JP2021110868A - Light receiving device and electronic system - Google Patents
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Abstract
Description
本開示は、受光装置及び電子システムに関する。 The present disclosure relates to a light receiving device and an electronic system.
対象物に対して光を照射した時刻と、対象物からの反射光を受光した時刻との時間差に基づいて、対象物までの距離を計測するToF(Time of Flight)方式の距離計測技術が知られている。ToF方式の距離計測技術は、自動運転や顔認証など、広範な分野での利用が見込まれている。 ToF (Time of Flight) distance measurement technology that measures the distance to an object based on the time difference between the time when the object is irradiated with light and the time when the reflected light from the object is received is known. Has been done. The ToF distance measurement technology is expected to be used in a wide range of fields such as automatic driving and face recognition.
ToF方式の距離計測用の受光装置では、レンズ(以下、ToF用レンズ)を通した光を受光するが、微弱な光でも受光できるようにToF用レンズのF値はできるだけ小さくする必要がある。 The ToF type distance measuring light receiving device receives light that has passed through a lens (hereinafter, ToF lens), but it is necessary to make the F value of the ToF lens as small as possible so that even weak light can be received.
最近は、顔認証などの目的でスマートフォン等の携帯機器にもToF方式の受光装置が搭載される場合がある。スマートフォン等では、受光装置をできるだけ小型化する必要があり、ToF用レンズを薄くすることが求められている。 Recently, a ToF type light receiving device may be installed in a portable device such as a smartphone for the purpose of face recognition or the like. In smartphones and the like, it is necessary to make the light receiving device as small as possible, and it is required to make the ToF lens thinner.
しかしながら、ToF用レンズを薄くすると、光軸中心から離れるほど屈折角度が大きくなる。ToF用レンズを通過した光は、バンドパスフィルタ(以下、単にフィルタと呼ぶ)に入射されて、所定の波長帯域の光成分のみが抽出されて、撮像センサに入射される。ToF用レンズを薄くすると、フィルタに入射される光のCRA(Chief Ray Angle)が大きくなる。ここで、CRAとは、フィルタへの主光線の入射角度であり、この場合の入射角度はフィルタの入射面の法線方向からの傾斜角度である。 However, when the ToF lens is made thinner, the refraction angle becomes larger as the distance from the center of the optical axis increases. The light that has passed through the ToF lens is incident on a bandpass filter (hereinafter, simply referred to as a filter), and only the light component in a predetermined wavelength band is extracted and incident on the image sensor. When the ToF lens is made thinner, the CRA (Chief Ray Angle) of the light incident on the filter becomes larger. Here, the CRA is the angle of incidence of the main light beam on the filter, and the angle of incidence in this case is the angle of inclination of the incident surface of the filter from the normal direction.
CRAが大きくなると、フィルタへの入射角度も大きくなり、フィルタの分光特性が悪化してしまう。より具体的には、CRAが大きくなると、フィルタは本来透過するべき周波数帯域とは異なる周波数帯域の光を透過する。このため、撮像センサには、本来意図した波長成分とは異なる波長成分の光が入射される。これにより、撮像センサのS/N比が低下し、距離計測精度が低下してしまう。 As the CRA increases, the angle of incidence on the filter also increases, and the spectral characteristics of the filter deteriorate. More specifically, as the CRA increases, the filter transmits light in a frequency band different from the frequency band that should originally transmit. Therefore, light having a wavelength component different from the originally intended wavelength component is incident on the image sensor. As a result, the S / N ratio of the image sensor is lowered, and the distance measurement accuracy is lowered.
フィルタの分光特性をよくするには、CRAを小さくする必要がある。CRAを小さくするには、ToF用レンズから出射される光が光軸方向に略平行になるようにすればよいが、ToF用レンズの内部で光線の進行方向を変更しようとすると、レンズ長が長くなってしまう。スマートフォン等では、設置スペースが限られているため、レンズ長の長いToFレンズを採用するのは困難である。 To improve the spectral characteristics of the filter, it is necessary to reduce the CRA. In order to reduce the CRA, the light emitted from the ToF lens should be substantially parallel to the optical axis direction, but if the traveling direction of the light beam is changed inside the ToF lens, the lens length will increase. It will be long. In smartphones and the like, it is difficult to use a ToF lens with a long lens length because the installation space is limited.
そこで、本開示では、レンズ長を長くすることなく、フィルタの分光特性を改善可能な受光装置及び電子システムを提供するものである。 Therefore, the present disclosure provides a light receiving device and an electronic system capable of improving the spectral characteristics of a filter without increasing the lens length.
上記の課題を解決するために、本開示によれば、フレネル面を有するテレセントリック光学系と、
前記テレセントリック光学系を通過した光の中から、所定の波長帯域の光を透過させるフィルタと、
前記フィルタを通過した光を光電変換する撮像部と、を備える、受光装置が提供される。
In order to solve the above problems, according to the present disclosure, a telecentric optical system having a Fresnel surface and
A filter that transmits light in a predetermined wavelength band from the light that has passed through the telecentric optical system,
Provided is a light receiving device including an imaging unit that photoelectrically converts light that has passed through the filter.
前記テレセントリック光学系は、
入射する周辺光束の主光線を発散させる前群光学系と、
前記前群光学系を通過した周辺光束を平行化する後群光学系と、を有し、
前記後群光学系は、前記フレネル面を有してもよい。
The telecentric optical system is
The front group optical system that diverges the main ray of the incident peripheral luminous flux,
It has a rear group optical system that parallelizes the peripheral luminous flux that has passed through the front group optical system.
The rear group optical system may have the Fresnel surface.
前記後群光学系は、前記前群光学系に対向配置される第1面と、前記フィルタに対向配置される第2面と、を有し、
前記第2面はフレネル面であってもよい。
The rear group optical system has a first surface which is arranged to face the front group optical system and a second surface which is arranged to face the filter.
The second surface may be a Fresnel surface.
前記第1面の湾曲度合いは、前記第2面の湾曲度合いよりも大きくてもよい。 The degree of curvature of the first surface may be larger than the degree of curvature of the second surface.
前記後群光学系は、光軸中心から周縁に向かうに従って、厚みが薄くなるレンズを有してもよい。 The rear group optical system may have a lens whose thickness decreases from the center of the optical axis toward the periphery.
前記後群光学系は、厚みが均一な透明基材を有し、
前記透明基材は、前記前群光学系側に配置される第3面と、前記撮像部側に配置される第4面と、を有し、
前記第3面はフレネル面であり、
前記フィルタは、前記第4面にコーティングされた層であってもよい。
The rear group optical system has a transparent base material having a uniform thickness and has a uniform thickness.
The transparent base material has a third surface arranged on the front group optical system side and a fourth surface arranged on the imaging unit side.
The third surface is a Fresnel surface,
The filter may be a layer coated on the fourth surface.
前記テレセントリック光学系には、光源から発光されて対象物で反射された反射光が入射され、
前記フィルタは、前記フィルタの法線方向から所定角度傾斜した方向から光が入射された場合に透過率が50%になる上限の波長をWcut_on、前記フィルタの法線方向から光が入射された場合に透過率が50%になる下限の波長をWcut_off、前記光源の初期波長ばらつき及び温度変化による前記光源の発光波長の変化量をWldとしたとき、Wcut_on−Wcut_off>Wldを満たす透過特性を有してもよい。
The telecentric optical system is incident with the reflected light emitted from the light source and reflected by the object.
The filter has Wcut_on as the upper limit wavelength at which the transmittance becomes 50% when light is incident from a direction inclined by a predetermined angle from the normal direction of the filter, and when light is incident from the normal direction of the filter. When the lower limit wavelength at which the transmittance becomes 50% is Wcut_off and the amount of change in the emission wavelength of the light source due to the initial wavelength variation of the light source and the temperature change is Wld, it has a transmission characteristic satisfying Wcut_on-Wcut_off> Wld. You may.
前記テレセントリック光学系は、外形が矩形状でフレネル面を有するガラス基材を有してもよい。 The telecentric optical system may have a glass base material having a rectangular outer shape and a Fresnel surface.
前記テレセントリック光学系は、外形が矩形状でフレネル面を有する樹脂基材を有してもよい。 The telecentric optical system may have a resin base material having a rectangular outer shape and a Fresnel surface.
前記テレセントリック光学系は、凸形状の前記樹脂基材と、前記樹脂基材に接合される平坦なガラス基材とを有し、
前記フィルタは、前記ガラス基材の表面にコーティングされた層であってもよい。
The telecentric optical system has a convex resin base material and a flat glass base material bonded to the resin base material.
The filter may be a layer coated on the surface of the glass substrate.
前記テレセントリック光学系には、光源から発光されて対象物で反射された反射光が入射され、
前記受光装置は、前記光源が光を発光したタイミングと、前記受光装置が前記反射光を受光したタイミングとの時間差により、前記対象物までの距離を計測する距離計測部を有してもよい。
The telecentric optical system is incident with the reflected light emitted from the light source and reflected by the object.
The light receiving device may have a distance measuring unit that measures the distance to the object by the time difference between the timing when the light source emits light and the timing when the light receiving device receives the reflected light.
本開示によれば、光を発光する光源と、
前記光源で発光されて対象物で反射された反射光を受光する受光装置と、
前記光源と前記受光装置とを支持する支持基板と、を備えた電子システムであって、
前記受光装置は、
フレネル面を有するテレセントリック光学系と、
前記テレセントリック光学系を通過した光の中から、所定の波長帯域の光を透過させるフィルタと、
前記フィルタを通過した光を光電変換する撮像部と、を有する、電子システムが提供される。
According to the present disclosure, a light source that emits light and
A light receiving device that receives the reflected light that is emitted by the light source and reflected by the object.
An electronic system including a support substrate that supports the light source and the light receiving device.
The light receiving device is
Telecentric optics with Fresnel surface and
A filter that transmits light in a predetermined wavelength band from the light that has passed through the telecentric optical system,
An electronic system is provided that includes an imaging unit that photoelectrically converts light that has passed through the filter.
前記受光装置は、前記光源が光を発光したタイミングと、前記受光装置が前記反射光を受光したタイミングとの時間差により、前記対象物までの距離を計測する距離計測部を有してもよい。 The light receiving device may have a distance measuring unit that measures the distance to the object by the time difference between the timing when the light source emits light and the timing when the light receiving device receives the reflected light.
前記テレセントリック光学系は、
入射する周辺光束の主光線を発散させる前群光学系と、
前記前群光学系を通過した周辺光束の主光線を平行化する後群光学系と、を有し、
前記後群光学系は、前記フレネル面を有してもよい。
The telecentric optical system is
The front group optical system that diverges the main ray of the incident peripheral luminous flux,
It has a rear group optical system that parallelizes the main light beam of the peripheral luminous flux that has passed through the front group optical system.
The rear group optical system may have the Fresnel surface.
前記後群光学系は、前記前群光学系に対向配置される第1面と、前記フィルタに対向配置される第2面と、を有し、
前記第2面はフレネル面であってもよい。
The rear group optical system has a first surface which is arranged to face the front group optical system and a second surface which is arranged to face the filter.
The second surface may be a Fresnel surface.
前記第1面の湾曲度合いは、前記第2面の湾曲度合いよりも大きくてもよい。 The degree of curvature of the first surface may be larger than the degree of curvature of the second surface.
前記後群光学系は、光軸中心から周縁に向かうに従って、厚みが薄くなるレンズを有してもよい。 The rear group optical system may have a lens whose thickness decreases from the center of the optical axis toward the periphery.
前記後群光学系は、厚みが均一な透明基材を有し、
前記透明基材は、前記前群光学系側に配置される第3面と、前記撮像部側に配置される第4面と、を有し、
前記第3面はフレネル面であり、
前記フィルタは、前記第4面にコーティングされた層であってもよい。
The rear group optical system has a transparent base material having a uniform thickness and has a uniform thickness.
The transparent base material has a third surface arranged on the front group optical system side and a fourth surface arranged on the imaging unit side.
The third surface is a Fresnel surface,
The filter may be a layer coated on the fourth surface.
前記テレセントリック光学系には、光源から発光されて対象物で反射された反射光が入射され、
前記フィルタは、前記フィルタの法線方向から所定角度傾斜した方向から光が入射された場合に透過率が50%になる上限の波長をWcut_on、前記フィルタの法線方向から光が入射された場合に透過率が50%になる下限の波長をWcut_off、前記光源の初期波長ばらつき及び温度変化による前記光源の発光波長の変化量をWldとしたとき、Wcut_on−Wcut_off>Wldを満たす透過特性を有してもよい。
The telecentric optical system is incident with the reflected light emitted from the light source and reflected by the object.
The filter has Wcut_on as the upper limit wavelength at which the transmittance becomes 50% when light is incident from a direction inclined by a predetermined angle from the normal direction of the filter, and when light is incident from the normal direction of the filter. When the lower limit wavelength at which the transmittance becomes 50% is Wcut_off and the amount of change in the emission wavelength of the light source due to the initial wavelength variation of the light source and the temperature change is Wld, it has a transmission characteristic satisfying Wcut_on-Wcut_off> Wld. You may.
前記テレセントリック光学系は、外形が矩形状でフレネル面を有するガラス基材を有してもよい。 The telecentric optical system may have a glass base material having a rectangular outer shape and a Fresnel surface.
以下、図面を参照して、本開示による受光装置及び電子システムの実施形態について説明する。以下では、本開示による受光装置及び電子システムの主要な構成部分を中心に説明するが、本開示による受光装置及び電子システムには、図示又は説明されていない構成部分や機能が存在しうる。以下の説明は、図示又は説明されていない構成部分や機能を除外するものではない。 Hereinafter, embodiments of the light receiving device and the electronic system according to the present disclosure will be described with reference to the drawings. In the following, the main components of the light receiving device and the electronic system according to the present disclosure will be mainly described, but the light receiving device and the electronic system according to the present disclosure may have components and functions not shown or described. The following description does not exclude components or functions not shown or described.
(第1の実施形態)
図1は第1の実施形態による受光装置1を備えた電子システム2のモジュール構成を示す図である。図1の電子システム2は、受光装置1と、光源3と、支持基板4とを備えている。受光装置1と光源3は、支持基板4の一主面上に離隔して配置されている。
(First Embodiment)
FIG. 1 is a diagram showing a module configuration of an electronic system 2 including a
図1の電子システム2は、光源3から発光された光を不図示の対象物に照射し、対象物からの反射光を受光装置1で受光する。受光装置1は、光源3から光を発光した時刻と、対象物からの反射光を受光した時刻との時間差により、電子システム2から対象物までの距離を計測する。このように、図1の電子システム2は、ToFシステムとして機能する。
The electronic system 2 of FIG. 1 irradiates an object (not shown) with the light emitted from the
光源3は、例えば垂直共振器面発光レーザ(VCSEL)などの発光素子と、発光素子が発光した光を均一に拡散するディフューザと、発光素子に駆動電力を供給するドライバとを有する。光源3は、例えば赤外光の波長帯域の光を発光する。なお、光源3が発光する光の波長帯域は任意である。
The
図2は受光装置1の光学構成を示す図である。図2に示すように、受光装置1は、テレセントリック光学系11と、バンドパスフィルタ(以下では、単にフィルタと呼ぶ)12と、撮像部13とを備えている。テレセントリック光学系11、フィルタ12、及び撮像部13は、光軸20に沿って順に配置されている。
FIG. 2 is a diagram showing an optical configuration of the
フィルタ12は、光源3が発光した光の波長帯域と同じ波長帯域の光を透過させ、それ以外の波長帯域の光を遮断する透過特性を有する。例えば、光源3が赤外光を発光する場合には、フィルタ12は赤外光の波長帯域を透過させるIRBPFである。
The
テレセントリック光学系11は、レンズ長を長くすることなく、光軸20に略平行な光を出射できるという特徴を有する。図2では、テレセントリック光学系11のレンズ長をL1としている。本実施形態によるテレセントリック光学系11は、後述するようにフレネル面14を有する。フレネル面14とは、レンズの曲面を、複数の同心円状の溝に置換したものである。フレネル面14を設けることで、レンズの厚みを薄くすることができる。
The telecentric
図3はフレネル面14を説明する図である。図3の破線は一般的な凸レンズの曲面を示している。フレネル面14は、凸レンズの曲面を同心円状に複数に分割し、各分割領域の曲面を凸レンズの中心面14aの方向に移動させて形成される段差状の曲面である。これにより、フレネル面14には、複数の溝が形成され、各溝の底面が凸レンズの曲面と同様の曲率を有する。
FIG. 3 is a diagram illustrating the
図3のフレネル面14の左側が光入射側で、右側がフィルタ12側である。図3の細破線矢印線は、テレセントリック光学系11に入射された光の進行方向を示している。図3に示すように、フレネル面14に略平行に入射された光は、通常の凸レンズと同様に、焦点位置に集光される。一方、フレネル面14に斜めに入射された光は、光軸20方向に近い方向に屈折されて出射される。
The left side of the
図2では、テレセントリック光学系11に入射される光線を細実線で表している。テレセントリック光学系11は、複数のレンズからなるレンズ群を光軸20方向に並べた光学構成を有し、このレンズ群の一部にフレネル面14が設けられている。
In FIG. 2, the light rays incident on the telecentric
図4は本実施形態によるテレセントリック光学系11の詳細な光学構成を示す図である。図4には、光軸20の斜め下方からテレセントリック光学系11に入射された光の進行方向を細実線で示している。図2及び図4に示すように、テレセントリック光学系11は、前群光学系21と後群光学系22を有する。前群光学系21は、入射光を集束させつつ、且つ、各々の主光線は発散させる屈折力を有する。後群光学系22は、前群光学系21を通過した主光線をコリメートする。コリメートとは、光を平行化することである。後群光学系22は、上述したフレネル面14を有する。後群光学系22から出射された光は、フィルタ12に入射される。フィルタ12を透過した光は、撮像部13に入射される。図2及び図4の右端は、撮像部13の撮像面を表している。
FIG. 4 is a diagram showing a detailed optical configuration of the telecentric
前群光学系21は、複数のレンズを光軸20に沿って並べた構成を有する。図4の例では、前群光学系21を3つのレンズからなるレンズ群で構成しているが、前群光学系21を構成するレンズの数や形状は任意である。
The front group
後群光学系22は、前群光学系21に対向配置される第1面と、フィルタ12に対向配置される第2面とを有し、第2面はフレネル面14である。図2及び図4の例では、後群光学系22が一つのレンズで構成されている例を示しているが、複数のレンズからなるレンズ群で後群光学系22を構成してもよい。図2及び図4では、後群光学系22におけるフィルタ12に対向配置される面をフレネル面14にしているが、後群光学系22内のフィルタ12に対向配置される面以外の面をフレネル面14にしてもよい。ただし、フィルタ12に近い側にフレネル面を設けた方が、フィルタ12に入射される光の方向を光軸20方向に近づけることができる。
The rear group
図4の後群光学系22は、光軸中心から周縁に向かうに従って、厚みが徐々に薄くなるレンズ23を有する。このレンズ23のフィルタ12に対向する面(第2面)をフレネル面14にしている。図3に示したように、フレネル面14はレンズ23の厚み、すなわち湾曲度合いを小さくすることができる。図4の例では、後群光学系22のフレネル面14側は、全体的な形状としては平坦な面である。これに対して、後群光学系22の前群光学系21側は大きく湾曲しており、光軸中心側が周縁側よりも前群光学系21側に突き出ている。この結果、後群光学系22は、光軸中心側ほど分厚く、周縁側ほど薄くなっている。
The rear group
後群光学系22の厚みを光軸中心から周縁に向かうに従って徐々に薄くすることにより、後群光学系22の周縁部でのCRAを小さくすることができる。また、後群光学系22のフィルタ12と対向する面(第2面)をフレネル面14にすることで、後群光学系22から出射される光の進行方向を光軸20に略平行にすることができる。
By gradually reducing the thickness of the rear group
図5は後群光学系22のフレネル面14の形状をより詳細に説明する図である。図5の左側の曲面は、フレネル面14を形成する前の凸レンズのレンズ曲面を示している。このレンズ曲面を光軸中心から同心円状に複数の領域に分割して、各領域の分割曲面をレンズ中心面側に移動させることで、図5の右側のような段差状のフレネル面14が形成される。フレネル面14を形成する前と後で、レンズの厚みを比較すると、厚みを大幅に小さくできる。例えば、図5の例だと、フレネル面14を形成する前と後では、10倍以上の厚みの違いがある。フレネル面14は、厚みを小さくしても、光学特性自体は、フレネル面14を形成する前の凸レンズの光学特性を維持できるため、フレネル面14にて入射光のコリメートを行うことができる。
FIG. 5 is a diagram for explaining the shape of the
図6は本実施形態によるテレセントリック光学系11の光学特性を示す図であり、より具体的には、本実施形態によるテレセントリック光学系11の像高(mm)と光線入射角度(度)との対応関係をしている。図6には、主光線の特性w1と、主光線よりも下方側の光線の特性w2と、主光線よりも上方側の光線の特性w3とが図示されている。主光線の光線入射角度(CRA)は、像高によらず、ほぼ0度であり、CRAが十分に小さいことがわかる。CRAが十分に小さいということは、フィルタ12の入射面の法線方向に近い方向からフィルタ12に光が入射されることを意味する。これにより、フィルタ12の分光特性が悪化するおそれがなくなる。
FIG. 6 is a diagram showing the optical characteristics of the telecentric
図7Aは後群光学系22の一例を示す斜視図、図7Bは後群光学系22の断面図である。図7Aに示す後群光学系22の外形形状は、フィルタ12及び撮像部13の外形形状に合わせて矩形状である。後群光学系22の前群光学系21に対向配置される面は、図示のように凸形状である。これに対して、後群光学系22のフィルタ12側に対向配置される面は、平坦面であるが、実際にはこの平坦面には微小サイズのフレネル面14が形成されている。なお、後群光学系22の外形形状は必ずしも矩形状である必要はないが、フィルタ12や撮像部13の外形形状に合わせた形状にするのが望ましい。
FIG. 7A is a perspective view showing an example of the rear group
後群光学系22は、例えばガラス基材を用いて形成される。ガラス基材をエッチング処理することで、比較的容易にフレネル面14を形成できる。フレネル面14は、図7A及び図7Bの底面側に形成される。
The rear group
後群光学系22をガラス基材のみで形成する代わりに、樹脂基材とガラス基材のハイブリッド構造にしてもよい。図7Cはハイブリッド構造の後群光学系22の一例を示す断面図である。図7Cの例では、平坦なガラス基材220の上面をフレネル面に加工した後、このフレネル面に、光軸中心ほど厚みが大きい樹脂基材221を接合している。ガラス基材220の樹脂基材221との接合面とは反対側の面に、フィルタ12として機能するコーティング層を設けてもよい。これにより、後群光学系22とフィルタ12とを密着させることができ、光の利用効率を向上できる。
Instead of forming the rear group
図8Aは第1比較例による光学系25の光学構成を示す図である。図8Bは図8Aの光学系25の光学特性を示す図であり、図8Aの光学系25の像高と光線入射角度との対応関係を示している。図8Aの光学系25は、テレセントリック光学系11ではないため、レンズ長を短くできるものの、図6に比べてCRAが大きくなる。図8BのCRAでは、フィルタ12の法線方向から傾斜した方向からフィルタ12に光が入射されるため、フィルタ12の分光特性が悪化してしまう。
FIG. 8A is a diagram showing an optical configuration of the
図9Aは第2比較例による光学系26の光学構成を示す図である。図9Bは図9Aの光学系26の光学特性を示す図であり、図9Aの光学系26の像高と光線入射角度との対応関係を示している。図9Aの光学系26は、光軸後方側のレンズの厚みを大きくすることでテレセントリック光学系を実現しており、図9Bに示すようにCRAも小さくできる。ところが、図9Aの光学系26のレンズ長は、図3や図8Aよりも長くなるため、スマートフォン等の携帯機器に実装するのは困難である。 FIG. 9A is a diagram showing an optical configuration of the optical system 26 according to the second comparative example. 9B is a diagram showing the optical characteristics of the optical system 26 of FIG. 9A, and shows the correspondence between the image height of the optical system 26 of FIG. 9A and the light ray incident angle. The optical system 26 of FIG. 9A realizes a telecentric optical system by increasing the thickness of the lens on the rear side of the optical axis, and as shown in FIG. 9B, the CRA can also be reduced. However, since the lens length of the optical system 26 of FIG. 9A is longer than that of FIGS. 3 and 8A, it is difficult to mount it on a portable device such as a smartphone.
光源3から発光される光の波長は、製造ばらつきや温度変化により変動する。光源3から発光される光の波長が変動すると、受光装置1で受光される光の波長も変動し、フィルタ12の分光特性にも悪影響を与えてしまう。
The wavelength of the light emitted from the
図10Aは光源3の特性変化を示す図、図10Bは光源3の温度依存性を示す図である。なお、図10Aと図10Bは特定の光源3についての特性変化を示したものであり、光源3の種類が異なれば、異なる結果が得られる。図10Bの横軸は波長[nm]、縦軸は光強度[a.u.]である。
FIG. 10A is a diagram showing a change in the characteristics of the
図10Aの上2段は光源3の製造ばらつきによる波長の変動を示している。図10Aの上から3段目から6段目は光源3の温度による波長の変動を示している。
The upper two stages of FIG. 10A show wavelength fluctuations due to manufacturing variations of the
図10Aに示すように、光源3の製造ばらつきにより、発光波長は951.5−935.5=16nm変化し、中心波長は943.5nmである。
As shown in FIG. 10A, the emission wavelength changes by 951.5-935.5 = 16 nm and the center wavelength is 943.5 nm due to the manufacturing variation of the
また、図10A及び図10Bに示すように、温度が高くなるに従って、光源3の発光波長は高くなるとともに、光強度は小さくなる。例えば、0℃と85℃で比較すると、発光波長は955.1−934=21.1nm異なる。
Further, as shown in FIGS. 10A and 10B, as the temperature increases, the emission wavelength of the
図10Aからわかるように、発光波長の変動量は、発光素子の製造ばらつきによる変動量(=16nm)よりも、温度変化による変動量(=21.1nm)の方が大きい。 As can be seen from FIG. 10A, the fluctuation amount of the emission wavelength is larger (= 21.1 nm) due to the temperature change than the fluctuation amount (= 16 nm) due to the manufacturing variation of the light emitting element.
このように、光源3から発光される光の波長は、製造ばらつきや温度等により変動し、これに伴って受光装置1で受光される対象物からの反射光の波長帯域も変動する。フィルタ12の分光透過率は、フィルタ12に入射される光の波長により変化する。また、フィルタ12の分光透過率は、フィルタ12に入射される光の入射角度によっても変化する。
In this way, the wavelength of the light emitted from the
図11はフィルタ12に入射される光の波長、入射角度及び分光透過率の対応関係を示す図である。図11の曲線w4は0度入射時の波長と分光透過率の対応関係を示し、曲線w5は30度入射時の波長と分光透過率の対応関係を示している。ここで、入射角度とは、フィルタ12の法線方向に対する傾斜角度であり、0度は法線方向から光が入射されることを意味する。
FIG. 11 is a diagram showing the correspondence between the wavelength of light incident on the
図11では、30度入射光線に対して分光透過率が50%になる波長をカットオン波長Wcut_onと呼び、0度入射光線に対して分光透過率が50%になる下限の波長をカットオフ波長Wcut_offと呼んでいる。 In FIG. 11, the wavelength at which the spectral transmittance is 50% with respect to the 30-degree incident light beam is called the cut-on wavelength Wcut_on, and the lower limit wavelength at which the spectral transmittance is 50% with respect to the 0-degree incident light beam is called the cut-off wavelength. We call it Wcut_off.
カットオン波長Wcut_onとカットオフ波長Wcut_offとの差分の波長幅(以下、波長変動帯域幅)は、0〜30度の範囲内で光の入射角度が変化しても、フィルタ12が透過させることができる光の帯域幅(波長変動帯域幅)である。
The wavelength width of the difference between the cut-on wavelength Wcut_on and the cut-off wavelength Wcut_off (hereinafter referred to as the wavelength fluctuation bandwidth) can be transmitted by the
波長変動帯域幅は、図11に示すように、0度入射光線の透過帯域幅BWから、0度入射光線に対して分光透過率が50%になる波長と、30度入射光線に対して分光透過率が50%になる波長との差分帯域幅Wsを引いた値に等しい。すなわち、以下の式(1)の関係が成り立つ。
BW−Ws=Wcut_on−Wcut_off …(1)
As shown in FIG. 11, the wavelength fluctuation bandwidth is separated from the transmission bandwidth BW of the 0-degree incident ray, the wavelength at which the spectral transmittance is 50% with respect to the 0-degree incident ray, and the spectrum with respect to the 30-degree incident ray. It is equal to the value obtained by subtracting the difference bandwidth Ws from the wavelength at which the transmittance becomes 50%. That is, the relationship of the following equation (1) holds.
BW-Ws = Wcut_on-Wcut_off ... (1)
フィルタ12の種類によって、カットオン波長Wcut_onとカットオフ波長Wcut_offとの差分である波長変動帯域幅は異なる。図12A、図12B、図12C、図12Dはそれぞれ、透過帯域幅BWが55nm、45nm、35nm、25nmのフィルタ12に入射される光の波長、入射角度及び分光透過率の対応関係を示す図である。上述した差分帯域幅Wsも、透過帯域幅BWによって異なる。
The wavelength fluctuation bandwidth, which is the difference between the cut-on wavelength Wcut_on and the cut-off wavelength Wcut_off, differs depending on the type of the
発光素子の発光波長の温度変化による変動量は、図10Aから21.1nmである。上述した式(1)のカットオン波長Wcut_onとカットオフ波長Wcut_offとの差分(波長変動帯域幅)が21.1nm以上でないと、フィルタ12の分光特性が悪化するおそれがある。
The amount of fluctuation due to the temperature change of the emission wavelength of the light emitting element is 21.1 nm from FIG. 10A. If the difference (wavelength fluctuation bandwidth) between the cut-on wavelength Wcut_on and the cut-off wavelength Wcut_off in the above equation (1) is not 21.1 nm or more, the spectral characteristics of the
図13は図12A〜図12Dのフィルタ12の特性をまとめた図である。カットオン波長Wcut_onとカットオフ波長Wcut_offとの差分(波長変動帯域幅)が大きいほど、フィルタ12は光源3から発光された光の反射光以外のノイズ光も透過してしまう。その一方で、波長変動帯域幅が狭すぎると、光源3から発光される光の波長が製造ばらつきや温度変化で変動したときに、反射光を透過できないおそれがある。
FIG. 13 is a diagram summarizing the characteristics of the
図14は、フィルタ12の透過帯域幅とデプス値の対応関係、及びフィルタ12の透過帯域幅とS/N比(SNR)の対応関係を示す図である。デプス値とは、受光装置1で計測される対象物までの距離誤差であり、デプス値が大きいほど距離誤差が大きいことを示す。また、S/N比は大きい程ノイズの影響を受けにくいことを示す。図14のグラフw6はフィルタ12の透過帯域幅とデプス値との対応関係を表している。グラフw7はフィルタ12の透過帯域幅とS/N比との対応関係を表している。グラフw6上に破線で示すように、透過帯域幅BW=35のときのデプス値13.8は、透過帯域幅BW=45のときのデプス値16.1よりも小さい。また、透過帯域幅BWが小さいほどS/N比は高くなる。以上より、透過帯域幅BWは小さい方が距離計測を行う観点では望ましいことがわかる。
FIG. 14 is a diagram showing the correspondence between the transmission bandwidth of the
そこで、本実施形態では、カットオン波長Wcut_onとカットオフ波長Wcut_offとの差分(波長変動帯域幅)が発光素子の発光波長の温度変化による変動量21.1nmよりも大きい透過帯域幅BWの中で最小の値である透過帯域幅BW=35nmを選択する。 Therefore, in the present embodiment, the difference (wavelength fluctuation bandwidth) between the cut-on wavelength Wcut_on and the cut-off wavelength Wcut_off is in the transmission bandwidth BW in which the fluctuation amount due to the temperature change of the emission wavelength of the light emitting element is larger than 21.1 nm. The minimum value, transmission bandwidth BW = 35 nm, is selected.
なお、透過帯域幅BWが変動量21.1nmより大きければよいため、透過帯域幅BW=45nm又は55nmを選択してもよい。 Since the transmission bandwidth BW may be larger than the fluctuation amount of 21.1 nm, the transmission bandwidth BW = 45 nm or 55 nm may be selected.
以上をまとめると、本実施形態では、以下の式(2)の不等式を満たすようにフィルタ12の透過特性を設定する。式(2)におけるWldは、光源3の初期波長ばらつきと温度変化による発光波長の変動量である。また、Wcut_off−Wcut_onは、フィルタ12の法線方向から光が入射された場合に透過率が50%になる上限の波長と、フィルタ12の法線方向から所定角度(例えば30度)傾斜した方向から光が入射された場合に透過率が50%になる上限の波長との差分波長である。式(2)を満たすようにすることで、テレセントリック光学系11から出射されるすべての光線を、フィルタ12は50%以上の透過率で透過させることができる。これにより、フィルタ12の分光特性を改善できる。
Wcut_off−Wcut_on>Wld …(2)
Summarizing the above, in the present embodiment, the transmission characteristics of the
Wcut_off-Wcut_on> Wld ... (2)
図15は第1比較例による光学系25と、本実施形態によるテレセントリック光学系11の特性を比較した図である。図15の上段の左側は第1比較例による光学系25の光学特性を示し、上段の右側は本実施形態による光学系11の光学特性を示している。また、図15の下段の左側は第1比較例によるフィルタ12の透過特性を示し、下段の右側は本実施形態によるフィルタ12の透過特性を示している。図15の上段の図から、本実施形態は第1比較例よりもCRAを小さくできることがわかる。また、図15の下段の図から、本実施形態は第1比較例よりもフィルタ12の透過帯域幅を狭くしても、その透過帯域幅内に反射光の波長変動範囲を収めることができる。
FIG. 15 is a diagram comparing the characteristics of the
このように、第1の実施形態では、受光装置1内にフレネル面14を有するテレセントリック光学系11を設けるため、テレセントリック光学系11から出射される光の方向を光軸に略平行にすることができる。これにより、テレセントリック光学系11を透過した光がフィルタ12に入射される際のCRAを小さくすることができ、フィルタ12の分光特性を改善することができる。
As described above, in the first embodiment, since the telecentric
(第2の実施形態)
図16は第2の実施形態による受光装置1aの光学構成を示す図である。図16の受光装置1aは、図2とは異なる光学構成のテレセントリック光学系11aと、フィルタ12と、撮像部13とを備えている。図16のテレセントリック光学系11aは、前群光学系21aと、後群光学系22aとを有する。前群光学系21aは、光軸方向に順に配置される例えば4つのレンズを有する。なお、レンズの枚数及び形状は図16に示した以外のものに変更可能である。
(Second Embodiment)
FIG. 16 is a diagram showing an optical configuration of the light receiving device 1a according to the second embodiment. The light receiving device 1a of FIG. 16 includes a telecentric
後群光学系22aには、フィルタ12が一体形成されている。後群光学系22aは、厚さが略均一なガラス基材を有する。ガラス基材の前群光学系21aに対向する面はフレネル面14である。また、ガラス基材の撮像部13側の面にはコーティング層23aが設けられている。このコーティング層23aは、フィルタ12として機能する層であり、所定の波長帯域の光を透過し、それ以外の波長帯域の光を透過させない。
A
このように、図16の後群光学系22aは、厚さが均一なガラス基材を有する点で、図2の後群光学系22aとは異なる。また、図16の後群光学系22aは、後群光学系22aの前群光学系21aに対向配置される面をフレネル面14とする点でも図2の後群光学系22aとは異なる。
As described above, the rear group
図16のテレセントリック光学系11aのレンズ長L4は、図2のテレセントリック光学系11aのレンズ長L1と同程度にすることができる。具体的には、前群光学系21aと後群光学系22aの内部のレンズ構成を調整することで、レンズ長を制御することができる。このレンズ長L4は、図9Aに示す第2比較例のレンズ長L3よりも短い。
The lens length L4 of the telecentric
図17は図16のガラス基材にフレネル面14を形成する前の曲面形状と、フレネル面14の詳細な形状とを示す図である。図16のガラス基材に形成されるフレネル面14は、図5と同様に、ガラス基材の光軸中心から同心円状に複数の分割領域を設けて、各分割領域の曲面をガラス基材の中心面方向に移動させて形成される。
FIG. 17 is a diagram showing a curved surface shape before forming the
図18は第2の実施形態によるテレセントリック光学系11aの像高(mm)と光線入射角度(度)との対応関係を示す図である。図18と図6を比較すればわかるように、第2の実施形態によるテレセントリック光学系11aは、第1の実施形態によるテレセントリック光学系11aと同様に、CRAを小さくでき、フィルタ12として機能するコーティング層23aに対して、光軸に略平行な光を入射させることができるため、フィルタ12の分光特性を改善できる。
FIG. 18 is a diagram showing a correspondence relationship between the image height (mm) of the telecentric
上述したガラス基材の代わりに、樹脂部材を設けてもよい。樹脂部材であっても、前群光学系21a側の面をフレネル面14にし、かつ撮像部13側の面にコーティング層23aを設けて、フィルタ12として機能させることができる。
A resin member may be provided instead of the glass base material described above. Even if it is a resin member, the surface on the front group
このように、第2の実施形態では、テレセントリック光学系11aの内部に、厚みが略均一なガラス基材又は樹脂基材を設けて、この基材の前群光学系21a側の面をフレネル面14にし、かつ撮像部13側の面にコーティング層23aを設けてフィルタ12として機能させるため、簡易な構造でCRAを小さくでき、第1の実施形態と同様にフィルタ12の分光特性を改善できる。
As described above, in the second embodiment, a glass base material or a resin base material having a substantially uniform thickness is provided inside the telecentric
(第3の実施形態)
上述した第1及び第2の実施形態は、テレセントリック光学系11の内部の後群光学系22がフレネル面14を有する例を説明したが、フレネル面14なしの構成も考えられる。
(Third Embodiment)
Although the first and second embodiments described above have described an example in which the rear group
図19は第3の実施形態による受光装置1bの光学構成を示す図である。図19の受光装置1bは、フレネル面14を持たないテレセントリック光学系11bを備えている。図19のテレセントリック光学系11bは、前群光学系21bと後群光学系22bを備えている。前群光学系21bの光学構成は、図2や図16等とほぼ同じである。後群光学系22bは、平坦なガラス基材22cの前群光学系21b側の面に樹脂基材22dを接合するとともに、ガラス基材22cの撮像部13側の面にコーティング層23aを設けている。樹脂基材22dは光軸中心ほど厚く、周縁に向かうに従って薄くしている。このように、樹脂基材22dの周縁側を薄くすることにより、CRAを小さくでき、フレネル面14がなくても、樹脂基材22dを透過する光を光軸に略平行にすることができる。
FIG. 19 is a diagram showing an optical configuration of the light receiving device 1b according to the third embodiment. The light receiving device 1b of FIG. 19 includes a telecentric
図20は第3の実施形態によるテレセントリック光学系11bの像高(mm)と光線入射角度(度9との対応関係を示す図である。図示のように、像高によらず、CRAを小さくすることができる。
FIG. 20 is a diagram showing the correspondence between the image height (mm) of the telecentric
このように、第3の実施形態では、テレセントリック光学系11bの内部の後群光学系22bにガラス基材22cに接合された樹脂基材22dを設けて、この樹脂基材22dの厚みを光軸中心側から周縁にかけて徐々に薄くするため、フレネル面14を設けなくても、CRAを小さくできる。また、ガラス基材22cの撮像部13側の面にコーティング層23aを形成してフィルタ12として機能させるため、簡易な光学構成でありながら、フィルタ12の分光特性を改善できる。
As described above, in the third embodiment, the
(電子システム2の詳細構成)
上述した第1〜第3の実施形態における受光装置1を備えた電子システム2は、光源3が発光した光を対象物に照射して、その反射光を受光し、光源3が光を発光した時刻と、受光装置1が反射光を受光した時刻との時間差に基づいて、対象物までの距離を計測することができる。
(Detailed configuration of electronic system 2)
The electronic system 2 provided with the
図21は光源3及び受光装置1を備える電子システム2の詳細なブロック図である。光源3は、1つの発光素子31を有していてもよいし、複数の発光素子31を有していてもよい。発光素子31は、ドライバ32からの電力により光を発光する。ドライバ32は、受光装置1からの信号により、発光素子31に電力を供給するタイミングを制御する。
FIG. 21 is a detailed block diagram of an electronic system 2 including a
受光装置1は、例えば、受光部33と、TDC34と、演算部35と、トリガ生成部36と、制御部37と、インタフェース部38とを有する。
The
受光部33は、SPADアレイ39と、読み出し回路40を有する。SPADアレイ39は、複数のSPAD(Single Photon Avalanche Diode)を一次元又は二次元方向に配置したものである。なお、SPAD以外の光電変換素子を設けてもよい。SPADアレイ39内の任意のSPADが光を検知すると、光量に応じた振幅の電気信号が出力される。読み出し回路40は、SPADアレイ39内の任意のSPADから出力された電気信号を読み出す。TDC34は、読み出し回路40が読み出した電気信号のタイミングと、トリガ生成部36がドライバ32にトリガ信号を送信するタイミングとの時間差を計測する。演算部35は、TDC34の出力信号に基づいて、各種の信号処理を行う。演算部35が行う信号処理は、例えば、発光素子31が光を発光する時刻と、受光部33が反射光を受光する時刻との時間差に基づいて、対象物までの距離を計測する処理を含んでいる。
The
受光部33は、対象物からの反射光だけでなく、太陽光などのノイズ光も受光する可能性がある。ノイズ光が受光されるタイミングは、本来の反射光が受光されるタイミングとは異なるため、繰り返し光源3が光を発光し、それに合わせて受光装置1も繰り返し反射光を受光して距離計測を繰り返し、複数の距離計測結果を平均化するなどして、ノイズ光による影響を除去した状態で距離を計測してもよい。このため、演算部35には、ヒストグラム生成部35aを設けてもよい。ヒストグラム生成部35aは、複数回の距離計測結果を平均化したり、複数の距離計測結果から多数決により距離を計測する。
The
制御部37は、受光装置1内の各部を制御する。演算部35で演算された距離計測結果は、制御部37とインタフェース部38を介して外部に送られる。
The
トリガ生成部36は、光源3が光を発光するタイミングを決定して、トリガ信号を出力する。このトリガ信号は、ドライバ32で受信される。ドライバ32は、トリガ信号の受信タイミングに同期させて光源3を駆動する。
The
図21に示す受光装置1の制御系は光学系とともにチップ化され、あるいは光学系とは別にチップ化されて、図1の支持基板4に実装することができる。
The control system of the
本開示に係る技術(本技術)は、様々な製品へ応用することができる。例えば、本開示に係る技術は、自動車、電気自動車、ハイブリッド電気自動車、自動二輪車、自転車、パーソナルモビリティ、飛行機、ドローン、船舶、ロボット等のいずれかの種類の移動体に搭載される装置として実現されてもよい。 The technology according to the present disclosure (the present technology) can be applied to various products. For example, the technology according to the present disclosure is realized as a device mounted on a moving body of any kind such as an automobile, an electric vehicle, a hybrid electric vehicle, a motorcycle, a bicycle, a personal mobility, an airplane, a drone, a ship, and a robot. You may.
図22は、本開示に係る技術が適用され得る移動体制御システムの一例である車両制御システムの概略的な構成例を示すブロック図である。 FIG. 22 is a block diagram showing a schematic configuration example of a vehicle control system, which is an example of a mobile control system to which the technique according to the present disclosure can be applied.
車両制御システム12000は、通信ネットワーク12001を介して接続された複数の電子制御ユニットを備える。図22に示した例では、車両制御システム12000は、駆動系制御ユニット12010、ボディ系制御ユニット12020、車外情報検出ユニット12030、車内情報検出ユニット12040、及び統合制御ユニット12050を備える。また、統合制御ユニット12050の機能構成として、マイクロコンピュータ12051、音声画像出力部12052、及び車載ネットワークI/F(interface)12053が図示されている。
The
駆動系制御ユニット12010は、各種プログラムにしたがって車両の駆動系に関連する装置の動作を制御する。例えば、駆動系制御ユニット12010は、内燃機関又は駆動用モータ等の車両の駆動力を発生させるための駆動力発生装置、駆動力を車輪に伝達するための駆動力伝達機構、車両の舵角を調節するステアリング機構、及び、車両の制動力を発生させる制動装置等の制御装置として機能する。
The drive
ボディ系制御ユニット12020は、各種プログラムにしたがって車体に装備された各種装置の動作を制御する。例えば、ボディ系制御ユニット12020は、キーレスエントリシステム、スマートキーシステム、パワーウィンドウ装置、あるいは、ヘッドランプ、バックランプ、ブレーキランプ、ウィンカー又はフォグランプ等の各種ランプの制御装置として機能する。この場合、ボディ系制御ユニット12020には、鍵を代替する携帯機から発信される電波又は各種スイッチの信号が入力され得る。ボディ系制御ユニット12020は、これらの電波又は信号の入力を受け付け、車両のドアロック装置、パワーウィンドウ装置、ランプ等を制御する。
The body
車外情報検出ユニット12030は、車両制御システム12000を搭載した車両の外部の情報を検出する。例えば、車外情報検出ユニット12030には、撮像部12031が接続される。車外情報検出ユニット12030は、撮像部12031に車外の画像を撮像させるとともに、撮像された画像を受信する。車外情報検出ユニット12030は、受信した画像に基づいて、人、車、障害物、標識又は路面上の文字等の物体検出処理又は距離検出処理を行ってもよい。
The vehicle exterior
撮像部12031は、光を受光し、その光の受光量に応じた電気信号を出力する光センサである。撮像部12031は、電気信号を画像として出力することもできるし、測距の情報として出力することもできる。また、撮像部12031が受光する光は、可視光であっても良いし、赤外線等の非可視光であっても良い。
The
車内情報検出ユニット12040は、車内の情報を検出する。車内情報検出ユニット12040には、例えば、運転者の状態を検出する運転者状態検出部12041が接続される。運転者状態検出部12041は、例えば運転者を撮像するカメラを含み、車内情報検出ユニット12040は、運転者状態検出部12041から入力される検出情報に基づいて、運転者の疲労度合い又は集中度合いを算出してもよいし、運転者が居眠りをしていないかを判別してもよい。
The in-vehicle
マイクロコンピュータ12051は、車外情報検出ユニット12030又は車内情報検出ユニット12040で取得される車内外の情報に基づいて、駆動力発生装置、ステアリング機構又は制動装置の制御目標値を演算し、駆動系制御ユニット12010に対して制御指令を出力することができる。例えば、マイクロコンピュータ12051は、車両の衝突回避あるいは衝撃緩和、車間距離に基づく追従走行、車速維持走行、車両の衝突警告、又は車両のレーン逸脱警告等を含むADAS(Advanced Driver Assistance System)の機能実現を目的とした協調制御を行うことができる。
The
また、マイクロコンピュータ12051は、車外情報検出ユニット12030又は車内情報検出ユニット12040で取得される車両の周囲の情報に基づいて駆動力発生装置、ステアリング機構又は制動装置等を制御することにより、運転者の操作に拠らずに自律的に走行する自動運転等を目的とした協調制御を行うことができる。
Further, the
また、マイクロコンピュータ12051は、車外情報検出ユニット12030で取得される車外の情報に基づいて、ボディ系制御ユニット12020に対して制御指令を出力することができる。例えば、マイクロコンピュータ12051は、車外情報検出ユニット12030で検知した先行車又は対向車の位置に応じてヘッドランプを制御し、ハイビームをロービームに切り替える等の防眩を図ることを目的とした協調制御を行うことができる。
Further, the
音声画像出力部12052は、車両の搭乗者又は車外に対して、視覚的又は聴覚的に情報を通知することが可能な出力装置へ音声及び画像のうちの少なくとも一方の出力信号を送信する。図22の例では、出力装置として、オーディオスピーカ12061、表示部12062及びインストルメントパネル12063が例示されている。表示部12062は、例えば、オンボードディスプレイ及びヘッドアップディスプレイの少なくとも一つを含んでいてもよい。
The audio-
図23は、撮像部12031の設置位置の例を示す図である。
FIG. 23 is a diagram showing an example of the installation position of the
図23では、車両12100は、撮像部12031として、撮像部12101,12102,12103,12104,12105を有する。
In FIG. 23, the
撮像部12101,12102,12103,12104,12105は、例えば、車両12100のフロントノーズ、サイドミラー、リアバンパ、バックドア及び車室内のフロントガラスの上部等の位置に設けられる。フロントノーズに備えられる撮像部12101及び車室内のフロントガラスの上部に備えられる撮像部12105は、主として車両12100の前方の画像を取得する。サイドミラーに備えられる撮像部12102,12103は、主として車両12100の側方の画像を取得する。リアバンパ又はバックドアに備えられる撮像部12104は、主として車両12100の後方の画像を取得する。撮像部12101及び12105で取得される前方の画像は、主として先行車両又は、歩行者、障害物、信号機、交通標識又は車線等の検出に用いられる。
The
なお、図23には、撮像部12101ないし12104の撮影範囲の一例が示されている。撮像範囲12111は、フロントノーズに設けられた撮像部12101の撮像範囲を示し、撮像範囲12112,12113は、それぞれサイドミラーに設けられた撮像部12102,12103の撮像範囲を示し、撮像範囲12114は、リアバンパ又はバックドアに設けられた撮像部12104の撮像範囲を示す。例えば、撮像部12101ないし12104で撮像された画像データが重ね合わせられることにより、車両12100を上方から見た俯瞰画像が得られる。
Note that FIG. 23 shows an example of the photographing range of the
撮像部12101ないし12104の少なくとも1つは、距離情報を取得する機能を有していてもよい。例えば、撮像部12101ないし12104の少なくとも1つは、複数の撮像素子からなるステレオカメラであってもよいし、位相差検出用の画素を有する撮像素子であってもよい。
At least one of the
例えば、マイクロコンピュータ12051は、撮像部12101ないし12104から得られた距離情報を基に、撮像範囲12111ないし12114内における各立体物までの距離と、この距離の時間的変化(車両12100に対する相対速度)を求めることにより、特に車両12100の進行路上にある最も近い立体物で、車両12100と略同じ方向に所定の速度(例えば、0km/h以上)で走行する立体物を先行車として抽出することができる。さらに、マイクロコンピュータ12051は、先行車の手前に予め確保すべき車間距離を設定し、自動ブレーキ制御(追従停止制御も含む)や自動加速制御(追従発進制御も含む)等を行うことができる。このように運転者の操作に拠らずに自律的に走行する自動運転等を目的とした協調制御を行うことができる。
For example, the
例えば、マイクロコンピュータ12051は、撮像部12101ないし12104から得られた距離情報を元に、立体物に関する立体物データを、2輪車、普通車両、大型車両、歩行者、電柱等その他の立体物に分類して抽出し、障害物の自動回避に用いることができる。例えば、マイクロコンピュータ12051は、車両12100の周辺の障害物を、車両12100のドライバが視認可能な障害物と視認困難な障害物とに識別する。そして、マイクロコンピュータ12051は、各障害物との衝突の危険度を示す衝突リスクを判断し、衝突リスクが設定値以上で衝突可能性がある状況であるときには、オーディオスピーカ12061や表示部12062を介してドライバに警報を出力することや、駆動系制御ユニット12010を介して強制減速や回避操舵を行うことで、衝突回避のための運転支援を行うことができる。
For example, the
撮像部12101ないし12104の少なくとも1つは、赤外線を検出する赤外線カメラであってもよい。例えば、マイクロコンピュータ12051は、撮像部12101ないし12104の撮像画像中に歩行者が存在するか否かを判定することで歩行者を認識することができる。かかる歩行者の認識は、例えば赤外線カメラとしての撮像部12101ないし12104の撮像画像における特徴点を抽出する手順と、物体の輪郭を示す一連の特徴点にパターンマッチング処理を行って歩行者か否かを判別する手順によって行われる。マイクロコンピュータ12051が、撮像部12101ないし12104の撮像画像中に歩行者が存在すると判定し、歩行者を認識すると、音声画像出力部12052は、当該認識された歩行者に強調のための方形輪郭線を重畳表示するように、表示部12062を制御する。また、音声画像出力部12052は、歩行者を示すアイコン等を所望の位置に表示するように表示部12062を制御してもよい。
At least one of the
以上、本開示に係る技術が適用され得る車両制御システムの一例について説明した。本開示に係る技術は、以上説明した構成のうち、例えば、撮像部12031に適用され得る。具体的には、撮像部12031に、上述の受光回路、受光装置または測距装置を実装することができる。撮像部12031に、本開示に係る技術を適用することにより、広いFOV(視野)において、正確な距離情報を得ることができ、車両12100の機能性および安全性を高めることができる。
The example of the vehicle control system to which the technique according to the present disclosure can be applied has been described above. The technique according to the present disclosure can be applied to, for example, the
なお、本技術は以下のような構成を取ることができる。
(1)フレネル面を有するテレセントリック光学系と、
前記テレセントリック光学系を通過した光の中から、所定の波長帯域の光を透過させるフィルタと、
前記フィルタを通過した光を光電変換する撮像部と、を備える、受光装置。
(2)前記テレセントリック光学系は、
入射する周辺光束の主光線を発散させる前群光学系と、
前記前群光学系を通過した周辺光束の主光線を平行化する後群光学系と、を有し、
前記後群光学系は、前記フレネル面を有する、(1)に記載の受光装置。
(3)前記後群光学系は、前記前群光学系に対向配置される第1面と、前記フィルタに対向配置される第2面と、を有し、
前記第2面はフレネル面である、(2)に記載の受光装置。
(4)前記第1面の湾曲度合いは、前記第2面の湾曲度合いよりも大きい、(3)に記載の受光装置。
(5)前記後群光学系は、光軸中心から周縁に向かうに従って、厚みが薄くなるレンズを有する、(2)乃至(4)のいずれか一項に記載の受光装置。
(6)前記後群光学系は、厚みが均一な透明基材を有し、
前記透明基材は、前記前群光学系側に配置される第3面と、前記撮像部側に配置される第4面と、を有し、
前記第3面はフレネル面であり、
前記フィルタは、前記第4面にコーティングされた層である、(2)に記載の受光装置。
(7)前記テレセントリック光学系には、光源から発光されて対象物で反射された反射光が入射され、
前記フィルタは、前記フィルタの法線方向から所定角度傾斜した方向から光が入射された場合に透過率が50%になる上限の波長をWcut_on、前記フィルタの法線方向から光が入射された場合に透過率が50%になる下限の波長をWcut_off、前記光源の初期波長ばらつき及び温度変化による前記光源の発光波長の変化量をWldとしたとき、Wcut_on−Wcut_off>Wldを満たす透過特性を有する、(1)乃至(6)のいずれか一項に記載の受光装置。
(8)前記テレセントリック光学系は、外形が矩形状でフレネル面を有するガラス基材を有する、(1)乃至(7)のいずれか一項に記載の受光装置。
(9)前記テレセントリック光学系は、外形が矩形状でフレネル面を有する樹脂基材を有する、(1)乃至(7)のいずれか一項に記載の受光装置。
(10)前記テレセントリック光学系は、凸形状の前記樹脂基材と、前記樹脂基材に接合される平坦なガラス基材とを有し、
前記フィルタは、前記ガラス基材の表面にコーティングされた層である、(9)に記載の受光装置。
(11)前記テレセントリック光学系には、光源から発光されて対象物で反射された反射光が入射され、
前記受光装置は、前記光源が光を発光したタイミングと、前記受光装置が前記反射光を受光したタイミングとの時間差により、前記対象物までの距離を計測する距離計測部を有する、(1)乃至(10)のいずれか一項に記載の受光装置。
(12)光を発光する光源と、
前記光源で発光されて対象物で反射された反射光を受光する受光装置と、
前記光源と前記受光装置とを支持する支持基板と、を備えた電子システムであって、
前記受光装置は、
フレネル面を有するテレセントリック光学系と、
前記テレセントリック光学系を通過した光の中から、所定の波長帯域の光を透過させるフィルタと、
前記フィルタを通過した光を光電変換する撮像部と、を有する、電子システム。
(13)前記受光装置は、前記光源が光を発光したタイミングと、前記受光装置が前記反射光を受光したタイミングとの時間差により、前記対象物までの距離を計測する距離計測部を有する、(12)に記載の電子システム。
(14)前記テレセントリック光学系は、
入射する周辺光束の主光線を発散させる前群光学系と、
前記前群光学系を通過した周辺光束の主光線を平行化する後群光学系と、を有し、
前記後群光学系は、前記フレネル面を有する、(12)に記載の電子システム。
(15)前記後群光学系は、前記前群光学系に対向配置される第1面と、前記フィルタに対向配置される第2面と、を有し、
前記第2面はフレネル面である、(14)に記載の電子システム。
(16)前記第1面の湾曲度合いは、前記第2面の湾曲度合いよりも大きい、(15)に記載の電子システム。
(17)前記後群光学系は、光軸中心から周縁に向かうに従って、厚みが薄くなるレンズを有する、(14)乃至(16)のいずれか一項に記載の電子システム。
(18)前記後群光学系は、厚みが均一な透明基材を有し、
前記透明基材は、前記前群光学系側に配置される第3面と、前記撮像部側に配置される第4面と、を有し、
前記第3面はフレネル面であり、
前記フィルタは、前記第4面にコーティングされた層である、(14)に記載の電子システム。
(19)前記テレセントリック光学系には、光源から発光されて対象物で反射された反射光が入射され、
前記フィルタは、前記フィルタの法線方向から所定角度傾斜した方向から光が入射された場合に透過率が50%になる上限の波長をWcut_on、前記フィルタの法線方向から光が入射された場合に透過率が50%になる下限の波長をWcut_off、前記光源の初期波長ばらつき及び温度変化による前記光源の発光波長の変化量をWldとしたとき、Wcut_on−Wcut_off>Wldを満たす透過特性を有する、(12)乃至(18)のいずれか一項に記載の電子システム。
(20)前記テレセントリック光学系は、外形が矩形状でフレネル面を有するガラス基材を有する、請求項12乃至19のいずれか一項に記載の電子システム。
The present technology can have the following configurations.
(1) A telecentric optical system with a Fresnel surface and
A filter that transmits light in a predetermined wavelength band from the light that has passed through the telecentric optical system,
A light receiving device including an imaging unit that photoelectrically converts light that has passed through the filter.
(2) The telecentric optical system is
The front group optical system that diverges the main ray of the incident peripheral luminous flux,
It has a rear group optical system that parallelizes the main light beam of the peripheral luminous flux that has passed through the front group optical system.
The light receiving device according to (1), wherein the rear group optical system has the Fresnel surface.
(3) The rear group optical system has a first surface which is arranged to face the front group optical system and a second surface which is arranged to face the filter.
The light receiving device according to (2), wherein the second surface is a Fresnel surface.
(4) The light receiving device according to (3), wherein the degree of curvature of the first surface is larger than the degree of curvature of the second surface.
(5) The light receiving device according to any one of (2) to (4), wherein the rear group optical system has a lens whose thickness decreases from the center of the optical axis toward the peripheral edge.
(6) The rear group optical system has a transparent base material having a uniform thickness and has a uniform thickness.
The transparent base material has a third surface arranged on the front group optical system side and a fourth surface arranged on the imaging unit side.
The third surface is a Fresnel surface,
The light receiving device according to (2), wherein the filter is a layer coated on the fourth surface.
(7) The telecentric optical system is incident with the reflected light emitted from the light source and reflected by the object.
The filter has Wcut_on as the upper limit wavelength at which the transmittance becomes 50% when light is incident from a direction inclined by a predetermined angle from the normal direction of the filter, and when light is incident from the normal direction of the filter. When the lower limit wavelength at which the transmittance becomes 50% is Wcut_off and the amount of change in the emission wavelength of the light source due to the initial wavelength variation of the light source and the temperature change is Wld, the transmittance has a transmission characteristic satisfying Wcut_on−Wcut_off> Wld. The light receiving device according to any one of (1) to (6).
(8) The light receiving device according to any one of (1) to (7), wherein the telecentric optical system has a glass base material having a rectangular outer shape and a Fresnel surface.
(9) The light receiving device according to any one of (1) to (7), wherein the telecentric optical system has a resin base material having a rectangular outer shape and a Fresnel surface.
(10) The telecentric optical system has a convex resin base material and a flat glass base material bonded to the resin base material.
The light receiving device according to (9), wherein the filter is a layer coated on the surface of the glass substrate.
(11) The telecentric optical system is incident with the reflected light emitted from the light source and reflected by the object.
The light receiving device has a distance measuring unit that measures the distance to the object by the time difference between the timing when the light source emits light and the timing when the light receiving device receives the reflected light (1) to. The light receiving device according to any one of (10).
(12) A light source that emits light and
A light receiving device that receives the reflected light that is emitted by the light source and reflected by the object.
An electronic system including a support substrate that supports the light source and the light receiving device.
The light receiving device is
Telecentric optics with Fresnel surface and
A filter that transmits light in a predetermined wavelength band from the light that has passed through the telecentric optical system,
An electronic system comprising an imaging unit that photoelectrically converts light that has passed through the filter.
(13) The light receiving device has a distance measuring unit that measures the distance to the object by the time difference between the timing when the light source emits light and the timing when the light receiving device receives the reflected light. 12) The electronic system according to.
(14) The telecentric optical system is
The front group optical system that diverges the main ray of the incident peripheral luminous flux,
It has a rear group optical system that parallelizes the main light beam of the peripheral luminous flux that has passed through the front group optical system.
The electronic system according to (12), wherein the rear group optical system has the Fresnel surface.
(15) The rear group optical system has a first surface which is arranged to face the front group optical system and a second surface which is arranged to face the filter.
The electronic system according to (14), wherein the second surface is a Fresnel surface.
(16) The electronic system according to (15), wherein the degree of curvature of the first surface is larger than the degree of curvature of the second surface.
(17) The electronic system according to any one of (14) to (16), wherein the rear group optical system has a lens whose thickness decreases from the center of the optical axis toward the peripheral edge.
(18) The rear group optical system has a transparent base material having a uniform thickness and has a uniform thickness.
The transparent base material has a third surface arranged on the front group optical system side and a fourth surface arranged on the imaging unit side.
The third surface is a Fresnel surface,
The electronic system according to (14), wherein the filter is a layer coated on the fourth surface.
(19) The telecentric optical system is incident with the reflected light emitted from the light source and reflected by the object.
The filter has Wcut_on as the upper limit wavelength at which the transmittance becomes 50% when light is incident from a direction inclined by a predetermined angle from the normal direction of the filter, and when light is incident from the normal direction of the filter. When the lower limit wavelength at which the transmittance becomes 50% is Wcut_off and the amount of change in the emission wavelength of the light source due to the initial wavelength variation of the light source and the temperature change is Wld, the transmittance has a transmission characteristic satisfying Wcut_on-Wcut_off> Wld. The electronic system according to any one of (12) to (18).
(20) The electronic system according to any one of
本開示の態様は、上述した個々の実施形態に限定されるものではなく、当業者が想到しうる種々の変形も含むものであり、本開示の効果も上述した内容に限定されない。すなわち、特許請求の範囲に規定された内容およびその均等物から導き出される本開示の概念的な思想と趣旨を逸脱しない範囲で種々の追加、変更および部分的削除が可能である。 The aspects of the present disclosure are not limited to the individual embodiments described above, but also include various modifications that can be conceived by those skilled in the art, and the effects of the present disclosure are not limited to the contents described above. That is, various additions, changes and partial deletions are possible without departing from the conceptual idea and purpose of the present disclosure derived from the contents defined in the claims and their equivalents.
1 受光装置、2 電子システム、3 光源、4 支持基板、11、11a、11b テレセントリック光学系、12 バンドパスフィルタ、13 撮像部、14 フレネル面、20 光軸、21、21a、21b 前群光学系、22、22a、22b 後群光学系、23 レンズ、23a コーティング層、25 光学系、26 光学系、220 ガラス基材、221 樹脂基材、31 発光素子、32 ドライバ、33 受光部、34 TDC、35 演算部、36 トリガ生成部、37 制御部、38 インタフェース部、39 SPADアレイ、40 読み出し回路、 1 Receiver, 2 Electronic system, 3 Light source, 4 Support substrate, 11, 11a, 11b Telecentric optical system, 12 Band pass filter, 13 Imaging unit, 14 Frenel plane, 20 Optical axis, 21, 21a, 21b Front group optical system , 22, 22a, 22b Rear group optical system, 23 lens, 23a coating layer, 25 optical system, 26 optical system, 220 glass base material, 221 resin base material, 31 light emitting element, 32 driver, 33 light receiving part, 34 TDC, 35 arithmetic unit, 36 trigger generation unit, 37 control unit, 38 interface unit, 39 SPAD array, 40 read circuit,
Claims (20)
前記テレセントリック光学系を通過した光の中から、所定の波長帯域の光を透過させるフィルタと、
前記フィルタを通過した光を光電変換する撮像部と、を備える、受光装置。 Telecentric optics with Fresnel surface and
A filter that transmits light in a predetermined wavelength band from the light that has passed through the telecentric optical system,
A light receiving device including an imaging unit that photoelectrically converts light that has passed through the filter.
入射する周辺光束の主光線を発散させる前群光学系と、
前記前群光学系を通過した周辺光束の主光線を平行化する後群光学系と、を有し、
前記後群光学系は、前記フレネル面を有する、請求項1に記載の受光装置。 The telecentric optical system is
The front group optical system that diverges the main ray of the incident peripheral luminous flux,
It has a rear group optical system that parallelizes the main light beam of the peripheral luminous flux that has passed through the front group optical system.
The light receiving device according to claim 1, wherein the rear group optical system has the Fresnel surface.
前記第2面はフレネル面である、請求項2に記載の受光装置。 The rear group optical system has a first surface which is arranged to face the front group optical system and a second surface which is arranged to face the filter.
The light receiving device according to claim 2, wherein the second surface is a Fresnel surface.
前記透明基材は、前記前群光学系側に配置される第3面と、前記撮像部側に配置される第4面と、を有し、
前記第3面はフレネル面であり、
前記フィルタは、前記第4面にコーティングされた層である、請求項2に記載の受光装置。 The rear group optical system has a transparent base material having a uniform thickness and has a uniform thickness.
The transparent base material has a third surface arranged on the front group optical system side and a fourth surface arranged on the imaging unit side.
The third surface is a Fresnel surface,
The light receiving device according to claim 2, wherein the filter is a layer coated on the fourth surface.
前記フィルタは、前記フィルタの法線方向から所定角度傾斜した方向から光が入射された場合に透過率が50%になる上限の波長をWcut_on、前記フィルタの法線方向から光が入射された場合に透過率が50%になる下限の波長をWcut_off、前記光源の初期波長ばらつき及び温度変化による前記光源の発光波長の変化量をWldとしたとき、Wcut_on−Wcut_off>Wldを満たす透過特性を有する、請求項1に記載の受光装置。 The telecentric optical system is incident with the reflected light emitted from the light source and reflected by the object.
The filter has Wcut_on as the upper limit wavelength at which the transmittance becomes 50% when light is incident from a direction inclined by a predetermined angle from the normal direction of the filter, and when light is incident from the normal direction of the filter. When the lower limit wavelength at which the transmittance becomes 50% is Wcut_off and the amount of change in the emission wavelength of the light source due to the initial wavelength variation of the light source and the temperature change is Wld, the transmittance has a transmission characteristic satisfying Wcut_on−Wcut_off> Wld. The light receiving device according to claim 1.
前記フィルタは、前記ガラス基材の表面にコーティングされた層である、請求項9に記載の受光装置。 The telecentric optical system has a convex resin base material and a flat glass base material bonded to the resin base material.
The light receiving device according to claim 9, wherein the filter is a layer coated on the surface of the glass substrate.
前記受光装置は、前記光源が光を発光したタイミングと、前記受光装置が前記反射光を受光したタイミングとの時間差により、前記対象物までの距離を計測する距離計測部を有する、請求項1に記載の受光装置。 The telecentric optical system is incident with the reflected light emitted from the light source and reflected by the object.
The light receiving device has a distance measuring unit that measures the distance to the object by the time difference between the timing when the light source emits light and the timing when the light receiving device receives the reflected light. The light receiving device according to the description.
前記光源で発光されて対象物で反射された反射光を受光する受光装置と、
前記光源と前記受光装置とを支持する支持基板と、を備えた電子システムであって、
前記受光装置は、
フレネル面を有するテレセントリック光学系と、
前記テレセントリック光学系を通過した光の中から、所定の波長帯域の光を透過させるフィルタと、
前記フィルタを通過した光を光電変換する撮像部と、を有する、電子システム。 A light source that emits light and
A light receiving device that receives the reflected light that is emitted by the light source and reflected by the object.
An electronic system including a support substrate that supports the light source and the light receiving device.
The light receiving device is
Telecentric optics with Fresnel surface and
A filter that transmits light in a predetermined wavelength band from the light that has passed through the telecentric optical system,
An electronic system comprising an imaging unit that photoelectrically converts light that has passed through the filter.
入射する周辺光束の主光線を発散させる前群光学系と、
前記前群光学系を通過した周辺光束の主光線を平行化する後群光学系と、を有し、
前記後群光学系は、前記フレネル面を有する、請求項12に記載の電子システム。 The telecentric optical system is
The front group optical system that diverges the main ray of the incident peripheral luminous flux,
It has a rear group optical system that parallelizes the main light beam of the peripheral luminous flux that has passed through the front group optical system.
The electronic system according to claim 12, wherein the rear group optical system has the Fresnel surface.
前記第2面はフレネル面である、請求項14に記載の電子システム。 The rear group optical system has a first surface which is arranged to face the front group optical system and a second surface which is arranged to face the filter.
The electronic system according to claim 14, wherein the second surface is a Fresnel surface.
前記透明基材は、前記前群光学系側に配置される第3面と、前記撮像部側に配置される第4面と、を有し、
前記第3面はフレネル面であり、
前記フィルタは、前記第4面にコーティングされた層である、請求項14に記載の電子システム。 The rear group optical system has a transparent base material having a uniform thickness and has a uniform thickness.
The transparent base material has a third surface arranged on the front group optical system side and a fourth surface arranged on the imaging unit side.
The third surface is a Fresnel surface,
The electronic system according to claim 14, wherein the filter is a layer coated on the fourth surface.
前記フィルタは、前記フィルタの法線方向から所定角度傾斜した方向から光が入射された場合に透過率が50%になる上限の波長をWcut_on、前記フィルタの法線方向から光が入射された場合に透過率が50%になる下限の波長をWcut_off、前記光源の初期波長ばらつき及び温度変化による前記光源の発光波長の変化量をWldとしたとき、Wcut_on−Wcut_off>Wldを満たす透過特性を有する、請求項12に記載の電子システム。 The telecentric optical system is incident with the reflected light emitted from the light source and reflected by the object.
The filter has Wcut_on as the upper limit wavelength at which the transmittance becomes 50% when light is incident from a direction inclined by a predetermined angle from the normal direction of the filter, and when light is incident from the normal direction of the filter. When the lower limit wavelength at which the transmittance becomes 50% is Wcut_off and the amount of change in the emission wavelength of the light source due to the initial wavelength variation of the light source and the temperature change is Wld, the transmittance has a transmission characteristic satisfying Wcut_on-Wcut_off> Wld. The electronic system according to claim 12.
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