(57)【要約】【課題】誤判定の可能性を低減し、物体を安定的に検出する。【解決手段】反射型光電センサは、光を放射する投光器１と、投光器１から放射された光の戻り光を受光する受光器２と、戻り光に基づいて投光器１の光放射方向に物体が存在するか否かを判定する判定部３と、投光器１から放射される光の光路上の位置で、かつ物体が出現すると想定される所よりも遠方の位置に配置されたモスアイ構造の反射防止板５とを備える。【選択図】  図１
2010071926.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を放射する投光手段と、
この投光手段から放射された光の戻り光を受光する受光手段と、
前記戻り光に基づいて前記投光手段の光放射方向に物体が存在するか否かを判定する判定手段と、
前記投光手段から放射される光の光路上の位置で、かつ前記物体が出現すると想定される所よりも遠方の位置に配置されたモスアイ構造の反射防止板とを備えることを特徴とする反射型光電センサ。
【請求項２】
請求項１記載の反射型光電センサにおいて、
前記判定手段は、戻り光量に基づいて前記光放射方向に物体が存在するか否かを判定することを特徴とする反射型光電センサ。
【請求項３】
請求項１記載の反射型光電センサにおいて、
前記判定手段は、前記戻り光に基づいて戻り光の反射点との距離を求め、この距離が所定の基準距離よりも近い場合に前記光放射方向に物体が存在すると判定することを特徴とする反射型光電センサ。
【請求項４】
レーザ光を放射する半導体レーザと、
この半導体レーザを駆動するレーザドライバと、
前記半導体レーザから放射されたレーザ光とこのレーザ光の戻り光とを電気信号に変換する受光手段と、
この受光手段の出力信号に含まれる、前記レーザ光と前記戻り光とによって生じる干渉波形の情報に基づいて戻り光の反射点との距離を求め、この距離が所定の基準距離よりも近い場合に前記レーザ光の放射方向に物体が存在すると判定する距離判定処理手段と、
前記半導体レーザから放射されるレーザ光の光路上の位置で、かつ前記物体が出現すると想定される所よりも遠方の位置に配置されたモスアイ構造の反射防止板とを備えることを特徴とする反射型光電センサ。
【請求項５】
レーザ光を放射する半導体レーザと、
この半導体レーザを駆動するレーザドライバと、
前記半導体レーザから放射されたレーザ光とこのレーザ光の戻り光との自己結合効果によって生じる干渉波形を含む電気信号を検出する検出手段と、
この検出手段の出力信号に含まれる前記干渉波形の情報に基づいて戻り光の反射点との距離を求め、この距離が所定の基準距離よりも近い場合に前記レーザ光の放射方向に物体が存在すると判定する距離判定処理手段と、
前記半導体レーザから放射されるレーザ光の光路上の位置で、かつ前記物体が出現すると想定される所よりも遠方の位置に配置されたモスアイ構造の反射防止板とを備えることを特徴とする反射型光電センサ。
【請求項６】
請求項５記載の反射型光電センサにおいて、
前記反射防止板は、前記半導体レーザ自体の共振器モードと外部共振器モードとのモード競合が生じる戻り光量の臨界点をΓｃ、コヒーレントコラップスによる戻り光量の臨界点をｆｅｘｔｃとしたとき、前記物体が存在しないときの前記反射防止板からの戻り光量が臨界点Γｃ以上臨界点ｆｅｘｔｃ以下となるように設置されることを特徴とする反射型光電センサ。
【請求項７】
請求項４または５記載の反射型光電センサにおいて、
前記レーザドライバは、発振波長が連続的に単調増加する期間を少なくとも含む第１の発振期間と発振波長が連続的に単調減少する期間を少なくとも含む第２の発振期間とが交互に存在するように前記半導体レーザを動作させるものであり、
前記距離判定処理手段は、
前記干渉波形の数を前記第１の発振期間と前記第２の発振期間の各々について数える計数手段と、
この計数手段の計数結果に基づいて戻り光の反射点との距離を求め、この距離が所定の基準距離よりも近い場合に前記レーザ光の放射方向に物体が存在すると判定する判定手段とからなることを特徴とする反射型光電センサ。
【請求項８】
光を放射する投光手順と、
この投光手順で放射された光の戻り光を受光する受光手順と、
前記戻り光に基づいて前記投光手順の光放射方向に物体が存在するか否かを判定する判定手順とを備え、
前記投光手順で放射される光の光路上の位置で、かつ前記物体が出現すると想定される所よりも遠方の位置にモスアイ構造の反射防止板が配置されることを特徴とする物体検出方法。
【請求項９】
請求項８記載の物体検出方法において、
前記判定手順は、戻り光量に基づいて前記光放射方向に物体が存在するか否かを判定することを特徴とする物体検出方法。
【請求項１０】
請求項８記載の物体検出方法において、
前記判定手順は、前記戻り光に基づいて戻り光の反射点との距離を求め、この距離が所定の基準距離よりも近い場合に前記光放射方向に物体が存在すると判定することを特徴とする物体検出方法。
【請求項１１】
駆動電流を半導体レーザに供給して前記半導体レーザを動作させる発振手順と、
前記半導体レーザから放射されたレーザ光とこのレーザ光の戻り光とを電気信号に変換する受光手順と、
この受光手順で得られた出力信号に含まれる、前記レーザ光と前記戻り光とによって生じる干渉波形の情報に基づいて戻り光の反射点との距離を求め、この距離が所定の基準距離よりも近い場合に前記レーザ光の放射方向に物体が存在すると判定する距離判定処理手順とを備え、
前記半導体レーザから放射されるレーザ光の光路上の位置で、かつ前記物体が出現すると想定される所よりも遠方の位置にモスアイ構造の反射防止板が配置されることを特徴とする物体検出方法。
【請求項１２】
駆動電流を半導体レーザに供給して前記半導体レーザを動作させる発振手順と、
前記半導体レーザから放射されたレーザ光とこのレーザ光の戻り光との自己結合効果によって生じる干渉波形を含む電気信号を検出する検出手順と、
この検出手順で得られた出力信号に含まれる前記干渉波形の情報に基づいて戻り光の反射点との距離を求め、この距離が所定の基準距離よりも近い場合に前記レーザ光の放射方向に物体が存在すると判定する距離判定処理手順とを備え、
前記半導体レーザから放射されるレーザ光の光路上の位置で、かつ前記物体が出現すると想定される所よりも遠方の位置にモスアイ構造の反射防止板が配置されることを特徴とする物体検出方法。
【請求項１３】
請求項１２記載の物体検出方法において、
前記反射防止板は、前記半導体レーザ自体の共振器モードと外部共振器モードとのモード競合が生じる戻り光量の臨界点をΓｃ、コヒーレントコラップスによる戻り光量の臨界点をｆｅｘｔｃとしたとき、前記物体が存在しないときの前記反射防止板からの戻り光量が臨界点Γｃ以上臨界点ｆｅｘｔｃ以下となるように設置されることを特徴とする物体検出方法。
【請求項１４】
請求項１１または１２記載の物体検出方法において、
前記発振手順は、発振波長が連続的に単調増加する期間を少なくとも含む第１の発振期間と発振波長が連続的に単調減少する期間を少なくとも含む第２の発振期間とが交互に存在するように前記半導体レーザを動作させるものであり、
前記距離判定処理手順は、
前記干渉波形の数を前記第１の発振期間と前記第２の発振期間の各々について数える計数手順と、
この計数手順の計数結果に基づいて戻り光の反射点との距離を求め、この距離が所定の基準距離よりも近い場合に前記レーザ光の放射方向に物体が存在すると判定する判定手順とからなることを特徴とする物体検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物体からの反射光によって物体の有無を検出する反射型光電センサおよび物体検出方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の反射型光電センサは、物体での反射によって生じる戻り光量の変化により、物体の有無を検出する。このため、物体と背景の反射率を比較したときに背景の反射率が大きく、物体の反射率が小さい場合、背景を物体として検出してしまう場合があった。
背景の影響を受けにくい反射型光電センサとしては、ポラライズド型光電センサ（例えば特許文献１参照）や距離設定反射型（Background Suppression、以下、ＢＧＳと略する）光電センサが知られている（例えば、特許文献２、特許文献３参照）。
【０００３】
ポラライズド型光電センサでは、投受光器とリフレックスリフレクタとを対向配置し、さらに所定の偏光面を有する偏光を出射する偏光フィルタを投光器の前面に配置すると共に、投光器側と直交する偏光面を有する偏光を受光する偏光フィルタを受光器の前面に配置する。リフレックスリフレクタはコーナーキューブの集合体であり、入射光は３回の全反射の後、入射光と同じ方向に返される。
【０００４】
投光器から照射された光は投光器側の偏光フィルタを通過することにより、直線偏光となる。この直線偏光がリフレックスリフレクタに入射すると、その反射光は楕円偏光となり、入射光と直交した偏光成分が生じる。したがって、この偏光成分は、受光器側の偏光フィルタを通過して受光器に入射する。一方、投受光器とリフレックスリフレクタとの間に物体が侵入すると、入射光と同一方向の直線偏光が反射される。この直線偏光は、受光器側の偏光フィルタを通過することができないので、受光器には入射しない。このように、ポラライズド型光電センサでは、受光器での入射の有無に基づいて物体の有無を検出することができる。
【０００５】
ＢＧＳ光電センサは、物体との距離を光学的に測定し、物体との距離が所定の基準距離より遠いか近いかを検知するものである。
【０００６】
一方、レーザによる光の干渉を利用した距離計として、レーザの出力光と測定対象からの戻り光との半導体レーザ内部での干渉（自己結合効果）を利用したレーザ計測器が提案されている（例えば、非特許文献１、非特許文献２、非特許文献３参照）。ＦＰ型（ファブリペロー型）半導体レーザの複合共振器モデルを図８に示す。図８において、１０１は半導体レーザ、１０２は半導体結晶の壁開面、１０３はフォトダイオード、１０４は測定対象である。
【０００７】
レーザの発振波長をλ、測定対象１０４に近い方の壁開面１０２から測定対象１０４までの距離をＬとすると、以下の共振条件を満足するとき、測定対象１０４からの戻り光と共振器１０１内のレーザ光は強め合い、レーザ出力がわずかに増加する。
Ｌ＝ｑλ／２                                                    ・・・（１）
式（１）において、ｑは整数である。この現象は、測定対象１０４からの散乱光が極めて微弱であっても、半導体レーザの共振器１０１内の見かけの反射率が増加することにより、増幅作用が生じ、十分観測できる。
【０００８】
半導体レーザは、注入電流の大きさに応じて周波数の異なるレーザ光を放射するので、発振周波数を変調する際に、外部変調器を必要とせず、注入電流によって直接変調が可能である。図９は、半導体レーザの発振波長をある一定の割合で変化させたときの発振波長とフォトダイオード１０３の出力波形との関係を示す図である。式（１）に示したＬ＝ｑλ／２を満足したときに、戻り光と共振器１０１内のレーザ光の位相差が０°（同位相）になって、戻り光と共振器１０１内のレーザ光とが最も強め合い、Ｌ＝ｑλ／２＋λ／４のときに、位相差が１８０°（逆位相）になって、戻り光と共振器１０１内のレーザ光とが最も弱め合う。そのため、半導体レーザの発振波長を変化させていくと、レーザ出力が強くなるところと弱くなるところとが交互に繰り返し現れ、このときのレーザ出力を共振器１０１に設けられたフォトダイオード１０３で検出すると、図９に示すように一定周期の階段状の波形が得られる。このような波形は一般的には干渉縞と呼ばれる。
【０００９】
この階段状の波形、すなわち干渉縞の１つ１つをモードポップパルス（以下、ＭＨＰ）と呼ぶ。ＭＨＰはモードホッピング現象とは異なる現象である。例えば、測定対象１０４までの距離がＬ１のとき、ＭＨＰの数が１０個であったとすれば、半分の距離Ｌ２では、ＭＨＰの数は５個になる。すなわち、ある一定時間において半導体レーザの発振波長を変化させた場合、測定距離に比例してＭＨＰの数は変わる。したがって、ＭＨＰをフォトダイオード１０３で検出し、ＭＨＰの周波数を測定すれば、容易に距離計測が可能となる。
【００１０】
以上のような自己結合型のレーザ計測器を利用すれば、ＢＧＳ光電センサを実現することができる。ＢＧＳ光電センサは、所定の基準距離と比較して物体が近距離にあるか遠距離にあるかでオン／オフ判定すればよい。そこで、自己結合型のレーザ計測器をＢＧＳ光電センサとして用いる場合には、物体が基準距離の位置にあるときのＭＨＰの既知の基準周期に対して、測定したＭＨＰの平均周期が長いか短いかを判断すればよい。物体が基準距離の位置にあるときのＭＨＰの既知の基準周期に対して、測定したＭＨＰの平均周期が長い場合には、物体が基準距離よりも近距離に存在するとしてオン判定とし、また測定したＭＨＰの周期が短い場合には、物体が基準距離よりも遠距離に存在するとしてオフ判定とする。
【００１１】
【特許文献１】特開平６−１１１６９３号公報
【特許文献２】実開昭６３−１０２１３５号公報
【特許文献３】実開昭６３−１８７２３７号公報
【非特許文献１】上田正，山田諄，紫藤進，「半導体レーザの自己結合効果を利用した距離計」，１９９４年度電気関係学会東海支部連合大会講演論文集，１９９４年
【非特許文献２】山田諄，紫藤進，津田紀生，上田正，「半導体レーザの自己結合効果を利用した小型距離計に関する研究」，愛知工業大学研究報告，第３１号Ｂ，ｐ．３５−４２，１９９６年
【非特許文献３】Guido Giuliani，Michele Norgia，Silvano Donati and Thierry Bosch，「Laser diode self-mixing technique for sensing applications」，JOURNAL OF OPTICS A:PURE AND APPLIED OPTICS，ｐ．２８３−２９４，２００２年
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
以上のように、戻り光量に基づいて物体の有無を検出する反射型光電センサでは、背景の影響を受けやすいという問題点があった。
また、ポラライズド型光電センサは、背景（リフレックスリフレクタ）を積極的に検知するセンサであるため、背景の影響をうけることはないが、偏光を乱すような特性の物体の場合、この物体を検出できない可能性があった。
また、ＢＧＳ光電センサは、基準距離よりも遠距離に存在する背景の影響を受けにくいが、背景に鏡面体や鏡面体に近い物体がある場合、鏡面体からの反射光によって動作が不安定になる可能性があった。
【００１３】
また、自己結合型のレーザ計測器を利用したＢＧＳ光電センサでは、センサと背景との距離が近い場合、背景からの戻り光量が大きくなるが、戻り光量が大き過ぎると、レーザ内で生じるノイズが急激に増大して、レーザ動作が不安定になるコヒーレントコラップス現象が発生する。コヒーレントコラップス現象のノイズにより、ＭＨＰの計測に誤りが生じて、距離の計測に誤りが生じ、結果として誤判定が生じる可能性があった。
また、自己結合型のレーザ計測器を利用したＢＧＳ光電センサでは、背景が自己結合効果によるＭＨＰを生じないような遠方にある場合、あるいはＭＨＰの検出に十分な信号強度が得られない場合でも、背景からの微小な戻り光で光カオスなどのノイズが発生する可能性があり、このノイズによって誤判定が生じる可能性があった。
【００１４】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、誤判定の可能性を低減し、物体を安定的に検出することができる反射型光電センサおよび物体検出方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の反射型光電センサは、光を放射する投光手段と、この投光手段から放射された光の戻り光を受光する受光手段と、前記戻り光に基づいて前記投光手段の光放射方向に物体が存在するか否かを判定する判定手段と、前記投光手段から放射される光の光路上の位置で、かつ前記物体が出現すると想定される所よりも遠方の位置に配置されたモスアイ構造の反射防止板とを備えることを特徴とするものである。
また、本発明の反射型光電センサの１構成例において、前記判定手段は、戻り光量に基づいて前記光放射方向に物体が存在するか否かを判定することを特徴とするものである。
また、本発明の反射型光電センサの１構成例において、前記判定手段は、前記戻り光に基づいて戻り光の反射点との距離を求め、この距離が所定の基準距離よりも近い場合に前記光放射方向に物体が存在すると判定することを特徴とするものである。
【００１６】
また、本発明の反射型光電センサは、レーザ光を放射する半導体レーザと、この半導体レーザを駆動するレーザドライバと、前記半導体レーザから放射されたレーザ光とこのレーザ光の戻り光とを電気信号に変換する受光手段と、この受光手段の出力信号に含まれる、前記レーザ光と前記戻り光とによって生じる干渉波形の情報に基づいて戻り光の反射点との距離を求め、この距離が所定の基準距離よりも近い場合に前記レーザ光の放射方向に物体が存在すると判定する距離判定処理手段と、前記半導体レーザから放射されるレーザ光の光路上の位置で、かつ前記物体が出現すると想定される所よりも遠方の位置に配置されたモスアイ構造の反射防止板とを備えることを特徴とするものである。
また、本発明の反射型光電センサは、レーザ光を放射する半導体レーザと、この半導体レーザを駆動するレーザドライバと、前記半導体レーザから放射されたレーザ光とこのレーザ光の戻り光との自己結合効果によって生じる干渉波形を含む電気信号を検出する検出手段と、この検出手段の出力信号に含まれる前記干渉波形の情報に基づいて戻り光の反射点との距離を求め、この距離が所定の基準距離よりも近い場合に前記レーザ光の放射方向に物体が存在すると判定する距離判定処理手段と、前記半導体レーザから放射されるレーザ光の光路上の位置で、かつ前記物体が出現すると想定される所よりも遠方の位置に配置されたモスアイ構造の反射防止板とを備えることを特徴とするものである。
【００１７】
また、本発明の反射型光電センサの１構成例において、前記反射防止板は、前記半導体レーザ自体の共振器モードと外部共振器モードとのモード競合が生じる戻り光量の臨界点をΓｃ、コヒーレントコラップスによる戻り光量の臨界点をｆｅｘｔｃとしたとき、前記物体が存在しないときの前記反射防止板からの戻り光量が臨界点Γｃ以上臨界点ｆｅｘｔｃ以下となるように設置されることを特徴とするものである。
また、本発明の反射型光電センサの１構成例において、前記レーザドライバは、発振波長が連続的に単調増加する期間を少なくとも含む第１の発振期間と発振波長が連続的に単調減少する期間を少なくとも含む第２の発振期間とが交互に存在するように前記半導体レーザを動作させるものであり、前記距離判定処理手段は、前記干渉波形の数を前記第１の発振期間と前記第２の発振期間の各々について数える計数手段と、この計数手段の計数結果に基づいて戻り光の反射点との距離を求め、この距離が所定の基準距離よりも近い場合に前記レーザ光の放射方向に物体が存在すると判定する判定手段とからなることを特徴とするものである。
【００１８】
また、本発明の物体検出方法は、光を放射する投光手順と、この投光手順で放射された光の戻り光を受光する受光手順と、前記戻り光に基づいて前記投光手順の光放射方向に物体が存在するか否かを判定する判定手順とを備え、前記投光手順で放射される光の光路上の位置で、かつ前記物体が出現すると想定される所よりも遠方の位置にモスアイ構造の反射防止板が配置されることを特徴とするものである。
また、本発明の物体検出方法の１構成例において、前記判定手順は、戻り光量に基づいて前記光放射方向に物体が存在するか否かを判定することを特徴とするものである。
また、本発明の物体検出方法の１構成例において、前記判定手順は、前記戻り光に基づいて戻り光の反射点との距離を求め、この距離が所定の基準距離よりも近い場合に前記光放射方向に物体が存在すると判定することを特徴とするものである。
【００１９】
また、本発明の物体検出方法は、駆動電流を半導体レーザに供給して前記半導体レーザを動作させる発振手順と、前記半導体レーザから放射されたレーザ光とこのレーザ光の戻り光とを電気信号に変換する受光手順と、この受光手順で得られた出力信号に含まれる、前記レーザ光と前記戻り光とによって生じる干渉波形の情報に基づいて戻り光の反射点との距離を求め、この距離が所定の基準距離よりも近い場合に前記レーザ光の放射方向に物体が存在すると判定する距離判定処理手順とを備え、前記半導体レーザから放射されるレーザ光の光路上の位置で、かつ前記物体が出現すると想定される所よりも遠方の位置にモスアイ構造の反射防止板が配置されることを特徴とするものである。
また、本発明の物体検出方法は、駆動電流を半導体レーザに供給して前記半導体レーザを動作させる発振手順と、前記半導体レーザから放射されたレーザ光とこのレーザ光の戻り光との自己結合効果によって生じる干渉波形を含む電気信号を検出する検出手順と、この検出手順で得られた出力信号に含まれる前記干渉波形の情報に基づいて戻り光の反射点との距離を求め、この距離が所定の基準距離よりも近い場合に前記レーザ光の放射方向に物体が存在すると判定する距離判定処理手順とを備え、前記半導体レーザから放射されるレーザ光の光路上の位置で、かつ前記物体が出現すると想定される所よりも遠方の位置にモスアイ構造の反射防止板が配置されることを特徴とするものである。
【００２０】
また、本発明の物体検出方法の１構成例において、前記反射防止板は、前記半導体レーザ自体の共振器モードと外部共振器モードとのモード競合が生じる戻り光量の臨界点をΓｃ、コヒーレントコラップスによる戻り光量の臨界点をｆｅｘｔｃとしたとき、前記物体が存在しないときの前記反射防止板からの戻り光量が臨界点Γｃ以上臨界点ｆｅｘｔｃ以下となるように設置されることを特徴とするものである。
また、本発明の物体検出方法の１構成例において、前記発振手順は、発振波長が連続的に単調増加する期間を少なくとも含む第１の発振期間と発振波長が連続的に単調減少する期間を少なくとも含む第２の発振期間とが交互に存在するように前記半導体レーザを動作させるものであり、前記距離判定処理手順は、前記干渉波形の数を前記第１の発振期間と前記第２の発振期間の各々について数える計数手順と、この計数手順の計数結果に基づいて戻り光の反射点との距離を求め、この距離が所定の基準距離よりも近い場合に前記レーザ光の放射方向に物体が存在すると判定する判定手順とからなることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、モスアイ構造の反射防止板を設けることにより、誤判定の可能性を低減し、物体を安定的に検出することができる。また、モスアイ構造の反射防止板によれば、反射防止機能の低下を抑制することができるので、外気に晒された環境であっても、反射防止板への付着物による誤検出を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
［第１の実施の形態］
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は本発明の第１の実施の形態に係る反射型光電センサの構成を示すブロック図である。
本実施の形態の反射型光電センサは、光を放射する投光器１と、戻り光を受光する受光器２と、戻り光量に基づいて投光器１の光放射方向に物体が存在するか否かを判定する判定部３と、判定部３の判定結果を表示する表示部４と、投光器１から放射される光の光路上の位置で、かつ物体が出現すると想定される所よりも遠方の位置に配置されたモスアイ（moth-eye）構造の反射防止板５とを有する。
【００２３】
投光器１は、ＬＥＤなどの投光素子６と、投光素子６を駆動する投光回路７とから構成される。
受光器２は、フォトダイオードなどの受光素子８と、受光素子８の出力電流を電圧に変換して増幅する受光回路９とから構成される。
【００２４】
投光器１は、物体検知用の光を放射する。投光器１と反射防止板５との間に物体が存在しない場合、投光器１から出射した光は、反射防止板５に入射する。
図２は反射防止板５の１構成例を示す断面図である。反射防止板５は、図２に示すように投光器側の表面に、可視光の波長以下の大きさの突起５０を多数配置したモスアイ構造を有する。突起５０は、例えば１００ｎｍ間隔で規則的に配置されている。このようなモスアイ構造は、例えば樹脂によって形成することができる。
【００２５】
モスアイ構造は、厚み方向の屈折率が連続的に変化するため、入射光を反射させることがほとんどなく、光の反射率は例えば０．１％以下である。この反射率は、従来の反射防止フィルムと比べても非常に小さい。したがって、投光器１からの光が反射防止板５に入射したとしても、反射防止板５からの戻り光量は非常に少ない。このようなモスアイ構造については、例えば特表２００１−５１７３１９号公報に開示されている。
【００２６】
一方、図１の破線で示すように、投光器１と反射防止板５との間に物体１０が存在すると、物体１０からの戻り光が受光器２に入射する。
判定部３は、受光器２の受光回路９から出力された電気信号によって戻り光量を検出する。投光器１と反射防止板５との間に物体１０が存在しない場合、前記のとおり、戻り光量は非常に少なく、所定のしきい値以下となる。これに対して、投光器１と反射防止板５との間に物体１０が存在すると、戻り光量はしきい値を超える。判定部３は、戻り光量がしきい値を超える場合、投光器１と反射防止板５との間に物体１０が存在すると判定する。表示部４は、判定部３の判定結果を表示する。
【００２７】
以上のように、本実施の形態では、モスアイ構造の反射防止板５を設けることにより、背景の反射率を非常に小さくすることができるので、背景を物体として検出してしまうことがなくなり、背景の影響を受けにくくすることができる。本実施の形態では、物体と反射防止板５との反射率の差を十分に確保することができるので、物体の反射率が小さい場合であっても、物体を検出することができる。
【００２８】
また、反射防止板として従来の反射防止フィルムを用いる場合、表面に汚れが付くと、反射防止機能が低下することがあるが、モスアイ構造の反射防止板５では、撥水効果があり、汚れが表面に付くことを防止できるため、反射防止機能の低下を抑制することができ、外気に晒された環境であっても、反射防止板５への付着物による誤検出を防止することができる。
【００２９】
［第２の実施の形態］
第１の実施の形態では、拡散反射型の光電センサに本発明を適用したが、ＢＧＳ光電センサに本発明を適用することも可能である。ＢＧＳ光電センサの全体的な構成は、第１の実施の形態と同様であり、詳細な構成は特許文献２、特許文献３に開示されているので、詳細な説明は省略し、図１の符号を用いて簡単に説明する。
【００３０】
ＢＧＳ光電センサでは、投光器１と受光器２とを用いて、物体との距離を光学的に測定する。距離の光学的測定方法には、いくつかの原理が存在するが、例えば三角測距の原理を用いる場合について説明する。この場合は、受光素子８として２分割フォトダイオードまたは位置検出素子を使用する。物体１０によって反射した戻り光は、受光素子８上で結像する。この結像位置は、受光素子８と物体１０との距離によって異なる。これにより、物体１０との距離を求めることができる。
【００３１】
判定部３は、以上のような原理により、受光器２の受光回路９の出力信号から、受光素子８と戻り光の反射点との距離を求め、この距離が所定の基準距離よりも近い場合はオン（物体有り）と判定し、基準距離よりも遠い場合はオフ（物体無し）と判定する。
このようなＢＧＳ光電センサにおいて、第１の実施の形態で説明した反射防止板５を使用すれば、光電センサの動作を安定させることができる。
【００３２】
なお、第１、第２の実施の形態の判定部３は、例えばＣＰＵ、記憶装置およびインタフェースを備えたコンピュータによって実現することができる。ＣＰＵは、記憶装置に格納されたプログラムに従って第１、第２の実施の形態で説明した処理を実行する。
【００３３】
［第３の実施の形態］
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。図３は本発明の第３の実施の形態に係る反射型光電センサの構成を示すブロック図である。本実施の形態は、自己結合型のレーザ計測器を利用したＢＧＳ光電センサである。
図３の反射型光電センサは、レーザ光を放射する半導体レーザ１１と、半導体レーザ１１の光出力を電気信号に変換するフォトダイオード１２と、半導体レーザ１１からの光を集光して放射すると共に、物体からの戻り光を集光して半導体レーザ１１に入射させるレンズ１３と、半導体レーザ１１を駆動するレーザドライバ１４と、フォトダイオード１２の出力電流を電圧に変換して増幅する電流−電圧変換増幅部１５と、電流−電圧変換増幅部１５の出力電圧から搬送波を除去するフィルタ部１６と、フィルタ部１６の出力電圧に含まれるＭＨＰの数を数える計数部１７と、計数部１７の計数結果から物体が所定の基準距離よりも近距離にあるか遠距離にあるかを判定する判定部１８と、判定部１８の判定結果を表示する表示部１９と、反射防止板２０とを有する。
【００３４】
フォトダイオード１２と電流−電圧変換増幅部１５とは、検出手段を構成し、フィルタ部１６と計数部１７と判定部１８とは、距離判定処理手段を構成している。以下、説明容易にするために、半導体レーザ１１には、モードホッピング現象を持たない型（ＶＣＳＥＬ型、ＤＦＢレーザ型）のものが用いられているものと想定する。
【００３５】
レーザドライバ１４は、時間に関して一定の変化率で増減を繰り返す三角波駆動電流を注入電流として半導体レーザ１１に供給する。これにより、半導体レーザ１１は、注入電流の大きさに比例して発振波長が一定の変化率で連続的に増加する第１の発振期間と発振波長が一定の変化率で連続的に減少する第２の発振期間とを交互に繰り返すように駆動される。図４は、半導体レーザ１１の発振波長の時間変化を示す図である。図４において、Ｐ１は第１の発振期間、Ｐ２は第２の発振期間、λａは各期間における発振波長の最小値、λｂは各期間における発振波長の最大値、Ｔは三角波の周期である。本実施の形態では、発振波長の最大値λｂおよび発振波長の最小値λａはそれぞれ常に一定になされており、それらの差λｂ−λａも常に一定になされている。
【００３６】
半導体レーザ１１から出射したレーザ光は、レンズ１３によって集光され放射される。半導体レーザ１１と反射防止板２０との間に物体１０が存在する場合、物体１０で反射された光は、レンズ１３によって集光され、半導体レーザ１１に入射する。ただし、レンズ１３による集光は必須ではない。フォトダイオード１２は、半導体レーザ１１の内部又はその近傍に配置され、半導体レーザ１１の光出力を電流に変換する。電流−電圧変換増幅部１５は、フォトダイオード１２の出力電流を電圧に変換して増幅する。
【００３７】
フィルタ部１６は、変調波から重畳信号を抽出する機能を有するものである。図５（Ａ）は電流−電圧変換増幅部１５の出力電圧波形を模式的に示す図、図５（Ｂ）はフィルタ部１６の出力電圧波形を模式的に示す図である。これらの図は、フォトダイオード１２の出力に相当する図５（Ａ）の波形（変調波）から、図４の半導体レーザ１１の発振波形（搬送波）を除去して、図５（Ｂ）のＭＨＰ波形（干渉波形）を抽出する過程を表している。
【００３８】
計数部１７は、フィルタ部１６の出力電圧に含まれるＭＨＰの数を第１の発振期間Ｐ１と第２の発振期間Ｐ２の各々について数える。計数部１７は、論理ゲートからなるカウンタを利用するものでもよいし、ＦＦＴ（Fast Fourier Transform）を利用してＭＨＰの周波数（すなわち単位時間あたりのＭＨＰの数）を計測するものでもよい。
【００３９】
次に、判定部１８は、計数部１７によって計測されたＭＨＰの数に基づいて半導体レーザ１１と戻り光の反射点との距離を求め、戻り光の反射点が所定の基準距離よりも近距離にあるか遠距離にあるかを判定する。一定期間におけるＭＨＰの数は測定距離に比例する。そこで、一定の計数期間（本実施の形態では第１の発振期間Ｐ１と第２の発振期間Ｐ２の各々）におけるＭＨＰの数と距離との関係を予め求めて判定部１８のデータベース（不図示）に登録しておけば、判定部１８は、計数部１７によって計測されたＭＨＰの数に対応する距離の値をデータベースから取得することにより、戻り光の反射点との距離を求めることができる。
【００４０】
あるいは、計数期間におけるＭＨＰの数と距離との関係を示す数式を予め求めて設定しておけば、判定部１８は、計数部１７によって計測されたＭＨＰの数を数式に代入することにより、戻り光の反射点との距離を算出することができる。
【００４１】
判定部１８は、半導体レーザ１１と戻り光の反射点との距離が所定の基準距離よりも近い場合はオン（物体有り）と判定し、基準距離よりも遠い場合はオフ（物体無し）と判定する。判定部１８は、以上のような処理を第１の発振期間Ｐ１毎及び第２の発振期間Ｐ２毎に行う。
表示部１９は、判定部１８の判定結果を表示する。
【００４２】
ここで、半導体レーザ１１と反射防止板２０との間に物体１０が存在しない場合、半導体レーザ１１から出射した光は反射防止板２０に入射する。反射防止板２０の構成は、第１の実施の形態で説明した反射防止板５と同じである。したがって、半導体レーザ１１からの光が反射防止板２０に入射したとしても、反射防止板２０からの戻り光量は非常に少ない。
【００４３】
前記のとおり、自己結合型のレーザ計測器を利用したＢＧＳ光電センサでは、戻り光量が大き過ぎると、コヒーレントコラップス現象が発生する。また、背景が自己結合効果によるＭＨＰを生じないような遠方にある場合、あるいはＭＨＰの検出に十分な信号強度が得られない場合でも、背景からの微小な戻り光で光カオスなどのノイズが発生する可能性がある。本実施の形態では、モスアイ構造の反射防止板２０を設けることにより、このような問題を解消することができる。
【００４４】
次に、本実施の形態において、反射防止板２０に求められる条件について説明する。図６に示すように、半導体レーザ１１内で生じる相対強度雑音は戻り光量の増大に伴って増大するが大きく２つの臨界点がある。１つは、半導体レーザ１１自体の共振器モードと外部共振器モードとのモード競合が生じる臨界点Γｃである。他の１つは、コヒーレントコラップスによる臨界点（臨界戻り光量）ｆｅｘｔｃである。戻り光量の増大に伴って臨界点Γｃを過ぎると戻り光干渉現象である自己結合効果が生じ始め、臨界点ｆｅｘｔｃを過ぎると相対強度雑音は急激に増大する。光カオスなどによるノイズとコヒーレントコラップス現象とによるＭＨＰの計測の誤りを回避し、外部共振器モードにおけるＭＨＰを安定的に計測するためには、半導体レーザ１１への戻り光量が臨界点Γｃ以上臨界点ｆｅｘｔｃ以下であることが望ましい。したがって、物体１０が存在しない場合でも、戻り光量が臨界点Γｃ以上臨界点ｆｅｘｔｃ以下となるように反射防止板２０を設置すればよい。
【００４５】
文献「山田実，須原理彦，“半導体レーザにおける戻り光誘起雑音の解析”，金沢大学工学部研究報告，ＯＱＥ８９−５０，ｐ．８５−９０，１９８９年」によると、臨界点Γｃは次式のようになる。
Γｃ≒２２Ｒ2・［ｎrｌ／｛Ｌ（１−Ｒ2）｝］2                    ・・・（２）
ｎrは活性領域の屈折率、ｌはレーザ共振器長、Ｌは半導体レーザの出射側の端面と戻り光の反射点との距離、Ｒ2は半導体レーザの出射側の端面での電力反射率である。
【００４６】
一方、特開２００５−２５２０３２号公報によると、臨界点ｆｅｘｔｃは次式のようになる。
ｆｅｘｔｃ＝（τL2／１６｜Ｃe｜2）・（Ｋ・ｆｒ2＋１／τe）2
・（（１＋α2）／α4）                              ・・・（３）
τLはレーザ共振器の光閉じ込め時間、Ｃeはレーザ出射端での戻り光との結合効率、ＫはＫファクタ、ｆｒは緩和振動周波数、τeは電子寿命、αはスペクトル線幅増大係数である。
【００４７】
なお、本実施の形態の計数部１７と判定部１８とは、例えばＣＰＵ、記憶装置およびインタフェースを備えたコンピュータによって実現することができる。ＣＰＵは、記憶装置に格納されたプログラムに従って本実施の形態で説明した処理を実行する。
【００４８】
また、本実施の形態を自己結合型以外の外部干渉器型レーザセンサに適用する場合には、半導体レーザ１１から放射されるレーザ光と戻り光とを例えばビームスプリッタ等により分離して、戻り光をフォトダイオード１２で検出すればよい。こうして、自己結合型以外の外部干渉器型レーザセンサにおいても、本実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００４９】
［第４の実施の形態］
第３の実施の形態では、受光器であるフォトダイオードの出力信号からＭＨＰ波形を抽出していたが、フォトダイオードを使用することなくＭＨＰ波形を抽出することも可能である。図７は本発明の第４の実施の形態に係る反射型光電センサの構成を示すブロック図であり、図３と同様の構成には同一の符号を付してある。本実施の形態の反射型光電センサは、第３の実施の形態のフォトダイオード１２と電流−電圧変換増幅部１５の代わりに、電圧検出部２１を用いるものである。
【００５０】
電圧検出部２１は、半導体レーザ１１の端子間電圧、すなわちアノード−カソード間電圧を検出して増幅する。半導体レーザ１１から放射されたレーザ光と物体１０からの戻り光とによって干渉が生じるとき、半導体レーザ１１の端子間電圧には、ＭＨＰ波形が現れる。したがって、半導体レーザ１１の端子間電圧からＭＨＰ波形を抽出することが可能である。
【００５１】
フィルタ部６は、第３の実施の形態と同様に、変調波から重畳信号を抽出する機能を有するものであり、電圧検出部２１の出力電圧からＭＨＰ波形を抽出する。
半導体レーザ１１、レーザドライバ１４、計数部１７、判定部１８および表示部１９の動作は、第３の実施の形態と同じである。
【００５２】
こうして、本実施の形態では、フォトダイオードを使用することなくＭＨＰ波形を抽出することができ、第３の実施の形態と比較して反射型光電センサの部品を削減することができ、反射型光電センサのコストを低減することができる。
なお、本発明は第１〜第４の実施の形態に限るものではなく、他の反射型光電センサに本発明を適用してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
本発明は、反射型光電センサに適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る反射型光電センサの構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態における反射防止板の１構成例を示す断面図である。
【図３】本発明の第３の実施の形態に係る反射型光電センサの構成を示すブロック図である。
【図４】本発明の第３の実施の形態における半導体レーザの発振波長の時間変化の１例を示す図である。
【図５】本発明の第３の実施の形態における電流−電圧変換増幅部の出力電圧波形およびフィルタ部の出力電圧波形を模式的に示す波形図である。
【図６】戻り光量に対する相対強度雑音の変化を示す図である。
【図７】本発明の第４の実施の形態に係る反射型光電センサの構成を示すブロック図である。
【図８】従来のレーザ計測器における半導体レーザの複合共振器モデルを示す図である。
【図９】半導体レーザの発振波長と内蔵フォトダイオードの出力波形との関係を示す図である。
【符号の説明】
【００５５】
１…投光器、２…受光器、３，１８…判定部、４，１９…表示部、５，２０…反射防止板、６…投光素子、７…投光回路、８…受光素子、９…受光回路、１０…物体、１１…半導体レーザ、１２…フォトダイオード、１３…レンズ、１４…レーザドライバ、１５…電流−電圧変換増幅部、１６…フィルタ部、１７…計数部、２１…電圧検出部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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