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JP4078809B2 - Optical encoder - Google Patents
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JP4078809B2 - Optical encoder - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光学式エンコーダに関し、特に、LEDを用いた光学式エンコーダに関する。
【0002】
【従来の技術】
図9は、従来の光学式ロータリーエンコーダの構成を示す斜視図である。図において、光源101と受光素子102との間の光路には、スリットを有する2つの部材が介在している。このうち、光源101側の部材は回転量被測定物とともに回転する回転スリット板103であり、放射状に、かつ、周方向に等間隔でスリット103aが形成されている。他方の部材は固定された固定スリット板104であり、回転スリット板103と等間隔にスリット104aが形成されている。
スリット103aと104aとが図のZ方向上に並んだとき、光源101からの光はスリット103a及び104aを通過し、通過した光は、固定スリット板104の後方に配置された受光素子102によって検出される。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような従来の光学式ロータリーエンコーダにおいて、高分解能を得るには、各スリット板103,104におけるスリットピッチ(周方向の間隔)をできるだけ小さくする必要がある。ところが、スリットピッチを小さくすると、回転スリット板103のスリット103aを通過した光が回折現象により拡がり、固定スリット板104における光のコントラストが低下する。これを避けるためには、スリットピッチを小さくすると共に、各スリット板103,104間のギャップ(Z方向の距離)を小さくするか、または、回折を防止すべく光源101にレーザダイオードを用いることが考えられる。しかしながら、ギャップを小さくすると機械加工誤差や回転スリット板103の軸方向の振れ等のクリアランスに余裕がなくなり、製造が困難になる。一方、レーザダイオードは熱に弱く、一般に寿命も短く、温度による出力変動が大きい等の問題点があり、高温での使用も考えられるサーボモータ用ロータリーエンコーダには使用できない。
【0004】
上記のような従来の問題点に鑑み、本発明は、高い分解能を有し、製造が容易で高温環境でも使用可能な光学式エンコーダを提供することを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】
本発明の光学式エンコーダは、波長λの光を放射するLED、並びに、当該LEDから放射された光のうち実質的に光軸に対する平行光のみを抽出してこれをフレネルゾーンプレートで集光する選択集光部及び当該選択集光部により焦点に収束してから拡がる光を平行化するコリメータ部を備えて一体化された光学ユニット、を有するものであって、少なくとも一定距離までコヒーレンスを維持した光を放射する光源装置と、スリットピッチPのスリットをそれぞれ有し、nを自然数としてG=nP/λにより表されるギャップGだけ前記光源装置の光軸方向に互いに隔てて配置され、前記コヒーレンスを維持した光に対するスリットシャッタを構成するインデックススリット板及びメインスリット板と、前記インデックススリット板及びメインスリット板の各スリットを通過した光を受光する受光素子とを備え、前記選択集光部は、前記フレネルゾーンプレートの他、前記LEDから放射された光のうち前記フレネルゾーンプレートに入射しない光を前記光軸に対して外方へ屈折させるか又は減衰させる遮光部を有し、また、前記フレネルゾーンプレートは、前記LEDから少なくともその発光径の10倍の距離を隔てて配置されているものである(請求項1)。
【0006】
上記のように構成された光学式エンコーダでは、選択集光部によって、LEDから放射された光のうち実質的に光軸に対する平行光のみが集光され、焦点に極小スポットの二次光源が形成される。この二次光源から再び拡がる光を、コリメータ部が平行化して放射する。一方、スリットシャッタを構成するインデックススリット板とメインスリット板とのギャップGは、タルボット像が形成される距離P/λの自然数倍である。従って、コヒーレンスを維持した光がスリットシャッタに入射することにより、一方のスリットの周期構造と同一若しくはそれを反転した理想的な光強度分布を持つタルボット像が他方のスリット上に現れる。これにより、受光素子は、高いコントラストを有する像を検出する。また、nの値を任意に選択して製造容易なギャップGの値を設定することができる。なお、LEDはレーザダイオードより熱に強く、寿命も長い。
【0007】
また、フレネルゾーンプレートが、LEDから少なくともその発光径の10倍の距離を隔てて配置されていることにより、フレネルゾーンプレートに入射する光は実質的に光軸と平行であるとみなすことができる。さらに、遮光部の存在によって、フレネルゾーンプレートに入射しない光は、光軸に対して外方へ屈折させるか又は減衰させることができる。
【0011】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態による光学式ロータリーエンコーダについて図面を参照して説明する。図1は、当該実施形態の光学式ロータリーエンコーダに用いる光源装置1の構成を示す断面図である。図において、透明な樹脂を成形してなるレンズ体11は、ハッチングを付した断面形状部分の中心線を光軸Aとする複合光学要素であり、その右端側には非球面レンズを構成するコリメータ部11aが形成され、左方内部にはすり鉢状の遮光部11bが形成されている。また、遮光部11bの右端底部(B部)は、以下に述べるフレネルゾーンプレート(以下、FZPという。)による集光部となっている。
【0012】
図2は、図1におけるB部の拡大図であり、遮光部11bは光軸Aの周りに角度θ(90度以下でなるべく小さい方がよい。)の斜面を成している。また、すり鉢形の遮光部11bの中心部に形成される底部には、光軸Aに直交する直径d1のFZP11cが、レンズ体11との一体成型や半導体微細加工技術等により形成されている。なお、FZP11cは、レンズに比べて微小な寸法のものを製作することが容易であり、また、輪帯の設計により、任意の焦点距離を得ることができる。このようにして、コリメータ部11aと、遮光部11bと、集光部としてのFZP11cとを備えて一体化された光学ユニットが形成されている。
【0013】
図1に戻り、上記レンズ体11の左端側には、LED13を支持する円筒状の支持部11dが形成されている。LED13は、円盤状で、裾が鍔状に広がった取付台13aと、この取付台13aの右端面の中心に取り付けられた発光部13bと、この発光部13bと電気的に接続されたリード部13cとを備えている。取付台13aがレンズ体11の支持部11dに内嵌されることにより、LED13はレンズ体11に固定されている。LED13がレンズ体11に固定された状態において、発光部13bの光軸は上記光学ユニットの光軸Aと一致する。上記発光部13bの直径d2すなわち発光径は、FZP11cの直径d1(図2)とほぼ同じである。
【0014】
図3は、図1の一部をさらに拡大した断面図に光の進路を記載したものである。上記の構成により、発光部13b、FZP11c、遮光部11b、コリメータ部11aは光軸Aを共有し、FZP11cは発光部13bの光軸上の前方に距離Lを隔てた位置に配置されている。この距離Lは、発光部13bの直径d2やFZP11cの直径d1に対して十分に大きい。ここで「十分に」とは、具体的には10倍以上、好ましくは20倍以上である。コリメータ部11aはFZP11cの焦点位置(焦点F)よりさらに光軸上の前方に配置され、当該焦点位置を当該コリメータ部11a自身の焦点としている。すなわち、図3において、FZP11cの焦点距離をf1、コリメータ部11aの焦点距離をf2、コリメータ部11aの有効光束径をd3、コリメータ部11aの主点Pから有効光束の最外周位置までの距離をhとすると、
(f2+h)/f1=d3/d2
となる。
【0015】
上記遮光部11b及びFZP11cは、LED13の発光部13bから放射された光のうち、実質的に光軸Aに対する平行光のみを抽出してこれを集光する選択集光部を構成している。すなわち、上記遮光部11bは、発光部13bから放射された光のうちFZP3に入射しない光を、光軸Aに対して外方へ屈折させる(光路P1)。屈折した光は、レンズ体11の外周面から外へ出てゆくことにより、排除される。一方、発光部13bから放射された光のうち、FZP11cに入射する光には、光軸Aに対して理想的な平行性を有する平行光と、若干光軸Aに対して角度を有するものとが含まれている。しかしながら、前述のように、両者間の距離Lは、発光部13bの直径d2及びFZP11cの直径d1より十分に大きいため、上記角度は非常に小さいものとなり、無視しうる。従って、FZP11cに入射する光は、実質的にすべて平行光である。これらの平行光は、FZP11cのレンズ作用により焦点Fに収束する。平行光のみが収束することにより、この焦点Fにおいて光は、極小スポットの二次光源を形成する。
【0016】
上記二次光源から再び拡がった光は、コリメータ部11aにより平行化され、レンズ体11の右端側から外部に放射される。このようにして、高精度な平行性を備えた光を放射することができる。また、発光部13bの大きさに相当する平行光がFZP11cによって集光されるため、ピンホールにより平行光を抽出する場合等と比較して、焦点Fにおける光強度が高い。従って、最終的に放射される光も、高い光強度を有する。
【0017】
また、上記のようにして光源装置1から放射される光は、一定距離Lc内でコヒーレンスを有していることが実験により確認された。従って、当該距離Lcの範囲では、平行性とコヒーレンスとを備えた光を放射することができる。なお、この距離Lcは、発光部13bの発光径d2によって変化し、発光径が小さいほど長くなる。
上記のようにして、光源装置1は、高精度な平行性とコヒーレンスとを備えた光を放射することができる。また、LED13はレーザダイオードより熱に強く、寿命も長い。従って、高温環境での使用も可能である。また、LED13はレーザダイオードより安価である点でも実用性が高い。
【0018】
なお、上記のようなすり鉢状の遮光部11bに代えて、マスク状の遮光部を設けてもよい。図4は、このような遮光部の例を示す断面図である。この場合、レンズ体11は、左半分が円筒状に形成されていて、中央の円形底部11e上に、光を反射しにくい黒いマスク状の遮光部14が取り付けられている。遮光部14の中心部の孔14aは光軸A上にあり、その直径が発光部13bの発光径d2にほぼ等しい。FZP11cは、孔14aの位置において、先の例と同様に、レンズ体11に設けられている。FZP11cに入射せず当該遮光部14に入射した光(光路P2)は、遮光部14に当たって減衰する。一方、FZP11cに入射する光については、先の例と同様に集光され、かつ、コリメートされる。
【0019】
次に、上記のように構成された光源装置1を用いた本発明の一実施形態による光学式ロータリーエンコーダについて説明する。
図5は、光学式ロータリーエンコーダの基本的構成を示す斜視図である(なお、図示の寸法は実寸と必ずしも比例しない。)。図において、光源装置1は、前述のようにコリメートされたコヒーレント光を放射する。コヒーレント光の方向をZ方向とすると、Z方向の終端には受光素子2が配置されている。光源装置1と受光素子2との間には、Z方向に直交するX−Y平面に平行に、矩形のインデックススリット板3と、円形のメインスリット板4とが配置されている。インデックススリット板3は固定されているが、メインスリット板4は回転自在に支持されており、回転量被測定物とともに回転する。メインスリット板4には、回転中心Oから半径Rの位置を中心として放射状に、かつ、周方向に等間隔(スリットピッチP)でスリット4sが形成されている。
【0020】
図6の(a)は、上記インデックススリット板3を拡大した正面図である。インデックススリット板3は、4個のスリット窓3bからなるスリット部3aを有しており、(b)はその拡大図である。各スリット窓3bには、曲率半径R(前述の半径Rと同じ)の位置を中心として放射状に、かつ、周方向に等間隔(スリットピッチP)でスリット3sが形成されている。
【0021】
上記スリット3s及び4sは共に、スリットピッチがPで、スリット幅がP/2である回折格子を構成している。インデックススリット板3におけるスリット窓3bの曲率中心のX−Y座標(図5参照)は、メインスリット板4の回転中心Oと一致しており、従って、各スリット3s及び4sは光軸上(図5のZ軸上)で重なり得る位置に配置されている。すなわち、インデックススリット板3及びメインスリット板4は、光源装置1からの光に対して、スリットシャッタを構成している。インデックススリット板3とメインスリット板4との間の光軸方向のギャップGは、光の波長をλ、nを自然数(1,2,3,...)として、
G=nP/λ
の関係となるように設定されている。また、インデックススリット3及びメインスリット4は前述の距離Lc内にあり、両スリット3,4に達する光は、平行性とコヒーレンスとを備えている。なお、スリットピッチPが小さいほど、より厳しいコヒーレンスが必要となる。コヒーレンス向上のためには光源装置1においてLED13の発光径d2の少なくとも10倍の距離を、発光部13bとFZP11cとの間に確保することが有効である。
【0022】
図7は、タルボット効果を説明する図である。上記のようなスリットピッチPの回折格子に、波長λのコヒーレント光を照射すると、光の伝搬方向のタルボット距離Z=2P/λごとに、回折格子の周期構造と同じ光強度分布を持つタルボット像が現われる。また、Z/2(=P/λ)の奇数倍の距離ごとに、回折格子の周期構造を反転した光強度分布を持つタルボット像が現れる。従って、このZ/2の自然数倍に相当する距離nP/λの位置には、常に、回折格子の周期構造と同一若しくはそれを反転した光強度分布を持つタルボット像が現われる。ここで、スリット幅はスリットピッチPの1/2であるから、回折格子の周期構造と同一の光強度分布と、それを反転した光強度分布とは、どちらを採用しても実質的に同じである。そして、この距離nP/λは、上記ギャップGに等しい。すなわち、上記実施形態におけるメインスリット板4上には、インデックススリット板3のスリット3aの周期構造と同一又はそれを反転した理想的な光強度分布を有する像が現れる。しかも、前述のように、光源装置1から放射される光は、高い光強度を有している。従って、受光素子2によって検出される像も、高いコントラストを有し、高い分解能を得ることができる。
【0023】
上記のようにタルボット効果を利用してギャップGを設計することにより、ギャップGの値を、製造容易な値に選択することができる。例えば、スリットピッチPが10μm(高分解能レベル)、波長λが860nmの場合、n=1として、
G=(10×10−6/(860×10−9)≒116×10−6
となり、116μmのギャップを確保することができる。通常、製造が困難となる目安は40μm程度である。従って、このような十分なギャップの確保により製造が容易になる。なお、製造の容易さ及びタルボット像のコントラストの点から好適なギャップGの範囲は、80〜200μmである。
また、さらに高い分解能(スリットピッチPが10μm以下)を得ようとする場合、上記の条件で例えばP=6μmであれば、Gの値は約42μmとなり、好適な範囲を下回るが、この場合にはnを2又は3にすることにより、Gを約84μm又は126μmとして、好適な範囲に収めることができる。
【0024】
上記実施形態では、FZP11cにより二次光源を形成する光源装置1を用いたが、図8に示すように比較的小さい発光径(例えば50μm)の発光部13bを有するLED13の場合には、充分な収差補正を行ったコリメータレンズ21を用いるだけでも、平行性とコヒーレンスとを備えた光を放射することができる。この場合、コヒーレンスが確保される距離Lcは、例えば発光径d2が50μmでは約300μmである。従って、このような光源装置22を、前述の光源装置1に代えて用い、インデックススリット3及びメインスリット4を上記距離Lc内に配置することにより、上記の場合と同様の作用効果を得ることができる。なお、この場合にも、スリットピッチPが小さいほど、より厳しいコヒーレンスが必要となり、コヒーレンス向上のためにはLED13の発光径d2を小さくすることが必要である。具体的には、発光径d2とスリットピッチPとの関係は、d2≦6×Pが好ましいと考えられる。
【0025】
なお、上記実施形態では、図5に示すように光源装置1側にインデックススリット板3を配置し、受光素子2側にメインスリット板4を配置したが、これらの配置は逆でもよい。
また、上記実施形態において、メインスリット板4と受光素子2との距離も、ギャップGと同様に、上記Z/2の自然数倍に相当する値としてもよい。
また、上記実施形態ではロータリーエンコーダについて説明したが、同様の構成をリニアエンコーダに適用することもできる。
【0026】
【発明の効果】
以上のように構成された本発明は以下の効果を奏する。
請求項1の光学式エンコーダによれば、LEDを光源として平行化され、かつ、コヒーレンスを有する光が、両スリット間のギャップG=nP/λのスリットシャッタに入射することにより、一方のスリットの周期構造と同一若しくはそれを反転した理想的な光強度分布を持つタルボット像が他方のスリット上に現れる。これにより、受光素子は、高いコントラストを有する像を検出するので、高い分解能を得ることができる。しかも、nの値を任意に選択して製造容易なギャップGの値を設定することができるので、当該光学式エンコーダは製造が容易である。また、LEDはレーザダイオードより熱に強く、寿命も長いので、高温環境での使用も可能である。
【0027】
また、フレネルゾーンプレートに入射する光は実質的に光軸と平行であるとみなすことができるので、簡単に光の平行性を確保することができる。さらに、遮光部の存在によって、フレネルゾーンプレートに入射しない光は、光軸に対して外方へ屈折させるか又は減衰させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態による光学式ロータリーエンコーダに用いる光源装置の構成を示す断面図である。
【図2】図1におけるB部の拡大図である。
【図3】図1の一部をさらに拡大した断面図に光の進路を記載したものである。
【図4】図1とは異なる構成の光源装置を示す断面図である。
【図5】本発明の一実施形態による光学式ロータリーエンコーダの基本的構成を示す斜視図である。
【図6】(a)は、図5におけるインデックススリット板を拡大した正面図であり、(b)はさらに、その拡大図である。
【図7】タルボット効果を説明する図である。
【図8】LEDとコリメータレンズとからなる光源装置を示す断面図である。
【図9】従来の光学式ロータリーエンコーダを示す斜視図である。
【符号の説明】
1,22 光源装置
2 受光素子
3 インデックススリット板
4 メインスリット板
3s,4s スリット
11 レンズ体
11a コリメータ部
11b 遮光部
11c FZP(集光部)
13 LED
13b 発光部
21 コリメータレンズ
A 光軸
d2 発光径
G ギャップ
L 距離
P スリットピッチ
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an optical encoder, and more particularly to an optical encoder using LEDs.
[0002]
[Prior art]
FIG. 9 is a perspective view showing a configuration of a conventional optical rotary encoder. In the figure, two members having slits are interposed in the optical path between the light source 101 and the light receiving element 102. Among them, the member on the light source 101 side is a rotating slit plate 103 that rotates together with the rotation amount to be measured, and slits 103a are formed radially and at equal intervals in the circumferential direction. The other member is a fixed slit plate 104, and slits 104a are formed at equal intervals with the rotary slit plate 103.
When the slits 103a and 104a are arranged in the Z direction in the figure, the light from the light source 101 passes through the slits 103a and 104a, and the passed light is detected by the light receiving element 102 disposed behind the fixed slit plate 104. Is done.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
In the conventional optical rotary encoder as described above, in order to obtain high resolution, it is necessary to make the slit pitch (interval in the circumferential direction) in each of the slit plates 103 and 104 as small as possible. However, if the slit pitch is reduced, the light that has passed through the slit 103a of the rotating slit plate 103 spreads due to the diffraction phenomenon, and the contrast of the light in the fixed slit plate 104 decreases. In order to avoid this, the slit pitch is reduced, the gap between the slit plates 103 and 104 (distance in the Z direction) is reduced, or a laser diode is used as the light source 101 to prevent diffraction. Conceivable. However, if the gap is reduced, there is no allowance for clearances such as machining errors and axial deflection of the rotating slit plate 103, and manufacturing becomes difficult. On the other hand, laser diodes are vulnerable to heat, generally have a short life, and have problems such as large output fluctuations due to temperature, and cannot be used in a rotary encoder for a servo motor that can be used at high temperatures.
[0004]
In view of the above-described conventional problems, an object of the present invention is to provide an optical encoder that has high resolution, is easy to manufacture, and can be used even in a high temperature environment.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
The optical encoder of the present invention extracts an LED that emits light having a wavelength λ, and extracts only parallel light that is substantially parallel to the optical axis from the light emitted from the LED, and condenses it with a Fresnel zone plate. An optical unit integrated with a selective condensing unit and a collimator unit that collimates light that has spread from the focal point by the selective condensing unit, and maintains coherence at least up to a certain distance A light source device that emits light, and slits having a slit pitch P, each being a natural number n and being spaced apart from each other in the optical axis direction of the light source device by a gap G represented by G = nP 2 / λ, Index slit plate and main slit plate constituting a slit shutter for light maintaining coherence, the index slit plate, And a light receiving element for receiving the light passing through each slit in-slit plate, the selection condensing unit, other of said Fresnel zone plate, the light not incident on the Fresnel zone plate of the emitted light from the LED A light-shielding portion that refracts or attenuates the optical axis outward with respect to the optical axis, and the Fresnel zone plate is disposed at a distance of at least 10 times the emission diameter from the LED. (Claim 1).
[0006]
In the optical encoder configured as described above, only the parallel light with respect to the optical axis is condensed by the selective condensing unit, and a secondary light source having a very small spot is formed at the focal point. Is done. The collimator unit radiates light that spreads again from the secondary light source. On the other hand, the gap G between the index slit plate and the main slit plate constituting the slit shutter is a natural number multiple of the distance P 2 / λ where the Talbot image is formed. Accordingly, when the coherence-maintaining light is incident on the slit shutter, a Talbot image having an ideal light intensity distribution that is the same as or reversed from the periodic structure of one slit appears on the other slit. Thereby, the light receiving element detects an image having high contrast. Further, the value of the gap G that can be easily manufactured can be set by arbitrarily selecting the value of n. Note that LEDs are more resistant to heat than laser diodes and have longer lifetimes.
[0007]
Further, since the Fresnel zone plate is arranged at a distance of at least 10 times the emission diameter from the LED , the light incident on the Fresnel zone plate can be regarded as being substantially parallel to the optical axis. . Furthermore, the light that is not incident on the Fresnel zone plate can be refracted or attenuated outward with respect to the optical axis due to the presence of the light shielding portion.
[0011]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an optical rotary encoder according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a light source device 1 used in the optical rotary encoder of the embodiment. In the figure, a lens body 11 formed by molding a transparent resin is a compound optical element having an optical axis A as a center line of a hatched cross-sectional shape portion, and a collimator constituting an aspherical lens on the right end side thereof. A portion 11a is formed, and a mortar-shaped light shielding portion 11b is formed inside the left side. Moreover, the right end bottom part (B part) of the light-shielding part 11b is a condensing part by the Fresnel zone plate (henceforth FZP) described below.
[0012]
FIG. 2 is an enlarged view of a portion B in FIG. 1, and the light-shielding portion 11b forms an inclined surface around the optical axis A with an angle θ (90 ° or less is as small as possible). In addition, an FZP 11c having a diameter d1 perpendicular to the optical axis A is formed on the bottom portion formed at the center of the mortar-shaped light-shielding portion 11b by integral molding with the lens body 11 or a semiconductor microfabrication technique. The FZP 11c can be easily manufactured with a minute size compared to the lens, and an arbitrary focal length can be obtained by designing the annular zone. In this way, an integrated optical unit including the collimator unit 11a, the light shielding unit 11b, and the FZP 11c as the light collecting unit is formed.
[0013]
Returning to FIG. 1, a cylindrical support portion 11 d that supports the LED 13 is formed on the left end side of the lens body 11. The LED 13 includes a disk-shaped mounting base 13a having a hem that spreads in a bowl shape, a light-emitting portion 13b that is attached to the center of the right end surface of the mounting base 13a, and a lead portion that is electrically connected to the light-emitting portion 13b. 13c. The LED 13 is fixed to the lens body 11 by fitting the mounting base 13 a into the support portion 11 d of the lens body 11. In a state where the LED 13 is fixed to the lens body 11, the optical axis of the light emitting portion 13b coincides with the optical axis A of the optical unit. The diameter d2 of the light emitting portion 13b, that is, the light emitting diameter is substantially the same as the diameter d1 (FIG. 2) of the FZP 11c.
[0014]
FIG. 3 is a sectional view further enlarging a part of FIG. With the above configuration, the light emitting unit 13b, the FZP 11c, the light shielding unit 11b, and the collimator unit 11a share the optical axis A, and the FZP 11c is disposed at a position spaced apart by a distance L on the optical axis of the light emitting unit 13b. This distance L is sufficiently larger than the diameter d2 of the light emitting portion 13b and the diameter d1 of the FZP 11c. Here, “sufficiently” specifically means 10 times or more, preferably 20 times or more. The collimator unit 11a is disposed further forward on the optical axis than the focal position (focal point F) of the FZP 11c, and the focal position is set as the focal point of the collimator unit 11a itself. That is, in FIG. 3, the focal length of the FZP 11c is f1, the focal length of the collimator unit 11a is f2, the effective beam diameter of the collimator unit 11a is d3, and the distance from the principal point P of the collimator unit 11a to the outermost peripheral position of the effective beam. If h,
(F2 + h) / f1 = d3 / d2
It becomes.
[0015]
The light shielding part 11b and the FZP 11c constitute a selective condensing part that extracts only the parallel light with respect to the optical axis A out of the light emitted from the light emitting part 13b of the LED 13 and condenses it. That is, the light shielding unit 11b refracts light that is not incident on the FZP3 out of the light emitted from the light emitting unit 13b, with respect to the optical axis A (optical path P1). The refracted light is excluded by exiting from the outer peripheral surface of the lens body 11. On the other hand, among the light emitted from the light emitting unit 13b, the light incident on the FZP 11c includes parallel light having ideal parallelism with respect to the optical axis A and a slight angle with respect to the optical axis A. It is included. However, as described above, since the distance L between the two is sufficiently larger than the diameter d2 of the light emitting portion 13b and the diameter d1 of the FZP 11c, the angle is very small and can be ignored. Accordingly, substantially all of the light incident on the FZP 11c is parallel light. These parallel lights converge on the focal point F by the lens action of the FZP 11c. By converging only the parallel light, the light at this focal point F forms a secondary light source with a minimal spot.
[0016]
The light that has spread again from the secondary light source is collimated by the collimator unit 11 a and is emitted from the right end side of the lens body 11 to the outside. In this way, light with high precision parallelism can be emitted. Further, since the parallel light corresponding to the size of the light emitting portion 13b is collected by the FZP 11c, the light intensity at the focal point F is higher than in the case where the parallel light is extracted by a pinhole. Therefore, the finally emitted light also has a high light intensity.
[0017]
Moreover, it was confirmed by experiment that the light emitted from the light source device 1 as described above has coherence within a certain distance Lc. Therefore, in the range of the distance Lc, light having parallelism and coherence can be emitted. The distance Lc varies depending on the light emission diameter d2 of the light emitting portion 13b, and becomes longer as the light emission diameter is smaller.
As described above, the light source device 1 can emit light having high precision parallelism and coherence. Further, the LED 13 is more resistant to heat than a laser diode and has a longer lifetime. Therefore, use in a high temperature environment is also possible. The LED 13 is also highly practical in that it is less expensive than a laser diode.
[0018]
Instead of the mortar-shaped light shielding part 11b as described above, a mask-shaped light shielding part may be provided. FIG. 4 is a cross-sectional view showing an example of such a light shielding portion. In this case, the left half of the lens body 11 is formed in a cylindrical shape, and a black mask-shaped light-shielding portion 14 that hardly reflects light is mounted on a central circular bottom portion 11e. The hole 14a at the center of the light shielding part 14 is on the optical axis A, and the diameter thereof is substantially equal to the emission diameter d2 of the light emitting part 13b. The FZP 11c is provided in the lens body 11 at the position of the hole 14a as in the previous example. The light (optical path P <b> 2) that has entered the light shielding unit 14 without entering the FZP 11 c hits the light shielding unit 14 and is attenuated. On the other hand, the light incident on the FZP 11c is condensed and collimated as in the previous example.
[0019]
Next, an optical rotary encoder according to an embodiment of the present invention using the light source device 1 configured as described above will be described.
FIG. 5 is a perspective view showing the basic configuration of the optical rotary encoder (note that the dimensions shown are not necessarily proportional to the actual dimensions). In the figure, the light source device 1 emits coherent light collimated as described above. If the direction of coherent light is the Z direction, the light receiving element 2 is disposed at the end in the Z direction. Between the light source device 1 and the light receiving element 2, a rectangular index slit plate 3 and a circular main slit plate 4 are arranged in parallel to an XY plane orthogonal to the Z direction. The index slit plate 3 is fixed, but the main slit plate 4 is rotatably supported and rotates together with the rotation amount to be measured. In the main slit plate 4, slits 4 s are formed radially around the position of the radius R from the rotation center O and at equal intervals (slit pitch P) in the circumferential direction.
[0020]
FIG. 6A is an enlarged front view of the index slit plate 3. The index slit plate 3 has a slit portion 3a composed of four slit windows 3b, and (b) is an enlarged view thereof. In each slit window 3b, slits 3s are formed radially around the position of the radius of curvature R (same as the radius R described above) and at equal intervals (slit pitch P) in the circumferential direction.
[0021]
Both the slits 3s and 4s constitute a diffraction grating having a slit pitch P and a slit width P / 2. The XY coordinate (see FIG. 5) of the center of curvature of the slit window 3b in the index slit plate 3 coincides with the rotation center O of the main slit plate 4, and therefore each slit 3s and 4s is on the optical axis (see FIG. 5). 5 on the Z axis). That is, the index slit plate 3 and the main slit plate 4 constitute a slit shutter for the light from the light source device 1. The gap G in the optical axis direction between the index slit plate 3 and the main slit plate 4 is such that the wavelength of light is λ and n is a natural number (1, 2, 3,...)
G = nP 2 / λ
It is set to be the relationship. The index slit 3 and the main slit 4 are within the above-described distance Lc, and the light reaching both the slits 3 and 4 has parallelism and coherence. In addition, stricter coherence is required as the slit pitch P is smaller. In order to improve coherence, it is effective to secure a distance of at least 10 times the light emission diameter d2 of the LED 13 in the light source device 1 between the light emitting unit 13b and the FZP 11c.
[0022]
FIG. 7 is a diagram for explaining the Talbot effect. When the diffraction grating having the slit pitch P as described above is irradiated with coherent light having the wavelength λ, the light intensity distribution is the same as the periodic structure of the diffraction grating every Talbot distance Z t = 2P 2 / λ in the light propagation direction. The Talbot statue appears. In addition, a Talbot image having a light intensity distribution obtained by inverting the periodic structure of the diffraction grating appears at every odd number of times Z t / 2 (= P 2 / λ). Accordingly, a Talbot image having a light intensity distribution that is the same as or inverted from the periodic structure of the diffraction grating always appears at the position of the distance nP 2 / λ corresponding to a natural number multiple of Z t / 2. Here, since the slit width is ½ of the slit pitch P, the light intensity distribution identical to the periodic structure of the diffraction grating and the light intensity distribution obtained by inverting it are substantially the same regardless of which is adopted. It is. This distance nP 2 / λ is equal to the gap G. That is, on the main slit plate 4 in the above embodiment, an image having an ideal light intensity distribution that is the same as or inverted from the periodic structure of the slits 3a of the index slit plate 3 appears. Moreover, as described above, the light emitted from the light source device 1 has a high light intensity. Therefore, the image detected by the light receiving element 2 also has high contrast and high resolution can be obtained.
[0023]
By designing the gap G using the Talbot effect as described above, the value of the gap G can be selected as a value that is easy to manufacture. For example, when the slit pitch P is 10 μm (high resolution level) and the wavelength λ is 860 nm, n = 1.
G = (10 × 10 −6 ) 2 / (860 × 10 −9 ) ≈116 × 10 −6
Thus, a gap of 116 μm can be secured. Usually, the standard that is difficult to manufacture is about 40 μm. Therefore, manufacturing is facilitated by securing such a sufficient gap. A preferable range of the gap G is 80 to 200 μm from the viewpoint of ease of manufacture and the contrast of the Talbot image.
Also, when trying to obtain a higher resolution (slit pitch P is 10 μm or less), for example, if P = 6 μm under the above conditions, the value of G is about 42 μm, which is below the preferred range. By setting n to 2 or 3, G can be set to about 84 μm or 126 μm and fall within a suitable range.
[0024]
In the above embodiment, the light source device 1 that forms the secondary light source by the FZP 11c is used. However, in the case of the LED 13 having the light emitting portion 13b having a relatively small light emitting diameter (for example, 50 μm) as shown in FIG. Even using only the collimator lens 21 subjected to aberration correction, light having parallelism and coherence can be emitted. In this case, the distance Lc at which coherence is ensured is, for example, about 300 μm when the emission diameter d2 is 50 μm. Therefore, by using such a light source device 22 in place of the light source device 1 described above, and arranging the index slit 3 and the main slit 4 within the distance Lc, it is possible to obtain the same effect as the above case. it can. In this case as well, the smaller the slit pitch P, the more severe the coherence is required. In order to improve the coherence, it is necessary to reduce the emission diameter d2 of the LED 13. Specifically, it is considered that the relationship between the emission diameter d2 and the slit pitch P is preferably d2 ≦ 6 × P.
[0025]
In the above embodiment, as shown in FIG. 5, the index slit plate 3 is arranged on the light source device 1 side and the main slit plate 4 is arranged on the light receiving element 2 side. However, these arrangements may be reversed.
In the above embodiment, the distance between the main slit plate 4 and the light receiving element 2 may be a value corresponding to a natural number multiple of Z t / 2, similarly to the gap G.
Moreover, although the rotary encoder was demonstrated in the said embodiment, the same structure can also be applied to a linear encoder.
[0026]
【The invention's effect】
The present invention configured as described above has the following effects.
According to the optical encoder of claim 1, light that is collimated using an LED as a light source and has coherence is incident on a slit shutter having a gap G = nP 2 / λ between both slits. A Talbot image having an ideal light intensity distribution that is the same as or reversed from the periodic structure of the above appears on the other slit. Thereby, since the light receiving element detects an image having a high contrast, a high resolution can be obtained. Moreover, since the value of the gap G that can be easily manufactured can be set by arbitrarily selecting the value of n, the optical encoder is easy to manufacture. Further, since the LED is more resistant to heat than a laser diode and has a longer lifetime, it can be used in a high temperature environment.
[0027]
Further, since the light incident on the Fresnel zone plate can be regarded as substantially parallel to the optical axis, the parallelism of the light can be easily ensured. Furthermore, the light that is not incident on the Fresnel zone plate can be refracted or attenuated outward with respect to the optical axis due to the presence of the light shielding portion.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a light source device used in an optical rotary encoder according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an enlarged view of a portion B in FIG.
FIG. 3 is a cross-sectional view in which a part of FIG. 1 is further enlarged, showing a light path.
4 is a cross-sectional view showing a light source device having a configuration different from that of FIG.
FIG. 5 is a perspective view showing a basic configuration of an optical rotary encoder according to an embodiment of the present invention.
6A is an enlarged front view of the index slit plate in FIG. 5, and FIG. 6B is an enlarged view of the index slit plate.
FIG. 7 is a diagram illustrating a Talbot effect.
FIG. 8 is a cross-sectional view showing a light source device including an LED and a collimator lens.
FIG. 9 is a perspective view showing a conventional optical rotary encoder.
[Explanation of symbols]
1, 22 Light source device 2 Light receiving element 3 Index slit plate 4 Main slit plates 3s, 4s Slit 11 Lens body 11a Collimator portion 11b Light shielding portion 11c FZP (light collecting portion)
13 LED
13b Light emitting part 21 Collimator lens A Optical axis d2 Light emitting diameter G Gap L Distance P Slit pitch

Claims (1)

波長λの光を放射するLED、並びに、当該LEDから放射された光のうち実質的に光軸に対する平行光のみを抽出してこれをフレネルゾーンプレートで集光する選択集光部及び当該選択集光部により焦点に収束してから拡がる光を平行化するコリメータ部を備えて一体化された光学ユニット、を有するものであって、少なくとも一定距離までコヒーレンスを維持した光を放射する光源装置と、
スリットピッチPのスリットをそれぞれ有し、nを自然数としてG=nP/λにより表されるギャップGだけ前記光源装置の光軸方向に互いに隔てて配置され、前記コヒーレンスを維持した光に対するスリットシャッタを構成するインデックススリット板及びメインスリット板と、
前記インデックススリット板及びメインスリット板の各スリットを通過した光を受光する受光素子とを備え
前記選択集光部は、前記フレネルゾーンプレートの他、前記LEDから放射された光のうち前記フレネルゾーンプレートに入射しない光を前記光軸に対して外方へ屈折させるか又は減衰させる遮光部を有し、また、前記フレネルゾーンプレートは、前記LEDから少なくともその発光径の10倍の距離を隔てて配置されていることを特徴とする光学式エンコーダ。
LED that emits light of wavelength λ, and a selective condensing unit that extracts only parallel light with respect to the optical axis out of the light emitted from the LED and condenses it with a Fresnel zone plate, and the selective collection An optical unit integrated with a collimator unit that collimates the light that has converged on the focal point by the light unit, and that emits light that maintains coherence at least to a certain distance; and
A slit shutter for light that has slits with a slit pitch P and is spaced apart from each other in the optical axis direction of the light source device by a gap G represented by G = nP 2 / λ, where n is a natural number, and maintains coherence An index slit plate and a main slit plate constituting
A light receiving element that receives light that has passed through each slit of the index slit plate and the main slit plate ,
In addition to the Fresnel zone plate, the selective condensing unit includes a light shielding unit for refracting or attenuating light that is not incident on the Fresnel zone plate out of the light emitted from the LED with respect to the optical axis. And the Fresnel zone plate is disposed at a distance of at least 10 times the emission diameter from the LED .
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