(57)【要約】【課題】本開示は、測定器ヘッドがコンパクトかつ簡易な構造であり、かつ、空間的な制約の大きい場所に置かれた物体であっても物体表面の凹凸を測定可能にすることを目的とする。【解決手段】本開示の遠隔測定装置は、出射口から測定光を出射し、物体表面で反射された反射光が入射口から入射されるセンサ部（３−３）と、測定光及び反射光を伝搬する光ファイバ（３−２）と、測定光及び反射光の干渉縞の位相の変化を用いて、物体表面の凹凸を測定する解析部（３−１）と、を備える。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
出射口から測定光を出射し、物体表面で反射された反射光が入射口から入射されるセンサ部と、
前記測定光及び前記反射光を伝搬する光ファイバと、
前記測定光及び前記反射光の干渉縞の位相の変化を用いて、前記物体表面の凹凸を測定する解析部と、
を備える遠隔測定装置。
【請求項２】
前記センサ部は、
前記測定光を光周波数の異なる複数の入射光に分離する回折格子と、
前記物体表面の凹凸に応じて前記位相がずれるように、前記入射光を前記物体表面で結像させる出射部レンズと、
を備える、
請求項１に記載の遠隔測定装置。
【請求項３】
解析部から光ファイバを介して伝搬された測定光をセンサ部から物体表面に向けて出射し、前記物体表面で反射されかつセンサ部に入射された反射光を光ファイバを介して前記解析部に伝搬する手順と、
前記解析部が、前記測定光及び前記反射光の干渉縞の位相の変化を用いて、前記物体表面の凹凸を測定する手順と、
を順に備える遠隔測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、遠隔で物体表面の凹凸を測定する測定装置及びその測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
物体表面の比較的小さなｃｍ〜μｍ程度の凹凸の測定は、精密な機械部品の摩耗性、気密性の検査や、製品の外観の違いや直に手で触る場合の感触などの数値管理などのために、利用されている。具体的な測定技術としては、触針による測定や、顕微鏡類、白色干渉計などが利用されている（例えば、非特許文献１参照。）。
【０００３】
しかし、これらの技術は、測定器のある部分に被測定物体の表面を固定するなどして測定することになり、動かせないほど大きいものや、形がシンプルでないものの表面は測定が困難である。このため、位置部分を切り出して加工するなどして測定することも考えられるが、そのような直接の加工ができないような物体、例えばインフラのような大きな構造物は測定することが困難である。
【０００４】
一方、そのような大きい構造物は、劣化する際には、歪みが生じ、表面形状に変化が起こると考えられる。その小さな変化を持続的にモニタし検出することで、構造物の劣化時間を分析し、故障に至る前に警告を発することができる。このような構造物の歪を検出する、いわゆるセンサ技術としては様々なものが研究、開発されてきた。例えば構造物の形に柔軟に対応でき、通電しないでセンシングが可能な光ファイバセンサとして非特許文献２などのように様々なものが考えられてきた。しかし、現在考案されている、インフラなどの大きな構造物に対するセンサ技術では、構造物表面の凹凸をμｍの精度で測定することは困難である。
【０００５】
関連技術では、物体の表面をμｍの精度で測定するためには、物体を切断・加工などして、測定器に固定する方法でないと測定が困難である。また、そのような切断・加工ができないようなインフラなどの構造物のセンシング技術では物体表面などを精度よく測定することが困難で、構造物の劣化分析、故障予知の精度に限界がある。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｋｅｙｅｎｃｅ．ｃｏ．ｊｐ／ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ／ｓｐｅｃｉａｌ／３ｄｐｒｏｆｉｌｅｒ／ａｒａｓａ／
【非特許文献２】Ｐ．Ｒ．Ｈｏｆｆｍａｎ，  ｅｔ  ａｌ，  “Ｐｏｓｉｔｉｏｎ  ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ  ｏｆ  ａｎ  ａｃｏｕｓｔｉｃ  ｂｕｒｓｔ  ａｌｏｎｇ  ａ  Ｓａｇｎａｃ  Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ，”  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，  ｖｏｌ．２２，  Ｎｏ．２，  Ｆｅｂｒｕａｒｙ，  ２００４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本開示では、大きな構造物であっても非破壊で高精度に表面凹凸を測定することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本開示の遠隔測定装置は、
出射口から測定光を出射し、物体表面で反射された反射光が入射口から入射されるセンサ部と、
前記測定光及び前記反射光を伝搬する光ファイバと、
前記測定光及び前記反射光の干渉縞の位相の変化を用いて、前記物体表面の凹凸を測定する解析部と、
を備える。
【０００９】
本開示の遠隔測定方法は、
解析部から光ファイバを介して伝搬された測定光をセンサ部から物体表面に向けて出射し、前記物体表面で反射されかつセンサ部に入射された反射光を光ファイバを介して前記解析部に伝搬する手順と、
前記解析部が、前記測定光及び前記反射光の干渉縞の位相の変化を用いて、前記物体表面の凹凸を測定する手順と、
を順に備える。
【発明の効果】
【００１０】
本開示によれば、大きな構造物であっても非破壊で高精度に表面凹凸を測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施形態に係る遠隔測定装置の構成の一例を示す。
【図２】実施形態に係る遠隔測定装置の別形態の被測定構造物への適用例を示す。
【図３】測定原理の一例を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本開示は、以下に示す実施形態に限定されるものではない。これらの実施の例は例示に過ぎず、本開示は当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した形態で実施することができる。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。
【００１３】
本実施形態に係る遠隔測定装置の構成例を図１に示す。ここで、１−１はデータの解析を行う解析部、１−２は解析部１−１とのデータ伝送を行う光ファイバ、１−３は被測定物体の表面を測定するセンサ部である。実施形態に係る遠隔測定装置は、解析部１−１、光ファイバ１−２及びセンサ部１−３を備える。
【００１４】
１−４は被測定物体である。被測定物体１−４の形状は任意であるが、図１では、被測定物体１−４の例として、トンネルを模擬した円筒を表している。被測定物体１−４の複数個所にセンサ測定をするセンサ部１−３を設置し、解析部１−１とセンサ部１−３を光ファイバ１−２で結ぶことにより、センサ部１−３で測定した各所の形状またはその変化などの表面データを解析部１−１で解析する。
【００１５】
図２は、被測定物体１−４がパイプ形状製品など、空間的に制約された場所での形状測定の場合を示す。この場合も光ファイバ１−２を使うことにより、センサ部１−３を被測定物体１−４の内部の奥まで挿入することができ、柔軟に表面の凹凸等を測定することが可能である。
【００１６】
次に具体的な凹凸測定方法を示す。図３は提案する凹凸測定方式を示す図である。３−１は本方式での解析部である。高分解能で凹凸を測定するため、空間的に高分解能な測定が可能なコヒーレント光反射計を解析部３−１に用いることが好ましい。具体的な光反射計の種類としては、反射光の距離に対する電界振幅（振幅と位相）を検出するようなものならば何でもよいが、本実施形態では、周波数掃引した測定光を用いて、測定光の到達距離と測定光の周波数を対応させて測定光の散乱位置を特定する測定器である、ＯＦＤＲ（ＯｐｔｉｃａｌＦｒｅｑｕｅｎｃｙ  Ｄｏｍａｉｎ  Ｒｅｆｌｋｅｃｔｏｍｅｔｒｙ）を用いる。コヒーレント光反射計であるため、光源は高コヒーレンスなものを用いる。このため、以後の説明での測定光は光線のような細い光として扱うことが可能である。光ファイバ３−２を通して接続された３−３はセンサ部で、３−４は入射部レンズ、３−５は出射部レンズ、３−６は回折格子、３−７は被測定物体１−４の表面に相当する被測定試料である。
【００１７】
光ファイバ３−２を通して入射された測定光は入射部レンズ３−４を通して、回折格子３−６に入射する。回折格子３−６では、その入射光が光周波数ごとに分離され、それぞれが出射部レンズ３−５を通して近視野像が被測定試料３−７の表面上に結像されるようにする。このときに、被測定試料３−７の表面上の位置を１次元的にｘ軸で表現すると、結像された近視野像はｘに対して線形な遅延が与えられる。近視野像と回折格子の間の角度をθとする。
【００１８】
コヒーレント反射計の空間分解能をΔｚ＝ｃΔτ（Δτ：時間分解能、ｃ：光速）とすると、特定の遅延τの位置からの反射光は、Δτ程度の広がりをもつパルスとして観測され、その位相は２π×光周波数×τだけ遅れたものになる。
【００１９】
被測定試料３−７が完全に平坦である場合、被測定試料３−７上の点ｘから反射されたビームの時間遅延はτ＝ａｘ（ただしａ＝ｔａｎθ／ｃ）であり、点ｘからの反射光は、コヒーレント反射計において以下のようなパルスとして観測される。
【数１】
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ただし、Ａ（ｔ）は、コヒーレント反射計で単一点からの反射を観測したときのパルス波形（電界振幅）であり、その広がりは約Δτである。ν０は光源の光周波数である。
【００２０】
式（１）から明らかなように、Ｃ−ＯＦＤＲによって観測される電界複素振幅の位相は、２πν０ａｘに比例して変化する。もし、試料の形状が変わり、局所的な傾斜がΔ（ｔａｎθ）＝Δｄ／Δｘだけ変化したとすると、そこでの位相は、次式となり、試料表面の傾斜は、測定信号の干渉縞の位相の変化となって現れる。これを用いれば、測定された信号から試料表面の凹凸を検出することができる。
【数２】
2017194437.tif 000004
【００２１】
傾斜角度の測定限界について説明する。Ｃ−ＯＦＤＲの時間分解能Δτは、ＯＦＤＲで掃引する光周波数幅をΔＦとすると次式で表され、これは同時にサンプリング時間間隔に等しい。
【数３】
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【００２２】
従って、Δτの間に２π以上の位相変化が生じた場合には、検出に２π×整数の誤差が生じる。このため測定可能な傾斜角度の変化に次の制約がある。
【数４】
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【００２３】
Ｃ−ＯＦＤＲの分解能はΔＦ〜１０ＴＨｚ程度まで可能であるから、期待できる能力として、ν０＝２００ＴＨｚとすると、次式となり、これが試料の傾斜角度の限界を表す。
【数５】
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【００２４】
また、この測定のｘ方向の空間分解能力Δｘｒｅｓは、次式となる。
【数６】
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【００２５】
以上の手順で試料の凹凸を１次元的に測定することが可能である。また、上記θを変化させる時のそれぞれにおいて、回折格子をθの回転軸と垂直な軸の周りにも回転させることで、上記ｘの軸と垂直な方向の測定が可能でき、この２つの軸の回転の測定により２次元的に測定することも可能である。
【００２６】
コヒーレンス光反射計はＯＦＤＲに限らず、場所を特定できる測定方法であれば何でもよい。また、センサ部３−３と解析部３−１を結ぶ光ファイバ３−２は１対１ではなく、一つの解析部３−１に複数の光ファイバ３−２とセンサ部３−３を接続させてスイッチで測定光を入射する光ファイバ３−２を選択すれば、一つの測定で多数の光ファイバを接続することも可能であり、効率的に被測定物体１−４の全体の表面を一つの解析部３−１で測定することが可能である。
【００２７】
なお、本開示は、上記実施形態例そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態例に開示されている複数の構成要素の適宜な組合せにより種種の開示を形成できる。例えば、実施形態例に示される全構成要素からいくつかの構成要素を削除しても良い。更に、異なる実施形態例に亘る構成要素を適宜組み合わせても良い。
【００２８】
（本開示の効果）
本開示による遠隔測定方法は、関連技術に対して、以下の優位性を持つと考えられる。光ファイバを用いてセンサ部と解析部を遠隔に設置することができるため、大きな被測定物体に対して、柔軟に表面の凹凸を測定することが可能である。また、この光ファイバによる伝送と親和性の高い、コヒーレントな光を用いた反射計による測定を利用して、凹凸の測定精度を高分解能なもので測定することも可能である。また、センサ部は測定する被測定物体に向ければよく、加工・切断が不要なため、非破壊で高精度な表面の凹凸が可能である。これにより、詳細な構造物状態の計測が可能になり、より精度の高い異常検知・予防保全が可能となり、インフラなどの構造物に対する保守管理の効率化、信頼性の向上に貢献する。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
本開示は情報通信産業に適用することができる。
【符号の説明】
【００３０】
１−１、３−１：解析部
１−２、３−２：光ファイバ
１−３、３−３：センサ部
１−４：被測定物体
３−４：入射部レンズ
３−５：出射部レンズ
３−６：回折格子
３−７：被測定試料
【図１】
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【図２】
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【図３】
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