JP3264544B2 - 光学的変位量測定装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、物体の変位量を光学的
に測定するための光学的変位量測定装置に係わる。ここ
で、物体の変位量とは、物体の移動量や変形量等をい
い、移動速度や変形速度等を含む。

【０００２】

【従来の技術】物体の変位量を光学的に測定する手段の
一つとして、スペックル法がある。スペックル法では、
物体にレーザ光等の可干渉な光を照射し、該照射光が該
物体の粗面等で拡散反射して形成する斑点状の模様（以
下、「スペックルパターン」という）を利用する。第３
９回応用物理学関係連合講演会講演予稿集２８ａ−Ａ−
３に、図１５に示すようなスペックル法を用いた光学的
変位量測定装置が提案されている。この光学的変位量測
定装置は、高速動作、高解像度、メモリー機能、及び、
二値記録特性を有する強誘電性液晶空間光変調素子（以
下、「ＦＬＣ−ＳＬＭ」という）と、入射光の重心位置
をそのスポット形状によらず高速、高解像度で検出で
き、ＦＬＣ−ＳＬＭの特徴に良くマッチした半導体位置
検出素子（Position SensitiveLight Detector:以下、
「ＰＳＤ」という）を採用している。この光学的変位量
測定装置では、粗物体３３０から生ずるスペックルパタ
ーンを、第一のＦＬＣ−ＳＬＭ３０７上に二重書き込み
した後、レンズ３１２でフーリエ変換して第二のＦＬＣ
−ＳＬＭ３１３上に記録する。さらにＦＬＣ−ＳＬＭ３
１３上に記録されたパターンをレンズ３１５によって再
度フーリエ変換し、ＰＳＤ３１６上に一次回折光たる自
己相関信号光を形成する。演算・制御装置３１７は、Ｐ
ＳＤ３１６からの信号を二重書き込み系にフィードバッ
クし二重書き込み時間間隔を制御する。例えば、被測定
物体の速度が増加した場合には、自己相関信号光の位置
は０次光から離れＰＳＤ３１６からの位置出力が変化す
る。したがって、二重書き込み間隔を制御して、自己相
関信号光の位置を０次光側かつＰＳＤ位置検出誤差の小
さい中心部に移動させるようにする。このように、自己
相関信号光の位置をＰＳＤ３１６の略中心に制御した
後、ＰＳＤ３１６の検出結果に基づいて、被測定物体の
速度を求める。かかる光学的変位量測定装置によれば、
広範囲の速度を高精度に測定することができる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】かかる従来の光学的変
位量測定装置では、一次回折光をＰＳＤに照射させ、Ｐ
ＳＤの検出結果に基づいて二重書き込み間隔をフィード
バック制御する。そして、一次回折光をＰＳＤの略中心
領域に照射させてから、ＰＳＤの検出結果に基づいて被
測定物体の移動速度を求めている。したがって、まず一
次回折光をＰＳＤに照射させる必要がある。ここで、被
測定物体のおおよその移動速度があらかじめわかってい
る場合には、一次回折光をすぐにＰＳＤに照射させるこ
とができるため、フィードバック制御をただちに開始す
ることができる。また、被測定物体の移動速度が不明の
場合にも、二重書き込み間隔をスウィープさせ被測定物
体の移動量を様々に変化させていけば、おおよその変位
速度を見つけだすことができる。したがって、やはり比
較的早くフィードバック制御を開始することができる。
しかし、被測定物体に急激な速度変化が起こり、一次回
折光がＰＳＤの入射窓よりはずれてしまうような場合に
は、おおよその移動速度をより簡単に判断できれば、よ
り短時間にて測定を行うことができる。本発明は上記点
に鑑みてなされたものであり、その目的は、被測定対象
の変位量をより短時間で測定でき、実時間測定性の点に
おいて極めて優れた光学的変位量測定装置を提供するこ
とにある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の光学的変位量測定装置は、被測定対象へ光
を照射して、二の測定時刻における該被測定対象の像を
形成するための光照射手段と、該二の測定時刻における
該被測定対象の像を二重記録するための第一の記録手段
と、該第一の記録手段にコヒーレント光を照射して該二
重記録像を読みだすための第一のコヒーレント光投光手
段と、該読み出した二重記録像をフーリエ変換して第一
のフーリエ変換像を形成するための第一のフーリエ変換
手段と、該第一のフーリエ変換像を記録するための第二
の記録手段と、該第二の記録手段にコヒーレント光を照
射して該第一のフーリエ変換像を読みだすための第二の
コヒーレント光投光手段と、該読み出した第一のフーリ
エ変換像をフーリエ変換して０次の回折光点像を有する
第二のフーリエ変換像を形成するための第二のフーリエ
変換手段と、該第二のフーリエ変換像の０次の回折光点
像の光強度を検出するための光強度検出手段と、該光強
度検出手段の検出結果に基づき、該二の測定時刻の間に
おける該被測定対象の該第一の記録手段に対する相対的
変位量を求めるための変位量特定手段を備えている。こ
こで、該変位量特定手段は、該光強度検出手段の検出結
果を演算して該二の測定時刻の間における該被測定対象
の該第一の記録手段に対する相対的変位量を求めるため
の演算手段からなることが好ましい。本発明の光学的変
位量測定装置は、さらに、該第二のフーリエ変換像を調
整するための調整手段を備えていても良い。この場合に
は、該光強度検出手段は、該調整された第二のフーリエ
変換像の０次の回折光点像の光強度を検出する。ここ
で、該変位量特定手段は、該光強度検出手段の検出結果
に基づいて該調整手段の調整状態を制御するための制御
手段と、該調整された第二のフーリエ変換像が有する一
次の回折光点像の重心の位置を検出するための光重心位
置検出手段と、該光重心位置検出手段の検出結果と該調
整手段の調整状態に基づいて該二の測定時刻間における
該被測定対象と該第一の記録手段との相対的変位量を演
算するための変位量演算手段からなることが好ましい。
ここで、該光重心位置検出手段は、半導体位置検出素子
からなることが好ましい。該調整手段は、該二の測定時
刻の時刻間隔を調整する手段であることが好ましい。該
調整手段はまた、該二の測定時刻における被測定対象の
像の位置を相対的に調整する位置調整手段であってもよ
い。該位置調整手段は、例えば、該二の測定時刻におい
て形成される被測定対象の像を偏向する偏向手段と、該
偏向手段による該二の測定時刻の像の偏向量を相対的に
調整する偏向量調整手段とからなることが好ましい。ま
た、該第一及び第二の記録手段は、強誘電性液晶空間光
変調素子であることが好ましい。該光照射手段は、該被
測定対象にコヒーレント光を照射して、スペックルパタ
ーンを形成するものであることが好ましい。

【０００５】

【作用】上記構成を有する本発明の光学的変位量測定装
置においては、該光照射手段が、該光学的変位量測定装
置に対して相対的に変位する被測定対象に、光を照射す
る。該照射光により、二の測定時刻における該被測定対
象の像が、それぞれ得られる。該第一の記録手段が、該
二の測定時刻の像を二重記録する。該第一のコヒーレン
ト光投光手段が、該第一の記録手段にコヒーレント光を
照射して、該第一の記録手段の該二重記録像を読み出
す。該読みだした二重記録像を、該第一のフーリエ変換
手段がフーリエ変換し、第一のフーリエ変換像を形成す
る。該第二の記録手段が、該第一のフーリエ変換像を記
録する。該第二のコヒーレント光投光手段が、該第二の
記録手段にコヒーレント光を照射して、該第一の記録手
段の該第一のフーリエ変換像を読み出す。該読みだした
第一のフーリエ変換像を、該第二のフーリエ変換手段が
フーリエ変換し、０次の回折光点像を有する第二のフー
リエ変換像を形成する。該光強度検出手段が、該第二の
フーリエ変換像の０次の回折光点像の光強度を検出す
る。該変位量特定手段が、該光強度検出手段の検出結果
に基づき、該二の測定時刻の間における該被測定対象の
該第一の記録手段（すなわち該光学的変位量測定装置）
に対する相対的変位量を求める。

【０００６】ここで、該第二のフーリエ変換像の０次の
回折光点像の光強度は、該二の測定時刻における被測定
対象の像の相関、換言すれば、該二の測定時刻における
被測定対象の第一の記録手段（すなわち光学的変位量測
定装置）に対する相対的変位量に対応している。したが
って、該変位量特定手段が該演算手段である場合には、
該光強度検出手段の検出結果を演算して、該二の測定時
刻の間における該被測定対象の該第一の記録手段（すな
わち光学的変位量測定装置）に対する相対的変位量を求
める。

【０００７】第二のフーリエ変換像が有する一次の回折
光点像の重心位置もまた、該二の測定時刻における被測
定対象の像の相関、換言すれば、該二の測定時刻におけ
る被測定対象の第一の記録手段（すなわち光学的変位量
測定装置）に対する相対的変位量に対応している。した
がって、本発明の光学的変位量測定装置が該第二のフー
リエ変換像を調整するための調整手段を備えている場合
には、該光強度検出手段は該調整された第二のフーリエ
変換像の０次の回折光点像の光強度を検出する。該変位
量特定手段の該制御手段が、該光強度検出手段の検出結
果に基づいて該調整手段の調整状態を制御する。該変位
量特定手段の該光重心位置検出手段が、該調整された第
二のフーリエ変換像の一次の回折光点像の重心の位置を
検出する。該変位量特定手段の該変位量演算手段が、該
光重心位置検出手段の検出結果と該調整手段の調整状態
に基づいて該二の測定時刻間における該被測定対象と該
第一の記録手段（すなわち光学的変位量測定装置）の相
対的変位量を演算する。ここで、該調整手段が該二の測
定時刻の時刻間隔を調整する手段からなる場合には、該
調整手段は、該二の測定時刻の時刻間隔を調整すること
により該第二のフーリエ変換像を調整する。また、該調
整手段が該二の測定時刻における被測定対象の像の位置
を相対的に調整する位置調整手段からなる場合には、か
かる被測定対象の像の相対的位置調整により該第二のフ
ーリエ変換像の調整を行う。特に、該位置調整手段が該
偏向手段と該偏向量調整手段とからなる場合には、該偏
向手段は該二の測定時刻に得られる像を偏向し、該偏向
量調整手段が該二の像の偏向角度を相対的に調整して該
二の像の相対的位置関係を調整することにより、該第二
のフーリエ変換像の調整を行う。

【０００８】

【実施例】以下、本発明の第一の実施例を図面を参照し
ながら説明する。該実施例は、移動している被測定物体
の移動速度を測定するための光学的移動速度測定装置に
係わるものである。

【０００９】図１は、本実施例に係る光学的移動速度測
定装置（以下、「測定装置」という）１の概略構成を示
す光学系統平面図である。該測定装置１は、レーザダイ
オード３からのレーザ光を、所定時間間隔をおいて二度
被測定物体３０に照射して、二のスペックルパターンを
形成するためのスペックルパターン形成部１Ａと；該形
成した二のスペックルパターンを二重記録するための第
一の強誘電性液晶空間光変調素子（以下、「第一のＦＬ
Ｃ−ＳＬＭ」という）７と；Ｈｅ−Ｎｅレーザ装置２か
らのレーザ光を、スペックルパターンが二重記録された
該第一のＦＬＣ−ＳＬＭ７で位相変調し、さらに空間的
にフーリエ変換することにより、ヤングの干渉縞を形成
するための干渉縞形成部１Ｂと；該形成したヤングの干
渉縞を記録するための第二の強誘電性液晶空間光変調素
子（以下、「第二のＦＬＣ−ＳＬＭ」という）１３と；
Ｈｅ−Ｎｅレーザ装置２からのレーザ光を、ヤングの干
渉縞が記録された該第二のＦＬＣ−ＳＬＭ１３で位相変
調し、さらに空間的にフーリエ変換することにより、複
数の回折光光点を形成するための回折光形成部１Ｃと；
該形成した回折光光点のうちの０次回折光の光強度を測
定して該所定時間間隔の値をフィードバック制御し、そ
の後＋１次回折光の重心位置を測定して被測定物体３０
の該所定時間間隔における移動量ひいては移動速度を演
算するための測定・制御部１Ｄとを備えている。つま
り、測定装置１では、スペックルパターン形成部１Ａで
得た互いに同一のパターンを有する二のスペックルパタ
ーンに対し、ＦＬＣ−ＳＬＭ７、干渉縞形成部１Ｂ、Ｆ
ＬＣ−ＳＬＭ１３、及び、回折光形成部１Ｃにより、ジ
ョイント変換相関処理と同様な処理を行って、０次の回
折光点像と該スペックルパターンの自己相関信号光（±
１次の回折光点像）を形成する。測定・制御部１Ｄによ
り、該０次の回折光点像の光強度を測定し、その測定結
果に基づいて該所定の時間間隔をフィードバック制御す
る。かかるフィードバック制御の後、やはり測定・制御
部１Ｄにより、＋１次の回折光点像の重心位置を測定
し、その測定結果に基づいて該二のスペックルパターン
間の距離を演算し、もって、被測定物体の移動速度を演
算する。

【００１０】以下、かかる測定装置１の構成について、
詳細に説明する。

【００１１】直方体状の被測定物体３０が、ベルトコン
ベア状の搬送装置３１により、図１の矢印Ｖの方向（図
の紙面に沿う方向）に延びる搬送経路上を搬送移動され
ている。なお、該直方体状の被測定物体３０は、図の紙
面に対し垂直な方向に延びる平面状粗面３０Ａを有して
いる。スペックルパターン形成部１Ａでは、レーザダイ
オード（ＬＤ）３が、ＬＤコントローラ４の制御のもと
レーザ光を所定時間間隔をおいて二度、特定の一の方向
に照射する。この結果、レーザスポット光が、被測定物
体３０の搬送経路上の一の固定領域Ｒに、該所定時間間
隔をおいて二度パルス状に照射される。（以下、該二度
の照射時刻を、それぞれ、「第一の照射時刻ｔ₁及び第
二の照射時刻ｔ₂」といい、該所定時間間隔を「二重書
き込み間隔△ｔ（＝ｔ₂−ｔ₁）」という。また、該時間
間隔△ｔにおける該被測定物体３０の移動距離を｜Ｓ
（△ｔ）｜とする。）該二度の照射光は、それぞれ、被
測定物体３０の粗面３０Ａのうち、照射時刻ｔ₁及びｔ₂
に該固定領域Ｒに達した領域３０Ｒ₁及び３０Ｒ₂でそれ
ぞれ散乱反射され、二の反射光を形成する。（以下、そ
れぞれ、「第一及び第二の反射光」という。）該第一及
び第二の反射光は、該領域３０Ｒ₁及び３０Ｒ₂の粗面形
状に固有なスペックルパターンを有する。つまり、該第
一及び第二の反射光は、互いに同一のスペックル分布が
該移動方向Ｖに全体的に該移動距離｜Ｓ（△ｔ）｜だけ
ずれたようなパターン（以下、それぞれ、「第一及び第
二のスペックルパターン」という）を有することにな
る。結像レンズ５が、該第一及び第二のスペックルパタ
ーンを、第一のＦＬＣ−ＳＬＭ７の書き込み側光入射面
７Ｓ_w上に結像する。したがって、該光入射面７Ｓ_wに結
像された第一及び第二のスペックルパターンは、互いに
同一のスペックル分布が、全体的に、一のシフト方向
Ｘ’に、一のシフト距離（以下、「シフト距離｜Ｍ（△
ｔ）｜」という）だけずれたようなパターンとなる。こ
こで、該シフト方向Ｘ’は、被測定物体の移動方向（図
１の矢印Ｖ）と一定の関係にある。本実施例の場合、結
像レンズ５の光軸５Ａは図の紙面にそって延びているた
め、該シフト方向Ｘ’も図の紙面に沿う方向に延びてい
る。また、該シフト距離｜Ｍ（△ｔ）｜は、被測定物体
移動距離｜Ｓ（△ｔ）｜との間に、該結像レンズ５の結
像倍率ｍで決まる以下の数式１の関係を有する。

【数１】｜Ｍ（△ｔ）｜＝ｍ・｜Ｓ（△ｔ）｜

【００１２】該第一のＦＬＣ−ＳＬＭ７は、該書き込み
側光入射面７Ｓ_wに結像された該第一及び第二のスペッ
クルパターンを二重記録するべく、ＦＬＣ−ＳＬＭコン
トローラ１９により駆動される。

【００１３】一方、干渉縞形成部１Ｂでは、Ｈｅ−Ｎｅ
レーザ装置２が、直線偏光状態の平行レーザビームを連
続的に照射している。かかるＨｅ−Ｎｅレーザビーム
は、第一のコリメータレンズ８Ａとスペイシャルフィル
ター８Ｂ及び第二のコリメータレンズ８Ｃからなるビー
ム径変換光学系８により、所望のビーム径の平行レーザ
ビームに変換される。該平行レーザビームの一部は、ハ
ーフミラー９で反射され、可変アパーチャ１０Ａとハー
フミラー１０Ｂからなる第一の読みだし光学系１０によ
り、該第一のＦＬＣ−ＳＬＭ７の読みだし側光入射面７
Ｓ_rに導かれる。なお、該可変アパーチャ１０Ａは、該
レーザビームをさらに所望のビーム径に変換するための
ものである。該光入射面７Ｓ_rに照射されたレーザビー
ムは、ＦＬＣ−ＳＬＭ７内で、該第一及び第二のスペッ
クルパターンの位置（該シフト距離｜Ｍ（△ｔ）｜と該
シフト方向）に対応した位相変調を受けた後、該光入射
面７Ｓ_rより出射する。こうして、該二重記録されたス
ペックルパターンの読みだしが行われる。該ＦＬＣ−Ｓ
ＬＭ７から出射したレーザビームは、前記ハーフミラー
１０Ｂを透過した後、第一のフーリエ変換レンズ１２に
より空間的にフーリエ変換され、該レンズ１２の像側焦
点面上にヤングの干渉縞を結像する。該ヤングの干渉縞
の縞の並ぶ方向（各縞の延びる方向に対し垂直な方向）
は、前記第一のＦＬＣ−ＳＬＭ７に記録されたスペック
ル分布のシフト方向Ｘ’に平行であるため、図の紙面に
沿う方向に平行となる。また、該ヤングの干渉縞の縞間
隔（以下、「｜Ｋ（△ｔ）｜」という）と前記シフト距
離｜Ｍ（△ｔ）｜の逆数とは、以下の数式２に示すよう
に、ＦＬＣ−ＳＬＭ７の読みだし側面７Ｓ_rに照射した
読みだし光（Ｈｅ−Ｎｅレーザ光）の波長λと該フーリ
エ変換レンズ１２の焦点距離ｆ₁₂で決まる比例関係にあ
る。

【数２】｜Ｋ（△ｔ）｜＝λｆ₁₂／｜Ｍ（△ｔ）｜ したがって、該ヤングの干渉縞の空間周波数Ｕ（△ｔ）
は、次の数式で定められる。

【数３】 Ｕ（△ｔ）＝１／｜Ｋ（△ｔ）｜＝｜Ｍ（△ｔ）｜／λｆ₁₂

【００１４】該第二のＦＬＣ−ＳＬＭ１３は、その書き
込み側光入射面１３Ｓ_wが該レンズ１２の像側焦点面上
に位置するように配置されているため、該ヤングの干渉
縞が該光入射面１３Ｓ_wに結像される。該第二のＦＬＣ
−ＳＬＭ１３は、該ヤングの干渉縞を記録するように、
該ＦＬＣ−ＳＬＭコントローラ１９により駆動される。

【００１５】回折光形成部１Ｃには、ミラー１１Ａとハ
ーフミラー１１Ｂからなる第二の読みだし光学系１１が
設けられており、ハーフミラー９を透過したＨｅ−Ｎｅ
レーザ光を、第二のＦＬＣ−ＳＬＭ１３の読みだし側光
入射面１３Ｓ_rに導く。該光入射面１３Ｓ_rに照射された
レーザビームは、該ＦＬＣ−ＳＬＭ１３内で、該ヤング
の干渉縞の位置（縞方向と縞間隔｜Ｋ（△ｔ）｜）に対
応した位相変調を受けた後、該光入射面１３Ｓ_rより出
射する。こうして、該記録されたヤングの干渉縞の読み
だしが行われる。該第二のＦＬＣ−ＳＬＭ１３から出射
したレーザビームは、該ハーフミラー１１Ｂを透過し、
第二のフーリエ変換レンズ１５により空間的にフーリエ
変換される。この結果、該レンズ１５の像側焦点面１５
Ｆ上には、０次回折光光点と、該第一及び第二のスペッ
クルパターンの相関に応じた複数の回折光光点（ｎ次回
折光；ｎ＝±１，±２，・・・）が結像される。該複数
の回折光光点は、該ヤングの干渉縞の縞の並ぶ方向に対
して平行に並ぶため、図１の紙面に沿う方向（Ｘ方向）
に並ぶことになる。より詳しくは、０次回折光は、レン
ズ１５の光軸１５Ａが該像側焦点面１５Ｆと交差する中
心点１５Ｏ上に結像する。＋１次、＋２次、・・の回折
光は、該中心点１５ＯからＸ方向にこの順に並ぶ。−１
次、−２次、・・の回折光は、それぞれ、該＋１次、＋
２次、・・の回折光と、該中心点１５Ｏに対して点対称
となる位置に並ぶ。ここで、該±１次回折光は、同一の
パターンを有する該第一及び第二のスペックルパターン
に対してジョイント変換相関処理と同一の処理を施した
結果得られた該スペックルパターンの自己相関信号光で
ある。これら０次、±１次、・・・の回折光光点の互い
に隣あう光点間の距離（以下、「｜Ｎ（△ｔ）｜」とい
う）は互いに等しく、その値は、以下の数式４に示すよ
うに、該ヤングの干渉縞の縞間隔｜Ｋ（△ｔ）｜の値の
逆数と、ＦＬＣ−ＳＬＭ１３の読みだし側面１３Ｓ_rに
照射した読みだし光（Ｈｅ−Ｎｅレーザ光）の波長λと
該フーリエ変換レンズ１５の焦点距離ｆ₁₅で決まる一定
の比例関係にある。

【数４】｜Ｎ（△ｔ）｜＝λｆ₁₅／｜Ｋ（△ｔ）｜

【００１６】したがって、上記数式１乃至４より、回折
光光点間距離｜Ｎ（△ｔ）｜とシフト距離｜Ｍ（△ｔ）
｜とは、以下の数式５の関係を有する。

【数５】 ｜Ｎ（△ｔ）｜＝λｆ₁₅／｜Ｋ（△ｔ）｜＝λｆ₁₅・Ｕ（△ｔ） ＝｜Ｍ（△ｔ）｜・（λｆ₁₅／λｆ₁₂） ＝｜Ｍ（△ｔ）｜・（ｆ₁₅／ｆ₁₂）

【００１７】ところで、本発明者は、該回折光光点と該
ヤングの干渉縞の縞間隔｜Ｋ（△ｔ）｜（すなわち空間
周波数Ｕ（△ｔ））との関係について、検討・研究を行
った結果、後述するように、光点間距離｜Ｎ（△ｔ）｜
のみならず０次回折光の光強度（以下、「Ｉ」という）
も、ヤングの干渉縞縞間隔｜Ｋ（△ｔ）｜と一定の関係
を有していることを実験的に発見した。すなわち、０次
回折光の光強度Ｉは、ヤングの干渉縞の空間周波数Ｕ
（△ｔ）と図２に示すような一対一の関係、すなわち、
Ｕ（△ｔ）が大きいほどＩが大きくなるという単調増加
関係にあるということを実験的に発見した。かかる特性
によれば、図２に示すように、Ｉと被測定物体の移動距
離｜Ｓ（△ｔ）｜も、一定の関係、すなわち、一対一の
対応関係を有していることがわかる。具体的には、Ｉ
は、｜Ｓ（△ｔ）｜が大きいほど大きくなる単調増加関
係にある。数式１乃至３によれば、｜Ｓ（△ｔ）｜とＵ
（△ｔ）とは比例関係にあるからである。さらに、Ｉと
回折光光点間距離｜Ｎ（△ｔ）｜も、一対一の対応関係
（単調増加関係）にあることがわかる。数式５によれ
ば、｜Ｎ（△ｔ）｜とＵ（△ｔ）とも比例関係にあるか
らである。なお、本発明者はさらに、＋１次または−１
次回折光（以下、「一次回折光」という）の光強度も、
図２に示すごとく、｜Ｋ（△ｔ）｜、Ｕ（△ｔ）、及
び、｜Ｓ（△ｔ）｜と、一対一の対応関係（詳しくは、
単調減少関係）にあることを実験的に発見した。

【００１８】そこで、本発明の測定・制御部１Ｄでは、
一次元位置測定用半導体位置検出素子（ＰＳＤ）１６と
フォトダイオード１１６を、それらの入射窓１６Ｓ及び
１１６Ｓが該像側焦点面１５Ｆ上に位置するように配置
している。より詳しくは、図３（Ａ）及び（Ｂ）に示す
ように、フォトダイオード１１６の円形入射窓１１６Ｓ
を、像側焦点面１５Ｆの中心点１５Ｏに配置して、これ
に０次回折光光点が入射しうるようにしている。フォト
ダイオード１１６は、入射した０次回折光光点の光強度
値Ｉに対応した信号を出力する。なお、入射窓１１６Ｓ
の面積は、０次回折光光点の全領域が入射窓１１６Ｓ内
に入射するよう、０次回折光光点のスポットサイズより
大きくしなければならない。入射窓１１６Ｓの面積はま
た、＋１次及び−１次回折光光点が入射窓１１６Ｓに入
射しないような大きさに制限する必要がある。これら＋
１次及び−１次の回折光の影響を除去して０次回折光の
光強度を正確に測定する必要があるからである。一方、
ＰＳＤ１６は、その検出しうる一次元方向がＸ方向に平
行に延びるように配置されている。ＰＳＤ１６はまた、
入射窓１６Ｓの原点１６Ｓ_x0が中心点１５ＯからＸ方向
に所定距離ｄだけ離間するように、配置されている。な
お、入射窓１６ＳのＸ方向における長さをＬとする。Ｐ
ＳＤ１６は、その入射窓１６Ｓに＋１次の回折光光点が
入射した場合に、その重心位置（すなわち、ピーク位
置）の原点１６Ｓ_x0からの距離Ｘを示す信号を出力す
る。したがって、ＰＳＤ１１６の検出結果たるＸと回折
光光点間距離｜Ｎ（△ｔ）｜とは、以下の数式６の関係
がある。

【数６】｜Ｎ（△ｔ）｜＝Ｘ＋ｄ したがって、上記の数式１乃至６より、以下の数式７が
求められる。

【数７】 ｜Ｓ（△ｔ）｜＝（１／ｍ）・（ｆ₁₂／ｆ₁₅）・（Ｘ＋ｄ） また、被測定物体３０の移動速度Ｖは、以下の数式８で
求められる。

【数８】Ｖ＝｜Ｓ（△ｔ）｜／△ｔ

【００１９】図１に示すように、測定・制御部１Ｄに
は、ＰＳＤ１６とフォトダイオード１１６に接続された
演算・制御装置１７が設けられている。演算・制御装置
１７には、フォトダイオード１１６から０次回折光強度
Ｉを示す信号が入力されると共に、ＰＳＤ１６から＋１
次回折光の重心位置（ピーク位置）を示す信号が入力さ
れる。演算・制御装置１７には、既述の数式７及び８が
格納されており、ＰＳＤからの信号に基づき数式７、８
を演算する。演算・制御装置１７はまた、ＬＤコントロ
ーラ４を介してレーザダイオード３に接続されており、
レーザダイオード３がレーザ光を被測定物体３０に照射
するのを制御する。ここで、演算・制御装置１７は、Ｌ
Ｄコントローラ４を介して二重書き込み間隔△ｔの値を
も調整する。演算・制御装置１７はまた、ＦＬＣ−ＳＬ
Ｍコントローラ１９を介して第一及び第二のＦＬＣ−Ｓ
ＬＭ７、１３に接続されており、これらを駆動制御す
る。換言すれば、演算・制御装置１７は、ＬＤコントロ
ーラ４とＦＬＣ−ＳＬＭコントローラ１９を介して、後
述する回折光形成動作Ｆを実行し、レンズ１５の像側焦
点面１５Ｆ上に回折光光点を結像させる。より具体的に
は、演算・制御装置１７は、フォトダイオード１１６か
らの信号に基づいて、ＬＤコントローラ４を介して二重
書き込み間隔△ｔを調整し、コントローラ４、１９を介
して後述の回折光形成動作Ｆを実行する。かかる回折光
形成動作Ｆは、フォトダイオード１１６からの信号によ
り＋１次回折光光点がＰＳＤ１６の入射窓１６Ｓ内に入
射したことが判断されるまで、繰り返し実行される。＋
１次回折光光点がＰＳＤ１６の入射窓１６Ｓ内に入射し
たことが判断されると、演算・制御装置１７は、その際
にＰＳＤ１６が出力した信号の示すＸ値に基づき既述の
数式７及び８の演算を実行して、被測定物体の移動距離
｜Ｓ（△ｔ）｜及び移動速度Ｖを求める。演算・制御装
置１７には速度表示装置１８が接続されている。この速
度表示装置１８は、求められた被測定物体の移動速度Ｖ
の値をその表示面に表示する。

【００２０】上記構成の測定装置１に採用されている第
一のＦＬＣ−ＳＬＭ７について、以下、詳細に説明す
る。該第一のＦＬＣ−ＳＬＭ７では、図４に示すよう
に、強誘電性液晶層（以下、「液晶層」という）７Ｆ
が、一対の配向層７Ｅと７Ｇとの間に設けられている。
該配向層７Ｅの該液晶層７Ｆと反対の側には、誘電体ミ
ラー７Ｄと、アモルファスシリコン層（以下、「α−Ｓ
ｉ層」という）７Ｃと、書き込み側透明電極（以下、
「電極」という）７Ｂと、ガラス層７Ａが設けられてい
る。また、該配向層７Ｇの該液晶層７Ｆと反対の側に
は、読み出し側透明電極（以下、「電極」という）７Ｈ
と、ガラス層７Ｉと、反射防止膜７Ｊとが設けられてい
る。該液晶層７ＦはカイラルスメクチックＣ（Ｓ_c ^*）液
晶である。該α−Ｓｉ層７Ｃは光伝導体層であり、アド
レス材料として機能する。該ガラス層７Ａが前記書き込
み側光入射面７Ｓ_wを、また該反射防止膜７Ｊが読み出
し側光入射面７Ｓ_rを規定する。該一対の電極７Ｂと７
Ｈとの間には、後述するように、ＦＬＣ−ＳＬＭコント
ローラ１９が、書き込み用及び消去用の駆動電圧Ｖ_w，
Ｖ_eと補償電圧Ｖ_wc，Ｖ_ecをパルス状に印加する。この
補償電圧Ｖ_wc，Ｖ_ecは、液晶層７Ｆの劣化を防止するた
めに印加されるものである。また、図１に示すように、
発光ダイオード（ＬＥＤ）６が書き込み側光入射面７Ｓ
_wの全面を照射するように設けられており、液晶層７Ｆ
に既に記録されている像を消去するのに用いられる。

【００２１】以上、第一のＦＬＣ−ＳＬＭ７の構成につ
いて説明したが、第二のＦＬＣ−ＳＬＭ１３も該第一の
ＦＬＣ−ＳＬＭ７と同様の構成をしており、該ＦＬＣ−
ＳＬＭコントローラ１９が、その電極１３Ｂ・１３Ｈ間
の印加電圧を制御する。また、図１に示すように、第二
のＦＬＣ−ＳＬＭ１３には、記録消去用の発光ダイオー
ド（ＬＥＤ）１４が備えられている。上記ＦＬＣ−ＳＬ
Ｍ７及び１３は、書き込み速度が極めて早く実時間測定
性において極めて優れている。また、二値記録デバイス
であるため、スペックルパターンやヤングの干渉縞を記
録するのに適している。なお、ＦＬＣ−ＳＬＭの構造及
び動作の詳細は、特開平２−２８９８２７号公報に説明
されている。

【００２２】上記構成の測定装置１が演算・制御装置１
７の制御のもと実行する回折光形成動作Ｆについて、図
５を参照しながら説明する。まず、発光ダイオード６が
第一のＦＬＣ−ＳＬＭ７の該光入射面７Ｓ_wに一様な光
を照射している間、演算・制御装置１７が、ＦＬＣ−Ｓ
ＬＭコントローラ１９を介して、該第一のＦＬＣ−ＳＬ
Ｍ７の電極７Ｂ・７Ｈ間に消去用補償電圧Ｖ_ecと消去用
駆動電圧Ｖ_eを互いに等しい時間だけこの順に印加し、
前回の測定の際ＦＬＣ−ＳＬＭ７に記録された像を消去
する。なお、該補償電圧Ｖ_ecと該駆動電圧Ｖ_eは、互い
に極性が逆で、その絶対値が等しい。演算・制御装置１
７は、次に、該電極７Ｂ・７Ｈ間に、書き込み用補償電
圧Ｖ_wcと書き込み用駆動電圧Ｖ_wをやはり互いに等しい
時間だけこの順で加える。（なお、該書き込み用駆動電
圧Ｖ_wの極性は、該消去用駆動電圧Ｖ_eのそれと逆であ
る。また、該補償電圧Ｖ_wcと該駆動電圧Ｖ_wとは、互い
に極性が逆で、その絶対値が等しい。）演算・制御装置
１７は、この書き込み駆動電圧Ｖ_wの印加中、ＬＤコン
トローラ４を介してレーザダイオード３を制御し、二重
書き込み間隔Δｔをおいて２回レーザ光を被測定物体３
０に照射させる。このようにして、該ＦＬＣ−ＳＬＭ７
に該第一及び第二のスペックルパターンを二重記録す
る。一方、Ｈｅ−Ｎｅレーザ装置２からのレーザ光は、
ＦＬＣ−ＳＬＭ７の読みだし側面７Ｓ_rに常に照射され
ている。したがって、該ＦＬＣ−ＳＬＭ７に二重記録さ
れたスペックルパターンがただちに読み出されヤングの
干渉縞が形成される。演算・制御装置１７は、該第一の
ＦＬＣ−ＳＬＭ７に該電圧Ｖ_wc・Ｖ_wを印加するのと同
時に、該第二のＦＬＣ−ＳＬＭ１３に消去用の補償電圧
Ｖ_ecと駆動電圧Ｖ_eを加える。これと同時に、発光ダイ
オード１４が該ＦＬＣ−ＳＬＭ１３に一様な光を照射す
ることにより、前回の測定の際記録された像を消去す
る。演算・制御装置１７は、ＦＬＣ−ＳＬＭ７へのスペ
ックルパターンの書き込みの終了と同時に、該ＦＬＣ−
ＳＬＭ１３の電圧１３Ｂ・１３Ｈ間に、書き込み補償電
圧Ｖ_wcと書き込み駆動電圧Ｖ_wを順に印加して、ヤング
の干渉縞をＦＬＣ−ＳＬＭ１３に記録する。Ｈｅ−Ｎｅ
レーザ装置２からのレーザ光は、ＦＬＣ−ＳＬＭ１３の
読みだし側面１３Ｓ_rに常に照射されている。したがっ
て、該ＦＬＣ−ＳＬＭ１３に記録されたヤングの干渉縞
がただちに読み出され、該第一及び第二のスペックルパ
ターンの相関を示す回折光光点が形成される。

【００２３】本発明の測定装置１においては、フォトダ
イオード１１６の出力信号に基づき二重書き込み間隔△
ｔを調整しながら、上記回折光形成動作Ｆを繰り返し行
う。そして、フォトダイオード１１６の出力信号が＋１
次回折光光点がＰＳＤ１６の入射窓１６Ｓ内に入射した
ことを示したところで、演算・制御装置１７は、ＰＳＤ
１６の出力信号に基づき数式７及び８の演算を行い、被
測定物体３０の移動距離及び移動速度を求める。

【００２４】かかる測定動作について、以下、説明す
る。

【００２５】回折光形成動作Ｆにて得られる回折光の光
点間距離｜Ｎ（△ｔ）｜と０次光強度Ｉとは、既述のよ
うに図２の関係にある。したがって、数式６より、０次
光強度ＩはＰＳＤ１６の検出結果Ｘに対しても単調増加
関係にある。ここで、Ｘ＝０の場合（｜Ｎ（△ｔ）｜＝
ｄの場合）の０次光強度をＩａ、Ｘ＝Ｌの場合（｜Ｎ
（△ｔ）｜＝Ｌ＋ｄの場合）の０次光強度をＩｂとする
と、フォトダイオード１１６がＩａ≦Ｉ≦Ｉｂなる０次
光強度Ｉを検出した場合にのみ、＋１次回折光光点がＰ
ＳＤ１６の入射窓１６Ｓ内に入射していることがわか
る。そこで、本実施例の測定装置１では、フォトダイオ
ード１１６がＩａ≦Ｉ≦Ｉｂなる０次光強度Ｉを検出す
るまで、ＬＤコントローラ４を介して二重書き込み間隔
△ｔを調整する。Ｉａ≦Ｉ≦Ｉｂなる０次光強度Ｉが得
られると、演算・制御装置１７は、その際のＰＳＤ１６
の出力結果Ｘに基づき数式７及び８を演算して、移動距
離｜Ｓ（△ｔ）｜及び移動速度Ｖを求める。

【００２６】かかる測定動作を、図７に示すフローチャ
ートを参照して説明する。演算・制御装置１７はまず、
ＬＤコントローラ４を介して二重書き込み間隔△ｔを所
定の値Ｔ_i（ｉ＝１）に設定し、ＦＬＣ−ＳＬＭコント
ローラ１９を介して第ｉ回目（ｉ＝１）の回折光形成動
作Ｆ_i（ｉ＝１）を実行する（ステップＳ１）。演算・
制御装置１７は次に、フォトダイオード１１６の検出結
果たる０次光光強度Ｉ（Ｉ_i：ｉ＝１）を受け取り、こ
れがＩａ≦Ｉ_iの関係を満たすか否か判断する（ステッ
プＳ２）。Ｉａ＞Ｉ_iの場合には、被測定物体の移動速
度Ｖが比較的小さいため二重書き込み間隔Ｔ_i（ｉ＝
１）間に被測定物体の移動した移動距離｜Ｓ（△ｔ）｜
が小さく、回折光光点間距離｜Ｎ（△ｔ）｜がｄより小
さくなっていることがわかる。この場合には、＋１次回
折光光点はＰＳＤ１６の入射窓１６Ｓには入射していな
い。したがって、演算・制御装置１７は、二重書き込み
間隔△ｔを、今回（第ｉ回目）の回折光形成動作Ｆ_iに
て採用した所定の値Ｔ_iより大きい値Ｔ_i+1に設定しなお
し（ステップＳ３、Ｓ４）、ＦＬＣ−ＳＬＭコントロー
ラ１９を介して第ｉ＋１回目の回折光形成動作Ｆ_i+1を
実行する（ステップＳ１）。回折光形成動作により得ら
れた０次光強度Ｉ_iがＩａ≦Ｉ_iの関係を満たしたら（ス
テップＳ２：Ｙｅｓ）、演算・制御装置１７はさらに、
該光強度Ｉ_iがＩ_i≦Ｉｂの関係を満たしているか否か判
断する（ステップＳ５）。Ｉ_i＞Ｉｂの場合には、被測
定物体の移動速度Ｖが比較的大きいため二重書き込み間
隔Ｔ_i間に被測定物体の移動した移動距離｜Ｓ（△ｔ）
｜が大きく、回折光光点間距離｜Ｎ（△ｔ）｜がｄ＋Ｌ
より大きくなっていることがわかる。この場合にも、＋
１次回折光光点はＰＳＤ１６の入射窓１６Ｓに入射して
いない。したがって、演算・制御装置１７は、二重書き
込み間隔△ｔを、今回（第ｉ回目）の回折光形成動作Ｆ
_iにて採用した所定の値Ｔ_iより小さい値Ｔ_i+1に設定し
なおし（ステップＳ６、Ｓ７）、ＦＬＣ−ＳＬＭコント
ローラ１９を介して第ｉ＋１回目の回折光形成動作Ｆ
_i+1を実行する（ステップＳ１）。一方、ある回（ｎ回
目：ｉ＝ｎ）の回折光形成動作Ｆ_i（ｉ＝ｎ）にて得ら
れた０次光強度Ｉ_nがＩａ≦Ｉ_n≦Ｉｂを満たすものと判
断された場合には（ステップＳ２、Ｓ５でＹｅｓ）、＋
１次回折光がＰＳＤ１６の入射窓１６Ｓ内に入射したも
のと判断される。したがって、演算・制御装置１７は、
その回（第ｎ回目）の回折光形成動作Ｆ_nを実行した際
にＰＳＤ１６が検出したＸ値に基づいて数式７及び８を
演算し、被測定物体の移動距離｜Ｓ（△ｔ）｜及び移動
速度Ｖを求める（ステップＳ８）。

【００２７】以上のように、本実施例の測定装置１によ
れば、＋１次回折光がＰＳＤ１６の入射窓１６Ｓよりは
ずれた場合でも、フォトダイオード１１６により得られ
た０次光強度により、＋１次回折光の位置を知ることが
できる。したがって、０次光強度の検出値に基づき二重
書き込み間隔△ｔを調整することにより、極めて敏速に
＋１次回折光をＰＳＤ１６の入射窓１６Ｓ内に戻すこと
ができる。また、このように、０次回折光の強度を検出
しその結果より＋１次回折光の位置をおおまかに知るこ
とができるため、被測定物体の見かけ上の移動量を様々
に変化させて＋１次回折光の位置を探索する操作の必要
がない。したがって、従来に比べより短時間にて測定を
行うことが可能である。さらに、本発明によれば、被測
定物体の広い範囲の速度変化に対してその測定が可能で
ある。また、０次回折光の強度より＋１次回折光の位置
をおおまかに知ることができるため、ＰＳＤ１６の入射
窓１６Ｓの面積をより小さくすることができる。すなわ
ち、小型の位置計測装置にて計測が可能となる。

【００２８】なお、上述の実施例では、０次回折光光点
の光強度Ｉをフォトダイオードにより検出した。しかし
ながら、フォトダイオード１１６の代わりに別のＰＳＤ
１１６’を新たに設けても良い。すなわち、中心点１５
ＯにＰＳＤ１１６’を配置し、０次回折光光点をその入
射窓１１６’Ｓに入射させても良い。この場合には、Ｐ
ＳＤ１１６’の複数の出力電極で得られる電流量の総和
を検出することにより、０次光光強度Ｉを求めることが
できる。また、０次光光点の重心位置も検出することが
できる。したがって、０次光光点の結像位置が変動し中
心点１５Ｏよりずれた場合にも、回折光光点間距離｜Ｎ
（△ｔ）｜を正確に検出することができ、被測定物体の
移動量｜Ｓ（△ｔ）｜を高精度で測定することができ
る。

【００２９】また、上述の実施例においては、フォトダ
イオード１６の検出結果に基づき＋１次回折光がＰＳＤ
１６の入射窓１６Ｓ内に入射するように制御した後、Ｐ
ＳＤ１６の検出結果に基づいて被測定物体の移動距離｜
Ｓ（△ｔ）｜を求めている。しかしながら、以下のよう
に、フォトダイオード１６の検出結果に基づき＋１次回
折光がＰＳＤ１６の入射窓１６Ｓの中心部に入射するよ
うに制御し、その後に、ＰＳＤ１６の検出結果に基づい
て移動距離を求めても良い。すなわち、図２のグラフに
おいて、Ｘ＝Ｌ／２の場合（｜Ｎ（△ｔ）｜＝ｄ＋（Ｌ
／２）の場合）の０次光強度をＩｃとすると、フォトダ
イオード１６が０次光強度Ｉｃ−ｄＩｃ≦Ｉ≦Ｉｃ＋ｄ
Ｉｃ（ここで、ｄＩｃは所定の微小値）を検出した場合
に、＋１次光光点がＰＳＤ１６の入射窓１６Ｓの中心領
域に入射していることがわかる。したがって、フォトダ
イオード１１６で得られる０次光強度Ｉが関係式Ｉｃ−
ｄＩｃ≦Ｉ≦Ｉｃ＋ｄＩｃを満足するまで、二重書き込
み間隔△ｔを調整しながら回折光形成動作Ｆを繰り返し
実行し、該関係式を満足する０次光強度Ｉが得られたと
ころで、ＰＳＤ１６の検出結果を基に数式７及び８の演
算を行っても良い。ＰＳＤは、一般に、その中心領域の
精度が高いため、かかる方法によれば、被測定物体の移
動距離及び移動速度をより高精度で求めることができ
る。

【００３０】また、上述の実施例では、レーザ光を被測
定物体に照射し反射光にスペックルパターンを形成し
て、該被測定物体の移動量を測定している。しかし、被
測定物体の種類等によっては、その透過光にスペックル
パターンを形成し、測定を行ってもよい。さらに、上述
の実施例では、レーザダイオード３が所定の時刻間隔Δ
ｔをおいて２回レーザ光を被測定物体３０に照射するよ
うにしている。しかしながら、図６に示すように、レー
ザダイオード３が、レーザ光を被測定物体３０に常に照
射させるようにしても良い。この場合には、ＦＬＣ−Ｓ
ＬＭコントローラ１９が、第一のＦＬＣ−ＳＬＭ７に対
し、該第一及び第二の時刻ｔ₁及びｔ₂に（すなわち、時
刻間隔Δｔをおいて２回）、書き込み駆動電圧Ｖ_wをパ
ルス状に印加する。こうして、該時刻ｔ₁及びｔ₂におい
て得られるスペックルパターン１及び２を、ＦＬＣ−Ｓ
ＬＭ７に二重記録するようにしても良い。なお、該照射
時刻ｔ₁及びｔ₂における書き込み駆動電圧Ｖ_wの印加時
間は、その総和がその直前に印加する書き込み補償電圧
Ｖ_wcの印加時間と等しくなるように制御する。

【００３１】さらに、上述の実施例では、図５及び６に
示すように、第一及び第二のＦＬＣ−ＳＬＭ７、１３の
読みだし側光入射面７Ｓ_r、１３Ｓ_rに常にＨｅ−Ｎｅレ
ーザ光を照射させている。しかしながら、図中に点線で
示すようなタイミングで照射させても良い。すなわち、
第一のＦＬＣ−ＳＬＭ７の読みだし側光入射面７Ｓ_rに
は、ＦＬＣ−ＳＬＭ７への書き込み駆動電圧Ｖ_wの印加
の終了後、一定の時間だけＨｅ−Ｎｅレーザ光を照射し
て、ヤングの干渉縞を形成させる。これと同時に、第二
のＦＬＣ−ＳＬＭ１３に前記電圧Ｖ_wc、Ｖ_wを印加し
て、該形成されたヤングの干渉縞を記録する。同様に、
第二のＦＬＣ−ＳＬＭ１３の読みだし側光入射面１３Ｓ
_rには、ＦＬＣ−ＳＬＭ１３への書き込み駆動電圧Ｖ_wの
印加の終了後、一定の時間だけＨｅ−Ｎｅレーザ光を照
射して、回折光光点を形成させる。なお、このようにＨ
ｅ−Ｎｅレーザ光を選択的に読みだし側光入射面７
Ｓ_r、１３Ｓ_rに照射させるためには、例えば、図１に点
線で示すように、前記第一及び第二の読みだし光学系１
０、１１に、それぞれ、光シャッタ２１及び２２を設け
れば良い。

【００３２】本発明者は、本発明の測定装置１における
０次回折光強度Ｉと被測定物体の移動距離｜Ｓ（△ｔ）
｜の関係を調べるべく、以下の実験を行った。

【００３３】この実験においては、図８に示すように、
レーザダイオード３を使用せず、Ｈｅ−Ｎｅレーザ光を
被測定物体３０たるスリガラス板に照射し続けた。被測
定物体３０たるスリガラス板を、搬送装置３１たる移動
ステージにより、矢印Ｖ方向に延びる搬送経路に沿って
搬送移動させた。より詳しくは、ＤＣサーボモーターベ
ルトにより移動ステージ３１を矢印Ｖの方向に移動させ
た。本実験では、被測定物体３０であるスリガラス板を
透過したＨｅ−Ｎｅレーザ光（λ＝０．６３２ｘ１０^-3
［ｍｍ］）にスペックルパターンを形成し、これを利用
して測定を行った。また、結像レンズ５は使用しなかっ
た。したがって、数式１における結像倍率ｍ＝１であ
る。また、第一及び第二のフーリエ変換レンズ１２、１
５として、それぞれ、焦点距離ｆ₁₂＝１５０［ｍｍ］及
びｆ₁₅＝１０００［ｍｍ］のフーリエ変換レンズを使用
した。フォトダイオード１１６の代わりにＰＳＤ１１
６’を設けて、ＰＳＤ１１６’の出力電流の総和量が示
す０次回折光強度Ｉを観察した。なお、該演算・制御装
置１７には、測定装置１の制御動作のみを行わせ、演算
動作は行わせなかった。したがって、速度表示装置１８
も使用しなかった。

【００３４】本実験においては、演算・制御装置１７
が、図９に示すような動作タイミングで、測定装置１全
体を動作させた。すなわち、図６の場合と同様に、Ｈｅ
−Ｎｅレーザ光を被測定物体であるスリガラス板に照射
させ続けた。第一のＦＬＣ−ＳＬＭ７の消去用電圧
Ｖ_ec、Ｖ_eの印加時間をそれぞれ１０００［μｓ］、書
き込み用補償電圧Ｖ_wcの印加時間を３００［μｓ］、及
び、書き込み用駆動電圧Ｖ_wの印加時間を１５０［μ
ｓ］とした。該書き込み用駆動電圧Ｖ_wを、二重書き込
み間隔△ｔ＝１［ｍｓ］をおいて、２回、ＦＬＣ−ＳＬ
Ｍ７に印加するようにした。一方、第二のＦＬＣ−ＳＬ
Ｍ１３の消去用電圧Ｖ_ec、Ｖ_eの印加時間をそれぞれ１
０００［μｓ］、書き込み用電圧Ｖ_wc、Ｖ_wの印加時間
をそれぞれ５００［μｓ］とした。また、本実験では、
ＦＬＣ−ＳＬＭ７に書き込み電圧Ｖ_wc、Ｖ_wを印加して
スペックルパターンを記録した後、Ｈｅ−Ｎｅレーザ光
をＦＬＣ−ＳＬＭ７の読みだし側面７Ｓ_rに照射して、
ヤングの干渉縞を形成させた。これと同時に、ＦＬＣ−
ＳＬＭ１３に書き込み電圧Ｖ_wc、Ｖ_wを印加して、ヤン
グの干渉縞を記録した。その後、Ｈｅ−Ｎｅレーザ光を
ＦＬＣ−ＳＬＭ１３の読みだし側面１３Ｓ_rに照射し
て、回折光光点を形成させた。なお、読みだし側面１３
Ｓ_rへのＨｅ−Ｎｅレーザ光の照射時間を１９５０［μ
ｓ］とした。上記のタイミングで行う測定を、時間間隔
４０００＋△ｔ［μｓ］で繰り返し実行した。各測定を
実行する際、スリガラス板（すなわち移動ステージ）の
速度Ｖを３００［ｍｍ／ｓ］以上の様々な値に設定し
た。どの測定においても、二重書き込み間隔△ｔを１
［ｍｓ］に固定したので、｜Ｓ（△ｔ）｜＝Ｖ・１［ｍ
ｓ］を様々な値に変えその度に測定を実行したことにな
る。

【００３５】ところで、本実験では、上述のように速度
Ｖを３００［ｍｍ／ｓ］以上に制約し二重書き込み間隔
△ｔを１［ｍｓ］に固定した。したがって、以下の数式
９より、回折光光点間距離｜Ｎ（△ｔ）｜は２［ｍｍ］
以上に制約されることがわかる。

【数９】 ｜Ｎ（△ｔ）｜＝（ｆ₁₅／ｆ₁₂）・｜Ｍ（△ｔ）｜ ＝（１０００／１５０）ｘ（３００ｘ１ｘ１０^-3）＝２［ｍｓ］ また、本実験では、ＦＬＣ−ＳＬＭ１３の面１３Ｓ_rへ
照射するＨｅ−Ｎｅレーザ光（読みだし光）の直径を１
０［ｍｍ］に設定した。従って、以下の数式１０より、
得られる０次回折光光点のスポット直径Ｒは、８０ｘ１
０^-3［ｍｍ］となることがわかる。

【数１０】 Ｒ＝１．２２ｘ（０．６３２ｘ１０^-3ｘ１０００）÷１０ ＝８０ｘ１０^-3 以上の点を考慮し、本実験においては、ＰＳＤ１１６’
の入射窓１１６Ｓ’のＸ方向における長さを１［ｍｍ］
程度に抑え、入射窓１１６Ｓ’が０次光スポット全体を
捉えるものの＋１次及び−１次の回折光を捉えることが
ないようにした。

【００３６】かかる実験により、図１０のグラフに示す
結果が得られた。すなわち、被測定物体の移動距離｜Ｓ
（△ｔ）｜と０次光強度Ｉとの間に、図１０のグラフに
示す関係があることが実験的に確かめられた。なお、こ
の図には、移動距離｜Ｓ（△ｔ）｜と共に、ＦＬＣ−Ｓ
ＬＭに記録されたヤングの干渉縞の空間周波数Ｕ（△
ｔ）と回折光光点間距離｜Ｎ（△ｔ）｜の値をも併記し
た。（これらＵ（△ｔ）と｜Ｎ（△ｔ）｜の値は、｜Ｓ
（△ｔ）｜から数式１及び５により得られたものであ
る。）この図１０から明かなように、０次回折光光強度
Ｉは、｜Ｓ（△ｔ）｜、Ｕ（△ｔ）及び｜Ｎ（△ｔ）｜
に対し、一対一の対応関係を有していることがわかっ
た。より詳しくは、０次回折光光強度Ｉは｜Ｓ（△ｔ）
｜、Ｕ（△ｔ）及び｜Ｎ（△ｔ）｜に対し単調増加関数
になっていることがわかった。なお、この実験において
は、＋１次回折光の光強度についても測定を行った。そ
の結果も図１０に示した。この図より明かなように、＋
１次回折光の光強度もまた、｜Ｓ（△ｔ）｜、Ｕ（△
ｔ）及び｜Ｎ（△ｔ）｜に対し、一対一の対応関係を有
していることがわかった。より詳しくは、＋１次回折光
光強度は、｜Ｓ（△ｔ）｜、Ｕ（△ｔ）及び｜Ｎ（△
ｔ）｜に対し単調減少関数になっていることがわかっ
た。

【００３７】以下、本発明の第二の実施例を図１１を参
照しながら説明する。本実施例の光学的移動速度測定装
置１００は、ガルバノミラー等の偏向器１０１とミラー
コントローラ１０２が設けられている点を除き、第一の
実施例の光学的移動速度測定装置１と同一である。偏向
器１０１は、被測定物体３０からの第一及び第二の反射
光を偏向するためのものである。ここで、偏向器１０１
は、二重書き込み間隔△ｔの間にその偏向方向を偏向角
度θだけ変位させる。したがって、ＦＬＣ−ＳＬＭ７に
結像される第一及び第二のスペックルパターンは、見か
け上のシフト距離｜Ｍ’（△ｔ）｜をもって離間するこ
とになる。この見かけ上のシフト距離｜Ｍ’（△ｔ）｜
は、既述の数式１の代わりに以下の数式１１を満たし、
かつ、既述の数式２乃至８の｜Ｍ（△ｔ）｜を満足する
ものである。

【数１１】 ｜Ｍ’（△ｔ）｜＝α（θ、ｍ）・｜Ｓ（△ｔ）｜ ここで、α（θ、ｍ）は、偏向角度θ及びレンズ５の結
像倍率ｍに依存する変数である。一方、ミラーコントロ
ーラ１０２は、偏向器１０１の偏向角度θを調整し、見
かけ上のシフト距離｜Ｍ’（△ｔ）｜を任意の値に調整
するためのものである。

【００３８】以上の構成を有する本実施例の測定装置１
００においては、演算・制御装置１７は、フォトダイオ
ード１１６の検出結果を観察し二重書き込み間隔△ｔの
かわりに偏向角度θをフィードバック調整しながら、回
折光形成動作Ｆを繰り返し実行する。フォトダイオード
１１６の検出結果たる０次光強度Ｉが、＋１次回折光が
ＰＳＤ１６の入射窓１６Ｓ内またはその中心領域に結像
されたことを示したところで、ＰＳＤの測定結果に基づ
き、数式７及び８の演算を行い、被測定物体の移動距離
及び速度を求める。なお、本実施例においては、偏向角
度θのみならず測定時刻間隔△ｔも併せて調整しても良
い。

【００３９】以上のように、本実施例の測定装置１００
においても、＋１次回折光がＰＳＤ１６の入射窓１６Ｓ
よりはずれた場合、フォトダイオード１１６により得ら
れた０次光強度により＋１次回折光の位置を知ることが
できる。したがって、０次光強度の検出値に基づき偏向
角度（及び二重書き込み間隔）を調整することにより、
極めて敏速に＋１次回折光をＰＳＤ１６の入射窓１６Ｓ
内に戻すことができる。また、０次回折光の強度の検出
結果より＋１次回折光の位置をおおまかに知ることがで
きるため、被測定物体の見かけ上の移動量を様々に変化
させて＋１次回折光の位置を探索する操作がいらなくな
り、短時間にて測定を行うことができる。また、被測定
物体の広い範囲の速度変化に対してその測定が可能であ
る。さらに、０次回折光の強度より＋１次回折光の位置
をおおまかに知ることができるため、ＰＳＤ１６の入射
窓１６Ｓの面積を小さくすることができる。

【００４０】なお、上記第一及び第二の実施例において
は、フォトダイオード１１６とＰＳＤ１６とは、レンズ
１５の像側焦点面１５Ｆ上に並行して配置されていた。
しかしながら、フォトダイオード１１６とＰＳＤ１６と
は並行して配置する必要はない。例えば、図１２に示す
ように、レンズ１５の像側焦点面１５Ｆの後段に他のレ
ンズ等の集光手段１１５を設け、０次の回折光点像を集
光手段１１５の後段に形成させて、そこにフォトダイオ
ード１１６を配置してもよい。この場合には、フォトダ
イオード１１６の入射窓１１６Ｓの面積は、新たな集光
手段１１５により集光される０次光光点のスポットサイ
ズのみにより決定され、得られる＋１次回折光光点の位
置については考慮する必要がないという利点がある。た
だし、ＰＳＤ１６は、０次光の透過をさえぎってはなら
ないよう配置しなければならないのは当然である。

【００４１】以下、本発明の第三の実施例を図１３を参
照しながら説明する。該実施例も上記第一、二の実施例
と同様、移動している被測定物体の移動速度を測定する
ための光学的移動速度測定装置に係わるものである。

【００４２】図１３に示すように、本実施例の光学的移
動速度測定装置２００の測定・制御部１Ｄには、第一の
実施例と異なり、ＰＳＤ１６はなくフォトダイオード１
１６のみが設けられている。本実施例では、演算・制御
装置１７は、フォトダイオード１１６による０次回折光
強度検出結果のみに基づき被測定物体の移動距離及び移
動速度の測定を行う。すなわち、既述のように、０次回
折光強度Ｉは、被測定物体の移動距離｜Ｓ（△ｔ）｜に
対し図２及び１０に示すような単調増加関数となってい
る。したがって、様々な値の移動距離｜Ｓ（△ｔ）｜に
対して得られる０次光強度値Ｉを予め測定し、Ｉと｜Ｓ
（△ｔ）｜との関係を示すグラフや数式等を求めておけ
ば、移動距離の不明な任意の被測定物体に対しても、フ
ォトダイオードの検出結果を測定することで、その移動
距離ひいては移動速度を求めることができる。したがっ
て、本実施例の測定装置２００では、演算・制御装置１
７に、かかる予め得られたＩと｜Ｓ（△ｔ）｜との関係
を示すグラフや数式等を格納しておく。演算・制御装置
１７は、フォトダイオード１１６から入力された０次光
強度値Ｉから、かかるグラフや数式等により被測定物体
の移動距離｜Ｓ（△ｔ）｜を求め、さらに、数式８から
速度Ｖを演算する。

【００４３】フォトダイオード１１６は極めて高速に光
量を検出することができるため、応答速度の早いＦＬＣ
−ＳＬＭ７、１３の動作に追随した動作を行うことがで
きる。したがって、かかるＦＬＣ−ＳＬＭ７、１３とフ
ォトダイオード１１６とを組み合わせて構成された本実
施例の測定装置２００も、短時間で測定を行うことがで
き、実時間測定性において極めて優れている。

【００４４】なお、フォトダイオード１１６の代わり
に、光電子増倍管等の他の光強度検出手段を用いても良
い。また、ＰＳＤを用いても良い。

【００４５】本発明は、上述した実施例の光学的移動速
度測定装置に限定されることなく、本発明の主旨から逸
脱することなく、種々の変更が可能となる。

【００４６】スペックルパターンを二重記録する手段７
としては、強誘電性液晶空間光変調素子に限られず、第
一の測定時刻における被測定物体の受光パターンを少な
くとも第二の測定時刻まで蓄積でき、被測定物体の像
（スペックルパターン）を二重記録することが可能な空
間光変調素子であればよい。たとえば、ＭＳＬＭでも良
い。

【００４７】また、ヤングの干渉縞を記録する手段１３
としては、強誘電性液晶空間光変調素子に限られず、Ｔ
ＮＬＣ−ＳＬＭ（ツイストネマティック液晶ＳＬＭ）
や、位相変調タイプのＳＬＭ（例えばホモジニアスネマ
ティックＳＬＭ）でも良い。また、変調部にＥＯ結晶を
用いたＳＬＭ（例えばＭＳＬＭ）でもよい。ただし、変
調部として、回折効率にピーク値をもち特定な空間周波
数において高い回折効率を与えるような材料（例えば図
１４のような回折効率を有するサーモプラスチック感光
材料）を用いたＳＬＭは適さない。なぜなら、かかるＳ
ＬＭでは、ヤングの干渉縞の空間周波数Ｕ（△ｔ）と得
られる０次回折光強度Ｉとの間に一対一の対応関係（単
調増加または単調減少関係）が生じないからである。た
だし、測定に際し、一対一の対応関係（単調増加または
単調減少関係）が得られる範囲のみを使用するようにす
れば、かかる材料を用いたＳＬＭも採用することができ
る。同様に、アナログの位相変調型のＳＬＭも、一対一
の対応関係（単調増加または単調減少関係）が得られる
範囲を使用することにより該手段１３として採用するこ
とができる。換言すれば、本発明の測定装置において採
用すべきヤングの干渉縞を記録するための手段として
は、記録される干渉縞の空間周波数Ｕ（△ｔ）と、読み
だし光をこの干渉縞が記録された手段により変調し光学
的にフーリエ変換して得られる０次回折光の光強度Ｉと
が、（単調減少または単調増加の）一対一の対応関係を
有するものであれば良い。

【００４８】上述の実施例では、測定装置は固定されて
おり被測定物体が移動していたが、この逆に、測定装置
が移動しており被測定物体が固定されていてもよい。こ
の場合には、固定されている被測定物体の測定装置に対
する相対的な移動量及び速度を測定することによって、
速度測定装置の絶対的移動量及び速度を求めることがで
きる。たとえば、測定装置を自動車等移動する物体に載
置することにより、この移動物体の移動量及び速度を求
めることができる。上述の実施例は、光学的移動速度測
定装置に関するものであったが、本発明はこれに限られ
ない。被測定物体の歪み状態を測定し応力分布を調べる
ようなものでも良い。物体の移動量や歪み量等、物体の
変位量を測定できれば良い。さらに、被測定物体には、
レーザ光のようなコヒーレント光でなく、インコヒーレ
ント光を照射しても良い。この場合には、スペックルパ
ターンでなく、被測定物体の像を第一のＦＬＣ−ＳＬＭ
に記録する。第一及び第二の照射時刻における被測定物
体の像を第一のＦＬＣ−ＳＬＭに二重記録し、該二重記
録像を読み出しフーリエ変換すれば、ヤングの干渉縞が
得られる。これを第二のＦＬＣ−ＳＬＭに記録し、さら
に、該記録されたヤングの干渉縞を読みだしフーリエ変
換すれば、該回折光が得られるからである。

【００４９】また、被測定物体からの透過光または反射
光に形成されたパターンの光強度が小さい場合には、結
像レンズ５と第一のＦＬＣ−ＳＬＭ７との間に、公知の
イメージインテンシファイアを設け、パターンの光強度
を高めた後に、第一のＦＬＣ−ＳＬＭ７の書き込み入射
面７Ｓ_wに入射させるようにしてもよい。

【００５０】

【発明の効果】以上詳述したことから明かなように、本
発明の光学的変位量測定装置においては、該光照射手段
が、該光学的変位量測定装置に対して相対的に変位する
被測定対象に、光を照射する。該照射光により、二の測
定時刻における該被測定対象の像が、それぞれ得られ
る。該第一の記録手段が、該二の測定時刻の像を二重記
録する。該第一のコヒーレント光投光手段が、該第一の
記録手段にコヒーレント光を照射して、該第一の記録手
段の該二重記録像を読み出す。該読みだした二重記録像
を、該第一のフーリエ変換手段がフーリエ変換し、第一
のフーリエ変換像を形成する。該第二の記録手段が、該
第一のフーリエ変換像を記録する。該第二のコヒーレン
ト光投光手段が、該第二の記録手段にコヒーレント光を
照射して、該第一の記録手段の該第一のフーリエ変換像
を読み出す。該読みだした第一のフーリエ変換像を、該
第二のフーリエ変換手段がフーリエ変換し、０次の回折
光点像を有する第二のフーリエ変換像を形成する。該光
強度検出手段が、該第二のフーリエ変換像の０次の回折
光点像の光強度を検出する。該変位量特定手段が、該光
強度検出手段の検出結果に基づき、該二の測定時刻の間
における該被測定対象の該光学的変位量測定装置に対す
る相対的変位量を求める。したがって、本発明の光学的
変位量測定装置によれば、被測定対象の変位量を短時間
で測定でき、実時間測定性に極めて優れている。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一の実施例にかかる光学的移動速度
測定装置を示す光学系統平面図である。

【図２】フーリエ変換レンズ１５の像側焦点面１５Ｆ上
に得られる０次回折光及び一次回折光の光強度と、ヤン
グの干渉縞の空間周波数Ｕ（△ｔ）、被測定物体の移動
距離｜Ｓ（△ｔ）｜、回折光光点間距離｜Ｎ（△ｔ）
｜、及び、ＰＳＤの出力値Ｘの定性的関係を示すグラフ
である。

【図３】（Ａ）は、図１のＰＳＤ１６とフォトダイオー
ド１１６をレンズ１５の側から見た場合の配置状態を説
明する正面説明図であり、（Ｂ）は、図１のＰＳＤ１６
とフォトダイオード１１６とレンズ１５の位置関係を説
明する平面説明図である。

【図４】図１の強誘電性液晶空間光変調素子を拡大して
示す断面図である。

【図５】図１の光学的移動速度測定装置が実行する回折
光形成動作Ｆの動作タイミングチャートである。

【図６】図１の光学的移動速度測定装置が実行する回折
光形成動作Ｆの他の例の動作タイミングチャートであ
る。

【図７】図１の光学的移動速度測定装置が回折光形成動
作Ｆを繰り返し実行することにより、被測定物体の移動
距離・移動速度を求める動作を示すフローチャートであ
る。

【図８】実験に採用した本発明の測定装置１の要部を示
す光学系統平面図である。

【図９】実験に採用した本発明の測定装置１の測定動作
の動作タイミングチャートである。

【図１０】０次回折光及び一次回折光の光強度と、ヤン
グの干渉縞の空間周波数Ｕ（△ｔ）、回折光光点間距離
｜Ｎ（△ｔ）｜、及び、被測定物体の移動距離｜Ｓ（△
ｔ）｜の定性的関係を示す実験結果である。

【図１１】本発明の第二の実施例にかかる光学的移動速
度測定装置を示す光学系統平面図である。

【図１２】フォトダイオード１１６の他の配置状態を説
明する平面説明図である。

【図１３】本発明の第三の実施例にかかる光学的移動速
度測定装置を示す光学系統平面図である。

【図１４】サーモプラスチック感光材料の回折効率を示
すグラフである。

【図１５】従来の光学的変位量測定装置を示す光学系統
平面図である。

【符号の説明】

１ 光学的移動速度測定装置 ２ Ｈｅ−Ｎｅレーザ装置 ３ レーザダイオード ７ 強誘電性液晶空間光変調素子 １２ フーリエ変換レンズ １３ 強誘電性液晶空間光変調素子 １５ フーリエ変換レンズ １６ ＰＳＤ １１６ フォトダイオード １７ 演算・制御装置

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被測定対象へ光を照射して、二の測定時
   刻における該被測定対象の像を形成するための光照射手
   段と、該二の測定時刻における該被測定対象の像を二重
   記録するための第一の記録手段と、該第一の記録手段に
   コヒーレント光を照射して該二重記録像を読みだすため
   の第一のコヒーレント光投光手段と、該読み出した二重
   記録像をフーリエ変換して第一のフーリエ変換像を形成
   するための第一のフーリエ変換手段と、該第一のフーリ
   エ変換像を記録するための第二の記録手段と、該第二の
   記録手段にコヒーレント光を照射して該第一のフーリエ
   変換像を読みだすための第二のコヒーレント光投光手段
   と、該読み出した第一のフーリエ変換像をフーリエ変換
   して０次の回折光点像を有する第二のフーリエ変換像を
   形成するための第二のフーリエ変換手段と、該第二のフ
   ーリエ変換像の０次の回折光点像の光強度を検出するた
   めの光強度検出手段と、該光強度検出手段の検出結果に
   基づき、該二の測定時刻の間における該被測定対象の該
   第一の記録手段に対する相対的変位量を求めるための変
   位量特定手段を備えたことを特徴とする光学的変位量測
   定装置。
2. 【請求項２】 前記変位量特定手段が、前記光強度検出
   手段の検出結果を演算して該二の測定時刻の間における
   該被測定対象の該第一の記録手段に対する相対的変位量
   を求めるための演算手段からなることを特徴とする請求
   項１記載の光学的変位量測定装置。
3. 【請求項３】 前記第二のフーリエ変換像を調整するた
   めの調整手段をさらに備え、前記光強度検出手段が、該
   調整された第二のフーリエ変換像の０次の回折光点像の
   光強度を検出し、前記変位量特定手段が、該光強度検出
   手段の検出結果に基づいて該調整手段の調整状態を制御
   するための制御手段と、該調整された第二のフーリエ変
   換像が有する一次の回折光点像の重心の位置を検出する
   ための光重心位置検出手段と、該光重心位置検出手段の
   検出結果と該調整手段の調整状態に基づいて該二の測定
   時刻間における該被測定対象と該第一の記録手段との相
   対的変位量を演算するための変位量演算手段からなるこ
   とを特徴とする請求項１記載の光学的変位量測定装置。