(57)【要約】【課題】測定対象物と受光素子との離間距離に依存せずに、反射光学像を用いて高精度に測定対象物の測定装置との相対変位等を測定する。【解決手段】測定装置は、可干渉性を有する発散光束を射出する光源１０と、光源から測定対象物２０に照射された光束により発生した反射光学像を受光する受光素子３１とを有する。測定装置は、光源の発光面と受光素子の受光面は同じ平面Ｃ上に配設され、光源から射出された発散光束を光学パワーを持った面を介さずに測定対象物に照射する。測定装置は、ｔａｎ（θ／２）＞Ｄ／（２・Ｌ）を満足する。θは光源の配光角度範囲、Ｄは光源の発光領域の中心と受光素子の受光領域の中心との間の距離、Ｌは光源の発光面から測定対象物までの距離である。【選択図】図２
2011013083.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
可干渉性を有する発散光束を射出する光源と、前記光源から射出された発散光束を測定対象物に照射し、生成された反射光学像を受光する受光素子とを有する装置であり、前記測定対象物の該装置との相対変位量、相対変位速度が可能な測定装置であって、
前記光源の発光面と前記受光素子の受光面は同一平面上に配設され、前記光源から射出された発散光束を光学パワーを持った面を介さずに前記測定対象物に照射し、かつ以下の条件を満足することを特徴とする測定装置。
ｔａｎ（θ／２）＞Ｄ／（２・Ｌ）
ただし、θは前記光源の配光角度範囲、Ｄは前記光源の発光領域の中心と前記受光素子の受光領域の中心との間の距離、Ｌは前記光源の発光面から前記測定対象物までの距離である。
【請求項２】
前記光源の発光面と前記受光素子の受光面が配置された前記平面は、前記測定対象物が該測定装置と相対変位する平面と平行であることを特徴とする請求項１に記載の測定装置。
【請求項３】
前記光源の発光面から前記測定対象物までの距離と前記測定対象物から前記受光素子の受光面までの距離とが等しいことを特徴とする請求項１又は２に記載の測定装置。
【請求項４】
前記測定対象物の該測定装置との相対変位方向に対して直交する軸上に、前記光源と前記受光素子とが配置されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の測定装置。
【請求項５】
前記光源は、電流狭窄構造を有するＬＥＤであることを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載の測定装置。
【請求項６】
前記光源の発光窓の寸法が、前記受光素子の受光面上に形成される反射光学像の平均空間強度分布の平均周期の１／２以下であることを特徴とする請求項１から５のいずれか１つに記載の測定装置。
【請求項７】
複数の前記受光素子を有し、
該複数の受光素子からの出力信号を用いて前記測定を行うことを特徴とする請求項１から６のいずれか１つに記載の測定装置。
【請求項８】
請求項１から７のいずれか１つに記載の測定装置を有することを特徴とする光学機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、可干渉性の光を照射した物体からの拡散反射光により生じるスペックル・パターン又は測定対象物の表面の凹凸形状の結像作用や干渉作用から生成された光強度分布を有する光学像を利用して該物体の変位や変位速度を非接触測定する測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
Ｈｅ−Ｎｅレーザ等のコヒーレント光を散乱面に照射すると、不規則な粒状模様が現れる。このような粒状模様は、散乱面によってランダムに散乱及び回折されてランダムな位相関係を持った散乱光同士が重なり合った結果生じる干渉光によるものであり、スペックル・パターンと呼ばれている。
スペックル・パターンを用いて、物体の変位や変位速度を計測することができる。スペックル・パターンの静的及び動的な特性や各種計測への応用については、よく知られており、また特許文献１及び特許文献２には、スペックル・パターンを用いて物体の表面粗さを計測する方法が開示されている。
これらのような計測において、スペックル・パターンを発生させるためには必ずしも結像光学系を用いる必要はなく、単に入射レーザ光によって粗面物体が照明され、そこからの散乱光が自由空間を伝播しただけでもスペックル・パターンは生ずる。これを回折界のスペックル・パターンと呼ぶ。回折界のスペックル・パターンにおいても、特殊な場合を除き、スペックル・パターンは粗面物体の移動に伴って、計測系の配置で決まる一定の比率で移動する。
スペックル・パターンの移動検出方法としては、スペックル・パターンの生成面又は結像面にイメージセンサやフォトダイオードアレイを配置する方法や、移動前後のスペックル・パターンの像を感光材料に２重記録する方法等が提案されている。
回折界のレーザスペックル・パターン（レーザスペックル）を利用した速度測定法については、特許文献３にて開示されている。ただし、このような回折界のレーザスペックルを利用し、移動物体からの反射光を受光する方式の速度測定装置では、移動物体の振動や傾斜によって測定誤差が大きくなる。特に、移動物体が傾斜すると、該移動物体での反射光を受光することができなくなり、測定不能となることがある。
図１３には、特許文献３にて開示された速度測定方法の概略を示している。移動物体（粗面物体）５０１が図中の右方向に面内移動しているとき、その表面にレーザ光源５０２からのレーザ光を投光レンズ５０３を介して斜めから照射する。そして、移動物体５０１での反射光を、スペックル・パターンの並進方向に平行に配置した受光センサ５０４Ａ，５０４Ｂにより検出し、検出した光信号の時間的ずれ量を、相関処理器５０５により相互相関処理することで、移動物体５０１の速度を検出する。
ここで、移動物体５０１の移動速度をＶｏｂとし、並進倍率をσとし、受光センサ５０４Ａ，５０４Ｂ上でのスペックル・パターンの移動速度をＶｓｐとする。また、受光センサ５０４Ａ，５０４Ｂの離間距離をＸとし、投光レンズ５０３と移動物体５０１との間に形成されるビームウェスト５０６と移動物体５０１との離間距離をＺａとする。さらに、移動物体５０１と受光センサ５０４Ａ，５０４Ｂとの離間距離をＺｂとする。このとき、受光センサ５０４Ａ，５０４Ｂで検出した光信号の時間的ずれ量τｄは、以下の式で与えられる。
Ｖｏｂ＝σ×Ｖｓｐ
σ＝１＋Ｚｂ／Ｚａ
τｄ＝Ｘ／Ｖｏｂ＝Ｘ／σＶｓｐ
ただし、Ｘとσは既知とする。
受光センサ５０４Ｂからは、受光センサ５０４Ａでの受光信号の波形に対して時間的ずれ量τｄを持った同様な受光信号の波形が出力される。このため、時間的ずれ量τｄを測定すれば、上記式によって移動物体５０１の移動速度Ｖｏｂを求めることができる。
このような測定系において、移動物体５０１に面外変位が発生すると、離間距離Ｚａ，Ｚｂが変化し、既知の値として使用する並進倍率σの値に対する誤差が発生する。この結果、算出された移動物体５０１の移動速度Ｖｏｂに誤差が生じる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開昭６３−２７４８０７号公報
【特許文献２】特開昭５１−１２４４５４号公報
【特許文献３】特開平４−８６５６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このように、スペックル・パターンを利用した測定方法は、非接触で粗面物体の面内変位や移動速度等を測定するには適しているが、移動物体に対する照明系や検出系のアライメントを正確かつ安定的に保つ必要がある。特許文献３にて開示された測定系では、照明系及び検出系は、移動物体に対してそれぞれ斜めに配置されている。このような傾斜照明系及び傾斜検出系を避け、垂直照明系及び垂直検出系を採用するためには、ハーフミラーやビームスプリッタ等の光学部品を用いる必要があるため、部品点数の増加によって測定装置の小型化が妨げられる。
一方、結像光学系を用いた像界のスペックル・パターンを利用して速度を測定する方法もある。この測定方法によれば、移動物体の振動や傾斜の影響をキャンセルすることが可能である。ただし、この測定方法では、センサと移動物体とを、これらが結像関係になるような位置に正確に設置することが必要となり、設置が困難である。
本発明は、測定対象物と受光素子との離間距離に依存せずに、スペックル・パターン等を用いて高精度に測定対象物の光源（測定装置）との相対変位、相対変位速度又は表面粗さを計測することが可能な小型の測定装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の一側面としての測定装置は、可干渉性を有する発散光束を射出する光源と、光源から測定対象物に照射された光束により発生したスペックル・パターンあるいは測定対象物の表面の凹凸形状の結像作用、干渉作用から生成された光強度分布を有する光学像を受光する受光素子とを有する装置であり、測定対象物の該装置との相対変位量、相対変位速度を測定する。該測定装置は、光源の発光面と受光素子の受光面は同じ平面上に配設され、光源から射出された発散光束を光学パワーを持った面を介さずに測定対象物に照射する。そして、該測定装置は、以下の条件を満足することを特徴とする。
【０００６】
Ｔａｎ（θ／２）＞Ｄ／（２・Ｌ）
ただし、θは光源の配光角度範囲、Ｄは光源の発光領域の中心と受光素子の受光領域の中心との間の距離、Ｌは光源の発光面から測定対象物までの距離である。
【０００７】
なお、上記測定装置を有するカメラ、交換レンズ、プリンタ、複写機等の機器も本発明の他の一側面を構成する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、スペックル・パターン又は測定対象物の表面の凹凸形状の結像作用や干渉作用から生成された光強度分布を有する光学像を利用した小型の測定装置を実現できる。しかも、本発明によれは、測定対象物と検出装置との離間距離が変化しても、高精度に測定対象物の光源（測定装置）との相対変位、相対変位速度又は表面粗さを計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施例１である測定装置の斜視図、正面図及び側面断面図。
【図２】実施例１の測定装置の斜視図。
【図３】実施例１の測定装置の詳細説明図。
【図４】実施例１の測定装置における信号処理回路部の回路図及び出力信号の波形図。
【図５】従来の測定装置と実施例１の測定装置の差を説明する図。
【図６】実施例１の測定装置の光学構成を示す図。
【図７】実施例１の測定装置における出力信号の例を示す図。
【図８】本発明の実施例２である測定装置の構成を示す図。
【図９】本発明の実施例３である測定装置の構成を示す図。
【図１０】本発明の実施例４であるカラー複写機の一部の構成を示す図。
【図１１】本発明の実施例５であるインクジェットプリンタの一部の構成を示す図。
【図１２】本発明の実施例６であるビデオカメラの構成を示す図。
【図１３】従来の測定装置の構成を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の好ましい実施例について図面を参照しながら説明する。
【実施例１】
【００１１】
図１の（Ａ）及び（Ｂ）には、本発明の実施例１である測定装置の概略構成を示している。また、図２には、該測定装置においてスペックル・パターン又は測定対象物の表面の凹凸形状の結像作用や干渉作用から生成された光強度分布を有する光学像（以下、反射光学像という）が形成される様子を示している。
図１の（Ａ）及び図２において、Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３はそれぞれ、後述する発光窓の短辺方向、フォトダイオードアレイの配列方向（反射光学像のピッチ方向）、及び測定対象物の面内方向である。また、Ｙ１，Ｙ２，Ｙ３はそれぞれ、発光窓の長辺方向、フォトダイオードアレイを構成する各フォトダイオードの長手方向、及び測定対象物の他の面内方向である。さらに、Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３はそれぞれ、発光窓（発光面）、フォトダイオードアレイ（受光面）及び物体の表面に垂直な方向である。
これらの図において、１０は光源としての電流狭窄型半導体発光素子であり、発光領域を発光層の一部に限定するための電流狭窄構造を有する化合物半導体発光素子である。発光素子１０は、点光源である。以下の説明において、この発光素子をＬＥＤチップ１０と称する。１１はＬＥＤチップ１０の有効発光領域を形成する発光窓である。
２０は測定対象物（以下、単に物体という）であり、その表面は金属粗面のような光学的な拡散面として形成されている。この物体２０は、測定装置（つまりはＬＥＤチップ１０）に対して、Ｘ３方向に移動する。
なお、本実施例では、物体２０が測定装置に対して移動する場合について説明するが、固定された物体２０に対して測定装置が移動してもよい。言い換えれば、測定装置と物体２０とが相対移動すればよい。
本実施例の測定装置は、物体２０の測定装置との相対変位量、相対変位速度又は物体２０の表面粗さを測定することができるが、ここでは、測定装置に対する物体２０の移動量を測定するものとして説明する。
３１は反射光学像を受光する受光素子であり、本実施例では、フォトダイオードアレイを用いて構成されている。以下の説明においては、この受光素子を、フォトダイオードアレイ３１と称する。３０はフォトＩＣチップであり、信号処理回路部３４及びフォトダイオードアレイ３１を含むシリコン半導体素子である。
ＬＥＤチップ１０と、フォトダイオードアレイ３１及び信号処理回路３４を含むフォトＩＣチップ３０とにより、反射型光学式センサとしての検出ヘッド４０が構成される。
ＬＥＤチップ１０から射出した発散光束は、物体２０の表面上の広い範囲に照射される。そして、物体２０の粗面の各点で散乱された光が互いに干渉し合うことで、ＬＥＤチップ１０やフォトＩＣチップ３０を含む広い空間領域で不規則な干渉パターン、結像パターンである反射光学像ＳＰを形成する。なお、ＬＥＤチップ１０から射出された発散光束は、光学パワーを持った面を介さずに、すなわち直接、物体２０に照射される。
物体２０の粗面（表面）がＸ３方向に移動すると、スペックル・パターンＳＰは移動しながら変形する。物体表面の変位や変形による反射光学像ＳＰの移動は、該変位及び変形の種類や、光を物体に照射したり反射光学像ＳＰを検出したりするための光学系や、反射光学像の検出位置（観察位置）に依存している。反射光学像ＳＰには、物体２０への照射光の発散又は収束や反射光学像ＳＰの観察位置によって、物体２０の変位が拡大されて現れたり、逆に縮小されて現れたりする。
本実施例では、ＬＥＤチップ１０から射出した光束は発散光束として物体２０に照射され、かつ照射光束の波面の曲率半径と観察位置との関係から、反射光学像ＳＰの並進倍率（変位拡大倍率）は２倍となっている。
物体２０の粗面が面内移動（平行移動）するときの反射光学像ＳＰの大きさは、ＬＥＤチップ１０の発光窓１１の大きさ、照射光の照射面（粗面）上での大きさ、及び照射光の波面の曲率半径等により決定される。反射光学像ＳＰの形状は、照射光の波長、物体２０への入射角化、及び物体２０の粗面の構造に依存する。
図１の（Ｂ）及び図２には、フォトダイオードアレイ３１の近傍に形成された、平均ピッチがＰである反射光学像ＳＰを示している。
図１の（Ｂ）において、ＬＥＤチップ１０の発光窓（発光面）１１から物体２０の表面までの距離と、物体２０の表面からフォトダイオードアレイ３１の受光面までの距離とは互いに等しく、距離Ｌに設定されている。言い換えれば、ＬＥＤチップ１０の発光面とフォトダイオードアレイ３１の受光面は、図中にＣで示す同一平面上に配設されている。この関係を有する場合、スペックル・パターンの変位量は物体２０の移動量の２倍となる。
なお、平面Ｃは、物体２０が移動する（物体２０が測定装置と相対変位する）平面と平行な平面である。また、ＬＥＤチップ１０とフォトダイオードアレイ３１は、物体２０の測定装置との相対変位方向に対して直交する軸上にそれぞれ配置されている
図３の（Ａ）〜（Ｃ）には、上述した検出ヘッド４０の詳細を示している。（Ａ）には、ＬＥＤチップ１０とフォトＩＣチップ３０の詳細を示す。ＬＥＤチップ１０の発光窓（有効発光領域）１１は、４０×１５０μｍ程度の矩形又は楕円形状に形成されている。
ＬＥＤチップ１０は、中心発光波長：λｃ＝６５０ｎｍの赤色ＬＥＤであり、発光波長のスペクトル半値幅：Δλ≒１５ｎｍ前後である。
発光窓１１の短辺方向（４０μｍ幅の方向）は、Ｘ１方向に平行に設けられている。この発光窓１１の短辺の幅は、光源としての空間的な可干渉性を決定する重要な寸法であり、スペックル・パターンの斑点形状及びその光学的なコントラストに影響を与える。具体的には、発光窓１１の短辺の幅は、フォトダイオードアレイ３１の受光面上に形成される反射光学像の平均空間強度分布の平均周期の１／２以下とすることが好ましい。
ＬＥＤチップ１０の下側には、フォトＩＣチップ３０が配置されている。フォトＩＣチップ３０のうちＬＥＤチップ１０に近い側にフォトダイオードアレイ３１が配置され、ＬＥＤチップ１０から遠い側に信号処理回路部３４が配置されている。
フォトダイオードアレイ３１においては、図中の水平方向であるＸ２方向に、１６個のフォトダイオード３２ａ，３２ｂ，３２ｄ，３２ｄ，３３ａ，・・・，３４ｄ，３５ａ，３５ｂ，３５ｃ，３５ｄが等間隔に配列されている。
これらフォトダイオードは、フォトダイオードアレイ面上に形成される反射光学像の平均ピッチＰが検出できるように、該アレイ面に投影される光の強度分布として、寸法Ｐに対応する基本空間周波数成分が抽出できるように配列されている。この寸法Ｐに相当する周期を、検出ヘッド４０の基本周期という。
１６個のフォトダイオードは、基本周期Ｐの１／４のピッチ、すなわちＰ／４ピッチで配列されている。また、これらフォトダイオードは、左から４個を１セットとする４つのセット（３１，３２，３３，３４）として配置されている。４個のフォトダイオードは、互いに９０°位相がずれたＡ相及びＢ相の出力を得る２個のフォトダイオードと、これらに対してそれぞれ１８０°位相がずれたＡＢ相及びＢＢ相の出力を得る２個のフォトダイオードとを含む。
このようなフォトダイオードの配置により、物体２０の移動に伴って、互いに９０°位相のずれたＡ相，ＡＢ相，Ｂ相及びＢＢ相の出力電流が得られる。これらの出力電流は、信号処理回路部３４内に設けられた電流電圧変換器で電圧値に変換され、差動増幅器によりＡ相とＡＢ相の差動と、Ｂ相とＢＢ相の差動とがとられることで、互いに９０°位相のずれたＡ相及びＢ相の変位出力信号が得られる。
図３の（Ｂ）には、それぞれ半導体素子であるＬＥＤチップ１０とフォトＩＣチップ３０を封止するパッケージを示している。（Ｂ）に示すように、ＬＥＤチップ１０とフォトＩＣチップ３０の間には、ＬＥＤチップ１０の発光窓１１から射出した光がフォトダイオードアレイ３１に直接入射しないようにするための遮光壁４８が設けられている。
また、図３の（Ｃ）には、検出ヘッド４０と物体２０との間の光路を示している。ただし、この光路は、物体２０の表面が鏡面である場合の光路である。
これに対し、図３の（Ｄ）には、物体２０の表面が粗面である場合の検出ヘッド４０と物体２０との間の光路を示している。該光路は、物体２０の表面からの反射光によりスペックル・パターンが形成される場合の該スペックル像の形成に寄与する光線の光路である。
（Ｃ），（Ｄ）に示すように、検出ヘッド４０は、ＬＥＤチップ１０及びフォトＩＣチップ３０を支持する配線基板４４と、ＬＥＤチップ１０及びフォトＩＣチップ３０を覆うように配置された透光性の封止樹脂４５を有する。さらに、検出ヘッド４０は、封止樹脂４５上に配設された透明ガラス４６を有する。
図４の（Ａ）には、信号処理回路部３４の回路構成を示している。図３の（Ａ）に示した１６個のフォトダイオード３２ａ，３２ｂ，３２ｄ，３２ｄ，３３ａ，・・・，３４ｄ，３５ａ，３５ｂ，３５ｃ，３５ｄにおいて、同じ添え字ａ，ｂ，ｃ，ｄが付されたフォトダイオードは互いに電気的に接続されている。例えば、フォトダイオード３２ａ，３３ａ，３４ａ，３５ａは互いに電気的に接続されている。以下、添え字ａが付された４個のフォトダイオードをａ相フォトダイオード１１６といい、添え字ｂが付された４個のフォトダイオードをｂ相フォトダイオード１１７という。また、添え字ｃが付された４個のフォトダイオードをｃ相フォトダイオード１１８といい、添え字ｄが付された４個のフォトダイオードをｄ相フォトダイオード１１９という。
ａ相〜ｄ相フォトダイオード１１６〜１１９からの出力信号は、電気回路ユニット１２１に入力される。電気回路ユニット１２１は、ＬＥＤチップ１０の発光部１１２の発光回路と、アナログ信号処理部１２３と、物体２０の移動量を算出して該物体２０の位置を求める位置演算部１２２とを含む。アナログ信号処理部１２３は、図４の（ｂ）に示すように、ａ相及びｃ相フォトダイオード１１６，１１８の差動出力としてＡ相出力信号ＶＡを得るとともに、ｃ相及びｄ相フォトダイオード１１７，１１９の差動出力としてＢ相出力信号ＶＢを得る。
位置演算部１２２に入力されるアナログ信号処理部１２３からのＡ相及びＢ相出力信号ＶＡ，ＶＢは、交流成分Ｖａ，Ｖｂと、直流成分Ｖｒｅｆ２との和となる。位置演算部１２２は、Ａ相出力信号（ＶＡ＝Ｖａ＋Ｖｒｅｆ２）又はＢ相出力信号（ＶＢ＝Ｖｂ＋Ｖｒｅｆ２）から該信号のピークを計数し、物体２０の移動に伴う反射光学像の通過回数を得る。反射光学像の平均ピッチＰに、計数した通過回数を乗じることで、物体２０の移動量が算出される。
また、Ａ相及びＢ相出力信号の交流成分に基づいて、Ａ相とＢ相間の位相角を算出することにより、反射光学像の平均ピッチＰ以下の移動量を算出することができる。
例えば、Ａ相及びＢ相の正弦波状の出力信号を逆正接演算して逆正接値（ａｒｃｔａｎ  値）を求めて位相角を算出する方法により、移動量の検出分解能を高めることができる。
【００１２】
次に、ＬＥＤチップ１０として、電流狭窄型半導体発光素子（電流狭窄ＬＥＤ）を用いることによる測定装置の優位な点について説明する。
図５の（Ａ），（Ｂ）はそれぞれ、光源としてレーザダイオード１０′を用いた場合と電流狭窄ＬＥＤである本実施例のＬＥＤチップ１０を用いた場合での測定装置の光学構成（上図）と配向角度範囲（下図）を示している。なお、これらの図では、これまで説明した反射型の光学構成とは異なり、該反射型光学構成と等価な透過型光学構成を示している。
前述したように、光源（レーザダイオード１０′，ＬＥＤチップ１０）とフォトダイオードアレイ３１はそれぞれ、物体２０に対して等しい距離（Ｚａ＝Ｚｂ）の位置に配置されている。なお、フォトダイオードアレイ３１は、光源の主光線上に配置されている。図中の３１ｂは、フォトダイオードアレイ３１を主光線上からオフセットさせて配置した場合を示している。
（Ａ）では、レーザダイオード１０′の配光特性により、物体２０上にはスポット光が照射される。このとき、レーザダイオード１０′の配向角度範囲θ１が狭いため、オフセット配置されたフォトダイオードアレイ３１ｂには、ほとんど光が入射せず、光の利用効率が悪い。したがって、レーザダイオード１０′を光源として用いる場合には、該レーザダイオード１０′の光軸の近傍にフォトダイオードアレイ３１を配置する必要がある。
一方、（Ｂ）では、ＬＥＤチップ１０の配向角度範囲θ２がレーザダイオード１０′のそれよりも広いので、物体２０上の広い範囲に光が照射される。この場合、フォトダイオードアレイ３１及びオフセット配置されたフォトダイオードアレイ３１ｂのいずれにも十分な光量の光を入射させることができる。
図６の（Ａ）には、図５の（Ｂ）に示したＬＥＤチップ１０の位置を３１ｂにより示した位置に移動させた場合の測定装置の透過型光学構成（上図）と配向角度範囲（下図）を示している。また、図６の（Ｂ）は、図６（Ａ）の光学構成と等価な反射型光学構成（上図）と配向角度範囲（下図）を示している。（Ｂ）に示す光学構成が、本実施例における実際の光学構成を示している。
本実施例の測定装置では、光源１０の発光面と測定対象体２０までの距離Ｚａと受光素子３１ｂと測定対象体２０までの距離Ｚｂを等距離に配置するとともに、この光源の配光特性θについて以下の条件を満足する。
ｔａｎ（θ／２）＞Ｄ／（２・Ｌ）  …（１）
条件式（１）において、図６の（Ａ）および（Ｂ）に示すように、θはＬＥＤチップ１０の配光角度範囲、ＤはＬＥＤチップ１０の発光領域の中心とフォトダイオードアレイ３１の受光領域の中心との間の距離である。また、Ｌ（Ｚａ＝Ｚｂ）はＬＥＤチップ１０の発光面から物体２０までの距離である。
条件（１）は、図６図における光源１０の配光角度範囲θ内に受光領域３１の受光中心が含まれる配置条件を示したものである。
本実施例では、光源であるＬＥＤチップ１０として、配光角度範囲θが広い電流狭窄ＬＥＤを用いることで、図６の（Ｂ）に示すような配置が可能となる。ＬＥＤチップ１０及びフォトダイオードアレイ３１は、図３の（Ｃ），（Ｄ）に示すように同一の配線基板４４上に実装することにより、これらと物体２０までの離間距離（Ｌ）を等しくすることができる。この結果、離間距離Ｌ（＝Ｚａ＝Ｚｂ）が変動しても、反射光学像の並進倍率σ（σ＝２）の値を一定に保つことが可能であり、反射光学像の大きさや形状も安定する。
以上、説明した本実施例によれば、物体２０とフォトダイオードアレイ３１との離間距離が変化しても、反射光学像を利用して高精度に物体２０の移動量を計測することが可能な小型の測定装置を実現することができる。
【実施例２】
【００１３】
図７には、本発明の実施例２である測定装置における出力信号の例を示している。図７の上段には、先に示した図4での信号処理回路部３４内で生成されるアナログ信号Ａ相，Ｂ相，およびそれらの信号を２値化したデジタル信号ＤＡ相及びＤＢ相の信号値を示している。また、図７の中段には、アナログ信号処理部１２３から出力されるＡ相及びＢ相出力信号を示している。さらに、図７の下段には、アナログ信号Ａ相、Ｂ相をそれぞれＸ、Ｙ軸としたリサージュ図形を示す。
実施例１にて説明した測定装置では、受光素子としてフォトダイオードアレイ３１を用いている。しかし、この場合、図７の上段の丸で囲まれた部分のデジタル信号波形のように、一般的な反射光学像検出系で問題となるドロップアウト現象、すなわち信号の欠落がある頻度で発生するという問題は、本発明においても原理的な問題であって避けなければならない。測定対象物の変位量等の測定ができなくなる状態が生ずる可能性があるためである。
この場合、一般的には、受光素子３１からの信号出力が欠落した状態を補完するように他の受光素子を設け、その受光素子から信号出力によりドロップアウト現象の発生を回避することが可能である。
図８は、具体的なドロップアウト回避を目的とする構成を有する、本発明の実施例２の測定装置である。。この測定装置では、１つのＬＥＤチップ１０から物体２０における互いに異なる２つの領域に光を照射する。そして、該２つの領域でそれぞれ反射された光によって発生する２領域の反射光学像をそれぞれ別々の２つのフォトＩＣチップ３０（フォトダイオードアレイ３１）で受光することによりドロップアウトが回避できる。
本実施例においても、実施例１と同様に、光源１０の発光面と測定対象体２０までの距離Ｚａと受光素子３１と測定対象体２０までの距離Ｚｂを等距離に配置し、かつ光源の配光特性θについても条件（１）を満足する構成が有効な配置となる。特に、本実施例においては、図８の２つの受光領域３１について条件（１）が満足されなければならない。
この実施例においては、２つのフォトＩＣチップ３０に対して共通のＬＥＤチップ１０を用いることができ、低コストで小型の測定装置を構成することができる利点がある。
【実施例３】
【００１４】
実施例２のように２つの受光領域３１を備えた測定装置を用いて、いわゆる区間速度検出法により、物体２０の移動速度を計測することが可能である。区間速度検出法では、反射光学像の相互相関をとることにより該反射光学像の通過時間を計測し、反射光学像の移動速度を検知して、物体２０の移動速度を計測する。
図９の（Ａ），（Ｂ）、（Ｃ）にはそれぞれ、区間速度検出法を行うことが可能な測定装置の構成を示している。いずれの測定装置でも、複数（本実施例では２つ）の受光素子（フォトダイオードアレイ３１）に対してＬＥＤチップ１０を共通化することで、小型化及び低コスト化を図ることができる。
区間速度検出法においては、速度検出精度を高めるために２つの受光素子間の距離Ｍが重要である。このため、（Ｂ）に示す測定装置では、１つのフォトＩＣ３０に２つのフォトダイオードアレイ３１を設けている。これにより、（Ａ）、（Ｃ）に示す測定装置のように２つのフォトＩＣ３０を基板に実装して用いる（実装誤差が生じやすい）場合に比べて、より高精度に距離Ｍを設定することができる。
本実施例においても、実施例１と同様に、光源１０の発光面と測定対象体２０までの距離Ｚａと受光素子３１と測定対象体２０までの距離Ｚｂを等距離に配置し、かつ光源の配光特性θについても条件（１）を満足する構成が有効な配置となる。特に、本実施例においては、図９の２つの受光領域３１について条件（１）が満足されなければならない。
この例において、物体２０の速度を高い精度で検出するために、２つの受光領域３１で観測した反射光学像の相関処理を実施する。このとき、相関精度を高めるために重要な点は、受光する２領域の照度分布が同一であることで、先に示した条件（１）はそのための必須要件となる。
【実施例４】
【００１５】
図１０の（Ａ）には、本発明の実施例４である光学機器としてのカラー複写機（画像形成装置）の中間転写ベルト部を示している。（Ｂ）はその側面図を示している。
この複写機は、中間転写ベルト（測定対象物）３１０を有する転写ユニットを有する。中間転写ベルト３１０は、駆動ローラ３０９と２つの従動ローラ３１５，３１６との間に巻き掛けられている。制御ユニット３７０によりモータ３０７が駆動され、その回転がギア３０８を介して駆動ローラ３０９に伝達されることにより、中間転写ベルト３１０が図中の矢印Ｆの方向に回動する。
【００１６】
中間転写ベルト３１０の平面部の上方には、該中間転写ベルト３１０の回動方向に沿って、不図示の４色の感光体が配設されている。そして、中間転写ベルト３１０の内側には、各感光体との間に中間転写ベルト３１０を挟むように、４つの１次転写ローラ（図示せず）が配置されている。
【００１７】
カラー複写機においては、高精度に４色像の位置合わせが行われる。このとき、中間転写ベルト３１０に速度変動が生じると色ずれが発生し、画像の品位が低下する。したがって、中間転写ベルト３１０の速度を高精度に制御する必要がある。
このため、本実施例では、制御ユニット３７０が、実施例１，２で説明した反射型光学式センサとしての検出ヘッド３０６Ａ，３０６Ｂを用いて、区間速度検出法により、該検出ヘッド３０６Ａ，３０６Ｂ間の距離Ｍでの中間転写ベルト３１０の移動速度を検出する。なお、制御ユニット３７０は、検出ヘッド３０６Ａ，３０６Ｂとともに測定装置を構成する。
そして、制御ユニット３７０は、検出された移動速度に基づいて、駆動ローラ３０９の回転速度を制御することで、中間転写ベルト３１０の回動速度を一定に維持することができる。
【００１８】
なお、検出ヘッド３０６Ａ，３０６Ｂを、中間転写ベルト３１０の内周に設けてもよい。
この実施例において、実施例３の検出装置構成を適用することも可能で、２個の検出ヘッド３０６Ａと３０６Ｂを２個用いるより経済的で且つ小型化が可能である。
【実施例５】
【００１９】
図１１には、本発明の実施例５である光学機器としてのインクジェットプリンタの印字ヘッド部及びシート搬送部を示している。
図１１において、７０１は筐体である。６０９は紙等のシートであり、図中の矢印Ｇ方向に搬送される。６０４は印字ヘッドやインクタンク６０５を保持するキャリッジユニットであり、ガイドバー７０５に沿って矢印Ｈ方向に駆動される。７０３はシート搬送用の駆動モータである。７０３は駆動軸上に設けられたギアであり、７０４はアイドラーギアである。７０６は主搬送ローラ軸上に設けられたギアである。
６０６はキャリッジユニット６０４に取り付けられた、実施例１〜３で説明した測定装置の一部を構成する反射型光学式センサとしての検出ヘッドである。該検出ヘット６０６は、シート（測定対象物）６０９に対して光を照射する。
本実施例では、検出ヘッド６０６を通じて２次元方向での移動量測定を行うように構成されており、シート６０９のＧ方向での搬送量（移動量）を測定すると同時に、キャリッジユニット６０４のＨ方向での移動量も測定する。
従来のインクジェットプリンタにおいては、キャリッジユニットの移動量を測定するためにリニアエンコーダが用いられていたが、インクジェットプリンタの小型化に伴ってリニアエンコーダの装着スペースが限られ、リニアスケールを併用する必要があった。
しかし、本実施例によれば、１つの検出ヘッド６０６を用いてシート６０９の搬送量とキャリッジユニット６０４の移動量とを測定することができるので、このような問題を解消することができる。また、本実施例の検出ヘッド（つまりは測定装置）は、さらに小型のモバイルプリンタに対してより好適である。
【実施例６】
【００２０】
図１２には、本発明の実施例６である光学機器としてのビデオカメラ（撮像装置）の構成を示している。なお、デジタルスチルカメラや交換レンズにおいて本実施例と同様の構成を採用してもよい。
このビデオカメラでは、レンズ保持枠８１１，８１４によりそれぞれ保持されたバリエータとしての変倍レンズ８０１ｂ及びフォーカスレンズ８０１ｄを、ボイスコイルアクチュエータを用いて光軸方向に駆動する。
８２０，８２１は実施例１〜３で説明した検出ヘッドである。８１６ａ，８１６ｂはそれぞれ、変倍レンズ８０１ｂ及びフォーカスレンズ８０１ｄを駆動するボイスコイルアクチュエータの一部を構成するコイル（測定対象物）であり、レンズ保持枠８１１，８１４と一体的に移動する。検出ヘッド８２０，８２１は、該コイル８１６ａ，８１６ｂの粗面に光を照射し、そこからの反射光を受光する。検出ヘッド８２０，８２１からの出力信号はそれぞれ、信号処理回路８２２，８２３に入力され、ここでコイル８１６ａ，８１６ｂ（つまりは変倍レンズ８０１ｂ及びフォーカスレンズ８０１ｄ）の移動量（位置）が検出（測定）される。
【００２１】
信号処理回路８２２，８２３は変倍レンズ８０１ｂ及びフォーカスレンズ８０１ｄの位置情報をＣＰＵ８２４に送る。検出ヘッド８２０，８２１と信号処理回路８２２，８２３により測定装置が構成される。
ＣＰＵ８２４は、変倍レンズ８０１ｂ及びフォーカスレンズ８０１ｄの位置情報に基づいて、ドライバ８２８，８２９を介してコイル８１６ａ，８１６ｂへの通電を制御する。これにより、変倍レンズ８０１ｂ及びフォーカスレンズ８０１ｄをそれぞれの目標位置に移動させることができる。
変倍レンズ８０１ｂ及びフォーカスレンズ８０１ｄを含む撮像光学系により形成された被写体像は、ＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサ等の撮像素子８２５により電気信号に変換される。撮像素子８２５からの出力信号に対して画像処理回路８２６により各種処理が施される。これにより、画像信号が生成される。
上記のようにボイスコイルアクチュエータを用いてレンズを駆動する小型のビデオカメラには、実施例１等で説明した検出ヘッド（つまりは測定装置）が好適である。従来、８２０，８２１で示す部位には、リニアタイプボリューム（可変抵抗器）や、グレーコードパターンが形成された電極上をブラシが摺動するタイプの位置検出器が設けられていた。その他に、レンズ保持枠とともに移動する光学素子とＰＳＤ等の光電変換素子とによりレンズの位置検出を行う位置検出器が設けられる場合もあった。ただし、いずれも大きな配置スペースを必要としていた。
これに対し、本実施例では、ボイスコイルアクチュエータの一部であるコイル８１６ａ，８１６ｂの粗面を用いて非接触で位置検出を行う。これにより、大きな配置スペースを不要とし、ビデオカメラの設計自由度を上げたり、ビデオカメラをより小型化したりすることができる。
以上説明した各実施例は代表的な例にすぎず、本発明の実施に際しては、各実施例に対して種々の変形や変更が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００２２】
測定対象物と受光素子との離間距離に依存せずに、スペックル・パターン等を用いて高精度に測定対象物の光源（測定装置）との相対変位、相対変位速度又は表面粗さを計測することが可能な測定装置を提供できる。
【符号の説明】
【００２３】
１０  ＬＥＤチップ（光源）
１１  発光窓
２０  物体（測定対象物）
３０  フォトＩＣ
３１  フォトダイオードアレイ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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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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【図１３】
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