專利名稱：相位光柵及其制造方法、光學(xué)編碼器、使用光學(xué)編碼器的電動機(jī)及使用該電動機(jī)的機(jī)械手的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有近似矩形波形、用以抑制0次衍射效率的相位光柵，該相位光柵的制造方法和光學(xué)編碼器，并進(jìn)一步涉及使用該光學(xué)編碼器的電動機(jī)和使用該電動機(jī)的機(jī)械手，尤其涉及通過對衍射板產(chǎn)生干涉的入射自然輻射光束觀察衍射板的移動狀態(tài)，諸如旋轉(zhuǎn)狀態(tài)的光學(xué)編碼器，其中的衍射板具有一相位光柵安裝在一個(gè)移動物體，例如旋轉(zhuǎn)物體上，使衍射光通過衍射板相互產(chǎn)生干涉，并測量干涉光的強(qiáng)度。
迄今為止，相位光柵主要用于相干光。例如，在光通信中，在將一個(gè)光信號劃分為兩部分或?qū)蓚€(gè)光信號組合為一個(gè)光信號時(shí)，可以采用高的±一次衍射效率的光柵。在此情況下，需要較高效率的劃分和組合，最好，±一次衍射效率盡可能的高，因此，0次衍射效率應(yīng)當(dāng)盡可能的小。
有關(guān)相干光，對相位光柵的衍射效率已經(jīng)作了分析討論，在相干光方面關(guān)于控制衍射效率的相位光柵的形狀和其它條件也已明了。
例如，具有理想矩形波形部分的光柵深度d由于主要僅僅通過±一次衍射光而抑制0次衍射效率，足以使2/1波長λ的奇數(shù)倍的光的光路長度差為光柵凹部與凸部之級差。由此，以光源的中心波長λ、組成相位光柵之材料的折射率n以及相位光柵周圍介質(zhì)的折射率n0來表示，要求滿足以下條件。
|n-n0|×d＝(λ/2)×(1+2m) (1)(其中，m＝0，±1，±2，…)
換句話說，通過衍射光相位的“重心”可以近似計(jì)算使0次衍射光強(qiáng)減至最小的光柵深度的條件。如

圖12(a)所示，在具有理想矩形波形的相位光柵中，相位的重心G和G′出現(xiàn)在矩形波形表面，當(dāng)超前相位之光柵的重心G與延遲相位之光柵的重心G′之間的相位差為光源的2/1中心波長λ的奇數(shù)倍時(shí)，0次衍射光的強(qiáng)度為最小。
然而，如果通過諸如蝕刻之類的傳統(tǒng)工藝制造時(shí)，相位光柵的截面形狀不是一種理想的矩形波形，而形態(tài)比e具有一個(gè)如圖8所示的限定值。
此外，如果同樣通過諸如蝕刻之類的傳統(tǒng)工藝來制造，其邊緣的曲率與可見范圍內(nèi)光的波長相比，小至可以忽略。
因此，相位光柵的形態(tài)參數(shù)包括三個(gè)要素，即，光柵深度、形態(tài)比以及占空度。在相位光柵制造過程中，通常，光柵深度是這些參數(shù)中最容易控制的一種參數(shù)。因此，一般是控制光柵深度將0次衍射效率減至最小。
這樣，0次衍射效率由光柵深度控制，但其余兩個(gè)參數(shù)之中的形態(tài)比則與光柵深度有關(guān)。如上所述，通過衍射光相位的“重心”可以計(jì)算使0次衍射光強(qiáng)減至最小的光柵深度的條件，在具有近似矩形波形的相位光柵中，其形態(tài)比為如圖12(b)所示的限定值，相位的重心取決于光柵的內(nèi)部，而不是其表面。
為了將0次衍射光強(qiáng)減至最小，超前該相位之光柵的重心G的高度與延遲該相位之光柵的重心G′的高度之和應(yīng)當(dāng)為光源2/1中心波長λ的奇數(shù)倍，由此，用以使0次衍射光強(qiáng)減至最小、具有近似矩形波形的相位光柵的光柵深度d′將滿足|n-n0|×(p-d′/e)/p×d′＝(λ/2)×(1+2m)(2)其中，m＝0，±1，±2，…，p為相位光柵一個(gè)間距的長度。
因此，在圖12(b)所示的相位光柵中，使0次衍射效率減至最小的光柵深度必須比具有理想矩形波形的相位光柵更深，而且，在形態(tài)比數(shù)值更小的相位光柵中，光柵深度必須更深。
此種關(guān)系示于圖9。圖9表示在空氣中具有一個(gè)24μm間距長度的石英相位光柵中，在一個(gè)恒定的占空度(f＝0.5)下，當(dāng)形態(tài)比e改變時(shí)，光柵深度與0次衍射效率之間的關(guān)系。假定m＝0，水平軸表示與公式1中計(jì)算的光柵深度d的偏差，垂直軸表示0次衍射效率與一次衍射效率的比例。
在具有一個(gè)無窮大形態(tài)比，即具有一個(gè)理想矩形波形截面的相位光柵中，0次衍射效率在公式1計(jì)算的光柵深度d時(shí)為最小，當(dāng)形態(tài)比具有一個(gè)限定值并當(dāng)該值較小時(shí)，可見使0次衍射效率減至最小的光柵深度變得更深。
通過傳統(tǒng)工藝諸如蝕刻制造的相位光柵的截面形狀同理想的矩形波形有偏差，因此，假定m＝0，使0次衍射效率減至最小的光柵深度是一個(gè)比之公式1計(jì)算的值為更大的值。
假定該值為d′，則d′由公式2計(jì)算。順便說，如果占空度改變，則圖12中，由于重心G的高度改變以及重心G′的高度改變相互抵消，因此，它對于使0次衍射效率減至最小的光柵深度并無影響。
這一點(diǎn)從公式2明顯可見。其關(guān)系如圖10所示。它表示當(dāng)相位光柵的形態(tài)比為恒定(e＝1.2)時(shí)，光柵深度與0次衍射效率之間的關(guān)系。其水平軸和垂直軸的表示與圖9所示相同?？梢?，占空度對使0次衍射效率減至最小的深度并無影響。
由此可見，在具有近似矩形波形的相位光柵中，使0次衍射效率減至最小的深度d′依據(jù)光源的中心波長、相位光柵的間距長度p、組成相位光柵之材料的折射率n、相位光柵周圍介質(zhì)的折射率n0，以及相位光柵的形態(tài)比e來計(jì)算。在具有優(yōu)良干涉的感應(yīng)輻射光的光源，諸如激光的情況下，可見通過將相位光柵的光柵深度限定在所計(jì)算的值，可以將0次衍射效率抑制到最小。
現(xiàn)在闡明用以控制相干光中衍射效率的相位光柵的形狀和其它條件。
盡管如此，如果將相干光用作光源，則必須將半導(dǎo)體激光器或發(fā)射感應(yīng)輻射光的類似器件用作光源，但與發(fā)射自然輻射光的光源諸如LED(發(fā)光二極管)相比，發(fā)射感應(yīng)輻射光的光源諸如半導(dǎo)體激光器其可靠性諸如壽命太低劣，因此從光源的高可靠性的觀點(diǎn)來看，最好采用發(fā)射自然輻射光的光源諸如LED。然而，即使在發(fā)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柵的形態(tài)條件。
如上所述，建議和采用蝕刻和其它各種方法作為相位光柵的制造方法。然而，這些都是在相干光中控制衍射效率的相位光柵的制造方法，有關(guān)在相干光以外的其它光中控制衍射效率的的相位光柵制造方法則很少討論到。
同時(shí)，當(dāng)設(shè)置在機(jī)械裝置中時(shí)，將廣泛采用一種光學(xué)編碼器。該光學(xué)編碼器經(jīng)設(shè)計(jì)通過一個(gè)轉(zhuǎn)盤中形成的狹縫，以及設(shè)置在轉(zhuǎn)盤特定間隙上的固定掩模，來測量線性長度或旋轉(zhuǎn)角度，并通過一個(gè)光電檢測器將經(jīng)由兩種狹縫的光轉(zhuǎn)換為電信號并輸出之。在此種光學(xué)編碼器中，可以通過弄窄狹縫的間距來提高檢測的精度。
然而，在此種光學(xué)編碼器中，如果設(shè)置在轉(zhuǎn)盤上的狹縫和固定掩模太窄，則光電檢測器之輸出信號的信-噪比(S/N)將因衍射光的影響而降低，檢測的精度也下降。
如果狹縫間隙擴(kuò)大到這樣的程度，即光電檢測器的輸出信號可以不受衍射光的影響，則轉(zhuǎn)盤的直徑必須增大，整個(gè)裝置的尺寸變大，由此使驅(qū)動旋轉(zhuǎn)件和驅(qū)動該轉(zhuǎn)盤的負(fù)載也增大。
另一方面，作為光學(xué)編碼器，已知有一種利用經(jīng)由相位光柵的衍射光的干涉條紋檢測型的編碼器。這種干涉條紋檢測型的編碼器設(shè)計(jì)通過光電檢測器，將經(jīng)由固定衍射板和可移動衍射板的光的衍射和干涉所產(chǎn)生的干涉條紋轉(zhuǎn)換為電信號并輸出，其中，固定衍射板和可移動衍射板幾乎垂直于光軸設(shè)置。
然而，在此種干涉條紋檢測型的編碼器中，由于從可移動衍射板和固定衍射板發(fā)射出具有多階次的衍射光，故測量所必需的具有特定階次之衍射光的強(qiáng)度被降低，從而使檢測靈敏度下降。
建議用如圖7所示的本發(fā)明的光學(xué)編碼器，通過利用可移動衍射板和固定衍射板(其中的相位光柵主要通過僅為±一次的衍射光)干涉該±一次的衍射光，實(shí)現(xiàn)光的高利用效率。
即，其構(gòu)造包括發(fā)射相干光的光源31；一固定衍射板33B和一可移動衍射板34B，它們相互并行設(shè)置且?guī)缀醮怪庇谟晒庠?1發(fā)射的光的光軸，并具有主要通過僅為±一次衍射光的相位光柵；用以接收經(jīng)由固定衍射板33B和可移動衍射板34B之光的光電檢測器36；以及透鏡35，用以將經(jīng)由固定衍射板33B和可移動衍射板34B之±一次的衍射光聚焦在光電檢測器36的光檢測部37。
由光源31發(fā)射的光通過準(zhǔn)直透鏡32轉(zhuǎn)換為平行光，并以幾乎垂直于固定衍射板33B的方向投射到固定衍射板33B。進(jìn)入固定衍射板33B的光由固定衍射板33B衍射，并作為0次衍射光40、+一次衍射光41、-一次衍射光42，…發(fā)射。
這些衍射光40、41、42被投射到可移動衍射板34B，并進(jìn)一步作為衍射光發(fā)射。從可移動衍射板34B出射的衍射光表示為(n，m)(其中，n為固定衍射板33B的衍射階次，m為可動衍射板34B的衍射階次)，經(jīng)由可移動衍射板34B的衍射光包括(0，0)的衍射光50、(+1，-1)的衍射光51、(-1，+1)的衍射光52、(-2，+2)的衍射光、(+2，-2)的衍射光，…。
當(dāng)可移動衍射板34B沿與光軸垂直的方向(圖7中的垂直方向)，按規(guī)定的速度移動時(shí)，相對0次衍射光的相位，0次以上的高次衍射光的相位將隨著其移動而改變，因此，例如因衍射光51(+1，-1)和衍射光52(-1，+1)的干涉而得到的干涉波的光強(qiáng)按正弦波形改變。
同樣，衍射光51(+1，-1)與衍射光50(0，0)之干涉光或衍射光52(-1，+1)與衍射光50(0，0)之干涉光的光強(qiáng)也隨著可移動衍射板34B的移動而周期性地改變。
衍射光50(0，0)與衍射光51(+1，-1)或衍射光52(-1，+1)產(chǎn)生干涉，由此獲得正弦波之基波輸出(圖6(B))，其中，當(dāng)固定衍射板33B和可移動衍射板34B之幾乎為矩形波形的頂部和底部匹配時(shí)，光強(qiáng)達(dá)到最大值，當(dāng)幾乎為矩形波形的頂部和底部相互偏差半個(gè)周期p/2時(shí)，光強(qiáng)為最小。
另一方面，衍射光51(+1，-1)與衍射光52(-1，+1)相互干涉，將獲得由具有二倍頻率于基波的正弦波所組成的一種二倍頻率波輸出(圖6(B))。圖7中，標(biāo)號53表示衍射光(0，+1)，標(biāo)號54表示衍射光(+1，+1)。
光電檢測器36的光電轉(zhuǎn)換信號輸出所獲得的如圖6(A)所強(qiáng)調(diào)示出的一種失真波形。這種失真波形可以劃分為基波成分和二倍頻率成分，如圖6(B)所示。
因此，當(dāng)光通過相位光柵時(shí)，由于0次衍射光與±一次衍射光的干涉，0次衍射光的比率越大，光電檢測器36之輸出信號所產(chǎn)生的失真也越大。因而，為了抑制光電檢測器36之輸出信號的失真，必須盡可能降低0次衍射光的強(qiáng)度。
然而，有關(guān)控制相位光柵之衍射效率的相位光柵的形狀和條件方面的論述僅僅涉及相干光。當(dāng)將相干光用作光源時(shí)，則必須將發(fā)射感應(yīng)輻射光半導(dǎo)體激光器或類似的器件用作光源。同發(fā)射自然輻射光的光源諸如LED相比，發(fā)射感應(yīng)輻射光的光源諸如半導(dǎo)體激光器在例如壽命之類的可靠性方面非常低劣，故作為高可靠性的光源，最好采用發(fā)射自然輻射光的光源例如LED，但即使在采用不同于相干光的其它光源的情況下，也要利用在相干光中控制衍射效率的相位光柵的形態(tài)條件。
本發(fā)明人揭示了這些條件并不總是在采用除相干光以外的光的光源中存在。在具有近似矩形波形的相位光柵中，在用以使相干光的0次衍射效率減至最小的相位光柵的形態(tài)條件下，在采用自然輻射光的光源中，0次衍射效率并不為最小。
作為相位光柵的制造方法，已經(jīng)建議和實(shí)現(xiàn)了各種方法，但通常適用于控制相干光之衍射效率的相位光柵的制造方法的控制相干光以外其它光的相位光柵的制造方法仍未建立。
再者，上述光學(xué)編碼器采用相干光作為光源，因此必須將發(fā)射感應(yīng)輻射光的半導(dǎo)體激光器或類似器件用作光源，但同發(fā)射自然輻射光的光源例如LED相比，發(fā)射感應(yīng)輻射光的光源諸如半導(dǎo)體激光器在諸如壽命等一類的可靠性方面非常低劣。因此，將具有部分干涉的自然輻射光諸如LED光用作光學(xué)編碼器的光源，如圖7所示。
然而，本發(fā)明人揭示了，當(dāng)將自然輻射光用作光源時(shí)，在上述形態(tài)條件下具有近似矩形波形的相位光柵，其與±一次衍射光產(chǎn)生干涉引起光電檢測器輸出信號失真的0次衍射效率并非為最小。
因此，針對上述問題，本發(fā)明的目的在于，首先提供一種相位光柵，當(dāng)采用發(fā)射自然輻射光的光源諸如LED時(shí)，該相位光柵能抑制0次衍射效率；其次，提供一種相位光柵的制造方法，當(dāng)采用發(fā)射自然輻射光的光源諸如LED時(shí)，該相位光柵能抑制0次衍射效率；第三，提供一種具有高可靠性的光學(xué)編碼器，通過采用發(fā)射自然輻射光的光源例如LED和具有相位光柵的衍射板，能抑制檢測信號的失真。
為了解決上述問題，本發(fā)明如權(quán)利要求1所述的相位光柵具有實(shí)際為矩形形狀的凹部，其中的光柵深度較按公式|n-n0|×(p-d′/e)/p×d′＝(λ/2)×(1+2m)，(其中，m＝0，±1，±2，…)計(jì)算得出的深度d′低一個(gè)規(guī)定的范圍內(nèi)的值，上述深度d′是依據(jù)由相位光柵衍射、具有部分干涉的中心波長λ，相位光柵的間距長度p，組成相位光柵之基料的折射率n，相位光柵周圍介質(zhì)的折射率n0，以及作為光柵深度與凹部斜面寬度之比的形態(tài)比e而計(jì)算得出的。
本發(fā)明如權(quán)利要求3所述的相位光柵的制造方法包括在形成相位光柵的基料上施加并形成一薄膜的步驟，通過在該薄膜上形成圖形制作一掩模的步驟，以及經(jīng)由該掩模在基料中蝕刻光柵的步驟，其中的光柵深度較按公式|n-n0|×(p-d′/e/p×d′＝(λ/2)×(1+2m)，(其中，m＝0，±1，±2，…)計(jì)算得出的深度d′低一個(gè)規(guī)定的范圍內(nèi)的值，上述深度d′是依據(jù)由相位光柵衍射、具有部分干涉的中心波長λ，相位光柵的間距長度p，組成相位光柵之基料的折射率n，相位光柵周圍介質(zhì)的折射率n0，以及作為光柵深度與凹部斜面寬度之比的形態(tài)比e而計(jì)算得出的。
本發(fā)明如權(quán)利要求10所述的光學(xué)編碼器包括發(fā)射具有部分干涉的光的光源，分別具有如權(quán)利要求1所述相位光柵的固定衍射板和移動衍射板，它們基本上設(shè)置成與光源出射光的光軸相垂直，以及光電檢測器，用以接收經(jīng)由固定衍射板和移動衍射板、除0次外的規(guī)定階次的衍射光。
根據(jù)權(quán)利要求1的構(gòu)造，當(dāng)采用發(fā)射自然輻射光的光源諸如LED時(shí)，可以獲得能將0次衍射效率減至最小的相位光柵。
其作用未能得到完整地闡明，以下將討論目前由本發(fā)明所考慮的作用。這種現(xiàn)象在于根據(jù)究竟是采用自然輻射光還是采用感應(yīng)輻射光作為光源，在將0次衍射效率減至最小的光柵深度方面存在著差別。自然輻射光與感應(yīng)輻射光之間的大差別在于干涉程度。后者具有完全的干涉，而前者具有部分干涉。這種干涉方面的差別似乎被表示為用以將0次衍射效率減至最小的光柵深度方面的差別。
根據(jù)權(quán)利要求3的構(gòu)造，為了使0次衍射效率減至最小，該光柵深度可以設(shè)置成比使用常規(guī)公式所計(jì)算的光柵深度為更大的數(shù)值，該數(shù)值是根據(jù)光的波長、相位光柵的間距長度、組成相位光柵之基料的折射率、相位光柵周圍介質(zhì)的折射率以及作為光柵深度與凹部和凸部之界線的斜面寬度之比的形態(tài)比而計(jì)算得出的。該凹部和凸部總是在通過諸如蝕刻之類的傳統(tǒng)工藝進(jìn)行制作時(shí)而成型的，因此，當(dāng)將自然輻射光用作光源時(shí)，可以獲得用以將0次衍射效率減至最小的相位光柵。
根據(jù)權(quán)利要求10的構(gòu)造，采用發(fā)射自然輻射光的光源諸如具有高可靠性的LED，通過利用具有近似矩形波形的相位光柵，為了使0次衍射效率減至最小，該光柵的深度可以設(shè)置成比使用常規(guī)公式所計(jì)算的光柵深度為更大，該等式根據(jù)光的波長、相位光柵的間距長度、組成相位光柵之基料的折射率、相位光柵周圍介質(zhì)的折射率以及作為光柵深度與凹部和凸部之界線的斜面寬度之比的形態(tài)比計(jì)算得出光柵深度，其中的凹部和凸部總是在通過諸如蝕刻之類的傳統(tǒng)工藝進(jìn)行制作時(shí)而成型的，由此可以減小光電檢測器之輸出信號中，因與±一次衍射光的干涉而引起失真的0次衍射光的強(qiáng)度，故可以獲得能抑制檢測信號失真的具有高可靠性的光學(xué)編碼器。
圖1是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的相位光柵的截面圖；圖2是表示對同一實(shí)施例中感應(yīng)輻射光的0次衍射效率的測量結(jié)果的示意圖；圖3是表示對同一實(shí)施例中自然輻射光的0次衍射效率的測量結(jié)果的示意圖；圖4是采用同一實(shí)施例中的相位光柵的光學(xué)編碼器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是圖4所示光學(xué)編碼器的基本部件的結(jié)構(gòu)示意圖6是圖4所示光學(xué)編碼器的輸出信號波形圖；圖7是一個(gè)傳統(tǒng)光學(xué)編碼器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖8是普通相位光柵的截面圖；圖9是表示以形態(tài)比為參變量的相位光柵的衍射效率和光柵深度之間的關(guān)系的示意圖；圖10是表示以占空度為參變量的相位光柵的衍射效率和光柵深度之間的關(guān)系的示意圖；圖11是相位光柵制造方法的光刻工藝圖；圖12是光柵形狀與重心的關(guān)系圖；圖13是表示采用本發(fā)明之光學(xué)編碼器的一個(gè)電動機(jī)的立體圖；圖14是表示由采用本發(fā)明光學(xué)編碼器的電動機(jī)所驅(qū)動的一個(gè)機(jī)械手的立體圖；圖15是解釋本發(fā)明實(shí)施例中相位光柵之光柵深度范圍的示意圖。
圖中的標(biāo)號表示如下1，31發(fā)射自然輻射光的光源2，32準(zhǔn)直透鏡3A，33B固定光柵板4A，34B移動光柵板5，35聚光透鏡6，36光電檢測器7，37光檢測部件8，38頻率鑒別濾波器60基片61光刻膠62光掩模d，d″光柵深度p一個(gè)間距的長度t在一個(gè)間距內(nèi)形成凸部的長度k狹縫部分的長度e形態(tài)比(a/d)f占空度(c/b)接下來參見附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例。
如上所述，根據(jù)光源的中心波長，組成相位光柵之材料的折射率n，相位光柵周圍介質(zhì)的折射率n0，相位光柵的間距p，以及相位光柵的形態(tài)比e計(jì)算得出使0次衍射效率減至最小的光柵深度。使計(jì)算值維持為d′，d′取決于公式2，并且根據(jù)圖9所示的e變化。
圖1表示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，由SiO2制成的相位光柵的截面形狀。圖1中，光柵深度d″為d″＝d′×(1+△d′) (3)此值較之使衍射效率減至最小的計(jì)算得出的光柵深度d′大一個(gè)比值△d′。
制造間距長度為24μm并具有各種光柵深度d″值(約為650至800nm)的相位光柵時(shí)，利用多種類型的光源測量衍射效率。
圖11表示具有近似矩形波形之相位光柵的制造方法的一個(gè)實(shí)施例，它與已知的稱為光刻的工藝有關(guān)。
首先，將光刻膠61均勻地施加在基片60的表面上，這是一種制成相位光柵形狀的基料，光刻膠61經(jīng)由光掩模62曝光，后者是一個(gè)單獨(dú)制成的片。使光刻膠61的經(jīng)感光部分溶解于顯影溶液(或反過來，在其它情況下，該經(jīng)感光部分也可以不溶解于顯影溶液)，該經(jīng)感光部分通過顯影溶液除去，從而形成光刻膠的圖形63。
此后，采用一種普通的干法蝕刻裝置(未圖示)，主要通過化學(xué)方法用蝕刻氣體64除去未有光刻膠的部分。
由于光柵深度取決于蝕刻速率和蝕刻時(shí)間的乘積，故可以根據(jù)控制蝕刻速率的方法以及控制蝕刻時(shí)間的方法，通過改變蝕刻氣體的類型，或改變所提供的諸如發(fā)熱量和交流電流之類能量的幅度，加速或抑制蝕刻氣體與基片之間的反應(yīng)，以選擇控制光柵深度的方法。在這里制造的相位光柵中，光柵深度通過蝕刻時(shí)間所控制。接下來通過除去留下的光刻膠，制成相位光柵的形狀。
同時(shí)，作為蝕刻過程，可以采用濕法蝕刻裝置連同蝕刻溶液取代干法蝕刻。
相位光柵的光柵深度利用探頭型深度計(jì)測得。深度的測量誤差約為5nm。
相位光柵的形態(tài)比通過掃描電子顯微鏡(SEM)和光學(xué)顯微鏡測量。已知相位光柵的形態(tài)比難以通過蝕刻時(shí)間來改變，它幾乎取決于蝕刻氣體的類型。
將CHF3氣體用于本制造中，在具有任何光柵深度的相位光柵中，其形態(tài)比約為1.1至1.5，用角度表示約為48至56度。
因此，從圖9得出的形態(tài)比為1.2的曲線(在形態(tài)比為1.1和1.5的相位光柵中，用以使0次衍射效率減至最小的△d值與形態(tài)比為1.2的情況相比僅有約為0.1％的差別，它可以忽略不計(jì)，因此，它用形態(tài)比為1.2的曲線表示)來看，假定m＝0，用以使0次衍射效率減至最小的光柵深度d′比之等式1中得出的數(shù)值d約大2％。
即滿足此關(guān)系d′＝d×(1+△d)＝d×(1+0.02)＝(λ/2)/|n-n0|×(1.02) (4)采用He-Ne激光或感應(yīng)輻射光作為光源，測量制成的相位光柵的衍射效率。
其結(jié)果示于圖2。垂直軸表示0次衍射效率與一次衍射效率的比，水平軸表示假定m＝0時(shí)，其光柵深度與公式1獲得的數(shù)值之間的偏差率△d。順便說一句，He-Ne激光的波長λ為633nm，在此波長時(shí)的相位光柵材料的折射率為1.457。
從圖2的結(jié)果來看，可見在相位光柵的△d約為2％時(shí)，0次衍射效率為最小，即，光柵深度為d″的相位光柵在公式4中為d′。
這樣，在用感應(yīng)輻射光作為光源的情況下，當(dāng)光柵深度設(shè)置成一個(gè)計(jì)算得出的數(shù)值時(shí)，可以將0次衍射效率減至最小。其中，該數(shù)值是根據(jù)光源的中心波長λ、制成相位光柵之材料的折射率n、相位光柵周圍介質(zhì)的折射率n0以及相位光柵的形態(tài)比e計(jì)算得出的。
接下來，圖3記錄了用LED光或自然輻射光作為光源時(shí)，所制造的相位光柵的衍射效率的測量結(jié)果。垂直軸表示0次衍射效率與一次衍射效率之比，水平軸表示假定m＝0時(shí)，其光柵深度與公式1獲得的數(shù)值d之間的偏差率△d。采用三種類型的LED，其中心波長λ分別為568，614和660nm，波長分布為一種高斯分布，具有約為20nm的半值寬度。
相當(dāng)于每個(gè)中心波長，相位光柵材料的折射率n分別為1.459，1.457，和1.456，圖3中，空白圓圈標(biāo)記表示采用中心波長為568nm的LED光時(shí)的衍射效率，雙圓圈表示采用中心波長為614nm的LED光，實(shí)心圓圈表示采用中心波長為660nm的LED光。
從圖3所示結(jié)果可見，當(dāng)相位光柵的△d約為5％至7％時(shí)，0次衍射效率減至最小，即，相位光柵的光柵深度d″比d′大3％至5％。
同時(shí)，關(guān)于所述大的程度，如圖15所示，深度d比利用等式(2)得到的光柵深度d′要大0至6％，由此可以使0次衍射效率減小。
這樣，當(dāng)采用自然輻射光作為光源時(shí)，通過限定光柵深度比計(jì)算得出的數(shù)值大3％至5％，可以使0次衍射效率減至最小。其中，該數(shù)值是根據(jù)光源的中心波長λ、制成相位光柵之材料的折射率n、相位光柵的間距p、相位光柵周圍介質(zhì)的折射率n0以及相位光柵的形態(tài)比e計(jì)算得出的。
于是，當(dāng)將自然輻射光用作光源時(shí)，通過設(shè)置光柵深度比計(jì)算得出的數(shù)值大3％至5％，在其形態(tài)比為1.0至1.4的相位光柵中，可以使0次衍射效率減至最小，通過設(shè)置光柵深度比計(jì)算得出的數(shù)值約大0至6％，可以使0次衍射效率減小。即，通過制造一種具有此種光柵深度的光柵，能夠使0次衍射效率比采用所述計(jì)算數(shù)值的情況為更小。
圖4表示根據(jù)本實(shí)施例的一個(gè)光學(xué)編碼器的示意性結(jié)構(gòu)，其中，標(biāo)號1為發(fā)射具有部分干涉的自然輻射光的光源例如LED；標(biāo)號2為準(zhǔn)直透鏡，用以將來自光源1的出射光轉(zhuǎn)換為平行光；標(biāo)號3A為垂直于光軸設(shè)置的固定衍射板，它具有幾乎為矩形波形截面的相位光柵；標(biāo)號4A為能沿垂直方向可移動的可移動衍射板，它垂直于光軸設(shè)置，具有幾乎為矩形波形截面的相位光柵；且固定衍射板3A的相位光柵和可移動光柵板4A的相位光柵有相互相同的周期。
再者，圖中，標(biāo)號5為聚焦透鏡，用以聚焦經(jīng)由可移動衍射板4A的光；標(biāo)號6為光電檢測器，用以將經(jīng)由聚焦透鏡5聚焦并在光檢測部件7上形成的衍射成像轉(zhuǎn)換為電信號并輸出；標(biāo)號8為頻率鑒別濾波器。
在本實(shí)施例的光學(xué)編碼器中，來自光源1的出射光通過準(zhǔn)直透鏡2轉(zhuǎn)換為平行光，并沿著幾乎垂直于固定衍射板3A的方向投射到固定衍射板3A。
入射到固定衍射板3A的光通過固定衍射板3A發(fā)生衍射，并作為0次衍射光10、+一次衍射光11、-一次衍射光12…出射。
這些衍射光10、11、12入射到可移動衍射板4A，并進(jìn)一步作為衍射光出射。
用(n，m)表示從可移動衍射板4A出射的衍射光(其中，n為通過固定衍射板3A的衍射階次，m為通過可移動衍射板4A的衍射階次)，如圖5所示，通過可移動衍射板4A的衍射光包括衍射光20(0，0)，衍射光21(+1，-1)，衍射光22(-1，+1)，衍射光(-2，+2)，衍射光(+2，-2)，…。然而，在圖4中，為便于說明，衍射光(-2，+2)，衍射光(+2，-2)，以及高于二次衍射光的衍射光被省略。
當(dāng)可移動衍射板4A沿著與光軸垂直的方向(圖4所示的垂直方向)以恒速移動時(shí)，除0次以外的高次衍射光的相位相對0次衍射光的相位隨著該移動而改變，因此，例如經(jīng)衍射光21(+1，-1)與衍射光22(-1，+1)發(fā)生干涉得到的干涉波的光強(qiáng)按正弦波的形式變化。
同樣，衍射光21(+1，-1)和衍射光20(0，0)之干涉波，或衍射光22(-1，+1)和衍射光20(0，0)之干涉波的光強(qiáng)也隨著可移動衍射板4A的移動周期地變化。
衍射光20(0，0)與衍射光21(+1，-1)或衍射光22(-1，+1)發(fā)生干涉，并輸出正弦波波形的基波(圖6(b))，其中，當(dāng)固定衍射板3A和可移動衍射板4A的近似矩形波形的波峰和波谷相匹配時(shí)，其光強(qiáng)達(dá)到最大，當(dāng)該兩個(gè)近似矩形波形的波峰和波谷相互偏差半個(gè)周期p/2時(shí)，光強(qiáng)為最小。
另一方面，衍射光21(+1，-1)與衍射光22(-1，+1)相互發(fā)生干涉，并獲得由具有二倍頻率于基波的正弦波所組成的一種二倍頻率波輸出(圖6)。
圖4中，標(biāo)號23表示衍射光(0，+1)，標(biāo)號24表示衍射光(+1，+1)。得到光電檢測器6的光電轉(zhuǎn)換信號的輸出是失真波形如圖6(a)所強(qiáng)調(diào)地表示。該失真波形可以認(rèn)為劃分為基波成分和二倍頻率成分，如圖6(b)所示，但采用具有光柵、其光柵深度大于計(jì)算值的固定板和移動板后，兩個(gè)衍射板的0次衍射光均得到抑制，且衍射光20(0，0)很微弱。因此，可以有效地檢測到二倍頻率的成分，并可以進(jìn)行精確的檢測。
在本實(shí)施例的光學(xué)編碼器中，采用聚焦透鏡將衍射光聚焦在光檢測部件上，但是，也可以不采用聚焦透鏡，使衍射光直接由光檢測部件接收。在此情況下，編碼器可以進(jìn)一步減小其尺寸。
圖13示出了采用根據(jù)本實(shí)施例的光學(xué)編碼器的電動機(jī)，尤其是伺服電機(jī)。圖13中，伺服電機(jī)70是一種由安裝在電機(jī)軸72上的編碼器71檢測其角度的電機(jī)，其動作根據(jù)信號控制。
如圖6(A)所示，從衍射光柵出射的0次衍射光使編碼器的輸出形成失真，表示每隔一個(gè)脈中強(qiáng)度的大和小。
圖14表示伺服電機(jī)80安裝在一個(gè)機(jī)械手81的可移動部件上。
因此，在伺服電機(jī)中采用其衍射光柵的0次衍射光強(qiáng)得到抑制的編碼器，可以提高編碼器的角度檢測精度，從而可以改進(jìn)伺服電機(jī)的定位精度。
根據(jù)權(quán)利要求1的相位光柵，通過提供一種比利用已知公式計(jì)算得到的光柵深度為更大的光柵深度，該公式用以使0次衍射效率減至最小，該計(jì)算得到的光柵深度取決于光的波長λ、相位光柵的間距長度p、相位光柵之基料的折射率n、相位光柵周圍介質(zhì)的折射率n0、以及作為光柵深度與斜面寬度之比的形態(tài)比e，當(dāng)通過傳統(tǒng)工藝諸如蝕刻制作光柵時(shí)，該斜面作為其凹部和凸部的界線，當(dāng)采用自然輻射光作為光源時(shí)，可以抑制0次衍射效率。
根據(jù)權(quán)利要求3至9的相位光柵的制造方法，當(dāng)采用自然輻射光作為光源時(shí)，根據(jù)具有近似矩形波形的相位光柵抑制0次衍射效率所必需的光柵深度條件，即光的波長、相位光柵的間距長度p、相位光柵之基料的折射率n、相位光柵周圍介質(zhì)的折射率n0、以及作為光柵深度與斜面寬度之比的形態(tài)比e，當(dāng)通過傳統(tǒng)工藝諸如蝕刻制作光柵時(shí)，該斜面作為其凹部和凸部的界線，可以提供其光柵深度具有比通過已知公式計(jì)算得到的光柵深度為更大數(shù)值的條件，而該已知公式用以使0次衍射效率減至最小。
根據(jù)權(quán)利要求10和11的光學(xué)編碼器，采用自然輻射光作為光源，可以提高諸如壽命之類的可靠性，并且還采用具有近似矩形波形之相位光柵的可移動衍射板和固定衍射板，它們用以使0次衍射效率減至最小，該0次衍射效率與±一次衍射光產(chǎn)生干涉引起光電檢測器之輸出信號的失真，當(dāng)采用自然輻射光作為光源時(shí)，可以獲得失真較小的檢測信號。
權(quán)利要求
1.一種相位光柵，它具有基本上為矩形形狀的凹部，其特征在于，其光柵深度比通過公式|n-n0|×(p-d′/e)p×d′＝(λ/2)×(1+2m)，(其中，m＝0，±1，±2，…)計(jì)算得到的深度d′為更深一個(gè)規(guī)定范圍內(nèi)的值，所述深度d′取決于因相位光柵的衍射產(chǎn)生部分干涉的光的波長λ、相位光柵的間距長度p、相位光柵之基料的折射率n、相位光柵周圍介質(zhì)的折射率n0、以及作為光柵深度與光柵凹部斜面寬度之比的形態(tài)比e。
2.如權(quán)利要求1所述的相位光柵，其特征在于，所述規(guī)定范圍為深度d′的百分之三至百分之五。
3.一種制造相位光柵的方法，其特征在于包括在形成相位光柵的基料上施加并形成薄膜的步驟，通過在薄膜上形成圖形制作掩模的步驟，以及通過該掩模在基料上蝕刻光柵的步驟，該光柵深度比通過公式|n-n0|×(p-d′/e)/p×d′＝(λ/2)×(1+2m)，(其中，m＝0，±1，±2，…)計(jì)算得到的深度d′為更深一個(gè)規(guī)定范圍內(nèi)的值，所述深度d′取決于因相位光柵的衍射產(chǎn)生部分干涉的光的波長λ、相位光柵的間距長度p、相位光柵之基料的折射率n、相位光柵周圍介質(zhì)的折射率n0、以及作為光柵深度與光柵凹部斜面寬度之比的形態(tài)比e。
4.如權(quán)利要求3所述的制造相位光柵的方法，其特征在于，所述蝕刻利用蝕刻劑進(jìn)行，其蝕刻深度由蝕刻時(shí)間控制。
5.如權(quán)利要求3所述的制造相位光柵的方法，其特征在于，所述蝕刻利用蝕刻劑進(jìn)行，其蝕刻深度由蝕刻劑的濃度控制。
6.如權(quán)利要求3所述的制造相位光柵的方法，其特征在于，所述蝕刻利用蝕刻劑進(jìn)行，并控制與蝕刻深度有關(guān)的能量。
7.如權(quán)利要求6所述的制造相位光柵的方法，其特征在于，所述能量控制為控制溫度。
8.一種制造相位光柵的方法，其特征在于，光柵深度比通過公式|n-n0|×(p-d′/e)/p×d′＝(λ/2)×(1+2m)，(其中，m＝0，±1，±2，…)計(jì)算得到的深度d′為更深一個(gè)規(guī)定范圍內(nèi)的值，所述深度d′取決于因相位光柵的衍射產(chǎn)生部分干涉的光的波長λ、相位光柵的間距長度p、相位光柵之基料的折射率n、相位光柵周圍介質(zhì)的折射率n0、以及作為光柵深度與光柵凹部斜面寬度之比的形態(tài)比e，所述光柵通過模壓成型。
9.一種制造相位光柵的方法，其特征在于，光柵深度比通過公式|n-n0|×(p-d′/e)/p×d′＝(λ/2)×(1+2m)，(其中，m＝0，±1，±2，…)計(jì)算得到的深度d′為更深一個(gè)規(guī)定范圍內(nèi)的值，所述深度d′取決于因相位光柵的衍射產(chǎn)生部分干涉的光的波長λ、相位光柵的間距長度p、相位光柵之基料的折射率n、相位光柵周圍介質(zhì)的折射率n0、以及作為光柵深度與光柵凹部斜面寬度之比的形態(tài)比e，所述光柵通過注塑成型。
10.一種光學(xué)編碼器，其特征在于包括發(fā)射具有部分干涉的光的光源，分別具有權(quán)利要求1所述相位光柵的固定衍射板和可移動衍射板，它們設(shè)置成基本上與從光源出射的光的光軸相垂直，以及光電檢測器，接收經(jīng)由固定衍射板和可移動衍射板的除0次衍射光以外的特定階次的衍射光。
11.如權(quán)利要求10所述的光學(xué)編碼器，其特征在于進(jìn)一步包括聚焦透鏡，用以將經(jīng)由固定衍射板和可移動衍射板的除0次衍射光以外的特定階次的衍射光聚焦在光電檢測器的光接收部件上。
12.一種包括權(quán)利要求11所述光學(xué)編碼器的電動機(jī)，其特征在于所述光學(xué)編碼器用以控制該電動機(jī)。
13.一種在其驅(qū)動單元至少一個(gè)位置上包括如權(quán)利要求12所述電動機(jī)的機(jī)械手，其特征在于，所述電動機(jī)用以驅(qū)動該驅(qū)動單元。
全文摘要
一種其凹部基本上為矩形形狀的相位光柵,光柵深度比通過等式:丨n－n
文檔編號G02B27/46GK1170139SQ9610681
公開日1998年1月14日 申請日期1996年6月10日 優(yōu)先權(quán)日1995年6月8日
發(fā)明者高田和政, 西井完治, 高本健治, 伊藤正彌, 福井厚司 申請人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會社