(57)【要約】【課題】  ドロップアウトの発生を抑制し、高精度に位置に関する情報を検出できる光学式移動情報検出装置、エンコーダおよび電子機器を提供すること。【解決手段】  ＬＤ１からの出射光が、ＣＬ２で平行光束に変換され、絞りを通過して、ＢＳ４で第１光束５と第２光束６とに分割される。第１光束５はＯＬ８で被測定物９の反射面に照射される一方、第２光束６はミラー７を経由してＯＬ８で被測定物９の反射面に照射される。被測定物９の反射面は、底角がθの２等辺３角形の等辺に相当する断面形状を有するので、第１光束５ａと第２光束５ｂとを、２等辺３角形の底辺に対して直角方向に正反射できる。第１光束５ａと第２光束５ｂの正反射光によって、光強度の比較的大きい干渉光が得られる。【選択図】図１
2006029912.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
可干渉性の光を出射する半導体発光素子と、
上記半導体発光素子から出射した光を、第１光束と第２光束とに分割する光分岐素子と、
上記第１光束と第２光束を、互いに略同じ方向に反射させる少なくとも２つの反射面を有する被測定物と、
上記第１光束と第２光束を、上記反射面上に導く第１光学系と、
上記第１光束の反射光と第２光束の反射光とで得られる干渉光を受ける受光素子と、
上記第１光束の反射光と、上記第２光束の反射光とを上記受光素子に導く第２光学系と、
上記受光素子からの信号を処理して、上記被測定物の移動速度を算出する信号処理回路と
を備えることを特徴とする光学式移動情報検出装置。
【請求項２】
請求項１に記載の光学式移動情報検出装置において、
上記被測定物の移動方向の直角方向に対する上記第１光束の入射角が２αであり、上記被測定物の移動方向の直角方向に対する上記第２光束の入射角が２βであるとき、
上記被測定物の反射面は、上記被測定物の移動方向に対してαとβの角度を各々有する少なくとも２つの反射面であることを特徴とする光学式移動情報検出装置。
【請求項３】
請求項１に記載の光学式移動情報検出装置において、
上記被測定物の反射面は、上記被測定物の移動方向に向かって周期的に変化する形状を有することを特徴とする光学式移動情報検出装置。
【請求項４】
請求項２に記載の光学式移動情報検出装置において、
上記αとβが互いに略同じであり、隣り合う２つの上記反射面が、上記被測定物の移動方向の断面において、２等辺３角形の互いに等しい２つの辺に相当する形状を有することを特徴とする光学式移動情報検出装置。
【請求項５】
請求項１に記載の光学式移動情報検出装置において、
上記被測定物の反射面は、上記半導体発光素子の出射光の波長よりも小さい範囲で起伏する凹凸を有することを特徴とする光学式移動情報検出装置。
【請求項６】
請求項５に記載の光学式移動情報検出装置において、
上記被測定物の反射面は、光学ミラーであることを特徴とする光学式移動情報検出装置。
【請求項７】
請求項４に記載の光学式移動情報検出装置において、
上記第１および第２光束は、上記被測定物の反射面において、この反射面の上記２等辺３角形の底辺の長さの１／２よりも大きい照射寸法を有することを特徴とする光学式移動情報検出装置。
【請求項８】
請求項７に記載の光学式移動情報検出装置において、
上記第１および第２の光束は、上記被測定物の反射面において、この反射面の上記２等辺３角形の底辺の長さと略等しい照射寸法を有することを特徴とする光学式移動情報検出装置。
【請求項９】
請求項４に記載の光学式移動情報検出装置において、
上記２等辺３角形の底角が３０°であることを特徴とする光学式移動情報検出装置。
【請求項１０】
請求項１に記載の光学式移動情報検出装置において、
上記被測定物の反射面と、上記受光素子との間に、上記第１および第２光束の反射光を通過させるピンホールを備えることを特徴とする光学式移動情報検出装置。
【請求項１１】
請求項１に記載の光学式移動情報検出装置において、
上記第１および第２の光束は、光量が互いに略等しいことを特徴とする光学式移動情報検出装置。
【請求項１２】
請求項１に記載の光学式移動情報検出装置において、
上記第１および第２光束の反射光を、下記の式１および２で表す場合、上記第１および第２光束の反射光に関して、下記の式３の関係が成立することを特徴とする光学式移動情報検出装置。
Ａ・ｃｏｓ（（ｗ０−ｗｄ）ｔ）・・・（１）
Ｂ・ｃｏｓ（（ｗ０−ｗｄ）ｔ−６π／λ・Ｌｔａｎθ）・・・（２）
−２／３π＋２（ｎ−１）π＜６π／λ・Ｌｔａｎθ＜２／３π＋２（ｎ−１）π・・・（３）
ここにおいて、Ａは上記第１光束の光強度、Ｂは上記第２光束の光強度、ｗ０は上記半導体発光素子からの光の周波数、ｗｄはドップラー周波数偏位、ｔは時間、λは上記半導体発光素子からの光の波長、Ｌは上記被測定物の反射面の上記２等辺３角形の底辺の長さの１／２、θは上記２等辺３角形の底角、ｎは自然数である。
【請求項１３】
請求項１２に記載の光学式移動情報検出装置において、
上記第１および第２光束の反射光に関して、下記の式４および５の関係が成立することを特徴とする光学式移動情報検出装置。
Ａ≠Ｂ・・・（４）
３Ｌ／λ・ｔａｎθ＜（２ｍ−１）・・・（５）
ここにおいて、ｍは自然数である。
【請求項１４】
請求項１に記載の光学式移動情報検出装置を備えるエンコーダ。
【請求項１５】
請求項１４に記載のエンコーダにおいて、
上記反射面は、上記被測定物に円環状に配置されていることを特徴とするエンコーダ。
【請求項１６】
請求項１に記載の光学式移動情報検出装置において、
上記被測定物はＳｉウェハで形成され、上記被測定物の反射面は異方性エッチングで形成されていることを特徴とする光学式移動情報検出装置。
【請求項１７】
可干渉性の光を出射する半導体発光素子と、
上記半導体発光素子から出射した光を、第１光束と第２光束とに分割する第１光分岐素子と、
上記第１光束を、第３および第４光束に分割する第２光分岐素子と、
上記第２光束を、第５および第６光束に分割する第３光分岐素子と、
上記第３および第４光束を互いに略同じ方向に反射させると共に、上記第５および第６光束を互いに略同じ方向に反射させる少なくとも４つの反射面を有する被測定物と、
上記第３および第４光束を、上記反射面上の第１の位置に導く第１光学系と、
上記第５および第６光束を、上記反射面上の第２の位置に導く第２光学系と、
上記第３光束の反射光と第４光束の反射光とで得られる干渉光を受ける第１受光素子と、
上記第５光束の反射光と第６光束の反射光とで得られる干渉光を受ける第２受光素子と、
上記第３光束の反射光と、上記第４光束の反射光とを上記第１受光素子に導く第３光学系と、
上記第５光束の反射光と、上記第６光束の反射光とを上記第２受光素子に導く第４光学系と、
上記第１および第２受光素子からの信号を処理して、上記被測定物の移動速度を算出する信号処理回路と
を備えることを特徴とする光学式移動情報検出装置。
【請求項１８】
請求項１７に記載の光学式移動情報検出装置において、
上記被測定物の反射面は、４角柱形状の側面を有する突起が周期的に配置された形状を有することを特徴とする光学式移動情報検出装置。
【請求項１９】
請求項１７に記載の光学式移動情報検出装置において、
上記被測定物の反射面は、４角柱形状の側面を有する窪みが周期的に配置された形状を有することを特徴とする光学式移動情報検出装置。
【請求項２０】
請求項１７に記載の光学式移動情報検出装置において、
上記第１および第２受光素子は、同一基板上に形成されていることを特徴とする光学式移動情報検出装置。
【請求項２１】
請求項１に記載の光学式移動情報検出装置において、
上記受光素子と信号処理回路は、同一基板上に形成されていることを特徴とする光学式移動情報検出装置。
【請求項２２】
請求項１または１７に記載の光学式移動情報検出装置を備える電子機器。
【請求項２３】
請求項１４に記載のエンコーダを備える電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学式移動情報検出装置、エンコーダおよび電子機器に関し、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含む反射光を受光して上記被測定物の速度を検出するドップラー式の光学式移動情報検出装置、エンコーダおよび電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
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、上記光源からの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。）はこの現象を利用するものであり、移動する被測定物にレーザ光を照射して、上記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、上記被測定物の移動速度を測定する。このような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。
【０００３】
図９は、従来のＬＤＶの光学系を示す図である。図９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。
【０００４】
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および第２の光束１０７，１０８となる。この第１および第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で各々入射して、上記被測定物１１３で散乱すると共に、一部が互いに重なり合う。上記被測定物１１３で散乱された第１および第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、上記第１および第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、上記被測定物１１３の移動速度を求めることができる。以下、上記被測定物１１３の移動速度を求める方法を、詳細に説明する。
【０００５】
いま、被測定物１１３が移動する方向（図９において右向き）を正方向とすると、第１の光束１０７は−ｆd、第２の光束１０８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１０８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は下記の式１で表すことができ、第２の光束１０８は下記の式２で表わすことができる。
【数１】
2006029912.tif 000003
【数２】
2006029912.tif 000004
【０００６】
ただし、上記式１，２において、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。
【０００７】
光の周波数は一般に１００ＴＨｚ（１０14Ｈｚ）程度であるので、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、上述のようにヘテロダイン検波が一般に用いられる。すなわち、ｆ0≫ｆdが成り立つので、式１および式２の光の干渉波は、
【数３】
2006029912.tif 000005
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。このように、光の周波数よりも大幅に小さい上記干渉波の周波数は、上記ＰＤ１０２で測定することができる。
【０００８】
図１０は、移動速度Ｖで移動する被測定物１１３に関して、２つの光束がそれぞれ角度αおよびβで被測定物１１３に入射すると共に、角度γの位置で散乱光を受光した時の図である。
【０００９】
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られるが、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、下記の式４および５のように表される。
【数４】
2006029912.tif 000006
【数５】
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【００１０】
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、下記の式６および７のように表される。
【数６】
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【数７】
2006029912.tif 000009
【００１１】
それぞれの散乱（反射）光と被測定物１１３の相対速度ＶA2，ＶB2は、下記の式８および９のように表される。
【数８】
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【数９】
2006029912.tif 000011
【００１２】
したがって、観測点から見た光の周波数ｆA2，ｆB2は、下記の式１０および１１のように表すことができる。
【数１０】
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【数１１】
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【００１３】
式１０および１１の周波数周波数ｆA2，ｆB2と、入射光の周波数ｆ0（＝ｃ／λ）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（式３参照）は、ｃ≫Ｖであることから、以下の式１２のように表される。
【数１２】
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【００１４】
したがって、うなり周波数２ｆdは、観測点の位置（角度：γ）に依らないことがわかる。図１０において、α＝β＝θであるとすると、図９の一般的なＬＤＶ光学系では、式１２より、下記の式１３が成立する。
【数１３】
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【００１５】
したがって、式３で表される周波数２ｆdを測定し、式１３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。
【００１６】
また、式１３は、以下のように幾何学的に考えることも可能である。図１１は、図９の２つの光束（第１および第２の光束１０７，１０８）が重なり合う領域の拡大図である。２つの光束が互いに角度２θをなして交差しており、図中の破線は各々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、帯状の領域が干渉縞の明部であり、その間隔をΔとすると、このΔは下記の式１４のように表される。
【数１４】
2006029912.tif 000016
【００１７】
図１１のように、物体１１４が移動速度Ｖで干渉縞を垂直に通過するとき、上記物体１１４が単位時間あたりに上記干渉縞を横切る数である周波数ｆは、下記の数１５のように表される。
【数１５】
2006029912.tif 000017
【００１８】
したがって、式１３のうなり周波数２ｆdと等しい。
【００１９】
しかしながら、上述のような関係は理想的な条件で成立するものである。より詳しくは、入射レーザ光の被測定物での反射の際に、位相の乱れが生じなくて、上記被測定物の反射率が場所によらず一定の場合に成立する。現実には、移動する被測定物を連続して測定していると、例えば図１２に示すようなビート信号の振幅が非常に小さくなる信号欠落状態が出現する。このような状態はドロップアウトと呼ばれる。このドロップアウトが発生すると、信号不感状態となり、被測定物の移動情報を検出することができないという問題がある。
【００２０】
このような問題を解決するドップラー速度計が、特開平４−２５７９２号公報（特許文献１）に開示されている。この速度計では、ドップラー信号のレベルが一定値以下になると、ドロップアウトが発生したと判断する。そして、その後信号が再度復帰してドップラー信号のレベルが一定値以上になるまで、上記ドロップアウトが発生した直前の周波数と同じ周波数を有する一定強度の信号を発生させて、上記ドロップアウトの間の信号を補間する。このようにして、ドロップアウトが発生した時の検出精度の低下を防いでいる。
【００２１】
また、他の従来の速度計（特開平７−２２９９１１号公報：特許文献２）では、同一領域からの散乱光を複数の検出器で検出して、一つの検出器からの信号にドロップアウトが発生したとき、他の検出器からの信号に切り替える。これにより、信号不感状態の発生に起因して速度検出が不能になる確率を低減させている。
【００２２】
しかしながら、ドロップアウト時に信号を補完する従来のドップラー速度計は、ドロップアウト直前の信号で補間を行うので、ドロップアウト中に被測定物の移動速度に変化があった場合には、測定値に誤差が生じて不正確になる。したがって、上記ドロップアウトの期間が長くなるにつれて、上記誤差は大きくなってしまって、高精度の測定をすることができないという問題がある。
【００２３】
また、複数の検出器を用いる従来の速度計は、全ての検出器の出力に同時にドロップアウトが発生した場合には測定が不可能になり、被測定物が「停止」状態であると誤判断されてしまうという問題がある。
【特許文献１】特開平４−２５７９２号公報
【特許文献２】特開平７−２２９９１１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２４】
そこで、本発明の課題は、ドロップアウトの発生を抑制し、高精度に位置に関する情報を検出できる光学式移動情報検出装置、エンコーダおよび電子機器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２５】
上記課題を解決するため、本発明の光学式移動情報検出装置は、
可干渉性の光を出射する半導体発光素子と、
上記半導体発光素子から出射した光を、第１光束と第２光束とに分割する光分岐素子と、
上記第１光束と第２光束を、互いに略同じ方向に反射させる少なくとも２つの反射面を有する被測定物と、
上記第１光束と第２光束を、上記反射面上に導く第１光学系と、
上記第１光束の反射光と第２光束の反射光とで得られる干渉光を受ける受光素子と、
上記第１光束の反射光と、上記第２光束の反射光とを上記受光素子に導く第２光学系と、
上記受光素子からの信号を処理して、上記被測定物の移動速度を算出する信号処理回路とを備えることを特徴としている。
【００２６】
上記構成によれば、上記第１光束および第２光束は、上記被測定物の少なくとも２つの反射面で各々反射するので、各光束の位相（波面）に乱れが殆ど生じない。したがって、上記第１および第２光束によって均一な干渉光が得られるので、この干渉光の強度の変化をビート信号として検出することにより、上記被測定物の移動速度等を高精度に検知できる。
【００２７】
一実施形態の光学式移動情報検出装置は、上記被測定物の移動方向の直角方向に対する上記第１光束の入射角が２αであり、上記被測定物の移動方向の直角方向に対する上記第２光束の入射角が２βであるとき、
上記被測定物の反射面は、上記被測定物の移動方向に対してαとβの角度を各々有する少なくとも２つの反射面である。
【００２８】
上記実施形態によれば、上記第１および第２光束の正反射光を、略同じ方向に向かって反射させることができるので、効率良く干渉信号を得ることができる。
【００２９】
一実施形態の光学式移動情報検出装置は、上記被測定物の反射面は、上記被測定物の移動方向に向かって周期的に変化する形状を有する。
【００３０】
上記実施形態によれば、上記反射面は上記被測定物の移動方向に向かって周期的に変化する形状を有するので、上記反射面で反射された第１および第２光束の干渉光を、連続的に安定して得ることができる。したがって、長時間および長距離に亘って高精度の測定ができる。
【００３１】
一実施形態の光学式移動情報検出装置は、上記αとβが互いに略同じであり、隣り合う２つの上記反射面が、上記被測定物の移動方向の断面において、２等辺３角形の互いに等しい２つの辺に相当する形状を有する。
【００３２】
上記実施形態によれば、上記反射面での反射光に基づいて上記被測定物の移動情報を算出する際、上記信号処理回路の処理において必要となる角度情報は一つでよい。したがって、上記信号処理回路による計算を簡易にできる。
【００３３】
一実施形態の光学式移動情報検出装置は、上記被測定物の反射面は、上記半導体発光素子の出射光の波長よりも小さい範囲で起伏する凹凸を有する。
【００３４】
上記実施形態によれば、上記反射面の凹凸は、この反射面に入射する上記第１および第２光束の波長よりも小さい範囲で起伏しているので、上記光束の反射光の位相が乱れることがない。したがって、連続して安定したビート信号を得ることができる。
【００３５】
一実施形態の光学式移動情報検出装置は、上記被測定物の反射面は、光学ミラーである。
【００３６】
上記実施形態によれば、安定したビート信号を、確実かつ連続的に得ることができる。
【００３７】
一実施形態の光学式移動情報検出装置は、上記第１および第２光束は、上記被測定物の反射面において、この反射面の上記２等辺３角形の底辺の長さの１／２よりも大きい照射寸法を有する。
【００３８】
上記実施形態によれば、上記反射面における上記第１および第２光束の照射寸法が、上記反射面の断面における形状である２等辺３角形の底辺の長さの１／２よりも大きいので、上記第１および第２光束を、確実に所定方向に正反射させることができる。
【００３９】
一実施形態の光学式移動情報検出装置は、上記第１および第２の光束は、上記被測定物の反射面において、この反射面の上記２等辺３角形の底辺の長さと略等しい照射寸法を有する。
【００４０】
上記実施形態によれば、上記反射面が反射する上記第１および第２光束の光量を、略同じにできるので、Ｓ／Ｎ（信号・雑音比）が高い信号を得ることができる。
【００４１】
一実施形態の光学式移動情報検出装置は、上記２等辺３角形の底角が３０°である。
【００４２】
上記実施形態によれば、上記反射面の断面における２等辺３角形の形状が、３０°の底角を有するので、上記第１および第２光束を効率良く上記受光素子に導くことができる。したがって、所定の信号強度を得るために必要な半導体発光素子の出射光量を低減できて、この光学式移動情報検出装置の消費電力を低減できる。
【００４３】
一実施形態の光学式移動情報検出装置は、上記被測定物の反射面と、上記受光素子との間に、上記第１および第２光束の反射光を通過させるピンホールを備える。
【００４４】
上記実施形態によれば、上記光束の反射面への入射角や、上記反射面が被測定物の進行方向に対して有する角度等に誤差がある場合、上記反射面で反射された正反射光の進行方向にずれが生じる。ここで、上記ピンホールによって、上記ずれた正反射光のうち、上記受光素子に入射すべき光のみを取り出すことができるので、上記誤差が生じたとしても、Ｓ／Ｎの比較的良好なビート信号を得ることができる。
【００４５】
なお、上記ピンホールに換えて、例えば格子やスリット等を設けてもよい。
【００４６】
一実施形態の光学式移動情報検出装置は、上記第１および第２の光束は、光量が互いに略等しい。
【００４７】
上記実施形態によれば、第１および第２光束の光量が互いに略等しいので、Ｓ／Ｎの良い信号を得ることができる。
【００４８】
一実施形態の光学式移動情報検出装置は、上記第１および第２光束の反射光を、下記の式１６および１７で表す場合、上記第１および第２光束の反射光に関して、下記の式１８の関係が成立する。
Ａ・ｃｏｓ（（ｗ０−ｗｄ）ｔ）・・・（１６）
Ｂ・ｃｏｓ（（ｗ０−ｗｄ）ｔ−６π／λ・Ｌｔａｎθ）・・・（１７）
−２／３π＋２（ｎ−１）π＜６π／λ・Ｌｔａｎθ＜２／３π＋２（ｎ−１）π・・・（１８）
ここにおいて、Ａは上記第１光束の光強度、Ｂは上記第２光束の光強度、ｗ０は上記半導体発光素子からの光の周波数、ｗｄはドップラー周波数偏位、ｔは時間、λは上記半導体発光素子からの光の波長、Ｌは上記被測定物の反射面の上記２等辺３角形の底辺の長さの１／２、θは上記２等辺３角形の底角、ｎは自然数である。
【００４９】
上記実施形態によれば、上記式１６乃至１８を満たすことにより、上記第１および第２光束の反射光の位相差が、所定の範囲内に制限されるので、上記反射光の干渉光が弱まることが防止される。したがって、強度が比較的強い光を上記受光素子で受光できるので、上記被測定物の移動情報を高精度に検出することができる。
【００５０】
一実施形態の光学式移動情報検出装置は、
上記第１および第２光束の反射光に関して、下記の式１９および２０の関係が成立することを特徴としている。
Ａ≠Ｂ・・・（１９）
３Ｌ／λ・ｔａｎθ＜（２ｍ−１）・・・（２０）
ここにおいて、ｍは自然数である。
【００５１】
上記実施形態によれば、上記第１および第２光束の反射光は、上記式１９および２０の関係が成立することにより、互いに打ち消しあって消滅することが確実に防止される。したがって、この光学式移動情報検出装置は、安定した情報検出動作を確実に行うことができる。
【００５２】
本発明のエンコーダは、上記光学式移動情報検出装置を備える。
【００５３】
上記構成によれば、安定して高精度に被測定物の位置検出および速度検出を行うことができるエンコーダが得られる。
【００５４】
一実施形態のエンコーダは、上記反射面は、上記被測定物に円環状に配置されている。
【００５５】
上記実施形態によれば、上記反射面を上記被測定物に円環状に配置することにより、回転する上記被測定物の速度および位置を検出するロータリーエンコーダを形成できる。
【００５６】
一実施形態の光学式移動情報検出装置は、上記被測定物はＳｉ（シリコン）ウェハで形成され、上記被測定物の反射面は異方性エッチングで形成されている。
【００５７】
上記実施形態によれば、上記Ｓｉウェハの面方位に沿った異方性エッチングを行うことにより、上記被測定物に、所定の傾斜角を正確に有すると共に、表面の凹凸が比較的少ない反射面を容易に形成することができる。
【００５８】
本発明の光学式移動情報検出装置は、
可干渉性の光を出射する半導体発光素子と、
上記半導体発光素子から出射した光を、第１光束と第２光束とに分割する第１光分岐素子と、
上記第１光束を、第３および第４光束に分割する第２光分岐素子と、
上記第２光束を、第５および第６光束に分割する第３光分岐素子と、
上記第３および第４光束を互いに略同じ方向に反射させると共に、上記第５および第６光束を互いに略同じ方向に反射させる少なくとも４つの反射面を有する被測定物と、
上記第３および第４光束を、上記反射面上の第１の位置に導く第１光学系と、
上記第５および第６光束を、上記反射面上の第２の位置に導く第２光学系と、
上記第３光束の反射光と第４光束の反射光とで得られる干渉光を受ける第１受光素子と、
上記第５光束の反射光と第６光束の反射光とで得られる干渉光を受ける第２受光素子と、
上記第３光束の反射光と、上記第４光束の反射光とを上記第１受光素子に導く第３光学系と、
上記第５光束の反射光と、上記第６光束の反射光とを上記第２受光素子に導く第４光学系と、
上記第１および第２受光素子からの信号を処理して、上記被測定物の移動速度を算出する信号処理回路と
を備えることを特徴としている。
【００５９】
上記構成によれば、上記被測定物の４つの反射面のうちの２つの反射面で、上記第３および第４光束を反射して干渉光を得ると共に、上記被測定物の４つの反射面のうちの他の２つの反射面で、上記第５および第６光束を反射して干渉光を得ることができる。したがって、上記被測定物に関して、２次元の移動情報を高精度に検出することができる。
【００６０】
一実施形態の光学式移動情報検出装置は、上記被測定物の反射面は、４角柱形状の側面を有する突起が周期的に配置された形状を有する。
【００６１】
上記実施形態によれば、上記被測定物の反射面は、上記４角柱形状の側面を有する突起が周期的に配置された形状を有するので、上記第３および第４光束を略同じ方向に反射できると共に、上記第５および第６光束を略同じ方向に反射できる。
【００６２】
一実施形態の光学式移動情報検出装置は、上記被測定物の反射面は、４角柱形状の側面を有する窪みが周期的に配置された形状を有する。
【００６３】
上記実施形態によれば、上記被測定物の反射面は、４角柱形状の側面を有する窪みが周期的に配置された形状を有するので、上記第３および第４光束を略同じ方向に反射できると共に、上記第５および第６光束を略同じ方向に反射できる。
【００６４】
一実施形態の光学式移動情報検出装置は、上記第１および第２受光素子は、同一基板上に形成されている。
【００６５】
上記実施形態によれば、上記第１および第２受光素子を同一基板上に形成することにより、上記光学式移動情報検出装置を小型化できるとともに、コストダウンをすることができる。
【００６６】
一実施形態の光学式移動情報検出装置は、上記受光素子と信号処理回路は、同一基板上に形成されている。
【００６７】
上記実施形態によれば、上記受光素子と信号処理回路を同一基板上に形成することにより、上記光学式移動情報検出装置を小型化できるとともに、コストダウンをすることができる。
【００６８】
本発明の電子機器は、上記光学式移動情報検出装置を備える。
【００６９】
上記構成によれば、被測定物の移動情報を高精度に検出できる上記光学式移動情報検出装置を備えるので、上記被測定物に関する動作を高精度に制御できる電子機器が得られる。
【００７０】
本発明の電子機器は、上記エンコーダを備える。
【００７１】
上記構成によれば、被測定物の移動情報を高精度に検出できる上記エンコーダを備えるので、上記被測定物に関する動作を高精度に制御できる電子機器が得られる。
【発明の効果】
【００７２】
以上のように、本発明の光学式移動情報検出装置は、可干渉性の光を出射する半導体発光素子と、上記半導体発光素子から出射した光を、第１光束と第２光束とに分割する光分岐素子と、上記第１光束と第２光束を、互いに略同じ方向に反射させる少なくとも２つの反射面を有する被測定物と、上記第１光束と第２光束を、上記反射面上に導く第１光学系と、上記第１光束の反射光と第２光束の反射光とで得られる干渉光を受ける受光素子と、上記第１光束の反射光と、上記第２光束の反射光とを上記受光素子に導く第２光学系と、上記受光素子からの信号を処理して、上記被測定物の移動速度を算出する信号処理回路とを備えるので、上記第１および第２光束によって均一な干渉光が得られるから、この干渉光の強度の変化をビート信号として検出することにより、上記被測定物の移動速度等を高精度に検知できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００７３】
以下、本発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。
【００７４】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態の光学式移動情報検出装置としてのドップラー速度計（ＬＤＶ）を示す概略構成図である。図１では、光学部品の主要な部品および光線の軌跡のみを図示して、光学部品を保持する部品等の図示は省略している。ここで、光源としては発光ダイオード（以下、ＬＥＤ(Light Emitting Diode)という）や半導体レーザ（以下、ＬＤ(Laser Diode)という）などを用いることができ、２つの光束の干渉によるうなりを容易に生じるにはＬＤが望ましい。しかしながら、上記光学系の光路長内で可干渉性を有するのであれば、例えば電流狭窄型ＬＥＤ等のＬＥＤを用いることもできる。なお、第１実施形態ではＬＤを用いている。
【００７５】
本実施形態において、ＬＤ１から出射した光は、コリメータレンズ（以下、ＣＬという）２により平行光束に変換される。一般に、ＬＤから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光をそのまま検出点に照射すると、検出点上で光強度のムラができて、干渉縞の強度が一様ではなくなるため、ビート信号を高精度に検出することが困難になる。したがって、本実施形態では、光束外側の光強度の弱い部分をカットして、光強度が一様な円形光束を形成するために、例えば円形の絞り３を設けてある。また、ＬＤの出射光の偏光方向は、本実施形態においては、Ｓ波として取り扱うために、紙面に垂直な方向について説明するが、これに限定されるものではない。
【００７６】
上記絞り３を通過した光は、光分岐素子の一例としてのビームスプリッタ（以下、ＢＳという）４で第１光束５と第２光束６とに分割される。上記第２光束６はミラー７によって進行方向が変更されて、第１光束５と平行となって集光レンズ（以下、ＯＬ）８に入射する。そして、上記第２光束６は、上記ＯＬ８の焦点距離に配置された被測定物９の反射面上に、上記第１光束５と同一のスポットに照射される。ここで、上記被測定物９の反射面は、上記被測定物９の移動方向と平行な断面において、２等辺３角形の長さが互いに等しい２つの辺に相当する形状を有する。また、上記ＯＬ８に入射する第１および第２光束５，６は、光軸が互いに平行であり、かつ、上記２等辺３角形の底辺に対して直角をなしている。
【００７７】
なお、図１では、上記被測定物９の反射面上の同一スポットに第１および第２光束５，６を照射する手段としてＯＬ８を用いるが、例えばミラー等を用いてもよい。
【００７８】
上記被測定物９に照射された両光束５，６は、上記被測定物９の隣り合う２つの反射面で略同じ方向に正反射する。上記正反射する方向は、上記２等辺３角形の底辺と略垂直の方向である。これにより、上記両光束５，６により干渉が生じる。この干渉光（干渉信号）は、ＯＬ８を通過した後、受光素子１０によって電気信号に変換される。この電気信号が、図示しない信号処理回路部で処理されて、上記被測定物９の速度が算出される。
【００７９】
図２は、本実施形態の光学系および被測定物９を備えるＬＤＶにおいて測定される波形の一例である。図２において、横軸は時間であり、縦軸は受光素子１０の出力である。本実施形態では、反射光のうちの正反射光成分を受光するので、図１２の従来のＬＤＶのような略均一の反射面に照射して拡散光を受光する場合に比べて、波面の乱れがほとんど無い。従来のＬＤＶで受光していた拡散光は、反射面の凹凸による光路長差に起因した光の位相差が生じる。光を無限に細い光束の集合体と考えると、各光束の一本一本はそれぞれ異なる位相を有すると考えられる。これらの光束の集合体は、上記式１のＥＡやφＡが異なる無限の級数和として考えることができるため、例えば、第１光束５による反射光を第１反射光とすると、この第１反射光は、下記の式２１のように表すことができる。
【数２１】
2006029912.tif 000018
【００８０】
同様に、第２光束６の反射光を第２反射光とすると、この第２反射光は、下記の式２２のように表すことができる。
【数２２】
2006029912.tif 000019
【００８１】
したがって、上記第１および第２反射光による干渉（ビート）信号は、下記の式２３のように表される。
2006029912.tif 000020
【００８２】
上記式２３を展開すると、上記式３のビート信号のｍ×ｎ個の和になる。これらは、結果的に一つの三角関数で表されるように合成することができる。しかし、上記被測定物９は移動しているため、各光束に対して反射点は時々刻々と変化するので、表面反射率が時間的に変化する。したがって、振幅を表す係数ＥＡやＥＢも時間的に変化し、さらに、反射面の凹凸により、各光束の位相を表すφｍやψnも時間的に変化する。したがって、上記式２３は、下記の式２４のように書き換えることができる。
2006029912.tif 000021
【００８３】
このように変化する干渉光に関して、従来のＬＤＶにおいては、振幅と位相が時間的に変化するので、被測定物９の表面形状が、光束の和であるＥ（ｔ）が殆ど零になる条件を満たすときに、図１２に示した波形のように、ドロップアウト状態に陥ってしまう。その結果、従来のＬＤＶは速度検出が不可能となる。
【００８４】
これに対して、本実施形態のＬＤＶでは、被測定物９の反射面は、入射光束の入射角に対応する角度を有し、さらに、上記反射面の表面は凹凸の少ない平滑面である。したがって、上記反射面で反射した反射光束は、殆ど位相を乱すことなく正反射光として所定方向（本実施形態では２等辺３角形の底辺の直角方向）に反射する。上記反射光束は、上記式２１および２２において、位相項であるφmとψnは、全て一定の値となる。位相が一定の値であれば、上記被測定物９の表面の反射率にムラがあり、被測定物９が移動し、あるいは、上記式２１および２２の振幅の係数が時間的に変化しても、理論的に振幅がゼロになることはない。図２の実験結果が得られたＬＤＶでは、被測定物９の反射面の表面を均一に形成したので、振幅の係数も時間的に殆ど変化しない。したがって、時間的に振幅の変化が殆ど無いビート信号が得られる。
【００８５】
このように、被測定物９の表面に傾斜角度を設け、この角度に対応して光束を入射させることにより、ドロップアウトを防ぐことができるので、ＬＤＶの信号を１パルス毎に高精度に検出することができる。また、被測定物９の反射面の形状は、移動方向に対して測定範囲内で周期的に連続しているので、安定した信号を連続して測定することができる。
【００８６】
図１では、上記被測定物９の反射面の形状は、低角の大きさがθである二等辺三角形の２等辺を連続して連ねたような周期構造にしている。これに対応して、第１および第２光束５，６の入射角を、２θにしている。このとき、上記式１３で示したように、速度を算出するときに必要となるパラメータのうち、反射面の角度や入射角のパラメータを一つ省くことができる。したがって、信号処理回路部を簡略化することが可能となる。
【００８７】
さらに、上記第１および第２光束５，６は、反射面への入射角を対称に設定すればよい。したがって、レンズを用いて上記第１および第２光束５，６を被測定物９上で重ね合わせる場合、通常のレンズ８を用いて、このレンズ８に第１および第２光束５，６を平行に入射させればよい。また、レンズを用いずに、例えばミラー等によって両光束５，６の進行方向を変えて被測定物９上で重ね合わせる場合、上記被測定物１１３に対して同じ角度でミラーを傾けて設置すればよいので、装置構成を簡略化することができる。
【００８８】
また、上記反射面への入射光の波長をλとし、被測定物９の反射面における凹凸の段差をｄとすると、ｄ＜λの関係を満たすことによって、上記反射面での上記光の反射を鏡面反射にすることができる。ここで、上記第１および第２光束５，６の位相が揃っているので、上記式３の(φA−φB)の値は時間的に変化せず、その結果、安定した強度の信号を得ることができる。このような被測定物９の反射面は、上記２等辺３角形状の構造を有する光学ミラーや、Ｓｉウェハ等で形成できる。特に、Ｓｉウェハは、その面方位を利用して異方性エッチングを行うことにより、断面Ｖ字形状を有して互いに所定角度を有する反射面を、正確に形成することができる。
【００８９】
また、図１のように、被測定物９の反射面が断面においてなす２等辺３角形に関して、底辺の長さを２Ｌとするとき、入射する第１および第２光束５，６によって被測定物９上に形成されるビームスポット径の大きさは、Ｌより大きくなるように設定している。特に、上記ビームスポット径は、２Ｌが好適である。ビームスポット径をＬより大きくすることによって、図１における右上がりの反射面と、右下がりの反射面との両方から、常に、互いに等しい光量の反射光を得ることができる（スポット径がＬより小さいと、一方の光束のみしか反射しない時間帯が生じる）。したがって、安定して干渉信号を得ることができる。特に、ビームスポットが２Ｌのときには、常に、第１光束の反射光量と、第２光束の反射光量とが等しくなるので、Ｓ／Ｎの良い干渉信号を得ることができる。
【００９０】
また、図３に示すように、被測定物９の反射面がなす２等辺３角形の低角θが３０°であり、第１および第２光束５，６の入射角が、上記２等辺３角形の底辺の直角方向に対して６０°であるとき、上記入射光束５，６は全て垂直に正反射する。したがって、上記被測定物９に入射する光のエネルギーをすべて干渉信号に変えることができるので、所定の強度の信号を得るために必要なレーザの光量を低減でき、ＬＤＶ装置の低消費電力化を図ることができる。上記２等辺３角形の底角が３０°よりも小さくなると、第１光束５が図３において右下がりの反射面に入射した成分は垂直に反射する一方、右上がりの斜面に入射した成分が出射角３θで反射するため、干渉信号に寄与しなくなる。第２光束６についても同様に、図３において右上がりの反射面に入射した成分は垂直方向に反射するが、右下がりの反射面に入射した成分は出射角３θで反射して、干渉信号の生成に寄与しなくなる。
【００９１】
また、上記第１実施形態において、第１光束５と第２光束６の光量を等しくすることにより、上記式３から明らかなように、Ｓ／Ｎ比を最大にできる。上記受光素子１０で検出される干渉信号のうち、上記式３において、第１項はＤＣノイズ成分であり、第２項はＡＣ信号成分であるが、ＡＣ／ＤＣの値が最大になるのはＥＡ＝ＥＢのときであり、上記第１光束５と第２光束６の光量が等しいときである。
【００９２】
以上の説明は、上記光束５，６の入射角や被測定物９の反射面の角度が正確に設定されたことが条件である。しかしながら、実際に光学系を組み、被測定物９に反射面を作製した場合、上記光束５，６の入射角や被測定物９の反射面の角度は、設計値に対して多少のズレが生じる。
【００９３】
例えば、図４Ａに示すように、両光束５，６の入射角が２θであり、被測定物９の反射面の形状が、この反射面が断面においてθ‘の底角を有する二等辺三角形である場合について説明する。このとき、図４Ａに示すように反射面に入射した両光束５，６は、上記２等辺３角形の底辺に対して直角に反射しないで、斜面の角度θ’に対応した方向にズレを生じて反射する。その結果、上記第１および第２光束５，６の反射光は、互いに重なり合う部分と、重なり合わない部分とが生じる。図４Ａには、受光素子１０に関して被測定物９と反対側に、上記受光素子１０の受光面を含む平面における反射光の形状を示している。破線が第１光束５の反射光の輪郭であり、実線が第２光束６の反射光の輪郭である。網掛けを付した領域１０ｓが、受光素子１０の受光領域に相当する領域である。図４Ａに示すように、受光素子１０は、両反射光束が重なり合う部分と、重なり合わない部分とを同時に受光することになり、上記重なり合わない部分の光束は光の干渉が無い。したがって、上記受光素子１０で光電変換された出力信号では、上記干渉が無い部分の光によるＤＣ成分が生じてノイズが生じることになる。
【００９４】
これに対して、図４Ｂに示すように、被測定物９と受光素子１０との間の適切な位置にピンホール１１を設置することにより、図４Ｂにおいて受光素子１０に関して被測定物９の反対側に図示するように、両反射光束が重なり合う部分のみを受光素子１０に入射させることができる。その結果、受光素子１０からのＤＣノイズ成分を除去できるので、第１および第２光束５，６の入射角および反射面の傾斜角度に誤差がある場合でも、Ｓ／Ｎの良い信号を得ることができる。
【００９５】
図５は、第１光束５が被測定物９で反射する際の光線の軌跡を示した図である。第１光束５は、ビーム径５ｄを有して被測定物９の反射面に入射する。この被測定物９の反射面の断面は、図５において２等辺３角形を２つ連ねたような形状を有する。この２つの２等辺３角形のうちの図５において右側の２等辺３角形に関して、右下がりの辺に相当する第１斜面９ａの一部と、左下がりの辺に相当する第２斜面９ｂの全部に上記第１光束５が入射する。さらに、図５において左側の２等辺３角形に関して、上記第２斜面９ｂに連なる斜面であって、右下がりの辺に相当する第３斜面９ｃの一部に、上記第１光束５が入射する。以下、上記第１光束５のうち、上記第１斜面９ａに入射する光束の部分を第１光束部５ａといい、上記第３斜面９ｃに入射する光束の部分を第２光束部５ｂという。
【００９６】
図５に示すように、上記第１光束部５ａが上記第１斜面９ａにおいて入射する範囲は、点Ｅと点Ａとの間であり、上記第２光束部５ｂが上記第３斜面９ｃにおいて入射する範囲は、点Ｂと点Ｆとの間である。点Ｃは、上記第１光束部５ａが第１斜面９ａで反射するときの等波面を、上記第２光束部に向かって延ばした線と、上記第２光束部５ｂの上記第１光束部５ａ側の境界線との交点である。点Ｄは、第３斜面９ｃの端である点Ｂで反射した第２光束部５ｂが、反射面の２等辺３角形の頂点の高さに達する点である。
【００９７】
上記被測定物９の反射面に入射した第１光束５のうち、第１斜面９ａおよび第３斜面９ｃで反射した第１光束部５ａおよび第３光束部５ｃは、上記２等辺３角形の底面に対して直角方向に反射する。第１光束部５ａおよび第２光束部５ｂは、それぞれ異なる位相φI、φIIを有して進行する反射光となっている。これらの位相差φI−φIIは、第１光束部５ａと第２光束部５ｂの光路差に対応しており、ＣＢ＋ＢＤの距離に相当する。この距離ｄは、下記の式２５のように、２等辺３角形の底辺の長さＬおよび底角θとで表される。
2006029912.tif 000022
【００９８】
したがって、第１光束部５ａと第２光束部５ｂの反射光は、下記の式２６および２７のように表される。
2006029912.tif 000023
【００９９】
ここで、Ａ，Ｂは第１光束部５ａと第２光束部５ｂの光強度であり、ω0は光の各周波数であり、ωdは移動する被測定物９で反射することによるドップラー周波数偏移である。
【０１００】
第１光束５の第１光束部５ａと第２光束部５ｂは、干渉により、位相差に応じて強め合うまたは弱め合うことになるが、両光束の位相差が、下記の式２８の条件を満たす場合、第１光束部５ａと第２光束部５ｂとが弱め合うことは無い。
2006029912.tif 000024
ここで、ｎは自然数である。
【０１０１】
したがって、上記式２８を満たす場合、確実に安定したＬＤＶの干渉信号を得ることができる。
【０１０２】
以上、第1光束５について説明したが、第２光束６についても同様である。また、Ａ＝Ｂであって、6π/λ・Ltanθ=πのとき、両光束５，６は打ち消しあって完全に消滅してしまう。このような状態を避けることにより、すなわち、反射面の形状を決定するＬおよびθと、ＬＤ１の発光波長のλとを、6π/λ・Ltanθ=πが成立しないように設定することにより、干渉信号が検出不能になることは無い。
【０１０３】
本実施形態における移動情報検出装置としてのＬＤＶは、被測定物９の速度を検出するものであるが、信号処理の段階において、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を得ることができる。これにより、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エンコーダを構成することができる。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μｍレベルの分解能を得ることができ、信号処理により、さらにサブミクロンまで分解能を上げることができる。さらに、被測定物９に、図６に示すように、断面における右上がり斜面９ｅと、右下がり斜面９ｆとが環状に交互に配置された反射面を形成する。これにより、上記被測定物９の回転速度および位置を高精度に検出可能なエンコーダを形成することができる。
【０１０４】
（第２実施形態）
図７は、本発明の第２実施形態の光学式移動情報検出装置としてのドップラー速度計（ＬＤＶ）を示す概略構成図である。図７では、光学部品の主要な部品および光線の軌跡のみを図示し、光学部品を保持する部品等は省略している。また、図７において、第１実施形態の構成部分と同一の部分には、第１実施形態で用いた参照番号と同一の参照番号を付して、詳細な説明を省略する。また、図中にｘ、ｙ、ｚ軸の各座標軸が示してあるが、これは座標軸の一例であり、レンズ等の構成部分の向きや、レーザ光の偏光方向を限定するものではない。
【０１０５】
本実施形態のＬＤＶでは、ＬＤ１からｚ軸方向に出射した光は、ＣＬ２および絞り３によって円形コリメート光に変換される。そして、第１光分岐素子としてのＢＳ４ａによって、ｚ軸方向に直進する第１光束５ａと、反射されてｙ軸方向に進む第２光束５ｂとに分割される。上記ＢＳ４ａを通過した第１光束５ａは、その後、第２光分岐素子としてのＢＳ４ｂによって、ｚ軸方向に直進する第３光束６ａと、反射されてｘ軸方向に進む第４光束６ｂとに分割される。この第４光束６ｂは、第１ミラー１７ａによって進行方向がｘ軸方向からｚ軸方向に変換される。
【０１０６】
また、上記ＢＳ４ａで反射された第２光束５ｂは、第３光分岐素子としてのＢＳ４ｃによって、ｙ軸方向に直進する第５光束７ａと、反射されてｚ軸方向に進む第６光束７ｂとに分割される。上記ＢＳ４ｃを通過した第５光束７ａは、第２ミラー１７ｂによって進行方向がｙ軸方向からｚ軸方向に変換される。これにより、上記第３乃至第６光束６ａ，６ｂ，７ａ，７ｂは、全てｚ軸に平行となる。上記第３光束６ａと第４光束６ｂは第１ＯＬ８ａに入射する一方、上記第５光束７ａと第６光束７ｂは第２ＯＬ８ｂに入射する。両レンズ８ａ，８ｂを通過した各光束は、レンズの焦点距離に置かれた被測定物９上の異なる点に、それぞれビームスポットを形成する。図７の破線の円形領域内に示した拡大模式図のように、上記被測定物９の表面には、四角柱形状の側面を有する突起が、ｘｙ平面内に連続して繰返して配置されたような形状の反射面が形成されている。これにより、ｘｚ平面に平行な面に沿って入射する第３光束６ａと第４光束６ｂは、それぞれ＋ｘ方向と−ｘ方向から入射して、被測定物９の−ｘ方向と＋ｘ方向を向いた反射面によって、ｚ軸方向に正反射する。この正反射光は、干渉が生じて干渉信号１２ａとなって第１受光素子１０ａに検出される。
【０１０７】
また、ｙｚ平面に平行な面に沿って入射する上記第５光束７ａと第６光束７ｂは、それぞれ＋ｙ方向と−ｙ方向から入射し、被測定物９の−ｙ方向と＋ｙ方向を向いた反射面によって、ｚ軸方向に正反射する。この正反射光は、干渉が生じて干渉信号１２ｂとなって第２受光素子１０ｂに検出される。
【０１０８】
以上のように、第２実施形態のＬＤＶでは、第１受光素子１０ａで検出される干渉信号１２ａから被測定物９のｘ軸方向の速度を求めることができると共に、第２受光素子１０ｂで検出される干渉信号１２ｂから被測定物９のｙ軸方向の速度を求めることができる。したがって、被測定物９の２次元の移動情報を検出することができる。
【０１０９】
図８は、第２実施形態の光学式移動情報検出装置の変形例としてのドップラー速度計（ＬＤＶ）の概略構成図である。図８では、光学部品の主要な部品と光線の軌跡のみを図示して、光学部品を保持する部品等は省略している。また、図８において、図７のＬＤＶの構成部分と同一の構成部分には、図７における参照番号と同一の参照番号を付して、詳細な説明を省略する。
【０１１０】
本実施形態では、光学系は図７のＬＤＶと同様であるが、被測定物９の反射面が、図８に模式的に示すように、四角柱形状の側面を有する複数の窪みで形成されている点が、図７のＬＤＶと異なる。上記複数の窪みで形成された反射面により、図７のＬＤＶと同様に、２次元の移動情報を検出することができる。
【０１１１】
上記第２実施形態およびその変形例において、ｘ軸方向の移動情報を検出する干渉信号１２ａと、ｙ軸方向の移動情報を検出する干渉信号１２ｂを、例えばレンズや回折格子などを用いて集光することにより、第１受光素子１０ａおよび第２受光素子１０ｂを同一半導体基板上に形成することができる。これにより、ＬＤＶを小型化できるとともに、低コスト化することができる。
【０１１２】
さらに、上記各実施形態において、受光素子１０と、この受光素子１０で検出された信号を処理する信号処理回路部（図示せず）とを、同一の半導体基板上に形成することにより、部品点数を削減でき、ＬＤＶの小型化や低コスト化をすることができる。
【０１１３】
なお、上記各実施形態のＬＤＶは、被測定物９の移動速度を検出するものであるが、信号処理回路による信号処理において、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を算出することができる。特に、本発明によるＬＤＶは、ドロップアウトによる信号不感状態を防ぐことができるので、パルスカウント等により１パルス毎の移動情報を測定することができる。したがって、非常に高精度に被測定物９の移動情報を検出することができる。上記ＬＤＶの干渉縞間隔は数μｍであるので、変位計としての分解能をμｍレベルにすることができ、また、信号処理によりサブミクロンレベルまで分解能を上げることが可能である。したがって、高分解能エンコーダとして最適である。
【０１１４】
上記各実施形態において、例示により光学系を説明したが、全ての実施形態において、光学系は上述のものに限られるものではなく、同様の効果が得られる光学系であればどのようなものでもよい。
【図面の簡単な説明】
【０１１５】
【図１】本発明の第１実施形態の光学式移動情報検出装置を示す概略構成図である。
【図２】図１の光学式移動情報検出装置において測定される波形の一例を示す図である。
【図３】図１の光学式移動情報検出装置に関して、被測定物の反射面と光学系の一部を示す図である。
【図４Ａ】反射面への光束の入射角度にズレが生じた様子を示す図である。
【図４Ｂ】ピンホールを光学系に設けた場合に、反射面への光束の入射角度にズレが生じた様子を示す図である。
【図５】第１光束が被測定物で反射する際の光線の軌跡を示す図である。
【図６】反射面が環状に配置された被測定物を示す図である。
【図７】本発明の第２実施形態の光学式移動情報検出装置を示す概略構成図である。
【図８】第２実施形態の変形例の光学式移動情報検出装置を示す概略構成図である。
【図９】従来のＬＤＶの光学系を示す図である。
【図１０】被測定物と、観測点と、光源との位置関係を説明する図である。
【図１１】図９の２つの光束が重なり合う部分を示す拡大図である。
【図１２】従来の光学式移動情報検出装置において測定される波形の一例を示す図である。
【符号の説明】
【０１１６】
１  半導体レーザ
２  コリメータレンズ
３  絞り
４  ビームスプリッタ
５  第１光束
６  第２光束
８  集光レンズ
９  被測定物
１０  受光素子
１１  ピンホール
１２  干渉信号
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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