JP5919530B2 - 光学式検知装置およびそれを用いた機器 - Google Patents

Description

本発明は、光学式検知装置およびそれを用いた機器に関するものである。

従来から、光学式検知装置として、所定の検知エリア内で人体から発せられる赤外線の変化量を検出し照明器具などの機器を制御する用途に使用されるものが提案されている（例えば、特許文献１，２）。

特許文献１，２に記載された光学式検知装置は、焦点位置を略同じとする複数枚のレンズが一平面上で組み合わされた多分割レンズと、上記焦点位置に配置された受光素子である赤外線検知素子とを備えている。なお、特許文献１，２には、赤外線検知素子として４個の受光部（素子エレメント）が並んだものを用い、多分割レンズとして１５個のレンズが５個ずつ３列に並んだものを用いた場合、４×１５個の検知ビームが生じることが記載されている。

多分割レンズの各レンズは、第一面が平面、第二面が第一面の法線に対して斜交する主軸をもつ双曲面である。具体的に説明すれば、図１９に示すように、レンズ１１０１は、第二面である双曲面１１２０の回転軸Ｃを、第一面である平面１１１０の法線Ｈと角度θをなすように傾けている。

ここで、レンズ１１０１の頂点Ｏと赤外線検知素子（図示せず）の中心との距離をＬ、レンズ１１０１の焦点距離をｆとすれば、レンズ１１０１の頂点Ｏを通って焦点Ｆにいたる入射光Ｄが法線Ｈに対してなす角度δは、

となる。また、レンズ１１０１の屈折率をｎとすれば、

であるから、角度θは、

で決まる。

レンズ１１０１は、集光光学系として設けられたものであり、頂点Ｏを通って焦点Ｆにいたる入射光Ｄが、法線Ｈに対して角度δをなすとともに、無収差で焦点Ｆに集光される。また、このレンズ１１０１では、角度θを大きくすれば、焦点Ｆに無収差で集光される入射光Ｄが法線Ｈとなす角度δも大きくなる。

ところで、特許文献１，２には、多分割レンズの材料としてポリエチレンを採用し、多分割レンズを射出成形によって製作することが記載されている。

しかしながら、ポリエチレンにより形成されたレンズ１１０１では、肉厚が１ｍｍでも、レンズ１１０１の平面１１１０に垂直入射する波長１０μｍ付近の赤外線の透過率が４０％であり、肉厚が厚くなるほど透過率が低下する。そして、レンズ１１０１の平面１１１０に対して垂直でない方向から入射する入射光Ｄは、レンズ１１０１の最大肉厚よりも光路長が長くなって透過率が低くなりすぎる懸念がある。また、ポリエチレンにより形成されたレンズ１１０１では、肉厚の変化が大きい場合、射出成形の冷却、固化過程で生じる収縮むらなどにより、レンズ１１０１の表面に、ひけ（sink mark）が発生し、レンズ１１０１の外観が損なわれてしまう。

そこで、特許文献１，２には、透過率の低下と、ひけの発生とを抑制するために、レンズ１１０１の最小肉厚を、射出成形時のポリエチレンの流動性の点で許される最小限の値の０．３ｍｍとし、レンズ面積（有効レンズ面積）の確保に影響を与えるレンズ１１０１の最大最小肉厚差を、光学式検知装置の用途（流し元灯用）に応じた所定のレンズ面積の確保に必要な最小限の値の０．５ｍｍとして、レンズ１１０１の最大肉厚を１ｍｍ以下に抑えることが記載されている。

また、特許文献３には、図２０に示すように、集光レンズ４０１をフレネルレンズとし、軸外収差の発生を抑制するために、第二面の各双曲面４２１，４２２，４２３が共有する回転軸Ｃを、第一面である平面４１０に対して斜交させたものが提案されている。ここにおいて、各双曲面４２１，４２２，４２３それぞれがレンズ面を構成している。

特許文献３には、図２０のフレネルレンズ４０１では、各双曲面４２１，４２２，４２３が共有する回転軸Ｃと平面４１０とのなす角度に応じて、焦点に無収差で集光する平行光線と平面４１０の法線Ｎとの間に角度を持たせることができることが記載されている。したがって、図２０のフレネルレンズ４０１では、軸外収差の発生を抑制することができ、平面４１０の法線Ｎに斜交する方向からの光線を効率よく集光することが可能となる。

しかしながら、出射面を構成する各双曲面４２１，４２２，４２３の回転軸Ｃが入射面である平面４１０の法線Ｎに対して斜交したフレネルレンズ４０１は、各双曲面４２１，４２２，４２３が、平面４１０の法線Ｎに対して回転対称ではない。このため、フレネルレンズ４０１やフレネルレンズ４０１用の金型は、旋盤などによる回転加工で製作することが困難である。

そこで、フレネルレンズ４０１やフレネルレンズ４０１用の金型の製作時には、多軸制御の加工機を用い、図２１に示すようにノーズ半径（コーナ半径ともいう）が数μｍの鋭利なバイト（工具）４３０の刃先のみを工作物４４０に点接触させて微小ピッチで切削加工を行うことで各双曲面４２１，４２２，４２３あるいは各曲面を形成する必要がある。工作物４４０は、フレネルレンズ４０１を直接形成するための基材や、金型を形成するための基材である。このため、上述のフレネルレンズ４０１やフレネルレンズ４０１用の金型の製作における加工時間が長くなり、フレネルレンズ４０１のコストアップの要因となってしまう。

これに対して、フレネルレンズの入射面である平面の法線を含む断面形状において各レンズ面の断面形状が直線であれば、図２２に示すようにバイト４３０を工作物４４０に対して傾けて刃の側面を線接触させて切削加工を行うことにより、レンズ面あるいはレンズ面に応じた曲面の形成が可能であるため、加工時間を大幅に短縮することが可能となる。ここで、出射面における各レンズ面の形状が入射面の法線を回転軸として回転対称となるフレネルレンズにおいては、各レンズ面を円錐台の側面により近似することで、各レンズ面の断面形状を直線とできることが知られている（特許文献４）。

なお、特許文献３に開示されたフレネルレンズ４０１および特許文献４に開示されたフレネルレンズは、対象とする光線が赤外線であり、特許文献３，４には、レンズ材料として、ポリエチレンを用いることが開示されている。

特許第３０９０３３６号公報 特許第３０９０３３７号公報 特公平７−３６０４１号公報 米国特許第４７８７７２２号明細書

ところで、本願発明者らは、光学式検知装置を搭載する機器において多分割レンズが機器の外観の一部をなすので、機器のデザイン性を損なわないために、多分割レンズの各レンズにおいて赤外線が入射する側の面の形状を、平面または曲率が小さな曲面とすることを考えた。ここで、光学式検知装置を搭載する機器が防犯センサの場合には、不審者に光学式検知装置の存在や防犯センサの検知エリアを悟られないようにすることが可能となると考えた。さらに、本願発明者らは、光学式検知装置を搭載する機器として、例えばテレビやパーソナルコンピュータのディスプレイなどの機器のように人と光学式検知装置との距離が比較的短くなる機器や、防犯センサなどの機器を考えた場合、多分割レンズの外観が重要となり、比較的近く（例えば、３０ｃｍ程度）から覗き込んでも目視で、レンズ模様が視認できないようにすることが好ましいと考えた。そこで、上述の光学式検知装置においては、多分割レンズの各レンズ１１０１の最大最小肉厚差を例えば上述した０．５ｍｍなる値よりもさらに小さくすることが考えられるが、レンズ模様が視認されるのを難しくできる一方で、所定のレンズ面積を確保できなくなり、結果的に感度が低下してしまう。

そのため、第二面側に形成されたレンズ模様を視認し難くすることが可能なレンズとして、フレネルレンズを採用する選択肢が出てくるのである。しかしながら、出射面における各レンズ面の形状が入射面の法線を回転軸として回転対称となるフレネルレンズにおいて、各レンズ面を円錐台の側面により近似したものでは、外界から第一面へ斜め入射する入射光（例えば、赤外線）を利用する場合に軸外収差が発生してしまう。

本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、多分割レンズの各レンズの第二面側に形成されたレンズ模様を各レンズの第一面側から視認しづらくすることで多分割レンズの外観を高めながらも、外界から第一面へ斜め入射する入射光を利用するレンズの軸外収差の発生を抑制して感度の低下を抑制することが可能であり、且つ低コスト化が可能な光学式検知装置およびそれを用いた機器を提供することにある。

本発明の光学式検知装置は、複数枚のレンズが組み合わされ前記各レンズの焦点位置が同じである多分割レンズと、前記焦点位置に配置された赤外線受光素子を有する赤外線センサとを備え、前記多分割レンズの前記各レンズは、第一面とは反対側の第二面が複数のレンズ面を有するフレネルレンズであり、少なくとも１つの前記レンズ面が、楕円錐の側面の一部からなり、前記第一面上の各点の法線のうち前記楕円錐の側面の一部からなる前記レンズ面に交差する任意の法線と、当該任意の法線が交差する前記レンズ面に対応する前記楕円錐の中心軸とが、非平行であることを特徴とする。

この光学式検知装置において、前記複数の前記レンズ面のうち少なくとも２つの前記レンズ面が、それぞれ前記中心軸の異なる前記楕円錐の前記側面の前記一部からなり、外側に位置する前記レンズ面に対応する前記楕円錐ほど、前記中心軸と前記法線とのなす角度が大きいことが好ましい。

この光学式検知装置において、前記各レンズそれぞれにおける前記複数の前記レンズ面のうち中央の前記レンズ面は、曲率が連続的に変化する非球面の一部からなり、前記第一面上の各点の法線のうち前記非球面の一部からなる中央の前記レンズ面に交差する任意の法線と、当該任意の法線が交差する中央の前記レンズ面に対応する前記非球面の対称軸とが、非平行であることが好ましい。

この光学式検知装置において、前記非球面は、双曲面であることが好ましい。

この光学式検知装置において、前記多分割レンズは、前記多分割レンズの中心から離れた前記レンズほど前記第二面のレンズ面積を大きくしてあることが好ましい。

この光学式検知装置において、前記多分割レンズは、前記各レンズの最大肉厚を同じ肉厚に設定してあることが好ましい。

この光学式検知装置において、前記赤外線受光素子は、長方形状に形成された複数個の素子エレメントが、前記素子エレメントの短手方向に並んでいることが好ましい。

この光学式検知装置において、前記赤外線受光素子は、正方形状に形成された４個の素子エレメントが２×２のマトリクス状に配列されてなり、前記４個の前記素子エレメントのうち対角位置にある２個の前記素子エレメントそれぞれの１つの対角線同士を一直線で結ぶ方向を左右方向として配置されてなることが好ましい。

この光学式検知装置において、前記多分割レンズの前記各レンズと前記赤外線受光素子とによって形成される複数の検知ビームの配置が千鳥状の配置であることが好ましい。

また、光学式検知装置において、前記多分割レンズは、レンズ材料がポリエチレンであることが好ましい。

また、光学式検知装置において、前記多分割レンズは、レンズ材料がポリエチレンであり、且つ、前記第一面が前記第二面側とは反対側に凸となる曲面であることが好ましい。

本発明の機器は、前記光学式検知装置を備えてなることを特徴とする。

本発明の光学式検知装置においては、多分割レンズの各レンズの第二面側に形成されたレンズ模様を各レンズの第一面側から視認しづらくすることで多分割レンズの外観を高めながらも、外界から第一面へ斜め入射する入射光を利用するレンズの軸外収差の発生を抑制して感度の低下を抑制することが可能であり、且つ低コスト化が可能となる。

本発明の機器においては、多分割レンズの各レンズの第二面側に形成されたレンズ模様を各レンズの第一面側から視認しづらくすることで多分割レンズの外観を高めながらも、外界から第一面へ斜め入射する入射光を利用するレンズの軸外収差の発生を抑制して感度の低下を抑制することが可能であり、且つ、低コスト化が可能な光学式検知装置を備えているので、光学式検知装置の感度の低下を抑制し且つ低コスト化を図りながらも光学式検知装置を搭載する機器全体の外観を高めることが可能となる。

（ａ）は実施形態の光学式検知装置の概略断面図、（ｂ）は光学式検知装置の要部概略下面図、（ｃ）は（ｂ）の拡大図である。 実施形態の光学式検知装置の概略構成図である。 実施形態の光学式検知装置の検知エリアの説明図である。 （ａ）は実施形態の光学式検知装置における多分割レンズの要部断面図、（ｂ）は赤外線の進行経路の説明図である。 実施形態の光学式検知装置における多分割レンズの１つのレンズの平面図である。 実施形態の光学式検知装置における赤外線受光素子と検知ビームとの関係説明図である。 実施形態の光学式検知装置の検知エリアの説明図である。 実施形態の光学式検知装置の他の構成例の要部概略下面図である。 実施形態の光学式検知装置の他の構成例の検知エリアの説明図である。 実施形態の光学式検知装置の別の構成例の検知エリアの説明図である。 実施形態の光学式検知装置の多分割レンズにおけるレンズのスポットダイヤグラムである。 （ａ）は実施形態の光学式検知装置における多分割レンズの他の構成例の要部断面図、（ｂ）は赤外線の進行経路の説明図である。 実施形態の光学式検知装置における多分割レンズの他の構成例の要部平面図である。 実施形態の光学式検知装置の多分割レンズにおける他の構成例のレンズのスポットダイヤグラムである。 （ａ）は実施形態の光学式検知装置における多分割レンズの別の構成例の要部断面図、（ｂ）は赤外線の進行経路の説明図である。 実施形態の光学式検知装置の多分割レンズにおける別の構成例のレンズのスポットダイヤグラムである。 （ａ）は実施形態の光学式検知装置を備えた機器の概略正面図、（ｂ）は概略上面図、（ｃ）は概略側面図である。 （ａ）は実施形態の光学式検知装置を備えた他の機器の概略斜視図、（ｂ）は多分割レンズの概略説明図、（ｃ）は検知エリアの説明図である。 従来例の光学式検知装置における多分割レンズの１つのレンズの説明図である。 （ａ）は他の従来例のフレネルレンズの下面図、（ｂ）は他の従来例のフレネルレンズの断面図である。 フレネルレンズの第二面側の各レンズ面が双曲面の場合のフレネルレンズの製作方法の説明図である。 フレネルレンズの第二面側の各レンズ面の断面形状が直線の場合のフレネルレンズの製作方法の説明図である。

以下では、光学式検知装置について、まず、図１〜図６に基づいて説明する。

光学式検知装置Ａは、複数枚のレンズ１０１が組み合わされ各レンズ１０１の焦点位置Ｆが同じである多分割レンズ１と、焦点位置（焦点）Ｆに配置された赤外線受光素子３を有する赤外線センサ２とを備えている。要するに、多分割レンズ１は、赤外線を集光する集光光学系を構成している。なお、複数枚のレンズ１０１は、一面上で組み合わされている。

この光学式検知装置Ａは、赤外線を放射する物体（例えば、人など）の動きを検知して検知信号を出力するものである。ここで、光学式検知装置Ａは、赤外線受光素子３として、焦電型赤外線検知素子を用いている。

赤外線センサ２は、赤外線受光素子３の他に、赤外線受光素子３の出力信号を増幅する増幅部４と、増幅部４で増幅された電圧信号と閾値とを比較し電圧信号が閾値を超えたか否かを判断する判断部５と、判断部５において電圧信号が閾値を超えたと判断されたときに出力を出す出力部６とを備えている。なお、光学式検知装置Ａの検知対象の物体が人である場合、増幅部４としては、例えば、人の動きに近い周波数成分（１Ｈｚを中心とする成分）の電圧信号を増幅するように構成することが好ましく、例えば、特許文献１，２に記載された増幅部と同様の周波数特性を有するものを用いることができる。また、増幅部４は、例えば、赤外線受光素子３から出力される出力信号である焦電電流を電圧信号に変換する電流電圧変換回路と、この電流電圧変換回路により変換された電圧信号のうち所定の周波数帯域の電圧信号を増幅する電圧増幅回路とで構成することができる。また、判断部５は、コンパレータなどを用いた比較回路で構成することができる。また、出力部６は、例えば、判断部５において電圧信号が閾値を超えたと判断されたときに検知信号を出力として出す出力回路により構成することができる。

また、赤外線センサ２は、赤外線受光素子３、増幅部４、判断部５および出力部６などを収納したパッケージ７を備えており、プリント配線板からなる回路基板８に実装して用いることができる。ここにおいて、パッケージ７内には、赤外線受光素子３などを実装した素子保持部材（例えば、ＭＩＤ基板など）９が収納されている。そして、素子保持部材９には、増幅部４と判断部５と出力部６とを１チップ化したＩＣ素子（図示せず）も実装されている。

パッケージ７は、円盤状のステム７１と、このステム７１に接合される有底円筒状のキャップ７２と、このキャップ７２の底部に形成された開口部７２ａを閉塞するように配置され所望の赤外線を透過する機能を有する赤外線透過部材７３とで構成されている。赤外線透過部材７３としては、例えば、シリコン基板やゲルマニウム基板などを用いることが好ましい。なお、パッケージ７は、ステム７１とキャップ７２とが両方とも金属材料により形成されており、赤外線透過部材７３とキャップ７２とを導電性材料により接合してある。

光学式検知装置Ａは、多分割レンズ１を有するカバー部材１０が、パッケージ７を覆うように回路基板８の一表面側に配置されている。なお、カバー部材１０とパッケージ７との間の空間は、空気層であり、断熱層として機能する。

赤外線受光素子３を構成する焦電型赤外線検知素子としては、例えば、図６（ｂ）に示すように、１枚の焦電体基板３０に４個の素子エレメント（受光部）３１が形成されたクワッドタイプの焦電素子を用いることができる。図６（ｂ）に示した赤外線受光素子３は、１枚の焦電体基板３０に４個の素子エレメント３１が２×２のアレイ状に配列されている。図６（ｂ）に示した例では、各素子エレメント３１の平面視形状が正方形状であり、焦電体基板３０の中央部において焦電体基板３０の外周線よりも内側の仮想正方形の４つの角それぞれに素子エレメント３１の中心が位置するように配置されている。

赤外線受光素子３の各素子エレメント３１は、一対の電極（図示せず）の間に焦電体基板３０の一部が介在するコンデンサであり、図６（ｂ）には、各素子エレメント３１の一対の電極のうち多分割レンズ１側に位置する電極の極性を、“＋”、“−”の符号で示してある。ここにおいて、赤外線受光素子３は、４個の素子エレメント３１のうち、仮想正方形の一方の対角線上にある同極性の２個の素子エレメント３１同士が並列接続され、他方の対角線上にある同極性の２個の素子エレメント３１同士が並列接続されている。要するに、赤外線受光素子３は、図６（ｂ）の右側に示す直交座標系のように、ｘ軸、ｙ軸およびｚ軸それぞれの正方向を規定すると、ｘ軸方向に沿って並んで形成されている２個の素子エレメント３１同士が逆並列に接続され、かつ、ｙ軸方向に沿って並んで形成されている２個の素子エレメント３１同士が逆並列に接続されている。

光学式検知装置Ａの検知エリア２００（図３参照）は、赤外線受光素子３と多分割レンズ１とで決まる。したがって、光学式検知装置Ａの検知エリア２００には、各レンズ１０１ごとに、素子エレメント３１の数（図６（ｂ）の例では、４個）の検知ビーム２２０が設定される。検知ビーム２２０は、赤外線受光素子３への赤外線の入射量がピーク範囲になる小範囲であって、検知対象の物体からの赤外線を検出する有効領域であり、検出ゾーンとも呼ばれる。

図１（ａ）に示した光学式検知装置Ａでは、多分割レンズ１が図１（ｂ）に示すように２×８枚のレンズ１０１により構成されているので、図３に示すように検知エリア２００内に１６×４個の検知ビーム２２０が設定される。なお、多分割レンズ１におけるレンズ１０１の枚数は特に限定するものではない。

図３は、床面の上方に光学式検知装置Ａを配置した場合の検知エリア２００を示しており、図３（ｂ）では、検知エリア２００のうち床面上に設定される検知面２１０における各検知ビーム２２０それぞれに、その検知ビーム２２０が対応する素子エレメント３１の極性を、“＋”、“−”の符号で示してある。要するに、検知ビーム２２０には、素子エレメント３１に１対１で対応した極性がある。

検知面２１０における検知ビーム２２０の形状は、その検知ビーム２２０に対応する素子エレメント３１と相似形である。

ところで、多分割レンズ１は、各レンズ１０１の最大肉厚を同じ肉厚に設定してあることが好ましい。ここで、光学式検知装置Ａは、各レンズ１０１の最大肉厚ｔを同じ肉厚とすることにより、図６（ａ）に示すように、赤外線受光素子３の受光面（素子エレメント３１における多分割レンズ１側の表面）を含む平面から各レンズ１０１までの距離dが一定距離となるため、検知面２１０上での検知ビーム２２０の幅Ｗを同じにすることが可能となる。したがって、検知面２１０上で検知ビーム２２０の大きさが一定となることにより、検知エリア２００内の各所における検出能力を同等にすることができる。なお、レンズ１０１同士の最大肉厚ｔの差が１００μｍ程度であれば、略同じ肉厚とみなすことができる。

多分割レンズ１は、光学式検知装置Ａにおいて水平画角を大きくするために、図１（ｃ）におけるｘ軸方向に沿って並べるレンズ１０１の数をｙ軸方向に沿って並べるレンズ１０１の数よりも多くしてある。ここにおいて、図１（ｃ）に示した例では、ｘ軸方向に沿って並べるレンズ１０１の数を８、ｙ軸方向に沿って並べるレンズ１０１の数を２としてある。また、人体検知装置Ａは、図１（ｃ）におけるｘ軸、ｙ軸およびｚ軸それぞれの正方向と、図６（ｂ）におけるｘ軸、ｙ軸およびｚ軸それぞれの正方向とが揃うように、多分割レンズ１と赤外線受光素子３との相対的な位置関係を規定してある。要するに、赤外線受光素子３は、正方形状に形成された４個の素子エレメント３１が平面視において２×２のマトリクス状に配列されており、上述の仮想正方形の１辺に沿った方向を左右方向として配置してある。

ただし、赤外線受光素子３の配置は、これに限らず、例えば、２×２のマトリクス状に配列された４個の素子エレメント３１のうち対角位置にある２個の素子エレメント３１それぞれの１つの対角線同士を一直線で結ぶ方向を左右方向として配置してもよい。つまり、赤外線受光素子３は、上述の仮想正方形の１つの対角線に沿った方向を左右方向として配置してもよい。この場合、図６（ｂ）に示した赤外線受光素子３をｘｙ平面内で４５°だけ回転させたことになるので、人体検知装置Ａの検知エリア２００は、図７（ａ），（ｂ）に示すように設定されることとなる。したがって、この場合には、隣り合うレンズ１０１それぞれに対して設定される４個ずつの検知ビーム２２０のうち互いに異なるレンズ１０１により形成されて隣り合う２個の検知ビーム２２０間の間隔を小さくすることが可能となり、物体の、より小さな動きを検知することが可能となる。また、この場合には、人が極性の異なる２つの検知ビーム２２０を通過して素子エレメント３１同士の出力が相殺される可能性が低くなる。また、上述のように図６（ｂ）に示した赤外線受光素子３をｘｙ平面内で４５°だけ回転させ、さらに、多分割レンズ１のレンズ１０１を図８に示すように千鳥状の配置とすれば、人体検知装置Ａの検知エリア２００は、図９（ａ），（ｂ）に示すように設定され、複数の検知ビーム２２０の配置が千鳥状の配置となる。これにより、人体検知装置Ａは、物体の、より小さな動きを検知することが可能となる。

また、赤外線受光素子３は、長方形状に形成された複数個の素子エレメント３１が、平面視において素子エレメント３１の短手方向に並んでいるもの、例えば、長方形状の素子エレメント３１が１×４のアレイ状に配列されたものでもよい。この場合、人体検知装置Ａの検知エリア２００は、図１０（ａ），（ｂ）に示すように設定されることとなり、左右方向（水平方向）における検知ビーム２２０の幅、隣り合う検知ビーム２２０間の間隔を小さくすることが可能となり、赤外線を放射する物体の動きを検知しやすくなる。

ところで、多分割レンズ１の各レンズ１０１は、フレネルレンズであり、第一面１１０が平面であり、第一面１１０とは反対側の第二面１２０が複数のレンズ面１２１を有している。ここで、本実施形態では、光学式検知装置Ａを搭載する機器において多分割レンズ１の周辺部の外観面が平面または曲率の小さな曲面である場合が多いことを踏まえて、第一面１１０を平面としてある。これにより、機器において多分割レンズ１の周辺部の外観面と多分割レンズの外観面とを略面一とする（連続的な形状とする）ことが可能となる。よって、本実施形態の光学式検知装置では、多分割レンズを搭載する機器のデザイン性が多分割レンズにより損なわれたり、機器を見た人が多分割レンズに起因して機器の外観に違和感を感じるのを抑制することが可能となり、多分割レンズを搭載した機器の外観を美麗なものとすることが可能となる。

レンズ１０１は、図４（ａ）に示すように、中心レンズ部１０１ａと、中心レンズ部１０１ａを取り囲む複数（図示例では、２つ）の輪帯状レンズ部１０１ｂとを有している。輪帯状レンズ部１０１ｂの数は特に限定するものではなく、３つ以上でもよい。レンズ１０１は、第一面１１０とは反対側の第二面１２０が複数のレンズ面１２１を有する集光レンズであり、中心レンズ部１０１ａのレンズ面１２１が凸面となっている。要するに、レンズ１０１は、凸レンズに比べて厚みを薄くすることが可能な集光レンズである。

各輪帯状レンズ部１０１ｂは、第二面１２０側に山部１１１ｂを有している。山部１１１ｂは、中心レンズ部１０１ａ側の側面からなる立ち上がり面（非レンズ面）１２２と、中心レンズ部１０１ａ側とは反対側の側面からなるレンズ面１２１とを有している。したがって、レンズ１０１の第二面１２０は、各輪帯状レンズ部１０１ｂそれぞれにおけるレンズ面１２１を有している。また、レンズ１０１の第二面１２０は、中心レンズ部１０１ａにおけるレンズ面１２１も有している。

ところで、一般的な非球面レンズにおいて、レンズ面を非球面の式で表すと、（４）式のようになる。ただし、（４）式では、光軸に直交する一つの平面をＸＹ平面として、当該ＸＹ平面と光軸との交点を原点とし、当該ＸＹ平面内での原点からの距離をｒ、光軸方向におけるＸＹ平面からの距離をｚ、コーニック定数をｋ、レンズ面と光軸との交点の曲率をｃ、と定義してあり、ａ₂〜ａ_mは補正係数である。

（４）式では、第１項が回転二次曲面を表し、ｋ＜−１の場合にレンズ面が双曲面となる。したがって、（４）式を利用すれば、回転軸が第一面１１０の法線に対して角度θだけ傾いた双曲面１２５を設計することができ、このような双曲面１２５の一部をレンズ面１２１とすることにより、角度δで入射する赤外線を焦点位置Ｆに無収差で集光させることが可能となる。

また、レンズ１０１の第一面１１０の面積をＳとした場合、上述のように回転軸が第一面１１０の法線に対して角度θだけ傾いた双曲面１２５の一部をレンズ面１２１とするレンズ１０１では、検知面２１０から入射する赤外線の入射パワーをＰＷとすると、入射パワーＰＷは、下記（５）式で表される。ただし、（５）式のＫは、比例定数である。

したがって、レンズ１０１の第一面１１０の面積Ｓが一定の場合には、角度θの大きなレンズ１０１ほど赤外線の入射パワーが小さくなる。そこで、多分割レンズ１は、角度θが大きいレンズ１０１ほど、レンズ１０１の第一面１１０の面積Ｓが大きくなるように設定するのが好ましい。この場合には、多分割レンズ１の中心から離れたレンズ１０１ほど第一面１１０の面積Ｓが大きくなり、多分割レンズ１の中心から離れたレンズ１０１ほど第二面１２０の面積が大きくなる。

多分割レンズ１は、レンズ材料として赤外線を透過する樹脂であるポリエチレンを採用している。しかし、多分割レンズ１は、各レンズ１０１それぞれをフレネルレンズとしたことにより、各レンズ１０１の第二面１２０のレンズ面積の増大を図りながらも最大最小肉厚差Δｔ（図４（ｂ）参照）を小さくすることができる。しかして、多分割レンズ１は、第一面１１０の法線に斜交する方向（第一面１１０に垂直でない方向）から入射する赤外線の光路長を短くすることができて透過率を向上させることができる。

なお、赤外線を透過する材料として、シリコンやゲルマニウムなどがあるが、これらの結晶材料から複雑な形状の多分割レンズ１を量産性良く製作することは難しい。一方、ポリエチレンは赤外線を透過する材料であり、射出成形によって金型の複雑な形状を転写させることができるので、多分割レンズ１を量産性良く製作することが可能となる。

しかしながら、レンズ面１２１が双曲面１２５の一部により構成され、双曲面１２５の回転軸が第一面１１０の法線に対して斜交している場合には、各レンズ面１２１が、第一面１１０の法線に対して回転対称ではない。このため、多分割レンズ１や当該多分割レンズ１用の金型を旋盤などによる回転加工で製作することが困難である。

これに対し、本実施形態における多分割レンズ１の各レンズ１０１は、例えば、図４および図５に示すように、レンズ１０１の各レンズ面１２１それぞれが、楕円錐１３０の側面の一部からなり、第一面１１０上の各点の法線のうち楕円錐１３０の側面の一部からなるレンズ面１２１に交差する任意の法線と、当該任意の法線が交差するレンズ面１２１に対応する楕円錐１３０の中心軸とが、非平行である（つまり、傾いている）。ここにおいて、各楕円錐１３０は、第二面１２０側に頂点Ｐが位置するとともに第一面１１０側に底面（図示せず）が位置している。また、図４および図５に示した構成の多分割レンズ１のレンズ１０１では、第一面１１０が平面なので、楕円錐１３０の中心軸は、第一面１１０上の各点の各々における法線に対して斜交する。また、第一面１１０上の点と、その点における法線がレンズ面１２１に交差する交点とを結ぶ方向を、レンズ厚さ方向と規定した場合、第一面１１０が平面であれば、第一面１１０上の各点における法線に沿った方向がレンズ厚さ方向となる。したがって、図４（ａ），（ｂ）の各々においては、上下方向が、レンズ厚さ方向となる。よって、レンズ１０１は、各レンズ面１２１それぞれが、第二面１２０側に頂点Ｐが位置するとともに第一面１１０側に底面（図示せず）が位置し且つ中心軸（図示せず）がレンズ厚さ方向に対して斜交する楕円錐１３０の側面の一部により構成されたものとすることが好ましい。なお、第一面１１０の法線を含む断面形状において、第一面１１０に平行な面と各レンズ面１２１とのなす角度は鈍角であり、第一面１１０に平行な面と各立ち上がり面１２２とのなす角度は略直角である。

以下、図４および図５に示すように、各レンズ面１２１が上述の楕円錐１３０の側面の一部により構成されたレンズ１０１について説明する。

本願発明者らは、多分割レンズ１の外観を高めながらも、外界から第一面１１０へ斜め入射する入射光（赤外線）を利用するレンズ１０１の軸外収差の発生を抑制して感度の低下を抑制することが可能であり、且つ、低コスト化が可能な光学式検知装置を提供するという課題を解決するために、次のように考えた。すなわち、まず、第二面１２０を、回転軸（主軸）が第一面１１０の法線に対して斜交する複数の双曲面（二葉双曲面の一方の双曲面）１２５それぞれの一部により構成した基準構造に関して、第一面１１０の法線を含む断面形状において、複数の双曲面１２５それぞれの上記一部を直線で近似することを考えた。

ここで、双曲面１２５は、当該双曲面１２５の回転軸に直交する断面上の各点における接線の集合が円錐となる。したがって、出射面における各レンズ面の形状が入射面の法線を回転軸として回転対称となるフレネルレンズにおいては、各レンズ面を円錐の側面の一部により近似することができる。

ところで、任意の平面の中心を原点として、当該任意の平面において互いに直交するｘ軸とｙ軸とを規定し、当該任意の平面に直交するｚ軸を規定した直交座標系においては、円錐の任意の点の座標を（ｘ，ｙ，ｚ）とし、ｂ，ｃを係数として、円錐の方程式は下記の標準形で表される。ここで、係数ｃは、ｚに無関係な定数である。

この円錐をｘｙ平面に平行な２つの面で切り取った円錐台では、上述の基準構造における各双曲面１２５それぞれの上記一部を近似することはできない。

一方、双曲面１２５は、当該双曲面１２５の回転軸に垂直でない断面上の各点における接線１４０の集合が楕円錐となる。ここで、本願発明者らは、上述の図４の構造における双曲面１２５を、双曲面１２５の主軸に斜交する平面と双曲面１２５との交線上の各点において、双曲面１２５と接する楕円錐１３０で近似できる点に着目した。そして、本願発明者らは、各レンズ面１２１それぞれを、第二面１２０側に頂点Ｐが位置するとともに第一面１１０側に底面（図示せず）が位置し且つ中心軸（図示せず）が第一面１１０の法線に対して斜交する楕円錐１３０の側面の一部により構成することを考えた。

図４および図５に示す多分割レンズ１のレンズ１０１において、それぞれ楕円錐１３０の一部により構成されるレンズ面１２１に着目すれば、楕円錐１３０が、その楕円錐１３０に内接する双曲面１２５をもち、楕円錐１３０と双曲面１２５との交線上の各点においては両者の接線の傾きが一致するので、楕円錐１３０と双曲面１２５との交線上の各点を通る光線は、双曲面１２５の回転軸上の一点に集光される。このレンズ１０１では、複数のレンズ面１２１のうちの少なくとも１つのレンズ面１２１を、楕円錐１３０と双曲面１２５の交線を含むように楕円錐１３０の一部を切り取った形状とすることによって、外界から第一面１１０へ斜め入射する入射光を利用する場合に軸外収差の発生を抑制することが可能となり、且つ、低コスト化が可能となる。ここにおいて、レンズ１０１は、山部１１１ｂの高さが低いほど、この山部１１１ｂを通る光線を一点に集光しやすくなるので、楕円錐１３０と楕円錐１３０に内接する双曲面１２５の交線が、山部１１１ｂと交わることが望ましい。

各山部１１１ｂの高さおよび隣り合う山部１１１ｂの頂点間の間隔は、レンズ１０１において集光対象とする電磁波の波長以上の値に設定する必要がある。例えば、波長１０μｍの赤外線を集光対象とする場合には、各山部１１１ｂの高さおよび隣り合う山部１１１ｂの頂点間の間隔を１０μｍ以上とする必要がある。一方、レンズ１０１では、各山部１１１ｂの高さおよび隣り合う山部１１１ｂの頂点間の間隔が大きくなると、軸外収差が大きくなるという課題、第一面１１０側からレンズ模様が視認可能となるという課題が生じてしまうことが考えられる。そこで、レンズ１０１は、軸外収差の許容値（目標値）を例えば焦点Ｆに配置する赤外線受光素子３の大きさである０．６×０．６ｍｍ以下とする場合、山部１１１ｂの最大高さを１５０μｍ以下とすることが好ましい。また、レンズ１０１は、第一面１１０から３０ｃｍだけ離れたところから意識せずに眺めた場合に第二面１２０側のレンズ模様を視認できないことを要求されるような場合、隣り合う山部１１１ｂ間の間隔を０．３ｍｍ以下とすることが好ましい。一方、隣り合う山部１１１ｂ間の間隔を小さくするほど山部１１１ｂの数が増えるので、隣り合う山部１１１ｂ間の間隔は、例えば０．１〜０．３ｍｍの範囲で設定することが、より好ましい。

本実施形態におけるレンズ１０１では、レンズ厚さ方向に直交し（つまり、平面からなる第一面１１０に平行で）且つ輪帯状レンズ部１０１ｂにおける山部１１１ｂの谷からの高さが山部１１１ｂの最大高さの１／２となる平面１１５上に、楕円錐１３０と楕円錐１３０に内接する双曲面１２５との交線が存在する。したがって、このレンズ１０１では、図４（ｂ）に示すように、レンズ面１２１と平面１１５との交点上を通る赤外線（光線）を、焦点Ｆに集光する。

一般の楕円錐の方程式は、任意の平面の中心を原点として、当該任意の平面において互いに直交するｘ軸とｙ軸とを規定し、当該任意の平面に直交するｚ軸を規定した直交座標系において、楕円錐の任意の点の座標を（ｘ，ｙ，ｚ）とし、ａ，ｂ，ｃを係数として、下記の（７）式の標準形で表される。ここで、係数ｃは、ｚに無関係な定数である。

以下では、説明の便宜上、図４のレンズ１０１において、３つの楕円錐１３０にそれぞれ異なる符合を付して説明する。ここでは、中央のレンズ面１２１に対応するものを楕円錐１３０_０、中央のレンズ面１２１に最も近い第１輪帯となるレンズ面１２１に対応するものを楕円錐１３０_１、中央のレンズ面１２１に２番目に近い第２輪帯となるレンズ面１２１に対応するものを楕円錐１３０_２とする。要するに、中央のレンズ面１２１に対応する楕円錐１３０を除いた楕円錐１３０のうち、中央のレンズ面１２１に近い側から順に数えてｍ（ｍ≧１）番目の第ｍ輪帯となるレンズ面１２１に対応するものを楕円錐１３０_ｍとする。また、ここでは、各楕円錐１３０_０，１３０_１，１３０_２それぞれの頂点Ｐ，Ｐ，Ｐを頂点Ｐ_０，Ｐ_１，Ｐ_２とし、各楕円錐１３０_０，１３０_１，１３０_２それぞれの中心軸をＣＡ_０，ＣＡ_１，ＣＡ_２とする。要するに、ここでは、第ｍ輪帯となるレンズ面１２１に対応する楕円錐１３０_ｍの頂点をＰ_ｍとし、その楕円錐１３０_ｍの中心軸をＣＡ_ｍとする。そして、各楕円錐１３０_０，１３０_１，１３０_２それぞれについて、頂点Ｐ_０，Ｐ_１，Ｐ_２を原点として、中心軸ＣＡ_０，ＣＡ_１，ＣＡ_２をｚ軸とし、ｚ軸に直交する断面における楕円の長径方向に沿ってｘ軸、短径方向に沿ってｙ軸を規定した直交座標系を定義する。すると、各楕円錐１３０_０，１３０_１，１３０_２の式は、各直交座標系において、上述の（７）式で表すことができる。なお、図４では、楕円錐１３０_０，１３０_１，１３０_２に内接する双曲面１２５，１２５，１２５をそれぞれ双曲面１２５_０，１２５_１，１２５_２としてある。

フレネルレンズであるレンズ１０１の一例として、それぞれ楕円錐１３０の側面の一部からなる６つのレンズ面１２１を備えたものを例示する。このレンズ１０１において、６つの楕円錐１３０のうち中央のレンズ面１２１に対応するものを楕円錐１３０_０、第１輪帯〜第５輪帯それぞれとなるレンズ面１２１に対応するものを楕円錐１３０_１〜１３０_５とする。この一例のレンズ１０１では、各山部１１１ｂ以外の部分からなるベース部分の厚みｔを０．５ｍｍ、各輪帯状レンズ部１０１ｂにおいて焦点Ｆに最も近い点での山部１１１ｂの高さ（レンズ段差）Δｔを０．０５ｍｍ、レンズ材料を屈折率が１．５３のポリエチレンとした場合、（７）式における係数ａ，ｂ，ｃが表１に示す値となる。ただし、表１に示した係数ａ，ｂ，ｃは、レンズ１０１の第一面１１０に平行な像面Ｉから第一面１１０までの距離を５．５ｍｍとし、入射角が４５°で入射する赤外線（光線）を焦点Ｆに集光させることを前提条件として求めた値である。

また、第一面１１０上の各点の各々における法線に対して、その法線が交わる第二面１２０のレンズ面１２１の中心軸は傾いている。以下では、説明の便宜上、図４のレンズ１０１において、第一面１１０の点Ａ１、Ａ２，Ｂ１，Ｂ２，Ｃ１，Ｃ２それぞれにおける法線と第二面１２０との交点をＡ１’，Ａ２’、Ｂ１’，Ｂ２’，Ｃ１’，Ｃ２’とし、第一面１１０の点Ａ１、Ａ２，Ｂ１，Ｂ２，Ｃ１，Ｃ２それぞれにおける法線をＡ１−Ａ１’，Ａ２−Ａ２’，Ｂ１−Ｂ１’，Ｂ２−Ｂ２’，Ｃ１−Ｃ１’，Ｃ２−Ｃ２’と称する。ここにおいて、中央のレンズ面１２１に交差する法線Ａ１−Ａ１’，Ａ２−Ａ２’と楕円錐１３０_０の中心軸ＣＡ_０とのなす角度をθ_０、中央のレンズ面１２１に最も近い第１輪帯となるレンズ面１２１に交差する法線Ｂ１−Ｂ１’，Ｂ２−Ｂ２’と楕円錐１３０_１の中心軸ＣＡ_１とのなす角度をθ_１、中央のレンズ面１２１に２番目に近い第２輪帯となるレンズ面１２１に交差する法線Ｃ１−Ｃ１’，Ｃ２−Ｃ２’と楕円錐１３０_２の中心軸ＣＡ_２とのなす角度をθ_２とする。同様に、第３輪帯となるレンズ面１２１に交差する法線と楕円錐１３０_３の中心軸ＣＡ_３とのなす角度をθ_３、第４輪帯となるレンズ面１２１に交差する法線と楕円錐１３０_４の中心軸ＣＡ_４とのなす角度をθ_４、第５輪帯となるレンズ面１２１に交差する法線と楕円錐１３０_５の中心軸ＣＡ_５とのなす角度をθ_５とすれば、θ_０〜θ_５は、下記の表２に示す値となる。

表２から、レンズ１０１は、第一面１１０上の各点における法線と、その法線が交わる第二面１２０の各レンズ面１２１の中心軸とがなす角度が、外側の輪帯状レンズ部１０１ｂほど大きくなることが分かる。

このレンズ１０１の焦点Ｆにおけるスポットダイヤグラムを図１１に示す。この図１１には、焦点Ｆを中心とした２×２ｍｍの範囲のスポットダイヤグラムを示してある。集光スポットの大きさは、レンズ１０１の焦点Ｆに合わせて配置する赤外線受光素子３の大きさ以下（ここでは、０．６×０．６ｍｍ以下）であればよい。

図４および図５に示したレンズ１０１では、第一面１１０の法線を含む断面形状において、各レンズ面１２１が直線であるので、図２３に示すようにバイト４３０を工作物（金型を形成するための基材）４４０に対して傾けて刃の側面を線接触させて切削加工を行うことにより、レンズ面１２１に応じた曲面の形成が可能となる。したがって、本実施形態では、多分割レンズ１用の金型の製作時においてバイト４３０による工作物の加工時間を短縮することが可能となる。なお、金型の材料は特に限定するものではないが、例えば、リン青銅などを採用することができる。

本実施形態の光学式検知装置Ａは、上述のように複数枚のレンズ１０１が組み合わされ各レンズ１０１の焦点位置Ｆが同じである多分割レンズ１と、焦点位置Ｆに配置された赤外線受光素子３を有する赤外線センサ２とを備えている。そして、本実施形態の光学式検知装置Ａは、多分割レンズ１の各レンズ１０１について、図４に例示したように、第一面１１０が平面であり、第二面１２０が複数のレンズ面１２１を有するものであり、各レンズ面１２１それぞれが、第二面１２０側に頂点Ｐが位置するとともに第一面１１０側に底面が位置し且つ中心軸が第一面１１０の法線に対して斜交する楕円錐１３０の側面の一部により構成されている。ここで、本実施形態におけるレンズ１０１は、第一面１１０上の各点の法線のうち楕円錐１３０の側面の一部からなるレンズ面１２１に交差する任意の法線と、当該任意の法線が交差するレンズ面１２１に対応する楕円錐１３０の中心軸とが、非平行である。しかして、本実施形態におけるレンズ１０１では、外界から第一面１１０へ斜め入射する入射光を利用する場合に軸外収差の発生を抑制することが可能であり、且つ、低コスト化が可能となる。しかして、本実施形態の光学式検知装置Ａは、多分割レンズ１の各レンズ１０１の第二面１２０側に形成されたレンズ模様を各レンズ１０１の第一面１１０側から視認しづらくすることで多分割レンズ１の外観を高めながらも、外界から第一面１１０へ斜め入射する入射光を利用するレンズ１０１の軸外収差の発生を抑制して感度の低下を抑制することが可能であり、且つ、低コスト化が可能となる。

上述のように、多分割レンズ１は、レンズ１０１の複数のレンズ面１２１の全てを楕円錐１３０の一部により構成することが可能である。しかしながら、レンズ１０１の複数のレンズ面１２１の全てを楕円錐１３０の一部により構成した場合には、中心レンズ部１０１ａのレンズ面１２１が楕円錐１３０の頂点Ｐを含んでしまい、この頂点Ｐにおいて曲面が不連続となるため、頂点Ｐを通る赤外線が焦点位置Ｆに集光されない。

そこで、多分割レンズ１の各レンズ１０１それぞれにおける複数のレンズ面１２１のうち中央のレンズ面１２１、言い換えれば、中心レンズ部１０１ａのレンズ面１２１は、例えば、対称軸が第一面１１０の法線に対して斜交し且つ曲率が連続的に変化する非球面の一部とするのが好ましく、図１２および図１３に示すように、回転軸ＯＰ１が第一面１１０の法線に対して斜交する双曲面１２５の一部とするのが、より好ましい。これにより、多分割レンズ１は、中心レンズ部１０１ａのレンズ面１２１が楕円錐１３０の側面の一部により構成されている場合に比べて、集光性能を向上させることが可能となる。要するに、多分割レンズ１の各レンズ１０１は、複数のレンズ面１２１のうち中央のレンズ面１２１を、曲率が連続的に変化する非球面の一部とし、第一面１１０上の各点の法線のうち非球面の一部からなる中央のレンズ面１２１に交差する任意の法線と、当該任意の法線が交差する中央のレンズ面１２１に対応する非球面の対称軸（非球面が双曲面１２５の場合には双曲面１２５の回転軸ＯＰ１）とが、非平行である（つまり、傾いている）ことが好ましく、これにより、集光性能を向上させることが可能となる。ここにおいて、多分割レンズ１の各レンズ１０１は、この非球面にとっての対称軸と、中央のレンズ面１２１を第一面１１０の中心軸に平行な方向へ投影したときの第一面１１０での投影領域における各点の法線とが、非平行であればよい。ここで、中心レンズ部１０１ａのレンズ面１２１を双曲面１２５の一部により構成する場合には、設計が容易であり、かつ加工しやすいという利点があり、より望ましい。なお、中心レンズ部１０１ａのレンズ面１２１が双曲面１２５の一部である場合、多分割レンズ１用の金型の製作にあたっては、バイト４３０（図２１、図２２参照）のすくい面をレンズ面１２１に応じた曲面に対して垂直となるように傾けながら往復運動させることにより加工できる。この場合は、バイト４３０のノーズ半径が、双曲面１２５の曲率半径よりも小さければ加工できるので、中心レンズ部１０１ａのレンズ面１２１が双曲面１２５の一部であっても加工時間を短縮することが可能となる。

図１２および図１３に示した例のレンズ１０１は、図４および図５に示した例のレンズ１０１と同様に、楕円錐１３０と楕円錐１３０に内接する双曲面１２５との交線が、山部１１１ｂと交わることが望ましい。図１２および図１３のレンズ１０１では、レンズ厚さ方向に直交し（つまり、平面からなる第一面１１０に平行で）且つ輪帯状レンズ部１０１ｂにおける山部１１１ｂの谷からの高さが山部１１１ｂの最大高さの１／２となる平面１１５上に、楕円錐１３０と楕円錐１３０に内接する双曲面１２５の交線が存在する。したがって、このレンズ１０１では、図１２（ｂ）に示すように、レンズ面１２１と平面１１５との交点上を通る赤外線（光線）を、焦点Ｆに集光する。

図１２のレンズ１０１において、中心レンズ部１０１ａのレンズ面１２１となる双曲面１２５は、焦点Ｆを原点、双曲面１２５の回転軸ＯＰ１をｚ軸とし、ｚ軸にそれぞれ直交するｘ軸、ｙ軸を有する直交座標系を定義すると、下記の（８）式で表される。

ただし、（８）式のａ，ｂ，ｃは、レンズ材料の屈折率をｎ、中心レンズ部１０１ａのバックフォーカスをｆとして、（９）式、（１０）式、（１１）式でそれぞれ与えられる。

上述の（８）式は、ｚ＝ｇ（ｘ，ｙ）（ｇは任意の関数）という陽関数の式に変形すると、上述の（４）式の第一項と一致する。すなわち、（８）式は、（４）式の場合と同じく、ｒ^２＝ｘ^２＋ｙ^２として変数置換して、ｚとｒとの関係をまとめ直すと、上述した（４）式のうち、ｒ^２の項（（４）式の右辺の第一項）に相当する式に変形できる。よって、（４）式のｒ^２の項と（８）式とが実質的に同じ関係を表していることは明らかである。

また、各楕円錐１３０_１，１３０_２は、それぞれ、頂点Ｐ_１，Ｐ_２を原点として、中心軸ＣＡ_１，ＣＡ_２をｚ軸とし、ｚ軸に直交する断面における楕円の長径方向に沿ってｘ軸、短径方向に沿ってｙ軸を規定した直交座標系を定義すると、上述の（７）式で表すことができる。

フレネルレンズであるレンズ１０１の一例として、双曲面１２５の一部からなる中央のレンズ面１２１と、それぞれ楕円錐１３０の側面の一部からなる５つのレンズ面１２１とを備えたものを例示する。この一例のレンズ１０１において、５つの楕円錐１３０のうち第１輪帯〜第５輪帯それぞれとなるレンズ面１２１に対応するものを楕円錐１３０_１〜１３０_５とする。この一例のレンズ１０１では、各山部１１１ｂ以外の部分からなるベース部分の厚みｔを０．５ｍｍ、各輪帯状レンズ部１０１ｂにおいて焦点Ｆに最も近い点での山部１１１ｂの高さ（レンズ段差）Δｔを０．０５ｍｍ、レンズ材料を屈折率が１．５３のポリエチレンとした場合、（８）式または（７）式における係数ａ，ｂ，ｃが表３に示す値となる。レンズ段差Δｔについては、値が小さいほど、ポリエチレンの硬化時のひけの発生を抑制することが可能、すなわち、第一面１１０側が凹むのを抑制することが可能となり、その結果、ひけに起因したレンズ１０１の集光性能の低下を防止することが可能となり、しかも、第一面１１０側の外観が客観的にいびつに見えないので、種々検討した値のうちの一例として、０．０５ｍｍを挙げている。表３は、双曲面１２５について、（８）式におけるａ，ｂ，ｃの値を記載してあり、楕円錐１３０_１〜１３０_５について、（７）式におけるａ，ｂ，ｃの値を記載してある。ただし、表３に示した係数ａ，ｂ，ｃは、レンズ１０１の第一面１１０に平行な像面Ｉから第一面１１０までの距離を５．５ｍｍとし、入射角が４５°で入射する赤外線（光線）を焦点Ｆに集光させることを前提条件として求めた値である。

第一面１１０に対して入射角が４５°で入射する赤外線（光線）を焦点Ｆに集光させる場合、中心レンズ部１０１ａの双曲面１２５の回転軸ＯＰ１と第一面１１０の法線とのなす角度は、スネルの法則により、２７．５°とすればよい。すなわち、回転軸ＯＰ１は、第一面１１０の法線に対して２７．５°だけ傾ければよい。また、第一面１１０上の各点の各々における法線に対して、その法線が交わる第二面１２０のレンズ面１２１の中心軸は傾いている。中央のレンズ面１２１に最も近い第１輪帯となるレンズ面１２１に交差する法線Ｂ１−Ｂ１’，Ｂ２−Ｂ２’と楕円錐１３０_１の中心軸ＣＡ_１とのなす角度をθ_１、中央のレンズ面１２１に２番目に近い第２輪帯となるレンズ面１２１に交差する法線Ｃ１−Ｃ１’，Ｃ２−Ｃ２’と楕円錐１３０_２の中心軸ＣＡ_２とのなす角度をθ_２とする。同様に、第３輪帯となるレンズ面１２１に交差する法線と楕円錐１３０_３の中心軸ＣＡ_３とのなす角度をθ_３、第４輪帯となるレンズ面１２１に交差する法線と楕円錐１３０_４の中心軸ＣＡ_４とのなす角度をθ_４、第５輪帯となるレンズ面１２１に交差する法線と楕円錐１３０_５の中心軸ＣＡ_５とのなす角度をθ_５とすれば、θ_０〜θ_５は、下記の表４に示す値となる。

表４から、多分割レンズ１のレンズ１０１は、第一面１１０上の各点における法線と、その法線が交わる第二面１２０の各レンズ面１２１の中心軸とがなす角度が、外側の輪帯状レンズ部１０１ｂほど大きくなることが分かる。

このレンズ１０１の焦点Ｆにおけるスポットダイヤグラムを図１４に示す。この図１４には、焦点Ｆを中心とした２×２ｍｍの範囲のスポットダイヤグラムを示してある。集光スポットの大きさは、レンズ１０１の焦点Ｆに合わせて配置する赤外線受光素子３の大きさ以下（ここでは、０．６×０．６ｍｍ以下）であればよい。図１１と図１４とを比較すれば、図１２のレンズ１０１では、図４のレンズ１０１に比べて収差を小さくできることが分かる。

多分割レンズ１の各レンズ１０１は、複数の輪帯状レンズ部１０１ｂのうちの少なくとも１つの輪帯状レンズ部１０１ｂのレンズ面１２１を、楕円錐１３０の側面の一部により構成することにより、外界から第一面１１０へ斜め入射する入射光を利用する場合に軸外収差の発生を抑制することが可能であり、且つ、低コスト化が可能となる。

多分割レンズ１のレンズ１０１については、上述の図１２および図１３に示した例と略同じであって、図１５に示すように、第一面１１０が第二面１２０側とは反対側に凸となる曲面であるものを用いることもできる。なお、図１５では、第一面１１０が曲率半径の大きな球面の一部からなるが、球面の一部に限定するものではない。

ところで、多分割レンズ１のレンズ１０１が図１２および図１３に示したレンズ１０１を備えた多分割レンズ１では、レンズ材料としてポリエチレンを採用した場合、第一面１１０が平面であるため、射出成形の冷却、固化過程で生じる収縮むらなどにより、ひけや、うねりが発生し、外観が損なわれてしまう懸念がある。また、光学式検知装置Ａをテレビやエアコンや防犯センサなどの機器に搭載する場合、多分割レンズ１は、機器の外観の一部をなすので、機器のデザイン性を損なわないために、第一面１１０を、機器の表面における第一面１１０の周辺部と略面一となる形状とすることが好ましい。

そこで、レンズ材料としてポリエチレンを採用し射出成形により製作する場合、多分割レンズ１のレンズ１０１は、図１５に示すように、第一面１１０を、曲率半径が大きな曲面（曲率が小さな曲面）とすることが好ましい。この場合、レンズ厚さ方向は、第一面１１０上の各点の各々における法線方向である。この多分割レンズ１では、第一面１１０を、第二面１２０側とは反対側に凸となる曲面とすることにより、うねりの方向を一方向に抑制することが可能となり、外観が損なわれるのを防止することが可能となる。なお、レンズ１０１は、第一面１１０を、非球面である双曲面１２５の一部からなる中央のレンズ面１２１よりも曲率半径が大きく且つ双曲面１２５とは反対側に凸となるなだらかな曲面とすることが好ましい。

本実施形態における多分割レンズ１では、軸外収差が許容値を超えない範囲（赤外線受光素子３の大きさ以下）で、第一面１１０の曲率を設計すれば、レンズ材料としてポリエチレンを採用して、軸外収差の発生を抑制しつつ、ひけや、うねりの発生を抑制することが可能となる。

図１５に示した例では、図１２に示した例と同様に、中心レンズ部１０１ａのレンズ面１２１が双曲面１２５の一部により構成されているが、図１２の例と同様に双曲面１２５の回転軸ＯＰ１を２７．５°だけ傾けた場合、４５°の入射角で入射する光線に対して軸外収差が大きくなる。そこで、図１５に示した例のように、第一面１１０が球面の一部からなる場合には、さらに、双曲面１２５の回転軸ＯＰ１を、この双曲面１２５に関して定義した直交座標系のｘｚ面内で双曲面１２５の頂点Ｐｘのまわりに回転して傾けることにより、軸外収差を小さくすることが可能となる。

図１５に示したレンズ１０１は、図１２に示したレンズ１０１と同様に、楕円錐１３０と楕円錐１３０に内接する双曲面１２５の交線が、山部１１１ｂと交わることが望ましい。図１５のレンズ１０１では、輪帯状レンズ部１０１ｂにおける山部１１１ｂの谷からの高さが山部１１１ｂの最大高さの１／２となる平面１１５上に、楕円錐１３０と楕円錐１３０に内接する双曲面１２５との交線が存在する。したがって、このレンズ１０１では、図１５（ｂ）に示すように、レンズ面１２１と平面１１５との交点上を通る赤外線（光線）を、焦点Ｆに集光する。

図１５のレンズ１０１において、中心レンズ部１０１ａの双曲面１２５は、双曲面１２５の焦点を原点、回転軸ＯＰ１をｚ軸とし、ｚ軸にそれぞれ直交するｘ軸、ｙ軸を有する直交座標系権を定義すると、上述の（８）式で表される。また、各楕円錐１３０_１，１３０_２は、それぞれ、頂点Ｐ_１，Ｐ_２を原点として、中心軸ＣＡ_１，ＣＡ_２をｚ軸とし、ｚ軸に直交する断面における楕円の長径方向に沿ってｘ軸、短径方向に沿ってｙ軸を規定した直交座標系を定義すると、上述の（７）式で表すことができる。

ここで、レンズ１０１の一例として、双曲面１２５の一部からなる中央のレンズ面１２１と、それぞれ楕円錐１３０の側面の一部からなる５つのレンズ面１２１とを備えたものを例示する。この一例のレンズ１０１において、５つの楕円錐１３０のうち第１輪帯〜第５輪帯それぞれとなるレンズ面１２１に対応するものを楕円錐１３０_１〜１３０_５とする。この一例のレンズ１０１では、第一面１１０を曲率半径が１００ｍｍの球面の一部とし、山部１１１ｂ以外の部分からなるベース部分の最小高さｔを０．５ｍｍ、各輪帯状レンズ部１０１ｂにおいて焦点Ｆに最も近い点での山部１１１ｂの高さ（レンズ段差）Δｔを０．０５ｍｍ、レンズ材料を屈折率が１．５３のポリエチレンとした場合、（８）式または（７）式における係数ａ，ｂ，ｃが表５に示す値となる。ここで、表５は、双曲面１２５について、（８）式におけるａ，ｂ，ｃの値を記載してあり、楕円錐１３０_１〜１３０_５について、（７）式におけるａ，ｂ，ｃの値を記載してある。ただし、表５に示した係数ａ，ｂ，ｃは、レンズ１０１の像面Ｉから像面Ｉに平行で第一面１１０に接する平面までの距離を５．５ｍｍ、とし、入射角が４５°で入射する赤外線（光線）を焦点Ｆに集光させることを前提条件として求めた値である。

ここにおいて、レンズ１０１は、中心レンズ部１０１ａのレンズ面１２１に対応する双曲面１２５に関して、図１２に示したレンズ１０１の中心レンズ部１０１ａの双曲面１２５の回転軸ＯＰ１を、上述のｘｚ面内で双曲面１２５の頂点Ｐｘのまわりに２．５°だけ回転して傾けることにより、軸外収差を小さくすることができる。また、第一面１１０上の各点における法線は、第一面１１０の曲率中心に向かっており、その法線が交わる第二面１２０の各レンズ面１２１の中心軸ＣＡ_１，ＣＡ_２とは傾いている。像面Ｉの法線と第１輪帯になるレンズ面１２１に対応する楕円錐１３０_１の中心軸ＣＡ_１とのなす角度をθ_１、像面Ｉと第２輪帯になるレンズ面１２１に対応する楕円錐１３０_２の中心軸ＣＡ_２とのなす角度をθ_２とする。同様に、像面Ｉの法線と第３輪帯になるレンズ面１２１に対応する楕円錐１３０_３の中心軸ＣＡ_３とのなす角度をθ_３、像面Ｉの法線と第４輪帯になるレンズ面１２１に対応する楕円錐１３０_４の中心軸ＣＡ_４とのなす角度をθ_４、像面Ｉの法線と第５輪帯になるレンズ面１２１に対応する楕円錐１３０_５の中心軸ＣＡ_５とのなす角度をθ_５とすれば、θ_０〜θ_５は、下記の表６に示す値となる。

表６から、多分割レンズ１のレンズ１０１は、第一面１１０上の各点における法線と、その法線が交わる第二面１２０の各レンズ面１２１の中心軸とがなす角度が、外側の輪帯状レンズ部１０１ｂほど大きくなることが分かる。

このレンズ１０１の焦点Ｆにおけるスポットダイヤグラムを図１６に示す。この図１６には、焦点Ｆを中心とした２×２ｍｍの範囲のスポットダイヤグラムを示してある。集光スポットの大きさは、レンズ１０１の焦点Ｆに合わせて配置する赤外線受光素子３の大きさ以下（ここでは、０．６×０．６ｍｍ以下）であればよい。図１４と図１６とを比較すれば、図１６のレンズ１０１では、図１４のレンズ１０１と同等の収差であることが分かる。

上述の光学式検知装置Ａを備えた機器３００においては、例えば、図１７や図１８（ａ）に示すように、機器３００の機器本体３０１における前面と多分割レンズ１における各レンズ１０１の第一面１１０とを略面一とすることにより、機器本体３０１の前方に検知エリア２００（図１８（ａ）参照）を設定することができるとともに、機器３００の外観を損なうことなく光学式検知装置Ａを配置することが可能となり、機器３００の外観を高めることが可能となる。ここで、光学式検知装置Ａを搭載する機器３００においては、機器本体３０１のうち、人体を感知すべき側である前面が、一般的に、略平面状に形成されていることが多いので、そのような機器本体３０１のデザインに馴染むよう、多分割レンズ１における各レンズ１０１の第一面１１０を、機器本体３０１の前面と略面一としている。本実施形態の機器３００においては、多分割レンズ１の各レンズ１０１の第二面１２０側に形成されたレンズ模様を各レンズ１０１の第一面１１０側から視認しづらくすることで多分割レンズ１の外観を高めながらも、外界から第一面１１０へ斜め入射する入射光を利用するレンズ１０１の軸外収差の発生を抑制して感度の低下を抑制することが可能であり、且つ、低コスト化が可能な光学式検知装置Ａを備えているので、光学式検知装置Ａの感度の低下を抑制し且つ低コスト化を図りながらも光学式検知装置Ａを搭載する機器３００全体の外観を高めることが可能となる。また、光学式検知装置Ａを搭載する機器３００が防犯センサの場合には、目視で、ひけやレンズ模様が視認できないようにすることが可能となり、不審者に防犯センサの検知エリアを悟られないようにすることが可能となる。これにより、機器３００を見た人間が多分割レンズ１のレンズ模様に違和感を感じるのを抑制することが可能となるものと推考され、不審者などに悪戯されるのを避けることが可能となるものと推考される。

図１７に示した機器３００は、薄型のテレビであり、例えば、電源がオンの状態で、人が光学式検知装置Ａの検知エリア内から出た場合には休止状態にして省エネルギ化を図り、人が検知エリア内に戻った場合にすぐに画面に画像が表示される状態とすることによって、省エネルギ化を図ることが可能となる。ここで、機器３００は、多分割レンズ１が水平方向に広い画角を有する、つまり、水平画角が大きくなるように多分割レンズ１を設計しておけば、斜め方向から画面を見ている人の動きも光学式検知装置Ａにより検知できる。

なお、光学式検知装置Ａをテレビやパーソナルコンピュータのディスプレイに搭載する場合には、検知エリアに関して大きな水平画角が要求される一方で垂直画角については水平画角ほど大きな画角を必要としない。これは、人がテレビやパーソナルコンピュータのディスプレイなどを見る際には、椅子に座って画面を見ることが多いため、垂直方向の動きがほとんど生じないからである。したがって、テレビやパーソナルコンピュータのディスプレイなどに搭載する光学式検知装置Ａでは、水平方向の人の小さな動きを検知するという観点から、図３（ｂ）のような検知エリア２００が形成されるものよりも、図１０（ｂ）のような検知エリア２００が形成されるものが好ましい。

また、光学式検知装置Ａの検知エリア２００が図３（ｂ）のように設定されている場合に、人が検知エリア２００を図３（ｂ）の左右方向に沿って通過する際に、極性の異なる２つの検知ビーム２２０を通過し、赤外線受光素子３の２個の素子エレメント３１の出力が相殺されることが考えられるので、図３（ｂ）のような検知エリア２００よりも、図６（ｂ）や図１０（ｂ）や図９（ｂ）や図１８（ｃ）のような検知エリア２００が好ましい場合もある。図６（ｂ）や図１０（ｂ）や図９（ｂ）や図１８（ｃ）のような検知エリア２００であれば、隣り合う検知ビーム２２０間の間隔が小さくなるとともに、図１８（ａ）のように人Ｍが左右方向Ｅに移動する際に、極性の異なる２つの検知ビーム２２０を通過して赤外線受光素子３の２個の素子エレメント３１の出力が相殺される可能性が小さくなる。

また、図１８に示した機器３００は、コピー機であり、例えば、電源がオンの状態で、人Ｍが光学式検知装置Ａの検知エリア２００内から出た場合には休止状態にして省エネルギ化を図り、人Ｍが検知エリア２００内に入った場合にすぐに休止状態を解除して操作可能な状態とすることによって、省エネルギ化を図ることが可能となる。ここで、機器３００がコピー機に限らず、例えば、ファクシミリ（facsimile：ＦＡＸ）、プリンター、複合機などの事務機器の場合には、同様に省エネルギ化を図ることが可能となる。また、機器３００において、光学式検知装置Ａの多分割レンズ１の各レンズ１０１を斜め下向きまたは斜め上向きの検知ビーム２２０のみが形成されるように配置した場合には、機器３００から離れた所を通過する人Ｍの動きが検出されるのを防止することが可能となり、より一層の省エネルギ化を図ることが可能となる。

また、光学式検知装置Ａを搭載する機器は、例えば、自販機、券売機、現金自動預け払い機（Automatic Tellers Machine：ＡＴＭ）、現金自動支払機（Cash Dispenser：ＣＤ）などでもよく、機器に近づいてきた人が検知エリア２００内に入った時に機器の休止状態を解除し、機器の前に人が立った時にはすぐに操作が可能な状態にすることが可能となる。これらの機器に光学式検知装置Ａを搭載する場合には、多分割レンズ１の各レンズ１０１を下向きまたは上向きの検知ビーム２２０のみが形成されるように配置すると、機器から離れた所を通過する人の動きは検出されず、省エネルギ化を図ることが可能となる。また、これらの機器において、光学式検知装置Ａの多分割レンズ１の各レンズ１０１を斜め下向きまたは斜め上向きの検知ビーム２２０のみが形成されるように配置した場合には、機器から離れた所を通過する人の動きが検出されるのを防止することが可能となり、より一層の省エネルギ化を図ることが可能となる。

また、光学式検知装置Ａを搭載する機器は、例えば、壁に取り付ける照明器具やエアコンなどでもよい。このような機器も場合も垂直方向の人の動きの検知は重要でないので、図３（ｂ）のような検知エリア２００が形成されるものよりも、図１０（ｂ）のような検知エリア２００が形成されるものが好ましい。

また、光学式検知装置Ａが搭載されている機器が壁付けの照明器具の場合には、斜め下向きの検知ビーム２２０が形成されるようにするのがよい。このような場合には、人が照明器具に近付いた時に点灯し、人がいない時には消灯することによって省エネルギ化を図ることができる。

また、光学式検知装置Ａをエアコンなどの空調制御用の機器に搭載する場合、多分割レンズ１は斜め下向きに検知ビーム２２０が形成されるようにするのがよい。これは、エアコンなどは部屋の天井近くの壁面に設置されるため、検知ビーム２２０を斜め下方に形成することにより、部屋の中にいる人の動きを検出することができるからである。また、光学式検知装置Ａをエアコンなどの空調制御用の機器に搭載した場合には、人の動きのある箇所を集中的に冷やしたり、温めたりすることで効率的な運転が可能となる。

また、光学式検知装置Ａを、部屋の入り口付近の壁に取り付けられて照明器具を制御するコントローラなどの機器に搭載した場合には、人が部屋に入った時にすぐに照明器具を点灯させ、人がいない時には照明器具を消灯させることによって、省エネルギ化を図ることが可能となる。

なお、赤外線受光素子３は、焦電型赤外線検知素子に限らず、例えば、フォトダイオードなどの受光素子でもよい。

Ａ 光学式検知装置
Ｃ 回転軸
ＣＡ_１，ＣＡ_２，ＣＡ_３ 中心軸
Ｆ 焦点位置
Ｈ 法線
ＯＰ１ 回転軸（対称軸）
Ｐ 頂点
Ｐ_０，Ｐ_１，Ｐ_２ 頂点
Ａ１−Ａ１’ 法線
Ａ２−Ａ２’ 法線
Ｂ１−Ｂ１’ 法線
Ｂ２−Ｂ２’ 法線
Ｃ１−Ｃ１’ 法線
Ｃ２−Ｃ２’ 法線
１ 多分割レンズ
２ 赤外線センサ
３ 赤外線受光素子
１０１ レンズ
１１０ 第一面
１２０ 第二面
１２１ レンズ面
１２５ 双曲面
１３０ 楕円錐
１３０_０，１３０_１，１３０_２ 楕円錐
３００ 機器

Claims (12)

1. 複数枚のレンズが組み合わされ前記各レンズの焦点位置が同じである多分割レンズと、前記焦点位置に配置された赤外線受光素子を有する赤外線センサとを備え、前記多分割レンズの前記各レンズは、第一面とは反対側の第二面が複数のレンズ面を有するフレネルレンズであり、少なくとも１つの前記レンズ面が、楕円錐の側面の一部からなり、前記第一面上の各点の法線のうち前記楕円錐の側面の一部からなる前記レンズ面に交差する任意の法線と、当該任意の法線が交差する前記レンズ面に対応する前記楕円錐の中心軸とが、非平行であることを特徴とする光学式検知装置。
2. 前記複数の前記レンズ面のうち少なくとも２つの前記レンズ面が、それぞれ前記中心軸の異なる前記楕円錐の前記側面の前記一部からなり、外側に位置する前記レンズ面に対応する前記楕円錐ほど、前記中心軸と前記法線とのなす角度が大きいことを特徴とする請求項１記載の光学式検知装置。
3. 前記各レンズそれぞれにおける前記複数の前記レンズ面のうち中央の前記レンズ面は、曲率が連続的に変化する非球面の一部からなり、前記第一面上の各点の法線のうち前記非球面の一部からなる中央の前記レンズ面に交差する任意の法線と、当該任意の法線が交差する中央の前記レンズ面に対応する前記非球面の対称軸とが、非平行であることを特徴とする請求項１または請求項２記載の光学式検知装置。
4. 前記非球面は、双曲面であることを特徴とする請求項３記載の光学式検知装置。
5. 前記多分割レンズは、前記多分割レンズの中心から離れた前記レンズほど前記第二面のレンズ面積を大きくしてあることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の光学式検知装置。
6. 前記多分割レンズは、前記各レンズの最大肉厚を同じ肉厚に設定してあることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の光学式検知装置。
7. 前記赤外線受光素子は、長方形状に形成された複数個の素子エレメントが、前記素子エレメントの短手方向に並んでいることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の光学式検知装置。
8. 前記赤外線受光素子は、正方形状に形成された４個の素子エレメントが２×２のマトリクス状に配列されてなり、前記４個の前記素子エレメントのうち対角位置にある２個の前記素子エレメントそれぞれの１つの対角線同士を一直線で結ぶ方向を左右方向として配置されてなることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の光学式検知装置。
9. 前記多分割レンズの前記各レンズと前記赤外線受光素子とによって形成される複数の検知ビームの配置が千鳥状の配置であることを特徴とする請求項８記載の光学式検知装置。
10. 前記多分割レンズは、レンズ材料がポリエチレンであることを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載の光学式検知装置。
11. 前記多分割レンズは、レンズ材料がポリエチレンであり、且つ、前記第一面が前記第二面側とは反対側に凸となる曲面であることを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載の光学式検知装置。
12. 請求項１ないし請求項１１のいずれか１項に記載の光学式検知装置を備えてなることを特徴とする機器。

Images