JP2012037733A - Optical sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、例えば流体の圧力や音圧、被測定面の変位、振動等を検出するための光センサーに関する。 The present invention relates to an optical sensor for detecting, for example, fluid pressure and sound pressure, displacement of a measurement surface, vibration, and the like.
従来、CD等の光ディスクから情報を再生したり記録するための光ピックアップにおいて、ディスク面に対する対物レンズの焦点位置を自動的に検出するために、ナイフエッジ法、非点収差法、臨界角法、フーコー法等の光学的手法が採用されている。また、これらの手法を用いて、光学的に測定対象物の位置や変位、表面粗さを測定するための様々な方法や装置が提案されている。 Conventionally, in an optical pickup for reproducing or recording information from an optical disk such as a CD, a knife edge method, an astigmatism method, a critical angle method, Optical methods such as Foucault method are adopted. Various methods and apparatuses for optically measuring the position, displacement, and surface roughness of an object to be measured using these techniques have been proposed.
例えば、ナイフエッジ法を用いて物体の微小変位や表面粗さを測定するために、レーザービームを測定対象物にその表面で焦点を結ぶように投射し、その反射光を2分割ダイオードで受光する計測器が知られている(例えば、特許文献1を参照)。この光学系は、光路の途中にナイフエッジが配置されて、2分割ダイオードに入射する反射ビームの断面が半円になる。測定対象物の表面が焦点位置より後方にずれると、反射ビームは2分割ダイオードの下方にシフトし、前方にずれると上方にシフトするので、2分割ダイオードの信号の関数として、焦点位置に対する測定対象物表面の変位量が得られる。 For example, in order to measure a minute displacement or surface roughness of an object using the knife edge method, a laser beam is projected onto a measurement object so as to be focused on the surface, and the reflected light is received by a two-divided diode. A measuring instrument is known (see, for example, Patent Document 1). In this optical system, a knife edge is arranged in the middle of the optical path, and the cross section of the reflected beam incident on the two-divided diode becomes a semicircle. When the surface of the object to be measured is shifted backward from the focal position, the reflected beam is shifted downward from the two-divided diode, and when it is shifted forward, it is shifted upward. The displacement amount of the object surface can be obtained.
非点収差法を用いて測定面の表面形状や表面粗さを測定する光学式変位センサーは、レーザー光を微小スポットとして測定面に投射し、その反射光に円柱レンズを通過させて非点収差を与え、ビームスポットの中心を4分割受光素子の中心に合わせて入射させる(例えば、特許文献2,3を参照)。測定面がレーザー光の焦点位置にあると、各受光素子の出力信号は等しいが、該焦点位置の後方又は前方にずれると、一方の対角位置にある受光素子の出力信号は他方の対角位置にある受光素子の出力信号より大きくなる。従って、各受光素子の出力信号から測定面の変位信号を算出することによって、測定面の焦点位置からの変位量が得られる。
An optical displacement sensor that measures the surface shape and surface roughness of the measurement surface using the astigmatism method projects laser light onto the measurement surface as a minute spot, and passes the reflected light through a cylindrical lens to produce astigmatism. And the center of the beam spot is made to coincide with the center of the four-divided light receiving element (see, for example,
また、非点収差法を用いて音圧の変化を検知するマイクロホン装置として、レーザー光等の光を利用した振動検出装置が知られている(例えば、特許文献4を参照)。この振動検出装置は、直線偏光のレーザー光が1/4波長板により円偏光に変換されて振動板で反射され、反射光は、該1/4波長板により円偏光が出射光と直交する直線偏光に変換されて4分割光検出器に検出される。振動板は、集束レンズによりレーザー光が焦点を結ぶ位置に配置され、該振動板が振動したときに、その焦点位置からのずれを光検出器に当たるレーザー光の強度分布の変化として電気信号に変換することにより、音波を検知する。 As a microphone device that detects a change in sound pressure using an astigmatism method, a vibration detection device using light such as laser light is known (see, for example, Patent Document 4). In this vibration detection apparatus, linearly polarized laser light is converted into circularly polarized light by a quarter wavelength plate and reflected by the vibration plate, and reflected light is a straight line in which circularly polarized light is orthogonal to outgoing light by the quarter wavelength plate. It is converted into polarized light and detected by a quadrant photodetector. The diaphragm is placed at a position where the laser beam is focused by the focusing lens, and when the diaphragm vibrates, the deviation from the focal position is converted into an electrical signal as a change in the intensity distribution of the laser beam striking the photodetector. By doing so, sound waves are detected.
更に、圧力に応動する受圧要素の変位を電気信号の形で検出する光学式圧力センサーが知られている(例えば、特許文献5を参照)。この光学式圧力センサーは、光ヘッドに用いられる光学系を利用しており、レーザー光をビームスプリッター、1/4波長板、対物レンズを通してダイアフラム面に集光照射し、その反射光をフォトダイオードで検出し、圧力に応動してダイアフラム面が完全集光している位置からずれると、フォトダイオードの出力電圧の変動から圧力を検知する。 Furthermore, an optical pressure sensor that detects the displacement of a pressure receiving element that responds to pressure in the form of an electrical signal is known (see, for example, Patent Document 5). This optical pressure sensor uses an optical system used for an optical head. Laser light is condensed and irradiated onto a diaphragm surface through a beam splitter, a quarter wavelength plate, and an objective lens, and the reflected light is reflected by a photodiode. When it is detected and deviates from the position where the diaphragm surface is completely condensed in response to the pressure, the pressure is detected from the fluctuation of the output voltage of the photodiode.
一般に1/4波長板には、延伸処理により複屈折性をもたせたポリカーボネート等の有機系材料からなる樹脂フィルム、高分子液晶層を透明基板の間に挟持した液晶セルからなる位相差板、水晶等の複屈折性を有する無機結晶材料の結晶板が使用される。複屈折性の結晶板として、光の入射角により決定する異常光の屈折方向を光学軸以外の結晶軸と一致させかつ光学軸とを直交させることにより、入射角度依存性を改善して、入射する直線偏光を常にほぼ完全に円偏光に変換して出射するようにしたものが知られている(例えば、特許文献6を参照)。 In general, a quarter-wave plate includes a resin film made of an organic material such as polycarbonate that has been birefringent by a stretching process, a retardation plate made of a liquid crystal cell having a polymer liquid crystal layer sandwiched between transparent substrates, and a crystal. A crystal plate made of an inorganic crystal material having birefringence such as the above is used. As a birefringent crystal plate, the incident angle dependency is improved by making the refraction direction of extraordinary light determined by the incident angle of light coincide with the crystal axis other than the optical axis and orthogonal to the optical axis. It is known that linearly polarized light that is always converted into circularly polarized light and then emitted (see, for example, Patent Document 6).
液晶層を2枚の透明基板の間に挟持した液晶セルからなる位相差板として、透明基板と平行な面内において、液晶分子を実質的に一方向に配列し、該配列方向と平行かつ透明基板に垂直な面内において、2枚の透明基板間の中央では液晶分子を該透明基板と実質的に平行に配列し、かつ透明基板に近くなるほど大きいプレチルト角で傾くように配列したものがある(例えば、特許文献7を参照)。このように液晶分子を配向処理することによって、位相差の入射角依存性が透明基板の垂直方向に液晶層の中央位置に関して対称で小さい1/4波長板が得られる。 As a retardation plate composed of a liquid crystal cell with a liquid crystal layer sandwiched between two transparent substrates, liquid crystal molecules are arranged substantially in one direction in a plane parallel to the transparent substrate, and are parallel and transparent to the arrangement direction. In the plane perpendicular to the substrate, there are liquid crystal molecules arranged in the center between the two transparent substrates so as to be substantially parallel to the transparent substrate and to be inclined with a large pretilt angle as the distance from the transparent substrate becomes closer. (For example, see Patent Document 7). By aligning the liquid crystal molecules in this way, a quarter-wave plate in which the incident angle dependence of the phase difference is symmetric with respect to the center position of the liquid crystal layer in the vertical direction of the transparent substrate can be obtained.
また、1/4波長板と液晶セルとの組合せによって、半導体レーザー光源から出射した直線偏光の偏光方向が動作時の温度上昇で変動した場合でも、常に一定の偏光方向の直線偏光を出射し得る液晶素子が提案されている(例えば、特許文献8を参照)。この液晶素子の液晶セルは、1/4波長板の光学軸が指向する板面内の特定方向に対して略45°の角度に液晶層の光学軸を設定し、該液晶層のリタデーション値を印加電圧によりλ(波長)と0との間で変化させることにより、任意の偏光方向の直線偏光を前記特定方向の偏光方向の直線偏光に変換して出射することができる。 Moreover, even when the polarization direction of the linearly polarized light emitted from the semiconductor laser light source fluctuates due to a temperature rise during operation, the linearly polarized light having a constant polarization direction can always be emitted by the combination of the quarter wavelength plate and the liquid crystal cell. A liquid crystal element has been proposed (see, for example, Patent Document 8). In the liquid crystal cell of this liquid crystal element, the optical axis of the liquid crystal layer is set at an angle of about 45 ° with respect to a specific direction in the plane of the plate on which the optical axis of the quarter wave plate is directed, and the retardation value of the liquid crystal layer is set. By changing between λ (wavelength) and 0 according to the applied voltage, linearly polarized light having an arbitrary polarization direction can be converted into linearly polarized light having the polarization direction of the specific direction and emitted.
更に、偏光光学系を用いた光ヘッド装置において光記録媒体に入射する光と該光記録媒体から反射する光のように、偏光方向が相互に直交する直線偏光のいずれに対しても、その位相を単一の液晶層で補正し得る位相補正素子が知られている(例えば、特許文献9を参照)。この位相補正素子は、液晶分子の長軸方向が2枚の対向する透明基板間で基板面に略平行をなし、かつ一方の透明基板から他方の透明基板に向けて連続的に90°ねじれた配列状態のツイステッドネマティック液晶を液晶層に用い、該液晶層に所定の電圧を印加したとき、液晶分子が両基板間の中間領域で略垂直に立ち上がり、実効的に互いに直交する配向の2つの液晶層を有するように構成される。 Furthermore, in an optical head device using a polarization optical system, the phase of both linearly polarized light whose polarization directions are orthogonal to each other, such as light incident on the optical recording medium and light reflected from the optical recording medium. There is known a phase correction element capable of correcting the above with a single liquid crystal layer (see, for example, Patent Document 9). In this phase correction element, the major axis direction of the liquid crystal molecules is substantially parallel to the substrate surface between two opposing transparent substrates and is continuously twisted by 90 ° from one transparent substrate toward the other transparent substrate. When twisted nematic liquid crystal in an aligned state is used for the liquid crystal layer and a predetermined voltage is applied to the liquid crystal layer, the liquid crystal molecules rise substantially vertically in the intermediate region between the two substrates and are effectively two orthogonally aligned liquid crystals Configured to have layers.
また、光検出器として、CCDイメージセンサー又はCMOSイメージセンサー等の一次元イメージセンサーを用いた寸法測定装置が知られている(例えば、特許文献10を参照)。また、CCDイメージセンサーを用いて一次元又は二次元の画像データを出力することにより、機械設備の可動部の停止状態を検出する検出装置が知られている(例えば、特許文献11を参照)。 A dimension measuring device using a one-dimensional image sensor such as a CCD image sensor or a CMOS image sensor as a photodetector is known (see, for example, Patent Document 10). There is also known a detection device that detects a stopped state of a movable part of a mechanical facility by outputting one-dimensional or two-dimensional image data using a CCD image sensor (see, for example, Patent Document 11).
しかしながら、上述した光センサーや光ピックアップに光源として使用される半導体レーザーは、高温で動作する際に発振レーザーの波長がドリフトしたり、レーザー光の高温が、使用する光学系の光学部品に直接影響を及ぼす虞がある。特に、直線偏光を円偏光に変換する1/4波長板は、レーザー光の波長ドリフトや高温により出射光に位相のずれが発生すると、楕円偏光が出射されることになる。そのため、光センサーの光検出器で測定対象物の反射面から受光する光強度が減少し、センサー感度を低下させる虞がある。 However, semiconductor lasers used as light sources for the optical sensors and optical pickups mentioned above have a drift in the wavelength of the oscillation laser when operating at high temperatures, and the high temperature of the laser light directly affects the optical components of the optical system used. There is a risk of affecting. In particular, a quarter-wave plate that converts linearly polarized light into circularly polarized light emits elliptically polarized light when a phase shift occurs in the emitted light due to a wavelength drift of the laser light or a high temperature. For this reason, the light intensity received from the reflection surface of the measurement object by the photodetector of the optical sensor may be reduced, and the sensor sensitivity may be reduced.
更に、上述した従来の光センサーは、いずれも光学部品の点数が多く、大型であったり、構造が複雑で高価であるという問題がある。 Furthermore, the conventional optical sensors described above have a problem that all of them have a large number of optical components, are large, and have a complicated structure and are expensive.
そこで本発明は、上述した従来の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、光センサーの光学系において、例えば動作温度の変動等により、1/4波長板を透過する光に位相のずれが生じる場合でも、確実に直線偏光を円偏光に変換できると共に、光学部品の点数を少なくしかつ構造を簡単化して、小型化及びコストの低減を実現し得る光センサーを提供することにある。 Accordingly, the present invention has been made in view of the above-described conventional problems, and an object of the present invention is to phase the light transmitted through the quarter-wave plate in the optical system of the optical sensor due to, for example, fluctuations in operating temperature. To provide an optical sensor that can surely convert linearly polarized light into circularly polarized light even when deviation occurs, reduce the number of optical components and simplify the structure, and realize downsizing and cost reduction. is there.
本発明の光センサーは、上記目的を達成するために、光源と、光検出器と、振動板からなる測定対象物と、光源からの出射光を振動板の反射面で合焦するように集光する第1光学系と、反射面からの反射光を光検出器の受光面に集光する第2光学系とを備え、
光検出器が、その受光面に入射する反射光のビームスポット形状を検出するイメージセンサーからなり、
第1光学系が、光源からの出射光を透過又は反射させる偏光ビームスプリッターと、該偏光ビームスプリッターを透過又は反射した出射光を振動板の反射面に集光する対物レンズと、該対物レンズの偏光ビームスプリッターとは反対側に配置されかつ出射光が透過する1/4波長板と、該1/4波長板を透過する出射光の位相を調整するための位相補正素子とからなり、
1/4波長板と位相補正素子と振動板とが一体化されていることを特徴とする。
In order to achieve the above object, an optical sensor according to the present invention collects a light source, a photodetector, a measurement object including a diaphragm, and light emitted from the light source so as to be focused on a reflection surface of the diaphragm. A first optical system that emits light, and a second optical system that condenses the reflected light from the reflecting surface on the light receiving surface of the photodetector,
The photodetector consists of an image sensor that detects the beam spot shape of the reflected light incident on the light receiving surface,
A first optical system that transmits or reflects outgoing light from a light source; an objective lens that focuses the outgoing light transmitted or reflected by the polarizing beam splitter onto a reflecting surface of the diaphragm; and A quarter-wave plate that is disposed on the opposite side of the polarization beam splitter and transmits outgoing light, and a phase correction element for adjusting the phase of outgoing light that passes through the quarter-wave plate,
The quarter-wave plate, the phase correction element, and the diaphragm are integrated.
この光センサーでは、光源からの出射光から偏光ビームスプリッターで分離された第1の直線偏光が、対物レンズにより収束され、1/4波長板により円偏光に変換されて振動板の反射面に入射し、逆方向の円偏光となって反射され、再び1/4波長板により第2の直線偏光に変換されてイメージセンサーに入射する。イメージセンサーの受光面が受けるビームスポット形状の大きさは、振動板の反射面の光軸上での位置により変化するので、その変化を検出することによって、振動板の反射面の合焦位置からの変位量を求めることができる。 In this optical sensor, the first linearly polarized light separated from the light emitted from the light source by the polarization beam splitter is converged by the objective lens, converted into circularly polarized light by the quarter wavelength plate, and incident on the reflecting surface of the diaphragm. Then, the light is reflected as circularly polarized light in the reverse direction, converted again to second linearly polarized light by the quarter wavelength plate, and incident on the image sensor. The size of the beam spot shape received by the light receiving surface of the image sensor varies depending on the position of the reflecting surface of the diaphragm on the optical axis, so by detecting the change, the focal position of the reflecting surface of the diaphragm is detected. Can be obtained.
かかる光センサーの第1光学系に位相補正素子を設けることによって、1/4波長板を透過する光に位相のずれが生じる場合でも、確実に直線偏光を円偏光に変換することができるので、イメージセンサーにおいて振動板の反射面から受光する光強度が減少する虞が解消され、良好なセンサー感度を確保維持することができる。また、位相補正素子と1/4波長板と振動板の一体化によって、光学部品の点数を従来よりも少なくし、振動板から光検出器までの光路長を短くし、光センサーの組立時に1/4波長板と振動板と位相補正素子との位置合わせを省略し、それらと他の光学系との位置合わせを1度で済ませることができる。従って、装置全体を小型化し、構造及び組立を簡単にし、より高精度で高信頼性の光センサーを低コストで得ることができる。 By providing a phase correction element in the first optical system of such an optical sensor, even when a phase shift occurs in the light transmitted through the quarter-wave plate, linearly polarized light can be reliably converted into circularly polarized light. In the image sensor, the possibility that the intensity of light received from the reflection surface of the diaphragm is reduced is eliminated, and good sensor sensitivity can be secured and maintained. Further, by integrating the phase correction element, the quarter wavelength plate, and the diaphragm, the number of optical components is reduced as compared with the prior art, and the optical path length from the diaphragm to the photodetector is shortened. The alignment of the / 4 wavelength plate, the vibration plate, and the phase correction element can be omitted, and the alignment between them and the other optical system can be completed only once. Therefore, the entire apparatus can be miniaturized, the structure and assembly can be simplified, and a more accurate and reliable optical sensor can be obtained at low cost.
或る実施例では、イメージセンサーが二次元イメージセンサーであり、該二次元イメージセンサーが、反射光のビームスポット形状の全部を入射し得るように配置され、それにより二次元イメージセンサーに入射するビームスポット形状の面積を検出することができる。ビームスポット形状の大きさは反射面の位置によって変化するから、ビームスポット形状の面積から反射面の位置が測定される。 In an embodiment, the image sensor is a two-dimensional image sensor, and the two-dimensional image sensor is arranged so that all of the reflected beam spot shape can be incident, whereby the beam incident on the two-dimensional image sensor. The area of the spot shape can be detected. Since the size of the beam spot shape varies depending on the position of the reflecting surface, the position of the reflecting surface is measured from the area of the beam spot shape.
別の実施例では、イメージセンサーが一次元イメージセンサーであり、該一次元イメージセンサーが、反射光のビームスポット形状の半径方向に整合させて配置され、それにより一次元イメージセンサーに入射するビームスポット形状の半径を検出することができる。各ビームスポット形状は中心を共有する同心円に投影され、それらの円周の位置は反射面の位置によって変化するから、ビームスポット形状の半径から反射面の位置が測定される。しかも、一次元イメージセンサーは受光面積が小さいので、センサー全体を小型化することができる。 In another embodiment, the image sensor is a one-dimensional image sensor, and the one-dimensional image sensor is arranged in alignment with the radial direction of the beam spot shape of the reflected light, and thereby the beam spot incident on the one-dimensional image sensor. The radius of the shape can be detected. Each beam spot shape is projected onto concentric circles sharing the center, and the positions of the circumferences thereof vary depending on the position of the reflecting surface, and therefore the position of the reflecting surface is measured from the radius of the beam spot shape. In addition, since the one-dimensional image sensor has a small light receiving area, the entire sensor can be miniaturized.
或る実施例では、前記光センサーが、位相補正素子による出射光の位相の調整量を決定するために温度センサーを更に備える。これによって、例えばレーザー光の高温による波長ドリフトや動作温度の変動等に起因して1/4波長板に生じる出力光の位相のずれを解消することができる。 In one embodiment, the optical sensor further includes a temperature sensor for determining an adjustment amount of the phase of the emitted light by the phase correction element. Thereby, for example, the phase shift of the output light generated in the quarter-wave plate due to the wavelength drift due to the high temperature of the laser light or the fluctuation of the operating temperature can be eliminated.
別の実施例では、前記温度センサーが1/4波長板と一体に設けられていることによって、動作温度の変動に起因して1/4波長板に生じる出力光の位相のずれをより確実に解消することができる。 In another embodiment, the temperature sensor is provided integrally with the quarter-wave plate, so that the phase shift of the output light generated in the quarter-wave plate due to the fluctuation of the operating temperature can be more reliably performed. Can be resolved.
更に別の実施例では、前記温度センサーが音叉型圧電振動子から構成される。これにより、光センサーの使用温度範囲で、温度に関してほとんど直線的に変化する周波数特性を発揮する温度センサーを比較的簡単かつ低コストで得ることができる。 In yet another embodiment, the temperature sensor comprises a tuning fork type piezoelectric vibrator. As a result, a temperature sensor that exhibits frequency characteristics that change almost linearly with respect to temperature within the operating temperature range of the optical sensor can be obtained relatively easily and at low cost.
以下に、添付図面を参照しつつ、本発明の好適な実施例を詳細に説明する。尚、添付図面において、同一又は類似の構成要素には同一又は類似の参照符号を付して示す。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the accompanying drawings, the same or similar components are denoted by the same or similar reference numerals.
図1(A)は、本発明による光センサーの第1実施例の構成を示している。本実施例の光センサー1は、振動を検出するためのものであって、レーザーダイオードからなる光源2と、平板型の偏光ビームスプリッター3と、対物レンズ4と、波長板ユニット5と、光検出部としての二次元イメージセンサー6とを備える。波長板ユニット5は、水晶板からなる1/4波長板7と、測定対象物としての金属の振動板8と、位相補正素子9とを一体に組合せたものである。
FIG. 1A shows the configuration of the first embodiment of the optical sensor according to the present invention. The
図2は、波長板ユニット5の第1実施例を示している。位相補正素子9は、1対の対向する透明基板10、11間に挟持されかつ周囲をシール12で封じた液晶層13からなる液晶セルで構成されている。各透明基板10、11の対向面には、それぞれ透明電極14,15が形成され、かつその上に配向膜16,17が形成されている。透明電極14,15は、交流電源18に接続されている。1/4波長板7及び振動板8は、それぞれ補強のために片面側の周縁部が短い矩形筒状に厚く形成され、それぞれ該矩形筒状部分を位相補正素子9の前記透明基板の外面に突き合わせて一体に接合されている。
FIG. 2 shows a first embodiment of the
液晶層13はネマティック液晶からなり、配向膜16,17により、前記透明電極への印加電圧が0のときに液晶分子の長軸が前記透明基板間で一定方向に揃うように配向されている。液晶層13は、該液晶層の複屈折の大きさをΔn(異常光屈折率neと常光屈折率noの差)及び液晶層厚をdとしたとき、リタデーション値RがΔn・dとして定義される。前記液晶層のリタデーション値Rは、交流電源18からの印加電圧に応じて変化する。
The
液晶層13に誘電率異方性△εが正の液晶を用いる場合、液晶分子の配向方向を、印加電圧が0の状態においてXY面内でX軸と45°の角度をなす方向に揃える。ここで、XY面は前記透明基板の基板面に平行な平面であり、X軸方向は1/4波長板7の光学軸の向きに一致する。液晶層13は、前記透明電極への印加電圧の増加と共に、液晶分子の配向方向が前記透明基板の基板面に対して垂直な方向に立ち上がり、リタデーション値Rがλから0へと変化する。
When a liquid crystal having a positive dielectric anisotropy Δε is used for the
液晶層13への印加電圧は、動作温度の変動により1/4波長板7が生じる出射光の位相のずれを実験又はシミュレーション等により測定し、該位相のずれを解消するのに必要な大きさを予め決定しておく。使用時には、光センサー1の動作温度を別個の温度センサーにより測定し、その測定値に対応した印加電圧を交流電源18から位相補正素子9の前記透明電極に供給する。これにより、波長板ユニット5は、1/4波長板7が出射光に位相のずれを生じて楕円偏光となる場合でも、位相補正素子9によって確実に直線偏光を円偏光に変換することができる。
The voltage applied to the
偏光ビームスプリッター3、対物レンズ4及び波長板ユニット5は、光源2の光軸に直交する同一の光軸x上に、光源2からの光路に沿って1/4波長板7を前記対物レンズ側にして配置される。二次元イメージセンサー6は、同じ光軸x上に偏光ビームスプリッター3を挟んで波長板ユニット5の反対側に配置される。
The
光源2には、その電源でありかつ出射するレーザー光の出力を制御する駆動回路19が接続されている。本実施例の二次元イメージセンサー6は、多数のフォトダイオードとCCDとを、例えば格子状に配列したCCD二次元イメージセンサーである。二次元イメージセンサー6には、前記CCDを駆動制御するために駆動回路19が、その出力信号を処理して振動板8の変位信号を出力するために信号処理回路20が接続されている。信号処理回路20は、例えば光電変換器、差動増幅器等から構成される。別の実施例では、二次元イメージセンサー6にCMOSイメージセンサーを用いることができる。
The
光センサー1において、光源2から出射された発散光のレーザー光Lは、偏光ビームスプリッター3によりS偏光の直線偏光成分が反射され、対物レンズ4により収束されて波長板ユニット5に入射する。前記波長板ユニットに入射したレーザー光Lは、1/4波長板7及び位相補正素子9を通過する際に直線偏光から円偏光に変換されて振動板8の表面に投射され、逆方向の円偏光となって反射される。振動板8表面からの反射光は、再び1/4波長板7及び位相補正素子9を通過してP偏光の直線偏光に変換され、対物レンズ4により収束され、偏光ビームスプリッター3を透過して光軸x上で結像し、拡散して二次元イメージセンサー6に入射する。
In the
図1(B)は、二次元イメージセンサー6の受光面6aに入射するビームスポット形状を示している。振動板8は、図1(A)に示す不変位状態のとき、その反射面8aが位置S0にあって、該反射面でレーザー光Lが合焦するように配置される。このとき、反射面8aからの反射光R0は、入射時と同じ光路を辿って、入射時と同じビーム断面で偏光ビームスプリッター3に至り、これを透過して光軸x上で結像した後、二次元イメージセンサー6に入射する。受光面6aには、その中心Oと同心をなす円形のビームスポット形状m0が投影される。
FIG. 1B shows the shape of the beam spot incident on the
振動板8が不変位位置S0から光軸方向手前に即ち1/4波長板7側に位置S1まで変位すると、レーザー光Lは焦点位置S0より手前で反射面8aに反射される。そのため、反射光R1は、前記反射面から入射時よりも内側の光路を辿って、入射時よりも幾分細いビーム断面で偏光ビームスプリッター3に至り、これを透過して光軸x上で結像した後、二次元イメージセンサー6に入射する。反射光R1の結像位置は、反射光R0よりも手前に即ち偏光ビームスプリッター3側になる。この場合、投影されたビームスポット形状m1は、元のビームスポット形状m0と同心でそれより大きい円形となる。
When the
振動板8が不変位位置S0から光軸方向後方に即ち1/4波長板7とは反対側に位置S2まで変位すると、レーザー光Lは焦点位置S0より後方で反射面8aに反射される。そのため、反射光R2は、前記反射面から入射時よりも外側の光路を辿って、入射時よりも幾分太いビーム断面で偏光ビームスプリッター3に至り、これを透過して光軸x上で結像した後、二次元イメージセンサー6に入射する。反射光R2の結像位置は、反射光R0よりも後方に即ち二次元イメージセンサー6側になる。この場合、投影されたビームスポット形状m2は、元のビームスポット形状m0と同心でそれより小さい円形となる。
When the
前記反射光を受光した二次元イメージセンサー6は、受光面6aの前記ビームスポット形状の範囲内にある各フォトダイオードが感光して電荷を蓄積し、駆動回路19により駆動制御されて、前記フォトダイオードから電荷をCCDに転送し、電圧信号に変換して信号処理回路20に出力する。信号処理回路20は、二次元イメージセンサー6から出力される信号を処理して、受光面6aに投影された円形の前記ビームスポット形状の面積(又は半径)を測定する。上述したように、ビームスポット形状の大きさは反射面8a即ち振動板8の位置によって変化するから、ビームスポット形状m0の面積(又は半径)を基準値として、それと測定値を比較することによって、振動板8の位置及び/又は変位量を検出することができる。
In the two-
本実施例の光センサー1は、光学部品の点数が従来よりも大幅に少ない。しかも、1/4波長板7と振動板8と位相補正素子9とを一体化した波長板ユニット5を用いることによって、振動板8から二次元イメージセンサー6までの光路長を大幅に短くできる。更に、光センサー1の組立時に、1/4波長板7と振動板8と位相補正素子9との位置合わせを行う必要が無く、かつそれらと対物レンズ4との位置合わせが1度の調整作業で済む。その結果、装置全体を小型化し、光センサー1の組立を簡単にし、より高精度で高信頼性の装置をより低コストで得ることができる。
In the
図3は、波長板ユニットの第2実施例を示している。本実施例の波長板ユニット51は、位相補正素子91が、1対の対向する透明基板101、111間に挟持されかつ周囲をシール121で封じた液晶層131にツイステッドネマティック液晶を用いている点で、第1実施例の波長板ユニット5と異なる。液晶層131は配向膜161,171によって、透明電極141,151への印加電圧が0のときに液晶分子の長軸方向が2枚の対向する透明基板間で基板面に略平行をなし、かつ一方の前記透明基板から他方の前記透明基板に向けて連続的に90°+180°×n(n=0、1、2)の角度にねじれた状態に配向されている。
FIG. 3 shows a second embodiment of the wave plate unit.
液晶層131は、液晶分子が透明電極141,151に印加される電圧に対応して立ち上がり、そのチルト角は、前記透明基板の基板面から離れるほど大きくなる。従って、前記透明基板間の中間領域で液晶分子のチルト角は最も大きく、該中間領域から各基板面に向けて層厚方向に対称形に、実効的に互いに直交する配向の2つの液晶層を有するように構成される。その結果、波長板ユニット5は、位相補正素子91によって、1/4波長板7を透過して振動板8に入射する光及び該反射板から反射されて1/4波長板7を透過する光のいずれもが等しく位相補正されるので、直線偏光を円偏光にかつ円偏光を直線偏光に変換することができる。
The
図4(A)〜(F)は、第1実施例とは異なる様々な構造の波長板ユニットを示している。図4(A)の波長板ユニット51は、第1実施例と同じ1/4波長板7と位相補正素子9とに非金属の振動板81を組合せたものである。振動板81は、ガラス又は水晶等の薄板からなり、その片面側の周縁部が補強のために短い矩形筒状に厚く形成されている。振動板81の1/4波長板7側の片面は、金属膜を施して反射面81aが形成されている。振動板81は、その矩形筒状部分が位相補正素子9の1/4波長板7とは反対側の片面に一体に接合されている。
4A to 4F show wave plate units having various structures different from those of the first embodiment. Figure 4 waveplate unit 5 1 (A) is a combination of the diaphragm 81 of the non-metal in the same quarter-
図4(B)の波長板ユニット52は、第1実施例と同じ1/4波長板7と位相補正素子9とに薄い平板の振動板82を組合せたものである。振動板82は、金属板、硬質フィルムやガラス板等の非金属板で形成される。振動板82は、位相補正素子9の1/4波長板7とは反対側の片面に、金属又は非金属の短い矩形筒状のスペーサー42を介して一体に接合されている。振動板82が硬質フィルム又はガラス板等の場合、その1/4波長板7側の片面に金属膜を施して反射面が形成される。
Figure 4 waveplate unit 5 2 (B) is a combination of the diaphragm 82 of thin flat plates and the same quarter-
図4(C)の波長板ユニット53は、薄い平板の1/4波長板71に第1実施例と同じ振動板8と位相補正素子9とを組合せたものである。1/4波長板71は、例えばフィルム状の樹脂材料板で形成される。1/4波長板71は、位相補正素子9の振動板8とは反対側の片面に一体に接合されている。
Figure 4 waveplate unit 5 3 (C) is a combination of a quarter-wave plate 71 of the thin flat plate and the same vibrating
図4(D)の波長板ユニット54は、図4(C)の1/4波長板71と図4(A)の振動板81とを第1実施例と同じ位相補正素子9に組合せたものである。1/4波長板71と振動板81とは、それぞれ位相補正素子9の隣接する各面に一体に接合されている。
Figure 4 waveplate unit 5 4 (D) is in the same
第1実施例の波長板ユニット5及び図4(A)〜(D)の波長板ユニット51〜54は、それぞれ前記1/4波長板の両面に反射防止膜を施しておくことが好ましい。更に、1/4波長板7,71の外面には、薄いガラス板41を貼り合わせることができる。このガラス板41によって、前記1/4波長板は、前記反射防止膜から受ける応力を緩和し、かつ前記振動板からの振動の影響を解消するべく補強することができる。
The
図4(E)の波長板ユニット55は、1/4波長板72が振動板を兼用している。1/4波長板72は、第1実施例と同様に、水晶板からなり、その片面側の周縁部が補強のために短い矩形筒状に厚く形成されている。1/4波長板72の矩形筒状部分は、位相補正素子9の片面に一体に接合されている。1/4波長板72の外面即ち前記矩形筒状部分と反対側の片面に金属膜43を施して、反射面が形成されている。1/4波長板72の内面には、反射防止膜を施しておくことが好ましい。
Figure 4 waveplate unit 5 5 (E) is 1/4-wavelength plate 7 2 also serves as a diaphragm. Quarter-
図4(F)の波長板ユニット56は、図4(E)と同様に、1/4波長板73が振動板を兼用している。1/4波長板73は、図4(C)と同様の樹脂材料板で形成され、その外面に金属膜43を施して、反射面が形成されている。1/4波長板73の内面周縁部には、金属又はガラス材料の短い矩形筒状の補強部材44が一体に接合され、該矩形筒状補強部材の端面に位相補正素子9が一体に接合されている。1/4波長板73の内面には、反射防止膜を施しておくことが好ましい。
Waveplate unit 5 6 of FIG. 4 (F), similar to FIG. 4 (E), 1/4-wavelength plate 7 3 also serves as a diaphragm. Quarter-
また、1/4波長板7,72は、入力角依存性に優れたXカット又はYカットの水晶板で形成することが好ましい。更に、1/4波長板7,72は、基本波(0次)モードとすることによって、優れた波長依存性が得られる。また、図4(A)〜(F)の各波長板ユニットは、位相補正素子9を図3の位相補正素子91と置き換えることができる。
Also, 1/4-
図5は、波長板ユニットの第3実施例を示している。本実施例の波長板ユニット52は、1/4波長板71が、水晶板ではなく、液晶素子で構成されている点で、第1実施例の波長板ユニット5と異なる。前記液晶素子は、1対の対向する透明基板72、73間に挟持されかつ周囲をシール74で封じた液晶層75を有する。液晶層75は、各透明基板72、73の対向面に形成された配向膜76,77により、液晶分子が、前記透明基板と平行な面内において実質的に一方向に配列され、該配列方向と平行かつ前記透明基板に垂直な面内において、層厚の中央では透明基板と実質的に平行にかつ透明基板に近くなるほど大きいプレチルト角で傾くように配列されている。このように液晶分子を配向処理することによって、1/4波長板71は、位相差の入射角依存性が透明基板の垂直方向に液晶層の中央位置に関して対称で小さくなる。また、1/4波長板71は、第2実施例の波長板ユニット5において、水晶板からなる1/4波長板7に代えて使用することができる。
FIG. 5 shows a third embodiment of the wave plate unit. The
図6(A)は、波長板ユニットの第4実施例を示している。本実施例の波長板ユニット53は、図2に示す第1実施例の波長板ユニット5において、1/4波長板7に一体に設けられた温度センサー素子78を有する。温度センサー素子78は、図6(B)に示すように、矩形のフレーム部79とその内側に配置された音叉型圧電振動片80とを有する。音叉型圧電振動片80は、前記フレーム部の内縁に一体に結合された基端部81と、該基端部から平行に延出する1対の振動腕部82とを有する。温度センサー素子78は、水晶等の圧電材料をウエットエッチング等することにより、前記フレーム部と圧電振動片とを一体に外形加工し、前記振動腕部の表面に励振電極が、該励振電極を外部に引き出すための配線が前記基端部及びフレーム部にそれぞれ形成されている。
FIG. 6A shows a fourth embodiment of the wave plate unit. The
温度センサー素子78は、フレーム部79が、1/4波長板7の前記矩形筒状部分の内寸に対応する形状及び寸法に設定されている。1/4波長板7の前記矩形筒状部分の内側には、各隅部に段差部83が一体に形成されている。温度センサー素子78は、フレーム部79を前記矩形筒状部分内の段差部83上に載置して、接着剤等で一体に固定される。圧電振動片80は、使用時に1/4波長板7を透過して振動板8の反射面8aに至るレーザー光及び該反射面からの反射光が通過する1/4波長板7内の領域84に入らないように設計される。
In the
一般に音叉型圧電振動片は、2次関数又は3次関数の周波数温度特性を有することがよく知られている。本実施例の音叉型圧電振動片80は、かかる2次関数又は3次関数の変曲点から離れた温度範囲を、その範囲内に光センサー1の使用温度範囲が含まれるように選択する。これにより、圧電振動片80は、温度に関してほとんど直線的に変化する周波数特性が得られるので、その周波数変動を測定することによって、1/4波長板7内部の温度を検出することができる。この検出温度に基づいて位相補正素子9への印加電圧を決定し、交流電源18から透明電極14,15に供給する。このように温度センサー素子78を1/4波長板7の近傍に配置することによって、波長板ユニット53は、1/4波長板7に生じる出射光の位相のずれをより正確に補正し、より確実に直線偏光を円偏光に変換することができる。
It is well known that a tuning fork type piezoelectric vibrating piece generally has a frequency temperature characteristic of a quadratic function or a cubic function. The tuning fork type
第1実施例の変形例では、前記光検出部として、二次元イメージセンサー6に代えて、一次元イメージセンサーを用いることができる。一次元イメージセンサーには、例えば多数のフォトダイオードを一列に並べ、これと並列にCCDを配置したCCD一次元イメージセンサーがある。別の実施例では、二次元イメージセンサー6にCMOSイメージセンサーを用いることもできる。
In the modification of the first embodiment, a one-dimensional image sensor can be used as the light detection unit instead of the two-
図7は、CCD一次元イメージセンサーからなる一次元イメージセンサー61とこれに入射するビームスポット形状との位置関係を、二次元イメージセンサー6の位置と対比して示している。一次元イメージセンサー61は、前記フォトダイオードの配列方向pを、前記ビームスポット形状の円形の中心O(光軸x)から半径方向に整合させ、かつ該中心O(光軸x)が受光面61a内に入らないように配置する。更に一次元イメージセンサー61は、このように配置したとき、前記ビームスポット形状の円形の外郭即ち円周が必ず受光面61a内に入るサイズを選択する。
FIG. 7 shows the positional relationship between the one-
受光面61aには、第1実施例において上述したように、振動板8の反射面8aの位置に対応して異なる半径の円形のビームスポット形状m0,m1,m2が投影される。一次元イメージセンサー61は、前記ビームスポット形状をその円形の中心を含まない半径方向に線状の像として受光する。受光面6aの感光したフォトダイオードは電荷を蓄積し、駆動回路19により駆動制御されて、前記フォトダイオードから電荷をCCDに転送し、電圧信号に変換して信号処理回路20に出力する。
As described above in the first embodiment, circular beam spot shapes m0, m1, and m2 having different radii are projected onto the
各ビームスポット形状m0,m1,m2は、中心Oを共有する同心円をなすので、それらの円周の位置は、反射面8a即ち振動板8の位置によって変化する。本実施例では、一次元イメージセンサー61から入力した信号を処理することによって、前記各ビームスポット形状の円形の中心Oから円周までの距離即ち半径r0,r1,r2を測定する。反射面8aが不変位位置S0にあるときの半径r0を基準値として、それと測定値を比較することによって、振動板8の位置及び/又は変位量を検出することができる。
Since each beam spot shape m0, m1, m2 forms a concentric circle sharing the center O, the position of the circumference thereof varies depending on the position of the reflecting
図8は、本発明による振動検出用光センサーの第2実施例の構成を示している。本実施例の光センサー21は、第1実施例と同様に配置されたレーザーダイオードからなる光源2、平板型の偏光ビームスプリッター3、対物レンズ4、波長板ユニット5、及び光検出部として二次元イメージセンサー6に加えて、光源2と偏光ビームスプリッター3間にそれと同一光軸上に配置されたコリメートレンズ22を更に備える。光源2及び二次元イメージセンサー6には駆動回路19が接続されている。二次元イメージセンサー6には、更に信号処理回路20が接続されている。波長板ユニット5には、図2、図3、図4(A)〜(F)、図5又は図6の波長板ユニットを用いることができる。
FIG. 8 shows the configuration of a second embodiment of the vibration detecting photosensor according to the present invention. The
光センサー21において、光源2から出射されたレーザー光Lは、コリメートレンズ22により平行光とされ、偏光ビームスプリッター3によりS偏光の直線偏光成分が反射され、対物レンズ4により収束されて波長板ユニット5に入射する。前記波長板ユニットに入射したレーザー光Lは、1/4波長板7及び位相補正素子9を通過する際に直線偏光から円偏光に変換されて振動板8の表面に投射され、逆方向の円偏光となって反射される。振動板8表面からの反射光は、再び1/4波長板7及び位相補正素子9を通過してP偏光の直線偏光に変換され、対物レンズ4により平行光とされ、偏光ビームスプリッター3を透過して二次元イメージセンサー6に入射する。
In the
振動板8は、不変位状態のとき、その反射面8aでレーザー光Lが合焦するように配置される。このとき、反射面8aからの反射光R0は、入射時と同じ光路を辿って、入射時と同じビーム断面を維持して対物レンズ4及び偏光ビームスプリッター3を透過し、平行光として二次元イメージセンサー6に入射する。二次元イメージセンサー6の受光面6aには、に入射するビームスポット形状は、その中心Oと同心をなす円形のビームスポット形状M0が投影される。
The
振動板8が不変位位置S0から光軸方向手前に即ち1/4波長板7側に位置S1まで変位すると、レーザー光Lは焦点位置S0より手前で反射面8aに反射される。反射光R1は、入射時よりも内側の光路を辿って、入射時よりも幾分細いビーム断面で対物レンズ4及び偏光ビームスプリッター3を透過し、平行光として二次元イメージセンサー6に入射する。この場合、投影されたビームスポット形状M1は、元のビームスポット形状M0と同心でそれより小さい円形となる。
When the
振動板8が不変位位置S0から光軸方向後方に即ち1/4波長板7とは反対側に位置S2まで変位すると、レーザー光Lは焦点位置S0より後方で反射面8aに反射される。反射光R2は、入射時よりも外側の光路を辿って、入射時よりも幾分太いビーム断面で対物レンズ4及び偏光ビームスプリッター3を透過し、平行光として二次元イメージセンサー6に入射する。この場合、投影されたビームスポット形状M2は、元のビームスポット形状M0と同心でそれより大きい円形となる。
When the
本実施例においても、このように、二次元イメージセンサー6の前記受光面に入射するビームスポット形状の大きさが振動板8の位置によって変化する。信号処理回路20は、二次元イメージセンサー6から出力される信号を処理して、受光面6aに投影された円形の前記ビームスポット形状の面積(又は半径)を測定する。従って、ビームスポット形状M0の面積(又は半径)を基準値として、それと測定値を比較することによって、振動板8の位置及び/又は変位量を検出することができる。
Also in the present embodiment, the size of the beam spot shape incident on the light receiving surface of the two-
本実施例においても、光学部品の点数が従来より大幅に少なくなる。更に、1/4波長板7と振動板8と位相補正素子9とを一体化した波長板ユニット5によって、振動板8から二次元イメージセンサー6までの光路長を大幅に短くでき、光センサー1の組立時に1/4波長板7と振動板8と位相補正素子9との位置合わせが不要で、それらと対物レンズ4との位置合わせが1度で済む。従って、装置全体を小型化し、構造及び組立を簡単にし、より高精度で高信頼性の光センサーをより低コストで得ることができる。
Also in the present embodiment, the number of optical components is significantly reduced as compared with the prior art. Further, the
上記各実施例は、振動検出用の光センサーであり、そのために振動板を備えている。しかしながら、本発明は、光センサーとは別個の測定対象物について、その位置や変位、被測定面の振動等を測定するために用いることができる。その場合には、波長板ユニットを1/4波長板単体に置き換えて振動板を省略し、レーザー光が測定対象物の被測定面で合焦するように設定すればよい。 Each of the above embodiments is an optical sensor for vibration detection, and is provided with a diaphragm for this purpose. However, the present invention can be used to measure the position and displacement of the measurement object separate from the optical sensor, the vibration of the surface to be measured, and the like. In that case, the wave plate unit may be replaced with a single quarter wave plate, the vibration plate may be omitted, and the laser light may be set to be focused on the surface to be measured of the measurement object.
また、振動板にレーザー光を集光させて投射する光学系、及び振動板からの反射光を二次元イメージセンサーに入射させる光学系として、上記実施例以外の様々な構成が考えられる。例えば、光源から出射して偏光ビームスプリッターを透過したレーザー光の直線偏光成分を振動板に投射し、その反射光を偏光ビームスプリッターで反射して光検出器に入射するように構成することもできる。 Various configurations other than the above-described embodiments are conceivable as an optical system for condensing and projecting laser light on a diaphragm and an optical system for causing reflected light from the diaphragm to enter a two-dimensional image sensor. For example, the linearly polarized component of the laser light emitted from the light source and transmitted through the polarizing beam splitter can be projected onto the diaphragm, and the reflected light can be reflected by the polarizing beam splitter and incident on the photodetector. .
本発明は、上記実施例に限定されるものでなく、その技術的範囲内で様々な変形又は変更を加えて実施することができる。例えば、第1及び第2実施例において、同様に振動板の変位を光量の変化として検出できる限り、複数の二次元イメージセンサーで光検出部を構成することもできる。偏光ビームスプリッターはプリズム型のものを用いることもできる。また、光源は、レーザーダイオード以外に公知の様々なものを用いることができる。 The present invention is not limited to the above embodiments, and can be implemented with various modifications or changes within the technical scope thereof. For example, in the first and second embodiments, as long as the displacement of the diaphragm can be detected as a change in the amount of light, the light detection unit can be configured with a plurality of two-dimensional image sensors. The polarizing beam splitter can be a prism type. Various known light sources other than the laser diode can be used as the light source.
1,21…光センサー、2…光源、3…偏光ビームスプリッター、4…対物レンズ、5,51,52,53…波長板ユニット、6…二次元イメージセンサー、6a,61a…受光面、7…1/4波長板、8…振動板、8a…反射面、9…位相補正素子、10,11,72,73…透明基板、12,74…シール、13,75…液晶層、14,15…透明電極、16,17,76,77…配向膜、18…交流電源、19…駆動回路、20…信号処理回路、22…コリメートレンズ、41…ガラス板、42…スペーサー、43…金属膜、44…補強部材、61…一次元イメージセンサー、78…温度センサー素子、79…フレーム部、80…音叉型圧電振動片、81…基端部、82…音叉振動腕部、83…段差部、84…領域。
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記光検出器が、前記受光面に入射する前記反射光のビームスポット形状を検出するイメージセンサーからなり、
前記第1光学系が、前記光源からの出射光を透過又は反射させる偏光ビームスプリッターと、前記偏光ビームスプリッターを透過又は反射した前記出射光を前記振動板の前記反射面に集光する対物レンズと、前記対物レンズの前記偏光ビームスプリッターとは反対側に配置されかつ前記出射光が透過する1/4波長板と、前記1/4波長板を透過する前記出射光の位相を調整するための位相補正素子とからなり、
前記1/4波長板と前記位相補正素子と前記振動板とが一体化されていることを特徴とする光センサー。 A measurement object including a light source, a photodetector, a diaphragm, a first optical system for condensing the emitted light from the light source so as to be focused on the reflection surface of the diaphragm, and A second optical system for collecting the reflected light on the light receiving surface of the photodetector;
The photodetector comprises an image sensor that detects a beam spot shape of the reflected light incident on the light receiving surface,
A polarizing beam splitter for transmitting or reflecting light emitted from the light source; and an objective lens for collecting the emitted light transmitted or reflected by the polarizing beam splitter on the reflecting surface of the diaphragm. A quarter-wave plate disposed on the opposite side of the objective lens from the polarizing beam splitter and transmitting the outgoing light, and a phase for adjusting the phase of the outgoing light passing through the quarter-wave plate Consisting of a correction element,
The optical sensor, wherein the quarter-wave plate, the phase correction element, and the diaphragm are integrated.
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