JP5563230B2 - 光学センサ - Google Patents

Description

本発明は、光学センサに係り、より詳しくは集光レンズと反射体とを備え、受光素子の受光面の向きと交差する方向からセンサに到来する光を検出する光学センサに関する。

一般的に知られているサイドビュー型の光学センサの１つに、例えば図５にその概略構成を示すようにレンズ面を検出領域に向けて設けた集光レンズ１と、この集光レンズ１の光軸と交差する向きに受光面２ａを向けた受光素子２に向けて、前記集光レンズ１を介して集光された光（光束）を反射する反射体、例えばプリズム体３とを備えて構成したものがある。ちなみに上記プリズム体３は、例えば互いに直交する２つの面の一方を前記集光レンズ１に対峙する入射面、他方の面に光前記受光素子２の受光面に対峙する射出面とし、上記２つの面に対して４５度の角度をなす傾斜面を反射面３ａとした直角プリズムからなる。

尚、このようなプリズム体３を用いてサイドビューを実現する光学（光電）センサについては、例えば特許文献１の図５に開示されるサイドビューアタッチメントとして知られている。またこのようなプリズム体３を反射体として用いれば、金属蒸着ミラーを用いた場合のように製造コストが高い等の不具合を解消することができる。

特開平７−１４４７８号公報

ところで前記受光素子２での受光量を多くしてその検出感度を高めるべく、専ら、集光レンズ１の開口面積を、そのセンサ構造の制約の範囲内においてできる限り広くし、また広くした前記集光レンズ１の開口周辺部に入射する光についても無駄なく前記受光素子２の受光面２ａに導くようにレンズ設計が行われる。しかしながらこのようにして集光レンズ１のレンズ設計を行った場合、図４に示すように前記集光レンズ１の開口周辺部から入射した光が前記プリズム体３にて反射されずに該プリズム体３を抜け出てしまうと言う不具合が生じる。

即ち、前記集光レンズ１を通る光は該レンズ１の中心軸Ｍから離れるに従って大きな角度で曲げられて（屈折して）該集光レンズ１の焦点位置ｆに向けて絞り込まれる。一方、前記プリズム体３の反射面３ａは前記集光レンズ１の中心軸Ｍに対して傾斜して設けられる。この為、集光レンズ１の周辺部を通り、前記プリズム体３の反射面３ａの前記集光レンズ１の主面Ｌから離れた位置に導かれる光は、前記反射面３ａに対する入射角が小さくなり該反射面３ａにて全反射されることなく透過する。この結果、前記集光レンズ１の開口面積を広くしたにも拘わらず、前記受光素子２に導き得る光量を多くすることができないと言う問題がある。

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、その目的は、集光レンズを介して集光された光を反射体としてのプリズム体を介して、無駄なく受光素子に導くことのできる簡易な構成の光学センサを提供することにある。

上述した目的を達成するべく本発明に係る光学センサは、外部からの光を集光する集光レンズと、この集光レンズの光軸と交差する向きに受光面を向けて設けられた受光素子と、前記集光レンズにて集光された光を反射して前記受光素子の受光面に導くプリズム体とを具備した、いわゆるサイドビュー型のものであって、
特に前記集光レンズにて集光された光束が前記プリズム体の反射面に対してその臨界角以上の角度で入射するとともに、該光束が該反射面にて全反射して前記受光素子の受光面に導かれるように、前記光束の中心軸に対して前記集光レンズを光学的に回転非対称化し、若しくはレンズ中心部よりもレンズ周辺部の焦点距離を長く設定したことを特徴としている。

ちなみに前記光束の中心軸に対する前記集光レンズの回転非対称化、若しくは焦点距離の設定は、前記集光レンズの中心軸（光学的中心軸）を該集光レンズに入射する前記光束の中心軸からずらして配置することによって、或いは前記集光レンズのレンズ面における曲率を部分的に大きくし、若しくは前記集光レンズの屈折率を部分的に小さくし、当該レンズ部分での焦点距離を長くすることによって達せられる。尚、これらの手法を併用することも勿論可能である。

前記プリズム体は、例えば互いに直交する２つの面の一方を前記集光レンズに対峙する入射面、他方の面を前記受光素子の受光面に対峙する射出面とし、上記２つの面に対して所定の角度、例えば４５度をなす傾斜面を反射面とした直角プリズムである。尚、前記集光レンズおよび前記プリズム体は、これらを一体に成形したものも含む。また前記受光素子は、その受光面に光を導く受光レンズまたは光ファイバを備えたものを含む。

上記構成の光学センサによれば、光束の中心軸に対する集光レンズの回転非対称化、若しくは焦点距離の設定だけで該集光レンズを介した光をプリズム体にて無駄なく反射させて受光素子に導くことができるので、前記受光素子での受光量を増大させ、その検出感度を高めることができる。しかもその構成が簡単であり、また金属蒸着ミラーを用いる場合に比較して低コストで製造できると言う利点がある。

本発明の第１の実施形態に係る光学センサの要部概略構成図。 本発明の第２の実施形態に係る光学センサの要部概略構成図。 光束の光軸に対する回転非対称化を実現する集光レンズの他の例を示す図。 本発明の変形例を示す図。 従来の光学センサの構成とその問題点を説明する為の図。

以下、図面を参照して本発明に係る光学センサの実施形態である光電センサについて説明する。
この実施形態に係る光電センサは、図１および図２にそれぞれ示すように、基本的には検出領域から到来する光（例えば平行光線束）を集光する集光レンズ１と、この集光レンズ１の光軸と交差する向き、例えば直角にその受光面２ａを向けて設けられた受光素子２と、前記集光レンズ１にて集光された光を反射して前記受光素子２の受光面２ａに導くプリズム体３とを具備した、いわゆるサイドビュー型のものからなる。尚、前記集光レンズ１は、そのレンズ主面Ｌを前記平行光線束に対して直角に配置される。また前記反射体としてのプリズム体３は、互いに直交する２つの面の一方を前記集光レンズ１に対峙する入射面、他方の面を前記受光素子２の受光面２ａに対峙する射出面とし、上記２つの面に対して所定の角度、例えば４５度の角度をなす傾斜面を反射面３ａとした直角プリズムである。

ちなみに前記集光レンズ１および前記プリズム体３は、それぞれ所定の屈折率を有する光透過性の材料、例えばガラス材または透明な合成樹脂素材からなり、また前記受光素子２は、例えばフォトダイオード（ＰＤ）からなる。またこれらの集光レンズ１、受光素子２およびプリズム体３は、予め設定された光学的配置の下で図示しない筐体に一体に組み付けられて光電センサ、或いは光電センサヘッドを構築する。尚、ここでは光電センサヘッドを含めて光電センサと総称する。

そしてこの光電センサは、例えば図示しない投光部から検出領域に向けて投光された平行光線束を該検出領域を介して受光し、その受光量から検出領域における物体の有無を検出するように構成される。尚、上述した受光系を構築した光電センサは、検出領域に向けて光を照射する前記投光部と一体に、その投受光方向を揃えて並べて設けられる場合もある。

さて図１を参照して本発明の第１の実施形態に係る光電センサについて説明すると、この光電センサは、集光レンズ１の中心軸Ｍを該集光レンズ１に入射する光束の中心軸Ｎからずらして配置することで、該集光レンズ１を前記光束の中心軸Ｎに対して回転非対称化し、これによって前記集光レンズ１にて集光された光束が、より多く前記プリズム体３の反射面３ａに対してその臨界角以上の角度で入射するようにしたことを特徴としている。即ち、前記集光レンズ１を通った光が、前記プリズム体３の反射面３ａに対してその臨界角以上の角度で入射し、該反射面３ａにて全反射して受光素子２の受光面２ａに導かれるようにしたことを特徴としている。

より具体的には、前記集光レンズ１そのものは、該集光レンズ１の中心軸Ｍに対して回点対称なものであって、基本的には前記中心軸Ｍから離れた周辺部になる程、該中心軸Ｍと平行に入射する光に対する曲げ角が大きくなり、該集光レンズ１を通った光を前記中心軸Ｍ上の所定の焦点位置ｆに結像する光学特性を有する。このような光学特性を有する集光レンズ１を、この第１の実施形態においては該集光レンズ１の中心軸Ｍを該集光レンズ１に導かれる光（平行光線束）の中心軸Ｎからずらし、特にプリズム体３に反射された光が導かれる受光素子２側にずらすことにより、前記集光レンズ１の受光素子２側の端部（図１における下端側）での光の曲げ角を浅くし、これによって前記集光レンズ１を通る光が前記プリズム体３の反射面３ａに対して、その臨界角以上の角度で入射するようにしている。

ちなみに臨界角とは、プリズム３における反射面３ａの法線に対して所定の角度で入射する光が、該プリズム体３と空気との界面（反射面３ａ）にて屈折して透過することなく、上記界面にてその全てが反射する（全反射する）角度である。例えば前記プリズム３がアクリルやポリカーボネイト等の合成樹脂材やＢＫ７と称されるガラス素材を用いて構成される場合、その屈折率ｎ２が略１.５１４であるので前述した臨界角は略４１度程度となる。これに対してプリズム体３の反射面３ａが前記集光レンズ１の中心軸Ｍに対して４５度の角度に設けられているので、集光レンズ１の下端を通過する光の曲がり角が略３.７度以下であれば、該集光レンズ７を通った光の殆どが前記反射面３ａに対して前述した臨界角以上の角度で入射することになり、これらの光が全反射されることになるので、従来に比べて集光レンズ１を通った光をより多く全反射させて受光素子２に導くことが可能となる。また理想的には集光レンズ１の下端を透過する光束が前記条件を満たすように該集光レンズ１の中心軸Ｍを前記光束の中心軸Ｎに対してずらすことで、集光レンズ３を通った光の全てを全反射させて受光素子２に導くことが可能となり、より効果的である。

尚、前記プリズム３の屈折率ｎ２が略１.４１４である場合には、前記反射面３ａでの前記臨界角は略４５度である。従って且つ前記集光レンズ３の中心軸Ｍが光束の中心軸Ｎと同軸に設けられており、反射面３ａの傾斜角が４５度である場合には、該集光レンズ３の中心軸Ｍよりも上側を通る光が全反射され、中心軸Ｍよりも下側を通る光は全反射することなく透過することになる。従ってこのような場合には、例えば集光レンズ３の上半分の領域だけを開口領域とするように前記光束の中心軸Ｎに対して前記集光レンズ１の中心軸Ｍをずらせば、集光レンズ３を通った光を全反射させて受光素子２に導くことが可能となる。

尚、このようにして集光レンズ３の中心軸Ｍを前記光束の中心軸Ｎからずらす場合、そのずれ量については、集光レンズ１の焦点距離ｆや集光レンズ１とプリズム体３との配置間隔、更にはプリズム体３における反射面３ａの前記光束の中心軸Ｎに対する傾斜角度等に応じて、その光学的条件が前述した全反射条件を満たすように設定すれば十分である。またこのようにしてプリズム体３にて反射された光が、前記受光素子２の受光面内に導かれるように、その光学的配置を決定することも勿論のことである。

かくして上述した如く光学系を設定した光電センサによれば、従来の光学系を設定した光電センサに比して、検出領域から到来して前記集光レンズ１にて集光された光をより多く全反射させることができる。この結果、集光レンズ１を介した光を前記受光素子２に無駄なく導くことができるので、該受光素子２での受光量を効果的に増大させてその検出感度を高めることができる。しかも高価な金属蒸着ミラーを用いたり、プリズム体３の反射面３ａに金属膜を蒸着しなくても、簡易にして効果的に受光素子２での受光量を増大させることができる。従って高感度な光電センサを安価に製作することができる等の効果が奏せられる。

ところでプリズム体３の反射面３ａでの全反射条件を満たすように、例えば図２に示すように前記集光レンズ１のレンズ面における曲率を部分的に大きくし、当該レンズ部分での焦点距離を長くすることで該集光レンズ１を前記光束の中心軸Ｎに対して回転非対称化することも可能である。即ち、図２に本発明の第２の実施形態を示すように、前記集光レンズ１の受光素子２側の端部（図２における下端側）での光の曲げ角が浅くなるように、そのレンズ面の曲率を部分的に大きくする。そして当該部分を通過した光の焦点距離を長くすることで、プリズム体３の反射面３ａに対する入射角が前述した臨界角以上となるように設定する。

このようにして集光レンズ１自体の曲面（曲率）を部分的に変えることで該集光レンズ１の回転非対称化を実現しても、先の実施形態と同様に集光レンズ１を通った光をより多く前記プリズム体３の反射面３ａにて全反射させ、前記受光素子２の受光面２ａに導くことが可能である。この場合には、上述した如くレンズ面の曲率を部分的に大きくした部位における焦点距離については、当該部位を通過した光が前述した全反射条件を満たす焦点距離（下限）から、その反射光が受光素子２の受光面２ａに導かれる焦点距離（上限）の範囲内に設定すれば十分である。但し、反射面３ａによる反射光が受光素子２の受光面２ａに導かれる焦点距離（上限）は、前記受光素子２の受光面２ａの大きさと、該受光素子２とプリズム体３との配置関係により規定されるものである。従ってこのように集光レンズ３を前記光束の中心軸Ｎに対して回転非対称化しても、先に説明した第１の実施形態と同様な効果が奏せられる。

尚、レンズ面の曲面（曲率）を部分的に変えた集光レンズ１を、例えば図３(ａ)に示すようにレンズの中心側領域１ａを焦点距離の短いレンズとし、その周辺側領域１ｂを焦点距離の長いレンズとした複合型レンズとして実現しても良い。この場合には、レンズ自体の向き（回転）を配慮することなく、単に集光レンズ１の中心軸を前記光束の中心軸Ｎからずらして設けるだけで光電センサに容易に組み込むことができる。

また前記集光レンズ３の焦点距離を長く設定した周辺側領域１ｂを通った光が前述した全反射条件を満たす角度でプリズム体３の反射面に３ａに入射する場合には、集光レンズ１の中心軸Ｍと光束の中心軸Ｎとを一致させても前記集光レンズ１を通った光をより多く前記プリズム体３の反射面３ａにて全反射させて前記受光素子２の受光面２ａに導くことができる。従ってこの場合には、単に集光レンズ１の中心軸を前記光束の中心軸Ｎに一致させて装着するだけで良いので、その構成の大幅な簡素化を図り、またその製作手順の簡素化を図ることが可能となる。

また集光レンズ１の一部、具体的にはレンズの下半分側の領域を部分的に、例えば図３(ｂ)に示すようにその主体部１ｃの屈折率ｎ１よりも小さい屈折率ｎ２（＜ｎ１）を有するように製作することも可能である。この場合には、レンズ面の曲率に変化がなくても、上記屈折率ｎ２のレンズ部分１ｄの焦点距離が前記主体部１ｃよりも長くなるので、光束の中心軸Ｎに対して回転非対称化することが可能となる。

尚、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。ここではプリズム体３として４５度の直角プリズムを用いた場合を例に説明したが、その反射面３ａと前記光束の中心軸Ｎとのなす角度は特に限定されない。また第１の実施形態に示した手法と第２の実施形態に示した手法とを併用してプリズム体３の反射面３ａにおける全反射条件を設定することも勿論可能であり、その光学的設計に際しては、集光レンズ１およびプリズム体３の屈折率や、その配置等を配慮して行うことは言うまでもない。

また図４(ａ)に示すように集光レンズ１と反射体をなすプリズム体３とを一体成形して、その光学系を形成しても良く、図４(ｂ)に示すようにプリズム体３にて反射された光を光ファイバ４を介して受光素子２の受光面に導くことも可能である。更に図４(ｃ)に示すようにプリズム体４と受光素子２との間に受光レンズ５を設けることも勿論可能である。その他、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

１ 集光レンズ
２ 受光素子
３ プリズム体
３ａ 反射面

Claims (4)

1. 外部からの光を集光する集光レンズと、この集光レンズの光軸と交差する向きに受光面を向けて設けられた受光素子と、前記集光レンズにて集光された光を反射して前記受光素子の受光面に導くプリズム体とを具備し、
   前記集光レンズにて集光された光束が前記プリズム体の反射面に対してその臨界角以上の角度で入射するとともに、該光束が該反射面にて全反射して前記受光素子の受光面に導かれるように、前記集光レンズの中心軸を前記光束の中心軸からずらして配置することによって、前記集光レンズを前記光束の中心軸に対して光学的に回転非対称化したことを特徴とする光学センサ。
2. 前記プリズム体は、互いに直交する２つの面の一方を前記集光レンズに対峙する入射面、他方の面を前記受光素子の受光面に対峙する射出面とし、上記２つの面に対して所定の角度をなす傾斜面を反射面とした直角プリズムである請求項１に記載の光学センサ。
3. 前記集光レンズおよび前記プリズム体は、これらを一体に成形したものを含む請求項１又は２に記載の光学センサ。
4. 前記受光素子は、その受光面に光を導く受光レンズまたは光ファイバを備えたものを含む請求項１〜３いずれかに記載の光学センサ。

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