(57)【要約】【課題】被測定対象物までの距離を、従来よりも高精度に測定できる距離測定方法及び距離測定装置を提供する。【解決手段】距離測定装置１では、基準位置から鋼板Ｐの測定面までの測定距離を、周波数シフト量ｆＤに基づいて補正することで、補正した測定距離を基に鋼板Ｐまでの距離を測定することができる。よって、距離測定装置１では、速度Ｖが異なる際に生じる、鋼板Ｐまでの距離のずれを補正できるので、鋼板Ｐまでの距離を、従来よりも高精度に測定できる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定対象物までの距離を測定する距離測定方法であって、
時間に対して周波数が変調されたレーザ光を、レーザ発振器で発振して出射するレーザ発振ステップと、
相対的に移動する前記被測定対象物に、前記レーザ発振器から出射したレーザ光を測定ヘッドから照射して、前記被測定対象物で反射した反射光を前記測定ヘッドで受光する照射・受光ステップと、
前記測定ヘッドで受光した反射光と前記レーザ発振器から出射した参照光とに基づくビート周波数を取得する周波数解析ステップと、
前記ビート周波数から前記被測定対象物までの距離を算出する距離算出ステップと、
前記距離算出ステップで算出される距離を補正するための周波数シフト量を算出する演算処理ステップと、
を有し、
前記演算処理ステップは、
前記レーザ光の波長を取得する波長取得ステップと、
前記測定ヘッドに対する前記被測定対象物の速度を取得する速度取得ステップと、
前記速度を変えて測定を行い、その速度差を前記速度取得ステップで取得して校正用速度として算出し、また、前記ビート周波数の差を校正用周波数シフト量として算出する、校正用データ算出ステップと、
前記波長取得ステップで取得した波長と、前記校正用速度と、前記校正用周波数シフト量とを用いて、前記被測定対象物の移動方向及び前記測定ヘッドから照射されるレーザ光の光軸がなす面において、前記移動方向に垂直な方向と、前記測定ヘッドから照射されるレーザ光の光軸とがなす光軸角度を算出する光軸角度算出ステップと、
前記波長取得ステップで取得した前記波長と、前記速度取得ステップで求めた前記速度と、前記光軸角度算出ステップで求めた前記光軸角度とから、前記周波数シフト量を算出する周波数シフト量算出ステップと、
を有し、
前記距離算出ステップは、
前記周波数解析ステップで取得したビート周波数を、前記周波数シフト量を用いて補正することで、前記被測定対象物までの距離を測定する、距離測定方法。
【請求項２】
被測定対象物までの距離を測定する距離測定方法であって、
時間に対して周波数が変調されたレーザ光を、レーザ発振器で発振して出射するレーザ発振ステップと、
相対的に移動する前記被測定対象物に、前記レーザ発振器から出射したレーザ光を測定ヘッドから照射して、前記被測定対象物で反射した反射光を前記測定ヘッドで受光する照射・受光ステップと、
前記測定ヘッドで受光した反射光と前記レーザ発振器から出射した参照光とに基づくビート周波数を取得する周波数解析ステップと、
前記ビート周波数から、前記被測定対象物までの距離を算出する距離算出ステップと、
前記距離算出ステップで算出される距離を補正するための距離シフト量を算出する演算処理ステップと、
を有し、
前記演算処理ステップは、
前記レーザ光の波長を取得する波長取得ステップと、
前記測定ヘッドに対する前記被測定対象物の速度を取得する速度取得ステップと、
前記速度を変えて測定を行い、その速度差を前記速度取得ステップで取得して校正用速度として算出し、また、前記ビート周波数の差を校正用周波数シフト量として算出する、校正用データ算出ステップと、
前記波長取得ステップで取得した波長と、前記校正用速度と、前記校正用周波数シフト量とを用いて、前記被測定対象物の移動方向及び前記測定ヘッドから照射されるレーザ光の光軸がなす面において、前記移動方向に垂直な方向と、前記測定ヘッドから照射されるレーザ光の光軸とがなす光軸角度を算出する光軸角度算出ステップと、
前記波長取得ステップで取得した前記波長と、前記速度取得ステップで求めた前記速度と、前記光軸角度算出ステップで求めた前記光軸角度とから、前記距離シフト量を算出する距離シフト量算出ステップと、
を有し、
前記距離算出ステップは、
前記周波数解析ステップで取得したビート周波数から算出した距離を、前記距離シフト量を用いて補正することで、前記被測定対象物までの距離を測定する、距離測定方法。
【請求項３】
被測定対象物までの距離を測定する距離測定装置であって、
時間に対して周波数が変調されたレーザ光を発振して出射するレーザ発振器と、
相対的に移動する前記被測定対象物に、前記レーザ発振器から出射したレーザ光を照射して、前記被測定対象物で反射した反射光を受光する測定ヘッドと、
前記測定ヘッドで受光した反射光と前記レーザ発振器から出射した参照光とに基づくビート周波数を取得する周波数解析部と、
前記ビート周波数から、前記被測定対象物までの距離を算出する距離算出部と、
前記距離算出部で算出される距離を補正するための周波数シフト量を算出する演算処理部と、
を有し、
前記演算処理部は、
前記測定ヘッドに対する前記被測定対象物の速度を変えて測定を行い、その速度差を取得して校正用速度として算出し、また、前記ビート周波数の差を校正用周波数シフト量として算出する、校正用データ算出部と、
前記レーザ光の波長と、前記校正用速度と、前記校正用周波数シフト量とを用いて、前記被測定対象物の移動方向及び前記測定ヘッドから照射されるレーザ光の光軸がなす面において、前記移動方向に垂直な方向と、前記測定ヘッドから照射されるレーザ光の光軸とがなす光軸角度を算出する光軸角度算出部と、
前記レーザ光の波長と、速度差を取得した際の前記速度と、前記光軸角度算出部で求めた前記光軸角度とから、前記周波数シフト量を算出する周波数シフト量算出部と、
を有し、
前記距離算出部は、
前記周波数解析部で取得したビート周波数を、前記周波数シフト量を用いて補正することで、前記被測定対象物までの距離を測定する、距離測定装置。
【請求項４】
被測定対象物までの距離を測定する距離測定装置であって、
時間に対して周波数が変調されたレーザ光を発振して出射するレーザ発振器と、
相対的に移動する前記被測定対象物に、前記レーザ発振器から出射したレーザ光を照射して、前記被測定対象物で反射した反射光を受光する測定ヘッドと、
前記測定ヘッドで受光した反射光と前記レーザ発振器から出射した参照光とに基づくビート周波数を取得する周波数解析部と、
前記ビート周波数から、前記被測定対象物までの距離を算出する距離算出部と、
前記距離算出部で算出される距離を補正するための距離シフト量を算出する演算処理部と、
を有し、
前記演算処理部は、
前記測定ヘッドに対する前記被測定対象物の速度を変えて測定を行い、その速度差を取得して校正用速度として算出し、また、前記ビート周波数の差を校正用周波数シフト量として算出する、校正用データ算出部と、
前記レーザ光の波長と、前記校正用速度と、前記校正用周波数シフト量とを用いて、前記被測定対象物の移動方向及び前記測定ヘッドから照射されるレーザ光の光軸がなす面において、前記移動方向に垂直な方向と、前記測定ヘッドから照射されるレーザ光の光軸とがなす光軸角度を算出する光軸角度算出部と、
前記レーザ光の波長と、前記速度差を取得した際の前記速度と、前記光軸角度算出部で求めた前記光軸角度とから、前記距離シフト量を算出する距離シフト量算出部と、
を有し、
前記距離算出部は、
前記周波数解析部で取得したビート周波数から算出した距離を、前記距離シフト量を用いて補正することで、前記被測定対象物までの距離を測定する、距離測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、距離測定方法及び距離測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
鉄鋼製品の製造現場は、工場内に粉塵が漂っていたり、被測定対象物が高温であったり、被測定対象物や雰囲気の温度変動が大きかったりする条件下で、高精度に被測定対象物までの距離を測定し、その寸法や形状を算出する必要がある。このような悪環境下で被測定対象物までの距離を測定して被測定対象物までの距離を測定する距離測定装置として、例えば、特許文献１に示すように、ＦＳＦレーザ（周波数シフト帰還型レーザ：Frequency-Shifted Feedback Laser）光源を利用した距離測定装置が知られている。
【０００３】
一般的に、このような時間に対して周波数が変調されたレーザ光を用いた距離測定装置では、レーザ発振器から出射される周波数変調された光を、参照光と測定光とに分岐し、測定光を被測定対象物に照射して、被測定対象物の表面（測定面）で反射して戻ってきた反射光を光検出部に入射させる。一方、参照光は、距離測定装置内の所定の光路長を有する経路を介して光検出部に入射される。
【０００４】
光がレーザ発振器を出てから、被測定対象物の測定面での反射を経て、反射光として光検出部に至るまでの経路と、光がレーザ発振器を出てから参照光として光検出部に至るまでの経路とでは、光路長が通常異なる。よって、光がレーザ発振器を出てから光検出部に至るまでに要した時間も、反射光と参照光とでは異なっている。
【０００５】
レーザ発振器から出射される光の周波数は、操作者が事前に把握してある所定の規則（三角波、櫛状波、正弦波等）に基づき時間と共に常に変化しているので、光検出部に入射する反射光と参照光とでは周波数が異なることになる。従って、光検出部においては反射光と参照光との干渉により、反射光と参照光との周波数差に等しい周波数を有するビート（うなり）信号が検出される。
【０００６】
ビート信号の周波数（ビート周波数）は、測定光がレーザ発振器を出てから反射光として光検出部に至るまでに要した時間と、参照光がレーザ発振器を出てから光検出部に至るまでに要した時間との差の時間における、レーザ発振器の発振周波数の変化量に等しい。従って、このような時間に対して周波数が変調されたレーザ光を用いた距離測定装置では、ビート周波数を光路長の差に変換することにより、被測定対象物までの距離を測定できる。
【０００７】
そして、被測定対象物までの距離が分かることで、測定面の位置情報や速度情報等から、被測定対象物の形状を知ることもできる。そのため、距離測定装置を形状測定装置としても用いることが可能である。
【０００８】
ここで、例えば、鉄鋼製品の製造現場に距離測定装置を用いた例で説明すると、図５に示すように、図示しない搬送ローラにより、被測定対象物となる鋼板Ｐが所定の移動方向Ｘ（この場合、鋼板Ｐの測定面の面方向に沿った一方向）に搬送されている場合に、所定の速度（通板速度とも称する）Ｖで移動する鋼板Ｐの測定面に対し、距離測定装置の測定ヘッド５から測定光が垂直に照射される。鋼板Ｐの測定面で反射して戻ってきた反射光は測定ヘッド５で受光され、光検出部（図示せず）へと送られる。
【０００９】
距離測定装置は、反射光と参照光との周波数差に等しい周波数を有するビート（うなり）信号を検出し、ビート周波数を光路長の差に変換することにより、移動している鋼板Ｐの測定面までの距離をリアルタイムで測定している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２０１６−８０４０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、上述したような時間に対して周波数が変調されたレーザ光を用いた距離測定装置を用い、鋼板Ｐが移動方向Ｘに沿って移動する速度Ｖを５０ｍｐｍ、１００ｍｐｍ、１５０ｍｐｍに変えて、それぞれ鋼板Ｐの測定面までの距離を測定したところ、本来同じ値となるはずの鋼板Ｐまでの距離（所定位置からの板高さ）が、図６に示すように、速度Ｖによって異なった値として検出されることが確認された。
【００１２】
ここで、図６の縦軸は、速度Ｖが０ｍｐｍのときの、距離測定装置の所定位置から鋼板Ｐの測定面までの距離を基準としており、例えば、速度Ｖを５０ｍｐｍとすると、板高さが基準から約１ｍｍシフトし、速度Ｖを１００ｍｐｍとすると、板高さが基準から約２ｍｍシフトし、速度Ｖを１５０ｍｐｍとすると、板高さが基準から約３ｍｍシフトした値となることを確認した。
【００１３】
そのため、鉄鋼製品の製造現場等では、種々の鋼板Ｐが搬送されており、更に、その際の速度Ｖが異なることもあることから、鋼板Ｐまでの距離の測定値が、その都度異なる値として検出されるとすると、鋼板Ｐの形状を高精度に測定することができない。
【００１４】
そこで、本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、被測定対象物までの距離を、従来よりも高精度に測定できる距離測定方法及び距離測定装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の距離測定方法は、被測定対象物までの距離を測定する距離測定方法であって、時間に対して周波数が変調されたレーザ光を、レーザ発振器で発振して出射するレーザ発振ステップと、相対的に移動する前記被測定対象物に、前記レーザ発振器から出射したレーザ光を測定ヘッドから照射して、前記被測定対象物で反射した反射光を前記測定ヘッドで受光する照射・受光ステップと、前記測定ヘッドで受光した反射光と前記レーザ発振器から出射した参照光とに基づくビート周波数を取得する周波数解析ステップと、前記ビート周波数から前記被測定対象物までの距離を算出する距離算出ステップと、前記距離算出ステップで算出される距離を補正するための周波数シフト量を算出する演算処理ステップと、を有し、前記演算処理ステップは、前記レーザ光の波長を取得する波長取得ステップと、前記測定ヘッドに対する前記被測定対象物の速度を取得する速度取得ステップと、前記速度を変えて測定を行い、その速度差を前記速度取得ステップで取得して校正用速度として算出し、また、前記ビート周波数の差を校正用周波数シフト量として算出する、校正用データ算出ステップと、
前記波長取得ステップで取得した波長と、前記校正用速度と、前記校正用周波数シフト量とを用いて、前記被測定対象物の移動方向及び前記測定ヘッドから照射されるレーザ光の光軸がなす面において、前記移動方向に垂直な方向と、前記測定ヘッドから照射されるレーザ光の光軸とがなす光軸角度を算出する光軸角度算出ステップと、前記波長取得ステップで取得した前記波長と、前記速度取得ステップで求めた前記速度と、前記光軸角度算出ステップで求めた前記光軸角度とから、前記周波数シフト量を算出する周波数シフト量算出ステップと、を有し、前記距離算出ステップは、前記周波数解析ステップで取得したビート周波数を、前記周波数シフト量を用いて補正することで、前記被測定対象物までの距離を測定する、ものである。
【００１６】
本発明の距離測定装置は、被測定対象物までの距離を測定する距離測定装置であって、時間に対して周波数が変調されたレーザ光を発振して出射するレーザ発振器と、相対的に移動する前記被測定対象物に、前記レーザ発振器から出射したレーザ光を照射して、前記被測定対象物で反射した反射光を受光する測定ヘッドと、前記測定ヘッドで受光した反射光と前記レーザ発振器から出射した参照光とに基づくビート周波数を取得する周波数解析部と、前記ビート周波数から、前記被測定対象物までの距離を算出する距離算出部と、前記距離算出部で算出される距離を補正するための周波数シフト量を算出する演算処理部と、を有し、前記演算処理部は、前記測定ヘッドに対する前記被測定対象物の速度を変えて測定を行い、その速度差を取得して校正用速度として算出し、また、前記ビート周波数の差を校正用周波数シフト量として算出する、校正用データ算出部と、前記レーザ光の波長と、前記校正用速度と、前記校正用周波数シフト量とを用いて、前記測定ヘッドに対する前記被測定対象物の速度を取得する速度取得部と、前記被測定対象物の移動方向及び前記測定ヘッドから照射されるレーザ光の光軸がなす面において、前記移動方向に垂直な方向と、前記測定ヘッドから照射されるレーザ光の光軸とがなす光軸角度を算出する光軸角度算出部と、前記レーザ光の波長と、速度差を取得した際の前記速度と、前記光軸角度算出部で求めた前記光軸角度とから、前記周波数シフト量を算出する周波数シフト量算出部と、を有し、前記距離算出部は、前記周波数解析部で取得したビート周波数を、前記周波数シフト量を用いて補正することで、前記被測定対象物までの距離を測定する、ものである。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、速度が異なる際に生じる、被測定対象物までの距離の測定値のずれを、被測定対象物の速度を基に補正できるので、被測定対象物までの距離を、従来よりも高精度に測定できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】測定光の光軸角度の説明に供する概略図である。
【図２】本発明の距離測定装置の全体構成を示したブロック図である。
【図３】ＦＳＦレーザ光のチャープ周波数コム出力を模式的に表した概略図である。
【図４】周波数シフト量を基に、図６に示した板高さを補正した結果を示すグラフである。
【図５】搬送されている鋼板に対して測定光を照射する測定ヘッドを示した概略図である。
【図６】速度が異なることにより生じる板高さの変化量を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下図面について、本発明の一実施形態を詳述する。
【００２０】
＜速度が異なることにより生じる測定距離の変化についての考察＞
本発明者らは、周波数が時間に対して変調するＦＳＦ（Frequency-Shifted Feedback）レーザ光を発振するレーザ発振器を備えた距離測定装置（即ち、ＦＳＦレーザ距離計）を用い、光軸に対して垂直方向に移動する鋼板Ｐの測定面までの距離を測定した場合、速度によって測定距離（測定結果。見掛け上の距離）が変化してしまうことを確認した。そこで、本発明者らは、このような測定距離が変化する原因について鋭意検討を行った。
【００２１】
その結果、本発明者らは、ＦＳＦレーザ距離計を用いて、移動している鋼板Ｐの形状を測定する際に、測定距離がシフトしてしまうのは、ＦＳＦレーザ光（以下、単にレーザ光とも称する）がドップラーシフトによる影響を受けていると考えられることを見出した。より具体的には、測定距離がシフトする原因として、図１に示すように、鋼板Ｐの測定面に対して測定光の光軸ａｘに、作業者の意図しない微小な傾きがあることで、ドップラーシフトの影響を受けていると推測した。
【００２２】
ここで、測定ヘッド５から照射されるレーザ光（測定光）の光軸ａｘの傾き（以下、光軸角度θと称する）とは、鋼板Ｐが移動する方向（移動方向Ｘ）及び照射されるレーザ光の光軸がなす面において、移動方向Ｘに垂直な方向Ｚと、照射されるレーザ光の光軸ａｘと、がなす角度である。
【００２３】
測定光の光軸ａｘに傾きがある場合、ドップラーシフトにより周波数ｆ０がシフトされた反射光が鋼板Ｐから反射されてくる。そのため、ＦＳＦレーザ光を用いた距離測定装置では、参照光と反射光の周波数差に基づいて距離を算出することから、結果として、図６に示したように、測定距離が変化した可能性があると推測される。
【００２４】
そこで、被測定対象物（鋼板Ｐ）が静止状態にある場合に、測定距離がＺ方向に１ｍｍ変化（すなわち、反射光の光路が２ｍｍ変化）すると、これに応じて反射光の周波数が約０．０４４ＭＨｚシフトする特性を持つＦＳＦレーザ距離計を使用し、図１中に示した下記の式（１）を基に、光軸角度θ（ｒａｄ）について検討した。
【００２５】
ｆＤ＝２Ｖ・ｓｉｎθ／λ    …  （１）
なお、ｆＤ（Ｈｚ）はＺ方向の単位距離当たりの周波数シフト量を示し、Ｖ（ｍ／ｓ）は被測定対象物の測定ヘッド５に対する相対速度を示し、λ（ｍ）はレーザ光の波長を示す。
【００２６】
ここでは、周波数シフト量ｆＤを０．０４４ＭＨｚ（４．４×１０４Ｈｚ）とし、鋼板Ｐが移動方向Ｘに移動する速度Ｖを５０ｍｐｍ（＝０．８３ｍ／ｓ）とし、レーザ発振器のＦＳＦレーザ光の波長λを１５５０ｎｍ（＝１．５５０×１０−６ｍ）として、上記の式（１）を基に光軸角度θを算出したところ、光軸角度θは２．４度となった。すなわち、このことは、光軸ａｘが２．４度傾くと、測定距離が約１ｍｍ（＝１．０×１０−３ｍ）シフトすることを示す。
【００２７】
ここで、鉄鋼製品の製造現場では、ＦＳＦレーザ光を用いた距離測定装置を使用する際、通常、鋼板Ｐの測定面に対して照射される測定光の光軸角度θが、０度（すなわち、鋼板Ｐの移動方向Ｘに対して光軸ａｘが垂直）になるように、作業員によって設置作業が行われている。しかしながら、上記の考察結果から、実際には、鉄鋼製品の製造現場においては、作業員が測定光の光軸角度θが０度になるよう調整したとしても、作業員が確認できない微小な傾きが残ってしまい、正確な設置作業を行わせることは難しいと推測される。
【００２８】
このため、上記の例では、取り付け精度として、測定光の光軸ａｘが、２．４度程度傾いてしまっているものと考えられる。
【００２９】
そのため、時間に対して周波数が変調されたレーザ光を用いた距離測定装置では、作業者が意図しないままに、レーザ光がドップラーシフトによる影響を受けると考えられることから、鋼板Ｐまでの距離を高精度で測定するためには、測定光の光軸ａｘの傾きも厳密に考慮して、測定距離を補正することが必要となる。
【００３０】
＜本発明の距離測定装置について＞
次に、上述したような考察結果を基に、ドップラーシフトによる影響を補正して、鋼板Ｐまでの距離を高精度で測定できる距離測定装置について以下説明する。図２は、本発明の距離測定装置１の全体構成を示す。距離測定装置１は、ＦＳＦレーザ光を発振するレーザ発振器２、分岐器３、サーキュレータ４、測定ヘッド５、結合器６、光検出部７、周波数解析部９、演算処理部１０、及び距離算出部２０を有する。
【００３１】
レーザ発振器２は、ＦＳＦレーザ光を発振するレーザ発振器である。ここで、ＦＳＦレーザ光とは、光の周波数を変化させる素子（周波数シフト素子）を備えた共振器（図示せず）を用いて、周波数シフトを受けた光を帰還することにより発振するレーザ光を意味する。
【００３２】
図３は、ＦＳＦレーザ光の出力を模式的に表した図である。図３に示すように、ＦＳＦレーザ光は、共振器内の光波が周回ごとに周波数シフトを受けながら、共振器の利得曲線（周波数−振幅曲線）に従って増幅され、減衰して、最終的には消滅する。ＦＳＦレーザ光の発振出力においては、このような瞬時周波数成分が複数、一定の周波数間隔で櫛状に存在している。
【００３３】
図３中、τＲＴは共振器の周回時間を表し、νＦＳは周回あたりの周波数シフト量を表す。１／τＲＴは、共振器の縦モード周波数間隔（チャープ周波数コム間隔）を示し、ｒｓは、ＦＳＦレーザ光の瞬時周波数の単位時間あたりの変化量、すなわち、周波数変調速度を示す。
【００３４】
レーザ発振器２から出力されたレーザ光（ＦＳＦレーザ光）は、光ファイバを介して分岐器３に入射される。分岐器３は、レーザ発振器２から入射されたレーザ光を、測定光と参照光とに分岐する。分岐器３において分岐された測定光は、第１の光ファイバ光路８ａを経由して測定ヘッド５に導かれる。第１の光ファイバ光路８ａは、測定光が分岐器３から出て測定ヘッド５に至るまでの間にサーキュレータ４を有している。サーキュレータ４は、分岐器３からの測定光を測定ヘッド５に出射し、測定ヘッド５から入射した反射光を結合器６に出射する。
【００３５】
測定ヘッド５には、第１の光ファイバ光路８ａの端部５ｂと、集光レンズ５ａとが内部に設けられている。測定ヘッド５は、レーザ発振器２から第１の光ファイバ光路８ａを介して伝送された測定光を、第１の光ファイバ光路８ａの端部５ｂから出射して集光レンズ５ａにより集光した後、鋼板Ｐの測定面に向けて照射する。鋼板Ｐは、図示しない搬送ローラにより移動方向Ｘ（鋼板Ｐの平坦な測定面の面方向に沿った一方向）に搬送されており、測定ヘッド５は、所定の速度Ｖで移動する鋼板Ｐの測定面に向けて測定光を照射する。
【００３６】
測定光が鋼板Ｐの測定面で反射することで得られた反射光は、集光レンズ５ａで集光された後、第１の光ファイバ光路８ａの端部５ｂで受光され、第１の光ファイバ光路８ａを経由して結合器６に入射される。具体的には、測定ヘッド５で受光した反射光は、測定光が通った光ファイバと同一の光ファイバを通じてサーキュレータ４に導かれ、サーキュレータ４から光ファイバを通じて結合器６に導かれる。
【００３７】
一方、分岐器３で分岐された参照光は、第２の光ファイバ光路８ｂを通じて光検出部７に導かれる。具体的には、分岐器３から出射した参照光は、所定の光路長の光ファイバを通じて結合器６に導かれる。結合器６は、参照光と反射光とを、光ファイバを通じて光検出部７に入射させる。
【００３８】
光検出部７は、反射光及び参照光を受光し、電気信号に変換して、周波数解析部９に送出する。光検出部７に同時に入射する反射光と参照光とは、レーザ光がレーザ発振器２を出射してから光検出部７に入射するまでに通った光路長の差に対応する周波数差を有するので、反射光と参照光との光干渉によりビート信号が発生する。
【００３９】
周波数解析部９は、光検出部７から送られてきた電気信号を解析することで、光検出部７で検出した一群の光において、反射光と参照光とが光干渉することにより生じるビート信号の周波数を、所定の検出周波数範囲内で検出する。なお、周波数解析部９としては、スペクトラムアナライザ等を用いることができる。
【００４０】
距離算出部２０は、周波数解析部９で検出されたビート信号の周波数（ビート周波数）を距離に変換する。この距離は、予め設定した基準位置（例えば、第１の光ファイバ光路８ａ上の測定光と参照光との光路差が生じない位置）から、鋼板Ｐの測定面までの距離に基づいて算出されるので、例えば、測定ヘッド５から、鋼板Ｐの測定面までの距離Ｄ１を求める場合には、基準位置から測定ヘッド５までの光ファイバの屈折率等を考慮した光学距離を、上記の算出した距離から差し引くことで求めることができる。
【００４１】
かかる構成に加えて、本発明の距離測定装置１には演算処理部１０が設けられている。演算処理部１０は、鋼板Ｐの速度Ｖが異なることによりシフトする測定距離を、補正するために用いる周波数シフト量ｆＤを算出するものである。ここで、測定ヘッド５が固定されて鋼板Ｐが移動する本実施形態の場合、上記の式（１）から、反射光の周波数をシフトさせる周波数シフト量ｆＤを求めるためには、式（１）に示すように、鋼板Ｐの速度Ｖと、光軸角度θと、レーザ光の波長λとが必要となる。
【００４２】
レーザ光の波長λについては、分光器等で予め測定することで取得可能である。速度Ｖについては、鋼板Ｐを搬送する搬送ローラの設定速度を用いたり、あるいは、レーザドップラー速度計等で鋼板Ｐの実際の速度Ｖを測定したりすることで取得可能である。
【００４３】
測定ヘッド５から照射される測定光の光軸角度θは、鋼板Ｐの移動方向Ｘと、鋼板Ｐの移動方向Ｘに垂直な方向Ｚと、測定光の光軸ａｘとのなす角で決まるため、直接測定することが困難である。また、鋼板Ｐの測定面に対して照射する測定光の光軸角度θは、本来、０度になるように作業員によって設置されるものの、実際には、鉄鋼製品の製造現場において、光軸角度θを０度になるように、測定ヘッド５を正確に設置することは難しいと推測される。
【００４４】
そこで、例えば、予め、被測定対象物の試験サンプルとなる鋼板Ｐ（試験片）を移動方向Ｘに沿って複数の速度Ｖ１，Ｖ２で移動させ、これら速度Ｖ１，Ｖ２のときにそれぞれ検出した各反射光の周波数の差を、周波数シフト量ｆＤ１として算出する。また、速度Ｖ１，Ｖ２の速度差を、校正用の速度ＶＤ１として算出する。
【００４５】
これにより、測定光の光軸角度θは、レーザ光の波長λと、校正用の速度ＶＤ１と、校正用の速度ＶＤ１での周波数シフト量ｆＤ１とを用い、上記の式（１）（すなわち、ｆＤ１＝２ＶＤ１・Ｓｉｎθ／λ）から算出することができる。ここで、周波数シフト量ｆＤ１は、光軸角度θを算出するために用いるものであり、以下これを校正用周波数シフト量ｆＤ１と称する。また、速度ＶＤ１は、光軸角度θを算出するために用いるものであり、以下これを校正用速度ＶＤ１と称する。
【００４６】
ここで、校正用速度ＶＤ１を算出する速度Ｖ１，Ｖ２としては、０ｍｐｍ及び５０ｍｐｍ（＝０．８３ｍ／ｓ）や、５０ｍｐｍ（＝０．８３ｍ／ｓ）及び１００ｍｐｍ（＝１．６７ｍ／ｓ）等、種々の速度を適用することができる。また、光軸角度θを算出する際に用いる複数の速度としては、速度Ｖ１，Ｖ２の２つとしたが、本発明はこれに限らず、２つ以上であれば種々の数の速度Ｖ１，Ｖ２，…を用いてもよい。
【００４７】
以上のようにして光軸角度θを算出した後、実際に移動方向Ｘに沿って速度Ｖで移動している鋼板Ｐの形状を新たに測定し始める際には、当該鋼板Ｐの速度Ｖを取得すれば、以上の方法で予め算出した測定光の光軸角度θと、レーザ光の波長λとを用い、上記の式（１）から、測定距離を補正するために用いる周波数シフト量ｆＤを算出することができる。
【００４８】
図２に示す演算処理部１０は、鋼板Ｐの速度Ｖと、光軸角度θと、レーザ光の波長λとを取得し、上記の式（１）から周波数シフト量ｆＤを算出するものである。この場合、演算処理部１０は、光軸角度取得部１１、速度取得部１２、波長取得部１３、及び周波数シフト量算出部１８を有している。このうち光軸角度取得部１１と速度取得部１２と波長取得部１３とで取得部を構成する。
【００４９】
この実施形態の場合、光軸角度取得部１１は、校正用データ算出部１５及び光軸角度算出部１６を有しており、測定光の光軸角度θを演算により算出する。校正用データ算出部１５は、例えば、鋼板Ｐを移動方向Ｘに沿って複数の速度Ｖ１，Ｖ２で移動させたときに、それぞれ光検出部７で受光した各反射光と参照光との干渉によって生じるビート周波数を検出する。校正用データ算出部１５は、速度Ｖ１，Ｖ２のときに光検出部７で検出された、２つのビート周波数の周波数差を、校正用周波数シフト量ｆＤ１として算出する。
【００５０】
また、校正用データ算出部１５は、速度取得部１２から速度Ｖ１，Ｖ２に関するデータを取得し、これら速度Ｖ１，Ｖ２の速度差を校正用速度ＶＤ１として算出する。なお、速度取得部１２は、例えば、鋼板Ｐを搬送する搬送ローラの設定速度を速度Ｖ（速度Ｖ１，Ｖ２）として取得したり、あるいは、レーザドップラー速度計等の計測手段により速度Ｖ（速度Ｖ１，Ｖ２）を実際に測定して取得するものである。
【００５１】
光軸角度算出部１６は、校正用データ算出部１５で取得した校正用周波数シフト量ｆＤ１及び校正用速度ＶＤ１に関するデータを受け取るとともに、波長取得部１３で取得した、レーザ光の波長λを受け取る。なお、波長取得部１３は、例えば、分光器等であり、レーザ発振器２で発振されるレーザ光の波長λを測定することで、波長λを取得するものである。
【００５２】
光軸角度算出部１６は、校正用周波数シフト量ｆＤ１、校正用速度ＶＤ１、及びレーザ光の波長λを用いて、上記の式（１）から測定光の光軸角度θを算出し、求めた光軸角度θを記憶部（図示せず）に記憶する。
【００５３】
その後、実際に移動方向Ｘに沿って速度Ｖで移動している鋼板Ｐの形状を測定する際に、以上のようにして算出した光軸角度θ等を使用して周波数シフト量ｆＤを求め、鋼板Ｐまでの測定距離を補正する。以下、光軸角度θを算出した後に、鋼板Ｐまでの測定距離を補正する、補正処理について説明する。
【００５４】
この場合、周波数シフト量算出部１８は、移動方向Ｘに沿って移動している鋼板Ｐの速度Ｖを速度取得部１２から受け取り、また、鋼板Ｐに向けて照射するレーザ光の波長λを波長取得部１３から受け取る。さらに、周波数シフト量算出部１８は、演算により予め求めていた測定光の光軸角度θを光軸角度取得部１１から受け取る。
【００５５】
周波数シフト量算出部１８は、これら速度Ｖ、波長λ及び光軸角度θを用い、上記の式（１）から周波数シフト量ｆＤを算出し、これを距離算出部２０に送出する。
【００５６】
距離算出部２０は、周波数解析部９から送られてきた、反射光と参照光との光干渉により発生したビート信号の周波数（ビート周波数）を、光路長の差に変換することで、予め設定した基準位置から、鋼板Ｐの測定面までの距離を算出する。この際、鋼板Ｐが移動している場合には、ビート周波数は周波数シフト量ｆＤの周波数シフトを受けている。そのため、距離算出部２０は、演算処理部１０で求めた周波数シフト量ｆＤの値を用いて、速度Ｖが異なることにより生じていた周波数シフトの影響を補正することで、補正測定距離（板高さ）を求めることができる。ここで、図４は、実施例として、演算処理部１０により速度毎に求めた周波数シフト量ｆＤを用いて、図６に示した測定距離（板高さ）をそれぞれ補正したときの結果を示す。
【００５７】
この実施例では、測定光の光軸角度θが２．４度、レーザ光の波長λが１５５０ｎｍであり、速度Ｖが５０ｍｐｍ、１００ｍｐｍ、１５０ｍｐｍとしたときの周波数シフト量ｆＤをそれぞれ算出した。そして、各速度で検出している反射光の周波数を、対応する周波数シフト量ｆＤの値分だけシフトさせた。そして、参照光と、周波数をシフトさせた後の反射光との光干渉により発生したビート信号の周波数を、光路長の差に変換して測定距離を求めた。
【００５８】
図４に示すように、速度Ｖが５０ｍｐｍ、１００ｍｐｍ、１５０ｍｐｍと異なるときでも、それぞれ算出した周波数シフト量ｆＤを基に反射光の周波数を補正することで、いずれの結果でも測定距離が０ｍｍ付近（鋼板Ｐの搬送パスライン付近）で概ね一致することが確認できた。距離測定装置１では、このようにして補正した測定距離（補正測定距離）の凹凸変化から、被測定対象物である鋼板Ｐの形状を測定できる。
【００５９】
＜作用及び効果＞
以上の構成において、距離測定装置１では、鋼板Ｐを移動させて、測定ヘッド５から鋼板Ｐの測定面に測定光を照射し、反射光を測定ヘッド５で受光する（照射・受光ステップ）。また、距離測定装置１では、測定ヘッド５に対する鋼板Ｐの速度Ｖと、レーザ光の波長λと、を取得する（速度取得ステップ及び波長取得ステップ）。さらに、距離測定装置１では、鋼板Ｐの移動方向Ｘ、及び、測定ヘッド５から照射されるレーザ光の光軸ａｘがなす面において、移動方向Ｘに垂直な方向Ｚと、測定ヘッド５から照射されるレーザ光の光軸ａｘとでなす光軸角度θを取得する（光軸角度取得ステップ）。そして、これら速度Ｖ、光軸角度θ及び波長λから周波数シフト量ｆＤを算出する（算出ステップ）。
【００６０】
これにより、距離測定装置１では、基準位置から鋼板Ｐの測定面までの測定距離を、周波数シフト量ｆＤに基づいて補正することで、補正した測定距離を基に鋼板Ｐの形状を測定することができる（測定ステップ）。よって、距離測定装置１では、速度Ｖが異なる際に生じる、鋼板Ｐまでの距離のずれを補正できるので、鋼板Ｐの形状を、従来よりも高精度に測定できる。
【００６１】
また、距離測定装置１では、鋼板Ｐの速度Ｖ１，Ｖ２を変えて、各速度Ｖ１，Ｖ２のときにそれぞれ検出した反射光の周波数の差を、校正用周波数シフト量ｆＤ１として算出する（校正用データ算出ステップ）。さらに、距離測定装置１では、速度Ｖ１，Ｖ２の速度差から、校正用速度ＶＤ１を算出する（校正用速度算出ステップ）。
【００６２】
これにより、校正用周波数シフト量ｆＤ１、校正用速度ＶＤ１、及び波長λから、上記の式（１）を基に測定光の光軸角度θを算出することができる（光軸角度算出ステップ）。従って、距離測定装置１では、測定光の光軸角度θが直接測定することが困難な場合であっても、正確な光軸角度θを求めることができ、光軸角度θを用いて周波数シフト量ｆＤを算出できる。
【００６３】
＜他の実施形態＞
なお、本発明は、本実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形実施が可能である。例えば、被測定対象物として板状の鋼板Ｐを適用したが、本発明はこれに限らず、直方体等の形状でなる鋼板や、円筒状・円柱状の鋼材等、種々の形状の被測定対象物を適用してもよい。また、鋼板以外のその他の材料でなる被測定対象物を適用してもよい。
【００６４】
また、上述した実施形態においては、測定ヘッドを被測定対象物に対して相対的に移動させる状態として、測定ヘッド５を固定し、鋼板Ｐを移動させるようにした場合について述べたが、本発明はこれに限らず、鋼板Ｐを固定し、測定ヘッド５を鋼板Ｐの測定面の面方向に沿って一方向に移動させるようにしてもよい。
【００６５】
また、上述した実施形態においては、周波数が時間に対して変調されたレーザ光として、ＦＳＦレーザ光を適用したが、本発明はこれに限らず、種々の周波数が時間に対して変調するレーザ光を適用することができ、例えば周波数変調（ＦＭＣＷ：Frequency Modulated Continuous Wave）方式等を適用してもよい。
【００６６】
また、上述した実施形態においては、周波数シフト量ｆＤを求め、測定されたビート周波数を、周波数シフト量ｆＤを基にシフトすることで、鋼板Ｐまでの距離のずれを補正する場合（即ち、周波数演算の段階でシフトを行う）を例として説明したが、鋼板Ｐの速度Ｖに応じて、距離がどれくらいシフトするかの値を測定しておき、見かけの測定距離から、シフトすべき距離だけ補正する（即ち、距離演算の段階でシフトを行う）ことも可能である。
【００６７】
この場合、下記の順序で、距離を補正するための距離シフト量を算出する演算処理ステップが実行される。例えば、予め、レーザ光の波長λを取得し（波長取得ステップ）、測定ヘッド５に対する鋼板Ｐ（被測定対象物）の速度Ｖを取得する（速度取得ステップ）。また、サンプルとなる鋼板Ｐの速度を変えて測定を行い、その速度差を前記速度取得部１２で取得して校正用速度ＶＤ１として算出する（校正用データ算出ステップ）。さらにこの際、前記ビート周波数の差を校正用周波数シフト量ｆＤ１として算出する（校正用データ算出ステップ）。次いで、前記波長取得部１３で取得した波長λと、前記校正用速度ＶＤ１と、前記校正用周波数シフト量ｆＤ１とを用いて、鋼板Ｐの移動方向Ｘ及び前記測定ヘッド５から照射されるレーザ光の光軸ａｘがなす面において、前記移動方向Ｘに垂直な方向Ｚと、前記測定ヘッド５から照射されるレーザ光の光軸ａｘとがなす光軸角度θとを取得しておく（光軸角度取得ステップ）。
【００６８】
そして、演算処理部１０は、距離シフト量算出部（図示せず）によって、波長取得ステップで取得した前記波長λと、前記速度取得ステップで求めた前記速度Ｖと、前記光軸角度取得ステップで求めた光軸角度θとから、鋼板Ｐの速度Ｖに応じて、測定結果として得られた見掛けの距離がどの程度シフトするかを規定する距離シフト量を算出する（距離シフト量算出ステップ）。
【００６９】
その後、当該速度Ｖに対応した距離シフト量を距離算出部２０に送出する。かくして、距離算出部２０は、基準位置から被測定対象物までの測定距離を、補正量を用いて補正することで、被測定対象物までの距離を測定することができる（距離算出ステップにおける補正と距離の測定）。
【００７０】
また、上述した実施形態においては、距離測定装置１内（特に、演算処理部１１内）に設けられた速度取得部１２で、鋼板Ｐが移動する速度（移動速度）Ｖを求めているが、鋼板Ｐの移動速度Ｖが測定できるのであれば、距離測定装置１とは別体の公知の測定装置を用いて、移動速度Ｖを測定し、その値だけを、距離測定装置１で使うようにすることも可能である。
【００７１】
また、距離測定装置１内（特に、演算処理部１１内）に設けられた波長取得部１３で、レーザ光の波長を求めているが、波長が測定できるのであれば、距離測定装置１とは別体の公知の測定装置を用いて、レーザ光の波長λを測定し、その値だけを、距離測定装置１で使うようにすることも可能である。
【００７２】
また、上述した実施形態においては、演算により光軸角度θを算出する光軸角度取得部１１を適用した場合について述べたが、本発明はこれに限らず、計測手段により光軸角度θを測定して実測値を取得する光軸角度取得部を適用してもよく、また、光軸角度θを予め単に記憶しているだけの光軸角度取得部であってもよい。
【００７３】
また、上述した実施形態においては、反射光と参照光との周波数差に等しい周波数を有するビート信号を検出し、ビート周波数を光路長の差に変換することにより、鋼板Ｐまでの距離を測定するようにしたが、本発明はこれに限らない。例えば、特開２０１６−８０４０９号公報に開示されているように、測定ヘッド５に反射源を設け、反射源で測定光を反射させて戻り光を生成し、反射光と参照光と戻り光とを利用して、鋼板Ｐまでの距離を測定してもよい。この場合、反射光を利用してビート信号を生成する際に、周波数シフト量ｆＤで周波数をシフトした反射光を用いることで、上述した実施形態と同様の効果を得ることができる。
【符号の説明】
【００７４】
１  距離測定装置
２  レーザ発振器
５  測定ヘッド
９  周波数解析部
１１  光軸角度取得部（取得部）
１２  速度取得部（取得部）
１３  波長取得部（取得部）
１８  周波数シフト量算出部
２０  距離算出部
【図１】
2020046368.tif 000003
【図２】
2020046368.tif 000004
【図３】
2020046368.tif 000005
【図４】
2020046368.tif 000006
【図５】
2020046368.tif 000007
【図６】
2020046368.tif 000008