光学对象识别装置的制作方法

专利名称：光学对象识别装置的制作方法
背景技术：
本发明涉及光学对象识别装置。本发明涉及一种识别测量对象类型的光学对象识别装置，该对象是一被测量对象，例如，通过将激光束施加到测量对象并测量由激光束的反射引起的去偏振特性。本发明涉及一种光学对象识别装置，其识别，例如，地板表面的类型，诸如地毯，木质地板和稻草榻榻米垫子。
作为一个示例，本发明涉及一种光学对象识别装置，其适于通过识别地板表面的类型而获得根据地毯，木质地板和稻草榻榻米垫子之类的地板表面之间的差异，实现对清洁器的运行状态的优化。进一步地本发明涉及包含光学对象识别装置的清洁器和自推进清洁器。
安装在家用真空清洁器上的地板表面识别传感器可以分为机械型、吸入压力型、超声波型以及光学型传感器。
机械型地面识别传感器包括(1)可动部分压在地板表面的类型(JPH02-52619A)，(2)根据多边形棱镜或齿轮形状的滚筒的旋转状态来对地板表面进行识别的类型(JP H02-52623A和JP H03-106325A)，(3)根据随着从地板表面接收到的压力而改变的导电橡胶的阻抗值来对地板表面进行识别的类型(JP H05-56888A和JP H05-56889A)，等。
JP H06-78862A描述了一种吸入压力型地板表面识别传感器。该吸入压力型地板表面识别传感器通过检测灰尘收集过滤器的前部的压力来识别地板表面的类型。该传感器通过利用包含地毯的地板表面在地毯被吸入到吸入部分时真空度增加，而包含木质地板的则由于木质地板等不被吸入到该吸入部分，从而真空度并不增加的事实，来完成地板表面的识别。
JP H01-232255A，JP H03-77519A和JP H03-212249A描述了超声波型地板表面识别传感器。在这些超声波型地板表面传感器中，从与地板表面相对地安装的波传输部分传输来的超声波脉冲，在重复反射多次后作为地板表面的回声，被接收部分接收。根据接收到的信号，传感器识别地板表面的类型。
JP H03-123522A和JP H03-228724A描述了光学型地板表面识别传感器。该光学型地板表面识别传感器具有用于接收和发射水平于地板表面的光的第一光接收/发射元件，以及用于接收和发射垂直于地板表面的光的第二光接收/发射元件。根据这两个光接收/发射元件的输出，传感器识别地板表面的类型。
通常，这些装置作为机械地板表面识别装置，其构造成具有接触部分，尤其是，那些如此构造使得该接触部分具有通过接触而可移动的可移动部分，存在不同的问题，包括接触部分(可移动部分)的磨损或者机械可靠性的老化损坏。
因此，能够以非接触方式获得预期的效果的光学型地板表面识别传感器在装置可靠性方面是出色的。其间，两者均具有接触部分和可移动部分的类型(2)和(3)的每一种的机械型地板表面识别传感器，被设计为测量由于接触部分和可移动部分的位移而产生的物理量。结果，机械型地板表面识别传感器与光学型地板表面识别传感器相比在可靠性方面存在问题。
另一方面，吸入压力型地板表面识别传感器包括真空度的改变不仅由于被清洁地板表面的类型引起，还由于其他因素，诸如灰尘收集过滤器的堵塞引起。结果是，吸入压力型地板表面识别传感器存在地板表面类型的误探测的担心。
另外，对于超声波型地板表面识别传感器，传输和接收两元件需要装备一些喇叭(hom)。因此，超声波型地板表面识别传感器，当安装在普通的清洁器上时，在容易使用方面变得劣化。同时，抗震性和成本的降低也应该考虑。
光学型地板表面识别传感器探测由于地毯硬毛拦截水平于地板表面发射的光而引起的接收到的光量的降低，由此实现该地板表面给定为地毯的事实的识别。然而，对于不蓬松的地毯，由于光并不被拦截，在地板表面为地毯的探测方面存在困难。
尽管已经如上所述提出了各种类型的地板表面识辨传感器，但是这些传感器事实上存在优点和缺点。另外，该传感器主要是在地毯和其他之间进行识别的传感器，而不是能够对作为日本人通常室内环境的稻草榻榻米垫子进行识别的装置。

发明内容
因此，本发明的一个目的是提供一种光学对象识别装置，其能够精确地探测任何测量对象的不平坦度，并且具有高可靠性和小的尺寸。
本发明的另一个目的是提供一种光学对象识别装置，其能够精确地探测任何测量对象的类型，并且具有高可靠性，在结构上相对简单并且容易小型化。
本发明的又一个目的是提供一种光学对象识别装置，其甚至即使在相对测量对象倾斜时，也免于任何测量对象的表面状态的识别精度的退化，使得该光学对象识别装置能够获得测量对象的高精度识别。
为了实现上面的目的，根据本发明，提供一种光学对象识别装置，其包括光投影部件，其将半导体光发射元件发射的光施加到其为将要被测量的对象的测量对象上；光接收部件，其接收测量对象反射的反射光；偏振状态选择器部件，其设置在光接收部件和测量对象之间，并允许特定偏振方向的偏振光穿过；以及信号处理部件，其处理由光接收部件输出的信号以测量来自反射光的特定偏振方向的光强。
在本发明的光学对象识别装置中，由半导体光发射元件发射的光由光投影部件施加到测量对象上，其中该光的反射光的偏振状态根据测量对象的反射表面的不平坦度而改变。
因此，反射光的偏振状态具有作为测量对象的反射表面的不平坦度的信息。穿过偏振状态选择器部件的反射光入射到光接收部件上。信号处理部件处理由光接收部件输出的信号以测量反射光的特定偏振方向的光强，由此识别测量对象的类型。
在本发明中，已经预先知道将要入射到测量对象的光的偏振状态。关于与预先知道偏振状态的入射光相关的反射光的测量偏振信息提供将要被测量的测量对象的不平坦度，由此能够实现对象的识别。
在一个实施例中，在该光学对象识别装置中，将要入射到测量对象上的光的偏振态是线偏振。
对于本实施例的光学对象识别装置，由于测量对象上的入射光是线偏振光，因此，该入射光仅沿一个方向振荡。由此，评估由于测量对象的反射引起的入射光的去偏振的去偏振特性变得容易。
在一个实施例中，在光学对象识别装置中，将要入射到测量对象的线偏振光是关于测量对象的S波。
对于本实施例的光学对象识别装置，由于将要入射到测量对象的入射光束是S波，则在测量对象的入射平面是光学地光滑表面的情况下，该光束作为S波反射。因此，该参考偏振方向由于在光滑平面上的反射而保持。这使得对测量对象的不平坦度的高精度评估成为可能。相反地，当将要入射到测量对象的入射光束是P波时，仅仅某些偏振方向的分量对反射有贡献，因此P波不适于测量对象的不平坦度的高精度评估。
在一个实施例中，在光学对象识别装置中，通过偏振状态选择器部件选择的偏振方向与将要入射到测量对象的光的偏振方向基本上彼此相同。
对于本实施例的光学对象识别装置，由于入射到光接收部件的光的偏振方向与入射光的偏振方向相同，则由于反射表面的不平坦度引起的去偏振特性能够被高精度地测量。
在一个实施例中，在光学对象识别装置中，光投影部件包括第一光分支元件，其将从半导体光发射元件发射的光分为第一光束和第二光束；以及目标部件，其将第一光束会聚并施加到测量对象上，以及其中该光学对象识别装置还包括聚光器部件，其对来自测量对象反射的光中已经穿过目标部件的光进行会聚；以及针孔部件，其设置在聚光器部件和光接收元件之间。
对于本实施例的光学对象识别装置，针孔部件存在于光接收元件和聚光器部件之间，并且信号光被会聚以便穿过针孔部件表面的针孔。于是，噪声光被切断，以使由测量对象反射的光能够被高效率地接收。
在一个实施例中，光学对象识别装置还包括杂散光防止部件，其遮断第二光束以及第二光束的反射光。
对于本实施例的光学对象识别装置，其不会出现对信号没有贡献的光作为噪音源的情况。
在一个实施例中，在光学对象识别装置中，该杂散光防止部件具有线偏振器，以及该线偏振器设置在第二光束的光轴上，并且线偏振器允许通过其的光的偏振方向是与第二光束的偏振方向正交的方向。
对于本实施例的光学对象识别装置，由于透过与第二光束的偏振方向正交的偏振方向的光的线偏振器设置在第二光束的光轴上，则第二光束被线偏振器吸收。因此，不会造成第二光束被装置的侧壁等反射而混合到光接收部件作为噪声光。
在一个实施例中，在光学对象识别装置中，聚光器部件包括聚光透镜，以及该针孔部件设置在聚光透镜的焦距位置上。
对于本实施例的光学对象识别装置，由于针孔部件设置在聚光透镜的焦点位置上，那么当测量对象位于包含在目标部件内的物镜的焦点位置时，反射光束大部分会聚在针孔部件表面。当测量对象位于包含在目标部件的物镜的焦点位置时，入射光大部分会聚在测量对象上，在那里光强变得最大。在这种情况下，由此，穿过针孔部件的光的数量变为最大值，从而S/N比能够提高。
在一个实施例中，在光学对象识别装置中，针孔部件所在位置的反射光束的直径设置为小于针孔部件的孔直径。
对于本实施例的光学对象识别装置，由于针孔部件的孔直径大于针孔部件表面的光束直径，因此不会造成信号光被针孔部件切断。
在一个实施例中，在光学对象识别装置中，第一光束成为基本上入射到目标部件的中心上。
对于本实施例的光学对象识别装置，由于第一光束成为基本上入射到目标部件的中心上，从而具有与被保存的镜像地反射光分量有关的对称的去偏振特性的光能够被光接收部件接收。
在一个实施例中，在光学对象识别装置中，第一光束变成入射到目标部件的一端部。
对于本实施例的光学对象识别装置，由于第一光束入射到目标部件的一端部，反射光束的镜像的反射光分量会聚到目标部件的该端部。会聚到第一光束已成为入射光的光斑周围的反射光束是显示出更高去偏振特性的光束。由此，测量对象能够高精度地被识别。
在一个实施例中，光学对象识别装置还包括目标部件，其将半导体光发射元件发射的光会聚到测量对象上；以及光导引部件，其将来自测量对象的反射光的外围部分导向光接收部件，将与入射到目标部件的光束相重叠的重叠部分排除，其中反射光束的外围部分被光接收部件探测。
对于本实施例的光学对象识别装置，对从半导体光发射元件发射的光束所输出的信号没有贡献的光的数量能够大范围地减小，由此能够提高发射光对信号光的贡献比率。于是，半导体光发射元件的光发射数量能够被减小，并且能够减小电流消耗。
在一个实施例中，光学对象识别装置还包括光轴改变部件，其改变被第一光分支元件分离的第二光的行进方向，其中，光轴已经被改变的第二光束与第一光束其光轴基本上平行，并且第一和第二光束将变成入射到一个同样的目标部件上。
对于本实施例的光学对象识别装置，能够提高半导体光发射元件发射的光对信号光的贡献比率，使得能够减小该装置的电流消耗，并且该装置还能够由普通光学部件构造，其不需要特殊的加工。由此，装置的制造变得容易实现。
在一个实施例中，在光学对象识别装置中，光投影部件包括第一光分支元件，其将半导体光发射元件发射的光束分为第一光束和第二光束；以及光学对象识别装置还包括分光部件，其包括将测量对象的反射光分为第一反射光束和第二反射光束的第二光分支元件，其中光接收部件具有第一光接收元件，其接收第一反射光束，以及第二光接收元件，其接收第二反射光束，偏振状态选择器部件具有偏振状态选择器元件，其对入射到第一光接收元件上的光的偏振状态进行选择，以及信号处理部件计算第一光接收元件输出的信号对第二光接收元件输出的信号的比率。
对于本实施例的光学对象识别装置，反射光束被第二光分支元件二分为第一反射光束和第二反射光束，并且二分支光束之一的第一光束通过偏振状态选择器元件(例如线偏振器)被第一光接收元件接收并测量其去偏振特性。二分支光束中的另一个的第二反射光束在没有任何线偏振器干涉的情况下在所有方向上被第二光接收元件接收。在没有任何诸如线偏振器的偏振状态选择器元件干涉的情况下被第二光接收元件接收的信号包含关于测量对象反射率的信息。由此，通过信号处理部件计算第一光接收元件输出的信号对第二光接收元件输出的信号的比，防止了由于测量对象表面的反射率的变化引起的测量对象的识别精度的降低。
在一个实施例中，在光学对象识别装置中，光投影部件包括第一光分支元件，其将半导体光发射元件发射的光束分为第一光束和第二光束，以及光学对象识别装置还包括分光部件，其包括将测量对象反射的光分为第一反射光束和第二反射光束的第二光分支元件，并且其中光接收部件具有第一光接收元件，其接收第一反射光束，以及第二光接收元件，其接收第二反射光束，以及偏振状态选择器部件具有第一偏振状态选择器元件，其对入射到第一光接收元件上的光的偏振状态进行选择，以及第二偏振状态选择器元件，其对入射到第二光接收元件上的光的偏振状态进行选择，并且通过第一偏振状态选择器元件选择的偏振方向与通过第二偏振状态选择器元件选择的偏振方向基本上彼此正交。
对于本实施例的光学对象识别装置，反射光束被分为两束，第一反射光束和第二反射光束，然后第一和第二光束通过对其进行选择的偏振方向彼此正交的第一和第二偏振状态选择器元件(例如线偏振器)分别被第一和第二光接收元件接收。从而，由于两光接收元件输出的信号用于在去偏振特性上彼此最不相同的两个分量的提取，因此能够提高测量对象的识别精度。
在一个实施例中，在光学对象识别装置中，被偏振状态选择器部件选择的多个光束中的至少一个在偏振方向上与半导体光发射元件发射的光基本上平行。
根据本实施例，由于入射到光接收元件的多个光束的强度比能被构成最大，因此识别精度能够有效地提高。
在一个实施例中，在光学对象识别装置中，通过第一偏振状态选择器元件选择的偏振方向基本上平行于第一光束的偏振方向，并且通过第二偏振状态选择器元件选择的偏振方向基本上垂直于第一光束的偏振方向。
对于本实施例的光学对象识别装置，反射光束被分为两个光束，第一反射光束和第二反射光束。对于第一光束，通过第一偏振状态选择器元件(线偏振器)，其设置为其所选择的偏振方向与第一光束的偏振方向相同，去偏振特性被第一光接收元件测量。另一方面，对于第二反射光束，通过第二偏振状态选择器元件(线偏振器)，其设置为其所选择的偏振方向与第一光束的偏振方向正交，去偏振特性被第二光接收元件测量。至于两光接收元件输出的信号的强度，由于第一和第二偏振状态选择器元件(线偏振器)选择的偏振方向彼此正交，一个信号的强度大而另一个信号的强度小。于是，获得了对去偏振特性的高精度评估。
在一个实施例中，在光学对象识别装置中，第一和第二偏振状态选择器元件是线偏振器。
本实施例的光学对象识别装置，通过利用线偏振器的优点，适合于用于沿特定方向偏振的光的接收。
在一个实施例中，在光学对象识别装置中，第二光分支元件和第一和第二偏振状态选择器元件的每个通过偏振分束器实现。
对于本实施例的光学对象识别装置，通过利用偏振分束器的优点，与使用非偏振分束器和线偏振器的光学系统相比，能够削减部件数。
在一个实施例中，在光学对象识别装置中，信号处理部件计算第一光接收元件输出的信号对第二光接收元件输出的信号的比率。
对于本实施例的光学对象识别装置，通过信号处理部件计算两光接收元件的输出比，能够提高测量对象的识别精度。
在一个实施例中，在光学对象识别装置中，信号处理部件计算第一光接收元件输出的信号与第二光接收元件输出的信号之间的差。
对于本实施例的光学对象识别装置，通过设置与彼此正交的两光接收元件相对应的偏振状态选择器元件(线偏振器)的选择偏振方向，两光接收元件输出的信号具有这样的强度，使一个信号强度大，而另一个信号强度小。因此，测量对象的去偏振程度越小，输出信号的差变得越大，于是能够通过两输出信号之间的差的计算获得测量对象的高精度识别。
在一个实施例中，在光学对象识别装置中，信号处理部件计算第一光接收元件输出的信号与第二光接收元件输出的信号之间的差；以及该差对第一光接收元件输出的信号与第二光接收元件输出的信号之和的比率，或者该差对第一光接收元件输出的信号或第二光接收元件输出的信号的比率。
对于本实施例的光学对象识别装置，信号处理部件计算两光接收元件的输出信号之差对两光接收元件的输出信号之和的比率，或者两光接收元件的输出信号之差对第一光接收元件的输出信号或第二光接收元件的输出信号的比率。
在这些比率的计算中，例如，分子，如果由输出信号之间的差给定，则代表由于测量对象的表面状态引起的去偏振特性，以及分母，如果由两光接收元件的输出信号之和给定，则代表对测量对象的表面的反射率作出贡献的接收到的信号。因此，这使得获得测量对象的高精度识别变得可能，其降低了测量对象的表面反射率变化的影响。
在一个实施例中，在光学对象识别装置中，半导体光发射元件是半导体激光器。
对于本实施例的光学对象识别装置，由于半导体激光器用作半导体光发射元件，能够增加测量对象上的光强，因此能够增加接收到的信号的强度。于是，能够实现测量对象的高精度识别。
在一个实施例中，在光学对象识别装置中，光接收元件由光电二极管形成。
本实施例的光学对象识别装置，通过利用光电二极管作为光接收元件的优点，适合于使装置结构小型化，并且还能够降低其成本，因此更优越。
在一个实施例中，在光学对象识别装置中，第一光接收元件和第二光接收元件形成在一个相同的半导体基片上。
对于本实施例的光学对象识别装置，由于第一光接收元件(光电二极管)和第二光接收元件(光电二极管)形成在一个相同的半导体基片上，能够削减部件数。因此，能够降低制造成本。
在一个实施例中，在光学对象识别装置中，光接收部件和信号处理部件形成在一个相同的半导体基片上。
对于本实施例的光学对象识别装置，由于光接收部件和信号处理部件形成在一个相同的半导体基片上，不需要使光电二极管等形成的光接收部件与信号处理部件的电路相连的任何导线，因此能够降低噪声电平并且削减部件数。因此，能够降低制造成本。
在一个实施例中，在光学对象识别装置中，第一光接收元件、第二光接收元件和信号处理部件形成在一个相同的半导体基片上。
对于本实施例的光学对象识别装置，由于第一和第二光接收元件(光电二极管)和信号处理部件形成在一个相同的半导体基片上，能够进一步削减部件数，并且还可以进一步降低噪声电平。
同样，在一个实施例中，光接收部件具有光接收元件组，其中排列了多个光接收元件。
对于本实施例的光学对象识别装置，利用反射去偏振特性的位置依赖性进行测量是可行的。由此，与使用一个光电二极管的情况相比，能够获得测量对象的高精度识别。
在一个实施例中，在光学对象识别装置中，信号处理部件根据光接收元件的信号的强度显示光接收元件组输出的最高强度，使光接收元件组的单个光接收元件的信号标准化。
对于本实施例的光学对象识别装置，由于去偏振特性的位置依赖性通过光接收元件的信号强度的最高值被标准化，减小了测量对象表面的反射率的变化的影响，并且能够实现测量对象的高精度识别。
在一个实施例中，在光学对象识别装置中，目标部件通过物镜来实现，并且物镜的焦点位置与测量对象表面之间的距离是可变的。
对于本实施例的光学对象识别装置，由于物镜的焦点位置与测量对象表面之间的距离是可变的，因此，即使在测量对象的不平坦度大的情况下，测量对象的表面也能够定位在物镜的焦点位置。因此，能够扩展测量对象的识别范围。
在一个实施例中，光学对象识别装置还包括透镜振动机构，其使物镜振动，其中通过利用透镜振动机构改变物镜的透镜位置，改变第一透镜的焦点位置与测量对象表面之间的距离。
对于本实施例的光学对象识别装置，用于振动物镜的透镜振动机构优选地作为用于改变物镜焦点位置与测量对象表面之间的距离的装置。
在一个实施例中，在光学对象识别装置中，透镜振动机构具有凸轮。
对于本实施例的光学对象识别装置，通过凸轮实现的透镜振动机构优选地作为透镜振动机构。
在一个实施例中，在光学对象识别装置中，凸轮的凸轮曲线是正弦波曲线。
对于本实施例的光学对象识别装置，由于凸轮的凸轮曲线是正弦波曲线，透镜振动状态能够通过简单的计算而算出，使得在任意时间内获取透镜的位置成为可能。于是，能够通过信号处理部件处理适当的反射光信号。
在一个实施例中，在光学对象识别装置中，透镜振动机构具有螺线管。
对于本实施例的光学对象识别装置，利用螺线管和弹簧，能够制成采用吸力或推力的透镜振动机构。
在一个实施例中，在光学对象识别装置中，透镜振动机构具有曲柄机构，其将旋转运动转变为线性往复运动。
对于本实施例的光学对象识别装置，透镜振动机构通过使用曲柄机构作为透镜振动机构，能够简化结构。
在一个实施例中，在光学对象识别装置中，透镜振动机构具有致动器。
对于本实施例的光学对象识别装置，通过使用致动器作为透镜振动机构能够使装置结构小型化。
在一个实施例中，在光学对象识别装置中，透镜振动机构利用附着于透镜支架的叶片接收气流而使透镜振动。
对于本实施例的光学对象识别装置，作为透镜振动机构，由于不需要要求驱动力的电动机或者其他零部件，能够降低装置结构的制造成本。
在一个实施例中，在光学对象识别装置中，物镜是渐进式透镜，并且，物镜的焦点位置与测量对象的表面之间的距离通过改变第一光束入射到渐进式透镜上的位置而被改变。
对于本实施例的光学对象识别装置，通过使用渐进式透镜，能够使装置的结构小型化。
在一个实施例中，在光学对象识别装置中，渐进式透镜的焦点位置与测量对象表面之间的距离通过将渐进式透镜在基本上与第一光束垂直的平面内移动而改变。
对于本实施例的光学对象识别装置，由于能够减小作为物镜的渐进式透镜的振动宽度，因此能够使装置的结构小型化。
在一个实施例中，在光学对象识别装置中，包含液晶的光开关设置在入射到渐进式透镜的第一光束的光轴上。
对于本实施例的光学对象识别装置，通过利用采用液晶的光开关的优点，作为物镜的渐进式透镜的焦点位置与测量对象表面之间的距离在不引起任何构成装置的零部件振动的情况下而被改变。因此，能够简化和小型化装置的结构，并且能够提高可靠性。
在一个实施例中，在光学对象识别装置中，物镜焦点距离与测量物体表面之间的距离的变化设置为大于测量对象表面的不平坦度的高度。
对于本实施例的光学对象识别装置，由于物镜焦点位置与测量对象表面之间的距离的变化大于测量对象表面的不平坦度，因此能够可靠地获取来自物镜焦点位置的反射光信号。
在一个实施例中，在光学对象识别装置中，物镜焦点位置与测量对象表面之间的距离的变化为5mm至15mm。
对于本实施例的光学对象识别装置，由于物镜焦点位置与测量对象表面之间的距离的变化设置为5mm至15mm，因此能够覆盖大部分可识别的测量对象。
在一个实施例中，光学对象识别装置包括目标部件，其将第一光束会聚并施加到测量对象上；聚光器部件，其将已经穿过目标部件的从被测量对象反射的光中输出的光会聚；以及针孔部件，其设置在聚光器部件与第一和第二光接收元件之间，其中目标部件包括物镜，并且具有改变物镜的焦点位置与测量对象表面之间的距离的机构，并且其中信号处理部件计算在物镜与测量对象表面之间的距离与物镜的焦距基本上相等的聚焦状态下第一光接收元件输出的聚焦信号，对在物镜与测量对象表面之间的距离与物镜的焦距不同的散焦状态下第二光接收元件输出的散焦信号的比率。
对于本实施例的光学对象识别装置，通过将反射光信号分为两个信号以及利用聚焦状态和散焦状态的信号，能够提高测量对象的识别精度。
在一个实施例中，在光学对象识别装置中，光投影部件包括目标部件，其将第一光束会聚并施加到测量对象上；聚光器部件，其将已经穿过目标部件的从被测量对象反射的光中输出的光会聚；以及针孔部件，其设置在聚光器部件与第一和第二光接收元件之间，其中目标部件包括物镜，并且具有改变物镜的焦点位置与测量对象表面之间的距离的机构，并且其中信号处理部件处理在物镜与测量对象表面之间的距离与物镜的焦距基本上相等的会聚状态下的第一光接收元件输出的聚焦信号，以及在物镜与测量对象表面之间的距离与物镜的焦距不同的散焦状态下的第二光接收元件输出的散焦信号。
对于本实施例的光学对象识别装置，反射光被分成两束，第一反射光束和第二反射光束，并且分别被第一和第二光接收元件接收。然后，测量由第一光接收元件输出的在聚焦状态下的聚焦信号与由第二光接收元件输出的在散焦状态下的散焦信号，作为彼此正交的偏振分量。由此，能够提高测量对象的识别精度。
在一个实施例中，在光学对象识别装置中，信号处理部件计算聚焦信号对散焦信号的比。
对于本实施例的光学对象识别装置，通过计算聚焦信号对散焦信号之比，其为彼此正交偏振分量，能够提高测量对象的识别精度。
在一个实施例中，在光学对象识别装置中，信号处理部件计算聚焦信号与散焦信号之间的差。
对于本实施例的光学对象识别装置，利用信号处理部件计算聚焦信号与散焦信号之间的差，能够提高测量对象的识别精度。
在一个实施例中，在光学对象识别装置中，信号处理部件计算聚焦信号与散焦信号之间的差，并且计算该差对聚焦信号的比。
对于本实施例的光学对象识别装置，由于能够减小测量对象表面反射率的变化的影响，因此能够提高测量对象的识别精度。
在一个实施例中，在光学对象识别装置中，将调制信号施加到半导体光发射元件来进行光强调制，并且其中信号处理部件计算在调制信号为H电平的情况下光接收部件输出的第一输出信号，与在调制信号为L电平的情况下光接收部件输出的第二输出信号之间的差。
对于本实施例的光学对象识别装置，将强度调制施加到半导体光发射元件上，并且信号处理部件计算分别与调制信号的H电平和L电平相对应的第一输出信号和第二输出信号之间的差。因此，能够消除入射到光接收部件上的扰动光噪声。
在一个实施例中，在光学对象识别装置中，施加到半导体光发射元件上的调制信号是矩形波。
对于本实施例的光学对象识别装置，由于施加到半导体光发射元件上的调制信号是矩形波，因此能够提高扰动光噪声消除的效果。
在一个实施例中，在光学对象识别装置中，在L电平下半导体光发射元件的发射量基本上为0W。
对于本实施例的光学对象识别装置，由于在L电平下半导体光发射元件的发射数量基本上为0W，利用在L电平状态下的第二输出信号能够仅测量扰动光噪声。因此，能够提高扰动光噪声消除的效果。
在一个实施例中，在光学对象识别装置中，光强调制的调制频率不低于50kHz。
对于本实施例的光学对象识别装置，由于半导体光发射元件在等于或高于常见的扰动光噪声的频率频段下被调制，因此能够提高扰动光噪声消除的效果。
在一个实施例中，在光学对象识别装置中，光强调制的调制频率为100Hz至10kHz。
对于本实施例的光学对象识别装置，由于常见的扰动光噪声的频段和半导体光发射元件的调制频率并不彼此重叠，因此能够提高扰动光噪声消除的效果。
在一个实施例中，在光学对象识别装置中，信号处理部件包括第一采样与保持电路，当调制信号为H电平时，其允许来自光接收部件的第一输出信号通过，并且当调制信号为L电平时，对在调制信号为H电平时获取的第一输出信号进行采样和保持；第二采样与保持电路，当调制信号为L电平时，其允许来自光接收部件的第二输出信号通过，并且当调制信号为H电平时，对在调制信号为L电平时获取的第二输出信号进行采样和保持；以及差分电路，其获取第一采样与保持电路输出的信号与第二采样与保持电路输出的信号之间的差。
对于本实施例的光学对象识别装置，第一采样与保持电路在H电平状态下对第一输出信号进行采样和保持，并且第二采样与保持电路在L电平状态下对第二输出信号进行采样和保持。然后，差分电路计算第一输出信号与第二输出信号之间的差。由此，能够实现用于评估扰动光噪声的电路结果。
在一个实施例中，在光学对象识别装置中，信号处理部件具有放大部件，其对光接收部件探测的信号进行放大；以及放大率改变部件，其响应光接收部件的信号强度而改变放大部件的放大率。
在一个实施例中，在光学对象识别装置中，放大率改变部件在特定时间保持放大部件的信号强度，并将该保持值与参考值相比较以确定放大部件的放大率。
对于本实施例的光学对象识别装置，通过在特定时间保持信号强度，对于随时间而改变的信号强度，能够在所要求的时间利用该信号强度改变放大率。
在一个实施例中，在光学对象识别装置中，信号处理部件具有放大部件，其对光接收部件探测的信号进行放大；以及放大率改变部件，其响应光接收部件的信号强度而改变放大部件的放大率，该放大率改变部件在特定时间保持放大部件的信号强度，并将该保持值与参考值相比较以确定放大部件的放大率，该放大部件还具有第一放大器和第二放大器，以及该放大率改变部件具有第一放大率变换器和第二放大率变换器以及峰值保持电路部件和采样与保持电路部件，该信号处理部件具有第一信号处理电路，第一光接收元件探测的信号输入到其中并且其具有第一放大器和峰值保持电路以及第一放大率变换器；以及第二信号处理电路，第二光接收元件探测的信号输入到其中并且其具有第二放大器和采样与保持电路以及第二放大率变换器，其中第一放大率变换器根据峰值保持电路的输出值确定第一放大器的放大率，以及第二放大率变换器根据采样与保持电路的输出确定第二放大器的放大率。
对于本实施例的光学对象识别装置，第一放大率变换器根据峰值保持电路的输出值确定第一放大器的放大率，同时第二放大率变换器根据采样与保持电路的输出值确定第二放大器的放大率。由此，优选的采用峰值保持电路用于第一放大器的放大率的确定，并且使用采样与保持电路用于第二放大器的放大率的确定。
在一个实施例中，在光学对象识别装置中，信号处理部件具有保持放大部件的输出信号的功能，并且通过将调制信号施加到半导体光发射元件上，决定用于保持放大部件的输出信号的时限以便与参考值相比较。
对于本实施例的光学对象识别装置，利用用作半导体光发射元件的调制信号的脉冲信号，能够容易地在任何需要的时间实现对放大部件的输出信号的保持。
在一个实施例中，在光学对象识别装置中，第一信号处理电路具有峰值位置探测部件，其探测峰值保持电路保持聚焦信号的峰值的时间点作为参考时间，该聚焦信号是在会聚状态下光接收元件的输出，并且第二信号处理电路具有时间探测部件，其根据峰值位置探测部件探测到的参考时间和施加到半导体光发射元件上的调制信号，确定采样与保持电路的时限以对散焦信号进行采样和保持，该散焦信号是在散焦状态下第二光接收元件的输出。
对于本实施例的光学对象识别装置，第二信号处理电路的采样与保持电路在采样并保持散焦信号时的时间通过利用第一信号处理电路的峰值位置探测部件探测聚焦信号的峰值位置时的时间作为参考时间确定。由此，将要进行采样和保持散焦信号的时限能够容易地并且高精度地确定。
在一个实施例中，在光学对象识别装置中，放大率改变部件当放大部件的输出信号电平超出设置的参考值范围时，放大部件的放大率通过一个步骤增加或减小。
对于本实施例的光学对象识别装置，由于放大率变换器造成的放大率的转换通过一个步骤来执行，因此能够简化电路的构造，该电路具有选择目标放大率的电路功能。
在一个实施例中，在光学对象识别装置中，包含信号处理部件的放大部件具有放大器组，其中串联了多个放大器。
对于本实施例的光学对象识别装置，由于放大部件由串联连接的多个放大器提供，放大率能够由多个放大器分割。因此，即使在需要大的放大率的电路构造时，也能够使电路运行稳定。
在一个实施例中，在光学对象识别装置中，放大率改变部件开放来自放大器组的特定放大器的输入连接阻抗，设置放大部件为特定放大率。
对于本实施例的光学对象识别装置，在信号放大的动态范围非常宽的情况下，尽管放大器组中的某些放大器需要通过使用小放大率的放大器给定，但是通过设置放大器的输入阻抗，放大率可以被设置为1。因此，能够实现宽的放大率动态范围和稳定的电路运行。
在一个实施例中，在光学对象识别装置中，第一信号处理电路输出包含聚焦信号的第一信号，第二信号处理电路输出包含散焦信号的第二信号，并且信号处理部件具有A/D转换部件，其将第一信号和第二信号数字化，以及数字信号处理电路，其根据代表第一放大器的放大率的第一放大率信号、代表第二放大器的放大率的第二放大率信号以及被A/D转换部件数字化的第一和第二信号，计算聚焦信号对散焦信号的比率，或者聚焦信号与散焦信号之间的差，或者聚焦信号与散焦信号之间的差对对聚焦信号的比率。
对于本实施例的光学对象识别装置，在信号处理部件中，作为计算聚焦信号与散焦信号的比或差的装置，分别由第一和第二信号处理电路输出的第一和第二信号被A/D转换部件从模拟的转换为数字的，并且由信号处理部件进行数字地处理。因此，能够简单地实现所要求的计算。
在一个实施例中，在光学对象识别装置中，数字信号处理电路具有存储器，其存储被数字化了的第一信号和第二信号，并且该存储器具有这样的存储电容，使得随着聚焦位置的改变，对于第一信号和第二信号的每一个，能够存储至少一半或者更多周期的波形数据。
对于本实施例的光学对象识别装置，利用的优点，能够可靠地从存储器提取目标时间的信号并使用，该存储器能够存储数字化了的第一和第二信号的每一个的至少半个或更多周期的波形数据的存储器。
在一个实施例中，在光学对象识别装置中，数字信号处理电路具有存储器，其存储被数字化了的第一信号和第二信号，并且该存储器随着聚焦位置的改变为第一信号和第二信号中的每一个存储一个周期的波形数据。
对于本实施例的光学对象识别装置，利用存储的一个周期的数字化了的第一和第二信号的每一个的波形数据，能够更高效率地利用目标时间。
在一个实施例中，在光学对象识别装置中，第一信号处理电路具有峰值位置探测部件，其探测峰值保持电路保持聚焦信号的峰值时的时间点作为参考时间，并且第二信号处理电路具有时限探测部件，其根据峰值位置探测部件探测的参考时间和施加到半导体光发射元件上的调制信号为采样与保持电路确定一时限，以便对散焦信号进行采样和保持，A/D转换部件根据由第一信号处理电路的峰值位置探测部件进行的参考时间探测给定的触发信号开始A/D转换，并且数字信号处理电路具有存储器，其存储经模数转换后的数字化数据。
对于本实施例的光学对象识别装置，根据由第一信号处理电路的峰值位置探测部件进行聚焦信号的峰值位置探测时的参考时间给定的触发信号，开始A/D转换部件的A/D转换。然后，根据存储在存储器中的经模数转换后的信号波形，能够简单地提供执行所要求的数据的计算的装置。
在一个实施例中，在光学对象识别装置中，在将数字数据存储到存储器的过程中，该开始于第一信号处理电路的峰值位置探测部件探测的参考时间，在从参考时间到采样与保持电路部件在第二采样与保持电路的时限探测部件确定的时限开始采样和保持的时间点的时间周期期间，当峰值位置探测部件探测到新的参考时间时，已经存储在存储器内的数字数据被新的参考时间完全清除，A/D转换部件根据由峰值位置探测部件进行的新的参考时间的探测所给定的触发信号，开始第一和第二信号的A/D转换，其中数字数据存储在存储器中。
对于本实施例的光学对象识别装置，通过上述构造的第一和第二信号处理电路，即使由于测量对象表面大的不平坦度，使得在从第一信号处理电路进行峰值位置探测到第二信号处理电路开始进行所要求的采样和保持的时间点的时间周期内，第一信号处理电路再次探测峰值位置，信号波形的数字数据也会从新的峰值位置探测的时间开始再次被存储。由此，不存在使用错误的波形进行计算的可能性，从而能够提高测量对象的识别精度。
在一个实施例中，在光学对象识别装置中，数字信号处理电路根据峰值位置探测部件探测的参考时间，从存储在存储器的数字信号中，提取在参考时间包含在第一信号内的聚焦信号以及在特定时间包含在第二信号内的散焦信号，根据代表第一信号处理电路的第一放大器的第一放大率和代表第二信号处理电路的第二放大器的第二放大率，计算聚焦信号对散焦信号的比率，或者聚焦信号与散焦信号之间的差，或者聚焦信号与散焦信号之间的差对聚焦信号的比率。
对于本实施例的光学对象识别装置，数字信号处理电路为了进行计算而从存储器存储的信号波形的数字化数据中提取第一信号在参考时间的聚焦信号和第二信号在特定时间的散焦信号。在这一信号处理中，通过第一信号处理电路部件的第一信号和第二信号以及第一和第二放大率信号，数字信号处理电路利用分别代表参考时间和特定时间的合适的时限信号。因此，使信号处理简化而便利，能够迅速地实现计算。
在一个实施例中，在光学对象识别装置中，数字信号处理电路具有数字信号计算部件，其根据存储在存储器中的数字数据的数字化了的第一信号探测第一信号的峰值位置，假定数字信号计算部件探测的峰值位置的时间数据为参考时间，则在参考时间提取聚焦信号，从在存储器内存储的数字化数据范围内的数字化的第二信号中，根据参考时间和调制信号在由时限探测部件确定的特定时间提取散焦信号，以及根据代表第一放大器的放大率的第一放大率信号和代表第二放大器的放大率的第二放大率信号，计算聚焦信号对散焦信号的比率，或者聚焦信号与散焦信号之间的差，或者聚焦信号与散焦信号之间的差对聚焦信号的比率。
对于本实施例的光学对象识别装置，数字信号处理电路具有数字信号计算电路，并且通过使用存储在存储器中的代表信号波形的数字化数据，数字化地处理第一信号的峰值位置的时间数据(参考时间)和在第二信号的特定时间的散焦信号。由此，实现用于第一信号处理电路和第二信号处理电路的时限测量的电路的需要，于是能够简化电路构造。
在一个实施例中，在光学对象识别装置中，数字信号处理电路在从存储在存储器中的数字数据中提取聚焦信号和散焦信号的处理中，从存储在存储器的数字化数据中，提取参考时间之前和之后的多个时间，或者参考时间之前的多个时间，或者参考时间之后的多个时间的多个聚焦信号的平均值，作为聚焦信号，从存储在存储器的数字数据中，根据参考时间和调制信号，提取由时限探测部件确定的特定时间之前或之后的多个时间，或者参考时间之前的多个时间，或者参考时间之后的多个时间的散焦信号的平均值，作为散焦信号，以及根据代表第一信号处理电路的第一放大器的放大率的第一放大率信号和代表第二信号处理电路的第二放大器的放大率的第二放大率信号，计算聚焦信号对散焦信号的比率，或者聚焦信号与散焦信号之间的差，或者聚焦信号与散焦信号之间的差对聚焦信号的比率。
对于本实施例的光学对象识别装置，在从存储在存储器中的代表信号波形的数字化数据中在所要求的时间提取聚焦信号和散焦信号的过程中，使用在所要求的时间附近的多个聚焦信号和散焦信号的信号强度的平均值。由此，能够减小由噪声引起的误差。
在一个实施例中，在光学对象识别装置中，数字信号处理电路在通过计算聚焦信号对散焦信号的比率，或者聚焦信号与散焦信号之间的差，或者聚焦信号与散焦信号之间的差对聚焦信号的比率对测量对象进行识别的过程中，执行多个时间的计算，并且计算这些多个计算时间的结果的平均，从而识别测量对象。
对于本实施例的光学对象识别装置，由于测量对象通过利用聚焦信号和散焦信号对计算的多个时间的结果平均化来识别测量对象，因此能够提高测量对象的识别精度。
在一个实施例中，在光学对象识别装置中，当距测量对象的距离大于特定值时，关闭或减小半导体光发射元件的光发射。
对于本实施例的光学对象识别装置，当距测量对象的距离大于特定值时，关闭或减小半导体光发射元件的输出。结果，能够降低在不需要进行测量的状态下的维持功率，并且还能够避免发射的光伤害人体等的可能性。
在一个实施例中，在光学对象识别装置中，半导体光发射元件的发射状态符合激光产品的1类安全标准。
对于本实施例的光学对象识别装置，即使来自装置的激光直接入射到人眼，也不存在人体受到伤害的可能性。
在一个实施例中，在光学对象识别装置中，目标部件通过物镜实现；在外壳的一部分上形成光学窗口；物镜与光学窗口之间的距离比物镜的焦距短。
对于本实施例的光学对象识别装置，利用本结构的优点，即使在使光发生散射或弥散的灰尘或其他物体沉积在使第一光束输出的光学窗口上的情况下，因为反射光在物镜的焦距之外，所以从沉积物发出的反射光几乎不会入射到光接收部件上。因此，能够避免测量对象的识别的误操作。
在一个实施例中，提供一个清洁器，如上所述的光学对象识别装置安装在该清洁器的头部。对于本清洁器，优选地，能够自动地进行测量对象地板表面的识别。
在一个实施例的自推进的清洁器中，安装了上述的光学对象识别装置。本自推进的清洁器最优选地，能够在自动运行的同时自动地探测地板表面的类型。
在一个实施例中，在光学对象识别装置中，光学投影部件将半导体光发射元件发射的光准直，并使光施加朝向测量对象，并且该光学对象测量装置还包括聚光器部件，其对光投影部件施加然后被测量对象反射的光进行会聚；以及分光部件，其将来自聚光器部件的光分为多束分开的光束，其中偏振状态选择器部件从多个分束中选择偏振方向彼此不同的光束，并且光接收部件接收由偏振状态选择器部件选择的多个光束。
根据本实施例，半导体光发射元件发射的光被光投影部件准直并且施加到测量对象上。聚光器部件将该测量对象反射的光会聚，并且分光部件将已会聚的光分为多个分束。对于多个分束，偏振方向彼此不同的光束由偏振状态选择器部件进行选择，并且由偏振状态选择器部件选择后的光束被光接收部件接收，然后由信号处理部件对来自光接收部件的信号进行处理。由于被表面反射的反射光的偏振状态响应于测量对象表面的状态而改变，因此根据光接收部件接收到的多个偏振方向的光束的强度，就识别测量对象的类型。
由于光投影部件对半导体光发射元件发射的光进行准直并且朝向测量对象输出，因此不需要，例如聚光透镜和驱动系统来设置使聚光透镜的焦点适应于测量对象。因此，能够相对简化施加光到测量对象上的光学系统和机构，于是实现了成本的降低和小型化。
另外，光投影部件仅仅要求能够生成能基本上被处理成准直光的光，并不需要生成完全的准直光。
在一个实施例中，在光学对象识别装置中，由偏振状态选择器部件选择的多个光束的偏振方向彼此正交。
在本实施例中，由于多个光束的偏振方向彼此正交，能够使入射到光接收部件的多个光束的强度比率更大，于是能够提高识别精度。
在一个实施例中，在光学对象识别装置中，光投影部件的光轴和测量对象形成的角度与聚光器部件的光轴和测量对象形成的角度基本上彼此相等。
在本实施例中，由于由光投影部件施加的光的镜面反射分量能够由聚光器部件会聚，因此，能够使光接收部件接收的来自聚光器部件的通过分光部件和偏振状态选择器部件的光的量相对更大。因此，能够提高识别精度。
在一个实施例中，光学对象识别装置还包括光分支部件，其设置在光投影部件和测量对象之间，并且将来自光投影部件的光束分为多个光束，其中被光分支部件分开的多个光束中的一个以基本上为零度的入射角入射到测量对象上。
在本实施例中，即使测量对象表面的位置沿垂直于探测对象部件的表面方向相对于光投影部件和聚光器部件发生改变，由聚光器部件会聚的光量的改变也相对小。因此，能够避免由于测量对象表面位置的改变而引起的识别精度的降低。
在一个实施例中，光学对象识别装置还包括线偏振器，其使来自被光分支部件分开的多个光束中除了以基本上为零度入射角入射到测量对象上的光以外的光衰减。
在本实施例中，线偏振器吸收来自被光分支部件分开的多个光束中除了以基本上零度入射角入射到测量对象上的以及对测量对象的识别没有贡献的光以外的光的特定分量，并由此使之衰减。因此，能够避免光可能被外壳反射致使入射到光接收部件并引起杂散光的缺点，从而能够提高识别精度。
在一个实施例中，在光学对象识别装置中，被线偏振器偏振化的光束的偏振方向与半导体光发射元件发射的光束的偏振方向基本上正交。
在本实施例中，能够使对测量对象的识别没有贡献的光的强度最高效率地衰减。因此，能够有效地减小入射到光接收部件上的杂散光，从而能够提高测量对象的识别精度。
在一个实施例中，在光学对象识别装置中，对于来自被光分支部件分开的多个光束的除了以基本上为零度的角度入射到测量对象上的光束以外的光束，入射到线偏振器上的入射角设置为使其镜面反射光不入射到光接收部件上的角度。
在本实施例中，能够避免对测量对象的识别没有贡献的光的反射光入射到光接收部件上，因此，能够提高测量对象的识别精度。
在一个实施例中，在光学对象识别装置中，聚光器部件由多个透镜实现。
在本实施例中，测量对象反射的光能够被聚光器部件高效率地会聚。
在一个实施例中，在光学对象识别装置中，聚光器部件由一个透镜实现。
在本实施例中，能够使聚光器部件的光学系统小尺寸化和低价化，能够实现光学对象识别装置的成本降低。
在一个实施例中，在光学对象识别装置中，对靠近测量对象的聚光器部件的透镜这样形成，即透镜的焦点设置在测量对象上。
在本实施例中，由于穿过最靠近测量对象的透镜的光在聚光器部件中形成为准直光，因此使得聚光器部件能够实现对测量对象反射的光的有效会聚。
在一个实施例中，在光学对象识别装置中，光分支部件形成为立方体型分束器。
在本实施例中，通过抑制在光分支部件上的光量的损耗，能够提高测量效率，并且能够使光入射到测量对象上，还能够使由此使反射的光被一个分束器引导。因此，能够使光学系统简单而廉价。
在一个实施例中，在光学对象识别装置中，立方体型分束器一侧的长度满足如下方程(1)表述的条件α≥(a+L)×d/f …(1)其中，‘α’是分束器一侧的长度，‘a’是来自光投影部件的光施加到测量对象上的光斑的直径，’L’是最靠近测量对象的聚光器部件的透镜的直径，‘f’是该透镜的焦距，以及‘d’是沿光轴从测量对象的光施加表面到分束器的靠近测量对象一侧的表面的距离。
在本实施例中，分束器能够设置为这样的尺寸，即几乎不引起光的损耗。因此，能够抑制光量的损耗，并且能够防止识别效率的降低。
在一个实施例中，在光学对象识别装置中，光分支部件由半反镜形成。
在本实施例中，通过使半反镜相对于来自光投影部件的光的行进方向倾斜，能够有效地防止光接收部件上的杂散光的入射。
在一个实施例中，在光学对象识别装置中，半反镜两侧的长度满足如下方程(2)和(3)所表示的条件α≥(a+L)×df …(2)β≥21/2(a+L)×d/f …(3)其中，‘α’是半反镜一侧的长度，’β’是半反镜另一侧的长度，‘a’是来自光投影部件的光施加到测量对象上的光斑的直径，’L’是最靠近测量对象的聚光器部件的透镜的直径，’f’是该透镜的焦距，以及’d’是沿光轴从测量对象的光施加表面到分束器的靠近测量对象一侧的表面的距离。
在本实施例中，由于能够将半反镜设置为这样的尺寸，即几乎不引起光的损耗。因此，能够抑制光量的损耗，并且能够防止识别效率的降低。
在一个实施例中，在光学对象识别装置中，分光部件由分束器形成。
在本实施例中，分束器将聚光器部件会聚的反射光分开。因此，能够抑制光量的损耗，并且能够防止识别效率的降低。
在一个实施例中，在光学对象识别装置中，分光部件由衍射光栅形成。
在本实施例中，分光部件由衍射光栅形成。因此，能够将聚光器会聚的反射光简单且低成本地分开。
在一个实施例中，在光学对象识别装置中，来自衍射光栅衍射的光中，偏振器将+1级衍射光和-1级衍射光偏振化。
在本实施例中，+1级衍射光和-1级衍射光在光量上基本上彼此相等。因此，通过执行利用+1级衍射光和-1级衍射光的识别处理，能够提高测量对象的识别精度。
在一个实施例中，在光学对象识别装置中，形成分光部件的衍射光栅具有这样的光栅槽深度，其使得0级衍射光的光量基本上为零。
在本实施例中，通过使衍射光栅的0级衍射光的光量基本上设置为零，几乎完全消除了对识别没有贡献的阶数的光量。由此，光接收部件接收的光量增加，从而能够提高测量对象的识别精度。
在一个实施例中，在光学对象识别装置中，形成分光部件的衍射光栅为闪耀型。
在本实施例中，闪耀型光栅的使用使得能够增加特定阶的衍射光的衍射效率，以提高识别精度。
在一个实施例中，在光学对象识别装置中，被闪耀型衍射光栅衍射的光中的0级衍射光和1级衍射光被线偏振器偏振化。
在本实施例中，由于0级衍射光和1级衍射光在光量上比其他衍射光大，因此能够通过提高光的使用效率而提高识别效率。
在一个实施例中，在光学对象识别装置中，由闪耀型衍射光栅衍射的0级衍射光和1级衍射光在光量上基本上彼此相等。
在本实施例中，由于根据基本上彼此相等的0级衍射光和1级衍射光进行测量对象的识别，因此能够提高识别精度。
在一个实施例中，在光学对象识别装置中，偏振态选择器部件由两个线偏振器形成，该线偏振器的偏振方向彼此正交。
在本实施例中，由于能够高精度地对包含在测量对象的反射光中的偏振分量进行分析，因此能够有效地分析测量对象的反射引起的偏振特性的改变，由此能够提高测量对象的识别精度。
在一个实施例中，在光学对象识别装置中，分光部件和偏振状态选择器部件由偏振分束器集成形成。
在本实施例中，由于分光部件和偏振状态选择器部件能够由一个偏振分束器形成，因此能够削减部件数，实现成本的降低和小型化。
在一个实施例中，在光学对象识别装置中，光接收部件由两个光电二极管形成。
在本实施例中，由于光接收部件由两个光电二极管形成，因此能够使识别精度相对高并且能够简单且低成本地构成光学系统。
在一个实施例中，在光学对象识别装置中，光接收部件由具有多个光接收区域的分割型光电二极管形成。
在本实施例中，由于多个光束能够由如上所述的一个分割型光电二极管接收，因此能够减少用于安置光接收部件的空间，能够实现小尺寸的光学对象识别装置。
注意，分割型光电二极管指的是多个光接收区域形成在一个芯片上的光电二极管。
在一个实施例中，在光学对象识别装置中，半导体光发射元件是激光二极管。
在本实施例中，激光二极管基本上具有其发射的光的单一偏振方向，例如，在不使用偏振器等的情况下，能够获得施加到测量对象上的光。
在一个实施例中，在光学对象识别装置中，半导体光发射元件由装备有线偏振元件的LED形成。
在本实施例中，通过将LED和线偏振元件结合在一起，能够以相对低的成本获得基本上单一偏振方向的光。
在一个实施例中，在光学对象识别装置中，将要施加到测量对象上的光是被线偏振化了的光。
在本实施例中，由于将线偏振化了的光施加到测量对象上，能够高精度地探测与本测量对象的类型相对应的偏振方向上改变。由此，能够高精度地识别测量对象。
在一个实施例中，在光学对象识别装置中，施加到测量对象上的光斑具有1mm或更大的直径。
在本实施例中，由于在测量对象的应用表面上扰动的影响相对小，因此能够避免识别效率的降低。
在一个实施例中，在光学对象识别装置中，信号处理部件具有串联连接的多个放大器。
在本实施例中，即使由于测量对象表面的低反射率而使光接收部件接收的光较弱，使得来自光接收部件的信号较弱，也能够将接收信号放大到特定电平。
在一个实施例中，在光学对象识别装置中，信号处理部件计算来自两光电二极管的两信号的比率。
在本实施例中，由于能够高精度地探测测量对象反射的光的偏振特性，因此能够提高测量对象的识别精度。
在一个实施例中，在光学对象识别装置中，信号处理部件计算来自分割型光电二极管的多个信号的比率。
在本实施例中，由于能够高精度地探测测量对象反射的光的偏振特性，因此能够提高测量对象的识别精度。
在一个实施例中，在光学对象识别装置中，信号处理部件计算来自两光电二极管的两信号之和对两信号之差的比率。
在本实施例中，由于测量对象的表面状态引起的偏振特性的改变能够由两信号之间的差获得，同时，在测量对象表面的反射光的量能够由两信号之和获得。即使在发生测量对象表面的反射率的改变时，通过计算该比率，也能够减小反射率的变化的影响，使得获得高精度的识别成为可能。
在一个实施例中，在光学对象识别装置中，信号处理部件计算来自分割型光电二极管的多个信号之和对该多个信号之差的比率。
在本实施例中，由于测量对象的表面状态引起的偏振特性的改变能够由两信号之间的差获得，同时，在测量对象表面的反射光的量能够由两信号之和获得。即使在发生测量对象表面的反射率的改变时，通过计算该比率，也能够减小反射率的变化的影响，使得获得高精度的识别成为可能。
在本发明的自推进清洁器中，安装了如上所述的光学对象识别装置。
在本实施例中，由于自推进清洁器包括了光学对象识别装置，因此能够获得一种自推进清洁器，其能够在自动运行的同时，高精度地探测地板表面的类型并且根据该类型适当地进行清洁。
在一个实施例中，在光学对象识别装置中，光投影部件具有第一光分支元件，其将半导体光发射元件发射的光分为第一光束和第二光束，并且将该第一光束施加到测量对象上，以及该光学对象识别装置还包括聚光器部件，其包括使测量对象反射的反射光会聚的第一聚光透镜，以及分光部件，其包括使该聚光器部件会聚的光束分为第一反射光束和第二反射光束的第二分光元件，并且其中偏振状态选择器部件具有第一反射光束入射到其上并且允许特定偏振方向的第一反射光束的分量穿过的第一线偏振器，以及第二反射光束入射到其上并且允许与该特定偏振方向正交的偏振方向的第二反射光束的分量穿过的第二线偏振器，光接收部件具有接收穿过第一线偏振器的第一反射光束的第一光接收元件和接收穿过第二线偏振器的第二反射光束的第二光接收元件，信号处理部件，由第一光接收元件输出的第一光接收信号和由第二光接收元件输出的第二光接收信号输入到其中，其根据第一和第二光接收信号测量关于反射光的偏振信息，并且来自测量对象表面反射的反射光的镜面反射的光分量经过聚光器部件入射到第一和第二光接收元件的光接收表面内的地方。
在本实施例中，被光投影部件的第一光分支元件分开的第一光束施加到测量对象上，并且聚光器部件会聚测量对象反射的反射光。该会聚光束被第二光分支元件分为第一和第二反射光束。在穿过第一和第二线偏振器之后，偏振方向彼此正交的第一和第二光束被第一和第二光接收元件接收。然后，第一和第二光接收元件探测的接收信号由信号处理电路部件进行处理，通过其对测量对象反射的反射光束的去偏振特性进行评估。根据本发明，获取响应于测量对象表面粗糙度而改变的接收信号，而能够识别测量对象的类型。
同样在本实施例，测量对象表面反射的反射光束的镜面反射分量经过聚光器部件入射到第一和第二光接收元件的光接收表面上。也就是，在本发明中，即使在来自光投影部件的第一光束倾斜地入射到测量对象的表面上使得在其上的入射角改变时，光学系统也能够通过第一和第二光接收元件接收与该倾斜入射的角度相对应的镜面反射光分量。
因此，在本实施例中，即使当光学对象识别装置与测量对象表面彼此相对倾斜，使得第一光束入射到测量对象表面上的入射角改变时，包含与测量对象的表面状态有关的信息的镜面反射光分量也能够被导引到第一和第二光接收元件。因此，对于本发明的光学对象识别装置，即使相对测量对象表面倾斜，也不会造成测量对象表面状态的识别精度的降低，并且能够实现测量对象的高精度的识别。
在一个实施例中，在光学对象识别装置中，假设第一聚光透镜的焦距为f(mm)，并且限定为从测量对象经过第一光分支元件到达第一聚光透镜的光程为a1(mm)，则满足下面的方程(4)f＜a1…(4)。
对于本构造的光学对象识别装置，第一聚光透镜与测量对象之间的光程长度a1(mm)大于焦距f(mm)。因此，即使在入射到测量对象表面的第一光束的入射角θ改变时，测量对象表面反射的反射光的镜面反射光轴仍然指向光接收元件的光接收表面。因此，能够提高测量对象的识别精度。
在一个实施例中，在光学对象识别装置中，假设第一聚光透镜的半径为r1(mm)，并且由第一光束与测量对象表面的法线形成的角度为θ(弧度)，则满足下面的方程(5)tan-1(r1/a1)＞2θ …(5)。
对于本构造的光学对象识别装置，将测量对象表面上的第一光束的入射角θ的两倍设置为小于第一聚光透镜的半径r1(mm)除以第一聚光透镜与测量对象之间的光程长度a1(mm)所得的值的反正切(arctangent)。作为该结果，即使在入射到测量对象表面的第一光束的入射角θ改变时，含有与测量对象表面状态相关的信息的镜面反射光可靠地入射到第一聚光透镜上，并且被第一聚光透镜衍射朝向第一和第二光接收元件。因此，能够提高测量对象的识别精度。
在一个实施例中，在光学对象识别装置中，假设限定为从第一聚光透镜通过第二光分支元件到达第一和第二光接收元件的光程的距离为b1(mm)，则满足下面的方程(6)1/f＝(1/a1)+(1/b1) …(6)。
对于本构造的光学对象识别装置，第一聚光透镜的焦距f，第一聚光透镜与测量对象之间的光程长度，和第一聚光透镜与第一和第二光接收元件之间的光程长度满足高斯(Gauss)透镜公式关系。因此，即使在入射到测量对象表面的第一光束的入射角改变时，包含与测量对象表面状态有关的信息的反射光的镜面反射光分量也能够被会聚到第一和第二光接收元件的光接收表面上。由此，第一和第二光接收元件能够高效率地接收信号光(第一和第二反射光)，并且能够实现测量对象的高精度识别。
在一个实施例中，在光学对象识别装置中，假设第一聚光透镜的半径为半径r1(mm)，第二光分支元件的一侧的长度为Lb(mm)，以及第二光分支元件的反射表面与第一和第二光接收元件之间的距离为x1(mm)，则满足下面的方程(7)x1＜(Lb/2)·(b1-r1)/r1 …(7)。
对于本构造的光学对象识别装置，第二光分支元件与第一、第二光接收元件之间的距离x1满足方程(7)的关系。也就是，第二光分支元件的一侧的长度设置为将Lb(mm)的一半与从第一聚光透镜与第一、第二光接收元件之间的光程长度b1(mm)中减去第一聚光透镜的半径r1(mm)所得的值相乘，再将该结果值除以第一聚光透镜的半径r1(mm)所得到的值，该长度值大于第二光分支元件和第一、第二光接收元件之间的距离x1(mm)。
由此，包含与测量对象表面状态有关的信息的镜面反射光分量能够被第一聚光透镜会聚并高效率地引导入射到第二光分支元件并且分开。因此，能够提高测量对象的识别精度。
在一个实施例中，在光学对象识别装置中，假设限定为从测量对象经过第一光分支元件到达第一聚光透镜的光程的距离为a1(mm)，限定为从第一聚光透镜经过第二光分支元件到达第一和第二光接收元件的光程的距离为b1(mm)，第一和第二光接收元件的光接收表面的尺寸为d(mm)，以及在测量对象表面上的第一光束的光束直径为φ(mm)，则满足下面的方程(8)d＞(b1/a1)·φ …(8)。
对于本构造的光学对象识别装置，测量对象表面上的第一光束的光束直径φ(mm)与第一、第二光接收元件的光接收表面的尺寸d(mm)满足方程(8)的关系。也就是，第一聚光透镜与第一、第二光接收元件之间的光程长度b1(mm)除以第一聚光透镜与测量对象之间的光程长度a1(mm)所获得的值(b1/a1)乘以第一光束的光束直径φ，其中将所得到的值设置为小于第一、第二光接收元件的光接收表面的尺寸d(mm)。作为该结果，能够将来自入射到测量对象表面的第一光束的光束斑点区域的所有镜面反射光分量导引至第一、第二光接收元件的光接收表面上。因此，测量对象的更高精度的识别变得可实现。注意，第一、第二光接收元件的光接收表面的尺寸d(mm)为，作为一个示例，圆形光接收表面的直径或者矩形光接收表面其一侧的长度。
在一个实施例中，在光学对象识别装置中，第二聚光透镜设置在第一聚光透镜与第二光分支元件之间的光轴上。
对于本构造的光学对象识别装置，由于第二聚光透镜设置在第一聚光透镜与第一、第二光接收元件之间，即使在入射到测量对象表面的第一光束的入射角改变的情况下，包含与测量对象的表面状态有关的信息的反射光的镜面反射光束也能够高效率地聚焦到光接收元件。因此，能够提高测量对象的识别精度。
在一个实施例中，在光学对象识别装置中，假设限定为从测量对象经过第一光分支元件到达第一聚光透镜的光程长度为a2(mm)，并且第一聚光透镜的焦距为f1(mm)，则a2(mm)和f1(mm)基本上彼此相等。
对于本构造的光学对象识别装置，由于第一聚光透镜与测量对象之间的光程长度基本上等于第一聚光透镜的焦距，因此，镜面反射光分量在通过第一聚光透镜后成为近似平行的光束。结果，该近似平行的光束的镜面反射光分量能够被第二聚光透镜在第一聚光透镜之后有效地会聚到第一、第二光接收元件的光接收表面上。因此，能够提高测量对象的表面状态的测量精度，以便获得测量对象的高精度识别。
在一个实施例中，在光学对象识别装置中，假设第一聚光透镜的半径为r1(mm)，并且由第一光束与测量对象表面的法线形成的角度为θ(弧度)，则满足下面的方程(9)tan-1(r1/a2)＞2θ …(9)。
对于本构造的光学对象识别装置，将测量对象表面上的第一光束的入射角θ的两倍设置为小于第一聚光透镜的半径r1(mm)除以第一聚光透镜与测量对象之间的光程长度a2(mm)所得的值(r1/a2)的反正切。作为该结果，即使在光束到测量对象表面的入射角θ改变时，包含有关测量对象表面状态的信息的镜面反射光也能够可靠地入射到第一聚光透镜上，并被第二聚光透镜朝向第一和第二光接收元件衍射(diffracted)。因此，能够提高测量对象的识别精度。
在一个实施例中，在光学对象识别装置中，假设第一、第二光接收元件与第二聚光透镜之间的光程长度为b2(mm)，并且第二聚光透镜的焦距为f2(mm)，则光程长度b2(mm)与焦距f2(mm)基本上彼此相等。
对于本构造的光学对象识别装置，第二聚光透镜与第一、第二光接收元件之间的光程长度为b2(mm)、第二聚光透镜的焦距为f2(mm)基本上彼此相等。因此，即使在第一光束相对于测量对象表面的入射角θ改变时，由第一聚光透镜形成为基本上平行的光束的镜面反射光分量能够被第二聚光透镜有效地会聚到光接收元件的光接收表面。因此，能够提高测量对象的表面状态的测量精度，由此获得测量对象的更高精度的识别。
在一个实施例中，在光学对象识别装置中，假设第二光分支元件的一侧的长度为Lb(mm)，第二聚光透镜的半径为r2(mm)，以及第二光分支元件的反射表面与第一、第二光接收元件之间的光程长度为x2(mm)，则满足如下的方程(10)x2＜(Lb/2)·(b2-r2)/r2 …(10)。
对于本构造的光学对象识别装置，第二光分支元件的反射表面与第一、第二光接收元件之间的光程长度x2(mm)满足方程(10)的关系。也就是，第二光分支元件的一侧长度Lb(mm)的一半乘以从第二聚光透镜与第一、第二光接收元件之间的光程长度b2(mm)中减去第二聚光透镜的半径r2(mm)得到的值，再将结果值除以第二聚光透镜的半径r2(mm)所获得的值被设置为大于第二光分支元件与第一光接收元件之间的距离x2(mm)。
由此，通过第一聚光透镜与第二聚光透镜会聚并且包含与测量对象表面状态有关的信息的镜面反射光分量能够被有效地导引入射到第二光分支元件，然后分开。因此，能够提高测量对象的识别精度。
在一个实施例中，在光学对象识别装置中，第二聚光透镜的半径r2(mm)不小于第一聚光透镜的半径r1(mm)。
对于本构造的光学对象识别装置，由于第二聚光透镜的半径r2(mm)不小于第一聚光透镜的半径r1(mm)，因此在穿过第一聚光透镜之后沿衍射方向传播的镜面反射光分量能够被第二聚光透镜会聚朝向第一、第二光接收元件。因此，能够更进一步提高测量对象的识别精度。
在一个实施例中，在光学对象识别装置中，假设第一聚光透镜与第二聚光透镜之间的距离为S(mm)，并且测量对象上的第一光束的光束直径为φ(mm)，则满足如下方程(11)r2/r1＞(S·(φ/2)+a2·r1)/(a2·r1) …(11)。
对于本构造的光学对象识别装置，由于在穿过第一聚光透镜之后沿衍射方向传播的镜面反射光分量能够被第二聚光透镜可靠地朝向第一、第二光接收元件会聚。因此，能够更进一步提高测量对象的识别精度。
在一个实施例中，在光学对象识别装置中，假设第一和第二光接收元件的光接收表面的尺寸为d(mm)，则满足如下方程(12)d＞(b2/a2)·φ …(12)。
对于本构造的光学对象识别装置，在测量对象表面上的第一光束的光束直径φ(mm)与第一、第二光接收元件的光接收表面的尺寸d(mm)满足方程(12)的关系。也就是，第一、第二光接收元件与第二聚光透镜之间的光程长度b2(mm)除以第一聚光透镜与测量对象之间的光程长度a2(mm)获得的值b2/a2，将该结果值乘以第一光束的光束直径φ(mm)，设置为小于第一、第二光接收元件的光接收表面的尺寸d(mm)。第一、第二光接收元件的光接收表面的尺寸d(mm)为，例如，圆形光接收表面的直径或者矩形光接收表面其一侧的长度。
作为该结果，来自入射到测量对象表面的第一光束的光束斑点区域的全部镜面反射光分量能够被导引到第一、第二光接收元件的光接收表面上。因此，能够实现测量对象的更高精度的识别。
在一个实施例中，在光学对象识别装置中，对于被第一光分支元件分为两束的光束，第一光束是该第一光分支元件反射的分量，而第二光束是该第一光分支元件透射的分量。
对于本构造的光学对象识别装置，由于施加到测量对象上的第一光束是第一光分支元件反射的分量，则第一、第二光接收元件反射的反射光束透过第一光分支元件。因此，测量对象反射的镜面反射光分量通过第一光分支元件和第一聚光透镜导引到第一、第二光接收元件，而不管第一光分支元件的尺寸。
由此，在本实施例中，由于第一光束是第一光分支元件反射的分量，因此很大程度上减小了光学部件的尺寸或设置的限制。
与此相比，当第一光束是第一光分支元件的透射分量时，测量对象的反射光束被第一光分支元件反射，使得入射到第一、第二光接收元件上。因此，由于测量对象反射的镜面反射光分量需要入射到第一光分支元件的反射表面上的要求，则更大的限制包含到光学部件的设置中。
在一个实施例中，在光学对象识别装置中，第二光分支元件与第一和第二线偏振器由偏振分束器实现。
对于本构造的光学对象识别装置，由于多个光学部件(第二光分支元件和第一、第二线偏振器)能够由一个部件(偏振分束器)来实现，因此能够在构造上简化光学对象识别装置。
在一个实施例中，在光学对象识别装置中，从测量对象表面到第一光分支元件的距离约为15mm，其优选地为用于来自测量对象表面的镜面反射光的接收。
在一个实施例的清洁器中，光学对象识别装置安装在清洁器的头部。使用该清洁器，优选的能够自动地识别作为测量对象的地板表面。
在一个实施例的自推进清洁器中，光学对象识别装置安装在其上。因此，最优选的，该自推进清洁器能够在自动运行的同时自动地探测地板表面的类型。
如上所公开的，根据本发明的光学对象识别装置，光施加到测量对象上并且评估其反射光的去偏振特性，由此能够获得与表面粗糙度相对应的接收信号的改变。因此，能够识别测量对象的类型。
另外，当本发明的光学对象识别装置安装在清洁器或者自推进清洁器上时，该清洁器或自推进清洁器能够具有自动识别地板表面类型并优化清洁器的运行条件的功能。
在一个实施例中，光学对象识别装置包括半导体光发射元件，将半导体光发射元件发射的光准直并将该光施加到要被测量的测量对象上的光投影部件，使光投影部件施加的和测量对象反射的光会聚的聚光器部件，将来自聚光器部件的光分为多个分束的分光部件，从多个分束中分别选择偏振方向彼此不同的光束的偏振状态选择器部件，接收偏振状态选择器部件选择的多个光束的光接收部件，以及处理来自光接收部件的信号的信号处理部件。由此，通过对测量对象反射的反射光的偏振状态的改变进行测量，能够以相对高的精度识别测量对象的类型。另外，由于准直光施加到测量对象上，因此能够简化光学系统，实现光学对象识别装置的成本降低和小型化。
在一个实施例中，在光学对象识别装置中，第一光分支元件将光投影部件发射的光分为第一、第二光束，并且来自第一、第二光束中的第一光束以特定入射角θ被引导入射到测量对象表面，以便在其上被反射，并且反射光被第一聚光透镜会聚并进一步被第二光分支元件分为第一、第二反射光束，其作为第一、第二反射光束分别被第一、第二光接收元件接收，该第一、第二反射光束具有通过第一、第二线偏振器的彼此正交的偏振方向。由于这些第一、第二反射光束包含与测量对象的表面粗糙度相对应的信息，因此测量与反射光有关的偏振信息，并且在信号处理电路中根据第一、第二光接收元件输出的第一、第二接收信号，对测量对象表面反射的反射光的去偏振特性进行评估。由此，能够识别测量对象的类型。
另外，来自测量对象表面反射的反射光的镜面反射光通过第一聚光透镜被导引入射到第一、第二光接收元件的光接收表面内。即使在由于测量对象上的第一光束的入射角改变引起倾斜入射时，与入射角相应的反射光的镜面反射光分量仍能够被第一、第二光接收元件接收。由此，根据本发明的光学对象识别装置，即使具有相对于测量对象表面的倾斜，也能够在不降低测量对象表面状态的识别精度的情况下实现测量对象的高精度识别。
另外，当一个实施例的光学对象识别装置安装在清洁器或者自推进清洁器上时，该清洁器或自推进清洁器能够具有自动识别地板表面类型并优化清洁器的运行条件的功能。
附图的简要说明根据下文给出的详细描述和仅以图解方式给出的附图，将能够更充分地理解本发明，并且此处并不是对本发明的限定，并且其中

图1是示出根据本发明的光学对象识别装置的第一实施例的构造的视图；图2是示出第一实施例中在装置具有包含一组光接收元件的光接收部件的情况下接收的光强分布的示意图；
图3A是示出第一实施例的改进示例的构造的视图，而图3B是改进示例的光强分布的视图；图4是示出本发明的第二实施例的构造的视图；图5是示出本发明的第三实施例的构造的视图；图6是示出本发明的第四实施例的构造的视图；图7是示出本发明的第五实施例的构造的视图；图8A是示出光学系统容纳在外壳80内的第五实施例的构造的视图，图8B是示出光投影部件容纳在壳体内的一个示例的视图，以及图8C是示出光电二极管和信号处理电路形成在一个半导体基片上的示例的视图；图9A是用于解释根据本发明的第六实施例的光学对象识别装置的概略的视图，其为显示其表面高度变化的测量对象与物镜之间的位置关系的示意图；图9B是示出第六实施例的示例1的构造的示意图；图10A是第六实施例的示例2的构造的一侧视图，而图10B是相同构造的示例2的另一侧的视图；图11A是示出第六实施例的示例3的构造的视图；图11B是示出第六实施例的示例4的构造的视图；图11C是示出包含在第六实施例的改进示例1中的渐进式透镜的视图；图11D是示出第六实施例的改进示例1的概略构造的视图；图11E是示出第六实施例的改进示例2的概略构造的视图；图12A是用于解释本发明的第七实施例的信号处理操作的时序图；图12B是示出包含在第七实施例的信号处理电路中的电路的框图；图13A是用于解释根据本发明的第八实施例的光学对象识别装置的信号处理操作的时序图；图13B是用于解释本发明的第八实施例的光学对象识别装置的信号处理操作的时序图；图13C是示出包含在第八实施例的信号处理电路中的电路的框图；图14是示出第八实施例的信号处理电路的更详细的结构的视图；图15是示出本发明的第九实施例中的信号处理系统的结果的电路框图；图16是示出第九实施例中的信号处理操作的流程图；图17是示出在第九实施例的改进示例1中的信号处理操作的流程图；
图18是示出在第九实施例的改进示例2中的信号处理操作的流程图；图19是示出第九实施例的改进示例2的信号处理系统的操作的流程图；图20A和20B是示出用于实现根据本发明第十实施例的光学对象识别装置的半导体激光器的发射脉冲波形的示例的波形图；图21A是示出作为本发明的第十二实施例的清洁器的构造的概略图，而图21B是示出作为本发明的实施例的自推进清洁器的构造的示意图；图22A是根据第十三实施例的光学对象识别装置的概略构造视图；图22B是示出第十三实施例的光学对象识别装置的改进示例的示意图；图23是根据第十四实施例的光学对象识别装置的概略构造视图；图24是示出详细说明非偏振BS的一侧的外观的示意图；图25是示出第十四实施例的光学对象识别装置的改进实施例的示意图；图26A是示出对光学对象识别装置进行对象识别实验的结果的视图；图26B是示出对光学对象识别装置进行对象识别实验的结果的视图；图27是示出第十四实施例的光学对象识别装置的另一个改进实施例的示意图；图28是根据第十五实施例的光学对象识别装置的概略构造视图；图29是根据本发明的第十六实施例的自推进清洁器的概略构造视图；图30是示出根据本发明的光学对象识别装置的第十七实施例的概略构造的示意图；图31是示出对第十七实施例改变测量对象的类型所得到的测量结果的特性曲线图；图32是对于参考示例改变测量对象的类型所得到的测量结果的特性曲线图；图33是示出与图30的光学系统的光接收有关的主要部件的示意图；图34是示出图30的光学系统的第一聚光透镜和光接收元件之间的设置的示意图；图35A和35B是详细示出从第一光束的一端到另一端的反射光束的光路的解释性视图；图36是示出本发明的光学对象识别装置的第十八实施例的构造的示意图；图37是示出与第十八实施例的光学系统的与光接收有关的主要部件的示意图；图38是示出图36的光学系统的第一聚光透镜和光接收元件之间的设置的示意图；图39是详细示出图36的光学系统的第一聚光透镜和第二聚光透镜之间的布局关系的示意图；图40A和40B是用于解释图36的光学系统的单个光学部件的最优布局的视图；图41A是示出第十七和十八实施例的输出系统的改进示例的构造的视图，以及图41B是示出与第十七和十八实施例的输出系统等效的构造的视图；图42A是示出第十九实施例的自推进清洁器运行在平面地板表面的外观的示意图，其具有安装在其上的光学对象识别装置，以及图42B是示出自推进清洁器运行在地毯等地板表面上的外观；图43是示出自推进清洁器运行搁浅在地板表面的障碍物上的外观的示意图。
具体实施例方式
在下文中，通过描绘于附图中的实施例对本发明进行详细的描述。
(第一实施例)图1是根据本发明的第一实施例的光学对象识别装置的概略构造视图。图1示出了光束的轨迹以及主要部件，并没有示出那些用于固定光学部件的元件。在这种情况下，作为光源的半导体光发射元件可以给定为LED(光发射二极管)或LD(激光二极管)等，如果其在测量对象9上的光强达到或超过所要求的值，可以仅采用两者之一。注意，LDD的准直性能比LED高，并且因此能够将光束会聚到更小的光束直径，由此提高了单位面积的光量。从而，优选为LD。根据这些原因，LD示出为发明的本实施例中的半导体光发射元件的一个示例，并且在下面的实施例中采用LD作为半导体光发射元件的示例。
本第一实施例的光学对象识别装置包括半导体激光器1，准直透镜2，具有圆形开口的孔3，非偏振分束器4，以及物镜8。作为第一光分支元件的半导体激光器1、孔3、非偏振分束器4，以及作为目标部件的物镜8，构成光投影部件。
在第一实施例中，光学对象识别装置还包括聚光透镜10，针孔部件11，形成偏振状态选择器部件的线偏振器13a，由诸如光电二极管等实现的光接收部件12，以及作为信号处理部件的信号处理电路14。
半导体激光器1发射的光由准直透镜(CL)2转换为光的平行光束，并且仅仅允许围绕光束中心周围的光束部分穿过孔3，随着光束穿过部分结构而转换为圆形，该光束中心沿圆形开口孔3的光强基本上均匀。随后，光束被分为穿过非偏振分束器4的第一光束5，和被非偏振分束器4反射的第二光束6，以继续基本平行地到达测量对象9的表面。
当这发生时，非偏振分束器4反射的第二光束6离开光学系统。第二光束6，例如，被围绕光学系统的外壳侧壁(未示出)等反射，并且在某些情况下可能被光接收部件12作为噪声光探测。为了消除这些噪声光，作为杂散光防止部件的线偏振器13b设置在第二光束6的光轴上正交于第二光束6的偏振方向。结果，第二光束6被限制了从线偏振器13b穿过，由此既不施加到外壳侧壁也不会成为噪声光源。
穿过非偏振分束器4的第一光束5入射到物镜8的中心，由物镜8聚焦到测量对象9上。在该连接中，测量对象9设置为靠近物镜8的焦距。测量对象9反射的第一光束5向各个方向散射。由于物镜8与测量对象9之间的距离接近于物镜8的焦距，因此来自测量对象9反射的光中穿过物镜8的光形成为具有如图1所示的物镜8的透镜孔径的平行反射光束7。另一方面，来自测量对象9反射的光中没有穿过物镜8的光发生散射，并且对后来的信号没有贡献。
另外，图1所示的光学对象识别装置设置有光屏蔽装置(未示出)，其防止没有穿过物镜8的反射光入射到光接收部件12上。尽管本光屏蔽装置也设置在下面的实施例中，但是下面将省略其描述。
反射光束7，在由物镜8形成为平行光束之后，再次入射到非偏振分束器4上，在该处光束被该非偏振分束器4分为穿过非偏振分束器4的光束和被非偏振分束器4反射的光束。注意，穿过非偏振分束器4的光束在图1中被省略。非偏振分束器4反射的光束由聚光透镜10会聚，同时穿过设置在聚光透镜10的焦距处的针孔11的光束，穿过作为偏振状态选择器部件的线偏振器13a，被光接收元件12探测。
针孔部件11位于聚光透镜10的焦点位置。因此，当测量对象9位于物镜8的焦点位置以外的位置时，聚光透镜10会聚的反射光束7在针孔部件11的表面上散焦，于是穿过针孔部件11的针孔11a的光量大幅度下降。
对于这样的设置，对应于设置在物镜8的焦距处的测量对象9，能够使引导到光接收部件12的光信号增加，并且，能够减小测量对象9上的光束直径。结果，增加了反射光束7的光量，实现对测量对象9高精度的识别。
光接收部件12，在将入射的光信号转换为电信号之后，将电信号传送到后续阶段的信号处理电路14。
施加到测量对象9的第一光束5被测量对象9的表面反射，由此散射。通常，当光散射时，反射光的偏振状态的改变依赖于反射表面的构造。例如，对于光学反射镜表面，入射光的偏振状态由具有比入射光波长足够小的表面不平坦度的表面的反射而得以保持。相反，当反射表面具有相对于入射光波长更大的不平坦度的高度时，反射光产生多重散射，于是反射显示出去偏振特性。
也就是说，通过测量反射光的偏振信息，能够知道测量对象9的表面的不平坦度状态。在本实施例中，如图1所示，作为偏振状态选择器部件的线偏振器13a设置为直接在光接收部件12之前，以便光接收部件12仅探测沿特定方向振荡的偏振分量。
现在，参考图1，假设从LD(半导体激光器)1发射的光的线性偏振沿垂直于图纸的方向，线偏振器13a也设置为允许沿垂直于图纸方向偏振的光。采用这样的设置，来自反射光束7的上述偏振方向的分量的光强被光接收部件12测量，并且由信号处理电路14探测光强的水平。
在这一情况下，在反射光束7的去偏振度依赖于测量对象9表面的不平坦度的基础上，能够通过利用信号处理电路14测量上述偏振方向的分量的光强而识别测量对象9的类型(材料)。尤其是，为了从多个已知的不同材料(表面构造)的测量对象中识别测量对象9的类型(材料)，从多个已知不同材料的测量对象获得的去偏振度的信息可以被预先输入包含在信号处理电路14中的存储器M中。然后，作为测量的对象的测量对象9的类型(表面构造)能够通过在已知信息与测量结果之间的对比而被有效地识别。
另外，第一光束5近以于垂直地入射到测量对象9上，并且作为S波。此处给出S波的简要描述。当入射光的振荡方向垂直于包含入射光光轴和其镜面反射光的入射表面时，该入射光为S波。另一方面，当入射光的振荡方向平行于入射表面，则该入射光为P波。P波具有其光的振荡方向垂直于反射表面的分量，并且该垂直振荡方向垂直于允许通过直接设置在光接收元件12之前的线偏振器13a的光的振荡方向。结果，具有该垂直振荡方向的P波的分量通过反射成为对于去偏振度的噪声分量。因此，优选的，第一光束5垂直于测量对象9的表面入射并且其为S波。
由于测量对象9位于物镜8的焦点位置，因此测量对象9的反射和散射光被物镜8形成为平行光。并且，由于针孔部件11位于聚光透镜10的焦点位置，因此反射光束7大部分会聚到针孔部件11的表面。通常，在反射光理想地为平行光束的情况下，在大部分光会聚的表面上的光束直径(束腰)大约为几十μm，尽管其依赖于所用的透镜而改变。针孔11a的直径比束腰稍大。
对于这样的设置，当测量对象9在物镜8的焦距之外时，反射光束并不成为平行光，而是在针孔部件11的表面上散焦，由此几乎不穿过针孔部件11。因此，在测量对象9位于靠近焦点位置时，提取所得到的具有大S/N比的信号作为识别所必须的信号以进行识别，于是，能够避免任何误探测，并且能够提高识别精度。如本实施例开始所述，LD(半导体激光器)更多地将光会聚到测量对象9，甚至为了如上所述地提高S/N比以便能够提高光强，优选的LD作为半导体光发射元件。
另一方面，作为光接收部件12，任何将光信号转换为电信号的部件都能满足本发明的功能，尤其是，如果使用光电二极管，其适合于装置结构的小型化并且使得降低装置的成本成为可能，因此更优选。另外，在光电二极管以及后续阶段的信号处理电路14装配在一块半导体基片上的情况下，使沿连接光电二极管和信号处理电路14的导线等产生的噪声减小成为可能。而且，在光电二极管和信号处理电路14在一块基片上制造的情况下，能够减小芯片面积使得能够实现成本的降低。
另外，光接收部件还可以构造为多个光电二极管排成阵列。例如，可以是使用多个分割型光电二极管排成一线，以及CCD、CMOS成像器或其他图像拾取装置的结构。
当光接收部件由一个光电二极管实现时，能够从该单个光电二极管获取的信息仅仅是光强。然而，使用上述的包含多个光电二极管的光接收部件时，能够通过多个光电二极管输出的信号测量光强的分布。在这一情况下，与仅仅是光强的测量相比，能够更精确地识别作为测量的对象的测量对象9。
图2示出了在如上所述的光接收部件12包含多个光电二极管的情况下的值(标准化值)的接收光强分布，该值使用来自单个位置上的光强的最大值进行标准化，该光强已经被该单个位置的光电二极管探测。
在测量对象9具有光滑表面的情况下，反射光束7的去偏振度低，由此穿过作为偏振状态选择器部件的线偏振器13a的光在光轴中心的邻近处更强烈。因此，如图2中的波形(2-3)所示，获得集中在光轴上的锐利的光强分布。
另一方面，在测量对象9具有更大不平坦度的表面，以至于反射光束7在更大程度上产生多处散射的情况下，获得如图2中波形(2-1)所示的具有低的最大值轮廓并且宽的分布的光强分布。另外，如图2所示的波形(2-2)表示在测量对象9的表面不平坦度比图2的(2-1)小而由比图2的(2-3)大的情况下的光强分布的轮廓。
另外，上述通过多个光接收元件构成的光接收元件组实现的光接收部件设置的影响也适用于下面的实施例。然而，在下面的实施例中将省略这些影响的描述。
接下来，图3A示出了前述第一实施例的改进示例的光学对象识别装置的概略构造。在本改进示例中，如图3A所示，组成部件近似于图1中所示的第一实施例的部件，其中物镜8上的第一光束5的入射位置不同于第一实施例。
同样在本改进示例中，由于第一光束5以S波入射到测量对象9，因此LD1输出的光的偏振方向垂直于画纸，并且据此，允许穿过线偏振器13a的光的偏振方向也设置为垂直于画纸的方向。
在本改进的示例中，由于第一光束5入射到物镜8的边缘部分8a，因比第一光束5以特定入射角入射到测量对象9上。当测量对象9反射第一光束5时，其偏振保持的分量在镜面反射方向上最强烈。因此，使入射光(第一光束5)倾斜入射到测量对象9上造成反射和散射引起的去偏振分布改变。
在本改进示例中，由物镜8以偏振方向的特定方向会聚并且由光接收部件12探测的光强与第一实施例相比发生改变，在第一实施例中第一光束5入射到物镜8的中心部分。在本改进示例中，特别是，由于测量对象9向后散射的光被更大数量地导引到光接收部件12，导引向光接收部件12的反射光束7包含去偏振光分量的增加量。因此，在本改进示例中，与上面的第一实施例相比，实现了测量对象9的更高精度的识别。
同样在本改进示例中，光强对于镜面反射轴成为最大。在光接收部件12由上述设置为阵列的多个光接收元件构成的光接收元件组实现的情况下，光接收部件12探测到的光强分布的峰值强度位置从光接收元件组的中心向端侧偏移。关于这一情况下的光强分布，如图3A所示，能够更详细地测量光强分布中的尾部结构，由此能够高精度地识别测量对象9。
(第二实施例)图4示出了根据本发明的第二实施例的光学对象识别装置的概略构造。在图4中，示出了光束的轨迹和主要的光学部件，而并未示出固定这些光学部件的元件。同样在图4中，与图1中的第一实施例相同的组成部件使用与图1中的组成部件相同的参考数字表示，并且省略其描述。本第二实施例与前述的第一实施例不同，在于包含了取代第一实施例的改进示例的非偏振分束器4作为导引部件的反射镜15。
在第二实施例中，从孔3输出的第一光束5直接入射到物镜8的边缘部件8a，被聚焦到放置在物镜8的焦距处的测量对象9上。另外，由于第一光束5作为S波入射到测量对象9上，LD1的偏振方向垂直于图纸，并且据此，允许穿过线偏振器13的光的偏振方向也设置为垂直于画纸的方向。被测量对象9反射和散射的光再次被物镜8形成为平行反射光束7。
本第二实施例包括作为导引部件的反射镜15。该反射镜15改变反射光束7的行进方向，使得反射光束7被导引朝向光接收部件12。该反射镜15设置为不与第一光束5重叠。
通过如上所示的反射镜15的设置，能够消除剩余的如第一实施例及其改进示例中的作为第二光束6损耗掉的光。因此，能够提高来自LD1发射的光量中的能够作为信号光使用的光量的比率。结果，能够降低LD1的发射强度，由此能够实现整个装置的电流消耗的降低。
另外，作为导引部件，例如，最佳的为反射镜，其中形成有直径比第一光束5的光束直径大的孔(未示出)，并且更优选的，反射镜孔设置为允许第一光束5穿过。
(第三实施例)接下来，图5示出了根据本发明的第三实施例的光学对象识别装置的概略构造。在图5中示出了光束的轨迹和主要的光学部件，而并未示出固定这些光学部件的元件。同样在图5中，与图1中的第一实施例相同的组成部件使用与图1中的组成部件相同的参考数字表示，并且省略其描述。
本第三实施例与前述第一实施例不同之处，在于并不包含线偏振器13b，而是与非偏振分束器4相邻地包含作为光轴改变部件的反射镜15。
在本第三实施例中，穿过非偏振分束器4的第一光束5入射到物镜8上，非偏振分束器4反射的第二光束6被反射镜15反射，结果使其行进方向变为平行于第一光束5，由此象第一光束5那样入射到物镜8上。入射到物镜8上的两光束5、6施加到设置在透镜8的焦点位置处的测量对象9上的同一点。
测量对象9反射的两光束5、6被物镜8折射，以便再次形成平行反射光束7。如图5中的虚线所示，反射光束7的一部分被非偏振分束器4改变行进方向，而反射光束7的另一部分被反射镜15改变行进方向。由此，反射光束7变为朝向光接收部件12的光的同一个束，入射到聚光透镜10上。在入射到聚光透镜10之后的光束7的处理类似于第一实施例或第二实施例。
根据本第三实施例所示的光学系统，由于能够消除在第一实施例及其改进示例中被第二光束6损耗的剩余光，因此如前述的第二实施例那样，能够增大来自LD1发射的总光量中能够用作信号光的光量的比率。结果，能够减少LD1的发射强度，由此使其实现整个装置的电流消耗的减小。
另外，在本第三实施例中，由于能够采用分束器4和反射镜15合并为一个单元的普通光学部件，因此能够容易地实现光学对象识别装置，而不需要象第二实施例描绘的那样钻任何特殊的孔。
(第四实施例)接下来，图6示出了根据本发明的第四实施例的光学对象识别装置的概略构造。在图6中，示出了光束的轨迹和主要的光学部件，而并未示出固定这些光学部件的元件。同样在图6中，与图1中的第一实施例相同的组成部件使用与图1中的组成部件相同的参考数字表示，并且省略其描述。
在本第四实施例中，除了第一非偏振分束器4a，还包含了作为第二光分支元件的第二非偏振分束器4b，该第一非偏振分束器4a在结构上与第一实施例的非偏振分束器4相同，并作为第一光分支元件。第二非偏振分束器4b设置在针孔部件11和线偏振器13a之间，同时第二聚光透镜10b设置在针孔部件11和第二非偏振分束器4b之间。另外，第三聚光透镜10d设置在第二非偏振分束器4b和线偏振器13a之间。
还进一步包括对由第二非偏振分束器4b反射，朝向第二光接收元件12a的光进行反射的反射镜15，以及设置在反射镜15和第二光接收元件12a之间的另一第三聚光透镜10c。该第二光接收元件12a和第一光接收元件12b构成光接收部件。
在本第四实施例中，由测量对象9反射并被物镜8形成为平行光束的反射光束7经过第一非偏振分束器4a和第二聚光透镜10a，穿过针孔部件11，然后入射到第二聚光透镜10b上。针孔部件11设置在第二聚光透镜10b的焦点附近。
因此，反射光束7被第二聚光透镜10b再次形成平行光束，并且被第二非偏振分束器4b分为两个光束，第二反射光束7a和第一反射光束7b。在本连接中，如图6所示，第二反射光束7a代表被第二非偏振分束器4b向上反射的光束，而第一反射光束7b代表穿过第二非偏振分束器4b的光束。第二反射光束7a被反射镜15改变行进方向，变为平行于第一反射光束7b。结果，已经变为相同行进方向的第二和第一两光束7a和7b，被第三聚光透镜10c和10d会聚，并且分别被第二光接收元件12a和第一光接收元件12b探测。在本连接中，第一光接收元件12b和第三聚光透镜10d之间设置线偏振器13a，将其设置为使将要在比通过的光的偏振方向与第一光束5的偏振方向相同。
在本第四实施例中，第二光接收元件12a接收来自被第二非偏振分束器4b分开的第二反射光束7a的所有偏振方向的光。与此相比，第一光接收元件12b接收经过线偏振器13a的第一反射光束7b，并且由此接收经过线偏振器13a选择的沿特定偏振方向的分量的光。由此，如前述第一至第三实施例，第一光接收元件12b探测的信号反映了测量对象9的表面状态。
对于具有变化的反射率的测量对象9，仅通过利用第一光接收元件12b探测的强度信号的绝对值对测量对象9的表面状态进行测量，并不能识别对于该分布，哪个是对强度信号的绝对值占支配地位的，是测量对象9表面上的偏振无序还是仅仅是测量对象9的反射率的数量级。换句话说，即使测量对象9引起大的去偏振率，当测量对象9表面的反射率是大的时，其会导致强度信号显示输出强度超出特定水平，造成发生误探测的可能性。
相反，在本第四实施例中，由于第二光接收元件12a接收第二反射光束7a的所有偏振方向的光，由第二光接受元件12a输出的信号等效于测量对象9的反射率的测量。因此，信号处理电路14计算第二和第一两光接收元件12a、12b的输出比率。根据输出信号的计算比率，对测量对象9的表面状态进行测量。由此，在测量对象9的表面状态测量中，能够减小由于测量对象9的表面反射率引起的信号强度的变化的影响。结果，根据第四实施例，能够实现测量对象9的表面状态的的高精度识别。
(第五实施例)接下来，图7示出了根据本发明第五实施例的光学对象识别装置的概略构造。在图7中，示出了光束的轨迹和主要的光学部件，而并未示出固定这些光学部件的元件。同样在图7中，与图6中的第四实施例相同的组成部件使用与图6中的组成部件相同的参考数字表示，并且省略其描述。
第五实施例与前述的第四实施例不同之处，在于光学对象识别装置包括设置在第三聚光透镜10c和第二光接收元件12a之间并作为第二偏振状态选择器元件的第二线偏振器13c。另外，在本第五实施例中，包括了如第四实施例中的与作为第一偏振状态选择器元件的第一线偏振器13a相同的第一线偏振器13a。在本第五实施例中，第二线偏振器13c设置在第二光接收元件12a和第三聚光透镜10c的光轴上。
第一线偏振器13a选择的偏振方向和第二线偏振器13c选择的偏振方向通常彼此正交，第一线偏振器13a选择的偏振方向通常平行于第一光束5的偏振方向，而第二线偏振器13c选择的偏振方向通常垂直于第一光束5的偏振方向。
也就是说，将光学对象识别装置设置为第二线偏振器13c选择的偏振方向正交于第一线偏振器13a选择的偏振方向，并且正交于LD1发射的第一光束5的偏振方向。
如上所述，在第一光束5被测量对象9反射之后得到的反射光束7的偏振状态归因于测量对象9的表面状态。因此，测量对象9的反射表面越光滑，与入射光束(第一光束5)相同的偏振方向的反射光束7的分量比率变得越高，同时正交于入射光束(第一光束5)偏振方向的偏振方向的反射光束7的分量比率变得越低。例如，假设反射光束7的光量为2I(以任意单位)，反射光束7被分为光量为I的第二反射光束7a和光量为I的第一反射光束7b。第一和第二反射光束7b、7a的每个的光量I是包含所有偏振方向的分量的光量。
现在，给定一个状态作为测量对象9的表面状态，假设，对于第一、第二反射光束7b、7a中的每一个，与第一光束5的偏振方向相同的分量的光量为αI，正交于第一光束5的偏振方向的分量的光量为βI，则其他偏振方向的光量的总和为(1-α-β)I。在这一情况下，第一反射光束7b，作为穿过第一线偏振器13a的结果，具有光量αI并入射到第一光接收元件12b上，同时第二反射光束7a，作为穿过第二线偏振器13c的结果，具有光量βI并且入射到第二光接收元件12a上。
因此，根据本第五实施例得到的测量结果的计算，即，通过信号处理电路14计算来自第一光接收元件12b的输出信号对来自第二光接收元件12a的输出信号的比率，能够获得结果αI/βI＝α/β。
与此相比，在第四实施例中，作为信号处理电路14计算的来自第一光接收元件12b的输出信号对来自第二光接收元件12a的输出信号的比，能够获得结果αI/I＝α。
注意，此处因子α和β每个值均不大于1，其中α的值越大，β的值越小。因此，在本第五实施例中计算的比率α/β，能够比第四实施例中计算的比率α更好地反映由于测量对象9的表面状态引起的去偏振的影响。由此，根据第五实施例，与第四实施例相比，提高了识别精度。
在第五实施例中，可以通过信号处理电路14计算来自第一光接收元件12b的输出信号与来自第二光接收元件12a的输出信号之间的差，而不是计算比率。在这一情况下，也能够提高识别精度。然而，为了降低由于测量对象9的表面反射率的变化引起的误差，优选计算该差，其后计算该差对两光接收元件12a、12b的输出信号之和的比。也就是，这次计算的结果为(α-β)/(α+β)。α和β之间的差随着测量对象9的反射表面的光滑度增加而增加，并且α和β之间的差随着表面粗糙度的增大而降低。因此，能够实现测量对象9的高精度识别。注意，分母(α+β)是不大于1的值，从而减小了由于测量对象9的表面反射率引起的计算结果的差别。
另外，将示于图7中的第二非偏振分束器4b用偏振分束器取代，同时将第一线偏振器13a和第二线偏振器13c移除的构造也能够获得与第五实施例相同的效果。该偏振分束器是这样的偏振分束器，其以透射光束的偏振方向和反射光束的偏振方向彼此正交的方式把光的入射光束分开。在这一情况下，能够获得与示于图7的设置完全相同的效果，并且还由于减少了线偏振器，而能够减少部件数。
另外，还应当承认，第四和第五实施例中的光学系统适用于图8A所示的具有光学窗口80a的外壳80。第一光束5从光学窗口80a输出。在本设置中，通过将非偏振分束器4b和反射镜15集成到一个单元内并且通过使用包含安装在一块板上的第三聚光透镜10c、10d的透镜组，能够减小第二反射光束7a和第一反射光束7b之间的距离。由此，使在同一块半导体基片上安装第二光接收元件(光电二极管)12a和第一光接收元件(光电二极管)12b成为可能，于是能够降低生产成本。
另外，通过在如图8C所示的第二光接收元件12a、12b之间设置信号处理电流14a、14b，能够获得如前所述的大的噪声降低效果，并且还能够实现大的成本降低。另外，图8B示出了在LD1、CL2、孔3、第一非偏振分束器4a和物镜8都容纳在一个外壳81的情况下的光投影部件。
(第六实施例)接下来，解释本发明的光学对象识别装置的第六实施例。在第一至第五实施例的光学对象识别装置中的每一个中，由于针孔部件11如上所述设置在聚光透镜10的焦点位置上，因此当测量对象9位于物镜8的焦点位置上时，能够获得强的信号。
然而，实际上测量对象9的表面不平坦度的高度是变化的。对于所要识别的某些对象，存在这样的担心，即几乎没有测量对象9的表面可以设置在物镜8的焦点位置处。
第六实施例提供了一种光学对象识别装置，该装置甚至适用于下述情况其中测量对象9的表面具有大的不平坦度的高度，使得测量对象9定位在物镜8的焦点位置处的可能性较低。
图9A示意性地示出了相应于测量对象9的表面具有不平坦度高度的情况下光学对象识别装置的一部分结构。如图9A所示，当物镜8相对于测量对象9表面定位在区域A时，测量对象9的表面处于物镜8的焦距f的位置处。在这种情况下，能够获得强的接收信号，因此能够实现测量对象的高精度识别。
然而，在图9A中，当物镜8定位在区域B时，物镜8的焦点位置和测量对象9的表面彼此远离，测量对象9的表面不再位于物镜8的焦点位置。
从而，物镜8沿着图9A所示的箭头G的方向振动，使得其到测量对象9的距离改变。这使得将物镜8的焦点位置如图9A中虚线所示地定位在测量对象9的表面成为可能。
应当注意，振动物镜8的透镜振动系统可以通过致动器来实现。然而，由于致动器具有小的驱动范围，从而，如果测量对象9的表面具有大的不平坦度的高度，则很难使物镜8的焦点位置位于测量对象9的表面上。
然后，图9B示出了第六实施例的构造示例1的概略构造。本构造示例1基本上具有前述第五实施例的构造，而与第五实施例的不同在于包含振动物镜8的机构。因此，在本构造示例1中，着重解释与第五实施例的不同。
如图9B所示，透镜振动系统可以由弹簧19和螺线管17构成。脉冲电源16连接到螺线管17。物镜8由透镜支架18保持，并且铁心21固定到透镜支架18上。另外，螺旋弹簧19的一端连接到透镜支架18的与铁心21侧相对的一侧，并且螺旋弹簧19的另一端连接到固定片20上。铁心21大致沿着螺线管17的中心轴部分地插入。
利用透镜振动系统的这种构造，通过使透镜支架18在螺线管17吸引铁心21的力以及弹簧19的恢复力的作用下沿箭头G的方向振动，物镜8可以沿箭头G的方向振动。来自脉冲电源16的脉冲调制电流流过螺线管17。在从脉冲电源16发出的脉冲信号接通时，吸引力作用在螺线管17上，使得物镜8朝向螺线管17摆动。另一方面，在脉冲信号断开时，固定到20的弹簧19的张力起作用，使得物镜8朝向测量对象9摆动。
利用该脉冲信号的调制频率，任意频率的透镜振动都是可能的。利用螺线管17的该振动系统的振动，由于其大的可动范围，因此即使对于具有大的检测表面的不平坦度高度的测量对象9，在物镜8的振动范围内，将物镜8的焦点位置定位在测量对象9表面上的任意位置成为可能。
接下来，图10A和10B示出了第六实施例的构造示例2的概略构造。图10A是示出当向包含测量对象9的表面法线的特定平面观察时构造示例2的外观的示意图，而图10B是当朝向垂直于上述平面的平面观察时的构造示例2的外观的示意图。
在本构造示例2中，透镜振动系统由凸轮28和电动机22构成。电动机22固定到电动机固定片23上，而电动机固定片23固定到基底31上。凸轮28直接连接到电动机22的转轴。电动机固定片23通过弹簧24连接到辅助片26。
轴承27枢轴地保持在辅助片26的一个端部，而轴承27在弹簧24的偏置力的作用下朝向凸轮28偏离。
透镜支架30固定到辅助片26的另一个端部，并且物镜8装配到透镜支架30上。另外，导轨25固定在辅助片26的中部。导轨25在另一辅助片29的导引下可沿光轴J滑动。辅助片29固定到固定基底88，并且该固定基底88固定到基底31上。
导轨25仅沿与光轴J相同方向的一维方向可移动。弹簧24需要具有的弹簧常数为凸轮28旋转时轴承27与凸轮28之间不存在间隙。同样，电动机22需要具有转矩以便使凸轮28旋转。如图10B所示，电动机22距基底31的高度设置为凸轮28的旋转中心轴的延长线与光轴J相交。适当地选择凸轮28的结构，允许物镜8被设置为具有所需的透镜振动幅度。通过使凸轮28的周围轮廓结构形成为正弦曲线结构，使得凸轮28形成为正弦曲线凸轮，能够计算在任意时间时的透镜位置。在这一情况下，从凸轮28的中心P到其外径的距离R能够表示为R＝r+asinθ(mm)。例如，设置a＝5mm，则使物镜8对应于具有振幅为5(mm)的正弦曲线沿光轴J线性振动，即10mm的振动宽度。
然后，图11A示出了第六实施例的构造示例3的概略结构。图11A示意性地示出了从侧面观察时构造示例3沿中间的主横截面、上面的顶面构造、下面的局部横截面以及左手边的局部横截面构造。在本构造示例3中，透镜振动系统由具有曲柄机构的振动系统来实现，该曲柄机构将电动机22的旋转运动转换为透镜振动的往复运动。
如图11A所示，物镜8由透镜支架30保持并固定到滑动器33上。滑动器33沿固定定位在外壳83内的导轨32仅沿光轴在一个方向上运动。滑动器33枢轴地连接在从圆盘34的中心移位的位置上。圆盘34为理想的圆。由于电动机22直接连接到圆盘34，因此电动机22进行一次旋转时物镜8沿光轴往复振动一周期。由于圆盘34的半径等于透镜振动的幅度，因此圆盘34的半径可以适当地设置为大于测量对象9表面的不平坦度高度。
由于在构造示例3的结构中没有使用弹簧，则不存在诸如弹簧伸长的故障产生的担忧，由此获得了高的机械稳定性。在示于构造示例2的使用凸轮28的透镜振动系统中，弹簧24的伸长的发生导致弹簧常数的降低，这引起轴承27与凸轮28分离，其中透镜振动不同于所需的情况。相反，构造示例3没有这样的担心。
然后，图11B示出了第六实施例的构造示例4的概略结构。图11B示意性示出了构造示例4沿中间的横截面，以及沿转轴方向观察时左手边的推进器36的外观。在图11B所示的构造示例4中，透镜振动系统是利用水或空气流的系统。图11B的构造示例4与前述构造示例3的不同之处在于包含连接到转轴的推进器36，其取代用于前述图11A的构造示例3中的电动机22。
也就是，构造示例4的光学对象识别装置邻接水或空气的流道M安装，其中推进器36具有利用流道M内介质流动的能量给出的旋转运动，使得物镜8在曲柄机构作用下往复以便振动。在构造示例4中，由于不需要如电动机这样的功率源，因此能够较大地降低装置的功耗。
图11B的构造示例4，如将要在后面描述的第十二实施例那样，是尤其当本发明的光学对象识别装置应用于清洁器或者自推进清洁器时有效的实施例。也就是说，在构造示例4中，通过使用清洁器的抽吸空气作为介质流来使物镜8振动是可行的。在这一情况下，通常，室内地板或其他木质表面、稻草榻榻米以及地毯或其他毛织品能够被提及作为将要作为测量对象9被识别的地板表面，其中这些测量对象的不平坦度高度能够覆盖大约10mm，并且焦点位置的振动范围优选设置为5mm至15mm用于包含表面粗糙者的覆盖范围。尽管该振动范围近似地适用于所有的实施例，然而该描述仅在本构造示例4中给出。
接下来，图11C示出了在第六实施例的变形示例1中包含作为物镜的渐进式透镜37。图11C所示的渐进式透镜37是在一个透镜中具有多个不同焦距区域的透镜。渐进式透镜37，如图11C所示，具有七个划分区域A-G，该区域A-G分别具有彼此不同的焦距FA-FG。渐进式透镜37能够根据区域A-G中光的入射位置的变化来改变焦点位置至FA-FG。
然后，图11D示出了具有渐进式透镜37的变形示例1的概略结构。变形示例1具有如第四和第五实施例的示例示于图8A的基本结构。变形示例1包括连接到电动机22的转轴的圆盘34，以及具有枢轴地保持在圆盘34上的一端的滑动器33。当圆盘34在被驱动的电动机22的作用下旋转时，滑动器33沿固定地定位在外壳80内的导轨32以与第一光束5的光轴正交的方向(用空心箭头示出)往复运动。结果，安装到固定到滑动器33的另一端的透镜支架上的渐进式透镜37沿径向方向振动。结果，入射到渐进式透镜37的第一光束5的位置沿径向方向移动，使得焦点位置移动，由此实现具有大的不平坦度高度的表面的测量对象9的识别。
接下来，图11E示出了作为第六实施例的变形示例2的包含渐进式透镜37和液晶开关38的光学对象识别装置。变形示例2具有液晶开关38，其取代前述变形示例1中由电动机22、滑动器33、导轨32、圆盘34等构成的曲柄机构。
在变形示例2中，液晶开关38比渐进式透镜37更靠近半导体激光器1设置。液晶开关38通过将液晶夹置在两个线偏振器39a、39b之间构成，该两个线偏振器的透射偏振方向彼此正交。液晶开关38是通过使用液晶能够透过特定区域的光的光学部件。液晶能够起到选择接通还是断开施加的电信号的功能，以便使入射光随着其偏振方向保持或者偏振90°而射出。因此，在液晶开关38中，例如，仅仅施加到区域HA-HG中的区域HE的电信号接通，以使入射光5a偏振化。结果，仅仅来自入射光5a的入射到区域HE的光透射通过线偏振器39b，入射到渐进式透镜37的区域E作为入射光5b。入射光5b会聚到对应于渐进式透镜37的入射区域E的焦点位置FE处。
于是，通过仅接通液晶开关38中施加到区域HA-HG中所需区域的电信号，仅该区域允许入射光透过。因此，通过使入射光仅入射到渐进式透镜37的区域A-G中所需区域，能够将入射光会聚到焦距FA-FG中的焦距处。
从而，执行具有大的不平坦度高度表面的测量对象9的识别。在示于图11E的变形示例2的结构中，不像前述的构造示例1至4以及变形示例1那样，其不存在透镜振动系统。因此，不需要考虑由于诸如透镜的振动所需的物理空间或者由于振动引起的单独部件的未对准等各种各样的问题，由此能够简化光学系统的设计。
如上所述，在第六实施例的光学对象识别装置的构造示例1至4以及变形示例1和2中，通过将焦点位置的位置改变到大于测量对象9表面不平坦度高度的范围，能够应付甚至测量对象9的表面具有大的不平坦度高度的情况，这通过振动物镜8的位置或者改变在作为物镜的渐进式透镜37上的入射位置或者其他方法实现。
然而，如上所示的改变物镜焦点位置的结果是，由第一光接收元件12b、12a构成的光接收部件12输出的信号，即在测量对象9的表面位于焦点位置的情况下的聚焦信号以及在测量对象9的表面偏离焦点位置的情况下的散焦信号的两信号，作为时间的函数输入到信号处理电路14，然后进行观察。
已经描述了前面的第五实施例的构造，其中将接收到的信号分开并计算所得到的分开的信号的比率或差，其用于以改进测量对象识别精度为目的识别。第五实施例在同一时间点处理信号，并且，特别是，在测量对象表面到达物镜8的焦点位置时提取信号，随后进行信号处理。
在第六实施例中，物镜8的焦点位置正常地振动，并且在时基上对上述的聚焦信号和散焦信号进行连续地观察。因此，使用聚焦信号和散焦信号用于计算其比率或差是可能的。同样在图7的第五实施例中，尽管散焦信号通过测量对象9的表面的不平坦度进行观察，然而，其时间改变仅仅由于测量对象9的表面结构引起。也就是说，对于第五实施例，与有意地改变焦点位置的第六实施例不同，其很难检测由散焦到已知距离引起的信号。
相反，利用第六实施例的结构，由于物镜8的焦点位置会受到预先计算的时基改变的影响，因此执行检测由距焦点位置的特定距离引起的有意散焦的信号，该焦点位置已经根据光接收部件12的输出波形特别地确定。
如第五实施例中所述，为了将第一光接收元件12b和第二光接收元件12a的输出信号作为识别信号，优选地将这些信号标准化，以便能够降低表面反射率的影响。在这一情况下，将散焦信号作为与标准化的分母相对应的信号使得可能更进一步地放大识别信号的信号分量。
这通过使用前面第五实施例所示的方程进行解释。入射光的信号强度，也就是，与第一光束5相同偏振方向的信号，通过使用聚焦信号能够被表示为光量αI。同样，与第一光束5的偏振方向正交的偏振方向的分量假设具有光量γI。
现在假设因子γ是与相应于特定散焦量的去偏振度有关的常数，与第五实施例中的因子β(聚焦状态)相比，其保持β＞＞γ，因此，其保持(α/β)＜＜(α/γ)。由此，通过使用信号处理电路14中散焦状态下的光量γI标准化聚焦状态下的光量αI，与使用聚焦状态下的光量βI标准化聚焦状态下光量αI的情况相比，信号电平变得更高。如此，通过使用散焦信号，能够进一步提高识别测量对象9的精度。
(第七实施例)接下来，解释本发明的光学对象识别装置的第七实施例。第七实施例与第一实施例的不同之处在于前面第一实施例中将调制信号施加到半导体激光器1上以完成光强度调制。因此，在本第七实施例中，着重解释与第一实施例的不同。应当注意，第七实施例也可以应用于前面的第二至第六实施例。
对于光学传感器，扰动光的测量是不可缺少的。在第七实施例中，半导体激光器1起到执行脉冲光发射以电学地消除扰动光引起的噪声的作用。下面参照图12A的时序图给出其详细描述。
参照图12A，附图标记40表示LD(半导体激光器)调制脉冲，而41表示来自LD调制脉冲的反转脉冲。数字42表示通过消除来自光接收部件12的输出信号的扰动光噪声获得的原始信号，而43表示光接收部件12的输出信号中的DC扰动光噪声。数字44表示光接收部件12的输出信号中的AC扰动光噪声。数字45表示第一处理信号，其在信号处理电路14与LD调制脉冲40同步地对光接收部件12的输出信号进行采样和保持之后而得到/。数字46表示第二处理信号，其在信号处理电路14与LD调制脉冲的反转获得的脉冲41同步地对光接收部件12的输出信号进行采样和保持而得到。数字47是通过将第一处理信号45减去第二处理信号(得到两者的差)而得到的第三处理信号。
首先，解释扰动光消除的原理。随着LD调制脉冲40接通，信号处理电路14从光接收部件12输出的输出信号中，减去恰好在LD调制脉冲40接通之前光接收部件12输出的输出信号(得到一个差)。即，信号处理电路14将(原始的信号42+DC扰动光信号43+AC扰动光信号44)减去(DC扰动光信号43+AC扰动光信号44)，由此得到与已经消除了扰动光引起的噪声的原始信号42相对应的差信号47。
同时，随着LD调制脉冲40断开，信号处理电路14从恰好在LD调制脉冲40断开之前光接收部件12输出的输出信号中，减去在LD调制脉冲40的断开期间光接收部件12的输出信号(得到一个差)。即，信号处理电路14将(原始信号42+DC扰动光信号43+AC扰动光信号44)减去(DC扰动光信号43+AC扰动光信号44)，由此得到与已经消除了扰动光引起的噪声的原始信号42相对应的差信号47。
接下来，参照图12B解释信号处理电路14执行上述信号成立的构造。信号处理电路14包括第一采样与保持电路SH1，第二采样与保持电路SH2以及差分放大器DA。
光接收部件12的输出信号PD分为两部分，进入第一采样与保持电路SH1和第二采样与保持电路SH2。第一采样与保持电路SH1为LD调制脉冲40的接通状态产生第一波形信号，第二采样与保持电路SH2为LD调制脉冲40的断开状态产生第二波形信号。
随着LD调制脉冲40接通，第一采样与保持电路SH1允许在该状态下的光接收部件12的输出信号PD(原始信号42+DC扰动光信号43+AC扰动光信号44)保持不变地穿过。
另一方面，随着LD调制脉冲40断开，第一采样与保持电路SH1对恰好在LD调制脉冲40断开之前的输出信号PD(原始信号42+DC扰动光信号43+AC扰动光信号44)进行采样和保持。结果，第一采样与保持电路SH1获得等于(原始信号42+DC扰动光信号43+AC扰动光信号44)的第一处理信号45。
同时，随着LD调制脉冲40断开，第二采样与保持电路SH2允许在该状态下的光接收部件12的输出信号PD(DC扰动光信号43+AC扰动光信号44)保持不变地穿过。另一方面，随着LD调制脉冲40接通，第二采样与保持电路SH2对恰好在LD调制脉冲40接通之前的输出信号PD(DC扰动光信号43+AC扰动光信号44)进行采样和保持。结果，第二采样与保持电路SH2获得等于(DC扰动光信号43+AC扰动光信号44)的第二处理信号46。
然后，差分放大器DA将第一采样与保持电路SH1输出的第一处理信号45减去第二采样与保持电路SH2输出的第二处理信号46(得到一个差)。即，差分放大器DA将等于(原始信号42+DC扰动光信号43+AC扰动光信号44)的第一处理信号45减去等于(DC扰动光信号43+AC扰动光信号44)的第二处理信号46，由此得到光接收部件12的输出信号PD中已经消除了扰动光引起的噪声的差信号47。
为了消除诸如阳光的DC扰动光和诸如50Hz/60Hz的照明(荧光灯)或者大约30至50kHz的反相器荧光灯的AC扰动光，将LD调制脉冲40设置为比反相器荧光灯的频率更高的50kHz或更大的调制频率是合适的。期望地，LD调制脉冲40设置为足够高于反相器荧光灯的频率的大约1MHz的调制频率。另外，还可能将LD调制脉冲40设置为大约100至10kHz的LD调制频率，其中反相器荧光灯的频率分量被LPF(低通滤波器)隔离。
(第八实施例)接下来，解释本发明的第八实施例的光学对象识别装置。第八实施例与前面的第六实施例不同之处在于信号处理电路14的构造。
如在第六实施例的结尾处所描述的，对于信号处理电路14所希望的是不仅处理物镜8在聚焦状态下光接收部件12输出的信号，而且处理物镜8在散焦状态下光接收部件12输出的信号。
在本连接中，在散焦状态下的散焦信号的电平和在聚焦状态下的聚焦信号的电平的动态范围在某些条件下为4000次(times)或更高。因此，很难在包含测量对象9的类型改变的情况下使信号在一个范围内放大。
因此，在第八实施例中，如图13C所示，信号处理电路14包括作为将来自光接收部件12的输出信号放大的放大部件的放大器部件AMP，以及监控来自光接收部件12的输出信号电平并响应输出信号的电平改变放大器部件AMP的增益的放大率改变部件GS。通过放大率改变部件GS，由放大器部件AMP放大的输出信号设置为最优电平。
下面参考图13A和13B的时序图详细描述第八实施例的信号处理电路14的操作。
图13A示出了与半导体激光器1发射的光(LD发射光)的偏振方向相同的信号。参考图13A，信号14-1是光接收部件12的输出信号。由于对半导体激光器1进行脉冲调制，因此输出信号14-1响应半导体激光器1的特定周期T(例如，13.3μs)的发射脉冲而接通和断开。
信号14-2是在半导体激光器1接通(时间间隔Ton位于相应于LD-on的电平上)时由对PD输出信号14-1的采样和保持得到的第一采样与保持信号14-2。同样的，信号14-3是在半导体激光器1断开(时间间隔Toff位于相应于LD-off的电平上)时由对PD输出信号14-1的采样和保持得到的第二采样与保持信号14-3。第二采样与保持信号14-3示出了扰动光电平Δ。信号144是第一采样与保持信号14-2减去第二采样与保持信号14-3(得到一个差)所得到的差信号14-4(FL表示在聚焦状态下的信号电平)。
信号14-5是对差信号144求微分而得到的微分信号14-5。信号14-6是对PD输出信号14-1底保持而得到的底保持信号14-6。
另外，图13B示出了具有与半导体激光器1发射的光的光电二极管正交的偏振方向的信号。参照图13B，信号14-7是光接收部件12的输出信号。信号14-8是在半导体激光器1接通状态下对输出信号14-7的电平进行采样和保持而得到的第一采样与保持信号14-8。同样，信号14-9是在半导体激光器1断开状态下对输出信号14-7的电平进行采样和保持而得到的第二采样与保持信号14-9。信号14-10是将第一来样与保持信号14-8减去第二采样与保持信号14-9(得到一个差)而得到的差信号14-10(DL表示散焦状态下的信号电平)。
信号14-11是差信号14-10的微分信号14-11。信号14-12是在采样与保持时限ST时对第一采样与保持信号14-8进行采样与保持而得到的第三采样与保持信号14-12。
下面描述信号处理电路14对于与半导体激光器1发射的光相同偏振方向的光检测在聚焦状态下的信号(聚焦信号)，以及对于与半导体激光器1发射的光的偏振方向正交的偏振方向的光检测在散焦状态下的信号的情况。注意，该原理与其他情况下相同。
首先，描述关于放大器部件AMP的增益选择的基本原理。接收光接收部件12的输出信号14-1、14-7的放大率改变部件GS监控关于输出信号14-1的聚焦状态下的电平，所述输出信号14-1由与半导体激光器1发射的光具有相同偏振方向的光得到。如果聚焦状态输出信号14-1的电平低于下限设置电平，那么通过一个步骤增加放大器部件AMP的增益。相反，如果聚焦状态输出信号14-1的电平高于设置上限设置电平，则通过一个步骤减小放大器部件AMP的增益。
下面给出更详细的描述。如上所述，示于图13A的输出信号14-1为由与半导体激光器1发射的光相同偏振方向的光得到的光接收部件12的输出信号。例如，该输出信号为示于图9B的第一光接收元件12b的输出信号。注意，图13A示出了半导体激光器1通过利用75kHz频率的调制脉冲进行调制的状态的情况。
为了监控聚焦状态下的信号电平，放大率改变部件GS通过对输出信号14-1进行底保持而产生底保持信号14-6。然后，放大率改变部件GS通过一个步骤执行下述操作如果底保持信号14-6的电平低于下限设置电平，则使放大器部件AMP的增益增大，或者，如果信号14-6的电平高于上限设置电平，则使放大器部件AMP的增益减小。可替换地，也允许放大率改变部件GS产生采样与保持信号，代替输出信号14-1的底保持信号，并且将采样与保持信号与下限和上限设置电平进行比较。在这一情况下，放大率改变部件GS执行下述操作如果采样与保持信号的电平低于下限设置电平，则通过一个步骤增大放大器增益，或者，如果采样与保持信号的电平高于设置电平，则通过一个步骤减小放大器增益。在这一情况下，放大率改变部件GS改变放大器部件AMP的增益时的时限CT设置为由差信号14-4的微分得到的微分信号14-5从负电平变为正电平的瞬间。
同时，示于图13B中的输出信号14-7是从如上所述的与半导体激光器1的发射光的偏振方向正交的偏振方向的光得到的光接收部件12的输出信号。该输出信号例如为图9B所示的第二光接收元件12a的输出信号。注意，图13B示出了半导体激光器1通过利用75kHz频率的调制脉冲进行调制的状态的情况。
为了监控散焦状态下的信号电平，放大率改变部件GS监控第三采样与保持信号14-12。第三采样与保持信号14-12是在采样与保持时限ST时对第一采样与保持信号14-8进行采样和保持而得到的信号，其中第一采样与保持信号14-8是在半导体激光器1接通时对输出信号14-7的电平进行采样和保持的结果。
放大率改变部件GS执行下述操作如果第三采样与保持信号14-12的电平低于下限设置电平，则通过一个步骤使放大器部件AMP的增益增大，或者，如果信号14-12的电平高于上限设置电平，则通过一个步骤使放大器部件AMP的增益减小。
在这一情况下，完成采样与保持的时限ST设置为从由差信号14-10的微分得到的微分信号14-11从负电平变为正电平的瞬间CT给定的起始点开始，计时器停止的时刻。对发射脉冲计数到所设置数的该计时器在图中的Tt处终止。
采样与保持的释放时限RT设置为，自从差信号14-10的微分得到的微分信号14-11从负电平变为正电平的时刻以后特定时间t0已经逝去的时刻。另外，放大器部件AMP的增益改变的时限设置为差信号14-10的微分得到的微分信号14-11从负电平变为正电平的时刻。结果，图中的时间间隔Tsh为采样与保持周期。
放大率改变部件GS改变放大器部件AMP的增益的结构能够通过采用具有例如图14所示的电路结构的多级增益改变放大部件来实现。即，利用排成阵列的多个增益设置电阻器R，放大器部件AMP的增益可以通过采用模拟开关141、142的开关功能来改变。在由于光接收部件12小的输出信号14-1，14-7使得放大器部件AMP的放大率不得不设置为更高的情况下，考虑到如果放大率在一级中设置得太大，可能会产生稳定性的问题，因此如图14所示地将适当放大率的放大器amp多级连接在一起。同样在这一情况下，用于多个放大器amp的增益设置电阻器可以在一个时间通过模拟开关141，142来适当地改变。
同样，利用构造成多级的放大器部件AMP，也存在一些情况，其中平坦度地设置每一级的放大器amp的增益导致每一级的放大率仅仅微微超过一次的增加。
在这一情况下，将示于图14中的适当级数的增益设置电阻器设置为接通(对于这些级，增益为1)，而其他级的增益设置为更大是合适的。其原因在于，将每一级的放大器的增益设置为接近1，根据频率特性，峰值变得更大。
由此，利用如图14所示构成的信号处理电路14的放大器部件AMP，实现了具有宽的动态范围以及具有光接收部件12的输出信号的适当放大的信号处理。
(第九实施例)接下来，图15的框图示出了包括在本发明的光学对象识别装置的第九实施例中的信号处理部件的结构。注意，本框图示出了第一、第二光接收元件12b、12a，半导体激光器1，用于通过脉冲调制驱动半导体激光器1的振荡分频电路54，以及LD调制信号部件56。参考图15，多级增益改变放大器部件48，增益改变控制部件50和噪声消除部件52构成第一信号处理电路，同时多级增益改变部件49，增益改变控制部件51和噪声消除部件53构成第二信号处理电路。第一和第二信号处理电路，A/D转换器55以及信号处理器57构成信号处理部件。
能够将第九实施例的信号处理部件应用到包含在前面的第五、第六、第七和第八实施例中的信号处理电路14上。
另外，第九实施例具有图7所示第五实施例的光学系统，以及示于图9A至11E中的任一焦点位置偏移机构。另外，第九实施例的光学对象识别装置具有示于图12B中的扰动光噪声消除电路，以及示于图13C和14中的放大率改变电路。
在第九实施例中，给出了关于信号处理功能的解释。在第九实施例中，图15中示出的第一光接收元件12b经由示于图7中的第一线偏振器13a接收第一反射光束7b，同时，图15中示出的第二光接收元件12a经由示于图7中的第二线偏振器13c接收第二反射光束7a。在第一线偏振器13a和第二线偏振器13b中，透射穿过它们的光的偏振方向彼此正交。
现在定义用于第一线偏振器13a、13b的正交偏振方向的方向表达方式。即，与半导体激光器1发射的光的偏振方向相同的方向的偏振分量表示为“∥偏振分量”，而正交于该“∥偏振分量”的方向的偏振分量表示为“⊥偏振分量”。第二光接收元件12a输出的信号和第一光接收元件12b输出的信号在基本上相同的处理流程中，直到它们被输入到A/D转换器55。
解释第一光接收元件12b输出的∥偏振分量信号。当第一光接收元件12b检测∥偏振分量时，输出的∥偏振分量被图14所示结构的多级增益改变放大器部件48放大。放大器部件48的输出传送到∥偏振分量侧增益改变控制部件50，其中控制部件50作出增大、固定或减小的决定，重复该程序直到达到合适的信号电平。合适的信号电平的∥偏振分量信号传送到∥偏振分量侧噪声消除部件52。在该噪声消除部件52中，如参照图12A和12B所描述的，进行扰动光噪声消除，并将所得到的信号作为∥偏振分量信号传送到A/D转换器55。在这一过程中，表示由增益改变控制部件50确定的放大率的∥偏振分量侧增益控制信号(放大器的放大率信号)也传送到A/D转换器55。
另一方面，通过检测⊥偏振分量的第二光接收元件12a输出的⊥偏振分量信号被示于图14中的多级增益改变放大器部件49放大。放大器部件49的该输出传送到⊥偏振分量侧增益改变控制部件51，其中控制部件51作出增大、固定或减小的决定，重复该程序直到达到合适的信号电平。合适的信号电平的⊥偏振分量信号传送到⊥偏振分量侧噪声消除部件53。在该噪声消除部件53中，如参照图12A和12B所描述的，进行扰动光噪声消除，并将所得到的信号作为⊥偏振分量信号传送到A/D转换器55。在这一过程中，表示由增益改变控制部件51确定的放大率的⊥偏振分量侧增益控制信号(放大器的放大率信号)也传送到A/D转换器55。
A/D转换器55，如其方法那样，在同一时间对包括∥偏振分量信号、∥偏振分量侧放大器的放大率信号、⊥偏振分量信号以及⊥偏振分量侧放大器的放大率信号的所有四个通道的信号进行采样。
图16示出了表示A/D转换器55和信号处理器57之间的数据处理的流程图。
首先，A/D转换器55捕捉对应于一个周期的透镜振动的信号数据(在包含透镜振动系统的情况下)。假设，由A/D转换器55进行的A/D转换以瞬时触发方式被触发(步骤AD1-ST1)。
然后，A/D转换器55进行A/D转换，由此透镜振动的一个周期的信号数据被捕捉到包含在信号处理器57内的存储器M内(步骤AD1-ST2)。信号数据的采样周期优选为这样的时间间隔，即在其中几千段信号数据在透镜的一个周期内获得。
关于表示被A/D转换器55从模拟转换为数字形式并存储到存储器M中的∥偏振分量信号强度的信号数据列，在聚焦状态下的∥偏振分量信号的信号强度希望由关于聚焦状态下信号数据的参考基准的多个信号数据段的平均值给定。这打算减小噪声的影响，并且提高测量对象9的识别精度。同样，基于表示A/D转换为∥偏振分量信号的放大率的信号数据列，确定放大器部件48在聚焦时间点的放大因子α(步骤AD1-ST4)。
同样，通过参考聚焦时间点确定散焦时间点。为了用方程给出与透镜振动时间相对应的位置，示于图10中的正弦曲线凸轮用作透镜驱动系统中的示例。
结果，距离物镜8的焦点位置的偏移X由X＝a·sinωt(mm)给定，其中，如果频率ω和透镜振动的幅度a已知，并且如果给出所需散焦位置X，那么能够计算在散焦位置X的时间t。给定的流过透镜驱动电动机22的恒定电流允许透镜振动的频率ω恒定。通过计算获得的时间t假设为散焦时间(步骤AD1-ST5)。
假设，关于表示⊥偏振分量信号的强度的信号数据列，散焦状态下的信号强度为将散焦时间的多个信号数据点取平均值得到的强度。该平均打算减小如∥偏振分量信号中描述的噪声的影响。另外，基于表示A/D转换的⊥偏振分量信号的放大率的信号数据列，确定散焦时间点时放大器部件49的放大因子β(步骤AD1-ST6)。
通过将聚焦状态信号强度S∥除以信号放大因子α，计算通过放大器部件48之前的聚焦状态∥偏振分量信号的强度(S∥/α)(步骤AD1-ST7)。同样，通过将散焦状态信号强度S⊥除以放大因子β，计算通过放大器部件49之前的散焦状态⊥偏振分量信号的强度(S⊥/β)(步骤AD1-ST8)。
然后，计算聚焦状态∥偏振分量信号的强度(S∥/α)与散焦状态⊥偏振分量信号的强度(S⊥/β)的比率(S∥/α)/(S⊥/β)。
可替换的，如在前面第五和第六实施例中所述，可以计算聚焦状态∥偏振分量信号的强度(S∥/α)与散焦状态⊥偏振分量信号的强度(S⊥/β)之间的差((S∥/α)-(S⊥/β))。另外，可以计算该差((S∥/α)-(S⊥/β))与聚焦状态∥偏振分量信号的强度(S∥/α)的比率(步骤AD1-ST9)。
在步骤AD1-ST9中计算得到的比率或差值与预先输入在存储器M中的与已知测量对象相关的统计数据相比较，以便识别测量对象9的类型(步骤AD1-ST10)。即，理想地，从测量得到的值和如上所述关于多个不同材料类型的测量对象进行的计算结果作为已知数据预先输入到存储器M中。
在如上所述进行测量对象9的类型识别并且将识别结果输出到识别结果显示单元58之后，程序立即再次返回到步骤AD1-ST1的处理，其中A/D转换开始。为了获得更可靠的结果，计算比率(聚焦状态∥偏振分量信号强度)/(散焦状态⊥偏振分量信号强度)，其为从步骤AD1-ST1至步骤AD1-ST9的处理的结果。通过多次重复该处理以及通过计算从该多个处理获得的多个信号比率的平均值，通过计算得到的平均值识别测量对象9的类型也是可能的。注意，未示出的控制部件保持从步骤AD1-ST1至步骤AD1-ST10的信号处理连续，直到操作者通知测量结束。
(第九实施例的变形示例1)然后，参照图17示出的流程图解释第九实施例的变形示例1。
在变形示例1中，如图17的流程图所示，进行聚焦状态∥偏振分量信号的峰值位置(时间)的检测。
首先，图15中的信号处理部件(信号处理电路14)监控第一光接收元件12b输出的∥偏振分量信号(步骤AD2-ST1)。
然后，在判定∥偏振分量信号假设为最小值的基础上，包含在信号处理部件中的极值判定电路ZC为A/D转换器55的A/D转换的开始产生一个触发脉冲(步骤AD2-ST2)。极值判定电路ZC由微分电路和零交叉判定电路等构成。
通过触发脉冲，A/D转换器55开始关于∥偏振分量信号和⊥偏振分量信号的2-ch并行A/D转换(步骤AD2-ST3)。
在该A/D转换开始的同时，信号处理器57从A/D转换器55捕捉∥偏振分量信号的放大因子α和⊥偏振分量信号的放大因子β(步骤AD2-ST4)。
即使在A/D转换开始之后，极值判定电路ZC仍然保持对∥偏振分量信号的监控。在判定∥偏振分量信号假设为最小值的基础上，极值判定电路ZC清除已经由A/D转换器55通过当时的A/D转换获得的数据，并且A/D转换器55再次进行A/D转换。
尽管具有一个峰值的∥偏振分量信号波形能够在物镜8的振动的半个周期内获得，但是存在一些情况，其中∥偏振分量信号在物镜8的振动的半个周期内有两个或更多个峰值，例如在测量对象9的表面具有大的不平坦度高度的情况下。为了适应∥偏振分量信号波形具有多个峰值的情况，当∥偏振分量信号波形具有两个或更多个峰值时，将在振动的半个周期内最近时间的峰值作为真正的峰值(步骤AD2-ST5)。
在四分之一透镜振动周期的数据采集基础上完成A/D转换。于是，仅仅能够获得用于表面识别的数据，与如图16的流程图中描述的，将对应于一个周期的透镜振动的信号数据捕捉到信号处理器57中的情况相比，能够大程度地减少A/D转换所需的时间(步骤AD2-ST6)。
然而，A/D转换捕捉的数据量不限于与四分之一周期的透镜振动相对应的数据量，也可能捕捉对应于如第九实施例中的一个周期的透镜振动的数据量。假设，在透镜振动中聚焦的时间是产生触发脉冲的时间(A/D转换开始的时间)。同样，聚焦信号由跟随在聚焦时间之后的多个点的平均值给定。结果，能够降低噪声等的影响(步骤AD2-ST7)。
通过参考产生触发脉冲时的时间确定散焦时间。为了用方程给出透镜振动的位置和时间比，例如将正弦函数凸轮用于透镜驱动系统中。结果，距离物镜8的焦点位置的偏移x由x＝a·sinωt(mm)给定，其中，如果频率ω和透镜振动的幅度a已知，并且如果给出所需的散焦位置x，那么能够计算时间t。给定的流过电动机的恒定电流，能够使透镜振动的频率ω恒定。然后，将从触发发生的时间点开始的时间t逝去之后的时间点作为散焦时间(步骤AD2-ST8)。
假设，关于表示⊥偏振分量信号的强度的信号数据列，散焦状态下的信号强度是将在散焦时间的多个信号数据点取平均得到的强度(步骤AD2-ST9)。
然后，如图16的流程图，在通过放大器部件48之前聚焦状态∥偏振分量信号的强度(S∥/α)通过使用放大因子α进行计算(步骤AD2-ST10)，以及通过放大部件49之前的散焦状态∥偏振分量信号的强度(S⊥/β)通过使用放大因子β进行计算(步骤AD2-ST11)。
然后，计算聚焦状态∥偏振分量信号的强度(S∥/α)对散焦状态⊥偏振分量信号的强度(S⊥/β)的比率((S∥/α)(S⊥/β))。更进一步，取代该比率，如前面第五和第六实施例中所述，可以计算聚焦状态∥偏振分量信号的强度(S∥/α)与散焦状态⊥偏振分量信号的强度(S⊥/β)之间的差，或者计算该差对聚焦状态∥偏振分量信号的强度(S∥/α)的比率(步骤AD2-ST12)。
将在步骤AD2-ST12计算得到的值与预先输入到存储器M中的关于已知材料的测量对象表面的计算值的统计数据相比较，以识别作为检测对象的测量对象9的表面状态(步骤AD2-ST13)。即，理想地，从测量得到的值和如上所述关于多种不同类型材料的测量对象进行的计算结果作为已知数据预先输入到存储器M中。
紧随上述测量对象9的类型识别和将识别结果输出到识别结果显示单元58之后，程序再次返回到步骤AD2-ST1的处理，其中，监控∥偏振分量信号，并等待极值判定电路ZC产生触发脉冲。
通过执行上述多次处理，多个(聚焦∥偏振分量信号)/(散焦⊥偏振分量信号)比率平均化，由此利用多个平均值实现更高精度的表面识别。
(第九实施例的变形示例2)然后，图18的框图示出了包含在第九实施例的变形示例2中的信号处理部件的结构。如图18所示，该信号处理部件采用了这样一种方法，其中跟随在图15中的放大器部件48和49之后的程序通过数字信号处理完成。∥偏振分量侧第一光接收元件12b接收第一反射光束7b，并且将接收到的光信号转换为电信号。由于半导体激光器1发射的发射光受到脉冲调制，因此光接收元件12b理想地具有这样的响应速度，其能够跟随该脉冲调制的频率。
被∥偏振分量侧第一光接收元件12b转换为电信号的∥偏振分量信号通过放大器部件48放大。该放大器部件48能够以多级改变增益。用于增益改变的控制信号从信号处理器57输出到放大器部件48。
⊥偏振分量侧第二光接收元件12a接收第二反射光束7a，并将接收到的光信号转换为电信号。被∥偏振分量侧第一光接收元件12b转换为电信号的⊥偏振分量信号通过放大器部件49放大。该放大器部件49能够以多级改变增益。用于增益改变的控制信号从信号处理器57输出到放大器部件49。
用于对半导体激光器1进行脉冲调制的基带信号从振荡分频电路54输出。基带信号还输入到A/D转换器55作为时钟信号。利用被A/D转换器55从模拟形式转换为数字形式的数据段，完成测量对象9的识别。在信号处理器57中，增益控制信号根据输入信号的强度确定，并且放大器部件48和49的增益改变为最优增益并反映在为下一次A/D转换的数据采集中。
下面，参照图19示出的流程图解释示于图18中的A/D转换器55和信号处理器57中的处理。
首先，A/D转换器55同时对∥偏振分量信号和⊥偏振分量信号进行采样。假设，由A/D转换器55进行的A/D转换以瞬时触发方式触发(步骤AD3-ST1)。
然后，通过A/D转换器55的A/D转换，将透镜振动的一个周期波形的信号数据捕获到包含在信号处理器57内的存储器M中，其中A/D转换停止(步骤AD3-ST2)。
之后，信号处理器57根据LD脉冲调制的时钟信号的参考基准对∥偏振分量信号和⊥偏振分量信号两者进行差分计算。即，如在前面第八实施例中参照图13A和13B所述的，对于∥偏振分量信号，在时钟信号的时间为“1”时的一个信号与时钟信号的时间为“0”时的另一信号之间进行差分计算。同时，如参考图13B所披露的，对于⊥偏振分量信号，在时钟信号的时间为“1”时的一个信号与时中信号的时间为“0”时的另一信号之间进行差分计算。通过该差分计算，降低了扰动光噪声的影响(步骤AD3-ST3)。
随后，对∥偏振分量信号进行峰值搜索，并将∥偏振分量信号的峰值的时间点作为透镜振动的聚焦时间(步骤AD3-ST4)。
根据存储在存储器M中的∥偏振分量信号强度数据列中的聚焦状态信号的强度数据的参考基准，聚焦状态∥偏振分量信号的信号强度由多个点的强度数据的平均强度给定。这打算降低尖峰噪声的影响，并提高测量对象的识别精度。通过参考聚焦状态∥偏振分量信号的强度，信号处理器57确定针对下一次∥偏振分量侧放大器部件48的增益改变控制信号。即，当∥偏振分量的光强变弱时，信号处理器57改变增益改变控制信号，以便增加放大器部件48的增益。相反，当∥偏振分量的光强变强时，信号处理器57改变增益改变控制信号以便减小放大器部件48的增益。另外，当光强正合适时，信号处理器57保持放大器部件48的增益，而不改变增益改变控制信号(AD3-ST5)。
另一方面，散焦时间通过参考聚焦时间确定。为了用方程给出透镜振动的位置和时间比，在透镜驱动系统中使用例如正弦曲线凸轮。结果，距离物镜8的焦点位置的偏移x由x＝a·sinωt(mm)给定，其中，如果频率ω和透镜振动的幅度a已知，并且如果给出所需的散焦位置x，那么能够计算时间t。给定流过驱动物镜8的电动机的恒定电流，能够使透镜振动的频率ω恒定。以这种方式给定的时间t作为散焦时间(步骤AD3-ST6)。
假设散焦状态下的信号强度为关于表示⊥偏振分量信号的强度的信号数据列的在散焦时间的多个信号数据点取平均而得到的强度。该平均打算降低∥偏振分量信号情况下的噪声的影响。另外，⊥偏振分量侧放大器部件49的增益改变控制信号以与∥偏振分量侧放大器部件48的增益改变控制信号相同的方式确定(步骤AD3-ST7)。
在这一阶段，关于通过前次A/D转换获得的∥偏振分量信号，放大器部件48的增益改变控制信号保持存储在信号处理器57的存储器M中。通过这样做，确定本次聚焦时间内放大器部件48的放大因子α。另外，通过将聚焦位置的∥偏振分量信号的强度除以α，能够计算∥偏振分量侧光接收元件12b接收的光引起的∥偏振分量信号的强度(S∥/α)(步骤AD3-ST8)。
同样关于⊥偏振分量信号，类似地，将放大器部件49的前次增益改变控制信号保持在信号处理器57的存储器M中，由此确定在本次散焦时间⊥偏振分量侧放大器部件49的放大因子β。通过将在散焦位置的⊥偏振分量信号的信号强度除以放大因子β，能够计算⊥偏振分量侧光接收元件12a接收的光引起的⊥偏振分量信号的强度(S⊥/β)(步骤AD3-ST9)。
如在步骤AD3-ST8和步骤AD3-ST9中进行的计算那样，计算聚焦状态∥偏振分量信号的强度(S∥/α)对散焦状态⊥偏振分量信号的强度(S⊥/β)的比率((S∥/α)/(S⊥/β))(步骤AD3-ST10)。
可替换地，如在第五和第六实施例中所述的，聚焦状态∥偏振分量信号和散焦状态⊥偏振分量信号的计算方法可以为计算两者之间的差，或其差对聚焦状态∥偏振分量信号的比率等方法。
然后，将在步骤AD3-ST10中计算得到的值与预先输入在存储器M中的与已知测量对象有关的统计数据相比较，以识别测量对象的类型(步骤AD3-ST11)。
之后，信号处理器57将测量对象的识别结果输出到表面识别结果显示单元58，并将增益改变控制信号输出到∥偏振分量侧放大器部件48和⊥偏振分量侧放大器部件49(步骤AD3-ST12)。
紧随步骤AD3-ST12中信号处理器57输出信号处理结果之后，程序再次返回到步骤AD3-ST1的处理，其中A/D转换开始。
为了获得更可靠的结果，也可能进行下面的处理。即，作为从步骤(AD3-ST1)到步骤(AD3-ST12)的处理的结果，计算聚焦状态∥偏振分量信号的强度(S∥/α)对散焦状态⊥偏振分量信号的强度(S⊥/β)的比率((S∥/α)/(S⊥/β))，并将所得到的比率((S∥/α)/(S⊥/β))存储到存储器中，所述操作重复多次。然后，计算多次比率的平均值，并根据得到的平均值识别测量对象。在这一情况下，信号处理器57连续地从步骤(AD3-ST1)到步骤(AD3-ST12)进行处理，直到操作者通知测量结束。
(第十实施例)接下来，解释本发明的光学对象识别装置的第十实施例。第十实施例是能够应用到前面的第一至第九实施例中的实施例。
当半导体激光器1用作光源时，考虑到眼睛的安全是必须的。尤其是，在光学对象识别装置安装在诸如真空清洁器的家用电器上时，要求满足1级眼睛安全。
在光学对象识别装置安装在真空清洁器上的情况下，基本上，必须如下设计除了在清洁器放置在地板表面上之外，半导体激光器1不接通。在真空清洁器的情况下，其中地板表面识别传感器安装在其上作为本发明的光学对象识别装置，能够根据半导体激光器1的光发射，通过检测地板表面反射的存在或不存在，进行与地板表面存在或不存在有关的判定。当然，该检测也可以通过使用其他传感器以另外的方式完成。
另外，关于包含在地板表面识别传感器中作为半导体光发射元件的半导体激光器1的脉冲调制的操作条件，例如，利用具有图20A所示的脉冲波形或者图20B所示的脉冲波形的信号驱动半导体激光器1使得满足1级眼睛安全的条件。
(第十一实施例)下面，解释本发明的光学对象识别装置的第十一实施例。第十一实施例具有图11A中示出的第六实施例的变形示例3的结构，其包括透镜振动机构，例如，曲柄机构。如图11A所示，第一光束5穿过连接到外壳83的光学窗口35，其中容纳了光学系统和形成信号处理电路14的IC，并且，测量对象9反射的反射光束7透射通过光学窗口35进入外壳83。光学窗口35设置为，无论物镜8位于透镜振动范围内的哪个位置，均位于物镜8的焦点位置内。
如前所述，由于测量对象9根据测量对象9上的反射光束的偏振扰动而被识别，因此诸如灰尘的光散射体，如果沉积在光学窗口35上，将成为扰乱光的偏振状态的噪声源。
然而，在第十一实施例中，由于针孔部件11设置在聚光透镜10a和10b的焦点位置，光接收元件12a和12b几乎不接收来自除了物镜8的焦点位置之外的光。因此，即使在物镜8的任意振动状态下，利用光学窗口35设置在物镜8的焦距内的结构的优点，即使灰尘沉积在光学窗口35上，第一光束也不会聚焦到灰尘上，由此灰尘不会成为噪声因素。从而，能够在测量对象9的识别中消除灰尘、脏东西等的影响。
(第十二实施例)图21A示出了示于本发明前面任一实施例中的光学对象识别装置应用于清洁器的概略结构图。清洁器A的大概轮廓示于图21A上方，同时清洁器A的头部E在图21A的下方放大示出。头部E具有轮子C，并且光学对象识别装置B结合在头部E的内部。光学窗口(未示出)形成在头部E的下表面，其中第一光束5通过该光学窗口发射。
同样，图21B示出了示于本发明前面任一实施例中的光学对象识别装置应用于自推进清洁器A2的概略结构图。光学窗口(未示出)形成在自推进清洁器主体的下表面，其中第一光束5如在图21A中的清洁器A那样穿过光学窗口发射。注意，参考符号C表示轮子，而D表示连接在主体下表面的外沿上的导引元件。
通常，将要被清洁器清洁的地板表面的类型包括室内地板或其他木质表面，稻草榻榻米垫子，以及地毯或其他毛织品。现在一般分布广泛的清洁器需要清洁器的操作者根据地板表面的类型手动改变运行条件，因此很麻烦。
另外，自动地移动以进行清洁的自推进清洁器不允许操作者改变运行条件，并且基本上需要用于识别地板表面类型的传感器。这些清洁器，通过包含本发明前面的实施例的光学对象识别装置，能够高精度地识别地板表面的类型。即，如前面的实施例所述，利用预先输入到信号处理电路14的存储器中的在已知地板表面(木头、稻草榻榻米垫子、地毯)上与光反射有关的去偏振信息，在已知去偏振信息与测量对象的测量结果之间进行比较，能够高精度地识别地板表面的类型。同样，第七实施例的光学对象识别装置，其具有消除阳光、荧光灯等扰动光的附加功能，即使在诸如有照明的室内环境一类的明亮环境内也能够使用，由此对清洁器，尤其是自推进清洁器非常有效。
(第十三实施例)图22A是本发明的第十三实施例的光学对象识别装置的概略结构图。在图22A中，仅示出了光束的轨迹和主要的光学部件，而那些保持光学部件用的元件并未示出。在这一情况下，能够将发光二极管(以下称作LED)或半导体激光器(以下称作LD)等用作光源，其中，如果能够在测量对象上得到特定值或更大的光强，则可以仅使用它们中的任何一个。然而，使用LED时，为了使发射光束中特定方向的偏振光入射到测量对象上，需要使LED的发射光穿过线偏振器。另一方面，使用LD时，由于发射的光束是偏振化的，因此不需要线偏振器。在本实施例中使用LD，这一情况也适用于所有其他实施例。
从LD101发射的光被准直透镜(以下称作CL)102转变为准直光束，再由圆形开口孔103进一步转变为具有特定直径的圆形光束105。CL102和孔103构成光投影部件100。从光投影部件100施加的光束105被测量对象108反射(散射)。反射光的一部分被由两个透镜109、110构成的聚光器部件聚焦为反射光束107。如图22A所示，两透镜109、110为第一聚光透镜109和第二聚光透镜110，其设置为其光轴彼此重合。第一聚光透镜109设置为其焦点与施加到测量对象108上的光束105的光斑重合，而第二聚光透镜110设置为其焦点与下面描述的光接收元件115、116的光接收部件重合。采用光学系统的这种设置，测量对象108表面反射的反射光束107被第一聚光透镜109转变为基本上平行的光束，被第二聚光透镜110会聚，并会聚到光接收元件115、116的光接收表面，由此进行检测。在这一情况下，为了能够接收来自测量对象108的镜面反射光，第一聚光透镜109和第二聚光透镜110设置为，两透镜的光轴与测量对象108表面的法线形成的角度(θ2)，与来自光源的光束105的光轴与测量对象108表面的法线形成的角度(θ1)彼此相等。这样，对于入射到测量对象108的光束105，光接收系统设置在镜面反射光的光轴上，由此能够以其最大光强检测反射光束107。大的光强允许提高S/N(信号/噪声)比，由此能够高精度地识别测量对象。
通过用作分光部件的非偏振分束器(以下称作非偏振BS)104，将第二聚光透镜110会聚的反射光束107分为两束，由非偏振BS104反射的第一反射光束113，和穿过非偏振BS104的第二反射光束114。被非偏振BS104分开的该第一反射光束113和第二反射光束114具有相同的光强。随后，两光束经由作为偏振状态选择器部件的线偏振器111a和111b选择，仅分别具有彼此正交方向的偏振分量，然后由第一光接收元件115和第二光接收元件116检测。即，线偏振器111a和111b设置为允许通过的光的偏振方向彼此正交。另外，线偏振器111a和111b中的任何一个均设置为透射光平行于LD101发射的光的偏振方向。
在这一情况下，如果第一和第二光接收元件115、116将光信号转换为电信号，其就能够满足本发明的功能。然而，特别地，就小型化装置结构的能力和降低其成本而言，光电二极管(以下称作PD)的使用是优选的。另外，就大幅度地降低可能混合到连接PD与信号处理部件117等的导线内的噪声的能力而言，PD及其随后阶段的信号处理部件117在同一半导体基片上的形成是优选的。
通常，当光被反射表面反射时，反射光的偏振状态根据反射表面的构造改变。例如，在具有比入射光波长足够小的不平坦度的像光学镜面的反射表面上的反射，保持了反射光的偏振状态。另一方面，在测量对象表面的不平坦度大于光源波长的情况下，被表面反射的光产生多重散射，导致偏振分量与光源的分量不同。由此，在本实施例中，对于来自LD101发射的线偏振光并被测量对象108的表面反射的反射光束107，测量其偏振方向平行于来自LD101的线偏振光的光的强度，以及其偏振方向与来自LD101的线偏振光成直角的光的强度。在测量光强的基础上，通过检测由于测量对象引起的偏振光的改变特性，能够知道测量对象表面的不平坦度状态。
在图22A示出的光学系统中，LD101发射的光束105的偏振方向优选地垂直于图纸(S波)。其原因是，如果光束105的偏振方向平行于图纸(P波)，那么反射之后的偏振方向平行于反射光束107的光轴，由于光不能以纵波形式存在而导致反射率降低。
如上所述被测量对象108反射并包含与测量对象108表面有关的信息的反射光束107被非偏振BS104分成两束光。穿过彼此正交的线偏振器111a、111b的所得到的光束具有与第一光接收元件115检测的LD101的光束105相同偏振方向的光分量，以及与第二光接收元件116检测的LD101的输出光束105垂直的偏振方向的光分量。测量对象108的表面越平，反射的光的偏振状态越能保持，因此，第一光接收元件115的输出大于第二光接收元件116的输出。
已经描述了使用上面的特性识别测量对象108类型的信号处理方法。由于测量对象108的反射率依赖于其材料和构造而不同，因此需要在宽的范围内检测反射光束107的光强。通常，如果测量对象108的表面是带黑色的，并且如果表面的不平坦度非常大，那么可能导致入射到表面上的光束105发生很强的散射，由此反射光束107为弱光。为了该弱光的放大，在一级放大器处增大放大因子以实现放大会导致电路运行不稳定，从而是不利的。因此，信号处理部件117具有多个放大器串联在一起的放大器组。通过放大器组放大到合适电平的信号传送到计算部件。在计算部件内，将分别通过第一光接收元件115和第二光接收元件116检测并通过放大器组放大了的信号分开。即，进行由下面方程表示的计算(信号处理部件的输出)＝(第一光接收元件115的输出)/(第二光接收元件116的输出) …(13)。
如果测量对象108表面具有大的不平坦度，那么光束105通过反射去偏振，使得方程(13)的计算结果接近“1”。另一方面，如果测量对象108表面具有小的不平坦度，那么光束105几乎保持它本身的偏振，使得方程(13)的计算结果为近似于无穷的值。因此，通过预先设置与将要被检测的测量对象的计算结果电平相对应的表面状态，就可能根据该计算结果识别测量对象108的类型。
同样，信号处理部件117的计算部件也可以取代方程(13)而如下所示地计算第一光接收元件115的输出与第二光接收元件116的输出之间的差对和的比率(信号处理部件的输出)＝(两光接收元件的输出之差)/(两光接收元件的输出之和) …(14)。
在这一情况下，如果测量对象108的表面具有大的不平坦度，那么两光接收元件115、116的输出由于光束105的去偏振而大致上彼此相等，则方程(14)的值接近“0”。另一方面，如果测量对象108的表面具有小的不平坦度，那么反射光束107保持偏振，使得第二光接收元件116的输出值比第一光接收元件115的输出值小得多，其结果为方程(14)的值接近“1”。这样，由于方程(14)的计算结果的输出信号电平比方程(13)的输出信号电平窄，因此能够简化信号处理部件117的结构。
另外，同样当非偏振BS 104和线偏振器111a、111b这三个光学部件由如图22B所示的一个偏振分束器(以下称作PBS)112来实现时，能够获得完全相同的效果。在PBS 112中，透过的光分量的偏振方向和其反射的光分量的偏振方向彼此正交，并且使用PBS 112允许削减部件数。在下面的实施例中，非偏振BS 104与线偏振器111a、111b的结合，或者PBS 112均可以用作对反射光束107分光和偏振化的光学部件。
(第十四实施例)图23是根据本发明第十四实施例的光学对象识别装置的概略构造图。在图23中，仅示出了光束的轨迹和主要的光学部件，而那些保持光学部件用的元件并未示出。同样，与第十三实施例相同的组成部件通过与第十三实施例的组成部件相同的附图标记表示，并且省略其描述。
如图23所示，从光投影部件100施加的准直光束105被非偏振BS104分为透射光束和反射光束。此处假设，由非偏振BS104透过的光束是第一光束105，而由非偏振BS104反射的光束是第二光束106。第一光束105垂直地入射到测量对象108的表面上。由测量对象108的表面反射的反射光束107再次入射到非偏振BS104上，并被非偏振BS104反射。从非偏振BS104输出的光束被第一聚光透镜109导引到PBS112。由于第一聚光透镜109设置为其焦点与测量对象108表面上的光束105的光斑重合，因此非偏振BS104输出的反射光束107通过第一聚光透镜109形成为近似平行的光束。该光束由PBS112分为偏振方向平行于来自LD101的发射光的光束113和偏振方向垂直于来自LD101的发射光的光束114。分光束113、114分别通过聚光透镜110a、110b会聚，并由光接收元件115、116接收。在第十三实施例的光学对象识别装置中，除非测量对象108设置在由光投影部件100形成的照射光轴与由聚光透镜109、110形成的反射光轴之间的交点上，否则测量对象108的镜面反射分量不会入射到光接收元件115、116上。这样的状态例如当在测量对象108的表面上存在相对大的台阶间隙的不平坦度时会发生。与此相反，在第十四实施例的光学对象识别装置中，由于测量对象108上的反射光的光轴通过非偏振BS104改变，由此光投影部件100的照射光轴与该反射光轴能够彼此对准。因此，即使在测量对象108的表面上存在不平坦度的情况下，也能够将测量对象108的镜面反射光可靠地导引到光接收元件115、116。由此，与第十三实施例相比，根据本实施例，基本上能够消除反射光轴上测量对象108表面的不平坦度的影响。
图24是示出了定义了非偏振BS 104的一侧的外观的示意图，其中示意性地示出了测量对象108、更靠近非偏振BS104的非偏振BS104的表面以及聚光器部件的透镜109之间的位置关系。注意，更靠近测量对象108的非偏振BS104的表面由切除该表面的邻近部分示出的入射表面部分140示出。在图24中，X轴为沿着图23中的反射光轴的传播方向，而Y轴为沿着垂直于图23的图纸的方向。参照图23，测量对象108反射的光束沿传播方向改变，同时透镜109设置在与紧接在反射之后的传播方向基本上成直角的方向。然而，即使在图24的情况下，其中反射光没有被BS反射，其传播方向没有改变，测量对象108与BS104的入射表面部分以及透镜109之间的距离与入射表面部分140的尺寸之间的关系与图23中相同。即在图24中，在不考虑由BS104引起的传播方向的改变的情况下，从测量对象到透镜109的范围的反射光轴用直线示出。
如图24所示，给定测量对象108上光束105的光束直径‘a’，第一聚光透镜109的直径L、焦距f和从测量对象108到非偏振BS104的入射表面的距离d，在信号处理部件117内提高S/N比需要尽可能地增加将要被第一聚光透镜109会聚的光束。因此，需要使立方体型非偏振BS104的入射表面部分140的一侧α大于在BS104的入射表面的中心上的光束的光斑直径。由此，根据比例计算，需要满足下面方程(1)的条件a≥(a+L)×d/f…(1)。
另外，在该立方体型非偏振BS104中，入射面两侧的长度α、β彼此相等。
参考图23，来自光投影部件100、入射到并由非偏振BS104反射的第二光束106远离导引到光接收元件115、116的光学系统。存在一些情况，其中，第二光束106例如被围绕光学系统的外壳侧壁(未示出)等反射，并被光接收元件115、116检测作为噪声光，这导致测量对象的识别精度降低。为了消除该噪声光，具有垂直于噪声光偏振方向的偏振方向的线偏振器111设置在第二光束106的光轴上。因此，第二光束106几乎不被允许透过线偏振器111。同样，线偏振器111需要定位成相对于第一聚光透镜109和第二聚光透镜110a、110b的光轴成下述角度。即，为了防止线偏振器111的表面反射的光束入射到光接收元件115、116，线偏振器111定位成不与第一聚光透镜109和第二聚光透镜110a、110b的光轴面对。结果，能够防止由于第二光束106的杂散光引起的测量对象108的识别精度的降低。
图25是示出第十四实施例的光学对象识别装置的变形例的概略构造图。在图25中，仅示出了光束的轨迹和主要的光学部件，而那些保持光学部件用的元件并未示出。同样在图25中，与图23中示出的光学对象识别装置相同的组成部件通过与图23中组成部件相同的附图标记表示，并且省略其描述。
在图25的光学对象识别装置中，来自测量对象的反射光束107被非偏振BS104反射，并通过第一聚光透镜109形成为近似的准直光束。转变为准直光束的反射光束107通过第二聚光透镜110会聚到光接收元件115、116上。在这一情况下，穿过第二聚光透镜110的反射光束107被PBS112分为其偏振方向与来自LD101的发射光束基本平行的光束113和其偏振方向基本垂直于发射光束的光束114。
图26A和26B是示出从采样图25的光学对象识别装置进行的对象识别实验获得的实验结果。在本实验中，将两种室内地板(在图26A和26B中表示为“木头1”和“木头2”)，一种稻草榻榻米垫子和两种地毯作为测量对象，在各不相同的70个识别位置处测量光接收量。图26A示出了执行上述方程(13)的信号处理的情况下的实验结果，而图26B示出了执行上述方程(14)的信号处理的情况下的实验结果。应当理解，通过对于单个方程的计算结果，设置对应于室内地板、稻草榻榻米垫子、地毯等的阈值，并通过与这些阈值进行比较，能够对测量对象进行识别。方程(13)的计算结果的值，其具有大的动态范围，落在1至无穷的范围内，而方程(14)的计算结果的值落在0至1的动态范围内。因此，例如当信号处理部件117通过模拟电路实现时，执行方程(14)的计算能够简化电路结构，这是因为方程(14)的计算结果落在能够由普通放大器结构表示的电压范围内。
图27是示出第十四实施例的光学对象识别装置的另一个变形示例的概略结构图。在图27中，仅示出了光束的轨迹和主要的光学部件，而那些保持光学部件用的元件并未示出。同样在图27中，与图25中示出的光学对象识别装置相同的组成部件通过与图25中的组成部件相同的附图标记表示，并且省略其描述。
在图27的光学对象识别装置中，光投影部件100发射的光束被分为由半反射镜(以下称作HM)120透射的第一光束105和由HM120反射的第二光束106。第一光束105入射到测量对象108上。来自测量对象108的反射光束107被HM120反射，并通过第一聚光透镜109会聚。这样，在本变形示例中，HM120取代图25中的非偏振BS104用作光分支部件。
利用用作如图25中的光分支部件的立方体型非偏振BS104，尽管BS104的侧面通常镀有抗反射膜，但是反射光束仍然被该侧面轻微地反射。由于BS104的侧面垂直于从BS104延伸到光接收元件115、116的光轴，因此被BS104的侧面反射的微弱光束入射到光接收元件115、116表面，产生噪声。为了消除该噪声，需要在信号处理部件117内预先存储与该噪声相对应的光量，并从接收到的信号中减去与该光量相对应的信号。与LD101的光量成比例的该噪声等效光量可能由于例如LD101的长期变化等而在时基上变化，造成难以完全消除噪声。
与此相反，使用HM120，由于HM120的表面并不垂直于导向光接收元件115、116的光轴，因此来自HM120表面的反射光束原则上不会入射到光接收元件115、116上。因此，不需要在信号处理部件117内进行消除任何噪声信号的处理。
HM120的尺寸应当满足的条件能够利用图24确定。即，参考图24，假设从光投影部件100施加到测量对象108上的第一光束105的光束直径为a，第一聚光透镜109的直径为L，焦距为f，并且从测量对象108到HM120的距离为d。在该论述中，图24的入射表面部分140用HM120代替。在这一情况下，为了提高信号处理部件117中的S/N比，需要使所有能够被第一聚光透镜109会聚的光束都入射到HM120上。因此，HM120的侧面长度需要大于在HM120中心上的光束的光斑直径。于是，HM120的一侧的值α需要满足下面的根据比例计算的方程(2)。另外，HM120的另一侧的值β需要满足下面的方程(3)a≥(a+L)×d/f…(2)β≥21/2(a+L)×d/f …(3)。
另外，在图27中，由于HM120与PBS112之间的光学系统仅由第一聚光透镜109这一个透镜来实现，因此能够减少光学部件数，并能够使光学系统低价化。
(第十五实施例)图28是根据本发明第十五实施例的光学对象识别装置的概略结构图。在图28中，仅示出了光束的轨迹和主要的光学部件，而那些保持光学部件用的元件并未示出。在图28的光学对象识别装置中，与图22A和22B中示出的光学对象识别装置相同的组成部件通过与图22A和22B中的组成部件相同的附图标记表示，并且省略其描述。
在第十五实施例的光学对象识别装置中，测量对象108的反射光束107被非偏振BS104反射，并由第一聚光透镜109会聚。由第一聚光透镜109会聚的反射光束107被衍射光栅118分开。被衍射光栅118衍射的光束通过线偏振器111a，通过该线偏振器，偏振方向平行于来自LD101的发射光的光透射，并且所述光束通过线偏振器111b，通过该线偏振器，偏振方向与来自LD101的发射光成直角的光透射。结果，提取出其偏振方向平行于来自LD101的发射光的光束113和其偏振方向与来自LD101的发射光成直角的光束114。上述偏振分量的光束113、114被分割型PD119接收，并将其与这些光束113、114的光强成比例地转换为电信号。
在这一情况下，衍射光栅118可以可替换地提取+1级衍射光和-1级衍射光。作为通过衍射光栅118提取+1级衍射光和-1级衍射光的结果，提取的光束113、114的光量大致上彼此相等，于是能够提高在分割型PD119上光接收的精度。另外，对于衍射光栅118，优选将0级衍射光的光量基本上设置为零。当不用于测量对象识别的0级衍射光基本上设置为零时，能够抑制衍射光栅处的光学损耗，并且能够提高光接收元件处的S/N比。
另外，衍射光栅118还可以为闪耀光栅。采样闪耀光栅使调节任何所需级数的光量成为可能。因此，扩大了光学对象识别装置设计的自由度，从而能够实现更有效的设计。利用闪耀型衍射光栅，光更强烈地衍射到0级衍射光和1级衍射光，由此能够提高光的使用效率。
在本实施例的最优选实施例中，将分割型PD用作光接收元件，并且将闪耀型衍射光栅用作衍射光栅，该衍射光栅具有0级衍射光和1级衍射光光量基本上彼此相等的设计。作为其结果，能够将在衍射光栅处的损耗抑制到最小，并且能够使光接收元件处的光量的测量精度最大化，由此能够提高测量对象的识别精度。另外，利用分割型PD允许制成低价、容易小型化的光接收系统。
(第十六实施例)图29是根据本发明的自推进清洁器的概略构造图。该自推进清洁器122具有安装在底部的本发明的光学对象识别装置121，并且第一光束105经由提供在底面的光学窗口(未示出)朝向地板表面108发射。
通常，要被清洁器清洁的地板表面的类型包括室内地板、稻草榻榻米垫子、地毯等。对于一般广泛分布的清洁器，传统上需要操作者根据地板表面的类型手动改变运行条件，很麻烦的缺点。因此，自动地移动以进行清洁的自推进清洁器已经开发出来，并且这些自推进清洁器为了自动改变运行条件，不可缺少地需要识别地板表面类型的传感器。于是，在这样的自推进清洁器中，能够使用第十三至第十三实施例的光学对象识别装置。即，特定地板表面(室内地板、稻草榻榻米垫子、地毯等)的光反射中的去偏振(改变)的信息预先存储在光学对象识别装置的存储部件中，并进行该信息与光接收部件的测量结果之间的比较，由此能够高精度地识别所要清洁的地板表面108的类型。从而，能够获得能够精确而高效地进行清洁操作的自推进清洁器。
(第十七实施例)图30是根据本发明第十七实施例的光学对象识别装置的概略构造图。在图30中，仅示出了光束的轨迹和主要的光学部件，而那些保持光学部件用的元件并未示出。在这一情况下，作为光源的半导体光发射元件能够例如由发光二极管(LED)和激光二极管(LD)给定，如果要入射到测量对象208的表面208a上的第一光束205的光量显示出特定值或更大，那么可以仅采用两者之一。然而，与LED相比，LD在准直特性方面更优越和在偏振方向上更平坦度，使其更容易解释本发明的操作。因此，在本发明的下面实施例中将LD用作半导体光发射元件的示例。
在第十七实施例的光学对象识别装置中，LD201、CL202、圆形开口孔203，以及作为第一光分支元件的非偏振分束器204a构成光投影部件。
第十七实施例的光学对象识别装置包括第一聚光透镜209，作为第二光分支元件的非偏振分束器204b，用于选择偏振状态的第一和第二线偏振器210a、210b，由光电二极管等实现的第一和第二光接收元件211a、211b以及作为信号处理部件的信号处理电路214。
由第一线偏振器210a选择的偏振状态与由第二线偏振器210b选择的偏振状态彼此正交，例如，将由第一线偏振器210a选择的偏振状态作为LD201的发射光的偏振状态。
LD201的发射光被CL202转变为平行光束，并且仅仅围绕光栅中心的大致光强平坦度的平行光束的一部分被允许通过孔203的圆形开口。作为该结果，将平行光束的光束截面构造转变为圆形。
然后，平行光束入射到非偏振分束器204a上，并被分为穿过非偏振分束器204a的第一光束205和被非偏振分束器204a反射并继续基本平行地射向测量对象208的表面208a的第二光束206。
尽管非偏振分束器204a例如由示于图30中的立方体型分束器实现，然而如果采用片状半反射镜也能实现类似的效果。同样，尽管采用LD201作为光源，但是也可以如上所述地采用LED。然而，在采用LED作为光源的情况下，需要使用适当的透镜将从LED发射的光束转变为基本上平行的光，并进一步经由偏振器将该光转变为线偏振光，并利用具有适当直径的孔将该光束重新整形为最优的结构。由偏振器转变成线偏振的变换的偏振方向需要水平或者垂直于包含在后面描述的光接收部件内的第一、第二线偏振器210a、210b的偏振方向。上面给出的关于非偏振分束器204a和作为半导体光发射元件的半导体激光器201的描述适用于下面给出的每一个实施例，在下文将省略该描述。
由非偏振分束器204a反射的第二光束206远离在非偏振分束器204a之后覆盖第一光束205的光学系统。存在一些情况，其中第二光束206可能被例如围绕光学系统的外壳侧壁(未示出)等反射，并被光接收元件211a、211b检测作为噪声光。为了消除该噪声光，透过偏振方向正交于第二光束206的偏振方向的线偏振器210c作为杂散光防止部件设置在第二光束206的光轴上。结果，抑制了第二光束206透过线偏振器210c，由此不会施加到外壳侧壁并且不会成为噪声源。
由测量对象208的表面208a反射的反射光束207被非偏振分束器204a反射，由第一聚光透镜209会聚，并被用作第二光分支元件的非偏振分束器204b分为两束，第一反射光束212和第二反射光束213。第一、第二反射光束212、213分别经由其透射的偏振方向彼此正交的第一、第二线偏振器210a、210b通过第一、第二光接收元件211a、211b进行检测。例如，该第一、第二光接收元件211a、211b为光电二极管。
由第一、第二光接收元件211a、211b检测的第一、第二接收信号均被输入到后续级的信号处理电路214，在那里信号处理电路214计算第一接收信号对第二接收信号的比率。
图30通过一个点的点划线示出，测量对象208的表面208a的法线与第一光束205的光轴重合(即，测量对象208的倾斜角θ为0°)的情况下的镜面反射光轴J1。同样，图30通过虚线示出，测量对象208的表面208a的法线G从第一光束205的光轴成角度θ1倾斜的情况下的镜面反射光轴J2。该镜面反射光轴J2从法线G朝向第一光束205的相反侧成角度θ1倾斜。
如图30所示，在测量对象208的倾斜角为0°或者θ1的两者的任一种情况下，镜面反射光轴J1、J2均入射到第一光接收元件211a和第二光接收元件211b上。
图31示出了当测量对象208通过包含有图30中示出的光学系统的光学对象识别装置的测量结果，其中两种木头，木头1和木头2，榻榻米，和两种地毯，地毯1和地毯2作为测量对象。如图31中的特性曲线k1所示，其表面平坦的木头1和木头2，随着法线相对于第一光束205的倾斜(入射角)的增长，显示出下降的偏振比率。另一方面，通过特性曲线k3示出的榻榻米和通过特性曲线k4、k5示出的地毯1、2显示出偏振比率几乎不依赖于倾斜角。
然而，木头等的平坦表面的反射具有高的偏振状态保持的比率，具有大的表面不平坦度的反射材料和由于诸如地毯1、2的介电特性引起的反射造成去偏振。在地毯或榻榻米反射的情况下，由于反射导致反射的光去偏振，其偏振状态的倾斜角依赖性几乎是平坦度的。
即，在地毯或榻榻米作为测量对象208的情况下，相对于测量对象208的倾斜角θ的改变，几乎看不到偏振比率的改变。另一方面，在木头作为测量对象208的情况下，其偏振沿镜面反射方向保持的光在倾斜角θ＝0°位置强烈地反射，反之，由于其偏振状态保持的分量逐渐地远离构成光接收部件的第一、第二光接收元件211a、211b的光接收表面211a-1、211b-1，因此偏振比率值随着木头的倾斜角的增加而减小。然而，即使倾斜角θ如图31所示地增加到±6°，由特性曲线k1至k5描绘的偏振比率值并不彼此重叠。因此，在信号处理电路214中，通过计算来自第一光接收元件211a的第一接收信号与来自第二光接收元件211b的第二接收信号的比率，并且通过计算第一反射光束212对第二反射光束213的偏振比率值，就能够对该两种地毯1、2、榻榻米和两种木头1、2进行识别。
作为参考示例，图32示出利用由测量对象208的表面208a反射的第一光束205的镜面反射光轴相对于测量对象208的倾斜角θ远离光接收元件211a、211b的光接收表面211a-1、211b-1的光学系统，测量上述两种木头，木头1和木头2，榻榻米，和两种地毯，地毯1和地毯2的结果。参照图32，特性曲线m4、m5表示地毯1、2的偏振比率，而特性曲线m3表示榻榻米的偏振比率显示出没有如图31的情况的偏振比率的倾斜角依赖性。另一方面，特性曲线m1、m2表示随着倾斜角的增加，木头1、2的偏振比率大大地下降，并与表示倾斜角大约为4°时的榻榻米的偏振比率相重叠，以至于从榻榻米中识别出来木头1、2是不可能的。
下面，参考图33更详细地描述图30的光学系统。图33概括地示出了构成图30的光学系统的光接收部件的第一聚光透镜209、非偏振分束器204b，第二光接收元件211b。注意，由于可以将非偏振分束器204a对反射光束207的反射视作与透射等效，因此为了更便于理解，图33中省略了非偏振分束器204a，其中，不考虑由于通过非偏振分束器204a的反射光束207的反射引起的光轴的方向。
如图33所示，第一聚光透镜209与测量对象208之间的距离a1(mm)大于第一聚光透镜209的焦距f(mm)，并且将测量对象208设置为超出第一聚光透镜209的焦距f。注意，距离a1(mm)是从第一聚光透镜209的中心经由非偏振分束器204a的反射表面204a-1到达测量对象208的表面208a的距离。
结果，当图33中测量对象208围绕z轴逆时针方向以特定角度倾斜时，由测量对象208引起的第一光束205的镜面反射光轴被第一聚光透镜209沿+y方向导引发散，而沿-y方向会聚。因此，反射光束207的镜面反射光分量能够通过光接收元件211b接收。同样，当测量对象208的倾斜角为θ时，反射光束207的镜面反射光轴的倾斜角为2θ。反射光束207的镜面反射光轴需要入射到第一聚光透镜209上。为了满足该需要，图30的光学系统的第一聚光透镜209的半径r1(mm)、第一聚光透镜209与测量对象208之间的距离a1(mm)，以及测量对象208的倾斜角θ(弧度)之间具有这样的关系，其满足下面的方程(5)tan-1(r1/a1)＞2θ…(5)。
同样，第一聚光透镜209的焦距f(mm)、第一聚光透镜209与测量对象208之间的距离a1(mm)，以及第一聚光透镜209的中心与光接收元件211b的光接收表面211b-1之间的距离b1(mm)具有满足下面方程(6)的关系，由此由第一聚光透镜209会聚的镜面反射光轴到达第二光接收元件211b的光接收表面211b-1的中心1/f＝(1/a1)+(1/b1) …(6)。
并且，尽管图33仅示出了第一、第二光接收元件211a、211b中的第二光接收元件211b，但是实际上如图30所示，为了获得偏振比率，也设置了第一光接收元件211a，其中偏振比率通过信号处理电路214计算，来自第一、第二光接收元件211a、211b的第一、第二接收信号输入到该信号处理电路214中。
为了将第一聚光透镜209会聚的反射光束207通过作为第二光分支元件的非偏振分束器204b等值地分开，需要使反射光束207入射到非偏振分束器204b的反射表面204b-1上(图中的对角线侧)。图34放大示出跟随图33的第一聚光透镜209的后续级侧。如图34所示，其为第一聚光透镜209会聚的最外周部分的光束251穿过分束器204b的顶点的边界条件，由此最外周部分的光束251，在穿过顶点内部时，能够毫无问题地由光接收元件211b接收。如图34所示，给定第二光接收元件211b的光接收表面211b-1与分束器204b的反射表面204b-1之间的距离x1(mm)，分束器204b的一侧长度Lb(mm)，以及第一聚光透镜209的中心与光接收元件211b的光接收表面211b-1之间的距离b1(＝焦距f)，以及第一聚光透镜209的半径r1(mm)，那么通过分束器204b将反射光束207相等地分为两光束必须满足下面的方程(7)x1＜(Lb/2)·(b1-r1)/r1 …(7)。
在图30的光学系统中，由于将来自LD 201的光作为准直光施加到测量对象208上，因此在测量对象208的表面208a上第一光束205具有光束直径φ。因此，反射光束207并不是形成来自一个点的辐射，而是来自具有一宽度的区域的辐射。为了检查反射光束207的路径，图35A和35B示出了从图30中选出的必须部分。参考图35A和35B，x轴示出了测量对象208的倾斜角θ为0°情况下的镜面反射光轴，而y轴示出了测量对象208的表面208a。将第一光束205以聚焦在原点上的光束直径φ施加到测量对象208上。该第一光束205在图35A和35B中由粗线描绘。图35A是示出从第一光束205的光束宽度中的+y端(即，y轴的正端)输出的反射光束207的光束的轨迹207a的视图，而图35B是示出从-y端(即y轴的负端)输出的光束的轨迹207b。图35A和35B示出了第一光束205垂直地(即倾斜角θ＝0)入射到测量对象208的表面208a上的情况。
在倾斜角θ不为0的情况下，来自第一光束205的光束端的镜面反射光轴能够通过将第一光束205(光束轨迹207a、207b)沿z轴绕原点旋转来检测。将第一光束205沿z轴绕原点旋转导致第一光束205的光束端的坐标响应旋转角而改变。然而，例如如图31所示在倾斜角θ为大约几度并且光束直径在几毫米范围内的情况下，x坐标保持不变而y坐标仅仅发生可忽略的小范围的改变。因此，在图35A和35B中，讨论在这样的假设基础上进行，该假设为在第一光束205垂直入射到测量对象208的表面208a上的情况下，穿过光束末端的光束近似于入射角不为零时得到的镜面反射光轴。
如图35A所示，假设，测量对象208的表面208a上的光束直径为φ(mm)，原点与穿过光束直径末端和第一聚光透镜209末端的光束207a与x轴相交的交点P0之间的距离(光程)为xa。同样，光接收表面211b-1与光束207a在穿过第一聚光透镜209后再次与x轴相交的点P1之间的距离假设为xb(mm)。另外，给定光接收表面211b-1上光束207a的入射位置的坐标yb(mm)，为了使来自第一光束205的镜面反射光轴完全入射在光接收表面211b-1内，需要满足下面的方程(8′)yb＜d…(8′)。
其中，光接收表面211b-1的一侧长度为d(mm)。
作为利用各个参数计算坐标yb的结果，在图35A和图35B的两种情况下产生的结果相同，方程(8′)的关系得到第一光束205的光束直径φ(mm)与光接收表面211b-1的尺寸d(mm)之间的方程(8)d＞(b1/a1)·φ …(8)。
其中，尺寸d(mm)例如是光接收表面211b-1的直径。
参考方程(8)，b1(mm)是第一聚光透镜209的中心与第二光接收元件211b的光接收表面211b-1之间的距离。在满足方程(8)的条件下，即使测量对象208具有使测量对象在反射中显示出小的去偏振度的平坦表面208a，如图31的特性曲线k1、k2所示，第一光束205的入射角依赖性更小。因此，能够大大地提高识别精度。另外，尽管已经针对第二光接收元件211b描述了图35A和35B，但是类似的讨论也适用于第一光接收元件211a。
(第十八实施例)下面，图36示出了根据本发明的第十八实施例的光学对象识别装置的概略构造。在图36中，仅示出了如图30中所示的光束的轨迹和主要的光学部件，而那些保持光学部件用的元件并未示出。第十八实施例与前面的第十七实施例的不同仅在于，第二聚光透镜215设置在第一聚光透镜209和作为第二光分支元件的非偏振分束器204b之间。因此，本第十八实施例着重于描述与图30中的第十七实施例的不同。在图36中，与第十七实施例中相同的构成部件通过相同的附图标记表示。图36通过一点点划线示出在测量对象208的表面208a的法线G与第一光束205的光轴相重合(即，测量对象208的倾斜角θ为0°)的情况下的镜面反射光轴J1，就像图30中那样。同样，图36用虚线示出了在测量对象208的表面208a的法线G从第一光束205的光轴以角度θ倾斜情况下的镜面反射光轴J2。该镜面反射光轴J2从法线G朝向与第一光束205的相反侧以角度θ1倾斜。
在第十八实施例的光学对象识别装置中，如图36所示，第二聚光透镜215设置在第一聚光透镜209的后面。测量对象208的表面208a反射的反射光束被分束器204b反射，穿过非偏振分束器204b的反射表面204b-1，并会聚到第一、第二光接收元件211a、211b的光接收表面211a-1、211b-1上。
采用如上所示的光会聚不仅由第一聚光透镜209还由第二聚光透镜215执行的这样的设置，与光会聚仅由第一聚光透镜209完成的情况相比，能够增大第一、第二光接收元件211a、211b的光接收角度。因此，由于增大了第一、第二光接收元件211a、211b的光接收量，因此能够提高测量灵敏度，由此能够提高S/N比。
在本发明的第十七或第十八实施例的光学对象识别装置安装在清洁器等上，并用于地板表面的自动识别的情况下，尤其是当测量对象是小反射光量的诸如具有带黑色的地板表面的地毯一类的一种时，入射到第一、第二光接收元件211a、211b上的反射光束形成弱光。
尽管在光接收角度相同的情况下散射光不依赖于距离，但是测量对象208与第一、第二光接收元件211a、211b之间的增加的距离仍然可能引起诸如第一聚光透镜和第一、第二光接收元件一类的光学部件的尺寸成比例地增加，由此在装置尺寸和价格的限制方面是不利的。因此，如图36所示成对地采用第一聚光透镜209和第二聚光透镜215，使得在优化光学设计的同时实现距离的减小成为可能。
下面详细解释图36示出的第十八实施例的光学系统。
图37示出了从图36的光学系统的光接收部件中选择出来的主要部件。在图37中，不考虑由于非偏振分束器204a反射的反射光束207的反射引起的光轴方向的改变。由于能够将非偏振分束器204a反射的反射光束207的反射等效为透射，因此为了更容易理解，在图37中省略了非偏振分束器204a。
如图37所示，测量对象208位于第一聚光透镜209的焦距f1(mm)的位置。即，从第一聚光透镜209的中心经由非偏振分束器204a的反射表面204a-1到达测量对象208的表面208a的距离a2(mm)通常等于焦距f1(mm)。结果，当测量对象208相对于第一光束205倾斜时，第一聚光透镜209如图37所示地将第一光束205的镜面反射光轴转变为近似平行于x轴的光束。然后，将第二光接收元件211b的光接收表面211b-1设置在第二聚光透镜215的焦距f2(mm)的位置。即，通常将第二光接收元件211b的光接收表面211b-1与第二聚光透镜215的中心之间的距离b2(mm)设置为等于第二聚光透镜215的焦距f2(mm)(f2＝b2)。
结果，作为基本上平行的光入射到第二聚光透镜215上的镜面反射光分量被会聚并在光接收表面211b-1上被接收。在第十八实施例中，由于光学部件按上述距离关系设置，测量对象208的表面208a相对于第一光束205倾斜，由此，即使在第一光束205的入射角不为0的情况下镜面反射光也能由光接收表面211b-1接收。因此，如图31所示的结果，能够提供具有高识别精度的光学对象识别装置。
同样，当测量对象208的倾斜角为θ时，反射光束207的镜面反射光轴的倾斜角为2θ。由于镜面反射光轴需要入射到第一聚光透镜209上，因此图36的光学系统在第一聚光透镜209的半径r1，第一聚光透镜209与测量对象208之间的距离a2，以及测量对象208的倾斜角θ之间具有这样的关系，其满足下面的方程(9)tan-1(r1/a2)＞2θ …(9)。
同样，尽管图37仅示出了第一、第二光接收元件211a、211b中的第二光接收元件211b，但是事实上，如图36所示，为了获得偏振比率，设置了第一、第二两光接收元件211a、211b。为了通过非偏振分束器204b将第一聚光透镜209会聚的反射光束207相等地分开朝向第一光接收元件211a和第二光接收元件211b，必须使反射光束207入射到分束器204b的反射表面204b-1上(图中的对角线侧)。
图38示出了跟随在图37的第二透镜215的后续级侧的放大视图。如图38所示，其为由第二聚光透镜215会聚的最外侧部分的光束291穿过分束器204b的顶端的边界条件，由此当光束291穿过顶点内侧时入射到光接收表面211b-1，这不会产生问题。如图38所示，如果给定第二光接收元件211b的光接收表面211b-1与非偏振分束器204b的反射表面204b-1之间的距离x2，分束器204b的一侧长度Lb(mm)，和第二聚光透镜215的中心与第二光接收元件211b的光接收表面211b-1之间的距离b2(mm)(b2＝f2)，以及第二聚光透镜215的半径r2(mm)，那么由分束器204b相等地分为两光束的反射光束207必须满足下面的方程(10)x2＜(Lb/2)·(b2-r2)/r2 …(10)。
在图37的光学系统中，由于将来自LD 201的光作为准直光施加到测量对象208上，因此第一光束205在测量对象208的表面208a上具有光束直径φ(mm)。因此，反射光束207不是从一个点照射，而是从具有宽度的区域照射。
图39是示出为了检测反射光束207所必须部分的局部的示意图。参考图39，x轴表示测量对象208的倾斜角θ为0°(即，第一光束205在测量对象208的表面208a上垂直入射)时的镜面反射光轴。同时，y轴表示测量对象208的表面208a。将第一光束205施加到测量对象208的表面208a，聚焦在原点上的光束直径为φ(mm)。第一光束205在图39中用粗线描绘。图39示出了第一光束205垂直入射到测量对象208的表面208a上的状态。在第一光束205具有相对于表面208a倾斜角不为0的情况下，来自光束末端的镜面反射光轴能够通过使第一光束205绕穿过原点的z轴旋转来检测。
在这一情况下，由于第一光束205绕z轴以入射角度旋转，因此光束末端的坐标响应旋转角度而改变。如图31所示的测量结果中看到的那样，在倾斜角θ度为大约几度并且第一光束205的光束直径φ在几毫米范围内的情况下，第一光束205的光斑的x坐标保持不变，而y坐标仅发生了可以忽略的小程度的改变。因此，在图39中，讨论在这样的假设条件下进行，假设，将穿过垂直入射到测量对象208的表面208a上的第一光束205的光束末端的光束近似为在第一光束205的入射角不为零时所得到的镜面反射光轴。
如图39所示，当测量对象208微量地逆时针倾斜时，从第一光束205的光斑的-y端输出的镜面反射光207c穿过第一聚光透镜209的+y侧透镜端209a(位于距x轴r1(mm)距离处)，然后沿+y方向折射。因此，为了接收折射的镜面反射光207c的分量，第二聚光透镜215的半径r2(mm)至少需要大于第一聚光透镜209的半径r1(mm)。此外，更具体地，如果镜面反射光207c在穿过第一聚光透镜209之后，入射到第二聚光透镜215上的y坐标为y2(mm)，那么需要满足下面的方程y2＜r2。
在这一情况下，给定第一聚光透镜209的中心与第二聚光透镜215的中心之间的距离S(mm)，那么上面的方程推出下面的方程(11)r2/r1＞(S·(φ/2)+a2·r1)/(a2·r1) …(11)。
其中在方程(11)中，φ(mm)为测量对象208的表面208a上第一光束205的光束直径。
如图40A和40B所示，假设，测量对象208的表面208a上第一光束205的光束直径为φ(mm)，以及原点与经过光束半径末端和第一聚光透镜209的半径末端的光束207c与x相交的交点之间的距离为xa(mm)。同样，将光接收表面211b-1与点P0之间的距离假设为xb(mm)，该点P0为光束207c在穿过第一聚光透镜209之后再次与x轴相交的点。另外，将光接收表面211b-1上光束207c的入射位置的坐标假设为yb(mm)。在这一情况下，为了使来自第一光束205的镜面反射光轴完全入射在光接收表面211b-1内，需要满足下面的方程yb＜d。
作为利用各个参数计算本方程的坐标yb的结果，在图40A和40B的两者情况下产生相同的结果，并且上面的方程在第一光束205的光束直径φ(mm)与光接收表面211b-1的尺寸d(mm)之间推导得到下面的方程d＞(b2/a2)·φ …(12)。
参考方程(12)，b2是从第二聚光透镜215的中心经由非偏振分束器204b到达第二光接收元件211b的光接收表面211b-1的距离。另外，a2是从测量对象208的表面208a经由非偏振分束器204a到达第一聚光透镜209的中心的距离(mm)。
如方程(12)所示，能够看到，使来自第一光束205的镜面反射光轴完全入射到光接收表面211b-1内的条件不依赖于第一聚光透镜209与第二聚光透镜215之间的距离S。在满足方程(12)的条件下，能够减小第一光束205的反射光束207的偏振比率的入射角依赖性，以识别如具有平坦表面的木质地板的测量对象，因此如图31的特性曲线k1、k2所描绘的，反射引起的去偏振更少。因此，能够大大地提高识别精度。另外，类似的讨论也可适用于第一光接收元件211a。
在假设入射到测量对象208的第一光束205是穿过非偏振分束器204a的光束的基础上，已经描述了如上所述的图30的第十七实施例和图37的第十八实施例，如图41B所示。在这一情况下，关于反射光束207，其由分束器204a反射的分量被检测作为信号光，因此在分束器204a的反射表面204a-1(对角侧)上入射的入射角的光沿朝向光接收元件211a、211b的方向反射，并通过光接收元件211a、211b检测为信号光。在这一情况下，如果从分束器204a的反射表面204a-1的中心到测量对象208的表面208a的距离为L(mm)，那么光接收元件211a、211b能够以由下面方程(15)表示的接收角接收反射光2tan-1(L1/(2(L-L1)))…(15)。
在方程(15)中，L1(mm)是示于图41B中的非偏振分束器204a的一侧长度。
同时，在入射到测量对象208的表面208a的第一光束205是如图41A所示的非偏振分束器204a的反射表面204a-1(对角侧)反射的光束的情况下，由测量对象208的表面208a反射的反射光能够以由方程(16-1)或方程(16-2)表示的接收角导引到光接收元件，而不论光是否入射到分束器204a的反射表面204a-1上2tan-1(r1/a1) …(16-1)2tan-1(r1/a2) …(16-2)。
方程(16-1)对应于第十七实施例的情况，其中r1(mm)是第一聚光透镜209的半径，而a1(mm)是从第一聚光透镜209的中心经由非偏振分束器204a的反射表面204a-1到达测量对象208的表面208a的光程长度。
同样，方程(16-2)对应于第十八实施例的情况，其中r1(mm)是第一聚光透镜209的半径，而a2(mm)是从第一聚光透镜209的中心经由非偏振分束器204a的反射表面204a-1到达测量对象208的表面208a的光程长度。
因此，采用这样的设置，其如图41A所示，分束器204a反射的光束作为第一光束205施加到测量对象208上，来自测量对象208的反射光束207由非偏振分束器204a透射，入射到第一聚光透镜209，这使得在设置在第一聚光透镜209的后续级中的光接收元件上增加光接收量成为可能。结果，提高了S/N比，由此能够实现测量对象208的更高识别。
另外，在前面的实施例中，如图30或图36所示，非偏振分束器204b将反射光束207分为两束，并且两分开的反射光束作为彼此正交的偏振分量分别被第一、第二光接收元件接收。为了这一目的，这些实施例包括第一、第二线偏振器210a、210b，其设置为其光轴正交于非偏振分束器204b。然而，这些光学部件可以用P分束器(偏振分束器)取代。采用P分束器允许削减部件数，其中还能提高光接收量。
(第十九实施例)如上所述的光学对象识别装置适于安装在真空清洁器，尤其是自推进清洁器上。图42A和42B是第十九实施例的自推进真空清洁器的概略构造视图，其中本发明的光学对象识别装置安装在该清洁器上作为地板表面识别传感器217。第一光束205从清洁器主体216的底表面216a发射。通过接收由地板F的表面反射的第一光束205的反射光，识别地板表面的类型。图42A示出了在测量对象为诸如室内地板的平坦地板表面F1的情况，而图42B示出了测量对象为诸如地毯的粗糙地板表面F2的情况。如图42A和42B示出的地板表面与地板表面识别传感器217之间的距离D为15mm的示例，更小的距离D是不合适的，这是因为在图42B所示的状态下毛皮尖端会与清洁器主体216或传感器部分(非偏振分束器204a)接触。另外，如图43所示，在地板表面上存在某些障碍物E的情况下，清洁器搁浅在障碍物E上，导致清洁器相对于地板表面倾斜，给定地板表面与地板表面识别传感器217之间的大距离，则镜面反射光轴将不再入射到光接收系统上。在这一情况下，同样，需要增大光学部件的尺寸以接收镜面反射光。因此，通过将从测量对象208的表面208a到分束器204a的距离设置为大约15mm，地板表面识别传感器217的尺寸使其能够安装在需要该传感器的电子设备(例如，自推进清洁器)上。当该距离为15mm时，例如，可以将分束器204a一侧的尺寸设置为10mm，其中可以将地板表面识别传感器217(光学对象识别装置)的整个尺寸设置为，例如，大约为30mm×40mm×20mm的外部尺寸。
这样描述的本发明，显然相同的东西可以有多种方式的变化。这些变化并不认为是背离本发明的精神和范围，并且所有这些对本领域技术人员来说显而易见的改进都认为包含在后面的权利要求的范围内。
权利要求
1.一种光学对象识别装置，包括光投影部件，其将半导体光发射元件发射的光施加到为将要被测量的对象的测量对象上；光接收部件，其接收测量对象反射的反射光；偏振状态选择器部件，其设置在光接收部件和测量对象之间，并允许特定偏振方向的偏振光穿过；以及信号处理部件，其处理由光接收部件输出的信号以测量反射光中特定偏振方向的光强。
2.如权利要求1所述的光学对象识别装置，其中将要入射到测量对象上的光的偏振状态为线偏振。
3.如权利要求2所述的光学对象识别装置，其中将要入射到测量对象上的线偏振化的光是关于测量对象的S波。
4.如权利要求2所述的光学对象识别装置，其中由偏振状态选择器部件选择的偏振方向和将要入射到测量对象上的光的偏振方向基本上彼此相同。
5.如权利要求1所述的光学对象识别装置，其中该光投影部件包括第一光分支元件，其将从半导体光发射元件发射的光分为第一光束和第二光束；以及目标部件，其将第一光束会聚并施加到测量对象上，以及其中该光学对象识别装置还包括聚光器部件，其对由测量对象反射的光中已经穿过该目标部件的光进行会聚；以及针孔部件，其设置在该聚光器部件和该光接收元件之间。
6.如权利要求5所述的光学对象识别装置，还包括杂散光防止部件，其遮断第二光束以及第二光束的反射光。
7.如权利要求6所述的光学对象识别装置，其中该杂散光防止部件具有线偏振器，以及该线偏振器设置在第二光束的光轴上，并且该线偏振器允许通过的光的偏振方向是与第二光束的偏振方向正交的方向。
8.如权利要求5所述的光学对象识别装置，其中该聚光器部件包括聚光透镜，以及该针孔部件设置在聚光透镜的焦距的位置处。
9.如权利要求5所述的光学对象识别装置，其中在该针孔部件设置位置处的反射光束的直径小于该针孔部件的孔直径。
10.如权利要求5所述的光学对象识别装置，其中该第一光束入射到该目标部件的基本上的中心上。
11.如权利要求1所述的光学对象识别装置，其中光投影部件包括第一光分支元件，其将半导体光发射元件发射的光束分为第一光束和第二光束；以及该光学对象识别装置还包括分光部件，其包括将测量对象反射的光分为第一反射光束和第二反射光束的第二光分支元件，其中该光接收部件具有第一光接收元件，其接收第一反射光束，以及第二光接收元件，其接收第二反射光束，偏振状态选择器部件具有偏振状态选择器元件，其选择入射到第一光接收元件上的光的偏振状态，以及该信号处理部件计算第一光接收元件输出的信号对第二光接收元件输出的信号的比率。
12.如权利要求1所述的光学对象识别装置，其中光投影部件包括第一光分支元件，其将半导体光发射元件发射的光束分为第一光束和第二光束，以及该光学对象识别装置还包括分光部件，其包括将测量对象反射的光分为第一反射光束和第二反射光束的第二光分支元件，并且其中该光接收部件具有第一光接收元件，其接收第一反射光束，以及第二光接收元件，其接收第二反射光束，以及该偏振状态选择器部件具有第一偏振状态选择器元件，其选择入射到第一光接收元件上的光的偏振状态，以及第二偏振状态选择器元件，其选择入射到第二光接收元件上的光的偏振状态，并且通过第一偏振状态选择器元件选择的偏振方向与通过第二偏振状态选择器元件选择的偏振方向基本上彼此正交。
13.如权利要求12所述的光学对象识别装置，其中被偏振状态选择器部件选择的多个光束中的至少一个在偏振方向上与半导体光发射元件发射的光基本上平行。
14.如权利要求12所述的光学对象识别装置，其中通过第一偏振状态选择器元件选择的偏振方向基本上平行于第一光束的偏振方向，并且通过第二偏振状态选择器元件选择的偏振方向基本上垂直于第一光束的偏振方向。
15.如权利要求12所述的光学对象识别装置，其中第一和第二偏振状态选择器元件为线偏振器。
16.如权利要求12所述的光学对象识别装置，其中该第二光分支元件和该第一和第二偏振状态选择器元件每个均由偏振分束器实现。
17.如权利要求12所述的光学对象识别装置，其中信号处理部件计算第一光接收元件输出的信号对第二光接收元件输出的信号的比率。
18.如权利要求12所述的光学对象识别装置，其中信号处理部件计算第一光接收元件输出的信号与第二光接收元件输出的信号之间的差。
19.如权利要求12所述的光学对象识别装置，其中信号处理部件计算第一光接收元件输出的信号与第二光接收元件输出的信号之间的差；以及该差对第一光接收元件输出的信号与第二光接收元件输出的信号之和的比率，或者该差对第一光接收元件输出的信号或第二光接收元件输出的信号的比。
20.如权利要求1所述的光学对象识别装置，其中该半导体光发射元件为半导体激光器。
21.如权利要求1所述的光学对象识别装置，其中该光接收元件具有光电二极管。
22.如权利要求11所述的光学对象识别装置，其中该第一光接收元件和该第二光接收元件形成在一个相同的半导体基片上。
23.如权利要求21所述的光学对象识别装置，其中该光接收部件和该信号处理部件形成在一个相同的半导体基片上。
24.如权利要求22所述的光学对象识别装置，其中该第一光接收元件、该第二光接收元件以及该信号处理部件形成在一个相同的半导体基片上。
25.如权利要求1所述的光学对象识别装置，其中将调制信号施加到半导体光发射元件上以进行光强调制，并且其中信号处理部件计算在调制信号为H电平的情况下该光接收部件输出的第一输出信号与在调制信号为L电平的情况下该光接收部件输出的第二输出信号之间的差。
26.如权利要求25所述的光学对象识别装置，其中施加到该半导体光发射元件上的该调制信号为矩形波。
27.如权利要求25所述的光学对象识别装置，其中在L电平下该半导体光发射元件的发射量基本上为0W。
28.如权利要求25所述的光学对象识别装置，其中该光强调制的调制频率为不低于50kHz。
29.如权利要求25所述的光学对象识别装置，其中该光强调制的调制频率为100Hz至10kHz。
30.如权利要求25所述的光学对象识别装置，其中该信号处理部件包括第一采样与保持电路，当调制信号为H电平时，其允许来自该光接收部件的第一输出信号通过，并且当调制信号为L电平时，对在调制信号为H电平时获取的第一输出信号进行采样和保持；第二采样与保持电路，当调制信号为L电平时，其允许来自该光接收部件的第二输出信号通过，并且当调制信号为H电平时，对在调制信号为L电平时获取的第二输出信号进行采样和保持；以及差分电路，其获取第一采样与保持电路输出的信号与第二采样与保持电路输出的信号之间的差。
31.如权利要求1所述的光学对象识别装置，其中信号处理部件具有放大部件，其对光接收部件检测的信号进行放大；以及放大率改变部件，其响应光接收部件的信号强度而改变放大部件的放大率。
32.如权利要求1所述的光学对象识别装置，其中当距测量对象的距离大于特定值时，使半导体光发射元件的光发射断开或降低。
33.如权利要求1所述的光学对象识别装置，其中半导体光发射元件的发射状态满足激光产品的1类安全标准。
34.如权利要求1所述的光学对象识别装置，其中目标部件由物镜实现；光学窗口形成在外壳部分上；物镜与光学窗口之间的距离短于物镜的焦距。
35.一种清洁器，如权利要求1所述的光学对象识别装置安装在其头部。
36.一种自推进清洁器，如权利要求1所述的光学对象识别装置安装在其上。
37.如权利要求1所述的光学对象识别装置，其中光投影部件将半导体光发射元件发射的光准直，并朝向测量对象施加该光，并且该光学对象测量装置还包括聚光器部件，其将从光投影部件施加的然后被测量对象反射的光进行会聚；以及分光部件，其将来自聚光器部件的光分为多个分开的光束，其中偏振状态选择器部件从该多个分开的光束中选择偏振方向彼此不同的光束，并且光接收部件接收由偏振状态选择器部件选择的多个光束。
38.如权利要求37所述的光学对象识别装置，其中由光投影部件的光轴和测量对象形成的角度与由聚光器部件的光轴和测量对象形成的角度基本上彼此相等。
39.如权利要求37所述的光学对象识别装置，还包括光分支部件，其设置在光投影部件和测量对象之间，并且将来自光投影部件的光束分为多个光束，其中被光分支部件分开的多个光束中的至少一个以基本上为零度的入射角入射到测量对象上。
40.如权利要求6所述的光学对象识别装置，其中对被光分支部件分开的多个光束中除了以基本上零度入射角入射到测量对象上的光束以外的光束，将入射到线偏振器上的入射角设置为使其镜面反射光并不入射到光接收部件上的角度。
41.如权利要求37所述的光学对象识别装置，其中该聚光器部件由多个透镜实现。
42.如权利要求37所述的光学对象识别装置，其中该聚光器部件由一个透镜实现。
43.如权利要求41所述的光学对象识别装置，其中最靠近测量对象的聚光器部件的透镜形成为该透镜的焦点定位在测量对象上。
44.如权利要求42所述的光学对象识别装置，其中最靠近测量对象的聚光器部件的透镜形成为该透镜的焦点定位在测量对象上。
45.如权利要求39所述的光学对象识别装置，其中光分支部件由立方体型分束器形成。
46.如权利要求45所述的光学对象识别装置，其中该立方体型分束器的一侧的长度满足如下方程(1)表述的条件α≥(a+L)×d/f …(1)其中，‘α’是分束器一侧的长度，‘a’是来自光投影部件的光施加到测量对象上的光斑的直径，‘L’是最靠近测量对象的聚光器部件的透镜的直径，‘f’是该透镜的焦距，以及‘d’是沿光轴从测量对象的光施加表面到分束器的靠近测量对象一侧的表面的距离。
47.如权利要求39所述的光学对象识别装置，其中该光分支部件由半反射镜形成。
48.如权利要求47所述的光学对象识别装置，其中该半反射镜的两侧的长度满足如下方程(2)和(3)所表示的条件α≥(a+L)×d/f…(2)β≥21/2(a+L)×d/f…(3)其中，‘α’是该半反射镜一侧的长度，‘β’是该半反射镜另一侧的长度，‘a’是来自光投影部件的光施加到测量对象上的光斑的直径，‘L’是最靠近测量对象的聚光器部件的透镜的直径，‘f’是该透镜的焦距，以及‘d’是沿光轴从测量对象的光施加表面到分束器的靠近测量对象一侧的表面的距离。
49.如权利要求37所述的光学对象识别装置，其中该分光部件由分束器形成。
50.如权利要求37所述的光学对象识别装置，其中该分光部件由衍射光栅形成。
51.如权利要求50所述的光学对象识别装置，其中在该衍射光栅衍射的光中，+1级衍射光和-1级衍射光被偏振器偏振化。
52.如权利要求50所述的光学对象识别装置，其中形成分光部件的该衍射光栅具有这样的光栅槽深度，其使得0级衍射光的光量基本上为零。
53.如权利要求37所述的光学对象识别装置，其中该半导体光发射元件由设有线偏振元件的LED形成。
54.如权利要求37所述的光学对象识别装置，其中施加到测量对象上的光的光斑具有1mm或更大的直径。
55.如权利要求37所述的光学对象识别装置，其中该信号处理部件具有串联连接的多个放大器。
56.如权利要求37所述的光学对象识别装置，其中该光接收部件由两个光电二极管形成，并且该信号处理部件计算来自该两光电二极管的两信号的比率。
57.如权利要求37所述的光学对象识别装置，其中该光接收部件由两个光电二极管形成，并且该信号处理部件计算来自该两光电二极管的两信号之和对该两信号之差的比率。
58.如权利要求1所述的光学对象识别装置，其中该光投影部件具有第一光分支元件，其将半导体光发射元件发射的光分为第一光束和第二光束，并且将第一光束施加到测量对象上，以及该光学对象识别装置还包括聚光器部件，其包括使测量对象反射的反射光会聚的第一聚光透镜，以及分光部件，其包括使聚光器部件会聚的光束分为第一反射光束和第二反射光束的第二光分支元件，并且其中该偏振状态选择器部件具有第一反射光束入射到其上并且允许特定偏振方向的第一反射光束的分量穿过的第一线偏振器，以及第二反射光束入射到其上并且允许与该特定偏振方向正交的偏振方向的第二反射光束的分量穿过的第二线偏振器，该光接收部件具有接收穿过该第一线偏振器的该第一反射光束的第一光接收元件和接收穿过该第二线偏振器的该第二反射光束的第二光接收元件，信号处理部件，由第一光接收元件输出的第一光接收信号和由第二光接收元件输出的第二光接收信号输入到其中，其基于第一和第二光接收信号测量关于反射光的偏振信息，并且由测量对象表面反射的反射光中的镜面反射光分量经由聚光器部件入射到该第一和第二光接收元件的光接收表面内的地方。
59.如权利要求58所述的光学对象识别装置，其中假设该第一聚光透镜的焦距为f(mm)，并且范围从该测量对象经由该第一光分支元件到达该第一聚光透镜的光程为a1(mm)，则满足下面的方程(4)f＜a1 …(4)。
60.如权利要求59所述的光学对象识别装置，其中假设该第一聚光透镜的半径为r1(mm)，并且由该第一光束与该测量对象表面的法线形成的角度为θ(弧度)，则满足下面的方程(5)tan-1(r1/a1)＞2θ…(5)。
61.如权利要求60所述的光学对象识别装置，其中假设范围从该第一聚光透镜经由该第二光分支元件到达该第一和第二光接收元件的光程的距离为b1(mm)，则满足下面的方程(6)1/f＝(1/a1)+(1/b1)…(6)。
62.如权利要求61所述的光学对象识别装置，其中假设该第一聚光透镜的半径为r1(mm)，该第二光分支元件的一侧的长度为Lb(mm)，以及该第二光分支元件的反射表面与该第一和第二光接收元件之间的距离为x1(mm)，则满足下面的方程(7)x1＜(Lb/2)·(b1-r1)r/1…(7)。
63.如权利要求58所述的光学对象识别装置，其中假设范围从该测量对象经由该第一光分支元件到达该第一聚光透镜的光程的距离为a1(mm)，范围从该第一聚光透镜经由该第二光分支元件到达该第一和第二光接收元件的光程的距离为b1(mm)，该第一和第二光接收元件的光接收表面的尺寸为d(mm)，以及在测量对象表面上的该第一光束的光束直径为φ(mm)，则满足下面的方程(8)d＞(b1/a1)·φ …(8)。
64.如权利要求58所述的光学对象识别装置，其中对于被第一光分支元件分为两束的光束，该第一光束是该第一光分支元件反射的分量，而该第二光束是该第一光分支元件透射的分量。
65.如权利要求58所述的光学对象识别装置，其中从该测量对象表面到该第一光分支元件的距离为大约15mm。
全文摘要
光学对象识别装置包括，将半导体光发射元件发射的光施加到为将要被测量的测量对象上的光投影部件，以及接收测量对象反射的反射光的光接收部件。在该光接收部件与该测量对象之间设置偏振状态选择器部件，其允许特定偏振方向的偏振光穿过。信号处理部件处理光接收部件输出的信号，并且测量由该偏振状态选择器部件允许穿过的偏振方向的光的强度。
文档编号A47L9/00GK1721815SQ200510092240
公开日2006年1月18日 申请日期2005年6月3日 优先权日2004年6月4日
发明者和田秀夫, 渡部恒久, 民长隆之, 樫田元 申请人:夏普株式会社