速度计、位移计、振动计及电子设备的制作方法

专利名称：速度计、位移计、振动计及电子设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及向移动的被测物体照射激光并接受来自物体的散射光以求得与被测物体的移动速度对应的光的频移量，来检测出被测物体的速度的速度计。
背景技术：
通常在光源与观测者之间进行相对运动时，根据多普勒效应，光发生频率变化。激光多普勒速度计(以下称为LDV(Laser Doppler Velocimeter))就是利用该效应，向移动的被测物体照射激光，再测量来自该被测物体的散射光的多普勒频移，来测量被测物体的移动速度。该LDV在1964年由Yeh及Cummins发表(Appl.Phys.Lett.4-10(1964)176)，现在已广为人知并已实用化。
图15所示为已有的代表性的LDV的光学系统图。
在图15中，101为半导体激光器即激光二极管(以下称为LD(Laser Diode))，102为受光元件即光电二极管(以下称为PD(Photo Diode))，103为衍射光栅，104为准直透镜头，(以下称为CL)，105为反射镜，106为聚焦透镜，107为利用衍射光栅产生的+1级衍射光的第一光束，108为利用衍射光栅103产生的-1级衍射光的第二光束，113为被测物体。
在上述构成的光学系统中，从LD101出射的激光利用CL104变换成平行光束后，利用衍射光栅103以角度θ的衍射角分成±1级衍射光，形成第一及第二光束107及108。然后，第一及第二光束107及108分别用反射镜105反射后，以入射角θ入射于被测物体113的表面，再次重叠。因被测物体113而散射的第一及第二光束107及108受到多普勒频移，与LD101的振荡频率略有不同，所以，由被测物体113散射的第一及第二光束107及108的干涉波将产生差拍。将该差拍称为差拍信号。通过用PD102对该差拍信号的差拍频率进行外差式检波，就能够求出被测物体113的移动速度，下面详细进行说明。
现在，若设被测物体113如图15那样向右移动的方向为正方向，则在第一光束107中受到-fd的多普勒频移，在第二光束108中受到+fd的多普勒频移。第一光束107的视在频率变为(fo-fd)，第二光束108的视在频率变为(fo+fd)。这里，fo为LD101的振荡频率。这时，从LD101出射的光的电场可表示为Eo·cos(2πfot)，因此第一光束107可用下式1表示，第二光束108可用下式2表示。
(式1)IA＝EA·cos[2π(fo-fd)t+φA](式2)IB＝EB·[2π(fo+fd)t+φB]式中，fo为LD101的出射光的频率，Eo为LD101的出射光的振幅，EA为第一光束107的振幅，EB为第二光束108的振幅，φA为第一光束107的相位，φB位第二光束108的相位。
由于光的频率一般为100THz(≈1014Hz)，因此不能直接测量式1或式2的频率信息。为此，如上所述，一般采用外差式检波，由于fo＞＞fd的关系成立，因此式1与式2的干涉波可用下式表示，即(式3)⟨|IA+IB|2⟩=EA2+EB22+EA·EBcos[2π(2fd)t-(φA-φB)]]]>式中，式3左边的<>表示时间平均。因此，能够利用PD102测量该干涉波的频率。
图16为被测物体113以速度V移动时，两束光束分别以任意角度α及β入射于被测物体113，并以任意角度γ接受散射光时的示意图。
多普勒效应产生的频移量严格来说是利用以相对论为依据的洛伦兹变换求出，但在移动速度V与光速c相比为足够小时，可近似地如下所述求出。来自光源A及光源B的光与移动物体的相对速度VA1及VB1用下式4表示。
(式4)VA1＝c-VsinαVB1＝c+Vsinβ另外，从上述被测物体113看到的各光束的视在频率fA1及fB1为下式5所示。
(式5)fA1=VA1λ=1λ·(c-Vsinα)]]>fB1=VB1λ=1λ·(c-Vsinβ)]]>各散射(反射)光与被测物体113的相对速度VA2及VB2为下式6所式所示。
(式6)
VA2＝c-VsinγVB2＝c-Vsinγ因而，从观测点来看的光的频率fA2及fB2可用下式7表示。
(式7)fA2=cVA2·fA1=cλ·1-Vc·sinα1-Vc·sinγ]]>fB2=cVB2·fB1=cλ·1-Vc·sinβ1-Vc·sinγ]]>式7的频率与入射光的频率(fo)之差为多普勒频移量fd。现在，在观测点测量的两束光束的差拍频率2fd，若利用c＞＞V的关系，则为下式8所示。
(式8)2fd=|fB2-fB1|]]>=Vλ·(sinα+sinβ)]]>可知与观测点的位置(角度γ)无关。在图15中，由于α＝β＝θ，因此在图15的一般性的LDV光学系统中，根据式8，下式9成立。
(式9)2fd=2Vλ·sinθ]]>因此，测量式3所示的频率2fd，再用式9进行计算，通过这样能够求出被测物体113的移动速度V。
另外，式9也可以从几何学角度如下所述考虑。图17为图15的两束光束(第一及第二光束107及108)再次重叠区域的放大图。分别以入射角θ入射的两束光束交叉，图中的虚线分别表示光束的等波面的一部分。该虚线与虚线的间隔为光的波长λ。另外，垂直的粗线是干涉条纹的明亮部分，若设该间隔为Δ，则该Δ用下式10求出。
(式10)Δ=λ2sinθ]]>如图17那样，物体(图中用●表示)以速度V垂直于干涉条纹通过时，其频率f为下式11所示。
(式11)f=VΔ=2Vλ·sinθ=2fd]]>上式与式9相同。
另外，在以上那样的一般性的LDV中，如上所述虽可求出移动速度，但不能检测被测物体的移动方向。与此不同的是，在日本专利特开平3-235060号公报中，通过使图15的衍射光栅103以速度Vg旋转，从而能够检测移动方向。通过这样，在光束用衍射光栅103反射时，由于各光束发生与Vg成正比的多普勒频移，因此用PD102测量的差拍频率2fd就可用下式12求出。
(式12)2fd=2Vλ·(V+Vg)·sinθ]]>因此，对于已知的速度Vg，由于2fd的大小关系取决于移动速度V的符号(正负)，因此能够求出移动方向。但是，在这样的光学系统中，由于必须要有衍射光栅103的旋转机构，因此导致装置大型化，并增加成本。另外，还必须精确保持衍射光栅103的旋转速度，但由于偏心等产生的误差及旋转产生的振动等问题，因此存在的问题是很难用于精密测量。
日本专利特开平4-204104号公报揭示了解决这样的问题的速度计。根据该特开平4-204104号公报，是采用频移器，根据使入射光束的频率改变的情况，能够检测被测物体的移动方向。
图18所示为特开平4-204104号公报的速度计的光学系统图。
采用上述速度计，从激光光源1射出的光用CL104形成平行光束，利用分光镜(以下称为BS)109分成两束光束。各光束用反射镜105反射后，因声光元件(以下称为AOM)110而受到f1及f2的频移。然后，利用衍射光栅103再次聚焦在被测物体113的表面，用PD102检测来自被测物体113的散射光的差拍频率。这时检测出的频率2fd为下式13所示。
(式13)2fd=(|f1-f2|)+2Vλ·sinθ]]>这样，由于V的符号根据被测物体113的移动方向而变，因此利用2fd相对于已知的频移量|f1-f2|的大小关系，能够检测出被测物体113的移动方向。
另外，在特开平8-15435号公报中，根据与特开平4-204104号公报同样的原理，利用图19所示的电光元件(以下称为EOM)111使频率变化。更详细来说，从激光光源即LD101射出的光利用CL104形成平行光束后，用衍射光栅103分成2个光束即第一及第二光束107及108。该第一及第二光束107及108都入射至EOM111。这时，对第二光束108加上偏置，使频率偏移fR。然后，第一及第二光束107及108用反射镜105反射后，使其聚焦在被测物体113的表面。用PD102检测来自该被测物体113的表面的散射光的差拍频率。这时检测的频率2fd的下式14所示。
(式14)2fd=fR+2Vλ·sinθ]]>这样，与式13相同，由于V的符号根据被测物体113的移动方向而变，因此利用2fd相对于已知的频移量fR的大小关系，能够检测移动方向。
但是，在用上述AOM110及EOM111那样的频移器来检测被测物体113的移动方向的光学系统中，光学系统复杂化，另外，还需要驱动频移器用的电源等，例如为了利用AOM110进行频率调制而需要的电压约为数十伏，而为了利用EOM111进行频率调制而需要的电压约为数百伏，由于需要大型的电源，因此存在装置大型化的问题。
另外，对于包含LDV的各种传感器，希望装置小型化及低功耗的要求越来越高，而另一方面特别是民用设备，这样的倾向非常强。用LDV的情况下由于是检测光的散射光，虽然因测量的物体而异，但通常来自该物体的信号光都很微弱。虽然也有采用光灵敏度高的光检测器即光电倍增管的方法，但若将光电倍增管用于LDV，则装置本身增大。即具有光电增倍管的LDV不适合用于小型的民用设备。因此，为了有利于装置的小型化，作为光检测器一般采用光灵敏度差的光电二极管。为此，希望使尽可能多的信号光入射到光检测器。但是，由于光学元器件的配置等问题，很多情况下从被测物体113的光的散射面至聚焦透镜106的距离有限制，单使受光系统接近有限度。另外，也考虑到增加入射光量，作为高输出激光光源可以使用He-Ne激光或Ar+的气体激光器等，单从装置小型化及低功耗的观点出发，还是希望采用半导体激光器。

发明内容
因此本发明的课题是提供能够实现小型化及低功耗，同时能够高精度检测被测物体移动速度的速度计。
为了解决上述问题，本发明的速度计其特征在于，具有射出多束光束的半导体发光元件、设置在从所述半导体发光元件至被测物体的所述光束的光路上，改变所述多束光束中的至少1束光束的光轴的方向的光轴改变部、接受由所述被测物体散射的散射光的受光元件、以及根据所述受光元件的输出计算所述散射光的频移量的信号处理电路部，将所述多束光束中的至少1束光束照射于所述被测物体的表面，在所述被测物体的表面至少形成1个检测点。
采用上述构成的速度计，是将所述半导体发光元件射出的多束光束中的至少1束光束照射被测物体的表面，在被测物体的表面至少形成1个检测点。然后，用受光元件接受来自所述检测点的散射光，并根据受光元件的输出用信号处理电路部计算该散射光的频移量。由于该频移量与被测物体的移动速度成正比，因此根据频移量能够得到被测物体的移动速度。
另外，由于利用光轴改变部改变从所述半导体发光元件射出的至少1束光束的光轴方向，因此能够增大光学系统设计的自由度。
另外，由于利用所述半导体发光元件射出的多束光束中的至少两束光束形成检测点，因此来自检测点的散射光的光量增多。所以为了检测来自所述检测点的散射光，由于也可以不用例如光电倍增管，因此能够使速度计小型化。
另外，由于来自所述检测点的散射光的光量增多，因此半导体发光元件的输出也可以不采用大功率输出。所以，能够实现速度计的低功耗。
另外，由于来自所述检测点的散射光的光量增多，因此能够高精度检测该散射光的频移量。所以，能够高精度检测测所述被测物体的移动速度。
在一实施形态的速度计中，所述多束光束中的一束光束是从所述半导体发光元件的前端面射出的第一束光，所述多束光束中的另一束光束是从所述半导体元件的后端面射出的第二光束。
在一实施形态的速度计中，使所述第一光束与所述第二光束在所述被测物体的表面上重叠。
在一实施形态的速度计中，所述光轴改变部具有第一及第二光轴改变部，所述半导体发光元件射出所述第一及第二光束的方向相对于所述被测物体的表面是近似平行的，所述第一光束的光轴方向利用所述第一光轴改变部来改变，同时第二光束的光轴方向利用所述第二光轴改变部来改变，利用所述第一光轴改变部产生的所述第一光束的光轴方向的改变角与利用所述第二光轴改变部产生的所述第二光束的光轴方向的改变角近似相等。
在一实施形态的速度计中，经由所述第一及第二光轴改变部前的所述第一及第二光束的光轴、与经由所述第一及第二光轴改变部后的所述第一及第二光束的光轴包含在同一平面中。
在一实施形态的速度计中，包含所述第一及第二光束的光轴的平面近似垂至于所述被测物体的表面。
在一实施形态的速度计中，所述半导体发光元件射出所述第一及第二光束的方向与所述被测物体移动的方向近似平行。
在一实施形态的速度计中，在设垂至于所述被测物体的表面的轴为z轴时，入射至所述检测点的多束光束重叠区域在所述z轴方向的长度比所述被测物体的表面所处位置的区域在所述z轴方向的长度要长。
在一实施形态的速度计中，从所述检测点入射至所述受光元件的光的光轴位于入射至所述检测点的两束光所夹的角的2等分面内。
在一实施形态的速度计中，从所述检测点入射至所述受光元件的光的光轴与入射至所述检测点的两束光束的光轴包含在同一平面中。
在一实施形态的速度计中，所述半导体发光元件配置在所述第一光轴改变部与所述第二光轴改变部之间的大约正当中。
在一实施形态的速度计中，所述半导体发光元件与所述受光元件公用同一块基板，形成一整体。
采用本发明的速度计，由于利用半导体发光元件射出的至少两束光束形成检测点，使得来自检测点的散射光的光量增多，为了检测来自检测点的散射光，也可以不用例如光电倍增管，因此能够实现小型化。
另外，由于来自所述检测点的散射光的光量增多，从而也可以不用大功率输出的光源，因此能够实现速度计的低功耗化。
另外，由于来自所述检测点的散射光的光量增多，从而可高精度检测频移量，因此能够高精度检测被测物体的移动速度。
一实施形态的速度计，其特征在于，所述光轴改变部改变所述多束光束的至少一束光束的光轴方向，同时进行分支，利用所述多束光束中的至少两束光束，在所述被测物体的表面形成至少2个检测点。
采用上述构成的速度计，利用光轴改变部将所述半导体发光元件射出的光束分为多束光束。通过将该多束光束照射于被测物体的表面，在被测物体的表面至少形成2个检测点。然后，用受光元件接受来自所述检测点的散射光，并根据受光元件的输出用信号处理电路部计算该散射光的频移量。由于该频移量与被测物体的移动速度成正比，因此根据频移量能够得到被测物体的移动速度。
另外，通过将所述半导体发光元件射出的光高效地用于速度检测，则来自检测点的散射光强度增大。其结果是，由于能够增大来自所述检测点的信号的S/N(信/噪比)，因此具有下列3项效果。
第一，由于不需要使用高灵敏度的受光器、例如光电倍增管那样的大型受光器，能够利用小型的光电二极管那样的受光器作为受光元件，因此能够使速度计的装置构成小型化。
第二，由于能降低所述半导体发光元件的输出功率，因此能够实现速度计的低功耗化。
第三，由于能够高精度检测来自所述检测点的散射光的频移量，因此能够高精度检测出被测物体的移动速度。
在一实施形态的速度计中，所述多束光束中的一束光束是从所述半导体发光元件的前端面射出的第一光束，所述多束光束中的另1束光束是从所述半导体发光元件的后端面射出的第二光束，所述光轴改变部是衍射光栅。
在一实施形态的速度计中，所述衍射光栅的0级衍射光的光量小于1级衍射光的光量。
在一实施形态的速度计中，所述多束光束中的一束光束是从所述半导体发光元件的前端面射出的第一光束，所述多束光束中的另一束光束是从所述半导体发光元件的后端面射出的第二光束，所述光轴改变部具有所述第一光束入射的第一衍射光栅、以及所述第二光束入射的第二衍射光栅，利用所述第一衍射光栅产生的+1级衍射光及所述第二衍射光栅产生的+1级衍射光，形成第一检测点，利用所述第一衍射光栅产生的-1级衍射光及所述第二衍射光栅产生的-1级衍射光，形成第二检测点。
在一实施形态的速度计中，使所述第一衍射光栅产生的+1级衍射光与所述第二衍射光栅产生的+1级衍射光在所述被测物体的表面上重叠，同时使所述第一衍射光栅产生的-1级衍射光与所述第二衍射光栅产生的-1级衍射光在所述被测物体的表面上重叠。
在一实施形态的速度计中，所述半导体发光元件射出所述第一及第二光束的方向与所述被测物体移动的方向近似平行，包含所述第一及第二衍射光栅产生的+1级衍射光的光轴的第一平面、包含所述第一及第二衍射光栅产生的-1级衍射光的光轴的第二平面、以及包含所述被测物体的表面的第三平面形成等腰三角柱。
在一实施形态的速度计中，连接所述第一检测点与所述第二检测点的直线的延伸方向垂至于所述被测物体移动的方向。
在一实施形态的速度计中，从所述第一检测点入射至所述受光元件的光的光轴大约存在于所述第一衍射光栅产生的+1级衍射光的光轴与所述第二衍射光栅产生的+1级衍射光的光轴的2等分面内，从所述第二检测点入射至所述受光元件的光的光轴，大约存在于所述第一衍射光栅产生的-1级衍射光的光轴与所述第二衍射光栅产生的-1级衍射光的光轴的2等分面内。
一实施形态的速度计，具有配置成使所述第二衍射光栅产生的-1级衍射光通过，并改变所述第二衍射光栅的-1级衍射光的相位的相位改变部。
采用所述实施形态的速度计，由于来自所述第一检测点及第二检测点的差拍信号的相位差其正负符号因被测物体的移动方向而反转，因此能够检测被测物体的移动方向。
一实施形态的速度计，具有配置成使所述第一衍射光栅产生的+1级衍射光通过，并改变所述第一衍射光栅的+1级衍射光的相位发第一相位改变部、配置成使所述第一衍射光栅产生的-1级衍射光通过，并改变所述第一衍射光栅的-1级衍射光的相位的第二相位改变部、以及配置成使所述第二衍射光栅产生的+1级衍射光通过，并改变所述第二衍射光栅的+1级衍射光的相位的第三相位改变部。
在一实施形态的速度计中，当所述相位改变部产生的光的相位改变量记为φo时，所述φo满足0＜φo＜λ/2的关系。
在一实施形态的速度计中，所述φo为λ/4。
在一实施形态的速度计中，采用双折射材料作为相位改变部的材料。
在一实施形态的速度计中，形成所述第一检测点的各光束的相位差与形成所述第二检测点的各光束的相位差之差的绝对值小于λ/2。
在一实施形态的速度计中，在垂至于所述被测物体的表面的轴记为z轴时，入射至所述检测点的多束光束重叠区域在所述z轴方向的长度比所述被测物体的表面所处的区域在所述z方向的长度要长。
在一实施形态的速度计中，具有配置在所述检测点与所述受光元件之间的聚焦透镜，所述聚焦透镜是由透镜阵列组成的单一零部件。
在一实施形态的速度计中，所述受光元件是接受至少来自两个所述检测点的散射光的单片元件。
在一实施形态的速度计中，所述受光元件是分割型光电二极管。
在一实施形态的速度计中，所述半导体发光元件配置在所述第一衍射光栅与所述第二衍射光栅之间的大约中点。
在一实施形态的速度计中，从所述第一检测点入射至所述受光元件的光的光轴包含于使所述第一平面对所述第三平面正反射的平面中，从所述第二检测点入射至所受光元件的光的光轴包含在使所述第二平面对所述第三平面正反射的平面中。
在一实施形态的速度计中，所述第一衍射光栅产生的+1级衍射光与所述第二衍射光栅产生的+1级衍射光重叠的区域相对于所述第一衍射光栅产生的-1级衍射光与所述第二衍射光栅产生的-1级衍射光重叠的区域是分离的。
采用本发明的速度计，通过从半导体发光元件射出的光高效用于速度检测，因而来自检测点的散射光强度增大。其结果，能够增大信号的信噪比，因此具有下列的3项效果。
第一，由于不需要使用高灵敏度的受光器、例如光电倍增管那样的大型受光器，能够利用小型的光电二极管那样的受光器作为受光元件，因此能够使速度计的装置构成小型化。
第二，由于能够降低所述半导体发光元件的输出功率，因此能够实现速度计的低功耗。
第三，由于信号的信噪比增大，因此能够高精度检测散射光的频移量，能够高精度检测移动速度。
另外，一实施形态的速度计其特征在于，所述半导体发光元件从前端面射出第一光束，同时从后端面射出第二光束，所述光轴改变部由改变所述第一及第二光束的光轴方向，同时将所述第一及第二光束分支的第一分光元件组、以及配置在所述第一分光元件组与被测物体之间的多个光轴上，并改变来自所述第一分光元件组的光束的光轴方向，同时将来自所述第一分光元件组的光分支的第二分光元件组构成，将利用所述第二分光元件组分支的多束光束照射所述被测物体的表面，在包含所述被测物体的表面的平面内，在互相交叉的x与y轴中的至少所述x轴上形成第一及第二检测点，同时至少在所述y轴上形成第三及第四检测点。
采用所述构成的速度计，所述半导体发光元件从前端面射出第一光束，同时从后端面射出第二光束。该第一及第二光束依次经过第一及第二反光元件组，分成多束光束。将该多束光束照射被测物体的表面，至少在x轴上形成第一及第二检测点，同时至少在y轴上形成第三及第四检测点。来自这样形成的第一、第二、第三及第四检测点的散射光具有与被测物体的速度相对应的频移量。因此，通过利用信号处理电路部计算来自所述第一及第二检测点的至少1个检测点的散射光的频移量。能够检测被测物体在x轴方向的移动速度。另外。通过利用信号处理电路部，计算来自所述第三及第四检测点的至少1个检测点的散射光的频移量，能够检测被测物体在y轴方向的移动速度。
另外，根据来自所述第一检测点的散射光的频率与来自第二检测点的散射光的频率之相位偏移，能够检测在y轴方向的被测物体的移动方向。
另外，根据来自所述第三检测点的散射光的频率与来自第四检测点的散射光的频率之位偏移，能够检测在x轴方向的被测物体的移动方向。
另外，如上所述，由于即使不用例如AOM或EOM等改变所述半导体发光元件的出射光频率，也能够检测被测物体的二维移动速度及移动方向，因此能够避免大型化。
在一实施形态的速度计中，所述第二分光元件组包含第一、第二、第三及第四分光镜。
在一实施形态的速度计中，所述第二分光元件组包含第三、第四、第五及第六衍射光栅。
在一实施形态的速度计中，所述第三、第四、第五及第六衍射光栅的0级衍射光的光量小于1级衍射光的光量。
在一实施形态的速度计中，所述第二分光元件组包含第一、第二、第三及第四分光元件，利用所述第一分光元件分支的一束光束与利用所述第三分光元件分支的一束光束形成所述第一检测点，利用所述第二分光元件分支的一束光束与利用所述第四分光元件分支的一束光束形成所述第二检测点，利用所述第一分光元件分支的另一束光束与利用所述第二分光元件分支的另一束光束形成所述第三检测点，利用所述第三分光元件分支的另一束光束与利用所述第四分光元件分支的另一束光束形成所述第四检测点，在一实施形态的速度计中，所述第一、第二、第三及第四检测点是将所述光束相互之间在所述被测物体的表面上重叠而形成。
在一实施形态的速度计中，包含入射至所述第一检测点的两束光束的光轴的第一平面、包含入射至第二检测点的两束光束的光轴的第二平面、以及包含所述被测物体的表面的第三平面形成等腰三角柱，而且分别入射至所述第一及第二检测点的两束光束相对于所述第三平面具有近似相同的入射角。
在这种情况下，最好所述第一及第二光束的出射方向平行于所述被测物体的表面，所述第一光束入射至所述第一衍射光栅，另外，所述第二光束入射至所述第二衍射光栅。
在一实施形态的速度计中，包含入射至所述第三检测点的两束光束的光轴的第四平面与所述第三平面的夹角，与包含入射至所述第四检测点的两束光束的光轴的第五平面与所述第三平面的夹角近似相等，而且分别入射至所述第三及第四检测点的两束光束相对于所述第三平面具有近似相同的入射角。
在这种情况下，最好所述第一及第二光束的出射方向平行于所述被测物体的表面，所述第一光束入射至所述第一衍射光栅，另一方面，所述第二光束入射至所述第二衍射光栅。
在一实施形态的速度计中，所述x轴与所述y轴垂直。
在一实施形态的速度计中，从所述第一、第二、第三及第四检测点的各检测点入射至所述受光元件的光的光轴大约存在于入射至各所述第一、第二、第三及第四检测点的两束光束所夹的角的2等分面内。
在一实施形态的速度计中，在设定垂至于所述x及y轴的z轴时，入射至各所述第一、第二、第三及第四检测点的两束光束重叠的区域在所述z轴方向的长度比所述被测物体的表面所处的区域在所述z轴方向的长度要长。
在一实施形态的速度计中，所述第一分光元件组具有包含第一及第二衍射光栅，配置成使该衍射光栅产生的-1级衍射光通过，并改变所述第二衍射光栅的-1级衍射光的相位的相位改变部。
在一实施形态的速度计中，所述第一分光元件组具备包含第一及第二衍射光栅，具有配置成使该第一衍射光栅产生的+1级衍射光通过并改变所述第一衍射光栅的+1级衍射光的相位的第一相位改变部、配置成使该第一衍射光栅产生的-1级衍射光通过并改变所述第一衍射光的-1级衍射光的相位的第二相位改变部、配置成使所述第二衍射光栅产生的+1级衍射光通过并改变所述第二衍射光栅产生的+1级衍射光的相位的第三相位改变部。
在一实施形态的速度计中，所述第二分光元件组包含的多个元件在同一第一基板上形成，所述相位改变部的配置在所述第一基板上。
在一实施形态的速度计中，具有配置在所述第一、第二、第三及第四检测点与所述受光元件之间的聚焦透镜，所述聚焦透镜在所述第一基板上形成。
在一实施形态的速度计中，具有配置在所述第一、第二、第三及第四检测点与所述受光元件之间的聚焦透镜，所述受光元件是接受至少来自所述第一、第二、第三及第四检测点的散射光的单片元件。
在一实施形态的速度计中，所述半导体发光元件配置在所述第一光轴方向改变部与所述第二光轴方向改变部之间的大约中点。
采用本发明的速度计，利用通过第一及第二分光元件组得到的多束光束至少形成第一、第二、第三及第四检测点，因此根据第一、第二、第三及第四检测点的散射光的频移量，能够检测被测物体的二维移动速度及移动方向。
另外，由于即使不用例如AOM或EOM等改变半导体发光元件的出射光的频率，也能够检测被测物体的二维移动速度及移动方向，因此能避免大型化。
另外，为了解决上述课题，本发明的速度计其特征在于，具有从前端面射出第一光束，同时从后端面射出第二光束的半导体发光元件、将所述第一光束分支的分光元件、将所述第一光束分支的所述多束光束中的至少一束光束照射被测物体表面的第一检测点，同时将所述第一光束分支的所述多束光束中的至少两束光束照射所述被测物体表面的第二检测点的第一检测系统、将所述第二光束照射所述第一检测点的第二检测系统。接受来自所述第一及第二检测点的散射光的受光元件、以及根据所述受光元件的输出来计算所述散射光的频移量的信号处理电路部。
采用上述构成的速度计，从所述半导体发光元件的前端面射出第一光束，另一方面从半导体发光元件的后端面射出第二光束。然后，利用分光元件将所述第一光束分为多束光束。利用第一检测系统将该多束光束中的至少1束光束照射被测物体表面的第一检测点，同时利用第一检测系统将第一光束分开的多束光束中的至少两束光束照射被测物体表面的第二检测点。另外，利用第二检测系统对所述第一检测点照射第二光束。用受光元件接受来自该第一及第二检测点的散射光，并根据受光元件的输出用信号处理电路部计算该散射光的频移量。由于该频移量与被测物体的移动速度成正比，因此根据频移量能够得到被测物体的移动速度。
另外，由于除了从所述半导体发光元件的前端面射出的第一光束以外，还加上从所述半导体发光元件的后端面射出的第二光束也用于速度检测，因此从半导体发光元件射出的光高效用于速度检测，增大来自第一及第二检测点的散射光强度。其结果是，由于能够增大来自所述第一及第二检测点的信号的S/N(信/噪比)，因此具有下列3项效果。
第一，由于不需要使用高灵敏度的受光器、例如光电倍增管那样的大型受光器，能够利用小型的光电二极管那样的受光器作为受光元件，因此能够使速度计的装置结构小型化。
第二，由于能够降低所述半导体发光元件的输出功率，因此能够实现速度计的低功耗。
第三，由于能够高精度检测来自所述第一及第二检测点的散射光的频移量，因此能够高精度检测移动速度。
另外，由于能够从所述第一检测点检测出被测物体在y轴分析的速度，同时能够从第二检测点检测出被测物体在x轴方向的速度，因此能够检测二维速度。
在一实施形态的速度计中，所述第一检测系统包含改变利用所述分光元件分支的多束光束的光轴方向的第一光轴改变部，所述第二检测系统包含改变所述第二光束的光轴方向的第二光轴改变部。
在一实施形态的速度计中，所述分光元件是第一衍射光栅，在一实施形态的速度计中，利用所述第一衍射光栅产生的±1级衍射光形成所述第二检测点。
在一实施形态的速度计中，使入射至所述第一检测点的两束光束在所述被测物体的表面上重叠，同时使入射至所述第二检测点的两束光束在所述被测物体的表面上重叠。
在一实施形态的速度计中，所述第一衍射光栅产生的0级衍射光强度与所述第二光束的光强度大致相同。
在一实施形态的速度计中，所述半导体发光元件射出所述第一及第二光束的方向与包含所述被测物体表面的平面近似平行，利用所述第一光轴改变部改变所述第一衍射光栅产生的0级衍射光的光轴方向的角度与利用所述第二光轴改变部改变所述第二光束的光轴方向的角度大致相等，利用所述第一光轴改变部改变所述第一衍射光栅产生的+1级衍射光的光轴方向的角度与利用所述第一光轴改变部改变所述第一衍射光产生的-1级衍射光的光轴方向的角度大致相等。
在一实施形态的速度计中，所述半导体发光元件射出所述第一及第二光束的方向与包含所述被测物体表面的平面近似平行，包含入射至所述第一检测点的两束光束的光轴的平面垂至于包含所述被测物体表面的平面，包含入射到所述第二检测点的两束光束的光轴的平面垂至于包含所述被测物体表面的平面。
在一实施形态的速度计中，所述第一检测点位于包含入射至所述第二检测点的两束光束的光轴的平面内，所述第二检测点位于包含入射至所述第一检测点的两束光束的光轴的平面内。
在一实施形态的速度计中，从所述第一检测点入射至所述受光元件的光的光轴存在于入射至所述第一检测点的两束光束所夹的角的2等分面内，从所述第二检测点入射至所述受光元件的光的光轴存在于入射至所述第二检测点的两束光束所夹的角的2等分面内。
在一实施形态的速度计中，具有配置在从所述第一衍射光栅至所述第二检测点的光束的光路上，并改变入射至所述第二检测点的光的相位的第一相位改变部、将从所述第二检测点射向所述受光元件的光束分支的第二衍射光栅、以及配置在利用所述第二衍射光栅分支的多束光束的光路上的第一线偏振器组，用所述受光元件接受通过所述第一线偏振器组所述多束光束。
采用所述实施形态的速度计，由于来自所述第二检测点的差拍信号的相位差其正负符号因被测物体的移动方向而反转，因此也能够检测被测物体在x轴方向的移动方向。
在一实施形态的速度计中，具有配置在从所述半导体发光元件至所述第一检测点的光束的光路上，并改变入射至所述第一检测点的光的相位的第二相位改变部、将从所述第一检测点射向所述受光元件的光束分支的第三衍射光栅、以及配置在利用所述第三衍射光栅分支的多束光束的光路上的第二线偏振器组，用所述受光元件接受通过所述第二线偏振器组的所述多束光束。
采用所述实施形态的速度计，由于来自所述第一检测点的差拍信号的相位差其正负符号因被测物体的移动方向而反转，因此也能够检测被测物体在y轴上的移动方向。
在一实施形态的速度计中，在设垂至于所述被测物体的表面的轴为z轴时，入射至所述第一检测点的多束光束重叠区域在所述z轴方向的长度比所述被测物体表面所处的区域在所述z轴方向的长度要长，入射至所述第二检测点的多束光束重叠区域在所述z轴方向的长度比所述被测物体的表面所处的区域在所述z轴方向的长度要长。
在一实施形态的速度计中，所述半导体发光元件配置在改变所述第一衍射光栅产生的0级衍射光的光轴方向的所述第一光轴改变部与所述第二光轴改变部之间的大约中点。
采用本发明的速度计，通过将从半导体发光元件射出的光高效用于速度检测，则增大来自检测点的散射光强度。其结果是，由于能够增大来自第一及第二检测点的信号的信噪比S/N，因此具有下列3项效果。
第一，由于不需要使用高灵敏度的受光器、例如光电倍增管那样的大型受光器，能够利用小型的光电二极管那样的受光器作为受光元件，因此能够使速度计的装置结构小型化。
第二，由于能够降低所述半导体发光元件的输出功率，因此能够实现速度计的低功耗。
第三，由于能够高精度检测来自所述第一及第二检测点的散射光的频移量，因此能够高精度检测移动速度。
另外，由于能够从所述第一检测点检测被测物体在y轴方向的速度，同时能够从第二检测点检测被测物体在x轴方向的速度，因此能够检测二维速度。
在一实施形态的速度计中，具有配置在所述检测点与所述受光元件之间的聚焦透镜。
在一实施形态的速度计中，对所述半导体发光元件的端面进行处理，使得入射至所述检测点的多束光束的光量近似相等。
在一实施形态的速度计中，具有配置在所述半导体发光元件与所述光轴改变部之间而且所述半导体发光元件射出的多束光束中的至少1束光束通过的光阑。
在一实施形态的速度计中，具有配置在所述半导体发光元件与所述光轴改变部之间而且所述半导体发光元件射出的多束光束中的至少1束光束通过的透镜组。
在一实施形态的速度计中，所述半导体发光元件是激光二极管。
在一实施形态的速度计中，所述半导体发光元件具有多个发光点。
在一实施形态的速度计中，所述受光元件内装有信号处理电路。
第二发明的位移计其特征在于，具有所述第一发明的速度计，根据关于所述被测物体的速度信息及时间信息，得到所述被测物体的位置信息。
第三发明的振动计，其特征在于，具有所述第一发明的速度计，根据关于所述被测物体的速度信息及时间信息，得到与所述被测物体的振动有关的信息。
第四发明的电子设备，其特征在于，具有所述第一发明的速度计，所述第二发明的位移计及所述第三发明的振动计中的一种。


图1为本发明实施例1的速度计的简要构成图。
图2A为表示上述实施例1中的理想条件的检测点附近的简图。
图2B为上述实施例1中的检测点的简图。
图3为说明PD连续检测差拍信号用的条件用的说明图。
图4为本发明实施例2的速度计的简要构成图。
图5为上述实施例2的速度计变形例的简要构成图。
图6A～C为说明利用差拍信号的相位信息来检测被测物体的移动方向用的说明图。
图7为上述实施例2的速度计的其它变形例的简要构成图。
图8为说明检测点求出的条件用的简图。
图9为本发明实施例3的速度计的简要构成图。
图10为上述实施例3的速度计变形例的简要构成图。
图11为发明实施例4的速度计的简要构成图。
图12为上述实施例4的速度计的变形例的简要构成图。
图13为本发明实施例5的速度计的简要构成图。
图14为图13的检测点及受光系统附近的放大图。
图15为已有的LDV的主要部分的简要构成图。
图16为表示上述已有的LDV的检测点附近的光束叠加的放大图。
图17为说明被测物体的移动速度与多普勒频移的关系式用的说明图。
图18为其他已有的LDV的主要部分的简要构成图。
图19为又一已有的LDV的主要部分简要构成图。
具体实施例方式
下面根据图示的实施例，详细说明本发明的速度计。
实施例1图1所示为本发明实施例1的速度计的简要构成图。在图1中，仅图示各光学零部件等的配置，其它支持各光学零部件的零部件等则省略。另外，图1的虚线箭头表示坐标轴。
上述速度计具有作为半导体发光元件之一例的LD1、作为受光元件之一例子的PD2、作为透镜组之一例的CL4a及4b、作为第一及第二光轴改变部之一例的反射镜5a及5b、作为聚焦透镜之一例的聚焦透镜6、作为信号处理电路部之一例的信号处理电路部10、以及作为光阑之一例的光阑12a及12b。
上述LD1设置在(0，0，z1)。作为代替该LD1，虽然有LED(Light EmittingDiode发光二极管)，但与采用LED相比，还是采用LD较好。这是由于LD与ED相比，相干性非常好，容易因上述式3所示的2束光束的干涉而产生差拍。另外，上述PD2设置在(0，0，z2)，CL4a设置在(0，-y4，z1)，CL4b设置在(0，y4，z1)，反射镜5a设置在(0，-y5，z1)，反射镜5b设置在(0，y5，z1)，光阑12a设置在(0，-y12，z1)，光阑12b设置在(0，y12，z1)。
另外，在图1中，7表示第一光束，8表示第二光束，14表示检测点(光束重叠区域)，15表示z轴上前进的差拍信号。上述第一及第二光束7及8从LD1的端面与y轴平行出射。另外，包含x轴及y轴的平面即xy平面与被测物体13的表面近似一致。另外，检测点14位于(x，y，z)＝(0。0。0。)即原点。
上述LD1一般在对晶片完成了规定的工序后，以一定长度劈开晶片，并且切开制成片状。通常，在大部分电子设备中，根据各种用途使用从LD的前端面(前方的端面)射出的激光，而直接用PD接受从LD的后端面(后方的端面)射出的激光。该PD的输出反馈给LD的驱动器，力图使LD的发光强度稳定。
上述信号处理电路部10根据PD2的输出S，计算在检测点14产生的散射光所含的频移量。
下面说明图1的光学系统的构成及功能。
来自LD1的前端面的第一光束7与y轴平行出射，同时来自LD1的后端面的第二光束8与y轴平行出射。然后，第一及第二光束7及8经由光阑12及CL4a及4b形成理想的平行光束。一般，从LD1射出的光的强度分布是以光轴为中心进行高斯分布，该高斯分布的下部的展开部分对光的偏振方向成为不同的远场图(FFP)。因此，若将LD1射出的光保持原样照射检测点14，则检测点14上产生光强度的不均匀，图17所示的干涉条纹的强度变成不一样，因此难以高精度评价差拍信号15。因此，通过如图1那样设置光阑12a及12b，就能够去掉LD1射出的光束的外侧光强度较弱的部分，形成光强度一样的光束。
另外，从LD1射出的光以一定的角度展开前进，若将该光保持原样照射被测物体13，则由于前进距离越高，其光的波阵面越成球面状，变成不是平面波，因此在检测点14不形成图17那样的干涉条纹。另外，还存在的问题是，由于上述光的光束展开，因此光强度分散，信号的S/N变差。因此通过如图1那样在适当的位置设置CL4a及4b，能够使从LD1射出的光成为平行光束，所以其光的波阵面与其前进距离无关地成为平面波。
以上对于图1的各构成要素说明内容，在以下全部的实施例中也都适合，但说明仅在本实施例中进行，而在以后则省略。
从LD1射出的第一及第二光束7及8，在利用CL4a及4b进行光束整形而形成平行光束后，利用反射镜5a及5b分别以反射角θ1及反射角θ2反射，再分别以入射角θ3及θ4入射至被测物体13的表面。通过这样，在被测物体13的表面形成1个检测点14。然后，受到与被测物体13的移动速度V成正比的频移的散射光通过聚焦透镜6聚焦，并用PD2接受该光。根据该PD2的输出S，检测差拍频率2fd。这时，检测的2fd根据上述式(8)，成为下述式(15)所示。
(式15)2fd=Vλ·(sinθ3+sinθ4)]]>在本实施例的光学系统中，如图1所示，LD射出的第一及第二光束7及8设置成与y轴平行，在反射镜5a中，第一光束7以反射角θ1反射，另一方面，在反射镜5b中，第二光束8以反射角θ2反射，由于该反射角θ1与θ2相等，因此第一光束7对被测物体13的入射角与第二光束8对被测物体13的入射角相等。即，成为θ3＝θ4。另外，如图2a所示，反射后的2束第一及第二光束7及8处于yz平面内，被测物体13的表面处于xy平面内。因此这时检测的2fd根据上述式15，成为下述式16所示。
2fd=2Vλ·sinθ3]]>可以将各光学零部件的设置角度的调整项目减少一个。
另外，如上述式3所示，差拍信号由2束光束的干涉产生。若2束光束的重叠区域如图2B那样产生偏移，则由于来自不重叠区域的散射光成为DC噪声，并由PD2检测，因此成为S/N下降的主要原因。由于LD1射出的2束光束与y轴平行射出，通过反射镜5a及5b以相同角度而且在同一平面内反射，因此两光束在检测点14上很好地重叠。
虽然不限于符合该条件而重叠的情况，即使以任意的角度进行重叠，也能够得到信号，但上述条件能够高精度检测信号。
再有，通过如图1那样设置整个光学系统，使得被测物体13的移动方向与y轴平行，则由于如图17所示那样检测点14的干涉条纹方向(干涉条纹延伸的方向)与被测物体13的移动方向垂直，因此能够高精度检测被测物体3的移动速度。
另外，在本实施例中，针对PD2连续检测差拍信号15，在设定垂直于被测物体13的表面的z轴时，必须使入射至检测点14的2束光束重叠区域在z轴方向的长度比被测物体13的表面所处位置的区域在z轴方向的长度要长。具体来说，如图3所示，在z轴方向的被测物体13的凹凸的差异(＝h)必须小于第一光束7与第二光束8的重叠区域在z轴方向的长度(＝d)。这里，如图1所示，由于2束光束所夹的角度为2·θ3，因此若设第一及第二光束的直径的2倍为φ，则2d可以用下式17表示。
(式17) 用上述式17，设定角度θ3，使得满足h＜d的条件，就能够防止差拍信号的不连续，该条件在以后的全部实施例中都成立，今后的说明将省略。
另外，从检测点14入射至PD2的光束的光轴导致存在于入射至检测点14的第一与第二光束7与8的夹角的2等分面内。这时，由于来自第一及第二光束7及8的散射光的强度近似相等，因此差拍信号15明显，所以能够高精度检测移动速度。
再有，在1中，在入射至PD2的2束光束形成的平面(yz平面)内有PD2。即，PD2设置在z轴上。这时，除了如上所述差拍信号明显的效果以外，还由于该信号强度达到最大，因此还能够提高S/N。
再有，在图1中，设置LD1，使其位于反射镜5a与5b之间的中点。这时，由于LD1与PD2配置在同一个z轴上，因此可以分别编入在同一基板的正面侧和反面侧。即可以将LD及PD2制作在同一基板上，形成一体化。通过这样，能够使整个装置构成小型化。
在本实施例中，是以通过CL4a及4b使LD1射出的光形成平行光束的情况为例进行说明的，但在例如差拍信号强度较弱时，也可以配置CL4a及4b，使得CL4a及4b与LD1之间的距离偏离本透镜的焦距，使光束平缓聚焦，在检测点14光束处于充分缩小的状态。另外，也可以配置透镜，使其介于入射至检测点14的2束光束之间。即，也可以在反射镜5a及5b与检测点14之间的光路上配置透镜。若这样，则由于光束入射至检测点14时将充分缩小，则在检测点14的每单位面积的光量增大，由PD2得到的信号强度增大。因此，能够检测S/N提高的差拍信号，能够高精度检测被测物体13的移动速度。对于以后的实施例，也配置CL使得入射至检测点的光束成为平行光束，而省略将入射至检测点的光束进行聚焦的透镜来进行说明，但也与本实施例相同，不限定于形成平行光束。
再有，自图1中，在PD2与检测点14之间配置聚焦透镜6。利用该聚焦透镜6，将来自检测点14的散射的差拍信号向PD2聚焦，因此在PD2得到的信号强度增大。对于这样的聚焦透镜在以后的实施例也同样设置，该聚焦透镜的说明省略。
另外，入射至检测点14的2束光束的光量越相等，则差拍信号越鲜明，用PD2越能高精度检测移动速度。在上述式3中，EA+EB的值由于是来自LD1的出射光量，因此是一定值。所以，在EA＝EB时，差拍信号15的差拍强度(Pead to Peak，峰峰值)为最大。另外，它越不对称，即EA与EB偏差越大，则差拍强度越小。在本实施例中，由于通过适当处理LD1的两端面，能够使入射值检测点14的第一光束7与第二光束8的光量相等，并能够清楚地检测出差拍信号15，因此能够高精度检测移动速度。在以后的全部实施例中，也对LD的两端面进行处理，使得入射至各检测点的2束光束的光强度相等，但关于其处理的说明省略。
在本实施例中，是对将2束光束照射被测物体并检测因2束光束的反射光的干涉而产生的差拍信号的光学系统进行了说明，但光学系统也可以是将第一光束照射被测物体，而第二光束不照射被测物体，是利用反射镜等适当改变光轴方向，与第一光束的反射光产生干涉，而得到差拍信号。
实施例2图4所示为本发明实施例2的速度计的简要构成图。在图4中，仅图示各光学零部件等的配置，其它支持各光学零部件的零部件等则省略。另外，图4的虚线箭头表示坐标轴。另外，在图4中，对于与图1所示的构成部分相同的构成部分，附加与图1中的构成部分相同的参照编号。
上述速度计具有LD1、作为受光元件之一例的PD2a及2b、CL4a即4b、作为第一及第二光轴改变部之一例的衍射光栅3a及3b、作为聚焦透镜之一例的聚焦透镜6a及6b、信号处理电路部10、以及光阑12a即12b。
上述LD1设置在(0，0，z1)，PD2a及2b设置在(±x2，0，z2)，衍射光栅3a及3b设置在(0，±y3，z1)，CL4a及4b设置在(0，±y4，z1)，聚焦透镜6a及6b设置在(0，±y6，z6)，光阑12a及12b设置在(0，±y12，z1)。
另外，在图4中，7表示第一光束，7a及7b表示衍射光栅3a的±1级衍射光，8表示第二光束，8a及8b表示衍射光栅3b的±1级衍射光，13表示被测物体，14a及14b表示检测点(光束重叠区域)，15a及15b表示差拍信号。另外，上述检测点14a及14b形成在(±x14，0，0)，上述被测物体13的表面与xy平面近似一致。
上述信号处理电路部10根据PD2a的输出Sa，计算在检测点14a产生的散射光所含的频移量，同时根据PD2b的输出Sb，计算在检测点14b产生的散射光所含的频移量。
下面说明图4的光学系统的构成及功能。
第一光束7从LD1的前端面射出，同时第二光束8从LD1的后端面射出。第一及第二光束7及8通过光阑12a及12b后，经由CL4a及4b形成平行光束。然后，第一及第二光束7及8利用衍射光栅3a及3b分别分割成多束光束。这里，衍射光栅3a及3b将入射光束进行等角分割，由于其分割角度取决于入射光束的波长，因此在各检测点14a及14b两束光束容易重叠。所以，衍射光栅3a及3b在本实施例中适宜作为分光元件。
图4中仅图示了±n级衍射光(n为包含零的自然数)中的±1级衍射光7a、7b、8a及8b。利用该±1级衍射光7a、7b、8a及8b，形成检测点14a及14b。来自检测点14a的散射的差拍信号15a通过聚焦透镜6a由PD2a进行检测，另外来自检测点14b的散射的差拍信号15b通过聚焦透镜6b由PD2b进行检测。利用这样检测出的差拍信号15a及15b，与上述实施例1相同，来检测被测物体13的移动速度。
一般，在相干光入射至光学上的粗糙面时，由于从该面产生的散射光向各方向反射，因此由这些散射光的干涉显现出称为斑点图像的明暗花纹。明亮部分入射至PD2a及2b的期间，PD2a及PD2b能够检测差拍信号，检测被测物体13的移动速度，而黑暗部分若连续入射PD2a及2b，则处于称为所谓丢失信息的信号不灵敏状态。在本实施例中，由于形成两个检测点14a及14b，用两个受光系统检测信号，因此即使一个输出因丢失信息而不能检测时，还能够检测另一个输出，防止信号不灵敏状态。
另外，在本实施例的光学系统中，光束分割是采用衍射光栅3a及3b，但为了增大差拍信号强度，必须增大入射至检测点14a及14b的光量。一般，利用衍射光栅将光束按各级次等角分割为0级衍射光、±1级衍射光、……±n级衍射光，但若设取决于衍射光栅槽深的光学上的距离差为入射光的波长的1/4，则由于反射产生的光程差为波长的1/2，光的相位移为π，因此几乎不出射0级衍射光。若对衍射光栅3a级3b采用这样的条件，则由于±1级衍射光7a、7b、8a及8b的强度相对于入射光量在单侧达到约40.5％，达到最大，对检测点14a及14b的入射光量达到最大，因此能够以高灵敏度检测差拍信号15a及15b。以上的情况是光垂直入射至衍射光栅3a及3b的情况，即将衍射光栅3a及3b相对于入射光的光轴垂直配置的情况，但在图4所示的本实施例中，由于为了使得入射光束即第一及第二光束7及8入射至被测物体13，而将衍射光栅3a及3b向-z方向倾斜，因此严格说必须调整衍射光栅3a及3b的槽深，与衍射光栅3a及3b对于z轴的倾斜角匹配。
另外，在本实施例的光学系统中，如图4所示，这样设置LD1，使得光栅3a及3b的沟槽延伸方向与yz平面平行。因此第一。第二及第三平面形成等腰三角柱(图中左右两端(±y方向)用虚线图示成为该等腰三角柱的顶面及底面的等腰三角形)。这里，所谓上述第一平面是包含衍射光栅3a产生的+1级衍射光7a及衍射光栅3b产生的+1级衍射光栅8a的平面、另外，所谓上述第二平面是包含衍射光栅3a产生的-1级衍射光7b级衍射光栅3b产生的-1级衍射光8b的平面。另外，所谓上述第三平面是包含被测物体13的表面的平面。
在第一、第二及第三平面形成等腰三角柱时，由于图17所示的干涉条纹的间隔及方向在检测点14a与检测点146是相等的，因此如上所述，即使来自检测点14a及检测点14b的一方的信号因丢失信而处于信号不灵敏状态，从两检测点14a及14b检测点检测的速度的误差达到最小。
再有，由于通过设置整个光学系统，使得连接两检测点14a与14b的直线为x轴，被测物体13的移动方向为y轴方向，则如图17所示，干涉条纹延伸的方向与被测物体13的移动方向成为垂直，因此能够高精度测量被测物体13的移动速度。
另外，从检测点14a向PD2a入射的光束的光轴近似存在于入射至检测点14a的2束光束(+1级衍射光7a与8a)的2等分面内，同时从检测点14b向PD2b入射的光束的光轴近似存在于入射至检测点14b的2束光束(-1级衍射光7b与8b)的2等分面内。在这样情况下，由于在各检测点14a及14b中，来自2束光束的散射光的强度近似相等，因此差拍信号15a及15b鲜明，能够高精度检测被测物体13的移动速度。
另外，在本实施的光学系统中，如图4所示，PD2a及2b分别设置在上述第一平面及第二平面中的相对xy平面的正反射方向(入射角＝反射角)。一般，直线前进的光进行反射时，其强度向正反射方向进行最强反射，因此，通过上述那样设置受光系统，能够以最高灵敏度检测差拍信号。
图5所示为本实施例的速度计变形例的简要构成图。在图5中，仅图示各光学零部件等的配置，其它支持各光学零部件的零部件等则省略。另外，图5的虚线箭头表示坐标轴。另外，在图5中，对于与图4所示的构成部分相同的构成部分，附加与图4中的构成部分相同的参照编号，并省略说明。
图5的速度计在(-x16，y16，z16)设置衍射光栅3b产生的-1级衍射光8b通过的1/4波片16，这一点与图4的速度计不同。1/4波片16是相位改变手段的一个例子。
一般，通过将1/4波片16的光学轴相对于入射光的偏振光方向倾斜45°设置，由于滞后轴分量的光的相位比超前轴分量仅滞后π/2，因此线偏振光变换为圆偏振光。在图5中，利用1/4波片，则1/4波片16与被测物体13之间的-1级衍射光8b成为圆偏振光。下面说明在这样的状态下4束光束(±1级衍射光7a、7b、8a及8b)如图5所示入射至被测物体13时由PD2a及2b检测的差拍信号。
若设从衍射光栅3a及3b至检测点14a及14b的距离相等，则被衍射光栅3a及3b分割的各光束(±1级衍射光7a、7b、8a及8b)可表示如下。这里，对于通过1/4波片16的光束(-1级衍射光8b)，仅表示通过1/4波片后的滞后轴分量。
(式18)±1级衍射光7a“E1a·cos(2πfot)(式19)-1级衍射光7bE1b·cos(2πfot)(式20)+1级衍射光8aE2a·cos(2πfot)(式21)-1级衍射光8bE2b·cos(2πfot+π/2)式中，E1a、E1b、E2a、E2b为光的振幅，fo为光的频率，t为时间。
然后，若设被测物体13的移动方向沿+y轴方向为正，设因被测物体13的移动速度V而引起的多普勒频移分量为fd，则用被测物体13散射光后的各光束的分量根据上述式18～21可表示如下。
(式22)+1级衍射光7aE1a·cos[2π(fofd)t)(式23)-1级衍射光7bE1b·cos[2π(fofd)t](式24)
+1级衍射光8aE2a·cos[2π(fo±fd)t](式25)-1级衍射光8bE2b·cos[2π(fo±fd)t+π/2]因此，用PD2a及2b检测出的差拍信号15a及15b为(式26)差拍信号15aE1a2+E2a22+E1a·E2a·cos[2π(2fd)t]]]>(式27)差拍信号15bE1b2+E2b22+E1b·E2b·cos[2π(2fd)t±π2]]]>在上述式27中，第二项的余弦中的相位分量符号因被测物体13的移动方向而异，在向+y方向移动时为+π/2，在向-y方向移动时为-π/2。
图6A～C所示为差拍信号15a及15b。更详细来说，图6A所示为用上述式26表示的差拍信号15a。该差拍信号15a与被测物体13的移动方向无关。图6B所示为被测物体13向左(-y方向)移动时的差拍信号15b，图6C所示为被测物体13向右(+y方向)移动时的差拍信号15b。
从图6A～C可知，差拍信号15b根据被测物体13的移动方向，其相位偏移π/2。因而，在PD2b与检测点14b之间在上述滞后轴分量通过的方向设置线偏振器，来检测差拍信号15，通过这样能够检测被测物体13的移动方向。这样，设置-1级衍射光8b通过的1/4波片16，从而能够检测被测物体13的速度及移动方向。
这里，为了检测被测物体13的移动方向，由于只要能够判断差拍信号15b的相位相对于差拍信号15a的相位是超前还是滞后即可，因此若设差拍信号15a与差拍信号15b的相位差为ξ，则只要在-π＜ξ＜π的范围内即可。这时，利用相位改变手段的相位改变量φ必需是(式29)0＜φ＜λ/2作为产生这样的光的相位差的构件材料，一般采用相对于光的入射方向其折射率不同的双折射材料。该双折射材料适合作为相位改变手段的材料。
但是，在实际的光学系统中，由于各光学零部件的设置产生的偏移等，各束到检测点的14a、14b的距离不同。这时，来自各检测点14a及14b的散射光可表示如下。
(式30)+1级衍射光7aE1a·cos[2π(fofd)t+φ1a](式31)-1级衍射光7bE1b·cos(2π(fofd)t+φ1b)(式32)+1级衍射光8aE2a·cos[(2π(fo±fd)t+φ2a)(式33)-1级衍射光8bE2b·cos[2π(fo±fd)t+φ2b+φ0]式中，对于-1级衍射光8b仅表示通过1/4波片16后的滞后轴分量，φ1a、φ1b、φ2a、φ2b为各光束(±1级衍射光7a、7b、8a及8b)的相位分量，φo为利用相位改变手段的相位改变量。因此，由PD2a及2b测出的差拍信号15a及15b为(式34)差拍信号15a (式35)差拍信号15b 根据上述式28、式34及式35，移动方向检测所要求的相位条件为(式36)0＜|(φ1a-φ1b)-(φ2a-φ2b-φo)|＜π通过设置各光学零部件，使得满足上述式36就能够检测被测物体13的移动方向。在采用1/4波片16作为相位改变手段之一例时，上述式36可表示如下。
(式37)0<1(φ1a-φ1b)-(φ2a-φ2b)|<π2]]>对于各光束(±1级衍射光7a、7b、8a及8b)的相位分量差异，各光学零部件配置中可有余量。
另外，对于-1级衍射光8b以外的3时光束(±1级衍射光7a、7b及8a)设置1/4波片16，仅对于-1级衍射光8b不设置1/4波片，通过采用这样的结构，根据与上述相同的相位差的逻辑，能够检测被测物体13的移动方向。即若使±1级衍射光7a、7b及8a分别通过1/4波片，则即使不使-1级衍射光8b通过1/4波片，也能够检测物体13的移动方向。
关于本实施例的速度计变形例中的被测物体13的移动方向检测及相位差的讨论，在以后的实施例中也相同，在以后的实施例中省略。
图7所示为本实施例的速度计其它变形例的简要构成图。在图7中，仅图示各光学零部件等的配置，其它支持各光学零部件的零部件等及检测信号的信号处理电路等则省略。另外，虚线箭头表示坐标轴。另外，在图7中，对于与图5所示的构成部分相同的构成部分，附加与图5中的构成部分相同的参照标号，并省略说明。
图7的速度计采用单个零部件的聚焦透镜阵列17，来代替检测2个差拍信号15a及16b用的聚焦透镜6a及6b，另外将检测差拍信号15a及15b的PD2与LD1形成在同一个芯片内，这两点与图5的速度计不同。另外，聚焦透镜阵列17是聚焦透镜的一个例子。
根据上述构成，图7所示的光学系统与图5及图6的光学系统相比，由于减少了零部件数量，另外将PD2与LD1实现了单片化，因此装置能够小型化。再有，通过采用分割型PD来代替单片化的多个PD，由于还能够进一步缩小受光元件面积，因此能够降低PD的制造成本，装置能够进一步更小型化。图7中的零部件数量减少的装置构成在以后的实施例中也相同，在以后的实施例中省略说明。
图8所示为从上面来看图7的速度计的简图(从+z轴方向来看的图)。另外，在图8的下方所示为图8的上方用虚线所画的小圆内的放大图。即，图8的下方的图是检测点14a及14b及周围放大图。
检测点14a与检测点14b之间的距离越大，则装置越大型化，另外用聚焦透镜阵列17能够接受的光量也越小。另外，在各光束(±1级衍射光7a、7b、8a、8b)的相位差的方面也同样，若检测点相互之间离开，则相位差增大，难以检测被测物体13的移动方向。检测点14a与检测点14b之间的距离是根据衍射光栅3a及3b产生的衍射角α来决定。若检测点14a与检测点14b重叠，则由于来自各检测点14a及14b的差拍信号变成噪声而由PD2检测出，因此根据图8，必须设定各衍射光栅3a及3b的间距、光阑12a及12b的直径W、以及各零部件之间的距离L等，以得满足下式38。
(式38)α>Tan-1(W2l)]]>在以后的实施例中关于检测点之间的距离也相同，在以后的实施例中省略说明。
实施例3图9所示为本发明实施例3的速度计的简要构成图。在图9中，仅图示各光学零部件等的配置，其它支持各光学零部件的零部件等则省略。另外，图9的虚线箭头表示坐标轴。另外，在图9中，对于与图7所示的构成部分相同的构成部分，附加与图7中的构成部分相同的参照编号。
图9的速度计具有LD1、PD2、衍射光栅3a及3b、CL4a及4b。分离器(以下称为BS(Beam Splitter)9a、9b、9c及9d、信号处理电路部10、光阑12a及12b、1/4波片16、以及作为聚焦透镜之一例的聚焦透镜阵列27。
上述LD1设置在(0，0，z1)，PD2设置在(0，0，z2)，衍射光栅3a及3b设置在(0，±y3、z1)，CL4a及4b设置在(0，±y4、z1)、BS9a、9b、9c及9d设置在(±x9、±y9、z9)，光阑12设置在(0，±y12、z1)，1/4波片16设置在(-x16、y16、z16)，聚焦透镜阵列27设置在(0，0，z27)。
另外，在图9中，7表示第一光束，7a及7b表示衍射光3a产生的±1级衍射光，7c及7d表示用BC9a将+1级衍射光7a分割而得的光束，7e及7f表示用BS9b将-1级衍射光分割而得的光束，8表示第二光束，8a及8b表示衍射光栅3b产生的±1级衍射光，8c及8b表示用BS9c将+1级衍射光8a分割而得的光束，8e及8f表示用BS9d将-1级衍射光8b而得的光束，13表示被测物体，14a、14b、14c及14d表示检测点(光束重叠区域)，15a、15b、15c及15d表示差拍信号。另外，检测点14a及14b形成在(±x14、0，0)，检测点14c及14d形成在(0，±y14、0)，照射光束7c、…7f及光束8c、…8f的被测物体13的表面与xy平面近似一致。
上述信号处理电路部10根据PD的输出S，计算在各检测点14a、14b、14c及14d产生的散射光所含的频移量。
下面说明图9的光学系统的构成及功能。
第一光束7从LD1的前端面射出，同时第二光束8从LD1的后端面射出。第一及第二光束及8通过光阑12a及12b后，经由CL4a及4b形成平行光束。然后，第一及第二光束7及8利用衍射光栅3a及3b分割成多束光束。
图9中仅图示了±n级衍射光(n为包含零的自然数)中的±1级衍射光7a、7b、8a及8b。一般利用衍射光栅将光束按各级次等角分割为0级衍射光、±1级衍射光、…±n级衍射光，但若设取决于衍射光栅槽深的光学上的距离差为波长的1/4，则由于反射产生的光程差为波长的1/2，光的相位偏移为π，因此几乎不出射0级衍射光。即，若衍射光栅的沟槽反射的光与衍射光栅的沟槽以外部分反射的光之光程差为入射光的波长的1/2，则由于相位移为π，因此几乎不产生0级衍射光。若对衍射光栅3a及3b采用这样的条件，则衍射光栅3a及3b的±1级衍射光7a、7b、8a、8b的强度相对于入射光量在单侧(+n级衍射光或-n级衍射光)达到约40.5％，达到最大。其结果，由于入射至检测点14a、14b、14c及14d的光的光量达到最大，因此能够以高灵敏度检测差拍信号15a、15b、15c及15d。以上的情况是光垂直入射至衍射光栅3a及3b，而且衍射光栅3a及3b相对于该光的光轴垂直配置的情况，但在图9所示的本实施例中，由于为了使得入射光束(第一及第二光束7及8)入射至被测物体13、而将衍射光栅3a及3b向-z方向倾斜，因此严格说必须进行使衍射光栅3a及3b的槽深与该角度匹配的调整。
第一光束7用衍射光栅3a分割成两束光束(±1级衍射光7a及7b)，第二光束8用衍射光栅3b分割成两束光束(±1级衍射光8a及8b)。进一步利用BS9a、9b、9c及9d将该4束光束(±1级衍射光7a、7b、8a、8c分割成8束光束7c、7d、7e、7f、8c、8e及8f。其中，一组的两束光束(±1级衍射光7a及7b)利用BS9a及9b分割成4束7c、7d、7e及7f，同时另一组的两束光束(±1级衍射光8a及8b)利用BS9c及9d分割成4束光束8c、8d、8e及8f。更详细来说，+1级衍射光7a利用BS9a分割成光束7c及7d，-1级衍射光7b利用BS9b分割成光束7e及7f。同样，+1级衍射光8a利用BS9c分割成光束8c及8d，-1级衍射光8b利用BS9d分割成光束8e及8f。在这种情况下，BS9a、9b、9c及9d作为分光元件，将入射光分割成光强度为1∶1的两束光束。另外，由于BS9a、9b、9c及9d能够减少因分割而引起的光量损耗，因此照射检测点14a、14b、14c及14d的光量增大，能够防止差拍信号15a、15b、15c及15d的信号强度降低。
在本实施例的光学系统中，由于入射至检测点14a及14b的各检测点的光束是从±y方向入射，因此在图17那样在x轴方向产生明暗的干涉条纹并可检测出横切该干涉条纹的速度分量。因此，根据通过检测点14a及14b检测的差拍信号15a及15b，能够相对于检测被测物体13的移动的y轴分量。即，能够检测被测物体13在y轴方向的移动速度Vy。
另外，在本光学系统中，被BS9a、9b、9c及9d分割的光束7c、7e、8c及8e形成检测点14c及14d。由于入射至该检测点14c及14d的光束7c、7e、8c及8e任何一个都从±x方向入射，因此在y轴方向形成干涉条纹的明暗。所以，根据由检测点14c及14d检测的差拍信号15c及15d，能够检测被测物体13的移动速度的x轴分量。即，能够检测被测物体13在x轴方向的移动速度Vx。
这样，在本实施例的光学系统中，在本实施例的光学系统中，能够测量二维的移动速度，为了求出移动速度，不需要调整被测物体的移动方向及入射至检测点的光的光轴。
另外，如上述实施例中说明的那样，若入射至检测点14a、14b、14c及14d的各检测点的两束光束重叠区域偏移，则如图2B所示，来自偏移区域(两束光束没有重叠的区域)的散射光成为DC噪声被检测出，致使S/N下降。如图9所示，在本实施例的光学系统中，由于设置成使得从LD1射出的两束光束与y轴平行，衍衍光栅3a及3b的沟槽方向(沟槽延伸的方向)与yz平面平行，因此与上述实施例2相同，第一平面、第二平面及第三平面形成等腰三角柱。这里，所谓上述第一平面是包含衍射光栅3a产生的+1级衍射光7a及衍射光栅3b产生的+1级衍射光8a的平面。即，上述第一平面包含入射至检测点14a的两束光束7d及8d的光轴。另外，所谓上述第二平面是包含衍射光栅3a产生的-1级衍射光7b及衍射光栅3b产生的-1级衍射光8b的平面。即，上述第二平面包含入射至检测点14b的两束光束7f及8f。另外，所谓上述第三平面是包含xy平面的平面。在这样的第一平面、第二平面及第三平面形成等腰三角柱时，由于图17所示的干涉条纹的间隔及方向在检测点14a与检测点14b是相等的，因此如上所述，即使来自检测点14a及检测点14b的一方的信号因丢失信号而处于信号不灵敏状态，从两检测点14a及14b检测的速度的误差也能够达到最小。
另外，设置BS9a、9b、9c及9d，使得入射至检测点14c及14d的各检测点的两束光束相对于xy平面以相同的入射角入射。通过这样，与利用检测点14a及14b检测被测物体13在y轴方向的速度Vy的情况相同，即使来自检测点14c及14d的一方的信号因丢失信号而处于不灵敏状态，从两检测点14c及14d检测的速度的误差也能够达到最小。
另外，从检测点14a向PD2入射的光束的光轴近似存在于入射至检测点14a的两束光束7d与8d的夹角的2等分面内。另外，从检测点14b向PD2入射的光束的光轴近似存在于入射至检测点14b的两束光束7f与8f的夹角的2等分面内。另外，从检测点14c向PD2入射的光束的光轴近似存在于入射至检测点14c的两束光束7c与7e的夹角的2等分面内。另外，从检测点14d向PD2入射的光轴近似存在于入射至检测点14d的两束光束8c与8e的夹角的2等分面内。在这样的情况下，由于来自入射至各检测点14a、14b、14c及14d的两束光束的散射光的强度近似相等，因此差拍信号15a、15b、15c及15d清晰，所以能够高精度检测被测物体13的移动速度。
另外，在衍射光栅3b产生的-1级衍射光8b用BS9d分割之前，通过1/4波片16从线偏振光变换成圆偏振光。因此，来自BS9d的光束8e及8f以圆偏振光入射至被测物体13。来自BS9a、9b、9c及9d的光束7c、7d、7e、7f、8c、8d、8e及8f形成检测点14a、14b、14c及14d。具体来说，光束7d与光束8d形成检测点14a，光束7f与光束8f形成检测点14b，光束7c与光束7e形成检测点14c，光束8c与光束8e形成检测点14d。来自各检测点14a、14b、14c及14d的散射的差拍信号15a、15b、15c及15d通过聚焦透镜阵列27用PD2进行检测。根据该PD2的输出S来检测被测物体13的移动速度的原理与上述实施例1及2相同。
在本实施例的光学系统中，差拍信号15a与差拍信号15b的信号强度虽不同，但在检测被测物体13的移动速度及移动方向这一点上与上述实施例2相同，利用差拍信号15a及15b，能够检测被测物体13的移动速度Vy及被测物体13在移动方向的y轴分量。另外，根据来自检测点14c及14d而检测出的差拍信号15c及15d，能够检测被测物体13的移动速度Vx。另外，由于入射至检测点14d的光束8e的相位通过1/4波片16而成为圆偏振光，因此根据与上述实施例2的检测被测物体13的移动方向同样的原理，能够检测移动方向的x轴分量。总之，利用差拍信号15a、15b、15c及15d，能够检测被测物体13在x及y轴方向的移动速度Vx及Vy，同时能够检测与x及y轴方向有关的被测物体13的移动方向。
这样，在本实施例的光学系统中，不需要调整被测物体13的移动方向及光学系统的轴来进行配置，就能够检测与任意的xy平面运动有关的速度信息及移动方向。另外，与x分量、y分量相同，有关处理移动方向检测的相位的条件等与上述实施例2相同。
另外，如图9所示，在x轴上形成检测被测物体13的移动速度在y方向上的分量用的检测点14a及14b，在y轴上形成检测被测物体13的移动速度在x方向上的分量用的检测点14c及14d，通过这样能够检测被测物体13在互相垂直的2个方向上的速度分量。其结果，能够高精度检测被测物体13的移动速度。
图10所示为本实施例的速度计变形例的简要构成图。在图10中，仅图示各光学零部件等的配置，其它支持各光学零部件的零部件等则省略。另外，图10中的虚线箭头表示坐标轴。另外，在图10中，对于与图9所示的构成部分相同的构成部分，附加与图9中的构成部分相同的参照编号。
图10速度计具有LD1、PD2、衍射光栅3a及3b、CL4a及4b、信号处理电路部10、光阑12a及12b、以及第一基板19。在该第一基板19上设置1/4波片16、衍射光栅18a、18b、18c及18d、以及作为聚焦透镜之一例的聚焦透镜阵列37。在衍射光栅18d上配置1/4波片16。
上述LD1设置在(0，0，z1)，PD2设置在(0，0，z2)衍射光栅3a及3b设置在(0，±y3，z1)，CL4a及4b设置在(0，±y4，z1)，光阑12a及12b设置在(0，±y12，z1)，1/4波片16设置在(-x16，y3，z16)。另外，聚焦透镜阵列37位于(0，0，z16)。
另外，在图10中，7表示第一光束，7a及7b表示衍射光栅3a产生的±1级衍射光，7c及7d表示用衍射光栅18a将±1级衍射光7a分割而得的光束，8表示第二光束，8a及8b表示衍射光栅3b产生的±1级衍射光，8c及8d表示用衍射光栅18c将±1级衍射光8a分割而得的光束，8e及8f表示用衍射光栅18d将-1级衍射光8b分割而得的光束，13表示被测物体，14a、14b、14c及14d表示检测点(光束重叠区域)，15a、15b、15c及15d表示差拍信号。另外，上述检测点14a及14b形成在(±x14，0，0)，检测点14c及14d形成在(0，±y14，0)。而且照射光束7c、……、7f及光束8c、……、8f的被测物体13的表面与xy平面近似一致。
上述信号处理电路部10根据PD2的输出S，计算在各检测点14a、14b、14c及14d产生的散射光所含的频移量。
下面说明图10的光学系统的构成及功能。
第一光束7从LD1的前端面射出，同时第二光束8从LD1的后端面射出。第一及第二光束7及8通过光阑12a及12b后，经由CL4a及4b形成平行光束。然后，第一及第二光束7及8利用衍射光栅3a及3b分别分割成多束光束。图10中仅图示了±n级衍射光(n为包含零的自然数)中的±1级衍射光7a、7b、8a及8b。
第一光束7用衍射光栅3a分割成两束光束(±1级衍射光7a及7b)，第二光束8用衍射光栅3b分割成两束光束(±1级衍射光8a及8b)。然后，衍射光栅3a的±1级衍射光7a用衍射光栅18a分割成两束光束7c和7d，同时衍射光栅3a的-1级衍射光7b用衍射光栅18b分割成两束光束7e及7f。另外，衍射光栅3b的+1级衍射光8a用衍射光栅18c分割成两束光束8c及8d，同时衍射光栅3b的-1级衍射光8b用衍射光栅18d分割成两束光束8e及8f。这里，衍射光栅18a、18b、18c及18d与衍射光栅3a及3b相同，由于沟槽深度为入射光的波长的1/4，因此几乎不出射0级衍射光，±1级衍射光的强度达到最大。其结果，入射至各检测点14a、14b、14c及14d的入射光量达到最大，能够使差拍信号强度为最大。
另外，在衍射光栅3b的-1级衍射光8b用衍射光栅18d分割之前，利用1/4波片16从线偏振光变换成圆偏振光。因此，光束8e及8f以圆偏振光入射至被测物体13的表面。衍射光栅18a、18b、18c及18d分别在第一基板19内相对于x轴及y轴方向以任意角度倾斜。从衍射光栅18a、18b、18c及18d射出的各光束7c、7d、7e、7f、8c、8d、8e及8f形成检测点14a、14b、14c及14d。更详细来说，光束7d与光束8d形成检测点14a，光束7f与光束8f形成检测点14b，光束7c与光束7e形成检测点14c，光束8c与光束8e形成检测点。设定衍射光栅18a、18b、18c及18d在第一基板19内的倾斜的角度及从第一基板19到被测物体13之间的距离，使得如上所述那样形成检测点14a、14b、14c及14d。即，设定上述角度及上述距离，使得在被测物体13的表面，光束7d与光束8d重叠，光束7f与光束8f重叠，光束7c与光束7e重叠，光束8c与光束8e重叠。
图10的速度计由于衍射光栅18a、18b、18c及18d在同一基板上形成，因此能够防止因衍射光栅18a、18b、18c及18d的设置而引起的偏移。所以，图10的速度计与图9的速度计相比，能够减少检测点14a、14b、14c及14d中的光束重叠不良的现象。
另外，在图10的速度计中，来自检测点14a、14b、14c及14d的散射的差拍信号15a、15b、15c及15d通过聚焦透镜阵列37用PD2进行检测。根据该PD2的输出S来检测被测物体13的移动速度的原理与上述实施例1相同。
另外，图10的速度计与图9的速度计相同，由于在被测物体13的表面形成4个检测点14a、14b、14c及14d，因此能够检测被测物体13的二维移动速度及移动方向。
另外，在图10的速度计中，由于衍射光栅18a、18b、18c、18d、1/4波片16及聚焦透镜阵列37组装在第一基板19上，成为单个零部件，因此与图9的速度计相比，可以减少零部件数量。因而，能够减少图10的速度计的组装工序数，降低制造成本。
另外，在图10的速度计中，由于衍射光栅18a、18b、18c、18d、1/4波片16及聚焦透镜阵列37构成一个零部件，因此光学系统中设置衍射光栅18a、18b、18c、18d、1/4波片16及聚焦透镜阵列37的精度高于图9的速度计，另外在被测物体13的移动方向的检测中，满足上述式35给出的条件式的设计余量增大。
在本实施例中，与上述实施例2相比，为了进行x方向的速度检测，增加了检测点的数量。在上述实施例2中，用上述式36指定了检测y方向的速度的检测点相互之间分离的条件。在本实施例中，检测被测物体的x方向的移动速度用的2个检测点也相同，条件是分别分离。其条件式与上述式36不同，原因是在于衍射光栅18a及18b及18c及18d的设置角度、被测物体13与LD1的距离、LD1与衍射光栅3的距离、以及衍射光栅3a及3b的设置角度。其推导过程省略。另外，对于以后的实施例，同样也需要本条件，但在以后的实施例中省略该条件的说明。
另外，在上述实施例1及本变形例中，是衍射光栅3b的-1级衍射光8b通过1/4波片16，但也可以是仅仅使衍射光栅3a的+1级衍射光7a、衍射光栅3a的-1级衍射光7b及衍射光栅3b的+1级衍射光8a通过1/4波片。即，也可以设置配置成使衍射光栅3a的+1级衍射光7a通过并改变+1级衍射光7a的相位的第一相位改变部、配置成使衍射光栅3a的-1级衍射光7a通过并改变-1级衍射光7b的相位的第二相位改变部、以及配置成使衍射光栅3b的+1级衍射光8a通过并改变+1级衍射光8a的相位的第三相位改变部。
另外，在上述实施例1及本变形例中，也可以使得包含入射至检测点14c的两束光束7c及7e的光轴的第四平面、包含入射至检测点14d的两束光束8c及8e的光轴的第五平面、以及包含xy平面的第六平面n形成等腰三角柱，而且使光束7c与7e对第六平面的入射角近似相等。还可以使光束8c和8e对第六平面的入射角大致相等。在这种情况下，即使来自检测点14c及14d的一方的信号因丢失信号而处于不灵敏状态，从两检测点14c及14d检测的速度的误差也能够达到最小。这样的设定在以下实施例中也可以采用。
图11所示为本发明实施例4的速度计的简要构成图。在图11中，仅图示各个相互零部件等的配置，其它支持各光学零部件的零部件等则省略。另外，图11的虚线箭头表示坐标轴。另外，在图11中，对于与图1及图10所示的构成部分相同的构成部分，附加与图1及图10中的构成部分相同的参照编号。
在图11的速度计中，具有LD1、PD2、CL4a及4b、反射镜5a及5b、信号处理电路部10、光阑12a及12b、第一基板19、以及第二基板20。
在上述第一基板19上，设置1/4波片16、衍射光栅18a、18b、18c及18d、以及作为聚焦透镜之一例的聚焦透镜阵列37。而且，在衍射光栅18d上配置1/4波片16。另外，在上述第二基板20上，设置衍射光栅23a及23b、以及作为聚焦透镜之一例的聚焦透镜阵列47。
上述LD1位于(0，0，z1)，PD2位于(0，0，z2)，CL4a和4b位于(0，±y4、z1)，反射镜5a及5b位于(0，±y5，z1)，光阑12a及12b位于(0，±y12，z1)，1/4波片16位于(-x16，y16，z16)，衍射光栅18a、18b、18c及18d位于(±x18，±y18，z16)，第一基板19位于(0，0，z16)，第二基板20位于(0，0，z3)，衍射光栅23a及23b位于(0，±y3，z3)，聚焦透镜阵列37位于(0，0，z16)，聚焦透镜47位于(0，0，z3)。
另外，在图11中，7表示第一光束，7a及7b表示衍射光栅23产生的+1级衍射光，7c级7d表示用衍射光栅18a将+1级衍射光7a分割而得的光束，7e级7f表示用衍射光栅18b将-1级衍射光7b分割而得的光束，8表示第二光束，8a和8b表示衍射光栅23b产生的±1级衍射光，8c及8d表示用衍射光栅18c将+1级衍射光8a分割而得的的光束，8e及8f表示用衍射光栅18d将-1级衍射光8b分割而得的的光束，13表示被测物体，14a、14b、14c及14d表示检测点(光束重叠区域)，15a、15b、15c、15d表示差拍信号。光束7c、…、7f及光束8c、…、8f照射的被测物体13的表面与xy平面近似一致。
上述信号处理电路部10根据PD2的输出S，计算在各检测点14a、14b、14c及14d产生的散射光所含的频移量。
在图11所述的本实施例的速度计中，与图10所示的速度计相比，不用衍射光栅3a及3b，而追加将从LD1的两端面射出的第一及第二光束7及8进行反射的反射镜5a及5b以及第二基板20。另外，衍射光栅23a及23b在同一基板的第二基板20上形成一体。即，衍射光栅23a、23b组装在第二基板20上。另外，第二基板相对于第一基板19平行设置。
在这样的本实施例的速度计中，关于被测物体13的移动速度及移动方向检测的原理等与上述实施例1及2相同。在本实施例的速度计中，由于将分割光束的元件全部配置在平板上，因此能够防止因衍射光栅23a及23b的设置而产生的位置偏移或角度偏移。再有，在例如用玻璃板制成第一基板19及第二基板20时，还能够大幅度降低将分割光束的元件装入壳体时的设置误差等。这样，本实施例的速度计关于各光学零部件的设置，能够大幅度降低因该设置误差而引起的在检测点14a、16b、14c及14d的光束重叠不良的现象，能大幅度提高装置组装工序中的合格率。
图12所示为本实施例的速度计变形例的简要构成图，在图12中，仅图示各光学零部件等的配置，其它支持各光学零部件的零部件等则省略。另外，图12的虚线箭头表示坐标轴。另外，在图12中，对于与图11所示的构成部分相同的构成部分，附加与图11中的构成部分相同的参照编号。
图12的速度计具有使图11的速度计的第一基板19与第二基板20形成一体化的结构。即，图12的速度计具有光学模块21，来代替第一基板19及第二基板20。该光学模块21进行各光束的分割。在光学模块21的上表面形成衍射光栅33a及33b，在光学模块21的下表面形成衍射光栅28a、28b、28c及28d。再有，在光学模块21的中心附近从上表面至下表面形成将差拍信号15a、15b、15c及15d引导至PD2的聚焦透镜阵列57的结构。该聚焦透镜阵列57是聚焦透镜的一个例子。另外，在光学模块21的下表面的一部分设置1/4波片16，使其覆盖衍射光栅28d。光学模块21的厚度可任意设定。利用这些构成，能够检测被测物体13的移动速度及移动方向。检测被测物体13的移动速度及移动方向的原理与上述实施例3及其变形例相同。
在图12的速度计中，与图11的速度计相比，由于第一基板19与第二基板20形成一体化，因此能够进一步减少产生光学零部件设置误差的组装工序，能够提高装置组装工序的合格率。
另外，在上述实施例4及本变形例中是衍射光栅23b及33b的-1级衍射光8b通过1/4波片16，但也可以仅仅使衍射光栅23a及33a的+1级衍射光7a、衍射光栅23a及33a的-1级衍射光7b及衍射光栅23b及33b的+1级衍射光通过1/4波片。即，也可以设置配置成使衍射光栅23a及33a的+1级衍射光7a通过并改变±1级衍射光7a的相位的第一相位改变部，配置成使衍射光栅23a及33a的-1级衍射光7b通过并改变-1级衍射光7b的相位的第二相位改变部、以及配置成使衍射光栅23b及33b的+1级衍射光8a通过并改变+1级衍射光8a的相位的第三相位改变部。
实施例5图13所示为本发明实施例5的速度计的简要构成图。在图13中，仅图示各光学零部件等的配置，其它支持各光学零部件的零部件等则省略。另外，图13的虚线箭头表示坐标轴。另外，在图13中，对于与图5及图12所示的构成部分相同的构成部分，附加与图5及图12中的构成部分相同的参照编号。
在图3的速度计中，具有LD1、PD32a及32b、衍射光栅3、C14a及4b、作为第一光轴改变部之一例的反射镜5a及5c及5d、作为第二光轴改变部之一例的反射镜5b、信号处理电路部10、光阑12a及12b、1/4波片16a及16b、以及聚焦透镜阵列17。在该聚焦透镜阵列17与PD32a之间配置衍射光栅22a及线偏振器43a，另外在聚焦透镜阵列17与PD32b之间配置衍射光栅22b及线偏振器43b。
上述LD1设置在(0，0，z1)，PD32a设置在(0，0，z2)，PD32b设置在(0，-y2，z2)，衍射光栅3设置在(0，-y3，z1)，CL4a及4b设置在(0，±y4，z1)，反射镜5a及5b设置在(0，±y5，z1)，光阑12a及12b设置在(0，±y12，z1)，1/4波片16a设置在(0，-y16a，z16a)，1/4b波片16b设置在(-x16，y16b，z16a)，聚焦透镜阵列17设置在(0，-y17，z17)，衍射光栅22a设置在(0，0，z22)，衍射光栅22b设置在(0，-y22，z22)，线偏振器43a设置在(0，0，z23)，线偏振器43b设置在(0，-y23，z23).
另外，在图13中，7表示第一光束，7g表示衍射光栅3的0级衍射光，7h表示衍射光栅3的1级衍射光，7i表示衍射光栅3的-1级衍射光，8表示第二光束，13表示被测物体，14a及14b表示检测点(光束重叠区域)，15a及15b表示差拍信号。另外，检测点14a形成在原点(0，0，0，)，而检测点14b形成在(0，-y14，0)。另外，上述被测物体13的表面与xy平面近似一致。
上述信号处理电路部10根据PD32a的输出Sa，计算在检测点14a产生的散射光所含的频移量，同时根据PD32b的输出Sb，计算在检测点14b产生的散射光所含的频移量。
下面说明图13的光学系统的构成及功能。
第一光束7从LD1的前端面射出，同时第二光束8从LD1的后端面射出。第一及第二光束7及8通过光阑12a、12b后，以及CL4a、4b形成平行光束。然后，第二光束8用反射镜5b反射，通过1/4波片16b变换成圆偏振光后，入射至检测点14a。另外，第一光束7通过CL4a后，利用衍射光栅3分割成多束±n级衍射光(n位包含0的自然数)(在图13中，仅图示了衍射光栅3产生的0级衍射光7g和±1级衍射光7h及7i)。衍射光栅3由于相对于第一光束7的光轴垂直设置，因此0级衍射光7g与从LD1射出的第一光束7的光轴同轴，从衍射光栅3射出。然后，0级衍射光7g用反射镜5a反射，入射至检测点14a。在该检测点14a上，0级衍射光7g与第二光束8重叠。即，利用0级衍射光7g及第二光束8形成检测点14a。
另外，由于衍射光栅3的沟槽设置成与z轴平行，因此其±1级衍射光7h及7i在与xy平面平行的平面内以相同的出射角射出。即，包含±1级衍射光7h及7i的平面与xy平面平行。±1级衍射光7h及7i在用反射镜5c及5d以等角反射后，+1级衍射光7i入射至检测点14b，-1级衍射光7d通过1/4波片16a变换成圆偏振光后，入射至检测点14b。在该检测点14b上，+1级衍射光7h与-1级衍射光7i重叠。利用+1级衍射光7h及-1级衍射光7i形成检测点14b。
这样，分割光束的手段中通过采用透射型的衍射光栅3，能够形成所需要的第二个检测点14b。另外，关于与入射至检测点14a的两束光束有关的各光学零部件的设置条件，由于与上述实施例1相同，因此其说明说略。
另外，包含用衍射光栅3衍射的±1级衍射光7h及7i的平面，如上所述与xy平面平行，利用反射镜5c及5d进行反射，以相同的入射角入射至检测点14b。这时，包含入射至检测点14a的两束光束的平面垂直于于包含入射至检测点14b的两束光束的平面。这时，这两个平面都垂直于包含被测物体13的表面(形成检测点14a及14b的表面)的平面。而且，利用±1级衍射光7h及7i形成的检测点14b存在于y轴上，在检测点14b形成的干涉条纹垂直于x轴。其结果，能够高精度检测x轴方向的被测物体13的移动速度。
图14所示为图13的检测点14a及受光系统附近的放大图。而在图14中，衍射光栅22a产生的衍射光仅图示了±1级衍射光，衍射光栅22a产生的其他衍射光则没有图示。另外，图中还省略了聚焦透镜阵列17。另外，图14中仅图示了检测点14a，而差拍信号15a与差拍信号15b仅仅是对聚焦透镜阵列17的入射角不同，其它条件可作为相同条件来处理。因此，在以下仅说明来自检测点14a的差拍信号15a，而关于来自检测点14b的差拍信号15b则省略。
入射至检测点14a的两束光束中的1束光束由于通过了1/4波片16b，因此变换成圆偏振光。上述两束光束在被测物体13的表面产生散射，形成差拍信号15a入射至衍射光栅22a。该衍射光栅22a最好是对于入射光的波长，其0级衍射光的光量与±m级衍射光(m＞1)的光量远远小于±1级衍射光的光量。另外，衍射光栅22a的沟槽最好平行于x轴延伸而形成。
用衍射光栅22a产生衍射的差拍信号15a，利用线偏振器43a仅通过特定方向的分量。线偏振器43a由通过衍射光栅22a衍射的+1级衍射光的线偏振部43a1及通过衍射光栅22a衍射的-1级衍射光的线偏振部43a2构成。这些线偏振器的光学轴设置在互相垂直的方向。另外，虽未图示，但线偏振器43b也由通过衍射光栅22b衍射的+1级衍射光的线偏振部及通过衍射光栅22b衍射的-1及衍射光的线偏振部构成。
这里，对于本实施例的光学轴的设定，举一个例子进行说明。设从LD1射出的光是平行于x轴振动的线偏振光。这时，1/4波长16b的光学轴设置成相对于xy平面构成45°。例如，1/4波片16b设置程在直线y＝x上成为超前轴，在直线y＝-x上成为滞后轴。这时，线偏振部43a1及43a2的光学轴分别设定为y＝x及y＝-x方向的某一个方向。在图14中，线偏振部43a1的光学轴的方向设置在y＝x轴方向，线偏振部43a2的光学轴的方向设置在y＝-x方向。
由于上述那样设置了光学轴，因此通过线偏振部43a1的分量为0级衍射光7g的线偏振光及圆偏振光的超前轴分量。另外，通过线偏振部43a2的分量为0级衍射光7g的线偏振光及圆偏振光的滞后轴分量。然后，差拍信号15a包含的第一信号15a1由第一受光部32a1检测，另外差拍信号15a包含的第二信号15a2由第二受光部32a2检测。由于这些信号中包含相位信息，因此利用上述实施例2中说明的原理，能够检测出被测物体13在y方向的移动方向。另外，如上所述，关于用检测点14b检测被测物体13的移动速度及移动方向的说明虽加以省略，但通过用PD32b接受来自检测点14b的差拍信号15b，能够检测与x轴方向有关的被测物体13的移动速度及移动方向。另外，虽未图示，但PD32b具有检测差拍信号15b包含的第一信号用的第一受光部及检测差拍信号15b包含的第二信号用的第二受光部。
另外，在设置第一及第二相位改变手段(1/4波片16a及16b)的两个相位改变手段时，能够检测二维的移动速度及移动方向，但也可以根据速度计的用途，仅设置第一及第二相位改变手段中的一个相位改变手段。
另外，在本实施例中，为了高精度检测出检测点14a的差拍信号，最好使衍射光栅3产生的0级衍射光的光量与第二光束8的光量相等。为此，在本实施例中，由于必须将从LD1射出的第一光束7与第二光束8的光量设置成有差异，因此对LD1的两端面进行处理，使其产生该差异。
再有，在本实施例的光学系统中，是从一个检测点利用衍射光栅将差拍信号分割来进行移动方向检测的。因此，在上述式36中，有下式关系。
(式39)φ1a＝φ1b，φ2a＝φ2b所以，各光束的相位差始终有下式关系。
(式40)差拍信号的相位差＝φ0(＝π/2)能够大幅度降低对上述实施例2～4的光学系统设置各光学零部件的精度。
在以上的实施例1~5中，LD1也可以是从同一芯片有多个发光点、例如是单片型从单面射出多束光束的光源。但是在本发明中，是采用从LD1的前端面射出的第一光束7及从LD1的后端面射出的第二光束来进行速度测量的。而且，为了使LD1的光强度稳定而进行的光量监控，通过使用设置的例如受光元件(未图示)使其监控用光阑12a及12b截去的光量来进行的。通过采用这样的结构，能够将LD1射出的光能以最高效率用于速度测量，能够不采用大输出功率的LD1而能够得到足够的差拍信号15的输出。
另外，上述实施1～5的PD2、2a、2b、32a及32b也可以是内装电路的受光元件。即，PD2、2a、2b、32a及32b也可以内装信号处理电路。然后，将来自PD2、2a、2b、32a及32b的输出在同一芯片内进行放大、波形整形及频率计数等信号处理，通过这样将这些IC与分别构成的情况相比，不仅由于元器件数量减少而使装置小型化，而且由于能够减少连接各元器件的连线等所产生的电磁噪声等，因此还能够高精度检测被测物体13的速度。
另外，在上述实施例1～5中，x与y是以90°相交，但x与y轴也可以以90°以外的角度相交。
另外，上述实施例1～5的多普勒速度计是检测被测物体13的移动速度的，但在后级的信号处理中，通过取入其时间信息，就能够很容易从速度信息换算成位移量。例如，在一般普及的电子设备中，可用于检测打印机或复印机的送纸量的位移计。特别是由于LDV的干涉条纹间距一般是几微米量级，因此作为位移计的分辨率是微米量级，利用电信号处理还能将分辨率提高至亚微米量级。再有，LDV由于能够利用来自移动物体的反射光来检测速度，因此对测量对象不需要进行特别的加工，所以特别适合用作高分辨率的编码器。另外，现在广泛普及的光学式鼠标器是利用CCD(电荷耦合器)将检测面的斑点图像的移动信息作为图像进行识别，来检测移动量，采用该速度计也能够适用于光学式鼠标器。这样，全部这些实施例的速度计能够应用于检测位移的位移计及振动计。即，利用具有上述速度计的位移计，根据与被测物体有关的速度信息及时间信息，也可以得到被测物体的位置信息。另外，利用具有上述速度计的振动计，根据与被测物体有关的速度信息及时间信息，也可以得到被测物体的与振动有关的信息。这里，所谓“与振动有关的信息”意味着振动的振幅、效率及相位等。
另外，也可以在电子设备中具有上述速度计、位移计及振动计中的一个检测器。
另外，本发明的速度计能够用于根据被测物体的速度信息及时间信息来计算位移信息的位移信息检测装置。
权利要求
1.一种速度计，其特征在于，具有射出多束光束的半导体发光元件、设置在从所述半导体发光元件至被测物体的所述光束的光路上，改变所述多束光束中的至少1束光束的光轴方向的光轴改变部、接收被所述被测物体散射的散射光的受光元件、以及根据所述受光元件的输出计算所述散射光的频移量的信号处理电路部，将所述多束光束中的至少1束光束照射于所述被测物体的表面，在所述被测物体的表面至少形成1个检测点。
2.如权利要求1所述的速度计，其特征在于，所述多束光束中的1束光束是从所述半导体发光元件的前端面射出的第一光束，所述多束光束中的另一束光束是从所述半导体发光元件的后端面射出的第二光束。
3.如权利要求2所述的速度计，其特征在于，使所述第一光束与所述第二光束在所述被测物体的表面上重叠。
4.如权利要求2所述的速度计，其特征在于，所述光轴改变部具有第一及第二光轴改变部，所述半导体发光元件射出所述第一及第二光束的方向与所述被测物体的表面大致平行，所述第一光束的光轴方向利用所述第一光轴改变部来改变，同时第二光束的光轴方向利用所述第二光轴改变部来改变，利用所述第一光束改变部产生的所述第一光束的光轴方向的改变角与利用所述第二光轴改变部产生的所述第二光束的光轴方向的改变角近似相等。
5.如权利要求4所述的速度计，其特征在于，经过所述第一及第二光轴改变部之前的所述第一及第二光束的光轴，与经过所述第一及第二光轴改变部之后的所述第一及第二光束的光轴包含在同一平面中。
6.如权利要求5所述的速度计。其特征在于，包含所述第一及第二光束的光轴的平面大致垂直于所述被测物体的表面。
7.如权利要求2所述的速度计，其特征在于，所述半导体发光元件射出所述第一及第二光束的方向与所述被测物体移动的方向大致平行。
8.如权利要求1所述的速度计，其特征在于，在垂直于所述被测物体的表面的轴记为z轴时，入射至所述检测点的多束光束重叠区域在所述z轴方向的长度，比所述被测物体的表面所处的区域在所述z轴方向的长度要长。
9.如权利要求1所述的速度计，其特征在于，从所述检测点入射至所述受光元件的光轴，位于入射至所述检测点的2束光束所夹的角的2等分面内。
10.如权利要求1所述的速度计，其特征在于，从所述检测点入射至所述受光元件的光的光轴与入射至所述检测点的2束光束的光轴包含在同一平面中。
11.如权利要求4所述的速度计，其特征在于，所述半导体发光元件配置在所述第一光轴改变部与所述第二光轴改变部之间的大约正当中。
12.如权利要求1所述的速度计，其特征在于，所述半导体发光元件与所述受光元件公用同一块基板，形成一整体。
13.如权利要求1所述的速度计，其特征在于，所述光轴改变部改变所述多束光束的至少1束光的光轴方向，同时使其分支，利用所述多束光束中的至少2束光束，在所述被测物体的表面形成至少2个检测点。
14.如权利要求13所述的速度计，其特征在于，所述多少光束中的1束光束是从所述半导体发光元件的前端面射出的第一光束，所述多束光束中的另一束光束是从所述半导体发光元件的后端面射出的第二光束，所述光轴改变部是衍射光栅。
15.如权利要求14所述的速度计，其特征在于，所述衍射光栅的0级衍射光的光量小于1级衍射光的光量。
16.如权利要求13所述的速度计，其特征在于，所述多束光束中的1束光束是从所述半导体发光元件的前端面射出的第一光束，所述多束光束中的另一束光束是从所述半导体发光元件的后端面射出的第二光束，所述光轴改变部，具有所述第一光束入射的第一衍射光栅，以及所述第二光束入射的第二衍射光栅，利用所述第一衍射光栅产生的+1级衍射光及所述第二衍射光栅产生的+1级衍射光，形成第一检测点，利用所述第一衍射光栅产生的-1级衍射光及所述第二衍射光栅产生的-1级衍射光，形成第二检测点。
17.如权利要求16所述的速度计，其特征在于，使所述第一衍射光栅产生的+1级衍射光与所述第二衍射光栅产生的+1级衍射光在所述被测物体的表面上重叠，同时使所述第一衍射光产生的-1级衍射光与所述第二衍射光产生的-1级衍射光在所述被测物体的表面上重叠。
18.如权利要求16所述的速度计，其特征在于，所述半导体发光元件射出所述第一及第二光束的方向与所述被测物体移动的方向大致平行，包含所述第一及第二衍射光栅产生的+1级衍射光的光轴的第一平面、包含所述第一及第二衍射光栅产生的-1级衍射光的光轴的第二平面、以及包含所述被测物体的表面的第三平面形成等腰三角柱。
19.如权利要求16所述的速度计，其特征在于，连接所述第一检测点与所述第二检测点的直线的延伸方向垂直于所述被测物体移动的方向。
20.如权利要求16所述的速度计，其特征在于，从所述第一检测点入射至所述受光元件的光的光轴大致存在于所述第一衍射光栅产生的+1级衍射光的光轴与所述第二衍射光栅产生的+1级衍射光的光轴的2等分面内，从所述第二检测点入射至所述受光元件的光的光轴大致存在于所述第一衍射光栅产生的-1级衍射光的光轴与所述第二衍射光栅产生的-1级衍射光的光轴的2等分面内。
21.如权利要求16所述的速度计，其特征在于，具有配置成使所述第二衍射光栅产生的-1级衍射光通过，并改变所述第二衍射光栅的-1级衍射光的相位的相位改变部。
22.如权利要求16所述的速度计，其特征在于，具有配置成使所述第一衍射光栅产生的+1级衍射光通过，并改变所述第一衍射光栅的+1级衍射光的相位的第一相位改变部、配置成使所述第一衍射光栅产生的-1级衍射光通过，并改变所述第一衍射光栅的-1级衍射光的相位的第二相位改变部、以及配置成使所述第二衍射光栅产生的+1级衍射光通过并，改变所述第二衍射光栅的+1级衍射光的相位的第三相位改变部。
23.如权利要求21所述的速度计，其特征在于，在所述相位改变部产生的光的相位改变量记为φ0时，所述φ0满足0＜φ0＜λ/2的关系。
24.如权利要求22所述的速度计，其特征在于，在所述相位改变部产生的光的相位改变量记为φ0时，所述φ0满足0＜φ0＜λ/2的关系。
25.如权利要求23所述的速度计，其特征在于，所述φ0为λ/4。
26.如权利要求24所述的速度计，其特征在于，所述φ0为λ/4。
27.如权利要求21所示点速度计，其特征在于，采用双折射材料作为所述相位改变部的材料。
28.如权利要求22所述的速度计，其特征在于，采用双折射材料作为所述相位改变部的材料。
29.如权利要求25所述的速度计，其特征在于，形成所述第一检测点的各光束的相位差与形成所述第二检测点的各光束的相位差之差的绝对值小于π/2。
30.如权利要求26所述的速度计，其特征在于，形成所述第一检测点的各光束的相位差与形成所述第二检测点的各光束的相位差之差的绝对值小于π/2。
31.如权利要求13所述的速度计，其特征在于，在设垂直于所述被测物体的表面的轴为z轴时，入射至所述检测点的多束光束重叠的区域在所述z轴方向的长度比所述被测物体的表面所处的区域在所述z轴方向的长度要长。
32.如权利要求13所述的速度计，其特征在于，具有配置在所述检测点与所述受光元件之间的聚焦透镜，所述聚焦透镜是由透镜阵列组成的单一部件。
33.如权利要求13所述的速度计，其特征在于，所述受光元件是接受来自至少两个所述检测点的散射光的单片元件。
34.如权利要求33所述的速度计，其特征在于，所述受光元件是分割型光电二极管。
35.如权利要求16所述的速度计，其特征在于，所述半导体发光元件配置在所述第一衍射光栅与所述第二衍射光栅之间的大约中点。
36.如权利要求18所述的速度计，其特征在于，从所述第一检测点入射至所述受光元件的光的光轴包含在使所述第一平面对所述第三平面正反射的平面中，从所述第二检测点入射至所述受光元件的光的光轴包含在使所述第二平面对所述第三平面正反射的平面中。
37.如权利要求17所述的速度计，其特征在于，所述第一衍射光栅产生的+1级衍射光与所述第二衍射光栅产生的+1级衍射光重叠的区域相当于所述第一衍射光栅产生的-1级衍射光与所述第二衍射光栅产生的-1级衍射光重叠的区域是分离的。
38.如权利要求1所述的速度计，其特征在于，所述半导体发光元件从前端面射出第一光束，同时从后端面射出第二光束，所述光轴改变部由改变所述第一及第二光束的光轴方向，同时将所述第一及第二光束分支的第一分光元件组、以及配置在所述第一分光元件组与被测物体之间的多个光轴上，并改变来自所述第一分光元件组的光束的光轴方向，同时将来自所述第一分光元件组的光束分支的第二分光元件组构成，将利用所述第二分光元件组分支的多束光束照射在所述被测物体的表面，在包含所述被测物体的表面的平面内，在互相交叉的x与y轴中的至少所述x轴上形成第一及第二检测点，同时至少在所述y轴上形成第三及第四检测点。
39.如权利要求38所述的速度计，其特征在于，所述第二分光元件组包含第一、第二、第三及第四光束分离器(beam splitter)。
40.如权利要求38所述的速度计，其特征在于，所述第二分光元件组包含第三、第四、第五及第六衍射光栅。
41.如权利要求40所述的速度计，其特征在于，所述第三、第四、第五及第六衍射光栅的0级衍射光的光量小于1级衍射光的光量。
42.如权利要求38所述的速度计，其特征在于，所述第二分光元件组包含第一、第二、第三级第四分光元件，利用所述第一分光元件分支的1束光束与利用所述第三分光元件分支的1束光束形成所述第一检测点，利用所述第二分光元件分支的1束光束与利用所述第四分光元件分支的1束光束形成所述第二检测点，利用所述第一分光元件分支的另一束光束与利用所述第二分光元件分支的另一束光束形成所述第三检测点，利用所述第三分光元件分支的另一束光束与利用所述第四分光元件分支的另一束光束形成所述第四检测点。
43.如权利要求42所述的速度计，其特征在于，所述第一、第二、第三及第四检测点是将所述光束在所述被测物体的表面上相互重叠而形成的。
44.如权利要求38所所述的速度计，其特征在于，包含入射至所述第一检测点的两束光束的光轴的第一平面、包含入射至所述第二检测点的两束光束的光轴的第二平面、以及包含所述被测物体的表面的第三平面形成等腰三角柱，而且分别入射至所述第一及第二检测点的两束光束相对于所述第三平面具有近似相同的入射角。
45.如权利要求44所述的速度计，其特征在于，包含入射至所述第三检测点的两束光束的光轴的第四平面与所述第三平面的夹角、大约等于包含入射至所述第四检测点的两束光束的光轴的第五平面与所述第三平面的夹角，而且，分别入射至所述第三及第四检测点的两束光束相对于所述第三平面具有近似相同的入射角。
46.如权利要求38所述的速度计，其特征在于，所述x轴与所述y轴垂直。
47.如权利要求38所述的速度计，其特征在于，从所述第一、第二、第三、第四检测点的各检测点射入至所述受光元件的光的光轴大约存在于入射至各所述第一、第二、第三及第四检测点的两束光束所夹的角的2等分面内。
48.如权利要求38所述的速度计，其特征在于，在设定垂直于所述x和y轴的z轴时，入射至各所述第一、第二、第三及第四检测点的两束光束重叠区域在所述z轴方向的长度，比所述被测物体的表面所处的区域在所述z轴方向的长度要长。
49.如权利要求38所述的速度计，其特征在于，所述第一分光元件组包含第一及第二衍射光栅，具有配置成使该第二衍射光栅产生的-1级衍射光通过，并改变所述第二衍射光栅的-1级衍射光的相位的相位改变部。
50.如权利要求38所述的速度计，其特征在于，所述第一分光元件组包含第一及第二衍射光栅，具有配置成使该第一衍射光栅产生的+1级衍射光通过，并改变所述第一衍射光栅的+1级衍射光的相位的第一相位改变部、配置成使该第一衍射光栅产生的-1级衍射光通过，并改变所述第一衍射光栅的-1级衍射光的相位的第二相位改变部、以及配置成使所述第二衍射光栅产生的+1级衍射光通过，并改变所述第二衍射光栅产生的+1级衍射光的相位的第三相位改变部。
51.如权利要求49所述的速度计，其特征在于，所述第二分光元件组包含的多个元件在同一个第一基板上形成，所述相位改变部配置在所述第一基板上。
52.如权利要求50所述的速度计，其特征在于，所述第二分光元件组包含的多个元件在同一个第一基板上形成，所述相位改变部配置在所述第一基板上。
53.如权利要求51所述的速度计，其特征在于，具有配置在所述第一、第二、第三及第四检测点与所述受光元件之间的聚焦透镜，所述聚焦透镜在所述第一基板上形成。
54.如权利要求52所述的速度计，其特征在于，具有配置在所述第一、第二、第三及第四检测点与所述受光元件之间的聚焦透镜，所述聚焦透镜在所述第一基板上形成。
55.如权利要求53所述的速度计，其特征在于，具有配置在所述半导体发光元件与所述第一分光元件组之间，改变所述第一光束的光轴方向的第一光轴改变部、以及配置在所述半导体发光元件与所述第一分光元件组之间，改变所述第二光束的光轴方向的第二光轴改变部、所述第一分光元件组包含的多个元件形成在同一第二基板上。
56.如权利要求54所述的速度计，其特征在于，具有配置在所述半导体发光元件与所述第一分光元件组之间，改变所述第一光束的光轴方向的第一光轴改变部、以及配置在所述半导体发光元件与所述第一分光元件组之间，改变所述第二光束的光轴方向的第二光轴改变部、所述第一分光元件组包含的多个元件形成在同一第二基板上。
57.如权利要求55所述的速度计，其特征在于，所述第一基板与所述第二基板平行配置。
58.如权利要求56所述的速度计，其特征在于，所述第一基板与所述第二基板平行配置。
59.如权利要求55所述的速度计，其特征在于，同一个光学模块中包含所述第一基板及第二基板。
60.如权利要求56所述的速度计，其特征在于，同一个光学模块中包含所述第一基板及第二基板。
61.如权利要求38所述的速度计，其特征在于，具有配置在所述第一、第二、第三及第四检测点与所述受光元件之间的聚焦透镜，所述受光元件是接受至少来自所述第一、第二、第三及第四检测点的散射光的单片元件。
62.如权利要求55所述的速度计，其特征在于，所述半导体发光元件配置在所述第一光轴方向改变部与所述第二光轴方向改变部之间的大约中点处。
63.如权利要求56所述的速度计，其特征在于，所述半导体发光元件配置在所述第一光轴方向改变部与所述第二光轴方向改变部之间的大约中点处。
64.一种速度计，其特征在于，具有从前端面射出第一光束，同时从后端面射出第二光束的半导体发光元件、将所述第一光束分支的分光元件、将所述第一光束分支的所述多束光束中的至少1束光束照射于被测物体表面的第一检测点，同时将所述的第一光束分支的所述多束光束中的至少两束光束照射于所述被测物体表面的第二检测点的第一检测系统、将所述第二光束照射于所述第一检测点的第二检测系统、接受来自所述第一及第二检测点的散射光的受光元件、以及根据所述受光元件的输出计算所述散射光的频移量的信号处理电路部。
65.如权利要求64所述的速度计，其特征在于，所述第一检测系统包含改变利用所述分光元件分支的多束光束的光轴方向的第一光轴改变部，所述第二检测系统包含改变所述第二光束的光轴方向的第二光轴改变部。
66.如权利要求64所述的速度计，其特征在于，所述分光元件是第一衍射光栅。
67.如权利要求66所述的速度计，其特征在于，利用所述第一衍射光栅产生的±1级衍射光形成所述第二检测点。
68.如权利要求64所述的速度计，其特征在于，使入射至所述第一检测点的两束光束在所述被测物体的表面上重叠，同时使入射至所述第二检测点的两束光束在所述被测物体的表面上重叠。
69.如权利要求66所述的速度计，其特征在于，所述第一衍射光栅产生的0级衍射光的光强度与所述第二光束的光强度大约相等。
70.如权利要求66所述的速度计，其特征在于，所述半导体发光元件射出所述第一及第二光束的方向与包含所述被测物体表面的平面近似平行，利用所述第一光轴改变部改变所述第一衍射光栅产生的0级衍射光的光轴方向的改变角度与利用所述第二光轴改变部改变所述第二光束的光轴方向的改变角度大致相等，利用所述第一光轴改变部改变所述第一衍射光栅产生的+1级衍射光的光轴方向的改变角度与利用所述第一光轴改变部改变所述第一衍射光栅产生的-1级衍射光的光轴方向的改变角度大致相等。
71.如权利要求66所述的速度计，其特征在于，所述半导体发光元件射出所述第一及第二光束的方向与包含所述被测物体表面的平面大致平行，包含入射至所述第一检测点的两束光束的光轴的平面垂直于包含所述被测物体表面的平面，包含入射至所述第二检测点的两束光束的光轴的平面垂直于包含所述被测物体表面的平面。
72.如权利要求71所述的速度计，其特征在于，所述第一检测点位于包含入射至所述第二检测点的两束光束的光轴的平面内，所述第二检测点位于包含入射至所述第一检测点的两束光束的光轴的平面内。
73.如权利要求64所述的速度计，其特征在于，从所述第一检测点入射至所述受光元件的光的光轴存在于入射至所述第一检测点的两束光束所夹的角的2等分面内，从所述第二检测点入射至所述受光元件的光的光轴存在于入射至所述第二检测点的两束光束所夹的角的2等分面内。
74.如权利要求66所述的速度计，其特征在于，具有配置在从所述第一衍射光栅至所述第二检测点的光束的光路上，改变入射至所述第二检测点的光的相位的第一相位改变部、将从所述第二检测点射向所述受光元件的光束分支的第二衍射光栅、以及配置在利用所述第二衍射光栅分支的多束光束的光路上的第一线偏振器组，用所述受光元件接受通过所述第一线偏振器组的所述多束光束。
75.如权利要求64所述的速度计，其特征在于，具有配置在从所述半导体发光元件至所述第一检测点的光束的光路上，改变入射至所述第一检测点的光的相位的第二相位改变部、将从所述第一检测点向所述受光元件的光束分支的第三衍射光栅、以及配置在利用所述第三衍射光栅分支的多束光束的光路上的第二线偏振器组，用所述受光元件接受通过所述第二线偏振器组的所述多束光束。
76.如权利要求64所述的速度计，其特征在于，在垂直于所述被测物体的表面的轴记为z轴时，入射至所述第一检测点的多束光束重叠的区域在所述z轴方向的长度比所述被测物体的表面所处区域在所述z轴方向的长度要长，入射至所述第二检测点的多束光束重叠区域在所述z轴方向的长度比所述被测物体的表面所处区域在所述z轴方向的长度要长。
77.如权利要求66所述的速度计，其特征在于，所述半导体发光元件配置在改变所述第一衍射光栅产生的0级衍射光的光轴方向的所述第一光轴改变部与所述第二光轴改变部之间的大约中点处。
78.如权利要求1所述的速度计，其特征在于，具有配置在所述检测点与所述受光元件之间的聚焦透镜。
79.如权利要求2所述的速度计，其特征在于，对所述半导体发光元件的端面进行处理，使得入射至所述检测点的多束光束的光量大致相等。
80.如权利要求1所述的速度计，其特征在于，具有配置在所述半导体发光元件与所述光轴改变部之间，所述半导体发光元件射出的多束光束中的至少1束光束通过的光阑。
81.如权利要求1所述的速度计，其特征在于，具有配置在所述半导体发光元件与所述光轴改变部之间，所述半导体发光元件射出的多束光束中的至少1束光束通过的透镜组。
82.如权利要求1所述的速度计，其特征在于，所述半导体发光元件是激光二极管。
83.如权利要求1所述的速度计，其特征在于，所述半导体发光元件具有多个发光点。
84.如权利要求1所述的速度计，其特征在于，所述受光元件内装有信号处理电路。
85.一种位移计，其特征在于，具有权利要求1所述的速度计，根据关于所述被测物体的速度信息及时间信息，得到所述被测物体的位置信息。
86.一种振动计，其特征在于，具有权利要求1所述的速度计，根据关于所述被测物体的速度信息及时间信息，得到关于所述被测物体的振动的信息。
87.一种电子设备，其特征在于，具有权利要求1所述的速度计，权利要求85所述的位移计、以及权利要求86所述的振动计中的一个。
全文摘要
本发明涉及速度计、位移计、振动计及电子设备。从激光二极管(1)的前端面射出的第一光束(7)由反射镜(5a)反射后，入射至被测物体(13)的表面的检测点(14)，同时从激光二极管(1)的后端面射出的第二光束(8)由反射镜(5b)反射后，入射至检测点(14)。来自检测点(14)的散射光由光电二极管(2)接收。信号处理电路部(10)根据光电二极管(2)的输出S，计算该散射光的频移量。通过这样，提供能够高精度检测被测物体的移动速度的速度计。
文档编号G01S17/58GK1580783SQ20041005671
公开日2005年2月16日 申请日期2004年8月9日 优先权日2003年8月8日
发明者和田秀夫, 椙山尚和, 民长隆之 申请人:夏普株式会社