JP3950232B2 - カラーセンサ用光学ユニット - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、検出物体の色を判別するカラーセンサに用いられるものであって、発光素子、受光素子、レンズ等を含む光学ユニットに関し、より具体的には、発光素子の発光光量一定化制御に用いられる補助受光素子の受光光量を増加させて、発光素子の発光光量一定化制御の精度および安定性を向上させ、ひいては温度変動に対する色判別性能の安定性を向上させる手段に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１４に、従来の光学ユニットを用いたカラーセンサの一例を示す。このカラーセンサは、いわゆる光ファイバ形と呼ばれるものであり、光学ユニット２０内で発した光３４を投光ファイバ１２内を通して導いて検出物体１０に照射し、この検出物体１０からの反射光４０を受光ファイバ１４内を通して光学ユニット２０内に導き、この反射光４０を元に光学ユニット２０内において検出物体１０の色を判別するよう構成されている。両光ファイバ１２および１４は、光学ユニット２０に着脱可能に接続されている。
【０００３】
光学ユニット２０は、この例では、互いに異なる波長の光、具体的には赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）および青色（Ｂ）の光２６〜２８をそれぞれ発する三つの発光素子２２〜２４と、これらの光２６〜２８を一光路に合成して出力する合成光学素子３０と、この合成光学素子３０から出力される光３４を上記投光ファイバ１２の端面１２ａに向けて集光して投光ファイバ１２内に入射させる集光レンズ３６および投光レンズ３８と、上記受光ファイバ１４から出力される光（反射光４０）を受けてそれを電気信号に変換する主受光素子４２とを備えている。
【０００４】
各発光素子２２〜２４は、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）である。合成光学素子３０は、図示例では２枚のダイクロイックミラー３１および３２で構成されているけれども、それの代わりに、色合成プリズムで構成しても良い。主受光素子４２は、例えばフォトダイオードである。
【０００５】
発光素子２２〜２４は、駆動回路５２によって駆動されて発光する。演算制御回路５０は、この駆動回路５２を制御して、三つの発光素子２２〜２４を時分割発光させる。即ち、三つの発光素子２２〜２４を、互いにタイミングをずらして順次発光させる。
【０００６】
従って、主受光素子４２は、検出物体１０からの各色の反射光４０を順次受光してそれらを電気信号に変換する。この主受光素子４２から出力される電気信号は、増幅器４６によって増幅されて演算制御回路５０に供給される。演算制御回路５０は、主受光素子４２から与えられる電気信号に基づいて、各色の反射光４０の量や割合から、検出物体１０の色を判別する。例えば、演算制御回路５０はマイクロプロセッサから成り、基準となる色データが予め入力されており、この色データと主受光素子４２からの信号とを比較して演算処理することによって、検出物体１０の色を判別してその判別結果を出力する。
【０００７】
上記各発光素子２２〜２４の発光光量は、温度変化によって変動するので、これを放置しておくと色判別を誤る。これを解決するために、従来は次のようにして各発光素子２２〜２４の発光光量の一定化制御を行っている。
【０００８】
即ち、集光レンズ３６の上流側（合成光学素子３０側）近傍に補助受光素子４４を設け、合成光学素子３０からの光３４がこの集光レンズ３６に入射することに伴って生じるフレネル反射光３４ａをこの補助受光素子４４で受けて電気信号に変換し、この電気信号を増幅器４８で増幅して演算制御回路５０に供給する。演算制御回路５０は、この補助受光素子４４から与えられる電気信号が一定になるように、駆動回路５２を制御して、各発光素子２２〜２４の発光光量を制御する。これによって、各発光素子２２〜２４の発光光量が一定に制御される。補助受光素子４４は、例えばフォトダイオードである。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記集光レンズ３６からのフレネル反射光３４ａは、一般的に光量が非常に少ない。これは、光３４を透過させるのが目的の集光レンズ３６の表面から反射して来るわずかな光がフレネル反射光３４ａだからである。
【００１０】
従って、補助受光素子４４は受光光量を十分に得ることができず、当該補助受光素子４４からの出力は、主受光素子４２からの出力に比べて非常に小さいので、増幅器４６と４８とは互いに増幅率の大きく異なるものを用いざるを得ない。従って、両増幅器４６、４８の増幅特性を互いに一致させるのが難しく、これが、発光素子２２〜２４の発光光量一定化制御の精度および安定性を低下させ、ひいては温度変動に対する色判別性能の安定性を低下させる一因になっている。
【００１１】
仮に、集光レンズ３６の反射率を高めて集光レンズ３６からのフレネル反射光３４ａを多くすると、当該集光レンズ３６を透過する光量が減り、検出物体１０への投光光量が減るので、色判別性能が低下する。特に、光ファイバ１２、１４を用いる光ファイバ形では、光ファイバを用いないタイプに比べて、検出物体１０への投光光量が元々少ないという課題を有しているので、上記のようにフレネル反射光３４ａを増やす代わりに検出物体１０への投光光量が減るということは、好ましくない。むしろ、集光レンズ３６に反射防止膜をコーティングして検出物体１０への投光光量を少しでも増加させるということが行われており、そのようにするとフレネル反射光３４ａがますます減って補助受光素子４４の受光光量が一層減ってしまう。
【００１２】
また、集光レンズ３６からのわずかなフレネル反射光３４ａを補助受光素子４４で検出しているので、投光ファイバ１２の端面１２ａからのフレネル反射光の影響を受けやすく、当該反射光量が変動すると上記発光光量一定化制御の精度および安定性が一層低下する。しかし、この投光ファイバ１２の端面１２ａからの反射光量を一定にするためには、投光ファイバ１２を光学ユニット２０へ接続するときに投光ファイバ１２の端面１２ａの仕上げを厳密に管理しなければならないので、投光ファイバ１２の切断を簡単に行う訳には行かず、投光ファイバ１２の接続作業に多くの手間がかかる。
【００１３】
そこでこの発明は、検出物体への投光光量を低下させることなく、発光光量一定化制御に用いられる補助受光素子の受光光量を増加させて、発光素子の発光光量一定化制御の精度および安定性を向上させ、ひいては温度変動に対する色判別性能の安定性を向上させることを主たる目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
この発明に係るカラーセンサ用光学ユニットの一つは、検出物体に照射する光を導く投光ファイバおよび当該検出物体からの反射光を導く受光ファイバを接続してカラーセンサに用いる光学ユニットであって、互いに異なる波長の光を発する複数の発光素子と、この複数の発光素子が発した光を合成して出力する合成光学素子と、この合成光学素子から出力される光を前記投光ファイバの端面部に向けて、当該端面部の直径よりも大きい直径に集光する集光レンズと、前記受光ファイバから出力される光を受けてそれを電気信号に変換する主受光素子と、前記合成光学素子から出力される光の一部を受けてそれを電気信号に変換するものであって前記発光素子の発光光量の一定化制御に用いられる補助受光素子とを備えており、かつ、前記集光レンズの下流側の横付近に前記補助受光素子を配置し、かつ前記集光レンズと前記投光ファイバの端面部との間であって集光レンズを透過する光が投光ファイバの端面部に入射するのを妨げない位置に、集光レンズを透過する光のうち、投光ファイバの端面部への入射に寄与しない光を受けてそれを前記補助受光素子に向けて反射させる反射体を設けており、しかも前記反射体は、前記集光レンズ側に向けて広がっており、かつ前記補助受光素子側の面が開いた錐体状の反射面を有していることを特徴としている。下流側とは、換言すれば、光の進行方向における下手側のことであり、集光レンズの出光側のことである。
【００１５】
上記構成によれば、集光レンズを透過する光のうち、投光ファイバの端面部への入射に寄与しない光を反射体で受けてそれを補助受光素子に向けて反射させることができるので、補助受光素子への集光の効率が高まり、補助受光素子の受光光量が増加する。その結果、発光素子の発光光量一定化制御の精度および安定性を向上させ、ひいては温度変動に対する色判別性能の安定性を向上させることが可能になる。しかも、反射体は、集光レンズを透過する光が投光ファイバの端面部に入射するのを妨げないので、検出物体への投光光量を低下させずに済む。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１は、この発明に係る光学ユニットを用いたカラーセンサの一例を示す概略図である。図１４の従来例と同一または相当する部分には同一符号を付し、以下においては当該従来例との相違点を主に説明する。
【００１７】
この実施例の光学ユニット２０ａは、前述した各発光素子２２〜２４の出口付近に半球レンズ５４〜５６をそれぞれ設けて、これらによって、各発光素子２２〜２４から出力される光２６〜２８をほぼ平行化して合成光学素子３０に入射させるようにしている。このようにほぼ平行化された光を絞るのは１枚の集光レンズで容易に行うことができるので、この例では従来例の投光レンズ３８に相当するものは設けておらず、合成光学素子３０から出力される光３４は、１枚の集光レンズ３６によって、投光ファイバ１２の端面１２ａの部分に向けて集光するようにしている。ただし、この部分の構成は、この発明の本質部分ではないので、従来例と同様の構成にしても良い。
【００１８】
この光学ユニット２０ａでは、前述した補助受光素子４４を、従来例のように集光レンズ３６の上流側近傍に設けるのではなく、当該集光レンズ３６の下流側の横付近に配置している。
【００１９】
更に、集光レンズ３６と投光ファイバ１２の端面部との間であって集光レンズ３６を透過する光３４が投光ファイバ１２の端面部に入射するのを妨げない位置に、集光レンズ３６を透過する光３４の周辺部分３４ｂ、即ち投光ファイバ１２の端面部への入射に寄与しない光を受けてそれを上記補助受光素子４４に向けて反射させる反射体６０を設けている。
【００２０】
上記構成を、図２〜図５を参照して詳述する。
【００２１】
この光学ユニット２０ａは、図１に示した各光学要素および電気回路を収納するケース７０を有している。このケース７０の端面部に、投光ファイバ１２の装着部７２、および、集光レンズ３６からの光３４を投光ファイバ１２の端面１２ａに入射させるための出射開口７４が設けられている。集光レンズ３６は、この出射開口７４付近に、合成光学素子３０（図１参照）からの光３４を集光するようにケース７０内に固定されている。出射開口７４の直径は例えば１ｍｍ程度であり、ここに集光させる光３４の直径はこの出射開口７４の直径よりも若干大きく、例えば１．５ｍｍ程度にして、余裕を持たせている。
【００２２】
このケース７０や、集光レンズ３６等の光学要素を保持する部材（図示省略）には、できるだけ遮光性の高い黒色部材を用いるのが好ましい。そのようにすれば、補助受光素子４４に、ノイズとなる光が入射することを抑制することができる。そのような部材の一例として、黒色のＰＰＯ（ポリフェニレンオキシド）が挙げられる。
【００２３】
集光レンズ３６と出射開口７４との間の横の部分に、上記補助受光素子４４を配置している。この補助受光素子４４の受光領域４４ａの前方には、反射体６０からの光を当該受光領域４４ａに入射させるための受光開口７５が設けられている。
【００２４】
更に、集光レンズ３６と出射開口７４との間の部分に、上記反射体６０を配置している。この反射体６０は、出射開口７４側が狭く集光レンズ３６側に向けて広がっており、かつ補助受光素子４４側の面６４が開いた四角錐体状の反射面６１〜６３を有している。
【００２５】
各反射面６１〜６３は、集光レンズ３６の端部（光３４を透過させるのに有効な領域の端部。即ち集光レンズ３６の有効直径の端部。以下同じ）と、当該端部に近い側の出射開口７４の端部とを結ぶ線７６〜７８付近よりも外側に位置させるのが好ましく、当該線７６〜７８よりも外側に位置させるのがより好ましい。このようにすれば、集光レンズ３６を透過して出射開口７４に向けて集光する光３４が出射開口７４に、即ち投光ファイバ１２の端面１２ａの部分に入射するのを極力妨げなくなる。
【００２６】
また、各反射面６１〜６３は、鏡面よりも、ほぼ白色をしていて反射率の高い拡散面にするのが好ましい。そのようにする方が、発光素子２２〜２４、合成光学素子３０、集光レンズ３６、反射体６０および補助受光素子４４等の光学要素の配置上のバラツキ等に影響されずに、しかも反射体６０からの反射光を多様な方向から補助受光素子４４に入射させることができるので、集光レンズ３６を透過する光３４の周辺部分３４ｂを補助受光素子４４に向けてより多く、即ちより効率良く反射させることができる。
【００２７】
この光学ユニット２０ａによれば、集光レンズ３６を透過する光３４の周辺部分３４ｂを反射体６０で受けてそれを補助受光素子４４に向けて反射させるので、従来例のように集光レンズ３６の表面の微少なフレネル反射光を利用する場合と違って、補助受光素子４４への集光の効率が高まり、補助受光素子４４の受光光量が増加する。また、反射体６０の反射面の面積を増やすことによって、補助受光素子４４の受光光量を一層増加させることも容易に行うことができる。
【００２８】
従って、補助受光素子４４の出力（例えば出力電流または出力電圧）を高めることができるので増幅器４８での増幅も容易かつ高精度になり、その結果、発光素子２２〜２４の発光光量一定化制御の精度および安定性を向上させ、ひいては温度変動に対する色判別性能の安定性を向上させることが可能になる。
【００２９】
しかも、上記反射体６０は、集光レンズ３６を透過する光３４の周辺部分、即ち投光ファイバ１２の端面部への入射に寄与しない光を受けて反射させるだけであって、集光レンズ３６を透過して出射開口７４に向けて集光する光３４が投光ファイバ１２の端面部に入射するのを妨げないので、検出物体１０への投光光量を低下させることもない。
【００３０】
また、反射体６０によって反射して補助受光素子４４に入射する光量が増加することによって、投光ファイバ１２の端面１２ａからのフレネル反射光が補助受光素子４４に入射する割合が相対的に減少するので、当該端面１２ａからの反射光の影響を受けにくくなる。その結果、投光ファイバ１２の端面１２ａの仕上げを従来例の場合ほど厳密に管理する必要がなくなるので、投光ファイバ１２の切断を簡易な方法で済ませることができる。従って、この光学ユニット２０ａへの投光ファイバ１２の接続作業も簡単になる。
【００３１】
なお、図１の実施例では、演算制御回路５０とは別に制御回路５１を設けて、この制御回路５１によって、補助受光素子４４から増幅器４８を経由して与えられる電気信号が一定になるように、駆動回路５２を制御して、各発光素子２２〜２４の発光光量を制御している。但し、そのようにせずに、図１４に示した従来例と同様に、全ての制御を演算制御回路５０内で行うようにしても良い。
【００３２】
次に、反射体６０の周りの構造を表１に示すように種々に変えて、補助受光素子４４の出力を測定した結果を説明する。
【００３３】
【表１】
【００３４】
この表１中の「白色錐体状反射体」とは、図２〜図５に示した構造であって、反射面６１〜６３が白色拡散面の反射体６０を設けた場合のことである。
【００３５】
「＋遮光体８０」とは、上記反射体６０の他に、図６に示す例のように第１の遮光体８０を更に設けた場合のことである。この遮光体８０は、投光ファイバ１２の端面部、より具体的には前述した出射開口７４と補助受光素子４４との間に設けられていて、投光ファイバ１２の端面１２ａからのフレネル反射光が補助受光素子４４に入射することを抑制するものである。この遮光体８０は、集光レンズ３６の端部と、当該端部に近い側の出射開口７４の端部とを結ぶ線７９付近よりも外側に位置させるのが好ましく、当該線７９よりも外側に位置させるのがより好ましい。そのようにすれば、集光レンズ３６を透過して出射開口７４に向けて集光する光３４が出射開口７４に入射するのを極力妨げなくなる。
【００３６】
「＋遮光体８２」とは、上記反射体６０および遮光体８０の他に、図７に示す例のように第２の遮光体８２を更に設けた場合のことである。この遮光体８２は、集光レンズ３６の下流側の面（出光側の面）と補助受光素子４４との間に設けられていて、集光レンズ３６の下流側の面からのフレネル反射光が補助受光素子４４に入射することを抑制するものである。これは、投光ファイバ１２の端面１２ａからのフレネル反射光が集光レンズ３６の下流側の面に入射してそこで再び反射する場合を考慮したものである。
【００３７】
「白色平板状反射体」とは、上記のような錐体状の反射体６０の代わりに、図８に示す例のように、単なる白色平板状の反射体６０を設けた場合のことである。その反射面は拡散面である。
【００３８】
「投光ファイバ１２の有無」とは、装着部７２に投光ファイバ１２を装着している場合が「有り」、投光ファイバ１２を装着していない場合が「無し」のことである。
【００３９】
上記表１に示す測定条件１ａ〜４ｂにおいて、赤色の発光素子２２、緑色の発光素子２３および青色の発光素子２４を個別に発光させて、その駆動電流（即ち発光光量）を変えたときの補助受光素子４４の出力（即ち受光光量）を測定した結果を、図９〜図１１にそれぞれ示す。
【００４０】
また、この図９〜図１１における補助受光素子４４の出力を、投光ファイバ１２有りのときの測定条件１ａの場合を１００とした場合の他の測定条件における出力と、投光ファイバ１２の有無の間の当該出力の変化率とを表２〜表４にそれぞれまとめて示す。表２は図９の結果を、表３は図１０の結果を、表４は図１１の結果を、それぞれまとめたものである。表２〜表４中の出力は、発光素子の駆動電流が２０ｍＡのときの値を採用した。変化率は、（ファイバ有り時出力／ファイバ無し時出力）×１００−１００で求めた。
【００４１】
【表２】
【００４２】
【表３】
【００４３】
【表４】
【００４４】
上記結果から分かるように、平板状の反射体６０を設けた場合（測定条件４ａおよび４ｂ）よりも、錐体状の反射面を有する反射体６０を設けた場合（測定条件１ａ〜３ｂ）の方が、補助受光素子４４の出力、即ち受光光量が大きい。これは、錐体状の反射体６０の方が反射面が多様になると共に反射面の面積も大きくなる結果であると考えられる。従って、錐体状の反射面を有する反射体６０の方が好ましい。
【００４５】
また、第１の遮光体８０を設けると（測定条件２ａおよび２ｂ）、補助受光素子４４の受光光量は若干減少するけれども、投光ファイバ１２の有無による変化率は小さくなる。これは、前述したように、投光ファイバ１２の端面１２ａからのフレネル反射光の影響を、遮光体８０によって少なくすることができた結果であると考えられる。従って、投光ファイバ１２の簡易な切断を許容して投光ファイバ１２の接続作業を簡単にする観点からは、遮光体８０を設ける方が好ましい。
【００４６】
更に、上記第１の遮光体８０および第２の遮光体８２の両方を設けると（測定条件３ａおよび３ｂ）、補助受光素子４４の受光光量は減少傾向を強めるけれども、投光ファイバ１２の有無による変化率は更に小さくなる。これは、前述したように、集光レンズ３６の下流側の面からのフレネル反射光の影響をも、遮光体８２によって少なくすることができた結果であると考えられる。従って、投光ファイバ１２の簡易な切断を許容して投光ファイバ１２の接続作業を簡単にする観点からは、遮光体８０および８２の両方を設けても良い。
【００４７】
なお、測定条件３ａの構造の反射体６０の錐体状の反射面６１〜６３にアルミニウム箔を貼り付けて、反射面６１〜６３を鏡面状にして補助受光素子４４の出力を測定したところ、白色拡散面にした上記測定条件３ａの場合の出力の８５％程度しか出力が得られなかった。これは、反射面６１〜６３が鏡面の場合は、反射光の方向が特定の方向に限られることによって、補助受光素子４４に入射する光量が減少した結果であると考えられる。従って、反射体６０の反射面は、前述したように、ほぼ白色をした拡散面にするのが好ましい。
【００４８】
四角錐体状の上記反射体６０の二つの側面６２および６３は、例えば図１２に示す例のように、補助受光素子４４側に向けて（図の上向きに）傾けても良く、そのようにすれば、図５の例の場合よりも、反射面６２および６３からの反射光をより効率良く補助受光素子４４に入射させることができるので、補助受光素子４４の受光光量をより増加させることができる。
【００４９】
また、例えば図１３に示す例のように、前述した出射開口７４側が狭く集光レンズ３６側に向けて広がっており、かつ補助受光素子４４側の面６４が開いた円錐体状の反射面６５を有する反射体６０を用いても良い。この場合も、図５の例の場合よりも、反射面６５からの反射光をより効率良く補助受光素子４４に入射させることができるので、補助受光素子４４の受光光量をより増加させることができる。
【００５０】
なお、発光素子の数は、通常は上記例のように３個であるけれども、それに限られるものではなく、互いに波長の異なる光を発する２個の発光素子でも、フルカラーではないにしてもカラーセンサを構成することは可能であり、また４個あるいはそれ以上の発光素子を設けても良い。また、複数個の発光素子を一つのパッケージ内に収納しても良い。
【００５１】
【発明の効果】
この発明は、上記のとおり構成されているので、次のような効果を奏する。
【００５２】
請求項１記載の発明によれば、集光レンズを透過する光のうち、投光ファイバの端面部への入射に寄与しない光を反射体で受けてそれを補助受光素子に向けて反射させることができるので、補助受光素子への集光の効率が高まり、補助受光素子の受光光量が増加する。また、反射体の反射面の面積を増やすことによって、補助受光素子の受光光量を一層増加させることも容易に行うことができる。その結果、発光素子の受光光量一定化制御の精度および安定性を向上させ、ひいては温度変動に対する色判別性能の安定性を向上させることが可能になる。
【００５３】
しかも、反射体は、集光レンズを透過する光が投光ファイバの端面部に入射するのを妨げないので、検出物体への投光光量を低下させずに済む。
【００５４】
また、反射体から反射して補助受光素子に入射する光量が増加することによって、投光ファイバの端面からのフレネル反射光が補助受光素子に入射する割合が相対的に減少するので、当該端面からの反射光の影響を受けにくくなる。その結果、投光ファイバの端面の仕上げを従来例の場合ほど厳密に管理する必要がなくなるので、投光ファイバの切断を簡易な方法で済ませることができ、従ってこの光学ユニットへの投光ファイバの接続作業も簡単になる。
【００５５】
更に、反射体が錐体状の反射面を有しているので、反射面が多様になると共に反射面の面積も大きくなる。その結果、補助受光素子の受光光量をより増加させることが可能になる。
【００５６】
請求項２記載の発明によれば、反射体の反射面がほぼ白色をした拡散面であるので、光学要素の配置上のバラツキ等に影響されずに、しかも反射体からの反射光を多様な方向から補助受光素子に入射させることができる。その結果、補助受光素子への反射光の入射効率を高めて、補助受光素子の受光光量をより一層増加させることができる。
【００５７】
請求項３記載の発明によれば、投光ファイバの端面部と補助受光素子との間に遮光体を配置しているので、投光ファイバの端面からのフレネル反射光が補助受光素子に入射することを抑制して、当該反射光の影響をより少なくすることができる。その結果、投光ファイバの簡易な切断を許容して、投光ファイバの接続作業をより簡単にすることができると共に、発光素子の受光光量一定化制御の精度および安定性をより向上させ、温度変動に対する色判別性能の安定性をより向上させることが可能になる。
【００５８】
請求項４記載の発明によれば、投光ファイバの端面部と補助受光素子との間に第１の遮光体を配置し、かつ集光レンズの下流側の面と補助受光素子との間に第２の遮光体を配置しているので、投光ファイバの端面からのフレネル反射光および集光レンズの下流側の面からのフレネル反射光が補助受光素子に入射することを抑制して、当該反射光の影響をより一層少なくすることができる。その結果、投光ファイバの簡易な切断を許容して、投光ファイバの接続作業をより簡単にすることができると共に、発光素子の発光光量一定化制御の精度および安定性をより一層向上させ、温度変動に対する色判別性能の安定性をより一層向上させることが可能になる。
請求項５記載の発明によれば、集光レンズを透過する光のうち、投光ファイバの端面部への入射に寄与しない光を反射体で受けてそれを補助受光素子に向けて反射させることができるので、補助受光素子への集光の効率が高まり、補助受光素子の受光光量が増加する。また、反射体の反射面の面積を増やすことによって、補助受光素子の受光光量を一層増加させることも容易に行うことができる。その結果、発光素子の受光光量一定化制御の精度および安定性を向上させ、ひいては温度変動に対する色判別性能の安定性を向上させることが可能になる。
しかも、反射体は、集光レンズを透過する光が投光ファイバの端面部に入射するのを妨げないので、検出物体への投光光量を低下させずに済む。
また、反射体から反射して補助受光素子に入射する光量が増加することによって、投光ファイバの端面からのフレネル反射光が補助受光素子に入射する割合が相対的に減少するので、当該端面からの反射光の影響を受けにくくなる。その結果、投光ファイバの端面の仕上げを従来例の場合ほど厳密に管理する必要がなくなるので、投光ファイバの切断を簡易な方法で済ませることができ、従ってこの光学ユニットへの投光ファイバの接続作業も簡単になる。
更に、投光ファイバの端面部と補助受光素子との間に第１の遮光体を配置し、かつ集光レンズの下流側の面と補助受光素子との間に第２の遮光体を配置しているので、投光ファイバの端面からのフレネル反射光および集光レンズの下流側の面からのフレネル反射光が補助受光素子に入射することを抑制して、当該反射光の影響をより一層少なくすることができる。その結果、投光ファイバの簡易な切断を許容して、投光ファイバの接続作業をより簡単にすることができると共に、発光素子の発光光量一定化制御の精度および安定性をより一層向上させ、温度変動に対する色判別性能の安定性をより一層向上させることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係る光学ユニットを用いたカラーセンサの一例を示す概略図である。
【図２】図１中の光学ユニットの集光レンズ周りを拡大して示す縦断面図である。
【図３】図１中の光学ユニットの集光レンズ周りを拡大して示す横断面図であり、図２はこの図の線Ａ−Ａ断面に相当する。
【図４】図２および図３中の反射体を集光レンズ側から見て示す正面図である。
【図５】図２〜図４に示す反射体の斜視図である。
【図６】図２の例に第１の遮光体を付加した例を示す断面図である。
【図７】図２の例に第１および第２の遮光体を付加した例を示す断面図である。
【図８】図２の例中の反射体を平板状のものに変更した例を示す断面図である。
【図９】赤色発光素子を用いたときの各種測定条件における補助受光素子の出力の測定結果を示す図である。
【図１０】緑色発光素子を用いたときの各種測定条件における補助受光素子の出力の測定結果を示す図である。
【図１１】青色発光素子を用いたときの各種測定条件における補助受光素子の出力の測定結果を示す図である。
【図１２】反射体の他の例を示す斜視図である。
【図１３】反射体の更に他の例を示す斜視図である。
【図１４】従来の光学ユニットを用いたカラーセンサの一例を示す概略図である。
【符号の説明】
１０ 検出物体
１２ 投光ファイバ
１４ 受光ファイバ
２０ａ 光学ユニット
２２〜２４ 発光素子
３０ 合成光学素子
３４ 光
３６ 集光レンズ
４２ 主受光素子
４４ 補助受光素子
６０ 反射体
６１〜６３、６５ 反射面
【発明の属する技術分野】
この発明は、検出物体の色を判別するカラーセンサに用いられるものであって、発光素子、受光素子、レンズ等を含む光学ユニットに関し、より具体的には、発光素子の発光光量一定化制御に用いられる補助受光素子の受光光量を増加させて、発光素子の発光光量一定化制御の精度および安定性を向上させ、ひいては温度変動に対する色判別性能の安定性を向上させる手段に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１４に、従来の光学ユニットを用いたカラーセンサの一例を示す。このカラーセンサは、いわゆる光ファイバ形と呼ばれるものであり、光学ユニット２０内で発した光３４を投光ファイバ１２内を通して導いて検出物体１０に照射し、この検出物体１０からの反射光４０を受光ファイバ１４内を通して光学ユニット２０内に導き、この反射光４０を元に光学ユニット２０内において検出物体１０の色を判別するよう構成されている。両光ファイバ１２および１４は、光学ユニット２０に着脱可能に接続されている。
【０００３】
光学ユニット２０は、この例では、互いに異なる波長の光、具体的には赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）および青色（Ｂ）の光２６〜２８をそれぞれ発する三つの発光素子２２〜２４と、これらの光２６〜２８を一光路に合成して出力する合成光学素子３０と、この合成光学素子３０から出力される光３４を上記投光ファイバ１２の端面１２ａに向けて集光して投光ファイバ１２内に入射させる集光レンズ３６および投光レンズ３８と、上記受光ファイバ１４から出力される光（反射光４０）を受けてそれを電気信号に変換する主受光素子４２とを備えている。
【０００４】
各発光素子２２〜２４は、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）である。合成光学素子３０は、図示例では２枚のダイクロイックミラー３１および３２で構成されているけれども、それの代わりに、色合成プリズムで構成しても良い。主受光素子４２は、例えばフォトダイオードである。
【０００５】
発光素子２２〜２４は、駆動回路５２によって駆動されて発光する。演算制御回路５０は、この駆動回路５２を制御して、三つの発光素子２２〜２４を時分割発光させる。即ち、三つの発光素子２２〜２４を、互いにタイミングをずらして順次発光させる。
【０００６】
従って、主受光素子４２は、検出物体１０からの各色の反射光４０を順次受光してそれらを電気信号に変換する。この主受光素子４２から出力される電気信号は、増幅器４６によって増幅されて演算制御回路５０に供給される。演算制御回路５０は、主受光素子４２から与えられる電気信号に基づいて、各色の反射光４０の量や割合から、検出物体１０の色を判別する。例えば、演算制御回路５０はマイクロプロセッサから成り、基準となる色データが予め入力されており、この色データと主受光素子４２からの信号とを比較して演算処理することによって、検出物体１０の色を判別してその判別結果を出力する。
【０００７】
上記各発光素子２２〜２４の発光光量は、温度変化によって変動するので、これを放置しておくと色判別を誤る。これを解決するために、従来は次のようにして各発光素子２２〜２４の発光光量の一定化制御を行っている。
【０００８】
即ち、集光レンズ３６の上流側（合成光学素子３０側）近傍に補助受光素子４４を設け、合成光学素子３０からの光３４がこの集光レンズ３６に入射することに伴って生じるフレネル反射光３４ａをこの補助受光素子４４で受けて電気信号に変換し、この電気信号を増幅器４８で増幅して演算制御回路５０に供給する。演算制御回路５０は、この補助受光素子４４から与えられる電気信号が一定になるように、駆動回路５２を制御して、各発光素子２２〜２４の発光光量を制御する。これによって、各発光素子２２〜２４の発光光量が一定に制御される。補助受光素子４４は、例えばフォトダイオードである。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記集光レンズ３６からのフレネル反射光３４ａは、一般的に光量が非常に少ない。これは、光３４を透過させるのが目的の集光レンズ３６の表面から反射して来るわずかな光がフレネル反射光３４ａだからである。
【００１０】
従って、補助受光素子４４は受光光量を十分に得ることができず、当該補助受光素子４４からの出力は、主受光素子４２からの出力に比べて非常に小さいので、増幅器４６と４８とは互いに増幅率の大きく異なるものを用いざるを得ない。従って、両増幅器４６、４８の増幅特性を互いに一致させるのが難しく、これが、発光素子２２〜２４の発光光量一定化制御の精度および安定性を低下させ、ひいては温度変動に対する色判別性能の安定性を低下させる一因になっている。
【００１１】
仮に、集光レンズ３６の反射率を高めて集光レンズ３６からのフレネル反射光３４ａを多くすると、当該集光レンズ３６を透過する光量が減り、検出物体１０への投光光量が減るので、色判別性能が低下する。特に、光ファイバ１２、１４を用いる光ファイバ形では、光ファイバを用いないタイプに比べて、検出物体１０への投光光量が元々少ないという課題を有しているので、上記のようにフレネル反射光３４ａを増やす代わりに検出物体１０への投光光量が減るということは、好ましくない。むしろ、集光レンズ３６に反射防止膜をコーティングして検出物体１０への投光光量を少しでも増加させるということが行われており、そのようにするとフレネル反射光３４ａがますます減って補助受光素子４４の受光光量が一層減ってしまう。
【００１２】
また、集光レンズ３６からのわずかなフレネル反射光３４ａを補助受光素子４４で検出しているので、投光ファイバ１２の端面１２ａからのフレネル反射光の影響を受けやすく、当該反射光量が変動すると上記発光光量一定化制御の精度および安定性が一層低下する。しかし、この投光ファイバ１２の端面１２ａからの反射光量を一定にするためには、投光ファイバ１２を光学ユニット２０へ接続するときに投光ファイバ１２の端面１２ａの仕上げを厳密に管理しなければならないので、投光ファイバ１２の切断を簡単に行う訳には行かず、投光ファイバ１２の接続作業に多くの手間がかかる。
【００１３】
そこでこの発明は、検出物体への投光光量を低下させることなく、発光光量一定化制御に用いられる補助受光素子の受光光量を増加させて、発光素子の発光光量一定化制御の精度および安定性を向上させ、ひいては温度変動に対する色判別性能の安定性を向上させることを主たる目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
この発明に係るカラーセンサ用光学ユニットの一つは、検出物体に照射する光を導く投光ファイバおよび当該検出物体からの反射光を導く受光ファイバを接続してカラーセンサに用いる光学ユニットであって、互いに異なる波長の光を発する複数の発光素子と、この複数の発光素子が発した光を合成して出力する合成光学素子と、この合成光学素子から出力される光を前記投光ファイバの端面部に向けて、当該端面部の直径よりも大きい直径に集光する集光レンズと、前記受光ファイバから出力される光を受けてそれを電気信号に変換する主受光素子と、前記合成光学素子から出力される光の一部を受けてそれを電気信号に変換するものであって前記発光素子の発光光量の一定化制御に用いられる補助受光素子とを備えており、かつ、前記集光レンズの下流側の横付近に前記補助受光素子を配置し、かつ前記集光レンズと前記投光ファイバの端面部との間であって集光レンズを透過する光が投光ファイバの端面部に入射するのを妨げない位置に、集光レンズを透過する光のうち、投光ファイバの端面部への入射に寄与しない光を受けてそれを前記補助受光素子に向けて反射させる反射体を設けており、しかも前記反射体は、前記集光レンズ側に向けて広がっており、かつ前記補助受光素子側の面が開いた錐体状の反射面を有していることを特徴としている。下流側とは、換言すれば、光の進行方向における下手側のことであり、集光レンズの出光側のことである。
【００１５】
上記構成によれば、集光レンズを透過する光のうち、投光ファイバの端面部への入射に寄与しない光を反射体で受けてそれを補助受光素子に向けて反射させることができるので、補助受光素子への集光の効率が高まり、補助受光素子の受光光量が増加する。その結果、発光素子の発光光量一定化制御の精度および安定性を向上させ、ひいては温度変動に対する色判別性能の安定性を向上させることが可能になる。しかも、反射体は、集光レンズを透過する光が投光ファイバの端面部に入射するのを妨げないので、検出物体への投光光量を低下させずに済む。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１は、この発明に係る光学ユニットを用いたカラーセンサの一例を示す概略図である。図１４の従来例と同一または相当する部分には同一符号を付し、以下においては当該従来例との相違点を主に説明する。
【００１７】
この実施例の光学ユニット２０ａは、前述した各発光素子２２〜２４の出口付近に半球レンズ５４〜５６をそれぞれ設けて、これらによって、各発光素子２２〜２４から出力される光２６〜２８をほぼ平行化して合成光学素子３０に入射させるようにしている。このようにほぼ平行化された光を絞るのは１枚の集光レンズで容易に行うことができるので、この例では従来例の投光レンズ３８に相当するものは設けておらず、合成光学素子３０から出力される光３４は、１枚の集光レンズ３６によって、投光ファイバ１２の端面１２ａの部分に向けて集光するようにしている。ただし、この部分の構成は、この発明の本質部分ではないので、従来例と同様の構成にしても良い。
【００１８】
この光学ユニット２０ａでは、前述した補助受光素子４４を、従来例のように集光レンズ３６の上流側近傍に設けるのではなく、当該集光レンズ３６の下流側の横付近に配置している。
【００１９】
更に、集光レンズ３６と投光ファイバ１２の端面部との間であって集光レンズ３６を透過する光３４が投光ファイバ１２の端面部に入射するのを妨げない位置に、集光レンズ３６を透過する光３４の周辺部分３４ｂ、即ち投光ファイバ１２の端面部への入射に寄与しない光を受けてそれを上記補助受光素子４４に向けて反射させる反射体６０を設けている。
【００２０】
上記構成を、図２〜図５を参照して詳述する。
【００２１】
この光学ユニット２０ａは、図１に示した各光学要素および電気回路を収納するケース７０を有している。このケース７０の端面部に、投光ファイバ１２の装着部７２、および、集光レンズ３６からの光３４を投光ファイバ１２の端面１２ａに入射させるための出射開口７４が設けられている。集光レンズ３６は、この出射開口７４付近に、合成光学素子３０（図１参照）からの光３４を集光するようにケース７０内に固定されている。出射開口７４の直径は例えば１ｍｍ程度であり、ここに集光させる光３４の直径はこの出射開口７４の直径よりも若干大きく、例えば１．５ｍｍ程度にして、余裕を持たせている。
【００２２】
このケース７０や、集光レンズ３６等の光学要素を保持する部材（図示省略）には、できるだけ遮光性の高い黒色部材を用いるのが好ましい。そのようにすれば、補助受光素子４４に、ノイズとなる光が入射することを抑制することができる。そのような部材の一例として、黒色のＰＰＯ（ポリフェニレンオキシド）が挙げられる。
【００２３】
集光レンズ３６と出射開口７４との間の横の部分に、上記補助受光素子４４を配置している。この補助受光素子４４の受光領域４４ａの前方には、反射体６０からの光を当該受光領域４４ａに入射させるための受光開口７５が設けられている。
【００２４】
更に、集光レンズ３６と出射開口７４との間の部分に、上記反射体６０を配置している。この反射体６０は、出射開口７４側が狭く集光レンズ３６側に向けて広がっており、かつ補助受光素子４４側の面６４が開いた四角錐体状の反射面６１〜６３を有している。
【００２５】
各反射面６１〜６３は、集光レンズ３６の端部（光３４を透過させるのに有効な領域の端部。即ち集光レンズ３６の有効直径の端部。以下同じ）と、当該端部に近い側の出射開口７４の端部とを結ぶ線７６〜７８付近よりも外側に位置させるのが好ましく、当該線７６〜７８よりも外側に位置させるのがより好ましい。このようにすれば、集光レンズ３６を透過して出射開口７４に向けて集光する光３４が出射開口７４に、即ち投光ファイバ１２の端面１２ａの部分に入射するのを極力妨げなくなる。
【００２６】
また、各反射面６１〜６３は、鏡面よりも、ほぼ白色をしていて反射率の高い拡散面にするのが好ましい。そのようにする方が、発光素子２２〜２４、合成光学素子３０、集光レンズ３６、反射体６０および補助受光素子４４等の光学要素の配置上のバラツキ等に影響されずに、しかも反射体６０からの反射光を多様な方向から補助受光素子４４に入射させることができるので、集光レンズ３６を透過する光３４の周辺部分３４ｂを補助受光素子４４に向けてより多く、即ちより効率良く反射させることができる。
【００２７】
この光学ユニット２０ａによれば、集光レンズ３６を透過する光３４の周辺部分３４ｂを反射体６０で受けてそれを補助受光素子４４に向けて反射させるので、従来例のように集光レンズ３６の表面の微少なフレネル反射光を利用する場合と違って、補助受光素子４４への集光の効率が高まり、補助受光素子４４の受光光量が増加する。また、反射体６０の反射面の面積を増やすことによって、補助受光素子４４の受光光量を一層増加させることも容易に行うことができる。
【００２８】
従って、補助受光素子４４の出力（例えば出力電流または出力電圧）を高めることができるので増幅器４８での増幅も容易かつ高精度になり、その結果、発光素子２２〜２４の発光光量一定化制御の精度および安定性を向上させ、ひいては温度変動に対する色判別性能の安定性を向上させることが可能になる。
【００２９】
しかも、上記反射体６０は、集光レンズ３６を透過する光３４の周辺部分、即ち投光ファイバ１２の端面部への入射に寄与しない光を受けて反射させるだけであって、集光レンズ３６を透過して出射開口７４に向けて集光する光３４が投光ファイバ１２の端面部に入射するのを妨げないので、検出物体１０への投光光量を低下させることもない。
【００３０】
また、反射体６０によって反射して補助受光素子４４に入射する光量が増加することによって、投光ファイバ１２の端面１２ａからのフレネル反射光が補助受光素子４４に入射する割合が相対的に減少するので、当該端面１２ａからの反射光の影響を受けにくくなる。その結果、投光ファイバ１２の端面１２ａの仕上げを従来例の場合ほど厳密に管理する必要がなくなるので、投光ファイバ１２の切断を簡易な方法で済ませることができる。従って、この光学ユニット２０ａへの投光ファイバ１２の接続作業も簡単になる。
【００３１】
なお、図１の実施例では、演算制御回路５０とは別に制御回路５１を設けて、この制御回路５１によって、補助受光素子４４から増幅器４８を経由して与えられる電気信号が一定になるように、駆動回路５２を制御して、各発光素子２２〜２４の発光光量を制御している。但し、そのようにせずに、図１４に示した従来例と同様に、全ての制御を演算制御回路５０内で行うようにしても良い。
【００３２】
次に、反射体６０の周りの構造を表１に示すように種々に変えて、補助受光素子４４の出力を測定した結果を説明する。
【００３３】
【表１】
この表１中の「白色錐体状反射体」とは、図２〜図５に示した構造であって、反射面６１〜６３が白色拡散面の反射体６０を設けた場合のことである。
【００３５】
「＋遮光体８０」とは、上記反射体６０の他に、図６に示す例のように第１の遮光体８０を更に設けた場合のことである。この遮光体８０は、投光ファイバ１２の端面部、より具体的には前述した出射開口７４と補助受光素子４４との間に設けられていて、投光ファイバ１２の端面１２ａからのフレネル反射光が補助受光素子４４に入射することを抑制するものである。この遮光体８０は、集光レンズ３６の端部と、当該端部に近い側の出射開口７４の端部とを結ぶ線７９付近よりも外側に位置させるのが好ましく、当該線７９よりも外側に位置させるのがより好ましい。そのようにすれば、集光レンズ３６を透過して出射開口７４に向けて集光する光３４が出射開口７４に入射するのを極力妨げなくなる。
【００３６】
「＋遮光体８２」とは、上記反射体６０および遮光体８０の他に、図７に示す例のように第２の遮光体８２を更に設けた場合のことである。この遮光体８２は、集光レンズ３６の下流側の面（出光側の面）と補助受光素子４４との間に設けられていて、集光レンズ３６の下流側の面からのフレネル反射光が補助受光素子４４に入射することを抑制するものである。これは、投光ファイバ１２の端面１２ａからのフレネル反射光が集光レンズ３６の下流側の面に入射してそこで再び反射する場合を考慮したものである。
【００３７】
「白色平板状反射体」とは、上記のような錐体状の反射体６０の代わりに、図８に示す例のように、単なる白色平板状の反射体６０を設けた場合のことである。その反射面は拡散面である。
【００３８】
「投光ファイバ１２の有無」とは、装着部７２に投光ファイバ１２を装着している場合が「有り」、投光ファイバ１２を装着していない場合が「無し」のことである。
【００３９】
上記表１に示す測定条件１ａ〜４ｂにおいて、赤色の発光素子２２、緑色の発光素子２３および青色の発光素子２４を個別に発光させて、その駆動電流（即ち発光光量）を変えたときの補助受光素子４４の出力（即ち受光光量）を測定した結果を、図９〜図１１にそれぞれ示す。
【００４０】
また、この図９〜図１１における補助受光素子４４の出力を、投光ファイバ１２有りのときの測定条件１ａの場合を１００とした場合の他の測定条件における出力と、投光ファイバ１２の有無の間の当該出力の変化率とを表２〜表４にそれぞれまとめて示す。表２は図９の結果を、表３は図１０の結果を、表４は図１１の結果を、それぞれまとめたものである。表２〜表４中の出力は、発光素子の駆動電流が２０ｍＡのときの値を採用した。変化率は、（ファイバ有り時出力／ファイバ無し時出力）×１００−１００で求めた。
【００４１】
【表２】
【表３】
【表４】
上記結果から分かるように、平板状の反射体６０を設けた場合（測定条件４ａおよび４ｂ）よりも、錐体状の反射面を有する反射体６０を設けた場合（測定条件１ａ〜３ｂ）の方が、補助受光素子４４の出力、即ち受光光量が大きい。これは、錐体状の反射体６０の方が反射面が多様になると共に反射面の面積も大きくなる結果であると考えられる。従って、錐体状の反射面を有する反射体６０の方が好ましい。
【００４５】
また、第１の遮光体８０を設けると（測定条件２ａおよび２ｂ）、補助受光素子４４の受光光量は若干減少するけれども、投光ファイバ１２の有無による変化率は小さくなる。これは、前述したように、投光ファイバ１２の端面１２ａからのフレネル反射光の影響を、遮光体８０によって少なくすることができた結果であると考えられる。従って、投光ファイバ１２の簡易な切断を許容して投光ファイバ１２の接続作業を簡単にする観点からは、遮光体８０を設ける方が好ましい。
【００４６】
更に、上記第１の遮光体８０および第２の遮光体８２の両方を設けると（測定条件３ａおよび３ｂ）、補助受光素子４４の受光光量は減少傾向を強めるけれども、投光ファイバ１２の有無による変化率は更に小さくなる。これは、前述したように、集光レンズ３６の下流側の面からのフレネル反射光の影響をも、遮光体８２によって少なくすることができた結果であると考えられる。従って、投光ファイバ１２の簡易な切断を許容して投光ファイバ１２の接続作業を簡単にする観点からは、遮光体８０および８２の両方を設けても良い。
【００４７】
なお、測定条件３ａの構造の反射体６０の錐体状の反射面６１〜６３にアルミニウム箔を貼り付けて、反射面６１〜６３を鏡面状にして補助受光素子４４の出力を測定したところ、白色拡散面にした上記測定条件３ａの場合の出力の８５％程度しか出力が得られなかった。これは、反射面６１〜６３が鏡面の場合は、反射光の方向が特定の方向に限られることによって、補助受光素子４４に入射する光量が減少した結果であると考えられる。従って、反射体６０の反射面は、前述したように、ほぼ白色をした拡散面にするのが好ましい。
【００４８】
四角錐体状の上記反射体６０の二つの側面６２および６３は、例えば図１２に示す例のように、補助受光素子４４側に向けて（図の上向きに）傾けても良く、そのようにすれば、図５の例の場合よりも、反射面６２および６３からの反射光をより効率良く補助受光素子４４に入射させることができるので、補助受光素子４４の受光光量をより増加させることができる。
【００４９】
また、例えば図１３に示す例のように、前述した出射開口７４側が狭く集光レンズ３６側に向けて広がっており、かつ補助受光素子４４側の面６４が開いた円錐体状の反射面６５を有する反射体６０を用いても良い。この場合も、図５の例の場合よりも、反射面６５からの反射光をより効率良く補助受光素子４４に入射させることができるので、補助受光素子４４の受光光量をより増加させることができる。
【００５０】
なお、発光素子の数は、通常は上記例のように３個であるけれども、それに限られるものではなく、互いに波長の異なる光を発する２個の発光素子でも、フルカラーではないにしてもカラーセンサを構成することは可能であり、また４個あるいはそれ以上の発光素子を設けても良い。また、複数個の発光素子を一つのパッケージ内に収納しても良い。
【００５１】
【発明の効果】
この発明は、上記のとおり構成されているので、次のような効果を奏する。
【００５２】
請求項１記載の発明によれば、集光レンズを透過する光のうち、投光ファイバの端面部への入射に寄与しない光を反射体で受けてそれを補助受光素子に向けて反射させることができるので、補助受光素子への集光の効率が高まり、補助受光素子の受光光量が増加する。また、反射体の反射面の面積を増やすことによって、補助受光素子の受光光量を一層増加させることも容易に行うことができる。その結果、発光素子の受光光量一定化制御の精度および安定性を向上させ、ひいては温度変動に対する色判別性能の安定性を向上させることが可能になる。
【００５３】
しかも、反射体は、集光レンズを透過する光が投光ファイバの端面部に入射するのを妨げないので、検出物体への投光光量を低下させずに済む。
【００５４】
また、反射体から反射して補助受光素子に入射する光量が増加することによって、投光ファイバの端面からのフレネル反射光が補助受光素子に入射する割合が相対的に減少するので、当該端面からの反射光の影響を受けにくくなる。その結果、投光ファイバの端面の仕上げを従来例の場合ほど厳密に管理する必要がなくなるので、投光ファイバの切断を簡易な方法で済ませることができ、従ってこの光学ユニットへの投光ファイバの接続作業も簡単になる。
【００５５】
更に、反射体が錐体状の反射面を有しているので、反射面が多様になると共に反射面の面積も大きくなる。その結果、補助受光素子の受光光量をより増加させることが可能になる。
【００５６】
請求項２記載の発明によれば、反射体の反射面がほぼ白色をした拡散面であるので、光学要素の配置上のバラツキ等に影響されずに、しかも反射体からの反射光を多様な方向から補助受光素子に入射させることができる。その結果、補助受光素子への反射光の入射効率を高めて、補助受光素子の受光光量をより一層増加させることができる。
【００５７】
請求項３記載の発明によれば、投光ファイバの端面部と補助受光素子との間に遮光体を配置しているので、投光ファイバの端面からのフレネル反射光が補助受光素子に入射することを抑制して、当該反射光の影響をより少なくすることができる。その結果、投光ファイバの簡易な切断を許容して、投光ファイバの接続作業をより簡単にすることができると共に、発光素子の受光光量一定化制御の精度および安定性をより向上させ、温度変動に対する色判別性能の安定性をより向上させることが可能になる。
【００５８】
請求項４記載の発明によれば、投光ファイバの端面部と補助受光素子との間に第１の遮光体を配置し、かつ集光レンズの下流側の面と補助受光素子との間に第２の遮光体を配置しているので、投光ファイバの端面からのフレネル反射光および集光レンズの下流側の面からのフレネル反射光が補助受光素子に入射することを抑制して、当該反射光の影響をより一層少なくすることができる。その結果、投光ファイバの簡易な切断を許容して、投光ファイバの接続作業をより簡単にすることができると共に、発光素子の発光光量一定化制御の精度および安定性をより一層向上させ、温度変動に対する色判別性能の安定性をより一層向上させることが可能になる。
請求項５記載の発明によれば、集光レンズを透過する光のうち、投光ファイバの端面部への入射に寄与しない光を反射体で受けてそれを補助受光素子に向けて反射させることができるので、補助受光素子への集光の効率が高まり、補助受光素子の受光光量が増加する。また、反射体の反射面の面積を増やすことによって、補助受光素子の受光光量を一層増加させることも容易に行うことができる。その結果、発光素子の受光光量一定化制御の精度および安定性を向上させ、ひいては温度変動に対する色判別性能の安定性を向上させることが可能になる。
しかも、反射体は、集光レンズを透過する光が投光ファイバの端面部に入射するのを妨げないので、検出物体への投光光量を低下させずに済む。
また、反射体から反射して補助受光素子に入射する光量が増加することによって、投光ファイバの端面からのフレネル反射光が補助受光素子に入射する割合が相対的に減少するので、当該端面からの反射光の影響を受けにくくなる。その結果、投光ファイバの端面の仕上げを従来例の場合ほど厳密に管理する必要がなくなるので、投光ファイバの切断を簡易な方法で済ませることができ、従ってこの光学ユニットへの投光ファイバの接続作業も簡単になる。
更に、投光ファイバの端面部と補助受光素子との間に第１の遮光体を配置し、かつ集光レンズの下流側の面と補助受光素子との間に第２の遮光体を配置しているので、投光ファイバの端面からのフレネル反射光および集光レンズの下流側の面からのフレネル反射光が補助受光素子に入射することを抑制して、当該反射光の影響をより一層少なくすることができる。その結果、投光ファイバの簡易な切断を許容して、投光ファイバの接続作業をより簡単にすることができると共に、発光素子の発光光量一定化制御の精度および安定性をより一層向上させ、温度変動に対する色判別性能の安定性をより一層向上させることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係る光学ユニットを用いたカラーセンサの一例を示す概略図である。
【図２】図１中の光学ユニットの集光レンズ周りを拡大して示す縦断面図である。
【図３】図１中の光学ユニットの集光レンズ周りを拡大して示す横断面図であり、図２はこの図の線Ａ−Ａ断面に相当する。
【図４】図２および図３中の反射体を集光レンズ側から見て示す正面図である。
【図５】図２〜図４に示す反射体の斜視図である。
【図６】図２の例に第１の遮光体を付加した例を示す断面図である。
【図７】図２の例に第１および第２の遮光体を付加した例を示す断面図である。
【図８】図２の例中の反射体を平板状のものに変更した例を示す断面図である。
【図９】赤色発光素子を用いたときの各種測定条件における補助受光素子の出力の測定結果を示す図である。
【図１０】緑色発光素子を用いたときの各種測定条件における補助受光素子の出力の測定結果を示す図である。
【図１１】青色発光素子を用いたときの各種測定条件における補助受光素子の出力の測定結果を示す図である。
【図１２】反射体の他の例を示す斜視図である。
【図１３】反射体の更に他の例を示す斜視図である。
【図１４】従来の光学ユニットを用いたカラーセンサの一例を示す概略図である。
【符号の説明】
１０ 検出物体
１２ 投光ファイバ
１４ 受光ファイバ
２０ａ 光学ユニット
２２〜２４ 発光素子
３０ 合成光学素子
３４ 光
３６ 集光レンズ
４２ 主受光素子
４４ 補助受光素子
６０ 反射体
６１〜６３、６５ 反射面
Claims (5)
- 検出物体に照射する光を導く投光ファイバおよび当該検出物体からの反射光を導く受光ファイバを接続してカラーセンサに用いる光学ユニットであって、互いに異なる波長の光を発する複数の発光素子と、この複数の発光素子が発した光を合成して出力する合成光学素子と、この合成光学素子から出力される光を前記投光ファイバの端面部に向けて、当該端面部の直径よりも大きい直径に集光する集光レンズと、前記受光ファイバから出力される光を受けてそれを電気信号に変換する主受光素子と、前記合成光学素子から出力される光の一部を受けてそれを電気信号に変換するものであって前記発光素子の発光光量の一定化制御に用いられる補助受光素子とを備えており、かつ、前記集光レンズの下流側の横付近に前記補助受光素子を配置し、かつ前記集光レンズと前記投光ファイバの端面部との間であって集光レンズを透過する光が投光ファイバの端面部に入射するのを妨げない位置に、集光レンズを透過する光のうち、投光ファイバの端面部への入射に寄与しない光を受けてそれを前記補助受光素子に向けて反射させる反射体を設けており、しかも前記反射体は、前記集光レンズ側に向けて広がっており、かつ前記補助受光素子側の面が開いた錐体状の反射面を有していることを特徴とするカラーセンサ用光学ユニット。
- 前記反射体の反射面は、ほぼ白色をした拡散面である請求項１記載のカラーセンサ用光学ユニット。
- 前記投光ファイバの端面部と前記補助受光素子との間に、投光ファイバの端面からのフレネル反射光が補助受光素子に入ることを抑制する遮光体を配置している請求項１または２記載のカラーセンサ用光学ユニット。
- 前記投光ファイバの端面部と前記補助受光素子との間に、投光ファイバの端面からのフレネル反射光が補助受光素子に入ることを抑制する第１の遮光体を配置し、かつ前記集光レンズの下流側の面と前記補助受光素子との間に、集光レンズの下流側の面からのフレネル反射光が補助受光素子に入ることを抑制する第２の遮光体を配置している請求項１または２記載のカラーセンサ用光学ユニット。
- 検出物体に照射する光を導く投光ファイバおよび当該検出物体からの反射光を導く受光ファイバを接続してカラーセンサに用いる光学ユニットであって、互いに異なる波長の光を発する複数の発光素子と、この複数の発光素子が発した光を合成して出力する合成光学素子と、この合成光学素子から出力される光を前記投光ファイバの端面部に向けて、当該端面部の直径よりも大きい直径に集光する集光レンズと、前記受光ファイバから出力される光を受けてそれを電気信号に変換する主受光素子と、前記合成光学素子から出力される光の一部を受けてそれを電気信号に変換するものであって前記発光素子の発光光量の一定化制御に用いられる補助受光素子とを備えており、かつ、前記集光レンズの下流側の横付近に前記補助受光素子を配置し、かつ前記集光レンズと前記投光ファイバの端面部との間であって集光レンズを透過する光が投光ファイバの端面部に入射するのを妨げない位置に、集光レンズを透過する光のうち、投光ファイバの端面部への入射に寄与しない光を受けてそれを前記補助受光素子に向けて反射させる反射体を設けており、更に、前記投光ファイバの端面部と前記補助受光素子との間に、投光ファイバの端面からのフレネル反射光が補助受光素子に入ることを抑制する第１の遮光体を配置し、かつ前記集光レンズの下流側の面と前記補助受光素子との間に、集光レンズの下流側の面からのフレネル反射光が補助受光素子に入ることを抑制する第２の遮光体を配置していることを特徴とするカラーセンサ用光学ユニット。
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- 1998-05-25 JP JP16135498A patent/JP3950232B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| JPH11337412A (ja) | 1999-12-10 |
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