專利名稱：受光元件用濾波器以及受光裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于接收具有已知頻譜分布的信號光的受光元件的受光元件用濾波器以及具有該受光元件用濾波器的受光裝置。
背景技術(shù)：
當(dāng)前正在開發(fā)向?qū)ο笳丈浼t外區(qū)域等具有已知頻譜分布的信號光，接收來自對象的信號光并獲得對象的圖像的攝像裝置(例如日本特許3214195號公報(bào))和測定與對象的距離的距離測定裝置(例如日本特許3272699號公報(bào))。另外，還廣泛使用著向空間照射紅外區(qū)域等具有已知頻譜分布的信號光，檢測該空間內(nèi)有無物體的物體檢測裝置。尤其在室外使用上述攝像裝置、距離測定裝置和物體檢測裝置等的情況下，太陽光等的干擾會給予距離測定精度和物體檢測精度以較大影響。為了減小干擾的影響，使用使信號光波長透過的頻帶濾波器等。然而例如當(dāng)室外太陽光的強(qiáng)度影響非常大的情況下， 無法通過現(xiàn)有方法充分去除干擾。專利文獻(xiàn)1 日本特許第3214195號專利文獻(xiàn)2 日本特許第3272699號因此，對于能充分去除室外太陽光等導(dǎo)致的干擾的受光元件用濾波器以及能夠充分去除上述干擾的影響的受光元件存在需求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明方式涉及的受光元件用濾波器用于接收具有已知頻譜分布的信號光的受光元件。本發(fā)明方式涉及的受光元件用濾波器設(shè)受光元件中的干擾光的能量密度為Ni，受光元件的該信號光的能量密度為N2，構(gòu)成為在限制條件下m/(N2)2為最小。根據(jù)本發(fā)明方式的受光元件用濾波器，構(gòu)成為在限制條件下m/(N2)2為最小，從而能獲得限制條件下S/N比最大的受光元件。在本發(fā)明實(shí)施方式的受光元件用濾波器中，信號光為紅外線波長區(qū)域的光。根據(jù)本實(shí)施方式，信號光是紅外線波長區(qū)域的光，屬于人眼無法識別的波長頻帶， 因此能安全使用，由于太陽光的放射照度比可見光區(qū)域低，因此能降低太陽光導(dǎo)致的干擾。在本發(fā)明實(shí)施方式的受光元件用濾波器中，信號光的光源是在紅外線波長范圍發(fā)光的激光器或發(fā)光二極管。根據(jù)本實(shí)施方式，能夠容易生成具有已知頻譜分布的信號光。在本發(fā)明實(shí)施方式的受光元件用濾波器中，干擾光主要為太陽光。根據(jù)本實(shí)施方式，由于太陽光的頻譜分布是已知的，因此能以較高精度求出m。本發(fā)明方式涉及的受光裝置包括透鏡光學(xué)系統(tǒng)、受光元件和本發(fā)明的任意一個(gè)實(shí)施方式涉及的受光元件用濾波器。本方式的受光裝置在限制條件下使S/N比為最大，從而能以高精度獲取信號。本發(fā)明方式涉及的距離測定裝置包括本發(fā)明方式涉及的受光裝置。
本方式涉及的距離測定裝置包括本發(fā)明方式涉及的受光裝置，因此能以高精度測
定距尚。本發(fā)明涉及的制造受光元件用濾波器的方法是制造用于接收具有已知頻譜分布的信號光的受光元件的受光元件用濾波器的方法。本方法包括如下步驟暫時(shí)確定該受光元件用濾波器的規(guī)格；設(shè)該受光元件中的干擾光的能量密度為Ni，求出m ；設(shè)該受光元件的信號光的能量密度為N2，求出N2 ；求出N1/(N2)2 ；以及按照在限制條件下使m/(N2)2為最小的方式確定該受光元件用濾波器的規(guī)格。根據(jù)本發(fā)明，在限制條件下使m/(N2)2為最小，從而能制造出限制條件下S/N比最大的受光元件。在本發(fā)明實(shí)施方式涉及的制造受光元件用濾波器的方法中，根據(jù)干擾光的頻譜分布和上述受光元件用濾波器的特性求出Ni，根據(jù)上述信號光的上述已知頻譜分布和上述受光元件用濾波器的特性求出N2。根據(jù)本實(shí)施方式，當(dāng)干擾光的頻譜分布為已知的情況下，能以高精度求出Ni/ (N2)2，因此能可靠地制造出S/N比最大的受光元件。本發(fā)明方式涉及的受光元件用濾波器是用于接收具有已知頻譜分布的信號光的受光元件的受光元件用濾波器，主要的干擾光為太陽光，構(gòu)成為透過的信號光的光量相對于入射的信號光的光量的比率在70%以上且在87%以下。根據(jù)本發(fā)明方式的受光元件用濾波器，使透過的信號光的光量相對于入射的信號光的光量的比率在70%以上且在87%以下，從而能獲得最大值附近的S/N比。


圖1是表示具有本發(fā)明的受光元件用濾波器的距離測定裝置的構(gòu)成的一例的圖。圖2是表示通過光源而發(fā)光的光的頻譜分布的一例的圖。圖3是表示作為主要干擾的太陽光的頻譜分布的圖。圖4是作為一例示出受光元件的對于波長的量子效率的圖。圖5是作為一例示出吸收濾波器的透過率對于波長的圖。圖6是作為一例示出帶通濾波器的透過率對于波長的圖。圖7是表示確定帶通濾波器的規(guī)格的步驟的流程圖。圖8是表示改變了中心波長940nm的帶通濾波器的透過率時(shí)的帶通濾波器特性的圖。圖9是表示改變了中心波長850nm的帶通濾波器的透過率時(shí)的帶通濾波器特性的圖。圖10是表示關(guān)于圖8和圖9定義的透過率與N1/(N2)2的關(guān)系的圖。圖11是表示m/(N2)2與圖1所示距離測定裝置的距離測定精度的關(guān)系的圖。
具體實(shí)施例方式圖1是表示具有本發(fā)明的受光元件用濾波器的距離測定裝置的構(gòu)成的一例的圖。 在圖1中，從光源IOla和光源IOlb向?qū)ο笪矬w照射光。光源可以是在紅外線波長范圍發(fā)光的激光器或發(fā)光二極管。使用紅外線波長范圍的信號光的理由在于，由于是人眼無法識別的波長頻帶，因此能安全使用，而且如圖3所示，太陽光的放射照度低于可見光頻帶，因此能降低太陽光導(dǎo)致的干擾。被對象物體反射的光通過第1透鏡103、吸收濾波器105、第 2透鏡107、第3透鏡109以及帶通濾波器111而到達(dá)受光元件113。第1透鏡103例如是凹透鏡，以獲得視場角大的圖像。第2透鏡107例如是凸透鏡，以調(diào)制各種光學(xué)性能。第3透鏡109例如是凸透鏡，以向受光元件成像。受光元件113 可以是所謂的 CCD (Charge-Coupled Device)和 CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor)等攝像兀件。成像于受光元件113的光被發(fā)送到未圖示的處理單元，在處理單元內(nèi)根據(jù)相位原理或工作時(shí)間測定原理求出與測定對象物之間的距離。若受光元件113為2維陣列，則可獲得具有距離信息的2維圖像。圖2是表示通過光源IOla和光源IOlb而發(fā)光的光的頻譜分布的一例的圖。橫軸表示波長，縱軸表示相對強(qiáng)度。本例中，發(fā)出的光的中心波長為940nm。圖3是表示作為主要干擾的太陽光的頻譜分布的圖。圖4是作為一例示出受光元件113的對于波長的量子效率的圖。其中，量子效率指的是轉(zhuǎn)換為電子的光子數(shù)相對于受光元件113獲取的光子數(shù)的比率。圖5是作為一例示出吸收濾波器105的透過率對于波長的圖。吸收濾波器105例如是由添加了吸收色素的樹脂和玻璃構(gòu)成的濾波器?？墒褂檬忻嫔箱N售的產(chǎn)品。作為一例， 可舉出使用了三菱樹脂工程塑料株式會社制的聚碳酸酯的IupilOnS3000R(商品名)等。圖6是作為一例表示帶通濾波器111的透過率對于波長的圖。帶通濾波器111例如是由介電質(zhì)多層膜構(gòu)成的濾波器和使用了染料或顏料的濾波器。帶通濾波器111的透過頻帶的中心波長優(yōu)選被設(shè)定為所發(fā)出的光的中心波長。作為由介電質(zhì)多層膜構(gòu)成的帶通濾波器的一例，在日本特開2005-266653號公報(bào)中有所描述。作為使用了染料或顏料的帶通濾波器的一例，在日本實(shí)開平5-21201號公報(bào)中有所描述。圖7是表示確定帶通濾波器111的規(guī)格的步驟的流程圖。其中，確定帶通濾波器 111的規(guī)格指的是確定帶通濾波器111的對于波長的透過率。以下舉例說明主要的干擾光為太陽光的情況。最開始考察S/N比。其中S表示信號光強(qiáng)，N表示噪聲、即表示干擾光強(qiáng)。信號光強(qiáng)S通常通過S =(信號光的入射光子數(shù))X (受光元件的量子效率)X (積分時(shí)間)X (受光元件面積)計(jì)算出來。另一方面，假定噪聲N可通過N =常數(shù)X (干擾光的入射光子數(shù))1/2計(jì)算出來。N 與入射光子數(shù)的平方根成正比的理由在于，假定噪聲成分表示光肖特基噪聲那樣的舉動。 光子數(shù)的平均值是根據(jù)光源強(qiáng)度而確定的，而光子數(shù)的分布表示泊松分布。因此，對于光子數(shù)的平均值的標(biāo)準(zhǔn)偏差可通過光子數(shù)的平方根給予。后面會對上述假定加以驗(yàn)證。因此，成為S/N = AX (信號光的入射光子數(shù))/ (干擾光的入射光子數(shù))“2⑴。其中，A是常數(shù)。對式(1)的兩邊取乘方倒數(shù)，則為(ΝΛ)2 = BX (干擾光的入射光子數(shù))/ (信號光的入射光子數(shù))\2)。其中B=l/A2。在式(2)中，用受光元件上的干擾光的能量密度m表示進(jìn)入受光元件中的干擾光的入射光子數(shù)，用受光元件上的信號光的能量密度N2表示進(jìn)入受光元件的信號光的入射光子數(shù)，則為Ni/(N2)2 (3)。
在圖7的步驟SOlO中，暫時(shí)確定帶通濾波器111的規(guī)格(對于波長的透過率)。在圖7的步驟S020中，求出受光元件113的信號光的能量密度N2。受光元件113 的信號光的能量密度N2既可以通過測定求出，也可以通過計(jì)算求出。通過測定求得的情況下，在不存在干擾光的環(huán)境下，通過頻譜分析器等測定從光源發(fā)出并被對象物體反射并散射的光中通過了吸收濾波器、帶通濾波器后入射到受光元件113的位置的光的頻譜和強(qiáng)度。根據(jù)所測定出的每個(gè)波長的光強(qiáng)信息獲得能量密度N2。通過計(jì)算求出的情況下，事先測定光源的各波長的發(fā)光強(qiáng)度(IO)和各波長的對象物體的反射率(Rl)、吸收濾波器的透過率(Tl)、帶通濾波器透過率(1 。還計(jì)算通過透鏡設(shè)計(jì)確定的光取入效率(η)。對光源的各波長的發(fā)光強(qiáng)(IO)乘以各波長的對象物體的反射率(Rl)、吸收濾波器的透過率(Tl)、 帶通濾波器透過率(Τ2)、透鏡部光取入效率(η)的值就是各波長的光源光的能量密度Ν2。 求出Ν2時(shí)，可以乘以受光元件113的量子效率(圖4)，求出實(shí)效能量密度。在圖7的步驟S030中，求出受光元件113的干擾光的能量密度附。受光元件113 的干擾光的能量密度W既可以通過測定求出，也可以通過計(jì)算求出。通過測定求得的情況下，例如通過頻譜分析器等測定不存在信號光和太陽光以外的干擾光的環(huán)境下太陽光被對象物體反射、散射的光中通過了吸收濾波器、帶通濾波器后入射到受光元件113的位置的光的頻譜和強(qiáng)度。根據(jù)所測定出的每個(gè)波長的光強(qiáng)信息獲得能量密度W。通過計(jì)算求出的情況下，事先測定太陽光的各波長的發(fā)光強(qiáng)(Is)和各波長的對象物體的反射率(R2)、吸收濾波器的透過率(T3)、帶通濾波器透過率(T4)。還計(jì)算通過透鏡設(shè)計(jì)確定的光取入效率 (η)。對太陽光的各波長的發(fā)光強(qiáng)(Is)乘以各波長的對象物體的反射率(R2)、吸收濾波器的透過率CH)、帶通濾波器透過率(T4)、透鏡部光取入效率(η)的值就是各波長的太陽光的能量密度W。求出m時(shí)，可以乘以受光元件113的量子效率(圖4)，求出實(shí)效能量密度。在圖7的步驟S040中，求出m/(N2)2的值。在圖7的步驟S050中，以使N1/(N2)2的值為最小的方式，改變帶通濾波器111的
透過率。下面說明圖7的步驟S050的詳細(xì)內(nèi)容。圖8是表示改變了中心波長為940nm的帶通濾波器的透過率時(shí)的帶通濾波器特性的圖。帶通濾波器的透過率指的是透過帶通濾波器的信號光的光量相對于入射到帶通濾波器的信號光的光量的比率。橫軸表示波長，縱軸表示通過帶通濾波器后的光的相對強(qiáng)度。帶通濾波器是梯形形狀，通過改變梯形下底的寬度能改變特性。圖8(a)、(b)、(c)和(d)將梯形的下底寬度分別為140nm、100nm、85nm和70nm的帶通濾波器的特性與信號光的頻譜分布一起表示出來。例如帶通濾波器為由介電質(zhì)多層膜構(gòu)成的濾波器時(shí)，其特性可通過對膜的材料、膜厚和層數(shù)進(jìn)行調(diào)整來改變。表1是表示圖8(a)、(b)、(c)和(d)的帶通濾波器的透過率和M/(N2)2的值的表。 在表1中，Ni/(N2)2的值在圖8(c)時(shí)最小。通常地，帶通濾波器的透過率與m/(N2)2的關(guān)系可通過后面說明的圖10所示的函數(shù)表示。因此，求出m/(N2)2的最小值就相當(dāng)于求出圖10所示函數(shù)的最小值。而求出函數(shù)的最小是，例如可以將橫軸所示帶通濾波器的透過率分割為足夠小的區(qū)間，求出每個(gè)區(qū)間的m/(N2)2的值，求其最小值。
表1
權(quán)利要求
1.一種受光元件用濾波器，其用于接收具有已知頻譜分布的信號光的受光元件，其中， 設(shè)受光元件中的干擾光的能量密度為Ni，受光元件的該信號光的能量密度為N2，按照使m/(N2)2為最小的方式，在70%以上且87%以下的范圍內(nèi)確定透過該受光元件用濾波器的光量相對于入射到該受光元件用濾波器的該信號光的光量的比率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的受光元件用濾波器，其中，信號光為紅外線波長區(qū)域的光。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的受光元件用濾波器，其中，信號光的光源是在紅外線波長范圍內(nèi)發(fā)光的激光器或發(fā)光二極管。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的受光元件用濾波器，其中，干擾光主要為太陽光。
5.一種包括透鏡光學(xué)系統(tǒng)、受光元件以及權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的受光元件用濾波器的受光裝置。
6.一種包括權(quán)利要求5所述的受光裝置的距離測定裝置。
7.—種制造受光元件用濾波器的方法，該受光元件用濾波器用于接收具有已知頻譜分布的信號光的受光元件，該方法包括如下步驟暫時(shí)確定該受光元件用濾波器的透過率對于波長的特性； 設(shè)該受光元件中的干擾光的能量密度為Ni，求出m ； 設(shè)該受光元件的信號光的能量密度為N2，求出N2 ； 求出N1/(N2)2;以及改變該受光元件用濾波器的透過率對于波長的特性，改變透過該受光元件用濾波器的光量相對于入射到該受光元件用濾波器的該信號光的光量的比率，并使m/(N2)2為最小。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制造受光元件用濾波器的方法，其中，根據(jù)干擾光的頻譜分布和上述受光元件用濾波器的透過率對于波長的特性求出Ni，根據(jù)上述信號光的上述已知頻譜分布和上述受光元件用濾波器的透過率對于波長的特性求出N2。
全文摘要
本發(fā)明提供一種受光元件用濾波器以及受光裝置，其能夠充分去除室外的太陽光等導(dǎo)致的干擾。本發(fā)明方式所提供的受光元件用濾波器用于接收具有已知頻譜分布的信號光的受光元件。本發(fā)明方式提供的受光元件用濾波器中，將受光元件中的干擾光的能量密度設(shè)為N1，將受光元件的該信號光的能量密度設(shè)為N2，在限制條件下構(gòu)成為N1/(N2)2為最小。
文檔編號G02B5/20GK102349003SQ200980157968
公開日2012年2月8日 申請日期2009年12月2日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月13日
發(fā)明者井上恭明 申請人:納盧克斯株式會社