(57)【要約】【課題】 広角度範囲において、被測定物体との距離を正確に測定するとともに小型、軽量化された反射測定装置を提供する。【解決手段】  トーリック面を有する光束分割レンズを同一面上に９個以上備え、受光レンズの光軸を法線とする面内の直交軸方向（ｙ軸＝集光可能な光線の入射角度中最大値θｙを与える方向の軸及びｘ軸＝ｙ軸に直交する軸）で集光可能な光線の最大入射角度（θx及びθｙ）が、０．０５＜｜θｘ／θｙ｜＜１の関係を満たす受光レンズ。【選択図】    図３。
2006072201.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
トーリック面を有する光束分割レンズを同一面上に備え、
受光レンズの光軸を法線とする面内の直交軸方向（ｙ軸＝集光可能な光線の入射角度中最大値θｙを与える方向の軸及びｘ軸＝ｙ軸に直交する軸）で集光可能な光線の最大入射角度（θx及びθｙ）が、０．０５＜｜θｘ／θｙ｜＜１の関係を満たす
受光レンズ。
【請求項２】
ｙ軸方向の入射角度が、光軸とｘ座標軸を含む面で対称となる角度分布を有する請求項１記載の受光レンズ。
【請求項３】
ｘ軸方向の入射角度が、光軸とｙ座標軸を含む面で対称となる角度分布を有する請求項１または２記載の受光レンズ。
【請求項４】
光束分割レンズが矩形であり、光束分割レンズの光軸とｘ軸とで形成される断面のレンズ表面形状が直線、非球面断面の弧の一部、または真円の弧の一部で形成され、光束分割レンズの光軸とｙ軸とで形成される断面のレンズ表面形状が直線、非球面断面の弧の一部、または真円の弧の一部で形成され、受光レンズ全体が矩形をなしている請求項１〜３記載のいずれかの受光レンズ。
【請求項５】
光束分割レンズの光軸と受光レンズの光軸とのなす角度が、受光レンズの光軸の通る点から離れるに従って漸次大きくなる請求項１〜４記載のいずれかの受光レンズ。
【請求項６】
最大厚さｄが２ｍｍ＜ｄ＜１５ｍｍである請求項１〜５記載のいずれかの受光レンズ。
【請求項７】
レンズ本体が樹脂で形成され、レンズ本体表面に反射防止層が形成された請求項１〜６記載のいずれかの受光レンズ。
【請求項８】
隣り合う光束分割レンズ間の境界に、該境界における集光可能な光線入射角度の方向と平行な斜面を有する請求項１〜７記載のいずれかの受光レンズ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、広角度の光を集光できる受光レンズに関し、さらに詳細には、測定物体と被測定物体との距離、速度、角度等を測定する反射測定装置用の受光レンズに関するもので、例えば車両用の反射測定装置に使用可能な受光レンズに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
車両用反射測定装置に用いられる出射光学系では、照射範囲を拡げていることから、照射範囲内の多数の車両から測定対象車を正確に検出できないことやガードレール等の車両以外の障害物と測定対象車との識別が正確にできないことがある。
【０００３】
このような問題を解決するため、特許文献１に開示される反射測定装置では、受光レンズにおいて充分に屈折しなかった非測定物体からの反射光線をテーパ状の光導波路により数回反射させて受光素子に集光し受光効率を向上させようと意図している。また、カメラ等に用いられる広角度レンズによって、広角度範囲の反射光線を受光する方法も考えられている。
また、特許文献２に開示される反射測定装置では、受光レンズが外周部から中心部に向かって焦点距離が循環して変化するフレネルレンズを用いて、広角度範囲においても被測定物体との距離を測定できるように意図している。
【０００４】
【特許文献１】特開昭６４−８０８９４号公報
【特許文献２】特開平９−２１８７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に開示されるものによると、光導波路により反射光が反射する回数をｎ回とすると、反射率のｎ乗に相当する光パワーまで減衰し、さらに光導波路により光パワーがより減衰するという問題がある。さらに、反射により光束が絞れる程度の研磨面を光導波路に形成するには高精度の研磨工程を必要としコストの増大を招くという問題がある。
【０００６】
また、カメラ等に用いられる広角度レンズを使用する場合によると、少なくとも２枚以上のレンズが必要となることから、装置が大型化するとともに複雑な光学系になるという問題がある。このような問題を解決するため、特許文献２のごとく、小型、軽量かつ低コストで量産可能なフレネルレンズを受光レンズに使用することが考えられるが、フレネルレンズの特性上、受光性能が良好ではない斜入射光に対して受光効率が著しく低下することから、広角度範囲を走査するスキャニング方式の車両用反射測定装置へのフレネルレンズの使用は適していない。また、特許文献２図１０に示されるように水平入射角±５°を超えた辺りから相対検知距離が低下し、±１０°近くになると極度に低くなる。
【０００７】
本発明は、このような問題を解決するためになされたもので、広角度の光をゆがみなく集光できる受光レンズを提供すること、そして、この受光レンズを用いた、広角度範囲において、被測定物体との距離を正確に測定するとともに小型、軽量化された反射測定装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記目的を達成するための本発明による受光レンズは、（１）トーリック面を有する光束分割レンズを同一面上に備え、受光レンズの光軸を法線とする面内の直交軸方向（ｙ軸＝集光可能な光線の入射角度中最大値θｙを与える方向の軸及びｘ軸＝ｙ軸に直交する軸）で集光可能な光線の最大入射角度（θx及びθｙ）が、０．０５＜｜θｘ／θｙ｜＜１の関係を満たす。
【０００９】
本発明受光レンズの好適な態様は、（２）該ｙ軸方向またはｘ軸方向の入射角度が光軸とx座標軸またはｙ座標軸を含む面で対称なる角度分布を有している。（３）光束分割レンズが矩形であり、光束分割レンズの光軸とｘ軸とで形成される断面のレンズ表面形状が直線、非球面断面の弧の一部、または真円の弧の一部で形成され、光束分割レンズの光軸とｙ軸とで形成される断面のレンズ表面形状が直線、非球面断面の弧の一部、または真円の弧の一部で形成され、受光レンズ全体が矩形をなしている。（４）光束分割レンズの光軸と受光レンズの光軸とのなす角度が、受光レンズの光軸から離れるに従って漸次大きくなる。（５）最大厚さｄが２ｍｍ＜ｄ＜１５ｍｍである。（６）受光レンズ本体が樹脂で形成され、受光レンズ本体表面に反射防止層が形成されている。（７）隣り合う光束分割レンズ間の境界に、該境界における光線入射角度の方向と平行な斜面を有する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の受光レンズによると、受光レンズに入射する反射光線の入射角度が変化しても、トーリック面を有する光束分割レンズを好ましくは９個以上備え、受光レンズの光軸を法線とする面内の直交軸方向（ｙ軸＝集光可能な光線の入射角度中最大値θｙを与える方向の軸及びｘ軸＝ｙ軸に直交する軸）で集光可能な光線の最大入射角度（θx及びθｙ）が、０．０５＜｜θｘ／θｙ｜＜１の関係を満たす受光レンズを透過した光線は、ほぼ等しい光量で受光部に集光されるため、反射光線の入射角度が広角度になっても比較的平坦な受光効率特性を保持できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
本発明の実施例による受光レンズの断面図を図１に、斜視図を図３に示す。
図１及び図３に示すように、受光レンズ５１は、９個以上の光束分割レンズ１０１を備え、正面からの形状が矩形である。これら光束分割レンズはトーリック面を有し、正面から見た形が矩形である。本実施例受光レンズは一面にのみ光束分割レンズの凹凸形状が形成され、他面は平面になっている。光線は光束分割レンズのトーリック面に入射し平面から出射する。各入射角度の光線はそれに対応する光束分割レンズを透過して、一点または複数の焦点に集光できるようになっている。焦点部分に図５に示すように受光素子５２を設けることで集光した光線を感知し、距離を算出できるようになる。複数焦点に集光する場合は受光部を複数設けることができる。
【００１２】
図２は本実施例受光レンズの光束分割レンズの配置を示している。例えば、ａ行Ａ列には光束分割レンズ１が、ｃ行Ｂ列には光束分割レンズ６が配置されている。本実施例の受光レンズは矩形を成している。図１のｙ０断面図は図２のｙ０面で切断したときの断面図であり、図１のｘ０断面図は図２のｘ０面で切断したときの断面図である。本実施例受光レンズの図２中丸数字の記入のない部分はｘ０面またはｙ０面で対称形を成している。
各光束分割レンズのトーリック面は式Ａ及び式Ｂで表される。
【００１３】
【数１】
2006072201.tif 000003
【００１４】
ＣＸ、ＣＹ、Ｋ、Ａ、及びＢの各係数に所望の数値を入力することにより、３次元の曲面形状が規定される。表１に、本発明実施例による受光レンズの各係数を示した。Ｘ、Ｙ、Ｚは光束分割レンズのローカル座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を示す。
トーリック面は、好適には光束分割レンズの光軸とｘ軸とで形成される断面のレンズ表面形状が直線、非球面断面の弧の一部、または真円の弧の一部で形成され、光束分割レンズの光軸とｙ軸とで形成される断面のレンズ表面形状が直線、非球面断面の弧の一部、または真円の弧の一部で形成されるものが好ましい。
【００１５】
【表１】
2006072201.tif 000004
【００１６】
本発明実施例の受光レンズは、図４に示すように、その光軸を法線とする面内の直交軸方向（ｙ軸＝集光可能な光線の入射角度中最大値θｙを与える方向の軸及びｘ軸＝ｙ軸に直交する軸）で集光可能な光線の最大入射角度（θx及びθｙ）が、０．０５＜｜θｘ／θｙ｜＜１の関係を満たしている。本実施例ではｙ軸方向の最大入射角度θｙが１０°であり、ｘ軸方向の最大入射角度が１°である。この入射角度θｙ及びθｘは、光軸に対して対称なる角度分布を有している。すなわち、ｙ軸方向に±１０°、ｘ軸方向に±１°の入射角度を持っている。なお、ｘ軸方向の入射角度は＋２°〜−１°のように、角度分布が非対称になっていてもよい。
【００１７】
高速道路のように比較的直線が多く車間距離も長い道路において反射測定装置１を搭載した車両と被測定物体である車両との距離を測定するためには、±６°の角度範囲内を測定できれば十分であるが、一般道のようにカーブが多く車間距離の短い道路では、±１０°の角度範囲内において一定の受光光量を保持しつつ平坦な受光光量特性が要求される。入射角度０°、４°、８°のときに屈折光線が受光素子５２に集光される光束分割レンズを組み合わせることにより、±１０°の範囲内において入射角度に対する受光光量の特性がほぼ平坦になる。
またｙ軸方向が水平方向になるように本発明実施例の受光レンズを設置することが好ましい。車両用反射測定装置では、水平方向の物体に対する検知角度を広くし、垂直方向の検知角度を小さくすることで、受光効率を高くすることができる。
【００１８】
このような入射角度の分布を持たせるために、好適には光束分割レンズの光軸と受光レンズの光軸とのなす角度が、受光レンズの光軸が通る点から離れるに従って漸次大きくなるようにする。本実施例では、光束分割レンズの光軸とトーリック面との交点を原点とするＹ軸及びＸ軸を回転軸として、それぞれ、特定の回転角で、前記トーリック面を傾け、光束分割レンズに入射角度分布を持たせている。本実施例では表１に示すように、ａ行Ａ列の光束分割レンズ１はｙ軸方向入射角０±２°、ｘ軸方向入射角０±０．４°の光線を受光部に集光できるようになっている。ａ行Ｂ列の光束分割レンズ４はＸ軸回転角８．９２°、Ｙ軸回転角０°の面でｙ軸方向入射角４±２°、ｘ軸方向入射角０±０．４°の光線を受光部に集光できるようになっている。ａ行Ｃ列の光束分割レンズ７はＸ軸回転角１６．９４°、Ｙ軸回転角０°の面でｙ軸方向入射角８±２°、ｘ軸方向入射角０±０．４°の光線を受光部に集光できるようになっている。ｂ行Ａ列の光束分割レンズ２はＸ軸回転角０°、Ｙ軸回転角２０．４４°の面でｙ軸方向入射角０±２°、ｘ軸方向入射角０．５５±０．１５°の光線を受光部に集光できるようになっている。ｃ行Ａ列の光束分割レンズ３はＸ軸回転角０°、Ｙ軸回転角３１．７８°の面でｙ軸方向入射角０±２°、ｘ軸方向入射角０．８５±０．１５°の光線を受光部に集光できるようになっている。その他の光束分割レンズ５、６、８、及び９は表１に示す回転角でトーリック面がそれぞれ傾いている。本実施例の各光束分割レンズの中心厚さは、表１に示すとおりである。受光レンズの最大厚さｄは２ｍｍ＜ｄ＜１５ｍｍであることが好ましい。この範囲の最大厚さにすると、高い生産性で軽量な受光レンズを得ることができる。最小厚さは、通常０．７〜１ｍｍである。なおＸ軸回転角とはＸ軸を回転軸として回転させた角度であり、Ｙ軸回転角とはＹ軸を回転軸として回転させた角度である。各光束分割レンズのＸ軸及びＹ軸は受光レンズのｘ軸及びｙ軸と平行の位置関係にある。
【００１９】
隣り合う光束分割レンズ間の境界には、該境界における光線入射角度の方向と平行な斜面を有することが好ましい。本実施例では、図１に示すように、光束分割レンズ１と光束分割レンズ４との間の境界にはｙ軸方向光線入射角２°の方向と平行な斜面が形成されている。光束分割レンズ４と光束分割レンズ７との間の境界にはｙ軸方向光線入射角６°の方向と平行な斜面が形成されている。光束分割レンズ１と光束分割レンズ２との間の境界には、図示してないが、ｘ軸方向光線入射角０．４°の方向と平行な斜面が形成されている。光束分割レンズ２と光束分割レンズ３との間の境界にはｘ軸方向光線入射角０．７°の方向と平行な斜面が形成されている。その他の境界も同様にｙ軸及びｘ軸方向光線入射角と平行な斜面が形成されている。
【００２０】
本発明の受光レンズを構成する材料は特に限定されず、透明樹脂やガラスなどで形成できる。本実施例の受光レンズ本体は透明樹脂で形成されている。
透明樹脂としては、ポリカーボネート樹脂、アクリル樹脂、ポリエステル樹脂、ポリオレフィン樹脂、ポリシクロオレフィン樹脂などが挙げられる。これらのうち、ポリカーボネート樹脂またはポリシクロオレフィン樹脂が好適である。ポリシクロオレフィン樹脂の具体例としてはノルボルネン系樹脂（ノルボルネン系単量体の開環重合体や付加重合体）、単環環状オレフィンの付加重合体、ビニルシクロオレフィンの付加重合体、芳香族ビニル単量体の付加重合体を芳香環水添した物などが挙げられる。透明樹脂で形成される受光レンズの本体は、金型などを用いた射出成形法、圧縮成形法などの公知の成形方法によって、あるいは切削法などで光束分割レンズの形状を削り出すことによって形成できる。
受光レンズを構成する材料には可視光線の透過を遮蔽するための顔料等が含まれていることが好ましい。可視光線を遮断する顔料等を含有させることによって、可視光線によるノイズが除去でき、正確な測定ができる。
【００２１】
また、本発明受光レンズにおいては、レンズ本体表面に反射防止層が形成されたものであることが好ましい。反射防止層は、光線のレンズ表面での反射率を低減できるものであれば、特に限定されず、例えば、高屈折率膜と低屈折率膜とを交互に幾重にも積層したもの、微細な中空部を有することによって低屈折率化された膜（例えば、エアロゲル膜、中空粒子を樹脂マトリックスに分散させた膜など）等が挙げられる。
【００２２】
本発明の受光レンズは、被測定物体との距離を測定するため反射測定装置に用いることができる。
この反射測定装置は、通常、光源と、出射レンズと、前記出射レンズを透過し被測定物体において反射した光線を集光する前記受光レンズと、前記受光レンズにより集光された光線を受光する受光部と、前記受光部での受光時刻と前記光源から出射された光線の出射時刻との差から前記被測定物体と前記光源との距離を算出する演算手段とを備えるものである。
光源としては、半導体レーザが好適に用いられ、通常、波長λ：８６０nm程度の赤外光線を出射するものが用いられる。
出射された赤外光線は被測定物体表面で反射し、本発明の受光レンズを通して集光される。受光レンズ５１は、トーリック面を有する光束分割レンズを同一面上に好ましくは９個以上備え、受光レンズの光軸を法線とする面内の直交軸方向（ｙ軸＝集光可能な光線の入射角度中最大値θｙを与える方向の軸及びｘ軸＝ｙ軸に直交する軸）で集光可能な光線の最大入射角度（θx及びθｙ）が、０．０５＜｜θｘ／θｙ｜＜１の関係を満たすものである。集光された光は受光素子５２で感知される。受光素子５２は、例えばＰＩＮフォトダイオード、アバランシェフォトダイオードなどで構成されている。
【００２３】
被測定物体において反射し、受光レンズ５１を介して受光素子５２に入射した光線の受光時刻と出射時刻との差から式Ｃ により被測定物体との距離を算出する。
測定距離＝（受光した時刻−出射した時刻）×光速×１／２ ・・・(式Ｃ) 
【００２４】
図６及び図７は、本発明実施例による受光レンズの集光特性を示したものである。水平方向は±１０°の範囲で１６％以上でほぼフラットな受光効率を示している。そして垂直方向は±１°の範囲で１６％以上の受光効率を示している。広角度の光をゆがみなく集光できることが判る。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明実施例の受光レンズを示すｙ軸断面図とｘ軸断面図である。
【図２】本発明実施例の受光レンズの光束分割レンズの位置を示す図である。
【図３】本発明実施例の受光レンズを示す斜視図である。
【図４】本発明実施例の受光レンズの入射角度の範囲の一例を説明する図である。
【図５】本発明実施例の受光レンズと受光部との位置関係を示す図である。
【図６】本発明実施例の受光レンズのｙ軸方向（水平方向）の受光効率を示す図である。
【図７】本発明実施例の受光レンズのｘ軸方向（垂直方向）の受光効率を示す図である。
【符号の説明】
【００２６】
５１：受光レンズ
１０１：光束分割レンズ
５２：受光素子
【図１】
2006072201.tif 000005
【図２】
2006072201.tif 000006
【図３】
2006072201.tif 000007
【図４】
2006072201.tif 000008
【図５】
2006072201.tif 000009
【図６】
2006072201.tif 000010
【図７】
2006072201.tif 000011