专利名称：受光元件用滤波器以及受光装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于接收具有已知频谱分布的信号光的受光元件的受光元件用滤波器以及具有该受光元件用滤波器的受光装置。
背景技术：
当前正在开发向对象照射红外区域等具有已知频谱分布的信号光，接收来自对象的信号光并获得对象的图像的摄像装置(例如日本特许3214195号公报)和测定与对象的距离的距离测定装置(例如日本特许3272699号公报)。另外，还广泛使用着向空间照射红外区域等具有已知频谱分布的信号光，检测该空间内有无物体的物体检测装置。尤其在室外使用上述摄像装置、距离测定装置和物体检测装置等的情况下，太阳光等的干扰会给予距离测定精度和物体检测精度以较大影响。为了减小干扰的影响，使用使信号光波长透过的频带滤波器等。然而例如当室外太阳光的强度影响非常大的情况下， 无法通过现有方法充分去除干扰。专利文献1 日本特许第3214195号专利文献2 日本特许第3272699号因此，对于能充分去除室外太阳光等导致的干扰的受光元件用滤波器以及能够充分去除上述干扰的影响的受光元件存在需求。
发明内容
本发明方式涉及的受光元件用滤波器用于接收具有已知频谱分布的信号光的受光元件。本发明方式涉及的受光元件用滤波器设受光元件中的干扰光的能量密度为Ni，受光元件的该信号光的能量密度为N2，构成为在限制条件下m/(N2)2为最小。根据本发明方式的受光元件用滤波器，构成为在限制条件下m/(N2)2为最小，从而能获得限制条件下S/N比最大的受光元件。在本发明实施方式的受光元件用滤波器中，信号光为红外线波长区域的光。根据本实施方式，信号光是红外线波长区域的光，属于人眼无法识别的波长频带， 因此能安全使用，由于太阳光的放射照度比可见光区域低，因此能降低太阳光导致的干扰。在本发明实施方式的受光元件用滤波器中，信号光的光源是在红外线波长范围发光的激光器或发光二极管。根据本实施方式，能够容易生成具有已知频谱分布的信号光。在本发明实施方式的受光元件用滤波器中，干扰光主要为太阳光。根据本实施方式，由于太阳光的频谱分布是已知的，因此能以较高精度求出m。本发明方式涉及的受光装置包括透镜光学系统、受光元件和本发明的任意一个实施方式涉及的受光元件用滤波器。本方式的受光装置在限制条件下使S/N比为最大，从而能以高精度获取信号。本发明方式涉及的距离测定装置包括本发明方式涉及的受光装置。
本方式涉及的距离测定装置包括本发明方式涉及的受光装置，因此能以高精度测
定距尚。本发明涉及的制造受光元件用滤波器的方法是制造用于接收具有已知频谱分布的信号光的受光元件的受光元件用滤波器的方法。本方法包括如下步骤暂时确定该受光元件用滤波器的规格；设该受光元件中的干扰光的能量密度为Ni，求出m ；设该受光元件的信号光的能量密度为N2，求出N2 ；求出N1/(N2)2 ；以及按照在限制条件下使m/(N2)2为最小的方式确定该受光元件用滤波器的规格。根据本发明，在限制条件下使m/(N2)2为最小，从而能制造出限制条件下S/N比最大的受光元件。在本发明实施方式涉及的制造受光元件用滤波器的方法中，根据干扰光的频谱分布和上述受光元件用滤波器的特性求出Ni，根据上述信号光的上述已知频谱分布和上述受光元件用滤波器的特性求出N2。根据本实施方式，当干扰光的频谱分布为已知的情况下，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。本发明方式涉及的受光元件用滤波器是用于接收具有已知频谱分布的信号光的受光元件的受光元件用滤波器，主要的干扰光为太阳光，构成为透过的信号光的光量相对于入射的信号光的光量的比率在70%以上且在87%以下。根据本发明方式的受光元件用滤波器，使透过的信号光的光量相对于入射的信号光的光量的比率在70%以上且在87%以下，从而能获得最大值附近的S/N比。
图1是表示具有本发明的受光元件用滤波器的距离测定装置的构成的一例的图。图2是表示通过光源而发光的光的频谱分布的一例的图。图3是表示作为主要干扰的太阳光的频谱分布的图。图4是作为一例示出受光元件的对于波长的量子效率的图。图5是作为一例示出吸收滤波器的透过率对于波长的图。图6是作为一例示出带通滤波器的透过率对于波长的图。图7是表示确定带通滤波器的规格的步骤的流程图。图8是表示改变了中心波长940nm的带通滤波器的透过率时的带通滤波器特性的图。图9是表示改变了中心波长850nm的带通滤波器的透过率时的带通滤波器特性的图。图10是表示关于图8和图9定义的透过率与N1/(N2)2的关系的图。图11是表示m/(N2)2与图1所示距离测定装置的距离测定精度的关系的图。
具体实施例方式图1是表示具有本发明的受光元件用滤波器的距离测定装置的构成的一例的图。 在图1中，从光源IOla和光源IOlb向对象物体照射光。光源可以是在红外线波长范围发光的激光器或发光二极管。使用红外线波长范围的信号光的理由在于，由于是人眼无法识别的波长频带，因此能安全使用，而且如图3所示，太阳光的放射照度低于可见光频带，因此能降低太阳光导致的干扰。被对象物体反射的光通过第1透镜103、吸收滤波器105、第 2透镜107、第3透镜109以及带通滤波器111而到达受光元件113。第1透镜103例如是凹透镜，以获得视场角大的图像。第2透镜107例如是凸透镜，以调制各种光学性能。第3透镜109例如是凸透镜，以向受光元件成像。受光元件113 可以是所谓的 CCD (Charge-Coupled Device)和 CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor)等摄像兀件。成像于受光元件113的光被发送到未图示的处理单元，在处理单元内根据相位原理或工作时间测定原理求出与测定对象物之间的距离。若受光元件113为2维阵列，则可获得具有距离信息的2维图像。图2是表示通过光源IOla和光源IOlb而发光的光的频谱分布的一例的图。横轴表示波长，纵轴表示相对强度。本例中，发出的光的中心波长为940nm。图3是表示作为主要干扰的太阳光的频谱分布的图。图4是作为一例示出受光元件113的对于波长的量子效率的图。其中，量子效率指的是转换为电子的光子数相对于受光元件113获取的光子数的比率。图5是作为一例示出吸收滤波器105的透过率对于波长的图。吸收滤波器105例如是由添加了吸收色素的树脂和玻璃构成的滤波器。可使用市面上销售的产品。作为一例， 可举出使用了三菱树脂工程塑料株式会社制的聚碳酸酯的IupilOnS3000R(商品名)等。图6是作为一例表示带通滤波器111的透过率对于波长的图。带通滤波器111例如是由介电质多层膜构成的滤波器和使用了染料或颜料的滤波器。带通滤波器111的透过频带的中心波长优选被设定为所发出的光的中心波长。作为由介电质多层膜构成的带通滤波器的一例，在日本特开2005-266653号公报中有所描述。作为使用了染料或颜料的带通滤波器的一例，在日本实开平5-21201号公报中有所描述。图7是表示确定带通滤波器111的规格的步骤的流程图。其中，确定带通滤波器 111的规格指的是确定带通滤波器111的对于波长的透过率。以下举例说明主要的干扰光为太阳光的情况。最开始考察S/N比。其中S表示信号光强，N表示噪声、即表示干扰光强。信号光强S通常通过S =(信号光的入射光子数)X (受光元件的量子效率)X (积分时间)X (受光元件面积)计算出来。另一方面，假定噪声N可通过N =常数X (干扰光的入射光子数)1/2计算出来。N 与入射光子数的平方根成正比的理由在于，假定噪声成分表示光肖特基噪声那样的举动。 光子数的平均值是根据光源强度而确定的，而光子数的分布表示泊松分布。因此，对于光子数的平均值的标准偏差可通过光子数的平方根给予。后面会对上述假定加以验证。因此，成为S/N = AX (信号光的入射光子数)/ (干扰光的入射光子数)“2⑴。其中，A是常数。对式(1)的两边取乘方倒数，则为(ΝΛ)2 = BX (干扰光的入射光子数)/ (信号光的入射光子数)\2)。其中B=l/A2。在式(2)中，用受光元件上的干扰光的能量密度m表示进入受光元件中的干扰光的入射光子数，用受光元件上的信号光的能量密度N2表示进入受光元件的信号光的入射光子数，则为Ni/(N2)2 (3)。
在图7的步骤SOlO中，暂时确定带通滤波器111的规格(对于波长的透过率)。在图7的步骤S020中，求出受光元件113的信号光的能量密度N2。受光元件113 的信号光的能量密度N2既可以通过测定求出，也可以通过计算求出。通过测定求得的情况下，在不存在干扰光的环境下，通过频谱分析器等测定从光源发出并被对象物体反射并散射的光中通过了吸收滤波器、带通滤波器后入射到受光元件113的位置的光的频谱和强度。根据所测定出的每个波长的光强信息获得能量密度N2。通过计算求出的情况下，事先测定光源的各波长的发光强度(IO)和各波长的对象物体的反射率(Rl)、吸收滤波器的透过率(Tl)、带通滤波器透过率(1 。还计算通过透镜设计确定的光取入效率(η)。对光源的各波长的发光强(IO)乘以各波长的对象物体的反射率(Rl)、吸收滤波器的透过率(Tl)、 带通滤波器透过率(Τ2)、透镜部光取入效率(η)的值就是各波长的光源光的能量密度Ν2。 求出Ν2时，可以乘以受光元件113的量子效率(图4)，求出实效能量密度。在图7的步骤S030中，求出受光元件113的干扰光的能量密度附。受光元件113 的干扰光的能量密度W既可以通过测定求出，也可以通过计算求出。通过测定求得的情况下，例如通过频谱分析器等测定不存在信号光和太阳光以外的干扰光的环境下太阳光被对象物体反射、散射的光中通过了吸收滤波器、带通滤波器后入射到受光元件113的位置的光的频谱和强度。根据所测定出的每个波长的光强信息获得能量密度W。通过计算求出的情况下，事先测定太阳光的各波长的发光强(Is)和各波长的对象物体的反射率(R2)、吸收滤波器的透过率(T3)、带通滤波器透过率(T4)。还计算通过透镜设计确定的光取入效率 (η)。对太阳光的各波长的发光强(Is)乘以各波长的对象物体的反射率(R2)、吸收滤波器的透过率CH)、带通滤波器透过率(T4)、透镜部光取入效率(η)的值就是各波长的太阳光的能量密度W。求出m时，可以乘以受光元件113的量子效率(图4)，求出实效能量密度。在图7的步骤S040中，求出m/(N2)2的值。在图7的步骤S050中，以使N1/(N2)2的值为最小的方式，改变带通滤波器111的
透过率。下面说明图7的步骤S050的详细内容。图8是表示改变了中心波长为940nm的带通滤波器的透过率时的带通滤波器特性的图。带通滤波器的透过率指的是透过带通滤波器的信号光的光量相对于入射到带通滤波器的信号光的光量的比率。横轴表示波长，纵轴表示通过带通滤波器后的光的相对强度。带通滤波器是梯形形状，通过改变梯形下底的宽度能改变特性。图8(a)、(b)、(c)和(d)将梯形的下底宽度分别为140nm、100nm、85nm和70nm的带通滤波器的特性与信号光的频谱分布一起表示出来。例如带通滤波器为由介电质多层膜构成的滤波器时，其特性可通过对膜的材料、膜厚和层数进行调整来改变。表1是表示图8(a)、(b)、(c)和(d)的带通滤波器的透过率和M/(N2)2的值的表。 在表1中，Ni/(N2)2的值在图8(c)时最小。通常地，带通滤波器的透过率与m/(N2)2的关系可通过后面说明的图10所示的函数表示。因此，求出m/(N2)2的最小值就相当于求出图10所示函数的最小值。而求出函数的最小是，例如可以将横轴所示带通滤波器的透过率分割为足够小的区间，求出每个区间的m/(N2)2的值，求其最小值。
表1
权利要求
1.一种受光元件用滤波器，其用于接收具有已知频谱分布的信号光的受光元件，其中， 设受光元件中的干扰光的能量密度为Ni，受光元件的该信号光的能量密度为N2，按照使m/(N2)2为最小的方式，在70%以上且87%以下的范围内确定透过该受光元件用滤波器的光量相对于入射到该受光元件用滤波器的该信号光的光量的比率。
2.根据权利要求1所述的受光元件用滤波器，其中，信号光为红外线波长区域的光。
3.根据权利要求2所述的受光元件用滤波器，其中，信号光的光源是在红外线波长范围内发光的激光器或发光二极管。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的受光元件用滤波器，其中，干扰光主要为太阳光。
5.一种包括透镜光学系统、受光元件以及权利要求1至4中任一项所述的受光元件用滤波器的受光装置。
6.一种包括权利要求5所述的受光装置的距离测定装置。
7.—种制造受光元件用滤波器的方法，该受光元件用滤波器用于接收具有已知频谱分布的信号光的受光元件，该方法包括如下步骤暂时确定该受光元件用滤波器的透过率对于波长的特性； 设该受光元件中的干扰光的能量密度为Ni，求出m ； 设该受光元件的信号光的能量密度为N2，求出N2 ； 求出N1/(N2)2;以及改变该受光元件用滤波器的透过率对于波长的特性，改变透过该受光元件用滤波器的光量相对于入射到该受光元件用滤波器的该信号光的光量的比率，并使m/(N2)2为最小。
8.根据权利要求1所述的制造受光元件用滤波器的方法，其中，根据干扰光的频谱分布和上述受光元件用滤波器的透过率对于波长的特性求出Ni，根据上述信号光的上述已知频谱分布和上述受光元件用滤波器的透过率对于波长的特性求出N2。
全文摘要
本发明提供一种受光元件用滤波器以及受光装置，其能够充分去除室外的太阳光等导致的干扰。本发明方式所提供的受光元件用滤波器用于接收具有已知频谱分布的信号光的受光元件。本发明方式提供的受光元件用滤波器中，将受光元件中的干扰光的能量密度设为N1，将受光元件的该信号光的能量密度设为N2，在限制条件下构成为N1/(N2)2为最小。
文档编号G02B5/20GK102349003SQ200980157968
公开日2012年2月8日 申请日期2009年12月2日 优先权日2009年3月13日
发明者井上恭明 申请人:纳卢克斯株式会社