JP3377976B2 - 平行光放射装置 - Google Patents

平行光放射装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、光学式ロータリエ
ンコーダ等の光学系センサに用いられる平行光放射装置
に関する。
【0002】
【従来の技術】例えば、光学式ロータリエンコーダにお
いては、各々微細なスリットを有する固定スリット板及
び可動スリット板により構成される光シャッタに向けて
平行光が照射され、これを通過する光が受光素子により
検出される。可動スリット板の回転に伴って、受光素子
の検出する光信号は、光通過時に所定の値となり、遮断
時にはほぼ0となる。このような光学式ロータリエンコ
ーダに用いられている従来の平行光放射装置は、LED
から放射された光をコリメータレンズによって平行化す
ることにより、平行光を得る構成である。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ような従来の平行光放射装置においては、LEDの発光
径が、実際には無視し得ない一定の大きさを有している
ため、コリメータレンズを通した光に非平行光が含まれ
る。かかる品質の良くない平行光を上記光学式ロータリ
エンコーダに用いると、光シャッタに対して法線方向か
らの入射が確保されない。その結果、光洩れによるバッ
クグラウンドノイズが受光素子の出力レベルを全体的に
押し上げる。これにより、S/N比が悪くなって分解能
が低下する。LEDの発光径を製造上の極限まで小さく
すれば、平行精度は多少改善されるが、それでもまだ十
分ではない。また、発光径の低下と共に光強度や寿命も
低下するという弊害もあって、小さくするだけでは得策
といえない。また、従来の平行光放射装置では、LED
の発光部がコリメータレンズの焦点位置に正確に一致し
て配置されていることが必要である。しかしながら実際
には、LEDやコリメータレンズの取付誤差により、±
0.2mm程度のデフォーカス量(焦点位置のずれ)が
生じる。また、LEDの個体差により、LED取付後の
発光部の位置がコリメータレンズの光軸から30μm程
度ずれることもある。これらの場合には、コリメータレ
ンズを通しても光の平行性は確保されず、高精度な平行
光は得られない。
【0004】上記のような従来の問題点に鑑み、本発明
は、高精度な平行光を放射する平行光放射装置を提供す
ることを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明の平行光放射装置
は、光源と、前記光源から放射された光のうち実質的に
光軸に対する平行光のみを抽出してこれを集光する選択
集光部と、前記選択集光部により焦点に収束してから拡
がる光を平行化するコリメート部とを備えたものである
(請求項1)。上記のように構成された平行光放射装置
では、選択集光部によって、光源から放射された光のう
ち実質的に光軸に対する平行光のみが集光され、焦点に
極小スポットの二次光源が形成される。この二次光源か
ら再び拡がる光を、コリメート部が平行化して放射す
る。
【0006】また、本発明の平行光放射装置は、半導体
光源と、前記半導体光源の発光径に対して十分に大きな
距離を隔てて、前記半導体光源の光軸上の前方に配置さ
れた集光部と、前記集光部の周囲に配置され、前記集光
部に入射する光以外の光に対する全反射面を構成する遮
光部と、前記集光部の焦点位置より光軸上の前方に配置
され、当該焦点位置を焦点とするコリメート部とを備え
たものであってもよい(請求項2)。上記のように構成
された平行光放射装置では、半導体光源から放射される
光のうち集光部に入射する光は実質的に光軸と平行であ
る。また、集光部に入射する光以外の光は、遮光部の存
在により全反射し、排除される。従って、実質的に平行
光のみが集光部により集光され、焦点に極小スポットの
二次光源が形成される。この二次光源から再び拡がる光
を、コリメート部が平行化して放射する。
【0007】上記平行光放射装置(請求項2)におい
て、集光部、遮光部及びコリメート部は一体化された光
学ユニットを構成しているものであってもよい(請求項
3)この場合、集光部、遮光部及びコリメート部の三者
間の位置関係が一定であり、取付誤差が排除される。ま
た、位置関係の調整が不要である。
【0008】
【発明の実施の形態】図1は、本発明の一実施形態によ
る平行光放射装置を示す断面図である。図において、透
明な樹脂を成形してなるレンズ体1は、ハッチングを付
した断面形状部分の中心線を光軸Aとする複合光学要素
であり、左方には中空部分を有している。当該レンズ体
1の右端側には非球面レンズを構成するコリメータ部1
aが形成され、内部の左端側には円錐状の遮光部1bが
形成されている。図2は、図1におけるB部の拡大図で
あり、遮光部1bは光軸Aの周りに頂角θ(90度)を
成している。また、遮光部1bの円錐形における頂部1
cは、光軸Aに直交する直径d1の円形平面となってお
り、この平面上に直接、集光部としてのフレネルゾーン
プレート(以下、FZPという。)2が、半導体微細加
工技術等を用いて形成されている。なお、FZP2は、
レンズに比べて微小な寸法のものを製作することが容易
であり、また、輪帯の設計により、任意の焦点距離を得
ることができる。このようにして、コリメータ部1a
と、遮光部1bと、集光部としてのFZP2とを備えて
一体化された光学ユニットが形成されている。なお、遮
光部1bとFZP2とによって、選択集光部が構成され
ている。
【0009】図1において、上記レンズ体1の左端側に
は、LED3を支持する円筒状の支持部1dが形成され
ている。LED3は、円盤状で、裾が鍔状に広がった取
付台3aと、この取付台3aの右端面の中心に取り付け
られた発光部3bと、この発光部3bと電気的に接続さ
れたリード部3cとを備えている。取付台3aがレンズ
体1の支持部1dに内嵌されることにより、LED3は
レンズ体1に固定されている。LED3がレンズ体1に
固定された状態において、発光部3bの光軸は上記光学
ユニットの光軸Aと一致する。上記発光部3bの直径d
2すなわち発光径は、FZP2の直径d1とほぼ同じで
あり、本例では50μmとする。
【0010】図3は、図1の一部をさらに拡大した断面
図に光の進路を記載したものである。上記の構成によ
り、発光部3b、FZP2、遮光部1b、コリメータ部
1aは光軸Aを共有し、FZP2は発光部3bの光軸上
の前方に距離Lを隔てた位置に配置されている。この距
離Lは、発光部3bの直径d2やFZP2の直径d1に
対して十分に大きい(20倍〜50倍程度)。また、遮
光部1bはFZP2の周囲に配置され、光軸Aに対して
45度傾斜した円錐状斜面を構成している。コリメータ
部1aはFZP2の焦点位置(焦点F)よりさらに光軸
上の前方に配置され、当該焦点位置を当該コリメータ部
1a自身の焦点としている。すなわち、図3において、
FZP2の焦点距離をf1、コリメータ部1aの焦点距
離をf2、コリメータ部1aの有効光束径をd3、コリ
メータ部1aの主点Pから有効光束の最外周位置までの
距離をhとすると、 (f2+h)/f1=d3/d2 となる。
【0011】上記遮光部1bは、発光部3bから放射さ
れる光に対して全反射面を構成している。すなわち、発
光部3bから放射された光のうち、FZP2に入射しな
かった光はすべて遮光部1bに入射して全反射し、レン
ズ体1の外へ出る。一方、発光部3bから放射された光
のうち、FZP2に入射する光には、光軸Aに対して理
想的な平行性を有する平行光と、若干光軸Aに対して角
度を有するものとが含まれている。しかしながら、前述
のように、両者間の距離Lは、発光部3bの直径d2及
びFZP2の直径d1より十分に大きいため、上記角度
は非常に小さいものとなり、無視しうる。従って、FZ
P2に入射する光は、実質的にすべて平行光である。こ
れらの平行光は、FZP2のレンズ作用により焦点Fに
収束する。平行光のみが収束することにより、この焦点
Fにおいて光は、極小スポットの二次光源を形成する。
この二次光源から再び拡がった光は、コリメータ部1a
により平行化され、レンズ体1の右端側から外部に放射
される。このようにして、高精度な平行光束を得ること
ができる。また、発光部3bの大きさに相当する平行光
がFZP2によって集光されるため、ピンホールにより
平行光を抽出する場合等と比較して、焦点Fにおける光
強度が高い。従って、最終的に放射される平行光も、高
い光強度を有する。
【0012】また、上記のように、距離Lが発光部3b
の直径d2及びFZP2の直径d1より十分に大きい関
係を構築することによって、実質的に平行光のみを抽出
する構成によれば、距離Lを十分に確保すれば発光径を
さほど小さくしなくてもよいことになる。このため、本
例のように、発光径50μmのLED3の採用が可能と
なる。なお、発光径50μm以下のLEDも製造可能で
あるが、光強度や寿命の低下があるので、現状のLED
では、発光径50μm程度のものを採用することが好ま
しいと考えられる。
【0013】また、コリメータ部1a及び遮光部1b
は、樹脂で一体成形されており、FZP2はその上に直
接形成された要素であるため、これらの位置関係は常に
一定に保たれる。従って、取付誤差を排除することがで
きる。一方、LED3はレンズ体1に嵌めこまれるた
め、取付誤差が生じる可能性はあるが、発光部3bとF
ZP2との距離が変化しても、その間の光は平行光若し
くは平行光とみなせる光であるため、FZP2の焦点位
置は変わらない。従って、仮にLED3の取付誤差が生
じたとしても、何ら影響を受けることなく、コリメータ
部1aから平行光を放射することができる。また、仮に
発光部3bの位置が光軸Aと直交する方向にずれたとし
ても、FZP2に入射する光は平行光若しくは平行光と
みなせる光であることに変わりがない。従って、この場
合にも、コリメータ部1aから平行光を放射することが
できる。
【0014】なお、上記実施形態においては、全反射に
より不要な光を排除する遮光部1bを設けたが、これに
代えて、平行光が入射する領域以外に遮光マスクを設け
ることにより遮光する構成を採用することも可能であ
る。但し、遮光マスクを設けるには、そのための別工程
が必要であり、また、マスクの形成精度を確保すること
が必ずしも容易ではない。その点、レンズ体1の一部と
して形成される遮光部1bは、別工程を必要とせず、遮
光面の精度確保も容易である。また、上記実施形態では
LED3を光源としたが、レーザダイオード等の他の半
導体光源を用いてもよい。ロータリエンコーダ等の小型
機器に限らず、大型の平行光放射装置に適用する場合に
は、他の光源を用いることも可能である。さらに、集光
部としてFZP2を用いたが、バイナリゾーンプレート
を用いることも可能である。
【0015】
【発明の効果】以上のように構成された本発明は以下の
効果を奏する。請求項1の平行光放射装置によれば、実
質的に光軸に対する平行光のみを集光した極小スポット
の二次光源が形成され、この二次光源から再び拡がる光
を平行化して放射するので、正確な平行光を放射するこ
とができる。また、集光によって形成された二次光源は
光強度が高いため、放射される平行光も高い光強度を有
する。
【0016】請求項2の平行光放射装置によれば、集光
部に入射する光以外の光は全反射により排除され、実質
的に光軸に対する平行光のみを集光した極小スポットの
二次光源から再び拡がる光を平行化して放射するので、
正確な平行光を放射することができる。また、集光によ
って形成された二次光源は光強度が高いため、放射され
る平行光も高い光強度を有する。
【0017】請求項3の平行光放射装置によれば、集光
部、遮光部及びコリメート部の三者間の位置関係が一定
であり、取付誤差が排除されるので、取付誤差に基づく
平行光の精度低下を防止して、一定品質の平行光を提供
することができる。また、位置関係の調整が不要である
ため、製造が容易である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態による平行光放射装置を示
す断面図である。
【図2】図1のB部の拡大図である。
【図3】図1の一部をさらに拡大した断面図に光の進路
を記載したものである。
【符号の説明】
1 レンズ体 1a コリメート部 1b 遮光部 2 FZP(フレネルゾーンプレート) 3 LED 3b 発光部
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平8−29735(JP,A) 特開 昭62−139367(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G02B 27/30

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】光源と、 前記光源から放射された光のうち実質的に光軸に対する
    平行光のみを抽出してこれを集光する選択集光部と、 前記選択集光部により焦点に収束してから拡がる光を平
    行化するコリメート部とを備えたことを特徴とする平行
    光放射装置。
  2. 【請求項2】半導体光源と、 前記半導体光源の発光径に対して十分に大きな距離を隔
    てて、前記半導体光源の光軸上の前方に配置された集光
    部と、 前記集光部の周囲に配置され、前記集光部に入射する光
    以外の光に対する全反射面を構成する遮光部と、 前記集光部の焦点位置より光軸上の前方に配置され、当
    該焦点位置を焦点とするコリメート部とを備えたことを
    特徴とする平行光放射装置。
  3. 【請求項3】前記集光部、遮光部及びコリメート部は一
    体化された光学ユニットを構成している請求項2記載の
    平行光放射装置。
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