JPH02236193A - 物体検知装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 この発明は、光の回折現象を利用して物体の有無を検出
するための物体検知装置に関連し、殊にこの発明は、広
い視野内に微小物体が存在するか否かを検出するのに好
適な物体検知装置に関する． 〈従来の技術〉 例えば広視野をもつ光電スイッチとして、光源にＬＥＤ
アレイや蛍光灯を使用し、受光素子にＣＯＤを使用した
ものが存在する．この光電スイッチは、投光側にＬＥＤ
アレイを使用して投光領域（視野）を広げる一方、受光
側には前記ＬＥＤアレイに対応してＣＣＤラインセンサ
を配置して、物体の検出範囲を広げたものである． この光電スイッチによれば、投光領域内に物体が存在し
ないときは、投光素子による投射光はそのまま受光素子
に受光されるが、投光領域内に物体が存在するときは、
投射光は物体に遮られて受光素子に受光されず、これに
より物体の有無が検出される． く発明が解決しようとする問題点〉 しかしながらこの種の光電スイッチでは、光源にＬＥＤ
アレイを用いるため、光源が大型化するという欠点があ
る．また受光部はＣＣＤラインセンサと結像レンズとを
用いるため、ピントの合う距離範囲が限定されて焦点深
度が浅いものとなる。さらにＣＣＤランイセンサを駆動
するための受光回路が複雑であってコスト高となり、し
かもＣＣＤラインセンサはスキャン方式であるため、応
答速度は遅いものとなる．このＣＣＤラインセンサに代
えてＰＤアレイを用いることも可能であるが、その場合
は応答速度が速くなる反面、広い視野で微小物体を検出
するのにＰＤ数を増す必要があり、受光回路が一層複雑
となりかつ高価なものとなる。

そこで出願人は，先般、光源が小型でありかつ広い視野
内に存在する微小物体を高精度で検出できる安価な透過
型光電スイッチを提案した（特願昭６２−３９３０８号
）． 第８図は、この透過型光電スイッチにおける検出系の概
略構成を示すもので、投光素子１と受光素子５とを一定
距離隔てて対向させ、投光側には投光レンズ２を、また
受光側には受光レンズ４を、それぞれ位置させてある． 前記投光素子１は半導体レーザや発光グイオ一ドの点光
源に近いものなどが使用され、投光レンズ２に対しその
焦点位置よりも僅かに近く位置させることにより、この
投光レンズ２よりやや広がった光ビーム３を発生させて
いる。

受光レンズ４は、例えばフーリエ変換レンズなどの結像
レンズであり、受光素子５の受光面をその焦点位置に配
置して、光ビーム３の結像サイズを最小となしている． 前記受光素子５はフォトダイオードであって、その受光
面は、第９図に示す如く、中央位置の中心受光部６と、
その周辺に形成された周辺受光部７とで構成されている
。中心受光部６は非回折光を、また周辺受光部７は回折
光を、それぞれ受光するためのもので、それぞれの受光
信号は独立して得ることができるようになっている． 第１０図は、上記検出系を含む透過型光電スイッチの信
号処理回路を示すもので、投光素子１および発振回路８
を含む投光器Ａと、判別信号生成部９およびゲート信号
生成部１０より構成される受光器Ｂとから成る． 判別信号生成部９は、受光素子５の周辺受光部７による
回折光の受光信号を処理して判別信号を生成するための
もので、増幅回路１１，波形整形回路１２，ゲート回路
１３．積分回路１４，波形整形回路１５，比較回路ｌ６
．しきい値設定回路１７などを含んでいる。またゲート
信号生成部１０は、受光素子５の中心受光部６による非
回折光の受光信号を処理してゲート信号を生成するため
のもので、増幅回路１８，波形整形回路１９などを含ん
でいる。

上記構成において、投光素子１がパルス変調光を投射し
たとき、このパルス変調光は受光素子５で受光されて光
電変換されるが、微小物体からの回折光は周辺受光部７
で受光され、非回折光は中心受光部６で受光されること
になる。

周辺受光部７および中心受光部６による受光信号は、そ
れぞれ交流結合部２０．２１を通過させて定常的な外乱
光成分を除去した後、増幅回路１１．１８で増幅する。

これら増幅回路１１．１８の増幅出力は再度交流結合部
２２，２３を通過させて電気的オフセット成分を除去し
た後、波形整形回路１２．１９にて信号波形を整える．
ゲート信号生成部１０における波形整形回路１９の出力
はゲート信号としてゲート回路１３に与えられ、判別信
号生成部９における波形整形回路１２の出力がこのゲー
ト回路１３で同期検出されて積分回路１４に与えられる
。

積分回路１４では一定期間の時間積分が行われ、その積
分出力が波形整形回路１５を経て比較回路１６に与えら
れる．比較回路１６は信号積分値を所定のしきい値ＴＨ
と比較し、その比較結果に応じて微小物体の有無を表す
判別信号を出力する． しかしながら前記のしきい値ＴＨは、ある条件下で上記
光電スイッチを用いて行った実験結果から電気的に一定
値に定められるため、レンズの汚れや投光量などの光学
条件が変わって周辺受光部７による回折光の受光量が変
化すると、比較回路１６による比較結果が異なったもの
となり、物体の検出が可能となったり不可能となったり
するなどの問題がある。

この発明は、上記問題に着目してなされたもので、前記
のしきい値を光学条件の変化に追随させることにより、
光源が小型であって、しかも広い視野内に存在する微小
物体を高精度かつ安定して検出できる安価な物体検知装
置を提供することを目的とする。

く問題点を解決するための手段〉 上記目的を達成するため、この発明の物体検知装置では
、投光素子と、投光素子による投射光を広視野に広げる
ための投光光学系と、受光光学系を経た非回折光を受光
する中心受光部および回折光を受光する周辺受光部を備
えた受光素子と、周辺受光部による回折光の受光量をし
きい値と比較して物体の有無を示す判別信号を生成する
比較手段と、前記しきい値を中心受光部による非回折光
の受光量により設定するしきい値設定手段とを具備させ
ている． 〈作用〉 周辺受光部による回折光の受光量は物体の有無に応じて
変化するため、これをしきい値と比較することにより物
体の有無の判別が可能である。このように物体の有無を
回折光を利用して検知するので、投光素子として小さな
光源を用いることができ、しかも広い視野内に存在する
微小物体を高精度で検出でき、また箇単な受光回路をも
って装置を安価に構成できる．またレンズの汚れや投光
量などの光学条件が変わった場合、これに応じてしきい
値も変化するので、光学条件の変化に起因して物体の検
出が可能となったり不可能となったりすることがなく、
検出結果が安定する。

く実施例〉 第１図は、この発明の一実施例にかかる物体検知装置の
全体構成を示すもので、投光器Ａおよび受光器Ｂより構
成される。

投光器Ａは発振回路８と投光素子ｌとを含み、また受光
器Ｂは判別信号生成部９とゲート信号生成部１０とを含
んでいる。

判別信号生成部９およびゲート信号生成部１０の各構成
は、しきい値設定回路２４に差異がある他は、第１０図
に示すものと同様であり、ここでは対応する構成に同一
の符号を付することで詳細な説明は省略する． 図示例のしきい値設定回路２４は、受光素子５の中心受
光部６による非回折光の受光量に応じてしきい値を設定
するもので、したがって中心受光部６の受光信号は、第
１０図のものと同様、ゲート回路１３のゲート信号に用
いられるとともに、しきい値を設定するための信号にも
用いられることになる。

第２図は、この発明の原理説明図であり、幅ａの平面波
により線幅ｂの微小物体２６を検出するための光学系の
モデルを示している．この光学系において、受光レンズ
４の焦点面２５上での物体回折光強度分布１ｏ（ｘ）と
、光ビームが幅ａという開口制限を受けることにより生
ずるビーム回折光強度分布１ｂ（ｘ）とを考えると、こ
れらは次式で表される． なお上式中、Ｘは光軸に対する垂直方向の距離、ｆは受
光レンズ４の焦点距離、Ａ０，λは平面波の振幅および
波長であり、ここでは微小物体２６の幅ｂは平面波の幅
ａに比べてごく小さな値をとるものとする。

上記■■式から明らかなように、物体回折光強度分布■
。（ｘ）もビーム回折光強度分布■．（ｘ）も、その包
絡線はっぎの■式で表される。

この■式は、周辺受光部７の受光範囲をλｆ／πｂに比
べて十分大きくすれば、その範囲で積分された物体回折
光強度分布１ｏ（ｘ）とビーム回折光強度分布１ｂ（ｘ
）とは微小物体２６の線幅ｂにかかわらずほぼ１：１と
なることを意味している． したがって微小物体２６が存在するときと存在しないと
きとでは、周辺受光部７による受光信号の信号レベルの
比は２：１で一定となるので、しきい値ＴＨの設定値と
しては微小物体２６がないときの信号レベルの１．５倍
とするのが妥当である。

第３図は、受光レンズ４の焦点面２５上での強度分布２
７と受光素子５の中心受光部６および周辺受光部７との
位置関係と、周辺受光部７による受光信号の信号レベル
Ｌとしきい値ＴＨとの関係とを示している。

同図によれば、周辺受光部７による受光信号の信号レベ
ルＬは物体の有無に対応して２：１となっており、しき
い値ＴＨとしては物体がないときの信号レベルＬに対し
１．５倍に設定する．なお光ビームが平面波でなく、ガ
ウシアンビームの如くビーム断面内で振幅分布が一定で
ないようなビームについても計算により適切なしきい値
を求めることができる。

上記しきい値ＴＨは、゛シきい値設定回路２４において
、受光素子５の中心受光部６による非回折光の受光量に
より設定される。例えばこの非回折光の受光量（この値
は物体の有無にかかわらずほぼ一定である）が、周辺受
光部７による回折光の受光量の１０００倍であり、また
前記積分回路１４における積分回数が１０回であると仮
定すると、中心受光部６による受光信号の増幅率Ａ，（
増幅回路１８の増幅率）と周辺受光部７による受光信号
の増幅率Ａ．（増幅回路１１の増幅率）とをつぎの■式
で示す関係に設定すればよい。

かくして中心受光部６による受光信号につき増幅回路１
８の増幅出力の振幅値をしきい値ＴＨと定めるもので、
第３図にこの増幅出力の振幅値Ｈと前記しきい値ＴＨと
の関係が示してある。

つぎに上記構成の物体検知装置の動作を説明する。

いま投光素子１による投光領域内に微小物体が存在しな
い場合を考えると、受光素子５の受光面上の光強度分布
はその中央部に集中する。

この集中する光強度分布は受光素子５の中心受光部６で
受光され、この受光信号に基づいてゲート回路１３のゲ
ート信号が生成される．一方、微小物体が存在せず、回
折現象が生じないため、受光素子５の周辺受光部７は回
折光を受光しない。したがって周辺受光部７による受光
信号の信号レベルはしきい値ＴＨに達せず、比較回路１
６は物体が存在する旨の判別信号を出力しない。

つぎに投光素子１による投光領域内に微小物体が存在す
る場合を考えると、この場合は微小物体により光の回折
現象が生じ、受光素子５の受光面上の光強度分布は中心
受光部６のみならず周辺受光部７にも回折光が入射する
。その結果、中心受光部６による受光信号に基づいてゲ
ート回路１３のゲート信号が生成され、このゲート信号
により周辺受光部７による受光量が同期検出される．こ
のときの受光レベルはしきい値ＴＨを越え、比較回路１
６は物体が存在する旨の判別信号を出力する． このように微小物体の有無を回折光を利用して検知する
ので、投光素子ｌとして小さな光源を用いることができ
、しかも広い視野内に存在する微小物体を高精度で検出
できる。また受光回路は簡単であるから、物体検知装置
を安価に製作できるのである． つぎにレンズの汚れや投光量などの光学条件が変わった
場合を考えると、これに応じて受光素子５の中心受光部
６および周辺受光部７による各受光量が変化する．この
中心受光部６による受光量の変化に応じて前記しきい値
ＴＨも変化するため、比較回路１６において、光学条件
の変化に起因して微小物体の検出が可能となったり不可
能となったりすることがなく、検出結果が安定する。

第４図は、光学条件の変化に応じて積分回路１４の積分
出力２日が左図から右図の状態に変化した場合を示すも
ので、この発明によれば、しきい値ＴＨもそれに応じて
変化するため、同じ検出結果が得られ、適正な物体検出
が行われる． これに対して第５図は、固定のしきい値ＴＨを用いる従
来方式を不すもので、光学条件の変化に応じて積分回路
１４の積分出力２日が変化すると、検出結果は異なった
ものとなる。

なお上記実施例は、同期検出方式の物体検知装置の一例
であるが、例えば受光素子５による受光量が比較的大き
い場合には非同期検出方式を採用することも可能である
． 第６図および第７図は、従来の非同期検出方式とこの発
明にかかる非同期検出方式とを対比して示してある． 第６図の従来例では、受光素子５の周辺受光部７の受光
信号を増幅回路１１を経て比較回路１６に与え、これを
しきい値設定回路１７で設定された固定のしいき値ＴＨ
と比較して判別信号を生成している． これに対してこの発明にかかるしきい値設定回路２４は
、受光素子５の中心受光部６での受光信号を増幅回路１
８で増幅して得た信号により設定しており、比較回路ｌ
６は周辺受光部７での受光信号を増幅回路１ｌで増幅し
た信号と光学条件に応じて変化するしきい値ＴＨと比較
して判別信号を生成するものである． この場合のしきい値の設定方法は前記の同期検出方式と
ほぼ同様であって、積分回路による積分回数を考慮しな
いことのみ相違する．例えばビームが矩形平面波である
場合、中心受光部６での受光量が周辺受光部７での受光
量の１０００倍であるとすれば、中心受光部６に対する
増幅率Ａ，と周辺受光部７に対する増幅率八〇との比は
、 となり、前記増幅回路１８の出力振幅値をしきい値ＴＨ
と定める。

く発明の効果〉 この発明は上記の如く、受光素子に非回折光を受光する
中心受光部と回折光を受光する周辺受光部とを具備させ
、周辺受光部による回折光の受光量をしきい値と比較し
て物体の有無を判別する方式としたから、投光素子とし
て小さな光源を用いることができ、また広い視野内に存
在する微小物体を高精度で検出でき、しかも簡単な受光
回路をもって物体検知装置を安価に構成できる． また前記のしきい値を中心受光部による非回折光の受光
量により設定するようにしたから、レンズの汚れや投光
量などの光学条件が変わった場合に、これに応じてしき
い値も変化するため、光学条件の変化に起因して物体の
検出が可能となったり不可能となったりすることがなく
、検出結果が安定するなど、発明目的を達成した顕著な
効果を奏する．

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例にかかる物体検知装置の全
体構成を示すブロック図、第２図はこの発明の原理を説
明するための光学系のモデルを示す説明図、第３図はし
きい値設定方法を示す説明図、第４図はこの発明による
物体検知の方法を示す説明図、第５図は従来例による物
体検知の方法を示す説明図、第６図は従来の非同期検出
方式による物体検知装置の構成を示すブロック図、第７
図はこの発明にかかる非同期検出方式による物体検知装
置の構成を示すブロック図、第８図は透過型光電スイッ
チの検出系を示す説明図、第９図は受光素子の構成を示
す説明図、第１０図は透過型光電スイッチの信号処理回
路を示すブロックである。 １・・・・投光素子　　　５・・・・受光素子６・・・
・中心受光部　　７・・・・周辺受光部１６・・・・比
較回路 ２４・・・・しきい値設定回路 立石電機株式会社 ｂ 第 図 ｔ！　Ｉ＋　４ｒＬｉ’ｌ；ｔ　シｒ；Ｌｘ．ｆ％＊ｔ
ｂＡｍＪｉ上五タ允襞スイ，テの４６ｇ処薊ｌ匡１６１
ホ１１ａ，ク出第

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 投光素子と、投光素子による投射光を広視野に広げるた
   めの投光光学系と、受光光学系を経た非回折光を受光す
   る中心受光部および回折光を受光する周辺受光部を備え
   た受光素子と、周辺受光部による回折光の受光量をしき
   い値と比較して物体の有無を示す判別信号を生成する比
   較手段と、前記しきい値を中心受光部による非回折光の
   受光量により設定するしきい値設定手段とから成る物体
   検知装置。