專利名稱：回向反射型光電傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種回向反射型光電傳感器，它可以用來與反射鏡一起將檢測對象區(qū)夾在中間，以便檢測到位于檢測區(qū)中的反光對象物體。
背景技術(shù)：
回向反射型光電傳感器通常與反射鏡一起使用以夾持位于其間的檢測對象區(qū)，基于從傳感器發(fā)送的光線經(jīng)由反射鏡反射的光線和經(jīng)由檢測對象物體反射的光線之間的性質(zhì)差異，檢測出該檢測對象物體存在與否。在回向反射型光電傳感器用于對象物體的情況下，采用的反射鏡具有影響從傳感器發(fā)送的光的偏振態(tài)的反射性質(zhì)，檢測的對象物體是否存在取決于下列原則在接收到的來自于檢測對象區(qū)的光線中是否包含不同于由反射鏡反射的光線的偏振分量。為了實現(xiàn)這個目的，公知采用的反射鏡類型是，例如，具有分布在反射面上的許多三角錐形凹部，使得入射光在錐形頂點周圍的三個面上被幾次反射，以改變最初為線偏振的入射光的偏振態(tài)并且沿入射方向?qū)⒎瓷涔夥祷亍?br> 本發(fā)明人最早公開了一種稱為雙軸型的回向反射型光電傳感器。在該傳感器中，采用了延遲值小于17nm/mm的、偏振畸變小的光發(fā)送透鏡和光接收透鏡，通過樹脂材料的注射成型來制造該些透鏡，通過順序設(shè)置光發(fā)送元件、第一偏光板(例如，用于垂直偏振)和光發(fā)送透鏡來制作光發(fā)送光學(xué)系統(tǒng)，并且通過順序設(shè)置光接收元件、第二偏光板(例如，用于水平偏振)和光接收透鏡來制作光接收光學(xué)系統(tǒng)。
類似地，本發(fā)明人還公開(在日本專利公報Tokkai 2001-228260中)一種稱為同軸型的不同的回向反射型光電傳感器，包括光發(fā)送光學(xué)系統(tǒng)，通過使來自于光發(fā)送元件的光線通過第一偏光板(例如，用于垂直偏振)來射出光線；光接收光學(xué)系統(tǒng)，通過第二偏光板(例如，用于水平偏振)接收光線并使用光接收元件將接收光轉(zhuǎn)換成電信號；單一共用透鏡，用于來自光發(fā)送元件的發(fā)送光和將被光接收元件接收的接收光；以及分束鏡，設(shè)置在光發(fā)送和光接收光學(xué)系統(tǒng)與共用透鏡之間，用于導(dǎo)引從光發(fā)送元件出射的光線至共用透鏡和經(jīng)共用透鏡入射的光線到光接收光學(xué)元件。
具有這種結(jié)構(gòu)的傳感器的優(yōu)點是第一和第二偏光板按照早期技術(shù)常常被設(shè)置在各透鏡的前面，現(xiàn)在被設(shè)置在透鏡的后面并且尺寸可以制作得更小，因此傳感器殼和透鏡可以一體成形，從而顯著降低傳感器的制造成本。
具有這種結(jié)構(gòu)的傳感器將第一和第二偏光板均設(shè)置在透鏡的后面，但是，即使兩偏光板被設(shè)置為互相正交的關(guān)系(或橫尼克耳關(guān)系(cross-nicolrelationship)，形成所謂的橫尼克耳)，仍然存在光泄漏的問題，使得在發(fā)光對象物體存在的情況下接收光的數(shù)量不能充分小于在發(fā)光對象物體不存在的情況下接收光的數(shù)量。

發(fā)明內(nèi)容
因此，考慮到上述的問題，本發(fā)明的一個目的是提供一種能夠以便宜的價格制造并且仍然具有可靠檢測能力的回向反射型光電傳感器。
實施本發(fā)明的回向反射型光電傳感器可以是雙軸型的或同軸型的。實施本發(fā)明的雙軸型回向反射型光電傳感器包括光發(fā)送光學(xué)系統(tǒng)，具有順次設(shè)置的光發(fā)送元件、第一偏光板和光發(fā)送透鏡；光接收光學(xué)系統(tǒng)，具有順次設(shè)置的光接收透鏡、第二偏光板和光接收元件；和一相移板，插入光發(fā)送光學(xué)系統(tǒng)的第一偏光板和光發(fā)送元件之間，其中第一偏光板和第二偏光板具有相互正交的偏振軸。于是，來自光發(fā)送元件的光線通過第一偏光板同時增大其通量的截面積，以便入射到光發(fā)送透鏡上并且透射進(jìn)入檢測對象區(qū)。類似地，由光接收透鏡接收到的反射光通過第二偏光板同時減小其通量的截面積，以便入射到光接收元件上，光接收元件根據(jù)接收光的數(shù)量產(chǎn)生電信號。第一和第二偏光板被設(shè)置為使得它們的偏振軸彼此正交，或者它們可以被優(yōu)選設(shè)置為所謂的橫尼克耳(cross-nicol)關(guān)系。還可以將相移板設(shè)置在光發(fā)送光學(xué)系統(tǒng)的第一偏光板和光發(fā)送透鏡之間。一1/2波板(或1/2相移板)可以優(yōu)選地被用于這個目的。
對于這種結(jié)構(gòu)的傳感器，當(dāng)光線通過第一偏光板和光發(fā)送透鏡時，主要在與偏振軸成約45°的方向上傳播的光束中發(fā)生光線的偏振面旋轉(zhuǎn)，由于插入的相移板，該偏振面旋轉(zhuǎn)被抵償。結(jié)果，在檢測對象區(qū)中存在對象物體與不存在對象物體時接收光的數(shù)量差異變大，于是可以提高檢測的可靠性。這種傳感器可以描述為包括光發(fā)送光學(xué)系統(tǒng)，具有順次設(shè)置的光發(fā)送元件、第一偏光板和光發(fā)送透鏡；光接收光學(xué)系統(tǒng)，具有順次設(shè)置的光接收透鏡、第二偏光板(其偏振軸垂直于第一偏光板的偏振軸)和光接收元件；和設(shè)置在第一偏光板和光發(fā)送透鏡之間的裝置，用于抵銷總的偏振面旋轉(zhuǎn)，依賴于其選通角(gate angle)，總偏振面旋轉(zhuǎn)是沿1點30分、4點30分、7點30分和10點30分的方向(或與偏振軸成約45°角的方向)傳播的光束通過第一偏光板和光發(fā)送透鏡所造成的旋轉(zhuǎn)的總和。
也可以在光接收光學(xué)系統(tǒng)的光接收透鏡和第二偏光板之間提供另一個相移板。對于這種結(jié)構(gòu)的傳感器，也抵償了主要發(fā)生在與偏振軸成約45°的方向上傳播的光束中的反射光的偏振面旋轉(zhuǎn)。于是，在檢測對象區(qū)中存在對象物體與不存在對象物體時接收光的數(shù)量差異變得更大，因此可以進(jìn)一步提高檢測的可靠性。
如果光發(fā)送和光接收透鏡通過成型塑料材料被一體形成，偏光板可以做得更小，并且可以降低制造成本。
實施本發(fā)明的同軸型回光反射光電傳感器包括光發(fā)送光學(xué)系統(tǒng)，具有光發(fā)送元件和第一偏光板，并用于將來自光發(fā)送元件的光線經(jīng)第一偏光板射出；光接收光學(xué)系統(tǒng)，具有第二偏光板和光接收元件，并用于通過光接收元件將經(jīng)由第二偏光板接收到的光線轉(zhuǎn)換成電信號，第二偏光板的偏振軸垂直于第一偏光板的偏振軸；單個透鏡，用于其中通過的來自光發(fā)送元件的發(fā)送光和將被光接收元件接收的接收光；分束鏡，用于導(dǎo)引由光發(fā)送光學(xué)系統(tǒng)接收到的光線到單個透鏡和由單個透鏡接收到的光線到光接收光學(xué)系統(tǒng)；和相移板，插入在第一偏光板和分束鏡之間。根據(jù)本實施例，同樣，來自光發(fā)送元件的光線通過第一偏光板同時增大其通量的截面積，以便入射到光發(fā)送元件上并透射進(jìn)入檢測對象區(qū)，并且由光接收透鏡接收到的反射光通過第二偏光板同時減小其通量的截面積，以便入射到光接收元件上，該光接收元件用于根據(jù)接收光的數(shù)量產(chǎn)生電信號。第一和第二偏光板被設(shè)置為使得它們的偏振軸相互正交，或者它們優(yōu)選地被設(shè)置在所謂橫尼克耳關(guān)系中。也可以在光發(fā)送光學(xué)系統(tǒng)的第一偏光板和光發(fā)送透鏡之間設(shè)置相移板。1/2波板(1/2相移板)可優(yōu)選地用于這個目的。上述的雙軸型傳感器的優(yōu)點也出現(xiàn)在同軸型的傳感器中。
或者，上述的相移板可以設(shè)置在分束鏡和單個透鏡之間。該實施例的優(yōu)點是減小了組成部件的數(shù)量，因此降低了生產(chǎn)成本。


圖1A和1B是分別用于解釋在檢測對象區(qū)中不存在物體和存在物體時雙軸型的回向反射型光電傳感器的工作原理的示意圖；圖2是實施本發(fā)明雙軸型的回向反射型光電傳感器的光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖；圖3A和3B是分別用于解釋在檢測對象區(qū)中不存在物體和存在物體時同軸型的回向反射型光電傳感器的工作原理的示意圖；圖4是實施本發(fā)明同軸型的回向反射型光電傳感器的光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖；圖5由圖5A、5B和5C構(gòu)成，包括用于解釋因偏光板而改變光線的偏振方向的示圖；圖6由圖6A、6B和6C構(gòu)成，包括用于解釋因透鏡而改變光線的偏振方向的示圖；圖7由圖7A、7B和7C構(gòu)成，包括用于解釋因1/2相移板而改變光線的偏振方向的示圖；圖8由圖8A、8B和8C構(gòu)成，以及圖9由圖9A和9B構(gòu)成，是用于解釋通過消除透鏡效應(yīng)而達(dá)到的因1/2相移板而改變光線的偏振方向的示圖；圖10由圖10A、10B和10C構(gòu)成，以及圖11由圖11A和11B構(gòu)成，是用于解釋因偏光板、1/2相移板和透鏡所造成的光線的偏振方向的總變化的示圖；圖12A和12B，一起稱為圖12，是實施本發(fā)明雙軸型的回向反射型光電傳感器的例子的示意圖；圖13是實施本發(fā)明同軸型的回向反射型光電傳感器的例子的示意圖；圖14是實施本發(fā)明另一同軸型的回向反射型光電傳感器的光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。
具體實施例方式
接下來，參考附圖通過實施例說明本發(fā)明，但是該實施例僅是實施本發(fā)明的許多例子中的一個，因此不是用來限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
圖1A和1B分別用于解釋在檢測對象區(qū)中不存在物體和存在物體時雙軸型的回向反射型光電傳感器100的工作原理的示意圖。在圖1A和1B中，標(biāo)記200表示具有反射面200a的反射鏡，標(biāo)記300表示具有反射面300a的檢測反光對象物體，標(biāo)記L1表示由傳感器100發(fā)送的光線，標(biāo)記L2表示來自反射鏡200的反射光，以及標(biāo)記L3表示來自對象物體300的反射光。
從圖1A和1B可以明顯地看出，回向反射型傳感器100與反射鏡200相對設(shè)置，以便將檢測對象區(qū)夾在其間，認(rèn)為要通過在檢測對象區(qū)中的對象物體300。如上所述，反射鏡200的反射面200a被形成為不僅反射來自傳感器100的發(fā)送光L1，而且在反射時改變其偏振態(tài)。例如，如果來自傳感器100的發(fā)送光L1是沿水平方向的線偏振光，反射光L2可以是包括垂直分量的橢圓偏振光。
如果在檢測對象區(qū)中不存在物體，如圖1A所示，來自傳感器100的發(fā)送光L1被反射鏡200的反射面200a反射，于是傳感器100接收到足夠大數(shù)量的反射光L2。例如，如果來自傳感器100的發(fā)送光L1是沿垂直方向的線偏振光，則反射光L2是包括水平分量的橢圓偏振光。于是，基于在接收到的來自檢測對象區(qū)的光線中是否包含一定量的水平分量，傳感器100可以判斷出在檢測對象區(qū)中是否存在物體。
如果在檢測對象區(qū)中存在反光對象物體300，如圖1B所示，來自傳感器100的發(fā)送光L1被其反射面300a反射，于是傳感器100接收到相當(dāng)大數(shù)量的反射光L3。由于對象物體300的反射面300a沒有被特殊構(gòu)造以改變?nèi)肷涞狡渖系摹碜詡鞲衅?00的光線L1的偏振態(tài)，例如，如果來自傳感器100的發(fā)送光L1是沿垂直方向的線偏振光，則來自對象物體300的反射光L3也將是沿垂直方向的線偏振光，不具有水平分量。于是，基于在接收到的來自檢測對象區(qū)的光線中不存在水平分量，可以檢測出在檢測對象區(qū)中存在物體。
如圖2所示，實施本發(fā)明的雙軸型的回向反射型光電傳感器100’包括用于發(fā)送光線的光學(xué)系統(tǒng)(光發(fā)送光學(xué)系統(tǒng)1)和用于接收光線的另一光學(xué)系統(tǒng)(光接收光學(xué)系統(tǒng)2)。光發(fā)送光學(xué)系統(tǒng)1具有順序設(shè)置的光發(fā)送元件11、第一偏光板12和光發(fā)送透鏡14，光接收光學(xué)系統(tǒng)2具有順序設(shè)置的光接收透鏡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軸。在本發(fā)明中，第一偏光板12的偏振軸是垂直的，而第二偏光板23的偏振軸是水平的。換句話說，在本實施例中，第一和第二偏光板12和23是所謂的橫尼克耳關(guān)系(cross-nicol relationship)。
另外，在光發(fā)送光學(xué)系統(tǒng)1的第一偏光板12和光發(fā)送透鏡14之間設(shè)置一半波相移板(此后稱為”1/2相移板”)13，并且在光接收光學(xué)系統(tǒng)2的光接收透鏡21和第二偏光板23之間設(shè)置另一1/2相移板22。盡管圖2顯示出第一和第二偏光板12和23分別與1/2相移板13和22中相應(yīng)的一個直接接觸，但是這不是用來限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。它們可被設(shè)置為相互分開，其間存在合適的間隔。優(yōu)選地，光發(fā)送和光接收透鏡14和21采用折射率小的材料。可以利用雙折射小的塑料透鏡和玻璃透鏡。
來自光發(fā)送元件11的發(fā)送光通過第一偏光板12和1/2相移板13，同時以固定的比率增加其通量的截面積，并且入射到光發(fā)送透鏡14上，此后作為發(fā)送光L1傳播到檢測對象區(qū)。來自檢測對象區(qū)的反射光L2或L3通過光接收透鏡21，然后通過1/2相移板22和第二偏光板23同時以固定的比率減小其通量的截面積，被光接收元件24接收并因此被轉(zhuǎn)換成電信號。由于第一和第二偏光板12和23具有橫尼克耳關(guān)系，如上參考圖1所作的描述，可以判斷出在檢測對象區(qū)中是否存在物體。
根據(jù)本發(fā)明，由于1/2相移板13和22被分別插入到第一偏光板12和光發(fā)送透鏡14之間與光接收透鏡21和第二偏光板23之間，可以最小化當(dāng)在檢測對象區(qū)中存在發(fā)光對象物體時光線的泄漏，使得當(dāng)在檢測對象區(qū)中存在和不存在對象物體時接收到的光線的數(shù)量差異足夠大。此后將參考圖5-11更詳細(xì)地加以說明。
本發(fā)明包括稱為同軸型的回向反射型光電傳感器。圖3A和3B是分別用于解釋在檢測對象區(qū)中不存在物體和存在物體時同軸型的回向反射型光電傳感器400的工作原理的示意圖。在圖3A和3B中，與上述圖1A和1B相同，標(biāo)記200表示具有反射面200a的反射鏡，標(biāo)記300表示具有反射面300a的對象物體，標(biāo)記L1表示由傳感器100發(fā)送的光線，標(biāo)記L2表示來自反射鏡200的反射光，以及標(biāo)記L3表示來自對象物體300的反射光。
工作原理與雙軸型的傳感器基本相同。如圖3A所示，如果在檢測對象區(qū)中不存在物體，則傳感器400接收到來自反射鏡200的反射光L2，但是如圖3B所示，如果在檢測對象區(qū)中存在對象物體300，則傳感器400接收到來自對象物體300的反射光L3。區(qū)別是反射光L2和L3與發(fā)送光L1具有相同的光軸。
如圖4所示，實施本發(fā)明的同軸型的回向反射型光電傳感器400包括用于發(fā)送光線的光學(xué)系統(tǒng)(光發(fā)送光學(xué)系統(tǒng)3)和用于接收光線的另一光學(xué)系統(tǒng)(光接收光學(xué)系統(tǒng)4)。光發(fā)送光學(xué)系統(tǒng)3用于將來自光發(fā)送元件31并經(jīng)過第一偏光板32的光線射出，光接收光學(xué)系統(tǒng)4用于通過光接收元件43將經(jīng)第二偏光板42起偏的接收光轉(zhuǎn)換成電信號。傳感器400還包括單個透鏡(“共用透鏡5”)，用于通過發(fā)送光和接收光；和一分束鏡6，設(shè)置在共用透鏡5與光發(fā)送和光接收光學(xué)系統(tǒng)3和4之間，用于將由光發(fā)送光學(xué)系統(tǒng)3發(fā)送的出射光導(dǎo)引至共用透鏡5，并且將經(jīng)共用透鏡5接收到的入射光導(dǎo)引至光接收光學(xué)系統(tǒng)4。
光發(fā)送和光接收光學(xué)系統(tǒng)3和4各自的第一和第二偏光板32和42的偏振方向(或偏振軸的方向)不同。在描述的本實施例中，第一偏光板32的偏振軸垂直于由光發(fā)送元件和共用透鏡5確定的平面，并且第二偏光板的偏振軸是水平的。
除了上面所描述的，一1/2相移板33被設(shè)置在光發(fā)送光學(xué)系統(tǒng)3的第一偏光板32和分束鏡6之間，另一1/2相移板41被設(shè)置在光接收光學(xué)系統(tǒng)4的第二偏光板42和分束鏡6之間。優(yōu)選地，共用透鏡5也采用折射率小的材料?？梢岳秒p折射小的塑料透鏡或玻璃透鏡。
來自光發(fā)送元件31的發(fā)送光通過第一偏光板32和1/2相移板33，同時以固定的比率增加其通量的截面積，且入射到共用透鏡5上，此后作為發(fā)送光L1傳播到檢測對象區(qū)。來自檢測對象區(qū)的反射光L2或L3通過共用透鏡5，此后順序通過1/2相移板41和第二偏光板42同時以固定的比率減小其通量的截面積，被光接收元件43接收到并因此被轉(zhuǎn)換成按照接收光數(shù)量的電信號。由于第一和第二偏光板32和42是處于橫尼克耳關(guān)系中，如上參考圖3所作的解釋，可以判斷出在檢測對象區(qū)中是否存在物體。
根據(jù)本發(fā)明，由于1/2相移板33和41被分別插入到第一偏光板32和分束鏡6之間以及分束鏡6和第二偏光板42之間，因此可以使在檢測對象區(qū)中存在和不存在反光對象物體時所接收到的光的數(shù)量差異足夠大。下面將參考圖5-11更詳細(xì)地加以分析。
圖5A、5B和5C解釋由偏光板造成的偏振面(或偏振方向)的局部旋轉(zhuǎn)。如圖5A所示，本發(fā)明人設(shè)置彼此相對的光發(fā)送元件LT和靜止鏡頭SC，并且在光發(fā)送元件LT和靜止鏡頭SC之間的光路上設(shè)置成橫尼克耳關(guān)系的第一偏光板P11和第二偏光板P12。于是，由鏡頭SC拍攝的圖像清晰地顯示出在對應(yīng)于正方形四個角的四個位置處存在光線泄漏?？梢哉J(rèn)為，由于來自光發(fā)送元件LT的光線在傳播時其截面積增加，因此如果它的”選通角(gateangle)”θ1(如圖5A所示，定義為光束的光軸和偏離光軸的光束之間的角度)大，它不能通過與其垂直的偏光板P11和P12。
假定第一偏光板P11的偏振方向(或偏振軸)是垂直的，而第二偏光板P12的偏振方向是水平的。圖5B顯示了來自光發(fā)送元件LT的發(fā)送光的不同部分的偏振方向，圓的中央表示前進(jìn)方向垂直于第一偏光板P11的光束。位置12點、3點、6點和9點分別表示前進(jìn)方向向上、向右、向下和向左的光束。如圖5B所示，對于直線傳播的光束，以及在相應(yīng)于12點、3點、6點和9點的方向上傳播的光束，來自光發(fā)送元件LT的該些發(fā)送光束的垂直偏振方向不會改變。然而，對于在相應(yīng)于1點30分、4點30分、7點30分和10點30分的方向上(均與偏振軸成45°的角度)的光束，偏振方向出現(xiàn)變化。如圖5C所示，隨著選通角的增大，該變化增加，導(dǎo)致上述的光線泄漏。
圖5C的曲線圖顯示出在1點30分的方向上(圖5B中所示的位置A)，選通角和偏振面角度之間的關(guān)系。該曲線圖顯示出如果選通角小于10°，則偏振方向幾乎不變化，但是如果選通角大于10°，則偏振方向迅速變化，當(dāng)選通角為30°時，偏振方向的變化大約是2°。
于是，如果兩個偏光板P11和P12設(shè)置在光發(fā)送元件LT的前面，并且使來自光發(fā)送元件LT的光線通過這些偏光板P11和P12，則離開發(fā)送光的光軸的光束斜穿過偏光板，并且這些光束的偏振方向顯著變化。這就是導(dǎo)致光線泄漏的原因。
圖6A、6B和6C解釋由透鏡造成偏振面的局部旋轉(zhuǎn)。讓我們考慮下列情況線偏振的光束從凸面S2一側(cè)通過平凸透鏡LS(具有平面S1和凸面S2)，如圖6A所示。如果光束的入射方向由標(biāo)記51表示，入射點處的法線方向由標(biāo)記52表示，該光束的入射角θ2是這兩個方向51和52之間的角度。該圖清楚顯示出當(dāng)光束的入射點接近透鏡LS的周緣時，入射角θ2變大。
在圖6A中，標(biāo)記B表示以45°的角度斜入射的線偏振光束。圖6C的曲線圖顯示出該光束的偏振方向發(fā)生變化，更詳細(xì)的解釋，例如見Tsuruta的”應(yīng)用物理工程(Applied Physical Engineering)”，由Baiyo-kan出版(第五版(1998))，第237-240頁。具體的說明是”如果線偏振光在與入射平面成45°的方向上振蕩，在p偏振和s偏振的透射率tp和ts之間不存在相位延遲，由于tp＞ts，則透射光束也是線偏振的并且其振蕩平面些微靠近入射平面(θ2＜45°)?！眻D7A、7B和7C解釋由1/2相移板造成偏振方向變化的結(jié)果。讓我們考慮下列情況如圖7A所示，1/2相移板P2重疊在第一偏光板P11的出射側(cè)上，以形成組合結(jié)構(gòu)，來自光發(fā)送元件LT的光線從第一偏光板P11側(cè)通過該組合結(jié)構(gòu)到達(dá)1/2相移板P2。于是，如上參考圖5B所作的解釋，在沿1點30分、4點30分、7點30分和10點30分的方位，從偏光板P11射出的光線的線偏振方向發(fā)生變化。然而，在1/2相移板P2的出射側(cè)，存在逆向的變化。在這種情況下，由于斜透射偏光板P11而造成的偏振方向的變化和由于透射1/2相移板P2而造成的偏振方向的變化彼此相關(guān)，以使極性反轉(zhuǎn)，如圖7C所示。例如，如果通過偏光板P11后偏振方向的變化是+Δθ，在通過1/2相移板P2后的變化是-Δθ。在圖7B中顯示出其它光束的這種變化。
接著，參考圖8A、8B、8C、9A和9B來說明本發(fā)明人進(jìn)行的實驗，關(guān)于由1/2相移板造成的偏振方向的變化，它是通過消除透鏡效應(yīng)而獲得的。在該實驗中，光發(fā)送元件LT和靜止鏡頭SC彼此相對設(shè)置，第一偏光板P11和第二偏光板P12以橫尼克耳關(guān)系被設(shè)置在光發(fā)送元件LT和靜止鏡頭SC之間的光路上，如圖5A所示。1/2相移板P2還被設(shè)置在第一偏光板P11的出射側(cè)上，如圖7A和圖8A所示。圖8B顯示出在偏光板P11的出射側(cè)和1/2相移板P2的出射側(cè)觀察到的偏振方向。
圖8B顯示出在1點30分、4點30分、7點30分和10點30分的方位，觀察根據(jù)選通角發(fā)生的偏振方向的變化。如圖8C所示，如果由于偏光板P11引起偏振方向的變化是+Δθ，在通過1/2相移板P2后的變化是-Δθ。結(jié)果，在光線通過第二偏光板P12后，由鏡頭SC攝取的圖像包括具有光線泄漏的四個區(qū)域A11、A12、A13和A14，如圖9A所示。標(biāo)記A2表示屏幕區(qū)。
圖9B是一曲線圖，顯示出由于斜入射到偏光板上所造成的偏振方向的變化在通過1/2相移板后極性反轉(zhuǎn)?？傊?，如圖7A和8A所示，通過設(shè)置在偏光板P11的出射側(cè)的1/2相移板P2，可以顛倒偏光板P11對于偏振方向的影響。
接下來，參考圖10A、10B、10C、11A和11B來說明偏光板、1/2相移板和透鏡的組合效應(yīng)。如圖10A所示，順序設(shè)置光發(fā)送元件LT、第一偏光板P11、1/2相移板P2、透鏡LS、第二偏光板P12和靜止鏡頭SC，由光發(fā)送元件LT發(fā)送的光線順序通過第一偏光板P11、1/2相移板P2和透鏡LS以便入射到第二偏光板P12上，并且從第二偏光板P12射出的光線被鏡頭SC觀察到。結(jié)果是，如圖10B和10C所示，在沿1點30分、4點30分、7點30分和10點30分的方位，當(dāng)光線通過偏光板P11時，偏振方向根據(jù)選通角發(fā)生變化。當(dāng)光線通過1/2相移板P2后，由于斜入射到偏光板P11上引起的偏振方向變化出現(xiàn)極性反轉(zhuǎn)。當(dāng)光線進(jìn)一步通過透鏡LS時，依賴于入射角，偏振方向進(jìn)一步地變化。因為由透鏡LS造成的偏振方向變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變化，如圖10C所示，由鏡頭SC攝取的第二偏光板P12的圖像可以全部地進(jìn)入屏幕區(qū)A2中，使得可以徹底地防止光線的泄漏。
這就是說，如圖11B所示，可以使偏振方向的變化大致為常數(shù)，而與選通角的增加無關(guān)。換句話說，由于斜入射到偏光板上引起的圖5C所示的偏振方向的變化，可以通過圖9B所示的1/2相移板被反轉(zhuǎn)，進(jìn)一步通過圖9C所示的依賴于透鏡的入射角的變化被抵消，使得最終可以獲得圖11B所示的接近平坦的變化特性。按照這種方式，可以在幾乎整個區(qū)域上維持第一和第二偏光板之間的尼克耳關(guān)系。
盡管以上參考圖5-11說明了一種情況光線順序通過偏光板、1/2相移板和透鏡，但是當(dāng)光線順序通過透鏡、1/2相移板和偏光板時，也獲得類似的結(jié)果。于是，在光接收光學(xué)系統(tǒng)中也可以以類似的方式減少光線的泄漏。
總之，本發(fā)明的回向反射型光電傳感器采用圖2或4的光學(xué)結(jié)構(gòu)，使得可以減少光線的泄漏，如圖11所示，因此可以清晰地判斷出是否存在檢測對象物體。
正如以上參考圖5-11所作的說明，本發(fā)明的基本原理是適當(dāng)平衡由于光線通過偏光板而造成的偏振方向的變化、由于通過相移板造成的偏振方向的反轉(zhuǎn)以及由于通過透鏡所造成的偏振方向的變化，使得它們將被抵消掉。于是，可以將由相移板產(chǎn)生的相位移動效應(yīng)作為設(shè)計的考慮因素。根據(jù)本發(fā)明人的研究，優(yōu)選地由相移板產(chǎn)生的相位移動在3/8-5/8(相對于波長，即，單位是λ)的范圍內(nèi)，更優(yōu)選地接近1/2。據(jù)認(rèn)為，從偏光板的入射角和透鏡的入射角之間的關(guān)系可以得到最佳的相位移動。根據(jù)本發(fā)明人的研究，優(yōu)選地，偏光板的偏振軸與相移板的光軸之間的角度應(yīng)當(dāng)約小于5°。
再次參考圖2，更為詳細(xì)地闡述本發(fā)明。
來自光發(fā)送元件11的光束通過第一偏光板12和1/2相移板13，然后繼續(xù)傳播同時增加其截面積，使得它與光發(fā)送透鏡14的有效表面積大約相同。光束的中央部分(沿著它的光軸)入射到第一偏光板12、1/2相移板13和光發(fā)送透鏡14的全部上，因此它的(線)偏振方向不會變化。因為1/2相移板的光軸設(shè)置為平行于(或垂直于)第一偏光板12的偏振方向(偏振軸)，中央光束處于相同的條件下，就如同1/2相移板不存在，所以在偏振方向不變化的條件下，光束傳播到光發(fā)送透鏡14。由于該中央光束也垂直入射到光發(fā)送透鏡14上，在不改變其偏振方向的條件下，光束通過光發(fā)送透鏡14的中央。
其次，將討論從光發(fā)送元件11發(fā)送的光束的外圍部分(它將通過光發(fā)送透鏡14的有效區(qū)的外圍點)。光線的這些部分不會垂直入射到第一偏光板12上，并且如上參考圖5B所作的說明，偏振方向依賴于光束的角度位置而變化。例如，參考圖5B討論沿1點30分方向傳播的部分。只要它的選通角足夠小(例如，小于10°)，該光束的偏振方向?qū)⒉桓淖?，但是?dāng)選通角增加時，偏振方向開始改變。當(dāng)選通角是30°時，偏振方向變化+1.8°。
如果不存在1/2相移板13，上述光束的外圍部分直接通過光發(fā)送透鏡14，它的偏振方向?qū)⑦M(jìn)一步沿正向變化，如上參考圖6所作的說明。如果光發(fā)送透鏡14由丙烯樹脂材料制成，如果入射角是68°(對應(yīng)于30°的選通角)，偏振方向的變化將增大到4.0°。包括由第一偏光板12引起的變化的總變化將會是1.8°+4.0°＝5.8°。
根據(jù)本發(fā)明，如果在第一偏光板12和光發(fā)送透鏡14之間插入1/2相移板13，該相移板13的作用是使偏振方向沿相反的方向變化，變化的角度與當(dāng)光束通過第一偏光板12時偏振方向變化的角度相同。如上參考圖7和8所作的說明。如果選通角是30°，偏振方向的變化將從+1.8°變?yōu)?1.8°。但是，在實驗中，它不是-1.8°而是-3.2°。這可能是因為1/2相移板被粘貼到第一偏光板12上，存在其光軸的設(shè)置誤差。
此后，光束通過光發(fā)送透鏡14，偏振方向再次朝正向變化，抵消了最初獲得的負(fù)向變化。如果入射到光發(fā)送透鏡14上的角度是68°，偏振方向變化+4.0°，總變化變?yōu)?3.3°+4.0°＝+0.8°。這遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于如果沒有插入1/2相移板13時偏振方向的總變化+5.8°。即使在通過1/2相移板13后偏振方向變化是-1.8°的情況下，當(dāng)光線通過光發(fā)送透鏡14后，總變化變?yōu)?1.8°+4.0°＝+2.2°，它仍然大大小于如果沒有插入1/2相移板13時的情況。
接下來，再次參考圖4，更詳細(xì)地說明第一和第二偏光板32和42的偏振軸的方向之間的關(guān)系。
首先假定第一偏光板32的偏振軸的方向垂直于(沿“垂直方向)由光發(fā)送元件31、光接收元件43和共用透鏡5所定義的平面，并且第二偏光板42的偏振軸的方向是水平的。在這種情況下，從光發(fā)送元件31發(fā)送的、并且通過第一偏光板32的光線是沿垂直方向的線偏振光，除了對于沿1點30分、4點30分、7點30分和10點30分的方向(或與偏振軸成45°的方向)傳播的光束，如上所述，如果選通角變得足夠大，偏振方向改變。當(dāng)該線偏振光通過1/2相移板33后，它作為s偏振光(即，它的偏振面平行于分束鏡6的表面)入射到分束鏡6上。于是，該入射光的一部分按照布魯斯特定律被分束鏡6反射，僅僅在垂直方向上振蕩的光線部分(或p偏振光)朝檢測對象區(qū)傳播(作為圖3的發(fā)送光L1)。
如果該光線被反射鏡200反射(如圖3A所示)，反射光L2是橢圓偏振光，包括沿垂直方向振蕩的光線和沿水平方向振蕩的光線。大部分沿水平方向振蕩的光線通過分束鏡6，并且在它通過1/2相移板41和具有水平偏振軸的第二偏光板42之后，它被光接收元件43接收。換句話說，一部分反射光L2被光接收元件43接收。
如果發(fā)送光L1被對象物體300反射，如圖3B所示，反射光L3僅包括沿垂直方向振蕩的分量，因為僅僅垂直于對象物體振蕩的光線入射到對象物體上。該反射光的一部分按照布魯斯特定律再次被分束鏡6反射，但是剩余部分通過分束鏡6。通過分束鏡6的部分也通過1/2相移板41但是不能通過第二偏光板42，于是它不會被光接收元件43接收到。換句話說，來自對象物體300的反射光L3不會被光接收元件43接收到。于是，傳感器可以區(qū)分出來自反射鏡的反射光和來自對象物體的反射光。分束鏡6可以是不具有偏振特性的半透鏡或者是具有偏振特性的偏振分束鏡。
下面讓我們討論一種情況第一偏光板32的偏振軸的方向是水平的，而第二偏光板42的偏振軸的方向是垂直的。在這種情況下，由光發(fā)送元件31發(fā)送的、并且通過第一偏光板32的光線是線偏振光，沿水平方向振蕩。當(dāng)該線偏振光通過1/2相移板33后，它作為p偏振光入射到分束鏡6上，即，它的偏振面垂直于分束鏡6的平面。于是，該入射光按照布魯斯特定律通過分束鏡6，幾乎沒有光線傳播到檢測對象區(qū)中。這就是說，圖4所示的結(jié)構(gòu)在同軸型回向反射型光電傳感器的情況下是優(yōu)選的。也應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，光發(fā)送和光接收元件31和43的位置可以互換。
盡管在圖4顯示的實施例中，1/2相移板33和41分別與第一和第二偏光板32和42緊密接觸，可以采用單一的1/2相移板來取代它們，單一的1/2相移板被設(shè)置在分束鏡6和共用透鏡5之間。圖14顯示出根據(jù)本發(fā)明可選實施例構(gòu)造的回向反射型光電傳感器400’，其具有設(shè)置在分束鏡6和共用透鏡5之間的單個1/2相移板50。它的光發(fā)送和光接收光學(xué)系統(tǒng)3’和4’與圖4所示的傳感器400的不同之處在于省去了相移板33和41。于是，本實施例的優(yōu)點是減少了部件的數(shù)量，因此降低了生產(chǎn)成本。
如圖12A和12B所示，實施本發(fā)明雙軸型的回向反射型光電傳感器100可以包括殼101，光發(fā)送透鏡14和光接收透鏡21一體成形而構(gòu)成的透鏡單元105，以及透明蓋102，位于光發(fā)送一側(cè)的線偏振片(作為第一偏光板12)和位于光接收一側(cè)的另一線偏振片(作為第二偏光板13)。標(biāo)記13和22各表示一1/2波板(作為1/2相移板)。
透鏡單元105是一種通過擠壓成型工藝制造的成型產(chǎn)品，它是用延遲值小于17nm/mm的丙烯樹脂制成的。光發(fā)送透鏡14和光接收透鏡21被設(shè)置在平面透明蓋102的背面，在該背面上形成了用于接合的突起114和115。
殼101形成有錐形凹部110和111，分別提供了容納透鏡單元105的光發(fā)送透鏡14和光接收透鏡21的空間。
光發(fā)送元件11作為光源，線偏光板12和1/2相移板13被安裝在凹部110的內(nèi)部，而光接收元件24、線偏光板23和1/2相移板22被安裝在凹部111的內(nèi)部。
通過將突起114和115與凹部116和117嚙合，透鏡單元105被粘附在殼101前面的粘附件，使得光發(fā)送透鏡14和光接收透鏡21分別被包容在凹部110和111的內(nèi)部。光發(fā)送元件11被光發(fā)送電路(未顯示)驅(qū)動，而來自光接收元件24的輸出信號被輸入到光接收電路(未顯示)，以便根據(jù)接收到的光量來判斷出是否存在物體。
透鏡14和21的消光比大約為1/1000，它們的延遲值小于17nm/mm。它們是通過擠出成型制造的樹脂透鏡，并且使透射光的線偏振僅僅發(fā)生小的變形。偏光板12和23被分別設(shè)置在光發(fā)送透鏡14的光接收側(cè)和光接收透鏡21的光發(fā)送側(cè)，使得由光發(fā)送元件11發(fā)送的光線可以通過偏光板12，以使其線性偏振，并且入射到光發(fā)送透鏡14上，而來自反射鏡或?qū)ο笪矬w的反射光可以入射到光接收透鏡21上并且通過偏光板23以使其線性偏振。
由于透鏡14和21由丙烯樹脂制成并通過擠出成型法制造，它們可以與殼101一體成形，于是可以容易地形成防水的和防塵的結(jié)構(gòu)，并且可以減少需要生產(chǎn)的分立部件的數(shù)量。這也有助于提供緊湊的光電傳感器。
圖13是同軸型光電傳感器400的截面圖。標(biāo)記401、31、32、33、41、42、43、6和5分別表示殼、光發(fā)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、分束鏡和共用透鏡。
同樣對于該傳感器400，透鏡5是丙烯材料的且與殼401一體成形，該光學(xué)系統(tǒng)是同軸型的。本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員能夠容易地理解該傳感器的工作原理，不需要進(jìn)一步的說明。
總之，本發(fā)明提供一種回向反射型光電傳感器，可以低成本地制成并且能夠可靠地檢測發(fā)光對象物體。
權(quán)利要求
1.一種回向反射型光電傳感器，包括一光發(fā)送光學(xué)系統(tǒng)，具有順序設(shè)置的光發(fā)送元件、第一偏光板和光發(fā)送透鏡；一光接收光學(xué)系統(tǒng)，具有順序設(shè)置的光接收透鏡、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發(fā)送透鏡之間；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軸。
2.如權(quán)利要求1所述的回向反射型光電傳感器，其特征在于，還包括插入在所述第二偏光板和所述光接收透鏡之間的另一相移板。
3.如權(quán)利要求2所述的回向反射型光電傳感器，其特征在于，所述相移板和所述另一相移板各自用來使相位移動波長的3/8-5/8。
4.如權(quán)利要求2所述的回向反射型光電傳感器，其特征在于，所述光發(fā)送透鏡和所述光接收透鏡通過成型塑料材料而被一體成形。
5.一種回向反射型光電傳感器，包括一光發(fā)送光學(xué)系統(tǒng)，具有光發(fā)送元件和第一偏光板，用于使來自所述光發(fā)送元件的光線經(jīng)由所述第一偏光板射出；一光接收光學(xué)系統(tǒng)，具有第二偏光板和光接收元件，用于通過所述光接收元件將由所述第二偏光板接收到的光線轉(zhuǎn)換成電信號；單個透鏡，用于使得來自所述光發(fā)送元件的發(fā)送光和傳播到所述光接收元件的接收光通過；一分束鏡，用于導(dǎo)引由所述光發(fā)送光學(xué)系統(tǒng)接收到的光線至所述單個透鏡以及由所述單個透鏡接收到的光線至所述光接收光學(xué)系統(tǒng)；以及一相移板，插入在所述第一偏光板和所述分束鏡之間；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軸。
6.如權(quán)利要求5所述的回向反射型光電傳感器，其特征在于，還包括插入在所述第二偏光板和所述分束鏡之間的另一相移板。
7.如權(quán)利要求6所述的回向反射型光電傳感器，其特征在于，所述相移板和所述另一相移板各自用來使相位移動波長的3/8-5/8。
8.一種回向反射型光電傳感器，包括一光發(fā)送光學(xué)系統(tǒng)，具有光發(fā)送元件和第一偏光板，用于使來自所述光發(fā)送元件的光線經(jīng)由所述第一偏光板射出；一光接收光學(xué)系統(tǒng)，具有第二偏光板和光接收元件，用于通過所述光接收元件將由所述第二偏光板接收到的光線轉(zhuǎn)換成電信號；單個透鏡，用于使得來自所述光發(fā)送元件的發(fā)送光和傳播到所述光接收元件的接收光通過；一分束鏡，用于導(dǎo)引由所述光發(fā)送光學(xué)系統(tǒng)接收到的光線至所述單個透鏡以及由所述單個透鏡接收到的光線至所述光接收光學(xué)系統(tǒng)；以及一相移板，插入在所述第一分束鏡和所述單個透鏡之間；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軸。
9.一種回向反射型光電傳感器，包括一光發(fā)送光學(xué)系統(tǒng)，具有順序設(shè)置的光發(fā)送元件、第一偏光板和光發(fā)送透鏡；一光接收光學(xué)系統(tǒng)，具有順序設(shè)置的光接收透鏡、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軸；和設(shè)置在所述第一偏光板和所述光發(fā)送透鏡之間的裝置，用于抵消掉偏振面的總旋轉(zhuǎn)，所述總旋轉(zhuǎn)是由于通過所述第一偏光板和所述光發(fā)送透鏡引起的旋轉(zhuǎn)的總和。
10.一種回向反射型光電傳感器，包括一光發(fā)送光學(xué)系統(tǒng)，具有光發(fā)送元件和第一偏光板，用于使來自所述光發(fā)送元件的光線經(jīng)由所述第一偏光板射出；一光接收光學(xué)系統(tǒng)，具有第二偏光板和光接收元件，用于通過所述光接收元件將由所述第二偏光板接收到的光線轉(zhuǎn)換成電信號，所述第一偏光板和所述第二偏光板具有相互正交的偏振軸；單個透鏡，用于使得來自所述光發(fā)送元件的發(fā)送光和傳播到所述光接收元件的接收光通過；一分束鏡，用于導(dǎo)引由所述光發(fā)送光學(xué)系統(tǒng)接收到的光線至所述單個透鏡以及由所述單個透鏡接收到的光線至所述光接收光學(xué)系統(tǒng)；以及設(shè)置在所述第一偏光板和所述分束鏡之間的裝置，用于抵消掉偏振面的總旋轉(zhuǎn)，所述總旋轉(zhuǎn)是由于通過所述第一偏光板和所述光發(fā)送透鏡引起的旋轉(zhuǎn)的總和。
全文摘要
回向反射型光電傳感器可以是雙軸型的或者同軸型的。雙軸型的傳感器包括光發(fā)送光學(xué)系統(tǒng)，具有順序設(shè)置的光發(fā)送元件、第一偏光板和光發(fā)送透鏡；光接收光學(xué)系統(tǒng)，具有順序設(shè)置的光接收透鏡、第二偏光板和光接收元件；和相移板，插入在光發(fā)送光學(xué)系統(tǒng)的第一偏光板和光發(fā)送透鏡之間。第一和第二偏光板的偏振軸相互正交。一相移板例如1/2波板還可以被設(shè)置在光發(fā)送光學(xué)系統(tǒng)的第一偏光板和光發(fā)送透鏡之間。
文檔編號G01V8/14GK1506675SQ20031012013
公開日2004年6月23日 申請日期2003年12月8日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月9日
發(fā)明者真嶋義和, 車戶幸范, 中村新, 真 義和, 范 申請人:歐姆龍株式會社