JP2576444B2 - マルチ・ビーム・プロジェクタおよびそれを利用した形状認識装置 - Google Patents

マルチ・ビーム・プロジェクタおよびそれを利用した形状認識装置

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JP2576444B2 JP15022788A JP15022788A JP2576444B2 JP 2576444 B2 JP2576444 B2 JP 2576444B2 JP 15022788 A JP15022788 A JP 15022788A JP 15022788 A JP15022788 A JP 15022788A JP 2576444 B2 JP2576444 B2 JP 2576444B2
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【発明の詳細な説明】 発明の背景 技術分野 この発明は,回折による多数のスポット光を照射する
マルチ・ビーム・プロジェクタ,およびそれを利用した
形状認識装置に関する。
従来技術とその問題点 マルチ・ビーム・プロジェクタに用いられ、回折光に
よるマルチ・ビーム・スポットを生じさせる光学系に
は、ファイバ・グレーティング、振幅変調グレーティン
グ等があり、集光スポットを利用するものにはインコヒ
ーレント型レンズ・アレイがある。
第7図および第8図は、ファイバ・グレーティングを
示している。ファイバ・グレーティングは複数の光ファ
イバ21を互いに平行にY方向に並べ,これに重ねるよう
に複数の光フィバ22を互いに平行にX方向に配列して構
成されている。しかし、ファイバ・グレーティングでは
第8図(A),(B)に示すように、光ファイバ21によ
ってY方向に集光されるスポット位置と、光ファイバ22
によってX方向に集光されるスポット位置がΔfずれ
る。このため集光スポットがぼけ、これが回折光スポッ
トPs2のぼけを生じさせる。
第9図は振幅変調グレーティング23を示すもので、不
透明平板23に一定周期で孔23aをあけてこの孔を透過す
る光の回折を利用してスポット光Ps3を得ている。振幅
変調グレーティングでは不透明板23を透過しない光を利
用することができないので光の利用効率が低い。
第10図はインコヒーレント型レンズ・アレイを示すも
ので、これはψ数mm以内の凸レンズ24を平面的に配列し
て構成される。これらの凸レンズ24の焦点面に多数の光
スポットPs4が形成されるので、スポットの焦点深度が
浅いという問題がある。
さらに形状認識に使用される光学系には第11図に示す
ようなシリンドリカル・レンズ25がある。シリンドリカ
ル・レンズ25を用いた光学系ではスリット光Plにより被
検物26を照射するので1次元の形状認識しか行なうこと
ができない。また、被検物26がZ方向(主軸方向)に変
位するとスリット光照射位置が変化する。
発明の概要 発明の目的 この発明は、光スポットがぼけることなく、光の利用
率が高くかつ距離の変化に対してスポット径の変化が少
なく、3次元の形状の認識に利用することができるマル
チ・ビーム・プロジェクタを提供することを目的とす
る。
この発明はまた,このマルチ・ビーム・プロジェクタ
を利用した形状認識装置を提供するものである。
発明の構成、作用および効果 この発明によるマルチ・ビーム・プロジェクタは、光
源と、光源の前方に配置され、複数個のマイクロ集光レ
ンズが平面的に配列されてなるマイクロ・レンズ・アレ
イとから構成され、マイクロ・レンズ・アレイがその遠
方に複数個の回折光スポットを生じさせることを特徴と
する。
この発明によると、光源からの出射光が、マイクロ・
レンズ・アレイを構成する複数のマイクロ集光レンズに
よってそれぞれ集光され、この集光位置より遠方では拡
散し回折される。したがって遠方位置に回折光による光
スポットが形成される。
この発明によると,平面上に配列されたマイクロ集光
レンズによって構成されるマイクロ・レンズ・アレイを
用いて回折光スポットを生じさせているため,ファイバ
・グレーティングのようにスポットがぼけることがな
い。また,マイクロ・レンズ・アレイは位相変調型グレ
ーティングであるので,振幅変調型グレーティングのよ
うに遮光される光はなく,入射光のほとんどすべての光
がスポット形成に用いられるので光の利用効率が高くな
る。また,光スポットは回折光によって生じるので,距
離の変動に対するスポットの径の変化が小さい。
さらにマイクロ・レンズ・アレイは2次元のスポット
・アレイを作成することができるため,形状認識装置に
利用した場合に3次元の形状を認識することができる。
この発明による形状認識装置は投光光学系と受光光学
系とから構成される。投光光学系として上記のマルチ・
ビーム・プロジェクタが用いられ,被検出物に複数個の
スポット光が投射される。受光光学系は,被検出物から
の反射光を結像する対物レンズと,この対物レンズによ
って結像された光像を検知するイメージ・ディバイスと
から構成される。
マイクロ・レンズ・アレイは小型,軽量であるためマ
ルチ・ビーム・プロジェクタを小型,軽量化することが
でき,レンズの複製が比較的容易で量産が可能なため装
置を安価に提供できる。
実施例の説明 第1図はこの発明によるマルチ・ビーム・プロジェク
タを利用した形状認識装置のヘッド部分の一部を切欠い
て示す斜視図である。マルチ・ビーム・プロジェクタは
半導体レーザ光源1とマイクロ・フレネル・レンズ・ア
レイ7とから構成される。
形状認識装置のヘッド部分は箱20内に納められてい
る。この箱20の前面には横方向に一定の距離をおいて、
投光用の窓9と受光用の窓12とが形成されている。窓9
にはマイクロ・フレネル・レンズ・アレイ7が取付けら
れている。窓12には対物レンズ11が設けられている。箱
20内において、マイクロ・フレネル・レンズ・アレイ7
の後方には半導体レーザ光源1が設けられ、対物レンズ
11の後方にはイメージ・ディバイス15が配置されてい
る。
マイクロ・フレネル・レンズ・アレイ7の斜視図が第
2図に示されている。マイクロ・フレネル・レンズ・ア
レイ7は数μm〜数100μm程度の直径の集光用マイク
ロ・フレネル・レンズ8が一平面上に規則的に配列され
て構成されている。このようなマイクロ・フレネル・レ
ンズ・アレイ7はその全体をたとえば成形法により作製
してもよいし、透明平板上に多数のマイクロ・フレネル
・レンズを接着することによりつくることもできる。
半導体レーザ光源1は、レーザ・ダイオード2を備え
ており、このレーザ・ダイオード2がヒート・シンクを
介してステム6に取付けられている。レーザ・ダイオー
ド2は端子5にワイヤ・ボンディング等によって接続さ
れている。レーザ・ダイオード2の前面には、レーザ・
ダイオード2からの発散光をコリメート光とするコリメ
ータ・レンズ3が固定部材4を介してステム6に取付け
られている。マイクロ・フレネル・レンズ・アレイ7は
コリメータ・レンズ3からのコリメート光とマイクロ・
フレネル・レンズ・アレイ7の面とが垂直になるように
取付けられている。
後に詳しく示すように、半導体レーザ1とマイクロ・
フレネル・レンズ・アレイ7とからなるマルチ・ビーム
・プロジェクタによって多数の回折光スポットが被検出
物10に投射される。被検出物10からの反射光は対物レン
ズ11で集光され、イメージ・ディバイス15上に結像す
る。イメージ・ディバイス15はたとえばポジション・セ
ンシティブ・ディバイス(Position Sensitive Devic
e)であり、4辺に電極を設けた2次元計測用のものが
用いられている。
第3図にマイクロ・フレネル・レンズ・アレイ7によ
って回折光スポットが形成される様子が示されている。
また、第4図にはマイクロ・フレネル・レンズ・アレイ
7の作用を説明するために振幅変調型グレーティング23
によって光が回折される様子が示されている。
第4図において、振幅変調型グレーティングでは回折
光は次式で与えられる回折角θの方向に回折される。
θ=sin-1(nλ/Λ) …(1) ここで、nは0および正,負の整数(n=0,±1,±2,
…),λは光の波長,Λはグレーティング周期(すなわ
ち孔23a間の距離)である。
第3図において、半導体レーザ光源1からマイクロ・
フレネル・レンズ・アレイ7に投射されるコリメート光
は、各マイクロ・フレネル・レンズ8によってその焦点
面に集光される。これは、第4図との対比から分るよう
に、各マイクロ・フレネル・レンズ8の焦点位置に孔を
もつ振幅変調型グレーティングAが配置されると等価で
ある。したがって、この焦点面より遠方においては光は
発散しかつ回折される。このときの回折光の回折角θ
は上記の第(1)式によって表される。グレーティング
周期Λは隣接するマイクロ・フレネル・レンズ8の中心
間の距離となる。このようにして、遠方位置には多数の
回折光による光スポットが生じる。第3図においては
(第4図において同じ)0次および±1次の回折光スポ
ットとその強度が示されている。マイクロ・フレネル・
レンズ・アレイ7においては入射光のほとんどすべてが
スポット形成に寄与するので、振幅変調型グレーティン
グによる光スポットよりも強度の大きい光スポットが得
られる。
次に第5図および第6図を参照して被検出物10の形状
認識の原理について説明する。第5図は測定系を平面か
らみた様子を、第6図は斜視的にみた様子をそれぞれ示
している。
レーザ・ダイオード2から出射された発散光はコリメ
ータ・レンズ3(第5図および第6図においては図示が
省略されている)によってコリメート光とされる。コリ
メート光はマイクロ・フレネル・レンズ・アレイ7によ
って回折して被検出物10に照射する。回折光は被検出物
10によって反射し、この反射光は対物レンズ11を通して
イメージ・ディバイス15の一点に結像する。
マルチ・ビーム・プロジェクタの光軸と対物レンズ11
の光軸とが平行であり、これらの光軸間の距離をdとす
る。対物レンズ11の光軸をZ軸とし、その原点を対物レ
ンズ11の中心にとる。Z軸に垂直な平面内でX,Y軸を考
える。Y軸はマルチ・ビーム・プロジェクタの光軸と対
物レンズ11の光軸とを結ぶ方向にとる。投射光の回折角
をθ、被検出物10からの反射光と対物レンズ11の光軸
とが交わる角度をθとする。対物レンズ11とイメージ
・ディバイス15との間の距離をlとする。
被検出物10上の回折光の光スポット位置の座標系を
(x,y,z)、その反射光のイメージ・ディバイス15上に
おける結像点の位置座標を(x1,y1)とする。
被検出物10上における回折光のスポット位置座標(x,
y,z)はイメージ・ディバイス15上の検出位置(x1,y1
を用いて次のようにして求めることができる。
まず、光学系の幾何学的性質より(x,y,x1,y1の符号
は考慮せず、絶対値を考える) x=(x1/l)z …(2) y=(y1/l)z …(3) z=d/(tanθ+tanθ) …(4) である。
第(4)式の角度θは第(1)式で与えられ、角度
θは、 θ=tan-1(y1/l) …(5) で与えられる。
上述の実施例においてはマイクロ・フレネル・レンズ
・アレイ7が箱20に取付けられているがマイクロ・フレ
ネル・レンズ・アレイ7をコリメータ・レンズ3の位置
に取付けるようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
第1図は形状認識装置の外観を示す斜視図、第2図はマ
イクロ・フレネル・レンズ・アレイを示す斜視図、第3
図はマイクロ・フレネル・レンズ・アレイにより回折光
が生じる様子と回折光強度を示し、第4図は振幅変調型
グレーティングにより回折光が生じる様子と回折光強度
を示す。 第5図および第6図は形状認識の原理を示すもので、第
5図は平面図、第6図は斜視図である。 第7図から第10図はスポット光を投射する従来の光学系
の例を示すもので、第7図はファイバ・グレーティング
を示す斜視図、第8図(A),(B)はファイバ・グレ
ーティングにより生じるスポット光のぼけを説明するた
めの図、第9図は振幅変調グレーティングを示す側面
図、第10図はインコヒーレント型レンズ・アレーを示す
側面図である。 第11図はシリンドリカル・レンズの斜視図である。 1……半導体レーザ光源、 2……レーザ・ダイオード、 7……マイクロ・フレネル・レンズ・アレイ、 8……マイクロ・フレネル・レンズ。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭49−56663(JP,A) 特開 昭59−606(JP,A) 実開 昭58−37507(JP,U)

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】光源と,光源の前方に配置され,複数個の
    マイクロ集光レンズが平面的に配列されてなるマイクロ
    ・レンズ・アレイとから構成され,マイクロ・レンズ・
    アレイがその遠方に複数個の回折光スポットを生じさせ
    るマルチ・ビーム・プロジェクタ。
  2. 【請求項2】投光光学系と受光光学系とを含み, 上記投光光学系が請求項1に記載のマルチ・ビーム・ブ
    ロジェクタによって構成され, 上記受光光学系が,上記投光光学系によって被検出物に
    投射された光の反射光を結像する対物レンズと,上記対
    物レンズによって結像された光像を検知するイメージ・
    ディバイスとから構成されている, 形状認識装置。
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