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KR100219016B1 - 복수 파장의 광을 분리 또는 합성하는 광학 장치 - Google Patents

복수 파장의 광을 분리 또는 합성하는 광학 장치 Download PDF

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KR100219016B1
KR100219016B1 KR1019950008967A KR19950008967A KR100219016B1 KR 100219016 B1 KR100219016 B1 KR 100219016B1 KR 1019950008967 A KR1019950008967 A KR 1019950008967A KR 19950008967 A KR19950008967 A KR 19950008967A KR 100219016 B1 KR100219016 B1 KR 100219016B1
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KR
South Korea
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light
dichroic mirror
layer
refractive index
optical
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KR1019950008967A
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히로노부 기요모또
고우이찌 에까와
하야미 호소가와
Original Assignee
타테이시 요시오
오무론 가부시기가이샤
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Publication date
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Publication of KR950029792A publication Critical patent/KR950029792A/ko
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Abstract

본 발명의 목적은 광학소자로서의 다이크로익 미러를 비평행 광로 중에 배치하는 것을 가능하게 하고, 장치의 소형화, 부품개수의 감소에 의한 비용절감을 도모한 광학장치를 제공하며, 또한 다른 복수의 적층군을 사용하여 분광특성이 급준하고 불투과 대역의 넓은 파장분리·합성필터 및 이것을 사용한 광학장치를 제공하는 것이다.
그리고 파장에 따라서 광을 반사 또는 투과시키는 파장 선택성을 가지며, 동시에 광의 입사각 의존성이 적은 다이크로익 미러를 구성하고, 이것을 각각의 방향으로부터 진행하여가는 복수의 파장의 광의 비평행 광로 중, 즉 발산광로 또는 집속광로 중에 배치하고, 복수의 파장의 광을 합성 또는 분리한다. 이와 같은 광학계를 사용하여 물체의 유무, 거리 등을 검출하는 광센서장치를 구성한다.

Description

복수 파장의 광을 분리 또는 합성하는 광학장치
제1도는 종래의 광학장치의 구성을 도시한 도면.
제2도는 종래의 광학소자의 분광특성도.
제3a도는 종래의 다이크로익 미러(dichroic mirror)의 구성을 도시한 도면이고, (b)는 그 파장-투과율 특성도.
제4도는 다이크로익 미러에 의한 2개의 파장의 광을 합성하는 예를 도시한 도면.
제5도는 다이크로익 미러에 요구되는 특성을 도시한 도면.
제6도는 종래의 다이크로익 미러의 입사각이 70°인 경우 P편광 및 S편광성분을 포함한 특성도.
제7도는 종래의 다이크로익 미러의 입사각이 45°인 경우의 특성도.
제8도는 본 발명의 실시예에 의한 광학장치의 투광 광학계의 구성도.
제9도는 다른 실시예에 의한 수광 광학계의 구성도.
제10도는 광학소자의 비평행 광로 중에 있어서의 작용을 설명하기 위한 도면.
제11도는 광학소자의 설계예를 설명하기 위한 분광특성도.
제12도는 상기 특성을 가진 다이크로익 미러의 막구성을 도시한 도면.
제13도는 종래의 다이크로익 미러의 입사각 의존성을 도시한 특성도.
제14a 및 b는 각각 장파장 광원의 파장 스펙트럼을 도시한 도면.
제15도는 종래의 다이크로익 미러의 다른 실시예에서의 특성도.
제16도는 본 발명의 1실시예에 의한 다이크로익 미러의 막구성을 도시한 도면.
제17도는 본 발명의 실시예에 의한 다이크로익 미러의 파장-투과율 특성도.
제18도는 본 실시예의 효과를 설명하기 위한 파장-투과율 특성도.
제19도는 다른 실시예에 의한 다이크로익 미러의 막구성을 도시한 도면.
제20도는 다른 실시예에 의한 다이크로익 미러의 파장-투과율 특성도.
제21도는 다른 실시예를 설명하기 위한 파장-투과율 특성도.
제22도는 본 발명을 파장 다중 통신시스템에 실시한 예를 도시한 도면.
제23도는 종래의 쌍방향 다중화 통신을 수행하는 광학장치의 구성예를 도시한 도면.
제24도는 본 발명의 실시예에 의한 광학장치의 구성을 도시한 도면.
제25도는 다른 실시예의 구성을 도시한 도면.
제26도는 종래의 쌍방향 다중화 통신을 수행하는 광학장치의 구성예를 도시한 도면.
제27도는 본 발명의 실시예에 의한 광학장치의 구성을 도시한 도면.
제28도는 본 발명의 실시예에 의한 광센서장치의 광학계를 도시한 도면.
제29도는 광센서장치의 신호처리회로의 회로도.
제30도는 장방형 렌즈를 사용한 투광부를 도시한 사시도.
제31도는 투광비임(beam)차이를 설명한 도면.
제32도는 광학계의 배치를 도시한 사시도.
제33도는 검출물체의 거리에 의한 검출위치의 차이를 설명한 도면.
제34도는 다른 실시예에 의한 신호처리회로의 회로도.
제35도는 2개의 투광비임의 관계를 도시한 도면.
제36도는 본 발명의 다른 실시예에 의한 마크센서(mark sensor)의 광학계를 도시한 도면.
제37도는 마크센서의 신호처리회로의 회로도.
제38도는 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 색식별장치의 광학계를 도시한 도면.
제39도는 색식별장치의 신호처리회로의 회로도.
제40도는 색식별장치의 다른 실시예를 도시한 도면.
제41도는 다른 실시예에 의한 색식별센서를 도시한 도면.
제42도는 다른 실시예에 의한 거리측정센서의 광학계를 도시한 도면.
제43도는 거리측정센서의 신호처리회로의 회로도.
제44a도는 본 발명의 실시예에 의한 간이형상 인식장치의 광학계를 도시한 도면, b도는 그 스포트(spot)를 도시한 도면.
제45도는 간이형상 인식장치의 신호처리회로의 회로도.
제46도는 투과형의 간이형상 인식장치의 광학계를 도시한 도면.
제47도는 2개의 비임을 어긋나게 한 경우의 스포트의 관계를 도시한 도면으로서, a는 스포트가 겹쳐있는 경우, b는 스포트의 겹친 부분이 없는 경우를 나타낸 도면.
제48도는 본 발명의 실시예에 의한 레이저 디스플레이를 도시한 도면.
제49도는 본 발명의 실시예에 의한 컬러 이미지 스캐너를 도시한 도면.
제50도는 븐 발명의 실시예에 의한 2파장 광헤드를 도시한 도면.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1, la, 1b, 1c : 광원(발광소자)
3, 3a, 3b, 3c, 3d : 다이크로익 미러(광학소자)
4 : 투광렌즈 5 : 수광렌즈(집광렌즈)
6, 6a, 6b : 수광소자 100, 101, 102, 103 : 광섬유
PSD1, PSD2 : 위치검출소자 M : 검출물체
[산업상 이용 분야]
본 발명은, 복수 파장의 광을 분리 또는 합성하는 광학장치와 이 장치에 사용되는 다층막으로 구성된 파장분리·합성필터에 관한 것이다.
[종래의 기술]
종래부터, 복수 파장의 광을 분리 또는 합성하여 동일방향으로 투광 또는 수광하는 광학장치로서는, 제1도에 도시한 바와 같은 것이 있다. 이 광학장치는, 파장이 다른 2개의 광원(la(파장(λ1)), lb(파장(λ2))들로부터의 광을 각각 조준렌즈(collimating lens;2a,2b)로써 평행광으로 형성한 다음에, 광학소자인 다이크로익 미러(2)를 사용하여 파장의 차이에 의해, 광을 반사 또는 투과시켜 합성한다. 제2도는 다이크로익 미러의 분광특성이고,λ1을 반사파장영역(예 : 700nm)으로,λ2를 투과파장영역(예:900nm)으로 하면, 다이크로익 미러에서 2개의 광파는 합성되고, 양방의 파장(λ1,λ2)의 광을 투광할 수 있다.
또한 종래부터, 이 종류의 광학장치에 사용되어지는 광학필터로서는, 다이크로익 미러(dichroic mirror)라고 지칭되는 다층막구조로 이루어진 것이 공지되어있다. 종래의 다이크로익 미러는, 제3b도에 도시한 바와 같이, 그 막구성이. 기판(굴절율 n = 1.5)/0.40H, 0.96L, 0.94H, 0.85L, (lH,lL)8, 1.01H, 1.05L, 0.4H/공기(n = 1)로 된 것이 있고, 이 구성의 것은, 제3a도에 도시한 바와 같은 파장-투과율 특성을 가진다. 상기한 각 값은,λ = 750nm일 때,λ/4를 1로 한 경우의 광학적 막두께(nd)를 나타내고 있고, H, L은 각각 높은 굴절율을 가진 물질층과 낮은 굴절율을 가진 물질층(예를 들면, 전자가 2.26 후자가 1.46)인 것을 나타내고 있다. 이들 물질층의 예로서는, TiO2, SiO2를 들 수 있다. 또한 (lH,1L)8은, 물질층의 반복 적층군으로, 8회,1H,1L이 반복되고 있는 것을 나타낸다.
[발명이 해결하고자 하는 과제]
그런데, 상술한 바와 같은 종래의 광학장치에서는, 다이크로익 미러(5; 제1도)를 평행광로 중에 배치하고 있기 때문에 장치의 대형화 및 조준렌즈 등 부품 개수의 증대에 따르는 경제성의 저하 등의 문제를 가지고 있다.
또한 상기 광학필더로서의 다이크로익 미러의 특성은, 제3a도에 도시한 개시특성이 경사도가 심할수록, 보다 접근한 2개의 파장의 광을 분리/합성할 수가 있다. 다이크로익 미러에 의해 2개의 파장의 광을 합성하는 예를 제4도에 도시한다. 이 경우, 다이크로익 미러에 요구되는 특성으로서는, 제5도에 도시한 바와 같이, 파장(λ1)에 있어서는 반사율이 높고 (투과율이 낮고), 파장(λ2)에 있어서는 투과율이 높은 것이다. 이와 같은 특성의 다이크로익 미러에 있어서는,λ1의 광파워와 λ2의 광파워가 합성 후의 광파워로 효율 좋게 합성할 수 있다. 또한 파장의 차이에 의해 광을 분산하는 경우에도 모두 동일하게 생각할 수 있다. 따라서 개시특성의 경사도가 심한 것일수록, 제5도의 경우 반사영역과 투과영역 이 접근하게 되고, 보다 접근한 2개의 파장의 광을 분리/합성할 수가 있다.
그런데 입사각이 작을 때에, 경사도가 급한 개시특성을 얻는 방법으로서 ① 서로 이웃한 2개의 물질층의 굴절율 차이를 크게 잡거나[에를 들면, TiO2(n = 2.26)과 SiO2(n = 1.46) 등), ② 반복충군의 반복회수를 늘리는 방법 등이 있다. 또한 입사각이 클 때, 예를 들면 제3a도에 도시한 바와 같이, 입사각이 70°인 경우, 투과율 특성은 P편광과 S편광으로 달라지기 때문에, LED광 등의 광의 경우, P편광성분과 S편광성분이 임으로 서로 혼합된 임의 편광이고, 투과율 특성은 P편광과 S편광의 평균으로 되기 때문에, 50% 투과영역부근에서 리플(ripple; 잔물결)이 일어난다. 임의 편광의 특성은, P편광의 특성과 S편광의 특성의 평군치로 되기 때문에, 투과율이 50% 부근(파장으로 하면 제6도에서 740nm 부근)에서 리플이 일어난다. 또한 제6도는 종래의 막구성의 경우에서 다이크로익 미러의 경우의 입사각 70°의 특성이다. 이 P편광과 S편광의 차이는 굴절율 차이가 클수록, 또한 반복회수가 많을수록 현저하게 된다. 이 리플에 의해, 결과적으로는 투과율이 낮은 파장영역으로부터 투과율이 높은 파장영역까지의 개시(시등)에 긴 파장 범위를 필요로 하기 때문에, 근접하는 2개의 파장의 광을 합성/분리하는 것이 곤란하게 된다.
그 해결책으로서 ① 반복회수를 최적 회수로 선택하는 것과, ② 굴절율 차이가 작게 되도록 2개의 물질층을 선택하는 방법 등이 고려되고, ②에 관하여 굴절율차이를 작게 하면, 반복층군이 관여하는 개시특성에 대해서는 상술한 이유에 의해 개선할 수 있지만, 반복층군 이외의 층(조정층이라고 한다)에 관하여 불균형이 일어난다. 즉 제3도에 도시한 A로부터 B의 파장영역(즉 불투과 대역)에 관하여, 보다 넓은 것이 바람직하기(LED 등의 광원에서는 파장 스펙트럼 특성이 어느 정도 넓기 때문) 때문이지만, 조정층에 있어서 2개의 물질충의 굴절율 차이를 작게 하면(예 :후술하는 제18도에 도시한 TiO2와 A12O3인 경우 등), 불투과 대역이 좁게 되어 버리기 때문에, 효율좋은 2개의 파장의 광을 분리/합성할 수가 없게 된다.
여기서, 불투과 대역 A로부터 B에 대하여 설명한다. 불투과 대역은, 제5도에 도시한 반사 대역과 동일하고, 다이크로익 미러가 반사하는 광에 관여한다. 상술한 제4도 및 제5도에 있어서, 파장(λ1)의 광을 반사하는 경우를 고려하면, 제7도에 도시한 종래의 다이크로익 미러의 경우(입사각 45。),λ1으로서 선택할 수 있는 것은 B(약 610nm)로부터 A(약 750nm)의 사이의 파장이다. 이 B-A 사이가 짧게 되면, 그것만 선택할 수 있는 파장범위가 좁게된다. 한편 LED 등의 광을 광원으로서 사용하는 경우, 파장 스팩트럼이 어느 정도 넓기 때문에 B-A 사이가 짧으면, LED로부터 발광되는 광의 모두를 반사할 수 없게 되어, 파워가 손실된다(B-A 사이 이외의 파장의 광은 모두가 반사되지 않고, 투과율에 따라서 투과한다). 따라서 B-A 사이가 어느 정도 이상 넓지 않으면, 효율 좋게 2개의 파장의 광을 분리/합성할 수가 없게 된다.
본 발명은 상기 문제를 해결하는 것으로서, 접근한 2개의 파장의 광을 분리/합성하는 다이크로익 미러를 비평행 광로 중에 배치하는 것을 가능하게 하고, 장치의 소형화, 부품개수의 감소에 의한 비용절감을 도모하는 광학장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은, 다른 복수의 적층군을 사용하여 분광특성이 심하게 경사진 불투과 대역의 넓은 파장분리·합성필터 및 이것을 사용한 광학장치, 광센서장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
[과제를 해결-하기 위한 수단]
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 광학장치는, 파장이 서로 다른 제1광 및 제2광을 각각 출사하는 제1발광수단 및 제2발광수단과, 제1광 및 제2광이 다른 면에 입사하도록 배치되어, 한쪽의 광을 투과하고 다른쪽의 광을 반사하므로써 제1광 및 제2광을 합성하는 광학 다층막 구조를 가지는 다이크로익 미러를 포함하고, 제1광 및 제2광의 파장은 서로 접근하고, 다이크로익 미러에 입사하는 광의 적어도 한쪽은 발산광 또는 집속광이고, 다이크로익 미러는 입사하는 광의 입사각 범위에 있어서, 제1광 및 제2광의 합성에 관한 특성의 변화가 적다.
또한 본 발명의 광학장치는, 파장이 서로 다른 제1광 및 제2광이 섞여 있는 상태로 거의 동일한 방향으로부터 진행하게 되는 합성광의 광로 중에 배치되고, 제1광 및 제2광의 한쪽의 광을 투과하고 다른쪽의 광을 반사하므로써 제1광 및 제2광을 분리하며, 광학 다층막구조를 가진 다이크로익 미러와, 분리된 제1광 및 제2광을 각각 수광하는 제1수광수단 및 제2수광수단을 포함하고, 제1광 및 제2광의 파장은 서로 접근하고, 다이크로익 미러로 입사하는 제1광 및 제2광 중 적어도 한쪽은 발산광 또는 집속광이고, 다이크로익 미러는 입사하는 광의 입사각 범위에 있어서, 제1광 및 제2광의 분리에 관한 특성의 변화가 적다.
여기서 제1 광의 파장과 제2 광의 파장이 접근하고 있는가 어떤가의 판단은. 다이크로익 미러로의 입사각 범위에 의존하며, 실시예의 설명으로부터 명백하게 되는 바와 같이, 동일한 입사각 범위에 있어서 종래 설계에 의한 다이크로익 미러를 사용한 것으로는 충분하게 분리/합성할 수 없는 정도로 2개의 파장이 접근하고 있는 경우에 2개의 파장이 접근하고 있다고 판단된다. 광의 분리/합성에 관한 다이크로익 미러의 특성으로는, 분리/합성되는 광의 파장에서 다이크로익 미러의 반사율 또는 투과율을 의미한다. 광의 분리/합성에 관한 다이크로익 미러의 특성의 변화가 작은가 어떤가는, 동일한 입사각 범위에 있어서 종래의 설계에 의한 다이크로익 미러를-사용할 때의 특성과의 비교에 의해 판단된다.
또한 상기 광학장치에 있어서, 다이크로익 미러는, 제1 및 제2광의 각각의 파장을 λ1,λ2로 하고, 다이크로익 미러를 발산 또는 집속광로 중에 배치할 때의 중심입사각으로의 투과율이 최대투과율의 거의 1/2로 되는 파장을 λD로 할때,λD (λ1+ λ2)/2의 관계를 만족하도록 특성올 선택한다.
또한 상기 광학장치에 있어서, 다이크로익 미러는 제1 및 제2광의 각각의 파장을 λ1.λ2로 하고, 다이크로익 미러를 발산 또는 집속광로 중에 배치할 때의 중심입사각으로의 투과율이 최대 투과율의 거의 1/2로 되는 파장을 λD로 할 때, λD √(λ1×λ2)의 관계를 만족하도록 다이크로익 미러의 특성을 선택한다.
또한 상기 광학장치에 있어서, 다이크로익 미러는 제1 및 제2광의 각각의 파장을 λ1,λ2로 하고, 발산 또는 집속하여 진행하는 광이 입사각 θ±a의 범위로 다이크로익 미러로 입사하고,(λ1+λ2)/2 혹은 √(λ1×λ2)의 파장에 대한 투과율이 최대투과율의 거의 1/2로 되는 각도를 X로 할 때, 거의 X = cos-l[(2× cos a-1) × cosθ]의 관계를 만족하도록 특성을 설정한다.
또한 상기 광학장치에 있어서, 다이크로익 미러는 굴절율이 높은 물질층(H층이라고 한다)과, 굴절울이 중간인 물질층(M층이라고 한다)과, 굴절율이 낮은 물질층(M층이라고 한다)의 적어도 3종류의 재료에 의하여 구성되고, H충 및 M층이 반복되어 적층된 제1부분과, H층 및 L층으로 이루어진 제2부분을 포함하는 다층막으로 구성된다.
또한 상기 광학장치에 있어서, 다이크로익 미러는 TiO2층 및 Al2O3층이 반복적층된 제1부분과, TiO2층 및 SiO2으로 이루어진 제2부분을 포함하는 다층막으로 구성된다.
또한 본 발명의 다이크로익 미러는, 굴절율이 높은 물질층내층이라고 한다)과, 굴절율이 중간인 물질층(M층이라고 한다)과, 굴절율이 낮은 물질층(L층이라고한다)의 적어도 3종류의 재료에 의하여 구성되고, H층 및 M층이 반복적층된 제1부분과, H층 및 L층으로 이루어진 제2부분을 포함하는 다층막으로 구성된다.
또한 상기 다이크로익 미러는 제1부분에서 H층 및 M층이 각각 등일한 광학적 막두께로 반복적층된다.
또한 상기 다이크로익 미러는, 제l부분 및 제2부분에 다시 추가하여 H층 및 L층이 각각 동일한 광학적 막두께로 반복적층된 제3의 부분을 포함하는 다층막으로 구성된다.
또한 상기 다이크로익 미러는, 제3부분에서 H층 및 L층은 제1부분의 광학적 막두께 보다도 얇은 광학적 막두께에 의해 구성된다.
또한 상기 다이크로익 미러에 있어서, H는 TiO2, M은 A12O3, L은 SiO2 이다.
또한 본 발명의 다이크로익 미러는, 굴절율 차이(α)의 2종류의 재료의 층이 각각 동일한 광학적 막두께로 반복되어 이루어진 제l 부분과,α보다도 큰 굴절율 차이의 2종류의 재료의 층으로 이루어진 제2 부분을 포함하는 다층막으로 구성된다.
또한 상기 다이크로익 미러에 있어서, 제1부분을 구성하는 2종류의 재료중의 하나와 제2 부분을 구성하는 2종류의 재료 중의 하나는 동일 재료이다.
또한 상기 다이크로익 미러에 있어서, 제1부분 및 제2부분에 다시 추가하여 상기 제1 부분과는 다른 광학적 막두께로 굴절율 차이(α)의 2종류의 재료가 각각 동일한 광학적 막두께로 반복되는 제3 의 부분을 포함하는 다층막으로 구성된다.
또한 상기 다이크로익 미러에 있어서, 제1부분 및 제2부분에 다시 추가하여 굴절율 차이(α)보다도 큰 굴절율 차이의 2종류의 재료의 충이 각각 동일한 광학적 막두께로 반복되는 제3 의 부분을 포함하는 다층막으로 구성된다.
또한 상기 다이크로익 미러에 있어서, 제1부분의 2종류의 재료는 TiO2와 Al2O3이고, 제2부분의 2종류의 재료는 TiO2와 SiO2이다.
또한 본 발명의 광학장치는, 파장이 다른 복수의 광을 합성하여 이 합성된 광을 투광하는 투광부와, 투광부로부터 투광된 복수의 파장의 광의 물체에 의한 반사광을 수광하는-수광부를 가진 것에 있어서, 투광부가 출사파장이 다른 복수의 발광소자와, 복수 발광소자로부터의 발산광로 중에 배치된 상기 기재의 어느 것인가의 다이크로익 미러를 구비하고, 수광부에 의해 수광된 복수의 파장의 광의 반사광의 대소관계를 판별하므로써 물체를 검출한다.
또한 본 발명의 광학장치는, 소정의 파장을 포함하는 광을 투광하는 투광부와, 투광부로부터 투광된 광의 물체에 의한 반사광을 파장이 다른 복수 광으로 분리하여 수광하는 수광부를 가진 것에 있어서, 수광부가 반사광의 집속광로 중에 배치되어, 복수 파장의 광으로 분리하는 상기 기재한 어느 것인가의 다이크로익 미러와 이 다이크로익 미러에 의하여 분리된 복수의 파장의 광을 수광하는 복수의 수광소자를 구비하고, 수광부에 의해 수광된 복수 파장의 광의 반사광의 대소관계를 판별하므로써 물체를 검출한다.
또한 본 발명의 광학장치는, 파장이 다른 복수의 광을 합성하는 광합성부와, 이 광합성부에 의해 합성된 광을 전송하는 광전송로를 가진 것에 있어서, 광합성부가 출사파장이 다른 복수의 발광소자와, 이 복수의 발광소자로부터의 발산광로 중에 배치된 상기 기재한 어느 것인가의 다이크로익 미러를 구비하고, 광전송로를 사용하여 다중파장 광통신을 수행한다.
또한 본 발명의 광학장치는, 광을 전송하는 광전송로와 이 광전송로에 의해 전송된 광을 파장이 다른 복수의 광으로 분리하는 광분리부를 가진 것에 있어서, 광분리부가 광의 집속 또는 발산광로 증에 배치된 상기 기재한 어느 것인가의 다이크로익 미러를 구비하고, 광전송로를 사용하여 다중 파장 광통신을 수행한다.
또한 본 발명의 광학장치는, 복수의 파장의 광을 광전송로에 의해 전송하여 쌍방향 다중 통신을 수행하는 것에 있어서, 하나의 광전송로를 복수 파장의 광에 의한 송신 및 수신에 공통으로 사용하고, 송신용의 광을 발광하는 발광소자와, 수신용의 광을 수광하는 수광소자와, 이들 소자와 상기 광전송로와의 사이에 배치된 상기 기재한 어느 것인가의 다이크로익 미러를 구비하고, 다이크로익 미러는 발광소자의 발산광로 중에 있고, 동시에 수광소자의 집속광로 중에 설치되고, 이 다이크로익 미러에 입사되는 칩을 그 파장에 따라서 투과하거나 반사하므로써, 광을 파장마다 분리하여 다중화한다.
또한 본 발명의 광학장치는, 파장이 다른 복수의 광을 합성하여 이 합성된 광을 대상물체에 투광하는 투광부와, 이 대상물체로부터의 반사광을 수광하여 파장간의 강도차를 검출하는 광검출부를 가진 것에 있어서, 투과부가 출사파장이 다른 복수의 발광소자와, 이 복수의 발광소자로부터의 발산광로 중에 배치된 상기 기재의 어느 것인가의 다이크로익 미러를 구비하고, 광 검출부에 의해 검출된 신호에 기초하여 대상물체의 색을 식별한다.
또한 본 발명의 광학장치는, 파장이 다른 복수의 광선을 변조하고 동시에 합성하는 광원장치와, 이 광원장치로부터의 광선을 주사하여 스크린에 투영하는 광편향장치를 구비한 것에 있어서, 광원장치가 상기 기재한 어느 것인가의 다이크로익 미러를 사용하여 광선의 합성을 수행하도록 한 것이다.
또한 본 발명의 광학장치는, 컬러 원고를 판독하는 색식별부와, 이 색식별부에 의한 식별결과에 기초하여 컬러학상을 기록하는 기록부를 구비한 것에 있어서, 색식별부가 상기 기재한 어느 것인가의 다이크로익 미러를 사용하여 색을 식별하도록 한 것이다.
또한 본 발명의 광학장치는, 파장이 다른 복수의 광을 합성하여 이 합성된 광을 광디스크에 조사하고, 자료의 기록/ 판독을 수행하는 광헤드를 가진 것에 있어서 광합성에 상기 기재한 어느 것인가의 다이크로익 미러를 사용한다.
또한 본 발명의 검출방법은, 서로 파장이 접근한 제1광 및 제2광 중 적어도 한쪽을 발산광 또는 집속광으로서 출사하고 입사하는 광의 입사각 범위에 있어서 제1광 및 제2광의 합성에 관한 특성의 변화가 적은 광학 다층막 구조를 가진 다이크로익 미러에, 제1광 및 제2광을 각각 다른면에 입사시켜, 다이크로익 미러에 의하여 한쪽을 투과하고 다른쪽을 검사함에 의해 제1광과 제2광을 합성하고, 합성한 광을 검출물체로 향하게 투광하고, 검출물체로부터의 제1광 및 제2광을 수광하고, 수광된 제1광 및 제2광의 광량에 기초하여 검출물체를 검출한다.
또한 본 발명의 검출방법은, 서로 파장이 접근한 제1광 및 제2광을 검출 물체로 향하게 투과하고 입사하는 광의 입사각 범위에서, 제1광 및 제2광의 분리에 관한 특성의 변화가 적은 광학 다층막 구조를 가진 다이크로익 미러에, 검출 물체로부터의 제1광 및 제2광에 있어서 발산광 또는 집속광으로된 광을 입사시켜, 다이크로익 미러에 의하여 한쪽을 투과하고 다른쪽을 반사함에 의해 검출물체로부터의 제1광과 제2광을 분리하고, 분리된 제1광 및 제2광을 각각 수광하고, 수광된 제1 광 및 제2 광의 광량에 기초하여 검출물체를 검출한다.
또한 본 발명의 검출방법은, 서로 파장이 접근한 제1광 및 제2광의 적어도 한쪽을 발산광 또는 집속광으로서 출사하고, 상기 본 발명의 다이크로익 미러의 어느 것인가에 제1 광 및 제2 광을 각각 다른면에 입사시켜, 다이크로익 미러에 의하여 한쪽을 투과하고 다른쪽을 반사하므로써 제1광과 제2광을 합성하고, 합성된 광을 검출물체로 향하게 투광하고, 검출물체로부터 제1광 및 제2광을 수광하고, 수광된 제1광 및 제2광의 광량에 기초하여 검출물체를 검출한다.
또한 본 발명의 검출방법은, 서로 파장이 접근한 제1광 및 제2광을 검출 물체를 향하게 투광하고, 상기 본 발명의 다이크로익 미러의 어느 것인가에 검출물체로부터의 제1광 및 제2광에서 발산광 또는 집속광으로 된 광을 입사시켜, 다이크로익 미러에 의하여 한쪽을 투과하고 다른쪽을 반사하므로써 검출물체로부터의 제1광 및 제2광을 분리하고, 분리된 제1광 및 제2광을 각각 수광하고, 수광된 제1광 및 제2광의 광량에 기초하여 상기 검출물체를 검출한다.
[작용]
본 발명의 광학장치 또는 광센서장치에서는, 광학 다층막 구조를 가진 다이크로익 미러에 의하여, 제1 발광수단 및 제2 발광수단으로부터 출사된 서로 다른 파장을 가진 제1 및 제2광이 투과 또는 반사되므로써 합성된다. 그리고 다이크로익 미러에 입사하는 광의 입사각 범위에 있어서, 광의 합성에 관한 특성의 변화가 적기 때문에, 다이크로익 미러를 발산광 또는 집속광로 중, 즉 비평행 광로 중에 배치할 수 있고, 또한 파장이 서로 접근하고 있는 2개의 광을 합성할 수가 있다.
또한 본 발명의 광학장치 또는 광센서장치에서는, 광학 다층막 구조를 가진 다이크로익 미러에 파장이 서로 다른 제1 및 제2광이 섞여 있는 상태로 거의 동일한 방향으로부터 입사하고, 투과 또는 반사되므로써 이들의 광은 분리된다. 이들 분리된 광은 제1 및 제2수광수단에 의해 수광된다. 그리고 다이크로익 미러에 입사하는 광의 입사각 범위의 경우 광의 분리에 관한 특성의 변화가 적기 때문에, 다이크로익 미러를 발산광 또는 집속광로 증, 즉 비평행 광로 중에 배치할 수 있고, 또한 파장이 서로 접근하고 있는 2개의 광을 분리할 수가 있다.
또한 본 발명의 다이크로익 미러에 있어서는, 굴절율 차이가 작은 물질층의 반복 적층부와 굴절율 차이가 큰 물질층을 조합하므로써, 투과특성으로 일어난 리플을 억제하고, 경사도가 심한 분광특성과 넓은 불투과 대역 특성이 얻어진다.
또한 상기 다이크로익 미러를 구비한 광학장치 또는 검출방법에서는, 투광부의 발광소자 또는 광원으로부터 복수파장의 광이 발광되고, 다이크로익 미러에 의해 한쪽의 광은 반사되고 다른쪽의 광은 투과되므로써 이들 광은 합성되고 검출물체로 향하게 투과된다. 검출물체로부터의 반사광을 수광하므로써, 검출물체의 유무, 거리, 변위 등을 검출할 수가 있다. 다이크로익 미러는 발광소자 또는 광원으로부터의 발산광로 중에 배치되기 때문에 광학계가 소형화된다. 다이크로익 미러는 복수의 수광부에서의 수광을 위하여 복수 파장의 광을 분리하도록 작용하고, 이 경우는 입사광의 집속광로 중에 배치되고 상기와 동일하게 광학계가 소형화된다.
[실사예]
본 발명의 실시예를 도면을 참조하여 설명한다. 제8도는 본 실시예에 의한 광학장치의 투광 광학계를 도시하고, 광학장치는 서로 다른 파장(λ1,λ2)의 광을 비평행으로 발산발광하는 광원(발광 다이오드 등의 발광소자; la,lb)과 이 비평행 광로 중에 배치되어 파장선택성을 가진 파장에 따라서 광을 반사 또는 투과시켜서 광을 합성하는 광학소자로서의 다이크로익 미러(3)와 이 다이크로익 미러(3)에 의해 합성된 광을 평행화하는 조준렌즈(2)로 이루어진다. 광원(1a,lb)은그 광이 다이크로익 미러(3)에 대하여 각각의 방향으로부터 비평행으로 진행하고, 한쪽의 광이 다이크로익 미러(3)의 한쪽 면에 입사하고, 다른쪽의 광이 다이크로익 미러(3)의 다른쪽 면에 입사하도록 배치하고 있다. 또한 비평행으로 진행하는 2개의 광은 다이크로익 미러(3)에 의하여 합성된 다음에도 그대로 비평행하게 진행한다.
상기의 구성에 의해 다음의 효과가 얻어진다. 종래에는 2개의 조준렌즈를 필요로 하는데 비하여, 하나의 조준렌즈로 공용할 수 있고 부품개수를 감소시킬 수 있으며, 장치의 저렴화와 소형화가 도모된다. 또한 다이크로익 미러의 소형화와 저렴화가 도모되고 나아가서는 장치의 소형화가 가능하게 된다.
상기에서는 투광 광학계에 대하여 나타냈지만, 제9도에 도시한 바와 같이, 수광 광학계에 대해서도 동일하게 적용할 수 있다. 제9도에 있어서, 수광 광학계의 장치는 집광렌즈(5)와, 이 집광렌즈(5)에 의한 집속광로 증에 배치되고, 2개의 파장의 광으로 분리하는 다이크로익 미러(3)와, 분리된 2개의 광을 각각 수광하는 수광소자(6a,6b)로 이루어진다.
상기와 같이 비평행 광로 중에 배치하는 다이크로익 미러는, 발명자들이 확립한 이하의 이론으로 실현할 수 있다. 발산(집속)광로 중에 다이크로익 미러(3)를 배치하는 경우, 제10도에 도시한 바와 같이 입사각은 θ-a로부터 θ+a의 범위 갖는다. 다이크로익 미러 등의 광학다충막에 있어서는, 입사각이 α만큼 변화하면 투과특성의 파장 변화량은 cosα이다. 중심입사각(θ)으로부터 입사각(θ-a,θ+a)까지의 cosα의 번화량은, 각각
cosθ - cos(θ-a) .........(1)
cosθ - cos(θ+a) .........(2)
이 범위에서의 cosα의 변화량은,
(1) + (2) = 2cosθ - cos(θ-a) - cos(θ+a)
=2cosθ - 2cosθ·cos a .....(3)
으로 되지만, 프러스 마이너스를 고려하여 이 양으로부터 중심입사각으로의 파장의 차이(어긋남)를 나타낼 수 있지만 각도로 환산하기 위해서는, 이것을 cosθ로부터의 어긋난량을 고려하여,
cosθ - (2cosθ - 2cosθcos a)
=-cos θ + 2 cos θ cos a
=(2cos a-1)×cosθ .....(4)
로 된다. 즉,
cos-{1(2cos a-1) × cosθ} ........(5)
에서 구한 각도(X)가, θ-a로부터 θ+a의 범위로 입사각이 변화하는 경우, 투과특성의 파장 변화량의 중심으로 된다. 다시 말해서 다이크로익 미러는, 각도(X)의 입사각에서의 (λ1+ λ2)/2의 파장에서의 투과율이 최대 투과율의 1/2로 되도록 설계되면 바람직하다.
구체적인 다이크로익 미러의 설계예를 이하에 기재한다. 제11도는 파장 700nm의 광과 파장 900nm의 광을 효율 좋게 분리/합성할 수 있는 다이크로익 미러의 투과율 특성이다. 이 특성을 가진 다이크로익 미러의 막구성은, 제12도에 도시한 바와 같이 기판(굴절율 n = 1.51)/0.403H, 0.956L, 0.854L,(1H,1L)8, 1.010H, 1.053L, 0.450나공기(n = 1)이다. 여기서 H : 높은 굴절율을 가진 물질층으로, 예를 들면, TiO2(n = 2.26), L : 낮은 굴절율을 가진 물질층으로, 예를 들면, SiO2(n = 1.46), 단 광학적 막두께는 λ = 760nm일 때,λ/4를 1로 한다.
지금 광학장치로서 사용할 때의 중심입사각 θ = 45°, 발산각 a = 20°로 할 경우, 상기 이론의 (5)식에서, X = Cos-1{(2cos a-1) × cosθ} = 51.5°이기 때문에, 다이크로익 미러 자체는 입사각이 51.5°일 때, 투과율이 50%로 되는 파장(λ1+ λ2)/2 = 800nm 부근으로 되도록 설계했다. 이 설계에 의해, 광학장치로서는 중심입사각(θ(= 45°))에서의 투과율이 최대 투과율의 거의 1/2로 되는 파장 λD는 (λ1+λ2)/2, 이 예에서는 800nm 보다도 큰 것으로 되어 있다·
여기서 제1도에 도시한 종례 실시예의 다이크로익 미러에서의 입사각 의존
특성을 제13도에 도시한다. 제13도에서는 다이크로익 미러를 평행광로 중(입사각 45°)에 배치하고, 파장 700nm의 광 및 파장 900nm의 광이 효율 좋게 분리/합성 할 수 있도록 설계되어 있다(평행광로 중이기 때문에 입사각은 45°만). 즉 (700 +900)/2 = 800nm에 있어서, 입사각이 45°일 때 투과율이 50%로 되어 있다. 그러나 이와 같은 종래의 다이크로익 미러를 비평행 광로 중에 배치한 경우, 파장 700nm의 입사각 65°의 광은 효율 좋게 반사할 수 없고 또한 입사각 65°의 광은 파장 700nm부근으로 파장에 대한 투과율의 변화가 크기 때문에, 광원의 스펙트럼이 온도변화등에 의해 파장 변화한 경우에 반사광의 강도가 변화하는 문제가 있다.
이것에 대하여 본 실시예에서는, 파장 700nm의 광은 입사각 65°에서도 투과율이 충분하게 작고 이와 같은 문제가 없다. 한편 파장 900nm에서는, 종래 실시예에서도 본 실시예에서도 입사각 65°의 투과율이 낮게 되지만, 입사각 65°의 광은 파장 900nm 부근에서 파장에 대한 변화가 작기 때문에, 종래 실시예에서도 본 실시예에서도 문제는 없다.
이와 같이 본 실시예에 의하면, 종래의 설계에서는 효율 좋게 분리/합성할 수 없었던 접근한 2개의 파장의 비평행광을 효율 좋게 분리/합성할 수 있다.
또한 종래 실시예로서 √(λ1 × λ2) = √(700 × 900) = 794nm에 있어서; 입사각이 45°일 때 투과율이 50%로 되도록 설계한 에도 있다. 이 종래의 설계의 경우의 생각을 이하에 설명한다. 광학 다층막에 있어서는 각 층의 경계로부터의 광의 간섭을 이용하고 있고, 각 층의 경계로부터의 광강도는 각 층의 막두께와 파장의 비로 결정된다. 즉 각 층의 막두꼐가 파장의 몇 배에 상당하는가에 의해 그 특성은 결정된다. 역으로 각 층의 막두꼐가 결정되어 있는 경우(예를 들면, 임의로설계된 다이크로익 미러의 특성을 생각하면), 설계 파장(λD)에 대하여 단파장측과 장파장측에서는 그 특성의 변화의 행동은 달라지게 된다. 예를 들면 λD -Δλ와 λD + Δλ(Δλ는 임의)에서의 특성의 변화의 비율을 생각한 경우, 변화의 비율은 막두께와의 비에 의해 결정되기 때문에, 각각 λD -Δλ/λD와 λD + Δλ/λD의 비율로 변화한다고 생각된다. 따라서 각 파장의 경우 특성은, λD에 대한 상대파장, 즉 파장의 비에 의해 그 특성의 변화의 비율이 결정되기 때문에,λ1과 λ2가 주어질 때, 그 변화가 어느 쪽에서도 동등하게 되는 파장은 √(λ1 × λ2)에서 구할 수 있고, 광학 다층막에 있어서는 이 파장을 중심으로 생각하는 쪽이 바람직하다. 이와 같이 설계한 경우 상술한 문제점이 보다 현저하게 된다. 이것에 대하여 상기한 제11도에 도시한 특성을 가진 다이크로익 미러에 있어서는, 상술한 문제점을 큰 폭으로 감소시킬 수 있다.
광원으로서 LED를 사용한 경우, LED는, 예를 들면 제14a 및 b에 도시한 바와 같이 발광파장의 분포를 갖기 때문에, 제11도 또는 제13도의 특성을 갖는 다이크로익 미러에 의한 광의 분리/합성특성은 발광파장 분포 내의 각 파장에 대한 발광강도와 투과율(반사율)을 고려하여 구할 수 있다. 이 경우에도 종래 실시예 보다도 본 실시예의 쪽이 효율이 좋은 분리/합성이 가능하다.
상기 실시예에 의한 다이크로익 미러는, 단파장측을 반사시켜 장파장측을 투과시키는 장파장 투과필터에 대하여 나타냈지만, 제15도에 도시한 바와 같이, 단파장측을 투과시켜 장파장측을 반사시키는 단파장 투과필터에 대해서도 동일하게 본 발명을 적용할 수 있다. 또한 상기 실시예에 도시한 현상은 입사각이 클 때 현저하다. 또한 장치의 소형화와 장치로서의 설계의 용이도를 고려하면, 중심입사각을 45° 부근으로 하는 것이 바람직하다.
상술한 바와 같은 장치에 있어서는, 다이크로익 미러의 투과광과 반사광의 양쪽을 사용하기 때문에, 다이크로익 미러로서는 광의 흡수 등의 손실이 없는 것이 바람직하다. 따라서 다이크로익 미러의 광학 다층막으로서는 광의 흠수가 거의 없는 유도체 다층막에 의해 구성된 것이 좋다.
상술한 제8도에 도시한 투광 광학계를 사용하면, 반사판에 의한 반사광을 수광하고 검출물체에 의해 반사광이 차단됨에 의해 수광량이 변화하는 것을 검출하여 물체를 검지하도록 한 물체 검지장치와, 기타 광원센서의 투광부를 소형화할 수가 있다. 또한 2파장의 분리/합성을 2개소 이상에서 사용하면, 3파장 이상의 분리/합성도 가능하다.
다음에 본 발명의 다이크로익 미러의 다른 실시예에 대하여 설명한다. 다이크로익 미러는 다층막구성으로 되고, 그 막구성은 제16도에 도시한 바와 같이, 기판(굴절율 n = 1.5)/1.09, 0.55L, 1.20H, 0.92L1. 15H,1.06M)5, 0.97H, 1.62나공기(n = 1) ... 막구성 (1)로 되어 있고, 제17도에 도시한 파장-투과율 특성을 가진다. 광학적 막두께는,λ = 720nm일 때 λ/4를 1로 하고 있다.H, L, M은 각각 고, 저,중간의 굴절율을 가진 물질층(예를 들면 2.26,1.46,1.67)이고, 이들의 예로서는 TiO2, SiO2, Al2O3를 들 수 있다. 이 다이크로익 미러는 종래의 것에 비하여 반복적층군(제1부분)의 굴절율 차이를 작게 하고, 이것 이외의 조정층(제2 부분)의 굴절율 차이를 크게 하고 있다.
본 실시예에 의하면, 입사각 70°에 있어서 투과율이 10%에서 90%로 시작하는 파장영역에서 고려하면, 상술한 제3a도에 있어서 100nm인 데 대하여, 제17도에서는 80nm로 되어 개선된다. 따라서 종래의 설계에 의한 것 보다도 접근한 2개의 파장의 광을 분리/합성할 수 있다.
본 실시예의 효과를 보다 명시하기 위하여, 상기와 별도로 TiO2와 Al2O3만으로 최적 설계한 다이크로익 미러의 입사각 20。에서의 특성을 본 실시예에 병용하여 도시한 것이 제18도이다. 동일 도면에 의해 TiO2와 Al2O3만으로 구성(조정층도 TiO2, A12O3로 구성)한 경우에 비하여, TiO2, Al2O3, SiO2로 구성(조정층+은 TiO2와 SiO2으로, 반복층군·은 TiO2와 Al2O3로 구성)한 쪽이 불투과 대역(B'-A')이 넓어져 있는 것을 알았다.
광학 다층막에 의해 구성된 다이크로익 미러에 있어서는, 일반적으로 그 특성의 심한 경사도는 주로 반복층의 굴절율 차이 및 반복회수에 의해 결정되고, 불투과 대역의 넓이는 주로 소위 조정층의 굴절율 차이에 의해 결정된다. 따라서 TiO2와 Al2O3로 반복층을, TiO2와 SiO2로 조정층을 각각 구성하므로써, TiO2와 SiO2만으로 구성된 것 보다도 심한 경사도 특성을, TiO2와 Al2O3만으로 구성된 것 보다도 넓은 불투과 대역을 얻을 수 있다.
또한 본 실시예의 구성 (1)에 있어서는, 제작상의 용이도 등을 고려하여 동일한 광학적 막두께의 층의 반복에 의해 막을 구성하고 있지만, 광학적 막두께에 관해서는 동일한 광학적 막두께의 층의 반복으로 하지 않고, 그 일부 또는 전부를 각각 각층의 광학적 막두꼐가 최적으로 하도록 따로따로 설계할 수도 있다. 또한 재료에 관해서는, 조정층에서 보다 큰 굴절율 차이를 얻기 위하여 고굴절율 물질로서 용이하게 막을 이룰 수 있는 TiO2를 선택하고, 저굴절율 물질로서도 동일하게 SiO2를 선택했다. 보다 굴절율이 낮은 물질로서 MgF2가 고려되지만, 이 물질에 있어서는 막을 형성할 때 발생하는 응력이 TiO2와 동일방향이기 때문에, 다층화하면 균열(crack) 등이 발생하기 쉽게 된다. 또한 반복층군에 있어서도 적절한 굴절율 차이를 얻기 위하여 TiO2와 Al2O3를 선택했다. 고굴절율 물질 TiO2를 조정층과 반복층군에 공통으로 사용하므로써 용이하게 설계 제작할 수 있다.
다음에 다른 실시예에 의한 막구성을 설명한다. 이 막구성은 제19도에 도
시한 바와 같이,
기판(굴절율 n= 1.5)/1.28L, 0.45H, 0.99L, (0.94H,0.98L)5, 1.33H, 0.63L, 1.25H, 0.87L(1.15H,1.06M)5, 1.0lH, 1.63L, 0.17H/공기(n = 1) ... 막구성 (2)이고, 이것에 의해 제20도에 도시한 바와 같이 구성 (1) 보다도 불투과 대역을 넓힐 수가 있다. 여기에 상술한 바와 동일하게, 광학적 막두께는 λ = 720nm일 때 λ/4를 1로 하고, H, L, M은 굴절율이 각각 2.26, 1.46, 1.67으로, 예를 들면 TiO2, SiO2, Al2O3를 들 수 있다. 본 실시예 구성은 다음과 같이 하여 얻어진다.
제21도의 구성 (1)에 있어서 입사각이 45。일 때의 특성을 나타내고 있다. 이 특성에서는 파장 600nm 내지 700nm의 경우 불투과 대역이 0% 부근으로 되어 있지 않다. 그래서 제21도에 도시한 (A)의 특성을 가진 적층군을 구성 (1)의 적층군과 합하므로서 제20도에 도시한 바와 같이 파장 600nm 내지 700nm의 불투과 대역을 0% 부근까지로 할 수가 있다. (A)의 특성을 얻기 위한 막구성은, 기본적으로는 구성 (1)과 동일하고 설계파장을 짧게(즉, 광학적 막두께를 얇게) 설정하고 있다. (1)의 특성을 얻기 위한 막구성은 구성 (1)과 동일하게 반복층군을 포함하여도 좋고 또한 상술한 바와 같이 각 광학적 막두께를 따로따로 최적화하여도 얻을 수가 있다.
상기 막구성의 기판측의 「1.28L, 0.45H,...1.3H, 0.63L」 의 부분으로 (A)의 특성을 얻으며, 「1.25H,0.87L,...1.63L,0.17H」 의 부분으로 (1)의 특성을 얻는다. 또한 상기 각 부분의 각각에 있어서, 조정층의 층수 및 광학적 막두께는 종합적으로 생각하여 최적화하고 있기 때문에, 각 부분을 개별로 생각할 때의 층수 및 광학적 막두께와는 달라져 있다. 본 실시예에 있어서는 특성(A)을 얻기 위하여 막구성으로서는 TiO2와 SiO2만으로 구성하고 있다.
이것은 막을 형성할 때의 응력의 방향이 TiO2와 SiO2에서는 반대방향이며 용이하게 다층화가 실현 가능하기 때문이다.
또한 기본적인 특성은, 구성 (1)에 의해 얻기 때문에 특성(A)에 관해서는 비교적 다층화가 용이한 TiO2와 SiO2로 구성했다.
또한 조정층의 설정 등은 컴퓨터 시뮬레이션 등의 방법을 이용하여, 적절하게 선택하여 설계할 수 있고 각 종의 막구성이 가능하다.
이와 같이 심한 경사도 특성의 불투과 대역의 넓은 다이크로익 미러는 상술한 제8도에 도시한 바와 같이 투광 광학계의 비평행 광로 중에 배치한 경우에 극히 유효하게 된다. 또한 입사각이 작은 경우에 있어서는, P편광과 S편광의 투과율 특성에 대해서는 차이가 없고, 이 경우에서는 굴절율이 큰 물질층으로 반복충군을 구성하므로서 심한 경사도 특성이 얻어진다. 따라서 본 발명은 입사각이 어느 정도 이상 클 때에 유효하다. 또한 사용하기 편리한 정도 등을 고려하여 본 실시예에 있어서는, 중심입사각을 45。로 하고 있다. 또는 상기에서는 장파장 투과필터에 대하여 설명했지만, 단파장 투과필터에 대하여도 동일하게 실시할 수 있다.
제22도는 본 발명을 다중 파장 통신시스템으로 실시한 경우의 구성을 나타낸다. 이 실시예는 파장(λ1)의 광을 발생하는 발광소자(1a)와 파장(λ2)의 광을 발생하는 발광소자(1b)가 다이크로익 미러(3)에서 합성된 다음, 렌즈(4)에서 집광되고 광섬유케이블(100)에 공급되도록 구성되어 있다. 이와 같이 구성하면, 복수의 파장의 광을 광섬유 케이블(100)에서 전송할 수 있도록 된다. 이 경우 각 파장의 광을 소망하는 정보로 변조하여 두면 정보의 다중화를 용이하게 수행할 수 있다.
이어서 복수의 파장의 광을 광섬유 등의 통신로에 의해 전송하여 쌍방향 다중화 통신을 수행하는 광학장치의 또 다른 실시예를 이하에 설명한다. 제23도는 종래의 이 종류의 광학장치의 구성을 나타내고, 파장(λ1,λ2)의 광을 전송하는 광섬유(101)와, 파장(λ1)의 광을 전송하는 광섬유(102)와, 파장(λ2)의 광을 전송 하는 광섬유(103) 사이에 3개의 렌즈(4)가 배치되고 평행광로 중에 종래의 다이크로익 미러(3; 광학소자)가 배치되어 있다. 이것에 대하여, 제24도는 본 실시예의 광학장치의 구성을 도시하고, 본 실시예의 다이크로익 미러(3)는 비평행 광로 중에 설치된 것으로부터 1개의 렌즈(4)를 배치하고 있을 뿐이다.
이 광학장치에 있어서는, 파장(λ1,λ2)의 광을 전송하는 광섬유(101)의 단면으로부터 광이 출사되어, 그 광은 집광렌즈(4)를 통하여 집광된 다음, 본 실시예의 다이크로익 미러(3)에 의해 파장(λ1,λ2)의 광으로 분리되어, 각각 광섬유(102,103)들로 유도되어 송신된다. 또한 광섬유(102,103)의 단면에서 출사하는 파장(λ1,λ2)의 광은 다이크로익 미러(3)에 의해 거의 등일축으로 합성되고, 집광렌즈(4)를 통하여 광섬유(101)로 유도된다. 이 때문에 쌍방향 통신을 수행하고 있는 복수의 통신로를 1개로 모은다. 또는 1 개의 다중 통신을 수행하고 있는 통신로를 파장마다 나눌 수가 있다. 본 실시예에 의하면 상기 종래의 구성에 비교하여 렌즈를 1개만 사용하고 있지 않기 때문에 장치의 소형화와 비용을 삭감할 수 있다.
제25도는 다른 실시예 구성을 도시한다. 이 실시예는 광섬유(100)를 사용하여 통신하고 있는 전화회선에 CATV 등의 영상징보를 다중화하고, 이것은 가정 내(101)에서 분파장치(102)로 분지하고, 영상은 TV에, 전화회선은 전화기에 전송되도록 한 것이다. 이 경우 전화회선은 쌍방향 통신이고 영상정보는 단방향 통신이기 때문에 광섬유(102)에 본 실시예에 의한 다이크로익 미러를 사용한 광학장치를 적용할 수가 있다. 이 실시예에 의하면 상술한 바와 같이, 종래에는 3개의 렌즈가 필요한 반면 1개의 렌즈로 완료되어 소형화와 저렴화가 가능하다.
또한 복수 파장의 광을 1개의 광섬유 등의 통신로에 의해 전송하여 쌍방향 다중화 통신을 수행하는 광학장치에 대하여 설명한다. 제26도는 종래의 이 종류의 광학장치의 구성을 도시하고, 발광소자(1)로부더의 파장(λ1)의 광을 광섬유(100)에 의해 전송하고, 광섬유(100)을 통하여 전송되게 되는 파장(λ2)의 광을 수광소자(6)에 의해 수광하는 것이다. 이 경우에, 3개의 렌즈를 사용하여 평행광로 중에 다이크로익 미러(3)를 배치하고 있다. 이것에 대하여 제27도는 본 실시예의 광학장치이고: 비평행 광로 중에 본 실시예의 다이크로익 미러(3)를 배치하고, 1개의 렌즈(4)만으로 끝나는 것 같은 구성으로 되어 있다. 이 실시예에 있어서도 종래의 구성에 비교하여, 장치의 소형화와 저렴화가 도모된다.
다음에 본 발명을 반사형 광전센서로 실시한 예에 대하여 설명한다. 제28도는 반사형 광전센서의 구성을 도시한다. 동일 센서의 투광부는 각각 다른 파장(λ1,λ2)로 발광하는 광원(la,1b)과, 그 발산광로 중에 배치한 본 발명에 의한 다이크로익 미러(3)와 투광렌즈(4)로 이루어진다. 투광부는 광을 투광렌즈(4)를 통하여 검출물체(M)로 향하게 투광한다. 또한 수광부는 검출물체(M)로부터의 반사광을 수광렌즈(5)를 통하여 수광소자(6)에서 수광한다.
이 광전센서의 신호처리회로는 제29도에 도시한 바와 같다. 광원(la,1b)은, 발진회로 및 구동회로를 사용하여 교대로 시분할로 발광되고, 수광소자(6)의 출력신호를 앰프(7)에서 증폭하고, 샘플흘드회로(8)를 사용하여 각 광원의 발광과 동기를 잡아서 각 파장의 반사광량을 검출하고, 제산회로(division circuit;9)에 의해 2개의 파장의 반사광의 비를 연산하고, 비교회로(10)를 사용하여 그 값이 설정된 한계치 보다 큰가 작은가를 비교하는 것으로 특정의 색의 검출물체의 유무를검출한다.
이와 같이 2파장의 반사광량의 비로 검출하는 경우에는, 1파장의 투광광선을 사용한 장치에 비하여 반사광량의 절대치가 변동하여도 오동작하는 것이 아니고,
확실하게 대상물체를 검출할 수 있다. 즉 렌즈부 등의 오염이나 검출물체의 거리 변동에 있어서도 확실하게 물체를 검출할 수 있고, 또한 검출물체의 배경에 고반사율의 물체가 통과하는 것 같은 것에 있어서도, 색이 달라지면 오검지하는 것은 아니다. 구체적으로 설명하면 1파장의 투광광선을 사용한 장치로서, 예를 들면 청색의 물체가 이등하게 되는 것을 소정의 드레쉬레벨(threshlevel)로 검지하고 있는 경우를 생각하면, 그 배경에 백색의 물체가 통과할 때에 반사광량이 늘어나 오동작하는 것이다. 이것에 대하여 2파장, 예를 들면 적색광과 적외광을 사용하여 반사광량의 비로 검출하는 경우에는, 배경으로 백색의 물체가 통과하여도 백색은 적색광과 적외광을 거의 등일한 비율로 반사하기 때문에, 상기와 같은 오동작을 일으키는 것은 아니다.
또한 상기와 같이 구성하므로써, 종래에 비하여 2개의 투광렌즈를 1개로 공용할 수 있음과 동시에, 다이크로익 미러도 광합성면을 작게할 수 있기 때문에, 그 면적을 작게할 수 있고 비용도 저렴하게 된다. 따라서 투광 광학계 전체를 작게할 수 있고, 장치 전체의 소형화와 저렴화를 실현할 수 있다.
또한 다음과 같이 구성하므로써 또 다른 효과가 얻어진다. 제30도에 도시한 바와 같이, 투광렌즈(4)가 x축, y축[다이크로익 미러(3)가 y축을 중심으로 경사져 있다]을 취할 때, x축 방향의 개구수(NA; = 렌즈반경/초점거리(f))가 작고, y축방향의 개구수(NA)가 크게 되는 것 같은 장방형 렌즈로 한다. 다이크로익 미러(3)로의 입사각 범위는 광원으로부터의 출사각 범위가 동일하여도, y축 방향에 비하여, x축 방향의 입사각 범위가 넓게 된다. 또한 다이크로익 미러(3)는 일반적으로 입사각 의존성을 가진다. 따라서, x축 및 y축 방향의 개구수(NA)가 동일하면, 투광광선의 강도분포가 x축 방향으로 비대칭으로 된다. 강도분포가 비대칭이면, 예를 들면 이동 물체를 검출할 때, 검지의 타이밍이 어긋나게 되는 점이 있다. 그래서 x축 방향의 NA가 작고 y축 방향의 NA가 크게 되도록 하므로써, 투광광선의 강도분포를 상하 좌우 대칭으로 가까이 할 수 있다. 이로 인하여 검지된 타이밍의 어긋남이 방지된다.
또한 2개의 파장의 광원 중 파장이 짧은쪽의 광원을 다이크로익 미러(3)에 의해 반사된 측의 광원(la)으로 하고, 파장이 긴 쪽의 광원을 다이크로익 미러(3)에 의해 투과된 측의 광원(1b)으로 한다. 광원은 일반적으로 파장이 짧은쪽이 최대 발광파워가 작고 검출물체로 투광하는 파워의 유효 이용을 고려하면, 파장이 짧은쪽의 광원은 프레넬(Fresnel) 반사에 의한 파워손실이 생기는 투과측에서 사용하는 것 보다도, 반사측에서 사용하는 쪽이 바람직하다.
또한 제31도에 도시한 바와 같이, 2개의 투광광선은 제작상, 2개의 광원(la,lb)의 위치차이, 다이크로익 미러(3)의 각도차 및 위치차 등의 요인으로부터, 조정기구를 설치하여 조정한 경우는 별도로 하고, 완전하게 일치시키는 것은 곤란하다. 광선차이의 요인 중 다이크로익 미러(3)의 위치차이는, 2개의 광원(la,lb)으로부터 다이크로익 미러(3)로의 각각의 광축이 존재하는 평면에 대하여 평행한 방향만의 차이로 되고, 기타 요인은 수직 및 평행의 양방향으로의 차이로 되기 때문에 2개의 투광광선의 차이는 광원의 광축의 존재하는 평면에 대하여 수직방향 보다도 평행 방향으로 크게 어긋난다. 따라서 투광광선에 대하여 수직으로 이동하게 되는 검출물체를 검출하는 경우, 제32도에 도시한 바와 같이 검출물체(M)의 이동방향에 대하여 광원의 광축의 존재하는 평면이 수직으로 되도록 센서를 설치하면, 검출물체(M)에 투광광선 전체가 완전하게 조사되어 있지 않은 상태에서도 오등작없이 검출물체(M)의 검출이 가능하게 된다.
상기의 광학계는, 2개 이상의 광원으로부터 광학소자로의 각각의 광축과, 투광부로부터 검출물체로의 광축과, 검출물체로부터 수광부로의 광축은 등일 평면 내에 있고, 투광광선에 대하여 수직으로 이동하게 되는 검출물체를 검출하는 것이다. 검출물체의 이등방향에 대하여 3개의 광축이 존재하는 평면이 수직으로 되도록 센서가 설치되어 있다. 이 경우의 투광광선과 수광부의 시야는 제33도와 같이 되어 있고, 지금 검출물체가 상기한 이동방향과는 다르고, 도시한 화살표와 같이 3개의 광축이 존재하는 평면 상으로 이동한다고 가정하면, 검출물체(M1, M2)의 거리에 의하여, 도시한 바와 같이 이동방향에 대하여 다른 위치에서 검출되어 적당치 못하다. 이에 대하여 본 실시예와 같이, 검출물체가 3개의 광축이 존재하는 평면에 대하여 수직(즉 본 지면에 대하여 수직방향)으로 이동하는 경우에는 검출물체의 거리에 의하여 검지하는 위치가 변하는 것은 아니다. 이렇게 하여 상기의 광학계에 의해, 검출물체의 위치결정 등의 용도에 있어서 안정한 검출이 가능하다.
본 발명을 반사형 광전센서로 실시한 또 다른 실시예에 대하여 설명한다. 광학계의 구성은 상기 실시예와 등일하게, 광원(la)은 적색광을, 광원(lb)은 적외선을 발광하는 광원을 사용한다. 신호처리회로는 제34도에 도시한 바와 같이, 2개의 광원(la,1b)을 동시에 발광시켜, 수광소자(6)의 출력신호를 증폭하고, 발광타이밍으로 샘플홀드(S/H)하고, 비교회로(10)에서 그 값이 어느 한계치 보다 큰가 작은가를 비교하여 검출물체의 유무를 검출한다. 종래의 적외광만의 센서에서는 투광광선을 볼 수 없기 때문에, 장치를 설치할 때의 광축조정이 곤란했다. 또한 투광광선을 가시적 적색광으로 하고 광축조정을 용이하게 한 것이 있지만, 적색광은 녹색이나 청색의 검출물체에 대하여 반사율이 낮고, 검출이 불안정하다고 하는 문제점이 있었다. 따라서 본 실시예와 같이 광원에 적외광과 적색을 사용하므로써 종래의 문제점을 해결할 수 있다.
또한 제31도에 도시한 바와 같이,2개의 파장의 투광광선의 광축과 확대각(넓어지는 각도)은 제작상, 광원(la,1b)을 구성하는 발광소자의 외형과 팁의 위치 차이, 투광렌즈(4)와 2개의 발광소자의 상대적인 위치차이, 다이크로익 미러(3)의 각도차이 등에 의해 불규칙하게 된다. 그래서 제35도에 도시한 바와 같이, 적색광의 투광광선이 적외광의 투광광선 중에 포함되도록 2개의 투광광선의 확대각을 설계한다. 즉 적색광의 투광광선의 확대각을 θ1, 적외광의 투광광선의 확대각을 θ2, 적색광과 적외광의 광축의 각도차이를 θd로 할 때,
(θ2/2) (θ1/2) + θd를 만족하도록 설계한다.
구체적으로는, 광원(lb)으로부터 투광렌즈(4) 까지의 광로장을 광원(la)으로 부터 투광렌즈(4) 까지의 광로장보다 짧게 하므로써, 적외광의 투광광선의 확대각을 적색광의 투광광선보다 크게 한다. 따라서 센서의 설치시에 가시적 적색광의 투광광선을 기준으로 광축조정하면, 안정하게 검출물체를 검출할 수 있도록 된다.
본 발명을 마크센서장치로 실시한 예를 제36도에 도시한다. 투광부는 각각 파장(λ1,λ2)으로 발광하는 광원(la,lb)을 구비하고, 다이크로익 미러(3)에 의해 발산광로 중에서 광원(1a)으로부터의 광을 반사, 광원(1b)으로부터의 광을 투과시켜 합성하고 투광렌즈(4)에 의해 검출물체(M)에 투광하는 구성이다. 또한 수광부는 검출물체(M)로부터의 반사광을 수광렌즈(5)를 통하여 수광소자(6)에서 수광하는 구성이다. 광원(la) 및 광원(lb)은 교대로 시분할로 발광되고, 제37 도시한 바와 같은 처리회로를 사용하여, 수광소자(6)의 출력신호로부터 각 광원(la,lb)의 발광과 동기를 취하여 각 파장의 반사광량을 검출하고, 그 비를 제산회로(9)에서 연산하고, 그 연산 결과를 비교회로(10)에서 드레쉬레벨과 비교하여 검출물체(M)의 마크를 검출한다.
본 실시예에 의한 2파장을 사용한 마크센서장치에 의하면, 1파장을 사용한 마크센서장치에 비하여 2개의 파장의 광 중 어느 쪽인가의 파장에 대한 검출물체에서의 반사율이 하지(groundwork)의 그것과 다른 색이면 검출할 수 있기 때문에, 검출 가능한 마크의 종류가 많게 된다. 또한 검출물체의 하지와 마크의 색이 백과 흑의 조합인 경우에, 하지와 마크에서 2개의 파장의 반사광 신호의 비는 거의 동일하게 되지만, 가산회로(11)를 사용하여 2개의 반사광량의 합을 구하는 것으로, 마크를 검출할 수가 있다.
본 발명을 색식별장치로 실시한 예를 제38도에 도시한다. 투광부는, 적색, 녹색, 청색으로 각각 발광하는 광원(la,1b,1c)을 구비하고, 발산광로 중에서 다이크로익 미러(3a)에 의해 광원(la)으로부터의 광을 투과하고, 광원(lb)으로부터의 광을 반사시켜서 합성하고, 그 합성된 광을 다이크로익 미러(3b)에 의해 투과시키고 광원(1c)으로부터의 광을 반사시켜 합성하고, 투광렌즈(4)에 의해 검출물체(M)로 투광하는 구성이다. 또한 수광부는 검출물체(M)로부터의 반사광을 수꽝렌즈(5)를 통하여, 적색광, 녹색광, 청색광의 각각의 대하여 감도를 가린 컬러센서(60)에서 수광하는 구성이다. 이 색식별장치의 신호처리회로를 제39도에 도시한다. 컬러센서(60)의 출력으로부터 발광 타이밍과 동기를 취하여 각 파장의 수광량을 검출하고 색식별회로(13)에 의해 검출물체(M)의 색을 식별한다.
제40도는 색식별장치의 다른 실시예를 도시한다. 이 실시예에서는, 수광부에 투광부와 동일하도록 2개의 다이크로익 미러(3c,3d)를 사용하고, 적색, 녹색,청색의 3개의 파장의 반사광을 분리하고, 각각의 파장의 광을 각각의 수광소자(6a,6b,6c)에서 수광한다. 또한 이 실시예 이외에, 제36도 및 제37도와 같이 3개의 광원을 시분할로 발광시켜 수광부에서는 1개의 수광소자로 수광하고, 각각의 광원의 발광 타이밍으로 동기를 춰하고, 각 파장의 반사광량을 검출할 수도있다.
제41도는 본 발명을 색식별센서에 응용한 실시예이다. 이 실시예에서는 발광소자(la)를 적 색광원으로, 발광소자(lb)를 녹색광원으로, 발광소자(1c)를 청색 광원으로 하고, 발광소자(la)와 발광소자(1b)의 출력광을 다이크로익 미러(3a)로 합성하고, 그 합성한 광과 발광소자(1c)로부터 발생한 광을 다이크로익 미러(3b)에서 합성한다. 그리고 렌즈(4)에 의하여 그 합성한 광을 집광하여 대상물체(M) 상에 합쳐서, 그곳으로부터의 반사광을 렌즈(5)를 통하여 집광하고, 회절격자(5a)에서 회절시켜 수광소자 배열(array;6a)에서 검출한다. 이와 같이 구성하면 반사광의 파장 사이의 강도차 또는 강도비로부터 대상물체의 색을 식별할 수가 있다. 회절격자(5a)는 파장에 의해 회절각이 다르기 때문에 파장마다 광을 분할하여 수광할 수가 있다. 도시한 바와 같이, 다이크로익 미러(3a,3b)로서는 판 형상 뿐만 아니라 큐브 형상이나 프리즘 형상일 수도 있다.
본 발명을 거리측정센서로 실시한 예를 제42도에 도시한다. 투광부는, 각 파장(λ1.λ2)에서 발광하는 광원(la,1b)을 구비하고, 다이크로익 미러(3)에 의해 발산광로 중에서 광원(la)으로부터의 광을 반사하고, 광원(1b)으로부터의 광을 투과시켜서 합성하고, 투광렌즈(4)에 의해 검출물체(M)에 투광하는 구성이다. 또한 수광부는, 검출물체(M)로부터 반사광을 수광렌즈(5)를 통하여 투광부와 동일한 다이크로익 미러(3)에 의해 2개의 파장으로 분리하고, 각각 위치검출소자(PSDl, PSD2)로 수광하는 구성이다. 거리측정 방법은, 삼각 거리측정 방식으로 검출물체(M)까지의 거리에 대응한 위치검출소자(PSD1, PSD2)상의 스프트의 위치를 검출하고, 검출물체(M)의 거리를 검출하는 것이다.
거리측정센서의 신호처리회로를 제43도에 도시한다. 이 회로는, 가산회로(14), 감산회로(l5), 제산회로(16), 평균치 연산회로(17) 등으로 구성되고, 거리측정 이외에 색검출도 가능하다. 색검출은, 위치검출소자(PSDl)의 2개의 출력의 합(VS1)과 위치검출소자(PSD2)의 비(VS1/VS2)에 의해 수행된다. 또한 거리측정은, 위치검출소자(PSDl)의 2개의 출력의 합/차인(VS1/VD1)과, 위치검출소자(PSD2)의 2개의 출력의 합/차인(VS2/VD2)와의 평균에 의하여 검출한다. 또한 여기에서는 수광소자로서 위치검출소자를 사용했지만 2분할 이상의 수광소자를 사용하여 실시할 수 있다.
본 발명을 간이형상 인식센서로 실시한 예를 제44 에 도시한다. 투광부는 각각 파장(λ1,λ2)으로 발광하는 광원(la,1b)을 구비하고, 다이크로익 미러(3)에 의해 발산광로 중에서 광원(1a)으로부터의 광을 반사하고, 광원(1b)으로부터의 광을 투과시켜서 합성하고, 투광렌즈(4)에 의해 검출물체(M)로 투광하는 구성이다. 2개의 투광광선의 관계는 한쪽의 확대각이 다른쪽 보다도 작은 동심원 상으로 되어 있다. 일반적으로 파장이 짧은 광원은 최대 발광파워가 작기 때문에, 2개의 파장의 광 중 짧은 파장의 광쪽은 작은 확대각으로 하는 것이 바람직하다. 또한 투광부는 검출물체(M)로부터의 반사광을 수광렌즈(5)를 통하여 수광소자(6)에서 수광하는 구성이다.
이 형상확인센서의 신호처리회로를 제45도에 도시한다. 2개의 광원(la, 1b)은 교대로 시분할로 발광되어 있고, 수광소자(6)의 출력신호를 앰프(7)에서 증폭한 다음, 각 광원의 발광과 동기를 취하여 각 파장의 반사광량을 검출하고, 2개의 반사광량의 비를 제산회로(9)에서 구한다. 확대각이 큰 쪽의 파장의 반사광량을 P1, 작은 쪽의 반사광량을 P2로 하고, 2개의 투광광선의 전체파워가 동등하다고 가정하면, 검출물체(M)가 확대각의 큰 쪽의 투광광선 보다 큰 경우, P1/P2는 거의 1로 되고, 검출물체(M)가 확대각이 큰 투광광선과 작은 투광광선의 사이의 크기의 경우, 적으면 적을수록 P1/P2는 작게 된다. 따라서 P1/P2의 비에 의해 검출물체(M)의 크기를 검출할 수 있게 된다.
상기 각 실시예에서는 반사형의 센서를 나타냈지만, 이것에 한정되지 않고, 제46도에 도시한 바와 같이, 검출물체(M)에 의해 차광되지 않았던 광을 수광하는 투과형의 센서에도 동일하게 적용할 수 있다. 더욱이 반사형, 투과형의 어느쪽의 형태의 센서에 있어서도, 제47도에 도시한 바와 같이, 파장이 다른 2개의 투광광선을 서로 겹치지 않게 놓고 투광하는 구성으로 한 경우, 스포트의 일부가 겹쳐 있는 경우도 겹친 부분이 없는 경우에도, 어느쪽의 스포트 투광의 수광량이 많은가를 검출하므로써, 검출물체의 위치 즉 검출물체의 어긋난 방향의 크기나 형상을 판단할 수가 있다.
제48도는 본 발명을 레이저 디스플레이에 웅용한 실시예이다. 적, 녹, 청의 3개의 레이저 광선을 각각 도시하지 않은 광변조기에 의하여 컬러 텔레비젼의 3색의 신호에 의해 강도 변조하여 합성하는 광원장치(24)를 구성하고, 그곳으로부터 송출된 광을 반사경(25a)에 의하여 반사시켜, 갈바노 미터(galvanometer;26)에 도입되어 있다. 광의 합성은, 예를 들면 다이크로익 미러를 사용하여 수행하면 좋다. 갈바노 미터(26)는 수직방향의 주사를 수행하고, 회전다면경(28)은 수평방향의 주사를 수행한다. 또한 광편향기를 작게 하고 주파수 응답을 잘하기 위해 2개의 릴레이렌즈(relay lens;27a,27b)를 사용하고, 각각의 초점에 편향기가 오도록하고, 2개의 렌즈 간격은 양방의 초점거리의 합으로 되도록 배치하고 있다. 회전다면경(28)에 의한 주사광을 스크린(29)에 투영하면, 해상도나 채도가 높은 컬러 텔레비젼의 디스플레이로 된다.
제49도는 본 발명을 컬러 이미지 스캐너에 적용한 실시예이다. 이것은 입력주사부(30)와 출력주사부(31)를 등기부(32)에 의하여 동기시켜서 회전시킨다. 그리고 입력주사부(30)에 설치된 컬러 원고(36)는, 예를 들면 제41도에 도시한 바와 같은 색식별센서(33)에 의하여 식별하고 그 정보를 컴퓨터(34)에 전송한다. 컴퓨터(34)에서는 공급된 식별관계에 기초하여 광원(35)을 제어하고, 출력주사부(31)의 기록재료(37)에 컬러화상을 기록한다.
제50도는 본 발명을 2파장 광헤드에 적용한 실시예이다. 이것은 파장이 다른 광을 발생하는 발광소자(la,lb)로부터의 출력을 다이크로익 미러(3)에 의하여 합성하고, 편광 광선 스플리터(sp1itter;40) 및 렌즈(42)를 통하여 광디스크(42)에 조사하고, 자료의 다이렉트 오버라이트(direct overwrite), 병렬 판독을 수행하는 것이다. 광원이 하나인 경우, 광디스크(42)로의 자료의 기록은, 1도 비트를 제거하고나서 디스크(42)가 회전하는 것을 기다리고, 기록을 수행할 필요가 있기 때문에, 처리가 지연되지만, 이 실시예에서는, 직접 고쳐쓰기를 수행하는 다이렉트 오버라이트를 수행할 수 있기 때문에, 고속처리를 수행할 수 있다. 또한 판독은 2개의 트랙흠의 정보를 동시에 판독할 수 있기 때문에, 고속 판독이 가능하게 된다.
이상과 같이 본 발명의 제1항 내지 제70항의 광학장치 또는 광센서장치에 의하면, 파장이 서로 다른 광을 합성 또는 분리하는 입사각 의존성이 낮은 다층막 구조를 가진 다이크로익 미러를, 발산 또는 집속광로 중, 즉 비평행 광로 중에 배치하고, 파장에 따라서 광을 반사 또는 투과시키고, 광을 합성 또는 분리시키도록 했기 때문에, 종래와 같이 평행 광로 중에 광학소자를 배치한 경우에 비하여, 장치의 소형화, 부품개수의 감소, 비용의 절감이 도모된다. 다시 말해서, 종래의 다이크로익 미러의 구성은, 비평행 광로 중에서는 입사각이 변하면, 반사해야 할 파장의 광을 반사할 수 없게 투과하여 버리는 것과 같은 것이 일어나기 때문에, 평행광로 중에서 밖에 사용할 수 없다는데 비하여, 본 발명에서는 입사각 의존성이 낮게 되어 있기 때문에, 비평행 광로 중에서 사용할 수 있고, 따라서 상기의 효과를 얻을 수 있다.
또한 합성 또는 분리된 2개의 광의 파장을 λ1,λ2로 하고, 광학소자의 중심입사각으로 투과율이 최대 투과율의 거의 1/2로 되는 파장을 λD로 할 때, 예를 들면,λD가 (λ1+λ2)/2보다도 크게 되도록 광학소자를 설계한다. 즉 설계 파장을 증심주파수로부터 벗어나게 한 것으로, 효율 좋게 2파장을 분리 또는 합성할 수 있다.
또한 본 발명의 제8항 내지 제10항의 다이크로익 미러에 의하면, 반복 적층부로서 굴절율 차이가 작은 물질층을 선택하고, 반복층 이외에서 투과특성으로 일어난 리플을 정합하는 조정층으로서 굴절율 차이가 큰 물질층을 선택하고, 이들을 조합하므로써, 심한 경사도 분광특성과 넓은 불투과 대역 특성을 얻을 수 있다. 따라서 근접하는 2개의 파장의 광을 확실하게 합성/분리할 수가 있다.
또한 본 발명의 제11항 내지 제24항의 광학장치에 의하면, 파장이 다른 2개의 광원으로부터의 광을 발산광로 중에서 다이크로익 미러에 의해 합성하고, 투광렌즈에 의해 검출물체에 투광하는 구성으로 하고, 또는, 파장이 다른 2개의 광의 집속광로 중에서 다이크로익 미러에 의해 이 광을 분리하는 구성으로 했기 때문에, 종래 장치에 비하여, 2개의 투광렌즈를 하나로 공용할 수 있고, 또한 광학부재를 작게할 수 있고, 투광 광학계 전체를 작게 할 수 있고, 그에 따라 장치의 저렴화와 소형화를 실현할 수 있다.
또한 본 발명의 광학 다층막구조를 가진 다이크로익 미러를 사용하여, 한쪽의 광원으로부터의 광은 반사시키고 다른쪽의 광은 투과시키므로써, 반사된 광은 광학부재의 기판을 투과하지 않기 때문에, 수차가 없는 광선을 검출물체로 투광할 수 있고, 안정한 물체 검출을 수행하는 것이 가능하게 되고, 따라서 검출물체의 위치검출에 오차를 일으키는 것이 없게 되고, 반사형 센서 및 투과형의 센서로서 사용 가능하고 또는 검출물체의 형상이나 유무, 거리의 검출 이외에 색식별 등도 가능하게 된다.

Claims (30)

  1. 파장이 상호 상이하며 발산광 및 집속광 중 하나인 제1광 및 제2광을 각각 방출하기 위한 제1발광수단 및 제2발광수단과, 상기 제1광 및 제2광 중 한쪽은 투과시키고 상기 제1 및 제2광 중 다른쪽은 반사시키기 위한 광학 다층막을 가진 다이크로익 미러(dichroic mirror)를 포함하며, 상기 다이크로익 미러의 특성은, 관계식
    λD(λ1 +λ2)/2,
    λD√(λ1× λ2)및
    X = cos-1[(2cos a - 1)cosθ] 중 하나 이상을 만족하며, 여기서, 상기 λ1 및 λ2는 각각 제1광 및 제2광의 파장이며, λD는, 발산광 및 집속광로 중 하나 이상에 배치된 상기 다이크로익 미러의 중심각에서의 투과율이 최대 투과율의 1/2인 파장이며, θ±a는, 상기 다이크로익 미러 상의 발산광 및 집속광중 하나 이상의 입사각의 범위이며,
    X는, (λ1+λ2)/2와 √(λ1 × λ2) 중 하나 이상의 파장에 대한 투과율이 최대 투과율의 1/2인 각도인 것을 특징으로 하는 광학장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 다이크로익 미러에 의해 합성된 광을 수광 하기 위한 수광부를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 광학장치.
  3. 파장이 상호 상이하며 발산광 및 집속광 중 하나 이상인 제1광 및 제2광을 각각 방출하기 위한 제1발광수단 및 제2발광수단과, 상기 제1 및 제2발광을 합성하기 위해 상기 제1 및 제2광 중 한쪽은 투과시키고 그리고 상기 제1 및 제2광 중 다른쪽은 반사시키기 위한 광학 다층막을 가진 다이크로익 미러를 포함하며, 상기 다이크로익 미러는, 고굴절율의 H층과 중간굴절률의 M층이 반복적으로 적층된 제1부분과, 상기 H층과 저굴절율을 가진 L층을 포함한 제2부분을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 H층은 TiO2, M층은 Al2O3, L층은 SiO2로 각각 구성된 것을 특징으로 하는 광학장치.
  5. 제3항에 있어서, 상기 다이크로익 미러에 의해 합성된 광을 수광하기 위한 수광부를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 광학장치.
  6. 광학 다층막을 포함하며, 파장이 상호 상이하고 발산광 및 집속광 중 하나 이상인 제1 및 제2광이 혼합된 상태와 동일한 방향으로 진행하는 합성된 광의 광로에 배치되며, 상기 광 중 한쪽은 투과하고 다른쪽은 반사될 때 상기 제1 및 2광을 분리하는 다이크로익 미러와, 분리된 제1광 및 제2광을 각각 수광하기 위한 제1수광수단과 제2수광수단을 포함하며, 상기 다이크로익 미러의 특성은, 관계식
    λD(λ1 +λ2)/2,
    λD√(λ1× λ2) 및
    X = cos-1[(2cos a - 1)cosθ] 중 하나 이상을 만족하며, 상기 제1 및 제2광의 파장은 각각 λ1 및 λ2이며, λD는, 발산광 및 집속광로 중 하나 이상에 배치된 상기 다이크로익 미러의 중심각에서의 투과율이 최대 투과율의 1/2인 파장이며, θ±a는, 상기 다이크로익 미러 상의 발산광 및 집속광 중 하나 이상의 입사각의 범위이며, X는, (λ1+λ2)/2와 √(λ1 × λ2) 중 하나 이상의 파장에 대한 투과율이 최대 투과율의 1/2인 각도인 것을 특징으로 하는 광학센서장치.
  7. 제6항에 있어서, 제1광의 파장 및 제2광의 파장을 포함한 광을 투광시키기 위한 투광부를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 광학센서장치.
  8. 광학 다층막을 포함하며, 파장이 상호 상이하고 발산광 및 집속광 중 하나 이상인 제1 및 제2광이 혼합된 상태와 등일한 방향으로 진행하는 합성된 광의 광로에 배치되며, 상기 광 중 한쪽은 투과하고 다른쪽은 반사될 때 상기 제1 및 제2광을 분리하는 다이크로익 미러와, 분리된 제1광 및 제2광을 각각 수광하기 위한 제1수광수단과 제2수광수단을 포함하며, 상기 다이크로익 미러는, 고굴절율의 H충과 중간굴절율의 M충이 반복적으로 적층된 제1부분과, 상기 H층 및 저굴절율을 가진 L층을 포함한 제2부분을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학장치.
  9. 제8항에 있어서, 상기 H층은 TiO2, M층은 Al2O3, L층은 SiO2로 각각 구성된 것을 특징으로 하는 광학장치.
  10. 제8항에 있어서, 제1광의 파장과 제2광의 파장을 포함한 광을 투광시키기 위한 투광부를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 광학장치.
  11. 고굴절율의 H층과 중간굴절율의 M층을 포함한 제1부분과; 고굴절율의 H층과 저굴절율의 L층을 포함한 제2부분을 포함하며, 상기 H층과 M층은 반복적으로 적충되며, 상기 H층과 L층은 적층되는 것을 특징으로 하는 다이크로익 미러.
  12. 제11항에 있어서, 상기 제1부분 내의 H층과 M층은 동일한 광학 두께로 반복적으로 적층되는 것을 특징으로 하는 다이크로익 미러.
  13. 제11항에 있어서, 상기 H층과 L층이 동일한 광학 두께로 반복적으로 적층되는 제3부분을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 다이크로익 미러.
  14. 제12항에 있어서, 상기 H층과 L층이 동일한 광학 두께로 반복적으로 적층되는 제3 부분을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다이크로익 미러.
  15. 제13항에 있어서, 상기 제3부분 내의 H층과 L층의 광학 두께는 상기 제1부분 내의 광학 두께보다 얇은 것을 특징으로 하는 다이크로익 미러.
  16. 제14항에 있어서, 상기 제3부분 내의 H층과 L층의 광학 두께는 상기 제1부분 내의 광학 두꼐보다 얇은 것을 특징으로 하는 다이크로익 미러.
  17. 제11항에 있어서, 상기 H층은 TiO2, M층은 Al2O3, L층은 SiO2로 각각 구성된 것을 특징으로 하는 다이크로익 미러.
  18. 제13항에 있어서, 상기 H층은 TiO2, M층은 Al2O3, L층은 SiO2로
    각각 구성된 것을 특징으로 하는 다이크로익 미러.
  19. 제14항에 있어서, 상기 H층은 TiO2, M층은 A12O3, L층은 SiO2로
    각각 구성된 것을 특징으로 하는 다이크로익 미러.
  20. 제1굴절률 차이를 가진 제1물질 및 제2물질을 포함한 제1부분과, 제2굴절률 차이를 가진 제3물질 및 제4물질을 포함한 제2부분을 포함하며, 상기 제1 및 제2물질은 각각 동일한 광학 두께로 반복되며, 상기 제2굴절률 차이는 상기 제1굴절률 차이보다 크며, 상기 다이크로익 미러가 상기 광로 중에 배치되어 상기 광속들 중 하나가 θ각도로 다이크로익 미러로 입사되며 중심입사각(θ)의 양쪽 중 어느 한쪽의 범위에 이를 때, 상기 다이크로익 미러의 특성은, 관계식
    λD(λ1+ λ2)/2,
    λD√(λ1× λ2)및
    X = cos-1[(2cos a - 1)cosθ] 중 하나 이상을 만족하며, 여기서, 상기 λ1 및 λ2는 각각 제1 및 제2광의 파장이며, λD는, 발산광 및 집속광로 중 하나 이상에 배치된 상기 다이크로익 미러의 중심각에서의 투과율이 최대 투과율의 1/2인 파장이며, θ±a는, 상기 다이크로익 미러 상의 발산광 및 집속광 중 하나 이상의 입사각의 범위이며, X는, (λ1+λ2)/2 및 √(λ1×λ2) 중 하나 이상의 파장에 대한 투과율이 최대 투과율의 1/2인 각도인 것을 특징으로 하는 다이크로익 미러.
  21. 제20항에 있어서, 상기 제1 및 제2물질 중 하나와 상기 제3 및 제4물질 중 하나는 동일한 물질인 것을 특징으로 하는 다이크로익 미러.
  22. 제20항에 있어서, 제1굴절률 차이를 가진 제5 및 제6물질을 포함한 제3부분을 추가로 포함하며, 상기 제5 및 제6물질은 상기 제1부분의 광학 두께와는 다르지만 이 물질들끼리는 동일한 광학 두께로 반복되는 것을 특징으로 하는 다이크로익 미러.
  23. 제20항에 있어서, 제3굴절률 차이를 가진 제7 및 제8물질을 포함한 제4부분을 추가로 포함하며, 상기 제3굴절률 차이는 상기 제1굴절률 차이보다 큰 것을 특징으로 하는 다이크로익 미러.
  24. 제20항에 있어서, 상기 제1 및 제3물질은 TiO2, 제2물질은
    Al2O3. 제4물질은 SiO2로 각각 구성된 것을 특징으로 하는 다이크로익 미러.
  25. 검출할 물체의 검출방법에 있어서, 파장이 서로 상이하며 그 중 하나 이상은 발산광 및 집속광인 제l광 및 제2광을 방출하는 단계와, 상기 제1 및 제2광을 합성하도록 제1광 및 제2광 중 한쪽은 투과시키고 제1광 및 제2광 중 다른쪽은 반사시키는 다이크로익 미러의 상이한 표면 상에 입사하는 상기 제1광 및 제2광을 형성하는 단계와, 검출할 물체를 향해 합성된 제1광 및 제2광을 투광시키는 단계와, 검출할 물체에 의해 반사된 제1광 및 제2광을 수광하는 단계와, 수광된 제1광 및 제2광의 양에 기초하여 검출할 물체를 검출하는 단계를 포함하며, 상기 다이크로익 미러는 광학 다층막을 포함하며, 다이크로익 미러의 특성은, 관계식
    λD(λ1+ λ2)/2,
    λD√(λ1× λ2)및
    X = cos-1[(2cos a - 1 )cosθ] 중 하나 이상을 만족하며, 여기서 λ1 및 λ2는 상기 제1 및 제2광의 파장이며, λD는, 발산광 및 집속광로 중 하나 이상에 배치된 상기 다이크로익 미러의 중심각에서의 투과율이 최대 투과율의 1/2인 파장이며, θ±a는, 상기 다이크로익 미러 상의 발산광 및 집속광 중 하나 이상의 입사각의 범위이며, X는,(λ1+λ2)/2와 √(λ1×λ2) 중 하나 이상의 파장에 대한 투과율이 최대 투과율의 1/2인 각도인 것을 특징으로 하는 검출방법.
  26. 검출하고자 하는 물체의 검출방법에 있어서, 검출할 물체를 향해 파장이 서로 상이한 제1광 및 제2광을 투광시키는 단계와, 검출할 발산광 및 집속광 중 하나 이상인 제1 및 제2광을 다이크로익 미러의 표면 상으로 입사시키는 단계와, 검출할 물체에 의해 반사된 광을 제1광 및 제2광으로 분리시키도록 다이크로익 미러에 의해 상기 제1광 및 제2광 중 한쪽은 투과시키고, 상기 다이크로익 미러에 의해 상기 제1광 및 제2광 중 다른쪽은 반사시키는 단계와, 상기 분리된 제1 및 제2광을 각각 수광하는 단계와, 수광된 제1광 및 제2광의 양에 기초하여 검출할 물체를 검출하는 단계를 포함하며. 상기 다이크로익 미러는 광학 다층막을 포함하며, 다이크로익 미러의 특성은, 관계식
    λD(λ1+ λ2)/2,
    λD√(λ1× λ2)및
    X = cos-1[(2cos a - 1 )cosθ] 중 하나 이상을 만족하며, 여기서 λ1 및 λ2는 상기 제1 및 제2광의 파장이며, λD는, 발산광 및 집속광로 중 하나 이상에 배치된 상기 다이크로익 미러의 중심각에서의 투과율이 최대 투과율의 1/2인 파장이며, θ±a는, 상기 다이크로익 미러 상의 발산광 및 집속광 중 하나 이상의 입사각의 범위이며, X는,(λ1+λ2)/2와 √(λ1×λ2) 중 하나 이상의 파장에 대한 투과율이 최대 투과율의 1/2인 각도인 것을 특징으로 하는 검출방법.
  27. 검출하고자 하는 물체의 검출방법에 있어서, 파장이 서로 상이하며 그 중 하나 이상은 발산광 및 집속광 중 하나 이상인 제1광 및 제2광을 방출하는 단계와, 상기 제1 및 제2광을 합성하도록 제1광 및 제2광 중 한쪽은 투과시키고 제1광 및 제2광 중 다른쪽은 반사시키는 다이크로익 미러의 상이한 표면 상에 입사하는 상기 제1광 및 제2광을 형성하는 단계와, 검출할 물체를 향해 합성된 제1광 및 제2광을 투광시키는 단계와, 검출할 물체에 의해 반사된 제1광 및 제2광을 수광하는 단계와, 수광된 제1광 및 제2광의 양에 기초하여 검출할 물체를 검출하는 단계로 구성되며, 상기 다이크로익 미러는, 고굴절율의 H층과 중간굴절율의 M층을 포함한 제1부분과, 고굴절율의 H층과 저굴절율의 L층을 포함한 제2부분을 포함하며, 상기 H층과 M층은 반복적으로 적층되며, 상기 H층과 L층은 적층되는 것을 특징으로 하는 검출방법.
  28. 검출하고자 하는 물체의 검출방법에 있어서, 파장이 서로 상이하며 그 중 하나 이상은 발산광 및 집속광인 제1광 및 제2광을 방출하는 단계와, 상기 제1 및 제2광을 합성하도록 제1광 및 제2광 중 한쪽은 투과시키고 제1광 및 제2광 중 다른쪽은 반사시키는 다이크로익 미러의 상이한 표면 상에 입사하는 상기 제1광 및 제2광을 형성하는 단계와, 검출할 물체를 향해 합성된 제1광 및 제2광을 투과시키는 단계와, 검출할 물체에 의해 반사된 제1광 및 제2광을 수광하는 단계와, 수광된 제1광 및 제2광의 양에 기초하여 검출할 물체를 검출하는 단계로 구성되며, 상기 다이크로익 미러는 제1 굴절률 차이를 가진 제1물질과 제2물질을 포함한 제1부분과, 제2굴절률 차이를 가진 제3물질과 제4물질을 포함한 제2부분을 포함하며, 상기 제1 및 제2물질은 각각 동일한 광학 두께로 반복되며, 상기 제2굴절률 차이는 제1굴절률 차이보다 큰 것을 특징으로 하는 검출방법.
  29. 검출하고자 하는 물체의 검출방법에 있어서, 검출할 물체를 향해 파장이 서로 상이한 제1광과 제2광을 투광시키는 단계와, 검출할 발산광 및 집속광 중 하나 이상인 제1 및 제2광을 다이크로익 미러의 표면 상으로 입사시키는 단계와, 검출할 물체에 의해 반사된 광을 제1광 및 제2광으로 분리시키도록 다이크로익 미러를 통해 상기 제1광 및 제2광 중 한쪽은 투과시키고, 상기 다이크로익 미러에 의해 상기 제1광 및 제2광 중 다른쪽은 반사시키는 단계와, 상기 분리된 제1 및 제2광을 각각 수광하는 단계와, 수광된 제1광 및 제2광의 양에 기초하여 검출할 물체를 검출하는 단계를 포함하며, 상기 다이크로익 미러는 고굴절률의 H층과 중간물질층의 M층을 포함한 제1부분과, 고굴절율의 H층과 저굴절율의 L층을 포함한 제2부분을 포함하며, 상기 H층과 M층은 반복적으로 적층되며, 상기 H층과 L층은 적층되는 것을 특징으로 하는 검출방법.
  30. 검출하고자 하는 물체의 검출방법에 있어서, 검출할 물체를 향해 서로 접근하는 파장을 갖는 제1광 및 제2광을 투광시키는 단계와, 검출할 발산광 및 집속광 중 하나 이상인 제1 및 제2광을 다이크로익 미러의 표면 상으로 입사시키는 단계와, 검출할 물체에 의해 반사된 광을 제1광 및 제2광으로 분리시키도록, 다이크로익 미러를 통해 상기 제1광 및 제2광 중 한쪽은 투과시키고, 상기 다이크로익 미러에 의해 상기 제1광 및 제2광 중 다른쪽은 반사시키는 단계와, 상기 분리된 제1 및 제2광을 각각 수광하는 단계와, 수광된 제1광 및 제2광의 양에 기초하여 검출할 물체를 검출하는 단계를 포함하며,상기 다이크로익 미러는 제1 굴절률 차이를 가진 제1 및 제2 물질을 포함한 제1부분과, 제2굴절률 차이를 가진 제3 및 제4물질을 포함한 제2부분을 포함하며. 상기 제1 및 제2물질은 동일한 광학 두께로 반복되며, 상기 제2굴절률 차이는 제1굴절률 차이보다 큰 것을 특징으로 하는 검출방법.
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