本発明は、移動する被測定物にレーザ光を照射し、被測定物の移動速度に応じた光の周波数偏移量を物体からの散乱光を受光して被測定物の速度を検出する速度計に関する。
一般に光源と観測者が相対的な運動をしている時、ドップラー効果により光は周波数の変化を受ける。レーザドップラー速度計(以下、LDV(Laser Doppler Velocimeter)と言う。)はこの効果を利用して、移動する被測定物にレーザ光を照射して、その被測定物からの散乱光のドップラー周波数偏移を測定し、被測定物の移動速度を測定するものである。このLDVは1964年にYehとCumminsによって発表され(Appl. Phys. Lett. 4‐10 (1964) 176)、現在では一般に広く知られており、実用化されている。
図15に従来の代表的なLDVの光学系図を示す。
図15において、101は半導体レーザであるレーザーダイオード(以下、LD(Laser Diode)と言う。)、102は受光素子であるフォトダイオード(以下、PD(Photo Diode)と言う。)、103は回折格子、104はコリメータレンズ(以下、CLと言う。)、105はミラー、106は集光レンズ、107は回折格子103による+1次回折光の第1の光束、108は回折格子103による−1次回折光の第2の光束、113は被測定物である。
上記構成の光学系では、LD101から出射したレーザ光はCL104により平行光束に変換された後、回折格子103により角度θの回折角で±1次回折光に分割されて第1,第2の光束107,108となる。そして、第1,第2の光束107,108はそれぞれミラー105で反射された後、被測定物113の表面に入射角θでもって入射して再度重ね合わせられる。被測定物113により散乱された第1,第2の光束107,108はドップラー周波数偏移を受けており、LD101の発振周波数と若干異なる。このため、被測定物113により散乱された第1,第2の光束107,108の干渉波はうなりを生じる。このうなりをビート信号と呼ぶ。このビート信号のうなり周波数をPD102でヘテロダイン検波することにより、被測定物113の移動速度を求めることができる。以下詳細に説明する。
いま、被測定物113が図15のように右向きに移動する方向を正方向とすると、第1の光束107においては−fd、第2の光束108においては+fdのドップラー周波数偏移を受け、第1の光束107の見かけの周波数は(f0−fd)、第2の光束8の見かけの周波数は(f0+fd)となる。ただし、f0はLD101の発振周波数である。このとき、LD101から出射する光の電場は、E0・cos(2πf0t)と表すことができるので、第1の光束107は次の式1で、第2の光束108は次の式2で表わすことができる。
(式1)
(式2)
ただし、f0はLD101の出射光の周波数、E0はLD101の出射光の振幅、EAは第1の光束107の振幅、EBは第2の光束108の振幅、φAは第1の光束107の位相、φBは第2の光束108の位相である。
光の周波数は一般に100THz(〜1014Hz)であるので、式1や式2の周波数情報を直接測定することができない。このため、上記のようにヘテロダイン検波が一般に用いられ、f0≫fdが成り立つので、式1と式2の干渉波は、
(式3)
と表すことができる。ただし、式3で左辺の<>は時間平均を表す。よって、PD102によりこの干渉波の周波数を測定することができる。
図16は被測定物113が速度Vで移動するとき、2つの光束がそれぞれ任意の角度α,βで被測定物113に入射し、任意の角度γで散乱光を受光した時の図である。
ドップラー効果による周波数の偏移量は厳密には相対論によるローレンツ変換を用いて求めるが、移動速度Vが光速cに比べて十分小さいときには、近似的に以下のように求めることができる。光源A、光源Bからの光と移動物体の相対速度VA1,VB1は、
(式4)
と表せる。また、上記被測定物113から見たそれぞれの光の見かけの周波数fA1,fB1は、
(式5)
それぞれの散乱(反射)光と被測定物113の相対速度VA2,VB2は、
(式6)
となる。よって、観測点から見た光の周波数fA2,fB2は、
(式7)
と表すことができる。式7の周波数と入射光の周波数との差がドップラー周波数偏移量fdになる。いま、観測点で測定される2つの光束のうなり周波数2fdは、c≫Vを用いて、
(式8)
となり、観測点の位置(角度:γ)に依らないことがわかる。図15においてはα=β=θであるので、図15の一般的なLDV光学系において、式8より、
(式9)
が成立する。よって、式3で表される周波数2fdを測定し、式9を用いて計算することにより、被測定物113の移動速度Vを求めることができる。
また、式9は幾何学的に次のように考えることも可能である。図17は図15の2つの光束(第1,第2の光束107,108)が再度重なり合う領域の拡大図である。それぞれ入射角θで2つの光束が交差しており、図中の破線はそれぞれの光束の等波面の一部を示している。この破線と破線との間隔が光の波長λとなる。また、垂直の太線が干渉縞の明部であり、その間隔をΔとすると、このΔは次の式10で求まる。
(式10)
図17のように、物体(●で図示)が速度Vで干渉縞に垂直に通過するとき、その周波数fは
(式11)
となり、式9と等しくなる。
また、以上のような一般的なLDVにおいては上記のようにして移動速度を求めることはできるが、被測定物の移動方向を検知することはできない。これに対して、特開平3−235060号公報(特許文献1)では図15の回折格子103を速度Vgで回転させることにより移動方向検知を可能としている。これにより、回折格子103で光が反射する際、それぞれの光束はVgに比例したドップラー周波数偏移を受けるので、PD102で測定されるうなりの周波数2fdは、
(式12)
で得られる。よって、既知の速度Vgに対し、移動速度Vの符号(正負)により2fdの大小関係が決まるので移動方向を求めることができる。しかし、このような光学系においては、回折格子103の回転機構が必要であるため、装置の大型化、コスト増大となる。また、回折格子103の回転速度を精密に保つ必要があるが、偏心等による誤差、回転による振動等も問題となるため精密な測定に用いることは困難であるという問題がある。
このような問題を解決する速度計が特開平4−204104号公報(特許文献2)に開示されている。この特開平4−204104号公報では周波数シフタを用い、入射光束の周波数を変化させることにより被測定物の移動方向の検出を可能にしている。
図18に特開平4−204104号公報の速度計の光学系図を示す。
上記速度計によれば、レーザ光源101より出射した光は、CL104で平行光束となり、ビームスプリッタ(以下、BSと言う。)109にて2つの光束に分割される。それぞれの光束はミラー105で反射された後、音響光学素子(以下、AOMと言う。)110によりf1,f2の周波数シフトを受ける。そして、回折格子103により被測定物113の表面に再び集光されて、PD102を用いて被測定物113からの散乱光のうなり周波数を検出する。このとき検出される周波数2fdは、
(式13)
となる。よって、被測定物113の移動方向によりVの符号が変わるので、既知の周波数シフト量|f1−f2|に対する2fdの大小関係により、被測定物113の移動方向を検知することができる。
また、特開平8−15435号公報(特許文献3)では、特開平4‐204104号公報と同様の原理によって、図19に示す電気光学素子(以下、EOMと言う。)111を用いて周波数を変化させている。より詳しくは、レーザ光源であるLD101より出射した光は、CL104で平行光束となった後、回折格子103にて2つの第1,第2の光束107,108に分割される。その第1,第2の光束107,108はともにEOM111に入射する。このとき、第2の光束108に対してはバイアスを印加してfRだけ周波数をシフトさせる。そして、第1,第2の光束107,108はミラー105で反射された後、被測定物113の表面に集光される。この被測定物113の表面からの散乱光のうなり周波数をPD102で検出する。このとき検出される周波数2fdは、
(式14)
となる。よって、式13と同様、被測定物113の移動方向によりVの符号が変わるので、既知の周波数シフト量fRに対する2fdの大小関係により移動方向を検出することができる。
しかしながら、上記AOM110,EOM111のような周波数シフタを用いて被測定物113の移動方向を検知する光学系においては、光学系が複雑になり、また周波数シフタを駆動するための電源等が必要となり、例えばAOM110により周波数変調を与えるために必要な電圧は約数十V、EOM111により周波数変調を与えるために必要な電圧は約百Vであり、大型の電源が必要となるため装置が大型化してしまうという問題がある。
また、LDVを含め各種センサに対する装置小型化、低消費電力化への要望は高まる一方で、殊に民生用機器においてはそのトレンドは非常に強い。LDVでは光の散乱光を検出するため、測定する物体により異なるが、一般にその物体からの信号光は微弱である。光感度の高い光検出器である光電子増倍管を用いる方法もあるが、光電子増倍管をLDVに用いると装置自体が大きくなってしまう。つまり、光電子増倍管を備えたLDVを小型の民生機器に応用するには不適である。このため、装置の小型化を阻害しないように、光検出器としては光感度が劣るもののフォトダイオードを一般に用いている。そのため、できるだけ多くの信号光を光検出器に入射させることが望ましい。しかしながら、光学部品の配置等の問題により、被測定物113の光の散乱面から集光レンズ106までの距離に制限があることが多く、単に受光系を接近させるには限界がある。また、入射光量を増加させることも考えられ、高出力レーザ光源としてHe−NeやAr
+の気体レーザ等を使用することができるが、装置の小型化や低消費電力化という観点からは半導体レーザを用いることが望ましい。
特開平3−235060号公報
特開平4−204104号公報
特開平8−15435号公報
そこで、本発明の課題は、小型化および低消費電力化できると共に、被測定物の移動速度および移動方向を高精度に検出できる速度計を提供することにある。
上記課題を解決するため、第1の発明の速度計は、
第1の光束を出射する前端面と、第2の光束を出射する後端面とを有する半導体発光素子と、
上記半導体発光素子から被測定物に至る上記第1の光束の光路上に配置され、上記第1の光束の光軸の方向を変更すると共に、上記第1の光束を分岐する第1回折格子と、
上記半導体発光素子から被測定物に至る上記第2の光束の光路上に配置され、上記第2の光束の光軸の方向を変更すると共に、上記第2の光束を分岐する第2回折格子と、
上記被測定物による散乱光を受ける受光素子と、
上記受光素子の出力から上記散乱光の周波数偏移量を算出する信号処理回路部とを備え、
上記第1回折格子による+1次回折光と、上記第2回折格子による+1次回折光とを上記被測定物の表面上で重ね合わせて、上記被測定物の表面に第1検出点を形成し、
上記第1回折格子による−1次回折光と、上記第2回折格子による−1次回折光とを上記被測定物の表面上で重ね合わせて、上記被測定物の表面に第2検出点を形成し、
上記半導体発光素子が上記第1,第2の光束を出射する方向は、上記被測定物が移動する方向と略平行であり、
上記第1,第2回折格子による+1次回折光の光軸を含む第1平面と、上記第1,第2回折格子による−1次回折光の光軸を含む第2平面と、上記被測定物の表面を含む第3平面とが二等辺三角柱を形成することを特徴としている。
上記構成の速度計によれば、上記半導体発光素子が出射した第1,第2の光束を第1,第2回折格子で複数の光束に分岐する。この複数の光束を被測定物の表面に照射することによって、被測定物の表面に第1,第2検出点を形成する。そして、上記第1,第2検出点からの散乱光を受光素子で受光し、受光素子の出力からその散乱光の周波数偏移量を信号処理回路部で算出する。この周波数偏移量は被測定物の移動速度に比例しているので、周波数偏移量に基づいて被測定物の移動速度を得ることができる。
また、上記半導体発光素子より出射する光を効率よく速度検出に利用することにより、第1,第2検出点からの散乱光強度が大きくなる。その結果、上記第1,第2検出点からの信号のS/N(シグナル/ノイズ)を増大できるため、次のような3つの効果がある。
一つ目は、高感度の受光器、例えば光電子増倍管のような大型の受光器を用いる必要がなく、小型のフォトダイオードのような受光器を受光素子として利用できるため、速度計の装置構成を小型化することができる。
二つ目は、上記半導体発光素子の出力を下げることができるので、速度計の低消費電力化を実現できる。
三つ目は、上記第1,第2検出点からの散乱光の周波数偏移量を高精度に検出できるので、被測定物の移動速度を高精度に検出することができる。
一実施形態の速度計では、上記第1,第2回折格子は1次回折光の光量よりも0次回折光の光量が小さい。
一実施形態の速度計では、上記第1検出点と上記第2検出点とを結ぶ線が延びる方向は、上記被測定物が移動する方向に対して垂直である。
一実施形態の速度計では、上記第1検出点から上記受光素子に入射する光の光軸は、上記第1回折格子による+1次回折光と、上記第2回折格子による+1次回折光とがなす角の2等分線と略一致し、上記第2検出点から上記受光素子に入射する光の光軸は、上記第1回折格子による−1次回折光と、上記第2回折格子による−1次回折光とがなす角の2等分線と略一致する。
一実施形態の速度計は、上記第2回折格子による−1次回折光が通過するように配置され、上記第2回折格子の−1次回折光の位相を変更する位相変更部を備える。
上記実施形態の速度計によれば、上記第1検出点と第2検出点とからのビート信号の位相差が被測定物の移動方向により正負の符号が反転するため、被測定物の移動方向を検出することができる。
一実施形態の速度計は、上記第1回折格子による+1次回折光が通過するように配置され、上記第1回折格子の+1次回折光の位相を変更する第1位相変更部と、上記第1回折格子による−1次回折光が通過するように配置され、上記第1回折格子の−1次回折光の位相を変更する第2位相変更部と、上記第2回折格子による+1次回折光が通過するように配置され、上記第2回折格子の+1次回折光の位相を変更する第3位相変更部とを備える。
一実施形態の速度計では、上記位相変更部による光の位相変更量をφ0としたとき、上記φ0が0<φ0<λ/2を満たす。
一実施形態の速度計では、上記φ0がλ/4である。
一実施形態の速度計では、上記位相変更部の材料として複屈折材料が用いられている。
一実施形態の速度計では、上記第1検出点を形成する各光束の位相差と、上記第2検出点とを形成する各光束の位相差との差の絶対値はπ/2より小さい。
一実施形態の速度計では、上記被測定物の表面に対して垂直な軸をz軸としたとき、上記検出点に入射する複数の光束が重なる領域の上記z軸方向の長さは、上記被測定物の表面が位置する領域の上記z軸方向の長さよりも長い。
一実施形態の速度計は、上記検出点と上記受光素子との間に配置された集光レンズを備える。
一実施形態の速度計では、上記集光レンズがレンズアレイからなる単一部品である。
一実施形態の速度計では、上記受光素子は、上記第1,第2検出点からの散乱光を受ける1チップの素子である。
一実施形態の速度計では、上記受光素子は分割型フォトダイオードである。
一実施形態の速度計では、上記受光素子は信号処理回路を内蔵している。
一実施形態の速度計では、上記半導体発光素子は、上記第1回折格子と上記第2回折格子との間の略中点に配置されている。
一実施形態の速度計では、上記半導体発光素子と上記受光素子とは同一の基板を共有して一体化している。
一実施形態の速度計では、上記第1検出点から上記受光素子に入射する光の光軸は、上記第3平面に対して上記第1平面を正反射させた平面に含まれ、上記第2検出点から上記受光素子に入射する光の光軸は、上記第3平面に対して上記第2平面を正反射させた平面に含まれる。
一実施形態の速度計では、上記第1,第2検出点のそれぞれに入射する複数の光束の光量が略等しくなるように、上記半導体発光素子の端面に処理が施されている。
一実施形態の速度計では、上記第1回折格子による+1次回折光と、上記第2回折格子による+1次回折光とが重なる領域は、上記第1回折格子による−1次回折光と、上記第2回折格子による−1次回折光とが重なる領域に対して分離している。
一実施形態の速度計は、上記半導体発光素子と上記第1,第2回折格子との間に配置され、上記第1,第2の光束が通過する絞りを備える。
一実施形態の速度計は、上記半導体発光素子と上記第1,第2回折格子との間に配置され、上記第1,第2の光束が通過するレンズ群を備える。
一実施形態の速度計では、上記半導体発光素子がレーザーダイオードである。
一実施形態の速度計では、上記半導体発光素子が複数の発光点を有する。
第2の発明の変位計は、上記第1の発明の速度計を備え、上記被測定物に関する速度情報および時間情報に基づいて上記被測定物の位置情報を算出することを特徴としている。
第3の発明の振動計は、上記第1の発明の速度計を備え、上記被測定物に関する速度情報および時間情報に基づいて上記被測定物の振動に関する情報を算出することを特徴としている。
第4の発明の電子機器は、上記第1の発明の速度計、上記第2の発明の変位計および上記第3の発明の振動計のうちの1つを備えたことを特徴としている。
本発明の速度計によれば、半導体発光素子より出射する光を効率よく速度検出に利用することにより、検出点からの散乱光強度が大きくなる。その結果、信号のS/Nを増大できるため、次のような3つの効果がある。
一つ目は、高感度の受光器、例えば光電子増倍管のような大型の受光器を用いる必要がなく、小型のフォトダイオードのような受光器を受光素子として利用できるため、速度計の装置構成を小型化することができる。
二つ目は、上記半導体発光素子の出力を下げることができるので、速度計の低消費電力化を実現できる。
三つ目は、信号のS/Nが増大するため散乱光の周波数偏移量を高精度に検出でき、移動速度を高精度に検出することができる。
本発明の実施の形態を説明する前に、まずこの発明をより理解し易くするために参考例を説明する。
参考例1
図1に、本発明の参考例1の速度計の概略構成図を示す。図1では、各光学部品等の配置のみを図示し、その他の各光学部品を保持する部品等は省略している。また、図1の破線の矢印は座標軸を示す。
上記速度計は、半導体発光素子の一例としてのLD1、受光素子の一例としてのPD2、レンズ群の一例としてのCL4a,4b、ミラー5a,5b、集光レンズの一例としての集光レンズ6、信号処理回路部の一例としての信号処理回路部10および絞りの一例としての絞り12a,12bを備えている。
上記LD1は(0,0,z1)に設置される。このLD1の代わりとしては、LED(Light Emitting Diode:発光ダイオード)等があるが、LEDを用いるよりもLDを用いる方が好ましい。これは、LDはLEDに比べてコヒーレンス性が非常によく、上記式3で示される2つの光束の干渉によるうなりを容易に生じるからである。また、上記PD2は(0,0,z2)に、CL4aは(0,−y4,z1)に、CL4bは(0,y4,z1)に、ミラー5aは(0,−y5,z1)に、ミラー5bは(0,y5,z1)に、絞り12aは(0,−y12,z1)に、絞り12bは(0,y12,z1)に設置される。
また、図1において、7は第1の光束、8は第2の光束、14は検出点(ビーム重なり領域)、15はz軸上に進行するビート信号を示している。上記第1,第2の光束7,8はLD1の端面からy軸と平行に出射する。また、x軸およびy軸を含む平面、つまりxy平面は被測定物13の表面と略一致している。そして、(x,y,z)=(0,0,0)、つまり原点には検出点14が位置する。
上記LD1は、一般に、ウエハに所定の工程を施した後、ウエハをある長さでへき開してチップ状に切り分けられて作製される。通常、ほとんどの電子機器においては、LDの前端面(前方の端面)より出射するレーザ光を各種用途に応じて使用し、LDの後端面(後方の端面)より出射するレーザ光を直接PDで受光している。このPDの出力はLDのドライバーにフィードバックされて、LDの発光強度の安定化が図られている。
上記信号処理回路部10は、検出点14で生じる散乱光が含む周波数偏移量をPD2の出力Sから算出する。
以下、図1の光学系の構成および機能を説明する。
LD1の前端面から第1の光束7がy軸と平行に出射すると共に、LD1の後端面から第2の光束8がy軸と平行に出射する。そして、第1,第2の光束7,8は絞り12およびCL4a,4bを経由して理想的な平行光束となる。一般に、LD1より出射した光の強度分布は光軸を中心にガウス分布をしており、そのガウス分布の裾の広がり方は光の偏光方向に対して異なるファーフィールドパターン(FFP)となる。このため、LD1が出射した光をそのまま検出点14に照射すると、検出点14上で光強度のムラができ、図17で示した干渉縞の強度が一様でなくなるため、ビート信号15を高精度に評価することが困難になる。このため、図1のように絞り12a,12bを設けることにより、LD1が出射した光束の外側の光強度の弱い部分をカットし、光強度の一様な光束を形成できる。
また、LD1より出射する光はある角度でもって広がりをもって進行する。その光をそのまま被測定物13に照射すると、進行距離が長くなるほど、その光は波面が球面状になり、平面波でなくなるため検出点14で図17のような干渉縞を形成しなくなってしまう。また、上記光の光束は広がるため、光強度が分散されてしまい、信号のS/Nが悪くなるという問題もある。このため、図1のようにCL4a,4bを適切な位置に設けることにより、LD1より出射する光を平行光束にできるため、その光の波面はその進行距離によらず平面波となる。
以上、図1の各構成要素について説明した内容は、以下全ての実施例および参考例においても該当するが、その説明は本参考例のみで行い、以降においては省略する。
LD1から出射された第1,第2の光束7,8は、CL4a,4bにより平行光束にビーム整形された後、ミラー5a,5bによりそれぞれ反射角θ1,θ2で反射されて、被測定物13の表面にそれぞれ入射角θ3,θ4で入射する。これにより、被測定物13の表面に1つの検出点14が形成される。そして、被測定物13の移動速度Vに比例した周波数偏移を受けた散乱光は、集光レンズ6にて集光されてPD2で受光する。このPD2の出力Sに基づいてうなり周波数2fdが検知される。このとき、検出される2fdは上記式8より、
(式15)
となる。本参考例の光学系では、図1のようにLD1が出射する第1,第2の光束7,8がy軸と平行になるように設置されており、ミラー5aにおいて第1の光束7は反射角θ1で反射する一方、ミラー5bにおいて第2の光束8は反射角θ2で反射する。この反射角θ1と反射角θ2とが等しくなっているため、第1の光束7の被測定物13への入射角と第2の光束8の被測定物13への入射角とが等しくなる。つまり、θ3=θ4となる。また、図2(a)のように反射後の2つの第1,第2の光束7,8はyz平面内にあり、被測定物13の表面はxy平面内にある。よって、このとき、検出される2fdは上記式15より、
(式16)
となり、各光学部品の設置角度の調整項目を一つ減らすことができる。
また、上記式3で示されるように、ビート信号は2つの光束の干渉で生じる。2つの光束の重ね合わせ領域が図2(b)のようにずれると、重ね合わされていない領域からの散乱光はDCノイズとなってPD2で検出されるため、S/Nを低下させる要因となってしまう。LD1が出射した2つの光束はy軸に平行に出射され、ミラー5a,5bで同じ角度で、かつ同一平面内に反射されるため、両光束は検出点14上で良好に重ね合わせられる。
この条件に合致して重ね合わせる場合に限らず、任意の角度でもって重ね合わせても信号を得ることはできるが、上記条件が信号を高精度に検出できる。
さらに、図1のように被測定物13の移動方向がy軸と平行になるように光学系全体を設置することにより、図17に示したように検出点14の干渉縞方向(干渉縞が延びる方向)と被測定物13の移動方向が垂直になるため、被測定物13の移動速度を高精度に検出できる。
また、本参考例においてPD2がビート信号15を連続的に検知するには、被測定物13の表面に対して垂直なz軸を設定したとき、検出点14に入射する2つの光束が重なる領域のz軸方向の長さを、被測定物13の表面が位置する領域のz軸方向の長さよりも長くする必要がある。具体的には、図3に示すようにz軸方向において被測定物13の凹凸のばらつき(=h)が、第1の光束7と第2の光束8との重なり領域のz軸方向の長さ(=d)よりも小さい必要がある。ここでは、図1のように2つの光束のなす角度は2・θ3であるので、dは次の式17で表すことができる。
(式17)
上記式17を用いて、h<dを満たすように、角度θ3を設定してビート信号の不連続を防止することができる。この条件は以後全ての実施例および参考例において成立し、今後の説明は省略する。
また、検出点14からPD2へ入射する光束の光軸は、検出点14に入射する第1,第2の光束7,8の交差角の2等分線と略一致する。このとき、第1,第2の光束7,8からの散乱光の強度が略等しくなるため、ビート信号15が鮮明化するため、高精度に移動速度を検出できる。
さらに、図1では、PD2に入射する2つの光束の形成する平面(yz平面)内にPD2がある。つまり、PD2はz軸上に設置されている。このとき、上記のようにビート信号が鮮明化する効果に加えて、その信号強度も最大となるため、S/Nを向上させることができる。
さらに、図1では、LD1がミラー5a,5b間の中点に位置するように設置されている。このとき、LD1とPD2は、同じz軸上に配置されているため、同一基板の表と裏側にそれぞれ組み込むことができる。つまり、LD1とPD2を同一基板に作りこんで一体化できる。これにより、装置構成全体を小型化することができる。
本参考例においては、LD1から出射した光をCL4a,4bにて平行光束にするケースを例にとって説明したが、例えばビート信号強度が弱いとき、CL4a,4bとLD1との間の距離を本レンズの焦点距離よりずらして、光束が緩やかに集光するようにし、検出点14で光束が十分絞られている状態になるようにCL4a,4bを配置してもよい。また、検出点14に入射する2つの光束を介するように、レンズを配置してもよい。つまり、ミラー5a,5bと検出点14との間の光路上にレンズを配置してもよい。こうすると、光束は検出点14へ入射するとき十分絞られるので、検出点14での単位面積あたりの光量が増大して、PD2で得られる信号強度が増大する。このためS/Nの向上したビート信号を検知することができ、被測定物13の移動速度を高精度に検出することが可能となる。以後の実施例および参考例についても、検出点に入射する光束が平行光束になるようCLを配置し、検出点に入射する光束を集光するレンズを省略して説明するが、本実施例と同様に平行光束とするように限定したものではない。
さらに、図1では、PD2と検出点14との間に集光レンズ6が設置されている。この集光レンズ6により、検出点14から散乱するビート信号をPD2へと集光するので、PD2で得られる信号強度が増大する。このような集光レンズについても、以後の実施例および参考例で共通に設置されているが、その集光レンズの説明は省略する。
また、ビート信号15は検出点14に入射する2つの光束の光量が等しいほど鮮明になり、PD2で移動速度を高精度に検出できる。上記式3において、EA+EBの値はLD1からの出射光量であるから一定値である。このため、EA=EBのとき、ビート信号15のうなり強度(Peak to Peak)が最大になる。一方、そのバランスが崩れる程、つまりEAとEBとのずれが大きくなる程、うなり強度が小さくなる。本参考例においては、LD1の両端面を適切に処理することにより、検出点14に入射する第1の光束7および第2の光束8の光量を等しくすることができ、ビート信号15を鮮明に検出できるため、移動速度を高精度に検知することができる。以後の全ての実施例および参考例においても、各検出点に入射する2つの光束の光強度が等しくなるようにLDの両端面に処理が施されているが、その処理に関する説明は省略する。
図4に、本発明の実施例の速度計の概略構成図を示す。図4では、各光学部品等の配置のみを図示し、その他の各光学部品を保持する部品等の図示を省略している。また、図4の破線の矢印は座標軸を示す。また、図4において、図1に示した構成部と同一構成部には、図1における構成部と同一参照番号を付している。
上記速度計は、LD1、受光素子の一例としてのPD2a,2b、CL4a,4b、第1,第2回折格子の一例としての回折格子3a,3b、集光レンズの一例としての集光レンズ6a,6b、信号処理回路部10および絞り12a,12bを備えている。
上記LD1は(0,0,z1)に、PD2a,2bは(±x2,0,z2)に、回折格子3a,3bは(0,±y3,z1)に、CL4a,4bは(0,±y4,z1)に、集光レンズ6a,6bは(0,±y6,z6)に、絞り12a,12bは(0,±y12,z1)に設置される。
また、図4において、7は第1の光束、7a,7bは回折格子3aの±1次回折光、8は第2の光束、8a,8bは回折格子3bの±1次回折光、13は被測定物、14a,14bは検出点(ビーム重なり領域)、15a,15bはビート信号を示している。なお、上記検出点14a,14bは(0,±y14,0)に形成される。そして、上記被測定物13の表面はxy平面と略一致する。なお、検出点14aは第1検出点の一例であり、検出点14bは第2検出点の一例である。
上記信号処理回路部10は、検出点14aで生じる散乱光が含む周波数偏移量をPD2aの出力Saから算出すると共に、検出点14bで生じる散乱光が含む周波数偏移量をPD2bの出力Sbから算出する。
以下、図4の光学系の構成と機能を説明する。
LD1の前端面から第1の光束7が出射すると共に、LD1の後端面から第2の光束8が出射する。第1,第2の光束7,8は、絞り12a,12bを通過した後、CL4a,4bを介して平行光束となる。その後、第1,第2の光束7,8は回折格子3a,3bによりそれぞれ複数の光束に分割される。ここで、回折格子3a,3bは入射光束を等角に分割し、その分割角度は入射光束の波長に依存するため、各検出点14a,14bにおいて2つの光束の重ね合わせが容易になる。したがって、回折格子3a,3bは本実施例において光分岐素子として好適である。
図4には±n次回折光(nは零を含む自然数)のうち±1次回折光7a,7b,8a,8bのみ図示している。この±1次回折光7a,7b,8a,8bによって検出点14a,14bが形成される。検出点14aから散乱されるビート信号15aは集光レンズ6aを介してPD2aで検出される一方、検出点14bから散乱されるビート信号15bは集光レンズ15bを介してPD2bで検出される。このように検出したビート信号15a,15bを用いて、上記実施例と同様に被測定物13の移動速度を検出する。
一般に、コヒーレントな光が光学的に粗い面に入射したとき、その面からの散乱光は様々な方向に反射するため、それらの散乱光の干渉によりスペックルパターンと呼ばれる明暗の模様が現れる。明部がPD2a,2bに入射している間はPD2a,2bはビート信号を検出し、被測定物13の移動速度を検知できるが、暗部が連続的にPD2a,2bへ入射すると所謂ドロップアウトと呼ばれる信号不感状態になってしまう。本実施例においては、2つの検出点14a,14bを形成し、2つの受光系にて信号を検出しているため、一方の出力がドロップアウトにより検出不可能な場合でも、他方の出力を検知して信号不感状態を防ぐことができる。
また、本実施例の光学系においては、光束の分割に回折格子3a,3bを用いているが、ビート信号強度を大きくするために、検出点14a,14bに入射する光量を大きくする必要がある。一般に、回折格子により光束は0次回折光、±1次回折光、…±n次回折光と各次等角に分割されるが、回折格子の溝深さによる光学的距離差を入射光の波長の1/4にすると、反射による光路長差が波長の1/2となり、光の位相がπずれるため0次回折光はほとんど出射しない。このような条件を回折格子3a,3bに適用すると、±1次回折光7a,7b,8a,8bの強度は入射光量に対して片側約40.5%となり最大となり、検出点14a,14bへの入射光量が最大となるため、ビート信号15a,15bを高感度に検知できる。以上のことは、回折格子3a,3bに垂直に光が入射する場合、つまり回折格子3a,3bが入射光の光軸に対して垂直に配置される場合であるが、図4に示す本実施例では、入射光束である第1,第2の光束7,8が被測定物13に入射するように回折格子3a,3bを−z方向に傾けているため、厳密にはz軸に対する回折格子3a,3bの傾斜角に合わせて回折格子3a,3bの溝深さを調整する必要がある。
また、本実施例の光学系では、図4に示すように、LD1から出射する2つの光束がy軸と平行になるようにLD1を設置しており、回折格子3a,3bの溝が延びる方向はyz平面と平行している。このため、第1,第2,第3平面が二等辺三角柱を形成する(図中左右両端(±y方向)に破線で、その二等辺三角柱の天面,底面となる二等辺三角形を図示)。ここで、上記第1平面とは、回折格子3aによる+1次回折光束7aと、回折格子3bによる+1次回折光束8aとを含む平面である。また、上記第2平面とは、回折格子3aによる−1次回折光束7bと、回折格子3bによる−1次回折光束8bとを含む平面である。また、上記第3平面とは被測定物13の表面を含む平面である。
第1,第2,第3平面が二等辺三角柱を形成する場合、図17に示す干渉縞の間隔と向きが検出点14aと検出点14bとで等しくなるため、上記のように検出点14a,検出点14bの一方からの信号がドロップアウトにより信号不感になっても、両検出点14a,14bから検知される速度の誤差を最小にすることができる。
さらに、両検出点14a,14bを結ぶ線がx軸、被測定物13の移動方向がy軸方向となるように光学系全体を設置することにより、図17に示すように、干渉縞が延びる方向と、被測定物13の移動方向とが垂直になるため、被測定物13の移動速度を高精度に測定することができる。
また、検出点14aからPD2aへ入射する光束の光軸は、検出点14aへ入射する2つの光束(+1次回折光7a,8a)の交差角の2等分線と略一致すると共に、検出点14bからPD2bへ入射する光束の光軸は、検出点14bへ入射する2つの光束(−1次回折光7b,8b)の交差角の2等分線と略一致する。このような場合、検出点14a,14bのそれぞれにおいて、2つの光束からの散乱光の強度が略等しくなるため、ビート信号15a,15bが鮮明化するため、被測定物13の移動速度を高精度に検出できる。
また、本実施例の光学系では、図4のようにPD2a,2bはそれぞれ上記第1平面および第2平面においてxy平面に対する正反射方向(入射角=反射角)に設置している。一般に、直進する光が反射するとき、その強度は正反射方向に最も強く反射する。よって、上記のように受光系を設置することにより、ビート信号を最も高感度に検知することが可能である。
図5に、本実施例の速度計の変形例の概略構成図を示す。図5では各光学部品等の配置のみを図示し、その他の各光学部品を保持する部品等は省略している。また、図5の破線の矢印は座標軸を示している。また、図5において、図4に示した構成部と同一構成部は、図4における構成部と同一参照番号を付して説明を省略する。
図5の速度計は、回折格子3bによる−1次回折光8bが通過する1/4波長板16を(−x16,y16,z16)に設けている点が図4の速度計と異なる。1/4波長板16は位相変更手段の一例である。
一般に、1/4波長板16の光学軸を入射光の偏光方向に対して45°傾けて設置することにより、遅相軸成分の光の位相が進相軸成分に比べてπ/2だけ遅れるので直線偏光は円偏光に変換される。図5において、1/4波長板16よって、1/4波長板16と被測定物13との間の−1次回折光8bは円偏光になっている。このような状態で4つの光束(±1次回折光7a,7b,8a,8b)が図5のように被測定物13に入射するときのPD2a,2bで検出されるビート信号について説明する。
回折格子3a,3bにより分割された各光束(±1次回折光7a,7b,8a,8b)は、回折格子3a,3bから検出点14a,14bまでの距離が等しいとすると、以下のように表すことができる。ただし、1/4波長板16を通過する光束(−1次回折光8b)については、1/4波長板16通過後の遅相軸成分のみを示す。
(式18)
(式19)
(式20)
(式21)
ここで、E1a,E1b,E2a,E2bは光の振幅、f0は光の周波数、tは時間である。
次に、被測定物13の移動方向は+y軸方向を正とすると、被測定物13で散乱後の各光束の成分は、被測定物13の移動速度Vに起因したドップラー周波数偏移成分をfdとすると、上記式18〜21は、
(式22)
(式23)
(式24)
(式25)
となる。よって、PD2a,2bで検出されるビート信号15a,15bは、
(式26)
(式27)
となる。上記式27において、第2項の余弦の中の位相成分の符号は被測定物13の移動方向により異なり、+y方向に移動するとき+π/2、−y方向に移動するとき−π/2となる。
図6(a)〜(c)にビート信号15a,15bを示す。より詳しくは、図6(a)には上記式26で表されるビート信号15aを示す。このビート信号15aは被測定物13の移動方向に依存しない。図6(b)には被測定物13が左方向(−y方向)に移動するときのビート信号15bを示し、図6(c)には被測定物13が右方向(+y方向)に移動するときのビート信号15bを示している。
図6(a)〜(c)から、ビート信号15bは被測定物13の移動方向により位相がπ/2ずれることがわかる。したがって、PD2bと検出点14bとの間に直線偏光子(図示せず)を上記遅相軸成分が通過する方向に設置してビート信号15a,15bを検出することにより、被測定物13の移動方向を検出できる。このように、−1次回折光8bが通過する1/4波長板16を設けることにより、被測定物13の速度と移動方向を検知することができる。
ただし、被測定物13の移動方向を検出するには、ビート信号15aの位相に対し、ビート信号15bの位相が進んでいるのか、遅れているのかが判断できればよいので、ビート信号15aとビート信号15bとの位相差をξとすると、
(式28)
の範囲にあればよい。このとき、位相変更手段による位相変更量:φは、
(式29)
であることが必要である。このような光の位相差を与える部材の材料としては、一般的には光の入射方向に対し屈折率が異なる複屈折材料が用いられる。この複屈折材料は位相変更手段の材料として適している。
しかし、実際の光学系においては各光学部品の設置によるズレ等により、各光束の検出点14a,14bまでの距離が異なってくる。このとき、各検出点14a,14bからの散乱光は、
(式30)
(式31)
(式32)
(式33)
となる。ただし、−1次回折光8bについては、1/4波長板16通過後の遅相軸成分のみを示してあり、φ1a,φ1b,φ2a,φ2bは各光束(±1次回折光7a,7b,8a,8b)の位相成分であり、φ0は位相変更手段による位相変更量である。よって、PD2a,2bで検出されるビート信号15a,15bは、
(式34)
(式35)
となる。上記式28、式34および式35より、移動方向検知に求められる位相条件は、
(式36)
となる。上記式36を満たすように各光学部品を設置することにより、被測定物13の移動方向の検知が可能となる。位相変更手段の一例として1/4波長板16を用いるとき、上記式36は、
(式37)
となり、各光束(±1次回折光7a,7b,8a,8b)の位相成分ばらつきに対し、各光学部品配置におけるマージンをとることができる。
また、1/4波長板16を−1次回折光8b以外の3つの光束(±1次回折光7a,7b,8a)に設け、−1次回折光8bにだけ設けないような構成にすることにより、上記と同じ位相差の論理により被測定物13の移動方向を検知できる。つまり、±1次回折光7a,7b,8aのそれぞれが1/4波長板を通過するようにすると、−1次回折光8bは1/4波長板を通過させなくても、被測定物13の移動方向を検知できる。
本実施例の速度計の変形例における被測定物13の移動方向の検知と位相差とに関する議論は、この後の参考例においても同様であり、以後の参考例においては省略する。
図7に、本実施例の速度計の他の変形例の概略構成図を示す。図7では各光学部品等の配置のみを図示し、その他の各光学部品を保持する部品や検出した信号の信号処理回路等は省略している。また、破線の矢印は座標軸を示している。また、図7において、図5に示した構成部と同一構成部は、図5における構成部と同一参照番号を付して説明を省略する。
図7の速度計は、2つのビート信号15a,15bを検出するための集光レンズ6a,6bの代わりに単一部品の集光レンズアレイ17を用いた点と、ビート信号15a,15bを検出するPD2をLD1と同一チップ内に形成している点とが図5の速度計と異なっている。なお、集光レンズアレイ17がレンズアレイの一例である。
上記構成により、図7に示す光学系は図5,図6の光学系よりも部品点数を削減でき、また、PD2をLD1と1チップ化しているため、装置の小型化が可能となる。さらに、1チップ化した複数のPDの代わりに分割型PDを用いることにより、受光素子面積をさらに縮小できるため、PDの製造コストを低減でき、さらに装置のさらなる小型化が可能である。図7における部品点数削減の装置構成は、この後の参考例においても同様であり、以後の参考例においては説明を省略する。
図8に、図7の速度計を上方から見た概略図(+z軸方向から見た図)を示す。また、図8の下方においては、図8の上方において点線で描いた小円内を拡大した図を示す。つまり、図8の下方の図は検出点14a,14b付近の拡大図である。
検出点14aと検出点14bとの間の距離が大きいほど装置が大型化し、また集光レンズアレイ17で受光できる光量も小さくなる。また、各光束(±1次回折光7a,7b,8a,8b)の位相差の点においても、検出点同士が離れると位相差が大きくなり、被測定物13の移動方向の検出が困難になる。検出点14aと検出点14bとの間の距離は回折格子3a,3bによる回折角αによって決定される。検出点14aと検出点14bとが重なり合うと、各検出点14a,14bからのビート信号がノイズとなってPD2にて検出されてしまうため、図8より、
(式38)
を満たすように、各回折格子3a,3bのピッチや、絞り12a,12bの径W、各部品間距離L等を設定する必要がある。この後の参考例においても検出点間の距離に関して同様であり、以後の参考例においては説明を省略する。
x
また、本実施例およびこの変形例の速度計は、回折格子3aによる+1次回折光7aが通過するように配置され、回折格子3aの+1次回折光7aの位相を変更する第1位相変更部と、回折格子3aによる−1次回折光7bが通過するように配置され、回折格子3aの−1次回折光7bの位相を変更する第2位相変更部と、回折格子3bによる+1次回折光8aが通過するように配置され、回折格子3bの+1次回折光8aの位相を変更する第3位相変更部とを備えてもよい。
以下、本発明の他の参考例について説明する。
参考例2
図9に、本発明の参考例2の速度計の概略構成図を示す。図9では、各光学部品等の配置のみを図示し、その他の各光学部品を保持する部品等は省略している。また、図9の破線の矢印は座標軸を示している。また、図9において、図7に示した構成部と同一構成部には、図7における構成部と同一参照番号を付している。
図9の速度計は、LD1、PD2、回折格子3a,3b、CL4a,4b、BS9a,9b,9c,9d、信号処理回路部10、絞り12a,12b、1/4波長板16およびレンズアレイの一例としての集光レンズアレイ27を備えている。
上記LD1は(0,0,z1)に、PD2は(0,0,z2)に、回折格子3a,3bは(0,±y3,z1)に、CL4a,4bは(0,±y4,z1)に、BS9a,9b,9c,9dで(±x9,±y9,z9)に、絞り12は(0,±y12,z1)に、1/4波長板16は(−x16,y16,z16)に、集光レンズアレイ17は(0,0,z17)に設置されている。
また、図9において、7は第1の光束、7a,7bは回折格子3aによる±1次回折光、7c,7dは+1次回折光7aをBS9aで分割して得る光束、7e,7fは−1次回折光7bをBS9bで分割して得る光束、8は第2の光束、8a,8bは回折格子3bによる±1次回折光、8c,8dは+1次回折光8aをBS9cで分割して得る光束、8e,8fは−1次回折光8bをBS9dで分割して得る光束、13は被測定物、14a,14b,14c,14dは検出点(ビーム重なり領域)、15a,15b,15c,15dはビート信号を示している。なお、検出点14a,14bは(±x14,0,0)に形成され、検出点14c,14dは(0,±y14,0)に形成される。そして、光束7c,…,7fおよび光束8c,…,8fを照射する被測定物13の表面はxy平面と略一致する。
上記信号処理回路部10は、各検出点14a,14b,14c,14dで生じる散乱光が含む周波数偏移量をPDの出力Sから算出する。
以下、図9の光学系の構成および機能について説明する。
LD1の前端面から第1の光束7が出射すると共に、LD1の後端面から第2の光束8が出射する。第1,第2の光束7,8は、絞り12a,12bを通過した後、CL4a,4bを通過することによって平行光束となる。その後、第1,第2の光束7,8は回折格子3a,3bによりそれぞれ複数の光束に分割される。
図9には±n次回折光(nは零を含む自然数)のうち±1次回折光7a,7b,8a,8bのみ図示している。一般に、回折格子により光束は0次回折光、±1次回折光、……、±n次回折光と各次等角に分割されるが、回折格子の溝深さによる光学的距離差を波長の1/4にすると反射による光路長差が波長の1/2となり、光の位相がπずれるため0次回折光はほとんど出射しない。つまり、回折格子の溝で反射する光と、回折格子の溝以外の部分で反射する光とは、光路長差が入射光の波長の1/2であると、位相がπずれるため、0次回折光がほとんど生じない。このような条件を回折格子3a,3bに適用すると、回折格子3a,3bの±1次回折光7a,7b,8a,8bの強度は入射光量に対して片側(+n次回折光または−n次回折光)において約40.5%と最大となる。その結果、検出点14a,14b,14c,14dに入射する光の光量が最大となるため、ビート信号15a,15b,15c,15dを高感度に検知できる。以上のことは、回折格子3a,3bに垂直に光を入射し、回折格子3a,3bがその光の光軸に対し垂直に配置される場合であるが、図9に示す本参考例では、入射光束(第1,第2の光束7,8)を被測定物13へ入射させるために回折格子3a,3bを−z方向に傾けているため、厳密には回折格子3a,3bの溝深さをこの角度に合わせた調整が必要となる。
第1の光束7は回折格子3aで2つの光束(±1次回折光7a,7b)に分割され、第2の光束8は回折格子3bで2つの光束(±1次回折光8a,8b)に分割される。さらに、この4つの光束(±1次回折光7a,7b,8a,8b)は、BS9a,9b,9c,9dによって8つの光束7c,7d,7e,7f,8c,8d,8e,8fに分割される。さらに、一方の2つの光束(±1次回折光7a,7b)はBS9a,9bによって4つの光束7c,7d,7e,7fに分割されると共に、他方の2つの光束(±1次回折光8a,8b)はBS9c,9dによって4つの光束8c,8d,8e,8fに分割される。より詳しくは、+1次回折光7aはBS9aによって光束7c,7dに分割され、−1次回折光7bはBS9bによって光束7e,7fに分割される。同様に、+1次回折光8aはBS9cによって光束8c,8dに分割され、−1次回折光8bはBS9dによって光束8e,8fに分割される。この場合、BS9a,9b,9c,9dは、光分岐素子として、入射光を光強度が1:1の2つの光束に分割する。また、BS9a,9b,9c,9dは分割による光量のロスを少なくすることが可能なため、検出点14a,14b,14c,14dに照射する光量が大きくなり、ビート信号15a,15b,15c,15dの信号強度の低下を防ぐことができる。
本参考例の光学系では、検出点14a,14bは各々に入射する光束が±y方向から入射するため、図17のようにx軸方向に明暗の干渉縞ができ、その干渉縞を横切る成分の速度が検出される。このため、検出点14a,14bより検出されるビート信号15a,15bに基づいて、被測定物13の移動に対するy軸成分を検出できる。つまり、被測定物13のy軸方向の移動速度Vyを検出できる。
また、本光学系においては、BS9a,9b,9c,9dにより分割された光束7c,7e,8c,8eが検出点14c,14dを形成する。この検出点14c,14dに入射する光束7c,7e,8c,8eは何れも±x方向から入射するため、干渉縞の明暗はy軸方向に形成される。このため、検出点14c,14dより検出されるビート信号15c,15dに基づいて被測定物13の移動速度のx軸成分を検出することができる。つまり、被測定物13のx軸方向の移動速度Vxを検出できる。
このように、本参考例の光学系においては2次元の移動速度を測定することができ、移動速度を求めるために被測定物の移動方向と、検出点に入射する光の光軸を調整する必要がない。
また、上記参考例1で説明したように、検出点14a,14b,14c,14dのそれぞれに入射する2つの光束の重なり領域がずれると、図2(b)に示されるようにずれた領域(2つの光束が重なっていない領域)からの散乱光はDCノイズとなって検出され、S/Nを低下させてしまう。図9に示すように、本参考例の光学系では、LD1から出射する2つの光束がy軸と平行になるように設置されており、回折格子3a,3bの溝方向(溝が延びる方向)はyz平面と平行にしているため、上記実施例と同様に第1平面、第2平面および第3平面が二等辺三角柱を形成する。ここで、上記第1平面とは、回折格子3aによる+1次回折光束7aと、回折格子3bによる+1次回折光束8aとを含む平面である。すなわち、上記第1平面は、検出点14aに入射する2つの光束7d,8dの光軸を含んでいる。また、上記第2平面とは、回折格子3aによる−1次回折光束7bと、回折格子3bによる−1次回折光束8bとを含む平面である。すなわち、上記第2平面は、検出点14bに入射する2つの光束7f,8fを含んでいる。また、上記第3平面とはxy平面を含む平面である。このような第1平面、第2平面および第3平面が二等辺三角柱を形成する場合、図17に示す干渉縞の間隔と向きが検出点14aと検出点14bとで等しくなるため、上記のように検出点14a,14bの一方からの信号がドロップアウトにより信号不感になっても、両検出点14a,14bから検知される速度の誤差を最小にすることができる。
また、検出点14cに入射する2つの光束を含む平面がxy平面に対してなす角と、検出点14dに入射する2つの光束を含む平面がxy平面に対してなす角とが等しく、かつ、検出点14c,14dに入射する全ての光束の入射角が等しくなるようにBS9a,9b,9c,9dを設置している。これにより、検出点14a,14bを用いて被測定物13のy軸方向の速度Vyを検出する場合と同様に、検出点14c,14dの一方からの信号がドロップアウトにより信号不感になっても、両検出点14c,14dから検知される速度の誤差を最小にすることができる。
また、検出点14aからPD2へ入射する光束の光軸は、検出点14aへ入射する2つの光束7d,8dの交差角の2等分線と略一致する。また、検出点14bからPD2へ入射する光の光軸は、検出点14bへ入射する2つの光束7f,8fの交差角の2等分線と略一致する。また、検出点14cからPD2へ入射する光の光軸は、検出点14cへ入射する2つの光束7c,7eの交差角の2等分線と略一致する。また、検出点14dからPD2へ入射する光の光軸は、検出点14dへ入射する2つの光束8c,8eの交差角の2等分線と略一致する。このような場合、各検出点14a,14b,14c,14dに入射する2つの光束からの散乱光の強度が略等しくなるため、ビート信号15a,15b,15c,15dが鮮明化するため、被測定物13の移動速度を高精度に検出できる。
また、回折格子3bによる−1次回折光8bはBS9dで分割される前に、1/4波長板16にて直線偏光から円偏光に変換されている。このため、BS9dからの光束8e,8fは円偏光で被測定物13に入射する。BS9a,9b,9c,9dからの光束7c,7d,7e,7f,8c,8d,8e,8fが検出点14a,14b,14c,14dを形成する。具体的には、光束7dと光束8dとが検出点14aを形成し、光束7fと光束8fとが検出点14bを形成し、光束7cと光束7eとが検出点14cを形成し、光束8cと光束8eとが検出点14dを形成する。各検出点14a,14b,14c,14dから散乱されるビート信号15a,15b,15c,15dは、集光レンズアレイ27を介してPD2で検出される。このPD2の出力Sに基づいて被測定物13の移動速度を検出する原理は、上記参考例1および実施例と同様である。
本参考例の光学系では、ビート信号15aとビート信号15bとは信号強度が異なるが、被測定物13の移動速度や移動方向の検知の点では上記実施例と同様で、ビート信号15a,15bによって、被測定物13の移動速度Vyと、被測定物13の移動方向のy軸成分とを検出できる。また、検出点14c,14dから検出されるビート信号15c,15dによって、被測定物13の移動速度Vxを検出することができる。そして、検出点14dに入射する光束8eの位相は1/4波長板16を通って円偏光となっているため、上記実施例における被測定物13の移動方向の検出と同様の原理にて、移動方向のx軸成分とを検出できる。要するに、ビート信号15a,15b,15c,15dによって、被測定物13のx,y軸方向の移動速度Vx,Vyを検出できると共に、x,y軸方向に関する被測定物13の移動方向を検出できる。
このように、本参考例における光学系では、被測定物13の移動方向と光学系の軸を調整して配置する必要がなく、任意のxy平面運動に関する速度情報および移動方向を検知することができる。また、x成分、y成分ともに移動方向検知に関する位相を扱う条件等は上記実施例と同様である。
また、図9のように、被測定物13の移動速度のy方向成分を検出するための検出点14a,14bをx軸上に形成すると共に、被測定物13の移動速度のx方向成分を検出するための検出点14c,14dをy軸上に形成することにより、被測定物13において互いに直交する2つの方向の速度成分を検出することができる。その結果、被測定物13の移動速度を高精度に検出することができる。
図10に、本参考例の速度計の変形例の概略構成図を示す。図10では各光学部品等の配置のみを図示し、その他の各光学部品を保持する部品等は省略している。また、図10中の破線の矢印は座標軸を示している。また、図10において、図9に示した構成部と同一構成部には、図9における構成部と同一参照番号を付している。
図10の速度計は、LD1、PD2、回折格子3a,3b、CL4a,4b、信号処理回路部10、絞り12a,12bおよび第1基板19を備えている。この第1基板19には、1/4波長板16、回折格子18a,18b,18c,18dおよびレンズアレイの一例としての集光レンズアレイ37を設けている。回折格子18d上には1/4波長板16が配置されている。
上記LD1は(0,0,z1)に、PD2は(0,0,z2)に、回折格子3a,3bは(0,±y3,z1)に、CL4a,4bで(0,±y4,z1)に、絞り12a,12bは(0,±y12,z1)に、1/4波長板16は(−x16,y3,z16)に設置されている。また、集光レンズアレイ37は(0,0,z16)に位置している。
また、図10において、7は第1の光束、7a,7bは回折格子3aによる±1次回折光、7c,7dは+1次回折光7aを回折格子18aで分割して得た光束、7e,7fは−1次回折光7bを回折格子18bで分割して得た光束、8は第2の光束、8a,8bは回折格子3bによる±1次回折光、8c,8dは+1次回折光8aを回折格子18cで分割して得た光束、8e,8fは−1次回折光8bを回折格子18dで分割して得た光束、13は被測定物、14a,14b,14c,14dは検出点(ビーム重なり領域)、15a,15b,15c,15dはビート信号を示している。上記検出点14a,14bは(±x14,0,0)に形成され、検出点14c,14dは(0,±y14,0)に形成される。そして、光束7c,…,7fおよび光束8c,…,8fを照射する被測定物13の表面はxy平面と略一致する。
上記信号処理回路部10は、各検出点14a,14b,14c,14dで生じる散乱光が含む周波数偏移量をPD2の出力Sから算出する。
以下、図10の光学系の構成と機能を説明する。
LD1の前端面から第1の光束7が出射すると共に、LD1の後端面から第2の光束8が出射する。第1,第2の光束7,8は、絞り12a,12bを通過した後、CL4a,4bを通過することによって平行光束となる。その後、第1,第2の光束7,8は回折格子3a,3bによりそれぞれ複数の光束に分割される。図9には±n次回折光(nは零を含む自然数)のうち±1次回折光7a,7b,8a,8bのみ図示している。
第1の光束7は回折格子3aで2つの光束(±1次回折光7a,7b)に分割され、第2の光束8は回折格子3bで2つの光束(±1次回折光8a,8b)に分割される。そして、回折格子3aからの2つの光束(±1次回折光7a,7b)は回折格子18a,18bで4つの光束7c,7d,7e,7fに分割され、回折格子3aの+1次回折光7aは回折格子18aで2つの光束7c,7dに分割される共に、回折格子3aの−1次回折光7bは回折格子18bで2つの光束7e,7fに分割される。また、回折格子3bの+1次回折光8aは回折格子18cで2つの光束8c,8dに分割されると共に、回折格子3bの−1次回折光8bは回折格子18dで2つの光束8e,8fに分割される。ここで、回折格子18a,18b,18c,18dは、回折格子3a,3bと同様に、溝の深さが入射光の波長の1/4となっているため0次回折光はほとんど出射せず、±1次回折光の強度が最大となっている。その結果、各検出点14a,14b,14c,14dへの入射光量が最大となり、ビート信号強度を最大にすることができている。
また、回折格子3bの−1次回折光8bは回折格子18dで分割される前に、1/4波長板16にて直線偏光から円偏光に変換されている。このため、光束8e,8fは円偏光で被測定物13の表面に入射する。回折格子18a,18b,18c,18dはそれぞれ第1基板19内でx軸、y軸方向に対して任意の角度で傾いている。回折格子18a,18b,18c,18dから出射された各光束7c,7d,7e,7f,8c,8d,8e,8fは、検出点14a,14b,14c,14dを形成する。より詳しくは、光束7dと光束8dとが検出点14aを形成し、光束7fと光束8fとが検出点14bを形成し、光束7cと光束7eとが検出点14cを形成し、光束8cと光束8eとが検出点14dを形成する。回折格子18a,18b,18c,18dを第1基板19内で傾ける角度と、第1基板19から被測定物13まで距離とは、上記のように検出点14a,14b,14c,14dが形成されるように設定されている。つまり、被測定物13の表面において、光束7dと光束8dとが重なり合い、光束7fと光束8fとが重なり合い、光束7cと光束7eとが重なり合い、そして光束8cと光束8eとが重なり合うように、上記角度と上記距離を設定している。
図10の速度計は、回折格子18a,18b,18c,18dが同一基板に形成するので、回折格子18a,18b,18c,18dの設置による位置ずれを防ぐことができる。したがって、図10の速度計は、図9の速度計に比べて検出点14a,14b,14c,14dにおける光束の重なり不具合を低減できる。
また、図10の速度計では、検出点14a,14b,14c,14dから散乱されるビート信号15a,15b,15c,15dは集光レンズアレイ37を介してPD2で検出される。このPD2の出力に基づいて被測定物13の移動速度の検出原理は上記参考例1と同様である。
また、図10の速度計は、図9の速度計と同様に、被測定物13の表面に4つの検出点14a,14b,14c,14dを形成するので、被測定物13の2次元の移動速度および移動方向の検知が可能である。
また、図10の速度計では、回折格子18a,18b,18c,18d、1/4波長板16および集光レンズアレイ37は第1基板19に組み込まれて単一部品となっているので、図9の速度計よりも部品点数を少なくできる。したがって、図10の速度計の組み立て工程数を低減して、製造コストを下げることができる。
また、図10の速度計では、回折格子18a,18b,18c,18d、1/4波長板16および集光レンズアレイ37が一つの部品になっているので、回折格子18a,18b,18c,18d、1/4波長板16および集光レンズアレイ37を光学系に設置する精度が図9の速度計に比べて高く、また、被測定物13の移動方向の検出において上記式35で与えられる条件式を満足する設計マージンが増大する。
本参考例では、上記実施例に比べx方向の速度検出のために検出点の数が増えている。上記実施例において、上記式36でy方向の速度を検知する検出点同士が分離する条件を指定した。本参考例において被測定物のx方向の移動速度を検出するための2つの検出点も同様に、それぞれ分離していることが条件である。その条件式は上記式36と異なり、回折格子18a,18b,18c,18dの設置角度や、被測定物13とLD1との距離、LD1と回折格子3との距離、回折格子3a,3bの設置角度に起因する。その導出については省略する。また、以後の参考例についても同様に本条件が必要となるが、以後の参考例ではその条件の説明を省略する。
また、上記参考例1およびこの変形例では、回折格子3bの−1次回折光8bが1/4波長板16を通過していたが、回折格子3aの+1次回折光7a、回折格子3aの−1次回折光7bおよび回折格子3bの+1次回折光8aのみが1/4波長板を通過するようにしてもよい。すなわち、回折格子3aの+1次回折光7aが通過するように配置され、+1次回折光7aの位相を変更する第1位相変更部と、回折格子3aの−1次回折光7bが通過するように配置され、−1次回折光7bの位相を変更する第2位相変更部と、回折格子3bの+1次回折光8aが通過するように配置され、+1次回折光8aの位相を変更する第3位相変更部とを設けてもよい。
また、上記参考例1およびこの変形例において、検出点14cに入射する2つの光束7c,7eの光軸を含む第4平面がxy平面に対してなす角と、検出点14dに入射する2つの光束8c,8eの光軸を含む第5平面がxy平面に対してなす角とが略等しくなるようにし、かつ、第6平面に対する光束7c,7eの入射角が略同じになるようにし、かつ、第6平面に対する光束8c,8eの入射角が略同じなるようにしてもよい。この場合、検出点14c,14dの一方からの信号がドロップアウトにより信号不感になっても、両検出点14c,14dから検知される速度の誤差を最小にすることができる。このような設定は、以下の参考例においても用いてもよい。
参考例3
図11に、本発明の参考例3の速度計の概略構成図を示す。図11では各光学部品等の配置のみを図示し、その他の各光学部品を保持する部品等は省略している。また、図11の破線の矢印は座標軸を示している。また、図11において、図1,図10に示した構成部と同一構成部には、図1,図10における構成部と同一参照番号を付している。
図11の速度計では、LD1、PD2、CL4a,4b、ミラー5a,5b、信号処理回路部10、絞り12a,12b、第1基板19および第2基板20を備えている。
上記第1基板19には、1/4波長板16、回折格子18a,18b,18c,18dおよび集光レンズの一例としての集光レンズアレイ37を設けている。そして、回折格子18d上には1/4波長板16が配置されている。また、上記第2基板20には、回折格子23a,23bおよびレンズアレイの一例としての集光レンズアレイ47を設けている。
上記LD1は(0,0,z1)に、PD2は(0,0,z2)に、CL4a,4bは(0,±y4,z1)に、ミラー5a,5bは(0,±y5,z1)に、絞り12a,12bは(0,±y12,z1)に、1/4波長板16は(−x16,y16,z16)に、回折格子18a,18b,18c,18dは(±x18,±y18,z16)に、第1基板19は(0,0,z16)に、第2基板20は(0,0,z3)に、回折格子23a,23bは(0,±y3,z3)に、集光レンズアレイ37は(0,0,z16)に、集光レンズアレイ47は(0,0,z3)に位置している。
また、図11において、7は第1の光束、7a,7bは回折格子3aによる±1次回折光、7c,7dは+1次回折光7aを回折格子18aで分割して得た光束、7e,7fは−1次回折光7bを回折格子18bで分割して得た光束、8は第2の光束、8a,8bは回折格子3bによる±1次回折光、8c,8dは+1次回折光8aを回折格子18cで分割して得た光束、8e,8fは−1次回折光8bを回折格子18dで分割して得た光束、13は被測定物、14a,14b,14c,14dは検出点(ビーム重なり領域)、15a,15b,15c,15dはビート信号を示している。光束7c,…,7fおよび光束8c,…,8fが照射する被測定物13の表面はxy平面と略一致する。
上記信号処理回路部10は、各検出点14a,14b,14d,14dで生じる散乱光が含む周波数偏移量をPD2の出力Sから算出する。
図11に示す本参考例の速度計では、図10で示した速度計に比べて、回折格子3a,3bを用いずに、LD1の両端面から出射した第1,第2の光束7,8を反射するミラー5a,5bと、第2基板20とを追加している。また、回折格子23a,23bが同一基板の第2基板20に一体に形成されている。つまり、回折格子23a,23bは第2基板20に組み込まれている。そして、第2基板は第1基板19に対して平行に設置されている。
このような本参考例の速度計において、被測定物13の移動速度や移動方向検知に関する原理等は上記参考例1および実施例と同じである。本参考例の速度計では、光束を分割する素子を全てプレート状に配置しているため、回折格子23a,23bの設置による位置ずれや角度ずれ等を防ぐことができる。さらには、第1基板19および第2基板20を例えばガラスのプレートで作製した場合、光束を分割する素子を筐体に組み込むときの設置誤差等も大幅に低減できる。このように、本参考例の速度計は各光学部品の設置に関し、その設置誤差による検出点14a,14b,14c,14dでの光束重なり不具合を大幅に低減でき、装置組み立て工程における歩留まりを大幅に向上させることができる。
図12に、本参考例の速度計の変形例の概略構成図を示す。図12では各光学部品等の配置のみを図示し、その他の各光学部品を保持する部品等は省略している。また、図12の破線の矢印は座標軸を示している。また、図12おいて、図11に示した構成部と同一構成部には、図11における構成部と同一参照番号を付している。
図12の速度計は、図11の速度計の第1基板19と第2基板20を一体化したものを備えている。すなわち、図12の速度計は、第1基板19および第2基板20の代わりに光学ブロック21を備えている。この光学ブロック21が各光束の分割を行っている。光学ブロック21の上面には回折格33a,33bが形成され、光学ブロック21の下面には回折格子28a,28b,28c,28dが形成されている。さらに、光学ブロック21の中心付近にはビート信号15a,15b,15c,15dをPD2へ導く集光レンズアレイ57が上面から下面を通して形成されている。この集光レンズアレイ57は集光レンズの一例である。また、光学ブロック21の下面の一部には回折格子28dを覆うように1/4波長板16を設置している。光学ブロック21の厚さは任意に設定できる。これらの構成により、被測定物13の移動速度および移動方向を検知できる。被測定物13の移動速度および移動方向を検知する原理は上記参考例1,2と同様である。
図12の速度計においては、図11の速度計に比べて、第1基板19と第2基板20とが一体化されているため、さらに光学部品の設置誤差を生じる組み立て工程を削減でき、装置組み立て工程の歩留まりを向上させることができる。
また、上記参考例3およびこの変形例では、回折格子23b,33bの−1次回折光8bが1/4波長板16を通過していたが、回折格子23a,33aの+1次回折光7a、回折格子23a,33aの−1次回折光7bおよび回折格子23b,33bの+1次回折光8aのみが1/4波長板を通過するようにしてもよい。すなわち、回折格子23a,33aの+1次回折光7aが通過するように配置され、+1次回折光7aの位相を変更する第1位相変更部と、回折格子23a,33aの−1次回折光7bが通過するように配置され、−1次回折光7bの位相を変更する第2位相変更部と、回折格子23b,33bの+1次回折光8aが通過するように配置され、+1次回折光8aの位相を変更する第3位相変更部とを設けてもよい。
参考例4
図13に、本発明の参考例4の速度計の概略構成図を示す。図13では各光学部品等の配置のみを図示し、その他各光学部品を保持する部品等は省略している。また、図13の破線の矢印は座標軸を示している。また、図13において、図5,図12に示した構成部と同一構成部には、図5,図12における構成部と同一参照番号を付している。
図13の速度計では、LD1、PD32a,32b、回折格子3、CL4a,4b、ミラー5a,5b,5c,5d、信号処理回路部10、絞り12a,12b、1/4波長板16a,16bおよび集光レンズアレイ17を備えている。この集光レンズアレイ17とPD32aとの間には回折格子22aおよび直線偏光子群43aを配置し、また、集光レンズアレイ17とPD32bとの間には回折格子22bおよび直線偏光子群43bを配置している。
上記LD1は(0,0,z1)に、PD32aは(0,0,z2)に、PD32bは(0,−y2,z2)に、回折格子3は(0,y3,z1)に、CL4a,4bは(0,±y4,z1)に、ミラー5a,5bは(0,±y5,z1)に、絞り12a,12bは(0,±y12,z1)に、1/4波長板16aは(0,y16a,z16a)に、1/4波長板16bは(−x16,−y16b,z16b)に、集光レンズアレイ17は(0,−y17,z17)に、回折格子22aは(0,0,z22)に、回折格子22bは(0,−y22,z22)、直線偏光子群43aは(0,0,z23)に、直線偏光子群43bは(0,−y23,z23)に設置されている。
また、図13において、7は第1の光束、7gは回折格子3の0次回折光、7hは回折格子3の1次回折光、7iは回折格子3の−1次回折光、8は第2の光束、13は被測定物、14a,14bは検出点(ビ−ム重なり領域)、15a,15bはビート信号を示している。なお、検出点14aは原点(0,0,0)に形成される一方、検出点14bは(0,−y14,0)に形成される。そして、上記被測定物13の表面はxy平面と略一致する。
上記信号処理回路部10は、検出点14aで生じる散乱光が含む周波数偏移量をPD32aの出力Saから算出すると共に、検出点14bで生じる散乱光が含む周波数偏移量をPD32bの出力Sbから算出する。
以下、図13の光学系の構成と機能について説明する。
LD1の前端面から第1の光束7が出射すると共に、LD1の後端面から第2の光束8が出射する。第1,第2の光束7,8は、絞り12a,12bおよびCL4a,4bを通過することによって平行光束となる。その後、第2の光束8はミラー5bで反射して、1/4波長板16bを介して円偏光に変換されて検出点14aに入射する。一方、第1の光束7はCL4aを通過後、回折格子3により複数の±n次回折光(nは0を含む自然数)に分割される(図13では、回折格子3による0次回折光7gと±1次回折光7h,7iとのみ図示している。)。回折格子3は第1の光束7の光軸に対して垂直に設置されているため、0次回折光7gはLD1から出射した第1の光束7の光軸と同軸で回折格子3から出射する。そして、0次回折光7gはミラー5aで反射して検出点14aに入射する。この検出点14a上において0次回折光7gと第2の光束8とが重ね合わせられる。つまり、検出点14aは0次回折光7gと第2の光束8とによって形成される。
また、回折格子3の溝はz軸と平行になるように設置されているため、その±1次回折光7h,7iはxy平面と平行な平面内に同じ出射角で出射する。つまり、±1次回折光7h,7iを含む平面はxy平面と平行になっている。±1次回折光7h,7iはミラー5c,5dで等角で反射された後、+1次回折光7iは検出点14bに入射し、−1次回折光7dは1/4波長板16aを介して円偏光に変換されて検出点14bに入射する。この検出点14b上において+1次回折光7hと−1次回折光7iが重ね合わされる。つまり、検出点14bは+1次回折光7hと−1次回折光7iとによって形成される。
このように、光束を分割する手段に透過型の回折格子3を用いることにより、目的とする2つ目の検出点14bを形成することができる。また、検出点14aに入射する2つの光束に関する各光学部品の設置に関する条件は、上記参考例1と同じであるので説明は省略する。
また、回折格子3で回折した±1次回折光7h,7iを含む平面は、上述のようにxy平面と平行であり、ミラー5c,5dにより反射され検出点14bに同じ入射角で入射する。このとき、検出点14aに入射する2つの光束を含む平面は、検出点14bに入射する2つの光束を含む平面に対して垂直になる。このとき、これらの2つの平面は共に、被測定物13の表面(検出点14a,14bが形成される表面)を含む平面に対して垂直になっている。そして、±1次回折光7h,7iにより形成される検出点14bはy軸上に存在し、検出点14bに形成される干渉縞はx軸に対して垂直になる。その結果、x軸方向の被測定物13の移動速度を精度よく検出することができる。
図14に、図13の検出点14aおよび受光系付近の拡大図を示す。ただし、図14では、回折格子22aによる回折光は±1次回折光のみ図示し、回折格子22aによる他の回折光は図示していない。また、集光レンズアレイ17の図示も省略している。そして、図14には検出点14aのみ示しているが、ビート信号15aとビート信号15bとは、集光レンズアレイ17に対する入射角が異なるだけで、他の条件は同じとして扱うことができる。よって、以下では、検出点14aからのビート信号15aについてのみ説明し、検出点14bからのビート信号15bに関する説明は省略する。
検出点14aに入射する2つの光束のうちの一方は1/4波長板16bを通過しているため、円偏光に変換されている。上記2つの光束は被測定物13の表面で散乱され、ビート信号15aとなって回折格子22aに入射する。この回折格子22aは入射光の波長に対し、0次回折光の光量と±m次回折光(m>1)の光量とが±1次回折光の光量よりも十分小さくなるようなものであることが望ましい。また、回折格子22aの溝はx軸に対して平行に延びるように形成されていることが望ましい。
回折格子22aで回折したビート信号15aは、直線偏光子群43aによって特定の方向の成分だけが通過する。直線偏光子群43aは、回折格子22aで回折した+1次回折光を通す直線偏光子43a1と、回折格子22aで回折した−1次回折光を通す直線偏光子43a2とから成る。これらの直線偏光子の光学軸は互いに直交する方向に設置されている。また、図示しないが、直線偏光子群43bも、回折格子22bで回折した+1次回折光を通す直線偏光子と、回折格子22bで回折した−1次回折光を通す直線偏光子とから成る。
ここで、本参考例における光学軸の設定について一例をあげて説明する。LD1より出射する光はx軸に対して平行に振動する直線偏光とする。このとき、1/4波長板16bの光学軸はx,y平面に対して45°を成すように設置する。例えば、1/4波長板16bは、直線y=x上に進相軸、直線y=−x上に遅相軸となるよう設置する。このとき、直線偏光子43a1,43a2の光学軸はそれぞれy=x、y=−x方向のどちらかに設定する。図14では直線偏光子43a1の光学軸の方向はy=x軸方向に、直線偏光子43a2の光学軸の方向はy=−x方向に設置している。
上記のように光学軸を設置したので、直線偏光子43a1を通過する成分は、0次回折光7gの直線偏光と、円偏光の進相軸成分となる。また、直線偏光子43a2を通過する成分は、0次回折光7gの直線偏光と、円偏光の遅相軸成分となる。そして、ビート信号15aが含む第1信号15a1は第1受光部32a1で検知され、また、ビート信号15aが含む第2信号15a2は第2受光部32a2で検知される。これらの信号には位相情報が含まれているので、上記実施例で説明した原理によって被測定物13のy方向の移動方向を検出することができる。なお、上述したように検出点14bを用いた被測定物13の移動速度および移動方向の検出についての説明は省略するが、検出点14bからのビート信号15bをPD32bで受けることにより、x軸方向に関する被測定物13の移動速度および移動方向の検出することができる。また、図示しないが、PD32bは、ビート信号15bが含む第1信号を検出するための第1受光部と、ビート信号15bが含む第2信号を検出するための第2受光部とを有している。
また、第1,第2位相変更手段(1/4波長板16a,16b)の両方を設置したときは2次元の移動速度と移動方向を検知できるが、速度計の用途に応じて第1,第2位相変更手段のうちの一方だけ設置するようにしてもよい。
また、本参考例においては、検出点14aのビート信号を精度良く検出するために、回折格子3による0次回折光の光量と第2の光束8の光量とを等しくすることが望ましい。このため、本参考例においては、LD1より出射する第1の光束7と第2の光束8の光量に差を設ける必要があるので、この差が生じるようにLD1の両端面に処理を施している。
さらに、本参考例の光学系においては、一つの検出点より回折格子によりビート信号を分割して移動方向の検知を行っている。このため、上記式36において、
(式39)
φ1a=φ1b,φ2a=φ2b
となる。よって、各光束の位相差は常に
(式40)
ビート信号の位相差=φ0(=π/2)
となり、上記実施例および参考例2,3の光学系に対し各光学部品の設置に対する精度を大幅に低減できる。
以上の実施例および参考例1〜4において、LD1は同一チップから複数の発光点、例えばモノリシック型で片面から複数の光束を出射する光源であってもよい。しかし、本発明においては、LD1の前端面より出射した第1の光束7と、LD1の後端面より出射した第2の光束8とを速度のセンシングに用いている。そして、LD1の光強度を安定化させるための光量のモニタリングは、絞り12a,12bでカットされる光量をモニターするように設置した例えば受光素子(図示せず)で行う。このような構成にすることで、LD1から出射する光のエネルギーを最も効率よく速度のセンシングに用いることができ、LD1を高出力化させることなく十分なビート信号15の出力を得ることができる。
また、上記実施例および参考例1〜4のPD2,2a,2b,32a,32bは回路内蔵受光素子であってもよい。つまり、PD2,2a,2b,32a,32bは信号処理回路を内蔵してもよい。そして、PD2,2a,2b,32a,32bからの出力を同一チップ内で増幅、波形整形や周波数カウント等の信号処理を行うことにより、これらのICを別個に構成する場合に比べ、部品点数が減少するため装置が小型化するばかりでなく、各部品をつなぐワイヤー等からの電磁ノイズ等を削減できるため、高精度に被測定物13の速度を検出することも可能である。
また、上記実施例および参考例1〜4では、x,y軸が90°で交差していたが、x,y軸が90°以外の角度で交差するようにしてもよい。
また、上記実施例および参考例1〜4におけるドップラー速度計は、被測定物13の移動速度を検知するものであるが、後段の信号処理において、その時間情報を取り込むことによって、速度情報から容易に変位量に換算することができる。例えば、一般に普及している電子機器においては、プリンターやコピー機の紙送り量を検出する変位計に応用可能である。特に、LDVの干渉縞間隔は一般に数μmレベルであるため変位計としての分解能はμmレベル、電気信号処理によりさらにサブミクロンレベルまで分解能をあげることが可能である。さらに、LDVは移動物体からの反射光により速度を検出できるため、測定対象に特別な加工を必要としないため、特に高分解能エンコーダとしての応用に好適である。また、現在広く普及している光学式のマウスは、CCD(電荷結合素子)等により検出面のスペックルパターンの移動情報を画像として認識し、移動量を検出しているが、この速度計を用いて光学式マウスに適用することも可能である。このように、これらの全ての実施例の速度計は変位を検出する変位計や振動計に応用可能である。つまり、上記速度計を備えた変位計によって、被測定物に関する速度情報および時間情報に基づいて被測定物の位置情報を得てもよい。また、上記速度計を備えた振動計によって、被測定物に関する速度情報および時間情報に基づいて被測定物の振動に関する情報を得てもよい。ここで、「振動に関する情報」とは、振動の振幅、周波数および位相等を意味する。
また、上記速度計、変位計および振動計のうちの1つを電子機器に備えてもよい。
また、本発明の速度計は、被測定物の速度情報および時間情報をもとに変位情報を算出する変位情報検出装置に用いることができる。
また、上記実施例に、参考例1〜4における好ましい構成や設定条件などを用いてよい。つまり、実施例と参考例1〜4とを適宜組み合せて本発明の実施例としてもよい。
図1は本発明の参考例1の速度計の概略構成図である。
図2(a)は上記参考例1における理想的な条件を示す検出点近傍の概略図であり、図2(b)は上記参考例1における検出点の概略図である。
図3は被測定物の凹凸と検出点近傍にられる条件を説明するための図である。
図4は本発明の実施例の速度計の概略構成図である。
図5は上記実施例の速度計の変形例の概略構成図である。
図6(a)〜(c)はビート信号の位相情報による被測定物の移動方向の検出を説明するための図である。
図7は上記実施例の速度計の他の変形例の概略構成図である。
図8は検出点に求められる条件を説明するための概略図である。
図9は本発明の参考例2の速度計の概略構成図である。
図10は上記参考例2の速度計の変形例の概略構成図である。
図11は本発明の参考例3の速度計の概略構成図である。
図12は上記参考例3の速度計の変形例の概略構成図である。
図13は本発明の参考例4の速度計の概略構成図である。
図14は図13の検出点および受光系付近の拡大図である。
図15は従来のLDVの要部の概略構成図である。
図16は被測定物の移動速度とドップラー偏移周波数とを結びつける式を説明するための図である。
図17は上記従来のLDVの検出点近傍における光束の重なりを示す拡大図である。
図18は他の従来のLDVの要部の概略構成図である。
図19はさらに他の従来のLDVの要部の概略構成図である。
符号の説明
1 LD、
2,2a,2b PD
4a,4b CL
3a,3b 回折格子
6a,6b 集光レンズ
7 第1の光束
7a,7b 回折格子3aの±1次回折光
8 第2の光束
8a,8b 回折格子3bの±1次回折光
10 信号処理回路部
12a,12b 絞り
13 被測定物
14a,14b 検出点
15a,15b ビート信号
16 1/4波長板
17 集光レンズアレイ