JP6747693B2 - 光デバイス、投光装置及び光学式センサ - Google Patents

Description

本発明は、光デバイス、投光装置及び光学式センサに関する。

測定対象物に照射した投光ビームの反射光を２次元イメージセンサによって受光して、受光レベルのピーク位置から物体の表面までの変位又は距離を算出する光式変位センサが知られている（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１ 特開２００４−１７０４３７号公報

従来、第１の方向に広がる光束を第２の方向に収束させようとすると、第１の方向において、焦点を結ぶ位置と焦点を結ばない位置が生じる場合がある。例えば、ライン光を提供する場合に、第１の方向に広がる光束のファンアングルを大きくするほど、ライン光の中央と端部との間における光路長の差が大きくなる。そのため、照射面において線幅が不均一になってしまう場合がある。

第１の態様においては、光デバイスは、入射光を第１の方向に広げる第１の光素子を備える。光デバイスは、第１の光素子からの光を、第１の方向に直交する第２の方向に収束させる第２の光素子を備える。第２の光素子は、第２の方向に屈折率分布を有し、光入射面から光出射面までの距離が、第１の方向において変化するように形成されてよい。

第２の光素子の入射面及び出射面の少なくとも一方は、第１の方向に沿って曲面形状を有してよい。

第２の光素子の屈折率は、第２の方向において、第２の光素子の光軸から離れるに従って減少してよい。

第２の光素子は、第２の方向に一次元の屈折率分布を有してよい。

第２の光素子の光出射面は、凸形状を有してよい。

第２の光素子の光入射面は、平面形状を有してよい。

第２の光素子に入射する光線の進行方向における光入射面から光出射面までの距離は、第１の方向において、光線が前記第２の光素子の光軸から離れるに従って、減少してよい。

光入射面及び光出射面の少なくとも一方の形状は、光デバイスの光軸と交差する予め定められた基準面上において第２の光素子からの光が第１の方向に延びる実質的に線状の光に収束するように、形成されてよい。

第２の態様においては、投光装置は、上記の光デバイスを備える。投光装置は、第１の光素子への入射光を発する発光部を備えてよい。

第２の態様においては、光学式センサは、上記の光デバイスを備える。光学式センサは、光デバイスから出射される第１の方向に延びる線状の光により、対象物の形状を測定する測定部を備えてよい。
光学式センサは、第１の光素子への入射光を発する発光部をさらに備えてよい。

上記の発明の概要は、本発明の特徴の全てを列挙したものではない。これらの特徴群のサブコンビネーションも発明となりうる。

一実施形態における光学式センサ１００の機能構成の一例を概略的に示す。 光デバイス３０が備える第１の光素子１０及び第２の光素子２０の構成を概略的に示す斜視図である。 第２の光素子２０のｙ軸方向の屈折率分布を概略的に示す。 第２の光素子２０が光束ｆｌ１に与える作用を概略的に示す。 第２の光素子２０が光束ｆｌ２に与える作用を概略的に示す。 投光装置９０の変形例としての投光装置１０９０を概略的に示す。 第２の光素子１０２０が光束ｆｌ１００１に与える作用を概略的に示す。 投光装置９０の変形例としての投光装置１０９０を概略的に示す。

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

図１は、一実施形態における光学式センサ１００の機能構成の一例を概略的に示す。光学式センサ１００は、投光装置９０と、測定装置１９０とを備える。投光装置９０は、発光部８０と、光デバイス３０とを備える。測定装置１９０は、受光系１４０と、測定部１５０とを備える。受光系１４０は、レンズ１２０と、受光部１３０とを備える。

光学式センサ１００は、対象物の形状を光により測定する。具体的には、光学式センサ１００は、対象物の高さを測定することにより、対象物の形状を測定する。本実施形態において、光学式センサ１００は、対象物の表面の、予め定められた基準面からの高さＨを測定する。本実施形態において、「高さ」は、投光装置９０の光軸ＡＸに沿う方向における、基準面からの距離を示す。本実施形態において、対象物の表面の、予め定められた基準面からの高さのことを「対象物の高さ」と呼ぶ場合がある。

本実施形態において、基準面は、投光装置９０の光軸ＡＸに直交する面であるとする。基準面は、投光装置９０の光軸ＡＸに交差する面の一例である。基準面が光軸ＡＸに直交しない形態も採用できる。

投光装置９０は、線状の光を対象物に投射する。具体的には、投光装置９０は、基準面において線状の光となる光束を対象物に投射する。本実施形態において、線状の光をライン光と呼ぶ。

本実施形態の説明において、ｘｙｚ座標系を用いて方向等を表す場合がある。直交座標系のｚ軸を、投光装置９０の光軸ＡＸに平行な向きに定める。投光装置９０からの光が進む方向を、ｚ軸マイナス方向とする。基準面上においてライン光が延びる方向を、ｘ軸とする。ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸は右手系の直交座標系とする。また、実施形態の説明において、受光部１３０の方向等を表す場合に、ＸＹＺ座標系を用いる場合がある。Ｚ軸は、受光部１３０の光軸に平行な方向に定める。Ｙ軸は、ｙ軸と同じ方向に定める。Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸は右手系の直交座標系とする。

投光装置９０において、発光部８０は、対象物の形状を測定するための光を出射する。発光部８０は、例えばレーザダイオード（ＬＤ）であり、レーザ光を出射する。発光部８０が出射した光は、光デバイス３０に入射する。光デバイス３０から出射した光が対象物に入射する。対象物に入射した光は、対象物の表面で反射する。測定装置１９０には、対象物の表面で反射した光のうちの少なくとも一部の光が入射する。

測定装置１９０に入射した光は、レンズ１２０を通過して、受光部１３０に入射する。受光部１３０は、対象物からの光を検出するための部材である。本実施形態において、受光部１３０は、エリアセンサである。

対象物の高さＨは、三角測量の原理に基づいて、投光装置９０の光デバイス３０の位置、受光部１３０の位置、投光装置９０の光軸ＡＸの角度、受光系１４０のレンズ１２０の光軸の角度から定まる。一般に、三角測量においては、２つの基準点のそれぞれから測定対象点への角度を測定して、測定された角度と、２つの基準点の位置とに基づいて、２つの基準点を結ぶ基線に対する測定対象点の位置を算出する。光学式センサ１００において、光デバイス３０及び受光部１３０が、三角測量における２つの基準点に対応し、光軸ＡＸの角度、及び、受光系１４０の光軸ＡＸの角度が、三角測量における各基準点から測定対象点への角度に対応する。これにより、三角測量の原理に基づいて、基線に対する対象物の位置を測定することができ、それにより、特定の基準面からの対象物の高さＨを測定できる。

本実施形態において、光学式センサ１００は、光切断方式により対象物の形状を測定する。具体的には、光デバイス３０から、ｘ軸方向に延びるライン光が対象物に照射される。対象物からの光が受光部１３０に入射する入射位置は、対象物の高さＨと、対象物のｘ軸方向の位置によって定まる。受光部１３０におけるＸ軸方向の入射位置は、対象物のｘ軸方向の位置に応じて定まる。受光部１３０におけるＹ軸方向の入射位置は、対象物の高さＨに応じて定まる。光学式センサ１００は、対象物のｘ軸方向の高さＨを一度に測定することができる。

光デバイス３０は、線幅が比較的に均一なライン光を提供する。また、光デバイス３０は、線幅が比較的に細いライン光を提供する。光デバイス３０の具体的な構成について説明する。図２は、光デバイス３０が備える第１の光素子１０及び第２の光素子２０の構成を概略的に示す斜視図である。図２には、第１の光素子１０及び第２の光素子２０の他に、光デバイス３０からの光束のうち、光軸ＡＸ近傍を通過する光束ｆｌ１と、光軸ＡＸから最も離れた位置で入射面２１に入射する光束ｆｌ１と、基準面上のライン光２００とが概略的に示されている。

第１の光素子１０は、入射光を第１の方向に広げる。第１の光素子１０は、例えば、パウエルレンズである。第２の光素子２０は、第１の光素子１０からの光を、第１の方向に直交する第２の方向に収束させる。本実施形態において、第１の方向は、ｘ軸方向であり、第２の方向は、ｙ軸方向である。

第２の光素子２０は、ｙ軸方向に屈折率分布を有する。本実施形態において、第２の光素子２０の屈折率は、ｙ軸方向において、第２の光素子２０の光軸ＡＸから離れるに従って減少する。第２の光素子２０は、ｙ軸方向に一次元の屈折率分布を有する。例えば、第２の光素子２０は、ｙ軸方向に厚みｄを持ち、厚み方向に屈折率分布を有する板状のＧＲＩＮレンズである。図３は、第２の光素子２０のｙ軸方向の屈折率ｎの分布を概略的に示す。

第２の光素子２０は、光入射面２１から光出射面２２までの距離が、ｘ軸方向において変化するように形成されている。ここで、光入射面２１から光出射面２２までの距離とは、光軸ＡＸに沿う方向の距離である。本実施形態において、光入射面２１から光出射面２２までの距離とは、入射面２１に入射光する光束の中心光線に沿う方向の距離である。

例えば、第２の光素子２０の入射面２１及び出射面２２の少なくとも一方は、ｘ軸方向に沿って曲面形状を有する。第２の光素子２０の光入射面２１及び光出射面２２の少なくとも一方の形状は、後述するように、光デバイスの光軸ＡＸと交差する基準面上において第２の光素子２０からの光がｘ軸方向に延びる実質的に線状の光に収束するように、形成されている。

本実施形態において、第２の光素子２０の入射面２１は平面形状を有する。第２の光素子２０の出射面２２は曲面形状を有する。第２の光素子２０の出射面２２は、ｘ軸方向に沿って法線方向が変化する。より具体的には、第２の光素子２０の出射面は凸形状を有する。したがって、第２の光素子２０に光軸ＡＸに平行に入射した光の進行方向における光入射面２１から光出射面２２までの距離Ｌ１は、光軸ＡＸを含みｘ軸方向に平行な面内（ｘｚ面内）で光軸ＡＸに対して角度をなして第２の光素子２０に入射した光の進行方向における光入射面２１から光出射面２２までの距離より、長くすることができる。例えば、光入射面２１に直交する方向に入射した光が第２の光素子２０内を通過する距離Ｌ１を、光入射面２１に斜めに入射した光が第２の光素子２０内を通過する距離より、長くすることができる。このように、第２の光素子２０に入射する光線の進行方向における光入射面２１から光出射面２２までの距離は、ｘ軸方向において、光線が第２の光素子２０の光軸から離れるに従って、減少する。第２の光素子２０に入射する光線の進行方向における光入射面２１から光出射面２２までの距離は、ｘ軸方向において、光入射面２１における光線の入射位置が第２の光素子２０の光軸から離れるに従って減少するともいえる。

例えば、第１の光素子１０からの光束のうち、光軸ＡＸ近傍を通過する光束ｆｌ１が光デバイス３０を通過する距離Ｌ１を、光軸ＡＸから最も離れた位置を通過する光束ｆｌ２が光デバイス３０を通過する距離Ｌ２より長くすることができる。これにより、基準面において光束ｆｌ１及び光束ｆｌ２のｙ軸方向の幅の均一性を高めることができる。第２の光素子２０が光束ｆｌ１及び光束ｆｌ２に与える作用については、図４及び図５に関連して説明する。

図４は、第２の光素子２０が光束ｆｌ１に与える作用を概略的に示す。第２の光素子２０に入射した光束ｆｌ１の軸外光線は、第２の光素子２０により光軸ＡＸに沿って略放物線状に進む。光束ｆｌ１の軸外光線は、光軸ＡＸに沿って第２の光素子２０内を距離Ｌ１だけ進む間に、ｙ軸に近づく方向に偏向される。光束ｆｌ１は、第２の光素子２０の出射面２２において焦点を結ぶ前に出射面２２から出射して、距離Ｌ１'だけ進んだ基準面の位置で実質的に焦点を結ぶ。

図５は、第２の光素子２０が光束ｆｌ２に与える作用を概略的に示す。図５は、ｙｚ平面の投影図ではなく、光束ｆｌ２が進む方向に沿って見た場合の図である。

第２の光素子２０に入射した光束ｆｌ２の軸外光束は、第２の光素子２０により、屈折率が最大となる中心線に沿って略放物線上に屈折される。光束ｆｌ２の軸外光線は、光軸ＡＸに沿って第２の光素子２０内を距離Ｌ２だけ進む間に、ｙ軸に近づく方向に偏向される。光束ｆｌ２は、第２の光素子２０の出射面２２において焦点を結ぶ前に出射面２２から出射して、距離Ｌ２'だけ進んだ基準面の位置で実質的に焦点を結ぶ。

出射面２２は、Ｌ２がＬ１より短くなるように、光軸ＡＸを頂点として凸形状に形成されている。そのため、光束の進行方向に沿って見た場合、入射面２１に入射してから出射面２２から出射するまでの光路長について、光束ｆｌ１の進行方向に沿って見た場合の光路長より、光束ｆｌ２の進行方向に沿って見た場合の光路長を短くすることができる。これにより、光路長の差を小さくすることができるため、ライン光２００の端部における線幅と中心部における線幅との差を小さくすることができる。

また、光束ｆｌ１の光路長と光束ｆｌ２の光路長が一致するようにＬ１及びＬ２を設計することで、光束ｆｌ１及び光束ｆｌ２が基準面において実質的に焦点を結ぶようにすることができる。更に、基準面において光束全体の光路長が一致するように光出射面２２の形状を設計することで、基準面において実質的に焦点を結ぶライン光を提供することができる。

なお、第２の光素子２０において、光入射面２１を凸形状とし、光出射面２２を平面形状にしてもよい。光入射面２１及び光出射面２２の両方を曲面形状としてもよい。各光線の間の光路長の差が小さくなるように設計できれば、光入射面２１及び光出射面２２のいずれを曲面形状とすることも可能である。

以上に説明したように、光デバイス３０によれば、線幅が均一なライン光を提供することができる。そのため、ファンアングルを大きくしても、対象物の位置によって光学的な解像度が大きく異ならないようにすることができる。また、光デバイス３０によれば、基準面において線幅を小さくすることができる。そのため、光学的に解像度が高い光学式センサ１００を提供することができる。

第２の光素子２０は、厚み方向に一次元の屈折率分布を持つ板状のＧＲＩＮレンズの一端面を凸形状に切断し、切断面を研磨することにより製造される。厚み方向に一次元の屈折率分布を持つＧＲＩＮレンズは、板状のガラス材を溶融塩に浸してイオン交換させることによって製造されてよい。第２の光素子２０の材料は、ガラスに限られない。第２の光素子２０の材料は樹脂であってよい。

投光装置９０が投光する光は、可視光であってよい。投光装置９０が投光する光は、赤外光であってよい。赤外光を投光する場合、第２の光素子２０の材料として、ゲルマニウム、シリコン、合成石英等を例示することができる。

本実施形態において、基準面を平面としたが、基準面は曲面であってよい。

以上に説明した光学式センサ１００の測定対象は、一例として、基板に形成された電極である。光学式センサ１００の測定対象は、基板に形成されたバンプ等であってよい。光学式センサ１００の測定対象は、トンネルの内壁であってよい。光学式センサ１００の測定対象は、これらに限られない。

図６は、投光装置９０の変形例としての投光装置１０９０を概略的に示す。投光装置１０９０は、光デバイス１０３０と、発光部１０８０とを備える。光デバイス１０３０は、光デバイス３０の変形例である。発光部１０８０は、発光部８０の変形例である。

光デバイス１０３０は、第１の光素子１０と、第２の光素子１０２０とを備える。第２の光素子１０２０は、第２の光素子２０の変形例である。光学式センサ１００において、投光装置９０に代えて投光装置１０９０を適用できる。投光装置１０９０については、主として投光装置９０との相違点を説明し、重複する説明を省略する場合がある。

発光部１０８０は、ｙ軸方向に収束する光を出射する。発光部１０８０はレーザダイオードと、レーザダイオードからの光をｙ軸方向に収束するためのレンズとを備えてよい。これにより、第２の光素子１０２０には、ｘ軸方向に広がり、ｙ軸方向に収束する光が入射する。なお、発光部１０８０がｙ軸方向に収束する光を出射する構成に代えて、ｙ軸方向に収束するためのレンズを第１の光素子１０の後段に設けてもよい。

第２の光素子１０２０の屈折率は、第２の光素子２０とは異なり、ｙ軸方向において、第２の光素子１０２０の光軸ＡＸから離れるに従って増加する。第２の光素子１０２０は、光入射面１０２１が凹面形状を有する。第２の光素子１０２０は、光出射面１０２２が平面形状を有する。

図７は、第２の光素子１０２０が光束ｆｌ１００１に与える作用を概略的に示す。図７は、図４に対応する図である。光束ｆｌ１００１は、光束ｆｌ１に対応する。光束ｆｌ１００１は、光軸ＡＸ近傍の光束である。

第２の光素子１０２０に入射する光束ｆｌ１００１は、ｙ軸方向に収束する収束光である。第２の光素子１０２０の屈折率は、ｙ軸方向において中心部が低く中心から離れるほど増加する。そのため、第２の光素子１０２０に入射した光束ｆｌ１００１の収束角度は、光束ｆｌ１００１が光軸ＡＸに沿って第２の光素子１０２０内を距離Ｌ１１だけ進む間に小さくなる。光束ｆｌ１００１は、第２の光素子１０２０の出射面２２において平行光となる前に出射面２２から出射して、距離Ｌ１１'だけ進んだ基準面の位置で実質的に焦点を結ぶ。

図８は、第２の光素子１０２０が光束ｆｌ１００２に与える作用を概略的に示す。図８は、図５に対応する図である。光束ｆｌ１００２は、光束ｆｌ２に対応する。光束ｆｌ１００２は、光軸ＡＸから最も離れた位置で第２の光素子１０２０に入射する光束である。図８は、ｙｚ平面の投影図ではなく、光束ｆｌ１００２が進む方向に沿って見た場合の図である。

第２の光素子１０２０に入射した光束ｆｌ１００２の収束角度は、光束ｆｌ１００２が光軸ＡＸに沿って第２の光素子１０２０内を距離Ｌ２１だけ進む間に小さくなる。光束ｆｌ１００２は、第２の光素子１０２０の出射面２２において平行光となる前に出射面２２から出射して、距離Ｌ２１'だけ進んだ基準面の位置で実質的に焦点を結ぶ。

光出射面１０２２は、Ｌ２１がＬ１１より長くなるように、光軸ＡＸを頂点として凹形状に形成されている。そのため、光束の進行方向に沿って見た場合、光入射面１０２１に入射してから光出射面１０２２から出射するまでの光路長について、光束ｆｌ１００１の進行方向に沿って見た場合の光路長より、光束ｆｌ１００２の進行方向に沿って見た場合の光路長を長くすることができる。これにより、光束ｆｌ１００２の収束角度をより小さくすることができる。これにより、これにより、光路長の差を小さくすることができるため、ライン光２００の端部における線幅と中心部における線幅との差を低減することができる。

また、光束ｆｌ１００１の光路長と光束ｆｌ２の光路長が一致するように出射面２２の形状を設計することで、光束ｆｌ１００１及び光束ｆｌ２が基準面において実質的に焦点を結ぶようにすることができる。更に、基準面において光束全体の光路長が一致するように光出射面２２の形状を設計することで、基準面において実質的に焦点を結ぶライン光を提供することができる。

なお、第２の光素子１０２０において、光入射面１０２１を平面形状とし、光出射面１０２２を凹形状にしてもよい。光入射面１０２１及び光出射面１０２２の両方を曲面形状としてもよい。各光線の間の光路長の差が小さくなるように設計できれば、光入射面１０２１及び光出射面１０２２のいずれを曲面形状とすることも可能である。

第２の光素子１０２０を備える光デバイス１０３０によっても、光デバイス１０３０と同様の効果を奏する。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。

１０ 第１の光素子
２０ 第２の光素子
３０ 光デバイス
８０ 発光部
９０ 投光装置
２１ 入射面
２２ 出射面
１００ 光学式センサ
１２０ レンズ
１３０ 受光部
１４０ 受光系
１５０ 測定部
１９０ 測定装置
２００ ライン光
ｆｌ１、ｆｌ２ 光束
１０２０ 第２の光素子
１０２１ 光入射面
１０２２ 光出射面
１０３０ 光デバイス
１０８０ 発光部
１０９０ 投光装置
ｆｌ１００１、ｆｌ１００２ 光束

Claims (11)

1. 入射光を第１の方向に広げる第１の光素子と、
   前記第１の光素子からの光を、前記第１の方向に直交する第２の方向に収束させる第２の光素子と
   を備え、
   前記第２の光素子は、前記第２の方向に屈折率分布を有し、光入射面から光出射面までの距離が、前記第１の方向において変化するように形成されている
   光デバイス。
2. 前記第２の光素子の入射面及び出射面の少なくとも一方は、前記第１の方向に沿って曲面形状を有する
   請求項１に記載の光デバイス。
3. 前記第２の光素子の屈折率は、前記第２の方向において、前記第２の光素子の光軸から離れるに従って減少する
   請求項１又は２に記載の光デバイス。
4. 前記第２の光素子は、前記第２の方向に一次元の屈折率分布を有する
   請求項３に記載の光デバイス。
5. 前記第２の光素子の前記光出射面は、凸形状を有する
   請求項３又は４に記載の光デバイス。
6. 前記第２の光素子の前記光入射面は、平面形状を有する
   請求項５に記載の光デバイス。
7. 前記第２の光素子に入射する光線の進行方向における前記光入射面から前記光出射面までの距離は、前記第１の方向において、当該光線が前記第２の光素子の光軸から離れるに従って、減少する
   請求項１から６のいずれか一項に記載の光デバイス。
8. 前記光入射面及び前記光出射面の少なくとも一方の形状は、前記光デバイスの光軸と交差する予め定められた基準面上において前記第２の光素子からの光が前記第１の方向に延びる実質的に線状の光に収束するように、形成されている
   請求項１から７のいずれか一項に記載の光デバイス。
9. 請求項１から７のいずれか一項に記載の光デバイスと、
   前記第１の光素子への入射光を発する発光部と
   を備える投光装置。
10. 請求項１から７のいずれか一項に記載の光デバイスと、
    前記光デバイスから出射される前記第１の方向に延びる線状の光により、対象物の形状を測定する測定部と
    を備える光学式センサ。
11. 前記第１の光素子への入射光を発する発光部
    をさらに備える請求項１０に記載の光学式センサ。

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