JPH05256861A

JPH05256861A - 光学的変位量測定装置

Info

Publication number: JPH05256861A
Application number: JP8819892A
Authority: JP
Inventors: Yuji Kobayashi; 祐二小林
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 1992-03-12
Filing date: 1992-03-12
Publication date: 1993-10-08
Anticipated expiration: 2011-03-21
Also published as: JPH0827292B2

Abstract

(57)【要約】【目的】被測定対象の相対的変位量や速度を短時間で
測定でき、かつ、その測定精度及びダイナミックレンジ
の向上が図れる光学的変位量測定装置を提供することを
目的とする。【構成】被測定物体２３にレーザ光を２度照射すること
により、二のスペックルパターン光を得る。ガルバノミ
ラー３により該二のスペックルパターン光を偏向して、
第一の空間光変調器５に二重記録する。該二重記録スペ
ックルパターンを読みだし、第一のフーリエ変換レンズ
１２によりフーリエ変換して、ヤングの干渉縞を形成す
る。これを、第二の空間光変調器１３に記録する。該ヤ
ングの干渉縞を読みだし、第二のフーリエ変換レンズ１
５によりフーリエ変換することにより、該二重記録した
スペックルパターンの相関に応じた回折光を形成する。
該ガルバノミラーの偏向角度値を１次回折光のみがＰＳ
Ｄ１６に入射するような値に制御することにより、ＰＳ
Ｄ１６に正確かつ高精度の検出を行わせる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、物体の相対的な変位量
や変位速度を光学的に測定するための光学的変位量測定
装置に係わる。ここで、物体の変位量とは物体の移動量
や変形量をいう。

【０００２】

【従来の技術】物体の変位量を光学的に測定する手段の
一つとして、スペックル法がある。スペックル法では、
物体にレーザ光等の可干渉な光を照射し、該照射光が該
物体の粗面等で拡散反射して形成する斑点状の模様（以
下、「スペックルパターン」という）を利用する。特開
昭５９−２１２７７３号公報に、スペックル法を採用し
た光学的速度検出装置の開示がある。この装置では、移
動する測定物体に、ある時間間隔をおいて二回、可干渉
な光を照射する。そして、該二回の照射により得られる
スペックルパターンを、それぞれ、複数の受光素子に受
光させ、光電変換する。各受光素子で採取したサンプル
値を、互いにシフトさせながら、その相関関係を演算す
る。かかる演算から、スペックルパターンの移動量を求
め、もって、測定物体の移動量及び移動速度を求めてい
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかして、このように
相関演算により、移動量・移動速度を求める装置におい
ては、サンプル値の採取や相関演算に時間がかかり、実
時間測定性の点において十分でない。本発明は上記問題
点に鑑みてなされたものであり、その目的は、被測定対
象の相対的変位量や変位速度を短時間で測定でき、実時
間測定性に優れた光学的変位量測定装置を提供すること
にある。本発明はさらに、相対的変位量や変位速度の検
出誤差を少なくし、測定精度が高く、ダイナミックレン
ジも大きい光学的変位量測定装置を提供することを目的
とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の光学的変位量測定装置は、被測定対象へ光
を照射して、二の測定時刻における該被測定対象の像を
形成するための光照射手段と、該二の測定時刻における
該被測定対象の像を二重記録するための第一の記録手段
と、該第一の記録手段にコヒーレント光を照射して該二
重記録像を読みだすための第一のコヒーレント光投光手
段と、該読み出した二重記録像をフーリエ変換して第一
のフーリエ変換像を形成するための第一のフーリエ変換
手段と、該第一のフーリエ変換像を記録するための第二
の記録手段と、該第二の記録手段にコヒーレント光を照
射して該第一のフーリエ変換像を読みだすための第二の
コヒーレント光投光手段と、該読み出した第一のフーリ
エ変換像をフーリエ変換して第二のフーリエ変換像を形
成するための第二のフーリエ変換手段と、該第二のフー
リエ変換像を調整するための調整手段と、該調整された
第二のフーリエ変換像の重心の位置を検出し、該二の測
定時刻間における該被測定対象と該第一の記録手段との
相対的変位量を求める光重心位置検出手段と、から構成
される。ここで、該光照射手段は、該被測定対象にコヒ
ーレント光を照射して、スペックルパターンを形成する
ものであることが好ましい。該調整手段は、該二の測定
時刻における該被測定対象の像の位置を相対的に調整す
る調整手段からなることが好ましい。この場合、該調整
手段は、該二の測定時刻において形成される該被測定対
象の像を偏向する偏向手段と、該偏向手段による該二の
測定時刻の像の偏向量を相対的に調整する偏向量調整手
段とからなることが好ましい。該調整手段はまた、該二
の測定時刻において形成される該被測定対象の像を結像
する結像手段と、該結像手段による該二の測定時刻の像
の大きさを相対的に調整する結像倍率調整手段とからな
ることが好ましい。該調整手段はまた、該第一及び第二
のフーリエ変換手段の少なくとも一を調整し、対応する
該第一及び第二のフーリエ変換像の大きさを調整するた
めのフーリエ変換手段調整手段からなるものであっても
良い。さらに、該調整手段は、該二の測定時刻の時刻間
隔を調整する手段を備えていても良い。さらに、該第一
及び第二の記録手段は、強誘電性液晶空間光変調装置で
あることが好ましく、該光重心位置検出手段は、半導体
位置検出素子であることが好ましい。

【０００５】

【作用】上記構成を有する本発明の光学的変位量測定装
置においては、該光照射手段が、該光学的変位量測定装
置に対して相対的に変位する被測定対象に、光を照射す
る。該照射光により、二の測定時刻における該被測定対
象の像が、それぞれ得られる。該第一の記録手段が、該
二の測定時刻の像を、二重記録する。該第一のコヒーレ
ント光投光手段が、該第一の記録手段にコヒーレント光
を照射して、該第一の記録手段の該二重記録像を読み出
す。該読みだした二重記録像を、該第一のフーリエ変換
手段がフーリエ変換し、第一のフーリエ変換像を形成す
る。該第二の記録手段が、該第一のフーリエ変換像を記
録する。該第二のコヒーレント光投光手段が、該第二の
記録手段にコヒーレント光を照射して、該第一の記録手
段の該第一のフーリエ変換像を読み出す。該読みだした
第一のフーリエ変換像を、該第二のフーリエ変換手段が
フーリエ変換し、第二のフーリエ変換像を形成する。該
調整手段が、該第二のフーリエ変換像の状態を調整す
る。そして、該光重心位置検出手段が、該調整された該
第二のフーリエ変換像の重心位置を検出することによ
り、該二の測定時刻の間における、該被測定対象の該光
学的変位量測定装置に対する相対的変位量を求める。こ
こで、該光照射手段が、コヒーレント光を照射するもの
である場合には、該被測定対象の像として、スペックル
パターンが得られる。該調整手段が該二の測定時刻にお
ける該被測定対象の像の位置を相対的に調整する調整手
段からなる場合には、かかる被測定対象の像の相対的位
置調整により、該第二のフーリエ変換像の調整を行う。
また、該調整手段が前記偏向手段と前記偏向量調整手段
とからなる場合には、該偏向手段は前記二の測定時刻に
得られる像を偏向し、該偏向量調整手段が該二の像の偏
向角度を相対的に調整して、該二の像の相対的位置関係
を調整することにより、該第二のフーリエ変換像の調整
を行う。該調整手段が前記結像手段と前記結像倍率調整
手段とからなる場合には、該結像手段が、該二の測定時
刻において形成される該被測定対象の像を結像し、該結
像倍率調整手段が、該結像手段による該二の測定時刻の
像の大きさを相対的に調整することにより、該第二のフ
ーリエ変換像の調整を行う。一方、該調整手段が前記フ
ーリエ変換手段調整手段からなる場合には、該第一及び
第二のフーリエ変換手段の少なくとも一を調整し、対応
する該第一及び第二のフーリエ変換像の大きさを調整す
ることにより、該第二のフーリエ変換像の調整を行う。
さらに、該調整手段が該二の測定時刻の時刻間隔を調整
する手段をも備えている場合には、該調整手段は、該二
の測定時刻の時刻間隔をも調整することにより、該第二
のフーリエ変換像を調整する。

【０００６】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照しながら
説明する。該実施例は、移動している被測定物体の移動
速度を測定するための光学的移動速度測定装置に係わ
る。

【０００７】図１Ａは、本実施例に係る光学的移動速度
測定装置（以下、「測定装置」という）１の概略構成を
示す光学系統上面図である。直方体状の被測定物体２３
が、ベルトコンベア状の搬送装置２４により、図１Ａの
矢印Ａの方向（図の紙面に沿う方向）に搬送移動されて
いる。該直方体状の被測定物体２３は、図の紙面に対し
垂直な方向に延びる平面状粗面２３Ａを有している。

【０００８】該測定装置１においては、レーザダイオー
ド（以下、「ＬＤ」という）２が、スポット状のレーザ
パルス光を、所定時間間隔をおいて二度、該搬送装置２
４上の固定領域Ｒに照射する。この結果、該二度の照射
光が、該被測定物体２３の平面状粗面２３Ａ上に照射さ
れる。（以下、該二度の照射時刻を、それぞれ、「第一
の照射時刻ｔ₁及び第二の照射時刻ｔ₂」といい、該所定
時間間隔を「照射時刻間隔△ｔ（＝ｔ₂−ｔ₁）」とい
う。また、該照射時間間隔△ｔにおける該被測定物体２
３の移動距離を｜Ｓ（△ｔ）｜とする。）なお、該ＬＤ
２は、ＬＤコントローラ２０により制御されている。該
二度の照射光は、それぞれ、該被測定物体２３の該粗面
２３Ａのうち該照射時刻ｔ₁及びｔ₂に該固定領域Ｒ内に
位置している部分で散乱反射されて、該粗面の形状に固
有なスペックル分布を持った反射光を形成する。（以
下、該第一及び第二の測定時刻において形成される反射
光を、それぞれ、「第一及び第二の反射光」という。）
かかる第一及び第二の反射光は、それぞれ、ガルバノミ
ラー３で偏向された後、結像レンズ４により、第一の強
誘電性液晶空間光変調器（以下、「第一の空間光変調
器」という）５の書き込み側光入射面５Ｓ_w上に、スペ
ックルパターンを結像する。（以下、該第一及び第二の
反射光により該光入射面５Ｓ_w上に結像されるスペック
ルパターンを、それぞれ、「第一及び第二のスペックル
パターン」という。）該光入射面５Ｓ_wに結像された該
第一及び第二のスペックルパターンは、互いに同一のス
ペックル分布が、全体的に、一のシフト方向Ｂに、一の
シフト距離（以下、「シフト距離｜Ｍ（△ｔ）｜」とい
う）だけずれたようなパターンとなる。該第一の空間光
変調器５は、空間光変調器コントローラ（以下、「光変
調器コントローラ」という）１９により駆動され、該第
一及び第二のスペックルパターンを二重記録する。

【０００９】ところで、該ガルバノミラー３は、図の紙
面に対し垂直な方向に延びる回転軸３Ａと該回転軸３Ａ
に対し回動可能に設けられた平板ミラー３Ｂからなる。
該平板ミラー３Ｂも図の紙面に対し垂直に延びている。
また、該結像レンズ４の光軸４Ａが図の紙面に沿って延
びており、該第一の空間光変調器５の該書き込み側光入
射面５Ｓ_wが、該結像レンズ４の像側焦点面上に、図の
紙面に対し垂直な方向に延びている。したがって、該ス
ペックル分布のシフト方向Ｂは、該測定物体の移動方向
（図１Ａの矢印Ａ）と一定の関係を有している。本実施
例の場合には、該シフト方向Ｂも、図の紙面に沿う方向
に平行である。いま、該平板ミラー３Ｂの回転角度位置
として、図１Ａのように、後述の結像レンズ４の光軸４
Ａから時計回りに測った角度θを考える。該平板ミラー
３Ｂは、該第一の測定時刻ｔ₁には第一の回転角度位置
θ₁に、該第二の測定時刻ｔ₂には第二の回転角度位置θ
₂にあるように、ミラーコントローラ２１により制御さ
れている。したがって、該シフト距離｜Ｍ（△ｔ）｜
は、該測定物体移動距離｜Ｓ（△ｔ）｜との間に、該結
像レンズ４の倍率のみならず該第一及び第二の回転角度
位置θ₁、θ₂で決まる一定の関係を有する。より詳しく
は、該測定物体移動距離｜Ｓ（△ｔ）｜が一定であって
も、θ₁＝θ₂の場合よりθ₁＞θ₂の場合の方が、該シフ
ト距離｜Ｍ（△ｔ）｜は小さくなる。しかも、角度差θ
₁−θ₂が大きいほど、該シフト距離は小さくなる。一
方、θ₁＝θ₂の場合よりθ₂＞θ₁の方が該シフト距離｜
Ｍ（△ｔ）｜は大きくなる。しかも、角度差θ₂−θ₁が
大きいほど、該シフト距離は大きくなる。換言すれば、
該第一の空間光変調器５にとっては、θ₁がθ₂よりおお
きければ大きいほど該移動距離｜Ｓ（△ｔ）｜は見かけ
上小さくなり、θ₂がθ₁より大きければ大きいほど該移
動距離｜Ｓ（△ｔ）｜は見かけ上大きくなる。したがっ
て、該シフト距離｜Ｍ（△ｔ）｜は、該移動距離｜Ｓ
（△ｔ）｜との間に、以下の数式１で定まる関係を有す
る。

【数１】｜Ｍ（△ｔ）｜＝α（△θ）・｜Ｓ（△ｔ）｜ここで、変数α（△θ）は、該第一及び第二の回転角度
差△θ（＝θ₁−θ₂）に依存する正の変数で、その値
は、該角度差△θと該レンズ４の焦点距離等の一定の値
で定まり、△θが大きいほど小さい。

【００１０】該測定装置１では、Ｈｅ−Ｎｅレーザ装置
７から出射した直線偏光レーザビームが、第一のコリメ
ータレンズ８Ａとスペイシャルフィルター８Ｂ及び第二
のコリメータレンズ８Ｃからなる変換光学系８により、
所望のビーム径の平行レーザビームに変換される。該平
行レーザビームは、ハーフミラー９により二の平行レー
ザビームに分離される。該二の平行レーザビームは、可
変アパーチャ１０Ａとハーフミラー１０Ｂからなる第一
の読みだし光学系１０と、ミラー１１Ａとハーフミラー
１１Ｂからなる第二の読みだし光学系１１に、それぞれ
導かれる。該第一の読みだし光学系１０では、該可変ア
パーチャ１０Ａが、導かれてきた一の平行ビームのビー
ム径を、さらに所望の値に変更した後、該ハーフミラー
１０Ｂに導く。該ハーフミラー１０Ｂは、該平行レーザ
ビームを反射して該第一の空間光変調器５の読みだし側
光入射面５Ｓ_rに入射する。該レーザビームは、該第一
の空間光変調器５内で、該第一及び第二のスペックルパ
ターンの位置（該シフト距離｜Ｍ（△ｔ）｜と該シフト
方向）に対応した位相変調を受けた後、該読みだし側光
入射面５Ｓ_rより出射する。換言すれば、該二重記録さ
れたスペックルパターンの読みだしが行われる。該第一
の空間光変調器５で変調され出射したレーザビームは、
前記ハーフミラー１０Ｂを透過した後、第一のフーリエ
変換レンズ１２により空間的にフーリエ変換される。第
二の強誘電性液晶空間光変調器（以下、「第二の空間光
変調器」という）１３の書き込み側光入射面１３Ｓ
_wが、該レンズ１２の像側焦点面上に位置しているた
め、該変調レーザビームは、該光入射面１３Ｓ_w上に、
ヤングの干渉縞を結像する。該ヤングの干渉縞の縞の並
ぶ方向（各縞の延びる方向に対し垂直な方向）は前記第
一の空間光変調器５に記録されたスペックル分布のシフ
ト方向Ｂに平行であるため、図の紙面に沿う方向に平行
となる。また、該ヤングの干渉縞の縞間隔｜Ｌ（△ｔ）
｜は、該シフト距離｜Ｍ（△ｔ）｜の逆数と一定の比例
関係にある。ここで、該一定の比例関係を定める比例定
数は、読みだし光の波長と該フーリエ変換レンズ１２の
焦点距離で決まる。なお、該第二の空間光変調器１３
も、該光変調器コントローラ１９により駆動され、該ヤ
ングの干渉縞を記録する。

【００１１】前記ハーフミラー９で分離され前記第二の
読みだし光学系１１に導かれた平行ビームは、該ミラー
１１Ａで反射された後、該ハーフミラー１１Ｂで反射さ
れて、該第二の空間光変調器１３の読みだし側光入射面
１３Ｓ_rに入射する。該レーザビームは、該第二の空間
光変調器１３内で、該ヤングの干渉縞の位置（縞方向と
縞間隔｜Ｌ（△ｔ）｜）に対応した位相変調を受けた
後、該読みだし側光入射面１１Ｓ_rより出射する。換言
すれば、該記録されたヤングの干渉縞の読みだしが行わ
れる。該第二の空間光変調器１３で変調され出射したレ
ーザビームは、該ハーフミラー１１Ｂを透過し、第二の
フーリエ変換レンズ１５により空間的にフーリエ変換さ
れる。この結果、該レンズ１５の像側焦点面１５Ｆ上
に、０次回折光と、該第一及び第二のスペックルパター
ンの相関に応じた複数の光点（ｎ次回折光；ｎ＝±１，
±２，・・・）が結像される。該複数の光点は、該ヤン
グの干渉縞の縞の並ぶ方向に対して平行に並ぶため、図
１Ａの紙面に沿う方向（Ｘ方向）に並ぶことになる。ま
た、該複数の光点の隣あう光点間の距離｜Ｎ（△ｔ）｜
は互いに等しく、該ヤングの干渉縞の縞間隔｜Ｍ（△
ｔ）｜の値の逆数と一定の比例関係にある。ここで、該
一定の比例関係を定める比例定数は、読みだし光の波長
と該フーリエ変換レンズ１５の焦点距離で決まる。した
がって、該光点間距離｜Ｎ（△ｔ）｜は、該スペックル
分布のシフト距離｜Ｍ（△ｔ）｜と以下の数式２の関係
にある。

【数２】｜Ｎ（△ｔ）｜＝β｜Ｍ（△ｔ）｜ここでβは正の定数であり、読みだし光の波長と、該レ
ンズ１２及び１５の焦点距離で定まる。したがって、該
光点間距離｜Ｎ（△ｔ）｜を測定すれば、上述の数式１
及び２より、該被測定物体の移動距離｜Ｓ（△ｔ）｜が
求められる。そして、以下の数式３を演算することで、
該時刻間隔△ｔにおける該被測定物体の移動速度｜Ｖ
（△ｔ）｜が求められる。

【数３】｜Ｖ（△ｔ）｜＝｜Ｓ（△ｔ）｜／（△ｔ）

【００１２】前記フーリエ変換レンズ１５の後段には、
一次元位置検出用半導体位置検出素子（以下、「ＰＳ
Ｄ」という）１６が、その光入射面（検出可能領域）１
６Ｓが該像側焦点面１５Ｆ上に位置するように配置され
ている。ここで、該ＰＳＤ１６は、図１Ａ、２Ａ及び２
Ｂに示すように、その検出しうる一次元方向（Ｘ方向）
が図１Ａの紙面に沿う方向に平行になるように、配置さ
れている。そして、その該光入射面１６Ｓの原点１６Ｓ
_x0が、該レンズ１５の光軸１５Ａが該像側焦点面１５Ｆ
と交差する中心点１５Ｏから所定距離ｄだけ離間するよ
うに、配置されている。ここで、０次回折光は該中心点
１５Ｏに結像される。そして、１次回折光が該光入射面
１６Ｓ上に図２Ａに示すように結像された場合には、該
ＰＳＤ１６は、該１次回折光の重心位置（ピーク位置）
１６Ｓ_x1の該原点１６Ｓ_x0からの距離Ｘを検出する。し
たがって、以下の数式４により、前記光点間距離｜Ｎ
（△ｔ）｜を求めることができる。

【数４】｜Ｎ（△ｔ）｜＝Ｘ＋ｄしたがって、該ＰＳＤの検出値Ｘに基づき、前記数式１
乃至４を演算することで、該被測定物体の移動速度｜Ｖ
（△ｔ）｜を求めることができる。なお、かかる数式１
乃至４の演算は、該ＰＳＤ１６に接続された演算・制御
装置１８が行う。すなわち、該演算・制御装置１８は、
該ＰＳＤの検出値Ｘを示す信号を受取り、その信号に基
づき、該数式１乃至４を演算し、該被該測定物体の移動
速度｜Ｖ（△ｔ）｜を求める。該演算・制御装置１８に
は速度表示装置２２が接続されており、該速度表示装置
２２は、該移動速度値｜Ｖ（△ｔ）｜を表示する。本発
明の測定装置１では、以上説明した速度測定動作を、所
定の時間間隔をおいて繰り返し行うことにより、被測定
物体２３の速度の時間的変化状態を調べることができる
のである。

【００１３】以下、前記第一の空間光変調器５の構成に
ついて、具体的に説明する。図１Ｂは、前記第一の強誘
電性液晶空間光変調器５の構成を示す断面図である。強
誘電性液晶層（以下、「液晶層」という）５Ｆが、一対
の配向層５Ｅと５Ｇとの間に設けられている。該配向層
５Ｅの該液晶層５Ｆと反対の側には、誘電体ミラー５Ｄ
と、アモルファスシリコン層（以下、「α−Ｓｉ層」と
いう）５Ｃと、書き込み側透明電極（以下、「電極」と
いう）５Ｂと、ガラス層５Ａが設けられている。また、
該配向層５Ｇの該液晶層５Ｆと反対の側には、読み出し
側透明電極（以下、「電極」という）５Ｈと、ガラス層
５Ｉと、反射防止膜５Ｊとが設けられている。該液晶層
５ＦはカイラルスメクチックＣ（Ｓ_c ^*）液晶である。該
α−Ｓｉ層５Ｃは光伝導体層であり、アドレス材料とし
て機能する。該ガラス層５Ａが、前記書き込み側光入射
面５Ｓ_wを、また該反射防止膜５Ｊが、読み出し側光入
射面５Ｓ_rを規定する。該一対の電極５Ｂと５Ｈとの間
には、後述するように、該光変調器コントローラ１９
が、書き込み用及び消去用の駆動電圧Ｖ_w，Ｖ_eと補償電
圧Ｖ_wc，Ｖ_ecをパルス状に印加する。また、図１Ａに示
すように、発光ダイオード（ＬＥＤ）６が該第一の光変
調器５の該書き込み側光入射面５Ｓ_wの全面を照射する
ように設けられており、液晶層５Ｆに既に記録されてい
る像を消去するのに用いられる。以上、第一の空間光変
調器５の構成について説明したが、第二の空間光変調器
１３も該第一の空間光変調５と同様の構成をしており、
該光変調器コントローラ１９が、その電極１３Ｂ・１３
Ｈ間の印加電圧を制御する。また、図１Ａに示すよう
に、記録消去用の発光ダイオード（ＬＥＤ）１４も備え
られている。

【００１４】以下、かかる構成の該第一及び第二の空間
光変調器５、１３と、該発光ダイオード６、１４と、該
光変調器コントローラ１９の動作について、具体的に説
明する。図１Ｃは、既述の被測定物体２３の移動速度の
測定動作タイミングを示す。まず、該発光ダイオード６
の光で該第一の空間光変調器５の該光入射面５Ｓ_wを照
射しつつ、該電極５Ｂ・５Ｈ間に、消去用補償電圧Ｖ_ec
と消去用駆動電圧Ｖ_eを、互いに等しい時間だけ、この
順に印加する。この結果、前回の測定の際該空間光変調
器５に記録された像が消去される。なお、該補償電圧Ｖ
_ecと該駆動電圧Ｖ_eは、互いに極性が逆である。次に、
該電極５Ｂ・５Ｈ間に、書き込み用補償電圧Ｖ_wcと書き
込み用駆動電圧Ｖ_wを、やはり互いに等しい時間だけ、
この順で加える。なお、該書き込み用駆動電圧Ｖ_wの極
性は、該消去用駆動電圧Ｖ_eのそれと逆であり、かつ、
該補償電圧Ｖ_wcと該駆動電圧Ｖ_wとは、互いに極性が逆
である。該書き込み駆動電圧Ｖ_wの印加中、前記ＬＤ２
が該照射時刻間隔Δｔをおいて２回レーザ光を該被測定
物体２３に照射することにより、該空間光変調器５に該
第一及び第二のスペックルパターンを二重記録する。よ
り詳しくは、該第一及び第二のスペックルパターンが該
入射面５Ｓ_wに入射すると、前記α−Ｓｉ層５Ｃのう
ち、該スペックルパターンのスペックル（明斑部）が入
射した領域が、低抵抗となる。この結果、前記液晶層５
Ｆの該スペックルに対応した領域に、該液晶に特有のし
きい値電場以上の電場がかかるため、液晶分子の配列状
態が変化して、該第一及び第二のスペックルパターンが
記録されるのである。該第一の空間光変調器５に該電圧
Ｖ_wc・Ｖ_wを印加するのと同時に、該第二の光変調器１
３に該発光ダイオード１４の光を照射させつつ、消去用
の補償電圧Ｖ_ecと駆動電圧Ｖ_eを加え、前回の測定の際
記録された像を消去する。該第一の空間光変調器５への
スペックルパターンの書き込みが終了するのと同時に、
該第二の空間光変調器１３の電圧１３Ｂ・１３Ｈ間に書
き込み補償電圧Ｖ_wcと書き込み駆動電圧Ｖ_wを順に印加
して、該第一の空間光変調器５から出射した読み出し光
パターン（ヤングの干渉縞）を該空間光変調器１３に記
録する。この記録と同時に、該ヤングの干渉縞の読み出
しが行われ、該ＰＳＤ１６に、該第一及び第二のスペッ
クルパターンの相関を示す回折光光点が結像する。この
ようにして、ある時刻Ｔにおいて照射時刻間隔Δｔをと
った場合の被測定物体２３の移動量｜Ｓ（Δｔ）｜が測
定され、その結果、該時刻Ｔにおける移動速度Ｖ＝｜Ｓ
（Δｔ）｜／Δｔが求められる。次いで、時刻Ｔ’にお
いて、同様な動作を行うことにより、該照射時刻間隔Δ
ｔにおける移動量｜Ｓ（Δｔ）｜が測定され、時刻Ｔ’
における移動速度Ｖ’が求められる。こうして、時刻
Ｔ、Ｔ’、Ｔ”、・・における移動速度Ｖ、Ｖ’、
Ｖ”、・・が順に求められる結果、該被測定物体２３の
速度の時間的変化状態を調べることができる。なお、上
記測定動作において、該空間光変調器に補償電圧Ｖ_wc・
Ｖ_ecを印加するのは、液晶層の劣化を防止するためであ
る。

【００１５】なお、本実施例で用いている該強誘電性液
晶空間光変調器５及び１３は、書き込み速度が極めて早
く実時間測定性において極めて優れている。また、二値
記録デバイスであるため、スペックルパターンやヤング
の干渉縞を記録するのに適している。また、本実施例で
用いている半導体位置検出素子１６は、光束の重心（強
度中心）の位置を直接検出できる。したがって、回折光
のピーク位置を測定するのに、その強度分布の走査や比
較演算等を行うことなく、直接該ピーク位置を測定する
ことができる。したがって、該応答速度の早い強誘電性
液晶空間光変調器の動作に追随した動作を行うことがで
きる。

【００１６】ところで、該第一及び第二のミラー角度θ
₁、θ₂を適切な値で制御した上で測定を行った場合に
は、図２Ａのように、１次回折光のみが該ＰＳＤ１６の
該光入射面１６Ｓに入射する。したがって、該ＰＳＤ１
６は、該１次回折光の光点の重心位置Ｓ_x1（すなわち、
ピーク位置）の該原点Ｓ_x0からの距離を、該Ｘ値として
検出することができるので、正確な測定を行うことがで
きる。しかし、該被測定物体の移動速度｜Ｖ（△ｔ）｜
（ひいては、該移動距離｜Ｓ（△ｔ）｜）が小さいにも
かかわらず、該ミラー角度θ₁、θ₂を適切に制御しない
と、該光入射面１６Ｓには、図３Ａに示すように、１次
回折光のみならず、２次回折光や３次回折光、・・・等
までも入射してしまう。前記数式１及び２から明らかな
ように、該光点間距離｜Ｎ（△ｔ）｜が著しく小さくな
ってしまうからである。この場合、ＰＳＤ１６は、入射
した全光点の位置Ｓ_x1，Ｓ_x2，・・・の重心位置Ｓ_xを
検出してしまうため、正確な測定を行うことができな
い。逆に、｜Ｖ（△ｔ）｜（ひいては｜Ｓ（△ｔ）｜）
が大きいにもかかわらず、該ミラー角度θ₁、θ₂を適切
に制御せずに測定を行うと、図３Ｂに示すように、該光
入射面１６Ｓには、回折光光点が一つも結像されなくな
り、正確な測定を行うことができない。｜Ｎ（△ｔ）｜
が著しく大きくなってしまうからである。

【００１７】そこで、本発明の測定装置１では、該ミラ
ー角度θ₁、θ₂を、一次回折光のみを該光入射面１６Ｓ
に入射させうる最適な角度値（以下、「ミラー最適角度
値」という）Θ₁、Θ₂に制御しながら、速度測定を行う
ようにしている。すなわち、本測定装置１では、被測定
物体２３の速度の時間的変化状態を調べる一連の測定を
行う直前に、該被測定物体２３に対して、図４に示すミ
ラー最適角度決定動作を行い、ミラー最適角度値Θ₁、
Θ₂を決定する。その後、該角度値Θ₁、Θ₂でミラー３
を制御しながら一連の測定を行うこととし、正確な測定
を常に可能としている。

【００１８】なお、かかるミラー最適角度値決定動作を
可能とすべく、本発明の測定装置１では、図２Ａ及び２
Ｂに示すように、該所定距離ｄを該ＰＳＤ１６の該光入
射面１６Ｓの該Ｘ方向における長さＸ_maxより十分小さ
くなるように、該ＰＳＤ１６を配置している。かかる配
置により、該ＰＳＤ１６が該Ｘ値として値０を検出する
場合は、図３Ｂのように、回折光光点が一つも該光入射
面１６Ｓに入射しなかった場合のみとなる。また、該Ｐ
ＳＤ１６には比較器１７が接続されている。これは、後
述する各回ｍ（ｍ＝１，２，・・・）の本探索Ｄ^mにお
いて、その回に検出されたＸ^m値を、前回ｍ−１の本探
索Ｄ^m-1で検出されたＸ^m-1値と比較し、その比較結果を
示す比較信号Ｒ^mを該演算・制御装置１８に出力するた
めのものである。すなわち、Ｘ^m＞Ｘ^m-1の場合には、プ
ラスの比較信号Ｒ^mを出力し、Ｘ^m＝Ｘ^m-1の場合には、
０の比較信号Ｒ^mを出力し、Ｘ^m＜Ｘ^m-1の場合には、マ
イナスの比較信号Ｒ^mを出力する。

【００１９】以下、本発明の測定装置１の行うミラー最
適角度値決定動作を、図４を参照して説明する。なお、
該ミラー最適角度値決定動作は、該演算・制御装置１８
の制御のもと行われる。また、該決定動作は、後述のよ
うに、大きく分けて、予備探索動作Ｄ⁰と本探索動作Ｄ^m
からなる探索動作と決定動作からなるが、このうち、探
索動作は、既に説明した本測定装置１の速度測定動作と
同様な動作である。

【００２０】ミラー最適角度値決定動作では、図４に示
すように、まず、予備探索Ｄ⁰を行う（ステップＳ
１）。該予備探索Ｄ⁰では、該演算・制御装置１８が、
該ＬＤコントローラ２０を介して該ＬＤ２を制御し、所
定の時刻間隔△ｔをおいて２度レーザ光を被測定物体２
３に照射させる。該演算・制御装置１８はまた、該ミラ
ーコントローラ２１を介して該平板ミラー３ｂの該第一
及び第二の回転角度位置θ⁰ ₁及びθ⁰ ₂を互いに等しくな
るように制御する（θ⁰ ₁＝θ⁰ ₂）。該演算・制御装置１
８はまた、該光変調器コントローラ１９を介して前記空
間光変調器５及び１３を制御することにより、前記像側
焦点面１５Ｆ上に回折光を形成させる。該ＰＳＤ１６
が、回折光の重心位置を検出し、該重心位置を示すＸ値
（Ｘ⁰）を該演算・制御装置１８に出力する。該演算・
制御装置１８は、この検出値Ｘ⁰を、該回転角度位置θ⁰
₁及びθ⁰ ₂の値と共に、その格納領域に格納する（ステ
ップＳ２）。

【００２１】次に、該演算・制御装置１８は、該検出値
Ｘ⁰が０か否か判断する（ステップＳ３）。Ｘ⁰＝０の場
合には、該移動距離｜Ｓ（△ｔ）｜が大きすぎ、回折光
光点が一つも該光入射面１６Ｓに入射しなかったと判断
される。そこで、後述のステップＳ４、５、６では、｜
Ｓ（△ｔ）｜を見かけ上順次小さくするように該ミラー
角度値θ₁、θ₂を変化させながら本探索Ｄ^m（ｍ＝１，
２，・・・）を繰り返し行い、１次回折光のみを該光入
射面１６Ｓに入射させることのできるミラー最適角度値
Θ₁、Θ₂を探す。一方、Ｘ⁰≠０の場合には、１次回折
光光点のみが入射しているのか、他の回折光光点も入射
しているのか不明である。そこで、後述のステップＳ
８、９、１０では、該移動距離｜Ｓ（△ｔ）｜を見かけ
上順次大きくするように該ミラー角度値θ₁、θ₂を変化
させながら本探索Ｄ^mを繰り返し行い、やはり１次回折
光のみを該光入射面１６Ｓに入射させることのできるミ
ラー最適角度値Θ₁、Θ₂を探す。

【００２２】以下、Ｘ⁰＝０及びＸ⁰≠０のそれぞれの場
合につき、その動作をさらに詳細に説明する。Ｘ⁰＝０
の場合には、該演算・制御装置１８は、該ミラー３の該
第一及び第二の角度値θ¹ ₁及びθ¹ ₂を、θ¹ ₂＜θ¹ ₁とな
るように調整した上で、第一回目の本探索Ｄ¹を行う
（ステップＳ４）。すなわち、該本探索Ｄ¹では、角度
差△θ¹＝θ¹ ₁−θ¹ ₂を、前回の探索（予備探索Ｄ⁰）で
採用した角度差△θ⁰（＝θ⁰ ₁−θ⁰ ₂＝０）より所定量
だけ大きくなるように調整し、｜Ｓ（△ｔ）｜を見かけ
上小さくした上で測定をおこなう。なお、該本探索Ｄ¹
においても、該所定の時刻間隔△ｔで二度レーザ光を照
射させる。該ＰＳＤ１６が、検出結果Ｘ値（Ｘ¹）を出
力する。また、該比較器１７が、該Ｘ¹値を前記Ｘ⁰値と
比較して、プラスかマイナスか０のいずれかの比較信号
Ｒ¹を出力する。該演算・制御装置１８が、該Ｘ¹値と該
信号Ｒ¹を、該角度値θ¹ ₁、θ¹ ₂と共に、その格納領域
に格納する（ステップＳ５）。そして、該演算・制御装
置１８は、該ＰＳＤ１６がＸ値として（Ｘ_maxーｄ）／
２を出力したことを検出するまで、本探索を繰り返しお
こなう（ステップＳ６）。かかる繰り返し行う本探索に
おいては、その角度差△θ＝θ₁−θ₂を順次増加させ、
該被測定物体の移動距離を順次見かけ上減少させながら
行う。すなわち、第ｍ回目（ｍ＝１、２、・・・）の本
探索Ｄ^mにおいては、ミラー３の該第一及び第二の角度
位置θ^m ₁、θ^m ₂の角度差△θ^m1＝θ^m ₁−θ^m ₂が、前回
（ｍ−１回）の本探索Ｄ^m-1で採用した角度差△θ
^m-1（＝θ^m-1 ₁−θ^m-1 ₂）より該所定量だけ大きくなる
ように調整する。なお、レーザ光照射の時刻間隔は、す
べて、該所定時刻間隔△ｔとする。

【００２３】図５は、このように本探索Ｄ^mが繰り返し
行われる結果、検出値Ｘ^mが、どのように推移していく
かを示す一例である。まず、予備探索Ｄ⁰では、１次回
折光が該光入射面１６Ｓに入射していないので、Ｘ⁰＝
０である。その後、被測定物体の見かけ上の移動距離を
小さくしながら本探索を繰り返し行う。１次回折光が該
光入射面１６Ｓに入射しない間（図のの期間）は、検
出値Ｘは０のままであり、該比較器１７は、０の比較信
号Ｒを出力し続ける。しかし、本探索をさらに続けてい
くと、ある回の探索（Ｍ回目の本探索Ｄ^M：図の）
で、１次回折光が初めて該光入射面１６Ｓ内に入射する
ために、検出値Ｘが正の値をもつようになり、該比較器
１７はプラスの比較信号Ｒ^Mを出力する。さらに本探索
を続けていくと、１次回折光の位置がしだいに該原点１
６Ｓ_x0に近づいていくため（図のの期間）、検出値Ｘ
はしだいに小さくなっていき、Ｎ回目の本探索Ｄ^N（図
の）で、（Ｘ_max−ｄ）／２のＸ値（Ｘ^N）が検出され
る。なお、この間、該比較器１７はマイナスの比較信号
Ｒを出力し続けている。

【００２４】該演算・制御装置１８は、このように（Ｘ
_max−ｄ）／２の値のＸ（Ｘ^N）が検出されたところで、
本探索を終了する（ステップＳ６）。そして、該演算・
制御装置１８は、この（Ｘ_max−ｄ）／２の値のＸ
（Ｘ^N）が検出された回（Ｎ回目）の本探索Ｄ^Nで使用さ
れたミラー角度値θ^N ₁及びθ^N ₂を、ミラー最適角度値Θ
₁、Θ₂と決定する（ステップＳ７）。ここで、（Ｘ_max
−ｄ）／２が検出された際のミラー角度値θ^N ₁及びθ^N ₂
を選択したのは以下の理由による。すなわち、該距離ｄ
はＸ_maxに比べ十分小さいため、（Ｘ_max−ｄ）／２はＸ
_max／２にほとんど等しい。したがって、ミラー３を該
角度θ^N ₁及びθ^N ₂で制御すれば、１次光のみをＰＳＤ光
入射面１６Ｓの、それも、そのほぼ中央に入射させるこ
とができる。ＰＳＤではその光入射面の中心部の検出精
度が高いため、かかるミラー角度θ^N ₁及びθ^N ₂の制御に
より精度の高い検出を実現できるからである。

【００２５】なお、該（Ｘ_max−ｄ）／２の値が検出さ
れたところで本探索を終了せずに、そのまま本探索を繰
り返し続けても良い。この場合には、図５に示すよう
に、（Ｘ_max−ｄ）／２が検出された回の本探索（Ｎ回
目の本探索Ｄ^N）の直後に行われる本探索（Ｎ＋１回目
の本探索Ｄ^N+1：図の）で、２次光が該光入射面内に
入ってくるために、Ｘ値が急に大きくなり、該比較器１
７はプラスの信号Ｒ^N+1を出力する。したがって、１回
目にプラスの比較信号が検出された本探索（図のの本
探索Ｄ^M）から、２回目にプラスの比較信号が検出され
た本探索（図のの本探索Ｄ^N+1）の１回前の本探索
（図のの本探索Ｄ^N）までの間、１次回折光のみが該
光入射面１６Ｓに入射していたことがわかる。そこで、
この間の本探索（Ｍ回からＮ回までの本探索）で検出さ
れたＸ値のうち、Ｘ_max／２との差が最も小さいＸを選
択し、その際使用したミラー角度θ₁及びθ₂の値を、該
最適値Θ₁、Θ₂として決定しても良い。

【００２６】一方、Ｘ⁰≠０の場合には、該演算・制御
装置１８は、該ミラー３の該角度値θ¹ ₁及びθ¹ ₂を、θ
¹ ₂＞θ¹ ₁となるように調整した上で、第一回目の本探索
Ｄ¹を行う（図４のステップＳ８）。すなわち、該本探
索Ｄ¹では、角度差−△θ¹＝θ¹ ₂−θ¹ ₁（ここで、−△
θ¹は正の値）を、前回の探索（予備探索Ｄ⁰）で採用し
た角度差−△θ⁰（＝θ⁰ ₂−θ⁰ ₁＝０）より所定量だけ
大きくなるように調整し、｜Ｓ（△ｔ）｜を見かけ上大
きくした上で測定を行う。なお、該本探索Ｄ¹において
も、該所定の時刻間隔△ｔで二度レーザ光を照射させ
る。該ＰＳＤ１６が検出値Ｘ（Ｘ¹）を出力し、該比較
器１７が、該Ｘ¹値を前記Ｘ⁰値と比較して、比較信号Ｒ
¹を出力する。該演算・制御装置１８が、該Ｘ¹値と該信
号Ｒ¹を、該角度値θ¹ ₁、θ¹ ₂と共に、その格納領域に
格納する（ステップＳ９）。そして、該演算・制御装置
１８は、該ＰＳＤ１６が（Ｘ_max−ｄ）／２のＸ値を出
力し、かつ、該比較器１７がマイナスの比較信号を出力
するような本探索が行われるまで本探索Ｄ^m繰り返し行
う（ステップＳ１０）。かかる繰り返し行う本探索にお
いては、その角度差−△θ＝θ₂−θ₁（−△θは正の
値）を順次増加させ、該被測定物体の移動距離を見かけ
上増加させながら行う。すなわち、第ｍ回目（ｍ＝１、
２、・・・）の本探索Ｄ^mにおいては、ミラー３の該第
一及び第二の角度位置θ^m ₁、θ^m ₂の角度差−△θ^m＝θ^m
₂−θ^m ₁が、前回（ｍ−１回）の本探索Ｄ^m-1で採用した
角度差−△θ^m-1（＝θ^m-1 ₂−θ^m-1 ₁）より該所定量だ
け大きくなるように調整する。なお、レーザ光照射の時
刻間隔は、すべて、該所定時刻間隔△ｔとする。

【００２７】図６は、このように本探索Ｄ^mが繰り返し
行われる結果、検出値Ｘ^mが、どのように推移していく
かを示す一例である。まず、予備探索Ｄ⁰では、１次回
折光のみならず２次回折光と３次回折光も該光入射面１
６Ｓに入射しているため、これら三つの回折光光点全体
の重心位置を示すＸ⁰が検出される。本探索を開始し
て、被測定物体の見かけ上の移動距離を大きくしていく
と（図のの期間）、回折光光点が全体的に図の右方向
（該原点１６Ｓ_x0から遠ざかる方向）にシフトしていく
ため、該比較器１７はプラスの比較信号Ｒを出力し続け
る。しかし、本探索をさらに続けていくと、ある回の本
探索（Ｍ回の本探索Ｄ^M：図の）において、３次光が
該光入射面１６Ｓからそれて入射しなくなる。この結
果、検出値Ｘ^Mが急に小さくなり、該比較器１７はマイ
ナスの比較信号Ｒ^Mを出力する。本探索をさらに続けて
いくと（図のの期間）、二つの回折光光点が全体的に
右方向に順次シフトしていくため、該比較器１７はプラ
スの比較信号Ｒを出力し続ける。しかし、本探索をさら
に続けると、ある回の本探索（Ｎ回の本探索Ｄ^N：図の
）において、２次光が該光入射面１６Ｓからそれて入
射しなくなり、該ＰＳＤは、１次光のみの重心位置（１
次光のピーク位置）である（Ｘ_max−ｄ）／２を検出す
る。また、該比較器１７がマイナスの比較信号Ｒ^Nを出
力する。このように、Ｘ値として（Ｘ_max−ｄ）／２が
検出され、かつ、マイナスの比較信号が検出されたとこ
ろで、本探索を終了する（ステップＳ１０）。該演算・
制御装置１８は、この（Ｘ_max−ｄ）／２の値のＸ
（Ｘ^N）が検出された回（Ｎ回）の本探索Ｄ^Nで使用され
たミラー角度値θ^N ₁及びθ^N ₂を、ミラー最適角度値
Θ₁、Θ₂と決定する（ステップＳ１１）。なお、（Ｘ
_max−ｄ）／２とマイナスの比較信号が検出された後
も、本探索を繰り返し続けるようにしても良い。この場
合には、図６に示すように、１次回折光が右方向にシフ
トしていくために、該比較器１７はプラスの比較信号を
出力し続ける（図のの期間）。しかし、ある回（Ｌ回
目）の本探索Ｄ^Lで、１次光も該光入射面１６Ｓからそ
れて入射しなくなり、Ｘ^L値０が検出され、該比較器１
７はマイナスの比較信号Ｒ^Lを出力する。したがって、
最後にマイナスの比較信号が検出された本探索（Ｌ回目
の本探索Ｄ^L：図の）の１回前の本探索（Ｌ−１回目
の本探索Ｄ^L-1）と、その直前にマイナスの比較信号が
検出された本探索（Ｎ回目の本探索Ｄ^N：図の）の
間、１次回折光のみが該光入射面１６Ｓに入射していた
ことがわかる。したがって、この間（Ｎ回目からＬ−１
回目の本探索）に得られたＸのうち、Ｘ_max／２に最も
近い値が検出された際に使用したミラー角度値θ₁及び
θ₂を、ミラー最適角度値Θ₁、Θ₂と決定しても良い。

【００２８】このようにして、１次回折光のみを該光入
射面１６Ｓに入射させるのに最適な角度Θ₁、Θ₂が求め
られる。本発明の測定装置１は、かかるミラー最適角度
値決定動作が終了すると、すぐに、速度の時間的変化状
態を調べるための一連の測定動作を開始する。該一連の
測定動作の各動作においては、該ミラー３を該最適角度
値θ^N ₁及びθ^N ₂（Θ₁、Θ₂）で制御し測定を行う。すな
わち、レーザ光を該所定の時間間隔△ｔをおいて２度照
射しつつ、該ミラーを該角度値θ^N ₁及びθ^N ₂で制御す
る。そして、検出したＸ値から、前記数式１乃至４より
速度Ｖを演算するのである。各測定動作では、ミラーを
該ミラー最適角度値で制御するため、１次回折光のみが
該光入射面に入射することが確保され、正確な測定を行
うことができる。また、本発明によれば、該一連の測定
を構成する各測定を、それぞれ、極めて短時間で行うこ
とができるので、該被測定物体の速度の時間変化の状態
を、極めて短い時間間隔で測定することができる。

【００２９】さらに、かかる一連の速度測定において、
被測定物体２３の速度の変化にあわせ該レーザ照射時刻
間隔△ｔを変化させれば、１次回折光を該光入射面１６
Ｓの中心付近に常に入射させ続けることができる。すな
わち、速度が大きくなってきた場合には、△ｔを小さく
すれば良く、逆に速度が小さくなってきた場合には、△
ｔを大きくすれば良いのである。かかる調整により、Ｐ
ＳＤ１６の検出精度、ひいては、測定装置１の精度を高
いままに維持することができる。かかる照射時刻間隔Δ
ｔの調整について、以下、詳細に説明する。該一連の速
度測定の各速度測定においては、該演算・制御装置１８
は、それまでに行った速度測定の結果に基づいて、次回
の測定における照射時刻間隔Δｔをフィードバック制御
し、一次回折光が常に該ＰＳＤ光入射面１６Ｓの中心部
に結像されるようにすることができる。具体的には、該
演算・制御装置１８は、該ＬＤコントローラ２０を介し
て該ＬＤ２の該照射時刻間隔Δｔを調整する。この際、
該演算・制御装置１８は、今回（測定時刻Ｔ）までの測
定で得られた測定結果Ｖに基づいて速度の時間的変化の
状態を求め、次回の測定（測定時刻Ｔ’）における速度
Ｖ’の値を予測する。そして、この値Ｖ’が今回の速度
Ｖより大きいと予測される場合には、次回の照射時刻間
隔Δｔ’を前回における時刻間隔Δｔに対して適当な量
だけ小さくする。また、逆に、Ｖ’がＶより小さいと予
測される場合には、Δｔ’をΔｔより適当な量だけ大き
くする。こうして、光点間距離｜Ｎ（Δｔ’）｜を調整
し、１次回折光を常にＰＳＤ受光面のほぼ中心位置に結
像させる。なお、次回の測定における照射時刻間隔Δ
ｔ’を今回までの測定結果に基づいて調整する方法とし
ては、上述のようなものの他、以下のようなものでもよ
い。すなわち、ある時刻Ｔの測定において被測定物体の
速度が急に増加してＶとなった場合に、次回の測定時刻
Ｔ’における速度Ｖ’はＶと同一かそれより増加すると
予想し、Δｔ’をΔｔより小さく調整する。また、測定
物体の速度が急に減少した場合には、逆にΔｔ’をΔｔ
より大きく調整するようにしてもよい。また、次回の測
定におけるΔｔ’を調整する際、これを今回までの測定
結果に基づいて調整するのではなく、前回または前々回
までの測定結果に基づいて調整するのでも良い。既に行
われた測定の結果に基づいて調整をすれば良いのであ
る。なお、該演算・制御装置１８は、かかる照射時刻間
隔Δｔの調整と共に、光変調器コントローラ１９をも制
御して、空間光変調器５及び１３の電圧印加タイミング
をも調整する。

【００３０】なお、該比較器１７としては、たとえば、
図７に示す比較回路を用いればよい。かかる比較回路１
７は、サンプルホールド回路１１１と、オペアンプ回路
１１２と、１ｋΩの固定抵抗１１３及び１１４と、１０
０ｋΩにした可変抵抗１１５からなる。該比較器１７
は、任意の回（（ｍ−１）回）の本探索において該ＰＳ
Ｄ１６が出力した電圧信号Ｘ^m-1をサンプルホールドし
ておき、次回（ｍ回）の本探索において該ＰＳＤ１６が
出力した電圧信号Ｘ^mと比較し、比較信号Ｒ^mを出力す
る。したがって、該比較器１７は、Ｘ^m＞Ｘ^m-1であれ
ば、プラスの値の信号Ｒ^mを出力し、Ｘ^m＜Ｘ^m-1であれ
ば、マイナスの値の信号Ｒ^mを出力し、Ｘ^m＝Ｘ^m-1であ
れば、０の値の信号Ｒ^mを出力する。該比較器１７はま
た、該演算・制御装置１８内に配置させても良い。

【００３１】本発明は、上述した実施例の光学的移動速
度測定装置に限定されることなく、本発明の主旨から逸
脱することなく、種々の変更が可能となる。

【００３２】本発明の測定装置で行うミラー最適角度決
定方法は、上述の図４の方法に限られない。ミラーの角
度値θ₁、θ₂を変化させながら測定を繰り返し行い、得
られたＸ値の変化状態をもとにミラー最適角度値Θ₁、
Θ₂を決定するのであれば良い。また、該ミラー最適角
度決定動作を、該一連の速度測定動作の最初の測定動作
として扱っても良い。すなわち、該最適角度値Θ₁、Θ₂
が使用された本探索で検出されたＸ値をもとに速度｜Ｖ
△ｔ｜を演算し、これを、該一連の速度測定の最初の測
定値としても良い。

【００３３】上述の実施例では、１次光のみを該光入射
面１６Ｓに入射させるためのミラー最適角度値を決定
し、これに基づいて一連の速度測定を行うようにした。
しかし、ミラーの角度のみならず、該レーザ光照射時刻
間隔△ｔの最適値を決定し、ミラー角度と光照射時間間
隔の最適値に基づいて、速度測定を行うようにしても良
い。さらに、該一連の速度測定動作においても、△ｔの
みならず、該ミラー角度値を調整し、１次光が常に該光
入射面中心付近に入射するようにして、高精度の検出を
維持するようにしても良い。また、上述の実施例では、
１次光のみを該光入射面１６Ｓに入射させるべく、ガル
バノミラー３の偏向角度を最適値に調整したが、本発明
はこれに限られない。ガルバノミラーの代わりに、超音
波伝搬方向を該被測定物体２３の移動方向と平行になる
ように配置した音響光学偏向器や、電気光学偏向器、ポ
リゴンミラー等を設け、これらの偏向角度を最適値に調
整しても良い。また、このような偏向手段の代わりに、
第一の空間光変調器５上へのスペックルパターンの結像
倍率を変化させる手段を設け、該結像倍率を最適値に調
整することにより、１次光のみを該光入射面に入射させ
ても良い。つまり、ガルバノミラー３と結像レンズ４の
代わりに、ズームレンズ系を設け、倍率を最適値に調整
しても良い。該ズームレンズ系の倍率を変化させること
でも、移動距離｜Ｓ（△ｔ）｜に対するシフト距離｜Ｍ
（△ｔ）｜を任意に変えることができるからである。ま
た、該ズームレンズ系の代わりに、可変焦点レンズを設
け、焦点距離を最適値に調整しても良い。また、フーリ
エ変換レンズ１２及び／または１５の焦点距離を、最適
値に調整するようにしても良い。該レンズ１２、１５の
かかる焦点距離の調整により、移動距離｜Ｓ（△ｔ）｜
に対する前記回折光光点間距離｜Ｎ（△ｔ）｜を任意に
変化させることができるからである。いずれにしても、
本発明は、回折光光点間距離｜Ｎ（△ｔ）｜を、１次光
のみが該光入射面１６Ｓに入射するような最適な値とす
ることによって、ＰＳＤによる正確かつ高精度の検出を
可能としている。

【００３４】該演算・制御装置１８は、移動量及び移動
速度のみならず、移動方向をも求めることができる。す
なわち、被測定物体２３の移動方向と該回折光の並ぶ方
向とは一定の関係にあるので、該ＰＳＤ１６として２次
元の半導体位置検出素子を採用することで、該被測定物
体の移動方向をも求めることができる。

【００３５】上述の実施例では、測定装置は固定されて
おり、被測定物体が移動していたが、この逆に、測定装
置が移動しており、被測定物体が固定されていてもよ
い。この場合には、固定されている被測定物体の、測定
装置に対する相対的な移動量及び速度を測定することに
よって、速度測定装置の、絶対的移動量及び速度が求め
られる。たとえば、測定装置を自動車等移動する物体に
載置することにより、この移動物体の移動量及び速度を
求めることができる。上述の実施例は、光学的移動速度
測定装置に関するものであったが、本発明はこれに限ら
れない。被測定物体の歪み状態を測定し応力分布を調べ
るようなものでも良い。物体の移動量や歪み量等、物体
の変位量を測定できれば良い。さらに、被測定物体に
は、レーザ光のようなコヒーレント光でなく、インコヒ
ーレント光を照射しても良い。この場合には、スペック
ルパターンでなく、被測定物体の像を空間光変調器に記
録する。第一及び第二の照射時刻における被測定物体の
像を第一の空間光変調器に二重記録し、該二重記録像を
読み出しフーリエ変換すれば、ヤングの干渉縞が得られ
る。これを第二の空間光変調器に記録し、さらに、該記
録されたヤングの干渉縞を読みだしフーリエ変換すれ
ば、該回折光が得られるからである。

【００３６】スペックルパターンを二重記録する手段と
しては、強誘電性液晶空間光変調器に限られず、第一の
測定時刻における被測定物体の受光パターンを、少なく
とも第二の測定時刻まで蓄積でき、被測定物体の像を二
重記録することが可能な空間光変調器であればよい。更
に、上述の実施例では、光を被測定物体に照射し、その
反射光パターンで物体の変位量を測定していたが、被測
定物体の種類等によっては、透過光パターンで測定を行
ってもよい。すなわち、被測定物体の透過光に形成され
た像やスペックルパターンを、空間光変調器に二重記録
させるようにしてもよい。また、被測定物体からの透過
光または反射光に形成されたパターンの光強度が小さい
場合には、結像レンズ４と第一の空間光変調器５との間
に、公知のイメージインテンシファイアを設け、パター
ンの光強度を高めた後、第一の空間光変調器５の書き込
み入射面Ｓ_wに入射させるようにしてもよい。

【００３７】

【発明の効果】以上詳述したことから明らかなように、
本発明の光学的変位量測定装置においては、光照射手段
が、該光学的変位量測定装置に対して相対的に変位する
被測定対象に、光を照射する。該照射光により、二の測
定時刻における該被測定対象の像が、それぞれ得られ
る。第一の記録手段が、該二の測定時刻の像を、二重記
録する。第一のコヒーレント光投光手段が、該第一の記
録手段にコヒーレント光を照射して、該第一の記録手段
の該二重記録像を読み出す。該読みだした二重記録像
を、第一のフーリエ変換手段がフーリエ変換し、第一の
フーリエ変換像を形成する。第二の記録手段が、該第一
のフーリエ変換像を記録する。第二のコヒーレント光投
光手段が、該第二の記録手段にコヒーレント光を照射し
て、該第一の記録手段の該第一のフーリエ変換像を読み
出す。該読みだした第一のフーリエ変換像を、第二のフ
ーリエ変換手段がフーリエ変換し、第二のフーリエ変換
像を形成する。調整手段が、該第二のフーリエ変換像を
調整する。そして、光重心位置検出手段が、該調整され
た該第二のフーリエ変換像の重心位置を検出することに
より、該二の測定時刻の間における、該被測定対象の該
光学的変位量測定装置に対する相対的変位量を求める。
このように本発明によれば、該第二のフーリエ変換像の
重心位置を検出するのに、走査や複雑な相関演算が不要
となり、短時間で測定を行うことができる。このため、
実時間測定性に優れている。本発明によれば、該調整手
段が、該第二のフーリエ変換像の位置を任意に調整する
ことができる。したがって、該二の測定時刻間における
被測定対象の変位量の大小に係わらず、その変位量の測
定が可能となり、ダイナミックレンジを広くすることが
できる。また、該第二のフーリエ変換像を、該光重心位
置検出手段の、検出精度の高い領域に位置させることが
できるため、検出誤差を少なくし、測定精度を向上させ
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１Ａ】本発明の実施例にかかる光学的移動速度測定
装置を示す光学系統上面図である。

【図１Ｂ】図１Ａの強誘電性液晶空間光変調器を拡大し
て示す断面図である。

【図１Ｃ】図１Ａの光学的移動速度測定装置の速度測定
動作の動作タイミングチャートである。

【図２Ａ】図１ＡのＰＳＤ１６をレンズ１５の側から見
た場合の配置状態を説明する正面説明図である。

【図２Ｂ】図１ＡのＰＳＤ１６とレンズ１５の位置関係
を説明する上面説明図である。

【図３Ａ】被測定物体の移動距離｜Ｓ（△ｔ）｜が小さ
い場合の、ＰＳＤ１６に対する回折光の位置を示す正面
説明図である。

【図３Ｂ】被測定物体の移動距離｜Ｓ（△ｔ）｜が大き
い場合の、ＰＳＤ１６に対する回折光の位置を示す正面
説明図である。

【図４】本発明の実施例にかかる光学的移動速度測定装
置において行うミラー最適角度値決定方法を示すフロー
チャートである。

【図５】被測定物体の移動距離｜Ｓ（△ｔ）｜を見かけ
上小さくしながら本探索を繰り返し行っていく場合に、
ＰＳＤ１６上に結像される回折光光点の位置とＰＳＤ１
６の検出値Ｘの変化していく状態を示す。

【図６】被測定物体の移動距離｜Ｓ（△ｔ）｜を見かけ
上大きくしながら本探索を繰り返し行っていく場合に、
ＰＳＤ１６上に結像される回折光光点の位置とＰＳＤ１
６の検出値Ｘの変化していく状態を示す。

【図７】比較器１７の具体的構成を示す回路図である。

【符号の説明】

１光学的移動速度測定装置２レーザダイオード３ガルバノミラー５強誘電性液晶空間光変調装置７Ｈｅ−Ｎｅレーザ装置１２フーリエ変換レンズ１３強誘電性液晶空間光変調装置１５フーリエ変換レンズ１６半導体位置検出素子１８演算・制御装置２１ミラーコントローラ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被測定対象へ光を照射して、二の測定時
刻における該被測定対象の像を形成するための光照射手
段と、該二の測定時刻における該被測定対象の像を二重
記録するための第一の記録手段と、該第一の記録手段に
コヒーレント光を照射して該二重記録像を読みだすため
の第一のコヒーレント光投光手段と、該読み出した二重
記録像をフーリエ変換して第一のフーリエ変換像を形成
するための第一のフーリエ変換手段と、該第一のフーリ
エ変換像を記録するための第二の記録手段と、該第二の
記録手段にコヒーレント光を照射して該第一のフーリエ
変換像を読みだすための第二のコヒーレント光投光手段
と、該読み出した第一のフーリエ変換像をフーリエ変換
して第二のフーリエ変換像を形成するための第二のフー
リエ変換手段と、該第二のフーリエ変換像を調整するた
めの調整手段と、該調整された第二のフーリエ変換像の
重心の位置を検出し、該二の測定時刻間における該被測
定対象と該第一の記録手段との相対的変位量を求めるた
めの光重心位置検出手段とを備えたことを特徴とする該
光学的変位量測定装置。
【請求項２】前記光照射手段が、コヒーレント光を前
記被測定対象へ照射して、前記二の測定時刻におけるス
ペックルパターンを形成し、該スペックルパターンを前
記第一の記録手段に二重記録することを特徴とする請求
項１記載の光学的変位量測定装置。
【請求項３】前記調整手段が、該二の測定時刻におけ
る該被測定対象の像の位置を相対的に調整する調整手段
からなることを特徴とする請求項１記載の光学的変位量
測定装置。
【請求項４】前記調整手段が、該二の測定時刻の時刻
間隔を調整する手段を備えていることを特徴とする請求
項１記載の光学的変位量測定装置。