(57)【要約】     【課題】  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。    【解決手段】  この光学式物体識別装置では、第１レンズ９の焦点距離をｆ(ｍｍ)とし、被測定物８から無偏光ビームスプリッタ４ａの反射面４ａ−１を経由して第１レンズ９に至る光路距離をａ１(ｍｍ)とするとき、ｆ＜ａ１を満たしている。第１レンズ９と被測定物８との間の光路距離ａ１(ｍｍ)が第１レンズ９の焦点距離ｆ(ｍｍ)よりも長いので、被測定物８の表面に入射する第１光束５の入射角θが変化したときでも、被測定物８の表面で反射した反射光束７の正反射光軸は受光素子１１ａ,１１ｂ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。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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する光学式物体識別装置。
【請求項２】
請求項１に記載の光学式物体識別装置において、
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。
【請求項３】
請求項２に記載の光学式物体識別装置において、
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。
【請求項４】
請求項３に記載の光学式物体識別装置において、
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。
【請求項５】
請求項４に記載の光学式物体識別装置において、
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。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか１つに記載の光学式物体識別装置において、
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。
【請求項７】
請求項１に記載の光学式物体識別装置において、
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。
【請求項８】
請求項７に記載の光学式物体識別装置において、
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。
【請求項９】
請求項８に記載の光学式物体識別装置において、
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。
【請求項１０】
請求項８または９に記載の光学式物体識別装置において、
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。
【請求項１１】
請求項１０に記載の光学式物体識別装置において、
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。
【請求項１２】
請求項１０または１１に記載の光学式物体識別装置において、
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。
【請求項１３】
請求項１２に記載の光学式物体識別装置において、
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。
【請求項１４】
請求項１３に記載の光学式物体識別装置において、
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。
【請求項１５】
請求項１乃至１４のいずれか１つに記載の光学式物体識別装置において、
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。
【請求項１６】
請求項１乃至１５のいずれか１つに記載の光学式物体識別装置において、
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。
【請求項１７】
請求項１乃至１６のいずれか１つに記載の光学式物体識別装置において、
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。
【請求項１８】
請求項１乃至１７のいずれか１つに記載の光学式物体識別装置を搭載したことを特徴とする電気掃除機。
【請求項１９】
請求項１乃至１８のいずれか１つに記載の光学式物体識別装置を搭載したことを特徴とする自走式電気掃除機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【０００２】
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。
【背景技術】
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【特許文献１】特開平３−１２３５２２号公報
【特許文献２】特開平３−２２８７２４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
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。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【発明の効果】
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００６０】
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。
【００６１】
(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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
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。
【００７９】
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。
【００８０】
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。
【００８１】
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。
【００８２】
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。
【００８３】
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。
【００８４】
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。
【００８５】
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)´
【００８６】
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)
【００８７】
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。
【００８８】
(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。
【００８９】
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。
【００９０】
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。
【００９１】
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。
【００９２】
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。
【００９３】
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。
【００９４】
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。
【００９５】
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)。
【００９６】
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。
【００９７】
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)
【００９８】
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。
【００９９】
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)
【０１００】
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。
【０１０１】
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。
【０１０２】
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。
【０１０３】
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                    
【０１０４】
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)
【０１０５】
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                                
【０１０６】
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)
【０１０７】
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。
【０１０８】
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。
【０１０９】
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)
【０１１０】
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。
【０１１１】
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)
【０１１２】
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。
【０１１３】
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。
【０１１４】
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。
【０１１５】
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。
【０１１６】
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。
【図面の簡単な説明】
【０１１７】
【図１】この発明の光学式物体識別装置の第１実施形態の概略構成を示す模式図である。
【図２】上記第１実施形態によって各種の被測定物を測定した結果を示す特性図である。
【図３】参考例によって各種の被測定物を測定した結果を示す特性図である。
【図４】図１の光学系の受光に関する要部を示す模式図である。
【図５】図１の光学系の第１レンズと受光素子との間の構成を示す模式図である。
【図６】図６(Ａ),(Ｂ)は第１光束の一端と他端からの反射光束の経路を詳細に示す説明図である。
【図７】この発明の光学式物体識別装置の第２実施形態の構成を示す模式図である。
【図８】上記第２実施形態の光学系の受光に関する要部を示す模式図である。
【図９】図７の光学系の第１レンズと受光素子との間の構成を示す模式図である。
【図１０】図７の光学系の第１レンズと第２レンズとの配置関係を詳細に示す模式図である。
【図１１】図７の光学系の各光学部品の最適配置を説明する図である。
【図１２】図１２(Ａ)は、第１,第２実施形態の出射系の変形例の構成を示す図であり、図１２(Ｂ)は、第１,第２実施形態の出射系に相当する構成を示す図である。
【図１３】図１３(Ａ)は上記光学式物体識別装置を搭載した自走式掃除機が平らな床面を走行している様子を示す模式図であり、図１３(Ｂ)は上記自走式掃除機が絨毯等の床面を走行している様子を示す模式図である。
【図１４】上記自走式掃除機が床面の障害物に乗り上げた様子を示す模式図である。
【符号の説明】
【０１１８】
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
【図１】
2006170699.tif 000003
【図２】
2006170699.tif 000004
【図３】
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【図４】
2006170699.tif 000006
【図５】
2006170699.tif 000007
【図６】
2006170699.tif 000008
【図７】
2006170699.tif 000009
【図８】
2006170699.tif 000010
【図９】
2006170699.tif 000011
【図１０】
2006170699.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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