(57)【要約】  入射光線を少なくとも部分的に透過し且つ第２の媒体（３）を覆う第１の媒体（２）の厚さ（ｅ）を測定するための本発明の光学装置（１）は、第１の媒体（２）表面により反射される光線（６）と第２の媒体表面（３）により散乱される光線（７）とが形成されるように入射光線（４）を発するためのレーザ（５）を備えている。前記装置は、反射光線（６）および散乱光線（７）を検出するための感光リニアアレー（８）と、リニアアレー（８）に接続され且つ反射光線（６）と散乱光線（７）との間の空間を測定できるとともに測定された空間にしたがって第１の媒体（２）の厚さ（ｅ）を決定できる処理回路（９）とを備えている。処理回路（９）は、少なくとも一方の光線（６，７）の位置（δ１，δ２）からリニアアレー（８）と第２の媒体（３）の表面との間の距離（Ｈ）を決定するとともに、前記距離（Ｈ）にしたがって第１の媒体（２）の厚さ（ｅ）の値を補正する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光線を少なくとも部分的に透過し且つ第２の媒体（３）を覆う第１の媒体（２）の厚さ（ｅ）を測定するための光学装置（１）であって、入射光線（４）を発することにより前記第１の媒体（２）の表面で反射される反射光線（６）と前記第２の媒体（３）の表面で散乱される散乱光線（７）とを形成するための手段と、前記反射光線（６）および前記散乱光線（７）を検出するための検出手段と、前記検出手段に接続され且つ前記反射光線（６）と前記散乱光線（７）との間のギャップを測定するための手段および測定された前記ギャップにしたがって前記第１の媒体（２）の厚さ（ｅ）を決定するための手段を備える処理手段（９）と、を備える光学装置（１）において、
前記検出手段は、前記反射光線（６）および前記散乱光線（７）のうちの少なくとも一方の位置（δ１，δ２）を測定するための手段を備え、前記処理手段（９）は、測定された前記位置にしたがって前記検出手段と前記第２の媒体（３）の表面との間の距離（Ｈ）を決定するための手段（１２）と、前記距離（Ｈ）にしたがって前記第１の媒体（２）の厚さ（ｅ）の値を補正するための手段（１３）とを備えることを特徴とする、光学装置（１）。
【請求項２】
前記反射光線（６）および前記散乱光線（７）を検出するための前記検出手段が感光空間検出器を備えることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記感光空間検出器が電荷結合素子（ＣＣＤ）型のアレー（８）であることを特徴とする、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
入射光線（４）を発するための前記手段がレーザ（５）を備えることを特徴とする、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の装置。
【請求項５】
前記媒体（２，３）と前記検出手段との間に配置され、前記反射光線（６）および前記散乱光線（７）を前記検出手段上に合焦させるための合焦手段（１４）を備えることを特徴とする、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の装置。
【請求項６】
前記合焦手段が収束レンズを備えていることを特徴とする、請求項５に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、入射光線を少なくとも部分的に透過し且つ第２の媒体を覆う第１の媒体の厚さを測定するための光学装置であって、入射光線を発することにより第１の媒体の表面により反射される光線と第２の媒体の表面により散乱される光線とを形成するための手段と、反射光線および散乱光線を検出するための検出手段と、検出手段に接続され且つ反射光線と散乱光線との間のギャップを測定するための手段および測定されたギャップにしたがって第１の媒体の厚さを決定するための手段を備える処理手段と、を備える光学装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
入射波長を少なくとも部分的に透過し且つ第２の媒体を覆う第１の媒体の厚さを測定すること、例えば道路上の水の膜の厚さを測定することは、従来技術において良く知られている。
【０００３】
第１の方法は、センサを使用して地面上の水の層の厚さを測定することである。地面の中に挿入されたセンサ、または、水の凝固温度の変化を測定するセンサを使用することができる。
【０００４】
他の方法は、米国特許第５１０５１５７号に記載されており、道路の表面上の水の膜の平均膜厚を測定するためのレーダーシステムに関するものである。このシステムは少なくとも２つのサブアセンブリを備えており、各サブアセンブリは、送信器および受信器を与えるとともに異なる周波数で動作する。システムは、水の膜の表面上でのマイクロ波の反射を使用する。レーダーの動き及びその精度は、レーダーが動作する環境に大きく依存している。
【０００５】
米国特許第４６８７３３３号は、水の膜上に投影される光の波長の吸収を使用する光学装置により厚さを測定するための他の方法について記載している。投影された光は、水の膜によって反射されるとともに、光電センサによって電気信号へと変換される。その後、装置は、このように回収された電気信号にしたがって水の膜の厚さを計算する。この装置は比較的複雑であり、また、測定精度は水の膜の吸収係数に大きく依存している。
【０００６】
文献独国特許第１９８  ０５  ２００号は、検出手段によって検出される第１の反射信号の立ち上がりを使用することにより透明な物体の厚さを測定して、物体に対する発光源または検出手段の位置を決定する他の方法について記載している。第１の信号の上に重ね合わされる第２の反射信号も検出手段によって検出され、測定方法は、この第２の信号の立ち下がりを考慮に入れて、予め計算された位置の値を補正して調整する。厚さの値は、物体に対する発光源または検出手段の位置の測定からのみ推定される。結果として、検出手段および発光源が配置される環境状態に計算が大きく依存する。
【０００７】
一般的な態様において、不透明な第２の媒体を覆う少なくとも部分的に透明な第１の媒体の厚さを測定するための既知の光学装置は、従来、光線を発するための手段と、少なくとも部分的に透明な媒体により反射される光線および不透明な媒体により散乱される光線を検出するための検出手段と、当該検出手段に接続され且つ２つの光線間のギャップを測定してこの測定されたギャップにしたがって所定の数学式により第１の媒体の厚さを決定するように設計されている処理手段とを備えている。
【０００８】
そのような固定された装置は一般に滑らかな表面において使用される。しかしながら、第１の媒体の表面に対する高さを変化させる可動物体により支持されるそのような装置を使用すると、無視できない計算エラーが生じる。特に、道路上を動く車によって装置が支持される場合、車の動きが真っ直ぐであればエラーを許容できるが、曲がっているとき又は制動時、車が凹所に落ち込んで装置の高さが変化する際には、エラーが非常に大きくなる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的はこれらの欠点を是正することであり、媒体の厚さを正確に決定する光学測定装置を提供するという目的を有している。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明において、この目的は、添付の請求項によって達成され、より詳細には、検出手段が反射光線および散乱光線のうちの少なくとも一方の位置を測定するための手段を備え、処理手段が、測定された位置にしたがって検出手段と第２の媒体の表面との間の距離を決定するための手段と、前記距離にしたがって第１の媒体の厚さの値を補正するための手段とを備えるという事実によって達成される。
【００１１】
他の利点および特徴は、限定的でない単なる一例として与えられ且つ添付図面に示される本発明の特定の実施形態の以下の説明から更に明確に理解できるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１において、光学測定装置１は、例えばアスファルト道路などの第２の媒体３を全体的に覆う少なくとも一部が透明な例えば水の膜などの第１の媒体２の厚さｅを測定するように構成されている。
【００１３】
既知の方法で、好ましくは平行な入射光線４が、任意の適当な手段により、例えばレーザ５により形成されるとともに、所定の入射角度で地面の方向で送られる。入射光線４の一部は、第１の媒体２の自由表面によって反射されて反射光線６を形成し、一方、入射光線４の他の部分は、第１の媒体２の厚さｅまで伝播される。入射光線４のこの部分は、第１の媒体２と接触する第２の媒体３の上面によって上半分の空間全体で散乱される。
【００１４】
反射された光線６および散乱された光線の一部７は、その後、任意の適当な検出手段により既知の方法で、例えば感光空間検出器により集められる。検出器は、例えば電荷結合素子（ＣＣＤ）タイプの感光アレー８によって形成されており、第１の媒体２の表面よりも上側に位置されている。このタイプの検出器は、従来、受けた光子の量にしたがって強度が大きい或いは小さい電気信号を供給する複数の素子を備えている。これによって、アレー８により測定される２つの光強度最大値の場所に対応するアレー８上における光線６，７の衝突の位置を表わす値δ１，δ２を素早く測定することができる。
【００１５】
図２に示されるように、所定の各測定時間において、アレー８に接続された処理回路９は、アレー８上における反射光線６および散乱光線７の衝突点の位置を表わす値δ１，δ２を決定するとともに、そこから光線６，７間に存在するギャップ（隙間）を推定する（ブロック１０）。その後、処理回路は、測定されたギャップにしたがって第１の媒体２の厚さｅを決定する（ブロック１１）。実際には、アレー８により測定されるギャップは、ｅ＝ｋ（δ１−δ２）のタイプの数学方程式により、第１の媒体２の厚さｅに対して直接に関連付けられる。ここで、ｋは比例定数、δ１，δ２はアレー８上における２つの光線６，７の像の位置を表わす測定値である。
【００１６】
しかしながら、そのような厚さ測定は、常に十分に正確であるとは限らない。本発明において、処理回路９は、第２の媒体３の上面からの検出器（アレー８）の離間距離Ｈを考慮に入れて厚さｅの測定値の補正を行なう。
【００１７】
図２に示される特定の実施形態において、処理回路９は、測定をより確固たるものにするために、光学的三角測量の既知の原理にしたがって、アレー８上における反射光線６または散乱光線７の像の位置からの距離Ｈも決定する（ブロック１２）。あるいは、有利にはアレー８上における２つの光線６，７の像であってもよい。処理回路９は、アレー８、好ましくはアレー８の重心と第２の媒体３の上面との間の距離Ｈ（図１）を値δ１およびδ２から決定する（ブロック１２）。好ましい実施形態では、装置１が休止しているときの較正段階において、基準距離Ｈ０が三角測量によって予め決定される。各時間ｔにおいて、この基準距離Ｈ０に対する距離Ｈの変化がＨ−Ｈ０＝ｋ’（δ（ｔ）−δ（ｔ０））によって与えられる。ここで、ｋ’は比例定数であり、δ（ｔ）およびδ（ｔ０）は、時間ｔの時および較正が行なわれる時のそれぞれのアレー８上における光線６および７の一方の位置を表わすδ１またはδ２の値である。
【００１８】
このようにして、第２の媒体３の形状の変動に関連付けられた距離Ｈの任意の変化、特に装置１の移動が媒体２および３に沿って行なわれるときの距離Ｈの任意の変化が考慮される。
【００１９】
図２に示されるように、処理回路９は、距離Ｈにしたがって、最初に計算された厚さｅの値を補正する（ブロック１３）。したがって、装置１によれば、光線６と７間のギャップだけの関数として従来の方法により計算された値ｅよりも非常に正確で且つ媒体２，３を更に表現した、第１の媒体２の補正された厚さｅｃを決定することができる。また、装置１によれば、装置１の水平移動の全体にわたって距離Ｈの変化を監視することもでき、それにより、各測定時に、第１の媒体２の補正された厚さｅｃおよびアレー８と第２の媒体３の上面との間の距離Ｈの両方を同時に得ることができる。
【００２０】
例えば、水の膜２によって覆われた粗面３よりも約１００ｍｍ上側に位置され且つ４５°に近い入射角度で光線４を発する長さが約２５０ｍｍの装置１によれば、約１００μｍの水の膜の厚さｅの変動を、６０μｍのピクセル間ピッチを与える感光アレー８を用いて検出することができる。
【００２１】
そのような光学測定装置１は特に以下の利点を得る。厚さｅの測定は、第１の媒体２と何ら接触することなく正確に行なわれ、したがって、その環境を乱さない。装置１によって使用される光学的原理は、距離Ｈが考慮に入れられるため、装置１が媒体２の表面の上側で水平に移動する際に、媒体２の厚さｅの変化をリアルタイムで正確に監視することができる。距離Ｈの計算は、アレー８上における光線６，７の位置を表わす同じ値δ１およびδ２を装置１が使用するため、更なる測定装置に頼ることなく行なわれる。
【００２２】
また、装置１によって使用される測定方法は、アレー８上における光ピークの位置δ１，δ２の測定を行なうため、特に入射光線４の強度の変動による任意の振幅測定値によって影響されない。
【００２３】
図３に示される他の実施形態において、光学測定装置１は、反射光線６および散乱光線７をアレー８上で合焦させるための手段が存在している点が先の実施形態と異なっている。例えば、反射光線６および散乱光線７をアレー８上に収束させるために第１の媒体２と感光アレー８との間に収束レンズ１４が配置されている。
【００２４】
その結果、所定の距離Ｈに関し、第１の媒体２に対するレンズ１４の相対的な位置および感光アレー８の相対的な位置、光線４の入射角度、感光検出器の分解能にしたがって、反射光線６および散乱光線７の測定値δ１およびδ２の分解能および精度を調整することができる。
【００２５】
本発明は前述した様々な実施形態に限定されない。特に、第２の媒体３は、入射光線４を散乱させることができる任意の表面であっても良く、また、第１の媒体２は、任意の液体または固体の媒体であっても良いが、後者は、入射光線４の波長および媒体２によって反射される反射光線６の強度が媒体２に伝えられる光線の振幅と比べて無視できないくらいに十分に透明でなければならない。これらの２つの条件は、アレー８によって測定される２つの最大値がアレー８によって検出された背景ノイズよりも十分目立つために必要である。
【００２６】
また、前述した装置１は、第１の媒体２の厚さｅの範囲に限定されず、また、アレー８から第２の媒体３の上面を離間する距離Ｈの範囲にも限定されない。装置１の部品の選択および部品のサイズの選択は、意図された用途および予期される性能に直接に依存する。
【００２７】
本発明に係る装置１にとって好ましい用途が図４に示されている。装置１は、車両１５の下側に取り付けられており、それにより、道路上の水の膜の厚さｅをリアルタイムで測定し、したがって、この情報を場合により距離Ｈと一緒に車両１５の動的挙動管理システムへと供給する。
【００２８】
他の用途は、事前の較正を伴うことなくユーザが飛行機の翼の氷層の厚さを迅速に測定できるように、本発明に係る装置１を備えるハンドツールの形態を成す人間工学的な筐体に関するものであっても良い。
【００２９】
また、装置１は、液体または固体により覆われる粗い物体の表面状態を評価するために使用することもできる。より詳細には、装置は、例えば腐食性の液体製品を収容するタンクの底部の表面状態を定量化するために実施することができ、それにより、同じタイプの測定を行なうためにこの液体中に全体または一部が浸漬されなければならない任意の他の器具の使用を防止することができるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明に係る装置の特定の実施形態を概略的に示している。
【図２】図１に係る処理回路の特定の実施形態を示す図である。
【図３】本発明に係る装置の他の実施形態を概略的に示している。
【図４】本発明に係る装置を備える特定の用途を示している。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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