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JP7696215B2 - Light receiving element and measuring device - Google Patents

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JP7696215B2
JP7696215B2 JP2021043812A JP2021043812A JP7696215B2 JP 7696215 B2 JP7696215 B2 JP 7696215B2 JP 2021043812 A JP2021043812 A JP 2021043812A JP 2021043812 A JP2021043812 A JP 2021043812A JP 7696215 B2 JP7696215 B2 JP 7696215B2
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Description

本発明は、受光素子及び測定装置に関する。 The present invention relates to a light receiving element and a measuring device.

LiDAR(Light Detection and Ranging)などの距離測定システムでは、パルス状のレーザー光を投光してから反射光を受光するまでの時間を計測することによって、対象物までの距離を測定するTOF方式(Time of flight)が知られている。また、LiDARなどの距離測定システムでは、レーザー光を走査させて広い範囲で計測することも行われている。例えば特許文献1には、レーザー光を2次元走査させる距離測定システムが記載されている。 In distance measurement systems such as LiDAR (Light Detection and Ranging), a time-of-flight (TOF) method is known that measures the distance to an object by measuring the time between projecting a pulsed laser beam and receiving the reflected light. Distance measurement systems such as LiDAR also use laser beams to scan a wide range. For example, Patent Document 1 describes a distance measurement system that uses two-dimensional scanning with laser beams.

特表2021-500554号公報Special Publication No. 2021-500554

LiDARなどの距離測定システムを車両に搭載する場合には、距離測定システムを構成する発光素子、受光素子及び光学系などを狭い空間に配置する必要がある。狭い空間に配置するためには、レンズを小口径にしたり、組レンズの全長を短くしたりと光学系を小型化する必要があるが、光学系を小型化すると光学性能を犠牲にしてしまう。そのため、物体の検出精度が悪くなるなど、装置の品質低下を招く虞があった。 When installing a distance measurement system such as LiDAR on a vehicle, the light-emitting elements, light-receiving elements, and optical system that make up the distance measurement system must be placed in a small space. To place it in a small space, it is necessary to miniaturize the optical system by using small-diameter lenses and shortening the overall length of the lens assembly, but miniaturizing the optical system sacrifices optical performance. This could lead to a deterioration in the quality of the device, such as a decrease in object detection accuracy.

本発明は、上記点に鑑み、品質の高い受光装置を提供することを目的とする。 In view of the above, the present invention aims to provide a high-quality light receiving device.

上記目的を達成するため、本発明は一態様として、発光素子から照射され、対象物に反射された光を2回反射し、出射面から出射させる変更部と、前記変更部から出射された光を検出する検出面を有する受光素子と、を備える受光装置を提供する。 To achieve the above object, the present invention provides, as one aspect, a light receiving device that includes a modification section that reflects light emitted from a light emitting element and reflected by an object twice and emits the light from an emission surface, and a light receiving element that has a detection surface that detects the light emitted from the modification section.

その他、本願が開示する課題、及びその解決方法は、発明を実施するための形態の欄、及び図面により明らかにされる。 Other problems and solutions disclosed in this application will be made clear in the detailed description of the invention and the drawings.

本発明によれば、品質の高い受光装置が提供される。 The present invention provides a high-quality light receiving device.

図1は、測定装置の一例の説明図である。FIG. 1 is an explanatory diagram of an example of a measuring device. 図2は、X方向から見た実装基板5の説明図である。FIG. 2 is an explanatory diagram of the mounting board 5 as viewed from the X direction. 図3Aは、2次元走査の説明図である。図3Bは、或るフレームにおける2次元走査の説明図である。図3Cは、複数チャンネルによる2次元走査の説明図である。3A is an explanatory diagram of two-dimensional scanning, FIG 3B is an explanatory diagram of two-dimensional scanning in a certain frame, and FIG 3C is an explanatory diagram of two-dimensional scanning by multiple channels. 図4Aは、受光器20を上から見た図である。図4Bは、図4AにおけるB-B線に沿った受光器20の断面図である。図4Cは、受光器20の分解斜視図である。図4Dは、受光素子21の断面図である。Fig. 4A is a top view of the optical receiver 20. Fig. 4B is a cross-sectional view of the optical receiver 20 taken along line BB in Fig. 4A. Fig. 4C is an exploded perspective view of the optical receiver 20. Fig. 4D is a cross-sectional view of the light-receiving element 21. 図5Aは、受光器20の一例の断面図である。図5Bは、受光器20の分解斜視図である。Fig. 5A is a cross-sectional view of an example of the optical receiver 20. Fig. 5B is an exploded perspective view of the optical receiver 20. 図6Aは、受光器20の一例を横の断面図である。図6Bは、受光器20の分解斜視図である。Fig. 6A is a horizontal cross-sectional view of an example of the optical receiver 20. Fig. 6B is an exploded perspective view of the optical receiver 20. 図7Aは、受光用光学系32による集光の様子の説明図である。図7Bは、受光用光学系32の光軸上の受光器20における受光窓23と集光スポットの説明図である。Fig. 7A is an explanatory diagram of the manner in which light is collected by the light receiving optical system 32. Fig. 7B is an explanatory diagram of the light receiving window 23 and the light collecting spot in the light receiver 20 on the optical axis of the light receiving optical system 32. 図8は、受光器20の出力信号の説明図である。FIG. 8 is an explanatory diagram of an output signal from the optical receiver 20. As shown in FIG. 図9は、本実施形態の受光素子を用いた光検出装置の一例の説明図である。FIG. 9 is an explanatory diagram of an example of a light detection device using the light receiving element of this embodiment. 図10Aは、受光用光学系32を高NA値とした場合の集光スポット位置を説明する図であり、図10Bは、受光用光学系32を低NA値とした場合の集光スポット位置を説明する図である。図10Cは、受光用光学系32を低NA値として本実施形態によるプリズム27を用いた場合の集光スポット位置を説明する図である。Fig. 10A is a diagram for explaining the position of the focused spot when the light receiving optical system 32 has a high NA value, Fig. 10B is a diagram for explaining the position of the focused spot when the light receiving optical system 32 has a low NA value, and Fig. 10C is a diagram for explaining the position of the focused spot when the light receiving optical system 32 has a low NA value and the prism 27 according to this embodiment is used. 図11は、変形例による受光装置の断面図である。FIG. 11 is a cross-sectional view of a light receiving device according to a modified example.

以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しつつ説明する。なお、以下の説明において、同一の又は類似する構成について共通の符号を付して重複した説明を省略することがある。 The following describes the embodiment of the present invention with reference to the drawings. In the following description, the same or similar components may be designated by common reference numerals and duplicate descriptions may be omitted.

<測定装置について>
図1は、測定装置の一例の説明図である。
<About the measuring device>
FIG. 1 is an explanatory diagram of an example of a measuring device.

以下の説明では、図1に示すように各方向を定めている。受光用光学系32(若しくは投光用光学系31)の光軸(レンズの回転対称軸)に沿った方向をZ方向とする。なお、測定装置1の測定対象となる対象物90は、測定装置1に対してZ方向に離れていることになる。また、Z方向に垂直な方向であって、投光用光学系31と受光用光学系32の並ぶ方向をX方向とする。また、Z方向及びX方向に垂直な方向をY方向とする。 In the following description, the directions are defined as shown in FIG. 1. The direction along the optical axis (the rotational symmetry axis of the lens) of the light receiving optical system 32 (or the light projecting optical system 31) is defined as the Z direction. Note that the object 90 to be measured by the measuring device 1 is separated from the measuring device 1 in the Z direction. The direction perpendicular to the Z direction, in which the light projecting optical system 31 and the light receiving optical system 32 are aligned, is defined as the X direction. The direction perpendicular to the Z direction and the X direction is defined as the Y direction.

測定装置1は、対象物90の表面を測定するための装置である。具体的には、測定装置1は、発光素子10からレーザー光(図1のTx)を射出し、対象物90の表面で反射した反射光(図1のRx)を受光器20によって検出し、検出結果に基づいて、対象物90までの距離を算出する装置である。測定装置1は、発光素子10と、受光器20と、光学系30と、コントローラー40とを備える。また、測定装置1は、複数の発光素子10と複数の受光器20を有する実装基板5と、駆動装置45を備えている。 The measuring device 1 is a device for measuring the surface of an object 90. Specifically, the measuring device 1 emits laser light (Tx in FIG. 1) from a light-emitting element 10, detects the reflected light (Rx in FIG. 1) reflected from the surface of the object 90 by a light-receiver 20, and calculates the distance to the object 90 based on the detection result. The measuring device 1 includes a light-emitting element 10, a light-receiver 20, an optical system 30, and a controller 40. The measuring device 1 also includes a mounting board 5 having a plurality of light-emitting elements 10 and a plurality of light-receivers 20, and a driving device 45.

発光素子10は、電気信号を光信号に変換する素子である。例えば、発光素子10は、LDチップ(LD:Laser Diode)であり、レーザー光を射出する。本実施形態では、発光素子10は、対象物90の表面に向かってパルス光(図1のTx)を射出する。本実施形態の発光素子10は、端面発光半導体レーザーで構成されており、実装基板5に表面実装されており、基板面に平行にレーザー光を射出する。なお、発光素子10は、端面発光半導体レーザーに限られるものではなく、実装基板5への実装方法もこれに限られるものではない。 The light-emitting element 10 is an element that converts an electrical signal into an optical signal. For example, the light-emitting element 10 is an LD chip (LD: Laser Diode) and emits laser light. In this embodiment, the light-emitting element 10 emits pulsed light (Tx in FIG. 1) toward the surface of the object 90. The light-emitting element 10 in this embodiment is composed of an edge-emitting semiconductor laser, is surface-mounted on the mounting substrate 5, and emits laser light parallel to the substrate surface. Note that the light-emitting element 10 is not limited to an edge-emitting semiconductor laser, and the mounting method on the mounting substrate 5 is not limited to this.

受光器20は、受光用光学系32からの光信号の方向を変更しつつ、電気信号に変換するブロックである。受光器20の詳細は後述するが、PDチップ(Photodiode)を含んで構成される。受光器20受光器20は、実装基板5に対して表面実装されている。なお、受光器20の実装方法はこれに限られるものではない。なお、実装基板5及び受光器20は、本発明における受光装置の一例である。 The optical receiver 20 is a block that changes the direction of the optical signal from the light receiving optical system 32 and converts it into an electrical signal. The details of the optical receiver 20 will be described later, but it is configured to include a PD chip (photodiode). Optical receiver 20The optical receiver 20 is surface mounted on the mounting substrate 5. Note that the mounting method of the optical receiver 20 is not limited to this. Note that the mounting substrate 5 and the optical receiver 20 are an example of a light receiving device in the present invention.

光学系30は、発光素子10から出力される光を対象物90に向かって照射するとともに、対象物90からの反射光を受光器20に受光させるための光学系である。発光素子10と受光器20は、光学系30に対して共役の位置に配置されている。本実施形態の光学系30は、投光用光学系31と、受光用光学系32とを有する。 The optical system 30 is an optical system that irradiates the light output from the light-emitting element 10 toward the object 90 and receives the reflected light from the object 90 in the light receiver 20. The light-emitting element 10 and the light receiver 20 are disposed in a conjugate position with respect to the optical system 30. The optical system 30 of this embodiment has a light-projecting optical system 31 and a light-receiving optical system 32.

投光用光学系31は、発光素子10から出力される光を対象物90に向かって照射するための光学系である。投光用光学系31の焦点面内に発光素子10が配置されている。投光用光学系31は、発光素子10から射出されたレーザー光をコリメート光として対象物90に照射する。発光素子10と投光用光学系31との位置関係に応じた所定の方向(所定の角度)にコリメート光が照射されることになる。発光素子10は投光用光学系31を介して対象物90に光を照射することになる。投光用光学系31は、複数枚(例えば5~7枚)のレンズで構成されたレンズ群によってそれぞれ構成されている(図1では、投光用光学系31のレンズ群が簡易的に示されている)。 The projection optical system 31 is an optical system for irradiating the light output from the light-emitting element 10 toward the object 90. The light-emitting element 10 is disposed within the focal plane of the projection optical system 31. The projection optical system 31 irradiates the object 90 with the laser light emitted from the light-emitting element 10 as collimated light. The collimated light is irradiated in a predetermined direction (predetermined angle) according to the positional relationship between the light-emitting element 10 and the projection optical system 31. The light-emitting element 10 irradiates the object 90 with light via the projection optical system 31. Each projection optical system 31 is composed of a lens group made up of multiple lenses (e.g., 5 to 7 lenses) (in FIG. 1, the lens group of the projection optical system 31 is shown simply).

受光用光学系32は、対象物90からの反射光を受光器20に受光させるための光学系である。受光用光学系32の焦点面内に受光器20が配置されている。受光用光学系32は、対象物90の反射光を所定の受光器20に集光する。受光器20は受光用光学系32を介して対象物90からの反射光を受光することになる。受光用光学系32も、投光用光学系31と同様に、複数枚(例えば5~7枚)のレンズで構成されたレンズ群によってそれぞれ構成されている(図1では、受光用光学系32のレンズ群が簡易的に示されている)。 The light receiving optical system 32 is an optical system for receiving the light reflected from the object 90 at the light receiver 20. The light receiver 20 is disposed within the focal plane of the light receiving optical system 32. The light receiving optical system 32 focuses the light reflected from the object 90 onto a predetermined light receiver 20. The light receiver 20 receives the light reflected from the object 90 via the light receiving optical system 32. Like the light projecting optical system 31, the light receiving optical system 32 is also composed of a lens group made up of multiple lenses (e.g., 5 to 7 lenses) (the lens group of the light receiving optical system 32 is shown simply in FIG. 1).

投光用光学系31と受光用光学系32は、一体的に構成されており、互いの位置関係が固定されている。具体的には、投光用光学系31を構成する投光用鏡筒と、受光用光学系32を構成する受光用鏡筒とが共通の光学用フレーム33に固定されている。 The light-projecting optical system 31 and the light-receiving optical system 32 are constructed as an integral unit, and their relative positions are fixed. Specifically, the light-projecting lens barrel that constitutes the light-projecting optical system 31 and the light-receiving lens barrel that constitutes the light-receiving optical system 32 are fixed to a common optical frame 33.

コントローラー40は、測定装置1の制御を司る制御部である。コントローラー40は、発光素子10からのレーザー光の射出を制御する。また、コントローラー40は、受光器20の出力信号に基づいて、対象物90までの距離を算出する。具体的には、コントローラー40は、発光素子10からパルス状のレーザー光を投光してから、受光器20が反射光を受光するまでの時間を計測することによって、対象物90までの距離を測定する。すなわち、コントローラー40は、発光素子10及び受光器20を制御することによって、TOF方式(Time of flight)により対象物90までの距離を測定する(対象物90の表面のZ座標を測定する)。また、所定の方向にレーザー光が照射され、所定の方向の反射光を受光することを利用して、コントローラー40は、XY方向に走査しながら対象物90の表面のZ座標を測定することによって、対象物90の表面のX,Y,Z座標を測定可能である。 The controller 40 is a control unit that controls the measurement device 1. The controller 40 controls the emission of laser light from the light-emitting element 10. The controller 40 also calculates the distance to the object 90 based on the output signal of the light-receiver 20. Specifically, the controller 40 measures the distance to the object 90 by measuring the time from when the light-emitting element 10 emits pulsed laser light to when the light-receiver 20 receives the reflected light. That is, the controller 40 measures the distance to the object 90 by the TOF method (measures the Z coordinate of the surface of the object 90) by controlling the light-emitting element 10 and the light-receiver 20. In addition, the controller 40 can measure the X, Y, and Z coordinates of the surface of the object 90 by measuring the Z coordinate of the surface of the object 90 while scanning in the XY direction, utilizing the fact that the laser light is irradiated in a predetermined direction and the reflected light is received in a predetermined direction.

コントローラー40は、演算装置41と、記憶装置42とを有する。演算装置41は、例えばCPU、GPUなどの演算処理装置である。記憶装置42は、主記憶装置と補助記憶装置とにより構成され、プログラムやデータを記憶する装置である。記憶装置42に記憶されているプログラムを演算装置41が実行することにより、演算装置41は、発光素子10からのレーザー光の射出を制御するとともに、受光器20の出力信号に基づいて、対象物90までの距離を算出することになる。また、演算装置41は、受光器20の出力信号に基づいて、対象物90の表面のX,Y,Z座標を算出することになる。演算装置41は、取得した座標データを記憶装置42に記憶しても良いし、外部の記憶装置に記憶しても良い。対象物90の表面上の多数の点のX,Y,Z座標のデータは、対象物90の表面の3次元画像(点群:点クラウド)を示すデータとなる。演算装置41は、記憶装置42に記憶されているプログラムを演算装置41が実行することにより、記憶装置42に記憶された3次元画像に基づいて、対象物90の解析を行っても良い。 The controller 40 has a calculation device 41 and a storage device 42. The calculation device 41 is a calculation processing device such as a CPU or a GPU. The storage device 42 is a device that is composed of a main storage device and an auxiliary storage device and stores programs and data. When the calculation device 41 executes the program stored in the storage device 42, the calculation device 41 controls the emission of laser light from the light-emitting element 10 and calculates the distance to the object 90 based on the output signal of the light receiver 20. The calculation device 41 also calculates the X, Y, and Z coordinates of the surface of the object 90 based on the output signal of the light receiver 20. The calculation device 41 may store the acquired coordinate data in the storage device 42 or in an external storage device. The data of the X, Y, and Z coordinates of a large number of points on the surface of the object 90 becomes data indicating a three-dimensional image (point group: point cloud) of the surface of the object 90. The calculation device 41 may analyze the object 90 based on the three-dimensional image stored in the storage device 42 by the calculation device 41 executing a program stored in the storage device 42.

実装基板5は、複数の発光素子10と、複数の受光器20とを実装した基板である。或る受光器20は特定の発光素子10に対応付けられており、或る受光器20の検出位置は、特定の発光素子10の発光位置と共役である。本実施形態では、発光素子10と受光器20との対が複数あり、複数のチャンネルで対象物90の表面を測定可能である。なお、発光素子10は、実装基板5の基板面に平行にレーザー光を射出し、受光器20は、実装基板5の基板面にほぼ平行な方向から入射する光(反射光)を受光する。 The mounting substrate 5 is a substrate on which multiple light-emitting elements 10 and multiple light-receivers 20 are mounted. A given light-receiver 20 is associated with a specific light-emitting element 10, and the detection position of a given light-receiver 20 is conjugate with the light-emitting position of the specific light-emitting element 10. In this embodiment, there are multiple pairs of light-emitting elements 10 and light-receivers 20, and the surface of the object 90 can be measured in multiple channels. The light-emitting element 10 emits laser light parallel to the substrate surface of the mounting substrate 5, and the light-receiver 20 receives light (reflected light) incident from a direction approximately parallel to the substrate surface of the mounting substrate 5.

図1に示すように、実装基板5は、5個の発光素子10と、5個の受光器20とを有する。但し、発光素子10や受光器20の数は、これに限られるものではない。実装基板5には、複数の発光素子10がX方向の異なる位置に配置されている。また、実装基板5には、複数の受光器20がX方向の異なる位置に配置されている。 As shown in FIG. 1, the mounting substrate 5 has five light-emitting elements 10 and five light-receivers 20. However, the number of light-emitting elements 10 and light-receivers 20 is not limited to this. On the mounting substrate 5, multiple light-emitting elements 10 are arranged at different positions in the X direction. Also, on the mounting substrate 5, multiple light-receivers 20 are arranged at different positions in the X direction.

図1に示すように、実装基板5には、発光側湾曲部6と、受光側湾曲部7とが設けられている。 As shown in FIG. 1, the mounting substrate 5 has a light-emitting curved portion 6 and a light-receiving curved portion 7.

発光側湾曲部6は、円弧状の縁を有する部位である。発光側湾曲部6は、投光用光学系31の像面湾曲に沿うように複数の発光素子10を配置するための部位である。発光側湾曲部6の円弧状の縁に沿って複数の発光素子10が配置されている。これにより、それぞれの発光素子10は、投光用光学系31に対して、適切な位置及び角度に配置され、投光用光学系31の像面湾曲の影響を軽減できる。 The light-emitting side curved portion 6 is a portion having an arc-shaped edge. The light-emitting side curved portion 6 is a portion for arranging multiple light-emitting elements 10 so that they follow the curvature of the image plane of the light-projecting optical system 31. Multiple light-emitting elements 10 are arranged along the arc-shaped edge of the light-emitting side curved portion 6. This allows each light-emitting element 10 to be arranged at an appropriate position and angle relative to the light-projecting optical system 31, reducing the effects of the curvature of the image plane of the light-projecting optical system 31.

受光側湾曲部7は、円弧状の縁を有する部位であり、発光側湾曲部6とはX方向の異なる位置に設けられている。受光側湾曲部7は、受光用光学系32の像面湾曲に沿うように複数の受光器20を配置するための部位である。受光側湾曲部7の円弧状の縁に沿って、複数の受光器20が配置されている。これにより、それぞれの受光器20は、受光用光学系32に対して、適切な位置及び角度に配置され、受光用光学系32の像面湾曲の影響を軽減できる。 The light-receiving curved portion 7 is a portion having an arc-shaped edge, and is provided at a different position in the X direction from the light-emitting curved portion 6. The light-receiving curved portion 7 is a portion for arranging multiple light receivers 20 so that they follow the curvature of field of the light-receiving optical system 32. Multiple light receivers 20 are arranged along the arc-shaped edge of the light-receiving curved portion 7. This allows each light receiver 20 to be arranged at an appropriate position and angle relative to the light-receiving optical system 32, reducing the effects of the curvature of field of the light-receiving optical system 32.

但し、実装基板5に発光側湾曲部6や受光側湾曲部7が設けられていなくても良い。この場合、実装基板5のZ方向に垂直な縁に沿って、複数の発光素子10や複数の受光器20が配列されることになる。 However, the mounting substrate 5 does not necessarily have to have the light-emitting curved portion 6 or the light-receiving curved portion 7. In this case, multiple light-emitting elements 10 and multiple light-receiving devices 20 are arranged along the edge of the mounting substrate 5 perpendicular to the Z direction.

図2は、X方向から見た実装基板5の説明図である。ここでは説明のため、実装基板5の発光側湾曲部6や受光側湾曲部7を省略し、実装基板5のX方向に平行な縁に沿って発光素子10及び受光器20が配置されているものとする。なお、ここでは説明のため、実装基板5の傾きが強調されて図示されている。 Figure 2 is an explanatory diagram of the mounting substrate 5 as viewed from the X direction. For the sake of explanation, the light-emitting curved portion 6 and the light-receiving curved portion 7 of the mounting substrate 5 are omitted, and the light-emitting element 10 and the light-receiver 20 are arranged along the edge of the mounting substrate 5 that is parallel to the X direction. For the sake of explanation, the inclination of the mounting substrate 5 is exaggerated in the illustration.

図2に示すように、測定装置1は、複数枚の実装基板5(ここでは3枚の実装基板5)を有している。複数枚の実装基板5は、Y方向の異なる位置に配置されている。各実装基板5には、図1に示すように、X方向の異なる位置に複数(ここでは5個)の発光素子10及び複数の受光器20が配置されている。このため、X方向及びY方向に複数(ここでは15個)の発光素子10を配列させた発光素子アレイが構成されるとともに、X方向及びY方向に複数の受光器20を配列させた受光素子アレイが構成される。ここでは、5×3の15チャンネル(X方向に5チャンネル、Y方向に3チャンネル)で対象物90の表面を測定することになる。 As shown in FIG. 2, the measuring device 1 has multiple mounting boards 5 (three mounting boards 5 in this example). The multiple mounting boards 5 are arranged at different positions in the Y direction. As shown in FIG. 1, each mounting board 5 has multiple (five here) light-emitting elements 10 and multiple light-receivers 20 arranged at different positions in the X direction. Therefore, a light-emitting element array is formed by arranging multiple (15 here) light-emitting elements 10 in the X and Y directions, and a light-receiving element array is formed by arranging multiple light-receivers 20 in the X and Y directions. Here, the surface of the object 90 is measured using 5 x 3 = 15 channels (five channels in the X direction and three channels in the Y direction).

複数枚の実装基板5は、Z方向に対して異なる角度で配置されている。具体的には、図2に示すように、各実装基板5の発光素子10が投光用光学系31を向くように、また、各実装基板5の受光器20の入射面27A(後述)が受光用光学系32を向くように、それぞれの実装基板5が、Z方向に対して異なる角度で配置されている。これにより、発光素子10及び受光器20が光学系30に対してそれぞれ適切な位置及び角度に配置されるため、光学系30の像面湾曲の影響を軽減できる。各実装基板5の発光素子10は、その実装基板5の基板面に平行にレーザー光を射出するように配置されている。また、各実装基板5の受光器20は、その実装基板5の基板面にほぼ平行な方向から入射する光(反射光)を受光するように配置されている。複数(ここでは5個)の発光素子10及び複数(ここでは5個)の受光器20が同じ基板に実装されているため、また、投光用光学系31と受光用光学系32がそれぞれ別に設けられているため、実装基板5をZ方向(光学系30の光軸の方向)に対して傾けても、それぞれの発光素子10と受光器20とを光学系30に対して共役の位置関係に維持することができる。なお、本実施形態のように実装基板5に発光側湾曲部6及び受光側湾曲部7が設けられていれば、実装基板5を傾けても、投光用光学系31の像面湾曲に沿うように複数の発光素子を配置させ易く、また、受光用光学系32の像面湾曲に沿うように複数の受光器20を配置させ易い。 The multiple mounting boards 5 are arranged at different angles with respect to the Z direction. Specifically, as shown in FIG. 2, the light-emitting element 10 of each mounting board 5 faces the light-projecting optical system 31, and the incident surface 27A (described later) of the light-receiver 20 of each mounting board 5 faces the light-receiving optical system 32, so that each mounting board 5 is arranged at a different angle with respect to the Z direction. As a result, the light-emitting element 10 and the light-receiver 20 are arranged at appropriate positions and angles with respect to the optical system 30, so that the effect of the curvature of field of the optical system 30 can be reduced. The light-emitting element 10 of each mounting board 5 is arranged to emit laser light parallel to the substrate surface of the mounting board 5. The light-receiver 20 of each mounting board 5 is arranged to receive light (reflected light) incident from a direction approximately parallel to the substrate surface of the mounting board 5. Since multiple (here, five) light-emitting elements 10 and multiple (here, five) light-receivers 20 are mounted on the same board, and since the light-projecting optical system 31 and the light-receiving optical system 32 are provided separately, even if the mounting board 5 is tilted in the Z direction (the direction of the optical axis of the optical system 30), each light-emitting element 10 and light-receiver 20 can be maintained in a conjugate positional relationship with respect to the optical system 30. Note that, if the mounting board 5 is provided with a light-emitting side curved portion 6 and a light-receiving side curved portion 7 as in this embodiment, even if the mounting board 5 is tilted, it is easy to arrange the multiple light-emitting elements so as to follow the curvature of field of the light-projecting optical system 31, and it is also easy to arrange the multiple light-receivers 20 so as to follow the curvature of field of the light-receiving optical system 32.

なお、複数の実装基板5をZ方向に平行に配置し、互いに平行に配置しても良い。但し、仮に各実装基板5を互いに平行に配置した場合には、実装基板5ごとに、発光素子10及び受光器20が光学系30に対して適切な位置及び角度になるように、実装基板5に対する発光素子10及び受光器20の位置及び角度を異ならせる必要がある。これに対し、本実施形態では、実装基板5の傾きを異ならせるため、いずれの実装基板5においても、発光素子10が実装基板5に平行にレーザー光を射出し、受光器20が実装基板5にほぼ平行な方向から入射する光(反射光)を受光するように構成することができる。このため、本実施形態では、複数の発光素子10及び複数の受光器20を、X方向及びY方向の異なる位置に、簡易な構成で、光学系30に対して適切な位置及び角度に配置できる。 Note that multiple mounting substrates 5 may be arranged parallel to each other in the Z direction. However, if each mounting substrate 5 is arranged parallel to each other, it is necessary to make the positions and angles of the light emitting element 10 and the light receiver 20 different for each mounting substrate 5 so that the light emitting element 10 and the light receiver 20 are at appropriate positions and angles with respect to the optical system 30. In contrast, in this embodiment, the inclination of the mounting substrate 5 is made different, so that in each mounting substrate 5, the light emitting element 10 can be configured to emit laser light parallel to the mounting substrate 5, and the light receiver 20 can be configured to receive light (reflected light) incident from a direction approximately parallel to the mounting substrate 5. Therefore, in this embodiment, multiple light emitting elements 10 and multiple light receivers 20 can be arranged at appropriate positions and angles with respect to the optical system 30 at different positions in the X direction and Y direction with a simple configuration.

複数(ここでは3枚)の実装基板5は、一体的に固定されており、互いの位置関係が固定されている。具体的には、複数の実装基板5は、共通の基板用フレーム8に固定されている。但し、複数の発光素子10及び複数の受光器20の位置関係を固定できれば、他の方法で複数の発光素子10及び複数の受光器20の位置関係を固定しても良い。また、測定装置1が複数の実装基板5を備えていなくても良い。 The multiple mounting boards 5 (three in this example) are fixed together, and their relative positions are fixed. Specifically, the multiple mounting boards 5 are fixed to a common board frame 8. However, as long as the relative positions of the multiple light-emitting elements 10 and the multiple light-receivers 20 can be fixed, the relative positions of the multiple light-emitting elements 10 and the multiple light-receivers 20 may be fixed by other methods. In addition, the measurement device 1 does not need to be equipped with multiple mounting boards 5.

駆動装置45(図1参照)は、光学系30と実装基板5(発光素子10及び受光器20)とをXY方向に相対移動させる装置である。駆動装置45が光学系30と実装基板5とをXY方向に相対移動させることによって、光学系30に対する発光素子10の位置関係を変化させ、レーザー光の照射される角度を変化させ、これにより、レーザー光を走査させることができる。 The driving device 45 (see FIG. 1) is a device that moves the optical system 30 and the mounting substrate 5 (light-emitting element 10 and light-receiver 20) relatively in the XY directions. By the driving device 45 moving the optical system 30 and the mounting substrate 5 relatively in the XY directions, the positional relationship of the light-emitting element 10 with respect to the optical system 30 is changed, and the angle at which the laser light is irradiated is changed, thereby allowing the laser light to be scanned.

駆動装置45は、光学系30と実装基板5の少なくとも一方(光学系30と実装基板5の一方、又は光学系30と実装基板5の両方)を移動させることになる。なお、駆動装置45は、光学系30を実装基板5に対してXY方向に移動させても良いし、実装基板5に対して光学系30をXY方向に移動させても良いし、光学系30をX方向(又はY方向)に移動させつつ実装基板5をY方向(又はX方向)に移動させても良い。本実施形態では、光学用フレーム33と基板用フレーム8の少なくとも一方がX方向及びY方向にそれぞれ所定の共振周波数で筐体3に支持されており、駆動装置45は、光学系30と実装基板5の少なくとも一方をX方向及びY方向にそれぞれの共振周波数で振動させている。駆動装置45は、例えばボイスコイルモータで構成されるが、これに限られるものではない(例えば圧電素子によって構成されても良い)。 The driving device 45 moves at least one of the optical system 30 and the mounting board 5 (either the optical system 30 or the mounting board 5, or both the optical system 30 and the mounting board 5). The driving device 45 may move the optical system 30 in the XY direction relative to the mounting board 5, may move the optical system 30 in the XY direction relative to the mounting board 5, or may move the mounting board 5 in the Y direction (or X direction) while moving the optical system 30 in the X direction (or Y direction). In this embodiment, at least one of the optical frame 33 and the board frame 8 is supported by the housing 3 at a predetermined resonance frequency in the X direction and the Y direction, respectively, and the driving device 45 vibrates at least one of the optical system 30 and the mounting board 5 in the X direction and the Y direction at the respective resonance frequencies. The driving device 45 is, for example, configured by a voice coil motor, but is not limited thereto (for example, it may be configured by a piezoelectric element).

図3Aは、2次元走査の説明図である。本実施形態では、光学系30と実装基板5の少なくとも一方をX方向及びY方向にそれぞれの共振周波数で振動させることによって、光学系30と実装基板5(発光素子10又は受光器20)が図3Aに示すようにリサージュ曲線に沿ってXY方向に相対的に変位する。リサージュ曲線は、X=Asin(at+δ),Y=Bsin(bt)のグラフとなる。ここで、a及びbは、それぞれX方向及びY方向の周波数であり、tは時間であり、δは位相差である。既に説明した通り、光学用フレーム33と基板用フレーム8の少なくとも一方がX方向及びY方向にそれぞれ所定の共振周波数で支持されているため、a及びbは既知の値となる。また、駆動装置45が所定の振幅で光学用フレーム33又は基板用フレーム8を共振させることによってA,Bは既知の値となり、駆動装置45によるX方向及びY方向の駆動タイミングに基づいてδは既知の値となる。このため、コントローラー40は、時間tに基づいて、光学系30二対する発光素子10(若しくは受光器20)のXY方向の位置を算出可能である。つまり、コントローラー40は、時間tに基づいて、レーザー光が照射される方向を算出可能である。なお、コントローラー40は、時間tに基づいて、レーザー光が照射される方向を算出する代わりに、不図示の位置検出器によって光学用フレーム33と基板用フレーム8とのXY方向の相対位置を検出し、この検出結果に基づいてレーザー光が照射される方向を算出しても良い。 Figure 3A is an explanatory diagram of two-dimensional scanning. In this embodiment, by vibrating at least one of the optical system 30 and the mounting board 5 in the X direction and the Y direction at their respective resonant frequencies, the optical system 30 and the mounting board 5 (light-emitting element 10 or light-receiver 20) are relatively displaced in the XY direction along the Lissajous curve as shown in Figure 3A. The Lissajous curve is a graph of X = A sin (at + δ), Y = B sin (bt). Here, a and b are frequencies in the X direction and the Y direction, respectively, t is time, and δ is a phase difference. As already explained, since at least one of the optical frame 33 and the board frame 8 is supported in the X direction and the Y direction at a predetermined resonant frequency, respectively, a and b are known values. In addition, A and B become known values by the drive device 45 resonating the optical frame 33 or the board frame 8 with a predetermined amplitude, and δ becomes a known value based on the drive timing in the X direction and the Y direction by the drive device 45. Therefore, the controller 40 can calculate the position of the light emitting element 10 (or the light receiver 20) in the XY direction relative to the optical system 30 based on the time t. In other words, the controller 40 can calculate the direction in which the laser light is irradiated based on the time t. Note that instead of calculating the direction in which the laser light is irradiated based on the time t, the controller 40 may detect the relative positions in the XY direction between the optical frame 33 and the substrate frame 8 using a position detector (not shown), and calculate the direction in which the laser light is irradiated based on the detection result.

図3Bは、或るフレームにおける2次元走査の説明図である。コントローラー40は、所定時間毎に、1枚のフレーム(対象物90の1枚の3次元画像)を取得する。1枚のフレーム(1枚の3次元画像)の測定ごとに、リサージュ曲線上の複数の点において対象物90の表面のX,Y,Z座標を測定することになる。これにより、解像度を高めて座標を測定可能である。なお、フレーム毎に同じリサージュ曲線が反復されても良い。この場合、各フレームにおいて、同じ位置で対象物90の表面の測定が可能になる。一方、フレーム毎にリサージュ曲線がシフトしても良い。この場合、次のフレームにおいて、前のフレームで測定した点群の間を補間するように、対象物90の表面の測定が可能になる。 Figure 3B is an explanatory diagram of two-dimensional scanning in a certain frame. The controller 40 acquires one frame (one three-dimensional image of the object 90) at a predetermined time interval. For each measurement of one frame (one three-dimensional image), the X, Y, and Z coordinates of the surface of the object 90 are measured at multiple points on the Lissajous curve. This allows the coordinates to be measured with increased resolution. The same Lissajous curve may be repeated for each frame. In this case, the surface of the object 90 can be measured at the same position in each frame. On the other hand, the Lissajous curve may be shifted for each frame. In this case, the surface of the object 90 can be measured in the next frame so as to interpolate between the points measured in the previous frame.

図3Cは、複数チャンネルによる2次元走査の説明図である。図示するように、本実施形態では、チャンネル毎に異なる範囲で2次元走査が行われる。これにより、X方向及びY方向の広い範囲において、対象物90の表面の測定が可能になり、広いFOV(field of view)を実現できる。 Figure 3C is an explanatory diagram of two-dimensional scanning using multiple channels. As shown in the figure, in this embodiment, two-dimensional scanning is performed in a different range for each channel. This makes it possible to measure the surface of the object 90 over a wide range in the X and Y directions, achieving a wide FOV (field of view).

なお、2次元走査がリサージュ曲線に沿って行われなくても良い。例えば、X方向(又はY方向)のライン走査をY方向(又はX方向)にずらして複数回行うことによって、2次元走査が行われても良い。また、2次元走査ではなく、1次元走査が行われるだけでも良い。また、走査が行われなくても良い。走査を行わない場合には、測定装置1は駆動装置45を備えていなくても良い。但し、走査を行わない場合には、本実施形態と比べて、点群の解像度が低下する。 The two-dimensional scanning does not have to be performed along the Lissajous curve. For example, two-dimensional scanning may be performed by performing a line scan in the X direction (or Y direction) multiple times while shifting the line scan in the Y direction (or X direction). Also, one-dimensional scanning may be performed instead of two-dimensional scanning. Scanning may not be performed at all. If scanning is not performed, the measuring device 1 may not be equipped with the driving device 45. However, if scanning is not performed, the resolution of the point cloud will be reduced compared to this embodiment.

<受光器について>
本実施形態による受光器20について説明する。
<About the receiver>
The optical receiver 20 according to this embodiment will be described.

図4Aは、受光器20を上から見た図である。受光器20は、受光素子21及びプリズム27を有する。図4Bは、図4AのB-B線による断面図であり、図4Cは受光器20の分解斜視図である。また、図4Dには、受光素子21の断面図である。 Figure 4A is a top view of the optical receiver 20. The optical receiver 20 has a light receiving element 21 and a prism 27. Figure 4B is a cross-sectional view taken along line B-B in Figure 4A, and Figure 4C is an exploded perspective view of the optical receiver 20. Also, Figure 4D is a cross-sectional view of the light receiving element 21.

受光素子21は、実装基板5の表面に平面実装される。詳細には、受光素子21は、実装基板5の表面と受光素子21における光を検知する面(以下、受光面21Aと称する)とが略平行となるように、実装基板5表面上に固定される。受光素子21は、受光面21Aにおいて、光を受光する受光窓23を有する。受光窓23は、受光素子21の受光面21Aに設けられた受光領域である。例えば受光素子21がアバランシェフォトダイオード(APD:Avalanche Photodiode)の場合、受光素子21の受光部22は、基板上にバッファ層、光吸収層、中間層、倍増層、窓層を有しており、更に受光領域と受光領域の外周部のガードリングとを有しており、基板表面及び裏面にそれぞれ電極24及び電極25を有している。また、受光素子21の受光面21Aには保護層も形成される。ここでは、受光窓23は、環状の電極24(受光面21A側の電極;基板表面側の電極)の内側の領域に相当する。受光窓23の直径のことを受光径と呼ぶことがある。受光素子21の大きさが数ミリ角(例えば5mm角)であるのに対し、受光径は例えば500μmである。但し、受光素子21や受光径の大きさは、これに限られるものではない。 The light receiving element 21 is planarly mounted on the surface of the mounting substrate 5. In detail, the light receiving element 21 is fixed on the surface of the mounting substrate 5 so that the surface of the mounting substrate 5 and the surface of the light receiving element 21 that detects light (hereinafter referred to as the light receiving surface 21A) are approximately parallel. The light receiving element 21 has a light receiving window 23 that receives light on the light receiving surface 21A. The light receiving window 23 is a light receiving area provided on the light receiving surface 21A of the light receiving element 21. For example, when the light receiving element 21 is an avalanche photodiode (APD), the light receiving part 22 of the light receiving element 21 has a buffer layer, a light absorption layer, an intermediate layer, a multiplication layer, and a window layer on the substrate, and further has a light receiving area and a guard ring on the outer periphery of the light receiving area, and has electrodes 24 and 25 on the front and back surfaces of the substrate, respectively. In addition, a protective layer is also formed on the light receiving surface 21A of the light receiving element 21. Here, the light receiving window 23 corresponds to the inner region of the ring-shaped electrode 24 (the electrode on the light receiving surface 21A side; the electrode on the substrate surface side). The diameter of the light receiving window 23 is sometimes called the light receiving diameter. The size of the light receiving element 21 is several millimeters square (e.g., 5 mm square), while the light receiving diameter is, for example, 500 μm. However, the size of the light receiving element 21 and the light receiving diameter are not limited to this.

なお、図4Dにおいては、便宜上、受光素子21の裏面から、受光素子21の中央に設けられた受光窓23の表面までの高さが、最も高くなるよう描いているが、実際には、受光面21A側には、平坦化膜や保護膜等(不図示)が形成されている。このため、受光素子21の裏面から、保護膜等を含む受光面21Aまでの高さは受光素子21において略等しい。 In FIG. 4D, for convenience, the height from the back surface of the light receiving element 21 to the surface of the light receiving window 23 provided in the center of the light receiving element 21 is drawn to be the highest, but in reality, a planarizing film, a protective film, etc. (not shown) are formed on the light receiving surface 21A side. Therefore, the height from the back surface of the light receiving element 21 to the light receiving surface 21A including the protective film, etc. is approximately the same throughout the light receiving element 21.

プリズム27は、受光素子21に固定されたペンタプリズムであり、入射した光を2回反射し、光軸方向を90度変えて出射させる機能を有する。プリズム27の材質として、光学ガラスや石英、樹脂などが挙げられるが、要求される光学性能、使用条件及び設計条件等に応じて適切なものが採用される。 Prism 27 is a pentaprism fixed to light receiving element 21, and has the function of reflecting the incident light twice and changing the optical axis direction by 90 degrees before emitting it. Possible materials for prism 27 include optical glass, quartz, and resin, and an appropriate material is used depending on the required optical performance, usage conditions, design conditions, etc.

プリズム27は、図4~図6に示すように五角形状の断面を有しており、互いに直交する2つの矩形面(入射面27A及び出射面27Bとする)と、入射面27A及び出射面27Bにそれぞれ接続する矩形の反射面27C及び反射面27Dとを有する。 As shown in Figures 4 to 6, the prism 27 has a pentagonal cross section, two mutually orthogonal rectangular surfaces (referred to as the entrance surface 27A and the exit surface 27B), and rectangular reflecting surfaces 27C and 27D that are connected to the entrance surface 27A and the exit surface 27B, respectively.

図4Bに示すように、矩形の反射面27C及び反射面27Dの成す角度は、22.5度である。プリズム27の断面寸法は図4Bに示す通りであり、入射面27Aの法線方向における出射面27Bの長さdと、同方向におけるプリズム27の全長との比は、1:1.41となっている。 As shown in FIG. 4B, the angle between rectangular reflecting surfaces 27C and 27D is 22.5 degrees. The cross-sectional dimensions of prism 27 are as shown in FIG. 4B, and the ratio of the length d of exit surface 27B in the normal direction of entrance surface 27A to the total length of prism 27 in the same direction is 1:1.41.

入射面27Aは、受光用光学系32に対向する面であり、受光用光学系32によって集光された反射光が入射する。出射面27Bは、受光素子21に固定され、受光部22と対向する。出射面27Bの面積は、受光素子21よりも大きい。 The incident surface 27A faces the light receiving optical system 32, and the reflected light collected by the light receiving optical system 32 is incident on the incident surface 27A. The exit surface 27B is fixed to the light receiving element 21 and faces the light receiving section 22. The area of the exit surface 27B is larger than that of the light receiving element 21.

入射面27Aに入射した光は、反射面27D及び反射面27Cによって2回反射されて光軸の方向を90度変え、出射面27Bから、出射面27Bと直交するように出射する(図4B)。 The light incident on the entrance surface 27A is reflected twice by the reflecting surfaces 27D and 27C, changing the direction of the optical axis by 90 degrees, and is emitted from the exit surface 27B so as to be perpendicular to the exit surface 27B (Figure 4B).

入射面27A、出射面27B及び反射面27C、27Dには、いずれにも光学膜を貼付または蒸着させることが可能である。光学膜の例としては、反射防止膜、特定の波長を吸収するフィルタ、反射ミラーなどがある。例えば、反射面27C、27Dのいずれかに反射ミラーを成膜することにより、反射率を増加させることができる。また、出射面27B及び反射面27C、27Dのいずれかに反射防止膜を成膜した場合には、これらの面における光の反射率、透過率を調整することができる。このように、入射面27A、出射面27B及び反射面27C、27Dのいずれかに光学膜を成膜することにより、要求される光学性能を得ることができる。 An optical film can be attached or deposited on the incident surface 27A, the exit surface 27B, and the reflecting surfaces 27C and 27D. Examples of optical films include anti-reflection films, filters that absorb specific wavelengths, and reflecting mirrors. For example, by forming a reflecting mirror on either of the reflecting surfaces 27C and 27D, the reflectance can be increased. In addition, when an anti-reflection film is formed on either of the exit surface 27B and the reflecting surfaces 27C and 27D, the reflectance and transmittance of light on these surfaces can be adjusted. In this way, by forming an optical film on either of the incident surface 27A, the exit surface 27B, and the reflecting surfaces 27C and 27D, the required optical performance can be obtained.

出射面27Bの受光素子21に対する固定方法は、プリズム27の材質、使用条件及び設計条件等に応じて適切なものが採用される。例えば、低融点ガラスや、ポリマ、フィルムを用いて接着する方法や、陽極接合または直接接合などが、接合方法の例として挙げられる。 The method of fixing the emission surface 27B to the light receiving element 21 is determined appropriately according to the material of the prism 27, the conditions of use, and the design conditions. Examples of bonding methods include bonding using low-melting-point glass, polymers, or films, anodic bonding, or direct bonding.

出射面27Bが樹脂膜を介して受光素子21に固定されてもよい。図5A、図5Bに示す例では、出射面27Bと受光素子21との間に樹脂膜29が挟まれ、樹脂膜29を介して出射面27Bと受光素子21とが固定される。樹脂膜29は、例えば光学膜とすることができる。この場合、出射面27Bから出射した光を樹脂膜29に通すことにより、不要な光の屈折、反射の抑制、または特定の波長の吸収、透過率の調整などを行い、要求される光学性能を得ることができる。 The exit surface 27B may be fixed to the light receiving element 21 via a resin film. In the example shown in Figs. 5A and 5B, a resin film 29 is sandwiched between the exit surface 27B and the light receiving element 21, and the exit surface 27B and the light receiving element 21 are fixed via the resin film 29. The resin film 29 may be, for example, an optical film. In this case, by passing the light emitted from the exit surface 27B through the resin film 29, it is possible to suppress the refraction and reflection of unnecessary light, or absorb specific wavelengths and adjust the transmittance, thereby obtaining the required optical performance.

出射面27Bと受光素子21との間には、空隙が設けられてもよい。図6A、図6Bに示す例では、出射面27Bは、受光素子21に対して取付部材28を介して固定される。取付部材28は受光素子21の周縁部に沿って設けられており、出射面27Bと受光素子21との間には、取付部材28の厚みによって空隙が形成される。出射面27Bと受光素子21との間の空隙は、受光用光学系32から集光された光の焦点と受光部22との位置調整など、要求される光学性能を得るために利用される。また、取付部材28の厚みを調整することにより、プリズム27の受光素子21に対する取付角度または取付位置を調整することも可能である。 A gap may be provided between the exit surface 27B and the light receiving element 21. In the example shown in Figs. 6A and 6B, the exit surface 27B is fixed to the light receiving element 21 via a mounting member 28. The mounting member 28 is provided along the periphery of the light receiving element 21, and a gap is formed between the exit surface 27B and the light receiving element 21 by the thickness of the mounting member 28. The gap between the exit surface 27B and the light receiving element 21 is used to obtain required optical performance, such as adjusting the position of the light receiving unit 22 and the focus of the light collected from the light receiving optical system 32. In addition, by adjusting the thickness of the mounting member 28, it is also possible to adjust the mounting angle or mounting position of the prism 27 with respect to the light receiving element 21.

図7Aは、受光用光学系32による集光の様子の説明図である。図7Bは、受光用光学系32の光軸上の受光素子21における受光窓23と集光スポットの説明図である。 Figure 7A is an explanatory diagram of how light is collected by the light receiving optical system 32. Figure 7B is an explanatory diagram of the light receiving window 23 and the light collecting spot in the light receiving element 21 on the optical axis of the light receiving optical system 32.

1つの受光用光学系32に対して複数の受光器20が配置されるため、図7Aに示すように、受光用光学系32に対して、光軸上に配置される受光器20とは別に、光軸から外れた位置に配置される受光器20が存在する。図7Aでは、受光用光学系32の光軸から外れた受光器20が1つだけ描かれているが、受光用光学系32の光軸から外れた受光器20は複数存在しており、更に、受光用光学系32の光軸に対する外れ方も互いに異なっている。受光用光学系32から出射した反射光は、プリズム27を介して受光素子21の受光面21Aに集光され、集光スポットを形成する(図7B)。 Since multiple light receivers 20 are arranged for one light receiving optical system 32, as shown in FIG. 7A, in addition to the light receiver 20 arranged on the optical axis of the light receiving optical system 32, there is a light receiver 20 arranged at a position off the optical axis. In FIG. 7A, only one light receiver 20 is drawn off the optical axis of the light receiving optical system 32, but there are multiple light receivers 20 off the optical axis of the light receiving optical system 32, and further, the way in which they are off the optical axis of the light receiving optical system 32 differs from one another. The reflected light emitted from the light receiving optical system 32 is focused on the light receiving surface 21A of the light receiving element 21 via the prism 27, forming a focused spot (FIG. 7B).

図8は、受光素子21の出力信号の説明図である。それぞれの図の上側のグラフは、受光部22から出力される電流を示している。既に説明した通り、本実施形態では、発光素子10はパルス光(図1のTx)を射出するため、パルス状の反射光(図1のRx)の集光スポットが受光素子21に照射される。受光窓23に反射光が照射されるため、受光部22は、図8のグラフに示すように、パルス状の電流(出力信号)を出力する。 Figure 8 is an explanatory diagram of the output signal of the light receiving element 21. The upper graph in each diagram shows the current output from the light receiving unit 22. As already explained, in this embodiment, the light emitting element 10 emits pulsed light (Tx in Figure 1), so that a focused spot of pulsed reflected light (Rx in Figure 1) is irradiated onto the light receiving element 21. As the reflected light is irradiated onto the light receiving window 23, the light receiving unit 22 outputs a pulsed current (output signal) as shown in the graph in Figure 8.

なお、受光素子21から出力される電流は、プラス側の電流になる場合もあるし、マイナス側の電流になる場合もある。受光部22は、受光窓23に照射された光に応じた電流(出力信号)を出力する。 The current output from the light receiving element 21 may be a positive current or a negative current. The light receiving unit 22 outputs a current (output signal) according to the light irradiated onto the light receiving window 23.

コントローラー40は、出力信号に基づいて、パルス状の反射光を受光した時間tを求めることができる。つまり、コントローラー40は、発光素子10からパルス状のレーザー光を投光してから、受光素子21が反射光を受光するまでの時間を計測することができ、対象物90までの距離を測定することができる。 Based on the output signal, the controller 40 can determine the time t at which the pulsed reflected light is received. In other words, the controller 40 can measure the time from when the light-emitting element 10 emits a pulsed laser light until the light-receiving element 21 receives the reflected light, and can measure the distance to the object 90.

図9は、本実施形態の受光装置を用いた光検出装置の一例の説明図である。例えば、前述の実装基板5には、図9に示す光検出装置50を構成するための回路が設けられている。 Figure 9 is an explanatory diagram of an example of a photodetector using the light receiving device of this embodiment. For example, the mounting board 5 described above is provided with a circuit for constituting the photodetector 50 shown in Figure 9.

光検出装置50は、上記の受光器20と、変換部51とを有する。変換部51は、受光器20から出力される信号を電流から電圧に変換する回路である。光検出装置50は、すなわち受光素子21毎に変換部51を有している。図9に示す変換部51は、受光部22から出力される出力信号を電流から電圧に変換する回路である。変換部51は、トランスインピーダンス・アンプ(TIA)で構成される。 The photodetector 50 has the above-mentioned photoreceiver 20 and a conversion unit 51. The conversion unit 51 is a circuit that converts the signal output from the photoreceiver 20 from a current to a voltage. The photodetector 50 has a conversion unit 51 for each photodetector 21. The conversion unit 51 shown in FIG. 9 is a circuit that converts the output signal output from the photoreceiver 22 from a current to a voltage. The conversion unit 51 is composed of a transimpedance amplifier (TIA).

光検出装置50は、アナログ-デジタル変換回路52(ADC)を有している。アナログ-デジタル変換回路52(ADC)は、変換部51毎に設けられている。それぞれのアナログ-デジタル変換回路52は、変換部51から出力される電圧(アナログ信号)をデジタル信号に変換し、コントローラー40(演算装置41)に信号を出力する。コントローラー40(演算装置41)は、出力信号の電圧値と閾値とを比較することによって、パルス状の反射光を受光した時間tを求め、発光素子10からパルス状のレーザー光を投光してから、受光素子21が反射光を受光するまでの時間を算出し、対象物90までの距離を算出する。 The light detection device 50 has an analog-digital conversion circuit 52 (ADC). An analog-digital conversion circuit 52 (ADC) is provided for each conversion unit 51. Each analog-digital conversion circuit 52 converts the voltage (analog signal) output from the conversion unit 51 into a digital signal, and outputs the signal to the controller 40 (arithmetic unit 41). The controller 40 (arithmetic unit 41) obtains the time t at which the pulsed reflected light is received by comparing the voltage value of the output signal with a threshold value, calculates the time from when the pulsed laser light is emitted from the light-emitting element 10 until the light-receiving element 21 receives the reflected light, and calculates the distance to the object 90.

<効果>
上記実施形態では、発光素子10から照射され対象物に反射された光の光軸方向を2回反射し、出射面27Bから出射させるプリズム27(本発明における変更部に相当)と、プリズム27から出射された光を検出する受光面21A(検出面に相当)を有する受光素子21とが開示される。
<Effects>
In the above embodiment, a prism 27 (corresponding to the modification portion in the present invention) is disclosed which reflects twice the optical axis direction of light irradiated from the light emitting element 10 and reflected by the object, and emits the light from the emission surface 27B, and a light receiving element 21 having a light receiving surface 21A (corresponding to the detection surface) which detects the light emitted from the prism 27.

上記構成とすることによって、反射光が受光素子21に到達するまでの距離を延ばすことができる。すなわち、受光用光学系32のバックフォーカス距離が延長され、受光用光学系32の開口数(NA値)を小さくすることができる。 By using the above configuration, the distance that the reflected light travels to reach the light receiving element 21 can be extended. In other words, the back focus distance of the light receiving optical system 32 is extended, and the numerical aperture (NA value) of the light receiving optical system 32 can be reduced.

具体的な例を図10に示す。バックフォーカスが短くNA値の大きな受光用光学系32とした場合(図10A)、受光用光学系32の光軸に対する反射光の角度のずれが集光スポット位置を大きくずらし、受光素子21の検知性能に影響する虞がある。一方、バックフォーカスが長くNA値の小さい光学系とすると(図10B)、反射光の角度のずれが集光スポット位置に与える影響を小さくできる。 A specific example is shown in Figure 10. When the light receiving optical system 32 has a short back focus and a large NA value (Figure 10A), the angular deviation of the reflected light relative to the optical axis of the light receiving optical system 32 significantly shifts the focused spot position, which may affect the detection performance of the light receiving element 21. On the other hand, when the light receiving optical system has a long back focus and a small NA value (Figure 10B), the effect of the angular deviation of the reflected light on the focused spot position can be reduced.

本実施形態では、このようにバックフォーカスが長く低NA値を許容する光学系にできるため、受光用光学系32の組レンズのトータル長を短くしても、あるいはレンズを小口径にしても、受光素子21による反射光の検出性能が維持される。また、プリズム27を用いて光路距離を延長するため、受光用光学系32から受光素子21までの設計長を短くすることができる(図10C)。そのため、受光用光学系32及び測定装置1の小型化が可能となる。 In this embodiment, an optical system with a long back focus and a low NA value can be obtained, so that the detection performance of reflected light by the light receiving element 21 is maintained even if the total length of the lens assembly of the light receiving optical system 32 is shortened or the lens diameter is reduced. In addition, because the optical path distance is extended using the prism 27, the design length from the light receiving optical system 32 to the light receiving element 21 can be shortened (Figure 10C). This makes it possible to miniaturize the light receiving optical system 32 and the measurement device 1.

加えて、上記構成では受光器20を実装基板5に対して平面実装することが可能となる。そのため、受光素子21と実装基板5との固着が失われたりする虞が無く、品質の高い受光装置とすることができる。 In addition, the above configuration allows the photoreceiver 20 to be mounted on the mounting substrate 5. Therefore, there is no risk of the adhesion between the photoreceiver 21 and the mounting substrate 5 being lost, and a high-quality photoreceiver can be obtained.

受光器20は、受光素子21が実装基板5の表面に取り付けられ、電気的に接続される。そのため、受光素子21と実装基板5との固着が失われたりする虞が無く、品質の高い受光装置とすることができる。 The receiver 20 has a light receiving element 21 attached to the surface of the mounting substrate 5 and electrically connected. Therefore, there is no risk of the light receiving element 21 losing its adhesion to the mounting substrate 5, and a high-quality light receiving device can be obtained.

プリズム27はペンタプリズムである。受光器20は、ペンタプリズムを用いた簡易な構成により、反射光の光軸方向の変更を可能としている。 Prism 27 is a pentaprism. The receiver 20 has a simple structure using a pentaprism, making it possible to change the optical axis direction of the reflected light.

出射面27Bの面積は、受光素子21の受光面21Aの面積よりも大きい。プリズム27を大型にすることで、反射光の受光束または受光量を増加させることができる。受光部22に入射する光量が増し、受光素子21の検出精度が向上する。 The area of the exit surface 27B is larger than the area of the light receiving surface 21A of the light receiving element 21. By making the prism 27 larger, the received light flux or amount of reflected light can be increased. The amount of light incident on the light receiving section 22 increases, improving the detection accuracy of the light receiving element 21.

プリズム27は、反射防止膜及び蒸着膜ミラーの少なくとも1つを備えることができる。また、プリズム27と受光素子21の受光面21Aとが樹脂膜を介して対向してもよい。受光器20がこのような光学膜を備えることにより、不要な光の屈折若しくは反射の抑制、または特定の波長の吸収、透過率の調整など、所望の光学性能を得ることができる The prism 27 may be provided with at least one of an anti-reflection film and a vapor deposition mirror. The prism 27 may face the light receiving surface 21A of the light receiving element 21 via a resin film. By providing the light receiver 20 with such an optical film, it is possible to obtain the desired optical performance, such as suppressing the refraction or reflection of unnecessary light, absorbing a specific wavelength, or adjusting the transmittance.

受光器20は、出射面27Bと受光面21Aとの間に空隙を形成しつつプリズム27を受光素子21に取り付ける取付部材28を備えてもよい。空隙を形成することで、受光用光学系32から受光部22までの距離を調節したり、所望の光学性能を得たりすることが可能となる。 The receiver 20 may include a mounting member 28 that mounts the prism 27 to the light receiving element 21 while forming a gap between the light emitting surface 27B and the light receiving surface 21A. By forming a gap, it is possible to adjust the distance from the light receiving optical system 32 to the light receiving unit 22 and obtain the desired optical performance.

実装基板5には、発光素子10と受光素子21とが、いずれも表面実装されて電気的に接続される。そのため、受光素子21と実装基板5との固着及び発光素子10と実装基板5との固着が失われたりする虞が無く、品質の高い光検出装置50とすることができる。 The light-emitting element 10 and the light-receiving element 21 are both surface-mounted and electrically connected to the mounting substrate 5. Therefore, there is no risk of the adhesion between the light-receiving element 21 and the mounting substrate 5 and between the light-emitting element 10 and the mounting substrate 5 being lost, and a high-quality light detection device 50 can be obtained.

<変形例>
上記実施形態においては、変更部としてプリズム27を用いた。本発明はそのような構成に限定されない。一例として図11の変形例に示すように、プリズム27の代わりにペンタミラーを用いる場合など、2以上のミラー60を用いて反射光の光軸方向の変更を行ってもよい。また、入射光と出射光との間における光軸方向の変換角度は90度に限定されない。例えばプリズム27をペンタプリズムと異なる種類のプリズムとし、またはミラー60を用いて、光軸の変更角度を90度以外の角度に設定してもよい。
<Modification>
In the above embodiment, the prism 27 is used as the change unit. The present invention is not limited to such a configuration. As an example, as shown in the modified example of FIG. 11, the optical axis direction of the reflected light may be changed using two or more mirrors 60, such as a pentagonal mirror instead of the prism 27. In addition, the conversion angle of the optical axis direction between the incident light and the outgoing light is not limited to 90 degrees. For example, the prism 27 may be a different type of prism from a pentagonal prism, or a mirror 60 may be used to set the change angle of the optical axis to an angle other than 90 degrees.

1 測定装置、3 筐体、5 実装基板、
6 発光側湾曲部、7 受光側湾曲部、
8 基板用フレーム、10 発光素子、20 受光器
21 受光素子、22 受光部、23 受光窓、24 電極、25 電極
27 プリズム
29 樹脂膜
30 光学系、31 投光用光学系、
32 受光用光学系、33 光学用フレーム、
40 コントローラー、41 演算装置、42 記憶装置、
50 光検出装置、51 変換部、
52 アナログ-デジタル変換回路、
90 対象物
1 Measuring device, 3 Housing, 5 Mounting board,
6 light-emitting curved portion, 7 light-receiving curved portion,
8: Substrate frame; 10: Light-emitting element; 20: Light-receiver; 21: Light-receiving element; 22: Light-receiving section; 23: Light-receiving window; 24: Electrode; 25: Electrode; 27: Prism; 29: Resin film; 30: Optical system; 31: Light-projecting optical system;
32 Optical system for light reception, 33 Optical frame,
40 Controller, 41 Arithmetic unit, 42 Storage unit,
50 Photodetector, 51 Conversion unit,
52 Analog-to-digital conversion circuit,
90 Object

Claims (8)

発光素子から照射され、対象物に反射された光を2回反射し、出射面から出射させる変更部と、
前記変更部から出射された光を検出する検出面を有する受光素子と、
前記出射面と前記検出面との間に空気で構成された空隙のみを形成しつつ前記変更部を前記受光素子に取り付ける取付部材と、を備え、
前記取付部材は、前記受光素子の周縁部に沿って設けられる受光装置。
A change unit that reflects light twice after it is irradiated from the light emitting element and reflected by an object, and emits the light from an exit surface;
a light receiving element having a detection surface for detecting light emitted from the change portion;
an attachment member that attaches the change portion to the light receiving element while forming only a gap constituted by air between the emission surface and the detection surface;
The attachment member is provided along the periphery of the light receiving element.
前記変更部はペンタプリズムである、請求項1に記載の受光装置。 The light receiving device according to claim 1, wherein the change portion is a pentaprism. 前記受光素子が表面に取り付けられ、前記受光素子と電気的に接続される基板をさらに備える、請求項1または2に記載の受光装置。 The light receiving device according to claim 1 or 2, further comprising a substrate on whose surface the light receiving element is attached and which is electrically connected to the light receiving element. 前記出射面の面積は、前記検出面の面積よりも大きい、請求項1から3のいずれか1項に記載の受光装置。 The light receiving device according to any one of claims 1 to 3, wherein the area of the emission surface is larger than the area of the detection surface. 前記変更部は反射防止膜及び蒸着膜ミラーの少なくとも1つを備える、請求項1から4のいずれか1項に記載の受光装置。 The light receiving device according to any one of claims 1 to 4, wherein the modification portion comprises at least one of an anti-reflection film and a vapor deposition mirror. 前記出射面と前記検出面とは樹脂膜を介して対向する、請求項1から5のいずれか1項に記載の受光装置。 The light receiving device according to any one of claims 1 to 5, wherein the emission surface and the detection surface face each other via a resin film. 対象物に光を照射する発光素子と、
対象物に反射された光を2回反射し、出射面から出射させる変更部と、
前記変更部から出射された光を検出する検出面を有する受光素子と、
前記出射面と前記検出面との間に空気で構成された空隙のみを形成しつつ前記変更部を前記受光素子に取り付ける取付部材と、を備え、
前記取付部材は、前記受光素子の周縁部に沿って設けられる、測定装置。
A light emitting element that irradiates light onto an object;
A modification unit that reflects the light reflected by the object twice and emits the light from an exit surface;
a light receiving element having a detection surface for detecting light emitted from the change portion;
an attachment member that attaches the change portion to the light receiving element while forming only a gap constituted by air between the emission surface and the detection surface;
The mounting member is provided along a peripheral portion of the light receiving element.
前記発光素子と前記受光素子とが表面に取り付けられ、前記発光素子及び前記受光素子が電気的に接続される基板をさらに備える、請求項7に記載の測定装置。 The measurement device according to claim 7, further comprising a substrate on which the light-emitting element and the light-receiving element are attached and to which the light-emitting element and the light-receiving element are electrically connected.
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