JPH08334609A

JPH08334609A - 位相格子とその作製方法並びに光学式エンコーダ

Info

Publication number: JPH08334609A
Application number: JP7141532A
Authority: JP
Inventors: 和政 ▲たか▼田; Kazumasa Takada; Kanji Nishii; 完治西井; Kenji Takamoto; 健治高本; Masaya Ito; 正弥伊藤; Koji Fukui; 厚司福井
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1995-06-08
Filing date: 1995-06-08
Publication date: 1996-12-17
Anticipated expiration: 2018-05-19
Also published as: DE69612794T2; DE69612794D1; JP3407477B2; EP0752599B1; CN1093264C; US5754341A; CN1170139A; EP0752599A1

Abstract

(57)【要約】【目的】自然放射光に対して０次回折効率を極小とし
た位相格子及びこの位相格子を用いた高信頼性の光学式
エンコーダを提供する。【構成】光の波長λ、位相格子のピッチ長ｐ、該位相
格子の基材の屈折率ｎ、該位相格子の周囲の媒質の屈折
率ｎ₀、前記凹部の傾斜部の幅に対する格子深さの比で
ある形状比ｅを用いて、｜ｎーｎ₀｜×（ｐーｄ'／ｅ）／ｐ×ｄ'＝（λ/２）×
（１＋２ｍ）（但し、ｍ＝０、±１、±２、・・・）で算出される深さｄ'よりも大きな深さの位相格子とす
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、０次回折効率を抑制す
るほぼ矩形波状を有した位相格子、及び該位相格子の作
製方法、さらに光学式エンコーダに関し、特に移動物
体、例えば回転物体に取り付けられた位相格子を有する
回折板に干渉性を有する自然放射光束を入射させ、該回
折板を通過した回折光を互いに干渉させ、干渉した光の
強度を測定することにより、回折板の移動状態例えば回
転状態を観測する光学式エンコーダに関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、位相格子は主としてコヒーレント
な光に対して用いられてきた。±１次の回折効率が高い
位相格子は、例えば光通信の分野において光信号を二分
配したり、逆に二つの光信号を一つに結合したりするの
に使用できる。この場合、分配あるいは結合の効率は高
い方がよいので、±１次の回折効率はできるだけ大きい
方がよく、そのため０次の回折効率はできるだけ小さい
方がよいことになる。

【０００３】位相格子の回折効率は、コヒーレントな光
に対しては解析的な議論が今まで多くなされており、コ
ヒーレントな光に対して回折効率を制御する位相格子の
形状等の条件は明らかにされている。

【０００４】例えば、主として±１次の回折光のみを通
過させ、０次の回折効率を抑制する、理想的に矩形波状
の断面を有する格子深さｄは、格子の凹部と凸部との段
差により波長λの１/２の奇数倍の光路長差を生じさせ
ればよいため、光源の中心波長λと位相格子を構成する
材料の屈折率ｎ、位相格子の周囲の屈折率ｎ₀を用い
て、｜ｎ−ｎ₀｜×ｄ＝（λ/２）×（１＋２ｍ）・・・（式１）（但し、ｍ＝０、±１、±２、・・・である。）の条件
を満たせばよい。

【０００５】換言すれば、０次の回折光強度を極小にす
る格子深さの条件は、便宜的には回折光の位相の「重
心」で計算することができる。理想的な矩形波状を有す
る位相格子では、図１２（ａ）に示すように位相の重心
Ｇ及びＧ'は矩形波状の表面にあり、位相を進ませる格
子の重心Ｇと位相を遅らせる格子の重心Ｇ'との間の位
相差が、光源の中心波長λの１/２の奇数倍になると０
次の回折光強度は極小となる。

【０００６】しかし、エッチング等の通常のプロセスを
経て作製されると、位相格子の断面形状は理想的な矩形
波状とはならず、図８に示すように、形状比ｅが有限値
を持つことになる。

【０００７】また、同じくエッチング等の通常のプロセ
スを経て作製された場合、エッジの曲率は、可視域程度
の光の波長に比較して、無視できる程度の大きさにでき
る。

【０００８】そのため、位相格子の形状パラメタは、格
子深さ、形状比、デューティの３つとなる。位相格子作
製プロセスにおいて、通常、これらのパラメタのうち、
格子深さが、最も制御し易い。そのため、０次回折効率
をできるだけ小さくするために、一般に格子深さが制御
される。

【０００９】このように、格子深さで０次回折効率が制
御されるが、残る２つのパラメタのうち、形状比が格子
深さに影響してくる。上述の通り、０次の回折光強度を
極小にする格子深さの条件は、回折光の位相の「重心」
で計算することができ、図１２（ｂ）に示すように、形
状比が有限値となるほぼ矩形波状を有する位相格子で
は、位相の重心は格子の表面ではなく内部に存在するこ
とになる。

【００１０】０次の回折光強度を極小とするためには、
位相を進ませる格子の重心Ｇの高さと位相を遅らせる格
子の重心Ｇ'の高さとの和が光源の中心波長λの１/２の
奇数倍であればよいので、０次の回折光強度を極小とす
るほぼ矩形波状を有する位相格子の格子深さｄ'は、｜ｎ−ｎ₀｜×（ｐ−ｄ'／ｅ）／ｐ×ｄ' ＝（λ/２）×（１＋２ｍ）・・・（式２）を満たすことになる。但し、ｍ＝０、±１、±２、・・
・であり、ｐは位相格子の１ピッチの長さである。

【００１１】そのため、図１２（ｂ）に示すような位相
格子では、０次の回折光率を極小にする格子深さは、理
想的な矩形波状を有する位相格子よりも深くする必要が
あり、形状比の値が小さい位相格子ほど格子深さを深く
せねばならないことになる。

【００１２】この様子を図９に示す。図９は、空気中に
おける１ピッチの長さ２４μmの石英製位相格子に対し
てデューティを一定（ｆ＝０.５）にして形状比ｅを変
化させたときの、格子深さと０次回折効率との関係を示
したものである。横軸は、式１においてｍ＝０とおいて
算出される格子深さｄからのずれ量を表わし、縦軸は１
次回折効率に対する０次回折効率の割合を示す。

【００１３】形状比が無限大、すなわち理想的な矩形波
状の断面を有する位相格子は、式１においてｍ＝０とお
いて算出される格子深さｄのときに、０次回折効率が極
小となるのに対し、形状比が有限値を持ち、その値が小
さくなるほど、０次回折効率が極小となる格子深さはよ
り深くなることが分かる。

【００１４】エッチング等の通常のプロセスを経て作製
される位相格子の断面形状は理想的な矩形波状からずれ
るため、０次回折効率を極小にする格子深さは、式１に
おいてｍ＝０とおいて算出される値よりも大きい値をと
ることになる。

【００１５】この値をｄ'とすれば、ｄ'は式２から算出
される。なお、デューティが変化した場合には、図１２
において重心Ｇの高さの変化と重心Ｇ'の高さの変化は
相殺されるため、０次回折光率を極小にする格子深さに
は影響しない。

【００１６】このことは、式２から明らかであるが、図
１０にこの様子を示しておく。位相格子の形状比を一定
（ｅ＝１.２）にしてデューティを変化させたときの、
格子深さと０次回折効率との関係を示したものである。
縦横軸は、図９と同じである。デューティは０次回折格
子を極小にする深さには影響しないことが分かる。

【００１７】以上のことから、ほぼ矩形波状を有する位
相格子について、０次回折効率を極小にする深さｄ'
は、光源の中心波長λと位相格子のピッチ長ｐ、該位相
格子の位相格子を構成する材料の屈折率ｎ、位相格子の
周囲の屈折率ｎ₀、および位相格子の形状比ｅとによっ
て算出されることがわかる。レーザ光等の、干渉性の良
い誘導放射光を光源とする場合には、位相格子の格子深
さを上記の算出値にすれば、０次回折効率を極小に抑え
ることができることはよく知られている。

【００１８】以上のように、コヒーレントな光に対して
回折効率を制御する位相格子の形状等の条件は明らかに
されている。

【００１９】しかし、コヒーレントな光を光源にしよう
とすれば誘導放射光を出射する半導体レーザ等を光源に
する必要があり、半導体レーザ等の誘導放射光を出射す
る光源は寿命等の信頼性がＬＥＤ等の自然放射光を出射
する光源と比較して大きく劣るため、光源の高信頼性化
などのためにはＬＥＤ等の自然放射光を出射する光源の
使用が望まれる。このような、コヒーレントな光以外の
光を光源とする場合でも、コヒーレントな光に対して回
折効率を制御する位相格子の形状条件が用いられてい
る。

【００２０】また、位相格子の作製方法として、前述の
ように、エッチングなど様々な方法が提案され実用化さ
れている。しかし、それらはコヒーレントな光に対して
回折効率を制御するような位相格子の作製方法であっ
て、コヒーレントな光以外の光に対して回折効率を制御
するような位相格子の作製方法についてはあまり議論が
なされていない。

【００２１】また、機械装置において位置決めをする際
には光学式のエンコーダが広く利用されている。この光
電式エンコーダは、固定ディスク及び該回転ディスクと
所定の間隔をおいて設けられた固定マスクにそれぞれス
リットを設け、両スリットを通過した光を光検出器によ
り電気信号に変えて出力することによって、直線的な長
さや回転角を測定するものである。この光電式エンコー
ダにおいては、スリットのピッチを細かくすることによ
り、検出精度を高めることができる。

【００２２】ところが、この光電式エンコーダによる
と、回転ディスク及び固定マスクに設けられたスリット
のピッチをあまり細かくすると、回折光の影響により光
検出器からの出力信号の信号対雑音の比であるＳ/Ｎ比
が低下し、検出精度が低下するという問題があった。

【００２３】また、光検出器からの出力信号が回折光の
影響を受けない程度にまでスリットの間隔を拡大しよう
とすると、回転ディスクの径が大きくならざるを得ず、
そのために装置全体が大型化するので、回転ディスクを
回転駆動させる駆動体への負荷が大きくなる等の問題点
があった。

【００２４】一方、光学式エンコーダとしては、位相格
子を通過した回折光を用いる干渉縞検出方式のエンコー
ダも知られている。この干渉縞検出方式のエンコーダ
は、光軸に対して略垂直に配設された固定回折板及び移
動回折板を通過した光の回折及び干渉によって生じる干
渉縞を光検出器により電気信号に変えて取り出すもので
ある。

【００２５】ところが、この干渉縞検出式エンコーダに
おいては、移動回折板及び固定回折板から複数の次数の
回折光が出射するため、測定に必要な特定次数の回折光
の強度が低下し、検出感度が低下するという問題があっ
た。

【００２６】そこで、主として±１次の回折光のみを通
過させる位相格子を有する移動回折板及び固定回折板を
用いて±１次の回折光を干渉させることにより、高い光
利用効率を実現すべく、本件の図７に示すような光学式
エンコーダが提案されている。

【００２７】すなわち、コヒーレントな光を出射する光
源３１と、該光源から出射された光の光軸に対して略垂
直で且つ互いに平行に設けられており主として±１次の
回折光のみを通過させる位相格子を有する固定回折板３
３Ｂ及び移動回折板３４Ｂと、該固定回折板及び移動回
折板を通過した光を受光する光検出器３７と、上記固定
回折板及び移動回折板を通過した±１次の回折光を上記
光検出器の光検出部に集光させるレンズ３５とを備えて
いるものである。

【００２８】光源３１から出射された光はコリメートレ
ンズ３２により平行光にされた後、固定回折板３３Ｂ
に、該固定回折板３３Ｂに対して略垂直の方向から入射
される。固定回折板３３Ｂに入射した光は、該固定板３
３Ｂによって回折され、０次の回折光４０、＋１次の回
折光４１、−１次の回折光４２、・・・・として出射され
る。

【００２９】これらの回折光４０、４１、４２は、移動
回折板３４Ｂに入射した後、さらに回折光として出射さ
れる。この移動回折板３４Ｂから出射された回折光を
（ｎ、ｍ）（但し、ｎは固定回折板３３Ｂによる回折次
数、ｍは移動格子板３４Ｂによる回折次数をそれぞれ示
す。）として表すと、移動回折板３４Ｂを通過する回折
光としては、（０、０）の回折光５０、（＋１、−１）
の回折光５１、（−１、＋１）の回折光５２、（−２、
＋２）の回折光、（＋２、−２）の回折光、・・・・、があ
る。

【００３０】移動回折板３４Ｂを光軸に対して垂直方向
（図７における上下方向）に一定速度で移動させると、
移動に伴って０次よりも高次の回折光の位相は０次の回
折光の位相に対して変化するので、例えば（＋１、−
１）の回折光５１と（−１、＋１）の回折光５２とが干
渉して得られる干渉波の光強度は正弦波状に変化する。

【００３１】同様に、（＋１、−１）の回折光５１と
（０、０）の回折光５０との干渉波、あるいは（−１、
＋１）の回折光５２と（０、０）の回折光５０との干渉
波の光強度も移動回折板３４Ｂの移動に伴って周期的に
変化する。

【００３２】さて、（０、０）の回折光５０は、（＋
１、−１）の回折光５１或いは（−１、＋１）の回折光
５２と干渉し、固定回折板３３Ｂ及び移動回折板３４Ｂ
のほぼ矩形波状の山と谷とが互いに一致したときに光強
度が最大となり且つほぼ矩形波状の山と谷とが半周期ｐ
/２だけ互いにずれたときに光強度が最小となるような
正弦波形である基本波（図６（ｂ）を参照）の出力が得
られる。

【００３３】一方、（＋１、−１）の回折光５１と（−
１、＋１）の回折光５２とは互いに干渉し、上記基本波
に対して２倍の周波数を有する正弦波よりなる２倍周波
（図６（ｂ）を参照）の出力が得られる。尚、図７にお
いて、５３は（０、＋１）の回折光を、５４は（＋１、
＋１）の回折光をそれぞれ示している。

【００３４】光検出器３６の光電変換信号出力は、誇張
して示すと、図６（ａ）のように歪んだ波形として得ら
れることになる。この歪んだ波形は、図６（ｂ）に示す
ように、基本波の成分、２倍周波の成分等に分解して考
えることができる。

【００３５】そのため、上記位相格子を通過する光のう
ち、０次の回折光の割合が多いほど、０次の回折光と±
１次の回折光の干渉のため、上記光検出器の出力信号に
生ずる歪が大きくなる。従って、光検出器の出力信号の
歪を抑えるためには、０次の回折光強度をできるだけ小
さくする必要がある。

【００３６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、位相格
子の回折効率を制御する位相格子の形状等の条件はコヒ
ーレントな光に対して明らかにされているだけである。
コヒーレントな光を光源にしようとすれば誘導放射光を
出射する半導体レーザ等を光源にする必要があり、半導
体レーザ等の誘導放射光を出射する光源は寿命等の信頼
性がＬＥＤ等の自然放射光を出射する光源と比較して大
きく劣るため、光源の高信頼性化などのためにはＬＥＤ
等の自然放射光を出射する光源の使用が望まれるが、こ
のような、コヒーレントな光以外の光を光源とする場合
でも、コヒーレントな光に対して回折効率を制御する位
相格子の形状条件が用いられている。

【００３７】しかし、この条件はコヒーレントな光以外
の光を光源とする場合には成り立たない場合があること
を本発明の発明者が見出した。ほぼ矩形波状を有する位
相格子は、コヒーレント光に対して０次の回折効率を極
小にする位相格子の形状条件では、自然放射光を光源と
する場合には０次の回折効率が極小にならないというこ
とである。

【００３８】また、位相格子の作製方法として様々な方
法が提案され実用化されているが、それらはコヒーレン
トな光に対して回折効率等を制御するような位相格子の
作製方法であって、コヒーレントな光以外の光に対して
回折効率等を制御するような位相格子の作製方法は確立
されていない。

【００３９】さらに、上記のような光学式エンコーダ
は、コヒーレントな光を光源としているため、誘導放射
光を出射する半導体レーザ等を光源にする必要がある
が、半導体レーザ等の誘導放射光を出射する光源は、寿
命等の信頼性が、ＬＥＤ等の自然放射光を出射する光源
と比較して大きく劣る。そこで、図７に示すような光学
式エンコーダの光源として、ＬＥＤ光等の干渉性を有す
る自然放射光を用いる。

【００４０】しかし、ほぼ矩形波状を有する位相格子
は、上記の条件の形状では、自然放射光を光源とする場
合に、±１次の回折光と干渉することによって光検出器
の出力信号に歪を生じさせる０次の回折効率が極小にな
らないということを、本願発明者が見出した。

【００４１】本発明は上記問題点に鑑み、第一にＬＥＤ
等の自然放射光を出射する光源を用いる場合に０次回折
効率を抑制した位相格子を提供し、第二にＬＥＤ等の自
然放射光を出射する光源を用いる場合に０次回折効率を
抑制した位相格子の作製方法を提供し、第三にＬＥＤ等
の自然放射光を出射する光源と該位相格子を有する回折
板とを用いることによって検出信号の歪を抑えた信頼性
の高い光学式エンコーダを提供することを目的とする。

【００４２】

【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
め、請求項１記載の発明は、矩形形状の凹部を有する位
相格子であって、光の波長λ、位相格子のピッチ長ｐ、
該位相格子の基材の屈折率ｎ、該位相格子の周囲の媒質
の屈折率ｎ₀、前記凹部の傾斜部の幅に対する格子深さ
の比である形状比ｅを用いて、｜ｎ−ｎ₀｜×（ｐ−ｄ'／ｅ）／ｐ×ｄ'＝（λ/２）×
（１＋２ｍ）（但し、ｍ＝０、±１、±２、・・・）で算出される深さｄ'よりも大きな格子深さを具備する
ことを特徴とする位相格子である。

【００４３】請求項２記載の発明は、位相格子を形成す
る基材に、皮膜を塗布形成する第一工程、その後に前記
皮膜にパターン形成してマスクを作製する第二工程、そ
の後に前記マスクを通して前記基材に、光の波長をλ、
位相格子のピッチ長をｐ、該位相格子の基材の屈折率を
ｎ、該位相格子の周囲の媒質の屈折率をｎ₀、前記凹部
の傾斜部の幅に対する格子深さの比である形状比をｅと
したとき、｜ｎ−ｎ₀｜×（ｐ−ｄ'／ｅ）／ｐ×ｄ'＝（λ/２）×
（１＋２ｍ）（但し、ｍ＝０、±１、±２、・・・）で算出される深さｄ'よりも大きな深さの格子をエッチ
ングにより形成する第三工程を具備する位相格子の作製
方法である。

【００４４】請求項６記載の発明は、光源と、前記光源
から出射される光の光軸に対して略垂直に配置された、
請求項１記載の位相格子が形成された固定回折板及び移
動回折板と、前記固定回折板及び移動回折板を通過した
光を受光する光検出器と、前記固定回折板及び移動回折
板を通過した±１次の回折光を上記光検出器の光検出部
に集光させる集光レンズを備えていることを特徴とする
光学式エンコーダである。

【００４５】

【作用】請求項１記載の構成によれば、ＬＥＤ等の、自
然放射光を出射する光源を用いる場合に、０次回折効率
を極小に抑える位相格子を得ることができる。

【００４６】その作用についての完全な解明は未だであ
り、本発明の発明者が現段階で考え得る作用を記す。現
象は、光源として自然放射光を用いるか、あるいは誘導
放射光を用いるかにより、０次回折効率を極小にする格
子深さに差異が生じることである。自然放射光と誘導放
射光の大きな違いは、干渉性の程度である。後者は、完
全干渉性を有するのに対し、前者は部分干渉性を有す
る。この干渉性の差異が、０次回折効率を極小にする格
子深さの差異に表れると考えられる。

【００４７】請求項２記載の構成によれば、格子深さ
を、光の波長と位相格子のピッチ長、該位相格子の基材
の屈折率、該位相格子の周囲の媒質の屈折率、及びエッ
チング等の通常のプロセスを経て作製される場合には必
然的に形成される凹部と凸部との境界である傾斜部の幅
に対する格子深さの比である形状比とから、０次回折効
率を極小にするための公知の数式を用いて算出される格
子深さよりも大きな値にすることができ、自然放射光を
光源とした場合の０次回折効率を極小に抑える位相格子
を得ることができる。

【００４８】請求項６記載の構成によれば、信頼性の高
いＬＥＤ等の自然放射光を出射する光源を使用し、さら
に、光の波長と位相格子のピッチ長、該位相格子の基材
の屈折率、該位相格子の周囲の媒質の屈折率、及びエッ
チング等の通常のプロセスを経て作製される場合には必
然的に形成される凹部と凸部との境界である傾斜部の幅
に対する格子深さの比である形状比とから、０次回折効
率を極小にするための公知の数式を用いて算出される格
子深さよりも大きな格子深さを有するほぼ矩形波状を有
した位相格子を使用することにより、±１次の回折光と
干渉することによって光検出器の出力信号に歪を生じさ
せる０次の回折光強度を小さくできるため、検出信号の
歪を抑えた信頼性の高い光学式エンコーダを得ることが
できる。

【００４９】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。

【００５０】前述の通り、０次回折効率を極小にする格
子深さは、光源の中心波長λと位相格子を構成する材料
の屈折率ｎ、位相格子の周囲の屈折率ｎ₀、位相格子の
ピッチｐ、および位相格子の形状比ｅとによって算出さ
れる。この算出値をｄ'とすると、ｄ'は式２から求ま
り、図９に示すように、ｅとによって変化する。

【００５１】図１は本発明の実施例に係るＳｉＯ2製位
相格子の断面形状を示すものである。図１において、格
子深さｄ''は、ｄ''＝ｄ'×（１＋Δｄ'）・・・（式３）であって、上記の０次回折効率を極小にする格子深さの
算出値ｄ'よりも、Δｄ'の割合だけ大きい値である。

【００５２】ピッチ長２４μmの様々な格子深さｄ''
（６５０〜８００ｎｍ程度）を有する位相格子を作製
し、複数の種類の光源を用いて回折効率の測定を行っ
た。

【００５３】図１１は、ほぼ矩形波状を有する位相格子
の作製方法の一実施例を示すものであり、フォトッチン
グと呼ばれる公知の加工方法である。

【００５４】まず、位相格子の形状を作製しようとする
基材である基板６０の表面にフォトレジスト６１を一様
に塗布し、別途作製した原版であるフォトマスク６２を
通してフォトレジストを露光する。フォトレジストの感
光部分を現像液に可溶にし（或は、逆に、感光部分を現
像液に不溶にする場合もある）、感光部分を現像液によ
って除去してフォトレジストのパターン６３を形成す
る。

【００５５】その後、通常のドライエッチング装置（図
示省略）を用いてエッチングガス６４により主としてフ
ォトレジストのない部分を化学的に除去する。

【００５６】格子深さは、エッチングレートとエッチン
グ時間との積によって決まるので、格子深さを制御する
手段としては、エッチングガスの種類、或は、エッチン
グガスと基板との間の反応を促進または抑制させるべく
与えている熱量や交流電力等のエネルギの大きさを変化
させることによってエッチングレートを制御する方法
と、エッチング時間を制御する方法が選択できる。今回
作製した位相格子の格子深さは、エッチング時間によっ
て制御した。

【００５７】この後、残ったフォトレジストを除去する
ことにより位相格子の形状が作製できる。

【００５８】位相格子の格子深さの測定は触針式深さ計
によって行った。深さの測定誤差は５ｎｍ程度である。

【００５９】また、位相格子の形状比はＳＥＭ及び光学
顕微鏡により測定した。位相格子の形状比はエッチング
時間ではほとんど変化せず、エッチングガスの種類によ
ってほぼ決まることが知られている。

【００６０】今回の作製に用いたＣＨＦ3ガスでは、ど
の格子深さを有する位相格子も形状比は１.１〜１.５程
度、角度で表わすと４８〜５６゜程度であった。

【００６１】そのため、図９の結果における形状比１.
２の曲線から（形状比１.１と１.５の位相格子における
０次回折効率極小のΔｄの値は形状比１.２の場合と比
較して０.１％程度の差を有するに過ぎず、無視できる
大きさであるため形状比１.２の曲線で代表させ
た。）、０次回折効率を極小にする格子深さｄ'は、式
１においてｍ＝０とおいて得られる値ｄよりも２％程度
大きい値をとることになる。

【００６２】つまり、ｄ'＝ｄ×（１＋Δｄ）＝ｄ×（１＋０.０２）＝（λ/２）/｜ｎ−ｎ₀｜×（１.０２）・・・（式４）の関係を満たすことになる。

【００６３】まず、光源として、誘導放射光であるＨｅ
ーＮｅレーザ光を用い、作製したそれぞれの位相格子の
回折効率を測定した。

【００６４】その結果を図２に示す。縦軸は１次回折効
率に対する０次回折効率を、横軸は式１においてｍ＝０
とおいて得られる値ｄからの格子深さのずれの割合Δｄ
を表わす。なお、ＨｅーＮｅレーザ光の波長λは６３３
ｎｍで、この波長における位相格子材料の屈折率ｎは
１.４５７である。

【００６５】図２の結果から、Δｄが２％程度である位
相格子、すなわち、格子深さｄ''が式４のｄ'である位
相格子が０次回折効率を極小にすることが分かる。

【００６６】このように、誘導放射光を光源とする場合
には、格子深さを、光源の中心波長λと位相格子を構成
する材料の屈折率ｎ、位相格子の周囲の屈折率ｎ₀、お
よび位相格子の形状比ｅとによって算出される値にすれ
ば、０次回折効率を極小にすることができる。

【００６７】次に、光源として、自然放射光であるＬＥ
Ｄ光を用いて、作製したそれぞれの位相格子の回折効率
を測定した結果を図３に示す。縦軸は１次回折効率に対
する０次回折効率を、横軸は式１においてｍ＝０とおい
て得られる値ｄからの格子深さのずれの割合Δｄを表わ
す。なお、使用したＬＥＤは３種類であり、中心波長λ
はそれぞれ５６８、６１４、６６０ｎｍ、波長分布はど
れも２０ｎｍ程度の半値幅を有する略ガウシアン分布で
ある。

【００６８】各々の中心波長に対する位相格子材料の屈
折率ｎは、それぞれ１.４５９、１.４５７、１.４５６
であり、図３中の○は中心波長５６８ｎｍのＬＥＤ光
を、◎は中心波長６１４ｎｍのＬＥＤ光を、●は中心波
長６６０ｎｍのＬＥＤ光を使用した場合の回折効率を表
わす。

【００６９】図３の結果から、Δｄが５〜７％程度であ
る位相格子すなわち格子深さｄ''がｄ'よりもさらに３
〜５％大きい値である位相格子が、０次回折効率を極小
にすることが分かる。

【００７０】このように、自然放射光を光源とする場合
には、格子深さを、光源の中心波長λと位相格子を構成
する材料の屈折率ｎ、位相格子のピッチ長ｐ、位相格子
の周囲の屈折率ｎ₀、および位相格子の形状比ｅとによ
って算出される値よりも３〜５％大きい値にすれば、０
次回折効率を極小にすることができる。

【００７１】以上のように、光源として自然放射光を使
う場合には、１.０〜１.４の形状比を有する位相格子に
対して、格子深さを算出値より３〜５％大きくすること
で０次回折効率を極小にすることができる。

【００７２】図４は本実施例に係る光学式エンコーダの
概略構成を示しており、１はＬＥＤ等の、干渉性を有す
る自然放射光を出射する光源、２は光源１から出射され
た光を平行光にするコリメートレンズ、３Ａはほぼ矩形
波状断面の位相格子を有し光軸に対して垂直に配置され
た固定回折板、４Ａはほぼ矩形波状断面の位相格子を有
し光軸に対して垂直に配置され且つ垂直方向に移動可能
な移動回折板であって、固定回折板３Ａの位相格子と移
動格子板４Ａの位相格子とは互いに同じ周期を有してい
る。

【００７３】また、同図において、５は移動回折板４Ａ
を通過した光を集光する集光レンズ、６は集光レンズ５
により集光され光検出部７において結像した回折像を電
気信号に変えて出力する光検出器、８は周波数弁別フィ
ルターである。

【００７４】本実施例に係る光学式エンコーダにおいて
は、光源１から出射された光はコリメートレンズ２によ
り平行光にされた後、固定回折板３Ａに、該固定回折板
３Ａに対して略垂直の方向から入射される。

【００７５】固定回折板３Ａに入射した光は、該固定板
３Ａによって回折され、０次の回折光１０、＋１次の回
折光１１、−１次の回折光１２、・・・・として出射され
る。

【００７６】これらの回折光１０、１１、１２は、移動
回折板４Ａに入射した後、さらに回折光として出射され
る。

【００７７】この移動回折板４Ａから出射された回折光
を（ｎ、ｍ）（但し、ｎは固定回折板３Ａによる回折次
数、ｍは移動格子板４Ａによる回折次数をそれぞれ示
す。）として表すと、移動回折板４Ａを通過する回折光
としては、図５に示すように、（０、０）の回折光２
０、（＋１、−１）の回折光２１、（−１、＋１）の回
折光２２、（−２、＋２）の回折光、（＋２、−２）の
回折光、・・・・、がある。ただし、図４においては、図示
の都合上、（−２、＋２）の回折光、（＋２、−２）の
回折光及び２次の回折光よりも高次の回折光は省略して
いる。

【００７８】移動回折板４Ａを光軸に対して垂直方向
（図４における上下方向）に一定速度で移動させると、
移動に伴って０次よりも高次の回折光の位相は０次の回
折光の位相に対して変化するので、例えば（＋１、−
１）の回折光２１と（−１、＋１）の回折光２２とが干
渉して得られる干渉波の光強度は正弦波状に変化する。

【００７９】同様に、（＋１、−１）の回折光２１と
（０、０）の回折光２０との干渉波、あるいは（−１、
＋１）の回折光２２と（０、０）の回折光２０との干渉
波の光強度も移動回折板４Ａの移動に伴って周期的に変
化する。

【００８０】（０、０）の回折光２０は、（＋１、−
１）の回折光２１或いは（−１、＋１）の回折光２２と
干渉し、固定回折板３Ａ及び移動回折板４Ａのほぼ矩形
波状の山と谷とが互いに一致したときに光強度が最大と
なり且つほぼ矩形波状の山と谷とが半周期ｐ/２だけ互
いにずれたときに光強度が最小となるような正弦波形で
ある基本波（図６（ｂ）を参照）の出力が得られる。

【００８１】一方、（＋１、−１）の回折光２１と（−
１、＋１）の回折光２２とは互いに干渉し、上記基本波
に対して２倍の周波数を有する正弦波よりなる２倍周波
（図６（ｂ）を参照）の出力が得られる。

【００８２】尚、図４において、２３は（０、＋１）の
回折光を、２４は（＋１、＋１）の回折光をそれぞれ示
している。第１実施例の光検出器６の光電変換信号出力
は、誇張して示すと、図６（ａ）のように歪んだ波形と
して得られることになる。この歪んだ波形は、図６
（ｂ）に示すように、基本波の成分、２倍周波の成分等
に分解して考えることができるが、算出値よりも大きな
格子深さを与えた位相格子を有する固定板および位相板
を使用しており、両回折板の０次回折光は抑制されてい
るので、（０、０）の回折光２０は微弱である。そのた
め、２倍周波の成分の検出は充分に可能となり、高い精
度で検出できることとなる。

【００８３】

【発明の効果】請求項１記載の位相格子によると、光の
波長λと位相格子のピッチ長ｐ、該位相格子の屈折率
ｎ、該位相格子の周囲の媒質の屈折率ｎ₀、及びエッチ
ング等の通常のプロセスを経て作製される場合には必然
的に形成される凹部と凸部との境界である傾斜部の幅に
対する格子深さの比である形状比ｅとから、０次回折効
率を極小にするための公知の数式を用いて算出される格
子深さよりも大きな格子深さを与えることにより、自然
放射光を光源とした場合の０次回折効率を抑制すること
ができる。

【００８４】請求項２〜４記載の位相格子作製方法によ
ると、自然放射光を光源とした場合に０次回折効率を抑
制するほぼ矩形波状を有する位相格子に必要な格子深さ
の条件である、光の波長λと位相格子のピッチ長ｐ、該
位相格子の屈折率ｎ、該位相格子の周囲の媒質の屈折率
ｎ₀、及びエッチング等の通常のプロセスを経て作製さ
れる場合には必然的に形成される凹部と凸部との境界で
ある傾斜部の幅に対する格子深さの比である形状比ｅと
から、０次回折効率を極小にするための公知の数式を用
いて算出される格子深さよりも大きな値の格子深さを有
する条件を与えることができる。

【００８５】請求項５、６記載の光学式エンコーダによ
ると、自然放射光を光源に用いるため、寿命等の信頼性
を高めることができ、また、自然放射光を光源とする場
合に、±１次の回折光と干渉することによって光検出器
の出力信号に歪を生じさせる０次の回折効率を極小にす
るほぼ矩形波状を有する位相格子を有した移動回折板お
よび固定回折板を用いるため、歪の少ない検出信号を得
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係る位相格子の断面図

【図２】同実施例における、誘導放射光に対する０次回
折効率の測定結果図

【図３】同実施例における、自然放射光に対する０次回
折効率の測定結果図

【図４】同実施例の位相格子を用いた光学式エンコーダ
の概略構成図

【図５】図４の光学式エンコーダの要部の概略構成図

【図６】図４の光学式エンコーダにおける出力信号波形
図

【図７】従来例の光学式エンコーダの概略構成図

【図８】通常の位相格子の断面図

【図９】位相格子の回折効率と格子深さの関係の、形状
比依存性を示す図

【図１０】位相格子の回折効率と格子深さの関係の、デ
ューティ依存性を示す図

【図１１】位相格子の作製方法のフォトッチングのプロ
セス図

【図１２】格子形状と重心との関係図

【符号の説明】

１、３１自然放射光を出射する光源２、３２コリメートレンズ３Ａ、３３Ｂ固定格子板４Ａ、３４Ｂ移動格子板５、３５集光レンズ６、３６光検出器７、３７光検出部８、３８周波数弁別フィルター６０基板６１フォトレジスト６２フォトマスクｄ、ｄ'' 格子深さｐ１ピッチの長さｔ１ピッチのうちで凸部を構成する長さｋ傾斜部分の長さｅ形状比（ａ/ｄ）ｆデューティ（ｃ/ｂ）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者伊藤正弥大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者福井厚司大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】矩形形状の凹部を有する位相格子であっ
て、光の波長λ、位相格子のピッチ長ｐ、該位相格子の
基材の屈折率ｎ、該位相格子の周囲の媒質の屈折率
ｎ₀、前記凹部の傾斜部の幅に対する格子深さの比であ
る形状比ｅを用いて、｜ｎ−ｎ₀｜×（ｐ−ｄ'／ｅ）／ｐ×ｄ'＝（λ/２）×
（１＋２ｍ）（但し、ｍ＝０、±１、±２、・・・）で算出される深さｄ'よりも大きな格子深さを具備する
ことを特徴とする位相格子。
【請求項２】位相格子を形成する基材に、皮膜を塗布形
成する第一工程、その後に前記皮膜にパターン形成して
マスクを作製する第二工程、その後に前記マスクを通し
て前記基材に、光の波長をλ、位相格子のピッチ長を
ｐ、該位相格子の基材の屈折率をｎ、該位相格子の周囲
の媒質の屈折率をｎ₀、前記凹部の傾斜部の幅に対する
格子深さの比である形状比をｅとしたとき、｜ｎ−ｎ₀｜×（ｐ−ｄ'／ｅ）／ｐ×ｄ'＝（λ/２）×
（１＋２ｍ）（但し、ｍ＝０、±１、±２、・・・）で算出される深さｄ'よりも大きな深さの格子をエッチ
ングにより形成する第三工程を具備する位相格子の作製
方法。
【請求項３】エッチング時間によりエッチングの深さ
ｄ’を制御することを特徴とする請求項２記載の位相格
子の作製方法。
【請求項４】エッチングをエッチング剤を用いて行うと
共に、前記エッチング剤の濃度によりエッチングの深さ
ｄ’時間によりエッチングの深さｄ’を制御することを
特徴とする請求項２記載の位相格子の作製方法。
【請求項５】エッチングを促進せしめるエネルギーを制
御することによりエッチングの深さｄ’を制御すること
を特徴とする請求項２記載の位相格子の作製方法。
【請求項６】光源と、前記光源から出射される光の光軸
に対して略垂直に配置された、請求項１記載の位相格子
が形成された固定回折板及び移動回折板と、前記固定回
折板及び移動回折板を通過した光を受光する光検出器
と、前記固定回折板及び移動回折板を通過した±１次の
回折光を上記光検出器の光検出部に集光させる集光レン
ズを備えていることを特徴とする光学式エンコーダ。
【請求項７】光源から出射される光が自然放射光である
ことを特徴とする請求項６記載の光学式エンコーダ。
【請求項８】光源から出射される光が部分干渉性を有す
る光であることを特徴とする請求項６記載の光学式エン
コーダ。