JP2011013083A - 測定装置及びそれを用いた機器 - Google Patents
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Abstract
【課題】測定対象物と受光素子との離間距離に依存せずに、反射光学像を用いて高精度に測定対象物の測定装置との相対変位等を測定する。
【解決手段】測定装置は、可干渉性を有する発散光束を射出する光源10と、光源から測定対象物20に照射された光束により発生した反射光学像を受光する受光素子31とを有する。測定装置は、光源の発光面と受光素子の受光面は同じ平面C上に配設され、光源から射出された発散光束を光学パワーを持った面を介さずに測定対象物に照射する。測定装置は、tan(θ/2)>D/(2・L)を満足する。θは光源の配光角度範囲、Dは光源の発光領域の中心と受光素子の受光領域の中心との間の距離、Lは光源の発光面から測定対象物までの距離である。
【選択図】図2
【解決手段】測定装置は、可干渉性を有する発散光束を射出する光源10と、光源から測定対象物20に照射された光束により発生した反射光学像を受光する受光素子31とを有する。測定装置は、光源の発光面と受光素子の受光面は同じ平面C上に配設され、光源から射出された発散光束を光学パワーを持った面を介さずに測定対象物に照射する。測定装置は、tan(θ/2)>D/(2・L)を満足する。θは光源の配光角度範囲、Dは光源の発光領域の中心と受光素子の受光領域の中心との間の距離、Lは光源の発光面から測定対象物までの距離である。
【選択図】図2
Description
本発明は、可干渉性の光を照射した物体からの拡散反射光により生じるスペックル・パターン又は測定対象物の表面の凹凸形状の結像作用や干渉作用から生成された光強度分布を有する光学像を利用して該物体の変位や変位速度を非接触測定する測定装置に関する。
He−Neレーザ等のコヒーレント光を散乱面に照射すると、不規則な粒状模様が現れる。このような粒状模様は、散乱面によってランダムに散乱及び回折されてランダムな位相関係を持った散乱光同士が重なり合った結果生じる干渉光によるものであり、スペックル・パターンと呼ばれている。
スペックル・パターンを用いて、物体の変位や変位速度を計測することができる。スペックル・パターンの静的及び動的な特性や各種計測への応用については、よく知られており、また特許文献1及び特許文献2には、スペックル・パターンを用いて物体の表面粗さを計測する方法が開示されている。
これらのような計測において、スペックル・パターンを発生させるためには必ずしも結像光学系を用いる必要はなく、単に入射レーザ光によって粗面物体が照明され、そこからの散乱光が自由空間を伝播しただけでもスペックル・パターンは生ずる。これを回折界のスペックル・パターンと呼ぶ。回折界のスペックル・パターンにおいても、特殊な場合を除き、スペックル・パターンは粗面物体の移動に伴って、計測系の配置で決まる一定の比率で移動する。
スペックル・パターンの移動検出方法としては、スペックル・パターンの生成面又は結像面にイメージセンサやフォトダイオードアレイを配置する方法や、移動前後のスペックル・パターンの像を感光材料に2重記録する方法等が提案されている。
回折界のレーザスペックル・パターン(レーザスペックル)を利用した速度測定法については、特許文献3にて開示されている。ただし、このような回折界のレーザスペックルを利用し、移動物体からの反射光を受光する方式の速度測定装置では、移動物体の振動や傾斜によって測定誤差が大きくなる。特に、移動物体が傾斜すると、該移動物体での反射光を受光することができなくなり、測定不能となることがある。
図13には、特許文献3にて開示された速度測定方法の概略を示している。移動物体(粗面物体)501が図中の右方向に面内移動しているとき、その表面にレーザ光源502からのレーザ光を投光レンズ503を介して斜めから照射する。そして、移動物体501での反射光を、スペックル・パターンの並進方向に平行に配置した受光センサ504A,504Bにより検出し、検出した光信号の時間的ずれ量を、相関処理器505により相互相関処理することで、移動物体501の速度を検出する。
ここで、移動物体501の移動速度をVobとし、並進倍率をσとし、受光センサ504A,504B上でのスペックル・パターンの移動速度をVspとする。また、受光センサ504A,504Bの離間距離をXとし、投光レンズ503と移動物体501との間に形成されるビームウェスト506と移動物体501との離間距離をZaとする。さらに、移動物体501と受光センサ504A,504Bとの離間距離をZbとする。このとき、受光センサ504A,504Bで検出した光信号の時間的ずれ量τdは、以下の式で与えられる。
Vob=σ×Vsp
σ=1+Zb/Za
τd=X/Vob=X/σVsp
ただし、Xとσは既知とする。
受光センサ504Bからは、受光センサ504Aでの受光信号の波形に対して時間的ずれ量τdを持った同様な受光信号の波形が出力される。このため、時間的ずれ量τdを測定すれば、上記式によって移動物体501の移動速度Vobを求めることができる。
このような測定系において、移動物体501に面外変位が発生すると、離間距離Za,Zbが変化し、既知の値として使用する並進倍率σの値に対する誤差が発生する。この結果、算出された移動物体501の移動速度Vobに誤差が生じる。
スペックル・パターンを用いて、物体の変位や変位速度を計測することができる。スペックル・パターンの静的及び動的な特性や各種計測への応用については、よく知られており、また特許文献1及び特許文献2には、スペックル・パターンを用いて物体の表面粗さを計測する方法が開示されている。
これらのような計測において、スペックル・パターンを発生させるためには必ずしも結像光学系を用いる必要はなく、単に入射レーザ光によって粗面物体が照明され、そこからの散乱光が自由空間を伝播しただけでもスペックル・パターンは生ずる。これを回折界のスペックル・パターンと呼ぶ。回折界のスペックル・パターンにおいても、特殊な場合を除き、スペックル・パターンは粗面物体の移動に伴って、計測系の配置で決まる一定の比率で移動する。
スペックル・パターンの移動検出方法としては、スペックル・パターンの生成面又は結像面にイメージセンサやフォトダイオードアレイを配置する方法や、移動前後のスペックル・パターンの像を感光材料に2重記録する方法等が提案されている。
回折界のレーザスペックル・パターン(レーザスペックル)を利用した速度測定法については、特許文献3にて開示されている。ただし、このような回折界のレーザスペックルを利用し、移動物体からの反射光を受光する方式の速度測定装置では、移動物体の振動や傾斜によって測定誤差が大きくなる。特に、移動物体が傾斜すると、該移動物体での反射光を受光することができなくなり、測定不能となることがある。
図13には、特許文献3にて開示された速度測定方法の概略を示している。移動物体(粗面物体)501が図中の右方向に面内移動しているとき、その表面にレーザ光源502からのレーザ光を投光レンズ503を介して斜めから照射する。そして、移動物体501での反射光を、スペックル・パターンの並進方向に平行に配置した受光センサ504A,504Bにより検出し、検出した光信号の時間的ずれ量を、相関処理器505により相互相関処理することで、移動物体501の速度を検出する。
ここで、移動物体501の移動速度をVobとし、並進倍率をσとし、受光センサ504A,504B上でのスペックル・パターンの移動速度をVspとする。また、受光センサ504A,504Bの離間距離をXとし、投光レンズ503と移動物体501との間に形成されるビームウェスト506と移動物体501との離間距離をZaとする。さらに、移動物体501と受光センサ504A,504Bとの離間距離をZbとする。このとき、受光センサ504A,504Bで検出した光信号の時間的ずれ量τdは、以下の式で与えられる。
Vob=σ×Vsp
σ=1+Zb/Za
τd=X/Vob=X/σVsp
ただし、Xとσは既知とする。
受光センサ504Bからは、受光センサ504Aでの受光信号の波形に対して時間的ずれ量τdを持った同様な受光信号の波形が出力される。このため、時間的ずれ量τdを測定すれば、上記式によって移動物体501の移動速度Vobを求めることができる。
このような測定系において、移動物体501に面外変位が発生すると、離間距離Za,Zbが変化し、既知の値として使用する並進倍率σの値に対する誤差が発生する。この結果、算出された移動物体501の移動速度Vobに誤差が生じる。
このように、スペックル・パターンを利用した測定方法は、非接触で粗面物体の面内変位や移動速度等を測定するには適しているが、移動物体に対する照明系や検出系のアライメントを正確かつ安定的に保つ必要がある。特許文献3にて開示された測定系では、照明系及び検出系は、移動物体に対してそれぞれ斜めに配置されている。このような傾斜照明系及び傾斜検出系を避け、垂直照明系及び垂直検出系を採用するためには、ハーフミラーやビームスプリッタ等の光学部品を用いる必要があるため、部品点数の増加によって測定装置の小型化が妨げられる。
一方、結像光学系を用いた像界のスペックル・パターンを利用して速度を測定する方法もある。この測定方法によれば、移動物体の振動や傾斜の影響をキャンセルすることが可能である。ただし、この測定方法では、センサと移動物体とを、これらが結像関係になるような位置に正確に設置することが必要となり、設置が困難である。
本発明は、測定対象物と受光素子との離間距離に依存せずに、スペックル・パターン等を用いて高精度に測定対象物の光源(測定装置)との相対変位、相対変位速度又は表面粗さを計測することが可能な小型の測定装置を提供する。
一方、結像光学系を用いた像界のスペックル・パターンを利用して速度を測定する方法もある。この測定方法によれば、移動物体の振動や傾斜の影響をキャンセルすることが可能である。ただし、この測定方法では、センサと移動物体とを、これらが結像関係になるような位置に正確に設置することが必要となり、設置が困難である。
本発明は、測定対象物と受光素子との離間距離に依存せずに、スペックル・パターン等を用いて高精度に測定対象物の光源(測定装置)との相対変位、相対変位速度又は表面粗さを計測することが可能な小型の測定装置を提供する。
本発明の一側面としての測定装置は、可干渉性を有する発散光束を射出する光源と、光源から測定対象物に照射された光束により発生したスペックル・パターンあるいは測定対象物の表面の凹凸形状の結像作用、干渉作用から生成された光強度分布を有する光学像を受光する受光素子とを有する装置であり、測定対象物の該装置との相対変位量、相対変位速度を測定する。該測定装置は、光源の発光面と受光素子の受光面は同じ平面上に配設され、光源から射出された発散光束を光学パワーを持った面を介さずに測定対象物に照射する。そして、該測定装置は、以下の条件を満足することを特徴とする。
Tan(θ/2)>D/(2・L)
ただし、θは光源の配光角度範囲、Dは光源の発光領域の中心と受光素子の受光領域の中心との間の距離、Lは光源の発光面から測定対象物までの距離である。
ただし、θは光源の配光角度範囲、Dは光源の発光領域の中心と受光素子の受光領域の中心との間の距離、Lは光源の発光面から測定対象物までの距離である。
なお、上記測定装置を有するカメラ、交換レンズ、プリンタ、複写機等の機器も本発明の他の一側面を構成する。
本発明によれば、スペックル・パターン又は測定対象物の表面の凹凸形状の結像作用や干渉作用から生成された光強度分布を有する光学像を利用した小型の測定装置を実現できる。しかも、本発明によれは、測定対象物と検出装置との離間距離が変化しても、高精度に測定対象物の光源(測定装置)との相対変位、相対変位速度又は表面粗さを計測することができる。
以下、本発明の好ましい実施例について図面を参照しながら説明する。
図1の(A)及び(B)には、本発明の実施例1である測定装置の概略構成を示している。また、図2には、該測定装置においてスペックル・パターン又は測定対象物の表面の凹凸形状の結像作用や干渉作用から生成された光強度分布を有する光学像(以下、反射光学像という)が形成される様子を示している。
図1の(A)及び図2において、X1,X2,X3はそれぞれ、後述する発光窓の短辺方向、フォトダイオードアレイの配列方向(反射光学像のピッチ方向)、及び測定対象物の面内方向である。また、Y1,Y2,Y3はそれぞれ、発光窓の長辺方向、フォトダイオードアレイを構成する各フォトダイオードの長手方向、及び測定対象物の他の面内方向である。さらに、Z1,Z2,Z3はそれぞれ、発光窓(発光面)、フォトダイオードアレイ(受光面)及び物体の表面に垂直な方向である。
これらの図において、10は光源としての電流狭窄型半導体発光素子であり、発光領域を発光層の一部に限定するための電流狭窄構造を有する化合物半導体発光素子である。発光素子10は、点光源である。以下の説明において、この発光素子をLEDチップ10と称する。11はLEDチップ10の有効発光領域を形成する発光窓である。
20は測定対象物(以下、単に物体という)であり、その表面は金属粗面のような光学的な拡散面として形成されている。この物体20は、測定装置(つまりはLEDチップ10)に対して、X3方向に移動する。
なお、本実施例では、物体20が測定装置に対して移動する場合について説明するが、固定された物体20に対して測定装置が移動してもよい。言い換えれば、測定装置と物体20とが相対移動すればよい。
本実施例の測定装置は、物体20の測定装置との相対変位量、相対変位速度又は物体20の表面粗さを測定することができるが、ここでは、測定装置に対する物体20の移動量を測定するものとして説明する。
31は反射光学像を受光する受光素子であり、本実施例では、フォトダイオードアレイを用いて構成されている。以下の説明においては、この受光素子を、フォトダイオードアレイ31と称する。30はフォトICチップであり、信号処理回路部34及びフォトダイオードアレイ31を含むシリコン半導体素子である。
LEDチップ10と、フォトダイオードアレイ31及び信号処理回路34を含むフォトICチップ30とにより、反射型光学式センサとしての検出ヘッド40が構成される。
LEDチップ10から射出した発散光束は、物体20の表面上の広い範囲に照射される。そして、物体20の粗面の各点で散乱された光が互いに干渉し合うことで、LEDチップ10やフォトICチップ30を含む広い空間領域で不規則な干渉パターン、結像パターンである反射光学像SPを形成する。なお、LEDチップ10から射出された発散光束は、光学パワーを持った面を介さずに、すなわち直接、物体20に照射される。
物体20の粗面(表面)がX3方向に移動すると、スペックル・パターンSPは移動しながら変形する。物体表面の変位や変形による反射光学像SPの移動は、該変位及び変形の種類や、光を物体に照射したり反射光学像SPを検出したりするための光学系や、反射光学像の検出位置(観察位置)に依存している。反射光学像SPには、物体20への照射光の発散又は収束や反射光学像SPの観察位置によって、物体20の変位が拡大されて現れたり、逆に縮小されて現れたりする。
本実施例では、LEDチップ10から射出した光束は発散光束として物体20に照射され、かつ照射光束の波面の曲率半径と観察位置との関係から、反射光学像SPの並進倍率(変位拡大倍率)は2倍となっている。
物体20の粗面が面内移動(平行移動)するときの反射光学像SPの大きさは、LEDチップ10の発光窓11の大きさ、照射光の照射面(粗面)上での大きさ、及び照射光の波面の曲率半径等により決定される。反射光学像SPの形状は、照射光の波長、物体20への入射角化、及び物体20の粗面の構造に依存する。
図1の(B)及び図2には、フォトダイオードアレイ31の近傍に形成された、平均ピッチがPである反射光学像SPを示している。
図1の(B)において、LEDチップ10の発光窓(発光面)11から物体20の表面までの距離と、物体20の表面からフォトダイオードアレイ31の受光面までの距離とは互いに等しく、距離Lに設定されている。言い換えれば、LEDチップ10の発光面とフォトダイオードアレイ31の受光面は、図中にCで示す同一平面上に配設されている。この関係を有する場合、スペックル・パターンの変位量は物体20の移動量の2倍となる。
なお、平面Cは、物体20が移動する(物体20が測定装置と相対変位する)平面と平行な平面である。また、LEDチップ10とフォトダイオードアレイ31は、物体20の測定装置との相対変位方向に対して直交する軸上にそれぞれ配置されている
図3の(A)〜(C)には、上述した検出ヘッド40の詳細を示している。(A)には、LEDチップ10とフォトICチップ30の詳細を示す。LEDチップ10の発光窓(有効発光領域)11は、40×150μm程度の矩形又は楕円形状に形成されている。
LEDチップ10は、中心発光波長:λc=650nmの赤色LEDであり、発光波長のスペクトル半値幅:Δλ≒15nm前後である。
発光窓11の短辺方向(40μm幅の方向)は、X1方向に平行に設けられている。この発光窓11の短辺の幅は、光源としての空間的な可干渉性を決定する重要な寸法であり、スペックル・パターンの斑点形状及びその光学的なコントラストに影響を与える。具体的には、発光窓11の短辺の幅は、フォトダイオードアレイ31の受光面上に形成される反射光学像の平均空間強度分布の平均周期の1/2以下とすることが好ましい。
LEDチップ10の下側には、フォトICチップ30が配置されている。フォトICチップ30のうちLEDチップ10に近い側にフォトダイオードアレイ31が配置され、LEDチップ10から遠い側に信号処理回路部34が配置されている。
フォトダイオードアレイ31においては、図中の水平方向であるX2方向に、16個のフォトダイオード32a,32b,32d,32d,33a,・・・,34d,35a,35b,35c,35dが等間隔に配列されている。
これらフォトダイオードは、フォトダイオードアレイ面上に形成される反射光学像の平均ピッチPが検出できるように、該アレイ面に投影される光の強度分布として、寸法Pに対応する基本空間周波数成分が抽出できるように配列されている。この寸法Pに相当する周期を、検出ヘッド40の基本周期という。
16個のフォトダイオードは、基本周期Pの1/4のピッチ、すなわちP/4ピッチで配列されている。また、これらフォトダイオードは、左から4個を1セットとする4つのセット(31,32,33,34)として配置されている。4個のフォトダイオードは、互いに90°位相がずれたA相及びB相の出力を得る2個のフォトダイオードと、これらに対してそれぞれ180°位相がずれたAB相及びBB相の出力を得る2個のフォトダイオードとを含む。
このようなフォトダイオードの配置により、物体20の移動に伴って、互いに90°位相のずれたA相,AB相,B相及びBB相の出力電流が得られる。これらの出力電流は、信号処理回路部34内に設けられた電流電圧変換器で電圧値に変換され、差動増幅器によりA相とAB相の差動と、B相とBB相の差動とがとられることで、互いに90°位相のずれたA相及びB相の変位出力信号が得られる。
図3の(B)には、それぞれ半導体素子であるLEDチップ10とフォトICチップ30を封止するパッケージを示している。(B)に示すように、LEDチップ10とフォトICチップ30の間には、LEDチップ10の発光窓11から射出した光がフォトダイオードアレイ31に直接入射しないようにするための遮光壁48が設けられている。
また、図3の(C)には、検出ヘッド40と物体20との間の光路を示している。ただし、この光路は、物体20の表面が鏡面である場合の光路である。
これに対し、図3の(D)には、物体20の表面が粗面である場合の検出ヘッド40と物体20との間の光路を示している。該光路は、物体20の表面からの反射光によりスペックル・パターンが形成される場合の該スペックル像の形成に寄与する光線の光路である。
(C),(D)に示すように、検出ヘッド40は、LEDチップ10及びフォトICチップ30を支持する配線基板44と、LEDチップ10及びフォトICチップ30を覆うように配置された透光性の封止樹脂45を有する。さらに、検出ヘッド40は、封止樹脂45上に配設された透明ガラス46を有する。
図4の(A)には、信号処理回路部34の回路構成を示している。図3の(A)に示した16個のフォトダイオード32a,32b,32d,32d,33a,・・・,34d,35a,35b,35c,35dにおいて、同じ添え字a,b,c,dが付されたフォトダイオードは互いに電気的に接続されている。例えば、フォトダイオード32a,33a,34a,35aは互いに電気的に接続されている。以下、添え字aが付された4個のフォトダイオードをa相フォトダイオード116といい、添え字bが付された4個のフォトダイオードをb相フォトダイオード117という。また、添え字cが付された4個のフォトダイオードをc相フォトダイオード118といい、添え字dが付された4個のフォトダイオードをd相フォトダイオード119という。
a相〜d相フォトダイオード116〜119からの出力信号は、電気回路ユニット121に入力される。電気回路ユニット121は、LEDチップ10の発光部112の発光回路と、アナログ信号処理部123と、物体20の移動量を算出して該物体20の位置を求める位置演算部122とを含む。アナログ信号処理部123は、図4の(b)に示すように、a相及びc相フォトダイオード116,118の差動出力としてA相出力信号VAを得るとともに、c相及びd相フォトダイオード117,119の差動出力としてB相出力信号VBを得る。
位置演算部122に入力されるアナログ信号処理部123からのA相及びB相出力信号VA,VBは、交流成分Va,Vbと、直流成分Vref2との和となる。位置演算部122は、A相出力信号(VA=Va+Vref2)又はB相出力信号(VB=Vb+Vref2)から該信号のピークを計数し、物体20の移動に伴う反射光学像の通過回数を得る。反射光学像の平均ピッチPに、計数した通過回数を乗じることで、物体20の移動量が算出される。
また、A相及びB相出力信号の交流成分に基づいて、A相とB相間の位相角を算出することにより、反射光学像の平均ピッチP以下の移動量を算出することができる。
例えば、A相及びB相の正弦波状の出力信号を逆正接演算して逆正接値(arctan 値)を求めて位相角を算出する方法により、移動量の検出分解能を高めることができる。
図1の(A)及び図2において、X1,X2,X3はそれぞれ、後述する発光窓の短辺方向、フォトダイオードアレイの配列方向(反射光学像のピッチ方向)、及び測定対象物の面内方向である。また、Y1,Y2,Y3はそれぞれ、発光窓の長辺方向、フォトダイオードアレイを構成する各フォトダイオードの長手方向、及び測定対象物の他の面内方向である。さらに、Z1,Z2,Z3はそれぞれ、発光窓(発光面)、フォトダイオードアレイ(受光面)及び物体の表面に垂直な方向である。
これらの図において、10は光源としての電流狭窄型半導体発光素子であり、発光領域を発光層の一部に限定するための電流狭窄構造を有する化合物半導体発光素子である。発光素子10は、点光源である。以下の説明において、この発光素子をLEDチップ10と称する。11はLEDチップ10の有効発光領域を形成する発光窓である。
20は測定対象物(以下、単に物体という)であり、その表面は金属粗面のような光学的な拡散面として形成されている。この物体20は、測定装置(つまりはLEDチップ10)に対して、X3方向に移動する。
なお、本実施例では、物体20が測定装置に対して移動する場合について説明するが、固定された物体20に対して測定装置が移動してもよい。言い換えれば、測定装置と物体20とが相対移動すればよい。
本実施例の測定装置は、物体20の測定装置との相対変位量、相対変位速度又は物体20の表面粗さを測定することができるが、ここでは、測定装置に対する物体20の移動量を測定するものとして説明する。
31は反射光学像を受光する受光素子であり、本実施例では、フォトダイオードアレイを用いて構成されている。以下の説明においては、この受光素子を、フォトダイオードアレイ31と称する。30はフォトICチップであり、信号処理回路部34及びフォトダイオードアレイ31を含むシリコン半導体素子である。
LEDチップ10と、フォトダイオードアレイ31及び信号処理回路34を含むフォトICチップ30とにより、反射型光学式センサとしての検出ヘッド40が構成される。
LEDチップ10から射出した発散光束は、物体20の表面上の広い範囲に照射される。そして、物体20の粗面の各点で散乱された光が互いに干渉し合うことで、LEDチップ10やフォトICチップ30を含む広い空間領域で不規則な干渉パターン、結像パターンである反射光学像SPを形成する。なお、LEDチップ10から射出された発散光束は、光学パワーを持った面を介さずに、すなわち直接、物体20に照射される。
物体20の粗面(表面)がX3方向に移動すると、スペックル・パターンSPは移動しながら変形する。物体表面の変位や変形による反射光学像SPの移動は、該変位及び変形の種類や、光を物体に照射したり反射光学像SPを検出したりするための光学系や、反射光学像の検出位置(観察位置)に依存している。反射光学像SPには、物体20への照射光の発散又は収束や反射光学像SPの観察位置によって、物体20の変位が拡大されて現れたり、逆に縮小されて現れたりする。
本実施例では、LEDチップ10から射出した光束は発散光束として物体20に照射され、かつ照射光束の波面の曲率半径と観察位置との関係から、反射光学像SPの並進倍率(変位拡大倍率)は2倍となっている。
物体20の粗面が面内移動(平行移動)するときの反射光学像SPの大きさは、LEDチップ10の発光窓11の大きさ、照射光の照射面(粗面)上での大きさ、及び照射光の波面の曲率半径等により決定される。反射光学像SPの形状は、照射光の波長、物体20への入射角化、及び物体20の粗面の構造に依存する。
図1の(B)及び図2には、フォトダイオードアレイ31の近傍に形成された、平均ピッチがPである反射光学像SPを示している。
図1の(B)において、LEDチップ10の発光窓(発光面)11から物体20の表面までの距離と、物体20の表面からフォトダイオードアレイ31の受光面までの距離とは互いに等しく、距離Lに設定されている。言い換えれば、LEDチップ10の発光面とフォトダイオードアレイ31の受光面は、図中にCで示す同一平面上に配設されている。この関係を有する場合、スペックル・パターンの変位量は物体20の移動量の2倍となる。
なお、平面Cは、物体20が移動する(物体20が測定装置と相対変位する)平面と平行な平面である。また、LEDチップ10とフォトダイオードアレイ31は、物体20の測定装置との相対変位方向に対して直交する軸上にそれぞれ配置されている
図3の(A)〜(C)には、上述した検出ヘッド40の詳細を示している。(A)には、LEDチップ10とフォトICチップ30の詳細を示す。LEDチップ10の発光窓(有効発光領域)11は、40×150μm程度の矩形又は楕円形状に形成されている。
LEDチップ10は、中心発光波長:λc=650nmの赤色LEDであり、発光波長のスペクトル半値幅:Δλ≒15nm前後である。
発光窓11の短辺方向(40μm幅の方向)は、X1方向に平行に設けられている。この発光窓11の短辺の幅は、光源としての空間的な可干渉性を決定する重要な寸法であり、スペックル・パターンの斑点形状及びその光学的なコントラストに影響を与える。具体的には、発光窓11の短辺の幅は、フォトダイオードアレイ31の受光面上に形成される反射光学像の平均空間強度分布の平均周期の1/2以下とすることが好ましい。
LEDチップ10の下側には、フォトICチップ30が配置されている。フォトICチップ30のうちLEDチップ10に近い側にフォトダイオードアレイ31が配置され、LEDチップ10から遠い側に信号処理回路部34が配置されている。
フォトダイオードアレイ31においては、図中の水平方向であるX2方向に、16個のフォトダイオード32a,32b,32d,32d,33a,・・・,34d,35a,35b,35c,35dが等間隔に配列されている。
これらフォトダイオードは、フォトダイオードアレイ面上に形成される反射光学像の平均ピッチPが検出できるように、該アレイ面に投影される光の強度分布として、寸法Pに対応する基本空間周波数成分が抽出できるように配列されている。この寸法Pに相当する周期を、検出ヘッド40の基本周期という。
16個のフォトダイオードは、基本周期Pの1/4のピッチ、すなわちP/4ピッチで配列されている。また、これらフォトダイオードは、左から4個を1セットとする4つのセット(31,32,33,34)として配置されている。4個のフォトダイオードは、互いに90°位相がずれたA相及びB相の出力を得る2個のフォトダイオードと、これらに対してそれぞれ180°位相がずれたAB相及びBB相の出力を得る2個のフォトダイオードとを含む。
このようなフォトダイオードの配置により、物体20の移動に伴って、互いに90°位相のずれたA相,AB相,B相及びBB相の出力電流が得られる。これらの出力電流は、信号処理回路部34内に設けられた電流電圧変換器で電圧値に変換され、差動増幅器によりA相とAB相の差動と、B相とBB相の差動とがとられることで、互いに90°位相のずれたA相及びB相の変位出力信号が得られる。
図3の(B)には、それぞれ半導体素子であるLEDチップ10とフォトICチップ30を封止するパッケージを示している。(B)に示すように、LEDチップ10とフォトICチップ30の間には、LEDチップ10の発光窓11から射出した光がフォトダイオードアレイ31に直接入射しないようにするための遮光壁48が設けられている。
また、図3の(C)には、検出ヘッド40と物体20との間の光路を示している。ただし、この光路は、物体20の表面が鏡面である場合の光路である。
これに対し、図3の(D)には、物体20の表面が粗面である場合の検出ヘッド40と物体20との間の光路を示している。該光路は、物体20の表面からの反射光によりスペックル・パターンが形成される場合の該スペックル像の形成に寄与する光線の光路である。
(C),(D)に示すように、検出ヘッド40は、LEDチップ10及びフォトICチップ30を支持する配線基板44と、LEDチップ10及びフォトICチップ30を覆うように配置された透光性の封止樹脂45を有する。さらに、検出ヘッド40は、封止樹脂45上に配設された透明ガラス46を有する。
図4の(A)には、信号処理回路部34の回路構成を示している。図3の(A)に示した16個のフォトダイオード32a,32b,32d,32d,33a,・・・,34d,35a,35b,35c,35dにおいて、同じ添え字a,b,c,dが付されたフォトダイオードは互いに電気的に接続されている。例えば、フォトダイオード32a,33a,34a,35aは互いに電気的に接続されている。以下、添え字aが付された4個のフォトダイオードをa相フォトダイオード116といい、添え字bが付された4個のフォトダイオードをb相フォトダイオード117という。また、添え字cが付された4個のフォトダイオードをc相フォトダイオード118といい、添え字dが付された4個のフォトダイオードをd相フォトダイオード119という。
a相〜d相フォトダイオード116〜119からの出力信号は、電気回路ユニット121に入力される。電気回路ユニット121は、LEDチップ10の発光部112の発光回路と、アナログ信号処理部123と、物体20の移動量を算出して該物体20の位置を求める位置演算部122とを含む。アナログ信号処理部123は、図4の(b)に示すように、a相及びc相フォトダイオード116,118の差動出力としてA相出力信号VAを得るとともに、c相及びd相フォトダイオード117,119の差動出力としてB相出力信号VBを得る。
位置演算部122に入力されるアナログ信号処理部123からのA相及びB相出力信号VA,VBは、交流成分Va,Vbと、直流成分Vref2との和となる。位置演算部122は、A相出力信号(VA=Va+Vref2)又はB相出力信号(VB=Vb+Vref2)から該信号のピークを計数し、物体20の移動に伴う反射光学像の通過回数を得る。反射光学像の平均ピッチPに、計数した通過回数を乗じることで、物体20の移動量が算出される。
また、A相及びB相出力信号の交流成分に基づいて、A相とB相間の位相角を算出することにより、反射光学像の平均ピッチP以下の移動量を算出することができる。
例えば、A相及びB相の正弦波状の出力信号を逆正接演算して逆正接値(arctan 値)を求めて位相角を算出する方法により、移動量の検出分解能を高めることができる。
次に、LEDチップ10として、電流狭窄型半導体発光素子(電流狭窄LED)を用いることによる測定装置の優位な点について説明する。
図5の(A),(B)はそれぞれ、光源としてレーザダイオード10′を用いた場合と電流狭窄LEDである本実施例のLEDチップ10を用いた場合での測定装置の光学構成(上図)と配向角度範囲(下図)を示している。なお、これらの図では、これまで説明した反射型の光学構成とは異なり、該反射型光学構成と等価な透過型光学構成を示している。
前述したように、光源(レーザダイオード10′,LEDチップ10)とフォトダイオードアレイ31はそれぞれ、物体20に対して等しい距離(Za=Zb)の位置に配置されている。なお、フォトダイオードアレイ31は、光源の主光線上に配置されている。図中の31bは、フォトダイオードアレイ31を主光線上からオフセットさせて配置した場合を示している。
(A)では、レーザダイオード10′の配光特性により、物体20上にはスポット光が照射される。このとき、レーザダイオード10′の配向角度範囲θ1が狭いため、オフセット配置されたフォトダイオードアレイ31bには、ほとんど光が入射せず、光の利用効率が悪い。したがって、レーザダイオード10′を光源として用いる場合には、該レーザダイオード10′の光軸の近傍にフォトダイオードアレイ31を配置する必要がある。
一方、(B)では、LEDチップ10の配向角度範囲θ2がレーザダイオード10′のそれよりも広いので、物体20上の広い範囲に光が照射される。この場合、フォトダイオードアレイ31及びオフセット配置されたフォトダイオードアレイ31bのいずれにも十分な光量の光を入射させることができる。
図6の(A)には、図5の(B)に示したLEDチップ10の位置を31bにより示した位置に移動させた場合の測定装置の透過型光学構成(上図)と配向角度範囲(下図)を示している。また、図6の(B)は、図6(A)の光学構成と等価な反射型光学構成(上図)と配向角度範囲(下図)を示している。(B)に示す光学構成が、本実施例における実際の光学構成を示している。
本実施例の測定装置では、光源10の発光面と測定対象体20までの距離Zaと受光素子31bと測定対象体20までの距離Zbを等距離に配置するとともに、この光源の配光特性θについて以下の条件を満足する。
tan(θ/2)>D/(2・L) …(1)
条件式(1)において、図6の(A)および(B)に示すように、θはLEDチップ10の配光角度範囲、DはLEDチップ10の発光領域の中心とフォトダイオードアレイ31の受光領域の中心との間の距離である。また、L(Za=Zb)はLEDチップ10の発光面から物体20までの距離である。
条件(1)は、図6図における光源10の配光角度範囲θ内に受光領域31の受光中心が含まれる配置条件を示したものである。
本実施例では、光源であるLEDチップ10として、配光角度範囲θが広い電流狭窄LEDを用いることで、図6の(B)に示すような配置が可能となる。LEDチップ10及びフォトダイオードアレイ31は、図3の(C),(D)に示すように同一の配線基板44上に実装することにより、これらと物体20までの離間距離(L)を等しくすることができる。この結果、離間距離L(=Za=Zb)が変動しても、反射光学像の並進倍率σ(σ=2)の値を一定に保つことが可能であり、反射光学像の大きさや形状も安定する。
以上、説明した本実施例によれば、物体20とフォトダイオードアレイ31との離間距離が変化しても、反射光学像を利用して高精度に物体20の移動量を計測することが可能な小型の測定装置を実現することができる。
図5の(A),(B)はそれぞれ、光源としてレーザダイオード10′を用いた場合と電流狭窄LEDである本実施例のLEDチップ10を用いた場合での測定装置の光学構成(上図)と配向角度範囲(下図)を示している。なお、これらの図では、これまで説明した反射型の光学構成とは異なり、該反射型光学構成と等価な透過型光学構成を示している。
前述したように、光源(レーザダイオード10′,LEDチップ10)とフォトダイオードアレイ31はそれぞれ、物体20に対して等しい距離(Za=Zb)の位置に配置されている。なお、フォトダイオードアレイ31は、光源の主光線上に配置されている。図中の31bは、フォトダイオードアレイ31を主光線上からオフセットさせて配置した場合を示している。
(A)では、レーザダイオード10′の配光特性により、物体20上にはスポット光が照射される。このとき、レーザダイオード10′の配向角度範囲θ1が狭いため、オフセット配置されたフォトダイオードアレイ31bには、ほとんど光が入射せず、光の利用効率が悪い。したがって、レーザダイオード10′を光源として用いる場合には、該レーザダイオード10′の光軸の近傍にフォトダイオードアレイ31を配置する必要がある。
一方、(B)では、LEDチップ10の配向角度範囲θ2がレーザダイオード10′のそれよりも広いので、物体20上の広い範囲に光が照射される。この場合、フォトダイオードアレイ31及びオフセット配置されたフォトダイオードアレイ31bのいずれにも十分な光量の光を入射させることができる。
図6の(A)には、図5の(B)に示したLEDチップ10の位置を31bにより示した位置に移動させた場合の測定装置の透過型光学構成(上図)と配向角度範囲(下図)を示している。また、図6の(B)は、図6(A)の光学構成と等価な反射型光学構成(上図)と配向角度範囲(下図)を示している。(B)に示す光学構成が、本実施例における実際の光学構成を示している。
本実施例の測定装置では、光源10の発光面と測定対象体20までの距離Zaと受光素子31bと測定対象体20までの距離Zbを等距離に配置するとともに、この光源の配光特性θについて以下の条件を満足する。
tan(θ/2)>D/(2・L) …(1)
条件式(1)において、図6の(A)および(B)に示すように、θはLEDチップ10の配光角度範囲、DはLEDチップ10の発光領域の中心とフォトダイオードアレイ31の受光領域の中心との間の距離である。また、L(Za=Zb)はLEDチップ10の発光面から物体20までの距離である。
条件(1)は、図6図における光源10の配光角度範囲θ内に受光領域31の受光中心が含まれる配置条件を示したものである。
本実施例では、光源であるLEDチップ10として、配光角度範囲θが広い電流狭窄LEDを用いることで、図6の(B)に示すような配置が可能となる。LEDチップ10及びフォトダイオードアレイ31は、図3の(C),(D)に示すように同一の配線基板44上に実装することにより、これらと物体20までの離間距離(L)を等しくすることができる。この結果、離間距離L(=Za=Zb)が変動しても、反射光学像の並進倍率σ(σ=2)の値を一定に保つことが可能であり、反射光学像の大きさや形状も安定する。
以上、説明した本実施例によれば、物体20とフォトダイオードアレイ31との離間距離が変化しても、反射光学像を利用して高精度に物体20の移動量を計測することが可能な小型の測定装置を実現することができる。
図7には、本発明の実施例2である測定装置における出力信号の例を示している。図7の上段には、先に示した図4での信号処理回路部34内で生成されるアナログ信号A相,B相,およびそれらの信号を2値化したデジタル信号DA相及びDB相の信号値を示している。また、図7の中段には、アナログ信号処理部123から出力されるA相及びB相出力信号を示している。さらに、図7の下段には、アナログ信号A相、B相をそれぞれX、Y軸としたリサージュ図形を示す。
実施例1にて説明した測定装置では、受光素子としてフォトダイオードアレイ31を用いている。しかし、この場合、図7の上段の丸で囲まれた部分のデジタル信号波形のように、一般的な反射光学像検出系で問題となるドロップアウト現象、すなわち信号の欠落がある頻度で発生するという問題は、本発明においても原理的な問題であって避けなければならない。測定対象物の変位量等の測定ができなくなる状態が生ずる可能性があるためである。
この場合、一般的には、受光素子31からの信号出力が欠落した状態を補完するように他の受光素子を設け、その受光素子から信号出力によりドロップアウト現象の発生を回避することが可能である。
図8は、具体的なドロップアウト回避を目的とする構成を有する、本発明の実施例2の測定装置である。。この測定装置では、1つのLEDチップ10から物体20における互いに異なる2つの領域に光を照射する。そして、該2つの領域でそれぞれ反射された光によって発生する2領域の反射光学像をそれぞれ別々の2つのフォトICチップ30(フォトダイオードアレイ31)で受光することによりドロップアウトが回避できる。
本実施例においても、実施例1と同様に、光源10の発光面と測定対象体20までの距離Zaと受光素子31と測定対象体20までの距離Zbを等距離に配置し、かつ光源の配光特性θについても条件(1)を満足する構成が有効な配置となる。特に、本実施例においては、図8の2つの受光領域31について条件(1)が満足されなければならない。
この実施例においては、2つのフォトICチップ30に対して共通のLEDチップ10を用いることができ、低コストで小型の測定装置を構成することができる利点がある。
実施例1にて説明した測定装置では、受光素子としてフォトダイオードアレイ31を用いている。しかし、この場合、図7の上段の丸で囲まれた部分のデジタル信号波形のように、一般的な反射光学像検出系で問題となるドロップアウト現象、すなわち信号の欠落がある頻度で発生するという問題は、本発明においても原理的な問題であって避けなければならない。測定対象物の変位量等の測定ができなくなる状態が生ずる可能性があるためである。
この場合、一般的には、受光素子31からの信号出力が欠落した状態を補完するように他の受光素子を設け、その受光素子から信号出力によりドロップアウト現象の発生を回避することが可能である。
図8は、具体的なドロップアウト回避を目的とする構成を有する、本発明の実施例2の測定装置である。。この測定装置では、1つのLEDチップ10から物体20における互いに異なる2つの領域に光を照射する。そして、該2つの領域でそれぞれ反射された光によって発生する2領域の反射光学像をそれぞれ別々の2つのフォトICチップ30(フォトダイオードアレイ31)で受光することによりドロップアウトが回避できる。
本実施例においても、実施例1と同様に、光源10の発光面と測定対象体20までの距離Zaと受光素子31と測定対象体20までの距離Zbを等距離に配置し、かつ光源の配光特性θについても条件(1)を満足する構成が有効な配置となる。特に、本実施例においては、図8の2つの受光領域31について条件(1)が満足されなければならない。
この実施例においては、2つのフォトICチップ30に対して共通のLEDチップ10を用いることができ、低コストで小型の測定装置を構成することができる利点がある。
実施例2のように2つの受光領域31を備えた測定装置を用いて、いわゆる区間速度検出法により、物体20の移動速度を計測することが可能である。区間速度検出法では、反射光学像の相互相関をとることにより該反射光学像の通過時間を計測し、反射光学像の移動速度を検知して、物体20の移動速度を計測する。
図9の(A),(B)、(C)にはそれぞれ、区間速度検出法を行うことが可能な測定装置の構成を示している。いずれの測定装置でも、複数(本実施例では2つ)の受光素子(フォトダイオードアレイ31)に対してLEDチップ10を共通化することで、小型化及び低コスト化を図ることができる。
区間速度検出法においては、速度検出精度を高めるために2つの受光素子間の距離Mが重要である。このため、(B)に示す測定装置では、1つのフォトIC30に2つのフォトダイオードアレイ31を設けている。これにより、(A)、(C)に示す測定装置のように2つのフォトIC30を基板に実装して用いる(実装誤差が生じやすい)場合に比べて、より高精度に距離Mを設定することができる。
本実施例においても、実施例1と同様に、光源10の発光面と測定対象体20までの距離Zaと受光素子31と測定対象体20までの距離Zbを等距離に配置し、かつ光源の配光特性θについても条件(1)を満足する構成が有効な配置となる。特に、本実施例においては、図9の2つの受光領域31について条件(1)が満足されなければならない。
この例において、物体20の速度を高い精度で検出するために、2つの受光領域31で観測した反射光学像の相関処理を実施する。このとき、相関精度を高めるために重要な点は、受光する2領域の照度分布が同一であることで、先に示した条件(1)はそのための必須要件となる。
図9の(A),(B)、(C)にはそれぞれ、区間速度検出法を行うことが可能な測定装置の構成を示している。いずれの測定装置でも、複数(本実施例では2つ)の受光素子(フォトダイオードアレイ31)に対してLEDチップ10を共通化することで、小型化及び低コスト化を図ることができる。
区間速度検出法においては、速度検出精度を高めるために2つの受光素子間の距離Mが重要である。このため、(B)に示す測定装置では、1つのフォトIC30に2つのフォトダイオードアレイ31を設けている。これにより、(A)、(C)に示す測定装置のように2つのフォトIC30を基板に実装して用いる(実装誤差が生じやすい)場合に比べて、より高精度に距離Mを設定することができる。
本実施例においても、実施例1と同様に、光源10の発光面と測定対象体20までの距離Zaと受光素子31と測定対象体20までの距離Zbを等距離に配置し、かつ光源の配光特性θについても条件(1)を満足する構成が有効な配置となる。特に、本実施例においては、図9の2つの受光領域31について条件(1)が満足されなければならない。
この例において、物体20の速度を高い精度で検出するために、2つの受光領域31で観測した反射光学像の相関処理を実施する。このとき、相関精度を高めるために重要な点は、受光する2領域の照度分布が同一であることで、先に示した条件(1)はそのための必須要件となる。
図10の(A)には、本発明の実施例4である光学機器としてのカラー複写機(画像形成装置)の中間転写ベルト部を示している。(B)はその側面図を示している。
この複写機は、中間転写ベルト(測定対象物)310を有する転写ユニットを有する。中間転写ベルト310は、駆動ローラ309と2つの従動ローラ315,316との間に巻き掛けられている。制御ユニット370によりモータ307が駆動され、その回転がギア308を介して駆動ローラ309に伝達されることにより、中間転写ベルト310が図中の矢印Fの方向に回動する。
この複写機は、中間転写ベルト(測定対象物)310を有する転写ユニットを有する。中間転写ベルト310は、駆動ローラ309と2つの従動ローラ315,316との間に巻き掛けられている。制御ユニット370によりモータ307が駆動され、その回転がギア308を介して駆動ローラ309に伝達されることにより、中間転写ベルト310が図中の矢印Fの方向に回動する。
中間転写ベルト310の平面部の上方には、該中間転写ベルト310の回動方向に沿って、不図示の4色の感光体が配設されている。そして、中間転写ベルト310の内側には、各感光体との間に中間転写ベルト310を挟むように、4つの1次転写ローラ(図示せず)が配置されている。
カラー複写機においては、高精度に4色像の位置合わせが行われる。このとき、中間転写ベルト310に速度変動が生じると色ずれが発生し、画像の品位が低下する。したがって、中間転写ベルト310の速度を高精度に制御する必要がある。
このため、本実施例では、制御ユニット370が、実施例1,2で説明した反射型光学式センサとしての検出ヘッド306A,306Bを用いて、区間速度検出法により、該検出ヘッド306A,306B間の距離Mでの中間転写ベルト310の移動速度を検出する。なお、制御ユニット370は、検出ヘッド306A,306Bとともに測定装置を構成する。
そして、制御ユニット370は、検出された移動速度に基づいて、駆動ローラ309の回転速度を制御することで、中間転写ベルト310の回動速度を一定に維持することができる。
このため、本実施例では、制御ユニット370が、実施例1,2で説明した反射型光学式センサとしての検出ヘッド306A,306Bを用いて、区間速度検出法により、該検出ヘッド306A,306B間の距離Mでの中間転写ベルト310の移動速度を検出する。なお、制御ユニット370は、検出ヘッド306A,306Bとともに測定装置を構成する。
そして、制御ユニット370は、検出された移動速度に基づいて、駆動ローラ309の回転速度を制御することで、中間転写ベルト310の回動速度を一定に維持することができる。
なお、検出ヘッド306A,306Bを、中間転写ベルト310の内周に設けてもよい。
この実施例において、実施例3の検出装置構成を適用することも可能で、2個の検出ヘッド306Aと306Bを2個用いるより経済的で且つ小型化が可能である。
この実施例において、実施例3の検出装置構成を適用することも可能で、2個の検出ヘッド306Aと306Bを2個用いるより経済的で且つ小型化が可能である。
図11には、本発明の実施例5である光学機器としてのインクジェットプリンタの印字ヘッド部及びシート搬送部を示している。
図11において、701は筐体である。609は紙等のシートであり、図中の矢印G方向に搬送される。604は印字ヘッドやインクタンク605を保持するキャリッジユニットであり、ガイドバー705に沿って矢印H方向に駆動される。703はシート搬送用の駆動モータである。703は駆動軸上に設けられたギアであり、704はアイドラーギアである。706は主搬送ローラ軸上に設けられたギアである。
606はキャリッジユニット604に取り付けられた、実施例1〜3で説明した測定装置の一部を構成する反射型光学式センサとしての検出ヘッドである。該検出ヘット606は、シート(測定対象物)609に対して光を照射する。
本実施例では、検出ヘッド606を通じて2次元方向での移動量測定を行うように構成されており、シート609のG方向での搬送量(移動量)を測定すると同時に、キャリッジユニット604のH方向での移動量も測定する。
従来のインクジェットプリンタにおいては、キャリッジユニットの移動量を測定するためにリニアエンコーダが用いられていたが、インクジェットプリンタの小型化に伴ってリニアエンコーダの装着スペースが限られ、リニアスケールを併用する必要があった。
しかし、本実施例によれば、1つの検出ヘッド606を用いてシート609の搬送量とキャリッジユニット604の移動量とを測定することができるので、このような問題を解消することができる。また、本実施例の検出ヘッド(つまりは測定装置)は、さらに小型のモバイルプリンタに対してより好適である。
図11において、701は筐体である。609は紙等のシートであり、図中の矢印G方向に搬送される。604は印字ヘッドやインクタンク605を保持するキャリッジユニットであり、ガイドバー705に沿って矢印H方向に駆動される。703はシート搬送用の駆動モータである。703は駆動軸上に設けられたギアであり、704はアイドラーギアである。706は主搬送ローラ軸上に設けられたギアである。
606はキャリッジユニット604に取り付けられた、実施例1〜3で説明した測定装置の一部を構成する反射型光学式センサとしての検出ヘッドである。該検出ヘット606は、シート(測定対象物)609に対して光を照射する。
本実施例では、検出ヘッド606を通じて2次元方向での移動量測定を行うように構成されており、シート609のG方向での搬送量(移動量)を測定すると同時に、キャリッジユニット604のH方向での移動量も測定する。
従来のインクジェットプリンタにおいては、キャリッジユニットの移動量を測定するためにリニアエンコーダが用いられていたが、インクジェットプリンタの小型化に伴ってリニアエンコーダの装着スペースが限られ、リニアスケールを併用する必要があった。
しかし、本実施例によれば、1つの検出ヘッド606を用いてシート609の搬送量とキャリッジユニット604の移動量とを測定することができるので、このような問題を解消することができる。また、本実施例の検出ヘッド(つまりは測定装置)は、さらに小型のモバイルプリンタに対してより好適である。
図12には、本発明の実施例6である光学機器としてのビデオカメラ(撮像装置)の構成を示している。なお、デジタルスチルカメラや交換レンズにおいて本実施例と同様の構成を採用してもよい。
このビデオカメラでは、レンズ保持枠811,814によりそれぞれ保持されたバリエータとしての変倍レンズ801b及びフォーカスレンズ801dを、ボイスコイルアクチュエータを用いて光軸方向に駆動する。
820,821は実施例1〜3で説明した検出ヘッドである。816a,816bはそれぞれ、変倍レンズ801b及びフォーカスレンズ801dを駆動するボイスコイルアクチュエータの一部を構成するコイル(測定対象物)であり、レンズ保持枠811,814と一体的に移動する。検出ヘッド820,821は、該コイル816a,816bの粗面に光を照射し、そこからの反射光を受光する。検出ヘッド820,821からの出力信号はそれぞれ、信号処理回路822,823に入力され、ここでコイル816a,816b(つまりは変倍レンズ801b及びフォーカスレンズ801d)の移動量(位置)が検出(測定)される。
このビデオカメラでは、レンズ保持枠811,814によりそれぞれ保持されたバリエータとしての変倍レンズ801b及びフォーカスレンズ801dを、ボイスコイルアクチュエータを用いて光軸方向に駆動する。
820,821は実施例1〜3で説明した検出ヘッドである。816a,816bはそれぞれ、変倍レンズ801b及びフォーカスレンズ801dを駆動するボイスコイルアクチュエータの一部を構成するコイル(測定対象物)であり、レンズ保持枠811,814と一体的に移動する。検出ヘッド820,821は、該コイル816a,816bの粗面に光を照射し、そこからの反射光を受光する。検出ヘッド820,821からの出力信号はそれぞれ、信号処理回路822,823に入力され、ここでコイル816a,816b(つまりは変倍レンズ801b及びフォーカスレンズ801d)の移動量(位置)が検出(測定)される。
信号処理回路822,823は変倍レンズ801b及びフォーカスレンズ801dの位置情報をCPU824に送る。検出ヘッド820,821と信号処理回路822,823により測定装置が構成される。
CPU824は、変倍レンズ801b及びフォーカスレンズ801dの位置情報に基づいて、ドライバ828,829を介してコイル816a,816bへの通電を制御する。これにより、変倍レンズ801b及びフォーカスレンズ801dをそれぞれの目標位置に移動させることができる。
変倍レンズ801b及びフォーカスレンズ801dを含む撮像光学系により形成された被写体像は、CCDセンサやCMOSセンサ等の撮像素子825により電気信号に変換される。撮像素子825からの出力信号に対して画像処理回路826により各種処理が施される。これにより、画像信号が生成される。
上記のようにボイスコイルアクチュエータを用いてレンズを駆動する小型のビデオカメラには、実施例1等で説明した検出ヘッド(つまりは測定装置)が好適である。従来、820,821で示す部位には、リニアタイプボリューム(可変抵抗器)や、グレーコードパターンが形成された電極上をブラシが摺動するタイプの位置検出器が設けられていた。その他に、レンズ保持枠とともに移動する光学素子とPSD等の光電変換素子とによりレンズの位置検出を行う位置検出器が設けられる場合もあった。ただし、いずれも大きな配置スペースを必要としていた。
これに対し、本実施例では、ボイスコイルアクチュエータの一部であるコイル816a,816bの粗面を用いて非接触で位置検出を行う。これにより、大きな配置スペースを不要とし、ビデオカメラの設計自由度を上げたり、ビデオカメラをより小型化したりすることができる。
以上説明した各実施例は代表的な例にすぎず、本発明の実施に際しては、各実施例に対して種々の変形や変更が可能である。
CPU824は、変倍レンズ801b及びフォーカスレンズ801dの位置情報に基づいて、ドライバ828,829を介してコイル816a,816bへの通電を制御する。これにより、変倍レンズ801b及びフォーカスレンズ801dをそれぞれの目標位置に移動させることができる。
変倍レンズ801b及びフォーカスレンズ801dを含む撮像光学系により形成された被写体像は、CCDセンサやCMOSセンサ等の撮像素子825により電気信号に変換される。撮像素子825からの出力信号に対して画像処理回路826により各種処理が施される。これにより、画像信号が生成される。
上記のようにボイスコイルアクチュエータを用いてレンズを駆動する小型のビデオカメラには、実施例1等で説明した検出ヘッド(つまりは測定装置)が好適である。従来、820,821で示す部位には、リニアタイプボリューム(可変抵抗器)や、グレーコードパターンが形成された電極上をブラシが摺動するタイプの位置検出器が設けられていた。その他に、レンズ保持枠とともに移動する光学素子とPSD等の光電変換素子とによりレンズの位置検出を行う位置検出器が設けられる場合もあった。ただし、いずれも大きな配置スペースを必要としていた。
これに対し、本実施例では、ボイスコイルアクチュエータの一部であるコイル816a,816bの粗面を用いて非接触で位置検出を行う。これにより、大きな配置スペースを不要とし、ビデオカメラの設計自由度を上げたり、ビデオカメラをより小型化したりすることができる。
以上説明した各実施例は代表的な例にすぎず、本発明の実施に際しては、各実施例に対して種々の変形や変更が可能である。
測定対象物と受光素子との離間距離に依存せずに、スペックル・パターン等を用いて高精度に測定対象物の光源(測定装置)との相対変位、相対変位速度又は表面粗さを計測することが可能な測定装置を提供できる。
10 LEDチップ(光源)
11 発光窓
20 物体(測定対象物)
30 フォトIC
31 フォトダイオードアレイ
11 発光窓
20 物体(測定対象物)
30 フォトIC
31 フォトダイオードアレイ
Claims (8)
- 可干渉性を有する発散光束を射出する光源と、前記光源から射出された発散光束を測定対象物に照射し、生成された反射光学像を受光する受光素子とを有する装置であり、前記測定対象物の該装置との相対変位量、相対変位速度が可能な測定装置であって、
前記光源の発光面と前記受光素子の受光面は同一平面上に配設され、前記光源から射出された発散光束を光学パワーを持った面を介さずに前記測定対象物に照射し、かつ以下の条件を満足することを特徴とする測定装置。
tan(θ/2)>D/(2・L)
ただし、θは前記光源の配光角度範囲、Dは前記光源の発光領域の中心と前記受光素子の受光領域の中心との間の距離、Lは前記光源の発光面から前記測定対象物までの距離である。 - 前記光源の発光面と前記受光素子の受光面が配置された前記平面は、前記測定対象物が該測定装置と相対変位する平面と平行であることを特徴とする請求項1に記載の測定装置。
- 前記光源の発光面から前記測定対象物までの距離と前記測定対象物から前記受光素子の受光面までの距離とが等しいことを特徴とする請求項1又は2に記載の測定装置。
- 前記測定対象物の該測定装置との相対変位方向に対して直交する軸上に、前記光源と前記受光素子とが配置されていることを特徴とする請求項1から3のいずれか1つに記載の測定装置。
- 前記光源は、電流狭窄構造を有するLEDであることを特徴とする請求項1から4のいずれか1つに記載の測定装置。
- 前記光源の発光窓の寸法が、前記受光素子の受光面上に形成される反射光学像の平均空間強度分布の平均周期の1/2以下であることを特徴とする請求項1から5のいずれか1つに記載の測定装置。
- 複数の前記受光素子を有し、
該複数の受光素子からの出力信号を用いて前記測定を行うことを特徴とする請求項1から6のいずれか1つに記載の測定装置。 - 請求項1から7のいずれか1つに記載の測定装置を有することを特徴とする光学機器。
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