位移測量裝置和速度測量裝置的製作方法

2023-08-07 18:12:01 2

專利名稱：位移測量裝置和速度測量裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及分別執行位移量和速度的非接觸測量的位移測量裝置和速度測量裝置。
背景技術：
作為執行移動物體的位移量的非接觸檢測的方法，以下兩種方法是已知的。一種方法是將相干光照射到移動物體上來產生斑紋圖案，以基於根據移動物體的移動的斑紋圖案的移動來檢測移動物體的位移或速度的方法，所述斑紋圖案是由通過光的反射和發散 (divergence)而獲得的光束的複雜幹涉導致的。另一種方法是關於移動物體以彼此不同的入射角照射相干光束，以基於在反射和發散時接收的光學頻率都卜勒(Doppler)偏移之間的差值來獲得移動物體的速度的方法。但是，在上述方法中，存在用作相干光源的LD (雷射二極體)或VCSEL (垂直空腔表面發射雷射器)的低可靠性或由裝置的配置的複雜性導致的高成本等的問題。因此，日本專利公開No. 58-113762公開了使用非相干光源來檢測被成像物體的位移量和速度的方法。但是，在日本專利公開No. 58-113762中公開的速度測量裝置中，由於來自移動物體的表面的反射光不通過成像系統，因此，光接收部分上的光學圖案圖像不清楚。因此，由光接收部分的光電二極體陣列檢測的信號的振幅低，並且，作為信號完整性(integrity) 的SN比(信噪比)劣化。結果，光學圖案圖像的位移量的檢測精度降低，並且，速度的測量精度也降低。另一方面，如果為了使得光學圖案圖像清楚而將諸如透鏡之類的成像系統添加到測量裝置，那麼，由於部件的數量增加，因此成本增高或者妨礙裝置的小型化。

發明內容
希望提供高度精確的位移測量裝置和速度測量裝置。作為本發明的一個方面的位移測量裝置測量移動物體的位移量。所述位移測量裝置包括光源，被配置為使用從發光區域發射的光束來照射移動物體；光接收元件，包含沿移動物體的移動方向被布置的多個光接收區域，所述光接收元件被布置為使得從發光區域發射的並且從移動物體中的凹面被反射的光束在光接收元件的光接收表面上被成像；以及測量單元，被配置為基於在光接收元件上形成的發光區域圖像的移動量來測量移動物體的位移量。作為本發明的另一方面的速度測量裝置包括所述位移測量裝置，並且被配置為基於在預定時間中由位移測量裝置確定的移動物體的位移量來檢測移動物體的速度。參照附圖閱讀實施例的以下描述，本發明的其它特徵和方面將變得清晰。


圖1是實施例1中的位移測量裝置的示意性配置圖。圖2A 2D是實施例1中的位移測量裝置中的發光區域圖像的生成原理的說明圖。圖3A和圖;3B是示出實施例1中的移動物體的移動量和發光區域圖像的移動量之間的關係的示圖。圖4是示出在實施例1中的移動物體的表面上周期性地被布置的凹面的示圖。圖5是實施例2中的位移測量裝置的示意性配置圖。圖6是實施例3中的速度測量裝置的示意性配置圖。圖7是實施例3中的為數據提供時間延遲的過程的框圖。圖8是實施例3中的另一速度測量裝置400a的示意性配置圖。圖9是實施例3中的另一速度測量裝置400b的示意性配置圖。
具體實施例方式以下將參照附圖來描述本發明的示例性實施例。在各附圖中，相同的元件將由相同的附圖標記表示，並且，對它們的重複描述將被省略。〔實施例1〕首先，將描述本發明的實施例1的位移測量裝置。圖1是本實施例中的位移測量裝置的示意性配置圖。在圖1中，附圖標記100表示測量移動物體的位移量的位移測量裝置。附圖標記101表示設置在位移測量裝置100中的光源的發光區域101。通過使用從發光區域101發射的光束來照射移動物體。發光區域101表示由掩模形成的諸如開口之類的發光圖案，所述開口在裸露的晶片LED(發光二極體)的發光表面上的層疊電極中被形成。 發光區域101還包含諸如VCSEL的表面發光光源的發光表面或LD的約1 μ m 2 μ m的發光表面。附圖標記102表示移動物體。移動物體102是由位移測量裝置100執行的位移量的測量對象。移動物體102能夠沿Y方向移動，並且被來自光源的發光區域101的發散光照射。照射到移動物體102上的發散光被反射和會聚到移動物體102的凹面103上，以在光電二極體陣列104和105(光接收元件)上形成光源區域圖像106。如圖1所示，光接收元件包含沿移動物體102的移動方向(Y方向)布置的多個光接收區域(例如，多個光電二極體陣列104和105)，並且形成從移動物體102的凹形凹面103反射的光束的圖像以接收光束。位移測量裝置100包含測量單元(未示出)，所述測量單元基於通過將從凹面103反射的光束成像而在光接收元件上形成的發光區域圖像106的移動量來測量移動物體102的位移量。優選地，凹面103是凹形的，並且具有滿足下式(1)的焦距F，這裡，Ll是從光源的發光區域101上的發光點到凹面103的光路長度，L2是從凹面103到光電二極體陣列104 和105的光路長度。-1/L1-1/L2 = 1/F (1)光電二極體陣列104和105沿移動物體102的移動方向(Y方向)以寬度PdA和間距Pd(周期寬度)被交替地布置。光電二極體陣列104和105具有相同的配置，並且，沿移動物體102的移動方向以寬度Pd/2在空間上相互位移。通過關聯光電二極體陣列104 和105中的每一個的寬度，確定發光區域101的寬度ffe。以下將描述其細節。下面，將參照圖2A 2D來描述位移測量裝置100中的發光區域圖像106的生成
4原理。首先，將描述生成發光區域圖像106的位置。從包含圖2A所示的發光區域101的光源發射的發散光在圖2B所示的移動物體102的表面上的凹面103中的每一個上被反射和會聚。因此，如圖2D所示，以與移動物體102的表面上的凹面103中的每一個的位置對應的位置關係，在光電二極體陣列104和105的表面上形成光源的發光區域圖像106。下面，將描述移動物體102的凹面103的形狀和發光區域圖像106的形成的現象。 在普通物體的表面上，如圖2B所示，分布有具有各種形狀的凹面103。如作為圖2B的A-A 斷面圖的圖2C所示，凹面103中的每一個的寬度彼此不同。因此，存在具有各種形狀的凹面103。但是，當光接收部分表面(光電二極體陣列104和10 被布置在由移動物體102 的凹面103的形狀確定的最佳觀察位置處時，在一些情況下形成發光區域圖像106。這是凹面103具有滿足上式(1)的焦距F的情況。例如，在位移測量裝置100(光接收部分表面)和移動物體102之間的距離為約 1 3mm的區域中，凹面103的具有約100 μ m的直徑和小於或等於約2 μ m的深度的形狀有助於發光區域圖像106的形成。另外，在光接收部分表面和移動物體102之間的距離為約 4 6mm的區域中，凹面103的具有約200 μ m的直徑和約幾μ m的深度的形狀有助於發光區域圖像106的形成。因此，有助於圖像的形成的凹面103中的區域根據觀察位置而不同。 因此，當凹面103具有上述的彎曲複雜形狀時，即使光接收部分表面和移動物體102之間的距離在一定程度上發生改變，發光區域圖像106也被形成。下面將描述要形成的發光區域圖像106的尺寸。如上所述，當凹面103具有滿足式(1)的焦距F時，在光電二極體陣列104和105上形成發光區域圖像106。但是，凹面103 不具有理想的彎曲表面，並且，在許多情況下具有多個彎曲複雜形狀。在這種情況下，通過將在具有滿足式(1)的焦距F的凹面103上形成的發光區域圖像與通過多個彎曲複雜形狀被散焦的多個發光區域圖像重疊，形成發光區域圖像106。由於這種現象，在光電二極體陣列104和105上形成的發光區域圖像106的寬度是在其中理想地形成圖像的發光區域101 的寬度的約1.5 2倍。基本上，如果發光區域圖像106的寬度等於光電二極體陣列104和105中的每一個的寬度，那麼可執行具有高的光利用效率的檢測。但是，由於上面的現象，所形成的發光區域圖像106超過光電二極體陣列104和105中的每一個的寬度Pd/%並且，發光區域圖像106延伸到相鄰的光電二極體陣列104和105或者與其重疊。因此，根據下面描述的信號檢測的原理，所檢測的信號振幅減小，並且，速度檢測精度劣化。在實施例中，附圖標記 We被定義為光源的發光區域101的沿移動物體102的移動方向(Y方向)的寬度。當We/ Pd ( S卩，光源的發光區域寬度We與光電二極體陣列間距Pd之比)由於上面的現象而大於或等於0. 87時，光接收表面上的圖像的沿移動方向的尺寸大於或等於光電二極體陣列間距的寬度。結果，由於關於移動物體的位移的檢測信號振幅減小了 10%或更多，因此存在位移的確定精度劣化的問題。因此，優選地，We/Pd小於或等於0. 87。相反，如果光源的發光區域101太小，那麼發光區域圖像不重疊到相鄰的光電二極體陣列中。但是，當We/Pd的值小於0. 275時，會導致以下問題由於因發光區域的收縮導致的檢測的光強度的減小，所以檢測的信號振幅減小10%或更多，使得移動物體的位移量的確定精度劣化。因此，為了獲得位移檢測精度，優選的是滿足由下式( 表示的條件。0. 275 彡 We/Pd 彡 0. 87 (2)
下面將參照圖3A和圖;3B來描述發光區域圖像106的位移原理。圖3A和圖表示移動物體102的移動量和光電二極體陣列表面301上的發光區域圖像106的移動量之間的關係。圖3A是在時間Tl處移動物體102和發光區域圖像106之間的位置關係，圖是在時間T2處移動物體102和發光區域圖像106之間的位置關係。圖:3B中的塗黑箭頭表示在時間差T2-T1中移動物體102的移動量，圖:3B中的空心箭頭表示在時間差T2-T1中光電二極體陣列表面301上的發光區域圖像106的移動量。移動物體102的移動量(即，位移)和發光區域圖像106的移動量(S卩，位移)之間的關係表示如下。移動物體發光區域圖像=1 (L1+L2)/L1在本實施例中，從光源的發光區域101上的發光點到移動物體102的表面(凹面 103)的光路長度Ll和從移動物體102的表面到作為光接收元件的光電二極體陣列104的光路長度L2彼此相等。因此，移動物體102的移動量和發光區域圖像106的移動量之間的關係如下。移動物體發光區域圖像=1 2基於以上原理，在光電二極體陣列表面301上形成的發光區域圖像106根據移動物體102的移動而移動。下面將再參照圖1來詳細描述檢測移動物體102的位移量的方法。首先，將描述光電二極體陣列的配置和信號檢測方法。通過移動物體102的凹面103，在光電二極體陣列 104和105上形成發光區域圖像106。在光電二極體陣列104和105上產生的包含發光區域圖像106的二維光學圖案圖像被光電二極體陣列104和105進行光電轉換，以被轉換成表示一維光強度的電壓值。然後，獲得構成光電二極體陣列104的多個光電二極體的檢測電壓值的和，並且，與空間濾波器功能相結合而確定光電二極體陣列104的檢測電壓值VI。類似地，獲得構成光電二極體陣列105的多個光電二極體的檢測電壓值的和，並且，與空間濾波器功能相結合而確定光電二極體陣列105的檢測電壓值V2。然後，位移測量裝置100輸出這兩個光電二極體陣列104和105的檢測電壓值的差值Vl-V2(即，光電二極體陣列104 和105的輸出的差分(differential))作為預定時間處的電壓值。下面將描述基於由移動物體102的移動導致的光電二極體陣列104和105上的光學圖案圖像的移動來檢測移動物體102的位移量的方法。在實施例中，考慮以下情況在該情況中，位移測量裝置100的檢測電壓值Vl和V2分別等於Va和Vb，並且，檢測電壓值的差值V1-V2等於作為正電壓的Va-Vb (V1-V2 = Va-Vb > 0)。在這種情況下，當光學圖案圖像移動Pd/2時，強度分布的相位反轉180度，並且，檢測電壓值的符號反轉為負。換句話說， 檢測電壓值的差值V1-V2幾乎等於Vb-Va ( V1-V2 N Vb-Va0。因此，當光學圖案圖像在光電二極體陣列104和105上移動間距Pd(位移量)時，檢測到一周期波形。 換句話說，根據移動物體102的移動，由位移測量裝置100檢測的輸出電壓變化的周期的數量被計數，以能夠檢測光電二極體陣列104和105上的光學圖案圖像的移動量。因此，基於上述的移動物體102和發光區域圖像106之間的關係和檢測的光學圖案圖像的移動量，如參照圖3A和圖;3B描述的那樣，可以檢測移動物體102的位移量。
在本實施例中，為了增大檢測信號的振幅，採用差分檢測光電二極體陣列的配置， 但是，位移測量光電二極體陣列的配置不限於此。例如，使用光電二極體陣列，也可基於以下情況檢測位移量光學圖案圖像的一維強度分布在該陣列上位移。在實施例中，不一定使用差分光電二極體陣列105來執行差分放大。凹面103離散地或連續地被設置於移動物體102上，優選地，凹面103為包含滿足下式(3)的曲率半徑的形狀，這裡，R是凹面103的曲率半徑。R = (Ll+L2)/2 (3)包含於移動物體102中的凹面103不僅僅限於半球形，而是還可以採用(半)圓柱表面。此外，如圖4所示，可以特意在移動物體102上周期性地形成凹形形狀103a。在這種情況下，陣列周期Pl滿足下式，這裡，k是正整數。Pl = Pd/2Xk (4)因此，也可使用在光電二極體陣列104和105上形成的周期性發光區域圖像106a 來檢測移動物體102的位移量。〔實施例2〕下面將描述本發明的實施例2。圖5是本實施例中的位移測量裝置IOOa的示意性配置圖。本實施例的位移測量裝置IOOa與實施例1的位移測量裝置100的不同在於，以間距Pe在光源中布置多個發光區域401 (偶數個發光區域)。在本實施例中，將描述由設置多個發光區域401導致的發光區域圖像402的變化以及對於檢測信號的影響。例如，當光路長度Ll等於光路長度L2(L1 = L2)時，以與原發光區域401相同的倍率形成通過一個凹面103形成的發光區域圖像，並且，形成同樣具有間距Pe的多個發光區域圖像402。因此，可以設置多個光源，以能夠在隨機的光學圖案圖像中產生具有預定的間距的圖像。所形成的發光區域圖像402的間距Pe與光電二極體陣列104和105的間距 Pd對準，以能夠有效地獲得作為以該間距空間地被布置的光電二極體陣列104和105的空間濾波器的效果。換句話說，即使凹面103具有隨機周期，發光區域圖像402也具有發光區域的周期性，並且具有與圖像檢測的光電二極體陣列周期相同的周期，從而導致檢測信號振幅的增大和位移檢測的改善。根據光源或光電二極體陣列在Z軸方向上的安裝精度，多個發光區域圖像402的成像倍率可被改變，以使多個發光區域圖像402中的發光區域圖像的間距從預定間距Pe位移。在這種情況下，信號振幅衰減，並且，速度檢測精度的誤差增大。如果位移量大，那麼在一些情況下，光電二極體陣列104和105的檢測電壓值會彼此相等並且不能通過各光電二極體陣列的檢測電壓值的差分而獲得信號。因此，為了獲得有效的位移檢測信號，優選的是，發光區域圖像402的間距Pe和光電二極體陣列104和105的間距Pd滿足下式(5)。

1
1
2(N - 1)
Ll Pe χ — < ——<
L2 Pd
1 +
1
Ll
x — (5) L2
2(N - 1), 式中，N是大於或等於2的整數，並且表示發光區域的數量。本實施例描述具有兩個發光區域的實施例，但是不限於此，只要滿足上述式(5)即可。另外，為了獲得空間濾波器功能，發光區域只需要被布置為包含滿足式(5)的發光區域圖像402的間距Pe的整數倍的周期。由於檢測位移量的原理與實施例1的類似，因此，本實施例中的描述被省略。
在本實施例中，為了增大檢測信號的振幅，採用差分檢測光電二極體陣列的配置， 並且，與實施例1類似，位移測量光電二極體陣列的配置不限於此。例如，使用光電二極體陣列，也可基於光學圖案圖像的一維強度分布在該陣列上位移的情況檢測位移量。在實施例中，不一定使用差分光電二極體陣列105來執行差分放大。移動物體102的凹面103不僅僅限於半球形，而是也可以採用圖4所示的特意被周期性地形成並且作為(半)圓柱表面的凹面的形狀。〔實施例3〕下面將描述本發明的實施例3。在本實施例中，將描述使用實施例1的位移測量裝置100或實施例2的位移測量裝置IOOa來測量移動物體102的速度的方法。圖6是本實施例中的速度測量裝置400的示意性配置圖。速度測量裝置400被配置為基於移動物體 102在預定時間中的位移量或移動物體通過預定的距離所需的時間來檢測移動物體102的速度。速度測量裝置400包含多個發光區域501以及光電二極體陣列組502和503。光電二極體陣列組502包含用於執行差分檢測的光電二極體陣列504和光電二極體陣列505。 光電二極體陣列組503包含同樣用於執行差分檢測的光電二極體陣列506和光電二極體陣列507。光電二極體陣列組502和503被設置為使得它們的中心分開距離D。由在各光電二極體陣列組上產生的多個發光區域圖像402構成的二維光學圖案圖像被光電二極體陣列進行光電轉換，並且，一維光強度被轉換成電壓值。然後，作為構成光電二極體陣列504 的多個光電二極體的檢測電壓值的和，確定光電二極體陣列504的檢測電壓值VI。類似地， 作為構成光電二極體陣列505的多個光電二極體的檢測電壓值的和，確定光電二極體陣列 505的檢測電壓值V2。然後，光電二極體陣列組502輸出檢測電壓值的差值V1-V2作為在預定時間處的電壓值。類似地，光電二極體陣列組503輸出在預定時間處的電壓值。下面將描述檢測速度的方法。在實施例中，考慮移動物體102沿Y軸方向移動的情況。在這種情況下，首先，通過光電二極體陣列組502檢測根據光學圖案圖像的移動的位移信號。隨後，根據同一位置處的光學圖案圖像的移動的位移信號延遲一段時間，該段時間依賴於光電二極體陣列組502與503之間的沿Y軸方向的距離D和要被光電二極體陣列組 503檢測的移動物體102的速度。如果精確地獲得由各光電二極體陣列組檢測的相同信號的檢測時間差T，那麼，由於D是已知的(並且，速度當然是距離除以時間；D/T)，所以可以算出移動物體102的速度。下面將參照圖7來具體描述檢測速度的方法。圖7是為數據提供具有時間延遲的過程的框圖。由光電二極體陣列組502事先檢測的、根據移動物體102在預定時間中的移動的檢測輸出的變化數據(強度分布數據)被定義為Pl。類似地，有延遲地被光電二極體陣列組503檢測的、根據移動物體102在預定時間中的移動的檢測輸出的變化數據(強度分布數據)被定義為P2。由關於時間比較電壓值的比較器508比較變化數據Pl和P2。如果向變化數據Pl提供數據的最佳時間延遲量，那麼作為比較器508的比較結果，各光電二極體陣列組的變化數據Pl和P2關於時間相互一致。另一方面，如果變化數據 Pl和P2相互不一致，那麼速度檢測電路601向時間延遲電路602提供關於時間延遲量的校正值。然後，比較器508使用被提供了校正後的時間延遲量的變化數據Pl來再次執行比較。根據該循環(loop)，速度檢測電路601確定檢測時間差T。此外，基於光電二極體陣列組502和503之間的距離D，可通過使用下式(6)來獲得移動物體102的速度V。 D LlV = — · --(6)
T Ll + L2本實施例描述了通過使用實施例2中的位移測量裝置IOOa來配置速度測量裝置 400的例子。但是，本實施例不限於此，而是也可通過使用實施例1的位移測量裝置100來配置速度測量裝置400。關於光電二極體陣列的配置，如實施例1和實施例2所述，它不限於差分檢測光電二極體陣列的配置。圖8是本實施例中的另一速度測量裝置400a的示意性配置圖。如圖8所示，速度測量裝置400a被配置為使得光電二極體陣列組502和503被嵌套(nested)。光電二極體陣列組502和503之間的距離D被設為比各光電二極體陣列的長度短。圖9是本實施例中的另一速度測量裝置400b的示意性配置圖。如圖9所示，光電二極體陣列組502和503不被放置在同一基板上，並且，在實施例1和2中描述的兩個位移測量裝置也可被放置在彼此相距預定的距離D的位置處。在這種情況下，基於通過位移測量裝置中的光電二極體組的中心之間的距離D所需的時間T，由V = D/T獲得速度計算式。根據以上實施例中的每一個，使用通過移動物體的凹面在光接收元件表面上(在光電二極體上)形成的發光區域圖像，能夠獲得清楚的光學圖案圖像。因此，獲得具有良好的作為信號完整性的SN比的移動物體的位移檢測信號，並且，作為結果，可以提高位移量和速度的檢測精度。由於檢測系統不使用諸如透鏡的成像系統，因此，可以降低尺寸、重量和成本。因此，可以提供高精度的位移測量裝置。雖然已參照示例性實施例描述了本發明，但應理解，本發明不限於所公開的示例性實施例。所附權利要求的範圍應被賦予最寬的解釋以包含所有這樣的變更方式以及等同的結構和功能。
權利要求
1.一種用於測量移動物體(10 的位移量的位移測量裝置(100)，所述位移測量裝置包括光源，被配置為使用從發光區域(101)發射的光束來照射所述移動物體； 光接收元件，包含沿所述移動物體的移動方向被布置的多個光接收區域(104、105)， 所述光接收元件被布置為使得從所述發光區域(101)發射的並從所述移動物體中的凹面 (103)被反射的光束在所述光接收元件的光接收表面上被成像；以及測量單元，被配置為基於在所述光接收元件上形成的發光區域圖像(106)的移動量來測量所述移動物體的位移量。
2.根據權利要求1的位移測量裝置(100)，所述位移測量裝置(100)滿足以下條件 0. 275 彡 ffe/Pd 彡 0. 87，這裡，We是所述發光區域(101)在所述移動物體的移動方向上的寬度，Pd是彼此相鄰的光接收區域(104、10幻之間的在所述移動物體的移動方向上的間距。
3.根據權利要求1的位移測量裝置(100)，其中，所述光源包含在所述移動物體的移動方向上被布置的偶數個發光區域，以及其中，所述位移測量裝置滿足以下條件這裡，Ll是從所述光源的發光點到所述移動物體的多個凹面中的一個凹面的光路長度，L2是從所述移動物體的同一凹面到所述光接收元件的光路長度，Pe是彼此相鄰地被布置的發光區域G01)之間的在所述移動物體的移動方向上的間距，N是發光區域的數量並且是偶數。
4.根據權利要求1 3中的任一項的位移測量裝置(100)，其中，所述凹面被離散地或連續地設置在所述移動物體上，並且具有包含滿足以下條件的曲率半徑的形狀R = (Ll+L2)/2,這裡，R是所述多個凹面中的一個凹面的曲率半徑，Ll是從所述光源的發光點到所述移動物體的凹面的光路長度，L2是從所述移動物體的凹面到所述光接收元件的光路長度。
5.根據權利要求1 3中的任一項的位移測量裝置(100)，其中，所述凹面以周期性的陣列被布置，以滿足以下條件Pl = Pd/2Xk,這裡，Pl是所述凹面(103)的陣列周期，Pd是彼此相鄰地被布置的光接收區域(104、 105)之間的在移動物體的移動方向上的間距，k是正整數。
6.一種速度測量裝置，包括根據權利要求1 3中的任一項的位移測量裝置，其中，所述速度測量裝置被布置為基於在預定時間中由所述位移測量裝置確定的移動物體的位移量來檢測所述移動物體的速度。
全文摘要
本發明涉及位移測量裝置和速度測量裝置。用於測量移動物體(102)的位移量的位移測量裝置(100)包括使用從發光區域(101)發射的光束來照射移動物體(102)的光源；包含沿移動物體(102)的移動方向被布置的多個光接收區域並且形成在移動物體(102)的多個凹面(103)上被反射的光束的圖像以接收光的光電二極體陣列(104、105)；以及基於通過形成光束的圖像而在光電二極體陣列(104、105)上被形成的發光區域圖像(106)的移動量來測量移動物體(102)的位移量的測量單元。
文檔編號G01P3/68GK102192709SQ201110020010
公開日2011年9月21日 申請日期2011年1月18日 優先權日2010年1月22日
發明者福原隆 申請人:佳能株式會社