(57)【要約】     【課題】  被測定物の凹凸状態を正確に検出でき、高信頼性で小型の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は、半導体レーザ１から出射したレーザ光を第１光束５として被測定物９に照射するコリメータレンズ２,絞り３,無偏光ビームスプリッタ４,第１集光レンズ８からなる投光部と、被測定物９で反射した反射光束７を受光する受光部１２と、受光部１２と被測定物９との間に配置されると共に第１光束５の偏光方向と同方向の偏光方向を選択して通過させる直線偏光子１３ａと、受光部１２が出力した信号を処理して反射光束７のうちの上記偏光方向の光強度を測定する信号処理回路１２を備えた。反射光束７の偏光状態は被測定物９の反射面の凹凸状態の情報を有している。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体発光素子から出射した光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受光する受光部と、
上記受光部と上記被測定物との間に配置されると共に所定の偏光方向の偏光を通過させる偏光状態選択部と、
上記受光部が出力する信号を処理して、上記反射光のうちの上記所定の偏光方向の光の強度を測定する信号処理部とを備えた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、
上記被測定物に入射させる光の偏光状態が直線偏光である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、
上記被測定物に入射させる直線偏光が上記被測定物に対してＳ波であることを特徴とする光学式物体識別装置。
【請求項４】
請求項２に記載の光学式物体識別装置において、
上記偏光状態選択部が選択する偏光方向と上記被測定物に入射させる光の偏光方向とが略同方向であることを特徴とする光学式物体識別装置。
【請求項５】
請求項１に記載の光学式物体識別装置において、
上記半導体発光素子から出射した光を第１光束と第２光束とに分割する光分岐素子と、
上記第１光束を上記被測定物上に集光して照射する第１集光手段と、
上記被測定物で反射した光のうち上記第１集光手段を通過した光を集光する第２集光手段と、
上記第２集光手段と上記受光素子との間に配置されたピンホール部とを有することを特徴とする光学式物体識別装置。
【請求項６】
請求項５に記載の光学式物体識別装置において、
上記第２光束およびこの第２光束の反射光の迷光防止手段を有することを特徴とする光学式物体識別装置。
【請求項７】
請求項６に記載の光学式物体識別装置において、
上記迷光防止手段が直線偏光子を有し、
上記直線偏光子は、上記第２光束の光軸上に設置されており、上記直線偏光子が通過させる偏光方向は、上記第２光束の偏光方向と直交する方向であることを特徴とする光学式物体識別装置。
【請求項８】
請求項５に記載の光学式物体識別装置において、
上記第２集光手段が集光レンズを含み、
上記ピンホール部が上記集光レンズの焦点距離の位置に設置されたことを特徴とする光学式物体識別装置。
【請求項９】
請求項５に記載の光学式物体識別装置において、
上記ピンホール部が配置された位置における反射光束の径が、上記ピンホール部の孔径よりも小さいことを特徴とする光学式物体識別装置。
【請求項１０】
請求項５に記載の光学式物体識別装置において、
上記第１光束は上記第１集光手段の略中心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１１】
請求項５に記載の光学式物体識別装置において、
上記第１光束は上記第１集光手段の端部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１２】
請求項１に記載の光学式物体識別装置において、
上記半導体発光素子から出射した光を上記被測定物上に集光する第１集光手段を有し、
上記被測定物で反射した光のうち、上記第１集光手段に入射する光束と重なる部分を除き、この重なる部分以外の周辺部の反射光束を上記受光部に向かわせる導光手段を有し、
上記周辺部の反射光束を上記受光部で検出す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５に記載の光学式物体識別装置において、
上記光分岐素子により分割された上記第２光束の進行方向を変更させる光軸変更手段を有し、
上記光軸を変更した第２光束と上記第１光束とは略平行な光軸を有し、
上記第１および第２光束は同一の第１集光手段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１４】
請求項１に記載の光学式物体識別装置において、
上記半導体発光素子から出射した光束を第１および第２光束に分割する第１光分岐素子と、
上記被測定物で反射した光を第１および第２反射光束に分割する第２光分岐素子とを備え、
上記受光部は、
上記第１反射光束を受光する第１受光素子と、
上記第２反射光束を受光する第２受光素子とを有し、
さらに、上記第１受光素子に入射する光の偏光状態を選択する偏光状態選択素子を有し、
上記信号処理部は上記第１受光素子が出力する信号と上記第２受光素子が出力する信号との比を計算する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に記載の光学式物体識別装置において、
上記半導体発光素子から出射した光束を第１および第２光束に分割する第１光分岐素子と、
上記被測定物で反射した光を第１および第２反射光束に分割する第２光分岐素子とを備え、
上記受光部は、
上記第１反射光束を受光する第１受光素子と、
上記第２反射光束を受光する第２受光素子とを有し、
さらに、上記第１受光素子に入射する光の偏光状態を選択する第１偏光状態選択素子と、
上記第２受光素子に入射する光の偏光状態を選択する第２偏光状態選択素子を有し、
上記第１偏光状態選択素子が選択する偏光方向と第２偏光状態選択素子が選択する偏光方向とが互いに略直交す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１５に記載の光学式物体識別装置において、
上記第１偏光状態選択素子が選択する偏光方向は上記第１光束の偏光方向と略平行であり、
上記第２偏光状態選択素子が選択する偏光方向は上記第１光束の偏光方向と略垂直であ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１５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偏光状態選択素子が直線偏光子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１５に記載の光学式物体識別装置において、
上記第２光分岐素子と上記第１、第２偏光状態選択素子とを、偏光ビームスプリッタで構成したことを特徴とする光学式物体識別装置。
【請求項１９】
請求項１５に記載の光学式物体識別装置において、
上記信号処理部が上記第１受光素子が出力する信号と上記第２受光素子が出力する信号との比を計算することを特徴とする光学式物体識別装置。
【請求項２０】
請求項１５に記載の光学式物体識別装置において、
上記信号処理部が、上記第１受光素子が出力する信号と上記第２受光素子が出力する信号との差を計算することを特徴とする光学式物体識別装置。
【請求項２１】
請求項１５に記載の光学式物体識別装置において、
上記信号処理部は、
上記第１受光素子が出力する信号と上記第２受光素子が出力する信号との差を計算し、
上記差と、上記第１受光素子が出力する信号と上記第２受光素子が出力する信号との和との比、もしくは、
上記差と、上記第１受光素子が出力する信号または上記第２受光素子が出力する信号との比を計算することを特徴とする光学式物体識別装置。
【請求項２２】
請求項１に記載の光学式物体識別装置において、
上記半導体発光素子が半導体レーザであることを特徴とする光学式物体識別装置。
【請求項２３】
請求項１に記載の光学式物体識別装置において、
上記受光部がフォトダイオードを有することを特徴とする光学式物体識別装置。
【請求項２４】
請求項１４乃至２１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受光素子および第２受光素子が同一半導体基板上に形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２５】
請求項２３に記載の光学式物体識別装置において、
上記受光部と上記信号処理部とが同一半導体基板上に形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２６】
請求項２４に記載の光学式物体識別装置において、
上記第１受光素子、第２受光素子および上記信号処理部が同一半導体基板上に形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２７】
請求項１に記載の光学式物体識別装置において、
上記受光部は、複数の受光素子が整列された受光素子群を有することを特徴とする光学式物体識別装置。
【請求項２８】
請求項２７に記載の光学式物体識別装置において、
上記信号処理部は、上記受光素子群のうちで最大強度を示す受光素子の信号強度によって、上記受光素子群の各受光素子の信号を規格化することを特徴とする光学式物体識別装置。
【請求項２９】
請求項１乃至２８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集光手段が第１集光レンズで構成されており、
この第１集光レンズの焦点位置と上記被測定物表面との間の距離を変化させることを特徴とする光学式物体識別装置。
【請求項３０】
請求項２９に記載の光学式物体識別装置において、
上記第１集光レンズを振動させるレンズ振動機構を有し、
上記レンズ振動機構で上記第１集光レンズのレンズ位置を変化させることによって、上記第１レンズの焦点位置と上記被測定物表面との間の距離を変化させることを特徴とする光学式物体識別装置。
【請求項３１】
請求項３０に記載の光学式物体識別装置において、
上記レンズ振動機構がカムを有することを特徴とする光学式物体識別装置。
【請求項３２】
請求項３１に記載の光学式物体識別装置において、
上記カムのカム曲線が正弦波カーブであることを特徴とする光学式物体識別装置。
【請求項３３】
請求項３０に記載の光学式物体識別装置において、
上記レンズ振動機構がソレノイドコイルを有することを特徴とする光学式物体識別装置。
【請求項３４】
請求項３０に記載の光学式物体識別装置において、
上記レンズ振動機構が回転運動を直線往復運動に変換するクランク機構を有すること特徴とする光学式物体識別装置。
【請求項３５】
請求項３０に記載の光学式物体識別装置において、
上記レンズ振動機構がアクチュエータを有することを特徴とする光学式物体識別装置。
【請求項３６】
請求項３０に記載の光学式物体識別装置において、
上記レンズ振動機構は、レンズ保持具に取り付けられた羽根で風を受けて
レンズを振動させることを特徴とする光学式物体識別装置。
【請求項３７】
請求項２９に記載の光学式物体識別装置において、
上記第１集光レンズが累進レンズからなり、
上記第１光束が上記累進レンズに入射する位置を変化させることにより、上記第１集光レンズの焦点位置と上記被測定物表面との間の距離を変化させることを特徴とする光学式物体識別装置。
【請求項３８】
請求項３７に記載の光学式物体識別装置において、
上記累進レンズを上記第１光束と略垂直な平面内で移動させることによって、上記累進レンズの焦点位置と上記被測定物表面との間の距離を変化させることを特徴とする光学式物体識別装置。
【請求項３９】
請求項３７に記載の光学式物体識別装置において、
液晶を含む光スイッチを上記累進レンズに入射する第１光束の光軸上に配置したことを特徴する光学式物体識別装置。
【請求項４０】
請求項２９乃至３９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集光レンズの焦点位置と上記被測定物表面との間の距離の変化量を、上記被測定物の表面の凹凸のレベル差よりも大きくすることを特徴とする光学式物体識別装置。
【請求項４１】
請求項４０に記載の光学式物体識別装置において、
上記第１集光レンズの焦点位置と上記被測定物表面との間の距離の変化量が、５ｍｍ乃至１５ｍｍであることを特徴とする光学式物体識別装置。
【請求項４２】
請求項１４に記載の光学式物体識別装置において、
上記第１光束を上記被測定物上に集光して照射する第１集光手段と、
上記被測定物で反射した光のうち上記第１集光手段を通過した光を集光する第２集光手段とを有し、
上記第２集光手段と上記第１および第２受光素子との間に配置されたピンホール部を有し、
上記第１集光手段が第１集光レンズで構成されており、
この第１集光レンズの焦点位置と上記被測定物表面との間の距離を変化させる機構を有し、
上記信号処理部は、
上記第１集光レンズと上記被測定物表面との間の距離が上記第１集光レンズの焦点距離と略等しくなるフォーカス時における上記第１受光素子の出力であるフォーカス信号と、
上記第１集光レンズと上記被測定物表面との間の距離が上記第１集光レンズの焦点距離と異なるデフォーカス時の上記第２受光素子の出力であるデフォーカス信号との比を計算することを特徴とする光学式物体識別装置。
【請求項４３】
請求項１５に記載の光学式物体識別装置において、
上記第１光束を上記被測定物上に集光して照射する第１集光手段と、
上記被測定物で反射した光のうち上記第１集光手段を通過した光を集光する第２集光手段とを有し、
上記第２集光手段と上記第１および第２受光素子との間に配置されたピンホール部を有し、
上記第１集光手段が第１集光レンズで構成されており、
この第１集光レンズの焦点位置と上記被測定物表面との間の距離を変化させる機構を有し、
上記信号処理部は、
上記第１集光レンズと上記被測定物表面との間の距離が上記第１集光レンズの焦点距離と略等しくなるフォーカス時における上記第１受光素子の出力であるフォーカス信号と、
上記第１集光レンズと上記被測定物表面との間の距離が上記第１集光レンズの焦点距離と異なるデフォーカス時の上記第２受光素子の出力であるデフォーカス信号とを処理することを特徴とする光学式物体識別装置。
【請求項４４】
請求項４３に記載の光学式物体識別装置において、
上記信号処理部は、
上記フォーカス信号と上記デフォーカス信号との比を計算することを特徴とする光学式物体識別装置。
【請求項４５】
請求項４３に記載の光学式物体識別装置において、
上記信号処理部は、
上記フォーカス信号と上記デフォーカス信号との差を計算することを特徴とする光学式物体識別装置。
【請求項４６】
請求項４３に記載の光学式物体識別装置において、
上記信号処理部は、
上記フォーカス信号と上記デフォーカス信号との差を計算し、
上記差と、上記フォーカス信号との比を計算することを特徴とする光学式物体識別装置。
【請求項４７】
請求項１乃至４６のいずれか１つに記載の光学式物体識別装置において、
上記半導体発光素子に変調信号を印加することにより光強度変調をかけ、
上記信号処理部は、
上記変調信号がＨレベルである時に上記受光部が出力する第１出力信号と上記変調信号がＬレベルである時に上記受光部が出力する第２出力信号との差を計算することを特徴とする光学式物体識別装置。
【請求項４８】
請求項４７に記載の光学式物体識別装置において、
上記半導体発光素子に印加する変調信号が矩形波であることを特徴とする光学式物体識別装置。
【請求項４９】
請求項４７に記載の光学式物体識別装置において、
上記Ｌレベル時の上記半導体発光素子の発光量が略０Ｗであることを特徴とする光学式物体識別装置。
【請求項５０】
請求項４７に記載の光学式物体識別装置において、
上記光強度変調の変調周波数が５０ｋＨｚ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５１】
請求項４７に記載の光学式物体識別装置において、
上記光強度変調の変調周波数が１００Ｈｚ乃至１０ｋＨｚであることを特徴とする光学式物体識別装置。
【請求項５２】
請求項４７に記載の光学式物体識別装置において、
上記信号処理部は、
上記変調信号がＨレベルのときに、受光部からの第１出力信号をそのまま通過させると共に、上記変調信号がＬレベルのときに、上記変調信号がＨレベルのときの上記第１出力信号をサンプルホールドする第１サンプルホールド回路と、
上記変調信号がＬレベルのときに、受光部からの第２出力信号をそのまま通過させると共に、上記変調信号がＨレベルのときに、上記変調信号がＬレベルのときの上記第２出力信号をサンプルホールドする第２サンプルホールド回路と、
上記第１サンプルホールド回路が出力する信号と上記第２サンプルホールド回路が出力する信号との差動を取る差動回路とを備えたことを特徴とする光学式物体識別装置。
【請求項５３】
請求項１乃至５２のいずれか１つに記載の光学式物体識別装置において、
上記信号処理部は、
上記受光部で検出した信号を増幅する増幅部と、
上記増幅部の増幅度を、上記受光部の信号強度に応じて切り替える増幅度切替部とを有することを特徴とする光学式物体識別装置。
【請求項５４】
請求項５３に記載の光学式物体識別装置において、
上記増幅度切替部は、
所定の時刻における上記増幅部の信号強度をホールドし、このホールドした値と基準値とを比較することにより、上記増幅部の増幅度を決定することを特徴とする光学式物体識別装置。
【請求項５５】
請求項４２または４３に記載の光学式物体識別装置において、
上記信号処理部は、
上記受光部で検出した信号を増幅する増幅部と、
上記増幅部の増幅度を、上記受光部の信号強度に応じて切り替える増幅度切替部とを有し、
上記増幅度切替部は、
所定の時刻における上記増幅部の信号強度をホールドし、このホールドした値と基準値とを比較することにより、上記増幅部の増幅度を決定し、
さらに、上記増幅部は第１増幅器と第２増幅器を有し、上記増幅度切替部は第１増幅度切替器と第２増幅度切替器とピークホールド回路部とサンプルホールド回路部とを有し、
上記信号処理部は、
上記第１受光素子で検出された信号が入力されると共に上記第１増幅器と上記ピークホールド回路と上記第１増幅度切替器とを有する第１信号処理回路と、
上記第２受光素子で検出された信号が入力されると共に上記第２増幅器と上記サンプルホールド回路と上記第２増幅度切替器とを有する第２信号処理回路とを有し、
上記第１増幅度切替器は、上記ピークホールド回路の出力値に基づいて上記第１増幅器の増幅度を決定し、
上記第２増幅度切替器は、上記サンプルホールド回路の出力に基づいて上記第２増幅器の増幅度を決定することを特徴とする光学式物体識別装置。
【請求項５６】
請求項５４に記載の光学式物体識別装置において、
上記信号処理部は、
上記増幅部の出力信号をホールドする機能を有し、
上記基準値と比較するために上記増幅部の出力信号をホールドするタイミングを、上記半導体発光素子に印加する変調信号を用いて決定することを特徴とする光学式物体識別装置。
【請求項５７】
請求項５５に記載の光学式物体識別装置において、
上記第１信号処理回路は、
上記フォーカス時の上記第１受光素子の出力であるフォーカス信号のピーク値を上記ピークホールド回路がホールドする時刻を基準時刻として検出するピーク位置検出部を有し、
上記第２信号処理回路は、
上記ピーク位置検出部が検出した上記基準時刻と上記半導体発光素子に印加する変調信号とに基づいて、上記デフォーカス時の上記第２受光素子の出力であるデフォーカス信号を上記サンプルホールド回路がサンプルホールドするタイミングを決定するタイミング検出部を有することを特徴とする光学式物体識別装置。
【請求項５８】
請求項５３に記載の光学式物体識別装置において、
上記増幅度切替部は、
上記増幅部の出力信号レベルが設定された基準値範囲外であるときに、上記増幅部の増幅度を１段階ずつ増加もしくは減少させることを特徴とする光学式物体識別装置。
【請求項５９】
請求項５３に記載の光学式物体識別装置において、
上記信号処理部が有する上記増幅部は、
複数の増幅器が直列接続された増幅器群を有することを特徴とする光学式物体識別装置。
【請求項６０】
請求項５９に記載の光学式物体識別装置において、
上記増幅度切替部は、
上記増幅部を所定の増幅度にするときに、上記増幅器群のうちの所定の増幅器の入力接続抵抗を開放にすることを特徴とする光学式物体識別装置。
【請求項６１】
請求項５５に記載の光学式物体識別装置において、
上記第１信号処理回路は、上記フォーカス信号を含む第１信号を出力し、
上記第２信号処理回路は、上記デフォーカス信号を含む第２信号を出力し、
上記信号処理部は、
上記第１信号と第２信号をデジタル信号化するＡ/Ｄ変換部を有し、
上記第１増幅器の増幅度を表す第１増幅度信号と、上記第２増幅器の増幅度を表す第２増幅度信号と、上記Ａ/Ｄ変換部でデジタル信号化された第１および第２信号とに基づいて、上記フォーカス信号とデフォーカス信号の比、または上記フォーカス信号とデフォーカス信号の差、または上記フォーカス信号とデフォーカス信号の差と上記フォーカス信号との比を計算するデジタル信号処理回路を有することを特徴とする光学式物体識別装置。
【請求項６２】
請求項６１に記載の光学式物体識別装置において、
上記デジタル信号処理回路は、
上記デジタル信号化された第１信号および第２信号を蓄積するメモリを有し、
上記メモリは、上記第１信号と第２信号のそれぞれについて、上記焦点位置の変動における少なくとも半周期分の波形データを格納できる記憶容量を有することを特徴とする光学式物体識別装置。
【請求項６３】
請求項６１に記載の光学式物体識別装置において、
上記デジタル信号処理回路は、
上記デジタル信号化された第１信号および第２信号を蓄積するメモリを有し、
上記メモリは、上記第１信号と第２信号のそれぞれについて、上記焦点位置の変動における１周期分の波形データを保存することを特徴とする光学式物体識別装置。
【請求項６４】
請求項６１に記載の光学式物体識別装置において、
上記第１信号処理回路は、
上記フォーカス信号のピーク値を上記ピークホールド回路がホールドする時刻を基準時刻として検出するピーク位置検出部を有し、
上記第２信号処理回路は、
上記ピーク位置検出部が検出した上記基準時刻と上記半導体発光素子に印加する変調信号とに基づいて、上記デフォーカス信号を上記サンプルホールド回路部がサンプルホールドするタイミングを決定するタイミング検出部を有し、
上記Ａ/Ｄ変換部は、
上記第１信号処理回路が有する上記ピーク位置検出部が上記基準時刻を検出したことをトリガ信号としてＡ/Ｄ変換を開始し、
上記デジタル信号処理回路がＡ/Ｄ変換したデジタルデータを保存するメモリを備えたことを特徴とする光学式物体識別装置。
【請求項６５】
請求項６４に記載の光学式物体識別装置において、
上記第１信号処理回路が有する上記ピーク位置検出部が検出した上記基準時刻から上記メモリにデジタルデータを蓄積する過程において、
上記基準時刻から上記第２信号処理回路が有する上記タイミング検出部が決定したタイミングで上記サンプルホールド回路部がサンプルホールドを開始する時刻までの間に、上記ピーク位置検出部が新たな基準時刻を検出したときに、この新たな基準時刻までに上記メモリに格納されたデジタルデータをすべてクリアし、
上記Ａ/Ｄ変換部は、上記ピーク位置検出部が上記新たな基準時刻を検出したことをトリガ信号として、第１および第２信号のＡ/Ｄ変換を開始し、上記メモリにデジタルデータを保存することを特徴とする光学式物体識別装置。
【請求項６６】
請求項６１に記載の光学式物体識別装置において、
上記デジタル信号処理回路は、
上記ピーク位置検出部が検出した基準時刻に基づいて、上記メモリに保存されたデジタルデータの中から、上記第１信号に含まれる上記基準時刻におけるフォーカス信号を取り出し、かつ、上記第２信号に含まれる所定の時刻におけるデフォーカス信号を取り出し、
上記第１信号処理回路の第１増幅器の増幅度を表す第１増幅度信号と、上記第２信号処理回路の第２増幅器の増幅度を表す第２増幅度信号とに基づいて、上記フォーカス信号とデフォーカス信号の比、または上記フォーカス信号とデフォーカス信号の差、または上記フォーカス信号とデフォーカス信号の差と上記フォーカス信号との比を計算することを特徴とする光学式物体識別装置。
【請求項６７】
請求項６１に記載の光学式物体識別装置において、
上記デジタル信号処理回路は、
上記メモリに保存されたデジタルデータの内の上記デジタル信号化された第１信号に基づいて、上記第１信号のピーク位置を検出するデジタル信号演算部を有し、
上記デジタル信号演算部が検出したピーク位置の時刻データを基準時刻とし、この基準時刻におけるフォーカス信号を取り出し、
上記メモリに保存されたデジタルデータの内の上記デジタル信号化された第２信号から、上記基準時刻及び上記変調信号に基づくタイミング検出部で決まる所定の時刻におけるデフォーカス信号を取り出し、
上記第１増幅器の増幅度を表す第１増幅度信号と、上記第２増幅器の増幅度を表す第２増幅度信号とに基づいて、上記フォーカス信号とデフォーカス信号との比、または上記フォーカス信号とデフォーカス信号との差、または上記フォーカス信号とデフォーカス信号との差とフォーカス信号との比を計算することを特徴とする光学式物体識別装置。
【請求項６８】
請求項６６または６７に記載の光学式物体識別装置において、
上記デジタル信号処理回路は、
上記メモリに保存されたデジタルデータの中から上記フォーカス信号および上記デフォーカス信号を取り出す過程において、
上記メモリに保存されたデジタルデータの内の、上記基準時刻の前と後の複数時刻、または上記基準時刻の前の複数時刻、または上記基準時刻の後の複数時刻における複数のフォーカス信号の平均値をフォーカス信号として取り出し、
上記メモリに保存されたデジタルデータの内の、上記基準時刻及び上記変調信号に基づくタイミング検出部で決まる所定の時刻の前と後の複数時刻、または上記基準時刻の前の複数時刻、または上記基準時刻の後の複数時刻における複数のデフォーカス信号の平均値をデフォーカス信号として取り出し、
上記第１信号処理回路の第１増幅器の増幅度を表す第１増幅度信号と、上記第２信号処理回路の第２増幅器の増幅度を表す第２増幅度信号とに基づいて、上記フォーカス信号とデフォーカス信号の比、または上記フォーカス信号とデフォーカス信号の差、または上記フォーカス信号とデフォーカス信号の差と上記フォーカス信号との比を計算することを特徴とする光学式物体識別装置。
【請求項６９】
請求項６１に記載の光学式物体識別装置において、
上記デジタル信号処理回路は、
上記フォーカス信号とデフォーカス信号の比、または上記フォーカス信号とデフォーカス信号の差、または上記フォーカス信号とデフォーカス信号の差と上記フォーカス信号との比を計算して、上記被測定物を識別する過程において、
上記計算を複数回行い、この複数回の計算結果の平均を計算して上記被測定物を識別することを特徴とする光学式物体識別装置。
【請求項７０】
請求項１乃至６９のいずれか１つに記載の光学式物体識別装置において、
上記被測定物との間の距離が所定値より大きいときは、上記半導体発光素子の発光をオフまたは低下させることを特徴とする光学式物体識別装置。
【請求項７１】
請求項１乃至７０のいずれか１つに記載の光学式物体識別装置において、
上記半導体発光素子の発光状態はレーザ製品の安全基準のクラス１を満足することを特徴とする光学式物体識別装置。
【請求項７２】
請求項１乃至７１のいずれか１つに記載の光学式物体識別装置において、
筐体の一部に形成された光学窓を有し、
上記第１集光レンズと上記光学窓との間の距離は、上記第１集光レンズの焦点距離よりも短いことを特徴とする光学式物体識別装置。
【請求項７３】
請求項１乃至７２のいずれか１つに記載の光学式物体識別装置をヘッド部に搭載したことを特徴とする掃除機。
【請求項７４】
請求項１乃至７２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】
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の掃除機に関する。
【背景技術】
【０００３】
家庭用の電気掃除機に塔載されている床面判別センサは、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(特許文献１(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(特許文献２(特開平２−５２６２３号公報)及び特許文献３(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(特許文献４(特開平５−５６８８８号公報)および特許文献５(特開平５−５６８８９))等のものがある。
【０００５】
また、特許文献６(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ため真空度が上昇しないことを利用して床面判別する。
【０００６】
また、特許文献７(特開平１−２３２２５５号公報)、特許文献８(特開平３−７７５１９号公報及び特許文献９(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、受信部で受信する。この受信信号により床面の種類を判別する。
【０００７】
また、特許文献１０(特開平３−１２３５２２号公報)及び特許文献１１(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、その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上優れている。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、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。
【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２−５２６１９号公報
【特許文献２】特開平２−５２６２３号公報
【特許文献３】特開平３−１０６３２５号公報
【特許文献４】特開平５−５６８８８号公報
【特許文献５】特開平５−５６８８９号公報
【特許文献６】特開平６−７８８６２号公報
【特許文献７】特開平１−２３２２５５号公報
【特許文献８】特開平３−７７５１９号公報
【特許文献９】特開平３−２１２２４９号公報
【特許文献１０】特開平３−１２３５２２号公報
【特許文献１１】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、被測定物の凹凸状態を正確に検出でき、高信頼性で小型の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、半導体発光素子から出射した光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受光する受光部と、
上記受光部と上記被測定物との間に配置されると共に所定の偏光方向の偏光を通過させる偏光状態選択部と、
上記受光部が出力する信号を処理して、上記反射光のうちの上記所定の偏光方向の光の強度を測定する信号処理部とを備えた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、上記半導体発光素子が出射した光は、上記投光部から上記被測定物に照射され、上記被測定物の反射面の凹凸状態に応じて、上記光の反射光の偏光状態が変化する。
【００１７】
したがって、この反射光の偏光状態は、上記被測定物の反射面の凹凸状態の情報を有している。上記反射光は、上記偏光状態選択部を経由して、上記受光部に入射し、上記信号処理部は、上記受光部が出力する信号を処理することで、上記反射光の上記所定の偏光方向の光強度を測定して、上記被測定物の種類を識別する。
【００１８】
この発明では、上記被測定物への入射させる光の偏光状態は既知であり、既知の偏光状態の入射光に対する反射光の偏光情報を測定することによって被測定物の表面の凹凸状態を測定でき、物体識別を行うことができる。
【００１９】
また、一実施形態の光学式物体識別装置では、上記被測定物に入射させる光の偏光状態が直線偏光である。
【００２０】
この実施形態の光学式物体識別装置では、上記被測定物への入射光を直線偏光としたことにより、この入射光が一方向のみの振動である。このため、上記被測定物での反射によって、上記入射光の偏光状態が解消される偏光解消特性を評価することが容易になる。
【００２１】
また、一実施形態の光学式物体識別装置では、上記被測定物に入射させる直線偏光が上記被測定物に対してＳ波である。
【００２２】
この実施形態の光学式物体識別装置では、上記被測定物に入射させる入射光束がＳ波であるので、上記被測定物の入射面が光学的に平滑な面である場合はＳ波として反射する。したがって、基準方向の偏光方向は、上記平滑な面での反射により保たれる。これにより、上記被測定物の表面の凹凸状態を高精度に評価することが可能となる。なお、逆に、上記被測定物に入射させる入射光束がＰ波である場合には、一部の偏光方向の成分のみが反射に寄与するので、上記被測定物の表面の凹凸状態を高精度に評価するには不適当である。
【００２３】
また、一実施形態の光学式物体識別装置では、上記偏光状態選択部が選択する偏光方向と上記被測定物に入射させる光の偏光方向とが略同方向である。
【００２４】
上記実施形態の光学式物体識別装置では、受光部に入射する光の偏光方向が入射光の偏光方向と同方向であるため、反射面の凹凸による偏光解消特性をもっとも精度良く測定することができる。
【００２５】
また、一実施形態の光学式物体識別装置では、上記半導体発光素子から出射した光を第１光束と第２光束とに分割する光分岐素子と、
上記第１光束を上記被測定物上に集光して照射する第１集光手段と、
上記被測定物で反射した光のうち上記第１集光手段を通過した光を集光する第２集光手段と、
上記第２集光手段と上記受光素子との間に配置されたピンホール部とを有する。
【００２６】
上記実施形態の光学式物体識別装置では、受光素子と第２集光手段の間にピンホール部が存在し、信号光はピンホール部面上でピンホールを通過するように集光される。このため、ノイズ光をカットすることができ、被測定物で反射した光を効率よく受光できる。
【００２７】
また、一実施形態の光学式物体識別装置では、上記第２光束およびこの第２光束の反射光の迷光防止手段を有する。
【００２８】
この実施形態の光学式物体識別装置では、信号に寄与しない光がノイズ源とならない。
【００２９】
また、一実施形態の光学式物体識別装置では、上記迷光防止手段が直線偏光子を有し、
上記直線偏光子は、上記第２光束の光軸上に設置されており、上記直線偏光子が通過させる偏光方向は、上記第２光束の偏光方向と直交する方向である。
【００３０】
この実施形態の光学式物体識別装置では、第２光束の光軸上に第２光束の偏光方向に対して直交する偏光方向の光を透過する直線偏光子が設置されているので、この直線偏光子により第２光束は吸収されてしまう。このため、第２光束が装置側壁などで反射して受光部にノイズ光として混入することはない。
【００３１】
また、一実施形態の光学式物体識別装置では、上記第２集光手段が集光レンズを含み、上記ピンホール部は上記集光レンズの焦点距離の位置に設置された。
【００３２】
この実施形態の光学式物体識別装置では、ピンホール部が第２集光レンズの焦点位置に配置されているので、被測定物が第１集光レンズの焦点位置にあるとき、反射光束はピンホール部面上でもっとも集光される。被測定物が第１集光レンズの焦点位置にあるとき、被測定物上で入射光はもっとも集光され、その光密度はもっとも大きくなる。したがって、このときピンホール部を通過する光量は最大となり、Ｓ/Ｎを向上させることができる。
【００３３】
また、一実施形態の光学式物体識別装置では、上記ピンホール部が配置された位置における反射光束の径が、上記ピンホール部の孔径よりも小さい。
【００３４】
この実施形態の光学式物体識別装置では、ピンホール部の孔径がピンホール部面上でのビーム径よりも大きいので、信号光がピンホール部によりカットされることはない。
【００３５】
また、一実施形態の光学式物体識別装置では、上記第１光束は上記第１集光手段のほぼ中心に入射する。
【００３６】
この実施形態の光学式物体識別装置では、第１集光手段のほぼ中心に第１光束が入射するので、偏光状態が保存される正反射光成分を中心とした対称な偏光解消特性の光を受光部で受光できる。
【００３７】
また、一実施形態の光学式物体識別装置では、上記第１光束は上記第１集光手段の端部に入射することを特徴とする。
【００３８】
この実施形態の光学式物体識別装置では、第１集光手段の端部に第１光束を入射させるので、反射光束の正反射成分は第１集光手段の端部で集光される。第１光束が入射した付近で集光される反射光束は、より多くの偏光解消特性を示す光束であるので、被測定物をより高精度に識別することができる。
【００３９】
また、一実施形態の光学式物体識別装置では、上記半導体発光素子から出射した光を上記被測定物上に集光する第１集光手段を有し、
上記被測定物で反射した光のうち、上記第１集光手段に入射する光束と重なる部分を除き、この重なる部分以外の周辺部の反射光束を上記受光部に向かわせる導光手段を有し、
上記周辺部の反射光束を上記受光部で検出する。
【００４０】
この実施形態の光学式物体識別装置では、半導体発光素子より出射した光束のうち、信号に寄与しない光の量を大幅に低減でき、発光した光の信号光への寄与率を高めることができる。したがって、半導体発光素子の発光量を低減でき、消費電流を低減することができる。
【００４１】
また、一実施形態の光学式物体識別装置では、上記光分岐素子により分割された上記第２光束の進行方向を変更させる光軸変更手段を有し、上記光軸を変更した第２光束と上記第１光束は略平行な光軸を有し、上記第１および第２光束は同一の第１集光手段に入射することを特徴とする。
【００４２】
上記実施形態の光学式物体識別装置では、半導体発光素子より出射した光の信号光への寄与率を高めることができ、装置の消費電流を低減できるとともに、特別な加工を必要としない一般的な光学部品で構成できるため、装置の作製が容易となる。
【００４３】
また、一実施形態の光学式物体識別装置では、上記半導体発光素子から出射した光束を第１および第２光束に分割する第１光分岐素子と、
上記被測定物で反射した光を第１および第２反射光束に分割する第２光分岐素子とを備え、
上記受光部は、
上記第１反射光束を受光する第１受光素子と、
上記第２反射光束を受光する第２受光素子とを有し、
さらに、上記第１受光素子に入射する光の偏光状態を選択する偏光状態選択素子を有し、
上記信号処理部は上記第１受光素子が出力する信号と上記第２受光素子が出力する信号との比を計算する。
【００４４】
この実施形態の光学式物体識別装置では、第２光分岐素子でもって反射光束を第１、第２の反射光束に２分割し、一方の第１の反射光束は偏光状態選択素子(一例として直線偏光子)を介して第１受光素子で受光して偏光解消特性を測定する。また、もう一方の第２の反射光束は直線偏光子を介さずに第２受光素子で受光して全方向の光を受光する。直線偏光子等の偏光状態選択素子を介さずに第２受光素子で受光された信号は、被測定物の反射率の情報を含んでいる。したがって、信号処理部でもって、第１受光素子が出力する信号と第２受光素子が出力する信号との比を計算することによって、被測定物の表面の反射率のばらつきによる被測定物の識別の精度低下を防ぐことができる。
【００４５】
また、一実施形態の光学式物体識別装置では、上記半導体発光素子から出射した光束を第１および第２光束に分割する第１光分岐素子と、
上記被測定物で反射した光を第１および第２反射光束に分割する第２光分岐素子とを備え、
上記受光部は、
上記第１反射光束を受光する第１受光素子と、
上記第２反射光束を受光する第２受光素子とを有し、
さらに、上記第１受光素子に入射する光の偏光状態を選択する第１偏光状態選択素子と、
上記第２受光素子に入射する光の偏光状態を選択する第２偏光状態選択素子を有し、
上記第１偏光状態選択素子が選択する偏光方向と第２偏光状態選択素子が選択する偏光方向とが互いに略直交することを特徴とする。
【００４６】
この実施形態の光学式物体識別装置では、反射光束を第１、第２の反射光束に２分割し、第１、第２の反射光束を、選択する偏光方向が直交する第１、第２の偏光状態選択素子(例えば直線偏光子)を介して、それぞれ、第１、第２受光素子で受光する。これにより、両受光素子が出力する信号は偏光解消特性の最も特性の異なる２成分を抽出することになるので、被測定物の識別の精度を向上させることができる。
【００４７】
また、一実施形態の光学式物体識別装置では、上記第１偏光状態選択素子が選択する偏光方向は上記第１光束の偏光方向と略平行であり、
上記第２偏光状態選択素子が選択する偏光方向は上記第１光束の偏光方向と略垂直である。
【００４８】
この実施形態の光学式物体識別装置では、反射光束を第１、第２反射光束に２分割し、第１反射光束は、選択偏光方向が第１光束の偏光方向と同方向に配置された第１偏光状態選択素子(直線偏光子)を介して第１受光素子で偏光解消特性を測定する。一方、第２の反射光束は、選択偏光方向が第１光束の偏光方向と直交する方向に配置された第２偏光状態選択素子(直線偏光子)を介して第２受光素子で偏光解消特性を測定する。両受光素子が出力する信号強度は、第１、第２の偏光状態選択素子(直線偏光子)のそれぞれの選択偏光方向が直交していることから、一方の信号強度が大きい時はもう一方は小さくなる。このため、偏光解消特性をより高精度に評価することが可能となる。
【００４９】
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偏光状態選択素子が直線偏光子であることを特徴とする。
【００５０】
この実施形態の光学式物体識別装置では、直線偏光子を用いているので、特定の方向に偏光した光を受光するのに好適である。
【００５１】
また、一実施形態の光学式物体識別装置では、上記第２光分岐素子と上記第１および第２偏光状態選択素子とを偏光ビームスプリッタで構成したことを特徴とする。
【００５２】
この実施形態の光学式物体識別装置では、偏光ビームスプリッタを用いることにより、無偏光ビームスプリッタと直線偏光子を用いた光学系に比べて、部品点数を削減することができる。
【００５３】
また、一実施形態の光学式物体識別装置では、上記信号処理部が上記第１受光素子が出力する信号と上記第２受光素子が出力する信号との比を計算する。
【００５４】
この実施形態の光学式物体識別装置では、信号処理部で、両受光素子の出力の比を計算することにより、被測定物の識別の精度を向上させることができる。
【００５５】
また、一実施形態の光学式物体識別装置では、上記信号処理部が上記第１受光素子が出力する信号と上記第２受光素子が出力する信号との差を計算する。
【００５６】
この実施形態の光学式物体識別装置では、両受光素子に対応するそれぞれの偏光状態選択素子(直線偏光子)の選択偏光方向が直交していることにより、両受光素子が出力する信号強度は、一方の信号強度が大きい時はもう一方は小さくなる。このため、両出力信号の差を計算することにより、偏光解消度が小さい被測定物ほど出力信号差は大きくなり、被測定物の識別を精度よく行うことができる。
【００５７】
また、一実施形態の光学式物体識別装置では、上記信号処理部は、
上記第１受光素子が出力する信号と上記第２受光素子が出力する信号との差を計算し、
上記差と、上記第１受光素子が出力する信号と上記第２受光素子が出力する信号との和との比、もしくは、
上記差と、上記第１受光素子が出力する信号または上記第２受光素子が出力する信号との比を計算することを特徴としている。
【００５８】
この実施形態の光学式物体識別装置では、信号処理部は、両受光素子の出力信号差と、両受光素子の出力信号の和との比、もしくは、両受光素子の出力信号差と、第１受光素子の出力信号または第２受光素子の出力信号との比を計算する。
【００５９】
これらの比の計算において、たとえば、上記出力信号差を分子とすると、この分子は被測定物の表面状態に起因した偏光解消特性を表し、上記両受光素子の出力信号の和を分母とすると、この分母は被測定物の表面の反射率に起因した受光信号となる。したがって、被測定物の表面の反射率のばらつきによる影響を低減した高精度な被測定物の識別が可能となる。
【００６０】
また、一実施形態の光学式物体識別装置では、上記半導体発光素子が半導体レーザであることを特徴とする。
【００６１】
上記実施形態の光学式物体識別装置では、半導体発光素子として、半導体レーザを用いたので、被測定物上での光密度を高めることができ、受光信号強度を大きくすることができ、高精度な被測定物の識別が可能となる。
【００６２】
また、一実施形態の光学式物体識別装置では、上記受光素子がフォトダイオードで形成されている。
【００６３】
この実施形態の光学式物体識別装置では、受光素子としてフォトダイオードを用いることにより、装置構成を小型化することに適しており、またそのコストを低減することも可能であり、非常に好適である。
【００６４】
また、一実施形態の光学式物体識別装置では、上記第１受光素子および第２受光素子が同一半導体基板上に形成されていることを特徴とする。
【００６５】
上記実施形態の光学式物体識別装置では、同一半導体基板上に第１受光素子(フォトダイオード)と第２受光素子(フォトダイオード)が形成されているので、部品点数を削減することができる。したがって、製造コストを低減できる。
【００６６】
また、一実施形態の光学式物体識別装置では、上記受光部と上記信号処理部とが同一半導体基板上に形成されている。
【００６７】
この実施形態の光学式物体識別装置では、同一半導体基板上に受光部(一例としてフォトダイオード)と信号処理部とが形成されているので、フォトダイオード等で構成される受光部と信号処理部の回路とを結線するワイヤーが不要となり、ノイズレベルを低減できるとともに、部品点数を削減できる。したがって、製造コストを低減できる。
【００６８】
また、一実施形態の光学式物体識別装置では、上記第１受光素子、第２受光素子および信号処理部が同一半導体基板上に形成されていることを特徴とする。
【００６９】
この実施形態の光学式物体識別装置では、同一半導体基板上に第１および第２受光素子(フォトダイオード)と信号処理部が形成されているので、さらに部品点数が削減できるとともに、ノイズレベルも低減することができる。
【００７０】
また、一実施形態では、上記受光部は、複数の受光素子が整列された受光素子群を有する。
【００７１】
この実施形態の光学式物体識別装置では、反射による偏光解消特性の位置依存性を測定することが可能であり、１つのフォトダイオードを用いる場合に比べて、より高精度に被測定物の識別が可能となる。
【００７２】
また、一実施形態の光学式物体識別装置では、上記信号処理部は、上記受光素子群のうちで最大強度を示す受光素子の信号強度によって、上記受光素子群の各受光素子の信号を規格化することを特徴としている。
【００７３】
この実施形態の光学式物体識別装置では、偏光解消特性の位置依存性を受光素子の信号強度の最大値で規格化しているので、被測定物の表面の反射率のばらつきによる影響を低減でき、より高精度に被測定物の識別が可能となる。
【００７４】
また、一実施形態の光学式物体識別装置では、上記第１集光手段が第１集光レンズで構成されており、
この第１集光レンズの焦点位置と上記被測定物表面との間の距離を変化させることを特徴としている。
【００７５】
この実施形態の光学式物体識別装置では、第１集光レンズの焦点位置と被測定物表面との間の距離を変化させるので、被測定物の表面の凹凸が大きいときでも第１集光レンズの焦点位置に被測定物の表面を位置させることができる。したがって、識別可能な被測定物の範囲を広げることができる。
【００７６】
また、一実施形態の光学式物体識別装置では、上記第１集光レンズを振動させるレンズ振動機構を有し、
上記レンズ振動機構で上記第１集光レンズのレンズ位置を変化させることによって、上記第１レンズの焦点位置と上記被測定物表面との間の距離を変化させる。
【００７７】
この実施形態の光学式物体識別装置では、第１集光レンズを振動させるレンズ振動機構を有するので、第１集光レンズの焦点位置と被測定物表面との間の距離を変化させる手段として好適である。
【００７８】
また、一実施形態の光学式物体識別装置では、上記レンズ振動機構がカムを有することを特徴とする。
【００７９】
この実施形態の光学式物体識別装置では、レンズ振動機構がカムで構成されているので、レンズ振動機構として好適である。
また、一実施形態の光学式物体識別装置では、上記カムのカム曲線が正弦波カーブであることを特徴とする。
【００８０】
この実施形態の光学式物体識別装置では、カムのカム曲線が正弦波カーブであるので、レンズの振動状態を簡単な計算で算出でき、任意の時間でのレンズ位置が容易に得られ、適切な反射光信号を信号処理部で処理することができる。
【００８１】
また、一実施形態の光学式物体識別装置では、上記レンズ振動機構がソレノイドコイルを有することを特徴とする。
【００８２】
上記実施形態の光学式物体識別装置では、ソレノイドコイルによる吸引力または押出し力とバネを用いたレンズ振動機構を構成できる。
【００８３】
また、一実施形態の光学式物体識別装置では、上記レンズ振動機構が回転運動を直線往復運動に変換するクランク機構を有する。
【００８４】
この実施形態の光学式物体識別装置では、レンズ振動機構としてクランク機構を用いることによりレンズ振動機構の構成を簡便にすることができる。
また、一実施形態の光学式物体識別装置では、上記レンズ振動機構がアクチュエータを有することを特徴とする。
【００８５】
上記実施形態の光学式物体識別装置では、レンズ振動機構としてアクチュエータを用いることにより装置構成を小型化することができる。
【００８６】
また、一実施形態の光学式物体識別装置では、上記レンズ振動機構は、レンズ保持具に取り付けられた羽根で風を受けてレンズを振動させることを特徴とする。
【００８７】
この実施形態の光学式物体識別装置では、レンズ振動機構としてモータなどの駆動力を要する部品が不要であるから、装置構成の製造コストを低減できる。
【００８８】
また、一実施形態の光学式物体識別装置では、上記第１集光レンズが累進レンズからなり、上記第１光束が上記累進レンズに入射する位置を変化させることにより、上記第１集光レンズの焦点位置と上記被測定物表面との間の距離を変化させることを特徴とする。
【００８９】
上記実施形態の光学式物体識別装置では、累進レンズを用いることにより装置構成を小型化することができる。
【００９０】
また、一実施形態の光学式物体識別装置では、上記累進レンズを上記第１光束と略垂直な平面内で移動させることによって、上記累進レンズの焦点位置と上記被測定物表面との間の距離を変化させる。
【００９１】
この実施形態の光学式物体識別装置では、第１集光レンズをなす上記累進レンズの振動幅を低減できるので、装置構成を小型化できる。
また、一実施形態の光学式物体識別装置では、液晶を含む光スイッチを上記累進レンズに入射する第１光束の光軸上に配置した。
【００９２】
この実施形態の光学式物体識別装置では、液晶を用いた光スイッチを用いることにより、上記装置を構成するどの部品も振動させることなく、第１集光レンズをなす累進レンズの焦点位置と被測定物表面との間の距離を変化させることができる。このため、装置構成の簡便化や小型化、信頼性を向上させることができる。
【００９３】
また、一実施形態の光学式物体識別装置では、上記第１集光レンズの焦点位置と上記被測定物表面との間の距離の変化量を、上記被測定物の表面の凹凸レベル差よりも大きくすることを特徴とする。
【００９４】
この実施形態の光学式物体識別装置では、被測定物の表面の凹凸レベル差よりも、第１集光レンズの焦点位置と被測定物表面との間の距離の変化量が大きいので、確実に第１集光レンズの焦点位置からの反射光信号を得ることができる。
【００９５】
また、一実施形態の光学式物体識別装置では、上記第１集光レンズの焦点位置と上記被測定物表面との間の距離の変化量が、５ｍｍ乃至１５ｍｍである。
【００９６】
この実施形態の光学式物体識別装置では、第１集光レンズの焦点位置と被測定物表面との間の距離の変化量を５ｍｍ〜１５ｍｍとすることにより、識別できる測定対象の大多数をカバーすることができる。
【００９７】
また、一実施形態の光学式物体識別装置では、上記第１光束を上記被測定物上に集光して照射する第１集光手段と、
上記被測定物で反射した光のうち上記第１集光手段を通過した光を集光する第２集光手段とを有し、
上記第２集光手段と上記第１および第２受光素子との間に配置されたピンホール部を有し、
上記第１集光手段が第１集光レンズで構成されており、
この第１集光レンズの焦点位置と上記被測定物表面との間の距離を変化させる機構を有し、
上記信号処理部は、
上記第１集光レンズと上記被測定物表面との間の距離が上記第１集光レンズの焦点距離と略等しくなるフォーカス時における上記第１受光素子の出力であるフォーカス信号と、
上記第１集光レンズと上記被測定物表面との間の距離が上記第１集光レンズの焦点距離と異なるデフォーカス時の上記第２受光素子の出力であるデフォーカス信号との比を計算することを特徴としている。
【００９８】
この実施形態の光学式物体識別装置によれば、反射光信号を２つに分割してフォーカス時とデフォーカス時の信号を用いることにより、被測定物の識別の精度を向上させることができる。
【００９９】
また、一実施形態の光学式物体識別装置では、上記第１光束を上記被測定物上に集光して照射する第１集光手段と、
上記被測定物で反射した光のうち上記第１集光手段を通過した光を集光する第２集光手段とを有し、
上記第２集光手段と上記第１および第２受光素子との間に配置されたピンホール部を有し、
上記第１集光手段が第１集光レンズで構成されており、
この第１集光レンズの焦点位置と上記被測定物表面との間の距離を変化させる機構を有し、
上記信号処理部は、
上記第１集光レンズと上記被測定物表面との間の距離が上記第１集光レンズの焦点距離と略等しくなるフォーカス時における上記第１受光素子の出力であるフォーカス信号と、
上記第１集光レンズと上記被測定物表面との間の距離が上記第１集光レンズの焦点距離と異なるデフォーカス時の上記第２受光素子の出力であるデフォーカス信号とを処理することを特徴としている。
【０１００】
この実施形態の光学式物体識別装置では、反射光を第１、第２反射光束の２つに分割して、それぞれ、第１、第２受光素子で受光し、第１受光素子が出力するフォーカス時のフォーカス信号と第２受光素子が出力するデフォーカス時のデフォーカス信号を直交する偏光成分として測定する。これにより、被測定物の識別の精度を向上させることができる。
【０１０１】
また、一実施形態の光学式物体識別装置では、上記信号処理部は、上記フォーカス信号と上記デフォーカス信号の比を計算する。
【０１０２】
この実施形態の光学式物体識別装置では、直交する偏光成分であるフォーカス信号とデフォーカス信号との比を計算することにより、被測定物の識別の精度を向上させることができる。
【０１０３】
また、一実施形態の光学式物体識別装置では、上記信号処理部は、上記フォーカス信号と上記デフォーカス信号との差を計算する。
【０１０４】
この実施形態の光学式物体識別装置では、上記信号処理部が、上記フォーカス信号と上記デフォーカス信号との差を計算することにより、被測定物の識別の精度を向上させることができる。
【０１０５】
また、一実施形態の光学式物体識別装置では、上記信号処理部は、上記フォーカス信号と上記デフォーカス信号との差を計算し、上記差と上記フォーカス信号との比を計算することを特徴とする。
【０１０６】
この実施形態の光学式物体識別装置では、被測定物の表面の反射率のばらつきによる影響を低減できるため、被測定物の識別の精度を向上させることができる。
【０１０７】
また、一実施形態の光学式物体識別装置では、上記半導体発光素子に変調信号を印加することにより光強度変調をかけ、
上記信号処理部は、
上記変調信号がＨレベルである時に上記受光部が出力する第１出力信号と上記変調信号がＬレベルである時に上記受光部が出力する第２出力信号との差を計算する。
【０１０８】
この実施形態の光学式物体識別装置では、半導体発光素子に強度変調をかけて変調信号のＨレベル時とＬレベル時の第１出力信号と第２出力信号との差を計算する。これにより、受光部に入射する外乱光ノイズの影響を除去できる。
【０１０９】
また、一実施形態の光学式物体識別装置では、上記半導体発光素子に印加する変調信号が矩形波であることを特徴とする。
【０１１０】
上記実施形態の光学式物体識別装置では、半導体発光素子に印加する変調信号が矩形波であるので、外乱光ノイズの除去効果を向上させることができる。
【０１１１】
また、一実施形態の光学式物体識別装置では、上記Ｌレベル時の半導体発光素子の発光量が略０Ｗである。
【０１１２】
この実施形態の光学式物体識別装置では、Ｌレベル時の発光量が略０Ｗであるので、Ｌレベル時の第２出力信号により外乱光ノイズのみを測定することができる。したがって、外乱光ノイズの除去効果を向上させることができる。
【０１１３】
また、一実施形態の光学式物体識別装置では、上記光強度変調の上記変調周波数が５０ｋＨｚ以上であることを特徴とする。
【０１１４】
この実施形態の光学式物体識別装置では、一般的な外乱光ノイズの周波数帯以上で半導体発光素子を変調しているので、外乱光ノイズの除去効果を向上させることができる。
【０１１５】
また、一実施形態の光学式物体識別装置では、上記光強度変調の変調周波数が１００Ｈｚから１０ｋＨｚであることを特徴とする。
【０１１６】
この実施の形態の光学式物体識別装置では、一般的な外乱光ノイズの周波数帯と半導体発光素子の変調周波数がオーバーラップしないので、外乱光ノイズの除去効果を高めることができる。
【０１１７】
また、一実施形態の光学式物体識別装置では、上記信号処理部は、
上記変調信号がＨレベルのときに、受光部からの第１出力信号をそのまま通過させると共に、上記変調信号がＬレベルのときに、上記変調信号がＨレベルのときの上記第１出力信号をサンプルホールドする第１サンプルホールド回路と、
上記変調信号がＬレベルのときに、受光部からの第２出力信号をそのまま通過させると共に、上記変調信号がＨレベルのときに、上記変調信号がＬレベルのときの上記第２出力信号をサンプルホールドする第２サンプルホールド回路と、
上記第１サンプルホールド回路が出力する信号と上記第２サンプルホールド回路が出力する信号との差動を取る差動回路とを備えた。
【０１１８】
この実施形態の光学式物体識別装置では、第１サンプルホールド回路はＨレベル時の第１出力信号をサンプルホールドするとともに、第２サンプルホールド回路はＬレベル時の第２出力信号をサンプルホールドする。そして、差動回路は、第１出力信号と第２出力信号との差を計算する。これにより、外乱光ノイズを除去する回路構成を実現することができる。
【０１１９】
また、一実施形態の光学式物体識別装置では、上記信号処理部は、
上記受光部で検出した信号を増幅する増幅部と、
上記増幅部の増幅度を、上記受光部の信号強度に応じて切り替える増幅度切替部とを有する。
【０１２０】
また、一実施形態の光学式物体識別装置では、上記増幅度切替部は、
所定の時刻における上記増幅部の信号強度をホールドし、このホールドした値と基準値とを比較することにより、上記増幅部の増幅度を決定する。
【０１２１】
この実施形態の光学式物体識別装置では、所定の時刻の信号強度をホールドすることにより、経時変化する信号強度における所望の時刻での信号強度を用いて増幅度を切り替えることができる。
【０１２２】
また、一実施形態の光学式物体識別装置では、上記信号処理部は、
上記受光部で検出した信号を増幅する増幅部と、
上記増幅部の増幅度を、上記受光部の信号強度に応じて切り替える増幅度切替部とを有し、
上記増幅度切替部は、
所定の時刻における上記増幅部の信号強度をホールドし、このホールドした値と基準値とを比較することにより、上記増幅部の増幅度を決定し、
さらに、上記増幅部は第１増幅器と第２増幅器を有し、上記増幅度切替部は第１増幅度切替器と第２増幅度切替器とピークホールド回路部とサンプルホールド回路部とを有し、
上記信号処理部は、
上記第１受光素子で検出された信号が入力されると共に上記第１増幅器と上記ピークホールド回路と上記第１増幅度切替器とを有する第１信号処理回路と、
上記第２受光素子で検出された信号が入力されると共に上記第２増幅器と上記サンプルホールド回路と上記第２増幅度切替器とを有する第２信号処理回路とを有し、
上記第１増幅度切替器は、上記ピークホールド回路の出力値に基づいて上記第１増幅器の増幅度を決定し、
上記第２増幅度切替器は、上記サンプルホールド回路の出力に基づいて上記第２増幅器の増幅度を決定することを特徴としている。
【０１２３】
この実施形態の光学式物体識別装置では、第１増幅度切替部は上記ピークホールド回路の出力値に基づいて第１増幅器の増幅度を決定する一方、第２増幅度切替部は上記サンプルホールド回路の出力値に基づいて上記第２増幅器の増幅度を決定する。このように、第１増幅器の増幅度決定に対してピークホールド回路を用い、第２増幅器の増幅度決定に対してサンプルホールド回路を用いるのが好適である。
【０１２４】
また、一実施形態の光学式物体識別装置では、上記信号処理部は、
上記増幅部の出力信号をホールドする機能を有し、
上記基準値と比較するために上記増幅部の出力信号をホールドするタイミングを、上記半導体発光素子に印加する変調信号を用いて決定する。
【０１２５】
この実施形態の光学式物体識別装置では、半導体発光素子の変調信号として用いられるパルス信号を用いることで、増幅部の出力信号を必要な時刻にホールドすることが容易に可能となる。
【０１２６】
また、一実施形態の光学式物体識別装置では、上記第１信号処理回路は、
上記フォーカス時の上記第１受光素子の出力であるフォーカス信号のピーク値を上記ピークホールド回路がホールドする時刻を基準時刻として検出するピーク位置検出部を有し、
上記第２信号処理回路は、
上記ピーク位置検出部が検出した上記基準時刻と上記半導体発光素子に印加する変調信号とに基づいて、上記デフォーカス時の上記第２受光素子の出力であるデフォーカス信号を上記サンプルホールド回路がサンプルホールドするタイミングを決定するタイミング検出部を有することを特徴とする。
【０１２７】
この実施形態の光学式物体識別装置では、第１信号処理回路のピーク位置検出部によりフォーカス信号のピーク位置が検出された時刻を基準時刻として用いて、第２信号処理回路のサンプルホールド回路でデフォーカス信号をサンプルホールドする時刻を決定する。これにより、容易にかつ精度よくデフォーカス信号をサンプルホールドするタイミングを決定することができる。
【０１２８】
また、一実施形態の光学式物体識別装置では、上記増幅度切替部は、
上記増幅部の出力信号レベルが設定された基準値範囲外であるときに、上記増幅部の増幅度を１段階ずつ増加もしくは減少させる。
【０１２９】
この実施形態の光学式物体識別装置では、上記増幅度切替器が増幅度を切り替えるとき、１段階ずつ切り替えるようにすることにより、目的の増幅度を選択するための回路機能を有する回路構成を簡単化できる。
【０１３０】
また、一実施形態の光学式物体識別装置では、上記信号処理部が有する上記増幅部は、複数の増幅器が直列接続された増幅器群を有することを特徴とする。
【０１３１】
この実施形態の光学式物体識別装置では、増幅部の構成を複数の増幅器の直列接続とすることにより、増幅度の大きな回路構成が必要な場合においても、複数の増幅器で増幅度を分割することができるので、回路動作を安定化させることができる。
【０１３２】
また、一実施形態の光学式物体識別装置では、上記増幅度切替部は、
上記増幅部を所定の増幅度にするときに、上記増幅器群のうちの所定の増幅器の入力接続抵抗を開放にする。
【０１３３】
この実施形態の光学式物体識別装置では、信号を増幅するダイナミックレンジが非常に広い場合においては、上記増幅器群の中では増幅度の小さいものを用いる必要が出てくるが、増幅器の入力抵抗を解放にすることにより、増幅度を１にすることができる。これにより、増幅度のダイナミックレンジが広く、かつ安定した回路動作を実現することができる。
【０１３４】
また、一実施形態の光学式物体識別装置では、上記第１信号処理回路は、上記フォーカス信号を含む第１信号を出力し、
上記第２信号処理回路は、上記デフォーカス信号を含む第２信号を出力し、
上記信号処理部は、
上記第１信号と第２信号をデジタル信号化するＡ/Ｄ変換部を有し、
上記第１増幅器の増幅度を表す第１増幅度信号と、上記第２増幅器の増幅度を表す第２増幅度信号と、上記Ａ/Ｄ変換部でデジタル信号化された第１および第２信号とに基づいて、上記フォーカス信号とデフォーカス信号の比、または上記フォーカス信号とデフォーカス信号の差、または上記フォーカス信号とデフォーカス信号の差と上記フォーカス信号との比を計算するデジタル信号処理回路を有する。
【０１３５】
この実施形態の光学式物体識別装置では、上記信号処理部は、上記フォーカス信号とデフォーカス信号の比や差を計算する手段として、第１、第２の各信号処理回路から出力された第１、第２の信号をＡ/Ｄ変換部でＡ/Ｄ変換してデジタル信号処理回路でデジタル処理することにより、簡便に所望の計算を行うことができる。
【０１３６】
また、一実施形態の光学式物体識別装置では、上記デジタル信号処理回路は、
上記デジタル信号化された第１信号および第２信号を蓄積するメモリを有し、
上記メモリは、上記第１信号と第２信号のそれぞれについて、少なくとも上記焦点位置の変動における半周期分の波形データを格納できる記憶容量を有する。
【０１３７】
この実施形態の光学式物体識別装置では、デジタル信号化された第１、第２の各信号の波形データを少なくとも半周期分以上蓄積できるメモリを有することにより、目的とする時刻の信号をメモリから取り出して確実に用いることができる。
【０１３８】
また、一実施形態の光学式物体識別装置では、上記デジタル信号処理回路は、
上記デジタル信号化された第１信号および第２信号を蓄積するメモリを有し、
上記メモリは、上記第１信号と第２信号のそれぞれについて、上記焦点位置の変動における１周期分の波形データを保存する。
【０１３９】
この実施形態の光学式物体識別装置では、デジタル信号化された第１、第２の各信号の波形データを１周期分蓄積することにより、さらに効率良く目的とする時刻の信号を用いることができる。
【０１４０】
また、一実施形態の光学式物体識別装置では、上記第１信号処理回路は、
上記フォーカス信号のピーク値を上記ピークホールド回路がホールドする時刻を基準時刻として検出するピーク位置検出部を有し、
上記第２信号処理回路は、
上記ピーク位置検出部が検出した上記基準時刻と上記半導体発光素子に印加する変調信号とに基づいて、上記デフォーカス信号を上記サンプルホールド回路部がサンプルホールドするタイミングを決定するタイミング検出部を有し、
上記Ａ/Ｄ変換部は、
上記第１信号処理回路が有する上記ピーク位置検出部が上記基準時刻を検出したことをトリガ信号としてＡ/Ｄ変換を開始し、
上記デジタル信号処理回路がＡ/Ｄ変換したデジタルデータを保存するメモリを備えた。
【０１４１】
この実施形態の光学式物体識別装置では、第１信号処理回路のピーク位置検出部が検出したフォーカス信号のピーク位置に対する基準時刻をトリガ信号として上記Ａ/Ｄ変換部によるＡ/Ｄ変換を開始する。そして、上記Ａ/Ｄ変換した各信号波形をメモリに蓄積することにより、所望のデータの計算を行う手段を簡便に構成できる。
【０１４２】
また、一実施形態の光学式物体識別装置では、上記第１信号処理回路が有する上記ピーク位置検出部が検出した上記基準時刻から上記メモリにデジタルデータを蓄積する過程において、
上記基準時刻から上記第２信号処理回路が有する上記タイミング検出部が決定したタイミングで上記サンプルホールド回路部がサンプルホールドを開始する時刻までの間に、上記ピーク位置検出部が新たな基準時刻を検出したときに、この新たな基準時刻までに上記メモリに格納されたデジタルデータをすべてクリアし、
上記Ａ/Ｄ変換部は、上記ピーク位置検出部が上記新たな基準時刻を検出したことをトリガ信号として、第１および第２信号のＡ/Ｄ変換を開始し、上記メモリにデジタルデータを保存する。
【０１４３】
この実施形態の光学式物体識別装置では、上記構成の第１、第２の信号処理回路により、被測定物の表面の凹凸が大きく、第１信号処理回路でピーク位置が検出されてから第２信号処理回路で所望のサンプルホールドを開始する時刻までに、再度、第１信号処理回路でピーク位置が検出された場合でも、その新たなピーク位置検出の時刻から再度メモリに信号波形のデジタルデータを蓄積し始める。これにより、誤った波形を用いて計算を行うことがなく、被測定物の識別の精度を向上させることができる。
【０１４４】
また、一実施形態の光学式物体識別装置では、上記デジタル信号処理回路は、
上記ピーク位置検出部が検出した基準時刻に基づいて、上記メモリに保存されたデジタルデータの中から、上記第１信号に含まれる上記基準時刻におけるフォーカス信号を取り出し、かつ、上記第２信号に含まれる所定の時刻におけるデフォーカス信号を取り出し、
上記第１信号処理回路の第１増幅器の増幅度を表す第１増幅度信号と、上記第２信号処理回路の第２増幅器の増幅度を表す第２増幅度信号とに基づいて、上記フォーカス信号とデフォーカス信号の比、または上記フォーカス信号とデフォーカス信号の差、または上記フォーカス信号とデフォーカス信号の差と上記フォーカス信号との比を計算する。
【０１４５】
この実施形態の光学式物体識別装置では、上記デジタル信号処理回路は、メモリに蓄積された信号波形のデジタルデータの中から上記第１信号による基準時刻のフォーカス信号と、第２信号による所定時刻のデフォーカス信号を取り出して計算する。この信号処理に際し、デジタル信号処理回路は、第１信号処理回路部と第２信号処理回路部の第１信号と第２の信号によるそれぞれ基準時刻と所定の時刻を表す所望のタイミング信号と第１、第２増幅度信号を用いる。これにより、信号処理が簡便化し迅速に計算を行うことができる。
【０１４６】
また、一実施形態の光学式物体識別装置では、上記デジタル信号処理回路は、
上記メモリに保存されたデジタルデータの内の上記デジタル信号化された第１信号に基づいて、上記第１信号のピーク位置を検出するデジタル信号演算部を有し、
上記デジタル信号演算部が検出したピーク位置の時刻データを基準時刻とし、この基準時刻におけるフォーカス信号を取り出し、
上記メモリに保存されたデジタルデータの内の上記デジタル信号化された第２信号から、上記基準時刻及び上記変調信号に基づくタイミング検出部で決まる所定の時刻におけるデフォーカス信号を取り出し、
上記第１増幅器の増幅度を表す第１増幅度信号と、上記第２増幅器の増幅度を表す第２増幅度信号とに基づいて、上記フォーカス信号とデフォーカス信号との比、または上記フォーカス信号とデフォーカス信号との差、または上記フォーカス信号とデフォーカス信号との差とフォーカス信号との比を計算することを特徴としている。
【０１４７】
この実施形態の光学式物体識別装置では、上記デジタル信号処理回路は、上記デジタル信号演算部を有し、メモリに蓄積された信号波形を表すデジタルデータを用いて、第１信号のピーク位置の時刻データ(基準時刻)や第２信号の所望の時刻のデフォーカス信号をデジタル信号処理する。これにより、第１信号処理回路や第２信号処理回路のタイミング計測用の回路が不要となり、回路構成を簡便化できる。
【０１４８】
また、一実施形態の光学式物体識別装置では、上記デジタル信号処理回路は、
上記メモリに保存されたデジタルデータの中から上記フォーカス信号および上記デフォーカス信号を取り出す過程において、
上記メモリに保存されたデジタルデータの内の、上記基準時刻の前と後の複数時刻、または上記基準時刻の前の複数時刻、または上記基準時刻の後の複数時刻における複数のフォーカス信号の平均値をフォーカス信号として取り出し、
上記メモリに保存されたデジタルデータの内の、上記基準時刻及び上記変調信号に基づくタイミング検出部で決まる所定の時刻の前と後の複数時刻、または上記基準時刻の前の複数時刻、または上記基準時刻の後の複数時刻における複数のデフォーカス信号の平均値をデフォーカス信号として取り出し、
上記第１信号処理回路の第１増幅器の増幅度を表す第１増幅度信号と、上記第２信号処理回路の第２増幅器の増幅度を表す第２増幅度信号とに基づいて、上記フォーカス信号とデフォーカス信号の比、または上記フォーカス信号とデフォーカス信号の差、または上記フォーカス信号とデフォーカス信号の差と上記フォーカス信号との比を計算する。
【０１４９】
この実施形態の光学式物体識別装置では、メモリに蓄積された信号波形を表すデジタルデータから所望の時刻でのフォーカス信号およびデフォーカス信号を取り出す際、所望の時刻付近の複数のフォーカス信号およびデフォーカス信号の信号強度の平均値を用いる。これにより、ノイズによる誤差を低減することができる。
【０１５０】
また、一実施形態の光学式物体識別装置では、上記デジタル信号処理回路は、
上記フォーカス信号とデフォーカス信号の比、または上記フォーカス信号とデフォーカス信号の差、または上記フォーカス信号とデフォーカス信号の差と上記フォーカス信号との比を計算して、上記被測定物を識別する過程において、
上記計算を複数回行い、この複数回の計算結果の平均を計算して上記被測定物を識別することを特徴としている。
【０１５１】
この実施形態の光学式物体識別装置では、フォーカス信号とデフォーカス信号を用いた複数回の計算結果を平均して被測定物の識別を行うことにより、被測定物の識別精度を向上させることができる。
【０１５２】
また、一実施形態の光学式物体識別装置では、上記被測定物との間の距離が所定値より大きいときは、上記半導体発光素子の発光をオフまたは低下させる。
【０１５３】
この実施形態の光学式物体識別装置では、被測定物との距離が所定値以上になったときに半導体発光素子の出力をオフまたは低下させることにより、測定不要時の待機電力を低減でき、さらに出射した光が人体等に危害を加えることを防止できる。
【０１５４】
また、一実施形態の光学式物体識別装置では、上記半導体発光素子の発光状態はレーザ製品の安全基準のクラス１を満足する。
【０１５５】
この実施形態の光学式物体識別装置では、上記装置からのレーザ光が万一人間の目に直接入射したとしても人体に危害を与えることはない。
【０１５６】
また、一実施形態の光学式物体識別装置では、筐体の一部に形成された光学窓を有し、上記第１集光レンズと上記光学窓との間の距離は、上記第１集光レンズの焦点距離よりも短い。
【０１５７】
この実施形態の光学式物体識別装置では、上記構成とすることにより、第１光束が出射する光学窓に埃など光を散乱させる物体が付着した場合でも、付着物からの反射光は第１集光レンズの焦点距離外にあるので、受光部にはほとんど入射しない。したがって、被測定物の識別時の誤作動を防ぐことができる。
【０１５８】
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。
【０１５９】
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】
【０１６０】
この発明の光学式物体識別装置によれば、被測定物に光を照射し、その反射光の偏光解消特性を評価することにより、表面粗度に対応した受光信号の変化が得られるので、被測定物の種類を識別することができる。
【０１６１】
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】
【０１６２】
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。
【０１６３】
(第１の実施形態)
図１は、この発明の第１の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))などがあり、被測定物９上での光密度が所望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が高く、ビーム径をより小さく集光することができ、単位面積あたりの光量を高めることができるので、ＬＤの方が好適である。以上より、この発明の実施形態では、半導体発光素子の一例としてＬＤを示し、以下の実施の形態では、半導体発光素子の一例としてＬＤを採用した。
【０１６４】
この第１の実施形態の光学式物体識別装置は、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、無偏光ビームスプリッタ４と、第１集光レンズ８とを備える。上記半導体レーザ１、コリメータレンズ２、絞り３、光分岐素子としての無偏光ビームスプリッタ４、第１集光手段としての第１集光レンズ８が投光部をなす。
【０１６５】
また、この第１実施形態は、第２集光レンズ１０と、ピンホール部１１と、偏光状態選択部をなす直線偏光子１３ａと、フォトダイオード等の受光素子で構成された受光部１２と、信号処理部としての信号処理回路１４とを備える。
【０１６６】
半導体レーザ１より出射した光は、コリメータレンズ(ＣＬ)２により平行光束に変換され、円形開口の絞り３によりビーム中心付近の光強度がほぼ一様となる部分のみが絞り３を通過して、ビーム断面形状が円形に変形される。その後、無偏光ビームスプリッタ４を通過する第１光束５と、無偏光ビームスプリッタ４で反射し被測定物９の表面と略平行に進行する第２光束６とに分割される。
【０１６７】
ここで、無偏光ビームスプリッタ４で反射した第２光束６は光学系から外れる。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、ノイズ光として受光部１２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ように、迷光防止手段としての直線偏光子１３ｂを設置してある。これにより直線偏光子１３ｂを第２光束６は通過できないため、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。
【０１６８】
無偏光ビームスプリッタ４を通過した第１光束５は、第１集光レンズ８の中心に入射し、第１集光レンズ８により被測定物９上に集光される。ここで、被測定物９は第１集光レンズ８のほぼ焦点距離に配置される。被測定物９で反射した第１光束５は全方位に拡散する。ここで、第１集光レンズ８と被測定物９との間の距離が第１集光レンズ８のほぼ焦点距離であるので、被測定物９で反射した光のうち、第１集光レンズ８を通過した光は、図１に示すように、第１集光レンズ８のレンズ径を有する平行反射光束７を形成する。一方、被測定物９で反射した光のうち、第１集光レンズ８を通過しない光は拡散し以後信号に寄与しない。
【０１６９】
また、図１に示す光学式物体識別装置では、上記第１集光レンズ８を通過しない反射光は受光部１２に入射しないような遮光手段(図示せず)が設けられている。以上の遮光手段は以後の実施の形態においても同様に設けられているが、説明は省略する。
【０１７０】
反射光束７は第１集光レンズ８で平行光束となった後、無偏光ビームスプリッタ４に再び入射して無偏光ビームスプリッタ４を通過する光束と無偏光ビームスプリッタ４で反射する光束に分割される。ただし、図１では無偏光ビームスプリッタ４を通過する光束は省略している。無偏光ビームスプリッタ４で反射した光束は第２集光レンズ１０で集光され、この第２集光レンズ１０の焦点距離に配置されたピンホール１１を通過した光束は、偏光状態選択部としての直線偏光子１３ａを経由して受光素子１２で検出される。
【０１７１】
ピンホール部１１は第２集光レンズ１０の焦点位置に配置されているので、被測定物９が第１集光レンズ８の焦点位置以外にあるときは、第２集光レンズ１０で集光された反射光束７はピンホール部１１面上でデフォーカス状態となり、ピンホール部１１のピンホール１１ａを通過する光量が大幅に減少する。
【０１７２】
このように配置することにより、第１集光レンズ８の焦点距離に配置された被測定物９について、受光部１２への光信号の信号強度を大きくすることができ、被測定物９上でのビーム径も小さくできる。これにより、反射光束７の光量が大きくなり、被測定物９を高精度に識別することが可能となる。
【０１７３】
受光部１２では、入射した光信号を電気信号に変換した後、この電気信号を後段の信号処理回路１４に送る。
【０１７４】
ところで、被測定物９に照射された第１光束５は、被測定物９の表面で反射し散乱する。一般に、光が反射する際、反射表面の形状によって反射光の偏光状態は変化する。たとえば、光学ミラーの表面のように、入射光の波長より十分に小さい面精度をもつ表面での反射では、入射光の偏光状態は保持されるが、入射光の波長に対して反射表面の凹凸のレベル差が大きいときは反射光が多重散乱を起こすので、偏光解消特性を示す。
【０１７５】
言い換えれば、反射光の偏光情報を測定することによって、被測定物９の表面の凹凸状態を知ることができる。この実施の形態では、図１に示すように、受光部１２の直前に、偏光状態選択部としての直線偏光子１３ａが設置されており、受光部１２は特定の方向に振動する偏光成分のみを検出するようになっている。
【０１７６】
いま、図１において、ＬＤ(半導体レーザ)１から出射する光の直線偏光が紙面に垂直な方向であるとすると、直線偏光子１３ａも紙面に垂直な偏光方向の光を通過させるように配置されている。このように配置することにより、受光部１２で反射光束７のうちの上記偏光方向の成分の光強度を測定し、その光強度のレベルを信号処理回路１４で検出する。
【０１７７】
ここで、被測定物９の表面の凹凸の程度に応じて、上記反射光束７の偏光の解消度が依存することから、上記信号処理回路１４で上記偏光方向の成分の光強度を測定することによって、被測定物９の種類(材質)を判別することができる。特に、既知の複数の異なる材質(表面形状)の被測定物の中から、被測定物９の種類(材質)を識別する場合に、信号処理回路１４が有するメモリＭに、予め既知の複数の異なる材質の被測定物による偏光解消度の情報を入力し、この既知の情報と測定結果と比較することによって、より効果的に測定対象の被測定物９の種類(表面形状)を判別できる。
【０１７８】
また、第１光束５は、被測定物９にほぼ垂直に入射しており、Ｓ波として入射している。ここで、Ｓ波について簡単に説明すると、入射光とその正反射光の光軸を含む入射面に対して、入射光の振動方向が垂直であるときに、この入射光はＳ波となる。一方、上記入射面に対して、入射光の振動方向が平行であるときに、この入射光はＰ波となる。Ｐ波は反射面に対して光の振動方向が垂直になる成分が存在し、この垂直な振動方向は、受光素子１２の直前に配置した直線偏光子１３ａが通過させる光の振動方向とは垂直の関係になる。このため、上記Ｐ波が含む上記振動方向が垂直の成分は、反射による偏光の解消度に対してノイズ成分となる。したがって、第１光束５は被測定物９の表面に対して垂直に入射するようにし、Ｓ波として入射させるのが好ましい。
【０１７９】
被測定物９は、第１集光レンズ８の焦点位置に配置されているため、被測定物９で反射、拡散した光は第１集光レンズ８により平行光束となる。また、ピンホール部１１は第２集光レンズ１０の焦点位置に配置されているため、反射光束７はピンホール部１１面上で最も集光される。一般に、理想的に反射光を平行光束であるとしたとき、最も集光された面でのビーム径(ビームウエスト)は使用するレンズにもよるが、数μｍから数十μｍ程度の大きさになる。ピンホール１１ａの径は上記ビームウエストよりいくらか大きくなっている。
【０１８０】
このような配置にすることにより、被測定物９が第１集光レンズ８の焦点距離から外れたとき、反射光束は平行光束とはならず、ピンホール部１１の表面上で反射光束はデフォーカス状態となり、ほとんどピンホール部１１を通過しない。このため、識別に必要な信号として、Ｓ／Ｎの大きい焦点付近に被測定物９があるときの信号を抽出して識別を行うことにより、誤検知を防ぎ、識別精度を向上させることができる。この実施形態の冒頭で説明したように、半導体発光素子としては、上記のようにＳ／Ｎを向上させるためにも、被測定物９上でより集光して光密度を上げることができる半導体レーザ(ＬＤ)が好適である。
【０１８１】
一方、受光部１２としては、光信号を電気信号に変換するものであれば、この発明の機能を満足することができるが、特に、フォトダイオードを用いることにより、装置構成を小型化することに適しており、またそのコストを低減することも可能であり、非常に好適である。さらに、フォトダイオードと後段の信号処理回路１４とを同一の半導体基板上に作製した場合には、フォトダイオードと信号処理回路１４との間を結線するワイヤー等にのってくるノイズを大幅に低減できる。さらに、フォトダイオードと信号処理回路１４とを同一基板上に作り込んだ場合には、チップ面積を縮小でき、コスト低減が可能となる。
【０１８２】
また、受光部を、複数のフォトダイオードが整列した構造とすることも可能である。例えば、分割型のフォトダイオードを１列に複数個並べた構造やＣＣＤ、ＣＭＯＳイメージャなどの撮像素子を用いることも可能である。
【０１８３】
１つのフォトダイオードで受光部を構成した場合には、この１つのフォトダイオードから得られる情報は光強度のみであるが、上述のように複数のフォトダイオードを備えた構造の受光部を用いた場合、複数のフォトダイオードの出力信号によって光強度の分布を測定することができる。これにより、強度のみの測定に比べて、測定対象である被測定物９をより精密に識別することが可能となる。
【０１８４】
図２は、上述のごとく複数のフォトダイオードを備えた受光部１２とした場合に、各位置のフォトダイオードが検出した光強度を、上記各位置の光強度のうちの最大値で規格化した値(規格化値)の分布を示す。
【０１８５】
被測定物９の表面が平滑である場合は、反射光束７は偏光解消度が低いので、偏光状態選択部としての直線偏光子１３ａを通過する光は光軸中心近傍が強くなる。したがって、図２に波形(3)で示すように、光軸を中心としたシャープな光強度分布となる。
【０１８６】
一方、被測定物９の表面の凹凸が大きく、反射光束７が多重散乱を起こす度合いが大きい場合においては、図２に波形(1)で示すように、光強度分布の形状はその最大値が低く、かつ、ブロードな光強度分布となる。また、図２に示す波形(2)は、被測定物９の表面の凹凸が、図２の波形(1)の場合よりも凹凸が小さいと共に図２の波形(3)の場合よりも凹凸が大きい場合の光強度分布の形状を示している。
【０１８７】
なお、上述した受光部を複数の受光素子からなる受光素子群で構成したことによる効果は、以後の実施の形態でも当てはまるが、以後の実施形態では説明を省略する。
【０１８８】
次に、図３(Ａ)に、上記第１の実施形態の変形例の光学式物体識別装置の概略構成を示す。この変形例では、図３(Ａ)に示すように、構成部品はすべて図１に示す第１実施形態と同じであり、第１集光レンズ８への第１光束５の入射位置が第１実施形態と異なっている。
【０１８９】
また、この変形例では、第１光束５がＳ波として被測定物９に入射するので、半導体レーザ１の出射光の偏光方向は紙面に垂直方向であり、これに合わせて直線偏光子１３ａが通過させる光の偏光方向も紙面に垂直方向に設定されている。
【０１９０】
この変形例においては、第１光束５が第１集光レンズ８のエッジ部８ａに入射しているので、第１光束５は所定の入射角をもって被測定物９に入射する。被測定物９で第１光束５が反射したときに、偏光が保持された成分は正反射方向にもっとも強くなることから、被測定物９への入射光(第１光束５)を斜入射にすることによって、反射、拡散による偏光解消の空間分布が変化する。
【０１９１】
この変形例では、第１集光レンズ８の中心部に第１光束５を入射させる第１の実施形態に比べて、第１集光レンズ８で集光されて受光部１２で検出される所定方向の偏光方向の光強度は変化する。この変形例では、特に、被測定物９で後方散乱する光をより多く受光部１２へと導くことができるので、受光部１２に向かう反射光束７は偏光解消した光の成分が多くなる。したがって、この変形例では、上述の第１実施形態に比べて、さらに高精度に被測定物９の識別が可能となる。
【０１９２】
また、この変形例では、正反射軸に対して光強度が最大となることから、受光部１２が上述した複数の受光素子が整列して配置された受光素子群で構成されている場合には、この受光部１２が検出する光強度分布のピーク強度位置は受光素子群の中央から端側に移動する。この場合における光強度分布は、図３(Ｂ)に示すように、光強度分布におけるテイル(尾部)の形状をより詳細に測定することができ、被測定物９を高精度に識別することが可能となる。
【０１９３】
(第２の実施形態)
図４に、この発明の第２の実施形態の光学式物体識別装置の概略構成を示す。図４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。また、図４において、図１に示した第１の実施形態の構成部と同一構成部には、図１における構成部と同一参照番号を付してあり、説明は省略する。この第２実施形態は、前述の第１実施形態の変形例の無偏光ビームスプリッタ４に替えて、導光手段としてのミラー１５を備えた点が、前述の第１実施形態の変形例と異なる。
【０１９４】
この第２の実施形態では、絞り３を出射した第１光束５は直接第１集光レンズ８のエッジ部８ａに入射し、第１集光レンズ８の焦点距離に配置された被測定物９上に集光される。また、第１光束５は被測定物９にＳ波として入射するので、半導体レーザ１の偏光方向は紙面に垂直方向であり、これに合わせて直線偏光子１３が通過させる偏光方向も紙面に垂直方向に設置されている。被測定物９によって、反射、拡散した光は再び第１集光レンズ８によって平行反射光束７となる。
【０１９５】
この第２実施形態は、導光手段としてのミラー１５を有し、このミラー１５は平行反射光束７の進行方向を変えて受光部１２に向ける。このミラー１５は、第１光束５と重ならないように配置されている。
【０１９６】
このように、ミラー１５を配置することによって、第１の実施形態やその変形例において、第２光束６として失われる余分な光を無くすことができる。したがって、半導体レーザ１から出射した光量のうちの信号光として利用できる光量の割合を高めることができる。これにより、半導体レーザ１の発光強度を低減させることができ、装置全体の消費電流を低減することが可能となる。
【０１９７】
なお、上記導光手段としては、例えば、第１光束５のビーム径より大きな径の穴が形成されたミラーが最も好適(図示せず)で、このミラーの穴を第１光束５が通過するように配置するのがより好ましい。
【０１９８】
(第３の実施形態)
次に、図５に、この発明の第３の実施形態の光学式物体識別装置の概略構成を示す。図５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。また、図５において、図１に示した第１の実施形態の構成部と同一構成部には、図１における構成部と同一参照番号を付してあり、説明は省略する。
【０１９９】
この第３実施形態は、直線偏光子１３ｂを有しておらず、無偏光ビームスプリッタ４に隣接して、光軸変更手段としてのミラー１５を備えた点が前述の第１実施形態と異なる。
【０２００】
この第３の実施形態では、無偏光ビームスプリッタ４を通過した第１光束５は第１集光レンズ８に入射する一方、無偏光ビームスプリッタ４を反射した第２光束６はミラー１５で反射されて進行方向が第１光束５と平行になり、第１光束５と同様に、第１集光レンズ８に入射する。第１集光レンズ８に入射した両光束５,６は、レンズ８の焦点位置に配置されている被測定物９上の同一点に照射される。
【０２０１】
被測定物９で反射した両光束５,６は、再び、第１集光レンズ８で屈折して平行反射光束７となる。図５に破線で示すように、この反射光束７の一部は、無偏光ビームスプリッタ４により進行方向が変えられ、かつ、反射光束７の別の一部はミラー１５により進行方向が変えられる。これにより、反射光束７は受光部１２に向かう同一光束となって、第２集光レンズ１０に入射する。この第２集光レンズ１０に入射後の光束７の処理は第１の実施形態や第２の実施形態と同様である。
【０２０２】
この第３実施形態のような光学系によれば、第１実施形態やその変形例において第２光束６により失われる余分な光を無くすことができるので、前述の第２の実施形態と同様に、半導体レーザ１から出射した全光量のうち信号光として利用できる光量の割合を高めることができる。これにより、半導体レーザ１の発光強度を低減させることができ、装置全体の消費電流を低減することが可能となる。
【０２０３】
さらに、この第３実施形態では、ビームスプリッタ４とミラー１５とを同一ユニットに組み込んだ一般的な光学部品を採用することができるので、第２実施形態で例示したようなミラーへの特別な穴加工を必要とせず、非常に容易に実現することが可能である。
【０２０４】
(第４の実施形態)
次に、図６に、この発明の第４の実施形態の光学式物体識別装置の概略構成を示す。図６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。また、図６において、図１に示した第１の実施形態の構成部と同一構成部には、図１における構成部と同一参照番号を付している。
【０２０５】
この第４実施形態は、第１実施形態における無偏光ビームスプリッタ４と同じ構成の第１光分岐素子としての第１無偏光ビームスプリッタ４ａに加えて、第２光分岐素子としての第２無偏光ビームスプリッタ４ｂを備える。この第２無偏光ビームスプリッタ４ｂは、ピンホール部１１と直線偏光子１３ａとの間に配置され、ピンホール部１１と第２無偏光ビームスプリッタ４ｂとの間には、第３集光レンズ１０ｂが配置されている。また、第２無偏光ビームスプリッタ４ｂと直線偏光子１３ａとの間には、第４集光レンズ１０ｄが配置されている。
【０２０６】
また、上記第２無偏光ビームスプリッタ４ｂで反射した光を第２の受光素子１２ａに向けて反射するミラー１５と、ミラー１５と第２の受光素子１２ａとの間に配置されたもう１つの第４集光レンズ１０ｃを備える。この第２の受光素子１２ａと第１の受光素子１２ｂとが受光部を構成している。
【０２０７】
この第４実施形態では、被測定物９で反射して第１集光レンズ８により平行光束となった反射光束７は、第１無偏光ビームスプリッタ４ａと第２集光レンズ１０ａを経由して、ピンホール部１１を通過した後、第３集光レンズ１０ｂに入射する。この第３集光レンズ１０ｂの焦点位置にピンホール部１１が配置されている。
【０２０８】
したがって、反射光束７は、第３集光レンズ１０ｂによって再び平行光束となり、第２無偏光ビームスプリッタ４ｂで２分割されて第２反射光束７ａと第１反射光束７ｂとなる。ここで、図６に示すように、第２反射光束７ａは第２無偏光ビームスプリッタ４ｂで上方に反射した光束を表し、第１反射光束７ｂは第２無偏光ビームスプリッタ４ｂを通過した光束を表している。第２反射光束７ａは、ミラー１５によって進行方向が変えられて、第１反射光束７ｂと平行となる。これにより、進行方向が同方向となった第２,第１の両光束７ａ,７ｂは、それぞれ、第４集光レンズ１０ｃおよび１０ｄによって集光され、第２受光素子１２ａと第１受光素子１２ｂで検出される。ただし、第１受光素子１２ｂと第４集光レンズ１０ｄの間には直線偏光子１３ａが配置されていて、この直線偏光子１３ａは透過させる偏光方向が第１光束５の偏光方向と同方向となるように配置されている。
【０２０９】
この第４実施形態では、第２受光素子１２ａは、第２無偏光ビームスプリッタ４ｂで分割された第２反射光束７ａのうちの全ての偏光方向の光を受光する。これに対し、第１受光素子１２ｂは、直線偏光子１３ａを経由して第１反射光束７ｂを受光するので、この直線偏光子１３ａが選択する所定の偏光方向の成分の光を受光する。これにより、先述の第１〜第３実施形態で説明した如く、この第１受光素子１２ｂで検出される信号は、被測定物９の表面状態を反映している。
【０２１０】
ところで、被測定物９は様々な反射率をもっていることから、第１受光素子１２ｂで検出した強度信号の絶対値のみで被測定物９の表面状態を測定した場合には、上記強度信号の絶対値への寄与に関して、被測定物９表面での偏光乱れが支配的なのか、単に被測定物９の反射率の大小が支配的なのかを区別できない。言い換えれば、被測定物９による偏光解消度が大きくても被測定物９表面の反射率が大きい場合は、上記強度信号は在る一定以上の出力強度を示すことがあり、誤検知を引き起こす恐れがある。
【０２１１】
これに対し、この第４実施形態では、第２受光素子１２ａで第２反射光束７ａの全ての偏光方向の光を受光するので、第２受光素子１２ａが出力する信号は被測定物９の反射率を測定していることに等しい。よって、信号処理回路１４は、これら第２,第１の両受光素子１２ａ,１２ｂの出力の比を計算する。この計算した出力信号の比でもって、被測定物９の表面状態を測定する。これにより、被測定物９の表面状態を測定するに際して、被測定物９の表面の反射率による信号強度のばらつきの影響を低減することができる。したがって、この第４実施形態によれば、被測定物９の表面状態の高精度な識別が可能となる。
【０２１２】
(第５の実施形態)
次に、図７に、この発明の第５の実施形態の光学式物体識別装置の概略構成を示す。図７では光線の軌跡や主要な光学部品のみを図示し、光学部品を保持する部品などの図示は省略している。また、図７において、図６に示した第４の実施形態の構成部と同一構成部には、図６における構成部と同一参照番号を付している。
【０２１３】
この第５の実施形態は、第４集光レンズ１０ｃと第２受光素子１２ａとの間に配置された第２偏光状態選択素子としての第２直線偏光子１３ｃを備えた点が、前述の第４実施形態と異なる。なお、この第５実施形態は、前述の第４実施形態と同じ直線偏光子１３ａを第１偏光状態選択素子としての第１直線偏光子１３ａとして備えている。この第５の実施形態では、第２受光素子１２ａと第４集光レンズ１０ｃの光軸上に第２直線偏光子１３ｃが設置されている。
【０２１４】
上記第１直線偏光子１３ａが選択する偏光方向と第２直線偏光子１３ｃが選択する偏光方向とは互いに略直交し、上記第１直線偏光子１３ａが選択する偏光方向は上記第１光束５の偏光方向と略平行であり、上記第２直線偏光子１３ｃが選択する偏光方向は上記第１光束５の偏光方向と略垂直である。
【０２１５】
すなわち、この第２直線偏光子１３ｃが選択する偏光方向は、第１直線偏光子１３ａが選択する偏光方向と直交するように配置されており、半導体レーザ１が出射した第１光束５の偏光方向と直交する方向に配置されている。
【０２１６】
先述したように、第１光束５が被測定物９で反射した後の反射光束７の偏光状態は、被測定物９の表面状態に起因する。このため、被測定物９の反射表面がより平滑であるほど、反射光束７の偏光方向は入射光束(第１光束５)の偏光方向と同じ成分の割合が高く、入射光束(第１光束５)の偏光方向と直交する偏光方向の割合は低くなる。例えば、反射光束７の光量を２Ｉ(任意単位)とすると、反射光束７は、光量Ｉの第２反射光束７ａと光量Ｉの第１反射光束７ｂと分割される。これら第１、第２の反射光束７ｂ、７ａの光量Ｉは全ての偏光方向成分を含んだ光量となっている。
【０２１７】
いま、被測定物９の表面状態をある状態に仮定して、第１,第２の反射光束７ｂ,７ａにおいて、それぞれ、第１光束５と同一方向に偏光している成分の光量をαＩ、それと直交している成分をβＩ、その他の偏光方向の和の成分が(１−α−β)Ｉとする。このとき、第１の反射光束７ｂは、第１直線偏光子１３ａを通過することで、光量αＩとなり、第１受光素子１２ｂに入射する一方、第２の反射光束７ａは、第２直線偏光子１３ｃを通過することで、光量βＩとなり、第２受光素子１２ａに入射する。
【０２１８】
したがって、この第５実施形態による測定結果、つまり信号処理回路１４が第１受光素子１２ｂからの出力信号と第２受光素子２ａからの出力信号との比を計算した結果、αＩ／βＩ ＝ α／βという結果が得られる。
【０２１９】
これに対し、第４の実施形態においては、信号処理回路１４が第１受光素子１２ｂからの出力信号と第２受光素子２ａからの出力信号との比を計算した結果、αＩ／Ｉ ＝ αという結果が得られる。
【０２２０】
ここで、係数αやβは共に、１以下の値であり、αが大きいほどβは小さくなるので、この第５実施形態で計算した比α／βによれば、第４実施形態で計算した比αに比べて、被測定物９の表面状態による偏光解消の影響をよりよく反映したものとなる。したがって、この第５実施形態によれば、第４実施形態に比べて識別精度が向上する。
【０２２１】
なお、この第５実施形態において、信号処理回路１４によって上記比を計算するかわりに、第１受光素子１２ｂからの出力信号と第２受光素子１２ａからの出力信号との差を計算してもよい。この場合にも、識別精度を向上させることができる。ただし、被測定物９表面の反射率のばらつきによる誤差を低減するために、上記差を計算した後、この差と、両受光素子１２ａ,１２ｂの出力信号の和との比を計算する方が好ましい。つまり、この計算結果は、(α−β)／(α＋β)となる。被測定物９における反射表面がより平滑であるほど、αとβの差は大きく、表面が粗いほどαとβの値の差は小さくなるので、より高精度に被測定物９の識別が可能となる。なお、分母(α＋β)の値は１を超えない値であり、被測定物９の表面の反射率に起因する計算結果のばらつきを低減している。
【０２２２】
また、この第５実施形態と同様の効果は、図７に示す第２無偏光ビームスプリッタ４ｂを偏光ビームスプリッタに置き換えて、第１直線偏光子１３ａと第２直線偏光子１３ｃを除去した構成でも得られる。偏光ビームスプリッタとは、入射する光束を、通過光の偏光方向と反射光の偏光方向とが直交するように分割するものである。この場合、図７に示す構成と全く同様の効果が得られ、部品点数も直線偏光子を有さない分だけ削減できる。
【０２２３】
また、上記第４および第５の実施形態における光学系を、図８(Ａ)に示すように、光学窓８０ａを有する筐体８０内に収容した構成としてもよい。光学窓８０ａから第１光束５が出射される。この構成では、無偏光ビームスプリッタ４ｂとミラー１５とをユニット化し、第４集光レンズ１０ｃ,１０ｄを同一プレートに作製したレンズ群を用いることにより、第２反射光束７ａと第１反射光束７ｂとの間の距離を縮小することができる。これにより、第２受光素子(フォトダイオード)１２ａと第１受光素子(フォトダイオード)１２ｂを同一半導体基板上に作製することが可能となり、製造コストを削減することができる。
【０２２４】
さらに、図８(Ｃ)に示すように、フォトダイオード１２ａ,１２ｂ間に信号処理回路１４ａ,１４ｂを作り込むことにより、先述したように大幅なノイズ低減効果があるばかりでなく、大幅なコスト削減を実現することができる。なお、図８(Ｂ)は、半導体レーザ１、コリメータレンズ２、絞り３、第１無偏光ビームスプリッタ４ａ、および第１集光レンズ８を１つの筐体８１に収容した場合の投光部を示している。
【０２２５】
(第６の実施形態)
次に、この発明の光学式物体識別装置の第６実施形態を説明する。上述のように、第１から第５の実施形態の各光学式物体識別装置では、第２集光レンズ１０の焦点位置にピンホール部１１が配置されているので、被測定物９が第１集光レンズ８の焦点位置にある時に強い信号を得ることができる。
【０２２６】
しかし、実際には被測定物９の表面の高低差の大きさは多様であり、識別したい物体によっては、第１集光レンズ８の焦点位置に被測定物９表面がほとんど位置しないことが懸念される。
【０２２７】
この第６実施形態は、このような被測定物９の表面の高低差が大きく、第１集光レンズ８の焦点位置に被測定物９が位置する確率が低い場合であっても適用可能な光学式物体識別装置を提供するものである。
【０２２８】
図９Ａには、被測定物９の表面に高低差がある場合に対応する光学式物体識別装置の一部の構成を模式的に示す。図９Ａに示すように、第１集光レンズ８が、被測定物９の表面に対して領域Ａに位置しているときは、第１集光レンズ８の焦点距離ｆの位置に被測定物９の表面が存在している。この場合は、強い受光信号が得られ、被測定物９の識別を精度良く行うことが可能である。
【０２２９】
しかし、図９Ａにおいて、第１集光レンズ８が領域Ｂに位置しているときは、この第１集光レンズ８の焦点位置と被測定物９の表面とが離隔して、被測定物９の表面が第１集光レンズ８の焦点位置に位置しなくなる。
【０２３０】
そこで、第１集光レンズ８を、被測定物９との間の距離が変化するように、図９Ａに矢印Ｇで示す方向に振動させる。この振動により、第１集光レンズ８の焦点位置を、図９Ａに破線で示すように、被測定物９の表面に位置させることが可能となる。
【０２３１】
なお、この第１集光レンズ８を振動させるレンズ振動系はアクチュエータで構成されてもよい。しかし、アクチュエータは駆動範囲が小さいので、表面の高低差の大きい被測定物９に対して、第１集光レンズ８の焦点位置を被測定物９の表面に位置させることは非常に困難である。
【０２３２】
次に、図９Ｂに、第６の実施形態の具体的な構成例１の概略構成を示す。この構成例１は、基本的に、前述の第５実施形態の構成を備えており、第１集光レンズ８を振動させる機構を備えた点が、前述の第５実施形態と異なる。したがって、この構成例１では、前述の第５実施形態と異なる点を重点的に説明する。
【０２３３】
図９Ｂに示すように、レンズ振動系はバネ１９とソレノイドコイル１７から構成することができる。ソレノイドコイル１７には、パルス電源１６がつながっている。第１集光レンズ８は、レンズホルダ１８で保持され、レンズホルダ１８には鉄心２１が固定されている。また、レンズホルダ１８には、鉄心２１の反対側にコイルバネ１９の一端が連結され、コイルバネ１９の他端は固定板２０に連結されている。上記鉄心２１は、ソレノイドコイル１７の略中心軸に沿って部分的に差し込まれている。
【０２３４】
上記レンズ振動系の構成によれば、ソレノイドコイル１７が鉄心２１を吸引する力と、バネ１９による復元力でもって、レンズホルダ１８を矢印Ｇの方向へ振動させることで、第１集光レンズ１８を矢印Ｇの方向へ振動させることができる。このソレノイドコイル１７には、パルス電源１６からのパルス変調された電流が流れている。パルス電源１６から出たパルス信号がオンの場合に、ソレノイドコイル１７に吸引力が働き、第１集光レンズ１８がソレノイド１７側に振れる。一方、上記パルス信号がオフの場合は、固定台２０に固定されたバネ１９による引張り力が働き、第１集光レンズ１８が被測定物９側に振れる。
【０２３５】
このパルス信号の変調周波数により任意の周波数のレンズ振動が可能である。このソレノイドコイル１７を用いた振動系では、可動範囲が大きいので、検出表面の高低差の大きい被測定物９に対しても、第１集光レンズ８の振動範囲のうちのいずれかの位置において、第１集光レンズ８の焦点位置を被測定物９の表面に位置させることが可能となる。
【０２３６】
次に、図１０(Ａ),(Ｂ)に、第６の実施形態の構成例２の概略構成を示す。図１０(Ａ)は被測定物９の表面の法線を含む所定の平面に向かって上記構成例２を見た様子を示す模式図であり、図１０(Ｂ)は上記平面に垂直な平面に向かって上記構成例２を見た様子を示す模式図である。
【０２３７】
この構成例２では、レンズ振動系をカム２８とモータ２２とで構成している。モータ２２はモータ固定板２３に固定され、モータ固定板２３はベース３１に固定されている。モータ２２の回転軸にカム２８が直結されている。このモータ固定板２３はスプリング２４でもって補助板２６に接続されている。
【０２３８】
上記補助板２６の一端部にベアリング２７が軸支され、このベアリング２７は、上記スプリング２４の付勢力でもってカム２８に向かって付勢されている。
【０２３９】
上記補助板２６の他端部にレンズホルダ３０が固定され、このレンズホルダ３０に第１集光レンズ８が装着されている。また、この補助板２６の中間部にはガイド２５が固定されている。このガイド２５は、別の補助板２９に案内されて光軸Ｊに沿って摺接可能になっている。この補助板２９は固定台８８に固定され、固定台８８はベース３１に固定されている。
【０２４０】
ガイド２５は光軸Ｊと同方向の一次元の方向にのみ動くことができる。スプリング２４は、カム２８が回転したときにベアリング２７とカム２８との間にすき間ができない程度のばね定数を必要とする。また、モータ２２には、カム２８を回転させる程度のトルクが必要である。図１０(Ｂ)に示すように、カム２８の回転中心軸の延長線が、光軸Ｊと交わるように、ベース３１からのモータ２２の高さを設定している。このカム２８の形状を適切に選択することによって、第１集光レンズ８が所望のレンズ振動振幅を有するように設定可能である。このカム２８の外周輪郭形状をサインカーブ形状にして、カム２８をサインカーブカムとすることによって、任意の時間におけるレンズ位置を計算することができる。この場合、カム２８の中心Ｐから外径までの距離Ｒを、Ｒ＝ｒ＋ａｓｉｎθ (ｍｍ)と書くことができる。例えば、ａ＝５ｍｍとすることにより、振幅５(ｍｍ)、つまり振動幅１０ｍｍのサインカーブに対応して、第１集光レンズ８が光軸Ｊに沿って直線状に振動する。
【０２４１】
次に、図１１Ａに、第６実施形態の構成例３の概略構成を示す。図１１Ａにおいて、中央にこの構成例３の主断面を模式的に示し、上方に上面形状を模式的に示し、下方に部分横断面を模式的に示し、左方に側方から見た部分断面形状を模式的に示す。この構成例３では、レンズ振動系を、モータ２２の回転運動をレンズ振動の往復運動に変換するようなクランク機構をもつ振動系で構成した。
【０２４２】
図１１Ａに示すように、第１集光レンズ８はレンズホルダ３０に保持されてスライダ３３に固定されている。このスライダ３３は、筐体８３内で位置固定されたガイド３２に沿って、光軸に沿った一次元方向にのみ滑る。スライダ３３は円板３４の中心からずれた箇所に軸支されて取り付けられている。この円板３４は真円である。モータ２２は円板３４に直結しているので、モータ２２が１回転する間に第１集光レンズ８が光軸に沿って１周期だけ往復振動する。円板３４の半径がレンズ振動の振幅に相当するので、円板３４の半径を被測定物９の表面の高低差以上に設定すればよい。
【０２４３】
この構成例３の構造ではバネを使わないので、バネが伸びるといった不具合を生じる心配がなく、機械的信頼性も高い。上記構成例２で示したカム２８を用いたレンズ振動系においては、バネ２４に伸びが生じるとバネ定数が小さくなり、ベアリング２７がカム２８から離れるようになり、レンズの振動が設計と異なるようになってしまう。これに対して、この構成例３においてはそのような心配もない。
【０２４４】
次に、図１１Ｂに、上記第６実施形態の構成例４の概略構成を示す。図１１Ｂにおいて中央にこの構成例４の断面を模式的に示し、左方にプロペラ３６を回転軸の方向に見た様子を示す。図１１Ｂに示す構成例４では、レンズ振動系は水や風の流れを利用した振動系としている。この図１１Ｂの構成例４では、前述の図１１Ａの構成例３で用いたモータ２２に替えて、回転軸に取り付けられたプロペラ３６を有する点が、前述の構成例３と異なる。
【０２４５】
すなわち、この構成例４の光学式物体識別装置を水や風の流路Ｍに隣接して設置し、流路Ｍにおける媒質の流れる力を利用してプロペラ３６が回転運動を得て、クランク機構により第１集光レンズ８を往復運動させて振動させる。この構成例４では、モータのような動力源を必要としないため、装置の消費電力を大幅に低減できる。
【０２４６】
また、この図１１Ｂの構成例４は、第１２実施形態で後述する如く、本発明の光学式物体識別装置を掃除機や自走式掃除機に応用したときに特に有効な実施形態となる。つまり、この構成例４は、掃除機の吸気を媒質流れとして利用することにより第１集光レンズ８を振動させることが可能である。この場合、一般的に、被測定物９として識別すべき床面としてはフローリングなどの板面、畳、絨毯などの毛織物が考えられるが、このような測定対象の表面の高低差は、およそ１０ｍｍ程度でカバーでき、毛足の長いものを含めると焦点位置の振動範囲は、５ｍｍから１５ｍｍに設定することが好適である。この振動範囲は、全ての実施の形態について同様に成り立つものであるが、この構成例４のみで説明を加えるに留める。
【０２４７】
次に、図１１Ｃに、上記第６実施形態の変形例１が第１集光レンズとして備える累進レンズ３７を示す。図１１Ｃに示す累進レンズ３７は、一枚のレンズの中に焦点距離の異なる複数の領域をもつレンズである。この累進レンズ３７は、図１１Ｃに示すように、７つに分割された領域Ａ〜Ｇを有し、各領域Ａ〜Ｇはそれぞれ互いに異なる焦点距離ＦＡ〜ＦＧを有する。この累進レンズ３７では、領域Ａ〜Ｇのうちで、光の入射位置が変わることによって焦点の位置をＦＡ〜ＦＧに変化させることができる。
【０２４８】
次に、図１１Ｄに、上記累進レンズ３７を備える変形例１の概略構成を示す。この変形例１は、第４,第５の実施形態の一例として図８(Ａ)に示した基本構成を有する。この変形例１では、モータ２２の回転軸に連結された円板３４と、この円板３４に一端が軸支されたスライダ３３とを有する。モータ２２を駆動することで、円板３４が回転し、上記スライダ３３は、筐体８０内で位置固定されたガイド３２に沿って、第１光束５の光軸と直交する方向(白抜きの矢印で示す方向)に往復運動する。これにより、このスライダ３３の他端に固定されたレンズホルダに装着された上記累進レンズ３７を半径方向に振動させる。これにより、上記累進レンズ３７に入射する第１光束５の位置を半径方向に変化させることで、焦点位置を変化させて、表面高低差が大きい被測定物９の識別を可能とする。
【０２４９】
次に、図１１(Ｅ)に、累進レンズ３７と液晶スイッチ３８を備えた光学式物体識別装置を、上記第６実施形態の変形例２として示す。この変形例２は、前述の変形例１におけるモータ２２,スライダ３３,ガイド３２,円板３４等で構成するクランク機構に替えて、液晶スイッチ３８を有する。
【０２５０】
この変形例２では、累進レンズ３７よりも半導体レーザ１側に液晶スイッチ３８が配置されている。この液晶スイッチ３８は、液晶を、透過する偏光方向が直交した２つの直線偏光子３９ａ,３９ｂで挟み込むことで構成されている。この液晶スイッチ３８は、液晶を用いて特定の領域のみ光を透過させることができるようにした光学部品である。液晶は、印加される電気信号をオンあるいはオフとすることにより、入射した光の偏光方向をそのまま出射するか、９０°偏向させて出射するかを選択的に機能させることができる。このため、この液晶スイッチ３８において、たとえば、領域ＨＡ〜ＨＧのうちの領域ＨＥに印加させる電気信号だけをオンにして、入射光５ａを偏向させる。これにより、入射光５ａのうちの領域ＨＥに入射した光だけが、直線偏光子３９ｂを透過し、入射光５ｂとして累進レンズ３７の領域Ｅに入射し、この入射光５ｂは累進レンズ３７の入射領域Ｅに対応する焦点位置ＦＥにて集光される。
【０２５１】
このように、上記液晶スイッチ３８において領域ＨＡ〜ＨＧのうちの所望の領域に印加する電気信号のみをオンにすることで、この領域のみが入射光を透過する。したがって、累進レンズ３７の領域Ａ〜Ｇのうちの所望の領域のみに入射光を入射させて、焦点距離ＦＡ〜ＦＧのうちの所望の所望の焦点距離に入射光を集光できる。
【０２５２】
これにより、表面の高低差の大きい被測定物９の識別が可能となる。この図１１Ｅに示した変形例２の構造では、上述した構成例１〜４および変形例１と異なり、レンズの振動機構が存在しない。このため、レンズを振動させることによる物理的スペースや振動による各部品のズレなど様々な問題を考慮する必要がなく、光学系の設計を容易にすることができる。
【０２５３】
上述した如く、この第６の実施形態の光学式物体識別装置の構成例１〜４および変形例１,２では、第１集光レンズ８の位置を振動させたり、第１集光レンズとしての累進レンズ３７への入射位置を変化させるなどして、焦点の位置を被測定物９の表面の高低差より大きく変化させて、被測定物９の表面の高低差が大きい場合に対しても対応できるようになっている。
【０２５４】
しかし、このように第１集光レンズの焦点位置を変動させることによって、第１,第２受光素子１２ｂ,１２ａからなる受光部１２が出力する信号は被測定物９の表面が焦点位置にあるときのフォーカス信号と、被測定物９の表面が焦点位置から外れたときのデフォーカス信号の両者が時間の関数として信号処理回路１４へ入力され観測される。
【０２５５】
先の第５の実施形態において、被測定物の識別の精度を向上させるために、受光信号を分割してそれらの比や差を計算して識別に用いるような構成を説明したが、この第５の実施形態は同じ時刻での信号を扱っており、特に被測定物表面が第１集光レンズ８の焦点位置に来たときの信号を抽出して信号処理するものであった。
【０２５６】
この第６の実施形態においては、第１集光レンズ８の焦点位置は常に振動しており、上述のフォーカス信号とデフォーカス信号が時間的に連続に観測されるので、比や差を計算するときに、フォーカス信号とデフォーカス信号を用いることも可能である。また、図７の第５実施形態においても、被測定物９の表面の凹凸によりデフォーカス信号が観測されるが、その時間的変化は被測定物９の表面形状にゆだねられる。つまり、第５実施形態では、意図的に焦点位置を変動させる第６実施形態とは相違するので、既知の距離だけデフォーカスしたときの信号を検出することは、非常に困難である。
【０２５７】
これに対して、この第６実施形態の構成では、第１集光レンズ８の焦点位置を、予め計算された時間的変化をさせることが可能であるので、受光部１２の出力波形から焦点位置を特定した上で、意図的に焦点位置から特定の距離だけデフォーカスした信号を検出することが可能となる。
【０２５８】
なお、第５実施形態で説明したように、第１受光素子１２ｂと第２受光素子１２ａの出力信号を識別信号として用いるのには表面の反射率の影響を低減できるように、規格化をすることが好ましい。このとき、規格化をする分母に相当する信号としてデフォーカス信号を用いることにより、さらに識別信号の信号成分を大きくできる。
【０２５９】
このことを、上述した第５の実施形態で示した式を用いて説明すると、入射光つまり第１光束５と同じ偏光方向の信号強度は、フォーカス信号を用い、光量αＩとして表せる。また、上記第１光束５の偏光方向と直交する偏光方向の成分を光量γＩとする。
【０２６０】
いま、上記係数γは、あるデフォーカス量の時の偏光解消度に関する定数であるとすると、上述の第５実施形態のおける係数β(フォーカス時)に比べると、β≫γが成立する。したがって、(α／β)≪(α／γ)が成り立つ。したがって、信号処理回路１４において、フォーカス時における光量αＩをデフォーカス時における光量γＩで規格化することで、フォーカス時における光量αＩをフォーカス時における光量βＩで規格化する場合に比べて、信号のレベルが大きくなる。このように、デフォーカス信号を利用することによって、被測定物９を識別する精度をさらに向上させることができる。
【０２６１】
(第７の実施の形態)
次に、この発明の光学式物体識別装置の第７実施形態を説明する。この第７実施形態は、上述の第１実施形態において、半導体レーザ１に変調信号を印加することにより、光強度変調をかける点が、上述の第１実施形態と異なる。したがって、この第７実施形態では、上述の第１実施形態と異なる点を重点的に説明する。なお、この第７実施形態は、上述の第２〜第６実施形態にも適用できる。
【０２６２】
光学式センサの場合、外乱光対策は必須である。この第７実施形態では、半導体レーザ１をパルス発光させ、外乱光に起因するノイズを電気的に除去する機能を持たせている。以下、図１２Ａに示すタイミングチャートを参照して、詳細に説明する。
【０２６３】
図１２Ａにおいて、符号４０はＬＤ(半導体レーザ)変調パルス、４１はＬＤ変調パルスを反転したパルスである。また、４２は受光部１２の出力信号から外乱光ノイズを除いた原信号であり、４３は受光部１２の出力信号のうちのＤＣ外乱光ノイズである。また、４４は受光部１２の出力信号のうちのＡＣ外乱光ノイズである。また、４５は、信号処理回路１４が受光部１２の出力信号をＬＤ変調パルス４０に同期してサンプルホールドした後の第１処理信号である。また、４６は、信号処理回路１４が受光部１２の出力信号を、ＬＤ変調パルスを反転したパルス４１に同期してサンプルホールドした後の第２処理信号である。また、４７は、上記第１処理信号４５から上記第２処理信号を差し引いた(差動を取った)第３処理信号である。
【０２６４】
まず、外乱光除去の考え方を説明する。信号処理回路１４は、ＬＤ変調パルス４０がオンの時には、受光部１２が出力する出力信号から、ＬＤ変調パルス４０がオンする直前の受光部１２の出力信号を差し引く(差動を取る)。つまり、信号処理回路１４は、(原信号４２＋ＤＣ外乱光信号４３＋ＡＣ外乱光信号４４)から(ＤＣ外乱光信号４３＋ＡＣ外乱光信号４４)を差し引いて、外乱光によるノイズを除去した原信号４２に相当する差動信号４７を得る。
【０２６５】
一方、ＬＤ変調パルス４０がオフの時には、信号処理回路１４は、ＬＤ変調パルス４０がオフする直前の受光部１２の出力信号から、ＬＤ変調パルス４０がオフしている時の受光部１２の出力信号を差し引く(差動を取る)。つまり、信号処理回路１４は、(原信号４２＋ＤＣ外乱光信号４３＋ＡＣ外乱光信号４４)から、(ＤＣ外乱光信号４３＋ＡＣ外乱光信号４４)を差し引いて、外乱光によるノイズを除去した原信号４２に対応した差動信号４７を得る。
【０２６６】
次に、図１２Ｂを参照して、信号処理回路１４が、上述の信号処理を実現する構成を説明する。この信号処理回路１４は、第１のサンプルホールド回路ＳＨ１と第２のサンプルホールド回路ＳＨ２と差動アンプＤＡを備えている。
【０２６７】
受光部１２の出力信号ＰＤは、２つに分かれて、第１のサンプルホールド回路ＳＨ１と第２のサンプルホールド回路ＳＨ２に入る。この第１のサンプルホールド回路ＳＨ１では、ＬＤ変調パルス４０がオン時の第１波形信号を作成し、第２のサンプルホールド回路ＳＨ２では、ＬＤ変調パルス４０がオフ時の第２波形信号を作成する。
【０２６８】
第１のサンプルホールド回路ＳＨ１では、ＬＤ変調パルス４０がオンの時には、この時の受光部１２の出力信号ＰＤ(原信号４２＋ＤＣ外乱光信号４３＋ＡＣ外乱光信号４４)をそのまま通過させる。
【０２６９】
一方、ＬＤ変調パルス４０がオフの時には、第１のサンプルホールド回路ＳＨ１は、ＬＤ変調パルス４０がオフする直前の出力信号ＰＤ(原信号４２＋ＤＣ外乱光信号４３＋ＡＣ外乱光信号４４)をサンプルホールドする。その結果、第１のサンプルホールド回路ＳＨ１は、(原信号４２＋ＤＣ外乱光信号４３＋ＡＣ外乱光信号４４)に相当する第１処理信号４５を得る。
【０２７０】
一方、第２のサンプルホールド回路ＳＨ２では、ＬＤ変調パルス４０がオフの時には、この時の受光部１２の出力信号ＰＤ(ＤＣ外乱光信号４３＋ＡＣ外乱光信号４４)をそのまま通過させる。一方、ＬＤ変調パルス４０がオンの時には、第２のサンプルホールド回路ＳＨ２は、ＬＤ変調パルス４０がオンする直前の出力信号ＰＤ(ＤＣ外乱光信号４３＋ＡＣ外乱光信号４４)をサンプルホールドする。その結果、第２のサンプルホールド回路ＳＨ２は、(ＤＣ外乱光信号４３＋ＡＣ外乱光信号４４)に相当する第２処理信号４６を得る。
【０２７１】
そして、差動アンプＤＡは、第１のサンプルホールド回路ＳＨ１が出力する第１処理信号４５から、第２のサンプルホールド回路ＳＨ２が出力する第２処理信号４６を差し引く(差動を取る)。すなわち、差動アンプＤＡは、(原信号４２＋ＤＣ外乱光信号４３＋ＡＣ外乱光信号４４)に相当する第１処理信号４５から、(ＤＣ外乱光信号４３＋ＡＣ外乱光信号４４)に相当する第２処理信号４６を差し引き(差動を取り)、受光部１２の出力信号ＰＤから外乱光によるノイズを除去した差動信号４７を得る。
【０２７２】
なお、太陽光のようなＤＣ外乱光および５０Ｈｚ／６０Ｈｚの照明(蛍光灯)あるいは３０〜５０ｋＨｚ程度のインバータ蛍光灯のようなＡＣ外乱光を除去するためには、ＬＤ変調パルス４０をインバータ蛍光灯の周波数より高い５０ｋＨｚ以上の変調周波数とするのがよい。望ましくは、ＬＤ変調パルス４０をインバータ蛍光灯の周波数より十分高い１ＭＨｚ程度の変調周波数とするのがよい。あるいは、ＬＤ変調パルス４０を１００〜１０ｋＨｚ程度のＬＤ変調周波数として、インバータ蛍光灯の周波数成分についてはＬＰＦ(ローパスフィルタ)で分離してもよい。
【０２７３】
(第８の実施形態)
次に、この発明の第８実施形態の光学式物体識別装置を説明する。この第８実施形態は、信号処理回路１４の構成が上述の第６実施形態と異なる。
【０２７４】
上述の第６実施形態の最後に説明した如く、第１集光レンズ８のフォーカス時ばかりではなく、デフォーカス時にも受光部１２が出力する信号を信号処理回路１４で信号処理することが望ましい。
【０２７５】
ところで、デフォーカス時のデフォーカス信号のレベルとフォーカス時のフォーカス信号のレベルとのダイナミックレンジはある条件では４０００倍を越える。このため、被測定物９の種類が変わった場合を含めて１つのレンジで増幅するのは困難となる。
【０２７６】
したがって、この第８実施形態では、図１３Ｃに示すように、信号処理回路１４は、受光部１２からの出力信号を増幅する増幅部としてのアンプ部ＡＭＰと、上記受光部１２からの出力信号のレベルをモニターして、この出力信号のレベルに応じて、アンプ部ＡＭＰのゲインを切り換える増幅度切替部ＧＳを備える。この増幅度切替部ＧＳにより、アンプ部ＡＭＰで増幅された出力信号が最適なレベルになるようにしている。
【０２７７】
以下、図１３Ａおよび図１３Ｂに示すタイミングチャートを参照して、この第８実施形態の信号処理回路１４の動作を詳細に説明する。
【０２７８】
図１３Ａには、半導体レーザ１の出射光(ＬＤ出射光)と同じ偏光方向の信号を示す。図１３Ａにおいて、信号１４-１は、受光部１２の出力信号である。この出力信号１４-１は、半導体レーザ１がパルス変調されていることから、半導体レーザ１の所定の周期(例えば１３.３μ秒)の発光パルスに応じてオンオフしている。
【０２７９】
信号１４-２は、半導体レーザ１がオンの時のＰＤ出力信号１４-１をサンプルホールドした第１サンプルホールド信号１４-２である。また、信号１４-３は、半導体レーザ１がオフの時のＰＤ出力信号１４-１を第２サンプルホールド信号１４-３である。この第２サンプルホールド信号１４-３は、外乱光レベルを示す。また、信号１４-４は、上記第１サンプルホールド信号１４-２から第２サンプルホールド信号１４-３を差し引いた(差動を取った)差動信号１４-４である。
【０２８０】
また、信号１４-５は、上記差動信号１４-１を微分した微分信号１４-５である。また、信号１４-６は、上記ＰＤ出力信号１４-１をボトムホールドしたボトムホールド信号１４-６である。
【０２８１】
一方、図１３Ｂには、半導体レーザ１の出射光の偏光方向と直交する偏光方向を有する信号を示す。図１３Ｂにおいて、信号１４-７は、受光部１２の出力信号である。信号１４-８は、半導体レーザ１がオンのときの出力信号１４-７のレベルをサンプルホールドした第１サンプルホールド信号１４-８である。また、信号１４-９は、半導体レーザ１がオフのときの出力信号１４-７のレベルをサンプルホールドした第２サンプルホールド信号１４-９である。また、信号１４-１０は、第１サンプルホールド信号１４-８から第２サンプルホールド信号１４-９を差し引いた(差動を取った)差動信号１４-１０である。
【０２８２】
信号１４-１１は、上記差動信号１４-１０の微分信号１４-１１である。また、信号１４-１２は、第１サンプルホールド信号１４-８をサンプルホールドタイミングＳＴでサンプルホールドした第３サンプルホールド信号１４-１２である。
【０２８３】
次に、半導体レーザ１の出射光と同じ偏光方向の光については、信号処理回路１４は、フォーカス時の信号(フォーカス信号)を検出し、半導体レーザ１の出射光の偏光方向と直交する偏光方向の光については、デフォーカス時の信号(フォーカス信号)を検出する場合について説明する。なお、これ以外の場合についても考え方は同様である。
【０２８４】
まず、アンプ部ＡＭＰのゲイン切換えの基本的な考え方を述べる。増幅度切替部ＧＳは、受光部１２の出力信号１４-１,１４-７を受けて、半導体レーザ１の出射光と同じ偏光方向の光による出力信号１４-１については、フォーカス時のレベルをモニターし、このフォーカス時の出力信号１４-１のレベルが下限設定レベルを下回る場合にはアンプ部ＡＭＰのゲインを１段上げ、逆に、フォーカス時の出力信号１４-１のレベルが上限設定レベルを越える場合にはアンプ部ＡＭＰのゲインを１段下げる。
【０２８５】
以下詳細に述べる。図１３Ａに示す出力信号１４-１は、上述のごとく、半導体レーザ１の出射光と同じ偏光方向の光による受光部１２の出力信号である。この出力信号は、例えば、図９Ｂに示す第１受光素子１２ｂの出力信号である。なお、図１３Ａには、半導体レーザ１が周波数７５ｋＨｚの変調パルスで変調された場合を示している。
【０２８６】
増幅度切替部ＧＳは、フォーカス時の信号レベルをモニターするために、出力信号１４-１をボトムホールドしてボトムホールド信号１４-６を生成する。そして、増幅度切替部ＧＳは上記ボトムホールド信号１４-６のレベルが下限設定レベルを下回る場合には、アンプ部ＡＭＰのゲインを１段上げ、信号１４-６のレベルが上限設定レベルを上回る場合にはアンプ部ＡＭＰのゲインを１段下げる動作を行う。なお、増幅度切替部ＧＳは、出力信号１４-１のボトムホールド信号に替えてサンプルホールド信号を生成し、このサンプルホールド信号と下限および上限設定レベルとを比較するようにしてもよい。この場合、増幅度切替部ＧＳは、上記サンプルホールド信号のレベルが下限設定レベルを下回る場合にはアンプゲインを１段上げ、上限設定レベルを上回る場合にはアンプゲインを１段下げる動作を行う。ここで、増幅度切替部ＧＳがアンプ部ＡＭＰのゲインを切換えるタイミングは、差動信号１４−４を微分した微分信号１４−５がマイナスからプラスに転じる瞬間としている。
【０２８７】
一方、図１３Ｂに示す出力信号１４-７は、上述のごとく、半導体レーザ１の出射光の偏光方向と直交する偏光方向の光による受光部１２の出力信号である。この出力信号は、例えば、図９Ｂに示す第２受光素子１２ａの出力信号である。なお、図１３Ｂには、半導体レーザ１が７５ｋＨｚの変調パルスで変調された場合を示している。
【０２８８】
増幅度切替部ＧＳは、デフォーカス時の信号レベルをモニターするために、第３サンプルホールド信号１４-１２をモニタする。この第３サンプルホールド信号１４-１２は、上述のごとく、半導体レーザ１がオンのときの出力信号１４-７のレベルをサンプルホールドした第１サンプルホールド信号１４-８を、サンプルホールドタイミングＳＴでサンプルホールドした信号である。
【０２８９】
上記増幅度切替部ＧＳは、上記第３サンプルホールド信号１４-１２のレベルが下限設定レベルを下回る場合にはアンプ部ＡＭＰのゲインを１段上げ、信号１４-１２のレベルが上限設定レベルを上回る場合にはアンプ部ＡＭＰのゲインを１段下げる動作を行う。
【０２９０】
ここで、サンプルホールドするタイミングＳＴは、差動信号１４−１０を微分した微分信号１４−１１がマイナスからプラスに転じる瞬間を起点としたタイマーがタイムアップした瞬間としている。このタイマーは、発光パルスを設定数カウントする。
【０２９１】
また、上記サンプルホールドの解除タイミングは、差動信号１４−１０を微分した微分信号１４−１１がマイナスからプラスに転じる瞬間から所定時間ｔ０だけ経過した瞬間としている。さらに、アンプ部ＡＭＰのゲインを切換えるタイミングは、差動信号波形１４−１０を微分した微分信号１４−１１がマイナスからプラスに転じる瞬間としている。
【０２９２】
上記増幅度切替部ＧＳがアンプ部ＡＭＰのゲインを切換える構成は、一例として、図１４に示す回路構成の多段階ゲイン切り替えアンプ部を採用することで実現できる。すなわち、ゲイン設定抵抗Ｒを複数本並べ、アナログスイッチ１４１,１４２によるスイッチ機能を用いて、アンプ部ＡＭＰのゲインを切換えればよい。受光部１２の出力信号１４-１,出力信号１４-７が微小でアンプ部ＡＭＰの増幅度を高く設定しなければならない場合、一段で増幅度を大きくしすぎると安定性の問題があるので、図１４に例示するように、適切な増幅度のアンプａｍｐを複数段接続した構成とする。この場合も、アナログスイッチ１４１,１４２でもって、複数のアンプａｍｐのゲイン設定抵抗を同時に切換えればよい。
【０２９３】
また、アンプ部ＡＭＰを複数段構成にした場合、各段のアンプａｍｐのゲインを均等に設定すると各段の増幅度が１倍をわずかしか上回らないことがある。
【０２９４】
このような場合、図１４に例示する適当な段数分のゲイン設定抵抗をオープンとし(この段のゲインは１)、他の段のゲインを大きめに設定するのがよい。その理由は、各段のアンプのゲインを１近くに設定した場合、周波数特性上ピーキングが大きくなるからである。
【０２９５】
このように、信号処理回路１４のアンプ部ＡＭＰを、図１４に示す構成とすることにより、広いダイナミックレンジを有し、受光部１２の出力信号を適切に増幅して信号処理を行うことが可能となる。
【０２９６】
(第９の実施形態)
次に、図１５Ａのブロック図に、この発明の光学式物体識別装置の第９実施形態が備える信号処理部の構成を示す。なお、このブロック図には、第１,第２の受光素子１２ｂ,１２ａ、および半導体レーザ１と、この半導体レーザ１をパルス変調で駆動するための発振分周回路５４,ＬＤ変調信号部５６を示している。図１５Ａにおいて、多段階ゲイン切替アンプ部４８とゲイン切替制御部５０とノイズ除去部５２が第１信号処理回路を構成し、多段階ゲイン切替アンプ部４９とゲイン切替制御部５１とノイズ除去部５３が第２信号処理回路を構成している。また、上記第１および第２信号処理回路と、Ａ/Ｄ変換器５５と、信号処理器５７が信号処理部を構成している。
【０２９７】
この第９実施形態の上記信号処理部は、上述の第５、第６、第７、第８の実施形態が備える信号処理回路１４に適用できる。
【０２９８】
さらに説明を加えると、この第９実施形態は、図７に示す第５実施形態の光学系を有し、図９Ａから図１１Ｅに示す焦点位置変動機構のうちのいずれかの焦点位置変動機構を有する。また、この第９実施形態の光学式物体識別装置は、図１２Ｂに示した外乱光ノイズ除去回路を有し、図１３Ｃ，図１４に示す増幅度切り替え回路を有する。
【０２９９】
この第９実施形態では、信号処理機能について説明する。この第９実施形態では、図１５Ａに示す第１の受光素子１２ｂは、図７に例示した第１直線偏光子１３ａを経由して第１の反射光束７ｂを受光し、図１５Ａに示す第２の受光素子１２ａは、図７に例示した第２直線偏光子１３ｃを経由して第２の反射光束７ａを受光する。第１直線偏光子１３ａと第２直線偏光子１３ｂとは、透過させる光の偏光方向が互いに直交する。
【０３００】
ここで、各直線偏光子１３ａ,１３ｂの直交する偏光方向の向きの記述の仕方について定義する。すなわち、半導体レーザ１の出射光の偏光方向と同じ方向の偏光成分を「//偏光成分」と記述し、この//偏光成分と直交する方向の偏光成分を「⊥偏光成分」と記述する。第２受光素子１２ａが出力する信号と第１受光素子１２ｂが出力する信号は、Ａ/Ｄ変換器５５へ入力されるまでは、実質的に同様の流れとなる。
【０３０１】
第１受光素子１２ｂが出力する//偏光成分信号について説明する。第１受光素子１２ｂが//偏光成分を検出することで、出力する//偏光成分信号は、図１４に示す構成の多段階ゲイン切り替えアンプ部４８で増幅される。このアンプ部４８の出力は、//偏光成分側ゲイン切替制御部５０へ送られ、この制御部５０でゲインの切り上げ、固定、切り下げを判断し、適切な信号レベルになるまでこのルーチンを繰り返す。適切な信号レベルになった//偏光成分信号は、//偏光成分側ノイズ除去部５２に送られる。このノイズ除去部５２では、図１２Ａ,１２Ｂを参照して説明したように、外乱光ノイズ除去を行い、//偏光成分信号として、Ａ/Ｄ変換器５５へ送られる。このとき、ゲイン切り替え制御部５０で決定した増幅度を表す//偏光成分側ゲインコントロール信号(アンプ増幅度信号)も同時にＡ/Ｄ変換器５５に送られる。
【０３０２】
一方、第２受光素子１２ａが⊥偏光成分を検出することで出力する⊥偏光成分信号は、図１４に示す構成の多段階ゲイン切替アンプ部４９で増幅される。このアンプ部４９の出力は、⊥偏光成分側ゲイン切り替え制御部５１へ送られ、この制御部５１でゲインの切り上げ、固定、切り下げを判断し、適切な信号レベルになるまでこのルーチンを繰り返す。適切な信号レベルになった⊥偏光成分信号は、⊥偏光成分側ノイズ除去部５３に送られる。このノイズ除去部５３では、図１２Ａ,１２Ｂを参照して説明したように、外乱光ノイズ除去を行い、⊥偏光成分信号として、Ａ/Ｄ変換器５５へ送られる。このとき、ゲイン切り替え制御部５１で決定した増幅度を表す⊥偏光成分側ゲインコントロール信号(アンプ増幅度信号)も同時にＡ/Ｄ変換器５５に送られる。
【０３０３】
このＡ/Ｄ変換器５５では、上記//偏光成分信号と、//偏光成分側アンプ増幅度信号と、⊥偏光成分光信号と、⊥偏光成分側アンプ増幅度信号との合計４ｃｈの信号を同時サンプリングする方式になっている。
【０３０４】
図１５Ｂに、このＡ/Ｄ変換器５５と信号処理器５７との間のデータ処理を表すフローチャートを示す。
【０３０５】
まず、Ａ/Ｄ変換器５５は、レンズ振動一周期分の信号データを取り込む(レンズ振動系を有する場合)。また、このＡ/Ｄ変換器５５によるＡ/Ｄ変換のトリガは即トリガとする(ステップＡＤ１-ＳＴ１)。
【０３０６】
次に、Ａ/Ｄ変換器５５は、Ａ/Ｄ変換を行い、上記レンズ振動一周期分の信号データを、信号処理器５７が有するメモリＭに取り込む(ステップＡＤ１-ＳＴ２)。この信号データのサンプリング周期は、レンズ１周期分で数千点程度の信号データを取得する時間間隔であることが好適である。
【０３０７】
フォーカス時の//偏光成分信号の信号強度は、Ａ/Ｄ変換器５５がＡ/Ｄ変換してメモリＭに格納した//偏光成分信号の強度を表す信号データ列において、フォーカス時の信号データを基準にした複数点の信号データの平均値とすることが望ましい。これはノイズの影響を低減し、被測定物９の判別の精度を向上させるためである。また、Ａ/Ｄ変換された//偏光成分信号の増幅度を表す信号データ列に基づいて、フォーカス時刻におけるアンプ部４８の増幅率αが決定される(ステップＡＤ１-ＳＴ４)。
【０３０８】
また、デフォーカス時の時刻は、フォーカス時の時刻を基準として決定する。レンズ振動の時間に対する位置を数式で与えるために、レンズ駆動系において、一例として、図１０に示したようなサインカーブカム２８を使用している。
【０３０９】
これにより、第１集光レンズ８の焦点位置からのずれＸが、Ｘ＝ａ・ｓｉｎωｔ(ｍｍ)で与えられて、レンズ振動の振動数ωと振幅ａが既知であり、所望のデフォーカスの位置Ｘを与えれば、デフォーカスの位置Ｘにおける時刻ｔを算出できる。レンズ駆動用のモータ２２に流れる電流を一定にすることにより、レンズ振動の振動数ωを一定にすることができる。上記算出により得られた時刻ｔを、デフォーカス時の時刻とする(ステップＡＤ１-ＳＴ５)。
【０３１０】
このデフォーカス時の信号強度は、⊥偏光成分信号の強度を表す信号データ列において、デフォーカス時刻における複数点の信号データを平均化した強度とする。この平均化は、//偏光成分信号での説明と同様、ノイズの影響を低減するためである。また、Ａ/Ｄ変換された⊥偏光成分信号の増幅度を表す信号データ列に基づいて、デフォーカス時刻におけるアンプ部４９の増幅率βが決定される(ステップＡＤ１-ＳＴ６)。
【０３１１】
上述の信号増幅率αで、上記フォーカス時の信号強度Ｓ//を除算することにより、アンプ部４８を通過する前のフォーカス時の// 偏光成分信号の強度(Ｓ//／α)を算出する(ステップＡＤ１-ＳＴ７)。また、上述の信号増幅率βで、上記デフォーカス時の信号強度Ｓ⊥を除算することにより、アンプ部４９を通過する前のデフォーカス時の⊥偏光成分信号の強度(Ｓ⊥／β)を算出する(ステップＡＤ１-ＳＴ８)。
【０３１２】
次に、このフォーカス時の//偏光成分信号の強度(Ｓ//／α)とデフォーカス時の⊥偏光成分信号の強度(Ｓ⊥／β)との比(Ｓ//／α)/(Ｓ⊥／β)を算出する。
【０３１３】
なお、前述の第５,第６実施形態で説明したように、フォーカス時の//偏光成分信号の強度(Ｓ//／α)とデフォーカス時の⊥偏光成分信号の強度(Ｓ⊥／β)との差((Ｓ//／α)−(Ｓ⊥／β))を算出してもよい。さらには、この差((Ｓ//／α)−(Ｓ⊥／β))と、フォーカス時の//偏光成分信号の強度(Ｓ//／α)との比を算出してもよい(ステップＡＤ１-ＳＴ９)。
【０３１４】
このステップＡＤ１-ＳＴ９において算出した比あるいは差の値を、メモリＭに予めインプットされている既知の被測定物についての統計データと比較して、被測定物９の種類を識別する(ステップＡＤ１-ＳＴ１０)。すなわち、複数の異なる種類の材質の被測定物について、予め上述のように測定して算出した値をメモリＭに既知データとして予めインプットしておくとよい。
【０３１５】
こうして、被測定物９の種類を識別し、この識別の結果を識別結果表示器５８に出力した後、すぐに、再び、ステップＡＤ１-ＳＴ１の処理に戻り、Ａ/Ｄ変換がスタートする。より確実な結果を得るために、ステップＡＤ１-ＳＴ１からステップＡＤ１-ＳＴ９までの処理の結果である(フォーカス時の//偏光成分信号強度)/(デフォーカス時の⊥偏光成分信号強度)比を算出する。この処理を複数回繰り返し、この複数回の処理で得た複数の信号比の平均値を算出し、この算出した平均値でもって、被測定物９の種類を識別することも考えられる。なお、図示しない制御部は、ステップＡＤ１-ＳＴ１からステップＡＤ１-ＳＴ１０までの信号処理を、作業者から測定終了の通知がなされるまで継続させる。
【０３１６】
(第９実施形態の変形例１)
次に、図１５Ｃに示すフローチャートを参照して、上記第９実施形態の変形例１を説明する。
【０３１７】
この変形例１では、図１５Ｃのフローチャートに示すように、フォーカス時の//偏光成分信号のピーク位置(時刻)の検出を行う。
【０３１８】
まず、図１５Ａにおける上記信号処理部(信号処理回路１４)は、第１受光素子１２ｂが出力する//偏光成分信号をモニタリングしている(ステップＡＤ２-ＳＴ１)。
【０３１９】
次に、上記信号処理部が備える極値判定回路ＺＣは、上記//偏光成分信号が極小値をとったと判断すると、Ａ/Ｄ変換器５５によるＡ/Ｄ変換スタートのトリガを発生する(ステップＡＤ２-ＳＴ２)。この極値判定回路ＺＣは、微分回路とゼロクロス判定回路などから構成される。
【０３２０】
Ａ/Ｄ変換器５５は、上記トリガにより、//偏光成分信号と⊥偏光成分信号の２ｃｈ同時Ａ/Ｄ変換をスタートする(ステップＡＤ２-ＳＴ３)。
【０３２１】
このＡ/Ｄ変換がスタートしたと同時に、信号処理器５７はＡ/Ｄ変換器５５から、//偏光成分信号のアンプ増幅率αと⊥偏光成分信号のアンプ増幅率βを取り込む(ステップＡＤ２-ＳＴ４)。
【０３２２】
上記Ａ/Ｄ変換がスタートした後も、極値判定回路ＺＣは、//偏光成分信号をモニタリングしておき、極値判定回路ＺＣは、上記//偏光成分信号が極小値を取ったと判定したときに、このときまでに、Ａ/Ｄ変換器５５がＡ/Ｄ変換で獲得したデータをクリアし、Ａ/Ｄ変換器５５はＡ/Ｄ変換をやりなおす。
【０３２３】
通常、第１集光レンズ８の振動の半周期の期間内に、１つのピークをもつ//偏光成分信号の波形が得られるが、被測定物９の表面の高低差が大きい場合などは、第１集光レンズ８の振動の半周期の期間内に、上記//偏光成分信号が２つ以上のピークを持つ波形になることがある。この//偏光成分信号が複数のピーク波形を有する場合に対応するために、//偏光成分信号の波形が２つ以上のピークを持つ場合には、振動の半周期において最も時間の遅いピークを真のピークとみなす(ステップＡＤ２-ＳＴ５)。
【０３２４】
上記Ａ/Ｄ変換はレンズ振動周期の１/４周期分のデータを取得して終了する。これにより表面判別に使用するデータのみを取得できるので、上述の図１５Ｂのフローチャートで説明したレンズ振動１周期分の信号データを信号処理器５７に取り込む場合に比べて、Ａ/Ｄ変換にかかる時間を大幅に削減できる(ステップＡＤ２-ＳＴ６)。
【０３２５】
しかし、Ａ/Ｄ変換により取り込むデータ量は、レンズ振動周期の１/４周期分に限定したものではなく、第９の実施形態と同様に、レンズ振動周期の１周期分を取り込んでもよい。上記レンズ振動におけるフォーカス時の時刻は、トリガが発生した時刻(Ａ/Ｄ変換がスタートした時刻)とする。また、フォーカス信号は、フォーカスした時刻より後の複数点の平均値とする。これにより、ノイズなどの影響を低減することができる(ステップＡＤ２-ＳＴ７)。
【０３２６】
また、デフォーカス時の時刻は、上記トリガが発生した時刻を基準として求める。レンズ振動の時間に対する位置を数式で与えるために、レンズ駆動系において、一例として、サイン・カーブ・カムを使用している。これにより、第１集光レンズ８の焦点位置からのずれｘが、ｘ＝ａ・ｓｉｎωｔ(ｍｍ)で与えられて、レンズ振動の振動数ωと振動幅ａが既知であり、所望のデフォーカスの位置ｘを与えれば、時刻ｔが算出できる。第１集光レンズ８を駆動するモータに流れる電流を一定にすることにより、レンズ振動の振動数ωを一定にすることができる。このように、トリガが発生した時刻から時間ｔ経過した時刻がデフォーカス時の時刻となる(ステップＡＤ２-ＳＴ８)。
【０３２７】
デフォーカス時の信号強度は、⊥偏光成分信号の強度を表す信号データ列において、デフォーカス時刻における複数点の信号データを平均化した強度とする(ステップＡＤ２-ＳＴ９)。
【０３２８】
次に、図１５Ｂのフローチャートによる場合と同様に、信号増幅率αを用いて、アンプ部４８を通過する前のフォーカス時の//偏光成分信号の強度(Ｓ//／α)を算出し(ステップＡＤ２-ＳＴ１０)、信号増幅率βを用いて、アンプ部４９を通過する前のデフォーカス⊥偏光成分信号の強度(Ｓ⊥／β)を算出する(ステップＡＤ２-ＳＴ１１)。
【０３２９】
次に、フォーカス時の//偏光成分信号の強度(Ｓ//／α)とデフォーカス時の⊥偏光成分信号の強度(Ｓ⊥／β)との比(Ｓ//／α)/(Ｓ⊥／β)を算出する。なお、前述の第５,第６の実施形態で説明したように、上記比に替えて、フォーカス時の//偏光成分信号の強度(Ｓ//／α)とデフォーカス時の⊥偏光成分信号の強度(Ｓ⊥／β)との差、あるいは、この差とフォーカス時の//偏光成分信号の強度(Ｓ//／α)との比等を算出してもかまわない(ステップＡＤ２-ＳＴ１２)。
【０３３０】
このステップＡＤ２-ＳＴ１２で算出した値を、メモリＭに予めインプットされている既知の材質の被測定物の表面についての算出値の統計データと比較して、検出対象の被測定物９の表面状態を判別する(ステップＡＤ２-ＳＴ１３)。すなわち、複数の異なる種類の材質の被測定物について、予め上述のように測定して算出した値をメモリＭに既知データとして予めインプットしておくとよい。
【０３３１】
こうして、被測定物９の表面を判別し、判別した結果を識別結果表示器５８に出力した後、すぐにまた、ステップＡＤ２-ＳＴ１の処理に戻り、//偏光成分信号をモニタリングし、極値判定回路ＺＣのトリガ発生を待つ。
【０３３２】
以上の処理を複数回行なうことにより、複数個の(フォーカス//偏光成分受光信号)/(デフォーカス⊥偏光成分受光信号)比の平均化を行い、複数個の平均値によって、より精度の高い表面判別を行なうことが可能となる。
【０３３３】
(第９の実施形態の変形例２)
次に、図１６Ａのブロック図に、上記第９実施形態の変形例２が備える信号処理部の構成を示す。図１６Ａに示すように、この信号処理部は、図１５Ａにおけるアンプ部４８および４９以降の処理をデジタル信号処理で行なう方式である。//偏光成分側の第１受光素子１２ｂは、第１の反射光束７ｂを受光し、光信号から電気信号に変換する。半導体レーザ１が出射する出射光はパルス変調されているので、このパルス変調の周波数に追従できる応答速度を備えた受光素子１２ｂが望ましい。
【０３３４】
//偏光成分側の第１受光素子１２ｂで電気信号に変換された//偏光成分信号は、アンプ部４８により増幅される。このアンプ部４８は、ゲインを多段階に切り替えることができる。このゲイン切替のコントロール信号は、信号処理器５７から、アンプ部４８に出力される。
【０３３５】
また、⊥偏光成分側の第２受光素子１２ａは、第２の反射光束７ａを受光し、光信号から電気信号に変換する。⊥偏光成分側の第１受光素子１２ｂで電気信号に変換された⊥偏光成分信号は、アンプ部４９により増幅される。このアンプ部４９は、ゲインを多段階に切り替えることができる。このゲイン切替のコントロール信号は、信号処理器５７から、アンプ部４９に出力される。
【０３３６】
発振分周回路５４からは半導体レーザ１のパルス変調に使われるベースバンド信号が出力されている。このベースバンド信号は、クロック信号として、Ａ/Ｄ変換器５５にも入力される。このＡ/Ｄ変換器５５でＡ/Ｄ変換された各データを用いて、被測定物９の識別が行なわれる。また、信号処理器５７では、入力信号強度によってゲインコントロール信号が決定され、アンプ部４８およびアンプ部４９のゲインが最適なものに切り替えられ、次回のＡ/Ｄ変換のためのデータ取得時に反映される。
【０３３７】
次に、図１６Ｂに示すフローチャートを参照して、図１６Ａに示すＡ/Ｄ変換器５５および信号処理器５７の中での処理を説明する。
【０３３８】
まず、Ａ/Ｄ変換器５５は、//偏光成分信号と⊥偏光成分信号とを同時にサンプリングする。Ａ/Ｄ変換器５５によるＡ/Ｄ変換のトリガは即トリガとする(ステップＡＤ３-ＳＴ１)。
【０３３９】
次に、Ａ/Ｄ変換器５５によるＡ/Ｄ変換によって、レンズ振動周期の一周期分の波形の信号データを、信号処理器５７が有するメモリＭに取り込み、Ａ/Ｄ変換をストップさせる(ステップＡＤ３-ＳＴ２)。
【０３４０】
次に、信号処理器５７は、//偏光成分信号と⊥偏光成分信号の両方において、ＬＤパルス変調用のクロック信号を基準として、差動演算を行なう。つまり、前述の第８実施形態において図１３Ａと図１３Ｂを参照して説明した如く、//偏光成分信号について、クロック信号の”１”の時刻における信号とクロック信号の”０”の時刻における信号との差動演算を行う。また、図１３Ｂを参照して説明した如く、⊥偏光成分信号について、クロック信号の”１”の時刻における信号とクロック信号の”０”の時刻における信号との差動演算を行う。この差動演算によって、外乱光ノイズの影響を低減する(ステップＡＤ３-ＳＴ３)。
【０３４１】
次に、//偏光成分信号についてピークサーチをして、//偏光成分信号のピークの時刻をレンズ振動のフォーカス時の時刻とする(ステップＡＤ３-ＳＴ４)。
【０３４２】
このフォーカス時の//偏光成分信号の強度は、Ａ/Ｄ変換器５５のＡ/Ｄ変換によって、メモリＭに格納された//偏光成分信号の強度データ列において、フォーカス時の信号の強度データを基準にした複数点の強度データの平均強度とする。これは、スパイクノイズの影響を低減し、被測定物の識別の精度を向上させるためである。このフォーカス時の//偏光成分信号の強度を参考に、信号処理器５７は、次回の//偏光成分側アンプ部４８のゲイン切替コントロール信号を決定する。つまり、信号処理器５７は、//偏光成分の光強度が弱いと、アンプ部４８のゲインを上げる方向にゲイン切替コントロール信号を変更する。逆に、//偏光成分の光強度が強いと、信号処理器５７は、アンプ部４８のゲインを下げる方向に、ゲイン切替コントロール信号を変更する。また、光強度が調度良いと信号処理器５７は、ゲイン切替コントロール信号を変更せず、アンプ部４８のゲインをそのままに持続する(ステップＡＤ３-ＳＴ５)。
【０３４３】
一方、デフォーカス時の時刻は、フォーカス時の時刻を基準として決定する。レンズ振動の時間に対する位置を数式で与えるために、レンズ駆動系において、一例として、サイン・カーブ・カムを使用している。これにより、第１集光レンズ８の焦点位置からのずれｘが、ｘ＝ａ・ｓｉｎωｔ(ｍｍ)で与えられて、レンズ振動の振動数ωと振動幅ａが既知であり、所望のデフォーカスの位置ｘを与えれば、時刻ｔが算出できる。第１集光レンズ８を駆動するモータに流れる電流を一定にすることにより、レンズ振動の振動数ωを一定にすることができる。このように与えられた時刻ｔをデフォーカス時の時刻とする(ステップＡＤ３-ＳＴ６)。
【０３４４】
デフォーカス時の信号強度は、⊥偏光成分信号の強度を表す信号データ列において、デフォーカス時刻における複数点の信号データを平均化した強度とする。この平均化は、//偏光成分信号の場合と同様に、ノイズの影響を低減するためである。また、⊥偏光成分側のアンプ部４９のゲイン切替コントロール信号は、//偏光成分側のアンプ部４８のゲイン切替コントロール信号と同様のやり方で決定される(ステップＡＤ３-ＳＴ７)。
【０３４５】
ここで、前回Ａ/Ｄ変換されたときの//偏光成分信号についてのアンプ部４８に対するゲイン切替コントロール信号を信号処理器５７のメモリＭに残しておく。このことで、今回のフォーカス時刻におけるアンプ部４８の増幅率αが決定される。また、フォーカス位置における//偏光成分信号の強度をαで除算することにより、//偏光成分側の受光素子１２ｂで受光された光による//偏光成分信号の強度(Ｓ///α)を算出することができる(ステップＡＤ３-ＳＴ８)。
【０３４６】
また、⊥偏光成分信号も同様に、前回のアンプ部４９に対するゲイン切替コントロール信号を信号処理器５７のメモリＭに残しておくことで、今回のデフォーカス時刻における⊥偏光成分側アンプ部４９の増幅率βが決定される。⊥偏光成分信号のデフォーカス位置における信号強度を増幅率βで除算することによって、⊥偏光成分側の受光素子１２ａで受光された光による⊥偏光成分信号の強度(Ｓ⊥/β)を算出することができる(ステップＡＤ３-ＳＴ９)。
【０３４７】
このステップＡＤ３-ＳＴ８とステップＡＤ３-ＳＴ９とで計算されたフォーカス時の//偏光成分信号の強度(Ｓ///α)とデフォーカス時の⊥偏光成分信号の強度(Ｓ⊥/β)との比((Ｓ///α)/(Ｓ⊥/β))を算出する(ステップＡＤ３-ＳＴ１０)。
【０３４８】
また、フォーカス時の//偏光成分信号とデフォーカス時の⊥偏光成分信号の計算方法は、第５や第６の実施形態で説明したように、両者の差や、両者の差とフォーカス時の//偏光成分信号との比等でもかまわない。
【０３４９】
次に、ステップＡＤ３-ＳＴ１０で算出した値を、メモリＭに予めインプットされている既知の被測定物についての統計データと比較して、被測定物を識別する(ステップＡＤ３-ＳＴ１１)。
【０３５０】
次に、信号処理器５７は、上記被測定物の識別結果を表面判別結果表示器５８に出力し、//偏光成分側アンプ部４８と⊥偏光成分側アンプ部４９に対してゲイン切替コントロール信号を出力する(ステップＡＤ３-ＳＴ１２)。
【０３５１】
このステップＡＤ３-ＳＴ１２において、信号処理器５７が信号処理結果を出力した後すぐに、再び、ステップＡＤ３-ＳＴ１の処理に戻り、Ａ/Ｄ変換がスタートする。
【０３５２】
なお、より確実な結果を得るためには、ステップ(ＡＤ３-ＳＴ１)からステップ(ＡＤ３-ＳＴ１２)までの処理の結果として、フォーカス時の//偏光成分信号の強度(Ｓ///α)とデフォーカス時の⊥偏光成分信号の強度(Ｓ⊥/β)との比((Ｓ///α)/(Ｓ⊥/β))を算出し、この比((Ｓ///α)/(Ｓ⊥/β))をメモリに格納するという処理を複数回繰り返す。そして、この比の複数回の平均値を算出し、この平均値によって、被測定物を識別するようにしてもよい。この場合、信号処理器５７は、作業者から測定終了の通知操作をがなされるまで、ステップ(ＡＤ３-ＳＴ１)からステップ(ＡＤ３-ＳＴ１２)までの処理を継続する。
【０３５３】
(第１０の実施形態)
次に、この発明の光学式物体識別装置の第１０実施形態について説明する。この第１０実施形態は、前述の第１〜第９実施形態に対して適用可能な実施形態である。
【０３５４】
光源として半導体レーザ１を使う場合、アイセーフを考慮することが必要である。特に、電気掃除機等の家電製品に塔載する場合には、クラス１を満足することが望ましい。
【０３５５】
電気掃除機に塔載する場合には、基本的なこととして、掃除機が床面に設置されている時以外は、半導体レーザ１がオンしない仕掛けが必要である。この発明の光学式物体識別装置として床面判別センサを搭載している電気掃除機の場合、アイセーフのクラス１を満足するレベルの半導体レーザ１の発光によって、床面からの反射の有無を検出することで、床面の判定が可能である。もちろん、別のセンサにて追加的に検出してもよい。
【０３５６】
また、この床面判別センサが備える半導体発光素子としての半導体レーザ１をパルス変調する動作条件として、例えば、図１７(Ａ)に示すパルス波形または図１７(Ｂ)に示すパルス波形の信号でもって、半導体レーザ１を駆動することによって、アイセーフのクラス１を満足することができる。
【０３５７】
(第１１の実施形態)
次に、この発明の光学式物体識別装置の第１１実施形態を説明する。この第１１実施形態は、レンズ振動機構の一例としてクランク機構を備えた図１１Ａに示す第６実施形態の構成例３の構成を有する。図１１Ａに示すように、光学系と信号処理回路１４をなす集積回路(ＩＣ)を納めている筐体８３に取り付けられた光学窓３５から第１光束５が出射し、被測定物９で反射した反射光束７は光学窓３５を透過して、筐体８３内に入射する。光学窓３５は第１集光レンズ８がレンズ振動する範囲内のどの位置にあるときにも、第１集光レンズ８の焦点位置以内になるように設置されている。
【０３５８】
先述のように、被測定物９での反射光束の偏光乱れによって、被測定物９を識別するので、光学窓３５に埃などの光の散乱体が付着すると、光の偏光状態を乱すノイズ源となってしまう。
【０３５９】
しかし、この第１１実施形態では、ピンホール部１１が第４集光レンズ１０ａおよび１０ｂの焦点位置に配置されているので、第１集光レンズ８の焦点位置以外からの光は、受光素子１２ａおよび１２ｂはほとんど受光することはない。このため、第１集光レンズ８のいかなる振動状態においても、この第１集光レンズ８の焦点距離以内に光学窓３５を配置する構成によって、光学窓３５に埃が付着したとしても、この埃に第１光束がフォーカスすることはなく、この埃がノイズ要因となることはなく、被測定物９の識別に際し、埃や汚れなどによる影響を除去することができる。
【０３６０】
(第１２の実施形態)
図１８(Ａ)は、この発明の上記実施の形態のいずれかで示した光学式物体識別装置を掃除機に適用した概略構成図を示している。図１８(Ａ)において上方に掃除機Ａの全体的な概略を示し、図１８(Ａ)において下方に、掃除機Ａのヘッド部Ｅを拡大して示す。ヘッド部Ｅは車輪Ｃを備えており、ヘッド部Ｅの内部に上記光学式物体識別装置Ｂが組み込まれている。ヘッド部Ｅの下面に光学窓(図示せず)が形成されており、この光学窓から第１光束５が出射している。
【０３６１】
また、図１８(Ｂ)には、この発明の各上記実施の形態のいずれかで示した光学式物体識別装置を自走式の掃除機Ａ２に適用した概略構成を示している。自走式掃除機本体の下面に光学窓(図示せず)が形成されており、図１８(Ａ)の掃除機Ａと同様、上記光学窓から第１光束５が出射している。なお、Ｃは車輪であり、Ｄは本体下面の外縁に取り付けられたガイド部材である。
【０３６２】
一般に、掃除機で清掃を行う床面の種類としては、フローリングなどの板間、畳、じゅうたんなどの毛織物があり、現在、一般に普及している掃除機では床面の種類に応じてその運転状態を掃除機の操作者が手動で切り替える必要があり、非常に面倒である。
【０３６３】
さらに、自動的に移動し清掃を行う自走式の掃除機においては、操作者が運転状態を切り替えることができず、床面の種類を判別するセンサーが必要不可欠である。このような掃除機において、本発明による上記実施形態の光学式物体識別装置を備えることで、精度よく床面の種類を判別することができる。すなわち、上記実施形態で説明したように、あらかじめ既知の床面(板、畳、じゅうたんなど)による光の反射による偏光解消情報を信号処理回路１４のメモリに入力しておき、既知の偏光解消情報と測定対象物の測定結果とを比較することにより、精度よく床面の種類を判別することができる。また、第７実施形態の光学式物体識別装置では、太陽光や蛍光灯などの外乱光を除去する機能も持っているので、照明下の屋内など明るい環境においても使用可能であり、掃除機、特に自走式掃除機に対して非常に有効である。
【図面の簡単な説明】
【０３６４】
【図１】この発明の光学式物体識別装置の第１実施形態の構成を示す図である。
【図２】上記第１実施形態において受光素子群を有する受光部を備えた場合の受光強度分布を示す概念図である。
【図３】図３(Ａ)は上記第１実施形態の変形例の構成を示す図であり、図３(Ｂ)は上記変形例における光強度分布を示す図である。
【図４】この発明の第２実施形態の構成を示す図である。
【図５】この発明の第３実施形態の構成を示す図である。
【図６】この発明の第４実施形態の構成を示す図である。
【図７】この発明の第５実施形態の構成を示す図である。
【図８】図８(Ａ)は上記第５実施形態において光学系を筐体８０内に収容した構成を示す図であり、図８(Ｂ)は投光部を筐体内に収容した一例を示す図であり、図８(Ｃ)はフォトダイオードを信号処理回路を同一の半導体基板に形成した一例を示す図である。
【図９Ａ】この発明の第６実施形態の光学式物体識別装置の概念を説明するための図であり、表面の高低差がある被測定物と第１集光レンズとの位置関係を示す模式図である。
【図９Ｂ】上記第６実施形態の構成例１を示す概略図である。
【図１０】図１０(Ａ)は上記第６実施形態の構成例２の１つの側面図であり、図１０(Ｂ)は上記構成例２の別の側面図である。
【図１１Ａ】上記第６実施形態の構成例３を示す図である。
【図１１Ｂ】上記第６実施形態の構成例４を示す図である。
【図１１Ｃ】上記第６実施形態の変形例１が備える累進レンズを示す図である。
【図１１Ｄ】上記第６実施形態の変形例１の概略構成を示す図である。
【図１１Ｅ】上記第６実施形態の変形例２の概略構成を示す図である。
【図１２Ａ】この発明の第７実施形態の信号処理動作を説明するタイミングチャートである。
【図１２Ｂ】上記第７実施形態が備える信号処理回路が有する回路を示すブロック図である。
【図１３Ａ】この発明の第８実施形態の光学式物体識別装置の信号処理動作を説明するタイミングチャートである。
【図１３Ｂ】この発明の第８実施形態の光学式物体識別装置の信号処理動作を説明するタイミングチャートである。
【図１３Ｃ】上記第８実施形態の信号処理回路が有する回路を示すブロック図である。
【図１４】上記第８実施形態の信号処理回路が有するより具体的な回路構成を示す図である。
【図１５Ａ】この発明の第９実施形態の信号処理系の構成を示す回路ブロック図である。
【図１５Ｂ】上記第９実施形態における信号処理動作を示すフローチャートである。
【図１５Ｃ】上記第９実施形態の変形例１における信号処理動作を示すフローチャートである。
【図１６Ａ】上記第９実施形態の変形例２の信号処理系の構成を示す回路ブロック図である。
【図１６Ｂ】上記第９実施形態の変形例２の信号処理系の動作を示すフローチャートである。
【図１７】図１７(Ａ),(Ｂ)はこの発明の第１０実施形態の光学式物体識別装置を実現するための半導体レーザの発光パルス波形の一例を示す波形図である。
【図１８】図１８(Ａ)はこの発明の第１２実施形態としての掃除機の構成を示す模式図であり、図１８(Ｂ)はこの発明の実施形態としての自走式掃除機の構成を示す模式図である。
【符号の説明】
【０３６５】
１  半導体レーザ
２  コリメータレンズ
３  絞り
４  ビームスプリッタ
５  第１光束
６  第２光束
７  反射光束
８  第１集光レンズ
９  被測定物
１０  第２集光レンズ
１１  ピンホール部
１２  受光部
１２ａ  第２受光素子
１２ｂ  第１受光素子
１３ａ,１３ｂ,１３ｃ  直線偏光子
１４  信号処理回路
１５  ミラー
１６  パルス電源
１７  ソレノイドコイル
１８  レンズホルダ
１９  バネ
２０  固定板
２１  鉄芯
２２  モータ
２３  モータ固定板
２４  スプリング
２５  ガイド
２６  補助板
２７  ベアリング
２８  固定台
２９  補助板
３０  レンズホルダ
３１  ベース
３２  ガイド
３３  スライダ
３４  円板
３５  窓
３６  プロペラ
３７  累進レンズ
３８  液晶スイッチ
３９ａ,３９ｂ  直線偏光子
４０  ＬＤ変調パルス
４１  反転パルス
４２  原信号
４３  ＤＣ外乱光信号
４４  ＡＣ外乱光信号
４５  第１処理信号
４６  第２処理信号
４７  差動信号
４８  //偏光成分側多段階ゲイン切替アンプ部
４９  ⊥偏光成分側多段階ゲイン切替アンプ部
５０  //偏光成分側ゲイン切替制御部
５１  ⊥偏光成分側ゲイン切替制御部
５２  //偏光成分側ノイズ除去部
５３  ⊥偏光成分側ノイズ除去部
５４  発振分周回路
５５  Ａ/Ｄ変換器
５６  ＬＤ変調信号部
５７  信号処理器
５８  識別結果表示器
【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９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１１Ｃ】
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【図１１Ｄ】
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【図１１Ｅ】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１３Ｃ】
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【図１４】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１５Ｃ】
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【図１６Ａ】
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【図１６Ｂ】
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【図１７】
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【図１８】
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