WO2014199736A1 - 光検出装置及びエンコーダ - Google Patents

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WO2014199736A1
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encoder
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light detection
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行信 杉山
健太 遠藤
Original Assignee
浜松ホトニクス株式会社
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/26—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
    • G01D5/32—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light
    • G01D5/34—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
    • G01D5/344—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells using polarisation
    • G01D5/345—Polarising encoders

Definitions

  • the present invention relates to a light detection device and an encoder.
  • Patent Document 1 describes the following optical encoder. That is, it has a center on the central axis of the light source, the first polarizing means attached to the rotation axis, the second polarizing means having a different polarization axis depending on the circumferential position, and the second polarizing means.
  • An encoder comprising a plurality of light detection means arranged on a circumference at substantially equal intervals, and a calculation means for calculating a rotation angle based on an output of the light detection means.
  • the first polarizing means and the second polarizing means are arranged in the optical path between the light source and the light detecting means.
  • the present invention can be applied to a photodetection device that can suppress an increase in size of a device to which the present invention is applied and can accurately detect information on the polarization direction of light, and such a photodetection device.
  • An object is to provide an encoder.
  • the light detection device includes a light detection element having a plurality of pixels and a plurality of pixel regions each including at least one pixel, and the direction of the transmission axis between adjacent pixel regions. And a plurality of polarizing filters arranged to be different from each other.
  • the light detection element and the polarization filter are integrated. Therefore, according to this photodetection device, it is possible to suppress an increase in the size of the device to be applied, and to accurately detect information on the polarization direction of light.
  • the pixel region may be composed of one pixel. According to this configuration, since the polarization filter is provided for each pixel, it is possible to increase the number of distributions of the polarization filter having the same transmission axis direction.
  • a plurality of polarizing filters having the same transmission axis direction may be distributed on the light detection element. According to this configuration, by averaging the outputs from the plurality of pixel regions in which the polarization filters having the same transmission axis direction are arranged, it is possible to reduce the influence of variations in the intensity distribution of the irradiated light.
  • the polarizing filter may be a structure provided with a plurality of grooves extending in a direction parallel to the transmission axis and arranged in a direction perpendicular to the transmission axis. According to this configuration, the light use efficiency can be improved by adjusting the width of the groove and the distance (pitch) between adjacent grooves so that the transmittance of the irradiated light is increased.
  • An encoder is an optical element that emits light having a predetermined polarization direction according to irradiation of light that is emitted from a rotating body, a light source that emits light, and light emitted from the light source. And the above-mentioned photodetection device that detects light emitted from the optical element, and the optical element or the photodetection device is rotated according to the rotation of the rotating body.
  • the optical element may be rotated according to the rotation of the rotating body by being provided on the rotating body, or alternatively, the optical detector may be rotated by rotating the rotating body by being provided on the rotating body. It may be rotated accordingly.
  • the above-described photodetector is applied to the above encoder, it is possible to suppress the enlargement of the encoder and to accurately detect the angle of the rotating body based on the information on the polarization direction of the light. .
  • an encoder can be provided.
  • the encoder 1 ⁇ / b> A includes a rotating shaft 2 and a toothed rotating plate 3.
  • the rotating shaft 2 rotates about the axis A as a center line.
  • the rotary plate 3 is fixed to the rotary shaft 2 and rotates together with the rotary shaft 2 about the axis A as a center line.
  • the encoder 1 ⁇ / b> A is a so-called absolute rotary encoder, and is a device for detecting the absolute angle of the measurement object connected to the rotating shaft 2.
  • the encoder 1 ⁇ / b> A further includes a toothed rotating plate (rotating body) 4, an LED (light source) 5, a polarizing plate (optical element) 6, a light detection device 7, and a calculation unit 8.
  • the rotating plate 4 is meshed with the rotating plate 3 and rotates around an axis B parallel to the axis A in conjunction with the rotation of the rotating plate 3.
  • the LED 5 is disposed on one side of the rotating plate 4 on the axis B.
  • the light detection device 7 is arranged on the other side of the rotating plate 4 on the axis B.
  • the polarizing plate 6 is fitted in the opening 4 a provided in the rotating plate 4, and is rotated according to the rotation of the rotating plate 4.
  • the polarizing plate 6 transmits the light L2 having a predetermined polarization direction out of the light L1 emitted from the LED 5 and collimated by the lens 9. That is, it can be said that the polarizing plate 6 is an optical element that is irradiated with the light L1 emitted from the LED 5 and emits the light L2 having a predetermined polarization direction in response to the irradiation of the light L1.
  • the light detection device 7 detects the light L2 that has been transmitted through the polarizing plate 6 and collected by the lens 11.
  • a PD 13 is further mounted on the circuit board 12 on which the light detection device 7 is mounted so as to be adjacent to the light detection device 7.
  • the PD 13 is a light receiving element that detects light L1 that has passed through an arcuate opening 4b that is provided in a region around the polarizing plate 6 in the rotating plate 4 in an angle range of 0 ° to less than 180 °.
  • the calculation unit 8 is electrically connected to the circuit board 12 and calculates the angle of the measurement object based on the output from the light detection device 7 and the PD 13 (information on the polarization direction of the light L2).
  • the light detection device 7 includes a CMOS image sensor (light detection element) 70.
  • the CMOS image sensor 70 has a plurality of pixels 71 arranged in a matrix. As an example, the outer diameter of each pixel 71 is about 64 ⁇ m ⁇ 64 ⁇ m.
  • the CMOS image sensor 70 further includes a row selection circuit 72 and a readout circuit 73.
  • the row selection circuit 72 is electrically connected to the amplifier of each pixel 71 located in each row for each row.
  • the readout circuit 73 is electrically connected to the amplifier of each pixel 71 located in each column for each column. The signal transferred in the column direction from the amplifier of each pixel 71 located in the row selected by the row selection circuit 72 is read out by the readout circuit 73 and output to the arithmetic unit 8.
  • the CMOS image sensor 70 is formed in the first conductive type semiconductor substrate 74, the second conductive type epitaxial layer 75 formed on the semiconductor substrate 74, and the epitaxial layer 75.
  • the first conductivity type semiconductor region 77 and the second conductivity type semiconductor region 78 form a diode by a PN junction for each pixel 71.
  • the wiring layer 79 includes a wiring 79a and an interlayer insulating film 79b. In FIG. 3, the configuration of the amplifier is omitted.
  • the semiconductor material is silicon to which a predetermined impurity is added at a predetermined concentration, but other semiconductor materials may be used.
  • the first conductivity type is N-type and the second conductivity type is P-type, but the opposite may be possible.
  • the PD 13 is provided separately from the light detection device 7, but may be formed on the light detection device 7 together with a plurality of pixels 71.
  • the light detection device 7 further includes a plurality of polarizing filters 15.
  • Each polarizing filter 15 has a slit-like groove 16 penetrating in the incident direction of light L2 (ie, a direction parallel to the axis B) extending in a direction parallel to the transmission axis and perpendicular to the transmission axis (ie, absorption). It is a structure provided so as to be aligned in a direction parallel to the axis. That is, each polarizing filter 15 is a nanofilter provided with grooves 16 having a width equal to or smaller than the wavelength of the light L2 so as to be arranged in stripes at a pitch equal to or smaller than the wavelength of the light L2.
  • Each polarizing filter 15 is covered with a passivation film 17 integrally formed over all the polarizing filters 15 in a state of entering the groove 16.
  • the polarizing filter 15 is made of, for example, a metal material such as aluminum, and is directly formed on each pixel 71 by FIB (Focused Ion Beam) processing, processing by a fine exposure machine, or the like.
  • the polarizing filter 15 a in which the direction of the transmission axis forms an angle of 0 ° with respect to the row direction of the array of the pixels 71 (hereinafter simply referred to as “row direction”), Polarization filter 15b whose transmission axis direction forms an angle of 45 ° with respect to the polarization direction, polarizing filter 15c whose transmission axis direction forms an angle of 90 ° with respect to the row direction, and transmission axis direction 135 with respect to the row direction.
  • a polarizing filter 15 d having an angle of ° is provided for each pixel 71.
  • a plurality of these polarizing filters 15a, 15b, 15c, and 15d are arranged such that the directions of the transmission axes of the adjacent pixels 71 are different. In this way, on the CMOS image sensor 70, a plurality of polarizing filters 15a having the same transmission axis direction are distributed (dispersed). The same applies to the polarizing filters 15b, 15c, and 15d.
  • the encoder 1A configured as described above, as shown in FIG. 1, when the light L1 emitted from the LED 5 and collimated by the lens 9 is irradiated onto the polarizing plate 6, the light L2 having a predetermined polarization direction. Passes through the polarizing plate 6. Then, the light L2 that passes through the polarizing plate 6 and is collected by the lens 11 is irradiated to the light detection device 7. At this time, the polarization direction of the light L ⁇ b> 2 rotates with respect to the light detection device 7 according to the rotation of the rotating plate 4.
  • the calculation unit 8 rotates through the angle of the rotating plate 4, that is, the rotating shaft 2 and the rotating plate 3 based on the output from the pixel 71 corresponding to each polarizing filter 15 a, 15 b, 15 c, 15 d.
  • the angle of the measurement object that rotates the plate 4 can be detected.
  • the output from the pixel 71 corresponding to the polarizing filter 15a in which the direction of the transmission axis forms an angle of 0 ° with respect to the row direction is as shown by a solid line graph shown in FIG.
  • the output from the pixel 71 corresponding to the polarizing filter 15b whose transmission axis direction forms an angle of 45 ° with respect to the row direction is as shown by a two-dot chain line graph shown in FIG.
  • the output from the pixel 71 corresponding to the polarizing filter 15c whose transmission axis direction forms an angle of 90 ° with respect to the row direction is as shown by a one-dot chain line graph shown in FIG.
  • the output from the pixel 71 corresponding to the polarization filter 15d whose transmission axis direction forms an angle of 135 ° with respect to the row direction is as shown by a broken line graph shown in FIG. Therefore, the calculation unit 8 detects the angle of the rotating plate 4 and thus the angle of the measurement object based on the relationship between the outputs from the pixels 71 corresponding to the polarization filters 15a, 15b, 15c, and 15d. be able to.
  • the calculation unit 8 can remove the minimum value as an output due to background light.
  • the polarizing filters 15a, 15b, 15c, 15d Correspondingly, the output relationship from the pixel 71 is the same. Therefore, the calculation unit 8 needs to identify an angle between 0 ° and less than 180 ° and an angle between 180 ° and less than 360 ° with respect to the rotation angle of the rotating plate 4. The calculation unit 8 performs the identification based on the output from the PD 13.
  • the unit 8 can be identified as an angle of 0 ° or more and less than 180 ° when the output from the PD 13 is relatively high, and 180 ° or more and 360 ° when the output from the PD 13 is relatively low. Can be distinguished from less than angles.
  • the CMOS image sensor 70 and the polarizing filter 15 are integrated, so that an increase in the size of the applied device can be suppressed, and the light can be reduced.
  • Information on the polarization direction of L2 can be detected with high accuracy. Therefore, in the encoder 1A, it is possible to suppress the increase in size and accurately detect the angle of the rotating plate 4 (and hence the angle of the measurement object) based on the information on the polarization direction of the light L2. ing.
  • a plurality of polarization filters 15 having the same transmission axis direction are distributed on the CMOS image sensor 70, and therefore, a plurality of pixels in which the polarization filters 15 having the same transmission axis direction are arranged.
  • This configuration is extremely effective because detection can be continued even when the function of a certain polarizing filter 15 is deteriorated due to the influence of dust or the like.
  • the polarization filter 15 is provided for each pixel 71, the number of distributions of the polarization filter 15 having the same transmission axis direction can be increased.
  • the polarizing filter 15 is a structure provided with a plurality of grooves 16 extending in a direction parallel to the transmission axis and arranged in a direction perpendicular to the transmission axis.
  • the utilization efficiency of the light L2 can be improved by adjusting the width of the groove 16 and the distance (pitch) between the adjacent grooves 16 so that the transmittance is increased.
  • the encoder 1 ⁇ / b> B is mainly different from the encoder 1 ⁇ / b> A described above in that the polarizing plate 6 is provided with a light passage portion 18 such as a through-hole and the PD 13 is not provided. .
  • the light passing portion 18 is located in a region off the axis B in the polarizing plate 6. Therefore, by detecting the irradiation region of the light L1 that has passed through the light passage unit 18 by any one of the pixels 71 (the output is the maximum at the pixel 71), the rotation angle of the rotating plate 4 is 0 ° or more and 180 °. A distinction can be made between angles less than ° and angles greater than or equal to 180 ° and less than 360 °.
  • the encoder 1 ⁇ / b> C is mainly different from the encoder 1 ⁇ / b> A described above in that the light blocking unit 19 is provided on the polarizing plate 6 and the PD 13 is not provided.
  • the light shielding unit 19 is located in a region off the axis B in the polarizing plate 6. Therefore, by detecting the projection area of the light shielding unit 19 by any one of the pixels 71 (the output of the pixel 71 is minimized), the rotation angle of the rotating plate 4 is an angle of 0 ° or more and less than 180 °. Discrimination with an angle of 180 ° or more and less than 360 ° can be performed.
  • the projection area of the light shielding unit 19 in this way, generation of stray light components can be suppressed.
  • the encoder 1D includes the encoder described above in that the polarizing plate 6 is divided into a semicircular polarizing plate 6a and a semicircular polarizing plate 6b, and no PD 13 is provided. Mainly different from 1A.
  • the transmission axis of the polarizing plate 6a and the transmission axis of the polarizing plate 6b intersect.
  • the output from the pixel 71 is inverted, so that the rotating angle of the rotating plate 4 is 0 ° or more and 180 °. Discriminating between less than angles and angles greater than or equal to 180 ° and less than 360 ° can be performed.
  • the encoder 1 ⁇ / b> E is described above in that the light detection device 7 is disposed on the rotating plate 4, and the LEDs 5 and the polarizing plates 6 are disposed obliquely with respect to the rotating plate 4. This is mainly different from the encoder 1A.
  • the light detection device 7 is located in a region off the axis B in the polarizing plate 6 and is rotated according to the rotation of the rotating plate 4.
  • the rotation angle of the rotating plate 4 can be identified as an angle between 0 ° and less than 180 ° and an angle between 180 ° and less than 360 °. it can.
  • the encoder 1F is mainly different from the encoder 1A described above in that the PD 13 is not provided.
  • the rotation angle of the rotating plate 4 is an angle between 0 ° and less than 180 °, an angle between 180 ° and less than 360 ° Can be identified.
  • the configuration of the encoder 1F can be simplified.
  • the present invention is not limited to the above embodiments.
  • the polarizing filter 15 is provided for each pixel 71 (that is, when the pixel region is composed of one pixel), but the polarizing filter of the present invention includes a plurality of pixels. It may be provided for each pixel area on a plurality of pixel areas, and the adjacent pixel areas may be arranged so that the directions of the transmission axes are different. If at least two types of polarizing filters 15 having different transmission axis directions are provided, the angle can be detected based on the relationship between the outputs from the polarizing filters 15.
  • the angle of the transmission axis (that is, the angle formed by the direction of the transmission axis with respect to the row direction) is changed for each of the polarization filters 15 provided for each pixel 71. It has been.
  • the transmission axis angle is changed by 11.25 ° for each of the 16 polarizing filters 15 arranged in 4 rows and 4 columns.
  • the angle of the transmission axis may be changed by 1 °.
  • the result shown in FIG. 11 is obtained.
  • the solid line is shown in FIG. It becomes a Sin curve.
  • the center value of the amplitude of the output is 0.5
  • the angles of the transmission axes serving as the center values are 60 ° and 150 °
  • the phase is 30 °.
  • the rotation angle is It turns out to be 30 °.
  • the shape of the polarizing filter 15 in plan view may be a circular shape shown in FIG. 10 in addition to the square shape shown in FIG.
  • each said embodiment was a case where the groove
  • polarizing filter 15 which is a nano filter
  • a polarizing film for example, a film of polyvinyl alcohol or the like is dyed with an iodine compound so as to penetrate inside, stretched in one direction, added with boric acid, and subjected to a crosslinking treatment. May be used.
  • the light detection device of the present invention may be applied to devices other than the encoder.
  • a light source other than the LED 5 may be used as long as it emits light.
  • an optical element other than the polarizing plate 6 may be used as long as it is an optical element that emits light emitted from a light source and emits light having a predetermined polarization direction in response to the irradiation of the light.
  • a light detection element other than the CMOS image sensor 70 may be used as long as it is a light detection element having a plurality of pixels.
  • an encoder can be provided.

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Abstract

　エンコーダ１Ａは、回転板４と、光Ｌ１を出射するＬＥＤ５と、ＬＥＤ５から出射された光Ｌ１が照射され、当該光Ｌ１の照射に応じて、所定の偏光方向を有する光Ｌ２を出射する偏光板６と、偏光板６から出射された光Ｌ２を検出する光検出装置７と、を備える。偏光板６は、回転板４の回転に応じて回転させられる。光検出装置７は、複数の画素を有するＣＭＯＳイメージセンサ７０と、少なくとも１つの画素からなる複数の画素領域上に当該画素領域ごとに設けられ、隣り合う画素領域について透過軸の方向が異なるように配置された複数の偏光フィルタ１５と、を備える。

Description

光検出装置及びエンコーダ
　本発明は、光検出装置及びエンコーダに関する。
　従来のエンコーダとして、例えば特許文献１には、次のような光学式のエンコーダが記載されている。すなわち、光源と、回転軸に取り付けられた第１の偏光手段と、円周方向の位置によって異なる向きの偏光軸を有する第２の偏光手段と、第２の偏光手段の中心軸に中心を有する円周上に略等間隔に並べられた複数の光検出手段と、光検出手段の出力に基づいて回転角を演算する演算手段と、を備えるエンコーダである。このエンコーダにおいては、第１の偏光手段及び第２の偏光手段が、光源と光検出手段との光路中に配置されている。
特公平３－２１８１９号公報
　しかしながら、特許文献１記載のエンコーダでは、装置が大型化するばかりか、複数の光検出手段同士の位置合せ、及び複数の光検出手段に対する第２の偏光手段の位置合せが煩雑であるため、それらの位置合せにずれが生じると、光の偏光方向の情報を精度良く検出することができないおそれがある。
　そこで、本発明は、適用される装置の大型化を抑制することができると共に、光の偏光方向の情報を精度良く検出することができる光検出装置、及びそのような光検出装置が適用されたエンコーダを提供することを目的とする。
　本発明の一側面の光検出装置は、複数の画素を有する光検出素子と、少なくとも１つの画素からなる複数の画素領域上に当該画素領域ごとに設けられ、隣り合う画素領域について透過軸の方向が異なるように配置された複数の偏光フィルタと、を備える。
　この光検出装置では、光検出素子と偏光フィルタとの一体化が図られている。よって、この光検出装置によれば、適用される装置の大型化を抑制することができると共に、光の偏光方向の情報を精度良く検出することができる。
　本発明の一側面の光検出装置では、画素領域は、１つの画素からなっていてもよい。この構成によれば、偏光フィルタが画素ごとに設けられることになるので、透過軸の方向が同じ偏光フィルタの分布数を増やすことができる。
　本発明の一側面の光検出装置では、光検出素子上には、透過軸の方向が同じ複数の偏光フィルタが分布させられていてもよい。この構成によれば、透過軸の方向が同じ偏光フィルタが配置された複数の画素領域からの出力を平均化することで、照射される光の強度分布のばらつきの影響を軽減することができる。
　本発明の一側面の光検出装置では、偏光フィルタは、透過軸に平行な方向に延び且つ透過軸に垂直な方向に並ぶ複数の溝が設けられた構造体であってもよい。この構成によれば、照射される光の透過率が高くなるように、溝の幅及び隣り合う溝間の距離（ピッチ）を調整することで、光の利用効率を向上させることができる。
　本発明の一側面のエンコーダは、回転体と、光を出射する光源と、光源から出射された光が照射され、当該光の照射に応じて、所定の偏光方向を有する光を出射する光学素子と、光学素子から出射された光を検出する上記光検出装置と、を備え、光学素子又は光検出装置は、回転体の回転に応じて回転させられる。ここで、光学素子が、回転体に設けられることにより、回転体の回転に応じて回転させられてもよいし、或いは、光検出装置が、回転体に設けられることにより、回転体の回転に応じて回転させられてもよい。
　以上のエンコーダには、上記光検出素子が適用されているので、エンコーダの大型化を抑制すること、及び光の偏光方向の情報に基づいて回転体の角度を精度良く検出することが実現される。
　本発明によれば、適用される装置の大型化を抑制することができると共に、光の偏光方向の情報を精度良く検出することができる光検出装置、及びそのような光検出装置が適用されたエンコーダを提供することが可能となる。
本発明の第１実施形態のエンコーダの斜視図である。 図１のエンコーダに適用された光検出装置の平面図である。 図１のエンコーダに適用された光検出装置の一部断面図である。 回転体の回転角と光検出素子の相対出力との関係を示すグラフである。 本発明の第２実施形態のエンコーダの斜視図である。 本発明の第３実施形態のエンコーダの斜視図である。 本発明の第４実施形態のエンコーダの斜視図である。 本発明の第５実施形態のエンコーダの斜視図である。 本発明の第６実施形態のエンコーダの斜視図である。 図２の光検出装置の変形例の平面図である。 偏光フィルタの透過軸の角度と光検出素子の相対出力との関係を示すグラフである。
　以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
［第１実施形態］
　図１に示されるように、エンコーダ１Ａは、回転軸２と、歯付きの回転板３と、を備えている。回転軸２は、軸線Ａを中心線として回転する。回転板３は、回転軸２に固定されており、回転軸２と共に軸線Ａを中心線として回転する。エンコーダ１Ａは、いわゆるアブソリュート型のロータリエンコーダであり、回転軸２に連結された測定対象物の絶対角度を検出するための装置である。
　エンコーダ１Ａは、更に、歯付きの回転板（回転体）４と、ＬＥＤ（光源）５と、偏光板（光学素子）６と、光検出装置７と、演算部８と、を備えている。回転板４は、回転板３と噛み合わされており、回転板３の回転に連動して、軸線Ａに平行な軸線Ｂを中心線として回転する。ＬＥＤ５は、軸線Ｂ上において回転板４の一方の側に配置されている。光検出装置７は、軸線Ｂ上において回転板４の他方の側に配置されている。
　偏光板６は、回転板４に設けられた開口４ａに嵌められており、回転板４の回転に応じて回転させられる。偏光板６は、ＬＥＤ５から出射されてレンズ９によってコリメートされた光Ｌ１のうち、所定の偏光方向を有する光Ｌ２を透過させる。つまり、偏光板６は、ＬＥＤ５から出射された光Ｌ１が照射され、当該光Ｌ１の照射に応じて、所定の偏光方向を有する光Ｌ２を出射する光学素子であるといえる。
　光検出装置７は、偏光板６を透過してレンズ１１によって集光された光Ｌ２を検出する。光検出装置７が実装された回路基板１２上には、更に、光検出装置７と隣り合うようにＰＤ１３が実装されている。ＰＤ１３は、回転板４における偏光板６の周囲の領域に０°以上１８０°未満の角度範囲で設けられた円弧状の開口４ｂを通過した光Ｌ１を検出する受光素子である。演算部８は、回路基板１２に電気的に接続されおり、光検出装置７及びＰＤ１３からの出力（光Ｌ２の偏光方向の情報）に基づいて、測定対象物の角度を演算する。
　図２に示されるように、光検出装置７は、ＣＭＯＳイメージセンサ（光検出素子）７０を備えている。ＣＭＯＳイメージセンサ７０は、マトリックス状に配列された複数の画素７１を有している。一例として、各画素７１の外径は、６４μｍ×６４μｍ程度である。ＣＭＯＳイメージセンサ７０は、更に、行選択回路７２と、読出し回路７３と、を有している。行選択回路７２は、各行に位置する各画素７１のアンプに行ごとに電気的に接続されている。読出し回路７３は、各列に位置する各画素７１のアンプに列ごとに電気的に接続されている。行選択回路７２によって選択された行に位置する各画素７１のアンプから列方向に転送された信号は、読出し回路７３によって読み出され、演算部８に出力される。
　図３に示されるように、ＣＭＯＳイメージセンサ７０は、第１導電型の半導体基板７４と、半導体基板７４上に形成された第２導電型のエピタキシャル層７５と、エピタキシャル層７５内に形成された第２導電型のウェル層７６と、ウェル層７６内に形成された第１導電型の半導体領域７７及び第２導電型の半導体領域７８と、ウェル層７６上に形成された配線層７９と、を有している。第１導電型の半導体領域７７及び第２導電型の半導体領域７８は、画素７１ごとに、ＰＮ接合によってダイオードを構成している。配線層７９は、配線７９ａ及び層間絶縁膜７９ｂからなる。なお、図３においては、アンプの構成が省略されている。
　本実施形態では、半導体材料は、所定の不純物が所定の濃度で添加されたシリコンであるが、その他の半導体材料であってもよい。また、本実施形態では、第１導電型がＮ型であり、第２導電型がＰ型であるが、逆であってもよい。更に、本実施形態では、ＰＤ１３は、光検出装置７と別体に設けられているが、複数の画素７１と共に光検出装置７上に形成されていてもよい。
　図２及び図３に示されるように、光検出装置７は、更に、複数の偏光フィルタ１５を備えている。各偏光フィルタ１５は、光Ｌ２の入射方向（すなわち、軸線Ｂに平行な方向）に貫通するスリット状の溝１６が、透過軸に平行な方向に延び且つ透過軸に垂直な方向（すなわち、吸収軸に平行な方向）に並ぶように設けられた構造体である。つまり、各偏光フィルタ１５は、光Ｌ２の波長以下の幅の溝１６が、光Ｌ２の波長以下のピッチでストライプ状に並ぶように設けられたナノフィルタである。各偏光フィルタ１５は、溝１６内に入り込んだ状態で全ての偏光フィルタ１５に渡って一体的に形成されたパッシベーション膜１７によって覆われている。なお、偏光フィルタ１５は、例えば、アルミニウム等の金属材料からなり、ＦＩＢ（Focused　Ion　Beam）加工、或いは微細露光機による加工等によって、各画素７１上に直接的に形成されている。
　本実施形態では、図２に示されるように、画素７１の配列の行方向（以下、単に「行方向」という）に対して透過軸の方向が０°の角度を成す偏光フィルタ１５ａ、行方向に対して透過軸の方向が４５°の角度を成す偏光フィルタ１５ｂ、行方向に対して透過軸の方向が９０°の角度を成す偏光フィルタ１５ｃ、及び行方向に対して透過軸の方向が１３５°の角度を成す偏光フィルタ１５ｄが、画素７１ごとに設けられている。これらの偏光フィルタ１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄは、隣り合う画素７１について透過軸の方向が異なるように、複数ずつ、配置されている。このようにして、ＣＭＯＳイメージセンサ７０上には、透過軸の方向が同じ複数の偏光フィルタ１５ａが分布（分散）させられている。このことは、偏光フィルタ１５ｂ，１５ｃ，１５ｄについても同様である。
　以上のように構成されたエンコーダ１Ａでは、図１に示されるように、ＬＥＤ５から出射されてレンズ９によってコリメートされた光Ｌ１が偏光板６に照射されると、所定の偏光方向を有する光Ｌ２が偏光板６を透過する。そして、偏光板６を透過してレンズ１１によって集光された光Ｌ２が光検出装置７に照射される。このとき、光Ｌ２の偏光方向は、光検出装置７に対して、回転板４の回転に応じて回転することになる。したがって、演算部８は、各偏光フィルタ１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄに対応する画素７１からの出力に基づいて、回転板４の角度、延いては、回転軸２及び回転板３を介して回転板４を回転させる測定対象物の角度を検出することができる。
　具体例として、行方向に対して透過軸の方向が０°の角度を成す偏光フィルタ１５ａに対応する画素７１からの出力は、図４に示される実線のグラフのとおりとなる。行方向に対して透過軸の方向が４５°の角度を成す偏光フィルタ１５ｂに対応する画素７１からの出力は、図４に示される二点鎖線のグラフのとおりとなる。行方向に対して透過軸の方向が９０°の角度を成す偏光フィルタ１５ｃに対応する画素７１からの出力は、図４に示される一点鎖線のグラフのとおりとなる。行方向に対して透過軸の方向が１３５°の角度を成す偏光フィルタ１５ｄに対応する画素７１からの出力は、図４に示される破線のグラフのとおりとなる。したがって、演算部８は、各偏光フィルタ１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄに対応するに画素７１からの出力の関係に基づいて、回転板４の角度、延いては、測定対象物の角度を検出することができる。
　なお、透過軸の方向が９０°ずれた偏光フィルタ１５（例えば、偏光フィルタ１５ａ及び偏光フィルタ１５ｃ）に対応する画素７１間では、一方の画素７１からの出力が最大値をとれば、他方の画素７１からの出力は最小値をとることになる。したがって、演算部８は、当該最小値を背景光に起因する出力として除去することができる。
　ここで、回転板４の回転角が１８０°ずれた状態（例えば、図４に示される回転角０°の状態及び回転角１８０°の状態）では、各偏光フィルタ１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄに対応するに画素７１からの出力の関係が同じになる。そのため、演算部８は、回転板４の回転角について、０°以上１８０°未満の角度と１８０°以上３６０°未満の角度とを識別する必要がある。演算部８は、当該識別をＰＤ１３からの出力に基づいて実施する。すなわち、ＰＤ１３は、回転板４における偏光板６の周囲の領域に０°以上１８０°未満の角度範囲で設けられた円弧状の開口４ｂを通過した光Ｌ１を検出する受光素子であるため、演算部８は、ＰＤ１３からの出力が相対的に高い場合には、０°以上１８０°未満の角度と識別することができ、ＰＤ１３からの出力が相対的に低い場合には、１８０°以上３６０°未満の角度と識別することができる。
　以上説明したように、エンコーダ１Ａの光検出装置７では、ＣＭＯＳイメージセンサ７０と偏光フィルタ１５との一体化が図られているため、適用される装置の大型化を抑制することができると共に、光Ｌ２の偏光方向の情報を精度良く検出することができる。よって、エンコーダ１Ａでは、その大型化を抑制すること、及び光Ｌ２の偏光方向の情報に基づいて回転板４の角度（延いては、測定対象物の角度）を精度良く検出することが実現されている。
　また、光検出装置７では、ＣＭＯＳイメージセンサ７０上に、透過軸の方向が同じ複数の偏光フィルタ１５が分布させられているため、透過軸の方向が同じ偏光フィルタ１５が配置された複数の画素７１からの出力を平均化することで、照射される光Ｌ２の強度分布のばらつきの影響を軽減することができる。この構成は、埃等の影響によって或る偏光フィルタ１５の機能が低下した場合等にも検出を継続することができるので、極めて有効である。
　また、光検出装置７では、偏光フィルタ１５が画素７１ごとに設けられているため、透過軸の方向が同じ偏光フィルタ１５の分布数を増やすことができる。
　また、光検出装置７では、偏光フィルタ１５が、透過軸に平行な方向に延び且つ透過軸に垂直な方向に並ぶ複数の溝１６が設けられた構造体であるため、照射される光Ｌ２の透過率が高くなるように、溝１６の幅及び隣り合う溝１６間の距離（ピッチ）を調整することで、光Ｌ２の利用効率を向上させることができる。
［第２実施形態］
　図５に示されるように、エンコーダ１Ｂは、偏光板６に貫通孔等の光通過部１８が設けられており、ＰＤ１３が設けられていない点で、上述したエンコーダ１Ａと主に相違している。エンコーダ１Ｂでは、光通過部１８は、偏光板６において軸線Ｂから外れた領域に位置している。そのため、光通過部１８を通過した光Ｌ１の照射領域をいずれかの画素７１で検出することにより（その画素７１では、出力が最大となる）、回転板４の回転角について、０°以上１８０°未満の角度と１８０°以上３６０°未満の角度との識別を実施することができる。
［第３実施形態］
　図６に示されるように、エンコーダ１Ｃは、偏光板６に光遮光部１９が設けられており、ＰＤ１３が設けられていない点で、上述したエンコーダ１Ａと主に相違している。エンコーダ１Ｃでは、光遮光部１９は、偏光板６において軸線Ｂから外れた領域に位置している。そのため、光遮光部１９の投影領域をいずれかの画素７１で検出することにより（その画素７１では、出力が最小となる）、回転板４の回転角について、０°以上１８０°未満の角度と１８０°以上３６０°未満の角度との識別を実施することができる。このように光遮光部１９の投影領域を利用することで、迷光成分の発生を抑制することができる。
［第４実施形態］
　図７に示されるように、エンコーダ１Ｄは、偏光板６が半円形状の偏光板６ａと半円形状の偏光板６ｂとに分割されており、ＰＤ１３が設けられていない点で、上述したエンコーダ１Ａと主に相違している。エンコーダ１Ｄでは、偏光板６ａの透過軸と偏光板６ｂの透過軸とが交差している。これにより、光検出装置７上では、回転板４の回転角が１８０°変化した場合に、画素７１からの出力が反転することになるため、回転板４の回転角について、０°以上１８０°未満の角度と１８０°以上３６０°未満の角度との識別を実施することができる。
［第５実施形態］
　図８に示されるように、エンコーダ１Ｅは、光検出装置７が回転板４上に配置されており、回転板４に対して斜めにＬＥＤ５及び偏光板６が配置されている点で、上述したエンコーダ１Ａと主に相違している。エンコーダ１Ｅでは、光検出装置７は、偏光板６において軸線Ｂから外れた領域に位置しており、回転板４の回転に応じて回転させられる。これにより、光検出装置７に対する光Ｌ２の入射角度が変わるため、回転板４の回転角について、０°以上１８０°未満の角度と１８０°以上３６０°未満の角度との識別を実施することができる。
［第６実施形態］
　図９に示されるように、エンコーダ１Ｆは、ＰＤ１３が設けられていない点で、上述したエンコーダ１Ａと主に相違している。エンコーダ１Ｆでは、測定対象物の角度の初期値からその角度の変化を追跡し続けることで、回転板４の回転角について、０°以上１８０°未満の角度と１８０°以上３６０°未満の角度との識別を実施することができる。この場合、エンコーダ１Ｆの構成の簡易化を図ることができる。
　以上、本発明の第１～第６実施形態について説明したが、本発明は、上記各実施形態に限定されるものではない。例えば、上記各実施形態は、偏光フィルタ１５が画素７１ごとに設けられている場合（すなわち、画素領域が１つの画素からなる場合）であったが、本発明の偏光フィルタは、複数の画素からなる複数の画素領域上に当該画素領域ごとに設けられ、隣り合う画素領域について透過軸の方向が異なるように配置されていてもよい。なお、透過軸の方向が異なる少なくとも２種類の偏光フィルタ１５が設けられていれば、それらの偏光フィルタ１５からの出力の関係に基づいて、角度を検出することが可能である。
　一例として、図１０に示される光検出装置においては、画素７１ごとに設けられた偏光フィルタ１５のそれぞれについて、透過軸の角度（すなわち、行方向に対して透過軸の方向が成す角度）が変えられている。この例では、４行４列で配置された１６個の偏光フィルタ１５のそれぞれについて、透過軸の角度が１１．２５°ずつ変えられているが、例えば、１８０個の偏光フィルタ１５のそれぞれについて、透過軸の角度が１°ずつ変えられていてもよい。この例において、偏光フィルタ１５の透過軸の角度と光検出素子７０の相対出力との関係をグラフに示すと、図１１に示される結果となり、これをＳｉｎ近似すると、図１１に実線で示されるＳｉｎ曲線となる。このＳｉｎ曲線では、出力の振幅の中心値が０．５であり、当該中心値となる透過軸の角度が６０°及び１５０°であるから、位相は３０°となり、このことから、回転角は３０°と分かる。このように、位相を計算することで、回転角を求めることができる。なお、平面視における偏光フィルタ１５の形状は、図２に示される正方形状の他、図１０に示される円形状等であってもよい。
　また、上記各実施形態は、偏光フィルタ１５の溝１６が光Ｌ２の入射方向に貫通している場合であったが、本発明の偏光フィルタの溝は、偏光フィルタが光透過性を有していれば、貫通していなくてもよい（すなわち、底を有していてもよい）。
　また、ナノフィルタである偏光フィルタ１５に代えて、偏光フィルム（例えば、ポリビニルアルコール等のフィルムにヨウ素化合物を染色して内部に浸透させ、一方向に延伸し、ホウ酸を加えて架橋処理を施したもの）が用いられてもよい。
　また、本発明の光検出装置は、エンコーダ以外の装置に適用されてもよい。また、光を出射するものであれば、ＬＥＤ５以外の光源が用いられてもよい。また、光源から出射された光が照射され、当該光の照射に応じて、所定の偏光方向を有する光を出射する光学素子であれば、偏光板６以外の光学素子が用いられてもよい。また、複数の画素を有する光検出素子であれば、ＣＭＯＳイメージセンサ７０以外の光検出素子が用いられてもよい。
　本発明によれば、適用される装置の大型化を抑制することができると共に、光の偏光方向の情報を精度良く検出することができる光検出装置、及びそのような光検出装置が適用されたエンコーダを提供することが可能となる。
　１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅ，１Ｆ…エンコーダ、４…回転板（回転体）、５…ＬＥＤ（光源）、６…偏光板（光学素子）、７…光検出装置、１５，１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄ…偏光フィルタ、１６…溝、７０…ＣＭＯＳイメージセンサ（光検出素子）、７１…画素。

Claims (7)

  1. 　複数の画素を有する光検出素子と、
    　少なくとも１つの前記画素からなる複数の画素領域上に当該画素領域ごとに設けられ、隣り合う前記画素領域について透過軸の方向が異なるように配置された複数の偏光フィルタと、を備える、光検出装置。
  2. 　前記画素領域は、１つの前記画素からなる、請求項１記載の光検出装置。
  3. 　前記光検出素子上には、前記透過軸の方向が同じ複数の前記偏光フィルタが分布させられている、請求項１又は２記載の光検出装置。
  4. 　前記偏光フィルタは、前記透過軸に平行な方向に延び且つ前記透過軸に垂直な方向に並ぶ複数の溝が設けられた構造体である、請求項１～３のいずれか一項記載の光検出装置。
  5. 　回転体と、
    　光を出射する光源と、
    　前記光源から出射された前記光が照射され、当該光の照射に応じて、所定の偏光方向を有する光を出射する光学素子と、
    　前記光学素子から出射された前記光を検出する請求項１～４のいずれか一項記載の光検出装置と、を備え、
    　前記光学素子又は前記光検出装置は、前記回転体の回転に応じて回転させられる、エンコーダ。
  6. 　前記光学素子は、前記回転体に設けられることにより、前記回転体の回転に応じて回転させられる、請求項５記載のエンコーダ。
  7. 　前記光検出装置は、前記回転体に設けられることにより、前記回転体の回転に応じて回転させられる、請求項５記載のエンコーダ。
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Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102015107908A1 (de) * 2015-02-25 2016-08-25 Günter Grau Vorrichtung zur Messung von Drehwinkeln in Zählwerken und mehrstufigen Drehgebern sowie zugehörige Sensoren
CN114893426B (zh) * 2022-06-24 2023-03-31 珠海格力电器股份有限公司 一种摇头风扇及其控制方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001183122A (ja) * 1999-10-12 2001-07-06 Canon Inc 光回転角検出装置及び回転検出装置及び光回転角検出方法
JP2005504314A (ja) * 2001-09-24 2005-02-10 カール ツアイス マイクロエレクトロニック システムズ ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング 測定装置および測定方法
JP2007086720A (ja) * 2005-08-23 2007-04-05 Photonic Lattice Inc 偏光イメージング装置
JP2010021060A (ja) * 2008-07-11 2010-01-28 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池用保水層およびその製造方法並びに電解質膜−電極接合体
JP2012018264A (ja) * 2010-07-07 2012-01-26 Olympus Corp 撮像装置および顕微鏡システム

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002098650A (ja) * 2000-09-26 2002-04-05 Matsushita Electric Works Ltd 透明体検出方法およびそのシステム
JP2006153506A (ja) * 2004-11-25 2006-06-15 Univ Of Electro-Communications 位置検出装置及び位置検出方法
JP5412959B2 (ja) * 2009-02-02 2014-02-12 株式会社高岳製作所 光応用計測装置
JP5429622B2 (ja) * 2009-02-16 2014-02-26 株式会社リコー 液滴認識装置と雨滴認識装置と自動ワイパー装置
JP5541653B2 (ja) * 2009-04-23 2014-07-09 キヤノン株式会社 撮像装置及びその制御方法
JP5589422B2 (ja) * 2010-02-15 2014-09-17 株式会社リコー 透明体検出システム
EP2522960B1 (de) * 2011-05-13 2014-03-26 SICK STEGMANN GmbH Vorrichtung und Verfahren zur Messung des Drehwinkels zweier relativ zueinander rotierender Objekte
EP2600113B1 (de) * 2011-11-29 2018-01-10 SICK STEGMANN GmbH Verfahren und Vorrichtung zur Messung des Drehwinkels zweier relativ zueinander rotierender Objekte

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001183122A (ja) * 1999-10-12 2001-07-06 Canon Inc 光回転角検出装置及び回転検出装置及び光回転角検出方法
JP2005504314A (ja) * 2001-09-24 2005-02-10 カール ツアイス マイクロエレクトロニック システムズ ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング 測定装置および測定方法
JP2007086720A (ja) * 2005-08-23 2007-04-05 Photonic Lattice Inc 偏光イメージング装置
JP2010021060A (ja) * 2008-07-11 2010-01-28 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池用保水層およびその製造方法並びに電解質膜−電極接合体
JP2012018264A (ja) * 2010-07-07 2012-01-26 Olympus Corp 撮像装置および顕微鏡システム

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