(57)【要約】【課題】変位計測装置に関して、距離及び変位の計測の精度を向上できる技術を提供する。【解決手段】変位計測装置１００は、周期信号を発生する強度変調部１０と、周期信号に基づき光を出力する光源２と、光源２からの光を増幅する光アンプ２０と、光アンプ２０からの光を計測対象面５に対して照射しその反射光を入射する光学系３と、計測対象面５からの反射光を計測光として検出する計測光検出部６１と、計測光の信号の位相と参照光の信号の位相とを比較する位相比較部７０と、位相の比較の結果に基づいて計測対象面５までの距離及びその変位を算出する変位算出部８０とを有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
周期信号に基づき強度変調された光を出力する光源部と、
前記光源部からの光を増幅して出力する光アンプと、
前記光アンプからの光を被計測物に対して照射しその反射光を入射する光学系と、
前記被計測物からの反射光を計測光として検出する計測光検出部と、
前記計測光の信号の位相と前記光アンプからの光に基づく参照光の信号の位相とを比較する位相比較部と、
前記位相の比較の結果に基づいて前記被計測物までの距離及び前記被計測物の変位を算出する変位算出部と、を有する、変位計測装置。
【請求項２】
請求項１記載の変位計測装置において、
前記光アンプは、
前記光源部からの光を増幅するための光を出力する励起部と、
前記光源部からの光と前記励起部からの光とを合波する合波部と、
前記合波部からの光を増幅する光導波路と、を有する、変位計測装置。
【請求項３】
請求項１記載の変位計測装置において、
前記光アンプは、２段以上の光アンプが直列に接続されている、変位計測装置。
【請求項４】
請求項１記載の変位計測装置において、
前記光学系は、前記光アンプからの光を前記被計測物に対して集光する集光レンズと、前記被計測物を前記計測光検出部に結像する、可変焦点レンズにより構成される計測光検出レンズと、を含み、
前記可変焦点レンズの焦点距離を制御する焦点制御部を有する、変位計測装置。
【請求項５】
請求項１記載の変位計測装置において、
前記光学系は、前記光アンプからの光を前記被計測物に対して集光する、可変焦点レンズにより構成される集光レンズと、前記被計測物を前記計測光検出部に結像する計測光検出レンズと、を含み、
前記可変焦点レンズの焦点距離を制御する焦点制御部を有する、変位計測装置。
【請求項６】
請求項２記載の変位計測装置において、
前記光源部の出力する光の波長は、１０００〜１１００ｎｍの範囲内にある第１波長、または、１５００〜１６５０ｎｍの範囲内にある第２波長であり、
前記光アンプの前記励起部から出力する光の波長は、前記第１波長に対応させた９８０ｎｍ付近の第１励起波長、または、前記第２波長に対応させた前記９８０ｎｍ付近の第１励起波長もしくは１４８０ｎｍ付近の第２励起波長である、変位計測装置。
【請求項７】
被計測物までの距離及び当該被計測物の変位を計測する変位計測装置と、
前記変位計測装置を搭載し、前記被計測物に対して移動する移動車と、
前記移動車の位置または移動距離を計測する位置計測部と、を備え、
前記変位計測装置は、
周期信号に基づき強度変調された光を出力する光源部と、
前記光源部からの光を増幅して出力する光アンプと、
前記光アンプからの光を被計測物に対して照射しその反射光を入射する光学系と、
前記光学系の後段に配置され、前記光アンプからの光を前記被計測物に対して照射しその反射光を前記光学系へ入射する回転ミラー、及び前記回転ミラーの回転角度を検出する回転角度検出部と、
前記被計測物からの反射光を計測光として検出する計測光検出部と、
前記計測光の信号の位相と前記光アンプからの光に基づく参照光の信号の位相とを比較する位相比較部と、
前記位相の比較の結果に基づいて前記被計測物までの距離及び当該被計測物の変位を算出する変位算出部と、
前記回転角度の情報、前記被計測物までの距離及び変位の情報、及び前記移動車の位置または移動距離の情報を用いて、前記被計測物の３次元のプロファイルデータを作成するプロファイル作成部と、を有する、変位計測システム。
【請求項８】
請求項７記載の変位計測システムにおいて、
前記移動車の加速度を計測する加速度計測部を有し、
前記プロファイル作成部は、前記移動車の加速度の情報を用いて、前記プロファイルデータにおける回転角度ごとの前記距離及び変位のデータを補正する、変位計測システム。
【請求項９】
請求項７記載の変位計測システムにおいて、
前記変位計測装置は、
計測日時ごとの前記被計測物の３次元のプロファイルデータを記憶する記憶部と、
前記計測日時ごとのプロファイルデータを用いて、異なる計測日時のプロファイルデータの差分を演算し、当該差分と管理値とを比較し、当該比較の結果を出力する、差分演算部と、を有する、変位計測システム。
【請求項１０】
請求項７記載の変位計測システムにおいて、
前記光学系は、前記光アンプからの光を前記被計測物に対して集光する集光レンズと、前記被計測物を前記計測光検出部に結像する、計測光検出レンズと、を含み、
前記計測光検出レンズまたは集光レンズは、可変焦点レンズにより構成され、
前記変位計測装置は、前記回転角度の情報を用いて前記可変焦点レンズの焦点距離を制御する焦点制御部を有する、変位計測システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、距離及び変位を計測する計測装置の技術に関する。また、本発明は、道路、トンネル、及び橋梁等の社会インフラの検査用の好適な計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
道路、トンネル、及び橋梁等の社会インフラの検査用に好適な計測装置として、半導体レーザ等の光源を用いて被計測物との距離及びその変位を計測する計測装置がある。
【０００３】
上記計測装置に関する先行技術例として、特開平３−２６４８８６号公報（特許文献１）、特開２００４−３４７５８５号公報（特許文献２）が挙げられる。
【０００４】
特許文献１は、光学式変位センサとして、発光部からの出力光を特定の周波数で輝度変調（強度変調とも呼ばれる）し、計測物体からの反射光の位相と参照光の位相との位相差から、計測物体までの距離及び変位を計測する装置について記載されている。
【０００５】
特許文献２は、建築および土木構造物計測・解析システムとして、計測車に搭載し、移動距離、レーザ測距装置の方位角、俯仰角および被計測点までの距離を関連付けて記憶する、トンネル内壁面を計測するシステムについて記載されている。
【０００６】
また可変焦点レンズに関して、液体レンズ等の公知技術が挙げられる。液体レンズの例を記載している文献として、日本ロボット学会誌Vol.27 No.7, pp.739〜748, 2009，[東大; 光学系と画像処理系の速度を整合した高速フォーカスビジョン]（非特許文献１）がある。非特許文献１は、互いに混ざらない２液を開口部で接触させ、一方の液体の圧力を制御することで２液界面の曲率を変化させることにより、焦点の距離を可変とする液体レンズが記載されている。この液体レンズの応答性は１ｍｓ以下と高速である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平３−２６４８８６号公報
【特許文献２】特開２００４−３４７５８５号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】日本ロボット学会誌Vol.27 No.7, pp.739〜748, 2009，[東大; 光学系と画像処理系の速度を整合した高速フォーカスビジョン]
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
従来の変位計測装置は、距離及び変位の計測の精度に関する以下のような課題がある。特許文献１のレーザ測距装置である光学式変位センサは、被計測物からの反射光を計測する。そのため、被計測物がトンネル壁面である場合のように、被計測物からの反射光が散乱する場合は、検出光量が低下する。これにより、輝度変調の波形のＳＮＲ（Signal to noise ratio）が悪くなり、被計測物の距離及び変位に関する十分な精度が得られない。一般に、上記変位の計測の精度は、ＳＮＲに比例し、ＳＮＲは、光強度の平方根に比例する。特許文献１の例を含む、一般的な方式である輝度変調によるレーザ測距装置は、変位の計測の精度として、現状、最高でも２ｍｍ程度である。
【００１０】
被計測物が例えばトンネル壁面である場合、その変位として５〜１０ｍｍ程度の変位を計測するための精度としては、０．５ｍｍ程度が必要である。即ち、上記変位の計測の精度は、変位の１／１０程度が必要である。例えば５ｍｍの変位の計測のためには、０．５ｍｍの精度が必要である。現状のレーザ測距装置等の変位計測装置は、上記５〜１０ｍｍ程度の変位を計測するためには、精度的に不足する。
【００１１】
また、従来の変位計測装置は、変位計測装置のセンサ面と被計測物との距離の遠近に応じて測定の精度に影響するという課題がある。例えば被計測物がトンネル壁面である場合、特許文献２の例のように、レーザ測距装置等の変位計測装置を搭載した移動車により走行しながらトンネル壁面の変位を計測する方式が挙げられる。特に、移動車は、トンネル内の片側の車線を走行しながら、移動車の進行方向に対して垂直な方向へレーザによる計測光を照射し、その反射光により、トンネル壁面までの距離及びその変位を計測する方式が挙げられる。上記方式の場合、計測にあたり、変位計測装置のセンサ面から、自車線側の壁面は近いが、反対車線側の壁面は遠い。これらの両壁面からの散乱角が一定だとすると、当該センサ面と壁面との距離が遠いほど、センサ面での反射散乱光の拡がりが大きくなる。これにより、センサ面で検出される光量が減少するため、距離及び変位の計測の精度が低下する。
【００１２】
また、従来の変位計測装置は、変位計測装置の振動等によるノイズの影響により計測の精度が低下するという課題がある。上記の方式の場合、移動車に変位計測装置を搭載して走行しながら計測する。そのため、移動車の振動により、計測データにノイズが重畳される。そのため、このノイズが重畳された計測データのままでは、トンネル壁面などの変位量、特に小さな傷などを検出することは困難である。
【００１３】
本発明の目的は、変位計測装置に関して、距離及び変位の計測の精度を向上できる技術を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明のうち代表的な実施の形態は、変位計測装置、及び変位計測システム、等であって、以下に示す構成を有することを特徴とする。
【００１５】
（１）一実施の形態の変位計測装置は、周期信号に基づき強度変調された光を出力する光源部と、前記光源部からの光を増幅して出力する光アンプと、前記光アンプからの光を被計測物に対して照射しその反射光を入射する光学系と、前記被計測物からの反射光を計測光として検出する計測光検出部と、前記計測光の信号の位相と前記光アンプからの光に基づく参照光の信号の位相とを比較する位相比較部と、前記位相の比較の結果に基づいて前記被計測物までの距離及び前記被計測物の変位を算出する変位算出部と、を有する。
【００１６】
（２）前記光アンプは、前記光源部からの光を増幅するための光を出力する励起部と、前記光源部からの光と前記励起部からの光とを合波する合波部と、前記合波部からの光を増幅する光導波路と、を有する。例えば、前記光アンプは、２段以上の光アンプが直列に接続されている。
【００１７】
（３）一実施の形態の変位計測装置において、前記光学系は、前記光アンプからの光を前記被計測物に対して集光する集光レンズと、前記被計測物を前記計測光検出部に結像する、計測光検出レンズと、を含み、前記集光レンズまたは計測光検出レンズは、可変焦点レンズにより構成され、前記可変焦点レンズの焦点距離を制御する焦点制御部を有する。
【００１８】
（４）前記光源部の出力する光の波長は、例えば、１０００〜１１００ｎｍの範囲内にある第１波長、または、１５００〜１６５０ｎｍの範囲内にある第２波長であり、前記光アンプの前記励起部から出力する光の波長は、前記第１波長に対応させた９８０ｎｍ付近の第１励起波長、または、前記第２波長に対応させた前記９８０ｎｍ付近の第１励起波長もしくは１４８０ｎｍ付近の第２励起波長である。
【００１９】
（５）一実施の形態の変位計測システムは、被計測物までの距離及び当該被計測物の変位を計測する変位計測装置と、前記変位計測装置を搭載し、前記被計測物に対して移動する移動車と、前記移動車の位置または移動距離を計測する位置計測部と、を有する。前記変位計測装置は、周期信号に基づき強度変調された光を出力する光源部と、前記光源部からの光を増幅して出力する光アンプと、前記光アンプからの光を被計測物に対して照射しその反射光を入射する光学系と、前記光学系の後段に配置され、前記光アンプからの光を前記被計測物に対して照射しその反射光を前記光学系へ入射する回転ミラー、及び前記回転ミラーの回転角度を検出する回転角度検出部と、前記被計測物からの反射光を計測光として検出する計測光検出部と、前記計測光の信号の位相と前記光アンプからの光に基づく参照光の信号の位相とを比較する位相比較部と、前記位相の比較の結果に基づいて前記被計測物までの距離及び当該被計測物の変位を算出する変位算出部と、前記回転角度の情報、前記被計測物までの距離及び変位の情報、及び前記移動車の位置または移動距離の情報を用いて、前記被計測物の３次元のプロファイルデータを作成するプロファイル作成部と、を有する。
【００２０】
（６）前記変位計測システムは、前記移動車の加速度を計測する加速度計測部を有し、前記プロファイル作成部は、前記移動車の加速度の情報を用いて、前記プロファイルデータにおける回転角度ごとの前記距離及び変位のデータを補正する。
【００２１】
（７）前記変位計測装置は、計測日時ごとの前記被計測物の３次元のプロファイルデータを記憶する記憶部と、前記計測日時ごとのプロファイルデータを用いて、異なる計測日時のプロファイルデータの差分を演算し、当該差分と管理値とを比較し、当該比較の結果を出力する、差分演算部と、を有する。
【００２２】
（８）前記光学系は、前記光アンプからの光を前記被計測物に対して集光する集光レンズと、前記被計測物を前記計測光検出部に結像する、計測光検出レンズと、を含み、前記計測光検出レンズまたは集光レンズは、可変焦点レンズにより構成され、前記変位計測装置は、前記回転角度の情報を用いて前記可変焦点レンズの焦点距離を制御する焦点制御部を有する。
【発明の効果】
【００２３】
本発明のうち代表的な実施の形態によれば、変位計測装置に関して、距離及び変位の計測の精度を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】実施の形態１の変位計測装置を含む構成を示す図である。
【図２】実施の形態１の変位計測装置における、光アンプの構成を示す図である。
【図３】実施の形態１の変形例の変位計測装置の構成を示す図である。
【図４】実施の形態１の変位計測装置における、周期信号の例を示す図である。
【図５】実施の形態１の変位計測装置における、周期信号の周波数、光源の波長、及び光アンプの波長などの設計例を示す図である。
【図６】実施の形態１の変位計測装置における、計測光の低周波信号及び高周波信号を示す図である。
【図７】実施の形態１の変位計測装置における、参照光の低周波信号及び高周波信号を示す図である。
【図８】実施の形態１の変位計測装置における、計測光の低周波信号と参照光の低周波信号との位相比較の例を示す図である。
【図９】従来の変位計測装置における、計測対象面の反射光が少ない場合の計測光の信号の例を示す図である。
【図１０】実施の形態１の変位計測装置における、光アンプで２０倍に増幅した場合の計測光の信号の例を示すである。
【図１１】実施の形態２の変位計測装置の構成を示す図である。
【図１２】実施の形態３の変位計測装置の構成を示す図である。
【図１３】実施の形態４の変位計測システムの構成を示す図である。
【図１４】実施の形態４の変位計測システムの変位計測装置の構成を示す図である。
【図１５】実施の形態４におけるトンネル壁面などの構成を示す図である。
【図１６】実施の形態４における移動車とトンネル壁面との配置関係及び回転角度などの構成を示す図である。
【図１７】実施の形態４における計測プロファイルの例を示す図である。
【図１８】実施の形態４における３次元プロファイルのアライメントの例を示す図である。
【図１９】実施の形態４における３次元プロファイルの差分演算の例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお実施の形態を説明するための全図において同一部には原則として同一符号を付しその繰り返しの説明は省略する。
【００２６】
＜実施の形態１＞
図１〜図１０等を用いて、実施の形態１の変位計測装置１００について説明する。実施の形態１の変位計測装置１００は、光源２としてレーザダイオードを用いた、強度変調の方式による、レーザ測距装置に適用した形態を示す。実施の形態１の変位計測装置１００は、光アンプ２０を有するレーザ測距装置である。実施の形態１の変位計測装置１００は、被計測物との距離及び被計測物の変位を計測可能であり、例えば道路、トンネル、及び橋梁等の社会インフラの検査用に好適に使用可能である。
【００２７】
［変位計測装置］
図１は、実施の形態１の変位計測装置１００を含む構成を示す。図１は、被計測物である計測対象面５を含めて図示し、また実際の距離やサイズ等は捨象して図示している。なお説明上の方向及び座標系として、図１ではＸ，Ｙを有する。Ｘ方向において、変位計測装置１００と計測対象面５との距離Ｄ１、及び距離Ｄ１の差分である計測対象面５の変位ｄ１ないしｄ２を計測する例を示す。
【００２８】
変位計測装置１００は、強度変調部１０、光源２、光ファイバ２５、光アンプ２０、光ファイバ２６、光学系３、位相比較部７０、及び変位算出部８０を有し、これらの各部がその順序で接続されている。
【００２９】
強度変調部１０は、強度変調の方式による周期信号を発生する部分であり、基本周波数発振器１１と、低逓倍変換器１２と、高逓倍変換器１３と、を含む。基本周波数発振器１１は、基本周波数の信号ｓ１を発振し、当該信号ｓ１は、低逓倍変換器１２及び高逓倍変換器１３に送られる。低逓倍変換器１２は、信号ｓ１の周波数を低逓倍に変換した、低周波数の周期信号である信号ｓ２を出力する。高逓倍変換器１３は、信号ｓ１の周波数を高逓倍に変換した、高周波数の周期信号である信号ｓ３を出力する。そして信号ｓ２と信号ｓ３とが合成された信号ｓ４が光源２に入力される。
【００３０】
光源２は、強度変調部１０からの周期信号である信号ｓ４を入力して、当該信号ｓ４に基づく強度変調された光を光ファイバ２５へ出力する。光ファイバ２５は、光源２からの出力光の信号ｓ５を伝播し、光アンプ２０へ入力する。実施の形態１では、光源２は、レーザダイオードによる直接変調方式を用いる。レーザダイオードは、変調信号を入力し、変調光を出力する。なお光源２は、レーザダイオードに限らず、他の手段及び方式も適用可能である。
【００３１】
光アンプ２０は、光源２からの出力光を光ファイバ２５から入力し、光アンプ２０の内部で増幅した光を光ファイバ２６へ出力する。光ファイバ２６は、光アンプ２０からの出力光である増幅光の信号ｓ６を伝播する。光ファイバ２５及び光ファイバ２６は、コア、クラッド、及び保護被膜等から構成される。
【００３２】
光アンプ２０による増幅光の信号ｓ６は、光ファイバ２６を介して、光学系３に入射される。光学系３は、光アンプ２０からの増幅光を、被計測物である計測対象面５に対して照射し、その反射光を入射する。光学系３は、コリメートレンズ３１と、ビームスプリッタ３２と、集光レンズ３３と、計測光検出レンズ３４と、参照光検出レンズ３５と、計測光検出部６１と、参照光検出部６２と、を含む。
【００３３】
コリメートレンズ３１は、光ファイバ２６からの光ａ１を、平行状態に調整された光であるコリメート光ａ２にする。ビームスプリッタ３２は、計測光と参照光とを分離する。集光レンズ３３は、光学系３の出力光を計測対象面５に集光する。集光レンズ３３は、コリメート光を、計測対象面５に集光する光ａ３にする。
【００３４】
計測光検出レンズ３４は、コリメート光を入射して計測光検出部６１の点ｐ３に集光する。計測光検出レンズ３４は、被計測物である計測対象面５の点ｐ２を、計測光検出部６１の受光部である点ｐ３に結像する。参照光検出レンズ３５は、コリメート光を入射して参照光検出部６２の受光部である点ｐ４に集光する。参照光検出レンズ３５は、光ファイバ２６の出射点ｐ０を参照光検出部６２の点ｐ４に結像する。計測光検出部６１は、計測対象面５からの反射光を、計測光として受光及び検出する。参照光検出部６２は、光アンプ２０からの光に基づく参照光を受光及び検出する。
【００３５】
なお変位計測装置１００及び光学系３における光を出射して反射光を入射する部分を、説明上、センサ面ともいう。実施の形態１の場合、センサ面は、光学系３の集光レンズ３３が相当する。なお被計測物との距離及び変位の計測及び算出にあたっては、その基準となる位置として、センサ面となる集光レンズ３３の位置に限らず、補正の計算により、計測光検出部６１等の位置とすることができる。
【００３６】
光学系３における光の流れは以下である。光アンプ２０からの増幅光の信号ｓ６は、光ファイバ２６の端面の出射点ｐ０からＸ方向への光ａ１として拡散し、コリメートレンズ３１に入射される。光ａ１は、コリメートレンズ３１により、コリメート光ａ２となる。コリメート光ａ２は、ビームスプリッタ３２の点ｐ１付近に入射される。コリメート光ａ２は、一部を除く成分が、ビームスプリッタ３２を通過する。ビームスプリッタ３２を通過したコリメート光は、集光レンズ３３に入射され、集光レンズ３３により集光されて出射される。集光レンズ３３から出射された光ａ３は、Ｘ方向に存在する計測対象面５の点ｐ２に入射する。
【００３７】
計測対象面５で反射された光は、再び集光レンズ３３から光学系３に入射される。集光レンズ３３に入射された光は、コリメート光になり、再びビームスプリッタ３２の点ｐ１付近に入射され、Ｙ方向上側へ反射される。当該反射光は、計測光検出レンズ３４で集光された後、計測光検出部６１の点ｐ３に入射され、計測光として検出される。
【００３８】
一方、光ａ１に基づくコリメート光ａ２の一部の成分は、ビームスプリッタ３２でＹ方向下側へ反射されることにより分離される。当該反射光は、参照光検出レンズ３５で集光された後、参照光検出部６２の点ｐ４に入射され、参照光として検出される。
【００３９】
位相比較部７０は、計測光検出部６１から出力された計測光の信号ｓ１１と、参照光検出部６２から出力された参照光の信号ｓ１２とを入力する。位相比較部７０は、計測光検出部６１からの信号ｓ１１、及び参照光検出部６２からの信号ｓ１２を周波数分離する。即ち、これらの信号は、比較のため、高周波の信号と低周波の信号とに分離される。位相比較部７０は、計測光検出部６１からの信号ｓ１１を周波数分離する分離部７１と、参照光検出部６２からの信号ｓ１２を周波数分離する分離部７２と、各分離後の信号を入力して位相比較する位相比較器と、を含む。位相比較部７０は、計測光の信号ｓ１１の位相と、参照光の信号ｓ１２の位相とを比較して当該比較結果の信号ｓ１３を出力する。
【００４０】
変位算出部８０は、位相比較部７０からの信号ｓ１３を入力し、この位相比較結果に基づいて、計測対象面５までの距離Ｄ１及び計測対象面５の変位ｄ１ないしｄ２を算出し、当該算出結果を信号ｓ１４として出力する。
【００４１】
［光アンプ］
図２は、光アンプ２０の構成例を示す。光アンプ２０は、光ファイバ２５、励起レーザダイオード２１、光ファイバ２２、合波器２３、ドープファイバ２４、及び光ファイバ２６を有する。合波器２３は、光ファイバ２５と、励起レーザダイオード２１に接続される光ファイバ２２とが入力側に接続され、出力側にドープファイバ２４が接続されている。ドープファイバ２４の出力側に光ファイバ２６が接続されている。
【００４２】
光源２であるレーザダイオードからの出射光の信号ｓ５は、光ファイバ２５を介して伝搬され、光アンプ２０に入射する。光ファイバ２５からの信号は、合波器２３に入射する。また励起レーザダイオード２１から出射する光は、光ファイバ２２を介して伝搬され、合波器２３に入射する。合波器２３は、光源２であるレーザダイオードからの光と、励起レーザダイオード２１からの光とを合波した光を、ドープファイバ２４へ入射する。
【００４３】
ドープファイバ２４は、希土類の成分がドープされた光ファイバであり、光の増幅のための光導波路を構成する。実施の形態１では、ドープファイバ２４は、イッテルビウム（Ｙｂ）がドープされた光ファイバ、または、エルビウム（Ｅｒ）がドープされた光ファイバを用いる。
【００４４】
光アンプ２０は、所定の増幅率を得るために、光源２からの光をドープファイバ２４に通し、増幅用の励起レーザダイオード２１によって励起する。励起レーザダイオード２１は、ドープファイバ２４におけるドープされた元素のイオンを励起することにより、光源２であるレーザダイオードからの光を増幅する。
【００４５】
この結果、図２の構成の光アンプ２０で得られる増幅率は、１０倍程度である。また、光アンプ２０を２段直列に繋ぐ構成により、２０倍の増幅率を得ることができる。同様に、光アンプ２０を３段以上接続する構成により、３０倍以上の大きな増幅率を得る構成が可能である。
【００４６】
図３は、実施の形態１の変形例の変位計測装置１００において、２つの光アンプ２０である光アンプ２０Ａと光アンプ２０Ｂとを光ファイバ２７で接続した構成を示す。これにより、光源２からの光を２０倍の増幅率で光学系３へ出射することができる。なお図３の構成に限らず、光源２と光学系３との間に２段以上の光アンプ２０を直列に接続した構成が可能である。
【００４７】
［精度等の設計］
実施の形態１の変位計測装置１００における、変位の計測の精度、強度変調の信号の周波数、光源２の光量、波長、及び光アンプ２０の増幅率、等の設計について説明する。
【００４８】
図４は、実施の形態１における、強度変調部１０により発生する周期信号の例を示す。横軸は時間、縦軸は信号強度ないし位相を示す。上側に示す信号４０１は、低逓倍変換器１２で発生する信号ｓ２に対応した低周波数の低周波信号を示す。下側に示す周期信号４０２は、高逓倍変換器１３で発生する信号ｓ３に対応した高周波信号を示す。
【００４９】
本実施の形態では、周波数の設計として、低周波信号である信号４０１は１５ＭＨｚ、高周波信号である信号４０２は３００ＭＨｚである。低周波信号である信号４０１と、高周波信号である信号４０２とは合波される。当該合波された信号ｓ４は、光源２であるレーザダイオードに電流または電圧信号として入力される。
【００５０】
図５は、実施の形態１における、光源２の波長、及び光アンプ２０の励起レーザダイオード２１の波長の設計を示す。強度変調部１０の周期信号の周波数や、光源２であるレーザダイオードの出力光の波長などは、光アンプ２０の励起レーザダイオード２１の出力光の波長、及びドープファイバ２４による増幅の特性などに合わせて設計される。
【００５１】
光源２であるレーザダイオードは、連続波として、第１波長が例えば１０６０ｎｍ、または第２波長が１５５０ｎｍである、連続波を出射する。その連続波の強度は、図４の低周波の信号４０１および高周波の信号４０２に応じて変化する。
【００５２】
実施の形態１の変位計測装置１００は、光アンプ２０により１０倍〜２０倍の増幅率を得る。実施の形態１は、１０倍の増幅率とする場合は図１の構成とし、２０倍の増幅率とする場合は図３の構成とする。光アンプ２０において、１０倍〜２０倍の増幅率を得るために、ドープファイバ２４として、ＹｂドープファイバやＥｒドープファイバを用いる。
【００５３】
Ｙｂドープファイバを用いる場合、それに対応させた光源２の出力光の波長は、第１波長である１０００〜１１００ｎｍ、例えば１０６０ｎｍに設計される。Ｅｒドープファイバを用いる場合、それに対応させた光源２の出力光の波長は、第２波長である１５００〜１６５０ｎｍ、例えば１５５０ｎｍに設計される。
【００５４】
光アンプ２０において、光源２であるレーザダイオードの波長が、第１波長である１０００〜１１００ｎｍである場合、励起レーザダイオード２１の光の波長は、第１励起波長として９８０ｎｍ付近（９８０±５ｎｍ程度）が選択される。また、光源２であるレーザダイオードの波長が、第２波長である１５００〜１６５０ｎｍである場合、励起レーザダイオード２１の光の波長は、第２励起波長として９８０ｎｍ付近または１４８０ｎｍ付近（１４８０±５ｎｍ程度）が選択される。
【００５５】
［計測光の信号及び参照光の信号］
図６は、計測光検出部６１で検出した計測光の信号ｓ１１における、位相比較部７０内での周波数分離後の低周波信号６０１及び高周波信号６０２を図４と同様に示す。計測日時に対応したある時間ｔ１において、低周波信号６０１における信号強度ないし位相を示す点６０１ａと、高周波信号６０２における信号強度ないし位相を示す点６０２ａと、を示す。
【００５６】
図７は、参照光検出部６２で検出した参照光の信号ｓ１２における、位相比較部７０内での周波数分離後の低周波信号７０１及び高周波信号７０２を図４と同様に示す。図６と同じ計測日時に対応したある時間ｔ１において、低周波信号７０１における信号強度ないし位相を示す点７０１ａと、高周波信号７０２における信号強度ないし位相を示す点７０２ａと、を示す。
【００５７】
［位相比較］
位相比較部７０は、図６の計測光の信号と図７の参照光の信号とにおける同じ時間での位相を比較し、当該位相差を検出する。この際、位相比較部７０は、低周波信号同士、及び高周波信号同士で位相を比較する。
【００５８】
図８は、位相比較例を示す。位相比較部７０は、例えば時間ｔ１において、図６の計測光の低周波信号６０１の点６０１ａと、図７の参照光の低周波信号７０１の点７０１ａとの位相差を検出する。
【００５９】
［変位算出］
変位算出部８０は、上記位相差に基づき、計測対象面５までの距離Ｄ１及び変位ｄ１，ｄ２を算出する。ここで、変位計測装置１００のセンサ面から計測対象面５までの距離をＬとし、強度変調の信号の波長をλ、波数をｎとする。一般に、ｎ＝２Ｌ／λ（式１）の関係がある。また、計測の精度に相当する距離誤差をΔＬ、位相比較の精度に相当する位相検出誤差をΔｎとする。式１、距離誤差ΔＬ、及び位相検出誤差Δｎから、必要な波長λは、λ＝２ΔＬ／Δｎ（式２）で決まる。
【００６０】
位相比較部７０の位相比較の精度は、一般的に１／１０００程度である。即ちΔｎ＝１／１０００とする。実施の形態１の変位計測装置１００において計測に必要な精度を、例えばトンネル壁面の変位の計測に必要な精度に合わせて、０．５ｍｍとする。即ちΔＬ＝０．５ｍｍとする。０．５ｍｍの精度を得るための波長λは、式２から、λ＝２×０．５ｍｍ／（１／１０００）＝１０００ｍｍ＝１ｍとなる。波長λを周波数ｆに換算するには、光速ｃとしてｃ＝３×１０８ｍ／ｓを用いると、ｆ＝ｃ／λ（式３）である。式３から、ｆ＝３００ＭＨｚとなる。この周波数ｆ＝３００ＭＨｚを、前述の強度変調部１０の高周波の信号ｓ３の周波数とする。
【００６１】
一方、計測対象面５までの距離Ｌを、例えばトンネル壁面の計測時の距離を想定して、最大２０ｍとする。すると、強度変調の信号の波長λは、λ＝２０ｍとなる。この波長λに対応する周波数ｆは、式３から、ｆ＝１５ＭＨｚとなる。この周波数ｆ＝１５ＭＨｚを、前述の強度変調部１０の低周波の信号ｓ２の周波数とする。
【００６２】
［計測光のノイズ］
図９は、従来例の変位計測装置における、計測対象面の反射光が少ない場合の計測光の信号９０１を示す。この計測光の信号９０１は、図示するようにショットノイズが大きく重畳されている。そのため、従来例の変位計測装置は、この計測光の信号９０１を用いた場合、高精度の位相検出は困難である。
【００６３】
一方、図１０は、実施の形態１の変位計測装置１００における、特に図３の２段の光アンプ２０の構成による、増幅率が２０倍の場合の、計測光検出部６１による計測光の信号１００１を示す。この計測光の信号１００１は、図示するように、図９の計測光の信号９０１に比べて、ノイズが減っている。即ち、実施の形態１によれば、位相検出の精度が向上することが分かる。
【００６４】
［効果等］
以上のように、実施の形態１及びその変形例によれば、光アンプ２０を導入する構成により、高精度なレーザ距離計測が実現できる。対象物の高頻度の検査及び高精度の計測のためには、変位計測の方式として、上述のレーザダイオード等の光源を用いた、強度変調及び位相比較による方式が有効な候補となる。従来のこの方式の変位計測装置は、例えばトンネル壁面等の変位計測のために必要な精度である０．５ｍｍの精度は得られなかった。一方、実施の形態１によれば、光アンプ２０による光量の増加の結果、検出される強度変調の信号の波形のＳＮＲが向上し、例えば従来の４倍の精度である０．５ｍｍの精度が達成できる。
【００６５】
なお実施の形態１では、強度変調部１０からの低周波信号４０１（ｓ２）及び高周波信号４０２（ｓ３）を光源２であるレーザダイオードに加えることにより、光源２の出射光を強度変調させた。強度変調の方式は、上記に限らず可能である。例えば、光源２であるレーザダイオードの出射光を、公知技術である音響光学変調器（Acoust Optical Modulators）や電気光学変調器（Electo-Optic Modulators）に入射させ、これらの変調器に低周波信号４０１及び高周波信号４０２を加えることにより強度変調させてもよい。即ち、実施の形態１の変形例として、光源２と光アンプ２０との間に上記変調器を含む強度変調部を設ける形態が可能である。
【００６６】
＜実施の形態２＞
図１１を用いて、実施の形態２の変位計測装置について説明する。実施の形態２の変位計測装置は、可変焦点レンズを導入したレーザ距離計測装置を示す。特に実施の形態２では、前述の図１の計測光検出レンズ３４の箇所を、可変焦点レンズ３７で置き換えた構成を有する。
【００６７】
図１１は、実施の形態２の変位計測装置１００を含む構成を示す。実施の形態２の変位計測装置１００は、実施の形態１に対して異なる要素として、光学系３内の可変焦点レンズ３７、焦点制御部１７０、焦点制御量記憶部１７１等を有する。
【００６８】
実施の形態２では、被計測物である計測対象面５までの距離の変化に柔軟に対応できるようにするために、変位計測装置１００のセンサ面と計測対象面５とを結像関係におくと共に、光学系３の構成要素として、可変焦点レンズ３７を用いる。可変焦点レンズ３７は、計測対象面５からの反射光を、計測光検出部６１の点ｐ３に結像する。
【００６９】
可変焦点レンズ３７は、焦点制御部１７０からの制御に基づき、焦点の距離を高速に可変できるレンズである。可変焦点レンズ３７として、例えば液体レンズを用いる。液体レンズの詳細については前述の非特許文献１等に記載されている。
【００７０】
変位計測装置１００は、例えば被計測物の移動あるいは変位計測装置１００自体の移動による、計測対象面５までの距離Ｄ１の変化に対応させて、上記可変焦点レンズ３７の焦点距離を可変させる。
【００７１】
図１１では、Ｘ方向における計測対象面５の位置の変動を、距離Ｄ２，Ｄ３で示している。なおこの距離Ｄ２，Ｄ３は図１の変位ｄ１，ｄ２とは異なる。図１と同様の計測対象面５までの距離Ｄ１を基準とする。計測対象面５１は、基準の距離Ｄ１の位置から、Ｘ方向の手前側に距離Ｄ２の分近い位置に移動した場合を示す。同様に、計測対象面５２は、基準の距離Ｄ１の位置から、Ｘ方向の奥側に距離Ｄ３の分遠い位置に移動した場合を示す。例えば、計測対象面５がトンネル壁面である場合、トンネル内での変位計測装置１００の位置に応じて、トンネル壁面までの距離は変化する。
【００７２】
焦点制御部１７０は、可変焦点レンズ３７、計測光検出部６１、及び焦点制御量記憶部１７１に接続される。焦点制御部１７０は、可変焦点レンズ３７に電圧または電流による信号を印加する。これにより可変焦点レンズ３７の焦点距離が制御される。ａ５１は、計測対象面５１の点ｐ２ａに焦点が結像されたときの光を示す。ａ５２は、計測対象面５２の点ｐ２ｂに焦点が結像されたときの光を示す。
【００７３】
焦点制御量記憶部１７１は、上記焦点制御のための制御量を記憶する。この制御量は、例えば、変位計測装置１００のセンサ面と計測対象面５との距離と、上記焦点制御のための制御量としての電圧または電流値との対応関係の情報を含む。
【００７４】
なお上記焦点制御量は、予め変位計測装置１００の焦点制御量記憶部１７１に設定されていてもよいし、焦点制御部１７０及び焦点制御量記憶部１７１に対するユーザによる設定を可能としてもよい。またユーザの必要に応じてユーザの手動操作により焦点制御部１７０を通じて可変焦点レンズ３７の焦点距離を調整できる。
【００７５】
変位計測装置１００は、計測対象面５の位置が図１１の例のように変動する場合、それに対応させて、焦点制御部１７０により可変焦点レンズ３７の焦点距離を変更させる。この可変焦点レンズ３７の焦点距離により、計測光検出部６１の点ｐ３に計測対象面が結像されるようにする。こうして可変焦点レンズ３７の焦点距離を制御することにより、計測光検出部６１において常に十分な反射光による計測光を受光することができる。これにより当該計測光を用いた距離及び変位の計測の精度を高くできる。
【００７６】
上記のように、実施の形態２によれば、可変焦点レンズ３７を含む構成により、計測の状況として、変位計測装置１００のセンサ面と計測対象面５との距離がある程度変化する場合にも、前述の反射散乱光等によるセンサ面の検出光量の変動を低減できる。よって、実施の形態２によれば、上記のように距離がある程度変化する場合にも、柔軟に対応でき、計測の精度を安定に保つことができる。
【００７７】
＜実施の形態３＞
図１２を用いて、実施の形態３の変位計測装置について説明する。実施の形態３の変位計測装置は、実施の形態２と同様に、可変焦点レンズを導入したレーザ距離計測装置を示す。特に実施の形態３では、前述の図１の集光レンズ３３の箇所を、可変焦点レンズ３８で置き換えた構成を有する。
【００７８】
図１２は、実施の形態３の変位計測装置１００を含む構成を示す。実施の形態３の変位計測装置１００は、実施の形態１に対して異なる要素として、光学系３内の可変焦点レンズ３８、焦点制御部１７０、焦点制御量記憶部１７１等を有する。
【００７９】
実施の形態３の変位計測装置１００は、集光レンズ３３を可変焦点レンズ３８にした構成により、計測対象面５からの反射光を計測光検出部６１の点ｐ３に結像するだけでなく、計測対象面５への照射光についても、計測対象面５の位置の変化に応じて集光させることができる。よって、実施の形態３は、計測光検出部６１における計測光の検出量を更に増加させることができる。従って、実施の形態３は、レーザ距離計測の精度を更に向上させることができる。
【００８０】
＜実施の形態４＞
図１３〜図１９等を用いて、実施の形態４の変位計測システム３００について説明する。実施の形態４の変位計測システム３００は、移動車２００に変位計測装置１００であるレーザ測距装置を搭載することにより構成される、プロファイル計測システムの構成を示す。実施の形態４の変位計測システム３００を構成する変位計測装置１００は、前述の実施の形態２の変位計測装置１００のすべての構成要素及び機能と、実施の形態４に特有の構成要素及び機能とを備える。即ち、実施の形態４は、前述の光アンプ２０、可変焦点レンズ３７、及び変位算出部８０などを備えている。
【００８１】
また実施の形態４は、被計測物である計測対象面５の例としてトンネル壁面５０とし、移動車２００により走行しながらこのトンネル壁面５０の変位を計測する例を説明する。実施の形態４の変位計測システム３００は、プロファイル計測システムとして、トンネル壁面５０のプロファイルを計測する機能を有する。このプロファイルは、３次元空間内での距離及び変位の計測によるトンネル壁面５０の形状を示すプロファイルである。また、このプロファイルは、計測日時に応じた時間軸上のトンネル壁面５０の形状の変化を含むプロファイルである。
【００８２】
［変位計測システム］
図１３は、実施の形態４の変位計測システム３００の概要構成を示す。実施の形態４の変位計測システム３００は、移動車２００と、移動車２００に搭載される変位計測装置１００とを有する。移動車２００は、位置計測部２０１、加速度センサ２０２を有する。移動車２００は地面９上を例えばＺ方向に走行する。図１３は、被計測物である計測対象面としてトンネル壁面５０を有し、移動車２００及び変位計測装置１００のＹ方向上側に図示している。なお説明上の方向及び座標系として、Ｘ，Ｙ，Ｚを示す。移動車２００の進行方向をＺ方向とし、Ｚ方向に対して垂直な面を構成する方向をＸ方向及びＹ方向とする。Ｘ方向は地面９に対して水平方向、Ｙ方向は地面９に対して垂直方向とする。
【００８３】
移動車２００は、被計測物であるトンネル壁面５０に対してＺ方向で移動する。移動車２００は、例えば車体上面に変位計測装置１００を搭載する。位置計測部２０１は、移動車２００の位置または走行距離を計測する部分であり、例えば移動車２００の車輪の回転数をもとに走行距離を算出する走行距離センサ等である。位置計測部２０１は、少なくとも、移動車２００のＺ方向の位置または走行距離を計測する。位置計測部２０１で計測した位置または走行距離の情報は、信号ｓ３１として、プロファイル算出部１３０に送られる。加速度センサ２０２は、移動車２００の加速度（αとする）を、時間軸及びＸ，Ｙ，Ｚの３次元空間内の加速度αとして計測する。加速度センサ２０２で計測した加速度αの情報は、信号ｓ３２として、補正演算部１２０に送られる。
【００８４】
変位計測装置１００は、前述の実施の形態２と同様の要素に加え、回転ミラー３６、駆動系４１、ロータリエンコーダ４２、制御部１１０、補正演算部１２０、プロファイル算出部１３０、差分演算部１４０、出力部１５０、及び記憶部１６０等を有する。
【００８５】
回転ミラー３６は、光学系３と計測対象面であるトンネル壁面５０との間の位置、特に光学系３の集光レンズ３３の後段であるＺ方向前方の位置に配置されている。回転ミラー３６は、光学系３の集光レンズ３３から出射された光ａ３を点ｐ６付近に入射し、ＹＺ平面における点ｐ６を含む４５度のミラーの面において、Ｙ方向へ反射する。図１３の状態では、回転ミラー３６に入射された光ａ３は、Ｙ方向上側へ反射され、当該反射された光ａ６は、トンネル壁面５０の点ｐ７に照射される。トンネル壁面５０の点ｐ７で反射された光は、再び回転ミラー３６で反射され、Ｚ方向の光となり、光学系３の集光レンズ３３に入射される。
【００８６】
駆動系４１は、回転ミラー３６をＺ軸の周りに回転させる駆動を行う。この回転の角度をθとする。この回転は、３６０°の回転を一定の角速度で継続する。回転ミラー３６の３６０°の回転により、計測対象面であるトンネル壁面５０への集光光である光ａ６は、ＸＹ平面内で３６０度回転される。回転ミラー３６の回転により、トンネル壁面５０に光が照射される点の軌跡は、ＸＹ平面内での軌跡となる。更に移動車２００のＺ方向への移動により、上記被計測物への照射光の点の軌跡は、Ｘ，Ｙ，Ｚの３次元空間内の軌跡となる。なお上記の回転は、回転ミラー３６及び駆動系４１の構成に応じて、Ｚ方向に垂直なＸＹ平面内での角度θの回転に限らずに同様に可能である。
【００８７】
駆動系４１は、ロータリエンコーダ４２が設置されている。ロータリエンコーダ４２は、回転角度検出部であり、回転ミラー３６の回転角度θを計測及び検出し、その回転角度θの信号ｓ４１及び信号ｓ４２を出力する。一方の信号ｓ４１は、前述の焦点制御部１７０に入力される。他方の信号ｓ４２は、補正演算部１２０に入力される。
【００８８】
焦点制御部１７０は、信号ｓ４１の回転角度θの情報、及び焦点制御量記憶部１７１の情報を用いて、光学系３内の可変焦点レンズ３７の焦点距離を前述のように制御する。焦点制御部１７０は、焦点制御量記憶部１７１から読み出す情報における、その時の回転角度θの状態に関係付けられた焦点制御量を用いて、焦点可変レンズ３７の焦点距離を制御する。実施の形態４の場合、焦点制御量として、回転ミラー３６の回転角度θと焦点制御量との対応関係の情報を用いることができる。これにより、回転ミラー３６の回転角度θの状態に応じて自動的に可変焦点レンズ３７の焦点距離が制御され、計測対象面であるトンネル壁面５０に焦点が追随できる。
【００８９】
［変位計測装置］
図１４は、図１３の実施の形態４の変位計測システム３００に備える変位計測装置１００の内部の構成を主に示す。まず前述の変位算出部８０は、変位計測装置１００と計測対象面であるトンネル壁面５０との距離及びその変位を算出し、その結果の信号ｓ１４を補正演算部１２０に出力する。また、変位算出部８０で得られた距離及び変位の情報は、変位データ９１として、記憶部１６０内に保存される。
【００９０】
制御部１１０は、変位計測システム３００の全体を制御する部分であり、例えば公知のＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、入力デバイス、出力デバイス、通信インタフェース、バス、及び電源部、等を含む構成を有する。また、制御部１１０は、ユーザの操作による設定入力を受け付ける。例えば、制御部１１０は、ユーザの操作に基づき、記憶部１６０に保存されている各データを出力する機能を有する。
【００９１】
記憶部１６０は、変位データ９１、補正値データ９２、３次元プロファイルデータ９３、差分データ９４、等の各データを記憶する。またこれらの各データは、異なる計測日時に対応した、時間軸上の計測日時ごとのデータである時系列データとして整理されて保存される。
【００９２】
補正演算部１２０及びプロファイル算出部１３０は、回転角度θの情報、被計測物までの距離及び変位の情報、及び移動車２００の位置または移動距離の情報を用いて、被計測物の３次元のプロファイルデータを作成する。
【００９３】
補正演算部１２０は、変位算出部８０による距離及び変位の情報を含む信号ｓ１４または記憶部１６０の変位データ９１を入力する。ここでは補正演算部１２０は、変位データ９１を用いて処理を行うとする。補正演算部１２０は、変位データ９１と、信号ｓ４２による回転角度θの情報と、信号ｓ３２による加速度αの情報とを用いて、被計測物であるトンネル壁面５０に関する計測データの補正値を算出する。補正演算部１２０は、この結果である補正後の計測データの情報を含む信号ｓ２１を、プロファイル算出部１３０へ出力する。また、補正演算部１２０は、この結果である補正値データ９２を、記憶部１６０に保存する。補正値データ９２は、回転角度θの情報と、その回転角度θのときの被計測物であるトンネル壁面５０までの距離及び変位の情報とを含む。
【００９４】
補正演算部１２０は、特に、移動車２００の加速度αの情報を用いて、各計測時点のトンネル壁面５０との距離及び変位のデータを補正する。これにより、移動車２００の走行時の振動によるノイズないし誤差の影響を低減する。この結果、得られる補正値データ９２は、各計測時点の変位のずれが少ないデータとなる。この補正の例については後述する。なお上記加速度αの情報を用いた距離及び変位の計測データの補正の処理を、プロファイル算出部１３０でまとめて行うようにしてもよい。
【００９５】
プロファイル算出部１３０は、位置計測部２０１からの移動車２００の位置の情報を含む信号ｓ３１を用いて、補正演算部１２０による上記補正後の計測データの情報を含む信号ｓ２１、または記憶部１６０の補正値データ９２を補正する処理を行う。ここでは補正値データ９２を用いて処理を行うとする。補正値データ９２は、ＸＹ平面内の回転角度θと被計測物までの距離及び変位の情報は含まれているが、Ｚ方向の位置の情報は反映されていない。プロファイル算出部１３０は、補正値データ９２にＺ方向の位置の情報を反映するように補正する処理を行う。プロファイル算出部１３０は、この補正の結果を、３次元プロファイルの情報を含む信号ｓ２２として、差分演算部１４０へ出力する。また、プロファイル算出部１３０は、この補正の結果を、３次元プロファイルデータ９３として、記憶部１６０に保存する。上記補正後のデータは、Ｘ，Ｙ，Ｚの３次元空間内での被計測物の照射光の点の軌跡を示す３次元プロファイルデータとなる。
【００９６】
差分演算部１４０は、プロファイル算出部１３０からの３次元プロファイルの情報を含む信号ｓ２２、または記憶部１６０に記憶されている各計測日時の３次元プロファイルデータ９３等を読み出し、差分演算による比較判定処理を行う。差分演算部１４０は、時間軸上の異なる計測日時の３次元プロファイルデータ９３における、同じ３次元空間の位置に関する差分を算出する。差分演算部１４０は、例えば、現在の計測時点の３次元プロファイルデータ９３のうちのある位置での距離及び変位のデータと、過去の３次元プロファイルデータ９３のうちの同じ位置での距離及び変位のデータとを比較し、差分を算出する。
【００９７】
差分演算部１４０は、上記差分を、所定の管理値と比較する。これにより、差分演算部１４０は、３次元空間内の同じ位置における計測データの変動を判定する。差分演算部１４０は、差分と管理値との比較の結果を含む信号ｓ２３を出力部１５０へ出力する。また、差分演算部１４０は、差分と管理値との比較の結果を差分データ９４として記憶部１６０に保存する。
【００９８】
出力部１５０は、上記差分演算部１４０による信号ｓ２３または差分データ９４を用いて、上記差分が管理値以上である場合、当該情報またはアラームを外部及びユーザに対して出力する。管理値は、例えば予め変位計測装置１００の差分演算部１４０等に設定されている。あるいは、制御部１１０に対するユーザの設定操作により、被計測物などに応じて管理値が設定可能となっている。
【００９９】
なお実施の形態４の各部の構成は、上記構成に限らず、補正演算部１２０とプロファイル算出部１３０とを１つに統合した構成や、差分演算部１４０と出力部１５０とを１つに統合した構成なども可能である。
【０１００】
［トンネル壁面］
図１５は、Ｘ，Ｙ，Ｚの３次元空間における被計測物及び計測対象面であるトンネル壁面５０の形状、及びトンネル壁面５０への照射光の軌跡などの例を示す。このトンネル壁面５０のＸＹ断面の形状は、半円弧形状である。Ｘ，Ｙ，Ｚの３次元空間における、ＸＹ平面での回転ミラー３６の回転角度θの３６０°の回転、及び移動車２００のＺ方向への移動による、トンネル壁面５０への照射光の軌跡は、Ｚ方向への螺旋形状となる。
【０１０１】
図１５の例では、上記回転に基づく計測の際、まずトンネル右側壁の下端の点Ｑ０から光の照射が開始される。１５０１は、トンネルの半円弧形状の照射光の軌跡、及び当該軌跡に対応した３次元プロファイルを示す。軌跡１５０１において、点Ｑ０から、トンネル上部の点Ｑ１を経て、図示しないトンネル左側壁の下端の点まで光の照射がされる。これにより、軌跡１５０１に対応した３次元プロファイルが３次元プロファイルデータ９３として得られる。この３次元プロファイルは、計測時点に対応した回転角度θの情報と、その計測時点の回転角度θに対応したトンネル壁面５０までの距離及び変位の情報と、それに関係付けられた移動車２００のＺ方向の位置の情報とを有する。
【０１０２】
続いて、トンネル左側壁の下端の点から回転角度θの回転が継続し、図１５では省略しているが地面９の部分についても光の照射及び計測がされる。そして光の照射は、Ｚ方向に１単位分進んだ、トンネル右側壁の下端の点Ｑ３へ至る。続いて、トンネル右側壁の下端の点Ｑ３から、同様に軌跡１５０２で示す光の照射がされ、対応する３次元プロファイルが得られる。以後同様に、軌跡１５０３のように、Ｚ方向へ繰り返して計測がされる。
【０１０３】
［配置関係及び回転角度］
図１６は、上記トンネル壁面５０のプロファイルを計測する際の、トンネル壁面５０と移動車２００及び変位計測装置１００との配置の関係や、回転角度θの構成例などを示す。トンネル壁面５０は、地面９上におけるＸＹ断面において半円弧形状である。点Ｐ０は半円弧の中心点を示す。点Ｔ０は、図１５の点Ｑ０と対応するトンネル右側壁の下端を示し、点Ｔ１は、図１５の点Ｑ１と対応するトンネル上部を示し、点Ｔ２は、トンネル左側壁の下端を示す。
【０１０４】
図１６では、トンネル内部における移動車２００の位置として、点Ｐ０で示す道路の中央線から左側の車線内のＸａの位置に、移動車２００及びそれに搭載された変位計測装置１００が配置されている。移動車２００は、図示の奥方向であるＺ方向へ走行する。Ｃ１は、変位計測装置１００の計測及び照射の起点である回転ミラー３６の位置を示す。位置Ｃ１は、地面９上のＸＹ平面内の位置として、（Ｘａ，Ｙａ）で示される。
【０１０５】
位置Ｃ１における回転ミラー３６の回転角度θは、例えばＸＹ平面においてＺ軸左回りに３６０°の回転を一定の角速度で繰り返す。回転角度θにおける回転の開始の角度及び位置を、例えば位置Ｃ１に水平なＹ方向の位置Ｙａに対応した、１６１１で示す角度θ１、及び角度θ１に対応したトンネル壁面５０の点Ｔａとする。回転ミラー３６は、角度θ１の点Ｔａから光の照射を開始し、Ｚ軸左回りに回転する。トンネル右側壁の面が照射される。例えば１６１２で示す角度θ２の位置では、トンネル右側壁の点Ｔｂに光が照射されている。更に、回転ミラー３６は、回転を続け、トンネル上部の点Ｔ１を経由し、トンネル左側壁の面が照射され、１６１３で示す角度θ３の位置に対応したトンネル左側壁の下端の点Ｔ２まで照射される。
【０１０６】
続いて、回転ミラー３６は、角度θ３からの回転により、地面９上が照射され、１６１０で示す角度θ０の位置に対応するトンネル右側壁の下端の点Ｔ０へ至る。続いて、回転ミラー３６は、角度θ０からの回転により、トンネル右側壁が照射され、上記１６１１で示す角度θ１、及び点Ｔａへ至る。以後同様に、回転角度θの３６０°の回転が継続される。
【０１０７】
上記のように、回転角度θの３６０°の回転による光の照射の範囲は、角度θ０から角度θ３までの、地面９上のトンネル壁面５０が照射される範囲１６０１を含む。実施の形態４の変位計測システム３００は、上記の地面９上の範囲１６０１を、少なくとも、計測の対象とする。変位計測システム３００は、当該範囲１６０１のトンネル壁面５０との距離及び変位を計測した結果による、変位データ９１、補正値データ９２、３次元プロファイルデータ９３、及び差分データ９４を活用する。
【０１０８】
また、回転角度θの回転の範囲は、角度θ３から角度θ０までの、地面９が照射される範囲１６０２を有する。変位計測システム３００は、この範囲１６０２を、計測及びデータ活用の対象としてもよいし、しなくてもよい。
【０１０９】
［プロファイル］
図１７は、図１６に対応した、実施の形態４の変位計測装置システム３００により計測された補正値データ９２の例を示す。まずプロファイル１７００は、図１６のトンネル壁面５０に対応した実際のプロファイル、即ちＸＹ平面での半円弧の形状を示す。計測プロファイル１７０１は、図１６のトンネル壁面５０を対象として変位計測装置１００の変位算出部８０及び補正演算部１２０により計測したプロファイルであり、前述の補正を行う前の補正値データ９２に相当する。
【０１１０】
計測プロファイル１７０１は、各計測時点及び回転角度θに対応した、計測起点の位置Ｃ１と計測対象面との距離を示す点の集まりで示される。なお図１７の計測プロファイル１７０１は、Ｚ方向の情報は省略したＸＹ平面での２次元のプロファイルとして示している。またこの補正前の計測プロファイル１７０１は、移動車２００の振動や位相比較部７０の位相比較誤差などの影響によって、実際のプロファイル１７００に対して誤差ないしノイズを含んだ形状となっている。
【０１１１】
そこで、前述のように、補正演算部１２０により変位データ９１を用いて補正値データ９２を算出する際に、移動車２００の加速度αの情報を用いて、計測プロファイル１７０１の個々の計測時点のデータを補正する処理を行う。１７１１は、計測プロファイル１７０１における個々の計測時点及び回転角度θにおける距離及び変位の計測データの例として、点Ｔ０に対応した計測データの例を示す。これらの各点の計測データは、移動車２００の振動等に起因する図示する誤差ΔＸ，ΔＹ，ΔＺを有する。なお以下の説明では、点Ｔ０を、計測の起点の位置及び時点として説明する。
【０１１２】
前述の移動車２００の加速度センサ２０２により、計測プロファイル１７０１の各計測時点の計測データに対応した、Ｘ，Ｙ，Ｚの各方向の加速度αである、αＸ(t)，αＹ(t)，αＺ(t)を信号ｓ３２として検出する。ｔは、計測プロファイル１７０１の各計測時点を示し、起点の点Ｔ０からの経過時間を示す。
【０１１３】
補正演算部１２０は、上記計測プロファイル１７０１の各計測時点の加速度αであるαＸ(t)，αＹ(t)，αＺ(t)の情報を用いて、下記の式により、移動車２００の振動等に起因する誤差であるΔＸ，ΔＹ，ΔＺを算出する。なお下記の式では、Ｘ，Ｙ，Ｚの各方向の加速度であるαＸ(t)，αＹ(t)，αＺ(t)ごとに、時間の積分を２回行うことにより、誤差ΔＸ，ΔＹ，ΔＺが得られることを示している。
【０１１４】
【数１】
2014196928.tif 000003
【０１１５】
そして、補正演算部１２０は、上記の誤差ΔＸ，ΔＹ，ΔＺを用いて、計測プロファイル１７０１の各計測時点の計測データを補正する。これにより、移動車２００の振動等の影響による誤差が取り除かれた計測データが、前述の補正値データ９２として得られる。
【０１１６】
［３次元プロファイル］
移動車２００の位置計測部２０１は、上記計測及びプロファイルの算出時に、前述のように移動車２００のＺ方向の位置または走行距離の情報を含む信号ｓ３１を出力する。プロファイル算出部１３０は、上記Ｚ方向の位置または走行距離の情報を用いて、上記計測プロファイル１７０１である補正値データ９２を補正処理する。これにより、プロファイル算出部１３０は、Ｚ方向の情報を反映した３次元プロファイルデータを前述の３次元プロファイルデータ９３として得る。前述の図１５の軌跡１５０１等は、３次元プロファイルデータの例である。
【０１１７】
［差分演算］
図１８は、差分演算部１４０による差分演算のための、３次元プロファイルデータのＸ，Ｙ，Ｚ方向の位置のアライメントの例を示す。１８０１，１８０２は、３次元プロファイルデータ９３である３次元プロファイルデータの例を示す。なお図１８は、図１５〜図１７に対応したトンネル壁面５０に関するＸ，Ｙ，Ｚの３次元プロファイルデータのうち、あるＺ方向の位置におけるＸＹ断面の部分の形状を示す。１８０２は、現在の計測により得られた３次元プロファイルデータを示し、１８０１は、過去の計測における１８０２と対応する位置の３次元プロファイルデータを示す。計測日時ごとに、移動車２００の走行位置などの状況が異なるので、現在と過去の３次元プロファイルデータの内容は、図１８の例のように、位置の違いがある。
【０１１８】
差分演算部１４０は、比較判定の差分演算のために、まず上記計測日時ごとの３次元プロファイルデータの位置の違いを補正する。差分演算部１４０は、現在の３次元プロファイルデータ１８０２を差分演算する際、記憶部１６０に記憶されている３次元プロファイルデータ９３にアクセスし、Ｚ方向の位置が対応する、過去の３次元プロファイルデータ１８０１を検索して読み出す。そして、差分演算部１４０は、対応するＺ方向の位置の３次元プロファイルデータである１８０１と１８０２とを比較する。
【０１１９】
差分演算部１４０は、上記比較において、３次元プロファイルデータである１８０１と１８０２との形状の一致度が最も高くなるように、Ｘ，Ｙ，Ｚの３次元空間での位置をアライメントする。図１８では、差分演算部１４０は、過去の３次元プロファイルデータ１８０１の点に対し、現在の３次元プロファイルデータ１８０２の点を合わせる。差分演算部１４０は、例えば、点１８１１に点１８１２を合わせ、点１８２１に点１８２２を合わせる。
【０１２０】
図１９は、差分演算部１４０による差分演算の例として、図１８のアライメントの後の３次元プロファイルデータを示す。１８０３は、１８０１と１８０２とがほぼ一致するように重ね合わされた部分を示す。１８０４の横線は、１８０２のアライメント後のデータであり、１８０２のうち１８０１とは一致しない部分を示す。斜線の領域として示す１８０５は、１８０１と１８０２との差分である不一致部を示す。なお３次元プロファイルデータ９３は３次元プロファイルデータであるため、不一致部１８０５は実際には３次元の領域である。
【０１２１】
差分演算部１４０は、上記３次元プロファイルデータである１８０１と１８０２とのアライメント後の差分である不一致部１８０５を算出する。差分演算部１４０は、差分演算として、３次元の領域である不一致部１８０５の体積を演算する。この３次元プロファイルの差分である不一致部１８０５の体積をＶとする。なお本実施の形態では差分として体積を算出するが、これに限らず、２次元の面積や１次元の距離を算出する形態も同様に可能である。
【０１２２】
差分演算部１４０は、上記差分演算により得た不一致部１８０５の体積Ｖと、予め設定された管理値ｍとを比較する。管理値ｍは、当該３次元プロファイルの差分である体積Ｖに関する比較判定用の閾値である。差分演算部１４０は、差分である体積Ｖと管理値ｍとの比較の結果を差分データ９４として出力部１５０に出力し、記憶部１６０に保存する。
【０１２３】
出力部１５０は、上記差分データ９４の内容として、不一致部１８０５の体積Ｖが管理値ｍよりも大きい場合、所定のアラームを外部またはユーザに対して出力する。このアラームは、被計測物における距離及び変位の変動が大きいことを示す。被計測物がトンネル壁面５０である場合、出力部１５０は、トンネル崩落の予兆として危険性有りを示すアラームを出力する。
【０１２４】
なお上記管理値ｍは、被計測物の特性などに応じて予め設定可能である。例えば、変位計測装置１００は、制御部１１０においてユーザの操作により管理値ｍを設定可能である。例えば、トンネル壁面５０のＹ方向上側の面において、土砂の圧力などがかかることにより、図１９の例のように、不一致部１８０５で示す変位が発生すると考えられる。そこで、当該想定に基づき、上記管理値ｍが予め設定される。
【０１２５】
例えばトンネル崩落前の変位はトンネル施工時の変位と同等程度存在する、と仮定し、当該仮定における変位を例えば５〜１０ｍｍとする。これに対応させて、上記管理値ｍとして、当該５〜１０ｍｍに対応させた体積の値が設定される。これに基づき、変位計測システム３００は、差分演算部１４０及び出力部１５０により、上記変位に対応する体積Ｖが管理値ｍを超える場合に、検出及びアラーム出力が可能である。
【０１２６】
［効果等］
以上のように、実施の形態４の変位計測システム３００によれば、移動車２００で走行しながら計測を行う簡便な方式によって、トンネル壁面５０等の被計測物のプロファイルを高精度に計測することができ、被計測物の高頻度の検査が実現できる。また、実施の形態４によれば、補正演算部１２０による加速度情報を用いた計測データの補正の処理により、高精度の計測が実現できる。また、実施の形態４によれば、プロファイル算出部１３０及び差分演算部１４０による現在と過去のプロファイルの差分から高精度な変位の検出ができ、差分が大きい場合にはアラーム出力が可能である。例えば、実施の形態４は、トンネルの検査に適用した場合、トンネル壁面５０の微小な変位を高精度に検出でき、トンネル崩落の予兆を検知する精度が向上できる。この結果、重大な事故が回避でき、また適切な時期に改修工事を行うことができる。
【０１２７】
また特に、実施の形態２の可変焦点レンズ３７を含む変位計測装置１００を搭載する変位計測システム３００により、移動車２００と被計測物であるトンネル壁面５０との距離の遠近に柔軟に対応した計測が可能である。図１６のようにトンネル内を移動車２００が片側車線を走行しながらトンネル壁面５０までの距離及び変位を計測する際、自車線側のトンネル壁面５０は近いが、反対車線側のトンネル壁面５０は遠い。実施の形態４は、当該遠近に対応した回転角度θに応じて、可変焦点レンズ３７の焦点距離を調整する。これにより、実施の形態４は、変位計測装置１００のセンサ面の入射光量を安定化させる。これにより計測の精度を向上できる。
【０１２８】
なお実施の形態４は、実施の形態２の変位計測装置１００を搭載した例を説明したが、これに限らず、実施の形態１や実施の形態３の変位計測装置１００等を搭載した形態も可能である。また、実施の形態４の変位計測システム３００の構成要素のうちの一部、例えば出力部１５０、差分演算部１４０、加速度情報を用いた補正処理、等を省略した形態も可能である。また、実施の形態４の変形例として、変位計測装置１００に位置計測部２０１や加速度センサ２０２を搭載した形態も可能である。実施の形態４は、トンネルの計測を例に説明したが、他の各種の被計測物である、道路、橋梁、及び大型構造物などにおいても同様に適用可能である。
【０１２９】
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【０１３０】
本発明は、道路、トンネル、及び橋梁等の社会インフラを含む各種の被計測物の距離及び変位の計測技術として利用可能である。
【符号の説明】
【０１３１】
２…光源、３…光学系、５，５１，５２…計測対象面、９…地面、１０…強度変調部、１１…基本周波数発振器、１２…低逓倍変換器、１３…高逓倍変換器、２０…光アンプ、２１…励起レーザダイオード、２２，２５，２６，２７…光ファイバ、２３…合波器、２４…ドープファイバ、３１…コリメートレンズ、３２…ビームスプリッタ、３３…集光レンズ、３４…計測光検出レンズ、３５…参照光検出レンズ、３６…回転ミラー、３７，３８…可変焦点レンズ、４１…駆動系、４２…ロータリエンコーダ、５０…トンネル壁面、６１…計測光検出部、６２…参照光検出部、７０…位相比較部、７１，７２…分離部、８０…変位算出部、９１…変位データ、９２…補正値データ、９３…３次元プロファイルデータ、９４…差分データ、１００…変位計測装置、１１０…制御部、１２０…補正演算部、１３０…プロファイル算出部、１４０…差分演算部、１５０…出力部、１６０…記憶部、１７０…焦点制御部、１７１…焦点制御量記憶部、２００…移動車、２０１…位置計測部、２０２…加速度センサ、３００…変位計測システム。
【図１】
2014196928.tif 000004
【図２】
2014196928.tif 000005
【図３】
2014196928.tif 000006
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
2014196928.tif 000011
【図９】
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【図１０】
2014196928.tif 000013
【図１１】
2014196928.tif 000014
【図１２】
2014196928.tif 000015
【図１３】
2014196928.tif 000016
【図１４】
2014196928.tif 000017
【図１５】
2014196928.tif 000018
【図１６】
2014196928.tif 000019
【図１７】
2014196928.tif 000020
【図１８】
2014196928.tif 000021
【図１９】
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