JP6481435B2 - 光学デバイス - Google Patents

Description

本発明は、光源からの光を照射または受光する光デバイスに関する。

従来から、産業用途や一般用途に光を利用したセンサが用いられている。例えば、光を照射するとともに、その光の透過光／反射光に基づいて、検出対象の有無や表面の状態などを検出する光電センサが知られている。このような光電センサでは、適切な強度分布を有する光を検出対象に向けて照射する必要がある。そのため、各種の光学デバイスを用いて、照射光および入射光の光学的な特性が調整されることがある。

このような光学デバイスの一例として、光電センサに関するものではないが、特開２０１０−２０３９３８号公報（特許文献１）は、全反射ミラーおよびビームスプリッタを介して、複数の光源からの光を対物レンズに導く構成を開示する。

特開２０１０−２０３９３８号公報

一般的に、光電センサの設置環境や用途はさまざまである。例えば、光を照射する光デバイスからある程度離れた位置に検出対象が配置され、その検出対象となる面積が相対的に大きい場合には、その検出対象が配置される位置における強度分布をより平準化する必要がある。

上述の特開２０１０−２０３９３８号公報（特許文献１）に開示されるような光学デバイス間が互いに隣接しているような構成においては、強度分布を考慮する必要はあまりないが、光を空間に照射する場合には、強度分布についても検討が必要になってくる。

本発明は、このような課題に向けられたものであり、所定の距離だけ離れた位置における強度分布を平準化することが可能な光学デバイスを提供することを目的とする。

本発明のある局面に係る、光を照射または受光する光学デバイスは、光ファイバと、光ファイバの開口端の光軸上にある位置に配置された、非球面の反射面を有する反射部材とを含む。反射部材の反射面は、非球面の中心位置からの距離ｈと、光ファイバの光軸方向に直交する軸方向の位置Ｚとの間に、以下の関係が成立するように構成されている。

ここで、係数Ｃは、１／２．０≦Ｃ≦１／１．０の範囲に設定され、係数ｋは、−１．６≦ｋ＜−１．０の範囲に設定される。

好ましくは、光学デバイスから照射される光によって、反射部材から照射距離αだけ離れた位置において予め定められた強度の光が生じる範囲を示す直径βに関して、係数Ｃおよび係数ｋは、照射距離αと直径βとの比である媒介変数ｙ（＝α／β）が、係数Ｃと係数ｋとの比である媒介変数ｘ（＝Ｃ／ｋ）についての予め定められた多次関数を満たすように、設定される。

本実施の形態に係る光学デバイスは、所定の距離だけ離れた位置における強度分布を平準化できる。

本実施の形態に係る検出システムの概要を示す模式図である。 本発明の関連技術に係るファイバヘッドの一例を示す模式図である。 本実施の形態に係る光デバイスが解決しようとする課題を説明するための図である。 本実施の形態に係る投光モジュールの概略構成を示す模式図である。 本実施の形態に係る投光モジュールの分解組立図である。 本実施の形態に係る投光モジュールの断面図である。 本実施の形態に係る投光モジュールの内部に配置される反射部材の斜視図である。 図７に示される反射部材のＡ−Ａ断面図である。 図７に示される反射部材のＢ−Ｂ投影図である。 本実施の形態に係る投光モジュールについての媒介変数ｘ，ｙの関係をシミュレーションした結果例を示す図である。 本実施の形態に係る投光モジュールによって照射される光の強度分布をシミュレーションした結果例を示す図である。

本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中の同一または相当部分については、同一符号を付してその説明は繰返さない。

＜Ａ．システム概要＞
まず、本実施の形態に係る検出システム１について説明する。図１は、本実施の形態に係る検出システム１の概要を示す模式図である。図１を参照して、検出システム１は、検出対象ＯＢＪに対して光を照射する投光モジュール１０と、検出対象ＯＢＪを透過した（あるいは、検出対象ＯＢＪで遮られた後の）光を受光する受光モジュール２０とからなる。投光モジュール１０および受光モジュール２０は、本発明に係る光デバイスの一例である。なお、図１には、透過型の検出システム１を例示するが、反射型を採用してもよいし、透過型および反射型を組み合わせた構成を採用してもよい。

投光モジュール１０は、本体ケース１２と、本体ケース１２に挿入される光ファイバ１４とを含む。光ファイバ１４は、図示しない光源と光学的に接続されている。光源で発生した光は、光ファイバ１４を通じて本体ケース１２に入射し、本体ケース１２でその伝搬方向が略９０°変化し、検出対象ＯＢＪへ向けて照射される。

受光モジュール２０は、本体ケース２２と、本体ケース２２に挿入される光ファイバ２４とを含む。光ファイバ２４は、図示しない検出器と光学的に接続されている。検出対象ＯＢＪを透過後の光は、本体ケース２２に入射し、本体ケース２２でその伝搬方向が略９０°変化し、光ファイバ１４を通じて検出器へ伝搬する。

本実施の形態に係る検出システム１では、投光モジュール１０と受光モジュール２０とは対称的な内部構造を有しており、投光モジュール１０および受光モジュール２０を、逆に、それぞれ受光モジュールおよび投光モジュールとして用いることも可能である。つまり、投光モジュールおよび受光モジュールとの用語は、実際に検出システム１に組み込まれた際に、与えられた機能に由来するものであり、構造的には実質的に同一になっている。必ずしも、実施的に同一の構造を有する光学モジュールの組を用いる必要はないが、このような構成を採用することで、コスト的なメリットを享受できる。

以下の説明では、理解を容易化するために、投光モジュール１０に着目して説明する。
＜Ｂ．関連技術＞
次に、本発明の関連技術について説明する。図２は、本発明の関連技術に係るファイバヘッドの一例を示す模式図である。図２に示すファイバヘッドは、検出対象などに向けて光を照射する投光モジュールとして機能する。すなわち、図２に示すファイバヘッドは、光ファイバを伝搬する光を９０°反射させて外部へ照射する。

図２（Ａ）に示すファイバヘッド３００は、光ファイバ３０２と、光ファイバ３０２に接続される終端部３０４と、板ミラー３０６とを含む。光ファイバ３０２を伝搬した光は、終端部３０４から照射された板ミラー３０６へ入射し、板ミラー３０６でその伝搬方向を９０°変更された上で、紙面上側に照射される。

図２（Ｂ）に示すファイバヘッド３１０は、光ファイバ３１２と、光ファイバ３１２に接続される終端部３１４とを含む。光ファイバ３１２は、終端部３１４の周辺で紙面上方向に曲げられており、これによって、終端部３１４から紙面上方向に照射される。

図２（Ｃ）に示すファイバヘッド３１０は、光ファイバ３２２からなり、光ファイバ３２２の終端部３２４（端面）は、回折が生じるような加工がなされている。光ファイバ３２２を伝搬した光は、終端部３２４で９０°回折し、紙面上方向に照射される。

図２（Ａ）〜図２（Ｃ）のいずれにおいても、幅広い用途に応用できるように、光源からの光の強度分布が調整されることはなく、典型的には、正規分布に沿った強度分布を有することになる。しかしながら、検出対象やアプリケーションに応じて、標準的な強度分布ではなく、より平準化された強度分布が必要な場合もある。

図３は、本実施の形態に係る光デバイスが解決しようとする課題を説明するための図である。図３（Ａ）には、一般的な光源（例えば、レーザ光源など）で生成される光の強度分布の一例を示す図である。図３（Ａ）のような強度分布を有する光をどのように使用するのかは、アプリケーションに依存する。一つのアプリケーションとして、ビーム断面の一部のみを使用する場合がある。

すなわち、図３（Ａ）に示すように、光軸を中心とする微小スポット（有効スポット範囲）に含まれる光成分のみが使用される場合がある。このような場合には、微小スポットの中心部分と周辺部分との間の強度差が相対的に大きく、検出対象の変動による影響を受けやすい。また、微小スポット内の強度ピークの位置に光軸を合わせる必要があるが、この光軸調整が難しい。その結果、透過型の検出システム１に採用した場合には、投光モジュールおよび受光モジュールの可動範囲が制限され、かつ、その可動範囲内であっても光量の変動が大きくなる。

そのため、微小スポット（有効スポット範囲）内の強度分布を平準化することが必要になってくる。図３（Ｂ）は、微小スポットについて強度分布を平準化した結果の一例を示す。図３（Ｂ）に示す強度分布においては、微小スポットの範囲外を含む相対的に広い範囲に亘って、光強度の変動が抑制されていることがわかる。本実施の形態に係る光学デバイスは、図３に示すような光の強度分布を平準化する機能を有する。

＜Ｃ．本実施の形態に係る光デバイス＞
次に、本実施の形態に係る光デバイスのより詳細な構成について説明する。本実施の形態に係る光デバイスは、光を照射する投光モジュール１０として実装してもよいし、光を受光する受光モジュール２０として実装してもよい。以下では、本発明の光デバイスの一例として、投光モジュール１０について説明する。

図４は、本実施の形態に係る投光モジュール１０の概略構成を示す模式図である。図４を参照して、投光モジュール１０は、光ファイバ１４と、光ファイバ１４の開口端の光軸上にある位置に配置された、非球面の反射面１８２を有する反射部材１８とを含む。光ファイバ１４の開口端には、終端部１６が装着されている。本実施の形態に係る投光モジュール１０は、後述するような特性を有する非球面の反射面１８２を採用することで、照射される光の予め定められた照射位置における強度分布を平準化する。反射部材１８の反射面１８２の詳細については、後述する。

なお、光ファイバ１４の終端部１６（開口端）から反射部材１８の端までの距離を光源距離ｄとして定義する。また、反射部材１８を基準として、予め検出対象が配置される位置を規定する。すなわち、反射部材１８から光が照射される方向に沿った、反射部材１８からの距離を照射距離αとして定義するとともに、当該照射距離αにおける微小スポット（有効スポット範囲）の直径をスポット径βとして定義する。微小スポット（有効スポット範囲）は、例えば、ピーク強度に対して９０％の強度が存在する範囲を意味するようにしてもよい。

図５は、本実施の形態に係る投光モジュール１０の分解組立図である。図６は、本実施の形態に係る投光モジュール１０の投影図である。

図５を参照して、投光モジュール１０の本体ケース１２は、本体ケース片１２１と本体ケース片１２２との対で構成される。本体ケース片１２１と本体ケース片１２２との間に、終端部１６が装着された光ファイバ１４と、反射面１８２が形成された反射部材１８とが収納される。光ファイバ１４は、本体ケース片１２１に形成された開口部１２３および本体ケース片１２２に形成された開口部１２４を通じて、本体ケース１２内に挿入される。

終端部１６は、本体ケース片１２１に形成された固定爪１２６および本体ケース片１２２に形成された固定爪（図示しない）によって、本体ケース１２内に固定される。また、反射部材１８は、本体ケース片１２１に形成された切欠部１２７および本体ケース片１２２に形成された切欠部（図示しない）を通じて、本体ケース１２内に固定される。すなわち、固定爪および切欠部によって、本体ケース１２内において、終端部１６と反射部材１８との間の位置関係が規定される。このように２つの部材がそれぞれ位置決めされることで、光ファイバ１４の終端部１６（開口端）から照射される光が反射部材１８の反射面１８２の予め規定された位置に入射することになる。そして、反射部材１８の反射面１８２で反射された光は、本体ケース片１２２に設けられた照射孔１２８から照射される。

以下の説明では、図５に示すように、本体ケース片１２２に直交する照射孔１２８からの照射方向をＺ軸方向と定義し、光ファイバ１４が挿入される方向（すなわち、光ファイバ１４の終端部１６（開口端）から照射される光の伝搬方向）をＸ軸方向と定義し、Ｚ軸方向およびＸ軸方向の両方に直交する方向をＹ軸方向と定義する。

図６（Ａ）には、投光モジュール１０のＸ−Ｚ投影図を示し、図６（Ｂ）には、投光モジュール１０のＸ−Ｙ投影図を示し、図６（Ｃ）には、投光モジュール１０のＹ−Ｚ投影図を示す。

＜Ｄ．反射部材１８＞
次に、投光モジュール１０の内部に配置される反射部材１８について説明する。図７は、本実施の形態に係る投光モジュール１０の内部に配置される反射部材１８の斜視図である。図７を参照して、反射部材１８は、基部１８１の一端に非球面の反射面１８２が形成されている。反射面１８２は、その表面で鏡面反射するように形成されている。反射面１８２は、基部１８１の一部を後述するような非球面形状に形成した上で、鏡面反射する層をその表面に形成するようにしてもよいし、金属などで反射面１８２を形成し、基部１８１の端部に接合するようにしてもよい。鏡面反射する層は、金属材料（例えば、アルミニウム）などを蒸着やスパッタリングの手法などを用いて形成することができる。

基部１８１の他端には、互いに対称の位置に固定爪１８３および１８４が形成されており、これらの固定爪１８３および１８４によって、反射部材１８の内部に固定配置される。

図８は、図７に示される反射部材１８のＡ−Ａ断面図である。図８を参照して、反射部材１８の反射面１８２は、非球面の表面形状を有している。本実施の形態においては、非球面形状として、非球面の中心位置からの距離ｈと、光ファイバの光軸方向に直交するＺ軸方向の位置Ｚとの間に、以下の関係が成立するように構成される。

ここで、距離ｈは、非球面中心から凹面鏡（反射面１８２）までの水平距離である。上述の式は、反射面１８２を凹面鏡として定義する関数であり、係数Ｃは、曲率（＝１／曲率半径）を示し、係数ｋは、コーニック数を示す。すなわち、係数Ｃは、反射面１８２が近似的に有する曲率半径の逆数を示し、係数ｋは、真円からのずれ度合いを示す。凹面鏡である反射面１８２の非球面式は、Ｚ（Ｃ，ｋ）の関数になる。

より具体的には、係数Ｃは、１／２．０≦Ｃ≦１／１．０の範囲に設定され、係数ｋは、−１．６≦ｋ＜−１．０の範囲に設定されることが好ましい。一設計例として、係数Ｃ＝１／１．２５，係数ｋ＝−１．４に設定されてもよい。

図９は、図７に示される反射部材１８のＢ−Ｂ投影図である。図９を参照して、光ファイバ１４の終端部１６（開口端）から照射される光は、反射面１８２の光軸中心１８５に入射する。但し、光ファイバ１４の開口角に応じた断面径を有しているので、光軸中心１８５を中心とする所定範囲に光は入射する。反射面１８２に入射した光は、当該入射位置における反射面１８２の傾きなどに依存する方向へ反射する。光ファイバ１４からの光が入射する範囲の各点における反射角の分布の総和が、有効スポット範囲内における光の強度分布になる。上述のような非球面の反射面１８２を採用することで、有効スポット範囲内における光の強度分布を平準化できる。

図４を参照して、ある照射距離αにおけるスポット径β（微小スポット（有効スポット範囲）の直径）の大きさは、反射部材１８の反射面１８２の非球面形状（関数Ｚ（Ｃ，ｋ））に依存する。本願発明者らの解析によれば、反射面１８２の非球面形状を規定するパラメータからなる媒介変数ｘ（＝Ｃ／ｋ）と、有効スポット範囲に関するパラメータからなる媒介変数ｙ（＝α／β）との間には一定の関係式が成立することがわかった。

より具体的には、媒介変数ｙは、媒介変数ｘを用いて以下のように示すことができる。
ｙ＝−ａ１×ｘ^２−ａ２×ｘ−ａ３ （但し、ａ１，ａ２，ａ３はいずれも正数）
図１０は、本実施の形態に係る投光モジュール１０についての媒介変数ｘ，ｙの関係をシミュレーションした結果例を示す図である。図１０を参照して、媒介変数ｙは、媒介変数ｘについての２次関数で表すことができ、この２次関数の相関値も十分に信頼できるほど高いことがわかる。

一般的には、アプリケーションに依存して、ある照射距離αにおけるスポット径βの大きさ（設計値）が定まり、これに応じて、上述の関係式を満たす媒介変数ｙが定まり、その上で、媒介変数ｙの値を満たす、係数Ｃと係数ｋとの組み合わせを決定できる。

上述のような手順に従って、アプリケーションの要求によって定められる、照射距離αおよびスポット径βに依存して、係数ｘ（＝Ｃ／ｋ）を定めることとでき、さらに、反射部材１８の反射面１８２の最適な特性値を決定することができる。つまり、受光モジュール２０から照射される光によって、反射部材１８から照射距離αだけ離れた位置において予め定められた強度の光が生じる範囲を示す直径を示すスポット径βに関して、係数Ｃおよび係数ｋは、照射距離αとスポット径βとの比である媒介変数ｙ（＝α／β）が、係数Ｃと係数ｋとの比である媒介変数ｘ（＝Ｃ／ｋ）についての予め定められた多次関数を満たすように、設定される。

＜Ｅ．シミュレーション結果＞
図１１は、本実施の形態に係る投光モジュール１０によって照射される光の強度分布をシミュレーションした結果例を示す図である。図１１（Ａ）は、本実施の形態に係る投光モジュール１０による強度分布を示し、図１１（Ｂ）は、従来の投光モジュール１０による強度分布を示す。

図１１（Ａ）と図１１（Ｂ）と比較すると、本実施の形態に係る投光モジュール１０による照射される光のスポット形状は、従来の構成に比較して、真円度が高まっており、かつ、所定強度を有する中心部の範囲が拡大していることがわかる。すなわち、従来の構成に比較して、本実施の形態に係る投光モジュール１０によれば、より均一性に優れた光学特性が得られていることがわかる。

＜Ｆ．利点＞
上述したように、本実施の形態に係る光学デバイスによれば、所定の距離だけ離れた位置における強度分布を平準化できる。このような強度分布の平準化の効果によって、検出対象の変動による影響を受けにくくなる。そのため、図１に示されるような、光ファイバをフラットタイプの投光モジュールおよび受光モジュールに装着して使用するような場合であっても、厳密な位置決めが要求されることはなく、配置条件などを緩和でき、より使用可能な範囲を拡大できる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものでないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 検出システム、１０ 投光モジュール、１２，２２ 本体ケース、１４，２４，３０２，３１２，３２２ 光ファイバ、１６，３０４，３１４，３２４ 終端部、１８ 反射部材、２０ 受光モジュール、１２１，１２２ 本体ケース片、１２３，１２４ 開口部、１２６，１８３ 固定爪、１２７ 切欠部、１２８ 照射孔、１８１ 基部、１８２ 反射面、１８５ 光軸中心、３００，３１０ ファイバヘッド、３０６ 板ミラー、ＯＢＪ 検出対象。

Claims (1)

1. 光を照射または受光する光学デバイスであって、
   光ファイバと、
   前記光ファイバの開口端の光軸上にある位置に配置された、非球面の反射面を有する反射部材とを備え、
   前記反射部材の反射面は、非球面の中心位置からの距離ｈと、前記光ファイバの光軸方向に直交する軸方向の位置Ｚとの間に、以下の関係が成立するように構成され、
   
   係数Ｃは、１／２．０≦Ｃ≦１／１．０の範囲に設定され、
   係数ｋは、−１．６≦ｋ＜−１．０の範囲に設定され、
   前記光学デバイスから照射される光によって、前記反射部材から照射距離αだけ離れた位置において予め定められた強度の光が生じる範囲を示す直径βに関して、
   係数Ｃおよび係数ｋは、照射距離αと直径βとの比である媒介変数ｙ（＝α／β）が、係数Ｃと係数ｋとの比である媒介変数ｘ（＝Ｃ／ｋ）についての予め定められた多次関数を満たすように、設定され、
   前記予め定められた多次関数は、媒介変数ｘおよび媒介変数ｙに関して、以下のように示される、
   ｙ＝−ａ１×ｘ ^２ −ａ２×ｘ−ａ３（但し、ａ１，ａ２，ａ３はいずれも正数）
   光学デバイス。