CN1648599A - 光学式移动信息检测装置和具有该装置的电子机器 - Google Patents

Abstract

本发明揭示光学式移动信息检测装置和具有该装置的电子机器，由射束分裂器(2a，2b)将激光二极管(1)射出的光分割为第1光束(10)、第2光束(11)和第3光束(12)。用聚光透镜(4)在被测定物(5)表面聚光第1光束、第2光束和第3光束，在被测定物(5)表面形成电子束光点(13)。由光电二极管(6)接收来自电子束光点(13)的扩散光，由具有模拟/数字变换器(8)和高速傅里叶变换演算器(9)的信号处理电路(20)处理光电二极管(6)输出的信号。检测部(21)根据由傅里叶变换得到的频谱的峰值频率，求出被测定物(5)的例如移动速度和移动方向。

Description

光学式移动信息检测装置和具有该装置的电子机器

技术领域

本发明涉及光学式移动信息检测装置以及具有该装置的电子机器。

已有技术

一般来说，光源与观测者进行相对运动时，根据多普勒效应，光接受频率的变化。激光多普勒速度计(以下称为LDV)利用该效应，将激光照射到移动的被测定物。测定来自该被测定物的散射光的多普勒频率偏移，从而测定被测定物的移动速度。该LDV由Yeh和Cummins在1964年发表(Appl.Phys.Lett.4-10(1964)176)，现在已被广泛了解，并实用化。

图12表示已有的具有代表性的LDV光学系统图。

图12中，101是作为半导体激光元件的激光二极管(以下称为LD)，102是作为受光元件的光电二极管(以下称为PD)，103是绕射光栅，104是平行光管透镜(以下称为CL)，105是反光镜，106是聚光透镜，107是由绕射光栅103产生的+1次绕射光第1光束，108是由绕射光栅103产生的-1次绕射光第2光束，113是被测定物。

在上述构成的光学系统中，从LD101射出的激光，由CL104变换为平行光束后，再由绕射光栅103按角度θ的绕射角分割为±1次绕射光，形成第1、第2光束107、108。然后，第1、第2光束107、108分别由反光镜105反射后，以入射角θ入射到被测定物113的表面，再次重叠。由被测定物113散射的第1、第2光束107、108接受多普勒频率偏移，与LD101的振荡频率有若干不同。因此，由被测定物113散射的第1、第2光束107、108的干涉波产生差拍。称该差拍为差拍信号。由PD102对该差拍信号的差拍频率进行外差检波，即可求出被测定物113的移动速度。以下予以详细说明。

如图12所示，当将被测定物113向右移动的方向作为正方向时，在第1光束107接受-f_d的多普勒频率偏移，在第2光束108接受+f_d的多普勒频率偏移，则第1光束107的视在频率为(f₀-f_d)，第2光束108的视在频率为(f₀+f_d)。但f₀是LD101的振荡频率。这时，从LD101射出光的电场可以表示为E₀·cos(2πf₀t)，则第1光束107可用下式1表示，第2光束108可用下式2表示。

(式1)

I_A＝E_A·cos{2π(f₀-f_d)t+φ_A}

(式2)

I_B＝E_B·cos{2π(f₀+f_d)t+φ_B}

式中，f₀是LD101射出光的频率，E₀是LD101射出光的振幅，E_A是第1光束107的振幅，E_B是第2光束108的振幅，φ_A是第1光束107的相位，φ_B是第2光束108的相位。

由于光的频率一般约为100THz(10¹⁴Hz)，则不可能直接测定式1和式2的频率信息。为此，一般如上述那样采用外差检波，因f₀＞＞f_d成立，则式1和式2的干涉波可表示为：

(式3)

$<{|I_A+I_B|}^2>=\frac{E_A^2+E_B^2}{2}+E_A\&CenterDot;E_B\&CenterDot;\cos \{2\mathrm{\&pi;}\left(2f_d\right)t-({\mathrm{\&phi;}}_A-{\mathrm{\&phi;}}_B)\}$

式3中，左边的<>表示时间平均。因此，利用PD102可测定该干涉波的频率。

图13是当被测定物113以移动速度V移动时，2个光束分别按照任意角度α、β入射到被测定物113，以任意角度γ接收散射光时的图形。

多普勒效应产生的频率偏移量，根据严密的相对论利用洛伦兹变换求出，但当移动速度V比光速c足够小时，可以近似地如下求出。来自光源A、光源B的光和移动物体的相对速度V_A1、V_B1表示为：

(式4)

V_A1＝c-Vsinα

V_B1＝c+Vsinβ

并且，从上述被测定物113看到的各个光的视在频率f_A1、f_B1为：

(式5)

$f_{A1}=\frac{V_{A1}}{\mathrm{\&lambda;}}=\frac{1}{\mathrm{\&lambda;}}\&CenterDot;(c-V\sin \mathrm{\&alpha;})$

$f_{B1}=\frac{V_{B1}}{\mathrm{\&lambda;}}=\frac{1}{\mathrm{\&lambda;}}\&CenterDot;(c-V\sin \mathrm{\&beta;})$

各散射光(反射光)和被测定物113的相对速度V_A2、V_B2为：

(式6)

 V_A2＝c-Vsinγ

 V_B2＝c-Vsinγ

因此，从观测点看到的光的频率f_A2、f_B2为：

(式7)

$f_{A2}=\frac{c}{V_{A2}}\&CenterDot;f_{A1}=\frac{c}{\mathrm{\&lambda;}}\&CenterDot;\frac{1-\frac{V}{c}\&CenterDot;\sin \mathrm{\&alpha;}}{1-\frac{V}{c}\&CenterDot;\sin \mathrm{\&gamma;}}$

$f_{B2}=\frac{c}{V_{B2}}\&CenterDot;f_{B1}=\frac{c}{\mathrm{\&lambda;}}\&CenterDot;\frac{1+\frac{V}{c}\&CenterDot;\sin \mathrm{\&beta;}}{1-\frac{V}{c}\&CenterDot;\sin \mathrm{\&gamma;}}$

式7的频率与入射光的频率f₀(＝c/λ)之差为多普勒频率偏移量f_d。现在，在观测点测定的2个光束的差拍频率2f_d，当c＞＞V时为：

(式8)

$2f_d=|f_{B2}-f_{A1}|=\frac{V}{\mathrm{\&lambda;}}\&CenterDot;(\sin \mathrm{\&alpha;}+\sin \mathrm{\&beta;})$

可见，并不取决于观测点的位置(角度：γ)。在图12中，由于α＝β＝θ，则对于图12的一般LDV光学系统，根据式8，下式成立：

(式9)

$2f_d=\frac{2V}{\mathrm{\&lambda;}}\&CenterDot;\sin \mathrm{\&theta;}$

因此，测定式3表示的频率2f_d，用式9进行计算，即可求出被测定物113的移动速度V。

式9也可以是几何学的如下思考。图14是图12的2个光束(第1、第2光束107、108)再次重叠区域的扩大图。2个光束以各入射角θ交叉，图中虚线表示各光束等波面的一部分。该虚线与虚线的间隔为光的波长λ。垂直的粗线是干涉带的明部，当设定其间隔为Δ时，该Δ用下式求出。

(式10)

$\mathrm{\&Delta;}=\frac{\mathrm{\&lambda;}}{2\sin \mathrm{\&theta;}}$

如图14所示，当物体(以●图示)按照移动速度V垂直通过干涉带时，其频率f为：

(式11)

$f=\frac{V}{\mathrm{\&Delta;}}=\frac{2V}{\mathrm{\&lambda;}}\&CenterDot;\sin \mathrm{\&theta;}=2f_d$

与式9相等。

对于以上一般的LDV，如上所述，即可求出移动速度，但不能检测被测定物的移动方向。针对这种情况，在特开平3-235060号公报中，通过以速度V_g旋转图12的绕射光栅103，即可进行移动方向检测。这样，在绕射光栅103光反射时，各个光束接受与V_g成比例的多普勒频率偏移，则由PD102测定的差拍频率2f_d为：

(式12)

$2f_d=\frac{2}{\mathrm{\&lambda;}}\&CenterDot;(V+V_g)\&CenterDot;\sin \mathrm{\&theta;}$

因此，相对于已知速度V_g，根据移动速度V的符号(正负)决定2f_d的大小关系，即可求出移动方向。然而，这样的光学系统中，由于必需有绕射光栅103的旋转机构，则使装置大型化，增加成本。并且，上述光学系统必需精密地保持绕射光栅103的旋转速度，然而由于偏心等产生的误差以及旋转产生的振动等，难于精密地保持绕射光栅103的旋转速度。因此，存在难于将上述光学系统用于精密测定的问题。

在特开平4-204104号公报中公开了解决这个问题的速度计。该速度计使用频率偏移器，通过改变入射光束的频率，可以实现被测定物移动方向的检测。

图15表示上述速度计的光学系统图。

利用上述速度计，从激光光源101射出的光，由CL104形成平行光束，再由射束分裂器(以下称为BS)109分割为2个光束。各光束经反光镜105反射后，由音响光学元件(以下称为AOM)110接受f₁、f₂的频率偏移。然后，利用绕射光栅103再次在被测定物113的表面聚光，用PD102检测来自被测定物113的散射光的差拍频率。这时，检测的频率2f_d为：

(式13)

$2f_d=\left(\right|f_1-f_2\left|\right)+\frac{2V}{\mathrm{\&lambda;}}\&CenterDot;\sin \mathrm{\&theta;}$

由于V的符号按照被测定物113的移动方向变化，则根据相对于已知频率偏移量|f₁-f₂|的2f_d的大小关系，即可检测被测定物113的移动方向。

在特开平8-15435号公报中，根据与图15的速度计同样的原理，用图16所示电光学元件(以下称为EOM)111改变频率。更详细地说，即：从作为激光光源的LD101射出的光，经CL104形成平行光束后，由绕射光栅103分割为第1、第22个光束107、108。该第1、第2光束107、108一起入射到EOM111。这时，对第2光束108外加偏压，使f_R频率偏移。在第1、第2光束107、108经反光镜105反射后，在被测定物113的表面聚光。用PD102检测来自该被测定物113表面的散射光的差拍频率。这时，检测的频率2f_d为：

(式14)

$2f_d=f_R+\frac{2V}{\mathrm{\&lambda;}}\&CenterDot;\sin \mathrm{\&theta;}$

与式13同样，由于V的符号按照被测定物113的移动方向变化，则根据相对于已知频率偏移量f_R的2f_d的大小关系，即可检测移动方向。

然而，在利用上述AOM110、EOM111频率偏移器检知被测定物113移动方向的光学系统中，其光学系统复杂，并且必需有用于驱动频率偏移器的电源等，例如，由AOM110提供频率调制的必要电压为数十V，由EOM111提供频率调制的必要电压为数百V。因此，将上述光学系统用于速度计时，由于必须有大型电源，则存在速度计大型化的问题。

为了利用上述光学系统检测2维移动速度(图15和图16中，平行于图中箭头方向的速度成分和垂直于纸面方向的速度成分)时，必需有2个光学系统。更详细地说，即：用一个光学系统检测一个方向的速度成分，用另一个光学系统检测直行于该方向的方向的速度成分，必须配置2个光学系统。来自为检测各个方向的成分而形成的电子束光点的散射光，扩散为球面状，则来自一个电子束光点的扩散光对于检测另一个电子束光点的受光元件来说是噪声，因此必须有分离光信号的系统。所以，当用上述光学系统检测2维移动速度时，也存在构造复杂的问题。

本发明的课题是提供小型化、低消耗电力、而且可用简单的构成检测2维移动速度和移动方向的光学式移动信息检测装置以及具有该装置的电子机器。

为了解决上述课题，关于本发明第1方面的光学式移动信息检测装置的特征是具有：

射出可干涉性光的半导体发光元件；

将上述半导发光元件射出的光至少分割为3个光束的第1光分割装置；

利用上述光束，在被测定物表面形成1个光点的光学系统；

接收来自上述光点的扩散光的受光装置；

处理上述受光装置输出的信号的信号处理电路；

根据上述信号处理电路的输出，求出上述被测定物的移动信息的检测部，

上述信号处理电路包含：

将上述受光装置输出的模拟信号变换为数字信号的模拟/数字变换部；

对上述数字信号进行傅里叶变换的傅里叶变换部。

上述检测部根据上述傅里叶变换部求出的频谱的峰值频率，求得上述被测定物的移动信息。

上述构成的光学式移动信息检测装置，由第1光分割装置将上述半导体发光元件射出的光分割为至少3个光束。利用该至少3个光束，光学系统在被测定物表面形成1个光点。受光装置接收来自该光点的扩散光，由信号处理电路处理受光装置输出的信号。这时，在上述信号处理电路中，模拟/数字变换部将受光装置输出的模拟信号变换为数字信号，并由傅里叶变换部对该数字信号进行傅里叶变换。检测部根据经该傅里叶变换得到的频谱的峰值频率，求出被测定物的移动信息，例如移动速度和移动方向。

这样，即使不旋转构成零件，也可以检测被测定物的移动信息，所以节省了旋转构成零件的装置，能够实现小型化。并且，由于不使用旋转上述构成零件的装置，还可降低消耗电力。

利用由上述第1光分割装置分割的至少3个光束，在被测定物表面形成光点，根据接收该光点的扩散光的受光装置的输出，可以检测对应于被测定物移动方向的频率偏移。因此，能够用简单的构造检测2维的移动速度和移动方向。

一实施例中，上述第1光分割装置将上述半导体发光元件射出的光分割为第1光束、第2光束和第3光束等3个光束，含有上述第1光束和上述第2光束的第1平面，相对于含有上述第1光束和上述第3光束的第2平面是垂直的。

一实施例中，

上述光学系统包含将上述第1光束、第2光束和第3光束聚光在上述光点的聚光部，

上述第1光束入射到配置上述聚光部的第3平面和上述第1平面和上述第2平面的交点的原点，

上述第2光束入射到上述第3平面和上述第1平面的交线的X轴上的第1入射点，

上述第3光束入射到上述第3平面和第2平面的交线的Y轴上的第2入射点，

上述第1光束、第2光束和第3光束分别与上述第3平面的交点形成直角三角形，

上述直角三角形包含在关于上述X轴和上述Y轴的第1象限，

上述扩散光通过关于上述X轴和上述Y轴的第3象限。

一实施例中，从上述第1象限经过上述第3象限延长，上述X轴与上述Y轴形成的角度的2等分线和上述扩散光的光轴交叉。

一实施例中，上述聚光部具有聚光透镜。

一实施例中，上述傅里叶变换部求出第1峰值频率、低于上述第1峰值频率的第2峰值频率、低于上述第1、第2峰值频率的第3峰值频率，上述检测部不使用上述第1峰值频率，通过计算上述第2峰值频率与上述第3峰值频率的平方和，求出上述被测定物的移动速度。

一实施例中，上述傅里叶变换部求出第1峰值频率、低于上述第1峰值频率的第2峰值频率、低于上述第1、第2峰值频率的第3峰值频率，上述检测部不使用上述第2峰值频率，通过计算上述第1峰值频率和上述第3峰值频率的平方和，求出上述被测定物的移动速度。

一实施例中，上述傅里叶变换部求出第1峰值频率、低于上述第1峰值频率的第2峰值频率，上述检测部不使用上述第1峰值频率，利用上述第2峰值频率求出上述被测定物的移动速度。

一实施例中，上述傅里叶变换部求出第1、第2峰值频率，上述检测部利用上述第1峰值频率与上述第2峰值频率之比，求出上述被测定物的移动方向。

一实施例中，

上述第1光分割装置将上述半导体发光元件射出的光分割为第1光束、第2光束和第3光束等3个光束，

还具有：

配置在上述第1光束的光轴上，具有与上述第1光束的偏振光方向形成大约45°角的光学轴的波阻片；

利用上述第1光束、第2光束和第3光束，在上述被测定物表面形成1个光点的光学系统；

将来自上述光点的扩散光分割为第1、第2信号光的第2光分割装置；

配置在上述第1信号光的光轴上的第1直线偏振光镜；

配置在上述第2信号光的光轴上，具有相对于上述第1直线偏振光镜的光学轴大约直交的光学轴的第2直线偏振光镜，

上述受光装置包含接收上述第1信号光的第1受光装置和接收上述第2信号光的第2受光装置，

上述检测部

根据关于上述第1信号光的上述峰值频率和关于上述第2信号光的上述峰值频率的至少之一，求出上述被测定物的移动速度，

根据关于上述第1信号光的相位和关于上述第2信号光的相位，求出上述被测定物的移动方向。

一实施例中，上述傅里叶变换部求出关于上述第1信号光的第4峰值频率、第5峰值频率和第6峰值频率，并求出关于上述第2信号光的第7峰值频率、第8峰值频率和第9峰值频率，上述检测部，根据对应于上述第4峰值频率的信号与对应于上述第7峰值频率的信号之相位差，以及对应于上述第5峰值频率的信号与对应于上述第8峰值频率的信号之相位差，求出上述被测定物的移动方向。

一实施例中，由上述傅里叶变换部求出相对于上述第4峰值频率、上述第5峰值频率、上述第7峰值频率和上述第8峰值频率的实数部和虚数部，根据上述实数部和虚数部，求出对应于上述第4峰值频率、上述第5峰值频率、上述第7峰值频率和上述第8峰值频率的信号的相位。

一实施例中，上述检测部根据上述相位差的正负，检测上述被测定物的移动方向。

一实施例中，上述检测部，在上述相位差之值表示规定范围外之值时，判断上述被测定物的静止状态。

一实施例中

上述第1光分割装置将上述半导体发光元件射出的光分割为第1光束、第2光束和第3光束等3个光束，

含有上述第1光束和上述第2光束的第1平面，相对于含有上述第1光束和上述第3光束的第2平面是垂直的，

上述光学系统含有将上述第1光束、第2光束和第3光束聚光在上述光点的聚光部，

上述第1光束入射到配置上述聚光部的第3平面和上述第1平面和上述第2平面的交点的原点，

上述第2光束入射到上述第3平面和上述第1平面的交线的X轴上的第1入射点，

上述第3光束入射到上述第3平面和第2平面的交线的Y轴上的第2入射点，

上述扩散光包含具有通过与上述第1入射点原点对称点的光轴的第1信号光，以及具有通过与上述第2入射点原点对称点的光轴的第2信号光，

上述受光装置包含接收上述第1信号光的第1受光装置、以及接收上述第2信号光的第2受光装置。

一实施例中，上述傅里叶变换部求出多个关于上述第1信号光的上述峰值频率，并求出多个关于上述第2信号光的上述峰值频率，上述检测部通过计算关于上述第1信号光的上述多个峰值频率中的最大峰值频率、和关于上述第2信号光的上述多个峰值频率中的最大峰值频率之平方和，求出上述被测定物的移动速度。

一实施例中，上述检测部根据关于上述第1信号光的上述多个峰值频率中的最大峰值频率、和关于上述第2信号光的上述多个峰值频率中的最大峰值频率之比，检测上述被测定物的移动方向。

一实施例的光学式移动信息检测装置具有：

将上述第1信号光分割为第3信号光和第4信号光的2个信号光的第3光分割装置；

将上述第2信号光分割为第5信号光和第6信号光的2个信号光的第4光分割装置；

在上述第3信号光的光轴上配置的第3直线偏振光镜；

在上述第4信号光的光轴上配置，具有相对于上述第3直线偏振光镜的光学轴大致直交的光学轴的第4直线偏振光镜；

在上述第5信号光的光轴上配置的第5直线偏振光镜；

在上述第6信号光的光轴上配置，具有相对于上述第5直线偏振光镜的光学轴大致直交的光学轴的第6直线偏振光镜，

上述第1受光装置包含接收上述第3信号光的第3受光装置，以及接收上述第4信号光的第4受光装置，

上述第2受光装置包含接收上述第5信号光的第5受光装置，以及接收上述第6信号光的第6受光装置。

一实施例中，上述检测部，在上述频谱的峰值强度值是规定阈值以下时，判断上述被测定物是静止状态。

一实施例中，上述检测部，当上述数字信号的输出值在规定时间内为规定阈值以上的点是n(n：不包含0的自然数)点以下时，判断上述被测定物是静止状态。

一实施例中，当上述数字信号的输出值在规定时间内为规定阈值以上的点超过n(n：不包含0的自然数)点时，上述傅里叶变换部的计算开始。

一实施例中，上述检测部，在上述频谱的最大峰值强度值是N(N：不包含0的自然数)以下时，判断上述被测定物是静止状态。

关于本发明第2方面的电子机器，其特征是具有上述光学式移动信息检测装置。

上述电子机器可以是波印廷装置。上述电子机器也可以是编码器。

本发明的其他目的、特征、优点，可以从以下的说明中了解。

附图的简要说明

根据以下的详细说明和附图，将会更充分地理解本发明。附图仅用于说明，并不是限制本发明。

图1是本发明实施例1的LDV的概略构成图。

图2A是在对X轴形成155°角度的方向移动被测定物时的差拍信号的波形图，图2B是上述差拍信号的FFT频谱图。

图3A是在对X轴形成135°角度的方向移动被测定物时的差拍信号的波形图，图3B是上述差拍信号的FFT频谱图。

图4A是在对X轴形成15°角度的方向移动被测定物时的差拍信号的波形图，图4B是上述差拍信号的FFT频谱图。

图5A是在对X轴形成45°角度的方向移动被测定物时的差拍信号的波形图，图5B是上述差拍信号的FFT频谱图。

图6A是向+X轴方向移动被测定物时的差拍信号的波形图，图6B是上述差拍信号的FFT频谱图。

图7是说明用上述实施例1的LDV检测被测定物移动方向的图形。

图8是本发明实施例2的LDV概略构成图。

图9是本发明实施例3的LDV概略构成图。

图10是本发明实施例3的LDV照射系统的概略构成图。

图11是上述实施例3的LDV受光系统的概略构成图。

图12是已有的LDV要部的概略构成图。

图13是说明结合被测定物移动速度和多普勒偏移频率的方式的图形。

图14是表示在上述已有的LDV检测点附近的光束重叠的扩大图。

图15是其他的已有LDV的要部概略构成图。

图16是另外的已有LDV的要部概略构成图。

以下，用图示的实施例详细说明本发明的光学式移动信息检测装置。

【实施例1】

图1表示本发明实施例1的LDV概略构成图。图1中仅图示光学部件等主要零件，省略保持光学零件的零件等的图示。图1的虚线箭头是座标轴。图1中，X轴与x轴平行，Y轴与y轴平行，Z轴与z轴一致。

上述LDV具有：作为半导体发光元件一例的LD1；将该LD1射出的光分割为3个光束的第1光分割装置；将该3个光束引导到被测定物5表面形成1个电子束光点13的光学系统；作为接收该电子束光点13的扩散光15的受光装置的PD6；处理该PD6输出的信号的信号处理电路20；根据信号处理电路20的输出求得被测定物5的移动信息的检测部21。上述LD1配置在(0，0，z₁)。上述被测定物5沿着含有x、y轴的xy平面以移动速度V移动。这时，上述被测定物5的表面存在于xy平面内。

上述第1光分割装置由射束分裂器(以下称为BS)2a、2b构成。该BS2a将LD1射出的光分割为第3光束12和其他光束，上述BS2b将上述其他光束分割为第1光束10和第2光束11。

上述光学系统由反射第3光束12的反射镜3a、反射第2光束11的反射镜3b、和作为将第1光束10、第2光束11和第3光束12聚光在被测定物5表面的聚光部一例的聚光透镜4构成。该聚光透镜4在含有X轴和Y轴的XY平面重叠配置。这样，上述聚光透镜4包含X轴上的至少2点和Y轴上的至少2点。这里，上述XY平面构成第3平面。

上述信号处理电路20由放大PD6输出的模拟信号的放大器7、作为将该放大器7放大的PD6的模拟信号变换为数字信号的模拟/数字变换部一例的A/D(模拟/数字)变换器8、作为对该A/D变换器8输出的上述数字信号进行傅里叶变换的傅里叶变换部一例的FFT(Fast Fourier Transform：高速傅里叶变换)演算器9构成。

若使用上述构成的LDV，首先，从LD1射出的光束，被BS2a分割为在+Y轴方向前进的第3光束12和与Z轴重叠的光束。与上述Z轴重叠的光束，被配置在Z轴上的BS2b分割为与Z轴重叠的光束和在+X轴方向前进的第2光束11。

接着，上述第2光束11由反射镜3b反射改变进行方向，与第1光束10平行。上述第3光束由反射镜3a反射改变进行方向，也与第1光束10平行。

接着，上述第1光束10、第2光束11和第3光束12入射到聚光透镜4。即：上述第1光束10入射到XY平面的原点14a，第2光束11入射到X轴上的第1入射点14b，第3光束12入射到Y轴上的第2入射点14c。这时，上述第1、第2入射点14b、14c存在于以原点14a为中心的同一圆上。也就是，从上述原点14a到第1入射点14b的距离，与从原点14a到第2入射点14c的距离是一致的。

接着，聚光透镜4将上述第1光束10、第2光束11和第3光束12聚光在被测定物5表面，在被测定物5表面形成作为检测点的电子束光点13。也就是，通过上述聚光透镜4的第1光束10、第2光束11和第3光束12在被测定物5的表面上重叠，在被测定物5的表面形成电子束光点13。这时，上述第1、第2入射点14b、14c存在于以原点14a为中心的同一圆上，所以相对于被测定物5表面的第2光束11的入射角与相对于被测定物5表面的第3光束12的入射角相等。

接着，上述第1光束10、第2光束11和第3光束12在被测定物5的表面散射，通过聚光透镜4含有的差拍信号射出点16后，由PD6接收。也就是，上述电子束光点13的扩散光通过聚光透镜4，由PD6接收。这时，在上述被测定物5表面扩散的各光束，接受对应于被测定物5的移动速度V和相对于被测定物5表面的入射角的频率偏移，作为表示差拍的干涉波(差拍)信号15通过聚光透镜4的差拍信号射出点16后，入射到PD6。

接着，上述PD6对来自电子束光点13的扩散光进行光电变换，检测差拍信号15。这时，上述扩散光通过XY平面的第3象限内直线Y＝X上的差拍信号射出点16，所以第2光束11的扩散光和第3光束12的扩散光以大致相同的光通量被引导到PD6。这样，上述差拍信号15的X(x)轴成分的S/N(信号对杂音比)与差拍信号15的Y(y)轴成分的S/N可大致相等，提高了移动速度的检测精度。

接着，上述PD6输出的模拟信号输入到放大器7。这里，上述模拟信号，利用BPF(Band Pass Filter：带通滤波器)除去噪声后，放大AC(交流)成分，进行波形整形。

接着，由A/D变换器8将经上述放大器7进行波形整形且S/N提高的模拟信号变换为数字信号。

接着，由FFT演算器9接收来自A/D变换器8的数字信号。利用该FFT演算器9检测差拍信号15的频率。

以下，详细说明由上述PD6检测的差拍信号15。

在图1所示本实施例的光学系统，PD6检测的差拍信号15中，对应于被测定物5的移动方向存在最大3个频率。该3个频率是：第1光束10和第2光束11的干涉产生的差拍信号1的频率1：f_d1；第1光束10和第3光束12的干涉产生的差拍信号2的频率2：f_d2；第2光束11和第3光束12的干涉产生的差拍信号3的频率3：f_d3。将上述被测定物5的移动速度V矢量分解为V_x(x轴成分)和V_y(y轴成分)时，可从差拍信号1检测V_x，从差拍信号2检测V_y。

上述第1光束10沿z轴垂直入射到被测定物15的表面，第2光束11和第3光束12以入射角θ入射到被测定物15的表面。参考上述式4到式7，差拍信号1的频率1：f_d1，当设定式8的α＝0、β＝θ时，可以写成：

(式15)

$2f_{d1}=\frac{V_x}{\mathrm{\&lambda;}}\&CenterDot;\sin \mathrm{\&theta;}$

上述差拍信号2的频率2：f_d2，当设定式8的α＝0，β＝θ时，可以写成：

(式16)

$2f_{d2}=\frac{V_y}{\mathrm{\&lambda;}}\&CenterDot;\sin \mathrm{\&theta;}$

上述差拍信号3的频率3：f_d3，当设定式8的α＝β＝θ时，可以写成：

(式17)

$f_{d3}=\frac{|V_x\&PlusMinus;V_y|}{2\mathrm{\&lambda;}}\&CenterDot;\sin \mathrm{\&theta;}=|f_{d1}\&PlusMinus;f_{d2}|$

上述式17中的符号，当图1状态的被测定物5向第1象限或第3象限移动时为「-」，当图1状态的被测定物5向第2象限或第4象限移动时为「+」。

利用上述式15到17，第1光束10、第2光束11和第3光束12被被测定物5扩散的各光束，以上述式1、式2为参考，可论述如下：

(式18)

第1光束10：I₁＝E₁·cos{2π(f₀)t+φ₁}

(式19)

第2光束11：I₂＝E₂·cos{2π(f₀±f_d1)t+φ₂}

(式20)

第3光束12：I₃＝E₃·cos{2π(f₀±f_d2)t+φ₃}

这里，上述式19、式20的符号选择，按下表1进行。

(表1)

         被测定物的移动方向与符号的组合

	移动方向
						第1象限	第2象限	第3象限	第4象限
fd1	+	-	-	+
					fd2	+	+	-	-

上述表1中，将从x、y轴的原点(0，0)向第1象限的方向记载为「第1象限」，将从x、y轴的原点(0，0)向第2象限的方向记载为「第2象限」，将从x、y轴的原点(0，0)向第3象限的方向记载为「第3象限」，将从x、y轴的原点(0，0)向第4象限的方向记载为「第4象限」。

因此，由上述PD6检测的该3光束的差拍信号15，参考上述式3，可记述为：

(式21)

$<{|I_1+I_2+I_3|}^2>=<I_1^2+I_2^2+I_3^2+2\&CenterDot;(I_1{I}_2+I_1{I}_3+I_2{I}_3)>$

$=\frac{E_1^2+E_2^2+E_3^2}{2}+E_1{E}_2\cos \{2\mathrm{\&pi;}\left(f_{d1}\right)t-({\mathrm{\&phi;}}_1-{\mathrm{\&phi;}}_2)\}$

$+E_1{E}_3\cos \{2\mathrm{\&pi;}\left(f_{d2}\right)t-({\mathrm{\&phi;}}_1-{\mathrm{\&phi;}}_3)\}+E_2{E}_3\cos \{2\mathrm{\&pi;}(f_{d1}\&PlusMinus;f_{d2})t-({\mathrm{\&phi;}}_2-{\mathrm{\&phi;}}_3)\}$

作为上述3个频率混合的差拍信号。

上述式21中的符号，当图1状态的被测定物5向第1象限或第3象限移动时为「-」，当图1状态的被测定物5向第2象限或第4象限移动时为「+」。

上述式21所示信号由PD6检测，用放大器7的BPF除去式21的DC(直流)成分，放大器7中使用运算放大器等的放大电路放大式21的AC成分。这样，上述式21所示信号为S/N良好的信号，输入到下一级A/D变换器8，变换为数字信号。根据该数字数据，由下一级的FFT演算器9求出频谱，检测该频谱的峰值频率，从而检测上述f_d1、f_d2。

如上所述，上述第2光束11沿xz平面入射到电子束光点13，第3光束12沿yz平面入射到电子束光点13。这时，由于上述xz平面与yz平面直交，则如式22所示，可用速度V_x、V_y求出被测定物5的移动速度V。

(式22)

$V=\sqrt{V_x^2+V_y^2}$

$=-\frac{\mathrm{\&lambda;}}{\sin \mathrm{\&theta;}}\sqrt{f_{d1}^2+f_{d2}^2}$

图2A，2B表示在相对于x轴形成155°角度的方向移动图1状态的被测定物5时的差拍信号15的波形和FFT频谱。

如图2B所示，FFT频谱中有4个峰值频率，图中频率4是起因于被测定物5的表面反射的低频噪声，不是接收到被测定物5移动产生的多普勒频率偏移的信号。图2A、2B中，在相对于x轴形成155°角度的方向移动图1状态的被测定物5。也就是，在向第2象限的方向移动图1状态的被测定物5。这时，上述式21的符号选择为「+」，所以图2B的各频率为：频率1＝f_dx+f_dy，频率2＝f_dx，频率3＝f_dy。这样，当图1状态的被测定物5向第2象限的方向移动时，除去最大频率的频率1，将频率2和频率3代入上述式22，即可求出被测定物5的移动速度V。以上议论在图1状态的被测定物5向第4象限方向移动时也是一样的。图2B中，频率1是第1峰值频率的一例，频率2是第2峰值频率的一例，频率3是第3峰值频率的一例。

图3A，3B表示在相对于x轴形成135°角度的方向移动图1状态的被测定物5时的差拍信号15的波形和FFT频谱。

图3A，3B也和图2A，2B的情况一样，在向第2象限的方向移动图1状态的被测定物5。图1状态的被测定物5在相对于x轴形成135°角度的方向移动时，对被测定物5的移动速度V进行矢量分解时，移动速度V的x轴成分与移动速度V的y轴成分相等，而且，对于电子束光点13的第2光束11的入射角与对于电子束光点13的第3光束12的入射角也相等，为f_dx＝f_dy。因此，图3B中，f_dx和f_dy2成分之和作为一个峰值形成频率2，并形成f_dx或f_dy2倍频率的频率1，看不到图2B的频率3。这样，仅存在2个峰值时，除去较高频率的频率1，将较低频率的频率2作为f_dx和f_dy，代入上述式22即可求出被测定物5的移动速度V。以上议论在图1状态的被测定物5相对于x轴形成315°角度的方向移动时，也是一样的。这时，图1状态的被测定物5向第4象限的方向移动。图3B中，频率1是第1峰值频率的一例，频率2是第2峰值频率的一例。

图4A，4B表示在相对于x轴形成15°角度的方向移动图1状态的被测定物5时的差拍信号15的波形和FFT频谱。

图4B中，与图2B一样，频率4是低频噪声不是信号。图4A、4B中，在相对于x轴形成15°角度的方向移动图1状态的被测定物5。也就是，向第1象限的方向移动图1状态的被测定物5。这时，上述式21的符号选择为「-」，所以图4B的各频率为：频率1＝f_dx，频率2＝|f_dx-f_dy|，频率3＝f_dy。这样，当图1状态的被测定物5向第1象限方向移动时，除去中间频率的频率2，将频率1和频率3代入上述式22，即可求出被测定物5的移动速度V。以上议论在图1状态的被测定物5向第3象限方向移动时，也是一样的。图4B中，频率1是第1峰值频率的一例，频率2是第2峰值频率的一例，频率3是第3峰值频率的一例。

图5A，5B表示在相对于x轴形成45°角度的方向移动图1状态的被测定物5时的差拍信号15的波形和FFT频谱。

图5A，5B也和图4A，4B的情况一样，在向第1象限的方向移动图1状态的被测定物5。当图1状态的被测定物5在相对于x轴形成45°角度的方向移动时，对被测定物5的移动速度V进行矢量分解时，与图3A、3B同样，移动速度V的x轴成分与移动速度V的y轴成分相等，而且，对于电子束光点13的第2光束11的入射角与对于电子束光点13的第3光束12的入射角也相等，所以f_dx＝f_dy成立。上述PD6检测的频率是f_dx和f_dy和f_dx-f_dy，然而由于f_dx＝f_dy，则在图5B的情况下，f_dx-f_dy为0，结果，PD6检测的峰值频率是1个。这样，当仅存在1个峰值时，其峰值的频率为f_dx和f_dy，将其分别代入上述式22，即可求出被测定物5的移动速度V。以上议论当图1状态的被测定物5在相对于x轴形成225°角度的方向移动时，也是一样的。这时，图1状态的被测定物5向第3象限的方向移动。

图6A，6B表示向+x轴方向移动图1状态的被测定物5时的差拍信号15的波形和FFT频谱。

如图6B所示，由于y轴方向的速度成分是0，则峰值频率仅是f_dx一个。这样，在向x、y轴的各轴方向移动时，峰值频率仅为一个，用该峰值频率即可求出被测定物5的移动速度。

然而，如图5A，5B所示，在第1象限45°方向和第3象限的135°方向移动时，峰值频率都为一个。因此，认为区别判断图5A、5B的情况和图6A、6B的情况非常困难。因此，上述被测定物5的移动方向有一定程度的限定，当监控沿着相对于x轴形成|±45°|以下角度的方向的被测定物5移动时，从易于速度检测的观点来看，设定被测定物5移动方向为图2A、2B或图4A、4B方向的激光入射点。也就是，从简单进行上述被测定物5的移动速度V和移动方向的检测的观点出发，最好以被测定物5移动的方向为图2A、2B或图4A、4B的方向，设定第2光束11入射到聚光透镜4的第1入射点14b，以及第3光束12入射到聚光透镜4的第2入射点14b。

如上所述，在相对于x轴形成超过-45°且不足45°的角度的方向被测定物5移动时，求出被测定物5的移动速度V的x轴方向成分与被测定物5移动速度V的y轴方向成分之比，即可容易地特定被测定物5的移动方向。也就是，如图7所示，当表示被测定物5移动方向的虚线箭头相对于x轴以不足45°且0°以上的角度交叉时，将被测定物5的移动速度V矢量分解为x轴方向成分V_x和y轴方向成分V_y，此时V_x＞V_y成立。这种情况下，如上述所示，在根据FFT频谱求出的峰值频率中除去低频噪声成分时，最高频率1是f_dx，最低频率3是f_dy。因此计算下式：

(式23)

$\tan \mathrm{\&theta;}=\frac{f_{\mathrm{dy}}}{f_{\mathrm{dx}}}$

即可求出被测定物5的移动方向。例如在图4A，4B的情况下，f_dy/f_dx＝0.23，即可判断被测定物5在相对于x轴形成的13°角度的方向移动。

当上述被测定物5的移动方向在相对于y轴超过-45°且0°以下的角度范围内时，也就是，在相对于x轴形成例如不足135°且90°以上角度的方向被测定物5移动时，也可以与以上同样处理。这时，在FFT频谱中，除去低频噪声成分时，最高频率1是f_dy，最低频率3是f_dx。若将该f_dx、f_dy代入式23，即可求出被测定物5的移动方向。

利用上述式23的被测定物5移动方向的检测，已经说明了x轴正方向角度的情况，负方向也可同样求出，说明省略。

利用上述式23的被测定物5移动方向的检测，已经说明了第1象限和第3象限的情况，对于第2象限和第4象限，也可以用与第1象限和第3象限完全相同的处理求出被测定物5的移动方向，说明省略。

本实施例，由于检测在相对于x轴或y轴形成0°以上且不足45°角度的方向，或者在相对于x轴或y轴形成超过-45°且0°以下角度的方向移动的被测定物5的移动速度V和移动方向，所以是有效的。

上述实施例1中，采用LD1作为半导体发光元件的一例，但也可以采用LED(Light Emitting Diode：发光二极管)作为半导体发光元件的一例。然而，LD与LED相比，相干性非常好，容易产生上述式3表示的2光束干涉的差拍，因此，与LED比较更希望采用LD作为半导体发光元件的一例。

上述实施例1中，采用BS2a、2b作为3分割LD1射出光束的部件，但也可以利用绕射光栅代替BS2a、2b。该绕射光栅可以在相对于LD1射出光束的光轴的沟延伸方向，直交配置。

上述实施例1中，用聚光透镜4将第1光束10、第2光束11和第3光束12聚光在被测定物5表面的一点，但也可以用例如适当的反光镜反射第1光束10、第2光束11和第3光束12，聚光在被测定物5表面的一点。也就是，用适当反光镜反射第1光束10、第2光束11和第3光束12，也可以在被测定物5的表面形成电子束光点13。

上述实施例1中，含有从BS2b到聚光透镜4的第1光束10和从反光镜3b到聚光透镜4的第2光束11的第1平面，相对于含有从BS2b到聚光透镜4的第1光束10和从反光镜3a到聚光透镜4的第3光束12的第2平面，以90°角度交叉，但是上述第1平面相对于上述第2平面也能按90°以外的角度交叉。

上述实施例1中，在上述第1平面和上述第2平面相对于XY平面以90°角度交叉，但是上述第1平面和上述第2平面相对于XY平面也能按90°以外的角度交叉。

上述实施例1中，原点14a、第1入射点14b和第2入射点14c形成直角三角形，但是原点14a、第1入射点14b和第2入射点14c也可以形成直角三角形以外的三角形。并且，上述原点14a、第1入射点14b和第2入射点14c形成的三角形，可以设定包含在关于X、Y轴的第1象限以外的象限，例如在第3象限。

上述实施例1中，设定了差拍信号15的光轴与直线Y＝X相交的光学系统，但是也可以设定差拍信号15的光轴与直线Y＝X以外的直线相交的光学系统。

上述实施例1中，差拍信号15通过关于Y轴的第3象限，但是差拍信号15也可以通过第2象限或第4象限。

上述实施例1的变形例可适用以后的全部实施例，将上述实施例1的变形例适用以后的实施例的情况说明，予以省略。

【实施例2】

图8表示本发明实施例2的LDV概略构成图。图8中，仅图示光学部件等主要零件，省略保持光学零件的零件等的图示。图8的虚线箭头是座标轴。图8中，X轴与x轴平行，Y轴与y轴平行，Z轴与z轴一致。图8中，与图1所示实施例1的构成部相同的构成部，附与和图1构成部相同的参照号码，省略说明。

上述LDV具有：作为配置在第1光束10的光轴上的波阻片一例的1/4波阻片17；作为配置在差拍信号15的光轴上的第2光分割装置一例的BS2c。

上述1/4波阻片17位于BS2b和聚光透镜4之间，第1光束10通过。并且，上述1/4波阻片17相对于入射光束的偏振光方向超前相位轴和滞后相位轴大约倾斜45°配置。例如，利用上述聚光透镜4上的XY座标轴说明时，上述1/4波阻片17，超前相位轴与Y＝X平行配置，滞后相位轴与Y＝-X平行配置。或者，上述1/4波阻片17，滞后相位轴与Y＝X平行配置，超前相位轴与Y＝-X平行配置。这样配置1/4波阻片17，则通过1/4波阻片17的第1光束10从直线偏振光变换为圆偏振光。

上述BS2c配置为：通过聚光透镜4的差拍信号射出点16形成平行光束的差拍信号15入射。上述差拍信号15，利用BS2c分割为第1信号光一例的差拍信号15a和第2信号光一例的差拍信号15b。上述差拍信号15a通过第1直线偏振光镜18a入射到作为第1受光装置一例的PD6a。上述差拍信号15b经反光镜3c变化进行方向后，通过第2直线偏振光镜18b入射到作为第2受光装置一例的PD6b。上述第1、第2直线偏振光镜18a、18b配置为：第1直线偏振光镜18a的光学轴与第2直线偏振光镜18b的光学轴直交。例如，上述第1直线偏振光镜18a配置为：光学轴与1/4波阻片17的超前相位轴同方向；第2直线偏振光镜18b配置为：光学轴与1/4波阻片板17的滞后相位轴同方向。或者，上述第1直线偏振光镜18a配置为：光学轴与1/4波阻片17的滞后相位轴同方向；第2直线偏振光镜18b配置为：光学轴与1/4波阻片17的超前相位轴同方向。由上述PD6a、6b接收的差拍信号15a、15b，顺序通过信号处理电路20的放大器7a、7b和A/D变换器8a、8b后，进入到FFT演算器9a、9b。由该FFT演算器9a、9b检测差拍信号15a、15b的频率和相位，输出到检测部21。

以下，详细说明上述PD6a、6b检测的差拍信号15a、15b。

由于入射到上述被测定物5表面的第1光束10变换为圆偏振光，则由被测定物5反射扩散的各光束可以写为：

(式24)

光束1： $\left\{\begin{array}{c}\frac{E_1}{\sqrt{2}}\cos \left(2\mathrm{\&pi;}{f}_{0}t\right)\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\left(i\right)\\ \frac{E_1}{\sqrt{2}}\cos (2\mathrm{\&pi;}{f}_{0}t+\frac{\mathrm{\&pi;}}{2})\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\left(\mathrm{ii}\right)\end{array}\right.$

(式25)

光束2：E₂cos{2π(f₀f_dx)t}

(式26)

光束3：E₃cos{2π(f₀±f_dy)t}

上述f_dx和f_dy是在x轴方向和y轴方向对比例于被测定物5的移动速度V的频率偏移量f_d进行矢量分解的频率偏移量。该3光束分别由BS2c分割，通过第1、第2直线偏振光镜18a、18b，在PD6a仅检测超前相位轴成分，在PD6b仅检测滞后相位轴成分。这里，上述超前相位轴成分在上述式24中用不会产生相位滞后的(i)式表示，上述滞后相位轴成分在上述式24中用产生π/2相位滞后的(ii)式表示。上述式25和26表示的第2光束11和第3光束12以直线偏振光状态入射到第1、第2直线偏振光镜18a、18b，然而由于第1、第2直线偏振光镜18a、18b的光学轴分别相对于直线偏振光的振动方向倾斜约45°，则可以认为入射到PD6a、6b的成分是上述式25、26的

倍。因此，入射到上述PD6a、PD6b的光束为：

(式27)

(式28)

因此，由PD6a、PD6b检测的差拍信号15a，15b可以写为：

(式29)

$\mathrm{PD}15a:\left\{\begin{array}{c}\frac{E_1^2+E_2^2+E_3^2}{4}\\ +\frac{E_1{E}_2}{2}\&CenterDot;\cos \left(2\mathrm{\&pi;}{f}_{\mathrm{dx}}t\right)\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\left(1\right)\\ +\frac{E_1{E}_3}{2}\&CenterDot;\cos \left(2\mathrm{\&pi;}{f}_{\mathrm{dy}}t\right)\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\left(2\right)\\ +\frac{E_2{E}_3}{2}\&CenterDot;\cos \left\{2\mathrm{\&pi;}\right|f_{\mathrm{dx}}\&PlusMinus;f_{\mathrm{dy}}\left|t\right\}\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\left(3\right)\end{array}\right.$

(式30)

上述式29和式30的符号选择依存于被测定物5的移动方向，示于以下一览表。

(表2)

                             被测定物移动方向与符号组合的一览表

		式29：PD6a			式30：PD6b
								(1)	(2)	(3)	(4)	(5)	(6)
		被测定物移动方向	第1象限	——	——	+	+							-	+
第2象限	——							——	-	-	-	-
			第3象限	——	——	+	-						+	+
第4象限	——							——	-	+	+	-

上述表2中，将从x、y轴的原点(0，0)向第1象限方向记载为「第1象限」，将从x、y轴的原点(0，0)向第2象限方向记载为「第2象限」，将从x、y轴的原点(0，0)向第3象限方向记载为「第3象限」，将从x、y轴的原点(0，0)向第4象限方向记载为「第4象限」。

在上述FFT演算器9a、9b，与上述实施例1一样检测差拍信号15a、15b。当根据上述FFT演算器9a、9b的FFT演算检测频率时，同时求出f_dx和f_dy的相位。上述差拍信号15a、15b相位的检测可以根据FFT演算结果的实数部与虚数部之比求出。具体地说，当设定信号的相位为φ时，可由下式31求出：

(式31)

${\mathrm{\&phi;}}_x={\mathrm{Tan}}^{-1}\left(\frac{\mathrm{Im}\left(\mathrm{FFT}\left(\mathrm{beat}\right){\mathrm{atf}}_{\mathrm{dx}}\right)}{\mathrm{Re}\left(\mathrm{FFT}\left(\mathrm{beat}\right){\mathrm{atf}}_{\mathrm{dx}}\right)}\right)$

${\mathrm{\&phi;}}_y={\mathrm{Tan}}^{-1}\left(\frac{\mathrm{Im}\left(\mathrm{FFT}\left(\mathrm{beat}\right){\mathrm{atf}}_{\mathrm{dy}}\right)}{\mathrm{Re}\left(\mathrm{FFT}\left(\mathrm{beat}\right){\mathrm{atf}}_{\mathrm{dy}}\right)}\right)$

这里，用图8予以说明时，利用FFT演算器9a检测频率1、频率2和频率3，并同时检测频率1的信号相位1a和频率2的信号相位2a。这里，上述频率3的信号相位也能够检测，但因为不需要则不检测。本实施例的频率1、频率2和频率3与上述实施例1的频率1、频率2和频率3的处理不同。本实施例中，频率1为f_dx:x轴方向成分，频率2为f_dy:y轴方向成分，频率3为f_dx±f_dy。与上述FFT演算器9a一样，利用FFT演算器9b检测频率1、频率2和频率3，并同时检测频率1的信号相位1b和频率2的信号相位2b。通过检测它们的相位差，即可如上述表2所示那样特定被测定物5的移动方向。本实施例中，由FFT演算器9a检测频率1是第4峰值频率的一例，由FFT演算器9a检测的频率2是第5峰值频率的一例，由FFT演算器9a检测的频率3是第6峰值频率的一例，由FFT演算器9b检测的频率1是第7峰值频率的一例，由FFT演算器9b检测的频率2是第8峰值频率的一例，由FFT演算器9b检测的频率3是第9峰值频率的一例。

上述相位差正确检测值是±π/2，但如上表2所示，仅检测其正负符号即可判别被测定物5的移动方向。由于理想的相位差值以±π/2检测，在相位差设置一定范围的阈值，在该范围内判断符号的正负，当表示出该范围外的相位差时，判断该被测定物5是静止状态，可以减少误动作产生的移动量误差。

本实施例中，关于被测定物5移动速度V的检测与上述实施例1相同，但被测定物5移动方向的检测精度高于上述实施例1。例如上述实施例1，在图7中关于向第1象限方向的移动和向第3象限方向的移动，由于检测相同的信号，不能区别向第1象限方向的移动和向第3象限方向的移动，但本实施例通过检测信号的相位差，如表2所示，即可区别向第1象限方向的移动和向第3象限方向的移动。

本实施例，由于检测在相对于x轴或y轴形成0°以上且不足45°角度的方向，或者在相对于x轴或y轴形成超过-45°且0°以下角度的方向移动的被测定物5的移动速度和移动方向(移动角度、移动的顺方向、移动的逆方向)的有关移动信息，所以是有效的。

本实施例，根据关于差拍信号15a的频率1的信号相位1a与关于差拍信号15b的频率1的信号相位1b之相位差，以及关于差拍信号15a的频率2的信号相位2a与关于差拍信号15b的频率2的信号相位2b之相位差，可以求出被测定物5的移动方向。或者，根据关于差拍信号15a的频率2的信号相位2a与关于差拍信号15b的频率2的信号相位2b之相位差，以及关于第1、第2差拍信号15a、15b的频率3，也可以求出被测定物5的移动方向。或者，根据关于差拍信号15a的频率1的信号相位1a与关于差拍信号15b的频率1的信号相位1b之相位差，以及关于第1、第2差拍信号15a、15b的频率3，也可以求出被测定物5的移动方向。

【实施例3】

图9表示本发明实施例3的LDV概略构成图。图9中，仅图示光学部件等主要零件，保持光学零件的零件等的图示省略。并且，也省略检测部的图示。图9的虚线箭头是座标轴。图9中，X轴与x轴平行，Y轴与y轴平行，Z轴与z轴一致。图9中，与图1所示实施例1的构成部相同的构成部，附与和图1所示构成部相同的参照号码，说明省略。

上述LDV中，从电子束光点13扩散的差拍信号检测系统存在2个。更详细地说，从上述电子束光点13射出差拍信号15a、15b，差拍信号15a光束的光轴通过聚光透镜4的差拍信号射出点16a，差拍信号15b光束的光轴通过聚光透镜4的差拍信号射出点16b。在上述差拍信号射出点16a位于第1入射点14b的成为与原点14a对称的X轴上，差拍信号射出点16b位于第2入射点14c的成为与原点14a对称的Y轴上。由于这样差拍信号射出点16a、16b配置，PD6a接收第2光束11的正反射光，PD6b接收第3光束12的正反射光。

通过上述差拍信号射出点1 6a的差拍信号15a入射到PD6a，通过差拍信号射出点16b的差拍信号15b入射到PD6b。用上述PD6a、6b检测的各信号的处理与上述实施例1一样，对各信号进行与上述第1实施例同样的处理，更详细地说，用上述PD6a、6b检测的信号，由信号处理电路20的放大器7a、7b除去噪声和放大后，经A/D变换器8a、8b变换为数字信号，再利用FFT演算器9a、9b检测多个峰值频率。这时，上述多个峰值频率中，有关于被测定物5的x轴方向移动的频率f_dx、关于被测定物5的y轴方向移动的频率f_dy、以及f_dx±f_dy。上述频率F_dx相当于图9的频率1，频率f_dy相当于图9的频率2，频率f_dx±f_dy相当于图9的频率3。

从上述电子束光点13扩散的扩散光的光强度，对于正反射方向最强。因此，对于上述差拍信号15a，第2光束的光强度最强，则上述式21中，以下关系成立：

(式32)

E₂＞E₁，E₃

上述第1光束10和第3光束12两光束漫反射产生的扩散光都包含在差拍信号15a中，但由于第1光束10对于被测定物5是垂直入射，则反射光强度表示以z轴为中心的同心圆上的强度分布，第3光束12表示以连结电子束光点13和聚光透镜4的点16b的受光轴为中心的同心圆状强度分布。因此，在上述差拍信号15a光轴上的点16a，一般来说，以下关系成立：

(式33)

E₁＞E₃

因此，根据上述式32和式33，可写出如下关系：

(式34)

E₂＞E₁＞E₃

根据上述式34和式21，差拍信号15a含有的各频率成分的FFT频谱的峰值强度为：

(式35)

I(f_dx)＞I(|f_dx±f_dy|)＞I(f_dy)

与上述式35一样，差拍信号15b含有的各频率成分的FFT频谱的峰值强度为：

(式36)

I(f_dy)＞I(|f_dx±f_dy|)＞I(f_dx)

如上述实施例1已说明的那样，实施例1中为了判断x轴成分和y轴成分的峰值，利用例如被测定物5的移动方向在对于x轴形成不足45°角度时为f_dx＞f_dy，限制被测定物5移动方向的范围。与此不同，本实施例，在FFT频谱中存在的多个频率峰值中，用上述式35、36即可容易地判断对被测定物5的移动速度V进行矢量分解的x轴成分的峰值和y轴成分的峰值，再用上述式23检测x轴成分的速度与y轴成分的速度之比，即可检测相对于x轴形成0°以上且不足90°角度的移动方向。

本实施例，由于检测在相对于x轴或y轴形成0°以上且不足90°角度的方向移动的被测定物5的移动速度V和移动方向(移动角度、移动的顺方向、移动的逆方向)的有关移动信息，所以是有效的。

【实施例4】

图10表示本发明实施例3的LDV照射系统的概略构成图，图11表示上述LDV受光系统的概略构成图。图10、11中，仅图示光学零件等主要零件，保持光学零件的零件等的图示省略。图11中，也省略检测部21的图示。图10、11的虚线箭头的座标轴。图10、11中，X轴与x轴平行，Y轴与y轴平行，Z轴与z轴一致。图10、11中，与图8所示实施例2的构成部相同的构成部，附与和图8的构成部相同参照号码，说明省略。图10、11中，与图9所示实施例3的构成部相同的构成部，也附与和图9的构成部相同的参照号码，说明省略。

上述LDV具有图10的照射系统构成部和图11的受光系统构成部。也就是，上述LDV为将上述实施例2的构成与上述实施例3的构成相加在一起的构成。上述LDV的照射系统和图10所示，与上述实施例2一样，1/4波阻片17配置在第1光束10上。上述LDV的受光系统如图11所示，采用作为上述实施例3的第1、第2信号光一例的差拍信号15a、15b。并且，上述LDV受光系统，如上述实施例2一样，将差拍信号15a、15b各自分成2光束。

上述差拍信号15a，由作为第3光分割装置一例的BS2d分割成作为第3信号光一例的差拍信号15c和作为第4信号光一例的差拍信号15d。然后，上述差拍信号15c通过第3直线偏振光镜18c入射到作为第3受光装置一例的PD6c。另一方面，上述差拍信号15d由反光镜3d改变进行方向后，通过第4直线偏振光镜18d入射到作为第4受光装置一例的PD6d。

上述差拍信号15b，由作为第4光分割装置一例的BS2e分割成作为第5信号光一例的差拍信号15e和作为第6信号光一例的差拍信号15f。然后，上述差拍信号15e通过第5直线偏振光镜18e入射到作为第5受光装置一例的PD6e。另一方面，上述差拍信号15f由反光镜3e改变进行方向后，通过第6直线偏振光镜18f入射到作为第6受光装置一例的PD6f。

由上述PD6c、6d、6e、6f接收的差拍信号15c、15d、15e、15f顺序通过信号处理电路20的放大器7c、7d、7e、7f和A/D变换器8c、8d、8e、8f后，进入FFT演算器9c、9d、9e、9f。由该FFT演算器9c、9d、9e、9f检测差拍信号15c、15d、15e、15f的频率和相位。

上述1/4波阻片17、第3直线偏振光镜18c、第4直线偏振光镜18d、第5直线偏振光镜18e和第6直线偏振光镜18f的光学轴方向与上述实施例2相同。

上述构成的LDV具有以下2个特征，即：利用上述实施例2所示差拍信号相位差的被测定物5移动方向的检测；上述实施例3所示FFT频谱中x轴成分和y轴成分的峰值判定。这样，xy平面内的被测定物5移动速度V和移动方向的信息，可在360°全方位检测。

本实施例，如上述那样在检测xy平面内任意2维被测定物的移动信息时是有效的。

从上述实施例1到实施例4的全部实施例中，当差拍信号的FFT频谱的峰值频率在阈值以下时，设定成被测定物检测为静止状态。以图2的FFT频谱为例说明时，由于400Hz以下的峰值为噪声，则作为一例设定阈值是400Hz，除去400Hz以下的频谱。这样，频谱内的峰值为3个，可以得到各实施例说明的效果。

上述全部实施例中，当A/D变换器的输出值在一定取样时间内阈值以上的点是n(n：不包含0的自然数)点以下时，设定判断被测定物为静止状态的基准。来自PD的信号，由放大器例如HPF(high pass filter)除去DC成分，则静止状态时的信号强度理想值是0，在被测定物移动时产生正弦波输出。由于设定上述判定基准，则在被测定物是静止状态时，可以防止因噪声判定被测定物是移动状态的误动作。

上述全部实施例中，A/D变换器的输出值在一定取样时间内阈值以上的点达到n点以上时，设定FFT演算器动作。

一般来说，上述被测定物移动时输出的信号振幅比噪声振幅足够大。当计数来自上述被测定物的差拍信号的数字变换值是阈值以上的点数时，而在N(N：不包含0的自然数)点以下，则判断为噪声，被测定物检测为静止状态，在计数N点以上时，则检测进入移动状态，开始FFT演算，能够减少噪声引起的误动作发生概率。

从上述实施例1到实施例4的全部实施例中，在差拍信号的FFT频谱的峰值强度是阈值以下时，设定被测定物5检测为静止状态的判定基准，可以防止因噪声在FFT频谱中出现的峰值产生的被测定物移动信息的误检测。

上述实施例2和实施例4中，对相位差设定一定范围的阈值，在其范围内判断符号的正负，当表示该范围外的相位差时，被测定物5判断为静止状态，可以减少误动作产生的移动量误差。

上述全部实施例的LDV，检测被测定物的移动速度，但在后级的信号处理中，取得其时间信息，即可根据速度信息容易地换算为位移量。例如，在一般普及的电子机器中，可用于检测印字机和复印机送纸量的位移计。上述LDV，由于可根据来自作为被测定物的移动物体的反射光检测速度，则不必对移动物体(测定对象)进行特别的加工，即可适用于高分辨率编码器。目前广泛普及的光学式定位器，利用CCD(电荷耦合元件)等将检测面的斑点图象移动信息作为图象予以识别，检测移动量，但也可以将上述LDV用于光学式定位器等的波印廷装置。特别是利用上述LDV能够构成非常小型化的波印廷装置，适用于PDA(Personal Digital Assistants：)等的携带型信息终端的波印廷装置。

上述实施例2-4，为了接收多个差拍信号，配置了与该差拍信号数量相同数量的PD，也可以配置具有与该差拍信号数量相同数量受光面的1个受光元件。

本发明，在移动的被测定物上照射可干涉性光，可将根据被测定物移动速度的光的频率偏移适用于接收物体的散射光并检测被测定物速度的LDV。

将本发明也适用于小型LDV，即可根据受光信号检测被测定物的2维移动速度和移动方向。

本发明也适用于民生机器可用的小型、低消耗电力、2维移动速度和移动方向可检测的简便的LDV。

本发明中，可以由第1光分割装置将半导体发光元件射出的光分割为4个以上光束，然而从防止光学系统复杂化的观点来看，最好由第1光分割装置将半导体发光元件射出的光分割为3个光束。

以上，已说明了本发明的实施例，很明显地可以进行各种变更。这些变更不应认为脱离了本发明的精神和范围，对于本专业领域的技术人员自明的所有变更，都包含在下述权利要求的范围中。

Claims (25)

1.一种光学式移动信息检测装置，其特征是：

具有：

射出可干涉性光的半导体发光元件；

将上述半导体发光元件射出的光分割为至少3个光束的第1光分割装置；

利用上述光束在被测定物表面形成1个光点的光学系统；

接收上述光点来的扩散光的受光装置；

处理上述受光装置输出的信号的信号处理电路；

根据上述信号处理电路的输出，求出上述被测定物移动信息的检测部，

上述信号处理电路包含：

将上述受光装置输出的模拟信号变换为数字信号的模拟/数字变换部；

对上述数字信号进行傅里叶变换的傅里叶变换部，

上述检测部根据上述傅里叶变换部求出的频谱的峰值频率，求得上述被测定物的移动信息。

2.如权利要求1记载的光学式移动信息检测装置，其特征是：

上述第1光分割装置将上述半导体发光元件射出的光分割为第1光束、第2光束和第3光束的3个光束，

含有上述第1光束和上述第2光束的第1平面，相对于含有上述第1光束和上述第3光束的第2平面是垂直的。

3.如权利要求2记载的光学式移动信息检测装置，其特征是：

上述光学系统含有将上述第1光束、第2光束和第3光束聚光在上述光点的聚光部，

上述第1光束入射到是配置上述聚光部的第3平面、上述第1平面、上述第2平面的交点的原点，

上述第2光束入射到是上述第3平面和上述第1平面的交线的X轴上的第1入射点，

上述第3光束入射到是上述第3平面和上述第2平面的交线的Y轴上的第2入射点，

上述第1光束、第2光束和第3光束各自与上述第3平面的交点形成直角三角形，

上述直角三角形包含在关于上述X轴和上述Y轴的第1象限，

上述扩散光通过关于上述X轴和上述Y轴的第3象限。

4.如权利要求3记载的光学式移动信息检测装置，其特征是：

从上述第1象限经过上述第3象限延长，上述X轴与上述Y轴形成的角的2等分线和上述扩散光的光轴交叉。

5.如权利要求3记载的光学式移动信息检测装置，其特征是：

上述聚光部具有聚光透镜。

6.如权利要求2记载的光学式移动信息检测装置，其特征是：

上述傅里叶变换部求出第1峰值频率、低于上述第1峰值频率的第2峰值频率、低于上述第1、第2峰值频率的第3峰值频率，

上述检测部，不利用上述第1峰值频率，通过计算上述第2峰值频率与上述第3峰值频率的平方和，求出上述被测定物的移动速度。

7.如权利要求2记载的光学式移动信息检测装置，其特征是：

上述傅里叶变换部求出第1峰值频率、低于上述第1峰值频率的第2峰值频率、低于上述第1、第2峰值频率的第3峰值频率，

上述检测部，不利用上述第2峰值频率，通过计算上述第1峰值频率与上述第3峰值频率的平方和，求出上述被测定物的移动速度。

8.如权利要求2记载的光学式移动信息检测装置，其特征是：

上述傅里叶变换部求出第1峰值频率、低于上述第1峰值频率的第2峰值频率，

上述检测部，不利用上述第1峰值频率，用上述第2峰值频率求出上述被测定物的移动速度。

9.如权利要求2记载的光学式移动信息检测装置，其特征是：

上述傅里叶变换部求出第1、第2峰值频率，

上述检测部根据上述第1峰值频率与上述第2峰值频率之比，求出上述被测定物的移动方向。

10.如权利要求1记载的光学式移动信息检测装置，其特征是：

上述第1光分割装置将上述半导体发光元件射出的光分割为第1光束、第2光束和第3光束的3个光束，

还具有：

配置在上述第1光束的光轴上，具有与上述第1光束的偏振光方向形成大约45°角度的光学轴的波阻片；

利用上述第1光束、第2光束和第3光束，在上述被测定物表面形成1个光点的上述光学系统；

将来自上述光点的上述扩散光分割为第1、第2信号光的第2光分割装置；

配置在上述第1信号光的光轴上的第1直线偏振光镜；

配置在上述第2信号光的光轴上，具有相对于上述第1直线偏振光镜的光学轴大致直交的光学轴的第2直线偏振光镜，

上述受光装置含有接收上述第1信号光的第1受光装置，以及接收上述端2信号光的第2受光装置，

上述检测部

根据关于上述第1信号光的上述峰值频率和关于上述第2信号光的上述峰值频率的至少其中之一，求出上述被测定物的移动速度；

根据关于上述第1信号光的相位和关于上述第2信号光的相位，求出上述被测定物的移动方向。

11.如权利要求10记载的光学式移动信息险测装置，其特征是：

上述傅里叶变换部求出关于上述第1信光的第4峰值频率、第5峰值频率和第6峰值频率，并且求出关于上述第2信号光的第7峰值频率、第8峰值频率和第9峰值频率，

上述检测部根据对应于上述第4峰值频率的信号和对应于上述第7峰值频率的信号之相位差，以及对应于上述第5峰值频率的信号和对应于上述第8峰值频率的信号之相位差，求出上述被测定物的移动方向。

12.如权利要求11记载的光学式移动信息检测装置，其特征是：

由上述傅里叶变换部求出上述第4峰值频率、上述第5峰值频率、上述第7峰值频率和上述第8峰值频率各自的实数部和虚数部，

根据上述实数部和虚数部，求出对应于上述第4峰值频率、上述第5峰值频率、上述第7峰值频率和上述第8峰值频率各自的信号相位。

13.如权利要求11或12记载的光学式移动信息检测装置，其特征是：

上述检测部根据上述相位差的正负检测上述被测定物的移动方向。

14.如权利要求11或12记载的光学式移动信息检测装置，其特征是：

上述检测部在上述相位差之值表示规定范围外之值时，判断上述被测定物是静止状态。

15.如权利要求1记载的光学式移动信息检测装置，其特征是：

上述第1光分割装置将上述半导体发光元件射出的光分割为第1光束、第2光束和第3光束的3个光束，

含有上述第1光束和上述第2光束的第1平面，相对于含有上述第1光束和上述第3光束的第2平面是垂直的，

上述光学系统含有将上述第1光束、第2光束和第3光束聚光在上述光点的聚光部，

上述第1光束入射到是配置上述聚光部的第3平面、上述第1平面、上述第2平面的交点的原点，

上述第2光束入射到是上述第3平面和上述第1平面的交线的X轴上的第1入射点，

上述第3光束入射到是上述第3平面和第2平面的交线的Y轴上的第2入射点，

上述扩散光包含具有通过与上述第1入射点原点对称点的光轴的第1信号光，以及具有通过与上述第2入射点原点对称点的光轴的第2信号光，

上述受光装置包含接收上述第1信号光的第1受光装置，以及接收上述第2信号光的第2受光装置。

16.如权利要求15记载的光学式移动信息检测装置，其特征是：

上述傅里叶变换部求出关于上述第1信号光的多个上述峰值频率，并求出关于上述第2信号光的多个上述峰值频率，

上述检测部，通过计算关于上述第1信号光的上述多个峰值频率中最大峰值频率与关于上述第2信号光的上述多个峰值频率中最大峰值频率的平方和，求出上述被测定物的移动速度。

17.如权利要求16记载的光学式移动信息检测装置，其特征是：

上述检测部，根据关于上述第1信号光的上述多个峰值频率中最大峰值频率与关于上述第2信号光的上述多个峰值频率中最大峰值频率之比，检测上述被测定物的移动方向。

18.权利要求15记载的光学式移动信息检测装置，其特征是：

具有：

将上述第1信号光分割为第3信号光和第4信号光的2个信号光的第3光分割装置；

将上述第2信号光分割为第5信号光和第6信号光的2个信号光的第4光分割装置；

配置在上述第3信号光的光轴上的第3直线偏振光镜；

配置在上述第4信号光的光轴上，具有相对于上述第3直线偏振光镜的光学轴大致直交的光学轴的第4直线偏振光镜；

配置在上述第5信号光的光轴上的第5直线偏振光镜；

配置在上述第6信号光的光轴上，具有相对于上述第5直线偏振光镜的光学轴大致直交的光学轴的第6直线偏振光镜，

上述第1受光装置包含接收上述第3信号光的第3受光装置，以及接收上述第4信号光的第4受光装置，

上述第2受光装置包含接收上述第5信号光的第5受光装置，以及接收上述第6信号光的第6受光装置。

19.如权利要求1记载的光学式移动信息检测装置，其特征是：

上述检测部，在上述频谱的峰值强度值是所定阈值以下时，判断上述被测定物是静止状态。

20.如权利要求1记载的光学式移动信息检测装置，其特征是：

上述检测部，当上述数字信号的输出值在规定时间内为规定阈值以上的点是n(n：不包含0的自然数)点以下时，判断上述被测定物是静止状态。

21.如权利要求1记载的光学式移动信息检测装置，其特征是：

当上述数字信号的输出值在规定时间内为规定阈值以上的点超过n(n：不含0的自然数)点时，上述傅里叶变换部的计算开始。

22.如权利要求1记载的光学式移动信息检测装置，其特征是：

上述检测部，在上述频谱的最大峰值强度值是N(N：不含0的自然数)以下时，判断被测定物是静止状态。

23.一种具有光学式移动信息检测装置的电子机器，其特征是：

该光学式移动信息检测装置具有：

射出可干涉性光的半导体发光元件；

将上述半导体发光元件射出的光分割为至少3个光束的第1光分割装置；

利用上述光束在被测定物表面形成1个光点的光学系统；

接收来自上述光点的扩散光的受光装置；

处理上述受光装置输出的信号的信号处理电路；

根据上述信号处理电路的输出，求出上述被测定物移动信息的检测部，

上述信号处理电路含有：

将上述受光装置输出的模拟信号变换为数字信号的模拟/数字变换部；

对上述数字信号进行傅里叶变换的傅里叶变换部，

上述检测部根据上述傅里叶变换部求出的频谱的峰值频率，求出上述被测定物的移动信息。

24.如权利要求23记载的电子机器，其特征是，该电子机器是指向装置。

25.如权利要求23记载的电子机器，其特征是，该电子机器是编码器。

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