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技術 光検出装置

出願人 三菱電機株式会社
発明者 大牧正幸中井賢也
出願日 2016年8月3日 (3年2ヶ月経過) 出願番号 2017-534383
公開日 2018年4月12日 (1年6ヶ月経過) 公開番号 WO2017-026344
状態 特許登録済
技術分野 光学装置、光ファイバーの試験 光レーダ方式及びその細部
主要キーワード 係数設定器 ライダー装置 垂直分割線 矩形溝 変位成分 回折格子溝 加減算回路 角度変化量
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2018年4月12日)のものです。
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図面 (20)

課題・解決手段

光検出装置(9)は、回折素子(2)及び光検出素子(3)を備える。回折素子(2)は、入射した光束(1)を回折する。光検出素子(3)は、回折光(10)を受光する受光部(31,32,33,34)を含む。回折素子(2)は、光束(1)を分割して回折光(10)を複数生成する。光検出素子(3)は、複数の回折光(10)の光量を基に回折素子(3)に対する光束(1)の変位判別する。光検出素子(3)は、1つの回折光(10)の光量を分割して回折素子(3)に対する光束(1)の角度変化を判別する。

概要

背景

これまで、ライダー装置又は光通信装置等の光束を使用する装置は、装置を組み立てる際に、光束の位置及び角度を調整していた。

ライダー(LIDAR、light detection and ranging)は、レーザー光を発して、大気中の塵又は微粒子等からの反射光受光し、その移動速度を風速として計測する。ライダー装置は、通常、平行光の光束を使用している。

変位」とは、物体の位置が変ることである。ここでは、例えば、装置に対して、光束の位置が変わることである。具体的には、検出用センサに対して、光束の位置が変わることである。

また、「角度変化」とは、物体の角度が変ることである。ここでは、例えば、装置に対する光束の進行方向が変わること又は光束に対して装置の姿勢が変わることである。具体的には、検出用のセンサに対して、光束の進行方向が変わることである。例えば、受光素子に光束が入射する場合には、受光素子の受光面に対する光束の中心軸の角度が変化することである。

しかし、例えば、ライダー装置を車又は飛行機等に搭載し、大きな振動のある環境下で用いる場合には、稼働中に装置内部の光学部品も振動してしまう。そして、ライダー装置の性能が悪化してしまう。

特に、光ファイバを用いる装置は、通常、中心コアの直径が大きくても100[μm]程度の光ファイバを採用している。このため、光学部品の変位が数ミクロンメータ程度であっても、装置の性能に大きく影響してしまう。

また、光学部品の角度変化に対しても同様である。光学部品の角度変化が数分程度であっても、装置の性能に大きく影響してしまう。

このため、装置が稼働中であっても、光学部品の振動等に対して、能動的に、光学部品に対する光束の変位及び角度変化を抑える必要がある。そのためには、光束の位置及び角度を、高精度に検出する必要がある。

また、振動が少ない環境下であっても、長期に使用することで、経年変化がある。メンテナンスの観点からも、光束の位置及び角度を、高精度に検出する要求がある。

この課題に対処するため、1つの光束をハーフミラー等で2つの光束に分岐し、一方の光束をCCD(Charge Coupled Device)センサに入射させて変位を測定し、もう一方の光束を集光レンズで別のCCDセンサ集光させて角度変化を測定する技術が開示されている(例えば、特許文献1)。

概要

光検出装置(9)は、回折素子(2)及び光検出素子(3)を備える。回折素子(2)は、入射した光束(1)を回折する。光検出素子(3)は、回折光(10)を受光する受光部(31,32,33,34)を含む。回折素子(2)は、光束(1)を分割して回折光(10)を複数生成する。光検出素子(3)は、複数の回折光(10)の光量を基に回折素子(3)に対する光束(1)の変位を判別する。光検出素子(3)は、1つの回折光(10)の光量を分割して回折素子(3)に対する光束(1)の角度変化を判別する。

目的

例えば、受光素子に光束が入射する場合には、受光素子の受光面に対する光束の中心軸の角度が変化することである

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

入射した光束を回折する回折素子と、前記回折光受光する受光部を含む光検出素子とを備え、前記回折素子は、前記光束を分割して回折光を複数生成し、前記光検出素子は、複数の前記回折光の光量を基に前記回折素子に対する前記光束の変位判別し、1つの前記回折光の光量を分割して前記回折素子に対する前記光束の角度変化を判別する光検出装置

請求項2

前記光検出素子は、前記複数の回折光に対応した複数の前記受光部を含む請求項1に記載の光検出装置。

請求項3

各々の前記受光部の受光量を基に、前記回折素子に対する前記光束の変位量を判別する請求項2に記載の光検出装置。

請求項4

少なくとも1つの前記受光部は、当該受光部を分割した複数の第1の副受光部を含む請求項2または3に記載の光検出装置。

請求項5

各々の前記第1の副受光部の受光量を基に前記回折素子に対する前記光束の角度変化量を判別する請求項4に記載の光検出装置。

請求項6

前記各々の第1の副受光部の受光量と、各々の前記受光部の受光量を基に判別された前記回折素子に対する前記光束の変位量とから推定される各々の前記第1の副受光部の受光量の変化量を基に、前記角度変化量を判別する請求項5に記載の光検出装置。

請求項7

前記回折素子は、複数の回折領域を含み、前記複数の回折領域によって、前記光束を分割する請求項1から6のいずれか1項に記載の光検出装置。

請求項8

前記回折素子は、前記複数の回折領域のうち少なくとも1つの回折領域で前記回折光を集光する請求項7に記載の光検出装置。

請求項9

前記回折素子は、少なくとも前記回折光の一部を集光する請求項1から8のいずれか1項に記載の光検出装置。

請求項10

前記回折素子から出射された前記回折光を集光する集光素子を備え、前記回折光は、前記集光素子で集光されて前記光検出素子に到達する請求項1から9のいずれか1項に記載の光検出装置。

請求項11

集光された前記回折光の非点収差の形状を基に前記光束が発散光であるか、収束光であるかを判別する請求項8から10のいずれか1項に記載の光検出装置。

請求項12

光検出素子は、集光された前記回折光を受光する前記受光部を分割した複数の第2の副受光部を含む請求項8から11のいずれか1項に記載の光検出装置。

請求項13

各々の前記第2の副受光部の受光量を基に前記光束が発散光であるか、収束光であるかを判別する請求項12に記載の光検出装置。

技術分野

0001

本発明は、ライダー装置又は光通信装置等の光束を使用する装置において、光束の変位及び角度変化を同時に検出する光検出装置に関するものである。

背景技術

0002

これまで、ライダー装置又は光通信装置等の光束を使用する装置は、装置を組み立てる際に、光束の位置及び角度を調整していた。

0003

ライダー(LIDAR、light detection and ranging)は、レーザー光を発して、大気中の塵又は微粒子等からの反射光受光し、その移動速度を風速として計測する。ライダー装置は、通常、平行光の光束を使用している。

0004

「変位」とは、物体の位置が変ることである。ここでは、例えば、装置に対して、光束の位置が変わることである。具体的には、検出用センサに対して、光束の位置が変わることである。

0005

また、「角度変化」とは、物体の角度が変ることである。ここでは、例えば、装置に対する光束の進行方向が変わること又は光束に対して装置の姿勢が変わることである。具体的には、検出用のセンサに対して、光束の進行方向が変わることである。例えば、受光素子に光束が入射する場合には、受光素子の受光面に対する光束の中心軸の角度が変化することである。

0006

しかし、例えば、ライダー装置を車又は飛行機等に搭載し、大きな振動のある環境下で用いる場合には、稼働中に装置内部の光学部品も振動してしまう。そして、ライダー装置の性能が悪化してしまう。

0007

特に、光ファイバを用いる装置は、通常、中心コアの直径が大きくても100[μm]程度の光ファイバを採用している。このため、光学部品の変位が数ミクロンメータ程度であっても、装置の性能に大きく影響してしまう。

0008

また、光学部品の角度変化に対しても同様である。光学部品の角度変化が数分程度であっても、装置の性能に大きく影響してしまう。

0009

このため、装置が稼働中であっても、光学部品の振動等に対して、能動的に、光学部品に対する光束の変位及び角度変化を抑える必要がある。そのためには、光束の位置及び角度を、高精度に検出する必要がある。

0010

また、振動が少ない環境下であっても、長期に使用することで、経年変化がある。メンテナンスの観点からも、光束の位置及び角度を、高精度に検出する要求がある。

0011

この課題に対処するため、1つの光束をハーフミラー等で2つの光束に分岐し、一方の光束をCCD(Charge Coupled Device)センサに入射させて変位を測定し、もう一方の光束を集光レンズで別のCCDセンサ集光させて角度変化を測定する技術が開示されている(例えば、特許文献1)。

先行技術

0012

特開2014−10101公報

発明が解決しようとする課題

0013

しかしながら、特許文献1に開示された技術では、2つのセンサを用いて、光束の変位と角度変化とを別のセンサで検出している。このため、振動等により、光束の変位と光束の角度変化との間に誤差が発生するという問題がある。

0014

上記に鑑みて本発明は、光束の変位及び光束の角度変化の検出精度を向上できる検出装置を提供する。

課題を解決するための手段

0015

前記目的を達成するために、本発明に係る光検出装置は、入射した光束を回折する回折素子と、前記回折光を受光する受光部を含む光検出素子とを備え、前記回折素子は、前記光束を分割して回折光を複数生成し、前記光検出素子は、複数の前記回折光の光量を基に前記回折素子に対する前記光束の変位を判別し、1つの前記回折光の光量を分割して前記回折素子に対する前記光束の角度変化を判別することを特徴とする。

発明の効果

0016

本発明によれば、光束の変位及び光束の角度変化の検出精度を向上することができる。

図面の簡単な説明

0017

実施の形態1の変位及び角度変化の検出装置9を概略的に示す図である。
実施の形態1の回折素子2の回折領域パターンを示す模式図である。
実施の形態1の光検出素子3の受光面のパターン示す模式図である。
実施の形態1の光束1の変位に対する光検出素子3上に形成された回折光のスポット11,12,13,14の挙動を概略的に示す図である。
実施の形態1の光束1の変位に対する光検出素子3上に形成された回折光のスポット11,12,13,14の挙動を概略的に示す図である。
実施の形態1の光束1の変位に対する光検出素子3上に形成された回折光のスポット11,12,13,14の挙動を概略的に示す図である。
実施の形態1の光束1の変位に対する光検出素子3上に形成された回折光のスポット11,12,13,14の挙動を概略的に示す図である。
実施の形態1の光束1の変位に対する光検出素子3上に形成された回折光のスポット11,12,13,14の挙動を概略的に示す図である。
実施の形態1の回折光の光束の回折素子2への入射位置と光検出素子3への入射位置との関係を概略的に示す模式図である。
実施の形態1の回折光の光束の回折素子2への入射角度と光検出素子3への入射位置との関係を概略的に示す模式図である。
実施の形態1の光束1の角度変化に対する光検出素子3上に形成された回折光のスポット11,12,13,14の挙動を概略的に示す図である。
実施の形態1の光束1の角度変化に対する光検出素子3上に形成された回折光のスポット11,12,13,14の挙動を概略的に示す図である。
実施の形態1の光束1の角度変化に対する光検出素子3上に形成された回折光のスポット11,12,13,14の挙動を概略的に示す図である。
実施の形態1の光束1の角度変化に対する光検出素子3上に形成された回折光のスポット11,12,13,14の挙動を概略的に示す図である。
実施の形態1の光束1の平行度の変化に対する光検出素子3上に形成された回折光のスポット11,12,13,14の挙動を概略的に示す図である。
実施の形態1の光束1の平行度の変化に対する光検出素子3上に形成された回折光のスポット11,12,13,14の挙動を概略的に示す図である。
実施の形態1の受光素子3の構成を示す模式図である。
実施の形態1の光束1の変位及び角度変化に対すると光検出素子3上に形成された回折光のスポット11,12,13,14の挙動を概略的に示す図である。
実施の形態1の光束1の変位及び角度変化に対すると光検出素子3上に形成された回折光のスポット11,12,13,14の挙動を概略的に示す図である。
実施の形態1の検出装置91の構成を表わす構成図である。
実施の形態1の回折素子2を表わす模式図である。
実施の形態1の回折素子2の形態を示す斜視図である。
実施の形態1の検出装置92の構成を示す構成図である。
ライダー装置7の構成を示す構成図である。
光通信装置8の構成を示す構成図である。
変形例の変位及び角度変化の検出装置93を概略的に示す図である。
変形例の信号処理回路6の構成を示す信号処理ブロック図である。
変形例の信号処理回路6の構成をオペンプの加減算回路で記載した図である。
実施の形態1の光束1の変位及び角度変化に対すると光検出素子3上に形成された回折光のスポット11,12,13,14の挙動を概略的に示す図である。
実施の形態1の光束1の変位及び角度変化に対すると光検出素子3上に形成された回折光のスポット11,12,13,14の挙動を概略的に示す図である。

実施例

0018

以下、本発明に係る種々の実施の形態について図面を参照しつつ説明する。なお、図面において、同様な構成要素には同一符号を付し、その詳細な説明は重複しないようにする。

0019

上述の特許文献1に記載された技術は、センサにCCDを用いている。このため、次のような課題がある。

0020

まず、CCDの応答は遅く、数10[Hz]オーダの変位しか測定できない。また、比較的高速PSD(Position Sensitive Detector)素子を用いても100[kHz]程度までしか測定できない。

0021

また、CCDは、駆動するための部品等を含めると、その大きさは大きくなるため、車又は飛行機等への搭載に適していない。

0022

本発明は、光束の変位及び光束の角度変化の検出速度を向上できる検出装置を提供する。また、本発明は、検出装置の小型化を容易にする。

0023

また、以下の実施の形態において、説明を加えない限り、光束を平行光の光束として説明する。なお、光束は、平行光に限定されない。しかし、光路から一部の光のみをセンサ系に導く構成を採用した場合には、光束を平行とすることで、光路中のどこからでも一部の光をセンサ系に導くことが容易になる。

0024

ただし、光軸の調整などの単純な評価に使う場合には、光路を分ける必要がない。このため、わざわざ回折格子などを使う必要がなくなる。このような場合には、光を2つに分けて、片方光検知器に集光させ、もう片方はそのまま光検知器に入射させることができる。

0025

実施の形態1.
図1は、実施の形態1の変位及び角度変化の検出装置9を概略的に示す図である。実施の形態では、検出装置9は、光を用いて変位及び角度変化を検出する光検出装置として示されている。

0026

図1に示されるように、検出装置9は回折素子2及び光検出素子3を備える。つまり、検出装置9は光検出装置である。また、検出装置9は、筐体4または信号処理回路6を備えることができる。

0027

検出装置9は、例えば、ライダー装置又は光通信装置等に設置される。検出装置9は、例えば、ライダー装置又は光通信装置で使用される光束1の光路中に配置される。

0028

<回折素子2>
回折素子2は、光束1を回折する。ここで、例えば、光束1は平行光である。そして、+1次回折光10は、回折素子2によって生成される。

0029

後述する光検出素子3は、+1次回折光10を入射する。光検出素子3は、+1次回折光10を受光する。そして、光検出素子3は、光束1の変位及び角度変化を検出する。

0030

回折素子2を一般的な矩形溝で形成した場合には、+1次回折光と−1次回折光が生成される。−1次回折光は、+1次回折光の回折方向に対して、逆方向に回折する光である。このため、光検出素子3は、+1次回折光に代えて、−1次回折光を入射しても良い。光検出素子3は、+1次回折光に代えて、−1次回折光を受光しても良い。

0031

また、更に高次の+3次回折光又は+5次回折光なども生成される。そして、光検出素子3は、これらの高次の回折光を入射することもできる。光検出素子3は、これらの高次の回折光を受光することもできる。しかし、高次になるほど回折光の光量が減少する。このため、高次回折光の受光は、1次回折光の受光に比べて好ましくない。

0032

ただし、光検出素子3の検出感度に対して充分な光量が得られる場合には、高次の回折光を受光しても構わない。高次の回折光の受光によって、光検出素子3の配置位置を、光束1に対して遠ざけることができる。

0033

なお、1次回折光を受光する場合でも、光検出素子3の配置位置を、光束1に対して遠ざけることは、回折素子2の回折格子のピッチを狭くすることで実現される。

0034

図2は、回折素子2の回折領域のパターンを示す模式図である。また、図3は、光検出素子3の受光部31,32,33,34のパターンを示す模式図である。なお、図2には、回折素子2に入射する光束1が示されている。

0035

図2に示されるように、回折素子2は、例えば、4つの回折領域21,22,23,24を備えている。図2では、例えば、回折領域21,22,23,24は、回折素子2を四等分している。図2では、例えば、回折領域21,22,23,24は、正方形の形状で表わされている。

0036

図2では、例えば、回折領域21と回折領域22とは、水平方向に並べて配置されている。また、回折領域23と回折領域24とは、水平方向に並べて配置されている。また、回折領域21と回折領域23とは、垂直方向に並べて配置されている。また、回折領域22と回折領域24とは、垂直方向に並べて配置されている。

0037

図2では、回折領域21,22の配置されている方向を上側とし、回折領域23,24の配置されている方向を下側とする。また、回折領域21,23の配置されている方向を左側とし、回折領域22,24の配置されている方向を右側とする。

0038

また、図2では、光束1は、回折領域21,22,23,24によって四等分されている。つまり、回折領域21,22,23,24には、同じ光量の光が入射している。

0039

回折素子2は、光束1を分割して回折光10を複数生成する。回折素子2は、光束1を分割した領域に対応する回折光10を複数生成する。回折素子2は、光束1を分割した各々の領域に対応する回折光10を複数生成する。回折素子2は、光束1を分割した各々の領域に対応する回折光10を生成する。つまり、回折素子2は、光束1を分割した領域に対応する回折光10を生成する。そして、回折素子2で分割された回折光10は複数生成される。

0040

複数の回折領域21,22,23,24によって、光束1は分割されている。

0041

回折素子2は、少なくとも回折光10の一部を集光する。

0042

回折素子2は、複数の回折領域21,22,23,24のうち少なくとも1つの回折領域で回折光10を集光する。実施の形態1では、例えば、回折領域21である。

0043

回折素子2は、例えば、レンズ効果をもつ非線形回折格子パターンを有する。このため、回折素子2は、光を回折する機能に加えて、光を集光する機能を有する。ここで、「レンズ効果」とは、光を集光する機能を有することである。

0044

<光検出素子3>
図3は、光検出素子3の受光面のパターン示す模式図である。

0045

図3に示すように、光検出素子3は、受光部31,32,33,34を備える。

0046

図3では、光検出素子3の受光部31,32,33,34も、回折素子2の回折領域21,22,23,24と同様に四等分されている。そして、図3では、例えば、受光部31,32,33,34は、正方形の形状で表わされている。

0047

図3では、例えば、受光部31と受光部32とは、水平方向に並べて配置されている。また、受光部33と受光部34とは、水平方向に並べて配置されている。また、受光部31と受光部33とは、垂直方向に並べて配置されている。また、受光部32と受光部34とは、垂直方向に並べて配置されている。

0048

図3では、受光部31,32の配置されている方向を上側とし、受光部33,34の配置されている方向を下側とする。また、受光部31,33の配置されている方向を左側とし、受光部32,34の配置されている方向を右側とする。

0049

受光部31は、回折素子2の回折領域21で回折された回折光を受光する。受光部32は、回折素子2の回折領域22で回折された回折光を受光する。受光部33は、回折素子2の回折領域23で回折された回折光を受光する。受光部34は、回折素子2の回折領域24で回折された回折光を受光する。

0050

これらの回折領域21,22,23,24で生成された+1次回折光は、それぞれ、図3に示す光検出素子3の受光部31,32,33,34上の回折光のスポット11,12,13,14の位置に到達する。

0051

回折光のスポット11,12,13,14は、受光部31,32,33,34上に到達した回折光の光束を表わしている。

0052

回折領域21で生成された+1次回折光は、受光部31上の回折光のスポット11の位置に到達する。回折領域22で生成された+1次回折光は、受光部32上の回折光のスポット12の位置に到達する。回折領域23で生成された+1次回折光は、受光部33上の回折光のスポット13の位置に到達する。回折領域24で生成された+1次回折光は、受光部34上の回折光のスポット14の位置に到達する。

0053

図3では、各スポット11,12,13,14は、各受光部31,32,33,34の中心に位置している。

0054

また、受光部31は、副受光部311,312,313,314を備える。図3では、副受光部311,312,313,314は、受光部31を四等分している。そして、図3では、例えば、副受光部311,312,313,314は、正方形の形状で表わされている。

0055

図3では、例えば、副受光部311と副受光部312とは、水平方向に並べて配置されている。また、副受光部313と副受光部314とは、水平方向に並べて配置されている。また、副受光部311と副受光部313とは、垂直方向に並べて配置されている。また、副受光部312と副受光部314とは、垂直方向に並べて配置されている。

0056

図3では、副受光部311,312の配置されている方向を上側とし、副受光部313,314の配置されている方向を下側とする。また、副受光部311,313の配置されている方向を左側とし、副受光部312,314の配置されている方向を右側とする。

0057

副受光部311,312,313,314は、各々、回折光のスポット11の一部を受光する。

0058

また、受光部34は、副受光部341,342,343,344を備える。図3では、副受光部341,342,343,344は、受光部34を四等分している。そして、図3では、例えば、副受光部341,342,343,344は、正方形の形状で表わされている。

0059

図3では、例えば、副受光部341と副受光部342とは、水平方向に並べて配置されている。また、副受光部343と副受光部344とは、水平方向に並べて配置されている。また、副受光部341と副受光部343とは、垂直方向に並べて配置されている。また、副受光部342と副受光部344とは、垂直方向に並べて配置されている。

0060

図3では、副受光部341,342の配置されている方向を上側とし、副受光部343,344の配置されている方向を下側とする。また、副受光部341,343の配置されている方向を左側とし、副受光部342,344の配置されている方向を右側とする。

0061

副受光部341,342,343,344は、各々、回折光のスポット14の一部を受光する。

0062

また、図3では、受光部31と受光部32とは、互いに接している。また、受光部32と受光部34とは、互いに接している。受光部34と受光部33とは、互いに接している。受光部33と受光部31とは、互いに接している。

0063

しかし、この配置に限定されない。各受光部31,32,33,34の間に隙間を設けても良い。

0064

また、受光部31,32,33,34間の隙間は一定でなくてもよい。各々異なる量の隙間であっても良い。

0065

ただし、回折素子2の回折格子パターンによって、回折光のスポット11,12,13,14の位置は決定される。このため、受光部31,32,33,34間の隙間は、これらの回折光のスポット11,12,13,14の位置と受光部31,32,33,34の位置とを、互いに考慮した設計が好ましい。

0066

また、図3では、受光部31,32,33,34は、同一の大きさで表わされている。しかし、これに限定されない。受光部31,32,33,34は、互いに別々の大きさでも良い。

0067

また、受光部31,32,33,34は、矩形形状をしている。図3では、受光部31,32,33,34は、正方形の形状で表わされている。しかし、これに限定されない。受光部31,32,33,34の形状は、例えば、円形の形状等でも良い。

0068

副受光部311は、その受光量に応じた信号SA1を生成する。つまり、副受光部311は、回折光のスポット11の一部を受光して、信号SA1を生成する。そして、副受光部311は、信号SA1を信号処理回路6に与える。

0069

副受光部312は、その受光量に応じた信号SA2を生成する。つまり、副受光部312は、回折光のスポット11の一部を受光して、信号SA2を生成する。そして、副受光部312は、信号SA2を信号処理回路6に与える。

0070

副受光部313は、その受光量に応じた信号SA3を生成する。つまり、副受光部313は、回折光のスポット11の一部を受光して、信号SA3を生成する。そして、副受光部313は、信号SA3を信号処理回路6に与える。

0071

副受光部314は、その受光量に応じた信号SA4を生成する。つまり、副受光部314は、回折光のスポット11の一部を受光して、信号SA4を生成する。そして、副受光部314は、信号SA4を信号処理回路6に与える。

0072

受光部32は、受光量に応じた信号SBを生成する。つまり、受光部32は、回折光のスポット12を受光して、信号SBを生成する。受光部32は、信号SBを信号処理回路6に与える。

0073

受光部33は、受光量に応じた信号SCを生成する。つまり、受光部33は、回折光のスポット13を受光して、信号SCを生成する。受光部33は、信号SCを信号処理回路6に与える。

0074

副受光部341は、その受光量に応じた信号SD1を生成する。つまり、副受光部341は、回折光のスポット14の一部を受光して、信号SD1を生成する。そして、副受光部341は、信号SD1を信号処理回路6に与える。

0075

副受光部342は、その受光量に応じた信号SD2を生成する。つまり、副受光部342は、回折光のスポット14の一部を受光して、信号SD2を生成する。そして、副受光部342は、信号SD2を信号処理回路6に与える。

0076

副受光部343は、その受光量に応じた信号SD3を生成する。つまり、副受光部343は、回折光のスポット14の一部を受光して、信号SD3を生成する。そして、副受光部343は、信号SD3を信号処理回路6に与える。

0077

副受光部344は、その受光量に応じた信号SD4を生成する。つまり、副受光部344は、回折光のスポット14の一部を受光して、信号SD4を生成する。そして、副受光部344は、信号SD4を信号処理回路6に与える。

0078

少なくとも1つの受光部31,34は、受光部31,34を分割した複数の副受光部311,312,313,314,341,342,343,344を備えている。

0079

<光束1の変位信号の生成(垂直方向)>
光束1の垂直方向(上下方向)の変位信号の生成方法を以下に説明する。

0080

垂直方向の変位信号Svは以下の式(1)、(1a)及び(1b)で算出される。
Sv=(SA+SB)−(SC+SD) ・・・(1)
SA=SA1+SA2+SA3+SA4 ・・・(1a)
SD=SD1+SD2+SD3+SD4 ・・・(1b)

0081

式(1)中、信号SA1,SA2,SA3,SA4,SB,SC,SD1,SD2,SD3,SD4は、受光部311,312,313,314,32,33,341,342,343,344での受光量に対応している。

0082

信号SAは、受光部31全体の受光量に対応している。信号SDは、受光部34全体の受光量に対応している。

0083

式(1)で表される演算を信号処理回路6で行うことで、垂直方向の変位信号Svが生成される。

0084

図4(A)、図5(A)及び図6(A)は、光束1の変位に対する光検出素子3上に形成された回折光のスポット11,12,13,14の挙動を概略的に示す図である。ここで、「回折光のスポットの挙動」とは、回折光のスポットの大きさ、形状又は光検出素子3上の位置等を意味する。また、図4(B)、図5(B)及び図6(B)は、回折素子2を透過する光束1の斜視図である。

0085

図4(A)及び図4(B)では、光束1が回折素子2の中心を透過した場合を表わしている。この場合の光束1を、図4(B)では光束100として示す。また、図3で示した回折光のスポット11,12,13,14を図4(A)では回折光のスポット110,120,130,140として示す。

0086

図5(A)及び図5(B)では、光束1が回折素子2の中心よりも上側を透過した場合を表わしている。この場合の光束1を、図5(B)では光束101aとして示す。また、図3で示した回折光のスポット11,12,13,14を図5(A)では回折光のスポット111a,121a,131a,141aとして示す。「上側」とは、回折領域21,22側である。また、「上側」とは、受光部31,32側である。

0087

図6(A)及び図6(B)では、光束1が回折素子2の中心よりも下側を透過した場合を表わしている。この場合の光束1を、図6(B)では光束101bとして示す。また、図3で示した回折光のスポット11,12,13,14を図6(A)では回折光のスポット111b,121b,131b,141bとして示す。「下側」とは、回折領域23,24側である。また、「下側」とは、受光部33,34側である。

0088

つまり、図5(A)、図5(B)、図6(A)及び図6(B)では、光束1が回折素子2の中心よりも垂直方向にずれて透過した場合を表わしている。

0089

次に、光束1が垂直方向にずれた場合について、個別に説明する。

0090

まず、図4(A)及び図4(B)に示すように、光束100が回折素子2の中心を透過する場合について説明する。

0091

この場合には、回折領域21、回折領域22、回折領域23及び回折領域24に入射する光束100の光量は等しくなる。このため、回折光のスポット110、回折光のスポット120、回折光のスポット130及び回折光のスポット140の光量は等しくなる。

0092

従って、信号SA,SB,SC,SDは、全て等しくなる。そのため、式(1)から導かれる垂直方向の変位信号Svはゼロとなる。信号SA,SB,SC,SDは、受光部31,32,33,34から出力される信号である。

0093

図4(A)では、各スポット110,120,130,140の大きさが異なっている。これは、回折領域21,22,23,24の不等間隔回折格子形状によるレンズ効果による。「不等間隔回折格子」とは、回折格子溝不等間隔溝とする折格子である。不等間隔回折格子は、不等間隔溝回折格子又は不等間隔格子溝回折格子とも呼ばれる。

0094

回折素子2は不等間隔回折格子形状によってレンズ効果を有している。このため、各回折領域21,22,23,24を透過した光は、それぞれの回折領域21,22,23,24における格子形状に依存して集光され又は発散される。そのため、それぞれの+1次回折光10の集光の度合い又は発散度合いに従って、受光素子3上に照射された+1次回折光10のスポット110,120,130,140の大きさは異なる。

0095

光束100が回折素子2の中心を透過した場合には、回折素子2上の4つの回折領域21,22,23,24に対して、均等な光量の光が入射している。このため、回折素子2を透過回折した後に、集光されたスポット110,120,130,140の大きさが異なっても、積分した光量は等しくなる。

0096

次に、図5(A)及び図5(B)に示すように、光束101aが回折素子2の中心に対して上側を透過する場合について説明する。

0097

この場合には、回折素子2の回折領域21に入射する光量は、図4(A)及び図4(B)に示す変位のない場合の光束100の場合より多くなる。このため、回折光のスポット111aの光量は、変位がない場合の回折光のスポット110の光量よりも多くなる。従って、受光部31全体の受光量は多くなる。そのため、信号SAは大きくなる。

0098

同様に、回折素子2の回折領域22に入射する光量も、図4(A)及び図4(B)に示す変位のない場合の光束100の場合より多くなる。このため、回折光のスポット121aの光量は、変位がない場合の回折光のスポット120の光量よりも多くなる。従って、受光部32の受光量は多くなる。そのため、信号SBは大きくなる。

0099

一方、回折素子2の回折領域23に入射する光量は、図4(A)及び図4(B)に示す変位のない場合の光束100の場合より少なくなる。このため、回折光のスポット131aの光量は、変位がない場合の回折光のスポット130の光量よりも少なくなる。従って、受光部33の受光量は少なくなる。そのため、信号SCは小さくなる。

0100

同様に、回折素子2の回折領域24に入射する光量も、図4(A)及び図4(B)に示す変位のない場合の光束100の場合より少なくなる。このため、回折光のスポット141aの光量は、変位がない場合の回折光のスポット140の光量よりも少なくなる。従って、受光部34全体の受光量は少なくなる。そのため、信号SDは小さくなる。

0101

上より、平行光の光束100が上方向に変位した場合には、式(1)から垂直方向の変位信号Svは大きくなる。光束100が回折素子2の中心を透過する場合の変位信号Svがゼロの場合には、光束100が上方向に変位した場合(光束101a)の変位信号Svの値は正の値となる。

0102

最後に、図6(A)及び図6(B)に示すように、光束101bが回折素子2の中心に対して下側を透過する場合について説明する。

0103

この場合には、回折素子2の回折領域21に入射する光量は、図4(A)及び図4(B)に示す変位のない場合の光束100の場合より少なくなる。このため、回折光のスポット111bの光量は、変位がない場合の回折光のスポット110の光量よりも少なくなる。従って、受光部31全体の受光量は少なくなる。そのため、信号SAは小さくなる。

0104

同様に、回折素子2の回折領域22に入射する光量も、図4(A)及び図4(B)に示す変位のない場合の光束100の場合より少なくなる。このため、回折光のスポット121bの光量は、変位がない場合の回折光のスポット120の光量よりも少なくなる。従って、受光部32の受光量は少なくなる。そのため、信号SBは小さくなる。

0105

一方、回折素子2の回折領域23に入射する光量は、図4(A)及び図4(B)に示す変位のない場合の光束100の場合より多くなる。このため、回折光のスポット131bの光量は、変位がない場合の回折光のスポット130の光量よりも多くなる。従って、受光部33の受光量は多くなる。そのため、信号SCは大きくなる。

0106

同様に、回折素子2の回折領域24に入射する光量も、図4(A)及び図4(B)に示す変位のない場合の光束100の場合より多くなる。このため、回折光のスポット141bの光量は、変位がない場合の回折光のスポット140の光量よりも多くなる。従って、受光部34全体の受光量は多くなる。そのため、信号SDは大きくなる。

0107

以上より、平行光の光束100が下方向に変位した場合には、式(1)から垂直方向の変位信号Svは小さくなる。光束100が回折素子2の中心を透過する場合の変位信号Svがゼロの場合には、光束100が下方向に変位した場合(光束101b)の変位信号Svの値は負の値となる。

0108

このようにして、光束1の垂直方向の変位情報を得ることができる。

0109

<光束1の変位信号の生成(水平方向)>
光束1の水平方向(左右方向)の変位信号の生成方法を以下に説明する。

0110

水平方向の変位信号Shは、垂直方向の変位信号Svと同様にして以下の式(2)で算出される。
Sh=(SA+SC)−(SB+SD) ・・・(2)

0111

式(2)で表される演算を信号処理回路6で行うことで、水平方向の変位信号Shが生成される。

0112

図7(A)及び図8(A)は、光束1の変位に対する光検出素子3上に形成された回折光のスポット11,12,13,14の挙動を概略的に示す図である。また、図7(B)及び図8(B)は、回折素子2を透過する光束1の斜視図である。

0113

図7(A)及び図7(B)では、光束1が回折素子2の中心よりも左側を透過した場合を表わしている。この場合の光束1を、図7(B)では光束102aとして示す。また、図3で示した回折光のスポット11,12,13,14を図7(A)では回折光のスポット112a,122a,132a,142aとして示す。なお、実施の形態で示す「左側」とは、光束1(ここでは、光束102a)の進行方向に対して左側である。「左側」とは、回折領域21,23側である。また、「左側」とは、受光部31,33側である。

0114

図8(A)及び図8(B)では、光束1が回折素子2の中心よりも右側を透過した場合を表わしている。この場合の光束1を、図8(B)では光束102bとして示す。また、図3で示した回折光のスポット11,12,13,14を図8(A)では回折光のスポット112b,122b,132b,142bとして示す。なお、実施の形態で示す「右側」とは、光束1(ここでは、光束102a)の進行方向に対して右側である。「右側」とは、回折領域22,24側である。また、「右側」とは、受光部32,34側である。

0115

つまり、図7(A)、図7(B)、図8(A)及び図8(B)では、光束1が回折素子2の中心よりも水平方向にずれて透過した場合を表わしている。

0116

次に、光束1が水平方向にずれた場合について、個別に説明する。

0117

まず、図7(A)及び図7(B)に示すように、光束102aが回折素子2の中心に対して左側を透過する場合について説明する。

0118

この場合には、回折素子2の回折領域21に入射する光量は、図4(A)及び図4(B)に示す変位のない場合の光束100の場合より多くなる。このため、回折光のスポット112aの光量は、変位がない場合の回折光のスポット110の光量よりも多くなる。従って、受光部31全体の受光量は多くなる。そのため、信号SAは大きくなる。

0119

一方、回折素子2の回折領域22に入射する光量は、図4(A)及び図4(B)に示す変位のない場合の光束100の場合より少なくなる。このため、回折光のスポット122aの光量は、変位がない場合の回折光のスポット120の光量よりも少なくなる。従って、受光部32の受光量は少なくなる。そのため、信号SBは小さくなる。

0120

また、回折素子2の回折領域23に入射する光量は、図4(A)及び図4(B)に示す変位のない場合の光束100の場合より多くなる。このため、回折光のスポット132aの光量は、変位がない場合の回折光のスポット130の光量よりも多くなる。従って、受光部33の受光量は多くなる。そのため、信号SCは大きくなる。

0121

一方、回折素子2の回折領域24に入射する光量は、図4(A)及び図4(B)に示す変位のない場合の光束100の場合より少なくなる。このため、回折光のスポット142aの光量は、変位がない場合の回折光のスポット140の光量よりも少なくなる。従って、受光部34全体の受光量は少なくなる。そのため、信号SDは小さくなる。

0122

以上より、平行光の光束100が左方向に変位した場合には、式(2)から水平方向の変位信号Shは大きくなる。光束100が回折素子2の中心を透過する場合の変位信号Shがゼロの場合には、光束100が左方向に変位した場合(光束102a)の変位信号Shの値は正の値となる。

0123

次に、図8(A)及び図8(B)に示すように、光束102bが回折素子2の中心に対して右側を透過する場合について説明する。

0124

この場合には、回折素子2の回折領域21に入射する光量は、図4(A)及び図4(B)に示す変位のない場合の光束100の場合より少なくなる。このため、回折光のスポット112bの光量は、変位がない場合の回折光のスポット110の光量よりも少なくなる。従って、受光部31全体の受光量は少なくなる。そのため、信号SAは小さくなる。

0125

一方、回折素子2の回折領域22に入射する光量は、図4(A)及び図4(B)に示す変位のない場合の光束100の場合より多くなる。このため、回折光のスポット122bの光量は、変位がない場合の回折光のスポット120の光量よりも多くなる。従って、受光部32の受光量は多くなる。そのため、信号SBは大きくなる。

0126

また、回折素子2の回折領域23に入射する光量は、図4(A)及び図4(B)に示す変位のない場合の光束100の場合より少なくなる。このため、回折光のスポット132bの光量は、変位がない場合の回折光のスポット130の光量よりも少なくなる。従って、受光部33の受光量は少なくなる。そのため、信号SCは小さくなる。

0127

一方、回折素子2の回折領域24に入射する光量は、図4(A)及び図4(B)に示す変位のない場合の光束100の場合より多くなる。このため、回折光のスポット142bの光量は、変位がない場合の回折光のスポット140の光量よりも多くなる。従って、受光部34全体の受光量は多くなる。そのため、信号SDは大きくなる。

0128

以上より、平行光の光束100が右方向に変位した場合には、式(2)から水平方向の変位信号Shは小さくなる。光束100が回折素子2の中心を透過する場合の変位信号Shがゼロの場合には、光束100が右方向に変位した場合(光束102b)の変位信号Shの値は負の値となる。

0129

このようにして、光束1の水平方向の変位情報を得ることができる。

0130

以上のように、検出装置9は、光束1の垂直方向の変位情報と光束1の水平方向の変位情報とを同時に取得する。つまり、検出装置9は、光束1の変位情報を2次元で得ることができる。

0131

また、CCDと違い、4つの受光部31,32,33,34で光を受光するため、演算時間及び伝送時間を高速にできる。

0132

また、PSDと違い、受光部31,32,33,34の大きさを小さくできる。このため、光を信号SA,SB,SC,SDに変換するための時間を高速にできる。

0133

また、回折光10の全体の光量の総和は、以下の式(3)で表される。
Ssum=(SA+SB+SC+SD) ・・・(3)

0134

従って、式(3)で式(1)及び式(2)をそれぞれ除算することによって、回折光10の全体光量の変動の影響を無視した変位信号が得られる。つまり、全体光量の変動の影響を抑えた変位信号が得られる。

0135

この場合には、信号SA,SB,SC,SDの変化量が大きいほど検出誤差は小さくなる。つまり、回折領域21,22,23,24の間には、隙間が無い方が検出誤差は小さくなる。また、光束1の全てが回折領域21,22,23,24で回折される方が検出誤差は小さくなる。

0136

また、式(1)及び式(2)から、光検出素子3の受光部31,32,33,34を水平方向に分割する水平分割線と、垂直方向に分割する垂直分割線とを直交させる方が、検出誤差を小さくできる。水平分割線は、受光部31,32と受光部33,34とを分割している線である。垂直分割線は、受光部31,33と受光部32,34とを分割している線である。

0137

複数の回折領域21,22,23,24は、光束1が変位する方向に配置されている。光束1が変位した方向に配置された回折領域21,22,23,24の回折光10の光量は増加する。光束1が変位した方向と反対の方向に配置された回折領域21,22,23,24の回折光10の光量は減少する。

0138

検出装置9は、光量が増加した回折光10の光量と、光量が減少した回折光10の光量とを比較することで、光束1の変位量または変位方向を判別する。

0139

検出装置9は、各々の受光部31,32,33,34の受光量を基に、回折素子3に対する光束1の変位の方向を判別する。

0140

検出装置9は、各々の受光部31,32,33,34の受光量を基に、回折素子3に対する光束1の変位量を判別する。

0141

<光束1の傾きと回折光の光検出素子3上の位置>
次に、光束1の角度変化信号の生成方法を以下に説明する。

0142

図9は、光束1の回折素子2への入射位置(入射高d0)と回折光の光検出素子3への入射位置(入射高d1)との関係を概略的に示す模式図である。

0143

上述のように、回折素子2は、回折効果とともに、レンズ効果を有している。

0144

回折素子2に入射した平行光の光束1は、回折素子2によって回折される。また、平行光の光束1は、回折素子2のレンズ効果によって、焦点距離f0で集光される。

0145

図9では、回折素子2を焦点距離f0のレンズと考えて説明する。

0146

回折光の光束151は、レンズの中心位置Cに入射する光束1の回折光である。レンズの中心位置Cは、レンズの光軸Ca上に位置する。このため、回折光の光束151は、焦点距離f0の位置(焦点fp)に集光される。

0147

光軸Caは、光学結像系の中心を通る対称軸である。焦点fpは、光軸Ca上に定義される。

0148

一方、回折光の光束152は、レンズの中心位置Cから高さd0の位置に入射する光束1の回折光である。中心位置Cからの光束の高さを「入射高」という。回折光の光束152は、回折光の光束151と同様に、焦点距離f0の位置に集光される。

0149

図9に示されるように、回折光の光束151,152は、理想的には、回折素子2の入射位置に依存せず、焦点距離f0の位置で一点に集光される。

0150

回折素子2から光検出素子3までの距離を、例えば、距離f1とする。この場合において、入射高d1は、回折素子2の回折面上の入射高d0に対する光検出素子3上の高さである。つまり、入射高d0は、回折素子2上での回折光の光束152の高さである。また、入射高d1は、光検出素子3上での回折光の光束152の高さである。従って、入射高d1は、以下の式(4)で表される。
d1=d0×(f0−f1)/f0 ・・・(4)

0151

また、図10は、光束1の回折素子2への入射角dt[rad]と回折光の光検出素子3への入射位置(入射高dt1)との関係を概略的に示す模式図である。

0152

図9と同様に、図10でも、回折素子2を焦点距離f0のレンズと考えて説明する。

0153

回折光の光束151は、レンズの中心位置Cに入射する光束1の回折光である。つまり、回折光の光束151に対応する光束1の回折素子2への入射高は、ゼロである。これは、図9においても同様である。

0154

また、回折光の光束151の中心光線は、回折素子2の光軸Ca上にある。このため、回折光の光束151は、焦点距離f0の位置に集光される。

0155

一方、回折光の光束153に対応する光束1は、回折光の光束151に対応する光束1に対して角度dtだけ傾いて回折素子2に入射している。つまり、回折素子2を焦点距離f0のレンズを考えた場合において、回折光の光束153に対応する光束1は、回折素子2の光軸Caに対して傾いている。

0156

また、回折素子2に入射する際の回折光の光束153に対応する光束1の入射高は、ゼロである。このため、回折光の光束153は、回折光の光束151と同様に、焦点距離f0の位置に集光される。

0157

図10に示されるように、光軸Caと回折光の光束153との角度は、光軸Caと回折光の光束153に対応する光束1との角度に対して、回折素子2での回折によって変化しない。つまり、光軸Caに対する回折光の光束153の角度と光軸Caに対する回折光の光束153に対応する光束1の角度とは等しい。

0158

また、回折光の光束151,153は、理想的には、回折素子2に入射する際の角度に依存せず、焦点距離f0の位置で集光される。回折光の光束153は、焦点距離f0の位置において、光軸Caからの高さdt0の位置に集光される。高さdt0は、光軸Caに対して角度dtで傾いている光束1の焦点距離f0の位置での高さである。

0159

集光位置での高さdt0は、以下の式(5)で表される。
dt0=f0×tan(dt) ・・・(5)

0160

高さdt1は、回折素子2の回折面上に入射する際の光軸Caに対する光束1の角度dtに対する光検出素子3上の高さである。高さdt1は、光軸Caに対して角度dtで傾いている光束1の光検出素子3上の高さである。従って、高さdt1は、以下の式(6)で表される。
dt1=f1×tan(dt) ・・・(6)

0161

一般的な角度検出装置は、距離f0と距離f1とを等しい(f1=f0)とすることで、光検出素子3上での変位成分を無視して、角度成分のみを検出する構成となっている。つまり、一般的な角度検出装置は、距離f0と距離f1とを等しい(f1=f0)としている。そして、一般的な角度検出装置は、光検出素子3上での変位成分を無視している。

0162

例えば、図9では、距離f1を焦点距離f0に等しくすると、変位成分である入射高d1は0(ゼロ)になる。つまり、光線が回折素子2のどの位置に入射しても入射角が等しければ、光線は光検出素子3上では同じ位置に集光する。

0163

また、図10は、光束151,153が回折素子2上の同一の領域を通過する場合の図である。図10では、前述のとおり、光束1が回折素子2のどの位置に入射しても、高さdt0の値は変わらない。

0164

これに対し、本発明においては、光検出素子3の距離f1を、焦点距離f0とは別の値にすることで、以下で説明するように、高速で角度変化信号を検出できる。

0165

<光束1の角度変化信号の生成(垂直方向)>
垂直方向の角度変化信号Ssは、以下の式(7)で算出される。なお、図10に示すように、回折素子2の回折格子面上における回折光の光束153に対応する光束1の変位はないものとする。つまり、回折光の光束153に対応する光束1は、回折素子2の中心位置Cを通る。
Ss=(SA1+SA2)−(SA3+SA4) ・・・(7)

0166

式(7)中の信号SA1,SA2,SA3,SA4は、上述した受光部31の副受光部311,312,313,314での受光量に対応した信号である。これらの信号SA1,SA2,SA3,SA4を用いて、式(7)で表される演算を信号処理回路6で行う。これによって、光束1の垂直方向の角度信号Ssが求められる。

0167

図11(A)及び図12(A)は、光束1の角度変化に対する光検出素子3上に形成された回折光のスポット11,12,13,14の挙動を概略的に示す図である。また、図11(B)及び図12(B)は、回折素子2を透過する光束1の斜視図である。

0168

図11(A)及び図11(B)では、光束1が回折素子2の中心(中心位置C)を上向きに傾いて透過した場合を表わしている。この場合の光束1を、図11(B)では光束103aとして示す。また、図3で示した回折光のスポット11,12,13,14を図11(A)では回折光のスポット113a,123a,133a,143aとして示す。

0169

なお、実施の形態で示す「上向きに傾く」とは、光束1(ここでは、光束103a)が進むにつれて、垂直方向の上側の位置を通る場合である。

0170

図12(A)及び図12(B)では、光束1が回折素子2の中心(中心位置C)を下向きに傾いて透過した場合を表わしている。この場合の光束1を、図12(B)では光束103bとして示す。また、図3で示した回折光のスポット11,12,13,14を図12(A)では回折光のスポット113b,123b,133b,143bとして示す。

0171

なお、実施の形態で示す「下向きに傾く」とは、光束1(ここでは、光束103b)が進むにつれて、垂直方向の下側の位置を通る場合である。

0172

つまり、図11(A)、図11(B)、図12(A)及び図12(B)では、光束1が回折素子2の中心(中心位置C)を垂直方向に傾いて透過した場合を表わしている。

0173

次に、光束1が垂直方向に傾いた場合について、個別に説明する。

0174

まず、図11(A)及び図11(B)に示すように、光束103aが回折素子2の中心を上向きに傾いて透過した場合について説明する。

0175

この場合には、回折素子2の回折領域21に入射した光束103aに対応する回折光のスポット113aの位置は、図4(A)及び図4(B)に示す傾きのない場合の回折光のスポット110の位置よりも上側に移動する。回折光のスポット113aの回折光のスポット110に対する移動量は、式(6)で示されたように、平行光の光束103aが回折素子2に入射する際の入射角dtに依存する。

0176

また、回折光のスポット113aの光量は、回折光のスポット110の光量に等しい。

0177

このため、副受光部311,312に入射する回折光のスポット113aの光量は、角度変化がない場合(光束100の場合)の回折光のスポット110の光量よりも多くなる。そのため、信号SA1,SA2は大きくなる。

0178

一方、副受光部313,314に入射する回折光のスポット113aの光量は、角度変化がない場合(光束100の場合)の回折光のスポット110の光量よりも少なくなる。そのため、信号SA3,SA4は小さくなる。

0179

以上より、平行光の光束100が回折素子2の中心を上向きに傾いて透過した場合(光束103aの場合)には、式(7)から垂直方向の角度信号Ssは大きくなる。光束100が回折素子2の中心を傾き無く透過する場合の角度信号Ssがゼロの場合には、光束100が上向きに傾いた場合(光束103a)の角度信号Ssの値は正の値となる。

0180

次に、図12(A)及び図12(B)に示すように、光束103bが回折素子2の中心を下向きに傾いて透過した場合について説明する。

0181

この場合には、回折素子2の回折領域21に入射した光束103bに対応する回折光のスポット113bの位置は、図4(A)及び図4(B)に示す傾きのない場合の回折光のスポット110の位置よりも下側に移動する。回折光のスポット113bの回折光のスポット110に対する移動量は、式(6)で示されたように、平行光の光束103bが回折素子2に入射する際の入射角dtに依存する。

0182

また、回折光のスポット113bの光量は、回折光のスポット110の光量に等しい。

0183

このため、副受光部311,312に入射する回折光のスポット113bの光量は、角度変化がない場合(光束100の場合)の回折光のスポット110の光量よりも少なくなる。そのため、信号SA1,SA2は小さくなる。

0184

一方、副受光部313,314に入射する回折光のスポット113bの光量は、角度変化がない場合(光束100の場合)の回折光のスポット110の光量よりも多くなる。そのため、信号SA3,SA4は大きくなる。

0185

以上より、平行光の光束100が回折素子2の中心を下向きに傾いて透過した場合(光束103bの場合)には、式(7)から垂直方向の角度信号Ssは小さくなる。光束100が回折素子2の中心を傾き無く透過する場合の角度信号Ssがゼロの場合には、光束100が下向きに傾いた場合(光束103b)の角度信号Ssの値は負の値となる。

0186

<光束1の角度変化信号の生成(水平方向)>
また、水平方向の角度変化信号Spは、以下の式(8)で算出される。
Sp=(SA1+SA3)−(SA2+SA4) ・・・(8)

0187

信号SA1,SA2,SA3,SA4を用いて、式(8)で表される演算を信号処理回路6で行う。これによって、水平方向の角度信号Spが求められる。

0188

図13(A)及び図14(A)は、光束1の角度変化に対する光検出素子3上に形成された回折光のスポット11,12,13,14の挙動を概略的に示す図である。また、図13(B)及び図14(B)は、回折素子2を透過する光束1の斜視図である。

0189

図13(A)及び図13(B)では、光束1が回折素子2の中心(中心位置C)を左向きに傾いて透過した場合を表わしている。この場合の光束1を、図13(B)では光束104aとして示す。また、図3で示した回折光のスポット11,12,13,14を図13(A)では回折光のスポット114a,124a,134a,144aとして示す。

0190

なお、実施の形態で示す「左向きに傾く」とは、光束1(ここでは、光束104a)が進むにつれて、水平方向の左側の位置を通る場合である。

0191

図14(A)及び図14(B)では、光束1が回折素子2の中心(中心位置C)を右向きに傾いて透過した場合を表わしている。この場合の光束1を、図14(B)では光束104bとして示す。また、図3で示した回折光のスポット11,12,13,14を図14(A)では回折光のスポット114b,124b,134b,144bとして示す。

0192

なお、実施の形態で示す「右向きに傾く」とは、光束1(ここでは、光束104b)が進むにつれて、水平方向の右側の位置を通る場合である。

0193

つまり、図13(A)、図13(B)、図14(A)及び図14(B)では、光束1が回折素子2の中心(中心位置C)を水平方向に傾いて透過した場合を表わしている。

0194

次に、光束1が水平方向に傾いた場合について、個別に説明する。

0195

まず、図13(A)及び図13(B)に示すように、光束104aが回折素子2の中心を左向きに傾いて透過した場合について説明する。

0196

この場合には、回折素子2の回折領域21に入射した光束104aに対応する回折光のスポット114aの位置は、図4(A)及び図4(B)に示す傾きのない場合の回折光のスポット110の位置よりも左側に移動する。回折光のスポット114aの回折光のスポット110に対する移動量は、式(6)で示されたように、平行光の光束104aが回折素子2に入射する際の入射角dtに依存する。

0197

また、回折光のスポット114aの光量は、回折光のスポット110の光量に等しい。

0198

このため、副受光部311,313に入射する回折光のスポット114aの光量は、角度変化がない場合(光束100の場合)の回折光のスポット110の光量よりも多くなる。そのため、信号SA1,SA3は大きくなる。

0199

一方、副受光部312,314に入射する回折光のスポット114aの光量は、角度変化がない場合(光束100の場合)の回折光のスポット110の光量よりも少なくなる。そのため、信号SA2,SA4は小さくなる。

0200

以上より、平行光の光束100が回折素子2の中心を左向きに傾いて透過した場合(光束104aの場合)には、式(8)から水平方向の角度信号Spは大きくなる。光束100が回折素子2の中心を傾き無く透過する場合の角度信号Spがゼロの場合には、光束100が左向きに傾いた場合(光束104a)の角度信号Spの値は正の値となる。

0201

次に、図14(A)及び図14(B)に示すように、光束104bが回折素子2の中心を右向きに傾いて透過した場合について説明する。

0202

この場合には、回折素子2の回折領域21に入射した光束104bに対応する回折光のスポット114bの位置は、図4(A)及び図4(B)に示す傾きのない場合の回折光のスポット110の位置よりも右側に移動する。回折光のスポット114bの回折光のスポット110に対する移動量は、式(6)で示されたように、平行光の光束104bが回折素子2に入射する際の入射角dtに依存する。

0203

また、回折光のスポット114bの光量は、回折光のスポット110の光量に等しい。

0204

このため、副受光部311,313に入射する回折光のスポット114bの光量は、角度変化がない場合(光束100の場合)の回折光のスポット110の光量よりも少なくなる。そのため、信号SA1,SA3は小さくなる。

0205

一方、副受光部312,314に入射する回折光のスポット114bの光量は、角度変化がない場合(光束100の場合)の回折光のスポット110の光量よりも多くなる。そのため、信号SA2,SA4は大きくなる。

0206

以上より、平行光の光束100が回折素子2の中心を右向きに傾いて透過した場合(光束104bの場合)には、式(8)から水平方向の角度信号Spは小さくなる。光束100が回折素子2の中心を傾き無く透過する場合の角度信号Spがゼロの場合には、光束100が右向きに傾いた場合(光束104b)の角度信号Spの値は負の値となる。

0207

以上のように、検出装置9は、垂直方向の角度変化信号Ssと水平方向の角度変化信号Spとを同時に取得する。つまり、検出装置9は、平行光の光束1の角度変化情報を2次元で得ることができる。

0208

また、CCDと違い、4つの副受光部311,312,313,314で光を受光するため、演算時間又は伝送時間を高速にできる。

0209

また、PSDと違い、副受光部311,312,313,314の大きさを小さくできる。このため、光を信号SA1,SA2,SA3,SA4に変換するための時間を高速にできる。

0210

この場合に、式(7)を式(1a)で除算することにより、全体光量の変動の影響を無視した角度変化信号が得られる。また、式(8)を式(1a)で除算することにより、全体光量の変動の影響を無視した角度変化信号が得られる。つまり、全体光量の変動の影響を抑えた角度変化信号が得られる。

0211

また、角度変化の情報の式(7)は、変位の情報の式(4)と同様の式である。しかし、変位情報の取得には、回折素子2によって光束1を分割する。これに対して、角度変化情報の取得には、光検出素子3の受光面上における受光領域(副受光部)によって回折光のスポットを分割する。

0212

つまり、光検出素子3は、複数の回折光10の光量を基に回折素子3に対する光束1の変位を判別する。また、光検出素子3は、1つの前記領域に対応する回折光10の光量を分割して、回折素子3に対する光束1の角度変化を判別する。

0213

そのため、変位情報と同様の理由で、副受光部311,312,313,314の間には、隙間が無い方が検出誤差は小さくなる。

0214

受光部31の副受光部311,312,313,314を水平方向に分割する水平分割線と、垂直方向に分割する垂直分割線とを直交させる方が、検出誤差を小さくできる。水平分割線は、副受光部311,312と副受光部313,314とを分割している線である。垂直分割線は、副受光部311,313と副受光部312,314とを分割している線である。

0215

この場合において、光検出素子3上の水平分割線は、回折素子2上の水平分割線に対して、必ずしも平行である必要はなく、傾斜する関係にあっても良い。また、光検出素子3上の垂直分割線は、回折素子2上の垂直分割線に対して、必ずしも平行である必要はなく、傾斜する関係にあっても良い。

0216

検出装置9は、各々の副受光部311,312,313,314の受光量を基に回折素子3に対する光束1の角度変化の方向を判別する。

0217

検出装置9は、各々の副受光部311,312,313,314の受光量を基に回折素子3に対する光束1の角度変化量を判別する。

0218

複数の副受光部311,312,313,314は、光束1が回折素子2に対して傾いた際に、副受光部311,312,313,314を含む受光部31上を回折光10が変位する方向に配置されている。そして、回折光10が変位した方向に配置された副受光部311,312,313,314の受光量は増加する。一方、回折光10が変位した方向と反対の方向に配置された副受光部311,312,313,314の受光量は減少する。

0219

検出装置9は、光量が増加した回折光10の光量と、光量が減少した回折光10の光量とを比較することで、光束1の角度変化量または角度変化の方向を判別する。

0220

<光束1の平行度信号の生成>
次に、光束の平行度信号Scの生成方法を以下に説明する。

0221

まず、平行度信号Scの生成方法として、一般的な非点収差法に関して説明する。

0222

回折領域24は、母線方向を有する。回折領域24は、母線方向に集光効果を有する。また、回折領域24は、母線方向に垂直な方向に集光効果を有する。そして、母線方向に垂直な方向の焦点距離は、母線方向の焦点距離と異なる。つまり、回折領域24は、母線方向と母線方向に垂直な方向とに集光効果を有する。回折領域24は、例えば、母線方向よりも、母線方向と垂直な方向に強い集光効果を有する。

0223

つまり、回折領域24は、母線方向と垂直な方向に非点収差を有する。回折領域24を透過した光束1の回折光の集光位置は、母線を含み光束1の光軸に平行な平面上と、母線に垂直で光束1の光軸に平行な平面上とで異なる。

0224

上述の説明では、回折領域24は、回折の機能を有している。それに加えて、回折領域24は、母線方向に集光の機能を有している。例えば、母線方向の焦点距離はf2である。また、回折領域24は、母線方向に垂直な方向に集光の機能を有している。例えば、母線方向に垂直な方向の焦点距離はf3である。焦点距離f2は、焦点距離f3と異なる長さである。そのため、回折領域24は、非線形な回折格子パターンを有している。

0225

回折領域21,22,23,24の内、他の回折領域21,22,23,24と同一の集光効果を持つ方向を母線方向とする。そして、回折領域21,22,23,24は、この母線方向と垂直な方向に更に強い集光効果を有する。つまり、回折領域21,22,23,24の強い集光効果を有する軸に対して垂直な方向は、他の回折領域21,22,23,24と同一の集光効果を持つ。

0226

ここでは、回折領域21の中心と回折領域24の中心とを結ぶ方向を母線に垂直な方向とする。つまり、回折領域21,24の母線は、回折領域21の中心と回折領域24の中心とを結ぶ線分に対して垂直である。

0227

そして、回折素子2上の回折領域24の母線の方向は、他の回折領域21,22,23の集光効果を持つ方向と同一方向である。

0228

回折素子2に入射する光束1が平行光である場合に、光検出素子3上における母線方向の像高と、その母線に垂直な方向の像高とが、互いに等しくなるように、回折領域24の回折格子パターンを設計する。つまり、母線方向の焦点距離f2及び母線方向に垂直な方向の焦点距離f3を設定する。これによって、光束1が平行光である場合には、回折光のスポット14は、光検出素子3上で円形状となる。

0229

すなわち、次のよう各値を設定すれば良い。焦点距離f2は、距離f1より大きい。そして、焦点距離f3は、距離f1より小さい。つまり、焦点距離f2は距離f1より大きく、焦点距離f3は距離f1より小さい。または、焦点距離f3は、距離f1より大きい。そして、焦点距離f2は、距離f1よりも小さい。つまり、焦点距離f3は距離f1より大きく、焦点距離f2は距離f1よりも小さい。

0230

また、この場合には、光束1の平行度に応じて、回折光のスポット14の形状が歪んで楕円形状となる。

0231

従って、回折素子2の4つの回折領域21,22,23,24に対して、平行光の光束1が、回折素子2の中心位置を、回折素子2に対して垂直に透過する場合には、受光部34の副受光部341,342,343,344での受光量は等しい。つまり、これらの副受光部341,342,343,344から出力される信号SD1,SD2,SD3,SD4は、全て等しくなる。

0232

平行度信号Scは、以下の式(9)で算出される。なお、回折素子2の回折格子の面上における光束1の変位及び角度変化はないものとする。
Sc=(SD2+SD3)−(SD1+SD4) ・・・(9)

0233

式(9)中の信号SD1,SD2,SD3,SD4は、上述した受光部34の副受光部341,342,343,344での受光量に対応した信号である。これらの信号SD1,SD2,SD3,SD4を用いて、式(9)で表される演算を信号処理回路6で行う。これによって、平行度信号Scが求められる。

0234

図15(A)及び図16(A)は、光束1の平行度の変化に対すると光検出素子3上に形成された回折光のスポット11,12,13,14の挙動を概略的に示す図である。また、図15(B)及び図16(B)は、回折素子2を透過する光束1の斜視図である。

0235

図15(A)及び図15(B)では、光束1が回折素子2の中心を光束径が大きくなりながら透過した場合を表わしている。この場合の光束1を、図15(B)では光束105aとして示す。また、図3で示した回折光のスポット11,12,13,14を図15(A)では回折光のスポット115a,125a,135a,145aとして示す。

0236

なお、実施の形態で示す「光束径が大きくなる」とは、光束1(ここでは、光束105a)が進むにつれて、光束径が大きくなる場合である。

0237

図16(A)及び図16(B)では、光束1が回折素子2の中心を光束径が小さくなりながら透過した場合を表わしている。この場合の光束1を、図16(B)では光束105bとして示す。また、図3で示した回折光のスポット11,12,13,14を図16(A)では回折光のスポット115b,125b,135b,145bとして示す。

0238

なお、実施の形態で示す「光束径が小さくなる」とは、光束1(ここでは、光束105b)が進むにつれて、光束径が小さくなる場合である。

0239

つまり、図15(A)、図15(B)、図16(A)及び図16(B)では、平行光でない光束1が回折素子2の中心を透過した場合を表わしている。つまり、光の進行方向で、光束径が変化する光束1が、回折素子2の中心を透過した場合を表わしている。ここで、光束径の変化は、光束径が大きくなるように変化する場合と、光束径が小さくなるように変化する場合とである。なお、光束1の中心光線は、回折素子2に対して垂直である。

0240

次に、光束1の光束径が光軸方向で変化した場合について、個別に説明する。

0241

上述のように、図4(A)及び図4(B)では、信号SD1,SD2,SD3,SD4は、全て等しい。このため、式(9)から導かれる平行度信号Scはゼロとなる。

0242

次に、図15(A)及び図15(B)に示すように、光束105aの光束径が光の進行方向で大きくなる場合について説明する。例えば、「平行光」に対して、この場合の光束105aを「発散光」とよぶ。

0243

この場合には、回折素子2の回折領域24に入射する光束105bに対応する回折光のスポット145aの形状は、図4(A)及び図4(B)に示す平行光束100の回折光のスポット140の形状に対して、副受光部342の中心と副受光部343の中心とを結ぶ方向に延びた楕円形状となる。これは、副受光部342の中心と副受光部343の中心とを結ぶ方向が、回折領域24の母線と平行であるからである。

0244

このため、副受光部342,343に入射する回折光のスポット145aの光量は、平行光の光束100の場合の回折光のスポット140の光量よりも多くなる。このため、信号SD2及びSD3は信号が大きくなる。

0245

一方、副受光部341,344に入射する回折光のスポット145aの光量は、平行光の光束100場合の回折光のスポット140の光量よりも少なくなる。このため、信号SD1及びSD4は信号が小さくなる。

0246

以上より、発散光の光束105aが回折素子2の中心を透過した場合には、式(9)から平行度信号Scは大きくなる。平行光の光束100が回折素子2の中心を透過する場合の平行度信号Scがゼロの場合には、発散光の光束105aが回折素子2の中心を透過する場合の平行度信号Spの値は正の値となる。

0247

最後に、図16(A)及び図16(B)に示すように、光束105bの光束径が光の進行方向で小さくなる場合について説明する。例えば、「平行光」に対して、この場合の光束105bを「収束光」とよぶ。

0248

この場合には、回折素子2の回折領域24に入射する光束105bに対応する回折光のスポット145bの形状は、図4(A)及び図4(B)に示す平行光束100の回折光のスポット140の形状に対して、副受光部341の中心と副受光部344の中心とを結ぶ方向に延びた楕円形状となる。これは、副受光部342の中心と副受光部343の中心とを結ぶ方向が、回折領域24の母線と平行であるからである。

0249

このため、副受光部341,344に入射する回折光のスポット145bの光量は、平行光の光束100の場合の回折光のスポット140の光量よりも多くなる。このため、信号SD1及びSD4は信号が大きくなる。

0250

一方、副受光部342,343に入射する回折光のスポット145bの光量は、平行光の光束100場合の回折光のスポット140の光量よりも少なくなる。このため、信号SD2及びSD3は信号が小さくなる。

0251

以上より、収束光の光束105bが回折素子2の中心を透過した場合には、式(9)から平行度信号Scは小さくなる。平行光の光束100が回折素子2の中心を透過する場合の平行度信号Scがゼロの場合には、収束光の光束105bが回折素子2の中心を透過する場合の平行度信号Spの値は負の値となる。

0252

以上のように、検出装置9は、光束1の平行度の情報(平行度信号Sc)を得ることができる。

0253

この場合に、式(1b)で式(9)を除算することによって、全体光量の変動の影響を無視した平行度信号が得られる。つまり、全体光量の変動の影響を抑えた変位信号が得られる。

0254

また、平行度の情報の式(9)は、角度変化の情報の式(7)と同様に、副受光部の信号を用いた式である。つまり、変位情報の取得には、回折素子2によって平行光の光束1を分割する。これに対して、角度変化の情報の取得及び平行度の情報の取得には、光検出素子3の受光面上における受光領域(副受光部)によって回折光のスポットを分割する。

0255

そのため、変位情報と同様の理由で、副受光部341,342,343,344の間には、隙間が小さい方が検出誤差は小さくなる。これは、角度変化の情報の場合と同様である。

0256

受光部34の副受光部341,342,343,344を水平方向に分割する水平分割線と、垂直方向に分割する垂直分割線とを直交させる方が、検出誤差を小さくできる。水平分割線は、副受光部341,342と副受光部343,344とを分割している線である。垂直分割線は、副受光部341,343と副受光部342,344とを分割している線である。

0257

検出装置9は、集光された回折光10の非点収差の形状を基に光束1が発散光であるか、収束光であるかを判別する。

0258

光検出素子3は、集光された回折光10を受光する受光部34を分割した複数の副受光部341,342,343,344を備えている。

0259

検出装置9は、各々の副受光部341,342,343,344の受光量を基に、光束1が発散光であるか、収束光であるかを判別する。

0260

以上では、非点収差法に関して述べた。しかし、これに限定されず、例えば、フーコー法又はスポットサイズ法などを用いても良い。例えば、スポットサイズ法の場合には、受光部34上のスポット径の大きさで判別する。これらの場合には、回折素子2上の回折領域34の回折格子パターンと、光検出素子3上の受光部34の副受光部341,342,343,344の設計を、それぞれの方式に対応して設計する必要がある。

0261

ここで、変位の情報、角度変化の情報及び平行度の情報を同時に取得する場合には、注意が必要である。

0262

例えば、回折光のスポット140が副受光部341に偏るような光束1の変位又は角度変化である場合には、式(9)から分かるように、光束100が平行光であっても平行度信号Scはゼロとならず、誤った値が得られてしまう。

0263

そのため、変位及び角度変化に加えて、平行度を同時に検出することは難しい。平行度の検出においては、光束100が平行光の場合に、光束100の変位及び角度変化が中心に調整されていることが必要である。つまり、光束100は、回折素子2の中心に、垂直に入射する。

0264

ただし、変位、角度及び平行度を制御できる手段を有し、変位、角度及び平行度を所定の一定状態に制御する目的があるのであれば、この構成で実現することができる。

0265

光束100の変位、角度変化及び平行度の検出において、光束100が回折素子2の中心を透過し、かつ、光束100が回折素子2に対して垂直に入射するほど、各検出値が互いに影響を及ぼす程度は小さくり、誤差成分収束する。つまり、光束100が回折素子2の中心領域を透過し、かつ、光束100が回折素子2に対して垂直に入射するように制御されている場合には、各検出値の誤差成分は小さくなる。

0266

光束100の変位、角度変化または平行度の検出は、他の変化の影響を受ける。例えば、角度変化の検出は、変位量の影響を受ける。

0267

そのため、例えば、各々の受光部31,32,33,34の受光量を基に判別された回折素子3に対する光束1の変位量が特定の値または特定の範囲となるように制御された状態で、角度変化の方向を判別する。ここで、「特定の値」とは、光束1の変位量と対応の取れた値のことである。また、「特定の範囲」とは、光束1の変位量と対応の取れた範囲のことである。

0268

<光束1の変位信号及び角度変化信号の生成>
以下で説明するように、角度変化は変位と同時に検出することができる。

0269

図17は、受光素子3の構成を示す模式図である。

0270

この場合には、図17に示すように、副受光部341,342,343,344を省略することができる。副受光部341,342,343,344は、平行度を検出する場合に用いる受光部である。なお、図18及び図19では、副受光部341,342,343,344を表わしている。

0271

図18(A)及び図19(A)は、光束1の変位及び角度変化に対すると光検出素子3上に形成された回折光のスポット11,12,13,14の挙動を概略的に示す図である。また、図18(B)及び図19(B)は、回折素子2を透過する光束1の斜視図である。

0272

ここでは、一例として、垂直方向の変位及び垂直方向の角度変化の場合について説明する。

0273

上述のように、平行光の光束1の変位の情報は、回折素子2上の4つの回折領域21,22,23,24に対する光束1の入射位置の変位が光検出素子3に現れることを利用している。

0274

図18(A)及び図18(B)では、光束1の入射位置が回折素子2の中心から上方向に変位し、且つ、光束1が上向きに傾いて透過した場合を表わしている。この場合の光束1を、図18(B)では光束106aとして示す。また、図3で示した回折光のスポット11,12,13,14を図18(A)では回折光のスポット116a,126a,136a,146aとして示す。

0275

図29(A)及び図29(B)では、光束1の入射位置が回折素子2の中心から下方向に変位し、且つ、光束1が上向きに傾いて透過した場合を表わしている。この場合の光束1を、図29(B)では光束106cとして示す。また、図3で示した回折光のスポット11,12,13,14を図29(A)では回折光のスポット116c,126c,136c,146cとして示す。

0276

図19(A)及び図19(B)では、光束1の入射位置が回折素子2の中心から下方向に変位し、且つ、光束1が下向きに傾いて透過した場合を表わしている。この場合の光束1を、図19(B)では光束106bとして示す。また、図3で示した回折光のスポット11,12,13,14を図19(A)では回折光のスポット116b,126b,136b,146bとして示す。

0277

図30(A)及び図30(B)では、光束1の入射位置が回折素子2の中心から上方向に変位し、且つ、光束1が下向きに傾いて透過した場合を表わしている。この場合の光束1を、図30(B)では光束106dとして示す。また、図3で示した回折光のスポット11,12,13,14を図30(A)では回折光のスポット116d,126d,136d,146dとして示す。

0278

つまり、図18(A)、図18(B)、図29(A)及び図29(B)では、光束1が上向きに傾いて、回折素子2の垂直方向に変位した場合を表わしている。また、図19(A)、図19(B)、図30(A)及び図30(B)では、光束1が下向きに傾いて、回折素子2の垂直方向に変位した場合を表わしている。

0279

図18(A)、図18(B)、図19(A)、図19(B)、図29(A)、図29(B)、図30(A)及び図30(B)では、光束1が、回折素子2に対して、垂直方向の傾きが変化した場合と垂直方向に変位した場合とが複合された場合を表わしている。

0280

光束1が垂直方向に変位した場合について、個別に説明する。

0281

まず、図18(A)及び図18(B)に示すように、光束106aが上向きに傾いて回折素子2の中心に対して上側を透過した場合について説明する。

0282

この場合には、回折光のスポット116a,126aは、変位がない場合の回折光のスポット110,120に対して垂直方向で上方向に伸びた形状となる。つまり、回折光のスポット116a,126aは、回折光のスポット110,120の上側の部分が上方向に伸びた形状をしている。回折光のスポット116a,126aは、図5(A)に示す回折光のスポット111a,121aの全体が上方向に移動した形状をしている。

0283

一方、回折光のスポット136a,146aは、変位がない場合の回折光ビームの130,140に対して垂直方向で上方向に縮んだ形状となる。つまり、回折光のスポット136a,146aは、回折光のスポット130,140の下側の部分が上方向に縮んだ形状をしている。回折光のスポット136a,146aは、図5(A)に示す回折光のスポット131a,141aの全体が上方向に移動した形状をしている。

0284

回折光のスポット116a,126a,136a,146aは、図5(A)に示す光束101aの回折光のスポット111a,121a,131a,141aとそれぞれ同様の形状である。光束101aは、傾きがなく上方向に変位した場合の光束である。

0285

回折素子2の回折領域21に入射する光量は、図4(A)及び図4(B)に示す変位のない場合の光束100の場合より多くなる。このため、回折光のスポット116aの光量は、変位がない場合の回折光のスポット110の光量よりも多くなる。従って、受光部31全体の受光量は多くなる。そのため、信号SAは大きくなる。

0286

同様に、回折素子2の回折領域22に入射する光量も、図4(A)及び図4(B)に示す変位のない場合の光束100の場合より多くなる。このため、回折光のスポット126aの光量は、変位がない場合の回折光のスポット120の光量よりも多くなる。従って、受光部32の受光量は多くなる。そのため、信号SBは大きくなる。

0287

一方、回折素子2の回折領域23に入射する光量は、図4(A)及び図4(B)に示す変位のない場合の光束100の場合より少なくなる。このため、回折光のスポット136aの光量は、変位がない場合の回折光のスポット130の光量よりも少なくなる。従って、受光部33の受光量は少なくなる。そのため、信号SCは小さくなる。

0288

同様に、回折素子2の回折領域24に入射する光量も、図4(A)及び図4(B)に示す変位のない場合の光束100の場合より少なくなる。このため、回折光のスポット146aの光量は、変位がない場合の回折光のスポット140の光量よりも少なくなる。従って、受光部34全体の受光量は少なくなる。そのため、信号SDは小さくなる。

0289

以上より、平行光の光束100が上方向に変位した場合には、式(1)から垂直方向の変位信号Svは大きくなる。光束100が回折素子2の中心を透過する場合の変位信号Svがゼロの場合には、光束100が上方向に変位した場合(光束106a)の変位信号Svの値は正の値となる。

0290

ここで、光束106aの変位量が光束101aの変位量と同じ場合には、回折光のスポット116a,126a,136a,146aは、回折光のスポット111a,121a,131a,141aと同じ形状となる。このため、光束106aの信号SA,SB,SC,SDは、光束101aの信号SA,SB,SC,SDと等しくなる。従って、光束106aの変位信号Svは、光束101aの変位信号Svと同じ値となる。

0291

すなわち、式(1)に示す垂直方向の変位信号Svは、角度変化により回折光のスポット116aが光検出素子3上で上方向に変位することの影響を受けない。従って、垂直方向の変位信号Svは角度変化に依存せず算出できる。なお、回折光のスポット116a,126a,136a,146aがそれぞれ受光部31,32,33,34からはみ出さないことを前提としている。

0292

次に、図29(A)及び図29(B)に示すように、光束106cが上向きに傾いて回折素子2の中心に対して下側を透過する場合について説明する。

0293

この場合には、回折光のスポット116c,126cは、変位がない場合の回折光ビームの110,120に対して垂直方向で下方向に縮んだ形状となる。つまり、回折光のスポット116c,126cは、回折光のスポット110,120の上側の部分が下方向に縮んだ形状をしている。回折光のスポット116c,126cは、図6(A)に示す回折光のスポット111b,121bの全体が上方向に移動した形状をしている。

0294

一方、回折光のスポット136c,146cは、変位がない場合の回折光ビームの130,140に対して垂直方向で下方向に伸びた形状となる。つまり、回折光のスポット136c,146cは、回折光のスポット130,140の下側の部分が下方向に伸びた形状をしている。回折光のスポット136c,146cは、図6(A)に示す回折光のスポット131b,141bの全体が上方向に移動した形状をしている。

0295

回折光のスポット116c,126c,136c,146cは、図6(A)に示す光束101bの回折光のスポット111b,121b,131b,141bとそれぞれ同様の形状である。光束101bは、傾きがなく下方向に変位した場合の光束である。

0296

回折素子2の回折領域21に入射する光量は、図4(A)及び図4(B)に示す変位のない場合の光束100の場合より少なくなる。このため、回折光のスポット116cの光量は、変位がない場合の回折光のスポット110の光量よりも少なくなる。従って、受光部31全体の受光量は少なくなる。そのため、信号SAは小さくなる。

0297

同様に、回折素子2の回折領域22に入射する光量も、図4(A)及び図4(B)に示す変位のない場合の光束100の場合より少なくなる。このため、回折光のスポット126cの光量は、変位がない場合の回折光のスポット120の光量よりも少なくなる。従って、受光部32の受光量は少なくなる。そのため、信号SBは小さくなる。

0298

一方、回折素子2の回折領域23に入射する光量は、図4(A)及び図4(B)に示す変位のない場合の光束100の場合より多くなる。このため、回折光のスポット136cの光量は、変位がない場合の回折光のスポット130の光量よりも多くなる。従って、受光部33の受光量は多くなる。そのため、信号SCは大きくなる。

0299

同様に、回折素子2の回折領域24に入射する光量も、図4(A)及び図4(B)に示す変位のない場合の光束100の場合より多くなる。このため、回折光のスポット146cの光量は、変位がない場合の回折光のスポット140の光量よりも多くなる。従って、受光部34全体の受光量は多くなる。そのため、信号SDは大きくなる。

0300

以上より、平行光の光束100が下方向に変位した場合には、式(1)から垂直方向の変位信号Svは小さくなる。光束100が回折素子2の中心を透過する場合の変位信号Svがゼロの場合には、光束100が下方向に変位した場合(光束106c)の変位信号Svの値は負の値となる。

0301

ここで、光束106cの変位量が光束101bの変位量と同じ場合には、回折光のスポット116c,126c,136c,146cは、回折光のスポット111b,121b,131b,141bと同じ形状となる。このため、光束106cの信号SA,SB,SC,SDは、光束101bの信号SA,SB,SC,SDと等しくなる。従って、光束106cの変位信号Svは、光束101bの変位信号Svと同じ値となる。

0302

すなわち、式(1)に示す垂直方向の変位信号Svは、角度変化により回折光のスポット116cが光検出素子3上で上方向に変位することの影響を受けない。従って、垂直方向の変位信号Svは角度変化に依存せず算出できる。なお、回折光のスポット116b,126b,136b,146bがそれぞれ受光部31,32,33,34からはみ出さないことを前提としている。

0303

次に、図19(A)及び図19(B)に示すように、光束106bが回折素子2を下向きに傾いて回折素子2の中心に対して下側を透過した場合について説明する。

0304

次に、光束1が下向きに傾いた場合について説明する。

0305

上述の角度変化信号の生成と同様に、回折素子2の回折領域21に入射する光束1の回折光のスポット116bの位置は、図6(A)及び図6(B)に示す傾きがなく下方向に変位した場合の回折光のスポット111bの位置よりも下側に移動する。回折光のスポット116bの回折光のスポット111bに対する移動量は、式(6)で示されたように、平行光の光束116bが回折素子2に入射する際の入射角dtに依存する。

0306

このため、副受光部311,312に入射する回折光のスポット116bの光量は、角度変化がない(傾きがない)場合の回折光のスポット111bの光量よりも少なくなる。そのため、信号SA1,SA2は小さくなる。

0307

一方、副受光部313,314に入射する回折光のスポット116bの光量は、角度変化がない(傾きがない)場合の回折光のスポット111bの光量よりも多くなる。そのため、信号SA3,SA4は大きくなる。

0308

変位信号Svと異なり、角度信号Ssは光束1の変位の影響を受ける。

0309

そして、角度信号Ssは、下記に示す式(10)、式(10a)及び式(10b)で算出される。
Ss=(SA1a+SA2a)−(SA3’+SA4’) ・・・(10)
SA3’=SA3a+SA3b ・・・(10a)
SA4’=SA4a+SA4b ・・・(10b)

0310

式(10)、式(10a)及び式(10b)中、信号SA1a,SA2a,SA3a,SA4aは、平行光の光束106aの角度変化による信号SA1,SA2,SA3,SA4の変化分を示し、信号SA3b,SA4bは、光束106aの変位による信号SA3,SA4の変化分を示す。

0311

従って、垂直方向の角度変化の情報のみを示す角度信号Ss’を求める式は、下記式(11)となる。
Ss’=(SA1a+SA2a)−(SA3a+SA4a) ・・・(11)

0312

ここで、光束106aの垂直方向の変位信号Svを用い、信号SA3b及び信号SA4bは、それぞれ以下の式(12a)及び式(12b)で算出される。
SA3b=k3×Sv ・・・(12a)
SA4b=k4×Sv ・・・(12b)

0313

式(12a)及び式(12b)中、係数k3及び係数k4は変位信号に対する受光量の係数である。係数k3及び係数k4は、検出装置9の構成を設計することで定められる固定値である。

0314

上述のように、垂直方向の変位信号Svは、角度変化に依存せず別途算出される。

0315

このため、式(10)、式(10a)、式(10b)、式(11)、式(12a)及び式(12b)から、以下の式(13)が導かれる。角度信号Ss’は、垂直方向の角度情報のみを示す。
Ss’=Ss+(k3+k4)×Sv・・・(13)

0316

式(13)において、(k3+k4)は設計値である。このため、角度信号Ss’は、垂直方向の角度信号Ssと垂直方向の変位信号Svとによって導かれる。

0317

また、変位信号Svが既知の場合には、式(13)より、角度信号Ss’の変化量は、角度信号Ssの変化量に等しくなる。従って、変位信号Svが特定の値(または特定の範囲)となるように制御されている条件下で、光束100の傾きがないときの角度信号Svがゼロの場合には、光束100が上方向に傾いた場合(光束106b)の変位信号Svの値は正の値となる。

0318

次に、図30(A)及び図30(B)に示すように、光束106dが下向きに傾いて回折素子2の中心に対して上側を透過する場合について説明する。

0319

上述の角度変化信号の生成と同様に、スポット116dの位置は、図5(A)に示すスポット111aの位置よりも下側に移動する。スポット116dは、回折素子2の回折領域21に入射した光束1の回折光である。スポット111aは、傾きがなく上方向に変位した場合の回折光のスポットである。回折光のスポット116dの回折光のスポット111aに対する移動量は、式(6)で示されたように、平行光の光束116dが回折素子2に入射する際の入射角dtに依存する。

0320

このため、副受光部311,312に入射する回折光のスポット116dの光量は、傾きがない場合の回折光のスポット111aの光量よりも少なくなる。そのため、信号SA1,SA2は小さくなる。

0321

一方、副受光部313,314に入射する回折光のスポット116bの光量は、傾きがない場合の回折光のスポット111aの光量よりも多くなる。そのため、信号SA3,SA4は大きくなる。

0322

回折格子2を上向きに傾いて透過した光束106bの場合と同様に、式(13)から角度信号Ss’が得られる。角度信号Ss’は、垂直方向の角度情報である。

0323

また、変位信号Svが既知の場合には、式(13)より、角度信号Ss’の変化量は、角度信号Ssの変化量に等しくなる。従って、変位信号Svが特定の値(または特定の範囲)となるように制御されている条件下で、光束100の傾きがないときの角度信号Svがゼロの場合には、光束100が下方向に傾いた場合(光束106d)の変位信号Svの値は負の値となる。

0324

以上により、変位情報及び角度情報を同時に取得することができる。

0325

また、水平方向の角度信号Spは、下記に示す式(14)、式(14a)及び式(14b)で算出される。
Sp=(SA1a+SA3a)−(SA2’+SA4’) ・・(14)
SA2’=SA2a+SA2c ・・・・・・・・・・・・・(14a)
SA4’=SA4a+SA4c ・・・・・・・・・・・・・(14b)

0326

式(14)、式(14a)及び式(14b)中、信号SA1a,SA2a,SA3a,SA4aは、平行光の光束106aの角度変位による信号SA1,SA2,SA3,SA4の変化分を示す。また、信号SA2c,SA4cは、光束106aの変位による信号SA2,SA4の変化分を示す。

0327

従って、水平方向の角度変化の情報のみを示す角度信号Sp’を求める式は、下記式(15)となる。
Sp’=(SA1a+SA3a)−(SA2a+SA4a) ・・(15)

0328

ここで、光束106aの水平方向の変位信号Shを用いると、信号SA2c及び信号SA4cは、それぞれ以下の式(16a)及び式(16b)で算出される。
SA2c=k2×Sh ・・・(16a)
SA4c=k4’×Sh ・・・(16b)

0329

式(16a)及び式(16b)中、係数k2及び係数k4’は変位信号に対する受光量の係数である。係数k2及び係数k4’は、検出装置9の構成を設計することで定められる固定値である。

0330

上述のように、水平方向の変位信号Shは、角度変化に依存せず別途算出される。

0331

このため、式(14)、式(14a)、式(14b)、式(15)、式(16a)及び式(16b)から、以下の式(17)が導かれる。角度信号Sp’は、水平方向の角度情報のみを示す。
Sp’=Sp+(k2+k4’)×Sh ・・・(17)

0332

式(17)において、(k2+k4’)は設計値である。このため、角度信号Sp’は、水平方向の角度信号Spと水平方向の変位信号Shとによって導かれる。

0333

以上で説明した変位及び角度変化の検出方法、及び、その検出方法を用いた検出装置9によれば、光束1の回折素子2に対する変位の情報及び角度変化の情報を同時に取得することができる。

0334

また、CCDと異なり、例えば、4つの受光部31,32,33,34で受光して信号を処理するため、演算時間又は伝送時間が高速にできる。

0335

また、PSDと異なり、受光部31,32,33,34の大きさを小さくできるため、光を信号に変換するための処理時間を高速にできる。

0336

また、以上の説明では、受光部31で角度を検知した。しかし、これに限定されず、例えば、他の受光部32,33,34を副受光部に分割して、角度を検知しても同様の効果が得られる。

0337

以上の説明では、受光部34で平行度を検知した。しかし、これに限定されず、例えば、他の受光部31,32,33を副受光部に分割して、角度を検知しても同様の効果が得られる。

0338

上述の説明では、回折素子2は、回折の機能に加えて、集光の機能を有している。そのため、回折素子2は、非線形な回折格子パターンを有している。

0339

しかし、図20に示すように、集光レンズ5によって回折光を集光させても同様の効果が得られる。図20では、集光レンズ5は、回折素子2と光検出素子3との間に配置されている。そして、集光レンズ5は、+1次回折光10を集光している。

0340

検出装置91は、回折素子2から出射された回折光10を集光する集光素子5を備えている。回折光10は、集光素子5で集光されて光検出素子3に到達する。

0341

この場合には、図21に示されるように、回折素子2は、単純な直線の回折格子パターンを有する。図21では、回折領域21,24の回折格子パターンは、回折領域21の中心と回折領域24の中心とを結んだ線分に垂直である。また、回折領域22,23の回折格子パターンは、回折領域22の中心と回折領域23の中心とを結んだ線分に垂直である。そして、回折素子2の製造は、容易となる。

0342

図20は、検出装置91の構成を表わす構成図である。図21は、回折素子2を表わす模式図である。

0343

また、上述の説明では、回折素子2の回折領域21,22,23,24は、非線形な回折格子パターンを有している。そして、この非線形な回折格子パターンにより、回折素子2はレンズ効果を有している。しかし、回折領域22,23,24は、レンズ効果を有しなくても同様の効果が得られる。

0344

ただし、受光部31上での回折光のスポット12,13,14が、レンズ効果を有する場合に比べて大きくなり、測定範囲が狭くなる。このため、回折光を集光させるほうが望ましい。なお、回折領域21に対しても同様のことが言える。

0345

なお、集光機能を有する回折素子2と集光レンズ5とを併用することもできる。

0346

また、回折素子2は、回折格子を有している。しかし、この形態に限定されず、例えば、図22に示されるように、回折素子2は、四角錐形状プリズムであっても良い。ただし、同時に非回折光を生成できないため、変位及び角度変化を検出するための専用の光束を別途生成する必要がある。

0347

図22は、回折素子2の形態を示す斜視図である。図22に示す回折素子2は、四角錐形状をしている。四角錐は、四角形の底面と、4つの三角形の側面で構成されている。四角錐は、光束1の光軸の中心位置が四角錐の頂点を透過するように配置される。四角錐は、光束1の光軸の中心位置の付近が四角錐の頂点を透過するように配置される。その四角錐の4つの側面に入射した光束1は、それぞれの側面に対する入射角に従い、プリズム効果によって回折される。ただし、すべての光束1は回折されてしまい、非回折光を同時に生成できない。このため、光束1が回折素子2に入射する前に、光束1を2つに分割する手段が必要となる。例えば、ハーフミラーを用いることで実現される。

0348

図23は、検出装置92の構成を示す構成図である。

0349

図1又は図20では、例えば、回折素子2及び光検出素子3を、板状の筐体4から突出した別個の板状の部分で保持している。この場合には、回折素子2と光検出素子3との位置関係を、安定的に確保するのは難しい。

0350

一方、図23に示す筐体41は、箱形状をしている。そして、回折素子2及び光検出素子3は、筐体41の側面に固定されている。

0351

筐体41が剛性を有することで、回折素子2及び光検出素子3は、安定した位置関係を確保できる。

0352

また、筐体4,41は、ライダー装置又は光通信装置等に固定される。これによって、ライダー装置又は光通信装置等に対する、光束1の変位の情報及び角度変化の情報を取得することができる。

0353

また、筐体41の上面を開口としているが、光束1が通る開口部を設けておけば、6方向を完全にふさいでも良い。

0354

また、検出装置9,91,92の設置場所は、ライダー装置又は光通信装置等の筐体の内部とした。しかし、光束1を受光できる場所であれば、筐体の外部に設置しても良い。

0355

ただし、ライダー装置又は光通信装置等の筐体と、検出装置9,91,92の筐体4との相対的な変位又は角度変化に注意しなければならない。精度の高い光束1の変位又は角度変化を検出する場合には、検出装置9,91,92は、剛性を確保して、ライダー装置又は光通信装置等の筐体に取り付けられる必要がある。

0356

<ライダー装置>
図24は、ライダー装置7の構成を示す構成図である。

0357

ライダー装置7は、回折素子2a,2b、光検出素子3a,3b、光源71、集光レンズ72、光増幅素子73及びコリメータレンズ74を備えている。

0358

光源71から出射された光は、集光レンズ72に入射する。集光レンズ72に入射した光は、集光レンズ72によって集光される。集光レンズ72によって集光された光は、光増幅素子73に入射する。光増幅素子73に入射する集光光は、回折素子2aによって回折されなかった光である。

0359

集光レンズ72と光増幅素子73との間には、回折素子2aが配置されている。図24では、回折素子2aは、集光レンズ72の光軸に対して、傾斜して配置されている。回折素子2aによって回折された光は、集光レンズ72の光軸に対して逸れた方向に進行している。つまり、回折素子2aによって回折された光は、集光レンズ72の光軸から外れた方向に進行している。集光レンズ72の光軸から逸れた回折光は、光検出素子3aに到達している。集光レンズ72の光軸から外れた回折光は、光検出素子3aに到達している。

0360

光増幅素子73に入射した集光光の光強度は、光増幅素子73で増幅される。光増幅素子73で増幅され光は、コリメータレンズ74によって、平行化される。つまり、光増幅素子73で増幅され光は、コリメータレンズ74によって、平行光となる。

0361

コリメータレンズ74によって、平行化された光(平行光)は、回折格子2bに到達する。回折格子2bによって回折された光は、光検出素子3bに到達する。また、回折格子2bによって回折されなかった光は、ライダー装置7から外部に出射される。

0362

ライダー装置7から外部に出射された光は、例えば、空気中の塵等に当たって散乱する。ライダー装置7は、その散乱光を受光することで、空気中の塵等の形状又は大きさ等を判別することができる。

0363

ライダー装置7において、光増幅素子73に入射する光の位置と、ライダー装置7から出射する光の位置とが重要である。そのため、回折素子2a及び光検出素子3aによって、光増幅素子73に入射する光の位置を検出する。また、回折素子2b及び光検出素子3bによって、ライダー装置7から出射する光の位置を検出する。

0364

これらの検出結果に基づいて、例えば、集光レンズ72を光軸方向又は光軸に垂直な面上に動かして、光増幅素子73に入射する光の位置を調整する。また、例えば、コリメータレンズ74を光軸方向又は光軸に垂直な面上に動かして、ライダー装置7から出射する光の位置を調整する。

0365

<光通信装置>
図25は、光通信装置8の構成を示す構成図である。

0366

光通信装置8は、回折素子2、光検出素子3、光源81、コリメータレンズ82及びプリズム83を備えている。

0367

図25に示す光通信装置8は、例えば、3つの光源81a,81b,81cを備えている。また、図25に示す光通信装置8は、例えば、3つのコリメータレンズ82a,82b,82cを備えている。また、図25に示す光通信装置8のプリズム83は、3つの面83a,83b,83cを備えている。

0368

光源81aから出射された光線84aは、コリメータレンズ82aに到達する。コリメータレンズ82aに到達した光線84aは、コリメータレンズ82aによって平行化される。つまり、コリメータレンズ82aに到達した光線84aは、コリメータレンズ82aによって平行光となる。コリメータレンズ82aによって平行化された光線84a(平行光)は、プルズム83に入射して、面83aで反射される。

0369

光源81bから出射された光線84bは、コリメータレンズ82bに到達する。コリメータレンズ82bに到達した光線84bは、コリメータレンズ82bによって平行化される。つまり、コリメータレンズ82bに到達した光線84bは、コリメータレンズ82bによって平行光となる。コリメータレンズ82bによって平行化された光線84b(平行光)は、プルズム83に入射して、面83bで反射される。

0370

光源81cから出射された光線84cは、コリメータレンズ82cに到達する。コリメータレンズ82cに到達した光線84cは、コリメータレンズ82cによって平行化される。つまり、コリメータレンズ82cに到達した光線84cは、コリメータレンズ82cによって平行光となる。コリメータレンズ82cによって平行化された光線84c(平行光)は、プルズム83に入射して、面83cを透過する。

0371

面83aで反射された光線84aは、面83bを透過して、面83bで反射された光線84bと重畳される。面83aで反射された光線84aは、面83bを透過する。そして、面83bを透過した光線84aは、面83bで反射された光線84bと重ね合わされる。重畳された光線84a及び光線84bは、面83cで反射される。面83cを透過した光線84cは、面83cで反射された光線84a及び光線84bと重畳される。面83cを透過した光線84cは、面83cで反射された光線84a及び光線84bと重ね合わされる。

0372

重畳された光線84a,84b,84cは、回折格子2に到達する。回折格子2で回折された光は、光検出素子3に到達する。また、回折格子2で回折されなかった光は、光通信装置8から外部に出射される。

0373

光通信装置8において、光通信装置8から出射される光の位置が重要である。そのため、回折素子2及び光検出素子3によって、光通信装置8から出射される光の位置を検出する。

0374

これらの検出結果に基づいて、例えば、コリメータレンズ82a,82b,82cの各々を光軸方向又は光軸に垂直な面上に動かす。そして、光通信装置8から出射される光の位置を調整する。これらの調整は、各光源81a,81b,81cを個別に点灯させて行われる。

0375

光通信装置8は、光線84a,84b,84cに情報を含めることで、通信を行うことができる。

0376

回折素子2及び光検出素子3は、光通信装置8の外に配置することもできる。しかし、回折素子2及び光検出素子3を光通信装置8の内部に配置することで、光通信装置8の構成要素81,82,83の経年変化を検知して、その変化を修正することが容易となる。

0377

<変形例>
次に、実施の形態1に係る変形例について説明する。

0378

図26は、変形例として示す変位及び角度変化の検出装置93を概略的に示す図である。変位及び角度変化の検出装置93は、図1に示す検出装置9の光検出素子3及び信号処理回路6を除いた構成をしている。それ以外の検出装置93の構成は、検出装置9の構成と同じである。検出装置9と同じ構成要素は、回折素子2および筐体4である。

0379

変形例では、図1の光検出素子3及び信号処理回路6の代わりに追加された光検出集積回路35の構成に関して説明する。

0380

光検出集積回路35は、光検出素子3を備えている。光検出集積回路35の光検出素子3の構成は、例えば、図3と同様である。また、光検出集積回路35の光検出素子3は、図3で説明した機能と同様の機能を有する。また、光検出集積回路35の光検出素子3は、図1に示す検出装置9の光検出素子3と同じ位置に配置されている。

0381

つまり、回折素子2で光を回折する点、回折光を光検出集積回路35の光検出素子3で受光する点および光検出素子3が信号SA,SB,SC,SDを出力する点において、検出装置93は、検出装置9と同様である。

0382

そのため、以下においては、光検出集積回路35の光検出素子3の信号SA1,SA2,SA3,SA4,SB,SC,SDの処理について説明する。

0383

図27は、信号処理回路6の構成を示す信号処理ブロック図である。これは、図18および図19で説明した平行光の光束106a,106bの垂直方向の変位信号Sv及び角度変化信号Ss’を出力する信号処理を示したものである。図18および図19では、光束106a,106bが垂直方向の変位及び垂直方向の角度変化を有する場合について説明している。なお、水平方向の変位信号Sh及び角度変化信号Sp’も同様の回路構成で実現される。

0384

信号SA1と信号SA2とは、加算器A1で加算される。加算器A1は、信号SA12を出力する。信号SA3と信号SA4とは、加算器A2で加算される。加算器A2は、信号SA34を出力する。

0385

信号SA12と信号SA34とは、減算器A3で減算される。減算器A3は、信号Ssを出力する。

0386

信号SA1、信号SA2、信号SA3および信号SA4は、加算器A4で加算される。加算器A4は、信号SAを出力する。

0387

信号SBと信号SAとは、加算器A5で加算される。加算器A5は、信号SABを出力する。

0388

信号SCと信号SDとは、加算器A6で加算される。加算器A6は、信号SCDを出力する。

0389

信号SABと信号SCDとは、減算器A8で減算される。減算器A8は、信号Svを出力する。

0390

乗算器A9は、信号Svに(k3+k4)を乗ずる。乗算器A9は、信号Sv’を出力する。

0391

信号Ssと信号Sv’とは、加算器A7で加算される。加算器A7は、信号Ss’を出力する。

0392

図28は、図27で示された信号処理を、オペンプを用いた回路で記載した図である。

0393

変形例の検出装置93は、図28に示す回路を、光検出集積回路35の中に備えている。

0394

ここで、係数設定器351は、式(13)の係数(k3+k4)に相当する電圧又は電流を出力する。係数設定器351は、係数(k3+k4)に相当する電圧又は電流に従ったゲインで、垂直方向の変位信号Svを増幅又は減衰させる。

0395

また、係数設定器351は、抵抗値を調整することによって、係数を設定してもよい。これによると、係数設定器351は、一般的な増幅回路で構成できる。そして、係数設定器351は、簡易な回路となる。

0396

また、係数設定器351は、光検出集積回路35の外部に構成されてもよい。これによると、生産した装置毎に、係数(k3+k4)の個体差を持った場合でも、それぞれの係数設定器351で係数(k3+k4)を調整することが容易となる。

0397

以上において、主に、一例として、光検出素子3の出力する信号の差に基づいて、変位信号Svなどを求めている。しかし、光検出素子3の出力する信号の比に基づいて、変位信号Svなどを求めることもできる。

0398

例えば、式(1)に代えて、次式(18a)を用いることができる。
Sv=(SA+SB)/(SC+SD) ・・・(18a)

0399

また、例えば、式(1)に代えて、次式(18b)を用いることができる。
Sv=(SA×SB)/(SC×SD) ・・・(18b)

0400

これらのように、変位信号Svなどを求める式は、種々考えられる。

0401

また、以上の説明では、ライダー装置又は光通信装置等へ組み込む形態に関して説明したが、これに限定されない。独立した装置として、光束の変位及び角度変化を検出する検出装置としても同様の効果が得られる。

0402

なお、以上のように本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこれらの実施の形態に限るものではない。

0403

以上の各実施の形態を基にして、以下の内容を付記(1)及び付記(2)として記載する。付記(1)と付記(2)とは、各々独立して符号を付している。そのため、例えば、付記(1)と付記(2)との両方に、「付記1」が存在する。

0404

<付記(1)>
<付記1>
入射した光束を回折する回折素子と、
前記回折光を受光する受光部を含む光検出素子と
を備え、
前記回折素子は、前記光束を分割して回折光を複数生成し、
前記光検出素子は、複数の前記回折光の光量を基に前記回折素子に対する前記光束の変位を判別し、1つの前記回折光の光量を分割して前記回折素子に対する前記光束の角度変化を判別する光検出装置。

0405

<付記2>
前記光検出素子は、前記複数の回折光に対応した複数の前記受光部を含む付記1に記載の光検出装置。

0406

<付記3>
各々の前記受光部の受光量を基に、前記回折素子に対する前記光束の変位の方向を判別する付記2に記載の光検出装置。

0407

<付記4>
各々の前記受光部の受光量を基に、前記回折素子に対する前記光束の変位量を判別する付記2または3に記載の光検出装置。

0408

<付記5>
少なくとも1つの前記受光部は、当該受光部を分割した複数の第1の副受光部を含む付記2から4のいずれか1つに記載の光検出装置。

0409

<付記6>
各々の前記第1の副受光部の受光量を基に前記回折素子に対する前記光束の角度変化の方向を判別する付記5に記載の光検出装置。

0410

<付記7>
各々の前記受光部の受光量を基に判別された前記回折素子に対する前記光束の変位量が特定の値または特定の範囲となるように制御された状態で、前記角度変化の方向を判別する付記6に記載の光検出装置。

0411

<付記8>
各々の前記第1の副受光部の受光量を基に前記回折素子に対する前記光束の角度変化量を判別する付記5から7のいずれか1つに記載の光検出装置。

0412

<付記9>
前記各々の第1の副受光部の受光量と、各々の前記受光部の受光量を基に判別された前記回折素子に対する前記光束の変位量とから推定される各々の前記第1の副受光部の受光量の変化量を基に、前記角度変化量を判別する付記8に記載の光検出装置。

0413

<付記10>
複数の前記第1の副受光部は、前記光束が前記回折素子に対して傾いた際に、前記第1の副受光部を含む受光部上を前記回折光が変位する方向に配置され、
前記回折光が変位した方向に配置された前記第1の副受光部の受光量は増加し、
前記回折光が変位した方向と反対の方向に配置された前記第1の副受光部の受光量は減少する付記5から9のいずれか1つに記載の光検出装置。

0414

<付記11>
光量が増加した前記回折光の光量と、光量が減少した前記回折光の光量とを比較することで、前記光束の角度変化量または角度変化の方向を判別する付記10に記載の光検出装置。

0415

<付記12>
前記回折素子は、複数の回折領域を含み、
前記複数の回折領域によって、前記光束を分割する付記1から11のいずれか1つに記載の光検出装置。

0416

<付記13>
前記回折領域は、回折格子またはプリズムである付記12に記載の光検出装置。

0417

<付記14>
前記複数の回折領域は、前記光束が変位する方向に配置され、
前記光束が変位した方向に配置された前記回折領域の前記回折光の光量は増加し、
前記光束が変位した方向と反対の方向に配置された前記回折領域の前記回折光の光量は減少する付記12または13に記載の光検出装置。

0418

<付記15>
光量が増加した前記回折光の光量と、光量が減少した前記回折光の光量とを比較することで、前記光束の変位量または変位方向を判別する付記14に記載の光検出装置。

0419

<付記16>
前記回折素子は、前記複数の回折領域のうち少なくとも1つの回折領域で前記回折光を集光する付記12から15のいずれか1つに記載の光検出装置。

0420

<付記17>
前記回折素子は、少なくとも前記回折光の一部を集光する付記1から16のいずれか1つに記載の光検出装置。

0421

<付記18>
前記回折素子から出射された前記回折光を集光する集光素子を備え、
前記回折光は、前記集光素子で集光されて前記光検出素子に到達する付記1から17のいずれか1つに記載の光検出装置。

0422

<付記19>
集光された前記回折光の非点収差の形状を基に前記光束が発散光であるか、収束光であるかを判別する付記16から18のいずれか1つに記載の光検出装置。

0423

<付記20>
集光された前記回折光の前記受光部上のスポット径の大きさを基に前記光束が発散光であるか、収束光であるかを判別する付記16から18のいずれか1つに記載の光検出装置。

0424

<付記21>
光検出素子は、集光された前記回折光を受光する前記受光部を分割した複数の第2の副受光部を含む付記16から20のいずれか1つに記載の光検出装置。

0425

<付記22>
各々の前記第2の副受光部の受光量を基に前記光束が発散光であるか、収束光であるかを判別する付記21に記載の光検出装置。

0426

<付記23>
付記1から22のいずれか1つに記載の光検出装置を備えたライダー装置。

0427

<付記24>
付記1から22のいずれか1つに記載の光検出装置を備えた光通信装置。

0428

<付記(2)>
<付記1>
複数の回折領域を含み、前記複数の回折領域に入射した1つの光束を透過により回折して複数の回折光を生成する回折素子と、
前記複数の回折光に対応した複数の受光部を含み、各々の前記受光部に入射した前記回折光の受光量に応じた信号を生成する光検出素子と
を備え、
前記複数の回折領域は、前記光束が変位する方向に並べて配置され、前記光束の変位により、各々の前記回折領域に入射する前記光束の光量が変化することで、各々の前記回折光の光量が変化し、
少なくとも1つの前記受光部は、当該受光部を分割した複数の第1の副受光部を含み、
前記複数の第1の副受光部は、前記光束の前記回折素子に対して傾いた際に、前記第1の副受光部を含む受光部上を前記回折光が変位する方向に並べて配置され、前記光束が前記回折素子に入射する角度変化により、各々の前記第1の副受光部の受光量が変化する光検出装置。

0429

<付記2>
前記光束が変位した方向に配置された前記回折領域の前記回折光の光量が増加して、前記光束が変位した方向と反対の方向に配置された前記回折領域の前記回折光の光量が減少し、
前記光束が前記回折素子に対して傾いた際に、前記第1の副受光部を含む受光部上を前記回折光が変位する方向に配置された前記第1の副受光部の受光量が増加して、前記第1の副受光部を含む受光部上を前記回折光が変位する方向と反対の方向に配置された前記第1の副受光部の受光量が減少する付記1に記載の光検出装置。

0430

<付記3>
前記回折領域は、前記回折光を集光する付記1又は2に記載の光検出装置。

0431

<付記4>
前記回折領域は、回折格子であり、または、プリズムである付記1から3のいずれか1つに記載の光検出装置。

0432

<付記5>
前記回折素子から出射した前記回折光を集光する集光素子を備え、
前記回折光は、前記集光素子で集光されて前記光検出素子に到達する付記1から4のいずれか1つに記載の光検出装置。

0433

<付記6>
少なくとも1つの前記受光部は、当該受光部を分割した複数の第2の副受光部を含み、
前記複数の第2の副受光部に非点収差を与えられた前記回折光を入射し、
非点収差により前記回折光の伸びた方向を、前記第2の副受光部で検知することで、前記光束が発散光であるか、収束光であるかを判別する付記1から5のいずれか1つに記載の光検出装置。

0434

1,100,101a,101b,102a,102b,103a,103b,104a,104b,105a,105b,106a 光束、 10 +1次回折光、 11,110,111a,111b,112a,112b,113a,113b,114a,114b,115a,115b,116a,116b回折光のスポット、 12,120,121a,121b,122a,122b,123a,123b,124a,124b,125a,125b,126a,126b 回折光のスポット、 13,130,131a,131b,132a,132b,133a,133b,134a,134b,135a,135b,136a,136b 回折光のスポット、 14,140,141a,141b,142a,142b,143a,143b,144a,144b,145a,145b,146a,146b 回折光のスポット、 151,152,153 回折光の光束、 2回折素子、 21,22,23,24回折領域、 3光検出素子、 31,32,33,34受光部、 311,312,313,314,341,342,343,344 副受光部、 35光検出集積回路、 351係数設定器、 4筐体、 5集光レンズ、 6信号処理回路、 9,91,92検出装置、 A1,A2,A4,A5,A6,A7加算器、 A3,A8減算器、 A9乗算器、 SA,SB,SC,SD,SA1,SA2,SA3,SA4,SA12,Sa34,SAB,SCD 信号、 SD1,SD2,SD3,SD4 信号、Sv,Sv’変位信号、 Ss,Ss’,Sh,Sh’角度信号、 Sc平行度信号、 f0焦点距離、 f1 距離、 d0,d1入射高、 dt0,dt1 高さ、 dt 角度、 C 中心位置、 Ca光軸。

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  • 日本電気株式会社の「 センサ装置」が 公開されました。( 2019/08/15)

    【課題】設置場所の自由度が向上されたセンサ装置を提供する。【解決手段】光を射出するとともに、対象物から反射された光を受けるセンサユニットであって、射出される光の方向を第1の回転軸を中心に回転させる走査... 詳細

  • 日本電気株式会社の「 センサ装置」が 公開されました。( 2019/08/15)

    【課題】検出精度が向上されたセンサ装置を提供することができる。【解決手段】光を射出するとともに、対象物から反射された光を受けるセンサユニットであって、射出される光の方向を所定の回転軸を中心に回転させる... 詳細

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