(57)【要約】【課題】カバーレンズの透過率の減衰を抑えるとともに照射光の均質性を高める。【解決手段】カバーレンズ１０２の両面には、同心円状で頂角が略９０°の第１のプリズム群１０３及び第２のプリズム群１０４が設けられている。第１のプリズム群１０３及び第２のプリズム群１０４における原点側の面は、それぞれ光源１０１に対して略垂直に形成されている。第１のプリズム群１０３の高さは、原点から離れるにつれて大きくなっている。そして、最も原点から離れた位置における、第１のプリズム群１０３のピッチｐ１max、第２のプリズム群１０４のピッチｐ２maxは、ｐ１max／ｐ２max＞２という条件を満たす。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、透明な媒質で構成されて該光源を覆うカバーレンズとを備えた投射光学ユニットであって、
前記光源は、前記カバーレンズの中央部より端部側に配置され、
前記カバーレンズの前記光源側の表面及び出射側の表面には、該光源の中央から該カバーレンズに垂直に投影した点を原点とした、同心円状の第１のプリズム群及び第２のプリズム群が設けられ、
前記第１のプリズム群及び前記第２のプリズム群における原点側の面は、前記光源の中心に対して略垂直に形成され、
前記第１のプリズム群及び前記第２のプリズム群の頂角は、略９０°に形成され、
前記第１のプリズム群の高さは、原点から離れるにつれて大きくなっており、
最も原点から離れた位置における、前記第１のプリズム群のピッチｐ１max、前記第２のプリズム群のピッチｐ２maxが、
ｐ１max／ｐ２max＞２
という条件を満たすように設定されていることを特徴とする投射光学ユニット。
【請求項２】
請求項１において、
前記第１のプリズム群及び前記第２のプリズム群において、最も原点から近い位置までの距離Ｌmin、前記光源の中央と前記カバーレンズとの距離Ｈが、
Ｈ／Ｌmin＞１
という条件を満たすように設定されていることを特徴とする投射光学ユニット。
【請求項３】
請求項１において、
最も原点から離れた位置における、前記第１のプリズム群の山と谷の差分である最大深さｈ１max、前記第２のプリズム群の最大深さｈ２maxが、
ｈ１max／ｈ２max＞２
という条件を満たすように設定されていることを特徴とする投射光学ユニット。
【請求項４】
請求項１において、
前記光源の放射中心軸は、前記カバーレンズに対して傾斜しており、
前記カバーレンズにおいて、最も原点から離れた位置までの距離Ｌmax、前記光源の中央と前記カバーレンズとの距離Ｈが、
Ｈ／Ｌmax＜０．２７
という条件を満たすように設定されていることを特徴とする投射光学ユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、投射光学ユニットに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、ＬＥＤやレーザーを光源として用いた照明や、室内及び自動車のセンサ等の光学製品において、透明な材質で形成された保護用のカバーレンズを光源の外側に設けた構成が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
また、一般に、光源から発せられた光線は、媒質に対して入射角が大きければ大きいほど、すなわち、光源から離れた端の部分になるほど、媒質表面での反射量が増え、その結果、透過光が減ってしまうことが知られている。
【０００４】
そこで、特許文献１の発明では、光源から発せられて中央部にある小レンズ体に向かう光線が、レンズ効果により屈折して照射される一方、端部側に配置された断面が四角形状のレンズ体に向かう光線が、全反射面で全反射して照射されるようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開昭６２−２７６５０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来の発明では、屈折を伴った透過をする小レンズ体の領域と、全反射して透過する四角断面形状のレンズ体の領域とに大きく二分され、各々の光路の違いによって、照射される光の位相の性質が大きく異なってしまい、センサ用の投射光学系としては好ましくない。
【０００７】
また、光路の違いが場所によってはっきり分かれていることは、境界面がはっきりして照射ムラの原因にもなり、照射光学系として好ましくない。
【０００８】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、カバーレンズの透過率の減衰を抑えるとともに照射光の均質性を高めることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、光源と、透明な媒質で構成されて該光源を覆うカバーレンズとを備えた投射光学ユニットを対象とし、次のような解決手段を講じた。
【００１０】
すなわち、第１の発明は、前記光源は、前記カバーレンズの中央部より端部側に配置され、前記カバーレンズの前記光源側の表面及び出射側の表面には、該光源の中央から該カバーレンズに垂直に投影した点を原点とした、同心円状の第１のプリズム群及び第２のプリズム群が設けられ、前記第１のプリズム群及び前記第２のプリズム群における原点側の面は、前記光源の中心に対して略垂直に形成され、前記第１のプリズム群及び前記第２のプリズム群の頂角は、略９０°に形成され、前記第１のプリズム群の高さは、原点から離れるにつれて大きくなっており、最も原点から離れた位置における、前記第１のプリズム群のピッチｐ１max、前記第２のプリズム群のピッチｐ２maxが、ｐ１max／ｐ２max＞２という条件を満たすように設定されていることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、カバーレンズの透過率の減衰を抑えるとともに照射光の均質性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本実施形態に係る投射光学ユニットの構成を示す側面図である。
【図２】カバーレンズを光源側から見たときの図である。
【図３】カバーレンズを透過する入射角度毎の透過光量を示すグラフ図である。
【図４】第１のプリズム群の形状データである。
【図５】第２のプリズム群の形状データである。
【図６Ａ】投射光学ユニットを自動車に搭載した状態を示す側面図である。
【図６Ｂ】投射光学ユニットを自動車に搭載した状態を示す平面図である。
【図６Ｃ】乗員と光源の距離に応じた位相ズレを説明するための図である。
【図７】本変形例に係るカバーレンズの構成を示す側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。
【００１４】
図１及び図２に示すように、投射光学ユニット１００は、光源１０１と、カバーレンズ１０２とを備えている。
【００１５】
光源１０１は、例えば、ＬＥＤで構成されており、放射中央軸が下斜め４５°の方向に向けて延びている。ここで、光源１０１の放射中心軸を斜めにしているのは、光源１０１から図１で右方に離れた位置まで、より広く照射範囲を広げるためである。
【００１６】
カバーレンズ１０２は、例えば、アクリル板で構成されており、光源１０１よりも下方に離れて配置されている。ここで、光源１０１の中央位置と、カバーレンズ１０２の光源１０１側の表面（図１で上面）との距離をＨとする。なお、図１に示す例では、Ｈ＝３ｍｍとしている。
【００１７】
カバーレンズ１０２の光源１０１側の表面には、光源１０１をカバーレンズ１０２の表面に射影した点を原点とした、同心円状の第１のプリズム群１０３が設けられている。
【００１８】
また、カバーレンズ１０２の出射側の表面（図１で下面）には、光源１０１をカバーレンズ１０２の表面に射影した点を原点とした、同心円状の第２のプリズム群１０４が設けられている。
【００１９】
光源１０１から発せられた光線群１０５のうち、光源１０１の非常に近い領域を通る光線群１０５ａは、カバーレンズ１０２における第１のプリズム群１０３及び第２のプリズム群１０４が存在しない領域を透過して出射する。一方、光源１０１から離れた領域を通る光線群１０５ｂは、第１のプリズム群１０３及び第２のプリズム群１０４を透過して出射する。
【００２０】
ところで、一般に、光源１０１から発せられた光線は、媒質に対して入射角が大きければ大きいほど、すなわち、光源１０１から離れた端の部分になるほど、媒質表面での反射量が増え、その結果、透過光が減ってしまうこととなる。
【００２１】
図３は、カバーレンズを透過する入射角度毎の透過光量を示すグラフ図である。図３に示す例では、カバーレンズ１０２は、屈折率１．５のアクリル板を用いている。また、電磁気学のフレネルの公式に基づいて、カバーレンズ１０２を透過する光量を、媒質に対する入射角度毎に算出して、Ｓ偏光５０１、Ｐ偏光５０２、及びその平均５０３をそれぞれプロットしている。
【００２２】
図３に示すように、媒質に対して垂直に入光するものは、約９０％の透過率を持つのに対し、７５°の角度になると、約６割の透過率しか存在しないことが分かる。これは、光源１０１から遠い端部側に向かうにつれて、透過光量が著しく減少することを意味している。
【００２３】
そこで、本実施形態では、第１のプリズム群１０３及び第２のプリズム群１０４の形状を工夫することで、カバーレンズ１０２の透過率の減衰を抑えるようにしている。
【００２４】
具体的に、図１に示すように、第１のプリズム群１０３は、光源１０１側の面が光源１０１に対して略垂直になるように形成されている。また、第１のプリズム群１０３の頂角は、略９０°に形成されている。
【００２５】
第１のプリズム群１０３のプリズム面をこのように構成することで、カバーレンズ１０２に入射する光の大部分は、カバーレンズ１０２上面に対して垂直入射する。これにより、透過率が高くなり、反射によるロスが少なくなる。
【００２６】
第２のプリズム群１０４は、第１のプリズム群１０３を透過してきた光線に対して、反射ロスを少なくするため、光源１０１側の面が光源１０１に対して略垂直になるように形成されている。また、第２のプリズム群１０４の頂角は、略９０°に形成されている。
【００２７】
ここで、光源１０１から発せられた光線群１０５ｂは、第１のプリズム群１０３に対して略垂直に入射し、透過光は略垂直に出射する。そのため、第２のプリズム群１０４の光源１０１側の面は、第１のプリズム群１０３と同様、光源１０１に対して略垂直になっている。
【００２８】
このような構成とすれば、光源１０１から発せられた光は、第１のプリズム群１０３及び第２のプリズム群１０４を略同じ光路で透過するので、同じ被照射面に位相が大きく変化する光が混在する要因を減じており、透過光の均質性に優れたセンサ光学系に有利な形式になっている。
【００２９】
また、第１のプリズム群１０３の高さは、光源１０１から離れるにつれて大きくなっている。これにより、第１のプリズム群１０３の高さが光源１０１の高さに近づき、光源１０１を囲う角度が増加するので、カバーレンズ１０２に入射する光量を増やすことができる。
【００３０】
第２のプリズム群１０４は、第１のプリズム群１０３に対して、隣接するプリズム間隔、すなわち、ピッチが狭くなっている。ここで、ピッチとは、カバーレンズ１０２両面において、隣接するプリズムの谷の間隔である。
【００３１】
そして、最も光源１０１から離れた位置における、第１のプリズム群１０３ｂのピッチｐ１max、第２のプリズム群１０４ｂのピッチｐ２maxが、下記の（１）式の条件を満たすように設定されている。
【００３２】
ｐ１max／ｐ２max＞２  ・・・（１）
具体的に、カバーレンズ１０２において、光源１０１の中心をカバーレンズ１０２に投影した原点から最も離れた位置までの距離Ｌmaxは、３５ｍｍである。この近辺では、第１のプリズム群１０３のピッチｐ１maxは、約９．５ｍｍである。また、第２のプリズム群１０４のピッチｐ２maxは、約４．５ｍｍである。そのため、ｐ１max／ｐ２max＝９．５／４．５＝２．１となり、（１）式を満たす。
【００３３】
また、光源１０１から最も離れた位置における、第１のプリズム群１０３の山と谷の差分である最大深さｈ１maxと、第２のプリズム群１０４の最大高さｈ２maxが、下記の（２）式の条件を満たすように設定されている。
【００３４】
ｈ１max／ｈ２max＞２  ・・・（２）
このように、ピッチを小さくすることで、プリズムの高さを小さくすることができる。また、カバーレンズ１０２の肉厚の変化を小さくすることで、最小肉厚の値を大きくできるので、成形による歪が少なくなり、環境耐性を大きくできる効果がある。
【００３５】
そして、（１）式及び（２）式の範囲で、第１のプリズム群１０３及び第２のプリズム群１０４のピッチ及び高さが規定される場合、カバーレンズ１０２の最小肉厚を成形上問題にならない程度に大きくすることが可能である。
【００３６】
さらに、出射側の第２のプリズム群１０４のピッチを小さくすることで、入射側の第１のプリズム群１０３によって離散的に分割された光線群１０５を、より多段階にして、指向性が緩和された照射光を作り出せる効果がある。
【００３７】
また、同じカバーレンズ１０２で、例えば、センサ用の近赤外ＬＥＤ光源と、照明用ＬＥＤ光源を同時に利用したい場合、外側の第２のプリズム群１０４のピッチが小さいことにより、多重反射効果が大きくなる。そのため、光源１０１の見かけの大きさが大きくなり、柔らかい光を得る効果がある。
【００３８】
また、第１のプリズム群１０３及び第２のプリズム群１０４の頂角は、略９０°で均一であることから、金型成形において、一種類のバイト角度で全て加工可能であることから、量産し易くなる。
【００３９】
図４及び図５に、本実施形態における第１のプリズム群１０３及び第２のプリズム群１０４の形状データを示す。
【００４０】
図４及び図５では、カバーレンズ１０２の出射面の下面に対して、光源１０１を投影させた点を原点とし、Ｒを原点からの距離、Ｚを原点（カバーレンズ１０２の出射面）からの高さとしている。
【００４１】
本実施形態において、第１のプリズム群１０３のカバーレンズ１０２における存在域（最も原点から近い位置の第１のプリズム群１０３ａから、最も原点から遠い位置の第１のプリズム群１０３ｂの間）と、第２のプリズム群１０４のカバーレンズ１０２における存在域（最も原点から近い位置の第２のプリズム群１０４ａから、最も原点から遠い位置の第２のプリズム群１０４ｂの間）とは、光源１０１からの光線の入射角度が４５°以上となっている。
【００４２】
これは、図３のグラフ図で説明したように、入射角度４５°以上で透過率が急激に落ちるのを緩和させるためであり、特に、入射角度が７５°以上のところに第１のプリズム群１０３及び第２のプリズム群１０４を設けることは望ましい。
【００４３】
これらの構成により、本実施形態のカバーレンズ１０２では、プリズム群が形成されていない板状のカバーレンズに比べて、１０％程度の透過率の改善が見られた。
【００４４】
また、これは、構造の大きさ、すなわち、カバーレンズ１０２の大きさが大きいほど、光源１０１から出射する光線の入射角度が大きくなるので、改善の具合は顕著になる。
【００４５】
具体的に、光源１０１の中央とカバーレンズ１０２との距離Ｈ、カバーレンズ１０２において最も原点から離れた位置までの距離Ｌmax、第１のプリズム群１０３及び第２のプリズム群１０４において最も原点から近い位置までの距離Ｌminが、下記の（３）式及び（４）式の条件を満たすように設定されている。
【００４６】
Ｈ／Ｌmax＜０．２７  ・・・（３）
Ｈ／Ｌmin＞１        ・・・（４）
このように、（３）式及び（４）式の条件を満たす薄型光学系において、透過率の改善効果が大きくなる。
【００４７】
以上のように、本実施形態に係る投射光学ユニット１００では、カバーレンズ１０２において、光源１０１側及び出射側の表面に、同心円状の第１のプリズム群１０３及び第２のプリズム群１０４を設けるようにしている。そして、第１のプリズム群１０３及び第２のプリズム群１０４の光源１０１側の面を、光源１０１中央に対して略垂直且つ頂角を略９０°としている。また、第２のプリズム群１０４のピッチｐ２maxを、第１のプリズム群１０３のピッチｐ１maxに対して、半分以下にしている。
【００４８】
これにより、透過率が高く、且つ耐久性に優れ、出射光の均質性に優れた投射光学系を実現することができる。
【００４９】
−投射光学ユニットを自動車に搭載した構成−
近年、自動車の車内や室内の変化を感知するためのセンサ光学系として、ＴＯＦ（Time Of Flight）方式と呼ばれる、物体に投射した光の到達速度で、３次元的空間を測定する方式が登場している。
【００５０】
これは、照射光と、物体にあたって返ってくる反射光の位相差を画像で検知し、時間に変換して測定対象までの距離を求める方式であり、対象物への照射光は、位相が揃った状態が望まれる。
【００５１】
以下、本実施形態の投射光学ユニット１００を、車内の変化を感知するためのセンサ光学系として用いるようにした場合について説明する。
【００５２】
図６Ａ及び図６Ｂに示すように、自動車４００の車体４０１内部には、ハンドル４０２、ルームミラー４０３、シート４０４が設けられている。シート４０４には、測定対象としての乗員４０６が着座している。
【００５３】
投射光学ユニット１００は、運転席上方の天井部分に配置されている。光源１０１は、近赤外線を照射するＬＥＤ光源又はレーザー光源で構成されている。光源１０１よりも後方位置には、撮像レンズ付きの距離画像センサ４０７が配置されている。光源１０１及び距離画像センサ４０７の下方には、カバーレンズ１０２が配置されている。
【００５４】
光源１０１から発せられて位相変調された光は、カバーレンズ１０２を透過して、乗員４０６に反射し、撮像レンズ付きの距離画像センサ４０７に到達する。
【００５５】
そして、図６Ｃに示すように、距離画像センサ４０７では、乗員４０６と光源１０１の距離に応じた時間差、すなわち位相ズレを持った像を結ぶ。この像に現れた位相ズレ量を距離に換算することで、測定対象である各乗員４０６までの距離を求めることができる。
【００５６】
ここで、図６Ａに示すように、光源１０１は、狭い車内空間に搭載しなければならないという物理的制約から、カバーレンズ１０２に極めて近接した位置に配設されることとなる。
【００５７】
また、車内の前方位置から後方位置まで照射を行き渡らせるために、光源１０１から発せられる照射光は、斜め方向に出射するとともに均質性が求められる。
【００５８】
ここで、本実施形態に係る投射光学ユニット１００は、透過率が高く、且つ耐久性に優れ、出射光の均質性に優れている。そのため、車内空間のように、寒暖差が大きい環境が厳しい使用環境下であっても、カバーレンズ１０２が破損するのを抑えることができる。
【００５９】
《変形例》
前記実施形態では、第２のプリズム群１０４の光源１０１側の面の傾きを、光源１０１に対して略垂直にしている。これに対し、本変形例では、これを微小角度変化させることで、照射領域を拡大又は集中させるようにしている。
【００６０】
例えば、図７に示すように、第２のプリズム群１０４のあるプリズムの光源１０１側のプリズムの傾きを＋△θ［rad］傾け、光源１０１側と逆側の傾きを−△θ［rad］傾けることで、およそ△θ／１．５［rad］、光線を発散する方向に傾けることができる。
【００６１】
このように、第２のプリズム群１０４において、傾き角度を連続的に変化させることで、発散効果を得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
以上説明したように、本発明は、カバーレンズの透過率の減衰を抑えるとともに照射光の均質性を高めることができるという実用性の高い効果が得られることから、きわめて有用で産業上の利用可能性は高い。
【符号の説明】
【００６３】
１００    投射光学ユニット
１０１    光源
１０２    カバーレンズ
１０３    第１のプリズム群
１０４    第２のプリズム群
【図１】
2020064180.tif 000003
【図２】
2020064180.tif 000004
【図３】
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【図４】
2020064180.tif 000006
【図５】
2020064180.tif 000007
【図６Ａ】
2020064180.tif 000008
【図６Ｂ】
2020064180.tif 000009
【図６Ｃ】
2020064180.tif 000010
【図７】
2020064180.tif 000011