JPH04260108A - 光学センサー - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は工業工程にて使用される
光学センサーに係わり、特にその視界を対象とする面積
部分に整合させる手段を備えた光学センサーに関する。

【０００２】

【従来技術】光学センサーは、工業工程の制御や製造製
品の検査のために使用することが知られている。例えば
このような装置は、製品の連続的な寸法測定やパッケー
ジ充填物の確認、或いは表面欠陥の検出を行うことがで
きる。

【０００３】光学センサーは１個の光学セルを有するだ
けとされ得るが、多くの要求される応用に関しては光学
センサーは感光部材のアレーとされる。感光部材は四角
い面積部分に配置される（矩形アレー）か、１列に沿っ
て配置される（線形アレー）。矩形アレーは四角いマト
リックスの像データを作り、２次元像を形成するのに適
している。線形アレーも像オブジェクトをこのアレーに
よって走査するという簡単な方法によって、典型的には
コンベヤベルト等の上で線形アレーを通過させるように
像オブジェクトを移動させることによって、四角いマト
リックスの像データを作ることができる。

【０００４】光学センサーは一般に正確に整合されて感
光部材の完全な空間的な分解能が有効に使用できること
を保証できるようにすることが望まれる。理想的には、
感光部材に投影される像は光学センサーの像形成面全体
にわたるようにされて、使用されないセンサー部材が無
いように、しかも像の一部が失われることの無いように
される。光学センサーの粗整合は、センサーのハウジン
グに沿って照準をつけたり、簡単な幾何学的な計算によ
ってなされ得る。しかしながら正確な整合が必要とされ
る場合は、これらの技法は容認できないのである。

【０００５】光学センサーによって作られる像は光学セ
ンサーの視野の正確な整合を得るのに使用できる。線形
アレーおよび矩形アレーの両方のアレーとも像を作るの
に十分なデータを与えることができるが、しばしばこの
データは人間が視認できる状態となるように変換される
ことなく使用される。このデータは処理制御装置によっ
て直接的に処理されるか、或いは表示を介在させずに統
計的な目的で翻訳されコンパイルされる。像の作られる
ことが望まれるときには、像表示端末はしばしば光学セ
ンサーが露出される過酷な雰囲気からその像表示端末を
保護するため或いは空間的な理由や便宜性の理由のため
に光学センサーから離れた位置に配置される。遠隔的に
作られた像は整合値が限られる。更に、線形アレーが使
用されたときには人間が視認可能な像は、像とされたオ
ブジェクトすなわち像オブジェクトが移動すること、す
なわち光学センサーの最初の取り付けおよび整合に際し
て得ることのできない状態、を必要とする。

【０００６】これらの何れの場合に於いても人間が視認
できる像は、像オブジェクトの対象となる面積部分に対
する光学センサーの視野の整合を助成するのに利用する
ことができない。

【０００７】像を表示しないで光学センサーの正確な整
合を行う１つの方法は、光ビームを光学センサーの視野
に沿って投影して、光学センサーの視野と一致する整合
像を作ることである。１つの実施に於いては、ビーム分
離器／投合器すなわちビームスプリッター／コンバイナ
ーが感光部材と像オブジェクトとの間に配置される。整
合像はこのビームスプリッター／コンバイナーに向けて
与えられ、光学センサーの視野の軸線に沿って投影され
るようになされる。光学センサーの整合はしかる後にそ
の光学センサーを移動して投影された整合像が像オブジ
ェクトの関係する面積部分に重なるようにさせることで
行われる。像オブジェクトが利用できない場合には、反
射カードがその関係する面積部分の中に位置決めされ、
投影された像がそのカード上に重なるようにされる。

【０００８】整合像は感光部材の像形成面の寸法を正確
に表すように寸法決めされた電球の特別な形状のフィラ
メントによって作られる。

【０００９】このような装置の１つの強みは、投影され
た整合像が光学装置の視野と同じ広がりを有して、視野
の角度位置およびさまざまな距離位置に於ける視野寸法
の両方を正確に測定できるようにしていることである。

【００１０】しかしながら、このような装置には２つの
欠点がある。第１の欠点は整合精度がビームスプリッタ
ーおよび投影光源の位置に精度に依存することである。 ビームスプリッター／コンバイナーの角度位置の如何な
る誤差も感光部材と像オブジェクトとの間にて測定した
光路の長さによって“増幅”されてしまうのである。こ
れは投影光源の相対角度位置に於ける誤差によってもそ
うである。例えば投影光源が電球である場合にその交換
によって、或いは物理的な衝撃によって、このような誤
差が生じ得るのである。何れの場合にも投影された整合
像が光学センサーの視野と一致しなければ、整合像の有
効性は低減されてしまうのである。

【００１１】上述した装置の第２の欠点は、ビームスプ
リッター／コンバイナーおよび投影光源の付加が光学セ
ンサー内部における光路の複雑化を実質的に増大するこ
とである。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】本発明は光学センサー
と一緒に使用するための、上述した欠点を解消できる整
合像を作る手段を提供する。特に、この光学センサーは
感光部材を含み、この感光部材は結像部材によってその
表面に投影される像オブジェクトの像を受け止めるよう
に位置される。感光部材と実質的に同じ平面内に位置す
る面が光源によって照明される。その面の整合像は結像
部材によって像オブジェクト上に投影されて、光学セン
サーを整合させる助けを果たすのである。

【００１３】本発明の１つの目的は、製造に際しての精
度不良や物理的な衝撃による有害な影響に良好に耐える
整合像を作る手段を提供することである。感光部材上に
像オブジェクトの像を投影するのに使用される同じ結像
部材が像オブジェクト上に整合像を投影するのに使用さ
れる。このことは２つの別個の結像部材を使用すること
に原因して発生し得る整合不良を排除するのである。整
合像は照明される面の像であり、この面は感光部材と一
体形成されるか感光部材に剛的に固定される。このこと
は整合像と光学センサーの視野との一致を保証するので
ある。

【００１４】本発明の他の目的は、簡単化された光学装
置を使用した投影整合像を作ることである。感光部材と
同一平面である照明される面はこれまで使用されていた
ようなビームスプリッター／コンバイナーの必要性を無
くするのである。照明される面を照明するだけの働きし
かしない光源は正確な寸法決めや位置決めを不要となす
。

【００１５】照明される面は鏡面反射面ではなく、光源
はその光を照明軸線に沿って照射して、その非鏡面反射
面に対してその端縁近くで且つ或る入射角度で当てるよ
うに配置される。光源の位置は、入射角度に等しい反射
角度に沿う反射光が結像部材に完全に受け止められるよ
うに調整される。

【００１６】本発明の更に他の目的は、このようにして
反射面の鮮明に定められた端縁上に照明光を結像するこ
とによって投影された整合像の視認性を最大限となし、
また結像部材に受け入れられる光を最大限にすることで
ある。

【００１７】本発明の前述した目的およびその他の目的
は以下説明から明白となろう。以下の説明に於いてはそ
の一部をなす添付図面が参照される。添付図面には図示
例として本発明の好ましい実施例が示されている。しか
しながらこの実施例は本発明の完全な範囲を与えるもの
である必要はなく、本発明の範囲を解釈するためには特
許請求の範囲の欄の記載が参照されねばならない。

【００１８】

【課題を達成するための手段】本発明による光学センサ
ーは、通過する物体によって変調された光を検出し、そ
の変調に応じた強さの信号を発生する光学センサーであ
って、像形成面に当たる光に応答して強さの信号を発生
する感光部材と、感光部材に関係して配置され、光軸を
定め且つ物体が焦点距離の位置で光軸を通過するときに
像形成モードに於いてその物体の像を感光部材上に結像
させるための結像手段と、整合モードに於いて、感光部
材へ向けて光を照射して焦点距離の位置に感光部材の像
を投影するようになす光源と、を含んで構成されたこと
を特徴とする。

【００１９】図１を参照すれば、本発明による光学セン
サー１０は像オブジェクト１２に対して位置決めされて
、その像オブジェクト１２上の目標面積部分１４で反射
されてレンズ組立体１６を通り光軸１８に沿って伝達さ
れる光を受け止めるようになされる。典型的には像オブ
ジェクト１２は光学センサー１０を超えて移動して、こ
のオブジェクト１２のシーケンスが光学センサー１０に
よって視認されるのであり、この代わりに光学センサー
１０自体が移動されることもできる。

【００２０】像オブジェクト１２の目標面積部分１４は
或る種の製品特性に関しては検査されるべき面とされる
ことができる。或いは、バーコードのようなコード化さ
れたマークとされることができる。目標面積部分１４で
反射される光の源はその周囲の大気光とされるか、或い
は光学センサー１０に組み付けられて目標面積部分１４
へ向けられた照明装置（図示せず）とされることができ
る。技術的に理解できるように、ストロボ光源（図示せ
ず）が光学センサー１０と関連して使用され、目標面積
部分１４を照明すると共に目標面積部分１４の視認時間
を制御するようになされることができる。

【００２１】本発明によれば、整合像２０は光学センサ
ー１０のレンズ組立体１６によって光軸１８に沿って投
影され、光学センサー１０は目標面積部分１４からの光
を最もよく受け止めることができるように整合される。 整合モードでは、整合像２０が像オブジェクト１２の上
に投影され、投影されると光学センサー１０によって像
オブジェクト１２からの光が検出される面積部分を示す
。整合像２０の全体的な面積部分は光軸１８の角度を表
し、光学センサー１０を像オブジェクト１２に粗整合さ
せるのを可能にする。整合像２０はレンズ組立体１６を
回転させて焦点を合わされ、焦点が合ったならば整合像
２０の面積部分は像オブジェクト１２上の面積部分を正
確に表すのであって、そこからの光が光学センサー１０
によって受け止められ検出されるのである。整合像２０
の焦点合わせすなわち結像はまた以下の説明で理解でき
るように光が受け止められるように光学センサー１０の
適当な焦点合わせをほぼガイドするのである。

【００２２】光学センサー１０はそのケース２４に取り
付けられた揺動可能なマウント２２上に支持され、光学
センサー１０が上述したように位置を再設定できるよう
になしている。

【００２３】図２を参照すれば、レンズ組立体１６は円
筒形筒体２６を含む。この筒体はその円筒軸線が光軸１
８と平行に配向されている。筒体２６は前端を円形プラ
スチック窓体２８によってキャップされている。この窓
体は内側の光学組立体を保護し、損傷されたならば交換
できる。プラスチック窓体２８は外面に形成されている
ねじ部を筒体２６の内面に形成されている対応するねじ
部に螺合させて筒体２６内に受け止められている。プラ
スチック窓部２８はＯ−リング３０によって筒体２６に
対してシールされている。

【００２４】プラスチック窓部２８の後方には筒体２６
の内部且つ光軸１８と全体的に整合されて前部および後
部のレンズ３２および３４が配置されている。レンズ３
２および３４はフランジ３６によって保持されており、
このフランジは筒体２６の内面から内方に向けて突出さ
れている。

【００２５】筒体２６は小さな寸法のスリーブ３８の上
に嵌合されて、それに沿って軸線方向にスラッジできる
ようになされている。ねじ付きピン４０が筒体２６の穴
４１を通して半径方向へ延在し、スリーブ３８の外面に
沿って形成されている螺旋スロット切溝４２の中に侵入
している。このピン４０は螺旋スロット４２に従動して
、筒体２６のスリーブ３８に対する与えられた回転に関
しての、筒体２６のスリーブ３８に対する正確な軸線方
向の動きを制御するようになされている。これは、以下
に更に詳しく説明されるように像オブジェクト１２上に
対する光学センサー１０の正確な結像を可能にしている
のである。筒体２６の穴４１はねじを形成されていて、
ねじ付きピン４０が螺旋スロット４２の底部に対して緊
締され、このねじ付きピンを緩めるまでは筒体２６がス
リーブ３８に対してそれ以上は移動することができない
ようになされる。従って、光学センサー１０の焦点合わ
せは、不都合な動きを行えないようにロックすることが
できるのである。Ｏ−リング４６はねじ付きピン４０の
ヘッド４８の下側に嵌合されて穴４１を通して不純物が
侵入するのを防止する。スリーブ３８および筒体２６は
外面に割り出しマーク４４を有しており、これら２つの
部材の相対回転を正確に決定できるようになっている。 これらの割り出しマーク４４は光学センサー１０と像オ
ブジェクト１２との間の測定距離にキー止めされ、光学
センサーと像オブジェクト１２との間の距離を決定する
ことで光学センサー１０の焦点合わせを行う方法を与え
ているのである。

【００２６】バッフル壁５０が前部および後部レンズ３
４および３６の後方にてスリーブ３８の内壁から半径方
向内方へ向けて延在し、光軸１８の回りに中央配置され
た開口５１を形成している。バッフル壁５０に取り付け
られて形成された開口５２は開口５１を通過する光を開
口５２の外側にて遮断する。開口５２の寸法および配向
は以下に更に詳しく説明される。

【００２７】ディスク形のランプ組立体５４が開口５２
の後方のスリーブ３８の内部にて前部窓体２８に対して
同軸的にスリーブ３８の内壁によって保持されている。 このランプ組立体５４はキャップ形ランプハウジング５
５を含む。このハウジングは筒体２６の前部へ向けて開
口し、ディスク形のプリント回路基板５６によってキャ
ップされている。このプリント回路基板５６に取り付け
られ且つこのプリント回路基板５６とランプハウジング
５５との間の空間内に保持されて第１および第２のハロ
ゲンランプ５８および６０がある。これらのランプ５８
および６０は光軸１８の上下に位置するハウジング５５
の穴を通して延在し、これによりランプ５５および６０
はプラスチック窓体２８を保持した筒体２６の前部から
全体的に離れる方向へ僅かに突出される。電線（図示せ
ず）がプリント回路基板５６に取り付けられてランプ５
８および６０に電流を与えるようになされる。ランプ５
８および６０に対する電流は更に説明するようにオンオ
フ切り替えされるのである。

【００２８】ランプ組立体５４はほぼ四角形の開口６３
を有しており、この開口は光軸１８７に沿って位置決め
され且つ開口５２よりも大きくされ、開口５２を通過し
た光の全てがランプ組立体５４の開口６３を通過するよ
うになされている。

【００２９】ランプ５８および６０は一体化された収束
レンズ６２を含み、光を照明軸線６４に沿って収束させ
るようになっている。ランプ５８および６０の照明軸線
６４は光学軸線１８に向けて僅かに傾いており、以下に
更に説明するようにランプ組立体５４の後方に位置され
且つランプ組立体５４からの光および／または像オブジ
ェクト１２から投影された像を受け止めるように対面さ
れて光軸１８上に芯出しされた感光部材６６上に収束す
るようになされている。

【００３０】感光部材６６は電荷結合デバイス（“ＣＣ
Ｄ”）の線形像センサーであり、例えば１０２４のフォ
トダイオードを有するものが市場で入手できる。各々の
フォトダイオードは１４μｍ平方であり、像形成面を形
成するように１４μｍを隔てた位置を中心として１直線
に沿って配置されている。技術的に一般に知られている
ように、各フォトダイオードに当たる光の強さは各フォ
トダイオードの電荷をクロック信号に応答して直列に接
続されているそのデバイスから“シフト”させることに
よって個別に決定される。

【００３１】図４を参照すれば、像形成面６８の寸法は
１４μｍ×１４．３４ｍｍである。この像形成面６８は
シリコンチップ７０上に構成されている。このチップは
像形成面よりも大きく、約１６ｍｍ×１．３ｍｍの寸法
を有している。チップ７０像形成面６８より外側の面積
部分は薄い金属層７２で被覆され、この周縁面積部分に
当たる光が像形成面６８に於ける検出に悪影響を及ぼす
のを防止している。この金属層７２は一般的に鏡面反射
面とされるが、非鏡面も使用することができる。チップ
７０は保護ガラススリップ７４でカバーされている。金
属層７２によって反射されたランプ５８および６０から
のそれぞれの光は後部および前部のレンズ３６および３
４によって受け止められ、整合像２０にて像オブジェク
トの上に投影される。

【００３２】図３を参照すれば、開口５２および像形成
面６８は光軸１８に直角な平面内に配置されている。開
口５２は細長いスリーブであり、像形成面６８の延長部
に直角に延在している。技術的に理解されるように、像
形成面６８に形成された像を不鮮明にする軸線を外れた
光線を抑制することによって、開口５２はレンズ組立体
１６の視野深度を改善するのである。しかしながら、像
形成面６８が１次元であるので、上述した不鮮明化は像
形成面６８の範囲に沿って指向したときにのみ考えられ
るのである。それ故に、像形成面６８の範囲に沿って軸
線を外れたこれらの光線のみが抑制されることを必要と
する。像形成面６８の範囲に直角な方向では開口５２は
できるだけ多くの光を受け入れるように広くされ、解像
度を損なうことなく光学センサー１０の感度を改善する
のである。一般に、開口５２はレンズ組立体１６の許容
角度を定め、この角度は光軸１８を形成し且つレンズ組
立体１６によって伝達される最大の逸脱角度とされる。

【００３３】説明したように、ハロゲンランプ５８およ
び６０はレンズ６２を組み込んでおり、金属層７２に当
たる照明軸線６４にほぼ沿うランプからの光を収束する
ようになっている。この金属層７２は一般に鏡面とされ
るが、この面が例え非鏡面であったとしても反射光の基
本的な軸線７６の角度７８は対応する照明軸線６４の入
射角度８０に等しくなる。非鏡面はまたその他の角度で
光を反射させるが、反射角度７８からこの角度が逸脱す
るほど一般に強さは弱くなる。

【００３４】ランプ５８および６０、像形成面６８およ
び開口５２の相対位置は調整され、照明軸線６４が像形
成面６８の一端に近い位置にて金属層７２と交わり、反
射軸線７６が開口５２の中央を通過して光エネルギーの
最大限の伝達を保証するようになされる。１つの電球５
８または６０は、端部が像形成面６８の位置に関する最
大限の情報を持つように像形成面６８の各端部を照明す
る。光学センサー１０の整合モードに際して、ランプ５
８および６０は整合像２０を投影するようにスイッチオ
ンされる。光学センサー１０がひとたび整合されると、
ランプ５８およビ６０はスイッチオフされて像オブジェ
クト１２からの光の検出を阻害しないようになされる。

【００３５】図５を参照すれば、第２の実施例に於いて
２次元の像形成面６８’を組み込んだ感光検出器６６’
が図３に示した感光検出器６６の線形像形成面６８に代
えて置換されている。この実施例では、４つのビーム（
１つのみ示されている）照射されて２次元の像形成面６
８’の４つの隅部を照明している。４つのビームの各々
の照明軸線６４’は調整されて反射軸線７６’が開口５
２’の中央を通過されるようになされる。開口５２’は
ここでは円形開口を定めており、これは２次元の像形成
に必要とされ、且つ上述したような軸線外れの光線を排
除するために必要とされる。

【００３６】本発明の精神および範囲に含まれるような
好ましい実施例の多くの改修および変形が当業者に明白
となろう。例えば、非鏡面は金属層を必要とせず、像形
成面に剛性的に固定された同一平面の非鏡面金属とされ
得る。本発明の範囲に含まれるさまざまな実施例を公に
知らせるために、特許請求の範囲の欄に記載されている
。

【００３７】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば従来
技術の欠点が無く、製造時の精度不良や物理的な衝撃に
起因して生じる有害な影響に良好に耐える整合像を作る
ことができ、しかもこれが簡単な装置構造によって可能
とされるのである。従って、バーコードの読みとりや表
面検査等のさまざまな装置に応用することで確実な動作
が保証される等の多くの利点を有するのである。

【図面の簡単な説明】

【図１】目標面積部分を有する像オブジェクトに対して
投影された整合像を示している光学センサーの斜視図。

【図２】像形成面、収束レンズおよび像形成のための光
源の相対位置を示している図１の光学センサーのレンズ
組立体の横断面図。

【図３】像形成面、収束レンズおよび１つの光源の幾何
学関係を示す斜視概略図。

【図４】保護キャリアに収容されている像形成面の斜視
図。

【図５】本発明による第２の実施例に於ける図３に類似
の斜視概略図。

【符号の説明】

１０　　光学センサー １２　　像オブジェクト １４　　目標面積部分 １６　　レンズ組立体 １８　　光軸 ２０　　整合像 ２６　　筒体 ２８　　プラスチック窓体 ３２，３４　　レンズ ３８　　スリーブ ４４　　割り出しマーク ５１，５２　　開口 ５４　　ランプ組立体 ５８，６０　　ハロゲンランプ ６２　　収束レンズ ６３　　開口 ６８　　像形成面 ７０　　チップ ７２　　金属層

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　通過する物体によって変調された光を
   検出し、その変調に応じた強さの信号を発生する光学セ
   ンサーであって、像形成面に当たる光に応答した強さの
   信号を発生する感光部材と、感光部材に関係して配置さ
   れ、光軸を定め且つ物体が焦点距離の位置で光軸を通過
   するときに像形成モードに於いてその物体の像を感光部
   材上に結像させるための結像手段と、整合モードに於い
   て、感光部材へ向けて光を照射して焦点距離の位置に感
   光部材の像を投影するようになす光源と、を含んで構成
   されたことを特徴とする光学センサー。
2. 【請求項２】　　請求項１に記載された光学センサーで
   あって、感光部材が線形アレーであり、光源は２つのビ
   ームを発生して、それぞれのビームが線形アレーの各端
   部を照明していることを特徴とする光学センサー。
3. 【請求項３】　　請求項２に記載された光学センサーで
   あって、２つのビームが２つのランプによって発生され
   ることを特徴とする光学センサー。
4. 【請求項４】　　請求項１に記載された光学センサーで
   あって、感光部材が四角形のアレーであり、光源が４つ
   のビームを発生し、それぞれのビームが四角形のアレー
   の各隅を照明していることを特徴とする光学センサー。
5. 【請求項５】　　請求項４に記載された光学センサーで
   あって、４つのビームが４つのランプによって発生され
   ることを特徴とする光学センサー。
6. 【請求項６】　　通過する物体によって変調された光を
   検出し、その変調に応じた強さの信号を発生する光学セ
   ンサーであって、実質的に１つの平面内に像形成面を有
   し、その像形成面に当たる光に応答して強さの信号を発
   生する感光部材と、感光部材に関係して配置され、光軸
   を定め且つ物体が焦点距離の位置で光軸を通過するとき
   にその物体の像を像形成面上に結像させるための結像手
   段と、感光部材へ向けて光を照射する光源と、像形成面
   と実質的に同じ平面内にある照明される面であって、光
   源からの光を受け入れ且つその光を光軸に沿って結像手
   段へ伝達して、焦点距離の位置に照明された面の像を投
   影するようになされている照明される面と、を含んで構
   成されたことを特徴とする光学センサー。
7. 【請求項７】　　請求項６に記載された光学センサーで
   あって、照明される面が鏡面反射面であり、照明された
   面から光を光軸に沿って結像手段へ反射して、照明され
   た面の像を焦点距離の位置に投影するようになっている
   ことを特徴とする光学センサー。
8. 【請求項８】　　請求項６に記載された光学センサーで
   あって、感光部材が半導体装置であり、照明される面が
   半導体装置上の金属マスクであることを特徴とする光学
   センサー。
9. 【請求項９】　　請求項６に記載された光学センサーで
   あって、結像手段が容認（ａｃｃｅｐｔａｎｃｅ）角度
   を有しており、光源が光を照明軸線に沿って投影して第
   １の位置にて且つ照明される面の平面に対して測って第
   １の角度で照明される面に当てるようになし、第１の角
   度は、照明される面の平面に対して測って容認角度内の
   第１の位置と結像位置との間の光線の第２の角度に等し
   い、ことを特徴とする光学センサー。
10. 【請求項１０】　　請求項６に記載された光学センサー
    であって、感光部材が線形アレーであり、光源は２つの
    ビームを発生して、それぞれのビームが線形アレーの各
    端部を照明していることを特徴とする光学センサー。
11. 【請求項１１】　　請求項１０に記載された光学センサ
    ーであって、２つのビームが２つのランプによって発生
    されることを特徴とする光学センサー。
12. 【請求項１２】　　請求項６に記載された光学センサー
    であって、感光部材が四角形のアレーであり、光源が４
    つのビームを発生し、それぞれのビームが四角形のアレ
    ーの各隅を照明していることを特徴とする光学センサー
    。
13. 【請求項１３】　　請求項１２に記載された光学センサ
    ーであって、４つのビームが４つのランプによって発生
    されることを特徴とする光学センサー。