JP4142532B2 - 光学式速度計、変位情報測定装置および搬送処理装置 - Google Patents

Description

この発明は、移動する被測定物にレーザ光を照射し、上記被測定物の移動速度に応じた光の周波数偏移を上記被測定物からの拡散光を受光して上記被測定物の速度を検出する速度計、上記被測定物の速度情報と時間情報をもとに変位情報を算出する変位情報測定装置、および、上記被測定物の速度情報もしくは変位情報に基づいて上記被測定物の搬送を制御し上記被測定物に所定の処理を行う搬送処理装置に関する。

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１３に従来の代表的なＬＤＶの光学系図を示す。

図１３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光束、１０８は回折格子１０３による−１次回折光の第２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光束１０７と第２光束１０８となる。そして、第１，第２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１３のように右向きに移動する方向を正方向とすると、第１光束１０７においては−ｆ_d、第２光束１０８においては＋ｆ_dのドップラー周波数偏移を受け、第１光束１０７の見かけの周波数は（ｆ₀−ｆ_d）、第２光束１０８の見かけの周波数は（ｆ₀＋ｆ_d）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光束１０７は次の式１で、第２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、Ｅ_Aは第１光束１０７の振幅、Ｅ_Bは第２光束１０８の振幅、φ_Aは第１光束１０７の位相、φ_Bは第２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≫ｆ_d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１４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Ｖ_A1，Ｖ_B1は、
［式４］

と表せる。また、被測定物１１３から見たそれぞれの光の見かけの周波数ｆ_A1，ｆ_B1は、
［式５］

それぞれの散乱（反射）光と被測定物１１３の相対速度Ｖ_A2，Ｖ_B2は、
［式６］

となる。よって、観測点から見た光の周波数ｆ_A2，ｆ_B2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ｆ₀＝ｃ／λの差がドップラー周波数偏移量ｆ_d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２ｆ_d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１３においてはα=β=θであるので、図１３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ｆ_d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１５は図１３の２つの光束（第１，第２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１５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。この考え方は、干渉縞モデルと言われるものである。

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１３の回折格子１０３を速度Ｖ_g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Ｖ_g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２ｆ_dは、
［式１２］

で得られる。よって、既知の速度Ｖ_gに対し、移動速度Ｖの符号（正負）により２ｆ_d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１６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２ｆ_d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２ｆ_d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、上記特開平４‐２０４１０４号公報と同様の原理によって、図１７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光束１０７，１０８に分割される。その第１，第２光束１０７，１０８はともにＥＯＭ１１１に入射する。このとき、第２光束１０８に対してはバイアスを印加してｆ_Rだけ周波数をシフトさせる。そして、第１，第２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２ｆ_d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ｆ_Rに対するｆ_d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。さらに、ＬＤＶでは、被測定物の移動方向は決まっており、１次元の検出に限られている。したがって、ＬＤＶで２次元の速度を求めるには、異なる２方向に２つのＬＤＶを配置して、それぞれのＬＤＶから得られた速度から、２次元の速度を算出しなければならない。このように、２つのLDVを用いた場合、検出点が違うために被測定物の回転や伸縮による誤差が生じる可能性があるばかりか、装置２台分のスペースとコストがかかるため効率的ではない。
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、この発明の課題は、小型化および低消費電力化できると共に、被測定物の２次元の移動速度を高精度に検出できる光学式速度計、変位情報測定装置および搬送処理装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、この発明の光学式速度計は、
可干渉性の光を出射する発光素子と、
この発光素子からの放射光を３つの光束に分岐する光分岐手段と、
この光分岐手段により分岐されたそれぞれの光束の光軸を被測定物上で重ね合わせて１つの検出点を形成する光学系と、
この検出点からの上記被測定物の移動により周波数偏移が生じた拡散光を受光する２つの受光部と、
この２つの受光部から出力される受光信号を信号処理して上記被測定物の２つの方向の移動速度を検出する信号処理回路と
を備え、
上記検出点を形成する上記光束は、第１光束と第２光束と第３光束との３つの光束であり、
上記光学系は、上記第２光束および上記第３光束の光軸を偏向する偏向手段と、少なくとも上記第１光束の偏光状態と上記第２光束および上記第３光束の偏光状態とを異なるように変更する偏光状態変更手段とを備え、
上記受光部は、偏光状態の相違する上記第１光束の拡散光と上記第２光束の拡散光とを受光する第１受光部と、偏光状態の相違する上記第１光束の拡散光と上記第３光束の拡散光とを受光する第２受光部であり、
上記第１受光部と上記第２受光部とは、それぞれ、入射された上記拡散光を２分割する分割手段と、この分割手段にて分割された各分割光を互いに直交した偏光子を介して受光する2つの受光素子とを有し、
上記信号処理回路は、上記各受光部の２つの受光素子にて得られた偏光状態の差異により生じる位相の異なる２つの受光信号に基づいて、上記被測定物の移動方向を判別すると共に上記被測定物の2次元の移動速度を検出し、
上記検出点は、ｘｙｚ座標系の原点に配置され、
上記発光素子および上記第１光束の光軸は、ｚ軸上にあり、
上記第２光束の光軸は、ｘｚ平面上にあって、上記検出点へ斜入射され、
上記第３光束の光軸は、ｙｚ平面上にあって、上記検出点へ斜入射され、
上記第２光束がｘ軸の正の領域から検出点へ斜入射される場合、上記第１受光部はｘ軸の負の領域に配置され、または、上記第２光束がｘ軸の負の領域から検出点へ斜入射される場合、上記第１受光部はｘ軸の正の領域に配置される一方、
上記第３光束がｙ軸の正の領域から検出点へ斜入射される場合、上記第２受光部はｙ軸の負の領域に配置され、または、上記第３光束がｙ軸の負の領域から検出点へ斜入射される場合、上記第２受光部はｙ軸の正の領域に配置されることを特徴としている。

ここで、この明細書では、上記発光素子としては、例えば、半導体レーザダイオードや発光ダイオードを用いる。上記光分岐手段としては、例えば、回折格子やビームスプリッタを用いる。上記光学系は、上記分割された光束の光軸の向きを変えるミラーや、上記分割された光束の偏光状態を変える（λ／２板やλ／４板等の）波長板を含む。上記受光部は、（フォトダイオード等の）受光素子を有し、この受光素子にて上記拡散光を光電変換して受光信号を得る。この受光信号の周波数は、上記被測定物の速度に対応している。また、上記分割手段として、例えば、回折格子を用い、上記偏光子としては、例えば、直線偏光板を用いる。

この発明の光学式速度計によれば、可干渉性の光を放射する発光素子からの光束を分割し複数方向から1つの検出点で重ね合わせ、この検出点からの各拡散光を複数の受光部で受光することで、2次元の光学式速度計が実現でき、従来からのレーザを用いたＬＤＶに比べ、1つの装置で2次元の速度を低消費電流で高感度、高精度に検出できる小型のＬＤＶを提供することができる。また、最小単位の簡単な構成で上記被測定物の２次元の移動速度を検出できる。また、上記受光部が、上記検出点への入射光束の入射がx方向およびy方向の正方向からであれば、負の領域に配置され、入射光束が負方向からであれば正の領域に配置されるので、拡散光を確実に受光することができる。

また、一実施形態の光学式速度計では、上記光分岐手段は、回折格子であり、上記第１光束は、上記回折格子により分岐される０次の回折光に相当し、上記第２光束と上記第３光束とは、上記回折格子により分岐される所定の次数からなる回折光に相当している。

この一実施形態の光学式速度計によれば、上記回折格子により（最小単位の）３つの光束に分岐できるので、小型化が可能となる。

また、一実施形態の光学式速度計では、上記回折格子は、上記第１光束と上記第２光束で形成される第１平面と上記第１光束と上記第３光束で形成される第２平面とが略直交となるような格子構造を有している。

ここで、この明細書では、上記検出点が原点に配置される座標において、例えば、上記第１平面は、x‐z入射面に相当し、上記第２平面は、y‐z入射面に相当する。

この一実施形態の光学式速度計によれば、上記回折格子は、上記第１平面と上記第２平面とが略直交となるような格子構造を有しているので、光束の向きを変えるミラー等の部品点数が減り、さらに安価で小型化できる。

また、一実施形態の光学式速度計では、上記信号処理回路は、上記第１平面に平行でかつ上記第１光束に直交する方向の速度成分と、上記第２平面に平行でかつ上記第１光束に直交する方向の速度成分とを算出して、上記被測定物の２次元の移動速度を検出する。

この一実施形態の光学式速度計によれば、上記信号処理回路にて、x方向の速度成分とy方向の速度成分とを算出して、上記被測定物の２次元の移動速度を確実に検出できる。

また、一実施形態の光学式速度計では、上記受光部は、上記検出点へ斜入射される光束の正反射の位置に配置される。

この一実施形態の光学式速度計によれば、上記受光部への拡散光の入射強度を大きくできる。

また、一実施形態の光学式速度計では、上記偏光状態変更手段は、上記第１光束の偏光状態を変更するλ/４板を備える。

また、一実施形態の光学式速度計では、上記偏光状態変更手段は、上記第１光束の偏光状態を変更するλ/４板と、上記第２光束もしくは上記第３光束のどちらか一方の偏光状態を変更するλ/２板とを備える。

また、一実施形態の光学式速度計では、上記偏光状態変更手段は、上記第２光束の偏光状態を変更するλ/４板と上記第３光束の偏光状態を変更するλ/４板を備える。

また、一実施形態の光学式速度計では、上記偏光状態変更手段は、上記第２光束の偏光状態を変更するλ/４板と、この偏光状態を変更された第２光束の光の位相よりπずれるように上記第３光束の偏光状態を変更するλ/４板とを備える。

また、一実施形態の光学式速度計では、上記回折格子は、ブレーズド型である。

この一実施形態の光学式速度計によれば、使用する所定次数の回折効率を上げることができて、受光強度が上がり、検出精度を上げることができる。

また、一実施形態の光学式速度計では、上記回折格子の格子は、上記第２光束を生成する領域と上記第３光束を生成する領域とに２分割されている。

また、一実施形態の光学式速度計では、上記回折格子の格子は、上記第２光束を生成する領域と上記第３光束を生成する領域とにおいて、マトリクス状に配置されている。

この一実施形態の光学式速度計によれば、上記発光素子からの放射光が、上記回折格子の中心に入射しなくても、各光束の強度変化を少なくできて、2方向の速度成分検出のSNが向上する。

また、一実施形態の光学式速度計では、上記回折格子は、上記検出点を形成する上記各光束についての上記検出点から拡散した光の強度が上記受光部で同程度になるような回折効率を有している。

この一実施形態の光学式速度計によれば、受光信号のSNが向上できる。

また、一実施形態の光学式速度計では、上記光分岐手段と上記偏向手段と上記偏光状態変更手段とを一体化する光学ブロックを設けている。

この一実施形態の光学式速度計によれば、光学部品の配置精度が向上すると共に小型化できる。

また、一実施形態の光学式速度計では、上記偏光状態変更手段は、入射される上記光束の光軸に対して垂直になるように、上記光学ブロックに設けられた切欠部に配置される。

この一実施形態の光学式速度計によれば、光路差による誤差も少なくなり検出精度が向上する。

また、一実施形態の光学式速度計では、上記各受光部の２つの受光素子は、１チップ内に設けられる。

この一実施形態の光学式速度計によれば、部品点数が減ると共に、配置精度が向上する。

また、一実施形態の光学式速度計では、上記２つの受光素子は、分割型の受光素子である。

この一実施形態の光学式速度計によれば、素子面積が小さくできて、コストが下がる。

また、一実施形態の光学式速度計では、上記各受光部は、上記受光素子に上記信号処理回路を組み合わせた信号処理回路内蔵型である。

この一実施形態の光学式速度計によれば、装置の小型化が可能となる。

また、一実施形態の光学式速度計では、上記発光素子は、半導体レーザダイオードである。

この一実施形態の光学式速度計によれば、可干渉性の光を放射するものとして小型で安価なものにできる。

また、この発明の変位情報測定装置は、上記発明の光学式速度計を備え、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、上記被測定物の変位情報を測定することを特徴としている。

この発明の変位情報測定装置によれば、上記発明の光学式速度計を備えているので、上記被測定物の変位量を高精度に測定できる。

また、この発明の搬送処理装置は、上記発明の光学式速度計と、上記被測定物を搬送する搬送手段と、上記被測定物に所定の処理を行なう処理手段とを備え、上記光学式速度計から得られる速度情報もしくは変位情報に基づいて、上記被測定物の搬送を制御し上記被測定物に所定の処理を行うことを特徴としている。

この発明の搬送処理装置によれば、上記発明の光学式速度計を備えているので、上記被測定物に所定の処理を高精度に行なうことができる。

この発明の光学式速度計によれば、発光素子からの光束を分割し複数方向から1つの検出点で重ね合わせ、この検出点からの各拡散光を複数の受光部で受光するので、被測定物の2次元のの移動速度を高精度に検出できると共に、小型化および低消費電力化できる。

また、この発明の変位情報測定装置によれば、上記発明の光学式速度計を備えているので、上記被測定物の変位量を高精度に測定できる。

また、この発明の搬送処理装置によれば、上記発明の光学式速度計を備えているので、上記被測定物に所定の処理を高精度に行なうことができる。

以下、この発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。

（第１の実施形態）
図１は、この発明の光学式速度計の一実施形態である簡略構成説明図を示している。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。

この光学式速度計は、被測定物１３の移動速度を検出するものであり、可干渉性の光を出射する発光素子３０と、この発光素子３０からの放射光を３つの光束に分岐する光分岐手段６１と、この光分岐手段６１により分岐されたそれぞれの光束の光軸を上記被測定物１３上で重ね合わせて１つの検出点１４を形成する光学系６２と、この検出点１４からの上記被測定物１３の移動による周波数偏移を受けた拡散光を受光する２つの受光部３１，３２と、この２つの受光部３１，３２から出力される受光信号を信号処理して上記被測定物１３の２つの方向の移動速度を検出する信号処理回路６０とを備える。

上記発光素子３０は、半導体レーザダイオード（ＬＤ）であり、上記式3で示される2光束の干渉によるうなりを容易に生じる。なお、上記発光素子３０としては、光学系の光路長内で可干渉性を示せば、発光ダイオード（Light Emitting Diode（ＬＥＤ））を用いてもよく、例えば、電流狭窄型ＬＥＤがある。

一般に、ＬＤ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、楕円形のファーフィールドパターン（ＦＦＰ）となる。このため、出射したＬＤ光をそのまま上記検出点１４に照射すると、この検出点１４上で光強度のムラができて、図５に示す干渉縞の強度が一様でなくなるため、ビート信号を高精度に評価することが困難になる。この問題を回避するために、絞り１２が設けられ、この絞り１２により、ＬＤから出射した光束１８外側の光強度の弱い部分をカットし、光強度の一様な円形光束１８を形成できる。なお、上記絞り１２の代わりにプリズムを用いて、楕円形のＦＦＰを円形に変えるようにしてもよい。

また、上記絞り１２の下流側に照射側レンズ３６が設けられ、この照射側レンズ３６は、上記光束１８をコリメート化するためのコリメートレンズである。なお、上記検出点１４からの拡散光の上記受光部３１，３２での受光強度が低い場合は、上記検出点１４で焦点を結ぶ組み合わせレンズもしくは非球面レンズを用いて、上記検出点１４である光スポットに集光し強度を上げるようにしてもよい。

要するに、上記発光素子３０、上記絞り１２、上記照射側レンズ３６は、順次、ｚ軸上に配置される。

上記光分岐手段６１は、分割型回折格子２０であり、上記照射側レンズ３６にてコリメート化された上記LDの光束１８を、第１光束３３と第２光束３４と第３光束３５との３つの光束に分割する。なお、上記光分岐手段６１としては、ビームスプリッターを用いてもよい。

図２は、上記第２光束３４と上記第３光束３５とを直交状に分割する回折格子の簡略構成説明図を示す。

図２（ａ）は、直交した溝を有する分割型回折格子２０を示し、この溝により直交した回折光が得られる。この回折格子２０によれば、２つの直交した回折光ができるため、ミラーの部品数を少なくして2つの入射面が生成できる。なお、ブレーズド型の回折格子を用いれば、各分割光束の回折効率を向上させることができる。さらに、上記溝の形状を双曲線状（図示しない）にすることで、所定の方向に集光させることができる。

図２（ｂ）は、マトリクス状に溝の向きの違うセルを組み合わせて構成されたマトリクス型回折格子１９を示し、この回折格子１９によれば、上記光束１８がこの回折格子１９の中心に入射しなくても、上記第２光束３４と上記第３光束３５の強度、および、上記検出点１４の大きさ（スポットサイズ）の変動を抑えることができる。なお、実際のマトリクス１セルの大きさは、上記光束１８の大きさに対して非常に小さい。

上記光学系６２は、上記第２光束３４および上記第３光束３５の光軸を偏向する偏向手段と、上記第１光束３３の偏光状態と上記第２光束３４および上記第３光束３５の偏光状態とを異なるように変更する偏光状態変更手段とを備える。

上記第１光束３３は、上記回折格子２０により分岐される０次の回折光に相当し、上記第２光束３４と上記第３光束３５とは、上記回折格子２０により分岐される所定の次数からなる回折光に相当する。

上記偏向手段は、上記第２光束３４の向きを変える第１ミラー２７と、上記第３光束３５の向きを変える第２ミラー２８とを有する。

上記偏光状態変更手段は、上記第１光束３３を上記光束18の直線偏光から円偏光に変えるλ／４板１６と、上記第３光束３５を上記第２光束３４と直交方向（位相差π）の直線偏光に変えるλ／２板２４とを有する。

そして、上記第１、第２、第３光束３３，３４，３５は、座標系原点にある光スポットである上記検出点１４で１つに重ね合わされる。

ここで、上記第１ミラー２７は（x1,0,z1）に位置し、上記第２光束３４は、x‐z入射面（第１平面）２５内を通って、上記検出点１４に重なるように配置される。また、上記第２ミラー２８は（y1,0,z1）に位置し、上記第３光束３５は、y‐z入射面（第２平面）２６内を通って、上記検出点14に重なるように配置される。

図３は、上記x‐z入射面２５内の光束の様子、図４は、上記y‐z入射面２６内の光束の様子を示した模式図である。

まず、図３に示すように、上記検出点14に、円偏光である上記第1光束３３が垂直に入射すると共に角度θで直線偏光の上記第２光束３４が入射して、１つのスポットを形成すると干渉縞が生じる。

ここで、図５は、干渉縞モデルで考えた場合の模式図を示す。具体的に述べると、上記第１光束３３と上記第２光束３４が、角度θで交差しており、図中の一点鎖線は、各光束の等波面の一部を示している。この隣り合う一点鎖線の間隔が光の波長λとなる。そして、上記第１光束３３と上記第２光束３４との干渉により生じた干渉縞１７の間隔は、
［式１５］

となる。この干渉縞１７により、粒子３８（被測定物１３）が速度Vで移動した際に、うなりによるビート信号が上記受光部３１，３２にて周波数Ｆで検出される。この時検出されるＦは、式１５より、
［式１６］

となる。この結果は、上記式8においてα=θ、β=0とした場合とも一致する。

図３に示すように、上記第１光束３３の偏光状態は、上記λ／４板１６により、円偏光４０になっており、上記第１光束３３の第１拡散光４８もこの偏光状態をほぼ保っており（円偏光５１）、一方、上記第２光束３４の偏光状態は直線偏光４３であり、上記第２光束３４の第２拡散光４９もこの偏光状態をほぼ保っている（直線偏光５２）。ここで、上記第１光束３３の円偏光への変換について説明する。一般に、λ／４板の光学軸を入射光の偏光方向に対して４５度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。

上記第１、第２拡散光４８，４９は、第１受光部３１で受光される。この第１受光部３１は、入射された上記第１、第２拡散光４８，４９を２分割する分割手段２１と、この分割手段２１にて分割された各分割光を互いに直交した偏光子２３，２３を介して受光する2つの受光素子４５ａ，４５ｂとを有する。

上記分割手段２１は回折格子であり、上記拡散光の光束の分割に好適となる。なお、上記分割手段２１として、ビームスプリッターを用いてもよい。

上記偏光子２３は、直線偏光子であり、各分割光の所定の偏光成分のみを上記受光素子４５ａ，４５ｂに入射する。なお、所定の偏光成分とは、例えば、上記第２拡散光４９の直線偏光５２の偏光方向に対して±45度傾いた偏光方向であり、かつ、上記第１拡散光４８の円偏光５１の進相軸と遅相軸に沿った偏光方向である。

上記受光素子４５ａ，４５ｂとしては、フォトダイオード（Photo Diode（ＰＤ））が用いられる。この受光素子としては、１チップに２つの受光面をもつ素子でもよいが、分割型受光素子の方が大きさと価格の面で望ましい。

次に、上記受光素子４５ａ，４５ｂにて得られる受光信号（ビート信号）は、上記分割手段（回折格子）２１から上記受光素子４５ａ，４５ｂまでの距離が等しいとすると、一方の受光素子４５ａの第１ビート信号は、次式１７となり、他方の受光素子４５ｂの第２ビート信号は、次式１８となる。
［式１７］

［式１８］

ここで、E1a,E1bは上記第１拡散光４８の光の振幅であり、E2a,E2bは上記第２拡散光４９の光の振幅であり、Ｆはビート周波数であり、tは時間である。ただし、式１８の第２ビート信号は、円偏光の遅相軸の信号であり、上記直線偏光子２３により生成される。式１８では、円偏光の遅相軸により位相成分が現れ、第2項の余弦にある位相成分の符号は上記被測定物１３の移動方向により異なり、+x方向に移動するとき+π/2、‐x方向に移動するとき‐π/2となる。

図６に、式１７と式１８を示す。すなわち、図６（ａ）は、式１７で表される第１ビート信号を示しており、上記被測定物１３の移動方向に依存しない。図６（ｂ）は、上記被測定物１３が軸上正方向に移動するときの第２ビート信号を示し、図６（ｃ）は、上記被測定物１３が軸上負方向に移動するときの第２ビート信号を示しており、移動方向によりビート信号の位相が、図６（ａ）のビート信号に比べて、π／２ずれることがわかる。この位相のずれを上記受光素子４５ａ，４５ｂで検出することにより、上記被測定物１３の移動方向を検出できる。ただし、移動方向を検知するには、第１ビート信号の位相に対し、第２ビート信号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く、正確に±π／２である必要はない。このため、光路差や波長板、直線偏光子の配置誤差がある程度あっても問題はない。

また、上記第１受光部３１では、上記第１光束３３による上記第１拡散光４８と、上記第２光束３４による上記第２拡散光４９とを受光することになり、上記第３光束３５の上記第３拡散光５０も一部入射するが、上記第１受光部３１の配置を最適化することで無視でき、検出精度が向上できる。

例えば、上記y‐z入射面２６から離れた位置で上記第１拡散光４８および上記第２拡散光４９の検出可能な位置である上記x‐z面２５内の上記第２光束３４の正反射（θ＝φ）軸上等である。

なお、符号４６は、入射光束の直線偏光よりπ／４の位相ズレを有する直線偏光を示し、符号４７は、この直線偏光４６に直交する直線偏光を示す。

上記構成で上記第１、第２ビート信号を検出するが、式１６によりビート周波数ｆ_dからx軸方向速度、および、式１７と式１８の位相ズレから軸上正負の向きを上記信号処理回路６０により検出する。なお、上記信号処理回路６０を上記受光部３１，３２に内蔵した回路内蔵受光部を用いれば小型化が可能になる。

このように、上記第１受光部３１を用いた上記方法により、１次元の速度検出ができる。

次に、図４に示す上記y‐z入射面２６における光学系においても、図３に示す上記x‐z入射面２５と同様に、y軸方向速度と軸上の正負の向きが検出できる。

図３と図４の検出方法の差異は、上記第３光束３５の直線偏光４４は、上記第２光束３４の直線偏光４３より位相がπずれており、これは、図３中の上記第２光束３４の上記第２拡散光４９に対応した上記第１受光部３１における上記第３光束３５の上記第３拡散光５０の影響、および、図４中の上記第３光束３５の上記第３拡散光５０に対応した上記第２受光部３２における上記第２光束３４の上記第２拡散光４９の影響を、偏光方向を変えることにより低減させ、検出精度を向上させるためのものである。もちろん、上記第２受光部３２における上記第２光束３４の上記第２拡散光４９の影響が無視できる場合は、上記第３光束３５の直線偏光４４の位相を、上記第２光束３４の直線偏光４３よりπずらす必要はない（λ／２板２４は不要である）。

また、上記第３光束３５では、光の偏光状態の変更は、λ／２板２４を用いて行っている。なお、上記第３光束３５の偏光状態は直線偏光４４であり、上記第３拡散光５０もこの偏光状態をほぼ保っている（直線偏光５３）。

よって、上記第１受光部３１と上記第２受光部３２により、上記x‐z入射面２５と上記y‐z入射面２６の上記被測定物１３の移動速度と軸上正負の方向が検出できることから、ベクトル的に和を取ることにより、2次元の速度検出が可能となる。

次に、図７（ａ）の側面断面図、および、図７（ｂ）の底面図に示すように、上記各光学部品が、ハウジング５４内に、保持され配置されている。このハウジング５４の底面には、光束通過用開口部５６が設けられている。

次に、図８に示すように、上記回折格子２０、上記第１、第２ミラー２７，２８、上記λ／４板１６および上記λ／２板２４を一体化する（直方体状の）光学ブロック５５を設け、配置誤差を減少させて検出の精度を向上させるようにしてもよい。

図８（ａ）は、上記光学ブロック５５の各面に上記光学部品を配置しており、図８（ｂ）は、上記光学ブロック５５に切欠部５７を設け、この切欠部５７に上記λ／２板２４を斜めに配置しており、上記第３光束３５を上記λ／２板２４に垂直に入射させることができ、波長板の配置誤差を低減させて精度が向上する。

（第２の実施形態）
図９は、この発明の他の実施形態を示している。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、偏光状態変更手段である波長板以外の光学部品とその配置は、上記第１の実施形態に準じるので、その説明は省略する。

この光学式速度計では、上記回折格子２０で分割した上記第１光束３３は、ＬＤから放射された光の直線偏光を保ったまま上記検出点14である光スポットに入射する。上記第２光束３４は、上記第１ミラー２７で、上記検出点１４方向に向きが変えられた後、λ／４板１６にて直線偏光から円偏光に変わり、上記検出点１４に入射する。上記第３光束３５は、上記第２ミラー２８で、上記検出点１４方向に向きが変えられた後、上記第２光束３４の円偏光の位相に対してπずれた状態になるよう配置された上記λ／４板１６により、上記第２光束３４とは逆周りの円偏光で上記検出点１４に入射する。

よって、図１０と図１１に示すように、上記第２光束３４が、左回り円偏光４１の場合は、上記第３光束３５は、右回り円偏光４２となる。また、上記第１光束３３は直線偏光４３であり、上記第１拡散光４８は直線偏光５１であり、上記第２拡散光４９は右回り円偏光５２であり、上記第３拡散光５０は左回り円偏光５３である。

上記第１拡散光４８と上記第２拡散光４９との強度が効率よく受光できる位置に、上記第１受光部３１を配置し、この第１受光部３１の入射面に、上記第１拡散光４８が円偏光に、かつ、上記第２拡散光４９が直線偏光になるように、上記λ／４板１６を設ける。

また、上記第１拡散光４８と上記第３拡散光５０との強度が効率よく受光できる位置に、上記第２受光部３２を配置し、この第２受光部３２も同様に、上記第１拡散光４８が円偏光に、かつ、上記第３拡散光５０が直線偏光になるように、上記λ／４板１６を設ける。

上記λ／４板１６は、上記第２拡散光４９および上記第３拡散光５０が、円偏光から崩れて楕円偏光になった場合に、移動方向検出のための位相差を持つビート信号が充分に得られない場合を考慮したもので、直線偏光である上記第１拡散光４８を円偏光に変えた場合の方が位相差を得られやすい。ただし、上記第１の実施形態で説明したように、明確に位相差π／２である必要はない。もちろん、位相差が得られる場合は、上記λ／４板１６は必ずしも必要ない。

よって、式１７と式１８（位相差は約π／２）のビート信号が得られ、式１６を用いて、上記第１の実施形態と同様の方法で信号処理することにより２次元の被測定物移動速度および移動方向が検出できる。

また、上記各光学部品および上記発光素子３０を収めたハウジングは、上記第１の実施形態と同様な構造（図示しない）が可能であり、図１２に示すように、上記光学部品を上記光学ブロック５５に一体化させることもできて配置精度あがる。すなわち、図１２（ａ）は、上記光学ブロック５５の各面に上記光学部品を配置しており、図１２（ｂ）は、上記光学ブロック５５に切欠部５７を形成して、上記λ／４板１６を配置しており、波長板の配置誤差を低減し検出精度をさらに向上できる。

なお、上記第１と上記第２の全ての実施形態において、上記受光部３１，３２を配置する場所により、上記ビート信号検出のための上記各拡散光の強度に差が生じるが、上記受光部３１，３２の配置が決まっていれば、ＬＤからの放射光が入射する上記回折格子２０の構造（溝深さ、溝傾斜角、溝のデューティー比）を最適化することで、回折効率を調整して、拡散光強度をほぼ等しくすることができ、信号のＳＮを向上できる。

（第３の実施形態）
次に、図示しないが、この発明の変位情報測定装置は、上記光学式速度計を備え、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、上記被測定物の変位情報を測定するものである。この変位情報測定装置によれば、上記光学式速度計を備えているので、容易に正確な変位量を測定することができる。

（第４の実施形態）
次に、図示しないが、この発明の搬送処理装置は、上記光学式速度計と、上記被測定物を搬送する搬送手段と、上記被測定物に所定の処理を行なう処理手段とを備え、上記光学式速度計から得られる速度情報もしくは変位情報に基づいて、上記被測定物の搬送を制御し上記被測定物に所定の処理を行うものである。この搬送処理装置によれば、上記光学式速度計を備えているので、高精度な搬送処理装置を提供できる。この搬送処理装置としては、例えば、プリンタや複写機等に用いられる。

なお、ビート信号の波形を計数し高精度のエンコーダとすることでモーションセンサとして用いることもでき、各種精密機器の制御系に用いることも可能である。さらに、現在広く普及している光学式のマウスは、撮像デバイスにより検出面の拡散光パターンからの移動情報を画像として認識して移動量を検出しているが、上記光学式速度計を用いて、光学式マウス、タッチポイント等のポインティングデバイスや文字入力、操作入力用電子ペンなどに適用することも可能である。このように、これらすべての実施形態の速度計は変位を検出する変位計や振動計にも応用可能である。

本発明の光学式速度計の第１実施形態を示す簡略構成図である。 回折格子の作用説明を兼ねた簡略構成図である。 x‐z入射面における照射光束と拡散光束との検出を説明する簡略構成図である。 y‐z入射面における照射光束と拡散光束との検出を説明する簡略構成図である。 第１光束と第２光束による干渉縞を示した簡略説明図である。 受光素子で得られるビート信号の位相情報による被測定物移動方向検知を説明する信号図である。 光学素子、光学部品がハウジングに取り付けられた状態を示す簡略構成図である。 LDV光学系を光学ブロックにした状態を示す簡略構成図である。 本発明の光学式速度計の第２実施形態を示す簡略構成図である。 x‐z入射面における照射光束と拡散光束との検出を説明する簡略構成図である。 y‐z入射面における照射光束と拡散光束との検出を説明する簡略構成図である。 LDV光学系を光学ブロックにした状態を示す簡略構成図である。 従来のＬＤＶの要部の概略構成図である。 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。 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説明図である。 他の従来のＬＤＶの要部の概略構成図である。 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

１３ 被測定物
１４ 検出点
１６ λ／４板
２０ 回折格子
２１ 分割手段
２３ （直線）偏光子
２４ λ／２板
３０ 発光素子
３１ 第１受光部
３２ 第２受光部
３３ 第１光束
３４ 第２光束
３５ 第３光束
４５ａ 受光素子
４５ｂ 受光素子
４８ 第１拡散光
４９ 第２拡散光
５０ 第３拡散光
５５ 光学ブロック
５７ 切欠部
６０ 信号処理回路
６１ 光分岐手段
６２ 光学系

Claims (22)

1. 可干渉性の光を出射する発光素子と、
   この発光素子からの放射光を３つの光束に分岐する光分岐手段と、
   この光分岐手段により分岐されたそれぞれの光束の光軸を被測定物上で重ね合わせて１つの検出点を形成する光学系と、
   この検出点からの上記被測定物の移動により周波数偏移が生じた拡散光を受光する２つの受光部と、
   この２つの受光部から出力される受光信号を信号処理して上記被測定物の２つの方向の移動速度を検出する信号処理回路と
   を備え、
   上記検出点を形成する上記光束は、第１光束と第２光束と第３光束との３つの光束であり、
   上記光学系は、上記第２光束および上記第３光束の光軸を偏向する偏向手段と、少なくとも上記第１光束の偏光状態と上記第２光束および上記第３光束の偏光状態とを異なるように変更する偏光状態変更手段とを備え、
   上記受光部は、偏光状態の相違する上記第１光束の拡散光と上記第２光束の拡散光とを受光する第１受光部と、偏光状態の相違する上記第１光束の拡散光と上記第３光束の拡散光とを受光する第２受光部であり、
   上記第１受光部と上記第２受光部とは、それぞれ、入射された上記拡散光を２分割する分割手段と、この分割手段にて分割された各分割光を互いに直交した偏光子を介して受光する2つの受光素子とを有し、
   上記信号処理回路は、上記各受光部の２つの受光素子にて得られた偏光状態の差異により生じる位相の異なる２つの受光信号に基づいて、上記被測定物の移動方向を判別すると共に上記被測定物の2次元の移動速度を検出し、
   上記検出点は、ｘｙｚ座標系の原点に配置され、
   上記発光素子および上記第１光束の光軸は、ｚ軸上にあり、
   上記第２光束の光軸は、ｘｚ平面上にあって、上記検出点へ斜入射され、
   上記第３光束の光軸は、ｙｚ平面上にあって、上記検出点へ斜入射され、
   上記第２光束がｘ軸の正の領域から検出点へ斜入射される場合、上記第１受光部はｘ軸の負の領域に配置され、または、上記第２光束がｘ軸の負の領域から検出点へ斜入射される場合、上記第１受光部はｘ軸の正の領域に配置される一方、
   上記第３光束がｙ軸の正の領域から検出点へ斜入射される場合、上記第２受光部はｙ軸の負の領域に配置され、または、上記第３光束がｙ軸の負の領域から検出点へ斜入射される場合、上記第２受光部はｙ軸の正の領域に配置されることを特徴とする光学式速度計。
2. 請求項１に記載の光学式速度計において、
   上記光分岐手段は、回折格子であることを特徴とする光学式速度計。
3. 請求項２に記載の光学式速度計において、
   上記第１光束は、上記回折格子により分岐される０次の回折光に相当し、上記第２光束と上記第３光束とは、上記回折格子により分岐される所定の次数からなる回折光に相当することを特徴とする光学式速度計。
4. 請求項３に記載の光学式速度計において、
   上記回折格子は、上記第１光束と上記第２光束で形成される第１平面と上記第１光束と上記第３光束で形成される第２平面とが略直交となるような構造を有していることを特徴とする光学式速度計。
5. 請求項４に記載の光学式速度計において、
   上記信号処理回路は、上記第１平面に平行でかつ上記第１光束に直交する方向の速度成分と、上記第２平面に平行でかつ上記第１光束に直交する方向の速度成分とを算出して、上記被測定物の２次元の移動速度を検出することを特徴とする光学式速度計。
6. 請求項１に記載の光学式速度計において、
   上記受光部は、上記検出点へ斜入射される光束の正反射の位置に配置されることを特徴とする光学式速度計。
7. 請求項１乃至６のいずれか１つに記載の光学式速度計において、
   上記偏光状態変更手段は、上記第１光束の偏光状態を変更するλ/４板を備えることを特徴とする光学式速度計。
8. 請求項１乃至６のいずれか１つに記載の光学式速度計において、
   上記偏光状態変更手段は、上記第１光束の偏光状態を変更するλ/４板と、上記第２光束もしくは上記第３光束のどちらか一方の偏光状態を変更するλ/２板とを備えることを特徴とする光学式速度計。
9. 請求項１乃至６のいずれか１つに記載の光学式速度計において、
   上記偏光状態変更手段は、上記第２光束の偏光状態を変更するλ/４板と上記第３光束の偏光状態を変更するλ/４板を備えることを特徴とする光学式速度計。
10. 請求項１乃至６のいずれか１つに記載の光学式速度計において、
    上記偏光状態変更手段は、上記第２光束の偏光状態を変更するλ/４板と、この偏光状態を変更された第２光束の光の位相よりπずれるように上記第３光束の偏光状態を変更するλ/４板とを備えることを特徴とする光学式速度計。
11. 請求項２乃至５のいずれか１つに記載の光学式速度計において、
    上記回折格子は、ブレーズド型であることを特徴とする光学式速度計。
12. 請求項２乃至５、１１のいずれか１つに記載の光学式速度計において、
    上記回折格子の格子は、上記第２光束を生成する領域と上記第３光束を生成する領域とに２分割されていることを特徴とする光学式速度計。
13. 請求項２乃至５、１１のいずれか１つに記載の光学式速度計において、
    上記回折格子の格子は、上記第２光束を生成する領域と上記第３光束を生成する領域とにおいて、マトリクス状に配置されていることを特徴とする光学式速度計。
14. 請求項２乃至５、１１、１２，１３のいずれか１つに記載の光学式速度計において、
    上記回折格子は、上記検出点を形成する上記各光束についての上記検出点から拡散した光の強度が上記受光部で同程度になるような回折効率を有することを特徴とする光学式速度計。
15. 請求項１乃至１４のいずれか１つに記載の光学式速度計において、
    上記光分岐手段と上記偏向手段と上記偏光状態変更手段とを一体化する光学ブロックを設けたことを特徴とする光学式速度計。
16. 請求項１５に記載の光学式速度計において、
    上記偏光状態変更手段は、入射される上記光束の光軸に対して垂直になるように、上記光学ブロックに設けられた切欠部に配置されることを特徴とする光学式速度計。
17. 請求項１乃至１６のいずれか１つに記載の光学式速度計において、
    上記各受光部の２つの受光素子は、１チップ内に設けられることを特徴とする光学式速度計。
18. 請求項１７に記載の光学式速度計において、
    上記２つの受光素子は、分割型の受光素子であることを特徴とする光学式速度計。
19. 請求項１乃至１８のいずれか１つに記載の光学式速度計において、
    上記各受光部は、上記受光素子に上記信号処理回路を組み合わせた信号処理回路内蔵型であることを特徴とする光学式速度計。
20. 請求項１乃至１９のいずれか１つに記載の光学式速度計において、
    上記発光素子は、半導体レーザダイオードであることを特徴とする光学式速度計。
21. 請求項１乃至２０のいずれか１つに記載の光学式速度計を備え、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、上記被測定物の変位情報を測定することを特徴とする変位情報測定装置。
22. 請求項１乃至２０のいずれか１つに記載の光学式速度計と、
    上記被測定物を搬送する搬送手段と、
    上記被測定物に所定の処理を行なう処理手段とを備え、
    上記光学式速度計から得られる速度情報もしくは変位情報に基づいて、上記被測定物の搬送を制御し上記被測定物に所定の処理を行うことを特徴とする搬送処理装置。

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