(57)【要約】【課題】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。【解決手段】回帰反射型センサ（１００）は、光を照射する投光素子（１０１）と、投光素子（１０１）に対向し且つ離間して配置された回帰反射板（１０４）と、投光素子（１０１）及び回帰反射板（１０４）間の光路上に配置された反射型偏光子（１０３）と、光路外に配置された受光素子（１０５）とを具備する。反射型偏光子（１０３）は、光（１０２ａ）のうちＰ波成分の光（１０２ｂ）のみを通過し、回帰反射板（１０４）で略９０°回転して反射した光（１０２ｃ）を受光素子（１０５）に向かって反射するとともに、回帰反射板（１０４）側の凹面（１０６）が反射した光（１０２ｄ）が受光素子（１０５）の受光面上に集光するように凹面形状となっている。【選択図】図２
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【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】
前記反射型偏光子がワイヤグリッド偏光子であることを特徴とする請求項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基材が樹脂であることを特徴する請求項４記載の回帰反射型センサ。
【請求項６】
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４又は請求項５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。
【００１５】
また、本発明の回帰反射型センサにおいては、前記反射型偏光子がワイヤグリッド偏光子であることが好ましい。
【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Ｏ１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Ｏ２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Ｏ２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】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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