JPH0843207A - 光学装置及びカラーセンサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 複数個の投光素子或いは受光素子を備えたも
のにおいて、その照射経路或いは入射経路を一つにす
る。 【構成】 投光用光ファイバーケーブル２８の後端部２
８ａに集光部材３２を連ね、その集光部材３２には発光
ダイオード３３，３４が当接されている。また、集光部
材３２は、２つのレンズ３２ａ，３２ｂが連なって形成
されており、各レンズ３２ａ，３２ｂが各発光ダイオー
ド３３，３４からの光をそれぞれ投光用光ファイバーケ
ーブル２８の後端部中心２８ｃに集光する構成となって
いる。これにより、各発光ダイオード３３，３４からの
光は、投光用光ファイバーケーブル２８の先端部２８ｂ
から照射されることになるから、各発光ダイオード３
３，３４の照射経路は同一経路となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、複数の投光素子或いは
受光素子を備えた光学装置及びカラーセンサに関する。

【０００２】

【従来の技術】複数の投光素子を備えた光学装置につい
ては、マーク等の色を判別するカラーセンサ用の投光装
置が知られており、これについては、特公昭５９ー２６
８９１号公報に開示されている。この投光装置は、図９
に示すように、互いに色の異なる２個の発光ダイオード
１，２を被検出物３から所定間隔を隔てて配置し、各発
光ダイオード１の照射光軸を被検出物３の一点に集める
ようにした構成である。

【０００３】この構成で各発光ダイオード１は交互に点
灯され、その光は被検出物３で反射して受光素子である
フォトダイオード４に照射される。ここで、各発光ダイ
オード１からの光に対する反射光量の比が算出され、そ
の値から被検出物３の色が判別されるのである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記した従
来の構成では、被検出物３に対する照射経路ａが２経路
となるため、被検出物３が傾くと、色を正確に判断でき
なくなるという欠点があった。すなわち、被検出物３が
例えば図１０に示すように傾くと、その状態での各発光
ダイオード１からの光の入射角Ｂ１，Ｂ２は、図９に示
した状態での入射角Ａ１，Ａ２とは異なってしまう。こ
のことは、各発光ダイオード１，２からの光が被検出物
３の表面で反射してフォトダイオード４に入射する条件
が変化することを意味するから、各色の反射光量の比が
変化して色の判別に誤差が生じてしまうのである。

【０００５】これに対処するため、特開昭６１ー２６９
５２０号公報に開示されているように、２枚のハーフミ
ラーを用いて各ハーフミラーの反射側に発光ダイオード
を配置し、ハーフミラーの通過側にフォトダイオードを
配置する構成も考えられている。しかし、この場合に
は、光がハーフミラーを通ることにより光量が１／２に
減衰してしまうため、効率が大きく低下してしまうとい
う欠点がある。

【０００６】なお、上述の発光ダイオード１とフォトダ
イオード４との関係を逆にし、光が逆方向に進行する場
合を考えても事情は全く同じであるから、複数の受光素
子を備えた光学装置についても上述と同様な問題点があ
る。すなわち、１個の投光素子から照射された光を被検
出物の表面にて反射させ、これを２個の受光素子にて受
光する構成を考えると、図９及び図１０との比較から明
らかなように、被検出物表面の傾き次第で各経路毎に条
件が異なってしまうのである。本発明は、上記事情に鑑
みてなされたもので、その目的は、複数個の投光素子或
いは受光素子を備えた光学装置において、各素子毎の光
の進行経路をできるだけ共通にし、各素子毎の光学的条
件を共通化することができる光学装置を提供するところ
にあり、また、これを用いて色判別を正確に行うことが
できるカラーセンサを提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の光学装置は、複数個の投光素子と、この投
光素子からの光を所定の集光部に集光する集光部材と、
一端側を集光部に位置させ他端側を光の出射部とした導
光部材とを設けたところに特徴を有する（請求項１の発
明）。また、一端側を光の入射部とし他端側を光の出射
部とした導光部材と、導光部材の他端側に設けられた複
数個の受光素子と、出射部からの光を各受光素子にそれ
ぞれ集光する集光部材とを設けた構成の光学装置として
もよい（請求項２の発明）。本発明のカラーセンサは、
上記請求項１又は請求項２記載の光学装置を用いたとこ
ろに特徴を有する（請求項３の発明）。

【０００８】

【作用】請求項１の発明によれば、各投光素子からの光
は、集光部材によって導光部材の一端側の集光部に集光
され、その光は導光部材を通って他端側の出射部から照
射される。即ち、各投光素子からの光は、同一の照射経
路を通って被照射物に照射されることになる。請求項２
の発明によれば、光は一端側の入射部から入射され、導
光部材を伝搬してその他端側の出射部から照射され、集
光部材を介して各受光素子に照射されるから、光は共通
の入射経路を経て各受光素子に至ることになる。

【０００９】請求項３の発明によれば、各投光素子から
の光は同一の照射経路を通って被照射物に照射され、或
いは、光は共通の入射経路を経て各受光素子に至ること
になる。

【００１０】

【発明の効果】このように請求項１の光学装置によれ
ば、複数個の投光素子を備えながら、各投光素子からの
光は同一の照射経路を経て照射されるから、各投光素子
からの光を同じ条件で照射することができ、さらに、ハ
ーフミラー等の半透過部材を通過しないので、効率よく
照射することができるという効果を奏する。また、請求
項２の光学装置によれば複数個の受光素子を備えなが
ら、光は共通の入射経路を経て各受光素子に至るから、
各受光素子は同一条件で光を受光することができるよう
になる。さらに、請求項３のカラーセンサによれば、色
判別を正確に行うことができるという効果が得られる。

【００１１】

【実施例】

＜第１実施例＞以下、本発明の光学装置をカラーセンサ
の投光装置に適用した第１実施例について図１〜図３を
参照して説明する。本実施例の光学装置が適用されるカ
ラーセンサは、図３に示すように、走行するシート２５
に付されたマーク２３に対して異なる色の光を照射し
て、その各色に対する反射光量の比を求めることにより
色の判別を行うものである。

【００１２】センサ本体２２は、図２に示すように、方
形のケース２６を備え、そのケース２６内には、投光装
置２１及び、図示しない駆動回路や増幅回路、色判別装
置等を備えた基板２７が設けられている。また、ケース
２６の前端部からは、投光用光ファイバーケーブル２８
と受光用光ファイバーケーブル２９が導出されており、
その２つの光ファイバーケーブル２８，２９の先端には
ヘッド３０（図３参照）が設けられている。そして、投
光用光ファイバーケーブル２８の先端部２８ｂ（図１参
照）をマーク２３に向けると共に、マーク２３からの反
射光を受光用光ファイバーケーブル２９に入射しやすい
ように受光用光ファイバーケーブル２９の先端部が保持
されている。

【００１３】投光装置２１は、図１、図２に示すよう
に、導光部材に相当する投光用光ファイバーケーブル２
８の後端部２８ａに連なる集光部材３２と、投光素子で
ある青色の発光ダイオード３３と赤色の発光ダイオード
３４とから構成されている。２つの発光ダイオード３
３，３４は、各照射光軸が先方で交差する状態となるよ
うに並んで設けられると共に、それぞれ頭部を突き合わ
せるようにして集光部材３２に接触している。また、集
光部材３２は、２個の球形レンズ３２ａ，３２ｂを横並
びにして円柱部３２ｃと一体化されており、一方のレン
ズ３２ａは青色の発光ダイオード３３の光を投光用光フ
ァイバーケーブル２８の後端部中心２８ｃに集光し、他
方のレンズ３２ｂは、赤色の発光ダイオード３４の光を
やはり投光用光ファイバーケーブル２８の後端部中心２
８ｃに集光するようになっている。なお、この集光部材
３２は、例えばプラスチックの射出成形により一体成形
されたもので、また、各光ファイバーケーブル２８，２
９はこの実施例ではステップインデックス形のものを使
用している。

【００１４】また、受光用光ファイバーケーブル２９の
後端部側には、受光素子であるフォトダイオード４５が
設けられており、センサ面を受光側ファイバーケーブル
２９の後端部に連ねている。

【００１５】次に、本実施例の作用について述べる。例
えば、青色の発光ダイオード３３が点灯され、その青色
の光は、集光部材３２のレンズ３２ａによって投光用光
ファイバーケーブル２８の後端部中心２８ｃに集光さ
れ、その後、光ファイバーケーブル２８内を伝搬してヘ
ッド３０によって保持されている先端部２８ｂからマー
ク２３に照射される。照射された青色の光は、マーク２
３で反射して受光用光ファイバーケーブル２９の先端部
に入射され、受光用光ファイバーケーブル２９を伝搬し
てフォトダイオード３５のセンサ面に照射される。フォ
トダイオード３５のセンサ面に照射された光は光電変換
され、その信号は増幅回路で増幅されて色判別装置に出
力され、ここでマーク２３に対する青色の光の反射光量
が求められる。

【００１６】続いて、青色の発光ダイオード３３に代え
て、赤色の発光ダイオード３４が点灯され、上記同様
に、赤色の光がレンズ３２ｂによって投光用光ファイバ
ーケーブル２８の後端部中心２８ｃに集光され、その
後、青色の光の場合と同様に投光用光ファイバーケーブ
ル２８の先端部２８ｂからマーク２３に照射さる。そし
て、マーク２３で反射した光は受光用光ファイバーケー
ブル２９を通って、フォトダイオード３５で光電変換さ
れ、色判別装置でマーク２３に対する赤色の反射光量が
求められると共に、上記にて求められた青色の反射光量
との比が算出され、この値からマーク２３の色が判別さ
れる。

【００１７】ここで、マーク２３が斜めに傾いていたと
すると、投光用光ファイバーケーブル２８の先端部２８
ｂからマーク２３に対する照射経路は斜めになるため、
マーク２３によって効率よく反射が行われず、マーク２
３が傾いていない場合に比べ、受光用光ファイバーケー
ブル２９の先端部に入射される反射光量は減少してしま
う。しかし、各発光ダイオード３３，３４からの照射経
路は同一経路であるため、青色と赤色の光は同一条件で
マークに照射され、各光の反射光量は同じように減少
し、結局、各光の反射光量の比は、傾いていない場合と
同じになる。

【００１８】このように本実施例によれば、各発光ダイ
オード３３，３４からの光は、全て投光用光ファイバー
ケーブル２８の先端部２８ｂから照射されるため、マー
ク２３に対する青色の光と赤色の光の照射経路は同一経
路となり、マーク２３に対して同一条件で照射される。
従って、マーク２３が傾いているような場合であって
も、各光に対する反射光量の比を適正に算出することが
でき、正確な色判別を行うことができるという効果を奏
する。さらに、各発光ダイオード３３，３４からの光
は、ハーフミラー等の半透過部材を通過しないので、光
量が途中で減少してしまうことはなく、効率のよい投光
装置２１とすることができる。また、マーク２３の表面
にしわ等があるような場合であっても、各発光ダイオー
ド３３，３４からの光は、同一条件でマークに照射され
るから、その各光に対する反射も同一条件で行われ、各
光に対する反射光量の比を正確に算出することができ
る。

【００１９】さらには、特に本実施例では、２つの集光
部材たるレンズ３２ａ，３２ｂをプラスチックの一体成
型にて製造したから、部品点数が少なくなり、組み立て
が非常に容易であり、また、安値に大量生産ができる。

【００２０】＜第２実施例＞以下、本発明の光学装置を
カラーセンサの受光装置に適用した第２実施例について
図４を参照して説明する。図４に示すように、投光用に
は白色光源４１を１つ備え、その光は、第１実施例同様
に被検出物であるマーク４３に照射される構成となって
いる。また、受光装置４４は、光ファイバーケーブル４
５と、集光部材であるレンズ４６及び受光素子である２
つのフォトダイオード４７等から構成されている。光フ
ァイバーケーブル４５は先端部４５ａをマーク４３に向
けて保持されており、マーク４３からの反射光が入射さ
れる構成となっている。フォトダイオード４７は、光フ
ァイバーケーブル４５の後端部４５ｂ側に２つ所定間隔
を隔てて設けられており、光ファイバーケーブル４５の
後端部４５ｂから出射した光が、レンズ４６を介してそ
れぞれ集光する位置に配置されている。さらに、各レン
ズ４６と、各フォトダイオード４７との間には、それぞ
れ色の異なるフィルタ４８が設けられており、所定の色
のみ通過することができる構成となっている。また、各
フォトダイオード４７からの信号は、図示しない増幅回
路を介して図示しない色判別装置に出力される構成とな
っている。

【００２１】次に、本実施例の作用について述べる。白
色光源４１が点灯されると、その光はマーク４３に照射
される。照射された光は、マーク４３で反射し、光ファ
イバーケーブル４５の先端部４５ａから入射して後端部
４５ｂから出射される。さらに、後端部４５ｂから出射
した光は、各レンズ４６及び各フィルタ４８を介して所
定の色のみフォトダイオード４７によって光電変換さ
れ、増幅回路を介して色判別装置に出力される。色判別
装置では、各フォトダイオード４７からの信号に基づい
て、各フィルタ４８の色に対する反射光量が求められる
と共に、その反射光量の比からマーク４３の色が判別さ
れる。

【００２２】このように本実施例では、各フォトダイオ
ード４７に照射される反射光は、全て、光ファイバーケ
ーブル４５の先端部４５ａから入射されるため、各フォ
トダイオード４７に対する入射経路は同一となる。その
ため、各受光素子に対して同一条件で光が照射されるた
め、マーク４３が斜めに傾き、その傾きによって各フォ
トダイオード４７の受光する反射光量に差が生じても、
その各反射光量の比が変化することはない。従って、本
実施例の光学装置をカラーセンサの受光装置４４に適用
することにより、マーク４３が傾いても、正確に色を判
別することができる。

【００２３】＜他の実施例＞本発明は上記各実施例に限
定されるものではなく、例えば次のように変形して実施
することができ、これらの実施態様も本発明の技術的範
囲に属する。 （１） 上記第１実施例では、青色と赤色の２個の発光
ダイオード３３，３４からの照射経路を一つにするもの
であったが、赤色、青色、緑の３個の発光ダイオードか
らの照射経路を一つにするものでもよく、その場合の構
成を図５に示す。

【００２４】投光用光ファイバーケーブル５１の後端部
５１ａ側には集光部材５２と赤色、青色、緑色の３個の
発光ダイオード５３，５４，５５が設けられており、各
発光ダイオード５３，５４，５５の頭部は集光部材５２
に接している。また、集光部材５２は、３つのレンズ５
２ａ，５２ｂ，５２ｃが連ねられたものであり、各レン
ズ５２ａ，５２ｂ，５２ｃは、各発光ダイオード５３，
５４，５５からの光をそれぞれ導光部材に相当する投光
用光ファイバーケーブル５１の後端部中心５１ｃに集光
するように構成されている。

【００２５】この場合も第１実施例同様、各発光ダイオ
ード５３，５４，５５からの光は、投光用光ファイバー
ケーブル５１を通って先端部５１ｂから照射され、各発
光ダイオードからの照射経路は一つとなる。ちなみに、
シュミレーションによれば、光ファイバー長さがその直
径の８倍程度以上であれば、光ファイバーの出力端にお
いて均一な光の混合が得られることが判明している。シ
ュミレーションによる結果は必ずしも実際の光学系と一
致するとは限らないが、光センサ等に使用される通常の
長さの光ファイバーを使用した実験の結果では、均一な
色の混合が得られたから、実用上、十分な光の混合状態
が得られると思われる。

【００２６】（２） 上記第１実施例では、青色と赤色
の２個の発光ダイオード３３，３４からの照射経路を一
つにするものであったが、４個の発光ダイオードからの
照射経路を一つにするものでもよく、その場合の構成を
図６に示す。投光用光ファイバーケーブル６１の後端部
６１ａには集光部材６２が連ねられており、この集光部
材６２の光ファイバーケーブル６１とは反対側の側面
（図中上面）には、４個のレンズ６２ａが所定半径の円
上に等角度間隔で設けられている。この各レンズ６２ａ
には、発光ダイオード６３が接しており、各発光ダイオ
ード６３からの光が光ファイバーケーブル６１の後端部
中心６１ｃに集光されるようになっている。光ファイバ
ーケーブル６１の後端部中心６１ｃに集光された各発光
ダイオード６３からの光は、光ファイバーケーブル６１
の先端部６１ｂから照射され、各発光ダイオード６３か
らの照射経路は単一化される。

【００２７】（３） 上記第１実施例では、投光用には
青色と赤色の２個の発光ダイオード３３，３４を用いて
色判別を行う構成であったが、より正確に色判別を行う
には、より多くの発光ダイオードを用いることが望まし
く、例えば、７個の発光ダイオードを用いた場合の構成
を図７及び図８に示す。

【００２８】投光用光ファイバーケーブル７１の後端部
７１ａ側には、集光部材７２と色の異なる７個の発光ダ
イオード７３が設けられている。集光部材７２は、周側
部から前面中央部に掛けて裾広がり状に突出した形状を
しており、その前面中央部にはレンズ部７２ａが形成さ
れている。また、レンズ部７２ａの後部には凹部７２ｂ
が形成されており、この凹部７２ｂには１個の発光ダイ
オード７３が収容され、その発光ダイオード７３からの
光はレンズ部７２ａによって導光部材に相当する投光用
光ファイバーケーブル７１の後端部中心７１ｃに集光さ
れようになっている。さらに、裾広がり状に形成された
左右両側部の裾の部分には、レンズ部７２ａを除いて光
反射膜が形成され、もってレンズ部７２ａを中心に点対
称となるようにそれぞれ３つに分割された楕円反射面７
２ｃが計６個形成されている。この各楕円反射面７２ｃ
には、それぞれ発光ダイオード７３が照射方向を後向き
にして配設されており、各発光ダイオード７３からの光
は、それぞれ楕円反射面７２ｃによって反射されて投光
用光ファイバーケーブル７１の後端部中心７１ｃに集光
される。この場合にも、各発光ダイオード７３からの光
は、投光用光ファイバーケーブル７１の先端部７１ｂか
ら照射されるから、各発光ダイオード７３からの光の照
射経路が単一化される。さらに、楕円反射面７２ｃによ
って各発光ダイオード７３からの光を集光するようにし
たので、非常に効率よく集光することができる。

【００２９】また、上述のように複数個の投光素子を設
けることができるようになると、発光ダイオードを使用
して白色性の高い光源を得ることができる。すなわち、
白色光を得るには、赤、青、緑の３原色の光源を同一の
光量となるように準備する必要があるが、現在入手し得
る発光ダイオードでは緑色発光ダイオードの輝度が他の
２色に比べて大幅に低いという問題がある。そこで、図
７及び図８の構成において、青色の発光ダイオードを１
個、赤色の発光ダイオードを１個、緑色の発光ダイオー
ドを５個とし、これを同時に点灯させることにより投光
用光ファイバーケーブル７１の先端部７１ｂから白色光
を照射することができるようになる。

【００３０】（４） 前記各実施例では、集光部材とし
ての複数のレンズを一体成形によって一体的に形成した
が、これに限らず、各発光ダイオードの光を投光用光フ
ァイバーケーブルの後端部中心に集光できるようにレン
ズを別個に配設したものであってもよい。

【００３１】（５） 上記第２実施例の集光部材は、別
個にレンズ４６が配設されたものであったが、２つのレ
ンズを一体に形成したものであってもよい。

【００３２】（６） 本発明は、また光増強用の光学装
置として使用することもできる。例えば、同時に点灯さ
れる同一色の投光素子と、これらからの光を所定の集光
部に集光する集光部材と、一端側を集光部に位置させ他
端側を光の出射部とした導光部材とを備えた構成とする
ことにより、各投光素子を同時に点灯することにより、
高エネルギー密度の光を光ファイバーケーブルの先端部
から照射させることができる。 （７） 本発明は、また異なる色の光を混合する装置と
して使用することができ、例えば、青色の発光ダイオー
ドと赤色の発光ダイオードを備え、これを同時に点灯す
れば、青色と赤色の混ざった光が光ファイバーケーブル
の先端部から照射される。

【００３３】その他、本発明における導光部材はステッ
プインデックス形のファイバーケーブル以外のグレーデ
ッド形のものや、内面が反射体で構成された管状体、或
いは外面が反射体で構成された光透過性を有する管状
体、さらには、光透過性を有する充実棒状体であって外
部の空気層との界面で全反射することを利用したもので
もよい等、本発明は要旨を逸脱しない範囲内で種々変更
して実施することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例を示す平面図である。

【図２】同センサ本体内を示す断面図である。

【図３】同カラーセンサを示す外観図である。

【図４】第２実施例を示す平面図である。

【図５】３個の発光ダイオードを備えた他の実施例を示
す平面図である。

【図６】４個の発光ダイオードを備えた他の実施例を示
す斜視図である。

【図７】７個の発光ダイオードを備えた他の実施例を示
す断面図である。

【図８】同実施例の集光部材を示す正面図である。

【図９】複数の投光素子を備えた投光装置の従来例を示
す概略的側面図である。

【図１０】従来例において被検出物が傾いている場合を
示す概略的側面図である。

【符号の説明】

２８…投光用光ファイバーケーブル（導光部材） ２８ｃ…後端部中心（集光部） ２８ｂ…先端部（出射部） ３２…集光部材 ３３，３４…発光ダイオード（投光素子） ４５…光ファイバーケーブル（導光部材） ４５ａ…先端部（入射部） ４５ｂ…後端部（出射部） ４６…レンズ（集光部材） ４７…受光素子

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｇ０２Ｂ 6/42 Ｈ０１Ｌ 33/00 Ｌ Ｎ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数個の投光素子と、この各投光素子か
   らの光を所定の集光部に集光する集光部材と、一端側を
   前記集光部に位置させ他端側を光の出射部とした導光部
   材とが設けられていることを特徴とする光学装置。
2. 【請求項２】 一端側を光の入射部とし他端側を光の出
   射部とした導光部材と、前記導光部材の他端側に設けら
   れた複数個の受光素子と、前記出射部からの光を前記各
   受光素子にそれぞれ集光する集光部材とが設けられてい
   ることを特徴とする光学装置。
3. 【請求項３】 請求項１又は請求項２記載の光学装置を
   用いたことを特徴とするカラーセンサ。