相位光栅及其制造、光学编码器及其应用电动机和机械手制造技术

一种其凹部基本上为矩形形状的相位光栅，光栅深度比通过等式：｜ｎ－ｎ↓［０］｜×（ｐ－ｄ′／ｅ）／ｐ×ｄ′＝（λ／２）×（１＋２ｍ），（其中，ｍ＝０，±１，±２，…）计算得到的深度ｄ′为更深一个规定范围内的值，所述深度ｄ′取决于因相位光栅的衍射产生部分干涉的光的波长λ、相位光栅的间距长度ｐ、相位光栅之基料的折射率ｎ、相位光栅周围介质的折射率ｎ↓［０］、以及作为光栅深度与光栅凹部斜面宽度之比的形态比ｅ。（*该技术在2016年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及具有近似矩形波形、用以抑制0次衍射效率的相位光栅，该相位光栅的制造方法和光学编码器，并进一步涉及使用该光学编码器的电动机和使用该电动机的机械手，尤其涉及通过对衍射板产生干涉的入射自然辐射光束观察衍射板的移动状态，诸如旋转状态的光学编码器，其中的衍射板具有一相位光栅安装在一个移动物体，例如旋转物体上，使衍射光通过衍射板相互产生干涉，并测量干涉光的强度。迄今为止，相位光栅主要用于相干光。例如，在光通信中，在将一个光信号划分为两部分或将两个光信号组合为一个光信号时，可以采用高的±一次衍射效率的光栅。在此情况下，需要较高效率的划分和组合，最好，±一次衍射效率尽可能的高，因此，0次衍射效率应当尽可能的小。有关相干光，对相位光栅的衍射效率已经作了分析讨论，在相干光方面关于控制衍射效率的相位光栅的形状和其它条件也已明了。例如，具有理想矩形波形部分的光栅深度d由于主要仅仅通过±一次衍射光而抑制0次衍射效率，足以使2/1波长λ的奇数倍的光的光路长度差为光栅凹部与凸部之级差。由此，以光源的中心波长λ、组成相位光栅之材料的折射率n以及相位光栅周围介质的折射率n0来表示，要求满足以下条件。|n-n0|×d＝(λ/2)×(1+2m) (1)(其中，m＝0，±1，±2，…)换句话说，通过衍射光相位的“重心”可以近似计算使0次衍射光强减至最小的光栅深度的条件。如附图说明图12(a)所示，在具有理想矩形波形的相位光栅中，相位的重心G和G′出现在矩形波形表面，当超前相位之光栅的重心G与延迟相位之光栅的重心G′之间的相位差为光源的2/1中心波长λ的奇数倍时，0次衍射光的强度为最小。然而，如果通过诸如蚀刻之类的传统工艺制造时，相位光栅的截面形状不是一种理想的矩形波形，而形态比e具有一个如图8所示的限定值。此外，如果同样通过诸如蚀刻之类的传统工艺来制造，其边缘的曲率与可见范围内光的波长相比，小至可以忽略。因此，相位光栅的形态参数包括三个要素，即，光栅深度、形态比以及占空度。在相位光栅制造过程中，通常，光栅深度是这些参数中最容易控制的一种参数。因此，一般是控制光栅深度将0次衍射效率减至最小。这样，0次衍射效率由光栅深度控制，但其余两个参数之中的形态比则与光栅深度有关。如上所述，通过衍射光相位的“重心”可以计算使0次衍射光强减至最小的光栅深度的条件，在具有近似矩形波形的相位光栅中，其形态比为如图12(b)所示的限定值，相位的重心取决于光栅的内部，而不是其表面。为了将0次衍射光强减至最小，超前该相位之光栅的重心G的高度与延迟该相位之光栅的重心G′的高度之和应当为光源2/1中心波长λ的奇数倍，由此，用以使0次衍射光强减至最小、具有近似矩形波形的相位光栅的光栅深度d′将满足|n-n0|×(p-d′/e)/p×d′＝(λ/2)×(1+2m)(2)其中，m＝0，±1，±2，…，p为相位光栅一个间距的长度。因此，在图12(b)所示的相位光栅中，使0次衍射效率减至最小的光栅深度必须比具有理想矩形波形的相位光栅更深，而且，在形态比数值更小的相位光栅中，光栅深度必须更深。此种关系示于图9。图9表示在空气中具有一个24μm间距长度的石英相位光栅中，在一个恒定的占空度(f＝0.5)下，当形态比e改变时，光栅深度与0次衍射效率之间的关系。假定m＝0，水平轴表示与公式1中计算的光栅深度d的偏差，垂直轴表示0次衍射效率与一次衍射效率的比例。在具有一个无穷大形态比，即具有一个理想矩形波形截面的相位光栅中，0次衍射效率在公式1计算的光栅深度d时为最小，当形态比具有一个限定值并当该值较小时，可见使0次衍射效率减至最小的光栅深度变得更深。通过传统工艺诸如蚀刻制造的相位光栅的截面形状同理想的矩形波形有偏差，因此，假定m＝0，使0次衍射效率减至最小的光栅深度是一个比之公式1计算的值为更大的值。假定该值为d′，则d′由公式2计算。顺便说，如果占空度改变，则图12中，由于重心G的高度改变以及重心G′的高度改变相互抵消，因此，它对于使0次衍射效率减至最小的光栅深度并无影响。这一点从公式2明显可见。其关系如图10所示。它表示当相位光栅的形态比为恒定(e＝1.2)时，光栅深度与0次衍射效率之间的关系。其水平轴和垂直轴的表示与图9所示相同。可见，占空度对使0次衍射效率减至最小的深度并无影响。由此可见，在具有近似矩形波形的相位光栅中，使0次衍射效率减至最小的深度d′依据光源的中心波长、相位光栅的间距长度p、组成相位光栅之材料的折射率n、相位光栅周围介质的折射率n0，以及相位光栅的形态比e来计算。在具有优良干涉的感应辐射光的光源，诸如激光的情况下，可见通过将相位光栅的光栅深度限定在所计算的值，可以将0次衍射效率抑制到最小。现在阐明用以控制相干光中衍射效率的相位光栅的形状和其它条件。尽管如此，如果将相干光用作光源，则必须将半导体激光器或发射感应辐射光的类似器件用作光源，但与发射自然辐射光的光源诸如LED(发光二极管)相比，发射感应辐射光的光源诸如半导体激光器其可靠性诸如寿命太低劣，因此从光源的高可靠性的观点来看，最好采用发射自然辐射光的光源诸如LED。然而，即使在发射非相干光的光源中，也采用在相干光中用以控制衍射效率的相位光栅的形态条件。如上所述，建议和采用蚀刻和其它各种方法作为相位光栅的制造方法。然而，这些都是在相干光中控制衍射效率的相位光栅的制造方法，有关在相干光以外的其它光中控制衍射效率的的相位光栅制造方法则很少讨论到。同时，当设置在机械装置中时，将广泛采用一种光学编码器。该光学编码器经设计通过一个转盘中形成的狭缝，以及设置在转盘特定间隙上的固定掩模，来测量线性长度或旋转角度，并通过一个光电检测器将经由两种狭缝的光转换为电信号并输出之。在此种光学编码器中，可以通过弄窄狭缝的间距来提高检测的精度。然而，在此种光学编码器中，如果设置在转盘上的狭缝和固定掩模太窄，则光电检测器之输出信号的信-噪比(S/N)将因衍射光的影响而降低，检测的精度也下降。如果狭缝间隙扩大到这样的程度，即光电检测器的输出信号可以不受衍射光的影响，则转盘的直径必须增大，整个装置的尺寸变大，由此使驱动旋转件和驱动该转盘的负载也增大。另一方面，作为光学编码器，已知有一种利用经由相位光栅的衍射光的干涉条纹检测型的编码器。这种干涉条纹检测型的编码器设计通过光电检测器，将经由固定衍射板和可移动衍射板的光的衍射和干涉所产生的干涉条纹转换为电信号并输出，其中，固定衍射板和可移动衍射板几乎垂直于光轴设置。然而，在此种干涉条纹检测型的编码器中，由于从可移动衍射板和固定衍射板发射出具有多阶次的衍射光，故测量所必需的具有特定阶次之衍射光的强度被降低，从而使检测灵敏度下降。建议用如图7所示的本专利技术的光学编码器，通过利用可移动衍射板和固定衍射板(其中的相位光栅主要通过仅为±一次的衍射光)干涉该±一次的衍射光，实现光的高利用效率。即，其构造包括发射相干光的光源31；一固定衍射板33B和一可移动衍射板34B，它们相互并行设置且几乎垂直于由光源31发射的光的光轴，并具有主要通过仅为±一次衍射光的相位光栅；用以接收经由固定衍射板33B和可移动衍射板34B之光的光电检测器36；以及透镜35，用以将经由固定衍射板33B和可移动衍射板3本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种相位光栅，它具有基本上为矩形形状的凹部，其特征在于，其光栅深度比通过公式：｜ｎ－ｎ↓［０］｜×（ｐ－ｄ′／ｅ）ｐ×ｄ′＝（λ／２）×（１＋２ｍ），（其中，ｍ＝０，±１，±２，…）计算得到的深度ｄ′为更深一个规定范围内的值，所述深度ｄ′取决于因相位光栅的衍射产生部分干涉的光的波长λ、相位光栅的间距长度ｐ、相位光栅之基料的折射率ｎ、相位光栅周围介质的折射率ｎ↓［０］、以及作为光栅深度与光栅凹部斜面宽度之比的形态比ｅ。

【技术特征摘要】
...

【专利技术属性】
技术研发人员：高田和政，西井完治，高本健治，伊藤正弥，福井厚司，
申请(专利权)人：松下电器产业株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]