JP2012078152A

JP2012078152A - 投光ビームの調整方法

Info

Publication number: JP2012078152A
Application number: JP2010222237A
Authority: JP
Inventors: Kenta Yamakawa; 健太山川; Hoshifumi Ichiyanagi; 星文一柳
Original assignee: Omron Corp; Omron Tateisi Electronics Co
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 2010-09-30
Filing date: 2010-09-30
Publication date: 2012-04-19
Also published as: EP2538171A1; CN102822620A; WO2012042943A1; EP2538171A4

Abstract

【課題】シャインプルーフ光学系を用いた光学式変位センサにおいて、測定精度が安定した投光ビームの調整方法を提供する。
【解決手段】シャインプルーフ光学系を用いた光学式変位センサ１０は、測定対象物に対して光を照射する投光モジュール９と、投光モジュール９からの光が測定対象物で反射して、反射光を受光面で受光する受光部１３と、測定対象物と受光部１３との間に位置して、反射光を受光面に結像する受光レンズ１４とを備える。投光ビームの調整方法は、受光部１３における像のサイズが、投光モジュール９を構成する投光レンズ１２と測定対象物との距離によらず一定になるように光源１１から照射される光の焦点位置を調整する。
【選択図】図６

Description

この発明は光学式変位センサにおける投光ビームの調整方法に関し、特に、測定精度が安定した光学式変位センサにおける投光ビームの調整方法に関する。

従来の光学式変位センサが、例えば、特開２００８−１４５１６０号公報（特許文献１）に開示されている。図７は、特許文献１に開示の従来の光学式変位センサ１００を示す図である。図７を参照して、光学式変位センサ１００は、測定対象物１０６に対して光を照射するレーザダイオード１０１ａ、およびレーザダイオード１０１ａからの光を集光する投光レンズ１０１ｂを含む投光モジュール１０１と、投光モジュール１０１からの光が測定対象物１０６で反射することにより、その反射光を受光面１０３ａで受光するＣＣＤ１０３と、反射光をＣＣＤ１０３の受光面１０３ａに結像する受光レンズ１０４とを備える。

光学式変位センサ１００は、レーザダイオード１０１ａから測定対象物１０６に向けて光を照射すると、照射した光が測定対象物１０６で反射して、受光レンズ１０４を介して、その反射光をＣＣＤ１０３の受光面１０３ａが受光することにより、この受光した像の位置に基づいて、測定対象物１０６の変位を測定する。

ここで、レーザダイオード１０１からの光は投光レンズ１０７を通って測定対象物１０６に投光される。この投光レンズ１０７を通る投光光線を投光ビームという。

特開２００８−１４５１６０号公報

ここで、レーザダイオード１０１、ＣＣＤ１０３、および受光レンズ１０４は、シャインプルーフの条件を満たすように調整して配置されている。具体的には、ＣＣＤ１０３の受光面１０３ａは、所定の幅Ｗ_２を有しており、受光面１０３ａが反射光を受光可能な範囲となる対象物の反射位置は、レーザダイオード１０１の光軸、すなわち投光軸Ｌ_１上で、所定の幅Ｗ_１を有している。そして、反射位置と、受光面１０３ａと、受光レンズ１０４の主面１０４ａとを延長した線が一点Ｄで交わるように調整して配置される。この調整により、所定の幅Ｗ_１のどの位置で反射した反射光であっても、結像の際に受光面１０３ａ全体でピントが合うようになる。

図８はシャインプルーフの条件を満たすように調整して配置されている従来の変位センサの光学系において、測定対象物の位置における投光ビーム１０８によるスポット径Ｓ１〜Ｓ３と、そのスポット径Ｓ１〜Ｓ３が反射して、ＣＣＤ１０３上に形成される像の大きさを示す模式図である。ここでは、測定対称物が投光レンズ１０１ｂに近い場合（図中「近」と表示）と、遠い場合（図中「遠」と表示）と、その中間位置（図中「中」と表示）とに存在する場合に分けて示している。従来においては、投光ビーム１０８の焦点を中間位置の投光レンズ１０１ｂ側に設定していたため、投光ビーム１０８は図８に示すようになる。その結果、測定対象物が投光レンズ１０１ｂに近い場合が最もスポット径Ｓ１が大きく、次いで遠い場合のスポット径Ｓ３が近い場合より若干小さく、中間位置にあるときはスポット径Ｓ２が最も小さい。これらのスポット径Ｓ１〜Ｓ３を、受光レンズ１０４を通してＣＣＤ１０３上に結像すると、測定対称物が光源に近い場合は像の幅が最も大きく、遠い場合は２番目に大きく、中間の位置にあるときは小さい。これは、像のサイズがスポット径×倍率で決定されるためである。ここで、倍率とは、図７および図８に示した光学系において、受光部１０３に形成される像のサイズの測定対象物のスポット径Ｓ１〜Ｓ３に対する比で定まる光学倍率である。

たとえば、近い場合のスポット径Ｓ１を２とすると、中間ではＳ２が１、遠い場合はＳ３が２．０となる。一方、光学倍率は、たとえば、近い場合は約０．３倍、中間では０．２５倍、遠い場合は０．２倍となる。これらの値から、像のサイズは、近い場合は０．６、中間では０．２５、遠い場合は０．４となるためである。この状態を表１に示す。

なお、ここでは光学倍率として、近い場合は約０．３倍、中間では０．２５倍、遠い場合は０．２倍と表示したが、このようなシャインプルーフ光学系では基本的にこのような比で表される。

光学式変位センサにおいて、測定位置を正確に検出するには、ＣＣＤ１０３を構成する複数のフォトダイオードの上にまたがって像が形成されるほうが検出しやすい。

したがって、像のフォトダイオード上のサイズ（幅）が小さいと実際に像が存在するのか否かがはっきりしなくなる。すなわち、従来の投光ビームの調整方法では測定位置によってスポット径が異なるため、ＣＣＤ上における像のサイズがばらつく。その結果、測定精度がばらつくという問題があった。

この発明は上記のような問題点を解消するためになされたもので、シャインプルーフ光学系を用いた光学式変位センサにおいて、測定精度が安定した投光ビームの調整方法を提供することを目的とする。

この発明に係る、投光ビームの調整方法は測定対象物に対して投光する投光レンズを有する光学式変位センサの投光ビームの調整方法である。光学式変位センサは、測定対象物で反射した反射光を受光する受光部と、対象物と受光部との間に位置して、反射光を受光面に結像する受光レンズとを備える。投光レンズと受光部と受光レンズとはシャインプルーフの条件満たすように配置される。投光ビームの調整方法は受光部における反射光によって形成される像のサイズが、投光レンズと測定対象物との距離によらず一定になるように、投光レンズから照射される光の焦点位置を調整する。

好ましくは、投光ビームはレーザ光である。

なお、像のサイズは投光ビームによって形成される測定対象物のスポット径と、受光部に形成される像のサイズの測定対象物のスポット径に対する比で定まる光学倍率との積によって決まる。

受光部における像のサイズが、光源と測定対象物との距離によらず一定になるように光源から照射される光の焦点位置を調整するステップは、受光部における像のサイズが、受光部を構成する複数のフォトダイオードのうち、少なくとも３個以上のフォトダイオードの上に像を形成するよう調整するステップを含むのが好ましい。

この発明の他の局面は、測定対象物に対して投光する投光レンズを有する光学式変位センサの投光ビームの調整方法である。光学式変位センサは、測定対象物で反射した反射光を受光する受光部と、対象物と受光部との間に位置して、反射光を前記受光面に結像する受光レンズとを備え、投光レンズと受光部と前記受光レンズとはシャインプルーフの条件満たすように配置される。受光部における反射光によって形成される像のサイズが、投光レンズと測定対象物との距離によらず受光部における像のサイズが、受光部を構成する複数のフォトダイオードの上に像を形成するように投光レンズから照射される光の焦点位置を調整する。

この発明に係る投光ビームの調整方法は、測定対象物からの反射光による受光部における像のサイズが、投光レンズと測定対象物との距離によらず一定になるように投光レンズから照射される光の焦点位置を調整する。

その結果、測定精度が安定した投光ビームの調整方法を提供できる。

光学式変位センサの外観を示す斜視図である。図１に示す光学式変位センサの蓋を取り外し、矢印ＩＩの方向から見た場合の平面図である。投光レンズを示す斜視図である。受光レンズを示す斜視図である。光学式変位センサを示す模式図である。この実施の形態における測定位置ごとのスポット径の大きさと受光部における像のサイズとの関係を示す図である。特許文献１に開示の従来の光学式変位センサを示す図である。従来のシャインプルーフを満たす変位センサの光学系において、測定対象物の位置におけるスポット径と像の状態とを示す図である。

以下、図面を参照して、この発明の一実施形態に係る光学式変位センサの調整方法について説明する。図１は、光学式変位センサ１０の外観を示す斜視図である。図２は、図１に示す光学式変位センサ１０の蓋３３を取り外し、矢印ＩＩの方向から見た場合の平面図である。なお、図２においては、光学式変位センサ１０の平面図に加え、測定対象物１６も図示している。図１および図２を参照して、光学式変位センサ１０は、測定対象物１６の変位を測定する。光学式変位センサ１０は、略直方体形状の筐体３０の内部に、測定対象物１６に対して所望のビーム形状の光を照射する投光モジュール９と、投光モジュール９からの光による測定対象物１６からの反射光を受光する受光素子１３と、測定対象物１６と受光素子１３との間に位置する受光レンズ１４とを備える。投光モジュール９は、光を照射する光源１１と、測定対象物１６と光源１１との間に位置する投光レンズ１２とを含む構成である。投光モジュール９、受光素子１３、および受光レンズ１４は、所定の光学系を構成する。なお、図２中の三点鎖線で、投光モジュール９による照射される光線であり、投光モジュール９の光軸、すなわち投光軸Ｌ_１と、測定対象物１６からの反射光を受光する受光レンズ１４の光軸、すなわち受光軸Ｌ_２とを示している。

筐体３０は、底部に配置され、光学式変位センサ１０の光学系を構成する部材が固定される底面３１と、開口部３２ａ，３２ｂを有し、底面３１の周縁を取り囲むように配置される側壁３２と、底面３１に対向して配置される蓋３３とを含む。底面３１は、平面状であって、その上に光源１１等が固定される。側壁３２は、図示はしないが、ケーブル等を接続可能な接続部を有する構成である。そして、開口部３２ａは、受光レンズ１４に対向するように設けられており、開口部３２ｂは、投光レンズ１２に対向するように設けられている。

図３は、投光レンズ１２を示す斜視図である。図４は、受光レンズ１４を示す斜視図である。図１〜図４を参照して、光源１１は、レーザダイオードであって、測定対象物１６に対してレーザビームを照射する。投光レンズ１２は、レンズを収容するレンズホルダーを含み、光源１１から照射された光を集光し、光源１１からの光を所定の形状に調整する。受光素子１３は、ＣＣＤ（ＣｈａｒｇｅＣｏｕｐｌｅｄＤｅｖｉｃｅ）センサであって、受光面に測定対象物１６からの反射光を受光する。受光面は、複数の受光素子がライン状に配置されている。受光レンズ１４は、例えば、反射光の入射する表面が非球面形状の単レンズであって、レンズホルダー１５に収容されており、測定対象物１６からの反射光を集光して受光面に結像する。受光レンズ１４は、受光軸Ｌ_２が受光レンズ１４の中心を通るようにして配置されており、受光レンズ１４の主面が、受光軸Ｌ_２に直交するようにして配置されている。

また、レンズホルダー１５は、例えば、受光レンズ１４の周縁の４箇所を掛止するようにして受光レンズ１４を収容しており、底面３１と接する面は、平面状であり、矢印ＩＩの方向から見た場合の形状が、略四角形状である。また、レンズホルダー１５の周囲には、ピン１５ａ〜１５ｄが４箇所底面３１に固定されている。この４個のピン１５ａ〜１５ｄは、レンズホルダー１５の略四角形状の各頂点に対応するようにして配置されており、レンズホルダー１５を移動させる際の位置決め部材となる。

光学式変位センサ１０は、投光モジュール９の光源１１からレーザビームを照射すると、照射した光が側壁３２の開口部３２ｂを介して測定対象物１６に到達し、測定対象物１６で反射する。そして、測定対象物１６からの反射光が側壁３２の開口部３２ａを介して受光レンズ１４に入射し、受光レンズ１４が反射光を受光面に結像する。そして、結像の際の受光した像の位置を検出する。これにより、光学式変位センサ１０は、測定対象物１６の投光軸Ｌ_１方向の変位を測定する。

ここで、光学式変位センサ１０は、投光レンズ１２、受光素子１３、および受光レンズ１４をシャインプルーフの条件を満たすように調整して配置される。図５は、光学式変位センサ１０を示す模式図である。図５を参照して、具体的には、光学式変位センサ１０は、測定対象物１６の変位を測定可能な所定の測定範囲Ｗ_１を有している。この所定の測定範囲Ｗ_１は、測定対象物１６における光の反射位置１６ａを示すものであり、投光軸Ｌ_１上の光源１１に近い第一の位置Ｐ_Ｎ１から、光源１１から離れた第二の位置Ｐ_Ｆ１までの範囲である。すなわち、測定対象物１６における光の反射位置１６ａは、投光軸Ｌ_１上の所定の測定範囲Ｗ_１の幅を有する。なお、図５中の点線で、第一の位置Ｐ_Ｎ１の測定対象物１６´、および第二の位置Ｐ_Ｆ１の測定対象物１６´´を示し、所定の測定範囲Ｗ_１である光の反射位置１６ａを太線で示している。そして、所定の測定範囲Ｗ_１は、例えば２０〜３０ｍｍである。受光素子１３の受光面１３ａは、所定の測定範囲Ｗ_１に対応して、光源１１に近い位置Ｐ_Ｎ２から光源１１から離れた位置Ｐ_Ｆ２までの所定の幅Ｗ_２を有する。

そして、光学式変位センサ１０は、所定の光学系がシャインプルーフの条件を満たすように、すなわち、測定対象物１６における反射位置１６ａ（投光軸Ｌ_１）と、受光レンズ１４の主面１４ａと、受光素子１３の受光面１３ａとを延長した線が一点Ｓ_１で交わるように、調整して配置される。これにより、光学式変位センサ１０は、測定範囲Ｗ_１のどの位置で反射した反射光であっても、結像の際に受光面１３ａでピントが合うようになる。そして、光学式変位センサ１０は、測定範囲Ｗ_１における測定対象物１６の変位を測定する。

次に、この実施の形態における投光レンズ１２による投光ビーム１８の調整方法を説明する。図６はこの実施の形態において、投光ビーム１８を調整した場合のスポット径Ｓ１〜Ｓ３と光学倍率と像サイズとの関係を示す図である。実際の、投光ビーム１８による測定対象物１６の位置と受光部１３である、ＣＣＤ上の像との関係は図５に示すとおりであるが、ここでは、理解の容易のために、従来例において図８で示したように簡素化している。

図６を参照して、この実施の形態においては、従来の図８と同様に、光学式変位センサ１０は、投光レンズ１２、受光部１３、および受光レンズ１４は、シャインプルーフの条件を満たすように調整して配置されている。

この実施の形態においては、受光部１３上の像を確実に検出するために、受光部１３上において形成される像は、受光部１３を構成する複数のフォトダイオード上に像を形成するとともに、像の幅サイズが同一（ここでは１）となるように調整する。ここでは、たとえば、３個分以上のフォトダイオード上に形成するように調整する。この調整状態を表２に示す。

上記したように、像サイズはスポット径×倍率で表される。この構成のシャインプルーフ配置においては、近い位置、中間位置、および、遠い位置における倍率は表２の倍率欄に示すように、たとえば、０．３、０．２５、および、０．２である。この条件を満たすスポット径Ｓ１〜Ｓ３は、それぞれ、同一サイズ／倍率、すなわち、１／０．３、１／０．２５、１／０．２から計算可能であり、それぞれ、３.３、４．０、５．０となる。すなわち、図１においてＳ１〜Ｓ３に示すように、近い側から遠い側に向けて順にスポット径が大きくなるように、投光ビームの光学系を調整すればよい。この例では、１：１．２：１．５の比になるように調整されている。

このようなスポット径を得るためには、投光レンズ１２から照射された投光ビーム１８の焦点位置を「近い」側の位置の少し「遠い」側となるように調整すればよい。

なお、上記実施の形態においては、焦点位置は、像のサイズが一定で、且つ、受光部１３上に形成される像が受光部１３を構成するＣＣＤの３個のフォトダイオードの上に像を形成する場合を例にあげて説明したが、これに限ることはない。

この理由は、投光レンズと測定対象物との距離によらず一定の像サイズになるまで焦点位置を調整する、すなわち、投光ビームのビームサイズの比率にあったビームを形成すると、ビーム径が大きくなりすぎたり、パワーが低くなる等の他の性能が低下する可能性があるためである。したがって、受光部１３を構成するＣＣＤの複数のフォトダイオード上に像を形成するだけでも十分所望の測定結果を得ることができる。

また、ここでは、複数のフォトダイオードとして、たとえば３個の場合を例にあげて説明したが、安定した計測精度を実現するためには５個以上が望ましい。

また、上記実施の形態においては、像のサイズが「スポット径×倍率」で表され、このサイズが一定になるように調整する場合について説明したが、これは、光学系の収差が発生しない理想光学系を考慮したためである。実際には投光レンズには収差が発生するため、像のサイズは、「スポット径×倍率＋光学系の収差」となる。したがって、この収差を考慮した像のサイズを用いるのがさらに好ましい。

なお、上記実施の形態においては、投光ビームはレーザ光である場合について説明したが、これに限らず、ＬＥＤ照明等であってもよい。

また、上記実施の形態は、「近い」位置、「中間」位置、および、「遠い」位置における光学倍率が特定の値の場合について説明したが、この値はシャインプルーフを満たす光学系によって変化する。

また、上記実施の形態においては、受光部における像のサイズをほぼ同一に調整する方法について詳細に述べていないが、「近い」位置、「中央」位置、および「遠い」位置をあらかじめ規定し、これらの位置における像を形成して、一定の像のサイズを決めておき、このサイズ、または、このサイズより大きくなるように、焦点位置を自動的に調整するようにしてもよい。

また、上記の実施の形態においては、受光部は、ＣＣＤセンサである例について説明したが、これに限ることなく、ＣＭＯＳ（ＣｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙＭｅｔａｌＯｘｉｄｅＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）センサであってもよい。

以上、図面を参照してこの発明の実施形態を説明したが、この発明は、図示した実施形態のものに限定されない。図示された実施形態に対して、この発明と同一の範囲内において、あるいは均等の範囲内において、種々の修正や変形を加えることが可能である。

この発明は、光学式変位センサを調整する際に、有利に利用される。

１０光学式変位センサ、９投光モジュール、１１光源、１２投光レンズ、１３受光部、１４受光レンズ、１６測定対象物、１８投光ビーム。

Claims

測定対象物に対して投光する投光レンズを有する光学式変位センサの投光ビームの調整方法であって、
前記光学式変位センサは、前記測定対象物で反射した反射光を受光する受光部と、前記対象物と前記受光部との間に位置して、前記反射光を前記受光面に結像する受光レンズとを備え、
前記投光レンズと前記受光部と前記受光レンズとはシャインプルーフの条件満たすように配置され、
前記受光部における前記反射光によって形成される像のサイズが、前記投光レンズと前記測定対象物との距離によらず一定になるように前記投光レンズから照射される光の焦点位置を調整することを特徴とする、投光ビームの調整方法。
前記投光ビームはレーザ光である、請求項１に記載の投光ビームの調整方法。
前記像のサイズは前記投光ビームによって形成される前記測定対象物のスポット径と、前記受光部に形成される像のサイズの前記測定対象物のスポット径に対する比で定まる光学倍率との積によって決まる、請求項１または２に記載の投光ビームの調整方法。
前記受光部における像のサイズが、光源と測定対象物との距離によらず一定になるように光源から照射される光の焦点位置を調整するステップは、受光部における像のサイズが、受光部を構成する複数のフォトダイオードのうち、少なくとも３個以上のフォトダイオードの上に像を形成するよう調整するステップを含む、請求項１〜３のいずれかに記載の投光ビームの調整方法。
測定対象物に対して投光する投光レンズを有する光学式変位センサの投光ビームの調整方法であって、
前記光学式変位センサは、前記測定対象物で反射した反射光を受光する受光部と、前記対象物と前記受光部との間に位置して、前記反射光を前記受光面に結像する受光レンズとを備え、
前記投光レンズと前記受光部と前記受光レンズとはシャインプルーフの条件満たすように配置され、
前記受光部における前記反射光によって形成される像のサイズが、前記投光レンズと前記測定対象物との距離によらず受光部における像のサイズが、受光部を構成する複数のフォトダイオードの上に像を形成するように前記投光レンズから照射される光の焦点位置を調整することを特徴とする、投光ビームの調整方法。