CN102834693A - 受光透镜的配置方法及光学位移传感器 - Google Patents

Abstract

光学位移传感器（10）具有：投光模块（9）；受光元件（13），其用于接收来自投光模块（9）的光被测定对象物（16）反射的反射光；受光透镜（14），其位于测定对象物（16）和受光元件（13）之间，用于将反射光成像在受光元件（13）上。光在测定对象物（16）上的反射位置，在投光模块（9）的光轴（L₁）上位于从离光源（11）近的第一位置（P_N1）到离光源（11）远的第二位置（P_F1）为止的规定的范围（W₁）内。而且，以使从第一位置（P_N1）入射至受光透镜（14）的反射光的入射角（θ1）与从第二位置（P_F1）入射至受光透镜（14）的反射光的入射角（θ2）变为相同角度的方式配置受光透镜（14）。

Description

受光透镜的配置方法及光学位移传感器

技术领域

本发明涉及一种受光透镜的配置方法以及光学位移传感器，尤其是涉及一种基于三角测量原理来对测定对象物的位移进行测定的光学位移传感器以及在这样的光学位移传感器中使用的受光透镜的配置方法。

背景技术

例如，在JP特开2008-145160号公报（专利文献1）中公开了一种现有的光学位移传感器。图7是示出了专利文献1所公开的现有的光学位移传感器100的图。如图7所示，光学位移传感器100具有：投光模块101，其包括激光二极管101a以及投光透镜101b，该激光二极管101a用于将光照射至测定对象物106，该投光透镜101b用于对来自激光二极管101a的光进行会聚；CCD103，其受光面103a接收特定反射光，该特定反射光是指，来自投光模块101的光被测定对象物106反射的反射光；受光透镜104，其用于使反射光成像在CCD103的受光面103a上。

在光学位移传感器100中，激光二极管101a将光照射至测定对象物106，所照射的光被测定对象物106反射，经过受光透镜的该反射光被CCD103的受光面103a接收，由此能够基于接收到的该反射光的像的位置，来测定出测定对象物106的位移。

而且，投光模块101、CCD103以及受光透镜104调整配置为满足交线条件（Scheimpflug condition：向甫鲁条件）。具体地讲，CCD103的受光面103a具有规定的宽度W₂，在受光面103a能够接收反射光的范围内的测定对象物106的反射位置，在投光模块101的光轴即投光轴L₁上具有规定的宽度W₁。即，该规定的宽度W₁，就是光学位移传感器100的对测定对象物106的测定范围。而且，调整配置成满足交线条件，即，规定的宽度W₁的反射位置、受光面103a、受光透镜104的主面104a各自的延长线相交于一点D。由此，不管被规定的宽度W₁内的哪一位置反射的反射光，成像时在受光面103a上都能够实现对焦。此外，这里，为了便于说明，将受光透镜104视为薄透镜。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：JP特开2008-145160号公报

发明内容

发明要解决的课题

这里，在如专利文献1所公开那样的现有的光学位移传感器100中，将通过受光透镜104的中心的受光透镜104的光轴即受光轴L₂′，配置为通过规定的宽度W₁（测定范围）的中心。即，该中心是受光轴L₂′和投光轴L₁相交叉的交叉点P_C′，而且从离激光二极管101a近的第一位置P_N1到交叉点P_C′的距离a′和从离激光二极管101a远的第二位置P_F1到交叉点P_C′的距离b′为相同的距离。

然而，在这样的配置中，来自第一位置P_N1的反射光的入射角（视场角）θ1′和来自第二位置P_F1的反射光的入射角（视场角）θ2′具有不同的大小。即，视场角θ1′比视场角θ2′更大。因此，若在受光面103a上成像时发生了彗差，则由于视场角不同，彗差对来自第一位置P_N1的反射光所成的像和来自第二位置P_F1的反射光所成的像的影响程度不同，这会使像的模糊程度发生差异。即，视场角大的来自第一位置P_N1的反射光所成的像，严重受到彗差的影响。其结果，光学位移传感器100的测定精度可能会根据测定对象物106的不同位置而发生偏差。

图8是示出了现有技术中的与激光二极管101a在投光轴L₁上的距离和光学位移传感器100的测定误差之间的关系的曲线图。如图8所示，在第一位置P_N1的误差E_N比在第二位置P_F1的误差E_F更大。

本发明的第一目的在于，针对光学位移传感器，提供一种不管对测定范围内的哪一位置都能够恰当地进行测定的受光透镜的配置方法。

本发明的第二目的在于，提供一种不管对测定范围内的哪一位置都能够恰当地进行测定的光学位移传感器。

用于解决课题的手段

本发明的第一观点的受光透镜的配置方法，涉及一种使用于光学位移传感器中的受光透镜的配置方法。光学位移传感器具有：投光模块，其用于将光照射至测定对象物；受光元件，其用于接收来自投光模块的光被测定对象物发射的反射光。受光透镜位于测定对象物和受光元件之间，用于将反射光成像在受光元件上。投光模块、受光元件以及受光透镜配置成满足交线条件。而且，光在测定对象物上的反射位置，在投光模块的光轴上位于从离投光模块近的第一位置到离投光模块远的第二位置为止的规定的范围内，在配置方法中，以使从第一位置入射至受光透镜的反射光的入射角和从第二位置入射至受光透镜的反射光的入射角变为相同的角度的方式配置受光透镜。

由此，能够使来自第一位置的反射光的入射角和来自第二位置的反射光的入射角变为相同大小的角度。即，能够使来自第一位置的反射光的入射角变小。这样，来自第一位置的反射光所成的像，不会严重受到彗差的影响。另外，能够使来自第一位置的反射光所成的像和来自第二位置的反射光所成的像的成像精度变为相同。其结果，光学位移传感器的性能不会根据测定对象物的不同位置而发生偏差，而且不管对测定范围内的哪一位置，都能够恰当地进行测定。

优选地，受光透镜包括非球面透镜。由此，在受光元件上进行成像时，能够抑制球差。

更优选地，将受光透镜配置成：受光透镜的光轴相对于连接规定的范围的中心和受光透镜的中心得到的线以规定的角度倾斜。

本发明的第二观点的光学位移传感器涉及一种光学位移传感器，上述光学位移传感器具有：投光模块，其用于将光照射至测定对象物；受光元件，其用于接收来自投光模块的光被测定对象物反射的反射光；受光透镜，其位于测定对象物和受光元件之间，用于将反射光成像在受光元件上。投光模块、受光元件以及受光透镜配置为满足交线条件；光在测定对象物上的反射位置，在投光模块的光轴上位于从离投光模块近的第一位置到离投光模块远的第二位置为止的规定的范围内；从第一位置入射至受光透镜的反射光的入射角和从第二位置入射至受光透镜的反射光的入射角为相同的角度。

由此，能够使来自第一位置的反射光的入射角和来自第二位置的反射光的入射角变为相同大小的角度。即，能够使来自第一位置的反射光的入射角变小。这样，来自第一位置的反射光所成的像，不会严重受到彗差的影响。另外，能够使来自第一位置的反射光所成的像和来自第二位置的反射光所成的像的成像精度变为相同。其结果，光学位移传感器的性能不会根据测定对象物的不同位置而发生偏差，而且不管对测定范围内的哪一位置，都能够恰当地进行测定。

发明效果

根据本发明的受光透镜的配置方法，能够使来自第一位置的反射光的入射角和来自第二位置的反射光的入射角变为相同大小的角度。即，能够使来自第一位置的反射光的入射角变小。这样，来自第一位置的反射光所成的像，不会严重受到彗差的影响。另外，能够使来自第一位置的反射光所成的像和来自第二位置的反射光所成的像的成像精度变为相同。其结果，光学位移传感器的性能不会根据测定对象物的不同位置而发生偏差，而且不管对测定范围内的哪一位置，都能够恰当地进行测定。

另外，根据本发明的光学位移传感器，能够使来自第一位置的反射光的入射角和来自第二位置的反射光的入射角变为相同大小的角度。即，能够使来自第一位置的反射光的入射角变小。这样，来自第一位置的反射光所成的像，不会严重受到彗差的影响。另外，能够使来自第一位置的反射光所成的像和来自第二位置的反射光所成的像的成像精度变为相同。其结果，光学位移传感器的性能不会根据测定对象物的不同位置而发生偏差，而且不管对测定范围内的哪一位置，都能够恰当地进行测定。

附图说明

图1是示出了光学位移传感器的外观的立体图。

图2是在拿掉了图1所示的光学位移传感器的盖并沿着箭头II的方向观察时的平面俯视图。

图3是示出了投光透镜的立体图。

图4是示出了受光透镜的立体图。

图5是示出了光学位移传感器的示意图。

图6是示出了与光源的在投光轴上的距离和光学位移传感器的测定误差之间的关系的曲线图。

图7是示出了现有的光学位移传感器的图。

图8是示出了现有技术中的与激光二极管的在投光轴上的距离和光学位移传感器的测定误差之间的关系的曲线图。

其中，附图标记说明如下：

9     投光模块

10    光学位移传感器

11    光源

12    投光透镜

13    受光元件

13a   受光面

14    受光透镜

14a   主面

15    透镜架

16    测定对象物

16a   反射位置

30    壳体

31    底面

32    侧壁

32a、32b    开口部

33    盖。

具体实施方式

下面，参照附图，对本发明的一实施方式的光学位移传感器进行说明。图1是示出了光学位移传感器10的外观的立体图。图2是在拿掉了图1所示的光学位移传感器10的盖33并沿着箭头II的方向进行观察时的俯视图。此外，在图2中，除了光学位移传感器10的俯视图之外，还图示了测定对象物16。参照图1及图2，光学位移传感器10用于对测定对象物16的位移进行测定。光学位移传感器10在大致长方体形状的壳体30的内部具有：投光模块9，其用于将所期望的光束形状的光照射至测定对象物16；受光元件13，其用于接收来自投光模块9的光被测定对象物16反射的反射光；受光透镜14，其位于测定对象物16和受光元件13之间。投光模块9具有：光源11，其用于发出光；投光透镜12，其位于测定对象物16和光源11之间。投光模块9、受光元件13以及受光透镜14构成规定的光学系统。此外，在图2中，利用三点划线来示出了从投光模块9发出的光线，该三点划线也示出了投光模块9的光轴即投光轴L₁和用于接收来自测定对象物16的反射光的受光透镜14的光轴即受光轴L₂。

壳体30包括：底面31，其配置在底部，用于固定构成光学位移传感器10的光学系统的部件；侧壁32，其具有开口部32a、32b，用于包围底面31的周边；盖33，其与底面31相对置。底面31为平面形状，在该底面31上固定有光源11等。虽未图示，但侧壁32具有能够连接电缆等的连接部。而且，开口部32a与受光透镜14相对置，开口部32b与投光透镜12相对置。

图3是示出了投光透镜12的立体图。图4是示出了受光透镜14的立体图。参照图1～图4，光源11为激光二极管，用于对测定对象物16照射激光束。投光透镜12包括用于收容透镜的透镜架（lens holder），用于对光源11发出的光进行会聚，从而将来自光源11的光调整为规定的形状。受光元件13为CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor：互补金属氧化物半导体）传感器，通过受光面接收来自测定对象物16的反射光。在受光面上以直线状配置有多个受光元件。受光透镜14采用非球面透镜，收容于透镜架15中，用于对来自测定对象物16的反射光进行会聚来成像在受光面上。受光透镜14配置成受光轴L₂通过受光透镜14的中心且受光透镜14的主面与受光轴L₂相垂直。

在光学位移传感器10中，若从投光模块9的光源11照射激光束，则所照射的光经过侧壁32的开口部32b到达测定对象物16，并被测定对象物16反射。然后，来自测定对象物16的反射光经过侧壁32的开口部32a而入射至受光透镜14，从而反射光通过受光透镜14成像在受光面上。然后，根据成像时接收到的光来检测像的位置。由此，光学位移传感器10测定出测定对象物16在投光轴L₁方向上的位移。

此时，在光学位移传感器10中，调整配置投光模块9、受光元件13以及受光透镜14使得满足交线条件。图5是示出了光学位移传感器10的示意图。具体地讲，如图5所示，光学位移传感器10具有规定的测定范围W₁，在该规定的测定范围W₁内能够测定出测定对象物16的位移。该规定的测定范围W₁，是示出了测定对象物16上的光的反射位置16a的范围，是在投光轴L₁上的从离投光模块9的光源11近的第一位置P_N1到离投光模块9的光源11远的第二位置P_F1为止的范围。即，测定对象物16上的光的反射位置16a，在投光轴L₁上具有规定的测定范围W₁的宽度。此外，在图5中，利用虚线来示出了第一位置P_N1的测定对象物16′以及第二位置P_F1的测定对象物16″，并利用粗线来示出了规定的测定范围W₁内的光的反射位置16a。而且，规定的测定范围W₁例如为20～30mm。与规定的测定范围W₁相对应地，受光元件13的受光面13a具有从离投光模块9的光源11近的位置P_N2到离投光模块9的光源11远的位置P_F2为止的规定的宽度W₂。

而且，光学位移传感器10调整配置成规定的光学系统满足交线条件，即测定对象物16上的射位置16a（投光轴L₁）、受光透镜14的主面14a和受光元件13的受光面13a各自的延长线相交于一点S₁。由此，在光学位移传感器10中，不管被测定范围W₁的哪一位置反射的反射光，成像时在受光面13a上都能够实现对焦。而且，光学位移传感器10对测定范围W₁内的测定对象物16的位移进行测定。

此时，受光透镜14配置成：从第一位置P_N1入射至受光透镜14的反射光的入射角（视场角）θ1与从第二位置P_F1入射至受光透镜14的反射光的入射角（视场角）θ2成为相同大小的角度。入射角θ1是受光轴L₂和从第一位置P_N1入射的光线n所成的角度，入射角θ2是受光轴L₂和从第二位置P_F1入射的光线f所成的角度。而且，受光轴L₂和投光轴L₁相交叉的交叉点P_C属于规定的测定范围W₁内，从第一位置P_N1到交叉点P_C的距离a和从第二位置P_F1到交叉点P_C的距离b为不同的距离。

即，在现有技术中，如图7所示，从第一位置P_N1到交叉点P_C′的距离a′、从第二位置P_F1到交叉点P_C′的距离b′相同。在图5中，利用点划线来示出了现有技术中的受光轴L₂′和受光透镜14的主面14a′的延长线。具体地讲，以使现有技术中的入射角θ1′变小的方式将受光透镜14配置成倾斜规定的角度，从而得到本申请发明中的入射角θ1。即，以使受光轴L₂相对受光轴L₂′例如在0.5度～2度的范围内发生倾斜的方式，将受光透镜14与光源11分开配置。如上所述，受光轴L₂′是连接测定范围W₁的中心P_C′和受光透镜14的中心来得到的线，受光轴L₂与连接测定范围W₁的中心P_C′和受光透镜14的中心来得到的L₂′所成的倾斜角θ3，例如为0.5度～2度。

这里，所谓相同的角度，不仅包括完全没有偏差的相同的角度，而且还包括彼此具有若干偏差的情形，例如包括入射角θ1为0.5度而入射角θ2为0.6度的情况等具有若干偏差的情况。即，所谓相同的角度，包括大致等同的角度的情形。即，若使受光透镜14在0.5度～2度的范围内发生倾斜，则入射角θ1和入射角θ2变为相同或大致等同的角度，由此受光透镜14能够实现最佳的配置。而且，在要使除了彗差以外的其他像差例如球差所带来的影响变小的情况下等，若两个角度变为大致等同的角度，则受光透镜14能够实现最佳配置。

通过受光透镜14的这样的配置，能够使来自第一位置P_N1的反射光的入射角θ1和来自第二位置P_F1的反射光的入射角θ2变为相同大小的角度。即，与现有技术相比，能够使来自第一位置P_N1的反射光的入射角θ1变小。这样，来自第一位置P_N1的反射光所成的像，不会严重受到彗差的影响。另外，能够使来自第一位置P_N1的反射光所成的像和来自第二位置P_F1的反射光所成的像的成像精度变得相同。其结果，光学位移传感器100的性能不会根据测定对象物16的不同位置而发生偏差，而且不管对测定范围W₁内的哪一位置，都能够恰当地进行测定。

即，使彗差对于光学位移传感器10的影响，在第一位置P_N1和第二位置P_F1得到良好的平衡，从而能够抑制测定精度在测定范围W₁内发生偏差。图6是示出了与光源11的在投光轴L₁上的距离和光学位移传感器10的测定误差之间的关系的曲线图。如图6所示，在第一位置P_N1和第二位置P_F1具有相同程度的误差E_C。因此，光学位移传感器10的性能不会发生偏差，而且不管对测定范围W₁内的哪一位置，都能够恰当地进行测定。

另外，在这样的光学位移传感器10中，能够将来自第一位置P_N1的反射光的入射角θ1和来自第二位置P_F1的反射光的入射角θ2调整为相同大小的角度。即，与现有技术相比，能够使来自第一位置P_N1的反射光的入射角θ1变小。这样，来自第一位置P_N1的反射光所成的像，不会严重受到彗差的影响。另外，能够使来自第一位置P_N1的反射光所成的像和来自第二位置P_F1的反射光所成的像的成像精度变得相同。其结果，光学位移传感器100的性能不会根据测定对象物16的不同位置而发生偏差，而且不管对测定范围W₁内的哪一位置，都能够恰当地进行测定。

另外，在光学位移传感器10中，受光透镜14采用了非球面透镜，所以利用受光元件13进行成像时，也能够抑制球差。

此外，在上述实施方式中，举例说明了受光元件13采用CMOS传感器的情形，但并不仅限定于此，也可以采用CCD（Charge Coupled Device：电荷耦合器件）传感器。

另外，在上述实施方式中，举例说明了受光透镜14采用非球面透镜的情形，但并不仅限定于此，例如也可以采用组合多个透镜而成的结构。

上面，参照附图来说明了本发明的实施方式，但本发明并不仅限定于图示的实施方式。在与本发明相同的范围内或等同的范围内，可以对图示的实施方式进行各种各样的修正或变形。

产业上的可利用性

本发明能够有效利用于光学位移传感器的制造中。

Claims (4)

1.一种受光透镜的配置方法，该受光透镜使用于光学位移传感器中，其特征在于，

上述光学位移传感器具有：

投光模块，其用于将光照射至测定对象物，

受光元件，其用于接收来自上述投光模块的光被上述测定对象物反射的反射光；

上述受光透镜位于上述测定对象物和上述受光元件之间，用于将上述反射光成像在上述受光元件上，

上述投光模块、上述受光元件和上述受光透镜配置为满足交线条件，

光在上述测定对象物上的反射位置，在上述投光模块的光轴上位于从离上述投光模块近的第一位置到离上述投光模块远的第二位置为止的规定的范围内，

在上述配置方法中，以使从上述第一位置入射至上述受光透镜的反射光的入射角与从上述第二位置入射至上述受光透镜的反射光的入射角变为相同的角度的方式配置上述受光透镜。

2.如权利要求1所述的受光透镜的配置方法，其特征在于，上述受光透镜包括非球面透镜。

3.如权利要求1或2所述的受光透镜的配置方法，其特征在于，将上述受光透镜配置成：上述受光透镜的光轴相对于连接上述规定的范围的中心和上述受光透镜的中心得到的线以规定的角度倾斜。

4.一种光学位移传感器，

具有：

投光模块，其用于将光照射至测定对象物，

受光元件，其用于接收来自上述投光模块的光被上述测定对象物反射的反射光，

受光透镜，其位于上述测定对象物和上述受光元件之间，用于将上述反射光成像在上述受光元件上；

上述光学位移传感器的特征在于，

上述投光模块、上述受光元件及上述受光透镜配置为满足交线条件，

光在上述测定对象物上的反射位置，在上述投光模块的光轴上位于从离上述投光模块近的第一位置到离上述投光模块远的第二位置为止的规定的范围内，

从上述第一位置入射至上述受光透镜的反射光的入射角和从上述第二位置入射至上述受光透镜的反射光的入射角为相同的角度。

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