸方向ではレンズカバーが一種のレンズのような働きをするため、レンズカバーが無い状態に比べて結像点Ｐｘが後方へ一定量（図９のΔＰｘ）ずれることになる。
【００１４】
従来技術のこのような課題に鑑み、本発明の目的は、レーザ光を利用したレーザ受光ユニットにおいて、特に受光レンズの直径とそれに組み合わせる曲面状レンズカバーの直径とが近似している場合に、レンズカバーの曲率や厚み、あるいは受光レンズまでの距離などを適切に設定することによって、上述したようなレンズカバーの受光レンズに対する影響を回避するだけではなく、レンズカバーを受光レンズの補助レンズとして利用することによって受光レンズの集光率を向上させることが可能なレーザ受光ユニットを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記目的を達成するため、本発明のレーザ受光ユニットは、開口部が形成された筐体と、前記開口部を覆うように配置されるとともに、前記筐体外部からのレーザ光を前記筐体内部へ透過させる曲面状カバーと、前記筐体の内部に配置されるとともに、レーザ光を受光する受光部位を有し、その受光部位における受光量に応じた信号を出力する受光素子と、前記筐体の内部に配置されるとともに、前記曲面状カバーを透過したレーザ光を前記受光素子の前記受光部位に結像させる受光光学系とを備え、前記受光素子と前記受光光学系との相対的な配置を、前記受光光学系の焦点距離と前記曲面状カバーの曲率および厚みとに基づいて定めることを特徴とする。
【００１６】
ここで、前記受光素子と前記受光光学系との相対的な配置とは、例えば、前記受光素子の前記受光部位と前記受光光学系との間の距離間隔が挙げられる。また、これらを、前記受光光学系の焦点距離と前記曲面状カバーの曲率および厚みとに基づいて前記受光素子の前記受光部位における受光量がほぼ最大となるように定めることが好ましい。
【００１７】
この場合、受光量が厳密な最大値に達していなくても、最大値に近づくように極力大きくなっていれば、通常は問題になることはあまりない。また、ここでいう「最大値」とは、変更可能な各パラメータの全範囲の組み合わせなどから唯一定まるような最大値に必ずしも限られない。現実的な製品設計などの制約も考慮した上で各パラメータをそれぞれの所定範囲内で変化させ、そのときの「極大値」を代わりに用いてもよい。
【００１８】
あるいは、本発明のレーザ受光ユニットは、開口部が形成された筐体と、前記開口部を覆うように配置されるとともに、前記筐体外部からのレーザ光を前記筐体内部へ透過させる曲面状カバーと、前記筐体の内部に配置されるとともに、レーザ光を受光する受光部位を有し、その受光部位における受光量に応じた信号を出力する受光素子と、前記筐体の内部に配置されるとともに、前記曲面状カバーを透過したレーザ光を前記受光素子の前記受光部位に結像させる受光光学系とを備え、前記曲面状カバーの厚みを、前記受光素子と前記受光光学系との相対的な配置と、前記受光光学系の焦点距離と、前記曲面状カバーの曲率とに基づいて定めることを特徴としてもよい。
【００１９】
また、前記曲面状カバーの厚みを、前記受光素子の前記受光部位と前記受光光学系との間の距離間隔と、前記受光光学系の焦点距離と、前記曲面状カバーの曲率とに基づいて前記受光素子の前記受光部位における受光量がほぼ最大となるように定めることが好ましい。
【００２０】
あるいは、本発明のレーザ受光ユニットは、開口部が形成された筐体と、前記開口部を覆うように配置されるとともに、前記筐体外部からのレーザ光を前記筐体内部へ透過させる曲面状カバーと、前記筐体の内部に配置されるとともに、レーザ光を受光する受光部位を有し、その受光部位における受光量に応じた信号を出力する受光素子と、前記筐体の内部に配置されるとともに、前記曲面状カバーを透過したレーザ光を前記受光素子の前記受光部位に結像させる受光光学系とを備え、前記受光素子の前記受光部位と前記受光光学系との間の距離間隔、および前記曲面状カバーの厚みを、前記受光光学系の焦点距離と前記曲面状カバーの曲率とに基づいて定めることを特徴としてもよい。
【００２１】
また、前記受光素子の前記受光部位と前記受光光学系との間の距離間隔、および前記曲面状カバーの厚みを、前記受光光学系の焦点距離と前記曲面状カバーの曲率とに基づいて前記受光素子の前記受光部位における受光量がほぼ最大となるように定めることが好ましい。
【００２２】
あるいは、本発明のレーザ受光ユニットは、開口部が形成された筐体と、前記開口部を覆うように配置されるとともに、前記筐体外部からのレーザ光を前記筐体内部へ透過させる曲面状カバーと、前記筐体の内部に配置されるとともに、レーザ光を受光する受光部位を有し、その受光部位における受光量に応じた信号を出力する受光素子と、前記筐体の内部に配置されるとともに、前記曲面状カバーを透過したレーザ光を前記受光素子の前記受光部位に結像させる受光光学系とを備え、前記受光素子の前記受光部位と前記受光光学系との間の距離間隔、前記受光光学系の焦点距離、および前記曲面状カバーの厚みおよび曲率を、前記受光素子の前記受光部位における受光量がほぼ最大となるように定めることを特徴としてもよい。
【発明の効果】
【００２３】
本発明のレーザ受光ユニットによれば、曲面状レンズカバーの受光光学系に対する影響を回避するだけではなく、レンズカバーを受光光学系の補助レンズとして利用することによって受光光学系の集光率を向上させることができて、結果的には全体としての性能向上を図ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の一実施形態に係るレーザ受光ユニット１の構成を模式的に示す概略図である。
【図２】レーザ受光ユニット１内部で受光レンズ４の位置を少しずつ変更してレンズカバー３側へと移動させた場合に、受光素子５の受光レベルがどのように変化するかの測定結果の一例を示すグラフである。
【図３】平板状のレンズカバー３Ａ（厚み：２ｍｍ）を使用した場合における受光レンズ４による集光状態の光学シミュレーションの結果の例を示す写真（画像）であって、図３（ａ）は受光素子５の受光面５ａから受光レンズ４までの距離間隔が受光レンズ４の焦点距離ｆ0に等しい場合であり、図３（ｂ）はその位置からの受光レンズ４のレンズカバー３Ａ側への移動距離Δｄが０．５ｍｍの場合である。
【図４】曲面状のレンズカバー３（曲率：Ｒ５０、厚み：２ｍｍ）を使用した場合における受光レンズ４による集光状態の光学シミュレーションの結果の例を示す写真（画像）であって、図４（ａ）は受光素子５の受光面５ａから受光レンズ４までの距離間隔が受光レンズ４の焦点距離ｆ0に等しい場合であり、図４（ｂ）はその位置からの受光レンズ４のレンズカバー３側への移動距離Δｄが０．５ｍｍの場合であり、図４（ｃ）は受光レンズ４の移動距離Δｄが１．０ｍｍの場合であり、図４（ｄ）は受光レンズ４の移動距離Δｄが１．５ｍｍの場合である。
【図５】平板状のレンズカバー３Ａの場合と曲面状のレンズカバー３の場合とを比較した概略説明図であり、図５（ａ）は平板状のレンズカバー３Ａが使用されている場合を示し、図５（ｂ）は曲面状のレンズカバー３が使用されるとともに受光レンズ４の位置がレンズカバー３側へ移動された場合を示す。
【図６】背景技術におけるレーザエリアセンサ１０１の概略構成図である。
【図７】レーザ光を利用する距離測定装置などにおいて、曲面状のレンズカバー１０３の影響を説明するための光学シミュレーションの概略説明図である。
【図８】光学シミュレーション結果の例を示す写真（画像）であって、図８（ａ）はレンズカバー１０３の曲率がＲ５０（内径：Ｒ４８）の場合であり、図８（ｂ）はレンズカバー１０３の曲率がＲ３０（内径：Ｒ２８）の場合である。
【図９】レンズカバーの影響によって結像点がずれてしまうことの概略説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。
【００２６】
図１は、本発明の一実施形態に係るレーザ受光ユニット１の構成を模式的に示す概略図である。なお、このようなレーザ受光ユニット１は、例えば、背景技術の説明で参照した図６のようなレーザエリアセンサ１０１などの測定装置に組み込まれるか、あるいは、レーザ光を投光する別体のレーザ投光ユニットなどと組み合わせて使用されるが、それらの構成などは周知であるから、ここでは説明を省略する。
【００２７】
図１に示すように、本実施形態に係るレーザ受光ユニット１は、一側面に比較的大きな開口部２ａが形成された箱形のケース２と、その開口部２ａを覆うようにはめ込まれて配置されるとともにケース２外部からのレーザ光をケース２内部へ透過させるレンズカバー３と、ケース２の内部に配置されるとともにレーザ光を受光する受光面５ａを有してその受光面５ａにおける受光量に応じた信号を出力する受光素子５と、ケース２の内部に配置されるとともにレンズカバー３を透過したレーザ光を受光素子５の受光面５ａに結像させる受光光学系としての受光レンズ４とを備えている。
【００２８】
ここで、レンズカバー３としては、例えば、ポリカーボネイト製であって外側凸の曲面状のものが挙げられるが、このようなものに限るわけではない。
【００２９】
受光レンズ４は、図１では単一の球面凸レンズとして図示されているが、受光光学系はこのような構成に限るものではなく、例えば、複数のレンズを組み合わせたり、非球面レンズなどを用いたりしてもよい。
【００３０】
受光素子５としては、例えば、アバランシェ・フォトダイオード（ＡＰＤ）が挙げられるが、これに限るものではない。
【００３１】
受光レンズ４と受光素子５との相対的な配置については、通常は、受光レンズ４によって集光されるレーザ光を受光素子５が最も効率よく受光できるように、受光素子５の受光面５ａと受光レンズ４との間の距離間隔がちょうど受光レンズ４の焦点距離ｆ0となるように配置される。ケース２内部における受光素子５の配置が先に決まっていれば、その受光素子５を基準にして受光レンズ４を配置することになる。
【００３２】
ところが、その場合の受光素子５の受光レベルを実際に測定したところ、レンズカバーが無い場合は約８２０ｍＶ、厚みが２ｍｍで平板状のレンズカバーの場合には約７３１ｍＶであったのに対して、それらより遙かに低い約３４７ｍＶしか出力されなかった。このように受光レベルがかなり低下したのは、レンズカバー３の曲率の影響によって水平方向のボケが形成され、受光素子５の受光面５ａにおけるレーザ光が減衰しているためであろうと考えられる。
【００３３】
なお、厚みが２ｍｍで平板状のレンズカバーの場合は、レンズカバーが無い場合と比較して受光レベルが約１０％低下しているが、これはレンズカバー３の材料のレーザ光の波長における減衰特性にほぼ合致している。
【００３４】
そこで、図９を参照して説明したように、レンズカバーが一種のレンズのような働きをすることでレンズカバーが無い状態に比べて結像点が後方へずれてしまうことなどを考慮して、レーザ受光ユニット１内部で受光レンズ４の位置を少しずつ変更してレンズカバー３側へと移動させた場合（受光レンズ４を基準にすれば、受光素子５までの距離間隔が広がることで受光素子５が後方にずれることと同等）に、受光素子５の受光レベルがどのように変化するかを測定した。この測定では、距離３０ｍで反射率１０％の物体に対してパルスレーザ光を照射するようにしており、受光レンズ４の位置を変更する都度、受光素子５の受光レベルを測定した。図２は、その測定結果の一例を示すグラフである。
【００３５】
この図２に示すように、受光レンズ４の位置をレンズカバー３側へと移動させると、受光素子５の受光レベルが次第に上昇し、レンズカバー３が無い場合の受光レベル（約８２０ｍＶ）にかなり近い受光レベルが得られることがわかった。受光レベルは、受光レンズ４の元の位置からの移動距離Δｄが１．０ｍｍのときにほぼ最大となり、そのときの受光レベルは約８１８ｍＶであった。
【００３６】
このことは、上述したような構成で曲面状のレンズカバー３が使用されているレーザ受光ユニット１において、受光レンズ４によって集光されるレーザ光を最も効率よく受光するためには、受光素子５と受光レンズ４との相対的な配置を、単に受光レンズ４の焦点距離ｆ0のみに基づいて定めるのではなく、焦点距離ｆ0に加えてレンズカバー３の曲率や厚みによる受光レベルへの影響も考慮した上で定めるべきということである。受光素子５と受光レンズ４との相対的配置としては、具体的には、例えば、受光素子５の受光面５ａと受光レンズ４との間の距離間隔が挙げられる。この場合、受光素子５の受光面５ａと受光レンズ４との間の距離間隔を、受光レンズ４の焦点距離ｆ0とレンズカバー３の曲率および厚みとに基づいて定めるべきということになる。あるいは、まずは受光素子５の受光面５ａと受光レンズ４との間の距離間隔の基準値を受光レンズ４の焦点距離ｆ0とした上で、レンズカバー３の曲率および厚みを考慮してその距離間隔を補正すべきということになる。
【００３７】
図３（ａ）および図３（ｂ）は、平板状のレンズカバー３Ａ（厚み：２ｍｍ）を使用した場合における受光レンズ４による集光状態の光学シミュレーションの結果の例を示す写真（画像）であって、図３（ａ）は受光素子５の受光面５ａから受光レンズ４までの距離間隔が受光レンズ４の焦点距離ｆ0に等しい場合であり、図３（ｂ）はその位置からの受光レンズ４のレンズカバー３Ａ側への移動距離Δｄが０．５ｍｍの場合である。
【００３８】
これらの図からわかるように、平板状のレンズカバー３Ａでは受光レンズ４の結像にほとんど影響を与えないため、図３（ａ）の場合には受光レンズ４を通った光がほぼ一点に結像している。
【００３９】
図３（ｂ）の場合のように受光素子５の受光面５ａから受光レンズ４までの距離間隔と受光レンズ４の焦点距離ｆ0とに差（Δｄ＝０．５ｍｍ）があると、それに従ってボケが生じるが、このボケはＸ軸方向やＹ軸方向などのいずれにも偏ることなく全方向に均等に生じている。
【００４０】
なお、図示は省略しているが、受光素子５の受光面５ａから受光レンズ４までの距離間隔と受光レンズ４の焦点距離ｆ0との差がさらに大きくなれば、それに応じてボケ量も大きくなるものの、そのボケはやはり全方向に均等に生じる。
【００４１】
図４（ａ）〜図４（ｄ）は、曲面状のレンズカバー３（曲率：Ｒ５０、厚み：２ｍｍ）を使用した場合における受光レンズ４による集光状態の光学シミュレーションの結果の例を示す写真（画像）であって、図４（ａ）は受光素子５の受光面５ａから受光レンズ４までの距離間隔が受光レンズ４の焦点距離ｆ0に等しい場合であり、図４（ｂ）はその位置からの受光レンズ４のレンズカバー３側への移動距離Δｄが０．５ｍｍの場合であり、図４（ｃ）は受光レンズ４の移動距離Δｄが１．０ｍｍの場合であり、図４（ｄ）は受光レンズ４の移動距離Δｄが１．５ｍｍの場合である。
【００４２】
これらの図と図３（ａ）および図３（ｂ）との比較から、曲面状のレンズカバー３は受光レンズ４の結像にかなり影響を与えることがわかる。図４（ａ）に示すように、受光素子５の受光面５ａから受光レンズ４までの距離間隔が受光レンズ４の焦点距離ｆ0に等しい場合でも、図３（ａ）の場合とはかなり異なっている。受光レンズ４を通った光は一点には結像せずにボケが生じており、また、そのボケも方向によって偏りが見られる。
【００４３】
受光レンズ４をレンズカバー３側へ移動させて受光面５ａから受光レンズ４までの距離間隔と受光レンズ４の焦点距離ｆ0との差を０．５ｍｍにすると、図４（ｂ）に示すように、Ｙ軸方向のボケ量はあまり変化しないものの、Ｘ軸方向ではボケ量がむしろ減少する。
【００４４】
受光レンズ４をレンズカバー３側へさらに０．５ｍｍ移動させて移動距離Δｄ＝１．０ｍｍとすると、図４（ｃ）に示すように、Ｙ軸方向のボケ量はあまり変化しないものの、Ｘ軸方向ではボケ量がさらに減少する。
【００４５】
しかし、受光レンズ４をレンズカバー３側へさらに０．５ｍｍ移動させて移動距離Δｄ＝１．５ｍｍとすると、図４（ｄ）に示すように、ボケ量がＸ軸方向およびＹ軸方向の両方で拡大してしまう。
【００４６】
このように、図４（ａ）〜図４（ｄ）の中ではボケ量が最も小さいのは図４（ｃ）であるが、これは図２を参照して説明した実際の測定結果とも概ね一致する。
【００４７】
図５は、平板状のレンズカバー３Ａの場合と曲面状のレンズカバー３の場合とを比較した概略説明図であり、図５（ａ）は平板状のレンズカバー３Ａが使用されている場合を示し、図５（ｂ）は曲面状のレンズカバー３が使用されるとともに受光レンズ４の位置がレンズカバー３側へ移動された場合を示す。
【００４８】
図５（ｂ）に示されるように、受光レンズ４の位置を曲面状のレンズカバー３側へと所定距離Δｆだけ移動させたときに受光レンズ４によって集光されるレーザ光が最も効率よく受光されるということは、受光レンズ４の焦点距離ｆ0がレンズカバー３の影響によって実質的にΔｆに相当する距離だけ付加された（伸張された）とみることもできる。
【００４９】
このとき、レンズカバー３の曲率の影響によってレンズカバー３内での受光レンズ４周辺の光軸が変化し、受光レンズ４のｆ値に対して遠方方向へ影響を与えていることがわかる。さらに、これによって実質的な光軸面積が増加（増加分をΔＳとする）するので、受光レンズ４を透過するレーザ光がより多く集光されて受光素子５の受光面５ａに到達することになる。図２を参照して説明したように、受光レンズ４の移動距離Δｄが１．０ｍｍのときには、受光レンズ４の透過に伴うレーザ光の減衰があるにも関わらず、レンズカバー３が無い場合の受光レベルにかなり近い受光レベルが得られたこともこれで説明がつくと考えられる。
【００５０】
以上のことから、レーザ光を利用する測定装置などのレーザ受光ユニットにおいて、曲面状のレンズカバー３（特に曲率が大きくて厚いもの）が使用されており、且つ、特にレンズカバー３内にてレンズカバー３の直径に比較的近いような大口径（例えば１／３以上）の受光レンズ４が使用されている場合には、レンズカバー３が受光レンズ４の結像性能に与える影響が大きいと考えられるため、受光レンズ４を含む受光光学系全体の光学設計においては、受光レンズ４と受光素子５との相対的な配置を、受光レンズ４の焦点距離だけではなくレンズカバー３の曲率および厚みにも基づいて定める必要がある。
【００５１】
そのようにして、受光レンズ４と受光素子５との相対的な配置を光学的に最適設計すれば、曲面状のレンズカバー３が受光レンズ４の結像性能に与える悪影響を抑制できるだけでなく、むしろ、レンズカバー３を受光レンズ４の補助レンズとして利用することも可能になって受光レンズの集光率を向上させ、結果的には全体としての性能向上を図ることが可能となる。
【００５２】
上述した実施形態では、曲面状のレンズカバー３の仕様（直径、曲率、厚み）および受光レンズ４の仕様（口径、焦点距離）などが予め定まっているものとして、ケース２内部における受光素子５の位置を基準に受光レンズ４を最適に配置する光学設計方法の一例を説明した。
【００５３】
ただし、本願発明はこのような最適化方法に限るものではない。赤外線やレーザ光の受光素子の受光面への結像を行う受光レンズなどの光学設計において、レンズカバーの存在も考慮するとともに、むしろ、受光レンズによる結像をレンズカバーが光学的に補完するような働きをさせることも積極的に意図して光学設計を行うというのが本願発明の技術的思想である。
【００５４】
したがって、上記のレンズカバー３の仕様や受光レンズ４の仕様が予め定まっていて変更不可と限定する必要はない。それらの仕様の一部も必要に応じて変化させることによって全体として最適化を図ってもよい。
【００５５】
例えば、レンズカバー３の厚みを、受光素子５の受光面５ａと受光レンズ４との間の距離間隔と、受光レンズ４の焦点距離ｆ0と、レンズカバー３の曲率とに基づいて、最適値（受光素子５の受光レベルが極力大きくなるような値）に設定することが挙げられる。
【００５６】
また、レンズカバー３の厚みと、受光素子５の受光面５ａと受光レンズ４との間の距離間隔とを、受光レンズ４の焦点距離ｆ0と、レンズカバー３の曲率とに基づいて、それぞれ最適値（受光素子５の受光レベルが極力大きくなるような値）に設定することも挙げられる。
【００５７】
また、受光素子５の受光面５ａと受光レンズ４との間の距離間隔と、受光レンズ４の焦点距離ｆ0と、レンズカバー３の厚みおよび曲率とを総合して、受光素子５の受光レベルが極力大きくなるように設定することなども挙げられるが、これらに限られるわけではない。さらに、レンズカバー３および受光レンズ４間の距離なども考慮に入れてもよい。
【００５８】
このような最適値を求めるには、例えば、図２を参照して説明したように、各パラメータを変更しながら実際に受光レベルを測定し、その測定結果に基づいて最適値を求めてもよい。あるいは、実際の測定を行うのではなく、図３を参照して説明したように、受光レンズ４による集光状態の光学シミュレーションを、各パラメータを変更しながら様々な条件で行い、その結果を総合的に判断して最適値を求めてもよい。
【００５９】
なお、本発明は、その主旨または主要な特徴から逸脱することなく、他のいろいろな形で実施することができる。そのため、上述の実施形態はあらゆる点で単なる例示にすぎず、限定的に解釈してはならない。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示すものであって、明細書本文にはなんら拘束されない。さらに、特許請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、全て本発明の範囲内のものである。
【符号の説明】
【００６０】
１ レーザ受光ユニット
２ ケース
２ａ ケース開口部
３ レンズカバー（曲面状）
３Ａ レンズカバー（平板状）
４ 受光レンズ
５ 受光素子
５ａ 受光面
ｆ0 焦点距離
Δｄ 受光レンズの基準位置からの移動距離
【技術分野】
【０００１】
本発明は、赤外線やレーザ光を利用する測定装置などの受光ユニットに関し、特に、レーザ光を利用するとともに曲面状レンズカバーが使用される測定装置などのレーザ受光ユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、赤外線によって侵入者などを検知する赤外線感知器やレーザ光を利用して距離などを測定する距離測定装置などにおいては、それらの筐体の内部に受光素子とその受光素子の受光面への結像を行う受光レンズ（受光光学系）とが配置されるとともに、筐体の前面などに形成された開口部にはレンズカバーがはめ込まれて配置されている。赤外線やレーザ光はこのレンズカバーを透過して筐体の内部へと入り、さらに受光レンズによって受光素子の受光面に結像することになる（例えば、特許文献１および特許文献２参照。）。
【０００３】
このようなレンズカバーの主な目的としては、検知や測定に不要な波長成分の光の除去、外部からの衝撃などの防止による内部保護などが挙げられる。また、屋外への設置が想定されるものでは、雨や雪などの水分や風が運んでくる土、砂、埃などの内部への浸入防止も重要な目的となる。
【０００４】
赤外線やレーザ光の受光素子の受光面への結像自体はあくまでも受光レンズによって行われるから、受光レンズなどの光学設計においてレンズカバーの存在やその影響が特に厳密に考慮されることはなかった。
【０００５】
赤外線を用いる赤外線感知器では、上述したようなレンズカバーの存在によって、不要な波長成分の光が除去されるだけでなく必要な近赤外領域の光も若干減衰するために感度がやや低下することがあるものの、受光レンズの結像性能に直接的な影響を与えることはほとんどないと考えられる。
【０００６】
レーザ光を利用する距離測定装置としては、例えば、図６に示すようなレーザエリアセンサ１０１も挙げられる。このレーザエリアセンサ１０１は、レーザ投光部１１０と、受光レンズ１２４および受光素子１２５を有するレーザ受光部１２０と、レーザ投光部１１０およびレーザ受光部１２０による距離測定方向を変える走査機構１３０などを筐体１０２内に備え、走査機構１３０によって周期的に測定方向を変えながら距離測定を行うように構成されている。
【０００７】
レーザ光は赤外線とは異なり、干渉性の高いコヒーレント光であるという特徴を有している。ただ、レーザエリアセンサ１０１のレーザ受光部１２０に使用されている受光レンズカバー１２３は平板状であるため、上述した赤外線感知器と同様に感度がやや低下することはあり得るものの、受光素子１２５の受光面に対する受光レンズ１２４の結像性能にはほとんど影響を与えなかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００５−２４１５５４号公報
【特許文献２】特開２００２−２８６８４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところが、同じくレーザ光を利用する距離測定装置などにおいても、レンズカバーが平板状ではなくて例えば曲面状であって、且つ厚みが一定以上ある場合には、レンズカバーの曲率および厚みなどによって光路が屈折し、内部の受光レンズに対して集光率の大幅な悪化を招くなど、結像性能に明らかに影響を与えることがあることがわかった。なお、これには、レーザ光の受光素子としてよく用いられるアバランシェ・フォトダイオード（ＡＰＤ）の結像点がかなり厳密であることも影響していると考えられる。
【００１０】
図７は、レーザ光を利用する距離測定装置などにおいて、曲面状のレンズカバー１０３の影響を説明するための光学シミュレーションの概略説明図である。この光学シミュレーションでは、レンズカバー１０３としてはポリカーボネイト素材で厚みが２ｍｍ、レンズカバー１０３から結像点までの距離は５００ｍｍとして、レンズカバー１０３正面からΦ２０ｍｍの平行光を当てたときの結像点のＸ軸方向（水平軸方向）およびＹ軸方向（鉛直軸方向）それぞれの変位量を求めている。また、図８（ａ）および図８（ｂ）は、その光学シミュレーション結果の例を示す写真（画像）であって、図８（ａ）はレンズカバー１０３の曲率がＲ５０（内径：Ｒ４８）の場合であり、図８（ｂ）はレンズカバー１０３の曲率がＲ３０（内径：Ｒ２８）の場合である。
【００１１】
これらの図８（ａ）および図８（ｂ）で示すように、レンズカバー１０３の曲率によって平行光のボケが生じているが、ボケ量は図８（ｂ）の方が大きい。平行光の直径に対して、レンズカバー１０３の曲率が大きいほど平行光の両端（Ｘ軸方向）における影響が強くなるからである。Ｘ軸方向でのボケはレンズカバー１０３の曲率の大きさに比例して大きくなり、Ｘ軸両端での結像点は本来の結像点よりも外側方向へ離れることになる。
【００１２】
このことは、レンズカバー内にてレンズカバーの直径に近いような大口径の集光レンズを使用している場合に、特にレンズカバーの影響が大きいということになり、集光レンズのｆ値（焦点距離）に基ずいた光学設計値などが最適値から外れてしまい得るということを示す。つまり、レンズカバー内にて光学系を持つ赤外線センサやレーザユニットなどにおいて、このレンズカバー内径に近似のレンズ径を持つ場合には、レンズのｆ値に従った結像点に受光素子の受光面を配置しても、レンズカバーの影響によるＸ軸方向のボケが大きく、結果として受光素子の受光面での受光量が減少することになって、赤外線センサやレーザユニットなどの性能に大きく影響を与えてしまう。
【００１３】
図９は、レンズカバーの影響によって結像点がずれてしまうことの概略説明図である。この図に示すように、Ｙ軸方向については結像点Ｐｙはレンズのｆ値に従った本来の位置のままである。ところが、Ｘ軸方向については、レンズカバーの曲率および厚みなどによって結像点Ｐｘが変化して移動している。具体的には、Ｘ軸方向ではレンズカバーが一種のレンズのような働きをするため、レンズカバーが無い状態に比べて結像点Ｐｘが後方へ一定量（図９のΔＰｘ）ずれることになる。
【００１４】
従来技術のこのような課題に鑑み、本発明の目的は、レーザ光を利用したレーザ受光ユニットにおいて、特に受光レンズの直径とそれに組み合わせる曲面状レンズカバーの直径とが近似している場合に、レンズカバーの曲率や厚み、あるいは受光レンズまでの距離などを適切に設定することによって、上述したようなレンズカバーの受光レンズに対する影響を回避するだけではなく、レンズカバーを受光レンズの補助レンズとして利用することによって受光レンズの集光率を向上させることが可能なレーザ受光ユニットを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記目的を達成するため、本発明のレーザ受光ユニットは、開口部が形成された筐体と、前記開口部を覆うように配置されるとともに、前記筐体外部からのレーザ光を前記筐体内部へ透過させる曲面状カバーと、前記筐体の内部に配置されるとともに、レーザ光を受光する受光部位を有し、その受光部位における受光量に応じた信号を出力する受光素子と、前記筐体の内部に配置されるとともに、前記曲面状カバーを透過したレーザ光を前記受光素子の前記受光部位に結像させる受光光学系とを備え、前記受光素子と前記受光光学系との相対的な配置を、前記受光光学系の焦点距離と前記曲面状カバーの曲率および厚みとに基づいて定めることを特徴とする。
【００１６】
ここで、前記受光素子と前記受光光学系との相対的な配置とは、例えば、前記受光素子の前記受光部位と前記受光光学系との間の距離間隔が挙げられる。また、これらを、前記受光光学系の焦点距離と前記曲面状カバーの曲率および厚みとに基づいて前記受光素子の前記受光部位における受光量がほぼ最大となるように定めることが好ましい。
【００１７】
この場合、受光量が厳密な最大値に達していなくても、最大値に近づくように極力大きくなっていれば、通常は問題になることはあまりない。また、ここでいう「最大値」とは、変更可能な各パラメータの全範囲の組み合わせなどから唯一定まるような最大値に必ずしも限られない。現実的な製品設計などの制約も考慮した上で各パラメータをそれぞれの所定範囲内で変化させ、そのときの「極大値」を代わりに用いてもよい。
【００１８】
あるいは、本発明のレーザ受光ユニットは、開口部が形成された筐体と、前記開口部を覆うように配置されるとともに、前記筐体外部からのレーザ光を前記筐体内部へ透過させる曲面状カバーと、前記筐体の内部に配置されるとともに、レーザ光を受光する受光部位を有し、その受光部位における受光量に応じた信号を出力する受光素子と、前記筐体の内部に配置されるとともに、前記曲面状カバーを透過したレーザ光を前記受光素子の前記受光部位に結像させる受光光学系とを備え、前記曲面状カバーの厚みを、前記受光素子と前記受光光学系との相対的な配置と、前記受光光学系の焦点距離と、前記曲面状カバーの曲率とに基づいて定めることを特徴としてもよい。
【００１９】
また、前記曲面状カバーの厚みを、前記受光素子の前記受光部位と前記受光光学系との間の距離間隔と、前記受光光学系の焦点距離と、前記曲面状カバーの曲率とに基づいて前記受光素子の前記受光部位における受光量がほぼ最大となるように定めることが好ましい。
【００２０】
あるいは、本発明のレーザ受光ユニットは、開口部が形成された筐体と、前記開口部を覆うように配置されるとともに、前記筐体外部からのレーザ光を前記筐体内部へ透過させる曲面状カバーと、前記筐体の内部に配置されるとともに、レーザ光を受光する受光部位を有し、その受光部位における受光量に応じた信号を出力する受光素子と、前記筐体の内部に配置されるとともに、前記曲面状カバーを透過したレーザ光を前記受光素子の前記受光部位に結像させる受光光学系とを備え、前記受光素子の前記受光部位と前記受光光学系との間の距離間隔、および前記曲面状カバーの厚みを、前記受光光学系の焦点距離と前記曲面状カバーの曲率とに基づいて定めることを特徴としてもよい。
【００２１】
また、前記受光素子の前記受光部位と前記受光光学系との間の距離間隔、および前記曲面状カバーの厚みを、前記受光光学系の焦点距離と前記曲面状カバーの曲率とに基づいて前記受光素子の前記受光部位における受光量がほぼ最大となるように定めることが好ましい。
【００２２】
あるいは、本発明のレーザ受光ユニットは、開口部が形成された筐体と、前記開口部を覆うように配置されるとともに、前記筐体外部からのレーザ光を前記筐体内部へ透過させる曲面状カバーと、前記筐体の内部に配置されるとともに、レーザ光を受光する受光部位を有し、その受光部位における受光量に応じた信号を出力する受光素子と、前記筐体の内部に配置されるとともに、前記曲面状カバーを透過したレーザ光を前記受光素子の前記受光部位に結像させる受光光学系とを備え、前記受光素子の前記受光部位と前記受光光学系との間の距離間隔、前記受光光学系の焦点距離、および前記曲面状カバーの厚みおよび曲率を、前記受光素子の前記受光部位における受光量がほぼ最大となるように定めることを特徴としてもよい。
【発明の効果】
【００２３】
本発明のレーザ受光ユニットによれば、曲面状レンズカバーの受光光学系に対する影響を回避するだけではなく、レンズカバーを受光光学系の補助レンズとして利用することによって受光光学系の集光率を向上させることができて、結果的には全体としての性能向上を図ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の一実施形態に係るレーザ受光ユニット１の構成を模式的に示す概略図である。
【図２】レーザ受光ユニット１内部で受光レンズ４の位置を少しずつ変更してレンズカバー３側へと移動させた場合に、受光素子５の受光レベルがどのように変化するかの測定結果の一例を示すグラフである。
【図３】平板状のレンズカバー３Ａ（厚み：２ｍｍ）を使用した場合における受光レンズ４による集光状態の光学シミュレーションの結果の例を示す写真（画像）であって、図３（ａ）は受光素子５の受光面５ａから受光レンズ４までの距離間隔が受光レンズ４の焦点距離ｆ0に等しい場合であり、図３（ｂ）はその位置からの受光レンズ４のレンズカバー３Ａ側への移動距離Δｄが０．５ｍｍの場合である。
【図４】曲面状のレンズカバー３（曲率：Ｒ５０、厚み：２ｍｍ）を使用した場合における受光レンズ４による集光状態の光学シミュレーションの結果の例を示す写真（画像）であって、図４（ａ）は受光素子５の受光面５ａから受光レンズ４までの距離間隔が受光レンズ４の焦点距離ｆ0に等しい場合であり、図４（ｂ）はその位置からの受光レンズ４のレンズカバー３側への移動距離Δｄが０．５ｍｍの場合であり、図４（ｃ）は受光レンズ４の移動距離Δｄが１．０ｍｍの場合であり、図４（ｄ）は受光レンズ４の移動距離Δｄが１．５ｍｍの場合である。
【図５】平板状のレンズカバー３Ａの場合と曲面状のレンズカバー３の場合とを比較した概略説明図であり、図５（ａ）は平板状のレンズカバー３Ａが使用されている場合を示し、図５（ｂ）は曲面状のレンズカバー３が使用されるとともに受光レンズ４の位置がレンズカバー３側へ移動された場合を示す。
【図６】背景技術におけるレーザエリアセンサ１０１の概略構成図である。
【図７】レーザ光を利用する距離測定装置などにおいて、曲面状のレンズカバー１０３の影響を説明するための光学シミュレーションの概略説明図である。
【図８】光学シミュレーション結果の例を示す写真（画像）であって、図８（ａ）はレンズカバー１０３の曲率がＲ５０（内径：Ｒ４８）の場合であり、図８（ｂ）はレンズカバー１０３の曲率がＲ３０（内径：Ｒ２８）の場合である。
【図９】レンズカバーの影響によって結像点がずれてしまうことの概略説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。
【００２６】
図１は、本発明の一実施形態に係るレーザ受光ユニット１の構成を模式的に示す概略図である。なお、このようなレーザ受光ユニット１は、例えば、背景技術の説明で参照した図６のようなレーザエリアセンサ１０１などの測定装置に組み込まれるか、あるいは、レーザ光を投光する別体のレーザ投光ユニットなどと組み合わせて使用されるが、それらの構成などは周知であるから、ここでは説明を省略する。
【００２７】
図１に示すように、本実施形態に係るレーザ受光ユニット１は、一側面に比較的大きな開口部２ａが形成された箱形のケース２と、その開口部２ａを覆うようにはめ込まれて配置されるとともにケース２外部からのレーザ光をケース２内部へ透過させるレンズカバー３と、ケース２の内部に配置されるとともにレーザ光を受光する受光面５ａを有してその受光面５ａにおける受光量に応じた信号を出力する受光素子５と、ケース２の内部に配置されるとともにレンズカバー３を透過したレーザ光を受光素子５の受光面５ａに結像させる受光光学系としての受光レンズ４とを備えている。
【００２８】
ここで、レンズカバー３としては、例えば、ポリカーボネイト製であって外側凸の曲面状のものが挙げられるが、このようなものに限るわけではない。
【００２９】
受光レンズ４は、図１では単一の球面凸レンズとして図示されているが、受光光学系はこのような構成に限るものではなく、例えば、複数のレンズを組み合わせたり、非球面レンズなどを用いたりしてもよい。
【００３０】
受光素子５としては、例えば、アバランシェ・フォトダイオード（ＡＰＤ）が挙げられるが、これに限るものではない。
【００３１】
受光レンズ４と受光素子５との相対的な配置については、通常は、受光レンズ４によって集光されるレーザ光を受光素子５が最も効率よく受光できるように、受光素子５の受光面５ａと受光レンズ４との間の距離間隔がちょうど受光レンズ４の焦点距離ｆ0となるように配置される。ケース２内部における受光素子５の配置が先に決まっていれば、その受光素子５を基準にして受光レンズ４を配置することになる。
【００３２】
ところが、その場合の受光素子５の受光レベルを実際に測定したところ、レンズカバーが無い場合は約８２０ｍＶ、厚みが２ｍｍで平板状のレンズカバーの場合には約７３１ｍＶであったのに対して、それらより遙かに低い約３４７ｍＶしか出力されなかった。このように受光レベルがかなり低下したのは、レンズカバー３の曲率の影響によって水平方向のボケが形成され、受光素子５の受光面５ａにおけるレーザ光が減衰しているためであろうと考えられる。
【００３３】
なお、厚みが２ｍｍで平板状のレンズカバーの場合は、レンズカバーが無い場合と比較して受光レベルが約１０％低下しているが、これはレンズカバー３の材料のレーザ光の波長における減衰特性にほぼ合致している。
【００３４】
そこで、図９を参照して説明したように、レンズカバーが一種のレンズのような働きをすることでレンズカバーが無い状態に比べて結像点が後方へずれてしまうことなどを考慮して、レーザ受光ユニット１内部で受光レンズ４の位置を少しずつ変更してレンズカバー３側へと移動させた場合（受光レンズ４を基準にすれば、受光素子５までの距離間隔が広がることで受光素子５が後方にずれることと同等）に、受光素子５の受光レベルがどのように変化するかを測定した。この測定では、距離３０ｍで反射率１０％の物体に対してパルスレーザ光を照射するようにしており、受光レンズ４の位置を変更する都度、受光素子５の受光レベルを測定した。図２は、その測定結果の一例を示すグラフである。
【００３５】
この図２に示すように、受光レンズ４の位置をレンズカバー３側へと移動させると、受光素子５の受光レベルが次第に上昇し、レンズカバー３が無い場合の受光レベル（約８２０ｍＶ）にかなり近い受光レベルが得られることがわかった。受光レベルは、受光レンズ４の元の位置からの移動距離Δｄが１．０ｍｍのときにほぼ最大となり、そのときの受光レベルは約８１８ｍＶであった。
【００３６】
このことは、上述したような構成で曲面状のレンズカバー３が使用されているレーザ受光ユニット１において、受光レンズ４によって集光されるレーザ光を最も効率よく受光するためには、受光素子５と受光レンズ４との相対的な配置を、単に受光レンズ４の焦点距離ｆ0のみに基づいて定めるのではなく、焦点距離ｆ0に加えてレンズカバー３の曲率や厚みによる受光レベルへの影響も考慮した上で定めるべきということである。受光素子５と受光レンズ４との相対的配置としては、具体的には、例えば、受光素子５の受光面５ａと受光レンズ４との間の距離間隔が挙げられる。この場合、受光素子５の受光面５ａと受光レンズ４との間の距離間隔を、受光レンズ４の焦点距離ｆ0とレンズカバー３の曲率および厚みとに基づいて定めるべきということになる。あるいは、まずは受光素子５の受光面５ａと受光レンズ４との間の距離間隔の基準値を受光レンズ４の焦点距離ｆ0とした上で、レンズカバー３の曲率および厚みを考慮してその距離間隔を補正すべきということになる。
【００３７】
図３（ａ）および図３（ｂ）は、平板状のレンズカバー３Ａ（厚み：２ｍｍ）を使用した場合における受光レンズ４による集光状態の光学シミュレーションの結果の例を示す写真（画像）であって、図３（ａ）は受光素子５の受光面５ａから受光レンズ４までの距離間隔が受光レンズ４の焦点距離ｆ0に等しい場合であり、図３（ｂ）はその位置からの受光レンズ４のレンズカバー３Ａ側への移動距離Δｄが０．５ｍｍの場合である。
【００３８】
これらの図からわかるように、平板状のレンズカバー３Ａでは受光レンズ４の結像にほとんど影響を与えないため、図３（ａ）の場合には受光レンズ４を通った光がほぼ一点に結像している。
【００３９】
図３（ｂ）の場合のように受光素子５の受光面５ａから受光レンズ４までの距離間隔と受光レンズ４の焦点距離ｆ0とに差（Δｄ＝０．５ｍｍ）があると、それに従ってボケが生じるが、このボケはＸ軸方向やＹ軸方向などのいずれにも偏ることなく全方向に均等に生じている。
【００４０】
なお、図示は省略しているが、受光素子５の受光面５ａから受光レンズ４までの距離間隔と受光レンズ４の焦点距離ｆ0との差がさらに大きくなれば、それに応じてボケ量も大きくなるものの、そのボケはやはり全方向に均等に生じる。
【００４１】
図４（ａ）〜図４（ｄ）は、曲面状のレンズカバー３（曲率：Ｒ５０、厚み：２ｍｍ）を使用した場合における受光レンズ４による集光状態の光学シミュレーションの結果の例を示す写真（画像）であって、図４（ａ）は受光素子５の受光面５ａから受光レンズ４までの距離間隔が受光レンズ４の焦点距離ｆ0に等しい場合であり、図４（ｂ）はその位置からの受光レンズ４のレンズカバー３側への移動距離Δｄが０．５ｍｍの場合であり、図４（ｃ）は受光レンズ４の移動距離Δｄが１．０ｍｍの場合であり、図４（ｄ）は受光レンズ４の移動距離Δｄが１．５ｍｍの場合である。
【００４２】
これらの図と図３（ａ）および図３（ｂ）との比較から、曲面状のレンズカバー３は受光レンズ４の結像にかなり影響を与えることがわかる。図４（ａ）に示すように、受光素子５の受光面５ａから受光レンズ４までの距離間隔が受光レンズ４の焦点距離ｆ0に等しい場合でも、図３（ａ）の場合とはかなり異なっている。受光レンズ４を通った光は一点には結像せずにボケが生じており、また、そのボケも方向によって偏りが見られる。
【００４３】
受光レンズ４をレンズカバー３側へ移動させて受光面５ａから受光レンズ４までの距離間隔と受光レンズ４の焦点距離ｆ0との差を０．５ｍｍにすると、図４（ｂ）に示すように、Ｙ軸方向のボケ量はあまり変化しないものの、Ｘ軸方向ではボケ量がむしろ減少する。
【００４４】
受光レンズ４をレンズカバー３側へさらに０．５ｍｍ移動させて移動距離Δｄ＝１．０ｍｍとすると、図４（ｃ）に示すように、Ｙ軸方向のボケ量はあまり変化しないものの、Ｘ軸方向ではボケ量がさらに減少する。
【００４５】
しかし、受光レンズ４をレンズカバー３側へさらに０．５ｍｍ移動させて移動距離Δｄ＝１．５ｍｍとすると、図４（ｄ）に示すように、ボケ量がＸ軸方向およびＹ軸方向の両方で拡大してしまう。
【００４６】
このように、図４（ａ）〜図４（ｄ）の中ではボケ量が最も小さいのは図４（ｃ）であるが、これは図２を参照して説明した実際の測定結果とも概ね一致する。
【００４７】
図５は、平板状のレンズカバー３Ａの場合と曲面状のレンズカバー３の場合とを比較した概略説明図であり、図５（ａ）は平板状のレンズカバー３Ａが使用されている場合を示し、図５（ｂ）は曲面状のレンズカバー３が使用されるとともに受光レンズ４の位置がレンズカバー３側へ移動された場合を示す。
【００４８】
図５（ｂ）に示されるように、受光レンズ４の位置を曲面状のレンズカバー３側へと所定距離Δｆだけ移動させたときに受光レンズ４によって集光されるレーザ光が最も効率よく受光されるということは、受光レンズ４の焦点距離ｆ0がレンズカバー３の影響によって実質的にΔｆに相当する距離だけ付加された（伸張された）とみることもできる。
【００４９】
このとき、レンズカバー３の曲率の影響によってレンズカバー３内での受光レンズ４周辺の光軸が変化し、受光レンズ４のｆ値に対して遠方方向へ影響を与えていることがわかる。さらに、これによって実質的な光軸面積が増加（増加分をΔＳとする）するので、受光レンズ４を透過するレーザ光がより多く集光されて受光素子５の受光面５ａに到達することになる。図２を参照して説明したように、受光レンズ４の移動距離Δｄが１．０ｍｍのときには、受光レンズ４の透過に伴うレーザ光の減衰があるにも関わらず、レンズカバー３が無い場合の受光レベルにかなり近い受光レベルが得られたこともこれで説明がつくと考えられる。
【００５０】
以上のことから、レーザ光を利用する測定装置などのレーザ受光ユニットにおいて、曲面状のレンズカバー３（特に曲率が大きくて厚いもの）が使用されており、且つ、特にレンズカバー３内にてレンズカバー３の直径に比較的近いような大口径（例えば１／３以上）の受光レンズ４が使用されている場合には、レンズカバー３が受光レンズ４の結像性能に与える影響が大きいと考えられるため、受光レンズ４を含む受光光学系全体の光学設計においては、受光レンズ４と受光素子５との相対的な配置を、受光レンズ４の焦点距離だけではなくレンズカバー３の曲率および厚みにも基づいて定める必要がある。
【００５１】
そのようにして、受光レンズ４と受光素子５との相対的な配置を光学的に最適設計すれば、曲面状のレンズカバー３が受光レンズ４の結像性能に与える悪影響を抑制できるだけでなく、むしろ、レンズカバー３を受光レンズ４の補助レンズとして利用することも可能になって受光レンズの集光率を向上させ、結果的には全体としての性能向上を図ることが可能となる。
【００５２】
上述した実施形態では、曲面状のレンズカバー３の仕様（直径、曲率、厚み）および受光レンズ４の仕様（口径、焦点距離）などが予め定まっているものとして、ケース２内部における受光素子５の位置を基準に受光レンズ４を最適に配置する光学設計方法の一例を説明した。
【００５３】
ただし、本願発明はこのような最適化方法に限るものではない。赤外線やレーザ光の受光素子の受光面への結像を行う受光レンズなどの光学設計において、レンズカバーの存在も考慮するとともに、むしろ、受光レンズによる結像をレンズカバーが光学的に補完するような働きをさせることも積極的に意図して光学設計を行うというのが本願発明の技術的思想である。
【００５４】
したがって、上記のレンズカバー３の仕様や受光レンズ４の仕様が予め定まっていて変更不可と限定する必要はない。それらの仕様の一部も必要に応じて変化させることによって全体として最適化を図ってもよい。
【００５５】
例えば、レンズカバー３の厚みを、受光素子５の受光面５ａと受光レンズ４との間の距離間隔と、受光レンズ４の焦点距離ｆ0と、レンズカバー３の曲率とに基づいて、最適値（受光素子５の受光レベルが極力大きくなるような値）に設定することが挙げられる。
【００５６】
また、レンズカバー３の厚みと、受光素子５の受光面５ａと受光レンズ４との間の距離間隔とを、受光レンズ４の焦点距離ｆ0と、レンズカバー３の曲率とに基づいて、それぞれ最適値（受光素子５の受光レベルが極力大きくなるような値）に設定することも挙げられる。
【００５７】
また、受光素子５の受光面５ａと受光レンズ４との間の距離間隔と、受光レンズ４の焦点距離ｆ0と、レンズカバー３の厚みおよび曲率とを総合して、受光素子５の受光レベルが極力大きくなるように設定することなども挙げられるが、これらに限られるわけではない。さらに、レンズカバー３および受光レンズ４間の距離なども考慮に入れてもよい。
【００５８】
このような最適値を求めるには、例えば、図２を参照して説明したように、各パラメータを変更しながら実際に受光レベルを測定し、その測定結果に基づいて最適値を求めてもよい。あるいは、実際の測定を行うのではなく、図３を参照して説明したように、受光レンズ４による集光状態の光学シミュレーションを、各パラメータを変更しながら様々な条件で行い、その結果を総合的に判断して最適値を求めてもよい。
【００５９】
なお、本発明は、その主旨または主要な特徴から逸脱することなく、他のいろいろな形で実施することができる。そのため、上述の実施形態はあらゆる点で単なる例示にすぎず、限定的に解釈してはならない。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示すものであって、明細書本文にはなんら拘束されない。さらに、特許請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、全て本発明の範囲内のものである。
【符号の説明】
【００６０】
１ レーザ受光ユニット
２ ケース
２ａ ケース開口部
３ レンズカバー（曲面状）
３Ａ レンズカバー（平板状）
４ 受光レンズ
５ 受光素子
５ａ 受光面
ｆ0 焦点距離
Δｄ 受光レンズの基準位置からの移動距離
【特許請求の範囲】
【請求項１】
開口部が形成された筐体と、
前記開口部を覆うように配置されるとともに、前記筐体外部からのレーザ光を前記筐体内部へ透過させる曲面状カバーと、
前記筐体の内部に配置されるとともに、レーザ光を受光する受光部位を有し、その受光部位における受光量に応じた信号を出力する受光素子と、
前記筐体の内部に配置されるとともに、前記曲面状カバーを透過したレーザ光を前記受光素子の前記受光部位に結像させる受光光学系と
を備え、
前記受光素子と前記受光光学系との相対的な配置を、前記受光光学系の焦点距離と前記曲面状カバーの曲率および厚みとに基づいて定めることを特徴とするレーザ受光ユニット。
【請求項２】
請求項１に記載のレーザ受光ユニットにおいて、
前記受光素子の前記受光部位と前記受光光学系との間の距離間隔を、前記受光光学系の焦点距離と前記曲面状カバーの曲率および厚みとに基づいて定めることを特徴とするレーザ受光ユニット。
【請求項３】
請求項２に記載のレーザ受光ユニットにおいて、
前記受光素子の前記受光部位と前記受光光学系との間の距離間隔を、前記受光光学系の焦点距離と前記曲面状カバーの曲率および厚みとに基づいて前記受光素子の前記受光部位における受光量がほぼ最大となるように定めることを特徴とするレーザ受光ユニット。
【請求項４】
開口部が形成された筐体と、
前記開口部を覆うように配置されるとともに、前記筐体外部からのレーザ光を前記筐体内部へ透過させる曲面状カバーと、
前記筐体の内部に配置されるとともに、レーザ光を受光する受光部位を有し、その受光部位における受光量に応じた信号を出力する受光素子と、
前記筐体の内部に配置されるとともに、前記曲面状カバーを透過したレーザ光を前記受光素子の前記受光部位に結像させる受光光学系と
を備え、
前記曲面状カバーの厚みを、前記受光素子と前記受光光学系との相対的な配置と、前記受光光学系の焦点距離と、前記曲面状カバーの曲率とに基づいて定めることを特徴とするレーザ受光ユニット。
【請求項５】
請求項４に記載のレーザ受光ユニットにおいて、
前記曲面状カバーの厚みを、前記受光素子の前記受光部位と前記受光光学系との間の距離間隔と、前記受光光学系の焦点距離と、前記曲面状カバーの曲率とに基づいて前記受光素子の前記受光部位における受光量がほぼ最大となるように定めることを特徴とするレーザ受光ユニット。
【請求項６】
開口部が形成された筐体と、
前記開口部を覆うように配置されるとともに、前記筐体外部からのレーザ光を前記筐体内部へ透過させる曲面状カバーと、
前記筐体の内部に配置されるとともに、レーザ光を受光する受光部位を有し、その受光部位における受光量に応じた信号を出力する受光素子と、
前記筐体の内部に配置されるとともに、前記曲面状カバーを透過したレーザ光を前記受光素子の前記受光部位に結像させる受光光学系と
を備え、
前記受光素子と前記受光光学系との相対的な配置、および前記曲面状カバーの厚みを、前記受光光学系の焦点距離と前記曲面状カバーの曲率とに基づいて定めることを特徴とするレーザ受光ユニット。
【請求項７】
請求項６に記載のレーザ受光ユニットにおいて、
前記受光素子の前記受光部位と前記受光光学系との間の距離間隔、および前記曲面状カバーの厚みを、前記受光光学系の焦点距離と前記曲面状カバーの曲率とに基づいて前記受光素子の前記受光部位における受光量がほぼ最大となるように定めることを特徴とするレーザ受光ユニット。
【請求項８】
開口部が形成された筐体と、
前記開口部を覆うように配置されるとともに、前記筐体外部からのレーザ光を前記筐体内部へ透過させる曲面状カバーと、
前記筐体の内部に配置されるとともに、レーザ光を受光する受光部位を有し、その受光部位における受光量に応じた信号を出力する受光素子と、
前記筐体の内部に配置されるとともに、前記曲面状カバーを透過したレーザ光を前記受光素子の前記受光部位に結像させる受光光学系と
を備え、
前記受光素子の前記受光部位と前記受光光学系との間の距離間隔、前記受光光学系の焦点距離、および前記曲面状カバーの厚みおよび曲率を、前記受光素子の前記受光部位における受光量がほぼ最大となるように定めることを特徴とするレーザ受光ユニット。
【請求項１】
開口部が形成された筐体と、
前記開口部を覆うように配置されるとともに、前記筐体外部からのレーザ光を前記筐体内部へ透過させる曲面状カバーと、
前記筐体の内部に配置されるとともに、レーザ光を受光する受光部位を有し、その受光部位における受光量に応じた信号を出力する受光素子と、
前記筐体の内部に配置されるとともに、前記曲面状カバーを透過したレーザ光を前記受光素子の前記受光部位に結像させる受光光学系と
を備え、
前記受光素子と前記受光光学系との相対的な配置を、前記受光光学系の焦点距離と前記曲面状カバーの曲率および厚みとに基づいて定めることを特徴とするレーザ受光ユニット。
【請求項２】
請求項１に記載のレーザ受光ユニットにおいて、
前記受光素子の前記受光部位と前記受光光学系との間の距離間隔を、前記受光光学系の焦点距離と前記曲面状カバーの曲率および厚みとに基づいて定めることを特徴とするレーザ受光ユニット。
【請求項３】
請求項２に記載のレーザ受光ユニットにおいて、
前記受光素子の前記受光部位と前記受光光学系との間の距離間隔を、前記受光光学系の焦点距離と前記曲面状カバーの曲率および厚みとに基づいて前記受光素子の前記受光部位における受光量がほぼ最大となるように定めることを特徴とするレーザ受光ユニット。
【請求項４】
開口部が形成された筐体と、
前記開口部を覆うように配置されるとともに、前記筐体外部からのレーザ光を前記筐体内部へ透過させる曲面状カバーと、
前記筐体の内部に配置されるとともに、レーザ光を受光する受光部位を有し、その受光部位における受光量に応じた信号を出力する受光素子と、
前記筐体の内部に配置されるとともに、前記曲面状カバーを透過したレーザ光を前記受光素子の前記受光部位に結像させる受光光学系と
を備え、
前記曲面状カバーの厚みを、前記受光素子と前記受光光学系との相対的な配置と、前記受光光学系の焦点距離と、前記曲面状カバーの曲率とに基づいて定めることを特徴とするレーザ受光ユニット。
【請求項５】
請求項４に記載のレーザ受光ユニットにおいて、
前記曲面状カバーの厚みを、前記受光素子の前記受光部位と前記受光光学系との間の距離間隔と、前記受光光学系の焦点距離と、前記曲面状カバーの曲率とに基づいて前記受光素子の前記受光部位における受光量がほぼ最大となるように定めることを特徴とするレーザ受光ユニット。
【請求項６】
開口部が形成された筐体と、
前記開口部を覆うように配置されるとともに、前記筐体外部からのレーザ光を前記筐体内部へ透過させる曲面状カバーと、
前記筐体の内部に配置されるとともに、レーザ光を受光する受光部位を有し、その受光部位における受光量に応じた信号を出力する受光素子と、
前記筐体の内部に配置されるとともに、前記曲面状カバーを透過したレーザ光を前記受光素子の前記受光部位に結像させる受光光学系と
を備え、
前記受光素子と前記受光光学系との相対的な配置、および前記曲面状カバーの厚みを、前記受光光学系の焦点距離と前記曲面状カバーの曲率とに基づいて定めることを特徴とするレーザ受光ユニット。
【請求項７】
請求項６に記載のレーザ受光ユニットにおいて、
前記受光素子の前記受光部位と前記受光光学系との間の距離間隔、および前記曲面状カバーの厚みを、前記受光光学系の焦点距離と前記曲面状カバーの曲率とに基づいて前記受光素子の前記受光部位における受光量がほぼ最大となるように定めることを特徴とするレーザ受光ユニット。
【請求項８】
開口部が形成された筐体と、
前記開口部を覆うように配置されるとともに、前記筐体外部からのレーザ光を前記筐体内部へ透過させる曲面状カバーと、
前記筐体の内部に配置されるとともに、レーザ光を受光する受光部位を有し、その受光部位における受光量に応じた信号を出力する受光素子と、
前記筐体の内部に配置されるとともに、前記曲面状カバーを透過したレーザ光を前記受光素子の前記受光部位に結像させる受光光学系と
を備え、
前記受光素子の前記受光部位と前記受光光学系との間の距離間隔、前記受光光学系の焦点距離、および前記曲面状カバーの厚みおよび曲率を、前記受光素子の前記受光部位における受光量がほぼ最大となるように定めることを特徴とするレーザ受光ユニット。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１１−１３０７４（Ｐ２０１１−１３０７４Ａ）
【公開日】平成２３年１月２０日（２０１１．１．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１５６８９１（Ｐ２００９−１５６８９１）
【出願日】平成２１年７月１日（２００９．７．１）
【出願人】（０００１０３７３６）オプテックス株式会社 (116)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１月２０日（２０１１．１．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年７月１日（２００９．７．１）
【出願人】（０００１０３７３６）オプテックス株式会社 (116)
【Ｆターム（参考）】
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