JP2005195464A - 光学式移動情報検出装置およびそれを備えた電子機器 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】ビームスプリッタ2a,2bによって、レーザーダイオード1が出射した光を第1光束10、第2光束11および第3光束12に分割する。第1光束10、第2光束11および第3光束12を集光レンズ4で被測定物5の表面に集光することにより、ビームスポット13を被測定物5の表面に形成する。ビームスポット13からの拡散光をフォトダイオード6で受光し、フォトダイオード6が出力した信号を、増幅器7、アナログ/デジタル変換器8および高速フーリエ変換演算器9で増幅、波形整形する。このフーリエ変換によって得られたスペクトルのピーク周波数に基いて、被測定物5の例えば移動速度および移動方向を求める。
【選択図】図1
Description
(式1)
(式2)
(式3)
と表すことができる。ただし、式3で左辺の<>は時間平均を表す。よって、PD102によりこの干渉波の周波数を測定することができる。
(式4)
と表せる。また、上記被測定物113から見たそれぞれの光の見かけの周波数fA1,fB1は、
(式5)
(式6)
となる。よって、観測点から見た光の周波数fA2,fB2は、
(式7)
と表すことができる。式7の周波数と入射光の周波数f0(=c/λ)との差がドップラー周波数偏移量fdになる。いま、観測点で測定される2つの光束のうなり周波数2fdは、c≫Vを用いて、
(式8)
となり、観測点の位置(角度:γ)に依らないことがわかる。図12においてはα=β=θであるので、図12の一般的なLDV光学系において、式8より、
(式9)
が成立する。よって、式3で表される周波数2fdを測定し、式9を用いて計算することにより、被測定物113の移動速度Vを求めることができる。
(式10)
(式12)
となる。よって、既知の速度Vgに対し、移動速度Vの符号(正負)により2fdの大小関係が決まるので移動方向を求めることができる。しかし、このような光学系においては、回折格子103の回転機構が必要であるため、装置の大型化、コスト増大となる。また、上記光学系では回折格子103の回転速度を精密に保つ必要があるが、偏心等による誤差や、回転による振動等のため回折格子103の回転速度に精密に保つのは困難である。したがって、上記光学系を精密な測定に用いることは困難であるという問題がある。
(式13)
となる。よって、被測定物113の移動方向によりVの符号が変わるので、既知の周波数シフト量|f1−f2|に対する2fdの大小関係により、被測定物113の移動方向を検知することができる。
(式14)
となる。よって、式13と同様、被測定物113の移動方向によりVの符号が変わるので、既知の周波数シフト量fRに対する2fdの大小関係により移動方向を検出することができる。
可干渉性の光を出射する半導体発光素子と、
上記半導体発光素子が出射した光を少なくとも3つの光束に分割する第1光分割手段と、
上記光束を用いて被測定物の表面に1点のスポットを形成する光学系と、
上記スポットからの拡散光を受光する受光手段と、
上記受光手段が出力した信号を処理する信号処理回路と
を備え、
上記信号処理回路は、
上記受光手段が出力したアナログ信号をデジタル信号に変換するアナログ/デジタル変換手段と、
上記デジタル信号をフーリエ変換するフーリエ変換手段と
を含み、
上記フーリエ変換手段が求めたスペクトルのピーク周波数に基いて、上記被測定物の移動情報を求めることを特徴としている。
上記光学系は、上記第1光束、第2光束および第3光束を上記スポットに集光する集光手段を含み、
上記第1光束は、上記集光手段を配置する第3平面と、上記第1平面と、上記第2平面との交点である原点に入射し、
上記第2光束は、上記第3平面と上記第1平面の交線であるX軸上の第1入射点に入射し、
上記第3光束は、上記第3平面と第2平面の交線であるY軸上の第2入射点に入射し、
上記第1光束、第2光束および第3光束のそれぞれと上記第3平面との交点は直角三角形を形成し、
上記直角三角形は、上記X軸および上記Y軸に関する第1象限に含まれ、
上記拡散光は、上記X軸および上記Y軸に関する第3象限を通過する。
上記第1光分割手段は、上記半導体発光素子が出射した光を第1光束、第2光束および第3光束の3つに分割し、
さらに、上記第1光束の光軸上に配置され、上記第1光束の偏光方向とほぼ45°の角度を成す光学軸を有する波長板と、
上記第1光束、第2光束および第3光束を用いて上記被測定物の表面に1点の上記スポットを形成する上記光学系と、
上記スポットからの上記拡散光を第1,第2信号光に分割する第2光分割手段と、
上記第1信号光の光軸上に配置された第1直線偏光子と、
上記第2信号光の光軸上に配置され、上記第1直線偏光子の光学軸に対してほぼ直交する光学軸を有する第2直線偏光子と
を備え、
上記受光手段は、上記第1信号光を受光する第1受光手段と、上記第2信号光を受光する第2受光手段とを含み、
上記第1信号光に関する上記ピーク周波数と、上記第2信号光に関する上記ピーク周波数との少なくとも一方に基いて、上記被測定物の移動速度を求め、
上記第1信号光に関する位相と、上記第2信号光に関する位相とに基いて、上記被測定物の移動方向を求める。
上記第1光分割手段は上記半導体発光素子が出射した光を第1光束、第2光束および第3光束の3つに分割し、
上記第1光束と上記第2光束とを含む第1平面は、上記第1光束と上記第3光束とを含む第2平面とに対して垂直であり、
上記光学系は、上記第1光束、第2光束および第3光束を上記スポットに集光する集光手段を含み、
上記第1光束は、上記集光手段を配置する第3平面と、上記第1平面と、上記第2平面との交点である原点に入射し、
上記第2光束は、上記第3平面と上記第1平面の交線であるX軸上の第1入射点に入射し、
上記第3光束は、上記第3平面と第2平面の交線であるY軸上の第2入射点に入射し、
上記拡散光は、上記第1入射点に原点対称な点を通る光軸を有する第1信号光と、上記第2入射点に原点対称な点を通る光軸を有する第2信号光とを含み、
上記受光手段は、上記第1信号光を受光する第1受光手段と、上記第2信号光を受光する第2受光手段とを含む。
上記第1信号光を第3信号光と第4信号光との2つに分割する第3光分割手段と、
上記第2信号光を第5信号光と第6信号光との2つに分割する第4光分割手段と、
上記第3信号光の光軸上に配置された第3直線偏光子と、
上記第4信号光の光軸上に配置され、上記第3直線偏光子の光学軸に対してほぼ直交する光学軸を有する第4直線偏光子と、
上記第5信号光の光軸上に配置された第5直線偏光子と、
上記第6信号光の光軸上に配置され、上記第5直線偏光子の光学軸に対してほぼ直交する光学軸を有する第6直線偏光子と
を備え、
上記第1受光手段は、上記第3信号光を受光する第3受光手段と、上記第4信号光を受光する第4受光手段とを含み、
上記第2受光手段は、上記第5信号光を受光する第5受光手段と、上記第6信号光を受光する第6受光手段とを含む。
第2の発明の電子機器は、上記第1の発明の光学式移動情報検出装置を備えたことを特徴としている。
(式15)
と書くことができる。
(式17)
と書くことができる。ただし、上記式17における符号は、図1の状態の被測定物5が第1象限または第3象限へ向って移動するときは「−」となり、図1の状態の被測定物5が第2象限または第4象限へ向って移動するときは「+」となる。
(式18)
(式19)
(式20)
(式22)
(式23)
を計算すれば、被測定物3の移動方向を求めることができる。例えば図4(a),(b)の場合、fdy/fdx=0.23となるから、被測定物3がx軸に対しておよそ13°の角度を成す方向に移動すると判断することができる。
(式27)
(式28)
となる。これらからPD6a,PD6bで検出されるビート信号15a,15bは次のように書くことができる。
(式29)
(式30)
(式31)
(式32)
が成り立つ。
(式33)
が成り立つ。
2a,2b,2c,2d,2e BS
3a,3b,3c,3d,3e ミラー
4 集光レンズ
5 被測定物
6,6a,6b,6c,6d,6e,6f PD
7,7a,7b,7c,7d,7e,7f 増幅器
8,8a,8b,8c,8d,8e,8f A/D変換器
9,9a,9b,9c,9d,9e,9f FFT演算器
10 第1光束
11 第2光束
12 第3光束
13 ビームスポット
14a 原点
14b 第1入射点
14c 第2入射点
15a,15b,15c,15d,15f ビート信号
16a,16b ビート信号出射点
17 1/4波長板
18a 第1直線偏光子
18b 第2直線偏光子
18c 第3直線偏光子
18d 第4直線偏光子
18e 第5直線偏光子
18f 第6直線偏光子
Claims (25)
- 可干渉性の光を出射する半導体発光素子と、
上記半導体発光素子が出射した光を少なくとも3つの光束に分割する第1光分割手段と、
上記光束を用いて被測定物の表面に1点のスポットを形成する光学系と、
上記スポットからの拡散光を受光する受光手段と、
上記受光手段が出力した信号を処理する信号処理回路と
を備え、
上記信号処理回路は、
上記受光手段が出力したアナログ信号をデジタル信号に変換するアナログ/デジタル変換手段と、
上記デジタル信号をフーリエ変換するフーリエ変換手段と
を含み、
上記フーリエ変換手段が求めたスペクトルのピーク周波数に基いて、上記被測定物の移動情報を求めることを特徴とする光学式移動情報検出装置。 - 請求項1に記載の光学式移動情報検出装置において、
上記第1光分割手段は上記半導体発光素子が出射した光を第1光束、第2光束および第3光束の3つに分割し、
上記第1光束と上記第2光束とを含む第1平面は、上記第1光束と上記第3光束とを含む第2平面とに対して垂直であることを特徴とする光学式移動情報検出装置。 - 請求項2に記載の光学式移動情報検出装置において、
上記光学系は、上記第1光束、第2光束および第3光束を上記スポットに集光する集光手段を含み、
上記第1光束は、上記集光手段を配置する第3平面と、上記第1平面と、上記第2平面との交点である原点に入射し、
上記第2光束は、上記第3平面と上記第1平面の交線であるX軸上の第1入射点に入射し、
上記第3光束は、上記第3平面と第2平面の交線であるY軸上の第2入射点に入射し、
上記第1光束、第2光束および第3光束のそれぞれと上記第3平面との交点は直角三角形を形成し、
上記直角三角形は、上記X軸および上記Y軸に関する第1象限に含まれ、
上記拡散光は、上記X軸および上記Y軸に関する第3象限を通過することを特徴とする光学式移動情報検出装置。 - 請求項3に記載の光学式移動情報検出装置において、
上記第1象限から上記第3象限にわたって延び、上記X軸と上記Y軸とが成す角の2等分線と、上記拡散光の光軸とが交差することを特徴とする光学式移動情報検出装置。 - 請求項3に記載の光学式移動情報検出装置において、
上記集光手段は集光レンズであることを特徴とする光学式移動情報検出装置。 - 請求項2に記載の光学式移動情報検出装置において、
上記フーリエ変換手段は、第1ピーク周波数と、上記第1ピーク周波数よりも低い周波数の第2ピーク周波数と、上記第1,第2ピーク周波数よりも低い周波数の第3ピーク周波数とを求め、
上記第1ピーク周波数を用いずに、上記第2ピーク周波数と上記第3ピーク周波数との2乗和を計算することにより、上記被測定物の移動速度を求めることを特徴とする光学式移動情報検出装置。 - 請求項2に記載の光学式移動情報検出装置において、
上記フーリエ変換手段は、第1ピーク周波数と、上記第1ピーク周波数よりも低い周波数の第2ピーク周波数と、上記第1,第2ピーク周波数よりも低い周波数の第3ピーク周波数とを求め、
上記第2ピーク周波数を用いずに、上記第1ピーク周波数と上記第3ピーク周波数との2乗和を計算することにより、上記被測定物の移動速度を求めることを特徴とする光学式移動情報検出装置。 - 請求項2に記載の光学式移動情報検出装置において、
上記フーリエ変換手段は、第1ピーク周波数と、上記第1ピーク周波数よりも低い周波数の第2ピーク周波数とを求め、
上記第1ピーク周波数を用いずに、上記第2ピーク周波数を用いて上記被測定物の移動速度を求めることを特徴とする光学式移動情報検出装置。 - 請求項2に記載の光学式移動情報検出装置において、
上記フーリエ変換手段は第1,第2ピーク周波数を求め、
上記第1ピーク周波数と上記第2ピーク周波数との比により、上記被測定物の移動方向を求めることを特徴とする光学式移動情報検出装置。 - 請求項1に記載の光学式移動情報検出装置において、
上記第1光分割手段は、上記半導体発光素子が出射した光を第1光束、第2光束および第3光束の3つに分割し、
さらに、上記第1光束の光軸上に配置され、上記第1光束の偏光方向とほぼ45°の角度を成す光学軸を有する波長板と、
上記第1光束、第2光束および第3光束を用いて上記被測定物の表面に1点の上記スポットを形成する上記光学系と、
上記スポットからの上記拡散光を第1,第2信号光に分割する第2光分割手段と、
上記第1信号光の光軸上に配置された第1直線偏光子と、
上記第2信号光の光軸上に配置され、上記第1直線偏光子の光学軸に対してほぼ直交する光学軸を有する第2直線偏光子と
を備え、
上記受光手段は、上記第1信号光を受光する第1受光手段と、上記第2信号光を受光する第2受光手段とを含み、
上記第1信号光に関する上記ピーク周波数と、上記第2信号光に関する上記ピーク周波数との少なくとも一方に基いて、上記被測定物の移動速度を求め、
上記第1信号光に関する位相と、上記第2信号光に関する位相とに基いて、上記被測定物の移動方向を求めることを特徴とする光学式移動情報検出装置。 - 請求項10に記載の光学式移動情報検出装置において、
上記フーリエ変換手段は、上記第1信号光に関する第4ピーク周波数、第5ピーク周波数および第6ピーク周波数を求めると共に、上記第2信号光に関する第7ピーク周波数、第8ピーク周波数および第9ピーク周波数を求め、
上記第4ピーク周波数に対応する信号と上記第7ピーク周波数に対応する信号との位相差、および、上記第5ピーク周波数に対応する信号と上記第8ピーク周波数に対応する信号との位相差により、上記被測定物の移動方向を求めることを特徴とする光学式移動情報検出装置。 - 請求項11に記載の光学式移動情報検出装置において、
上記第4ピーク周波数、上記第5ピーク周波数、上記第7ピーク周波数および上記第8ピーク周波数のそれぞれに対する実数部および虚数部を上記フーリエ変換手段で求め、
上記実数部および虚数部に基づいて、上記第4ピーク周波数、上記第5ピーク周波数、上記第7ピーク周波数および上記第8ピーク周波数のそれぞれに対応する信号の位相を求めることを特徴とする光学式移動情報検出装置。 - 請求項11または12に記載の光学式移動情報検出装置において、
上記位相差の正負により上記被測定物の移動方向を検出することを特徴とする光学式移動情報検出装置。 - 請求項11または12に記載の光学式移動情報検出装置において、
上記位相差の値が所定の範囲外の値を示したときは、上記被測定物は静止状態であると判断することを特徴とする光学式移動情報検出装置。 - 請求項1に記載の光学式移動情報検出装置において、
上記第1光分割手段は上記半導体発光素子が出射した光を第1光束、第2光束および第3光束の3つに分割し、
上記第1光束と上記第2光束とを含む第1平面は、上記第1光束と上記第3光束とを含む第2平面とに対して垂直であり、
上記光学系は、上記第1光束、第2光束および第3光束を上記スポットに集光する集光手段を含み、
上記第1光束は、上記集光手段を配置する第3平面と、上記第1平面と、上記第2平面との交点である原点に入射し、
上記第2光束は、上記第3平面と上記第1平面の交線であるX軸上の第1入射点に入射し、
上記第3光束は、上記第3平面と第2平面の交線であるY軸上の第2入射点に入射し、
上記拡散光は、上記第1入射点に原点対称な点を通る光軸を有する第1信号光と、上記第2入射点に原点対称な点を通る光軸を有する第2信号光とを含み、
上記受光手段は、上記第1信号光を受光する第1受光手段と、上記第2信号光を受光する第2受光手段とを含むことを特徴とする光学式移動情報検出装置。 - 請求項15に記載の光学式移動情報検出装置において、
上記フーリエ変換手段は、上記第1信号光に関する上記ピーク周波数を複数求めると共に、上記第2信号光に関する上記ピーク周波数を複数求め、
上記第1信号光に関する上記複数のピーク周波数うちの最大ピーク周波数と、上記第2信号光に関する上記複数のピーク周波数のうち最大ピーク周波数との2乗和を計算することにより、上記被測定物の移動速度を求めることを特徴とする光学式移動情報検出装置。 - 請求項16に記載の光学式移動情報検出装置において、
上記第1信号光に関する上記複数のピーク周波数うちの最大ピーク周波数と、上記第2信号光に関する上記複数のピーク周波数のうち最大ピーク周波数との比により、上記被測定物の移動方向を検出することを特徴とする光学式移動情報検出装置。 - 請求項15に記載の光学式移動情報検出装置において、
上記第1信号光を第3信号光と第4信号光との2つに分割する第3光分割手段と、
上記第2信号光を第5信号光と第6信号光との2つに分割する第4光分割手段と、
上記第3信号光の光軸上に配置された第3直線偏光子と、
上記第4信号光の光軸上に配置され、上記第3直線偏光子の光学軸に対してほぼ直交する光学軸を有する第4直線偏光子と、
上記第5信号光の光軸上に配置された第5直線偏光子と、
上記第6信号光の光軸上に配置され、上記第5直線偏光子の光学軸に対してほぼ直交する光学軸を有する第6直線偏光子と
を備え、
上記第1受光手段は、上記第3信号光を受光する第3受光手段と、上記第4信号光を受光する第4受光手段とを含み、
上記第2受光手段は、上記第5信号光を受光する第5受光手段と、上記第6信号光を受光する第6受光手段とを含むことを特徴とする光学式移動情報検出装置。 - 請求項1に記載の光学式移動情報検出装置において、
上記スペクトルのピーク強度の値が所定の閾値以下であるときは、上記被測定物は静止状態であると判断することを特徴とする光学式移動情報検出装置。 - 請求項1に記載の光学式移動情報検出装置において、
上記デジタル信号の出力値が所定の時間内で所定の閾値以上になった点がn(n:0を含まない自然数)点以下のときは、上記被測定物は静止状態であると判断することを特徴とする光学式移動情報検出装置。 - 請求項1に記載の光学式移動情報検出装置において、
上記デジタル信号の出力値が所定の時間内で所定の閾値以上になった点がn(n:0を含まない自然数)点を越えると、上記フーリエ変換手段による計算が開始することを特徴とする光学式移動情報検出装置。 - 請求項1に記載の光学式移動情報検出装置において、
上記スペクトルの最大ピーク強度の値がN(N:0を含まない自然数)以下のときは、記被測定物は静止状態であると判断することを特徴とする光学式移動情報検出装置。 - 請求項1に記載の光学式移動情報検出装置を備えたことを特徴とする電子機器。
- 請求項23に記載の電子機器において、
ポインティングデバイスに用いられることを特徴とする電子機器。 - 請求項23に記載の電子機器において、
エンコーダに用いられることを特徴とする電子機器。
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