JPH06500401A - 光検出装置 - 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】 光検出装置 この発明は被検査物体からの光を検出して処理装置に供給する光学装置を備えた 、保証証書や識別標などの物体を光学的に検査するための装置に関する。

例えば蛍光層あるいは発光特性を有する銀行券などからの拡散・散乱する低い光 強度を有する被検査物体の検出を行うためには、対象物から放射された光を可能 な限り大きな立体角で検出する光学レンズ系を用いばよい。

限定された狭いスペクトル範囲で発光をすることが知られている光を検出する特 別な場合には、特別な狭帯域干渉フィルタを用いることが可能な非球面光学系を 使用して、この干渉フィルタを通した光を次に検出器上に収束させる。

このような光学系における理想的な口径比、すなわちレンズ直径と焦点距離との 比り、ｆは、１：ｌから２＝１である。ここで口径比がｌ：１あるいは２：１で あるときには、立体角θは、それぞれ５３度あるいは９０度となって光が検出さ れる。

これは、立体の半分、すなわちθ／２が口径比に関係し、三角関数を用いて（Ｄ ／ｆ）　＝　２ｔａｎ　（θ／２）と表されるからである。なお、口径比はしば しば、その逆数のｆ数を用いて表現される。

しかしながら、理想的な開口角θ／２　＝　４５°を実現することは実際にはほ とんど不可能である。実際に用いられている非球面レンズでは、最大関口角は３ ０゜から４０°であり、口径比はおよそ１．７　：　ｌである。この口径比は例 えば、直径が２２皿で焦点距離が１３ｍｍのレンズの口径比に相当する。

例えば銀行券検査装置の被検査物体近傍のように空間的に制約を受けるような場 合においては、レンズ系は口径比とレンズの大きさとの間で妥協をはからざるを 得ない。これは装置に関連する制約のために、−窓口径比のもとに焦点距離とレ ンズ口径との両方を同時に減少せざるを得ないことによるものであって、構造を 小型にするために焦点距離が短く厚いレンズが用いられるときには特にこのこと が当てはまる。

銀行券検査装置の特別の場合では、レンズを被検査物体に１０ｍｍより近づける ことができないために、対物レンズの焦点距離に制約を生じる。また、空間的配 置は特に銀行券検査装置では制約が大きく焦点距離を８皿まで減少させ、さらに それに対応させてレンズの口径を約１３．５ｍｍ（最大関口角が４０°の場合） まで減少させたとしても十分ではない。従つて、さらに小さいレンズを用いてレ ンズ系のｆ数を減少させるか、または同じ検査系が並列に設置されている場合で は測定系の並列設置数を減らし、それによって生じた余裕で１つの系の大きさを 増大させるかのどちらかである。

ｆ数の問題、すなわち、小さな光学系を用いて、可能な限り大きな立体角で被検 査物体からの光を検出しなければならないという問題は、光ファイバーを用いる ことによって解決することができる。すなわち、光ファイバーは大きな開口数を 持っているために、たとえ小さな径であっても放射された光の大部分を検出する ことが可能であることが知られている。

すでに、いろいろな光フアイバー装置を用いた受光器が知られている。例えば、 ＤＥ−Ａ　２５５９４３０は、２つのファイバー束を用い、その中の１つのファ イバーで赤外光を希土類系の発光性マークを含んでいる被検査文書上に導き、も う１つの他のファイバーで被検査物質から発光された可視光をフォトダイオード まで伝達させるような検出装置を開示している。

他の例はＥＰ−Ａ　Ｏ２４０２７７が開示しているものである。この例では、多 数のファイバーを１つに束ねたものを被測定物体に面する側ではスキャンすべき 領域に合わせて広げられており、一方反対の側では小さな発光源にまとめられて 繋げられ、また検出器に対して光を伝導供給するようになされている。

・　ＥＰ−ＣＯ０５１４６０で、さらに別の例が開示されおり、この例でも先の 例と同様にファイバーの１端は被検査物体に合わせて広げられており、他端は束 ねられている。ただし、この場合では、ファイバーはシート状の光伝導媒体とし て働くようになされており、その光の導入口は短冊状の表面となっており、一方 の光の出口部分は小さな円状表面となっていて光増倍管へ導かれている。

しかしながら、これらのすべてのファイバー装置は、ｆ数によってせっかく得ら れた利得が、その後に続く光学系の配置構造中で再び失われてしまうという欠点 を有している。これは断面積が一定の真っ直ぐな光ファイバーでは入力角によっ てファイバーからの出力角が決まってしまうことによっている。すなわち、もし ファイバーが７０°の開口角を持っており、それに続く光学系がすでに述べたよ うに３０°から４０°の最大開口角を有しているとすると、ファイバーから４０ ”以上の角度で出ていく光は信号検出には役立たずに失われてしまう。

この問題は干渉フィルタを用いる場合にはさらに深刻である。入力角が大きいと きには、短波長との伝送距離差が発生して干渉フィルタの透過曲線が変位してし まう。従来の干渉フィルタの最大許容入力角度は約２０’である。従って、基本 的にはレンズ系を光伝導路と干渉フィルタとの間に配置して、光ビームを平行と させる必要がある。しかしながら、すでに述べたように、レンズ系と光伝導路と の間の結合を最適にすることができない。

従って、本発明の課題は、特に、限られた空間配置において、対象物体から拡散 する弱い強度の光を途中で失うことなしに測定信号として検出利用でき、また小 さな開口角を有する光学部品の使用を可能とするような光検出装置を提供するこ とにある。

この問題の解決は請求範囲に記載したような特徴を有する手段によってなされる 。

本発明の本質的な点は、用いる光学系の被検査物体に面した入力面が大きな開口 数を有するように特別に形成された非結像光学系を用いることにある。このよう に光学系を特別に設計することによって、例えば、最大入力角で入射した光がこ の光学系から出ていくときにはそれよりもずっと小さな角度で出てい（ようすす ることが可能となる。この目的を達成するため、光学系の幾何学的な比は処理装 置の最大開口数に対して対応する出力角がより小さくなるように選定される。

このようにすることによって、被検査物体側の大きな開口数によって得られたｆ 数が失われることがなくなる。

好適な実施例ｊこおいては光学系は広がった管状の形態を有し、その狭い方の端 は入力面として機能し、他方の広がった出力面は光処理装置に面するようになさ れる。このように円錐形状とすると、その開口角は、αを小さい断面ｄを有する 側の入力角とし、βは大きな断面りを有する側の出力角とするとき、式ｓｉｎα ；（Ｄ／ｄ）　ｓｉｎβ　に従って変化する。

断面積が変化することによって、またその結果として開口数が変化することによ って、光フアイバー管からの出力角を、続（光学系の最大関口角に対応するよう に調整することが可能となる。例えば、θ＝（資）°で入力された場合において 、光伝導管から出てい（光ビームの角度をθ＝３２°とすることができ、この場 合の断面の径は７．５皿から１２ｍｍへと変化する。

本発明による断面積の変化が最適化された光フアイバー管を結像光学系と結合す ることによって、光学系全体としてずっと大きなｆ数を有する、従って大きな光 強度を得ることができることを特徴とする光学装置が得られる。

他の実施例においては、光学系は凹んだ光入力面を有する広がりを持った光伝導 路を有し、好適にはこの凹んだ表面の境界面は球面の一部に対応するようになさ れる。この場合においても先の例と同様に、入力凹面部の直径は出口部分の直径 よりも小さくなされる。

入り０表面部分をこのような特別な形状として、さらに被測定物体表面を前記の 球の中心に相当する位置に置くと、この入り口部骨で生じる反射損失を最小化す ることができるという利点が得られる。これは球の中心部分から放射された光は 、入力面に対して直角に入力するため、反射も屈折も起こらないためである。

本発明のさらなる利点および発展形は図面によってより詳細に説明する。以下の 図は本発明をわかりやすく説明するためのものであり、倍率縮尺あるいは各部分 の間の比例関係は実際とは異なっていることに注意のこと。

図１は、広がり光伝導管を用いた測定装置の概略構造図である。

図２は、ビームが光学系を通る際の道筋についての原理を示す図である。

図３は、信号強度の球状放射パターンを有する開口角に対する依存性を示した図 である。

図４は、本発明の他の実施例の構造概略図である。

図５は本発明による、間にレンズ系を持たない、干渉フィルタを具備した測定装 置を示した図である。

図１は本発明による光検出装置の概略構造、およびこの装置によってどのように 銀行券の発光特性を測定するかを示したものである。この検出装置は、大きな立 体角で発光を集束して、さらに光学装置によって処理する、身分証明証や識別標 などの検査装置に広く一般的に用いることができる。なお、本発明の他の実施例 ももちろん同様に広く用いることが可能である。

ここに示した実施例では、例えば蛍光性カラー印刷がなされた銀行券１が、励起 周波数に対応する光を発する２つの発光源によって照明される。銀行券１から放 出された蛍光性の拡散光は開口角αで光フアイバー管２に供給され、この管の中 を反対側の広がった端りまで全反射によって伝わっていく。

光フアイバー管はより小さな断面を有する端ｄの側は、Ｏから１０ｍｍの間の測 定距離まで被検査物体に近づけられる。光フアイバー管２の開口数に従い、８０ ゜までの角度αで光ビームを結合するようにさせることができる。断面が変化す ることにより、この角度αは、方程式ｓｉｎα＝　（Ｄ／ｄ）　ｓｉｎβ　に従 って約３０°の角度βまで減少し、引き続き、例えば開口比１．２　：　１の光 学系６で処理することが可能なようになされている。

ここに示した例では、光学系６は光フアイバー管２からの光を干渉フィルタ７に 対して都合よく供給するための準備を行い、さらに検出器５に光を収束させる役 割を有している。このようにするのは、光フアイバー管から出てきた光は非常に 拡散しやすく、また低光強度の狭帯域蛍光放射に加えて、妨害となる散乱光をも ある程度含んでおり、例えば光源３あるいは周囲環境からの光を、偽でない真正 の信号のみを検出評価するために、ろ過する必要があるからである。一方、干渉 フィルタ７をこのような目的に用いるには、はぼ平行な光ビームを干渉フィルタ ７に入力させる必要があり、そのためフィルタ７の前に光学系を配置して光ビー ムの道筋をほぼ平行となるようにすることが必要である。

本発明による検出装置が、従来検出用として用いられていたレンズ系と比較して 大きな利点を有することをより明確にするために、図２を用いてさらに説明する 。

検査装置の幾何学的な比の制約のためにレンズ系の焦点間隙Ｓすなわち焦点位置 にある被検査物体とレンズ表面までの距離を縮めることができない。このことは 構造を小さくするため習慣的に厚いレンズが使われ、焦点距離と比較して焦点間 隙が小さくなってしまう場合に特に当てはまる。従って、最小焦点距離ｆは１゜ １から２：ｌの間の所望の開口比が与えられると、レンズの口径Ｄ′として定め られる。例えば、ｆ＝１３ｍｍの短い焦点距離を有するレンズに対して、開口比 Ｄ’　：　ｆを１．７１とするには、レンズの口径はＤ’＝２２ｍｍとなる。こ のとき、ｔａｎα＝Ｄ’／　（２ｆ）の関係から、最大関口角αは約４０＠　と なる。

また図から明かなように、最大立体角θ＝２αで検出を行おうとするとき、焦点 距離ｆなどの上記の変数が光像にとって有効である主面Ｈ１と関係し、レンズｌ Ｏはそのすべての空間にわたって利用できるわけではな（、レンズ１０は実際の レンズ径Ｄ′より小さい有効視野径Ｂが利用できるにすぎない。上に述べた２２ ｍｍの直径の小さな焦点距離を有するレンズの例では有効視野径はたったの５ｍ ｍとなる。

このレンズ系を本発明のファイバー管で置き換えると”有効視野径”は自動的に より小さな断面ｄによって決まってしまう。しかしながら、有効径がこのように 小さいにもかかわらず、ファイバー管は被検査物体にずっと近づけることが可能 なために、例えば測定距離を１ｍｍまで近づけると、検出可能な立体角はα＝７ ０”　まで大きくすることが可能である。

本発明による検出装置の他の利点は断面の変化のさせ方を適当に選定することに よって、出力角βを、それに続いて配備された光学処理装置に基本的に適合する ように、またその特性変数に適合するするようにすることができることである。

さらにまた、光フアイバー管は曲げることが可能であるので、さらに大きな構造 を有するレンズ系を十分に余裕のある場所に設置された測定装置に対して用いる ことが可能となる。

また、このことは例えば上下に配置されたあるいは脇に並置された複数の測定装 置に対して制約された条件のもとに被検査物体をスキャンさせることを可能とさ せる。

図３は、最大関口角匍゛を基準とした、信号強度の開口角αに対する依存性を示 したものである。上で議論した４０”の開口角を有するレンズ系の例では、得ら れる信号強度は最大値を基準としてその約２４％となる。これに対して一方の本 発明による開口角７０°を有する光検出装置では約６５％の信号強度が得られる 。ファイバー管中で生じる３０％の損失を考慮したとしても、本発明による装置 は４５％の大きな信号強度を得ることができる。

このようにして、ずっと小さな構造で約１００％もの信号改善を達成することが できる。

図４および５に示した実施例の場合においても同様の利点が光学レンズ系を用い た場合と比較して得られる。これらの例においても、銀行券１はやはり適当な励 起周波数を有する２つの光源３によって照明されるという点は先の例と同じであ るが、銀行券ｌから放射される光を処理装置に導き供給するための光伝導路の形 状がこれらの場合では異なっている。

図４に示した装置は光の入り口部分が凹面形状となっており、一方出口部分は凸 レンズとして働くように設計された光伝導路１０を有している。球の中心に相当 する位置から来るすべてのビームは球表面に対して直角に当たるから、入り０表 面部分を半径ｒの球の一部に相当する凹面となるように形成し、銀行券１を球の 中心に相当する位置に置（ようにすることは好都合な結果を与える。球の中心Ｍ から発した光ビームは入り口裏面に直角に入力するので、弱められることなくす なわち反射損失や屈折を生じることなく光伝導路１０の中に入っていくことにな る。中に入った光は光伝導路１０の側面Ｉ３に当たり、そこで全反射される。光 伝導路の直径を拡げるために、好適には側面１３は半径Ｒの円周の一部に相当す る形状となるようになされる。

また、半径ｒをずっと大きな値に選定して、もはや銀行券ｌが球の中心相当位置 には配置されないようにすることもできる。この場合には光学系ＩＯは小さな角 度で入力する光に対して凹−凸コンデンサレンズのような働きをすることになり 、光は側面１３には当たらない。また、出ていく光の角度は入力角度よりも小さ くなる。

また別の態様では、側面１３を点Ｍが中心の１つであるような楕円の一部をなす ようにすることもできる。

入力した光が確実に全反射するように、開口数は全反射の臨界角を超えてはなら ない。しかし、全反射の臨界角がおよそ（資）°であるような材料が存在するの で、この条件は本発明を用いる上での制約とはならない。

光は光伝導路１０をよぎって凸レンズとして作用するようになされた出口表面１ ２に到達する。出口表面形状をこのようにすることによって、光を確実に平行な ビームとしてから、光伝導路１０の後に配置された干渉フィルタ７に入力するこ とができる。すなわち、この実施例においては図１に示した光学系６の第１のレ ンズは光伝導路に一体化されて形成されている。

あるいは、図４において破線で表されているように伝導路の出口表面を直径Ｄ１ を有する平行平面とし、図１におけるのと同様に光伝導路１０から一定の距離に 凸レンズを配置するようにすることももちろん可能である。

以上に示した光伝導路１０は光軸に対して回転対称となっているが、特別な応用 に対しては他の所望の形状とすることも可能である。唯一本質的な点は光の入り 口部分の大きな開口数が出口部分では小さな角度で光が出ていくように変換され るということある。

他の態様として全反射の代わりに、系ｌＯの中の光を広げるために鏡面反射を用 いることも可能である。この目的のためには、用いる光学材料は適当な屈折率の 材料でコートを行う代わりに、信号の干渉を避けるために外側を適当な波長範囲 のラッカー保護吸収材料層で被った鏡面コートを行う。この方法は全反射の臨界 角を超えてしまうほど開口数が非常に太き（なる材料が用いれる際に特に推奨で きる方法である。しかし、この場合には先の例の光伝導路を用いたときよりも損 失率が大きくなる。

開口数や側面の広がりなどのパラメータを適当に選定すると、レンズ系を途中に 配置しなくとも、干渉フィルタを使用することが可能な出力角を得ることができ る。

図５はこのような装置を示したものである。ここで、光伝導路ｌＯの端部平行平 面には干渉フィルタ７として働（誘電体層１４．１５が真空蒸着によって直接形 成されている。ろ過した光を検出器５に供給することができるようにするために 、同じ構造のものを第１の構造に対して鏡面対称となる位置に配置して光伝導路 １０′の四面１１’が検出器５と直面するようになされている。

もちろん、干渉層１４．１５を直接に蒸着せずに、１部品として最終的に光学系 １０とｌＯｏとの間に配置されるようにしてもよい。

また光学系１０および１０’とが異なるように構成することも可能である。例え ば、側面１３と１３°とが異なる曲率を有するようにしてもよい。

また、光学素子を持たないこのような対称構造を採用することによって、図１に 示したような光伝導管を用いることも可能となる。この場合にはより小さい断面 ｄを有する側が検出器５と面するようになされる。

図２ 国際調査報告

Claims (18)

【特許請求の範囲】
1. １．被検査物体からの光を検出して処理装置に供給して光学的に保証証書や識別 標などの物体を検査するための装置において、該装置が光ファイバー管（２）を 具備し、該ファイバー管（２）がその断面積が光ファイバー管（２）の長さ方向 に変化するようになされており、その小さい断面積を有する側の端（ｄ）が被検 査物体に面し、一方、広がった大きな断面積を有する側の端（Ｄ）が処理装置（ ６、７）に面するようになされていることを特徴とする光学的に物体を検査する ための装置。
2. ２．前記光ファイバー管（２）からの光の出力角が前記処理装置（６、７）の開 口角よりも小さくなるように前記光ファイバー管（２）の断面積が変化するよう になされていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. ３．前記光ファイバー管（２）が少なくとも１つの曲がりを有していることを特 徴とする請求項１または２に記載の装置。
4. ４．被検査物体からの光を検出して処理装置に供給して光学的に保証証書や識別 標などの物体を検査するための装置において、該装置が非結像光学系（１０）を 具備し、該非結像光学系（１０）の被検査物体に面した入り口表面（１１）が凹 面形状を有しかつ処理装置（１６、１７）に面した出口表面部分の直径（Ｄ１） よりも小さな直径（ｄ１）を有することを特徴とする光学的に物体を検査するた めの装置。
5. ５．前記凹面形状の入り口表面（１１）が球面の一部を構成する形状となされて いることを特徴とする請求項４に記載の装置。
6. ６．前記光学系（１０）の側面（１３）が円周の一部を構成する形状となされて いることを特徴とする請求項４または５に記載の装置。
7. ７．前記光学系（１０）が光学的により薄い材料でコートされた光学材料で作ら れていることを特徴とする請求項４から６までのいずれかに記載の装置。
8. ８．前記光学系（１０）がガラスまたは光学樹脂などの光学材料で作られており 、該光学系（１０）の側面（１３）が鏡面コートされていることを特徴とする請 求項４から６までのいずれかに記載の装置。
9. ９．前記の側面がさらに適当な吸収波長帯を有するラッカー保護吸収材料でさら にコートされていることを特徴とする請求項８に記載の装置。
10. １０．前記光学系（１０）の出口表面が平行平面であることを特徴とする請求項 ４から９までのいずれかに記載の装置。
11. １１．前記処理装置が光学結像レンズ系（６）であることを特徴とする請求項１ から１０までのいずれかに記載の装置。
12. １２．焦点距離と比較して相対的に小さい焦点間隙を有する厚いレンズが前記レ ンズ系（６）に用いられていることをことを特徴とする請求項１１に記載の装置 。
13. １３．前記処理装置が前記出口表面（Ｄ、Ｄ１）の直後に配置された干渉フィル タ（７）であることを特徴とする請求項１から１０までのいずれかに記載の装置 。
14. １４．さらに光学系（１０′）が前記干渉フィルタ（７）に関して鏡面対称とな る位置に配備されたことを特徴とする請求項１３に記載の装置。
15. １５．前記光学系（１０）の出口表面が凹面レンズ（１２）の形状を有している ことを特徴とする請求項４から９までのいずれかに記載の装置。
16. １６．前記処理装置（１６）が干渉フィルタ（７）および光学結像レンズ（１７ ）を備えていることを特徴とする請求項１５に記載の装置。
17. １７．複数の光学系（２、１０）が上下にまたは側に並置されていることを特徴 とする請求項１から１６までのいずれかに記載の装置。
18. １８．前記光ファイバー管が円錐形状を有していることを特徴とする請求項１に 記載の装置。