光センサー
【課題】光センサーの光学系において光源光の使用波長が変動しても、１／４波長板が確実に直線偏光を円偏光に変換して、良好なセンサー感度を確保維持する。
【解決手段】振動検出用光センサー１は光源２、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及び二次元イメージセンサー６，１４を備える。波長板ユニットは、構造性複屈折を利用した１／４波長板７と、反射面を有する振動板８との一体構造からなる。二次元イメージセンサーは受光面６ａ，１４ａに同心で異なる半径の円形ビームスポット形状が振動板の反射面８ａの位置に対応して入射し、その出力信号からビームスポット形状の面積又は半径を測定して振動板の位置又は変位量を検出する。
【解決手段】振動検出用光センサー１は光源２、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及び二次元イメージセンサー６，１４を備える。波長板ユニットは、構造性複屈折を利用した１／４波長板７と、反射面を有する振動板８との一体構造からなる。二次元イメージセンサーは受光面６ａ，１４ａに同心で異なる半径の円形ビームスポット形状が振動板の反射面８ａの位置に対応して入射し、その出力信号からビームスポット形状の面積又は半径を測定して振動板の位置又は変位量を検出する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
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。更に、使用する光の波長よりも微細なサブ波長の周期構造による構造性複屈折を利用した波長板が知られている（例えば、非特許文献１，２を参照）。
【０００８】
この構造性複屈折波長板は、微細周期構造の寸法を選択することによって、複屈折の大きさ即ち位相差量や広帯域性を制御できるという特徴がある。しかし、微細周期構造は、これを形成する凸部のピッチ（構造周期）に対する高さの割合即ちアスペクト比が大きくなると、高精度に製作することが困難で、高い透過率を維持できなくなる虞がある。そこで、微細周期構造の高さを所望の使用波長又は使用波長範囲に必要な高さの約半分にした２つの波長板を、各周期構造の凸部を対向させて一体に組み合わせた１／４波長板が開発されている（例えば、非特許文献１，２を参照）。
【０００９】
また、１／４波長板において、入射面の反射率が高かったり透過率の入射角依存性が大きい場合には、透過光強度の低下によって、例えば光センサーに使用したときその感度が低下したり、光ピックアップにおいて記録再生機能を低下させる虞がある。そこで、微細周期構造の凸部を先細テーパ状に形成することによって、光入射面に反射防止構造を形成した構造性複屈折波長板が提案されている（例えば、特許文献６，７を参照）。更に、レンズ等の光学素子において、光学性能を低下させることなく反射を抑制するために、その入射面に例えば円錐状の微細な凹凸を光の波長以下のピッチで多数形成した反射防止膜を設けることが知られている（例えば、特許文献８，９を参照）。
【００１０】
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）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開平７−４９１４号公報
【特許文献２】特開平５−２３１８４８号公報
【特許文献３】特開平８−２９６６４号公報
【特許文献４】特開昭５８−１４５２９９号公報
【特許文献５】特開平１−２５３６２６号公報
【特許文献６】特許第３９１３７６５号公報
【特許文献７】特開２００５−４４４２９号公報
【特許文献８】特開２００８−１９７２１６号公報
【特許文献９】特開２００９−３１６１０号公報
【特許文献１０】特開２００４−３５４３０７号公報
【特許文献１１】特開２００３−２６６２８１号公報
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】今栄真紀子、外３名、「構造性複屈折を用いた広帯域１／４波長板の最適設計」、KONICA MINOLTA TECHNOLOGYREPORT、コニカミノルタテクノロジーセンター株式会社、２００６年、ＶＯＬ．３、ｐ．６２−６７
【非特許文献２】増田修、外４名、「ナノインプリント技術を用いた広帯域波長板の作成」、KONICA MINOLTA TECHNOLOGYREPORT、コニカミノルタテクノロジーセンター株式会社、２００８年、ＶＯＬ．５、ｐ．１０１−１０６
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、上述した光センサーや光ピックアップの光学系では、光源として使用する半導体レーザーの短波長化や使用温度範囲の設定によって、光学部品が相当な高温に晒される虞がある。そのため、これらの光学装置に使用される光学素子は、十分な耐熱性及び／又は耐光性を要求されることがある。
【００１４】
また、半導体レーザーは、光源として使用したとき、高熱を発生して発振レーザーの波長ドリフトを生じる虞がある。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により出射光に位相のずれが発生し、楕円偏光が出射されることになる。そのため、光センサーに使用した場合には、光検出器が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。従って、１／４波長板は、それを搭載する光センサー等の光学装置がより安定して良好な性能を発揮し得るように、より広帯域な使用波長範囲を有することが好ましい。
【００１５】
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。
【００１６】
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、使用する光源光の波長が、例えば半導体レーザーの波長ドリフト等によって変動する場合でも、１／４波長板が確実に直線偏光を円偏光に変換することができ、良好なセンサー感度を確保維持できるようにすることである。更に本発明の目的は、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。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
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、受光面に入射する前記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波長板とからなり、
該１／４波長板が、複数の凸部を出射光の使用波長より小さい一定のピッチで配列した微細周期構造を有する構造性複屈折波長板からなり、
１／４波長板と振動板とが一体化されていることを特徴とする。
【００１８】
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。
【００１９】
構造性複屈折波長板は、微細周期構造の寸法によって位相差量や広帯域性を変化させることができる。これを第１光学系の１／４波長板に用いかつその寸法を適当に設定することによって、光源からの出射光の波長が多少変動しても、それに対応して直線偏光をより完全に円偏光に変換することができる。従って、本発明の光センサーは、良好なセンサー感度を安定して確保維持することができる。
【００２０】
更に、１／４波長板と振動板とを一体化することによって、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波長板と振動板との位置合わせを省略し、それらと他の光学系とのとの位置合わせを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。
【００２１】
或る実施例では、１／４波長板が、それぞれに基板の一方の主面に微細周期構造を形成した１対の構造性複屈折波長板からなり、該１対の構造性複屈折波長板を互いに微細周期構造の凸部を対向させて配置して構成される。これによって、各構造性複屈折波長板は、微細周期構造の凸部の高さを、所望の使用波長又は使用波長範囲に必要な高さの約半分にし、構造周期に対してアスペクト比を小さくできるので、より簡単に高精度に製作することができる。その結果、低コストで高性能な１／４波長板を用いて、光センサーのセンサー感度を安定させかつ向上させることができる。
【００２２】
別の実施例では、１／４波長板が、振動板とは反対側に設けられた多数の微細凹凸構造からなる反射防止膜を有することによって、入射角依存性を小さくし、斜め入射に対しても高い透過率を確保できるので、光センサーのセンサー感度をより安定化させることができる。
【００２３】
また、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。
【００２４】
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。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】（Ａ）図は本発明による光センサーの第１実施例の構成図、（Ｂ）図は二次元イメージセンサー上のビーム形状を示す図。
【図２】（Ａ）図は波長板ユニットの第１実施例を示す断面図、（Ｂ）図は１／４波長板の斜視図。
【図３】（Ａ）図は第１実施例の波長板ユニットの変形例を示す断面図、（Ｂ）図は反射防止膜の凹凸面を示す部分拡大図。
【図４】波長板ユニットの第２実施例を示す断面図。
【図５】第２実施例の波長板ユニットの変形例を示す断面図。
【図６】波長板ユニットの第３実施例を示す断面図。
【図７】第３実施例の波長板ユニットの変形例を示す断面図。
【図８】変形例において一次元イメージセンサー上のビーム形状を示す図。
【図９】（Ａ）図は本発明による光センサーの第２実施例の構成図、（Ｂ）図は二次元イメージセンサー上のビーム形状を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
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。
【００２７】
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、１／４波長板７と、測定対象物としての振動板８とを一体に組合せたものである。
【００２８】
図２（Ａ）は、本発明の波長板ユニットの第１実施例を示している。本実施例の波長板ユニット５１は、構造性複屈折波長板からなる１／４波長板７と、金属平板からなる振動板８とが、それらの周辺部でスペーサー９を挟んで一体に接合されている。１／４波長板７は、図２（Ｂ）に示すように、所定の厚さを有する平坦な基板１０と、該基板の一方の主面に形成した多数の微細な凸部１１からなる微細周期構造１２とを有する。凸部１１は、光源２から出力されるレーザー光の波長又は使用波長範囲の最小波長より小さい一定のピッチで配列されている。
【００２９】
このようなサブ波長オーダーの微細周期構造は、例えば上記非特許文献１に記載されるように、有効媒質理論で言えば、周期方向とそれに直交する方向とで異なる有効屈折率ｎTE、ｎTMを持ち、この有効屈折率差によって各偏波方向の光の伝播速度に差が生じ、あたかも複屈折材料であるかのように、通過する光が位相差を生じて波長板としての機能を発現することが知られている。微細周期構造１２の凸部１１の線幅をＬ、高さをＨ、ピッチをＰとし、微細周期構造１２を形成する材質の屈折率をｎ１、凸部１１間の溝を充填する材質（本実施例では空気）の屈折率をｎ２とすると、微細周期構造１２の有効屈折率ｎTE、ｎTMは次式（１）（２）で表される。
ｎTE ＝｛ｆ・ｎ１exp２＋（１−ｆ）・ｎ２exp２｝exp(１/２) …（１）
ｎTM ＝｛ｆ・ｎ１exp(−２)＋（１−ｆ）・ｎ２exp(−２)｝exp(−１/２) …（２）
但し、ｆ ＝Ｌ／Ｐとする。
【００３０】
使用するレーザー光の波長をλとすると、入射波長λに対する微細周期構造１２の位相差δは次式（３）となる。
δ＝（ｎTE−ｎTM ）・Ｈ …（３）
従って、上記（３）式でδ＝λ／４を満足するように高さＨを選ぶことによって、所望の１／４波長板が得られる。
【００３１】
上述したサブ波長構造の１／４波長板７は、例えばポリオレフィン系、アクリル系、ポリカーボネイト等の樹脂材料を用いて、例えばナノインプリント法や精密成型等の公知方法により一体に成形することができる。１／４波長板７の微細周期構造１２は、ガラス材料のような無機材料をエッチングすることにより加工することもできる。
【００３２】
また、１／４波長板７は、基板１０と凸部１１とを別個に形成することもできる。例えば、基板１０の主面上に別の材料を付着させ、該別の材料を加工することによって微細周期構造１２を形成することができる。また、微細周期構造１２を独立した別個の部品として形成し、基板１０の主面に一体に結合することもできる。
【００３３】
光源２から出射したレーザー光を測定対象物の振動板８に集光させる第１光学系を構成する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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
図３（Ａ）は、図２の波長板ユニット５１の変形例を示している。本実施例の波長板ユニット５２は、その入射面即ち１／４波長板７の微細周期構造１２とは反対側の面に反射防止膜１３を有する点において、図２の波長板ユニットと異なる。反射防止膜１３は、
図３（Ｂ）に示すように、その表面に正四角錐状の微細な多数の突起１３ａが形成されている。突起１３ａは、入射光の波長より小さいピッチで配列され、それによって空気と反射防止膜１３との界面での急激な屈折率変化を解消し、波長板ユニット５２に入射する光の反射を有効に抑制している。反射防止膜１３は、例えば合成石英ガラス等の透明な無機材料基板をエッチング加工することによって、又は樹脂材料をモールド成形加工することによって製造され、１／４波長板７の入射面に接合される。
【００４２】
図４は、本発明の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５３は、１／４波長板７１の基板１０１が測定対象物の振動板を兼用し、それにより小型薄型化されている。基板１０１の入射側の主面には、上記各実施例の波長板ユニットと同様に、多数の微細な凸部１１１からなる微細周期構造１２１が形成されている。基板１０１の前記微細周期構造とは反対側の外面には、金属膜１４１を施して反射面８ａが形成されている。波長板ユニット５３に入射する直線偏光は、微細周期構造１２１を通過して円偏光に変換され、更に基板１０１を透過して反射面８ａで逆向きの円偏光となって反射される。
【００４３】
図５は、図４の波長板ユニット５３の変形例を示している。本実施例の波長板ユニット５４は、同様に１／４波長板７２の基板１０２が測定対象物の振動板を兼用しているが、多数の微細な凸部１１２からなる微細周期構造１２２とは別個の部品として構成されている。基板１０２は、入射側の主面に金属膜１４２を施して反射面８ａが形成されている。微細周期構造１２２は、独立した別個の部品として形成され、金属膜１４２の上に一体に結合されている。波長板ユニット５４に入射する直線偏光は、微細周期構造１２１を通過して円偏光に変換され、反射面８ａで逆向きの円偏光となって反射される。本実施例の基板１０２は、その材質として光学特性を全く考慮することなく様々な材料を選択することができる。また、基板１０２が金属板からなりかつその表面が高い反射率を有する場合には、金属膜１４２を省略することができる。
【００４４】
図６は、本発明の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５５は、１／４波長板７３が１対の構造性複屈折波長板１５ａ，１５ｂを有する。各構造性複屈折波長板１５ａ，１５ｂは、図２の１／４波長板７と同様に構成され、それぞれ所定の厚さを有する平坦な基板１０３，１０４と、該基板の一方の主面に形成した多数の微細な凸部１１３，１１４からなる微細周期構造１２３，１２４とを有する。構造性複屈折波長板１５ａ，１５ｂは、互いに微細周期構造側を対向させ、それらの周辺部でスペーサー９１を挟んで一体に接合されている。このとき、構造性複屈折波長板１５ａ，１５ｂは、それらの位相差の合計が９０°になるように、それらの光学軸を非平行に配置する。
【００４５】
振動板８１は薄板からなり、その入射側の片面には金属膜１４３を施して反射面８ａが形成され、そ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は、その矩形筒状部分において１／４波長板７３の入射側とは反対側の外面に一体に接合されている。波長板ユニット５５に入射する直線偏光は、１／４波長板７３を通過して円偏光に変換され、反射面８ａで逆向きの円偏光となって反射される。尚、振動板８１が金属材料からなりかつその表面が高い反射率を有する場合には、金属膜１４３を省略することができる。
【００４６】
図７は、図６の波長板ユニット５５の変形例を示している。本実施例の波長板ユニット５６は、図３の波長板ユニット５２と同じ反射防止膜１３が１／４波長板７３の入射面に設けられている点において、図６の波長板ユニットと異なる。反射防止膜１３の表面には、正四角錐状の微細な多数の突起１３ａが入射光の波長より小さいピッチで形成され、入射光の反射を有効に抑制している。
【００４７】
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。
【００４８】
図８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１６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１６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１６ａ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１６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１６ａ内に入るサイズを選択する。
【００４９】
受光面１６ａ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１６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１６ａ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。
【００５０】
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１６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。
【００５１】
図９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は、図２の構造を有するものであるが、図３乃至図７の波長板ユニットを置き換えて用いることができる。
【００５２】
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。
【００５３】
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、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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【符号の説明】
【００６１】
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…波長板ユニット、６…二次元イメージセンサー、６ａ，１６ａ…受光面、７…１／４波長板、８…振動板、８ａ…反射面、９…スペーサー、１０…基板、１１…凸部、１２…微細周期構造、１３…反射防止膜、１３ａ…突起、１４…反射膜、１５ａ，１５ｂ…構造性複屈折波長板、１６…一次元イメージセンサー、１９…駆動回路、２０…信号処理回路、２２…コリメートレンズ。
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
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。更に、使用する光の波長よりも微細なサブ波長の周期構造による構造性複屈折を利用した波長板が知られている（例えば、非特許文献１，２を参照）。
【０００８】
この構造性複屈折波長板は、微細周期構造の寸法を選択することによって、複屈折の大きさ即ち位相差量や広帯域性を制御できるという特徴がある。しかし、微細周期構造は、これを形成する凸部のピッチ（構造周期）に対する高さの割合即ちアスペクト比が大きくなると、高精度に製作することが困難で、高い透過率を維持できなくなる虞がある。そこで、微細周期構造の高さを所望の使用波長又は使用波長範囲に必要な高さの約半分にした２つの波長板を、各周期構造の凸部を対向させて一体に組み合わせた１／４波長板が開発されている（例えば、非特許文献１，２を参照）。
【０００９】
また、１／４波長板において、入射面の反射率が高かったり透過率の入射角依存性が大きい場合には、透過光強度の低下によって、例えば光センサーに使用したときその感度が低下したり、光ピックアップにおいて記録再生機能を低下させる虞がある。そこで、微細周期構造の凸部を先細テーパ状に形成することによって、光入射面に反射防止構造を形成した構造性複屈折波長板が提案されている（例えば、特許文献６，７を参照）。更に、レンズ等の光学素子において、光学性能を低下させることなく反射を抑制するために、その入射面に例えば円錐状の微細な凹凸を光の波長以下のピッチで多数形成した反射防止膜を設けることが知られている（例えば、特許文献８，９を参照）。
【００１０】
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）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開平７−４９１４号公報
【特許文献２】特開平５−２３１８４８号公報
【特許文献３】特開平８−２９６６４号公報
【特許文献４】特開昭５８−１４５２９９号公報
【特許文献５】特開平１−２５３６２６号公報
【特許文献６】特許第３９１３７６５号公報
【特許文献７】特開２００５−４４４２９号公報
【特許文献８】特開２００８−１９７２１６号公報
【特許文献９】特開２００９−３１６１０号公報
【特許文献１０】特開２００４−３５４３０７号公報
【特許文献１１】特開２００３−２６６２８１号公報
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】今栄真紀子、外３名、「構造性複屈折を用いた広帯域１／４波長板の最適設計」、KONICA MINOLTA TECHNOLOGYREPORT、コニカミノルタテクノロジーセンター株式会社、２００６年、ＶＯＬ．３、ｐ．６２−６７
【非特許文献２】増田修、外４名、「ナノインプリント技術を用いた広帯域波長板の作成」、KONICA MINOLTA TECHNOLOGYREPORT、コニカミノルタテクノロジーセンター株式会社、２００８年、ＶＯＬ．５、ｐ．１０１−１０６
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、上述した光センサーや光ピックアップの光学系では、光源として使用する半導体レーザーの短波長化や使用温度範囲の設定によって、光学部品が相当な高温に晒される虞がある。そのため、これらの光学装置に使用される光学素子は、十分な耐熱性及び／又は耐光性を要求されることがある。
【００１４】
また、半導体レーザーは、光源として使用したとき、高熱を発生して発振レーザーの波長ドリフトを生じる虞がある。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により出射光に位相のずれが発生し、楕円偏光が出射されることになる。そのため、光センサーに使用した場合には、光検出器が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。従って、１／４波長板は、それを搭載する光センサー等の光学装置がより安定して良好な性能を発揮し得るように、より広帯域な使用波長範囲を有することが好ましい。
【００１５】
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。
【００１６】
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、使用する光源光の波長が、例えば半導体レーザーの波長ドリフト等によって変動する場合でも、１／４波長板が確実に直線偏光を円偏光に変換することができ、良好なセンサー感度を確保維持できるようにすることである。更に本発明の目的は、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。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
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、受光面に入射する前記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波長板とからなり、
該１／４波長板が、複数の凸部を出射光の使用波長より小さい一定のピッチで配列した微細周期構造を有する構造性複屈折波長板からなり、
１／４波長板と振動板とが一体化されていることを特徴とする。
【００１８】
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。
【００１９】
構造性複屈折波長板は、微細周期構造の寸法によって位相差量や広帯域性を変化させることができる。これを第１光学系の１／４波長板に用いかつその寸法を適当に設定することによって、光源からの出射光の波長が多少変動しても、それに対応して直線偏光をより完全に円偏光に変換することができる。従って、本発明の光センサーは、良好なセンサー感度を安定して確保維持することができる。
【００２０】
更に、１／４波長板と振動板とを一体化することによって、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波長板と振動板との位置合わせを省略し、それらと他の光学系とのとの位置合わせを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。
【００２１】
或る実施例では、１／４波長板が、それぞれに基板の一方の主面に微細周期構造を形成した１対の構造性複屈折波長板からなり、該１対の構造性複屈折波長板を互いに微細周期構造の凸部を対向させて配置して構成される。これによって、各構造性複屈折波長板は、微細周期構造の凸部の高さを、所望の使用波長又は使用波長範囲に必要な高さの約半分にし、構造周期に対してアスペクト比を小さくできるので、より簡単に高精度に製作することができる。その結果、低コストで高性能な１／４波長板を用いて、光センサーのセンサー感度を安定させかつ向上させることができる。
【００２２】
別の実施例では、１／４波長板が、振動板とは反対側に設けられた多数の微細凹凸構造からなる反射防止膜を有することによって、入射角依存性を小さくし、斜め入射に対しても高い透過率を確保できるので、光センサーのセンサー感度をより安定化させることができる。
【００２３】
また、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。
【００２４】
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。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】（Ａ）図は本発明による光センサーの第１実施例の構成図、（Ｂ）図は二次元イメージセンサー上のビーム形状を示す図。
【図２】（Ａ）図は波長板ユニットの第１実施例を示す断面図、（Ｂ）図は１／４波長板の斜視図。
【図３】（Ａ）図は第１実施例の波長板ユニットの変形例を示す断面図、（Ｂ）図は反射防止膜の凹凸面を示す部分拡大図。
【図４】波長板ユニットの第２実施例を示す断面図。
【図５】第２実施例の波長板ユニットの変形例を示す断面図。
【図６】波長板ユニットの第３実施例を示す断面図。
【図７】第３実施例の波長板ユニットの変形例を示す断面図。
【図８】変形例において一次元イメージセンサー上のビーム形状を示す図。
【図９】（Ａ）図は本発明による光センサーの第２実施例の構成図、（Ｂ）図は二次元イメージセンサー上のビーム形状を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
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。
【００２７】
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、１／４波長板７と、測定対象物としての振動板８とを一体に組合せたものである。
【００２８】
図２（Ａ）は、本発明の波長板ユニットの第１実施例を示している。本実施例の波長板ユニット５１は、構造性複屈折波長板からなる１／４波長板７と、金属平板からなる振動板８とが、それらの周辺部でスペーサー９を挟んで一体に接合されている。１／４波長板７は、図２（Ｂ）に示すように、所定の厚さを有する平坦な基板１０と、該基板の一方の主面に形成した多数の微細な凸部１１からなる微細周期構造１２とを有する。凸部１１は、光源２から出力されるレーザー光の波長又は使用波長範囲の最小波長より小さい一定のピッチで配列されている。
【００２９】
このようなサブ波長オーダーの微細周期構造は、例えば上記非特許文献１に記載されるように、有効媒質理論で言えば、周期方向とそれに直交する方向とで異なる有効屈折率ｎTE、ｎTMを持ち、この有効屈折率差によって各偏波方向の光の伝播速度に差が生じ、あたかも複屈折材料であるかのように、通過する光が位相差を生じて波長板としての機能を発現することが知られている。微細周期構造１２の凸部１１の線幅をＬ、高さをＨ、ピッチをＰとし、微細周期構造１２を形成する材質の屈折率をｎ１、凸部１１間の溝を充填する材質（本実施例では空気）の屈折率をｎ２とすると、微細周期構造１２の有効屈折率ｎTE、ｎTMは次式（１）（２）で表される。
ｎTE ＝｛ｆ・ｎ１exp２＋（１−ｆ）・ｎ２exp２｝exp(１/２) …（１）
ｎTM ＝｛ｆ・ｎ１exp(−２)＋（１−ｆ）・ｎ２exp(−２)｝exp(−１/２) …（２）
但し、ｆ ＝Ｌ／Ｐとする。
【００３０】
使用するレーザー光の波長をλとすると、入射波長λに対する微細周期構造１２の位相差δは次式（３）となる。
δ＝（ｎTE−ｎTM ）・Ｈ …（３）
従って、上記（３）式でδ＝λ／４を満足するように高さＨを選ぶことによって、所望の１／４波長板が得られる。
【００３１】
上述したサブ波長構造の１／４波長板７は、例えばポリオレフィン系、アクリル系、ポリカーボネイト等の樹脂材料を用いて、例えばナノインプリント法や精密成型等の公知方法により一体に成形することができる。１／４波長板７の微細周期構造１２は、ガラス材料のような無機材料をエッチングすることにより加工することもできる。
【００３２】
また、１／４波長板７は、基板１０と凸部１１とを別個に形成することもできる。例えば、基板１０の主面上に別の材料を付着させ、該別の材料を加工することによって微細周期構造１２を形成することができる。また、微細周期構造１２を独立した別個の部品として形成し、基板１０の主面に一体に結合することもできる。
【００３３】
光源２から出射したレーザー光を測定対象物の振動板８に集光させる第１光学系を構成する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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
図３（Ａ）は、図２の波長板ユニット５１の変形例を示している。本実施例の波長板ユニット５２は、その入射面即ち１／４波長板７の微細周期構造１２とは反対側の面に反射防止膜１３を有する点において、図２の波長板ユニットと異なる。反射防止膜１３は、
図３（Ｂ）に示すように、その表面に正四角錐状の微細な多数の突起１３ａが形成されている。突起１３ａは、入射光の波長より小さいピッチで配列され、それによって空気と反射防止膜１３との界面での急激な屈折率変化を解消し、波長板ユニット５２に入射する光の反射を有効に抑制している。反射防止膜１３は、例えば合成石英ガラス等の透明な無機材料基板をエッチング加工することによって、又は樹脂材料をモールド成形加工することによって製造され、１／４波長板７の入射面に接合される。
【００４２】
図４は、本発明の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５３は、１／４波長板７１の基板１０１が測定対象物の振動板を兼用し、それにより小型薄型化されている。基板１０１の入射側の主面には、上記各実施例の波長板ユニットと同様に、多数の微細な凸部１１１からなる微細周期構造１２１が形成されている。基板１０１の前記微細周期構造とは反対側の外面には、金属膜１４１を施して反射面８ａが形成されている。波長板ユニット５３に入射する直線偏光は、微細周期構造１２１を通過して円偏光に変換され、更に基板１０１を透過して反射面８ａで逆向きの円偏光となって反射される。
【００４３】
図５は、図４の波長板ユニット５３の変形例を示している。本実施例の波長板ユニット５４は、同様に１／４波長板７２の基板１０２が測定対象物の振動板を兼用しているが、多数の微細な凸部１１２からなる微細周期構造１２２とは別個の部品として構成されている。基板１０２は、入射側の主面に金属膜１４２を施して反射面８ａが形成されている。微細周期構造１２２は、独立した別個の部品として形成され、金属膜１４２の上に一体に結合されている。波長板ユニット５４に入射する直線偏光は、微細周期構造１２１を通過して円偏光に変換され、反射面８ａで逆向きの円偏光となって反射される。本実施例の基板１０２は、その材質として光学特性を全く考慮することなく様々な材料を選択することができる。また、基板１０２が金属板からなりかつその表面が高い反射率を有する場合には、金属膜１４２を省略することができる。
【００４４】
図６は、本発明の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５５は、１／４波長板７３が１対の構造性複屈折波長板１５ａ，１５ｂを有する。各構造性複屈折波長板１５ａ，１５ｂは、図２の１／４波長板７と同様に構成され、それぞれ所定の厚さを有する平坦な基板１０３，１０４と、該基板の一方の主面に形成した多数の微細な凸部１１３，１１４からなる微細周期構造１２３，１２４とを有する。構造性複屈折波長板１５ａ，１５ｂは、互いに微細周期構造側を対向させ、それらの周辺部でスペーサー９１を挟んで一体に接合されている。このとき、構造性複屈折波長板１５ａ，１５ｂは、それらの位相差の合計が９０°になるように、それらの光学軸を非平行に配置する。
【００４５】
振動板８１は薄板からなり、その入射側の片面には金属膜１４３を施して反射面８ａが形成され、そ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は、その矩形筒状部分において１／４波長板７３の入射側とは反対側の外面に一体に接合されている。波長板ユニット５５に入射する直線偏光は、１／４波長板７３を通過して円偏光に変換され、反射面８ａで逆向きの円偏光となって反射される。尚、振動板８１が金属材料からなりかつその表面が高い反射率を有する場合には、金属膜１４３を省略することができる。
【００４６】
図７は、図６の波長板ユニット５５の変形例を示している。本実施例の波長板ユニット５６は、図３の波長板ユニット５２と同じ反射防止膜１３が１／４波長板７３の入射面に設けられている点において、図６の波長板ユニットと異なる。反射防止膜１３の表面には、正四角錐状の微細な多数の突起１３ａが入射光の波長より小さいピッチで形成され、入射光の反射を有効に抑制している。
【００４７】
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。
【００４８】
図８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１６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１６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１６ａ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１６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１６ａ内に入るサイズを選択する。
【００４９】
受光面１６ａ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１６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１６ａ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。
【００５０】
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１６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。
【００５１】
図９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は、図２の構造を有するものであるが、図３乃至図７の波長板ユニットを置き換えて用いることができる。
【００５２】
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。
【００５３】
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、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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【符号の説明】
【００６１】
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…波長板ユニット、６…二次元イメージセンサー、６ａ，１６ａ…受光面、７…１／４波長板、８…振動板、８ａ…反射面、９…スペーサー、１０…基板、１１…凸部、１２…微細周期構造、１３…反射防止膜、１３ａ…突起、１４…反射膜、１５ａ，１５ｂ…構造性複屈折波長板、１６…一次元イメージセンサー、１９…駆動回路、２０…信号処理回路、２２…コリメートレンズ。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、光検出器と、振動板からなる測定対象物と、前記光源からの出射光を前記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、前記反射面からの反射光を前記光検出器の受光面に集光する第２光学系とを備え、
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波長板とからなり、
前記１／４波長板が、複数の凸部を前記出射光の使用波長より小さい一定のピッチで配列した微細周期構造を有する構造性複屈折波長板からなり、
前記１／４波長板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。
【請求項２】
前記１／４波長板が、それぞれに基板の一方の主面に前記微細周期構造を形成した１対の構造性複屈折波長板からなり、前記１対の構造性複屈折波長板を互いに前記微細周期構造の前記凸部を対向させて配置したことを特徴とする請求項１記載の光センサー。
【請求項３】
前記１／４波長板が、前記振動板とは反対側に設けられた多数の微細凹凸構造からなる反射防止膜を有することを特徴とする請求項１又は２記載の光センサー。
【請求項４】
前記イメージセンサーが二次元イメージセンサーであり、前記二次元イメージセンサーが、前記反射光の前記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、それにより前記二次元イメージセンサーに入射する前記ビームスポット形状の面積を検出し得ることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか記載の光センサー。
【請求項５】
前記イメージセンサーが一次元イメージセンサーであり、前記一次元イメージセンサーが、前記反射光の前記ビームスポット形状の半径方向に整合させて配置され、それにより前記一次元イメージセンサーに入射する前記ビームスポット形状の半径を検出し得ることを特徴とする請求項１１乃至３のいずれか記載の光センサー。
【請求項１】
光源と、光検出器と、振動板からなる測定対象物と、前記光源からの出射光を前記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、前記反射面からの反射光を前記光検出器の受光面に集光する第２光学系とを備え、
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波長板とからなり、
前記１／４波長板が、複数の凸部を前記出射光の使用波長より小さい一定のピッチで配列した微細周期構造を有する構造性複屈折波長板からなり、
前記１／４波長板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。
【請求項２】
前記１／４波長板が、それぞれに基板の一方の主面に前記微細周期構造を形成した１対の構造性複屈折波長板からなり、前記１対の構造性複屈折波長板を互いに前記微細周期構造の前記凸部を対向させて配置したことを特徴とする請求項１記載の光センサー。
【請求項３】
前記１／４波長板が、前記振動板とは反対側に設けられた多数の微細凹凸構造からなる反射防止膜を有することを特徴とする請求項１又は２記載の光センサー。
【請求項４】
前記イメージセンサーが二次元イメージセンサーであり、前記二次元イメージセンサーが、前記反射光の前記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、それにより前記二次元イメージセンサーに入射する前記ビームスポット形状の面積を検出し得ることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか記載の光センサー。
【請求項５】
前記イメージセンサーが一次元イメージセンサーであり、前記一次元イメージセンサーが、前記反射光の前記ビームスポット形状の半径方向に整合させて配置され、それにより前記一次元イメージセンサーに入射する前記ビームスポット形状の半径を検出し得ることを特徴とする請求項１１乃至３のいずれか記載の光センサー。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１２−３７４６１（Ｐ２０１２−３７４６１Ａ）
【公開日】平成２４年２月２３日（２０１２．２．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１７９８８１（Ｐ２０１０−１７９８８１）
【出願日】平成２２年８月１０日（２０１０．８．１０）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年２月２３日（２０１２．２．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年８月１０日（２０１０．８．１０）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
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