JP2012078155A

JP2012078155A - 受光レンズ、および光学式変位センサ

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Publication number: JP2012078155A
Application number: JP2010222240A
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

Abstract

【課題】光学式変位センサに用いられた際に、測定性能を向上すると共に、小型化して、安価に製造可能な受光レンズを提供することである。
【解決手段】受光レンズ１４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光学式変位センサに用いられる。受光レンズ１４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ものであり、レンズ本体４０と、レンズ本体４０の反射光が入射する側の表面４０ａに形成され、レンズ本体４０と屈折率の異なる樹脂で形成される樹脂層４１とを含む。
【選択図】図８

Description

この発明は、受光レンズ、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９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９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。

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。

ここで、特許文献１に開示の受光レンズ１０４は、スリット板とフィルタとを挟んでレンズ保持部に取り付けられる。そして、受光レンズ１０４を通過した反射光がスリットで絞られた後に、フィルタにおいて反射光以外の外乱光が除去されて、ＣＣＤ１０３の受光面１０３ａに入射することとなっている。

特開２００８−１４５１６０号公報

しかしながら、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において、単レンズの受光レンズを用いた従来のものでは、例えば、図９中の点線で示すような測定範囲Ｗ_１の両端部付近においては、受光レンズへ入射する際の測定対象物１０６´、１０６´´からの反射光の入射角が大きくなり、コマ収差が発生し、光学式変位センサの測定性能の低下を招く虞があった。

また、測定対象物をより高速に、かつ高精度に測定するために、受光レンズの開口径を大きくして測定対象物からの反射光を取り込もうとすると、球面収差の影響により、光学式変位センサの測定性能の低下を招く虞があった。

このような場合に、一般的には、受光レンズにおいて、複数のレンズを組合わせたレンズを採用することにより、球面収差およびコマ収差を除去して、測定範囲内全体の測定性能の向上や、高速に、かつ高精度に測定することを実現していた。

しかしながら、このような方法では、光学式変位センサ自体の大型化や、製造コストの増大を招く虞がある。

この発明の目的は、光学式変位センサに用いられた際に、測定性能を向上すると共に、小型化して、安価に製造可能な受光レンズを提供することである。

この発明の他の目的は、測定性能を向上すると共に、小型化して、安価に製造可能な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光学式変位センサに用いられる。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ものであり、受光レンズは、レンズ本体と、レンズ本体の反射光が入射する側の表面に形成され、レンズ本体と屈折率の異なる樹脂で形成される樹脂層とを含む。

このように、レンズ本体の表面に屈折率の異なる樹脂で樹脂層を形成する構成としたため、この樹脂層とレンズ本体との屈折率差により、球面収差およびコマ収差を抑制することができる。また、レンズ本体の表面に樹脂層を形成するのみであるため、受光レンズのサイズが大きくなることもなく、製造コストが増大することもない。その結果、光学式変位センサに用いられた際に、測定性能を向上すると共に、小型化して、安価に製造することができる。

好ましくは、樹脂層のうち、反射光が入射する側の表面は、非球面形状である。こうすることにより、効率的に球面収差およびコマ収差を抑制することができる。

さらに好ましくは、前記レンズ本体と前記樹脂層とは、異なる曲率を有する。こうすることにより、レンズ本体と樹脂層との曲率差により、球面収差およびコマ収差をさらに抑制することができる。

一実施形態として、樹脂は、アクリル系樹脂を含む。

他の実施形態として、レンズ本体は、両凸単レンズを含む。

さらに他の実施形態として、レンズ本体は、複数のレンズを組合わせて構成されている。

さらに他の実施形態として、光学式変位センサは、シャインプルーフ光学系を用いたものである。

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。受光レンズは、レンズ本体と、レンズ本体の反射光が入射する側の表面に形成され、レンズ本体と屈折率の異なる樹脂で形成される樹脂層とを含む。

このような光学式変位センサは、受光レンズにおいて、レンズ本体の表面に屈折率の異なる樹脂で樹脂層を形成することとしたため、この樹脂層とレンズ本体との屈折率差により、球面収差およびコマ収差を抑制することができる。また、レンズ本体の表面に樹脂層を形成するのみであるため、受光レンズのサイズが大きくなることもなく、製造コストが増大することもない。その結果、測定性能を向上すると共に、小型化して、安価に製造することができる。

この発明に係る受光レンズは、レンズ本体の表面に屈折率の異なる樹脂で樹脂層を形成する構成としたため、この樹脂層とレンズ本体との屈折率差により、球面収差およびコマ収差を抑制することができる。また、レンズ本体の表面に樹脂層を形成するのみであるため、受光レンズのサイズが大きくなることもなく、製造コストが増大することもない。その結果、光学式変位センサに用いられた際に、測定性能を向上すると共に、小型化して、安価に製造することができる。

また、この発明に係る光学式変位センサは、受光レンズにおいて、レンズ本体の表面に屈折率の異なる樹脂で樹脂層を形成することとしたため、この樹脂層とレンズ本体との屈折率差により、球面収差およびコマ収差を抑制することができる。また、レンズ本体の表面に樹脂層を形成するのみであるため、受光レンズのサイズが大きくなることもなく、製造コストが増大することもない。その結果、測定性能を向上すると共に、小型化して、安価に製造することができる。

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。受光レンズを正面、すなわち図４中の矢印ＶＩの方向から見た平面図である。図６中の矢印ＶＩＩ−ＶＩＩで切断した場合の断面図である。図７中の領域ＶＩＩＩを拡大した図である。従来の光学式変位センサを示す図である。

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、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。

ここで、受光レンズ１４の詳細について説明する。図６は、受光レンズ１４を正面、すなわち図４中の矢印ＶＩの方向から見た平面図である。図７は、受光レンズ１４の中心を通り、図６中の矢印ＶＩＩ−ＶＩＩで切断した場合の断面図である。図８は、図７中の領域ＶＩＩＩを拡大した図である。図１〜図８を参照して、受光レンズ１４は、単レンズであってガラス製のレンズ本体４０と、レンズ本体４０の表面４０ａに形成される樹脂層４１とを含む構成である。

レンズ本体４０は、反射光の入射する一方側の表面４０ａが球面形状であり、凸状である。そして、反射光を出射する他方側の表面４０ｂが平面状である。すなわち、レンズ本体４０は、平凸レンズである。

樹脂層４１は、レンズ本体４０のうち、反射光の入射する一方側の表面４０ａに形成されており、表面４０ａに樹脂をコーティングされて形成されたものである。樹脂層４１は、平面図が円形状であって、レンズ本体４０の直径より小さい直径で、レンズ本体４０の中心と樹脂層４１の中心とが一致するように形成されており、周縁部の厚みは、中心部の厚みより厚くなるように形成されている。なお、受光レンズ１４は、レンズ本体４０とほぼ同等のサイズである。そして、樹脂層４１のうち、反射光の入射する表面４１ａは、非球面形状に形成されている。すなわち、受光レンズ１４は、いわゆるハイブリッドレンズである。樹脂層４１の樹脂は、レンズ本体４０のガラスと異なる屈折率を有しており、例えば、アクリル系樹脂を採用することができる。また、樹脂層４１は、レンズ本体４０と異なる曲率を有している。

こうすることにより、受光レンズ１４は、レンズ本体４０の表面４０ａに屈折率の異なる樹脂で樹脂層４１を形成する構成としたため、この樹脂層４１とレンズ本体４０との屈折率差により、球面収差およびコマ収差を抑制することができる。また、レンズ本体４０の表面４０ａに樹脂層４１を形成するのみであるため、受光レンズ１４のサイズが大きくなることもなく、製造コストが増大することもない。その結果、光学式変位センサ１０に用いられた際に、測定性能を向上すると共に、小型化して、安価に製造することができる。

また、樹脂層４１の反射光が入射する側の表面４１ａは、非球面形状であるため、効率的に球面収差およびコマ収差を抑制することができる。

また、このような光学式変位センサ１０は、受光レンズ１４において、レンズ本体４０の表面４０ａに屈折率の異なる樹脂で樹脂層４１を形成することとしたため、この樹脂層４１とレンズ本体４０との屈折率差により、球面収差およびコマ収差を抑制することができる。また、レンズ本体４０の表面４０ａに樹脂層４１を形成するのみであるため、受光レンズ１４のサイズが大きくなることもなく、製造コストが増大することもない。その結果、測定性能を向上すると共に、小型化して、安価に製造することができる。

ここで、光学式変位センサ１０において、受光レンズ１４に様々なレンズを採用して、球面収差等を調査した。表１はその結果を示すものである。

表１を参照して、レンズの種類は、複数の球面レンズを組合わせたレンズ（Ａ）、ガラス製であって表面が球面状の単レンズ（Ｂ）、ガラス製であって、両側（反射光の入射側および出射側）の表面が非球面状のレンズ（Ｃ）、樹脂製であって、両側の表面が非球面状のレンズ（Ｄ）、および上記したハイブリッドレンズ（受光レンズ１４：Ｅ）を採用した。そして、球面収差の抑制具合（ａ）、コマ収差の抑制具合（ｂ）、光学式変位センサのサイズ（ｃ）、光学式変位センサの製造コスト（ｄ）、およびレンズの温度変動に対する強さ（ｅ）に関して調査した。なお、温度変動に対する強さとは、例えば、レンズを使用する環境の温度に応じて、光学性能の劣化や変形等が発生しないことを言う。

球面収差の抑制具合（ａ）およびコマ収差の抑制具合（ｂ）において、結果の丸は抑制具合が良好であることを示し、バツは良好でないことを示し、三角は比較的良好であることを示している。また、センサのサイズ（ｃ）において、結果の丸は小型であることを示し、バツは大型であることを示し、三角は比較的小型であることを示している。また、製造コスト（ｄ）において、結果の丸は安価に製造可能であること示し、バツは高価になることを示し、三角は比較的安価に製造可能であることを示している。また、温度変動に対する強さ（ｅ）において、結果の丸は強いことを示し、バツは弱いことを示し、三角は比較的強いことを示している。

そして、表１に示すように、ハイブリッドレンズ（Ｅ）は、球面収差の抑制具合（ａ）、光学式変位センサのサイズ（ｃ）、光学式変位センサの製造コスト（ｄ）、およびレンズの温度変動に対する強さ（ｅ）において、良好である。また、コマ収差の抑制具合（ｂ）においても、比較的良好である。

一方、複数レンズ組合わせ（Ａ）では、複数の球面レンズを組合わせた構成であることから、光学式変位センサ１０のサイズにおいて大型化の要因となり、小型なセンサに採用することは困難である。また、製造コストにおいても複数の球面レンズを張り合わせる作業が必要となり、安価に製造することは困難となり、安価な光学式変位センサに採用することは困難である。

また、球面単レンズ（Ｂ）では、球面収差の抑制具合（ａ）およびコマ収差の抑制具合（ｂ）において、性能が満足できるものでないことから、採用することは困難である。

また、ガラス製の両側非球面レンズ（Ｃ）では、光学式変位センサの製造コストにおいて、設備投資等で非常に高い初期費用を必要とするため、安価な光学式変位センサに採用することは困難である。

また、樹脂製の両側非球面レンズ（Ｄ）では、樹脂材料において、屈折率や線膨張係数の温度変動に対する影響がガラス材料に比べて非常に大きいことから、環境の温度変化に影響を受けにくい光学式変位センサに採用することは困難である。

なお、上記の実施の形態においては、レンズ本体４０は、平凸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、両凸レンズを採用してもよい。この場合においても、樹脂層は、反射光の入射される一方側の表面に形成されていればよい。また、レンズ本体４０は、２枚のレンズを組合わせたダブレットレンズを採用してもよい。なお、ダブレットとは、屈折率の異なるガラスを用いて、両凸レンズとメニスカスレンズとをそれぞれ作成し、この作成した両凸レンズとメニスカスレンズとを組み合わせたものである。

また、上記の実施の形態においては、樹脂層４１は、レンズ本体４０のうち、反射光の入射する側の表面４０ａに形成される例について説明したが、これに限ることなく、反射光の出射する側の表面４０ｂにもさらに追加で形成してもよい。すなわち、反射光の入射する側の表面４０ａと反射光の出射する側の表面４０ｂの両側に形成してもよい。こうすることにより、さらに球面収差およびコマ収差を抑制することができる。

また、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、シャインプルーフの条件を満たすように配置する光学式変位センサ１０に、ハイブリッドレンズ（受光レンズ１４）を採用する例について説明したが、これに限ることなく、シャインプルーフの条件を満たさないような設計の光学式変位センサにも、採用することができる。

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、４０レンズ本体、４０ａ，４１ａ，４１ｂ表面、４１樹脂層。

Claims

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る光学式変位センサに用いられる受光レンズであって、
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するものであり、
前記受光レンズは、レンズ本体と、前記レンズ本体の反射光が入射する側の表面に形成され、前記レンズ本体と屈折率の異なる樹脂で形成される樹脂層とを含む、受光レンズ。
前記樹脂層のうち、反射光が入射する側の表面は、非球面形状である、請求項１に記載の受光レンズ。
前記レンズ本体と前記樹脂層とは、異なる曲率を有する、請求項１または２に記載の受光レンズ。
前記樹脂は、アクリル系樹脂を含む、請求項１〜３のいずれかに記載の受光レンズ。
前記レンズ本体は、両凸単レンズを含む、請求項１〜４のいずれかに記載の受光レンズ。
前記レンズ本体は、複数のレンズを組合わせて構成されている、請求項１〜４のいずれかに記載の受光レンズ。
前記光学式変位センサは、シャインプルーフ光学系を用いたものである、請求項１〜６のいずれかに記載の受光レンズ。
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受光レンズとを備える光学式変位センサであって、
前記受光レンズは、レンズ本体と、前記レンズ本体の反射光が入射する側の表面に形成され、前記レンズ本体と屈折率の異なる樹脂で形成される樹脂層とを含む、光学式変位センサ。