JP2019086297A

JP2019086297A - 計測装置及び駆動装置

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Publication number: JP2019086297A
Application number: JP2017211936A
Authority: JP
Inventors: 健史太田; Takefumi Ota; 崇之魚住; Takayuki Uozumi
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2017-11-01
Filing date: 2017-11-01
Publication date: 2019-06-06
Also published as: US20190128916A1

Abstract

【課題】被計測物の移動方向の速度を計測するのに有利な計測装置を提供する。【解決手段】被計測物の移動方向の速度を計測する計測装置であって、互いに異なる波長を有する複数の光を射出する光源部と、前記光源部から射出された前記複数の光のそれぞれを第１光と第２光とに分割し、前記複数の光のそれぞれの波長に対応して前記移動方向に直交する方向の異なる位置で前記第１光と前記第２光とを重ね合わせて干渉縞を形成するように、前記被計測物に対して前記複数の光を照射する光学系と、前記被計測物からの光を検出する第１検出部と、前記第１検出部で検出される前記光の強度の変化に基づいて、前記速度を求める処理部と、を有することを特徴とする計測装置を提供する。【選択図】図１

Description

本発明は、被計測物の移動方向の速度を計測する計測装置及び駆動装置に関する。

非接触変位計として、被計測物の移動方向の速度又は長さを計測する速度計（測長計）が従来から提案されている（特許文献１参照）。

特許第３４２３３９６号公報

特許文献１に開示された速度計では、被計測物に照射する光の波長及び角度によって、被計測物の移動方向の速度の計測精度が決定される。また、被計測物の移動方向の速度を計測可能な、速度計と被計測物との距離（深度）は、被計測物に照射する２つの光（光束）を重ね合わせる領域で決定される。

従って、深度を大きくする方法としては、被計測物に照射する光の幅を広げる方法と、重ね合わせる２つの光を平行に近づける方法とが存在する。しかしながら、被計測物に照射する光の幅を広げる場合には、レンズなどの光学系を大きくしなければならないため、装置（速度計）の大型化を招いてしまう。一方、重ね合わせる２つの光を平行に近づける場合には、被計測物の移動方向の速度分解能の低下を招いてしまう。

本発明は、このような従来技術の課題に鑑みてなされ、被計測物の移動方向の速度を計測するのに有利な計測装置を提供することを例示的目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の一側面としての計測装置は、被計測物の移動方向の速度を計測する計測装置であって、互いに異なる波長を有する複数の光を射出する光源部と、前記光源部から射出された前記複数の光のそれぞれを第１光と第２光とに分割し、前記複数の光のそれぞれの波長に対応して前記移動方向に直交する方向の異なる位置で前記第１光と前記第２光とを重ね合わせて干渉縞を形成するように、前記被計測物に対して前記複数の光を照射する光学系と、前記被計測物からの光を検出する第１検出部と、前記第１検出部で検出される前記光の強度の変化に基づいて、前記速度を求める処理部と、を有することを特徴とする。

本発明の更なる目的又はその他の側面は、以下、添付図面を参照して説明される好ましい実施形態によって明らかにされるであろう。

本発明によれば、例えば、被計測物の移動方向の速度を計測するのに有利な計測装置を提供することができる。

ドップラー干渉計の構成を示す概略図である。第１実施形態における計測装置の構成を示す概略図である。被計測物の距離に対する第２検出部で検出される光の強度及び強度比を示す図である。第６実施形態を説明するための図である。第７実施形態を説明するための図である。第８実施形態を説明するための図である。第１１実施形態における計測装置の構成を示す概略図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施の形態について説明する。なお、各図において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。

本発明の一側面としての計測装置は、ドップラー干渉計の原理を利用して、被計測物の移動方向の速度を計測する。まず、図１を参照して、ドップラー干渉計の原理について説明する。図１は、ドップラー干渉計の構成を示す概略図である。

図１を参照するに、光源１０１から射出された光は、光分割素子１０２によって、第１光１０３１と、第２光１０３２とに分割される。照射光学系１０４は、第１光１０３１と第２光１０３２とが所定の位置で重ね合わされるように、被計測物に対して第１光１０３１と第２光１０３２とを照射する。かかる所定の位置では、第１光１０３１と第２光１０３２との重ね合わせによって、干渉縞が形成される。

第１光１０３１及び第２光１０３２が照射される被計測物の移動方向の速度Ｖは、以下の式（１）で表される。

式（１）において、Ｆは、ドップラー干渉計で検出される光の強度変化の周波数である。また、λは、被計測物に照射される第１光１０３１及び第２光１０３２の波長であり、φは、被計測物に照射される第１光１０３１及び第２光１０３２の照射角度である。

従って、第１光１０３１と第２光１０３２とによって形成される干渉縞の上を被計測物が移動すると、被計測物からの散乱光の強度が変化するため、式（１）から、被計測物の移動方向の速度Ｖを求めることができる。また、被計測物の移動方向の速度Ｖを時間積分することで、被計測物の移動方向の変位、即ち、移動量を求めることができる。

本発明の一側面としての計測装置は、上述したドップラー干渉計の原理を利用しながら、互いに異なる波長を有する複数の光を射出する光源部を用いる。そして、光源部から射出される複数の光のそれぞれを、それぞれの波長に対応して被計測物の移動方向に直交する方向（距離方向）の異なる位置で重ね合わせる。

被計測物が第１光と第２光とが重なり合う位置（領域）に存在する場合、第１光と第２光とは対称な光であるため、被計測物で正反射された第１光（正反射光）は、第２光の光路を第２光とは逆向きに伝搬する（通過する）。また、被計測物で正反射された第２光は、第１光の光路を第１光とは逆向きに伝搬する。一方、被計測物が第１光と第２光とが重なり合う位置に存在しない場合、正反射が第１光又は第２光の光路を逆向きに伝搬しないため、かかる光路を戻る光を検出することができない。

本発明の一側面としての計測装置では、上述したように、互いに異なる波長を有する複数の光のそれぞれを、それぞれの波長に対応して距離方向の異なる位置で重ね合わせる。従って、第１光と第２光とが重なり合う深度領域が広がり、被計測物の深度方向の位置が変動しても第１光と第２光とが重なり合う領域に位置することが可能となり、第１光又は第２光の光路を戻る光を検出することが可能となる。

また、式（１）を参照するに、被計測物の移動方向の速度が同一である場合、異なる波長の光に対して、同一の速度を得るためには、以下の式（２）を満たす必要がある。式（２）において、λ_ｉは、被計測物に照射される複数の光のうちｉ番目の光の波長であり、φ_ｉは、被計測物に照射されるｉ番目の光の照射角度であり、ａは、定数である。

＜第１実施形態＞
図２は、第１実施形態における計測装置ＭＡの構成を示す概略図である。計測装置ＭＡは、被計測物２０８の移動方向ＭＤの速度（以下、「被計測物２０８の速度」と称する）を計測する。
計測装置ＭＡは、光源部２０１と、コリメータレンズ２０３と、光分割部２０４と、レンズ光学系２０５と、電気光学変調部２０６と、照射光学系２０７と、検出光学系２０９と、第１検出部２１０と、処理部２１１と、第２検出部２１２とを有する。

光源部２０１は、互いに異なる波長を有する複数の光を射出する。光源部２０１は、本実施形態では、第１光源２０１１と、第２光源２０１２と、第３光源２０１３と、光合波器２０２とを含む。光源部２０１は、第１光源２０１１から射出された光と、第２光源２０１２から射出された光と、第３光源２０１３から射出された光とを光合波器２０２によって合波して出力する。第１光源２０１１から射出される光は、例えば、６５０ｎｍの中心波長を有し、第２光源２０１２から射出される光は、例えば、５００ｎｍの中心波長を有し、第３光源２０１３から射出される光は、例えば、４００ｎｍの中心波長を有する。光合波器２０２は、本実施形態では、波長多重カプラを含むが、ダイクロイックミラー、グレーティング、プリズムなどで構成された空間光学系に置換されてもよい。このような空間光学系を光合波器２０２に用いることで、ファイバカップリングが不要となり、光源部２０１の小型化に寄与する。

光源部２０１から射出された光は、コリメータレンズ２０３によって平行光に変換され、光分割部２０４によって、第１光と第２光とに分割（分岐）される。光分割部２０４は、グレーティングを含む。かかるグレーティングのピッチは、例えば、３．２μｍである。光分割部２０４は、グレーティングを含むため、入射される光を、１次回折光（第１光）と、−１次回折光（第２光）とに分割し、その分割角度は、波長に応じて異なる。但し、光分割部２０４は、グレーティングの代わりに、ビームスプリッタを含んでいてもよい。この場合、光分割部２０４よりも後段において、波長に応じて照射角度を変化させる光学系を構成してもよい。これにより、光の分割と波長による照射角度（光路）制御とを分離することが可能となるため、光学設計の自由度を高めることができる。

レンズ光学系２０５は、第１レンズ光学系２０５１と、第２レンズ光学系２０５２とを含む。電気光学変調部２０６は、第１電気光学変調結晶２０６１と、第２電気光学変調結晶２０６２とを含む。光分割部２０４で分割された第１光及び第２光のそれぞれは、レンズ光学系２０５に入射し、第１レンズ光学系２０５１及び第２レンズ光学系２０５２を介して、第１電気光学変調結晶２０６１及び第２電気光学変調結晶２０６２を透過するビーム形状に変換される。電気光学変調結晶には、２００ｋＨｚの鋸波状の電圧が印加され、第１光と第２光との間に周波数差を生じさせる。これにより、被計測物２０８の速度がゼロであっても、２００ｋＨｚの周波数を検出することで、被計測物２０８の速度がゼロであることを計測することが可能となる。

電気光学変調部２０６を通過した第１光及び第２光は、照射光学系２０７を介して、被計測物２０８に照射される。照射光学系２０７は、光源部２０１から射出された複数の光のそれぞれの波長に対応して移動方向ＭＤに直交する方向（距離方向）の異なる位置で第１光と第２光とを重ね合わせて干渉縞を形成するように、被計測物２０８に対して複数の光を照射する。

被計測物２０８からの光のうち、被計測物２０８に照射される第１光と第２光との間の空間に向かう光は、検出光学系２０９を介して、第１検出部２１０で検出されて電気信号に変換される。第１検出部２１０は、本実施形態では、フォトディテクタを含むが、これに限定されるものではない。例えば、信号強度を高めるために、アバランシェフォトダイオードを第１検出部２１０として用いてもよい。また、被計測物２０８に照射された光は、無限小ではなく、ビームスポットサイズを有する。従って、被計測物２０８に照射されたビームスポット内で異なる位置から散乱した光同士の干渉による信号の打ち消し合いを回避する必要がある。そこで、複数の検出部を有するマルチチャネルフォトダイオードを第１検出部２１０として用いて、信号を打ち消し合わないチャネルのデータを用いてもよい。

処理部２１１は、速度処理部２１１１と、距離処理部２１１２と、変位処理部２１１３とを含む。速度処理部２１１１は、第１検出部２１０から出力される電気信号の周波数、即ち、第１検出部２１０で検出される光の強度の変化に基づいて、被計測物２０８の速度を求める。

本実施形態において、照射光学系２０７は、式（２）を満たすように、被計測物２０８に対して光源部２０１から射出された複数の光を照射する。具体的には、第１光源２０１１から射出された６５０ｎｍの中心波長を有する光（第１光及び第２光）は、２ｍｍの幅を有し、照射角度７．５度で、照射光学系２０７から４０ｍｍの距離において重ね合わされ、２．５μｍの周期の干渉縞を形成する。第２光源２０１２から射出された５００ｎｍの中心波長を有する光（第１光及び第２光）は、２ｍｍの幅を有し、照射角度５．７６度で、照射光学系２０７から５２．２ｍｍの距離において重ね合わされ、２．５μｍの周期の干渉縞を形成する。第３光源２０１３から射出された４００ｎｍの中心波長を有する光（第１光及び第２光）は、２ｍｍの幅を有し、照射角度４．６１度で、照射光学系２０７から６５．４ｍｍの距離において重ね合わされ、２．５μｍの周期の干渉縞を形成する。このように、照射光学系２０７は、互いに異なる波長の光のそれぞれによって、距離方向の異なる位置に形成される干渉縞の周期が同一になるように、即ち、式（２）を満たすように構成されている。

本実施形態では、光源部２０１から射出された複数の光を、その波長に応じて距離方向の異なる位置で重ね合わせているため、被計測物２０８の速度を計測可能な、計測装置ＭＡと被計測物２０８との距離（深度）を大きくすることができる。これにより、被計測物２０８の大きさが変動したり、被計測物２０８が振動したりすることで、計測装置ＭＡに対する被計測物２０８の位置が変動する場合でも、被計測物２０８の速度を安定して計測することができる。

また、本実施形態では、式（２）を満たす装置構成によって、異なる波長の光であっても、被計測物２０８の速度に対して、第１検出部２１０で検出される光の強度の変化の周波数（ドップラー周波数）が同じになる。但し、異なる波長の光が距離方向の異なる位置で重ね合わされるような構成であれば、被計測物２０８の速度を計測可能な深度を拡大することが可能である。この場合、被計測物２０８の速度の計測精度は低下することになるが、目的の計測精度となるように波長ごとに照射角度を決定すればよい。

本実施形態における計測装置ＭＡでは、以下で説明するように、計測装置ＭＡと被計測物２０８との間の移動方向ＭＤに直交する方向（距離方向）の距離（以下、「被計測物２０８の距離」と称する）を計測することが可能である。また、計測装置ＭＡは、以下で説明するように、被計測物２０８の速度の計測精度を向上させることが可能である。

被計測物２０８からの光のうち、第１光又は第２光の光路を通過する光（本実施形態では、被計測物２０８で正反射されて、第２光の光路を第２光とは逆向きに伝搬する第１光）は、光分割部２０４（グレーティング）によって回折される。第２検出部２１２は、ラインセンサーを含み、光分割部２０４で回折された光を検出し、かかる光のスペクトル情報を取得する。距離処理部２１１２は、第２検出部２１２で取得されたスペクトル情報に基づいて、スペクトルのピーク波長を求めることで、被計測物２０８の距離を求める。

なお、被計測物２０８で正反射された光のスペクトル情報は、光分割部２０４とコリメータレンズ２０３との間にビームスプリッタなどを配置し、かかるビームスプリッタからの光を、分光器を介して検出することで取得することも可能である。また、グレーティングやラインセンサーを用いずに、ダイクロイックミラーなどによって光を分離し、それぞれの光をフォトダイオードで検出することでスペクトル情報を取得してもよい。フォトダイオードを用いることで、小型な構成で、高速なデータ取得が可能となる。

図３（ａ）は、被計測物２０８の距離に対する第２検出部２１２で検出される光の強度を示す図であり、図３（ｂ）は、被計測物２０８の距離に対する第２検出部２１２で検出される光の強度比を示す図である。第２検出部２１２で取得されるスペクトル情報から、６５０ｎｍの中心波長を有する光と、５００ｎｍの中心波長を有する光と、４００ｎｍの中心波長を有する光との強度比を求めることで、被計測物２０８の距離を２０〜８０ｍｍの範囲で計測することができる。

このように、本実施形態の計測装置ＭＡでは、互いに異なる波長を有する複数の光を射出する光源部２０１を用いているため、被計測物２０８の速度に加えて、被計測物２０８の距離を計測することができる。なお、被計測物２０８の速度に関しては、上述したように、波長に応じて照射角度を制御することで、波長に依らない一定の計測が可能となる。

また、計測装置ＭＡの光学設計情報などから各波長の光の照射角度に関する情報を予め取得しておくことで、第１検出部２１０で検出された光の強度と、各波長の光の照射角度に関する情報とに基づいて、被計測物２０８の速度を高精度に求めることが可能となる。

また、本実施形態の計測装置ＭＡでは、被計測物２０８の距離方向の変位Δｚと、被計測物２０８の移動方向の変位Δｘとを用いて、被計測物２０８の長さ変位Δｌを高精度に計測することができる。例えば、被計測物２０８が移動している（又は搬送されている）間に上下方向に振動した場合において、上述したように、被計測物２０８の距離を計測して、被計測物２０８の距離方向の変位Δｚを求める。また、被計測物２０８の速度を時間積分することで、被計測物２０８の移動方向の変位Δｘを求める。そして、被計測物２０８の距離方向の変位Δｚ、及び、被計測物２０８の移動方向の変位Δｘに基づいて、以下の式（３）から、被計測物２０８の長さ変位Δｌを求めることが可能である。

本実施形態では、速度処理部２１１１及び距離処理部２１１２のそれぞれで求められた情報（被計測物２０８の速度及び距離）が変位処理部２１１３に入力され、変位処理部２１１３が被計測物２０８の長さ変位Δｌを求める。このように、被計測物２０８の距離方向の情報を用いることで、被計測物２０８の移動方向の変位Δｘだけでなく、被計測物２０８の長さ変位Δｌを高精度に求めることが可能となる。

なお、本実施形態では、被計測物２０８の速度、距離及び長さ変位を求めるための処理を処理部２１１で行う場合について説明したが、これに限定されるものではない。例えば、外部の情報処理装置で被計測物２０８の速度、距離及び長さ変位を求めるための処理を行ってもよい。この場合、第１検出部２１０で検出された光の強度に関する情報や第２検出部２１２で検出された光のスペクトルに関する情報を外部の情報処理装置に伝送し、情報処理装置のアプリケーションを用いてソフトウェア処理を行えばよい。

＜第２実施形態＞
第１実施形態では、第１光源２０１１、第２光源２０１２及び第３光源２０１３を含む光源部２０１を用いる場合について説明した。本実施形態では、光源部２０１の代わりに、４００ｎｍ〜６５０ｎｍの波長範囲に連続的にスペクトルを有する光を射出する広帯域光源を用いる。光源以外の構成については、第１実施形態と同様である。

本実施形態では、互いに異なる波長を有する複数の光を合波する必要がないため、光源部、即ち、計測装置ＭＡの小型化及び低コスト化に寄与する。また、スペクトル情報を取得できるため、被計測物２０８からの光のスペクトルのピーク波長を求めることで、被計測物２０８の距離を求めることができる。

＜第３実施形態＞
本実施形態では、照射光学系２０７が式（２）を満たさない場合について説明する。但し、光源部２０１から射出される異なる波長の光のそれぞれは、その波長に対応して距離方向の異なる位置で重ね合わされる。照射光学系以外の構成については、第１実施形態と同様である。

本実施形態では、処理部２１１は、光学設計及び実測から得られる各光の波長と照射角度との関係、具体的には、以下の式（４）に示す関係式を予め取得する。式（２）において、λ_ｉは、被計測物に照射される複数の光のうちｉ番目の光の波長であり、φ_ｉは、被計測物に照射されるｉ番目の光の照射角度であり、ｂ（λ_ｉ）は、波長λ_ｉに依存する値である。

処理部２１１は、第２検出部２１２で検出される光のスペクトル（被計測物２０８の距離）と、式（４）に示す関係式とに基づいて、照射角度φ_ｉを求める。そして、このようにして求めた照射角度φ_ｉを用いて、速度処理部２１１１で求められた速度を補正することで、被計測物２０８の速度の計測精度を向上させる。このように、本実施形態では、式（４）に示す関係式と、第２検出部２１２で検出される光のスペクトルとに基づいて、第１検出部２１０で検出される光の強度の変化に基づいて求められた被計測物２０８の速度を補正する。

光分割部２０４で分割された第１光及び第２光は、その波長に応じて異なる角度で伝搬するため、異なる波長の光は、空間的に異なる位置に伝搬することになる。本実施形態の照射光学系２０７は、被計測物２０８に対して光を照射する最も外側のレンズ上の異なる位置から平行に光を照射する。そして、照射光学系２０７は、全ての波長の光を同じ角度で平行に被計測物２０８に照射する。ここで、照射光学系２０７のレンズの直径を１５ｍｍとし、被計測物２０８までの距離を５０ｍｍとすると、照射角度は６度となる。式（１）に対して、第１検出部２１０で検出された光の強度の変化の周波数Ｆ、第２検出部２１２で検出された光の波長λ、照射角度φを代入することで、被計測物２０８の速度Ｖを求める。

本実施形態によれば、照射光学系２０７の設計では設定しきれない、式（２）から僅かにずれてしまう波長についても、そのずれを補正して被計測物２０８の速度の計測精度を向上させることができる。また、式（２）を満たすように特別に設計された照射光学系を用いる必要がなくなるため、コストダウンを図ることが可能となる。

＜第４実施形態＞
本実施形態では、光源部２０１から射出される複数の光のスペクトルと、計測装置ＭＡの各光学系での損失及び第２検出部２１２での光電変換効率の波長依存特性、即ち、光源部２０１から第２検出部２１２までの光路におけるスペクトル損失特性を取得する。そして、光源部２０１から射出される複数の光のスペクトルと、スペクトル損失特性とに基づいて、第２検出部２１２で検出される光のスペクトルを規格化（補正）してピーク波長を特定することで、被計測物２０８の距離を求める。

上述したように、計測装置ＭＡでは、第２検出部２１２で検出される光のスペクトルから強度が最も強い波長（ピーク波長）を特定することで、被計測物２０８の距離を求めている。但し、光源部２０１から射出された光がスペクトル強度分布を有している場合や光源部２０１から第２検出部２１２までの光路がスペクトル損失特性を有している場合がある。このような場合、スペクトル強度が高い波長成分や損失が小さい波長成分が強く検出され、被計測物２０８の距離を求める際に誤差が生じる可能性がある。

そこで、本実施形態では、光源部２０１から射出される複数の光のスペクトルと、スペクトル損失特性とに基づいて、第２検出部２１２で検出される光のスペクトルを規格化してピーク波長を特定することで、被計測物２０８の距離の高精度な計測を実現している。これにより、波長に依存して強度や損失の異なる光源部、光学系（光学素子）、検出部などを用いた場合であっても、被計測物２０８の距離を高精度に求めることができる。また、本実施形態では、被計測物２０８の速度をより高精度に求めるための補正を行うことが可能となる。

＜第５実施形態＞
本実施形態では、被計測物２０８の反射率特性（分光反射率）を予め取得し、かかる反射率特性に基づいて、第２検出部２１２で検出される光のスペクトルを規格化（補正）してピーク波長を特定することで、被計測物２０８の距離を求める。

上述したように、計測装置ＭＡでは、第２検出部２１２で検出される光のスペクトルから強度が最も強い波長（ピーク波長）を特定することで、被計測物２０８の距離を求めている。但し、被計測物２０８が波長によって異なる反射率を有している場合、被計測物２０８が存在する位置に照射される光の波長以外の波長の光が強く検出され、被計測物２０８の距離を求める際に誤差が生じる可能性がある。

そこで、本実施形態では、被計測物２０８の反射率特性に基づいて、第２検出部２１２で検出される光のスペクトルを規格化してピーク波長を特定することで、被計測物２０８の距離の高精度な計測を実現している。これにより、被計測物２０８が波長に依存して異なる反射率を有する場合であっても、被計測物２０８の距離を高精度に求めることができる。また、本実施形態では、被計測物２０８の速度をより高精度に求めるための補正を行うことが可能となる。

＜第６実施形態＞
計測装置ＭＡから照射する光の幅（例えば、２ｍｍ）よりも被計測物２０８が細い場合や被計測物２０８が平面ではない場合には、被計測物２０８からの光の光量を検出することで、被計測物２０８の長さ変位Δｌを求めることが可能となる。本実施形態では、図４（ａ）及び図４（ｂ）を参照して、被計測物２０８が計測装置ＭＡから照射される光の幅よりも細い、例えば、糸、ワイヤ、ケーブル、或いは、鋼管や太いケーブルのような円筒形状を有する場合について説明する。

図４（ａ）に示すように、計測装置ＭＡから照射される光４０２（第１光及び第２光）は、被計測物２０８の上で重ね合わされる。計測装置ＭＡから照射される光４０２の強度分布４０４は、図４（ｂ）に示すように、ガウシアン形状を有する。また、被計測物２０８は、計測装置ＭＡから照射される光４０２の幅よりも細い。

このような場合、計測装置ＭＡから照射される光４０２の空間的な広がり（強度分布４０４）は単峰であるため、光４０２が重ね合わされる中心位置に被計測物２０８が存在するときに、被計測物２０８で反射される光の光量が最大となる。また、光４０２が重ね合わされる中心位置から被計測物２０８が離れるにつれて、被計測物２０８で反射される光の光量が減少する。

そこで、本実施形態では、第２検出部２１２で検出される光のスペクトルの中心波長のピーク強度（ピーク波長の強度）を求めることで、移動方向（ｘ）及び距離方向（ｚ）に垂直な横方向（ｙ）の変位を計測する。これにより、移動方向や距離方向に加えて、被計測物２０８の横方向の変位も計測可能となる。従って、被計測物２０８の長さ変位Δｌを、以下の式（５）に基づいて、更に高精度に求めることが可能となる。

＜第７実施形態＞
本実施形態では、計測装置ＭＡと被計測物２０８との間の距離が予め定められた距離範囲となったときに、被計測物２０８の速度を求める（計測する）。また、かかる距離範囲に被計測物２０８が搬送された回数をカウントする。

上述したように、計測装置ＭＡで被計測物２０８の速度を計測可能な深度は、２０〜８０ｍｍとなる。ここで、図５に示すように、ベルトコンベアなどの搬送部７０２の上に被計測物２０８ａ及び２０８ｂが載置されて搬送されている場合を考える。この場合、計測装置ＭＡからの光が、例えば、被計測物２０８ａと被計測物２０８ｂとの間に照射されていても、計測装置ＭＡは、搬送部７０２の速度を計測することが可能となる。従って、計測装置ＭＡは、被計測物２０８ａ又は２０８ｂと搬送部７０２とを切り分けて計測することができない。

そこで、本実施形態では、第２検出部２１２で検出される光のスペクトルに基づいて、被計測物２０８ａ又は２０８ｂの距離を求め、かかる距離が予め設定された距離以下（又は距離以上）となった場合のみ、被計測物２０８の速度を求める。また、被計測物２０８ａ又は２０８ｂの距離が予め設定された距離以下になった回数を処理部２１１でカウントする。本実施形態では、被計測物２０８ａ又は２０８ｂの距離が予め設定された距離以下になった回数を処理部２１１でカウントしているが、かかる回数は、外部の情報処理装置でカウントしてもよい。

本実施形態によれば、計測装置ＭＡによる被計測物２０８ａ及び２０８ｂの速度の計測回数を低減するとともに、被計測物２０８ａ又は２０８ｂと搬送部７０２とを切り分けて計測することができる。また、異なる高さを有する被計測物を搬送しながら、その高さに応じて被計測物の種類を分類し、長さを計測することで個数をカウントすることができる。また、被計測物２０８ａ又は２０８ｂの距離が予め設定された距離以上になった場合に搬送部７０２の速度を求めることで、被計測物２０８ａと被計測物２０８ｂとの間の距離（間隔）を計測することが可能となる。

＜第８実施形態＞
本実施形態では、送り出し速度によって太さや高さが変化する製品（鋼管や食品など）を製造する際に、製品（被計測物）の太さや高さ（距離）の変動を計測しながら、その長さを計測する。そして、製品の計測された太さや高さに基づいて、送り出し速度をフィードバック制御することで、製品の太さや高さを一定に維持する。

以下、図６を参照して、具体的な例として、金属製のパイプ８０２２（被計測物）を製造する製造装置８０１を説明する。金属製のパイプ８０２２のような製造物（加工物）は、金属の太い筒８０２１を押出部８０１１によって一定の速度で成形部８０１２に押し出すことで、その太さと厚みを制御しながら製造される。金属製のパイプ８０２２は、保持部８０２によって保持される。製造装置８０１は、一般的な工場の環境に存在するため、周辺温度が季節や天候によって変動する。周辺温度が変動すると、金属の延性も変化するため、一様な品質を維持してパイプ８０２２を製造するためには、その製造コストが増加してしまう。

そこで、本実施形態では、計測装置ＭＡによって、製造装置８０１で製造されるパイプ８０２２の太さと長さを計測する。そして、計測装置ＭＡで計測されたパイプ８０２２の太さと長さとに基づいて、制御部８０４が押出部８０１１によって筒８０２１を押し出す際の押し出し速度をフィードバック制御する。これにより、パイプ８０２２の製造ロスを低減するとともに、一定の品質を維持することが可能となる。

なお、製造装置８０１は、被計測物としてのパイプ８０２２を駆動（搬送）する駆動装置と捉えることも可能である。このように、計測装置ＭＡと、被計測物（パイプ８０２２）の移動方向の速度（押し出し速度）を制御する制御部（制御部８０４）とを有し、被計測物を駆動（搬送）する駆動装置も本発明の一側面を構成する。かかる制御部は、計測装置ＭＡで計測される被計測物の距離（パイプ８０２２の太さ）が予め定められた距離範囲に収まるように、被計測物の速度を制御する。

＜第９実施形態＞
本実施形態では、被計測物に照射された複数の光のうち被計測物からの光の強度が最も大きくなる波長（被計測物での散乱が大きい波長）の光の第１光と第２光とが被計測物上で重なり合うように、被計測物と計測装置ＭＡとの相対的な位置を制御する。

被計測物の表面の構造や吸収などによって、被計測物での反射や散乱には波長依存特性がある。計測装置ＭＡは、被計測物の速度を計測するために、上述したように、被計測物からの光のうち第１光と第２光との間の空間に向かう光（散乱光）を検出している。従って、被計測物からの光の強度が最も大きくなる波長の光の第１光と第２光とが重なり合う位置に被計測物が配置されるように、被計測物と計測装置ＭＡとの相対的な位置を制御するとよい。これにより、第１検出部２１０において、被計測物からの光をより多く検出することが可能となり、第１検出部２１０で検出される光の強度を示す信号のＳＮ比を向上させることができる。

＜第１０実施形態＞
本実施形態では、図２に示す計測装置ＭＡにおいて、被計測物２０８からの光のうち光分割部２０４で分割されなかった光の一部をビームスプリッタで取り出して１つのフォトディテクタで検出する。また、第１光源２０１１、第２光源２０１２及び第３光源２０１３のそれぞれからの光の射出を異なる時間に順番に行い、そのサイクルを繰り返すように制御する。例えば、５００μ秒ごとに、第１光源２０１１、第２光源２０１２及び第３光源２０１３の順番で光を繰り返し射出する。また、第１光源２０１１、第２光源２０１２及び第３光源２０１３のそれぞれから光を射出するタイミングと同期して、フォトディテクタで検出される光の波長を識別する。これにより、フォトディテクタの数を低減することが可能となり、計測装置ＭＡの小型化及び低コスト化に寄与する。

＜第１１実施形態＞
図７は、第１１実施形態における計測装置ＭＡ’の構成を示す概略図である。計測装置ＭＡ’は、被計測物２０８の移動方向ＭＤの変位を計測する。計測装置ＭＡ’は、計測装置ＭＡと比較して、照射光学系２０７の代わりに、照射光学系１１０１を有する点が異なる。照射光学系以外の構成については、第１実施形態と同様である。

照射光学系１１０１は、光源部２０１から射出された複数の光のそれぞれの波長に対応して移動方向ＭＤの異なる位置で第１光と第２光とを重ね合わせて干渉縞を形成するように、被計測物２０８に対して複数の光を照射する。但し、被計測物２０８の移動方向ＭＤに直交する方向（距離方向）において、第１光と第２光とが重ね合わされる位置と、照射光学系１１０１（計測装置ＭＡ）との間の距離は、光の波長にかかわらず同一である。被計測物２０８がケーブルなどのひも状の形状を有する場合、移動方向ＭＤのうねるに応じて被計測物２０８で反射される光の波長が異なる。本実施形態では、このような場合であっても、被計測物２０８の移動方向ＭＤの変位を計測し、被計測物２０８の長さを高精度に求めることができる。

また、上述したのと同様に、被計測物２０８の移動方向ＭＤの変位を計測する計測装置ＭＡ’と、被計測物２０８の移動方向の変位量が予め定めた範囲内に収まるように、被計測物２０８の変位を制御する制御部とを有する駆動装置も本発明の一側面を構成する。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されないことはいうまでもなく、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

ＭＡ：計測装置２０１：光源部２０４：光分割部２０７：照射光学系２０８：被計測物２１０：第１検出部２１１：処理部

Claims

被計測物の移動方向の速度を計測する計測装置であって、
互いに異なる波長を有する複数の光を射出する光源部と、
前記光源部から射出された前記複数の光のそれぞれを第１光と第２光とに分割し、前記複数の光のそれぞれの波長に対応して前記移動方向に直交する方向の異なる位置で前記第１光と前記第２光とを重ね合わせて干渉縞を形成するように、前記被計測物に対して前記複数の光を照射する光学系と、
前記被計測物からの光を検出する第１検出部と、
前記第１検出部で検出される前記光の強度の変化に基づいて、前記速度を求める処理部と、
を有することを特徴とする計測装置。
前記光学系は、前記複数の光のそれぞれの前記第１光と前記第２光との重ね合わせ領域のうち、隣り合う領域の一部が前記移動方向に直交する方向において重なるように、前記被計測物に対して前記複数の光を照射することを特徴とする請求項１に記載の計測装置。
前記光学系は、前記複数の光のうちｉ番目の光の波長をλ_ｉ、前記被計測物に照射される前記ｉ番目の光の照射角度をφ_ｉ、定数をａとして、
を満たすように、前記被計測物に対して前記複数の光を照射することを特徴とする請求項１又は２に記載の計測装置。
前記被計測物からの光のうち前記第１光又は前記第２光の光路を通過する光を検出する第２検出部を更に有し、
前記処理部は、前記第２検出部で検出される前記光のスペクトルに基づいて、前記計測装置と前記被計測物との間の前記移動方向に直交する方向の距離を求めることを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか１項に記載の計測装置。
前記処理部は、前記光源部から射出される前記複数の光のスペクトルと、前記光源部から前記第２検出部までの光路におけるスペクトル損失特性とに基づいて、前記第２検出部で検出される前記光のスペクトルを規格化してピーク波長を求めることを特徴とする請求項４に記載の計測装置。
前記処理部は、前記被計測物の反射率特性に基づいて、前記第２検出部で検出される前記光のスペクトルを規格化してピーク波長を求めることを特徴とする請求項４に記載の計測装置。
前記処理部は、前記第２検出部で検出される前記光のスペクトルのピーク波長の強度の変化に基づいて、前記被計測物の前記移動方向の変位を求めることを特徴とする請求項４乃至６のうちいずれか１項に記載の計測装置。
前記処理部は、前記距離が予め定められた距離となったときに、前記速度を求めることを特徴とする請求項４乃至７のうちいずれか１項に記載の計測装置。
前記被計測物からの光のうち前記第１光又は前記第２光の光路を通過する光を検出する第２検出部を更に有し、
前記処理部は、前記複数の光のうちｉ番目の光の波長をλ_ｉ、前記被計測物に照射される前記ｉ番目の光の照射角度をφ_ｉ、波長λ_ｉに依存する値をｂ（λ_ｉ）としたときに
で表される関係式と、前記第２検出部で検出される前記光のスペクトルとに基づいて、前記第１検出部で検出される前記光の強度の変化に基づいて求められた前記速度を補正することを特徴とする請求項１又は２に記載の計測装置。
被計測物を駆動する駆動装置であって、
前記被計測物の移動方向の速度を計測する計測装置と、
前記被計測物の移動方向の速度を制御する制御部と、を有し、
前記計測装置は、
互いに異なる波長を有する複数の光を射出する光源部と、
前記光源部から射出された前記複数の光のそれぞれを第１光と第２光とに分割し、前記複数の光のそれぞれの波長に対応して前記移動方向に直交する方向の異なる位置で前記第１光と前記第２光とを重ね合わせて干渉縞を形成するように、前記被計測物に対して前記複数の光を照射する光学系と、
前記被計測物からの光を検出する第１検出部と、
前記被計測物からの光のうち前記第１光又は前記第２光の光路を通過する光を検出する第２検出部と、
前記第１検出部で検出される前記光の強度の変化に基づいて、前記速度を求め、前記第２検出部で検出される前記光のスペクトルに基づいて、前記計測装置と前記被計測物との間の前記移動方向に直交する方向の距離を求める処理部と、
を含み、
前記制御部は、前記処理部で求められる前記距離が予め定めた距離範囲に収まるように、前記被計測物の移動方向の速度を制御することを特徴とする駆動装置。
前記制御部は、前記複数の光のうち前記被計測物からの光の強度が最も大きくなる波長の光の前記第１光と前記第２光とが前記被計測物上で重なり合うように、前記移動方向に直交する方向における前記被計測物と前記計測装置との相対的な位置を制御することを特徴とする請求項１０に記載の駆動装置。
互いに異なる波長を有する複数の光を射出する光源部と、
前記光源部から射出された前記複数の光のそれぞれを第１光と第２光とに分割し、前記複数の光のそれぞれの波長に対応して被計測物の移動方向の異なる位置で前記第１光と前記第２光とを重ね合わせて干渉縞を形成するように、前記被計測物に対して前記複数の光を照射する光学系と、
前記被計測物からの光のうち前記第１光又は前記第２光の光路を通過する光を検出する検出部と、
前記検出部で検出される前記光のスペクトルのピーク波長に基づいて、前記被計測物の前記移動方向の変位を求める処理部と、
を有することを特徴とする計測装置。
被計測物を駆動する駆動装置であって、
前記被計測物の移動方向の変位を計測する請求項１２に記載の計測装置と、
前記被計測物の移動方向の変位量が予め定めた範囲内に収まるように、前記被計測物の変位を制御する制御部と、
を有することを特徴とする駆動装置。