專利名稱:反射型光電傳感器及物體檢測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及通過(guò)來(lái)自物體的反射光檢測(cè)物體的有無(wú)的反射型光電傳感器和物體檢測(cè) 方法。
背景技術(shù):
已有的反射型光電傳感器中,根據(jù)由物體的反射產(chǎn)生的返回光量的變化,檢測(cè)物體的 有無(wú)。因此,比較物體和背景的反射率時(shí),在背景的反射率大、物體的反射率小的情況下, 有時(shí)會(huì)發(fā)生將背景作為物體檢測(cè)出。
作為難以受到背景影響的反射型光電傳感器,己知有偏振型光電傳感器(例如參見(jiàn)專 利文獻(xiàn)1)和距離設(shè)定反射型(Background Suppression下面簡(jiǎn)稱為BGS)光電傳感器(例 如,參照專利文獻(xiàn)2、專利文獻(xiàn)3)。
在偏振型光電傳感器中,投受光器和來(lái)復(fù)式反射器(y7P:y夕7y7k夕夕)相對(duì) 配置,進(jìn)一步的,具有規(guī)定的偏振光面并出射偏振光的偏光濾光片設(shè)置在投光器的前面, 同時(shí),具有與投光器側(cè)正交的偏振光面的接收偏振光的偏光濾光片設(shè)置在受光器的前面。 反射式反射器為三面直角棱鏡的集合體,入射光在三次全反射之后,被反射到與入射光相 同方向。
從投光器照射出的光通過(guò)經(jīng)過(guò)投光器側(cè)的偏光濾光片,成為直線偏振光。該直線偏振 光入射到反射式反射體后,其反射光成為橢圓偏振光,并產(chǎn)生與入射光正交的偏振光成分。 從而,該偏振光成分通過(guò)受光器側(cè)的偏光濾光片入射到受光器。另一方面,如果物體進(jìn)入 到投受光器和反射式反射體之間,則反射出與入射光同一方向的直線偏振光。該直線偏振 光無(wú)法通過(guò)受光器側(cè)的偏光濾光片,因此無(wú)法入射到受光器。這樣,在偏振型光電傳感器 中,可根據(jù)對(duì)受光器的入射有無(wú)來(lái)檢測(cè)物體的有無(wú)。
BGS光電傳感器對(duì)與物體的距離進(jìn)行光學(xué)測(cè)定,檢測(cè)出與物體的距離比基準(zhǔn)距離近還 是遠(yuǎn)。
另一方面,作為利用激光器發(fā)出的光的干涉的距離計(jì),提出一種利用激光器的輸出光 和測(cè)定對(duì)象的返回光在半導(dǎo)體激光器內(nèi)部的干涉(自混合效應(yīng))的激光計(jì)測(cè)器(例如,參 考非專利文獻(xiàn)l、非專利文獻(xiàn)2、非專利文獻(xiàn)3)。圖8顯示FP型(法布里-珀羅型)半導(dǎo)體激光器的復(fù)合諧振器模型。在圖8中,101為半導(dǎo)體激光器的諧振器,102為半導(dǎo)體結(jié) 晶解理面,103為光電二極管,104為測(cè)定對(duì)象。
設(shè)激光的振蕩波長(zhǎng)為入,從離測(cè)定對(duì)象104近的解理面102到測(cè)定對(duì)象104的距離為 L,當(dāng)滿足以下的諧振條件時(shí),來(lái)自測(cè)定對(duì)象104的返回光和諧振器101內(nèi)的激光相互增 強(qiáng),激光輸出稍有增加。
L=q"2 (1)
在式子(1)中,q為整數(shù)。即使測(cè)定對(duì)象104的散射光非常微弱,但是由于半導(dǎo)體激 光器的諧振器IOI中的所表現(xiàn)的反射率增加,產(chǎn)生放大作用,從而可充分地觀測(cè)該現(xiàn)象。
由于半導(dǎo)體激光器與注入電流的大小相對(duì)應(yīng)發(fā)射出頻率不同的激光,在調(diào)制振蕩頻率 的時(shí)候,不需要外部調(diào)制器,可通過(guò)注入電流直接調(diào)制。圖9顯示以某一定的比例使半導(dǎo) 體激光器的振蕩波長(zhǎng)變化時(shí)的振蕩波長(zhǎng)和光電二極管103的輸出波形之間的關(guān)系。當(dāng)滿足 式子(1) L-qX/2的時(shí)候,返回光和諧振器IOI內(nèi)的激光的相位差為O。(同相位),此 時(shí)返回光和諧振器101內(nèi)的激光為最大相互增強(qiáng);若L-q入/2+入/4時(shí),相位差為180° (逆相位),此時(shí)返回光和諧振器101內(nèi)的激光為最大相互減弱。因此,如果變化半導(dǎo)體 激光器的振蕩波長(zhǎng),激光輸出為強(qiáng)弱交替反復(fù)出現(xiàn),此時(shí),激光輸出由設(shè)置在諧振器101 的光電二極管103測(cè)定,得到如圖9所顯示的一定周期的階梯狀波形。這樣的波形一般稱 為干涉條紋。
該階梯狀的波形,即各個(gè)干涉條紋稱為模跳脈沖(下面稱為MHP)。 MHP是不同于模 跳現(xiàn)象的現(xiàn)象。例如,在到測(cè)定對(duì)象104的距離為L(zhǎng)1, MHP的個(gè)數(shù)為10個(gè)時(shí), 一半的距 離L2中,MHP的個(gè)數(shù)為5個(gè)。S卩,在某一特定時(shí)間內(nèi)令半導(dǎo)體激光器的振蕩波長(zhǎng)變化的 時(shí)候,MHP的個(gè)數(shù)與測(cè)定距離呈比例變化。于是,通過(guò)光電二極管103檢測(cè)MHP,測(cè)定 MHP的頻率的話,可容易地計(jì)測(cè)距離。
利用上述的自混合型的激光計(jì)測(cè)器,可實(shí)現(xiàn)BGS光電開(kāi)關(guān)。BGS光電開(kāi)關(guān)只要通過(guò) 與規(guī)定的基準(zhǔn)距離相比較進(jìn)行物體在近距離還是遠(yuǎn)距離的ON/OFF判定即可。因此,在自 混合型的激光計(jì)測(cè)器作為BGS光電開(kāi)關(guān)使用時(shí),只要判斷測(cè)定的MHP的平均周期相對(duì)于 物體在基準(zhǔn)距離的位置時(shí)的MHP的已知基準(zhǔn)周期是長(zhǎng)還是短即可。相對(duì)于物體在基準(zhǔn)距 離的位置時(shí)的MHP的已知基準(zhǔn)周期,測(cè)定到的MHP的平均周期為長(zhǎng)的情況下,ON判定 為物體在比基準(zhǔn)距離更近的距離,又,測(cè)定到的MHP的周期為短的情況下,OFF判定為 物體在比基準(zhǔn)距離更遠(yuǎn)的距離。
專利文獻(xiàn)1日本特開(kāi)平6-111693號(hào)公報(bào)專利文獻(xiàn)2 日本實(shí)開(kāi)昭63-102135號(hào)公報(bào)專利文獻(xiàn)3日本實(shí)開(kāi)昭63-187237號(hào)公報(bào)
非專利文獻(xiàn)1上田正,山田諄,紫藤進(jìn),《利用半導(dǎo)體激光器的自混合效應(yīng)的距離計(jì)》1994年度電氣關(guān)系學(xué)會(huì)東海支部聯(lián)合大會(huì)演講論文集,1994年
非專利文獻(xiàn)2 山田諄,紫藤進(jìn),津田紀(jì)生,上田正,《關(guān)于利用半導(dǎo)體激光的自混合效應(yīng)的小型距離計(jì)的研究》,愛(ài)知工業(yè)大學(xué)研究報(bào)告,第31號(hào)B, p.35-42, 1996年
非專禾U文獻(xiàn)3 Guido Giuliani, Michele Norgia, Silvano Donati and Thierry Bosch,[Laser diode self-mixing technique for sensing applications], JOURNAL OF OPTICS A: PUREAND APPLIED OPTICS, p.283-294, 2002年
發(fā)明所要解決的問(wèn)題
如上所述,在基于返回光量檢測(cè)物體有無(wú)的反射型光電傳感器中,有容易受到背景影響的問(wèn)題。
又,由于偏振型光電傳感器是積極檢測(cè)背景(反射式反射體)的傳感器,雖然不會(huì)受到背景的影響,但在具有擾亂偏振光這樣特性的物體的情況下,可能無(wú)法檢測(cè)出該物體。
又,雖然BGS光電傳感器較難受到比基準(zhǔn)距離遠(yuǎn)的背景的影響,但是當(dāng)背景具有鏡面體或與鏡面體相近的物體時(shí),則BGS光電傳感器的工作可能會(huì)由于來(lái)自鏡面體的反射光而變得不穩(wěn)定。
又,在利用自混合型的激光計(jì)測(cè)器的BGS光電傳感器中,傳感器和背景的距離較近時(shí),來(lái)自背景的返回光量變大,但是如果返回的光量過(guò)大,在激光器內(nèi)生成的噪聲急劇增大,導(dǎo)致激光器動(dòng)作不穩(wěn)定的相干猝滅(3匕一ky卜3,、;/:/7)現(xiàn)象發(fā)生。由于相干猝滅現(xiàn)象的噪聲導(dǎo)致MHP的計(jì)測(cè)產(chǎn)生誤差,從而產(chǎn)生距離計(jì)測(cè)的誤差,結(jié)果可能產(chǎn)生誤判定。
又,在利用自混合型的激光計(jì)測(cè)器的BGS光電傳感器中,即便當(dāng)背景在不產(chǎn)生由自混合效應(yīng)導(dǎo)致的MHP的遠(yuǎn)處時(shí),或者在無(wú)法獲得檢測(cè)MHP的充分的信號(hào)強(qiáng)度的情況下,也可能會(huì)因來(lái)自背景的微小的返回光而產(chǎn)生光混亂等噪聲,從而有可能導(dǎo)致誤判定的發(fā)生。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是為了解決上述課題而作成的,其目的在于提供一種能減低誤判定的可能性、并能穩(wěn)定地檢測(cè)物體的反射型光電傳感器以及物體檢測(cè)方法。解決問(wèn)題的手段
本發(fā)明的反射型光電傳感器,其特征在于,包括發(fā)射光的投光單元;接受從該投光
單元發(fā)射的光的返回光的受光單元;根據(jù)所述返回光判定在所述投光單元的光發(fā)射方向上是否有物體存在的判定單元;設(shè)置在從所述投光單元發(fā)射的光的光路上的位置、且設(shè)置在 比設(shè)想所述物體出現(xiàn)的地點(diǎn)遠(yuǎn)的位置的蛾眼結(jié)構(gòu)的防反射板。
又,在本發(fā)明的反射型光電傳感器的一構(gòu)成例中,所述判定單元根據(jù)返回光量判定在 所述光發(fā)射方向是否有物體存在。
又,在本發(fā)明的反射型光電傳感器的一構(gòu)成例中,所述判定單元根據(jù)所述返回光求得 與返回光的反射點(diǎn)之間的距離,在該距離比規(guī)定的基準(zhǔn)距離近時(shí),判定在所述光發(fā)射方向 有物體存在。
又,本發(fā)明的反射型光電傳感器,其特征在于,包括發(fā)射激光的半導(dǎo)體激光器;驅(qū) 動(dòng)該半導(dǎo)體激光器的激光驅(qū)動(dòng)器;將所述半導(dǎo)體激光器發(fā)射的激光和該激光的返回光變換
為電信號(hào)的受光單元;距離判定處理單元,所述距離判定處理單元根據(jù)包括在所述受光單 元的輸出信號(hào)中的、由所述激光和所述返回光產(chǎn)生的干涉波形的信息,求得與返回光的反 射點(diǎn)之間的距離,當(dāng)該距離比規(guī)定的基準(zhǔn)距離近時(shí),則判定在所述激光的發(fā)射方向有物體 存在;蛾眼結(jié)構(gòu)的防反射板,所述防反射板設(shè)置在從所述半導(dǎo)體激光器發(fā)射的激光的光路 上的位置,且設(shè)置在比設(shè)想所述物體出現(xiàn)的地點(diǎn)遠(yuǎn)的位置。
又,本發(fā)明的反射型光電傳感器,其特征在于,包括發(fā)射激光的半導(dǎo)體激光器;驅(qū) 動(dòng)該半導(dǎo)體激光器的激光驅(qū)動(dòng)器;檢測(cè)包含干涉波形的電信號(hào)的檢測(cè)單元,所述干涉波形 由于從所述半導(dǎo)體激光器發(fā)射出的激光和該激光的返回光的自混合效應(yīng)所產(chǎn)生;距離判定 處理單元,所述距離判定處理單元根據(jù)包括在所述受光單元的輸出信號(hào)中的所述干涉波形 的信息,求得與返回光的反射點(diǎn)之間的距離,當(dāng)該距離比規(guī)定的基準(zhǔn)距離近時(shí),則判定在 所述激光的發(fā)射方向有物體存在;蛾眼結(jié)構(gòu)的防反射板,所述防反射板設(shè)置在從所述半導(dǎo) 體激光器發(fā)射的激光的光路上的位置,且設(shè)置在比設(shè)想所述物體出現(xiàn)的地點(diǎn)遠(yuǎn)的位置。
又,在本發(fā)明的反射型光電傳感器的一構(gòu)成例中,設(shè)由所述半導(dǎo)體激光器自身的諧振 器模式和外部諧振器模式的模式競(jìng)爭(zhēng)所產(chǎn)生的返回光量的臨界點(diǎn)為r c,相干猝滅所造成的 返回光量的臨界點(diǎn)為fextc時(shí),設(shè)置所述防反射板使得在所述物體不存在時(shí)來(lái)自所述防反 射板的返回光量在臨界點(diǎn)r c以上、臨界點(diǎn)fextc以下。
又,在本發(fā)明的反射型光電傳感器的一構(gòu)成例中,所述激光驅(qū)動(dòng)器使所述半導(dǎo)體激光 器動(dòng)作,并使得至少包含振蕩波長(zhǎng)連續(xù)單調(diào)增加的期間的第一振蕩期間和至少包含振蕩波 長(zhǎng)連續(xù)單調(diào)減少的期間的第二振蕩期間交互存在;所述距離判定處理單元包括對(duì)所述第一 振蕩期間和所述第二振蕩期間的所述干涉波形的個(gè)數(shù)分別進(jìn)行計(jì)數(shù)的計(jì)數(shù)單元,和根據(jù)所 述計(jì)數(shù)單元的計(jì)數(shù)結(jié)果求得與返回光的反射點(diǎn)之間的距離,在該距離比規(guī)定的基準(zhǔn)距離近
9時(shí),判定在所述激光的發(fā)射方向有物體存在的判定單元。
又,本發(fā)明的物體檢測(cè)方法,其特征在于,包括發(fā)射光的投光步驟;接受從該投光 單元發(fā)射的光的返回光的受光步驟;根據(jù)所述返回光判定在所述投光單元的光發(fā)射方向上 是否有物體存在的判定步驟;在從所述投光單元發(fā)射的光的光路上的位置,且在比設(shè)想所
述物體出現(xiàn)的地點(diǎn)遠(yuǎn)的位置設(shè)置蛾眼結(jié)構(gòu)的防反射板。
又,在本發(fā)明的物體檢測(cè)方法的一構(gòu)成例中,所述判定步驟根據(jù)返回光量判定在所述 光發(fā)射方向是否有物體存在。
又,在本發(fā)明的物體檢測(cè)方法的一構(gòu)成例中,所述判定步驟根據(jù)所述返回光求得與返 回光的反射點(diǎn)之間的距離,當(dāng)該距離比規(guī)定的基準(zhǔn)距離近時(shí),判定在所述光發(fā)射方向有物 體存在。
又,本發(fā)明的物體檢測(cè)方法,其特征在于,包括將驅(qū)動(dòng)電流提供給半導(dǎo)體激光器使 所述半導(dǎo)體激光器動(dòng)作的振蕩步驟;將所述半導(dǎo)體激光器所發(fā)射的激光和該激光的返回光 變換為電信號(hào)的受光步驟;根據(jù)包括于在該所述受光步驟得到的輸出信號(hào)中的、由所述激 光和所述返回光產(chǎn)生的干涉波形的信息,求得與返回光的反射點(diǎn)之間的距離,當(dāng)該距離比 規(guī)定的基準(zhǔn)距離近時(shí),則判定在所述激光的發(fā)射方向有物體存在的距離判定處理步驟;在 從所述半導(dǎo)體激光器發(fā)射的激光的光路上的位置,且在比設(shè)想所述物體出現(xiàn)的地點(diǎn)遠(yuǎn)的位 置設(shè)置蛾眼結(jié)構(gòu)的防反射板。
又,本發(fā)明的物體檢測(cè)方法,其特征在于,包括將驅(qū)動(dòng)電流提供給半導(dǎo)體激光器使 所述半導(dǎo)體激光器動(dòng)作的振蕩步驟;檢測(cè)包含干涉波形的電信號(hào)的檢測(cè)步驟,所述干涉波 形由于從所述半導(dǎo)體激光器發(fā)射出的激光和該激光的返回光的自混合效應(yīng)而產(chǎn)生;根據(jù)包 括于在所述檢測(cè)步驟得到的輸出信號(hào)中的所述干涉波形的信息,求得與返回光的反射點(diǎn)之 間的距離,當(dāng)該距離比規(guī)定的基準(zhǔn)距離近時(shí),則判定在所述激光的發(fā)射方向有物體存在的 距離判定處理步驟;在從所述半導(dǎo)體激光器發(fā)射的激光的光路上的位置,且在比設(shè)想所述 物體出現(xiàn)的地點(diǎn)遠(yuǎn)的位置設(shè)置蛾眼結(jié)構(gòu)的防反射板。
又,在本發(fā)明的物體檢測(cè)方法的一構(gòu)成例中,在設(shè)由所述半導(dǎo)體激光器自身的諧振器 模式和外部諧振器模式的模式競(jìng)爭(zhēng)所產(chǎn)生的返回光量的臨界點(diǎn)為r c,相干猝滅所造成的返 回光量的臨界點(diǎn)為fextc時(shí),設(shè)置所述防反射板使得在所述物體不存在時(shí)來(lái)自所述防反射 板的返回光量在臨界點(diǎn)r c以上、臨界點(diǎn)fextc以下。
又,在本發(fā)明的物體檢測(cè)方法的一構(gòu)成例中,所述振蕩步驟使所述半導(dǎo)體激光器動(dòng)作, 并使得至少包含振蕩波長(zhǎng)連續(xù)單調(diào)增加的期間的第一振蕩期間和至少包含振蕩波長(zhǎng)連續(xù)單調(diào)減少的期間的第二振蕩期間交互存在;所述距離判定處理步驟包括在所述第一振蕩期 間和所述第二振蕩期間分別對(duì)所述干涉波形的個(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)的計(jì)數(shù)步驟,和根據(jù)所述計(jì)數(shù) 步驟的計(jì)數(shù)結(jié)果求得與返回光的反射點(diǎn)之間的距離,當(dāng)該距離比規(guī)定的基準(zhǔn)距離近時(shí),則 判定在所述激光的發(fā)射方向有物體存在的判定步驟。 發(fā)明的效果
根據(jù)本發(fā)明,通過(guò)設(shè)置蛾眼結(jié)構(gòu)的防反射板,可降低誤判定的可能性,能穩(wěn)定地檢測(cè) 物體。又,采用蛾眼結(jié)構(gòu)的防反射板,可抑制防反射功能的下降,因此即使在暴露于空氣 的環(huán)境中,也可防止附著于防反射板上的附著物所造成的誤檢測(cè)。
圖1是顯示本發(fā)明第一實(shí)施例涉及的反射型光電傳感器的結(jié)構(gòu)的框圖。
圖2是顯示本發(fā)明第一實(shí)施例中防反射板的一構(gòu)成例的截面圖。
圖3是顯示本發(fā)明第三實(shí)施例涉及的反射型傳感器的結(jié)構(gòu)的框圖。
圖4是顯示本發(fā)明第三實(shí)施例中半導(dǎo)體激光器的振蕩波長(zhǎng)的時(shí)間變化的一例的示意圖。
圖5是顯示本發(fā)明第三實(shí)施例中電流一電壓變換放大部的輸出電壓波形和過(guò)濾器部的 輸出電壓波形的示意性波形圖。
圖6是顯示對(duì)于返回光量的相對(duì)強(qiáng)度雜音的變化的示意圖。
圖7是顯示本發(fā)明第四實(shí)施例涉及的反射型光電傳感器的結(jié)構(gòu)的框圖。
圖8是顯示現(xiàn)有的激光計(jì)測(cè)器中半導(dǎo)體激光器的復(fù)合諧振器模型的示意圖。
圖9是顯示半導(dǎo)體激光器的振蕩波長(zhǎng)和內(nèi)置光電二極管的輸出波形的關(guān)系的示意圖。
符號(hào)說(shuō)明
l-投光器;2-受光器;3、 18-判定部;4、 19-顯示部;5、 20-防反射板;6-投光元件;
7-投光電路;8-受光元件;9-受光電路;10-物體;ll-半導(dǎo)體激光器;12-光電二極管;13-
透鏡;14-光驅(qū)動(dòng)器;15-電流-電壓變換放大部;16-過(guò)濾部;17-計(jì)數(shù)部;21-電壓檢測(cè)部
具體實(shí)施例方式
下面,參照附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行說(shuō)明。圖1是顯示本發(fā)明第一實(shí)施例涉及的反 射型光電傳感器的結(jié)構(gòu)的框圖。本實(shí)施例的反射型光電傳感器具有發(fā)射光的投光器1、接受返回光的受光器2、根 據(jù)返回光量判定在投光器1的光發(fā)射方向是否存在物體的判定部3、顯示判定部3的判定 結(jié)果的顯示部4、設(shè)置在投光器1所發(fā)射的光的光路上的位置且設(shè)置在比設(shè)想物體出現(xiàn)的 地方遠(yuǎn)的位置上的蛾眼(moth-eye)結(jié)構(gòu)的防反射板5。
投光器1具有LED等投光元件6、驅(qū)動(dòng)投光元件6的投光電路7。 受光器2具有光電二極管等受光元件8、和將受光元件8的輸出電流變換為電壓并放 大的受光電路9。
投光器1發(fā)射檢測(cè)物體用的光。在投光器1和防反射板5之間沒(méi)有物體存在的情況下, 從投光器1出射的光入射到防反射板5。
圖2是顯示防反射板5的一構(gòu)成例的截面圖。如圖2所示,防反射板5具有蛾眼結(jié)構(gòu), 即,在投光器側(cè)的表面配置有多個(gè)在可視光波長(zhǎng)以下大小的突起50。突起50以例如100nm 的間隔規(guī)則地配置。該蛾眼結(jié)構(gòu)例如可以通過(guò)樹(shù)脂形成。
由于蛾眼結(jié)構(gòu)在厚度方向的折射率連續(xù)變化,因此幾乎不反射入射光,光的反射率在 例如0.1 %以下。該反射率相比現(xiàn)有的防反射膜是非常小的。因此,即使來(lái)自投光器1的 光入射到防反射板5,從防反射板5返回的返回光量仍然非常少。對(duì)于這樣的蛾眼結(jié)構(gòu), 例如,特表2001-517319號(hào)公報(bào)已有所揭示。
另一方面,如圖l的虛線所示的,如果投光器1和防反射板5之間存在有物體10,那 么從物體10返回的返回光入射到受光器2。
判定部3根據(jù)受光器2的受光電路9所輸出的電信號(hào)檢測(cè)返回光量。在投光器1和防 反射板5之間不存在物體10的情況下,如前所述的,返回光量非常少,為規(guī)定的閾值以 下。相對(duì)于此,如果投光器1和防反射板5之間存在物體10,則返回光量超過(guò)閾值。判定 部3在返回光量超過(guò)閾值的情況下,判定投光器1和防反射板5之間存在有物體10。顯示 部4將判定部3的判定結(jié)果顯示出來(lái)。
如上所述的,在本實(shí)施例中,通過(guò)設(shè)置蛾眼結(jié)構(gòu)的防反射板5,能夠?qū)⒈尘暗姆婪瓷?率設(shè)定得非常小,因此不會(huì)發(fā)生將背景作為物體檢測(cè)的情況,從而可以使得其難以受到背 景的影響。在本實(shí)施例中,由于可充分確保物體和防反射板5的反射率的差,即便在物體 的反射率小的情況下,也能夠檢測(cè)物體。
又,在使用現(xiàn)有的防反射膜作為防反射板的情況下,如果表面粘上臟物,防反射的功 能會(huì)降低,而在使用蛾眼結(jié)構(gòu)的防反射板5的情況下,由于其具有疏水效應(yīng),可防止臟物 粘附于表面,從而能夠抑制防反射功能的下降,即使在暴露于空氣的環(huán)境中,也可防止附著于防反射板5的附著物所引起的誤檢測(cè)。 [第二實(shí)施例]
在第一實(shí)施例中,將本發(fā)明適用于擴(kuò)散反射型光電傳感器中,但是本發(fā)明也可適用于 BGS光電傳感器。在BGS光電傳感器的整體構(gòu)成與第一實(shí)施例的相同,具體結(jié)構(gòu)在專利 文獻(xiàn)2和專利文獻(xiàn)3中有所揭示,因此省略對(duì)其詳細(xì)的說(shuō)明,并用附圖l的標(biāo)號(hào)對(duì)其進(jìn)行 簡(jiǎn)單說(shuō)明。
在BGS光電傳感器中,使用投光器1和受光器2,光學(xué)測(cè)定與物體的距離。在距離的 光學(xué)測(cè)定方法中,有多種原理,此處對(duì)利用三角測(cè)距的原理的情況進(jìn)行說(shuō)明。在此情況下, 使用二象限光電二極管或位置檢測(cè)元件作為受光元件8。由物體10反射的返回光在受光元 件8上成像。該成像位置隨著受光元件8和物體10的距離不同而不同。據(jù)此,可求得與 物體10的距離。
根據(jù)上述原理,判定部3根據(jù)受光器2的受光電路9的輸出信號(hào),求得受光元件8和 返回光的反射點(diǎn)之間的距離,當(dāng)該距離比規(guī)定的基準(zhǔn)距離近時(shí),判定為ON(有物體),在 該距離比基準(zhǔn)距離遠(yuǎn)時(shí),判定為OFF (沒(méi)有物體)。
在這樣的BGS光電傳感器中,如果使用在第一實(shí)施例中所述的防反射板5,可使得光 電傳感器的工作穩(wěn)定。
又,第一、第二實(shí)施例中的判定部3能夠由具有例如CPU、存儲(chǔ)裝置和接口的計(jì)算機(jī) 來(lái)實(shí)現(xiàn)。CPU根據(jù)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)裝置中的程序執(zhí)行第一實(shí)施例和第二實(shí)施例中所說(shuō)明的處 理。
接著,對(duì)本發(fā)明第三實(shí)施例進(jìn)行說(shuō)明。圖3是顯示本發(fā)明的第三實(shí)施例涉及的反射型 光電傳感器的結(jié)構(gòu)的框圖。本實(shí)施例是利用自混合型激光計(jì)測(cè)器的BGS光電傳感器。
圖3的反射型光電傳感器具有發(fā)射激光的半導(dǎo)體激光器11;將半導(dǎo)體激光器11的 光輸出變換為電信號(hào)的光電二極管12;透鏡13,其對(duì)半導(dǎo)體激光器ll發(fā)出的光進(jìn)行集光
并發(fā)射,并將物體的返回光進(jìn)行集光并入射到半導(dǎo)體激光器11;驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體激光器ll的 激光驅(qū)動(dòng)器1;將光電二極管12的輸出電流變換為電壓并放大的電流-電壓變換放大部15; 從電流-電壓變換放大部15的輸出電壓中去除載波的過(guò)濾部16;對(duì)包含在過(guò)濾部16的輸 出電壓中的MHP的個(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)的計(jì)數(shù)部17;根據(jù)計(jì)數(shù)部17的計(jì)數(shù)結(jié)果判定物體比規(guī)定 的基準(zhǔn)距離近還是比基準(zhǔn)距離遠(yuǎn)的判定部18;顯示判定部18的判定結(jié)果的顯示部19;和 防反射板20。光電二極管12和電流-電壓變換放大部15構(gòu)成檢測(cè)單元,過(guò)濾部16和計(jì)數(shù)部17和判 定部18構(gòu)成距離判定處理單元。下面,為了便于說(shuō)明,假定半導(dǎo)體激光器ll采用的是沒(méi) 有模跳現(xiàn)象的類型(VCSEL型、DFB激光型)。
激光驅(qū)動(dòng)器14將隨著時(shí)間以一定變化率反復(fù)增減的三角波驅(qū)動(dòng)電流作為注入電流提 供給半導(dǎo)體激光器ll。這樣,半導(dǎo)體激光器11被驅(qū)動(dòng)為,與注入電流的大小成比例地使 振蕩波長(zhǎng)以一定變化率連續(xù)增加的第一振蕩期間和振蕩波長(zhǎng)以一定變化率連續(xù)減少的第 二振蕩期間交替反復(fù)。圖4是顯示半導(dǎo)體激光器11的振蕩波長(zhǎng)的時(shí)間變化的示意圖。在圖 4中,Pl為第一振蕩期間,P2為第二振蕩期間,Aa為各期間振蕩波長(zhǎng)的最小值,入b為 各期間振蕩波長(zhǎng)的最大值,T為三角波的周期。在本實(shí)施例中,振蕩波長(zhǎng)的最大值入b和 振蕩波長(zhǎng)的最小值入a通常分別是一定的,它們的差入b-入a也通常是一定的。
半導(dǎo)體激光器11發(fā)射的激光通過(guò)透鏡13集光并發(fā)射。在半導(dǎo)體激光器11和防反射板 20之間存在物體10的情況下,物體10所反射的光通過(guò)透鏡13集光,并入射到半導(dǎo)體激 光器11。但是,透鏡13的集光不是必須的。光電二極管12配置在半導(dǎo)體激光器11的內(nèi) 部或其附近,并將半導(dǎo)體激光器ll的光輸出變換為電流。電流-電壓變換放大部15將光電 二極管12的輸出電流變換為電壓并放大。
過(guò)濾部16具有從調(diào)制波中抽取重疊信號(hào)的功能。圖5 (A)是顯示電流-電壓變換放大 部15的輸出電壓波形的示意圖,圖5 (B)是顯示過(guò)濾部16的輸出電壓波形的示意圖。這 些圖顯示了從相當(dāng)于光電二極管12的輸出的圖5 (A)的波形(調(diào)制波)中,去除圖4的 半導(dǎo)體激光器ll的振蕩波形(載波),抽取圖5 (B)的MHP波形(干涉波形)的過(guò)程。
計(jì)數(shù)部17分別在第一振蕩期間Pl和第二振蕩期間P2對(duì)過(guò)濾部16的輸出電壓所包含 的MHP的個(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)部17可以采用邏輯門所構(gòu)成的計(jì)數(shù)器,也可是利用FFT(Fast Fourier Transform快速傅立葉變換)對(duì)MHP的頻率數(shù)(即單位時(shí)間的MHP的個(gè)數(shù))進(jìn)行 計(jì)測(cè)。
接著,判定部18基于計(jì)數(shù)部17所計(jì)測(cè)的MHP的個(gè)數(shù)求得半導(dǎo)體激光器11和返回光 的反射點(diǎn)之間的距離,并判定返回光的反射點(diǎn)比所定的基準(zhǔn)距離近還是比所定的基準(zhǔn)距離 遠(yuǎn)。 一定期間內(nèi)的MHP的個(gè)數(shù)與測(cè)定距離成比例。因此,預(yù)先求得一定的計(jì)數(shù)期間(本 實(shí)施例中分別為在第一振蕩期間Pl和第二振蕩期間P2)的MHP的個(gè)數(shù)與距離的關(guān)系, 并存儲(chǔ)在判定部18的數(shù)據(jù)庫(kù)(圖未示)中的話,判定部18可通過(guò)從數(shù)據(jù)庫(kù)中獲取與由計(jì) 數(shù)部17計(jì)測(cè)到的MHP的個(gè)數(shù)相對(duì)應(yīng)的距離的值,求得與返回光的反射點(diǎn)之間的距離。
或者,如果預(yù)先求出并設(shè)定表示計(jì)數(shù)期間的MHP的個(gè)數(shù)和距離的關(guān)系的數(shù)式,則判
14定部18能通過(guò)將計(jì)數(shù)部17計(jì)測(cè)到的MHP的個(gè)數(shù)代入該數(shù)式,求得與返回光的反射點(diǎn)之 間的距離。
判定部18在半導(dǎo)體激光器11與返回光的反射點(diǎn)之間的距離比所定基準(zhǔn)距離近的情況 下判定為ON (有物體),在比基準(zhǔn)距離遠(yuǎn)的情況下判定為OFF (沒(méi)有物體)。判定部18在 每個(gè)第一振蕩期間Pl和第二振蕩期間P2分別進(jìn)行上述處理。
顯示部19顯示判定部18的判定結(jié)果。
此處,在半導(dǎo)體激光器11和防反射板20之間沒(méi)有物體10存在的情況下,從半導(dǎo)體激 光器11出射的光入射到防反射板20。防反射板20的構(gòu)成和第一實(shí)施例中說(shuō)明的防反射板 5相同。從而即使來(lái)自半導(dǎo)體激光器ll的光入射到防反射板20,從防反射板20返回的返 回光量也非常少。
如前所述,在采用自混合型激光計(jì)測(cè)器的BGS光電傳感器中,返回光量過(guò)大的話,會(huì) 產(chǎn)生相干猝滅現(xiàn)象。又,即使在背景處于無(wú)法由自混合效應(yīng)產(chǎn)生MHP的遠(yuǎn)處的情況下, 或者在無(wú)法得到檢測(cè)MHP的充分的信號(hào)強(qiáng)度的情況下,也有因來(lái)自背景的微小的返回光 而產(chǎn)生光混亂等噪音的可能性。在本實(shí)施例中,通過(guò)設(shè)置蛾眼結(jié)構(gòu)的防反射板20,可消除 這樣的問(wèn)題。
接著,在本實(shí)施例中,說(shuō)明防反射板20所要求的條件。如圖6所示,半導(dǎo)體激光器 11內(nèi)生成的相對(duì)強(qiáng)度雜音隨著返回光量的增大而增大,主要有兩個(gè)臨界點(diǎn)。 一個(gè)是半導(dǎo)體 激光器ll自身諧振器模式和外部諧振器模式的模式競(jìng)爭(zhēng)所產(chǎn)生的臨界點(diǎn)rc。另一個(gè)是由 相干猝滅所導(dǎo)致的臨界點(diǎn)(臨界返回光量)fextc。隨著返回光量的增大,若超過(guò)臨界點(diǎn)r c,則開(kāi)始產(chǎn)生返回光干涉現(xiàn)象即自混合效應(yīng),如果超過(guò)臨界點(diǎn)fextc,則相對(duì)強(qiáng)度雜音急 劇增大。為了避免由光混亂等導(dǎo)致的噪音和由相干猝滅現(xiàn)象所導(dǎo)致的MHP的計(jì)測(cè)錯(cuò)誤, 從而穩(wěn)定地計(jì)測(cè)外部諧振器模式下的MHP,最好是至半導(dǎo)體激光器ll的返回光量在臨界 點(diǎn)rc以上、臨界點(diǎn)fextc以下。從而,只要設(shè)置防反射板20并使得即使在不存在物體10 的情況下返回光量也在臨界點(diǎn)r c以上、臨界點(diǎn)fextc以下即可。
根據(jù)文獻(xiàn)[山田實(shí),須原理彥,"半導(dǎo)體激光器中返回光引起的雜音的分析",金澤大學(xué) 工學(xué)部研究報(bào)告,OQE89-50, p.85-90, 1989年],臨界點(diǎn)rc如下式所示。
r c= 22R2 , [nr 1 / {L(l-R2)}〗2 (2)
nr為活性區(qū)域的折射率,1為激光諧振器長(zhǎng),L為半導(dǎo)體激光器的出射側(cè)的端面和返
回光的反射點(diǎn)之間的距離,R2為半導(dǎo)體激光器的出射側(cè)的端面的電力反射率。
另一方面,根據(jù)日本特開(kāi)2005-252032號(hào)公報(bào),臨界點(diǎn)fextc如下式所示。fextc = (tJ / 161 Ce I(K fr<fl/te) < ( (1+ a勺/ a 4) (3)
k為激光諧振器的光封入時(shí)間,Ce為在激光出射端與返回光的混合效率,K為K因 子,fr為衰減振動(dòng)頻率,Te為電子壽命,a為譜線幅度增大系數(shù)。
另外,本實(shí)施例的計(jì)數(shù)部17和判定部18可由具有例如CPU、存儲(chǔ)裝置和接口的計(jì)算 機(jī)實(shí)現(xiàn)。CPU根據(jù)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)裝置中的程序執(zhí)行本實(shí)施例中說(shuō)明的處理。
又,在將本實(shí)施例應(yīng)用在自混合型以外的外部干涉器型激光傳感器的情況下,從半導(dǎo) 體激光器11發(fā)射出的激光和返回光通過(guò)例如光束分離器等分離,返回光通過(guò)光電二極管 12檢出即可。這樣,即使在自混合型以外的外部干涉器型激光傳感器中,也可獲得與本實(shí) 施例相同的效果。
在第三實(shí)施例中,從作為受光器的光電二極管的輸出信號(hào)中抽取MHP波形,但是也 可以不使用光電二極管抽取MHP波形。圖7是顯示本發(fā)明的第四實(shí)施例涉及的反射型光 電傳感器的結(jié)構(gòu)的框圖,其中和圖3相同的結(jié)構(gòu)標(biāo)注相同的標(biāo)號(hào)。本實(shí)施例的反射型光電 傳感器中,使用電壓檢測(cè)部21替代第三實(shí)施例中的光電二極管12和電流-電壓變換放大部 15。
電壓檢測(cè)部21檢測(cè)出半導(dǎo)體激光器11的端子間的電壓,即陽(yáng)極-陰極間電壓并對(duì)其放 大。在由半導(dǎo)體激光器11發(fā)射的激光和物體10的返回光產(chǎn)生干涉的情況下,在半導(dǎo)體激 光器ll的端子間的電壓中出現(xiàn)MHP波形。從而,可從半導(dǎo)體激光器ll的端子間電壓中 抽取MHP波形。
過(guò)濾部6與第三實(shí)施例中的相同,具有從調(diào)制波充抽取重疊信號(hào)的功能,并從電壓檢 測(cè)部21的輸出電壓中抽取MHP波形。
半導(dǎo)體激光器ll、激光驅(qū)動(dòng)器14、計(jì)數(shù)部17、判定部18和顯示部19的動(dòng)作與第三 實(shí)施例相同。
這樣,在本實(shí)施例中,不使用光電二極管也可抽取MHP波形,與第三實(shí)施例相比, 可減少反射型光電傳感器的部件數(shù),從而可降低反射型光電傳感器的成本。
又,本發(fā)明不限于第一 第四實(shí)施例,也可將本發(fā)明適用于其他的反射型光電傳感器。
工業(yè)上的可利用性
本發(fā)明能適用于反射型傳感器。
權(quán)利要求
1.一種反射型光電傳感器,其特征在于,包括發(fā)射光的投光單元;接受從該投光單元發(fā)射的光的返回光的受光單元;根據(jù)所述返回光判定在所述投光單元的光發(fā)射方向上是否有物體存在的判定單元;設(shè)置在從所述投光單元發(fā)射的光的光路上的位置,且設(shè)置在比設(shè)想所述物體出現(xiàn)的地點(diǎn)遠(yuǎn)的位置的蛾眼結(jié)構(gòu)的防反射板。
2. 如權(quán)利要求1所述的反射型光電傳感器,其特征在于,所述判定單元根據(jù)返回光 量判定在所述光發(fā)射方向是否有物體存在。
3. 如權(quán)利要求1所述的反射型光電傳感器,其特征在于,所述判定單元根據(jù)所述返 回光求得與返回光的反射點(diǎn)之間的距離,在該距離比規(guī)定的基準(zhǔn)距離近時(shí),判定在所述光 發(fā)射方向有物體存在。
4. 一種反射型光電傳感器,其特征在于,包括 發(fā)射激光的半導(dǎo)體激光器; 驅(qū)動(dòng)該半導(dǎo)體激光器的激光驅(qū)動(dòng)器;將所述半導(dǎo)體激光器發(fā)射的激光和該激光的返回光變換為電信號(hào)的受光單元; 距離判定處理單元,所述距離判定處理單元根據(jù)包括在所述受光單元的輸出信號(hào)中 的、由所述激光和所述返回光產(chǎn)生的干涉波形的信息,求得與返回光的反射點(diǎn)之間的距離, 在該距離比規(guī)定的基準(zhǔn)距離近時(shí),判定在所述激光的發(fā)射方向有物體存在;蛾眼結(jié)構(gòu)的防反射板,所述防反射板設(shè)置在從所述半導(dǎo)體激光器發(fā)射的激光的光路上 的位置,且設(shè)置在比設(shè)想所述物體出現(xiàn)的地點(diǎn)遠(yuǎn)的位置。
5. —種反射型光電傳感器,其特征在于,包括 發(fā)射激光的半導(dǎo)體激光器; 驅(qū)動(dòng)該半導(dǎo)體激光器的激光驅(qū)動(dòng)器;檢測(cè)包含干涉波形的電信號(hào)的檢測(cè)單元,所述干涉波形由于從所述半導(dǎo)體激光器發(fā)射 出的激光和該激光的返回光的自混合效應(yīng)而產(chǎn)生;距離判定處理單元,所述距離判定處理單元根據(jù)包括布所述檢測(cè)單元的輸出信號(hào)中的 所述千涉波形的信息,求得與返回光的反射點(diǎn)之間的距離,在該距離比規(guī)定的基準(zhǔn)距離近 時(shí),判定在所述激光的發(fā)射方向有物體存在;蛾眼結(jié)構(gòu)的防反射板,所述防反射板設(shè)置在從所述半導(dǎo)體激光器發(fā)射的激光的光路上 的位置,且設(shè)置在比設(shè)想所述物體出現(xiàn)的地點(diǎn)遠(yuǎn)的位置。
6. 如權(quán)利要求5所述的反射型光電傳感器,其特征在于,在設(shè)由所述半導(dǎo)體激光器自身的諧振器模式和外部諧振器模式的模式競(jìng)爭(zhēng)所產(chǎn)生的 返回光量的臨界點(diǎn)為rc,相干猝滅所造成的返回光量的臨界點(diǎn)為fextc時(shí),設(shè)置所述防反 射板使得在所述物體不存在時(shí)來(lái)自所述防反射板的返回光量在臨界點(diǎn)rc以上、臨界點(diǎn) fextc以下。
7. 如權(quán)利要求4或5所述的反射型光電傳感器,其特征在于,所述激光驅(qū)動(dòng)器使所述半導(dǎo)體激光器動(dòng)作,并使得至少包含振蕩波長(zhǎng)連續(xù)單調(diào)增加的 期間的第一振蕩期間和至少包含振蕩波長(zhǎng)連續(xù)單調(diào)減少的期間的第二振蕩期間交互存在; 所述距離判定處理單元包括對(duì)所述第一振蕩期間和所述第二振蕩期間的所述干涉波形的個(gè)數(shù)分別進(jìn)行計(jì)數(shù)的計(jì) 數(shù)單元,和根據(jù)所述計(jì)數(shù)單元的計(jì)數(shù)結(jié)果求得與返回光的反射點(diǎn)之間的距離,在該距離比規(guī)定的 基準(zhǔn)距離近時(shí),判定在所述激光的發(fā)射方向有物體存在的判定單元。
8. —種物體檢測(cè)方法,其特征在于,包括 發(fā)射光的投光步驟;接受從該投光單元發(fā)射的光的返回光的受光步驟;根據(jù)所述返回光判定在所述投光單元的光發(fā)射方向上是否有物體存在的判定步驟; 在由所述投光步驟發(fā)射的光的光路上的位置,且在比設(shè)想所述物體出現(xiàn)的地點(diǎn)遠(yuǎn)的位 置設(shè)置蛾眼結(jié)構(gòu)的防反射板。
9,如權(quán)利要求8所述的物體檢測(cè)方法,其特征在于,所述判定步驟根據(jù)返回光量判 定在所述光發(fā)射方向是否有物體存在。
10. 如權(quán)利要求8所述的物體檢測(cè)方法,其特征在于,所述判定步驟根據(jù)所述返回光 求得與返回光的反射點(diǎn)之間的距離,在該距離比規(guī)定的基準(zhǔn)距離近時(shí),判定在所述光發(fā)射 方向有物體存在。
11. 一種物體檢測(cè)方法,其特征在于,包括將驅(qū)動(dòng)電流提供給半導(dǎo)體激光器使所述半導(dǎo)體激光器動(dòng)作的振蕩步驟; 將所述半導(dǎo)體激光器發(fā)射的激光和該激光的返回光變換為電信號(hào)的受光步驟; 根據(jù)包括在由該受光步驟得到的輸出信號(hào)中的、由所述激光和所述返回光產(chǎn)生的干涉波形的信息,求得與返回光的反射點(diǎn)之間的距離,在該距離比規(guī)定的基準(zhǔn)距離近時(shí),判定在所述激光的發(fā)射方向有物體存在的距離判定處理步驟;在從所述半導(dǎo)體激光器發(fā)射的激光的光路上的位置,且在比設(shè)想所述物體出現(xiàn)的地點(diǎn)遠(yuǎn)的位置設(shè)置蛾眼結(jié)構(gòu)的防反射板。
12. —種物體檢測(cè)方法,其特征在于,包括-將驅(qū)動(dòng)電流提供給半導(dǎo)體激光器使所述半導(dǎo)體激光器動(dòng)作的振蕩步驟;檢測(cè)包含干涉波形的電信號(hào)的檢測(cè)步驟,所述干涉波形由于從所述半導(dǎo)體激光器發(fā)射 出的激光和該激光的返回光的自混合效應(yīng)而產(chǎn)生;根據(jù)包括在由該檢測(cè)步驟得到的輸出信號(hào)中的所述干涉波形的信息,求得與返回光的 反射點(diǎn)之間的距離,在該距離比規(guī)定的基準(zhǔn)距離近時(shí),判定在所述激光的發(fā)射方向有物體 存在的距離判定處理步驟;在從所述半導(dǎo)體激光器發(fā)射的激光的光路上的位置,且在比設(shè)想所述物體出現(xiàn)的地點(diǎn) 遠(yuǎn)的位置設(shè)置蛾眼結(jié)構(gòu)的防反射板。
13. 如權(quán)利要求12所述的物體檢測(cè)方法,其特征在于,在設(shè)由所述半導(dǎo)體激光器自身的諧振器模式和外部諧振器模式的模式競(jìng)爭(zhēng)所產(chǎn)生的 返回光量的臨界點(diǎn)為rc,相干猝滅所造成的返回光量的臨界點(diǎn)為fextc時(shí),設(shè)置所述防反 射板使得在所述物體不存在時(shí)來(lái)自所述防反射板的返回光量在臨界點(diǎn)rc以上、臨界點(diǎn) fextc以下。
14. 如權(quán)利要求11或12所述的物體檢測(cè)方法,其特征在于,所述振蕩步驟使所述半導(dǎo)體激光器動(dòng)作,并使得至少包含振蕩波長(zhǎng)連續(xù)單調(diào)增加的期間的第一振蕩期間和至少包含振蕩波長(zhǎng)連續(xù)單調(diào)減少的期間的第二振蕩期間交互存在; 所述距離判定處理步驟包括在所述第一振蕩期間和所述第二振蕩期間分別對(duì)所述干涉波形的個(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)的計(jì) 數(shù)步驟,和根據(jù)該計(jì)數(shù)步驟的計(jì)數(shù)結(jié)果求得與返回光的反射點(diǎn)之間的距離,在該距離比規(guī)定的基 準(zhǔn)距離近時(shí),判定在所述激光的發(fā)射方向有物體存在的判定步驟。
全文摘要
為了減少誤判定的可能性,穩(wěn)定地檢測(cè)出物體,本發(fā)明提供一種反射型光電傳感器,其包括發(fā)射光的投光器(1),接受從投光器(1)發(fā)射的光的返回光的受光器(2),根據(jù)返回光判定在投光器(1)的光反射方向是否有物體存在的判定部(3),設(shè)置在從投光器(1)發(fā)射的光的光路上的位置,且設(shè)置比設(shè)想物體出現(xiàn)的地方遠(yuǎn)的位置的蛾眼結(jié)構(gòu)的防反射板(5)。
文檔編號(hào)G01S17/02GK101685161SQ20091016876
公開(kāi)日2010年3月31日 申請(qǐng)日期2009年9月2日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月22日
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