JP2006170699A - Optical device for object identification - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、光学式物体識別装置に関し、例えば、被測定物にレーザ光を照射し、このレーザ光の反射による偏光解消特性を測定することにより、被測定物の種類を識別する光学式物体識別装置に関し、例えば、じゅうたんや板間、畳などの床面の種類を判別する光学式物体識別装置に関する。
BACKGROUND OF THE
また、一例として、この発明は、床面の種類を判別し、じゅうたんや畳、板間などの床面の違いによる掃除機の運転状況の最適化を実現するのに好適な光学式物体識別装置に関し、さらに、上記光学式物体識別装置を内蔵した掃除機および自走式掃除機に関する。 In addition, as an example, the present invention is an optical object identification device suitable for identifying the type of floor surface and realizing optimization of the operation state of the vacuum cleaner due to the difference in floor surface such as carpets, tatami mats, and boards. Further, the present invention relates to a vacuum cleaner and a self-propelled vacuum cleaner incorporating the optical object identification device.
従来、家庭用の電気掃除機に塔載されてきた床面判別センサは、機械式、吸引圧力式、超音波式、光学式のセンサに大別できる。 Conventionally, floor surface determination sensors that have been mounted on household vacuum cleaners can be broadly classified into mechanical, suction pressure, ultrasonic, and optical sensors.
機械式の床面判別センサとしては、(1)可動部を床面に押し当てる方式(特開平2−52619号公報)、(2)多角柱あるいは歯車状のローラの回転状態により判別する方式(特開平2−52623号公報および特開平3−106325号公報)、(3)床面から受ける押圧により変化する導電性ゴムの抵抗値により判別する方式 (特開平5−56888号公報および特開平5−56889号公報)等のものがある。 As a mechanical floor surface detection sensor, (1) a method in which a movable part is pressed against the floor surface (Japanese Patent Laid-Open No. 2-52619), (2) a method in which a determination is made based on the rotation state of a polygonal column or a gear-shaped roller ( (3) A method of discriminating by the resistance value of the conductive rubber that changes due to the pressure received from the floor (JP-A-5-56888 and JP-A-5-56325) No. -568889).
また、特開平6−78862号公報には、吸引圧力式の床面判別センサが記載されている。この吸引圧力式の床面判別センサは、集塵フィルタ前部の圧力を検知して床面の種類を判別する。このセンサでは、床面が絨毯の場合は絨毯が吸込み口に吸着することにより真空度が上昇するのに対し、板間等は吸込み口に吸着しないので真空度が上昇しないことを利用して床面の種類を判別する。 Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-78862 discloses a suction pressure type floor surface discrimination sensor. This suction pressure type floor surface discrimination sensor detects the pressure of the front part of the dust collecting filter and discriminates the type of the floor surface. In this sensor, when the floor surface is a carpet, the degree of vacuum rises due to the carpet adsorbing to the suction port, while the space between the plates does not adsorb to the suction port, so the degree of vacuum does not increase. Determine the type of face.
また、特開平1−232255号公報、特開平3−77519号公報および特開平3−212249号公報には、超音波式の床面判別センサが記載されている。この超音波式の床面判別センサでは、床面に対向して取り付けられた送波部から発信された超音波パルスが、床面との間でエコーとして複数回反射を繰り返した後、受信部で受信される。この受信部で受信した信号により床面の種類を判別する。 Japanese Laid-Open Patent Publication Nos. 1-2232255, 3-77519, and 3-212249 describe ultrasonic floor discriminating sensors. In this ultrasonic type floor surface discrimination sensor, an ultrasonic pulse transmitted from a wave transmitting unit mounted opposite to the floor surface is repeatedly reflected as an echo between the floor surface and a receiving unit. Received at. The type of the floor surface is determined based on the signal received by the receiving unit.
また、特開平3−123522号公報および特開平3−228724号公報には、光学式の床面判別センサが記載されている。この光学式の床面判別センサは、床面に対して水平な光を受発光する第1の受発光素子と、床面に垂直な光を受発光する第2の受発光素子を有し、これら2組の受発光素子の出力から床面の種類を判別する。 Japanese Patent Application Laid-Open No. 3-123522 and Japanese Patent Application Laid-Open No. 3-228724 describe optical floor surface discrimination sensors. This optical floor discrimination sensor has a first light emitting / receiving element that receives and emits light that is horizontal to the floor, and a second light emitting and receiving element that receives and emits light perpendicular to the floor, The type of the floor surface is discriminated from the outputs of these two sets of light emitting / receiving elements.
ところで、一般的に、機械式の床面判別センサなどの接触部を有する構成、特に、接触部が接触によって可動する可動部を有する構成の装置においては、その接触部(可動部)の磨耗や機械的信頼性の経年劣化など様々な問題点が多い。 By the way, in general, in a configuration having a contact portion such as a mechanical floor surface discrimination sensor, particularly in an apparatus having a movable portion whose contact portion is movable by contact, the contact portion (movable portion) is worn or There are many problems such as aging degradation of mechanical reliability.
したがって、非接触で目的の効果を得ることができる光学式の床面判別センサが装置の信頼性の上で優れている。なお、機械式における上述の(2),(3)の各方式の床面判別センサも、接触部と可動部を有しており、その変位による物理量を測定していることから、光学式の床面判別センサに比べて、信頼性上問題がある。 Therefore, an optical floor discrimination sensor that can obtain a desired effect in a non-contact manner is superior in terms of device reliability. In addition, the floor type discrimination sensor of each of the above methods (2) and (3) in the mechanical type also has a contact part and a movable part, and measures the physical quantity due to the displacement, so that the optical type There is a problem in reliability compared with the floor surface detection sensor.
一方、吸引圧力式の床面判別センサでは、掃除する床面の種類だけでなく、集塵フィルタの目詰まり等の他の要素によっても真空度が変化するので、床面の種類を誤検知する恐れがある。 On the other hand, in the suction pressure type floor surface discrimination sensor, the degree of vacuum changes not only due to the type of floor surface to be cleaned but also due to other factors such as clogging of the dust collecting filter. There is a fear.
また、超音波式の床面判別センサでは、送受信素子とも何らかのホーンが必要となるので、一般の掃除機に取り付けた場合には大型化し、使い勝手が悪くなる。また、耐衝撃性、低コスト化についても考慮が必要である。 In addition, in the ultrasonic floor sensor, the transmission / reception element needs some kind of horn, so when it is attached to a general vacuum cleaner, the size is increased and the usability is deteriorated. In addition, it is necessary to consider impact resistance and cost reduction.
また、上述の2組の受発光素子を有する光学式の床面判別センサでは、床面に水平に出射した光を絨毯の毛が遮り、受光量が低下することを検知して、床面が絨毯であることを判別しているが、毛足の短い絨毯の場合には上記光を遮ることがないので、床面が絨毯であることを検知するのが困難である。また、受発光素子を2組使用しているので、安価に製造することは困難である。 Further, in the optical floor discrimination sensor having the two sets of light receiving and emitting elements described above, the floor surface is detected by detecting that the light emitted horizontally on the floor is blocked by the hair of the carpet and the amount of received light is reduced. Although it is determined that the carpet is a carpet, it is difficult to detect that the floor is a carpet because the light is not blocked in the case of a carpet with short hairs. Further, since two sets of light emitting / receiving elements are used, it is difficult to manufacture at low cost.
以上のように、床面判別センサとしては、種々の方式が提案されているが、一長一短があるのが現状であり、基本的に絨毯かそれ以外の床面かを区別するもので、日本の一般的な室内環境である畳との識別が可能な装置ではない。
そこで、この発明の課題は、被測定物に対して傾斜したときにも、被測定物の表面状態の識別精度が低下せず、被測定物の高精度な識別が可能な光学式物体識別装置を提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to provide an optical object identification device capable of highly accurately identifying a measured object without deteriorating the identification accuracy of the surface state of the measured object even when tilted with respect to the measured object. Is to provide.
上記課題を解決するため、この発明の光学式物体識別装置は、半導体発光素子を有する発光部と、
上記発光部から出射した光を第1光束と第2光束に分割する第1光分岐素子を有すると共に上記第1光束を被測定物に照射する投光部と、
上記被測定物で反射した反射光を集光する第1レンズと、
上記第1レンズで集光した光束を第1反射光束と第2反射光束に分割する第2光分岐素子と、
上記第1反射光束が入射すると共にこの第1反射光束のうちの所定の偏光方向の成分を通過させる第1直線偏光子と、
上記第2反射光束が入射すると共にこの第2反射光束のうちの上記所定の偏光方向と直交する偏光方向の成分を通過させる第2直線偏光子と、
上記第1直線偏光子を通過した第1反射光束を受光する第1受光素子と、
上記第2直線偏光子を通過した第2反射光束を受光する第2受光素子と、
上記第1受光素子が出力する第1受光信号と上記第2受光素子が出力する第2受光信号とが入力され、この第1,第2受光信号に基づいて、上記反射光の偏光情報を測定する信号処理部とを備え、
上記被測定物の表面で反射した上記反射光のうちの正反射光成分が上記第1レンズを介して上記第1および第2受光素子の受光面内に入射することを特徴としている。
In order to solve the above problems, an optical object identification device of the present invention includes a light emitting unit having a semiconductor light emitting element,
A light projecting unit that has a first light branching element that divides the light emitted from the light emitting unit into a first light beam and a second light beam, and irradiates the object to be measured with the first light beam;
A first lens that collects the reflected light reflected by the object to be measured;
A second light branching element that splits the light beam collected by the first lens into a first reflected light beam and a second reflected light beam;
A first linear polarizer that allows the first reflected light beam to enter and allows a component in a predetermined polarization direction of the first reflected light beam to pass through;
A second linear polarizer that allows the second reflected light beam to enter and pass a component of the second reflected light beam that has a polarization direction orthogonal to the predetermined polarization direction;
A first light receiving element that receives the first reflected light beam that has passed through the first linear polarizer;
A second light receiving element that receives the second reflected light beam that has passed through the second linear polarizer;
The first light receiving signal output from the first light receiving element and the second light receiving signal output from the second light receiving element are input, and the polarization information of the reflected light is measured based on the first and second light receiving signals. And a signal processing unit
The specularly reflected light component of the reflected light reflected from the surface of the object to be measured is incident on the light receiving surfaces of the first and second light receiving elements through the first lens.
この発明の光学式物体識別装置によれば、投光部の第1光分岐素子で分割された第1光束を被測定物に照射し、この被測定物で反射した反射光を第1レンズによって集光する。この集光した光束は第2光分岐素子で第1および第2反射光束に分割され、第1および第2直線偏光子を経て、互いに偏光方向が直交する第1および第2反射光束を第1および第2受光素子で受光する。そして、上記第1および第2受光素子で検出した受光信号を信号処理回路部で処理することによって、この被測定物で反射した反射光の偏光解消特性を評価する。この発明によれば、被測定物の表面の粗度に対応して変化する受光信号が得られ、被測定物の種類を識別することができる。 According to the optical object identification device of the present invention, the object to be measured is irradiated with the first light beam divided by the first light branching element of the light projecting unit, and the reflected light reflected by the object to be measured is reflected by the first lens. Condensate. The condensed light flux is split into first and second reflected light fluxes by the second light splitting element, and the first and second reflected light fluxes whose polarization directions are orthogonal to each other pass through the first and second linear polarizers. The second light receiving element receives light. Then, the light receiving signals detected by the first and second light receiving elements are processed by the signal processing circuit unit, thereby evaluating the depolarization characteristics of the reflected light reflected by the object to be measured. According to the present invention, a light reception signal that changes in accordance with the roughness of the surface of the object to be measured is obtained, and the type of the object to be measured can be identified.
また、この発明では、上記被測定物の表面で反射した上記反射光の正反射光成分が上記第1レンズを介して上記第1および第2受光素子の受光面内に入射する。つまり、この発明では、上記投光部からの第1光束が被測定物の表面に入射する入射角度が変化して斜入射となったときでも、この斜入射の角度に応じた正反射光成分を第1および第2受光素子で受光できる光学系になっている。 In the present invention, the specularly reflected light component of the reflected light reflected from the surface of the object to be measured is incident on the light receiving surfaces of the first and second light receiving elements via the first lens. That is, in the present invention, even when the incident angle at which the first light flux from the light projecting unit is incident on the surface of the object to be measured changes and becomes obliquely incident, the specularly reflected light component corresponding to the angle of oblique incidence is obtained. Is an optical system capable of receiving light by the first and second light receiving elements.
したがって、この発明では、光学式物体識別装置と被測定物の表面とが相対的に傾き、この被測定物の表面に入射する第1光束の入射角が変化したときでも、被測定物の表面状態の情報を含んだ正反射光成分を第1,第2受光素子へと導くことができる。したがって、この発明の光学式物体識別装置によれば、被測定物の表面に対して相対的に傾いた状態でも、被測定物の表面状態の識別精度を低下させることがなく、高精度な被測定物の識別が可能となる。 Therefore, in the present invention, even when the optical object identification device and the surface of the object to be measured are relatively inclined and the incident angle of the first light beam incident on the surface of the object to be measured is changed, the surface of the object to be measured is changed. A specularly reflected light component including state information can be guided to the first and second light receiving elements. Therefore, according to the optical object identification device of the present invention, even when the surface of the object to be measured is inclined relative to the surface of the object to be measured, the accuracy of identifying the surface state of the object to be measured is not lowered, and a high accuracy object is detected. The object to be measured can be identified.
また、一実施形態の光学式物体識別装置では、上記第1レンズの焦点距離をf(mm)とし、上記被測定物から上記第1光分岐素子を経由して上記第1レンズに至る光路距離をa1(mm)とするとき、
f<a1 …(1)
上式(1)を満たすことを特徴としている。
In the optical object identification device according to an embodiment, the focal length of the first lens is f (mm), and the optical path distance from the object to be measured to the first lens via the first optical branching element. Is assumed to be a1 (mm),
f <a1 (1)
It is characterized by satisfying the above formula (1).
上記構成の光学式物体識別装置では、第1レンズと被測定物との間の光路距離a1(mm)が第1レンズの焦点距離f(mm)よりも長いので、被測定物の表面に入射する第1光束の入射角θが変化したときでも、上記被測定物の表面で反射した上記反射光の正反射光軸は受光素子の受光面の方へと向けられる。したがって、被測定物の識別精度を向上させることができる。 In the optical object identification device having the above configuration, since the optical path distance a1 (mm) between the first lens and the object to be measured is longer than the focal length f (mm) of the first lens, the light is incident on the surface of the object to be measured. Even when the incident angle θ of the first light flux changes, the regular reflection optical axis of the reflected light reflected by the surface of the object to be measured is directed toward the light receiving surface of the light receiving element. Therefore, it is possible to improve the identification accuracy of the object to be measured.
また、一実施形態の光学式物体識別装置では、上記第1レンズの半径をr1(mm)とし、上記第1光束と上記被測定物の上記表面の法線とがなす角をθ(ラジアン)とするとき、
tan−1(r1/a1)>2θ …(2)
上式(2)を満たすことを特徴としている。
In one embodiment, the radius of the first lens is r1 (mm), and the angle formed by the first light beam and the normal of the surface of the object to be measured is θ (radian). And when
tan −1 (r1 / a1)> 2θ (2)
It is characterized by satisfying the above formula (2).
上記構成の光学式物体識別装置では、第1光束の被測定物表面への入射角θの2倍を、第1レンズの半径r1(mm)を第1レンズと被測定物との間の光路距離をa1(mm)で除算した値のアークタンジェントよりも小さくした。これにより、被測定物の表面に入射する第1光束の入射角θが変化したときでも、被測定物の表面状態の情報を含んだ正反射光が上記第1レンズに確実に入射し、この第1レンズで第1,第2受光素子の受光面に向かって屈折する。したがって、被測定物の識別精度を向上させることができる。 In the optical object identification device having the above-described configuration, the angle of incidence θ of the first light beam on the surface of the object to be measured is set to twice, and the radius r1 (mm) of the first lens is set to the optical path between the first lens and the object to be measured. It was made smaller than the arc tangent of the value obtained by dividing the distance by a1 (mm). As a result, even when the incident angle θ of the first light beam incident on the surface of the object to be measured changes, the specularly reflected light including information on the surface state of the object to be measured is reliably incident on the first lens. The first lens refracts toward the light receiving surfaces of the first and second light receiving elements. Therefore, it is possible to improve the identification accuracy of the object to be measured.
また、一実施形態の光学式物体識別装置では、上記第1レンズから上記第2光分岐素子を経由して上記第1,第2受光素子に至る光路距離をb1(mm)とするとき、
1/f=(1/a1)+(1/b1) …(3)
上式(3)を満たすことを特徴としている。
In the optical object identification device of one embodiment, when the optical path distance from the first lens to the first and second light receiving elements via the second light branching element is b1 (mm),
1 / f = (1 / a1) + (1 / b1) (3)
It is characterized by satisfying the above formula (3).
上記構成の光学式物体識別装置では、第1レンズの焦点距離f、第1レンズと被測定物との間の光路距離および第1レンズと第1,第2受光素子との間の光路距離がガウスのレンズ公式の関係を満たしている。したがって、被測定物の表面に入射する第1光束の入射角が変化したときでも、被測定物の表面状態の情報を含んだ反射光の正反射光成分を第1,第2受光素子の受光面上に集光できる。したがって、第1,第2受光素子で信号光(第1,第2反射光束)を効率よく受光でき、より高精度な被測定物の識別が可能となる。 In the optical object identification device configured as described above, the focal length f of the first lens, the optical path distance between the first lens and the object to be measured, and the optical path distance between the first lens and the first and second light receiving elements are as follows. Satisfies the Gauss lens formula. Therefore, even when the incident angle of the first light beam incident on the surface of the object to be measured changes, the specularly reflected light component of the reflected light including the information on the surface state of the object to be measured is received by the first and second light receiving elements. Condensed on the surface. Therefore, the first and second light receiving elements can efficiently receive the signal light (first and second reflected light beams), and the object to be measured can be identified with higher accuracy.
また、一実施形態の光学式物体識別装置では、上記第1レンズの半径をr1(mm)とし、
上記第2光分岐素子の1辺の長さをLb(mm)とし、
上記第2光分岐素子と上記第1,第2受光素子との間の距離をx1(mm)とするとき、
x1<(Lb/2)・(b1−r1)/r1 …(4)
上式(4)を満たすことを特徴としている。
In the optical object identification device of one embodiment, the radius of the first lens is r1 (mm),
The length of one side of the second optical branching element is Lb (mm),
When the distance between the second light branching element and the first and second light receiving elements is x1 (mm),
x1 <(Lb / 2). (b1-r1) / r1 (4)
It is characterized by satisfying the above formula (4).
上記構成の光学式物体識別装置では、第2光分岐素子と第1,第2受光素子との間の距離x1が上式(4)の関係を満たしている。つまり、第2光分岐素子の1辺の長さをLb(mm)の2分の1に、第1レンズと上記第1,第2受光素子との間の光路距離b1(mm)から第1レンズの半径r1(mm)を減算した値を乗算して、さらに、第1レンズの半径r1(mm)で除算した値を、第2光分岐素子と上記第1,第2受光素子との間の距離x1(mm)よりも大きくした。 In the optical object identification device having the above configuration, the distance x1 between the second light branching element and the first and second light receiving elements satisfies the relationship of the above formula (4). That is, the length of one side of the second optical branching element is set to one half of Lb (mm), and the first optical path distance b1 (mm) between the first lens and the first and second light receiving elements is first. A value obtained by subtracting the radius r1 (mm) of the lens is multiplied, and a value obtained by dividing the value by the radius r1 (mm) of the first lens is calculated between the second optical branch element and the first and second light receiving elements. The distance x1 (mm) is larger.
これにより、被測定物の表面状態の情報を含んだ正反射光成分を第1レンズで集光して、第2光分岐素子へ効果的に入射させ、分割することができる。したがって、被測定物の識別精度を向上できる。 Thereby, the specularly reflected light component including information on the surface state of the object to be measured can be condensed by the first lens, and can be effectively incident on the second optical branching element and divided. Therefore, it is possible to improve the identification accuracy of the object to be measured.
また、一実施形態の光学式物体識別装置では、上記被測定物から上記第1光分岐素子を経由して上記第1レンズに至る光路距離をa1(mm)とし、
上記第1レンズから上記第2光分岐素子を経由して上記第1,第2受光素子に至る光路距離をb1(mm)とし、
上記第1および第2受光素子の受光面の大きさをd(mm)とし、
上記被測定物の表面での上記第1光束のビーム径をφ(mm)とするとき、
d>(b1/a1)・φ …(5)
上式(5)を満たすことを特徴としている。
In the optical object identification device of one embodiment, an optical path distance from the object to be measured to the first lens via the first light branching element is a1 (mm),
The optical path distance from the first lens to the first and second light receiving elements via the second light branching element is b1 (mm),
The size of the light receiving surface of the first and second light receiving elements is d (mm),
When the diameter of the first light beam on the surface of the object to be measured is φ (mm),
d> (b1 / a1) · φ (5)
It is characterized by satisfying the above formula (5).
上記構成の光学式物体識別装置では、被測定物の表面での第1光束のビーム径φ(mm)と第1,第2受光素子の受光面の大きさd(mm)とが上式(5)の関係を満たしている。つまり、第1レンズと上記第1,第2受光素子との間の光路距離b1(mm)を第1レンズと上記被測定物との間の光路距離a1(mm)で除算した値(b1/a1)に、第1光束のビーム径φを乗算した値を、第1および第2受光素子の受光面の大きさd(mm)よりも小さくした。これにより、被測定物の表面に入射する第1光束のビームスポット領域からの全ての正反射光成分を第1,第2受光素子の受光面上に導くことができる。したがって、被測定物の識別をより高精度にすることが可能となる。なお、この第1,第2受光素子の受光面の大きさd(mm)とは一例として、受光面が円形の場合は直径であり、受光面が矩形の場合はその一辺の長さである。 In the optical object identification device having the above configuration, the beam diameter φ (mm) of the first light flux on the surface of the object to be measured and the size d (mm) of the light receiving surface of the first and second light receiving elements are expressed by the above formula ( The relationship of 5) is satisfied. That is, a value obtained by dividing the optical path distance b1 (mm) between the first lens and the first and second light receiving elements by the optical path distance a1 (mm) between the first lens and the object to be measured (b1 / The value obtained by multiplying a1) by the beam diameter φ of the first light flux is made smaller than the size d (mm) of the light receiving surfaces of the first and second light receiving elements. Thereby, all the specularly reflected light components from the beam spot region of the first light beam incident on the surface of the object to be measured can be guided onto the light receiving surfaces of the first and second light receiving elements. Therefore, it becomes possible to make the measurement object to be identified more accurately. The size d (mm) of the light receiving surface of the first and second light receiving elements is, for example, the diameter when the light receiving surface is circular, and the length of one side when the light receiving surface is rectangular. .
また、一実施形態の光学式物体識別装置では、上記第1レンズと上記第2光分岐素子との間の光軸上に、第2レンズを配置した。 In one embodiment, the second lens is disposed on the optical axis between the first lens and the second optical branching element.
上記構成の光学式物体識別装置では、第1レンズと第1,第2受光素子との間に第2レンズを配置したことにより、被測定物の表面に入射する第1光束の入射角が変化したときでも、被測定物の表面状態の情報を含んだ反射光の正反射光束を受光素子へ効率よく集光できる。したがって、被測定物の識別精度を向上できる。 In the optical object identification device having the above configuration, the incident angle of the first light beam incident on the surface of the object to be measured is changed by arranging the second lens between the first lens and the first and second light receiving elements. Even in this case, the regular reflection light beam of the reflected light including the information on the surface state of the object to be measured can be efficiently condensed on the light receiving element. Therefore, it is possible to improve the identification accuracy of the object to be measured.
また、一実施形態の光学式物体識別装置では、上記被測定物から上記第1光分岐素子を経由して上記第1レンズに至る光路距離をa2(mm)とし、上記第1レンズの焦点距離をf1(mm)とすると、上記a2(mm)と上記f1(mm)とが略等しい。 In one embodiment, the optical path distance from the object to be measured to the first lens via the first optical branching element is a2 (mm), and the focal length of the first lens is Is f1 (mm), the a2 (mm) and the f1 (mm) are substantially equal.
上記構成の光学式物体識別装置では、第1レンズと被測定物との間の光路距離が第1レンズの焦点距離と略等しいので、第1レンズを通過した後の正反射光成分はほぼ平行光となる。これにより、上記ほぼ平行光となった正反射光成分を、第1レンズの後の第2レンズで第1,第2受光素子の受光面上に効果的に集光できる。したがって、被測定物の表面状態の測定精度を向上でき、被測定物の識別をより高精度にすることが可能となる。 In the optical object identification device having the above configuration, since the optical path distance between the first lens and the object to be measured is substantially equal to the focal length of the first lens, the specularly reflected light component after passing through the first lens is substantially parallel. Become light. Thus, the specularly reflected light component that has become substantially parallel light can be effectively condensed on the light receiving surfaces of the first and second light receiving elements by the second lens after the first lens. Therefore, the measurement accuracy of the surface state of the object to be measured can be improved, and the object to be measured can be identified more accurately.
また、一実施形態の光学式物体識別装置では、上記第1レンズの半径をr1(mm)とし、
上記第1光束と上記被測定物の表面の法線とがなす角をθ(ラジアン)とするとき、
tan−1(r1/a2)>2θ …(6)
上式(6)を満たすことを特徴としている。
In the optical object identification device of one embodiment, the radius of the first lens is r1 (mm),
When the angle formed by the first luminous flux and the normal of the surface of the object to be measured is θ (radian),
tan −1 (r1 / a2)> 2θ (6)
It is characterized by satisfying the above formula (6).
上記構成の光学式物体識別装置では、第1光束が被測定物の表面に入射する入射角θの2倍を、第1レンズの半径r1(mm)を第1レンズと被測定物との間の光路距離a2(mm)で除算した値(r1/a2)のアークタンジェントよりも小さくした。これにより、被測定物の表面に入射する第1光束の入射角θが変化したときでも、被測定物の表面状態の情報を含んだ正反射光が確実に上記第1レンズに入射して、第2レンズにより第1,第2受光素子に向かって屈折するので、被測定物の識別精度をより向上できる。 In the optical object identification device having the above-described configuration, the incident angle θ that is incident on the surface of the object to be measured is twice the incident angle θ, and the radius r1 (mm) of the first lens is between the first lens and the object to be measured. It was made smaller than the arc tangent of the value (r1 / a2) divided by the optical path distance a2 (mm). Thereby, even when the incident angle θ of the first light beam incident on the surface of the object to be measured changes, the specularly reflected light including information on the surface state of the object to be measured is surely incident on the first lens, Since the second lens refracts toward the first and second light receiving elements, the identification accuracy of the object to be measured can be further improved.
また、一実施形態の光学式物体識別装置では、上記第1および第2受光素子と上記第2レンズとの間の光路距離をb2(mm)とし、上記第2レンズの焦点距離をf2(mm)とするとき、上記光路距離b2(mm)と焦点距離f2(mm)とが略等しいことを特徴としている。 In the optical object identification device of one embodiment, the optical path distance between the first and second light receiving elements and the second lens is b2 (mm), and the focal length of the second lens is f2 (mm). ), The optical path distance b2 (mm) and the focal length f2 (mm) are substantially equal.
上記構成の光学式物体識別装置では、第2レンズと第1,第2受光素子との間の光路距離b2(mm)と第2レンズの焦点距離f2(mm)とが略等しい。したがって、被測定物の表面に対する第1光束の入射角θが変化したときでも、第1レンズによって略平行光束化された正反射光成分を、第2レンズによって受光素子の受光面内に効果的に集光できる。したがって、被測定物の表面状態の測定精度を向上でき、より高精度な被測定物の識別が可能となる。 In the optical object identification device having the above configuration, the optical path distance b2 (mm) between the second lens and the first and second light receiving elements is substantially equal to the focal length f2 (mm) of the second lens. Therefore, even when the incident angle θ of the first light beam with respect to the surface of the object to be measured changes, the specularly reflected light component converted into a substantially parallel light beam by the first lens is effectively applied to the light receiving surface of the light receiving element by the second lens. Can be condensed. Therefore, the measurement accuracy of the surface state of the object to be measured can be improved, and the object to be measured can be identified with higher accuracy.
また、一実施形態の光学式物体識別装置では、上記第2光分岐素子の一辺の長さをLb(mm)とし、上記第2レンズの半径をr2(mm)とし、上記第2光分岐素子の反射面と上記第1,第2受光素子との間の光路距離をx2(mm)とするとき、
x2<(Lb/2)・(b2−r2)/r2 …(7)
上式(7)を満たすことを特徴としている。
In one embodiment, the length of one side of the second light branching element is Lb (mm), the radius of the second lens is r2 (mm), and the second light branching element is used. When the optical path distance between the reflecting surface and the first and second light receiving elements is x2 (mm),
x2 <(Lb / 2) · (b2-r2) / r2 (7)
It is characterized by satisfying the above formula (7).
上記構成の光学式物体識別装置では、第2光分岐素子の反射面と第1,第2受光素子との間の距離x2(mm)が上式(7)の関係を満たしている。つまり、第2光分岐素子の一辺の長さLb(mm)の2分の1に、第2レンズと第1,第2受光素子との間の光路距離b2(mm)から第2レンズの半径r2(mm)を減算した値を乗算し、さらに、第2レンズの半径r2(mm)で除算した値を、第2光分岐素子と第1受光素子との間の距離x2(mm)よりも大きくした。 In the optical object identification device having the above configuration, the distance x2 (mm) between the reflection surface of the second light branching element and the first and second light receiving elements satisfies the relationship of the above expression (7). That is, the radius of the second lens from the optical path distance b2 (mm) between the second lens and the first and second light receiving elements is reduced to one half of the length Lb (mm) of one side of the second optical branching element. The value obtained by multiplying the value obtained by subtracting r2 (mm) and further dividing by the radius r2 (mm) of the second lens is greater than the distance x2 (mm) between the second light branching element and the first light receiving element. Increased.
これにより、上記第1レンズと第2レンズを介して集光される被測定物の表面状態の情報を含んだ正反射光成分を効果的に第2光分岐素子へ入射させて、分割することができる。したがって、被測定物の識別精度を向上できる。 Thereby, the specularly reflected light component including the surface state information of the object to be measured collected through the first lens and the second lens is effectively incident on the second light branching element and divided. Can do. Therefore, it is possible to improve the identification accuracy of the object to be measured.
また、一実施形態の光学式物体識別装置では、上記第2レンズの半径r2(mm)は上記第1レンズの半径r1(mm)以上であることを特徴としている。 In one embodiment, the radius r2 (mm) of the second lens is not less than the radius r1 (mm) of the first lens.
上記構成の光学式物体識別装置では、第2レンズの半径r2(mm)が第1レンズの半径r1(mm)以上であるので、第1レンズを通過した後に拡散方向に広がる正反射光成分を第2レンズで第1,第2受光素子へ向けて集光できる。したがって、被測定物の識別精度をより向上できる。 In the optical object identification device having the above configuration, since the radius r2 (mm) of the second lens is equal to or larger than the radius r1 (mm) of the first lens, the specularly reflected light component that spreads in the diffusion direction after passing through the first lens is generated. The second lens can collect light toward the first and second light receiving elements. Therefore, the identification accuracy of the object to be measured can be further improved.
また、一実施形態の光学式物体識別装置では、上記第1レンズと第2レンズとの間の距離をS(mm)とし、
上記被測定物上での第1光束のビーム径をφ(mm)とするとき、
r2/r1>(S・(φ/2)+a2・r1)/(a2・r1) …(8)
上式(8)を満たすことを特徴としている。
In the optical object identification device of one embodiment, the distance between the first lens and the second lens is S (mm),
When the beam diameter of the first light beam on the object to be measured is φ (mm),
r2 / r1> (S · (φ / 2) + a2 · r1) / (a2 · r1) (8)
It is characterized by satisfying the above formula (8).
上記構成の光学式物体識別装置では、第1レンズを通過した後に拡散方向に広がる正反射光成分を第2レンズで確実に第1,第2受光素子へ向けて集光できるので、被測定物の識別精度を向上できる。 In the optical object identification device having the above configuration, the specularly reflected light component that spreads in the diffusing direction after passing through the first lens can be reliably collected by the second lens toward the first and second light receiving elements. The identification accuracy can be improved.
また、一実施形態の光学式物体識別装置では、上記第1および第2受光素子の受光面の大きさをd(mm)とするとき、
d>(b2/a2)・φ …(9)
上式(9)を満たすことを特徴としている。
In the optical object identification device of one embodiment, when the size of the light receiving surfaces of the first and second light receiving elements is d (mm),
d> (b2 / a2) · φ (9)
It is characterized by satisfying the above formula (9).
上記構成の光学式物体識別装置では、被測定物の表面での第1光束のビーム径φ(mm)と、第1,第2受光素子の受光面の大きさd(mm)が上式(9)の関係を満たしている。つまり、第1,第2受光素子と第2レンズとの間の光路距離b2(mm)を第1レンズと被測定物との間の光路距離a2(mm)で除算した値(b2/a2)に第1光束のビーム径φ(mm)を乗算した値を、第1,第2受光素子の受光面の大きさd(mm)よりも小さくした。この第1,第2受光素子の受光面の大きさd(mm)とは一例として、受光面が円形の場合は直径であり、受光面が矩形の場合はその一辺の長さである。 In the optical object identification device having the above configuration, the beam diameter φ (mm) of the first light beam on the surface of the object to be measured and the size d (mm) of the light receiving surface of the first and second light receiving elements are represented by the above formula ( The relationship of 9) is satisfied. That is, a value (b2 / a2) obtained by dividing the optical path distance b2 (mm) between the first and second light receiving elements and the second lens by the optical path distance a2 (mm) between the first lens and the object to be measured. Is multiplied by the beam diameter φ (mm) of the first light flux to be smaller than the size d (mm) of the light receiving surfaces of the first and second light receiving elements. The size d (mm) of the light receiving surface of the first and second light receiving elements is, for example, a diameter when the light receiving surface is circular, and a length of one side when the light receiving surface is rectangular.
これにより、被測定物の表面上の第1光束のビームスポット領域からの全ての正反射光成分を第1,第2受光素子の受光面上に導くことができる。したがって、より高精度な被測定物の識別が可能となる。 Thereby, all the specularly reflected light components from the beam spot region of the first light beam on the surface of the object to be measured can be guided onto the light receiving surfaces of the first and second light receiving elements. Therefore, it becomes possible to identify the object to be measured with higher accuracy.
また、一実施形態の光学式物体識別装置では、上記第1光分岐素子で2分割される光束について、
上記第1光分岐素子で反射する成分が第1光束であり、
上記第1光分岐素子を透過する成分が第2光束であることを特徴としている。
Further, in the optical object identification device of one embodiment, the light beam divided into two by the first light branching element is as follows.
The component reflected by the first light branching element is the first light flux,
The component transmitted through the first optical branching element is a second light flux.
上記構成の光学式物体識別装置では、被測定物に照射される第1光束が上記第1光分岐素子で反射される成分であるので、第1,第2受光素子で受光する反射光束は第1光分岐素子を透過する。したがって、被測定物で反射した正反射光成分は、第1光分岐素子の大きさに関係なく、第1光分岐素子と第1レンズを経由して第1,第2受光素子へと導かれる。 In the optical object identification device having the above configuration, since the first light beam applied to the object to be measured is a component reflected by the first light branching element, the reflected light beam received by the first and second light receiving elements is the first light beam. One light splitting element is transmitted. Therefore, the specularly reflected light component reflected by the object to be measured is guided to the first and second light receiving elements via the first light branching element and the first lens regardless of the size of the first light branching element. .
このように、この実施形態では、第1光分岐素子で反射する成分が第1光束であることによって、光学部品の大きさや配置の制約が大幅に軽減される。 As described above, in this embodiment, since the component reflected by the first optical branching element is the first light flux, restrictions on the size and arrangement of the optical components are greatly reduced.
これに対して、第1光分岐素子を透過する成分が第1光束である場合には、被測定物による反射光束は第1光分岐素子で反射して第1,第2受光素子に入射するので、被測定物で反射した正反射光成分が第1光分岐素子の反射面に入射する必要があるので、光学部品の配置に制約が大きくなる。 On the other hand, when the component transmitted through the first light branching element is the first light beam, the reflected light beam from the object to be measured is reflected by the first light branching element and enters the first and second light receiving elements. As a result, the specularly reflected light component reflected by the object to be measured needs to be incident on the reflecting surface of the first optical branching element, and thus the restrictions on the arrangement of the optical components are increased.
また、一実施形態の光学式物体識別装置では、上記第2光分岐素子と第1および第2直線偏光子が偏光ビームスプリッタで構成されている。 In one embodiment, the second optical branching element and the first and second linear polarizers are configured by a polarizing beam splitter.
上記構成の光学式物体識別装置では、複数の光学部品(第2光分岐素子と第1,第2直線偏光子)を一つの部品(偏光ビームスプリッタ)で構成できるので、光学式物体識別装置の構成を簡略化できる。 In the optical object identification device configured as described above, a plurality of optical components (second optical branching element and first and second linear polarizers) can be configured as a single component (polarization beam splitter). The configuration can be simplified.
また、一実施形態の光学式物体識別装置では、上記被測定物の上記表面から上記第1光分岐素子までの距離が約15mmであるので、被測定物の上記表面からの正反射光を受光する上で好適である。 Further, in the optical object identification device of one embodiment, since the distance from the surface of the object to be measured to the first light branching element is about 15 mm, the specularly reflected light from the surface of the object to be measured is received. This is preferable.
また、一実施形態の掃除機では、上記光学式物体識別装置を掃除機のヘッド部に搭載した。この掃除機によれば、被測定物となる床面の識別を自動的に行うことができて好適である。 Moreover, in the cleaner of one Embodiment, the said optical object identification device was mounted in the head part of the cleaner. This vacuum cleaner is suitable because it can automatically identify the floor surface to be measured.
また、一実施形態の自走式掃除機では、上記光学式物体識別装置を搭載したことで、自走しつつ床面の種類を自動的に検出することが可能となり最も好適である。 Moreover, in the self-propelled cleaner of one embodiment, it is most preferable that the optical object identification device is installed, so that the type of the floor surface can be automatically detected while self-propelled.
この発明の光学式物体識別装置によれば、投光部からの出射光を第1光分岐素子で第1,第2光束に分割し、第1,第2光束のうちの第1光束を被測定物の表面に所定の入射角θで入射させて反射させ、反射光を第1レンズで集光し、さらに、第2光分岐素子で第1,第2反射光束に分割し、第1,第2直線偏光子によって偏光方向が互いに直交した第1,第2反射光束として第1,第2受光素子で受光する。この第1,第2反射光束には被測定物の表面粗度に対応する情報を含んでいるから、信号処理回路で、第1,第2受光素子が出力する第1,第2受光信号に基づいて、上記反射光の偏光情報を測定し、被測定物の表面で反射した反射光の偏光解消特性を評価することにより、被測定物の種類を識別できる。 According to the optical object identification device of the present invention, the light emitted from the light projecting unit is divided into the first and second light beams by the first light branching element, and the first light beam of the first and second light beams is covered. The incident light is incident on the surface of the object to be measured at a predetermined incident angle θ, reflected, the reflected light is collected by the first lens, and further divided into first and second reflected light beams by the second optical branching element. The first and second light receiving elements receive light as first and second reflected light beams whose polarization directions are orthogonal to each other by the second linear polarizer. Since the first and second reflected light fluxes contain information corresponding to the surface roughness of the object to be measured, the signal processing circuit converts the first and second light receiving signals output from the first and second light receiving elements. Based on this, the polarization information of the reflected light is measured, and the depolarization characteristic of the reflected light reflected from the surface of the measured object is evaluated, whereby the type of the measured object can be identified.
また、この発明では、上記被測定物の表面で反射した上記反射光のうちの正反射光軸が上記第1レンズを介して上記第1および第2受光素子の受光面内に入射する構成になっているから、被測定物への第1光束の入射角度が変化して斜入射となったときでも、この入射角度に応じた反射光の正反射光成分を第1,第2受光素子で受光できる。したがって、この発明の光学式物体識別装置によれば、被測定物の表面に対して相対的に傾いた状態でも、被測定物の表面状態の識別精度を低下させることがなく、高精度な被測定物の識別が可能となる。 In the present invention, the regular reflection optical axis of the reflected light reflected from the surface of the object to be measured is incident on the light receiving surfaces of the first and second light receiving elements via the first lens. Therefore, even when the incident angle of the first light flux on the object to be measured changes and becomes obliquely incident, the specularly reflected light component of the reflected light corresponding to this incident angle is reflected by the first and second light receiving elements. Can receive light. Therefore, according to the optical object identification device of the present invention, even when the surface of the object to be measured is inclined relative to the surface of the object to be measured, the accuracy of identifying the surface state of the object to be measured is not lowered, and a high accuracy object is detected. The object to be measured can be identified.
また、この発明の光学式物体識別装置を掃除機や自走式掃除機に搭載することにより、床面の種類を自動的に判別し掃除機の運転状況を最適化させる機能を持たせることが可能となる。 In addition, by mounting the optical object identification device of the present invention on a vacuum cleaner or a self-propelled cleaner, it is possible to have a function of automatically determining the type of floor and optimizing the operation status of the cleaner. It becomes possible.
以下、この発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。 Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the illustrated embodiments.
(第1の実施の形態)
図1は、この発明の第1実施形態の光学式物体識別装置の概略構成図である。図1では光線の軌跡や主要な光学部品を図示し、光学部品を保持する部品などの図示は省略している。ここで、光源である半導体発光素子としては発光ダイオード(LED:Light Emitting Diode)や半導体レーザ(LD:Laser Diode)などを採用可能であり、被測定物8の表面8Aに入射させる第1光束5の光量が所定の値以上を示せばどちらでもよい。ただし、LEDよりLDの方がコリメート性に優れ、偏光方向もそろっているので、本発明の動作説明が簡単になる。このため、本発明の以下の実施形態では半導体発光素子の一例として半導体レーザを採用する。
(First embodiment)
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an optical object identification device according to a first embodiment of the present invention. In FIG. 1, the locus of light rays and main optical components are illustrated, and illustrations of components that hold the optical components are omitted. Here, a light emitting diode (LED: Light Emitting Diode), a semiconductor laser (LD: Laser Diode), or the like can be adopted as the semiconductor light emitting element as the light source, and the
この第1実施形態の光学式物体識別装置では、半導体レーザ1と、コリメータレンズ2と、円形開口を有する絞り3とが発光部を構成し、第1光分岐素子としての無偏光ビームスプリッタ4aが投光部を構成している。
In the optical object identification device according to the first embodiment, the
また、この第1の実施形態は、第1レンズ9と第2光分岐素子としての無偏光ビームスプリッタ4bと、偏光状態を選択する第1,第2直線偏光子10a,10bと、フォトダイオード等からなる第1,第2受光素子11a,11bと、信号処理部としての信号処理回路14を備えている。
The first embodiment also includes a
第1直線偏光子10aが選択する偏光状態と第2直線偏光子10bが選択する偏光状態とは直交しており、一例として、第1直線偏光子10aが選択する偏光状態を半導体レーザ1の出射光の偏光状態としている。
The polarization state selected by the first
上記発光部の半導体レーザ1より出射した光は、コリメータレンズ2により平行光束に変換され、この平行光束のうちのビーム中心付近の光強度がほぼ一様となる部分の光束のみが絞り3の円形開口を通過する。これにより、上記平行光束は、ビーム断面形状が円形に変形される。
The light emitted from the
その後、上記平行光束は、無偏光ビームスプリッタ4aに入射し、この無偏光ビームスプリッタ4aを通過する第1光束5と、無偏光ビームスプリッタ4aで反射して被測定物8の表面8aと略平行に進行する第2光束6とに分割される。
Thereafter, the parallel light beam enters the
図1に示す一例では、無偏光ビームスプリッタ4aをキューブ型のビームスプリッタとしたが、プレート型のハーフミラーとしても同様の効果が得られる。また、上述のように、光源としては半導体レーザ1を採用したが、発光ダイオードを用いてもよい。ただし、光源として発光ダイオードを用いる場合は、発光ダイオードからの放射光束を適切なレンズを用いて略平行光に変換し、偏光板を介して直線偏光に変換し、適当な径を有する絞りにより光束を最適な形状に整形する必要がある。この直線偏光に変換する偏光板による偏光の向きは後述する受光部が有する第1,第2直線偏光子10a,10bによる偏光の方向に対して、水平または垂直である必要がある。以上の無偏光ビームスプリッタ4aと半導体発光素子としての半導体レーザ1に関する説明は以下のすべての実施形態に当てはまるが、以後の説明は省略する。
In the example shown in FIG. 1, the
無偏光ビームスプリッタ4aで反射した第2光束6は、無偏光ビームスプリッタ4a以降の第1光束5を扱う光学系から外れる。この第2光束6は、例えば、光学系を囲う筐体側壁(図示せず)などで反射し、ノイズ光として第1,第2受光素子11a,11bで検出されてしまうことがある。このノイズ光を除去するために、第2光束6の光軸上に第2光束6の偏光方向と直交する偏光方向の光を透過させるような直線偏光子10cを迷光防止手段として設置している。これにより、直線偏光子10cを第2光束6は透過できないので、筐体側壁に照射されることはなく、ノイズ光源となることはない。
The second
被測定物8の表面8aで反射した反射光束7は無偏光ビームスプリッタ4aで反射し、第1レンズ9で集光され、第2光分岐素子としての無偏光ビームスプリッタ4bで第1反射光束12と第2反射光束13に2分割される。この第1,第2反射光束12,13は、それぞれ、透過偏光方向が直交する第1,第2直線偏光子10a,10bを介して、第1,第2受光素子10a,10bで検出される。この第1,第2受光素子11a,11bは、例えばフォトダイオードで構成される。
The reflected
この第1,第2受光素子11a,11bで検出された第1,第2受光信号は、それぞれ、後段の信号処理回路14に入力され、この信号処理回路14は、上記第1受光信号と第2受光信号との比を計算する。
The first and second light receiving signals detected by the first and second
図1では、被測定物8の表面8aの法線が第1光束5の光軸と一致する(つまり、被測定物8の傾斜角度θが0°)の場合の正反射光軸J1を一点破線で示している。また、被測定物8の表面8aの法線Gが第1光束5の光軸から角度θ1だけ傾いたときの正反射光軸J2を破線で示している。この正反射光軸J2は、法線Gから第1光束5の反対側に角度θ1だけ傾く。
In FIG. 1, the specular reflection optical axis J1 when the normal line of the
図1に示すように、被測定物8の傾斜角度θが0°のときもθ1だけ傾いたときも、正反射光軸J1,J2は第1受光素子11aと第2受光素子11bに入射している。
As shown in FIG. 1, the regular reflection optical axes J1 and J2 are incident on the first
図1に示す光学系を備えた光学式物体識別装置によって、被測定物8として、2種類の板1,板2、畳、2種類の絨毯1,絨毯2を測定した結果を図2に示す。図2に、特性k1で示すように、表面がフラットな板1,板2は第1光束5に対して法線が傾く(入射角を有する)に従い、偏光比が小さくなる。これに対し、特性k3で示す畳や特性k4,k5で示す絨毯1,2では偏光比の傾斜角依存はほとんどない。
FIG. 2 shows the result of measuring two types of
板などのフラットな面による反射は偏光状態が保存される割合が高いのに対して、絨毯1,2などのように表面の凹凸が激しく、誘電体質による反射材の場合には反射によって偏光が解消される。絨毯や畳による反射は偏光が解消されるので、偏光状態の傾斜角依存性はほとんど均等になっている。
Reflection by a flat surface such as a plate has a high ratio of preserving the polarization state, but the surface irregularities such as
つまり、被測定物8が絨毯や畳の場合、被測定物8の傾斜角θの変化に対して偏光比の変化は見られない。これに対し、被測定物8が板の場合には、傾斜角θ=0°では、偏光が正反射方向に保存された光が強く反射する一方、板の傾斜角が増大するに従って偏光状態が保存された成分が受光部である第1,第2受光素子11a,11bの受光面11a−1,11b−1から徐々に外れていくので、偏光比値が減少する。しかし、図2に示すように、傾斜角θを±6°まで傾斜させても、各特性k1〜k5が表す偏光比値がオーバーラップすることはない。したがって、信号処理回路14で、第1受光素子11aからの第1受光信号と第2受光素子11bからの第2受光信号との比を計算して、第1反射光束12と第2反射光束13の偏光比値を算出することによって、2種類の絨毯1,2、畳、および2種類の板1,2の識別が可能となる。
That is, when the measured
なお、参考例として、被測定物8の傾斜角θに対して、被測定物8の表面8aで反射した第1光束5の正反射光軸が受光素子11a,11bの受光面11a−1,11b−1から外れる光学系で、上述の2種類の板1,板2、畳、2種類の絨毯1,絨毯2を測定した結果を図3に示す。図3を参照すれば、絨毯1,2の偏光比を表す特性m4,m5や畳の偏光比を表す特性m3は、図2と同様、偏光比の傾斜角依存性は見られない。一方、板1,2の偏光比を表す特性m1,m2は、傾斜角の増加とともに大きく減少し、およそ4°の傾斜角で畳の偏光比を表す特性m3とオーバーラップしてしまい、畳との識別が不可能になっている。
As a reference example, the specularly reflected optical axis of the
次に、図1の光学系を図4を参照してさらに詳細に説明する。図4は、図1の光学系の受光部をなす第1レンズ9、無偏光ビームスプリッタ4b、第2受光素子11bを抜き出して示している。なお、無偏光ビームスプリッタ4aでの反射光束7の反射を透過と考えても等価であるので、図4では、理解を簡単にするために無偏光ビームスプリッタ4aを省略し、反射光束7の無偏光ビームスプリッタ4aでの反射による光軸の向きの変更を考慮していない。
Next, the optical system of FIG. 1 will be described in more detail with reference to FIG. FIG. 4 shows the
図4に示すように、第1レンズ9と被測定物8との間の距離a1(mm)が第1レンズ9の焦点距離f(mm)よりも長く、第1レンズ9の焦点距離fよりも離れた位置に被測定物8が位置している。なお、この距離a1(mm)は、第1レンズ9の中心から無偏光ビームスプリッタ4aの反射面4a−1を経由する被測定物8の表面8aまでの間の距離である。
As shown in FIG. 4, the distance a1 (mm) between the
これにより、被測定物8が、図4においてz軸回りに反時計回りに所定の角度だけ傾斜したとき、この被測定物8での第1光束5の正反射光軸は+y方向に出射し、第1レンズ9により−y方向に集光される。したがって、受光素子11bで反射光束7の正反射光成分を受光できる。また、被測定物8の傾斜角度がθの時、反射光束7の正反射光軸の傾斜角度は2θとなる。この反射光束7の正反射光軸が第1レンズ9に入射する必要がある。この必要を満たすために、図1の光学系では第1レンズ9の半径r1(mm)と第1レンズ9と被測定物8との間の距離a1(mm)と被測定物8の傾斜角θ(ラジアン)とは、次式(2)を満たす関係を有している。
As a result, when the
tan−1(r1/a1)>2θ …(2)
また、第1レンズ9の焦点距離f(mm)と、第1レンズ9と被測定物8との間の距離a1(mm)と、第1レンズ9の中心と受光素子11bの受光面11b−1との間の距離b1(mm)との間に、次式(3)を満たす関係を有している。これにより、第1レンズ9で集光する正反射光軸が受光素子11bの受光面11b−1の中心に来るようにしている。
tan −1 (r1 / a1)> 2θ (2)
Further, the focal length f (mm) of the
1/f=(1/a1)+(1/b1) …(3)
また、図4では、第1,第2受光素子11a,11bのうちの第2受光素子11bのみを図示しているが、実際は、偏光比をとるために図1に示すように第1受光素子11aも配置されて、この第1,第2受光素子11a,11bからの第1,第2の受光信号が入力される信号処理回路14によって上記偏光比が算出される。
1 / f = (1 / a1) + (1 / b1) (3)
In FIG. 4, only the second
第2光分岐素子としての無偏光ビームスプリッタ4bにより、第1レンズ9で集光された反射光束7を等価的に分割するには、反射光束7が無偏光ビームスプリッタ4bの反射面4b−1(図中の斜辺)に入射する必要がある。図5に、図4の第1レンズ9より後段側を拡大して示す。図5に示すように、第1レンズ9で集光された最も外周部の光束51がビームスプリッタ4bの頂点を通るときが境界条件であり、最も外周部の光束51が上記頂点よりも内側を通る場合には、受光素子11bで受光でき問題がない。図5に示すように、第2受光素子11bの受光面11b−1とビームスプリッタ4bの反射面4b−1との間の距離をx1(mm)とし、ビームスプリッタ4bの一辺の長さをLb(mm)とし、第1レンズ9の中心と受光素子11bの受光面11b−1との間の距離をb1(=焦点距離f)とし、第1レンズ9の半径をr1(mm)とすると、反射光束7をビームスプリッタ4bで等価的に2分割するには、次式(4)を満足する必要がある。
In order to equivalently divide the reflected
x1<(Lb/2)・(b1−r1)/r1 … (4)
図1の光学系では、半導体レーザ1からの光をコリメート光として被測定物8に照射しているので、被測定物8の表面8aでは第1光束5はビーム径φを有している。このため、反射光束7は点からの放射ではなく、幅をもった領域からの放射となる。図6(A),(B)は、反射光束7の経路を考察するために、図1から必要な箇所を抜粋して示したものである。図6(A),(B)において、x軸は被測定物8の傾斜角θが0°のときの正反射光軸を示しており、y軸が被測定物8の表面8aを示している。原点を中心とするビーム径φで第1光束5が被測定物8に照射されている。この第1光束5を、図6(A),(B)に太線で示している。図6(A)は、第1光束5のビーム幅のうち、+y端(つまりy軸の正方向の端)から出射する反射光束7の光線の軌跡7aを示す図であり、図6(B)は−y端(つまりy軸の負方向の端)から出射する光線の軌跡7bを示す図である。この図6(A),(B)では、被測定物8の表面8aに第1光束5が垂直入射するときの状態(つまり入射角θ=0)を示している。
x1 <(Lb / 2). (b1-r1) / r1 (4)
In the optical system of FIG. 1, the light from the
なお、入射角θが0でない場合は、原点を中心にz軸回りに第1光束5(光線の軌跡7a,7b)を回転させることにより、第1光束5のビーム端からの正反射光軸を考察できる。原点を中心にz軸回りに第1光束5を回転させるので、回転角に応じて第1光束5のビーム端の座標は変化するが、図2に一例として示したような傾斜角θが数°程度でビーム径が数mmの範囲の場合には、x座標に変わりはなく、y座標の変化量は無視できるほど小さい。したがって、図6(A),図6(B)では、第1光束5が被測定物8の表面8aに垂直に入射する場合におけるビーム端を通る光線を、入射角が零でない場合の正反射光軸に近似して議論する。
When the incident angle θ is not 0, the first reflected
図6(A)に示すように、被測定物8の表面8a上でのビーム径をφ(mm)、ビーム径端と第1レンズ9端を通る光線7aがx軸と交差する点P0と原点との間の距離(光路距離)をxaとする。また、その光線7aが第1レンズ9を通過した後に再びx軸と交差する点P1と受光面11b−1との間の距離をxb(mm)とする。また、受光面11b−1上での光線7aの入射位置を座標yb(mm)、とすると、第1光束5のビームから発せられる正反射光軸をすべて受光面11b−1内に入射させるには、受光面11b−1の一辺の大きさをd(mm)とすると、次式(5)´を満たす必要がある。
yb<d …(5)´
As shown in FIG. 6 (A), the beam diameter on the
yb <d (5) ′
各パラメータを用いて、座標ybを計算すると、図6(A)の場合も、図6(B)の場合も、結果は同じであり、第1光束5のビーム径φ(mm)と受光面11b−1の大きさd(mm)との間には、上式(5)´の関係は次式(5)の関係になる。上記大きさd(mm)とは一例として受光面11b−1の直径である。
d>(b1/a1)・φ …(5)
When the coordinate yb is calculated using each parameter, the result is the same in both FIG. 6A and FIG. 6B, and the beam diameter φ (mm) of the
d> (b1 / a1) · φ (5)
上式(5)において、b1(mm)は、上記第1レンズ9の中心と第2受光素子11bの受光面11b−1との間の距離である。この式(5)の条件を満たす場合に、被測定物8の表面8aがフラットで反射による偏光解消が少ない被測定物体であっても、図2に特性k1,k2で示したような第1光束5の入射角依存性が小さくなる。したがって、識別精度を格段に向上させることが可能となる。また、図6(A),(B)では、第2受光素子11bについて説明したが、第1受光素子11aについても上述と同様のことが成り立つ。
In the above equation (5), b1 (mm) is the distance between the center of the
(第2の実施の形態)
次に、図7に、この発明の第2実施形態の光学式物体識別装置の概略構成を示す。図7では、図1と同様、光線の軌跡や主要な光学部品を図示し、光学部品を保持する部品などの図示は省略している。この第2実施形態は、第1レンズ9と第2光分岐素子としての無偏光ビームスプリッタ4bとの間に第2レンズ15を配置した点だけが、前述の第1実施形態と異なる。したがって、この第2実施形態では図1の第1の実施形態の構成と異なる部分を主に説明する。また、図7では第1実施形態と同じ構成要素には同じ符号を付している。なお、図7では、図1と同様に、被測定物8の表面8aの法線Gが第1光束5の光軸と一致する(つまり、被測定物8の傾斜角度θが0°)の場合の正反射光軸J1を一点破線で示している。また、被測定物8の表面8aの法線Gが第1光束5の光軸から角度θだけ傾いたときの正反射光軸J2を破線で示している。この正反射光軸J2は、法線Gから第1光束5の反対側に角度θだけ傾く。
(Second embodiment)
Next, FIG. 7 shows a schematic configuration of the optical object identification device according to the second embodiment of the present invention. In FIG. 7, as in FIG. 1, the trajectory of light rays and main optical components are illustrated, and the components that hold the optical components are not illustrated. This second embodiment is different from the first embodiment described above only in that the
この第2実施形態の光学式物体識別装置では、図7に示すように、第1レンズ9の後方に第2レンズ15が配置されている。被測定物8の表面8aで反射した反射光束は、ビームスプリッタ4aで反射し、第1レンズ9と第2レンズ15を通り、無偏光ビームスプリッタ4bの反射面4b−1を経由して、第1,第2受光素子11a,11bの受光面11a−1,11b−1上に集光される。
In the optical object identification device according to the second embodiment, a
このように、第1レンズ9だけでなく第2レンズ15でも集光する構成にすることにより、第1レンズ9のみで集光する場合に比べて、第1,第2受光素子11a,11bの受光角を広くすることができる。したがって、第1,第2受光素子11a,11bの受光量が増大するので、測定感度が高くなり、S/N比を高くすることができる。
As described above, the configuration in which not only the
また、この発明の第1,第2実施形態の光学式物体識別装置を掃除機などに搭載して、床面を自動的に識別するために使用する場合、特に、床面が黒系のカーペット類などの反射光量が小さい被測定物となる場合に、第1,第2受光素子11a,11bに入射する反射光束は微弱光となる。
Further, when the optical object identification device according to the first and second embodiments of the present invention is mounted on a vacuum cleaner or the like and used to automatically identify the floor surface, in particular, the carpet having a black floor surface. When the object to be measured has a small amount of reflected light such as a light, the reflected light flux incident on the first and second
拡散光は受光角が同じであれば、距離には依存しないが、被測定物8と第1,第2受光素子11a,11bとの間の距離が大きくなるにつれて、第1レンズ,第1,第2受光素子等の光学部品も大きくなってしまうので、装置の大きさや価格の制限もあり好ましくない。したがって、図7に示すように、第1レンズ9と第2レンズ15とをペアで使用することによって、上記距離の短縮を図れ、最適な光学設計が可能となる。
The diffused light does not depend on the distance as long as the reception angle is the same, but as the distance between the
以下に、図7に示す第2実施形態の光学系を詳細に説明する。 The optical system of the second embodiment shown in FIG. 7 will be described in detail below.
図8は、図7の光学系の受光部分を主要部を部分的に抜き出して示したものである。図8では、反射光束7の無偏光ビームスプリッタ4aでの反射による光軸の向きの変更は考慮していない。無偏光ビームスプリッタ4aでの反射を、透過と考えても等価であるので、理解を簡単にするため、図8では、無偏光ビームスプリッタ4aを省略している。
FIG. 8 shows the light receiving part of the optical system of FIG. 7 with the main part partially extracted. In FIG. 8, a change in the direction of the optical axis due to reflection of the reflected
図8に示すように、第1レンズ9の焦点距離f1(mm)の位置に被測定物8が位置している。つまり、第1レンズ9の中心から無偏光ビームスプリッタ4aの反射面4a−1を経由する被測定物8の表面8aまでの距離a2(mm)が上記焦点距離f1(mm)に略等しくなっている。これにより、被測定物8が第1光束5に対して傾斜したとき、第1光束5の正反射光軸は図8に示すように第1レンズ9によりx軸とほぼ平行な光束に変換される。そして、第2受光素子11bの受光面11b−1は、第2レンズ15の焦点距離f2(mm)の位置に配置されている。つまり、第2受光素子11bの受光面11b−1と第2レンズ15の中心との間の距離b2(mm)を第2レンズ15の焦点距離f2(mm)とを略等しくした(f2=b2)。
As shown in FIG. 8, the
これにより、第2レンズ15にほぼ平行光で入射する正反射光成分は受光面11b−1上に集光されて受光される。第2実施形態では、上述のような距離関係で各光学部品が配置されているので、被測定物8の表面8aが第1光束5に対して傾斜し、第1光束5の入射角が0でない場合でも、受光面11b−1で正反射光を受光できる。したがって、図2で示した各結果と同様の高い識別精度を有する光学式物体識別装置を提供することが可能となる。
Thereby, the specularly reflected light component incident on the
また、被測定物8の傾斜角がθの時、反射光束7の正反射光軸の傾斜角度は2θとなる。この正反射光軸が第1レンズ9に入射する必要があるので、図7の光学系では第1レンズ9の半径r1と第1レンズ9と被測定物8の距離a2と被測定物8の傾斜角θの間に、次式(6)を満足する関係を有している。
tan−1(r1/a2)>2θ … (6)
When the tilt angle of the
tan −1 (r1 / a2)> 2θ (6)
また、図8では、第1,第2受光素子11a,11bのうちの第2受光素子11bのみを図示しているが、実際は、偏光比をとるために、図7に示すように、第1,第2の2つの受光素子11aと11bとが配置される。無偏光ビームスプリッタ4bにより、第1レンズ9で集光された反射光束7を第1受光素子11aと第2受光素子11bとに向けて等価的に分割するには、反射光束7がビームスプリッタ4bの反射面4b−1(図中の斜辺)に入射する必要がある。
Further, in FIG. 8, only the second
図9は図8の第2レンズ15より後段側を拡大した図である。図9に示すように、第2レンズ15で集光された最も外周部の光束91がビームスプリッタ4bの頂点を通るときが境界条件であり、光束91がその頂点よりも内側を通る場合には受光面11b−1に入射するから問題がない。図9に示すように、第2受光素子11bの受光面11b−1と無偏光ビームスプリッタ4bの反射面4b−1との間の距離をx2とし、ビームスプリッタ4bの一辺をLb(mm)とし、第2レンズ15の中心と第2受光素子11bの受光面11b−1との間の距離をb2(mm)(b2=f2)とし、第2レンズ15の半径をr2(mm)とすると、反射光束7をビームスプリッタ4bで等価的に2分割するには、次式(7)を満足する必要がある。
x2<(Lb/2)・(b2−r2)/r2 … (7)
FIG. 9 is an enlarged view of the rear side of the
x2 <(Lb / 2). (b2-r2) / r2 (7)
図8に示す光学系では、半導体レーザ1からの光をコリメート光として被測定物8に照射しているので、被測定物8の表面8aでは第1光束5はビーム径φ(mm)を有している。このため、反射光束7は点からの放射ではなく、幅をもった領域からの放射となる。
In the optical system shown in FIG. 8, since the light from the
図10は、反射光束7を考察するために必要な箇所を抜粋して示した模式図である。図10において、x軸は、被測定物8の傾斜角θが0°(つまり被測定物8の表面8aに第1光束5が垂直に入射する)の場合の正反射光軸を示している。一方、y軸は被測定物8の表面8aを示している。原点を中心にビーム径φ(mm)で第1光束5が被測定物8の表面8aに照射されており、図10において太線で第1光束5を示している。この図10では、被測定物8の表面8aに第1光束5が垂直入射する場合の状態を示している。なお、第1光束5が表面8aに対して零でない入射角を有する場合には、第1光束5を原点を通るz軸を中心に上記入射角だけ回転させることよりのビーム端からの正反射光軸を考察することができる。
FIG. 10 is a schematic diagram showing excerpts of points necessary for considering the reflected
この場合、z軸を中心に第1光束5を上記入射角だけ回転させるので、この回転角に応じてビーム端の座標が変化する。ここで、図2に示す測定結果のように傾斜角θが数°程度で第1光束5のビーム径φが数mmの範囲のときには、第1光束5のビームスポットのx座標に変わりはなく、y座標の変化量も無視できるほど小さい。したがって、図10では、被測定物8の表面8aに垂直に入射する第1光束5のビーム端を通る光線を、第1光束5の入射角が零でない場合の正反射光軸に近似して議論する。
In this case, since the
図10に示すように、被測定物8が反時計回りに若干量だけ傾斜したとき、第1光束5のビームスポットの−y端から発せられる正反射光7cは第1レンズ9の+y側のレンズ端9a(x軸からr1(mm)の位置にある)を通過した後、+y方向に屈折する。このため、この屈折した正反射光7cの成分を受光するには、少なくとも第2レンズ15の半径r2(mm)は第1レンズ9の半径r1(mm)よりも大きい必要がある。さらに、具体的には、正反射光7cが第1レンズ9を通過した後に第2レンズ15に入射するy座標をy2(mm)とすると、次式を満たす必要がある。
y2 < r2
As shown in FIG. 10, when the
y2 <r2
ここで、第1レンズ9の中心と第2レンズ15の中心との間の距離をS(mm)とすると、上式は次式(8)となる。なお、次式(8)において、φ(mm)は被測定物8の表面8aでの第1光束5のビーム径である。
r2/r1>(S・(φ/2)+a2・r1)/(a2・r1) …(8)
Here, when the distance between the center of the
r2 / r1> (S · (φ / 2) + a2 · r1) / (a2 · r1) (8)
図11(A),図11(B)に示すように、被測定物8の表面8a上での第1光束5のビームの径をφ(mm)とし、このビームの径方向の端と第1レンズ9の径方向の端とを通る光線7cがx軸と交差する点と原点の距離をxa(mm)とする。また、その光線7cが、第1レンズ9を通過した後に、再び、x軸と交差する点P0と受光面11b−1との距離をxb(mm)とする。また、受光面11b−1上での光線7cの入射位置を座標yb(mm)とする。この場合に、第1光束5のビームから発せられる正反射光軸をすべて受光面11b−1内に入射させるには、受光面11b−1の一辺の大きさをd(mm)とすると、次式を満たす必要がある。
yb < d
As shown in FIGS. 11 (A) and 11 (B), the diameter of the beam of the
yb <d
各パラメータを用いて、上式の座標yb(mm)を計算すると、第1光束5のビーム径φ(mm)と受光面11b−1の大きさd(mm)との間には、図11(A)および図11(B)の両方に対して、計算結果は同様になり、上式は次式(9)になる。
d>(b2/a2)・φ …(9)
When the coordinates yb (mm) of the above equation are calculated using each parameter, the distance between the beam diameter φ (mm) of the
d> (b2 / a2) · φ (9)
上式(9)において、b2は、第2レンズ15の中心から無偏光ビームスプリッタ4bを経由して第2受光素子11bの受光面11b−1までの間の距離(mm)である。また、a2は、被測定物8の表面8aから無偏光ビームスプリッタ4aを経由する第1レンズ9の中心までの距離(mm)である。
In the above equation (9), b2 is the distance (mm) from the center of the
この式(9)の如く、第1光束5のビームから発せられる正反射光軸をすべて受光面11b−1内に入射させる条件は、第1レンズ9と第2レンズ15と間の距離Sには依存しないことがわかる。この式(9)の条件を満たすとき、図2の特性k1,k2に例示した表面がフラットで反射による偏光解消が少ない板の床のような物体を識別する場合に、第1光束5の反射光束7の偏光比の入射角依存性を小さくできる。したがって、識別精度を格段に向上させることが可能となる。なお、上述のことは、第1受光素子11aについても同様に当てはまる。
As shown in this equation (9), the condition for causing all the regular reflection optical axes emitted from the beam of the
上述の図1の第1実施形態、および図8の第2実施形態では、図12(B)に示すように、被測定物8に入射する第1光束5は無偏光ビームスプリッタ4aを通過する光束として説明してきた。この場合は、反射光束7はビームスプリッタ4aで反射した成分が信号光として検出されるので、ビームスプリッタ4aの反射面4a−1(斜辺)に入射する角度の光が受光素子11a,11bに向かう方向へ反射され、信号光として受光素子11a,11bで検出される。この場合、ビームスプリッタ4aの反射面4a−1の中心から被測定物8の表面8aまでの距離をL(mm)とすると、受光素子11a,11bは次式(10)で表される受光角で反射光を受光できる。
2tan−1(L1/(2(L−L1))) …(10)
In the first embodiment shown in FIG. 1 and the second embodiment shown in FIG. 8, as shown in FIG. 12B, the
2 tan -1 (L1 / (2 (L-L1))) (10)
上式(10)において、L1(mm)は図12(B)に示す無偏光ビームスプリッタ4aの一辺の長さである。
In the above equation (10), L1 (mm) is the length of one side of the
これに対し、図12(A)に示すように、被測定物8の表面8aに入射する第1光束5を無偏光ビームスプリッタ4aの反射面4a−1(斜辺)で反射する光束とした場合、被測定物8の表面8aで反射した反射光は、ビームスプリッタ4aの反射面4a−1へ入射するか否かに関わらず、次式(11−1)または(11−2)で表される受光角でもって、受光素子に導くことができる。
2tan−1(r1/a1) … (11−1)
2tan−1(r1/a2) … (11−2)
On the other hand, as shown in FIG. 12A, the
2 tan -1 (r1 / a1) (11-1)
2 tan -1 (r1 / a2) (11-2)
上式(11−1)は第1実施形態の場合に該当し、r1(mm)は第1レンズ9の半径であり、a1(mm)は第1レンズ9の中心から無偏光ビームスプリッタ4aの反射面4a−1を経由して被測定物8の表面8aに至る光路距離である。
The above formula (11-1) corresponds to the case of the first embodiment, r1 (mm) is the radius of the
また、上式(11−2)は第2実施形態の場合に該当し、r1(mm)は第1レンズ9の半径であり、a2(mm)は第1レンズ9の中心から無偏光ビームスプリッタ4aの反射面4a−1を経由して被測定物8の表面8aに至る光路距離である。
Further, the above expression (11-2) corresponds to the case of the second embodiment, r1 (mm) is the radius of the
よって、図12(A)に示すように、ビームスプリッタ4aで反射した光束を第1光束5として被測定物8に照射し、被測定物8からの反射光束7が無偏光ビームスプリッタ4aを透過して、第1レンズ9に入射するように配置することによって、第1レンズ9の後段に配置される受光素子への受光量を増大させることができる。これにより、S/N比が高くなるので、被測定物8の識別を高精度にすることが可能となる。
Therefore, as shown in FIG. 12A, the light beam reflected by the
また、上述の各実施の形態では、図1や図7で示したように、反射光束7を無偏光ビームスプリッタ4bによって2分割し、この2分割されたそれぞれの反射光束が互いに直交する偏光成分として第1,第2受光素子で受光する。このために、無偏光ビームスプリッタ4bと光学軸が直交するように配置された第1,第2直線偏光子10a,10bを備えていたが、これらの光学部品をPビームスプリッタ(偏光ビームスプリッタ)としてもよい。このPビームスプリッタを用いた方が部品点数を減少させることができ、さらに受光量も増大する。
In each of the above-described embodiments, as shown in FIGS. 1 and 7, the reflected
また、上述した光学式物体識別装置は、電気掃除機、特に、自走式の電気掃除機に搭載することが好適である。図13は、本発明の各実施の形態で示した光学式物体識別装置を床面識別センサ17として自走式の電気掃除機に搭載した様子を示す概略構成図である。掃除機本体16の底面16aから第1光束5が出射するようになっている。この第1光束6が、床Fの表面で反射した反射光を受光して床面の種類を判別する。図13(A)には、被測定物がフローリングなどの平坦な床面F1である場合を示し、図13(B)には、被測定物が絨毯などの毛足の長い床面F2である場合を示している。図13(A),(B)では、床面と床面識別センサ17との間の距離Dが15mmである一例を示しているが、この距離Dが小さいと、図13(B)に示す状態において、毛先が掃除機本体16やセンサ部(無偏光ビームスプリッタ4a)に接触して好ましくない。さらに、図14に示すように、床面に何らかの障害物Eがあり、掃除機が障害物Eに乗り上げて、掃除機が床面に対して傾いた場合に、床面と床面識別センサ17との間の距離が大きいと正反射光軸は受光系に入射しなくなる。また、この場合にも、正反射光を受光しようとすると各光学部品を大きくする必要ある。したがって、被測定物8の表面8aからビームスプリッタ4aまでの距離を約15mmとすることにより、床面識別センサ17の大きさが、それを必要とする電子機器(例えば、自走式掃除機)に搭載することを可能とする。この距離が15mmのときはビームスプリッタ4aの一辺のサイズを一例として10mmとすることができ、床面識別センサ17(光学式物体識別装置)全体のサイズを例えば30mm×40mm×20mm程度の外径寸法にすることができる。
The optical object identification device described above is preferably mounted on a vacuum cleaner, particularly a self-propelled vacuum cleaner. FIG. 13 is a schematic configuration diagram showing a state in which the optical object identification device shown in each embodiment of the present invention is mounted on a self-propelled electric vacuum cleaner as a floor
1 半導体レーザ
2 コリメータレンズ
3 絞り
4a,4b 無偏光ビームスプリッタ
5 第1光束
6 第2光束
7 反射光束
8 被測定物
9 第1レンズ
10a,10b 直線偏光子
11a,11b 受光素子
12 第1反射光束
13 第2反射光束
14 信号処理回路
15 第2レンズ
16 自走式掃除機
17 床面識別センサ
DESCRIPTION OF
Claims (19)
上記発光部から出射した光を第1光束と第2光束に分割する第1光分岐素子を有すると共に上記第1光束を被測定物に照射する投光部と、
上記被測定物で反射した反射光を集光する第1レンズと、
上記第1レンズで集光した光束を第1反射光束と第2反射光束に分割する第2光分岐素子と、
上記第1反射光束が入射すると共にこの第1反射光束のうちの所定の偏光方向の成分を通過させる第1直線偏光子と、
上記第2反射光束が入射すると共にこの第2反射光束のうちの上記所定の偏光方向と直交する偏光方向の成分を通過させる第2直線偏光子と、
上記第1直線偏光子を通過した第1反射光束を受光する第1受光素子と、
上記第2直線偏光子を通過した第2反射光束を受光する第2受光素子と、
上記第1受光素子が出力する第1受光信号と上記第2受光素子が出力する第2受光信号とが入力され、この第1,第2受光信号に基づいて、上記反射光の偏光情報を測定する信号処理部とを備え、
上記被測定物の表面で反射した上記反射光のうちの正反射光成分が上記第1レンズを介して上記第1および第2受光素子の受光面内に入射することを特徴とする光学式物体識別装置。 A light emitting unit having a semiconductor light emitting element;
A light projecting unit that has a first light branching element that divides the light emitted from the light emitting unit into a first light beam and a second light beam, and irradiates the object to be measured with the first light beam;
A first lens that collects the reflected light reflected by the object to be measured;
A second light branching element that splits the light beam collected by the first lens into a first reflected light beam and a second reflected light beam;
A first linear polarizer that allows the first reflected light beam to enter and allows a component in a predetermined polarization direction of the first reflected light beam to pass through;
A second linear polarizer that allows the second reflected light beam to enter and pass a component of the second reflected light beam that has a polarization direction orthogonal to the predetermined polarization direction;
A first light receiving element that receives the first reflected light beam that has passed through the first linear polarizer;
A second light receiving element that receives the second reflected light beam that has passed through the second linear polarizer;
The first light receiving signal output from the first light receiving element and the second light receiving signal output from the second light receiving element are input, and the polarization information of the reflected light is measured based on the first and second light receiving signals. And a signal processing unit
An optical object in which a specularly reflected light component of the reflected light reflected from the surface of the object to be measured is incident on the light receiving surfaces of the first and second light receiving elements through the first lens. Identification device.
上記第1レンズの焦点距離をf(mm)とし、上記被測定物から上記第1光分岐素子を経由して上記第1レンズに至る光路距離をa1(mm)とするとき、
f<a1 …(1)
上式(1)を満たすことを特徴とする光学式物体識別装置。 The optical object identification device according to claim 1,
When the focal length of the first lens is f (mm) and the optical path distance from the object to be measured to the first lens via the first optical branching element is a1 (mm),
f <a1 (1)
An optical object identification device satisfying the above expression (1).
上記第1レンズの半径をr1(mm)とし、上記第1光束と上記被測定物の上記表面の法線とがなす角をθ(ラジアン)とするとき、
tan−1(r1/a1)>2θ …(2)
上式(2)を満たすことを特徴とする光学式物体識別装置。 In the optical object identification device according to claim 2,
When the radius of the first lens is r1 (mm) and the angle formed by the first light beam and the normal of the surface of the object to be measured is θ (radian),
tan −1 (r1 / a1)> 2θ (2)
An optical object identification device satisfying the above equation (2).
上記第1レンズから上記第2光分岐素子を経由して上記第1,第2受光素子に至る光路距離をb1(mm)とするとき、
1/f=(1/a1)+(1/b1) …(3)
上式(3)を満たすことを特徴とする光学式物体識別装置。 In the optical object identification device according to claim 3,
When the optical path distance from the first lens to the first and second light receiving elements via the second light branching element is b1 (mm),
1 / f = (1 / a1) + (1 / b1) (3)
An optical object identification device satisfying the above expression (3).
上記第1レンズの半径をr1(mm)とし、
上記第2光分岐素子の1辺の長さをLb(mm)とし、
上記第2光分岐素子の反射面と上記第1,第2受光素子との間の距離をx1(mm)とするとき、
x1<(Lb/2)・(b1−r1)/r1 …(4)
上式(4)を満たすことを特徴とする光学式物体識別装置。 The optical object identification device according to claim 4,
The radius of the first lens is r1 (mm),
The length of one side of the second optical branching element is Lb (mm),
When the distance between the reflection surface of the second light branching element and the first and second light receiving elements is x1 (mm),
x1 <(Lb / 2). (b1-r1) / r1 (4)
An optical object identification device satisfying the above expression (4).
上記被測定物から上記第1光分岐素子を経由して上記第1レンズに至る光路距離をa1(mm)とし、
上記第1レンズから上記第2光分岐素子を経由して上記第1,第2受光素子に至る光路距離をb1(mm)とし、
上記第1および第2受光素子の受光面の大きさをd(mm)とし、
上記被測定物の表面での上記第1光束のビーム径をφ(mm)とするとき、
d>(b1/a1)・φ …(5)
上式(5)を満たすことを特徴とする光学式物体識別装置。 The optical object identification device according to any one of claims 1 to 5,
The optical path distance from the object to be measured to the first lens via the first light branching element is a1 (mm),
The optical path distance from the first lens to the first and second light receiving elements via the second light branching element is b1 (mm),
The size of the light receiving surface of the first and second light receiving elements is d (mm),
When the diameter of the first light beam on the surface of the object to be measured is φ (mm),
d> (b1 / a1) · φ (5)
An optical object identification device satisfying the above expression (5).
上記第1レンズと上記第2光分岐素子との間の光軸上に、第2レンズを配置したことを特徴とする光学式物体識別装置。 The optical object identification device according to claim 1,
An optical object identification device, wherein a second lens is disposed on an optical axis between the first lens and the second optical branching element.
上記被測定物から上記第1光分岐素子を経由して上記第1レンズに至る光路距離をa2(mm)とし、上記第1レンズの焦点距離をf1(mm)とすると、上記a2(mm)と上記f1(mm)とが略等しいことを特徴とする光学式物体識別装置。 In the optical object identification device according to claim 7,
If the optical path distance from the object to be measured to the first lens via the first optical branching element is a2 (mm) and the focal length of the first lens is f1 (mm), the a2 (mm) And f1 (mm) are substantially equal to each other.
上記第1レンズの半径をr1(mm)とし、
上記第1光束と上記被測定物の表面の法線とがなす角をθ(ラジアン)とするとき、
tan−1(r1/a2)>2θ …(6)
上式(6)を満たすことを特徴とする光学式物体識別装置。 The optical object identification device according to claim 8,
The radius of the first lens is r1 (mm),
When the angle formed by the first luminous flux and the normal of the surface of the object to be measured is θ (radian),
tan −1 (r1 / a2)> 2θ (6)
An optical object identification device satisfying the above equation (6).
上記第1および第2受光素子と上記第2レンズとの間の光路距離をb2(mm)とし、上記第2レンズの焦点距離をf2(mm)とするとき、上記光路距離b2(mm)と焦点距離f2(mm)とが略等しいことを特徴とする光学式物体識別装置。 The optical object identification device according to claim 8 or 9,
When the optical path distance between the first and second light receiving elements and the second lens is b2 (mm) and the focal length of the second lens is f2 (mm), the optical path distance b2 (mm) An optical object identification device having a focal length f2 (mm) substantially equal.
上記第2光分岐素子の一辺の長さをLb(mm)とし、
上記第2レンズの半径をr2(mm)とし、
上記第2光分岐素子の反射面と上記第1,第2受光素子との間の距離をx2(mm)とするとき、
x2<(Lb/2)・(b2−r2)/r2 …(7)
上式(7)を満たすことを特徴とする光学式物体識別装置。 The optical object identification device according to claim 10,
The length of one side of the second optical branching element is Lb (mm),
The radius of the second lens is r2 (mm),
When the distance between the reflection surface of the second light branching element and the first and second light receiving elements is x2 (mm),
x2 <(Lb / 2) · (b2-r2) / r2 (7)
An optical object identification device satisfying the above expression (7).
上記第2レンズの半径r2(mm)は上記第1レンズの半径r1(mm)以上であることを特徴とする光学式物体識別装置。 The optical object identification device according to claim 10 or 11,
An optical object identification device, wherein a radius r2 (mm) of the second lens is equal to or larger than a radius r1 (mm) of the first lens.
上記第1レンズと第2レンズとの間の距離をS(mm)とし、
上記被測定物の表面での第1光束のビーム径をφ(mm)とするとき、
r2/r1>(S・(φ/2)+a2・r1)/(a2・r1) …(8)
上式(8)を満たすことを特徴とする光学式物体識別装置。 The optical object identification device according to claim 12,
The distance between the first lens and the second lens is S (mm),
When the beam diameter of the first light beam on the surface of the object to be measured is φ (mm),
r2 / r1> (S · (φ / 2) + a2 · r1) / (a2 · r1) (8)
An optical object identification device satisfying the above equation (8).
上記第1および第2受光素子の受光面の大きさをd(mm)とするとき、
d>(b2/a2)・φ …(9)
上式(9)を満たすことを特徴とする光学式物体識別装置。 The optical object identification device according to claim 13,
When the size of the light receiving surface of the first and second light receiving elements is d (mm),
d> (b2 / a2) · φ (9)
An optical object identification device satisfying the above equation (9).
上記第1光分岐素子で2分割される光束について、
上記第1光分岐素子で反射する成分が第1光束であり、
上記第1光分岐素子を透過する成分が第2光束であることを特徴とする光学式物体識別装置。 The optical object identification device according to any one of claims 1 to 14,
About the light beam divided into two by the first optical branching element,
The component reflected by the first light branching element is the first light flux,
An optical object identification device characterized in that a component transmitted through the first light branching element is a second light beam.
上記第2光分岐素子と第1および第2直線偏光子が偏光ビームスプリッタで構成されていることを特徴とする光学式物体識別装置。 In the optical object identification device according to any one of claims 1 to 15,
An optical object identification device, wherein the second optical branching element and the first and second linear polarizers are constituted by a polarization beam splitter.
上記被測定物の上記表面から上記第1光分岐素子までの距離が約15mmであることを特徴とする光学式物体識別装置。 The optical object identification device according to any one of claims 1 to 16,
An optical object identification device, wherein a distance from the surface of the object to be measured to the first light branching element is about 15 mm.
A self-propelled electric vacuum cleaner equipped with the optical object identification device according to any one of claims 1 to 18.
Priority Applications (2)
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JP2004361302A JP2006170699A (en) | 2004-12-14 | 2004-12-14 | Optical device for object identification |
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Applications Claiming Priority (1)
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JP2004361302A JP2006170699A (en) | 2004-12-14 | 2004-12-14 | Optical device for object identification |
Publications (1)
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Family Applications (1)
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JP2004361302A Withdrawn JP2006170699A (en) | 2004-06-04 | 2004-12-14 | Optical device for object identification |
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-
2004
- 2004-12-14 JP JP2004361302A patent/JP2006170699A/en not_active Withdrawn
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