JPH02102401A - １次元光センサ用結像装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は光学装置に係り、特に光学的計測分野で用いら
れる、１次元光センサに好適な結像装置に関する。

〔従来の技術〕 従来、１次元光センサに光学像を結像する光学系につい
ては、特開昭６２−１７７４２０の第１図に示されてい
る。しかし、１次元光センサに入力する光量を増加させ
る手段については何等論じられていなかった。

〔発明が解決しようとする課題〕

例えば、上記従来技術における偏光干渉計の干渉縞を空
間的に結像し、干渉縞信号を電子的に走査検出するため
、１次元光センサが用いられる。

この時、１次元光センサの受光セル間隔が、干渉縞信号
の必要抽出間隔になるべく、光像を拡大投影することが
行われるが、このままでは受光セルに入射する光量は、
拡大倍率の２乗に反比例して減小する。この際、１次元
センサの、配列方向に対し直角方向に溢れた光を、円筒
レンズを用いて集光する事は従来より行われていた。し
かし、この方法においては、円筒レンズの介在により、
１次元センサの配列方向の結像収差が生じる欠点があっ
た。

本発明の目的は、１次元センサの配列方向と直角方向に
溢れていた光を集光し、且つ配列方向に生じる収差を低
減させた。高効率の結像装置の提供にある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的は１円筒レンズを肉厚の薄い１次元フレネルレ
ンズとすると共に、通常の結像レンズと１次元光センサ
との間の位置に、１次元フレネルレンズに入射する光線
がほぼ垂直入射する如くに適当な弯曲を有する１次元フ
レネルレンズを設ける事により達成される。

上記目的はまた、１次フレネルレンズの代りに１次元ゾ
ーンプレートを用いても、同様の効果を達成する事がで
きる。

〔作用〕

１次元フレネルレンズは、円筒レンズを中心軸に平行な
平面で一定の厚みに切出し、平行平面板の部分を除去し
たものであって、その焦点距離の短かさに比して肉厚を
稿めて薄くする事ができる。

例えば、焦点距離２２■、レンズ弦幅１６ｍｍ、素材屈
折率１．４９　の円筒レンズは、円筒半径Ｒ１０，８ｍ
となり、円弧部高さ３．５４　ｗａ、全厚５ｍ程度とな
る。これを円孤高さ０．２５　ｍｎで切出すと、２７帯
からなる全厚０．５　ｍｍの１次元フレネルレンズとす
る事ができる。

帯方向の長さは結像光学系の有効光束幅より大きく、例
えば３０ａ＋程度とし、結像レンズの射出ひとみ中心を
、円の中心とする円孤状に湾曲することにより、１次元
フレネルレンズに入射する光線の斜入射成分を減小させ
ることができる。

第２図は、上記の１次元フレネルレンズの断面であって
、中心から第ｎ帯の境界位置りは次式で与えられる。

但しｄ＝　　０．２５ Ｒ＝　１０．８ 〔実施例〕 以下、本発明の一実施例を第１図により説明する。第１
図、１次元光センサ３０は、受光セル３１が配列方向３
９に多数（例えば、１０２４個）並んだ受光部３５を有
している。今、結像レンズ１０により、図示していない
物体像を受光部３５に投影する場合、一般に受光セル３
１の縦寸法Ｓは受光セルのセル間隔Ｐと同程度で、特別
に大きくしたものでも２ｍ程度で、全有効受光幅りの１
／１０以下であるから、結像高さはセル縦寸法Ｓを大き
く溢れ、入射光を無駄にすることになる。

１次元フレネルレンズ２０は、結像レンズ１０と。

１次元光センサ３０の間に配設され、受光部３５の配列
方向３９には何等影響を与えずに、上下方向の光像を圧
縮させて、受光部３５に入射する光量を増加させる働き
を持つ。

一方、１次元フレネルレンズ２０を、第３図の円筒レン
ズ４０でも、第１図同様の光量増加を行うことができる
が、円筒レンズ４０の厚さｔの影響により、本来光路４
１である入き光線が、光路４２にずれて１次元光センサ
３０上の、結像点３８に到達する。この為め、配列方向
３９に収差３３　（ａ）を生ずることになる。これは、
第４図に示す屈折率ｎの平面平行板４５に、入射角αの
斜光線４１が入射する場合を考えれば一目瞭然であろう
。

ちなみに、屈折角をβとすると 第１図の１次元フレネルレンズ２０は、第２図の如き断
面を有しており、円筒レンズが５ｍの肉厚を有する場合
、フレネルレンズ２０の厚さを０．５ｍにする事は極め
て容易である。両者における結像収差ｅを計算比較する
と の様になり、入射角を７．５°　とすると、セル間隔Ｐ
＝２５μｍの光センサを用いた場合、受光部での収差は
１単位（ピッ１〜）以内となる。

更に、第１図の１次元フレネルレンズ２０は、結像レン
ズ出射ひとみ１５の中心に向って、曲率方向２９に弯曲
している。この結果、結像に寄与する中心光線が、１次
元フレネルレンズ面に垂直入射する様になり、各光線、
特に周辺光線の入射角を小さく制限することが可能とな
り、結像収差差ｅが一層小さくなる。

第５図は、１次元フレネルレンズの代りに、１次元ゾー
ンプレート５０を示したもので、第１図フレネルレンズ
２ｏの位置に弯曲させて配設すれば同様の効果がある。

第６図は１次元ゾーンプレートの例であって、１次フレ
ネルレンズ同様、アクリル系の高分子材料を型押成形し
、同図（、）は溝方向５９に平行な多数の直角溝５３を
形成したもので、一種の移相格子的に働く。第５図の１
次元ゾーンプレートは、第６図（ａ）の溝５３に、不透
明物質５２を埋め込んで作る事ができる。同図（ｂ）は
、溝の底面５４を粗に荒し、光を散乱させ、不透過性と
した例である。１次元ゾーンプレート５０の中心５８か
ら各溝帯迄の距離ｈ１．　ｈ２・・・は、整数値１゜２
、・・・の平方根に比例する。これにより、ゾーンプレ
ート５０を透過した光線を１次元方向にのみ収束する。

第７図は、光リソグラフィー手法で、酸化硅素（ＳｉＯ
２）板６０に段差６３をエツチングするものである。同
図（ａ）は、ポジ形光レジスト６５を酸化硅素板に塗布
して置き、１次元ゾーン紋様の光線６９を照射し、現像
すると同図（ｂ）の様に光の当ったレジストが除去され
る。これをエツチングすると、同図（ｃ）の様になり、
光レジスト６５′を除去すれば、第６図（ａ）同様の１
次元ゾーンプレートが出来る。第８図は、光照射６９を
ホログラフィックに行った例で、ゾーン紋様のマスクが
不要となる。レーザ７０、円筒凹レンズ７２，７４コリ
メータレンズ７６により、平面波７８と、穴７５を通過
した円筒波７７が干渉し、光レジスト６５面上に、１次
元ゾーン紋様７９を生成する。

これにより、第７図と同じく１次元ゾーンプレートを得
る事ができる。

酸化硅素板として、通常の溶融石英の薄板を用いる事が
できるが、第７図（Ｑ）の２点鎖線６７の様に、シリコ
ンウェハ上に、酸化膜６ｏを形成し、これを光リソグラ
フィーで加工６０′　し、最後に基材のシリコンに透光
用に除去する、いわゆる純シリコンプロセスで製作する
事も可能である。

この場合の酸化硅素は数μｍと、肉厚が円筒レンズの場
合の子分の１となり、結像収差は全く無視できることに
なる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、円筒レンズを用る事なく、円筒レンズ
同様の１次集光作用を持つから結像収差を１桁以上減少
させる事ができる。更に、１次フレネルレンズ又は１次
元ゾーンプレートを、結像レンズの中心を曲率の中心と
して何曲させる事により、斜入射光線を少くし合せて結
像収差を小さくする事ができる。

例えば、光センサの有効長さしが２６ｍｍ程度に、４倍
の拡大を行うとすると、受光面上での光量は通常１７１
６となるが、本発明の方法で縦方向にＩｎｍ程度に圧縮
すると、光量は逆に１．６倍となる。

従って、１次元光センサとして縦方向の受光部寸法の大
きい、高価な特別部品を使う必要が無くなり、計測装置
等への適用が有利、容易となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の斜視図、第２図は第１図の
１次元フレネルレンズを示す図、第３図は従来の円筒レ
ンズを用いた結像光学系を示す図、第４図は斜入射光に
よる結像収差の説明図、第５図、第６図は１次元ゾーン
プレートの説明図、第７図、第８図は１次元ゾーンプレ
ートの光リソグラフィーによる製造方法を示す図である
。 １０・・・結像レンズ、３０・・・１次元光センサ、２
０・・・１次元フレネルレンズ、４０・・・円筒レンズ
、３３・・・結像収差、５ｏ・・・１次元ゾーンプレー
１・。 ６０・・・酸化硅素、６５・・・光レンズ１−１７０・
・・レーザ、７２．７４・・・円筒凹レンズ、７６・・
・コリメータレンズ。 寥　３（２） 茅　＋図 第　２　口

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、光像を１次元光センサに投影する光学系において、
   結像レンズと前記１次元光センサとの間に１次元フレネ
   ルレンズを配置し、前記１次元光センサの受光部分の光
   量を増加せしめ、且つ結像収差を減小させる事を特徴と
   する１次元光センサ用結像装置。 ２、第１項記載の結像装置において、１次元フレネルレ
   ンズを板厚の薄い光学材量で成形し、結像倍率の大小に
   応じて前記１次元フレネルレンズを刻線方向に適宜弯曲
   させ、周辺光線に対する結像収差を最小とした事を特徴
   とする１次元光センサ用結像装置。 ３、光像を１次元光センサに投影する光学系において、
   結像レンズと前記１次元光センサとの間に１次元ゾーン
   プレートを配置し、前記１次元光センサの受光部分の光
   量を増加せしめ、且つ結像収差を減小させる事を特徴と
   する１次元光センサ用結像装置。 ４、第３項記載の結像装置において、１次元ゾーンプレ
   ートを薄い光学材料で成形し、結像倍率の大小に応じて
   前記１次元フレネル・ゾーンプレートを刻線方向に適宜
   弯曲させ、周辺光線に対する結像収差を最小とした事を
   特徴とする１次元光センサ用結像装置。 ５、第２項または第４項記載の結像装置において、光学
   材料としてアクリル系の高分子材料を用いた事を特徴と
   する１次元光センサ用結像装置。 ６、第２項または第４項記載の結像装置において、光学
   材料として酸化硅素（ＳｉＯ＿２）を用いた事を特徴と
   する１次元光センサ用結像装置。 ７、第５項記載の結像装置のアクリル系の高分子材料を
   、金型で型押成形して１次元フレネルレンズ又はゾーン
   プレートを製造する方法。 ８、第５項記載の結像装置のアクリル系高分子の粉沫材
   料を、金型中で圧縮成形して１次元フレネルレンズ又は
   ゾーンプレートを製造する方法。 ９、第６項記載の結像装置の酸化硅素板の上にホトレジ
   ストを塗布し、これに１次元ゾーン模様を投影し、前記
   ホトレジストを現像して酸化硅素表面を蝕刻加工してな
   る事を特徴とする酸化硅素１次元ゾーンプレートの製造
   方法。 １０、第９項記載の光学材料の酸化硅素板は、シリコン
   ウェハを表面酸化し、且つシリコンウェハに透過用の窓
   を設けた１次元ゾーンプレートの製造方法。 １１、第９項記載の１次元ゾーン模様を、単色光源を用
   いた平面波と円筒波との干渉によつて作成するホログラ
   フィック模様である事を特徴とする１次元ゾーンプレー
   トの製造方法。