CN102192709A - 位移测量装置和速度测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及位移测量装置和速度测量装置。用于测量移动物体(102)的位移量的位移测量装置(100)包括：使用从发光区域(101)发射的光束来照射移动物体(102)的光源；包含沿移动物体(102)的移动方向被布置的多个光接收区域并且形成在移动物体(102)的多个凹面(103)上被反射的光束的图像以接收光的光电二极管阵列(104、105)；以及基于通过形成光束的图像而在光电二极管阵列(104、105)上被形成的发光区域图像(106)的移动量来测量移动物体(102)的位移量的测量单元。

Description

位移测量装置和速度测量装置

技术领域

本发明涉及分别执行位移量和速度的非接触测量的位移测量装置和速度测量装置。

背景技术

作为执行移动物体的位移量的非接触检测的方法，以下两种方法是已知的。一种方法是将相干光照射到移动物体上来产生斑纹图案，以基于根据移动物体的移动的斑纹图案的移动来检测移动物体的位移或速度的方法，所述斑纹图案是由通过光的反射和发散(divergence)而获得的光束的复杂干涉导致的。另一种方法是关于移动物体以彼此不同的入射角照射相干光束，以基于在反射和发散时接收的光学频率多普勒(Doppler)偏移之间的差值来获得移动物体的速度的方法。但是，在上述方法中，存在用作相干光源的LD(激光二极管)或VCSEL(垂直空腔表面发射激光器)的低可靠性或由装置的配置的复杂性导致的高成本等的问题。因此，日本专利公开No.58-113762公开了使用非相干光源来检测被成像物体的位移量和速度的方法。

但是，在日本专利公开No.58-113762中公开的速度测量装置中，由于来自移动物体的表面的反射光不通过成像系统，因此，光接收部分上的光学图案图像不清楚。因此，由光接收部分的光电二极管阵列检测的信号的振幅低，并且，作为信号完整性(integrity)的SN比(信噪比)劣化。结果，光学图案图像的位移量的检测精度降低，并且，速度的测量精度也降低。另一方面，如果为了使得光学图案图像清楚而将诸如透镜之类的成像系统添加到测量装置，那么，由于部件的数量增加，因此成本增高或者妨碍装置的小型化。

发明内容

希望提供高度精确的位移测量装置和速度测量装置。

作为本发明的一个方面的位移测量装置测量移动物体的位移量。所述位移测量装置包括：光源，被配置为使用从发光区域发射的光束来照射移动物体；光接收元件，包含沿移动物体的移动方向被布置的多个光接收区域，所述光接收元件被布置为使得从发光区域发射的并且从移动物体中的凹面被反射的光束在光接收元件的光接收表面上被成像；以及测量单元，被配置为基于在光接收元件上形成的发光区域图像的移动量来测量移动物体的位移量。

作为本发明的另一方面的速度测量装置包括所述位移测量装置，并且被配置为基于在预定时间中由位移测量装置确定的移动物体的位移量来检测移动物体的速度。

参照附图阅读实施例的以下描述，本发明的其它特征和方面将变得清晰。

附图说明

图1是实施例1中的位移测量装置的示意性配置图。

图2A～2D是实施例1中的位移测量装置中的发光区域图像的生成原理的说明图。

图3A和图3B是示出实施例1中的移动物体的移动量和发光区域图像的移动量之间的关系的示图。

图4是示出在实施例1中的移动物体的表面上周期性地被布置的凹面的示图。

图5是实施例2中的位移测量装置的示意性配置图。

图6是实施例3中的速度测量装置的示意性配置图。

图7是实施例3中的为数据提供时间延迟的过程的框图。

图8是实施例3中的另一速度测量装置400a的示意性配置图。

图9是实施例3中的另一速度测量装置400b的示意性配置图。

具体实施方式

以下将参照附图来描述本发明的示例性实施例。在各附图中，相同的元件将由相同的附图标记表示，并且，对它们的重复描述将被省略。

〔实施例1〕

首先，将描述本发明的实施例1的位移测量装置。图1是本实施例中的位移测量装置的示意性配置图。在图1中，附图标记100表示测量移动物体的位移量的位移测量装置。附图标记101表示设置在位移测量装置100中的光源的发光区域101。通过使用从发光区域101发射的光束来照射移动物体。发光区域101表示由掩模形成的诸如开口之类的发光图案，所述开口在裸露的芯片LED(发光二极管)的发光表面上的层叠电极中被形成。发光区域101还包含诸如VCSEL的表面发光光源的发光表面或LD的约1μm～2μm的发光表面。

附图标记102表示移动物体。移动物体102是由位移测量装置100执行的位移量的测量对象。移动物体102能够沿Y方向移动，并且被来自光源的发光区域101的发散光照射。照射到移动物体102上的发散光被反射和会聚到移动物体102的凹面103上，以在光电二极管阵列104和105(光接收元件)上形成光源区域图像106。如图1所示，光接收元件包含沿移动物体102的移动方向(Y方向)布置的多个光接收区域(例如，多个光电二极管阵列104和105)，并且形成从移动物体102的凹形凹面103反射的光束的图像以接收光束。位移测量装置100包含测量单元(未示出)，所述测量单元基于通过将从凹面103反射的光束成像而在光接收元件上形成的发光区域图像106的移动量来测量移动物体102的位移量。

优选地，凹面103是凹形的，并且具有满足下式(1)的焦距F，这里，L1是从光源的发光区域101上的发光点到凹面103的光路长度，L2是从凹面103到光电二极管阵列104和105的光路长度。

-1/L1-1/L2＝1/F    (1)

光电二极管阵列104和105沿移动物体102的移动方向(Y方向)以宽度Pd/2和间距Pd(周期宽度)被交替地布置。光电二极管阵列104和105具有相同的配置，并且，沿移动物体102的移动方向以宽度Pd/2在空间上相互位移。通过关联光电二极管阵列104和105中的每一个的宽度，确定发光区域101的宽度We。以下将描述其细节。

下面，将参照图2A～2D来描述位移测量装置100中的发光区域图像106的生成原理。首先，将描述生成发光区域图像106的位置。从包含图2A所示的发光区域101的光源发射的发散光在图2B所示的移动物体102的表面上的凹面103中的每一个上被反射和会聚。因此，如图2D所示，以与移动物体102的表面上的凹面103中的每一个的位置对应的位置关系，在光电二极管阵列104和105的表面上形成光源的发光区域图像106。

下面，将描述移动物体102的凹面103的形状和发光区域图像106的形成的现象。在普通物体的表面上，如图2B所示，分布有具有各种形状的凹面103。如作为图2B的A-A断面图的图2C所示，凹面103中的每一个的宽度彼此不同。因此，存在具有各种形状的凹面103。但是，当光接收部分表面(光电二极管阵列104和105)被布置在由移动物体102的凹面103的形状确定的最佳观察位置处时，在一些情况下形成发光区域图像106。这是凹面103具有满足上式(1)的焦距F的情况。

例如，在位移测量装置100(光接收部分表面)和移动物体102之间的距离为约1～3mm的区域中，凹面103的具有约100μm的直径和小于或等于约2μm的深度的形状有助于发光区域图像106的形成。另外，在光接收部分表面和移动物体102之间的距离为约4～6mm的区域中，凹面103的具有约200μm的直径和约几μm的深度的形状有助于发光区域图像106的形成。因此，有助于图像的形成的凹面103中的区域根据观察位置而不同。因此，当凹面103具有上述的弯曲复杂形状时，即使光接收部分表面和移动物体102之间的距离在一定程度上发生改变，发光区域图像106也被形成。

下面将描述要形成的发光区域图像106的尺寸。如上所述，当凹面103具有满足式(1)的焦距F时，在光电二极管阵列104和105上形成发光区域图像106。但是，凹面103不具有理想的弯曲表面，并且，在许多情况下具有多个弯曲复杂形状。在这种情况下，通过将在具有满足式(1)的焦距F的凹面103上形成的发光区域图像与通过多个弯曲复杂形状被散焦的多个发光区域图像重叠，形成发光区域图像106。由于这种现象，在光电二极管阵列104和105上形成的发光区域图像106的宽度是在其中理想地形成图像的发光区域101的宽度的约1.5～2倍。

基本上，如果发光区域图像106的宽度等于光电二极管阵列104和105中的每一个的宽度，那么可执行具有高的光利用效率的检测。但是，由于上面的现象，所形成的发光区域图像106超过光电二极管阵列104和105中的每一个的宽度Pd/2，并且，发光区域图像106延伸到相邻的光电二极管阵列104和105或者与其重叠。因此，根据下面描述的信号检测的原理，所检测的信号振幅减小，并且，速度检测精度劣化。在实施例中，附图标记We被定义为光源的发光区域101的沿移动物体102的移动方向(Y方向)的宽度。当We/Pd(即，光源的发光区域宽度We与光电二极管阵列间距Pd之比)由于上面的现象而大于或等于0.87时，光接收表面上的图像的沿移动方向的尺寸大于或等于光电二极管阵列间距的宽度。结果，由于关于移动物体的位移的检测信号振幅减小了10％或更多，因此存在位移的确定精度劣化的问题。因此，优选地，We/Pd小于或等于0.87。

相反，如果光源的发光区域101太小，那么发光区域图像不重叠到相邻的光电二极管阵列中。但是，当We/Pd的值小于0.275时，会导致以下问题：由于因发光区域的收缩导致的检测的光强度的减小，所以检测的信号振幅减小10％或更多，使得移动物体的位移量的确定精度劣化。因此，为了获得位移检测精度，优选的是满足由下式(2)表示的条件。

0.275≤We/Pd≤0.87    (2)

下面将参照图3A和图3B来描述发光区域图像106的位移原理。图3A和图3B表示移动物体102的移动量和光电二极管阵列表面301上的发光区域图像106的移动量之间的关系。图3A是在时间T1处移动物体102和发光区域图像106之间的位置关系，图3B是在时间T2处移动物体102和发光区域图像106之间的位置关系。图3B中的涂黑箭头表示在时间差T2-T1中移动物体102的移动量，图3B中的空心箭头表示在时间差T2-T1中光电二极管阵列表面301上的发光区域图像106的移动量。

移动物体102的移动量(即，位移)和发光区域图像106的移动量(即，位移)之间的关系表示如下。

移动物体∶发光区域图像＝1∶(L1+L2)/L1

在本实施例中，从光源的发光区域101上的发光点到移动物体102的表面(凹面103)的光路长度L1和从移动物体102的表面到作为光接收元件的光电二极管阵列104的光路长度L2彼此相等。因此，移动物体102的移动量和发光区域图像106的移动量之间的关系如下。

移动物体∶发光区域图像＝1∶2

基于以上原理，在光电二极管阵列表面301上形成的发光区域图像106根据移动物体102的移动而移动。

下面将再参照图1来详细描述检测移动物体102的位移量的方法。首先，将描述光电二极管阵列的配置和信号检测方法。通过移动物体102的凹面103，在光电二极管阵列104和105上形成发光区域图像106。在光电二极管阵列104和105上产生的包含发光区域图像106的二维光学图案图像被光电二极管阵列104和105进行光电转换，以被转换成表示一维光强度的电压值。然后，获得构成光电二极管阵列104的多个光电二极管的检测电压值的和，并且，与空间滤波器功能相结合而确定光电二极管阵列104的检测电压值V1。类似地，获得构成光电二极管阵列105的多个光电二极管的检测电压值的和，并且，与空间滤波器功能相结合而确定光电二极管阵列105的检测电压值V2。然后，位移测量装置100输出这两个光电二极管阵列104和105的检测电压值的差值V1-V2(即，光电二极管阵列104和105的输出的差分(differential))作为预定时间处的电压值。

下面将描述基于由移动物体102的移动导致的光电二极管阵列104和105上的光学图案图像的移动来检测移动物体102的位移量的方法。在实施例中，考虑以下情况：在该情况中，位移测量装置100的检测电压值V1和V2分别等于Va和Vb，并且，检测电压值的差值V1-V2等于作为正电压的Va-Vb(V1-V2＝Va-Vb＞0)。在这种情况下，当光学图案图像移动Pd/2时，强度分布的相位反转180度，并且，检测电压值的符号反转为负。换句话说，检测电压值的差值V1-V2几乎等于Vb-Va

当光学图案图像进一步移动Pd/2(即，光电二极管阵列104和105的间距的一个周期)时，检测电压值的符号反转为正。换句话说，满足

因此，当光学图案图像在光电二极管阵列104和105上移动间距Pd(位移量)时，检测到一周期波形。换句话说，根据移动物体102的移动，由位移测量装置100检测的输出电压变化的周期的数量被计数，以能够检测光电二极管阵列104和105上的光学图案图像的移动量。因此，基于上述的移动物体102和发光区域图像106之间的关系和检测的光学图案图像的移动量，如参照图3A和图3B描述的那样，可以检测移动物体102的位移量。

在本实施例中，为了增大检测信号的振幅，采用差分检测光电二极管阵列的配置，但是，位移测量光电二极管阵列的配置不限于此。例如，使用光电二极管阵列，也可基于以下情况检测位移量：光学图案图像的一维强度分布在该阵列上位移。在实施例中，不一定使用差分光电二极管阵列105来执行差分放大。

凹面103离散地或连续地被设置于移动物体102上，优选地，凹面103为包含满足下式(3)的曲率半径的形状，这里，R是凹面103的曲率半径。

R＝(L1+L2)/2    (3)

包含于移动物体102中的凹面103不仅仅限于半球形，而是还可以采用(半)圆柱表面。此外，如图4所示，可以特意在移动物体102上周期性地形成凹形形状103a。在这种情况下，阵列周期P1满足下式(4)，这里，k是正整数。

Pl＝Pd/2×k    (4)

因此，也可使用在光电二极管阵列104和105上形成的周期性发光区域图像106a来检测移动物体102的位移量。

〔实施例2〕

下面将描述本发明的实施例2。图5是本实施例中的位移测量装置100a的示意性配置图。本实施例的位移测量装置100a与实施例1的位移测量装置100的不同在于，以间距Pe在光源中布置多个发光区域401(偶数个发光区域)。在本实施例中，将描述由设置多个发光区域401导致的发光区域图像402的变化以及对于检测信号的影响。

例如，当光路长度L1等于光路长度L2(L1＝L2)时，以与原发光区域401相同的倍率形成通过一个凹面103形成的发光区域图像，并且，形成同样具有间距Pe的多个发光区域图像402。因此，可以设置多个光源，以能够在随机的光学图案图像中产生具有预定的间距的图像。所形成的发光区域图像402的间距Pe与光电二极管阵列104和105的间距Pd对准，以能够有效地获得作为以该间距空间地被布置的光电二极管阵列104和105的空间滤波器的效果。换句话说，即使凹面103具有随机周期，发光区域图像402也具有发光区域的周期性，并且具有与图像检测的光电二极管阵列周期相同的周期，从而导致检测信号振幅的增大和位移检测的改善。

根据光源或光电二极管阵列在Z轴方向上的安装精度，多个发光区域图像402的成像倍率可被改变，以使多个发光区域图像402中的发光区域图像的间距从预定间距Pe位移。在这种情况下，信号振幅衰减，并且，速度检测精度的误差增大。如果位移量大，那么在一些情况下，光电二极管阵列104和105的检测电压值会彼此相等并且不能通过各光电二极管阵列的检测电压值的差分而获得信号。因此，为了获得有效的位移检测信号，优选的是，发光区域图像402的间距Pe和光电二极管阵列104和105的间距Pd满足下式(5)。

$(1-\frac{1}{2(N-1)})\&times;\frac{L1}{L2}<\frac{\mathrm{Pe}}{\mathrm{Pd}}<(1+\frac{1}{2(N-1)})\&times;\frac{L1}{L2}---\left(5\right)$

式中，N是大于或等于2的整数，并且表示发光区域的数量。本实施例描述具有两个发光区域的实施例，但是不限于此，只要满足上述式(5)即可。另外，为了获得空间滤波器功能，发光区域只需要被布置为包含满足式(5)的发光区域图像402的间距Pe的整数倍的周期。由于检测位移量的原理与实施例1的类似，因此，本实施例中的描述被省略。

在本实施例中，为了增大检测信号的振幅，采用差分检测光电二极管阵列的配置，并且，与实施例1类似，位移测量光电二极管阵列的配置不限于此。例如，使用光电二极管阵列，也可基于光学图案图像的一维强度分布在该阵列上位移的情况检测位移量。在实施例中，不一定使用差分光电二极管阵列105来执行差分放大。移动物体102的凹面103不仅仅限于半球形，而是也可以采用图4所示的特意被周期性地形成并且作为(半)圆柱表面的凹面的形状。

〔实施例3〕

下面将描述本发明的实施例3。在本实施例中，将描述使用实施例1的位移测量装置100或实施例2的位移测量装置100a来测量移动物体102的速度的方法。图6是本实施例中的速度测量装置400的示意性配置图。速度测量装置400被配置为基于移动物体102在预定时间中的位移量或移动物体通过预定的距离所需的时间来检测移动物体102的速度。

速度测量装置400包含多个发光区域501以及光电二极管阵列组502和503。光电二极管阵列组502包含用于执行差分检测的光电二极管阵列504和光电二极管阵列505。光电二极管阵列组503包含同样用于执行差分检测的光电二极管阵列506和光电二极管阵列507。光电二极管阵列组502和503被设置为使得它们的中心分开距离D。由在各光电二极管阵列组上产生的多个发光区域图像402构成的二维光学图案图像被光电二极管阵列进行光电转换，并且，一维光强度被转换成电压值。然后，作为构成光电二极管阵列504的多个光电二极管的检测电压值的和，确定光电二极管阵列504的检测电压值V1。类似地，作为构成光电二极管阵列505的多个光电二极管的检测电压值的和，确定光电二极管阵列505的检测电压值V2。然后，光电二极管阵列组502输出检测电压值的差值V1-V2作为在预定时间处的电压值。类似地，光电二极管阵列组503输出在预定时间处的电压值。

下面将描述检测速度的方法。在实施例中，考虑移动物体102沿Y轴方向移动的情况。在这种情况下，首先，通过光电二极管阵列组502检测根据光学图案图像的移动的位移信号。随后，根据同一位置处的光学图案图像的移动的位移信号延迟一段时间，该段时间依赖于光电二极管阵列组502与503之间的沿Y轴方向的距离D和要被光电二极管阵列组503检测的移动物体102的速度。如果精确地获得由各光电二极管阵列组检测的相同信号的检测时间差T，那么，由于D是已知的(并且，速度当然是距离除以时间；D/T)，所以可以算出移动物体102的速度。

下面将参照图7来具体描述检测速度的方法。图7是为数据提供具有时间延迟的过程的框图。由光电二极管阵列组502事先检测的、根据移动物体102在预定时间中的移动的检测输出的变化数据(强度分布数据)被定义为P1。类似地，有延迟地被光电二极管阵列组503检测的、根据移动物体102在预定时间中的移动的检测输出的变化数据(强度分布数据)被定义为P2。由关于时间比较电压值的比较器508比较变化数据P1和P2。

如果向变化数据P1提供数据的最佳时间延迟量，那么作为比较器508的比较结果，各光电二极管阵列组的变化数据P1和P2关于时间相互一致。另一方面，如果变化数据P1和P2相互不一致，那么速度检测电路601向时间延迟电路602提供关于时间延迟量的校正值。然后，比较器508使用被提供了校正后的时间延迟量的变化数据P1来再次执行比较。根据该循环(loop)，速度检测电路601确定检测时间差T。此外，基于光电二极管阵列组502和503之间的距离D，可通过使用下式(6)来获得移动物体102的速度V。

$V=\frac{D}{T}\&CenterDot;\frac{L1}{L1+L2}---\left(6\right)$

本实施例描述了通过使用实施例2中的位移测量装置100a来配置速度测量装置400的例子。但是，本实施例不限于此，而是也可通过使用实施例1的位移测量装置100来配置速度测量装置400。关于光电二极管阵列的配置，如实施例1和实施例2所述，它不限于差分检测光电二极管阵列的配置。

图8是本实施例中的另一速度测量装置400a的示意性配置图。如图8所示，速度测量装置400a被配置为使得光电二极管阵列组502和503被嵌套(nested)。光电二极管阵列组502和503之间的距离D被设为比各光电二极管阵列的长度短。

图9是本实施例中的另一速度测量装置400b的示意性配置图。如图9所示，光电二极管阵列组502和503不被放置在同一基板上，并且，在实施例1和2中描述的两个位移测量装置也可被放置在彼此相距预定的距离D的位置处。在这种情况下，基于通过位移测量装置中的光电二极管组的中心之间的距离D所需的时间T，由V＝D/T获得速度计算式。

根据以上实施例中的每一个，使用通过移动物体的凹面在光接收元件表面上(在光电二极管上)形成的发光区域图像，能够获得清楚的光学图案图像。因此，获得具有良好的作为信号完整性的SN比的移动物体的位移检测信号，并且，作为结果，可以提高位移量和速度的检测精度。由于检测系统不使用诸如透镜的成像系统，因此，可以降低尺寸、重量和成本。因此，可以提供高精度的位移测量装置。

虽然已参照示例性实施例描述了本发明，但应理解，本发明不限于所公开的示例性实施例。所附权利要求的范围应被赋予最宽的解释以包含所有这样的变更方式以及等同的结构和功能。

Claims (6)

1.一种用于测量移动物体(102)的位移量的位移测量装置(100)，所述位移测量装置包括：

光源，被配置为使用从发光区域(101)发射的光束来照射所述移动物体；

光接收元件，包含沿所述移动物体的移动方向被布置的多个光接收区域(104、105)，所述光接收元件被布置为使得从所述发光区域(101)发射的并从所述移动物体中的凹面(103)被反射的光束在所述光接收元件的光接收表面上被成像；以及

测量单元，被配置为基于在所述光接收元件上形成的发光区域图像(106)的移动量来测量所述移动物体的位移量。

2.根据权利要求1的位移测量装置(100)，所述位移测量装置(100)满足以下条件：

0.275≤We/Pd≤0.87，

这里，We是所述发光区域(101)在所述移动物体的移动方向上的宽度，Pd是彼此相邻的光接收区域(104、105)之间的在所述移动物体的移动方向上的间距。

3.根据权利要求1的位移测量装置(100)，

其中，所述光源包含在所述移动物体的移动方向上被布置的偶数个发光区域，以及

其中，所述位移测量装置满足以下条件：

$(1-\frac{1}{2(N-1)})\&times;\frac{L1}{L2}<\frac{\mathrm{Pe}}{\mathrm{Pd}}<(1+\frac{1}{2(N-1)})\&times;\frac{L1}{L2},$

这里，L1是从所述光源的发光点到所述移动物体的多个凹面中的一个凹面的光路长度，L2是从所述移动物体的同一凹面到所述光接收元件的光路长度，Pe是彼此相邻地被布置的发光区域(401)之间的在所述移动物体的移动方向上的间距，N是发光区域的数量并且是偶数。

4.根据权利要求1～3中的任一项的位移测量装置(100)，

其中，所述凹面被离散地或连续地设置在所述移动物体上，并且具有包含满足以下条件的曲率半径的形状：

R＝(L1+L2)/2，

这里，R是所述多个凹面中的一个凹面的曲率半径，L1是从所述光源的发光点到所述移动物体的凹面的光路长度，L2是从所述移动物体的凹面到所述光接收元件的光路长度。

5.根据权利要求1～3中的任一项的位移测量装置(100)，

其中，所述凹面以周期性的阵列被布置，以满足以下条件：

Pl＝Pd/2×k，

这里，P1是所述凹面(103)的阵列周期，Pd是彼此相邻地被布置的光接收区域(104、105)之间的在移动物体的移动方向上的间距，k是正整数。

6.一种速度测量装置，包括根据权利要求1～3中的任一项的位移测量装置，

其中，所述速度测量装置被布置为基于在预定时间中由所述位移测量装置确定的移动物体的位移量来检测所述移动物体的速度。

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