JP3321468B2 - 並進運動の光学式測定 - Google Patents

並進運動の光学式測定

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Description

【発明の詳細な説明】 発明の分野 本発明は速度および並進運動の測定の分野、特に速度
および並進運動の非接触光学式測定方法および装置に関
する。
発明の背景 測定系に対する相対的な物体の速度および／または運
動を測定する種々の光学的方法が存在する。対象となる
物体の種類および動作の種類により、それぞれの方法お
よび装置が特徴づけられる。
測定可能な物体の種類は、以下のように幾つかのグル
ープにおおまかに分類することができる。
・スケール等、特別なパターンを有する物体。
・鏡等、反射性表面。
・前駆物質の粒子や流体中に浮遊する気泡等、小さい粒
子（または少数の粒子）。
・線やドット・パターン等、光学的にコントラストのあ
る表面。
・白紙等、光学的に拡散する物体。
測定可能な運動の種類は、以下のように幾つかのグル
ープにおおまかに分類することができる。
・測定装置に向かう、または測定装置から離れる軸方向
の動作。
・測定装置と物体間の間隔が基本的に一定である横向き
の（または接線方向の）運動。
・測定装置に対する物体の向きが変化している回転運
動。
測定装置を、同時に取得可能な測定方向の数（１、２
または３次元）、および重要な構成要素（光源、光検出
器、レンズ等）の数に従って分類することも有用であ
る。
なお、ある方法を上述した分類体系の２つ以上のグル
ープと関連付けることもできるのに留意されたい。
光学手段を使用した物体の横方向の速度および／また
は運動を非接触測定することができる幾つかのシステム
が報告されている。これらの方法には、スペックル速度
測定法およびレーザ・ドップラ速度測定方法が含まれ
る。本発明の理解に当たって興味深いその他の方法とし
て、画像速度測定法、ホモダイン／ヘテロダイン・ドッ
プラ速度計測定または干渉測定および光学コヒーレンス
・トモグラフィー（OCT）がある。
スペックル速度測定法は概ね以下の動作原理に基づ
く。
・コヒーレント光源が、運動を測定する必要がある物体
を照明する。
・照明された物体（一般に不透明な表面）が、複数の散
乱要素で構成され、それぞれが独自の反射係数および他
の散乱要素に対する位相ずれを有する。
・個々の反射係数および位相ずれは、実質的に不規則で
ある。空間の特定の点で、物体からの反射の電界強度
は、照明された散乱要素からの反射、および該点と各要
素間の距離に依存する位相成分の追加分とのベクトル和
である。
・ある点での光の強度は、概して同じ位相で寄与が増加
すると高くなり、異なる位相で増加すると（つまり差し
引くと）低くなる。
・（点ではなく）平面の表面上で、ランダムな明および
暗領域の画像が形成される。というのは、光源点の相対
的な位相の遅れは、面上での位置に依存するからであ
る。この画像を「スペックル画像」と呼び、これは明点
と暗点（別個の「スペックル」）で構成される。
・典型的な「スペックル」のサイズ（光強度が変化が顕
著な典型的な平均距離）は、主に光の波長、物体とスペ
ックル画像面および照明される領域のサイズに依存す
る。
・物体が、スペックル画像が観察される面に対して移動
すると、スペックル画像も、基本的に同じ横方向の速度
で移動する。（スペックル画像も変化する。これは、照
明区域を出る散乱体もあれば、入る散乱体もあるからで
ある。） ・スペックル画像が、一連の交互する透明なラインおよ
び不透明または反射性のラインを備えた構造を通過し、
したがってスペックル画像が変調される。この構造は、
一般に純粋な透過型回折格子であり、理想的にはコント
ラストを最大にするために検出器の近傍に配置される。
・検出器が上記構造を通過する光の強度を電気信号に変
換し、これは強度の関数（通常は一次関数）である。
・物体が測定装置に対して移動すると、スペックル画像
が上記構造によって、検出器に到達する光の強度が周期
的になるように変調される。周期は上記構造のライン間
隔に比例し、相対速度に反比例する。
・適切な信号解析により、物体と測定装置との間の相対
速度を示す振動周波数を求めることができる。
以上の方法では、高精度で周波数を求めるには大型の
検出器が必要である一方、高いコントラストの信号を求
めるには小型の検出器を必要とする。「Tangential Ve
locity Measurements of Diffuse Objects by Us
ing Modulated Dynamic Speckle」と題するPopovお
よびVeselovの論文（SPIE ０−8194−2264−9/96）
は、スペックル速度測定の精度を数学的に分析してい
る。
Flower他の米国特許第3,432,237号は、透過パターン
またはピンホールを使用してスペックル画像を変調する
スペックル速度計測定システムについて記載している。
ピンホールを使用する場合、信号は個々のスペックルが
ピンホールを通過することを表す。
Blau他の米国特許第3,737,233号は、多くのスペック
ル速度計測定において存在する方向の曖昧さの問題を解
決しようと、２つの検出器を使用する。２つの検出器を
有し、各検出器が透過型回折格子を伴うシステムについ
て記載している。格子の一方は対応する検出器に対して
静止し、他方は対応する検出器に対して移動する。２つ
の検出器が生成した信号の比較に基づき、速度の符号お
よび大きさを求めることができる。
Maughmer他の米国特許第3,856,403号も、移動する格
子を設けることにより方向の曖昧さを回避しようとして
いる。これは、表面と速度計との間に予想される最大相
対速度より高速で格子を移動させることにより、速度測
定に対してバイアスを与えている。周波数のずれが、光
の総強度（DCおよび低周波成分）の変化の影響を減少さ
せ、従って測定のダイナミック・レンジを広げ、精度を
高める。
Gardner他のPCT国際特許出願第86/06845号は、光源か
らの光の基準サンプルをスペックル検出器信号から引い
て、検出器信号のDCおよび低周波信号成分の強度を減少
させるよう設計したシステムについて記載している。基
準信号は検出器への光の総強度に比例し、総強度の変動
が測定に及ぼす影響を減少させるかまたは排除する。
この基準信号は、測定表面と一次検出器の間にビーム
スプリッタを使用することにより、あるいは、スペック
ル検出に使用する格子をビームスプリッタとして使用す
る（一次検出器に透過光、基準検出器に反射光を使用す
る）ことにより、または第２組の検出器を使用して基準
信号を提供することにより、生成される。公報に記載さ
れた１つの実施形態では、２つの信号は同じDC成分およ
び反対のAC成分を有し、したがって信号の差はDC（およ
び近DC）成分をほぼ除去するばかりでなく、AC成分を大
幅に増加させもする。
米国特許第4,794,384号で、Jacksonは測定表面から反
射したスペックル・パターンが２次元CCDアレイ上に形
成されるシステムについて記載している。２次元の、表
面の並進運動は、連続的画像間の電子的相関を用いて求
められる。彼は、「パッドなし光学マウス」として彼の
装置を使用する用途についても記載している。
画像速度測定法は、画像の面にわたって画像の速度を
測定する。画像は対照的な要素を含んでいなければなら
ない。（格子のような）線パターンが画像を空間変調
し、光検出器がパターンを通過する光の強度を測定す
る。したがって、画像速度と検出器のAC成分との間に速
度と周波数との関係が形成される。通常、線パターンが
検出器に対して移動し、したがって周波数にバイアスが
かかる。したがって、方向の曖昧さが解決され、ダイナ
ミック・レンジが拡張される。
「Velocity Sensing by Illumination with ａ
Laser−Beam Pattern」と題するLiおよびArugaの論
文（Applied Optics,32.p.2320,1993）は、（画像をこ
のようなパターンに通すのではなく）物体自体を周期的
な線構造で照明する画像速度測定について記載してい
る。拡大したレーザ・ビームを周期的透過型回折格子
（または線構造）に通すことによって、線パターンが獲
得される。ここで示唆された方法によると、この場合も
物体は対照的な特徴を有する必要がある。
画像速度測定（IV）とスペックル速度測定（SV）との
間には、幾つか違いがある。特に、SVではコヒーレント
な光源によって不規則な画像が形成され、IVでは適切な
対照的要素を有する画像が既に想定されている。さらに
SVでは物体の接線速度が測定され、IVでは角速度が測定
される（画像面の画像速度が、視線の角速度に比例す
る）。
Whitney他の米国特許第3,511,150号では、線パターン
の２次元の並進運動が周波数のずれを発生させる。一周
分の円形の線パターンが、円形マスクの個々の長尺の開
口により、必要な並進運動する線パターンを全て生成す
る。固定した画像を測定するための追加の検出器を使用
して、周波数のずれをオンラインで測定する。線パター
ンは２つの領域に分割され、それぞれが異なる速度範囲
を測定するようになっている。システムは基本的に、航
空写真の画像のぼけを減少させるための画像の動きの補
正を意図している。これはミサイルのホーミング・ヘッ
ドにも有用である。
Doyleの米国特許第2,772,479号は、回転体上の格子に
よってもたらされる周波数のシフトを利用した画像速度
測定システムについて記載している。
レーザ・ドップラ速度計は、一般に、１つの源を分割
して形成した、既知の位置で干渉する２本のレーザ・ビ
ームを使用する。干渉空間を通過して光を散乱させる物
体が、両方のビームからの光を検出器に散乱させる。検
出器の信号は、物体の速度に依存する周波数を有する振
動要素を含む。この現象は、２通りの方法で説明するこ
とができる。一方の説明は、２本のビーム間に形成され
る干渉パターンに基づく。したがって、この空間では、
強度が明るい面と暗い面との間で周期的に変化する。こ
の明暗の面を通過する物体は、光の強度に比例して光を
散乱させる。したがって、検出された光は、干渉面に対
して垂直な物体の速度成分に比例した周波数で変調され
る。第２の説明は、両方の光線が存在する空間を通過す
る物体が、両方からの光を散乱させることを考慮に入れ
る。それぞれの反射は、ドップラ効果によって周波数が
偏移する。しかし、ビームの入射角が異なるので、２本
のビームのドップラ偏移は異なる。２本の反射光が検出
器上で干渉し、したがってドップラ偏移の差と等しい周
波数を有するビート信号が確立される。したがって、こ
の差は、干渉面に対して垂直な物体の速度成分に比例す
る。
ゼロの物体速度で非ゼロの周波数が測定されるよう、
ビームの一方に周波数のオフセットを加えることが一般
に行われている。これで運動方向の曖昧さ（プラスとマ
イナスの周波数を差別できないことから生じる）が解決
され、DC成分から遠く離れた信号を生成することによ
り、ダイナミック・レンジ（低速に対する感度）が大幅
に広がる。周波数オフセットは、信号識別および自動追
跡に関する別の利点も有する。
Kato他の米国特許第5,587,785号は、このようなシス
テムについて記載している。周波数オフセットは、ソー
ス・ビームが分割される前に、それに高速線形周波数掃
引を行うことによって実現される。分割する方法は、そ
の結果生じるビームに遅延が存在するような方法であ
る。周波数が掃引されるので、遅延の結果、ビーム間の
周波数の差が固定される。
追加の遅延でソースをさらに分割することにより、周
波数オフセットが異なる複数のビームを抽出することが
できる。これらの遅延は、それぞれ、異なる速度のダイ
ナミック・レンジの測定に使用する。
「Simultaneous Measurement of the Velocity
and the Displacement of the Moving Rough Su
rface by ａ Laser Doppler Velocimeter」と題す
るMatsubara他の論文（Applied Optics,36,p.4516,199
7）は、LDVを使用した粗い表面のトランスバース速度の
測定の数学的解析およびシミュレーションの結果を提示
している。軸方向の軸に沿った変位量は、表面から異な
る距離にある２つの検出器で同時に実行した測定から計
算できることを示唆している。ホモダイン／ヘテロダイ
ン・ドップラ測定では、コヒーレントな光源を２本のビ
ームに分割する。一方のビーム（「１次」ビーム）が、
速度を測定する物体を照明する。他方のビーム（「参
照」ビーム）は、測定システムの一部である反射要素
（通常は鏡）から反射され、物体および反射要素から反
射した光を（通常は同じビームスプリッタで）再合成
し、光検出器へと向ける。
物体で反射した光の周波数は、ドップラ効果により、
１次ビームと反射ビームとの間の二等線分に沿った物体
の速度成分に比例してずれる。したがって、反射したビ
ームが１次ビームと一致する場合、軸方向の運動が検出
される。
検出器は光の強度に、つまり電界の２乗に対し感度を
有する。基準路から検出器で受けた電界がE0（ｔ）＝E0
cos（ω0t＋０）であり、物体から検出器で受けた電
界がE1（ｔ）＝E1cos（ω1t＋１）である場合、検出
器の出力信号は（E0＋E1）２＝E0 2＋E0E1＋E1 2に比例す
る。
等式の右側の第１項は、検出器の時定数によって平均
され、DC成分になる。基準ビームの強度は一般に、物体
から検出器に到達する光の強度よりはるかに強く、した
がって最後の項は通常無視することができる。中央の項
を展開すると、以下の通りである。
この等式から、E0E1が２つの振動する項を含むことが
明白である。これらの項の一方は、光学的周波数の約２
倍で振動し、検出器の時定数によって平均されゼロにな
る。２番目の項はω０−ω１の周波数で、つまりドップ
ラ効果による周波数偏移と同じ周波数で振動する。した
がって、検出器の出力信号は、速度測定値を示す周波数
を有する振動成分を含む。
基準ビームに周波数オフセットを与えるのが普通であ
る。このような周波数バイアスを加えると、これはヘテ
ロダイン検出と呼ばれる。
Byrne他の米国特許第5,588,437号は、レーザ光源で生
物学的組織を照明するシステムについて記載している。
皮膚の表面から反射した光が、皮膚の下で流れる血液か
ら反射した光のホモダイン検出の基準ビームとして働
く。したがって、皮膚は、測定される物体に近接した拡
散ビームスプリッタとして作用する。ビームスプリッタ
として皮膚を使用する利点は、全身の動きが測定に影響
しないことである。血液と皮膚との相対速度のみが測定
される。この構成は２対の検出器を使用する。検出器の
各対において差信号を生成する。上記構成は、測定を妨
害するDCおよび低周波成分を減少させる働きをする。ビ
ーム走査システムにより、２次元の血流のマッピングが
可能となる。
光学コヒーレンス・トモグラフィー（OCT）では、サ
ンプリングするボリュームに低コヒーレンス光源（「白
色光」）を向け、焦点を合わせる。ビームスプリッタを
使用して、光源からの光の一部を基準路に逸らす。基準
路の光路長は制御可能である。ビームスプリッタ（光源
からの光の分割に使用したものと同じであると都合がよ
い）を使用して、光源から反射した光と基準路からの光
を再合成する。光検出器が、再合成した光の強度を測定
する。光源のコヒーレンス長は非常に短く、したがって
ソースからの光学的距離が基準光と同じ箇所を中心とし
た小さいボリュームから反射した光のみが、基準光とコ
ヒーレントに干渉する。サンプル・ボリュームからの他
の反射は、基準光とコヒーレントではない。基準路の長
さは、線形に（一般に鋸歯状波形の場合のように周期的
に）変更される。これにより、深さがある材料のサンプ
リングが可能となる。また、ドップラ周波数偏移を測定
に導入し、高いダイナミック・レンジで戻りコヒーレン
トに干渉するボリュームを明瞭に検出できるようにす
る。
従来通りのOCTでは、反射規模の深度プロファイルが
獲得され、サンプル・ボリュームのコントラスト画像を
与える。より進んだOCTでは、公称ドップラ周波数から
の周波数偏移を検出し、これを（コヒーレンス範囲で）
サンプリングするボリュームと測定システムとの相対速
度の大きさおよび方向に関連付ける。
Swanson他の米国特許第5,459,570号は、基本的なOCT
システムおよびシステムの多数の応用について記載して
いる。
「In Vivo Bidirectional Color Doppler Flow
Imaging of Picoliter Blood Volumes Using O
ptical Coherence Tomography」と題するIzatt他の論
文（Optics Letters 22,p.1439,1997）は、速度マッ
ピング機能を有する光ファイバ・ベースのOCTについて
記載している。光ファイバ・ビームスプリッタを使用し
て、１次路にあるサンプル、および基準路にある鏡によ
り反射される前に光路を分離し、反射光を反対方向で合
成する。
「Monolithic Integrated−Optic Position/Displa
cement Sensor Using Waveguide Gratings and Q
W−DFB Laser」と題するSuhara他の論文（IEEE Photo
n Technol.Lett.7,p.1195,1995）は、測定装置から反
射鏡までの距離の変動を測定することができるモノリシ
ックで完全に一体化した干渉計について記載している。
装置は、光源からの光路に、ビームスプリッタと局部発
振の反射器との組合せとして反射回折素子（分散ブラッ
グ反射器の焦点を合わせる）を使用する。方向の検出
は、検出器の信号間に静止位相ずれを導入する構成によ
って達成される。
上記で参照した特許、特許出願および参考文献はそれ
ぞれ、参照により本明細書に組み込む。
発明の概要 本発明は、その最も広い形態で、装置とそれに隣接す
る物体との間の相対的な並進運動の量、および任意選択
で方向を示す情報を提供することができる光学式並進運
動測定（OTM）の方法および装置を提供する。物体は、
少なくとも部分的に粗く、装置に近接していることが好
ましい。本明細書では、「粗い」または「拡散する」と
いう用語は、光学的に不規則または不均一であることを
意味する。特に、物体は、紙等の光を拡散する不透明ま
たは半透明の表面を有してもよい。本明細書は、主に、
このような拡散する表面の並進運動または速度を求め
る。しかし、本発明の方法の多くは、場合によっては流
体に浮遊していることもある小さい散乱性粒子等、他の
タイプの物体の並進運動を求める場合にも適用すること
ができる。物体の並進運動とは、以下で説明するよう
に、空間でのその回転が無視できることを意味する。
第１の態様の幾つかの好ましい実施形態では、本発明
は、光学的に不規則な表面からの反射の位相および／ま
たは振幅の変化から得られる非ドップラ・非スペックル
画像信号のヘテロダインまたはホモダイン検出を提供す
る。
第２の態様の、種々の動作または速度検出方法に適用
することができる幾つかの好ましい実施形態では、本発
明は、入射光の一部を反射する反射器を、動作を測定す
べき表面に隣接配置するシステムを提供する。反射器
は、表面から反射する光と本質的にコヒーレントな局部
発振信号を提供する。本発明のこの態様は、ドップラ法
および非ドップラ法の動作検出の両方に適用することが
できる。
本発明の好ましい実施形態では、部分的反射器が格子
であり、動作が測定される表面の照明が、格子を通過す
る。本発明の好ましい実施形態では、格子は測定表面の
一部を覆い、かなりの透過量を有する。本発明のこの好
ましい実施形態では、表面からの反射光が格子を通過す
る。反射と部分的透過との組合せが有用であることが多
く、特に本発明の第３の態様に係る本発明の好ましい実
施形態では有用である。
第３の態様の本発明の幾つかの好ましい実施形態で
は、非対称の透過パターンを設けて、表面の動作方向の
判定を補助する。
第４の態様の本発明の幾つかの好ましい実施形態で
は、部分的反射器からの反射の少なくとも一部と、表面
からの反射の少なくとも一部との間に、位相ずれを導入
する。この位相ずれによって動作方向を求めることがで
き、ダイナミック・レンジが広がり、信号対雑音比が改
善される。
この位相ずれは、本発明の幾つかの好ましい実施形態
ではダイナミック、つまり時間で変化する。このような
位相の変動は、反射器を表面に対して垂直、または表面
に平行、または両方の組合せで移動することにより都合
良く実行することができる。また、運動は、例えば表面
弾性波（SAW）成分中の格子として作用する定常波の運
動等、反射器上のパターンの運動でよい。この点で、動
くのは反射器上のパターンであり、反射器全体ではな
い。あるいは、位相のずれは、例えば光路に圧電材料を
挿入する等、反射器と表面との間の光路長を周期的に変
化させることによって導入される。
位相のずれは、静止位相ずれでもよい。この静止位相
ずれは、ビームの一方（またはビームのエネルギーの一
部）の偏光成分間に導入すると都合がよい。運動の方向
は、検出された信号間の対応する位相変化の測定、特に
信号間の位相変化の符号の測定によって求められる。
本発明のこの態様を組み込んだ、本発明の幾つかの好
ましい実施形態では、偏光子を使用して、表面から反射
した照明を偏光する。これは、表面が偏光特性を有しな
い場合に特に重要である。
第５の態様の本発明の幾つかの好ましい実施形態は、
表面に平行な方向で表面の動作をドップラに基づき検出
する。本発明のこの態様では、１本のビームをある角度
で表面に入射させても良く、表面に垂直に入射させるこ
とさえできる。
第６の態様の本発明の幾つかの好ましい実施形態は、
１本の照明ビームおよび１つの反射器を使用して局部発
振の基準ビームを提供し、２次元または３次元の並進運
動を同時に検出する。本発明の好ましい実施形態では、
１つの検出器が生成する信号を使用して、２次元での並
進運動を求める。
第７の態様の本発明の幾つかの好ましい実施形態で
は、表面から反射した照明の実質的にただ１つの空間周
波数を検出器で検出するよう、空間フィルタを設ける。
本発明のこの態様を組み込んだ、本発明の幾つかの好
ましい実施形態では、空間フィルタは、ある焦点を有す
るレンズと、該レンズの焦点に配置されたピンホールと
を有する。
実質的に、ある１方向で表面から反射した放射のみが
検出器に入射するよう、表面の照明をコリメートすると
共に、反射した照明を空間フィルタにかけることが好ま
しい。
８番目の態様の本発明の幾つかの好ましい実施形態で
は、空間フィルタは「実効ピンホール」で表現される。
この実効ピンホールは、例えば格子から反射または拡散
した光等、局部発振の場の焦点を検出器上に合わせるこ
とによって獲得される。このようにして、表面から反射
した場の増幅は局部発振の場の焦点でのみ実現される。
実効ピンホールを使用する本発明の好ましい実施形態
の方が、簡単に調整することができ、許容差の要件が緩
い。これは、局部発振を、格子で回折した非ゼロ次光か
ら得る場合に、特に当てはまる。というのは、この場
合、ピンホールの配置が波長によって決定されるからで
ある。したがって、照明源の波長安定性の要件は、物理
的ピンホールではなく実効ピンホールを使用する場合
に、大幅に緩和される。
装置は、本発明の好ましい実施形態によると、光源、
格子、空間フィルタ、光検出器、および信号処理エレク
トロニクスを含む。光源は、少なくとも部分的にコヒー
レントな放射を提供し、これは表面に向けられ、したが
って該照明の一部が格子から検出器へと反射または逆回
折する。光学格子を表面と光源との間、好ましくは表面
の近傍に配置する。表面から反射した光は、格子から反
射または後方に回折する光と干渉する。検出器の信号は
振動成分を含み、これは光学装置に対する表面の並進運
動を表す。干渉は、格子からの正反射、または格子のい
ずれかの回折次数で回折する光とともに生じる。光を、
検出器で検出する前に空間的にフィルタにかけること
が、最も好ましい。２次元並進運動の測定は、２次元格
子からの直交反射次数の照明光で照明した２つ以上の検
出器を使用するか、２方向に２つの別個の格子を使用す
ることによって達成することができる。第３の次元は、
同じ信号に別の信号分析技術を使用し、同一軸について
異なる回折次数で測定された並進運動をベクトル演算す
ることにより求められる。
さらに、（絶対量ではなく）並進運動の方向の検出
は、格子の位置を調整して周波数オフセットを与えるこ
とによって達成することが好ましい。あるいは、格子と
表面との間の変動する光路長で、周波数オフセットを導
入する。あるいは、異なる偏光成分間に位相ずれを導入
し、対応する検出信号間に、方向に依存する位相差を与
える。あるいは、他の手段で方向を求めてもよい。
９番目の実施形態の本発明の幾つかの好ましい実施形
態は、運動の方向を求める代替方法に関する。本発明の
この態様を提供する本発明の好ましい実施形態では、光
学部品の機械的動作を利用して、運動の方向を求める。
本発明の幾つかの好ましい実施形態では、２つの検出器
を設ける。１方向の動作により、格子から反射または回
折した光で検出器の一方が照明される。他の方向に動作
すると、他方の検出器が照明される。
10番目の態様の本発明の幾つかの好ましい実施形態
は、表面から反射する光のドップラ偏移を用いる方法に
関する。局部発振の場は、移動する表面からある角度で
配置された反射表面から反射した光によって与えられ
る。反射表面から反射する光と、移動する表面から反射
する光とは、検出器上で干渉し、２つの表面の相対速度
に比例する周波数を有する信号を生成する。この方法
は、格子を必要とせず、照明の配列および周波数の安定
性が実質的に重大ではないという利点を有する。
本発明の方法および装置は、並進運動の測定を必要と
する幅広い用途に適用することができる。このような用
途の１つが「パッドなし光学マウス」であり、これは、
紙またはデスクトップ等の光学的に拡散する表面でマウ
スを移動させることにより、カーソルの動きを効果的に
制御することができる。本発明の別の例示的な用途は
「タッチ・ポイント」であり、これは装置の開口の上で
指の動作を変換してて、カーソルまたは他の任意の並進
運動または速度制御要素を制御する。
本発明の好ましい実施形態によると、測定装置は、少
なくとも部分的にコヒーレントな放射を提供する光源を
備える。放射源の放射は、１次元または２次元の光学格
子に向けられ、これは表面に近いことが好ましい。格子
および表面からの光の反射が干渉し、光は空間フィルタ
（例えばレンズおよびその焦点にあるピンホール）を通
して光検出器に集められる。その結果生じた干渉信号
は、光学装置と表面との相対的な並進運動に関連したビ
ートを含む。本発明の好ましい実施形態では、並進運動
は発振検出器信号のゼロクロスをカウントして直接測定
し、したがって速度変化によって生じる誤差に影響され
ない。本発明の好ましい実施形態では、実質的に瞬間的
な位置検出が可能である。
多くの用途では、並進の方向およびその大きさが必要
である。本発明の好ましい実施形態では、これは、格子
と表面とから反射した光の非対称形の位相ずれパターン
（通常は鋸歯状波形）を生成する動的位相ずれ装置（圧
電変換器等）を組み込み、方向の情報を簡単に抽出でき
るようにすることによって達成される。
本発明の別の好ましい実施形態では、ビームの異なる
偏光成分間に静的位相ずれを導入し、その結果、検出さ
れた対応する信号間に生じた位相差を用いて、方向を求
める。
あるいは、好ましくは特別に設計した格子／マトリク
スの非対称透過パターン（鋸歯状透過または本明細書で
述べるような他の形状等）を、検出器出力信号の適切な
信号処理／操作とともに使用して、方向を求める。非対
称透過パターンは、スペックル速度測定法等、他の速度
測定法でも運動方向の検出手段を提供する。あるいは、
動作の方向に応じて検出器間で反射照明を切り替える、
機械的に移動可能な要素を使用して、方向を検出する。
並進運動の、スペックルがないコヒーレントな検出
は、散乱光（格子を通過し、移動する表面から反射する
光）を、合焦レンズおよびレンズの焦点にあるピンホー
ル開口（または単一モード光ファイバ）の組合せ等の空
間フィルタで集めることによって求めることができる。
表面から反射した光は、局部発振光の場（好ましくは格
子自体から反射または回折した光）と組み合わされ、こ
の場は、これも空間フィルタを通過する光線の一部であ
ることが好ましい。強力な局部発振光源と干渉すること
により、光強度に反応する光検出器によって検出した信
号が増幅される。このコヒーレントな検出方法をホモダ
イン検出と呼ぶ。
空間フィルタは、表面から検出器へと反射した光を空
間的に統合し、したがって表面が検出器に対して移動し
た場合に、表面上の異なる位置からの反射の相対的位相
が基本的に変化しないよう作動することができる。さら
に、（検出器で測定した）表面上の散乱体の位相は、表
面の並進運動に直線的に依存する。また、空間フィルタ
は、局部発振と表面から反射した光との干渉で生じた１
つ以内の干渉縞を検出器が取り込むよう、局部発振にフ
ィルタをかけるために使用するのが理想である。
１つの極端なケースを考えると、表面に入射する光が
完全にコリメートされる（つまり平面波である）。した
がって、空間フィルタは単純に、レンズと、その焦点に
配置されたピンホールでよい。表面がいかに並進して
も、空間フィルタで取り込まれた光の相対位相は変化し
ない。反射器または格子からの反射または回折によって
形成された局部発振ビームも、完全にコリメートされ、
したがってこれも空間フィルタを通過することができる
（空間フィルタは、ソースの画像がピンホール上または
その中にくるように配置される）。これは、検出器上に
１つの干渉縞を生じる。反射器と表面との間の間隔に
は、（空間フィルタリングに関して）制限がない。
別の極端なケースでは、表面と反射器との間隔を無視
できる。これによって、実質的にコリメートしていない
入射ビームを使用しながら、並進運動に関係なく表面か
らの反射の相対位相を維持し、局部発振と表面からの反
射とについて同じ焦点を維持することもできる。さら
に、空間フィルタは、レンズと、局所発振器としての光
源の反射像面に配置されたピンホールとから構成する事
ができる。
検出器で取り込まれるスペックルが（多くても）１つ
になるためには、ピンホールのサイズは表面からの反射
によって形成される１つのスペックル程度のサイズを超
えてはならない（この理由から、この測定は「スペック
ルなし」と呼ばれる）。したがって、検出器自体が十分
小さい場合、これは空間フィルタの一体部品として働く
ことができ、ピンホールは不必要である。
検出器において、相対位相が変化せず、局部発振との
間での干渉縞が１本であるという好ましい条件は、複数
の光学的にほぼ等しい状態で満たすことができる。特
に、局部発振反射器から光が反射する前または後に配置
した１枚の収束レンズを使用して、この要件を確立する
ことができる。あるいは、レンズと反射器を１つの光学
素子として結合することができる。また、コリメートレ
ンズをビームスプリッタと表面との間に配置することも
できる（つまり表面へ、および表面からの光のみがこの
レンズを通る）。
（ピンホールが大きすぎる、または表面からの反射ま
たは局部発振またはその両方の焦点からずれる場合のよ
うに）空間フィルタリングが理想的でないと、信号が劣
化し、場合によっては測定値のノイズが加わる。劣化の
レベルは、理想からのずれの量および種類によって決ま
る。
本発明による好ましい方法では、表面の照明および基
準光は両方とも、１つの光学素子、好ましくは格子を使
用して提供する。表面と基準光は、装置の光学素子の大
半または全部を通して、１本の光路を共有する。さら
に、表面に到達する光に格子によって空間的な振幅およ
び／または位相変調を加え、表面の並進運動の測定に追
加の手段を提供する。特に、ドップラ偏移が存在しない
格子からの鏡面反射の場合でも、接線並進運動を測定す
ることができ、運動の方向も識別することができる。
11番目の態様の本発明の幾つかの好ましい実施形態で
は、一体型の運動検出システムは、運動の大きさ、およ
び任意選択で方向を示す信号を提供する。本発明の好ま
しい実施形態では、運動検出システムの構成要素の少な
くとも幾つかが、光学的基板に装着される。これらの構
成要素は、少なくとも放射源、格子のような光学素子、
および放射から局部発振の場を生成する、反射器または
部分反射器等を含むことが好ましい。光学基板には、局
部発振の場および相対動作が測定される表面から反射す
る放射によって照明される検出器も装着される。本発明
のこの実施形態では、局部発振の場および動作を測定さ
れる表面から反射した場の光路長は、２つの場が検出器
の位置でコヒーレントになるような長さである。
12番目の態様の本発明の幾つかの好ましい実施形態で
は、表面に対して垂直な動作の影響を補正し、測定装置
の傾斜の影響を補正することにより、表面に平行な動作
を正確に測定することができる。本発明のこの態様は、
コンピュータ・マウス等、コンピュータの制御装置に使
用するのに特に有用である。
したがって、本発明の好ましい実施形態によると、測
定装置に対する表面の相対運動を決定する方法で、 入射照明で表面を照明し、 表面から反射した照明を検出して、少なくとも１つの
検出信号を形成し、 前記少なくとも１つの検出信号から表面に平行な相対
運動の量を決定するものにおいて、 前記決定が、表面に対して垂直な相対運動の影響を補
正することを含むことを特徴とする方法が提供される。
前記少なくとも１つの信号は、少なくとも２つの信
号、表面に平行な相対運動および表面に垂直な相対運動
によって影響される少なくとも１つの第１信号、および
少なくとも表面に垂直な運動によって影響される少なく
とも１つの第２信号を備え、 前記決定が、２つの信号から表面に平行な相対運動の
量を決定することを含むことが好ましい。
判定するステップは、 前記２つの信号の少なくとも一方から相対運動の第１
量を決定するステップを含み、前記相対運動の第１量
は、表面に平行な成分と表面に垂直な成分を含み、さら
に、 前記２つの信号の少なくとも一方から相対運動の第２
量を決定するステップを含み、前記相対運動の第２量
は、表面に垂直な成分を含み、さらに、 相対運動の第１および第２判定量に応答して、表面に
平行な相対運動の量を決定するステップを含むことが好
ましい。
相対運動の第２量は、表面に平行な成分を含まないこ
とが好ましい。
相対運動の第２量は、表面に平行な成分を含むことが
好ましい。
本発明の好ましい実施形態では、表面に垂直な相対運
動は、反射した照明のドップラ偏移に基づいて判定され
る。
本発明の好ましい実施形態では、判定するステップ
は、表面に垂直な相対運動の量を決定せずに、２つの信
号から直接、表面に平行な相対運動の量を決定するステ
ップを含む。少なくとも１つの第２信号は、実質的に、
表面に垂直な相対運動によって決定されることが好まし
い。
本発明の好ましい実施形態では、少なくとも１つの第
２信号は、ドップラ偏移に基づく信号である。
少なくとも１つの第２信号は、表面に平行な相対運動
に応答することが好ましい。
本発明の好ましい実施形態では、方法は、表面に垂直
な相対運動の量を決定するステップを含む。
本発明の好ましい実施形態では、表面に平行な相対運
動の量を決定するステップは、２つの非共線的方向に沿
った相対運動の量を決定するステップを含む。
本発明の好ましい実施形態では、照明は表面に垂直に
入射する。
本発明の好ましい実施形態では、検出するステップ
が、コヒーレントに検出するステップを含む。方法は、
測定装置の一部であり局部発振として作用する物体から
照明の一部を反射または回折するステップを含むことが
好ましい。物体は、入射または反射照明が通過する、部
分的に反射する物体であることが好ましい。入射照明と
反射照明との両方が物体を通過することが好ましい。
本発明の好ましい実施形態では、物体は表面に隣接す
る。
本発明の好ましい実施形態では、表面は物体の近距離
場である。あるいは、表面は格子の近距離場の外側にあ
る。
本発明の好ましい実施形態では、物体は格子である。
格子は、基本的に、表面を照明する１次の透過照明しか
生成しないことが好ましい。
照明は、少なくとも部分的にコヒーレントであり、物
体が表面から照明のコヒーレンス長内に配置されている
ことが好ましい。
本発明の好ましい実施形態では、局部発振の照明およ
び反射した照明が、少なくとも１つの検出器に入射して
前記信号を生成し、局部発振の照明および反射した照明
が、検出器において少なくとも部分的にコヒーレントで
ある。
本発明の好ましい実施形態によると、さらに、装置と
表面との間の相対運動を測定する装置で、 照明を伝達して表面を照明する照明源と、 表面から反射された源からの照明を受ける第１検出器
と、 照明の一部を前記第１検出器へと反射する物体とを備
え、したがって照明が局部発振としての物体で反射する
状態で、検出器が表面から反射した照明のコヒーレント
な検出に基づいて第１信号を生成し、さらに、 表面から反射した照明を受けずに光源からの照明を受
け、それに対応して第２信号を生成する第２検出器と、 第２信号に基づき、照明の強度の変化に合わせて第１
信号を調節する信号補正器と、 信号補正器からの信号に応答して相対運動を計算する
運動計算機とを備える装置が提供される。
第２検出器で受ける源からの照明は、物体が反射また
は回折した照明であることが好ましい。
信号補正器は、第２信号に基づく一定の条件で第１信
号を補正することが好ましい。信号補正器は、第１信号
を受信して、それから第２信号を引き、調節済みの第１
信号を生成する差動増幅器を含むことが好ましい。信号
補正器は、調整済み第１信号を受信し、これを第２信号
に対して正規化するノーマライザを含むことが好まし
い。
本発明の好ましい実施形態では、装置は、 物体からまたは光源からの実質的な照明を受けずに表
面から反射した照明を受け、これに対応して第３信号を
生成する第３検出器を含み、 信号補正器が、第３信号に基づいて調節済みの信号を
補正する。
本発明の好ましい実施形態によると、さらに、装置と
表面との相対運動を測定する装置で、 照明を伝達して表面を照明する照明源と、 表面から反射された源からの照明を受ける第１検出器
と、 照明の一部を第１検出器へと反射する物体とを備え、
したがって照明が局部発振としての物体で反射する状態
で、検出器が表面から反射した照明のコヒーレントな検
出に基づいて第１信号を生成し、さらに、 表面から反射した照明を受けずに源からの照明を受
け、それに対応して第２信号を生成する第２検出器と、 第２信号に比例する量で第１信号を減少させる信号補
正器と、 信号補正器からの信号に応答して相対運動を計算する
運動計算機とを備える装置が提供される。
第２検出器で受ける源からの照明は、物体が反射また
は回折した照明であることが好ましい。
本発明の好ましい実施形態では、信号補正器は、第２
信号に基づいて照明の強度の変化に合わせて第１信号を
調節するノーマライザを含む。
本発明の好ましい実施形態では、装置は、 物体または源からの実質的な照明を受けずに、表面か
ら反射した照明を受け、これに応答して第３信号を生成
する第３検出器を含み、 信号補正器が、第３信号に基づいて調節済みの信号を
補正する。
本発明の好ましい実施形態によると、さらに、装置と
表面との相対運動を測定する装置で、 照明を伝達して表面を照明する照明源と、 表面から反射された源からの照明を受ける第１検出器
と、 照明の一部を前記第１検出器へと反射する物体とを備
え、したがって照明が局部発振としての物体で反射する
状態で、検出器が表面から反射した照明のコヒーレント
な検出に基づいて第１信号を生成し、さらに、 物体または表面から反射した照明を受けずに源からの
照明を受け、それに対応して第２信号を生成する第２検
出器と、 第２信号に比例する量で第１信号を減少させる信号補
正器と、 信号補正器からの信号に応答して相対運動を計算する
運動計算機とを備える装置が提供される。
本発明の好ましい実施形態では、物体は部分的に透過
性であり、物体は、表面の照明が物体を通過するよう、
照明源と表面との間に配置される。
本発明の好ましい実施形態では、照明はコヒーレンス
長を有し、物体と表面とが前記コヒーレンス長の中に位
置する。
本発明の好ましい実施形態では、物体は格子である。
格子は、基本的に、表面を照明する１オーダーの透過照
明しか生成しないことが好ましい。表面は格子の近距離
場であることが好ましい。あるいは、表面は格子の近距
離場の外側にある。
本発明の好ましい実施形態では、表面から反射した照
明と物体から反射した照明とは、第１検出器で少なくと
も部分的にコヒーレントである。
本発明の好ましい実施形態によると、さらに、測定装
置に対して表面の相対運動を決定する方法で、 照明が表面の一部から反射するよう、入射照明で表面
を照明するステップと、 局部発振器としての表面で反射していない前記入射照
明から得た照明を使用して、表面から反射した照明をコ
ヒーレントに検出し、少なくとも２つの信号を生成する
ステップと、 ２つの信号の少なくとも一方から表面の相対運動の大
きさを決定するステップと、 表面から反射した照明の少なくとも一部に対して、局
部発振器の照明の少なくとも一部の層を変化させるステ
ップと、 前記変化した相対位相によって生じた信号の特性に基
づいて、表面に平行な相対運動の方向を決定するステッ
プとを含む方法が提供される。
局部発振器の照明は、測定装置の一部である物体から
の入射照明の反射または回折によって生成されることが
好ましい。物体は表面に隣接することが好ましい。照明
は、照明がコヒーレンス長を有し、物体および表面が前
記コヒーレンス長内に位置することが好ましい。物体は
格子であることが好ましい。格子は、基本的に、表面を
照明する１次の透過照明しか生成しないことが好まし
い。表面は格子の近距離場に配置されることが好まし
い。あるいは、表面は格子の近距離場の外側に配置され
る。
本発明の好ましい実施形態では、位相を変化させるス
テップは、静的な位相の変更を導入するステップを含
み、相対運動の方向を定するステップは、前記静的な位
相の変更によって生じた信号の特性に基づいて相対運動
の方向を決定するステップを含む。
本発明の好ましい実施形態では、方法は、 表面から反射する照明を、第１位相を有する第１照明
と、第２位相を有する第２照明とに分割するステップを
含む。
第１照明と第２照明とは異なる極性を有することが好
ましい。
分割するステップは、表面に入射する照明を複屈折材
料に通過させるステップを含むことが好ましい。代替的
または追加的に、分割するステップは、表面から反射し
た照明を複屈折材料に通過させるステップを含むことが
好ましい。方法は、複屈折材料を物体と表面との間に配
置するステップを含むことが好ましい。
本発明の好ましい実施形態では、物体と表面との間に
複屈折材料を配置するステップは、検出した照明を複屈
折材料に２回通過させる効果を有する。
本発明の好ましい実施形態では、方法は、並進運動の
方向に応じて異なる検出信号を生成する２つの検出器を
使用し、並進運動の大きさと方向とを決定するステップ
を含む。並進運動の方向を決定するは、異なる検出信号
間の位相差の符号から方向を決定するステップを含むこ
とが好ましい。
方法は、表面から反射した照明を直線的に偏光させる
ステップを含むことが好ましい。
本発明の好ましい実施形態によると、さらに、装置に
対する表面の並進運動を決定する装置で、 光学ブロックと、 衝突する光に対応して信号を生成し、光学ブロックに
取り付けられた検出器と、 照明を生成する照明源とを備え、ブロックを通過する
照明の一部が表面で反射して、光学ブロックを通過した
後に検出器に衝突し、さらに、 信号に応答して、表面に平行な並進運動の大きさを計
算する回路を備える装置が提供される。
装置は、ブロック内またはブロックの表面上に、照明
の一部を前記一部が表面に衝突しない状態で検出器へ反
射または回折する物体を含み、前記一部が、検出器によ
る反射照明の同期検出の局部発振として作用することが
好ましい。
本発明の好ましい実施形態によると、さらに、測定装
置に対する表面の相対運動を決定する方法で、 照明が表面の一部から反射するよう、入射放射で表面
を照明するステップと、 表面から反射した照明の少なくとも第１部分を検出し
て、第１検出信号を形成するステップと、 表面から反射した照明の少なくとも第２部分を検出し
て、第２検出信号を形成するステップと、 反射した放射のドップラ偏移に基づいて相対運動の量
を決定するステップとを含み、第１および第２信号が直
角位相であり、検出が直角位相の検出を含む方法が提供
される。
方法は、前記第１および第２信号に応答して相対運動
の方向を検出するステップを含むことが好ましい。
方法は、表面に平行な２つの非共線的方向で相対運動
を決定するステップを含むことが好ましい。
方法は、表面に垂直な方向で相対運動を決定するステ
ップを含むことが好ましい。
方法は、相対運動の決定が、前記第１および第２信号
の少なくとも一方のゼロクロスをカウントするステップ
を含むことが好ましい。
検出するステップがコヒーレントな検出を備えること
が好ましい。
本発明の好ましい実施形態によると、さらに、測定装
置に対する表面の相対運動を決定する方法で、 照明が表面の一部から反射するよう入射照明で表面を
照明するステップと、 検出器を使用して表面から反射した照明をコヒーレン
トに検出して、信号を形成するステップと、 前記コヒーレント検出のために、表面から反射してい
ない前記入射照明から得た照明を局部発振として使用す
るステップと、 信号から表面の相対運動の大きさを決定するステップ
とを含み、 局部発振が検出器の小さい区域に焦点を合わせ、した
がって基本的に反射した照明の１つの空間周波数しか、
検出器の前記局部発振との干渉場を形成しないことを特
徴とする方法が提供される。
本発明の好ましい実施形態によると、さらに、装置に
対する表面の相対運動を決定する装置で、 開口がその内部に形成された筐体と、 相対運動の決定に使用する信号を生成する筐体内の検
出器と、 筐体内で、開口を通して表面を照明する所与の波長の
レーザ照明源とを備え、したがって照明が表面から開口
を介して検出器に反射され、さらに、 開口を覆い、所与の波長を通過させて、検出器が感知
する他の波長の光を遮断するフィルタとを備える装置が
提供される。
本発明の好ましい実施形態によると、さらに、装置に
対する表面の相対運動を決定する装置で、 開口がその内部に形成された筐体と、 相対運動の決定に使用する信号を生成する筐体内の検
出器と、 筐体内で、開口を通して表面を照明する所与の波長の
レーザ照明源とを備え、したがって照明が表面から開口
を介して検出器に反射され、さらに、 表面から反射した照明を受ける筐体内の第２検出器
と、 第２検出器が受けた照明が閾値より下に下がると照明
源を切る回路とを備える装置が提供される。
回路は、第２検出器が受けた照明が閾値を下回る場
合、源を周期的に点灯および消灯する働きをすることが
好ましい。
装置は、所与の波長を通過させながら、第１および第
２検出器が感知する他の波長の光を遮断するフィルタで
覆われることが好ましい。
本発明の好ましい実施形態では、検出器への照明の一
部は、前記一部が最初に表面に衝突せずに、検出器を照
明し、前記一部が、検出器による反射照明のコヒーレン
ト検出の局部発振として作用する。
本発明の好ましい実施形態では、反射した照明は、源
によって生成された照明に対して前記並進運動によって
ドップラ偏移し、前記ドップラ偏移を動作の決定に使用
する。
本発明の好ましい実施形態によると、さらに、装置と
表面との相対運動を測定する装置で、 表面の照明に使用する照明源と、 表面から反射された源からの照明を受け、照明の一部
を、前記表面が表面から反射していない状態で受ける検
出器とを備え、したがって検出器は、照明の一部を局部
発振として、表面から反射した照明のコヒーレント検出
に基づいて信号を生成し、前記信号が相対運動の速度に
関連した周波数を有し、さらに、 信号のゼロクロスのカウントに応答して、相対運動の
量を計算する運動計算機を備える装置が提供される。
検出器は、検出器の出力をフィルタにかけて前記信号
を形成する高域フィルタを含むことが好ましい。高域フ
ィルタは、約20dB/オクターブ未満の傾斜を有すること
が好ましい。高域フィルタは約0.5mm/秒以下の運動速度
に対応する周波数に中断点を有することが好ましい。
装置は、 表面から反射した照明の少なくとも第２部分を検出し
て、コヒーレント検出を用いた第２検出信号を形成する
第２検出器を含み、 動作検出器が、反射した放射のドップラ偏移に基づい
て相対運動の量を決定し、信号および第２検出信号が直
角位相であり、検出が直角位相の検出を含むことが好ま
しい。
本発明の好ましい実施形態によると、さらに、装置に
対する表面の相対運動を決定する装置で、 開口がその内部に形成された筐体と、 相対運動の決定に使用する信号を生成する筐体内の検
出器と、 筐体内で、開口を通して表面を照明する所与の波長の
レーザ照明源とを備え、したがって照明が表面から開口
を介して検出器に反射され、さらに、 検出器が表面から受けた照明が閾値を下回ると照明源
を切る回路を備える装置が提供される。
回路は、検出器が表面から受けた照明源を周期的に点
灯および消灯する働きをすることが好ましい。
本発明の好ましい実施形態によると、さらに、測定装
置に対して表面の相対運動を決定する方法で、 測定装置の一部として、表面に隣接して部分的に透過
する物体を配置するステップと、 照明が表面の一部から反射するよう、表面を入射照明
で照明するステップとを含み、入射および反射照明の少
なくとも一方の少なくとも一部が物体を通過し、さら
に、 表面から反射した照明を検出して検出信号を生成する
ステップを含み、物体および表面が、検出される照明の
コヒーレンス長より短い距離内に配置され、さらに、 検出信号から、表面に平行な表面の相対運動を決定す
るステップを含む方法が提供される。
物体の透過性は、空間的に変化することが好ましい。
本発明の好ましい実施形態では、物体は部分的に反射
性であり、基準照明および照明の方向がコヒーレントで
あるので、前記基準照明を使用して、入射照明の一部が
物体で反射または回折される。
本発明の好ましい実施形態によると、さらに、測定装
置に対する表面の相対運動を決定する方法で、 測定装置の一部である部分的に反射性の物体を、表面
に隣接して配置するステップと、 入射照明の一部が、基準照明および一部が表面から反
射するにつれ、物体で反射または回折されるよう、入射
照明で物体を照明するステップと、 基準照明を使用して、表面から反射した照明をコヒー
レントに検出して、検出信号を生成するステップと、 検出信号から、表面に平行な表面の相対運動を決定す
るステップとを含む方法が提供される。
本発明の好ましい実施形態では、物体は部分的に透過
性の物体であり、入射照明および反射照明の少なくとも
一方の少なくとも一部が物体を通過する。
物体の反射は空間的に変動することが好ましい。空間
的な変動は、周期的な空間的変動を備えることが好まし
い。
本発明の好ましい実施形態では、表面に隣接して物体
を配置するステップが、表面に隣接して格子を配置する
ステップを含む。表面に隣接して格子を配置するステッ
プは、表面が格子の近距離場にあるよう、表面に十分近
く格子を配置するステップを含むことが好ましい。ある
いは、表面に隣接して格子を配置するステップは、表面
が格子の近距離場の外側にあるよう、表面から十分離れ
て格子を配置するステップを含む。
本発明の好ましい実施形態では、検出された照明は少
なくとも部分的にコヒーレントである。
本発明の好ましい実施形態によると、さらに、測定装
置に対する表面の相対運動を決定する方法で、 測定装置の一部である格子を表面に隣接して配置する
ステップと、 少なくとも照明の一部が表面に入射して、そこから反
射するよう、入射照明で格子を照明するステップとを含
み、入射および反射照明の少なくとも一方が格子を通過
し、さらに、 基準照明を使用して、表面から反射した照明を検出す
るステップと、 反射照明に対応して信号を生成するステップと、 検出信号から、表面に平行な表面の相対運動を決定す
るステップとを含み、 表面が格子の近距離場にある方法が提供される。
表面から反射した照明は、物体で反射または回折した
照明から周波数がずれ、運動を決定するステップが、周
波数のずれに基づいて動作を決定するステップを含むこ
とが好ましい。
動作を決定するステップは、位置による信号の振幅の
変動を決定するステップを含むことが好ましい。動作
は、検出信号のゼロクロスから決定されることが好まし
い。
本発明の好ましい実施形態では、物体は、空間的に非
対称である透過特性を有する。方法は、前記非対称性に
よる信号の特性に基づき、相対運動の方向を決定するス
テップを含むことが好ましい。
本発明の好ましい実施形態によると、さらに、測定装
置に対する表面の相対運動を決定する方法で、 測定装置の一部である部分的に透過性の物体を表面に
隣接して配置するステップと、 照明が表面の一部から反射されるよう、干渉パターン
を構成しない入射照明で表面を照明するステップとを含
み、入射および反射照明の少なくとも一方の少なくとも
一部が物体を通過し、さらに、 表面から反射した照明を検出して、検出信号を生成す
るステップと、 検出信号から、表面に平行な表面の相対運動を決定す
るステップとを含む方法が提供される。
本発明は、物体で反射または回折した照明と表面から
反射した照明の少なくとも一部との間の位相を変動させ
るステップを含むことが好ましい。
本発明の好ましい実施形態によると、さらに、測定装
置に対する表面の相対運動を決定する方法で、 照明が表面の一部から反射するよう、入射照明で表面
を照明するステップと、 測定装置の一部である部分的に反射性の物体を、表面
に隣接して配置するステップとを含み、入射照明の一部
が基準照明として物体で反射または回折し、さらに、 物体で反射または回折した照明を局部発振として使用
して、表面から反射した照明をコヒーレントで検出し、
信号を形成するステップと、 信号から表面の相対運動を決定するステップと、 表面から反射した照明の少なくとも一部に対して、物
体で反射または回折した照明の少なくとも一部の位相を
変動させるステップと、 前記変動した相対位相による信号の特性に基づき、表
面に平行な相対運動の方向を決定するステップとを含む
方法が提供される。
反射器を表面に隣接して配置するステップは、格子を
表面に隣接して配置するステップを含むことが好まし
い。
本発明の好ましい実施形態では、位相を変動させるス
テップが、位相を周期的に変動させるステップを含むこ
とが好ましい。
相対運動の方向を決定するステップは、前記周期的に
変動する相対位相によって生じる信号の特性に基づき、
相対運動の方向を決定するステップを含むことが好まし
い。
本発明の好ましい実施形態では、位相を変動させるス
テップが、物体をほぼ動作を測定する方向に周期的に移
動させるステップを含む。
本発明の好ましい実施形態では、位相を変動させるス
テップが、物体をほぼ測定する動作の方向に垂直に周期
的に移動させるステップを含む。
本発明の好ましい実施形態では、位相を変動させるス
テップが、 物体と表面との間に透明な材料を設けるステップと、 光路長が照明の方向に変動するよう材料に通電するス
テップとを含む。
透明材料は圧電材料であることが好ましい。
方法は、１つの検出器を使用して並進運動の大きさと
方向との両方を判定するステップを含むことが好まし
い。
本発明の好ましい実施形態では、位相を変動させるス
テップが、静的な位相の変更を導入するステップを含
み、相対運動の方向を決定するステップが、前記位相変
化によって生じた信号の特性に基づいて相対運動の方向
を決定するステップを含む。
方法は、表面から反射した照明の少なくとも一部を、
少なくとも第１位相を有する第１照明と第２位相を有す
る第２照明とに分割するステップを含むことが好まし
い。第１および第２照明は異なる極性を有することが好
ましい。分割するステップは、表面に入射する照明を複
屈折材料に通過させるステップを含むことが好ましい。
方法は、表面から反射した照明を複屈折材料に通過させ
るステップを含むことが好ましい。方法は、物体と表面
との間に複屈折材料を配置するステップを含むことが好
ましい。
本発明の好ましい実施形態では、方法は、並進運動の
方向に応じて異なる検出信号を生成する２つの検出器を
使用して、並進運動の大きさと方向とを決定するステッ
プを含む。
方法は、異なる検出信号の位相差の符号から、並進運
動の方向を決定するステップを含むことが好ましい。
本発明の好ましい実施形態によると、さらに、測定装
置に対する表面の相対運動を決定する方法で、 測定装置の一部である口付きの反射器を表面に隣接し
て配置するステップと、 照明が表面の一部から反射し、照明が口付き反射器で
反射または回折するよう、入射照明で表面を照明するス
テップと、 開口付き反射器で反射または回折した照明を局部発振
として使用して、表面から反射した照明をコヒーレント
で検出し、信号を形成するステップと、 信号から開口付き反射器に垂直および平行な表面の相
対運動を決定するステップとを含む方法が提供される。
コヒーレントに検出するステップは、 反射した照明の振幅または位相の変動を検出するステ
ップと、 反射した照明の周波数のずれを検出するステップとを
含み、 相対運動を決定するステップが、 検出した振幅または位相の変動の少なくとも一方に応
答して、口付き反射器に平行な方向で表面の相対運動を
測定するステップと、 検出した周波数のずれに応答して、口付き反射器の表
面に垂直な方向で表面の相対運動を測定するステップと
を含むことが好ましい。
方法は、 開口付き反射器の表面を、その表面に垂直の方向に周
期的に移動させて、そこから反射した照明に周期的な位
相ずれを加えるステップと、 前記位相ずれを使用して表面の運動を測定するステッ
プとを含むことが好ましい。
本発明の好ましい実施形態によると、さらに、測定装
置に対する表面の相対運動を決定する方法で、 照明が表面の一部から検出器に向かって反射するよ
う、源から入射照明で表面を照明するステップと、 表面上にある所与の散乱体から検出した光学照明の位
相がほぼ一定するか、表面の並進運動に直線的に関連す
るよう、反射した照明を空間フィルタにかけるステップ
と、 検出器に入射した照明に応答して検出器で信号を生成
するステップと、 信号から表面の相対運動を決定するステップとを含む
方法が提供される。
照明するステップは、空間的に変動する照明で表面を
照明するステップを含むことが好ましい。
表面を照明するステップは、照明を検出器へと反射ま
たは回折させる表面に隣接して配置された口付き反射器
を通して表面を照明するステップを含むことが好まし
い。信号を生成するステップは、開口付き反射器から反
射または回折した照明を使用して、表面から反射した照
明をコヒーレントに検出するステップを含むことが好ま
しい。
相対運動を決定するステップは、反射した照明のドッ
プラ偏移を使用するステップを含むことが好ましい。
表面の照明は実質的にコリメートされ、検出器が反射
した照明の１つの空間周波数しか実質的に検出しないよ
う、空間フィルタで反射照明にフィルタをかけることが
好ましい。
表面の照明が実質的にコリメートされ、検出器が、実
質的に１方向で表面から反射した照明しか検出しないよ
う、空間フィルタで反射照明にフィルタをかけることが
好ましい。
本発明の好ましい実施形態では、空間フィルタをかけ
るステップは、焦点を有するレンズで反射照明の焦点を
合わせるステップと、レンズの焦点にピンホールを配置
するステップとを含む。
本発明の好ましい実施形態では、空間フィルタをかけ
るステップは、焦点を有するレンズで反射照明の焦点を
合わせるステップと、レンズの焦点に単一モード光ファ
イバを配置して、照明を検出器に伝達するステップとを
含む。
本発明の好ましい実施形態では、空間フィルタをかけ
るステップは、レンズで反射照明の焦点を合わせるステ
ップと、源の画像にピンホールを配置するステップとを
含む。
本発明の好ましい実施形態では、空間フィルタをかけ
るステップは、レンズで反射照明の焦点を合わせるステ
ップと、単一モードの光ファイバを源の画像に配置し
て、照明を検出器に伝達するステップとを含む。
本発明の好ましい実施形態によると、さらに、測定装
置に対する表面の相対運動を決定するステップで、 少なくとも準連続的な透過関数を有する物体を、表面
に隣接して配置するステップと、 照明が表面の一部から検出器へと反射されるよう、入
射照明で表面を照明するステップと、 検出器を使用して表面から反射した照明を検出し、信
号を生成するステップと、 信号から表面の相対運動を決定するステップとを含む
方法が提供される。
物体は非対称の透過関数を有し、相対運動を決定する
ステップが、検出信号に基づいて動作の方向を決定する
ステップを含むことが好ましい。
照明は、物体から検出器へと反射または回折し、検出
が、物体から反射または回折した照明を局部発振と使用
して信号を形成するコヒーレント検出であることが好ま
しい。
本発明の好ましい実施形態によると、さらに、測定装
置に対する表面の相対運動を決定する方法で、 照明が表面から反射して、表面上の点または表面の一
部の画像ではない照明で検出器を照明するよう、口付き
反射器を通して照明で表面を照明するステップと、 前記入射照明から得た基準照明で、同時に検出器を照
明するステップと、 検出器が信号を生成するよう、前記基準照明を使用し
て検出器の反射照明をコヒーレントに検出するステップ
と、 相対運動によって生じた信号の変動に基づき、表面に
平行な表面の相対運動を決定するステップとを含む方法
が提供される。
入射照明は所与の波長であり、基準照明は、コヒーレ
ント検出がホモダイン検出であるよう、同じ波長である
ことが好ましい。
この方法は、表面の照明を空間的に変化させるステッ
プを含むことが好ましい。表面の照明を空間的に変化さ
せるステップは、空間的に変化する周期的透過を有する
透過格子を通して表面を照明するステップを含むことが
好ましい。
表面の照明を空間的に変動させるステップは、入射し
た照明の一部を検出器へと鏡面反射する格子を通して表
面を照明し、前記基準照明を形成するステップを含むこ
とが好ましい。
本発明の好ましい実施形態によると、さらに、測定装
置に対する表面の相対運動を決定する方法で、 照明が表面の一部から反射するよう、照明で表面を照
明するステップと、 開口付き反射器を表面に隣接して配置するステップ
と、 開口付き反射器で反射または回折した照明を局部発振
として使用して、表面から反射した照明をコヒーレント
に検出するステップと、 信号の特性から、表面に平行な方向で表面の相対運動
を決定するステップとを含む方法が提供される。
相対運動は、表面から反射した照明のドップラ偏移を
使用して検出することが好ましい。
開口付き反射器が格子であり、格子で回折した照明を
使用して動作を決定することが好ましい。
本発明の好ましい実施形態では、照明は表面に垂直に
入射する。
本発明の好ましい実施形態では、表面は光学的に拡散
反射する表面である。
本発明の好ましい実施形態では、表面は位置を示すマ
ークを持たない。
照明は可視照明を備えることが好ましい。代替的また
は追加的に、照明は赤外線照明を備える。
本発明の好ましい実施形態によると、さらに、表面と
装置との相対運動を決定する装置で、 表面に隣接して配置された部分的に透過性の物体と、 入射した照明を検出して検出信号を生成する検出器
と、 照明が物体から検出器へと反射または回折し、入射照
明の一部が表面から検出器へと反射するよう、入射照明
で物体を照明する照明源とを備え、したがって検出器
が、物体から検出器へと反射または回折した照明を使用
して表面から反射した照明をコヒーレントに検出し、さ
らに、 検出信号から、装置に対して表面に平行な表面の相対
運動を決定する回路を備える装置が提供される。
本発明の好ましい実施形態によると、さらに、 表面に面する開口を有する筐体と、 開口を通して表面を見る光学運動検出器とを備え、光
学運動検出器が本発明の方法を使用して、表面に対する
筐体の並進運動を決定する光学マウスで提供される。
本発明の好ましい実施形態によると、さらに、制御装
置として使用するタッチ・ポイントで、 開口を有する筐体と、 開口上を並進する指の運動を決定する光学検出器とを
備えるタッチ・ポイントが提供される。
光学検出器は、本発明の方法を使用して並進運動を決
定することが好ましい。
本発明の好ましい実施形態によると、さらに、ポイン
タ・デバイスで、 本発明に従い、これ自体に応答してポインタを移動さ
せる回路を含む第１タッチ・ポイントと、 本発明に従い、これ自体に応答してスクロールさせる
回路を含む第２タッチ・ポイントとを備えるポインタ・
デバイスが提供される。
本発明の好ましい実施形態によると、さらに、コンピ
ュータ用のポインタとして使用するマウス／タッチ・ポ
イントの組合せで、 開口を有する筐体と、 開口上で並進する物体の運動を決定する光学検出器
と、 開口が上向きか下向きかを決定する手段とを備える組
合せが提供される。
光学検出器は、本発明の方法を使用して並進運動を決
定することが好ましい。
本発明の好ましい実施形態によると、さらに、ドキュ
メント上のスキャナの動作によってドキュメントを読み
取るスキャナで、 ドキュメントの表面のパターンを検出する光学読み取
りヘッドと、 スキャナがドキュメントの表面上を並進するにつれ、
その運動を決定する光学検出器とを備え、光学検出器が
本発明の方法を使用して並進運動を決定するスキャナが
提供される。
パターンは印刷されたパターンを備えることが好まし
い。代替的または追加的に、パターンは手書きのパター
ンを備える。代替的または追加的に、パターンは署名を
備える。
本発明の好ましい実施形態によると、さらに、エンコ
ーダで、 光学的に拡散反射する表面と、 表面に対して相対運動する光学検出器とを備え、光学
検出器が、表面上のマークを使用せずに表面に対する相
対運動を測定するエンコーダが提供される。
本発明の好ましい実施形態によると、さらに、エンコ
ーダで、 基準マーク以外のマークがない光学的に拡散反射する
表面と、 表面に対して相対運動する光学検出器とを備え、光学
検出器が基準マークに関して表面に対する相対運動を測
定するエンコーダが提供される。
表面は、軸を中心に回転するディスクの表面であり、
検出器がディスクの回転を測定することが好ましい。
エンコーダは本発明の方法を用いることが好ましい。
本発明の好ましい実施形態によると、さらに、仮想ペ
ンで、 本発明によるエンコーダと、 前記測定された相対運動を書かれたデータまたはグラ
フィカルなデータに変換する回路とを備えた仮想ペンが
提供される。
本発明の好ましい実施形態によると、さらに、紙を移
動させる装置で、 紙を移動させる手段と、 紙上のいかなるマークも使用せずに、紙の動作を測定
する光学検出器とを備える装置が提供される。
光学検出器は本発明の方法を用いることが好ましい。
本発明の好ましい実施形態によると、さらに、 本発明によりシートを移動させる装置と、 紙から情報を読み取る読み取りヘッドと、 紙の動作の測定に応答してメモリ・ロケーションに情
報を格納するメモリとが提供される。
本発明の好ましい実施形態によると、さらに、印刷機
で 本発明によりシートを移動させる装置と、 紙のシートに印刷される情報を含むメモリと、 紙の動作の測定に応答して情報を印刷する印刷ヘッド
とを備える印刷機が提供される。
本発明の好ましい実施形態によると、さらに、本発明
によるスキャナを備えるファックス機が提供される。
本発明の好ましい実施形態によると、さらに、本発明
によるプリンタを備えるファックス機が提供される。
本発明の好ましい実施形態によると、さらに、測定装
置に対する表面の相対運動の方向を決定する方法で、 照明が表面の一部から検出器へと反射するよう、入射
照明で表面を照明するステップと、 非対称の透過関数を有する物体を検出器に隣接して配
置するステップと、 検出器を使用して表面から反射した照明を検出し、信
号を生成するステップと、 信号から、表面の相対運動の方向を決定するステップ
とを含む方法が提供される。
図面の簡単な説明 本発明は、添付の図面類と共に本発明の好ましい実施
形態に関する以下の記述を読むことにより、さらに明瞭
に理解される。
図１は、本発明の好ましい実施形態による運動変換器
の好ましい実施形態の概略図である。
図２は、本発明の好ましい実施形態による格子の透過
関数のグラフである。
図3A、図3Bおよび図3Cは、本発明の好ましい実施形態
による一体型運動変換器の好ましい実施形態の概略図で
ある。
図４は、本発明の好ましい実施形態による光学式マウ
スの概略ダイアグラムである。
図5Aおよび図5Bは、本発明の好ましい実施形態による
マウス／指並進運動測定装置の概略ダイアグラムであ
る。
図６は、本発明の好ましい実施形態による走査ペンの
概略ダイアグラムである。
図７は、本発明の好ましい実施形態による回転エンコ
ーダのダイアグラムである。
図８は、本発明の好ましい実施形態による光ファイバ
・ベースの並進運動測定装置の概略ダイアグラムであ
る。
図９は、本発明の好ましい実施形態に使用するのに適
した電子回路の単純化し一般化したブロック図である。
図10は、本発明の好ましい代替実施形態による並進運
動測定装置の単純化したダイアグラムである。
図11Aおよび図11Bは、本発明のさらに別の好ましい実
施形態を示す図である。
図12Aおよび図12Bは、本発明の好ましい実施形態によ
る、機械的切換システムを使用して並進運動測定装置の
運動方向を決定する。本発明の第１の好適な実施形態の
原理を示す図である。
図13Aから図13Dは、機械的切換システムを使用して並
進運動測定装置の運動方向を決定する、本発明の、さら
に２つの好適な実施形態の原理を示す図である。
図14から図16は、格子を使用しない、本発明の好適な
実施形態による３つの並進運動測定装置の原理を示す図
である。
図17および図18は、ドップラ偏移に基づいて表面の運
動を測定する、本発明の好適な実施形態による、さらに
２つの運動検出器の原理を示す図である。
図19Aおよび図19Bは、図3C、図17および図18のような
方向検出と組み合わせて、図15および図16の装置と同じ
原理に従って作動する一体化した構造を概略的に示す図
である。
図19Cおよび図19Dは、本発明の幾つかの好適な実施形
態に使用される検出器モジュールの詳細を概略的に示す
図である。
図20Aおよび図20Bは、本発明の好適な実施形態によ
り、比較的小さいシャフトの回転を測定する装置の一般
的構造を示す２つの図である。
図21は、本発明の好適な実施形態による、表面に平行
な運動の測定に対する、表面に垂直な運動の影響を低下
させるのに有用な検出器の構成を概略的に示す図であ
る。
図22Aから図22Dは、表面の面に沿った２次元の運動を
決定するため、本発明の好適な実施形態による検出器の
種々の構成を概略的に示す図である。
図23は、種々の濾過技術について、表面速度の関数と
してカーソルの速度の曲線を示す図である。
図24は、本発明の好適な実施形態に有用な回折格子を
示す図である。
図25は、本発明の好適な実施形態により生成された第
２回折格子を示す図である。
図26Aから図26Cは、本発明の好適な実施形態による、
検出器が表面の鏡面反射から遠く離れて配置された、光
源、検出器および格子の配置を示す図である。
図27は、本発明の幾つかの態様に有用な適応帯域通過
回路の好適な実施形態の概略回路図である。
本発明の好適な実施形態の詳細な説明 図１は、本発明の好適な実施形態による、表面12の並
進運動を測定する装置10を示す。装置10は、レーザ等の
少なくとも部分的にコヒーレントで、好ましくはコリメ
ートされた光学放射14の光源を備える。レーザは、例え
ば低出力赤外線レーザ等のダイオード・レーザであるこ
とが好ましい。他の波長を使用することができるが、赤
外線レーザが好ましい。というのは、高出力で目に安全
に作動するからである。源はコリメートすることが好ま
しい。被写界深度を考慮して、コリメートしたビームを
使用することが望ましいが、コリメートが特に良好であ
る必要はない。しかし、下記のような補正を用いる場合
は、コリメートしていない光源を使用してもよい。
装置10は、１次元または２次元反射性格子16も含み、
これは表面12と近接しかつ離間した状態で配置されてい
る。格子16の表面12からの間隔に関する制限を以下で述
べる。通常、格子16と表面12との間隔は、数ミリメート
ル以下である。格子16で反射（または回折）する光およ
び表面12で反射する光は、両方とも光検出器22で検出す
る前に、空間フィルタ（レンズ18およびピンホール20で
構成される）に入射することが好ましい。その結果生じ
る干渉が、表面の運動に依存するビート信号を生成す
る。図１に示すように、放射は表面からほぼ全方向に反
射する。この放射は、幾つかの図面では表示を明確にす
るために省略されている。
図１では、光はある角度から表面に入射するように見
える。しかし、光が格子16に垂直に入射することも可能
である。さらに、図１は入射光の角度を検出角度と等し
くして、格子で反射した光（またはゼロ次回折光）を局
部発振に使用するが、格子からの１次以上の回折を効果
的に使用することもできる。ゼロ次は、波長に左右され
ない（波長の安定性が重要でない）という利点を有す
る。入射光は、パルス状でも連続光でもよい。図１で
は、−１および＋１次回折光を、それぞれ参照番号19お
よび21で示す。表面で散乱した光を参照番号17で示す。
図１に示す本発明の好適な実施形態では、スペックル
のないコヒーレントな検出（ホモダインまたはヘテロダ
インで、図１にはホモダインを示す）を使用して、接線
運動を決定する。このように検出すると、測定に使用す
る信号に固有の振幅が生じ、ダイナミック・レンジが大
きくなる。
コヒーレント検出の基準局部発振の場は、移動する表
面の近傍に配置された格子16からの反射によって提供さ
れる。格子と移動する表面からの反射光が検出器上で干
渉し、並進運動に依存した振動信号を生成する。格子か
らの表面付近の反射を局部発振の源として組み込むと、
以下の少なくとも幾つかを含む複数の利点が得られる。
1. 格子は、コヒーレントなホモダイン／ヘテロダイン
検出の光学構成で、ビームスプリッタと鏡との役割を組
み合わせた単一の素子であり、したがって光学システム
が単純で頑丈になり、位置合わせの要件が少なくなる。
2. 格子は、表面を格子の近距離場に配置すると、表面
から反射した照明の強度および／または位相を空間的に
周期的に変調させる。これによって、鏡面（ゼロ次）反
射を基準波として使用し、並進運動を検出することがで
きる。
3. 格子からの高次回折（±１次、±２次等）が、表面
反射のドップラ偏移を使用して表面の並進運動を検出す
るための局部発振場として働く。非鏡面反射の回折次数
で基準波と表面波との間の並進運動に依存する位相ずれ
は、並進運動を表す振動を生成する。回折次数が高くな
ると、解像度が向上する。
4. 並進運動の検出は、格子位置を周期的にずらすこと
によって周波数にバイアスをかけることができ（例えば
鋸歯状変調）、並進運動の大きさばかりでなく方向も判
定することができる。
5. 2次元格子は、２次元の横方向の運動を測定するた
め、基準（局部発振）波を提供し、１つの素子内で２つ
の直交する並進方向について表面の照明とそこからの反
射光とを変調する。
6. 異なる格子次数での測定は、表面の並進運動または
速度ベクトルの様々な成分を提供する。例えば、鏡面反
射の場合、格子に垂直な軸に沿った並進運動を、他の方
向の並進運動とは無関係に測定することができる。これ
によって３次元の並進運動の測定が可能となる。
7. 非対称格子の透過関数（振幅および／または位相）
によって、適切な信号の操作／解析を用いて、あらゆる
反射次数で方向を検出することができる。
8. 局部発振の位相ずれを、近距離場での格子による振
幅変調と組み合わせて使用して、周波数にバイアスをか
けると、１つの検出器を使用して２次元の（横方向およ
び軸方向の並進運動面で）同時に測定することができ
る。
空間フィルタリングに関する制約に加えて、格子と表
面との間に許容される距離は、概して格子の周期Λ、光
の波長λ、スペクトルのコヒーレンス幅Δλ、照明され
る面積、および入射ビームと反射ビームとの角度に依存
する。
格子で反射または回折した光を局部発振として使用す
る、本発明のこれらの好ましい実施形態の場合、表面12
と格子16との間隔は、約λ2/Δλで与えられる光のコヒ
ーレンス長より小さいことが最も好ましく、ここでΔλ
は検出器に到達する放射のスペクトル幅である（光源の
スペクトル幅である必要はない）。さらに、源のコヒー
レンス長は、回折ビーム幅にわたってコヒーレンスを維
持するため、ｎλL/Λより大きいことが好ましく、ここ
でＬは照明ビームの幅である。光路に沿ってスペクトル
に適切なフィルタをかけることにより、検出器に到達す
るスペクトル成分を制限することができ、必要に応じて
そのコヒーレンス長を増加させることができる。
変調した透過パターンが検出方法で重要な役割を果た
す本発明の好ましい実施形態の場合、格子と表面12との
間隔も、格子から近距離場の距離、つまりおよそΛ2/4
λ以内であるとよい。以下の実施形態では、間隔は近距
離場であると仮定する。この要件は、これが本質的でな
い場合は緩和される。
表面の相対運動は、様々な方法で測定することができ
る。入射の場と格子の場の透過関数をそれぞれ考えてみ
る。
格子は、周期Λの純粋な振幅格子と仮定し、したがっ
てその透過は実係数を伴う非負空間周波数の和である。
同様の形式が２進位相格子、または幾つかの一般位相格
子にも当てはまり、これも本発明を実施するに当たって
使用することができる。振幅と位相との両方の格子の一
般的ケースでは、位相遅延の項を加える。記述を単純化
するため、以下の記述は純粋な振幅格子に基づいてい
る。しかし、他の格子を使用することもでき、本発明の
幾つかの実施形態ではそれが好ましいことを理解された
い。以下の数学的処置の様々な部分では、重要でない一
定の因数も省略される。
格子領域には光源による平面波の照明（つまりコリメ
ートしたビーム）が仮定されるが、厳密にそうである必
要はなく、例えばシステムの別の部分（例えば空間フィ
ルタ）で非コリメートについては補償される。単純化の
ため、入射光は格子に垂直であるものとする（そして図
１に図示の通りではない）。（格子線の方向および／ま
たはそれに垂直な方向）に傾いた入射光は、実質的に同
じ結果を生じるが、反射角度がずれる。したがって、格
子の場は、鏡面反射成分（ゼロ次成分）を中心に対称形
に配置され、（ｎ次の）角度条件に従う一連の反射回折
次数を含む。
sin（α）＝ｎλ／Λ （３） 図１に示すように、検出器の前にある空間フィルタ
は、合焦レンズ18、およびレンズの焦点にある狭いピン
ホール20を備えることが好ましい。このような空間フィ
ルタは、検出器に到達する１つの空間周波数成分のみを
選択するよう調節することが好ましい。ピンホールは、
同様の芯径を有して光を離れた検出器に導く単一モード
光ファイバで置換することができる。空間フィルタは、
回折次数の１つが検出器に到達し、反射放射のホモダイ
ン検出、または下記のようなヘテロダイン検出のための
局部発振として働くよう位置合わせされる。局部発振の
場は下式によって与えられる。
ELO（ｔ）＝Encos（ω０＋ｎ） （４） ｎ番目の回折次数と同じ方向に移動する表面からの反
射の場は、表面とは無関係の反射の照明表面積の積分で
表される。格子の線（ｙ）に平行な方向、および表面に
垂直な方向（表面への光の透過に対応する）で積分する
と、下式に等しい反射の場が得られる。
ここでｒ（ｘ）およびφ（ｘ）はそれぞれ、位置に依存
する振幅および位相の、表面の反射度である。反射度
は、測定の時間に依存しないものとし、ｒもφも位置ｘ
の確率変数である。表面の初期位置からの並進運動はｐ
（ｔ）で与えられ、ｐ（０）＝０である。周期的な位相
の項２πnx/Λは、角度sin（α）＝ｎλ／Λでの反射か
ら得られる。積分区間はx1からx2で、両方とも照明面積
によって決定される。
基準座標系に対する静止表面および移動する格子の対
称性に対応して、積分変数をｘからｘ−ｐ（ｔ）へと変
更する。
積分区間はここではx1−ｐ（ｔ）からx2−ｐ（ｔ）へと
拡張されており、したがって時間に依存する。Ａ（ｘ）
をフーリエ級数で置換し、φｎ（ｘ）＝φ（ｘ）＋２π
nx/Λと書くと、下式が与えられる。
表面上の散乱体の（光学）位相は、並進運動ｐ（ｔ）
に一次従属し、φ＝φｎ（ｘ）＋２πnp（ｔ）／Λであ
る。鏡面反射（ｎ＝０）については、位相は一定であ
る。反射の場も局部発振の場も検出器に到達する。検出
器は強度を測定し、これは場の２乗に比例するので、強
度は下式で与えられる。
Ｉ(ｔ)＝(ELO(ｔ)＋Er(ｔ))２＝ELO(ｔ)２＋2ELO(ｔ)Er(ｔ)＋Er(ｔ)２ （８） 局部発振の場が反射の場よりはるかに大きい、つまり
ELO≫Erで、検出器の積分時間が光学的周期時間よりは
るかに長いが、Λ/nVmaxよりはるかに短いものとする
（ここでVmaxは最大測定速度である）。光学的振動数を
積分すると、DC成分のみ与えられ、他の変数は瞬時に検
出される。これらの仮定から、最初の強度の項を定数I
LO＝0.5ELO 2で置換し、３番目の強度の項を無視する、
つまりIr＝0.5Er 2＝０である。本発明の好適な実施形態
では、局部発振の場と反射の場との強度の比率は本質的
に大きい。というのは、格子からの反射が、特定の狭い
次数にのみ向けられ、拡散表面からの反射は広い角度に
散乱するからである。
以下の検討は、第３の項をゼロとするが、第３の項の
みがある、つまり表面から反射した光が格子で反射また
は回折した基準光と組み合わされない場合でも、空間透
過変調を使用する並進運動の測定は可能である。これは
（所望に応じて）、格子の次数間の角度を選択すること
によって達成することができる。これは、位置合わせの
制約を大幅に緩和させるという利点（光が空間フィルタ
の焦点面にあることのみを必要とする）を有するが、一
般に精度が下がり、信号対雑音比が低くなる。
局部発振の場は、信号検出の第１段階で非常に強力な
増幅器として働く。この点で、局部発振の場を可能な限
りノイズのない状態に維持することが非常に好ましい。
というのは、そこでのノイズが検出された信号に直接伝
達されるからである。
測定された交差項は下式に等しい。
Is（ｔ）＝Encos（ω0t＋ｎ）Er（ｔ） （９） 発振の場の項cos（ω0t）をEr（ｔ）の積分に挿入
し、（７）の最も右のコサインにコサイン和の関係式co
sαcosβ＝0.5（cos（α＋β）＋cos（α−β））を使
用すると、１つの強度成分が光学的振動数の２倍（２ω
０）となり、別の強度成分はゆっくり変動する位相とな
る。高速で振動する成分は、検出器の時間応答により、
平均するとゼロになる。残りの信号は下式の通りとな
る。
合計を積分で置き換えると、各項の合計への寄与は下
式の通りとなる。
c0,c1≫｛cm,m＞１｝とする。したがって、最後の要
件によって格子の高調波の合計で最後の２項、つまりｍ
＝０およびｍ＝１の項のみに注目することができる。こ
れらの２つの項について、下式のように書くことができ
る。
次に、格子から反射および回折した波の特定の回折次
数に注目すると、ｎ＝０（鏡面反射）およびｎ＝±１方
向である。
鏡面反射の項では、ｍ＝０の寄与は下式の通りであ
る。
輝度が一定の拡散性表面では、この項はほぼ一定とな
り、表面からの平均反射が変化すると、それにつれてゆ
っくり変化する。ｍ＝１の項は下式の通りである。
ここで強度Ｉ（ｔ）および位相θ（ｔ）は、空間周波数
1/Λでの拡散性表面の振幅および位相反射に対応する確
率変数の積分の結果である。空間波長Λより大きい単一
反射器での拡散性表面では、粒子境界が寄与し、粒子サ
イズが小さい拡散性表面では、1/dまでの全空間周波数
について強い寄与があり、ここでｄは平均粒子サイズで
ある。
これらの「ランダムウォーク」変数の変化率は、任意
の反射中心｛xi｝の組が新しい組に置換されるのにかか
る平均時間に依存し、これは上記の積分領域τ∝（x1−
x2）/v＝L/vの変化に関係し、ここでｖは瞬間速度、Ｌ
は格子の照明サイズである。Ｌ≫Λのように多数の格子
周期が照明されている場合、結果は、統計上の振幅およ
び位相がゆっくり変動する高速振動である。並進運動測
定の誤差はΛ/Lに比例し、速度には依存しない。
要するに、鏡面反射の並進運動測定の場合は、以下の
通りである。
1.検出器出力部での信号測定値はv/Λの周波数で振動す
る。検出およびこの信号のゼロクロス点のカウントによ
り、並進運動が直接測定され、測定中に並進運動の方向
が変化しないとすると、各ゼロクロスはΔｐ＝Λ/2の並
進運動に対応する。
2.測定された信号の振幅および位相は、ゆっくり変動す
る統計上の集合の和である。測定の相対的精度はΛ/Lに
比例し、Ｌは照明される格子のサイズである。
3.表面と格子との間隔は、近距離場の距離（≒Λ2/4
λ）および検出器に到達する光のコヒーレンス長（≒λ
2/Δλ）の両方より小さいことが好ましい。
鏡面反射と異なり、１次反射にはドップラ位相ずれも
ある。再びｍ＝０、１の寄与を見てみると、空間周波数
成分で下式が与えられる。
（15）の場合のように（16）のコサインの項を分解す
ると、下式のようになる。
同様に、ｍ＝１項の場合、式（17）は下式のようにな
る。
等式（19）は、平均的な検出器の信号を大きくしゆっ
くり変動する項（「DC」成分）を無視している。等式
（16）〜（19）を分析すると、c0≫c1の場合、信号のゼ
ロクロスがΔｐ＝Λ/2に相当し、c0≪c1の場合はゼロク
ロスがΔｐ＝Λ/4に相当する。この結果は他の反射次数
ｎ＞１に拡張することができる。c0≫c1の場合、信号測
定値はnp（ｔ）／Λに従って振動する。|n|＞１の場
合、c1の項は、高い方の周波数信号の振幅変調の場合と
同様に、c0の振動の周囲の２つの側帯波で振動する量に
なる。ｍ＝０の項は近距離場の条件を必要とせず、した
がって移動する表面への距離を近距離場の限界≒Λ2/4
λより大きくなるように（しかしコヒーレンス長≒λ2/
Δλより小さいことが好ましい）固定すると、ｍ＝０の
寄与が優勢になることに留意されたい。あるいは、近距
離場でも、c0≫c1のような格子の透過関数を使用するこ
とが好ましい。
好ましいドップラ操作モードでは、入射照明を検出器
へと回折させることによって局部発振を生成するため、
格子を使用する。しかし、透過でも回折次数が存在する
ことがある（例えば、純粋な振幅格子を使用する場
合）。このような次数があると、格子の近距離場の外側
でも表面が複数のビームで照明され、表面から検出器へ
と反射する照明の回折が複数のビームとなることがあ
る。したがって、各検出器が複数のドップラ成分を検出
し、それぞれが検出器を照明する局部発振の場と干渉す
る透過および反射した次数の組合せのドップラ偏移に相
当し、「光学的クロストーク」を構成することになる。
本発明の好ましい実施形態では、１本のビームで表面
の照明を行い、上記の「光学的クロストーク」を解消す
る。同様に、表面から反射した照明を格子で回折しない
方がよい。したがって、格子の非ゼロ透過次数は最小限
に抑えるとよく、除去することが好ましい。反射の次数
を使用して局部発振の場を生成するために、回折格子を
使用することが好ましく、これは実質的に透過次数を１
つしか持たないよう設計される（つまり１本のビームで
表面を照明し、表面の照明が表面上で干渉パターンを構
成しない）。また、表面から反射した照明は、所望に応
じて、検出器に向かって格子を通過する時に、前方に回
折しない。
この原理を実現する例示的な回折格子800を示す図24
を参照する。格子は、屈折率がngで別の屈折率nsの媒質
中に配された２進位相格子と仮定する。格子は、深さｈ
の矩形の溝802を組み込むことが好ましい。入射法線照
明804の場合、格子の内側806からの反射の相対位相差は
Pr＝2ng・h/λであり、透過ビーム808の場合、相対位相
差はPt＝（ng−ns）・h/λである。Ptが自然数の場合は
無視できる高次の透過が獲得され、したがって最小溝深
さはｈ＝λ／（ng−ns）である。それと同時に、反射効
率は反射の光学的位相差に依存し、これは溝の深さを代
入した後には である。空気が１つの格子の透過側にあり（ns＝１）、
ゼロ次反射を最小限に抑える（pr＝Ｍ＋1/2、Ｍは自然
数）場合、 となる。例えば、Ｍ＝５で波長が850nm、屈折率がng≒
1.57の場合、溝の深さが約1.5マイクロメートルである
と逆回折効率が最適になり、ゼロ次のみが透過するので
理想的である。
図25は実質的にゼロ次の透過しかなく、少なくとも１
次の逆回折を有する格子810を生成する別の方法を示
す。本発明の好ましい実施形態によると、回折位相格子
812は、反射係数が制御された部分的反射器として機能
する金属（または誘導体）層814で被覆される。この被
覆は、例えば被覆材料を格子の表面にスパッタリングま
たは蒸着させて形成することができる。層814の他方側
は、屈折率が格子材料と基本的に等しい光学媒質816で
充填される。通常この材料は、格子を参照番号818で示
す偏光子、波長板または保護ガラスに取り付ける光学的
接着剤、または素子816と818を結合するエポキシ成形品
でよい。
この構造では、透過放射上に格子によって光路に差が
あると、光学的接着剤の対応する光路の差によって補償
され、したがって複合体の配置の出口の位相面は変化し
ない。したがって、ゼロ次以外に実質的に透過次数はな
い。これに対して、逆回折は、異なる位置、例えば溝80
2の内縁820と外縁822における層814からの反射の位相の
差によって達成される。
図25に示す方法の利点は、層814の反射および透過を
変更することにより、反射（および逆回折）および透過
した格子照明のパワーを都合良く制御できることであ
る。この効果は、例えば信号対雑音比を最大にし、放射
を目に安全なレベルに制限するのに使用することができ
る。
図25に示すような透過の格子回折を取り除く方法は、
複雑な位相パターンに適しており、２進位相格子に限ら
れるものではない。また、透過と反射とを別個に制御す
ることが望ましい回折性レンズおよび他の回折性光学素
子にも適用することができる。透過は、光学素子の他方
の外表面824にある第２の回折または屈折特性によって
変更することもできる。
c0振動に関連する周波数は、軸方向（垂直）ばかりで
なく横方向の並進運動成分（以下で述べる）にも依存す
る。逆に、（c1成分による）振幅変調は、横方向の成分
にのみ依存する。c0振動の周波数が十分に高い場合、こ
の周波数は、振幅変調周波数の検出と同時に、上記の周
波数関連の技術で測定し、横方向の並進運動成分を測定
することができる。この方法で、１つの検出器を使用し
て２次元の並進運動測定（表面の面に垂直な運動、つま
り軸方向の並進運動を含む）を達成することができる。
基準信号の周波数にバイアスをかけることにより、搬
送波周波数と振幅変調周波数との比率を大きくし、測定
精度を改善するばかりでなく、並進運動の方向を検出す
ることもできる。また、格子からの鏡面反射を局部発振
を使用すると、横方向の並進運動成分（振幅変調で示
す）と軸方向の並進運動成分（搬送波周波数の位相また
は周波数ずれで示す）とを明確に区別することができ
る。
さらに、横方向の並進運動方向を検出するため、位相
ずれを図２に例示するような、格子の非対称透過パター
ン（例えば鋸歯状パターン）と組み合わせることができ
る。あるいは、２次元の方向検出のために格子を変位さ
せてもよく、以下でさらに詳細に説明するように、静的
な位相の変更を使用することもできる。静的な位相の変
更とは、２つの信号の位相が所定量、静的に、ずらされ
た状態をいう。
本質的に、本発明の非鏡面回折の実施形態では、検出
器による検出のために２つの準平面波を選択する。この
波の一方は、格子からのｎ次回折の結果である。第２の
平面波は、表面からの反射から１つの平面波を（空間フ
ィルタで）選択することによって生成される。
要するに、非鏡面回折を使用して並進運動を測定する
場合は以下の通りである（理解しやすいよう、速度は一
定とする）。
1.検出器出力で測定する信号は、nv/Λの周波数で振動
し、ここでｎは次数である。この信号のゼロクロス点を
検出してカウントすると、並進運動が直接測定され、測
定中に並進運動の方向が切り替わらなければ、各ゼロク
ロスはΛ/2nの並進運動に対応する。
2.測定された信号の振幅および位相は、ゆっくり変動す
る統計上の集合の和である。測定の相対的精度はΛ/nL
に比例し、ここでＬは照明される格子のサイズであり、
これはｎλL/Λより大きいことが好ましい。
3.表面と格子との間の距離は、検出器に到達する光のコ
ヒーレンス長さλ2/Δλより小さいことが好ましい。
時間で変動する絶対並進運動|p（ｔ）｜を非常に正確
に測定することができるが、その方向は以下で述べる方
法の１つを用いて判定することが好ましい。
本発明の１つの好ましい実施形態では、方向は、基準
（局部発振）の場と反射した場との間に追加的位相ずれ
を与えることにより判定することができる。この追加的
位相ずれは、例えば格子を表面に近づけるか、表面から
遠ざけることによって発生させることができる。この動
作は、表面に入射する場の位相を変更せず、したがって
表面から反射した場は上記で与えられた場と等しい。し
かし、局部発振の場は、上記の格子と表面の距離を変化
させる並進運動による追加的位相ずれを受け、これは、
格子の変位ｄ（ｔ）に依存する。
格子と表面との間の距離をほぼ一定に維持し、反射し
た場と局部発振の場との間に固定した周波数ずれを導入
することは、ｄ（ｔ）を鋸歯状周期関数にすることによ
って達成できる。
ここでτを鋸歯のサイクル時間とし、鋸歯の振幅を固定
すると、ｎ次回折での反射で２πの位相ずれ（または２
πの倍数）が与えられる。この運動による周波数ずれは
τ-1であり、τ-1＞nv/Λが維持されれば、検出器の信
号の振動周波数による曖昧さ、つまりτ-1＋nv/Λがな
く、運動方向が判定される。あるいは、検出した信号の
ゼロクロスをカウントし、これを発振器周波数τ-1の同
時カウントの結果から引くことにより、並進運動（プラ
スおよびマイナスの両方）が直接判定される。
鋸歯状振幅が理想的でない（つまりこれが波長の整数
倍数に相当しない）場合でも、方向を決定することはで
きるが、式はより複雑になる。本明細書では、「鋸歯」
という用語はこのような理想的でないものを含む。
局部発振の場と表面から反射した場との間に周波的位
相ずれを導入する代替方法は、格子と表面との間の光路
長を調整することである。これは、透明な圧電素子を格
子と表面との間に装着して達成することが好ましい。
並進運動の方向を検出できるように、正方向の相対並
進運動と負方向の相対並進運動との対称性を破る代替方
法は、格子の透過（振幅および／または位相）関数に非
対称の関数を使用することである。単純化のため、式を
振幅格子について展開する。単純化のため、格子は並進
運動の軸方向における格子間隔より大きく、格子を通し
てｋポイントの散乱体を照明するものとする。照明され
る区域に出入りする散乱体は無視される（これは包括的
な処置ではノイズ要因として現れる）。局部発振（ここ
ではずれていない）と干渉し、光学的振動数にフィルタ
をかけた後、結果として生じた信号は下式のように書く
ことができる。
ここで、ri、xiおよびφｉはそれぞれ散乱体ｉの反射
率、（ｔ＝０の時点の）位置および（局部発振に対す
る）相対位相である。拡散体の場合、これらは全て確率
変数である。このような検出器信号の表現を、以下の方
向検出のメカニズムに使用する。
鏡面反射の場合は、下式の通りである。
並進運動の方向の判定に用いる積分時間の間、ｐ
（ｔ）＝vtつまり表面速度の変化は比較的小さいものと
する。したがって、受信した信号の第１および第２導関
数は下式の通りである。
となるよう構成されるものとする。この特殊なケースで
は、▲Ｉ″ ｓ▼（ｔ）＝ηｖ・▲Ｉ′ ｓ▼（ｔ）である
ことが明白である。したがって、並進運動の速度の大き
さ、およびより重要な符号（つまり並進運動の方向）
は、検出器信号の第１および第２時導関数の比率から導
くことができる。
方向を決定するための積分時間中、速度が一定である
と仮定できない場合には、測定した並進運動（ゼロクロ
スから、または高精度で同時に動作する別の検出器から
得られる）について導関数を求めてもい。（速度の大き
さは不要で）方向のみが必要な場合は、第１および第２
導関数が同じ符号（１方向）または異なる符号（反対方
向）を有するかどうかを検査するだけで十分である。導
関数の符号を検出した後、単純XOR（排他的OR）の操作
で、ηの符号がｖの符号と反対であれば「１」となり、
同じであれば「０」となる。
一定の導関数比率を満足するＡ（ｘ）の一例は、下式
のような指数の組合せである。
ここで非対称透過パターンはサイクルΛで反復的であ
る。このパターンでは、第１および第２（および実際に
は全部の）導関数が、必要に応じてη＝−γ／Λという
一定の比率を有することが明白である。しかし、Λ/2の
倍数にある特異点が、測定に「ノイズ」を導入する。こ
れらの特異点は、散乱体の数が多くなるにつれて誤差の
確率を高める。というのは、散乱体が通過する時に受信
した信号に１個ずつ現れるからである。方向検出の積分
時間が増大するにつれ、相対的なノイズの寄与は低下す
る。
パターンは、表面上での照明の強度により形成され
る。このため、近距離場を構成する必要条件は、ｎ＝０
の鏡面反射において、並進運動の大きさだけを測定する
場合の条件より厳しい。図２に、γ＝５の場合、推定さ
れる透過パターンを示す。このような、照明の強度によ
るパターンの形成は、図２に示すような振幅透過関数を
有する格子に、部分的に反射／透過する特性を与えるこ
とにより達成することができる。
このような透過パターンにより緩和された必要要件
は、導関数の符号が一定関係を有することである（つま
り、導関数はパターンに沿って厳密に比例するわけでは
ないが、比率ηの符号は一定となる）。この場合も１つ
の散乱体で方向の検出が保証されるが、散乱体の数が増
えるにつれて、（特異体の影響がなくても）誤差の確率
は前者より高くなる。
高次回折（|n|≫１）でも同様の分析が可能である。
この場合も、単純化のために表面は一定の速度ｖで移動
するものとする。式（21）は、周波数nv/Λを有する搬
送波の振幅変調信号の和と見なすことができる。
次に、Ａ（ｘ）が非対称（つまり鋸歯状波形）である
とする。|n|≫１の場合、「プラス」方向の並進運動に
おいては、検出器の信号包絡線は透過関数と一致し、逆
方向の場合には逆の形になる。したがって、散乱体の数
が少ない（限界は格子の次数ｎによって決まる）場合、
並進運動の方向は検出された信号の包絡線の第１導関数
の符号で表される。また、包絡線導関数の大きさは、並
進運動の速度の大きさに比例する。
非対称の透過パターンによって、スペックル速度測定
法で方向を検出することができる。任意のスペックル・
パターンから生じ、検出器に隣接する強度透過パターン
Ａ（ｘ）の格子でフィルタをかけた検出器の信号は、下
式で表すことができる。
ここでriおよびxiは、それぞれｉ番目の「スペックル」
の強度および位置であり、ｐ（ｔ）は表面の並進運動で
ある。並進運動が一定速度ｐ（ｔ）＝vtとすると、検出
器信号の時間導関数は下式の通りになる。
強度riはプラスの値である。したがって、dA/dxが一
定の場合、検出器信号の導関数は並進運動の方向を示
す。このようなパターンは、鋸歯状の透過パターンを使
用して達成される。パターンの不連続性が測定にノイズ
を加えるので、エラーの確率を制限するために、適切な
積分間隔を使用する必要がある。運動速度は検出器信号
の振動周波数から決定される。
OTM装置の相補的構成要素として、機械的または他の
手段（例えば加速度計）を使用して運動方向を決定する
ことも可能である。
上述したように、光源の振幅の変動は、局部発振の場
を介して受信する信号に直接伝達される。このようなノ
イズを最小限に抑えるため、本発明の好ましい実施形態
によると、光源の振幅に比例する信号を検出し、その結
果生じた信号（「補正」検出器および信号と呼ぶ）を検
出器の信号から引く。この検出は、例えば以下のいずれ
かによって実行することができる。
・光源ビームをビームスプリッタ（正確に位置合わせす
る必要はない）で分割し、分岐したビームを補正検出器
に向ける。
・格子から回折したビームのいずれかを、空間フィルタ
にかけずに補正検出器に向ける（しかし、大幅に減衰し
ている可能性がある）。これは、空間フィルタの測定に
使用しない格子次数の１つであると都合がよい。例えば
１次を空間フィルタ、０次を光源ノイズの補正に使用す
る。
・図19Dに関して詳細に説明するように、表面からの反
射が偏光子で遮断されるよう、１つまたは複数の格子次
数を１つまたは複数の補正検出器に向ける。
補正検出器の出力は、表面が装置に対して移動してい
ない場合（または「窓」が不透明なカバーで閉じられて
いる場合）に、差信号が可能な限りゼロに近くなり、従
って局部発振の出力変動を補正されるよう、増幅（また
は減衰）される。
式（８）で述べたような検出された強度（およびその
結果得られた検出信号）は、局部発振成分ELO 2（＝
E0 2）、交差項E0Erおよび２次表面反射項Er 2を含む。
Er成分のE0乗数の変動を補正するため、補正検出器か
らの信号は信号増幅の段階の１つ（E0 2成分を引いた第
１の補正の後）で利得制御増幅器の制御電圧でよい。利
得は、補正信号の平方根の逆数にほぼ比例するはずであ
る。
信号の品質を最高にするためEr 2成分も補正すること
が好ましい。これは、光を収束することにより物理的な
ピンホールと同等の効果を得ることのできる「実効ピン
ホール」（以下で説明）を使用して反射した表面照明に
空間フィルタをかける実施形態に特に有用である。この
実施形態では、Er 2成分が積分される検出器の露光領域
は、「実効ピンホール」区域よりはるかに大きくてよ
い。Er 2成分は、局部発振の場を検出しない検出器を使
用して補正することができる。補正検出器は、基本的に
どの格子次数も入らないよう配置するのが良い。あるい
は、局部発振の場があると、それを効果的に遮断するよ
う、偏光のみを検出してもよい。これは、例えば検出器
の前に偏光子を配置することによって実現することがで
きる。
Er 2成分の変化は、概して表面のコントラストの変化
によって生じ、これは例えば異なる色の反射係数の差に
よるものである。しかし、反射率の高い表面（例えばラ
ミネート紙）の反射は、図26Aで示すように、鏡面反射
の角度に近い反射角度の小さい変化にも感度を有する。
単純化するため、図26A〜図26Cは、光源832から格子830
への垂直照明を示し、表面836以外には１つの検出器834
のみを示す。Er 2成分の変化を小さくするため、図26Bの
ように検出器が表面の鏡面反射から遠くに配置されるよ
う、光源と検出器を配置することが好ましい。あるい
は、表面から検出器への鏡面反射は、図26Cのように、
構成要素全体を表面の面に対して検出器方向とは反対に
数度傾斜させることによって回避することができる。し
かし傾斜角度がドップラ周波数に与える影響を考慮しな
ければならない。（図21に関して述べるような）表面に
垂直な方向（Ｚ軸方向）の補正（Ｚ補正）を用いて、傾
斜角度の精度に対する測定の感度を大幅に下げることが
好ましい。
図3Aは、ゼロ次検出を使用し、方向の検出を組み込ま
ない、または方向の検出が非対称の格子透過パターンお
よび適切な信号分析に基づく、本発明の好ましい実施形
態による並進運動検出器の好ましい実施例を示す。図3A
は、大量生産に適した一体型光学チップ並進運動装置30
を示す。これは、低価格で大量生産できる数個の構成要
素しか使用していない。装置30はレーザ・ダイオード32
を備え、これは単一横モード・レーザであることが好ま
しい。レーザ・ダイオード32からのレーザ光は、レンズ
34でコリメートすることが好ましく、これはガラス、ク
ォーツ等の光学チップ基板36の表面にエッチングまたは
蒸着し、好ましくは指定区域以外は両側を非反射層で被
覆した回折性コリメートレンズであることが好ましい。
格子38は振幅および／または位相タイプ格子でよく、こ
れは光学チップ基板36に装着される。格子38は、基板36
の下面にエッチングまたは蒸着することが好ましい。格
子で反射した光および表面42から反射した光は、２つの
反射性表面40および41によって反射し、好ましくは反射
回折集束レンズであって、光学チップ基板36の表面にエ
ッチングされたレンズ44で焦点を合わせる。光はさら
に、反射面45で反射する。レンズ44の焦点位置に形成さ
れた反射性／不透明層に形成されたピンホール46は、表
面42からの平面波および格子38からの反射光のみを、例
えばPIN発光ダイオードまたは同様のデバイスである検
出器50へと通過させる。補正検出器52は、レンズ44の背
後に配置し、格子38から反射した光の部分を検出するこ
とが好ましい。制御装置54は、レーザ・ダイオード32を
駆動するレーザ・ダイオード・ドライバ／変調器、検出
増幅器およびゼロクロスカウント回路または周波数検出
手段を備え、表面の並進運動または速度の判定に使用さ
れる。補正検出器52は、レーザ出力の変動の残留効果が
ある場合はそれを減少させるため、局部発振の振幅に比
例する補正信号を供給する。ノイズ減少のため、撚り線
対、遮蔽線または同軸ケーブルを使用し、制御装置54と
の間で信号をやりとりすることが好ましい。装置には、
格子38の損傷を防止し、格子と表面との間の距離をかな
り一定に維持するため、装置を表面42に載せる脚部また
はリング支持部56または他のこのような手段を設けるこ
とが好ましい。
図3Bは、局部発振の位相ずれで方向を検出し、格子か
らの１次回折を使用する、本発明の好ましい代替実施形
態を示す。機能的に等しい要素には、図3Aおよび図3Bの
両方で同じ参照番号を付す。図3Bは、レーザ・ダイオー
ド32からの光がレンズ62によってコリメートされ、格子
38に当たる装置60を示す。格子38は、圧電リング64（光
学基板36に装着される）に装着することが好ましい。上
述したように方向の検出を可能とするため、リング64を
励起して、局部発振（格子38から回折した光）に可変位
相を加える。図3Bに示す実施形態では、一方で並進運動
および方向の検出、他方で補正検出に使用する信号の検
出は両方とも、格子38による１次回折に基づくが、符号
が反対である。適宜、反射防止膜を使用して、望ましく
ない反射を減少させることが好ましい。
一体型光学チップが好ましい実装であるのは、低コス
トで大量生産できるからである。図は、１つの方向のた
めに１つの検出器しか図示していないが、第２の検出器
が直交方向を測定することが好ましい。光学素子、つま
りレンズ、格子、鏡およびピンホールは全て、光学基板
上にエッチングされるか蒸着され、機能に応じて反射性
または透過性である。システムの個別に構成される素
子、つまりレーザ・ダイオード、検出器および圧電変換
器は、チップの頂部に装着される。制御装置54の電子部
品も、チップの頂部に製造するか、配置するのが良い。
図3Aおよび図3Bの特徴を混合し、組み合わせられるこ
とを理解されたい。例えば、図3Aで格子38をリング64等
の変換器に装着すると、その結果、ダイナミック・レン
ジが広がり、場合によっては追加の軸方向の並進運動を
検出する、鏡面反射（ゼロ次）モードで作動するデバイ
スになる。さらに、方向検出のために、図3Bの格子38お
よびリング64の代わりに非対称格子を使用することが可
能である。本発明の以上およびその他の好ましい実施形
態では、本発明の様々な態様を組み合わせることが当業
者には想起される。
図3Cは、本発明の好ましい実施形態による、さらに別
の方向判定方法を示す。図3Cの装置70は図3Bの装置60と
同様であるが、格子38がチップ36の下面に配置され、複
屈折板66が圧電リング64の代わりに設けられている。光
源32は、板66の複屈折軸に対して45度の角度にある極性
を有する直線偏光を生成する。表面から反射した放射
は、板66を２回通過し、２つの波で構成され、それぞれ
が格子38で反射または回折した放射に対して45度の偏光
方向を有する。またこれらの波が互いに90度の位相差で
あることが理想である。
また、偏光ビームスプリッタ68を、検出器50の前に配
置することが好ましい。その軸は、一方の偏光が検出器
50に伝達され、直交する偏光が検出器67に向けて反射さ
れるような軸である。また、ビームスプリッタ68は格子
38で反射または回折した放射の半分を、検出器50および
67のそれぞれに向ける。その結果生じた、検出器67およ
び50で検出される信号は、90度の位相差を有する。位相
差の符号を使用して、運動の方向を判別することができ
る。
あるいは、部分的に反射する鏡を使用して、放射を２
つの部分に分離し、直交する偏光器を２つの検出器の前
にそれぞれ配置して、偏光を分離する。
格子の照明はコリメートすることが好ましい。しか
し、コリメートしていない照明も使用することができ、
その場合、格子からの回折は非点収差になる（つまり１
つの焦点面を持たなくなる）。空間フィルタリングが最
適になるよう、この効果を補正することが好ましい。１
つまたは複数のレンズを、格子の非点収差を補正するよ
う設計すると都合がよい。代替的または追加的に、格子
自体を、非点収差補正を含むよう設計することもでき
る。同様の非点収差の影響および補正が、非コリメート
光で照明された他の回折素子にも予想される。
本発明を、並進運動測定の一般的問題の解決に関して
以上で様々な実施形態で述べているが、方法は多数の製
品に適用することができる。本発明の光学並進運動測定
法の１つの特定の用途は、新規な光学式カーソル制御装
置（マウス）であり、これは並進運動の情報を、紙また
はデスクトップなどのほぼあらゆる拡散性表面上の運動
から得る。本発明の好ましい実施形態によると、このよ
うな装置の１つのデザインを図４に示す。光学マウス80
は「光学チップ」82を備え、これは装置30、装置60、装
置70またはその変形などの装置であることが好ましい。
チップ82は筐体84内に装着され、筐体84の光学開口86を
通して紙42に面している。チップ82からの入出力リード
線は、装置30、60または70のコントローラに対応する電
子回路90を装着したプリント回路基板88などに接続する
ことが好ましい。また、PC基板88には、従来通りのマウ
スと同様に１つまたは複数の押しボタン94で起動する１
つまたは複数のスイッチ92も装着される。マウスはケー
ブル96を介して、または無線接続でコンピュータに接続
すると都合がよい。
以上で述べた本発明の好ましい実施形態による測定法
は、ダイナミック・レンジが広い並進運動速度を考慮
し、通常のマウス操作に必要な範囲を全てカバーする。
このような装置は、紙またはデスクトップなどの十分に
拡散する反射性表面上におけるマウスの運動に応答し
て、カーソルを表示画面上のある位置から別の位置へと
移動させる直交信号を提供する「パッドなし光学マウ
ス」と特徴付けることができる。したがって、特別なコ
ントラストマーキングや特殊なパターンは必要ない。
マウス・システムは、通常、表面（通常は「マウス・
パッド」）上の手の並進運動を測定するため、機械的変
換器を使用する。マウス・システムに使用する、可動部
品がなく、信頼でき、正確な並進運動測定テクノロジー
に対する必要性は、今日、十分認められている。幾つか
の光学装置が開発されたが、専用のパターン化したパッ
ドが必要であったり、変換性能が低かったり、コストが
高いなど、まだ様々な欠点がある。
本発明の１つの実施形態による光学パッドなしマウス
は、使用者の都合にしたがって２通りの方法で使用する
ことができる。「通常の」マウスとして使用することが
でき、マウスを表面の上で移動させ、その表面に対する
運動を測定する。また、所望に応じてひっくり返し、装
置の開口に沿って指を動かして使用することもできる。
静止しているマウス本体に対する指の動作を測定するの
である。
このような装置の１つ100を図5Aおよび図5Bに示す。
図5Aの装置は構造的には図４の装置の構造に似ている
（そして比較を容易にするため、２つの図では同じ参照
番号を使用する）が、ボタン94が装置100の筐体84の側
部にある。図5Aに示す態様では、装置100は静止してお
り、オペレータの指102の動作を追跡するのに使用され
る。装置100をひっくり返し、図４のマウスとほぼ同じ
方法でマウスとして使用できることが明白なはずであ
る。図5Bは、装置の斜視図を示し、装置100を普通のマ
ウスとして、または図5Aおよび図5Bに示すモードで使用
するかを示すのに使用する光学スイッチ104を示す。あ
るいは、このようなスイッチは、装置に取り付けられて
いるモードを自動的に切り替える重力スイッチでもよ
い。一般に、装置がどちらのモードで作動しているか知
ることが望ましい。というのは、カーソルの移動方向が
２つのモードでは反対であり、通常、所望の感度が２つ
のモードでは異なるからである。
さらに、本発明のように小さい開口を有する並進運動
測定装置を使用し、開口に沿って指を動かすと、タッチ
・パッドとほぼ同じように、指の並進運動を測定してカ
ーソルを動かすことができる。この機能を「タッチ・ポ
イント」と呼ぶことができ、キーボード上の専用の微小
な場所にも使用することができる。この装置は図５の装
置と等しくなるが、光学チップがスイッチのようにキー
ボードに取り付けられる。また、スクローリング・ホイ
ールの代替品として、マウスの頂部にOTM「タッチ・ポ
イント」を使用することができる。「クリック」は、例
えば指をタッチ・ポイントの範囲に入れるか、出すかに
よって検出することができる。
この装置は、例えばラップトップまたはパームトップ
・コンピュータに使用されているポインティング・デバ
イスなど、マウス以外のポインティング・デバイスに代
わって使用することができる。このような装置を使用し
て、ほぼ全ての１または２次元の動作を制御することが
できる。
現在、ラップトップ・コンピュータのポインティング
・デバイスは、トラック・ボール、タッチ・パッド、ト
ラックポイント（ニップル）または付属のマウスを使用
する。これらの装置には様々な欠点がある。特に、トラ
ック・ボールは通常のマウスと同様に埃が付き、タッチ
・パッドは湿気に敏感で、多くのユーザにとっては使い
にくいと認められ、トラックポイントはアイドル状態で
いるべき時にドリフトし、付属マウスは微細で、作業に
はデスクトップが必要である。
タッチ・ポイント・デバイスはサイズが小さく、作業
用の口は1mm2未満にすることができ、高い解像度とダイ
ナミック・レンジを提供する。これによって、ラップト
ップ・コンピュータに組み込むポインティング・デバイ
スとして理想的な解決法となる。デバイスは指を開口の
面で動かすことによって、タッチ・パッドを使用するの
と多少似た方法で操作される。違いは、開口がタッチ・
パッドと比較すると非常に小さいサイズであるというこ
とであり、湿気のような問題がなく、信頼性が高いと予
想されることである。実際、幾つかのタッチ・ポイント
・デバイスを、キー上、キーの間、または画面の隣な
ど、１つのラップトップまたはパームトップに簡単に組
み込むことができる。また、タッチ・ポイント・デバイ
スの下に感圧デバイスを含め、タッチ・ポイントの感度
をタッチ・ポイント上の指の圧力に反応するようにする
ことができる。
本発明の好ましい実施形態では、２つのタッチ・ポイ
ントが提供され、それは第１のタッチ・ポイントおよび
これに反応してポインタを移動させる回路と、第２のタ
ッチ・ポイントおよびこれに反応してスクロールさせる
回路である。
本発明のさらなる好ましい実施形態では、本発明を改
良型の並進運動および／または速度測定システムとし
て、テキストの行（または他のパターン）を走査して、
これを後にPCにダウンロードするため格納したり、OCR
ソフトウェアを使用してASCIIコードに変換したりする
ことができる走査ペンに使用することができる。このよ
うなデバイスの一例を図６に示す。走査ペン120は、典
型的な行の高さを走査するのに十分な広さの１次元また
は２次元アレイの光検出器（CCDアレイなど）122および
レンズ123、および従来通りのライト・ペンの場合のよ
うな光源124を伴う「読み取り」ヘッドを備える。ペン
のヘッドは、走査される紙上でのペン・ヘッドの並進運
動を１または２軸測定し、場合によっては回転情報を抽
出する別の測定をするため、本発明による光学並進運動
測定システム82も含む。これで、ペンは走査した行をビ
ットマップ・ファイルとして格納する（手書きまたは図
面に適する）か、内部OCRアルゴリズムを使用して即座
にこれをバイナリ・テキストに変換することができる。
格納された情報は、後にコンピュータ・パームトップま
たは電話などにダウンロードしてよい。このため、およ
びペン120の様々なデバイスに動力を提供して制御する
ため、コントローラまたはマイクロプロセッサ128およ
びバッテリ129を設ける。
本発明の光学並進運動法は、サイズが小さく、便利に
使用でき、正確な装置を可能とする。高精度は、現在の
機械的なマウスと比較した本発明の方法の本質的な高精
度、および２または３次元での測定の容易さの結果であ
る。今日市販されている同様の装置はパターン化したホ
イールを使用し、これは走査中に走査される表面に押し
つけられ、ホイールの回転角度を検出して並進運動を測
定するために回転させられる。この技術は、行に沿った
位置のみで、垂直軸に沿っては検出せず、比較的低い精
度のために、使用できる用途の範囲が制限される。
本発明の光学並進運動法および装置のさらなる好まし
い用途は、署名を走査し、これを認証システムに中継す
る携帯用または固定の装置である。原理は走査ペンと同
様で、署名リーダーは、（CCDアレイなどの）１次元ま
たは２次元アレイの光検出器を伴う「読み取り」ヘッド
を含む。これは、より広い、または高さの高い署名を読
み取ることができるよう、走査ペンより広い開口を有
し、走査される署名上で装置を動かす手または器具の２
軸並進運動を検出するため、光学並進運動測定装置を含
む。署名リーダーは、テキスト・ファイルを作成しない
ので、OCRを含まない。これは（直接の配線またはワイ
ヤレス・リンク、またはオフライン・システムを通し
て）「認証センター」に接続され、ここで走査した署名
を照合するために「基準署名」と比較する。この装置
は、正確ながら安価で小さく、簡単に使えるものにする
ことができる。
上述した装置および方法のさらに別の用途は、エンコ
ーダの分野にある。本発明は、ほぼマークのないエンコ
ーダによって、エンコーダのホイール上または表面上に
非常に正確なマーキングを必要とする直線エンコーダお
よび角エンコーダに取って代わることができる。本発明
のこの態様による角エンコーダ130を図７に示す。エン
コーダ130は、シャフト131に装着された拡散反射性表面
132を有するディスクを備える。これは、好ましくは基
本的に上述のような光学チップ82およびコントローラ90
も含む。表面132には、エンコーダ用および回転中の角
度の読み取りに発生するようなエラー補正用に基準マー
クとして作用する１つまたは２つの放射状のマークを付
けることが好ましい。このマークは、光学チップ82によ
って、または別個の検出器を使用して読み取ることがで
きる。
チップ82で照明された表面の動作は、照明部分におけ
る接線運動に応じた全散乱体の共通の並進運動と、表面
132の角速度に応じた回転運動との組合せとして記述す
ることができる。照明領域は、曲率に起因する成分を無
視できるよう、回転の中心からの距離と比較して小さい
ことが好ましい。あるいは、非ドップラ動作モードで
は、格子線間の角間隔が等しい格子を使用し、同等の表
面の並進運動を測定するのではなく、角変位を直接測定
できるようにすることが好ましい。
本発明のさらなる実施形態は、仮想ペン、つまり特徴
のないページ上の動作を位置読み取りに変換するペンで
ある。これらの位置読み取りは、コンピュータによって
仮想ライティング（書き込み）に変換でき、これを表示
するか、文字または言葉に変換することができる。次
に、コンピュータはこの仮想ライティングをASCIIコー
ドとして格納することができる。コンピュータへの転送
は、（コンピュータへの有線接続、または好ましくは無
線接続を使用した）オンライン、またはコードまたは位
置を「ペン」に格納し、書き込みが終了した後に転送す
るオフラインでもよい。本発明のこの実施形態は、コン
パクトで紙や音声を使わないメモ装置を提供する。
典型的なファックス／プリンタでは、紙が正確なモー
タで書き込みヘッドに対して一定速度で移動する。ヘッ
ドは、前進する紙の速度と相関する方法で、印刷したデ
ータを１行ずつ放出する。この方法は、正確なモータお
よび機械的機構を必要とするため費用がかかり、しかも
紙が時々装置中で滑るので不正確でもあり、したがって
紙の並進運動は印刷装置とよく相関がとれず、その結
果、行が失われたり、曲がったりする。
光学並進運動測定装置では、紙の前進をオンラインで
測定することにより、紙の滑りを検出することが可能で
ある。これで、印刷装置は実際の紙の並進運動と連繋さ
れ、したがって非常に正確で経済的なシステムを生成す
る。同様に、これらの原理は、印刷ヘッドを読み取りヘ
ッドに置き換えれば、デスクトップ・スキャナにも適用
することができる。さらに、紙のタイプまたは他の表面
（例えば布のタイプ）を、検出器の信号の特徴から識別
することができる。特徴とは、紙のタイプを識別するの
に使用することができ、反射したACとDCパワーの比率、
絶対的なACおよびDCパワー、高調波比率など、またはこ
れらの特徴の組合せを含む。さらに、センサは紙の高さ
の不連続性を検出し、これは重送状態に相当する。この
不連続性は、軸方向の並進運動測定、測定される横方向
での明らかな不連続性、または反射と局部発振との間の
一時的なコヒーレンスの喪失によって生じる信号の損失
によって判定される。
図８は、運動が一方向のみにあるスキャナ、ファック
ス機またはプリンタに有用な運動センサを概略的に示す
図である。運動検出器200は、光ファイバ・ケーブル205
によって筐体204に供給されるソース202を含む。ケーブ
ル205の出力はレンズ206によってコリメートされ、格子
210を通して移動する表面208を照明する。格子210およ
び表面208から反射する光は、レンズ206の焦点に配置さ
れる光ファイバ・ケーブル212に集光される。ケーブル2
12の出力は、上述したようなさらなる処理のため、検出
器214に供給される。
本発明の好ましいドキュメント・スキャナの実施形態
では、運動検出器は、好ましくはドキュメント上の印刷
を使用せずに、読み取りヘッドがドキュメントから印刷
情報を読み取る間、ドキュメントの相対運動を測定す
る。メモリは印刷ヘッドから情報を受信し、ドキュメン
トの運動の測定に応答して、それをメモリ・ロケーショ
ンに格納する。
本発明の好ましいプリンタ実施形態では、運動検出器
はマーキングされるシートの運動を測定し、メモリは紙
の運動の測定に応答して、メモリの情報に従い、紙にマ
ークするよう命令を転送する。
本発明の好ましいスキャナおよびプリンタの実施形態
のいずれか、または両方を、本発明の好ましい実施形態
に従ってファックス機に使用することができる。
本発明の運動検出器は、CDおよび磁気メモリの種々の
運動の測定にも使用することができる。
図９は、本発明の実行に有用な典型的な電子回路140
の単純化したブロック図である。「１次」光検出器142
（例えば図3Aおよび図3Bの検出器50に相当する）が、上
述したように光信号を受信する。検出器は光を検出し、
その結果生じた信号は、好ましくは増幅器144で増幅
し、フィルタ146で帯域フィルタにかけ、増幅器148でさ
らに増幅し、「１次」信号を生成する。補正信号は、例
えば光検出器150（図3A〜図3Cの検出器52に相当する）
で検出し、（増幅器152で増幅し、フィルタ154で帯域フ
ィルタにかけた後）差動増幅器155で「１次」信号から
引き、１次信号に残っている低周波成分を除去する。帯
域フィルタ154と146は全く同じであることが好ましい。
その結果生じる差信号は、電圧制御増幅器156で増幅さ
れ、その利得は低域フィルタ153の出力で制御される
（これはシステムの較正中に任意選択で調節される減衰
器158によって減衰される）。増幅器156の出力は、ゼロ
クロス検出器、カウンタ160および方向制御論理162に供
給され、これが表面の並進運動の方向を決定する。圧電
素子64（図3B）を使用する場合、素子の変位の周波数に
対応する制御信号が方向制御論理162に供給され、ここ
でゼロ交差検出器のカウントから引かれる。
本発明の好ましい実施形態の場合、レーザ光源の波長
は赤外線で、例えば1550ナノメートルであることが好ま
しい。２ナノメートルのスペクトルの幅は、ダイオード
・レーザの典型であり、これで達成することができる。
光源電力の5mWも典型的な値である。1.5mm×1.5mmとい
う格子の開口および150行/mmという格子周期も典型的で
ある。レーザ光源の出力は、通常コリメートされて、直
径が1.5mmより多少小さいビームを形成し、通常は法線
から30度の角度で格子に入射する。光学基板は任意の都
合がよい厚さを有することができる。しかし、数mmの厚
さが典型的であり、使用するレンズの焦点距離は、上述
したように焦点を合わせるよう設計される。通常、レン
ズの焦点距離は数mmである。通常、ピンホール46（図3A
〜図3C）は数マイクロメートル、通常は10マイクロメー
トルの直径を有する。上記の典型的な寸法およびその他
の特徴は、参考のために提供するものであり、使用する
波長および光学チップの用途のその他のパラメータに応
じて、これらの寸法および特徴のそれぞれに比較的広い
変形が可能であることを理解されたい。
本発明の幾つかの好ましい実施形態では、ピンホール
が省略され、「実効ピンホール」に置き換わる。この実
効ピンホールは、例えば格子から反射または回折した光
等の、局部発振の場を検出器に合焦させることによって
達成される。この方法で、表面から反射した場の増幅
は、局部発振の場の焦点でのみ達成される。したがっ
て、例えば図3A、図3Bおよび図3Cのピンホール46を除去
し、局部発振の場を検出器表面に合焦させることができ
る。
合焦された局部発振の場の強度プロファイルから、検
出器の同じ位置における信号場の振幅が決まる。したが
って、強度が高い場合は振幅が大きく、局部発振の強度
が低いと振幅が小さくなる。したがって、検出器表面上
の合焦点は、「標準的」空間フィルタにおける実際のピ
ンホールと同じように機能する。局部発振のビームの空
間プロフィールの品質、つまり回折が制限された状態に
どのくらい近いかが、その結果得られる空間フィルタリ
ングの品質を決定する。検出器上に合焦した、回折が制
限された局部発振の場は、信号の増幅のために最大量の
パワーを使用し、実際のピンホールのような角度調整不
良の影響を受けない。この方法で物理的ピンホールを排
除した結果、機械的振動に対する感度が低いより頑丈な
構成になり、角度調整に対する許容度が広く、全体的な
振幅が大きくなる。増幅されない信号光はピンホールと
共には除去されないが、局部発振の場が信号の場よりは
るかに強力な状態では、測定に及ぼすその影響は無視で
きる。同じ構成は、焦点合わせの誤差にも比較的感度が
低い。
局部発振の場の方向が波長に依存する、格子を使用し
たドップラ測定に実効ピンホールの構成を使用すると、
光源の波長変動の影響を受けないという利点を有する。
波長が変化すると、格子からの反射角度がそれに対応し
て変化し、したがって検出器上の局部発振の像が動く。
実際のピンホールを使用する場合、これは信号の振幅測
定値に影響を与え、信号が全て失われることさえある。
実効ピンホールの場合、信号測定値は焦点が検出器上に
ある限り、影響を受けない。さらに、検出器の信号は、
格子−反射器の構成で波長に依存せず、上述したよう
に、格子をベースとしたシステムに関して、並進運動、
格子周期および局部発振の反射次数の関数である。
検出器上で直接焦点を合わせる構成の好ましい実施形
態を、図10に示す。図10は、（説明を単純化するため
に）標準的な電子回路（エレクトロニクス）パッケージ
（TO5など）にパッケージされた方向検出のない１次元
センサを示す。センサは、レーザ・ダイオード250等の
少なくとも部分的にコヒーレントな放射源、レンズ25
2、格子254、検出器（例えばPINダイオード）256、筐体
258、出口リード線260およびエレクトロニクス262を含
む。レーザ・ダイオード250および検出器256は、光学的
に同じ面にあることが好ましく、これはレンズ252の焦
点面であることが好ましい。格子254からのレーザのゼ
ロ次反射は、検出器256の表面上に合焦され、局部発振
として働く。レーザ・ダイオード250および検出器256の
レンズからの距離が異なる場合、非コリメート光源およ
びそれに合う空間フィルタを使用する実施形態に関して
上記で詳細に述べたように、構成は、レーザの像がレン
ズによって検出器表面上に合焦されるようなものとな
る。図10および以下の実施形態の幾つかでは方向検出が
示されていないが、以上（または以下）で述べるような
方向検出を、これらの実施形態にも適用することができ
る。
動作は、局部発振の場として１次（以上）の回折を使
用するセンサの場合と同様である。構成は、わずかに異
なる。本発明の好ましい実施形態によるこのような構成
の１つを、図11Aおよび図11Bに示す。図示のセンサは、
方向を検出しない２次元センサであり、レーザ・ダイオ
ード270などの放射源、レンズ272、２次元格子274、１
対の検出器276および278、筐体280、出口リード線282お
よびエレクトロニクス284を含む。図10の実施形態の場
合のように、レーザ・ダイオード270と検出器276および
278は光学的に同じ面にあることが好ましい。図11Bは、
断面XIB−XIBから見た検出器276および278および光源27
0の面の平面図を示す。検出器276はＸ軸検出器として、
検出器278はＹ軸検出器として機能する。Ｘ方向の格子2
74からの１次回折は、Ｘ検出器276上で合焦され、Ｙ方
向の１次回折はＹ検出器278上で合焦される。
実効ピンホールを使用する本発明の好ましい実施形態
は、位置合わせが容易になり、一体式光学ブロックとし
て製造する場合は、許容度の要件が緩やかになる。これ
は、局部発振を非ゼロ次で格子から回折した光から得た
場合に特に当てはまる。というのは、この場合、ピンホ
ールの配置が波長に依存するからである。したがって、
照明源の波長の安定性は、物理的ピンホールではなく、
実効ピンホールを使用した場合に、大幅に緩和される。
本発明の幾つかの好ましい実施形態では、運動方向を
決定する代替方法が用いられる。これらの代替方法を提
供する本発明の好ましい実施形態では、光学部品の機械
的運動を使用して、運動の方向が決定される。本発明の
幾つかの好ましい実施形態では、２つの検出器を設け、
１方向に運動すると、格子から反射または回折した光に
よって検出器の一方が照明される。この原理を用いた方
向検出を提供する本発明の２つの好ましい実施形態を、
図12A〜図12Bおよび図13A〜図13Bで示す。
図12Aおよび図12Bは、実施形態の一方の原理を示す。
これらの図は、レーザ・ダイオード292などの少なくと
も部分的にコヒーレントな放射源、レンズ294、検出器2
96、第２検出器298および１対の格子300および302、を
含むセンサ290を示す。格子300および302は、双安定楔
状素子304の表面に装着される。センサが１方向に移動
すると、素子304が図12Aに示す姿勢になり、したがって
放射が格子300から検出器296へと反射または回折する。
センサが他の方向に移動した場合、動作が測定される表
面と素子304との摩擦によって、素子304は図12Bに示す
位置へと変わる。この配置では、放射が格子302から検
出器298へと反射または回折される。このようにして、
運動方向はどちらの検出器が信号を生成するかによって
判定される。
この実施形態を２次元の操作に拡大することは、素子
304を同様に動作する４面の角錐に置き換え、格子は２
次元格子とし、対応する４つの検出器と共に用いること
によって提供される。
図13Aおよび図13Bは、２つの隣接する格子を使用する
機械的方向検出方法の第２の実施形態を示す。図12Aお
よび図12Bの場合のように、実施形態は、レーザ・ダイ
オード292などの少なくとも部分的にコヒーレントな放
射源、レンズ294、検出器296およびレンズ298を備え
る。実施形態は、２つの格子310および312も含む。格子
310および312はそれぞれ、周期性が異なる２つの部品を
有する。例えば左側半分は150lp/mm、右側半分は170lp/
mmである。下部格子は表面42との摩擦によってずれ、運
動方向の予め規定した停止点まで移動する。格子の２つ
の半分は、運動によって格子の片方が遮断され（つまり
格子の一方の反射部分が他方の開口を覆う）、一方で他
方の半分の格子が見えるようになる（つまり金属部分が
一致する）よう配置されるが、一般には格子の反射部と
開口部のデューティ比は50％ではない。反対方向の運動
は２つの格子の半分の役割を交換させ、したがって２つ
の方向間の反射角度の違い、および異なる検出器の照明
を可能にする。この２つの配置をそれぞれ図13Aおよび
図13Bで示す。運動方向は、どちらの検出器が信号を生
成するかから判定される。
図13Cおよび図13Dは、一方の格子から他方へと切り替
えるシステムを示す。これらの図では、格子のみを示
す。反射素子400でを有する上部分は、検出器に対して
動かない。下部分は、異なる周期を有する格子のセクシ
ョン401および402が交互に配される。図13Cに示す位置
では、素子400が格子のセクション401を遮断し、したが
って格子に入射する光は、入射放射から見え、これを部
分的に伝達する格子セクション402の周期によって定ま
る１つの角度に向けられる。下部分が、速度が測定され
る表面との摩擦によって移動する第２の位置では、素子
400が格子セクション402を遮断し、区間401を露出さ
せ、したがって入射光は格子401の周期に依存する角度
に向けられる。これによって、図13Aおよび図13Bの場合
のように、光を受ける検出器を切り替えることができ
る。
本発明のこの実施形態の原理は、図13Aおよび図13Bに
示す同じ原理に基づき、格子を４分割された２次元格子
で置き換えることにより、２次元に拡張することができ
る。
図14は、表面の速度を測定するドップラ・ベースのセ
ンサ・システムの実施形態の原理を示す。上述したセン
サとは異なり、このセンサは格子を使用する必要がな
い。コリメートされ、少なくとも部分的にコヒーレント
な光源320が、表面42に隣接して、これに対してある角
度を有する第１面324と、表面42に平行な第２面325とを
有する光学素子322を照明する。面324（反射被覆するこ
とが好ましい）から反射する光はレンズ326によって検
出器328上に合焦され、局部発振として働く。表面42か
ら反射した光の一部も検出器328上に合焦され、局部発
振の場とコヒーレントに干渉する。表面42から検出器32
8に向かって反射する光は、表面の並進運動によってド
ップラ偏移する。したがって、検出器信号は表面42の並
進運動を示す振動成分を含む。表面325は、検出プロセ
スには何の役割も果たさないことに留意されたい。さら
に、構成要素は全て光学素子322上に装着し、一体セン
サを形成できることに留意されたい。２次元測定への拡
張は、２つの傾斜面および２つの検出器を使用して達成
される。
本発明の幾つかの好ましい実施形態によると、局部発
振の場が反射する反射器は、速度が測定される表面に隣
接しない。同様の原理を実現する本発明の２つの好まし
い実施形態を、図15および図16に示す。
図15は、レーザ350などの少なくとも部分的にコヒー
レントな光源および部分的に反射し、部分的に透過する
表面354と全反射面356とを有する光学媒体352、を含む
センサを示す。センサは、光源350をコリメートするレ
ンズ358と、本実施形態では、光を検出器362上で合焦さ
せるレンズ360により実現される空間フィルタと、信号
処理エレクトロニクス364とを含むことが好ましい。合
焦された光は、上述したように実効ピンホールとして作
用する。光源は少なくとも部分的にコヒーレントな放射
を提供し、これが表面42に向けられる。
光源からの光は、表面354によって、表面352から表面
356へと反射する１本のビーム、および表面42に向けて
透過される１本のビームに分割される。表面42で反射さ
れた光は、表面354を通して検出器362に向けて透過す
る。表面354で反射する光は、表面356で全反射し、表面
354での３回目の反射により検出器362に向かう。複数の
反射によって媒体中を伝播する光（局部発振）と、表面
42から検出器に向かって反射する光との光路長の差は、
光源のコヒーレンス長以内でなければならない。表面が
並進運動すると、前述した実施形態の場合のように、並
進運動の量を示す検出器信号が振動する。本発明の好ま
しい代替実施形態では、表面354を格子として、そこか
ら回折した光からその回折次数の１つで局部発振を得る
ようにしてもよい。この場合、表面354は表面42に対し
て角度をつける必要はない。
表面356は全反射であることが好ましいが、部分的に
透過するか、部分的に吸収してもよい。これは局部発振
の信号を減少させる。表面356が部分透過の場合、それ
を通過する光を使用して、別の検出器により光源の強度
を測定し、その後、図3Aおよび図3Bに関連して上述した
ように、速度範囲の下端での性能を改善するため、光源
強度の振幅変調を補正することができる。
本発明の好ましい実施形態によると、表面42の平坦度
を改善し（例えば紙など、硬質でない場合）、汚れの蓄
積を防止する為、表面354と表面42との間の領域を第２
光学媒体で充填している。、 図16に示す本発明の別の好ましい実施形態によると、
センサは、改造した立方体形状のビームスプリッタを使
用して作製される。レーザ380などの好ましくはコリメ
ートされ、少なくとも部分的にコヒーレントな光源を、
部分的に反射し、部分的に透過する表面382に向ける。
表面382を通して透過した光は、表面42に向けられ、表
面42から（部分的に）反射され、表面382から（焦点合
わせ光学系386を通して）検出器384へと向かう。表面38
2で反射した光は、反射器388へと向けられ、そこから
（表面382を通して）検出器384へと向かう。したがっ
て、ビームスプリッタは干渉計として作用し、したがっ
て装置に対し、そして表面に平行な表面42の並進運動
は、反射器388からの反射（局部発振として働く）と表
面42からの反射との間にドップラ偏移を導入する。
したがって、表面42から反射した光と反射器388から
反射した光とは、検出器384上で干渉する。光学媒体
は、この２つの光波の光路長の差が、光源380のコヒー
レンス長以内であるような大きさに形成される。
配置は、部分的に反射するインタフェース、全反射す
るインタフェースおよび表面が、互いに全て平行ではな
いようにする。こうすることにより、検出器信号は、表
面から反射する光のドップラ位相偏移による振動成分を
含み、これは光学装置に対する、そして表面に平行な表
面の並進運動を表す。
光源380からの光はコリメートされていることが好ま
しい。検出器384に到達する光は、光源380の点像が形成
されるよう、検出器表面上に合焦されていることが好ま
しい。
２次元並進運動の測定は、直交して傾斜し、部分的に
反射するインタフェース、または直交して傾斜し、全反
射する表面を使用することによって達成することができ
る。
表面42から反射した光のドップラ偏移は、表面に入射
する光線と、それから反射して検出器で集められる光の
部分との間の二等分線に沿った、センサと表面42との間
の相対速度の成分に比例する。ドップラ偏移は、光の波
長に反比例する。光学媒体は、屈折率の分散によって、
波長の変化がドップラ偏移に及ぼす影響を補正する表面
に対する二等分線の角度の変化が引き起こされるよう、
選択することが好ましい。したがって、光源の有限のス
ペクトル幅およびその波長のドリフトによる測定誤差
は、大いに減少する。
図15および図16に示す方法およびその実施形態は、表
面に平行に移動する粗い表面の並進運動を測定する、比
較的安価かつ頑丈で、位置合わせを要せず、正確な装置
を提供する。この方法は、本発明の他の実施形態に関し
て述べたように、並進運動の測定を使用する幅広い用途
に適用することができる。
図17は、本発明の別の好ましい実施形態を示す。図17
の実施形態は、表面からの反射にある特定の偏光を強制
的に与える。図3Cは、表面42から反射した光および局部
発振に異なる偏光を与えることによって方向を決定する
方法を示す。位相ずれは、表面へ、および表面からの放
射路中に複屈折プレートを配置することによって与え
る。しかし、この方法は、光が表面から反射した場合、
その偏光は保持されるという仮定に基づく。往々にして
これは当てはまらず、検出器が生成すると想定される直
角位相信号が劣化し、同じ運動方向に対して符号を切り
替えることさえある。
複屈折材料（「４分の１波長板」）と表面との間に直
線偏光子を追加すると、測定を表面の特徴に対して感度
を無くすことができる。偏光子は、表面の特徴に関係な
く、表面からの反射の直線偏光方向を規定する。偏光軸
を複屈折材料の軸に対して45度に配置することにより、
反射は、それが複屈折層を通過して検出器に向かう場
合、複屈折層によってほぼ円偏光となる。したがって、
たとえ表面自体が偏光を保持しなくても、２つの直交偏
光検出器に対し精密な直交位相信号が確保される。
この構成のもう１つの特性は、（格子と表面との間で
はなく）格子の「上」に複屈折層を配置できることであ
る。局部発振の光は、二重の位相ずれを経る（４分の１
波長板の場合は半波遅延が見られる）一方、表面反射は
１回しかずれず、したがって直角位相測定が可能にな
る。
図17は、特にこの特徴を含む運動検出器500の第１の
好ましい実施形態を示す。運動検出器500は、好ましく
はコリメートレンズ504を照明する部分的にコヒーレン
トな光源502を備える。レンズ504の下から出る光は、コ
リメートされている（つまり光線が全て平行である）こ
とが好ましい。４分の１波長複屈折プレート506および
格子508が、プレートの下に配置される。格子から反射
／回折した光は、複屈折プレートを２回通過するので、
直交成分間に180度の位相ずれがもたらされる。プレー
ト506および格子508は別個の素子として図示されている
が、例えば格子を複屈折プレートの表面に蒸着または型
押しすることにより、１つの素子に結合することができ
る。
直線偏光子510は格子の下にあることが好ましい。偏
光器の下にある表面（図示せず）から反射して、２回目
に複屈折プレートを通過した光は、円偏光となる。しか
し、光は、プレート506に到達する前に、偏光器510を２
回通過するので、偏光方向が強制され、測定の「汚染」
が回避される。
格子線の間隔および回折次数で決定された角度で格子
から回折した光、および表面から拡散反射した光は、検
出モジュール512に入射する。検出モジュール512は、入
射放射を２本の好ましくは等しい部分に分割し、それを
１対の偏光器516および518を介して１対の検出器520お
よび522にそれぞれ送る、位相格子514を含む。偏光器51
6および518は、互いに対して90度で配置され、各検出器
で好ましくは等しい強度の格子回折放射が得られるよう
位置合わせされる。検出モジュール512は、図3Cの素子
と同じ機能を実行する。つまり、検出モジュール512は
（表面の反射に基づいて）円偏波を直線成分に分割し、
これがそれぞれ、格子508で回折した波の部分と別個に
干渉する。回折した波は、各偏光器の偏光方向に対して
45度の直線偏光を有し、これも格子によって分割され、
検出器によって好ましくは同等に検出される。運動の大
きさは、都合の良いことには、検出器で検出した信号の
ゼロクロスの数から（ドップラ偏移に基づいて）判定さ
れる、運動方向はこれらの信号の相対位相に基づいて判
定される。
検出モジュール512は、位相格子および２つの偏光器
を使用して、入射波を分割し、これを図3Cの偏光ビーム
スプリッタではなく、検出器へ向ける。実際には、モジ
ュール512の実施形態は、生産費がそれほど高くないと
考えられる。２進位相格子（またはアブレーズ格子）を
使用すれば、システムは安価となるばかりでなく、光効
率の良いものとなる。
本発明の好ましい実施形態では、モジュール512は、
光源502およびエレクトロニクス・モジュール526ととも
にバックプレートまたはヒートシンクを設けた基板524
に装着される。エレクトロニクス・モジュール526は、
光源502を制御するコントローラ、および検出器520およ
び522から信号を受信するエレクトロニクスを含んでも
よい。エレクトロニクス・モジュール526は、上述した
ように信号を部分的に、または完全に処理し、表面の運
動の大きさおよび方向に関する情報を、コンピュータま
たは他の装置（図示せず）に提供することが好ましい。
図18は、概ね図17の構造と同様の別の運動検出器530
を示す。しかし、検出器は、明記すべき幾つかの特徴を
含む。説明を簡単にするため、図17の検出器500の部品
と同様の検出器530の部品は、同じ参照番号を付し、こ
れ以上説明しない。
図18では、局部発振が表面の照明および回折路から空
間的に分離される。さらに図18では、格子から回折した
波と、相対運動が測定される表面から反射した波との波
路長を等しくするため、切欠き532を設けることが好ま
しい。想起されるように、これらの波は検出器でコヒー
レントであることが、必要でないまでも好ましい。表面
から反射した波の波路は、格子からの波路より長いの
で、光源502は強いコヒーレンスの要件が求められる。
本発明の好ましい実施形態では、切欠き532は路長を合
わせるよう、表面から反射した波の光路長を短縮する。
図18に示すような分離した局部発振の光学的構成は、
ドップラ動作モードで望ましいような、透過ビームが１
本のみで、反射した表面照明の回折がない場合にも本質
的に適している。しかし、ビームを、局部発振として働
く１つの部分と、表面を照明するよう働く別の部分とに
分離すると、局部発振と表面照明との両方の照明のほと
んど、または全部を使用する機構より、ビームの品質に
敏感になり、頑丈さが低下する。
この切欠きは、例えば図17に示す実施形態のように、
本発明の他の好ましい実施形態にも有用であるが、保護
層、好ましくは耐スクラッチ性の層または基板534を表
面に隣接して設ける場合に、特に有用である。この基板
は、格子で回折した波の光路長を変化させることなく、
表面から反射する波の光路長を増大させる。保護層を設
けることは、上述した実施形態の多くにも適用すること
ができる。さらに、基板534または光路の他の部品を着
色し（つまりスペクトルのフィルタをかけ）、レーザ光
を通過させながら、迷光の影響を低下させることができ
る。
図18に示す実施形態では、反射および回折波を生成す
る構成は、図17に示すものとは異なる。図18では、位相
格子536が、1/8波長複屈折プレート538上に配置され、
その下には反射器540がある。反射器はプレート538に直
接形成されていることが好ましい。反射器540から反射
した波は、1/8波長プレートを２回通過するので、反射
した波は円偏光となる。表面からの反射は、表面で反射
されるため、両方向で直線偏光器542を通過することが
好ましい。したがって、この波には強制的に直線偏光が
与えられる。システムの残りの動作は、図17で述べたも
のと同じである。
本発明の好ましい代替実施形態では、光源502から発
したビームの光路に14波長複屈折層を配置し、これを円
偏光に変換することができる。したがって、この層は図
17および図18に示す同等の層よりはるかに小さく（そし
て安価に）することができ、従って、ここに示されてい
るような層は省略することができる。さらに、複屈折プ
レートを使用する本発明の実施形態の場合、（上述した
円偏光ではなく）楕円偏光をもたらすプレートを使用し
てもよい。
本発明の幾つかの好ましい実施形態では、円偏光のビ
ームを生成する為に、直線偏光レーザ・ダイオードの発
光表面に、（クォーツなどの複屈折材料からの）1/4波
長層を配置することができる。配置は、例えば複屈折層
を垂直空胴表面発光レーザの外部分散ブラッグ反射器の
頂部に配置するなど、ダイオードの製造プロセスの一部
として行うことが好ましい。この構成は、使用する複屈
折材料の量が、はるかに少なくなる。というのは、被覆
される領域が発光器の領域だけだからである。さらに、
小さい複屈折層は、大きい層より精度良く製造すること
ができる。複屈折層の下に配置される追加の直線偏光子
は、光アイソレータの組合せを形成し、レーザ空胴（キ
ャビティ）へ戻る反射迷光を減衰する。
同様に、本発明の幾つかの好ましい実施形態では、本
発明の上記の好ましい実施形態の幾つかにおいて必要で
あると示される場合は、別個の偏光子を提供するのでは
なく、直線偏光子を検出器の表面に組み込む。このよう
な偏光検出器を使用すると、運動検出器の組立の複雑さ
を減少させることができる。ポリマー系偏光子を検出器
の頂部に設けて、このような検出器を構成することがで
きる。あるいは、誘電層の細かい線溝（線幅は波長程
度）を検出器の面に配置することにより、偏光子を製造
することができる。
図19Aおよび図19Bは、図3C、図17および図18と同様の
方向検出原理に基づく運動検出器の２つの一体型の例を
示す。
図19Aは、ビームスプリッタ554および２つのレンズ55
6および558を備えるブロック552上に構築された運動検
出器550を示す。レーザ・ダイオード光源560をレンズ55
6に隣接して装着し、これが光源からの光をコリメート
する。コリメートされたビーム561はビームスプリッタ5
54に入射し、これがビームを、表面12へと進む第１部分
562と、1/8波長プレート566および鏡568へと反射する第
２部分564に分割する。ビーム564は、ビームスプリッタ
554へと戻る為、プレートを２回通過した後、円偏光と
なる。
ビーム562は、直線偏光器570を通過し、好ましくは保
護層572を通過してから、反射してビームスプリッタ554
へと戻る。ビームスプリッタを通過する反射ビーム564
の部分、およびビームスプリッタで反射される反射ビー
ム562の部分は、共にレンズ558に向けられ、これが合焦
させる。第２ビームスプリッタ574は、両方のビームを
分割し、これを偏光検出器576および578（それぞれ偏光
器580および検出器582を有する）に向ける。検出器を使
用して、図3C、図17および図18に関して上述したのと基
本的に同じ方法で、表面12から反射したビームの直線成
分の周波数および相対位相を検出する。
運動検出器550の上面は底部と直角ではなく、したが
って反射ビームは表面12に入射するビームからドップラ
偏移することに留意されたい。このドップラ偏移（およ
びその符号）を使用して、運動を検出する。さらに、本
発明の好ましい実施形態では、多重反射の影響を回避す
るため、レンズに反射防止膜を施している。
図19Bに示す第２の一体型運動検出器590も、同様の原
理を実現する。システムの光学部品は全て、格子594を
間に挟んだブロック592上に装着される。格子と上面お
よび底面とは平行であることが好ましい。図19Aのレン
ズ556および558と同様の機能を有する２枚のレンズ596
および598を、ブロック592内に組み込むことが好まし
い。図19Bでは、図19Aの対応する要素と同様の機能を有
する素子には、同じ番号が付けてある。基準ビームは、
格子594からバックミラー状の1/8波長プレート（566、5
68）に反射され、次に第２の反射でレンズ598へと向か
う。格子を通過するビームは、直線偏光器および付加的
な保護層を通過し、レンズ598へ向けて反射されること
が好ましい。検出システムは、上述したのと同様の方法
で作動する。
図19Cおよび図19Dは、複屈折プレートを使用して、格
子または表面から反射したビームの一方または両方に影
響を与えるシステムの検出器モジュール610の詳細を示
す。このようなシステムの例は、図17、図18および図19
Aで述べた運動検出器である。これらの運動検出器で
は、光源を直線偏光された場合、複屈折プレートを検出
器の近くに移動することができる。この場合、複屈折プ
レートは、他の場所に配置した場合より小さくなり、本
発明の幾つかの好ましい実施形態では、偏光器について
上述したように、検出器と一体化することができる。
これらの実施形態の場合、偏光器は、表面へ、および
表面からの光のみがこれを通過するよう（例えば測定さ
れる表面の付近に）配置される。偏光器の偏光軸は、光
源からの光の偏光に対して45度の角度に配置され、した
がって表面からの光は、局部発振の偏光の軸から45度の
角度を有する。
この場合、図19Cおよび図19Dに示すような検出器モジ
ュール610を、図17および図18のモジュール512の代わり
に使用すると有利であり、変形した形態で、同じ検出原
理により、図19Aのモジュール576の代わりに使用すると
有利である。と図17および図18の対応する素子と同じ機
能を有する図19Cおよび図19Dの素子は、図17および図18
の要素と同じ参照番号が与えられている。
モジュール610はモジュール512と同様であるが、1/4
波長プレート612が偏光器516および518の前に配置され
る点が異なる。1/4波長プレート、偏光器および入射光
のの偏光方向を、図19Cの線Ｄ−Ｄに沿って下から見た
断面図である図19Dに示す。偏光器の軸は、参照番号61
4、616で示され、1/4波長プレートの偏光軸は参照番号6
18で示される。その軸の１つに沿って1/4波長プレート6
12に入射する直線偏光光は、偏光が変化せずにプレート
を通過する。軸618に対して45度の偏光を有する直線偏
光光は、円偏光に変換される。
参照番号620、626は、格子に入射する波および表面で
反射した波の偏光を示し、ここで、２つの波のどちらが
方向620に偏光され、どちらが方向626に偏光されるかは
重要ではない。さらに、波の１つは626ではなく方向62
6'に偏光されていてもよい。
作動時には、偏光620を有する入射波は円偏波に変換
される。この円偏波は、偏光器516および518によって２
つの等しい成分、振幅が等しい２つの直線偏波に分割さ
れ、検出器520および522に入射する。しかし、これらの
２つの波は（偏光が直交するばかりでなく）時間位相が
90度ずれる。偏光626または626'を有する波は、偏光を
変化させずに1/4波長プレートを通過する。これも、直
交する偏光を有する２つの波に分割される。しかし、こ
れらの波は時間位相が合っている。したがって、各検出
器は光波間の干渉を検出し、これは時間位相が90度ずれ
た２つの信号に生じる。次に、この位相差を利用して、
標準の直角位相検出の場合のように方向を決定すること
ができる。
複屈折プレート612を省略する場合は、局部発振およ
び反射した表面照明の偏光方向に応じて、検出器の偏光
器の一方で表面反射または局部発振の場を選択的に遮断
する。例えば光源の偏光方向が620の場合は、616で示す
偏光器により遮断される。したがって、反射した表面照
明のみが検出器で検出され、これはEr 2成分に相当す
る。あるいは、反射した表面照明の偏光が620の場合、
偏光方向616に関連する検出器は、局部発振の場のみを
検出し、これによってEo 2成分を補正することができ
る。
Eo 2成分の補正に使用する検出器の出力は、基準電圧
として使用し、並進運動測定に使用する他の検出器の出
力電圧から引くことができる。これは、一種の「差動」
検出モードを形成する。例えば、このような減算は、ト
ランスインピーダンス増幅器段階の出力で実行し、した
がって検出された信号からDC電圧の大部分を除去するこ
とができる。あるいは、図９で述べたような、高域フィ
ルタリングを使用してDC電圧を除去する構成を使用して
もよい。補正信号の帯域は、光源のノイズの帯域に従っ
て制限されることが好ましい。さもないと、他の相関し
ていないノイズ（例えば熱雑音）が、実際には補正信号
の減算を通して不必要に加えられる。
Eo 2成分の補正は、（例えばエネルギー節約または目
の安全のために「スリープ・モード」で作動する場合な
ど）光源が繰り返しオン・オフされる場合に、特に有用
である。変調された光源は、例えば図９に示されるよう
なハイパスフィルタによるでDC成分の除去を複雑にす
る。しかし、Eo 2成分の補正を用いる事で、ハイパスフ
ィルタなしでこれを減少させるか、除去することができ
る。代替として、ハイパスフィルタ内のコンデンサが、
光源をオフする時に回路から遮断されようにすれば（こ
れによって再び光源を入れるまで電荷が保持される）、
Eo 2成分さえも用いずに光源のスイッチングを実行する
ことができる。
Eo 2成分測定のさらに別の用途は、光源電流制御ルー
プのフィードバックとしてである。これは、（例えば運
転温度範囲が大きいために）大幅な電力変動が予想され
る場合、光源の光学出力を制御するために特に重要であ
る。
図19Cおよび図19Dの構成において複屈折プレート612
がないものは、垂直空胴表面発光レーザ（VCSEL）を光
源として使用する場合に有用なことがある。特定のVCSE
Lダイオードは、適切に動作すれば、２つの可能な直交
偏光方向の一方を有することができ、任意の所与の時に
照明の偏光を該偏光方向の１つと一致する。したがっ
て、偏光方向について曖昧さが存在する。偏光方向が２
つあると、所与の運動方向について、直交偏光検出器対
において反対の位相差が生じるので、検出方向が重要な
場合に、VCSELの使用に問題を生じる。
図19Dで提示した構成により、そして光源の偏光方向
が620の方向または620に直交する（図示せず）と仮定す
る。すると、複屈折プレート612を除去した場合、例え
ば偏光器614が局部発振の照明を遮断または透過する。
したがって、検出器522の出力は、光源の偏光方向に応
じて高くなるか、低くなり、検出器の出力を信号の相対
位相と運動方向との間の変換を制御するのに（例えばゼ
ロクロスのカウントの符号を示すフラグとして）使用す
ることができる。
運動の検出に使用する検出器に加えて、このような偏
光検出器（偏光方向に応じて出力が高くなるか、低くな
る）を使用すれば十分である。しかし、２つの検出器
（522および520）を使用する場合は、それぞれの偏光方
向で検出器の一方が高い出力を有し、他方は反射した表
面照明を測定して、Er 2成分の補正に使用することがで
きる。
上記の構成では、追加の検出器を使用してVCSELの偏
光の曖昧さを解決している。あるいは、VCSELを、その
「最適」偏光方向に対してわずかに回転することができ
る。VCSEL偏光の「最適」方向αが、好ましい偏光がα
またはα＋π/2であるよな方向であるとすると、検出器
対のDC電圧間の比率RPは以下の通りとなる。
したがって、α＝π/4の（例えば626に沿った）最適
なVCSELの配置の場合、図19Dで述べたような直交偏光対
の検出器で検出されるDC成分は、VCSELの偏光方向に関
係なく、等しくなる。
しかし、α＝π/4＋βラジアンの場合、一方の偏光で
はRp≒１＋２βとなり、VCSELの出力が他方の偏光であ
ると、RP≒１＋２βとなり、VCSELの出力が他方の偏光
であると、RP≒１−２βとなる。このように、VCSELが
一方の偏光で発光し、RPが他方の偏光で１未満の場合
は、Rp＞１である。したがって、VCSELが「最適」方向
に対して回転していると、並進運動測定に使用する検出
器対の検出器のDC電圧を比較した結果は、偏光方向を示
し、そのために専用の検出器を追加する必要がない。
局部発振に生じ得る偏光の曖昧さを克服するさらに別
の方法は、光源と格子の間の光路に。直交偏光方向のい
ずれかから偏光器の軸を45度にして、直線偏光器を使用
することである。従って、例えばVCSEL偏光が626または
626'の場合、偏光器を620に沿って配置する。あるい
は、VCSEL偏光が614または616の方向の場合は、偏光器
を626に沿って配置する。これによって、光のパワーの
約半分を失う代わりに、光源の偏光は強制的に偏光器の
偏光と同じにされる。
比較的高い周波数の信号に低周波寄生ノイズ（Er 2お
よびEo 2成分および電力線の干渉など）が重なると、以
下の理由から、高周波信号の直角位相検出に影響を及ぼ
すことがある。
・高周波信号のゼロクロス事象を見落とす。
・ゼロクロス事象が起きる順序が切り替えられ、したが
って直角位相検出器による方向検出が切り替えられる。
・低周波ノイズのゼロクロスがカウントされ、測定に加
算される。
本発明の様々な好ましい実施形態により、信号処理手
段で発生し得る低周波変調を克服するため、（上述した
光学機構に加えて、またはその代わりに）以下の幾つか
の方法の１つ（または方法の組合せ）を用いることがで
きる。
・ＰおよびＱが、図19Cの検出器520および522のような
検出器対の出力信号とする。ＰおよびＱは、運動方向に
応じた＋90度または−90度の一時的位相差、およびノイ
ズの追加を除き、理想的には等しい。また、信号Ｄ＝Ｐ
−ＱおよびＳ＝Ｐ＋Ｑが信号ＰおよびＱから導かれるも
のとする。これで、信号Ｄは、ＰとＱとの両方に共通し
た全てのノイズ発生源を消去するという特性を有する。
さらに、ＤとＳとは90度の一時的位相差を有する。した
がって、ＤおよびＳは、ノイズがない場合はＰおよびＱ
と等しいが、共通のノイズ源が大きい場合、Ｄのゼロク
ロスは並進運動を正確に測定し、Ｓのゼロクロスを使用
して運動方向の判定に役立てることができる。さらに、
共通ノイズの消去は低周波に限定されるものではない。
・増幅した信号を、２つ（またはそれ以上）の周波数範
囲に分割することができる。適切なチャネルの選択は、
周波数測定値に基づいて行うことができる。
・信号周波数で制御され、OTM構成に対して表面が加速
した場合に生じる周波数の変化に適応することができる
適応力のあるバンドパスを使用する。適応力のあるバン
ドパスは、熱ノイズやI/Fノイズなどの他のノイズ源も
減少させる。これは、例えばハイパスおよびローパス素
子に電圧制御コンデンサ（容量）を使用することによ
り、実現することができる。
・高周波信号の増幅後の振幅が低周波の場合より大きく
なり、したがって高周波のゼロクロスのカウントが軽い
影響しか受けないよう、高周波信号の増幅を大きくす
る。
高周波信号がある場合に、低周波ノイズを排除する、
適応力のあるバンドパス回路899の好ましい実施形態を
図27に示す。ゼロクロス検出器900が、入力910のアナロ
グ信号を出力920の論理信号に変換する。信号が低周波
（例えば50Hz）の場合、トランジスタ931および932は大
部分の時間は導通せず、コンデンサ940は、低周波信号
の検出に適した長い時定数（0.1秒）で抵抗器945を通し
て充電される。これに対して、ゼロクロス率が高い（数
百ヘルツ以上）場合、ハイパス回路950がトランジスタ9
31および932のベースを通して通電し、したがってコン
デンサ940は抵抗器960を通してわずか0.1ミリ秒の時定
数で充電される。このように、演算増幅器970のプラス
の出力の閾値は低周波ノイズに追従し、したがってその
検出を排除し、演算増幅器の出力は高周波信号によって
決定される。コンデンサ980は、演算増幅器970の自己発
振を抑制する為に用いられる。図27は、本発明のこの態
様の典型的な実装を１つ提示するものであり、適応力の
あるゼロクロス検出器は様々な方法で、他の構成要素
（例えばFETトランジスタ、異なる抵抗およびコンデン
サの値、および異なる演算増幅器）を使用して実施でき
ることに留意されたい。
直角位相運動の測定は、間に一定の位相ずれがある２
つの等しい信号の測定を利用する。運動の大きさは、所
与の間隔におけるゼロクロスの数で検出される。運動の
方向は、一方のチャネルのゼロクロスの符号（つまり
「低から高」または「高から低」）を他方のチャネルの
信号の符号（「高」または「低」）と比較することによ
って判定される。
直角位相信号にノイズがあると、ゼロクロスのカウン
トが増加する可能性がある。他方の信号の符号が変化し
ない間に、一方の信号に２つのゼロクロスが発生する場
合、その方向は反対であり、加えてゼロになる。しか
し、一方の信号のゼロクロスがやがてずれると、２本の
チャネルでゼロクロスが発生する順序が逆転されること
があり、その結果、両方のチャネルの方向検出にエラー
が発生し、結局は有効カウントのエラーになる。
ゼロクロス事象の逆転によるエラーは、本発明の幾つ
かの好ましい実施形態により、ある間隔において「多数
決投票」を使用して修正することができる。運動方向が
各間隔（すなわち「セル」）内で変化しないと仮定す
る。これは、精度を高めるために分解能については妥協
することを意味する。好都合な事に、ゼロクロスをカウ
ントするプロセスは、隣接したセルで実行される。各セ
ルは、前のセルの終了時に開始し、両方の直角位相チャ
ネルで所定の数以上のゼロクロス事象が起きると終了す
る。次に、全てのセルの方向を、（両方のチャネル、ま
たは一方のみで）そのセル内での方向判定の多数側に従
い判定する。各セルは、両方のチャネルの実際のカウン
ト数には関係なく、固定数のカウントを表すことが好ま
しい（したがって分解能がセルの最小カウント数の２
倍、低下する）。都合の良い事に、サイズ３または４の
セルを使用する事ができる。両方のチャネルのカウント
がセルの最小数と等しい、またはそれを上回るという要
件が、一方のチャネルの高周波ノイズが多数決投票を
「支配する」のを防止するために設定される。
本発明の幾つかの好ましい実施形態により、上述した
タイプの多くの光学並進運動測定では、局部発振のエネ
ルギーによって生じる検出器のDC電圧が、AC信号をさら
に増幅する前の第１増幅段階の出力で、ハイパスを使用
して除去されるので都合がよい。したがって、ハイパス
の遮断周波数が、測定可能な最低速度を決定する。
（マウスまたは他のポインタ・デバイスなどの）入力
装置に光学並進運動測定を用いる場合、例えば使用者が
動作を遅くし、画面上の特定の位置に近づく場合など、
低速制限は使用者によって重要な要素である。
使用者がカーソルをゆっくり動かして、画面上で高精
度に位置決めできるよう、中位の（シャープな特性では
ない）高域フィルタが使用される。周波数とともに緩や
かに低下する振幅の傾斜を用いると、フィルタの遮断周
波数（カットオフ）付近でのゼロクロスが失われる。こ
れは、フィルタによって設定された下限に速度が近づく
につれ、速度測定値を効果的に減少させる。このため、
OTMがまだ測定帯域にある（おしてまだ動いている）間
に、カーソルの速度が徐々にゼロまで低下する。この
「減速」機構は、カウント率（つまり速度）を測定し、
カウント率がフィルタの下限に近づいたらカーソルの速
度を低下させることにより、ゼロクロスの検出後の信号
解析の一部として、またはソフトウェアによって適用す
ることもできる。本発明の好ましい実施形態では、遮断
周波数は、約0.5mm/秒未満の運動と同等である。本発明
の好ましい実施形態では、ハイパスフィルタは、遮断周
波数より下で、約20db/オクターブ未満の傾斜を有す
る。
図23は、装置速度の関数としてのカーソル速度の理想
的曲線750を示す。図23は、本発明の好ましい実施形態
による、装置速度の関数としてのカーソル速度の曲線75
2も示す。また、比較的シャープなハイパスフィルタを
使用した場合に得られる曲線754も示す。理解されるよ
うに、曲線754では、システムがカーソルを低速で動か
すことは実質的に不可能である。これに対して、ゼロお
よび低周波数を除外しなければならないので、理想曲線
は達成不可能である。しかし、曲線752のように徐々に
移行するのは、非線形伝達関数を使用して、カーソルを
正確に位置させることを可能とする。例示的な装置で
は、曲線752は、例えば1mm/秒などのある値まで直線で
下がり、手（装置）が最小直線速度の1/3から1/2より低
速になった場合に、カーソルを動かさないようにするこ
とができる。もちろん、さらに滑らかに移行する別の曲
線を使用することもできる。
上述したように、光学並進運動測定の精度は、照明ビ
ーム中の格子線の数に左右される。したがって、曲率が
高い表面の場合、光学的平面形状は十分に正確にするこ
とができない。このような用途の一例は、図20Aおよび
図20Bに示すような、シャフト600の回転の測定であり、
ここでシャフトの半径は小さいことがある。シャフトの
回転を測定するため、装置をシャフトに沿って（その側
に）配置することができる。シャフトの曲率に対応し、
小さい直径のシャフトを測定できるようにするため、装
置構成要素の前端として特殊な光学系602を使用するこ
とができる。光学系の形状を、図20Aおよび図20Bに概略
的に示す。光学系の直径は、シャフトの直径に対応し、
光学系の表面には、シャフトの軸に平行な線を有する１
次元格子604のパターンを設ける。光源606をシャフトの
中心に向け、そこに焦点を合わせ、その位相が格子全体
に渡って一定になるようにする。測定は０次タイプであ
ることが好ましい。検出器608は、シャフトの表面から
反射した光、および格子から反射した光を検出する。光
源と検出器とは、図20Bで最も明白に示すように、シャ
フトに対して円周の位置にあるが、互いに軸方向にずれ
ていることが望ましいことに留意されたい。
前端光学系は、異なるシャフト直径に合わせて変更す
ることができ、シャフト円周の有意の部分を見ることに
よって、高い分解能の測定ができる。方向の検出は、非
対称格子を使用して、または光の別の部分をシャフト表
面に合焦させて、上述した直交偏光法で方向を検出する
ことによって、または他の手段（例えばモータ駆動の電
流の極性を観察する）によって実行することができる。
図19Aまたは図19Bの構成を使用する利点は、両方にビー
ムの同じ部分を使用しながら、局部発振と散乱放射との
路長を等しくすることにある。
粗い表面に平行な運動は、意図的でないＺ軸（上下）
の運動も誘発することがある。Ｚ軸の運動は、表面から
反射した放射のドップラ偏移を誘発し、放射の位相は、
一般にＺとＸまたはＹの速度の組合せに応じて変化す
る。相対的寄与を切り離す１つの方法は、ＸおよびＹ軸
のそれぞれで、＋１および−１の回折次数の両方（また
は±２、±３などの他の対称次数）で測定を行うことで
ある。測定される表面に垂直な入射波の幾何学的形状、
速度vxおよびvz、光源波長λ、および格子線の間隔Λを
見ると、＋１の次数で測定したＸ動作とＺ動作を組み合
わせたドップラ周波数ずれは、 ω＋＝（２π／λ）（vxsin（φ）−vz（１＋cos
（φ）））となり、ここでsin（φ）＝λ／Λである。
−１次で測定すると、ドップラ偏移は ω−＝（２π／λ）（−vxsin（φ）−vz（１＋cos
（φ）））となる。
２つの周波数の差で、信号の振動は ω＋−ω−＝（４π／Λ）vxを有し、周波数の合計はω
＋＋ω−＝（４π／λ）vz（１＋cos（φ））となるこ
とが分かる。
２つの次数に２つの直角位相信号をとると、以下の信
号になる。
A+＝cos（ω+t＋Φ＋）,B+＝sin（ω+t＋Φ＋）， A-＝cos（ω-t＋Φ−）,B-＝sin（ω-t＋Φ−）． sinおよびcosの加算規則を使用すると、合計または差
の周波数で両方が振動し、直角位相の関係を維持する組
合せを形成することができる。
C-＝B+A-−A+B-＝sin（ω+t−ω-t＋Φ＋−Φ−）， D-＝A+A-＋B+B-＝cos（ω+t−ω-t＋Φ＋−Φ−）， C+＝B+A-＋A+B-＝sin（ω+t＋ω-t＋Φ＋＋Φ−）， D+＝A+A-−B+B-＝cos（ω+t＋ω-t＋Φ＋＋Φ−）． この結果生じた信号C-、D-は、したがって相対寄与が
切り離され、Ｘ軸の測定に対する擬似のＺ軸の寄与が消
去される。また、＋成分を、例えばタッチ・ポイントの
タッチまたは「クリック」の検出に、ゼロ次回折を測定
せず、特にＺ軸の測定にのみ使用することができる。
Ｚ軸の速度が比較的大きい場合、通常、Ｘ−Ｙ測定を
それぞれＺ軸並進運動の大まかな推定にも使用すること
ができる。したがって、指の「クリック」操作の「上
下」の特性を検出することができる。また、タッチ・ポ
イントに指を接触させ、離すことによって、それぞれ突
然の減速および加速を使用して「クリック」操作を検出
することが可能である。後者の場合、絶対Ｚ軸速度（ま
たはその導関数）のみを使用する。
Ｚ軸並進運動を決定する別の方法および横方向の運動
の正確な判定を、図21を参照して示す。図21は、２つの
検出対、Ｚ検出器702およびＸ検出器704を使用してＺお
よびＸ方向の運動を両方決定するのに使用するシステム
700の一部を示す。本発明の好ましい実施形態では、Ｚ
検出器およびＸ検出器がそれぞれ、図19Cおよび図19Dで
示し、図18の素子512および図19Aおよび図19Bの素子576
のような１対の直交偏光検出器で構成される。表面は
（検出システムに対して）ｘおよびｚ両方向の速度を有
する。全体的な速度を、図21のベクトルＶ（垂直方向は
VZ、平行方向はVX）として示す。
Ｚ検出器702は、Ｚ運動に基づく周波数ずれのみを含
む表面12からのドップラ偏移したエネルギーを受けるよ
う配置することが好ましい（光源は図示されていず、格
子に垂直に入射するものとする）。Ｘ検出器704は、
（例えば）格子からの１次回折、および法線に対して角
度φで表面12から反射し、ドップラ偏移した光を受ける
よう配置される。Ｘ検出器のドップラ偏移した反射は、
検出器に対する表面のＸ方向およびＺ方向の運動のドッ
プラ偏移の組合せに基づく。
UXを、ゼロ次と１次の間の二等分線に沿った速度の成
分とすると、下式の通りになる。
UX＝VXsin（φ/2）＋UZcos（φ/2） ドップラ効果は、それぞれＸおよびＺ検出器で測定す
る周波数ずれを生成する。
FX＝2UXcos（φ/2）／λ、および FZ＝2UZ/λ Ｘ軸に沿った速度、つまりVXは、上記の関係を下式に
組み合わせることにより測定可能な量FXおよびFZから判
定することができる。
VX＝λFX/sin（φ）−λFZctg（φ/2）/2 格子の１次を使用すると、sin（φ）＝λ／Λとな
り、ここでΛは格子線の間隔である。したがって、下式
にようになる。
VX＝Λ（FX−FZcos2（φ/2）） φが小さい場合はcos2（φ/2）〜１になり、Ｚの切り
離しが単純になる。
VX＝Λ（FX−FZ） ＸおよびＹの運動を決定するため、図22Aに示すよう
な、３つの検出器を使用し、ここではシステム700の焦
点面に配置された検出器を示す。
より正確に分離する必要がある場合には、０次検出器
を別途使用すればよい。照明光の一部をφ/2の角度で偏
向させることにより、この偏向されたビームから得られ
る新たな０次光が、Ｚ軸の運動のみを示すが、ドップラ
周波数には１＋cos（φ）＝2cos2（φ/2）が掛けられて
いる。すなわち、ドップラ周波数はＸ軸およびＹ軸の運
動と結合されたＺ軸の運動と正確に一致しており、従っ
てこれを正確に分離することができる。
本発明の好ましい代替実施形態では、非ゼロ次反射の
みを使用してＸおよびＺ方向の運動の影響を切り離すこ
とも可能である。これは、ゼロ付近の周波数における検
出が回避されるので、望ましいことがある。
説明を単純にするためにのみ、法線照明、３つの検出
器ｉ＝１〜３を使用し、それぞれがΛｉの格子間隔を表
し、Ｘ−Ｙ面でＸ軸に対して角度γｉで配置されるもの
とする。したがって、検出器は下式に従って擬正弦波信
号のサイクル数Niを測定する。
ここでＸおよびＹは、それぞれＸ軸およびＹ軸に沿った
並進運動、Ｚは面の法線に沿った並進運動の成分、λは
光源の波長、およびφｉは反射面への照明方向に対する
ｉ番目の検出器角度であり、sin（φｉ）＝λ／Λｉと
してΛｉに関連づけられる。
例えば、１つの検出器がＸ軸上にあり（γ１＝０）、
別の検出器がＹ軸上（γ２＝π/2）、３番目が他に対し
て45度にある（γ３＝π/4）場合、下式の通りになる。
以下の近似が得られる。
１＋cosφ１＝１＋cosφ２＝１＋cosφ３≡kz また、正方形の単位格子を有する単純な２次元格子を
使用すると（図22B参照）、下式の通りになる（φ角度
は小さいものとする）。
ここでΛ３はＸ軸と45度の角度をなす１次成分を表す。
図22Bでは、素子710はY1次検出器、712はX1次検出器、
および714はＸ＋Y1次検出器である。
代入し、整理し直すと、Ｘ、ＹおよびＺについて下式
の通りとなる。
ＸおよびＹ方向の並進運動は、測定される軸上にない
２つの検出器で測定されることが明白である。これは、
Ｚ軸の結合を排除し、それと同時に運動方向が１次軸の
いずれかに対して垂直方向に近い場合、はるかに優れた
分解能を可能にする。
別の例は後者に似ているが、Λ３が２倍になる場合は
下式のようになる。
この構成は、Ｘ軸上に１つの検出器、Ｙ軸上に第２、
その中間に第３の検出器がある場合と等しく（図22C参
照）、したがって３つの検出器が直線を形成する。図22
Cでは、714'が（Ｘ＋Ｙ）/2を組み合わせた次数の検出
器を示す。この構成は、製造の目的にとって好ましい
（特に静止位相ずれを使用する方向検出に使用するビー
ム分割を考慮した場合）。これは、専用の２次元位相格
子でも容易に獲得することができる。
この場合、軸に沿った並進運動に変換するには、下式
の通りになる。
さらに別の可能な構成は、１つの検出器（720）がＸ
軸上にあり他の２つ（722および724）がこれに対して対
称に配置されている場合、つまりγ１＝０、γ２＝γ、
γ３＝−γ、およびΛ１≡Λｘ、Λ２＝Λ３≡Λｙであ
る場合である（図22D参照）。
再び１＋cosφ１＝１＋cosφ２＝１＋cosφ３≡kzと
すると、下式の通りになる。
ＸとＹの分解能が等しくなるよう以下のように選択で
きるので都合がよい（しかし、必ずしも選択しなくてよ
い）。
したがって、 と定義し、整理し直すと、下式のようになる。
この場合もＺ軸が切り離され、１次軸のいずれかに対
してほぼ垂直な運動であっても、分解能も高い。
さらに、Ｚ軸の並進運動を都合よく抽出するため、γ
はtan（γ）＝２に設定され、下式の通りになる。
検出器の構成のいずれも、１つの２次元格子（ただ
し、概して長方形の単位格子のアレイで構成されるもの
ではない）からなるか、２つまたは３つの別個の格子を
使用し、好ましくは初期ビームの異なる部分で照明し、
それぞれが１つまたは２つの検出器に対する局部発振に
寄与するものであってよい。
図22A、図22Bおよび図22Cは、回折次数のそれぞれに
ついて１つの検出器を示すが、実際には、それぞれが図
19Cおよび図19Dで示した検出器および図18の素子512お
よび図19Aおよび図19Bの素子576など、直交偏光検出器
の対で構成されることに留意されたい。
本発明の装置に使用する光源の総出力は、概ね高くな
い。しかし、本発明の幾つかの好ましい実施形態では、
レーザが不注意で使用者の目に当たる可能性を下げる、
目に安全な機構を提供することが望ましい。本発明の好
ましい実施形態では、表面から反射した光を受け、それ
と同時に格子から反射または回折した光は受けないよう
配置された追加の検出器を設ける。これは、追加の検出
器をゼロ次回折ビームと１次回折ビームまたは他の任意
の次数との間に配置することによって、容易に達成され
る。この検出器は、上述したようにEr 2成分の補正にも
同時に使用できるので都合がよい。例えば、追加の検出
器は、図3A、図3Bまたは図3Cの要素34と40の間に配置す
る事ができる。そして、上述した他の実施形態において
も、同様の位置に置くことができる。
光は追加の検出器に入射し、検出器は（格子以外の）
物体がそれへの光を反射する位置にある場合のみ、信号
を生成する。したがって、表面または指または他の物体
がビームを遮断しない場合（したがってそれらが光を追
加の検出器に反射しない場合）、それらは信号を生成し
ない。
本発明の好ましい実施形態によると、追加のセンサが
検出した光が何らかの閾値より下がった場合は、常に光
源が消される。周期的、例えば100ミリ秒ごとに、光源
は再度非常に短時間点灯され、光が追加の検出器に入射
するかチェックする。入射した場合は光源は点灯し続
け、何らかの運動があれば、装置がそれを測定する。検
出される入射光がない、または少ない場合、光源は追加
の期間だけ消灯する。このプロセスは、閾値より上の光
信号が追加の検出器で検出されるまで繰り返される。寄
生振動を防止するため、閾値にヒステリシスを導入する
ことが好ましい。
代替的または追加的に、所定の期間、例えば１分また
は数分間、運動が検出されない場合は、運動検出器が
「スリープ・モード」に入る。スリープ・モードでは、
光源は短い期間（例えば１秒または1/2秒ごとに50また
は100ミリ秒）を除いて消灯する。「オン」期間の間に
運動が検出されると、運動検出器は通常の動作に切り替
わる。
本発明を、本発明の種々の特徴および種々の態様を組
み合わせた幾つかの好ましい実施形態について述べてき
た。これらの特徴および態様は様々な方法で組み合わせ
ることができ、本発明の種々の実施形態は、本発明の１
つまたは複数の態様を含むことができるのを理解された
い。本発明の範囲は以下の請求の範囲によって規定さ
れ、上述した個々の好ましい実施形態によっては規定さ
れない。以下の請求の範囲では、「備えるcomprise」、
「含むinclude」またはその変化形は、「含むが必ずし
もそれに限定されない」という意味である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (31)優先権主張番号 １２５４３１ (32)優先日 平成10年７月20日(1998．7．20) (33)優先権主張国 イスラエル（ＩＬ） (31)優先権主張番号 １２６６５６ (32)優先日 平成10年10月19日(1998．10．19) (33)優先権主張国 イスラエル（ＩＬ） 早期審査対象出願 (72)発明者 レデレール ギラッド イスラエル国 テル アヴィヴ 69690, アルミム ストリート ７ (56)参考文献 特開 平６−194116（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−71909（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−258437（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−120554（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−269261（ＪＰ，Ａ) 特表 平７−506680（ＪＰ，Ａ) 米国特許5274361（ＵＳ，Ａ) 米国特許5159406（ＵＳ，Ａ) 国際公開96／2009（ＷＯ，Ａ１) 英国特許出願公開2043387（ＧＢ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01S 17/50 G01B 11/00 G01D 5/38 G01P 3/36 G06P 3/033 310

Claims (173)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】測定装置に対する表面の相対運動を決定す
    る方法であって、 入射照明で表面を照明するステップと、 第１の検出信号を形成するため、第１の方向において、
    前記表面から反射した前記入射照明の第１の部分をコヒ
    ーレントに検出するステップを有し、前記第１の検出信
    号の時間的変化が第１の相対移動方向における相対運動
    に呼応しており、前記第１の相対移動方向は少なくとも
    前記表面に直交する方向の成分を有しており、 第２の検出信号を形成するため、前記第１の方向とは異
    なる第２の方向において、前記表面から反射した前記入
    射照明の第２の部分を検出するステップを有し、前記第
    ２の検出信号の時間的変化が前記第１の相対移動方向と
    は異なる第２の相対移動方向における相対運動に呼応し
    ており、前記第２の相対移動方向は少なくとも前記表面
    に平行な方向の成分と直交する方向の成分とを有してお
    り、 前記第１及び第２の検出信号から、前記表面と直交する
    方向の運動の影響を受けない、前記表面に平行な相対運
    動の量を決定するステップを有する方法。
  2. 【請求項２】前記表面に直交する方向の相対運動が、反
    射した照明のドップラ偏移に基づいて決定される、請求
    項１に記載の方法。
  3. 【請求項３】前記表面に平行な相対運動の量を決定する
    ステップが、 第１及び第２の検出信号から第３の信号を生成するステ
    ップを有し、前記第３の信号は前記表面に直交する方向
    の動作の影響を受けず、 さらに、前記第３の信号から前記表面に平行な方向の運
    動を決定するステップを有する、 請求項１または請求項２に記載の方法。
  4. 【請求項４】前記第３の信号を生成するステップが、前
    記第１の検出信号と第２の検出信号の積を取るステップ
    を有する、請求項３に記載の方法。
  5. 【請求項５】前記表面に平行な相対運動の量を決定する
    ステップが、 前記第１の検出信号から前記第１の相対移動方向におけ
    る第１の運動を決定するステップと、 前記第２の検出信号から前記第２の相対移動方向におけ
    る第２の運動を決定するステップと、 決定された前記第２の運動を決定された前記第１の運動
    により修正することによって、前記表面に平行な方向の
    運動を決定するステップと、 を有する請求項１または請求項２に記載の方法。
  6. 【請求項６】前記第１の相対移動方向が前記表面に平行
    な成分を含む、請求項１から４のいずれかに記載の方
    法。
  7. 【請求項７】前記表面に平行な相対運動の量を決定する
    ステップが、前記表面に直交する方向の相対運動の量を
    決定せずに、前記第１及び第２の検出信号から直接、前
    記表面に平行な方向の相対運動の量を決定するステップ
    を含む、請求項１から６のいずれかに記載の方法。
  8. 【請求項８】前記第１の相対移動方向は前記表面に平行
    な成分を含まない、請求項１から請求項５の何れかに記
    載の方法。
  9. 【請求項９】前記表面に平行な相対運動の量を決定する
    ステップが、前記表面に直交する方向の相対運動の量を
    決定せずに、前記第１及び第２の検出信号から直接、前
    記表面に平行な方向の相対運動の量を決定するステップ
    を含む、請求項８に記載の方法。
  10. 【請求項１０】前記第１の検出信号が、実質的に、前記
    表面に直交する方向の相対運動によって決定される、請
    求項７または請求項９に記載の方法。
  11. 【請求項１１】前記第１の検出信号が、前記表面に平行
    な相対運動に呼応する、請求項７に記載の方法。
  12. 【請求項１２】前記表面と直交する方向の相対運動の量
    を決定するステップを含む、請求項１から請求項11のい
    ずれかに記載の方法。
  13. 【請求項１３】前記表面に平行な相対運動の量を決定す
    るステップが、２つの互いに平行でない方向に沿った相
    対運動の量を決定するステップを有する、請求項１から
    請求項12のいずれかに記載の方法。
  14. 【請求項１４】前記入射照明が前記表面に垂直に入射す
    る、請求項１から請求項13のいずれかに記載の方法。
  15. 【請求項１５】前記測定装置の部分であるところの物体
    を介して受ける照明の一部を反射または回折するステッ
    プを有し、局所発信器として作動する、請求項１から請
    求項14のいずれかに記載の方法。
  16. 【請求項１６】前記物体は、少なくとも入射または反射
    照明のいずれかが透過する、部分的に反射する物体であ
    る、請求項15に記載の方法。
  17. 【請求項１７】前記入射照明および反射照明の両方が前
    記物体を透過する、請求項16に記載の方法。
  18. 【請求項１８】前記物体が前記表面に隣接している、請
    求項15から請求項17のいずれかに記載の方法。
  19. 【請求項１９】物体が格子である、請求項15から請求項
    18のいずれかに記載の方法。
  20. 【請求項２０】格子が、基本的に、表面を照明する１つ
    の次数の透過照明のみを生成する、請求項19に記載の方
    法。
  21. 【請求項２１】照明が、少なくとも部分的にコヒーレン
    トであり、前記物体が前記表面からの照明のコヒーレン
    ス長内に配置される、請求項15から請求項20のいずれか
    に記載の方法。
  22. 【請求項２２】局部発振照明および反射照明が、少なく
    とも１つの検出器に入射して前記検出信号を生成し、前
    記局部発振照明および反射照明が、前記検出器の位置に
    おいて少なくとも部分的にコヒーレントである、請求項
    15から請求項21のいずれかに記載の方法。
  23. 【請求項２３】前記照明が単一の照明光束を有する、請
    求項１から請求項22のいずれかに記載の方法。
  24. 【請求項２４】前記表面に平行な相対運動の量を決定す
    るステップが、運動の方向の向きを決定するステップを
    有する、請求項１から請求項23のいずれかに記載の方
    法。
  25. 【請求項２５】測定装置に対する表面の相対運動を決定
    する方法であって、 照明が前記表面の部分から反射するよう、入射照明で表
    面を照明するステップと、 前記表面で反射されていない、前記入射照明から得た照
    明を局部発振として使用して、前記表面から反射した照
    明をコヒーレントに検出し、少なくとも２つの信号を生
    成するステップと、 前記２つの信号の少なくとも一方から前記表面の相対運
    動の大きさを決定するステップと、 前記表面から反射した照明の少なくとも一部に対して、
    局部発振の照明の少なくとも一部の位相を変化させるス
    テップと、 前記変化した相対位相によって生じた信号の特性に基づ
    いて、前記表面に平行な相対運動の方向の向きを決定す
    るステップとを含み、 局部発振照明は、前記表面に近接した、前記測定装置の
    一部である物体からの入射照明の反射または回折により
    生成される方法。
  26. 【請求項２６】照明があるコヒーレンス長を有し、前記
    物体および前記表面が前記コヒーレント長内に位置す
    る、請求項25に記載の方法。
  27. 【請求項２７】測定装置に対する表面の相対運動を決定
    する方法であって、 照明が前記表面の部分から反射するよう、入射照明で表
    面を照明するステップと、 前記表面で反射されていない、前記入射照明から得た照
    明を局部発振として使用して、前記表面から反射した照
    明をコヒーレントに検出し、少なくとも２つの信号を生
    成するステップと、 前記２つの信号の少なくとも一方から前記表面の相対運
    動の大きさを決定するステップと、 前記表面から反射した照明の少なくとも一部に対して、
    局部発振の照明の少なくとも一部の位相を変化させるス
    テップと、 前記変化した相対位相によって生じた信号の特性に基づ
    いて、前記表面に平行な相対運動の方向の向きを決定す
    るステップとを含み、 局部発振照明は、前記表面に近接した、前記測定装置の
    一部である物体からの入射照明の反射または回折により
    生成され、 前記照明はあるコヒーレンス長を有し、前記物体および
    前記表面が前記コヒーレンス長内に位置する方法。
  28. 【請求項２８】前記物体が格子である、請求項26または
    請求項27のいずれかに記載の方法。
  29. 【請求項２９】前記格子が、基本的に、表面を照明する
    １つの次数の透過照明のみを生成する、請求項28に記載
    の方法。
  30. 【請求項３０】前記表面が格子の近距離場内部に配置さ
    れる、請求項28に記載の方法。
  31. 【請求項３１】前記表面が格子の近距離場の外側に配置
    される、請求項28に記載の方法。
  32. 【請求項３２】前記位相を変化させるステップが、静止
    位相変化を導入するステップを含み、相対運動の方向の
    向きを決定するステップが、前記静止位相変化によって
    生じた信号の特性に基づいて相対運動の方向の向きを決
    定するステップを含む、請求項25から請求項31のいずれ
    かに記載の方法。
  33. 【請求項３３】前記表面で反射された照明を、第１の位
    相を有する第１照明と、第２の位相を有する第２照明と
    に分割するステップを含む、請求項25から請求項32のい
    ずれかに記載の方法。
  34. 【請求項３４】前記第１照明と第２照明とが異なる偏光
    を有する、請求項33に記載の方法。
  35. 【請求項３５】分割するステップが、前記表面に入射す
    る照明を、複屈折材料を通過させるステップを含む、請
    求項33または請求項34に記載の方法。
  36. 【請求項３６】分割するステップが、前記表面から反射
    した照明を、複屈折材料を通過させるステップを含む、
    請求項33から35のいずれか一項に記載の方法。
  37. 【請求項３７】複屈折材料を、前記物体と前記表面との
    間に配置するステップを含む、請求項25から請求項34の
    いずれかに記載の方法。
  38. 【請求項３８】物体と前記表面との間に前記複屈折材料
    を配置するステップが、検出した照明を複屈折材料に２
    回通過させる働きを有する、請求項37に記載の方法。
  39. 【請求項３９】運動方向の向きに応じて異なる検出信号
    を生成する２つの検出器を使用し、運動の大きさと運動
    方向の向きとを決定するステップを含む、請求項25から
    請求項38のいずれかに記載の方法。
  40. 【請求項４０】運動方向の向きを決定するステップが、
    前記異なる検出信号間の位相差の符号から方向の向きを
    決定するステップを含む、請求項39に記載の方法。
  41. 【請求項４１】前記表面から反射した照明が直線偏光を
    含む、請求項25から40のいずれかに記載の方法。
  42. 【請求項４２】相対運動の大きさを決定するステップ
    が、信号のゼロクロスをカウントするステップを含む、
    請求項25から請求項40のいずれかに記載の方法。
  43. 【請求項４３】装置に対する表面の運動を決定する装置
    であって、 光学ブロックと、 光学ブロックに取り付けられ、入射する光に対応して信
    号を生成する検出器と、 照明を生成する照明源とを備え、ブロックを通過する該
    照明の一部が前記表面で反射し、光学ブロックを通過し
    た後に検出器に入射し、さらに、 信号に応答して、前記表面に平行な運動の大きさを計算
    する回路と、 ブロック内またはブロックの表面上に、照明の一部を前
    記一部が前記表面に入射しない状態で検出器へ向けて反
    射または回折させる物体とを備え、 前記一部が、検出器による反射照明のコヒーレントな検
    出のための局部発振として作用し、 単一のビームのみが前記表面を照射する、装置。
  44. 【請求項４４】測定装置に対する表面の相対運動を決定
    する方法であって、 照明が前記表面の一部で反射するよう、入射照明で表面
    を照明するステップと、 前記表面から反射した照明の少なくとも第１部分を検出
    して、第１検出信号を形成するステップと、 表面から反射した照明の少なくとも第２部分を検出し
    て、第２検出信号を形成するステップと、 反射した放射のドップラ偏移に基づいて相対運動の量を
    決定するステップとを含み、第１および第２検出信号が
    直角位相を為し、検出が直角位相の検出を含む、方法。
  45. 【請求項４５】前記第１および第２検出信号に応答して
    相対運動の方向の向きを検出するステップを含む、請求
    項44に記載の方法。
  46. 【請求項４６】前記表面に平行な、２つの互いに平行で
    ない方向での、相対運動を決定するステップを含む、請
    求項44または請求項45に記載の方法。
  47. 【請求項４７】前記表面に垂直な方向の相対運動を決定
    するステップを含む、請求項44から請求項46のいずれか
    に記載の方法。
  48. 【請求項４８】相対運動を決定するステップが、前記第
    １および第２信号の少なくとも一方のゼロクロスをカウ
    ントするステップを含む、請求項44から請求項47のいず
    れかに記載の方法。
  49. 【請求項４９】検出するステップが、コヒーレントな検
    出を含む、請求項44から請求項48のいずれかに記載の方
    法。
  50. 【請求項５０】測定装置に対する光散乱表面の相対運動
    を決定する方法であって、 照明が前記光散乱表面の部分から反射するよう入射照明
    で表面を照明するステップと、 信号を生成するため、検出器を使用して前記光散乱表面
    から反射した照明をコヒーレントに検出するステップ
    と、 前記コヒーレントな検出のために、前記光散乱表面から
    反射していない前記入射照明から得た照明を局部発振と
    して使用するステップと、 信号から前記光散乱表面の相対運動の大きさを決定する
    ステップとを含み、 局部発振が検出器の小さい領域で合焦し、したがって表
    面で反射した照明に含まれるただ一つの空間周波数成分
    のみが、前記検出器上で、前記局部発振との干渉場を形
    成することを特徴とする、方法。
  51. 【請求項５１】前記局部発信に用いられる照明は、前記
    照明の程度を限定するための開口を前記検出器に近接し
    て設けることなく、前記検出器上に入射される、請求項
    50に記載の方法。
  52. 【請求項５２】前記相対運動の大きさを決定するステッ
    プは、前記表面に平行な相対運動の大きさを決定するス
    テップを有する、請求項50または請求項51に記載の方
    法。
  53. 【請求項５３】装置と表面との間の相対運動を測定する
    装置であって、 前記表面を照明するために使用される照明源と、 前記表面から反射された源からの照明を受け、照明の一
    部を、前記表面により反射されない状態で受光する検出
    器とを備え、したがって検出器は、照明の一部を局部発
    振として、前記表面により反射された照明のコヒーレン
    トな検出に基づいて信号を生成し、前記信号が相対運動
    の速度に関連した周波数を有し、さらに、 信号のゼロクロスのカウントに対応して、前記表面と平
    行な方向の相対運動の量を計算する運動計算装置を備
    え、 前記検出器が、検出器の出力をフィルタにかけて前記信
    号を形成するハイパスフィルタを含む、装置。
  54. 【請求項５４】前記ハイパスフィルタが、約20dB/オク
    ターブ未満の傾斜を有する、請求項53に記載の装置。
  55. 【請求項５５】前記ハイパスフィルタが、約0.5mm/秒未
    満の運動速度に対応する周波数において遮断点を有す
    る、請求項53または請求項54に記載の装置。
  56. 【請求項５６】コヒーレント検出を用いて、前記表面に
    より反射された照明の少なくとも第２部分を検出して第
    ２検出信号を形成する第２検出器を有し、 前記運動計算装置が、反射した放射のドップラ偏移に基
    づいて相対運動の量を決定し、信号および第２検出信号
    が直交位相を有し、前記検出が直交位相の検出を含む、
    請求項55に記載の装置。
  57. 【請求項５７】測定装置に対して表面の相対運動を決定
    する方法であって、 測定装置の一部として、前記表面に隣接して、部分的に
    透過する物体を配置するステップと、 照明が表面の部分から反射するよう、前記表面を入射照
    明で照明するステップとを含み、入射および反射照明の
    少なくとも一方の少なくとも一部が前記物体を通過し、
    さらに、 検出信号を生成するため、前記表面から反射した照明を
    検出するステップを含み、前記物体および前記表面が、
    検出される照明のコヒーレンス長より短い距離内に配置
    され、さらに、 前記検出信号から、前記表面に平行な、前記表面の相対
    運動を決定するステップを有し、 前記物体が部分的に反射性を有し、入射照明の一部が基
    準照明として物体で反射または回折され、照明の検出が
    前記基準照明を使用したコヒーレントな検出である方
    法。
  58. 【請求項５８】前記物体の透過性が空間的に変化する、
    請求項57に記載の方法。
  59. 【請求項５９】測定装置に対する表面の相対運動を決定
    する方法であって、 部分的に反射し部分的に透過する物体（16,38）を、入
    射照明の部分が前記物体により、参照照明として反射ま
    たは回折され、一部が前記表面により反射されるよう照
    明するステップを有し、前記物体は前記測定装置の一部
    であり、前記表面（12,42）に近接して配置され、 検出信号を生成するため、前記参照照明を使用して、前
    記表面で反射された照明をコヒーレントに検出するステ
    ップと、 前記検出信号から、前記表面に平行な方向の前記表面の
    相対運動を決定するステップとを有し、 少なくとも前記物体を透過した光または前記物体により
    反射された光の一方は、少なくとも何らかの属性が空間
    的に変化する、方法。
  60. 【請求項６０】前記物体が部分的に透過性の物体であ
    り、入射照明および反射照明の少なくとも一方の少なく
    とも一部が前記物体を通過する、請求項59の方法。
  61. 【請求項６１】前記物体の反射度が空間的に変化する、
    請求項59または請求項60に記載の方法。
  62. 【請求項６２】前記空間的な変化が、周期的な空間的変
    化を有する、請求項58または請求項61に記載の方法。
  63. 【請求項６３】前記表面に隣接して前記物体を配置する
    ステップが、 前記表面に隣接して格子を配置するステップを含む、請
    求項57から62のいずれかに記載の方法。
  64. 【請求項６４】前記表面に隣接して格子を配置するステ
    ップが、 前記表面が格子の近距離場にあるよう、表面に十分近く
    格子を配置するステップを含む、請求項63に記載の方
    法。
  65. 【請求項６５】前記表面に隣接して格子を配置するステ
    ップが、 前記表面が格子の近距離場の外側にあるよう、表面から
    十分離れて格子を配置するステップを含む、請求項63に
    記載の方法。
  66. 【請求項６６】検出された照明が少なくとも部分的にコ
    ヒーレントである、請求項57から請求項65のいずれか一
    項に記載の方法。
  67. 【請求項６７】測定装置に対する表面の相対運動を決定
    する方法であって、 測定装置の一部である、格子であるところの物体を前記
    表面に隣接して配置するステップと、 少なくとも照明の一部が前記表面に入射して、そこから
    反射するよう、入射照明で格子を照明するステップとを
    含み、入射および反射照明の少なくとも一方が格子を通
    過し、さらに、 反射した照明に対応して信号を生成するステップと、 表面に平行な表面の相対運動を、検出された信号から決
    定するステップとを含み 前記表面が格子の近距離場にある方法。
  68. 【請求項６８】前記信号を生成するステップが、基準照
    明を使用して、前記表面で反射された照明を検出するス
    テップを含む、請求項67に記載の方法。
  69. 【請求項６９】前記表面から反射した照明が、物体で反
    射または回折した照明から周波数がずれ、運動を決定す
    るステップが、周波数のずれに基づいて運動を決定する
    ステップを含む、請求項57から68のいずれかに記載の方
    法。
  70. 【請求項７０】物体が、空間的に非対称の透過特性を有
    する、請求項57から請求項69のいずれかに記載の方法。
  71. 【請求項７１】前記非対称によって生じた信号の特性に
    基づき、相対運動の方向の向きを決定するステップを含
    む、請求項70に記載の方法。
  72. 【請求項７２】測定装置に対する表面の相対運動を決定
    する方法であって、 測定装置の一部である部分的に透過性の物体を前記表面
    に隣接して配置するステップと、 照明が前記表面の一部から反射されるよう、干渉パター
    ンを構成しない入射照明で前記表面を照明するステップ
    とを含み、入射および反射照明の少なくとも一方の少な
    くとも一部が物体を通過し、さらに、 前記表面から反射した照明を検出して、検出信号を生成
    するステップと、 前記検出信号から、前記表面に平行な前記表面の相対運
    動を決定するステップとを含む方法。
  73. 【請求項７３】照明が物体で反射または回折されること
    を特徴とする請求項72に記載の方法。
  74. 【請求項７４】物体で反射または回折した照明と前記表
    面から反射した照明の少なくとも一部との間の位相を変
    動させるステップを含む、請求項57から請求項71のいず
    れかまたは請求項73に記載の方法。
  75. 【請求項７５】前記方向の向きが、前記変動位相に基づ
    いて決定される、請求項74に記載の方法。
  76. 【請求項７６】表面に垂直な方向の運動を決定するステ
    ップを含む、請求項57から請求項75のいずれかに記載の
    方法。
  77. 【請求項７７】測定装置に対する表面の相対運動を決定
    する方法であって、 照明が前記表面の部分から反射するよう、入射照明で表
    面を照明するステップと、 測定装置の一部である部分的に反射性の物体を、前記表
    面に隣接して配置するステップとを含み、入射照明の一
    部が基準照明として物体で反射または回折し、さらに、 信号を生成するため、物体で反射または回折した照明を
    局部発振として使用して、前記表面から反射した照明を
    コヒーレント検出するステップと、 信号から前記表面の相対運動を決定するステップと、 前記表面から反射した照明の少なくとも一部に対して、
    物体で反射または回折した照明の少なくとも一部の位相
    を変動させるステップと、 前記変動された相対位相による信号の特性に基づき、前
    記表面に平行な相対運動の方向の向きを決定するステッ
    プとを含む方法。
  78. 【請求項７８】部分的に反射性の物体を表面に隣接して
    配置するステップが、 格子を前記表面に隣接して配置するステップを含む、請
    求項77に記載の方法。
  79. 【請求項７９】位相を変動させるステップが、位相を周
    期的に変動させるステップを含む、請求項74、請求項7
    5、請求項77または請求項78のいずれか一項に記載の方
    法。
  80. 【請求項８０】相対運動の方向を決定するステップが、
    前記周期的に変動する相対位相によって生じる信号の特
    性に基づき、相対運動の方向の向きを決定するステップ
    を含む、請求項79に記載の方法。
  81. 【請求項８１】位相を変動させるステップが、 物体を、ほぼ動作を測定する方向に周期的に移動させる
    ステップを含む、請求項74、請求項75、請求項77から請
    求項80のいずれか一項に記載の方法。
  82. 【請求項８２】位相を変動させるステップが、 物体を、ほぼ測定する動作の方向に垂直に周期的に移動
    させるステップを含む、請求項74、請求項75、請求項77
    から請求項81のいずれか一項に記載の方法。
  83. 【請求項８３】位相を変動させるステップが、 物体と前記表面との間に透明な材料を設けるステップ
    と、 光路長が照明の方向に変動するよう材料に通電するステ
    ップとを含む、請求項74、請求項75、請求項77から請求
    項82のいずれか一項に記載の方法。
  84. 【請求項８４】透明材料が圧電材料である、請求項83に
    記載の方法。
  85. 【請求項８５】１つの検出器を使用して運動の大きさと
    方向の向きとを決定するステップを含む、請求項74から
    請求項84のいずれかに記載の方法。
  86. 【請求項８６】位相を変動させるステップが、静止位相
    変化を導入するステップを含み、相対運動の方向の向き
    を決定するステップが、前記位相変化によって生じた信
    号の特性に基づいて相対運動の方向の向きを決定するス
    テップを含む、請求項74、請求項75、請求項77または請
    求項78のいずれかに記載の方法。
  87. 【請求項８７】前記表面から反射した照明の少なくとも
    一部を、少なくとも第１位相を有する第１照明と第２位
    相を有する第２照明とに分割するステップを含む、請求
    項74から請求項86のいずれか一項に記載の方法。
  88. 【請求項８８】第１および第２照明が異なる偏光を有す
    る、請求項87に記載の方法。
  89. 【請求項８９】分割するステップが、前記表面に入射す
    る照明を複屈折材料に通過させるステップを含む、請求
    項88に記載の方法。
  90. 【請求項９０】前記表面から反射した照明を複屈折材料
    に通過させるステップを含む、請求項88または請求項89
    に記載の方法。
  91. 【請求項９１】物体と前記表面との間に複屈折材料を配
    置するステップを含む、請求項89または請求項90に記載
    の方法。
  92. 【請求項９２】運動の方向の向きに応じて異なる検出信
    号を生成する２つの検出器を使用して、運動の大きさと
    方向の向きとを決定するステップを含む請求項72から請
    求項84および、請求項86から請求項91のいずれかに記載
    の方法。
  93. 【請求項９３】異なる検出信号の位相差の符号から、運
    動の方向の向きを決定するステップを含む、請求項92に
    記載の方法。
  94. 【請求項９４】測定装置に対する表面の相対運動を決定
    する方法であって、 測定装置の一部である反射部を有する格子を前記表面に
    隣接して配置するステップと、 照明が表面の一部から反射し、照明が反射部を有する格
    子で反射または回折するよう、入射照明で表面を照明す
    るステップと、 反射部を有する格子で反射または回折した照明を局部発
    振として使用して、表面から反射した照明をコヒーレン
    ト検出し、信号を形成するステップと、 信号から反射部を有する格子に垂直および平行な前記表
    面の相対運動を決定するステップとを含む方法。
  95. 【請求項９５】コヒーレントに検出するステップが、 反射した照明の振幅または位相の変動を検出するステッ
    プと、 反射した照明の周波数のずれを検出するステップとを含
    み、 相対運動を決定するステップが、 検出した振幅または位相の変動の少なくとも一方に応答
    して、反射部を有する格子に平行な方向で前記表面の相
    対運動を測定するステップと、 検出した周波数のずれに応答して、反射部を有する格子
    の表面に垂直な方向の表面の相対運動を測定するステッ
    プとを含む、請求項94に記載の方法。
  96. 【請求項９６】反射部を有する格子の表面を、その表面
    に垂直の方向に周期的に移動させて、そこから反射した
    照明に周期的な位相ずれを加えるステップと、 前記位相ずれを使用して前記表面の運動を測定するステ
    ップとを含む、請求項95に記載の方法。
  97. 【請求項９７】測定装置に対する表面の相対運動を決定
    する方法であって、 照明が前記表面の部分から検出器に向かって反射するよ
    う、源から入射照明で前記表面を照明するステップと、 前記表面上にある所与の散乱体から検出した照明の位相
    がほぼ一定するか、表面の並進運動に直線的に関連する
    よう、反射した照明を空間的にフィルタリングするステ
    ップと、 検出器に入射した照明に応答して検出器で信号を生成す
    るステップと、 前記信号から前記表面の相対運動を決定するステップと
    を含み、 表面を照明するステップは、前記表面に近接して配置さ
    れ、検出器への照明を反射または回折する、部分的に反
    射する物体を介して、前記表面を照明する、方法。
  98. 【請求項９８】照明するステップが、少なくともその何
    らかの属性が空間的に変化のある照明で表面を照明する
    ステップを含む、請求項97に記載の方法。
  99. 【請求項９９】前記物体が、前記表面に近接して配置さ
    れた反射部を有する格子を有する、請求項97または請求
    項98に記載の方法。
  100. 【請求項１００】前記信号を生成するステップが、前記
    物体から反射または回折した照明を使用して、前記表面
    から反射した照明をコヒーレント検出するステップを含
    む、請求項97から請求項99のいずれかに記載の方法。
  101. 【請求項１０１】相対運動を決定するステップが、反射
    した照明のドップラ偏移を利用するステップを含む、請
    求項97から請求項100のいずれか一項に記載の方法。
  102. 【請求項１０２】表面の照明は実質的にコリメートさ
    れ、 前記空間的にフィルタリングするステップが、実質的に
    単一の空間周波数の反射照明のみが検出されるよう、前
    記反射照明をフィルタリングする、請求項97から請求項
    101のいずれかに記載の方法。
  103. 【請求項１０３】表面の照明が実質的にコリメートさ
    れ、 前記空間的にフィルタリングするステップが、前記表面
    で実質的に単一の方向に反射された照明のみが検出され
    るよう、前記反射照明をフィルタリングする、請求項97
    から請求項102のいずれかに記載の方法。
  104. 【請求項１０４】前記空間的にフィルタリングするステ
    ップが、 焦点を有するレンズで反射照明を合焦させるステップ
    と、 レンズの焦点にピンホールを配置するステップとを含
    む、請求項97から請求項103のいずれかに記載の方法。
  105. 【請求項１０５】前記空間的にフィルタリングするステ
    ップが、 焦点を有するレンズで反射照明を合焦させるステップ
    と、 照明を前記検出器に伝達するため、レンズの焦点に単一
    モード光ファイバを配置するステップとを含む、請求項
    97から請求項103のいずれかに記載の方法。
  106. 【請求項１０６】前記空間的にフィルタリングするステ
    ップが、 レンズで反射照明を合焦させるステップと、 源の像の位置にピンホールを配置するステップとを含
    む、請求項97から請求項103のいずれかに記載の方法。
  107. 【請求項１０７】前記空間的にフィルタリングするステ
    ップが、 レンズで反射照明を合焦させるステップと、 照明を検出器に伝達するため、源の像の位置に単一モー
    ド光ファイバを配置するステップとを含む、請求項97か
    ら請求項103のいずれかに記載の方法。
  108. 【請求項１０８】測定装置に対する表面の相対運動を決
    定する方法であって、 照明が、前記表面により反射されて、前記表面上の点ま
    たは表面の一部分の像を形成することなく検出器に入射
    するよう、透過部を有する反射器を通して照明で前記表
    面を照明するステップと、 前記入射照明から得た基準照明で、同時に検出器を照明
    するステップと、 検出器が信号を生成するよう、前記基準照明を使用して
    検出器の反射照明をコヒーレント検出するステップと、 相対運動によって生じた信号の変動に基づき、前記表面
    に平行な表面の相対運動を決定するステップとを含む方
    法。
  109. 【請求項１０９】入射照明が所与の波長であり、基準照
    明は、コヒーレント検出がホモダイン検出であるよう、
    同じ波長である、請求項108に記載の方法。
  110. 【請求項１１０】前記表面の照明の少なくとも何らかの
    属性を空間的に変動させるステップを含む、請求項108
    または請求項109に記載の方法。
  111. 【請求項１１１】前記表面の照明を空間的に変動させる
    ステップが、 空間的に変化のある周期的透過を有する透過格子を通し
    て、表面を照明するステップを含む、請求項110に記載
    の方法。
  112. 【請求項１１２】前記表面の照明を空間的に変動させる
    ステップが、 格子を通して前記表面を照明するステップを含み、該格
    子は入射した照明の一部を検出器へと鏡面反射すること
    により前記基準照明を形成する、請求項110に記載の方
    法。
  113. 【請求項１１３】測定装置に対する表面の相対運動を決
    定する方法であって、 照明が表面の部分から反射するよう、照明で表面を照明
    するステップと、 反射部を有する格子を前記表面に隣接して配置するステ
    ップと、 反射部を有する格子で反射または回折した照明を局部発
    振として使用して、表面から反射した照明をコヒーレン
    ト検出するステップと、 信号の特性から、表面に平行な方向で表面の相対運動を
    決定するステップとを含む方法。
  114. 【請求項１１４】相対運動が、前記表面から反射した照
    明のドップラ偏移を使用して検出される、請求項113に
    記載の方法。
  115. 【請求項１１５】開口付き反射器が格子であり、格子で
    回折した照明を使用して運動を決定する、請求項113ま
    たは請求項114に記載の方法。
  116. 【請求項１１６】照明が表面に垂直に入射する、請求項
    57から請求項115のいずれかに記載の方法。
  117. 【請求項１１７】表面と装置との相対運動を決定する装
    置であって、 表面に隣接して配置された部分的に透過性の物体と、 入射した照明を検出して検出信号を生成する検出器と、 照明が物体から検出器へと反射または回折し、入射照明
    の一部が前記表面から検出器へと反射するよう、入射照
    明で物体を照明する照明源とを備え、検出器が、物体か
    ら検出器へと反射または回折した照明を使用して表面か
    ら反射した照明をコヒーレントに検出し、さらに、 検出信号から、装置に対して前記表面に平行な前記表面
    の相対運動を決定する回路を備える装置。
  118. 【請求項１１８】測定装置に対する表面の相対運動を決
    定する方法であって、 照明が表面の一部から反射するよう、照明で表面を照明
    するステップと、 部分的に反射性の物体を表面に隣接して配置するステッ
    プと、 部分的に反射する物体で反射または回折した照明を局部
    発振として使用して、表面から反射する照明をコヒーレ
    ントに検出するステップと、 前記表面から反射した反射に基づいた信号の特性から、
    前記表面に平行な方向で表面の相対運動を決定するステ
    ップとを含む方法。
  119. 【請求項１１９】測定装置に対する表面の相対運動の方
    向の向きを決定する方法であって、 放射が前記表面の部分から検出器へと反射されるよう、
    入射放射で前記表面を照明するステップと、 前記表面に非対称照明を与えるため、非対称透過関数を
    有する物体を、検出器に隣接して配置するステップと、 信号を生成するため、検出器を使用して前記表面から反
    射した放射を検出するステップと、 前記信号から、前記表面の相対運動の方向の向きを決定
    するステップとを含む方法。
  120. 【請求項１２０】請求項１から請求項24、請求項50から
    請求項52、請求項57から116、請求項118のいずれかに記
    載の方法における運動を決定するステップが、位置によ
    る信号の強度の変動を決定するステップを含む、方
    法。。
  121. 【請求項１２１】前記運動が、検出された信号のゼロク
    ロスから決定される、請求項120に記載の方法。
  122. 【請求項１２２】光学的散乱表面の測定装置に対する相
    対運動を決定する方法であって、 前記表面をレーザ光源からの入射照明光により、該照明
    光が前記表面の部分で反射されるよう、照明するステッ
    プと、 前記測定装置の一部である格子により、参照光を得るた
    め、前記照明光の一部を回折させるステップと、 信号を生成するため、前記表面で反射された照明光を、
    前記参照光を局部発信として、コヒーレントに検出する
    ステップと、 前記信号に基づいて、前記表面の格子と平行な方向の相
    対運動の量を決定するステップと、 を有する方法。
  123. 【請求項１２３】検出された照明光はコヒーレンス長を
    有し、前記格子は、格子と前記表面との間隔が前記コヒ
    ーレンス長より小さくなるよう、前記表面に近接して配
    置される、請求項122に記載の方法。
  124. 【請求項１２４】前記表面の前記格子と直交する方向の
    相対運動の量を決定するステップを有する、請求項122
    または請求項123のいずれかに記載の方法。
  125. 【請求項１２５】前記表面の格子と平行な方向の相対運
    動の量を決定するステップが、前記格子と垂直な方向の
    運動の影響を受けない運動の量を決定する、請求項122
    から請求項124のいずれかに記載の方法。
  126. 【請求項１２６】前記表面の２次元の運動の量を決定す
    るステップを有する、請求項122から請求項124のいずれ
    かに記載の方法。
  127. 【請求項１２７】前記表面の３次元の運動の量を決定す
    るステップを有する、請求項122から請求項124のいずれ
    かに記載の方法。
  128. 【請求項１２８】前記表面の運動の方向の向きを決定す
    るステップを有する、請求項122から請求項124にいずれ
    かに記載の方法。
  129. 【請求項１２９】前記検出は、直角位相検出を含む、請
    求項122から請求項128のいずれかに記載の方法。
  130. 【請求項１３０】相対運動の量の決定は、反射照明光の
    ドップラ偏移に基づく、請求項122から請求項129のいず
    れかに記載の方法。
  131. 【請求項１３１】前記表面からの反射照明光を偏光させ
    るステップを有する、請求項122から請求項130のいずれ
    かに記載の方法。
  132. 【請求項１３２】前記格子は実質的に、前記表面を照明
    する１次の照明光のみを生成する、請求項122から請求
    項131のいずれかに記載の方法。
  133. 【請求項１３３】入射照明光が直線偏光している、請求
    項44から請求項52、請求項57から請求項116、請求項122
    から請求項132のいずれかに記載の方法。
  134. 【請求項１３４】表面の測定装置に対する相対運動を決
    定する方法であって、 前記表面をレーザ光源からの直線偏光の入射照明光によ
    り、該照明光が前記表面の部分で反射されるよう、照明
    するステップと、 前記反射照明光を偏光させるステップと、 すくなくとも２つの信号を生成するため、前記レーザ光
    源からの抽出した参照照明光を局部発信として利用し
    て、前記表面で反射された照明光をコヒーレントに検出
    するステップと、 前記少なくとも２つの信号に基づいて、前記表面の相対
    運動の量を決定するステップと、 を有する方法。
  135. 【請求項１３５】前記表面に平行な方向の相対運動を決
    定するステップを有する、請求項134に記載の方法。
  136. 【請求項１３６】前記表面の相対運動の２つの互いに平
    行でない方向における量を決定するステップを有する、
    請求項134または請求項135に記載の方法。
  137. 【請求項１３７】前記表面の相対運動の、３つの直交す
    る方向における量を決定するステップを有する、請求項
    134から請求項136のいずれかに記載の方法。
  138. 【請求項１３８】前記表面の運動の方向の向きを決定す
    るステップを有する、請求項134から請求項137のいずれ
    かに記載の方法。
  139. 【請求項１３９】前記検出が、直角位相検出を有する、
    請求項134から請求項138のいずれかに記載の方法。
  140. 【請求項１４０】前記相対運動の量を決定するステップ
    が、反射照明光のドップラ偏移に基づいて相対運動の量
    を決定するステップを有する、請求項134から請求項139
    のいずれかに記載の方法。
  141. 【請求項１４１】前記表面が、光学的に散乱反射する面
    である、請求項１から請求項42、請求項44から請求項5
    2、請求項57から請求項116、請求項118から請求項139の
    いずれかに記載の方法。
  142. 【請求項１４２】前記表面は、位置を示すマークを有し
    ない、請求項１から請求項42、44から請求項52、請求項
    57から請求項116、請求項118から請求項139のいずれか
    に記載の方法。
  143. 【請求項１４３】前記照明光は可視照明光である、請求
    項１から請求項42、請求項44から請求項52、請求項57か
    ら請求項116、請求項118から請求項142のいずれかに記
    載の方法。
  144. 【請求項１４４】前記照明光は赤外照明光である、請求
    項１から請求項42、請求項44から請求項52、請求項57か
    ら請求項116、請求項118から請求項142のいずれか一項
    に記載の方法。
  145. 【請求項１４５】前記表面に平行な２方向における前記
    表面の相対運動を検出するステップを含む、請求項１か
    ら請求項42、請求項44から請求項52、請求項57から請求
    項116、請求項118から請求項142のいずれか一項に記載
    の方法。
  146. 【請求項１４６】ある表面に面する開口を有する筐体
    と、 前記開口を通して前記表面に望む光学運動検出器とを備
    え、 前記光学運動検出器が請求項１から請求項42、請求項44
    から請求項52、57から請求項116、請求項118から請求項
    145のいずれか一項に記載された方法を使用して、前記
    表面に対する筐体の並進運動を決定する、光学マウス。
  147. 【請求項１４７】制御装置として使用するタッチ・ポイ
    ントであって、 開口を有する筐体と、 開口上を横切って並進する指の運動を決定する光学検出
    器とを備え、 前記光学検出器が請求項１から請求項42、請求項44から
    請求項52、請求項57から請求項116、請求項118から請求
    項145のいずれか一項に記載された方法を使用して、前
    記運動を決定するタッチ・ポイント。
  148. 【請求項１４８】請求項147に記載の第１タッチ・ポイ
    ント、およびこれに応答してポインタを移動させる回路
    と、 請求項147に記載の第２タッチ・ポイント、およびこれ
    に応答してスクロールを行わせる回路とを備えるポイン
    タ・デバイス。
  149. 【請求項１４９】コンピュータ用のポインタとして使用
    するマウス／タッチ・ポイントの組合せであって、 開口を有する筐体と、 請求項１から請求項42、請求項44から請求項52、請求項
    57から請求項116、請求項118から請求項145のいずれか
    一項に記載された方法を使用して前記開口上を横切って
    並進する物体の運動を決定する光学検出器と、 開口が上向きか下向きかを決定する手段とを備える組合
    せ。
  150. 【請求項１５０】ドキュメント上のスキャナの動作によ
    ってドキュメントを読み取るスキャナであって、 ドキュメントの表面のパターンを検出する光学読み取り
    ヘッドと、 スキャナがドキュメントの表面上を並進する際に、その
    運動を決定する光学検出器とを備え、 前記光学検出器が請求項１から請求項42、請求項44から
    請求項52、請求項57から請求項116、請求項118から請求
    項145のいずれか一項に記載の方法を使用して運動を決
    定する、スキャナ。
  151. 【請求項１５１】前記パターンが、印刷されたパターン
    を備える、請求項150に記載のスキャナ。
  152. 【請求項１５２】前記パターンが、手書きのパターンを
    含む、請求項150または請求項151に記載のスキャナ。
  153. 【請求項１５３】前記パターンが署名を含む、請求項15
    2に記載のスキャナ。
  154. 【請求項１５４】基準マーク以外のマークがない光学的
    に拡散反射する表面と、 前記表面に対して相対運動する光学検出器とを備え、 前記光学検出器が基準マークに関して前記表面に対する
    相対運動を測定し、光学検出器が請求項１から請求項4
    2、請求項44から請求項52、請求項57から116、請求項11
    8から請求項145のいずれか一項に記載の方法を使用す
    る、エンコーダ。
  155. 【請求項１５５】前記表面が軸を中心に回転するディス
    クの表面であり、前記検出器がディスクの回転を測定す
    る、請求項154に記載のエンコーダ。
  156. 【請求項１５６】請求項154または請求項155に記載のエ
    ンコーダと、 前記測定された相対運動を、書かれたデータまたはグラ
    フィカルなデータに変換する回路と、を備える仮想ペ
    ン。
  157. 【請求項１５７】紙を移動させる装置であって、 紙を移動させる手段と、 紙上のいかなるマークも使用せずに、紙の動作を測定す
    る光学検出器とを備え、 前記光学検出器が請求項１から請求項42、請求項44から
    請求項52、請求項57から請求項116、請求項118から請求
    項145のいずれか一項に記載の方法を使用する、装置。
  158. 【請求項１５８】請求項157に記載の装置と、 紙から情報を読み取る読み取りヘッドと、 紙の運動の測定に対応したメモリ・ロケーションに前記
    情報を格納するメモリと、 を備えるドキュメント・スキャナ。
  159. 【請求項１５９】請求項157に記載の装置と、 紙のシートに印刷される情報を格納するメモリと、 前記紙の動きの測定に対応した情報を印刷する印刷ヘッ
    ドと、 を備えるプリンタ。
  160. 【請求項１６０】請求項158に記載のスキャナを備える
    ファックス機。
  161. 【請求項１６１】請求項159に記載のプリンタを備える
    ファックス機。
  162. 【請求項１６２】請求項161に記載のファックス機にお
    いて、さらに、請求項158に記載のスキャナを備える、
    ファックス機。
  163. 【請求項１６３】表面と相対的な運動を測定する装置で
    あって、 前記表面を照明する少なくとも一つのレーザと、 前記照明光の一部を、少なくとも空間的な３つの方向に
    反射または回折して局地発信照明光とする、少なくとも
    一つの物体と、 前記局地発信照明ビームを用いて、各々がコヒーレント
    に前記表面からの反射照明光をコヒーレントに検出し、
    前記表面に対する前記装置の動きに対応した少なくとも
    ３つの信号を生成する少なくとも３つの検出器と、 前記信号に基づいて、前記装置の前記表面に対する動作
    を決定する回路と、を有する装置。
  164. 【請求項１６４】検出される照明光はあるコヒーレンス
    長を有し、前記物体は、前記物体と前記表面との間隔が
    前記コヒーレンス長より小さくなるよう、前記表面に近
    接して配置される、請求項163に記載の装置。
  165. 【請求項１６５】前記物体は格子を有する、請求項163
    または請求項164に記載の装置。
  166. 【請求項１６６】前記表面からの反射照明光が偏光器に
    より偏光される、請求項163から請求項165のいずれかに
    記載の装置。
  167. 【請求項１６７】前記少なくとも３つの検出器は少なく
    とも３組の検出器対を有し、前記少なくとも３つの信号
    は、少なくとも３つの直角位相を為す信号対を有する、
    請求項163から請求項166のいずれかに記載の装置。
  168. 【請求項１６８】前記少なくとも３つの直角位相を為す
    信号対を生成するため、前記表面からの反射照明光の偏
    光成分と、局地発信ビームの偏光成分との間に位相シフ
    トが導入されている、請求項167に記載の装置。
  169. 【請求項１６９】前記運動は２つの互いに平行でない方
    向において、該２つの方向と直交する方向における動作
    の影響と無関係に決定される、請求項163から請求項168
    のいずれかに記載の装置。
  170. 【請求項１７０】ペンの相対運動を測定し、測定した運
    動を書いたデータあるいはグラフィカルデータに変換す
    る仮想ペンであって、請求項163から請求項169に記載の
    いずれかの装置を備える、仮想ペン。
  171. 【請求項１７１】ある表面に面する開口を有する筐体
    と、 前記開口を通して前記表面に望む光学運動検出器とを備
    え、 前記光学運動検出器が、前記表面に対する筐体の運動を
    決定するため、請求項163から請求項169のいずれか一項
    に記載された装置を備える、光学マウス。
  172. 【請求項１７２】制御装置として使用するタッチ・ポイ
    ントであって、 開口を有する筐体と、 開口上を横切って並進する指の運動を決定する光学検出
    器とを備え、 前記光学運動検出器が、前記運動を決定するため、請求
    項163から169のいずれか一項に記載された装置を備え
    る、タッチ・ポイント。
  173. 【請求項１７３】前記指の前記開口に向かうあるいは前
    記開口から離れる運動をマウスクリックとして検出す
    る、請求項172に記載のタッチ・ポイント。
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