(57)【要約】【課題】被測定物の移動速度を広い範囲の速度帯で高精度に検出できる光学式移動情報検出装置を提供する。【解決手段】被測定物１６からの散乱光による干渉光が回折格子３により分割された２つの異なる位相成分を第１,第２ＰＤ２１,２２に第２光学系により夫々導く。第１,第２ＰＤ２１,２２からの受光信号を夫々受けた第１,第２信号処理回路部１８,１９から、干渉光の一方の位相成分を表す第１信号として出力し、第２ＰＤ２２からの受光信号を受けた第２信号処理回路部１９から、干渉光の他方の位相成分を表す第２信号として出力する。上記第１信号と第２信号とを用いて、第３信号処理回路部２０によりノイズ成分が除去された干渉光信号である第３信号を出力する。そして、上記第３信号の周波数を検出し、その周波数に基づいて移動速度検出部４０により被測定物１６の移動速度を検出する。【選択図】図１
2005227077.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上記可干渉性の光を第１光束および第２光束に分割する光分岐素子と、
上記光分岐素子によって分割された上記第１,第２光束の少なくとも一方を、移動する被測定物に照射する第１光学系と、
上記第１光学系の上記第１,第２光束のいずれか一方の光軸上に配置され、光の位相を変更する位相変更手段と、
上記第１,第２光束の両方が上記被測定物に照射されたときの上記被測定物からの散乱光による干渉光、または、上記第１,第２光束の一方が上記被測定物に照射されたときの上記被測定物からの散乱光と上記第１,第２光束の他方との干渉による干渉光を、第１受光素子と第２受光素子に導く第２光学系と、
上記第２光学系の上記被測定物からの散乱光による干渉光を、上記位相変更手段によって生じた２つの異なる位相成分に分割して、分割された２つの異なる位相成分を上記第１,第２受光素子に夫々受光させる干渉光分割手段と、
上記第１受光素子からの受光信号を受けて、上記干渉光の一方の位相成分を表す第１信号として出力する第１信号処理回路部と、
上記第２受光素子からの受光信号を受けて、上記干渉光の他方の位相成分を表す第２信号として出力する第２信号処理回路部と、
上記第１信号処理回路部からの第１信号と上記第２信号処理回路部からの第２信号とを用いて、ノイズ成分が除去された干渉光信号である第３信号を出力する第３信号処理回路部と、
上記第３信号処理回路部からの上記第３信号の周波数を検出し、その周波数に基づいて上記被測定物の移動速度を検出する移動速度検出部とを備えた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、
上記第３信号処理回路部は、
上記第１信号と上記第２信号とを差動演算して、その演算結果を第３信号として出力する差動演算部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、
上記第１受光素子と上記第２受光素子は、上記被測定物の同一検出点からの散乱光による干渉光を受光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、
上記第３信号処理回路部は、
上記第１信号処理回路部からの第１信号と上記第２信号処理回路部からの第２信号を信号レベルが合うように規格化する規格化演算部を有し、
上記差動演算部は、上記規格化演算部により規格化された上記第１信号と上記第２信号とを差動演算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４に記載の光学式移動情報検出装置において、
上記規格化演算部は、上記第１信号処理回路部からの第１信号および上記第２信号処理回路部からの第２信号の振幅の正側の最大値または負側の最大値の少なくとも一方に基づいて、上記第１信号と上記第２信号を規格化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４に記載の光学式移動情報検出装置において、
上記規格化演算部は、上記第１信号処理回路部からの第１信号および上記第２信号処理回路部からの第２信号の振幅のピークトウピーク値に基づいて、上記第１信号と上記第２信号を規格化す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１乃至６のいずれか１つに記載の光学式移動情報検出装置において、
上記第１信号の位相と上記第２信号の位相とを検出して、上記第１信号と上記第２信号との位相差を検出する第４信号処理回路部を備えた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４信号処理回路部により検出された位相差に基づいて、上記被測定物の移動方向を検出する移動方向検出部を備えた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１に記載の光学式移動情報検出装置において、
上記移動速度検出部に周波数カウンタを用いた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、
上記移動速度検出部に高速フーリエ変換(ＦＦＴ)を用いた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光学系と上記第２光学系に同一のレンズを用いた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,第２受光素子は、同一半導体基板上に形成されたフォトダイオード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１３】
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,第２受光素子は、同一半導体基板上に形成された分割型フォトダイオード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１４】
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３信号処理回路部は、
上記第１信号処理回路部からの第１信号のレベルを調整するためのアッテネータ回路部と、
上記アッテネータ回路部によりレベルが調整された第１信号の振幅の最大値を保持する第１ピークホールド回路部と、
上記第２信号処理回路部からの第２信号の振幅の最大値を保持する第２ピークホールド回路部と、
上記第１ピークホールド回路部からの第１信号の振幅の最大値を表す信号と上記第２ピークホールド回路部からの第２信号の振幅の最大値を表す信号とを差動演算し、その差を表す信号を上記アッテネータ回路部に入力する第１差動演算部と、
上記アッテネータ回路部によりレベルが調整された第１信号と上記第２信号処理回路部からの第２信号とを差動演算して、上記第３信号として出力する第２差動演算部とを有し、
上記第１差動演算部からの差を表す信号に基づいて、上記第１ピークホールド回路部からの第１信号の振幅の最大値を表す信号と上記第２ピークホールド回路部からの第２信号の振幅の最大値を表す信号との差がなくなるように、上記アッテネータ回路部により上記第１信号処理回路部からの第１信号のレベルを調整することを特徴とする光学式移動情報検出装置。
【請求項１５】
請求項１４に記載の光学式移動情報検出装置において、
上記第３信号処理回路部は、
上記アッテネータ回路部に入力される第１信号のレベルを設定するための第１抵抗と、
上記第２ピークホールド回路部に入力される第２信号のレベルを設定するための第２抵抗とを有し、
上記アッテネータ回路部に入力される第１信号のレベルが上記第２ピークホールド回路部に入力される第２信号のレベルよりも大きくなるように、上記第２抵抗および上記第１抵抗の抵抗値を設定したことを特徴とする光学式移動情報検出装置。
【請求項１６】
請求項１乃至１５のいずれか１つに記載の光学式移動情報検出装置において、
上記第１受光素子と上記第２受光素子および上記第１,第２,第３信号処理回路部が、同一半導体基板上に形成された信号処理回路内蔵型受光素子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１７】
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信号処理回路部および上記第２信号処理回路部が、アナログ信号である第１信号と第２信号を夫々出力するアナログ増幅回路を用いて構成されており、
上記第１信号処理回路部からの第１信号をアナログ／デジタル変換して、変換された第１デジタル信号を出力する第１Ａ／Ｄ変換回路と、
上記第２信号処理回路部からの第２信号をアナログ／デジタル変換して、変換された第２デジタル信号を出力する第２Ａ／Ｄ変換回路と、
上記第１,第２Ａ／Ｄ変換回路により変換された第１,第２デジタル信号を格納するメモリとを備え、
上記第３信号処理回路部の上記規格化演算部は、上記メモリに格納された第１,第２デジタル信号に基づいて、上記第１Ａ／Ｄ変換回路からの第１デジタル信号と上記第２Ａ／Ｄ変換回路からの第２デジタル信号の信号レベルが合うように規格化し、
上記第３信号処理回路部の上記差動演算部は、上記規格化演算部により規格化された第１デジタル信号と上記第２デジタル信号との差分を求める差動演算をして、その演算結果をデジタル信号である第３信号として出力す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、
上記第１Ａ／Ｄ変換回路により変換された上記第１デジタル信号の位相と上記第２Ａ／Ｄ変換回路により変換された上記第２デジタル信号の位相とを検出して、上記第１デジタル信号と上記第２デジタル信号との位相差を演算する第４信号処理回路部を備えた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１乃至１８のいずれか１つに記載の光学式移動情報検出装置において、
上記第１信号処理回路部は、上記第１受光素子からの受光信号が夫々入力され、帯域の異なるバンドパスフィルタ特性を有する複数の増幅回路部を有すると共に、
上記第２信号処理回路部は、上記第２受光素子からの受光信号が夫々入力され、帯域の異なるバンドパスフィルタ特性を有する複数の増幅回路部を有し、
上記第１信号処理回路部の複数の増幅回路部の出力のうちのいずれか１つを選択すると共に、上記第２信号処理回路部の複数の増幅回路部の出力のうちのいずれか１つを選択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１乃至１９のいずれか１つに記載の光学式移動情報検出装置を直交座標系に２つ配置し、上記直交座標の各座標軸の方向について少なくとも移動速度を検出することを特徴とする移動情報検出システム。
【請求項２１】
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された光を第１光束、第２光束および第３光束に分割する光分岐素子と、
上記第１光束の光軸上に配置され、光の位相を変更する位相変更手段と、
上記位相変更手段により位相が変更された第１光束と、上記第２光束および第３光束を、移動する被測定物上の同一スポットに照射する第１光学系と、
上記被測定物からの散乱光のうちの上記第１,第２光束による干渉光を第１-1受光素子と第１-2受光素子である第１受光素子群に導く第２光学系と、
上記第２光学系の上記第１,第２光束による干渉光を、上記位相変更手段によって生じた２つの異なる位相成分に分割して、分割された２つの異なる位相成分を上記第１-1,第１-2受光素子に夫々受光させる第１干渉光分割手段と、
上記被測定物からの散乱光のうちの上記第１,第３光束による干渉光を第２-1受光素子および第２-2受光素子である第２受光素子群に導く第３光学系と、
上記第３光学系の上記第１,第２光束による干渉光を、上記位相変更手段によって生じた２つの異なる位相成分に分割して、分割された２つの異なる位相成分を上記第２-1,第２-2受光素子に夫々受光させる第２干渉光分割手段と、
上記第１-1受光素子からの受光信号を受けて、上記第１,第２光束による干渉光の一方の位相成分を表す第１-1信号として出力する第１-1信号処理回路部と、
上記第１-2受光素子からの受光信号を受けて、上記第１,第２光束による干渉光の他方の位相成分を表す第１-2信号として出力する第１-2信号処理回路部と、
上記第２-1受光素子からの受光信号を受けて、上記第１,第３光束による干渉光の一方の位相成分を表す第２-1信号として出力する第２-1信号処理回路部と、
上記第２-2受光素子からの受光信号を受けて、上記第１,第３光束による干渉光の他方の位相成分を表す第２-2信号として出力する第２-2信号処理回路部と、
上記第１-1信号処理回路部からの第１-1信号と上記第２-1信号処理回路部からの第２-1信号とを用いて、ノイズ成分が除去された干渉光信号である第３-1信号として出力する第３-1信号処理回路部と、
上記第１-2信号処理回路部からの第１-2信号と上記第２-2信号処理回路部からの第２-2信号とを用いて、ノイズ成分が除去された干渉光信号である第３-2信号として出力する第３-2信号処理回路部とを有し、
上記第３-1信号処理回路部からの上記第３-1信号の周波数を検出し、上記第３-2信号処理回路部からの上記第３-2信号の周波数を検出し、上記第３-1信号と上記第３-2信号の周波数に基づいて上記被測定物の移動速度を検出する移動速度検出部とを備えた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乃至１９のいずれか１つに記載の光学式移動情報検出装置または請求項２０に記載の移動情報検出システムを用いたことを特徴とする電子機器。
【請求項２３】
請求項１乃至１９のいずれか１つに記載の光学式移動情報検出装置または請求項２０に記載の移動情報検出システムを用いたことを特徴とするエンコーダ。
【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および移動情報検出システムおよび電子機器およびエンコーダに関し、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を含む被測定物からの散乱光を受光して被測定物の速度を検出するドップラー速度計として用いられる光学式移動情報検出装置およびそれを用いた移動情報検出システムおよび電子機器およびエンコーダに関するものである。特に、本発明は、高精度に速度を検出する信号処理技術およびその検出可能な速度帯域を拡大する信号処理技術に関するものであり、同時に小型のドップラー速度計に利用可能な信号処理技術に関するものであり、さらに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検出装置としても適用できる光学式移動情報検出装置を内蔵した電子機器に関するものである。
【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とき、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)という)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検出するものである。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。  
【０００３】
図１１に従来の代表的な差動型ＬＤＶの光学系図を示している(例えば、特開平３−２３５０６０号公報(特許文献１)参照)。図１１において、１０１は半導体レーザ(以下、ＬＤ(Laser Diode)という)、１０２は受光素子(以下、ＰＤ(Photo Diode)という)、１０３は回折格子、１０４はコリメーターレンズ(以下、ＣＬ)、１０５はミラー、１０６は集光レンズ(以下、ＯＬ)、１０７,１０８はそれぞれ回折格子による±１次の回折光の第１光束、第２光束である。この光学系では、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、回折格子１０３により角度θの回折角で±１次の回折光に分割されて第１光束１０７と第２光束１０８となる。それぞれの光束はミラー１０５で反射した後、被測定物上に入射角θで重ね合わせられる。被測定物１１４により散乱されたそれぞれの光束はドップラー周波数偏移(±ｆd)を受けており、ＬＤ１０１の発振周波数(ｆ0)と異なるため、これらの干渉波はうなりを生じる。これをビート信号と呼ぶ。このビート信号のうなり周波数を受光素子１０２でヘテロダイン検波することにより、被測定物の移動速度を求めることができる。以下に詳細に説明する。
【０００４】
いま、物体の移動方向を図１１のように右向きを正方向とすると、第１光束１０７に対しては−ｆd、第２光束１０８に対しては＋ｆd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−ｆd)、第２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、
2005227077.tif 000003
と表すことができるので、第１光束１０７、第２光束１０８は、
(式１)
2005227077.tif 000004
(式２)
2005227077.tif 000005
と表すことができる。ただし、Ｅ0、ＥA、ＥBはそれぞれの光の振幅、φA、φBはそれぞれの光の位相を表す。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、上記(式１)と(式２)の干渉波は、
(式３)
2005227077.tif 000006
と表すことができる。ただし、上記(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。
【０００５】
図１２は被測定物１１４が速度Ｖで移動するとき、任意の角度(α、β)で２光束を入射し、任意の角度(γ)で散乱光を受光したときの図である。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、被測定物１１４の移動速度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)
2005227077.tif 000007
と表せる。また、移動物体(被測定物１１４)から見たそれぞれの光の見かけの周波数f A1,fB1は、
(式５)
2005227077.tif 000008
それぞれの散乱(反射)光と移動物体の相対速度ＶA2,ＶB2は、
(式６)
2005227077.tif 000009
となる。よって、観測点から見た光の周波数ｆA2, f B2は、
(式７)
2005227077.tif 000010
と表すことができる。上記(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光束のうなり周波数 は、c ≫Ｖを用いて、
(式８)
2005227077.tif 000011
となり、観測点の位置(角度：γ)に依らないことがわかる。図１１においては、
α＝β＝θ
であるので、図１１の一般的なＬＤＶ光学系において、上記(式８)より、
(式９)
2005227077.tif 000012
が成立する。よって、上記(式３)で表される周波数２ｆdを測定し、上記(式９)を用いて計算することにより、物体の移動速度Ｖを求めることができる。
【０００６】
また、上記(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１３は図１１の２光束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光束が交差しており、図中の破線は各光束の等波面の一部を示している。この破線と破線の間隔が光の波長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、
(式１０)
2005227077.tif 000013
で表される。図１３のように、物体(黒丸●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)
2005227077.tif 000014
となり、上記(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。
【０００７】
以上のようなＬＤＶにおいて、受光素子で光電変換して得られる信号は、上記(式３)に示されるようにＤＣ成分とＡＣ成分の和になっている。ここで、上記(式９)や(式１１)で示したようにＬＤＶにおいては、その信号の周波数が被測定物の移動速度と比例関係にあることを利用するものであり、検出すべきパラメータは周波数である。理想的なＬＤＶの信号は、上記(式３)に示すように一定のＤＣレベル＝(ＥA2＋Ｅ B2)／２を中心に振幅＝ ＥAＥBで振動しているが、実際には使用する光源のコヒーレンス性やビームスポット重なりのズレ、両光束の光量ばらつき、被測定物での表面反射率の入射角依存などによりＡＣ信号の振幅に対してＤＣ信号レベルが大きくなってしまい、直接受光素子で測定したのでは、ＡＣ信号は大きなＤＣノイズの埋もれてしまい、非常にＳ／Ｎの悪い信号となってしまうため、被測定物の移動速度を正確に測定することはできない。
【０００８】
このような問題に対して、一般には図１４に示すようにフォトダイオードで受光して光電変換した信号を各種ＢＰＦ等を用い、ＤＣ成分を除去してＡＣ成分のみを抽出することができ、さらに信号成分を増幅回路でアンプすることによりＳ／Ｎの高い信号を得ることができる。図１４において、１１０はＨＰＦ、１１２,１１３はＬＰＦ、１１１はＬＰＦ１１２,１１３の時定数を決める抵抗とキャパシタである。
【０００９】
しかしながら、ドップラー速度計で測定される信号のＡＣ成分は測定目的であるドップラー周波数偏移のみではなく、高周波や低周波のノイズが含まれており、このＡＣノイズが上述のＢＰＦを通過してしまい、速度検出を困難にするという問題がある。このうち特に大きな問題となるのが低周波ノイズである。一般にＬＤＶで速度を検出する対象は、紛体や流体、固体表面など様々なものがあり、それらは移動しているので紛体や流体では含まれる粒子の密度の大小などにより、固体表面では表面反射率のばらつきにより反射光強度は変化するため、その変化に起因した周波数をもつノイズが生じる。このように、ＬＤＶの信号には反射光強度のばらつきによる低周波のノイズ成分が含まれている。上記のＢＰＦは、この低周波ノイズ成分を帯域外に設定し、ドップラー信号を帯域内に設定することにより速度を検出することができるが、この低周波ノイズ成分の周波数は、測定目的のドップラー周波数とともに被測定物の移動速度の大小に従って増減するため、移動速度が大きくなると低周波ノイズ成分の周波数も大きくなり、ＢＰＦの通過域に入ってしまいＳ／Ｎの低い信号となってしまう。また、被測定物の移動速度範囲に対して、低周波ノイズがＢＰＦの通過域に入らないように十分に高い周波数域に設定することにより、この問題を回避することができるが、検出可能な速度範囲が非常に狭くなり、ＬＤＶの実用の範囲を大きく制限してしまうことになる。
【特許文献１】特開平３−２３５０６０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、上記の問題を鑑みてなされたものであり、被測定物の移動速度を広い範囲の速度帯で高精度に検出できる光学式移動情報検出装置およびそれを用いたおよび移動情報検出システムおよび電子機器およびエンコーダを提供するものである。
【００１１】
また、本発明は、検出した移動速度と時間情報を用いて変位情報を算出できる光学式移動情報検出装置およびそれを用いたおよび移動情報検出システムおよび電子機器およびエンコーダを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するため、この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上記可干渉性の光を第１光束および第２光束に分割する光分岐素子と、上記光分岐素子によって分割された上記第１,第２光束の少なくとも一方を、移動する被測定物に照射する第１光学系と、上記第１光学系の上記第１,第２光束のいずれか一方の光軸上に配置され、光の位相を変更する位相変更手段と、上記第１,第２光束の両方が上記被測定物に照射されたときの上記被測定物からの散乱光による干渉光、または、上記第１,第２光束の一方が上記被測定物に照射されたときの上記被測定物からの散乱光と上記第１,第２光束の他方との干渉による干渉光を、第１受光素子と第２受光素子に導く第２光学系と、上記第２光学系の上記被測定物からの散乱光による干渉光を、上記位相変更手段によって生じた２つの異なる位相成分に分割して、分割された２つの異なる位相成分を上記第１,第２受光素子に夫々受光させる干渉光分割手段と、上記第１受光素子からの受光信号を受けて、上記干渉光の一方の位相成分を表す第１信号として出力する第１信号処理回路部と、上記第２受光素子からの受光信号を受けて、上記干渉光の他方の位相成分を表す第２信号として出力する第２信号処理回路部と、上記第１信号処理回路部からの第１信号と上記第２信号処理回路部からの第２信号とを用いて、ノイズ成分が除去された干渉光信号である第３信号を出力する第３信号処理回路部と、上記第３信号処理回路部からの上記第３信号の周波数を検出し、その周波数に基づいて上記被測定物の移動速度を検出する移動速度検出部とを備えたことを特徴とする。
【００１３】
上記構成の光学式移動情報検出装置によれば、上記第１信号と第２信号に含まれる低周波ノイズはほぼ同位相であり、検出すべき干渉光信号の周波数は意図的に位相変更手段により位相差が設けられているため、第１信号と第２信号の差をとることにより低周波ノイズは相殺されるが、被測定物の移動速度を検出するのに必要な干渉光信号は残る。このように、２つの光束(一方が位相遅延)が照射された被測定物からの散乱光による干渉光を位相の異なる２成分に分割し、分割された２つの干渉光信号を用いて低周波ノイズが効果的に除去された干渉光信号を得て、その干渉光信号に基づいて被測定物の移動速度を広い速度範囲で高精度に検出できる。
【００１４】
また、一実施形態の光学式移動情報検出装置は、上記第３信号処理回路部は、上記第１信号と上記第２信号とを差動演算して、その演算結果を第３信号として出力する差動演算部を有することを特徴とする。
【００１５】
上記実施形態の光学式移動情報検出装置によれば、上記第３信号処理回路部の差動演算部によって、第１信号と第２信号とを差動演算して、その演算結果を第３信号として出力するので、効果的に低周波ノイズを除去できる。
【００１６】
また、一実施形態の光学式移動情報検出装置は、上記第１受光素子と上記第２受光素子は、上記被測定物の同一検出点からの散乱光による干渉光を受光することを特徴とする。
【００１７】
被測定物の移動速度は、第１光束と第２光束が被測定物上で重なっている点(ビームスポット)から反射した拡散光から求めることができるが、被測定物に伸び縮みがある場合、また粒子などの個々の運動が独立している場合、場所によって移動速度が異なる。第３信号は第１信号と第２信号の差で与えられるが、上記のように場所によって速度が異なる物体を測定するようなとき、第１受光素子と第２受光素子がそれぞれレンズで異なるビームスポット内の点に焦点が合っているとき、異なる速度を検出することになる。このとき、第１信号と第２信号で周波数が異なるため、低周波ノイズを効果的に除去できない上に、測定したい速度の周波数が検出できない。そこで、上記実施形態の光学式移動情報検出装置によれば、上記第１受光素子と第２受光素子は、上記被測定物の同一検出点からの散乱光による干渉光を受光するので、低周波ノイズを効果的に除去された干渉光信号を得ることができる。
【００１８】
また、一実施形態の光学式移動情報検出装置は、上記第３信号処理回路部は、上記第１信号処理回路部からの第１信号と上記第２信号処理回路部からの第２信号を信号レベルが合うように規格化する規格化演算部を有し、上記差動演算部は、上記規格化演算部により規格化された上記第１信号と上記第２信号とを差動演算することを特徴とする。
【００１９】
上記実施形態の光学式移動情報検出装置によれば、第１信号と第２信号の差動演算を行う場合、上記規格化演算部により第１信号と第２信号が規格化されて、第１信号と第２信号の信号強度を同じにすることによって、低周波ノイズ成分を効果的に除去できる。
【００２０】
また、一実施形態の光学式移動情報検出装置は、上記規格化演算部は、上記第１信号処理回路部からの第１信号および上記第２信号処理回路部からの第２信号の振幅の正側の最大値または負側の最大値の少なくとも一方に基づいて、上記第１信号と上記第２信号を規格化することを特徴とする。
【００２１】
上記実施形態の光学式移動情報検出装置によれば、信号は三角関数で測定されるため、正と負の両方の値をもつがどちらか一方に対してピークホールド回路などを用いて第１信号および第２信号の振幅の正側の最大値または負側の最大値の少なくとも一方を検出し、その最大値を用いて第１信号と第２信号を規格化する。
【００２２】
また、一実施形態の光学式移動情報検出装置は、上記規格化演算部は、上記第１信号処理回路部からの第１信号および上記第２信号処理回路部からの第２信号の振幅のピークトウピーク値に基づいて、上記第１信号と上記第２信号を規格化することを特徴とする。
【００２３】
上記実施形態の光学式移動情報検出装置によれば、上記第１信号と第２信号の正と負の両方のピークを検出し、ピークトゥピーク値(振幅最大値)を用いて信号を規格化することにより、より効果的に低周波ノイズを除去することができる。
【００２４】
また、一実施形態の光学式移動情報検出装置は、上記第１信号の位相と上記第２信号の位相とを検出して、上記第１信号と上記第２信号との位相差を検出する第４信号処理回路部を備えたことを特徴とする。
【００２５】
上記実施形態の光学式移動情報検出装置によれば、上記第４信号処理回路部により第１信号と第２信号の位相差を検出することにより、被測定物の移動方向を検出することができる。
【００２６】
また、一実施形態の光学式移動情報検出装置は、上記第４信号処理回路部により検出された位相差に基づいて、上記被測定物の移動方向を検出する移動方向検出部を備えたことを特徴とする。
【００２７】
上記実施形態の光学式移動情報検出装置によれば、上記第４信号処理回路部により検出された位相差の正負により被測定物の移動方向を判定することが可能となる。
【００２８】
また、一実施形態の光学式移動情報検出装置は、上記移動速度検出部に周波数カウンタを用いたことを特徴とする。
【００２９】
上記実施形態の光学式移動情報検出装置によれば、例えば信号強度がある閾値以上になる時間間隔を周波数カウンタを用いて検出することにより、移動速度を求めることができる。さらに、第１信号と第２信号が閾値以上になるタイミングで位相差を検出できるため、被測定物の移動方向も検出することができる。
【００３０】
また、一実施形態の光学式移動情報検出装置は、上記移動速度検出部に高速フーリエ変換(ＦＦＴ)を用いたことを特徴とする。
【００３１】
上記実施形態の光学式移動情報検出装置によれば、一定時間の信号を取り込んで高速フーリエ変換(ＦＦＴ)することにより、周波数を求めることができる。さらに、ＦＦＴの計算過程で求められる実部と虚部の比から信号の位相を求めることができ、被測定物の移動方向を検出することができる。
【００３２】
また、一実施形態の光学式移動情報検出装置は、上記第１光学系と上記第２光学系に同一のレンズを用いたことを特徴とする。
【００３３】
上記実施形態の光学式移動情報検出装置によれば、第１光学系と第２光学系のレンズを同一とすることにより、第１受光素子と第２受光素子の同一スポットからの受光を容易に実現できる。
【００３４】
また、一実施形態の光学式移動情報検出装置は、上記第１,第２受光素子は、同一半導体基板上に形成されたフォトダイオードであることを特徴とする。
【００３５】
上記実施形態の光学式移動情報検出装置によれば、第１,第２受光素子であるフォトダイオードが同一半導体基板に形成されることにより、部品点数が削減できる。
【００３６】
また、一実施形態の光学式移動情報検出装置は、上記第１,第２受光素子は、同一半導体基板上に形成された分割型フォトダイオードであることを特徴とする。
【００３７】
上記実施形態の光学式移動情報検出装置によれば、第１,第２受光素子を同一半導体基板に形成された分割型のフォトダイオードとすることにより、チップ面積を縮小でき、小型化と低コスト化が実現できる。
【００３８】
また、一実施形態の光学式移動情報検出装置は、上記第３信号処理回路部は、上記第１信号処理回路部からの第１信号のレベルを調整するためのアッテネータ回路部と、上記アッテネータ回路部によりレベルが調整された第１信号の振幅の最大値を保持する第１ピークホールド回路部と、上記第２信号処理回路部からの第２信号の振幅の最大値を保持する第２ピークホールド回路部と、上記第１ピークホールド回路部からの第１信号の振幅の最大値を表す信号と上記第２ピークホールド回路部からの第２信号の振幅の最大値を表す信号とを差動演算し、その差を表す信号を上記アッテネータ回路部に入力する第１差動演算部と、上記アッテネータ回路部によりレベルが調整された第１信号と上記第２信号処理回路部からの第２信号とを差動演算して、上記第３信号として出力する第２差動演算部とを有し、上記第１差動演算部からの差を表す信号に基づいて、上記第１ピークホールド回路部からの第１信号の振幅の最大値を表す信号と上記第２ピークホールド回路部からの第２信号の振幅の最大値を表す信号との差がなくなるように、上記アッテネータ回路部により上記第１信号処理回路部からの第１信号のレベルを調整することを特徴とする。
【００３９】
また、一実施形態の光学式移動情報検出装置は、上記第３信号処理回路部が、上記アッテネータ回路部に入力される第１信号のレベルを設定するための第１抵抗と、上記第２ピークホールド回路部に入力される第２信号のレベルを設定するための第２抵抗とを有し、上記アッテネータ回路部に入力される第１信号のレベルが上記第２ピークホールド回路部に入力される第２信号のレベルよりも大きくなるように、上記第２抵抗および上記第１抵抗の抵抗値を設定したことを特徴とする。
【００４０】
上記実施形態の光学式移動情報検出装置によれば、上記アッテネータ回路部に入力される第１信号のレベルが上記第２ピークホールド回路部に入力される第２信号のレベルよりも大きくなるように、上記第２抵抗および第１抵抗の抵抗値を設定することによって、あらかじめ入力される第２信号の信号強度を小さくしておくことができるので、規格化を確実に行うことができる。
【００４１】
また、一実施形態の光学式移動情報検出装置は、上記第１受光素子と上記第２受光素子および上記第１,第２,第３信号処理回路部が、同一半導体基板上に形成された信号処理回路内蔵型受光素子であることを特徴とする。
【００４２】
上記実施形態の光学式移動情報検出装置によれば、上記第１受光素子と第２受光素子および第１,第２,第３信号処理回路部を同一半導体基板上に形成することにより、装置構成を小型化とコストダウンができる。
【００４３】
また、一実施形態の光学式移動情報検出装置は、上記第１信号処理回路部および上記第２信号処理回路部が、アナログ信号である第１信号と第２信号を夫々出力するアナログ増幅回路を用いて構成されており、上記第１信号処理回路部からの第１信号をアナログ／デジタル変換して、変換された第１デジタル信号を出力する第１Ａ／Ｄ変換回路と、上記第２信号処理回路部からの第２信号をアナログ／デジタル変換して、変換された第２デジタル信号を出力する第２Ａ／Ｄ変換回路と、上記第１,第２Ａ／Ｄ変換回路により変換された第１,第２デジタル信号を格納するメモリとを備え、上記第３信号処理回路部の上記規格化演算部は、上記メモリに格納された第１,第２デジタル信号に基づいて、上記第１Ａ／Ｄ変換回路からの第１デジタル信号と上記第２Ａ／Ｄ変換回路からの第２デジタル信号の信号レベルが合うように規格化し、上記第３信号処理回路部の上記差動演算部は、上記規格化演算部により規格化された第１デジタル信号と上記第２デジタル信号との差分を求める差動演算をして、その演算結果をデジタル信号である第３信号として出力することを特徴とする。
【００４４】
上記実施形態の光学式移動情報検出装置によれば、ＤＳＰ(デジタル・シグナル・プロセッサ；Digital Signal Processor)などを用い、第１信号と第２信号の規格化をデジタル信号として演算して第３信号を求めることができる。
【００４５】
また、一実施形態の光学式移動情報検出装置は、上記第１Ａ／Ｄ変換回路により変換された上記第１デジタル信号の位相と上記第２Ａ／Ｄ変換回路により変換された上記第２デジタル信号の位相とを検出して、上記第１デジタル信号と上記第２デジタル信号との位相差を演算する第４信号処理回路部を備えたことを特徴とする。
【００４６】
上記実施形態の光学式移動情報検出装置によれば、上記ＤＳＰなど第４信号処理回路部において、第１信号と第２信号の位相差もデジタル処理により検出する。
【００４７】
また、一実施形態の光学式移動情報検出装置は、上記第１信号処理回路部は、上記第１受光素子からの受光信号が夫々入力され、帯域の異なるバンドパスフィルタ特性を有する複数の増幅回路部を有すると共に、上記第２信号処理回路部は、上記第２受光素子からの受光信号が夫々入力され、帯域の異なるバンドパスフィルタ特性を有する複数の増幅回路部を有し、上記第１信号処理回路部の複数の増幅回路部の出力のうちのいずれか１つを選択すると共に、上記第２信号処理回路部の複数の増幅回路部の出力のうちのいずれか１つを選択することを特徴とする。
【００４８】
上記実施形態の光学式移動情報検出装置によれば、帯域の異なるバンドパスフィルタ特性を有する複数の増幅回路部を用いて、第１信号処理回路部や第２信号処理回路部の出力として、低周波ノイズの小さい段の最適な出力を選択して、選択された第１信号と第２信号の差動処理を第３信号処理回路部により行うことにより、ノイズ除去がより確実にできる。
【００４９】
また、この発明の移動情報検出システムは、上記のいずれか１つの光学式移動情報検出装置を直交座標系に２つ配置し、上記直交座標の各座標軸の方向について少なくとも移動速度を検出することを特徴とする。
【００５０】
上記構成の移動情報検出システムによれば、上記のような構成を２つ直交方向に配置することにより、被測定物の移動を２次元情報として検出することができる。
【００５１】
また、この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された光を第１光束、第２光束および第３光束に分割する光分岐素子と、上記第１光束の光軸上に配置され、光の位相を変更する位相変更手段と、上記位相変更手段により位相が変更された第１光束と、上記第２光束および第３光束を、移動する被測定物上の同一スポットに照射する第１光学系と、上記被測定物からの散乱光のうちの上記第１,第２光束による干渉光を第１-1受光素子と第１-2受光素子である第１受光素子群に導く第２光学系と、上記第２光学系の上記第１,第２光束による干渉光を、上記位相変更手段によって生じた２つの異なる位相成分に分割して、分割された２つの異なる位相成分を上記第１-1,第１-2受光素子に夫々受光させる第１干渉光分割手段と、上記被測定物からの散乱光のうちの上記第１,第３光束による干渉光を第２-1受光素子および第２-2受光素子である第２受光素子群に導く第３光学系と、上記第３光学系の上記第１,第２光束による干渉光を、上記位相変更手段によって生じた２つの異なる位相成分に分割して、分割された２つの異なる位相成分を上記第２-1,第２-2受光素子に夫々受光させる第２干渉光分割手段と、上記第１-1受光素子からの受光信号を受けて、上記第１,第２光束による干渉光の一方の位相成分を表す第１-1信号として出力する第１-1信号処理回路部と、上記第１-2受光素子からの受光信号を受けて、上記第１,第２光束による干渉光の他方の位相成分を表す第１-2信号として出力する第１-2信号処理回路部と、上記第２-1受光素子からの受光信号を受けて、上記第１,第３光束による干渉光の一方の位相成分を表す第２-1信号として出力する第２-1信号処理回路部と、上記第２-2受光素子からの受光信号を受けて、上記第１,第３光束による干渉光の他方の位相成分を表す第２-2信号として出力する第２-2信号処理回路部と、上記第１-1信号処理回路部からの第１-1信号と上記第２-1信号処理回路部からの第２-1信号とを用いて、ノイズ成分が除去された干渉光信号である第３-1信号として出力する第３-1信号処理回路部と、上記第１-2信号処理回路部からの第１-2信号と上記第２-2信号処理回路部からの第２-2信号とを用いて、ノイズ成分が除去された干渉光信号である第３-2信号として出力する第３-2信号処理回路部とを有し、上記第３-1信号処理回路部からの上記第３-1信号の周波数を検出し、上記第３-2信号処理回路部からの上記第３-2信号の周波数を検出し、上記第３-1信号と上記第３-2信号の周波数に基づいて上記被測定物の移動速度を検出する移動速度検出部とを備えたことを特徴とする。
【００５２】
上記構成の光学式移動情報検出装置によれば、２つの第１,第２光束(第１光束が位相遅延)が照射された被測定物からの散乱光による干渉光を位相の異なる２成分に分割し、分割された２つの干渉光信号を用いて低周波ノイズが効果的に除去された干渉光信号を得て、その干渉光信号に基づいて被測定物の移動速度(第１,第２光束を含む平面に沿った方向)を広い速度範囲で高精度に検出できる。また、２つの第１,第３光束(第１光束が位相遅延)が照射された被測定物からの散乱光による干渉光を位相の異なる２成分に分割し、分割された２つの干渉光信号を用いて低周波ノイズが効果的に除去された干渉光信号を得て、その干渉光信号に基づいて被測定物の移動速度(第１,第２光束を含む平面に沿った方向)を広い速度範囲で高精度に検出できる。
【００５３】
したがって、３光束１点ビームスポットにより２次元の移動速度を検知できるため、さらに装置が小型化できると共に、部品点数の削減による低コスト化を達成することができる。
【００５４】
また、上記のいずれか１つの光学式移動情報検出装置または上記移動情報検出システムを電子機器に搭載して用いることが好適である。
【００５５】
また、上記のいずれか１つの光学式移動情報検出装置または上記移動情報検出システムは、エンコーダとして用いるのが最適である。
【発明の効果】
【００５６】
以上より明らかなように、この発明の光学式移動情報検出装置によれば、速度帯にあわせてフィルタ回路を設定したりフィルタ回路を多数設けたりする必要がなく、小型で検出速度範囲の広い光学式移動情報検出装置および移動情報検出システムおよび電子機器およびエンコーダを提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５７】
以下、この発明の光学式移動情報検出装置および移動情報検出システムおよび電子機器およびエンコーダを図示の実施の形態により詳細に説明する。
【００５８】
（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の一例としてのドップラー速度計を示す構成図である。図１では各光学部品の配置や光線の軌跡等を表示してあり、その他光学部品を保持する部品等は省略している。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)等があり、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にはＬＤが望ましいが、上記光学系の光路長内で可干渉性を示せばＬＥＤ(例えば電流狭窄型ＬＥＤ)を用いることもできる。ただし、この第１実施形態ではＬＤを例に示す。
【００５９】
ＬＤ１より出射した光は、コリメーターレンズ(以下ＣＬ)４により平行光束に変換される。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光をそのまま検出点に照射すると、検出点上で光強度のムラができ、図１３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。よって、光束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を形成するために例えば円形の絞りを設けることが望ましいが、図１においては省略しており、以後、絞りに関してはすべての実施形態において図示および説明を省略する。また、ＬＤ光の偏光方向は、この第１実施形態においては全て紙面に垂直な方向に統一して説明するが、これに限定したものではない。
【００６０】
ＣＬ４を通過後、光分岐素子の一例としてのビームスプリッタ(以下、ＢＳ)１４で第１光束７と第２光束８に分割される。そして、位相変更手段の一例としての１／４波長板１５は、進相軸と遅相軸が紙面に垂直な方向から４５°傾くように設置されており、１／４波長板１５を通過後、第１光束７は、直線偏光から円偏光に変換される。そして、ミラー５bにより反射して集光レンズ(以下、ＯＬ)６aにて集光され、被測定物１６に照射される。また、第２光束８は、ミラー５a,５cで反射してＯＬ６bにて集光され、被測定物１６上の第１光束７と同一スポットに照射される。ここで、ＯＬ６a,６bは、被測定物１６からの散乱光強度を増大させる目的で用いており、ＯＬなしでも信号強度が十分大きくＳ／Ｎが高い場合など必ずしも必要な構成要素ではなく、省略可能である。
【００６１】
上記被測定物１６により散乱された両光束は、それぞれ上記(式１)と(式２)で示されるように、移動速度Ｖに起因したドップラー周波数偏移ｆdを受けているため、両光束の干渉光は、上記(式３)で表されるように、うなり周波数２ｆdを有する干渉光信号(ビート信号９)となる。この干渉光信号(ビート信号９)は、被測定物１６上のビームスポットを中心として球面状に広がる。任意の位置に設置された第１ＰＤ２１と第２ＰＤ２２で検出される信号は、(式８)で示されるように同一周波数になる。
【００６２】
この第１実施形態では、第１ＰＤ２１と被測定物１６との間に直線偏光子２３aが設置され、第２ＰＤ２２と被測定物１６との間にそれぞれ直線偏光子２３bが設置されている。この直線偏光子２３a,２３bの軸の方向は、１／４波長板１５の進相軸と遅相軸と同じ方向、つまり、紙面に垂直な方向に対して４５°傾いた方向になっている。直線偏光子２３aと２３bの軸は、どちらが進相軸、遅相軸と同じ方向になっていてもよく、断定されるものではないが、両直線偏光子とも同じ軸方向を向いていてはならない。
【００６３】
上記ＬＤ１とＣＬ４とＢＳ１４と１／４波長板１５とミラー５a,５b,５cおよびＯＬ６a,６bで、第１光束７および第２光束８を被測定物１６に照射する第１光学系を構成している。また、上記ＯＬ６c,ＯＬ６dと直線偏光子２３a,２３bで、第１光束７および第２光束８を用いて被測定物１６による散乱光による干渉光信号を第１ＰＤ２１,第２ＰＤ２２導く第２光学系を構成している。
【００６４】
次に、上記第１ＰＤ２１と第２ＰＤ２２に入射する信号は、図１ではＯＬ６cと６dで集光されているが、受光する立体角を増大させ、Ｓ／Ｎを増大させる目的で用いており、照射系のＯＬ６aと６bと同様で必要に応じ省略が可能である。
【００６５】
上記構成による光学系により第１ＰＤ２１および第２ＰＤ２２でそれぞれ受光されるビート信号９aおよびビート信号９bについて詳細に説明する。ＬＤ１より出射した光束は、
2005227077.tif 000015
で表されるので、ＢＳ１４で分割された第１光束７および第２光束８は、
(式１２)
2005227077.tif 000016
ただし、Ｅ0 ＝ Ｅ01 ＋ Ｅ02
と表すことができる。ここで、Ｅ0はＣＬ４や円形絞りを通過して円形の平行光束となった光の振幅、Ｅ01は第１光束７の振幅、Ｅ02は第２光束８の振幅、ｆ0は光の周波数、tは時間であり、φ1、φ2はそれぞれの第１光束７および第２光束８の位相である。第１光束７は、先述のように１／４波長板１５により円偏光に変換され、
(式１３)
2005227077.tif 000017
のように記述することができる。これらの光束が速度Ｖで移動している被測定物１６により散乱されると、移動速度に起因したドップラー周波数偏移(偏移量：ｆd)が起こる。図１の紙面上方向の移動をプラス方向、第１光束７および第２光束８の散乱光の振幅をそれぞれＥ1,Ｅ2とすると、散乱光は、
(式１４a)
2005227077.tif 000018
(式１４b)
2005227077.tif 000019
(式１４c)
2005227077.tif 000020
と表すことができるので、上記両光束の拡散光のビート信号９は、
(式１５a)
2005227077.tif 000021
(式１５b)
2005227077.tif 000022
と書ける。上記(式１４a),(式１４b),(式１４c)から(式１５a),(式１５b)を導く計算において、第１光束７と第２光束８の位相差成分(φ1−φ2)が出てくるが、上記(式１５a),(式１５b)では省略している。これは、両光束の位相差は主に光路差に起因するもので、その大きさがビート信号９の波長に対して十分小さいためである。図１において、位相差成分(φ1−φ2) は、ＢＳ１４とミラー５a間の距離に相当し、光学系の大きさにもよるが、ほとんどの場合ｍｍオーダからｃｍオーダになる。これに対して、ビート信号の周波数：２ｆdは、一般に高周波側でせいぜい数十ＭＨz程度であり、その波長はｍオーダ以上になるため、光路差に起因する位相差成分は無視できる。
【００６６】
今、第１ＰＤ２１の直前に設けられた直線偏光子２３aの通過軸が１／４波長板１５の進相軸と同方向に設けられ、第２ＰＤ２２の直前に設けられた直線偏光子２３bの通過軸が遅相軸と同方向に設けられているとすると、第１ＰＤ２１では、上記(式１５a)で示されるビート信号を、第２ＰＤ２２では上記(式１５b)で示されるビート信号が検出される。
【００６７】
以上の説明は、被測定物１６からの光の散乱が一様に起こる理想的な場合についてであり、実際には低周波や高周波のノイズが含まれる信号となる。厳密には実際の信号は、スペックルやＬＤ光のコヒーレンス性、ビームスポットの重なり程度など複数のパラメータに起因する複雑な信号となるが、理解を簡単にするため、これらを無視すると、ＰＤで検出される信号は、上記(式１５a),(式１５b)で示されるビート信号に対して、高周波および低周波のノイズ成分で変調されることになる。一般にＬＤＶにおいて高周波ノイズは、一般的な電子回路や電子機器と同様で、被測定物の移動速度の大小に関わらずほぼ一定の周波数を示す。しかし、低周波ノイズは、主に位置によって光の表面反射率が異なる被測定物１６の移動に伴う光の散乱光強度ばらつきに起因するため、被測定物の移動速度の増大とともにその周波数は高くなり、移動速度の減少とともにその周波数は低くなる。高周波ノイズをＮhとし、低周波ノイズをＮl(Ｖ)とすると、ＰＤ１７、ＰＤ２８で検出される信号は、
(式１６a)
2005227077.tif 000023
(式１６b)
2005227077.tif 000024
と記述することができる。
【００６８】
これらの信号は、例えば図１４に示されるようなＨＰＦ１１０やＬＰＦ１１２,１１３(１１１は時定数を決める抵抗とキャパシタ)を有する増幅回路で増幅・波形整形される。上述のように、高周波ノイズＮhは、被測定物１６の移動速度に無関係であるため、ＬＰＦ１１２,１１３のカットオフ周波数：fclをそれより低めに設定することで比較的容易に除去することができる。しかし、低周波ノイズは移動速度の大小に伴い変化するため、ある一定値のカットオフ周波数：fchをもつＨＰＦ１１０を用いた図１４のような信号処理回路では、検出する速度が速くなり、Ｎl(Ｖ)の周波数がfchを超えると、第１信号や第２信号は低周波の大きなうねりを有する信号となり、ビート周波数２ｆdを精度よく検出することが困難となる。速度や変位量の分解能を上げるには、１パルスごとにカウントする必要があるが、うねりを有する信号はそれを非常に困難にしてしまう。
【００６９】
図２に第１信号処理回路部１８として図１４の回路を用い、ＬＰＦのカットオフ周波数は５０kＨz固定で、ＨＰＦのカットオフ周波数を５０Ｈz(図２中(a))と５０００Ｈz(図２中(b))の２種類用意し、同じ速度(２ｆd〜５０００Ｈz)で被測定物１６を移動させたときのビート信号９の検出結果を示す。図２に示すように、カットオフ周波数を５０Ｈzにするとおよそ２００Ｈzの周波数をもつ低周波のノイズが検出され、パルスカウントやＦＦＴなどを用いた周波数検出を困難にしてしまう。このような問題は、検出可能な速度帯を広くするときに大きな支障となる。
【００７０】
図２の例で説明すると、低周波ノイズ(約２００Ｈz)とビート周波数(約５０００Ｈz)の比は１：２５である。上記(式９)や(式１１)で示されるようにビート周波数は移動速度に比例し、低周波ノイズも被測定物の表面反射率の位置ばらつきによるものであるから、移動速度に比例するので、ノイズと信号の周波数比はほぼ１：２５で固定されている。ＨＰＦのカットオフ周波数を５０００Ｈzにした回路でも、移動速度が速くなり図２の速度の２５倍になると、低周波ノイズが５０００Ｈzを上回りフィルタの通過域に達してしまい、図２(a)に示されるようなうねりをもった波形となってしまう。
【００７１】
この第１実施形態では、第１信号処理回路部１８と第２信号処理回路部１９の出力である第１信号と第２信号がそれぞれに第３信号処理回路部２０に入力される。そして、第３信号処理回路部２０は、第１信号と第２信号からノイズ成分をキャンセルする回路構成となっている。より具体的には差動演算を行う差動演算部２０aを備えた回路構成となっている。また、上記光学式移動情報検出装置は、第３信号処理回路部２０からの第３信号の周波数を検出し、その周波数に基づいて被測定物１６の移動速度を検出する移動速度検出部４０を備えている。
【００７２】
上記(式１６a),(式１６b)に示される第１信号から第２信号を減算すると、主なノイズ成分はキャンセルされ、ビート信号の位相はπ／２だけずれているのでキャンセルされずに、
(式１７)
2005227077.tif 000025
となり、うねりの成分を除去でき、移動速度検出部４０で周波数カウンタを用いることができるので、１パルスの時間計測による変位量検出を高精度化することができる。
【００７３】
このように、上記構成の光学式移動情報検出装置によれば、２つの第１,第２光束７,８(第１光束７が位相遅延)が照射された被測定物１６からの散乱光による干渉光を位相の異なる２成分に分割し、分割された２つの干渉光信号を用いて低周波ノイズが効果的に除去された干渉光信号を得て、その干渉光信号に基づいて被測定物１６の移動速度を広い速度範囲で高精度に検出することができる。
【００７４】
また、上記第１受光素子２１と第２受光素子２２は、被測定物１６の同一検出点からの散乱光による干渉光を受光するので、低周波ノイズを効果的に除去された干渉光信号を得ることができる。
【００７５】
また、図３にこの第１実施形態の変形例を示す。図３では図１と同じ構成要素に対しては同じ符号がふってあり、図１と同様光学部品を保持する部品等は省略している。また、本変形例においては、図１と異なる部分のみを説明する。
【００７６】
図３の構成例においては、ＯＬ６が照射系と受光系で同一のレンズを用いており、被測定物１６はＯＬ６の焦点距離位置に設置されている。その他の構成は図１に同じである。１／４波長板１５により円偏光に変換された第１光束７とミラー５で反射した第２光束８は、同じＯＬ６にて被測定物１６上に集光し、ビームスポットを形成している。被測定物１６上のビームスポットを中心として球面状に散乱したビート信号９は、同じＯＬ６を通して球面波から平行光束となり、直線偏光子２３aおよび２３bを通して第１ＰＤ２１および第２ＰＤ２２で受光される。その後の信号処理については、第１実施形態に同じである。
【００７７】
低周波ノイズ成分は被測定物１６の表面反射のばらつきによるものであるので、第１ＰＤ２１と第２ＰＤ２２で受光するスポットが異なると、低周波ノイズの位相が異なり、第３信号処理回路部２０で差動演算を行ってもノイズ成分はキャンセルされない。本変形例においては、第１ＰＤ２１と第２ＰＤ２２にビート信号９を導く集光レンズが同一レンズとなっているため、確実に同じビームスポットからの散乱光を受光できる。このため、第３信号処理回路部２０において差動演算により効率よく低周波ノイズを除去することができる。
【００７８】
また、図４にこの第１実施形態の別の変形例を示す。図４では図３と同じ構成要素に対しては同じ符号がふってあり、図３と同様光学部品を保持する部品等は省略している。また、本変形例においては、図３と異なる部分のみを説明する。図４の右下に受光部の拡大図を示しており、直線偏光子２３a,２３bは、図を見やすくするために点線で示している。
【００７９】
図４の構成例においては、ＯＬ６によりコリメートされたビート信号９が、干渉光分割手段の一例としての透過型の回折格子３により分割されている。この透過型の回折格子３は、±ｎ次(ｎは０を含む自然数)の回折光を生じるが、±１次回折光を利用し、上記回折次数の光量が最も大きくなるようにしてある。また、ビート信号９を分割する干渉光分割手段の一例として回折格子の変わりにビームスプリッタを用いてもよい(図示せず)。
【００８０】
上記回折格子３により分割されたビート信号９は、直線偏光子２３a,２３bを通過し、同一半導体基板２４上に形成された第１ＰＤ２１および第２ＰＤ２２に入射し、受光される。その後の信号処理回路部の構成は図１、図３に同じである。
【００８１】
本変形例においては、第１ＰＤ２１と第２ＰＤ２２を同一半導体基板２４上に形成し、ワンチップ化されているため、装置を小型化することができる。また、同一半導体基板上に形成された第１ＰＤ２１と第２ＰＤ２２は、分割型のフォトダイオードである方が半導体基板２４をより縮小できるので、さらなる小型化が可能である。ここで、分割型フォトダイオードとは、例えば通常の半導体製造プロセスを用いて形成され、ｎ型半導体で形成されたカソード領域をｐ型半導体で分離した構造をもつフォトダイオードで、ＰＤ間の距離を小さくすることができるものである。
【００８２】
この第１実施形態において、図１〜図４にわたって示した構成例はすべて、２つの光束を被測定物上の同一スポットに照射して、散乱により得られるビート信号を検出する「差動型ドップラー速度計」について説明してきたが、図５に示すように、１光束のみを被測定物に照射する「参照型ドップラー速度計」であってもよい。光学部品の配置など詳細な説明は省略する。参照型光学系においては、第１光束７のみを被測定物に照射し、そのドップラー周波数偏移ｆdを受けた散乱光と円偏光の第２光束８とをＨＭ１７で干渉させて、干渉光９を得る。その後の検出系や信号処理に関する内容は上記第１実施形態および各変形例に同じである。
【００８３】
以上の変形例については、以後の各実施形態でも同様であり、今後の説明は省略する。
【００８４】
（第２実施形態）
次に、上記第１実施形態および変形例における第１信号処理回路部１８および第２信号処理回路部１９から出力される第１信号および第２信号をさらに詳細に検討する。
【００８５】
図１、図２、図４、図５すべての例において、主に以下の５つの要因によって第１信号処理回路部１８および第２信号処理回路部１９の出力である第１信号と第２信号の信号強度に差が生じる。
(１)  ＢＳ１４の光量分割比ばらつき
(２)  １／４波長板１５に入射する光の偏光方向と光学軸の角度ズレ
入射光の偏光方向と１／４波長板１５の光学軸との角度が４５°からずれると、進相軸と遅相軸への光の振幅のベクトル分解比が１：１からずれる。
(３)  ミラー５およびミラー５aでの反射のときの光量損失
(４)  フォトダイオードの感度ばらつき
(５)  増幅回路の増幅度ばらつき 
図１に示される構成例においてのみ、第１ＰＤ２１および第２ＰＤ２２に入射するビート信号は、それぞれＯＬ６cとＯＬ６dの別々のレンズで集光しているため、その配置の誤差により集光する被測定物１６上のビームスポット径が異なり、受光量に差が生じる。また、ミラー５b,５cの反射による損失ばらつきや、ミラー角度による入射角度ズレによっても、第１ＰＤ２１と第２ＰＤ２２の受光量に差が生じる。このため、第１信号処理回路部１８および第２信号処理回路部１９の出力である第１信号と第２信号の信号強度に差が生じる。
【００８６】
また、図２および図４に示される構成例においてのみ、同一のＯＬ６で２光束を集光しているため、両光束に対してＯＬ６の設置角度がずれると被測定物までの距離が変わる。このため、被測定物上での両光束の光量密度に差が生じることにより、第１ＰＤ２１と第２ＰＤ２２の受光量に差が生じる。このため、第１信号処理回路部１８および第２信号処理回路部１９の出力である第１信号と第２信号の信号強度に差が生じる。
【００８７】
以上のように様々な要因によって第１ＰＤ２１と第２ＰＤ２２で受光される光量に差が生じてくるため、実際の装置では、第１信号と第２信号の信号強度を等しくすることは非常に困難である。第１信号と第２信号の信号強度が異なるとき、第１ＰＤ２１と第２ＰＤ２２で検出される信号は、
(式１８a)
2005227077.tif 000026
(式１８b)
2005227077.tif 000027
となる。ここで、α、βは係数である。この両信号を上記第２実施形態の差動演算を行う第３信号処理回路部２０に入力しても、出力される第３信号からノイズ成分は除去されない。
【００８８】
この第２実施形態は、第３信号処理回路部２０に入力された第１信号と第２信号の信号強度を規格化演算部２０b(図１の点線で示す)により規格化後、差動演算部２０a(図１に示す)により差動演算する構成となっている。その他の光学部品や信号処理回路などの構成要素は第１実施形態と同じである。たとえば、上記(式１８b)の信号強度をα／β倍することにより、差動演算部２０aにて上記(式１８a),(式１８b)のノイズ成分を効果的に除去することができる。ここで、信号強度の係数α、βは、一般的なピークホールド回路を用いてそれぞれの信号の最大値を検出するようにしている。また、同様に負のピークホールド回路を用いて最小値を検出するようにしてもよいし、さらに規格化の精度を上げるためにその両値を用いてもよい。さらに、ピーク・トゥ・ピーク(Ｖpp)検出回路を用いて振幅を用いて規格化を行ってもよい。
【００８９】
図６に第３信号処理回路部２０の回路図の一例を示す。第１入力端子２６には、第１信号処理回路部１８からの出力である第１信号が入力される。入力された第１信号は、キャパシタＣ1によってＤＣカットされ、電流変換用第１抵抗２８aにて電圧信号が電流信号に変換され、アッテネータ回路部２９へと入力される。ここで、アッテネータ回路部２９は、ゲインを外部入力信号にあわせて調整する回路のことである。
【００９０】
また、第２入力端子２７には、第２信号処理回路部１９からの出力である第２信号が入力される。入力された第２信号は、キャパシタＣ2によってＤＣカットされ、電流変換用第２抵抗２８bによって電圧信号が電流信号に変換される。次に、アッテネータ回路部２９を出た第１信号と電流変換された第２信号は、それぞれバッファ回路部３０a,３０bを介して、ピークホールド回路部３１a,３１bに入力される。ピークホールド回路部３１a,３１bでは、時定数CRの減衰でもってそれぞれ第１信号と第２信号の最大値を維持し、その値を出力する。ピークホールド回路部３１a,３１bで検出されたそれぞれの信号の最大値はそれぞれ、バッファ回路部３０c,３０dを介して差動増幅回路部３２aに入力され、第１信号と第２信号の最大値の差が検出される。この最大値の差は、先のアッテネータ回路部２９へとフィードバック入力され、その差の値がなくなるようにアッテネータ回路部２９のゲインを微調する。
【００９１】
上記電流変換用第１抵抗２８aと、電流変換用第２抵抗２８bと、アッテネータ回路部２９と、バッファ回路部３０a,３０b,３０c,３０dおよび差動増幅回路部３２aで規格化演算部を構成している。また、上記差動増幅回路部３２bで差動演算部を構成している。
【００９２】
このようにして、第１信号と第２信号の規格化が行われ、第１信号と第２信号の信号強度はほぼ等しくなり、差動増幅回路部３２bで上記(式１６a)と(式１６b)で示される第１信号と第２信号の差動演算が行われ、上記(式１７)で示される第３信号が出力端子３３から出力される。
【００９３】
図７に本回路構成を用いて測定した第１信号および第２信号、第３信号を示す。第１信号および第２信号に見られる大きな低周波ノイズが第３信号では除去されており、１パルスごとの時間計測による高精度な変位量の測定が可能となる。
【００９４】
また、電流入力変換用第１抵抗２８aの値は、電流入力変換用第２抵抗２８bの値より小さくなっている。アッテネータ回路部２９は、信号強度を減衰させてゲインを調整するので、第１信号の信号強度が第２信号の信号強度より小さいとゲイン調整により規格化ができない。このため、電流入力変換用第２抵抗２８bの値を電流入力変換用第１抵抗２８aより大きくしておくことにより、あらかじめ入力される第２信号の信号強度を小さくしておくことができるので、規格化が確実に行われる。
【００９５】
第１信号処理回路部１８や第２信号処理回路部１９、および図６に示される第３信号処理回路部２０は、すべてアナログ演算回路である。このため、通常の半導体製造プロセスを用いて、第１ＰＤ２１と第２ＰＤ２２および第１信号処理回路部１８、第２信号処理回路部１９、第３信号処理回路部２０は同一半導体基板に作製することができ、信号処理回路内蔵型受光素子とすることができる。ビート信号９の受光と信号処理を同一基板で行うようワンチップ化されるので、大幅な装置の小型化や部品点数が減少するのでコストの低減をすることができる。
【００９６】
（第３実施形態）
図８は本発明の第３実施形態を示す図である。図８では図４と同じ構成要素に対しては同じ符号がふってあり、本実施形態においては図８と異なる部分のみを説明する。図８では各光学部品の配置や光線の軌跡等を表示してあり、その他光学部品を保持する部品などは省略している。
【００９７】
図８の構成例においては、第１ＰＤ２１および第２ＰＤ２２で受光したビート信号はそれぞれ、第１信号処理回路部１８および第２信号処理回路部１９でノイズ除去、および増幅される。上記第１信号処理回路部１８からの第１信号と第２信号処理回路部１９からの第２信号が第３信号処理回路部２０に入力され、第１信号と第２信号の規格化および差動演算がおこなわれて第３信号を出力する。同時に第１信号処理回路部１８と第２信号処理回路部１９は、並列に第１信号と第２信号を出力し、それらは位相差検出部の一例としての第４信号処理回路部２５に入力される。第４信号処理回路部２５では、入力された第１信号と第２信号の位相を検出し、それらの差を検出して位相差を表す第４信号を出力している。上記第４信号処理回路部２５により検出された位相差に基づいて、被測定物１６の移動方向を移動方向検出部４１により検出する。
【００９８】
ここで、図８において上方に被測定物１６が移動するときは上記(式１６b)の位相の符号は正となり、下方に移動するときは負となる。また、上記(式１６a),(式１６b)では位相成分は０を基準にしているが、実際に第１ＰＤ２１および第２ＰＤ２２で検出される信号は任意の位相成分φがあるが、上記(式１６a),(式１６b)では省略されている。よって、第１信号から検出される位相の値は被測定物の移動方向に関わらず常にφであり、第２信号から検出される位相の値は移動方向によりφ＋π／２またはφ−π／２となるため、第４信号処理回路部２５の出力である第４信号の出力は、被測定物１６が上方に移動しているとき「＋π／２」、下方に移動しているとき「−π／２」となる。このように、第４信号の正負を検出することにより、被測定物１６の移動方向を検出できる移動情報検出装置を構成することができる。
【００９９】
図８では第３信号処理回路部２０より第３信号を出力し、第４信号処理回路部２５より第４信号を出力しているが、用途に応じて第４信号より被測定物１６の移動方向のみを検出する装置としてもよいし、第３信号より被測定物１６の移動速度のみを検出する装置としてもよいし、その両方を検出して移動速度と移動方向を検出できる装置としてもよい。
【０１００】
以上の第３実施形態について、おもにアナログ信号処理回路について説明してきたが、第３信号処理回路部２０や第４信号処理回路部２５はデジタル信号処理回路とすることもできる。第１信号処理回路部１８および第２信号処理回路部１９より出力された第１信号および第２信号をＡ／Ｄ(アナログ／デジタル)変換し、デジタルデータとしてメモリ等の記憶領域に格納される。信号処理回路部３では、メモリに格納されたデータから最大値や最小値、Ｖppなどを検出して信号強度の規格化演算を行い、続いて差動演算を行って第３信号を出力する。また、第４信号処理回路部２５では、メモリに格納されたデータから第１信号の位相と第２信号の位相を検出し、それらの位相差を検出する。メモリに格納されたデータの演算処理終了とともに、次のデータをとりこみ順次移動に関する情報を処理する。
【０１０１】
また、デジタル化されたデータを用いて第３信号処理回路部２０や第４信号処理回路部２５で周波数や位相を検出する手段としてＦＦＴを用いることができる。ＦＦＴを用いることにより、第３信号からは低周波ノイズが除去されているため、ＦＦＴのパワースペクトルのピークサーチによりその周波数から移動速度を求めることができる。また、第３信号処理回路部２０において差動演算によるノイズ除去が不完全な場合でもＦＦＴ計算結果により生じるノイズの周波数のピークとビート周波数のピーク強度を比較することにより、ノイズ成分の除去が可能となる。さらに第１信号と第２信号に対してＦＦＴを行うことにより、その計算結果の実部と虚部の比により信号の位相を求めることができるため、移動方向を検出することができる。このように、第３信号の周波数より被測定物１６の移動速度を高精度に求めることができ、また、第１信号と第２信号の位相差よりその移動方向を同時に検出することができる。
【０１０２】
（第４実施形態）
図９は本発明の第４実施形態の移動情報検出システムを示す模式図である。図９では図８と同じ構成要素に対しては同じ符号がふってあり、本実施形態においては図８と異なる部分のみを説明する。図９では各光学部品の配置や光線の軌跡等を表示してあり、その他光学部品を保持する部品などは省略している。
【０１０３】
図９の構成においては、ＬＤ１の両端面から第１光束７と第２光束８がｙ軸と平行に出射し、両光束ともＣＬ４a,４bでそれぞれ平行光束となる。ＬＤ１の前端面から出射する第１光束７は、回折格子３aで３光束に分割され、０次回折光７aはミラー５aで反射し、ｙｚ平面内に含まれるようにｙ検出点３５に入射する。一方、±１次回折光７b,７cは、ミラー５c,５dで反射し、それぞれの入射角がほぼ同じになるようにしてｙ軸上のｘ検出点３４に入射する。一方、ＬＤ１の後端面より出射する第２光束８は、ミラー５bで反射し、ｙｚ平面内に含まれるようにｘ軸上のｙ検出点３５に入射する。第２光束８と＋１次回折光７cの光軸上に１／４波長板１５a,１５bが設置されている。
【０１０４】
ｘ検出点３４より散乱する光によるビート信号９aは、図８と同様、回折格子３bにより２光束に分割され直線偏光子２３a,２３bを介してｘ方向側の第１ＰＤ２１a,第２ＰＤ２２bで受光される。同様に、ｙ検出点３５より散乱する光によるビート信号９bは、回折格子３cにより２光束に分割され直線偏光子２３c,２３dを介してｙ方向側の第１ＰＤ２１c,第２ＰＤ２２dで受光される。
【０１０５】
そして、ｘ方向側の第１ＰＤ２１aからの受光信号を受けて、ｘ方向側の第１信号処理回路部１８xから第１x信号を出力し、ｘ方向側の第２ＰＤ２２bからの受光信号を受けて、ｘ方向側の第２信号処理回路部１９xから第２x信号を出力する。上記第１,第２信号処理回路部１８x,１９xからの第１x信号と第２x信号を受けて、第３信号処理回路部２０xよりノイズ成分が除去された干渉光信号である第３信号を出力する。移動速度検出部４０xは、ｘ方向側の第３信号処理回路部２０xからの第３x信号の周波数を検出し、その周波数に基づいて被測定物の移動速度を検出する。また、ｘ方向側の第４信号処理回路部２５xでは、入力された第１x信号と第２x信号の位相を検出し、それらの差を検出して位相差を表す第４x信号を出力している。上記第４信号処理回路部２５xにより検出された位相差に基づいて、被測定物の移動方向を移動方向検出部４１xにより検出する。
【０１０６】
一方、y方向側の第１ＰＤ２１cからの受光信号を受けて、y方向側の第１信号処理回路部１８yから第１y信号を出力し、y方向側の第２ＰＤ２２dからの受光信号を受けて、y方向側の第２信号処理回路部１９yから第２y信号を出力する。上記第１,第２信号処理回路部１８y,１９yからの第１y信号と第２y信号を受けて、第３信号処理回路部２０yよりノイズ成分が除去された干渉光信号である第３信号を出力する。移動速度検出部４０yは、y方向側の第３信号処理回路部２０yからの第３y信号の周波数を検出し、その周波数に基づいて被測定物の移動速度を検出する。また、y方向側の第４信号処理回路部２５yでは、入力された第１y信号と第２y信号の位相を検出し、それらの差を検出して位相差を表す第４y信号を出力している。上記第４信号処理回路部２５yにより検出された位相差に基づいて、被測定物の移動方向を移動方向検出部４１yにより検出する。
【０１０７】
このように、この第４実施形態では、ｘ検出点３４よりｘ方向の移動に関するビート信号９a、ｙ検出点３５よりｙ方向の移動に関するビート信号９bを検出する。そして、ｘ方向のビート信号９aは、上記第４実施形態に示したｘ方向側の第１信号処理回路部１８xから第４信号処理回路部２５xを介してｘ方向の移動速度および移動方向を検出する。ｙ方向のビート信号９bも上記第４実施形態に示したｙ方向側の第１信号処理回路部１８yから第４信号処理回路部２５yを介してｙ方向の移動速度および移動方向を検出する。
【０１０８】
したがって、この発明の光学式移動情報検出装置の構成が直交方向に２つ配置された移動情報検出システムにより、被測定物の移動を２次元情報として検出することができる。
【０１０９】
この第４実施形態については、図８に示すＬＤ１の両端面より出射する光のうち、片側を３分割してｘ検出点とｙ検出点を形成する構成を説明したが、片端面の光束を４分割してｘ検出点、ｙ検出点を形成してもよく、両端面から出射する光をそれぞれ２分割して両検出点を形成するような構成でもよいし、図１や図８等で説明した光学系を二つ配置してもよい。
【０１１０】
（第５実施形態）
図１０はこの第５実施形態の光学式移動情報検出装置を示す構成図である。図１０では図９と同じ構成要素に対しては同じ符号がふってあり、この第５実施形態においては図９と異なる部分のみを説明する。図１０では各光学部品の配置や光線の軌跡等を表示してあり、その他光学部品を保持する部品などは省略している。また、信号処理回路部の構成は図９と同じであるため、図１０では省略している。
【０１１１】
図１０の構成例では、ＬＤ１より出射した光束は、ＣＬ(図示せず)で平行光束化され、ＢＳ１４b,１４aにて第１光束７、第２光束８、第３光束３６に３分割される。ＢＳ１４aで分割された第２光束８はミラー５aで反射しＯＬ６に入射する。ＢＳ１４bで分割された第３光束３６はミラー５bで反射しＯＬ６に入射する。また、ＢＳ１４bとＢＳ１４aを透過した第１光束７は、１／４波長板１５を介して円偏光に変換されてからＯＬ６に入射する。ここで、３光束同士はすべて平行に入射し、各光束がＯＬ６に入射する位置は、第１光束７はＯＬ６の中心に、第２光束８はＯＬ６のｘ軸上の点に、第３光束３６はＯＬ６のｙ軸上の点に入射し、第２光束８と第１光束７の入射する点間の距離と第３光束３６と第１光束７の入射する点間の距離は等しい。このようにしてＯＬ６で集光された３光束は、焦点距離に設置された被測定物１６の原点に１つのビームスポットを形成する。そして、上記被測定物１６上のビームスポットから散乱されたビート信号９は球面状に拡散する。ｘ方向の移動を検出する受光系は、第２光束８がＯＬ６に入射した点とＯＬ６上の原点に対して対称な位置に設けられる。また、ｙ方向の移動を検出する受光系は、第３光束３６がＯＬ６に入射した点とＯＬ６上の原点に対して対称な位置に設けられる。その後、ｘ、ｙ各成分についての受光に関しては、図８と同じであるので省略する。
【０１１２】
このビート信号には、ｘ方向の移動に起因した周波数偏移ｆdxとｙ方向の移動に起因した周波数偏移ｆdyとそれらの混合した周波数偏移(ｆdx±ｆdy)の３種類のビート信号が混在している。しかし、ｘ方向成分を検出するためのビート信号９aは、第２光束８の正反射光が含まれるため、３成分のうち周波数偏移量ｆdxに起因した信号強度が最大となる。また、同様にｙ方向成分を検出するためのビート信号９bは、第３光束３６の正反射光が含まれるため、３成分のうち周波数偏移量ｆdyに起因した信号強度が最大となる。このため、ビート信号９aについてｘ方向側の第３信号処理回路部２０xの出力であるｘ方向側の第３信号についてＦＦＴを行い、パワースペクトルを求めると周波数ｆdxのピーク強度が最大となる。同様に、ビート信号９bについてｙ方向側の第３信号処理回路部２０yの出力であるｙ方向側の第３信号についてＦＦＴを行い、パワースペクトルを求めると周波数ｆdyのピーク強度が最大となる。このようにして、１点のビームスポットからｘ方向とｙ方向の速度を求めることができる。
【０１１３】
さらに、ビート信号９aについてｘ方向側の第１信号処理回路部１８xの出力である第１信号、およびｘ方向側の第２信号処理回路部１９xの出力である第２信号に対してそれぞれＦＦＴを行い、ｘ方向側の第３信号処理回路部２０xで検出した上記周波数ｆdxと同じ周波数の位相をそれぞれ求めて、ｘ方向側の第１位相と第２位相を検出する。これらｘ方向側の第１位相と第２位相の位相差を検出することにより、ｘ方向に関し移動方向を検出することができる。また、ｙ方向についても同様に、ビート信号９bについてｙ方向側の第１位相と第２位相についてそれぞれＦＦＴを行い、ｙ方向側の第３信号処理回路部２０yで検出した上記周波数ｆdyと同じ周波数の位相をそれぞれ求めて、ｙ方向側の第１位相と第２位相を検出する。これらｙ方向側の第１位相と第２位相の位相差を求めて、ｙ方向に関して移動方向を検出することができる。
【０１１４】
このように、この第５実施形態においては、３光束１点ビームスポットにより２次元の移動速度と移動方向を検知できるため、第４実施形態に比べてさらに装置が小型化できると共に、部品点数の削減による低コスト化を達成できる。
【０１１５】
以上、上記第１〜第５実施形態および変形例において、さらに効果的に低周波ノイズ成分を除去するために、第１信号処理回路部１８や第２信号処理回路部１９は、図１４に示されるような、ＢＰＦ(ＨＰＦ＋ＬＰＦ)を有するアナログ増幅回路が複数並列接続されているとすることができる。この場合、各段の増幅回路におけるＢＰＦの帯域は異なっており、例えば各段の帯域は１０倍ずつ異なっている。つまり、増幅回路部１は、その帯域が１Ｈzから１０Ｈz、増幅回路部２は１０Ｈzから１００Ｈz、・・・、増幅回路部ｎは１０(n-１)から１０(n)の帯域を持っており、第１信号処理回路部１８と第２信号処理回路部１９では同じ構造をしている。このような構造とすることにより、被被測定物１６の検出可能な速度範囲を格段に広げることができる。いま少し詳細に説明すると、先述のように低周波ノイズ成分は被測定物１６の移動速度とともにたえず変化するため、ＢＰＦの通過域にノイズ周波数が含まれるようになり、かつ各光学部品などの配置誤差などにより、第３信号処理回路部２０で完全にノイズを消去することは困難になってしまう。ところが、本構成においては、帯域の異なるＢＰＦを並列に接続してあるため、第１信号処理回路部１８や第２信号処理回路部１９の出力として、低周波ノイズの小さい段の最適な出力を選択し、第３信号処理回路部２０で先述の各実施形態における差動処理を行うことにより、ノイズ除去がより確実になる。
【０１１６】
また、上記各実施の形態および変形例における移動情報検出装置は、被測定物１６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、測定対象にスケールなどの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(チャージ・カップルド・デバイス：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の形態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。
【０１１７】
本発明の各実施形態において、光学系の例を一つずつあげて説明してきたが、すべての実施形態において光学系はこれに限ったものではなく、効果を実現できる光学系であればその形状等は一切問わない。
【図面の簡単な説明】
【０１１８】
【図１】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の構成を示す図である。
【図２】図２はＨＰＦのカットオフ周波数違いのビート信号波形を示す図である。
【図３】図３は上記第１実施形態の変形例の構成を示す図である。
【図４】図４は上記第１実施形態の別の変形例の構成を示す図である。
【図５】図５は上記第１実施形態のさらに別の変形例の構成を示す図である。
【図６】図６は本発明の第２実施形態の光学式移動情報検出装置の第３信号処理回路部の構成を示す回路図である。
【図７】図７は上記第２実施形態の結果を示す図である。
【図８】図８は本発明の第３実施形態の光学式移動情報検出装置の構成を示す図である。
【図９】図９は本発明の第４実施形態の移動情報検出システムの構成を示す図である。
【図１０】図１０は本発明の第５実施形態の光学式移動情報検出装置の構成を示す図である。
【図１１】図１１は従来のＬＤＶの光学系を示す図である。
【図１２】図１２は被測定物の移動速度とドップラー偏移周波数を結びつける式を説明する図である。
【図１３】図１３は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１４】図１４は従来のＬＤＶの信号処理回路を示す図である。
【符号の説明】
【０１１９】
１…ＬＤ(半導体レーザ)
３,３a,３b,３c…回折格子
４…ＣＬ(コリメーターレンズ)
５,５a,５b,５c,５d…ミラー
６…ＯＬ(集光レンズ)
７…第１光束
７a…０次回折光
７b,７c…±１次回折光
８…第２光束
９,９a,９b…ビート信号
１０…ＨＰＦ(高域通過フィルタ)
１２,１３…ＬＰＦ(低域通過フィルタ)
１４…ＢＳ(ビームスプリッタ)
１５,１５a,１５b,１５c…１／４波長板
１６…被測定物
１７…ＨＭ(ハーフミラー)
１８…第１信号処理回路部
１８x…ｘ方向側の第１信号処理回路部
１８y…ｙ方向側の第１信号処理回路部
１９…第２信号処理回路部
１９x…ｘ方向側の第２信号処理回路部
１９y…ｙ方向側の第２信号処理回路部
２０…第３信号処理回路部
２０a…差動演算部
２０x…ｘ方向側の第３信号処理回路部
２０y…ｙ方向側の第３信号処理回路部
２１…第１ＰＤ(フォトダイオード)
２１a…ｘ方向側の第１ＰＤ
２１b…ｙ方向側の第１ＰＤ
２２…第２ＰＤ(フォトダイオード)
２２a…ｘ方向側の第２ＰＤ
２２b…ｙ方向側の第２ＰＤ
２３a,２３b,２３c,２３d…直線偏光子
２４…半導体基板
２５…第４信号処理回路
２５x…ｘ方向側の第４信号処理回路部
２５y…ｙ方向側の第４信号処理回路部
２６…第１入力端子
２７…第２入力端子
２８a…電流変換用第１抵抗
２８b…電流変換用第２抵抗
２９…アッテネータ回路部
３０a,３０b,３０c,３０d…バッファ回路部
３１a,３１b…ピークホールド回路部
３２a,３２b…差動増幅回路部
３３…出力端子
３４…ｘ検出点
３５…ｙ検出点
３６…第３光束
４０…移動速度検出部
４０x…ｘ方向側の移動速度検出部
４０y…ｙ方向側の移動速度検出部
４１…移動方向検出部
４１x…ｘ方向側の移動方向検出部
４１y…ｙ方向側の移動方向検出部
【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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【図１４】
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