WO2015190296A1 - 回折格子および変位計測装置 - Google Patents

回折格子および変位計測装置 Download PDF

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WO2015190296A1
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diffraction grating
light
diffracted light
order diffracted
pattern
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Inventor
崇宏 井澤
Original Assignee
株式会社エンプラス
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/18—Diffraction gratings

Definitions

  • the present invention relates to a diffraction grating and a displacement measuring apparatus having the diffraction grating.
  • a displacement measuring device that measures the amount of displacement (for example, movement distance) of an object
  • a device that detects the amount of displacement of the object from a change in the amount of diffracted light by a diffraction grating
  • diffracted light is generated from light from a light source disposed independently with respect to the object by a first diffraction grating that is also disposed independently with respect to the object. Then, the diffracted light is diffracted toward the optical sensor by the second diffraction grating that can move in accordance with the movement of the object, and the change in the amount of light according to the movement of the second diffraction grating is detected by the optical sensor.
  • the second diffraction grating that can move in accordance with the movement of the object, and the change in the amount of light according to the movement of the second diffraction grating is detected by the optical sensor.
  • a transmission type diffraction grating is used for each of the first and second diffraction gratings in the displacement measuring apparatus.
  • high-order diffracted light other than the first-order diffracted light for example, third-order diffracted light
  • the optical sensor may detect light in which the first-order diffracted light and the third-order diffracted light overlap.
  • the first-order diffracted light is usually sufficiently stronger than the third-order diffracted light, it is easy to be detected by the optical sensor. However, for example, depending on the sensitivity of the optical sensor, the third-order diffracted light may become noise.
  • a reflection type diffraction grating suppresses the generation of second-order or higher-order diffracted light by defining the pattern depth and the incident angle of light on the pattern (for example, , See Patent Document 2).
  • the displacement measuring device it is desired to increase the first-order diffracted light or weaken the second-order or higher-order diffracted light from the viewpoint of increasing the S / N ratio.
  • the diffraction grating that is, the transmission type diffraction grating
  • the present invention is a transmission type diffraction grating composed of a light transmissive member and having a pattern for generating diffracted light, the first surface including the pattern to which light should be incident, and the pattern The second surface to which the diffracted light that has been generated by the incidence of the light and transmitted through the diffraction grating is to be emitted, and the second or higher order diffracted light of the diffracted light reaches the second surface.
  • a diffraction grating having a light-shielding portion disposed in a portion to be.
  • the present invention is also directed to a light source, a first diffraction grating for separating light emitted from the light source into diffracted light including first-order diffracted light, the first diffraction grating, and a relative A second diffraction grating for advancing at least the first-order diffracted light emitted from the first diffraction grating in an intended direction, and emitted from the second diffraction grating.
  • An optical sensor for detecting the amount of light that has been detected, and measuring the amount of movement of the second diffraction grating relative to the first diffraction grating from a change in the amount of light detected by the optical sensor.
  • a displacement measuring device is provided, wherein at least a portion of the diffracted light to which the second or higher order diffracted light should reach is shielded from light at least in the first diffraction grating.
  • the diffraction grating has the light-shielding portion at a portion where the high-order diffracted light should reach on the second surface.
  • the portion to which the higher-order diffracted light should reach is adjacent to the portion on the second surface where the first-order diffracted light is to be emitted. For this reason, the emission of high-order diffracted light is sufficiently suppressed by the light shielding portion. Therefore, substantially only the first-order diffracted light is emitted from the second surface. Accordingly, there is provided a transmission type diffraction grating in which the emission of the second or higher order diffracted light is relatively suppressed with respect to the first order diffracted light.
  • the periphery of the portion where the first-order diffracted light is emitted is shielded, and the high-order diffracted light reaches the periphery of the portion.
  • a displacement measuring device having a higher S / N ratio than a conventional displacement measuring device that emits third-order diffracted light is provided.
  • FIG. 1A is a partial cross-sectional view of the diffraction grating according to the first embodiment of the present invention
  • FIG. 1B is a partial plan view of the diffraction grating
  • FIG. 2A is a plan view of the diffraction grating
  • FIG. 2B is a diagram schematically showing a cross section of a main part of the diffraction grating
  • FIG. 3A is a diagram schematically showing the configuration of the diffraction grating according to the second embodiment of the present invention
  • FIG. 3B is a schematic diagram of the configuration of the diffraction grating according to the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 1A is a partial cross-sectional view of the diffraction grating according to the first embodiment of the present invention
  • FIG. 1B is a partial plan view of the diffraction grating
  • FIG. 2A is a plan view of the diffraction grating
  • FIG. 2B is a diagram schematic
  • FIG. 5A is a partial sectional view of a diffraction grating according to the fifth embodiment of the present invention
  • FIG. 5B is a partial plan view of the diffraction grating according to the sixth embodiment of the present invention.
  • FIG. 6A is a diagram schematically illustrating the configuration of a displacement measuring device according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 6B is a schematic diagram illustrating the configuration of a displacement measuring device according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 6A is a diagram schematically illustrating the configuration of a displacement measuring device according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 6B is a schematic diagram illustrating the configuration of a displacement measuring device according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 1A is a partial cross-sectional view of the diffraction grating 100 according to the first embodiment of the present invention
  • FIG. 1B is a partial plan view of the diffraction grating 100.
  • the diffraction grating 100 is formed in a plate shape with a light transmissive material.
  • the planar shape of the diffraction grating 100 can be determined as appropriate according to its use.
  • the materials include inorganic materials such as glass, and resins such as polymethyl methacrylate (PMMA), cyclic olefin copolymer (COC), cyclic polyolefin (COP), and polycarbonate (PC).
  • the diffraction grating 100 has a first surface 110 and a second surface 120.
  • the first surface 110 is a surface on which light should be incident, and includes a pattern 112 that generates diffracted light.
  • the pattern 112 may be disposed only on a part of the first surface 110, for example, a portion where a laser beam described later is incident, or may be disposed on the entire surface of the first surface 110.
  • the pattern 112 is configured by a plurality of parallel grooves having a rectangular cross-sectional shape, and the shape of the pattern 112 is appropriately determined based on a known technique.
  • the pattern 112 is formed so as not to substantially generate even-order diffracted light including the 0th order, for example.
  • the center of a region where light is incident (also referred to as “incident spot (IS)”) in the pattern 112 is defined as an incident point (IP), and an imaginary line orthogonal to the plane direction of the diffraction grating 100 through the incident point IP.
  • the optical axis is LA.
  • the range where the first order diffracted light generated in the pattern 112 should appear on the second surface 120 is a spot A, and the third order diffracted light generated in the pattern 112 should appear on the second surface 120.
  • the range be a spot B. Spot A and spot B are in contact with each other at their outer edges.
  • the second surface 120 includes a window portion 122 and a rough surface portion 124.
  • the window portion 122 is a smooth portion on the second surface 120 and is a region including the optical axis LA and the spot A when viewed in plan.
  • the rough surface portion 124 is a portion of the second surface 120 that is roughened by fine unevenness so as to scatter light, and is formed in a region including the spot B.
  • the rough surface portion 124 corresponds to the light shielding portion.
  • Light shielding” in the light shielding part is not only that the high-order diffracted light is completely shielded from the first-order diffracted light but also the appropriate light-shielding that does not substantially affect the first-order diffracted light. It also means being interrupted by rate.
  • the transmittance at the rough surface portion 124 is, for example, 20.2%, and the transmittance at the window portion 122 is, for example, 90.7%.
  • the transmittance can be obtained by, for example, computer simulation, or spectrophotometry using a test piece having the same material and thickness as the diffraction grating 100 and having a rough surface portion on a part of the second surface. Determined by measurement.
  • the diffraction grating 100 has a sufficient thickness so that the spot A and the spot B are in contact with each other on the second surface 120.
  • the groove width of the pattern 112 is 2.4 ⁇ m
  • the depth of the groove is 0.8 ⁇ m
  • the pitch of the pattern 112 is 4.8 ⁇ m
  • the wavelength of incident light in the pattern 112 is 780 nm
  • the spot IS of the incident light When the diameter of the diffraction grating 100 is 1.5 mm, the thickness of the diffraction grating 100 is 4 to 5 mm.
  • the spot A and the spot B are separated when the groove width (pitch) of the pattern 112 is narrow, and approached when the pattern 112 is wide.
  • the positional relationship can be adjusted also by the pitch of the pattern 112.
  • Both the pattern 112 and the rough surface portion 124 can be formed by transferring irregularities formed on a mold for forming the diffraction grating 100. For this reason, it is preferable that the diffraction grating 100 can be manufactured by the same method as the pattern 112 from the viewpoint of the productivity of the diffraction grating 100.
  • the material of the diffraction grating 100 is a resin, it is injection molded. It is preferable to be manufactured by a mold.
  • the unevenness corresponding to the pattern 112 in the mold is a shape that forms the pattern 110 by transfer, for example, a protrusion having a rectangular cross-sectional shape.
  • the height of the protrusion is, for example, 1.0 ⁇ m or less
  • the width of the protrusion is, for example, 2.4 ⁇ m or less
  • the pitch is 4.8 ⁇ m.
  • Such unevenness can be produced by, for example, a known cutting process.
  • the unevenness for the rough surface portion 124 in the mold is, for example, a texture.
  • the wrinkles are fine irregularities with irregular shapes and arrangements. Such irregularities can be produced, for example, by sandblasting.
  • FIG. 2A is a plan view of the diffraction grating
  • FIG. 2B is a diagram schematically showing a cross section of a main part of the diffraction grating.
  • LA1 indicates the optical axis of the first-order diffracted light
  • LA3 indicates the optical axis of the third-order diffracted light.
  • 2A and 2B show only positive-dimensional diffracted light.
  • the diffraction grating 200 is a conventional diffraction grating.
  • the diffraction grating 200 is configured in the same manner as the diffraction grating 100 except that the diffraction grating 200 is thin and does not have the rough surface portion 124.
  • the diffraction grating 200 emits first-order diffracted light and third-order diffracted light at the pattern 112 when the pattern 112 on the first surface is irradiated with light (for example, laser light).
  • the generated first-order diffracted light and third-order diffracted light pass through the diffraction grating 200 ((1) in FIG. 2B) and exit from the second surface.
  • the spot S1 of the first-order diffracted light and the spot S3 of the third-order diffracted light almost overlap each other on the second surface ((1) in FIG. 2A).
  • the first-order diffracted light can hardly be distinguished from the third-order diffracted light.
  • both the first-order diffracted light and the third-order diffracted light are as shown in (2) of FIG.
  • the light passes through the diffraction grating 200 ′ along the optical axes LA1 and LA3. Therefore, as shown in (2) of FIG. 2A, the spot S3 can be separated from the spot S1 as the second surface is substantially separated, for example, as the spot S1 and the spot S3 contact each other at the outer edge.
  • the diffraction grating 100 is the same as the diffraction grating 200 ′ further provided with a rough surface portion 124.
  • the first-order diffracted light forms a spot S ⁇ b> 1 on the window portion 122 of the second surface 120.
  • the third-order diffracted light is scattered and blocked by the rough surface portion 124 ((3) in FIG. 2B). Therefore, only the spot S1 is formed on the second surface, and substantially only the first-order diffracted light is emitted from the window portion (second surface).
  • the light intensity (%) of each diffracted light emitted from the second surface of the diffraction grating 200 ′ and the diffraction grating 100 when the above pattern is irradiated with laser light having a wavelength of 780 nm. Is shown in Table 1 below.
  • the groove depth of the pattern 112 is 0.8 ⁇ m
  • the width of the groove is 2.4 ⁇ m
  • the pitch of the pattern 112 is 4.8 ⁇ m.
  • the light intensity (%) is a percentage of the light intensity of diffracted light at each order with respect to the light intensity of incident light.
  • the 0th-order diffracted light is set to such an extent that it does not substantially affect the depth of the groove of the pattern 112 as described above.
  • the third-order diffracted light is suppressed to the same light intensity as the zero-order diffracted light.
  • the first-order diffracted light is sufficiently strong against both the 0th-order diffracted light and the third-order diffracted light.
  • the diffraction grating 100 is a transmissive diffraction grating having a pattern 112 for generating diffracted light, which is made of a light transmissive member.
  • the diffracted light on the first surface 110 including the second surface 120 to which the diffracted light generated by the incidence of light on the pattern 112 and transmitted through the diffraction grating should be emitted, and on the second surface 120.
  • a light-shielding portion (rough surface portion 124) disposed at a portion where higher-order diffracted light of the second order or higher should reach. Therefore, the diffraction grating 100 can relatively suppress the emission of the second-order or higher-order diffracted light with respect to the first-order diffracted light.
  • the diffraction grating 100 substantially reduces the portion (spot S3) where the third-order diffracted light should reach on the second surface 120 from the portion (spot S1) where the first-order diffracted light on the second surface 120 should emit. Having the thickness to be separated is even more effective from the viewpoint of easily realizing the relative suppression of the emission of the third-order diffracted light with respect to the first-order diffracted light.
  • the rough surface portion 124 is disposed on the second surface 120 at a portion where the third-order diffracted light of the diffracted light should reach, which means that the light intensity of the first-order diffracted light is reduced to that of other higher-order diffracted light. On the other hand, it is more effective from the viewpoint of making it relatively sufficiently and simply high.
  • the rough surface portion 124 is configured by the unevenness that scatters light on the second surface 120, so that the diffraction grating 100 including the pattern 112 and the rough surface portion 124 can be manufactured by one injection molding. Therefore, it is more effective from the viewpoint of increasing productivity.
  • the diffraction grating 100 may include a colored portion or a metal film instead of the rough surface portion 124.
  • the colored portion may be produced by using a multilayer molding technique to produce a colored layer such as colored polycarbonate at the position of the rough surface portion 124 or by applying a paint at an intended position of the diffraction grating 200 ′. May be.
  • the said metal film can be produced by plating, for example.
  • FIG. 3A is a diagram schematically showing the configuration of the diffraction grating according to the second embodiment of the present invention
  • FIG. 3B is a schematic diagram of the configuration of the diffraction grating according to the third embodiment of the present invention.
  • the rough surface portion 124 may be a prism portion instead of a texture.
  • the prism portion is a structure in which a predetermined but fine shape such as a quadrangular pyramid is regularly arranged in a plane, and is a fine unevenness that scatters light, similar to a texture. As shown in FIG.
  • the prism portion is formed at the same time as the diffraction grating 100 is formed by forming a regular fine structure in a corresponding portion of the mold for the diffraction grating 100 and using the die.
  • the diffraction grating 100 ′ may be a diffraction grating 200 ′ and a sheet serving as a prism portion that is affixed to an intended position of the diffraction grating 200 ′, as shown in FIG. 3B. 174.
  • FIG. 4 is a diagram schematically showing a configuration of a diffraction grating according to the fourth embodiment of the present invention.
  • the diffraction grating 300 may include a diffraction grating 200 ′ and an opaque member 224 that blocks the spot B and is attached to the diffraction grating 200 ′ instead of the rough surface portion 124.
  • the member 224 include a holder for holding the diffraction grating 200 ′ at a position to be used, and a frame for fixing to the holder.
  • FIG. 5A is a partial sectional view of a diffraction grating according to a fifth embodiment of the present invention.
  • a diffraction grating 400 shown in FIG. 5A is configured in the same manner as the diffraction grating 100 except that it has an inclined portion 324 at the position of the rough surface portion 124.
  • the third-order diffracted light is totally reflected by the inclined surface of the inclined portion 324, and is emitted further outward, for example, from the optical axis LA3.
  • the diffraction grating 400 also has the same effect as the diffraction grating 100.
  • FIG. 5B is a partial plan view of the diffraction grating according to the sixth embodiment of the present invention.
  • the diffraction grating 500 shown in FIG. 5B is arranged so that the spot B slightly overlaps the spot A, and the rough surface portion 424 covers all of the spot B and covers a portion of the spot A that overlaps with the spot B. ing.
  • the diffraction grating 500 has the same effects as the diffraction grating 100 except that the light intensity of the first-order diffracted light is slightly low.
  • FIG. 5C is a partial plan view of the diffraction grating according to the seventh embodiment of the present invention.
  • a rough surface portion 524 is further arranged between two spots A.
  • the rough surface portion 524 mainly scatters and weakens the 0th-order diffracted light.
  • the diffraction grating 600 has the same effect as the diffraction grating 100, and is more effective from the viewpoint of reducing the influence of the 0th-order diffracted light.
  • the above-described diffraction grating can be used in a displacement measuring device in the same manner as a known diffraction grating.
  • the displacement measuring device can be configured in the same manner as the displacement measuring device described in Patent Document 1 except that the above-described diffraction grating is used at least as a diffraction grating in which the pattern is arranged on the light source side.
  • FIG. 6A is a diagram schematically showing a configuration of a displacement measuring apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • the displacement measuring apparatus 700 includes a light source 601, a collimator lens 602, a first diffraction grating 100 (same as the diffraction grating 100 described above), a second diffraction grating 604, and an optical sensor 605. .
  • the light source 601 is a device that emits laser light, for example.
  • the collimator lens 602 is an optical element for converting the laser light from the light source 601 into parallel light that travels straight.
  • the first diffraction grating 100 is an optical element for generating first-order diffracted light from the laser light.
  • the light source 601, the collimator lens 602, and the first diffraction grating 100 are all fixed at their intended positions.
  • the second diffraction grating 604 is arranged to face the first diffraction grating 100.
  • the second diffraction grating 604 is disposed so as to be relatively movable with respect to the first diffraction grating 100, and the amount of movement to be measured (for example, a brake pad of a bicycle) and the amount of movement are determined. Connected directly or indirectly to reflect appropriately.
  • the second diffraction grating 604 is an optical element for emitting at least first-order diffracted light emitted from the first diffraction grating 100 toward the optical sensor 605.
  • the optical sensor 605 is a device for detecting the amount of light, and is, for example, a photodiode.
  • the laser light emitted from the light source 601 becomes parallel light by the collimator lens 602 and is incident on the pattern 112 of the first diffraction grating 100 as shown by a solid line in FIG. 6A.
  • the pattern 112 high-order diffracted light including first-order diffracted light is generated and transmitted through the first diffraction grating 100.
  • the third-order diffracted light is scattered by the rough surface portion 124, and substantially only the first-order diffracted light exits from the window portion 122.
  • the first-order diffracted light emitted from the window portion 122 is incident on the pattern of the second diffraction grating 604 and is emitted from the second diffraction grating 604 as diffracted light toward the optical sensor 605.
  • the diffracted light enters the optical sensor 605 and is detected.
  • the optical path of the diffracted light emitted from the second diffraction grating 604 also moves in the optical axis direction.
  • the diffracted light in the optical path is detected by the optical sensor 605.
  • the distance according to the optical change is measured as the amount of movement of the second diffraction grating 604 relative to the first diffraction grating 100 due to the change in the amount of light at this time, and as a result, the amount of movement of the measurement target product Is required.
  • the displacement measuring apparatus 700 includes the first diffraction grating 100, substantially only the first-order diffracted light is emitted. Therefore, even if the detection condition of the optical sensor 605 is a more limited condition such that the third-order diffracted light becomes a nozzle, the S / N ratio is high, compared to the conventional displacement measurement including the third-order diffracted light, It is possible to perform displacement measurement with higher accuracy.
  • FIG. 6B is a diagram schematically showing a configuration of a displacement measuring apparatus according to another embodiment of the present invention.
  • the displacement measuring apparatus 800 includes a first diffraction grating 200 ′ instead of the first diffraction grating 100, and the first diffraction grating 200 ′ is located at an expected position in the optical path. It has a holder 706 for fixing and holding it.
  • the holder 706 does not have optical transparency, and is formed so as to cover a portion corresponding to the rough surface portion 124 of the first diffraction grating 100 when the first diffraction grating 100 is held.
  • the light-shielding holder 706 is disposed around the window 122 on the second surface of the first diffraction grating 200 '.
  • the displacement measuring device 800 also has the same effect as the displacement measuring device 700 described above.
  • the diffraction grating according to the present embodiment described above may be adopted not only for the first diffraction grating but also for the second diffraction grating.
  • the displacement measuring device includes a light source, a first diffraction grating for dividing light emitted from the light source into diffracted light including first-order diffracted light, and the first diffraction.
  • a second diffraction grating that is opposed to the grating and is relatively movable, and for propagating at least the first-order diffracted light emitted from the first diffraction grating in an intended direction;
  • An optical sensor for detecting the amount of light emitted from the second diffraction grating, and the second diffraction grating relative to the first diffraction grating is detected from a change in the amount of light detected by the optical sensor.
  • a displacement measuring device for measuring the amount of movement, wherein at least the portion of the diffracted light to which the second or higher order diffracted light should reach is shielded from light, together with the first order diffracted light.
  • Conventional displacement meter that also emits third-order diffracted light Than device, it is possible to improve the S / N ratio.
  • the diffraction grating which concerns on this Embodiment mentioned above can be employ
  • the diffraction grating according to the present invention is useful as an optical scale in a displacement measuring device for measuring the amount of movement of an object, and is expected to contribute to further development of the technical field of the optical scale and the displacement measuring device. .

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Abstract

　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。

Description

回折格子および変位計測装置
　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２参照）。
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の面における高次回折光が到達すべき部分に上記遮光部を有する。当該高次回折光が到達すべき部分は、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している。このため、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、例えば、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、平面視したときに光軸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。したがって、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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　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。
　２０１４年６月１１日出願の特願２０１４－１２０６５２の日本出願に含まれる明細書、図面および要約書の開示内容は、すべて本願に援用される。
　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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