JPH10223916A - 光検出器及び受光モジュール - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 光検出器及び受光モジュールにおいて、受光
レンズの軸外収差の影響を低減して、良好な結像を得る
と共に、受光視野を広くする。 【解決手段】 受光素子４と、検出対象物２からの反射
光を集光するための受光レンズ（集光素子）３と、前記
受光レンズ３と受光素子４の間に配置されたファイバフ
ェイスプレート（光ファイバ束）１１とを備えた光検出
器１０において、前記ファイバフェイスプレート１１の
受光レンズ３と対向する側の端面を、前記受光レンズ４
によって生成される検出対象物２の結像面の湾曲に一致
させた曲面形状に成形し、前記ファイバフェイスプレー
ト１１の受光素子４側の端面を受光素子４の表面に取り
付ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は光検出器及び受光モ
ジュールに関する。特に、アクティブ光電センサやパッ
シブ光電センサに用いられ、ファイバフェイスプレート
等の光ファイバ束を備えた光検出器及び受光モジュール
に関する。

【０００２】

【従来の技術】（第１の従来例）図１は従来例による光
検出器１を示す図である。この光検出器１にあっては、
検出対象物２からの反射光を受光レンズ（両凸レンズ）
３によって結像し、平な受光面４ａを有する受光素子４
によって受光するようになっている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来例による光検出器１にあっては、受光レンズ３の軸外
収差の影響で、結像面５が湾曲しているので、平な受光
面４ａに結像面５を一致させることができず、受光面４
ａに像を結像させることができない。また、受光面４ａ
の周縁の像がボケて有効となる受光面積が小さくなり、
その分受光視野が狭くなっている。受光レンズ３の収差
を小さくするには、受光レンズ系を組みレンズとしなけ
ればならない。ところが、組みレンズは設計が困難で高
価となってしまう。

【０００４】ところで、一般に、受光面４ａの大きな受
光素子４は雑音が大きく高価であることから、受光面４
ａの小さい受光素子４を用いることが望ましい。また、
受光視野を広げるには、長焦点レンズに比べて結像面積
の小さい短焦点の受光レンズ３を用いることが好まし
い。ところが、短焦点のレンズは設計が困難で高価であ
ることから、コストパフォーマンスを優先して、長焦点
の受光レンズ３が用いられている。このように、光検出
器１を安価に製作しようとすれば、長焦点の受光レンズ
３による広範囲に広がった像を小さな受光面４ａで受光
することになるので、受光視野が十分に広くとれないと
いう問題があった。

【０００５】本発明は叙上の従来例の欠点に鑑みてなさ
れたものであり、その目的とするところは、光検出器及
び受光モジュールにおいて、受光レンズの軸外収差の影
響を低減して、受光視野を広くすることにある。

【０００６】

【発明の開示】請求項１に記載の光検出器は、受光素子
と、検出対象物からの反射光を集光するための集光素子
と、前記集光素子と受光素子の間に配置された光ファイ
バ束とを備え、前記光ファイバ束の集光素子と対向する
側の端面は、前記集光素子によって生成される検出対象
物の結像面の湾曲に応じた曲面に形成され、前記光ファ
イバ束の受光素子側の端面は受光素子の表面に取り付け
られていることを特徴としている。ここで、集光素子と
は、例えば、１又は２以上の凸レンズ、凹レンズ、凸面
鏡、凹面鏡等である。

【０００７】請求項１に記載の光検出器にあっては、光
ファイバ束の集光素子側の端面が、集光素子によって生
成される検出対象物の結像面の湾曲に応じた曲面に形成
されているから、検出対象物の像が収差によって湾曲し
ている場合であっても、光ファイバ束の集光素子側の端
面に、検出対象物の像を結像させることができる。さら
に、光ファイバ束の受光素子側の端面が受光素子の表面
に取り付けられているので、集光素子側の端面に結像さ
れた光が、光ファイバ束の光ファイバ内を伝送し、受光
素子に光結合する。このとき、受光素子の表面に結合す
る光は、光軸外においても、ボケることなくシャープな
像となる。

【０００８】しかして、湾曲した像を光ファイバ束によ
り平面的な像に変換した後、受光素子により受光させる
ことができる。そして、集光素子の軸外収差の影響が低
減されるため、受光素子の全表面において良好な受光像
を得て受光視野を最大限に確保することが可能になると
共に、安価なコストで結像性の良好な光検出器を製作す
ることができる。また、受光素子上に光スポットを結像
させる場合、結像位置に拘らず、ボケの少ない均一なス
ポット径を得ることができるので、受光素子にＰＳＤ
（位置検出素子）やＣＣＤ（charge coupled devic
e）を用いる場合、測定精度が向上するといった優れた
特徴がある。

【０００９】請求項２に記載の実施態様は、請求項１記
載の光検出器において、前記光ファイバ束は、集光素子
側で束径が比較的太く、受光素子側で束径が比較的細く
なっていることを特徴としている。

【００１０】請求項２に記載の光検出器にあっては、光
ファイバ束が集光素子側で太くなっているので同一の受
光面積の受光素子を用いて大きな受光視野を得ることが
できると共に、受光視野を広くするために高価な短焦点
の集光素子を必要としないから、安価なコストで受光視
野の広い光検出器を製作することができる。

【００１１】請求項３に記載の実施態様は、請求項１記
載の光検出器において、前記光ファイバ束を構成する光
ファイバが屈曲されていることを特徴としている。

【００１２】請求項３に記載の光検出器にあっては、光
ファイバを屈曲することによって光ファイバ束の形状を
自由に変更できるので、集光素子と受光素子の配置に対
する制約がなくなってフレキシビリティが向上する。さ
らに、光検出器を各種機器内の小さなスペースに組み込
むことが可能になり、アセンブリ性の向上によって各種
機器の小型化に寄与する。

【００１３】請求項４に記載の実施態様は、請求項１記
載の光検出器において、前記光ファイバ束の光ファイバ
密度を光ファイバ束の中心部で粗く、外縁部で密にして
いることを特徴としている。

【００１４】請求項４に記載の光検出器にあっては、光
ファイバ束の光ファイバ密度が中心部で粗く外縁部で密
となっているから、集光素子により集光される光の光量
が光軸近辺ほど大きく光軸から外れるほど小さくなるこ
とによって、受光素子の受光面における光強度が不均一
となることを防止できる。

【００１５】請求項５に記載の受光モジュールは、検出
対象物からの反射光を集光するための集光素子と、前記
集光素子に端面を対向配置された光ファイバ束とからな
り、前記光ファイバ束の集光素子と対向する側の端面
は、前記集光素子によって生成される検出対象物の結像
面の湾曲に応じた曲面に形成されていることを特徴とし
ている。

【００１６】請求項５に記載の受光モジュールにあって
は、光ファイバ束の集光素子側の端面が、集光素子によ
って生成される検出対象物の結像面の湾曲に応じた曲面
に形成されているから、集光素子の軸外収差の影響によ
って湾曲した像を、光ファイバ束の集光素子側の端面に
結像させ、湾曲した像を光ファイバの他方端面で平な像
に変換できるといった利点がある。

【００１７】

【発明の実施の形態】

（第１の実施形態）図２は本発明の一実施形態によるア
クティブ光電センサ１２の構成を示すブロック図であ
り、図３は同上のアクティブ光電センサ１２に用いられ
る光検出器１０を示す図である。

【００１８】光検出器１０は、ＰＳＤやＣＣＤ等の受光
素子４と、検出対象物２からの反射光を集光するための
受光レンズ（集光素子）３と、前記受光レンズ３と受光
素子４の間に配置されたファイバフェイスプレート（光
ファイバ束）１１とを備え、前記ファイバフェイスプレ
ート１１の受光レンズ３と対向する側の端面は、前記受
光レンズ３によって生成される検出対象物２の結像面５
の湾曲に応じた曲面形状に成形され、前記ファイバフェ
イスプレート１１の受光素子４側の端面は受光素子４の
表面に取り付けられている。

【００１９】アクティブ光電センサ１２は、投光回路１
４によって発光駆動される発光ダイオード等の発光素子
１５と、発光素子１５から出射される光ビームをコリメ
ート光に変換する投光レンズ１６と、検出対象物２から
の反射光を受光する光検出器１０と、光検出器１０の受
光素子４から受光信号を取り出す受光回路１７と、受光
信号に応じて検出対象物２までの距離を算出する演算制
御回路１８とから構成されている。

【００２０】アクティブ光電センサ１２が検出動作を開
始すると、投光回路１４の制御を受けて発光素子１５が
発光し、その光は、投光レンズ１６によってコリメート
され検出対象物２の検知方向に向けて照射される。検出
対象物２上で反射された反射光は、受光レンズ３によっ
てファイバフェイスプレート１１の受光レンズ３側の端
面に結像され、受光素子４の受光面４ａ上に光結合す
る。さらに、受光回路１７によって受光信号を得て、演
算制御回路１８によって、以下の式に基づき検出対象物
２までの距離Ｌを求めるようになっている。 Ｌ＝ｄ・ｆ／ｘ ｄ：基線長（投受光光軸間距離） ｆ：受光レンズ３の焦点距離 ｘ：受光軸３ａと受光スポットとの距離

【００２１】受光レンズ３は、両凸型の一枚レンズとさ
れている。軸外収差を小さくするには組みレンズを用い
るとよいが、組みレンズは設計が複雑で高価となるの
で、収差の大きい安価な受光レンズ３が用いられてい
る。この受光レンズ３の収差により、結像面５が湾曲し
ている。アクティブ光電センサ１２の受光素子４にはＰ
ＳＤやＣＣＤが用いられているので、軸外収差の影響で
集光スポットが広がり、受光素子４の受光像がボケる
と、十分な測定精度が得られない。

【００２２】ファイバフェイスプレート１１は、束ねら
れた多数の光ファイバ１１ａを、光ファイバ１１ａより
も屈折率が小さい樹脂バインダもしくは黒色の遮光性樹
脂バインダ等によってモールドしたものである。ファイ
バフェイスプレート１１の受光レンズ３側の端面は、光
入射面となっており、受光素子４側の端面は光出射面と
なっている。

【００２３】光ファイバ１１ａは、全て同一径とされ、
ファイバフェイスプレート１１の断面において隙間なく
一様に束ねられている。また、光入射面は、研磨加工等
によって検出対象物２の結像面５の湾曲に応じた曲面形
状に加工され、結像面５に合わせて配置されている。こ
れによって、ファイバフェイスプレート１１の光入射面
上には検出対象物２の像がボケることなく結像される。
また、ファイバフェイスプレート１１の受光素子４側の
端面（光出射面）が受光面４ａに取り付けられているの
で、光入射面上に結像された検出対象物２のシャープな
像が受光面４ａに光結合される。さらに、ファイバフェ
イスプレート１１の任意の断面どうしは、光ファイバ１
１ａの配置関係が相似になっており、光入射面の像が崩
れずに光出射面に伝達されるようになっている。

【００２４】しかして、ファイバフェイスプレート１１
の光入射面に、検出対象物２の像が結像されると、結像
された光は、光ファイバ１１ａ内を伝送し、受光面４ａ
に光結合する。このとき、受光面４ａに入射する光はボ
ケることなくシャープな像となっている。

【００２５】従って、受光レンズ３の軸外収差の影響を
低減して結像性の良好な光検出器１０を得ることができ
る。また、光軸外の像がボケないのでその分有効な受光
視野が広がると共に、安価なコストで結像性の良好な光
検出器１０を製作することができる。

【００２６】さらに、ファイバフェイスプレート１１に
より受光レンズ３の軸外収差の影響が低減されるので、
光軸外における受光面４ａの集光スポットのボケが低減
し、受光像のコントラストが高まる。従って、光検出器
１０をアクティブ光電センサ１２に搭載し、検出対象物
２上の光軸３ａ外の点からの反射光をＰＳＤやＣＣＤ等
の受光素子４に結像する場合、三角測距の原理に基づく
位置検出の測定精度が向上するといった優れた特徴があ
る。

【００２７】（第２の実施形態）図４は本発明の別な実
施形態によるパッシブ光電センサ１３の構成を示すブロ
ック図である。パッシブ光電センサ１３は、受光素子４
にＰＳＤやＣＣＤ等が用いられた光検出器１０を２つ備
えており、検出対象物２からの反射光を２つの光検出器
１０で同時に受光し、各受光回路１７において各受光レ
ンズ３の光軸３ａと受光面４ａに結像した像の重心との
距離（ｘ₁，ｘ₂）の情報を得て、比較演算回路１９によ
って検出対象物２までの距離Ｌを求めるようになってい
る。この場合の距離Ｌの算出は、以下の式によって行な
う。 Ｌ＝ｆ・ｄ／（ｘ₁＋ｘ₂） ｄ：基線長（受光光軸間距離） ｆ：受光レンズ３の焦点距離 ｘ₁，ｘ₂：受光軸３ａと受光像の光重心との距離

【００２８】図５はファイバフェイスプレート１１の光
入射面が光軸３ａに対し非対称となる例を示す図であ
る。光検出器１０は、検出対象物２が受光レンズ３に対
して傾いているとき、結像面５が光軸３ａに対して非対
称となる。従って、この場合、ファイバフェイスプレー
ト１１の光入射面も結像面５に合わせて、光軸３ａに対
し非対称に加工しなければならない。

【００２９】先に出願した特願平８−９９０４９号に開
示されているように、受光素子４としてＣＣＤを用い、
ＣＣＤ上の像のコントラストにより対象物の像のエッジ
を抽出し、パターン認識や測距等を行なう場合、軸外収
差の影響でＣＣＤ上の像がボケると、コントラストが低
下し、測定精度が低下する。しかしながら、本実施形態
のパッシブ光電センサ１３では、ファイバフェイスプレ
ート１１の光入射面が結像面５に合わせて加工され、フ
ァイバフェイスプレート１１の光出射面がＣＣＤ上に取
り付けられているので、ＣＣＤ上の受光像がボケること
なくシャープな像となる。従って、パッシブ光電センサ
１３の検出精度が向上し、誤測距を防止することができ
る。

【００３０】（第３の実施形態）図６は本発明の別な実
施形態による光検出器２０を示す図である。この光検出
器２０にあっては、ファイバフェイスプレート２１は、
受光レンズ３側で束径が比較的太く、受光素子４側で束
径が比較的細くなっている。これによって、ファイバフ
ェイスプレート２１の外形がテーパ形状となっている。

【００３１】ファイバフェイスプレート２１の受光素子
４側の断面は、各光ファイバ２１ａが隙間なく一様に束
ねられており、ファイバフェイスプレート２１の受光レ
ンズ３側の断面は、各光ファイバ２１ａが一定の隙間を
もって一様に束ねられている。このように、ファイバフ
ェイスプレート２１の外形を、受光レンズ３側で束径が
比較的太く受光素子４側で比較的細いテーパ状にするこ
とで、ファイバフェイスプレート２１の光入射面上の像
を縮小して受光素子４の受光面４ａ上に伝達することが
できる。

【００３２】ところで、受光面４ａの大きな受光素子４
ほど一般に雑音が大きくなり、コストも高くなるため、
より受光面４ａの小さい受光素子４を用いることが好ま
しいが、光検出器２０にファイバフェイスプレート２１
を用いるならば、より受光面４ａの小さな受光素子４を
用いることができる。

【００３３】一方、受光面４ａの大きさが同じであると
すれば、ファイバフェイスプレート２１の受光レンズ３
側の端面が見かけ上の受光面となっているので、受光面
積が広がり、それに伴って受光視野も広がる。なお、受
光面４ａの大きさを変えずに受光視野を大きくするため
には、受光レンズ３を短焦点のレンズにしてもよいが、
このようなレンズは像の歪みが大きくなるために設計が
困難でコストが高くなり、しかも、軸外収差の影響を取
り除くことができない。

【００３４】このように、ファイバフェイスプレート２
１の外形がテーパ形状とされ、ファイバフェイスプレー
ト２１の径が受光素子４側で細くなっているので、小さ
な受光面４ａの受光素子４を用いて大きな受光視野を得
ることができる。あるいは、受光視野を広くするために
高価な短焦点の受光レンズ３を必要としないから、安価
なコストで受光視野の広い光検出器２０を製作すること
ができるといった長所がある。

【００３５】（第４の実施形態）図７は本発明のさらに
別な実施形態による光検出器３０を示す図である。この
光検出器３０にあっては、ファイバフェイスプレート３
１が、光検出器３０が組み込まれる機器の内装スペース
に合わせて屈曲されている。

【００３６】ファイバフェイスプレート３１を構成する
光ファイバ３１ａが内装スペースに合わせて屈曲されて
いるので、受光レンズ３と受光素子４の配置に対する制
約が緩和されてファイバフェイスプレート３１のフレキ
シビリティが向上し、光検出器３０を薄型化できる。さ
らに、光検出器３０を各種機器内の小さなスペースに組
み込むことが可能になり、アセンブリ性の向上によって
各種機器の小型化に寄与することができるといった利点
がある。

【００３７】（第５の実施形態）図８は本発明のさらに
別な実施形態による光検出器に用いられるファイバフェ
イスプレート４０を示す平面図である。このファイバフ
ェイスプレート４０にあっては、ファイバフェイスプレ
ート４０の光ファイバ密度が、その中心部で粗く、外縁
部で密になっている。但し、本実施形態によるファイバ
フェイスプレート４０は、受光素子４がＣＣＤ等のよう
に複数の画素に分割された受光面を有するものであっ
て、１画素に複数の光ファイバ４０ａの出射光が結合さ
れる場合に有効となる。なお、図８中、４２は光ファイ
バ４０ａをモールドしている遮光性樹脂である。

【００３８】受光レンズ３によって集光される光は光軸
３ａ近辺ほど光量が大きく、光軸３ａから外れるほど小
さくなっているため、ファイバフェイスプレート４０の
光ファイバ４０ａの分布密度を中心ほど粗く、外縁に近
いほど密にすることによって、受光面４ａ上では光量を
均一に受光させることができる。これによって、像の重
心の偏りを軽減でき、測距精度が向上するようになって
いる。

【００３９】なお、本発明は上記実施形態に限定される
ものではなく、本発明の範囲内で変更できることはいう
までもない。例えば、図９は外形がテーパ形状となって
いるファイバフェイスプレート４１を示す底面図であ
る。このように、外形がテーパ形状となっているファイ
バフェイスプレート４１において、光ファイバ４１ａの
密度分布を中心ほど粗く、外縁に近いほど密にしてもよ
い。

【００４０】あるいは、ファイバフェイスプレートにお
ける各光ファイバの受光レンズ側の端面を光ファイバの
長さ方向に対して垂直な端面とし、この端面を湾曲した
結像面に沿って配置してもよい。この場合、光ファイバ
は、ファイバフェイスプレートの外縁に近いもの程、そ
の端面が光軸に対してより大きく傾けられており、結像
面の接平面内に端面が重なるように配置されている。従
って、ファイバフェイスプレートの光入射面は、ほぼ結
像面の湾曲に応じた曲面形状となり、ほぼ結像面に合わ
せて配置されている。これによって、ファイバフェイス
プレートの光入射面上には検出対象物の像がボケること
なく結像される。さらに、ファイバフェイスプレートの
光出射面が受光面に取り付けられているので、シャープ
な像が受光面に光結合される。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は従来例による光検出器を示す図である。

【図２】本発明の一実施形態によるアクティブ光電セン
サの構成を示すブロック図である。

【図３】同上のアクティブ光電センサに用いられる光検
出器を示す図である。

【図４】本発明の別な実施形態によるパッシブ光電セン
サの構成を示すブロック図である。

【図５】ファイバフェイスプレートの光入射面が光軸に
対し非対称となる例を示す図である。

【図６】本発明のさらに別な実施形態による光検出器を
示す図である。

【図７】本発明のさらに別な実施形態による光検出器を
示す図である。

【図８】本発明のさらに別な実施形態による光検出器に
用いられるファイバフェイスプレートを示す平面図であ
る。

【図９】側面がテーパ形状となっているファイバフェイ
スプレートを示す底面図である。

【符号の説明】

３ 受光レンズ（集光素子） ４ 受光素子 ５ 結像面 １１，２１，３１，４０，４１ ファイバフェイスプレ
ート（光ファイバ束） １１ａ，２１ａ，３１ａ，４０ａ，４１ａ 光ファイバ

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 受光素子と、検出対象物からの反射光を
   集光するための集光素子と、前記集光素子と受光素子の
   間に配置された光ファイバ束とを備え、 前記光ファイバ束の集光素子と対向する側の端面は、前
   記集光素子によって生成される検出対象物の結像面の湾
   曲に応じた曲面に形成され、 前記光ファイバ束の受光素子側の端面は受光素子の表面
   に取り付けられていることを特徴とする光検出器。
2. 【請求項２】 前記光ファイバ束は、集光素子側で束径
   が比較的太く、受光素子側で束径が比較的細くなってい
   ることを特徴とする、請求項１に記載の光検出器。
3. 【請求項３】 前記光ファイバ束を構成する光ファイバ
   が屈曲されていることを特徴とする、請求項１に記載の
   光検出器。
4. 【請求項４】 前記光ファイバ束の光ファイバ密度を光
   ファイバ束の中心部で粗く、外縁部で密にしていること
   を特徴とする、請求項１に記載の光検出器。
5. 【請求項５】 検出対象物からの反射光を集光するため
   の集光素子と、前記集光素子に端面を対向配置された光
   ファイバ束とからなり、 前記光ファイバ束の集光素子と対向する側の端面は、前
   記集光素子によって生成される検出対象物の結像面の湾
   曲に応じた曲面に形成されていることを特徴とする受光
   モジュール。