JPH11257917A - 反射型光式センサ - Google Patents
反射型光式センサInfo
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- JPH11257917A JPH11257917A JP6152098A JP6152098A JPH11257917A JP H11257917 A JPH11257917 A JP H11257917A JP 6152098 A JP6152098 A JP 6152098A JP 6152098 A JP6152098 A JP 6152098A JP H11257917 A JPH11257917 A JP H11257917A
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- light
- lens
- distance
- light receiving
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- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
- Measurement Of Optical Distance (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 拡散反射特性を持つ検出物体の傾きの如何に
かかわらず物体までの距離とその傾き角度を検出するこ
と。 【解決手段】 投光部より円形の形状を有する集束光を
投光し、検出物体４から拡散反射光を受光する。その拡
散反射光をレンズを介して受光する。受光スポットの径
が物体までの距離に応じて一意に変化する領域におい
て、受光スポットの変形状態に基づいて、物体までの距
離と物体の傾き角度とを検出している。
かかわらず物体までの距離とその傾き角度を検出するこ
と。 【解決手段】 投光部より円形の形状を有する集束光を
投光し、検出物体４から拡散反射光を受光する。その拡
散反射光をレンズを介して受光する。受光スポットの径
が物体までの距離に応じて一意に変化する領域におい
て、受光スポットの変形状態に基づいて、物体までの距
離と物体の傾き角度とを検出している。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は非接触で拡散反射光
が含まれる検出物体の傾き角度や検出物体までの距離及
び物体の変位を検出するための反射型光式センサに関す
るものである。
が含まれる検出物体の傾き角度や検出物体までの距離及
び物体の変位を検出するための反射型光式センサに関す
るものである。
【０００２】
【従来の技術】従来距離測定装置としては、三角測距法
による距離測定装置が用いられている。これは図９に示
すように投光素子１０１より投光レンズ１０２を介して
光を物体検知領域に照射し、その拡散反射光を投光ビー
ムから所定角度隔たった角度で投光部と離れて配置され
たレンズ１０３及び位置検出素子１０４によって検知
し、その受光位置に基づいて距離を検出するようにした
ものである。又光ディスクのピックアップ等では、投光
軸と受光軸とを一致させ、投光部より対物レンズを介し
て光を光ディスクに照射し、光ディスクの位置で焦点を
結ぶように対物レンズの位置を変化させ、その移動量に
よって距離を測定するようにした方法も用いられてい
る。更に特開平５−３１０８１６号等では、カメラを用
いて受光スポット径を測定するようにした方法も提案さ
れている。
による距離測定装置が用いられている。これは図９に示
すように投光素子１０１より投光レンズ１０２を介して
光を物体検知領域に照射し、その拡散反射光を投光ビー
ムから所定角度隔たった角度で投光部と離れて配置され
たレンズ１０３及び位置検出素子１０４によって検知
し、その受光位置に基づいて距離を検出するようにした
ものである。又光ディスクのピックアップ等では、投光
軸と受光軸とを一致させ、投光部より対物レンズを介し
て光を光ディスクに照射し、光ディスクの位置で焦点を
結ぶように対物レンズの位置を変化させ、その移動量に
よって距離を測定するようにした方法も用いられてい
る。更に特開平５−３１０８１６号等では、カメラを用
いて受光スポット径を測定するようにした方法も提案さ
れている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら三角測距
法による距離測定装置は、物体から投光軸と傾いた方向
の反射光を位置検出素子等で受光するため、センサの検
出面を小さくすることが難しく、又図９に一点鎖線で示
すように半径の小さい筒内の距離や小さい孔を通しての
距離測定が不可能であるという欠点があった。又検出物
体の端面に光が入射した場合には、その影響を受けて検
出距離の誤動作を生じることがある。このようなエッジ
の影響を除去するために受光手段を複数設ける場合があ
り、この場合には更に距離測定装置の検出面が大きくな
り、使用上問題があるという欠点があった。
法による距離測定装置は、物体から投光軸と傾いた方向
の反射光を位置検出素子等で受光するため、センサの検
出面を小さくすることが難しく、又図９に一点鎖線で示
すように半径の小さい筒内の距離や小さい孔を通しての
距離測定が不可能であるという欠点があった。又検出物
体の端面に光が入射した場合には、その影響を受けて検
出距離の誤動作を生じることがある。このようなエッジ
の影響を除去するために受光手段を複数設ける場合があ
り、この場合には更に距離測定装置の検出面が大きくな
り、使用上問題があるという欠点があった。
【０００４】又光ピックアップ等で用いられる焦点検出
装置は、臨界角法や非点収差法，ナイフエッジ法等が実
用化されている。しかしこのような焦点検出装置はプリ
ズムや収差発生手段，ナイフエッジ等が必要となるた
め、光学部品が多数必要で構成が複雑となり、組立調整
が難しいという欠点があった。又このような焦点検出を
用いた変位センサは焦点付近でしか距離測定ができない
ため、測定範囲が狭いという問題点があった。
装置は、臨界角法や非点収差法，ナイフエッジ法等が実
用化されている。しかしこのような焦点検出装置はプリ
ズムや収差発生手段，ナイフエッジ等が必要となるた
め、光学部品が多数必要で構成が複雑となり、組立調整
が難しいという欠点があった。又このような焦点検出を
用いた変位センサは焦点付近でしか距離測定ができない
ため、測定範囲が狭いという問題点があった。
【０００５】又非接触で物体の角度を検出するためには
複数の距離測定装置を並列に配置し、各測定装置に得ら
れる距離の相対値や角度を検出することが考えられる
が、測定装置全体が大きくなり構造が複雑になるという
欠点があった。
複数の距離測定装置を並列に配置し、各測定装置に得ら
れる距離の相対値や角度を検出することが考えられる
が、測定装置全体が大きくなり構造が複雑になるという
欠点があった。
【０００６】本発明はこのような従来の問題点に着目し
てなされたものであって、拡散反射する物体に対して集
束光を投光し、その反射光のスポットの変化に基づいて
物体までの距離と角度とを検出することを目的とする。
てなされたものであって、拡散反射する物体に対して集
束光を投光し、その反射光のスポットの変化に基づいて
物体までの距離と角度とを検出することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本願の請求項１の発明
は、投光手段と、前記投光手段より出射された光を検知
領域に集束すると共に、検知領域にある検出物体からの
反射光を投光軸と同軸に集光するレンズと、前記レンズ
を介して集光された物体からの反射光を受光する２次元
の受光素子を有する受光手段と、前記受光手段の各画素
に得られる受光レベルに基づいて受光パターンを検出す
ると共に、投光軸に対する検出物体の傾きによって変化
する受光パターンの中心の位置ずれ量により検出物体と
投光軸のなす角度を検出する演算処理手段と、を有し、
前記投光手段から前記レンズまでの距離をＬa 、前記レ
ンズから出射光の検知領域の集束点までの距離をＬb 、
前記レンズから受光手段までの距離をＬd 、前記レンズ
の焦点距離をｆとすると、０＜Ｌd ≦（ｆ＋Ｌa ）／２
となるように各光学部品を配置することを特徴とするも
のである。
は、投光手段と、前記投光手段より出射された光を検知
領域に集束すると共に、検知領域にある検出物体からの
反射光を投光軸と同軸に集光するレンズと、前記レンズ
を介して集光された物体からの反射光を受光する２次元
の受光素子を有する受光手段と、前記受光手段の各画素
に得られる受光レベルに基づいて受光パターンを検出す
ると共に、投光軸に対する検出物体の傾きによって変化
する受光パターンの中心の位置ずれ量により検出物体と
投光軸のなす角度を検出する演算処理手段と、を有し、
前記投光手段から前記レンズまでの距離をＬa 、前記レ
ンズから出射光の検知領域の集束点までの距離をＬb 、
前記レンズから受光手段までの距離をＬd 、前記レンズ
の焦点距離をｆとすると、０＜Ｌd ≦（ｆ＋Ｌa ）／２
となるように各光学部品を配置することを特徴とするも
のである。
【０００８】本願の請求項２の発明は、投光手段と、前
記投光手段より出射された光を検知領域に集束すると共
に、検知領域にある検出物体からの反射光を投光軸と同
軸に集光するレンズと、前記レンズを介して集光された
物体からの反射光を受光する２次元の受光素子を有する
受光手段と、前記受光手段の各画素に得られる受光レベ
ルに基づいて受光パターンを検出すると共に、投光軸に
対する検出物体の傾きによって変化する受光パターンの
中心の位置ずれ量と受光スポット径により検出物体と投
光軸のなす角度及び投光軸上の距離を検出する演算処理
手段と、を有し、前記投光手段から前記レンズまでの距
離をＬa 、前記レンズから出射光の検知領域の集束点ま
での距離をＬb 、前記レンズから受光手段までの距離を
Ｌd 、前記レンズの焦点距離をｆとすると、０＜Ｌd ≦
（ｆ＋Ｌa ）／２となるように各光学部品を配置するこ
とを特徴とするものである。
記投光手段より出射された光を検知領域に集束すると共
に、検知領域にある検出物体からの反射光を投光軸と同
軸に集光するレンズと、前記レンズを介して集光された
物体からの反射光を受光する２次元の受光素子を有する
受光手段と、前記受光手段の各画素に得られる受光レベ
ルに基づいて受光パターンを検出すると共に、投光軸に
対する検出物体の傾きによって変化する受光パターンの
中心の位置ずれ量と受光スポット径により検出物体と投
光軸のなす角度及び投光軸上の距離を検出する演算処理
手段と、を有し、前記投光手段から前記レンズまでの距
離をＬa 、前記レンズから出射光の検知領域の集束点ま
での距離をＬb 、前記レンズから受光手段までの距離を
Ｌd 、前記レンズの焦点距離をｆとすると、０＜Ｌd ≦
（ｆ＋Ｌa ）／２となるように各光学部品を配置するこ
とを特徴とするものである。
【０００９】本願の請求項３の発明は、請求項２の反射
型光式センサにおいて、前記演算処理手段は、検出物体
までの距離として得られた距離の変化分と検出物体の傾
き角度に基づいて、検出物体の検出面からの法線方向へ
の変位を得る物体変位検出手段を更に有することを特徴
とするものである。
型光式センサにおいて、前記演算処理手段は、検出物体
までの距離として得られた距離の変化分と検出物体の傾
き角度に基づいて、検出物体の検出面からの法線方向へ
の変位を得る物体変位検出手段を更に有することを特徴
とするものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】図１は本発明による反射型光式セ
ンサの光学系の主要部を示す図である。本図に示すよう
に光源１が配置される投光面からの光はハーフミラー
２，レンズ３を介して物体検知領域に集束される。そし
てレンズ３から検出物体４までの距離をＬ、検出物体４
を拡散反射物体とすると、検出物体４からの拡散反射光
がレンズ３によって集光される。そしてその反射光の一
部がハーフミラー２によって反射され、受光部５に入射
する。検出物体４から正反射光が含まれる場合は、あら
かじめ特定方向の偏光成分の光を出射し、正反射光を偏
光フィルタで遮光して拡散反射光のみを集光する。従っ
て受光部５は投光軸と同一の受光軸を中心とする反射光
を受光することとなる。ここで Ｌa ：光源１の投光面とレンズ３との距離 Ｌb ：レンズ３からレンズ３を透過した光が集束する点
までの距離 Ｌc ：レンズ３と受光部５の集光面の距離 Ｌd ：レンズ３と受光面間の距離 Ｌ：レンズ３と検出物体間の距離 ｆ：レンズ３の焦点距離 ｄ：レンズ径 Ｄa ：投光素子の発光径 Ｄo ：物体面でのスポット径 Ｄb ：物体側の集光面でのスポット径 Ｄc ：受光側の集光面でのスポット径 Ｄ：受光面でのスポット径 とすると、レンズの公式より次式が成り立つ。
ンサの光学系の主要部を示す図である。本図に示すよう
に光源１が配置される投光面からの光はハーフミラー
２，レンズ３を介して物体検知領域に集束される。そし
てレンズ３から検出物体４までの距離をＬ、検出物体４
を拡散反射物体とすると、検出物体４からの拡散反射光
がレンズ３によって集光される。そしてその反射光の一
部がハーフミラー２によって反射され、受光部５に入射
する。検出物体４から正反射光が含まれる場合は、あら
かじめ特定方向の偏光成分の光を出射し、正反射光を偏
光フィルタで遮光して拡散反射光のみを集光する。従っ
て受光部５は投光軸と同一の受光軸を中心とする反射光
を受光することとなる。ここで Ｌa ：光源１の投光面とレンズ３との距離 Ｌb ：レンズ３からレンズ３を透過した光が集束する点
までの距離 Ｌc ：レンズ３と受光部５の集光面の距離 Ｌd ：レンズ３と受光面間の距離 Ｌ：レンズ３と検出物体間の距離 ｆ：レンズ３の焦点距離 ｄ：レンズ径 Ｄa ：投光素子の発光径 Ｄo ：物体面でのスポット径 Ｄb ：物体側の集光面でのスポット径 Ｄc ：受光側の集光面でのスポット径 Ｄ：受光面でのスポット径 とすると、レンズの公式より次式が成り立つ。
【数１】 又投光面でのスポット径はレンズ倍率の式より次式が成
り立つ。
り立つ。
【数２】 物体面でのスポット径Ｄo は次式で求められる。
【数３】
【００１１】さて検出物体４を拡散反射物体と考えてい
るため、検出物体４に照射した光は光源と考えることが
でき、この仮想の光源とレンズ３との距離Ｌ、及びレン
ズ３から受光側の集光面までの距離Ｌc の間は、レンズ
の公式により次式が成り立つ。
るため、検出物体４に照射した光は光源と考えることが
でき、この仮想の光源とレンズ３との距離Ｌ、及びレン
ズ３から受光側の集光面までの距離Ｌc の間は、レンズ
の公式により次式が成り立つ。
【数４】 又集光面でのスポット径Ｄc は次式で求められる。
【数５】
【００１２】従ってレンズ３の背後のＬd の位置に受光
部５の受光面を配置したときに、受光素子に得られる受
光面でのスポット径Ｄは次式で求められる。
部５の受光面を配置したときに、受光素子に得られる受
光面でのスポット径Ｄは次式で求められる。
【数６】
【００１３】ここでＬd ≦Ｌc ならば、検出面までの距
離Ｌが投光集束点までの距離Ｌb よりも大きい（Ｌ≧Ｌ
b ）ときに受光スポットサイズＤは一定となる。以下に
この関係が成り立つことを説明する。
離Ｌが投光集束点までの距離Ｌb よりも大きい（Ｌ≧Ｌ
b ）ときに受光スポットサイズＤは一定となる。以下に
この関係が成り立つことを説明する。
【００１４】Ｌ≧Ｌb においてこの現象が生じるため、
スポットサイズＤo としては前述した式（３−２）を用
いる。Ｌd ≦Ｌc について検討するため、前述した式
（６−３）を用いる。ここで式（６−３）を変形し、
（３−２）を代入して受光面でのスポット径Ｄを示す
と、次式（７）が得られる。
スポットサイズＤo としては前述した式（３−２）を用
いる。Ｌd ≦Ｌc について検討するため、前述した式
（６−３）を用いる。ここで式（６−３）を変形し、
（３−２）を代入して受光面でのスポット径Ｄを示す
と、次式（７）が得られる。
【数７】 以上よりＬd ≦Ｌc ならばＬ≧Ｌb においてｄＤ／ｄＬ
＝０となり、受光スポット径Ｄは一定となる。
＝０となり、受光スポット径Ｄは一定となる。
【００１５】図２（ａ）〜（ｄ）は距離Ｌの変化と受光
スポット径の関係を示しており、図を明確にするため、
本図では投光側の光のラインを簡略化しハーフミラー２
を除いている。
スポット径の関係を示しており、図を明確にするため、
本図では投光側の光のラインを簡略化しハーフミラー２
を除いている。
【００１６】次にＬd ＝Ｌa 及びＬa ＞Ｌd ，Ｌa ＜Ｌ
d の場合を夫々曲線Ａ，Ｂ，Ｃとして、距離に対する受
光スポット径の関係を図３に示す。このように曲線Ｂ，
ＣではＬd ≧Ｌc となる一定範囲で受光スポット径Ｄが
一定となる範囲がある。そして曲線Ｂ，Ｃでは受光スポ
ット径Ｄが一定の範囲を越えて物体が遠ざかってもその
受光スポット径の拡大するレベルは小さいものとなって
いる。従って例えば曲線Ｂにおいては距離Ｌ＝Ｌb にお
ける総受光量がＬ＝Ｌd ・ｆ／（Ｌd −ｆ）の総受光量
よりも大きければ、Ｌ＝Ｌb のときの受光量以下の場合
は物体はＬb より遠方にあると判断することができる。
検出物体の反射率は物体によって異なっているが、拡散
反射物体の反射率は通常黒い物体の反射率５％から白い
物体の反射率９０％の範囲内とされている。従ってＬ＝
Ｌd において黒い拡散反射物体が存在したとき受光パワ
ーが、このスポット径より受光スポット径より大きくな
る距離Ｌx ＝Ｌd ・ｆ／（Ｌd −ｆ）に白い物体がある
場合の受光パワーより大きければ、Ｌ＝Ｌb の受光量以
下の物体はＬb より遠方にあると判断することができ
る。従ってＬ＝Ｌb において反射率５％の黒色物体を想
定し、Ｌ＝Ｌx において反射率９０％の黒色物体を想定
し、Ｌ＝Ｌb での受光量の方がＬx の最高受光量より大
きくなる範囲のＬd を求める。受光量は一般に距離の二
乗に反比例すると考えられるため、以上の条件から次式
が境界条件として成り立つ。
d の場合を夫々曲線Ａ，Ｂ，Ｃとして、距離に対する受
光スポット径の関係を図３に示す。このように曲線Ｂ，
ＣではＬd ≧Ｌc となる一定範囲で受光スポット径Ｄが
一定となる範囲がある。そして曲線Ｂ，Ｃでは受光スポ
ット径Ｄが一定の範囲を越えて物体が遠ざかってもその
受光スポット径の拡大するレベルは小さいものとなって
いる。従って例えば曲線Ｂにおいては距離Ｌ＝Ｌb にお
ける総受光量がＬ＝Ｌd ・ｆ／（Ｌd −ｆ）の総受光量
よりも大きければ、Ｌ＝Ｌb のときの受光量以下の場合
は物体はＬb より遠方にあると判断することができる。
検出物体の反射率は物体によって異なっているが、拡散
反射物体の反射率は通常黒い物体の反射率５％から白い
物体の反射率９０％の範囲内とされている。従ってＬ＝
Ｌd において黒い拡散反射物体が存在したとき受光パワ
ーが、このスポット径より受光スポット径より大きくな
る距離Ｌx ＝Ｌd ・ｆ／（Ｌd −ｆ）に白い物体がある
場合の受光パワーより大きければ、Ｌ＝Ｌb の受光量以
下の物体はＬb より遠方にあると判断することができ
る。従ってＬ＝Ｌb において反射率５％の黒色物体を想
定し、Ｌ＝Ｌx において反射率９０％の黒色物体を想定
し、Ｌ＝Ｌb での受光量の方がＬx の最高受光量より大
きくなる範囲のＬd を求める。受光量は一般に距離の二
乗に反比例すると考えられるため、以上の条件から次式
が境界条件として成り立つ。
【数８】
【００１７】さて検出物体がＬb の位置にあるとき、受
光集束面Ｌc はＬa に等しくなるため、式（９）が成り
立つ。
光集束面Ｌc はＬa に等しくなるため、式（９）が成り
立つ。
【数９】 これに対して検出物体がＬx の位置にあるときの受光の
集束面Ｌcxは次式（１０）で示される。
集束面Ｌcxは次式（１０）で示される。
【数１０】 従って式（１１）の範囲内にあれば実用上問題がない。
【数１１】 又余裕分を確保したとして、次式（１２）の範囲内であ
れば誤動作を生じることがない。
れば誤動作を生じることがない。
【数１２】
【００１８】そして受光面に得られる検出物体の反射光
のスポット径Ｄは、式（１２）の条件を満たしたときに
距離Ｌb までは受光面のスポット径は徐々に小さくな
る。この一例を図４に示す。本図において検出物体が拡
散物体である場合の受光面でのスポットの直径を示して
いる。この図は以下の条件でのシミュレーション結果で
ある。 Ｄa ：ＬＥＤ発光径（０．１５ｍｍ） Ｌa ：ＬＥＤレンズ間距離（１５ｍｍ） Ｌb ：レンズ３とレンズ３を透過した光が集束する点ま
での距離（１０ｍｍ） Ｌd ：レンズ３と受光面間の距離（１３．５ｍｍ） ｆ：レンズ３の焦点距離（１３．０４ｍｍ） ｄ：レンズ径（８ｍｍ） Ｄb ：集光面でのスポット径（１ｍｍ） Ｄ：受光面でのスポット径 本発明はこのように拡散面を有する検出物体４の受光ス
ポットの直径が、Ｌ≦Ｌb では距離に応じて一義的に決
定されることから、物体の距離を判別するものである。
のスポット径Ｄは、式（１２）の条件を満たしたときに
距離Ｌb までは受光面のスポット径は徐々に小さくな
る。この一例を図４に示す。本図において検出物体が拡
散物体である場合の受光面でのスポットの直径を示して
いる。この図は以下の条件でのシミュレーション結果で
ある。 Ｄa ：ＬＥＤ発光径（０．１５ｍｍ） Ｌa ：ＬＥＤレンズ間距離（１５ｍｍ） Ｌb ：レンズ３とレンズ３を透過した光が集束する点ま
での距離（１０ｍｍ） Ｌd ：レンズ３と受光面間の距離（１３．５ｍｍ） ｆ：レンズ３の焦点距離（１３．０４ｍｍ） ｄ：レンズ径（８ｍｍ） Ｄb ：集光面でのスポット径（１ｍｍ） Ｄ：受光面でのスポット径 本発明はこのように拡散面を有する検出物体４の受光ス
ポットの直径が、Ｌ≦Ｌb では距離に応じて一義的に決
定されることから、物体の距離を判別するものである。
【００１９】次に本発明の実施の形態について説明す
る。光学系の基本的な構成については前述した発明の原
理図と同様である。この実施の形態においては図５に示
すように投受光軸をｘ軸、紙面上でこれと垂直な軸をｙ
軸、紙面に垂直な軸をｚ軸とする。ここで拡散反射する
検出物体４が投光軸と垂直な状態（ｙｚ平面上にある状
態）からｚ軸に沿って角度θだけ傾いて、紙面に垂直な
状態となっている場合での受光スポット径について検討
する。検出物体４がこのように角度θだけ傾いている場
合には、光が照射されている範囲内で最もレンズ３に近
い位置から光軸と検出物体４が交差する点までの距離を
ｘ1 、光が照射されている範囲内でレンズ３より最も遠
い点から光軸と検出物体４が交差する点までの距離をｘ
2 とする。そして検出物体４が図示のＬ1 （＝Ｌ−
ｘ1 ）にある位置で光軸に垂直である場合の物体に照射
されるスポット径をＤ01、検出物体がＬにある位置で光
軸に垂直である場合の物体に照射されるスポット径をＤ
0 、検出物体がＬ2 （＝Ｌ＋ｘ2）にある位置で光軸に
垂直である場合の物体に照射されるスポット径をＤ02と
する。この場合にはＤ0 ，Ｄ01，Ｄ02と距離Ｌ，Ｌ1 ，
Ｌ2 の間には以下の式（１３）が成り立つ。
る。光学系の基本的な構成については前述した発明の原
理図と同様である。この実施の形態においては図５に示
すように投受光軸をｘ軸、紙面上でこれと垂直な軸をｙ
軸、紙面に垂直な軸をｚ軸とする。ここで拡散反射する
検出物体４が投光軸と垂直な状態（ｙｚ平面上にある状
態）からｚ軸に沿って角度θだけ傾いて、紙面に垂直な
状態となっている場合での受光スポット径について検討
する。検出物体４がこのように角度θだけ傾いている場
合には、光が照射されている範囲内で最もレンズ３に近
い位置から光軸と検出物体４が交差する点までの距離を
ｘ1 、光が照射されている範囲内でレンズ３より最も遠
い点から光軸と検出物体４が交差する点までの距離をｘ
2 とする。そして検出物体４が図示のＬ1 （＝Ｌ−
ｘ1 ）にある位置で光軸に垂直である場合の物体に照射
されるスポット径をＤ01、検出物体がＬにある位置で光
軸に垂直である場合の物体に照射されるスポット径をＤ
0 、検出物体がＬ2 （＝Ｌ＋ｘ2）にある位置で光軸に
垂直である場合の物体に照射されるスポット径をＤ02と
する。この場合にはＤ0 ，Ｄ01，Ｄ02と距離Ｌ，Ｌ1 ，
Ｌ2 の間には以下の式（１３）が成り立つ。
【数１３】 又傾き角θとｘ1 ，ｘ2 、Ｄ01，Ｄ02の間には次式が成
り立つ。
り立つ。
【数１４】 従ってｘ1 ，ｘ2 は次式で表される。
【数１５】 一方式（３−１），（４），（５）（６−２）より受光
スポット径Ｄとレンズ３から検出物体までの距離Ｌとの
関係は次式で示される。
スポット径Ｄとレンズ３から検出物体までの距離Ｌとの
関係は次式で示される。
【数１６】 Ｌ以外の値は全て光学系によって決まる値であるので、
ＤとＬとはほぼ反比例の関係にある。従って物体が図５
のように傾いたときは検出物体が位置Ｌに垂直であった
場合に対する仮想位置Ｌ1 ，Ｌ2 に垂直であった場合の
受光スポット径の変化量ΔＤ1 ，ΔＤ2 は次式で示され
る。
ＤとＬとはほぼ反比例の関係にある。従って物体が図５
のように傾いたときは検出物体が位置Ｌに垂直であった
場合に対する仮想位置Ｌ1 ，Ｌ2 に垂直であった場合の
受光スポット径の変化量ΔＤ1 ，ΔＤ2 は次式で示され
る。
【数１７】 従って受光スポット径の検出物体が傾いていないときの
中心位置からの位置ずれ量ΔＤは次式で与えられる。
中心位置からの位置ずれ量ΔＤは次式で与えられる。
【数１８】
【００２０】従って検出物体４が図５に示すように傾い
たときには受光側の集光面には図６（ａ），（ｂ）に示
すような受光スポット径が得られる。図６（ａ）におい
て破線で示すφＤは物体５が光軸と垂直な状態での円形
の受光スポットであり、破線φ（Ｄ＋ΔＤ1 ）はＬ1 の
位置での光軸と垂直な物体の受光スポット径、内側のφ
（Ｄ−ΔＤ2 ）は物体がＬ2 の位置での光軸と垂直な物
体の受光スポット径であり、θだけ傾いているときには
図示のように実線で示す受光スポットが得られる。従っ
て式（１６）のような反比例の関係にある距離において
は、このような受光スポット径Ｄと位置ずれ量ΔＤとに
基づいて、物体までの距離Ｌと傾き角θとを検出するこ
とができる。
たときには受光側の集光面には図６（ａ），（ｂ）に示
すような受光スポット径が得られる。図６（ａ）におい
て破線で示すφＤは物体５が光軸と垂直な状態での円形
の受光スポットであり、破線φ（Ｄ＋ΔＤ1 ）はＬ1 の
位置での光軸と垂直な物体の受光スポット径、内側のφ
（Ｄ−ΔＤ2 ）は物体がＬ2 の位置での光軸と垂直な物
体の受光スポット径であり、θだけ傾いているときには
図示のように実線で示す受光スポットが得られる。従っ
て式（１６）のような反比例の関係にある距離において
は、このような受光スポット径Ｄと位置ずれ量ΔＤとに
基づいて、物体までの距離Ｌと傾き角θとを検出するこ
とができる。
【００２１】図７はこの実施の形態による反射型光式セ
ンサの構成を示すブロック図である。本図に示すように
投光素子１０は光源であり、図１に示すようにレンズ３
に対して距離Ｌａの光軸位置に配置されている。投光回
路１１は投光素子１０を駆動する回路であり、その発光
周期は発振回路１２からの投光パルスによって制御され
る。発振回路１２の投光パルスは又ＣＣＤドライバ１３
に与えられている。受光部５の受光位置には２次元受光
素子、例えばＣＣＤ１４が配置されており、物体からの
反射光を受光する。ＣＣＤドライバ１３はこのＣＣＤ１
４を駆動するものであり、ＣＣＤ１４からの出力は演算
処理部１５に与えられる。演算処理部１５はＣＰＵとメ
モリによって構成されており、ＣＣＤから入力された検
出データに基づいて物体までの距離や角度を算出し、そ
の結果を出力するものである。
ンサの構成を示すブロック図である。本図に示すように
投光素子１０は光源であり、図１に示すようにレンズ３
に対して距離Ｌａの光軸位置に配置されている。投光回
路１１は投光素子１０を駆動する回路であり、その発光
周期は発振回路１２からの投光パルスによって制御され
る。発振回路１２の投光パルスは又ＣＣＤドライバ１３
に与えられている。受光部５の受光位置には２次元受光
素子、例えばＣＣＤ１４が配置されており、物体からの
反射光を受光する。ＣＣＤドライバ１３はこのＣＣＤ１
４を駆動するものであり、ＣＣＤ１４からの出力は演算
処理部１５に与えられる。演算処理部１５はＣＰＵとメ
モリによって構成されており、ＣＣＤから入力された検
出データに基づいて物体までの距離や角度を算出し、そ
の結果を出力するものである。
【００２２】演算処理部１５は図７に機能ブロック図を
示すように、まずＣＣＤ１４の出力が最大受光量算出手
段１６に与えられる。最大受光量算出手段１６はＣＣＤ
１４の各画素のうち最大の受光量の画素を検出するもの
であり、その出力は受光スポット検出手段１７に与えら
れる。受光スポット検出手段１７は、最大受光量からそ
の所定の比率を乗じた値を閾値として各画素の受光レベ
ルを弁別し二値化することによって、受光スポットの形
状を検出するものである。図６（ａ），（ｂ）はこうし
て検出される受光スポットの一例を示している。受光ス
ポット検出手段１７の出力は中心位置ずれ算出手段１８
に与えられる。中心位置ずれ算出手段１８は図６（ｂ）
に示すように物体が光軸に垂直状態から傾いている状態
に変化したときの受光スポットの中心位置の位置ずれ量
ΔＤを算出するものである。又長軸方向算出手段１９は
受光スポットの形状又はその中心位置のずれ量の方向か
ら長軸の方向を算出するものであり、長軸垂直方向算出
手段２０はこれと垂直な方向を算出するものである。こ
のとき長軸方向と長軸に垂直な方向とは例えば図６
（ｂ）のＡ１，Ａ２に示す方向として算出される。この
長軸に垂直な方向Ａ２の中心位置を通る線と受光スポッ
ト径から、受光スポット径算出手段２１により受光スポ
ット径Ｄを算出する。そして受光スポット径Ｄに基づい
て距離Ｌが一義的に定まることから距離算出手段２２に
よって物体までの距離を算出する。この距離の算出には
あらかじめスポット径Ｄに応じて一律に定まる距離Ｌの
データをテーブルに記憶しておき、これを読出すように
すれば高速で処理が行われる。又中心の位置ずれΔＤか
ら式（１５），（１７）により角度θが算出されること
から、角度算出手段２３により検出物体４の傾き角度θ
を算出する。θの算出もあらかじめΔＤに対応するθの
データをテーブルに保持しておき、これを読出すように
すれば高速で算出処理が行われる。こうして算出された
距離及び傾き角度θは出力部２４，２５より出力され
る。
示すように、まずＣＣＤ１４の出力が最大受光量算出手
段１６に与えられる。最大受光量算出手段１６はＣＣＤ
１４の各画素のうち最大の受光量の画素を検出するもの
であり、その出力は受光スポット検出手段１７に与えら
れる。受光スポット検出手段１７は、最大受光量からそ
の所定の比率を乗じた値を閾値として各画素の受光レベ
ルを弁別し二値化することによって、受光スポットの形
状を検出するものである。図６（ａ），（ｂ）はこうし
て検出される受光スポットの一例を示している。受光ス
ポット検出手段１７の出力は中心位置ずれ算出手段１８
に与えられる。中心位置ずれ算出手段１８は図６（ｂ）
に示すように物体が光軸に垂直状態から傾いている状態
に変化したときの受光スポットの中心位置の位置ずれ量
ΔＤを算出するものである。又長軸方向算出手段１９は
受光スポットの形状又はその中心位置のずれ量の方向か
ら長軸の方向を算出するものであり、長軸垂直方向算出
手段２０はこれと垂直な方向を算出するものである。こ
のとき長軸方向と長軸に垂直な方向とは例えば図６
（ｂ）のＡ１，Ａ２に示す方向として算出される。この
長軸に垂直な方向Ａ２の中心位置を通る線と受光スポッ
ト径から、受光スポット径算出手段２１により受光スポ
ット径Ｄを算出する。そして受光スポット径Ｄに基づい
て距離Ｌが一義的に定まることから距離算出手段２２に
よって物体までの距離を算出する。この距離の算出には
あらかじめスポット径Ｄに応じて一律に定まる距離Ｌの
データをテーブルに記憶しておき、これを読出すように
すれば高速で処理が行われる。又中心の位置ずれΔＤか
ら式（１５），（１７）により角度θが算出されること
から、角度算出手段２３により検出物体４の傾き角度θ
を算出する。θの算出もあらかじめΔＤに対応するθの
データをテーブルに保持しておき、これを読出すように
すれば高速で算出処理が行われる。こうして算出された
距離及び傾き角度θは出力部２４，２５より出力され
る。
【００２３】そして図８に示すように検出物体面がその
面に垂直な法線方向に沿ってのみ変位する場合には、こ
の反射型光式センサ３０を検出物体４に対して斜めに投
光し、その拡散反射光を受光するように配置する。こう
すれば距離算出手段２２，角度算出手段２３で算出した
距離の変化分である変位ΔＬと傾き角θとから、実際の
物体の変位ＬR をＬR ＝ΔＬcos θとして算出すること
ができる。この物体の変位ＬR を算出する場合には、図
６に示すように距離算出手段２２と角度算出手段２３か
らの距離Ｌ，角度θを夫々物体変位算出手段２６に出力
する。物体変位算出手段２６は物体の変位ＬR をΔＬ・
ｃｏｓθによって算出し、その出力を出力部２７に与え
る。こうして算出されたそのときの距離Ｌ，角度θ及び
変位ＬRを夫々出力部２４，２５，２７より出力する。
面に垂直な法線方向に沿ってのみ変位する場合には、こ
の反射型光式センサ３０を検出物体４に対して斜めに投
光し、その拡散反射光を受光するように配置する。こう
すれば距離算出手段２２，角度算出手段２３で算出した
距離の変化分である変位ΔＬと傾き角θとから、実際の
物体の変位ＬR をＬR ＝ΔＬcos θとして算出すること
ができる。この物体の変位ＬR を算出する場合には、図
６に示すように距離算出手段２２と角度算出手段２３か
らの距離Ｌ，角度θを夫々物体変位算出手段２６に出力
する。物体変位算出手段２６は物体の変位ＬR をΔＬ・
ｃｏｓθによって算出し、その出力を出力部２７に与え
る。こうして算出されたそのときの距離Ｌ，角度θ及び
変位ＬRを夫々出力部２４，２５，２７より出力する。
【００２４】尚最大受光量算出手段１６から変位量算出
手段２４までをマイクロコンピュータによって処理する
場合には、ＣＣＤ１４の信号をＡ／Ｄ変換し、一旦フレ
ームメモリに保持して演算処理を行うようにすることが
できる。このようにすれば物体までの距離と物体の角度
とを同時に算出することができる。又物体がその面に垂
直方向にのみ変位する場合には、反射型光式センサを物
体の変位に垂直な方向から傾けて斜め方向より光を照射
し、検出した変位から物体の真の変位を検出することも
できる。
手段２４までをマイクロコンピュータによって処理する
場合には、ＣＣＤ１４の信号をＡ／Ｄ変換し、一旦フレ
ームメモリに保持して演算処理を行うようにすることが
できる。このようにすれば物体までの距離と物体の角度
とを同時に算出することができる。又物体がその面に垂
直方向にのみ変位する場合には、反射型光式センサを物
体の変位に垂直な方向から傾けて斜め方向より光を照射
し、検出した変位から物体の真の変位を検出することも
できる。
【００２５】尚角度の分解能を向上させる場合には、受
光スポット径が大きくなるように使用するレンズ３の開
口を大きくしたり、レンズと受光面との距離を大きくす
るようにすれば角度分解能を向上させることができる。
光スポット径が大きくなるように使用するレンズ３の開
口を大きくしたり、レンズと受光面との距離を大きくす
るようにすれば角度分解能を向上させることができる。
【００２６】
【発明の効果】以上詳細に説明したように本発明によれ
ば、非接触で又検出物体が傾いていても正確な物体まで
の距離を測定することができる。更に比較的簡単な構成
で検出部分が小さい場合も物体の傾きを検出することが
できる。更に検出物体の上方に障害物がある場合にも斜
め方向から光を照射することによって検出できるため、
従来では不可能であった変位検出が可能となる。又検出
部を設置する際、物体に対する傾き角を考慮する必要が
ないため、取付けを容易に行うことができるという効果
が得られる。
ば、非接触で又検出物体が傾いていても正確な物体まで
の距離を測定することができる。更に比較的簡単な構成
で検出部分が小さい場合も物体の傾きを検出することが
できる。更に検出物体の上方に障害物がある場合にも斜
め方向から光を照射することによって検出できるため、
従来では不可能であった変位検出が可能となる。又検出
部を設置する際、物体に対する傾き角を考慮する必要が
ないため、取付けを容易に行うことができるという効果
が得られる。
【図１】本発明のセンサ装置及び距離測定装置の光学系
の基本構成を示す図である。
の基本構成を示す図である。
【図２】この光学系による検出物体までの距離と受光ス
ポット径の関係を示す図である。
ポット径の関係を示す図である。
【図３】この光学系の検出物体までの距離に対する受光
スポット径の変化を示すグラフである。
スポット径の変化を示すグラフである。
【図４】検出物体までの距離に対する受光スポット径の
変化を示すシュミレーション結果を示すグラフである。
変化を示すシュミレーション結果を示すグラフである。
【図５】検出物体が傾いているときの検出物体までの距
離と仮想受光スポット径との関係を示す図である。
離と仮想受光スポット径との関係を示す図である。
【図６】検出物体が傾いている場合の受光素子に得られ
る受光パターンの変化を示す図である。
る受光パターンの変化を示す図である。
【図７】本発明の実施の形態による反射型光式センサの
構成を示すブロック図である。
構成を示すブロック図である。
【図８】この実施の形態による反射型光式センサを物体
に対して取付け、検出物体の法線方向への移動を検出す
るようにした反射型光式センサとその配置を示す図であ
る。
に対して取付け、検出物体の法線方向への移動を検出す
るようにした反射型光式センサとその配置を示す図であ
る。
【図９】従来の三角測距型距離測定装置の概略図であ
る。
る。
１ 光源 ２ ハーフミラー ３ レンズ ４ 検出物体 ５ 受光部 １０ 投光素子 １１ 投光回路 １２ 発振回路 １３ ＣＣＤドライバ １４ ＣＣＤ １５ 演算処理手段 １６ 最大受光量算出手段 １７ 受光スポット検出部 １８ 中心位置ずれ算出手段 １９ 長軸方向算出手段 ２０ 長軸垂直方向算出手段 ２１ スポット径算出手段 ２２ 距離算出手段 ２３ 角度算出手段 ２４，２５，２７ 出力部 ２６ 物体変位算出手段
Claims (3)
- 【請求項１】 投光手段と、 前記投光手段より出射された光を検知領域に集束すると
共に、検知領域にある検出物体からの反射光を投光軸と
同軸に集光するレンズと、 前記レンズを介して集光された物体からの反射光を受光
する２次元の受光素子を有する受光手段と、 前記受光手段の各画素に得られる受光レベルに基づいて
受光パターンを検出すると共に、投光軸に対する検出物
体の傾きによって変化する受光パターンの中心の位置ず
れ量により検出物体と投光軸のなす角度を検出する演算
処理手段と、を有し、 前記投光手段から前記レンズまでの距離をＬa 、前記レ
ンズから出射光の検知領域の集束点までの距離をＬb 、
前記レンズから受光手段までの距離をＬd 、前記レンズ
の焦点距離をｆとすると、 ０＜Ｌd ≦（ｆ＋Ｌa ）／２となるように各光学部品を
配置することを特徴とする反射型光式センサ。 - 【請求項２】 投光手段と、 前記投光手段より出射された光を検知領域に集束すると
共に、検知領域にある検出物体からの反射光を投光軸と
同軸に集光するレンズと、 前記レンズを介して集光された物体からの反射光を受光
する２次元の受光素子を有する受光手段と、 前記受光手段の各画素に得られる受光レベルに基づいて
受光パターンを検出すると共に、投光軸に対する検出物
体の傾きによって変化する受光パターンの中心の位置ず
れ量と受光スポット径により検出物体と投光軸のなす角
度及び投光軸上の距離を検出する演算処理手段と、を有
し、 前記投光手段から前記レンズまでの距離をＬa 、前記レ
ンズから出射光の検知領域の集束点までの距離をＬb 、
前記レンズから受光手段までの距離をＬd 、前記レンズ
の焦点距離をｆとすると、０＜Ｌd ≦（ｆ＋Ｌa ）／２
となるように各光学部品を配置することを特徴とする反
射型光式センサ。 - 【請求項３】 前記演算処理手段は、検出物体までの距
離として得られた距離の変化分と検出物体の傾き角度に
基づいて、検出物体の検出面からの法線方向への変位を
得る物体変位検出手段を更に有することを特徴とする請
求項２記載の反射型光式センサ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6152098A JPH11257917A (ja) | 1998-03-12 | 1998-03-12 | 反射型光式センサ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6152098A JPH11257917A (ja) | 1998-03-12 | 1998-03-12 | 反射型光式センサ |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH11257917A true JPH11257917A (ja) | 1999-09-24 |
Family
ID=13173460
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP6152098A Pending JPH11257917A (ja) | 1998-03-12 | 1998-03-12 | 反射型光式センサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH11257917A (ja) |
Cited By (20)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003240509A (ja) * | 2002-02-15 | 2003-08-27 | Omron Corp | 変位センサ |
| WO2012029113A1 (ja) * | 2010-08-30 | 2012-03-08 | 株式会社 東芝 | 変位検出装置 |
| KR101375213B1 (ko) * | 2013-11-08 | 2014-03-18 | 박지암 | 동심원방식을 이용한 led모듈의 렌즈편심 검사방법 |
| JP2017096973A (ja) * | 2011-02-15 | 2017-06-01 | ビーエーエスエフ ソシエタス・ヨーロピアＢａｓｆ Ｓｅ | 少なくとも１つの対象物を光学的に検出する検出器 |
| US10012532B2 (en) | 2013-08-19 | 2018-07-03 | Basf Se | Optical detector |
| US10094927B2 (en) | 2014-09-29 | 2018-10-09 | Basf Se | Detector for optically determining a position of at least one object |
| US10120078B2 (en) | 2012-12-19 | 2018-11-06 | Basf Se | Detector having a transversal optical sensor and a longitudinal optical sensor |
| US10353049B2 (en) | 2013-06-13 | 2019-07-16 | Basf Se | Detector for optically detecting an orientation of at least one object |
| US10412283B2 (en) | 2015-09-14 | 2019-09-10 | Trinamix Gmbh | Dual aperture 3D camera and method using differing aperture areas |
| US10775505B2 (en) | 2015-01-30 | 2020-09-15 | Trinamix Gmbh | Detector for an optical detection of at least one object |
| US10823818B2 (en) | 2013-06-13 | 2020-11-03 | Basf Se | Detector for optically detecting at least one object |
| US10890491B2 (en) | 2016-10-25 | 2021-01-12 | Trinamix Gmbh | Optical detector for an optical detection |
| US10948567B2 (en) | 2016-11-17 | 2021-03-16 | Trinamix Gmbh | Detector for optically detecting at least one object |
| US11041718B2 (en) | 2014-07-08 | 2021-06-22 | Basf Se | Detector for determining a position of at least one object |
| US11060922B2 (en) | 2017-04-20 | 2021-07-13 | Trinamix Gmbh | Optical detector |
| US11067692B2 (en) | 2017-06-26 | 2021-07-20 | Trinamix Gmbh | Detector for determining a position of at least one object |
| US11125880B2 (en) | 2014-12-09 | 2021-09-21 | Basf Se | Optical detector |
| US11211513B2 (en) | 2016-07-29 | 2021-12-28 | Trinamix Gmbh | Optical sensor and detector for an optical detection |
| US11428787B2 (en) | 2016-10-25 | 2022-08-30 | Trinamix Gmbh | Detector for an optical detection of at least one object |
| US11860292B2 (en) | 2016-11-17 | 2024-01-02 | Trinamix Gmbh | Detector and methods for authenticating at least one object |
-
1998
- 1998-03-12 JP JP6152098A patent/JPH11257917A/ja active Pending
Cited By (26)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003240509A (ja) * | 2002-02-15 | 2003-08-27 | Omron Corp | 変位センサ |
| WO2012029113A1 (ja) * | 2010-08-30 | 2012-03-08 | 株式会社 東芝 | 変位検出装置 |
| US8514410B2 (en) | 2010-08-30 | 2013-08-20 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Displacement detection device and method |
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| JP2019049573A (ja) * | 2011-02-15 | 2019-03-28 | ビーエーエスエフ ソシエタス・ヨーロピアＢａｓｆ Ｓｅ | 少なくとも１つの対象物を光学的に検出する検出器 |
| US10120078B2 (en) | 2012-12-19 | 2018-11-06 | Basf Se | Detector having a transversal optical sensor and a longitudinal optical sensor |
| US10823818B2 (en) | 2013-06-13 | 2020-11-03 | Basf Se | Detector for optically detecting at least one object |
| US10353049B2 (en) | 2013-06-13 | 2019-07-16 | Basf Se | Detector for optically detecting an orientation of at least one object |
| US10845459B2 (en) | 2013-06-13 | 2020-11-24 | Basf Se | Detector for optically detecting at least one object |
| US10012532B2 (en) | 2013-08-19 | 2018-07-03 | Basf Se | Optical detector |
| KR101375213B1 (ko) * | 2013-11-08 | 2014-03-18 | 박지암 | 동심원방식을 이용한 led모듈의 렌즈편심 검사방법 |
| US11041718B2 (en) | 2014-07-08 | 2021-06-22 | Basf Se | Detector for determining a position of at least one object |
| US10094927B2 (en) | 2014-09-29 | 2018-10-09 | Basf Se | Detector for optically determining a position of at least one object |
| US11125880B2 (en) | 2014-12-09 | 2021-09-21 | Basf Se | Optical detector |
| US10775505B2 (en) | 2015-01-30 | 2020-09-15 | Trinamix Gmbh | Detector for an optical detection of at least one object |
| US10412283B2 (en) | 2015-09-14 | 2019-09-10 | Trinamix Gmbh | Dual aperture 3D camera and method using differing aperture areas |
| US11211513B2 (en) | 2016-07-29 | 2021-12-28 | Trinamix Gmbh | Optical sensor and detector for an optical detection |
| US10890491B2 (en) | 2016-10-25 | 2021-01-12 | Trinamix Gmbh | Optical detector for an optical detection |
| US11428787B2 (en) | 2016-10-25 | 2022-08-30 | Trinamix Gmbh | Detector for an optical detection of at least one object |
| US10948567B2 (en) | 2016-11-17 | 2021-03-16 | Trinamix Gmbh | Detector for optically detecting at least one object |
| US11415661B2 (en) | 2016-11-17 | 2022-08-16 | Trinamix Gmbh | Detector for optically detecting at least one object |
| US11635486B2 (en) | 2016-11-17 | 2023-04-25 | Trinamix Gmbh | Detector for optically detecting at least one object |
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| US11860292B2 (en) | 2016-11-17 | 2024-01-02 | Trinamix Gmbh | Detector and methods for authenticating at least one object |
| US11060922B2 (en) | 2017-04-20 | 2021-07-13 | Trinamix Gmbh | Optical detector |
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