JPH01318905A - Multibeam projector - Google Patents
Multibeam projectorInfo
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Abstract
Description
【発明の詳細な説明】
発明の要約
φ数μｍ〜ψ数１００μｍ程度の集光レンズを平面的に
配列して構成したマイクロ・レンズ＠アレイを用い、こ
のマイクロ・レンズφアレイを光源の前方に配置するこ
とにより、遠方にマルチ回折光スポットを生じさせる。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION Summary of the Invention A micro-lens@array is constructed by arranging condensing lenses with a diameter of several μm to several 100 μm in a plane, and this micro-lens φ array is placed in front of a light source. By arranging it, a multi-diffraction light spot is generated at a distance.
この回折光スポットを利用して形状認識を行なうことで
、３次元形状認識が精度よく実現できる。By performing shape recognition using this diffracted light spot, three-dimensional shape recognition can be achieved with high accuracy.
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投射するマ
ルチ・ビーム・プロジェクタに関し、たとえば形状認識
に使用されるマルチ・ビーム・プロジェクタに関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a multi-beam projector that projects a large number of spot lights by diffraction, and relates to a multi-beam projector used for shape recognition, for example.
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
ント型しンズΦアレイがある。Prior art and its problems The optical system used in multi-beam projectors to generate multi-beam spots by diffracted light includes:
There are fiber gratings, amplitude modulation gratings, etc., and there is an incoherent type lens Φ array that uses a focused spot.
ｍ７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・グレーティングは凌数の光ファイ
バ２１を互いに平行に並べ、これに重ねるように謹数の
光フィバ２２を互いに平行にＸｈ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２
２によってＸ方向に集光されるスポット位置がΔｆずれ
る。Figures m7 and 8 show fiber gratings. The fiber grating is constructed by arranging a large number of optical fibers 21 parallel to each other, and arranging a large number of optical fibers 22 parallel to each other in the Xh direction so as to overlap these. However, in the fiber grating, as shown in FIGS. 8(A) and 8(B), the spot position focused in the Y direction by the optical fiber 21 and the
2, the spot position where the light is focused in the X direction is shifted by Δf.
このため集光スポットがぼけ、これが回折光スポットＰ
ｓ２のぼけを生じさせる。As a result, the focused spot becomes blurred, and this becomes the diffracted light spot P.
This causes blurring of s2.
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。FIG. 9 shows an amplitude modulation grating 23, in which holes 23a are formed at a constant period in an opaque plate 23, and a spot light Ps3 is obtained by utilizing the diffraction of light transmitted through the holes.
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。Since the amplitude modulation grating cannot utilize light that does not pass through the opaque plate 23, its light utilization efficiency is low.
第１Ｏ図はインコヒーレント型しンズ中アレイを示すも
ので、これはφ数１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が形成するので、スポットの焦点
深度が浅いという聞届がある。FIG. 1O shows an incoherent type lens array, which is constructed by arranging convex lenses 24 having a diameter of 1 or less in a plane. Since many optical spots Ps4 are formed on the focal plane of these convex lenses 24, it is reported that the depth of focus of the spots is shallow.
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雫レンズ２５がある。Further, the optical system used for shape recognition includes a cylindrical drop lens 25 as shown in FIG.
シリンドリカル争レンズ２５を用いた光学系ではスリッ
ト光ＰＪにより被検物２Ｂ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２Ｂが２
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。In the optical system using the cylindrical lens 25, the object 2B to be inspected is irradiated with the slit light PJ, so that only one-dimensional shape recognition can be performed. In addition, the test object 2B is 2
When displaced in the direction (principal axis direction), the slit light irradiation position changes.
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
会ビーム・プロジェクタを提供することを目的とする。SUMMARY OF THE INVENTION Purpose of the Invention The present invention provides a multi-function device that does not blur the light spot, has a high light utilization rate, has a small change in spot diameter with respect to changes in distance, and can be used for three-dimensional shape recognition. The purpose is to provide a beam projector.
発明の構成、作用および効果
この発明によるマル千〇ビーム争プロジェクタは、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。Structure, operation, and effect of the invention The multi-beam projector according to the present invention includes a light source and a micro-lens array arranged in front of the light source and having a plurality of micro-condensing lenses arranged in a plane. The microlens array is characterized in that it generates a plurality of diffracted light spots at a distance from the microlens array.
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
し口折される。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。According to this invention, light emitted from a light source is focused by a plurality of micro condensing lenses constituting a micro lens array, and is diffused and refracted at a distance from the condensing position. Therefore, a light spot is formed by the diffracted light at a far position.
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φ
グレτティングのようにスポットがぼけることがない。According to this invention, since a diffracted light spot is generated using a micro lens array composed of micro condensing lenses arranged on a plane, the fiber φ
The spot does not become blurred like grating.
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。In addition, since the micro lens array is a phase modulation type grating, there is no light that is blocked like in amplitude modulation type gratings, and almost all of the incident light is used for spot formation, resulting in high light utilization efficiency. Become.
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。マイクロ・レ
ンズ・アレイは小型、軽量であるためマルチ拳ビーム・
プロジェクタを小型、軽量化することができ、レンズの
謹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。Furthermore, since the light spot is generated by diffracted light, the diameter of the spot changes little with respect to changes in distance. Furthermore, since a micro lens array can create a two-dimensional spot array, three-dimensional shapes can be recognized when used in a shape recognition device. Micro lens arrays are small and lightweight, making them ideal for multi-fist beams.
The projector can be made smaller and lighter, and the lenses can be manufactured relatively easily and mass-produced, so the device can be provided at low cost.
実施例の説明
第１図はこの発明によるマルチ舎ビームープロジェクタ
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とがら構成される。DESCRIPTION OF THE EMBODIMENTS FIG. 1 is a partially cutaway perspective view of the head portion of a shape recognition device using a multi-beam projector according to the present invention. The multi-beam projector is composed of a semiconductor laser light source 1 and a micro Fresnel lens array 7.
形状認識装置のヘッド部分は箱２ｏ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−フレネル県レンズ・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２ｏ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［１が設けられ、対
物レンズ１１の後方にはイメージ・デイバイス１５が配
置されている。The head portion of the shape recognition device is housed in a box 2o. At the front of this box 20, at a certain distance in the horizontal direction,
A window 9 for projecting light and a window 12 for receiving light are formed. A micro-Fresnel lens array 7 is attached to the window 9. An objective lens 11 is provided in the window 12. In box 2o, micro Fresnel lens
A semiconductor laser beam [1 is provided behind the array 7, and an image device 15 is provided behind the objective lens 11.
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。マイクロ争フレネル・レンズ争アレ
イ７は数μｍ〜数１数１００捏一平面上に規則的に配列
されて構成されている。The second perspective view of the micro Fresnel lens array 7 is
As shown in the figure. The micro Fresnel lens array 7 has dimensions ranging from several μm to several 100 micrometers and is regularly arranged on a plane.
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。Such a micro Fresnel lens array 7 may be produced entirely by, for example, a molding method, or by gluing a large number of micro Fresnel lenses onto a transparent flat plate.
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がヒート争シンクを介
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。レーザーダイオード２の前面には、レーザーダ
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ｅレンズφ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番フ
レネル番レンズ・アレイ７の面とが垂直になるように取
付けられている。A semiconductor laser light source 1 includes a laser diode 2, which is attached to a stem 6 via a heat sink. Laser diode 2 is connected to terminal 5 by wire bonding or the like. A collimator lens 3 that converts the diverging light from the laser diode 2 into collimated light is attached to the stem 6 via a fixing member 4 on the front surface of the laser diode 2. The micro Fresnel e-lens φ array 7 is mounted so that the collimated light from the collimator lens 3 and the surface of the micro Fresnel lens array 7 are perpendicular.
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・レンズ争アレイ７とからなるマルチ番ビームΦ
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・デイバイス１５上に結
像する。イメージΦデイバイス１５はたとえばポジショ
ン・センシティブψデイバイス（Ｐｏｓｌｔｉｏｎ ５
ｅｎｓＩｔｌｖｅ Ｄｅｖｉｃｅ）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。As will be shown in detail later, a multi-number beam Φ consisting of a semiconductor laser 1 and a micro Fresnel lens array 7
A large number of diffracted light spots are projected onto the object 10 by the projector. The reflected light from the object to be detected 10 is collected by an objective lens 11 and formed into an image on an image device 15 . The image Φ device 15 is, for example, a position sensitive ψ device (Position 5
A two-dimensional measurement device with electrodes on four sides is used.
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。FIG. 3 shows how a diffracted light spot is formed by the micro Fresnel lens array 7. Also, Figure 4 shows the micro Fresnel lens array 7.
In order to explain the effect of the amplitude modulation type grating 23
This shows how light is diffracted.
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θ１の方向に回折される。In FIG. 4, in the amplitude modulation type grating, the diffracted light is diffracted in the direction of a diffraction angle θ1 given by the following equation.
θ −８ｉｎ−１（ ｎλ／Δ） ・（
１）ここで、ｎは０および正，負の整数（ｎ＝０。θ −8in−1(nλ/Δ) ・(
1) Here, n is 0 and a positive or negative integer (n=0.
±１．±２，・・・）λは光の波長、Ａはグレーティン
グ周期（すなわち孔２３ａ間の距ｆｌｉｔ）である。±1. ±2,...) λ is the wavelength of light, and A is the grating period (that is, the distance flit between the holes 23a).
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、各マイクロ争フレネル・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θ１
は上記の第（１）式によって表される。グレーティング
周期Ａ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
Ｕ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・フレネル拳レ
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。In FIG. 3, the collimated light projected from the semiconductor laser light source 1 onto the micro Fresnel lens array 7 is transmitted through each micro Fresnel lens 8. The light is focused on the focal plane. As can be seen from the comparison with FIG. 4, this is equivalent to arranging an amplitude modulation type grating A having holes at the focal position of each micro Fresnel lens 8. Therefore, light is diverged and diffracted at a distance from this focal plane. The diffraction angle θ1 of the diffracted light at this time
is expressed by the above equation (1). The grating period A is the distance between the centers of adjacent micro Fresnel lenses 8. In this way, a large number of U-folded light beams produce light spots at distant positions. In Figure 3, (
The same as in FIG. 4) 0th-order and ±1st-order diffracted light spots and their intensities are shown. In the micro Fresnel fist lens array 7, almost all of the incident light contributes to spot formation, so a light spot with greater intensity than a light spot produced by an amplitude modulation type grating can be obtained.
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。Next, the principle of shape recognition of the detected object 10 will be explained with reference to FIGS. 5 and 6. FIG. 5 shows the measuring system viewed from above, and FIG. 6 shows the measuring system viewed from perspective.
レーザーダイオード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
ｌＯによって反射し、この反射光は対物レンズ１１を通
してイメージのデイバイス１５の一点に結像する。The diverging light emitted from the laser diode 2 is collimated by a collimator lens 3 (not shown in FIGS. 5 and 6). The collimated light is diffracted by the micro Fresnel lens array 7 and irradiated onto the object 10 to be detected. The diffracted light is reflected by the object to be detected 10, and this reflected light is focused on a point on the image device 15 through the objective lens 11.
マルチ番ビーム・プロジェクタの光軸と対物レンズＵ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。２軸に垂直な平面内でＸ、Ｙ軸
を考える。Ｙ軸はマルチ拳ビーム・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θ１、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０２とする。対物レンズ１
１とイメージ・デイバイス１５との間の距離をｆとする
。The optical axis of the multi-beam projector and the optical axis of the objective lens U are parallel, and the distance between these optical axes is d. The optical axis of the objective lens 11 is set as the Z axis, and its origin is set at the center of the objective lens 11. Consider the X and Y axes in a plane perpendicular to the two axes. The Y-axis is taken in the direction connecting the optical axis of the multi-fist beam projector and the optical axis of the objective lens 11. The diffraction angle of the projected light is θ1, and the angle at which the reflected light from the object 10 intersects with the optical axis of the objective lens 11 is 02. Objective lens 1
1 and the image device 15 is assumed to be f.
被検出物ｌＯ上の回折光の光スポツト位置の座標系を（
ｘ、ｙ、ｚ） 、その反射光のイメージ・デイバイス１
５上における結像点の位置座標を（ｘ、ｙ）とする。The coordinate system of the light spot position of the diffracted light on the object to be detected is (
x, y, z), the image device 1 of the reflected light
Let the positional coordinates of the imaging point on 5 be (x, y).
被検出物ＩＯ上における回折光のスポット位置座標（ｘ
ｌ Ｖ＊ ２）はイメージφデイバイス１５上の検
出位ｌｉＩ″（ｘ 、ｙｔ）を用いて次のようにして
求めることができる。Spot position coordinates (x
lV*2) can be obtained as follows using the detected position liI'' (x, yt) on the image φ device 15.
まず、光学系の幾何学的性質より（ｘ、ｙ。First, from the geometrical properties of the optical system (x, y.
ｘｌ”１の符号は考慮せず、絶対値を考える）ｘ −（
ｘ ｓ ／ ｊ！ ） ｚ ・・・
（２）Ｖ−（Ｙ１／ｊｉり Ｚ ・
・・（３）ｚ＝ｄ／（ｔａｎ θ ＋ｔａｎ θ
） ・ （４）である。Do not consider the sign of xl”1, consider the absolute value) x − (
x s / j! ) z...
(2) V-(Y1/jiri Z ・
...(3)z=d/(tan θ +tan θ
) ・(4).
第（４）式の角度θ１は第（１）式で与えられ、角度θ
２は、
θ２ ＝ｔａｎ （ｙ １ ／ぶ） ・
・・（５）で与えられる。The angle θ1 in equation (4) is given by equation (1), and the angle θ
2 is θ2 = tan (y 1 /bu) ・
... is given by (5).
上述の実施例においてはマイクロ・フレネル・レンズ参
アレイ７が箱２０に取付けられているがマイクロ曹フレ
ネル費しンズΦ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。In the embodiment described above, the micro Fresnel lens array 7 is attached to the box 20, but the micro Fresnel lens Φ array 7 may be attached at the position of the collimator lens 3.
第１図は形状認識装置の外観を示す斜視図、第２図はマ
イクロ争フレネル・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
奢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、ｉｔｏ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リ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・・・マイクロ中フレネルφレンズ・アレイ、８・・
・マイクロ−フレネル・レンズ。
以 上Fig. 1 is a perspective view showing the appearance of the shape recognition device, Fig. 2 is a perspective view showing the microscopic Fresnel lens array, and Fig. 3 is a perspective view showing the appearance of the shape recognition device.
The figure shows how diffracted light is generated by the micro Fresnel lens array and the intensity of the diffracted light, and FIG. 4 shows how the diffracted light is generated by the amplitude modulation grating and the intensity of the diffracted light. 5 and 6 illustrate the principle of shape recognition, with FIG. 5 being a plan view and FIG. 6 being a perspective view. Figures 7 to 10 show examples of conventional optical systems that project spot light. Figure 7 is a perspective view of a fiber grating, and Figures 8 (A) and (B) are fiber gratings. FIG. 9 is a side view showing an amplitude modulation grating, and the ITO view is a side view showing an incoherent lens array. FIG. 11 is a perspective view of the cylindrical lens. DESCRIPTION OF SYMBOLS 1... Semiconductor laser light source, 2... Laser diode, 7... Micro medium Fresnel φ lens array, 8...
- Micro-Fresnel lens. that's all
Claims (1)
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。Consists of a light source and a micro-lens array, which is placed in front of the light source and is made up of a plurality of micro-condensing lenses arranged in a plane, and the micro-lens array produces a plurality of diffracted light spots at a distance from the micro-lens array. A multi-beam projector that produces
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP15022788A JP2576444B2 (en) | 1988-06-20 | 1988-06-20 | Multi-beam projector and shape recognition device using the same |
Applications Claiming Priority (1)
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| JPH01318905A true JPH01318905A (en) | 1989-12-25 |
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ID=15492324
Family Applications (1)
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