DE102007027429B4

DE102007027429B4 - Radareinrichtung und optischer Empfänger dafür

Info

Publication number: DE102007027429B4
Application number: DE200710027429
Authority: DE
Inventors: Hisaya Katoh; Noriyuki Matsushita
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2006-06-27
Filing date: 2007-06-14
Publication date: 2015-03-19
Anticipated expiration: 2027-06-15
Also published as: JP4702200B2; US20080130138A1; US7558007B2; DE102007027429A1; JP2008008678A

Abstract

Lichtempfänger (100) mit: – einem brechenden Körper (111), der ein von außen in einem Einfallswinkel einfallendes Licht empfängt und das einfallende Licht mit einem Brechungswinkel bricht, wobei der Brechungswinkel kleiner als der Einfallswinkel ist; – einem ersten Lichtempfangselement (120), das in einer Position auf einer Einfallsoberfläche (111a) des brechenden Körpers (111) angeordnet ist, wobei eine Lichtempfangsfläche des ersten Lichtempfangselements (120) zur Einfallsoberfläche (111a) des brechenden Körpers (111) gerichtet ist; und – einem Spiegel (112), der auf einer entgegengesetzten Fläche (111b) angeordnet ist, die auf einer entgegengesetzten Seite des brechenden Körpers (111) relativ zu der Einfallsoberfläche (111a) angeordnet ist, wobei der Spiegel (112) wenigstens einen Teil des durch die Einfallsoberfläche (111a) in den brechenden Körper (111) eindringenden einfallenden Lichts in Richtung des ersten Lichtempfangselements (120) reflektiert, – wobei die Einfallsoberfläche (111a) einen konkav gekrümmten Abschnitt und einen konvex gekrümmten Abschnitt umfasst.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein ein Radar zur Verwendung in einem Fahrzeug.
Als Radareinrichtungen sind herkömmlich jene bekannt, die in der JP-A-2001-12943 und der JP-A-2002-236178 offenbart sind.
Eine in der JP-A-2002-236178 offenbarte Radareinrichtung umfasst eine Lichtempfangseinheit (Fotodiode), die in einem Gehäuse angeordnet ist, welches eine Lampe (Frontscheinwerfer) enthält. Ein von einem reflektierenden Objekt reflektiertes Reflexionslicht wird von einem Reflektor reflektiert, der Teil des Frontscheinwerfers ist, und wird ferner von einem zweiten Reflektor reflektiert und von der Lichtempfangseinheit empfangen. Insbesondere wird das durch das reflektierende Objekt reflektierte Reflexionslicht durch einen konkaven Spiegel als Reflektor durch die Empfangseinheit empfangen.
Es sind Versuche unternommen worden, das Licht aus einem weiten Winkelbereich zu erfassen, mit dem Ziel, den Erfassungsbereich zu erweitern oder die Erfassungsdistanz zu verlängern. Um dieses Ziel mit der in der JP-A-2001-12943 offenbarten Konstruktion zu erreichen, ist es erforderlich, den Durchmesser einer Kondensorlinse zu vergrößern, wenn dessen Form unverändert sein soll. In Bezug auf Kondensorlinsen müssen ferner Linsenaberrationen berücksichtigt werden. Um einen gewünschten effektiven Linsendurchmesser zu gewährleisten, ist es erforderlich, ferner den Durchmesser der Kondensorlinse zu vergrößern. Dies führt zu einer erhöhten physikalischen Größe eines optischen Lichtempfangssystems (Radareinrichtung).
In der in der JP-A-2002-236178 offenbarten Konstruktion hingegen wird statt einer Kondensorlinse ein konkaver Spiegel als Reflektor verwendet. Daher tritt das Problem der Aberration nicht auf, und die physikalische Größe des optischen Lichtempfangssystems kann entsprechend verringert werden. Jedoch beinhaltet die hierin offenbarte Konstruktion ein anderes Problem. Um Licht in einem weiten Winkelbereich zu erfassen, ist es erforderlich, die Größe des Spiegels zu erfassen, wenn dessen Form unverändert sein soll. Dies erhöht die physikalische Größe des optischen Lichtempfangssystems (der Radareinrichtung). In der in der JP-A-2002-236178 offenbarten Konstruktion ist die Lichtempfangseinheit in der Nähe einer Lichtquelle in dem Gehäuse angeordnet, das eine Lampe enthält. Daher besteht die Möglichkeit, dass die Temperatur des lichtempfindlichen Elements gestiegen ist, und die Eigenschaften des Elements werden verschlechtert (die Zuverlässigkeit des lichtempfindlichen Elements wird verschlechtert).
Die DE 199 07 546 A1 , die als nächstliegender Stand der Technik erachtet wird, offenbart eine „Optoelektronische Vorrichtung”, insbesondere einen Lichtempfänger mit einem brechenden Körper, der ein von außen in einem Einfallswinkel einfallendes Licht empfängt und das einfallende Licht mit einem Brechungswinkel bricht, wobei der Brechungswinkel kleiner als der Einfallswinkel ist. In einer Position auf einer Einfallsoberfläche des brechenden Körpers ist ein Lichtempfangselement 5 angeordnet, wobei eine Lichtempfangsfläche des Lichtempfangselements zur Einfallsoberfläche des brechenden Körpers parallel ausgerichtet ist. Der Lichtempfänger weist ferner einen Spiegel auf, der auf einer entgegengesetzten Fläche angeordnet ist, die auf einer entgegengesetzten Seite des brechenden Körpers relativ zu der Einfallsoberfläche angeordnet ist, wobei der Spiegel wenigstens einen Teil des durch die Einfallsoberfläche in den brechenden Körper eindringenden Lichts in Richtung des ersten Lichtempfangselements reflektiert.
Weiterhin sei zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung auf die DE 199 28 957 A1 , die eine „Empfangseinrichtung für einen Laserscanner” offenbart, die US 2005/0200832 A1 , die einen „Object Detecting Apparatus Having Light Radiation Power Regulating Function” offenbart, und die DE 1 226 002 A , die eine „Photoelektrische Abtastvorrichtung” offenbart, verwiesen.
Angesichts der obigen und weiterer Probleme ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen optischen Empfänger, der dazu geeignet ist, Licht in einem weiten Winkelbereich zu erfassen, ohne ihn zu vergrößern, und der es ermöglicht, die Zuverlässigkeit eines lichtempfindlichen Elements zu erhöhen, und eine Radareinrichtung, die mit diesem optischen Empfänger ausgestattet ist, bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 19 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen definiert.
Gemäß der vorliegenden Erfindung (Anspruch 1) umfasst ein Lichtempfänger (i) einen brechenden Körper, der ein von außen in einem Einfallswinkel einfallendes Licht empfängt und das einfallende Licht mit einem Brechungswinkel bricht, wobei der Brechungswinkel kleiner als der Einfallswinkel ist, (ii) ein erstes Lichtempfangselement, das in einer Position auf einer Einfallsoberfläche des brechenden Körpers angeordnet ist, wobei eine Lichtempfangsfläche des ersten Lichtempfangselements zur Einfallsoberfläche des brechenden Körpers gerichtet ist, und (iii) einen Spiegel, der auf einer entgegengesetzten Fläche angeordnet ist, die auf einer entgegengesetzten Seite des brechenden Körpers relativ zu der Einfallsoberfläche angeordnet ist, wobei der Spiegel wenigstens einen Teil des durch die Einfallsoberfläche in den brechenden Körper eindringenden einfallenden Lichts in Richtung des ersten Lichtempfangselements reflektiert. Die Einfallsoberfläche umfasst einen konkav gekrümmten Abschnitt und einen konvex gekrümmten Abschnitt.
Auf diese Weise wird ein externes Licht, z. B. ein durch ein reflektierendes Objekt reflektiertes Licht durch einen brechenden Körper gebrochen, der einen größeren Brechungsindex als eine externe Umgebung, z. B. Licht, besitzt, und zwar mit einem Brechungswinkel, der kleiner als ein Einfallswinkel ist. Das heißt, das externe Licht, das einen Winkel relativ zu einer optischen Achse des Spiegels aufweist, besitzt nach der Brechung durch den brechenden Körper, der im Wesentlichen mit der optischen Achse ausgerichtet ist, einen kleineren Winkel relativ zu der optischen Achse. Daher ist ein Lichtempfangswinkel des Lichtempfangselements nach der Reflexion durch den Spiegel aufgeweitet (d. h. ein Einfallswinkelbereich eines Einfallswinkels des brechenden Körpers ist erhöht). Ferner, die Verwendung des Spiegels verhindert das Problem der Aberration der Kondensorlinse, wodurch die Erfassung eines weiten Winkelbereichs ohne Vergrößerung des Volumens des Empfangskörpers möglich ist. Ferner kann ein Bereich des Lichtempfangselements in dem optischen Empfänger kleiner gemacht werden bei demjenigen, das den brechenden Körper nicht enthält, wenn das externe Licht aus demselben Winkelbereich gesammelt wird.
Ferner ist der optische Empfänger nicht einteilig mit einer Lichtaussendeinheit ausgebildet, woraus sich eine erhöhte Zuverlässigkeit ergibt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung (Anspruch 19) umfasst eine Radarvorrichtung (i) einen Lichtsender, der ein Laserlicht aussendet, und (ii) den oben genannten Lichtempfänger, der ein Reflexionslicht des Laserlichts empfängt, das durch einen reflektierenden Körper reflektiert wird.
Weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden ersichtlich aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen, in denen:
1 eine Zeichnung ist, die die Konfiguration eines Laserradarsensors darstellt;
2A eine Zeichnung ist, die die allgemeine Konfiguration eines optischen Empfängers einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt, und zwar eine Draufsicht, betrachtet von der Seite einer Einfallsoberfläche aus;
2B eine Zeichnung ist, die eine allgemeine Konfiguration eines optischen Empfängers darstellt, die keine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, und zwar eine Schnittansicht entlang einer Linie IIB-IIB in 2A;
3 eine Zeichnung ist, die einen Effekt eines brechenden Körpers darstellt (nicht Teil der vorliegenden Erfindung);
4 eine Zeichnung ist, die die Beziehung zwischen einem Dickenverhältnis eines brechenden Körpers und einem Lichtbündelwirkungsgrad darstellt;
5A und 5B Schnittansichten sind, die Modifikationen einer optischen Empfängers darstellen, die nicht Teil der vorliegenden Erfindung sind;
5C eine Schnittansicht ist, die eine Modifikation eines optischen Empfängers gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt;
6 eine Schnittansicht ist, die eine Modifikation eines optischen Empfängers darstellt, die nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist;
7 eine Schnittansicht ist, die die allgemeine Konfiguration eines optischen Empfängers darstellt, die nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist;
8 eine Zeichnung ist, die die Beziehung zwischen dem Dickenverhältnis eines brechenden Körpers und dem Lichtbündelwirkungsgrad darstellt;
9 eine Schnittansicht ist, die eine allgemeine Konfiguration eines optischen Empfängers darstellt, die nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist;
10 eine Zeichnung ist, die die Beziehung zwischen dem Dickenverhältnis eines brechenden Körpers und einem Lichtbündelwirkungsgrad gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt;
11 eine Schnittansicht ist, die eine Modifikation eines optischen Empfängers darstellt;
12 eine Schnittansicht ist, die die allgemeine Konfiguration eines optischen Empfängers darstellt;
13 eine Schnittansicht ist, die eine weitere Modifikation eines optischen Empfängers darstellt;
14 eine Schnittansicht ist, die eine weitere Modifikation eines optischen Empfängers darstellt; und
15A und 15B Schnittansichten sind, die weitere Modifikationen eines optischen Empfängers darstellen.
Die Darstellungen der 11 bis 15B sind nicht Teil der vorliegenden Erfindung, sondern dienen nur zur Erläuterung allgmeiner Zusammenhänge.
Die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sowie Variationen, die nicht Teil der vorliegenden Erfindund sind, jedoch zu ihrem besseren Verständnis dienen, sind nachfolgend mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
(Bevorzugte Ausführungsform)
Zunächst ist die allgemeine Konfiguration eines Laserradarsensors beschrieben, auf den ein optischer Empfänger gemäß einer bevorzugten Ausführungsform angewendet wird. 1 ist ein allgemeines Blockdiagramm, das ein Beispiel des Laserradarsensors zeigt. Die Erfindung ist durch die Konfiguration des optischen Empfängers gekennzeichnet. Die Radareinrichtung (nicht gezeigt), die den Laserradarsensor enthält, ist zum Beispiel in der JP-A-2005-257405 , eingereicht von den Anmeldern dieser Anmeldung, beschrieben. Daher ist auf eine ausführliche Beschreibung der Radareinrichtung hier verzichtet. Die nachfolgende Beschreibung nimmt als Beispiel einen Fall, in dem die Radareinrichtung als eine Radareinrichtung für Fahrzeuge verwendet wird. Jedoch ist die Radareinrichtung gemäß der Erfindung nicht auf jene für Fahrzeuge begrenzt, sondern kann verwendet werden, um einen Eindringling in einen bestimmten Bereich zu erfassen.
Wie es in 1 dargestellt ist, umfasst der Laserradarsensor 10 die folgenden Hauptkomponenten: Einen Lichtsender 20, der Laserlicht aussendet, einen optischen Empfänger 100, der ein durch ein reflektierendes Objekt reflektiertes Reflexionslicht empfängt, eine Laserradar-CPU 30 und dergleichen.
Der Lichtsender 20 umfasst eine Laserdiode 25 zur Projektion eines gepulsten Laserlichts durch eine Linse 21 sowie einen Scanner 22. Die Laserdiode 25 ist über eine Laserdiodensteuerschaltung 26 mit der Laserradar-CPU 30 verbunden und projiziert (sendet aus) Laserlicht entsprechend einem Steuersignal von der Laserradar-CPU 30. Der Scanner 22 umfasst einen Polygonspiegel 23, der um eine vertikale Achse drehbar ist. Wenn ein Steuersignal von der Laserradar-CPU 30 einer Motorantriebsschaltung 24 zugeführt wird, wird der Polygonspiegel 23 durch die Antriebskraft eines Motors (nicht gezeigt) angetrieben. Die Drehposition des Motors wird von einem Motordrehpositionssensor 27 erfasst und der Laserradar-CPU 30 zugeführt. Der Polygonspiegel 23 gemäß dieser Ausführungsform umfasst sechs Spiegel mit unterschiedlichem planaren Neigungswinkel. Daher kann ein Laserlicht derart ausgesendet werden, dass es einen vorbestimmten Winkelbereich sowohl in Richtung der Fahrzeugbreite als auch in Richtung der Fahrzeughöhe diskontinuierlich abtastet. Jedoch ist das Abtastverfahren beliebig, solange es zusätzlich zur Messung des Abstandes eine Messung in zwei Richtungen ermöglicht.
Der optische Empfänger 100 umfasst ein Lichtbündelungselement 110, das von einem reflektierenden Objekt (zum Beispiel einem Reflektor des vorausfahrenden Fahrzeugs; nicht gezeigt) reflektiertes Laserlicht bündelt, und ein lichtempfindliches Element (Fotodiode) 120, das ein Spannungssignal (Lichtempfangssignal) entsprechend der Intensität des gebündelten Reflexionslichts ausgibt. Die Konfiguration des optischen Empfängers 100 ist weiter unten beschrieben. Ein von dem lichtempfindlichen Element 120 ausgegebenes Lichtempfangssignal wird durch einen Verstärker 40 verstärkt und dann zu einer Erfassungsschaltung 41 ausgegeben. Das Signal wird in der Erfassungsschaltung 41 auf vorbestimmte Weise verarbeitet und anschließend zur Laserradar-CPU 30 ausgegeben. Die Distanz zu dem reflektierenden Objekt wird auf der Grundlage der Zeitspanne zwischen der Projektion des Laserlichts und dem Empfang des Reflexionslichts erfasst. Die Richtung des reflektierenden Objekts wird auf der Grundlage des Projektionswinkels des Laserlichts erfasst. Dieses Erfassungsergebnis wird zu einer Erkennungs- und Distanzregelungs-ECU ausgegeben, und das Fahrzeug wird auf der Grundlage des Erfassungsergebnisses geregelt.
Nachfolgend ist der optische Empfänger 100 mit Bezug auf die 2A und 2B beschrieben, wobei die Darstellung der 2B nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist. Die 2A und 2B sind Zeichnungen, die die allgemeine Konfiguration des optischen Empfängers 100 darstellen. 2A ist eine Draufsicht, betrachtet von der Seite der Einfallsoberfläche, und 2B ist eine Schnittansicht entlang einer Linie IIB-IIB in 2A.
Wie es oben erwähnt ist, umfasst der optische Empfänger 100 das Lichtbündelungselement 110 und lichtempfindliche Element 120. Das Lichtbündelungselement 110 umfasst einen brechenden Körper 111 und einen Spiegel 112. Wie es in 2B dargestellt ist, bricht der brechende Körper 111 von außen (eine außerhalb des Fahrzeugs befindliche Quelle gemäß dieser Ausführungsform) einfallendes Licht derart, dass der Brechungswinkel θr kleiner als der Einfallswinkel θi ist. (Gemäß dieser Ausführungsform ist das oben genannte Licht ein Reflexionslicht, das durch ein reflektierendes Objekt gewonnen wird, das von dem Lichtsender 20 projiziertes Laserlicht reflektiert). Für das Material des brechenden Körpers 111 kann jedes bekannte Material, dessen Brechungsindex größer als der der Umgebung ist, verwendet werden (die Umgebung gemäß dieser Ausführungsform ist Luft), d. h. ein Material mit einem Brechungsindex größer als 1. Wenn ein Material ausgewählt ist, wird die Form (Leichtigkeit der Herstellung) des brechenden Körpers 111, die Wellenlänge des einfallenden Lichts, ein erforderlicher Brechungsindex und dergleichen bestimmt. Zum Beispiel können Glas, ein synthetisches Harz, ein Halbleitermaterial wie etwa Silizium oder Germanium eingesetzt werden. Diese Ausführungsform verwendet Glas als den brechenden Körper.
Wie es in 2A dieser Ausführungsform und 2B, die nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist, gezeigt ist, umfasst der brechende Körper 111 einen säulenförmigen Abschnitt. Eine Endfläche des säulenförmigen Abschnitts (eine Ebene, die zu der optischen Achse des Spiegels 112 senkrecht ist) dient als Einfallsoberfläche 111a, auf die Licht von außen auftrifft. Eine entgegengesetzte Fläche 111b, die der Einfallsoberfläche 111a gegenüberliegt, ist als gekrümmte Oberfläche, die auf der der Einfallsoberfläche 111a abgewandten Seite konvex, insbesondere als sphärische Oberfläche ausgebildet. Der brechende Körper 111 mit einer solchen Form kann durch Schleifen eines säulenförmigen Elements oder durch Formung (Pressen, Extrudieren) gebildet werden. Der säulenförmige Abschnitt ist zum Greifen des brechenden Körpers 111 geeignet, jedoch ist er hinsichtlich der Funktionen des optischen Empfängers nicht notwendig.
Der Spiegel 112 ist auf der Oberfläche der entgegengesetzten Fläche 111b des brechenden Körpers 111 vorgesehen. Er reflektiert wenigstens ein Teil des Lichts, das durch die Einfallsoberfläche 111a in den brechenden Körper 111 eindringt, in Richtung des lichtempfindlichen Elements 120. Für das Material dieses Spiegels 112 kann jedes Material verwendet werden, solange es von außen einfallendes Licht reflektieren kann. Zum Beispiel kann der Spiegel dadurch gebildet werden, dass Al, Ag oder Au durch Aufdampfen oder dergleichen auf der Oberfläche der entgegengesetzten Fläche 111b abgeschieden wird. Er kann als eine mehrlagige Schicht ausgebildet sein.
Wie es in 2B dargestellt ist, ist der Spiegel 112 auf der entgegengesetzten Fläche 111b des brechenden Körpers 111 ausgebildet, und zwar sphärisch derart, dass sie konvex auf der entgegengesetzten Seite der Einfallsoberfläche 111a ist. Das heißt, der Spiegel ist als konkaver Spiegel 112 auf der entgegengesetzten Fläche 111b ausgebildet. Durch den als den konkaven Spiegel 112 ausgebildeten Spiegel kann Licht wirksam auf das lichtempfindliche Element 120 gebündelt werden. Gemäß dieser Ausführungsform ist der Spiegel 112 ein sphärischer Spiegel. Sphärische Spiegel haben keinen Brennpunkt. In einem sphärischen Spiegel variiert die Position des Schnittpunktes zwischen der optischen Achse des Spiegels 112 und dem von dem Spiegel 112 reflektierten Licht im Vergleich zu Spiegeln, die eine andere Form besitzen (Paraboloid oder Ellipsoid) nicht so stark. Dies gilt unabhängig vom Einfallswinkel θi. (Die optische Achse des Spiegels ist in 2B durch eine Linie mit abwechselnd einem langen und zwei kurzen Strichen dargestellt). Daher sind sphärische Spiegel zur Erfassung von Licht in einem weiten Winkelbereich (ein weiter Bereich des Einfallswinkels θi) geeignet.
Das lichtempfindliche Element 120 ist eine Fotodiode, die in einem Halbleitersubstrat ausgebildet ist. Sie ist auf der Einfallsoberfläche 111a des brechenden Körpers 111 angeordnet, wobei ihre Lichtempfangsoberfläche 121 in Richtung der Einfallsoberfläche 111a weist. Es gibt keine spezielle Einschränkung hinsichtlich ihrer Position, solange sie auf der Einfallsoberfläche 111a angeordnet ist. Das lichtempfindliche Element 120 kann so aufgebaut sein, dass es nicht auf der Einfallsoberfläche 111a befestigt, sondern in einem Abstand zur Einfallsoberfläche 111a angeordnet ist. Jedoch ist es wünschenswert, dass es auf der Einfallsoberfläche 111a des brechenden Körpers 111, in direktem Kontakt mit dieser oder mit einem dazwischenliegenden Befestigungselement befestigt ist. Die Position des lichtempfindlichen Elements 120 kann relativ zu der Einfallsoberfläche 111a leicht bestimmt werden.
Wie es in 2B dargestellt ist, ist das lichtempfindliche Element 120 mit seiner rechteckigen Lichtempfangsoberfläche 121 durch eine Klebemittel 130 in einer die optische Achse überlappenden Position auf der Einfallsoberfläche 111a befestigt. Für das Klebemittel 130 wird ein Material (z. B. ein Siliziumklebemittel) mit dem gleichen Brechungsindex wie der des brechenden Körpers 111 verwendet. Wie es oben erwähnt ist, wird das lichtempfindliche Element 120 durch das Befestigungselement in indirekten Kontakt mit der Einfallsoberfläche 111a gebracht. Durch diese Konstruktion kann durch Verwenden eines Befestigungselements mit dem gleichen Brechungsindex wie der des brechenden Körpers 111 das Folgende implementiert werden: Reflexionen zwischen dem brechenden Körper 111 und dem Befestigungselement (dem Klebemittel 130) können weitestgehend verringert werden, bevor das Licht auf der Lichtempfangsoberfläche 121 auftrifft.
Nachfolgend ist die Wirkung des optischen Empfängers 100 unter Bezugnahme auf die 3 beschrieben, deren Inhalt nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist. 3 ist eine Zeichnung, die die Wirkung des brechenden Körpers 111 darstellt. Wie es in 3 gezeigt ist, wird ein von außen kommendes Licht durch den brechenden Körper 111 gebrochen, der aus einem Material gebildet ist, dessen Brechungsindex größer als der eines externen Mediums (z. B. Luft) ist, und zwar mit einem Winkel θr, der kleiner als der Einfallswinkel θi ist. Das heißt, das einfallende Licht mit einem bestimmten Winkel gegenüber der optischen Achse des Spiegels 112 wird durch den brechenden Körper 111 gebrochen und wird dadurch paralleler zur optischen Achse als vor der Brechung. Wie es in 3 dargestellt ist, wird insbesondere ein Licht mit einem größeren Einfallswinkel θi durch die Brechungswirkung des brechenden Körpers 111 stärker beeinflusst (Snell'sches Brechungsgesetz). Ein Teil des von außen kommenden Lichts wird durch die Einfallsoberfläche 111a des brechenden Körpers 111 reflektiert, so dass ein Bündelungsverlust eintritt. Je größer der Einfallswinkel θi ist, desto stärker übertrifft die Brechungswirkung den Reflexionsverlust und desto höher ist der Lichtbündelungswirkungsgrad. Daher kann der Winkelbereich, innerhalb dessen Licht durch den Spiegel 112 reflektiert und auf das lichtempfindliche Element 112 gebündelt wird, im Vergleich zu Konstruktionen ohne den brechenden Körper 111 vergrößert werden. (Der Winkelbereich ist ein Bereich des Einfallswinkels θi gegenüber der Einfallsoberfläche 111a des brechenden Körpers 111). Der Winkelbereich ist um einen Betrag vergrößert, der zu der Winkeldifferenz θd äquivalent ist, wie es in 3 dargestellt ist. Da durch den Spiegel 112 Licht gebündelt wird, tritt, anders als bei Kondensorlinsen, keine Linsenaberration auf. Obwohl es in der Zeichnung nicht gezeigt ist, ergibt sich ferner der folgende Vorteil. Licht, das nach der ersten Reflexion durch den Spiegel 112 nicht dem lichtempfindliche Element 120 zugeführt wird, wird zwischen dem brechenden Körper 111 und dem externen Medium (Luft) oder zwischen dem brechenden Körper 111 und dem Spiegel 112 wiederholt reflektiert. Danach wird auch dieses Licht dem lichtempfindliche Element 120 zugeführt.
In dem optischen Empfänger 100, wie oben beschrieben, kann Licht in einem weiten Winkelbereich erfasst werden, ohne ihn zu vergrößern. Da der Lichtbündeleffekt groß ist, ergibt sich folgender Vorteil: Der Bereich des lichtempfindlichen Elements 120 (die lichtempfindliche Oberfläche 121) kann im Vergleich zu Konstruktionen ohne den brechenden Körper 111 verringert werden, wenn der Winkelbereich als identisch angenommen wird. Da, anders als herkömmlich, der optische Empfänger 100 nicht in einer Hochtemperaturumgebung angeordnet ist (er ist nicht einteilig mit einer Lampe ausgebildet), kann die Zuverlässigkeit des lichtempfindlichen 120 Elements erhöht werden. Daher ist die Konstruktion für eine Radarvorrichtung, die den Laserradarsensor 10 enthält, geeignet.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung überprüften den Lichtbündelungswirkungsgrad des optischen Empfängers 100 als Funktion des Verhältnisses zwischen dem Abstand L1 zwischen der Einfallsoberfläche 111a und der entgegengesetzten Fläche 111b des brechenden Körpers 111 entlang der optischen Achse und dem Abstand der genannten Flächen am (in 2B zum Beispiel oberen bzw. unteren) Rand des brechenden Körpers 111 (das Dickenverhältnis des brechenden Körpers 111) (vgl. 2B) in Abhängigkeit vom Krümmungsradius des Spiegels 112. 4 stellt das Ergebnis der Überprüfung dar. Zur Überprüfung wurden die folgenden Bedingungen festgelegt: Der Krümmungsradius des Spiegels 112 sollte 8 mm, der Durchmesser der kreisförmigen Einfallsoberfläche 111a des brechenden Körpers 111 10 mm und die Größe des lichtempfindlichen Elements auf der Seite der Lichteinfallsoberfläche 3 mm² betragen. Wenn Licht mit einem geringen Strahldurchmesser (in einem nahezu parallelen Zustand) wie etwa Licht von einem Laserpointer ausgesendet wird, tritt ein Verlust von etwa 50% vom Aussenden des Lichts über dessen Reflexion durch ein reflektierendes Objekt bis zum Empfang auf. Um einen Lichtbündelungswirkungsgrad von insgesamt (vom Aussenden bis zum Empfangen) 10% zu gewährleisten, wurde unter Berücksichtigung des oben Gesagten gewährleistet, dass das lichtempfindliche Element 120 einen Bereich genau erfassen konnte, innerhalb dessen ein Lichtbündelungswirkungsgrad von 20% oder mehr bei dem optischen Empfänger gewährleistet werden kann. Es stellt sich heraus, dass Licht in einem weiten Winkelbereich wirksam gebündelt (durch das lichtempfindliche Element 120 genau erfasst) werden kann, wenn der optische Empfänger 100 so ausgebildet ist, dass das Dickenverhältnis des brechenden Körpers 111 nicht geringer als 0,25 und nicht größer als 0,40 ist, wie es in 4 dargestellt ist (der Winkelbereich ist der Bereich des Einfallswinkels θi auf die Einfallsoberfläche 111a des brechenden Körpers 111). In 4 ist der Höchstwert des Lichtbündelungswirkungsgrades nicht 100%, wenn der Einfallswinkel θi 0° ist, da Licht durch das lichtempfindliche Element 120 blockiert und an der Einfallsoberfläche 111a des brechenden Körpers 111 reflektiert wird.
Die obige Beschreibung nimmt als Beispiel einen Fall an, in dem die Einfallsoberfläche 111a des brechenden Körpers 111 kreisförmig und die Lichteinfallsoberfläche 121 des lichtempfindlichen Elements 120, das auf der Einfallsoberfläche 111a angeordnet ist, rechteckig ist. Jedoch ist die Form jedes dieser Elemente nicht auf dieses Beispiel begrenzt.
Die obige Beschreibung nimmt als ein Beispiel einen Fall, in dem das lichtempfindliche Element 120 auf der Einfallsoberfläche 111a in einer die optische Achse überlappenden Position angeordnet ist. Jedoch ist die Position des lichtempfindlichen Elements 111a nicht auf die in dem Beispiel angegebene beschränkt ist. Das lichtempfindliche Element 120 kann in einer Position neben der optischen Achse auf der Einfallsoberfläche 111a angeordnet sein, je nach der Verwendungsumgebung.
Die obige Beschreibung nimmt als ein Beispiel einen Fall, in dem die Einfallsoberfläche 111a des brechenden Körpers 111 eine flache Oberfläche ist, die senkrecht zu der optischen Achse ist. Alternativ kann die Einfallsoberfläche 111a als eine konkave Einfallsoberfläche 111a ausgebildet sein, wie es in 5A dargestellt ist, oder sie kann als eine konvexe Einfallsoberfläche 111a ausgebildet sein, wie es in 5B dargestellt ist, wobei beide Darstellungen der 5A und 5B nicht Teil der vorliegenden Erfindung sind. Ferner kann sie als eine Einfallsoberfläche 111a ausgebildet sein, die einen konkaven Abschnitt und einen konvexen Abschnitt aufweist, wie es in 5C dargestellt ist. Wenn die Einfallsoberfläche 111a als eine gekrümmte Oberfläche ausgebildet ist, kann Licht in einem Winkelbereich wirksam gebündelt werden, der von dem verschieden ist, wenn die Einfallsoberfläche 111a eine flache Oberfläche senkrecht zu der optischen Achse des Spiegels 112 ist. Insbesondere wenn die Einfallsoberfläche so ausgebildet ist, dass konkave und konvexe Abschnitte abwechseln, wobei die optische Achse in der Mitte angeordnet ist, wie es in 5C dargestellt ist, ergibt sich der folgende Vorteil: Wenn der Winkelbereich nicht symmetrisch sondern asymmetrisch bezüglich der optischen Achse st, ist es möglich, den Lichtbündelungswirkungsgrad zu erhöhen und Licht in einem weiten Winkelbereich zu erfassen. Die 5A bis 5C sind Schnittansichten, die Modifikationen des optischen Empfängers 100 darstellen. Der in 5A dargestellte optische Empfänger umfasst eine konkave Einfallsoberfläche 111a, der in 5B dargestellte umfasst eine konvexe Einfallsoberfläche 111a, und der in 5C dargestellte umfasst eine Einfallsoberfläche 111a, die einen konkaven Abschnitt und einen konvexen Abschnitt aufweist. Die 5A bis 5C entsprechen der 2B. Um den Lichtbündelungswirkungsgrad zu erhöhen, ist das lichtempfindliche Element 120 in den 5A und 5B neben der optischen Achse angeordnet.
Ferner kann die Einfallsoberfläche 111a des brechenden Körpers 111 als eine Fresnel-Oberfläche ausgebildet sein, wie es in 6 dargestellt ist, deren Inhalt nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist. Mit dieser Konstruktion kann der gleiche Effekt erzielt werden wie mit der oben erwähnten gekrümmten Oberfläche, und ferner kann die Größe des optischen Empfängers 100 (in Richtung der optischen Achse) reduziert werden. 6 ist eine Schnittansicht, die eine Modifikation des optischen Empfängers 100 darstellt, und die Fresnel-Oberfläche entspricht der konvexen Einfallsoberfläche 111a, die in 5B dargestellt wird.
(Erste Variation)
Nachfolgend ist eine erste Variante mit Bezug auf 7 beschrieben, die nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist. 7 ist eine Schnittansicht, die den allgemeinen Aufbau eines optischen Empfängers 100 darstellt; sie entspricht 2B, deren Inhalt nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist. In 7 ist kein Klebemittel 130 vorhanden.
Wie es in 7 dargestellt ist, ist die entgegengesetzte Fläche 111b des brechenden Körpers 111 als ein Paraboloid und der konkave Spiegel 112 als ein Parabolspiegel 112 ausgebildet. Das lichtempfindliche Element 120 mit der rechteckigen Lichtempfangsoberfläche 121 ist auf der Einfallsoberfläche 111a zwischen dem Parabolspiegel 112 und dessen Brennpunkt an einer die optische Achse überlappenden Position angeordnet.
Wenn diese Konstruktion verwendet wird, tritt das gleiche Phänomen wie das auf, das bezüglich des Spiegels mit der sphärischen Oberfläche gemäß der bevorzugten Ausführungsform beschrieben ist. Wie es in 7 dargestellt ist, wird ein von außen einfallendes Licht durch den brechenden Körper 111 gebrochen, der aus einem Material gebildet ist, dessen Brechungsindex höher als der eines externen Mediums (z. B. Luft) ist, und zwar in einem Winkel θr, der kleiner als der Einfallswinkel θi ist. Das heißt, das Licht in einem Winkel gegenüber der optischen Achse des Spiegels 112 wird durch den brechenden Körper 111 gebrochen und wird dadurch gegenüber der optischen Achse paralleler als vor der Brechung. Dies verringert die Variation der Position des Schnittpunkts des von dem Spiegel 112 reflektierten Lichts und der optischen Achse. (Die Position des Schnittpunkts wird in die Nähe des Brennpunkts gebracht). Ein Teil des Lichts wird von der Einfallsoberfläche 111a des brechenden Körpers 111 reflektiert, so dass ein Bündelungsverlust eintritt. Je größer der Einfallswinkel θi ist, desto stärker überschreitet die Wirkung der Brechung den Reflexionsverlust und wird der Lichtbündelungswirkungsgrad erhöht. Daher kann der Winkelbereich, in dem das Licht durch den Spiegel 112 reflektiert und auf das lichtempfindliche Element 120 gebündelt wird, im Vergleich zu Konstruktionen ohne den brechenden Körper 111 vergrößert werden. (Der Winkelbereich ist der Bereich des Einfallswinkels θi auf die Einfallsoberfläche 111a des brechenden Körpers 111). Da Licht durch den Spiegel 112 gebündelt wird, tritt anders als bei Kondensorlinsen das Problem der Linsenaberration nicht auf. Obwohl es in der Zeichnung nicht gezeigt ist, ergibt sich ferner der folgende Vorteil. Licht, das nach der ersten Reflexion durch den Spiegel 112 nicht dem lichtempfindlichen Element 120 zugeführt wird, wird zwischen dem brechenden Körper 111 und dem externen Medium (Luft) oder zwischen dem brechenden Körper 111 und dem Spiegel 112 mehrfach reflektiert. Dann wird auch dieses Licht zu dem lichtempfindlichen Element 120 geleitet.
Wie es oben erwähnt ist, liefert der optische Empfänger 100 den folgenden Vorteil. Ein Parabolspiegel 112 kann in einer Konstruktion ohne den brechenden Körper 111 Licht parallel zu der optischen Achse des Spiegels 112 auf dessen Brennpunkt bündeln. Jedoch erhöht dies die Variation der Position des Schnittpunkts des Reflexionslichts von nicht parallelem Licht, das durch den Spiegel 112 reflektiert wird, mit dessen optischer Achse. Obwohl dieser Parabolspiegel verwendet wird, kann der optische Empfänger Licht in einem weiten Winkelbereich erfassen, ohne dass er dabei vergrößert werden müsste, ebenso wie es der optische Empfänger 100 gemäß der bevorzugten Ausführungsform kann. Da der Lichtbündelungswirkungsgrad hoch ist, ergibt sich hieraus der folgende Vorteil: Der Bereich des lichtempfindlichen Elements 120 (der Lichtempfangsoberfläche 121) kann im Vergleich zu Konstruktionen ohne den brechenden Körper 111 verringert werden, wenn von einem identischen Winkelbereich ausgegangen wird. Ferner, da, anders als dies herkömmlich der Fall ist, der optische Empfänger 100 nicht in einer Hochtemperaturumgebung angeordnet ist (er ist nicht einteilig mit einer Lampe ausgebildet), kann die Zuverlässigkeit des lichtempfindlichen Elements 120 vergrößert werden. Daher ist diese Konstruktion für eine Radarvorrichtung geeignet, die den Laserradarsensor 10 enthält.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung überprüften den Lichtbündelungswirkungsgrad des optischen Empfängers 100 als Funktion des Verhältnisses zwischen dem Abstand L2 zwischen der Einfallsoberfläche 111a und der entgegengesetzten Fläche 111b des brechenden Körpers 111 entlang der optischen Achse und dem Abstand der genannten Flächen am (in 2B zum Beispiel oberen bzw. unteren) Rand des brechenden Körpers 111 (das Dickenverhältnis des brechenden Körpers 111) (vgl. 2B) in Abhängigkeit vom Krümmungsradius des Spiegels 112 im Scheitel. 8 stellt das Ergebnis der Überprüfung dar. Zur Überprüfung wurden die folgenden Bedingungen festgelegt: Der Krümmungsradius des Spiegels sollte 6 mm, der Durchmesser der kreisförmigen Einfallsoberfläche 111a des brechenden Körpers 111 10 mm und die Größe des lichtempfindlichen Elements 120 auf der Seite der Lichtempfangsoberfläche 3 mm² betragen. Wenn Licht mit geringem Strahldurchmesser (in einem Zustand nahezu parallelen Lichts) wie etwa Licht von einem Laserpointer ausgesendet wird, tritt ein Verlust von etwa 50% zwischen der Aussendung des Lichts, über dessen Reflexion durch das reflektierende Objekt bis zu dessen Empfang auf. Um einen Lichtbündelungswirkungsgrad von insgesamt 10% zu gewährleisten, d. h. von der Aussendung bis zum Empfang, wurde unter Berücksichtigung der obigen Überlegungen gewährleistet, dass das lichtempfindliche Element 120 einen Bereich genau erfassen konnte, innerhalb dessen ein Lichtbündelungswirkungsgrad von 20% oder höher an dem optischen Empfänger 100 gewährleistet werden konnte. Es konnte gezeigt werden, dass Licht in einem weiten Winkelbereich wirksam gebündelt (genau durch das lichtempfindliche Element 120 erfasst) werden kann, indem der optische Empfänger 100 so ausgebildet ist, dass das Dickenverhältnis des brechenden Körpers 111 nicht weniger als 0,3 und nicht mehr als 0,45 beträgt, wie es in 8 dargestellt ist (der Winkelbereich ist der Bereich des Einfallswinkels θi auf die Einfallsoberfläche 111a des brechenden Körpers 111).
Die obige Beschreibung betrifft eine Konstruktion, in der Licht in einem weiten Winkelbereich erfasst wird. Der Parabolspiegel 112 kann Licht parallel zur optischen Achse des Spiegels 112 auf dessen Brennpunkt bündeln. Insbesondere variiert die Position des Schnittpunkts der optischen Achse des Spiegels 112 und des von dem Spiegel 112 reflektierten Lichts bezüglich eines Lichts in einem kleinen Einfallswinkel θi nicht sehr stark. Diese Variation kann durch die Wirkung des brechenden Körpers 111 weiter verringert werden. Daher kann ein Licht in einem schmalen Winkelbereich wirksam erfasst werden, indem das lichtempfindliche Element 120 an die Position des Brennpunkts des Spiegels 112 platziert wird.
Die obige Beschreibung nimmt als ein Beispiel einen Fall, in dem die folgende Maßnahme ergriffen ist: Die Einfallsoberfläche 111a des brechenden Körpers 111 ist kreisförmig, und die Lichtempfangsoberfläche 121 des lichtempfindlichen Elements 120, angeordnet auf der Einfallsoberfläche 111a, ist rechteckig. Jedoch ist die Form jedes Elements nicht auf dieses Beispiel begrenzt.
Die obige Beschreibung nimmt als Beispiel einen Fall, in dem das lichtempfindliche Element 120 an einer die optische Achse überlappenden Position auf der Einfallsoberfläche 111a befestigt ist. Jedoch ist die Position des lichtempfindlichen Elements 120 nicht auf dieses Beispiel begrenzt. Das lichtempfindliche Element 120 kann auch an einer Position neben der optischen Achse auf der Einfallsoberfläche 111a befestigt sein, je nach der Verwendungsumgebung.
Die obige Beschreibung nimmt als ein Beispiel einen Fall, in dem die Einfallsoberfläche 111a des brechenden Körpers 111 eine ebene Oberfläche senkrecht zur optischen Achse ist. Jedoch kann die Einfallsoberfläche 111a als eine gekrümmte Oberfläche ausgebildet sein, wie es in den 5A bis 5C dargestellt ist, auf die im Zusammenhang mit der ersten Ausführungsform Bezug genommen ist. Ferner kann die Einfallsoberfläche als eine Fresnel-Oberfläche ausgebildet sein, wie es in 6 dargestellt ist, deren Inhalt nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist.
(Zweite Variation)
Nachfolgend ist eine zweite Variation mit Bezug auf 9 beschrieben, die nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist. 9 ist eine Schnittansicht, die die allgemeine Konfiguration eines optischen Empfängers 100 darstellt; sie entspricht 2B, deren Inhalt nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist. In 9 ist kein Klebemittel 130 vorhanden.
Wie es in 9 gezeigt ist, ist die entgegengesetzte Fläche 111b des brechenden Körpers 111 als ein Ellipsoid (ein exzentrischer Ellipsoid, in dem die Oberfläche des Spiegels dessen kleine Hauptachse in 9 schneidet) ausgebildet, und der konkave Spiegel 112 ist als ein ellipsoider Spiegel 112 ausgebildet. Das lichtempfindliche Element 120 mit der rechteckigen Lichtempfangsoberfläche 121 ist an einer die optische Achse überlappenden Position auf der Einfallsoberfläche 111a befestigt.
Wenn diese Konstruktion verwendet wird, tritt das gleiche Phänomen wie bei dem Spiegel mit der sphärischen Oberfläche ein, der im Zusammenhang mit der bevorzugten Ausführungsform beschrieben ist. Wie es in 9 dargestellt ist, wird ein von außen kommendes Licht durch den brechenden Körper 111 gebrochen, der aus einem Material gebildet ist, dessen Brechungsindex höher als der eines externen Mediums (z. B. Luft) ist, und zwar in einem Winkel θr, der kleiner als der Einfallswinkel θi ist. Das heißt, das Licht in einem Winkel zur optischen Achse des Spiegels 112 wird durch den brechenden Körper 111 gebrochen und wird dadurch paralleler zu der optischen Achse als vor der Brechung. Dies verringert die Variation der Position des Schnittpunkts zwischen dem von dem Spiegel 112 reflektierten Licht und der optischen Achse. (Die Position des Schnittpunkts wird in die Nähe des Brennpunkts gebracht). Ein Teil des von außen kommenden Lichts wird durch die Einfallsoberfläche 111a des brechenden Körpers 111 reflektiert, so dass ein Bündelungsverlust eintritt. Je größer der Einfallswinkel θi ist, desto dominanter ist der Effekt der Brechung gegenüber dem Reflexionsverlust und desto stärker ist der Lichtbündelungseffekt. Daher kann der Winkelbereich, innerhalb dessen Licht durch den Spiegel 112 reflektiert und auf das lichtempfindliche Element 120 gebündelt wird, im Vergleich zu Konstruktionen ohne den brechenden Körper 111 verstärkt werden. (Der Winkelbereich ist der Bereich des Einfallswinkels θi auf die Einfallsoberfläche 111a des brechenden Körpers 111). Da Licht durch den Spiegel 112 gebündelt wird, tritt, anders als bei Kondensorlinsen, keine Linsenaberration auf. Obwohl es in der Zeichnung nicht gezeigt ist, ergibt sich hieraus ferner der folgende Vorteil. Licht, das nicht nach der ersten Reflexion durch den Spiegel 112 dem lichtempfindlichen Element 120 zugeführt wird, wird wiederholt zwischen dem brechenden Körper 111 und dem externen Medium (Luft) oder zwischen dem brechenden Körper 111 und dem Spiegel 112 reflektiert. Dann wird auch dieses Licht zu dem lichtempfindlichen Element 120 geleitet.
Wie es oben erwähnt ist, ergibt sich hieraus der folgende Vorteil durch den optischen Empfänger 100. Ein ellipsoider Spiegel 112 kann in einer Konstruktion ohne den brechenden Körper 111 Licht von einem der zwei Brennpunkte zu dem jeweils weiteren Brennpunkt reflektieren, unabhängig von dem Einfallswinkel θi. Jedoch erhöht dies die Variation der Position des Schnittpunkts zwischen dem reflektierten Licht, das nicht durch den Brennpunkt geht und durch den Spiegel 112 reflektiert wird, und der optischen Achse. Obwohl dieser ellipsoide Spiegel verwendet wird, kann der optische Empfänger, ebenso wie der optische Empfänger 100 gemäß der bevorzugten Ausführungsform, Licht in einem weiten Winkelbereich erfassen, ohne dass dazu der optische Empfänger vergrößert werden müsste. Da der Lichtbündelungswirkungsgrad hoch ist, ergibt sich der folgende Vorteil: Der Bereich des lichtempfindlichen Elements (der Lichtempfangsoberfläche 121) kann im Vergleich zu Konstruktionen ohne den brechenden Körper 111 verringert werden, wenn von einem identischen Winkelbereich ausgegangen wird. Ferner, da der optische Empfänger 100 nicht in einer Hochtemperaturumgebung angeordnet ist (er ist nicht einteilig mit einer Lampe ausgebildet), wie dies herkömmlich der Fall ist, kann die Zuverlässigkeit des lichtempfindlichen Elements 120 erhöht werden. Daher ist diese Konstruktion für eine Radarvorrichtung geeignet, die den Laserradarsensor 10 enthält.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung überprüften den Lichtbündelungswirkungsgrad des optischen Empfängers 100 als Funktion des Verhältnisses zwischen dem Abstand L3 zwischen der Einfallsoberfläche 111a und der entgegengesetzten Fläche 111b des brechenden Körpers 111 entlang der optischen Achse und dem Abstand der genannten Flächen am Rand des brechenden Körpers 111 (das Dickenverhältnis des brechenden Körpers 111) in Abhängigkeit vom Krümmungsradius des Spiegels 112. 10 stellt das Ergebnis der Überprüfung dar. Zur wurden die folgenden Bedingungen festgelegt: Der Krümmungsradius des Spiegels sollte 8 mm, der Durchmesser der kreisförmigen Einfallsoberfläche 111a des brechenden Körpers 111 10 mm und die Größe des lichtempfindlichen Elements 120 in der Richtung der Lichtempfangsoberfläche 3 mm² betragen. Wenn Licht mit einem kleinen Strahldurchmesser (in einem Zustand von nahezu parallelem Licht) wie etwa von einem Laserpointer ausgesendet wird, tritt ein Verlust von etwa 50% auf, und zwar von der Aussendung, über die Reflexion durch ein reflektierendes Objekt bis zum Empfang. Um einen Lichtbündelungswirkungsgrad von insgesamt 10% zu gewährleisten, d. h. zwischen Transmission und Empfang, wurde unter Berücksichtigung des Vorgenannten gewährleistet, dass das lichtempfindliche Element 120 einen Bereich genau erfassen konnte, innerhalb dessen ein Lichtbündelungswirkungsgrad von 20% oder mehr bei dem optischen Empfänger 100 gewährleistet werden könnte. Es zeigte sich, dass Licht in einem weiten Winkelbereich wirksam gebündelt (durch das lichtempfindliche Element 120 genau erfasst) werden kann, indem der optische Empfänger 100 so aufgebaut ist, dass das Dickenverhältnis des brechenden Körpers 111 nicht geringer als 0,18 und nicht höher als 0,40 ist, wie es in 10 dargestellt ist (der Winkelbereich ist der Bereich des Einfallswinkels θi auf die Einfallsoberfläche 111a des brechenden Körpers 111).
Die obige Beschreibung nimmt als ein Beispiel einen Fall, in dem die Einfallsoberfläche 111a des brechenden Körpers 111 kreisförmig und die Lichtempfangsoberfläche 121 des lichtempfindlichen Elements 120, angeordnet auf der Einfallsoberfläche 111a, rechteckig ist. Jedoch ist die Form jedes Elements nicht auf dieses Beispiel begrenzt.
Die obige Beschreibung nimmt als Beispiel einen Fall, in dem das lichtempfindliche Element 120 in einer die optische Achse überlappenden Position auf der Einfallsoberfläche 111a angeordnet ist. Jedoch ist die Position des lichtempfindlichen Elements 120 nicht auf die in dem Beispiel begrenzt. Das lichtempfindliche Element 120 kann an einer Position neben der optischen Achse auf der Einfallsoberfläche 111a befestigt sein, je nach der Verwendungsumgebung. Der elllipsoide Spiegel 112 kann Licht von einem jeden der zwei Brennpunkte zu dem jeweils weiteren Brennpunkt reflektieren, unabhängig von dem Einfallswinkel θi. Daher kann die Position des lichtempfindlichen Elements 120 im Lichtweg des von dem Spiegel 112 zu einem Brennpunkt auf der Einfallsoberfläche des brechenden Körpers 111 reflektierten Lichts erzeugt werden, wie es in 11 dargestellt ist. Somit kann Licht in einem weiten Winkelbereich wirksam gebündelt werden. 11 ist eine Schnittansicht, die eine Modifikation des optischen Empfängers 100 darstellt.
Die obige Beschreibung nimmt als ein Beispiel einen Fall an, in dem die Einfallsoberfläche 111a des brechenden Körpers 111 eine ebene Oberfläche senkrecht zur optischen Achse ist. Jedoch kann die Einfallsoberfläche 111a als eine gekrümmte Oberfläche ausgebildet sein, wie es in den 5A bis 5C gezeigt ist, auf die im Zusammenhang mit der bevorzugten Ausführungsform Bezug genommen ist. Ferner kann sie als eine Fresnel-Oberfläche ausgebildet sein, wie es in 6 dargestellt ist, deren Inhalt nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist.
Wie es in 9 dargestellt ist, verwendet die zweite Variation einen exzentrischen Ellipsoidspiegel. Statt dessen kann ein anderer Ellipsoidspiegel (ein Ellipsoid, in dem die Spiegeloberfläche dessen Hauptachse schneidet) als ein exzentrischer Ellipsoidspiegel verwendet werden.
(Dritte Variation)
Nachfolgend ist eine dritte Variation mit Bezug auf 12 beschrieben. 12 ist eine Schnittansicht, die eine allgemeine Konfiguration eines optischen Empfängers 100 darstellt; sie entspricht 2B, deren Inhalt ebenfalls nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist. In 12 ist kein Klebemittel 130 vorhanden.
Wie es in 12 gezeigt ist, ist die entgegengesetzte Fläche 111b des brechenden Körpers 111 als eine Fresnel-Oberfläche entsprechend einer gekrümmten Oberfläche, konvex auf der der Einfallsoberfläche 111a abgewandten Seite, ausgebildet ist, und der Spiegel 112 ist als ein Fresnel-Spiegel 112 in Übereinstimmung mit der Fresnel-Oberfläche ausgebildet. Das lichtempfindliche Element 120 mit der rechtwinkligen Lichtempfangsoberfläche 121 ist an einer die optische Achse überlappenden Position auf der Einfallsoberfläche 111a ausgebildet. Gemäß dieser Ausführungsform ist die entgegengesetzte Fläche 111b als eine Fresnel-Oberfläche in Übereinstimmung mit der im Zusammenhang mit der ersten Ausführungsform beschriebenen gekrümmten Fläche ausgebildet, und der Spiegel 112 ist als ein Fresnel-Spiegel 112 ausgebildet.
Ferner tritt in dem optischen Empfänger 100, der den Fresnel-Spiegel 112 verwendet, wie oben erwähnt, der gleiche Effekt auf wie in dem im Zusammenhang mit der ersten Ausführungsform bis zur dritten Ausführungsform beschriebenen konkaven Spiegel 112. Zusätzlich kann der optische Empfänger gemäß dieser Ausführungsform in der Richtung entlang der optischen Achse kleiner als der mit dem konkaven Spiegel 112 ausgestattete optische Empfänger 100 ausgelegt sein.
Obwohl oben die vorliegende Erfindung vollständig in Verbindung mit deren bevorzugter Ausführungsform unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben ist, ist zu beachten, dass verschiedene Modifikationen und Veränderungen für den Fachmann auf dem Gebiet ersichtlich sind.
Zum Beispiel nimmt die Beschreibung dieser Ausführungsformen als Beispiele Fälle an, in denen das lichtempfindliche Element 120 auf der Einfallsoberfläche 111a des brechenden Körpers 111 durch das Klebemittel 130 befestigt ist. Jedoch muss das lichtempfindliche Element 120 lediglich wenigstens auf der Einfallsoberfläche 111a befestigt sein. Daher kann die in 13 dargestellte Konstruktion verwendet werden. Das heißt, eine Antireflexionsschicht 140 ist auf der Oberfläche der Einfallsoberfläche 111a des brechenden Körpers 111 vorgesehen, und das lichtempfindliche Element 120 ist auf der Antireflexionsschicht 140 befestigt. Durch Bereitstellen der Antireflexionsschicht 140 wie oben erwähnt kann das an der Oberfläche des brechenden Körpers 111 (z. B. an der Grenze zwischen Luft und der Einfallsoberfläche 111a) reflektierte Licht reduziert werden. Mit anderen Worten, der Lichtbündelungswirkungsgrad kann vergrößert werden. Die Konstruktion der Antireflexionsschicht 140 kann entsprechend der Wellenlänge des von dem Lichtsender 20 projizierten Laserlichts eingestellt werden. 13 ist eine Schnittansicht, die eine weitere Modifikation des optischen Empfängers 100 darstellt, die nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist.
Die obige Beschreibung nimmt als Beispiele Fälle, in denen das Folgende implementiert ist: Eine Fotodiode, die in einem Halbleitersubstrat gebildet ist, wird als das lichtempfindliche Element 120 verwendet, und das lichtempfindliche Element ist auf der Einfallsoberfläche 111a des brechenden Körpers 111 angeordnet, wobei seine Lichtempfangsoberfläche 121 in Richtung der Einfallsoberfläche 111a gerichtet ist. Das heißt, in diesen Beispielen wird Licht nur von der Seite der Lichtempfangsoberfläche 121 empfangen. Statt dessen kann die in 14 dargestellte Konstruktion verwendet werden. In dieser Konstruktion ist das lichtempfindliche Element 120 teilweise von der Seite der entgegengesetzten Fläche 122 zu der Lichtempfangsoberfläche 121 entfernt, und der Lichterfassungsabschnitt ist als ein dünner Abschnitt 123 ausgebildet. Wenn das lichtempfindliche Element 120 als so genannte Grabenstruktur ausgebildet ist, wie es oben erwähnt ist, kann Licht auch von der Seite der entgegengesetzten Fläche 122 bis zu Lichtempfangsoberfläche 121 empfangen werden, und der Lichtbündelungs-(Lichtempfangs-)Wirkungsgrad kann erhöht werden. 14 ist eine Schnittansicht, die eine weitere Modifikation des optischen Empfängers 100 darstellt.
Die obige Beschreibung nimmt als Beispiele Fälle, in denen nur ein lichtempfindliches Element 120 auf der Einfallsoberfläche 111a des brechenden Körpers 111 angeordnet ist. Statt dessen kann eine Mehrzahl von lichtempfindlichen Elementen 120 auf der Einfallsoberfläche 111a angeordnet sein. In diesem Fall tritt jedoch ein Problem auf. Wenn eine Mehrzahl von lichtempfindlichen Elementen 120 an unterschiedlichen Positionen auf der Einfallsoberfläche 111a angeordnet sind, wird von außen kommendes Licht durch die Mehrzahl von lichtempfindlichen Elementen 120 blockiert. Dies verringert den Effekt des brechenden Körpers 111. Um dem zu begegnen, kann die in 15A dargestellte Konstruktion verwendet werden, wenn der optische Empfänger zum Beispiel so ausgebildet ist, dass er zwei lichtempfindliche Elemente 120a und 120b umfasst. Das heißt, ein erstes lichtempfindliches Element 120a ist mit seiner Lichtempfangsoberfläche 121a in Richtung der Einfallsoberfläche 111a gerichtet. Ein zweites lichtempfindliches Element 120b ist in Kontakt mit dem ersten lichtempfindlichen Element 120a angeordnet, wobei seine Lichtempfangsoberfläche 121b in entgegengesetzter Richtung zu der Einfallsoberfläche 111a weist. (Das zweite lichtempfindliche Element ist so angeordnet, dass die entgegengesetzte Fläche zu seiner zweiten Lichtempfangsoberfläche 121b der entgegengesetzten Fläche zu der Lichtempfangsoberfläche 121a des ersten lichtempfindlichen Elements 120a entgegengesetzt ist). Wenn der optische Empfänger so ausgebildet ist, dass die zwei lichtempfindlichen Elemente 120a, 120b zusammengestapelt sind, wie es oben erwähnt ist, so ergibt sich der folgende Vorteil: Der Lichtbündelungs-(Lichtempfangs-)Wirkungsgrad kann erhöht werden, ohne einen Bereich zu vergrößern, in dem die Einfallsoberfläche 111a des brechenden Körpers 111 durch die lichtempfindlichen Elemente 120 abgeschirmt ist. Die in 15B dargestellte Konstruktion kann verwendet werden. Das heißt, der optische Empfänger kann so ausgebildet sein, dass der Bereich des zweiten lichtempfindlichen Elements 120b in der Richtung senkrecht zu der optischen Achse kleiner als der Bereich des ersten lichtempfindlichen Elements 120a ist. In diesem Fall kann von der zu der Lichtempfangsoberfläche 121a des ersten lichtempfindlichen Elements 120a entgegengesetzten Fläche der offengelegte Abschnitt als ein Verdrahtungsabschnitt verwendet werden.
Die Antenne und der brechende Körper sind hier miteinander in Kontakt. Jedoch können die Antenne und der brechende Körper auch von einander getrennt sein, solange die damit einhergehende Verschlechterung des Signals nicht gravierend ist. Vorzugsweise sind die Antenne und der brechende Körper aufgrund eines Einflusses auf die Leistungsfähigkeit der Einrichtung miteinander in Kontakt.

Claims

Lichtempfänger (100) mit: – einem brechenden Körper (111), der ein von außen in einem Einfallswinkel einfallendes Licht empfängt und das einfallende Licht mit einem Brechungswinkel bricht, wobei der Brechungswinkel kleiner als der Einfallswinkel ist; – einem ersten Lichtempfangselement (120), das in einer Position auf einer Einfallsoberfläche (111a) des brechenden Körpers (111) angeordnet ist, wobei eine Lichtempfangsfläche des ersten Lichtempfangselements (120) zur Einfallsoberfläche (111a) des brechenden Körpers (111) gerichtet ist; und – einem Spiegel (112), der auf einer entgegengesetzten Fläche (111b) angeordnet ist, die auf einer entgegengesetzten Seite des brechenden Körpers (111) relativ zu der Einfallsoberfläche (111a) angeordnet ist, wobei der Spiegel (112) wenigstens einen Teil des durch die Einfallsoberfläche (111a) in den brechenden Körper (111) eindringenden einfallenden Lichts in Richtung des ersten Lichtempfangselements (120) reflektiert, – wobei die Einfallsoberfläche (111a) einen konkav gekrümmten Abschnitt und einen konvex gekrümmten Abschnitt umfasst.
Lichtempfänger (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die entgegengesetzte Fläche (111b) des brechenden Körpers (111) eine gekrümmte Oberfläche ist, die in einer entgegengesetzten Richtung bezüglich der Einfallsoberfläche (111a) hervorragt, und dass der Spiegel (112) eine konkave Form aufweist, die sich entlang der gekrümmten Oberfläche erstreckt.
Lichtempfänger (100) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Spiegel (112) ein sphärischer Reflektor ist.
Lichtempfänger (100) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verhältnis zwischen einem Abstand der entgegengesetzten Fläche (111b) von der Einfallsoberfläche (111a), gemessen entlang einer optischen Achse, und einem Krümmungsradius des Spiegels (112) zwischen 0,25 und 0,40 beträgt.
Lichtempfänger (100) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Spiegel (112) ein parabolischer Reflektor ist.
Lichtempfänger (100) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verhältnis zwischen einem Abstand der entgegengesetzten Fläche (111b) von der Einfallsoberfläche (111b), gemessen entlang einer optischen Achse, und einem Krümmungsradius an einem Scheitel einer parabolischen Oberfläche des Spiegels (112) innerhalb eines Bereichs zwischen 0,30 und 0,45 liegt.
Lichtempfänger (100) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Spiegel (112) ein Reflektor mit einer ellipsoiden Oberfläche ist.
Lichtempfänger (100) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verhältnis zwischen einem Abstand der entgegengesetzten Fläche (111b) von der Einfallsoberfläche (111a), gemessen entlang einer optischen Achse, und einem Krümmungsradius an einem Scheitel einer ellipsoiden Oberfläche des Spiegels (112) innerhalb eines Bereichs zwischen 0,18 und 0,40 liegt.
Lichtempfänger (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die entgegengesetzte Fläche (111b) des brechenden Körpers (111) eine Fresnel-Oberfläche ist, die ein Äquivalent zu einer konvexen Oberfläche ist, die in einer entgegengesetzten Richtung relativ zu der Einfallsoberfläche (111a) hervorragt, und der Spiegel (112) ein Fresnel-Reflektor ist, der sich entlang der Fresnel-Oberfläche erstreckt.
Lichtempfänger (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der brechende Körper (111) aus einem Glas gebildet ist.
Lichtempfänger (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der brechende Körpers (111) aus einem synthetischen Harz gebildet ist.
Lichtempfänger (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der brechende Körper (111) aus einem Halbleiter gebildet ist.
Lichtempfänger (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Lichtempfangselement (120) auf der Einfallsoberfläche (111a) des brechenden Körpers (111) befestigt ist.
Lichtempfänger (100) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Lichtempfangselement (120) auf der Einfallsoberfläche (111a) des brechenden Körpers (111) mit einem Klebemittel befestigt ist, das den gleichen Brechungsindex wie der brechende Körper (111) aufweist.
Lichtempfänger (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Einfallsoberfläche (111a) des brechenden Körpers (111) eine Antireflexionsschicht (140) angeordnet ist, und dass das erste Lichtempfangselement (120) auf der Antireflexionsschicht (140) ausgebildet ist.
Lichtempfänger (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Lichtempfangselement (120) einen dünnen Abschnitt (123) aufweist, der dadurch gebildet ist, dass von einer entgegengesetzten Oberfläche der Lichtempfangsfläche die Dicke reduziert ist.
Lichtempfänger (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass er ferner ein zweites Lichtempfangselement (120b) umfasst, das von dem ersten Lichtempfangselement (120a) getrennt ist, wobei das zweite Lichtempfangselement (120b) in Kontakt mit dem ersten Lichtempfangselement (120a) angeordnet ist, wobei dessen rückwärtige Fläche der Lichtempfangsfläche (121b) einer rückwärtigen Fläche der Lichtempfangsfläche (121a) des ersten Lichtempfangselements (120a) gegenüberliegt.
Lichtempfänger (100) nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass ein Bereich (120b) des zweiten Lichtempfangselements kleiner als ein Bereich (120a) des ersten Lichtempfangselements (120) ist, wenn jeder der Bereiche der Lichtempfangselemente als die Größe der Lichtempfangsfläche jeweiliger Elemente gemessen ist.
Radarvorrichtung (10) mit: – einem Lichtsender (20), der ein Laserlicht aussendet; und – dem Lichtempfänger (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 18, der ein Reflexionslicht des Laserlichts empfängt, das durch einen reflektierenden Körper reflektiert wird.