JP2016001236A - 回折格子および変位計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】１次回折光に対して２次以上の高次回折光の出射が相対的に抑制される透過型の回折格子、および、高いＳ／Ｎ比を有する変位計測装置、を提供する。【解決手段】回折格子１００は、光透過性の部材で構成された、透過型の回折格子であり、第１の面１１０と第２の面１２０を有する。第１の面１１０は、レーザー光が入射すべきパターン１１２を含み、第２の面１２０は、回折光のうちの１次回折光が出射されるべき窓部１２２と、その周囲に配置される、２次以上の高次回折光が到達すべき粗面部１２４と、を含む。【選択図】図１

Description

本発明は、回折格子およびそれを有する変位計測装置に関する。

物体の変位量（例えば移動距離）を測定する変位計測装置には、回折格子による回折光の光量の変化から、当該物体の変位量を検出する装置が知られている。当該変位計測装置では、例えば、上記物体に対して独立して配置された光源からの光から、同じく上記物体に対して独立して配置された第１の回折格子によって回折光を生じさせる。そして、上記物体の移動に対応して移動可能な第２の回折格子によって上記回折光を光センサに向けて回折させ、第２の回折格子の移動に応じた光量の変化を当該光センサで検出する（例えば、特許文献１参照）。

上記変位計測装置における第１および第２の回折格子には、いずれも、透過型の回折格子が用いられる。透過型の回折格子では、１次回折光以外の高次回折光、例えば３次回折光、が、１次回折光と重なって出射されることがある。このため、上記光センサでは、１次回折光と３次回折光とが重なった光が検出されることがある。

１次回折光は、通常、３次回折光よりも十分に強いので、光センサにおける検出対象とされやすい。しかしながら、例えば光センサの感度によっては、３次回折光がノイズとなることがある。

一方で、反射型の回折格子では、パターンの深さと、当該パターンへの光の入射角度とを規定することにより、２次以上の高次回折光の発生を抑制することが知られている（例えば、特許文献２）。

国際公開第２０１１／０４３３５４号 特開２０１２−００２７０１号公報

上記変位計測装置では、Ｓ／Ｎ比を高める観点から、１次回折光を強め、または２次以上の高次回折光を弱めることが望まれる。このように、上記変位計測装置に適用可能な回折格子（すなわち透過型の回折格子）において、２次以上の高次回折光の発生を抑制することには、未だ検討の余地が残されている。

本発明は、１次回折光に対して２次以上の高次回折光の出射が相対的に抑制される透過型の回折格子を提供することを第１の課題とする。
また、本発明は、高いＳ／Ｎ比を有する変位計測装置を提供することを第２の課題とする。

本発明は、光透過性の部材で構成され、回折光を生じさせるためのパターンを有する透過型の回折格子であって、光が入射すべき、前記パターンを含む第１の面と、前記パターンへの前記光の入射によって生じ、前記回折格子を透過した前記回折光が出射すべき第２の面と、前記第２の面における、前記回折光のうちの２次以上の高次回折光が到達すべき部分に配置される遮光部と、を有する、回折格子を提供する。

また、本発明は、光源と、前記光源から出射された光を、１次回折光を含む回折光に分けるための第１の回折格子と、前記第１の回折格子と対向し、かつ、相対的に移動可能に配置されており、前記第１の回折格子から出射される少なくとも前記１次回折光を所期の方向へ進行させるための第２の回折格子と、前記第２の回折格子から出射された光の光量を検出するための光センサと、を有し、前記光センサで検出された光の光量の変化から、前記第１の回折格子に対する前記第２の回折格子の移動量を測定する、変位計測装置であって、少なくとも前記第１の回折格子における、前記回折光のうちの２次以上の高次回折光が到達すべき部分は、遮光されている、変位計測装置を提供する。

上記回折格子は、第２の面における１次回折光が出射されるべき部分に隣接する、高次回折光が到達すべき部分に上記遮光部が配置されることから、高次回折光の出射が上記遮光部によって十分に抑制される。よって、実質的には１次回折光のみが第２の面から出射される。したがって、１次回折光に対して２次以上の高次回折光の出射が相対的に抑制される透過型の回折格子が提供される。

また、上記変位計測装置は、少なくとも上記第１の回折格子において、１次回折光が出射される部分の周囲が遮光され、そして高次回折光は当該部分の周囲に到達することから、１次回折光とともに３次回折光が出射される従来の変位計測装置よりも高いＳ／Ｎ比を有する変位計測装置が提供される。

図１Ａは、本発明の第１の実施の形態に係る回折格子の部分断面図であり、図１Ｂは、当該回折格子の部分平面図である。 図２Ａは、回折格子の平面図であり、図２Ｂは、当該回折格子の要部の断面を模式的に示す図である。 図３Ａは、本発明の第２の実施の形態に係る回折格子の構成を模式的に示す図であり、図３Ｂは、本発明の第３の実施の形態に係る回折格子の構成を模式的に示す図である。 本発明の第４の実施の形態に係る回折格子の構成を模式的に示す図である。 図５Ａは、本発明の第５の実施の形態に係る回折格子の部分断面図であり、図５Ｂは、本発明の第６の実施の形態に係る回折格子の部分平面図であり、図５Ｃは、本発明の第７の実施の形態に係る回折格子の部分平面図である。 図６Ａは、本発明の一実施の形態に係る変位計測装置の構成を模式的に示す図であり、図６Ｂは、本発明の他の実施の形態に係る変位計測装置の構成を模式的に示す図である。

［回折格子］
本発明の一実施の形態に係る回折格子を説明する。図１Ａは、本発明の第１の実施の形態に係る回折格子１００の部分断面図であり、図１Ｂは、回折格子１００の部分平面図である。

回折格子１００は、光透過性の材料で板状に形成されている。回折格子１００の平面形状は、その用途などに応じて適宜に決めることができる。上記材料の例には、ガラスなどの無機材料、および、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）、環状オレフィンコポリマー（ＣＯＣ）、環状ポリオレフィン（ＣＯＰ）およびポリカーボネート（ＰＣ）などの樹脂、が含まれる。

回折格子１００は、第１の面１１０および第２の面１２０を有している。第１の面１１０は、光が入射すべき面であり、回折光を生じさせるパターン１１２を含む。

パターン１１２は、第１の面１１０の一部、例えば後述のレーザー光が入射する部分、のみに配置されていてもよいし、第１の面１１０の全面に配置されていてもよい。パターン１１２は、例えは、その断面形状が矩形である複数の並列する溝で構成されるが、パターン１１２の形状は、公知の技術に基づいて適宜に決められる。パターン１１２は、例えば、０次を含む偶数次の回折光を実質的に生じないように形成されている。

なお、パターン１１２における光の入射すべき領域（「入射スポット（ＩＳ）」とも言う）の中心を入射点（ＩＰ）とし、入射点ＩＰを通って回折格子１００の面方向に直交する仮想線を光軸ＬＡとする。また、図１Ｂに示されるように、パターン１１２で生じた１次回折光が第２の面１２０に表れるべき範囲をスポットＡとし、パターン１１２で生じた３次回折光が第２の面１２０に表れるべき範囲をスポットＢとする。スポットＡとスポットＢは、その外縁で互いに接している、とする。

第２の面１２０は、窓部１２２および粗面部１２４を含む。窓部１２２は、第２の面１２０における平滑な部分であり、光軸ＬＡおよびスポットＡを含む領域である。粗面部１２４は、第２の面１２０における、光を散乱するように微細な凹凸によって粗されている部分であり、スポットＢを含む領域に形成されている。粗面部１２４は、上記遮光部に該当する。当該遮光部における「遮光」とは、１次回折光に対して高次回折光が完全に遮られることのみならず、１次回折光に対して当該高次回折光が実質的に影響しない程度の適度な遮光率で遮られることも意味する。

なお、波長７８０ｎｍのレーザー光では、粗面部１２４における当該透過率は、例えば２０．２％であり、窓部１２２における当該透過率は、例えば９０．７％である。当該透過率は、例えば、コンピュータシミュレーションによって求めることが可能であり、あるいは、回折格子１００と同じ材料および同じ厚さの、そして第２の面の一部に粗面部を有する試験片を用いる分光光度測定によって求められる。

なお、回折格子１００は、第２の面１２０においてスポットＡとスポットＢとが接する位置関係となるための十分な厚さを有している。たとえば、パターン１１２の溝の幅が２．４μｍ、当該溝の深さが０．８μｍ、パターン１１２のピッチが４．８μｍであり、パターン１１２における入射光の波長が７８０ｎｍ、当該入射光のスポットＩＳの直径が１．５ｍｍである場合、回折格子１００の厚さは４〜５ｍｍである。

また、スポットＡおよびスポットＢは、パターン１１２の溝の幅（ピッチ）が狭いと離れ、広いと近づく。パターン１１２のピッチによっても、上記の位置関係を調整することが可能である。

パターン１１２および粗面部１２４は、いずれも、回折格子１００を成形するための金型に形成した凹凸の転写によって形成され得る。このため、回折格子１００は、回折格子１００の生産性の観点から、パターン１１２と同じ方法で製造され得ることが好ましく、例えば回折格子１００の材料が樹脂であれば射出成形、ガラスであればガラスモールド、によって製造されることが好ましい。

当該金型における、パターン１１２に対応する凹凸は、転写によってパターン１１０を形成する形状であり、例えば、その断面形状が矩形の突条である。当該突条の高さは、例えば１．０μｍ以下であり、当該突条の幅は、例えば２．４μｍ以下であり、そのピッチは４．８μｍである。このような凹凸は、例えば、公知の切削加工によって作製され得る。

上記金型における粗面部１２４のための凹凸は、例えば、シボである。シボとは、形状および配置が不規則な微細な凹凸である。このような凹凸は、例えば、サンドブラストにより作製され得る。

次に、回折格子１００の回折光の出射について説明する。図２Ａは、回折格子の平面図であり、図２Ｂは、当該回折格子の要部の断面を模式的に示す図である。図中のＬＡ１は１次回折光の光軸を、ＬＡ３は３次回折光の光軸をそれぞれ示す。なお、図２Ａおよび図２Ｂには、正の次元の回折光のみを示す。

回折格子２００は、従来の回折格子である。回折格子２００は、回折格子２００の厚さが薄く、また粗面部１２４を有さない以外は、回折格子１００と同じに構成されている。

回折格子２００は、第１の面のパターン１１２に光（例えばレーザー光）が照射されることにより、パターン１１２で１次回折光と３次回折光が発生する。発生した１次回折光および３次回折光は、回折格子２００を透過し（図２Ｂの（１））、第２の面から出射する。このため、第２の面には、１次回折光のスポットＳ１と３次回折光のスポットＳ３とが、ほとんど重なる（図２Ａの（１））。このように、第２の面では、回折格子２００では、１次回折光は、３次回折光とはほとんど区別され得ない。

ところで、例えば、回折格子２００の厚さだけを大きくする（この回折格子を２００’とする）と、１次回折光および３次回折光は、いずれも、図２Ｂの（２）に示されるように、光軸ＬＡ１、ＬＡ３に沿って回折格子２００’を透過することから、図２Ａの（２）に示されるように、第２の表面において実質的に分離する程、例えば、スポットＳ１とスポットＳ３とがその外縁で接する程、スポットＳ３がスポットＳ１から離れ得る。

回折格子１００は、回折格子２００’に粗面部１２４をさらに配置したものと同じである。回折格子１００では、１次回折光は、第２の面１２０の窓部１２２にスポットＳ１を形成する。しかしながら、３次回折光は、粗面部１２４で散乱し、遮られる（図２Ｂの（３））。よって、第２の面には、スポットＳ１のみが形成され、窓部（第２の面）からは、実質的には１次回折光のみが出射される。

ここで、波長７８０ｎｍのレーザー光を上記パターンに照射したときの、回折格子２００’および回折格子１００の第２の面から出射される各回折光の光強度（％）をコンピュータシミュレーションで求めた結果を下記表１に示す。いずれの回折格子においても、パターン１１２の溝の深さは０．８μｍであり、当該溝の幅は２．４μｍであり、パターン１１２のピッチは４．８μｍである。なお、上記光強度（％）とは、入射光の光強度に対する、各次数における回折光の光強度の割合を百分率で示したものである。

回折格子１００では、０次回折光は、前述したようにパターン１１２の溝の深さによって実質的に影響を及ぼさない程度に設定されている。そして、３次回折光は、０次回折光と同程度の光強度にまで抑えられている。また、１次回折光は、０次回折光および３次回折光のいずれに対しても十分に強い。

以上の説明から明らかなように、回折格子１００は、光透過性の部材で構成され、回折光を生じさせるためのパターン１１２を有する透過型の回折格子であり、光が入射すべき、パターン１１２を含む第１の面１１０と、パターン１１２への光の入射によって生じ、回折格子を透過した回折光が出射すべき第２の面１２０と、第２の面１２０における、回折光のうちの２次以上の高次回折光が到達すべき部分に配置される遮光部（粗面部１２４）と、を有する。よって、回折格子１００は、１次回折光に対して２次以上の高次回折光の出射を相対的に抑制することができる。

また、回折格子１００が、第２の面１２０における３次回折光が到達すべき部分（スポットＳ３）を、第２の面１２０における１次回折光が出射されるべき部分（スポットＳ１）から実質的に分離させる厚さを有することは、１次回折光に対する３次回折光の出射の相対的な抑制を簡易に実現する観点から、より一層効果的である。

また、粗面部１２４が、第２の面１２０における、上記回折光のうちの３次回折光が到達すべき部分に配置されていることは、１次回折光の光強度を他の高次回折光のそれに対して相対的に十分に、そして簡易に高くする観点から、より一層効果的である。

また、粗面部１２４が第２の面１２０における、光を散乱させる凹凸で構成されていることは、パターン１１２および粗面部１２４を含む回折格子１００を一度の射出成形で製造することが可能となるので、生産性を高める観点からより一層効果的である。

なお、回折格子１００は、粗面部１２４に代えて着色部または金属膜を含んでいてもよい。当該着色部は、多層成形技術を用いて、着色ポリカーボネートのような着色層を粗面部１２４の位置に作製してもよいし、あるいは、回折格子２００’の所期の位置に塗料の塗布によって作製してもよい。また、上記金属膜は、例えば、めっきにより作製することが可能である。

図３Ａは、本発明の第２の実施の形態に係る回折格子の構成を模式的に示す図であり、図３Ｂは、本発明の第３の実施の形態に係る回折格子の構成を模式的に示す図である。粗面部１２４は、図３Ａに示されるように、シボではなくプリズム部であってもよい。プリズム部とは、四角錐などの所定の、しかし微細な形状が、平面的に規則的に配置されている構造であり、シボと同様に、光を散乱する微細な凹凸となる。当該プリズム部は、図３Ａに示されるように、回折格子１００用の金型の対応する部分に規則的な微細構造を形成し、当該金型を用いて回折格子１００の成形と同時に作製されたものであってもよいし、あるいは、回折格子１００’は、図３Ｂに示されるように、回折格子２００’と、回折格子２００’の所期の位置に貼り付けられた、プリズム部となるシート１７４と、から構成されていてもよい。

図４は、本発明の第４の実施の形態に係る回折格子の構成を模式的に示す図である。回折格子３００は、図４に示されるように、回折格子２００’と、粗面部１２４に代わる、回折格子２００’に取り付けられる、スポットＢを塞ぐ不透明な部材２２４とから構成されていてもよい。部材２２４の例には、回折格子２００’を使用されるべき位置に保持するためのホルダー、および、当該ホルダーに固定するための枠体、が含まれる。

また、回折格子１００は、粗面部１２４に代えて、高次回折光を全反射させる部位を含んでいてもよい。図５Ａは、本発明の第５の実施の形態に係る回折格子の部分断面図である。

図５Ａに示される回折格子４００は、粗面部１２４の位置に傾斜部３２４を有する以外は回折格子１００と同様に構成されている。回折格子４００では、図５Ａに示されるように、３次回折光は、傾斜部３２４の傾斜面で全反射し、例えば光軸ＬＡ３からさらに外方へ、出射される。回折格子４００も、回折格子１００と同様の効果を奏する。

なお、回折格子１００は、スポットＡとスポットＢとが接するように設計されているが、スポットＡおよびスポットＢは、１次回折光の検出が可能な範囲において、一部が重なっていてもよい。図５Ｂは、本発明の第６の実施の形態に係る回折格子の部分平面図である。

図５Ｂに示される回折格子５００は、スポットＢがスポットＡにわずかに重なっており、粗面部４２４は、スポットＢを全て覆い、スポットＡにおける、スポットＢと重複する部分を覆うように、配置されている。回折格子５００は、１次回折光の光強度が若干低いことを除き、回折格子１００と同様の効果を奏する。

また、回折格子１００では、第２の面１２０において、正の１次回折光のスポットＡと、負の１次回折光のスポットＡとの間には何も配置されていないが、両スポットＡ間に、さらに粗面部が配置されていてもよい。図５Ｃは、本発明の第７の実施の形態に係る回折格子の部分平面図である。

図５Ｃに示される回折格子６００は、二つのスポットＡ間に粗面部５２４がさらに配置されている。粗面部５２４は、主に０次回折光を散乱させ、弱める。回折格子６００は、回折格子１００と同様の効果を奏し、さらに０次回折光の影響を低減させる観点からより一層効果的である。

上述した回折格子は、公知の回折格子と同様に、変位計測装置に利用することができる。

［変位計測装置］
変位計測装置は、前述した回折格子が少なくとも、上記パターンが光源側に配置される回折格子として用いられる以外は、特許文献１に記載の変位計測装置と同様に構成することができる。

図６Ａは、本発明の一実施の形態に係る変位計測装置の構成を模式的に示す図である。
変位計測装置７００は、図６Ａに示されるように、光源６０１、コリメータレンズ６０２、第１の回折格子１００（前述の回折格子１００と同じ）、第２の回折格子６０４、および光センサ６０５を有する。

光源６０１は、例えば、レーザー光を出射する装置である。コリメータレンズ６０２は、光源６０１からのレーザー光を直進する平行光にするための光学素子である。第１の回折格子１００は、当該レーザー光から１次回折光を生じさせるための光学素子である。光源６０１、コリメータレンズ６０２および第１の回折格子１００は、いずれも所期の位置に固定されている。

第２の回折格子６０４は、第１の回折格子１００と対向して配置されている。また、第２の回折格子６０４は、第１の回折格子１００に対して相対的に移動可能に配置されており、移動量の測定対象品（例えば、自転車のブレーキパッド）と、その移動量が適当に反映されるように、直接または間接的に接続されている。第２の回折格子６０４は、第１の回折格子１００から出射される少なくとも１次回折光を、光センサ６０５に向けて出射するための光学素子である。光センサ６０５は、光量を検出するための装置であり、例えばフォトダイオードである。

光源６０１から照射されたレーザー光は、図６Ａ中において実線で示されるように、コリメータレンズ６０２によって平行な光となり、第１の回折格子１００のパターン１１２に入射する。パターン１１２では、１次回折光を含む高次回折光が発生し、第１の回折格子１００を透過する。３次回折光は、粗面部１２４によって散乱され、実質的に１次回折光のみが、窓部１２２から出射する。

窓部１２２から出射した１次回折光は、第２の回折格子６０４のパターンに入射し、光センサ６０５に向かう回折光として第２の回折格子６０４から出射する。当該回折光は、光センサ６０５に入射し、検出される。

第２の回折格子６０４が、その光軸方向（図６Ａ中のＸ方向）に移動すると、第２の回折格子６０４から出射される回折光の光路も当該光軸方向へ移動し、移動後の光路の当該回折光が光センサ６０５で検出される。このときの光量の変化などによって、この光学的な変化に応じた距離が、第１の回折格子１００に対する第２の回折格子６０４の移動量として測定され、その結果、上記測定対象品の移動量が求められる。

変位計測装置７００は、第１の回折格子１００を有することから、実質的に１次回折光のみが出射される。よって、光センサ６０５の検出条件が、３次回折光がノズルとなるような、より限定された条件であっても、Ｓ／Ｎ比が高く、従来の３次回折光を含む変位計測に比べて、より高い精度の変位計測を行うことが可能である。

なお、変位計測装置７００は、粗面部１２４に代わる構成要素を有する場合には、回折格子１００に代えて回折格子２００’を用いることが可能である。

図６Ｂは、本発明の他の実施の形態に係る変位計測装置の構成を模式的に示す図である。変位計測装置８００は、図６Ｂに示されるように、第１の回折格子１００に代えて、第１の回折格子２００’を有するとともに、第１の回折格子２００’を光路中の所期の位置に固定、保持するためのホルダー７０６を有している。ホルダー７０６は、光透過性を有さず、かつ、第１の回折格子１００を保持したときに、第１の回折格子１００の粗面部１２４に対応する部分を覆うように形成されている。このように、変位計測装置８００では、第１の回折格子２００’の第２の面における窓部１２２の周囲に、遮光性のホルダー７０６が配置される。変位計測装置８００も、前述した変位計測装置７００と同様の効果を奏する。

なお、上記変位計測装置において、第１の回折格子のみならず、第２の回折格子にも前述した本実施の形態に係る回折格子を採用してもよい。

以上の説明から明らかなように、上記変位計測装置は、光源と、当該光源から出射された光を、１次回折光を含む回折光に分けるための第１の回折格子と、当該第１の回折格子と対向し、かつ、相対的に移動可能に配置されており、第１の回折格子から出射される少なくとも１次回折光を所期の方向へ進行させるための第２の回折格子と、当該第２の回折格子から出射された光の光量を検出するための光センサと、を有し、当該光センサで検出された光の光量の変化から、第１の回折格子に対する第２の回折格子の移動量を測定する、変位計測装置であって、少なくとも第１の回折格子における、回折光のうちの２次以上の高次回折光が到達すべき部分が遮光されていることから、１次回折光とともに３次回折光も出射される従来の変位計測装置よりも、Ｓ／Ｎ比をより高めることが可能となる。そして、当該変位計測装置の第１の回折格子には、前述した本実施の形態に係る回折格子を好適に採用することができる。

本発明に係る回折格子は、物体の移動量を計測するための変位計測装置における光学スケールとして有用であり、上記光学スケールおよび上記変位計測装置の技術分野のさらなる発展に寄与することが期待される。

１００、１００’、２００、２００’、３００、４００、５００、６００ （第１の）回折格子
１１０ 第１の面
１１２ パターン
１２０ 第２の面
１２２ 窓部
１２４、４２４、５２４ 粗面部
１７４ シート
２２４ 部材
３２４ 傾斜部
６０１ 光源
６０２ コリメータレンズ
６０４ 第２の回折格子
６０５ 光センサ
７００、８００ 変位計測装置
７０６ ホルダー

Claims (6)

1. 光透過性の部材で構成され、回折光を生じさせるためのパターンを有する透過型の回折格子であって、
   光が入射すべき、前記パターンを含む第１の面と、
   前記パターンへの前記光の入射によって生じ、前記回折格子を透過した前記回折光が出射すべき第２の面と、
   前記第２の面における、前記回折光のうちの２次以上の高次回折光が到達すべき部分に配置される遮光部と、
   を有する、回折格子。
2. 前記回折格子は、前記第２の面における３次回折光が到達すべき部分を、前記第２の面における１次回折光が出射されるべき部分から実質的に分離させる厚さを有する、請求項１に記載の回折格子。
3. 前記遮光部は、前記第２の面における、前記回折光のうちの３次回折光が到達すべき部分に配置されている、請求項１または２に記載の回折格子。
4. 前記遮光部は、前記第２の面における、光を散乱させる凹凸で構成されている、請求項１〜３のいずれか一項に記載の回折格子。
5. 光源と、
   前記光源から出射された光を、１次回折光を含む回折光に分けるための第１の回折格子と、
   前記第１の回折格子と対向し、かつ、相対的に移動可能に配置されており、前記第１の回折格子から出射される少なくとも前記１次回折光を所期の方向へ進行させるための第２の回折格子と、
   前記第２の回折格子から出射された光の光量を検出するための光センサと、
   を有し、前記光センサで検出された光の光量の変化から、前記第１の回折格子に対する前記第２の回折格子の移動量を測定する、変位計測装置であって、
   少なくとも前記第１の回折格子における、前記回折光のうちの２次以上の高次回折光が到達すべき部分は、遮光されている、変位計測装置。
6. 少なくとも前記第１の回折格子は、請求項１〜４のいずれか一項に記載の回折格子である、請求項５に記載の変位計測装置。

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