专利名称：光学速度计，位移信息测量装置以及输送和处理装置的制作方法
背景技术：
本发明涉及一种通过将激光照射到移动的被测物体上并接收来自被测物体的相应于被测物体移动速度的光频移动量的散射光以检测被测物体速度的速度计，一种基于被测物体的速度信息和时间信息计算被测物体的位移信息的位移信息测量装置，以及一种基于速度信息或位移信息控制被测物体的输送并将一个指定处理应用于被测物体的输送和处理装置。
当光源与观测器彼此相对移动时，光通常由于多普勒效应发生频率变化。激光多普勒速度计(以下称作LDV)利用这一效应来测量被测物体的速度，其通过将激光照射到移动物体上并测量来自被测物体的散射光的多普勒频移。这种激光多普勒速度计已由Yeh和Cummins在1964年公开(Appl.Phys.Lett.4-10(1964)176)，现在已经得到广泛地公知且在实际中得到使用。
附图13示出了传统的典型LDV的光学系统的视图。
在附图13中，附图标记101表示一个作为半导体激光器的激光二极管(以下称作LD)，102表示一个作为光电探测器的光电二极管(以下称作PD)，103表示一个衍射光栅，104表示一个准直透镜(以下称作CL)，105表示一个反射镜，106表示一个聚光透镜，107表示衍射光栅103的第+1级衍射光的第一光通量，108表示衍射光栅103的第一1级衍射光的第二光通量，以及113表示一个被测物体。
在如上组成的光学系统中，LD101射出的激光通过CL104变为一个平行光通量，接着由衍射光栅103以衍射角θ分成第±1级的衍射光，变成第一光通量107和第二光通量108。第一光通量107和第二光通量分别由反射镜105反射，然后以入射角θ入射到被测物体的表面，彼此再次重叠。由被测物体113散射的第一光通量107和第二光通量108，即多普勒频移，与LD101在振荡频率上略有不同。因此，被测物体113散射的第一光通量107和第二光通量108的界面波产生差拍。该差拍被称为差拍信号。被测物体113的速度可以利用PD102通过外差检测差拍信号的拍频获得。在下文中，将作更详细地解释。
此处，当将被测物体113如图所示向右移动的方向设为向前(正)方向时，第一光通量107的频移为多普勒频移-fd，第二光通量108为多普勒频移+fd，这样，第一光通量107视在频率变为(f0-fd)，第二光通量108的视在频率变为(f0+fd)。注意f0表示LD101的振荡频率。在这种情况下，由于LD101发出的光的电场表示为E0·cos(2 f0t)，其中，E0表示其振幅，t表示时间，因此，第一光通量107由以下公式(1)表示，第二光通量108由以下公式(2)表示IA＝EA·coS{2π(f0-fd)t+φA} (1)IB＝EB·cos{2π(f0+fd)t+φB} (2)其中，f0表示LD101发出的光束的频率，E0表示LD101发出的光束的振幅，EA表示第一光通量107的振幅，EB表示第二光通量的振幅，φA表示第一光通量107的相位，ΦB表示第二光通量的相位。
由于光的频率通常为100THz(等于1014赫)，因而不可能直接测量公式(1)和公式(2)的频率信息。所以，通常使用外差检测，由于f0＞＞fd成立，公式(1)和公式(2)的界面波可由以下公式表示<|IA+IB|2>=EA2+EB22+EA·EB·cos{2π(2fd)t-(φA-φB)}--(3)]]>注意公式(3)左边的<>表示时间平均值。因此，PD102允许界面波的频率被测量。
附图14示出了当被测物体113以速度V移动，两个光通量分别以任意角α和β入射物体113，观测器以任意角γ接收散射光时的情况。
由多普勒效应引起的频移量可利用基于精确意义上的相对论的洛伦兹变换得到，当移动速度V远小于光速C时，频移量可按如下方法近似地得到。移动物体113相对于来自光源A和B的光的相对速度VA1和VB1由下式表示VA1＝c-VsinαVB1＝c+Vsinβ (4)同时，从被测物体113看到的各个光的视在频率fA1和fB1由下式表示fA1=VA1λ=1λ·(c-Vsinα)---(5)]]>fB1=VB1λ=1λ·(c+Vsinβ)]]>
各个散射(反射)光与被测物体113的相对速度VA2和VB2由下式表示VA2＝c-VsinγVB2＝c-Vsinγ (6)因此，从观测点看到的光的频率fA2和fB2由下式表示fA2=cVA2·fA1=cλ·1-Vc·sinα1-Vc·sinγ--(7)]]>fB2=cVB2·fB1=cλ·1+Vc·sinβ1-Vc·sinγ]]>式(7)中的频率与入射光的频率(f0)之间的差值变成多普勒频移量fd。此处，利用c＞＞V在观测点测量到的两光通量的拍频2fd由下式表示2fd＝|fB2-fA1|=Vλ·(sinα+sinβ)--(8)]]>可以看出，2fd与观测点的位置(角度γ)无关。附图13中，α＝β＝θ成立，可在图13的LDV的典型光学系统中，基于公式(8)建立下式2fd=2Vλ·sinθ---(9)]]>因此，被测物体113的速度V可通过测量式(3)中的频率fd，并利用式(9)计算获得。
也可以如下从几何学上解释公式(9)附图15是图13中两光通量(第一和第二光通量107和108)彼此交叉区域的放大视图。两光通量分别具有入射角θ，彼此交叉，图15中的虚线表示各自光通量的等波面部分。虚线间的间隔表示光的波长λ。垂直粗线表示干涉条纹的亮区，当垂直粗线间的间隔设为Δ时，该Δ由下式(10)表示Δ=λ2sinθ---(10)]]>如图15所示，当一物体(表示为·)以速度V垂直通过干涉条纹时，干涉条纹的频率f由下式表示f=VΔ=2Vλ·sinθ=2fd--(11)]]>
该公式等于公式(9)。这种概念被称作干涉条纹模式。
这样，在典型LDV中得到了被测物体的速度V。然而，不可能检测被测物体的移动方向。另一方面，根据JP03-235060A，可以通过以速度Vg旋转图3中的衍射光栅103检测移动方向。在这种情况下，当光线被衍射光栅103反射时，由于各个光通量是与Vg成比例的多普勒频移，因此在PD102中测量的拍频2fd可以由下式获得2fd=2Vλ·(V+Vg)·sinθ--(12)]]>由于2fd的相对值根据相对给定速度Vg的速度V的正负符号确定，因此可以得到被测物体的移动方向。然而，根据上述光学系统，需要用于衍射光栅103的旋转机械，从而导致LDV的尺寸变得更大，且花费更高。此外，需要精确地得到衍射光栅103的旋转速度。然而，由于一些问题例如旋转带来的离心，振动等造成的误差，很难将LDV用于精确地测量。
JP04-204104A中公开的速度计解决了上述问题。在JP04-204104A中，被测物体的移动方向通过利用频移器改变入射光通量的频率来检测。
附图16表示JP04-204104A中公开的速度计光学系统的示意图。
根据该速度计，激光源101发出的光通过CL104变成平行光通量，然后由分束器(以下称作BS)分成两个光通量。各个光通量由反射镜105反射，然后由声-光装置110(以下称作AOM)频移f1和f2。光通量又由衍射光栅103集中到被测物体113的表面，然后利用PD102检测来自被测物体113的散射光的拍频。此处，检测到的频率2fd由下式表示2fd=(|f1-f2|)+2Vλ·sinθ--(13)]]>由于速度V的符号根据被测物体113的移动方向改变，因此，被测物体113的移动方向可通过2fd与一个已知频移量|f1-f2|的相对值检测到。
同样在JP08-15435A中，利用附图17中所示的电-光装置(以下称作EOM)，基于与JP04-204104A相同的原理改变频率。更具体地，激光源LD101发出的光通过CL104变成平行光通量，然后由衍射光栅103分成个两光通量，包括第一光通量107和第二光通量108。第一和第二光通量107和108分别入射到EOMs111上。此处，使第二光通量108频移fR。第一和第二光通量分别由反射镜105反射，然后集中在被测物体113表面上。利用PD102检测被测物体113表面散射的光的拍频。此处，被测频率2fd由下式表示2fd=fR+2Vλ·sinθ--(14)]]>这样，与公式(13)相似，由于V的符号根据物体的移动方向改变，因此可以通过2fd与一个已知频移量fR相对值检测被测物体113的移动方向。
然而，利用频移器如AOM110和EOM111检测被测物体113的移动方向的光学系统，由于需要驱动频移器的电源，以便产生AOM110调频所需的大约几十伏电压，或EOM111调频所需的大约100伏电压，例如其结果是需要一个大尺寸的电源，所以具有的缺点是光学系统更复杂且尺寸更大。
对不同传感器包括LDV的小型化和低功耗的需求已经越来越大，并且这种倾向对消费品特别强烈。由于LDV检测散射光，来自被测物体的信号光通常很弱，尽管其强度根据被测物体的类型可能不同。一种解决办法是使用具有高光敏度的光电倍增管作光电探测器。然而，当将光电倍增管用于LDV时，将导致LDV自身尺寸变大。也就是说，包含光电倍增管的LDV不适合应用于小型消费产品。为了不妨碍其小型化，作为替代，通常使用灵敏度低的光电二极管作为光电深测器。在这种情况下，优选地将尽可能多的光信号入射到光电探测器上。然而，因为被测物体113的散射表面与聚光透镜106之间的距离通常由于如光学元件的排列的因素受到限制，所以对光学接收系统也有限制，其仅仅被更靠近被测物体放置。由于另一测量将尽可能多的信号光入射到光电探测器上，因此还可以通过使用He-Ne和Ar+作为大功率激光源的气体激光器等以提高入射的光通量，但是从设备小型化和低功耗的观点出发，优选使用半导体激光器。在LDV中，被测物体的移动方向是特定的且限定为一维检测。因此为了通过LDV得到一个二维速度，就需要基于两个不同方向上排列的两个LDVs得到的速度计算二维速度。当这样使用两个LDVs时，不但因为存在由于不同检测点导致的被测物体的旋转、膨胀和收缩引起误差的可能性，而且因为两个装置所需的空间和花费，而使其是不实际的。
发明概述因此，本发明的目的是提供一种光学速度计，位移信息测量装置以及输送和处理装置，其可以减少尺寸和功耗，并可以高精度地检测被测物体的二维移动速度。
为了解决上述问题，提供一种光学速度计，包括
一个用于发射相干光的光发射元件；一个分光部，用于将光反射元件发出的光至少分成三束光通量；一个光学系统，用于使分光部分出的相应光通量的光轴在被测物体上相交以形成一检测点；至少两光接收部，用于从检测点接收由被测物体移动导致频移的散射光；以及一个信号处理电路，用于处理从至少两个光接收部输出的光接收信号，检测被测物体的至少两个方向上的移动速度。
此处，在本说明书中，例如使用半导体激光二极管和发光二极管作为发光元件。例如使用衍射光栅和分束器作为分光部。光学系统例如包括一个改变分出的光通量的光轴方向的反射镜，和一个改变分出的光通量的偏振状态的波长片如λ/2波片和λ/4波片。光接收部具有一个光电探测器如光电二极管等，并通过对散射光光电转换得到一个光接收信号。光接收信号的频率相应于被测物体的速度。
根据本发明的光学速度计，从产生相干光的光发射元件发出的光通量被分开，该分开的光通量从多个方向相交于一检测点，检测点的散射光由多个光接收部接收。因此，与传统使用激光的LDV相比，本发明提供小尺寸的LDV，其精确地由一个装置低功耗高灵敏精确地检测二维速度。
在一个实施例中，形成检测点的光通量为三个光通量，即第一光通量，第二光通量和第三光通量；光学系统包括一个偏转第二光通量和第三光通量光轴的偏转部，和一个改变偏振状态的偏振状态改变部，以便使至少第一光通量的偏振状态不同于第二光通量和第三光通量的偏振状态；光接收部包括一个接收彼此偏振状态不同的第一光通量的散射光和第二光通量的散射光的第一光接收部，和一个接收彼此偏振状态不同的第一光通量的散射光和第三光通量的散射光的第二光接收部；第一光接收部和第二光接收部分别包括一个分光部，用来将入射散射光分成两束的分光部，和两个分别经过相互正交的偏振器接收分光部分出的散射光的光电探测器；信号处理电路基于相应光接收部的两光电探测器得到的、由偏振状态不同导致的相位差异的两光接收信号，确定被测物体的移动方向和检测被测物体的二维移动速度。
此处，在本说明书中，例如使用衍射光栅作为分光部，和例如使用线性偏振片作为偏振器。
根据本实施例的光学速度计，被测物体的二维移动速度由作为最小单元的一个简单结构检测。
在一个实施例中，分光部是一个衍射光栅，第一光通量相应于衍射光栅分出的零级衍射光，第二光通量和第三光通量相应于衍射光栅分出的预定级衍射光。
根据本实施例的光学速度计，衍射光栅将一个光通量分成三束光通量(最小单元)，其结果是得到速度计的小型化。
在一个实施例中，衍射光栅具有使由第一光通量和第二光通量限定的第一平面和由第一光通量和第三光通量限定的第二平面彼此大致正交的结构。
此处，在本说明书中，例如，检测点布置在坐标系的原点，第一平面相应于x-z入射平面，第二平面相应于y-z入射平面。
根据本实施例的光学速度计，由于衍射光栅具有使第一平面和第二平面彼此大致正交的光栅结构，因此，改变光通量的方向的元件如反射镜等的数量减少，其结果是光学速度计的花费进一步降低，并进一步小型化。
在一个实施例中，信号处理电路为了检测被测物体的二维移动速度，计算平行于第一平面且正交于第一光通量方向的速度分量和平行于第二平面且正交于第一光通量方向的速度分量。
根据该实施例，为了确保检测被测物体的二维移动速度，信号处理电路计算x-方向的速度分量和y-方向的速度分量。
在一个实施例中，检测点布置在坐标系的原点，当形成检测点的其中之一光通量从正区斜射到检测点上时，光接收部由此布置在负区中；当形成检测点的另一光通量从负区斜射到检测点上时，光接收部由此布置在正区中。
根据该实施例，当光通量从x-方向和y-方向的正方向入射到检测点上时，光接收部布置在负区域中。当光通量从x-方向和y-方向的负方向入射到检测点上时，光接收部布置在正区域中，以确保光接收部接受到散射光。
在一个实施例中，光接收部设置在斜射到检测点上的光通量的规则反射位置。
根据该实施例，提高了散射光至光接收部的入射强度。
在一个实施例中，偏振状态改变部包括一个改变第一光通量的偏振状态的λ/4波片。
在一个实施例中，偏振状态改变部包括一个改变第一光通量的偏振状态的λ/4波片和一个改变第二光通量和第三光通量之一的偏振状态的λ/2波片。
在一个实施例中，偏振状态改变部包括一个改变第二光通量的偏振状态的λ/4波片和一个改变第三光通量的偏振状态的λ/4波片。
在一个实施例中，偏振状态改变部包括一个用于改变第二光通量的偏振状态的λ/4波片和一个用于改变第三光通量的偏振状态的λ/4波片，以使第三光通量改变的偏振状态相应于偏振状态改变的第二光通量的相位移位π。
在一个实施例中，衍射光栅是闪耀型的。
根据该实施例，提高了所使用预定级的衍射光的衍射效率，且提高了光接收强度，其结果是提高了检测精度。
在一个实施例中，衍射光栅的光栅被分成两个区域，即产生第二光通量的区域和产生第三光通量的区域。
在一个实施例中，在产生第二光通量和第三光通量的区域中，衍射光栅中具有不同光栅方向的单元以矩阵形式设置。
根据该实施例的光学速度计，即使当光发射元件发射的光没有入射到衍射光栅的中央，相应光通量的强度波动也会减少，其结果是提高了二维速度分量的S/N。
在一个实施例中，为了设置限定检测点的相应光通量的光强度，衍射光栅具有一个衍射效率，这样检测点散射的光在光接收部中为同级。
在该实施例中，提高了光接收信号的S/N。
在一个实施例中，提供一个光学块，其将分光部，偏转部和偏振状态改变部集成为一体。
根据该实施例，提高了光学元件的设定精度，而且使速度计的尺寸小型化。
在一个实施例中，偏振状态改变部布置在光学块中提供的凹槽部中，这样偏振状态改变部正交于一个入射光通量的光轴。
在该实施例中，由光程差导致的误差减少，从而提高了检测精度。
在一个实施例中，相应的光接收部的两个光电探测器布置在一个芯片中。
根据该实施例，提高了元件的设定精度，同时减少了元件的数量。
在一个实施例中，两光电探测器是分开型光电探测器。
在该实施例中，装置的面积减小，且花费降低。
在一个实施例中，相应的光接收部是内置信号处理电路的光接收部，其将光电探测器与信号处理电路结合。
在该实施例中，速度计被小型化。
在一个实施例中，发光元件是半导体激光二极管。
根据该实施列，当使用发射相干光的装置时，速度计被小型化且花费降低。
本发明的位移信息测量装置，包括该光学速度计，基于与被测物体有关的速度信息和时间信息测量被测物体的位移信息。
由于本发明的位移信息测量装置包括该光学速度计，因此，能够高精度地测量被测物体的位移量。
本发明的输送和处理装置，包括该光学速度计；一个输送被测物体的输送部；以及一个将一个预定处理应用于被测物体的处理部，其中基于从光学速度计得到的至少速度信息和位移信息之一，控制被测物体的输送的同时，将预定处理应用于被测物体。
由于本发明的输送和处理装置包括该光学速度计，因此，该输送和处理装置能够高精度地将指定处理应用于被测物体。


通过下文给出的详细说明和仅作为举例给出而不作为对本发明限制的附图，可以更全面地理解本发明，其中附图1是本发明第一实施例的光学速度计的示意性结构图；附图2A和2B是解释衍射光栅功能的示意性结构图；附图3是描述x-z入射平面上照射光通量和散射光通量检测的示意性结构图；附图4是描述y-z入射平面上照射光通量和散射光通量检测的示意性结构图；附图5是表示第一光通量和第二光通量的干涉条纹的示意性说明图；
附图6A，6B和6C是说明通过光电探测器得到的拍信号的相位信息检测被测物体的移动方向的信号图；附图7A，7B是表示光学元件和光学部件安转于壳体的状态的示意性结构图；附图8A，8B是表示LDV光学系统形成光学块状态的示意性结构图；附图9是表示本发明第二实施例的光学速度计的示意性结构图；附图10是说明x-z入射平面上照射光通量和散射光通量检测的示意性结构图；附图11是说明y-z入射平面上照射光通量和散射光通量检测的示意性结构图；附图12A和12B是表示LDV光学系统形成光学块状态的示意性结构图；附图13是传统LDV的基本部分的示意性结构图；附图14是在传统LDV的检测点附近光通量彼此交叉状态的放大图；附图15是说明与被测物体的移动速度和多普勒频移有关的公式的解释图；附图16是另一传统LDV的基本部分的示意性结构图；附图17是另一传统LDV的基本部分的示意性结构图。
具体实施例详述通过附图中示出的实施例进一步详细地描述本发明。
(第一实施例)附图1是本发明的光学速度计的第一实施例的示意性结构说明图。附图1仅表示元件如光学元件的排列，省略了支撑光学元件的其它相应元件。图1中虚线所示的箭头表示坐标轴。
该检测被测物体13移动速度的光学速度计包括发射相干光的光发射元件30，用于将光发射元件30发出的光分成三个光通量的分光部件61，用于通过在被测物体13上将分光部件61分出的相应光通量的光轴交叉形成一检测点14的光学系统62，用于从检测点14接收由被测物体13移动引起频移的散射光的两个光接收部件31和32，以及用于处理由两光接收部件31和32输出的光接收信号以在两个方向上检测被测物体13的移动速度的信号处理电路60。
光发射元件30，例如是半导体激光二极管(LD)，容易产生由公式(3)中指出的两光通量干涉引起的拍。应当注意到，假设干涉显示在光学系统的光学路径长度内，那么光发射二极管(LED)，例如是电流压缩型LED，也可以用作光发射元件30。
通常，LD发射的光通量的强度分布是以光通量的光轴为中心的高斯分布，并且该强度分布具有椭圆的远场图形(FFP)。因此，当LD30发射的光直接照射检测点14时，光中的不均匀强度分布形成在检测点14上，以至于图5中的干涉条纹变得不均匀，从而使拍信号的高精度评价变得困难。为了避免该问题，提供一个孔12，从而通过该孔12剪切掉LD30发出的光通量18的光轴周围的弱光强度部分，形成一个具有均匀光强度的圆形光通量18。应当注意到，可以通过棱镜代替孔12将椭圆的FFP变成圆形的FFP。
在孔12的下游还提供一个发射侧透镜36，发射侧透镜36是一个用于准直光通量18的准直透镜。应当注意到，当在光接收部件31和32中，从检测点14散射的光接收强度低时，可以通过将光聚焦在检测点14的组合透镜或消球差透镜使光在光点即检测点14集中，从而提高强度。
简而言之，光发射元件30，孔12和发射侧透镜36沿z轴顺序排列。
分光部件61为分光型衍射光栅20，其将LD30发出并由发射侧透镜36准直的光通量18分成三束光通量，第一光通量33，第二光通量34以及第三光通量35。应当注意到，也可以使用分束器作为分光部件61。
附图2A和2B是示意性结构说明图，其示出了将光通量18分成第一光通量33，第二光通量34以及第三光通量35的衍射光栅，其中，第二光通量34与第三光通量35相互正交。
图2A表示具有正交槽的分开型衍射光栅20，由该槽得到正交衍射光。由于通过衍射光栅20产生两正交衍射光通量，因此可以由更少量的反射镜元件形成两入射面。应当注意到，可以利用闪耀型衍射光栅提高相应分开的光通量的衍射效率。而且，可以通过将槽的形状变成双曲线(未示出)而在指定方向上集中光。
附图2B表示矩阵型衍射光栅19，其由矩阵形式的具有不同方向槽的单元组合构成，即使当光通量18没有入射到衍射光栅19的中心，衍射光栅19也能抑制第二光通量34和第三光通量35的强度以及检测点14尺寸(光点尺寸)的波动。应当注意到，与光通量18的尺寸相比，一个矩阵单元的实际尺寸非常地小。
光学系统62包括用于偏转第二和第三光通量34和35的光轴的偏转部分，和用于改变偏振状态以使第一光通量33的偏振状态与第二和第三光通量34和35的不同的偏振状态改变部分。
第一光通量33对应于由衍射光栅分出的零级衍射光，第二光通量34和第三光通量35对应于由衍射光栅20分出的预定级衍射光。
偏转部分具有用于改变第二光通量34的方向的第一反射镜27，和用于改变第三光通量35的方向的第二反射镜28。
偏振状态改变部分具有用于将第一光通量33从光通量18的线偏振光变成圆偏振光的λ/4波片16，和用于将第三光通量35变成线偏振光以使第三光通量35与第二光通量34正交(相位差π)的λ/2波片24。
第一、第二和第三光通量33、34和35在检测点14交叉为一，其是位于坐标系原点的亮点。
此处，第一反射镜27位于(x1，0，z1)，这样，第二光通量34沿x-z入射平面25(第一平面)入射到检测点14。第二反射镜28位于(0，y1，z1)，这样，第三光通量35沿y-z入射平面26(第二平面)入射到检测点14。
附图3是表示光通量在x-z入射平面25上的状态示意图，附图4是表示光通量在y-z入射平面26上的状态示意图。
首先，如附图3所示，圆偏振的第一光通量33垂直入射到检测点14，同时，线偏振的第二光通量34以角度θ入射到检测点14形成一光点，因而产生干涉条纹。
此处，附图5表示上述状态的干涉条纹模型的示意图。特别是，第一光通量33与第二光通量34以角度θ相交，图中的点划线表示相应光通量的等波面部分。相邻点划线的间隔表示光的波长λ。由第一光通量33和第二光通量34相干产生的干涉条纹17的间隔由下式表示D=λsinθ--(15)]]>当微粒38(被测物13)以速度V移动时，在光接收部分31和32中由这些干涉条纹17检测到拍导致的拍信号频率F。此处，基于式(15)，该检测的频率F由下式表示F=Vλ·sinθ--(16)]]>该结果相应于上述公式(8)中α＝θ且β＝0时的结果。
如图3所示，第一光通量33的偏振状态是λ/4波片16导致的圆偏振40，第一光通量33的第一散射光48也大致保持该偏振状态(圆偏振51)。另一方面，第二光通量34的偏振状态是线偏振43，第二光通量34的第二散射光49也大致保持该偏振状态(线偏振52)。此处，将说明第一光通量33到圆偏振光的转变。通常，通过将λ/4波片16的光轴相应于入射光的偏振方向倾斜45°角，慢相轴分量光的相位比快相轴分量光的相位延时π/2，其结果是线偏振光被转变成圆偏振光。
第一散射光48和第二散射光49由第一光接收部件31接收。第一光接收部件31包括用于将入射的第一散射光48和入射的第二散射光49分别分成两束的分光部分21，和用于接收由分光部分21分开、经相互正交偏振器23a和23b的每一束分开光的两光电探测器45a和45b。
分光部分21，其是衍射光栅，适于分开散射光的光通量。应当注意到，也可以利用分束器作为分光部分21。
偏振器23是线偏振器，只偏振入射到光电探测器45a和45b上的相应分开光的指定偏振分量。应当注意到，指定偏振分量是例如偏振方向，其相应第二散射光49的线偏振方向52倾斜±45°，且沿第一散射光48的圆偏振51的相位超前轴和相位滞后轴。
用光电二极管(PDs)作为光电探测器45a和45b。可以用在单芯片上具有两个光接收表面的光电探测器作为该光电探测器，但根据尺寸和价格，优选分开型光电探测器。
现在对于光电探测器45a和45b中得到的光接收信号(拍信号)，当分光部分21(衍射光栅)与光电探测器45a和45b之间的距离彼此相等时，光电探测器45a的第一拍信号由下式(17)表示，另一光电探测器45b的第二拍信号由下式(18)表示E1a2+E2a22+E1a·E2a·cos(2πFt)----(17)]]>E1b2+E2b22+E1b·E2b·cos(2πFt+π/2)----(18)]]>此处，E1a和E1b表示光电探测器45a和45b接收的第一散射光48的振幅，E2a和E2b表示光电探测器45a和45b接收的第二散射光49的振幅，F表示拍频，t表示时间。应当注意到，式(18)中的第二拍信号是圆偏振光的相位滞后轴的信号，其由线偏振器23产生。式(18)中，一个相位分量出现在圆偏振光的相位滞后轴，第二项余弦中的相位分量的符号随被测物体13的移动方向改变。当被测物体沿+x方向移动时，该符号变为+π/2，当被测物体13沿-x方向移动时，该符号变为-π/2。
附图6A，6B和6C表示公式(17)和(18)。也就是说，图6A示出公式(17)表示的第一拍信号，该第一拍信号与被测物体13的移动方向无关。附图6B表示被测物体13沿轴正方向移动时产生的第二拍信号，附图6C表示被测物体13沿轴负方向移动时产生的第二拍信号。可以看出，与附图6A中的拍信号相比，第二拍信号的相位根据移动方向移位π/2。通过光电探测器45a和45b检测到该相移检测被测物体13的移动方向。为了检测移动方向，需要判断与第一拍信号的相位相比，第二拍信号的相位是否超前或滞后，而不需要确定该相移是否精确为±π/2。因此，即使光程差、波长片和线偏振器存在一定程度的排列误差也没有关系。
第一光接收部31接收第一光通量33的第一散射光48和第二光通量34的第二散射光49。虽然第三光通量35的第三散射光50部分地入射到第一光接收部31，但是，该入射光可以通过优化第一光接收部31的排列而忽略，其结果是检测精度的提高。
例如，优选地设置一个位于x-z平面25内第二光通量34的单向反射方向(θ＝ψ)轴上的位置，在该位置可以除y-z入射平面以外检测第一散射光48和第二散射光49。
应当注意到，附图标记46表示相对于入射光通量的线偏振具有π/4相移的线偏振光，附图标记47表示正交于线偏振光46的线偏振光。
基于上述结构，通过信号处理电路60检测第一拍信号和第二拍信号，其中，基于公式(16)由频率fd检测x-轴方向的速度，并由式(17)和(18)的相移检测沿该轴的正负方向。应当注意到，具有将信号处理电路60合并到光接收部31和32中的内置电路的光接收部可以减小光学速度计的尺寸。
这样，通过利用第一光接收部31的方法检测一维速度。
同样，在如图4所示的y-z入射平面26中的光学系统，与图3中所示的x-z入射平面的情况相似，检测沿y-轴方向的速度，以及沿该轴的正负方向。
图3和图4的检测方法的差异在于，第三光通量35的线偏振44的相位相应于第二光通量34的线偏振43的相位移位π。这是因为，通过改变偏振方向以提高检测精度使得第三光通量35的第三散射光50对第一光接收部31的影响相对于图3中第二光通量34的第二散射光49的影响，以及第二光通量34的第二散射光49对第二光接收部32的影响相对于图4中第三光通量35的第三散射光50的影响减小。不用说，当可以忽略第二光通量34的第二散射光49对第二光接收部32的影响时，则不需要第三光通量35的线偏振44的相位相应于第二光通量34的线偏振43的相位移位π(不需要λ/2波片24)。
在第三光通量35中，光的偏振状态通过利用λ/2波片24改变。应当注意到，第三光通量35的偏振状态是线偏振44，第三散射光50也大致保持该偏振状态(线偏振53)。
由于在x-z入射平面25和y-z入射平面26上的被测物体13的移动速度和沿轴的正负方向可以通过第一光接收部31和第二光接收部32检测到，因此可以通过获得其矢量和检测被测物体13的二维速度。
图7A表示侧剖图，图7B表示底视图，相应的光学元件保持并排列在壳体54中。使光通量通过的开口56设置在壳体54的底面。
如图8A和8B所示，可以提供一个光学块55(长方体形状)，将衍射光栅20，第一和第二反射镜27和28，λ/4波片16和λ/2波片24集成为一体，以通过减少排列误差提高检测精度。
图8A中，光学元件排列在光学块55的每一表面上。图8B中，在光学块55中提供一个凹槽部分57，λ/2波片24倾斜地布置在该凹槽部分57中，这使得第三光通量35垂直入射λ/2波片24，其结果是波长片的排列误差减小，提高了检测精度。
(第二实施例)附图9表示本发明的另一实施例。图9仅表示相应光学元件等的排列，省略支撑光学元件的其它相应元件。除了作为偏振状态改变部的波长片之外，光学元件及其排列与第一实施例相似，在下文中省略其描述。
在该光学速度计中，由衍射光栅20分开的第一光通量33入射到亮点即检测点14中，并保持从LD30发出光的线偏振。第二光通量34，其方向由第一反射镜27改变指向检测点14，然后通过λ/4波片16将线偏振光变成圆偏振光入射到检测点14。第三光通量35，其方向由第二反射镜28改变指向检测点14，通过设置的λ/4波片16以相对于第二光通量34反向旋转的圆偏振入射到检测点14，使得其相应于第二光通量34的圆偏振光的相位移位π。
因此，如图10和11所示，当第二光通量34是逆时针圆偏振光41时，第三光通量35是顺时针圆偏振光42。第一光通量33为线偏振光43，第一散射光48为线偏振光51，第二散射光49为顺时针圆偏振光52，第三散射光50为逆时针圆偏振光53。
第一光接收部31排列在第一散射光48和第二散射光49的强度被有效接收的位置，λ/4波片16排列在第一光接收部31的入射面的前面，这样，第一散射光48可以是圆偏振的而第二散射光49可以是线偏振的。
此外，第二光接收部32排列在第一散射光48和第三散射光50的强度被有效接收的位置，λ/4波片16排列在第二接收部32的前面，这样，第一散射光可以是圆偏振的而第三散射光50可以是线偏振的。
考虑到当第二散射光49和第三散射光50从圆偏振光变成椭圆偏振光时，不能充分地得到用于检测移动方向的具有相差的拍信号，但是当将线偏振的第一散射光48转变成圆偏振光时，可以更容易地得到该相差，因此提供λ/4波片16。应当注意到，该相差不需要如第一实施例所述的正好为π/2。不用说，当获得相差时，不再需要λ/4波片16。
因此，得到公式(17)和(18)的拍信号(其相差大约为π/2)，并且通过与第一实施例相似的信号处理方法利用公式(16)检测被测物体的二维移动速度和移动方向。
包括相应光学元件和光发射元件30的壳体具有与第一实施方式相似地结构(未示出)，也可以如图12A和12B所示将光学元件集成在光学块55中，因而提高了定位精度。图12A中，相应光学元件排列在光学块55的每一表面上，图12B中，在光学块55中形成一个凹槽部57用来布置λ/4片16，这样，减少波长片的排列误差，进一步提高检测精度。
应当注意到，在第一实施例和第二实施例二者当中，虽然根据光接收部31和32的位置在相应散射光强度上产生的差异检测拍信号，但如果光接收部31和32固定排列，就可以通过对LD30发射光入射到其上的衍射光栅20进行结构优化(凹槽深度，凹槽倾角和凹槽占空率)，使散射光强度彼此近乎相等，其结果是提高信号的S/N。
(第三实施例)
虽然未示出，本发明的位移信息测量装置包括该光学速度计，并基于被测物体的速度信息和时间信息测量被测物体的位移信息。由于位移信息测量装置包括该光学速度计，因此可以容易地测量出精确的位移量。
(第四实施例)虽然未示出，本发明的输送和处理装置包括该光学速度计，输送被测物体的输送部和将指定处理应用于被测物体的处理部，并且基于从光学速度计得到的速度信息或者位移信息，通过控制被测物体的输送将指定处理应用于被测物体。由于该输送和处理装置包括该光学速度计，因此该输送和处理装置可以实现高精度的输送和处理。该输送和处理装置可以被用作例如打印机，复印机等。
应当注意到，该光学速度计也可以通过计算拍信号的波形作为运动传感器如高精度编码器。该速度计也可以用作不同精密仪器的控制系统。此外，已经普及的光鼠标，其通过图象传感器将检测面上散射光图像的移动信息作为图像识别以检测移动量。可以将该速度计应用于光学鼠标，成像装置，指示装置如用于输入字符和运算的触点和电子笔。这样，两个实施例的速度计应用于检测位移和振动的位移计。
虽然描述了本发明，但是对本发明作各种变化是显而易见的。这种对本领域的技术人员显而易见的变化不应当脱离本发明的精神和范围，并应当在后面权利要求的范围内。
权利要求
1.一种光学速度计，包括发射相干光的光发射元件；分光部，用来将光发射元件发出的光至少分成三束光通量；光学系统，用来使分光部分出的相应光通量的光轴在被测物体上相交形成一检测点；至少两光接收部，用来从检测点接收由被测物体移动导致频移的散射光；以及信号处理电路，用来处理从至少两个光接收部输出的光接收信号，以检测被测物体的至少两个方向的移动速度。
2.如权利要求1所述的光学速度计，其中形成检测点的光通量为三个光通量，即为第一光通量，第二光通量和第三光通量；光学系统包括用于偏转第二光通量和第三光通量的光轴的偏转部，和改变偏振状态的偏振状态改变部，以便使至少第一光通量的偏振状态不同于第二光通量和第三光通量的偏振状态；光接收部包括第一光接收部，接收彼此偏振状态不同的第一光通量的散射光和第二光通量的散射光，和第二光接收部，接收彼此偏振状态不同的第一光通量的散射光和第三光通量的散射光；第一光接收部和第二光接收部分别包括分光部，用来将入射散射光分成两束，和两个光电探测器，用来分别经过相互正交的偏振器接收分光部分出的散射光；信号处理电路基于相应光接收部的两光电探测器得到的、具有由偏振状态不同导致的相位差异的两个光接收信号，确定被测物体的移动方向并检测被测物体的二维移动速度。
3.如权利要求1所述光学速度计，其中分光部是衍射光栅。
4.如权利要求3所述的光学速度计，其中第一光通量相应于衍射光栅分出的零级衍射光，第二光通量和第三光通量相应于衍射光栅分出的预定级衍射光。
5.如权利要求4所述的光学速度计，其中衍射光栅具有使由第一光通量和第二光通量限定的第一平面和由第一光通量和第三光通量限定的平面彼此大致正交的结构。
6.如权利要求5所述的光学速度计，其中信号处理电路为了检测被测物体的二维移动速度，计算平行于第一平面且正交于第一光通量方向的速度分量和平行于第二平面且正交于第一光通量方向的速度分量。
7.如权利要求1所述的光学速度计，其中检测点布置在坐标系的原点，当形成检测点的光通量之一从正区斜射到检测点上时，光接收部由此布置在负区中；当形成检测点的另一光通量从负区斜射到检测点上时，光接收部由此布置在正区中。
8.如权利要求7所述的光学速度计，其中光接收部设置在斜射到检测点上的光通量的规则反射的位置。
9.如权利要求2所述的光学速度计，其中偏振状态改变部包括改变第一光通量的偏振状态的λ/4波片。
10.如权利要求2所述的光学速度计，其中偏振状态改变部包括改变第一光通量的偏振状态的λ/4波片和改变第二光通量和第三光通量中任一个的偏振状态的λ/2波片。
11.如权利要求2所述的光学速度计，其中偏振状态改变部包括改变第二光通量的偏振状态的λ/4波片和改变第三光通量的偏振状态的λ/4波片。
12.如权利要求2所述的光学速度计，其中偏振状态改变部包括改变第二光通量的偏振状态的λ/4波片和改变第三光通量的偏振状态的λ/4波片，以便使第三光通量改变的偏振状态相对于偏振状态改变的第二光通量的相位移位π。
13.如权利要求3所述的光学速度计，其中衍射光栅是闪耀型的。
14.如权利要求3所述的光学速度计，其中衍射光栅的光栅被分成两个区域，即产生第二光通量的区域和产生第三光通量的区域。
15.如权利要求3所述光学速度计，其中在产生第二光通量和第三光通量的区域中，衍射光栅的具有不同光栅方向的单元排列成矩阵形式。
16.如权利要求3所述光学速度计，其中为了设置限定检测点的相应光通量的光强度，衍射光栅具有衍射效率，以便使检测点散射的光在光接收部中为同级。
17.如权利要求2所述的光学速度计，其中提供一光学块，其将分光部，偏转部和偏振状态改变部集成为一体。
18.如权利要求17所述的光学速度计，其中偏振状态改变部布置在光学块提供的凹槽部中，以便使偏振状态改变部正交于其入射光通量的光轴。
19.如权利要求2所述光学速度计，其中相应光接收部的两个光电探测器布置在一个芯片中。
20.如权利要求19所述的光学速度计，其中两个光电探测器是分开型光电探测器。
21.如权利要求2所述的光学速度计，其中相应光接收部是内置信号处理电路的光接收部，其将光电探测器与信号处理电路结合。
22.如权利要求1所述的光学速度计，其中光发射元件是半导体激光二极管。
23.一种位移信息测量装置，其包括如权利要求1所述的光学速度计，基于与被测物体有关的速度信息和时间信息测量被测物体的位移信息。
24.一种输送和处理装置，其包括如权利要求1所述的光学速度计；输送被测物体的输送部；以及将预定处理应用于被测物体的处理部，其中基于从光学速度计得到的至少速度信息和位移信息之一控制被测物体的输送的同时，将预定处理应用于被测物体。
全文摘要
提供一种光学速度计，用于实现其小型化和低功耗，并且精确检测被测物体的二维移动速度。该光学速度计包括一个光发射元件，一个衍射光栅，两个光接收部和一个信号处理电路。光发射元件发出的光由衍射光栅分成三束光通量，被分开的光通量的光轴在被测物体上彼此相交形成一检测点。然后由两个光接收部接收从检测点发出的、由被测物体移动引起频移的散射光，光接收部输出的一个光接收信号在信号处理电路中被处理，以检测被测物体的两个方向的移动速度。
文档编号G01S17/58GK1591020SQ20041008565
公开日2005年3月9日 申请日期2004年9月2日 优先权日2003年9月2日
发明者和田秀夫, 椙山尚和, 民长隆之, 樫田元 申请人:夏普株式会社