JP4142528B2 - 速度計、変位計および振動計 - Google Patents

Description

本発明は、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量を物体からの散乱光を受光して被測定物の速度を検出する速度計に関する。

一般に光源と観測者が相対的な運動をしている時、ドップラー効果により光は周波数の変化を受ける。レーザドップラー速度計（以下、ＬＤＶ（Laser Doppler Velocimeter）と言う。）はこの効果を利用して、移動する被測定物にレーザ光を照射して、その被測定物からの散乱光のドップラー周波数偏移を測定し、被測定物の移動速度を測定するものである。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。

図１３に従来の代表的なＬＤＶの光学系図を示す。

図１３において、１０１は半導体レーザ（以下、ＬＤ（Lａser Diode）と言う。）、１０２は受光素子であるフォトダイオード（以下、ＰＤ（Photo Diode）と言う。）、１０３は回折格子、１０４はコリメータレンズ（以下、ＣＬと言う。）、１０５はミラー、１０６は集光レンズ、１０７は回折格子３による＋１次回折光の第１の光束、１０８は回折格子３による−１次回折光の第２の光束、１１３は被測定物である。

上記構成の光学系では、ＬＤ１０１から出射したレーザ光はＣＬ１０４により平行光束に変換された後、回折格子１０３により角度θの回折角で±１次回折光に分割されて第１，第２の光束１０７，１０８となる。そして、第１，第２の光束１０７，１０８はそれぞれミラー１０５で反射した後、被測定物１１３の表面に入射角θでもって入射して再度重ね合わせられる。被測定物１１３により散乱された第１，第２の光束１０７，１０８はドップラー周波数偏移を受けており、ＬＤ１０１の発振周波数と若干異なる。このため、被測定物１１３により散乱された第１，第２の光束１０７，１０８の干渉波はうなりを生じる。このうなりをビート信号と呼ぶ。このビート信号のうなり周波数をＰＤ１０２でヘテロダイン検波することにより、被測定物１１３の移動速度を求めることができる。以下詳細に説明する。

いま、被測定物１１３の移動方向を図１３のように右向きを正方向とすると、第１の光束１０７に対しては−ｆ_d、第２の光束１０８に対しては＋ｆ_dのドップラー周波数偏移を受け、第１の光束１０７の見かけの周波数は（ｆ₀−ｆ_d）、第２の光束８の見かけの周波数は（ｆ₀＋ｆ_d）となる。ただし、ｆ₀はＬＤ１の発振周波数である。このとき、ＬＤ１０１から出射する光の電場は、Ｅ₀・ｃｏｓ（２πｆ₀ｔ）と表すことができるので、第１の光束１０７は次の式１で、第２の光束１０８は次の式２で表わすことができる。
（式１）

（式２）

ただし、ｆ₀はＬＤ１０１の出射光の周波数、Ｅ₀はＬＤ１０１の出射光の振幅、Ｅ_Aは第１の光束１０７の振幅、Ｅ_Bは第２の光束１０８の振幅、φ_Aは第１の光束１０７の位相、φ_Bは第２の光束１０８の位相である。

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≫ｆ_dが成り立つので、式１と式２の干渉波は、
（式３）

と表すことができる。ただし、式３で左辺の＜＞は時間平均を表す。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。

図１４は被測定物１１３が速度Ｖで移動するとき、２つの光束がそれぞれ任意の角度α，βで被測定物１１３に入射し、任意の角度γで散乱光を受光した時の図である。

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、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Ｖ_A1，Ｖ_B1は、
（式４）

と表せる。また、上記被測定物１１３から見たそれぞれの光の見かけの周波数ｆ_A1，ｆ_B1は、
（式５）

それぞれの散乱（反射）光と移動物体の相対速度Ｖ_A2，Ｖ_B2は、
（式６）

となる。よって、観測点から見た光の周波数ｆ_A2，ｆ_B2は、
（式７）

と表すことができる。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２ｆ_dになる。いま、観測点で測定される２つの光束のうなり周波数ｆ_dは、ｃ≫Ｖを用いて、
（式８）

となり、観測点の位置（角度：γ）に依らないことがわかる。図１３においてはα=β=θであるので、図１３の一般的なＬＤＶ光学系において、式８より、
（式９）

が成立する。よって、式３で表される周波数２ｆ_dを測定し、式９を用いて計算することにより、被測定物の移動速度Ｖを求めることができる。

また、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１５は図１３の２つの光束（第１，第２の光束７，８）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、図中の破線はそれぞれの光束の等波面の一部を示している。この破線と破線との間隔が光の波長λとなる。また、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、このΔは次の式１０で求まる。
（式１０）

図１５のように、物体（●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）

となり、式９と等しくなる。

また、以上のような一般的なＬＤＶにおいては上記のようにして移動速度を求めることはできるが、被測定物の移動方向を検知することはできない。これに対して、特開平３−２３５０６０号公報（特許文献１）では図１３の回折格子３を速度Ｖ_gで回転させることにより移動方向検知を可能としている。これにより、回折格子１０３で光が反射する際、それぞれの光束はＶ_gに比例したドップラー周波数偏移を受けるので、ＰＤ１０２で測定されるうなりの周波数２ｆ_dは、
（式１２）

で得られる。よって、既知の速度Ｖ_gに対し、移動速度Ｖの符号（正負）により２ｆ_dの大小関係が決まるので移動方向を求めることができる。しかし、このような光学系においては、回折格子１０３の回転機構が必要であるため、装置の大型化、コスト増大となる。また、回折格子１０３の回転速度を精密に保つ必要があるが、偏心等による誤差、回転による振動等も問題となるため精密な測定に用いることは困難であるという問題がある。

このような問題を解決する速度計が特開平４−２０４１０４号公報（特許文献２）に開示されている。この特開平４−２０４１０４号公報では周波数シフタを用い、入射光束の周波数を変化させることにより被測定物の移動方向の検出を可能にしている。

図１６に特開平４−２０４１０４号公報の速度計の光学系図を示す。

上記速度計によれば、ＬＤ１０１より出射した光は、ＣＬ１０４で平行光束となり、ビームスプリッタ（以下、ＢＳと言う。）１０９にて２つの光束に分割される。それぞれの光束はミラー１０５で反射された後、音響光学素子（以下、ＡＯＭと言う。）１１０によりｆ₁，ｆ₂の周波数シフトを受ける。そして、回折格子３により被測定物１１３の表面に再び集光されて、ＰＤ１０２を用いて被測定物１１３からの散乱光のうなり周波数を検出する。このとき検出される周波数２ｆ_dは、
（式１３）

となる。よって、被測定物１１３の移動方向によりＶの符号が変わるので、既知の周波数シフト量|ｆ₁−ｆ₂｜に対する２ｆ_dの大小関係により、被測定物の移動方向を検知することができる。

また、特開平８−１５４３５号公報（特許文献３）では、特開平４‐２０４１０４号公報と同様の原理によって、図１７に示す電気光学素子（以下、ＥＯＭと言う。）１１１を用いて周波数を変化させている。より詳しくは、レーザ光源であるＬＤ１０１より出射した光は、ＣＬ１０４で平行光束となった後、回折格子１０３にて２つの第１，第２の光束１０７，１０８に分割される。その第１，第２の光束１０７，１０８はともにＥＯＭ１１１に入射する。このとき、第２の光束１０８に対してはバイアスを印加してｆ_Rだけ周波数をシフトさせる。そして、第１，第２の光束１０７，１０８はミラー１０５で反射された後、被測定物１１３の表面に集光する。その表面からの散乱光のうなり周波数をＰＤ１０２で検出する。このとき検出される周波数２ｆ_dは、
（式１４）

となる。よって、式１３と同様、被測定物１１３の移動方向によりＶの符号が変わるので、既知の周波数シフト量ｆ_Rに対する２ｆ_dの大小関係により移動方向を検出することができる。

しかしながら、上記のような周波数シフタを用いて移動方向を検知する光学系においては、光学系が複雑になり、また周波数シフタを駆動するための電源等が必要となり、例えばＡＯＭ１１０により周波数変調を与えるために必要な電圧は約数十Ｖ、ＥＯＭ１１１により周波数変調を与えるために必要な電圧は約百Ｖであり、大型の電源が必要となるため装置が大型化してしまうという問題がある。

また、ＬＤＶを含め各種センサに対する装置小型化、低消費電力化への要望は高まる一方で、殊に民生用機器においてはそのトレンドは非常に強い。ＬＤＶでは光の散乱光を検出するため、測定する物体により異なるが、一般にその物体からの信号光は微弱である。光感度の高い光検出器である光電子増倍管を用いる方法もあるが、光電子増倍管をＬＤＶに用いると装置自体が大きくなってしまう。つまり、光電子増倍管を備えたＬＤＶを小型の民生機器に応用するには不適である。このため、装置の小型化を阻害しないように、光検出器としては光感度が劣るもののフォトダイオードを一般に用いている。そのため、できるだけ多くの信号光を光検出器に入射させることが望ましい。しかしながら、光学部品の配置等の問題により、被測定物の光の散乱面から集光レンズ６までの距離に制限があることが多く、単に受光系を接近させるには限界がある。また、入射光量を増加させることも考えられ、高出力レーザ光源としてＨｅ−ＮｅやＡｒ⁺の気体レーザ等を使用することができるが、装置の小型化や低消費電力化という観点からは半導体レーザを用いることが望ましい。
特開平３−２３５０６０号公報 特開平４−２０４１０４号公報 特開平８−１５４３５号公報

そこで、本発明は、大型化を阻止できると共に、被測定物の２次元の移動速度および移動方向を検出できる小型な速度計を提供することにある。

上記目的を達成するため、第１の発明の速度計は、
前端面から第１の光束を出射すると共に、後端面から第２の光束を出射する半導体発光素子と、
上記第１，第２の光束を分岐する第１の光分岐素子群と、
上記第１の光分岐素子群と被測定物との間の複数の光軸上に配置され、上記第１の光分岐素子群からの光束を分岐する第２の光分岐素子群と、
上記被測定物による散乱光を受ける受光素子と、
上記受光素子の出力から周波数偏移量を算出する信号処理回路部とを備え、
上記第２の光分岐素子群で分岐した複数の光束を上記被測定物の表面に照射して、上記被測定物の表面を含む平面内において互いに交差するｘ，ｙ軸のうち、上記ｘ軸上に第１，第２検出点を形成すると共に、上記ｙ軸上に第３，第４検出点を形成し、
上記第１検出点に入射する２つの光束の光軸を含む第１平面と、上記第２検出点に入射する２つの光束の光軸を含む第２平面と、上記被測定物の表面を含む第３平面とが二等辺三角柱を形成し、かつ、上記第１，第２検出点のそれぞれに入射する２つの光束は上記第３平面に対して略同じ入射角であり、
上記第３検出点に入射する２つの光束の光軸を含む第４平面と上記第３平面とがなす角と、上記第４検出点に入射する２つの光束の光軸を含む第５平面と上記第３平面とがなす角とが略等しく、かつ、上記第３，第４検出点のそれぞれに入射する２つの光束は上記第３平面に対して略同じ入射角であり、
上記ｘ，ｙ軸に対して垂直なｚ軸を設定し、上記ｘ，ｚ軸を含む面をｘｚ平面とし、上記ｙ，ｚ軸を含む面をｙｚ平面としたとき、上記第１，第２の光分岐素子群のそれぞれが、上記ｘｚ平面に対して対称性を有し、かつ、上記ｙｚ平面に対して対称性を有することを特徴としている。

上記構成の速度計によれば、上記半導体発光素子が、前端面から第１の光束を出射すると共に、後端面から第２の光束を出射する。この第１，第２の光束は、第１，第２の光分岐素子群を順次経由して複数の光束に分割される。この複数の光束を被測定物の表面に照射して、少なくともｘ軸上に第１，第２検出点を形成すると共に、少なくともｙ軸上に第３，第４検出点を形成する。このように形成した第１，第２，第３，第４検出点からの散乱光は、被測定物の速度に応じた周波数偏移量を有している。したがって、上記第１，第２検出点の少なくとも一方からの散乱光の周波数偏移量を信号処理回路部で算出することにより、被測定物のｘ軸方向の移動速度を検出することができる。また、上記第３，第４検出点の少なくとも一方からの散乱光の周波数偏移量を信号処理回路部で算出することにより、被測定物のｙ軸方向の移動速度を検出することができる。

また、上記第１検出点からの散乱光の周波数と、第２検出点からの散乱光の周波数との位相ずれに基づいて、ｘ軸方向における被測定物の移動方向を検出することができる。

また、上記第３検出点からの散乱光の周波数と、第３検出点からの散乱光の周波数との位相ずれに基づいて、ｘ軸方向における被測定物の移動方向を検出することができる。

また、上述したように、上記半導体発光素子の出射光の周波数を例えばＡＯＭやＥＯＭ等で変えなくても、被測定物の２次元の移動速度および移動方向を検出できるので、大型化を阻止することができる。

一実施形態の速度計は、上記第１の光分岐素子群は第１，第２回折格子を含む。

一実施形態の速度計は、上記第１，第２回折格子は１次回折光の光量よりも０次回折光の光量が小さい。

一実施形態の速度計は、上記第２の光分岐素子群は第１，第２，第３，第４ビームスプリッタを含む。

一実施形態の速度計は、上記第２の光分岐素子群は第３，第４，第５，第６回折格子を含む。

一実施形態の速度計は、上記第３，第４，第５，第６回折格子は１次回折光の光量よりも０次回折光の光量が小さい。

一実施形態の速度計は、上記第２の光分岐素子群は第１，第２，第３，第４光分岐素子を含み、
上記第１光分岐素子により分岐された一つの光束と、上記第３光分岐素子により分岐された一つの光束とが上記第１検出点を形成し、
上記第２光分岐素子により分岐された一つの光束と、上記第４光分岐素子により分岐された一つの光束とが上記第２検出点を形成し、
上記第１光分岐素子により分岐された他の一つの光束と、上記第２光分岐素子により分岐された他の一つの光束とが上記第３検出点を形成し、
上記第３光分岐素子により分岐された他の一つの光束と、上記第４光分岐素子により分岐された他の一つの光束とが上記第４検出点を形成する。

一実施形態の速度計は、上記第１，第２，第３，第４検出点は、上記光束同士を上記被測定物の表面上で重ね合わせて形成する。

一実施形態の速度計は、上記ｘ軸と上記ｙ軸とは直交する。

一実施形態の速度計は、上記第１，第２，第３，第４検出点のそれぞれから上記受光素子に入射する光の光軸は、上記第１，第２，第３，第４検出点のそれぞれに入射する２つの光束がなす角の２等分線と略一致する。

一実施形態の速度計は、上記ｘ，ｙ軸に対して垂直なｚ軸を設定したとき、上記第１，第２，第３，第４検出点のそれぞれに入射する２つの光束が重なる領域の上記ｚ軸方向の長さは、上記被測定物の表面が位置する領域の上記ｚ軸方向の長さよりも長い。

一実施形態の速度計は、上記第２回折格子による−１次回折光が通過するように配置され、上記第２回折格子の−１次回折光の位相を変更する位相変更部を備えている。

一実施形態の速度計は、上記第１回折格子による＋１次回折光が通過するように配置され、上記第１回折格子の＋１次回折光の位相を変更する第１位相変更部と、
上記第１回折格子による−１次回折光が通過するように配置され、上記第１回折格子の−１次回折光の位相を変更する第２位相変更部と、
上記第２回折格子による＋１次回折光が通過するように配置され、上記第２回折格子の＋１次回折光の位相を変更する第３位相変更部とを備えている。

一実施形態の速度計は、上記位相変更部による光の位相変更量をφ₀としたとき、上記φ₀が０＜φ₀＜λ／２を満たす。

一実施形態の速度計は、上記φ₀がλ／４である。

一実施形態の速度計は、上記位相変更部の材料として複屈折材料が用いられている。

一実施形態の速度計は、上記第１検出点を形成する各光束の位相差と、上記第２検出点とを形成する各光束の位相差との差の絶対値はπ／２より小さく、
上記第３検出点を形成する各光束の位相差と、上記第４検出点を形成する各光束の位相差との差の絶対値はπ／２より小さい。

一実施形態の速度計は、上記第１，第２，第３，第４検出点と上記受光素子との間に配置された集光レンズを備えている。

一実施形態の速度計は、上記集光レンズがレンズアレイからなる単一部品である。

一実施形態の速度計は、上記第２の分岐素子群が含む複数の素子は同一の第１基板に形成されている。

一実施形態の速度計は、上記第２の分岐素子群が含む複数の素子が同一の第１基板に形成され、上記位相変更部が上記第１基板上に配置されている。

一実施形態の速度計は、上記第２の分岐素子群が含む複数の素子が同一の第１基板に形成され、上記集光レンズは上記第１基板に形成されている。

一実施形態の速度計は、上記第１，第２，第３，第４検出点と上記受光素子との間に配置された集光レンズを備え、上記集光レンズは上記第１基板に形成されている。

一実施形態の速度計は、上記半導体発光素子と上記第１の光分岐素子群との間に配置され、上記第１の光束の光軸の方向を変える第１光軸向変更部と、
上記半導体発光素子と上記第１の光分岐素子群との間に配置され、上記第２の光束の光軸の方向を変える第２光軸向変更部とを備え、
上記第１の分岐素子群が含む複数の素子は同一の第２基板に形成されている。

一実施形態の速度計は、上記第１基板と上記第２基板とが平行に配置される。

一実施形態の速度計は、上記第１基板と第２基板が同一の光学ブロックに含まれる。

一実施形態の速度計は、上記受光素子は、少なくとも上記第１，第２，第３，第４検出点からの散乱光を受ける１チップの素子である。

一実施形態の速度計は、上記受光素子は分割型フォトダイオードである。

一実施形態の速度計は、上記受光素子は信号処理回路を内蔵している。

一実施形態の速度計は、上記半導体発光素子は、上記第１光軸向変更部と上記第２光軸向変更部との間の略中点に配置されている。

一実施形態の速度計は、上記半導体発光素子と上記受光素子とは同一の基板を共有して一体化している。

一実施形態の速度計は、上記第１，第２，第３，第４検出点のそれぞれに入射する複数の光束の光量が略等しくなるように、上記半導体発光素子の端面に処理が施されている。

一実施形態の速度計は、上記半導体発光素子と上記第１光軸向変更部との間には、上記第１の光束が通過する第１絞りが配置され、
上記半導体発光素子と上記第２光軸向変更部との間には、上記第２の光束が通過する第２絞りが配置されている。

一実施形態の速度計は、上記半導体発光素子と上記第１光軸向変更部との間には、上記第１の光束が通過する第１のレンズ群が配置され、
上記半導体発光素子と上記第２光軸向変更部との間には、上記第２の光束が通過する第２のレンズ群が配置されている。

一実施形態の速度計は、上記半導体発光素子がレーザダイオードである。

一実施形態の速度計は、上記半導体発光素子が複数の発光点を有する。

第２の発明の変位計は、上記第１の発明の速度計を備え、上記被測定物に関する速度情報および時間情報に基づいて上記被測定物の位置情報を算出することを特徴としている。

第３の発明の振動計は、上記第１の発明の速度計を備え、上記被測定物に関する速度情報および時間情報に基づいて上記被測定物の位置情報を算出することを特徴としている。

第１の発明の速度計によれば、第１，第２の光分岐素子群で得た複数の光束によって少なくとも第１，第２，第３，第４検出点を形成するので、第１，第２，第３，第４検出点の散乱光の周波数偏移量から、被測定物の２次元の移動速度と移動方向を検出できる。

また、半導体発光素子の出射光の周波数を例えばＡＯＭやＥＯＭ等で変えなくても、被測定物の２次元の移動速度および移動方向を検出できるので、大型化を阻止することができる。

本発明の実施の形態を説明する前に、まずこの発明をより理解し易くするために参考例を説明する。

参考例１

図１に、本発明の参考例１の速度計の概略構成図を示す。図１では、各光学部品等の配置のみを表示してあり、その他の各光学部品を保持する部品や検出した信号の信号処理回路等は省略している。

上記速度計は、ＬＤ１、ＰＤ２、ＣＬ４ａ，４ｂ、ミラー５ａ，５ｂ、集光レンズ６、信号処理回路部１０および絞り１２ａ，１２ｂを備えている。

上記ＬＤ１は（０，０，ｚ₁）に設置される。このＬＤ１の代わりとしては、ＬＥＤ（Laser Emission Diode：発光ダイオード）等があるが、ＬＥＤを用いるよりもＬＤを用いる方が好ましい。これは、ＬＤはＬＥＤに比べてコヒーレンス性が非常によく、上記式３で示される２つの光束の干渉によるうなりを容易に生じるからである。また、上記ＰＤ２は（０，０，ｚ₂）、ＣＬ４ａは（０，−ｙ₄，ｚ₁）、ＣＬ４ｂは（０，ｙ₄，ｚ₁）、ミラー５ａは（０，−ｙ₅，ｚ₁）、ミラー５ｂは（０，ｙ₅，ｚ₁）、絞り１２ａは（０，−ｙ₁₂，ｚ₁）、絞り１２ｂは（０，ｙ₁₂，ｚ₁）に設置される。また、上記信号処理回路部１０はＰＤ２の出力Ｓから周波数偏移量を算出する。

また、図１において、７は第１の光束、８は第２の光束、１４は検出点（ビーム重なり領域）、１５はｚ軸上に進行するビート信号を示している。上記第１，第２の光束７，８はＬＤ１から端面からｙ軸と平行に出射する。また、ｘ軸およびｙ軸を含む平面、つまりｘｙ平面は被測定物の表面と略一致している。そして、（ｘ，ｙ，ｚ）＝（０，０，０）、つまり原点には検出点１４が位置する。

上記ＬＤ１は、一般に、ウエハに所定の工程を施した後、ウエハをある長さでへき開してチップ状に切り分けられて作製される。通常、ほとんどの電子機器においては、ＬＤの前端面（前方の端面）より出射するレーザ光を各種用途に応じて使用し、ＬＤの後端面（後方の端面）より出射するレーザ光を直接ＰＤで受光している。このＰＤの出力はＬＤのドライバーにフィードバックされて、ＬＤの発光強度の安定化が図られている。

以下、図１の光学系の構成および機能を説明する。

ＬＤ１の前端面から第１の光束７がｙ軸と平行に出射すると共に、半導体素子１の後端面から第２の光束８がｙ軸と平行に出射する。そして、第１，第２の光束７，８は絞り１２およびＣＬ４ａ，４ｂを介して理想的な平行光束となる。一般に、ＬＤ１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、そのガウス分布の裾の広がり方は光の変更方向に対して異なるファーフィールドパターン（ＦＦＰ）となる。このため、上記ＬＤ１が出射した光をそのまま検出点１４に照射すると、検出点１４上で光強度のムラができ、図１５で示した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。このため、図１のように絞り１２ａ，１２ｂを設けることにより、ＬＤ１が出射した光束の外側の光強度の弱い部分をカットし、光強度の一様な光束を形成できる。

また、ＬＤ１より出射する光はある角度でもって広がりをもって進行する。その光をそのまま被測定物１３に照射すると、進行距離が長くなるほど、その光は波面が球面状になり、平面波でなくなるため検出点１４で図１５のような干渉縞を形成しなくなってしまう。また、上記光の光束は広がるため、光強度が分散されてしまい、信号のＳ／Ｎが悪くなるという問題もある。このため、図１のようにＣＬ４ａ，４ｂを適切な位置に設けることにより、ＬＤ１より出射する光を平行光束にできるため、その光の波面はその進行距離によらず平面波となる。

以上、図１の各構成要素について説明した内容は、以下全ての参考例および実施例においても該当するが、その説明は本参考例のみで行い、以降においては省略する。

ＬＤ１から出射された光は、ＣＬ４ａ，４ｂにより平行光束にビーム整形されて第１，第２の光束７，８となる。その後、第１，第２の光束７，８はミラー５ａ，５ｂによりそれぞれ反射角θ₁、θ₂で反射し、被測定物１３の表面の検出点１４にそれぞれ入射角θ₃、θ₄で照射される。そして、被測定物１３の移動速度Ｖに比例した周波数偏移を受けた散乱光は、集光レンズ６にて集光されてＰＤ２で受光する。このＰＤ２の出力Ｓに基づいてうなり周波数２ｆ_dが検知される。このとき、検出される２ｆ_dは上記式８より、
（式１５）

となる。本参考例の光学系では、図１のようにＬＤ１が出射する２つの光束がｙ軸と平行になるように設置されており、ミラー５ａ，５ｂでの反射はその反射角が第１の光束７と第２の光束８とで等しくミラー５ａにおいて第１の光束７は反射角θ₁で反射する一方、ミラー５ｂにおいて第２の光束８は反射角θ₂で反射する。この反射角θ₁と反射角θ₂とが等しくなっているため、第１の光束７の被測定物１３への入射角と第２の光束８の被測定物１３への入射角とが等しくなる。つまり、θ₃=θ₄となる。また、図２（ａ）のように反射後の２つの第１，第２の光束７，８はｙｚ平面内にあり、被測定物１３の表面はｘｙ平面内にある。よって、このとき、検出される２ｆ_dは上記式１５より、
（式１６）

となり、各光学部品の設置角度の調整項目を一つ減らすことができる。

また、上記式３で示されるように、ビート信号は２つの光束の干渉で生じる。２つの光束の重ね合わせ領域が図２（ｂ）のようにずれると、重ね合わされていない領域からの散乱光はＤＣノイズとなってＰＤ２で検出されるため、Ｓ／Ｎを低下させる要因となってしまう。ＬＤ１が出射した２つの光束はｙ軸に平行に出射され、ミラー５ａ，５ｂで同じ角度で、かつ同一平面内に反射されるため、両光束は検出点１４上で良好に重ね合わせられる。

この条件に合致して重ね合わせる場合に限らず、任意の角度でもって重ね合わせても信号を得ることはできるが、上記条件が信号を高精度に検出できる。

さらに、図１のように被測定物１３の移動方向がｙ軸と平行になるように光学系全体を設置することにより、図１４に示したように検出点１４の干渉縞方向と被測定物１３の移動方向が垂直になるため、被測定物１３の移動速度を精度よく測定することができる。

また、本参考例においてＰＤ２がビート信号を連続的に検知するには、図３に示すようにｚ軸方向において被測定物１３の凹凸のばらつき（=ｈ）が、第１の光束７と第２の光束８との重なり領域のｚ軸方向の長さ（=ｄ）よりも小さい必要がある。いま、図１のように２つの光束のなす角度は２・θ₃であるので、ｄは次の式１７で表すことができる。
（式１７）

上記式１７を用いて、ｈ＜ｄを満たすように、角度θ₃を設定してビート信号の不連続を防止することができる。この条件は以後すべての参考例および実施例において成立し、今後の説明は省略する。

また、検出点１４からＰＤ２へ入射する光軸が検出点１４への第１，第２の光束７，８の交差角の２等分線上（ｘｙ平面内）にある。このとき、第１，第２の光束７，８からの散乱光の強度が略等しくなるため、ビート信号１５が鮮明化するため、高精度に移動速度を検出できる。

さらに、図１では、ＰＤ２に入射する２つの光束の形成する平面（ｙｚ平面）内にＰＤ２がある。つまり、ＰＤ２はｚ軸上に設置されている。このとき、上記のようにビート信号が鮮明化する効果に加えて、その信号強度も最大となるため、Ｓ／Ｎを向上させることができる。

さらに、図１では、ＬＤ１がミラー５ａ，５ｂ間の中点に位置するように設置されている。このとき、ＬＤ１とＰＤ２は、同じｚ軸上に配置されているため、同一基板の表と裏側にそれぞれ組み込むことができる。つまり、ＬＤ１とＰＤ２を同一基板に作りこんで一体化できる。これにより、装置構成全体を小型化することができる。

本参考例においては、ＬＤ１から出射した光をＣＬ４ａ，４ｂにて平行光束にするケースを例にとって説明したが、例えばビート信号強度が弱いとき、ＣＬ４ａ，４ｂとＬＤ１との間の距離を本レンズの焦点距離よりずらして、光束が緩やかに集光するようにし、検出点１４で光束が十分絞られている状態になるようにＣＬ４ａ，４ｂを配置してもよい。また、検出点１４に入射する２つの光束を介するように、レンズを配置してもよい。つまり、ミラー５ａ，５ｂと検出点１４との間の光路上にレンズを配置してもよい。こうすると、光束は検出点１４へ入射するとき十分絞られるので、検出点１４での単位面積あたりの光量が増大して、ＰＤ２で得られる信号強度が増大する。このためＳ／Ｎの向上したビート信号を検知することができ、高精度な速度の検知が可能となる。以後の参考例および実施例についても、検出点１４に入射する光束が平行光束になるようＣＬ４ａ，４ｂを配置し、検出点１４に入射する光束を集光するレンズを省略して説明するが、本参考例と同様に平行光束とするように限定したものではない。

さらに、図１では、ＰＤ２と検出点１４との間に集光レンズ６が設置されている。この集光レンズ６により、検出点１４から散乱するビート信号をＰＤ２へと集光するので、ＰＤ２で得られる信号強度が増大する。この集光レンズ６についても、以後の参考例および実施例で共通に設置されているが、説明は省略する。

また、ビート信号１５は検出点１４に入射する２つの光束の光量が等しいほど鮮明になり、ＰＤ２で移動速度を高精度に検出できる。上記式３において、Ｅ_A＋Ｅ_Bの値はＬＤ１からの出射光量であるため一定値であるから、Ｅ_A＝Ｅ_Bのときビート信号のうなり強度（Peak to Peak）が最大になり、そのバランスが崩れる程うなり強度が小さくなる。本参考例においては、ＬＤ１の両端面を適切に処理することにより、検出点１４に入射する第１の光束７および第２の光束８の光量を等しくすることができ、ビート信号１５を鮮明に検出できるため、移動速度を高精度に検知することができる。以後の全ての参考例および実施例においても、各検出点に入射する２つの光束の光強度が等しくなるようにＬＤ１の両端面に処理が施されている。以後、全ての参考例および実施例においても同様に上記両端面処理がなされているが、説明は省略する。

参考例２

図４に、本発明の参考例２の速度計の概略構成図を示す。図４では、各光学部品等の配置のみを表示してあり、その他の各光学部品を保持する部品や検出した信号の信号処理回路等の図示を省略している。また、図４の破線の矢印は座標軸を示す。

上記速度計は、ＬＤ１、ＰＤ２ａ，２ｂ、回折格子３ａ，３ｂ、ＣＬ４ａ，４ｂ、集光レンズ６ａ，６ｂ、信号処理回路部１０および絞り１２ａ，１２ｂを備えている。

上記ＬＤ１は（０，０，ｚ₁）に、ＰＤ２ａ，２ｂは（０，０，ｚ₂）に、回折格子３ａ，３ｂは（０，±ｙ₃，ｚ₁）に、ＣＬ４ａ，４ｂは（０，±ｙ₄，ｚ₁）に、集光レンズ６ａ，６ｂは（０，±ｙ６，ｚ６）に、絞り１２ａ，１２ｂは（０，±ｙ₁₂，ｚ₁）に設置される。また、上記信号処理回路部１０は、ＰＤ２ａの出力Ｓ_aと、ＰＤ２ｂの出力Ｓ_bとから周波数偏移量を算出する。

また、図４において、７は第１の光束、７ａ，７ｂは回折格子３ａの±１次回折光、８は第２の光束、８ａ，８ｂは回折格子３ｂの±１次回折光、１３は被測定物、１４ａ，１４ｂは検出点（ビーム重なり領域）、１５ａ，１５ｂはビート信号を示している。なお、上記検出点１４ａ，１４ｂは（０，±ｙ₁₄，０）に形成される。そして、上記被測定物１３の表面は第３平面の一例としてのｘｙ平面と略一致する。

以下、図４の光学系の構成と機能を説明する。

ＬＤ１の前端面から第１の光束７が出射すると共に、半導体素子１の後端面から第２の光束８が出射する。第１，第２の光束７，８は、絞り１２ａ，１２ｂを通過した後、ＣＬ４ａ，４ｂを介して平行光束となる。その後、第１，第２の光束７，８は回折格子３ａ，３ｂによりそれぞれ複数の光束に分割される。ここで、回折格子３ａ，３ｂは入射光束を等角に分割し、その分割角度は入射光束の波長に依存するため、各検出点１４ａ，１４ｂにおいて２つの光束の重ね合わせが容易になる。したがって、回折格子３ａ，３ｂは本参考例において光分岐素子として好適である。

図４には±ｎ次回折光（ｎは零を含む自然数）のうち±１次回折光７ａ，７ｂ，８ａ，８ｂのみ図示している。この±１次回折光７ａ，７ｂ，８ａ，８ｂによって検出点１４ａ，１４ｂが形成される。検出点１４ａから散乱されるビート信号１５ａは集光レンズ６ａを介してＰＤ２ａで検出される一方、検出点１４ｂから散乱されるビート信号１５ｂは集光レンズ１５ｂを介してＰＤ２ｂで検出される。このように検出してビート信号を用いて、上記参考例１と同様に被測定物１３の移動速度を検出する。

一般に、コヒーレントな光が光学的に粗い面に入射したとき、その面からの散乱光は様々な方向に反射するため、それらの散乱光の干渉によりスペックルパターンと呼ばれる明暗の模様が現れる。明部がＰＤ２ａ，２ｂに入射している間はＰＤ２ａ，２ｂはビート信号を検出し、被測定物１３の移動速度を検知することができるが、暗部が連続的にＰＤ２ａ，２ｂへ入射されると所謂ドロップアウトと呼ばれる信号不感状態になってしまう。本参考例においては、２つの検出点１４ａ，１４ｂを形成し、２つの受光系にて信号を検出しているため、一方の出力がドロップアウトにより検出不可能な場合でも、他方の出力を検知して信号不感状態を防ぐことができる。

また、本参考例の光学系においては、光束の分割に回折格子３ａ，３ｂを用いているが、ビート信号強度を大きくするために、検出点１４ａ，１４ｂに入射する光量を大きくする必要がある。一般に、回折格子により光束は０次回折光、±１次回折光、・・・±ｎ次回折光と各次等角に分割されるが、回折格子の溝深さによる光学的距離差を入射光の波長の１／４にすると、反射による光路長差が波長の１／２となり、光の位相がπずれるため０次回折光はほとんど出射しない。このような条件を回折格子３ａ，３ｂに適用すると、±１次回折光７ａ，７ｂ，８ａ，８ｂの強度は入射光量に対して片側約４０．５%となり最大となり、検出点１４ａ，１４ｂへの入射光量が最大となるため、ビート信号１５ａ，１５ｂを高感度に検知できる。以上のことは、回折格子３ａ，３ｂに垂直に光が入射し、回折格子３ａ，３ｂがその光の光軸に対して垂直に配置される場合であるが、図４に示す本参考例では、入射光束である第１，第２の光束７，８を被測定物１３へ入射させるために回折格子３ａ，３ｂを−ｚ方向に傾けているため、厳密には回折格子３ａ，３ｂの溝深さをこの角度に合わせた調整が必要となる。

また、本参考例の光学系では、図４に示すように、ＬＤ１から出射する２つの光束がｙ軸と平行になるようにＬＤ１を設置しており、回折格子３ａ，３ｂの溝が延びる方向はｙｚ平面と平行に切ってあるため、第１，第２，第３平面が二等辺三角柱を形成する（図中左右両端（±ｙ方向）に破線で、その二等辺三角柱の天面，底面となる二等辺三角形を図示）。ここで、上記第１平面とは、回折格子３ａによる＋１次回折光束７ａと、回折格子３ｂによる＋１次回折光束８ａとを含む平面である。また、上記第２平面とは、回折格子３ａによる−１次回折光束７ｂと、回折格子３ｂによる−１次回折光束８ｂとを含む平面である。また、上記第３平面とは、被測定物１３の表面を含む平面を指し、ｘｙ平面に相当する。

第１，第２，第３平面が二等辺三角柱を形成する場合、図１５に示す干渉縞の間隔と向きが検出点１４ａと検出点１４ｂとで等しくなるため、上記のように検出点１４ａ，検出点１４ｂの一方からの信号がドロップアウトにより信号不感になっても、両検出点１４ａ，１４ｂから検知される速度の誤差を最小にすることができる。

さらに、両検出点１４ａ，１４ｂを結ぶ線がｘ軸、被測定物１３の移動方向がｙ軸方向となるように光学系全体を設置することにより、図１５に示すように、干渉縞が延びる方向と、被測定物１３の移動方向とが垂直になるため、被測定物１３の移動速度を高精度に測定することができる。

また、検出点１４ａからＰＤ２ａへ入射する光束の光軸は、検出点１４ａへ入射する２つの光束（＋１次回折光７ａ，８ａ）の交差角の２等分線と略一致すると共に、検出点１４ｂからＰＤ２ｂへ入射する光束の光軸は、検出点１４ｂへ入射する２つの光束（−１次回折光７ｂ，８ｂ）の交差角の２等分線と略一致する。このような場合、上記２つの光束からの散乱光の強度が略等しくなるため、ビート信号１５ａ，１５ｂが鮮明化するため、被測定物１３の移動速度を高精度に検出できる。

また、本参考例の光学系では、図４のようにＰＤ２ａ，２ｂはそれぞれ上記第１平面および第２平面においてｘｙ平面に対する正反射方向（入射角＝反射角）に設置している。一般に、直進する光が反射するとき、その強度は正反射方向に最も強く反射する。よって、上記のように受光系を設置することにより、ビート信号を最も高感度に検知することが可能である。

図５に、本参考例の速度計の変形例の概略構成図を示す。図５では各光学部品等の配置のみを表示してあり、その他の各光学部品を保持する部品や検出した信号の信号処理回路等は省略している。また、図５の破線の矢印は座標軸を示している。また、図５において、図４に示した構成部と同一構成部は、図４における構成部と同一参照番号を付して説明を省略する。

図５の速度計は、回折格子３ｂによる−１次回折光８ｂが通過する１／４波長板１６を（−ｘ₁₆，ｙ₁₆，ｚ₁₆）に設けている点が図４の速度計と異なる。

一般に、１／４波長板１６の光学軸を入射する偏光方向に対して４５°傾けて設置することにより、遅相軸成分の光の位相が進相軸成分に比べてπ／２だけ遅れるので直線偏光は円偏光に変換される。図５において、１／４波長板１６より、１／４波長板１６と被測定物１３との間において−１次回折光８ｂは円偏光になっている。このような状態で４つの光束（±１次回折光７ａ，７ｂ，８ａ，８ｂ）が図５のように被測定物１３に入射するときのＰＤ２ａ，２ｂで検出されるビート信号について説明する。

回折格子３ａ，３ｂにより分割された各光束（±１次回折光７ａ，７ｂ，８ａ，８ｂ）は、回折格子３ａ，３ｂから検出点１４ａ，１４ｂまでの距離が等しいとすると、以下のように表すことができる。ただし、１／４波長板１６を通過する光束（−１次回折光８ｂ）については、１／４波長板１６通過後の遅相軸成分のみを示す。
（式１８）

（式１９）

（式２０）

（式２１）

ここで、Ｅ_1a，Ｅ_1b，Ｅ_2a，Ｅ_2bは光の振幅、ｆ₀は光の周波数、ｔは時間である。

次に、被測定物１３の移動方向は＋ｙ軸方向を正とすると、被測定物１３で散乱後の各光束の成分は、被測定物１３の移動速度Ｖに起因したドップラー周波数偏移成分をｆ_dとすると、上記式１８〜２１は、
（式２２）

（式２３）

（式２４）

（式２５）

となる。よって、ＰＤ２ａ，２ｂで検出されるビート信号１５ａ，１５ｂは、
（式２６）

（式２７）

となる。上記式２７において、第２項の余弦の中の位相成分の符号は被測定物１３の移動方向により異なり、＋ｙ方向に移動するとき＋π／２、−ｙ方向に移動するとき−π／２となる。

図６（ａ）〜（ｃ）にビート信号１５ａ，１５ｂを示す。より詳しくは、図６（ａ）には上記式２６で表されるビート信号１５ａを示す。このビート信号１５ａは被測定物１３の移動方向に依存しない。図６（ｂ）には被測定物１３が左方向（−ｙ方向）に移動するときビート信号１５ｂを示し、図６（ｃ）には被測定物１３が右方向（＋ｙ方向）に移動するときのビート信号１５ｂを示している。

図６（ａ）〜（ｃ）から、ビート信号１５ｂは被測定物１３の移動方向により位相がπ／２ずれることがわかる。したがって、ＰＤ２ｂと検出点１４ｂとの間に直線偏光子（図示せず）を上記遅相軸成分が通過する方向に設置してビート信号１５ａ，１５ｂを検出することにより、被測定物１３の移動方向を検出できる。このように、−１次回折光８ｂが通過する１／４波長板１６を設けることにより、被測定物１３の速度と移動方向を検知することができる。また、以後の参考例および実施例において、移動方向を検出するための直線偏光子の図示および説明は同様であるため省略する。

ただし、被測定物１３の移動方向を検知するには、ビート信号１５ａの位相に対し、ビート信号１５ｂの位相が進んでいるのか、遅れているのかが判断できればよいので、ビート信号１５ａとビート信号１５ｂとの位相差をξとすると、
（式２８）

の範囲にあればよい。このとき、位相変更手段による位相変更量：φは、
（式２９）

であることが必要である。このような光の位相差を与える部材の材料としては、一般的には光の入射方向に対し屈折率が異なる複屈折材料が用いられる。この複屈折材料は位相変更手段の材料として適している。

しかし、実際の光学系においては各光学部品の設置によるズレ等により、各光束の検出点までの距離が異なってくる。このとき、各検出点からの散乱光は、
（式３０）

（式３１）

（式３２）

（式３３）

となる。ただし、−１次回折光８ｂについては、１／４波長板１６通過後の遅相軸成分のみを示してあり、φ_1a、φ_1b、φ_2a、φ_2bは各光束（±１次回折光７ａ，７ｂ，８ａ，８ｂ）の位相成分であり、φ₀は位相変更手段による位相変更量である。よって、ＰＤ２ａ，２ｂで検出されるビート信号１５ａ，１５ｂは、
（式３４）

（式３５）

となる。上記式２８、式３４および式３５より、移動方向検知に求められる位相条件は、
（式３６）

となる。上記式３６を満たすように各光学部品を設置することにより、被測定物１３の移動方向の検知が可能となる。位相変更手段の一例として１／４波長板１６を用いるとき、上記式３６は、
（式３７）

となり、各光束（±１次回折光７ａ，７ｂ，８ａ，８ｂ）の位相成分ばらつきに対し、各光学部品配置におけるマージンをとることができる。

また、１／４波長板１６を−１次回折光８ｂ以外の３つの光束（±１次回折光７ａ，７ｂ，８ａ）に設け、−１次回折光８ｂにだけ設けないような構成にすることにより、上記と同じ位相差の論理により被測定物１３の移動方向を検知できる。つまり、±１次回折光７ａ，７ｂ，８ａのそれぞれが１／４波長板を通過するようにすると、−１次回折光８ｂは１／４波長板を通過させなくても、被測定物１３の移動方向を検知できる。

本参考例の速度計の変形例における被測定物１３の移動方向の検知と位相差とに関する議論は、この後の参考例および実施例においても同様であり、以後の参考例および実施例においては省略する。

図７に、本参考例の速度計の他の変形例の概略構成図を示す。図７では各光学部品等の配置のみを表示してあり、その他の各光学部品を保持する部品や検出した信号の信号処理回路等は省略している。また、破線の矢印は座標軸を示している。また、図７において、図５に示した構成部と同一構成部は、図５における構成部と同一参照番号を付して説明を省略する。

図７の速度計は、２つのビート信号１５ａ，１５ｂを検出するための集光レンズ６ａ，６ｂの代わりに単一部品の集光レンズアレイ１７を用いた点と、ビート信号１５ａ，１５ｂを検出するＰＤ２をＬＤ１と同一チップ内に形成している点とが図５の速度計と異なっている。

上記構成により、図７に示す光学系では部品点数を削減でき、また、ＰＤ２をＬＤ１と１チップ化しているため、装置の小型化が可能となる。さらに、１チップ化した複数のＰＤの代わりに分割型ＰＤを用いることにより、受光素子面積をさらに縮小できるため、ＰＤの製造コストを低減でき、さらに装置のさらなる小型化が可能である。図７における部品点数削減の装置構成は、この後の参考例および実施例においても同様であり、以後の参考例および実施例においては説明を省略する。

図８に、図７の速度計を上方から見た概略図（＋ｚ軸方向から見た図）を示す。また、図８の下方においては、図８の上方において点線で描いた小円内を拡大した図を示す。つまり、図８の下方の図は検出点１４ａ，１４ｂ付近の拡大図である。

検出点１４ａと検出点１４ｂとの間の距離が大きいほど装置が大型化し、また集光レンズアレイ１７で受光できる光量も小さくなる。また、各光束（±１次回折光７ａ，７ｂ，８ａ，８ｂ）の位相差の点においても、検出点同士が離れると位相差が大きくなり、被測定物１３の移動方向の検出が困難になる。検出点１４ａと検出点１４ｂとの間の距離は回折格子３ａ，３ｂによる回折角αによって決定される。検出点１４ａと検出点１４ｂとが重なり合うと、各検出点１４ａ，１４ｂからのビート信号がノイズとなってＰＤ２にて検出されてしまうため、図８より、
（式３８）

を満たすように、各回折格子３ａ，３ｂのピッチや、絞り１２ａ，１２ｂの径Ｗ、各部品間距離Ｌ等を設定する必要がある。この後の参考例および実施形態においても検出点間の距離に関して同様であり、以後の参考例および実施例においては説明を省略する。

図９に、本発明の実施例１の速度計の概略構成図を示す。図９では、各光学部品等の配置のみを表示してあり、その他の各光学部品を保持する部品や検出した信号の信号処理回路等は省略している。また、図９の破線の矢印は座標軸を示している。また、図９において、図７に示した構成部と同一構成部には、図７における構成部と同一参照番号を付している。

図９の速度計は、ＬＤ１、ＰＤ２、回折格子３ａ，３ｂ、ＣＬ４ａ，４ｂ、ＢＳ９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄ、信号処理回路部１０、絞り１２ａ，１２ｂ、１／４波長板１６および集光レンズアレイ２７を備えている。上記ＬＤ１は（０，０，ｚ₁）に、ＰＤ２は（０，０，ｚ₂）に、回折格子３ａ，３ｂは（０，±ｙ₃，ｚ₁）に、ＣＬ４ａ，４ｂは（０，±ｙ₄，ｚ₁）に、ＢＳ９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄで（±x₉，±ｙ₉，ｚ₉）に、絞り１２は（０，±ｙ₁₂，ｚ１）に、１／４波長板１６は（−ｘ₁₆，ｙ₁₆，ｚ₁₆）に、集光レンズアレイ１７は（０，０，ｚ₁₇）にそれぞれ設置されている。また、上記信号処理回路部１０はＰＤ２の出力Ｓから周波数偏移量を算出する。

また、図９において、７は第１の光束、７ａ，７ｂは回折格子３ａによる±１次回折光、７ｃ，７ｄは＋１次回折光７ａをＢＳ９ａで分割して得る光束、７ｅ，７ｆは−１次回折光７ｂをＢＳ９ｂで分割して得る光束、８は第２の光束、８ａ，８ｂは回折格子３ｂによる±１次回折光、８ｃ，８ｄは＋１次回折光８ａをＢＳ９ｃで分割して得る光束、８ｅ，８ｆは−１次回折光８ｂをＢＳ９ｄで分割して得る光束、１３は被測定物、１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄは検出点（ビーム重なり領域）、１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄはビート信号を示している。なお、検出点１４ａ，１４ｂは（±x₁₄，０，０）に形成され、検出点１４ｃ，１４ｄは（０，±ｙ₁₄，０）に形成される。そして、光束７ｃ，…，７ｆおよび光束８ｃ，…，８ｆを照射する被測定物１３の表面は、第３平面の一例としてのｘｙ平面と略一致する。

以下、図９の光学系の構成および機能について説明する。

ＬＤ１の前端面から第１の光束７が出射すると共に、ＬＤ１の後端面から第２の光束８が出射する。第１，第２の光束７，８は、絞り１２ａ，１２ｂを通過した後、ＣＬ４ａ，４ｂを通過することによって平行光束となる。その後、第１，第２の光束７，８は回折格子３ａ，３ｂによりそれぞれ複数の光束に分割される。

図９には±ｎ次回折光（ｎは零を含む自然数）のうち±１次回折光７ａ，７ｂ，８ａ，８ｂのみ図示している。一般に、回折格子により光束は０次回折光、±１次回折光、……、±ｎ次回折光と各次等角に分割されるが、回折格子の溝深さによる光学的距離差を波長の１／４にすると反射による光路長差が波長の１／２となり、光の位相がπずれるため０次回折光はほとんど出射しない。つまり、回折格子の溝で反射する光と、回折格子の溝以外の部分で反射する光とは、光路長差が入射光の波長の１／２であると、位相がπずれるため、０次回折光がほとんど生じない。このような条件を回折格子３ａ，３ｂに適用すると、回折格子３ａ，３ｂの±１次回折光７ａ，７ｂ，８ａ，８ｂの強度は入射光量に対して片側（＋ｎ次回折光または−ｎ次回折光）において約４０．５%と最大となる。その結果、検出点１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄに入射する光の光量が最大となるため、ビート信号１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄを高感度に検知できる。以上のことは、回折格子３ａ，３ｂに垂直に光を入射し、回折格子３ａ，３ｂがその光の光軸に対し垂直に配置される場合であるが、図９に示す本実施例では、入射光束（第１，第２の光束７，８）を被測定物１３へ入射させるために回折格子３ａ，３ｂを−ｚ方向に傾けているため、厳密には回折格子３ａ，３ｂの溝深さをこの角度に合わせた調整が必要となる。

第１の光束７は回折格子３ａで２つの光束（±１次回折光７ａ，７ｂ）に分割され、第２の光束８は回折格子３ｂで２つの光束（±１次回折光８ａ，８ｂ）に分割される。この４つの光束（±１次回折光７ａ，７ｂ，８ａ，８ｂ）は、ＢＳ９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄによって８つの光束７ｃ，７ｄ，７ｅ，７ｆ，８ｃ，８ｄ，８ｅ，８ｆ）とされる。より詳しくは、＋１次回折光７ａはＢＳ９ａによって光束７ｃ，７ｄに分割され、−１次回折光７ｂはＢＳ９ｂによって光束７ｅ，７ｆに分割される。同様に、＋１次回折光８ａはＢＳ９ｃによって光束８ｃ，８ｄに分割され、−１次回折光８ｂはＢＳ９ｄによって光束８ｅ，８ｆに分割される。この場合、ＢＳ９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄは、光分岐素子として、入射光を光強度が１：１の２つの光束に分割する。また、ＢＳ９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄは分割による光量のロスを少なくすることが可能なため、検出点１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄに照射する光量が大きくなり、ビート信号１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄの信号強度の低下を防ぐことができる。

本実施例の光学系では、検出点１４ａ，１４ｂは各々に入射する光束が±ｙ方向から入射するため、図１５のようにｘ軸方向に明暗の干渉縞ができ、その干渉縞を横切る成分の速度が検出される。このため、検出点１４ａ，１４ｂより検出されるビート信号１５ａ，１５ｂに基づいて、被測定物１３の移動に対するｙ軸成分を検出できる。つまり、被測定物１３のｙ軸方向の速度Ｖ_yを検出できる。

また、本光学系においては、ＢＳ９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄにより分割された光束７ｃ，７ｅ，８ｃ，８ｅが検出点１４ｃ，１４ｄを形成する。この検出点１４ｃ，１４ｄに入射する光束７ｃ，７ｅ，８ｃ，８ｅは何れも±ｘ方向から入射するため、干渉縞の明暗はｙ軸方向に形成される。このため、検出点１４ｃ，１４ｄより検出されるビート信号１５ｃ，１５ｄに基づいて被測定物１３の移動速度のｘ軸成分を検出することができる。つまり、被測定物１３のｘ軸方向の速度Ｖ_xを検出できる。

このように、本実施例の光学系においては２次元の移動速度を測定することができ、移動速度を求めるために被測定物の移動方向と、検出点に入射する光の光軸を調整する必要がない。

また、上記参考例１で説明したように、検出点１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄのそれぞれに入射する２つの光束の重なり領域がずれると、図２（ｂ）に示されるようにずれた領域（２つの光束が重なっていない領域）からの散乱光はＤＣノイズとなって検出され、Ｓ／Ｎを低下させてしまう。図９に示すように、本実施例の光学系では、ＬＤ１から出射する２つの光束がｙ軸と平行になるように設置されており、回折格子３ａ，３ｂの溝方向はｙｚ平面と平行に切ってあるため、上記参考例２と同様に第１平面、第２平面およびｘｙ平面が二等辺三角柱を形成する。ここで、上記第１平面とは、回折格子３ａによる＋１次回折光束７ａと、回折格子３ｂによる＋１次回折光束８ａとを含む平面である。すなわち、上記第１平面は、検出点１４ａに入射する２つの光束７ｄ，８ｄの光軸を含んでいる。また、上記第２平面とは、回折格子３ａによる−１次回折光束７ｂと、回折格子３ｂによる−１次回折光束８ｂとを含む平面である。すなわち、上記第２平面は、検出点１４ｂに入射する２つの光束７ｆ，８ｆを含んでいる。このような第１平面、第２平面およびｘｙ平面が二等辺三角柱を形成する場合、図１５に示す干渉縞の間隔と向きが検出点１４ａと検出点１４ｂとで等しくなるため、上記のように検出点１４ａ，１４ｂの一方からの信号がドロップアウトにより信号不感になっても、両検出点１４ａ，１４ｂから検知される速度の誤差を最小にすることができる。

また、検出点１４ｃに入射する２つの光束を含む平面とｘｙ平面とがなす角と、検出点１４ｄに入射する２つの光束を含む平面とｘｙ平面とがなす角とが等しく、検出点１４ｃ、１４ｄのそれぞれに入射する２つの光束の入射角が全て等しくなるようにＢＳ９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄを設置している。これにより、検出点１４ａ，１４ｂを用いて被測定物１３のｙ軸方向の速度Ｖ_yを検出する場合と同様に、検出点１４ｃ，１４ｄの一方からの信号がドロップアウトにより信号不感になっても、両検出点１４ｃ，１４ｄから検知される速度の誤差を最小にすることができる。

また、検出点１４ａからＰＤ２へ入射する光束の光軸は、検出点１４ａへ入射する２つの光束７ｄ，８ｄの交差角の２等分線と略一致する。また、検出点１４ｂからＰＤ２へ入射する光の光軸は、検出点１４ｂへ入射する２つの光束７ｆ，８ｆの交差角の２等分線と略一致する。また、検出点１４ｃからＰＤ２へ入射する光の光軸は、検出点１４ｂへ入射する２つの光束７ｃ，７ｅの交差角の２等分線と略一致する。また、検出点１４ｄからＰＤ２へ入射する光の光軸は、検出点１４ｂへ入射する２つの光束８ｃ，８ｅの交差角の２等分線と略一致する。このような場合、各検出点１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄに入射する２つの光束からの散乱光の強度が略等しくなるため、ビート信号１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄが鮮明化するため、被測定物１３の移動速度を高精度に検出できる。

また、回折格子３ｂによる−１次回折光８ｂはＢＳ９ｄで分割される前に、１／４波長板１６にて直線偏光から円偏光に変換されている。このため、ＢＳ９ｄからの光束８ｅ，８ｆは円偏光で被測定物１３に入射する。ＢＳ９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄからの光束７ｃ，７ｄ，７ｅ，７ｆ，８ｃ，８ｄ，８ｅ，８ｆが検出点１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄを形成する。具体的には、光束７ｄと光束８ｄとが検出点１４ａを形成し、光束７ｆと光束８ｆとが検出点１４ｂを形成し、光束７ｃと光束７ｅとが検出点１４ｃを形成し、光束７ｃと光束７ｆとが検出点１４ｃを形成し、光束８ｃと光束８ｆとが検出点１４ｄを形成する。各検出点１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄから散乱されるビート信号１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄは、集光レンズアレイ２７を介してＰＤ２で検出される。このＰＤ２の出力Ｓに基づいて被測定物１３の移動速度を検出する原理は、上記参考例１，２と同様である。

本実施例の光学系では、ビート信号１５ａとビート信号１５ｂとは信号強度が異なるが、被測定物１３の移動速度や移動方向の検知の点では上記参考例２と同様で、被測定物１３の移動速度と、被測定物１３の移動方向のｙ軸成分とを検出する。また、検出点１４ｃ，１４ｄより検出されるビート信号１５ｃ，１５ｄは被測定物１３のｘ軸成分を検出することができる。また、検出点１４ｄに入射する光束８ｅの位相は１／４波長板１６を通って円偏光となっているため、上記参考例２における被測定物１３の移動方向の検出と同様の原理にて被測定物１３のｘ軸方向に対する移動方向の検知も可能となる。このように、本実施例における光学系では、被測定物１３の移動方向と光学系の軸を調整して配置する必要がなく、任意のｘｙ平面運動に関する速度情報および移動方向を検知することができる。また、ｘ成分、ｙ成分ともに移動方向検知に関する位相を扱う条件等は上記参考例２と同様である。

また、図９のように、被測定物１３の移動速度のｙ方向成分を検出するための検出点１４ａ，１４ｂをｘ軸上に形成すると共に、被測定物１３の移動速度のｘ方向成分を検出するための検出点１４ｃ，１４ｄをｙ軸上に形成することにより、被測定物１３において互いに直交する２つの方向の速度成分を検出することができる。その結果、被測定物１３の移動速度を高精度に検出することができる。

図１０に、本実施例１の速度計の変形例の概略構成図を示す。図１０では各光学部品等の配置のみを表示してあり、その他の各光学部品を保持する部品や検出した信号の信号処理回路等は省略している。また、図１０中の破線の矢印は座標軸を示している。また、図１０において、図９に示した構成部と同一構成部には、図９における構成部と同一参照番号を付している。

図１０の速度計は、ＬＤ１、ＰＤ２、回折格子３ａ，３ｂ、ＣＬ４ａ，４ｂ、信号処理回路部１０、絞り１２ａ，１２ｂおよび第１基板１９を備えている。この第１基板１９には、１／４波長板１６、回折格子１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄおよび集光レンズアレイ３７を設けている。回折格子１８ｄ上には１／４波長板１６が配置されている。

上記ＬＤ１は（０，０，ｚ₁）に、ＰＤ２は（０，０，ｚ₂）に、回折格子３ａ，３ｂは（０，±ｙ₃，ｚ₁）に、ＣＬ４ａ，４ｂで（０，±ｙ₄，ｚ₁）に、絞り１２ａ，１２ｂは（０，±ｙ₁₂，ｚ₁）に、１／４波長板１６は（−x₁₆，ｙ₃，ｚ₁₆）に設置される。また、集光レンズアレイ３７は（０，０，ｚ₁₆）に位置している。また、上記信号処理回路部１０はＰＤ２の出力Ｓから周波数偏移量を算出する。

また、図１０において、７は第１の光束、７ａ，７ｂは回折格子３ａによる±１次回折光、７ｃ，７ｄは＋１次回折光７ａを回折格子１８ａで分割した光束、７ｅ，７ｆは−１次回折光７ｂを回折格子１８ｂで分割した光束、８は第２の光束、８ａ，８ｂは回折格子３ｂによる±１次回折光、８ｃ，８ｄは＋１次回折光８ａを回折格子１８ｃで分割した光束、８ｅ，８ｆは−１次回折光８ｂを回折格子１８ｄで分割した光束、１３は被測定物、１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄは検出点（ビーム重なり領域）、１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄはビート信号を示している。上記検出点１４ａ，１４ｂは（±x₁₄，０，０）に形成され、検出点１４ｃ，１４ｄは（０， ±ｙ₁₄，０）に形成される。そして、光束７ｃ，…，７ｆおよび光束８ｃ，…，８ｆを照射する被測定物１３の表面は、第３平面の一例としてのｘｙ平面と略一致する。

以下、図１０の光学系の構成と機能を説明する。

ＬＤ１の前端面から第１の光束７が出射すると共に、半導体素子１の後端面から第２の光束８が出射する。第１，第２の光束７，８は、絞り１２ａ，１２ｂを通過した後、ＣＬ４ａ，４ｂを通過することによって平行光束となる。その後、第１，第２の光束７，８は回折格子３ａ，３ｂによりそれぞれ複数の光束に分割される。図９には±ｎ次回折光（ｎは零を含む自然数）のうち±１次回折光７ａ，７ｂ，８ａ，８ｂのみ図示している。

第１の光束７は回折格子３ａで２つの光束（±１次回折光７ａ，７ｂ）に分割され、第２の光束８は回折格子３ｂで２つの光束（±１次回折光８ａ，８ｂ）に分割される。そして、回折格子３ａからの２つの光束（±１次回折光７ａ，７ｂ）は回折格子１８ａ，１８ｂで４つの光束７ｃ，７ｄ，７ｅ，７ｆに分割され、回折格子３ａの＋１次回折光７ａは回折格子１８ａで２つの光束７ｃ，７ｄに分割される共に、回折格子３ａの−１次回折光７ｂは回折格子１８ｂで２つの光束７ｅ，７ｆに分割される。また、回折格子３ｂの＋１次回折光８ａは回折格子１８ｃで２つの光束８ｃ，８ｄに分割されると共に、回折格子３ｂの−１次回折光８ｂは回折格子１８ｄで２つの光束８ｅ，８ｆに分割される。ここで、回折格子１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄは、回折格子３ａ，３ｂと同様に、溝の深さが入射光の波長の１／４となっているため０次回折光はほとんど出射せず、±１次回折光の強度が最大となっている。その結果、各検出点１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄへの入射光量が最大となり、ビート信号強度を最大にすることができている。

また、回折格子３ｂの−１次回折光８ｂは回折格子１８ｄで分割される前に、１／４波長板１６にて直線偏光から円偏光に変換されている。このため、光束８ｅ，８ｆは円偏光で被測定物１３に入射する。回折格子１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄはそれぞれ第１基板１９内でｘ軸、ｙ軸方向に対して任意の角度で傾いている。回折格子１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄから出射された各光束７ｃ，７ｄ，７ｅ，７ｆ，８ｃ，８ｄ，８ｅ，８ｆは、検出点１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄを形成する。より詳しくは、光束７ｄと光束８ｄとが検出点１４ａを形成し、光束７ｆと光束８ｆとが検出点１４ｂを形成し、光束７ｃと光束７ｅとが検出点１４ｃを形成し、光束８ｃと光束８ｅとが検出点１４ｄを形成する。回折格子１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄを第１基板１９内で傾ける角度と、第１基板１９から被測定物１３まで距離とは、上記のように検出点１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄが形成されるように設定されている。つまり、被測定物１３の表面において、光束７ｄと光束８ｄとが重なり合い、光束７ｆと光束８ｆとが重なり合い、光束７ｃと光束７ｅとが重なり合い、そして光束８ｃと光束８ｅとが重なり合うように、上記角度と上記距離を設定している。

図１０の速度計は、回折格子１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄが同一基板に形成するので、回折格子１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄの設置による位置ずれを防ぐことができる。したがって、図１０の速度計は、図９の速度計に比べて検出点１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄにおける光束の重なり不具合を低減できる。

また、図１０の速度計では、検出点１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄから散乱されるビート信号１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄは集光レンズアレイ３７を介してＰＤ２で検出される。このＰＤの出力に基づいて被測定物１３の移動速度の検出原理は上記参考例１と同様である。

また、図１０の速度計は、図９の速度計と同様に、被測定物１３の表面に４つの検出点１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄを形成するので、被測定物１３の２次元の移動速度および移動方向の検知が可能である。

また、図１０の速度計では、回折格子群１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄ、１／４波長板１６および集光レンズアレイ３７は第１基板１９に組み込まれて単一部品となっているので、部品点数を少なくできる。したがって、図１０の速度計の組み立て工程数を低減して、製造コストの下げることができる。

また、図１０の速度計では、回折格子１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄ、１／４波長板１６および集光レンズアレイ３７が一つの部品になっているので、回折格子１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄ、１／４波長板１６および集光レンズアレイ３７を光学系に設置する精度が図９の速度計に比べて高く、また、被測定物１３の移動方向の検出において上記式３５で与えられる条件式を満足する設計マージンが増大する。

本実施例では、上記参考例２に比べｘ方向の速度検出のために検出点の数が増えている。上記参考例２において、上記式３６でｙ方向の速度を検知する検出点同士が分離する条件を指定した。本実施例において被測定物のｘ方向の移動速度を検出するための２つの検出点も同様に、それぞれ分離していることが条件である。その条件式は上記式３６と異なり、回折格子１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄの設置角度や、被測定物１３とＬＤ１との距離、ＬＤ１と回折格子３との距離、回折格子３ａ，３ｂの設置角度に起因する。その導出については省略する。また、以後の実例についても同様に本条件が必要となるが、以後の実施例ではその条件の説明を省略する。

また、上記実施例１およびこの変形例では、ＬＤ１が半導体発光素子の一例で、ＰＤ２が受光素子の一例で、回折格子３ａが第１回折格子の一例で、回折格子３ｂが第２回折格子の一例で、ＣＬ４ａが第１のレンズ群の一例で、ＣＬ４ｂが第２のレンズ群の一例で、絞り１２ａが第１絞りの一例で、絞り１２ｂが第２絞りの一例で、ＢＳ９ａが第１ＢＳの一例で、ＢＳ９ｂが第２ＢＳの一例で、ＢＳ９ｃが第３ＢＳの一例で、ＢＳ９ｄが第４ＢＳの一例で、１／４波長板１６が位相変更部の一例で、検出点１４ａが第１検出点の一例で、検出点１４ｂが第２検出点の一例で、検出点１４ｃが第３検出点の一例で、検出点１４ｄが第４検出点の一例で、回折格子１８ａが第３回折格子の一例で、回折格子１８ｂが第４回折格子の一例で、回折格子１８ｃが第５回折格子の一例で、回折格子１８ｄが第６回折格子の一例で、第１基板１９が第１基板の一例で、集光レンズアレイ２７，３７がレンズアレイの一例である。

また、上記実施例１およびこの変形例では、回折格子３ｂの−１次回折光８ｂが１／４波長板１６を通過していたが、回折格子３ａの＋１次回折光７ａ、回折格子３ａの−１次回折光７ｂおよび回折格子３ｂの＋１次回折光８ａのみが１／４波長板を通過するようにしてもよい。すなわち、回折格子３ａの＋１次回折光７ａが通過するように配置され、＋１次回折光７ａの位相を変更する第１位相変更部と、回折格子３ａの−１次回折光７ｂが通過するように配置され、−１次回折光７ｂの位相を変更する第２位相変更部と、回折格子３ｂの＋１次回折光８ａが通過するように配置され、＋１次回折光８ａの位相を変更する第３位相変更部とを設けてもよい。

また、上記実施例１およびこの変形例において、検出点１４ｃに入射する２つの光束７ｃ，７ｅの光軸を含む第４平面がｘｙ平面に対してなす角と、検出点１４ｄに入射する２つの光束８ｃ，８ｅの光軸を含む第５平面がｘｙ平面に対してなす角とが略等しくなるようにし、かつ、ｘｙ平面に対する光束７ｃ，７ｅの入射角が略同じになるようにし、かつ、ｘｙ平面に対する光束８ｃ，８ｅの入射角が略同じなるようにしてもよい。この場合、検出点１４ｃ，１４ｄの一方からの信号がドロップアウトにより信号不感になっても、両検出点１４ｃ，１４ｄから検知される速度の誤差を最小にすることができる。このような設定は、以下の実施例２においても用いてもよい。

図１１に、本発明の実施例２の速度計の概略構成図を示す。図１１では各光学部品等の配置のみを表示してあり、その他の各光学部品を保持する部品や検出した信号の信号処理回路等は省略している。また、図１１の破線の矢印は座標軸を示している。また、図１１において、図１，図１０に示した構成部と同一構成部には、図１，図１０における構成部と同一参照番号を付している。

図１１の速度計では、ＬＤ１、ＰＤ２、ＣＬ４ａ，４ｂ、ミラー５ａ，５ｂ、新処理回路部１０、集光レンズ６および絞り１２ａ，１２ｂ、第１基板１９および第２基板２０を備えている。上記第１基板１９には、１／４波長板１６、回折格子１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄおよび集光レンズアレイ３７を設けている。そして、回折格子１８ｄ上には１／４波長板１６が配置されている。また、上記第２基板２０には、回折格子２３ａ，２３ｂおよび集光レンズアレイ４７を設けている。

上記ＬＤ１は（０，０，ｚ₁）に、ＰＤ２は（０，０，ｚ₂）に、ＣＬ４ａ，４ｂは（０，±ｙ₄，ｚ₁）に、ミラー５ａ，５ｂは（０，±ｙ₅，ｚ₁）に、絞り１２ａ，１２ｂは（０，±ｙ₁₂，ｚ₁）に、１／４波長板１６は（−ｘ₁₆，ｙ₁₆，ｚ₁₆）に、回折格子１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄは（±x₁₈，±ｙ₁₈，ｚ₁₆）に、第１基板１９は（０，０，ｚ₁₆）に、第２基板２０は（０，０，ｚ₃）に、回折格子２３ａ，２３ｂは（０，±ｙ₃，ｚ₃）に、集光レンズアレイ３７は（０，０，ｚ₁₆）に、集光レンズアレイ４７は（０，０，ｚ₃）にイ位置している。また、上記信号処理回路部１０はＰＤ２の出力Ｓから周波数偏移量を算出する。

また、図１１において、７は第１の光束、７ａ，７ｂは回折格子３ａによる±１次回折光、７ｃ，７ｄは＋１次回折光７ａを回折格子１８ａで分割した光束、７ｅ，７ｆは−１次回折光７ｂを回折格子１８ｂで分割した光束、８は第２の光束、８ａ，８ｂは回折格子３ｂによる±１次回折光、８ｃ，８ｄは＋１次回折光８ａを回折格子１８ｃで分割した光束、８ｅ，８ｆは−１次回折光８ｂを回折格子１８ｄで分割した光束、１３被測定物、１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄは検出点（ビーム重なり領域）、１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄはビート信号を示している。光束７ｃ，…，７ｆおよび光束８ｃ，…，８ｆが照射する被測定物１３の表面は、第３平面の一例としてのｘｙ平面と略一致する。

また、図示しないが、図１１の速度計は、ＰＤ２の出力Ｓから周波数偏移量を算出する信号処理回路部を備えている。

図１１に示す本実施例の速度計では、図１０で示した速度計に比べて、回折格子３ａ，３ｂを用いずに、ＬＤ１の両端面から出射した第１，第２の光束７，８を反射するミラー５ａ，５ｂと、第２基板２０とを追加されている。また、回折格子２３ａ，２３ｂが同一基板の第２基板２０に一体に形成されている。つまり、回折格子２３ａ，２３ｂは第２基板２０に組み込まれている。そして、第２基板は第１基板１９に対して平行に設置されている。

このような本実施例の速度計において、被測定物１３の移動速度や移動方向検知に関する原理等は上記実施例１の速度計およびこの変形例と同じである。本実施例の速度計では、光束を分割する素子をすべてプレート状に配置しているため、回折格子２３ａ，２３ｂの設置による位置ずれや角度ずれ等を防ぐことができる。さらには、第１基板１９および第２基板２０を例えばガラスのプレートで作製した場合、光束を分割する素子を筐体に組み込むときの設置誤差等も大幅に低減できる。このように、本実施例の速度計は各光学部品の設置に関し、その設置誤差による検出点１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄでの光束重なり不具合を大幅に低減でき、装置組み立て工程における歩留まりを大幅に向上させることができる。

図１２に、本実施例の速度計の変形例の概略構成図を示す。図１２では各光学部品等の配置のみを表示してあり、その他の各光学部品を保持する部品や検出した信号の信号処理回路等は省略している。また、図１２の破線の矢印は座標軸を示している。また、図１２おいて、図１１に示した構成部と同一構成部には、図１１における構成部と同一参照番号を付している。

図１２の速度計は、図１１の速度計の第１基板１９と第２基板２０を一体化したものを備えている。すなわち、図１２の速度計は、第１基板１９および第２基板２０の代わりに光学ブロック２１を備えている。この光学ブロック２１が各光束の分割を行っている。光学ブロック２１の上面には回折格３３ａ，３３ｂが形成され、光学ブロック２１の下面には回折格子２８ａ，２８ｂ，２８ｃ，１８ｄが形成されている。さらに、光学ブロック２１の中心付近にはビート信号１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄをＰＤ２へ導く集光レンズアレイ５７が上面から下面を通して形成されている。また、光学ブロック２１の下面の一部には回折格子２８ｄを覆うように１／４波長板１６を設置している。光学ブロック２１の厚さは任意に設定できる。これらの構成により、被測定物１３の移動速度および移動方向を検知できる。被測定物１３の移動速度および移動方向を検知する原理は上記実施例１およびその変形例と同様である。

図１２の速度計においては、図１１の速度計に比べて、第１基板１９と第２基板２０とが一体化されているため、さらに光学部品の設置誤差を生じる組み立て工程を削減でき、装置組み立て工程の歩留まりを向上させることができる。

また、上記実施例２およびこの変形例では、ＬＤ１が半導体発光素子の一例で、ＰＤ２が受光素子の一例で、回折格子２３ａ，３３ａが第１回折格子の一例で、回折格子２３ｂ，３３ｂが第２回折格子の一例で、ＣＬ４ａが第１のレンズ群の一例で、ＣＬ４ｂが第２のレンズ群の一例で、ミラー５ａが第１光軸変更部の一例で、ミラー５ｂが第２光軸変更部の一例で、絞り１２ａが第１絞りの一例で、絞り１２ｂが第２絞りの一例で、１／４波長板１６が位相変更部の一例で、検出点１４ａが第１検出点の一例で、検出点１４ｂが第２検出点の一例で、検出点１４ｃが第３検出点の一例で、検出点１４ｄが第４検出点の一例で、回折格子１８ａ，２８ａが第３回折格子の一例で、回折格子１８ｂ，２８ｂが第４回折格子の一例で、回折格子１８ｃ，２８ｃが第５回折格子の一例で、回折格子１８ｄ，２８ｄが第６回折格子の一例で、第１基板１９が第１基板の一例で、第２基板２０が第２基板の一例で、光学ブロック２１が光学ブロック２１の一例で、集光レンズアレイ３７，４７，５７がレンズアレイの一例である。

また、上記実施例２およびこの変形例では、回折格子２３ｂ，３３ｂの−１次回折光８ｂが１／４波長板１６を通過していたが、回折格子２３ａ，３３ａの＋１次回折光７ａ、回折格子２３ａ，３３ａの−１次回折光７ｂおよび回折格子２３ｂ，３３ｂの＋１次回折光８ａのみが１／４波長板を通過するようにしてもよい。すなわち、回折格子２３ａ，３３ａの＋１次回折光７ａが通過するように配置され、＋１次回折光７ａの位相を変更する第１位相変更部と、回折格子２３ａ，３３ａの−１次回折光７ｂが通過するように配置され、−１次回折光７ｂの位相を変更する第２位相変更部と、回折格子２３ｂ，３３ｂの＋１次回折光８ａが通過するように配置され、＋１次回折光８ａの位相を変更する第３位相変更部とを設けてもよい。

以上の実施例１，２にのＬＤ１は同一チップから複数の発光点、例えばモノリシック型で片面から複数の光束を出射する光源であってもよい。しかし、本発明においては、ＬＤ１の前端面より出射した第１の光束７と、ＬＤ１の後端面より出射した第２の光束８とを速度のセンシングに用いている。そして、ＬＤ１の光強度を安定化させるための光量のモニタリングは、絞り１２ａ，１２ｂでカットされる光量をモニターするように設置した例えば受光素子（図示せず）で行う。このような構成にすることで、ＬＤ１から出射する光のエネルギーを最も効率よく速度のセンシングに用いることができ、ＬＤ１を高出力化させることなく十分なビート信号１５の出力を得ることができる。

また、上記実施例１，２のＰＤ２は回路内蔵受光素子であってもよい。つまり、ＰＤ２は信号処理回路を内蔵してもよい。そして、ＰＤ２からの出力を同一チップ内で増幅、波形整形や周波数カウント等の信号処理を行うことにより、これらのＩＣを別個に構成する場合に比べ、部品点数が減少するため装置が小型化するばかりでなく、各部品をつなぐワイヤー等からの電磁ノイズ等を削減できるため、高精度に被測定物の速度を検知することも可能である。

また、上記実施例１，２において、参考例１，２における好ましい条件や設定を適宜用いてもよい。

また、上記実施例１，２では、ｘ，ｙ軸が９０°の角度交差するようにしてもよいし、ｘ，ｙ軸が９０°以外の角度で交差するようにしてもよい。つまり、ｘ，ｙ軸は、直交していても、直交してなくてもよい。

また、以上の全ての実施例におけるドップラー速度計は、被測定物１３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。また、現在広く普及している光学式のマウスは、ＣＣＤ（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例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。

また、本発明の速度計は、被測定物の速度情報および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に用いることができる。

図１は本発明の参考例１の速度計の概略構成図である。 図２（ａ）は上記参考例１における理想的な条件を示す検出点近傍の概略図であり、図２（ｂ）は上記参考例１における検出点の概略図である。 図３は被測定物の凹凸と検出点近傍における条件を説明するための図である。 図４は本発明の参考例２の速度計の概略構成図である。 図５は上記参考例２の速度計の変形例の概略構成図である。 図６（ａ）〜（ｃ）はビート信号の位相情報による被測定物の移動方向の検出を説明するための図である。 図７は上記参考例２の速度計の他の変形例の概略構成図である。 図８は検出点に求められる条件を説明するための概略図である。 図９は本発明の実施例１の速度計の概略構成図である。 図１０は上記実施例１の速度計の変形例の概略構成図である。 図１１は本発明の実施例２の速度計の概略構成図である。 図１２は上記実施例２の速度計の変形例の概略構成図である。 図１３は従来のＬＤＶの要部の概略構成図である。 図１４は被測定物の移動速度とドップラー偏移周波数とを結びつける式を説明するための図である。 図１５は上記従来の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１６は他の従来のＬＤＶの要部の概略構成図である。 図１７はさらに他の従来のＬＤＶの要部の概略構成図である。

符号の説明

１ 半導体発光素子
２ ＰＤ（受光素子）
３ａ，３ｂ 回折格子
７ 第１の光束
８ 第２の光束
９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄ ＢＳ（ビームスプリッタ）
１０ 信号処理回路部
１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ 検出点
１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄ 回折格子
２３ａ，２３ｂ 回折格子
２８ａ，２８ｂ，２８ｃ，２８ｄ 回折格子
３３ａ，３３ｂ 回折格子

Claims (38)

1. 前端面から第１の光束を出射すると共に、後端面から第２の光束を出射する半導体発光素子と、
   上記第１，第２の光束を分岐する第１の光分岐素子群と、
   上記第１の光分岐素子群と被測定物との間の複数の光軸上に配置され、上記第１の光分岐素子群からの光束を分岐する第２の光分岐素子群と、
   上記被測定物による散乱光を受ける受光素子と、
   上記受光素子の出力から周波数偏移量を算出する信号処理回路部とを備え、
   上記第２の光分岐素子群で分岐した複数の光束を上記被測定物の表面に照射して、上記被測定物の表面を含む平面内において互いに交差するｘ，ｙ軸のうち、上記ｘ軸上に第１，第２検出点を形成すると共に、上記ｙ軸上に第３，第４検出点を形成し、
   上記第１検出点に入射する２つの光束の光軸を含む第１平面と、上記第２検出点に入射する２つの光束の光軸を含む第２平面と、上記被測定物の表面を含む第３平面とが二等辺三角柱を形成し、かつ、上記第１，第２検出点のそれぞれに入射する２つの光束は上記第３平面に対して略同じ入射角であり、
   上記第３検出点に入射する２つの光束の光軸を含む第４平面と上記第３平面とがなす角と、上記第４検出点に入射する２つの光束の光軸を含む第５平面と上記第３平面とがなす角とが略等しく、かつ、上記第３，第４検出点のそれぞれに入射する２つの光束は上記第３平面に対して略同じ入射角であり、
   上記ｘ，ｙ軸に対して垂直なｚ軸を設定し、上記ｘ，ｚ軸を含む面をｘｚ平面とし、上記ｙ，ｚ軸を含む面をｙｚ平面としたとき、上記第１，第２の光分岐素子群のそれぞれが、上記ｘｚ平面に対して対称性を有し、かつ、上記ｙｚ平面に対して対称性を有することを特徴とする速度計。
2. 請求項１に記載の速度計において、
   上記第１の光分岐素子群は第１，第２回折格子を含むことを特徴とする速度計。
3. 請求項２に記載の速度計において、
   上記第１，第２回折格子は１次回折光の光量よりも０次回折光の光量が小さいことを特徴とする速度計。
4. 請求項１に記載の速度計において、
   上記第２の光分岐素子群は第１，第２，第３，第４ビームスプリッタを含むことを特徴とする速度計。
5. 請求項１に記載の速度計において、
   上記第２の光分岐素子群は第３，第４，第５，第６回折格子を含むことを特徴とする速度計。
6. 請求項５に記載の速度計において、
   上記第３，第４，第５，第６回折格子は１次回折光の光量よりも０次回折光の光量が小さいことを特徴とする速度計。
7. 請求項１に記載の速度計において、
   上記第２の光分岐素子群は第１，第２，第３，第４光分岐素子を含み、
   上記第１光分岐素子により分岐された一つの光束と、上記第３光分岐素子により分岐された一つの光束とが上記第１検出点を形成し、
   上記第２光分岐素子により分岐された一つの光束と、上記第４光分岐素子により分岐された一つの光束とが上記第２検出点を形成し、
   上記第１光分岐素子により分岐された他の一つの光束と、上記第２光分岐素子により分岐された他の一つの光束とが上記第３検出点を形成し、
   上記第３光分岐素子により分岐された他の一つの光束と、上記第４光分岐素子により分岐された他の一つの光束とが上記第４検出点を形成することを特徴とする速度計。
8. 請求項７に記載の速度計において、
   上記第１，第２，第３，第４検出点は、上記光束同士を上記被測定物の表面上で重ね合わせて形成することを特徴とする速度計。
9. 請求項１に記載の速度計において、
   上記ｘ軸と上記ｙ軸とは直交することを特徴とする速度計。
10. 請求項１に記載の速度計において、
    上記第１，第２，第３，第４検出点のそれぞれから上記受光素子に入射する光の光軸は、上記第１，第２，第３，第４検出点のそれぞれに入射する２つの光束がなす角の２等分線と略一致することを特徴とする速度計。
11. 請求項１に記載の速度計において、
    上記ｘ，ｙ軸に対して垂直なｚ軸を設定したとき、上記第１，第２，第３，第４検出点のそれぞれに入射する２つの光束が重なる領域の上記ｚ軸方向の長さは、上記被測定物の表面が位置する領域の上記ｚ軸方向の長さよりも長いことを特徴とする記載の速度計。
12. 請求項２に記載の速度計において、
    上記第２回折格子による−１次回折光が通過するように配置され、上記第２回折格子の−１次回折光の位相を変更する位相変更部を備えたことを特徴とする速度計。
13. 請求項２に記載の速度計において、
    上記第１回折格子による＋１次回折光が通過するように配置され、上記第１回折格子の＋１次回折光の位相を変更する第１位相変更部と、
    上記第１回折格子による−１次回折光が通過するように配置され、上記第１回折格子の−１次回折光の位相を変更する第２位相変更部と、
    上記第２回折格子による＋１次回折光が通過するように配置され、上記第２回折格子の＋１次回折光の位相を変更する第３位相変更部とを備えたことを特徴とする速度計。
14. 請求項１２または１３に記載の速度計において、
    上記位相変更部による光の位相変更量をφ_０としたとき、上記φ_０が０＜φ_０＜λ／２を満たすことを特徴とする速度計。
15. 請求項１４に記載の速度計において、
    上記φ_０がλ／４であることを特徴とする速度計。
16. 請請求項１２または１３に記載の速度計において、
    上記位相変更部の材料として複屈折材料が用いられていることを特徴とする速度計。
17. 請求項１５または１６に記載の速度計において、
    上記第１検出点を形成する各光束の位相差と、上記第２検出点とを形成する各光束の位相差との差の絶対値はπ／２より小さく、
    上記第３検出点を形成する各光束の位相差と、上記第４検出点を形成する各光束の位相差との差の絶対値はπ／２より小さいことを特徴とする速度計。
18. 請求項１に記載の速度計において、
    上記第１，第２，第３，第４検出点と上記受光素子との間に配置された集光レンズを備えたことを特徴とする速度計。
19. 請求項１８に記載の速度計において、
    上記集光レンズがレンズアレイからなる単一部品であることを特徴とする速度計。
20. 請求項１に記載の速度計において、
    上記第２の分岐素子群が含む複数の素子は同一の第１基板に形成されていることを特徴とする速度計。
21. 請求項１２または１３に記載の速度計において、
    上記第２の分岐素子群が含む複数の素子が同一の第１基板に形成され、
    上記位相変更部が上記第１基板上に配置されていることを特徴とする速度計。
22. 請求項１８に記載の速度計において、
    上記第２の分岐素子群が含む複数の素子が同一の第１基板に形成され、
    上記集光レンズは上記第１基板に形成されていることを特徴とする速度計。
23. 請求項２１に記載の速度計において、
    上記第１，第２，第３，第４検出点と上記受光素子との間に配置された集光レンズを備え、
    上記集光レンズは上記第１基板に形成されていることを特徴とする速度計。
24. 請求項２２または２３に記載の速度計において、
    上記半導体発光素子と上記第１の光分岐素子群との間に配置され、上記第１の光束の光軸の方向を変える第１光軸向変更部と、
    上記半導体発光素子と上記第１の光分岐素子群との間に配置され、上記第２の光束の光軸の方向を変える第２光軸向変更部とを備え、
    上記第１の分岐素子群が含む複数の素子は同一の第２基板に形成されていることを特徴とする速度計。
25. 請求項２４に記載の速度計において、
    上記第１基板と上記第２基板とが平行に配置されることを特徴とする速度計。
26. 請求項２４に記載の速度計において、
    上記第１基板と第２基板が同一の光学ブロックに含まれることを特徴とする速度計。
27. 請求項１８に記載の速度計において、
    上記受光素子は、少なくとも上記第１，第２，第３，第４検出点からの散乱光を受ける１チップの素子であることを特徴とする速度計。
28. 請求項１９に記載の速度計において、
    上記受光素子は分割型フォトダイオードであることを特徴とする速度計。
29. 請求項１に記載の速度計において、
    上記受光素子は信号処理回路を内蔵していることを特徴とする速度計。
30. 請求項２４に記載の速度計において、
    上記半導体発光素子は、上記第１光軸向変更部と上記第２光軸向変更部との間の略中点に配置されていることを特徴とする速度計。
31. 請求項１に記載の速度計において、
    上記半導体発光素子と上記受光素子とは同一の基板を共有して一体化していることを特徴とする速度計。
32. 請求項８に記載の速度計において、
    上記第１，第２，第３，第４検出点のそれぞれに入射する複数の光束の光量が略等しくなるように、上記半導体発光素子の端面に処理が施されていることを特徴とする速度計。
33. 請求項２４に記載の速度計において、
    上記半導体発光素子と上記第１光軸向変更部との間には、上記第１の光束が通過する第１絞りが配置され、
    上記半導体発光素子と上記第２光軸向変更部との間には、上記第２の光束が通過する第２絞りが配置されていることを特徴とする速度計。
34. 請求項１に記載の速度計において、
    上記半導体発光素子と上記第１光軸向変更部との間には、上記第１の光束が通過する第１のレンズ群が配置され、
    上記半導体発光素子と上記第２光軸向変更部との間には、上記第２の光束が通過する第２のレンズ群が配置されていることを特徴とする速度計。
35. 請求項１に記載の速度計において、
    上記半導体発光素子がレーザダイオードであることを特徴とする速度計。
36. 請求項１に記載の速度計において、
    上記半導体発光素子が複数の発光点を有することを特徴とする速度計。
37. 請求項１に記載の速度計を備え、上記被測定物に関する速度情報および時間情報に基づいて上記被測定物の位置情報を算出することを特徴とする変位計。
38. 請求項１に記載の速度計を備え、上記被測定物に関する速度情報および時間情報に基づいて上記被測定物の位置情報を算出することを特徴とする振動計。

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