JP2002198568A - 投光ユニット及び光電センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 発光手段から放射される放射光の光量を減衰
させることなく均一な光強度の平行光を出射する投光ユ
ニット及び光電センサを提供する。 【解決手段】 光電センサ１は、発光手段たるＬＥＤ４
及びコリメートレンズ５を備えた投光ユニット６、受光
ユニット１１及び遮光状態検出手段たる遮光状態検出回
路で構成されている。この光電センサ１において、投光
ユニット６に内蔵されたコリメートレンズ５の曲率は、
その出射面における単位面積から出射される平行光の光
量を均一にするために、この単位面積から出射される平
行光に対応してＬＥＤ４から入射する放射光の光量が一
定値となるように設定される。これにより、投光ユニッ
ト６から出射される平行光の光量を減衰させることなく
光強度分布を出射面において均一にすることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、出射面における単
位面積当たりの光量が均一な平行光を出射する投光ユニ
ット、及び、この投光ユニットを用いて平行光を送受す
る測定用光路上に位置する被検出物体の遮光状態を検出
することにより、被検出物体の位置や寸法等を測定する
光電センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、平行光を送受する測定用光路
上に被検出物体が置かれた場合の遮光状態を検出するこ
とに基づいて、この被検出物体の位置や寸法等を測定す
る光電センサがある。例えば図９は、物体の高さ寸法を
測定するための光電センサ１００の構成を示すものであ
る。この図９において、投光ユニット１０１にはＬＥＤ
１０２及びコリメートレンズ１０３が設けられており、
ＬＥＤ１０２から放射される放射光は、コリメートレン
ズ１０３を透過することにより平行化されて平行光とし
て出射されるようになっている。

【０００３】受光ユニット１０４には矩形状に開口され
たスリット１０５、集光レンズ１０６及びフォトダイオ
ード１０７が設けられており、前記平行光のうちスリッ
ト１０５を通過したものが集光レンズ１０６により集光
された状態で、フォトダイオード１０７にて受光され、
このフォトダイオード１０７から受光量の大きさに応じ
て光電変換された電気信号が出力される。図示しない信
号処理部は、マイクロコンピュータを主体とした電気回
路で構成されており、受光量と被検出物体の高さ寸法と
の相対関係が予めデータ化されて記録されている。そし
て、前記電気信号に基づいてフォトダイオード１０７で
の受光量が検出され、この受光量と前記相対関係データ
とを比較することに基づいて被検出物体の高さ寸法の測
定が行われる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、一般的にＬ
ＥＤ１０２は、光軸付近ほど光強度が大きく、放射角が
大きくなるに従って光強度が小さくなるような光強度分
布の放射光を出射する（図１０参照）。そのため、コリ
メートレンズ１０３を透過して測定光路上を進行する平
行光の光強度分布も略同様な不均一なものとなり、それ
故、この平行光を光束１０８で表すと、図９に示すよう
な中心が密で外縁に向かって疎となるものとなる。

【０００５】従って、高さ寸法が異なる被検出物体の高
さ寸法を測定する場合、被検出物体の高さ方向の変化率
と被検出物体により遮光されてスリット１０５を通過し
なくなる光量の割合（遮光率）とは比例関係にはならな
いので、フォトダイオード１０７での受光量と遮光率と
が比例関係でなくなり、高さ寸法の測定精度が低下して
しまうという問題が発生していた。そのため、特開平１
−３１２４０３号公報や特開平８−２４０４１２号公報
のものでは、例えば図１１に示すように、スリット１０
９の開口幅を平行光の光束１０８（図９参照）の密な部
分ほど狭めた形状とするとこにより、スリット１０９を
通過する平行光の光量が光軸に垂直な方向において均一
になるような光量調整を行うようにした。これにより、
例えば箱形の被検出物体では、被検出物体の高さ方向の
変化率と遮光率との関係を比例関係にすることができ、
高さ寸法の測定精度を向上させることができる。

【０００６】しかしながら、このようなスリット１０９
による光量調整は、外縁部を通過する単位面積当たりの
光量と等しくなるように中心部を通過する単位面積当た
りの光量を減衰させるような方法であるため、フォトダ
イオード１０７での受光量が低減し、ＳＮ比が低下する
という問題が発生していた。しかも、例えば図１２に示
すように、検出部分が同じ曲率の球状で高さの異なる被
検出物体１１０及び１１１が測定光路上に置かれた場合
には、スリット１０９の斜線部Ｘを透過する光量ＩＸと
斜線部Ｙを透過する光量ＩＹとが、ＩＸ＜ＩＹの関係と
なってしまい、被検出物体の高さ方向の変化率と遮光率
とが比例関係でなくなり、高さ寸法の検出精度を低下さ
せてしまうという問題も発生していた。更に、スリット
１０９の中心を放射光の光軸に合わせるためのアライメ
ント作業が困難であるという欠点があり、また、特殊な
形状のスリット１０９を製作しなければならないため、
製造コストを上昇させてしまうという欠点もあった。

【０００７】また、特開平７−２０９５０７号公報や特
開平７−２０８９３９号公報のものでは、前記スリット
１０９と同様の効果を光学フィルターに置き換えたもの
が提案されている。この光学フィルターは、図示はしな
いが、コリメートレンズから出射される平行光の光軸に
垂直な面に設けられ、平行光の光束の密な部分ほど光の
透過率を低下させることにより、光学フィルター透過後
の平行光の光量が均一になるような光量調整を行うもの
である。この場合、スリットの形状は、矩形状のままに
することができる。しかも、被検出物体の形状に関わら
ず、被検出物体の高さ方向の変化率と遮光比率とが比例
関係となり、高さ寸法の測定精度を向上させることがで
きる。

【０００８】しかしながら、フォトダイオードでの全体
的な受光量が低減してＳＮ比が低下するという問題や、
アライメント作業の困難性、光学フィルターを付加させ
ることによる製造コストの上昇といった問題があり、改
善の余地が残されていた。

【０００９】本発明は上述の事情に鑑みてなされたもの
であり、従ってその目的は、発光手段から放射される放
射光の光量を減衰させることなく均一な光強度の平行光
を出射する投光ユニット、及び、この投光ユニットを備
えた光電センサを提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の光電セン
サは、発光手段から放射され、放射角が大きくなるに従
って光強度分布が小さくなる放射光を平行化して平行光
を出射するコリメートレンズを備えた投光ユニットにお
いて、前記コリメートレンズの曲率は、光軸に垂直な出
射面における前記平行光の単位面積当たりの光量が均一
になるように設定されていることを特徴とする。

【００１１】このような構成によれば、例えばスリット
や光学フィルター等を用いて光強度分布が均一な平行光
を出射する方法と異なり、放射光の光量を減衰させるこ
となく大きな強度を維持した状態で光強度分布が均一な
平行光を出射することができる。しかも、新たな光学部
品を付加することなく、コリメートレンズの曲率を調節
するだけでよいので、投光ユニットの製造コストの上昇
を抑制することができる。

【００１２】請求項２記載の光電センサでは、前記コリ
メートレンズの曲率は、前記出射面における単位面積か
ら出射される前記平行光に対応して前記発光手段から入
射する前記放射光の光量が一定値となるような演算式に
基づいて設定されていることを特徴とする。

【００１３】このような構成によれば、コリメートレン
ズの周縁部ほど放射角範囲の広い放射光が集光されるの
で、光強度の大きい光軸付近と同等な光強度の平行光を
出射面全体から出射することができる。

【００１４】請求項３記載の光電センサでは、前記コリ
メートレンズの曲率は、前記放射角に応じて前記コリメ
ートレンズの表面における反射による減衰分を予め除去
するようにして設定されていることを特徴とする。

【００１５】このような構成によれば、コリメートレン
ズ表面における反射による減衰分がキャンセルされるの
で、コリメートレンズ表面への入射角に応じて反射率が
変化することにより、出射面に集光される単位面積当た
りの光量が不均一になるのを防ぐことができ、従って、
平行光の光強度分布の均一性をより向上させることがで
きる。

【００１６】請求項４記載の光電センサは、請求項１乃
至３の何れかに記載の投光ユニットと、この投光ユニッ
トから出射される前記平行光を集光レンズにて集光し、
この集光光を受光手段にて受光する受光ユニットと、こ
の受光ユニットにより受光される受光量に基づいて、前
記投光ユニット及び前記受光ユニット間に形成される測
定用光路の遮光状態を検出する遮光状態検出手段とを具
備することを特徴とする光電センサ。

【００１７】このような構成によれば、投光ユニットか
ら光強度分布が均一な平行光が出射されるので、測定用
光路の遮光率と受光手段での受光量とを比例関係にする
ことができ、遮光状態の検出精度を向上させることがで
きる。しかも、この平行光の光強度は十分大きいので、
ＳＮ比を向上させることができる。また、投光ユニット
と受光ユニットとのアライメント作業も簡単に済み、新
たな光学部品を付加しなくてもよいので製造コストの上
昇を抑制することができる。

【００１８】請求項５記載の光電センサは、発光手段か
ら放射され、放射角が大きくなるに従って光強度分布が
小さくなる放射光を平行化して平行光を出射するコリメ
ートレンズを備えた投光ユニットと、この投光ユニット
から出射される前記平行光を集光レンズにて集光し、こ
の集光光を受光位置が検出可能な受光手段にて受光する
受光ユニットと、この受光ユニットにより検出される前
記受光位置に基づいて、前記投光ユニット及び前記受光
ユニット間に形成される光路の遮光状態を検出する遮光
状態検出ユニットとを備える光電センサにおいて、前記
コリメートレンズの曲率は、前記受光手段の受光面にお
ける前記集光光の単位面積当たりの光量が均一になるよ
うに設定されていることを特徴とする光電センサ。

【００１９】このような構成によれば、投光ユニットか
ら光強度が十分大きく光強度分布が均一な平行光が出射
され、しかも、被検出物体による平行光の遮光状態が受
光手段の受光位置に対応付けされるので、被検出物体の
位置や寸法、形状認識等の測定精度を向上させることが
できる。

【００２０】請求項６記載の光電センサでは、前記コリ
メートレンズの曲率は、前記受光手段の受光面における
単位面積に入射する前記集光光に対応して前記発光手段
から入射する前記放射光の光量が一定値となるような演
算式に基づいて設定されていることを特徴とする。この
ような構成によっても、請求項２と同様な効果が得られ
る。

【００２１】請求項７記載の光電センサでは、前記コリ
メートレンズの曲率は、前記放射角に応じて前記コリメ
ートレンズ及び前記集光レンズの表面における反射によ
る減衰分を予め除去するようにして設定されていること
を特徴とする。

【００２２】このような構成によれば、コリメートレン
ズ及び集光レンズの表面における反射による減衰分がキ
ャンセルされるので、各レンズ表面への入射角に応じて
反射率が変化することにより、受光手段の受光面に集光
される単位面積当たりの光量が不均一になるのを防ぐこ
とができ、従って、受光手段の受光面での集光光の光強
度分布の均一性をより向上させることができる。

【００２３】

【発明の実施の形態】［第１の実施例］以下、本発明の
光電センサを被検出物体の高さ寸法を測定する光電セン
サに適用した第１の実施例について、図１乃至図６を参
照して説明する。図１は、光電センサ１の構成を示すも
のである。この図１において、高さの異なる被検出物体
を流すためのライン２側部には、次のようにして光電セ
ンサ１が設置されている。

【００２４】まず、ライン２の一方の側部には箱状のケ
ース３が設置されており、このケース３内には発光手段
たるＬＥＤ４が設けられている。このＬＥＤ４は、図示
しない外部電源から電力が供給されることにより発光し
て、放射角が大きくなるに従って光強度分布が小さくな
る放射光を出射する。

【００２５】また、ケース３の正面部に形成された開口
部３ｂには、ＬＥＤ４から放射される放射光の光軸に中
心部が位置するようにして両凸型のコリメートレンズ５
が装着されており、ＬＥＤ４から放射される放射光は、
このコリメートレンズ５により平行化されて平行光とし
てライン２上に向かって出射される。尚、このコリメー
トレンズ５の表面には、反射防止膜が施されている。そ
して、これらＬＥＤ４及びコリメートレンズ５で投光ユ
ニット６が構成されている。

【００２６】次に、ライン２の投光ユニット６に対向す
るもう一方の側部には箱状のケース７が設置されてお
り、このケース７の正面部７ａには、長手方向が垂直方
向を指向し、前記光軸に中心部が位置するようにして矩
形状に開口されたスリット手段たるスリット８が形成さ
れている。更に、光軸の延長上には、夫々中心部が位置
するようにして、ケース７内部に両凸型の集光レンズ９
が配置され、この集光レンズ９の焦点位置に受光手段た
るフォトダイオード１０が位置決めされている。

【００２７】尚、集光レンズ９の表面には、反射防止膜
が施されている。また、フォトダイオード１０では、ス
リット８を通過した平行光が全て集光され、この集光光
の光強度に応じて光電変換された電気信号が出力され
る。そして、これらスリット８、集光レンズ９及びフォ
トダイオード１０で受光ユニット１１が構成されてい
る。

【００２８】遮光状態検出回路は、図示はしないが、マ
イクロコンピュータを主体とした電気回路で構成されて
おり、フォトダイオード１０から受信する電気信号に基
づいて、被検出物体の高さ寸法の測定が行われる。そし
て、測定された被検出物体の高さに関する情報は、図示
しないライン管理装置に送信され、被検出物体の区分等
の制御に使用される。以上のようにして、投光ユニット
６、受光ユニット１１及び遮光状態検出回路で光電セン
サ１が構成されている。

【００２９】＜光電センサ１の作用説明＞次に、光電セ
ンサ１の作用について説明する。まず初めに、投光ユニ
ット６に装着されたコリメートレンズ５の曲率は、詳細
は後述するが、平行光の光強度分布が光軸に垂直な出射
面１３（図２参照）において均一になるように設定され
ている。従って、この平行光を光束で表すと、図１に示
すような出射面１３に対して均一なものとなる。

【００３０】さて、投光ユニット６から出射される光強
度分布が出射面１３において均一な平行光は、ライン２
上に測定用光路を形成しながら受光ユニット１１のスリ
ット８に向かって照射される。そして、スリット８の開
口幅と同幅の平行光のみがスリット８を通過し、集光レ
ンズ９にて集光され、この集光光がフォトダイオード１
０にて受光される。続いて、フォトダイオード１０で
は、集光光の光強度に応じて光電変換された電気信号
が、遮光状態検出回路に出力される。

【００３１】遮光状態検出回路では、受信した電気信号
に基づいて、フォトダイオード１０での受光量の検出が
行われる。この場合、平行光の光強度分布が出射面１３
において均一であるために、フォトダイオード１０での
受光量は、測定光路中を被検出物体が通過する際にその
被検出物体の高さに応じて遮光される光量の割合（遮光
率）に比例する。そして、遮光されない状態（スリット
８に平行光が１００％入射される状態）で検出される受
光量の受光率を１００％として、被検出物体により遮光
された場合に検出される受光率を求めることにより、被
検出物体の高さ寸法の測定が行われる。

【００３２】＜コリメートレンズ５の曲率の設定方法＞
次に、ＬＥＤ４から放射され、放射角が大きくなるに従
って光強度分布が小さくなる放射光を平行化して、光強
度分布が出射面１３において均一になるような平行光を
出射させるコリメートレンズ５の曲率の設定方法につい
て説明する。

【００３３】図２は、非球面型のコリメートレンズ５の
光学的構成を示すものである。ここでは説明を簡単にす
るために、ＬＥＤ４は点光源であるものとし、放射光の
光強度は光軸１２を基準とした放射角θに対してｃｏｓ
θで変化するものとする。また、平行光を出射する側の
コリメートレンズ５近傍における光軸に垂直な面を出射
面１３とする。更に、入射角θＡにおける微小立体角α
Ａで入射する放射光をＲＡ、その平行光をＨＡ（光軸付
近）、その光束をΦＡとし、入射角θＢにおける微小立
体角αＢで入射する放射光をＲＢ、その平行光をＨＢ
（光軸と周端部の中間付近）、その光束をΦＢとし、入
射角θＣにおける微小立体角αＣで入射する放射光をＲ
Ｃ、その平行光をＨＣ（周端部付近）、その光束をΦＣ
とする。

【００３４】さて、まず初めに、コリメートレンズ５の
曲率の設定方法の概念について説明すると、平行光の光
強度分布を出射面１３において均一にするためには、出
射面１３の単位面積当たりの光量を均一にすればよい。
即ち、例えば、図２において、平行光ＨＡ乃至ＨＣが出
射面１３の単位面積ｔから出射されると仮定した場合
に、それらの光束ΦＡ乃至ΦＣが同一になればよい。そ
のためには、まず、出射面１３における単位面積ｔから
出射される平行光ＨＡ乃至ＨＣに対応してＬＥＤ４から
入射する放射光ＲＡ乃至ＲＣの光量が一定値となるよう
な微小立体角αＡ乃至αＣを定める。そして、これら入
射角θＡ乃至θＣ及び微小立体角αＡ乃至αＣで入射す
る放射光ＲＡ乃至ＲＣが、出射面１３の単位面積ｔから
平行光ＨＡ乃至ＨＣとして出射されるような関係を満た
すようにして、コリメートレンズ５の曲率を設定する。

【００３５】次に、具体的な設計例を挙げて、コリメー
トレンズ５の曲率の設定方法について説明する。まず、
コリメートレンズ５の設計条件は以下のように設定す
る。屈折率 ｎ＝１．４８６（空気の屈折率を１とす
る）焦点距離 Ｆ＝３２．４２８ｍｍ

【００３６】次に、所定の入射角θにおける微小立体角
αで入射する放射光Ｒの光強度をＩ（α）、この放射光
Ｒがコリメートレンズ表面に入射する場合の微小照射面
積をΔＳ、この放射光Ｒにより出射面１３の単位面積ｔ
から出射される平行光Ｈの光束をΔΦとすると、これら
ΔΦ、Ｉ（α）、ΔＳの間には、次のような関係式が導
かれる。 ΔΦ＝Ｉ（α）×ΔＳ … （１）

【００３７】例えば、前記放射光ＲＡ乃至ＲＣの関係
は、（１）式に基づいて、次のような式で表される。 Ｉ（αＡ）×ΔＳＡ＝Ｉ（αＢ）×ΔＳＢ＝Ｉ（αＣ）×ΔＳＣ … （２）

【００３８】また、非球面型のコリメートレンズ５の曲
面式は、光軸をｚ軸とし、光軸に垂直な面にｘ，ｙ軸を
設定すると、次のような式で表される。

【数１】 ここで、ｃはコリメートレンズの曲率を表し、その曲率
半径ｒとの間にはｃ＝１／ｒの関係がある。また、ｄ，
ｅ，ｆ，ｇ，Ｋは係数である。

【００３９】続いて、これらコリメートレンズ５の設計
条件、及び、（１）式の左辺が一定になるような関係
（即ち（２）式）を満たすようにして、（３）式の各係
数ｃ乃至ｇ及びＫを最適な値に設定する。尚、この最適
化は、準ニュートン法等を用いてコンピュータにて演算
処理することにより短時間で容易に行うことができる。

【００４０】そして、この最適化により、コリメートレ
ンズ５は、図３に示すような入射角が３０°までの放射
光が取り込まれて半径１５ｍｍの平行光が出射されるよ
うに設計される。

【００４１】＜平行光の出射面１３における光強度分布
の均一性の評価方法＞以上のようにしてコリメートレン
ズ５の曲率を設定した場合に、平行光の出射面１３にお
ける光強度分布の均一性を評価するために、リニアリテ
ィー誤差という概念を導入する。尚、このリニアリティ
ー誤差は、特開平１−３１２４０３号公報にも定義付け
されているものである。

【００４２】図４は、光電センサ１における受光率と遮
光率との関係を示すものである。尚、この場合の遮光率
とは、スリット８を上方又は下方から同一方向に向かっ
て遮光した場合のものとする。この図４において、一点
鎖線で示された直線は、光強度分布が出射面１３におい
て完全に均一な理想的な平行光での受光率と遮光率との
関係を示す基準線１４である。これに対して、実線で示
された曲線は、従来例で示した光電センサ１００のよう
な中心が密で外縁に向かって疎となるような不均一な光
強度分布の平行光での受光率と遮光率との関係を示す実
測定線１５である。

【００４３】そして、リニアリティー誤差ＥＲは、所定
の遮光率における基準線１４の受光率をＰＳ、実測定線
１５の受光率をＰとし、これらＰＳとＰとの差をΔＰと
した場合のＰＳに対するΔＰの割合として次式のように
定義される。 ＥＲ＝ΔＰ／ＰＳ×１００（％） … （４）

【００４４】図５（ａ）は、前記コリメートレンズ５を
投光ユニット６に装着した場合の光電センサ１における
リニアリティー誤差ＥＲを示すものである。また、図５
（ｂ）は、比較のため、図６に示すような設計条件が同
じで平行光の半径が１５ｍｍとなるような従来のコリメ
ートレンズ（平凸レンズ）１０３を投光ユニット１０１
に装着した場合の光電センサ１００におけるリニアリテ
ィー誤差ＥＲを示すものである。このように本実施例の
光電センサ１のリニアリティー誤差は、従来のものに比
べ格段に小さくなっていることがわかる。しかも、従来
のコリメートレンズ１０３の場合は、入射角が２１．９
°までの放射光しか取り込まれておらず（図６参照）、
従って、本実施例のコリメートレンズ５では、より広い
範囲の放射角（入射角３０°、図３参照）の放射光が取
り込まれることにより、放射光の減衰が抑制されている
ことがわかる。

【００４５】このように本実施例では、コリメートレン
ズ５の出射面１３における単位面積ｔから出射される平
行光の光量を均一にするために、この出射面１３におけ
る単位面積ｔから出射される平行光に対応してＬＥＤ４
から入射する放射光の光量が一定値となるようにコリメ
ートレンズ５の曲率を設定するようにした。そして、こ
のコリメートレンズ５を備えた投光ユニット６、受光ユ
ニット１１及び遮光状態検出回路で被検出物体の高さ寸
法を測定する光電センサ１を構成するようにした。

【００４６】このような構成によれば、例えばスリット
や光学フィルター等を用いて光強度分布が均一な平行光
を出射する方法と異なり、放射光の光量を減衰させるこ
となく大きな強度を維持した状態で出射面における光強
度分布が均一な平行光を出射することができる。しか
も、新たな光学部品を付加することなく、コリメートレ
ンズ５の曲率を調節するだけでよいので、投光ユニット
６の製造コストの上昇を抑制することができる。

【００４７】また、コリメートレンズ５の周縁部ほど放
射角範囲の広い放射光が集光されるので、光強度の大き
い光軸付近と同等な光強度の平行光を出射面１３全体か
ら出射することができる。

【００４８】また、投光ユニット６から光強度分布が均
一な平行光が出射されるので、受光率と遮光率とを比例
関係にすることができ、遮光状態の検出精度を向上させ
ることができる。しかも、この平行光の光強度は十分大
きいので、ＳＮ比を向上させることができる。また、投
光ユニット６と受光ユニット１１とのアライメント作業
も簡単に済み、新たな光学部品を付加しなくてもよいの
で製造コストの上昇を抑制することができる。

【００４９】［第２の実施例］以下、本発明の光電セン
サを被検出物体の高さ寸法を測定する光電センサに適用
した第２の実施例について、図７及び図８を参照して説
明する。尚、第１の実施例と同一部分については同一符
号を付して説明を省略し、以下異なる部分についてのみ
説明する。

【００５０】図７に示すように、本第２の実施例の光電
センサ２０では、受光ユニット１１に装着される集光レ
ンズ２１の曲率は、スリット８を通過した平行光の光強
度分布を維持したまま（線形な状態で）集光するように
設定されている。尚、従来の一般的な集光レンズは、こ
のような曲率に設定されている。そして、側壁面７ｂに
は、長手方向が垂直方向を向くようにして受光位置が検
出可能な受光手段たる一次元受光素子２２が装着されて
いる。この一次元受光素子２２は、Ｎ個の受光部が等間
隔で一列に配置されるようにして構成されている。

【００５１】また、投光ユニット６に装着されるコリメ
ートレンズ２３の曲率は、詳細は後述するが、第１の実
施例で示したコリメートレンズ５の曲率とは異なるよう
に設定されている。

【００５２】＜光電センサ２０の作用説明＞次に、光電
センサ２０の作用について説明する。まず初めに、投光
ユニット６に装着されたコリメートレンズ２３の曲率
は、詳細は後述するが、一次元受光素子２２の受光面に
おける集光光の単位面積当たりの光量が均一になるよう
に設定されている。

【００５３】さて、投光ユニット６から出射される平行
光は、ライン２上に測定用光路を形成しながら受光ユニ
ット１１のスリット８に向かって照射され、スリット８
を通過し、集光レンズ２１にて集光され、この集光光が
一次元受光素子２２にて受光される。一次元受光素子２
２内のＮ個の受光部では、各受光部毎に独立して受光量
が電気信号に光電変換され、これらＮ個の受光部からの
電気信号は、所定周期でパラレル−シリアル変換され、
遮光状態検出回路にシリアル信号として出力される。遮
光状態検出回路では、受信した電気信号に基づいて、集
光光の受光位置の検出が行われ、集光光が検出されなか
った受光位置に対応する位置（即ち、遮光位置）に被検
出物体が存在していたものとして、これにより被検出物
体の高さ寸法の測定が行われる。

【００５４】＜コリメートレンズ２３の曲率の設定方法
＞次に、コリメートレンズ２３の曲率の設定方法につい
て説明する。尚、本第２の実施例では、コリメートレン
ズ２３及び集光レンズ２１の表面には反射防止膜が施さ
れていないものとする。この場合、コリメートレンズ２
３及び集光レンズ２１の表面では、入射光の入射角に応
じて入射角が大きいほど大きな反射率で反射が生じ、こ
れによって光量の減衰が発生する。そのため、平行光の
光強度分布を出射面において均一にした場合には、集光
レンズ２１にて集光される際の反射の影響により、一次
元受光素子２２の受光面における集光光の単位面積当た
りの光束は中心が密で外縁が疎となってしまう。そこ
で、本第２の実施例では、コリメートレンズ２３及び集
光レンズ２１の表面反射による光量の減衰分がキャンセ
ルされて、一次元受光素子２２の受光面における集光光
の単位面積当たりの光量が均一になるようにコリメート
レンズ２３の曲率が設定される。

【００５５】図８は、非球面型のコリメートレンズ２３
及び集光レンズ２１の光学的構成を示すものである。こ
こでは、入射角θ、微小立体角α、光束Φ、放射光Ｒ及
び平行光Ｈについては、第１の実施例と同様の記号を使
用するものとする。また、集光レンズ２１により集光さ
れた集光光は、夫々ＳＡ乃至ＳＣとする。

【００５６】さて、一次元受光素子２２の受光面におけ
る集光光の単位面積当たりの光量を均一にするために、
まず、集光レンズ２１に平行光を入射させる際に、集光
レンズ２１への入射角に応じた表面反射により減衰する
光量がキャンセルされて、一次元受光素子２２の受光面
における集光光の単位面積当たりの光量が均一になるよ
うに、コリメートレンズ２３の出射面１３の単位面積ｔ
から出射される平行光ＨＡ乃至ＨＣの光束を定める。

【００５７】次に、前記出射面１３における単位面積ｔ
から出射される平行光ＨＡ乃至ＨＣの光束ΦＡ乃至ΦＣ
に対応させて、ＬＥＤ４からコリメートレンズ２３に入
射する放射光ＲＡ乃至ＲＣの微小立体角αＡ乃至αＣを
定める。尚、この場合にも、放射光が入射する際に、コ
リメートレンズ２３への入射角に応じた表面反射により
減衰する光量がキャンセルされるように微小立体角αＡ
乃至αＣを定めるようにする。また、具体的な設定方法
については第１の実施例と同様にして（１）及び（３）
式に基づいて行えばよいので、説明は省略する。

【００５８】このように本第２の実施例では、コリメー
トレンズ２３の曲率は、コリメートレンズ２３及び集光
レンズ２１の表面反射による光量の減衰分をキャンセル
した上で、一次元受光素子２２の受光面における集光光
の単位面積当たりの光量が均一になるように設定した。
そして、このコリメートレンズ２３を備えた投光ユニッ
ト６、平行光の光強度分布を維持したまま集光する集光
レンズ２１及びその集光光を受光する一次元受光素子２
２を備えた受光ユニット１１、及び、遮光状態検出回路
で被検出物体の高さ寸法を測定する光電センサ２０を構
成するようにした。

【００５９】このような構成によれば、投光ユニット６
から光強度が十分大きく光強度分布が均一な平行光が出
射され、しかも、被検出物体による平行光の遮光状態が
一次元受光素子２２の受光位置に対応付けされるので、
被検出物体の高さ寸法の測定精度を向上させることがで
きる。

【００６０】また、コリメートレンズ２３の周縁部ほど
放射角範囲の広い放射光が集光されるので、光強度の大
きい光軸付近と同等な光強度の平行光を出射面１３全体
から出射することができる。

【００６１】また、コリメートレンズ２３及び集光レン
ズ２１の表面反射による光量の減衰分がキャンセルされ
るので、各レンズ２１及び２３表面への入射角に応じて
反射率が変化することにより、一次元受光素子２２の受
光面に集光される単位面積当たりの光量が不均一になる
のを防ぐことができ、従って、一次元受光素子２２の受
光面での集光光の光強度分布の均一性をより向上させる
ことができる。

【００６２】尚、本発明は、上記し、且つ図面に示す実
施例にのみ限定されるものではなく、次のような変形、
拡張が可能である。本発明の第１の実施例では、コリメ
ートレンズに反射防止膜が施されている構成としたが、
これに限定されるものではなく、反射防止膜が施されて
いない場合には、コリメートレンズでの放射光の入射角
に応じた表面反射がキャンセルされるようにコリメート
レンズの曲率を設定すればよい。

【００６３】本発明の実施例では、発光手段をＬＥＤに
適用したが、これに限定されるものではなく、例えば半
導体レーザ等のレーザ光源や一般的な電球等に適用して
もよい。また、例えば、光ファイバ端から放射光が出射
されるように構成された光源に適用してもよく、要は、
放射角が大きくなるに従って光強度分布が小さくなる放
射光を出射するものであればよい。

【００６４】本発明の実施例では、光電センサを高さ寸
法を測定するものに適用したが、これに限定されるもの
ではなく、被検出物体を測長するものに適用してもよ
い。また、本発明の第２の実施例における受光手段を例
えば２次元受光素子にすることによって、被検出物体の
２次元的な形状認識を測定するものに適用することも可
能である。更に、受光手段は、例えば集光レンズによる
集光光を光ファイバで一端受け、この光ファイバにより
伝搬された光を受光素子で受光するように構成してもよ
い。

【００６５】本発明の実施例では、受光ユニットへ平行
光が入射する位置にスリットを設けたが、これに限定さ
れるものではなく、発光手段と受光手段との間に形成さ
れる光路上であればどの位置に設けてもよい。また、ス
リットは必要に応じて設ければよく、要は、受光手段に
て受光される平行光の領域が矩形スリット状に規制され
るように光電センサの光学系が設定されていればよい。

【００６６】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明の
投光ユニットは、コリメートレンズの曲率を調整するこ
とによって、投光ユニットから出射される平行光の光強
度分布が出射面において均一になるようにしたので、発
光手段から出射される放射光の光量を減衰させることな
く大きな光強度を維持した状態で光強度分布が均一な平
行光を出射することができる。そして、この投光ユニッ
ト、受光ユニット及び遮光状態検出手段で光電センサを
構成したので、リニアリティー誤差を小さくして遮光状
態の測定精度を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例を示す光電センサの構成
図

【図２】コリメートレンズの光学的構成図

【図３】コリメートレンズの設計例を示す図

【図４】光電センサの受光率と遮光率との関係を示す図

【図５】光電センサのリニアリティー誤差を示す図

【図６】従来例を示す図３相当図

【図７】本発明の第２の実施例を示す図１相当図

【図８】コリメートレンズ及び集光レンズの光学的構成
図

【図９】従来例を示す図１相当図

【図１０】ＬＥＤの放射角に対する光強度分布図

【図１１】スリットの形状図

【図１２】スリットの遮光状態と通過する光量との関係
を示す図

【符号の説明】

図面中、１，２０は光電センサ、２はライン、４はＬＥ
Ｄ（発光手段）、５はコリメートレンズ、６は投光ユニ
ット、８はスリット（スリット手段）、９，２１は集光
レンズ、１０はフォトダイオード（受光手段）、１１は
受光ユニット、２２は一次元受光素子（受光手段）を示
す。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｇ０２Ｂ 3/00 Ｇ０２Ｂ 19/00 ５Ｆ０８９ 3/02 Ｈ０１Ｌ 31/12 Ｄ 19/00 Ｇ０１Ｊ 1/02 Ｐ Ｈ０１Ｌ 31/12 Ｆ２１Ｍ 1/00 Ｑ // Ｇ０１Ｊ 1/02 Ｆターム(参考） 2F065 AA07 AA24 DD00 EE04 EE08 FF02 GG07 GG12 HH03 HH13 HH15 JJ02 JJ09 JJ25 LL00 LL28 QQ25 UU01 UU05 2G065 AB23 AB28 BA09 BB06 BB23 DA15 2H052 BA02 BA07 BA09 BA11 3K042 AA01 AC06 BC01 5F041 AA06 EE11 EE16 FF16 5F089 BB04 BC15 GA01

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 発光手段から放射され、放射角が大きく
   なるに従って光強度分布が小さくなる放射光を平行化し
   て平行光を出射するコリメートレンズを備えた投光ユニ
   ットにおいて、 前記コリメートレンズの曲率は、光軸に垂直な出射面に
   おける前記平行光の単位面積当たりの光量が均一になる
   ように設定されていることを特徴とする投光ユニット。
2. 【請求項２】 前記コリメートレンズの曲率は、前記出
   射面における単位面積から出射される前記平行光に対応
   して前記発光手段から入射される前記放射光の光量が一
   定値となるような演算式に基づいて設定されていること
   を特徴とする請求項１記載の投光ユニット。
3. 【請求項３】 前記コリメートレンズの曲率は、前記放
   射角に応じて前記コリメートレンズの表面における反射
   による減衰分を予め除去するようにして設定されている
   ことを特徴とする請求項２記載の投光ユニット。
4. 【請求項４】 請求項１乃至３の何れかに記載の投光ユ
   ニットと、 この投光ユニットから出射される前記平行光を集光レン
   ズにて集光し、この集光光を受光手段にて受光する受光
   ユニットと、 この受光ユニットにより受光される受光量に基づいて、
   前記投光ユニット及び前記受光ユニット間に形成される
   測定用光路の遮光状態を検出する遮光状態検出手段とを
   具備することを特徴とする光電センサ。
5. 【請求項５】 発光手段から放射され、放射角が大きく
   なるに従って光強度分布が小さくなる放射光を平行化し
   て平行光を出射するコリメートレンズを備えた投光ユニ
   ットと、 この投光ユニットから出射される前記平行光を集光レン
   ズにて集光し、この集光光を受光位置が検出可能な受光
   手段にて受光する受光ユニットと、 この受光ユニットにより検出される前記受光位置に基づ
   いて、前記投光ユニット及び前記受光ユニット間に形成
   される光路の遮光状態を検出する遮光状態検出ユニット
   とを備える光電センサにおいて、 前記コリメートレンズの曲率は、前記受光手段の受光面
   における前記集光光の単位面積当たりの光量が均一にな
   るように設定されていることを特徴とする光電センサ。
6. 【請求項６】 前記コリメートレンズの曲率は、前記受
   光手段の受光面における単位面積に入射する前記集光光
   に対応して前記発光手段から入射する前記放射光の光量
   が一定値となるような演算式に基づいて設定されている
   ことを特徴とする請求項５記載の光電センサ。
7. 【請求項７】 前記コリメートレンズの曲率は、前記放
   射角に応じて前記コリメートレンズ及び前記集光レンズ
   の表面における反射による減衰分を予め除去するように
   して設定されていることを特徴とする請求項６記載の光
   電センサ。