JPS6032485A - 固体撮像装置 - 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） 本発明は、産業用Ｏボットの、ニアＩｉ！覚セン′リー
ーおよび監視用視覚センサーに用いられる固体撮像装置
に関するものである。

（従来例の構成とその問題点） 固体撮像素子は、従来の撮像管に比べ小型、軽量の他に
高耐振性、無残像、熱焼イ・」、等の高信頼性を有して
いるために応用分野の大幅な拡大が期待されている。そ
のうちでも、工業用、工業計測用分野への進出には著し
いものがある。この分野は、従来の撮像管カメラでｔ；
１不向きＣＤ分野であったが、上述の特徴に加え、図形
歪か４−い、磁界、電界に影響されない等の特徴が；Ｑ
＋　ｔｌ、今や固体撮像カメラは撮像管カメラに置き換
Ｊ）　′：）つとしている。特に、昨今、急激なｉ１易
のヴちトリを見せているロボットの視覚センサーにこの
固体撮像カメラを用いる試みがなされている。

以下、図面を参照しなかｔ′−）、上述し７たような従
来のロボットの視覚センサーの（※りとして、溶接口？
ツトの視覚センサーについて１１）１明で〔行なう。

第１図は従来の溶接用「ｊポットの）１す本構成を示す
。ロボットのアーム■くには、ｆＭ接機Ｊが取り付けら
れ、アームＫに組み込゛＋ｔ、　ｉｔ　／こ視覚センサ
ーである固体撮像カメラ２に、１ニー〕？溶１）５され
る箇所Ｂを認識する。視覚センサ−２の出カイ１ｊ号は
制御器３に送られ、制御器：３からｋｒ　Ｉｘ：１！ｔ
ｊ　ｌに命令が送られる。しかしながら前記の、１、・
’）　、Ｉ、　１，１，１．成では一般に溶接箇所Ｂは
必ずしも十分な前用が与えられているとは限らず、特に
複雑な物体の溶接を行なう場合には周囲の物体が邪魔に
なり、外部照明Ｐが役に立たなくなるという欠点、さら
に仮りに溶接箇所Ｂが確認できても溶接が始まると溶接
部分から放射される多大の光景によって視覚センサー２
は、ブルーミングあるいはスミアを生じ、溶接箇所Ｂの
追跡、検知が不能となってし捷つという欠点を有してい
た。

（発明の目的） 本発明は、前記欠点に鑑み、外部光の状態に左右されず
、かつ溶接光によるブルーミング、スミアもなく、溶接
箇所の認識、溶接中の溶接状態の確認を行なえる固体撮
像装置を提供するものである。

（発明の構成） 前記の目的を達成するために本発明の固体撮像装置は、
検光子を前面に配した固体撮像素子さ前記検光子の前面
に配された偏光ビーノ、スブ゛リッターと直線偏光特性
を有する固体発光素子と前記固体発光素子から放射され
る光を集光するための集光光学系と固体撮像入射光’７
’　＝’ｌ−とから構成されている。この構成によつ−
こ、照明ノ’Ｃ，，ｌｌ＋る固体発光素子から放射され
る光るｍ個）’（，１）、（′Ｏ）″リッターによって
固体撮像入射光学系ノ回・の光軸とし、かつ固体撮像素
子前面の検光−１′で照明光の前記入射光学系からの固
体撮像ッｆ−；　Ｊ一方向への反射を防ぐことにより照
明光が他の物体でさえぎられることがなくなり、さらに
、前記入射光学系光路内の波長選択素子と固体撮像素子
前面前面の検光子と偏光ビームスプリッタ−により溶接
光を除去し、外部光の状態に左右されず、かつＷ口ど）
“ｒ５のブルーミング、スミアもなく溶接箇所の認識、
ｔｌ’ｉ　１．％中の溶接状態の確認が可能と在る。

（実施例の説明） 以下、本発明の一実／１ｆＩＬ例に′−）シビ（図面を
参照しながら説明する。

第２図は、本発明の溶接１ボツトの視覚センサーへの応
用例を示している。ロボットアームしに取り付けられて
いる視覚センサー１０の内部には、溶接箇所Ａを認識す
る）こめの固体撮像素子１１と直線偏光特性を持つ固体
発光素子１２が内臓されている。この固体発光素子１２
は、固体撮像素子１１の入射光学系１３と同一の光軸を
有シ２、固体撮像素子１１の前方の偏光ビームツノ０リ
ツクー１４集光光学系１５を通り、その偏光方向とｉＵ
交する偏光特性を持つ偏光ビームスフ０リツター１４に
よシ、効率よく反射され、入射光学系Ｊ３の光軸に導入
される。偏光ビームスプリッタ−１４で反射された固体
発光素子Ｊ２からの九Ｅは、入射光学系１３を通り、さ
らに１／４波長板２７Ｉによって直線偏光から円偏光の
光Ｈに変換され、所定の溶接箇所Ａに照射される。

ところで、固体発光素子１２から放射きれた直線偏光の
光Ｅが入射光学系１３へ入射する際、人。

射光学系Ｊ３から固体撮像素子１１の方向へ反射が起こ
り、反射光Ｒが生じる。理論的には、この反射光Ｒの偏
光方向と偏光ビームスノリツタ−１４の偏光方向とは直
交しているため、反射光Ｉ（は、偏光ビームスノリツタ
−１４で完全に阻止され、固体撮像素子１］には達ぜず
、７エーテ゛イング、スミア、ブルーミング、等の悪：
甚響を固体撮像素子１１には力えないはずであ／・、３ しかしながら、現実にｉｌｌ：　、固体発光素子１２の
直線偏光特性および偏光ビーノ・スプリンタ−１４の偏
光特性は有限であるだめ、偏光ビートスプリッターエ４
だけでは、反射光Ｉえを完全に阻止することはできず、
わずかで１４Ｌあるが反射光Ｒが固体撮像素子１１に達
してし甘う１．こ”　ｎ、’ｉ果、ンエーディング、ス
ミアが牛じ、両＋１″１の１１□を・招き、ひどい時に
は、ブルーミングに１、・（Ｉ１１！　：９箇所Ａの認
識すらできなくなる。

ところが、固体撮像素子１１の前ｌｌ＋ｉに、偏光方向
が固体発光素子１２から放１７ＪさＪｊる光Ｅのそれと
直交する検光子１６（偏ゲｒ；ビー〕・スジリンターＪ
４の偏光方向とは平行）？ｒ−配−Ｊ／２ことによって
、偏光ビームスゾリッタート「（−はｌ！Ｈ、ｔｌ、　
Ｌきれなかった反射光Ｒを撮影に支障が４−い−１１て
に十分抑制することができる。この固体撮像５（・、了
・１１の前面の検光子１６は発光素子一体型固体撮像装
置を実現する上で必要不可欠な構成要素である。

さて、溶接箇所Ａに照射された円偏光の光Ｈは、そこで
反射され、その反射光Ｃは再び１／４波長板２４および
入射光学系１３を通るが、１／４波長板２４を通過する
際に、円偏光から元の偏光方向とは９０度回転した直線
偏光に変換されるので、偏光ビームスプリッタ−１４お
よび検光子１６を通り抜けることができ、固体撮像素子
１１上に像を結ぶことができる。

実施例においては、第２図で、固体・発光素子１２とし
て赤外半導体レーザ（発光中心波長８０００λ）を用い
た。固体撮像素子１１としてに１１画素数垂直４８６×
水平３８４のインターラインＣＣＤを用いた。

反射光阻止のだめの検光子Ｊ６としては、プラスチ、ク
フィルム製の検光子を用いた。検光子１６の前には、半
導体レーザ光だけを選択的に透過させる波長選択素子と
して狭帯域の光学干渉・々ノドパスフィルター２３（透
過中心波長８００　ｎｍ　、半値巾］　Ｏｎｍ　）を用
いた。

入射光学系１３の前の１／４波長板は、それからの反射
光が光軸方向へ戻らないように５度程度傾けて配した。

以」二の構成において、半導レーザ光Ｅの入射光学系１
３かもの反射Ｒは検光子１６によって効果的に阻止され
る。−まだ、所定の溶接箇所Ａから反射された半導体レ
ーザ光Ｃも１／４波長板によって元の偏光方向とは９０
度回転した直線偏光に変換され、さらには、半導体レー
ザ光は狭いスペクトル幅（〜２０λ）を持つので、効果
的に偏光ビームスフ０リツター１４および狭帯域光学干
渉バンドパスフィルター２３．検光子１６を通過し、固
体撮像素子ｌｌ上に結像され検出される。この時、固体
撮像素子出力Ｍは、制御回路部２５の中で比較され、出
力が基準値に達しない時には、半導レーザ駆動回路２６
に制御信号Ｇを送り、半導体レーザ駆動電流を増加させ
、レーザ光出力を増加させる。

このように、内蔵された光源の光量を制御し、溶接箇所
Ａに外部からの照明がなくても十分、認識できるだけの
赤外光を与えることができる。この照明光Ｈけ、固体撮
像素子ＩＪと同一光路となっているため他の物体で照明
光がさえぎられる心配は全くない。溶接箇所Ａを認識し
た後、溶接が始するが、この溶接により生じる多大の光
は、紫外線もしくは可視光が大部分を占め、赤外線もわ
ずかに含んでいるが、狭帯域光学干渉バンドパスフィル
ター２３によって除去される。しかし、狭帯域光学干渉
バンドパスフィルター２：３の透過帯域（透過中心波長
８００　ｎｍ　、半値幅１　（１ｎｍ　）内にある溶接
光は狭帯域光学干渉フィルター２３を通過してし甘う。

しかし、偏光ビームスシリツタ−１４および検光子１６
があるため、こＩ′ｌらを通過し撮像素子１１に到達す
るのは、特定の偏光成分の光のみになり、さらに溶接光
は減少する。

一方、溶接箇所Ａから反射された半導体レーザ光Ｃは、
先にも述べたように、狭いスにりトル幅（〜２０λ）を
持ち、１／４波長板２４によって再び元の偏光方向とは
９０度回転した直線偏光に変換されるため、狭帯域光学
干渉バンドパスフィルター２３および偏光ビームスプリ
ッタ−１４，＠光子１６を透過することができ固体撮像
素子１１に像を結ぶ。このように、狭帯域光学干渉バン
ドハ、Ｚ、フィルター２３及び偏光ビームスフｌ／　ツ
タ−１４、検光子１６、さらに固体発光素子である半導
体レーザ１２の光学的特性を利用することによって、溶
接光を有効に除去することができ溶接中も溶接箇所の認
識を行なうことが可能となる。

実施にあたって、半導体レーザ１２は、繰り返し周波数
］　ＯｋＨｚ　、デ３−ティ３０％２、駆動電流１７５
　ｍＡ　（ピークレーザ発光出力２０　ｍＷ　）の・ぐ
この結果、溶接箇所の認識、溶接中の溶接状態の確認は
、外部光に左右されず、かつ溶接光によるブルーミング
、スミアもなく容易に行なうことができた。

なお、検光子１６と光学干渉バンドパスフィルター２３
の位置を入れ替えても効果は同じである。

さらに、本構成に用いられる直線偏光特性を持つ固体発
光素子は、赤外半導体レーザに限らず、クー・や−ルミ
ネッセント型レーザ、前面に偏光子を備えた発光スペク
トル幅の狭い高出力発光ダイオード゛を用いてもよい。

また、赤外半２ｎ体レーザアルいはスーパールミネッセ
ント型レーザの前面に偏光子を配することによって、赤
夕ｉ″Ｉ’導体レーザおよびスーパールミネッセント型
レーザの直線偏光特性をさらに向」−さぜ、固体撮像素
子前面の検光子どの組合わせて、入射光学系からの照明
光の反射をより減少さぜることかてきる。

寸だ、光路発頭（に用いられる偏光ビームスプリッタ−
の代わりにハーフミラ−をブリユースクー角に配しても
」＝い。

なお、光の偏光特性を乱す物体（例えば、紙、布）を撮
影する時には、第２図中における１／４波長板２４は必
ずしも必要ではない。これは、直線偏光の照明光が、光
の偏光特性を乱す物体にあたると物体から反射される光
の偏光は、乱されるため、か々りの反射光が偏光ビーム
スフ０リツター１４および検光子１６を通９抜す、固体
Ｊ前像素子１１」二に像を結ぶことかでき、１／４波ｊ
・ｌ、４７２４なしでも十分物体が認識できるからであ
７！３゜（発明の効果） 本発明の固体撮像装置ｉｔ、（、ｉ’ｉ　）ｌｌ　ｌ　
４ニ一前面に配した固体撮像素子と前記固体撮１９；累
１′の入射光学系と同一の光軸を有し、前記検光子の１
１１面に偏光ビームスプリッタ−を配することによって
設けられた前記固体撮像光学系光１１１１とＱＪ異ノＬ
る光軸」二に回線偏光特性を持つ固体イい°１′、２）
５」“］・３１、ひ発光光学系を配しさらに入射光学系
前面（〆（Ｌ　＋／＋　７＋ｑ長板を設け、かつ固体撮
像素１から得られろ１１冒１．１で固体発９゛Ｃ素子を
制御することにより、夕１部）ｔの状態に左右されず、
かつ溶接光によるノ゛ル　ミ２・グ、スミアもなく溶接
箇所の認識、溶ｊ】′中のｒ１′ＬＩ）□人感の確認を
行なうことができ、その大月１的：ｉｌ＋　’ｌ’　Ｑ
ｌ、大なるものがある。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のロボ、１・用１，１．覚土ンサーの説明
図、第２図は本発明の一実がｌｉ　１２すのロボット用
視覚センザーの説明図である。 Ａ、Ｂ・溶接箇所、Ｃ・・溶接箇所から反射された半導
体レーザ照明光、Ｅ・・半導体レーザ光、Ｇ半導体レー
ザ制御信号、Ｈ・・・半導体レーザ照明光、Ｉ（・・ロ
ボットアート、Ｍ　素−ｒ出力情号、Ｐ外部照明光、Ｒ
・・・カメラレンズ系からの反射光、１・・溶接機、２
．１０・・・視覚センダ−１：う　・制御器、Ｊｌ・・
固体撮像素子、１２　固体発光素子、Ｊ３−入射光学系
、１４・・偏光ビームスプリッタ−１ｌ′ ］５　Ｂ先光学系、］６　検光子、２：３・狭帯域光孝
子ｅ・・ンドパスフィルター、２５・・制御回路部、２
６　半導体レーザ、駆動回路。 肋許出願人　松下電器産業株式会ｉ−を代　理　人　星
　野　恒　司　□゛、・。

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. （１）検光子を前面に配した固［１，１１１；イイ”素
   子と前記固体撮像素子の入射光学系と同一の光：Ｉｌ＋
   を有し、前記検光子の前面に偏光ビーノ・スゾリソタを
   配するととによって設けられた前記固体撮像光学系光軸
   とは異なる光軸」二に直線偏光特性を持つ固体発光素子
   および集光光学系を配した固体撮像装置。
2. （２）　固体撮像装置の入射ツ０学系前面に１／４波長
   板を備えた前記特許請求の範囲第（１）項記載の固体撮
   像装置。
3. （３）前記直線偏光特性を持つ固体発光素子として、偏
   光子を前面に配した固体発光素子を備えた特許請求の範
   囲第（］、）項又は第（２）項記載の固体撮像装置。
4. （４）　前記偏光ビームスブリック−、Ｉニジて、ブリ
   ュースター角に配したバーフミン−６備えだ特許請求の
   範囲第（１）項、第（２）項又は第（３）４記ｌ・すの
   固体撮像装置。
5. （５）　前記固体撮像装置の入射光学系光路内に波長選
   択素子を備えた特許請求の範囲第（］）項〜（４）項の
   うち何れか１項記載の固体撮像装置。
6. （６）前記波長選択素子を固体撮像素了七偏光ビームス
   ン０リッターとの間に備えた’［ｌｌ’　Ｍ’ｒ請求の
   範囲第（５）項記載の固体撮像装置。
7. （７）　前記波長選択素子を固体撮像素子とブリユース
   タル角に配したハーフミラ−との間に備えだ特許請求の
   範囲第（５）項記載の固体撮像装置。