変位測定装置および速度測定装置
【課題】高精度な変位測定装置を提供する。
【解決手段】移動物体１０２の変位量を測定する変位測定装置１００であって、
発光領域１０１から発せられた光束で移動物体１０２を照射する光源と、移動物体１０２の移動方向において複数の受光領域を備え、移動物体１０２の凹面１０３により反射された光束を結像させて受光するフォトダイオードアレイ１０４、１０５と、光束を結像させてフォトダイオードアレイ１０４、１０５に形成された発光領域像１０６の移動量から、移動物体１０２の変位量を測定する測定手段とを有する。
【解決手段】移動物体１０２の変位量を測定する変位測定装置１００であって、
発光領域１０１から発せられた光束で移動物体１０２を照射する光源と、移動物体１０２の移動方向において複数の受光領域を備え、移動物体１０２の凹面１０３により反射された光束を結像させて受光するフォトダイオードアレイ１０４、１０５と、光束を結像させてフォトダイオードアレイ１０４、１０５に形成された発光領域像１０６の移動量から、移動物体１０２の変位量を測定する測定手段とを有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、移動物体の変位量および速度を非接触で測定する変位測定装置および速度測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
移動物体の変位量を非接触に検出する方式として、以下の２つの方法が知られている。一つは、移動物体にコヒーレントな光を照射して反射散乱された光束の複雑な干渉によるスペックルパターンを生成し、移動物体の移動に伴うスペックルパターンの移動に基づき移動物体の変位や速度を検出する方法である。もう一つは、移動物体に対して異なる入射角でコヒーレントな光を照射し、反射散乱時に受ける光周波数ドップラーシフトの差に基づいて、移動物体の速度を求める方法である。ところが、上記の方法では、コヒーレント光源として用いられるＬＤやＶＣＳＥＬの信頼性面での課題や、装置構成の複雑さによるコスト面の課題等がある。このため、インコヒーレントな光源を用い、撮像した物体の変位量および速度を検出する方法が特許文献１に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開昭５８−１１３７６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に開示された速度測定装置では、移動物体の表面からの反射光は結像系を介していないため、受光部上の光学パターン像は不鮮明になる。このため、受光部のフォトダイオードアレイで検出される信号の振幅は低く、信号品位としてのＳＮ比が劣化する。その結果、光学パターン像の変位量の検出精度が低下し、速度の測定精度が低下してしまう。また、光学パターン像の鮮明化のために測定装置にレンズ等の結像系を追加すると、部品点数の増加によるコストアップや装置の小型化が妨げられる。
【０００５】
そこで本発明は、高精度な変位測定装置および速度測定装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一側面としての変位測定装置は、移動物体の変位量を測定する変位測定装置であって、発光領域から発せられた光束で前記移動物体を照射する光源と、前記移動物体の移動方向において複数の受光領域を備え、前記移動物体の凹面により反射された光束を結像させて受光する受光素子と、前記光束を結像させて前記受光素子に形成された発光領域像の移動量から、前記移動物体の前記変位量を測定する測定手段とを有する。
【０００７】
本発明の他の側面としての速度測定装置は、前記変位測定装置を備え、所定時間における前記移動物体の変位量又は所定距離を通過する時間から該移動物体の速度を検出する。
【０００８】
本発明の他の目的及び特徴は、以下の実施例において説明される。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、高精度な変位測定装置および速度測定装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施例１における変位測定装置の概略構成図である。
【図２】実施例１の変位測定装置における発光領域像の生成原理の説明図である。
【図３】実施例１において、移動物体の移動量と発光領域像の移動量との関係を示す図である。
【図４】実施例１において、移動物体の表面に周期的に配列した凹面を示す図である。
【図５】実施例２における変位測定装置の概略構成図である。
【図６】実施例３における速度測定装置の概略構成図である。
【図７】実施例３において、データに時間遅延を与えるプロセスのブロック図である。
【図８】実施例３における別の速度測定装置４００ａの概略構成図である。
【図９】実施例３における別の速度測定装置４００ｂの概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら詳細に説明する。各図において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。
【実施例１】
【００１２】
まず、本発明の実施例１における変位測定装置について説明する。図１は、本実施例における変位測定装置の概略構成図である。図１において、１００は移動物体の変位量を測定する変位測定装置である。１０１は変位測定装置１００に設けられた光源の発光領域１０１である。発光領域１０１から発せられた光束で移動物体を照射する。発光領域１０１とは、例えば、ベアチップＬＥＤの発光面上の積層電極に形成された開口など、マスクにより作られた発光パターンを示す。また発光領域１０１には、ＶＣＳＥＬなどの面発光光源の発光面や、ＬＤの１μｍ〜２μｍ程度の発光面も含まれる。
【００１３】
１０２は移動物体である。移動物体１０２は、変位測定装置１００による変位量の測定対象である。移動物体１０２は、Ｙ方向に移動可能であり、光源の発光領域１０１からの発散光により照射される。移動物体１０２に照射された発散光は、移動物体１０２の凹面１０３において反射および集光され、フォトダイオードアレイ１０４、１０５（受光素子）上で発光領域像１０６を結像する。図１に示されるように、受光素子は、移動物体１０２の移動方向（Ｙ方向）において複数の受光領域（複数のフォトダイオードアレイ１０４、１０５）を備え、移動物体１０２の凹面１０３により反射された光束を結像させて受光する。また、変位測定装置１００は、凹面１０３により反射された光束を結像させて受光素子に形成された発光領域像１０６の移動量から、移動物体１０２の変位量を測定する測定手段（不図示）を備える。
【００１４】
凹面１０３は、光源の発光領域１０１上の発光点から凹面１０３までの光路長をＬ１、凹面１０３からフォトダイオードアレイ１０４、１０５までの光路長をＬ２としたとき、以下の式（１）を満たす焦点距離Ｆを有する凹面を含むことが望ましい。
【００１５】
−１／Ｌ１−１／Ｌ２＝１／Ｆ … （１）
また、フォトダイオードアレイ１０４、１０５は、それぞれ、移動物体１０２の移動方向（Ｙ方向）において幅Ｐｄ／２、間隔Ｐｄ（周期幅）で交互に配置されている。また、フォトダイオードアレイ１０４、１０５は、同様の構成で空間的に移動物体１０２の移動方向に対して互いにＰｄ／２ずらして配置されている。発光領域１０１の幅Ｗｅは、フォトダイオードアレイ１０４、１０５の幅に関連付けられて決定される。この詳細は後述する。
【００１６】
次に、図２を参照して、変位測定装置１００における発光領域像１０６の生成原理について説明する。まず、発光領域像１０６の生成位置にについて説明する。図２（ａ）に示される発光領域１０１を備えた光源から出射された発散光は、図２（ｂ）に示される移動物体１０２の表面における各々の凹面１０３により反射および集光される。このため、図２（ｄ）に示されるように、移動物体１０２の表面における各々の凹面１０３の位置に対応した位置関係で、フォトダイオードアレイ１０４、１０５の面上に光源の発光領域像１０６が結像される。
【００１７】
次に、移動物体１０２の凹面１０３の形状と発光領域像１０６の結像現象について説明する。一般的な物の表面には、図２（ｂ）に示されるように、様々な形状の凹面１０３が分布している。また、各々の凹面１０３の深さは、図２（ｂ）のＡ−Ａ断面図である図２（ｃ）に示されるように、凹面１０３によって異なる。このように、様々な形状の凹面１０３が存在するが、移動物体１０２の凹面１０３の形状から決定される最適な観察位置に受光部表面（フォトダイオードアレイ１０４、１０５）を配置すると、発光領域像１０６が結像される場合がある。これは、凹面１０３が式（１）を満たす焦点距離Ｆを有する場合である。
【００１８】
例えば、変位測定装置１００（受光部表面）と移動物体１０２との間の距離が１〜３ｍｍ程度の領域では、凹面１０３の直径が１００μｍ程度で深さが２μｍ程度以下の形状が、発光領域像１０６の結像に寄与する。また、受光部表面と移動物体１０２との間の距離が４〜６ｍｍ程度の領域では、凹面１０３の直径が２００μｍ程度で深さが数μｍ程度の形状が、発光領域像１０６の結像に寄与する。このように、観察位置に応じて結像に寄与する凹面１０３内の領域が異なる。そのため、凹面１０３が、上述のように曲面の複合形状からなる場合、ある程度、受光部表面と移動物体１０２との間の距離が変化しても、発光領域像１０６は結像される。
【００１９】
次に、結像される発光領域像１０６のサイズについて説明する。前述したように、凹面１０３が式（１）を満たす焦点距離Ｆを有する場合、発光領域像１０６がフォトダイオードアレイ１０４、１０５上に結像される。しかし、凹面１０３は理想的な曲面ではなく、複数の曲面の複合形状であることが多い。この場合、発光領域像１０６は、式（１）を満たす焦点距離Ｆの凹面１０３により結像される発光領域像と、複数の曲面の複合形状による複数のデフォーカスした発光領域像とが重なり合って形成される。このような現象により、フォトダイオードアレイ１０４、１０５上に結像される発光領域像１０６は、理想的に結像される発光領域１０１の幅に対して１．５〜２倍程度の幅を有する。
【００２０】
本来、発光領域像１０６とフォトダイオードアレイ１０４、１０５の幅が一致していれば、光利用効率の高い検出が可能となる。しかし上述の現象のため、結像された発光領域像１０６は、フォトダイオードアレイ１０４、１０５のそれぞれの幅Ｐｄ／２を越えて、隣接したフォトダイオードアレイ１０４、１０５に発光領域像１０６がはみ出す。このため、後述する信号検出の原理により、検出される信号振幅が減少して、速度検知精度が低下する。ここで、Ｗｅを移動物体１０２の移動方向（Ｙ方向）における光源の発光領域１０１の幅とする。上記現象により光源の発光領域幅Ｗｅとフォトダイオードアレイ間隔Ｐｄとの比であるＷｅ／Ｐｄが０．８７以上になってしまうと、受光面上で像の移動方向のサイズがフォトダイオードアレイ間隔幅以上となる。結果として移動体の変位に対する検出信号振幅が１割以上低下することで、変位の決定精度が低下するといった問題が生じる。その為、Ｗｅ／Ｐｄは０．８７以下であることが望ましい。
【００２１】
また、その対策として光源の発光領域１０１を小さくしすぎると、隣接したフォトダイオードアレイに発光領域像がはみ出さなくなる。しかしＷｅ／Ｐｄが０．２７５よりも小さい時、発光領域の縮小に伴う検出光量低下により検出信号振幅が１割以上低下し移動体の変位量の決定精度が低下するといった問題が生じる。したがって、変位検出精度を得る為には以下の式（２）で表される条件を満たすように設定されることが好ましい。
【００２２】
０．２７５≦Ｗｅ／Ｐｄ≦０．８７ … （２）
次に、図３を参照して、発光領域像１０６の変位原理について説明する。図３は、移動物体１０２の移動量とフォトダイオードアレイ表面３０１上の発光領域像１０６の移動量との関係を示す。図３（ａ）は時刻Ｔ１における移動物体１０２と発光領域像１０６との位置関係であり、図３（ｂ）は時刻Ｔ２における移動物体１０２と発光領域像１０６との位置関係である。図中の黒塗りの矢印は、時刻差（Ｔ２−Ｔ１）の間の移動物体１０２の移動量を示し、白抜きの矢印は時刻差（Ｔ２−Ｔ１）でのフォトダイオードアレイ表面３０１上での発光領域像１０６の移動量を示す。
【００２３】
移動物体１０２の移動量と発光領域像１０６の移動量との関係は、移動物体：発光領域像＝１：（Ｌ１＋Ｌ２）／Ｌ１で表される。本実施例では、光源の発光領域１０１上の発光点から移動物体１０２の表面（凹面１０３）までの光路長Ｌ１と、移動物体１０２の表面から受光素子であるフォトダイオードアレイ１０４までの光路長Ｌ２とが、互いに等しい。このため、移動物体１０２の移動量と発光領域像１０６の移動量との関係は、移動物体：発光領域像＝１：２となる。上記の原理に基づき、フォトダイオードアレイ表面３０１上に結像された発光領域像１０６は、移動物体１０２の移動に伴って移動する。
【００２４】
次に、図１を参照して、移動物体１０２の変位量検出方法について詳細に説明する。まず、フォトダイオードアレイの構成および信号検出方法について説明する。移動物体１０２の凹面１０３によってフォトダイオードアレイ１０４、１０５上に発光領域像１０６が結像される。フォトダイオードアレイ１０４、１０５上に生成された発光領域像１０６からなる二次元光学パターン像は、フォトダイオードアレイ１０４、１０５により光電変換され、１次元の光強度を示す電圧値に変換される。そして、フォトダイオードアレイ１０４を構成する複数のフォトダイオードの検出電圧値の和を求め、空間フィルタ作用と合わせて、フォトダイオードアレイ１０４の検出電圧値Ｖ１が決定される。同様に、フォトダイオードアレイ１０５を構成する複数のフォトダイオードの検出電圧値の和を求め、空間フィルタ作用と合わせて、フォトダイオードアレイ１０５の検出電圧値Ｖ２が決定される。そして、変位測定装置１００は、両フォトダイオードアレイ１０４、１０５の検出電圧値の差Ｖ１−Ｖ２（フォトダイオードアレイ１０４、１０５の出力の差動）を所定の時刻における電圧値として出力する。
【００２５】
次に、移動物体１０２の移動に伴うフォトダイオードアレイ１０４、１０５上の光学パターン像の移動から、移動物体１０２の変位量を検出する方法について説明する。今、変位測定装置１００の検出電圧値Ｖ１＝Ｖａ、Ｖ２＝Ｖｂであり、検出電圧値の差Ｖ１−Ｖ２＝Ｖａ−Ｖｂ＞０で正の電圧値が得られている場合を考える。このとき、光学パターン像がＰｄ／２だけ移動すると、強度分布の位相は１８０°反転し、検出電圧値は移動前後で正負反転して負の電圧値となる。すなわち、検出電圧値の差Ｖ１−Ｖ２≒Ｖｂ−Ｖａ＜０である。
【００２６】
さらに光学パターン像がＰｄ／２、すなわちフォトダイオードアレイ１０４、１０５の間隔１周期分だけ移動すると、検出電圧値の符号は正負反転して正の電圧値となる。すなわち、Ｖ１−Ｖ２≒Ｖａ―Ｖｂ＞０である。このように、光学パターン像がフォトダイオードアレイ１０４、１０５上で間隔Ｐｄ（変位量）だけ進むと、１周期分の波形が検出される。すなわち、移動物体１０２の移動に伴い、変位測定装置１００で検出される出力電圧変化の周期の数をカウントすることで、フォトダイオードアレイ１０４、１０５上の光学パターン像の移動量を検出することができる。これにより、前述した移動物体１０２と発光領域像１０６との関係、および、検出された光学パターン像の移動量に基づき、図３を参照して説明したように、移動物体１０２の変位量を検出することができる。
【００２７】
本実施例では、検出信号の振幅の増大させるために差動検出型のフォトダイオードアレイの構成を採用しているが、変位測定用のフォトダイオードアレイの構成はこれに限定されるものではない。例えば、従来のように、フォトダイオードアレイを用いて、光学パターン像の１次元強度分布がアレイ上を変位する様子から変位量を検出してもよい。また、差動用のフォトダイオードアレイ１０５を用いず、差動増幅を行わなくてもよい。
【００２８】
また、凹面１０３は、移動物体１０２の上に離散的又は連続的に設けられており、以下の式（３）を満たす曲率半径を含む形状であることが好ましい。
【００２９】
Ｒ＝（Ｌ１＋Ｌ２）／２ … （３）
ここで、Ｒは凹面１０３の曲率半径である。
【００３０】
また、移動物体１０２に含まれる凹面１０３は、球面形状のような２次元形状に限定されるものではなく、反射型のシリンドリカル面のような１次元形状でもよい。さらに図４に示されるように、移動物体１０２に凹面形状を故意に周期的に形成してもよい。このとき、凹面１０３ａの配列周期Ｐｌは、以下の式（４）を満たす。
【００３１】
Ｐｌ＝Ｐｄ／２×ｋ … （４）
ただし、ｋは正の整数である。このように、フォトダイオードアレイ１０４、１０５上に結像された周期的な発光領域像１０６を用いて、移動物体１０２の変位量を検出してもよい。
【実施例２】
【００３２】
次に、本発明の実施例２について説明する。図５は、本実施例における変位測定装置１００ａの概略構成図である。本実施例の変位測定装置１００ａは、光源に複数の発光領域４０１（偶数個の発光領域）を間隔Ｐｅで配置している点で、実施例１の変位測定装置１００とは異なる。本実施例では、複数の発光領域４０１を設けることによる、発光領域像の変化および検出信号への影響について説明する。
【００３３】
例えば、光路長Ｌ１＝Ｌ２の場合、一つの凹面１０３により結像される発光領域像は等倍結像され、間隔Ｐｅ（ピッチ）を有する複数の発光領域像４０２が形成される。このように、複数の光源を設けることでランダムな光学パターン像中に所定の間隔の像を生成することができる。結像された発光領域像４０２の間隔Ｐｅとフォトダイオードアレイ１０４、１０５の間隔Ｐｄとを合わせることで、間隔を空けて配置したフォトダイオードアレイ１０４、１０５の空間フィルタとしての効果を有効に生かすことができる。すなわち、仮に凹面１０３がランダムな周期である場合でも、発光領域像４０２に発光領域の周期性を持たせ、像検出のフォトダイオードアレイ周期と一致させることにより、結果として検出信号振幅を増加させ、変位検出制度の向上が図れる。
【００３４】
また、光源又はフォトダイオードアレイのＺ軸方向の実装精度により、複数の発光領域像４０２の結像倍率が変わり、複数の発光領域像４０２の発光領域像の間隔が所定の間隔Ｐｅからずれてしまうことがあり得る。この場合、信号振幅が減衰して速度検出精度の誤差が増大する。ずれ量が大きい場合、フォトダイオードアレイ１０４、１０５の検出電圧値が等しくなり、各フォトダイオードアレイの検出電圧値の差動によって信号が得られなくなることもある。そこで、有効な変位検出信号を得るためには、発光領域像４０２の間隔Ｐｅおよびフォトダイオードアレイ１０４、１０５の間隔Ｐｄは、以下の式（５）で表される条件を満たすことが好ましい。
【００３５】
（１−１／２／（Ｎ−１））×Ｌ１／Ｌ２ ＜ Ｐｅ／Ｐｄ ＜ （１＋１／２／（Ｎ−１））×Ｌ１／Ｌ２ … （５）
ただし、Ｎは２以上の整数であり、発光領域の個数を示す。本実施例では、発光領域数を２点として説明しているが、上記の式（５）を満たすように設定されていればこれに限定されるものではない。また、空間フィルタの作用を得るには、式（５）を満足する発光領域像４０２の間隔Ｐｅの整数倍の周期を含む発光領域の配置であればよい。変位量の検出原理は実施例１と同様であるため、ここでの説明を省略する。
【００３６】
本実施例では、検出信号の振幅を増大させるために差動検出型のフォトダイオードアレイの構成を採用しているが、変位測定用のフォトダイオードアレイの構成は、実施例１と同様に、これに限定されるものではない。例えば、フォトダイオードアレイを用いて、光学パターン像の１次元強度分布がアレイ上を変位していく様子から変位量を検出してもよい。また、作動用のフォトダイオードアレイ１０５を用いずに差動増幅を行わなくてもよい。また、移動物体１０２の凹面１０３は球面形状に限定されるものではなく、図４に示されるような反射型のシリンドリカル面である凹面が故意に周期的に形成されていてもよい。
【実施例３】
【００３７】
次に、本発明の実施例３について説明する。本実施例では、実施例１、２で説明した変位測定装置１００、１００ａを用い、移動物体１０２の速度を測定する方法について説明する。図６は、本実施例における速度測定装置４００の概略構成図である。速度測定装置４００は、所定時間における移動物体１０２の変位量又は所定距離を通過する時間から移動物体１０２の速度を検出するように構成される。
【００３８】
速度測定装置４００は、複数の発光領域５０１、および、フォトダイオードアレイグループ５０２、５０３を備える。フォトダイオードアレイグループ５０２は、フォトダイオードアレイ５０４、および、差動検出用のフォトダイオードアレイ５０５を含む。フォトダイオードアレイグループ５０３は、フォトダイオードアレイ５０６、および、差動検出用のフォトダイオードアレイ５０７を含む。フォトダイオードアレイグループ５０２、５０３は、互いに間隔Ｄだけ離れて配置されている。各フォトダイオードアレイグループ上に生成された複数の発光領域像４０２からなる二次元光学パターン像は、フォトダイオードアレイにより光電変換され、１次元の光強度が電圧値に変換される。そして、フォトダイオードアレイ５０４を構成する複数のフォトダイオードの検出電圧値の和として、フォトダイオードアレイ５０４の検出電圧値Ｖ１が決定される。同様に、フォトダイオードアレイ５０５を構成する複数のフォトダイオードの検出電圧値の和として、フォトダイオードアレイ５０５の検出電圧値Ｖ２が決定される。そして、フォトダイオードアレイグループ５０２は、これらの検出電圧値の差Ｖ１−Ｖ２を、所定の時刻における電圧値として出力する。フォトダイオードアレイグループ５０３も同様に、所定の時刻における電圧値を出力する。
【００３９】
次に、速度の検出方法について説明する。移動物体１０２がＹ軸方向に移動している場合を考える。このとき、フォトダイオードアレイグループ５０２によって、先行して光学パターン像の移動による変位信号が検出される。続いて、これと同位置における光学パターン像の移動による変位信号が、フォトダイオードアレイグループの間隔Ｄと、移動物体１０２の速度に依存した時間だけ遅延して、フォトダイオードアレイグループ５０３により検出される。ここで、各フォトダイオードアレイグループにて検出された同一信号の検出時間差Ｔが正確に得られれば、移動物体１０２の速度を算出することができる。
【００４０】
次に、図７を参照して、速度の検出方法について具体的に説明する。図７は、データに時間遅延を与えるプロセスのブロック図である。フォトダイオードアレイグループ５０２により先行して検出された、所定の時刻間の移動物体１０２の移動に伴う検出出力の変動データ（強度分布データ）をＰ１とする。同様に、遅れてフォトダイオードアレイグループ５０３により検出された、所定の時刻間の移動物体１０２の移動に伴う検出出力の変動データ（強度分布データ）をＰ２とする。変動データＰ１、Ｐ２は、比較器５０８により、時刻に対する電圧値同士が比較される。
【００４１】
ここで、最適なデータの時間遅延量が変動データＰ１に与えられている場合、比較器５０８による比較の結果、各フォトダイオードアレイグループの時刻に対する変動データＰ１、Ｐ２が一致する。一方、変動データＰ１、Ｐ２が一致しない場合、速度検出回路６０１は時間遅延回路６０２に対して時間遅延量に対する補正値が与えられる。そして、補正された時間遅延量が与えられた変動データＰ１を用いて、再び比較器５０８にて比較が行われる。このようなループにより、速度検出回路６０１は検出時間差Ｔを決定する。そして、フォトダイオードアレイグループ５０２、５０３の間隔Ｄから、以下の式（６）を用いて移動物体１０２の速度Ｖを求めることができる。
【００４２】
Ｖ＝Ｄ／Ｔ／｛（Ｌ１＋Ｌ２）／Ｌ１｝ … （６）
本実施例は、実施例２における変位測定装置１００ａを用いて速度測定装置４００を構成した例を説明したが、これに限定されるものではなく、実施例１の変位測定装置１００を用いて速度測定装置４００を構成してもよい。また、フォトダイオードアレイの構成についても、実施例１、２で説明したように、差動検出型のフォトダイオードアレイの構成に限定されるものではない。
【００４３】
図８は、本実施例における別の速度測定装置４００ａの概略構成図である。図８に示されるように、速度測定装置４００ａは、フォトダイオードアレイグループ５０２、５０３を入れ子に配置している。また、フォトダイオードアレイグループ５０２、５０３の間隔Ｄを、フォトダイオードアレイグループ自体の長さよりも短く設定している。
【００４４】
図９は、本実施例における別の速度測定装置４００ｂの概略構成図である。図９に示されるように、フォトダイオードアレイグループ５０２、５０３を同一基板上に配置せず、実施例１、２にて説明した２つの変位測定装置を互いに所定間隔Ｄだけ離して配置してもよい。ただし、この場合の速度算出式は、変位測定装置のフォトダイオードグループの中心間隔Ｄにおける通過時間Ｔから、Ｖ＝Ｄ／Ｔにより求められる。
【００４５】
上記各実施例によれば、移動物体の凹面により受光素子面上（フォトダイオード上）に結像された発光領域像を利用することにより、明瞭な光学パターン像を得ることができる。これにより、信号品位としてＳＮ比が良好な移動物体の変位検知信号が得られ、その結果、変位量および速度の検出精度を向上させることが可能となる。また、検出系にレンズなどの結像系を用いないため、小型・軽量・低コスト化が可能となる。このため、高精度な変位測定装置を提供することができる。
【００４６】
以上、本発明の実施例について具体的に説明した。ただし、本発明は上記実施例として記載された事項に限定されるものではなく、本発明の技術思想を逸脱しない範囲内で適宜変更が可能である。
【符号の説明】
【００４７】
１０１ 発光領域
１０２ 移動物体
１０３ 凹面
１０４、１０５ フォトダイオードアレイ
１０６ 発光領域像
【技術分野】
【０００１】
本発明は、移動物体の変位量および速度を非接触で測定する変位測定装置および速度測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
移動物体の変位量を非接触に検出する方式として、以下の２つの方法が知られている。一つは、移動物体にコヒーレントな光を照射して反射散乱された光束の複雑な干渉によるスペックルパターンを生成し、移動物体の移動に伴うスペックルパターンの移動に基づき移動物体の変位や速度を検出する方法である。もう一つは、移動物体に対して異なる入射角でコヒーレントな光を照射し、反射散乱時に受ける光周波数ドップラーシフトの差に基づいて、移動物体の速度を求める方法である。ところが、上記の方法では、コヒーレント光源として用いられるＬＤやＶＣＳＥＬの信頼性面での課題や、装置構成の複雑さによるコスト面の課題等がある。このため、インコヒーレントな光源を用い、撮像した物体の変位量および速度を検出する方法が特許文献１に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開昭５８−１１３７６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に開示された速度測定装置では、移動物体の表面からの反射光は結像系を介していないため、受光部上の光学パターン像は不鮮明になる。このため、受光部のフォトダイオードアレイで検出される信号の振幅は低く、信号品位としてのＳＮ比が劣化する。その結果、光学パターン像の変位量の検出精度が低下し、速度の測定精度が低下してしまう。また、光学パターン像の鮮明化のために測定装置にレンズ等の結像系を追加すると、部品点数の増加によるコストアップや装置の小型化が妨げられる。
【０００５】
そこで本発明は、高精度な変位測定装置および速度測定装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一側面としての変位測定装置は、移動物体の変位量を測定する変位測定装置であって、発光領域から発せられた光束で前記移動物体を照射する光源と、前記移動物体の移動方向において複数の受光領域を備え、前記移動物体の凹面により反射された光束を結像させて受光する受光素子と、前記光束を結像させて前記受光素子に形成された発光領域像の移動量から、前記移動物体の前記変位量を測定する測定手段とを有する。
【０００７】
本発明の他の側面としての速度測定装置は、前記変位測定装置を備え、所定時間における前記移動物体の変位量又は所定距離を通過する時間から該移動物体の速度を検出する。
【０００８】
本発明の他の目的及び特徴は、以下の実施例において説明される。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、高精度な変位測定装置および速度測定装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施例１における変位測定装置の概略構成図である。
【図２】実施例１の変位測定装置における発光領域像の生成原理の説明図である。
【図３】実施例１において、移動物体の移動量と発光領域像の移動量との関係を示す図である。
【図４】実施例１において、移動物体の表面に周期的に配列した凹面を示す図である。
【図５】実施例２における変位測定装置の概略構成図である。
【図６】実施例３における速度測定装置の概略構成図である。
【図７】実施例３において、データに時間遅延を与えるプロセスのブロック図である。
【図８】実施例３における別の速度測定装置４００ａの概略構成図である。
【図９】実施例３における別の速度測定装置４００ｂの概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら詳細に説明する。各図において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。
【実施例１】
【００１２】
まず、本発明の実施例１における変位測定装置について説明する。図１は、本実施例における変位測定装置の概略構成図である。図１において、１００は移動物体の変位量を測定する変位測定装置である。１０１は変位測定装置１００に設けられた光源の発光領域１０１である。発光領域１０１から発せられた光束で移動物体を照射する。発光領域１０１とは、例えば、ベアチップＬＥＤの発光面上の積層電極に形成された開口など、マスクにより作られた発光パターンを示す。また発光領域１０１には、ＶＣＳＥＬなどの面発光光源の発光面や、ＬＤの１μｍ〜２μｍ程度の発光面も含まれる。
【００１３】
１０２は移動物体である。移動物体１０２は、変位測定装置１００による変位量の測定対象である。移動物体１０２は、Ｙ方向に移動可能であり、光源の発光領域１０１からの発散光により照射される。移動物体１０２に照射された発散光は、移動物体１０２の凹面１０３において反射および集光され、フォトダイオードアレイ１０４、１０５（受光素子）上で発光領域像１０６を結像する。図１に示されるように、受光素子は、移動物体１０２の移動方向（Ｙ方向）において複数の受光領域（複数のフォトダイオードアレイ１０４、１０５）を備え、移動物体１０２の凹面１０３により反射された光束を結像させて受光する。また、変位測定装置１００は、凹面１０３により反射された光束を結像させて受光素子に形成された発光領域像１０６の移動量から、移動物体１０２の変位量を測定する測定手段（不図示）を備える。
【００１４】
凹面１０３は、光源の発光領域１０１上の発光点から凹面１０３までの光路長をＬ１、凹面１０３からフォトダイオードアレイ１０４、１０５までの光路長をＬ２としたとき、以下の式（１）を満たす焦点距離Ｆを有する凹面を含むことが望ましい。
【００１５】
−１／Ｌ１−１／Ｌ２＝１／Ｆ … （１）
また、フォトダイオードアレイ１０４、１０５は、それぞれ、移動物体１０２の移動方向（Ｙ方向）において幅Ｐｄ／２、間隔Ｐｄ（周期幅）で交互に配置されている。また、フォトダイオードアレイ１０４、１０５は、同様の構成で空間的に移動物体１０２の移動方向に対して互いにＰｄ／２ずらして配置されている。発光領域１０１の幅Ｗｅは、フォトダイオードアレイ１０４、１０５の幅に関連付けられて決定される。この詳細は後述する。
【００１６】
次に、図２を参照して、変位測定装置１００における発光領域像１０６の生成原理について説明する。まず、発光領域像１０６の生成位置にについて説明する。図２（ａ）に示される発光領域１０１を備えた光源から出射された発散光は、図２（ｂ）に示される移動物体１０２の表面における各々の凹面１０３により反射および集光される。このため、図２（ｄ）に示されるように、移動物体１０２の表面における各々の凹面１０３の位置に対応した位置関係で、フォトダイオードアレイ１０４、１０５の面上に光源の発光領域像１０６が結像される。
【００１７】
次に、移動物体１０２の凹面１０３の形状と発光領域像１０６の結像現象について説明する。一般的な物の表面には、図２（ｂ）に示されるように、様々な形状の凹面１０３が分布している。また、各々の凹面１０３の深さは、図２（ｂ）のＡ−Ａ断面図である図２（ｃ）に示されるように、凹面１０３によって異なる。このように、様々な形状の凹面１０３が存在するが、移動物体１０２の凹面１０３の形状から決定される最適な観察位置に受光部表面（フォトダイオードアレイ１０４、１０５）を配置すると、発光領域像１０６が結像される場合がある。これは、凹面１０３が式（１）を満たす焦点距離Ｆを有する場合である。
【００１８】
例えば、変位測定装置１００（受光部表面）と移動物体１０２との間の距離が１〜３ｍｍ程度の領域では、凹面１０３の直径が１００μｍ程度で深さが２μｍ程度以下の形状が、発光領域像１０６の結像に寄与する。また、受光部表面と移動物体１０２との間の距離が４〜６ｍｍ程度の領域では、凹面１０３の直径が２００μｍ程度で深さが数μｍ程度の形状が、発光領域像１０６の結像に寄与する。このように、観察位置に応じて結像に寄与する凹面１０３内の領域が異なる。そのため、凹面１０３が、上述のように曲面の複合形状からなる場合、ある程度、受光部表面と移動物体１０２との間の距離が変化しても、発光領域像１０６は結像される。
【００１９】
次に、結像される発光領域像１０６のサイズについて説明する。前述したように、凹面１０３が式（１）を満たす焦点距離Ｆを有する場合、発光領域像１０６がフォトダイオードアレイ１０４、１０５上に結像される。しかし、凹面１０３は理想的な曲面ではなく、複数の曲面の複合形状であることが多い。この場合、発光領域像１０６は、式（１）を満たす焦点距離Ｆの凹面１０３により結像される発光領域像と、複数の曲面の複合形状による複数のデフォーカスした発光領域像とが重なり合って形成される。このような現象により、フォトダイオードアレイ１０４、１０５上に結像される発光領域像１０６は、理想的に結像される発光領域１０１の幅に対して１．５〜２倍程度の幅を有する。
【００２０】
本来、発光領域像１０６とフォトダイオードアレイ１０４、１０５の幅が一致していれば、光利用効率の高い検出が可能となる。しかし上述の現象のため、結像された発光領域像１０６は、フォトダイオードアレイ１０４、１０５のそれぞれの幅Ｐｄ／２を越えて、隣接したフォトダイオードアレイ１０４、１０５に発光領域像１０６がはみ出す。このため、後述する信号検出の原理により、検出される信号振幅が減少して、速度検知精度が低下する。ここで、Ｗｅを移動物体１０２の移動方向（Ｙ方向）における光源の発光領域１０１の幅とする。上記現象により光源の発光領域幅Ｗｅとフォトダイオードアレイ間隔Ｐｄとの比であるＷｅ／Ｐｄが０．８７以上になってしまうと、受光面上で像の移動方向のサイズがフォトダイオードアレイ間隔幅以上となる。結果として移動体の変位に対する検出信号振幅が１割以上低下することで、変位の決定精度が低下するといった問題が生じる。その為、Ｗｅ／Ｐｄは０．８７以下であることが望ましい。
【００２１】
また、その対策として光源の発光領域１０１を小さくしすぎると、隣接したフォトダイオードアレイに発光領域像がはみ出さなくなる。しかしＷｅ／Ｐｄが０．２７５よりも小さい時、発光領域の縮小に伴う検出光量低下により検出信号振幅が１割以上低下し移動体の変位量の決定精度が低下するといった問題が生じる。したがって、変位検出精度を得る為には以下の式（２）で表される条件を満たすように設定されることが好ましい。
【００２２】
０．２７５≦Ｗｅ／Ｐｄ≦０．８７ … （２）
次に、図３を参照して、発光領域像１０６の変位原理について説明する。図３は、移動物体１０２の移動量とフォトダイオードアレイ表面３０１上の発光領域像１０６の移動量との関係を示す。図３（ａ）は時刻Ｔ１における移動物体１０２と発光領域像１０６との位置関係であり、図３（ｂ）は時刻Ｔ２における移動物体１０２と発光領域像１０６との位置関係である。図中の黒塗りの矢印は、時刻差（Ｔ２−Ｔ１）の間の移動物体１０２の移動量を示し、白抜きの矢印は時刻差（Ｔ２−Ｔ１）でのフォトダイオードアレイ表面３０１上での発光領域像１０６の移動量を示す。
【００２３】
移動物体１０２の移動量と発光領域像１０６の移動量との関係は、移動物体：発光領域像＝１：（Ｌ１＋Ｌ２）／Ｌ１で表される。本実施例では、光源の発光領域１０１上の発光点から移動物体１０２の表面（凹面１０３）までの光路長Ｌ１と、移動物体１０２の表面から受光素子であるフォトダイオードアレイ１０４までの光路長Ｌ２とが、互いに等しい。このため、移動物体１０２の移動量と発光領域像１０６の移動量との関係は、移動物体：発光領域像＝１：２となる。上記の原理に基づき、フォトダイオードアレイ表面３０１上に結像された発光領域像１０６は、移動物体１０２の移動に伴って移動する。
【００２４】
次に、図１を参照して、移動物体１０２の変位量検出方法について詳細に説明する。まず、フォトダイオードアレイの構成および信号検出方法について説明する。移動物体１０２の凹面１０３によってフォトダイオードアレイ１０４、１０５上に発光領域像１０６が結像される。フォトダイオードアレイ１０４、１０５上に生成された発光領域像１０６からなる二次元光学パターン像は、フォトダイオードアレイ１０４、１０５により光電変換され、１次元の光強度を示す電圧値に変換される。そして、フォトダイオードアレイ１０４を構成する複数のフォトダイオードの検出電圧値の和を求め、空間フィルタ作用と合わせて、フォトダイオードアレイ１０４の検出電圧値Ｖ１が決定される。同様に、フォトダイオードアレイ１０５を構成する複数のフォトダイオードの検出電圧値の和を求め、空間フィルタ作用と合わせて、フォトダイオードアレイ１０５の検出電圧値Ｖ２が決定される。そして、変位測定装置１００は、両フォトダイオードアレイ１０４、１０５の検出電圧値の差Ｖ１−Ｖ２（フォトダイオードアレイ１０４、１０５の出力の差動）を所定の時刻における電圧値として出力する。
【００２５】
次に、移動物体１０２の移動に伴うフォトダイオードアレイ１０４、１０５上の光学パターン像の移動から、移動物体１０２の変位量を検出する方法について説明する。今、変位測定装置１００の検出電圧値Ｖ１＝Ｖａ、Ｖ２＝Ｖｂであり、検出電圧値の差Ｖ１−Ｖ２＝Ｖａ−Ｖｂ＞０で正の電圧値が得られている場合を考える。このとき、光学パターン像がＰｄ／２だけ移動すると、強度分布の位相は１８０°反転し、検出電圧値は移動前後で正負反転して負の電圧値となる。すなわち、検出電圧値の差Ｖ１−Ｖ２≒Ｖｂ−Ｖａ＜０である。
【００２６】
さらに光学パターン像がＰｄ／２、すなわちフォトダイオードアレイ１０４、１０５の間隔１周期分だけ移動すると、検出電圧値の符号は正負反転して正の電圧値となる。すなわち、Ｖ１−Ｖ２≒Ｖａ―Ｖｂ＞０である。このように、光学パターン像がフォトダイオードアレイ１０４、１０５上で間隔Ｐｄ（変位量）だけ進むと、１周期分の波形が検出される。すなわち、移動物体１０２の移動に伴い、変位測定装置１００で検出される出力電圧変化の周期の数をカウントすることで、フォトダイオードアレイ１０４、１０５上の光学パターン像の移動量を検出することができる。これにより、前述した移動物体１０２と発光領域像１０６との関係、および、検出された光学パターン像の移動量に基づき、図３を参照して説明したように、移動物体１０２の変位量を検出することができる。
【００２７】
本実施例では、検出信号の振幅の増大させるために差動検出型のフォトダイオードアレイの構成を採用しているが、変位測定用のフォトダイオードアレイの構成はこれに限定されるものではない。例えば、従来のように、フォトダイオードアレイを用いて、光学パターン像の１次元強度分布がアレイ上を変位する様子から変位量を検出してもよい。また、差動用のフォトダイオードアレイ１０５を用いず、差動増幅を行わなくてもよい。
【００２８】
また、凹面１０３は、移動物体１０２の上に離散的又は連続的に設けられており、以下の式（３）を満たす曲率半径を含む形状であることが好ましい。
【００２９】
Ｒ＝（Ｌ１＋Ｌ２）／２ … （３）
ここで、Ｒは凹面１０３の曲率半径である。
【００３０】
また、移動物体１０２に含まれる凹面１０３は、球面形状のような２次元形状に限定されるものではなく、反射型のシリンドリカル面のような１次元形状でもよい。さらに図４に示されるように、移動物体１０２に凹面形状を故意に周期的に形成してもよい。このとき、凹面１０３ａの配列周期Ｐｌは、以下の式（４）を満たす。
【００３１】
Ｐｌ＝Ｐｄ／２×ｋ … （４）
ただし、ｋは正の整数である。このように、フォトダイオードアレイ１０４、１０５上に結像された周期的な発光領域像１０６を用いて、移動物体１０２の変位量を検出してもよい。
【実施例２】
【００３２】
次に、本発明の実施例２について説明する。図５は、本実施例における変位測定装置１００ａの概略構成図である。本実施例の変位測定装置１００ａは、光源に複数の発光領域４０１（偶数個の発光領域）を間隔Ｐｅで配置している点で、実施例１の変位測定装置１００とは異なる。本実施例では、複数の発光領域４０１を設けることによる、発光領域像の変化および検出信号への影響について説明する。
【００３３】
例えば、光路長Ｌ１＝Ｌ２の場合、一つの凹面１０３により結像される発光領域像は等倍結像され、間隔Ｐｅ（ピッチ）を有する複数の発光領域像４０２が形成される。このように、複数の光源を設けることでランダムな光学パターン像中に所定の間隔の像を生成することができる。結像された発光領域像４０２の間隔Ｐｅとフォトダイオードアレイ１０４、１０５の間隔Ｐｄとを合わせることで、間隔を空けて配置したフォトダイオードアレイ１０４、１０５の空間フィルタとしての効果を有効に生かすことができる。すなわち、仮に凹面１０３がランダムな周期である場合でも、発光領域像４０２に発光領域の周期性を持たせ、像検出のフォトダイオードアレイ周期と一致させることにより、結果として検出信号振幅を増加させ、変位検出制度の向上が図れる。
【００３４】
また、光源又はフォトダイオードアレイのＺ軸方向の実装精度により、複数の発光領域像４０２の結像倍率が変わり、複数の発光領域像４０２の発光領域像の間隔が所定の間隔Ｐｅからずれてしまうことがあり得る。この場合、信号振幅が減衰して速度検出精度の誤差が増大する。ずれ量が大きい場合、フォトダイオードアレイ１０４、１０５の検出電圧値が等しくなり、各フォトダイオードアレイの検出電圧値の差動によって信号が得られなくなることもある。そこで、有効な変位検出信号を得るためには、発光領域像４０２の間隔Ｐｅおよびフォトダイオードアレイ１０４、１０５の間隔Ｐｄは、以下の式（５）で表される条件を満たすことが好ましい。
【００３５】
（１−１／２／（Ｎ−１））×Ｌ１／Ｌ２ ＜ Ｐｅ／Ｐｄ ＜ （１＋１／２／（Ｎ−１））×Ｌ１／Ｌ２ … （５）
ただし、Ｎは２以上の整数であり、発光領域の個数を示す。本実施例では、発光領域数を２点として説明しているが、上記の式（５）を満たすように設定されていればこれに限定されるものではない。また、空間フィルタの作用を得るには、式（５）を満足する発光領域像４０２の間隔Ｐｅの整数倍の周期を含む発光領域の配置であればよい。変位量の検出原理は実施例１と同様であるため、ここでの説明を省略する。
【００３６】
本実施例では、検出信号の振幅を増大させるために差動検出型のフォトダイオードアレイの構成を採用しているが、変位測定用のフォトダイオードアレイの構成は、実施例１と同様に、これに限定されるものではない。例えば、フォトダイオードアレイを用いて、光学パターン像の１次元強度分布がアレイ上を変位していく様子から変位量を検出してもよい。また、作動用のフォトダイオードアレイ１０５を用いずに差動増幅を行わなくてもよい。また、移動物体１０２の凹面１０３は球面形状に限定されるものではなく、図４に示されるような反射型のシリンドリカル面である凹面が故意に周期的に形成されていてもよい。
【実施例３】
【００３７】
次に、本発明の実施例３について説明する。本実施例では、実施例１、２で説明した変位測定装置１００、１００ａを用い、移動物体１０２の速度を測定する方法について説明する。図６は、本実施例における速度測定装置４００の概略構成図である。速度測定装置４００は、所定時間における移動物体１０２の変位量又は所定距離を通過する時間から移動物体１０２の速度を検出するように構成される。
【００３８】
速度測定装置４００は、複数の発光領域５０１、および、フォトダイオードアレイグループ５０２、５０３を備える。フォトダイオードアレイグループ５０２は、フォトダイオードアレイ５０４、および、差動検出用のフォトダイオードアレイ５０５を含む。フォトダイオードアレイグループ５０３は、フォトダイオードアレイ５０６、および、差動検出用のフォトダイオードアレイ５０７を含む。フォトダイオードアレイグループ５０２、５０３は、互いに間隔Ｄだけ離れて配置されている。各フォトダイオードアレイグループ上に生成された複数の発光領域像４０２からなる二次元光学パターン像は、フォトダイオードアレイにより光電変換され、１次元の光強度が電圧値に変換される。そして、フォトダイオードアレイ５０４を構成する複数のフォトダイオードの検出電圧値の和として、フォトダイオードアレイ５０４の検出電圧値Ｖ１が決定される。同様に、フォトダイオードアレイ５０５を構成する複数のフォトダイオードの検出電圧値の和として、フォトダイオードアレイ５０５の検出電圧値Ｖ２が決定される。そして、フォトダイオードアレイグループ５０２は、これらの検出電圧値の差Ｖ１−Ｖ２を、所定の時刻における電圧値として出力する。フォトダイオードアレイグループ５０３も同様に、所定の時刻における電圧値を出力する。
【００３９】
次に、速度の検出方法について説明する。移動物体１０２がＹ軸方向に移動している場合を考える。このとき、フォトダイオードアレイグループ５０２によって、先行して光学パターン像の移動による変位信号が検出される。続いて、これと同位置における光学パターン像の移動による変位信号が、フォトダイオードアレイグループの間隔Ｄと、移動物体１０２の速度に依存した時間だけ遅延して、フォトダイオードアレイグループ５０３により検出される。ここで、各フォトダイオードアレイグループにて検出された同一信号の検出時間差Ｔが正確に得られれば、移動物体１０２の速度を算出することができる。
【００４０】
次に、図７を参照して、速度の検出方法について具体的に説明する。図７は、データに時間遅延を与えるプロセスのブロック図である。フォトダイオードアレイグループ５０２により先行して検出された、所定の時刻間の移動物体１０２の移動に伴う検出出力の変動データ（強度分布データ）をＰ１とする。同様に、遅れてフォトダイオードアレイグループ５０３により検出された、所定の時刻間の移動物体１０２の移動に伴う検出出力の変動データ（強度分布データ）をＰ２とする。変動データＰ１、Ｐ２は、比較器５０８により、時刻に対する電圧値同士が比較される。
【００４１】
ここで、最適なデータの時間遅延量が変動データＰ１に与えられている場合、比較器５０８による比較の結果、各フォトダイオードアレイグループの時刻に対する変動データＰ１、Ｐ２が一致する。一方、変動データＰ１、Ｐ２が一致しない場合、速度検出回路６０１は時間遅延回路６０２に対して時間遅延量に対する補正値が与えられる。そして、補正された時間遅延量が与えられた変動データＰ１を用いて、再び比較器５０８にて比較が行われる。このようなループにより、速度検出回路６０１は検出時間差Ｔを決定する。そして、フォトダイオードアレイグループ５０２、５０３の間隔Ｄから、以下の式（６）を用いて移動物体１０２の速度Ｖを求めることができる。
【００４２】
Ｖ＝Ｄ／Ｔ／｛（Ｌ１＋Ｌ２）／Ｌ１｝ … （６）
本実施例は、実施例２における変位測定装置１００ａを用いて速度測定装置４００を構成した例を説明したが、これに限定されるものではなく、実施例１の変位測定装置１００を用いて速度測定装置４００を構成してもよい。また、フォトダイオードアレイの構成についても、実施例１、２で説明したように、差動検出型のフォトダイオードアレイの構成に限定されるものではない。
【００４３】
図８は、本実施例における別の速度測定装置４００ａの概略構成図である。図８に示されるように、速度測定装置４００ａは、フォトダイオードアレイグループ５０２、５０３を入れ子に配置している。また、フォトダイオードアレイグループ５０２、５０３の間隔Ｄを、フォトダイオードアレイグループ自体の長さよりも短く設定している。
【００４４】
図９は、本実施例における別の速度測定装置４００ｂの概略構成図である。図９に示されるように、フォトダイオードアレイグループ５０２、５０３を同一基板上に配置せず、実施例１、２にて説明した２つの変位測定装置を互いに所定間隔Ｄだけ離して配置してもよい。ただし、この場合の速度算出式は、変位測定装置のフォトダイオードグループの中心間隔Ｄにおける通過時間Ｔから、Ｖ＝Ｄ／Ｔにより求められる。
【００４５】
上記各実施例によれば、移動物体の凹面により受光素子面上（フォトダイオード上）に結像された発光領域像を利用することにより、明瞭な光学パターン像を得ることができる。これにより、信号品位としてＳＮ比が良好な移動物体の変位検知信号が得られ、その結果、変位量および速度の検出精度を向上させることが可能となる。また、検出系にレンズなどの結像系を用いないため、小型・軽量・低コスト化が可能となる。このため、高精度な変位測定装置を提供することができる。
【００４６】
以上、本発明の実施例について具体的に説明した。ただし、本発明は上記実施例として記載された事項に限定されるものではなく、本発明の技術思想を逸脱しない範囲内で適宜変更が可能である。
【符号の説明】
【００４７】
１０１ 発光領域
１０２ 移動物体
１０３ 凹面
１０４、１０５ フォトダイオードアレイ
１０６ 発光領域像
【特許請求の範囲】
【請求項１】
移動物体の変位量を測定する変位測定装置であって、
発光領域から発せられた光束で前記移動物体を照射する光源と、
前記移動物体の移動方向において複数の受光領域を備え、前記移動物体の凹面により反射された光束を結像させて受光する受光素子と、
前記光束を結像させて前記受光素子に形成された発光領域像の移動量から、前記移動物体の前記変位量を測定する測定手段と、を有することを特徴とする変位測定装置。
【請求項２】
以下の条件を満たすことを特徴とする請求項１に記載の変位測定装置。
０．２７５≦Ｗｅ／Ｐｄ≦０．８７
ただし、Ｗｅは前記移動物体の移動方向における前記発光領域の幅であり、Ｐｄは前記移動物体の移動方向において隣り合う受光領域の間隔である。
【請求項３】
前記光源は、前記移動物体の移動方向において偶数個の前記発光領域を備え、
以下の条件を満たすことを特徴とする請求項１に記載の変位測定装置。
（１−１／２／（Ｎ−１））×Ｌ１／Ｌ２ ＜ Ｐｅ／Ｐｄ ＜ （１＋１／２／（Ｎ−１））×Ｌ１／Ｌ２
ただし、Ｌ１は前記光源の発光点から前記移動物体の前記凹面までの光路長、Ｌ２は前記移動物体の前記凹面から前記受光素子までの光路長、Ｐｅは前記移動物体の移動方向において隣り合う受光領域の間隔、Ｎは発光領域の個数であって２以上の偶数である。
【請求項４】
前記凹面は、前記移動物体の上に離散的又は連続的に設けられており、以下の条件を満たす曲率半径を含む形状であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の変位測定装置。
Ｒ＝（Ｌ１＋Ｌ２）／２
ただし、Ｒは前記凹面の曲率半径、Ｌ１は前記光源の発光点から前記移動物体の前記凹面までの光路長、Ｌ２は前記移動物体の前記凹面から前記受光素子までの光路長である。
【請求項５】
前記凹面は、以下の条件を満たすように配列されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の変位測定装置。
Ｐｌ＝Ｐｄ／２×ｋ
ただし、Ｐｌは前記凹面の配列周期、Ｐｄは前記移動物体の移動方向において隣り合う受光領域の間隔、ｋは正の整数である。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の変位測定装置を備え、
所定時間における前記移動物体の変位量又は所定距離を通過する時間から該移動物体の
速度を検出することを特徴とする速度測定装置。
【請求項１】
移動物体の変位量を測定する変位測定装置であって、
発光領域から発せられた光束で前記移動物体を照射する光源と、
前記移動物体の移動方向において複数の受光領域を備え、前記移動物体の凹面により反射された光束を結像させて受光する受光素子と、
前記光束を結像させて前記受光素子に形成された発光領域像の移動量から、前記移動物体の前記変位量を測定する測定手段と、を有することを特徴とする変位測定装置。
【請求項２】
以下の条件を満たすことを特徴とする請求項１に記載の変位測定装置。
０．２７５≦Ｗｅ／Ｐｄ≦０．８７
ただし、Ｗｅは前記移動物体の移動方向における前記発光領域の幅であり、Ｐｄは前記移動物体の移動方向において隣り合う受光領域の間隔である。
【請求項３】
前記光源は、前記移動物体の移動方向において偶数個の前記発光領域を備え、
以下の条件を満たすことを特徴とする請求項１に記載の変位測定装置。
（１−１／２／（Ｎ−１））×Ｌ１／Ｌ２ ＜ Ｐｅ／Ｐｄ ＜ （１＋１／２／（Ｎ−１））×Ｌ１／Ｌ２
ただし、Ｌ１は前記光源の発光点から前記移動物体の前記凹面までの光路長、Ｌ２は前記移動物体の前記凹面から前記受光素子までの光路長、Ｐｅは前記移動物体の移動方向において隣り合う受光領域の間隔、Ｎは発光領域の個数であって２以上の偶数である。
【請求項４】
前記凹面は、前記移動物体の上に離散的又は連続的に設けられており、以下の条件を満たす曲率半径を含む形状であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の変位測定装置。
Ｒ＝（Ｌ１＋Ｌ２）／２
ただし、Ｒは前記凹面の曲率半径、Ｌ１は前記光源の発光点から前記移動物体の前記凹面までの光路長、Ｌ２は前記移動物体の前記凹面から前記受光素子までの光路長である。
【請求項５】
前記凹面は、以下の条件を満たすように配列されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の変位測定装置。
Ｐｌ＝Ｐｄ／２×ｋ
ただし、Ｐｌは前記凹面の配列周期、Ｐｄは前記移動物体の移動方向において隣り合う受光領域の間隔、ｋは正の整数である。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の変位測定装置を備え、
所定時間における前記移動物体の変位量又は所定距離を通過する時間から該移動物体の
速度を検出することを特徴とする速度測定装置。
【図７】
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図８】
【図９】
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１１−１４９８７２（Ｐ２０１１−１４９８７２Ａ）
【公開日】平成２３年８月４日（２０１１．８．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１２４７１（Ｐ２０１０−１２４７１）
【出願日】平成２２年１月２２日（２０１０．１．２２）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年８月４日（２０１１．８．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１月２２日（２０１０．１．２２）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
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