この発明は、直線変位，角度変位，振動等のような対象物の変位を測定する小型で低価格の光学変位センサに関する。

背景技術と発明が解決しようとする課題

対象物の動きを測定する小型で低価格なセンサを提供することが、かなり長い間求められてきた。

レーザスペックルパターンによる運動の検出：統計的特徴（シュネル他、15巻、1998年1月、J. Opt. Soc. Am）において、散乱する対象物の動きを測定するセンサが開示されている。 対象物はコヒーレント光で照明され、スペックルパターンが対象物の表面による光の相互作用によって形成される。 ２つの組み合った差動くし状光検出器アレイが、スペックルパターン強度の空間的周波数スペクトルに対する周期的フィルタとして働く。 検出器は、任意に低い速度で運動を測定できる変位に対するゼロオフセットの周期的出力信号を生成する。 運動の方向は、第２対の組み合ったくし状光検出器アレイによって生成される直角位相信号によって検出されることが可能である。

WO98／53271において、対象物の１つ以上の部分の角度変位を測定するセンサが開示されている。 その測定もまた、スペックルパターンに基づくものであり、対象物までの距離、縦および横の運動、対象物の形状および角度変位の半径に無関係である。

ティー． ウシザワ、ワイ． アイズおよびティー． アサクラ著「レンズ状回折格子を用いた速度の測定」Appl. Phs. B39、97−106（1986年）、およびワイ． アイズ著「空間フィルタ速度測定の原理と進歩」Appl. Phs. B43、209−224（1987年）は、光検出器へ粒子からの散乱光の屈折用の、いわゆるレンズ状回折格子の利用を開示している。 測定ボリュームを横切る粒子は、測定ボリュームに設置されたグランドガラスを照明するヘリウム−ネオンレーザ（５ｍＷ）からの発散光により照明される。 移動する粒子がレンズ状回折格子に結像されることが、開示された測定システムの基本特性である。 従って、レンズ状回折格子と移動粒子との間の距離は正確に制御されなければならない。 さらに、１組のレンズがレンズアレイの後に設置され、検出器上の光を十分に修正する。 これによって、小型の単一素子光学システムを実現する可能性が消滅する。

従って、さらに小型で安価な変位センサや、対象物までの距離の正確な制御を必要としないセンサに対する要求がある。

課題を解決するための手段と発明の効果

この発明によれば、上述のおよび他の目的は、空間的にコヒーレントな光で対象物の少なくとも一部を照明するためのコヒーレント光源と、空間における実質的に同じ第２領域において空間における異なる特定の第１領域を写像するための少なくとも３つの光学素子を有し、それによって、第１領域を移動する対象物から出射する光の位相変化によって生じる振動光学信号を生成する光学部材と、を備える、対象物の変位を検出するための光学変位センサーシステムにより達成される。

反復性光学構造、つまり、光学部材が、
１）フリンジパターン（レーザドプラー風力測定法に似た）を形成するための光源によって反復性光学構造を照明すること、および／又は、
２）光源によって対象物を照明し、照明された対象物からの光を光センサ上に反復性光学構造によって分散すること、
によって、照明された移動対象物によって出射される反復性光学信号を形成するために利用されることが、本願発明の基本的な観点である。

光源は対象物を照明し、それによってスペックルパターンが対象物上に形成される。 スペックルパターンは対象物の移動に伴って移動し、スペックルパターンの移動は対象物を反復性光学構造、つまり、光学部材上に結像させる必要なしに決定される。

スペックルパターンは光学部材上に像形成されないので、対象物と光学部材との間の距離および可能な距離の変化は、実質的にシステムの性能に影響しない。

レーザドプラー風力測定法の適用に非常に適した、この発明の実施態様においてコリメート光源は光学部材を照明するために備えられ、像形成システムは光学部材を測定ボリュームに像形成し測定ボリュームの中にフリンジパターンを形成するために備えられる。

この発明の他の実施態様において、対象物から出射する光は入力平面で受け取られる。 光学部材は、入力平面の異なる部分から出射する光を、光学部材の対応素子によって、実質的に同じ方向に導く。

この発明のさらに他の実施態様において、上述の実施態様が組合される。 つまり、光学部材はコヒーレント光を対象物へ伝搬するためと、対象物からの出射光を受取るための両方に利用される。

光源からの光ビームを光学部材の照明により複数の光ビームに分割することは、安全性を増す。 それは、人間の眼に不意に入る個々の光ビームのパワーが低下するからである。

さらに、信号／ノイズ比が増す。 それは、対象物へのフリンジ状パターンの投影が、光学部材用の最適値に対応するスペックルスペクトルを形成するからである。

個々の光学素子は、単独又は組合わさって入射する光の反射，屈折，散乱，回折等に作用することができる。 従って、個々の光学素子は、シリンドリカルレンズ，球面レンズ，フレネルレンズ，ボールレンズ，プリズム，プリズムスタブ，ミラー，液晶等のようなレンズであってもよい。

また、光学部材はホログラフ用に作られたレンズのような回折光学素子によって形成されてもよい。

さらに、光学部材は、フォトレジスト膜のようなフィルムの膜厚のサイン曲線変調を有する直線位相回折格子を備えることができる。

個々の光学素子の相互作用の後、光はその素子を介して伝達されてもよいし、又、例えば反射用の適当にコーティングされた素子から反射されてもよい。 このシステムもまた、入射光を反応電子信号に変換するための少なくとも１つの光検出器素子を有する検出器を備える。 その検出器は光学部材から出射する光の伝播路に配置される。

この発明は、光学部材がシリンドリカルレンズの直線アレイによって構成される反復性光学部材である実施態様を考えることによってもっとも容易に理解される。 レンズの焦点距離は正でも負でもよい。 便宜上、正のレンズのみが添付図に示される。 入力平面は、レンズのアレイの前に、レンズの焦点距離に等しい距離で、対象物から出射する入射光の伝播の方向に直角に設置される。

対象物はスペックルパターンを形成できるサイズの表面を有する。 対象物の表面粗さは、表面の偏差が入射光の種々の部分の位相を異なって変えるので、スペックルパターンを形成する。 好ましくは、表面の少なくとも一部がレーザによって照明され、入力平面に沿った電磁場の変化によって生じるスペックルパターンが、例えば強度測定によって入力平面で検出される。 以下において、そのような電磁強度変化は「スペックル変化」と呼ばれる。 対象物が変位すると、スペックル変化が表面速度又は回転速度に比例した速度で、入力平面に沿って移動する。 個々の光学素子は光を実施態様の光検出器の方へ導く。 入力平面におけるスペックル変化が個々の光学素子の幅に等しい距離だけ移動すると、個々の光学素子から出射した対応する光が光検出器の領域を横切って掃引する。 これは次の光学素子に対してくり返され、スペックル変化が直線アレイの長さに等しい距離を横切ったとき、光検出器は、直線アレイの個々の光学素子の数に等しい回数だけくり返して掃引されることが分かる。 個々の光学素子のサイズに実質的に等しいスペックルサイズを有する、入力平面における正規のスペックル変化パターンに対して、検出器素子における電磁場の強度が、スペックル変化の明るい領域が光学素子に整合するときの高い強度と、スペックル変化の暗い領域が光学素子に整合するときの低い強度との間で変化し、振動周波数はアレイピッチ、つまり個々の隣接する光学素子間の距離によって分割された直線アレイの縦長の方向におけるスペックル変化の変位速度に対応することが分かる。

この動作原理は、一般的にこの発明の他の実施態様に対して、使用される光学部材のタイプに関係なく、対象物の画像が入力平面に形成されるか否かに関係なく、適用される。 例えば、入力平面に実質的に配置され発散光ビームを出射する点光源が対象物を照明することができる。 発光は対象物により散乱するように反射され、入力平面に受取られる。 当該技術分野でよく知られていることであるが、入力平面におけるスペックル変化の変位は、対象物と入力平面との間の距離に関係なく対象物の表面における対応する変位の２倍である。

また、対象物はコリメート光ビームによって照明されることが可能で、その場合には、入力平面におけるスペックル変化の変位は、対象物と入力平面との間の距離と関係なく、対象物の表面における対応する変位に等しい。

この発明のさらに他の実施態様において、フーリエ変換レンズが対象物と入力平面との間に設置され、入力平面がフーリエ変換レンズのフーリエ平面に、つまり、そのレンズの後焦平面に配置され、それによって、対象物の回転変位は、対象物と入力平面との間の距離に関係なく測定され得る。 さらに、検出される周波数は、回転する対象物の曲率半径に無関係で、波長に無関係である。 その上、対象物の横方向の変位は、スペックルと無関係なもののみを生じさせ、スペックルの変位を生じさせない。

光学部材は、個々の光学素子のサイズに匹敵するサイズの移動スペックル変化が振動検出器信号に至るように、入力平面において電磁場の空間濾光を提供する。 移動速度は、例えばこの信号のゼロクロス検出によって測定され得る。

２次元のスペックル変位は、光学素子の２次元アレイを有するこの発明の実施態様により測定されてもよいことが分かる。

この発明の好ましい実施態様において、システムは、少なくとも１つの検出器素子に入力平面の一部を結像し、それによって、像形成システムと共同する個々の光学素子の各々が出力平面の同じ特定領域に入力平面の特定部分を結像し、隣接する各光学素子に対して同じ相対位置に配置された入力平面の点が、光検出器の同じ点に結像される。 さらに以下に説明するように、像形成システムのない場合には、各光学素子に対する同じ相対位置を有する入力平面の対応する点に対して検出器における結像点間に小さい距離が存在する。 しかしながら、システムの精度は十分であり、システムの実際のサイズに依存する。

光学部材と上記像形成システムとは、量産に適した小型のシステムを得るために、モールド樹脂部品のような単一の物理的要素に一体化される。

光学部材を有する変位センサは、入力平面における光学部材の方向のスペックル変化の動きの測定を助ける。 対象物と入力平面との間に配置された光学システムは、特定の対象物の移動から生じるスペックル変化をシステムの入力平面における直線スペックル移動に変換することによって測定される対象物の移動のタイプを決定する。 対象物の移動は、１次元又は２次元変位，１次元又は２次元速度，角度変位，角速度等のような平面内又は平面外回転および／又は変位であり得る。

減算や加算などのような、素子から得られる信号の処理と共に、検出器素子の数，サイズおよび位置は、出力信号の高調波の抑制を促す。 特に、スペックル変化の移動方向は、直角位相（又は直角位相に近い）信号が得られる場合に、調べられ得る。

この発明の重要な利点は、変位センサのみが１，２，４，６又は７素子のように、少ない光検出器素子を備えることである。

速度信号のドロップアウトの発生は、他の組の検出器素子からの信号が無い間に、他の信号と統計的に無関係な信号が１組の検出器素子から利用可能なように、存在する組の検出器素子に対して変位する第２組の光検出器素子を提供することによって減じられる。 従って、例えば、速度信号を生成する一組の検出器素子へ切換えるような、２つの信号の適当な処理によって、信号のドロップアウトの発生は最小化される。

この発明による変位センサの好ましい実施態様を概略的に示す。

図１の変位センサの動作原理を示す。

この発明による変位センサの他の好ましい実施態様を概略的に示す。

図３の変位センサの動作原理を示す。

図１の変位センサにおける電磁波伝播を概略的に示す。

フレネルレンズアレイ付き変位センサを概略的に示す。

フィルム厚さにおけるサイン曲線変調を有する直線位相回折格子付き変位センサを概略的に示す。

プリズムアレイ付き変位センサを概略的に示す。

図８の変位センサの動作原理を示す。

プリズムスタブのアレイ付き変位センサを概略的に示す。

図１０の変位センサの動作原理を示す。

レーザドプラー風力計のような実施態様の処理を示す。

レーザドプラー風力計のような他の実施態様の処理を示す。

粒子速度が測定される、粒子速度測定に適した実施態様を示す。

図１２又は１３に示す実施態様からの検出器素子信号の図である。

図１４に示す信号に対する位相遅れを有する変位光検出器素子からの信号の図である。

図１４と１５に示す信号間の差の図である。

この発明の実施態様の入力平面の定義を示す。

この発明の他の実施態様の入力平面の定義を示す。

この発明のさらに他の実施態様の入力平面の定義を示す。

この発明による変位センサの光学要素の組合せを示す。

この発明による変位センサの光学要素の他の組合せを示す。

この発明によるプリズムアレイ付き変位センサの光学要素の組合せを示す。

プリズムと組合せられた光学要素付きのこの発明による変位センサを概略的に示す。

プリズムと組合せられた光学要素付きのこの発明による他の変位センサを概略的に示す。

プリズムスタブの２次元アレイを概略的に示す。

プリズムスタブによって屈折された波の、検出器平面への電磁波伝播を示す。

この発明による直線変位センサシステムの動作を概略的に示す。

この発明による他の直線変位センサシステムの動作を概略的に示す。

この発明による回転変位測定用変位センサシステムの動作を概略的に示す。

直線変位測定用のこの発明の反射形態を概略的に示す。

回転変位測定用のこの発明の反射形態を概略的に示す。

２次元回転変位測定用のこの発明の反射形態を概略的に示す。

２次元直線変位測定用のこの発明の反射形態を概略的に示す。

３つのレンズアレイを有する実施態様を概略的に示す。

４つのレンズアレイを有する実施態様を概略的に示す。

単一の検出器の形態を概略的に示す。

図３７に示す検出器によって与えられる信号の図である。

図３８に示す信号のパワースペクトル図である。

他の検出器の形態を概略的に示す。

図４０に示す検出器によって与えられる信号の図である。

図４１に示す信号のパワースペクトルの図である。

さらに他の検出器の形態を概略的に示す。

図４３に示す検出器の形態によって与えられる信号の図である。

図４４に示す信号の位相図である。

さらに他の検出器の形態を概略的に示す。

図４６に示す検出器によって与えられる信号の図である。

図４７に示す信号の位相図を示す。

この発明の小型化した実施態様を概略的示す。

この発明の他の小型化した実施態様を概略的示す。

共通の伝播および受光光学構成を有する実施態様を概略的に示す。

図５１に示す実施態様の動作原理を概略的に示す。

図５１に示す実施態様によって照明される対象物の表面における強度分布を示す。

図５１に示す実施態様によるヒトの眼の（故意でない）照明を示す。

図１は、シリンドリカルレンズ１８の直線アレイ１２を備えるこの発明の変位センサを概略的に示す。 ｆ ₁はシリンドリカルレンズ１８の焦点距離である。 入力平面１４は、レンズ１８の焦点距離ｆ ₁に等しい距離に、対象物（図示しない）から出た入射光の伝播方向に直交して設置される。 この実施態様１０では、対象物（図示しない）の表面の一部が入力平面１４の方へ光を散乱させる。 好ましくは、レーザがその表面のその部分を照明し、スペックル変化が入力平面で生成される。 対象物が変位すると、スペックル変化が入力平面１４に沿って対応して動く。 個々のシリンドリカルレンズ１８は光１６，２０を、焦点距離ｆ ₂を有し直線アレイ１２からｆ ₁ ＋ｆ ₂に等しい距離に設置された屈折レンズ２２
へ導く。 レンズ２２は光２０を屈折させて波２４とし、波２４はレンズ２２の焦平面に設置された光検出器素子２６，２８および３０へ伝播する。 このようにして、入力平面１４は出力平面１５上にくり返し結像される。 検出器素子２６，２８および３０は、各受光面が出力平面１５に一致するように設置されている。 入力平面の領域３２が検出器素子２８の領域３４に結像され、隣接する各シリンドリカルレンズ１８に関して同じ相対位置に位置する対応領域３６が検出器素子２６，２８，３０によって構成される光学検出器の同じ領域３４に結像されることが示されている。

なお、直線アレイ１２とレンズ２２との間の距離は、この例では変位センサ１０の動作説明を簡単にするために、ｆ ₁ ＋ｆ ₂に等しくなるように選ばれる。 しかしながら、変位センサ１０は、直線アレイ１２とレンズ２２との間がどのような距離であっても作動する。 コンパクト化のためには、その距離は零に設定されることが好ましい。

なお、図２８に示されるような像形成システムでは、対象物の回転変位は、入力平面におけるスペックル変化の変換に至らない。 しかしながら、対象物の回転変位は、通常、スペックルボイリング（speckle boiling）に至る。

図１の変位センサの動作原理は、さらに図２に示される。 入力平面１４におけるスペックル変化１６が幅Λ ₀ 、つまり、各光学素子１８のピッチ４に等しい距離３８だけ動いたとき、レンズ２２と各シリンドリカルレンズ１８との組合せによって形成される対応画像は光検出素子２６，２８および３０の領域４０を掃引する。 これは他の光学素子１８に対してくり返され、スペックル変化が直線アレイ１２の長さに等しい距離だけ横切ったとき、光検出器２６，２８，３０は直線アレイ１２の個々の光学素子１８の数に等しい回数だけくり返し掃引されることがわかる。 個々の光学素子１８のサイズ３８に匹敵する平均スペックルサイズを有する、入力平面における正規のスペックル変化パターンに対して、検出素子２６，２８，３０における電磁界強度が、スペックル変化の明るい領域が検出素子２６，２８，３０に整合するときの高強度と、スペックル変化の暗い領域が受光素子２６，２８，３０に整合するときの低強度との間で変化することや、振動の周波数が、アレイのピッチ、つまり、個々に隣接する光学素子間の距離で分割された直線アレイ１２の縦方向の伸びの方向ΔＸにおけるスペックル変化の変位速度に対応することが分かる。

前述のように、同じ動作原理がこの発明の他の実施態様に一般的に適用されるが、それは用いられる光学部材のタイプや、対象物の画像が入力平面に形成されるか否かに関係しない。

図１と２を再び参照すると、そこではΛ ₀は光学部材１２のピッチ３８を示し、ｆ ₁は光学部材１２の個々の光学素子１８の焦点距離であり、ｆ ₂はレンズ２２の焦点距離であり、検出器平面２６と３０における距離Ｄ ₀は、入力平面を横切るスペックルによってくり返し掃引されて Ｄ ₀ ＝Λ ₀ （ｆ ₁ ／ｆ ₂ ）
で与えられる。

検出される電気信号において、Ｄ ₀は、信号の周期、つまり３６０°位相シフトに対応する。 この式は、光学部材１２とレンズ２２との間のどのような距離に対しても成立する。

システムの開口Ｄに対して、例えば図１において、Ｄはレンズ２２の直径に等しく、次の式が好適に満たされる。
Ｄ／ｆ ₂ ≧Λ ₀ ／ｆ ₁

さらに、個々の光学素子の効果はレンズ効果によって支配され、回折によらない、つまり ｆ ₁ ／（ｋΛ ₀ ² ）≪１

ここで、ｋは光学波数である。 図３はレンズ２２を備えない、つまり入力平面１４を出力平面１５に結像する撮像システムを備えない、この発明による他の変位センサ１１を概略的に示す。 この実施態様では、検出器素子２６，２８，３０の受入れ領域は出力平面１５を規定する。 図４にさらに明瞭に示すように、像形成システムがない場合、各光学素子１８に関して同じ相対位置を有する入力平面１４における点３２に対応する検出器２６，２８，３０における結像点３４間に僅かの距離が存在する。 しかしながら、システム１１の精度は今まで通り十分なものであり、システム１１の実際のサイズに依存する。

図５において、図１に示す変位センサの画像形成がさらに示され、光検出器素子２８と入射光２４との間の交差位置が、入力平面１４に入射する電磁波１６の範囲に無関係であることが分かる。 それは、入力平面１４と、隣接する光学素子１８に対する入力波１６との間の相対交差位置３２にのみ依存する。

図６は図１に示すセンサに類似した変位センサを示し、ここでは、シリンドリカルレンズの直線アレイがフレネルレンズアレイ４２と置換されている。 シリンドリカルレンズの直線アレイはまた、回折光学素子４２によって置換されてもよい。

また、図７は図１に示すセンサに似た変位センサを示し、ここでは、シリンドリカルレンズの直線アレイがサイン曲線変調のフィルム厚さを有するフォトレジストフィルムのような直線位相回折格子に置換されている。 位相回折格子は交差する２本のレーザビームによって作られる干渉パターンで（厚手の）フォトレジスト板を露光することにより作成される。 入射光は主にプラスファースト（plus first）とマイナスフィスト（minus fist）の順序で回折される。 また、非回折光は位相回折格子を直接通過する。

図８において、図３に示す変位センサの異なる実施態様が示され、ここではシリンドリカルレンズの直線アレイがプリズムの直線アレイによって置換されている。 各プリズムの２つの側面が入射光を２つの各検出器素子２６，３０の方へ屈折させる。

図８の変位センサの動作原理が図９にさらに明瞭に示され、図９はスペックル変化が直線プリズムアレイ４４をその長手方向に沿って横切るときに、スペックル変化が２つの各検出器素子２６，３０の方へ交互に導かれることを示している。

図１０において、変位センサの類似の実施態様が示され、ここでは、シリンドリカルレンズの直線アレイがプリズムスタブの直線アレイ４５によって置換されている。 前述のように、各プリズムの２つの側面は入射光を２つの各検出器素子２６，３０の方へ屈折させ、上面は入射光を第３の検出器素子２８へ伝播又は屈折させる。

図１０の変位センサの動作原理が図１１にさらに明瞭に示され、図１１はスペックル変化が直線プリズムスタブアレイ４４をその長手方向に沿って横切る時、スペックル変化が３つの各検出器素子２６，２８，３０の方へ交互に導かれることを示している。

なお、プリズムによって屈折した波の伝播方向は、入射光の伝播方向の傾きに依存する。 検出器信号間の位相差は固定される。 この発明のこれらの実施態様の重要な利点は、位相差が、光学部材の幾何学的配列によって測定され、検出器素子の位置に無関係であることである。 プリズムの利用が小さい検出器の利用を助けることが、他の利点である。

図１２はレーザドプラー風力計のように作動するこの発明の実施態様８０を示す。 点光源レーザ８４から出射した光８２はレンズ８６によりコリメート光に変換され、コリメート光はシリンドリカルレンズのアレイ１２を照明する。 レンズ８８と９０は、測定ボリューム（measuring volume）９２の中にシリンドリカルレンズ１２の焦点スポットを結像する望遠鏡を形成し、それによって、一組の直線および等距離フリンジ平面９４が測定ボリューム９２の中に形成される。 フリンジ９４によって示される第１領域は、レーザ光源８４において同じ第２領域９６に写像されることが分かる。

図１３は図１２に示す実施態様８０に類似したこの発明の他の実施態様１００を示すが、この実施例では、球面レンズのアレイ１２が図１２のシリンドリカルレンズアレイと置換されている。 これは、等距離で直線状のシリンドリカル焦点線９４に導かれる。

測定ボリュームの中に形成されたフリンジを通過する粒子又は固体表面は光を散乱する。 任意の位置における検出器の位置は変調信号を生成するが、変調信号の周波数はフリンジの距離で分割されたフリンジに直交する速度成分によって与えられる。

図１４は、粒子速度１０６を測定するための図１に示す実施態様１０２を示す。 レーザビーム１０４は測定ボリューム１０８に集光され、レンズｆ ₁を有するシステムの入力平面１５に結像される。 粒子１１０が測定ボリューム１０８を横切る時、その画像１１２はシリンドリカルレンズのアレイ１２を横切り、そして、検出器２６，２８，３０の各々は、レーザドプラー風力計におけるフリンジによって形成される信号に類似した振動光学信号を受けとる。 従って、各検出器素子２６，２８，３０は、あたかも粒子１１０が、下記に示す仮想フリンジにおける一組のフリンジを横切るかのように、粒子１１０からの光を受ける。 図１５は振動光学信号に応じて生成された検出器素子の１つからの出力信号１１４の図である。 隣接する検出器素子からの対応信号１１６は図１６に示される。 この信号１１６は、検出器素子の物理的変位のために、図１５に示される信号１１４に対して位相がシフトしている。

２つの信号の低周波ペデスタル（pedestals）はほぼ同じであるので、２つの信号１１
４，１１６間の差は、図１７に示すようなＡＣ信号１１８である。 ２つの検出素子２６，２８間、２８，３０間の位相のずれはほぼ９０°に等しくて粒子速度を導き出すことができ、それによって高価なブラッグセル（Bragg-cell）の必要がなくなることは好ましいことである。 レーザビームの入射角は重要ではない。 前方散乱システムは最も大きい信号を与えるが、後方散乱システムが場合によっては好ましいことがある。

この発明のこの実施態様１０２において、測定ボリウム１０８の第１領域は、仮想フリンジに対応して、検出器素子の同じ第２領域に描かれることが分かる。

図１８はこのシステムの入力平面１４の定義を示す。 図１に示す実施態様１０において、出力平面１５は、検出器素子２６，２８，３０の表面によって形成され、レンズアレイ１２とレンズ２２の組合せによって入力平面１４に結像される。 従って、出力平面１５から出射される光１２０は光学部材１２の素子１８により入力平面１４に集光される。

図１９は、図１３に示す実施態様１１用の入力平面１４の定義を示す。 この実施態様１１においては像形成システムはないが、出力平面１５から出射される光１２０は、光学部材の素子１８により入力平面１４に集光される。

図２０は図８に示す実施態様の入力平面の定義を示す。 この実施態様においても、像形成システムはないが、出力平面１５から出射された光１２０は光学部材４４の素子によって入力平面１４に集光される。

図２１〜２３は前に示す変位センサの光学要素の種々の組合せ方法を示し、量産に適したコンパクトなシステムを提供する。

図２４と２５において、光学要素がプリズムと組合され、システムの直線的な延長を制限している。 図２５において、図１３に示すレンズ２２が凹面鏡２３によって置換されている。

図２６は、２次元におけるスペックルの変位を決定するためのプリズムスタブの２次元アレイ４６の形をした反復性の光学部材を示す。 図２７は、プリズムスタブにより屈折した波５０の電磁波伝播を示す。 頂上が平坦なプリズムが入射光ビームを５つの方向に５つの異なる各検出器素子へ屈折することが分かる。 検出器素子の出力信号間の位相差は、頂上が平坦なプリズムアレイにのみ依存する。 それは検出器素子に依存しない。 プレイズムアレイ４４，４６，４８は小さい検出器素子の使用を助ける。

図２８は、図１に示す変位センサ１０の入力平面１４に移動する対象物５８の一部を結像させる像形成システム５４を備えた、この発明による変位センサシステム５２を概略的に示す。 対象物５８は平行レーザビーム３０によって照明され、入力平面１４と、入力平面１４において測定される図２８の平面との交差に沿った速度成分が、表面５６の対応する速度の像形成システム５４の倍率倍となる。

図２９は、変位センサシステム６２を概略的に示し、システム６２は像形成システム５４を備えない点と、対象物５８が入力平面１４に設置された点光源、例えば、ＶＣＳＥＬから出射された発散レーザビーム６４によって照明される点で、図２８に示す変位センサシステムと異なる。 当該技術分野でよく知られたことであるが、入力平面におけるスペックル変化の変位は、対象物と入力平面間の距離に関係なく対象物の表面における対応する変位の２倍である。 従って、入力平面１４と入力平面１４で決定される図２９の平面との交差に沿った速度成分は、表面５６の対応する速度成分の２倍である。

図３０はこの発明によるさらに他の変位センサシステム６６を概略的に示し、システム６６は、フーリエ平面、つまりレンズ７０の後焦平面が図１に示す変位センサ１０の入力平面１４に一致するように配置されたフーリエ変換レンズ７０を備える。 対象物６８はコリメートレーザビーム６０で照明され、入力平面１４と図１８の平面との交差に沿った、入力平面におけるスペックルの速度成分が対象物６８の角速度に対応する。

なお、対象物６８の移行変位は、入力平面におけるスペックル変化の移行に至らない。 しかしながら、対象物６８の移行変位は通常、スペックルボイリングに至る。

図３１は、屈折部材１２を有する直線変位決定用変位センサシステム７５を概略的に示し、屈折部材１２は、例えば図１に示すシリンドリカルレンズの光学機能に似た光学機能を有するシリンドリカル凹面鏡１８の直線アレイを備える。 変位センサは、図３１に示す光学部材１２が光を反射し、図３に示す対応光学部材１２が光を屈折させるということを除けば、図３に示すセンサの動作に類似した動作を行う。

図３２は、シリンドリカル凹面鏡１８の直線アレイからなる反射部材１２を有する回転変位決定用の、この発明の他の反射形態７６を概略的に示す。 示されるシステムは、図３０に示すシステムと類似した動作を行うが、システム７６においては、図３０に示すシステムのレンズ２２と７０の機能が結合して１つのレンズ２２になっていることに留意すべきである。

図３３は、２次元の回転を決定するための変位センサシステム７７を概略的に示す。 システム７７は図３２に示す一次元システム７６に似ているが、シリンドリカル凹面鏡の直線アレイが球面凹面鏡１８の２次元アレイによって置換され、２つの光検出器素子２７，２９が追加され、光検出器素子２６，２８，３０の組合せによって検出される移動方向にほぼ直交する方向におけるスペックルの動きの検出を、検出器素子２８と共同して助ける。

同様に、図３４は２次元における変位を決定するための変位センサシステム７８を概略的に示す。 システム７８は図３１に示す１次元システム７５に似ているが、シリンドリカル凹面鏡の直線アレイが球面凹面鏡１８の２次元アレイ１２によって置換され、２つの光検出器素子２７，２９が追加され、光検出器２６，２８，３０の組合せによって検出される動きの方向にほぼ直交する方向におけるスペックルの動きを、検出器素子２８と共同して助ける。

図３５は、２次元の変位と平面における回転を同時に測定するための変位センサシステム１３０の前面図である。 システム１３０はコリメートレンズ１３４の後に設置されたＶＣＳＥＬ１３２を備え、対象物が平行光ビームによって照明される。 ３つの両凸シリンドリカルレンズアレイ１３６，１３８，１４０は約１２０°の相互角度分離によって同一平面上に配置され、各矢印１４２，１４４，１４６によって示す速度成分を決定する。 検出器１４８，１５０，１５２は、各両凸レンズアレイの後に配置され、受取った光を電気信号に変換する。 速度成分ＶxとＶyは共通座標系１５４によって規定される。 ＶxとＶyおよび回転速度Ｖφは式１５６により算出される。

図３６は、２次元の変位および平面回転を同時に決定するための変位センサシステム１６０の前面図である。 システム１６０は、コリメートレンズ１６４の後に配置されたＶＣＳＥＬ１６２を備え、対象物が平行光ビームによって照明される。 ４つの両凸レンズのシリンドリカルレンズアレイ１６６，１６８，１７０，１７２が、約９０°の相互角度分離により同一平面に配置され、各矢印１７４，１７６，１７８，１８０によって示す速度成分を決定する。 検出器１８２，１８４，１８６，１８８は各両凸レンズアレイの後に配置され、受入れた光を電気信号に変換する。 速度成分ＶxおよびＶyと回転速度Ｖφは式１９０により算出される。

図３７は、この発明の実施態様の基本的な検出器素子の形態８０を示す。 図３８は検出器信号８２を表したものであり、図３９は検出信号のパワースペクトル８４を表したものである。 スペクトル８４の低周波数部分８６と第２高調波８８とがきわめて重要であることに留意すべきである。 低周波ノイズは、ゼロクロス検出に基づく速度決定において重大な誤りを導く概略の平均値の変化に至る。 検出器の幅は、基本周波数の第３高調波の最適な抑制のために選択される。 検出器素子は方形の形状を有すると仮定されるので、検出器関数のパワースペクトルは、サイン関数である。 検出器出力信号のすべての第３高調波を除去するために、各検出器素子の幅は、入力平面を横切るスペックルによってくり返し掃引される幅に等しくなるように選択された検出器アレイの全幅の３分の１にほぼ等しくなるように選択される。 図４０において、２つの釣り合った検出器素子９２，９４が示されている。 それらの素子間の距離は１８０°の位相ずれに対応する。 検出器素子からの出力信号は、信号の低周波数部分と基本周波数の偶数高調波周波数を抑制するために減算される。 差の信号９６は図４１に示され、パワースペクトル９８は図４２に示される。 低周波数部分８６と第２高調波８８の抑制は図３９に比較して明瞭に示されている。

概略直角位相検出器の形態１００が図４３に示され、そこでは同じサイズの６つの検出器が２つの減算信号１０２，１０４を形成する。 ２つの減算信号１０２，１０４は位相で６０度ずれているので、例えばスペックル移動の方向やサブラジアンの位相の分解能を決定するのに適している。 この形態１００においては、正確な直角位相は、検出器幅１０６を変えずに達成され得ないので、第３高調波の抑制を減ずる。 減算された概略直角位相信号１０８，１１０は図４４に表され、図４５は信号１０８，１１０の位相図１１２である。 位相図１１２は楕円形を有し、スペックル移動の方向や最終的なサブラジアン測定の精度の決定を助ける。 しかしながら、位相図が楕円形であることにより、この形態はノイズに敏感である。

図４６に示す検出器の形態１１４は、ほぼ正確な直角位相検出器の構成を提供する。 ３つの異なるサイズの７つの検出器は２つの減算信号１１６，１１８を形成する。 ２つの信号１１６，１１８は位相が９０度ずれているので、対象物の速度の方向やサブラジアン位相の解像度の決定を助ける。 図４７は減算された直角位相信号１２０，１２２の図であり、図４８は対応する位相図１２４である。 位相図１２４は対象物の速度の方向やサブラジアン測定精度の決定を助ける円である。 位相図の円形の線は、この形態をノイズに対する感受性を低減させる。

図４９と５０は、この発明の好ましい小型化された実施態様を示す。 入力平面と目標表面との間の作業距離は４０ｍｍである。 シリンドリカルレンズアレイのピッチは３０μｍで焦点距離は３.７μｍである。 検出器素子２６，２８間の距離は１.６ｍｍで、レンズ２２と検出器素子２６，２８との間の距離は３.２ｍｍである。

下記において、図５１〜５４を参照してこの発明の実施態様２００が開示され、そこでは、光学部材１２がシリンダーレンズアレイ１２であり、対象物２０４へのコヒーレント光の伝送と対象物２０４から出射する光の受入れとの両方に利用される。 この実施例において、ＶＣＳＥＬ２０２から出射された光ビームはレンズ２２によってコリメートされ、対象物２０４を照明するためにシリンダーレンズアレイ１２によって複数のビームに分割される。 これによって２つの大きい利点が導かれる。 １）スペックルによって生じた信号は複数のビームによって変調され、それによってスペックルスペクトルが、システムを最適化する周波数範囲に集中される。 ２）システムの安全分類が個々のビームの各々におけるパワーに基づく。

多くの用途において、出射される発光は、問題を提起するかも知れない。 というのは、波長が近赤外線領域（約８５０ｎｍ）であり、安全性の規則が非常に厳しいからである。 これは、眼は網膜上に光を集めることができるが、眼の感受性はこの波長領域ではきわめて低いという事実によるものである。 これは、損傷を与える放射が知覚システムからの適当な警告、例えば視覚的衝撃なしに生じることを意味する。 従って、この論点はレーザをベースとするシステムの使用者に対して、特に消費者の生産品において、非常に重要である。

レーザ安全基準、「レーザ製品の安全性（パート１、１ＥＣ６０８２５−１、Ｅｄ.１.１，１９９８−０１）」は網膜損傷に対する可視および近赤外領域のための主な安全障害について記述している。 最大許可放射レベル（ＡＥＬ）は、レーザ製品の特定なクラスに対して割り当てられる。 レーザ製品の最も低いクラスは、クラス１である。 消費者市場用のレーザ基本製品はクラス１以内にあることが望ましい。

１ｍｍの直径を有する８５０ｎｍのコリメート光ビームに対して、ＡＥＬは、網膜損傷が見られたことのない０.２４ｍＷとしている。 しかしながら、多くの用途に対して、これは受入れ可能な信号を生成するためには不十分である。

しかしながら、上述の実施態様に関して、ＶＣＳＥＬ２０２は０.４ｍｍの直径を有する８５０ｎｍの光ビームを出射する。 眼の直径が約５０ｍｍであるとすると、網膜における回折制限スポットは約０.１２ｍｍである。 コリメート光ビームが図５４に示すように約３°の角度分離で出射されると、分離スポットが約２.５ｍｍの相互距離を有して網膜上に形成される。 重なり合うスポットは実質的にないので、ＡＥＬの最大の要求は個々のスポットの各々に対して満たされるべきである。 しかしながら、ＶＣＳＥＬによって出射される。 全パワーは、ＡＥＬ値の数倍になるかも知れない。

複数のビームで対象物を照明することによって、スペックルは、レンズアレイの周期的な構造に適合する周期的構造で変調される。 これによって、結果として期待された強い信号を有するモアレ状効果が生じる。 この実施態様は図５１に概略的に示される。 照明された対象物における強度分布は図５３に示され、次のパラメータを有する。
Ａｓはレンズアレイ位置における開口径、
Ｗｄは対象物までの距離、
λは出射光の波長、
Λ ₀はアレイにおける個々のレンズ幅、つまりアレイのピッチ、
ｆ _cはレンズアレイの焦点距離である。
Ａｓ＝１ｍｍ、Ｗｄ＝３ｍｍ、λ＝１μｍ、Λ ₀ ＝１５μｍ、ｆ _c ＝３０μｍである実施態様に対して、水平スポット分離は２００μｍ、スポット高さは１.５ｍｍである。 レンズアレイにおけるスペックルスペクトルは、波長と、対象物から図５３の表現によって与えられるスポット分離によって分割されるレンズアレイまでの距離によって与えられるスペクトル位置においてピークを表す。

２次元移動を決定するために、２つの直角に重なるレンズアレイが光路中に与えられてもよい。

１０ 変位センサ １２ 直線アレイ １４ 入力平面 １６ 光 １８ シリンドリカルレンズ ２０ 光 ２２ 屈折レンズ ２４ 波 ２６ 光検出素子 ２８ 光検出素子 ３０ 光検出素子 ３８ 距離 ４０ 領域