JP4620640B2 - ヘッドライトモジュール - Google Patents

Description

本発明は、ヘッドライトモジュールに関し、特に、赤外光を発光する赤外ＬＥＤと、赤外光カメラを備えるヘッドライトモジュールに関する。

夜間の車の運転は視界が悪く、ドライバーを悩ませる危険な状況である。夜間走行での事故発生率は、良好な視界の得られる日中走行の事故発生率よりも格段に高い。

例えば、相互通行時にはロービームの視距離が小さく、多くのドライバーが目測を誤ってしまう。このため、照明されていない障害物、歩行者、無灯火の自転車および動物などの認識が遅れ、事故につながる。さらに、雨、霧および雪等の悪天候時には視界特性はさらに低下する。

従来から、夜間走行時に用いる車両用前照灯の配光は、対向車への眩惑を考慮して、いわゆるロービームで路面を照明し、遠方を見たい走行状況のときにはロービームからハイビームへの切り換えを行うようにしている。しかしながら、そのロービームとハイビームとの切り換えは面倒である。また、ハイビームへ切り替えた場合には歩行者および対向車の乗員に眩惑を与えることがある。

これに対し、人および動物が発生する遠赤外光を遠赤外光カメラで捕捉して、これを画像化して表示する車両用暗視装置が提案されている。しかしながら、遠赤外光を捕捉できる遠赤外光カメラは大変高価であり、また、日中走行の画像を撮ることができない。

また、車両前方に波長が１μｍ付近の近赤外光の光束を照射して、車両前方の物体により反射された反射光束をカメラで撮像して画像化する車両用暗視装置が提案されている。

例えば、車両前方の物体により反射された反射光束をカメラで撮像して画像化する車両用暗視装置として、先行技術が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。

特許文献１に記載のヘッドライトの先行技術として、独国特許出願公開第４００７６４６号公報（特許文献２）が記載されている。その構成は、通常のヘッドライトに加えて、近赤外で発光するレーザーダイオードを光源とした２つの近赤外光ヘッドライトを有している。特許文献２記載のヘッドライトにおいて、撮像用のＣＣＤカメラは、車両のルーフ領域に搭載されている。ハロゲンランプなどの可視光源は、数１００ｎｍ幅の広いスペクトル幅を有する。

このような、カメラを備えたヘッドライトでは、対向車両の光の影響を取り除く必要がある。特許文献２記載のヘッドライトでは、カメラの対物レンズ前方には光学バンドパスフィルタが配置されている。狭い透過帯域の光学バンドパスフィルタを用いることで、対向車両の可視光源は大きく減衰することができる。また、レーザ光は数ｎｍのスペクトル幅しか有していないので、狭い透過帯域の光学バンドパスフィルタをほとんど透過する。さらに、従来のヘッドライトは、レーザーダイオードをパルス駆動し、レーザと同期した電子ロックを備えたビデオカメラを使用し、対向車両の光をさらに低減している。
特開２００３―４５２１０号公報 独国特許出願公開第４００７６４６号公報

しかしながら、従来のカメラを備えたヘッドライトは、光学フィルタにより、対向車両の光の影響を低減しているので、対向車両のヘッドライトが同じ構造の場合（同じスペクトル幅のレーザを用い、同じ帯域の光学フィルタを用いている場合）は、対向車両の光（近赤外光）の影響を低減することができない。また、この対向車両の光の影響を低減するためには、レーザのスペクトル幅および光学フィルタの帯域を、車両毎に変更しなくてはならず、実施が困難である。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、カメラに対する対向車両の光の影響を容易に低減することができるヘッドライトモジュールを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係るヘッドライトモジュールは、赤外光を発光する赤外ＬＥＤと、赤外光を信号に変換する固体撮像素子と、前記赤外ＬＥＤに、時間的に擬似ランダムに変調した赤外光を発光させる発光制御手段と、前記変調に合わせて前記信号を抽出する抽出手段とを備える。

この構成によれば、本発明に係るヘッドライトモジュールは、照射する赤外光を時間的に擬似ランダムに変調し、変調に合せて信号を抽出する。よって、各車両における赤外光のパターンは一致しないので、自身の車両が照射した赤外光のみを抽出することができる。これにより、対向車両の光の影響を低減することができる。また、赤外光を発光する赤外ＬＥＤと、白色光を発光する白色ＬＥＤと、固体撮像素子とを一つのモジュールに集積していることにより、ヘッドライトモジュールの小型化および低コスト化を実現できる。また、ＬＥＤを用いているため、歩行者などの人間の目に入った場合でも、失明の恐れがない。

また、前記発光制御手段は、前記赤外ＬＥＤにスペクトラム拡散方式により時間的に擬似ランダムに変調した赤外光を発光させてもよい。

この構成によれば、本発明に係るヘッドライトモジュールは、スペクトラム拡散した赤外光を照射し、対象物に反射したスペクトラム拡散した赤外光を受光する。スペクトラム拡散により、赤外光は広帯域に拡散されているので、狭帯域の対向車のヘッドライト光を容易に分離することができる。よって、本発明に係るヘッドライトモジュールは、対向車両の光の影響を容易に低減することができる。さらに、スペクトラム拡散方式で変調された光を用いることで、光の到着時間差で移動体の相対位置を計測することができる。

また、前記ヘッドライトモジュールは、さらに、前記信号が、所定の強度以上であるかを検出する検出手段と、前記検出手段が所定の強度以上であると検出した場合、前記固体撮像素子が撮像する赤外光を減光する減光手段とを備えてもよい。

この構成によれば、対向車両のヘッドライト光等により、固体撮像素子が撮像した信号が飽和した場合には、固体撮像素子が撮像する光を減光することができる。よって、対向車両のヘッドライト光の影響を除去し、対象物に反射した赤外光のみを抽出することができる。

また、前記固体撮像素子は、前記赤外光の波長帯に感度を有する第１の画素と、可視光の波長帯に感度を有する第２の画素とを備えてもよい。

この構成によれば、可視光に感度を有する画素と、赤外光に感度を有する画素を備えることで、昼間の画像（可視光画像）と、赤外光画像とを撮影することができる。さらに、赤外光画像と、可視光画像を容易に合成することができる。

また、前記固体撮像素子は、前記赤外光の波長帯に感度を有する第１の画素と、赤色光の波長帯に感度を有する第２の画素と、緑色光の波長帯に感度を有する第３の画素と、青色光の波長帯に感度を有する第４の画素とを備えてもよい。

この構成によれば、カラーの可視光画像と、赤外光画像とを撮影することができる。さらに、カラーの可視光画像と、赤外光画像とを容易に合成することができる。

また、前記赤外ＬＥＤは、ハイビーム用光源として用いられてもよい。

この構成によれば、夜間の走行において、遠方まで安定して撮像することができる。また、ハイビームとして用いた場合でも、赤外光が擬似ランダムに変調されているため、対向車両の邪魔にならない。

また、前記ヘッドライトモジュールは、さらに、白色光を発光する白色ＬＥＤを備え、前記赤外ＬＥＤは、前記白色ＬＥＤが点灯しているときは、点灯してもよい。

この構成によれば、ユーザは、従来と同様にヘッドライトの点灯（白色光の点灯）の操作を行うだけで、ヘッドライトの点灯および赤外光による映像の表示を同時に行うことができる。よって、ユーザの利便性を向上させることができる。

また、前記固体撮像素子は、複数の画素を備え、前記各画素は、赤外光および可視光のうち少なくとも一方を受光する受光素子と、前記受光素子の上方に形成される屈折率分布を構成する光透過膜とを備えてもよい。

この構成によれば、固体撮像素子のマイクロレンズを無機物で構成することができる。これにより、ヘッドライトモジュールの耐光性および耐熱性が向上する。

また、本発明に係るヘッドライトモジュールの制御方法は、赤外光を発光する赤外ＬＥＤと、赤外光を信号に変換する固体撮像素子とを備えるヘッドライトモジュールの制御方法であって、前記赤外ＬＥＤに時間的に擬似ランダムに変調した赤外光を発光させる発光ステップと、前記変調に合わせて前記信号を抽出する抽出ステップとを含む。

これによれば、照射する赤外光を時間的に擬似ランダムに変調し、変調に合せて信号を抽出する。よって、各車両における赤外光のパターンは一致しないので、自身の車両が照射した赤外光のみを抽出することができる。これにより、対向車両の光の影響を低減することができる。

本発明は、カメラに対する対向車両の光の影響を低減するヘッドライトモジュールを提供することができる。

以下、本発明に係る実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

（実施の形態１）
本発明の実施の形態１に係るヘッドライトモジュールは、照射する赤外光を時間的に擬似ランダムに変調し、変調に合せて信号を取り込む。よって、各車両における赤外光の照射パターンは一致しないので、自身の車両が照射した赤外光のみを抽出することができる。これにより、対向車両の光の影響を低減することができる。

まず、本発明の実施の形態１に係るヘッドライトモジュールの構成を説明する。

図１は、本発明の実施の形態１に係るヘッドライトモジュールの概略構成を示す図である。図１に示すヘッドライトモジュール１００は、カメラユニット１と、赤外ＬＥＤランプユニット２と、白色ＬＥＤランプユニット３とを備える。

カメラユニット１は、赤外ＬＥＤランプユニット２が照射し、車両前方の物体により反射された反射光束を撮像し、画像化する。また、カメラユニット１は、可視光を撮像し、画像化する。

赤外ＬＥＤランプユニット２は、ハイビームとして用いられる近赤外光を発光する。

白色ＬＥＤランプユニット３は、ロービームとして用いられる白色光を発光する。また、白色ＬＥＤランプユニット３は、白色光を照射する角度を変更することでハイビームとして用いられる。また、赤外ＬＥＤランプユニット２は、白色ＬＥＤランプユニット３が点灯しているときは、常に点灯する。すなわち、ユーザの操作により、白色光が照射されている間は、赤外光も照射され、赤外光による映像がユーザに表示される。これにより、ユーザは、従来と同様にヘッドライトの点灯の操作を行うだけで、ヘッドライトの点灯および赤外光による映像の表示を同時に行うことができる。よって、ユーザの利便性を向上させることができる。

なお、図１において、図の上方より、カメラユニット１、赤外ＬＥＤランプユニット２および白色ＬＥＤランプユニット３の順に配置されているが、各ユニットの配置順序および配置位置は、任意でよい。

図２は、本発明の実施の形態に係るヘッドライトモジュール１００を自動車に搭載した場合の搭載例を示す図である。図２は、ヘッドライトモジュール１００から、白色光のロービームおよび近赤外光のハイビームが照射されている様子を示す図である。また、カメラユニット１は、車両の前方を撮像している。なお、本発明の実施の形態に係るヘッドライトモジュール１００は、自動車、バスおよびトラック等の車に搭載することができる。

図３は、赤外ＬＥＤランプユニット２の構成を示すブロック図である。図３に示す赤外ＬＥＤランプユニット２は、赤外ＬＥＤ２０１と、パルス発生部２０２と、発光制御部２０３とを備える。

赤外ＬＥＤ２０１は、発光制御部２０３の制御により、近赤外光を発光するＬＥＤである。

パルス発生部２０２は、時間的に擬似ランダムに変調したパルス信号２０４を発生する。パルス発生部２０２が発生したパルス信号２０４は、発光制御部２０３およびカメラユニット１に出力される。

発光制御部２０３は、ハルス発生部２０２が発生したパルス信号２０４のタイミングにあわせ、赤外ＬＥＤ２０３に時間的に擬似ランダムに変調した赤外光を発光させる制御を行う。

図４は、カメラユニット１の構成を示すブロック図である。図４に示すカメラユニット１は、固体撮像素子１０と、Ａ／Ｄ変換部１０１と、フレームメモリ１０２と、検出部１０４と、減光部１０５と、フレームメモリ１０６と、画像合成部１０７と、画像出力部１０８とを備える。

固体撮像素子１０は、赤外ＬＥＤランプユニット２が照射し、対象物に反射した赤外光および可視光をアナログ信号に光電変換し、出力する。

Ａ／Ｄ変換部１０１は、固体撮像素子１０が出力するアナログ信号をデジタル信号に変換する。

フレームメモリ１０２は、Ａ／Ｄ変換部１０１が出力するデジタル信号を保持する。

検出部１０４は、フレームメモリ１０２に保持されている信号を赤外ＬＥＤランプユニット２のパルス発生部２０２が発生したパルス信号２０４のタイミングで抽出する。また、検出部１０４は、フレームメモリ１０２に保持されている信号の対向車両のヘッドライトの影響等を除去する。検出部１０４は、ＤＣ検出部１０９と、ＡＣ検出部１１０と、抽出部１１１とを備える。

ＤＣ検出部１０９は、固体撮像素子１０が撮像しフレームメモリ１０２に保持されている信号の対向車両のヘッドライト等によるＤＣ成分の信号を検出する。また、ＤＣ検出部１０９は、固体撮像素子が撮像しフレームメモリ１０２に保持されている信号が、所定の強度以上であるかを検出する。

減光部１０５は、ＤＣ検出部１０９が所定の強度以上であると検出した場合、固体撮像素子１０に入射する光の減光を行う。

ＡＣ検出部１１０は、フレームメモリ１０２に保持されている信号、または、減光部１０５が減光した信号に対して、パルス信号２０４のタイミング（周波数特性）と異なる成分の信号を検出する。

抽出部１１１は、フレームメモリ１０２に保持されている信号、または、減光部１０５が減光した信号をパルス信号２０４のタイミングで抽出する。すなわち、抽出部１１１は、赤外ＬＥＤランプユニット２が照射した赤外光の時間的な擬似ランダムな変調に合せて固体撮像素子１０が撮像した信号を抽出する。また、抽出部１１１は、フレームメモリ１０２に保持されている信号、または、減光部１０５が減光した信号から、ＤＣ検出部１０９およびＡＣ検出部１１０が検出した対向車両のヘッドライト等による信号を差分することで、自車両が照射した赤外光の信号を抽出する。

フレームメモリ１０６は、抽出部１１１が抽出した自車両が照射した赤外光の信号を保持する。

画像合成部１０７は、フレームメモリ１０６に保持されている信号に対して、赤外光が照射されていない期間（フレーム）の画像を補正する。

画像出力部１０８は、画像出力部１０７が補正した画像を出力する。画像出力部１０８が出力する画像は、例えば、自車の車内に設置された表示部（ディスプレイ）等に表示される。

図５は、カメラユニット１が備える固体撮像素子１０の概略構成および固体撮像素子１０の画素配置を示す図である。固体撮像素子１０は、デジタルカメラおよびカメラ付携帯電話などに適用されている撮像素子であり、撮像領域１１において単位画素（例えば、画素サイズ□５．６μｍ）が２次元状に配置されている。撮像領域１１に配置される単位画素は、赤外光のみを透過し、赤外光の波長帯のみに感度を有する単位画素１２と、可視光および赤外光が透過し、可視光および赤外光の波長帯に感度を有する単位画素１３とを含む。撮像領域１１において、赤外光のみを透過する単位画素１２と、可視光および赤外光が透過する単位画素１３とは千鳥配置される。単位画素１２および１３を配置することにより、可視光画像と赤外画像の両方を撮像することができる。さらに、単位画素１２および１３は１画素おきの千鳥配置であるので、可視光画像と赤外画像の合成が容易である。なお、単位画素の配列はストライプ状であってもよい。図６は、単位画素を横ストライプ状に配置した単位画素の配列を示す図である。図６に示すように、単位画素を横ストライプ状に配置した場合も、可視光画像と赤外画像との合成が容易である。

図７は、赤外光のみを透過する単位画素１２と、可視光および赤外光が透過する単位画素１３との断面構造を示す図である。

図７に示すように、固体撮像素子１０の可視光と赤外光が透過する単位画素１３は、マイクロレンズ２１と、可視光および赤外光を受光する受光素子（Ｓｉフォトダイオード）２３と、配線２２と、Ｓｉ基板２４とを備える。固体撮像素子１０の赤外光のみを透過する単位画素１２は、単位画素１３の構成に加え、さらに可視光カットフィルタ２６を備える。可視光カットフィルタ２６は、可視光の帯域の光を遮断するフィルタであり、例えば、ＴｉＯ₂膜とＳｉＯ₂膜とを交互に積層した積層膜で構成される。

次に、本発明の実施の形態１に係るヘッドライトモジュールの動作について説明する。

図８は、固体撮像素子の一般的なタイミングチャートである。図８において、期間Ｔ１は、信号の取り込みを行わないブランキング期間であり、期間Ｔ２は、信号の取り込みを行う撮像期間（１フレーム）である。一般的なタイミングチャートでは、ブランキング期間Ｔ１は、それぞれ同じ長さの期間であり、撮像期間Ｔ２はそれぞれ同じ長さの期間である。

図９は、本実施の形態に係るヘッドライトモジュールにおける赤外ＬＥＤランプユニット２の点灯および消灯のタイミングを示す図である。本実施の形態では、赤外ＬＥＤランプユニット２が発光する赤外光は、擬似ランダムに時間的に変調される。これにより、対向車のヘッドライト光の影響を除去することができる。図９に示すように、赤外ＬＥＤランプユニット２は、赤外光を照射するフレームと、照射しないフレームとを擬似ランダムに選択する。例えば、赤外ＬＥＤランプユニット２は、パルス発生部２０２が発生するパルス信号２０４のタイミングに合せて、赤外光を照射する。

図１０は、本実施の形態に係るヘッドライトモジュール１００のカメラユニット１の動作を示すフローチャートである。

まず、固体撮像素子１０は、赤外ＬＥＤランプユニット２が照射し、対象物に反射した赤外光を撮像する（Ｓ１０１）。

図１１は、図９に示すタイミングで点灯される擬似ランダムの赤外光が照射されたときの固体撮像素子１０の赤外光のみを透過する単位画素１２からの出力信号を示す図である。図１１に示すように、単位画素１２からの出力信号は、赤外光の照射されるタイミングにあわせて擬似ランダムに時間的に変調されている。ここで、対向車両の照射するヘッドライト光は、図９および図１１に示すタイミングとは、異なるパターンに変調されている。よって、自身が照射した赤外光のタイミングに合せて画像撮像素子１０が出力する信号を取り込むことで、対向車両のヘッドライト光の影響を容易に除外し、自身が照射した赤外光のみを抽出することができる。具体的には、固体撮像素子１０は、図１１に示す出力信号を出力し、Ａ／Ｄ変換部１０１は、固体撮像素子１０が出力したアナログ信号をデジタル信号に変換する（Ｓ１０２）。フレームメモリ１０２は、Ａ／Ｄ変換部１０１がＡ／Ｄ変換した信号を保持する。検出部１０４のＤＣ検出部１０９は、フレームメモリ１０２に保持されている信号が、対向車両のヘッドライト光等により、飽和しているか否かを検出する（Ｓ１０３）。すなわち、ＤＣ検出部１０９は、固体撮像素子１０が撮像した信号の信号レベルが所定のレベル以上であるかを検出する。

図１２は、固体撮像素子１０の出力が飽和した場合の出力信号の一例を示す図である。図１２に示すように、出力信号が飽和している場合には（Ｓ１０３でＹｅｓ）、減光部１０５は、フレームメモリ１０２が保持している信号を減光する（Ｓ１０４）。例えば、減光部１０５は、光学絞り、または、ＮＤ（Neutral Density）フィルタ等により、減光を行う。図１３は、図１２に示す飽和した信号に対して、減光部１０５が絞りを行った後の信号を示す図である。図１３に示すように減光を行うことで、対向車両のヘッドライト光の影響により、信号が飽和した場合でも、信号の抽出を行うことが可能となる。

ＤＣ検出部１０９が信号が飽和していないと判定した場合（Ｓ１０３でＮｏ）、または、減光（Ｓ１０４）後に、ＤＣ検出部１０９は、対向車両のヘッドライト等の影響によるＤＣ成分の信号を検出する（Ｓ１０５）。例えば、ＤＣ検出部１０９は、赤外ＬＥＤランプユニット２が赤外光を発光していない期間の信号レベルを検出することで、対向車両のヘッドライト等の影響によるＤＣ成分の信号を検出する。

次に、ＡＣ検出部１１０は、パルス信号２０４に基づき、赤外ＬＥＤランプユニット２が照射した赤外光と周波数成分の異なる信号を検出する（Ｓ１０６）。なお、ＤＣ検出（ステップＳ１０５）およびＡＣ検出（ステップＳ１０６）の順序は任意でよい。例えば、ＡＣ検出の後に、ＤＣ検出をおこなってもよいし、同時におこなってもよい。

抽出部１１１は、ステップＳ１０５において、ＤＣ検出部１０９が検出した対向車両のヘッドライト光によるＤＣ成分の信号、および、ＡＣ検出部１０９が検出した対向車両のヘッドライト光によるＡＣ成分の信号をフレームメモリ１０２が保持している信号から除去し、赤外ＬＥＤランプユニット２が照射した赤外光のみを抽出する（Ｓ１０７）。フレームメモリ１０６は、抽出部１１１が抽出した赤外ＬＥＤランプユニット２が照射した赤外光に対応する信号を保持する。

画像合成部１０７は、フレームメモリ１０６が保持する信号に対して、赤外光が照射されていないフレームの画像を合成する（Ｓ１０８）。例えば、画像出力部１０７は、赤外光が照射されていないフレームに対して、直前の赤外光が照射されたフレームで得られた画像を挿入する。画像合成部１０７による画像合成により、人間の目に違和感のない画像が形成される。

画像出力部１０８は、画像合成部１０７が画像合成した画像を出力する（Ｓ１０９）。例えば、画像出力部１０８が出力する画像は、車内に設置された表示部（ディスプレイ）等に送られ、表示部は、赤外光画像をユーザ（ドライバー）に表示する。

図１４は、図９に示すタイミングで点灯される擬似ランダムの赤外光が照射されたときの固体撮像素子１０の可視光および赤外光を透過する単位画素１３からの出力信号を示す図である。図１４に示すように、単位画素１３からの出力信号は、可視光等の影響を受けているが、赤外光と同様に擬似ランダムに時間的に変調される。よって、単位画素１２の場合と同様に、擬似ランダムの変調に合わせてこの信号を取り出すことにより、対向車のヘッドライト光が固体撮像素子１０に入射したとしても分離することができる。

なお、単位画素１３からの出力信号と、擬似ランダムの変調に合わせて読み出した単位画素１２からの出力信号とを合成して、対向車のヘッドライト光を分離してもよい。

ここで、固体撮像装置１０には、ＣＣＤまたはＭＯＳセンサを用いることができる。なお、固体撮像素子１０は、擬似ランダムに高速で信号を読み出すので、ＭＯＳセンサを用いることが好ましい。

以上より、本発明の実施の形態１に係るヘッドライトモジュール１００は、赤外ＬＥＤランプユニット２が擬似ランダムに時間的に変調した赤外光を発光する。これにより、自身が照射する赤外光は、対向車両のヘッドライトのタイミングと異なるので、対向車両の影響を容易に除外し、自身が照射した赤外光のみを抽出することができる。さらに、カメラユニット１に、対向車両のヘッドライトの光を除去する光学フィルタ等を形成する必要がないので、カメラユニット１の小型化および低コスト化を実現することができる。よって、ヘッドライトモジュール１００の小型化および低コスト化を実現することができる。

また、本発明の実施の形態１に係るヘッドライトモジュール１００のカメラユニット１は、赤外光のみを透過する画素１２と、可視光と赤外光とを透過する画素１３とを備える。カメラユニット１は、可視光と赤外光とを透過する画素１３を備えることで、昼間の画像（可視光画像）を撮影することができる。さらに、赤外光のみを透過する画素１２と、可視光と赤外光とを透過する画素１３とは、千鳥配置またはストライプ状の配置である。これにより、赤外光画像と、可視光画像を容易に合成することができる。

また、可視光と赤外光とを透過する画素１３は、可視光と擬似ランダムに変調された赤外光とを受光するので、画素１３が出力する信号も、擬似ランダムに変調される。これにより、対向車両の影響を容易に除外し、自身が照射した赤外光のみを抽出することができる。

また、赤外ＬＥＤランプユニット２は、白色ＬＥＤランプユニット３が白色光を照射している期間は、常に赤外光を照射する。すなわち、ユーザの操作により、白色光が照射されている間は、赤外光も照射され、赤外光による映像がユーザに表示される。これにより、ユーザは、従来と同様にヘッドライトの点灯の操作を行うだけで、ヘッドライトの点灯および赤外光による映像の表示を同時に行うことができる。よって、ユーザの利便性を向上させることができる。

また、赤外ＬＥＤは、ハイビーム用光源として用いられる。これにより、夜間の走行において、遠方まで安定して撮像することができる。また、ハイビームとして用いた場合でも、赤外光が擬似ランダムに変調されているため、対向車両の邪魔にならない。

また、本発明に係るヘッドライトモジュール１００は、赤外ＬＥＤ、白色ＬＥＤおよび固体撮像素子を一つのモジュールに集積している。これにより、ヘッドライトモジュール１００の小型化および低コスト化を実現できる。

また、本発明に係るヘッドライトモジュール１００は、レーザではなくＬＥＤを用いているので、歩行者等の人間の目に入った場合でも、失明の恐れがない。

なお、上記説明において、図４に示すように、カメラユニット１は、固体撮像素子１０と、Ａ／Ｄ変換部１０１と、フレームメモリ１０２と、検出部１０４と、減光部１０５と、フレームメモリ１０６と、画像合成部１０６と、画像出力部１０８とを備えるとしたが、検出部１０４、減光部１０５、フレームメモリ１０６、画像合成部１０６および画像出力部１０８の全てまたはいくつかを、自車両内の、任意の位置に設置してもよい。

また、上記説明において、赤外ＬＥＤランプユニット２が、パルス発生部２０２を備えるとしたが、カメラユニット１がパルス発生部を備え、発生したパルス信号を赤外ＬＥＤランプユニット２に送ってもよい。さらに、カメラユニット１および赤外ＬＥＤランプユニット２が、互いに同期した同じパターンのパルス信号を発生するパルス発生部を備えてもよい。

（実施の形態２）
実施の形態１では、可視光および赤外光を撮像するカメラユニットを備えるヘッドライトモジュールについて説明した。本発明の実施の形態２では、カラーの可視光および赤外光を撮像するカメラユニットを備えるヘッドライトモジュールについて説明する。

まず、本発明の実施の形態２に係るヘッドライトモジュールの構成を説明する。

実施の形態２に係るヘッドライトモジュールの概略構成は、図１と同様であり、説明は省略する。また、カメラユニット１および赤外ＬＥＤランプユニット２の構成は、図４および図３と同様である。

図１５は、実施の形態２におけるカメラユニット１が備える固体撮像素子１０の概略構成および固体撮像素子１０の画素配置を示す図である。図１５に示す固体撮像素子１０は、実施の形態１と同様に、撮像領域１１に単位画素（画素サイズ□５．６μｍ）が２次元状に配置されている。撮像領域１１に配置される単位画素は、赤外光のみを透過し、赤外光の波長帯のみに感度を有する単位画素１２と、赤色光および赤外光を透過し、赤色光および赤外光の波長帯に感度を有する単位画素１４と、緑色光および赤外光を透過し、緑色光および赤外光の波長帯に感度を有する単位画素１５と、青色光および赤外光を透過し、青色光および赤外光の波長帯に感度を有する単位画素１６とを含む。また、撮像領域１１において単位画素１２、１４、１５および１６の４画素が一組となって正方に配置される。このように単位画素１２、１４、１５および１６を配置することにより、カラーの可視光画像と赤外光画像との両方を撮像することができる。さらに、単位画素１２、１４、１５および１６の４画素が正方配置であるので、カラーの可視光画像と赤外光画像の合成を容易に行うことができる。

図１６は、単位画素１２、１４、１５および１６の断面構造を模式的に示す図である。図１６（ａ）は、単位画素１４および１５の断面構造を模式的に示す図である。図１６（ｂ）は、単位画素１２および１６の断面構造を模式的に示す図である。なお、図７と同様の要素には同一の符号を付しており、詳細な説明は省略する。

図１６に示すように、赤外光のみを透過する単位画素１２の構成は、実施の形態１と同様ある。単位画素１２は、マイクロレンズ２１と、配線２２と、受光素子２３と、Ｓｉ基板２４と、可視光カットフィルタ２６とを備える。

可視光カットフィルタ２６は、例えば、ＴｉＯ₂膜とＳｉＯ₂膜とを交互に積層した積層
膜で構成される。

赤色光および赤外光を透過する単位画素１４は、単位画素１２の構成に対して、可視光カットフィルタ２６の代わりに、カラーフィルタ２７を備える。カラーフィルタ２７は、赤色光および赤外光を透過し、緑色光および青色光を遮断するフィルタである。

緑色光および赤外光を透過する単位画素１５は、単位画素１２の構成に対して、可視光カットフィルタ２６の代わりに、カラーフィルタ２８を備える。カラーフィルタ２８は、緑色光および赤外光を透過し、赤色光および青色光を遮断するフィルタである。

青色光および赤外光を透過する単位画素１６は、単位画素１２の構成に対して、可視光カットフィルタ２６の代わりに、カラーフィルタ２９を備える。カラーフィルタ２９は、青色光および赤外光を透過し、赤色光および緑色光を遮断するフィルタである。

次に、本発明の実施の形態２に係るヘッドライトモジュールの動作を説明する。

実施の形態１と同様に、赤外ＬＥＤランプユニット２が発光する赤外光は、擬似ランダムに時間的に変調される。例えば、図９に示すタイミングで、赤外光が照射される。これにより、対向車のヘッドライト光の影響を除去することができる。

また、実施の形態１と同様に、図９に示すタイミングで点灯される擬似ランダムの赤外光が照射されたときの赤外光のみを透過する単位画素１２からの出力信号は、図１１に示すように、時間的に擬似ランダムに変調される。よって、自身が照射した赤外光のタイミングに合せて画像撮像素子１０で信号を読み出すことで、対向車両の影響を容易に除外し、自身が照射した赤外光のみを抽出することができる。

また、図９に示すタイミングで点灯される擬似ランダムの赤外光が照射されたときの赤色光、緑色光または青色光の可視光と、赤外光とを透過する単位画素１４、１５および１６からの出力信号は、図１４と同様である。すなわち、単位画素１４、１５および１６からの出力信号は、可視光等の影響を受けているが、赤外光と同様に擬似ランダムに時間的に変調される。よって、擬似ランダムの変調に合わせてこの信号を読み出すことにより、対向車のヘッドライト光が固体撮像素子１０に入射したとしても分離することができる。

なお、単位画素１４、１５および１６からの出力信号と、擬似ランダムな時間変調に合わせて読み出した単位画素１２からの出力信号とを合成して、対向車のヘッドライト光を分離してもよい。

以上より、本発明の実施の形態２に係るヘッドライトモジュールは、実施の形態１に係るヘッドライトモジュールの効果に加え、固体撮像素子１０が、赤外光のみを透過する単位画素１２と、赤色光および赤外光を透過する単位画素１４と、緑色光および赤外光を透過する単位画素１５と、青色光および赤外光を透過する単位画素１６と含むことで、カラーの可視光画像と、赤外光画像とを撮影することができる。さらに、赤外光のみを透過する単位画素１２と、赤色光および赤外光を透過する単位画素１４と、緑色光および赤外光を透過する単位画素１５と、青色光および赤外光を透過する単位画素１６とが正方配置であるので、カラーの可視光画像と赤外光画像の合成を容易に行うことができる。

（実施の形態３）
実施の形態３では、スペクトラム拡散方式により変調された赤外光を照射するヘッドライトモジュールについて説明する。

実施の形態３に係るヘッドライトモジュールの概略構成は、図１と同様であり、説明は省略する。また、カメラユニット１および赤外ＬＥＤランプユニット２の構成は、図４および図３と同様である。

図１７は、実施の形態３におけるヘッドライトモジュールにおける赤外ＬＥＤランプユニット２の照射する赤外光のタイミングを示す図である。図１８は、図１７の破線枠５０の拡大図である。図１７に示すように赤外ＬＥＤランプユニット２は、スペクトラム拡散方式により時間的に擬似ランダムに変調された赤外光を照射する。

スペクトラム拡散方式に用いられる拡散符号系列は、データのビットレートを十分に上回る速度の符号で、帯域内で一様なスペクトルを持つことが望まれる。また復調の容易さから周期性を持つことが望まれる。こうした要求に応えるのが、疑似ランダム系列(ＰＮ系列)である。ＰＮ系列はシフトレジスタおよびフィードバックを用いた回路によって人工的にある規則に基づいて生成される。最も良く知られたＰＮ系列は、Ｍ系列(maximal-length sequences)で、優れた相関特性を持つ。Ｍ系列は、ある長さのシフトレジスタおよびフィードバックによって生成される符号系列のうち、その周期が最長になる系列である。ｎをシフトレジスタの段数とすると、Ｌ＝２ｎ−１がＭ系列のビット長となる。

実施の形態３におけるヘッドライトモジュールは、パルス発生部２０２がＭ系列信号発生器を備える。

図１９は、パルス発生部２０２が備える信号発生器の回路構成を示す図である。図１９に示す信号発生器は、「１００１０１１」の信号列を形成する。図１９に示す信号発生器は、３つのシフトレジスタＤ１〜Ｄ３と、ＥＸＯＲ３０とを備える。シフトレジスタＤ１〜Ｄ３は、それぞれ１ビット遅延素子である。シフトレジスタＤ１およびＤ２の初期値を「０」とし、シフトレジスタＤ３の初期値を「１」とすることで、Ｌ＝２³−１＝７ビットの「１００１０１１」の信号列を生成することができる。

発光制御部２０３は、パルス発生部２０２が出力するスペクトラム拡散方式により時間的に擬似ランダムに変調されたパルス信号２０４のタイミングで、赤外ＬＥＤ２０１を発光させる。すなわち、発光制御部２０３は、赤外ＬＥＤ２０１にスペクトラム拡散方式により時間的に擬似ランダムに変調した赤外光を発光させる。

また、固体撮像素子１０は、赤外ＬＥＤランプユニット２が照射し、対象物に反射した赤外光を撮像する。検出部１０４は、固体撮像素子１０が撮像した信号を、パルス発生部２０２が出力するスペクトラム拡散方式により時間的に擬似ランダムに変調されたパルス信号２０４のタイミングで取り込むことで、自身が照射した赤外光のみを抽出することができる。

なお、ＰＮ系列は、Ｇｏｌｄ系列などを用いてもよい。さらに、符号訂正として、リードソロモン符号などを用いてもよい。

図２０は、図１８に示すタイミングで点灯される擬似ランダムの赤外光が照射されたときの固体撮像素子１０の赤外光のみを透過する単位画素１２からの出力信号を示す図である。図２０に示すように、単位画素１２からの出力信号は、赤外光の照射されるタイミングにあわせて擬似ランダムに時間的に変調されている。よって、自身が照射した赤外光のタイミングに合せて画像撮像素子１０が出力する信号を取り込むことで、対向車両のヘッドライト光の影響を容易に除外し、自身が照射した赤外光のみを抽出することができる。

図２１は、図１８に示すタイミングで点灯される擬似ランダムの赤外光が照射されたときの固体撮像素子１０の可視光および赤外光を透過する単位画素１３からの出力信号を示す図である。図２１に示すように、単位画素１３からの出力信号は、可視光等の影響を受けているが、赤外光と同様に擬似ランダムに時間的に変調される。よって、単位画素１２の場合と同様に、擬似ランダムの変調に合わせてこの信号を取り出すことにより、対向車のヘッドライト光が固体撮像素子１０に入射したとしても分離することができる。

以上より、本発明の実施の形態３に係るヘッドライトモジュールは、スペクトラム拡散した赤外光を照射し、対象物に反射した赤外光を受光する。受光した信号をスペクトラム拡散のタイミングで取り込むことで、自ら照射した赤外光の信号のみを読み出すことができる。

また、スペクトラム拡散方式で変調された光を用いることで、光の到着時間差で移動体の相対位置を計測することができる。

なお、上記説明では、検出部１０４は、パルス信号２０４のタイミングで、信号を取り込むとしたが、固体撮像素子１０が撮像した信号を逆拡散してもよい。この場合、信号を逆拡散して取り込んでいるため、妨害波や干渉波に強く、Ｓ／Ｎ比を大きくすることができる。

（実施の形態４）
本発明の実施の形態４では、上述した実施の形態１〜３のヘッドライトモジュールの変形例であり、固体撮像素子１０に含まれる単位画素のマイクロレンズとして、屈折率分布を構成する光透過膜を用いたヘッドライトモジュールについて説明する。

図２２は、実施の形態４に係るヘッドライトモジュールの固体撮像素子１０に含まれる赤外光のみを透過する単位画素１２および可視光と赤外光が透過する単位画素１３の断面構造を模式的に示す図である。なお、図７と同様の要素には同一の符号を付しており、詳細な説明は省略する。

図２２に示す単位画素１３は、屈折率分布を構成する光透過膜３１と、配線２２と、受光素子（Ｓｉフォトダイオード）２３と、Ｓｉ基板２４とを備える。単位画素１２は、単位画素１３の構成に加えて、可視光カットフィルタ２６を備える。可視光カットフィルタ２６は、ＴｉＯ₂膜とＳｉＯ₂膜を交互に積層した積層膜で構成される。光透過膜３１は、受光素子の上方に形成される。

図２３は、屈折率分布を構成する光透過膜３１の上面図である。図２４は、図２３に示す屈折率分布を構成する光透過膜３１のＡ１−Ａ２における断面構造を示す図である。

図２３および図２４に示すように、光透過膜３１は、高屈折率材料４２と、低屈折率材料４３とを含む。高屈折率材料４２と、低屈折率材料４３とは同心円状の構造を形成する。例えば、高屈折率材料４２は、ＳｉＯ₂（ｎ＝１．４５）であり、低屈折率材料４３は、空気（ｎ＝１．０）である。隣り合う円型光透過膜の外周の半径差４４は、例えば、２００ｎｍである。また、光透過膜３１の膜厚は、例えば、１．２μｍである。また、同心円状の高屈折率材料４２の線幅４５は、円中心部分が最も大きく、外側のリングになるに従って、順に小さくなっていく。周期が入射光の波長と同程度または波長より小さいときには、光が感じる有効屈折率は、高屈折率材料４２と低屈折率材料４３の体積比によって算出できる。このような構造の最大の特長は、線幅（円周幅）４５を変えるだけで、屈折率分布を自由自在に制御できることである。

なお、上記説明では、実施の形態１と同様に、固体撮像素子が、赤外光のみを透過する単位画素１２および可視光と赤外光が透過する単位画素１３を含む場合について説明したが、実施の形態２のように、固体撮像素子が、赤外光のみを透過する単位画素１２と、赤色光および赤外光を透過する単位画素１４と、緑色光および赤外光を透過する単位画素１５と、青色光および赤外光を透過する単位画素１６とを含む場合にも、マイクロレンズに屈折率分布を構成する光透過膜３１を用いてもよい。

さらに、図１６に示す単位画素１４、１５および１６のカラーフィルタ２７、２８および２９の代わりに、干渉型カラーフィルタを用いてもよい。図２５は、屈折率分布を構成する光透過膜３１および干渉型カラーフィルタを用いた単位画素１２、１４、１５および１６の断面構造を模式的に示す図である。図２５に示すように、赤色光および赤外光を透過する単位画素１４は、干渉型カラーフィルタ３２を備え、緑色光および赤外光を透過する単位画素１５は、干渉型カラーフィルタ３３を備え、青色光および赤外光を透過する単位画素１６は、干渉型カラーフィルタ３４を備える。干渉型カラーフィルタ３２〜３４は、ＴｉＯ₂膜とＳｉＯ₂膜とを交互に積層したカラーフィルタである。干渉型カラーフィルタ３２〜３４は、受光する色ごとに膜の構成が異なる。例えば、緑色光および赤外光を透過する単位画素１５の干渉型カラーフィルタ３３は、ＴｉＯ₂膜が３層とＳｉＯ₂膜が２層とで構成される。

赤色光および赤外光を透過する単位画素１４の干渉型カラーフィルタ３２は、ＴｉＯ₂膜が４層とＳｉＯ₂膜が３層とで構成される。青色光および赤外光を透過する単位画素１６は、干渉型カラーフィルタ３４は、ＴｉＯ₂膜が４層とＳｉＯ₂膜が３層とで構成され、中心にあるＳｉＯ₂膜の膜厚が干渉型カラーフィルタ３２と異なる。

以上より、本発明の実施の形態４に係るヘッドライトモジュールは、固体撮像素子のマイクロレンズおよびカラーフィルタを無機物で構成することにより、耐光性および耐熱性が格段に向上する。すなわち、自動車に搭載するヘッドライトモジュール用として最適である。

なお、上記説明（実施の形態１〜４）において、赤外光の擬似ランダムな変調は、擬似ランダムに赤外光を照射するフレームと照射しないフレームを選択することでおこなっているがこれに限定されるものではない。例えば、各フレームにおいて、撮像期間Ｔ２の長さを擬似ランダムに変更してもよい。また撮像期間Ｔ２は同一とし、各フレームにおける赤外光の照射時間を変更してもよい。さらに、１フレーム内の信号の強度を時間的に擬似ランダムに変調してもよい。図２６は、１フレーム内の信号の強度を時間的に擬似ランダムに変調した赤外光の照射のタイミングの一例を示す図である。例えば、図２６に示すように、１フレーム内の信号の強度を時間的に擬似ランダムに変調してもよい。

本発明は、ヘッドライトモジュールに適用でき、自動車等に搭載する車両用暗視機能を有するヘッドライトモジュールに適用できる。

実施の形態１に係るヘッドライトモジュールの概略構成を示す図である。 実施の形態１に係るヘッドライトモジュールの自動車への搭載例を示す図である。 赤外ＬＥＤランプユニットの概略構成を示す図である。 カメラユニットの概略構成を示す図である。 実施の形態１に係る固体撮像素子の概略構成を示す図である。 実施の形態１に係る固体撮像素子の概略構成の変形例を示す図である。 実施の形態１に係る固体撮像素子の断面構造を示す図である。 固体撮像素子の一般的なタイミングチャートである。 実施の形態１に係る赤外ＬＥＤの点灯と消灯のタイミングを示す図である。 実施の形態１に係るカメラユニットの処理の流れを示すフローチャートである。 実施の形態１に係る固体撮像素子の赤外光のみを透過する単位画素からの出力信号の一例を示す図である。 固体撮像素子からの出力信号が飽和した状態の一例を示す図である。 減光後の固体撮像素子からの出力信号を示す図である。 実施の形態１に係る固体撮像素子の可視光と赤外光が透過する単位画素からの出力信号を示す図である。 実施の形態２に係る固体撮像素子の概略構成を示す図である。 実施の形態２に係る固体撮像素子の断面構造を示す図である。 実施の形態３に係る赤外ＬＥＤの点灯と消灯のタイミングを示す図である。 実施の形態３に係る赤外ＬＥＤの点灯と消灯のタイミングを示す図である。 M系列発生器の回路構成を示す図である。 実施の形態３に係る固体撮像素子の赤外光のみを透過する単位画素からの出力信号の一例を示す図である。 実施の形態３に係る固体撮像素子の可視光と赤外光が透過する単位画素からの出力信号を示す図である。 実施の形態４に係る固体撮像素子の断面構造を示す図である。 実施の形態４に係る固体撮像素子上の屈折率分布を構成する光透過膜の上面図である。 実施の形態４に係る固体撮像素子上の屈折率分布を構成する光透過膜の断面構造を示す図である。 実施の形態４に係る固体撮像素子の断面構造を示す図である。 本発明の変形例における赤外ＬＥＤが発行する赤外光を示す図である。

符号の説明

１ カメラユニット
２ 赤外ＬＥＤランプユニット
３ 白色ＬＥＤランプユニット
１０ 固体撮像素子
１１ 撮像領域（画素）
１２ 赤外光のみを透過する単位画素
１３ 可視光および赤外光を透過する単位画素
１４ 赤色光および赤外光を透過する単位画素
１５ 緑色光および赤外光を透過する単位画素
１６ 青色光および赤外光を透過する単位画素
２１ マイクロレンズ
２２ 配線
２３ 受光素子
２４ Ｓｉ基板
２６ 可視光カットフィルタ
２７、２８、２９ カラーフィルタ
３０ ＥＸＯＲ
３１ 屈折率分布を構成する光透過膜
３２、３３、３４ 干渉型カラーフィルタ
４２ 高屈折率材料
４３ 低屈折率材料
４４ 隣り合う円型光透過膜の外周の半径差（ピッチ）
４５ 線幅（円周幅）
１００ ヘッドライトモジュール
１０１ Ａ／Ｄ変換部
１０２、１０６ フレームメモリ
１０４ 検出部
１０５ 減光部
１０７ 画像合成部
１０８ 画像出力部
１０９ ＤＣ検出部
１１０ ＡＣ検出部
１１１ 抽出部
２０１ 赤外ＬＥＤ
２０２ パルス発生部
２０３ 発光制御部
２０４ パルス信号
Ｔ１ ブランキング期間
Ｔ２ 撮像期間

Claims (5)

1. 赤外光を発光する赤外ＬＥＤと、白色光を発光する白色ＬＥＤと、固体撮像素子とを備えたヘッドライトモジュールであって、
   前記固体撮像素子は、
   前記赤外光の波長帯に感度を有する第１の画素と、
   前記白色光の波長帯と前記赤外光の波長帯の双方に感度を有する第２の画素とを含み、
   前記第１の画素及び前記第２の画素は、２次元的に配置されており、
   前記ヘッドライトモジュールは、さらに、
   前記赤外ＬＥＤに、前記固体撮像素子のフレーム時間をパルス幅とし、時間的に擬似ランダムにパルス変調した赤外光を発光させる発光制御手段と、
   前記固体撮像素子により出力される信号から、前記パルス変調に合わせて赤外光の画像信号を抽出する抽出手段とを備える
   ことを特徴とするヘッドライトモジュール。
2. 前記発光制御手段は、前記赤外ＬＥＤにスペクトラム拡散方式により時間的に擬似ランダムにパルス変調した赤外光を発光させる
   ことを特徴とする請求項１記載のヘッドライトモジュール。
3. 前記ヘッドライトモジュールは、さらに、
   前記固体撮像素子により出力される前記信号が、所定の強度以上であるかを検出する検出手段と、
   前記検出手段が所定の強度以上であると検出した場合、前記固体撮像素子が撮像する赤外光を減光する減光手段とを備える
   ことを特徴とする請求項１または２記載のヘッドライトモジュール。
4. 前記第２の画素は、赤色光の波長帯と前記赤外光の波長帯の双方に感度を有し、
   前記固体撮像素子は、さらに、
   緑色光の波長帯と前記赤外光の波長帯の双方に感度を有する第３の画素と、
   青色光の波長帯と前記赤外光の波長帯の双方に感度を有する第４の画素とを備える
   ことを特徴とする請求項１、２または３記載のヘッドライトモジュール。
5. 前記赤外ＬＥＤは、前記白色ＬＥＤが点灯しているときは常時点灯し、ハイビーム用光源として用いられる
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のヘッドライトモジュール。

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