JP5489455B2

JP5489455B2 - 光学式距離測定システム

Info

Publication number: JP5489455B2
Application number: JP2008333246A
Authority: JP
Inventors: 智一高坂; 智徳岩崎; 正勝金子; ジイヨンセット; 志松呉; 壮智波川; 勇一永嶌; 智晴小竹; 寛矢口; 徳翔王
Original assignee: Honda Motor Co Ltd; Alnair Labs Corp
Current assignee: Honda Motor Co Ltd; Alnair Labs Corp
Priority date: 2008-12-26
Filing date: 2008-12-26
Publication date: 2014-05-14
Anticipated expiration: 2028-12-26
Also published as: JP2010151770A

Description

本発明は、光学式距離測定システムに関する。詳しくは、レーザやＬＥＤなどの光源を用いて被検体までの距離を測定する光学式距離測定システムに関する。

従来、光を用い、被検体までの距離を非接触により測定する装置として、光学式距離測定システムが知られている。この光学式距離測定システムは、光を放射する光源と、光を検出する光センサとを備えており、光源より光を放射してから、被検体により反射された光を光センサで検出するまでの時間を測定し、この測定時間に基づいて被検体までの距離を測定する。

ところで、このような光学式距離測定システムでは、光源で放射した光を平行ビーム又は集光ビームにするとともに、このビームを被検体へ向けて出射したり、被検体で反射された光を光センサに入射したりするために、ミラーやレンズなどの複数の光学系部品を設ける必要がある。これら光学系部品は、通常、アルミ材などで構成された筐体に固定される。しかしながら、このような筐体は、室温に応じて若干伸縮する。このため、室温によって測定時の光の経路の全長が変わってしまい、測定精度が低下してしまう。

そこで、例えば特許文献１では、温度の変化により測定精度が低下するのを防止することを目的とした光測定装置が提案されている。この光測定装置では、より具体的には、光学系部品を固定した筐体の温度を計測する温度センサを設け、この温度センサにより計測された温度と、筐体の材料を形成する線膨張率とに基づいて、被検体までの距離を演算する。これにより、筐体の伸縮による影響を考慮した距離の測定が可能になる。
特開２００７−１７３９４号公報

しかしながら、特許文献１に示された光測定装置では、その測定精度は温度センサの性能に大きく依存する。つまり、この光測定装置において測定精度を向上するためには、高精度の温度センサが必要となるため、装置の製造にかかるコストが高くなったり、装置の部品点数が増え複雑な構造になったりするおそれがある。また、温度センサを用いると、測定できる範囲が検出部近傍に限られてしまうため、筐体全体の伸縮を正確に把握することが困難である。

本発明は、上述した課題に鑑みてなされたものであり、簡易な構成により高精度の測定を行うことができる光学式距離測定システムを提供することを目的とする。

本発明の光学式距離測定システム（例えば、後述の光学式距離測定システム１）は、光を放射する光源（例えば、後述の光源部３１）と、光を検出する光検出手段（例えば、後述の光検出部３２）と、前記光源に一端が接続された第１光ファイバ（例えば、後述の放射用光ファイバ４１）と、前記光検出手段に一端が接続された第２光ファイバ（例えば、後述の受光用光ファイバ４２）と、前記第１光ファイバの他端側（例えば、後述の放射端４１Ｅ）から放射した光を被検体（例えば、後述のワーク）に向けて出射するとともに、当該被検体により反射された光を前記第２光ファイバの他端側（例えば、後述の受光端４２Ｅ）に入射する複数の光学系部品（例えば、後述の光学系部品群４５）と、前記第１光ファイバ、前記第２光ファイバ、および前記複数の光学系部品が固定された筐体（例えば、後述の筐体ＣおよびそのアルミベースＣＢ）と、前記光源により光を放射してから、前記光検出手段により被検体で反射された光を検出するまでの時間を計測し、当該計測した時間に基づいて、被検体までの距離を算出する演算装置（例えば、後述の演算装置６）と、を備える光学式距離測定システムであって、前記光源から放射した光を、前記複数の光学系部品を迂回して前記光検出手段に入射する第３光ファイバ（例えば、後述の補正用光ファイバ４３）をさらに備え、当該第３光ファイバの少なくとも一部（例えば、後述のファイバコイル４３Ｃ）は、前記筐体に接して設けられ、前記演算装置は、前記第３光ファイバの伸縮量に基づいて測定距離の補正を行うことを特徴とする。

この発明によれば、光を放射する光源および光を検出する光検出手段に、それぞれ接続された第１光ファイバおよび第２光ファイバの他、筐体に固定された複数の光学系部品を迂回する第３光ファイバを設けた。また、演算装置では、この第３光ファイバの伸縮量に基づいて測定距離の補正を行う。したがって、筐体の伸縮量が第３光ファイバの伸縮量に反映するように第３光ファイバを設定することにより、筐体の伸縮量に応じた測定距離の補正を行うことができる。これにより、筐体が設けられた環境の温度によらず、高い精度で距離を測定することができる。
また、第３光ファイバのうち少なくとも一部を筐体に接するように設けることにより、筐体の温度による伸縮の影響を、第３光ファイバの伸縮量に直に反映させることができる。すなわち、本発明の光学式距離測定システムでは、高精度の温度センサを用いることなく、筐体の伸縮による影響を補正することができる。このため、温度センサを用いた場合と比較して、かかるコストを低くでき、かつ、簡易な構成にできる。
また、光ファイバは自在に曲げることができる。したがって、複数の光学系部品が設けられた筐体に対し、広範囲の面にわたって接するように第３光ファイバを設けることにより、筐体の温度による伸縮の影響を、第３光ファイバの伸縮量に、より正確に反映させることができる。

この場合、前記第３光ファイバは、前記第１光ファイバの中間部に設けられた光スイッチ（例えば、後述の光スイッチ４１Ｓ）に接続され当該第１光ファイバから分岐し、前記第２光ファイバの中間部に至ることが好ましい。

この発明によれば、光スイッチを介して第３光ファイバを設けた。これにより、部品点数を不要に増やすことなく、筐体の温度による伸縮の影響を補正することができる。したがって、光学式距離測定システムをより簡易な構成にすることができる。

本発明の光学式距離測定システムによれば、第３光ファイバの伸縮量に基づいて測定距離の補正を行う。これにより、筐体が設けられた環境の温度によらず、高い精度で距離を測定することができる。また、第３光ファイバのうち少なくとも一部を筐体に接するように設けることにより、高精度の温度センサを用いることなく、筐体の伸縮による影響を補正することができる。このため、温度センサを用いた場合と比較して、かかるコストを低くでき、かつ、簡易な構成にできる。また、複数の光学系部品が設けられた筐体に対し、広範囲の面にわたって接するように第３光ファイバを設けることにより、筐体の温度による伸縮の影響を、第３光ファイバの伸縮量に、より正確に反映させることができる。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本実施形態に係る光学式距離測定システム１の構成を示す模式図である。
光学式距離測定システム１は、光測定装置２と、この光測定装置２に接続された演算装置６と、を備える。この光学式距離測定システム１では、光の速度を既知として、光を出射してからワークＷで反射された光を検出するまでの時間に基づいて、光学式距離測定システム１の基点（後述の回転ミラーＭの回転中心Ｏ）と被検体としてのワークＷとの間の距離Ｌ_ＯＷを測定する。

光測定装置２は、光源部３１および光検出部３２を有する距離計３と、距離計３から放射された光をワークＷに向けて出射したり、ワークＷにより反射された光を距離計３に入射したりするスキャナヘッド４と、を含んで構成される。

演算装置６は、各種プログラムが格納された記憶装置と、距離計３から出力された各種信号が入力される入力回路と、上記プログラムおよび上記各種信号に基づいて演算を実行するＣＰＵ、およびこの演算結果を表示する表示装置などを備えたコンピュータにより構成される。演算装置６は、光測定装置２の距離計３を制御し、光源部３１から光を放射してから、ワークＷで反射された光を光検出部３２により検出するまでの時間を計測し、この計測した時間に基づいて、ワークＷまでの距離を算出する。なお、この演算装置６により、距離Ｌ_ＯＷを測定する手順については、後に図４を参照して詳述する。

光源部３１は、例えば、半導体レーザやＬＥＤなどの発光装置や、この発光装置を駆動する駆動回路などを含んで構成され、スキャナヘッド４へ光を放射する。
光検出部３２は、例えば、フォトダイオードなどの受光素子や、この受光素子で受光したことに応じて検出信号を出力する検出信号出力回路などを含んで構成され、スキャナヘッド４からの光を検出する。

スキャナヘッド４は、第１光ファイバとしての放射用光ファイバ４１と、第２光ファイバとしての受光用光ファイバ４２と、複数の光学系部品により構成された光学系部品群４５と、これら光ファイバ４１，４２，４３および光学系部品群４５が固定された筐体Ｃと、を含んで構成される。

放射用光ファイバ４１の一端側は、距離計３の光源部３１に接続され、他端側は、光学系部品群４５側に向けられた放射端４１Ｅに接続されている。これにより、光源部３１から放射された光を、放射端４１Ｅから光学系部品群４５へ向けて放射することができる。
受光用光ファイバ４２の一端側は、距離計３の光検出部３２に接続され、他端側は、光学系部品群４５側に向けられた受光端４２Ｅに接続されている。これにより、光学系部品群４５から受光端４２Ｅに入射した光を、光検出部３２に入射することができる。

この他、スキャナヘッド４には、光源部３１から放射された光を、上述の光学系部品群４５を迂回して光検出部３２に入射する第３光ファイバとしての補正用光ファイバ４３が設けられている。図１に示すように、この補正用光ファイバ４３は、放射用光ファイバ４１の中間部から分岐し、受光用光ファイバ４２の中間部に至る。より具体的には、放射用光ファイバ４１の中間部には、光スイッチ４１Ｓが設けられており、補正用光ファイバ４３の一端側は、この光スイッチ４１Ｓに接続されている。また、補正用光ファイバ４３の他端側は、受光用光ファイバ４２の中間部に接続されている。

なお、以下では、光源部３１から放射端４１Ｅに至る放射用光ファイバ４１のうち、中間部から光源部３１側を光源側光ファイバ４１１とし、中間部より放射端４１Ｅ側を放射端側光ファイバ４１２とする。また、受光端４２Ｅから光検出部３２に至る受光用光ファイバ４２のうち、中間部から受光端４２Ｅ側を受光端側光ファイバ４２１とし、中間部より光検出部３２側を検出部側光ファイバ４２２とする。

また、補正用光ファイバ４３の中間部分はコイル状に巻回されている。以下では、補正用光ファイバ４３の全長のうち、コイル状に束ねられた部分のみをファイバコイル４３Ｃという。

光学系部品群４５は、筐体Ｃに対し回転可能に設けられた回転ミラーＭの他、図示しないレンズやミラーなどの複数の光学系部品を含んで構成され、各光学系部品は、それぞれ、筐体Ｃの所定の位置に固定される。

放射端４１Ｅから放射された光は、この光学系部品群４５において、平行ビームに整形された後、回転ミラーＭの回転中心Ｏに入射する。ここで、回転ミラーＭの角度を調整し、ワークＷに対する姿勢を適切に調整しておくことにより、放射端４１Ｅから放射し、回転ミラーＭで透過又は反射した光をワークＷに向けて出射することができる。なお、放射端４１Ｅから放射された光は、平行ビームに限らず集光ビームに整形してもよい。

また、このようにして回転ミラーＭから出射した光は、ワークＷにより反射され、再び回転ミラーＭの回転中心Ｏに入射する。回転ミラーＭの回転中心Ｏに入射し、この回転ミラーＭで透過又は反射した光は、光学系部品群４５を構成するレンズやミラーにより進行方向を変えられた後、受光端４２Ｅに入射する。

また、本実施形態の光学式距離測定システム１では、回転ミラーＭの回転中心Ｏを基点とする。すなわち、光学式距離測定システム１では、この基点ＯとワークＷとの間の距離Ｌ_ＯＷを測定する。

図２は、スキャナヘッド４の筐体Ｃの構成を示す側面図である。
筐体Ｃは、平板状のアルミベースＣＢを備える。このアルミベースＣＢには、光学系部品群４５としての回転ミラーＭおよび複数のレンズＬＮ１，ＬＮ２，ＬＮ３や、放射端４１Ｅおよび受光端４２Ｅ（図２には放射端４１Ｅのみを示す）が、それぞれ所定の間隔を空けて固定される。また、光スイッチ４１Ｓから延びる補正用光ファイバ４３のうちファイバコイル４３Ｃは、アルミベースＣＢの表面に接して設けられる。

次に、図１および図３を参照して、光学式距離測定システム１における光の経路について説明する。
図３は、光学式距離測定システム１における光の経路を模式的に示す図である。なお、この図３において、矢印が示す方向は光の進行方向を示す。また、実線の矢印（区間１，２，７，８，９，１０，１１）は光ファイバ中の経路を示し、一点鎖線の矢印（区間３，６）は筐体Ｃ内のアルミベースＣＢ上に設定された経路を示し、破線の矢印（区間４，５）は筐体Ｃ外の空気中の経路を示す。

光スイッチ４１Ｓで光源側光ファイバ４１１と放射端側光ファイバ４１２とを接続することにより、区間１，２，３，４，５，６，７，８で構成された測定用の光の経路が形成される。
この場合、光源部３１から放射された光は、光源側光ファイバ４１１（区間１）および放射端側光ファイバ４１２（区間２）を通過し、放射端４１Ｅから回転ミラーＭを経由してワークＷに到達する（区間３，４）。ワークＷで反射された光は、再び回転ミラーＭを経由して受光端４２Ｅに入射し（区間５，６）、受光端側光ファイバ４２１（区間７）および検出部側光ファイバ４２２（区間８）を通過し、光検出部３２により検出される。

また、光スイッチ４１Ｓで光源側光ファイバ４１１と補正用光ファイバ４３とを接続することにより、区間１，９，１０，１１，８で構成されたオフセットリセット回路が形成される。
この場合、光源部３１から放射された光は、光源側光ファイバ４１１（区間１）、補正用光ファイバ４３の直線区間（区間９）、ファイバコイル４３Ｃ（区間１０）、補正用光ファイバ４３の直線区間（区間１１）、および検出部側光ファイバ４２２（区間８）を通過し、光検出部３２により検出される。

ところで、光ファイバやアルミベースＣＢは、その温度に応じて伸縮する。このため、上述の区間１〜１１のうち、光ファイバにより形成された区間１，２，７，８，９，１０，１１の長さ、およびアルミベースＣＢ上の区間３，６の長さは、それぞれの温度によって伸縮する。

ここで、光ファイバおよびアルミベースの基準温度を設定し、この基準温度における各区間１，２，３，４，５，６，７，８，９，１０，１１の長さを、それぞれ、Ｌ_１，Ｌ_２，Ｌ_３，Ｌ_４，Ｌ_５，Ｌ_６，Ｌ_７，Ｌ_８，Ｌ_９，Ｌ_１０，Ｌ_１１とする。なお、区間４の長さＬ_４および区間５の長さＬ_５は、それぞれ、上述のワークの距離Ｌ_ＯＷと等しくなっている。
また、基準温度からずれた場合における区間１，２，３，６，７，８，９，１０，１１の伸縮量を、それぞれ、ΔＬ_１，ΔＬ_２，ΔＬ_３，ΔＬ_６，ΔＬ_７，ΔＬ_８，ΔＬ_９，ΔＬ_１０，ΔＬ_１１とする。

次に、本実施形態における補正用光ファイバ４３の設定について説明する。
上述のように、光学式距離測定システム１における光の経路の長さは、光学式距離測定システム１が設けられた環境の温度に応じて伸縮する。補正用光ファイバ４３は、距離Ｌ_ＯＷの測定時における構成部品の伸縮による影響を相殺し、温度によらず安定した測定を行うことを目的として設けられる。より具体的には、以下、詳細に説明するように、補正用光ファイバ４３の長さは、測定時におけるこれら光ファイバの伸縮（ΔＬ_１，ΔＬ_２，ΔＬ_７，ΔＬ_８）およびアルミベースＣＢの伸縮（ΔＬ_３，ΔＬ_６）による影響を、自身の伸縮（ΔＬ_９，ΔＬ_１０，ΔＬ_１１）により相殺できるように設定される。

また、以下では、理解の便宜のために、光ファイバの屈折率を「１」とした場合、すなわち、光ファイバ中の光の速度と空気中の光の速度が等しいとした場合における、補正用光ファイバ４３の設定について説明する。なお、光ファイバ中の光の速度と空気中の光の速度とが異なるものとした場合の設定については、後に説明する。

補正用光ファイバ４３は、ファイバコイル４３Ｃで構成された区間１０と、ファイバコイル４３Ｃよりも放射用光ファイバ４１側の直線部分で構成された区間９と、ファイバコイル４３Ｃよりも受光用光ファイバ４２側の直線部分で構成された区間１１と、で構成される。

基準温度では、下記式（１）に示すように、区間９の長さＬ_９と区間１１の長さＬ_１１との和は、区間２の長さＬ_２と区間７の長さＬ_７との和に等しくなるように設定する。
Ｌ_９＋Ｌ_１１＝Ｌ_２＋Ｌ_７・・・（１）

また、放射用光ファイバ４１および受光用光ファイバ４２と、補正用光ファイバ４３とで同じ材質のものを用いることにより、これら光ファイバ４１，４２，４３の温度変化による単位長さ当たりの伸縮量を等しくできる。したがって、下記式（２）が成立する。
Ｌ_９＋ΔＬ_９＋Ｌ_１１＋ΔＬ_１１＝Ｌ_２＋ΔＬ_２＋Ｌ_７＋ΔＬ_７・・・（２）

このようにして、補正用光ファイバ４３の区間９，１１の長さを設定しておくことにより、後に詳述するように、距離Ｌ_ＯＷの測定時における放射端側光ファイバ４１２および受光端側光ファイバ４２１の伸縮による影響を相殺することができる。

ファイバコイル４３Ｃについては、下記式（３）に示すように、その伸縮量ΔＬ_１０が、アルミベースＣＢ上に設定された区間３の伸縮量ΔＬ_３と、同じくアルミベースＣＢ上に設定された区間６の伸縮量ΔＬ_６との和に等しくなるように設定する。
ΔＬ_１０＝ΔＬ_３＋ΔＬ_６・・・（３）

ファイバコイル４３Ｃをこのように設定することにより、ファイバコイル４３Ｃの伸縮量に基づいてアルミベースＣＢの伸縮量を知ることができる。また、これにより、後に詳述するように、距離Ｌ_ＯＷの測定時におけるアルミベースの伸縮による影響を相殺することができる。

次に、図４を参照して、ワークの距離Ｌ_ＯＷを測定する手順について説明する。
図４は、ワークの距離Ｌ_ＯＷを算出する手順を示すフローチャートであり、演算装置により実行される。図４に示すように、光学式距離測定システムによる距離Ｌ_ＯＷの測定の手順は、ステップＳ１における前測定と、ステップＳ２における本測定と、ステップＳ３における距離演算との３つの工程を含んで構成される。

ステップＳ１の前測定では、区間１，９，１０，１１，８の距離Ｌ_ＰＲＥを測定する。具体的には、先ず、光スイッチにより光源側光ファイバと補正用光ファイバとを接続してオフセットリセット回路を形成した後、距離計を制御して、光源部で光を放射してから、この光が区間１，９，１０，１１，８を経由して光検出部で検出されるまでの時間を測定する。次に、測定した時間を光の速度で除算することにより、区間１，９，１０，１１，８の距離Ｌ_ＰＲＥを算出する。

ステップＳ２の本測定では、区間１，２，３，４，５，６，７，８の距離Ｌ_ＯＰＥを測定する。具体的には、先ず、光スイッチにより光源側光ファイバと放射端側光ファイバとを接続した後、距離計を制御して、光源部で光を放射してから、この光が区間１，２，３，４，５，６，７，８を経由して光検出部で検出されるまでの時間を測定する。次に、測定した時間を光の速度で除算することにより、区間１，２，３，４，５，６，７，８の距離Ｌ_ＯＰＥを算出する。

ステップＳ３の距離演算では、下記式（４）に示すように、距離（Ｌ_ＯＰＥ−Ｌ_３−Ｌ_６）から距離（Ｌ_ＰＥＥ−Ｌ_１０）を減算した値［（Ｌ_ＯＰＥ−Ｌ_３−Ｌ_６）−（Ｌ_ＰＥＥ−Ｌ_１０）］を、「２」で除算した距離Ｌ_{ＯＷ＿ＭＥＳ}を算出し、この距離Ｌ_{ＯＷ＿ＭＥＳ}を本実施形態の光学式距離測定システムによる距離Ｌ_ＯＷの測定値とする。ここで、Ｌ_３、Ｌ_６、Ｌ_１０には予め測定しておいた値を用いる。
Ｌ_{ＯＷ＿ＭＥＳ}
＝［（Ｌ_ＯＰＥ−Ｌ_３−Ｌ_６）−（Ｌ_ＰＲＥ−Ｌ_１０）］／２・・・（４）

ここで、上記式（４）に示す距離Ｌ_{ＯＷ＿ＭＥＳ}が、アルミベースの伸縮量に応じた補正を含んだ距離Ｌ_ＯＷの測定値に相当するものであることは、以下に示す通りである。
先ず、本測定において測定した距離Ｌ_ＯＰＥの内訳は、基準温度からの伸びを含めて下記式（５）により示される。
Ｌ_ＯＰＥ≒（Ｌ_１＋ΔＬ_１）＋（Ｌ_２＋ΔＬ_２）＋（Ｌ_３＋ΔＬ_３）＋Ｌ_４＋Ｌ_５
＋（Ｌ_６＋ΔＬ_６）＋（Ｌ_７＋ΔＬ_７）＋（Ｌ_８＋ΔＬ_８）・・・（５）

一方、前測定において測定した距離Ｌ_ＰＲＥの内訳は、基準温度からの伸びを含めて下記式（６）により示される。
Ｌ_ＰＲＥ≒（Ｌ_１＋ΔＬ_１）＋（Ｌ_９＋ΔＬ_９）＋（Ｌ_１０＋ΔＬ_１０）
＋（Ｌ_１１＋ΔＬ_１１）＋（Ｌ_８＋ΔＬ_８）・・・（６）

これら式（５）および式（６）を、上記式（４）に代入し、さらに、上記式（２）および（３）に示す式を用いると、上記式（５）に示すように、区間１，２，３，６，７，８のそれぞれの伸びを含む距離が相殺されて、下記式（７）が導出される。
Ｌ_{ＯＷ＿ＭＥＳ}≒［Ｌ_４＋Ｌ_５＋Ｌ_２＋ΔＬ_２＋ΔＬ_３＋ΔＬ_６＋Ｌ_７＋ΔＬ_７
−Ｌ_９−ΔＬ_９−ΔＬ_１０−Ｌ_１１−ΔＬ_１１］／２
＝（Ｌ_４＋Ｌ_５）／２・・・（７）

また、上記式（７）において、区間４の光の往路の長さＬ_４、および区間５の光の復路の長さＬ_５は、それぞれ距離Ｌ_ＯＷと略等しいと仮定すると、下記式（８）に示すように、測定値Ｌ_{ＯＷ＿ＭＥＳ}が距離Ｌ_ＯＷに略等しいことが示される。
Ｌ_{ＯＷ＿ＭＥＳ}≒Ｌ_ＯＷ・・・（８）

以上のように、Ｌ_ＰＲＥからＬ_ＯＰＥを減算することにより、光ファイバで構成された区間１，２，７，８およびアルミベース上に構成された区間３，６の長さを、その伸縮量とともに相殺することができる。特に、上記式（３）を満たすようにファイバコイルの長さを設定することにより、アルミベースの伸縮による影響を相殺すること、すなわち、アルミベースの伸縮量に応じた補正を行うことができる。

なお、以上の実施形態の説明では、理解を容易にするために、Ｌ_１やＬ_ＯＷなどの記号「Ｌ」に添え字を付したものを、物理的な長さとして説明したが、これは演算装置６の実際の演算において使用される数の単位を限定するものではない。演算装置６における実際の演算では、例えば、発光装置から放射された光のパルス数や時間などの、長さに略比例した数を単位としてもよい。

本実施形態によれば、以下のような効果がある。
（１）光を放射する光源部３１および光を検出する光検出部３２に、それぞれ接続された放射用光ファイバ４１および受光用光ファイバ４２の他、筐体ＣのアルミベースＣＢに固定された光学系部品群４５を迂回する補正用光ファイバ４３を設けた。また、演算装置６では、この補正用光ファイバ４３の伸縮量に基づいて測定距離の補正を行う。したがって、アルミベースＣＢの伸縮量が補正用光ファイバ４３の伸縮量に反映するように補正用光ファイバ４３を設定することにより、アルミベースＣＢの伸縮量に応じた測定距離の補正を行うことができる。これにより、筐体Ｃが設けられた環境の温度によらず、高い精度でワークまでの距離Ｌ_ＯＷを測定することができる。

また、補正用光ファイバ４３のうち少なくとも一部をアルミベースＣＢに接するように設けることにより、アルミベースＣＢの温度による伸縮の影響を、補正用光ファイバ４３の伸縮量に直に反映させることができる。すなわち、本実施形態の光学式距離測定システム１では、高精度の温度センサを用いることなく、アルミベースＣＢの伸縮による影響を補正することができる。このため、温度センサを用いた場合と比較して、かかるコストを低くでき、かつ、簡易な構成にできる。
また、光ファイバは自在に曲げることができる。したがって、光学系部品群４５が設けられたアルミベースＣＢに対し、広範囲の面にわたって接するように補正用光ファイバ４３を設けることにより、アルミベースＣＢの温度による伸縮の影響を、補正用光ファイバ４３の伸縮量に、より正確に反映させることができる。

（２）光スイッチ４１Ｓを介して補正用光ファイバ４３を設けた。これにより、部品点数を不要に増やすことなく、アルミベースＣＢの温度による伸縮の影響を補正することができる。したがって、光学式距離測定システム１の構成をより簡易な構成にすることができる。

以上のように構成された本実施形態の光学式距離測定システム１を用い、検査治具の長さを測定する検査を行った。以下では、図５および図６を参照して、本実施形態の検査結果と、本実施形態に対する比較例の検査結果について説明する。

図５は、比較例の光学式距離測定システム１Ｘの構成を示す模式図である。図５に示すように、比較例の光学式距離測定システム１Ｘは、光測定装置２Ｘの補正用光ファイバ４３Ｘおよび演算装置６Ｘの構成が、上記実施形態の光学式距離測定システム１の構成と異なる。なお、図５において、上記実施形態の光学式距離測定システム１と同じ構成については、同じ符号を付し、その詳細な説明を省略する。

補正用光ファイバ４３Ｘは、上記実施形態と異なり、コイル状に束ねられた部分を含まない。また、その図示を省略するが、補正用光ファイバ４３Ｘは、上記実施形態と異なり、筐体Ｃに接していない。
演算装置６Ｘでは、上記実施形態と同様に、補正用コイルを含んで構成されたオフセットリセット回路で前測定を行った後、本測定を行い、本測定の結果から前測定の結果を減算することにより、ワークＷまでの距離を算出する。
すなわち、比較例の光学式距離測定システム１ＸでワークＷの距離を測定した場合、その測定結果には、上記実施形態と異なり、筐体の伸縮による影響が考慮されない。

図６は、本実施形態および比較例の検査結果を示す図である。この検査では、具体的には、所定の温度における両端側の長さが１５００ｍｍである検査治具を用意し、この検査治具の温度を、５℃から４０℃まで５℃刻みで変化させながら、各温度における長さを測定した。また、図６では、検査治具の長さの比較例による測定結果を一点鎖線で示し、本実施形態による測定結果を破線で示した。また、これら測定結果に対する真値を実線で示す。

先ず、検査治具の長さは、約３０℃において１５００．０ｍｍであり、また、温度が上昇するに従い伸びる。また、図６の実線で示すように、検査治具の長さは、その温度にかかわらず略一定の割合で増加する。つまり、検査治具の長さの伸びの温度変化率は略一定である。

このような温度変化を示す真値に対して、図６の一点鎖線で示す比較例による測定結果によれば、約２５℃において真値とほぼ等しい値を示すものの、検査治具の長さの温度変化率は、真値よりも大きい。すなわち、約２５℃よりも大きくなると、検査治具の長さは真値よりも大きな値を示し、約２５℃よりも小さくなると、検査治具の長さは真値よりも小さな値を示す。より具体的には、比較例の測定結果は、真値に対して約０，０２４７ｍｍ／℃程度の誤差が確認された。また、誤差の最大値は、０．４４ｍｍであった。

一方、図６の破線で示す本実施形態による測定結果によれば、検査治具の長さの温度変化率は概ね等しく、また、真値に近い値を示す。より具体的には、本実施形態では、今回測定した全ての温度範囲にわたり、最大でも０．０５ｍｍの誤差の範囲内に収まっている。したがって、本実施形態におけるファイバコイルの有効性が確認された。

なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良などは本発明に含まれるものである。

上記実施形態では、補正用光ファイバ４３の一部をコイル状に束ねてファイバコイル４３Ｃを形成するとともに、このファイバコイル４３Ｃが筐体ＣのアルミベースＣＢに接するように設けたが、これに限るものではない。補正用光ファイバのうちアルミベースに接する部分の形状は、どのような形状であってもよい。

また、上記実施形態では、理解の便宜のために、光ファイバの屈折率を「１」とした場合について説明した。実際には、光ファイバの屈折率は「１」よりもやや大きい。したがって、この場合、以下に示すように、補正用光ファイバの設定に関する上記式（３）を、下記式（９）で書き換えることが好ましい。

上述のように、距離Ｌ_ＰＲＥおよび距離Ｌ_ＯＰＥは、直接測定せずに、光を放射してから検出するまでの時間を測定し、光の速度で除算することにより算出する。したがって、上記式（７）に示すように、Ｌ_ＯＰＥからＬ_ＰＥＥを減算することでアルミベースの伸縮による影響を相殺するためには、光が区間１０を通過するのにかかった時間と、区間３および区間６を通過するのにかかった時間とが等しくなるように設定する必要がある。したがって、光ファイバ中の光の速度をｖとし、空気中の光の速度をｃとすると、下記式（９）が導出される。
（Ｌ_１０＋ΔＬ_１０）／ｖ＝（Ｌ_３＋ΔＬ_３＋Ｌ_６＋ΔＬ_６）／ｃ
（Ｌ_１０＋ΔＬ_１０）＝（Ｌ_３＋ΔＬ_３＋Ｌ_６＋ΔＬ_６）ｖ／ｃ
（Ｌ_１０＋ΔＬ_１０）＝（Ｌ_３＋ΔＬ_３＋Ｌ_６＋ΔＬ_６）／ｎ・・・（９）
ここで、ｃ／ｎを光ファイバの屈折率ｎとした。

本発明の一実施形態に係る光学式距離測定システムの構成を示す模式図である。上記実施形態に係るスキャナヘッドの筐体の構成を示す側面図である。上記実施形態に係る光学式距離測定システムにおける光の経路を模式的に示した図である。上記実施形態に係る測定手順を示すフローチャートである。比較例の光学式距離測定システムの構成を示す模式図である。上記実施形態および比較例の検査結果を示す図である。

符号の説明

１…光学式距離測定システム
２…光測定装置
３…距離計
３１…光源部（光源）
３２…光検出部（光検出手段）
４…スキャナヘッド
４１…放射用光ファイバ（第１光ファイバ）
４１Ｅ…放射端
４１Ｓ…光スイッチ
４２…受光用光ファイバ（第２光ファイバ）
４２Ｅ…受光端
４３…補正用光ファイバ（第３光ファイバ）
４３Ｃ…ファイバコイル
４５…光学系部品群（光学系部品）
Ｃ…筐体
ＣＢ…アルミベース
６…演算装置

Claims

光を放射する光源と、
光を検出する光検出手段と、
前記光源に一端が接続された第１光ファイバと、
前記光検出手段に一端が接続された第２光ファイバと、
前記第１光ファイバの他端側から放射した光を被検体に向けて出射するとともに、当該被検体により反射された光を前記第２光ファイバの他端側に入射する複数の光学系部品と、
前記第１光ファイバ、前記第２光ファイバ、および前記複数の光学系部品が固定された筐体と、
前記光源により光を放射してから、前記光検出手段により被検体で反射された光を検出するまでの測定用経路の光の時間を計測し、当該計測した時間に基づいて、被検体までの距離を算出する演算装置と、を備える光学式距離測定システムであって、
前記光源から放射した光を、前記複数の光学系部品を迂回して前記光検出手段に入射するオフセットリセット回路を構成するための第３光ファイバをさらに備え、
前記第３光ファイバは、前記第１光ファイバの中間部に接続され当該第１光ファイバから分岐し、前記第２光ファイバの中間部に至り、当該第３光ファイバの少なくとも一部は、前記筐体に接して設けられ、
前記第３光ファイバの長さは、前記測定用経路を構成する前記第１光ファイバ、前記第２光ファイバ、および前記筐体の温度による伸縮を、前記オフセットリセット回路を構成する前記第１光ファイバの部分、前記第２光ファイバの部分、および前記第３光ファイバの温度による伸縮により相殺するように設定され、
前記演算装置は、前記オフセットリセット回路の光の時間に基づいて測定距離の温度による影響の補正を行い、被検体までの距離を算出することを特徴とする光学式距離測定システム。
前記第３光ファイバは、前記第１光ファイバの中間部に設けられた光スイッチに接続され当該第１光ファイバから分岐することを特徴とする請求項１に記載の光学式距離測定システム。