JP2005517915A - 光学変位センサ - Google Patents
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Abstract
Description
対象物の動きを測定する小型で低価格なセンサを提供することが、かなり長い間求められてきた。
従って、さらに小型で安価な変位センサや、対象物までの距離の正確な制御を必要としないセンサに対する要求がある。
1)フリンジパターン(レーザドプラー風力測定法に似た)を形成するための光源によって反復性光学構造を照明すること、および/又は、
2)光源によって対象物を照明し、照明された対象物からの光を光センサ上に反復性光学構造によって分散すること、
によって、照明された移動対象物によって出射される反復性光学信号を形成するために利用されることが、本願発明の基本的な観点である。
図1は、シリンドリカルレンズ18の直線アレイ12を備えるこの発明の変位センサを概略的に示す。f1はシリンドリカルレンズ18の焦点距離である。入力平面14は、レンズ18の焦点距離f1に等しい距離に、対象物(図示しない)から出た入射光の伝播方向に直交して設置される。この実施態様10では、対象物(図示しない)の表面の一部が入力平面14の方へ光を散乱させる。好ましくは、レーザがその表面のその部分を照明し、スペックル変化が入力平面で生成される。対象物が変位すると、スペックル変化が入力平面14に沿って対応して動く。個々のシリンドリカルレンズ18は光16,20を、焦点距離f2を有し直線アレイ12からf1+f2に等しい距離に設置された屈折レンズ22へ導く。レンズ22は光20を屈折させて波24とし、波24はレンズ22の焦平面に設置された光検出器素子26,28および30へ伝播する。このようにして、入力平面14は出力平面15上にくり返し結像される。検出器素子26,28および30は、各受光面が出力平面15に一致するように設置されている。入力平面の領域32が検出器素子28の領域34に結像され、隣接する各シリンドリカルレンズ18に関して同じ相対位置に位置する対応領域36が検出器素子26,28,30によって構成される光学検出器の同じ領域34に結像されることが示されている。
D0=Λ0(f1/f2)
で与えられる。
D/f2≧Λ0/f1
f1/(kΛ0 2)≪1
Asはレンズアレイ位置における開口径、
Wdは対象物までの距離、
λは出射光の波長、
Λ0はアレイにおける個々のレンズ幅、つまりアレイのピッチ、
fcはレンズアレイの焦点距離である。
As=1mm、Wd=3mm、λ=1μm、Λ0=15μm、fc=30μmである実施態様に対して、水平スポット分離は200μm、スポット高さは1.5mmである。レンズアレイにおけるスペックルスペクトルは、波長と、対象物から図53の表現によって与えられるスポット分離によって分割されるレンズアレイまでの距離によって与えられるスペクトル位置においてピークを表す。
Claims (32)
- 空間的にコヒーレントな光で対象物の少なくとも一部を照明するためのコヒーレント光源と、
空間における異なる特定の第1領域を、空間における実質的に同じ第2領域に写像するための少なくとも3つの光学素子を有し、それによって、第1領域を移動する対象物から出射する光の位相変化によって生じる振動光学信号を生成する光学部材と、
を備え、対象物の変位を検出するための光学変位センサーシステム。 - 光学部材が少なくとも3つの実質的に同じ光学素子を有する請求項1記載のシステム。
- 光学部材が実質的に同じ光学素子を備える反復性光学部材である請求項1又は2記載のシステム。
- 光学信号を対応する電子信号に変換する少なくとも1つの光検出器素子を有する検出器をさらに備える請求項1〜3のいずれか1つに記載のシステム。
- 光学素子がレンズである請求項1〜4のいずれか1つに記載のシステム。
- 光学素子がシリンドリカルレンズである請求項5記載のシステム。
- 光学素子が球面レンズである請求項5記載のシステム。
- 光学素子がフレネルレンズである請求項5記載にシステム。
- 光学素子が基板厚さのサイン曲線変調を有する直線位相回折格子によって形式されている請求項5記載のシステム。
- 光学素子がプリズムである請求項1〜5のいずれか1つに記載のシステム。
- 光学素子がプリズムスタブである請求項1〜5のいずれか1つに記載のシステム。
- 光学部材が回折光学素子である請求項1〜5のいずれか1つに記載のシステム。
- 光学素子が光を反射する請求項1〜12のいずれか1つに記載のシステム。
- 光学部材が光学素子の直線アレイである請求項1〜13のいずれか1つに記載のシステム。
- 光学部材が2次元アレイである請求項1〜14のいずれか1つに記載のシステム。
- レーザが対象物を照明する請求項1〜15のいずれか1つに記載のシステム。
- 対象物から出射する光を受入れる入力平面を備え、光学部材は入力平面の異なる部分から出射する光を、光学部材の対応する素子によって実質的に同じ方向に導くように適応する請求項4〜16のいずれか1つに記載のシステム。
- 少なくとも1つの光検出器素子における対応する特定部位に特定の角度で入射する光を写像するためのシステムをさらに備える請求項17記載のシステム。
- 光学部材と写像するためのシステムとが、単一の物理的素子の中に一体化されている請求項18記載のシステム。
- 入力平面がフーリエ変換レンズのフーリエ平面に配置され、対象物の回転変位が測定されるように対象物と入力平面との間に設置されたフーリエ変換レンズをさらに備える請求項17〜19のいずれか1つに記載のシステム。
- 対象物が、実質的に入力平面に設置された点光源によって出射される発散光ビームによって照明される請求項17〜20のいずれか1つに記載のシステム。
- コリメート光ビームが対象物を照明する請求項17〜20のいずれか1つに記載のシステム。
- 入力平面上に形成されるスペックルの平均サイズが個々の光学素子のサイズに実質的に等しい請求項17〜22のいずれか1つに記載のシステム。
- コヒーレント光源は、対象物を照明する複数の光ビームを形成するための光学部材を照明する請求項1〜23のいずれか1つに記載のシステム。
- 光学部材を照明するためのコリメート光源をさらに備える請求項1〜24のいずれか1つに記載のシステム。
- 測定ボリュームに光学部材を結像させてフリンジパターンを形成する画像形成システムをさらに備える請求項25記載のシステム。
- 共通平面において異なる速度成分を測定するために、空間における異なる特定の第1領域を、空間における実質的に同じ第2領域に写像する少なくとも3つの光学素子を有し実質的に共通な平面に設置された複数の光学部材をさらに備える請求項1〜26のいずれか1つに記載のシステム。
- 光検出器素子が、検出器信号の基本周波数の第3高調波を最適に抑制するために選択されている請求項4〜27のいずれか1つに記載のシステム。
- 検出器は、基本周波数の実質的に180°の位相ずれに対応する相互距離を有する第1組の2つの整合した光検出器素子を備える請求項4〜28のいずれか1つに記載のシステム。
- 検出器が、実質的に180°位相ずれに対応する相互距離を有する第2組の2つの整合した光検出器素子をさらに備え、2組の間の差の信号の位相が実質的に60°の位相ずれに対応する相互距離を有する請求項29記載のシステム。
- 実質的に180°の位相ずれに対応する相互距離を有する第2組の2つの整合した光検出器素子をさらに備え、2組の間の差の信号の位相が実質的に90°の位相ずれに対応する相互距離を有する請求項29記載のシステム。
- 少なくとも1つの光検出器素子の出力信号に実質的に独立している出力信号を与える少なくとも1つの光検出器素子に対して変位し、信号の脱落による信号の欠如の影響が最小化される第2組の光検出器素子をさらに備える請求項4〜31のいずれか1つに記載のシステム。
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