JP2009204945A - 光学レンズ及び光ファイバユニット並びに光センサ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】反射プリズムを用いることなく、出射する平行光の光軸の方向を変えることができる光学レンズ及びこの光学レンズを有する光ファイバユニット並びにこの光ファイバユニットを用いた光センサ装置を提供する。
【解決手段】透光性を有する材料から成る薄板状の光学レンズ１Ａであって、互いに対向する一対の平面１ａ，１ｂと、これらの平面１ａ，１ｂ間に入射する、又は、該平面１ａ，１ｂ間から出射する光を屈折させる曲面レンズ部１ｃと、曲面レンズ部１ｃで屈折した光を反射して一対の平面１ａ，１ｂのうちのいずれか一方の平面１ａから出射させる、又は、一対の平面１ａ，１ｂのうちのいずれか一方の平面１ａから入射する光を反射して曲面レンズ部１ｃに導く反射面１ｄを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、透光性を有する材料から成る薄板状の光学レンズ及びこの光学レンズを有する光ファイバユニット並びにこの光ファイバユニットを用いた光センサ装置に関するものである。

従来、上記した光学レンズとしては、例えば、互いに対向する一対の平面と、これらの平面間に光を入射する入射面と、この入射面から入射して一対の平面間を通過する拡散光を平行光にして出射する球面状の出射面を備えた薄板状の光学レンズがある（例えば、特許文献１参照）。
特開平9-251104号

ところが、上記した従来における光学レンズにおいて、一対の平面間を通過する拡散光を平行光にして出射する都合上、出射面を球面状とすることが必須であり、例えば、光ファイバと合わせて光ファイバユニットを組み立てるに際して、上記平行光の光軸の方向を例えば９０°変える場合には、光軸変更用の反射プリズムを出射面に隣接して設置しなくてはならず、したがって、部品点数が増える分だけ部品コストや組み立て作業コストが高くついてしまうという問題を有しており、この問題を解決することが従来の課題となっていた。

本発明は、上記した従来の課題に着目してなされたもので、反射プリズムを用いることなく、出射する平行光の光軸の方向を変えることができる光学レンズ及びこの光学レンズを有する光ファイバユニット並びにこの光ファイバユニットを用いた光センサ装置を提供することを目的としている。

本発明者らは、拡散光を光学レンズ内に入射させる時点で平行光にすることで、出射面を球面状とする必要性を回避できることを見出し、本発明をするに至った。
すなわち、上述した目的を達成するべく本発明の請求項１に係る発明は、透光性を有する材料から成る薄板状の光学レンズであって、互いに対向する一対の平面と、これらの平面間に入射する、又は、該平面間から出射する光を屈折させる曲面レンズ部と、前記曲面レンズ部で屈折した光を反射して一対の平面のうちのいずれか一方の平面から出射させる、又は、一対の平面のうちのいずれか一方の平面から入射する光を反射して前記曲面レンズ部に導く反射面（全反射作用による反射面でも鏡面作用による反射面でもよい）を備えている構成としたことを特徴としており、このような構成の光学レンズを前述した課題を解決するための手段としている。

ここで、光が出射する、又は、光が入射する平面を一対の平面のうちのいずれか一方の平面としているが、光が出射する、又は、光が入射する平面を一対の平面のうちのいずれか他方の平面としても、何ら差し支えなく、一対の平面のうちのいずれか一方の平面（あるいはいずれか他方の平面）と反射面とが成す角度もとくに限定されない。
このような構成を成す光学レンズでは、曲面レンズ部を通して互いに対向する一対の平面間に拡散光を入射させると、この曲面レンズ部で拡散光が屈折して平行光となって一対の平面間を進み、反射面で反射して一対の平面のうちのいずれか一方の平面から出射することとなる。

つまり、光ファイバとともに光ファイバユニットを構成する場合には、投光側光学レンズとして採用し得ることとなり、この際、出射する平行光の光軸の方向を変えるのに反射プリズムを必要としないので、部品コストや組み立て作業コストの低減が図られることとなる。
また、上記した光学レンズでは、一対の平面のうちのいずれか一方の平面を通して光を入射させると、この入射した光は反射面で反射して一対の平面間を進み、光のうちの一部が曲面レンズ部において屈折してレンズ外部で一点に集光することとなり、上記したように、光ファイバとともに光ファイバユニットを構成する場合には、受光側光学レンズとしても採用し得ることとなる。

また、本発明の請求項２に係る光学レンズにおいて、前記曲面レンズ部は、シリンドリカルレンズ形状，球面レンズ形状及び非球面レンズ形状のうちのいずれかのレンズ形状を成している構成としており、本発明の請求項３に係る光学レンズにおいて、前記反射面は、全反射作用により光を反射する面である構成としている。
さらに、本発明の請求項４に係る光学レンズは、前記曲面レンズ部と反射面との間に、前記一対の平面間において光軸の向きを変える光軸変更面を設けた構成としており、このような光学レンズでは、光ファイバと組み合わせて光ファイバユニットを構成する場合、一対の平面間において光軸の向きを適宜変更し得る分だけ、レイアウトの自由度が増すこととなる。

一方、本発明の請求項５に係る光ファイバユニットは、上記した光学レンズと、光ファイバと、前記光学レンズを没入状態で収容するレンズ収容部を具備したハウジングを備え、前記ハウジングには、前記光ファイバの端部を固定し且つ該光ファイバの端部における端面を前記レンズ収容部に収容した前記光学レンズの曲面レンズ部に対向させるファイバ支持孔を設けると共に、前記反射面で反射して一対の平面のうちのいずれか一方の平面から出射する光、又は、一対の平面のうちのいずれか一方の平面から前記反射面に向けて入射する光が通過するスリットを設けた構成としている。

このような構成を成す光ファイバユニットは、投光側光ファイバユニット及び受光側光ファイバユニットのいずれにも適用可能であり、投光側光ファイバユニットとして用いる場合には、光学レンズから出射する平行光の光軸の方向を変えるのに反射プリズムを必要としないので、部品コストや組み立て作業コストの低減が図られることとなる。
また、本発明の請求項６に係る光ファイバユニットにおいて、前記光学レンズは、一対の平面のうちのいずれかの平面を前記ハウジングのレンズ収容部における該平面との対向面に対して接着剤を介して接着することで、前記ハウジングのレンズ収容部に固定してある構成とし、本発明の請求項７に係る光ファイバユニットにおいて、前記接着剤は、前記ハウジングのレンズ収容部における前記平面との対向面に設けた凹部に充填してある構成としており、上記した構成を採用することで、光学レンズ内における光の進行を妨げることなく、光学レンズをハウジングのレンズ収容部に固定し得ることとなる。

そして、本発明の請求項８に係る光センサ装置は、上記光ファイバユニットを二組備え、これらの光ファイバユニットのハウジングの各スリットを互いに対向させた状態で該二組の光ファイバユニットを配置し、一方の光ファイバユニットの光ファイバを光源側に接続して投光側光ファイバユニットとすると共に、他方の光ファイバユニットの光ファイバを光量計測側に接続して受光側光ファイバユニットとして、両光ファイバユニットの各スリット間を被検出物の検出エリアとした構成としている。

このような構成を成す光センサ装置では、上記光ファイバユニットを投光側光ファイバユニット及び受光側光ファイバユニットのいずれにも用い得るので、投光側光ファイバユニット及び受光側光ファイバユニットが互いに異なる構成を成す場合と比べて、部品点数がほぼ半減することとなり、その結果、部品コスト及び組み立て作業コストの大幅な低減が図られることとなる。

本発明の請求項１〜４に係る光学レンズでは、上記した構成としているので、光ファイバと組み合わせて光ファイバユニットを構成する場合、部品コスト及び組み立て作業コストの低減を実現することができる。とくに、本発明の請求項４に係る光学レンズでは、レイアウトの自由度を広げることが可能であるという非常に優れた効果がもたらされる。
一方、本発明の請求項５に係る光ファイバユニットでは、上記した構成としているので、投光側光ファイバユニット及び受光側光ファイバユニットのいずれにも適用することができ、投光側光ファイバユニットとして用いる場合には、部品コストや組み立て作業コストの低減を実現することが可能であるという非常に優れた効果がもたらされる。

また、本発明の請求項６及び７に係る光ファイバユニットでは、上記した構成としているので、光学レンズ内における光の進行を阻害することなく、光学レンズをハウジングに固定することができるという非常に優れた効果がもたらされる。
そして、本発明の請求項８に係る光センサ装置では、上記した構成としているので、部品コスト及び組み立て作業コストの大幅な低減を実現することが可能であるという非常に優れた効果がもたらされる。

以下、本発明を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る光学レンズを示し、図２〜図５は、この一実施形態に係る光学レンズを有する光ファイバユニット及びこの光ファイバユニットを用いて成る光センサ装置を示している。
図１に示すように、この光学レンズ１Ａは、透光性を有する材料から成る薄板状を成すもので、互いに対向する一対の平面１ａ，１ｂと、これらの平面１ａ，１ｂ間に入射する、又は、これらの平面１ａ，１ｂ間から出射する光を屈折させる曲面レンズ部１ｃと、この曲面レンズ部１ｃで屈折した光を反射して一対の平面１ａ，１ｂのうちの一方の平面（図１（ｂ）上面）１ａから出射させる、又は、一対の平面１ａ，１ｂのうちの一方の平面１ａから入射する光を反射して曲面レンズ部１ｃに導く反射面１ｄを備えている。

この場合、曲面レンズ部１ｃは、シリンドリカルレンズ形状を成しており、一方、反射面１ｄは、全反射作用を利用した面としており、このような曲面レンズ部１ｃと反射面１ｄとの間には、一対の平面１ａ，１ｂ間において光軸Ｌの向きを９０°屈折させる光軸変更面１ｅが設けてある。
ここで、図２に上記光学レンズ１Ａの変形例を示す。図２に示すように、光学レンズ１Ａの変形例としての光学レンズ１Ｂでは、反射面１ｄ及び光軸変更面１ｅの位置関係を同一平面（図１（ａ）及び図２（ａ））上において左右逆転させている。

上記した光学レンズ１Ａを有する光ファイバユニット１０Ａは、図３に示すように、光ファイバ１１と、上記光学レンズ１を厚さ方向に没入状態で収容するレンズ収容部１２ａを具備したハウジング１２Ａを備えている。
このハウジング１２Ａには、図５にも示すように、光ファイバ１１の端部を固定し且つこの光ファイバ１１の端部における端面１１ａをレンズ収容部１２ａに収容した光学レンズ１の曲面レンズ部１ｃに対向させるファイバ支持孔１２ｂが設けてあると共に、反射面１ｄで反射して一対の平面１ａ，１ｂのうちの一方の平面１ａから出射する光、又は、一対の平面１ａ，１ｂのうちの一方の平面１ａから反射面１ｄに向けて入射する光が通過するスリット１２ｃが設けてある。

この場合、ハウジング１２Ａのレンズ収容部１２ａにおける底面（一方の平面１ａとの対向面）１２ｄには、接着剤充填用の環状溝（凹部）１２ｅが設けてあり、光学レンズ１は、一対の平面１ａ，１ｂのうちの一方の平面１ａをハウジング１２のレンズ収容部１２ａにおける底面１２ｄに対して環状溝１２ｅ内の接着剤を介して接着することで、ハウジング１２Ａのレンズ収容部１２ａに固定してある。

一方、光学レンズ１Ｂを有する光ファイバユニット１０Ｂも、図４に示すように、光ファイバ１１と、上記光学レンズ１を厚さ方向に没入状態で収容するレンズ収容部１２ａを具備したハウジング１２Ｂを備えている。
このハウジング１２Ｂは、上記したハウジング１２Ａよりも肉厚を薄くしたものとなっており、スリット１２ｃの位置が同一平面（図３（ａ）及び図４（ａ））上において左右逆になっている点を除いて、ハウジング１２Ａとほぼ同じ構成となっている。

これら二組の光ファイバユニット１０Ａ，１０Ｂを用いて成る光センサ装置２０は、図５に示すように、ハウジング１２Ａ，１２Ｂの各スリット１２ｃ同士を互いに対向させつつ、ハウジング１２Ａの背面側に設けた凹部１２ｆとハウジング１２Ｂの背面側に設けた突部１２ｇとを互いに嵌合させた状態でねじ２１により固定して成っている。
そして、一方の光ファイバユニット１０Ａの光ファイバ１１を図外の光源側に接続して投光側光ファイバユニット１０Ａとすると共に、他方の光ファイバユニット１０Ｂの光ファイバ１１を同じく図外の光量計測側に接続して受光側光ファイバユニット１０Ｂとして、両光ファイバユニット１０Ａ，１０Ｂの各スリット１２ｃ間を被検出物の検出エリア１５としている。

なお、図５における符号１３は、ハウジング１２Ａ（１２Ｂ）のレンズ収容部１２ａを覆うガラスカバーであり、符号１４は、ハウジング１２Ａ（１２Ｂ）のスリット１２ｃを覆うガラスカバーである。
上記した光センサ装置２０では、投光側光ファイバユニット１０Ａにおいて、光ファイバ１１の端面１１ａと対向する光学レンズ１Ａの曲面レンズ部１ｃを通して一対の平面１ａ，１ｂ間に拡散光を入射させると、この曲面レンズ部１ｃで拡散光が屈折して平行光となって一対の平面１ａ，１ｂ間を進み、光軸変更面１ｅで９０°屈折した後、反射面１ｄで反射して一対の平面のうちのいずれか一方の平面１ａから出射し、ハウジング１２Ａのスリット１２ｃを通過することとなる。

一方、受光側光ファイバユニット１０Ｂにおいて、投光側光ファイバユニット１０Ａから出射された光が、ハウジング１２Ｂのスリット１２ｃを通過して光学レンズ１Ｂの一方の平面１ａを通して入射すると、この入射した光は反射面１ｄで反射するのに続いて、光軸変更面１ｅで９０°屈折した後、一対の平面１ａ，１ｂ間を進み、光のうちの一部が曲面レンズ部１ｃにおいて屈折してレンズ１Ｂ外部で一点に集光することとなり、被検出物の検出は、検出エリア１５において投光側光ファイバユニット１０Ａから出射された光を被検出物が遮ることでなされるようになっている。

上記した光センサ装置２０では、投光側光ファイバユニット１０Ａにおいて、光学レンズ１Ａから出射する平行光の光軸の方向を変えるのに反射プリズムを必要としないうえ、光ファイバユニット１０Ａ（１０Ｂ）を投光側光ファイバユニット及び受光側光ファイバユニットのいずれにも用い得るので、投光側光ファイバユニット及び受光側光ファイバユニットが互いに異なる構成を成す場合と比べて、部品点数がほぼ半減することとなり、その結果、部品コスト及び組み立て作業コストの大幅な低減が図られることとなる。

また、上記した光センサ装置２０における光ファイバユニット１０Ａ（１０Ｂ）では、光学レンズ１Ａ（１Ｂ）の一対の平面１ａ，１ｂのうちの一方の平面１ａをハウジング１２Ａ（１２Ｂ）のレンズ収容部１２ａにおける底面１２ｄに対して環状溝１２ｅ内の接着剤を介して接着することで、光学レンズ１Ａ（１Ｂ）をレンズ収容部１２ａに固定するようにしているので、光学レンズ１Ａ（１Ｂ）内における光の進行を阻害することなく、光学レンズ１Ａ（１Ｂ）をレンズ収容部１２ａに固定し得ることとなる。

上記した実施形態では、光学レンズ１Ａ（１Ｂ）が、曲面レンズ部１ｃと反射面１ｄとの間に、一対の平面１ａ，１ｂ間において光軸Ｌの向きを９０°屈折させる光軸変更面１ｅを有している構成としているが、これに限定されるものではない。光軸変更面１ｅ及び反射面１ｄによる光軸Ｌの変更角度はそれぞれ９０°に限定されるものではなくそれぞれ任意の角度を採ることができる。また、光軸変更面１ｅ及び反射面１ｄとしては、屈折率の差による全反射作用を有するもの及びアルミニウム蒸着等による鏡面反射作用を有するもののいずれをも用いることができる。

他の構成として、例えば、図６に示すように、光学レンズ３１の曲面レンズ部１ｃ及び反射面１ｄを互いに対向させた構成としてもよい。また、上記した実施形態では、光学レンズ１Ａ（１Ｂ），３１の曲面レンズ部１ｃが、平面視で湾曲するシリンドリカルレンズ形状を成している構成としているが、これに限定されるものではなく、例えば、図７に示すように、曲面レンズ部１ｃが、側面視で湾曲するシリンドリカルレンズ形状を成す光学レンズ４１としたり、一方、図８に示すように、曲面レンズ部１ｃが、球面レンズ形状（又は非球面レンズ形状）を成す光学レンズ５１としたりしてもよい。

ここで、図９に示すように、上記光学レンズ３１，４１，５１が光源Ｐから拡散光を受けた場合には、各々の曲面レンズ部１ｃでの屈折状況はそれぞれ異なることとなり、このような光学レンズ３１，４１，５１の各特性を考慮して採用することが望ましい。

本発明の一実施形態に係る光学レンズを示す平面説明図（ａ），正面説明図（ｂ）及び側面説明図（ｃ）である。 図１における光学レンズの変形例を示す平面説明図（ａ），正面説明図（ｂ）及び側面説明図（ｃ）である。 本発明の一実施形態に係る光ファイバユニットを示すハウジングの平面説明図（ａ），側面説明図（ｂ），背面説明図（ｃ），断面説明図（ｄ）及びＸ−Ｘ線位置での断面説明図（ｅ）である。 図３における光ファイバユニットの変形例を示す平面説明図（ａ），側面説明図（ｂ），背面説明図（ｃ），断面説明図（ｄ）及びＹ−Ｙ線位置での断面説明図（ｅ）である。 本発明の一実施形態に係る光センサ装置を示す斜視説明図である。 本発明の他の実施形態に係る光学レンズを示す斜視説明図である。 本発明のさらに他の実施形態に係る光学レンズを示す斜視説明図である。 本発明のさらに他の実施形態に係る光学レンズを示す斜視説明図である。 図６〜図８の光学レンズの各屈折特性を示すそれぞれの平面視（ａ）〜（ｃ）及びそれぞれの側面視（ｄ）〜（ｆ）である。

符号の説明

１Ａ，１Ｂ 光学レンズ
１ａ，１ｂ 一対の平面
１ｃ 曲面レンズ部
１ｄ 反射面
１ｅ 光軸変更面
１０Ａ 投光側光ファイバユニット
１０Ｂ 受光側光ファイバユニット
１１ 光ファイバ
１１ａ 光ファイバの端面
１２Ａ，１２Ｂ ハウジング
１２ａ レンズ収容部
１２ｂ ファイバ支持孔
１２ｃ スリット
１２ｄ レンズ収容部における底面（一方の平面との対向面）
１２ｅ 環状溝（凹部）
１５ 検出エリア
２０ 光センサ装置
Ｌ 光軸

Claims (8)

1. 透光性を有する材料から成る薄板状の光学レンズであって、
   互いに対向する一対の平面と、
   これらの平面間に入射する、又は、該平面間から出射する光を屈折させる曲面レンズ部と、
   前記曲面レンズ部で屈折した光を反射して一対の平面のうちのいずれか一方の平面から出射させる、又は、一対の平面のうちのいずれか一方の平面から入射する光を反射して前記曲面レンズ部に導く反射面を備えている
   ことを特徴とする光学レンズ。
2. 前記曲面レンズ部は、シリンドリカルレンズ形状，球面レンズ形状及び非球面レンズ形状のうちのいずれかのレンズ形状を成している請求項１に記載の光学レンズ。
3. 前記反射面は、全反射作用により光を反射する面である請求項１又は２に記載の光学レンズ。
4. 前記曲面レンズ部と反射面との間に、前記一対の平面間において光軸の向きを変える光軸変更面を設けた請求項１〜３のいずれか一つの項に記載の光学レンズ。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の光学レンズと、
   光ファイバと、
   前記光学レンズを没入状態で収容するレンズ収容部を具備したハウジングを備え、
   前記ハウジングには、前記光ファイバの端部を固定し且つ該光ファイバの端部における端面を前記レンズ収容部に収容した前記光学レンズの曲面レンズ部に対向させるファイバ支持孔を設けると共に、前記反射面で反射して一対の平面のうちのいずれか一方の平面から出射する光、又は、一対の平面のうちのいずれか一方の平面から前記反射面に向けて入射する光が通過するスリットを設けた
   ことを特徴とする光ファイバユニット。
6. 前記光学レンズは、一対の平面のうちのいずれかの平面を前記ハウジングのレンズ収容部における該平面との対向面に対して接着剤を介して接着することで、前記ハウジングのレンズ収容部に固定してある請求項５に記載の光ファイバユニット。
7. 前記接着剤は、前記ハウジングのレンズ収容部における前記平面との対向面に設けた凹部に充填してある請求項６に記載の光ファイバユニット。
8. 請求項５〜７のいずれかに記載の光ファイバユニットを二組備え、
   これらの光ファイバユニットのハウジングの各スリットを互いに対向させた状態で該二組の光ファイバユニットを配置し、
   一方の光ファイバユニットの光ファイバを光源側に接続して投光側光ファイバユニットとすると共に、他方の光ファイバユニットの光ファイバを光量計測側に接続して受光側光ファイバユニットとして、両光ファイバユニットの各スリット間を被検出物の検出エリアとした
   ことを特徴とする光センサ装置。

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