(57)【要約】【課題】光センサーの光学系において１／４波長板が出射光に位相のずれを生じる場合でも、確実に直線偏光を円偏光に変換する。【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１／４波長板７と振動板８と位相補正素子９とが一体化され、透明基板間に挟持した液晶層１３からなる位相補正素子は、１／４波長板の出射光に位相のずれを生じる場合、動作温度に対応した電圧を液晶層に印加してリタデーション値を変化させ、直線偏光を完全な円偏光に変換する。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。【選択図】図１
2012037733.tif 000002
【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、前記１／４波長板を透過する前記出射光の位相を調整するための位相補正素子とからなり、
前記１／４波長板と前記位相補正素子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記載の光センサー。
【請求項３】
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１記載の光センサー。
【請求項４】
前記位相補正素子による前記出射光の位相の調整量を決定するために温度センサーを更に備え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】
前記温度センサーが前記１／４波長板と一体に設けられていることを特徴とする請求項５記載の光センサー。
【請求項６】
前記温度センサーが音叉型圧電振動子からなることを特徴とする請求項４又は５記載の光センサー。
【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。複屈折性の結晶板として、光の入射角により決定する異常光の屈折方向を光学軸以外の結晶軸と一致させかつ光学軸とを直交させることにより、入射角度依存性を改善して、入射する直線偏光を常にほぼ完全に円偏光に変換して出射するようにしたものが知られている（例えば、特許文献６を参照）。
【０００８】
液晶層を２枚の透明基板の間に挟持した液晶セルからなる位相差板として、透明基板と平行な面内において、液晶分子を実質的に一方向に配列し、該配列方向と平行かつ透明基板に垂直な面内において、２枚の透明基板間の中央では液晶分子を該透明基板と実質的に平行に配列し、かつ透明基板に近くなるほど大きいプレチルト角で傾くように配列したものがある（例えば、特許文献７を参照）。このように液晶分子を配向処理することによって、位相差の入射角依存性が透明基板の垂直方向に液晶層の中央位置に関して対称で小さい１／４波長板が得られる。
【０００９】
また、１／４波長板と液晶セルとの組合せによって、半導体レーザー光源から出射した直線偏光の偏光方向が動作時の温度上昇で変動した場合でも、常に一定の偏光方向の直線偏光を出射し得る液晶素子が提案されている（例えば、特許文献８を参照）。この液晶素子の液晶セルは、１／４波長板の光学軸が指向する板面内の特定方向に対して略４５°の角度に液晶層の光学軸を設定し、該液晶層のリタデーション値を印加電圧によりλ（波長）と０との間で変化させることにより、任意の偏光方向の直線偏光を前記特定方向の偏光方向の直線偏光に変換して出射することができる。
【００１０】
更に、偏光光学系を用いた光ヘッド装置において光記録媒体に入射する光と該光記録媒体から反射する光のように、偏光方向が相互に直交する直線偏光のいずれに対しても、その位相を単一の液晶層で補正し得る位相補正素子が知られている（例えば、特許文献９を参照）。この位相補正素子は、液晶分子の長軸方向が２枚の対向する透明基板間で基板面に略平行をなし、かつ一方の透明基板から他方の透明基板に向けて連続的に９０°ねじれた配列状態のツイステッドネマティック液晶を液晶層に用い、該液晶層に所定の電圧を印加したとき、液晶分子が両基板間の中間領域で略垂直に立ち上がり、実効的に互いに直交する配向の２つの液晶層を有するように構成される。
【００１１】
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】
【００１２】
【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】特公平３−５８０８１号公報
【特許文献７】特開２００６−４０３４３号公報
【特許文献８】特開２００７−３３３９４５号公報
【特許文献９】特開２００７−１５７２３５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
【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に光源として使用される半導体レーザーは、高温で動作する際に発振レーザーの波長がドリフトしたり、レーザー光の高温が、使用する光学系の光学部品に直接影響を及ぼす虞がある。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や高温により出射光に位相のずれが発生すると、楕円偏光が出射されることになる。そのため、光センサーの光検出器で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。
【００１４】
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。
【００１５】
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、例えば動作温度の変動等により、１／４波長板を透過する光に位相のずれが生じる場合でも、確実に直線偏光を円偏光に変換できると共に、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】
【００１６】
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、その受光面に入射する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、
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、該１／４波長板を透過する出射光の位相を調整するための位相補正素子とからなり、
１／４波長板と位相補正素子と振動板とが一体化されていることを特徴とする。
【００１７】
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。
【００１８】
かかる光センサーの第１光学系に位相補正素子を設けることによって、１／４波長板を透過する光に位相のずれが生じる場合でも、確実に直線偏光を円偏光に変換することができるので、イメージセンサーにおいて振動板の反射面から受光する光強度が減少する虞が解消され、良好なセンサー感度を確保維持することができる。また、位相補正素子と１／４波長板と振動板の一体化によって、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波長板と振動板と位相補正素子との位置合わせを省略し、それらと他の光学系との位置合わせを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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
或る実施例では、前記光センサーが、位相補正素子による出射光の位相の調整量を決定するために温度センサーを更に備える。これによって、例えばレーザー光の高温による波長ドリフトや動作温度の変動等に起因して１／４波長板に生じる出力光の位相のずれを解消することができる。
【００２２】
別の実施例では、前記温度センサーが１／４波長板と一体に設けられていることによって、動作温度の変動に起因して１／４波長板に生じる出力光の位相のずれをより確実に解消することができる。
【００２３】
更に別の実施例では、前記温度センサーが音叉型圧電振動子から構成される。これにより、光センサーの使用温度範囲で、温度に関してほとんど直線的に変化する周波数特性を発揮する温度センサーを比較的簡単かつ低コストで得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【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】波長板ユニットの第１実施例を示す断面図。
【図３】波長板ユニットの第２実施例を示す断面図。
【図４】（Ａ）〜（Ｆ）図はそれぞれ異なる波長板ユニットの構造を示す断面図。
【図５】波長板ユニットの第３実施例を示す断面図。
【図６】（Ａ）図は波長板ユニットの第４実施例を示す断面図、（Ｂ）図はそれに使用する温度センサー素子を示す平面図。
【図７】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８】（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】
【００２５】
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。
【００２６】
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、水晶板からなる１／４波長板７と、測定対象物としての金属の振動板８と、位相補正素子９とを一体に組合せたものである。
【００２７】
図２は、波長板ユニット５の第１実施例を示している。位相補正素子９は、１対の対向する透明基板１０、１１間に挟持されかつ周囲をシール１２で封じた液晶層１３からなる液晶セルで構成されている。各透明基板１０、１１の対向面には、それぞれ透明電極１４，１５が形成され、かつその上に配向膜１６，１７が形成されている。透明電極１４，１５は、交流電源１８に接続されている。１／４波長板７及び振動板８は、それぞれ補強のために片面側の周縁部が短い矩形筒状に厚く形成され、それぞれ該矩形筒状部分を位相補正素子９の前記透明基板の外面に突き合わせて一体に接合されている。
【００２８】
液晶層１３はネマティック液晶からなり、配向膜１６，１７により、前記透明電極への印加電圧が０のときに液晶分子の長軸が前記透明基板間で一定方向に揃うように配向されている。液晶層１３は、該液晶層の複屈折の大きさをΔｎ（異常光屈折率ｎｅと常光屈折率ｎｏの差）及び液晶層厚をｄとしたとき、リタデーション値ＲがΔｎ・ｄとして定義される。前記液晶層のリタデーション値Ｒは、交流電源１８からの印加電圧に応じて変化する。
【００２９】
液晶層１３に誘電率異方性△εが正の液晶を用いる場合、液晶分子の配向方向を、印加電圧が０の状態においてＸＹ面内でＸ軸と４５°の角度をなす方向に揃える。ここで、ＸＹ面は前記透明基板の基板面に平行な平面であり、Ｘ軸方向は１／４波長板７の光学軸の向きに一致する。液晶層１３は、前記透明電極への印加電圧の増加と共に、液晶分子の配向方向が前記透明基板の基板面に対して垂直な方向に立ち上がり、リタデーション値Ｒがλから０へと変化する。
【００３０】
液晶層１３への印加電圧は、動作温度の変動により１／４波長板７が生じる出射光の位相のずれを実験又はシミュレーション等により測定し、該位相のずれを解消するのに必要な大きさを予め決定しておく。使用時には、光センサー１の動作温度を別個の温度センサーにより測定し、その測定値に対応した印加電圧を交流電源１８から位相補正素子９の前記透明電極に供給する。これにより、波長板ユニット５は、１／４波長板７が出射光に位相のずれを生じて楕円偏光となる場合でも、位相補正素子９によって確実に直線偏光を円偏光に変換することができる。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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及び位相補正素子９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及び位相補正素子９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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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と位相補正素子９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と位相補正素子９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。
【００３９】
図３は、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５１は、位相補正素子９１が、１対の対向する透明基板１０１、１１１間に挟持されかつ周囲をシール１２１で封じた液晶層１３１にツイステッドネマティック液晶を用いている点で、第１実施例の波長板ユニット５と異なる。液晶層１３１は配向膜１６１，１７１によって、透明電極１４１，１５１への印加電圧が０のときに液晶分子の長軸方向が２枚の対向する透明基板間で基板面に略平行をなし、かつ一方の前記透明基板から他方の前記透明基板に向けて連続的に９０°＋１８０°×ｎ（ｎ＝０、１、２）の角度にねじれた状態に配向されている。
【００４０】
液晶層１３１は、液晶分子が透明電極１４１，１５１に印加される電圧に対応して立ち上がり、そのチルト角は、前記透明基板の基板面から離れるほど大きくなる。従って、前記透明基板間の中間領域で液晶分子のチルト角は最も大きく、該中間領域から各基板面に向けて層厚方向に対称形に、実効的に互いに直交する配向の２つの液晶層を有するように構成される。その結果、波長板ユニット５は、位相補正素子９１によって、１／４波長板７を透過して振動板８に入射する光及び該反射板から反射されて１／４波長板７を透過する光のいずれもが等しく位相補正されるので、直線偏光を円偏光にかつ円偏光を直線偏光に変換することができる。
【００４１】
図４（Ａ）〜（Ｆ）は、第１実施例とは異なる様々な構造の波長板ユニットを示している。図４（Ａ）の波長板ユニット５１は、第１実施例と同じ１／４波長板７と位相補正素子９とに非金属の振動板８１を組合せたものである。振動板８１は、ガラス又は水晶等の薄板からなり、その片面側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の１／４波長板７側の片面は、金属膜を施して反射面８１ａが形成されている。振動板８１は、その矩形筒状部分が位相補正素子９の１／４波長板７とは反対側の片面に一体に接合されている。
【００４２】
図４（Ｂ）の波長板ユニット５２は、第１実施例と同じ１／４波長板７と位相補正素子９とに薄い平板の振動板８２を組合せたものである。振動板８２は、金属板、硬質フィルムやガラス板等の非金属板で形成される。振動板８２は、位相補正素子９の１／４波長板７とは反対側の片面に、金属又は非金属の短い矩形筒状のスペーサー４２を介して一体に接合されている。振動板８２が硬質フィルム又はガラス板等の場合、その１／４波長板７側の片面に金属膜を施して反射面が形成される。
【００４３】
図４（Ｃ）の波長板ユニット５３は、薄い平板の１／４波長板７１に第１実施例と同じ振動板８と位相補正素子９とを組合せたものである。１／４波長板７１は、例えばフィルム状の樹脂材料板で形成される。１／４波長板７１は、位相補正素子９の振動板８とは反対側の片面に一体に接合されている。
【００４４】
図４（Ｄ）の波長板ユニット５４は、図４（Ｃ）の１／４波長板７１と図４（Ａ）の振動板８１とを第１実施例と同じ位相補正素子９に組合せたものである。１／４波長板７１と振動板８１とは、それぞれ位相補正素子９の隣接する各面に一体に接合されている。
【００４５】
第１実施例の波長板ユニット５及び図４（Ａ）〜（Ｄ）の波長板ユニット５１〜５４は、それぞれ前記１／４波長板の両面に反射防止膜を施しておくことが好ましい。更に、１／４波長板７，７１の外面には、薄いガラス板４１を貼り合わせることができる。このガラス板４１によって、前記１／４波長板は、前記反射防止膜から受ける応力を緩和し、かつ前記振動板からの振動の影響を解消するべく補強することができる。
【００４６】
図４（Ｅ）の波長板ユニット５５は、１／４波長板７２が振動板を兼用している。１／４波長板７２は、第１実施例と同様に、水晶板からなり、その片面側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。１／４波長板７２の矩形筒状部分は、位相補正素子９の片面に一体に接合されている。１／４波長板７２の外面即ち前記矩形筒状部分と反対側の片面に金属膜４３を施して、反射面が形成されている。１／４波長板７２の内面には、反射防止膜を施しておくことが好ましい。
【００４７】
図４（Ｆ）の波長板ユニット５６は、図４（Ｅ）と同様に、１／４波長板７３が振動板を兼用している。１／４波長板７３は、図４（Ｃ）と同様の樹脂材料板で形成され、その外面に金属膜４３を施して、反射面が形成されている。１／４波長板７３の内面周縁部には、金属又はガラス材料の短い矩形筒状の補強部材４４が一体に接合され、該矩形筒状補強部材の端面に位相補正素子９が一体に接合されている。１／４波長板７３の内面には、反射防止膜を施しておくことが好ましい。
【００４８】
また、１／４波長板７，７２は、入力角依存性に優れたＸカット又はＹカットの水晶板で形成することが好ましい。更に、１／４波長板７，７２は、基本波（０次）モードとすることによって、優れた波長依存性が得られる。また、図４（Ａ）〜（Ｆ）の各波長板ユニットは、位相補正素子９を図３の位相補正素子９１と置き換えることができる。
【００４９】
図５は、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５２は、１／４波長板７１が、水晶板ではなく、液晶素子で構成されている点で、第１実施例の波長板ユニット５と異なる。前記液晶素子は、１対の対向する透明基板７２、７３間に挟持されかつ周囲をシール７４で封じた液晶層７５を有する。液晶層７５は、各透明基板７２、７３の対向面に形成された配向膜７６，７７により、液晶分子が、前記透明基板と平行な面内において実質的に一方向に配列され、該配列方向と平行かつ前記透明基板に垂直な面内において、層厚の中央では透明基板と実質的に平行にかつ透明基板に近くなるほど大きいプレチルト角で傾くように配列されている。このように液晶分子を配向処理することによって、１／４波長板７１は、位相差の入射角依存性が透明基板の垂直方向に液晶層の中央位置に関して対称で小さくなる。また、１／４波長板７１は、第２実施例の波長板ユニット５において、水晶板からなる１／４波長板７に代えて使用することができる。
【００５０】
図６（Ａ）は、波長板ユニットの第４実施例を示している。本実施例の波長板ユニット５３は、図２に示す第１実施例の波長板ユニット５において、１／４波長板７に一体に設けられた温度センサー素子７８を有する。温度センサー素子７８は、図６（Ｂ）に示すように、矩形のフレーム部７９とその内側に配置された音叉型圧電振動片８０とを有する。音叉型圧電振動片８０は、前記フレーム部の内縁に一体に結合された基端部８１と、該基端部から平行に延出する１対の振動腕部８２とを有する。温度センサー素子７８は、水晶等の圧電材料をウエットエッチング等することにより、前記フレーム部と圧電振動片とを一体に外形加工し、前記振動腕部の表面に励振電極が、該励振電極を外部に引き出すための配線が前記基端部及びフレーム部にそれぞれ形成されている。
【００５１】
温度センサー素子７８は、フレーム部７９が、１／４波長板７の前記矩形筒状部分の内寸に対応する形状及び寸法に設定されている。１／４波長板７の前記矩形筒状部分の内側には、各隅部に段差部８３が一体に形成されている。温度センサー素子７８は、フレーム部７９を前記矩形筒状部分内の段差部８３上に載置して、接着剤等で一体に固定される。圧電振動片８０は、使用時に１／４波長板７を透過して振動板８の反射面８ａに至るレーザー光及び該反射面からの反射光が通過する１／４波長板７内の領域８４に入らないように設計される。
【００５２】
一般に音叉型圧電振動片は、２次関数又は３次関数の周波数温度特性を有することがよく知られている。本実施例の音叉型圧電振動片８０は、かかる２次関数又は３次関数の変曲点から離れた温度範囲を、その範囲内に光センサー１の使用温度範囲が含まれるように選択する。これにより、圧電振動片８０は、温度に関してほとんど直線的に変化する周波数特性が得られるので、その周波数変動を測定することによって、１／４波長板７内部の温度を検出することができる。この検出温度に基づいて位相補正素子９への印加電圧を決定し、交流電源１８から透明電極１４，１５に供給する。このように温度センサー素子７８を１／４波長板７の近傍に配置することによって、波長板ユニット５３は、１／４波長板７に生じる出射光の位相のずれをより正確に補正し、より確実に直線偏光を円偏光に変換することができる。
【００５３】
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。
【００５４】
図７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６１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６１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６１ａ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６１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６１ａ内に入るサイズを選択する。
【００５５】
受光面６１ａ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６１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６ａ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。
【００５６】
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６１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。
【００５７】
図８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には、図２、図３、図４（Ａ）〜（Ｆ）、図５又は図６の波長板ユニットを用いることができる。
【００５８】
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及び位相補正素子９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及び位相補正素子９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。
【００５９】
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、に入射するビームスポット形状は、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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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と位相補正素子９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と位相補正素子９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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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、レーザー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】
【００６７】
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、５，５１，５２，５３…波長板ユニット、６…二次元イメージセンサー、６ａ，６１ａ…受光面、７…１／４波長板、８…振動板、８ａ…反射面、９…位相補正素子、１０，１１，７２，７３…透明基板、１２，７４…シール、１３，７５…液晶層、１４，１５…透明電極、１６，１７，７６，７７…配向膜、１８…交流電源、１９…駆動回路、２０…信号処理回路、２２…コリメートレンズ、４１…ガラス板、４２…スペーサー、４３…金属膜、４４…補強部材、６１…一次元イメージセンサー、７８…温度センサー素子、７９…フレーム部、８０…音叉型圧電振動片、８１…基端部、８２…音叉振動腕部、８３…段差部、８４…領域。
【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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【図７】
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【図８】
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