CN1506675A - 回向反射型光电传感器 - Google Patents
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Abstract
回向反射型光电传感器可以是双轴型的或者同轴型的。双轴型的传感器包括：光发送光学系统，具有顺序设置的光发送元件、第一偏光板和光发送透镜；光接收光学系统，具有顺序设置的光接收透镜、第二偏光板和光接收元件；和相移板，插入在光发送光学系统的第一偏光板和光发送透镜之间。第一和第二偏光板的偏振轴相互正交。一相移板例如1/2波板还可以被设置在光发送光学系统的第一偏光板和光发送透镜之间。
Description
技术领域
本发明涉及一种回向反射型光电传感器，它可以用来与反射镜一起将检测对象区夹在中间，以便检测到位于检测区中的反光对象物体。
背景技术
回向反射型光电传感器通常与反射镜一起使用以夹持位于其间的检测对象区，基于从传感器发送的光线经由反射镜反射的光线和经由检测对象物体反射的光线之间的性质差异，检测出该检测对象物体存在与否。在回向反射型光电传感器用于对象物体的情况下，采用的反射镜具有影响从传感器发送的光的偏振态的反射性质，检测的对象物体是否存在取决于下列原则：在接收到的来自于检测对象区的光线中是否包含不同于由反射镜反射的光线的偏振分量。为了实现这个目的，公知采用的反射镜类型是，例如，具有分布在反射面上的许多三角锥形凹部，使得入射光在锥形顶点周围的三个面上被几次反射，以改变最初为线偏振的入射光的偏振态并且沿入射方向将反射光返回。
本发明人最早公开了一种称为双轴型的回向反射型光电传感器。在该传感器中，采用了延迟值小于17nm/mm的、偏振畸变小的光发送透镜和光接收透镜，通过树脂材料的注射成型来制造该些透镜，通过顺序设置光发送元件、第一偏光板(例如，用于垂直偏振)和光发送透镜来制作光发送光学系统，并且通过顺序设置光接收元件、第二偏光板(例如，用于水平偏振)和光接收透镜来制作光接收光学系统。
类似地，本发明人还公开(在日本专利公报Tokkai 2001-228260中)一种称为同轴型的不同的回向反射型光电传感器，包括：光发送光学系统，通过使来自于光发送元件的光线通过第一偏光板(例如，用于垂直偏振)来射出光线；光接收光学系统，通过第二偏光板(例如，用于水平偏振)接收光线并使用光接收元件将接收光转换成电信号；单一共用透镜，用于来自光发送元件的发送光和将被光接收元件接收的接收光；以及分束镜，设置在光发送和光接收光学系统与共用透镜之间，用于导引从光发送元件出射的光线至共用透镜和经共用透镜入射的光线到光接收光学元件。
具有这种结构的传感器的优点是：第一和第二偏光板按照早期技术常常被设置在各透镜的前面，现在被设置在透镜的后面并且尺寸可以制作得更小，因此传感器壳和透镜可以一体成形，从而显著降低传感器的制造成本。
具有这种结构的传感器将第一和第二偏光板均设置在透镜的后面，但是，即使两偏光板被设置为互相正交的关系(或横尼克耳关系(cross-nicolrelationship)，形成所谓的横尼克耳)，仍然存在光泄漏的问题，使得在发光对象物体存在的情况下接收光的数量不能充分小于在发光对象物体不存在的情况下接收光的数量。
发明内容
因此，考虑到上述的问题，本发明的一个目的是提供一种能够以便宜的价格制造并且仍然具有可靠检测能力的回向反射型光电传感器。
实施本发明的回向反射型光电传感器可以是双轴型的或同轴型的。实施本发明的双轴型回向反射型光电传感器包括：光发送光学系统，具有顺次设置的光发送元件、第一偏光板和光发送透镜；光接收光学系统，具有顺次设置的光接收透镜、第二偏光板和光接收元件；和一相移板，插入光发送光学系统的第一偏光板和光发送元件之间，其中第一偏光板和第二偏光板具有相互正交的偏振轴。于是，来自光发送元件的光线通过第一偏光板同时增大其通量的截面积，以便入射到光发送透镜上并且透射进入检测对象区。类似地，由光接收透镜接收到的反射光通过第二偏光板同时减小其通量的截面积，以便入射到光接收元件上，光接收元件根据接收光的数量产生电信号。第一和第二偏光板被设置为使得它们的偏振轴彼此正交，或者它们可以被优选设置为所谓的横尼克耳(cross-nicol)关系。还可以将相移板设置在光发送光学系统的第一偏光板和光发送透镜之间。一1/2波板(或1/2相移板)可以优选地被用于这个目的。
对于这种结构的传感器，当光线通过第一偏光板和光发送透镜时，主要在与偏振轴成约45°的方向上传播的光束中发生光线的偏振面旋转，由于插入的相移板，该偏振面旋转被抵偿。结果，在检测对象区中存在对象物体与不存在对象物体时接收光的数量差异变大，于是可以提高检测的可靠性。这种传感器可以描述为包括：光发送光学系统，具有顺次设置的光发送元件、第一偏光板和光发送透镜；光接收光学系统，具有顺次设置的光接收透镜、第二偏光板(其偏振轴垂直于第一偏光板的偏振轴)和光接收元件；和设置在第一偏光板和光发送透镜之间的装置，用于抵销总的偏振面旋转，依赖于其选通角(gate angle)，总偏振面旋转是沿1点30分、4点30分、7点30分和10点30分的方向(或与偏振轴成约45°角的方向)传播的光束通过第一偏光板和光发送透镜所造成的旋转的总和。
也可以在光接收光学系统的光接收透镜和第二偏光板之间提供另一个相移板。对于这种结构的传感器，也抵偿了主要发生在与偏振轴成约45°的方向上传播的光束中的反射光的偏振面旋转。于是，在检测对象区中存在对象物体与不存在对象物体时接收光的数量差异变得更大，因此可以进一步提高检测的可靠性。
如果光发送和光接收透镜通过成型塑料材料被一体形成，偏光板可以做得更小，并且可以降低制造成本。
实施本发明的同轴型回光反射光电传感器包括：光发送光学系统，具有光发送元件和第一偏光板，并用于将来自光发送元件的光线经第一偏光板射出；光接收光学系统，具有第二偏光板和光接收元件，并用于通过光接收元件将经由第二偏光板接收到的光线转换成电信号，第二偏光板的偏振轴垂直于第一偏光板的偏振轴；单个透镜，用于其中通过的来自光发送元件的发送光和将被光接收元件接收的接收光；分束镜，用于导引由光发送光学系统接收到的光线到单个透镜和由单个透镜接收到的光线到光接收光学系统；和相移板，插入在第一偏光板和分束镜之间。根据本实施例，同样，来自光发送元件的光线通过第一偏光板同时增大其通量的截面积，以便入射到光发送元件上并透射进入检测对象区，并且由光接收透镜接收到的反射光通过第二偏光板同时减小其通量的截面积，以便入射到光接收元件上，该光接收元件用于根据接收光的数量产生电信号。第一和第二偏光板被设置为使得它们的偏振轴相互正交，或者它们优选地被设置在所谓横尼克耳关系中。也可以在光发送光学系统的第一偏光板和光发送透镜之间设置相移板。1/2波板(1/2相移板)可优选地用于这个目的。上述的双轴型传感器的优点也出现在同轴型的传感器中。
或者，上述的相移板可以设置在分束镜和单个透镜之间。该实施例的优点是：减小了组成部件的数量，因此降低了生产成本。
附图说明
图1A和1B是分别用于解释在检测对象区中不存在物体和存在物体时双轴型的回向反射型光电传感器的工作原理的示意图；
图2是实施本发明双轴型的回向反射型光电传感器的光学系统的结构图；
图3A和3B是分别用于解释在检测对象区中不存在物体和存在物体时同轴型的回向反射型光电传感器的工作原理的示意图；
图4是实施本发明同轴型的回向反射型光电传感器的光学系统的结构图；
图5由图5A、5B和5C构成，包括用于解释因偏光板而改变光线的偏振方向的示图；
图6由图6A、6B和6C构成，包括用于解释因透镜而改变光线的偏振方向的示图；
图7由图7A、7B和7C构成，包括用于解释因1/2相移板而改变光线的偏振方向的示图；
图8由图8A、8B和8C构成，以及图9由图9A和9B构成，是用于解释通过消除透镜效应而达到的因1/2相移板而改变光线的偏振方向的示图；
图10由图10A、10B和10C构成，以及图11由图11A和11B构成，是用于解释因偏光板、1/2相移板和透镜所造成的光线的偏振方向的总变化的示图；
图12A和12B，一起称为图12，是实施本发明双轴型的回向反射型光电传感器的例子的示意图；
图13是实施本发明同轴型的回向反射型光电传感器的例子的示意图；
图14是实施本发明另一同轴型的回向反射型光电传感器的光学系统的结构图。
具体实施方式
接下来，参考附图通过实施例说明本发明，但是该实施例仅是实施本发明的许多例子中的一个，因此不是用来限制本发明的保护范围。
图1A和1B分别用于解释在检测对象区中不存在物体和存在物体时双轴型的回向反射型光电传感器100的工作原理的示意图。在图1A和1B中，标记200表示具有反射面200a的反射镜，标记300表示具有反射面300a的检测反光对象物体，标记L1表示由传感器100发送的光线，标记L2表示来自反射镜200的反射光，以及标记L3表示来自对象物体300的反射光。
从图1A和1B可以明显地看出，回向反射型传感器100与反射镜200相对设置，以便将检测对象区夹在其间，认为要通过在检测对象区中的对象物体300。如上所述，反射镜200的反射面200a被形成为：不仅反射来自传感器100的发送光L1，而且在反射时改变其偏振态。例如，如果来自传感器100的发送光L1是沿水平方向的线偏振光，反射光L2可以是包括垂直分量的椭圆偏振光。
如果在检测对象区中不存在物体，如图1A所示，来自传感器100的发送光L1被反射镜200的反射面200a反射，于是传感器100接收到足够大数量的反射光L2。例如，如果来自传感器100的发送光L1是沿垂直方向的线偏振光，则反射光L2是包括水平分量的椭圆偏振光。于是，基于在接收到的来自检测对象区的光线中是否包含一定量的水平分量，传感器100可以判断出在检测对象区中是否存在物体。
如果在检测对象区中存在反光对象物体300，如图1B所示，来自传感器100的发送光L1被其反射面300a反射，于是传感器100接收到相当大数量的反射光L3。由于对象物体300的反射面300a没有被特殊构造以改变入射到其上的、来自传感器100的光线L1的偏振态，例如，如果来自传感器100的发送光L1是沿垂直方向的线偏振光，则来自对象物体300的反射光L3也将是沿垂直方向的线偏振光，不具有水平分量。于是，基于在接收到的来自检测对象区的光线中不存在水平分量，可以检测出在检测对象区中存在物体。
如图2所示，实施本发明的双轴型的回向反射型光电传感器100’包括：用于发送光线的光学系统(光发送光学系统1)和用于接收光线的另一光学系统(光接收光学系统2)。光发送光学系统1具有顺序设置的光发送元件11、第一偏光板12和光发送透镜14，光接收光学系统2具有顺序设置的光接收透镜21、第二偏光板23和光接收元件24。第一和第二偏光板12和23具有不同取向的偏振轴。在本发明中，第一偏光板12的偏振轴是垂直的，而第二偏光板23的偏振轴是水平的。换句话说，在本实施例中，第一和第二偏光板12和23是所谓的横尼克耳关系(cross-nicol relationship)。
另外，在光发送光学系统1的第一偏光板12和光发送透镜14之间设置一半波相移板(此后称为”1/2相移板”)13，并且在光接收光学系统2的光接收透镜21和第二偏光板23之间设置另一1/2相移板22。尽管图2显示出第一和第二偏光板12和23分别与1/2相移板13和22中相应的一个直接接触，但是这不是用来限制本发明的保护范围。它们可被设置为相互分开，其间存在合适的间隔。优选地，光发送和光接收透镜14和21采用折射率小的材料。可以利用双折射小的塑料透镜和玻璃透镜。
来自光发送元件11的发送光通过第一偏光板12和1/2相移板13，同时以固定的比率增加其通量的截面积，并且入射到光发送透镜14上，此后作为发送光L1传播到检测对象区。来自检测对象区的反射光L2或L3通过光接收透镜21，然后通过1/2相移板22和第二偏光板23同时以固定的比率减小其通量的截面积，被光接收元件24接收并因此被转换成电信号。由于第一和第二偏光板12和23具有横尼克耳关系，如上参考图1所作的描述，可以判断出在检测对象区中是否存在物体。
根据本发明，由于1/2相移板13和22被分别插入到第一偏光板12和光发送透镜14之间与光接收透镜21和第二偏光板23之间，可以最小化当在检测对象区中存在发光对象物体时光线的泄漏，使得当在检测对象区中存在和不存在对象物体时接收到的光线的数量差异足够大。此后将参考图5-11更详细地加以说明。
本发明包括称为同轴型的回向反射型光电传感器。图3A和3B是分别用于解释在检测对象区中不存在物体和存在物体时同轴型的回向反射型光电传感器400的工作原理的示意图。在图3A和3B中，与上述图1A和1B相同，标记200表示具有反射面200a的反射镜，标记300表示具有反射面300a的对象物体，标记L1表示由传感器100发送的光线，标记L2表示来自反射镜200的反射光，以及标记L3表示来自对象物体300的反射光。
工作原理与双轴型的传感器基本相同。如图3A所示，如果在检测对象区中不存在物体，则传感器400接收到来自反射镜200的反射光L2，但是如图3B所示，如果在检测对象区中存在对象物体300，则传感器400接收到来自对象物体300的反射光L3。区别是反射光L2和L3与发送光L1具有相同的光轴。
如图4所示，实施本发明的同轴型的回向反射型光电传感器400包括：用于发送光线的光学系统(光发送光学系统3)和用于接收光线的另一光学系统(光接收光学系统4)。光发送光学系统3用于将来自光发送元件31并经过第一偏光板32的光线射出，光接收光学系统4用于通过光接收元件43将经第二偏光板42起偏的接收光转换成电信号。传感器400还包括：单个透镜(“共用透镜5”)，用于通过发送光和接收光；和一分束镜6，设置在共用透镜5与光发送和光接收光学系统3和4之间，用于将由光发送光学系统3发送的出射光导引至共用透镜5，并且将经共用透镜5接收到的入射光导引至光接收光学系统4。
光发送和光接收光学系统3和4各自的第一和第二偏光板32和42的偏振方向(或偏振轴的方向)不同。在描述的本实施例中，第一偏光板32的偏振轴垂直于由光发送元件和共用透镜5确定的平面，并且第二偏光板的偏振轴是水平的。
除了上面所描述的，一1/2相移板33被设置在光发送光学系统3的第一偏光板32和分束镜6之间，另一1/2相移板41被设置在光接收光学系统4的第二偏光板42和分束镜6之间。优选地，共用透镜5也采用折射率小的材料。可以利用双折射小的塑料透镜或玻璃透镜。
来自光发送元件31的发送光通过第一偏光板32和1/2相移板33，同时以固定的比率增加其通量的截面积，且入射到共用透镜5上，此后作为发送光L1传播到检测对象区。来自检测对象区的反射光L2或L3通过共用透镜5，此后顺序通过1/2相移板41和第二偏光板42同时以固定的比率减小其通量的截面积，被光接收元件43接收到并因此被转换成按照接收光数量的电信号。由于第一和第二偏光板32和42是处于横尼克耳关系中，如上参考图3所作的解释，可以判断出在检测对象区中是否存在物体。
根据本发明，由于1/2相移板33和41被分别插入到第一偏光板32和分束镜6之间以及分束镜6和第二偏光板42之间，因此可以使在检测对象区中存在和不存在反光对象物体时所接收到的光的数量差异足够大。下面将参考图5-11更详细地加以分析。
图5A、5B和5C解释由偏光板造成的偏振面(或偏振方向)的局部旋转。如图5A所示，本发明人设置彼此相对的光发送元件LT和静止镜头SC，并且在光发送元件LT和静止镜头SC之间的光路上设置成横尼克耳关系的第一偏光板P11和第二偏光板P12。于是，由镜头SC拍摄的图像清晰地显示出在对应于正方形四个角的四个位置处存在光线泄漏。可以认为，由于来自光发送元件LT的光线在传播时其截面积增加，因此如果它的”选通角(gateangle)”θ1(如图5A所示，定义为光束的光轴和偏离光轴的光束之间的角度)大，它不能通过与其垂直的偏光板P11和P12。
假定第一偏光板P11的偏振方向(或偏振轴)是垂直的，而第二偏光板P12的偏振方向是水平的。图5B显示了来自光发送元件LT的发送光的不同部分的偏振方向，圆的中央表示前进方向垂直于第一偏光板P11的光束。位置12点、3点、6点和9点分别表示前进方向向上、向右、向下和向左的光束。如图5B所示，对于直线传播的光束，以及在相应于12点、3点、6点和9点的方向上传播的光束，来自光发送元件LT的该些发送光束的垂直偏振方向不会改变。然而，对于在相应于1点30分、4点30分、7点30分和10点30分的方向上(均与偏振轴成45°的角度)的光束，偏振方向出现变化。如图5C所示，随着选通角的增大，该变化增加，导致上述的光线泄漏。
图5C的曲线图显示出在1点30分的方向上(图5B中所示的位置A)，选通角和偏振面角度之间的关系。该曲线图显示出：如果选通角小于10°，则偏振方向几乎不变化，但是如果选通角大于10°，则偏振方向迅速变化，当选通角为30°时，偏振方向的变化大约是2°。
于是，如果两个偏光板P11和P12设置在光发送元件LT的前面，并且使来自光发送元件LT的光线通过这些偏光板P11和P12，则离开发送光的光轴的光束斜穿过偏光板，并且这些光束的偏振方向显著变化。这就是导致光线泄漏的原因。
图6A、6B和6C解释由透镜造成偏振面的局部旋转。让我们考虑下列情况：线偏振的光束从凸面S2一侧通过平凸透镜LS(具有平面S1和凸面S2)，如图6A所示。如果光束的入射方向由标记51表示，入射点处的法线方向由标记52表示，该光束的入射角θ2是这两个方向51和52之间的角度。该图清楚显示出当光束的入射点接近透镜LS的周缘时，入射角θ2变大。
在图6A中，标记B表示以45°的角度斜入射的线偏振光束。图6C的曲线图显示出该光束的偏振方向发生变化，更详细的解释，例如见Tsuruta的”应用物理工程(Applied Physical Engineering)”，由Baiyo-kan出版(第五版(1998))，第237-240页。具体的说明是：”如果线偏振光在与入射平面成45°的方向上振荡，在p偏振和s偏振的透射率tp和ts之间不存在相位延迟，由于tp＞ts，则透射光束也是线偏振的并且其振荡平面些微靠近入射平面(θ2＜45°)。”
图7A、7B和7C解释由1/2相移板造成偏振方向变化的结果。让我们考虑下列情况：如图7A所示，1/2相移板P2重叠在第一偏光板P11的出射侧上，以形成组合结构，来自光发送元件LT的光线从第一偏光板P11侧通过该组合结构到达1/2相移板P2。于是，如上参考图5B所作的解释，在沿1点30分、4点30分、7点30分和10点30分的方位，从偏光板P11射出的光线的线偏振方向发生变化。然而，在1/2相移板P2的出射侧，存在逆向的变化。在这种情况下，由于斜透射偏光板P11而造成的偏振方向的变化和由于透射1/2相移板P2而造成的偏振方向的变化彼此相关，以使极性反转，如图7C所示。例如，如果通过偏光板P11后偏振方向的变化是+Δθ，在通过1/2相移板P2后的变化是-Δθ。在图7B中显示出其它光束的这种变化。
接着，参考图8A、8B、8C、9A和9B来说明本发明人进行的实验，关于由1/2相移板造成的偏振方向的变化，它是通过消除透镜效应而获得的。在该实验中，光发送元件LT和静止镜头SC彼此相对设置，第一偏光板P11和第二偏光板P12以横尼克耳关系被设置在光发送元件LT和静止镜头SC之间的光路上，如图5A所示。1/2相移板P2还被设置在第一偏光板P11的出射侧上，如图7A和图8A所示。图8B显示出在偏光板P11的出射侧和1/2相移板P2的出射侧观察到的偏振方向。
图8B显示出在1点30分、4点30分、7点30分和10点30分的方位，观察根据选通角发生的偏振方向的变化。如图8C所示，如果由于偏光板P11引起偏振方向的变化是+Δθ，在通过1/2相移板P2后的变化是-Δθ。结果，在光线通过第二偏光板P12后，由镜头SC摄取的图像包括具有光线泄漏的四个区域A11、A12、A13和A14，如图9A所示。标记A2表示屏幕区。
图9B是一曲线图，显示出由于斜入射到偏光板上所造成的偏振方向的变化在通过1/2相移板后极性反转。总之，如图7A和8A所示，通过设置在偏光板P11的出射侧的1/2相移板P2，可以颠倒偏光板P11对于偏振方向的影响。
接下来，参考图10A、10B、10C、11A和11B来说明偏光板、1/2相移板和透镜的组合效应。如图10A所示，顺序设置光发送元件LT、第一偏光板P11、1/2相移板P2、透镜LS、第二偏光板P12和静止镜头SC，由光发送元件LT发送的光线顺序通过第一偏光板P11、1/2相移板P2和透镜LS以便入射到第二偏光板P12上，并且从第二偏光板P12射出的光线被镜头SC观察到。结果是，如图10B和10C所示，在沿1点30分、4点30分、7点30分和10点30分的方位，当光线通过偏光板P11时，偏振方向根据选通角发生变化。当光线通过1/2相移板P2后，由于斜入射到偏光板P11上引起的偏振方向变化出现极性反转。当光线进一步通过透镜LS时，依赖于入射角，偏振方向进一步地变化。因为由透镜LS造成的偏振方向变化抵消了由于斜入射到1/2相移板P2上所造成的偏振方向的变化，如图10C所示，由镜头SC摄取的第二偏光板P12的图像可以全部地进入屏幕区A2中，使得可以彻底地防止光线的泄漏。
这就是说，如图11B所示，可以使偏振方向的变化大致为常数，而与选通角的增加无关。换句话说，由于斜入射到偏光板上引起的图5C所示的偏振方向的变化，可以通过图9B所示的1/2相移板被反转，进一步通过图9C所示的依赖于透镜的入射角的变化被抵消，使得最终可以获得图11B所示的接近平坦的变化特性。按照这种方式，可以在几乎整个区域上维持第一和第二偏光板之间的尼克耳关系。
尽管以上参考图5-11说明了一种情况：光线顺序通过偏光板、1/2相移板和透镜，但是当光线顺序通过透镜、1/2相移板和偏光板时，也获得类似的结果。于是，在光接收光学系统中也可以以类似的方式减少光线的泄漏。
总之，本发明的回向反射型光电传感器采用图2或4的光学结构，使得可以减少光线的泄漏，如图11所示，因此可以清晰地判断出是否存在检测对象物体。
正如以上参考图5-11所作的说明，本发明的基本原理是：适当平衡由于光线通过偏光板而造成的偏振方向的变化、由于通过相移板造成的偏振方向的反转以及由于通过透镜所造成的偏振方向的变化，使得它们将被抵消掉。于是，可以将由相移板产生的相位移动效应作为设计的考虑因素。根据本发明人的研究，优选地由相移板产生的相位移动在3/8-5/8(相对于波长，即，单位是λ)的范围内，更优选地接近1/2。据认为，从偏光板的入射角和透镜的入射角之间的关系可以得到最佳的相位移动。根据本发明人的研究，优选地，偏光板的偏振轴与相移板的光轴之间的角度应当约小于5°。
再次参考图2，更为详细地阐述本发明。
来自光发送元件11的光束通过第一偏光板12和1/2相移板13，然后继续传播同时增加其截面积，使得它与光发送透镜14的有效表面积大约相同。光束的中央部分(沿着它的光轴)入射到第一偏光板12、1/2相移板13和光发送透镜14的全部上，因此它的(线)偏振方向不会变化。因为1/2相移板的光轴设置为平行于(或垂直于)第一偏光板12的偏振方向(偏振轴)，中央光束处于相同的条件下，就如同1/2相移板不存在，所以在偏振方向不变化的条件下，光束传播到光发送透镜14。由于该中央光束也垂直入射到光发送透镜14上，在不改变其偏振方向的条件下，光束通过光发送透镜14的中央。
其次，将讨论从光发送元件11发送的光束的外围部分(它将通过光发送透镜14的有效区的外围点)。光线的这些部分不会垂直入射到第一偏光板12上，并且如上参考图5B所作的说明，偏振方向依赖于光束的角度位置而变化。例如，参考图5B讨论沿1点30分方向传播的部分。只要它的选通角足够小(例如，小于10°)，该光束的偏振方向将不改变，但是当选通角增加时，偏振方向开始改变。当选通角是30°时，偏振方向变化+1.8°。
如果不存在1/2相移板13，上述光束的外围部分直接通过光发送透镜14，它的偏振方向将进一步沿正向变化，如上参考图6所作的说明。如果光发送透镜14由丙烯树脂材料制成，如果入射角是68°(对应于30°的选通角)，偏振方向的变化将增大到4.0°。包括由第一偏光板12引起的变化的总变化将会是1.8°+4.0°＝5.8°。
根据本发明，如果在第一偏光板12和光发送透镜14之间插入1/2相移板13，该相移板13的作用是：使偏振方向沿相反的方向变化，变化的角度与当光束通过第一偏光板12时偏振方向变化的角度相同。如上参考图7和8所作的说明。如果选通角是30°，偏振方向的变化将从+1.8°变为-1.8°。但是，在实验中，它不是-1.8°而是-3.2°。这可能是因为1/2相移板被粘贴到第一偏光板12上，存在其光轴的设置误差。
此后，光束通过光发送透镜14，偏振方向再次朝正向变化，抵消了最初获得的负向变化。如果入射到光发送透镜14上的角度是68°，偏振方向变化+4.0°，总变化变为-3.3°+4.0°＝+0.8°。这远远小于如果没有插入1/2相移板13时偏振方向的总变化+5.8°。即使在通过1/2相移板13后偏振方向变化是-1.8°的情况下，当光线通过光发送透镜14后，总变化变为-1.8°+4.0°＝+2.2°，它仍然大大小于如果没有插入1/2相移板13时的情况。
接下来，再次参考图4，更详细地说明第一和第二偏光板32和42的偏振轴的方向之间的关系。
首先假定第一偏光板32的偏振轴的方向垂直于(沿“垂直方向)由光发送元件31、光接收元件43和共用透镜5所定义的平面，并且第二偏光板42的偏振轴的方向是水平的。在这种情况下，从光发送元件31发送的、并且通过第一偏光板32的光线是沿垂直方向的线偏振光，除了对于沿1点30分、4点30分、7点30分和10点30分的方向(或与偏振轴成45°的方向)传播的光束，如上所述，如果选通角变得足够大，偏振方向改变。当该线偏振光通过1/2相移板33后，它作为s偏振光(即，它的偏振面平行于分束镜6的表面)入射到分束镜6上。于是，该入射光的一部分按照布鲁斯特定律被分束镜6反射，仅仅在垂直方向上振荡的光线部分(或p偏振光)朝检测对象区传播(作为图3的发送光L1)。
如果该光线被反射镜200反射(如图3A所示)，反射光L2是椭圆偏振光，包括沿垂直方向振荡的光线和沿水平方向振荡的光线。大部分沿水平方向振荡的光线通过分束镜6，并且在它通过1/2相移板41和具有水平偏振轴的第二偏光板42之后，它被光接收元件43接收。换句话说，一部分反射光L2被光接收元件43接收。
如果发送光L1被对象物体300反射，如图3B所示，反射光L3仅包括沿垂直方向振荡的分量，因为仅仅垂直于对象物体振荡的光线入射到对象物体上。该反射光的一部分按照布鲁斯特定律再次被分束镜6反射，但是剩余部分通过分束镜6。通过分束镜6的部分也通过1/2相移板41但是不能通过第二偏光板42，于是它不会被光接收元件43接收到。换句话说，来自对象物体300的反射光L3不会被光接收元件43接收到。于是，传感器可以区分出来自反射镜的反射光和来自对象物体的反射光。分束镜6可以是不具有偏振特性的半透镜或者是具有偏振特性的偏振分束镜。
下面让我们讨论一种情况：第一偏光板32的偏振轴的方向是水平的，而第二偏光板42的偏振轴的方向是垂直的。在这种情况下，由光发送元件31发送的、并且通过第一偏光板32的光线是线偏振光，沿水平方向振荡。当该线偏振光通过1/2相移板33后，它作为p偏振光入射到分束镜6上，即，它的偏振面垂直于分束镜6的平面。于是，该入射光按照布鲁斯特定律通过分束镜6，几乎没有光线传播到检测对象区中。这就是说，图4所示的结构在同轴型回向反射型光电传感器的情况下是优选的。也应当认识到，光发送和光接收元件31和43的位置可以互换。
尽管在图4显示的实施例中，1/2相移板33和41分别与第一和第二偏光板32和42紧密接触，可以采用单一的1/2相移板来取代它们，单一的1/2相移板被设置在分束镜6和共用透镜5之间。图14显示出根据本发明可选实施例构造的回向反射型光电传感器400’，其具有设置在分束镜6和共用透镜5之间的单个1/2相移板50。它的光发送和光接收光学系统3’和4’与图4所示的传感器400的不同之处在于：省去了相移板33和41。于是，本实施例的优点是：减少了部件的数量，因此降低了生产成本。
如图12A和12B所示，实施本发明双轴型的回向反射型光电传感器100可以包括：壳101，光发送透镜14和光接收透镜21一体成形而构成的透镜单元105，以及透明盖102，位于光发送一侧的线偏振片(作为第一偏光板12)和位于光接收一侧的另一线偏振片(作为第二偏光板13)。标记13和22各表示一1/2波板(作为1/2相移板)。
透镜单元105是一种通过挤压成型工艺制造的成型产品，它是用延迟值小于17nm/mm的丙烯树脂制成的。光发送透镜14和光接收透镜21被设置在平面透明盖102的背面，在该背面上形成了用于接合的突起114和115。
壳101形成有锥形凹部110和111，分别提供了容纳透镜单元105的光发送透镜14和光接收透镜21的空间。
光发送元件11作为光源，线偏光板12和1/2相移板13被安装在凹部110的内部，而光接收元件24、线偏光板23和1/2相移板22被安装在凹部111的内部。
通过将突起114和115与凹部116和117啮合，透镜单元105被粘附在壳101前面的粘附件，使得光发送透镜14和光接收透镜21分别被包容在凹部110和111的内部。光发送元件11被光发送电路(未显示)驱动，而来自光接收元件24的输出信号被输入到光接收电路(未显示)，以便根据接收到的光量来判断出是否存在物体。
透镜14和21的消光比大约为1/1000，它们的延迟值小于17nm/mm。它们是通过挤出成型制造的树脂透镜，并且使透射光的线偏振仅仅发生小的变形。偏光板12和23被分别设置在光发送透镜14的光接收侧和光接收透镜21的光发送侧，使得由光发送元件11发送的光线可以通过偏光板12，以使其线性偏振，并且入射到光发送透镜14上，而来自反射镜或对象物体的反射光可以入射到光接收透镜21上并且通过偏光板23以使其线性偏振。
由于透镜14和21由丙烯树脂制成并通过挤出成型法制造，它们可以与壳101一体成形，于是可以容易地形成防水的和防尘的结构，并且可以减少需要生产的分立部件的数量。这也有助于提供紧凑的光电传感器。
图13是同轴型光电传感器400的截面图。标记401、31、32、33、41、42、43、6和5分别表示壳、光发送元件、第一偏光板、第一1/2相移板、第二1/2相移板、光接收元件、分束镜和共用透镜。
同样对于该传感器400，透镜5是丙烯材料的且与壳401一体成形，该光学系统是同轴型的。本领域内的技术人员能够容易地理解该传感器的工作原理，不需要进一步的说明。
总之，本发明提供一种回向反射型光电传感器，可以低成本地制成并且能够可靠地检测发光对象物体。
Claims (10)
1.一种回向反射型光电传感器，包括：
一光发送光学系统，具有顺序设置的光发送元件、第一偏光板和光发送透镜；
一光接收光学系统，具有顺序设置的光接收透镜、第二偏光板和光接收元件；和
一相移板，插入在所述第一偏光板和所述光发送透镜之间；
其中，所述第一偏光板和所述第二偏光板具有相互正交的偏振轴。
2.如权利要求1所述的回向反射型光电传感器，其特征在于，还包括插入在所述第二偏光板和所述光接收透镜之间的另一相移板。
3.如权利要求2所述的回向反射型光电传感器，其特征在于，所述相移板和所述另一相移板各自用来使相位移动波长的3/8-5/8。
4.如权利要求2所述的回向反射型光电传感器，其特征在于，所述光发送透镜和所述光接收透镜通过成型塑料材料而被一体成形。
5.一种回向反射型光电传感器，包括：
一光发送光学系统，具有光发送元件和第一偏光板，用于使来自所述光发送元件的光线经由所述第一偏光板射出；
一光接收光学系统，具有第二偏光板和光接收元件，用于通过所述光接收元件将由所述第二偏光板接收到的光线转换成电信号；
单个透镜，用于使得来自所述光发送元件的发送光和传播到所述光接收元件的接收光通过；
一分束镜，用于导引由所述光发送光学系统接收到的光线至所述单个透镜以及由所述单个透镜接收到的光线至所述光接收光学系统；以及
一相移板，插入在所述第一偏光板和所述分束镜之间；
其中，所述第一偏光板和所述第二偏光板具有相互正交的偏振轴。
6.如权利要求5所述的回向反射型光电传感器，其特征在于，还包括插入在所述第二偏光板和所述分束镜之间的另一相移板。
7.如权利要求6所述的回向反射型光电传感器，其特征在于，所述相移板和所述另一相移板各自用来使相位移动波长的3/8-5/8。
8.一种回向反射型光电传感器，包括：
一光发送光学系统，具有光发送元件和第一偏光板，用于使来自所述光发送元件的光线经由所述第一偏光板射出；
一光接收光学系统，具有第二偏光板和光接收元件，用于通过所述光接收元件将由所述第二偏光板接收到的光线转换成电信号；
单个透镜，用于使得来自所述光发送元件的发送光和传播到所述光接收元件的接收光通过；
一分束镜，用于导引由所述光发送光学系统接收到的光线至所述单个透镜以及由所述单个透镜接收到的光线至所述光接收光学系统；以及
一相移板，插入在所述第一分束镜和所述单个透镜之间；
其中，所述第一偏光板和所述第二偏光板具有相互正交的偏振轴。
9.一种回向反射型光电传感器，包括：
一光发送光学系统，具有顺序设置的光发送元件、第一偏光板和光发送透镜；
一光接收光学系统，具有顺序设置的光接收透镜、第二偏光板和光接收元件，所述第一偏光板和所述第二偏光板具有相互正交的偏振轴；和
设置在所述第一偏光板和所述光发送透镜之间的装置，用于抵消掉偏振面的总旋转，所述总旋转是由于通过所述第一偏光板和所述光发送透镜引起的旋转的总和。
10.一种回向反射型光电传感器，包括：
一光发送光学系统，具有光发送元件和第一偏光板，用于使来自所述光发送元件的光线经由所述第一偏光板射出；
一光接收光学系统，具有第二偏光板和光接收元件，用于通过所述光接收元件将由所述第二偏光板接收到的光线转换成电信号，所述第一偏光板和所述第二偏光板具有相互正交的偏振轴；
单个透镜，用于使得来自所述光发送元件的发送光和传播到所述光接收元件的接收光通过；
一分束镜，用于导引由所述光发送光学系统接收到的光线至所述单个透镜以及由所述单个透镜接收到的光线至所述光接收光学系统；以及
设置在所述第一偏光板和所述分束镜之间的装置，用于抵消掉偏振面的总旋转，所述总旋转是由于通过所述第一偏光板和所述光发送透镜引起的旋转的总和。
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20060405 Termination date: 20201208 |
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