JP2020087745A - 投光器及び光電センサ - Google Patents

Abstract

【課題】出射光の照度分布を均一にする。【解決手段】投光器１１は、第１のシリンドリカルレンズ２１が設けられた第１の光学素子２０と、第２のシリンドリカルレンズ３１が設けられた第２の光学素子とを備える。第２の光学素子３０は、第２のシリンドリカルレンズ３１を通過した光を、進行方向に対して９０°の向きに反射させる複数のプリズム３３が形成された反射面３２と、反射面３２で反射された光が出射する出射面３５とを有する。反射面３２の包絡線は、入光光線軸に対して面の両外周側の傾きが面中央部の傾きよりも大きい曲線で表される面で構成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、投光器及び光電センサに関するものである。

従来より、出射面、それに対向する底面、及び出射面と底面間の側端面からなる入射面を有する板状物からなる導光板が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１には、導光板の底面に、入射面に沿う方向の斜面からなる凸部又は凹部が周期的に形成された構成が開示されている。ここで、入射面から入射された光が、底面の凸部又は凹部の長辺面の傾斜角に基づいて平行な角度で反射されることで、出射光の平行光化を図るようにしている。

特許第３１８４１０３号公報

ところで、ＬＥＤ等の光源の不均一、光ファイバを通過した後の配光の不均一、組み立てばらつき等に起因して、導光板の入射面に入射される光量が変化することがある。この場合には、導光板の底面で反射した光の光量分布がばらつき、出射光の照度分布を均一にすることができなくなるという問題がある。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、出射光の照度分布を均一にすることにある。

本発明は、投光器であって、入射した光を一方向の軸に平行となる平行光にする第１のシリンドリカルレンズが設けられた第１の光学素子と、前記第１の光学素子を通過した光を、前記一方向の軸に対して９０°の軸の向きに略平行となる平行光にする第２のシリンドリカルレンズが設けられた第２の光学素子とを備え、前記第２の光学素子は、前記第２のシリンドリカルレンズを通過した光を、進行方向に対して９０°の向きに反射させる複数のプリズムが形成された反射面と、該反射面で反射された光が出射する出射面とを有し、前記反射面の包絡線が、入光光線軸に対して面の両外周側の傾きが面中央部の傾きよりも大きい曲線で表される面で構成されている。

本発明によれば、出射光の照度分布を均一にすることができる。

本実施形態に係る光電センサの構成を示す正面図である。 投光器の光学系を示す斜視図である。 投光器の光学系を示す正面図である。 投光器の反射面中央部のプリズム拡大図である。 投光器の反射面奥側のプリズム拡大図である。 投光器の反射面手前側のプリズム拡大図である。 光電センサの物体検出領域の照度分布を示すグラフ図である。 光電センサにおける、物体遮光距離と光量の関係を示すグラフ図である。 比較例としての投光器の光学系を示す正面図である。 比較例としての光電センサの物体検出領域の照度分布を示すグラフ図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。

図１に示すように、光電センサ１０は、光を投射する投光器１１と、光を受光する受光器１５とを備えている。投光器１１と受光器１５とは、互いに向かい合うように配置されている。

投光器１１は、ケース１２と、ケース１２内に収納された第１の光学素子２０及び第２の光学素子３０と、ケース１２に接続された光ファイバ１３とを有する。

光ファイバ１３には、ＬＥＤ等の光源１４が接続されている。光源１４から照射された光は、光ファイバ１３内を導光して、投光器１１の第１の光学素子２０に入光する。

第１の光学素子２０の出射側には、第１のシリンドリカルレンズ２１が設けられている（図２も参照）。第１の光学素子２０に入光した光は、第１の光学素子２０内を広がり、第１のシリンドリカルレンズ２１によって、図１で奥行方向に平行となる平行光に曲げられ、第２の光学素子３０に入光する。

第２の光学素子３０の入射側には、第２のシリンドリカルレンズ３１が設けられている（図２も参照）。第２の光学素子３０の第２のシリンドリカルレンズ３１に入光した光は、図１で上下方向に略平行となる平行光に曲げられ、第２の光学素子３０内を導光する。

そして、光は、第２の光学素子３０の反射面３２に形成された微細なプリズム３３（図４Ａ参照）によって９０°反射されて、第２の光学素子３０の出射側の面３５から投光器１１外部に出射される。

投光器１１の外部に出射された光は、所定の検出領域を通過して、受光器１５で受光される。受光器１５は、投光器１１に対向して配置されており、基本的な構成は、投光器１１と略同様である。

具体的に、受光器１５は、ケース１２と、ケース１２内に収納された第１の光学素子２０及び第２の光学素子３０と、ケース１２に接続された光ファイバ１３とを有する。光ファイバ１３には、光量検知器１６が接続されている。

投光器１１から出射された光は、受光器１５の入射側の面３５に入光する。第２の光学素子３０に入光した光は、第２の光学素子３０内を導光して、反射面３２に形成された微細なプリズム３３（図４Ａ参照）によって９０°反射される。

反射面３２で反射された光は、第２の光学素子３０の第２のシリンドリカルレンズ３１に入光して、図１で上下方向に集光するように曲げられ、第１の光学素子２０に入光する。第１の光学素子２０の第１のシリンドリカルレンズ２１に入光した光は、図１で奥行方向に集光するように曲げられ、光ファイバ１３に入光する。このように、受光器１５では、投光器１１の経路と逆方向に光が反射、集光されて、光ファイバ１３に入光される。

光ファイバ１３に入光した光は、光ファイバ１３内を導光して、光量検知器１６に入光する。ここで、投光器１１と受光器１５との間の検出領域を通過する光線を遮るような物体があると、光量検知器１６で光量が減少するため、物体の有無を検出することができる。

また、光量検知器１６で受光された受光量に基づいて検出領域の遮光状態を検出することにより、被検出物体の位置や寸法等を測定することができる。

ここで、第１の光学素子２０及び第２の光学素子３０の材質は、光を透過して屈折する材料であれば、どのような材料でも良く、例えば、ガラスやＰＭＭＡなどの透明プラスチックが挙げられる。

なお、投光器１１と受光器１５を水平面に配置する場合は、両者の位置は可変であるが、垂直面に配置する場合は、投光器１１を下側に、受光器１５を上側にするのが好ましい。これにより、受光器１５の入射側の面３５への埃の付着を低減でき、センサの誤作動を減らしてメンテナンス性が向上できる。

−投光器の光学系について−
図２及び図３に示すように、光ファイバ１３から出射された光は、第１の光学素子２０内を広がりながら導光する。そして、第１のシリンドリカルレンズ２１によって、図３で奥行方向に平行となる平行光に曲げられ、第２の光学素子３０に入光する。第２の光学素子３０の第２のシリンドリカルレンズ３１に入光した光は、図３で上下方向に平行となる平行光に曲げられ、第２の光学素子３０内を導光する。

第２の光学素子３０の反射面３２には、微細なプリズム３３が形成されている。ここで、微細なプリズム３３を有する反射面３２の包絡線が、入光光線軸に対して面の両外周側の傾きが面中央部の傾きよりも大きい曲線で表される面で構成されている。

具体的に、反射面３２の包絡線の曲線は、例えば、３次以上の多次元関数、コーニック非球面、ベジェ曲線、又は２本以上の直線を連結した折れ線で表される。

これにより、光ファイバ１３からの光度分布が、中央部分が強く周囲が弱い光であったとしても、光線を反射する反射面の密度を精密に調整することが可能となり、出射する光を均一にすることができるようになる。

そして、光は、第２の光学素子３０の反射面３２に形成された微細なプリズム３３（図４Ａ参照）によって９０°反射されて、第２の光学素子３０の出射側の面３５から投光器１１外部に出射される。

図３に示す例では、反射面３２の形状は、３次関数である。図３の中央側では、反射面３２の傾斜が緩く、図３の右側（第２のシリンドリカルレンズ３１から見て手前側）及び左側（第２のシリンドリカルレンズ３１から見て奥側）の傾斜が大きくなっている。

図４Ａに示すように、入射光線と反射面包絡線中央部との間の角度θ２ａが小さいと、反射面３２の密度（プリズム面数）が少なくなっている。

図４Ｂに示すように、入射光線と反射面包絡線奥側との間の角度θ２ｂが大きいと、反射面３２の密度（プリズム面数）が増えて、照度が向上する。

図４Ｃは、図４Ｂと同じく、入射光線と反射面包絡線奥側との間の角度θ２ｃが大きいと、反射面３２の密度（プリズム面数）が増えて、照度が向上する。

ここで、それぞれの角度の関係は、下記の（１）式及び（２）式で表される。

θ２ｂ＞θ２ａ ・・・（１）
θ２ｃ＞θ２ａ ・・・（２）
このとき、反射面中央部の入射光線とプリズム反射面との間の角度θ１ａと、反射面奥側の入射光線とプリズム反射面との間の角度θ１ｂと、反射面手前側の入射光線とプリズム反射面との間の角度θ１ｃとは一定である。また、この３つの領域以外の反射面３２全域において、角度は一定である。このことにより、光の反射する角度は、９０°に一定に保たれる。なお、反射する角度が９０°に限らず、設計により任意であることは言うまでもない。

また、第２の光学素子３０の第２のシリンドリカルレンズ３１が、入光した光を平行光にする曲面に限定されるわけでなく、平行からやや拡散する方向に屈折させる曲面としても良い。この場合には、照度分布の周辺部をより明るくすることができ、組立時の第１の光学素子２０や第２の光学素子３０の位置ずれなどに対してロバストとすることができる。

そして、曲線状の反射面３２で反射した光は、９０°向きが変化する。ここで、第２の光学素子３０の出射側の面３５は、凹レンズ状に形成されている。反射面３２で反射した光は、凹レンズ状の面３５で少し拡散されて出射される。

このように、第２の光学素子３０の出射側を凹レンズ状の面３５とすることで、光軸中心を通る光線３０ａと、照度分布の周辺部、つまり、反射面３２の手前側で反射する光線３０ｂと反射面３２の奥側で反射する光線３０ｃとを明るくすることができる。

このようにして得られる照度分布の結果を、図５のグラフ図に示す。図５に示すように、照度分布が横軸に一定に保たれている。このように、周辺部を中央部よりも若干明るくすることで、第２の光学素子３０の位置ずれのロバスト性を上げることができる。

図６に、本実施形態の光電センサにおける、物体遮光距離と光量の関係をグラフ図で示す。照度分布が一定となることから、検出領域で物体の大きさや物体の移動量に対して光量変動を一定に（リニアに）することが可能となる。

以下、比較例として、図７に示す形状の第２の光学素子１３０を用いた場合について説明する。

図７に示すように、第２の光学素子１３０の反射面１３２は、直線状に形成されている。反射面１３２には、微細なプリズム１３３が形成されている。第２の光学素子１３０の出射側の面１３５は、平面状に形成されている。

第２の光学素子１３０の第２のシリンドリカルレンズ１３１に入光した光は、図７で上下方向に平行となる平行光に曲げられ、第２の光学素子１３０内を導光する。

そして、光は、第２の光学素子１３０の反射面１３２に形成された微細なプリズム１３３によって９０°反射されて、第２の光学素子１３０の出射側の面１３５から投光器１１外部に出射される。

ここで、光源の配光分布は、中心で明るく、外周部で暗い分布を持つため、出射した光は、光軸中心を通る光線１３０ａは明るく、反射面１３２の手前側で反射する光線１３０ｂと反射面１３２の奥側で反射する光線１３０ｃは暗くなる。

このようにして得られる照度分布の結果を、図８のグラフ図に示す。図８に示すように、照度は中央が明るく、そこから周辺になると暗くなる山形の分布となっている。このように、本実施形態の光電センサ１０の方が、比較例の光電センサに比べて、照度分布が横軸に一定に保たれていることが分かる。

以上のように、本実施形態に係る光電センサ１０によれば、検出領域の投影平面における照度分布を均一化することができ、物体の場所によって光量検知器１６の光量変化に差が生じるのを抑えることができる。これにより、物体の大きさや移動幅を、光量検知器１６の光量から換算した場合であっても、誤差が生じることなく、定量的に測定することができる。

本発明は、光電センサを用いた物体の大きさや変位量の計測に有用である。

１０ 光電センサ
１１ 投光器
１５ 受光器
２０ 第１の光学素子
２１ 第１のシリンドリカルレンズ
３０ 第２の光学素子
３１ 第２のシリンドリカルレンズ
３２ 反射面
３３ プリズム
３５ 出射面

Claims (6)

1. 入射した光を一方向の軸に平行となる平行光にする第１のシリンドリカルレンズが設けられた第１の光学素子と、
   前記第１の光学素子を通過した光を、前記一方向の軸に対して９０°の軸の向きに略平行となる平行光にする第２のシリンドリカルレンズが設けられた第２の光学素子とを備え、
   前記第２の光学素子は、前記第２のシリンドリカルレンズを通過した光を、進行方向に対して９０°の向きに反射させる複数のプリズムが形成された反射面と、該反射面で反射された光が出射する出射面とを有し、
   前記反射面の包絡線が、入光光線軸に対して面の両外周側の傾きが面中央部の傾きよりも大きい曲線で表される面で構成される、
   ことを特徴とする投光器。
2. 請求項１において、
   前記第２の光学素子の反射面の包絡線の曲線が、３次以上の多次元関数、コーニック非球面、ベジェ曲線、又は２本以上の直線を連結した折れ線、で表される、
   ことを特徴とする投光器。
3. 請求項１又は２において、
   前記第２の光学素子の反射面において、複数のプリズム反射面と入光光線の光軸との間の角度が一定である、
   ことを特徴とする投光器。
4. 請求項１から３のうち何れか１つにおいて、
   前記第２の光学素子の第２のシリンドリカルレンズは、入光した光を平行光又は平行よりも拡散する方向に屈折させる曲面状に形成されている、
   投光器。
5. 請求項１から４のうち何れか１つにおいて、
   前記第２の光学素子の出射面は、平面状又は凹面状に形成されている、
   投光器。
6. 請求項１から５のうち何れか１つに記載の投光器と、
   前記投光器に対向して配置され、該投光器から投光された光を受光する受光器とを備えた、
   光電センサ。