相位光栅及其制造方法、光学编码器、使用光学编码器的电动机及使用该电动机的机械手

摘要

一种其凹部基本上为矩形形状的相位光栅,光栅深度比通过等式:丨n－no丨×(p－d′/e)/p×d′=(λ/2)×(1+2m),(其中,m=0,±1,±2,…)计算得到的深度d′为更深一个规定范围内的值,所述深度d′取决于因相位光栅的衍射产生部分干涉的光的波长λ、相位光栅的间距长度p、相位光栅之基料的折射率n、相位光栅周围介质的折射率no、以及作为光栅深度与光栅凹部斜面宽度之比的形态比e。

说明书

本发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栅，该相位光栅的制造方法和光学编码器，并进一步涉及使用该光学编码器的电动机和使用该电动机的机械手，尤其涉及通过对衍射板产生干涉的入射自然辐射光束观察衍射板的移动状态，诸如旋转状态的光学编码器，其中的衍射板具有一相位光栅安装在一个移动物体，例如旋转物体上，使衍射光通过衍射板相互产生干涉，并测量干涉光的强度。

迄今为止，相位光栅主要用于相干光。例如，在光通信中，在将一个光信号划分为两部分或将两个光信号组合为一个光信号时，可以采用高的±一次衍射效率的光栅。在此情况下，需要较高效率的划分和组合，最好，±一次衍射效率尽可能的高，因此，0次衍射效率应当尽可能的小。

有关相干光，对相位光栅的衍射效率已经作了分析讨论，在相干光方面关于控制衍射效率的相位光栅的形状和其它条件也已明了。

例如，具有理想矩形波形部分的光栅深度d由于主要仅仅通过±一次衍射光而抑制0次衍射效率，足以使2/1波长λ的奇数倍的光的光路长度差为光栅凹部与凸部之级差。由此，以光源的中心波长λ、组成相位光栅之材料的折射率n以及相位光栅周围介质的折射率n₀来表示，要求满足以下条件。

|n-n₀|×d＝(λ/2)×(1+2m)                     (1)

(其中，m＝0，±1，±2，…)

换句话说，通过衍射光相位的“重心”可以近似计算使0次衍射光强减至最小的光栅深度的条件。如图12(a)所示，在具有理想矩形波形的相位光栅中，相位的重心G和G′出现在矩形波形表面，当超前相位之光栅的重心G与延迟相位之光栅的重心G′之间的相位差为光源的2/1中心波长λ的奇数倍时，0次衍射光的强度为最小。

然而，如果通过诸如蚀刻之类的传统工艺制造时，相位光栅的截面形状不是一种理想的矩形波形，而形态比e具有一个如图8所示的限定值。

此外，如果同样通过诸如蚀刻之类的传统工艺来制造，其边缘的曲率与可见范围内光的波长相比，小至可以忽略。

因此，相位光栅的形态参数包括三个要素，即，光栅深度、形态比以及占空度。在相位光栅制造过程中，通常，光栅深度是这些参数中最容易控制的一种参数。因此，一般是控制光栅深度将0次衍射效率减至最小。

这样，0次衍射效率由光栅深度控制，但其余两个参数之中的形态比则与光栅深度有关。如上所述，通过衍射光相位的“重心”可以计算使0次衍射光强减至最小的光栅深度的条件，在具有近似矩形波形的相位光栅中，其形态比为如图12(b)所示的限定值，相位的重心取决于光栅的内部，而不是其表面。

为了将0次衍射光强减至最小，超前该相位之光栅的重心G的高度与延迟该相位之光栅的重心G′的高度之和应当为光源2/1中心波长λ的奇数倍，由此，用以使0次衍射光强减至最小、具有近似矩形波形的相位光栅的光栅深度d′将满足

|n-n₀|×(p-d′/e)/p×d′

＝(λ/2)×(1+2m)                                (2)其中，m＝0，±1，±2，…，p为相位光栅一个间距的长度。

因此，在图12(b)所示的相位光栅中，使0次衍射效率减至最小的光栅深度必须比具有理想矩形波形的相位光栅更深，而且，在形态比数值更小的相位光栅中，光栅深度必须更深。

此种关系示于图9。图9表示在空气中具有一个24μm间距长度的石英相位光栅中，在一个恒定的占空度(f＝0.5)下，当形态比e改变时，光栅深度与0次衍射效率之间的关系。假定m＝0，水平轴表示与公式1中计算的光栅深度d的偏差，垂直轴表示0次衍射效率与一次衍射效率的比例。

在具有一个无穷大形态比，即具有一个理想矩形波形截面的相位光栅中，0次衍射效率在公式1计算的光栅深度d时为最小，当形态比具有一个限定值并当该值较小时，可见使0次衍射效率减至最小的光栅深度变得更深。

通过传统工艺诸如蚀刻制造的相位光栅的截面形状同理想的矩形波形有偏差，因此，假定m＝0，使0次衍射效率减至最小的光栅深度是一个比之公式1计算的值为更大的值。

假定该值为d′，则d′由公式2计算。顺便说，如果占空度改变，则图12中，由于重心G的高度改变以及重心G′的高度改变相互抵消，因此，它对于使0次衍射效率减至最小的光栅深度并无影响。

这一点从公式2明显可见。其关系如图10所示。它表示当相位光栅的形态比为恒定(e＝1.2)时，光栅深度与0次衍射效率之间的关系。其水平轴和垂直轴的表示与图9所示相同。可见，占空度对使0次衍射效率减至最小的深度并无影响。

由此可见，在具有近似矩形波形的相位光栅中，使0次衍射效率减至最小的深度d′依据光源的中心波长、相位光栅的间距长度p、组成相位光栅之材料的折射率n、相位光栅周围介质的折射率n₀，以及相位光栅的形态比e来计算。在具有优良干涉的感应辐射光的光源，诸如激光的情况下，可见通过将相位光栅的光栅深度限定在所计算的值，可以将0次衍射效率抑制到最小。

现在阐明用以控制相干光中衍射效率的相位光栅的形状和其它条件。

尽管如此，如果将相干光用作光源，则必须将半导体激光器或发射感应辐射光的类似器件用作光源，但与发射自然辐射光的光源诸如LED(发光二极管)相比，发射感应辐射光的光源诸如半导体激光器其可靠性诸如寿命太低劣，因此从光源的高可靠性的观点来看，最好采用发射自然辐射光的光源诸如LED。然而，即使在发射非相干光的光源中，也采用在相干光中用以控制衍射效率的相位光栅的形态条件。

如上所述，建议和采用蚀刻和其它各种方法作为相位光栅的制造方法。然而，这些都是在相干光中控制衍射效率的相位光栅的制造方法，有关在相干光以外的其它光中控制衍射效率的的相位光栅制造方法则很少讨论到。

同时，当设置在机械装置中时，将广泛采用一种光学编码器。该光学编码器经设计通过一个转盘中形成的狭缝，以及设置在转盘特定间隙上的固定掩模，来测量线性长度或旋转角度，并通过一个光电检测器将经由两种狭缝的光转换为电信号并输出之。在此种光学编码器中，可以通过弄窄狭缝的间距来提高检测的精度。

然而，在此种光学编码器中，如果设置在转盘上的狭缝和固定掩模太窄，则光电检测器之输出信号的信-噪比(S/N)将因衍射光的影响而降低，检测的精度也下降。

如果狭缝间隙扩大到这样的程度，即光电检测器的输出信号可以不受衍射光的影响，则转盘的直径必须增大，整个装置的尺寸变大，由此使驱动旋转件和驱动该转盘的负载也增大。

另一方面，作为光学编码器，已知有一种利用经由相位光栅的衍射光的干涉条纹检测型的编码器。这种干涉条纹检测型的编码器设计通过光电检测器，将经由固定衍射板和可移动衍射板的光的衍射和干涉所产生的干涉条纹转换为电信号并输出，其中，固定衍射板和可移动衍射板几乎垂直于光轴设置。

然而，在此种干涉条纹检测型的编码器中，由于从可移动衍射板和固定衍射板发射出具有多阶次的衍射光，故测量所必需的具有特定阶次之衍射光的强度被降低，从而使检测灵敏度下降。

建议用如图7所示的本发明的光学编码器，通过利用可移动衍射板和固定衍射板(其中的相位光栅主要通过仅为±一次的衍射光)干涉该±一次的衍射光，实现光的高利用效率。

即，其构造包括发射相干光的光源31；一固定衍射板33B和一可移动衍射板34B，它们相互并行设置且几乎垂直于由光源31发射的光的光轴，并具有主要通过仅为±一次衍射光的相位光栅；用以接收经由固定衍射板33B和可移动衍射板34B之光的光电检测器36；以及透镜35，用以将经由固定衍射板33B和可移动衍射板34B之±一次的衍射光聚焦在光电检测器36的光检测部37。

由光源31发射的光通过准直透镜32转换为平行光，并以几乎垂直于固定衍射板33B的方向投射到固定衍射板33B。进入固定衍射板33B的光由固定衍射板33B衍射，并作为0次衍射光40、+一次衍射光41、-一次衍射光42，…发射。

这些衍射光40、41、42被投射到可移动衍射板34B，并进一步作为衍射光发射。从可移动衍射板34B出射的衍射光表示为(n，m)(其中，n为固定衍射板33B的衍射阶次，m为可动衍射板34B的衍射阶次)，经由可移动衍射板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，…。

当可移动衍射板34B沿与光轴垂直的方向(图7中的垂直方向)，按规定的速度移动时，相对0次衍射光的相位，0次以上的高次衍射光的相位将随着其移动而改变，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强按正弦波形改变。

同样，衍射光51(+1，-1)与衍射光50(0，0)之干涉光或衍射光52(-1，+1)与衍射光50(0，0)之干涉光的光强也随着可移动衍射板34B的移动而周期性地改变。

衍射光50(0，0)与衍射光51(+1，-1)或衍射光52(-1，+1)产生干涉，由此获得正弦波之基波输出(图6(B))，其中，当固定衍射板33B和可移动衍射板34B之几乎为矩形波形的顶部和底部匹配时，光强达到最大值，当几乎为矩形波形的顶部和底部相互偏差半个周期p/2时，光强为最小。

另一方面，衍射光51(+1，-1)与衍射光52(-1，+1)相互干涉，将获得由具有二倍频率于基波的正弦波所组成的一种二倍频率波输出(图6(B))。图7中，标号53表示衍射光(0，+1)，标号54表示衍射光(+1，+1)。

光电检测器36的光电转换信号输出所获得的如图6(A)所强调示出的一种失真波形。这种失真波形可以划分为基波成分和二倍频率成分，如图6(B)所示。

因此，当光通过相位光栅时，由于0次衍射光与±一次衍射光的干涉，0次衍射光的比率越大，光电检测器36之输出信号所产生的失真也越大。因而，为了抑制光电检测器36之输出信号的失真，必须尽可能降低0次衍射光的强度。

然而，有关控制相位光栅之衍射效率的相位光栅的形状和条件方面的论述仅仅涉及相干光。当将相干光用作光源时，则必须将发射感应辐射光半导体激光器或类似的器件用作光源。同发射自然辐射光的光源诸如LED相比，发射感应辐射光的光源诸如半导体激光器在例如寿命之类的可靠性方面非常低劣，故作为高可靠性的光源，最好采用发射自然辐射光的光源例如LED，但即使在采用不同于相干光的其它光源的情况下，也要利用在相干光中控制衍射效率的相位光栅的形态条件。

本发明人揭示了这些条件并不总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栅中，在用以使相干光的0次衍射效率减至最小的相位光栅的形态条件下，在采用自然辐射光的光源中，0次衍射效率并不为最小。

作为相位光栅的制造方法，已经建议和实现了各种方法，但通常适用于控制相干光之衍射效率的相位光栅的制造方法的控制相干光以外其它光的相位光栅的制造方法仍未建立。

再者，上述光学编码器采用相干光作为光源，因此必须将发射感应辐射光的半导体激光器或类似器件用作光源，但同发射自然辐射光的光源例如LED相比，发射感应辐射光的光源诸如半导体激光器在诸如寿命等一类的可靠性方面非常低劣。因此，将具有部分干涉的自然辐射光诸如LED光用作光学编码器的光源，如图7所示。

然而，本发明人揭示了，当将自然辐射光用作光源时，在上述形态条件下具有近似矩形波形的相位光栅，其与±一次衍射光产生干涉引起光电检测器输出信号失真的0次衍射效率并非为最小。

因此，针对上述问题，本发明的目的在于，首先提供一种相位光栅，当采用发射自然辐射光的光源诸如LED时，该相位光栅能抑制0次衍射效率；其次，提供一种相位光栅的制造方法，当采用发射自然辐射光的光源诸如LED时，该相位光栅能抑制0次衍射效率；第

三，提供一种具有高可靠性的光学编码器，通过采用发射自然辐射光的光源例如LED和具有相位光栅的衍射板，能抑制检测信号的失真。

为了解决上述问题，本发明如权利要求1所述的相位光栅具有实际为矩形形状的凹部，其中的光栅深度较按公式：|n-n₀|×(p-d′/e)/p×d′＝(λ/2)×(1+2m)，(其中，m＝0，±1，±2，…)计算得出的深度d′低一个规定的范围内的值，上述深度d′是依据由相位光栅衍射、具有部分干涉的中心波长λ，相位光栅的间距长度p，组成相位光栅之基料的折射率n，相位光栅周围介质的折射率n₀，以及作为光栅深度与凹部斜面宽度之比的形态比e而计算得出的。

本发明如权利要求3所述的相位光栅的制造方法包括：

在形成相位光栅的基料上施加并形成一薄膜的步骤，

通过在该薄膜上形成图形制作一掩模的步骤，以及

经由该掩模在基料中蚀刻光栅的步骤，其中的光栅深度较按公式：|n-n₀|×(p-d′/e/p×d′＝(λ/2)×(1+2m)，(其中，m＝0，±1，±2，…)计算得出的深度d′低一个规定的范围内的值，上述深度d′是依据由相位光栅衍射、具有部分干涉的中心波长λ，相位光栅的间距长度p，组成相位光栅之基料的折射率n，相位光栅周围介质的折射率n₀，以及作为光栅深度与凹部斜面宽度之比的形态比e而计算得出的。

本发明如权利要求10所述的光学编码器包括：

发射具有部分干涉的光的光源，

分别具有如权利要求1所述相位光栅的固定衍射板和移动衍射板，它们基本上设置成与光源出射光的光轴相垂直，以及

光电检测器，用以接收经由固定衍射板和移动衍射板、除0次外的规定阶次的衍射光。

根据权利要求1的构造，当采用发射自然辐射光的光源诸如LED时，可以获得能将0次衍射效率减至最小的相位光栅。

其作用未能得到完整地阐明，以下将讨论目前由本发明所考虑的作用。这种现象在于根据究竟是采用自然辐射光还是采用感应辐射光作为光源，在将0次衍射效率减至最小的光栅深度方面存在着差别。自然辐射光与感应辐射光之间的大差别在于干涉程度。后者具有完全的干涉，而前者具有部分干涉。这种干涉方面的差别似乎被表示为用以将0次衍射效率减至最小的光栅深度方面的差别。

根据权利要求3的构造，为了使0次衍射效率减至最小，该光栅深度可以设置成比使用常规公式所计算的光栅深度为更大的数值，该数值是根据光的波长、相位光栅的间距长度、组成相位光栅之基料的折射率、相位光栅周围介质的折射率以及作为光栅深度与凹部和凸部之界线的斜面宽度之比的形态比而计算得出的。该凹部和凸部总是在通过诸如蚀刻之类的传统工艺进行制作时而成型的，因此，当将自然辐射光用作光源时，可以获得用以将0次衍射效率减至最小的相位光栅。

根据权利要求10的构造，采用发射自然辐射光的光源诸如具有高可靠性的LED，通过利用具有近似矩形波形的相位光栅，为了使0次衍射效率减至最小，该光栅的深度可以设置成比使用常规公式所计算的光栅深度为更大，该等式根据光的波长、相位光栅的间距长度、组成相位光栅之基料的折射率、相位光栅周围介质的折射率以及作为光栅深度与凹部和凸部之界线的斜面宽度之比的形态比计算得出光栅深度，其中的凹部和凸部总是在通过诸如蚀刻之类的传统工艺进行制作时而成型的，由此可以减小光电检测器之输出信号中，因与±一次衍射光的干涉而引起失真的0次衍射光的强度，故可以获得能抑制检测信号失真的具有高可靠性的光学编码器。

图1是根据本发明一个实施例的相位光栅的截面图；

图2是表示对同一实施例中感应辐射光的0次衍射效率的测量结果的示意图；

图3是表示对同一实施例中自然辐射光的0次衍射效率的测量结果的示意图；

图4是采用同一实施例中的相位光栅的光学编码器的结构示意图；

图5是图4所示光学编码器的基本部件的结构示意图；

图6是图4所示光学编码器的输出信号波形图；

图7是一个传统光学编码器的结构示意图；

图8是普通相位光栅的截面图；

图9是表示以形态比为参变量的相位光栅的衍射效率和光栅深度之间的关系的示意图；

图10是表示以占空度为参变量的相位光栅的衍射效率和光栅深度之间的关系的示意图；

图11是相位光栅制造方法的光刻工艺图；

图12是光栅形状与重心的关系图；

图13是表示采用本发明之光学编码器的一个电动机的立体图；

图14是表示由采用本发明光学编码器的电动机所驱动的一个机械手的立体图；

图15是解释本发明实施例中相位光栅之光栅深度范围的示意图。

图中的标号表示如下：1，31：发射自然辐射光的光源2，32：准直透镜3A，33B：固定光栅板4A，34B：移动光栅板5，35：聚光透镜6，36：光电检测器7，37：光检测部件8，38：频率鉴别滤波器60：基片61：光刻胶62：光掩模d，d″光栅深度p：一个间距的长度t：在一个间距内形成凸部的长度k：狭缝部分的长度e：形态比(a/d)f：占空度(c/b)

接下来参见附图详细描述本发明的一个实施例。

如上所述，根据光源的中心波长，组成相位光栅之材料的折射率n，相位光栅周围介质的折射率n₀，相位光栅的间距p，以及相位光栅的形态比e计算得出使0次衍射效率减至最小的光栅深度。使计算值维持为d′，d′取决于公式2，并且根据图9所示的e变化。

图1表示根据本发明的实施例，由SiO₂制成的相位光栅的截面形状。图1中，光栅深度d″为

d″＝d′×(1+△d′)                         (3)

此值较之使衍射效率减至最小的计算得出的光栅深度d′大一个比值△d′。

制造间距长度为24μm并具有各种光栅深度d″值(约为650至800nm)的相位光栅时，利用多种类型的光源测量衍射效率。

图11表示具有近似矩形波形之相位光栅的制造方法的一个实施例，它与已知的称为光刻的工艺有关。

首先，将光刻胶61均匀地施加在基片60的表面上，这是一种制成相位光栅形状的基料，光刻胶61经由光掩模62曝光，后者是一个单独制成的片。使光刻胶61的经感光部分溶解于显影溶液(或反过来，在其它情况下，该经感光部分也可以不溶解于显影溶液)，该经感光部分通过显影溶液除去，从而形成光刻胶的图形63。

此后，采用一种普通的干法蚀刻装置(未图示)，主要通过化学方法用蚀刻气体64除去未有光刻胶的部分。

由于光栅深度取决于蚀刻速率和蚀刻时间的乘积，故可以根据控制蚀刻速率的方法以及控制蚀刻时间的方法，通过改变蚀刻气体的类型，或改变所提供的诸如发热量和交流电流之类能量的幅度，加速或抑制蚀刻气体与基片之间的反应，以选择控制光栅深度的方法。在这里制造的相位光栅中，光栅深度通过蚀刻时间所控制。接下来通过除去留下的光刻胶，制成相位光栅的形状。

同时，作为蚀刻过程，可以采用湿法蚀刻装置连同蚀刻溶液取代干法蚀刻。

相位光栅的光栅深度利用探头型深度计测得。深度的测量误差约为5nm。

相位光栅的形态比通过扫描电子显微镜(SEM)和光学显微镜测量。已知相位光栅的形态比难以通过蚀刻时间来改变，它几乎取决于蚀刻气体的类型。

将CHF₃气体用于本制造中，在具有任何光栅深度的相位光栅中，其形态比约为1.1至1.5，用角度表示约为48至56度。

因此，从图9得出的形态比为1.2的曲线(在形态比为1.1和1.5的相位光栅中，用以使0次衍射效率减至最小的△d值与形态比为1.2的情况相比仅有约为0.1％的差别，它可以忽略不计，因此，它用形态比为1.2的曲线表示)来看，假定m＝0，用以使0次衍射效率减至最小的光栅深度d′比之等式1中得出的数值d约大2％。

即满足此关系

d′＝d×(1+△d)

   ＝d×(1+0.02)

   ＝(λ/2)/|n-n₀|×(1.02)                     (4)

采用He-Ne激光或感应辐射光作为光源，测量制成的相位光栅的衍射效率。

其结果示于图2。垂直轴表示0次衍射效率与一次衍射效率的比，水平轴表示假定m＝0时，其光栅深度与公式1获得的数值之间的偏差率△d。顺便说一句，He-Ne激光的波长λ为633nm，在此波长时的相位光栅材料的折射率为1.457。

从图2的结果来看，可见在相位光栅的△d约为2％时，0次衍射效率为最小，即，光栅深度为d″的相位光栅在公式4中为d′。

这样，在用感应辐射光作为光源的情况下，当光栅深度设置成一个计算得出的数值时，可以将0次衍射效率减至最小。其中，该数值是根据光源的中心波长λ、制成相位光栅之材料的折射率n、相位光栅周围介质的折射率n₀以及相位光栅的形态比e计算得出的。

接下来，图3记录了用LED光或自然辐射光作为光源时，所制造的相位光栅的衍射效率的测量结果。垂直轴表示0次衍射效率与一次衍射效率之比，水平轴表示假定m＝0时，其光栅深度与公式1获得的数值d之间的偏差率△d。采用三种类型的LED，其中心波长λ分别为568，614和660nm，波长分布为一种高斯分布，具有约为20nm的半值宽度。

相当于每个中心波长，相位光栅材料的折射率n分别为1.459，1.457，和1.456，图3中，空白圆圈标记表示采用中心波长为568nm的LED光时的衍射效率，双圆圈表示采用中心波长为614nm的LED光，实心圆圈表示采用中心波长为660nm的LED光。

从图3所示结果可见，当相位光栅的△d约为5％至7％时，0次衍射效率减至最小，即，相位光栅的光栅深度d″比d′大3％至5％。

同时，关于所述大的程度，如图15所示，深度d比利用等式(2)得到的光栅深度d′要大0至6％，由此可以使0次衍射效率减小。

这样，当采用自然辐射光作为光源时，通过限定光栅深度比计算得出的数值大3％至5％，可以使0次衍射效率减至最小。其中，该数值是根据光源的中心波长λ、制成相位光栅之材料的折射率n、相位光栅的间距p、相位光栅周围介质的折射率n₀以及相位光栅的形态比e计算得出的。

于是，当将自然辐射光用作光源时，通过设置光栅深度比计算得出的数值大3％至5％，在其形态比为1.0至1.4的相位光栅中，可以使0次衍射效率减至最小，通过设置光栅深度比计算得出的数值约大0至6％，可以使0次衍射效率减小。即，通过制造一种具有此种光栅深度的光栅，能够使0次衍射效率比采用所述计算数值的情况为更小。

图4表示根据本实施例的一个光学编码器的示意性结构，其中，标号1为发射具有部分干涉的自然辐射光的光源例如LED；标号2为准直透镜，用以将来自光源1的出射光转换为平行光；标号3A为垂直于光轴设置的固定衍射板，它具有几乎为矩形波形截面的相位光栅；标号4A为能沿垂直方向可移动的可移动衍射板，它垂直于光轴设置，具有几乎为矩形波形截面的相位光栅；且固定衍射板3A的相位光栅和可移动光栅板4A的相位光栅有相互相同的周期。

再者，图中，标号5为聚焦透镜，用以聚焦经由可移动衍射板4A的光；标号6为光电检测器，用以将经由聚焦透镜5聚焦并在光检测部件7上形成的衍射成像转换为电信号并输出；标号8为频率鉴别滤波器。

在本实施例的光学编码器中，来自光源1的出射光通过准直透镜2转换为平行光，并沿着几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的光通过固定衍射板3A发生衍射，并作为0次衍射光10、+一次衍射光11、-一次衍射光12…出射。

这些衍射光10、11、12入射到可移动衍射板4A，并进一步作为衍射光出射。

用(n，m)表示从可移动衍射板4A出射的衍射光(其中，n为通过固定衍射板3A的衍射阶次，m为通过可移动衍射板4A的衍射阶次)，如图5所示，通过可移动衍射板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，在图4中，为便于说明，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。

当可移动衍射板4A沿着与光轴垂直的方向(图4所示的垂直方向)以恒速移动时，除0次以外的高次衍射光的相位相对0次衍射光的相位随着该移动而改变，因此，例如经衍射光21(+1，-1)与衍射光22(-1，+1)发生干涉得到的干涉波的光强按正弦波的形式变化。

同样，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)之干涉波的光强也随着可移动衍射板4A的移动周期地变化。

衍射光20(0，0)与衍射光21(+1，-1)或衍射光22(-1，+1)发生干涉，并输出正弦波波形的基波(图6(b))，其中，当固定衍射板3A和可移动衍射板4A的近似矩形波形的波峰和波谷相匹配时，其光强达到最大，当该两个近似矩形波形的波峰和波谷相互偏差半个周期p/2时，光强为最小。

另一方面，衍射光21(+1，-1)与衍射光22(-1，+1)相互发生干涉，并获得由具有二倍频率于基波的正弦波所组成的一种二倍频率波输出(图6)。

图4中，标号23表示衍射光(0，+1)，标号24表示衍射光(+1，+1)。得到光电检测器6的光电转换信号的输出是失真波形如图6(a)所强调地表示。该失真波形可以认为划分为基波成分和二倍频率成分，如图6(b)所示，但采用具有光栅、其光栅深度大于计算值的固定板和移动板后，两个衍射板的0次衍射光均得到抑制，且衍射光20(0，0)很微弱。因此，可以有效地检测到二倍频率的成分，并可以进行精确的检测。

在本实施例的光学编码器中，采用聚焦透镜将衍射光聚焦在光检测部件上，但是，也可以不采用聚焦透镜，使衍射光直接由光检测部件接收。在此情况下，编码器可以进一步减小其尺寸。

图13示出了采用根据本实施例的光学编码器的电动机，尤其是伺服电机。图13中，伺服电机70是一种由安装在电机轴72上的编码器71检测其角度的电机，其动作根据信号控制。

如图6(A)所示，从衍射光栅出射的0次衍射光使编码器的输出形成失真，表示每隔一个脉中强度的大和小。

图14表示伺服电机80安装在一个机械手81的可移动部件上。

因此，在伺服电机中采用其衍射光栅的0次衍射光强得到抑制的编码器，可以提高编码器的角度检测精度，从而可以改进伺服电机的定位精度。

根据权利要求1的相位光栅，通过提供一种比利用已知公式计算得到的光栅深度为更大的光栅深度，该公式用以使0次衍射效率减至最小，该计算得到的光栅深度取决于光的波长λ、相位光栅的间距长度p、相位光栅之基料的折射率n、相位光栅周围介质的折射率n₀、以及作为光栅深度与斜面宽度之比的形态比e，当通过传统工艺诸如蚀刻制作光栅时，该斜面作为其凹部和凸部的界线，当采用自然辐射光作为光源时，可以抑制0次衍射效率。

根据权利要求3至9的相位光栅的制造方法，当采用自然辐射光作为光源时，根据具有近似矩形波形的相位光栅抑制0次衍射效率所必需的光栅深度条件，即光的波长、相位光栅的间距长度p、相位光栅之基料的折射率n、相位光栅周围介质的折射率n₀、以及作为光栅深度与斜面宽度之比的形态比e，当通过传统工艺诸如蚀刻制作光栅时，该斜面作为其凹部和凸部的界线，可以提供其光栅深度具有比通过已知公式计算得到的光栅深度为更大数值的条件，而该已知公式用以使0次衍射效率减至最小。

根据权利要求10和11的光学编码器，采用自然辐射光作为光源，可以提高诸如寿命之类的可靠性，并且还采用具有近似矩形波形之相位光栅的可移动衍射板和固定衍射板，它们用以使0次衍射效率减至最小，该0次衍射效率与±一次衍射光产生干涉引起光电检测器之输出信号的失真，当采用自然辐射光作为光源时，可以获得失真较小的检测信号。