JP2012078154A

JP2012078154A - 受光レンズの配置方法、および光学式変位センサ

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Publication number: JP2012078154A
Application number: JP2010222239A
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
Anticipated expiration: 2030-09-30
Also published as: EP2538173A1; CN102834693A; WO2012042945A1; JP5218514B2; EP2538173A4

Abstract

【課題】光学式変位センサにおいて、測定範囲のどの位置においても、測定を適切に行うことを可能とする受光レンズの配置方法を提供することである。
【解決手段】光学式変位センサ１０は、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との間に位置して、反射光を受光素子１３に結像する受光レンズ１４とを備える。測定対象物１６で光が反射する位置は、投光モジュール９の光軸Ｌ_１上において、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までの所定の範囲Ｗ_１である。そして、第一の位置Ｐ_Ｎ１から受光レンズ１４に入射する反射光の入射角θ１と、第二の位置Ｐ_Ｆ１から受光レンズ１４に入射する反射光の入射角θ２とが、同じ角度になるように、受光レンズ１４を配置する。
【選択図】図５

Description

この発明は、受光レンズの配置方法、および光学式変位センサに関するものであり、特に、三角測量の原理を用いて測定対象物の変位を測定する光学式変位センサ、およびこのような光学式変位センサに用いられる受光レンズの配置方法に関するものである。

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に開示されているような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光源としてのレーザダイオード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。

そして、投光モジュール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測定対象物１０６の反射位置は、投光モジュール１０１の光軸、すなわち投光軸Ｌ_１上で、所定の幅Ｗ_１を有することとなる。すなわち、この所定の幅Ｗ_１は、光学式変位センサ１００における測定対象物１０６の測定範囲となる。そして、所定の幅Ｗ_１の反射位置と、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、すなわち、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。これにより、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でピントが合うようになる。なお、ここでは、説明のために、受光レンズ１０４を薄肉レンズと見なしている。

特開２００８−１４５１６０号公報

ここで、特許文献１に開示されているような従来の光学式変位センサ１００においては、受光レンズ１０４の中心を通る受光レンズ１０４の光軸、すなわち受光軸Ｌ_２´が、所定の幅Ｗ_１（測定範囲）の中心を通るようにして配置されている。すなわち、この中心は、受光軸Ｌ_２´と投光軸Ｌ_１とが交差する交差点Ｐ_Ｃ´であり、レーザダイオード１０１ａに近い第一の位置Ｐ_Ｎ１から交差点Ｐ_Ｃ´までの距離ａ´と、レーザダイオード１０１ａから離れた第二の位置Ｐ_Ｆ１から交差点Ｐ_Ｃ´までの距離ｂ´とは、同じ距離である。

しかしながら、このような配置では、第一の位置Ｐ_Ｎ１からの反射光の入射角（画角）θ１´と第二の位置Ｐ_Ｆ１からの反射光の入射角（画角）θ２´とが異なる大きさとなる。すなわち、画角θ１´は、画角θ２´より大きくなる。したがって、受光面１０３ａにて結像する際にコマ収差が生じると、第一の位置Ｐ_Ｎ１からの反射光による像と第二の位置Ｐ_Ｆ１からの反射光による像とで、画角の違いによってコマ収差の影響度が異なり、像のボケ具合に差が生じてしまう。すなわち、画角が大きい第一の位置Ｐ_Ｎ１からの反射光による像は、コマ収差の影響を大きく受けることとなる。その結果、測定対象物１０６の位置に応じて、光学式変位センサ１００の測定精度に偏りを生じる虞がある。

図８は、従来における投光軸Ｌ_１上のレーザダイオード１０１ａからの距離と、光学式変位センサ１００における測定誤差との関係を示すグラフである。図８を参照して、第一の位置Ｐ_Ｎ１における誤差Ｅ_Ｎは、第二の位置Ｐ_Ｆ１における誤差Ｅ_Ｆより大きくなっている。

この発明の目的は、光学式変位センサにおいて、測定範囲のどの位置においても、測定を適切に行うことを可能とする受光レンズの配置方法を提供することである。

この発明の他の目的は、測定範囲のどの位置においても、測定を適切に行うことができる光学式変位センサを提供することである。

この発明に係る受光レンズの配置方法は、光学式変位センサに用いられる受光レンズの配置方法である。光学式変位センサは、測定対象物に対して光を照射する投光モジュールと、投光モジュールからの光による測定対象物からの反射光を受光する受光素子とを備える。受光レンズは、測定対象物と受光素子との間に位置して、反射光を受光素子に結像する。投光モジュールと受光素子と受光レンズとは、シャインプルーフの条件を満たすように配置されている。そして、測定対象物で光が反射する位置は、投光モジュールの光軸上において、投光モジュールに近い第一の位置から投光モジュールから離れた第二の位置までの所定の範囲であり、配置方法は、第一の位置から受光レンズに入射する反射光の入射角と、第二の位置から受光レンズに入射する反射光の入射角とが、同じ角度になるように、受光レンズを配置する。

こうすることにより、第一の位置からの反射光の入射角と第二の位置からの反射光の入射角とを同じ大きさの角度とすることができる。すなわち、第一の位置からの反射光の入射角を小さくすることができる。そうすると、第一の位置からの反射光による像が、コマ収差の影響を大きく受けることはない。また、第一の位置からの反射光による像と第二の位置からの反射光による像とで、結像精度を同じにすることができる。その結果、測定対象物の位置に応じて、光学式変位センサの性能に偏りを生じることなく、測定範囲のどの位置においても、測定を適切に行うことができる。

好ましくは、受光レンズは、非球面レンズを含む。こうすることにより、受光素子にて結像する際に、球面収差を抑制することができる。

さらに好ましくは、受光レンズは、受光レンズの光軸が、所定の範囲の中心と受光レンズの中心とを結ぶ線に対して、所定の角度傾斜するように配置されている。

この発明の他の局面においては、測定対象物に対して光を照射する投光モジュールと、投光モジュールからの光による測定対象物からの反射光を受光する受光素子と、測定対象物と受光素子との間に位置して、反射光を受光素子に結像する受光レンズとを備える光学式変位センサに関する。投光モジュールと受光素子と受光レンズとは、シャインプルーフの条件を満たすように配置されており、測定対象物で光が反射する位置は、投光モジュールの光軸上において、投光モジュールに近い第一の位置から投光モジュールから離れた第二の位置までの所定の範囲であり、第一の位置から受光レンズに入射する反射光の入射角と、第二の位置から受光レンズに入射する反射光の入射角とは、同じ角度である。

この発明に係る受光レンズの配置方法は、第一の位置からの反射光の入射角と第二の位置からの反射光の入射角とを同じ大きさの角度とすることができる。すなわち、第一の位置からの反射光の入射角を小さくすることができる。そうすると、第一の位置からの反射光による像が、コマ収差の影響を大きく受けることはない。また、第一の位置からの反射光による像と第二の位置からの反射光による像とで、結像精度を同じにすることができる。その結果、測定対象物の位置に応じて、光学式変位センサの性能に偏りを生じることなく、測定範囲のどの位置においても、測定を適切に行うことができる。

また、この発明に係る光学式変位センサは、第一の位置からの反射光の入射角と第二の位置からの反射光の入射角とを同じ大きさの角度とすることができる。すなわち、第一の位置からの反射光の入射角を小さくすることができる。そうすると、第一の位置からの反射光による像が、コマ収差の影響を大きく受けることはない。また、第一の位置からの反射光による像と第二の位置からの反射光による像とで、結像精度を同じにすることができる。その結果、測定対象物の位置に応じて、光学式変位センサの性能に偏りを生じることなく、測定範囲のどの位置においても、測定を適切に行うことができる。

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。投光軸上の光源からの距離と、光学式変位センサにおける測定誤差との関係を示すグラフである。従来の光学式変位センサを示す図である。従来における投光軸上のレーザダイオードからの距離と、光学式変位センサにおける測定誤差との関係を示すグラフである。

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、ＣＭＯＳ（ＣｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙＭｅｔａｌＯｘｉｄｅＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）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、非球面レンズであって、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。

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、投光モジュール９、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上の投光モジュール９の光源１１に近い第一の位置Ｐ_Ｎ１から、投光モジュール９の光源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、投光モジュール９の光源１１に近い位置Ｐ_Ｎ２から投光モジュール９の光源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。

ここで、受光レンズ１４は、第一の位置Ｐ_Ｎ１から受光レンズ１４に入射する反射光の入射角（画角）θ１と、第二の位置Ｐ_Ｆ１から受光レンズ１４に入射する反射光の入射角（画角）θ２とが、同じ大きさの角度となるように配置されている。入射角θ１は、受光軸Ｌ_２と第一の位置Ｐ_Ｎ１から入射する光線ｎとが成す角であり、入射角θ２は、受光軸Ｌ_２と第二の位置Ｐ_Ｆ１から入射する光線ｆとが成す角である。そして、受光軸Ｌ_２と投光軸Ｌ_１とが交差する交差点Ｐ_Ｃは、所定の測定範囲Ｗ_１に属しており、第一の位置Ｐ_Ｎ１から交差点Ｐ_Ｃまでの距離ａと、第二の位置Ｐ_Ｆ１から交差点Ｐ_Ｃまでの距離ｂとは、異なる距離となる。

すなわち、従来においては、図７に示すように、第一の位置Ｐ_Ｎ１から交差点Ｐ_Ｃ´までの距離ａ´と、第二の位置Ｐ_Ｆ１から交差点Ｐ_Ｃ´までの距離ｂ´とは、同じである。図５中の一点鎖線で、従来における受光軸Ｌ_２´と受光レンズ１４の主面１４ａ´を延長した線とを示している。具体的には、従来における入射角θ１´を小さくするように受光レンズ１４を所定の角度傾斜して配置することにより本願発明における入射角θ１とする。すなわち、受光軸Ｌ_２を受光軸Ｌ_２´に対して、例えば０．５度〜２度の範囲で傾斜するように、受光レンズ１４を光源１１から離して配置する。受光軸Ｌ_２´は、上記したように、測定範囲Ｗ_１の中心Ｐ_Ｃ´と受光レンズ１４の中心とを結ぶ線であり、受光軸Ｌ_２と、測定範囲Ｗ_１の中心Ｐ_Ｃ´と受光レンズ１４の中心とを結ぶ線Ｌ_２´とによって成す傾斜角θ３が、例えば０．５度〜２度となる。

ここで、同じ角度とは、全くズレのない同じ角度のみでなく、若干のズレを含むものであり、例えば、入射角θ１が０．５度であるのに対し、入射角θ２が０．６度である場合等、若干のズレを含むものである。すなわち、同じ角度とは、略均等の角度であることを含むものである。すなわち、受光レンズ１４を０．５度〜２度の範囲で傾斜させると、入射角θ１と入射角θ２とが同じまたは略均等の角度となり、最適な受光レンズ１４の配置となる。そして、コマ収差以外の他の収差、例えば球面収差の影響を小さくしたい場合等に、略均等の角度とすると、最適な受光レンズ１４の配置となる。

このような受光レンズ１４の配置により、第一の位置Ｐ_Ｎ１からの反射光の入射角θ１と第二の位置Ｐ_Ｆ１からの反射光の入射角θ２とを同じ大きさの角度とすることができる。すなわち、従来と比較して第一の位置Ｐ_Ｎ１からの反射光の入射角θ１を小さくすることができる。そうすると、第一の位置Ｐ_Ｎ１からの反射光による像が、コマ収差の影響を大きく受けることはない。また、第一の位置Ｐ_Ｎ１からの反射光による像と第二の位置Ｐ_Ｆ１からの反射光による像とで、結像精度を同じにすることができる。その結果、測定対象物１６の位置に応じて、光学式変位センサ１００の性能に偏りを生じることなく、測定範囲Ｗ_１のどの位置においても、測定を適切に行うことができる。

すなわち、光学式変位センサ１０のコマ収差による影響を、第一の位置Ｐ_Ｎ１と第二の位置Ｐ_Ｆ１とでバランスよく揃えて、測定範囲Ｗ_１における測定精度の偏りを抑制することができる。図６は、投光軸Ｌ_１上の光源１１からの距離と、光学式変位センサ１０における測定誤差との関係を示すグラフである。図６を参照して、第一の位置Ｐ_Ｎ１と第二の位置Ｐ_Ｆ１とで同程度の誤差Ｅ_Ｃとなっている。したがって、光学式変位センサ１０の性能に偏りを生じることなく、測定範囲Ｗ_１のどの位置においても、測定を適切に行うことができる。

また、このような光学式変位センサ１０は、第一の位置Ｐ_Ｎ１からの反射光の入射角θ１と第二の位置Ｐ_Ｆ１からの反射光の入射角θ２とを同じ大きさの角度とすることができる。すなわち、従来と比較して第一の位置Ｐ_Ｎ１からの反射光の入射角θ１を小さくすることができる。そうすると、第一の位置Ｐ_Ｎ１からの反射光による像が、コマ収差の影響を大きく受けることはない。また、第一の位置Ｐ_Ｎ１からの反射光による像と第二の位置Ｐ_Ｆ１からの反射光による像とで、結像精度を同じにすることができる。その結果、測定対象物１６の位置に応じて、光学式変位センサ１００の性能に偏りを生じることなく、測定範囲Ｗ_１のどの位置においても、測定を適切に行うことができる。

また、光学式変位センサ１０においては、受光レンズ１４に非球面レンズを採用することとしたため、受光素子１３にて結像する際に、球面収差においても抑制することができる。

なお、上記の実施の形態においては、受光素子１３は、ＣＭＯＳ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、ＣＣＤ（ＣｈａｒｇｅＣｏｕｐｌｅｄＤｅｖｉｃｅ）センサであってもよい。

また、上記の実施の形態においては、受光レンズ１４に非球面レンズを採用する例について説明したが、これに限ることなく、例えば、複数のレンズを組合わせた構成であってもよい。

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製造する際に、有効に用いられる。

９投光モジュール、１０光学式変位センサ、１１光源、１２投光レンズ、１３受光素子、１３ａ受光面、１４受光レンズ、１４ａ主面、１５レンズホルダー、１６測定対象物、１６ａ反射位置、３０筐体、３１底面、３２側壁、３２ａ，３２ｂ開口部、３３蓋。

Claims

光学式変位センサに用いられる受光レンズの配置方法であって、
前記光学式変位センサは、測定対象物に対して光を照射する投光モジュールと、前記投光モジュールからの光による前記測定対象物からの反射光を受光する受光素子とを備え、
前記受光レンズは、前記測定対象物と前記受光素子との間に位置して、前記反射光を前記受光素子に結像し、
前記投光モジュールと前記受光素子と前記受光レンズとは、シャインプルーフの条件を満たすように配置されており、
前記測定対象物で光が反射する位置は、前記投光モジュールの光軸上において、前記投光モジュールに近い第一の位置から前記投光モジュールから離れた第二の位置までの所定の範囲であり、
前記配置方法は、
前記第一の位置から前記受光レンズに入射する反射光の入射角と、前記第二の位置から前記受光レンズに入射する反射光の入射角とが、同じ角度になるように、前記受光レンズを配置する、受光レンズの配置方法。
前記受光レンズは、非球面レンズを含む、請求項１に記載の受光レンズの配置方法。
前記受光レンズは、前記受光レンズの光軸が、前記所定の範囲の中心と前記受光レンズの中心とを結ぶ線に対して、所定の角度傾斜するように配置されている、請求項１または２に記載の受光レンズの配置方法。
測定対象物に対して光を照射する投光モジュールと、前記投光モジュールからの光による前記測定対象物からの反射光を受光する受光素子と、前記測定対象物と前記受光素子との間に位置して、前記反射光を前記受光素子に結像する前記受光レンズとを備える光学式変位センサであって、
前記投光モジュールと前記受光素子と前記受光レンズとは、シャインプルーフの条件を満たすように配置されており、
前記測定対象物で光が反射する位置は、前記投光モジュールの光軸上において、前記投光モジュールに近い第一の位置から前記投光モジュールから離れた第二の位置までの所定の範囲であり、
前記第一の位置から前記受光レンズに入射する反射光の入射角と、前記第二の位置から前記受光レンズに入射する反射光の入射角とは、同じ角度である、光学式変位センサ。