特許第6042670号(P6042670)IP Force 特許公報掲載プロジェクト 2022.1.31 β版

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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6042670
(24)【登録日】2016年11月18日
(45)【発行日】2016年12月14日
(54)【発明の名称】回帰反射型センサ
(51)【国際特許分類】
   H01L 31/12 20060101AFI20161206BHJP
   G01V 9/00 20060101ALI20161206BHJP
   G02B 5/124 20060101ALN20161206BHJP
【FI】
   H01L31/12 E
   G01V9/00 C
   !G02B5/124
【請求項の数】5
【全頁数】10
(21)【出願番号】特願2012-200175(P2012-200175)
(22)【出願日】2012年9月12日
(65)【公開番号】特開2014-56911(P2014-56911A)
(43)【公開日】2014年3月27日
【審査請求日】2015年7月1日
(73)【特許権者】
【識別番号】000000033
【氏名又は名称】旭化成株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100121083
【弁理士】
【氏名又は名称】青木 宏義
(74)【代理人】
【識別番号】100138391
【弁理士】
【氏名又は名称】天田 昌行
(74)【代理人】
【識別番号】100121049
【弁理士】
【氏名又は名称】三輪 正義
(72)【発明者】
【氏名】松江 圭祐
【審査官】 濱田 聖司
(56)【参考文献】
【文献】 特開2009−267126(JP,A)
【文献】 特開2011−237637(JP,A)
【文献】 特開2011−154303(JP,A)
【文献】 特開2012−208202(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
H01L 31/12−31/173
G01V 8/00− 8/26
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
光を照射する投光素子と、
前記投光素子に対向し且つ離間して配置された回帰反射板と、
前記投光素子及び前記回帰反射板間の光路上に配置された反射型偏光子と、
前記光路外に配置された受光素子と、を具備する回帰反射型センサであって、
前記反射型偏光子は、前記投光素子が照射した光のうちP波成分のみを通過し、且つ、前記回帰反射板で偏光軸が略90°回転して反射した光のS波成分を前記受光素子に向かって反射するとともに、
前記反射型偏光子の前記回帰反射板側の光入射面が、前記受光素子に向って反射した光が前記受光素子の受光面上に集光するように凹面形状となっており、
前記反射型偏光子の前記凹面の曲率半径が80mm以下であり、
前記反射型偏光子が微細凹凸構造を有するワイヤグリッド偏光子であり、前記微細凹凸構造の形成面が前記凹面側に配置されていることを特徴とする回帰反射型センサ。
【請求項2】
前記投光素子と前記回帰反射子との間に配置された凸レンズをさらに具備することを特徴とする請求項1記載の回帰反射型センサ。
【請求項3】
前記投光素子が前記凸レンズの焦点の位置にあることを特徴とする請求項2記載の回帰反射型センサ。
【請求項4】
前記ワイヤグリッド偏光子の基材が樹脂であることを特徴する請求項1から請求項3のいずれかに記載の回帰反射型センサ。
【請求項5】
前記ワイヤグリッド偏光子のピッチが150nm以下であることを特徴とする請求項1から請求項4のいずれかに記載の回帰反射型センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、反射型偏光子を用いた回帰反射型センサに関するものである。
【背景技術】
【0002】
検出対象物を検知する方法として、回帰反射型センサが知られている。回帰反射型センサは、投光素子、回帰反射板及び受光素子からなる。投光素子と回帰反射板とを所定距離だけ隔てて対向するように配置する。そして、投光素子から出た光が回帰反射板で反射し、戻ってきた光を受光素子によって受光されるか、光路上の検出対象物により遮られて光を受光素子によって受光できないか、を検出することにより、検出対象物の有無を検出する。
【0003】
回帰反射型センサには、反射型偏光子を用いるタイプがある。このタイプでは、投光素子及び回帰反射板間の光路上に、いわゆるP波のみを通過させる反射型偏光子を配置している。
【0004】
図1は、従来の回帰反射型センサを示す概略図である。図1に示す回帰反射型センサ10では、投光素子11を出た光12aは、投光素子11と回帰反射板13との間に配置された反射型偏光子14において、光12aのうちP波のみが通過し、直線偏光の光12bに変換される。次いで、光12bは、回帰反射板13により正反対方向に反射され、且つ、偏光軸が90°変換され、S波として戻ってくる。この光12cは、反射型偏光子14に戻り、ここで、光12dは、その光路に対して90°方向、つまり受光素子15に向かって反射し、受光素子15により受光される。
【0005】
回帰反射型センサ10は、光源である投光素子11の出力量に限界があるため、投光素子11と回帰反射板13との距離が離れると、受光素子15に入ってくる光量が少なくなり、感度が低下するという問題がある。
【0006】
この問題を解決するために、従来、受光素子15に入ってくる光量(受光量)を増加させる方法として、反射型偏光子14と受光素子15との間であって受光素子15の直前に凸レンズからなる受光レンズを設置し、反射型偏光子14からの光を受光素子15に集光することが提案されている(例えば、特許文献1参照)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0007】
【特許文献1】特開2006−351680号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
しかしながら、特許文献1に記載されている回帰反射型センサにおいては、検出の感度を上げるために、受光レンズを追加しているため、コストがかかり、装置が大きくなる場合がある。
【0009】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、小型かつ安価で高感度な検知ができる回帰反射型センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0010】
本発明者は、曲面形成された反射型偏光子を用いることにより、光を集光する構成とし、光の検出感度を向上し、かつ小型で安価な回帰反射型センサを実現することを見出した。
【0011】
本発明の回帰反射型センサは、光を照射する投光素子と、前記投光素子に対向し且つ離間して配置された回帰反射板と、前記投光素子及び前記回帰反射板間の光路上に配置された反射型偏光子と、前記光路外に配置された受光素子と、を具備する回帰反射型センサであって、前記反射型偏光子は、前記投光素子が照射した光のうちP波成分のみを通過し、且つ、前記回帰反射板で偏光軸が略90°回転して反射した光のS波成分を前記受光素子に向かって反射するとともに、前記反射型偏光子の前記回帰反射板側の光入射面が、前記受光素子に向って反射した光が前記受光素子の受光面上に集光するように凹面形状となっており、前記反射型偏光子の前記凹面の曲率半径が80mm以下であり、前記反射型偏光子が微細凹凸構造を有するワイヤグリッド偏光子であり、前記微細凹凸構造の形成面が前記凹面側に配置されていることを特徴とする。
【0012】
この構成により、反射型偏光子が、回帰反射板で反射した光が入射する側の面が凹面形状となるように曲面形成され、入射した光が、受光素子の方向に反射すると共に、受光素子の受光面に集光するようになっているので、受光素子の受光量を、受光レンズを用いることなく増加させることができる。この結果、小型且つ安価な回帰反射型センサで高感度な検出を実現することができる。
【0013】
本発明の回帰反射型センサにおいては、前記投光素子と前記回帰反射子との間に配置された凸レンズをさらに具備することが好ましい。また、前記回帰反射板が前記凸レンズの焦点の位置にあることが好ましい。
【0014】
この構成により、光を効率良く回帰反射板に向かわせることができ、さらに回帰反射型センサの感度を高くすることができる。
【0016】
この構成により、ワイヤグリッド偏光子は2軸延伸や押圧加工に対して高い耐性を有しているため、その他の偏光板と比較して曲面形成時の光学特性の劣化を低減することができる。
【0017】
また、前記ワイヤグリッド偏光子の基材が樹脂であることが好ましい。
【0018】
また、前記ワイヤグリッド偏光子のピッチが150nm以下であることが好ましい。
【発明の効果】
【0019】
本発明によれば、小型かつ安価で高感度な検出が可能な回帰反射型センサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0020】
図1】従来の回帰反射型センサを示す概略図である。
図2】第1の実施の形態に係る回帰反射型センサを示す概略図である。
図3】第1の実施の形態に係るワイヤグリッド偏光子を示す断面模式図である。
図4】第1の実施の形態に係るワイヤグリッド偏光層の2軸延伸を示す模式図である。
図5】第2の実施の形態に係る回帰反射型センサを示す概略図である。
図6】第2の実施の形態に係る回帰反射型センサの他の例を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【0021】
以下、本発明の一実施の形態(以下、「実施の形態」と略記する。)について、詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で種々変形して実施することができる。
【0022】
図2は、第1の実施の形態に係る回帰反射型センサを示す概略図である。図2に示すように、回帰反射型センサ100は、投光素子101を具備する。投光素子101は、所定の方向に向かって光102aを照射する光源である。投光素子101は、例えば、LEDランプ、メタルハライドランプ、水銀ランプ、高圧ナトリウムランプ、低圧ナトリウムランプ、ハロゲンランプ、及び、レーザーランプを挙げることができるが、これらに限定されることはない。ここで、光102aは、自然光(非偏光)である。
【0023】
投光素子101から照射された光102aの光路上には、投光素子101から離間して反射型偏光子103が配置されている。反射型偏光子103は、入射される光102aのうち、P波成分の光102bのみを通過させる。つまり、反射型偏光子103は、自然光である光102aを、直線偏光である光102bに変換する。反射型偏光子103については後で詳細に説明する。
【0024】
なお、反射型偏光子において、入射光に対して反射する光をS波、透過する光をP波という。
【0025】
次に、反射型偏光子103を通過した光102bの光路上には、回帰反射板104が、投光素子101に対向し且つ離間して配置されている。回帰反射板104は、入射された光102bの偏光軸を略90°回転させて、正反対(180°)方向に反射する。従って、反射した光102cはS波に変換される。回帰反射板104は、例えば、投光素子101に対向して配置される側の面に、多角錐形状(例えば、四角錐状又は六角錐状)や球面形状といった立体形状の突部が多数配列されることにより、立体反射面が形成されている。回帰反射板104は、例えば、コーナーキューブリフレクタ、ビーズ型リフレクタ、及び、1/4λ板の光の入射とは反対面にミラーを設けた反射体が挙げることができるが、これらに限定されることはない。また、回帰反射板103は、直線偏光を円偏光に変換する反射体でもあってもよい。
【0026】
回帰反射板104で反射した光102cは、反射型偏光子103に戻る。反射型偏光子103は、光102cが入射する側の面が、光102cの光路に対して略45°をなすように傾斜して配置されている。本実施の形態では、斜め左下方向に傾斜している。また、反射型偏光子103は、P波成分のみを通過し、S波成分を反射するので、光102cは、その光路に対して90°の方向に反射する。
【0027】
反射型偏光子103で反射した光102dの光路上には、受光素子105が配置されている。受光素子105は、その受光面に入射した光を受けて電気に変換し、信号として出力する。受光素子105は、例えば、フォトダイオード及びフォトトランジスタが挙げられるが、これらに限定されるものではない。
【0028】
上述のような構成からなる第1の実施の形態に係る回帰反射型センサ100において、投光素子101及び回帰反射板104の間の光路上であって、反射型偏光子103よりも回帰反射板104側を、検出対象物(図示せず)が存在すると、光102bが遮られ、回帰反射板104に達しない。また、検出対象物が光を反射し得る場合であっても、そこで反射した光は、光102bと同じくP波成分のみからなるため、反射型偏光子103を通過し、受光素子105の方向に反射しない。この結果、受光素子105での受光量が低下し、検出対象物の有無を検知することができる。
【0029】
受光素子105は、例えば、受光量を検知し、しきい値と比較する。光路上に検出対象物が存在しない場合、光を遮る物がないために多くの受光量が得られて比較結果が1になるが、検出対象物が存在すると、光を遮断するため、比較結果が0になる。このようにして、検出対象物の有無を検知することができる。ただし、このような原理に限定されることはない。
【0030】
第1の実施の形態に係る回帰反射型センサ100においては、反射型偏光子103は、上述の光102cが入射する側の主面(以下、凹面という)106が、凹面形状となるように曲面形成されている。このように反射型偏光子103の凹面106の形状は、入射した光102cが、受光素子105の方向に反射すると共に、受光素子105の受光面の中心部、好ましくは中心の一点に向って集光するように配置され、凹面形状となっている。
【0031】
より詳細には、反射型偏光子103の凹面106は、直径Φ(図示せず)を有し、点Oを中心とした曲率半径Rを有する凹面鏡として機能する。反射型偏光子103は、さらに、上述のように入射する光102cの光軸に対し略45°傾斜して配置しているので、曲率半径Rは、反射した光102dの焦点と受光素子105の中心とが合致するように決定されることが好ましい。
【0032】
図1中、記号D1は、投光素子101の出光部と、反射型偏光子103の凹面106の中心Oとの距離(以下、投光素子距離という)を示している。また、記号Tは、反射型偏光子103の凹面106の中心Oと受光素子105の受光面との距離(以下、受光素子距離という)を示している。
【0033】
第1の実施の形態に係る回帰反射型センサ100は、反射型偏光子103は曲面形成をする観点から、ワイヤグリッド偏光子を好適に用いることができる。ワイヤグリッド偏光子の具体例として、旭化成イーマテリアルズ社製ワイヤグリッド偏光フィルムを挙げることができる。図3は、第1の実施の形態に係るワイヤグリッド偏光子を示す断面模式図である。図3に示すように、ワイヤグリッド偏光子200は、フィルム基材201と、例えば紫外線硬化樹脂で作られる微細凹凸構造202と、微細凹凸構造202の延在方向に沿う金属ワイヤ(ナノ金属ワイヤグリッド)203と、を備える。
【0034】
ワイヤグリッド偏光子200は曲面形成した場合においても、耐熱性および加工性の観点から、光学特性が低下しにくいので、更に高感度の回帰反射型センサ100を実現できる。なお、反射型偏光子103としてワイヤグリッド偏光子を用いた場合には、ワイヤグリッド偏光子の微細凹凸構造の形成面が、凹面106側に配置されても、その反対の凸面側に配置されてもよいが、グリッド面を汚さないというハンドリングの観点で、凹面106側にグリッドが配置されているほうがよい。
【0035】
フィルム基材201の材質としては、曲面形成が行いやすいように樹脂が好ましい。具体的には、例えば、シクロオレフィン系ポリマー、ポリカーボネート、トリアセチルセルロース(TAC)及びポリエチレンテレフタレート(PET)が挙げられ、加熱等で延伸可能なものであれば特に限定されないが、偏光光を崩さないため複屈折を有さないものが好ましい。また、フィルム基材201は、熱プレス等による成形で形成された形状を保持できるものが好ましい。
【0036】
このような条件に適合するフィルム基材201の材質は、例えば、シクロオレフィン系ポリマー及びTACである。
【0037】
フィルム基材201の厚みとしては、特に制限されないが、加熱延伸によるレンズ形状を形成する際の金型への形状追従性の観点から、200μm以下であることが好ましく、100μm以下であることがより好ましい。
【0038】
ワイヤグリッド偏光子200は、製品使用環境温度(例えば、105℃以上)又はフィルム基材のガラス転移点(Tg)以下に加熱した状態で、所望のレンズ形状金型に挟み、加熱、押圧、冷却により簡単に形成できる。例えば、フィルム基材201としてトリアセチルセルロースを用いる場合、ガラス転移点が150℃程度となるため、105℃〜150℃の加熱温度範囲で加工できる。
【0039】
ワイヤグリッド偏光子200を曲面形成する方法としては、所望の曲面形状が付与された金型を用いて、熱プレス成形や真空成形、圧空成形によって、ワイヤグリッド偏光子200を加工して、曲面形状を成形することができる。
【0040】
また、ワイヤグリッド偏光子200を曲面形成することにより、ワイヤグリッド偏光子200の面剛性が向上し、ワイヤグリッド偏光子200単体で面形状を保持することが可能である。
【0041】
また、ワイヤグリッド偏光子200を支持枠により支持する場合には、支持枠に粘着又は接着等で固定することが可能である。ワイヤグリッド偏光子200を平面形状で用いる場合、一般的にガラス等の透明剛性基板に粘着剤等を介して精密に貼り合せる必要がある。これに対して、第1の実施の形態によれば、ワイヤグリッド偏光子200を曲面形成し、支持枠に貼りつけるだけでワイヤグリッド偏光子200を固定することができ、加工コスト、組立コストの低減を図ることができる。
【0042】
ワイヤグリッド偏光子200を曲面形成する場合、曲率や設置する角度は、光学設計によって、それぞれ光が集光する任意の曲率及び角度を持たせればよいが、曲面形成したワイヤグリッド偏光子200は、曲率に応じて延伸されるため、ワイヤグリッド偏光子200において曲率を決定する際、以下の式(1)を満たすことが好ましい。
式(1)
0 < [(((D2×(1+ε1)×D3×(1+ε2))/D2×D3)−1]×100 < 200(%)
(式1中の記号は以下の通りの意味を示す。
ワイヤグリッド偏光子200の曲面部の縦長さ;D2
ワイヤグリッド偏光子200の曲面部の横長さ;D3
D2方向の引っ張りひずみ;ε1
D3方向の引っ張りひずみ;ε2)
【0043】
図4に、ワイヤグリッド偏光子200のワイヤグリッド偏光層204の曲面部の長さD2およびD3、引っ張りひずみの方向ε1、ε2を示す。曲面形成したワイヤグリッド偏光子200の曲率が大きく、曲面部の高さが低い場合は、2軸延伸倍率が小さく、ワイヤグリッド偏光子200の光学性能は変化しない。しかし、曲面部の曲率が小さく、基準面からの高さが高い場合、均等に2軸延伸されたとすると、面積ひずみで200%超、ε1、ε2で各々40%超となる。このため、ワイヤグリッド偏光子200の金属ワイヤ203のピッチは少なくとも1.4倍に拡大する。したがって、ワイヤグリッド偏光子200の延伸後に好適な偏光分離性能を有するためには、延伸前で金属ワイヤ203のピッチが150nm以下であることが好ましく、100nmピッチ以下であることがより好ましい。また、上記式(1)に示すように、縦横の曲率半径が異なっていてもよく、3次元の自由曲面で形成することもできる。
【0044】
金属ワイヤ203の材質は、例えばアルミニウムである。
【0045】
以上説明したように、本発明の第1の実施の形態に係る回帰反射型光センサ100において、反射型偏光子103が、回帰反射板104で反射した光102cが入射する側が凹面106となるように曲面形成され、入射した光102cが、受光素子105の方向に反射すると共に、受光素子105の受光面の中心に向って集光するようになっている。これにより、受光素子105の受光量を、従来のように受光レンズを用いることなく増加させることができる。この結果、小型且つ安価で回帰反射型光センサ100により、高感度な検出を実現することができる。
【0046】
特に、反射型偏光子103にワイヤグリッド偏光子200を用いた場合、ワイヤグリッド偏光子200は、2軸延伸や押圧加工(エンボス加工)に対して高い耐性を有しているため、その他の偏光板と比較して曲面形成時の光学特性の劣化を低減することができる。
【0047】
次に、本発明の第2の実施に係る回帰反射型センサについて説明する。第1の実施の形態と同一の構成については、同一の符号を付し、説明を省略する。図5は、第2の実施の形態に係る回帰反射型センサ300を示す概略図である。第2の実施の形態に係る回帰反射型センサ300は、投光素子101から出射され、反射型偏光子103を通過した光102bを効率良く回帰反射板104に向かわせるために、凸レンズ301を、反射型偏光子103と回帰反射板104との間に配置している。凸レンズ301を設けることにより、発光素子101から出射された光の発散を抑えることができ、効率良く回帰反射板104に向かわせることができる。
【0048】
凸レンズ301を透過した光102bは、回帰反射板104で反射する。反射した光102cは、反射型偏光子103に戻る。反射型偏光子103では、光102cは、その光路に対して略90°の方向に反射し、受光素子105の受光面に向かう。これと同時に、反射型偏光子103の凹面106によって、受光素子105の中心に向って集光する。
【0049】
図6に、第2の実施に係る回帰反射型センサの他の例を示す。図6に示すように、回帰反射型センサ400において、凸レンズ401を、発光素子101と反射型偏光子103との間に配置しても良い。この場合にも、発光素子101から出射された光の発散を抑えることができ、効率良く回帰反射板104に向かわせることができる。
【0050】
以上説明したように、第2の実施の形態に係る回帰反射型光センサ100は、第1の実施の形態と同様の効果の他に、発光素子101から出射された光が効率よく、受光素子105に向かい、より高感度な検出が可能になるという効果を奏する。
【実施例】
【0051】
以下、本発明の効果を明確にするために行った実施例及び比較例について説明する。なお、本発明は、以下の実施例によって何ら限定されるものではない。
【0052】
(実施例1)
第1の実施の形態に係る回帰反射型センサ100と同様の構成からなる回帰反射型センサを作成した。回帰反射型センサには、投光素子としてレーザーポインタを、受光素子としてコニカミノルタ社製のCS2000を、回帰反射板としてコーナーキューブリフレクタを、反射型偏光子として旭化成イーマテリアルズ社製ワイヤグリッド偏光フィルムを用いた。
【0053】
実施例1の反射型偏光子は、直径18mm、曲率半径41mmに3次元で曲面加工され、投光素子と反射型偏光子の曲面の中心との距離D1は40mm、受光素子面と反射型偏光子の曲面の中心との距離Tは40mmとした。
【0054】
この場合、信号強度が増大されており、反射型偏光子が平板の場合と比べて、信号強度が10倍となった。
【0055】
(実施例2)
実施例2の反射型偏光子は、直径18mm、曲率半径80mmに3次元で曲面加工した。これ以外は実施例1と同様の構成とした。
【0056】
この場合、信号強度が増大されており、反射型偏光子が平板の場合と比べて、信号強度が3倍となった。
【0057】
(比較例1)
比較例1の反射型偏光子は、回帰反射板と受光素子に向かって凸面となるように配置した。これ以外は実施例1と同様の構成とした。
【0058】
この場合、信号強度が、反射型偏光子が平板の場合と比べて、信号強度が0.3倍となった。
【0059】
なお、本発明は上記実施の形態に限定されず、種々変更して実施することが可能である。上記実施の形態において、添付図面に図示されている大きさや形状等については、これに限定されず、本発明の効果を発揮する範囲内で適宜変更することが可能である。その他、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更して実施することが可能である。
【0060】
反射型偏光子としては、ワイヤグリッド偏光子の他に多層複屈折を利用する反射型偏光子等を使用することができる。
【産業上の利用可能性】
【0061】
本発明は、小型かつ安価で高感度な検知ができる回帰反射型センサを提供することに関し、特に、セキュリティ用途のセンサに好適に利用することができる。
【符号の説明】
【0062】
100、300、400 回帰反射型センサ
101 投光素子
102a、102b、102c、102d 光
103 反射型偏光子
104 回帰反射板
105 受光素子
106 凹面
200 ワイヤグリッド偏光子
201 フィルム基材
202 微細凹凸構造
203 金属ワイヤ
204 ワイヤグリッド偏光層
301、401 凸レンズ
図1
図2
図3
図4
図5
図6