JP2658203B2 - マルチ・ビーム光源，ならびにそれを利用したマルチ・ビームプロジェクタおよび形状認識装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 技術分野 この発明は多数のスポット光を投射することのできる
マルチ・ビーム光源，ならびにそれを利用したマルチ・
ビーム・プロジェクタおよび形状認識装置に関する。

従来技術とその問題点 多数のスポット光を得るためには，少なくとも発光素
子と，光源からの出射光から多数の光スポットを作成す
るレンズ・アレイとが必要である。従来のマルチ・ビー
ム光源においては発光素子としてガス・レーザが用いら
れているが，ガス・レーザ自体の形状が大きいためマル
チ・ビーム光源が大型化し，また消費電力が大きいとい
う問題がある。マルチ・ビーム光源の発光素子に半導体
レーザを用いる場合には，半導体レーザからの出射光は
発散光なのでコリメータ・レンズが必要となり，マルチ
・ビーム光源が大型化する。

発明の概要 発明の目的 この発明は，マルチ・ビーム光源の小型化，軽量化を
図ることを目的とする。

この発明はまた、マルチ・ビーム光源を利用したマル
チ・ビーム・プロジェクタおよび形状認識装置を提供す
るものである。

発明の構成および効果 この発明によるマルチ・ビーム光源は，半導体レー
ザ，および上記半導体レーザからの発散光をコリメート
光に変化するコリメータ・レンズ部分と，コリメート光
をさらにマルチ・ビーム化する平板状マイクロ・レンズ
・アレイ部分とを備えた複合レンズが一キャップ内に内
装されていることを特徴とする。

好ましくは複合レンズにおいてコリメータ・レンズ部
分と平板状マイクロ・レンズ・アレイ部分とを一体化
し，平板状の複合レンズとする。

この発明によるマルチ・ビーム光源は，発光素子とし
て半導体レーザを用い，半導体レーザからの発散光をコ
リメート光としさらにマルチ・ビーム化する複合レンズ
を半導体レーザとともに一キャップ内に収めることによ
り構成されている。このためマルチ・ビーム光源を小
型，軽量化することができる。また複合レンズを用いて
いるので光学部品点数を減少させることができ，光軸調
整も容易となる。さらに発光素子として半導体レーザを
使用しているので，消費電力を少なくすることができ
る。これにより発熱量が小さくなり熱的に安定な動作が
期待できる。

この発明によるマルチ・ビーム光源はそのままの形で
マルチ・ビーム・プロジェクタとして用いることができ
る。

この発明による形状認識装置は，上述のマルチ・ビー
ム光源またはマルチ・ビーム・プロジェクタを投光光学
系に含み，被検出物に複数個のスポット光を投射する。
受光光学系にはイメージ・ディバイスが含まれ，被検出
物からの反射光を受光する。投光光学系をマルチ・ビー
ム光源を利用して構成しているので，形状認識装置を小
型化，軽量化することが可能となる。

実施例の説明 第１図はこの発明によるマルチ・ビーム光源の実施例
を示す一部切欠き斜視図である。

この図を参照して，ステム８のほぼ中央の位置にヒー
ト・シンク６が固定されている。このヒート・シンク６
はステム８と一体に形成してもよい。ヒート・シンク６
上には半導体レーザ・ダイオード・チップ（LDチップ）
１が固定されている。このLDチップ１はステム８の中心
軸Ｚ（これが出射光の光軸となる）上に位置するように
設けられている。

LDチップ１の前方には，コリメータ・レンズ３とマイ
クロ・レンズ・アレイ４とを備えた複合レンズ２が配置
されている。複合レンズ２はその両端部において２つの
支持ブロック５に固定され，これらの支持ブロック５は
ヒート・シンク６の両側においてステム８に固定されて
いる。上記のＺ軸に直交する２方向にX,Y軸を考える
と，支持ブロック５の幅はＹ方向に長く，この幅の中心
がＸ軸上にある。また２つの支持ブロック５はＺ軸中心
からＸ軸方向に等距離の位置にある。そうして，コリメ
ータ・レンズ３の中心とマイクロ・レンズ・アレイ４の
中心をＺ軸が通る位置に複合レンズ２がブロック５に固
定されている。

LDチップ１の後方にフォト・ディテクタ７がステイ６
に固定されている。フォト・ディテクタ７はLDチップ１
の後方への出射光を受光し,LDチップ１の駆動回路にフ
ィードバックすることによりLDチップ１の出射光量を一
定にするためのものである。

LDチップ１が固定されたヒート・シンク6,複合レンズ
2,この複合レンズ２が固定されたブロック５の全体を覆
うようにキャップ９が設けられ，かつキャンシール，接
着その他のやり方でステム８に固定されている。キャッ
プ９の頂部には孔10があけられ，この孔10に透明板（プ
ラスチック，ガラスなど；図示略）が設けられ，窓を構
成している。キャップ９の前面すべてを開口して，この
前面すべてを透明板によって覆うようにしてもよい。複
合レンズ２を透過したレーザ光はこの孔10を通して外部
に出射される。

LDチップ1,フォト・ディテクタ７はステム８に絶縁し
て設けられた端子11にワイヤボンディング等によって接
続されているのはいうまでもない。

LDチップ１および複合レンズ２はキャップ９内に収納
されているので外部環境による影響が非常に少なくなっ
ている。とくに塵埃の付着等から保護されている。

さらにLDチップ１はステム８の中心軸Ｚ上にあり，複
合レンズ２および支持ブロック５はＸ軸およびＹ軸に関
して対称の形状をもちかつそのように配置されている。
したがって，温度変化によって複合レンズ2,支持ブロッ
ク５等が伸縮しても,Z軸に垂直な平面（XY平面）内にお
いてはこれらは等方的に熱伸縮する。したがってLDチッ
プ１は常にＺ軸上にあり，光軸はＺ軸から偏向すること
はない。複合レンズ２は２つの支持ブロック５によって
しっかりと固定されているから，振動や衝撃に強いもの
となっている。

複合レンズ２の説明に先だち，それを構成するコリメ
ータ・レンズ３およびマイクロ・レンズ・アレイ４につ
いて個別に説明しておく。

コリメータ・レンズ３は，レーザ・ダイオード１から
前方に出射する発散光をコリメート光に変換するもので
あり，たとえばフレネル・レンズ，非球面レンズ等を使
用することができる。

マイクロ・レンズ・アレイ４のいくつかの例が第２
図，第３図および第４図に示されている。第２図は非球
面マイクロ・レンズ4aが一平面板上に規則的に配列され
て構成される平板マイクロ・レンズ・アレイ4Aを示して
いる。第３図はイオン交換法等によって作成された分布
屈折率型のマイクロ・レンズ4bが規則的に配列された平
板マイクロ・レンズ・アレイ4Bを，第４図はマイクロ・
フレネル・レンズ4cが一平面板上に規則的に配列されて
構成されるマイクロ・レンズ・アレイ4Cをそれぞれ示し
ている。

第５図（Ａ），（Ｂ），（Ｃ），（Ｄ）は上記のコリ
メータ・レンズ３と，マイクロ・レンズ・アレイ4A〜4C
のいずれかとを組合せて構成される複合レンズの例をそ
れぞれ示すものである。

第５図（Ａ）に示す複合レンズ2Aは，コリメータ・レ
ンズとしての平板マイクロ・フレネル・レンズ3Aとイオ
ン交換法によって作成されたマイクロ・レンズ・アレイ
4Bの組合せによって構成されている。平板マイクロ・フ
レネル・レンズ3AはLDチップ１からの発散光をコリメー
トする位置に，マイクロ・レンズ・アレイ4Bは平板マイ
クロ・フレネル・レンズ3Aによってコリメートされたレ
ーザ光が入射する位置にそれぞれ配置され，適当な結合
手段によって相互に固定されている。

第５図（Ｂ）に示す複合レンズ2Bは，マイクロ・フレ
ネル・コリメータ・レンズ３とマイクロ・レンズ・アレ
イ4Bとを１枚の基板上に形成したものである。たとえば
マイクロ・レンズ・アレイ4Bはガラス基板上の一方の面
にイオン交換法によって作製し，同じ基板の他方の面に
マイクロ・フレネル・コリメータ・レンズ３を成形法に
よって形成することにより１枚の基板上に一体化された
複合レンズ2Bをつくることができる。

第５図（Ｃ）に示す複合レンズ2Cは，マイクロ・フレ
ネル・コリメータ・レンズと複数の非球面マイクロ・レ
ンズが形成された非球面マイクロ・レンズ・アレイ4Aと
から構成されている。プラスチックまたはガラスの１枚
の基板上において,LDチップ１からのレーザ光が出射さ
れる面にマイクロ・フレネル・コリメータ・レンズ３
が，他方の面に非球面マイクロ・レンズ・アレイ4Aがそ
れぞれ成形されることにより複合レンズ2Cが構成され
る。

第５図（Ｄ）に示す複合レンズ2Dは，平板レンズ3Bと
非球面マイクロ・レンズ・アレイ4Aとから構成される。
平板レンズ3Bはイオン交換法により作製された分布屈折
率型の平板レンズである。この平板レンズ3Bと非球面マ
イクロ・レンズ・アレイ4Aとを接着によって貼り付ける
ことにより複合レンズ2Dが構成されている。

第１図において,LDチップ１から出射する発散光はコ
リメータ・レンズ３（3A,3B）によってコリメート光と
された後，マイクロ・レンズ・アレイ４（4A,4B,4C）を
通って外部に出射する。マイクロ・レンズ・アレイ４を
通って出射する光は回折し，遠方に回折による多数の光
スポットが生じる（たとえば，特開平１−318905号公報
参照）。

第６図はマルチ・ビーム光源をマルチ・ビーム・プロ
ジェクタに利用した応用例を示すものである。

マルチ・ビーム光源はセンサ・ヘッド30内に収納され
ている。センサ・ヘッド30は駆動電源および処理装置31
と接続されている。センサ・ヘッド30はその前方を搬送
装置によって搬送される被検出物33を認識するためのも
のである。

センサ・ヘッド20からの出射光がその前方を通過する
被検出物33に投射されると，被検出物33の表面は多数の
光スポットによって照らされる。被検出物33からの反射
光を，センサ・ヘッド30内に設けられた二次元計測用の
ポジション・センシティブ・ディバイス（Position Sen
sitive Device）などのイメージ・ディバイス（図示
略）で受光し，各受光位置から所定の演算によって被検
出物33の形状を認識することができる。矢印Ａに示す方
向から移動してきた被検出物33は形状認識の結果に応じ
て，方向切換装置（図示略）によって矢印Ｂまたは矢印
Ｃに示す方向に送られる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明によるマルチ・ビーム光源の実施例を
示す一部切欠き斜視図である。第２図は非球面マイクロ
・レンズ・アレイの斜視図，第３図は分布屈折率型マイ
クロ・レンズ・アレイの斜視図，第４図はマイクロ・フ
レネル・レンズ・アレイの斜視図である。第５図
（Ａ），（Ｂ），（Ｃ），（Ｄ）はそれぞれ複合レンズ
の例を示すものである。第６図はマルチ・ビーム光源の
応用例を示す斜視図である。 １……LDチップ， 2,2A,2B,2C,2D……複合レンズ， 3,3A,3B……コリメータ・レンズ， 4,4A,4B,4C……マイクロ・レンズ・アレイ， ９……キャップ。

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】半導体レーザ，および上記半導体レーザか
   らの発散光をコリメート光に変化するコリメータ・レン
   ズ部分と，コリメート光をさらにマルチ・ビーム化する
   平板状マイクロ・レンズ・アレイ部分とを備えた複合レ
   ンズが一キャップ内に内装されていることを特徴とする
   マルチ・ビーム光源。
2. 【請求項２】請求項１に記載のマルチ・ビーム光源から
   構成されるマルチ・ビーム・プロジェクタ。
3. 【請求項３】請求項１に記載のマルチ・ビーム光源と， このマルチ・ビーム光源からの投射光によって照明され
   た被検出物からの反射光を受光するイメージ・ディバイ
   スと， から構成される形状認識装置。