JP2009198241A

JP2009198241A - 計測器

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Publication number: JP2009198241A
Application number: JP2008038641A
Authority: JP
Inventors: Tatsuya Ueno; 達也上野
Original assignee: Azbil Corp
Current assignee: Azbil Corp
Priority date: 2008-02-20
Filing date: 2008-02-20
Publication date: 2009-09-03

Abstract

【課題】測定対象との距離の２次元分布、測定対象の傾斜角、測定対象の傾斜方向を求める。
【解決手段】計測器は、光ファイバ１と、光ファイバ１の入射軸に対して傾いた方向から走査用光を光ファイバの入射側端面に入射させる走査用レーザ３と、光ファイバ１からの光照射によって測定対象１０上に現れる照射光形状を撮影するカメラ４と、カメラ４によって撮影された照射光形状の画像から、測定対象１０との距離と測定対象１０の傾斜角と測定対象１０の傾斜方向のうち少なくとも１つを求める演算装置５とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、光ファイバから測定対象に光を照射して、測定対象との距離、測定対象の傾斜角、測定対象の傾斜方向を求める計測器に関するものである。

従来より、レーザによる光の干渉を利用した距離計として、レーザの出力光と測定対象からの戻り光との半導体レーザ内部での干渉（自己結合効果）を利用したレーザ計測器が提案されている（例えば、非特許文献１、非特許文献２、非特許文献３参照）。
また、発明者は、静止した測定対象との距離だけでなく、測定対象の速度も計測することができる距離・速度計を提案した（特許文献１参照）。

特開２００６−３１３０８０号公報上田正，山田諄，紫藤進，「半導体レーザの自己結合効果を利用した距離計」，１９９４年度電気関係学会東海支部連合大会講演論文集，１９９４年山田諄，紫藤進，津田紀生，上田正，「半導体レーザの自己結合効果を利用した小型距離計に関する研究」，愛知工業大学研究報告，第３１号Ｂ，ｐ．３５−４２，１９９６年 Guido Giuliani，Michele Norgia，Silvano Donati and Thierry Bosch，「Laser diode self-mixing technique for sensing applications」，JOURNAL OF OPTICS A:PURE AND APPLIED OPTICS，ｐ．２８３−２９４，２００２年

しかしながら、非特許文献１、非特許文献２、非特許文献３および特許文献１に開示されたレーザ計測器では、測定対象の特定の１点との距離を計測することはできても、レーザ計測器に対して測定対象が傾いている場合にその傾斜角度を計測することはできず、傾いた測定対象との距離の２次元分布を計測することもできないという問題点があった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、測定対象との距離の２次元分布、測定対象の傾斜角および測定対象の傾斜方向を求めることができる計測器を提供することを目的とする。

本発明の計測器は、測定対象に対して出射側端面から光を照射する光ファイバと、この光ファイバの入射軸に対して傾いた方向から走査用光を前記光ファイバの入射側端面に入射させる走査用光源と、前記光ファイバからの光照射によって前記測定対象上に現れる照射光形状を撮影するカメラと、このカメラによって撮影された照射光形状の画像から、前記測定対象との距離と前記測定対象の傾斜角と前記測定対象の傾斜方向のうち少なくとも１つを求める演算手段とを備えるものである。

また、本発明の計測器の１構成例において、前記演算装置は、前記光ファイバの出射端と前記照射光形状の原点との距離Ｌ０を求め、この距離Ｌ０と前記光ファイバの入射軸に対する前記走査用光の入射角θに基づいて、前記光ファイバの出射軸に対して垂直で且つ前記原点を通る平面と前記光ファイバから出射した走査用光の延長線との交点と、前記原点との距離ｒ’を算出し、前記カメラによって撮影された照射光形状の画像から、前記光ファイバから出射した走査用光が入射した測定対象上の照射点と前記原点との距離ｒを算出し、距離Ｌ０，ｒ，ｒ’に基づいて前記測定対象との距離と前記測定対象の傾斜角と前記測定対象の傾斜方向のうち少なくとも１つを求めるものである。
また、本発明の計測器の１構成例において、前記演算装置は、前記カメラによって撮影された照射光形状の画像と予め用意された比較用画像とを比較するパターンマッチングにより、前記測定対象との距離と前記測定対象の傾斜角と前記測定対象の傾斜方向のうち少なくとも１つを求めるものである。
また、本発明の計測器の１構成例は、さらに、前記光ファイバの入射軸に対して平行な方向から原点用光を前記光ファイバの入射側端面に入射させる原点用光源を備え、前記演算手段は、前記光ファイバから出射した原点用光が入射した測定対象上の点を前記原点とするものである。
また、本発明の計測器の１構成例において、前記走査用光源は、複数設けられるものである。
また、本発明の計測器の１構成例は、さらに、前記走査用光源を移動させて前記光ファイバの入射軸に対する前記走査用光の入射角を変化させる駆動機構を備えるものである。

本発明によれば、測定対象に対して出射側端面から光を照射する光ファイバと、光ファイバの入射軸に対して傾いた方向から走査用光を光ファイバの入射側端面に入射させる走査用光源と、光ファイバからの光照射によって測定対象上に現れる照射光形状を撮影するカメラと、演算手段とを設けることにより、測定対象との距離の２次元分布、測定対象の傾斜角および測定対象の傾斜方向を求めることができる。

［第１の実施の形態］
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は本発明の第１の実施の形態に係る計測器の構成を示すブロック図である。
計測器は、出射側端面が測定対象１０と向かい合うように配置された光ファイバ１と、原点用レーザ光を光ファイバ１の入射側端面に入射させる原点用レーザ２（原点用光源）と、走査用レーザ光を光ファイバ１の入射側端面に入射させる走査用レーザ３（走査用光源）と、光ファイバ１からの光照射によって測定対象１０上に現れる照射光形状を撮影するカメラ４と、カメラ４によって撮影された照射光形状の画像から、測定対象１０との距離と測定対象１０の傾斜角と測定対象１０の傾斜方向のうち少なくとも１つを求める演算装置５と、演算装置５が求めた結果を表示する表示装置６と、走査用レーザ３を移動させる駆動機構７とを有する。

原点用レーザ２は、光ファイバ１の入射軸方向から原点用レーザ光を光ファイバ１に入射させる。
一方、走査用レーザ３は、光ファイバ１の入射軸に対して角度θだけ傾いた方向から走査用レーザ光を光ファイバ１に入射させる。

図２は原点用レーザ光と走査用レーザ光とこれらのレーザ光によって測定対象上に現れる照射光形状との関係を示す図である。本実施の形態では、光ファイバ１から照射された原点用レーザ光を法線とする基準面に対する測定対象１０の角度を測定対象１０の傾斜角とする。

光ファイバ１の入射軸方向から光ファイバ１に入射した原点用レーザ光２０は、光ファイバ１からその出射軸と平行な方向に原点用レーザ光２２として出射し、測定対象１０に到達する。この原点用レーザ２からのレーザ光２２で照らされる測定対象１０上の点を原点２４と呼ぶ。

一方、光ファイバ１の入射軸に対して角度θだけ傾いた方向から光ファイバ１に入射した走査用レーザ光２１は、光ファイバ１からその出射軸に対して角度θだけ傾いた方向に走査用レーザ光２３として出射し、測定対象１０に到達する。このとき、光ファイバ１から出射する走査用レーザ光２３は円錐状の形状となるので、測定対象１０上には照射光形状２５が現れる。

基準面に対する測定対象１０の傾斜角が０の場合、光ファイバ１側から測定対象１０を観察すると、照射光形状２５は図３（Ａ）に示すように円形となる。一方、基準面に対して測定対象１０が傾いた場合、照射光形状２５は図３（Ｂ）に示すように歪んだ形状となる。図３（Ｂ）の例では、測定対象１０の左側が光ファイバ１から遠くなり、右側が光ファイバ１に近づいている。

カメラ４は、図３（Ａ）、図３（Ｂ）のような照射光形状を測定対象１０の上から撮影し、画像データを出力する。
演算装置５は、走査用レーザ３の出力光と測定対象１０からの戻り光との走査用レーザ３内部での干渉の情報を利用すると共に、カメラ４から出力された画像データを処理して、測定対象１０との距離、測定対象１０の傾斜角および測定対象１０の傾斜方向を求める。図４は演算装置５の構成例を示すブロック図である。演算装置５は、光ファイバ原点間距離算出部５０と、照射点原点間距離算出部５１と、測定対象距離算出部５２と、測定対象傾斜角算出部５３とを有する。

図５は演算装置５の処理を説明するための断面図、図６は演算装置５の処理の流れを示すフローチャートである。図５は図２に示す光ファイバ１と測定対象１０を光ファイバ１の出射軸と平行な面で切ったときの断面を示している。ただし、図５の例では、基準面に対する測定対象１０の傾斜角が０でない場合を示している。図５において、２６は走査用レーザ３からのレーザ光２３が入射する測定対象１０上の照射点、３０は光ファイバ１の出射軸、３１は光ファイバ１の出射軸と垂直な基準面である。

まず、演算装置５の光ファイバ原点間距離算出部５０は、光ファイバ１の出射端（図５の点ｃ）と測定対象１０上の原点２４との距離Ｌ０を周知の自己結合型距離計の原理を用いて求める（図６ステップＳ１）。自己結合型距離計では、走査用レーザ３の出力光と測定対象１０からの戻り光との走査用レーザ３内部での干渉の情報を利用して距離を算出する。なお、自己結合型距離計で得られる距離は、正確には走査用レーザ３と原点２４との距離であるが、特開２００６−３２２９１２号公報に開示されている方法を用いて、光ファイバ１の出射端と原点２４との距離Ｌ０を求めることができる。

続いて、照射点原点間距離算出部５１は、光ファイバ１の出射軸３０に対して垂直で且つ原点２４を通る平面３２と走査用レーザ光２３の延長線との交点（図５の点ａ）と、原点２４との距離ｒ’を基準面３１と平行な方向に沿った距離として次式のように算出する（ステップＳ２）。
ｒ’＝Ｌ０×ｔａｎθ ・・・（１）
前記のとおり、θは光ファイバ１の入射軸に対する走査用レーザ光の入射角θである。

次に、照射点原点間距離算出部５１は、カメラ４から出力された画像データを処理し、基準面３１と平行な方向に沿って照射点２６と原点２４との距離ｒを算出する（ステップＳ３）。カメラ４が撮影した画像上では、照射点２６と原点２４が明るい輝点となって現れる。これらの輝点の座標を求め、輝点間の距離を求めて、この距離を実際の距離に換算すれば、距離ｒを算出することができる。距離の換算は、画像上の距離と実際の距離との対応関係を予め演算装置５に記憶させておけば、実現可能である。

測定対象距離算出部５２は、距離Ｌ０，ｒ，ｒ’から、基準面３１と測定対象１０の照射点２６との距離Ｌを算出する（ステップＳ４）。点ｃと原点２４と点ａとを頂点とする三角形と、点ｃと点ｄと照射点２６とを頂点とする三角形は、相似である。したがって、距離Ｌ０，ｒ，ｒ’から距離Ｌを算出することができる。なお、点ｄは、基準面３１と平行で且つ照射点２６を通る平面と、光ファイバ１の出射軸３０との交点である。

次に、測定対象傾斜角算出部５３は、測定対象１０の傾斜角φを次式のように算出する（ステップＳ５）。
φ＝ｔａｎ^-1｛（Ｌ０−Ｌ）／（ｒ’−ｒ）｝・・・（２）

また、測定対象傾斜角算出部５３は、測定対象１０の傾斜方向を求める（ステップＳ６）。ステップＳ１〜Ｓ４によれば、測定対象１０上の各照射点２６についてそれぞれ距離Ｌを算出することができる。複数の照射点２６について算出された距離ｒのうち距離ｒが最小値となる照射点を２６ａ、原点２４を挟んで照射点２６ａと反対側にある照射点を２６ｂとすると、照射点２６ａと原点２４と照射点２６ｂとは１直線上に並ぶ。このとき、基準面３１と照射点２６ａとの距離をＬａ、基準面３１と照射点２６ｂとの距離をＬｂ（Ｌｂ≧Ｌａ）とすると、図５の例では、照射点２６ａ，２６ｂとの距離Ｌａ，Ｌｂから、照射点２６ｂが光ファイバ１から遠くなり、照射点２６ａが光ファイバ１に近づくように測定対象１０が傾いていることが分かる。

こうして、本実施の形態では、測定対象１０の傾斜角φを算出することができ、また測定対象１０の傾斜方向も求めることができる。
表示装置６は、演算装置５によって算出された測定対象１０との距離ｒ、測定対象１０の傾斜角φおよび測定対象１０の傾斜方向を表示する。

なお、本実施の形態では、原点用レーザ２を用いているが、原点用レーザ２は必須の構成ではない。カメラ４が照射光がなす円錐形を、Ｃ点を基準として点対称（もしくは、基準面３１を基準として線対称）にした円錐形（図７の斜線部）の内側にあれば、三角測量の原理で、原点用レーザ２は不要である。原点２４は、カメラ４が撮影する画像上で既知の点として扱うことができる。この場合、カメラ４の撮影中心軸と光ファイバ１の出射軸とが一致すれば、計算が容易となる。

また、本実施の形態では、自己結合型距離計と原点用レーザ２を用いているが、自己結合型距離計は必須の構成ではない。自己結合型距離計を用いない場合、カメラ４の撮影位置と点ｃの位置関係がわかれば、原点用のレーザ２は不要である。図７中の点ｄと点ｃと照射点２６とを頂点とする三角形において、三角系の２辺のなす角θｃと、前記の入射角θと、カメラ４の焦点と基準面３１との距離Ｌｃとから、三角形を同定できるため、角度を算出することができる。
また、本実施の形態では、光源として、原点用レーザ２と走査用レーザ３を用いているが、これらの代わりにＬＥＤを用いることもできる。

［第２の実施の形態］
第１の実施の形態では、光ファイバ１の入射軸に対する走査用レーザ光の入射角θを一定値としたが、これに限るものではない。駆動機構７は、入射角θを変化させてもよい。この場合、駆動機構７から演算装置５に対して入射角θを通知すれば、演算装置５は、通知された入射角θを用いて式（１）の計算を行うことができ、この通知された時点での測定対象１０との距離Ｌを算出することができる。このように、駆動機構７が走査用レーザ３の位置と入射角θとを任意に変化させることにより、測定対象１０の任意の点との距離を算出することができ、測定対象１０との距離の２次元分布を求めることができる。

なお、入射角θを変化させる代わりに、図示しない光ファイバ移動手段によって、光ファイバ１の出射端面を昇降させてもよい。これにより、測定対象１０の任意の点を走査することができる。
また、第１、第２の実施の形態において、走査用レーザ３を複数用いてもよい。第１、第２の実施の形態では、ある瞬間において求めることができる測定対象１０との距離は１点のみである。これに対して、走査用レーザ３を複数用いる場合、演算装置５は、測定対象１０の複数の点との距離を同時に求めることができる。

［第３の実施の形態］
第１、第２の実施の形態では、測定対象１０との距離、測定対象１０の傾斜角、および測定対象１０の傾斜方向を計算で求めているが、カメラ４が撮影した画像と予め用意された複数の比較用画像とを比較するパターンマッチングによって、測定対象１０との距離、測定対象１０の傾斜角および測定対象１０の傾斜方向を求めるようにしてもよい。

測定対象１０との距離、測定対象１０の傾斜角、および測定対象１０の傾斜方向に応じて、測定対象１０上に現れる照射光形状は変化する。言い換えると、走査用レーザ光の入射角θが既知であれば、照射光形状から測定対象１０との距離、測定対象１０の傾斜角および測定対象１０の傾斜方向を求めることができる。

そこで、入射角θと測定対象１０との距離と測定対象１０の傾斜角と測定対象１０の傾斜方向とを様々に変化させた照射光形状の画像を比較用画像として予め用意する。演算装置５は、比較用画像とカメラ４が撮影した画像とを比較して、撮影画像に最も近い比較用画像をパターンマッチングで探す。この撮影画像に最も近い比較用画像の生成条件（測定対象１０との距離、測定対象１０の傾斜角および測定対象１０の傾斜方向）が求めたい情報である。こうして、演算装置５は、測定対象１０との距離、測定対象１０の傾斜角および測定対象１０の傾斜方向を求めることができる。

なお、第１〜第３の実施の形態における演算装置５は、例えばＣＰＵ、記憶装置およびインタフェースを備えたコンピュータとこれらのハードウェア資源を制御するプログラムによって実現することができる。このようなコンピュータを動作させるためのプログラムは、フレキシブルディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、メモリカードなどの記録媒体に記録された状態で提供される。ＣＰＵは、読み込んだプログラムを記憶装置に書き込み、このプログラムに従って第１〜第３の実施の形態で説明した処理を実行する。

本発明は、測定対象との距離、測定対象の傾斜角、測定対象の傾斜方向を求める計測器に適用することができる。

本発明の第１の実施の形態に係る計測器の構成を示すブロック図である。本発明の第１の実施の形態において原点用レーザ光と走査用レーザ光とこれらのレーザ光によって測定対象上に現れる照射光形状との関係を示す図である。本発明の第１の実施の形態において測定対象上に現れる照射光形状の例を示す平面図である。本発明の第１の実施の形態に係る計測器の演算装置の構成例を示すブロック図である。本発明の第１の実施の形態に係る計測器の演算装置の処理を説明するための断面図である。本発明の第１の実施の形態に係る計測器の演算装置の処理の流れを示すフローチャートである。本発明の第１の実施の形態に係る計測器の演算装置の別の処理方法を説明するための断面図である。

符号の説明

１…光ファイバ、２…原点用レーザ、３…走査用レーザ、４…カメラ、５…演算装置、６…表示装置、７…駆動機構、１０…測定対象、５０…光ファイバ原点間距離算出部、５１…照射点原点間距離算出部、５２…測定対象距離算出部、５３…測定対象傾斜角算出部。

Claims

測定対象に対して出射側端面から光を照射する光ファイバと、
この光ファイバの入射軸に対して傾いた方向から走査用光を前記光ファイバの入射側端面に入射させる走査用光源と、
前記光ファイバからの光照射によって前記測定対象上に現れる照射光形状を撮影するカメラと、
このカメラによって撮影された照射光形状の画像から、前記測定対象との距離と前記測定対象の傾斜角と前記測定対象の傾斜方向のうち少なくとも１つを求める演算手段とを備えることを特徴とする計測器。
請求項１記載の計測器において、
前記演算装置は、前記光ファイバの出射端と前記照射光形状の原点との距離Ｌ０を求め、この距離Ｌ０と前記光ファイバの入射軸に対する前記走査用光の入射角θに基づいて、前記光ファイバの出射軸に対して垂直で且つ前記原点を通る平面と前記光ファイバから出射した走査用光の延長線との交点と、前記原点との距離ｒ’を算出し、前記カメラによって撮影された照射光形状の画像から、前記光ファイバから出射した走査用光が入射した測定対象上の照射点と前記原点との距離ｒを算出し、距離Ｌ０，ｒ，ｒ’に基づいて前記測定対象との距離と前記測定対象の傾斜角と前記測定対象の傾斜方向のうち少なくとも１つを求めることを特徴とする計測器。
請求項１記載の計測器において、
前記演算装置は、前記カメラによって撮影された照射光形状の画像と予め用意された比較用画像とを比較するパターンマッチングにより、前記測定対象との距離と前記測定対象の傾斜角と前記測定対象の傾斜方向のうち少なくとも１つを求めることを特徴とする計測器。
請求項１記載の計測器において、
さらに、前記光ファイバの入射軸に対して平行な方向から原点用光を前記光ファイバの入射側端面に入射させる原点用光源を備え、
前記演算手段は、前記光ファイバから出射した原点用光が入射した測定対象上の点を前記原点とすることを特徴とする計測器。
請求項１記載の計測器において、
前記走査用光源は、複数設けられることを特徴とする計測器。
請求項１記載の計測器において、
さらに、前記走査用光源を移動させて前記光ファイバの入射軸に対する前記走査用光の入射角を変化させる駆動機構を備えることを特徴とする計測器。