KR102457941B1 - 측정 장치 및 측정 방법 - Google Patents

측정 장치 및 측정 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR102457941B1
KR102457941B1 KR1020217024290A KR20217024290A KR102457941B1 KR 102457941 B1 KR102457941 B1 KR 102457941B1 KR 1020217024290 A KR1020217024290 A KR 1020217024290A KR 20217024290 A KR20217024290 A KR 20217024290A KR 102457941 B1 KR102457941 B1 KR 102457941B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
measurement
measuring
light
speed
arithmetic processing
Prior art date
Application number
KR1020217024290A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20210108469A (ko
Inventor
신이치 오시마
요시토 이세이
Original Assignee
닛폰세이테츠 가부시키가이샤
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from JP2019009532A external-priority patent/JP7107234B2/ja
Application filed by 닛폰세이테츠 가부시키가이샤 filed Critical 닛폰세이테츠 가부시키가이샤
Publication of KR20210108469A publication Critical patent/KR20210108469A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102457941B1 publication Critical patent/KR102457941B1/ko

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/02—Systems using the reflection of electromagnetic waves other than radio waves
    • G01S17/50—Systems of measurement based on relative movement of target
    • G01S17/58—Velocity or trajectory determination systems; Sense-of-movement determination systems
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/02—Systems using the reflection of electromagnetic waves other than radio waves
    • G01S17/06—Systems determining position data of a target
    • G01S17/08—Systems determining position data of a target for measuring distance only
    • G01S17/32—Systems determining position data of a target for measuring distance only using transmission of continuous waves, whether amplitude-, frequency-, or phase-modulated, or unmodulated
    • G01S17/34—Systems determining position data of a target for measuring distance only using transmission of continuous waves, whether amplitude-, frequency-, or phase-modulated, or unmodulated using transmission of continuous, frequency-modulated waves while heterodyning the received signal, or a signal derived therefrom, with a locally-generated signal related to the contemporaneously transmitted signal
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/4808—Evaluating distance, position or velocity data
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/481—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/491—Details of non-pulse systems
    • G01S7/4912—Receivers
    • G01S7/4916—Receivers using self-mixing in the laser cavity
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/497—Means for monitoring or calibrating

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
  • Optical Radar Systems And Details Thereof (AREA)
  • Instruments For Measurement Of Length By Optical Means (AREA)

Abstract

피측정 대상물이 이동하고 있어도, 피측정 대상물의 상대적인 이동 속도 또는 피측정 대상물의 이격 변위를 정확하게 측정할 수 있는 측정 장치 및 측정 방법을 제공한다. 측정 장치(1)에서는, 피측정 대상물 P가 면내 방향으로 이동함으로써 발생하는 도플러 시프트의 영향을 고려하여 피측정 대상물 P의 상대적인 이동 속도, 피측정 대상물 P의 이격 변위를 측정할 수 있으므로, 피측정 대상물 P가 면내 방향으로 이동하고 있어도, 피측정 대상물 P의 상대적인 이동 속도 및 피측정 대상물 P의 이격 변위를 정확하게 측정할 수 있다.

Description

측정 장치 및 측정 방법
본 발명은, 측정 장치 및 측정 방법에 관한 것이다.
고정밀도로 피측정 대상물까지의 거리를 측정하는 거리 측정 장치로서, 예를 들어 특허문헌 1에 개시된 바와 같이, FSF 레이저(주파수 시프트 귀환형 레이저: Frequency-Shifted Feedback Laser) 광원을 이용한 거리 측정 장치가 알려져 있다.
일반적으로, 이러한 시간에 대하여 주파수가 변조된 레이저광을 사용한 거리 측정 장치에서는, 레이저 발진기로부터 출사되는 주파수 변조된 광을, 참조광과 측정광으로 분기하여, 측정광을 피측정 대상물에 조사하고, 피측정 대상물의 표면(피측정 대상물 표면이라고도 칭함)에서 반사하여 되돌아 온 반사광을 광 검출부에 입사시킨다. 한편, 참조광은 소정의 광로 길이를 갖는 경로를 통해 광 검출부에 입사된다. 광 검출부는 광신호를 전기 신호로 변환한다. 광이 레이저 발진기를 나오고 나서, 피측정 대상물의 측정면에서의 반사를 거쳐서 반사광으로서 광 검출부에 이르기까지의 경로와, 광이 레이저 발진기를 나오고 나서 참조광으로서 광 검출부에 이르기까지의 경로는 광로 길이가 통상 다르다. 따라서, 광이 레이저 발진기를 나오고 나서 광 검출부에 이르기까지에 필요한 시간도, 반사광과 참조광은 다르다.
레이저 발진기로부터 출사되는 광의 주파수는, 조작자가 사전에 파악하고 있는 소정의 규칙(삼각파, 빗형상파, 사인파 등)에 기초하여, 시간과 함께 소정의 주파수 변조 속도로 항상 변화되고 있으므로, 광 검출부에 입사하는 반사광과 참조광은 주파수가 다르게 된다. 따라서, 광 검출부에 있어서는 반사광과 참조광의 간섭에 의해, 반사광과 참조광의 주파수 차와 동일한 주파수를 갖는 비트(울림) 신호가 검출된다.
비트 신호의 주파수(비트 주파수)는, 측정광이 레이저 발진기를 나오고 나서 반사광으로서 광 검출부에 이르기까지에 필요한 시간과, 참조광이 레이저 발진기를 나오고 나서 광 검출부에 이르기까지에 필요한 시간의 차의 시간에 있어서의, 레이저 발진기의 발진 주파수의 변화량과 같다. 따라서, 이러한 시간에 대하여 주파수가 변조된 레이저광(바람직하게는 주파수가 직선적으로 변조된 레이저광)을 사용한 거리 측정 장치에서는, 비트 주파수를 광로 길이의 차로 변환함으로써, 피측정 대상물까지의 거리를 측정할 수 있다.
또한, 특허문헌 2에는, 광 파이버의 출사 단부면으로부터 피측정 대상물의 면 법선 방향을 따라 레이저광을 출사하고, 출사 단부면으로부터 멀어지는 방향 또는 가까워지는 방향으로 이동하는 피측정 대상물의 속도를 측정할 수 있는 속도 측정 장치(광섬유 센서)가 개시되어 있다.
일본 특허 공개 제2016-80409호 공보 일본 특허 공개 평9-257415호 공보
그러나, 특허문헌 1에 나타내는 거리 측정 장치는, 정지하고 있는 피측정 대상물까지의 거리를 측정하는 것이고, 면내 방향으로 이동하고 있는 피측정 대상물까지의 거리나 변위에 대해서는, 정확하게 측정할 수 없다는 것을 알아냈다.
또한, 특허문헌 2에 나타내는 속도 측정 장치에서도, 광 파이버의 출사 단부면으로부터 멀어지는 방향 또는 가까워지는 방향으로 이동하는 피측정 대상물의 속도에 대해서는 측정할 수 있지만, 면내 방향을 따라 이동하고 있는 피측정 대상물의 속도를 측정할 수는 없다.
또한, 제2 과제로서, 피측정 대상물의 속도나 거리를 측정하는 데 있어서, 피측정 대상물에 대한 레이저광의 광축의 경사 각도를 파악할 필요가 발생하는 경우도 있다. 이 때문에, 피측정 대상물에 대한 레이저광의 광축의 경사 각도를 정확하게 측정하는 것도 요망되고 있다.
그래서, 본 발명은, 상기와 같은 문제를 감안하여 이루어진 것이고, 피측정 대상물이 이동하고 있어도, 피측정 대상물의 상대적인 이동 속도 또는 측정 장치와 피측정 대상물 사이의 변위(측정 장치로부터 피측정 대상물까지의 거리)를 정확하게 측정할 수 있는 측정 장치 및 측정 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은, 상기와 같은 제2 과제를 감안하여 이루어진 것이고, 피측정 대상물에 대한 레이저광의 광축의 경사 각도를 정확하게 측정할 수 있는 측정 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 측정 장치는, 이동하는 피측정 대상물의 소정의 방향의 변위인 이격 변위 및 상기 소정의 방향에 직교하는 방향의 상대적인 속도인 이동 속도 중 적어도 어느 한쪽을 측정하는 측정 장치이며, 시간에 대하여 소정의 주파수 변조 속도로 변조된 레이저광을, 참조광과 측정광으로 나누는 분기기와, 상기 측정광을 조사하고, 또한 상기 측정광이 반사한 반사광을 수광하는 조사·수광면을 갖는 1개 또는 2개 이상의 측정 헤드와, 상기 반사광과 상기 참조광의 광 간섭에 의해 비트 신호를 출력하는 광 검출부와, 상기 비트 신호가 입력되는 연산 처리 장치를 구비하고, 상기 측정 헤드는 상기 조사·수광면으로부터 조사하는 레이저광의 광축이 상기 소정의 방향에 대하여 경사져서 배치되어 있고, 상기 연산 처리 장치는, 상기 비트 신호에 기초하는 비트 주파수를 검출하고, 측정 시의 상기 비트 주파수와 소정의 기준 상태에서의 비트 주파수인 기준 주파수의 차인 주파수 차를 산출하고, 상기 주파수 차와, 상기 경사져서 배치된 상기 레이저광의 광축의 경사 각도에 기초하여, 상기 이동 속도 및 상기 이격 변위 중 적어도 어느 한쪽을 산출한다.
본 발명의 측정 방법은, 이동하는 피측정 대상물의 소정의 방향의 변위인 이격 변위 및 상기 소정의 방향에 직교하는 방향의 상대적인 속도인 이동 속도 중 적어도 어느 한쪽을 측정하는 측정 방법이며, 시간에 대하여 소정의 주파수 변조 속도로 변조된 레이저광을, 분기기에 의해 참조광과 측정광으로 나누는 분기 스텝과, 조사·수광면으로부터 조사하는 레이저광의 광축이 상기 소정의 방향에 대하여 경사져서 배치된 1개 또는 2개 이상의 측정 헤드를 사용하여, 상기 조사·수광면으로부터 상기 측정광을 상기 피측정 대상물의 표면에 조사하고, 또한 상기 측정광이 상기 피측정 대상물의 상기 표면에서 반사한 반사광을 상기 조사·수광면에서 수광하는 조사·수광 스텝과, 상기 반사광과 상기 참조광의 광 간섭에 의해 비트 신호를 출력하는 광 검출 스텝과, 상기 비트 신호가 연산 처리 장치에 입력되어, 상기 연산 처리 장치에서 연산 처리를 행하는 연산 처리 스텝을 구비하고, 상기 연산 처리 스텝은, 상기 비트 신호에 기초하는 비트 주파수를 검출하고, 측정 시의 상기 비트 주파수와 소정의 기준 상태에서의 비트 주파수인 기준 주파수의 차인 주파수 차를 산출하고, 상기 주파수 차와, 상기 경사져서 배치된 상기 레이저광의 광축의 경사 각도에 기초하여, 상기 이동 속도 및 상기 이격 변위 중 적어도 어느 한쪽을 산출한다.
본 발명의 측정 장치 및 측정 방법에 의하면, 피측정 대상물이 이동함으로써 발생하는 도플러 시프트의 영향을 고려하여 피측정 대상물의 상대적인 이동 속도 또는 피측정 대상물의 이격 변위를 측정할 수 있으므로, 피측정 대상물이 이동하고 있어도, 피측정 대상물의 상대적인 이동 속도 또는 피측정 대상물의 이격 변위를 정확하게 측정할 수 있다.
또한, 피측정 대상물에 대한 레이저광의 광축의 경사 각도를 정확하게 측정할 수 있는 측정 방법도 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 측정 장치의 구성을 도시한 개략도이다.
도 2는 FSF 레이저광의 처프 주파수 컴 출력을 모식적으로 나타낸 개략도이다.
도 3은 제i 측정 헤드의 제i 광축 각도 θi를 설명하기 위한 개략도이다.
도 4는 제i 측정 헤드의 사영 각도 Φi를 설명하기 위한 개략도이다.
도 5는 3개의 제i 측정 헤드를 사용한 때의 각 제i 측정 헤드의 위치를 도시하는 개략도이다.
도 6은 이격 변위와 이동 속도와 이동 방향을 측정 가능한 제1 실시 형태 및 제6 실시 형태에 관한 연산 처리 장치의 회로 구성을 도시하는 블록도이다.
도 7은 측정 처리 수순을 도시하는 흐름도이다.
도 8은 이격 변위와 이동 속도를 측정 가능한 제2 실시 형태에 관한 연산 처리 장치의 회로 구성을 도시하는 블록도이다.
도 9는 이동 속도와 이동 방향을 측정 가능한 제3 실시 형태에 관한 연산 처리 장치의 회로 구성을 도시하는 블록도이다.
도 10은 이동 속도를 측정 가능한 제4 실시 형태에 관한 연산 처리 장치의 회로 구성을 도시하는 블록도이다.
도 11은 이격 변위를 측정 가능한 제5 실시 형태에 관한 연산 처리 장치의 회로 구성을 도시하는 블록도이다.
도 12는 회전하는 피측정 대상물에 대하여 제i 측정광을 조사한 때의 제i 광축 각도 θi, 이격 변위 △R, △Li 및 △θi의 관계를 설명하기 위한 개략도이다.
도 13은 피측정 대상물에 있어서의 제i 사영 각도 Φi를 설명하기 위한 개략도이다.
도 14는 다른 실시 형태에 의한 각도 취득부의 구성을 도시하는 블록도이다.
도 15는 제i 광축 각도 θi 및 제i 사영 각도 Φi의 산출 처리 수순을 도시하는 흐름도이다.
도 16은 각 실시 형태에 있어서의 연산 처리 장치의 하드웨어 구성의 일례를 도시한 블록도이다.
도 17은 이동 속도가 다르면 피측정 대상물 표면까지의 측정 거리가 변화되는 것을 도시한 그래프이다.
도 18은 산출한 이격 변위를 사용하여 피측정 대상물 표면까지의 거리를 산출한 때의 결과를 도시한 그래프이다.
도 19는 실시예의 평가 장치를 설명하는 개략도이다.
도 20은 이격 변위 및 이동 방향이 변위된 때의 이동 속도의 측정 결과를 도시한 그래프이다.
도 21은 이동 방향의 측정 결과를 도시한 그래프이다.
본 발명자들은, FSF(Frequency-Shifted Feedback) 레이저를 이용한 일반적인 거리계를 사용하여, 면내 방향으로 이동하는 평판 형상의 피측정 대상물의 표면(피측정 대상물 표면)까지의 거리를 측정한바, 피측정 대상물의 이동 속도에 의해, 거리계로부터 얻어지는 측정 거리가 변화되어 버리는 것을 확인했다. 그래서, 본 발명자들은, 이러한 측정 거리가 변화되는 원인에 대하여 예의 검토를 행하였다.
그 결과, 본 발명자들은, 레이저 발진기를 사용하여, 이동하고 있는 피측정 대상물까지의 거리를 측정할 때, 측정 거리가 외관상 시프트되어 버리는 것은, 레이저광이 도플러 시프트에 의한 영향을 받고 있다고 생각할 수 있는 것을 알아냈다. 더 구체적으로는, 측정 거리가 시프트하는 원인으로서, 피측정 대상물 표면에 대하여, FSF 레이저의 광축에 기울기가 있음으로써, 도플러 시프트의 영향을 받고 있다고 추측했다.
이러한 추측에 기초하여, 외관상 발생하는 측정값의 시프트를 배제하고, 이동하는 피측정 대상물의 기준 위치로부터의 소정의 방향의 변위(이하 본원에서는 단순히 "이격 변위"라고 칭함) 및 상기 소정의 방향에 직교하는 방향의 이동 속도(이하 본원에서는 "이동 속도"라고 칭함)를 고정밀도로 측정하는 방법에 대하여 검토를 행하였다. 그 결과, 발명자들은, 이하에 설명하는 바와 같은 본 실시 형태에 관한 측정 장치 및 측정 방법에 상도했다. 이하, 본 실시 형태에 의한 측정 장치 및 측정 방법에 대하여 차례로 설명한다. 또한, 상기 소정의 방향에 직교하는 방향의 이동 속도란, 임의의 방향으로 이동하는 경우의 속도의 상기 소정의 방향에 직교하는 방향의 속도 성분을 의미하는 경우를 포함하는 것으로 한다.
(1) <제1 실시 형태>
(1-1) <제1 실시 형태에 의한 측정 장치의 개략>
도 1은, 제1 실시 형태에 있어서의 측정 장치(1)의 구성을 도시하는 개략도이다. 제1 실시 형태에서는, 1개, 또는 2개 이상의 N개의 제i 측정 헤드(5i)(본 실시 형태에서의 i는, 1 이상의 정수임)를 갖는 측정 장치(1)에 대하여 설명한다. 도 1에서는, 1개, 또는 N개의 제i 측정 헤드(이하, 단순히 측정 헤드(5)라고도 칭함)(5i)로서, 1개의 측정 헤드(5)만을 대표하여 도시하고 있고, 다른 제i 측정 헤드는 생략하고 있다.
예를 들어, 제i 측정 헤드(5i)가 1개만 마련된 측정 장치(1)에서는, 제i 측정 헤드(5i)는 제1 측정 헤드(51)라고 표기된다. 한편, 제i 측정 헤드(5i)가 N개 마련된 측정 장치(1)에서는, 각각의 제i 측정 헤드(5i)는, 제1 측정 헤드(51)부터 제N 측정 헤드(5N)라고 표기된다. 또한, 1개의 제i 측정 헤드(5i)를 마련한 경우에도, N개의 제i 측정 헤드(5i)를 마련한 경우에도, 사용하는 제i 측정 헤드(5i)의 구성은 동일한 것에 한정하는 것은 아니지만, 간단화를 위해 동일한 경우에 대하여 설명하고, 이하, N개의 제i 측정 헤드(5i)에 대해서도 1개의 제i 측정 헤드(5i)에만 착안하여 설명한다.
또한, 제1 실시 형태에서는, 피측정 대상물로서, 평판 형상의 피측정 대상물 P를 적용하고 있고, 피측정 대상물 표면 S로부터 소정 거리 이격된 위치에 제i 측정 헤드(5i)가 설치된다. 또한, 피측정 대상물 표면 S에 대한, 제i 측정 헤드(5i)의 광축의 경사 각도에 대해서는, 도 3 및 도 4를 사용하여 후술하고, 처음에, 측정 장치(1)의 전체 구성에 대하여 이하에 설명한다.
제i 측정 헤드(5i)는, 레이저광을 제i 측정광(단순히, 측정광이라고도 칭함)으로서 조사하는 단부의 조사·수광면(9c)이, 피측정 대상물 P의 피측정 대상물 표면 S를 향해 배치되어 있다. 이에 의해, 제i 측정 헤드(5i)는, 단부의 조사·수광면(9c)으로부터 출사한 제i 측정광을, 피측정 대상물 표면 S에 조사한다. 동시에, 제i 측정 헤드(5i)는, 제i 측정광이 피측정 대상물 표면 S에서 반사한 제i 반사광을, 조사·수광면(9c)에서 수광한다.
여기서, 본 실시 형태의 측정 장치(1)는, 상술한 N개의 제i 측정 헤드(5i)에 더하여, FSF 레이저광을 발진하는 레이저 발진기(2), 분기기(3a, 3b, 3c), N개의 제i 써큐레이터(예를 들어, 방향성 결합기 등이고, 이하, 단순히 써큐레이터라고도 칭함)(4i), N개의 제i 결합기(예를 들어, 광 파이버 커플러 등이고, 이하, 단순히 결합기라고도 칭함)(6i), N개의 제i 광 검출부(이하, 단순히 광 검출부라고도 칭함)(7i) 및 연산 처리 장치(11)를 갖는다. 또한, 여기서의 i의 숫자는 상기와 마찬가지로 측정 헤드(5)의 개수에 대응한 숫자로 되고, 예를 들어 제1 측정 헤드(5)에 대응하여 마련된 제i 결합기(6i)나 제i 광 검출부(7i)는, 제1 결합기(61)나 제1 광 검출부(71)라고도 표기한다.
레이저 발진기(2)는, FSF 레이저광을 발진하는 레이저 발진기이다. 여기서, FSF 레이저광이란, 광의 주파수를 변화시키는 소자(주파수 시프트 소자)를 구비한 공진기(도시하지 않음)를 사용하여, 주파수 시프트를 받은 광을 귀환함으로써 발진하는 레이저광을 의미한다.
도 2는, FSF 레이저광의 출력을 모식적으로 나타낸 도면이다. 도 2에 도시한 바와 같이, FSF 레이저광은, 공진기 내의 광파가 주회마다 주파수 시프트를 받으면서, 공진기의 이득 곡선(주파수-진폭 곡선)을 따라 증폭되고, 감쇠하고, 최종적으로는 소멸된다. FSF 레이저광의 발진 출력에 있어서는, 이러한 순시 주파수 성분이 복수, 일정한 주파수 간격으로 빗 형상으로 존재하고 있다.
도 2 중, τRT는 공진기의 주회 시간을 나타내고, νFS는 주회당의 주파수 시프트량을 나타낸다. 1/τRT는, 공진기의 세로 모드 주파수 간격(처프 주파수 컴 간격)을 나타내고, rs는, FSF 레이저광의 순시 주파수의 단위 시간당의 변화량, 즉, 주파수 변조 속도를 나타낸다.
도 1에 도시한 바와 같이, 레이저 발진기(2)로부터 출력된 레이저광(FSF 레이저광)은, 광 파이버를 통해 분기기(3a)에 입사된다. 분기기(3a)는, 레이저 발진기(2)로부터 입사된 레이저광을, 제1 분기광과 제2 분기광으로 분기한다. 분기기(3a)에 있어서 분기된 제1 분기광은, 광 파이버를 통해 분기기(3b)에 입사된다.
이 분기기(3b)는, 제1 분기광을, N개의 제i 측정광으로 분기한다. 분기기(3b)에서 분기된 N개의 제i 측정광은, 광 파이버 광로(8a)를 경유하여, 대응하는 제i 측정 헤드(5)로 유도된다. 또한, 1개 또는 N개의 제i 측정광에 대해서는 단순히 측정광이라고도 칭한다. 또한, N＝1, 즉 측정 헤드(5)가 1개인 경우에는, 분기기(3b)가 불필요해, 분기기(3a)에서 분기된 제1 분기광이 측정광(제1 측정광)으로 되어, 광 파이버 광로(8a)를 경유하여 제1 측정 헤드(5)로 유도된다.
광 파이버 광로(8a)에는, 제i 측정 헤드(5)에 이르기까지의 사이에 분기한 제i 측정광마다 제i 써큐레이터(4i)가 마련된다. 제i 써큐레이터(4i)는, 제i 측정광을 제i 측정 헤드(5)에 출사하고, 제i 측정 헤드(5)로부터 입사한 N개의 제i 반사광을 각각 N개의 제i 결합기(6i)에 출사한다.
제i 측정 헤드(5)에는, 광 파이버 광로(8a)의 단부(9a)와, 집광 렌즈(9b)가 내부에 마련되어 있다. 제i 측정 헤드(5)는, 레이저 발진기(2)로부터 광 파이버 광로(8a)를 통해 전송된 제i 측정광을, 광 파이버 광로(8a)의 단부(9a)로부터 출사하여 집광 렌즈(9b)에 의해 집광한 후, 피측정 대상물 표면 S를 향해 조사한다. 제i 측정 헤드(5)는, 예를 들어 도시하지 않은 반송 롤러에 의해 이동 방향 X(피측정 대상물의 평탄한 피측정 대상물 표면 S의 면내의 일방향)로 이동 속도 V로 이동하고 있는 피측정 대상물 표면 S에 제i 측정광을 조사한다.
제i 측정광이 피측정 대상물 표면 S에서 반사함으로써 얻어진 제i 반사광은, 집광 렌즈(9b)에서 집광된 후, 광 파이버 광로(8a)의 단부(9a)에서 수광되어, 광 파이버 광로(8a)를 경유하여 제i 써큐레이터(4i)로 유도되고, 당해 제i 써큐레이터(4i)로부터 광 파이버 광로(8b)를 통해 제i 결합기(6i)로 유도된다.
한편, 최초의 분기기(3a)에서 분기된 제2 분기광은, 광 파이버 광로(8c)를 통해 분기기(3c)에 입사된다. 이 분기기(3c)는, 제2 분기광을, N개의 제i 참조광으로 분기한다. 분기기(3c)에 있어서 분기된 제i 참조광은, 광 파이버 광로(8c)를 경유하여 제i 결합기(6i)로 유도된다. 또한, 1개 또는 N개의 제i 참조광에 대해서는 단순히 참조광이라고도 칭한다. N＝1, 즉 측정 헤드(5)가 1개인 경우에는, 분기기(3c)가 불필요해, 분기기(3a)에서 분기된 제2 분기광이 참조광(제1 참조광)으로 되어, 광 파이버 광로(8c)를 경유하여 제1 결합기(61)로 유도된다.
제i 결합기(6i)는, 제i 참조광과 제i 반사광을, 광 파이버를 통해 각각 제i 광 검출부(7i)에 입사시킨다. 제i 광 검출부(7i)는, 제i 반사광 및 제i 참조광을 수광한다. 제i 측정 헤드(5i)마다 얻어지는 제i 반사광과, 대응하는 제i 참조광은, 각각 대응하는 제i 광 검출부(7i)로 유도되게 된다.
제i 광 검출부(7i)에 동시에 입사하는 제i 반사광과 제i 참조광은, 각각의 레이저광이 레이저 발진기(2)를 출사하고 나서 제i 광 검출부(7i)에 입사할때 까지 통과한 광로 길이의 차에 대응하는 주파수 차를 가지므로, 제i 반사광과 제i 참조광의 광 간섭에 의해 제i 비트 신호(이하, 단순히 비트 신호라고도 칭함)가 발생한다. 제i 광 검출부(7i)는, 이 제i 비트 신호를 검출하고, 이것을 후술하는 연산 처리 장치(11)로 송출한다.
연산 처리 장치(11)는, 제i 광 검출부(7i)에서 검출한 한 무리의 광에 있어서, 제i 반사광과 제i 참조광이 광 간섭함으로써 발생하는 제i 비트 신호의 주파수(제i 비트 주파수, 또는 단순히 비트 주파수라고도 칭함)를, 소정의 검출 주파수 범위 내에서 검출한다. 또한, 광 파이버의 온도 변화의 영향을 억제하기 위해, 제i 반사광과 제i 참조광이 광 간섭함으로써 발생하는 제i 비트 주파수 대신에, 제i 비트 주파수로서, 예를 들어 제i 측정 헤드(5i)로부터, 피측정 대상물 표면 S까지의 거리 D1에 상당하는 주파수를 사용할 수 있다. 이 주파수를 산출하는 경우에는, 제i 반사광과 제i 참조광이 간섭함으로써 발생하는 제i 비트 주파수로부터, 제i 측정 헤드(5i)로부터의 제i 반사광과 제i 참조광이 광 간섭함으로써 발생하는 제i 비트 주파수를 차감함으로써 구할 수 있다.
이에 의해, 연산 처리 장치(11)는, 얻어진 제i 비트 주파수를 이용한 연산 처리(후술함)를 행함으로써, 측정 헤드로부터 피측정 대상물 P까지의 거리 변화인 이격 변위 d와, 피측정 대상물 P가 이동하고 있을 때의 이동 속도 V와, 이동 방향을 측정할 수 있다.
(1-2) <제1 실시 형태에 있어서의 제i 측정 헤드의 구성>
이어서, 1개, 또는 N개의 제i 측정 헤드(5i)에 대하여 1개의 제i 측정 헤드(5i)에 착안하여, 도 3 및 도 4를 사용하여 좌표계와 광축의 기울기에 대하여 설명한다. 도 3은, 피측정 대상물 표면 S의 법선 방향을 Z축 방향이라고 정한 구면 좌표계에 있어서, 제i 측정 헤드(5i)와 피측정 대상물 P의 배치를 도시한 개략도이고, 도 4는, 제i 측정 헤드(5i)의 배치를, Z축 방향으로부터 본 때의 개략도이다. 본 실시 형태에서는 Z축 방향이 소정의 방향으로 된다.
도 3 및 도 4에 도시한 바와 같이, 제i 측정 헤드(5i)로부터 조사되는 제i 측정광의 광축 ai는, Z축 방향에 대하여 경사지도록 배치되어 있다. 여기서, 제i 측정 헤드(5i)의 광축 ai의 Z축 방향에 대한 기울기를, 제i 광축 각도(이하, 단순히 광축 각도라고도 칭함) θi라고 정의한다.
또한, 도 4에 도시한 바와 같이, Z축 방향과 직교하고, 또한 서로 직교하는 X축 방향 및 Y축 방향을 정의하고, XY 평면에 광축 ai를 투영한 사영 ai'과 X축이 이루는 각도를 제i 사영 각도(이하, 단순히 사영 각도라고도 칭함) Φi라고 정의한다. 이와 같이, 제i 측정 헤드(5i)의 광축 ai의 경사 각도는, 이들 제i 광축 각도 θi와 제i 사영 각도 Φi로 규정할 수 있다.
또한, N개의 제i 측정 헤드(5i)를 마련하는 경우에는, 각각의 제i 측정 헤드(5i)의 제i 광축 각도 θi는 제i 측정 헤드(5i)마다 동일한 제i 광축 각도 θi로 해도 되고, 다른 제i 광축 각도 θi로 해도 된다. 또한, N개의 제i 측정 헤드(5i)를 마련하는 경우에는, 각각의 제i 측정 헤드(5i)의 제i 사영 각도 Φi는 제i 측정 헤드(5i)마다 동일한 제i 사영 각도 Φi로 해도 되고, 다른 제i 사영 각도 Φi로 해도 된다. 단, N개의 제i 측정 헤드(5i)를 마련하는 경우에는, 각각의 제i 측정 헤드(5i)가 다른 위치에 배치되는 것이 바람직하기 때문에, 복수의 제i 측정 헤드(5i)에 있어서 동일한 제i 사영 각도 Φi로 한 때는 다른 제i 광축 각도 θi로 하고, 동일한 제i 광축 각도 θi로 한 때는 다른 제i 사영 각도 Φi로 하는 것이 바람직하다.
도 5는, 3개의 제i 측정 헤드(5i)(제1 측정 헤드(51), 제2 측정 헤드(52), 제3 측정 헤드(53)(i＝1, 2, 3))를 마련한 때의 일례를 도시하는 개략도이다. 이 경우, 제1 측정 헤드(51)로부터 피측정 대상물 표면 S로 제1 측정광을 조사하고, 제2 측정 헤드(52)로부터 피측정 대상물 표면 S로 제2 측정광을 조사하고, 제3 측정 헤드(53)로부터 피측정 대상물 표면 S로 제3 측정광을 조사한다.
도 5에서는, 제1 측정 헤드(51), 제2 측정 헤드(52) 및 제3 측정 헤드(53)는, 피측정 대상물 P에 대하여 다른 위치에 배치되어 있고, 제1 측정 헤드(51)로부터 조사되는 제1 측정광의 광축 a1의 경사 각도(제1 광축 각도 θ1 및 제1 사영 각도 Φ1(도시하지 않음))와, 제2 측정 헤드(52)로부터 조사되는 제2 측정광의 광축 a2의 경사 각도(제2 광축 각도 θ2 및 제2 사영 각도 Φ2(도시하지 않음))와, 제3 측정 헤드(53)로부터 조사되는 제3 측정광의 광축 a3의 경사 각도(제3 광축 각도 θ3 및 제3 사영 각도 Φ3(도시하지 않음))가 각각 소정의 각도로 설정되어 있다.
또한, 제i 측정 헤드(5i)를 4개 이상 마련하는 경우에 대해서도, 도 5에 도시한 바와 같은 구성과 마찬가지로, 각각의 제i 측정 헤드(5i)가 다른 위치에 배치되는 것이 바람직하다.
본 실시 형태에서는, 도 3 및 도 5에 도시한 바와 같이, 소정의 기준 위치로부터의 피측정 대상물 P의 Z축 방향으로의 변위를 이격 변위 d라고 한다. 또한, 도 3 및 도 5에 있어서의 P1은, 기준 위치에 있는 피측정 대상물을 나타낸다. 또한, 피측정 대상물 P는, 측정 장치(1)에 대하여 상대적으로 이동하는 것으로 하고, 도 4에 도시한 바와 같이, XY 평면에 투영한 이동 방향과 X축의 각도를 이동 각도 α, XY 평면에 투영한 속도를 이동 속도 V라고 정의한다. 예를 들어, X축 방향에 피측정 대상물 P가 이동하는 경우, 피측정 대상물 P의 이동 각도 α는 0°로 된다.
(1-3) <본 발명의 측정 방법의 개요>
이어서, 본 실시 형태에 있어서의, 이동 속도 V 및 이격 변위 d의 측정 방법에 대하여 설명한다. 여기서, 기준 상태(예를 들어, 기준 위치에서 정지 상태)에 있는 피측정 대상물 P1의 피측정 대상물 표면 S에 제i 측정광을 조사함으로써 반사해 온 제i 반사광과, 제i 참조광으로부터 얻어진 제i 비트 주파수를 제i 기준 주파수(이하, 단순히 기준 주파수라고도 칭함)라고 정의한다. 또한, 기준 위치로부터 Z축 방향으로 d 이격된 위치에서, 이동 방향(이동 각도 α의 방향) 및 이동 속도 V로 XY 평면으로 평행하게 이동하는 피측정 대상물 P의 피측정 대상물 표면 S에 제i 측정광을 조사함으로써 반사해 온 제i 반사광과, 제i 참조광으로부터 제i 비트 주파수를 얻는다.
이들 제i 기준 주파수와 제i 비트 주파수의 주파수의 차(제i 주파수 차, 또는 단순히 주파수 차라고 칭함)를, △fi라고 하면, 제1 실시 형태의 제i 주파수 차 △fi는, 이격 변위 d 및 도플러 시프트의 영향을 받는 점에서, 다음의 식(1)로 나타낼 수 있는 것을 발명자들은 유도했다.
Figure 112021088245475-pct00001
θi는, 상술한 제i 광축 각도를 나타내고, Φi는, 상술한 제i 사영 각도를 나타내고, λ는 레이저의 파장을 나타낸다. k는, 예를 들어 제i 측정 헤드(5i)에 대한 피측정 대상물 P의 거리의 변화와, 레이저광의 주파수의 변화의 관계를 나타낸 상수이다.
상기한 식(1) 중 제1 항은, 제i 측정 헤드(5i)로부터 피측정 대상물 P까지의 거리가 변화되는 것에 의한, 레이저광(제i 반사광)의 주파수 변화량을 나타낸 항이다. 한편, 상기한 식(1)의 제2 항은, 피측정 대상물 P가 XY 평면에 평행한 소정의 이동 방향으로 이동할 때, X축 방향에서의 도플러 시프트의 영향에 의한, 레이저광(제i 반사광)의 주파수 변화량을 나타낸 항이고, 제3 항은, Y축 방향에서의 도플러 시프트의 영향에 의한, 레이저광(제i 반사광)의 주파수 변화량을 나타낸 항이다.
또한, N개의 제i 측정 헤드(5i)가 동일 구성인 경우는, 상수 k는, 어느 제i 측정 헤드(5i)에서도 동일한 값으로 된다. 본 실시 형태에서는 상수 k가 동일한 것에 한정되는 것은 아니지만, 이하의 모든 실시 형태의 설명에서는 간단화를 위해 상수 k는 어느 제i 측정 헤드(5i)에서도 동일한 값으로 하여 설명한다.
또한, 제i 주파수 차 △fi의 산출에 대해서는, 기준 위치에서 피측정 대상물 P가 상대적으로 정지하고 있을 때 검출한 제i 비트 주파수를 제i 기준 주파수로서 사용하지 않아도 된다. 예를 들어, 기준 위치에서 피측정 대상물 P가 기준 속도로 이동하고 있을 때 검출한 제i 비트 주파수를 제i 기준 주파수로서 사용하고, 이 제i 기준 주파수와, 소정 위치에서 피측정 대상물 P가 기준 속도 이외로 이동하고 있을 때 검출한 제i 비트 주파수의 차로부터 제i 주파수 차 △fi를 산출해도 된다.
레이저광의 파장 λ에 대해서는, 분광기 등에서 미리 측정함으로써 취득 가능하다. 상기한 식(1)에 있어서의 상수 k에 대해서도, 예를 들어 이격 변위 d를 마련하고, 다른 위치에서 각각 피측정 대상물 P를 정지시키고, 각 위치에서의 피측정 대상물 P로부터의 제i 반사광의 주파수를 각각 측정하고, 이때의 제i 반사광의 주파수 변화량과 이격 변위 d로부터, k＝△fi/d의 식을 기초로 산출할 수 있다. 또한, k＝2rS/c(rS는 주파수 변조 속도, c는 공기 중의 광 속도)의 식으로부터 k를 구하는 것도 가능하다.
여기서, 제i 광축 각도 θi, 제i 사영 각도 Φi, 상수 k, 파장 λ는 고정값인 점에서, 예를 들어 제i 측정 헤드(5i)가 적어도 3개인 경우, 제i 주파수 차 Δfi(i＝1, 2, 3)를 측정하면, 미지수인, 이격 변위 d, 이동 속도 V, 이동 각도 α의 3개를 구할 수 있다. 제i 측정 헤드(5i)가 4개 이상 있으면, 4개 이상의 제i 측정 헤드(5i) 중에서 임의로 선택한 3개의 제i 측정 헤드(5i)의 조합으로, 각각 이격 변위 d, 이동 속도 V, 이동 각도 α의 3개를 구할 수 있다. 이들 임의로 선택한 3개의 제i 측정 헤드(5i)의 조합으로 각각 구한 이격 변위 d, 이동 속도 V, 이동 각도 α에 대하여, 통계 처리(예를 들어, 평균값의 산출)를 행함으로써, 더 정밀도가 높은 측정이 가능하게 된다.
예를 들어, 4개의 제i 측정 헤드(5i)(제1 측정 헤드(51), 제2 측정 헤드(52), 제3 측정 헤드(53) 및 제4 측정 헤드(54))를 설치한 경우에는, 이들 4개의 제i 측정 헤드(5i)에서 취할 수 있는 3개의 조합은 4가지로 된다. 따라서, 4개의 제i 측정 헤드(5i)에서 4가지의 조합으로 각각 구한, 4개의 이격 변위 d, 이동 속도 V, 이동 각도 α에 대하여, 이들 이격 변위 d, 이동 속도 V, 이동 각도 α마다 평균값을 취하면, 가일층의 정확한 이격 변위 d, 이동 속도 V, 이동 각도 α를 구할 수 있다.
(1-4) <제1 실시 형태에 있어서의 연산 처리 장치>
이어서, 상술한 측정 방법을 실행하는 연산 처리 장치(11)에 대하여 이하에 설명한다. 연산 처리 장치(11)는, 도시하지 않은 CPU(Central Processing Unit), RAM(Random Access Memory) 및 ROM(Read Only Memory) 등으로 이루어지는 마이크로컴퓨터로 구성되어, ROM에 미리 저장되어 있는 각종 프로그램을 RAM에 로드하여 가동함으로써, 연산 처리 장치(11)에 있어서의 각종 회로부를 통괄적으로 제어한다.
제1 실시 형태에 의한 연산 처리 장치(11)는, 상기한 식(1)을 기초로, 피측정 대상물 P의 이격 변위 d, 피측정 대상물 P의 이동 속도 V, 피측정 대상물 P의 이동 각도 α 중 적어도 하나 이상을 측정할 수 있는 것이다. 도 6은, 연산 처리 장치(11)의 회로 구성을 도시한 블록도이다. 도 6에 도시한 바와 같이, 제1 실시 형태에 의한 연산 처리 장치(11)는, 주파수 해석부(14), 산출부(15), 상수 취득부(16) 및 파장 취득부(17)를 구비하고 있다.
주파수 해석부(14)는, 제i 반사광과 제i 참조광이 광 간섭함으로써 발생하는 제i 비트 신호를 제i 광 검출부(7i)(도 1)로부터 받고, 당해 제i 비트 신호의 주파수(제i 비트 주파수)를, 소정의 검출 주파수 범위 내에서 검출하고, 이 검출 결과를, 산출부(15)의 기준 주파수 취득부(21)와, 주파수 차 산출부(22)로, 필요에 따라 각도 취득부(23)로 송출한다. 여기서, 제1 실시 형태의 산출부(15)는, 기준 주파수 취득부(21), 주파수 차 산출부(22), 각도 취득부(23) 및 측정값 산출부(26)를 구비하고 있다.
기준 주파수 취득부(21)는, 상기한 식(1)에서 사용하는 제i 주파수 차 △fi를 구할 때 사용하는 제i 기준 주파수를 취득하는 것이다. 기준 주파수 취득부(21)는, 주파수 해석부(14)로부터 수취한, 기준 상태에 있어서의 제i 비트 주파수, 즉, 제i 기준 주파수를 기억하고 있다. 기준 주파수 취득부(21)는, 제i 기준 주파수를 주파수 차 산출부(22)로 송출한다.
주파수 차 산출부(22)는, 주파수 해석부(14)로부터, 이동 상태에 있는 피측정 대상물 P에 관한 제i 비트 주파수를 나타내는 신호를 수취하고, 기준 주파수 취득부(21)로부터, 제i 기준 주파수를 수취한다.
이에 의해, 주파수 차 산출부(22)는, 이동 상태의 피측정 대상물 P로부터 검출한 제i 비트 주파수와, 기준 상태로 피측정 대상물 P로부터 검출한 제i 기준 주파수의 차를, 제i 주파수 차 △fi로서 산출한다. 주파수 차 산출부(22)는, 산출 결과인 제i 주파수 차 △fi를 나타내는 정보를 측정값 산출부(26)로 송출한다.
각도 취득부(23)는, 사영 각도 취득부(28)와 광축 각도 취득부(29)를 갖고 있다. 광축 각도 취득부(29)는, 상기한 식(1)에서 사용하는 제i 광축 각도 θi를 취득하는 것이다. 광축 각도 취득부(29)는, 연산 처리에 의해 제i 광축 각도 θi를 산출해도 되고, 또한 계측 수단에 의해 제i 광축 각도 θi를 측정하여, 실측값을 취득해도 되고, 또한 제i 광축 각도 θi를 미리 단순히 기억하고 있는 것이어도 된다. 광축 각도 취득부(29)는, 제i 광축 각도 θi를 나타내는 정보를 측정값 산출부(26)로 송출한다. 또한, 제i 광축 각도 θi를 연산 처리에 의해 산출하는 방법에 대해서는, 후단의 「(9) <연산 처리에 의한 제i 광축 각도 및 제i 사영 각도의 캘리브레이션에 대하여>」에서 설명한다.
사영 각도 취득부(28)는, 상기한 식(1)에서 사용하는 제i 사영 각도 Φi를 취득하는 것이다. 사영 각도 취득부(28)는, 연산 처리에 의해 제i 사영 각도 Φi를 산출해도 되고, 또한 계측 수단에 의해 제i 사영 각도 Φi를 측정하여, 실측값을 취득해도 되고, 또한 제i 사영 각도 Φi를 미리 단순히 기억하고 있는 것이어도 된다. 사영 각도 취득부(28)는, 제i 사영 각도 Φi를 나타내는 정보를 측정값 산출부(26)로 송출한다. 또한, 제i 사영 각도 Φi를 연산 처리에 의해 산출하는 방법에 대해서는, 후단의 「(9) <연산 처리에 의한 제i 광축 각도 및 제i 사영 각도의 캘리브레이션에 대하여>」에서 설명한다.
상수 취득부(16)는, 상기한 식(1)에서 사용하는 상수 k를 취득하는 것이다. 상수 취득부(16)는, 상술한 바와 같이, k＝△fi/d의 식이나, k＝2rS/c(rS는 주파수 변조 속도, c는 공기 중의 광의 속도)의 식으로부터 k를 구해도 되고, 또한 상수 k를 미리 단순히 기억하고 있는 것만 이어도 된다. 상수 취득부(16)는, 상수 k를 나타내는 정보를 측정값 산출부(26)로 송출한다.
파장 취득부(17)는, 예를 들어 분광기 등이고, 레이저 발진기(2)에서 발진되는 레이저광의 파장 λ를 측정함으로써, 파장 λ를 취득하는 것이다. 파장 취득부(17)는, 파장 λ를 나타내는 정보를 측정값 산출부(26)로 송출한다.
측정값 산출부(26)는, 취득한 제i 주파수 차 △fi, 제i 광축 각도 θi, 제i 사영 각도 Φi, 상수 k 및 레이저광의 파장 λ를 사용하여, 상기한 식(1)에 기초하여 연산 처리를 행하고, 제i 측정 헤드(5i)에 대한 피측정 대상물 P의 상대적인 이동 속도 V와, 이동 각도 α와, 이격 변위 d를 산출할 수 있다.
제1 실시 형태의 측정 장치에서는, 측정값 산출부(26)에 의해, 상기한 식(1)에 기초하여, 피측정 대상물 P의 상대적인 이동 속도 V와, 이동 각도 α와, 이격 변위 d를 산출하지만, 이들 이동 속도 V, 이동 각도 α 및 이격 변위 d 모두를 미지의 값으로서 산출하는 경우에는, 적어도 3개 이상의 제i 측정 헤드(5i)가 필요해진다. 한편, 이동 속도 V, 이동 각도 α 및 이격 변위 d의 일부만을 산출하는 경우에는, 이들 이동 속도 V, 이동 각도 α 및 이격 변위 d 중 일부를 기지의 값으로 함으로써, 제i 측정 헤드(5i)의 개수를 줄일 수도 있다.
(1-5) <측정 처리 수순>
이어서, 상술한 측정 장치(1)에 있어서, 피측정 대상물 P의 이동 속도 V 및 이격 변위 d 중 적어도 어느 한쪽을 측정할 때의 측정 처리 수순에 대하여, 도 7의 흐름도를 사용하여 이하에 설명한다. 측정 장치(1)는, 도 7에 도시한 바와 같이, 측정 처리 수순을 개시하면, 스텝 SP1에 있어서, 레이저 발진기(2)로부터 출력된 레이저광(FSF 레이저광)을 제i 참조광과 제i 측정광으로 분기하고, 다음의 스텝 SP2로 옮겨간다.
스텝 SP2에 있어서, 측정 장치(1)는, 레이저광의 광축 ai가 경사진 제i 측정 헤드(5i)의 조사·수광면(9c)으로부터 피측정 대상물 표면 S로 제i 측정광을 조사하고, 다음의 스텝 SP3으로 옮겨간다. 스텝 SP3에 있어서, 측정 장치(1)는, 제i 측정광이 피측정 대상물 표면 S에서 반사함으로써 얻어진 제i 반사광을, 제i 측정 헤드(5i)의 조사·수광면(9c)에서 수광하고, 다음의 스텝 SP4로 옮겨간다.
스텝 SP4에 있어서, 측정 장치(1)는, 제i 반사광과 제i 참조광의 광 간섭에 의해 제i 비트 신호를 출력하고, 다음의 스텝 SP5로 옮겨간다. 스텝 SP5에 있어서, 측정 장치(1)는, 연산 처리 장치(11)에 의해, 제i 비트 신호에 기초하는 제i 비트 주파수를 검출하고, 다음의 스텝 SP6으로 옮겨간다.
스텝 SP6에 있어서, 측정 장치(1)는, 피측정 대상물 P가 소정의 기준 상태에 있을 때의 제i 비트 주파수를 제i 기준 주파수로서 얻고 있고, 스텝 SP5에서 검출한 측정 시의 제i 비트 주파수와, 당해 제i 기준 주파수의 차인 제i 주파수 차 △fi를 산출하고, 다음의 스텝 SP7로 옮겨간다. 스텝 SP7에 있어서, 측정 장치(1)는, 스텝 SP6에서 얻어진 제i 주파수 차 △fi와, 레이저광의 광축 ai의 경사 각도에 기초하여, 피측정 대상물 P의 이동 속도 V 및 이격 변위 d 중 적어도 어느 한쪽을 산출하고, 상술한 측정 처리 수순을 종료한다.
(1-6) <작용 및 효과>
이상의 구성에 있어서, 본 실시 형태의 측정 장치(1)에서는, 제i 비트 신호에 기초하는 제i 비트 주파수를 검출하고, 측정 시의 제i 비트 주파수와 소정의 기준 상태에서의 제i 비트 주파수인 제i 기준 주파수의 차인 제i 주파수 차 △fi를 산출하고, 제i 주파수 차 △fi와 경사져서 배치된 레이저광의 광축 ai의 경사 각도(제i 광축 각도 θi 및 제i 사영 각도 Φi)를 취득한다.
측정 장치(1)에서는, 취득한 제i 주파수 차 △fi 및 레이저광의 광축 ai의 경사 각도를 사용하여, 피측정 대상물 P가 변위 측정 방향에 직교하는 방향으로 이동함으로써 발생하는 도플러 시프트의 영향을 고려한 상기한 식(1)에 기초하여, 예를 들어 피측정 대상물 P의 이동 속도 V와, 이동 각도 α와, 이격 변위 d를 산출할 수 있다. 이 경우, 측정 장치(1)는, 상기 도플러 시프트의 영향을 고려하여 피측정 대상물 P의 상대적인 이동 속도 V, 피측정 대상물 P의 이격 변위 d를 측정할 수 있으므로, 피측정 대상물 P가 변위 측정 방향에 직교하는 방향으로 이동하고 있어도, 피측정 대상물 P의 상대적인 이동 속도 V 및 피측정 대상물 P의 이격 변위 d를 정확하게 측정할 수 있다.
(2) <제2 실시 형태>
이어서 본 발명의 제2 실시 형태를 상세하게 설명한다. 제2 실시 형태의 측정 장치는, 예를 들어 제i 측정 헤드(5i)가 적어도 2개 이상 마련된 구성을 갖고 있고, 피측정 대상물 P가 이동하는 이동 방향을 기지로 하여, 피측정 대상물 P의 상대적인 이동 속도 V와, 이격 변위 d를 측정할 수 있는 것이다.
제2 실시 형태의 측정 장치는, 도 8에 도시한 바와 같이, 연산 처리 장치(31)에 이동 방향 취득부(18)가 추가되는 점에서 상술한 제1 실시 형태와는 다르다. 여기서는, 제1 실시 형태와 다른 점에 착안하여 이하에 설명하고, 제i 측정 헤드(5i) 등의 제1 실시 형태와 동일한 구성에 대해서는 설명을 생략한다.
(2-1) <제2 실시 형태에 의한 연산 처리 장치>
도 6과의 동일한 구성에 대하여 동일 부호를 붙인 도 8은, 이동 방향 취득부(18)가 추가된, 제2 실시 형태의 연산 처리 장치(31)의 구성을 도시한 블록도이다. 또한, 이하의 설명에 있어서, 제1 실시 형태와 동일한 부호를 붙인 구성에 대해서는 설명이 중복되기 때문에 그 설명은 생략한다.
제2 실시 형태의 연산 처리 장치(31)는, 이동 방향 취득부(18)를 구비하고 있고, 당해 이동 방향 취득부(18)에 의해, 피측정 대상물 P의 이동 방향을 나타내는 정보를 외부로부터 취득한다. 또한, 여기서는, 이동 방향을 나타내는 정보로서, 이동 방향 취득부(18)에 의해 피측정 대상물 P의 이동 방향을 취득하는 경우에 대하여 설명하지만, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 피측정 대상물 P가 이동하는 이동 방향을 특정한 이동 각도 α를, 피측정 대상물 P의 이동 방향을 나타내는 정보로 하여, 이동 방향 취득부(18)에서 취득하도록 해도 된다.
이 경우, 이동 방향 취득부(18)는, 피측정 대상물 P의 이동 방향을 나타내는 정보를 외부의 센서로부터 취득해도 되고, 피측정 대상물 P의 이동 방향이 일정한 경우는, 이동 방향을 나타내는 정보를 상수로서 취득해도 되고, 당해 상수를 미리 기억하고 있는 것만 이어도 된다. 이동 방향 취득부(18)는, 피측정 대상물 P의 이동 방향을 나타내는 정보를 측정값 산출부(26)로 송출한다.
제2 실시 형태의 측정 장치에서는, 피측정 대상물 P의 이동 방향을 나타내는 정보가 기지로 되는 점에서 상기한 식(1)의 이동 각도 α를 규정할 수 있고, 제i 측정 헤드(5i)가 적어도 2개 이상 있으면, 측정값 산출부(26)에 의해, 상기한 식(1)로부터, 미지수가 되는, 피측정 대상물 P의 이동 속도 V와, 피측정 대상물 P의 이격 변위 d를 구할 수 있다.
측정값 산출부(26)는, 제i 측정 헤드(5i)가 3개 이상이면, 그 중 2개의 제i 측정 헤드(5i)의 조합마다, 피측정 대상물 P의 이동 속도 V와, 피측정 대상물 P의 이격 변위 d를 산출하고, 이동 속도 V와 이격 변위 d에 대하여 통계 처리(예를 들어, 평균값의 산출)를 행할 수도 있다. 이에 의해, 제2 실시 형태에서는, 이동 속도 V와 이격 변위 d에 대하여 정밀도가 높은 측정이 가능하게 된다.
예를 들어, 4개의 제i 측정 헤드(5i)(제1 측정 헤드(51), 제2 측정 헤드(52), 제3 측정 헤드(53) 및 제4 측정 헤드(54))를 설치한 경우에는, 이들 4개의 제i 측정 헤드(5i)에서 취할 수 있는 2개의 제i 측정 헤드(5i)의 조합은 6가지로 된다. 따라서, 측정값 산출부(26)는, 4개의 제i 측정 헤드(5i)에서 6가지의 조합으로 각각 구한, 6개의 이동 속도 V 및 이격 변위 d에 대하여, 이들 이동 속도 V 및 이격 변위 d마다 평균값을 취하면, 가일층의 정확한 이동 속도 V 및 이격 변위 d를 구할 수 있다.
특히, 피측정 대상물 P의 이동 방향을 알고 있는 경우에는, 제i 측정 헤드(5i)를 최저한으로 2개로 하고, 제1 사영 각도 Φ1과, 피측정 대상물 P의 이동 방향을 일치시켜, 제2 사영 각도 Φ2를 제1 사영 각도 Φ1과 πrad 다르도록 하고, 2개의 제i 측정 헤드(5i)의 광축 ai의 사영 ai'이 동일 직선 위에 배치하도록 하면, 상기한 식(1)을 하기의 식(2)와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112021088245475-pct00002
따라서, 제2 실시 형태의 연산 처리 장치(31)에서는, 제i 광축 각도 θi, 상수 k, 파장 λ는 고정값인 점에서, 예를 들어 제i 주파수 차 △fi를 취득함으로써, 피측정 대상물 P가 변위 측정 방향에 직교하는 방향으로 이동함으로써 발생하는 도플러 시프트의 영향을 고려한 상기한 식(2)에 기초하여, 측정값 산출부(26)에 의해, 피측정 대상물 P의 이동 속도 V와, 이격 변위 d를 산출할 수 있다.
(2-2) <작용 및 효과>
이상으로부터, 제2 실시 형태의 측정 장치에서도, 피측정 대상물 P가 변위 측정 방향에 직교하는 방향으로 이동함으로써 발생하는 도플러 시프트의 영향을 고려하여 피측정 대상물 P의 상대적인 이동 속도 V, 피측정 대상물 P의 이격 변위 d를 측정할 수 있으므로, 피측정 대상물 P가 변위 측정 방향에 직교하는 방향으로 이동하고 있어도, 피측정 대상물 P의 상대적인 이동 속도 V 및 피측정 대상물 P의 이격 변위 d를 정확하게 측정할 수 있다.
(3) <제3 실시 형태>
이어서 본 발명의 제3 실시 형태를 상세하게 설명한다. 제3 실시 형태의 측정 장치는, 예를 들어 제i 측정 헤드(5i)가 적어도 2개 이상 마련된 구성을 갖고 있고, 피측정 대상물 P의 이격 변위 d를 기지로 하여, 피측정 대상물 P의 상대적인 이동 속도 V와, 이동 방향을 나타내는 이동 각도 α를 측정할 수 있는 것이다.
제3 실시 형태의 측정 장치는, 도 9에 도시한 바와 같이, 이격 변위 취득부(35)가 연산 처리 장치(33)에 추가되는 점에서 상술한 제1 실시 형태와는 다르다. 여기서는, 제1 실시 형태와 다른 점에 착안하여 이하에 설명하고, 제i 측정 헤드(5i) 등의 제1 실시 형태와 동일한 구성에 대해서는 설명을 생략한다.
(3-1) <제3 실시 형태에 의한 연산 처리 장치>
도 6과의 동일한 구성에 대하여 동일 부호를 붙인 도 9는, 제3 실시 형태의 연산 처리 장치(33)의 구성을 도시한 블록도이다. 또한, 이하의 설명에 있어서, 제1 실시 형태와 동일한 부호를 붙인 구성에 대해서는 설명이 중복되기 때문에 그 설명은 생략한다.
제3 실시 형태의 연산 처리 장치(33)는, 이격 변위 취득부(35)를 구비하고 있고, 당해 이격 변위 취득부(35)에 의해, 피측정 대상물 P의 이격 변위 d를 나타내는 정보를 외부로부터 취득한다. 이 경우, 이격 변위 취득부(35)는, 이격 변위 d를 외부의 거리 계측계 등의 센서에 의해 취득해도 되고, 이격 변위 d가 일정한 경우는, 상수로서 취득해도 되고, 당해 상수를 미리 기억하고 있는 것만 이어도 된다. 이격 변위 취득부(35)는, 이격 변위 d를 나타내는 정보를 산출부(34)의 측정값 산출부(26)로 송출한다.
제3 실시 형태의 측정 장치에서는, 피측정 대상물 P의 이격 변위 d를 나타내는 정보가 기지로 되는 점에서 상기한 식(1)의 이격 변위 d를 규정할 수 있고, 제i 측정 헤드(5i)가 적어도 2개 이상 있으면, 측정값 산출부(26)에 의해, 상기한 식(1)로부터, 미지수가 되는, 피측정 대상물 P의 이동 속도 V와, 피측정 대상물 P의 이동 각도 α를 구할 수 있다.
또한, 피측정 대상물 P가 기준 위치인채로 이동하는 경우에는, 이격 변위 d를 제로로 하여 규정할 수도 있다. 이격 변위 d를 제로로 하여 규정한 경우에는, 상기한 식(1)의 이격 변위 d가 제로로 되기 때문에, 상기한 식(1) 중 제i 측정 헤드(5i)로부터 피측정 대상물 P까지의 거리가 변화되는 것에 의한, 레이저광(제i 반사광)의 주파수 변화량을 나타낸 우변 제1 항(k(d/cosθi))이 불필요해진다.
그 때문에, 이 경우, 도 9에 도시한 연산 처리 장치(33)에서는, 상수 k를 취득하는 상수 취득부(16)와, 이격 변위 d를 취득하는 이격 변위 취득부(35)가 불필요해진다. 따라서, 제3 실시 형태의 측정 장치에서는, 제i 측정 헤드(5i)를 적어도 2개 이상 마련함으로써, 하기의 식(3)으로부터, 미지수가 되는 피측정 대상물 P의 이동 속도 V와, 이동 방향을 나타내는 이동 각도 α의 2개를 구할 수 있다.
Figure 112021088245475-pct00003
또한, 제3 실시 형태에 있어서도, 상술한 제1 실시 형태나 제2 실시 형태와 마찬가지로, 제i 측정 헤드(5i)가 3개 이상이면, 그 중 2개의 제i 측정 헤드(5i)의 조합마다, 피측정 대상물 P의 이동 속도 V와, 피측정 대상물 P의 이동 방향의 이동 각도 α를 산출할 수 있으므로, 이들 복수의 이동 속도 V와 이동 각도 α에 대하여 통계 처리(예를 들어, 평균값의 산출)를 행함으로써, 이동 속도 V와 이동 각도 α에 대하여 각각 정밀도가 높은 측정이 가능하게 된다.
(3-2) <작용 및 효과>
이상으로부터, 제3 실시 형태의 측정 장치에서도, 피측정 대상물 P가 변위 측정 방향에 직교하는 방향으로 이동함으로써 발생하는 도플러 시프트의 영향을 고려하여 피측정 대상물 P의 상대적인 이동 속도 V, 피측정 대상물 P가 이동하는 이동 각도 α를 측정할 수 있으므로, 피측정 대상물 P가 변위 측정 방향에 직교하는 방향으로 이동하고 있어도, 피측정 대상물 P의 상대적인 이동 속도 V 및 이동 각도 α를 정확하게 측정할 수 있다.
(4) <제4 실시 형태>
이어서 본 발명의 제4 실시 형태를 상세하게 설명한다. 제4 실시 형태의 측정 장치는, 피측정 대상물 P의 이동 방향을 나타내는 정보인 이동 각도 α와, 피측정 대상물 P의 이격 변위 d를 기지로 함으로써, 피측정 대상물 P의 상대적인 이동 속도 V를, 적어도 1개의 제i 측정 헤드(5i)만으로 측정할 수 있는 것이다.
제4 실시 형태의 측정 장치는, 도 10에 도시한 바와 같이, 이동 방향 취득부(18) 및 이격 변위 취득부(35)가 연산 처리 장치(41)에 추가되는 점에서 상술한 제1 실시 형태와는 다르다. 여기서는, 제1 실시 형태와 다른 점에 착안하여 이하에 설명하고, 제i 측정 헤드(5i) 등의 제1 실시 형태와 동일한 구성에 대해서는 설명을 생략한다.
(4-1) <제4 실시 형태에 의한 연산 처리 장치>
도 6과의 동일한 구성에 대하여 동일 부호를 붙인 도 10은, 제4 실시 형태의 연산 처리 장치(41)의 구성을 도시한 블록도이다. 또한, 이하의 설명에 있어서, 제1 실시 형태와 동일한 부호를 붙인 구성에 대해서는 설명이 중복되기 때문에 그 설명은 생략한다.
제4 실시 형태의 연산 처리 장치(41)는, 이동 방향 취득부(18)를 구비하고 있고, 당해 이동 방향 취득부(18)에 의해, 피측정 대상물 P의 이동 방향을 나타내는 정보를 외부로부터 취득한다. 또한, 여기서는, 이동 방향을 나타내는 정보로서, 이동 방향 취득부(18)에 의해 피측정 대상물 P의 이동 방향을 취득하는 경우에 대하여 설명하지만, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 피측정 대상물 P가 이동하는 이동 방향을 특정한 이동 각도 α를, 피측정 대상물 P의 이동 방향을 나타내는 정보로 하여, 이동 방향 취득부(18)에서 취득하도록 해도 된다.
이 경우, 이동 방향 취득부(18)는, 피측정 대상물 P의 이동 방향을 나타내는 정보를 외부의 센서로부터 취득해도 되고, 피측정 대상물 P의 이동 방향이 일정한 경우는, 이동 방향을 나타내는 정보를 상수로서 취득해도 되고, 당해 상수를 미리 기억하고 있는 것만 이어도 된다. 이동 방향 취득부(18)는, 피측정 대상물 P의 이동 방향을 나타내는 정보를 측정값 산출부(26)로 송출한다.
또한, 제4 실시 형태의 연산 처리 장치(41)는, 이격 변위 취득부(35)를 구비하고 있고, 당해 이격 변위 취득부(35)에 의해, 피측정 대상물 P의 이격 변위 d를 나타내는 정보를 외부로부터 취득한다. 이 경우, 이격 변위 취득부(35)는, 이격 변위 d를 외부의 거리 계측계 등의 센서에 의해 취득해도 되고, 이격 변위 d가 일정한 경우는, 상수로서 취득해도 되고, 당해 상수를 미리 기억하고 있는 것만 이어도 된다. 이격 변위 취득부(35)는, 이격 변위 d를 나타내는 정보를 산출부(43)의 측정값 산출부(26)로 송출한다.
제4 실시 형태에서는, 상기한 식(1) 중 제i 광축 각도 θi, 제i 사영 각도 Φi, 상수 k, 파장 λ는 고정값으로 되고, 또한 이동 각도 α 및 이격 변위 d도 기지로 되는 점에서, 미지수가 되는 피측정 대상물 P의 이동 속도 V는, 제i 측정 헤드(5i)가 적어도 1개 있으면, 상기한 식(1)로부터 구할 수 있다.
또한, 피측정 대상물 P가 기준 위치인채로 이동하는 경우에는, 이격 변위 d를 제로로 하여 규정할 수도 있기 때문에, 상기한 식(1) 중 우변 제1 항(k(d/cosθi))이 불필요해진다.
그 때문에, 이 경우, 도 10에 도시한 연산 처리 장치(41)에서는, 상수 k를 취득하는 상수 취득부(16)와, 이격 변위 d를 취득하는 이격 변위 취득부(35)가 불필요해진다. 따라서, 제4 실시 형태의 측정 장치에서는, 제i 측정 헤드(5i)를 적어도 1개 마련함으로써, 하기의 식(4)로부터, 미지수가 되는 피측정 대상물 P의 이동 속도 V를 구할 수 있다.
Figure 112021088245475-pct00004
또한, 제i 측정 헤드(5i)를 1개로 한 경우에도, 이격 변위 d를 제로로 하여 규정하고, 또한 당해 제i 측정 헤드(5i)의 제i 사영 각도 Φi를 이동 각도 α와 일치시키면, 하기의 식(5)로부터 이동 속도 V를 산출할 수 있다.
Figure 112021088245475-pct00005
또한, 제4 실시 형태에 있어서도, 상술한 제1 실시 형태 등과 마찬가지로, 제i 측정 헤드(5i)가 2개 이상이면, 그 중 1개의 제i 측정 헤드(5i)마다, 피측정 대상물 P의 이동 속도 V를 산출할 수 있으므로, 이들 복수의 이동 속도 V에 대하여 통계 처리(예를 들어, 평균값의 산출)를 행함으로써, 이동 속도 V에 대하여 정밀도가 높은 측정이 가능하게 된다.
이와 같이, 제4 실시 형태에 있어서의 측정값 산출부(26)는, 상기한 식(1) 중 제i 광축 각도 θi, 제i 사영 각도 Φi, 상수 k, 파장 λ, 이격 변위 d, 이동 각도 α를 취득함과 함께, 주파수 차 산출부(22)로부터 적어도 하나의 제i 주파수 차 △fi를 취득함으로써, 상기한 식(1)에 기초하여, 피측정 대상물 P의 이동 속도 V를 산출할 수 있다.
(4-2) <작용 및 효과>
이상으로부터, 제4 실시 형태의 측정 장치에서도, 피측정 대상물 P가 변위 측정 방향에 직교하는 방향으로 이동함으로써 발생하는 도플러 시프트의 영향을 고려하여 피측정 대상물 P의 상대적인 이동 속도 V를 측정할 수 있으므로, 피측정 대상물 P가 변위 측정 방향에 직교하는 방향으로 이동하고 있어도, 피측정 대상물 P의 상대적인 이동 속도 V를 정확하게 측정할 수 있다.
(5) <제5 실시 형태>
이어서 본 발명의 제5 실시 형태를 상세하게 설명한다. 제5 실시 형태의 측정 장치는, 피측정 대상물 P의 상대적인 이동 속도 V와, 피측정 대상물 P의 이동 방향을 나타내는 정보인 이동 각도 α를 기지로 함으로써, 피측정 대상물 P의 이격 변위 d를, 적어도 1개의 제i 측정 헤드(5i)만으로 측정할 수 있는 것이다.
제5 실시 형태의 측정 장치는, 도 11에 도시한 바와 같이, 이동 방향 취득부(18) 및 속도 취득부(55)가 연산 처리 장치(51)에 추가되는 점에서 상술한 제1 실시 형태와는 다르다. 여기서는, 제1 실시 형태와 다른 점에 착안하여 이하에 설명하고, 제i 측정 헤드(5i) 등의 제1 실시 형태와 동일한 구성에 대해서는 설명을 생략한다.
(5-1) <제5 실시 형태에 의한 연산 처리 장치>
도 6과의 동일한 구성에 대하여 동일 부호를 붙인 도 11은, 제5 실시 형태의 연산 처리 장치(51)의 구성을 도시한 블록도이다. 또한, 이하의 설명에 있어서, 제1 실시 형태와 동일한 부호를 붙인 구성에 대해서는 설명이 중복되기 때문에 그 설명은 생략한다.
제5 실시 형태의 연산 처리 장치(51)는, 이동 방향 취득부(18)를 구비하고 있고, 당해 이동 방향 취득부(18)에 의해, 피측정 대상물 P의 이동 방향을 나타내는 정보를 외부로부터 취득한다. 또한, 여기서는, 이동 방향을 나타내는 정보로서, 이동 방향 취득부(18)에 의해 피측정 대상물 P의 이동 방향을 취득하는 경우에 대하여 설명하지만, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 피측정 대상물 P가 이동하는 이동 방향을 특정한 이동 각도 α를, 피측정 대상물 P의 이동 방향을 나타내는 정보로 하여, 이동 방향 취득부(18)에서 취득하도록 해도 된다.
이 경우, 이동 방향 취득부(18)는, 피측정 대상물 P의 이동 방향을 나타내는 정보를 외부의 센서로부터 취득해도 되고, 피측정 대상물 P의 이동 방향이 일정한 경우는, 이동 방향을 나타내는 정보를 상수로서 취득해도 되고, 당해 상수를 미리 기억하고 있는 것만 이어도 된다. 이동 방향 취득부(18)는, 피측정 대상물 P의 이동 방향을 나타내는 정보를 측정값 산출부(26)로 송출한다.
또한, 제5 실시 형태의 연산 처리 장치(51)는, 속도 취득부(55)를 구비하고 있고, 당해 속도 취득부(55)에 의해, 피측정 대상물 P의 이동 속도 V를 외부로부터 취득한다. 이 경우, 속도 취득부(55)는, 이동 속도 V를 외부의 속도 계측계 등의 센서에 의해 취득해도 되고, 피측정 대상물 P의 이동 속도 V가 일정한 경우는, 상수로서 취득해도 되고, 당해 상수를 미리 기억하고 있는 것만 이어도 된다. 속도 취득부(55)는, 피측정 대상물 P의 이동 속도 V를 산출부(53)의 측정값 산출부(26)로 송출한다.
제5 실시 형태에서는, 상기한 식(1) 중 제i 광축 각도 θi, 제i 사영 각도 Φi, 상수 k, 파장 λ는 고정값으로 되고, 또한 이동 각도 α 및 이동 속도 V도 기지로 되는 점에서, 미지수가 되는 피측정 대상물 P의 이격 변위 d는, 제i 측정 헤드(5i)가 적어도 1개 있으면, 상기한 식(1)로부터 구할 수 있다.
또한, 제5 실시 형태에 있어서도, 상술한 제1 실시 형태 등과 마찬가지로, 제i 측정 헤드(5i)가 2개 이상이면, 제i 측정 헤드(5i)마다, 피측정 대상물 P의 이격 변위 d를 산출할 수 있으므로, 이들 복수의 이격 변위 d에 대하여 통계 처리(예를 들어, 평균값의 산출)를 행함으로써, 이격 변위 d에 대하여 정밀도가 높은 측정이 가능하게 된다.
제5 실시 형태에 있어서의 측정값 산출부(26)는, 상기한 식(1) 중 제i 광축 각도 θi, 제i 사영 각도 Φi, 상수 k, 파장 λ, 이동 속도 V, 이동 각도 α를 취득함과 함께, 주파수 차 산출부(22)로부터 적어도 하나의 제i 주파수 차 △fi를 취득함으로써, 상기한 식(1)에 기초하여, 피측정 대상물 P의 이격 변위 d를 산출할 수 있다.
(5-2) <작용 및 효과>
이상으로부터, 제5 실시 형태의 측정 장치에서도, 피측정 대상물 P가 변위 측정 방향에 직교하는 방향으로 이동함으로써 발생하는 도플러 시프트의 영향을 고려하여 피측정 대상물 P의 이격 변위 d를 측정할 수 있으므로, 피측정 대상물 P가 변위 측정 방향에 직교하는 방향으로 이동하고 있어도, 피측정 대상물 P의 이격 변위 d를 정확하게 측정할 수 있다.
(6) <제6 실시 형태>
(6-1) 제6 실시 형태에 있어서의 피측정 대상물
이어서 본 발명의 제6 실시 형태를 상세하게 설명한다. 제6 실시 형태의 측정 장치는, 상술한 제1 실시 형태에 있어서 도 1에 도시한 측정 장치(1)와는, 연산 처리 장치가 다른 것이고, 기타의 구성에 대해서는, 도 1에 도시한 측정 장치(1)와 동일하기 때문에, 그 설명은 생략한다.
제6 실시 형태의 피측정 대상물은, 상술한 제1 실시 형태 내지 제5 실시 형태와는 다르고, 도 12에 도시한 바와 같이, 곡면 S를 갖는 회전체가 피측정 대상물 P이다. 곡면 S를 갖는 피측정 대상물 P로서는, 예를 들어 원주 형상의 회전체 외에, 원통 형상의 회전체 등 기타 다양한 회전체여도 된다. 또한, 도 12의 피측정 대상물 P는 회전체의 일부의 단면 부분만을 도시한 것이다. 제6 실시 형태에서는, 피측정 대상물 P가 회전축 O를 중심으로 하여, 반시계 방향(u방향)으로 회전하는 일례를 도시한다.
제6 실시 형태에서는, 회전체인 피측정 대상물 P가 회전축 O를 중심으로 회전한 때의 곡면 S의 속도를 이동 속도 V라고 하고, 회전 이동하는 곡면 S가 기준 위치로부터 공간상 어느 정도 이격되었는지(별도의 견해로 하면, 피측정 대상물 P의 직경 변화)를 나타내는, 기준 위치(기준 직경)로부터의 변화량을 이격 변위 △R이라고 한다.
제6 실시 형태의 측정 장치는, 이들 이동 속도 V 및 이격 변위 △R 중 적어도 하나가 미지의 것이고, 이들 미지의 정보인 이동 속도 V나 이격 변위 △R을 측정하는 것이다.
도 12에 있어서, 실선으로 나타낸 P는, 회전축 O를 중심으로 회전하고, 회전 이동하는 곡면 S의 회전 속도를 이동 속도 V로서 측정하는 피측정 대상물을 나타내고 있다. 한편, 파선으로 나타낸 P1은, 곡면 S1을 갖는 소정의 직경(이하, 기준 직경 R이라고 칭함)의, 기준이 되는 피측정 대상물(이하, 기준 회전체라고도 칭함)을 나타내고 있고, 소정 위치에 있는 피측정 대상물 P의 곡면 S의 이동 속도 V를 측정할 때 기준으로 되는 것이다.
도 12의 예에서는, 피측정 대상물 P의 반경은, 기준이 되는 피측정 대상물 P1의 기준 직경 R보다도 이격 변위 △R만큼 크게 되어 있는 예를 도시하고 있다. 또한, 여기서는, 기준이 되는 피측정 대상물 P1의 중심축도 회전축 O와 일치하고 있다.
(6-2) <제6 실시 형태에 있어서의 제i 측정 헤드의 구성>
제6 실시 형태는, 상술한 제1 실시 형태와 마찬가지로, 1개, 또는 N개의 제i 측정 헤드(5i)가 마련된다. 여기서는, 1개, 또는 N개의 제i 측정 헤드(5i)에 대하여 1개의 제i 측정 헤드(5i)에 착안하여, 제i 측정 헤드(5i)의 광축 ai의 경사 각도에 대하여 이하에 설명한다.
도 12는, 피측정 대상물 P의 회전축 O의 회전축 방향으로부터 제i 측정 헤드(5i)를 본 때의 구성을 도시하고 있고, 1개의 제i 측정 헤드(5i)만을 도시하고 있다. N개의 제i 측정 헤드(5i)를 마련하는 경우에는, 배치하는 위치를 바꾸어 복수의 제i 측정 헤드(5i)가 마련되게 되지만, 도 12에서는, N개의 제i 측정 헤드(5i) 중 1개의 제i 측정 헤드(5i)만을 대표하여 도시하는 것으로 하고, 기타의 제i 측정 헤드(5i)에 대해서는 생략하고 있다.
제6 실시 형태에서는, 기준 직경 R의 피측정 대상물 P1의 곡면 S1에 대하여 제i 측정 헤드(5i)가 레이저광(제i 측정광)을 조사한 때, 당해 곡면 S1에서의 레이저광의 조사 기준 위치 Z1을 기점으로 하고, 회전축 O에 직교하는 방향(당해 조사 기준 위치 Z1에서의 곡면 S1의 법선 방향)을 Z축 방향이라고 한다. 여기서는, 제i 측정 헤드(5i)의 광축(이하, 제i 광축이라고도 칭함) ai와, Z축 방향이 이루는 각도를 제i 광축 각도 θi라고 칭한다.
도 13은, Z축 방향으로부터 제i 측정 헤드(5i)를 본 때의 개략도이다. 도 13에 있어서, Y축 방향은 레이저광의 조사 기준 위치 Z1에 있어서 회전축과 평행의 방향을 나타낸다. X축 방향은, 레이저광의 조사 기준 위치 Z1에 있어서, Z축 방향 및 Y축 방향과 직교하는 방향을 나타내고, 조사 기준 위치 Z1에서의 이동 방향(회전 방향)을 나타내고 있다.
도 13에 도시한 바와 같이, 피측정 대상물 P1의 레이저광의 조사 기준 위치 Z1에 있어서의 접평면(XY 평면)에, 피측정 대상물 P1의 곡면 S1로의 제i 측정 헤드(5i)의 광축 ai를 투영한 사영 ai'과 X축 방향이 이루는 각도를 제i 사영 각도 Φi라고 칭한다.
이와 같이, 제i 측정 헤드(5i)의 광축 ai의 경사 각도는, 이들 제i 광축 각도 θi와 제i 사영 각도 Φi로 규정할 수 있다.
또한, N개의 제i 측정 헤드(5i)를 마련하는 경우에는, 각각의 제i 측정 헤드(5i)의 제i 광축 각도 θi는 제i 측정 헤드(5i)마다 동일한 제i 광축 각도 θi로 해도 되고, 다른 제i 광축 각도 θi로 해도 된다. 또한, N개의 제i 측정 헤드(5i)를 마련하는 경우에는, 각각의 제i 측정 헤드(5i)의 제i 사영 각도 Φi는 제i 측정 헤드(5i)마다 동일한 제i 사영 각도 Φi로 해도 되고, 다른 제i 사영 각도 Φi로 해도 된다.
단, N개의 제i 측정 헤드(5i)를 마련하는 경우에는, 각각의 제i 측정 헤드(5i)가 다른 위치에 배치되는 것이 바람직하기 때문에, 복수의 제i 측정 헤드(5i)에 있어서 동일한 제i 사영 각도 Φi로 한 때는 다른 제i 광축 각도 θi로 하고, 동일한 제i 광축 각도 θi로 한 때는 다른 제i 사영 각도 Φi로 하는 것이 바람직하다.
또한, 상술한 제1 실시 형태에 있어서, 3개의 제i 측정 헤드(5i)(제1 측정 헤드(51), 제2 측정 헤드(52), 제3 측정 헤드(53)(i＝1, 2, 3))를 마련한 때의 일례를 도 5에 도시했지만, 도 5에 도시하는 제i 측정 헤드(5i)의 배치 구성은, 제6 실시 형태에 있어서도 마찬가지로 된다.
단, 제6 실시 형태에 있어서는, 설명을 간단하게 하기 위해, 상술한 제i 사영 각도 Φi가 제로, 즉, 제i 측정 헤드(5i)의 광축 ai가 회전축 방향인 Y축 방향과 직교하는 것으로 하여 이하에 설명한다. 또한, N개의 제i 측정 헤드(5i)를 마련한 경우에는, 각 제i 측정 헤드(5i)의 광축 ai가 동일 평면 내에 있는 것으로 하여 이하에 설명한다.
(6-3) <제6 실시 형태의 측정 방법의 개요>
이어서, 제6 실시 형태에 있어서의, 곡면 S를 갖는 피측정 대상물 P의 이동 속도 V 및 이격 변위 d의 측정 방법에 대하여 설명한다. 예를 들어, 기준 상태(예를 들어, 기준 직경 R을 갖고 정지 상태)에 있는 피측정 대상물 P1의 곡면 S1로부터 반사해 온 제i 반사광과, 레이저 발진기(2)로부터의 제i 참조광으로부터 제i 비트 주파수를 얻고, 이것을 제i 기준 주파수라고 한다.
또한, 기준 직경 R과 다른 직경(R＋△R)을 갖고 회전하고 있는 피측정 대상물 P의 곡면 S로부터 반사해 온 제i 반사광과, 레이저 발진기(2)로부터의 제i 참조광으로부터 제i 비트 주파수를 얻는다.
제i 기준 주파수와 제i 비트 주파수의 주파수의 차(이하, 제i 주파수 차라고 칭함)를, △fi라고 하면, 제i 주파수 차 △fi는, 레이저광(제i 측정광)의 조사 기준 위치 Z1이, 이격 변위 △R에 의해 조사 위치 Z2로 변화되는 것에 의한 영향과, 회전에 의해 곡면 S가 이동함으로써 발생하는 도플러 시프트에 의한 영향을 받아, 하기의 식(6)으로 나타낼 수 있다.
Figure 112021088245475-pct00006
λ는 레이저광의 파장을 나타낸다. k는, 예를 들어 기준 직경 R에 대하여 피측정 대상물 P의 직경을 변화시키면, 어느 만큼 레이저광의 주파수가 변화되는지의 관계를 나타낸 상수이다. △Li 및 △θi는, 도 12에 도시한 바와 같이, 직경 변화에 따라 발생하는 기하학적인 값이고, R, △R, θi에 의해 구하면 된다. 또한, Z3은 Z축 방향의 곡면 S 위의 점이고, △Li는 Z축 방향의 Z2와 Z3의 거리를 의미한다. Ni는 회전축 O로부터 Z2를 지나는 방향을 나타내고, △θi는 Z축 방향과 Ni 방향 사이의 각도를 의미한다.
제i 주파수 차 △fi의 산출에 대해서는, 기준으로 한 피측정 대상물 P1이 상대적으로 정지하고 있을 때 검출한 제i 기준 주파수를 사용할 필요는 없다. 예를 들어, 기준으로 한 피측정 대상물 P1이 기준 속도로 이동하고 있을 때 검출한 제i 비트 주파수를 제i 기준 주파수로 하고, 측정 대상으로 하는 피측정 대상물 P가 기준 속도 이외로 회전하고 있을 때 검출한 제i 비트 주파수와, 제i 기준 주파수의 차로부터 제i 주파수 차 △fi를 산출해도 된다.
상기한 식(6) 중 기준 직경 R, 제i 광축 각도 θi, 상수 k, 파장 λ는 고정값인 점에서, 예를 들어 제i 측정 헤드(5i)가 적어도 2개인 경우, 제i 주파수 차 △fi로서, 제1 주파수 차 △f1 및 제2 주파수 차 △f2의 2개를 측정할 수 있으므로, 상기한 식(6)에 기초하여, 미지수인 이격 변위 ΔR과 이동 속도 V의 2개를 구할 수 있다.
여기서, 기준 직경 R, 제i 광축 각도 θi, 상수 k, 파장 λ는 고정값인 점에서, 예를 들어 제i 측정 헤드(5i)가 적어도 3개 이상 있으면, 3개 이상의 제i 측정 헤드(5i) 중에서 임의로 선택한 2개의 제i 측정 헤드(5i)의 조합으로, 각각 이격 변위 ΔR과 이동 속도 V의 2개를 구할 수 있다. 이들 임의로 선택한 2개의 제i 측정 헤드(5i)의 조합으로 각각 구한 이격 변위 ΔR과 이동 속도 V에 대하여, 통계 처리(예를 들어, 평균값의 산출)를 행함으로써, 더 정밀도가 높은 측정이 가능하게 된다.
제i 사영 각도 Φi가 제로가 아닌 경우도 동일한 연산을 행하면, 이격 변위 ΔR과 이동 속도 V를 구할 수 있다. 나아가, 제i 측정 헤드(5i)를 늘림으로써, 회전뿐만 아니라 축방향으로 이동하는 피측정 대상물 P의 회전축 방향(Y축 방향)으로의 속도도 구하는 것이 가능하다.
또한, 여기서는, 기준이 되는 피측정 대상물 P1과, 측정 대상으로 하는 피측정 대상물 P에 대하여 직경이 다른 경우에 대하여 설명했지만, 직경 자체는 동일하고, 피측정 대상물 P 자체가 Z축 방향으로 이동하는 경우도, 이격 변위 △R로서 측정할 수 있다.
(6-4) <제6 실시 형태에 있어서의 연산 처리 장치>
이어서, 상술한 측정 방법을 실행하는 연산 처리 장치에 대하여 이하에 설명한다. 제6 실시 형태의 연산 처리 장치의 구성은 제1 실시 형태의 연산 처리 장치와 마찬가지이고, 상수 취득부(16)가 기준 직경 R에 관한 정보도 취득하는 점이 다르다. 또한, 제6 실시 형태의 연산 처리 장치에 대해서는, 도 6에 도시한 회로 구성과 동일해지기 때문에, 여기서는 도 6을 사용하여 설명한다. 제6 실시 형태에서의 상수 취득부(16)는, 피측정 대상물 P의 기준 직경 R을 나타내는 정보를, 반경을 측정 가능한 외부의 센서로부터 취득해도 되고, 피측정 대상물 P의 기준 직경 R을 나타내는 정보를 상수로서 취득해도 되고, 당해 상수를 미리 기억하고 있는 것만 이어도 된다. 상수 취득부(16)는, 피측정 대상물 P의 기준 직경 R을 나타내는 정보를 측정값 산출부(26)로 송출한다.
따라서, 제6 실시 형태의 연산 처리 장치(11)에서는, 기준 직경 R, 제i 광축 각도 θi, 상수 k, 파장 λ가 고정값인 점에서, 예를 들어 제i 주파수 차 △fi를 취득함으로써, 피측정 대상물 P가 변위 측정 방향에 직교하는 방향으로 이동함으로써 발생하는 도플러 시프트의 영향을 고려한 상기한 식(6)에 기초하여, 측정값 산출부(26)에 의해, 피측정 대상물 P의 이동 속도 V와, 이격 변위 △R을 산출할 수 있다.
또한, 측정값 산출부(26)는, 제i 측정 헤드(5i)가 3개 이상이면, 그 중 2개의 제i 측정 헤드(5i)의 조합마다, 피측정 대상물 P의 이동 속도 V와, 피측정 대상물 P의 이격 변위 △R을 산출하고, 이동 속도 V와 이격 변위 △R에 대하여 통계 처리(예를 들어, 평균값의 산출)를 행할 수도 있다. 이에 의해, 제6 실시 형태에서도, 이동 속도 V와 이격 변위 △R에 대하여 정밀도가 높은 측정이 가능하게 된다.
(6-5) <작용 및 효과>
이상으로부터, 제6 실시 형태의 측정 장치에서도, 피측정 대상물 P가 회전축 O를 중심으로 회전하여 곡면 S가 주위 방향으로 이동함으로써 발생하는 도플러 시프트의 영향을 고려하여 피측정 대상물 P의 상대적인 이동 속도 V, 피측정 대상물 P의 이격 변위 △R을 측정할 수 있으므로, 피측정 대상물 P가 주위 방향으로 회전 이동하고 있어도, 피측정 대상물 P의 상대적인 이동 속도 V 및 피측정 대상물 P의 이격 변위 △R을 정확하게 측정할 수 있다.
(7) <제7 실시 형태>
이어서 본 발명의 제7 실시 형태를 상세하게 설명한다. 제7 실시 형태의 측정 장치는, 상술한 제6 실시 형태와 마찬가지로, 도 12에 도시한 바와 같은 곡면 S를 갖고 회전하는 피측정 대상물 P에 대하여, 피측정 대상물 P의 이격 변위 △R을 취득함으로써, 피측정 대상물 P가 회전할 때의 곡면 S의 상대적인 이동 속도 V를, 적어도 1개의 제i 측정 헤드(5i)만으로 측정할 수 있는 것이다.
제7 실시 형태의 측정 장치는, 이격 변위 취득부(35)가 연산 처리 장치에 추가되는 점에서 상술한 제6 실시 형태와는 다르다. 여기서는, 제6 실시 형태와 다른 점에 착안하여 이하에 설명하고, 제i 측정 헤드(5i) 등의 제1 실시 형태와 동일한 구성에 대해서는 설명을 생략한다.
(7-1) <제7 실시 형태에 의한 연산 처리 장치>
이어서, 상술한 측정 방법을 실행하는 연산 처리 장치에 대하여 이하에 설명한다. 제7 실시 형태의 연산 처리 장치의 구성은 제6 실시 형태의 연산 처리 장치에 대하여, 제3 실시 형태의 연산 처리 장치(33)와 마찬가지로 이격 변위 취득부(35)를 구비하고 있는 점이 다르다. 또한, 제7 실시 형태의 연산 처리 장치에 대해서는, 도 9에 도시한 회로 구성과 동일해지기 때문에, 여기서는 도 9를 사용하여 설명한다. 제7 실시 형태의 연산 처리 장치(33)는, 이격 변위 취득부(35)에 의해, 기준 직경 R로부터의 피측정 대상물 P의 이격 변위 △R을 나타내는 정보를 외부로부터 취득한다. (피측정 대상의 직경을 취득하고, 기준 직경 R과의 차로부터 이격 변위 △R을 구해도 된다.) 이 경우, 이격 변위 취득부(35)는, 이격 변위 △R을 외부의 거리 계측계 등의 센서에 의해 취득해도 되고, 이격 변위 △R이 일정한 경우는, 상수로서 취득해도 되고, 당해 상수를 미리 기억하고 있는 것만 이어도 된다. 이격 변위 취득부(35)는, 이격 변위 △R을 나타내는 정보를 산출부(34)의 측정값 산출부(26)로 송출한다.
제7 실시 형태에서는, 상기한 식(6) 중 기준 직경 R, 제i 광축 각도 θi, 상수 k, 파장 λ가 고정값으로 되고, 또한 이격 변위 △R도 기지로 되는 점에서, 미지수가 되는 피측정 대상물 P의 이동 속도 V는, 제i 측정 헤드(5i)가 적어도 1개 있으면, 상기한 식(6)에 의해 구할 수 있다.
또한, 피측정 대상물 P가 기준 직경인채로 회전하는 경우에는, 이격 변위 △R을 제로로 하여 규정할 수도 있기 때문에, △Li와 △θi도 제로로 되어 상기한 식(6) 중 우변 제1 항(k(△R－△Li)/cosθi)도 불필요해진다.
그 때문에, 제7 실시 형태의 연산 처리 장치(33)에서는, 상수 취득부(16)는 상수 k를 취득할 필요가 없어진다. 따라서, 제7 실시 형태의 측정 장치에서는, 제i 측정 헤드(5i)를 적어도 1개 마련함으로써, 하기의 식(7)로부터, 미지수가 되는 피측정 대상물 P의 이동 속도 V를 구할 수 있다.
Figure 112021088245475-pct00007
제7 실시 형태에 있어서는, 상술한 제6 실시 형태 등과 마찬가지로, 제i 측정 헤드(5i)가 2개 이상이면, 그 중 1개의 제i 측정 헤드(5i)마다, 피측정 대상물 P의 이동 속도 V를 산출할 수 있으므로, 이들 복수의 이동 속도 V에 대하여 통계 처리(예를 들어, 평균값의 산출)를 행함으로써, 이동 속도 V에 대하여 정밀도가 높은 측정이 가능하게 된다.
이와 같이, 제7 실시 형태에 있어서의 측정값 산출부(26)는, 상기한 식(6) 중 기준 직경 R, 제i 광축 각도 θi, 상수 k, 파장 λ, 이격 변위 △R을 취득함과 함께, 주파수 차 산출부(22)로부터 적어도 하나의 제i 주파수 차 △fi를 취득함으로써, 상기한 식(6)에 기초하여, 피측정 대상물 P의 이동 속도 V를 산출할 수 있다.
(7-2) <작용 및 효과>
이상으로부터, 제7 실시 형태의 측정 장치에서도, 피측정 대상물 P가 주위 방향으로 회전함으로써 발생하는 도플러 시프트의 영향을 고려하여 피측정 대상물 P의 상대적인 이동 속도 V를 측정할 수 있으므로, 피측정 대상물 P의 직경이 변화되어도, 피측정 대상물 P의 상대적인 이동 속도 V를 정확하게 측정할 수 있다.
(8) <제8 실시 형태>
이어서 본 발명의 제8 실시 형태를 상세하게 설명한다. 제8 실시 형태의 측정 장치는, 회전하는 피측정 대상물 P의 곡면 S의 상대적인 이동 속도 V를 나타내는 정보를 취득함으로써, 기준 직경 R로부터의 피측정 대상물 P의 이격 변위 △R을, 적어도 1개의 제i 측정 헤드(5i)만으로 측정할 수 있다.
제8 실시 형태의 측정 장치는, 도 6에 도시한 연산 처리 장치(11)에 속도 취득부(55)가 추가되는 점에서 상술한 제6 실시 형태와는 다르다. 여기서는, 제6 실시 형태와 다른 점에 착안하여 이하에 설명하고, 제i 측정 헤드(5i) 등의 제6 실시 형태와 동일한 구성에 대해서는 설명을 생략한다.
(8-1) <제8 실시 형태에 의한 연산 처리 장치>
이어서, 상술한 측정 방법을 실행하는 연산 처리 장치에 대하여 이하에 설명한다. 제8 실시 형태의 연산 처리 장치의 구성은 제6 실시 형태의 연산 처리 장치(11)에 대하여, 속도 취득부(55)를 구비하고 있는 점이 다르다. 또한, 이하의 설명에 있어서, 제6 실시 형태와 동일한 부호를 붙인 구성에 대해서는 설명이 중복되기 때문에 그 설명은 생략한다.
제8 실시 형태의 연산 처리 장치는, 속도 취득부(55)를 구비하고 있고, 당해 속도 취득부(55)에 의해, 피측정 대상물 P가 회전할 때의 곡면 S의 이동 속도 V를 나타내는 정보를 외부로부터 취득한다. 또한, 제8 실시 형태의 속도 취득부(55)는, 이동 속도 V를 나타내는 정보로서, 피측정 대상물 P가 회전할 때의 곡면 S의 이동 속도 V, 또는 각속도 ω를 취득한다.
이 경우, 속도 취득부(55)는, 피측정 대상물 P의 이동 속도 V를 나타내는 정보를, 외부의 속도 계측계 등의 센서에 의해 취득해도 되고, 피측정 대상물 P의 이동 속도 V 또는 각속도 ω가 일정한 경우는, 이동 속도 V를 나타내는 정보를 상수로서 취득해도 되고, 당해 상수를 미리 기억하고 있는 것만 이어도 된다. 속도 취득부(55)는, 피측정 대상물 P의 이동 속도 V를 나타내는 정보를 측정값 산출부(26)로 송출한다.
제8 실시 형태에서는, 상기한 식(6) 중 기준 직경 R, 제i 광축 각도 θi, 상수 k, 파장 λ가 고정값으로 되고, 또한 이동 속도 V도 기지로 되는 점에서, 미지수가 되는 피측정 대상물 P의 이격 변위 △R은, 제i 측정 헤드(5i)가 적어도 1개 있으면, 상기한 식(6)에 의해 구할 수 있다.
제8 실시 형태에 있어서는, 상술한 제6 실시 형태 등과 마찬가지로, 제i 측정 헤드(5i)가 2개 이상이면, 그 중 1개의 제i 측정 헤드(5i)마다, 피측정 대상물 P의 이격 변위 △R을 산출할 수 있으므로, 이들 복수의 이격 변위 △R에 대하여 통계 처리(예를 들어, 평균값의 산출)를 행함으로써, 이격 변위 △R에 대하여 정밀도가 높은 측정이 가능하게 된다.
이와 같이, 제8 실시 형태에 있어서의 측정값 산출부(26)는, 상기한 식(6) 중 기준 직경 R, 제i 광축 각도 θi, 상수 k, 파장 λ, 이동 속도 V를 취득함과 함께, 주파수 차 산출부(22)로부터 적어도 하나의 제i 주파수 차 △fi를 취득함으로써, 상기한 식(6)에 기초하여, 피측정 대상물 P의 이격 변위 △R을 산출할 수 있다.
(8-2) <작용 및 효과>
이상으로부터, 제8 실시 형태의 측정 장치는, 피측정 대상물 P가 회전함으로써 발생하는 도플러 시프트의 영향을 고려하여 피측정 대상물 P의 이격 변위 △R을 측정할 수 있으므로, 피측정 대상물 P가 회전하고 있어도, 피측정 대상물 P의 이격 변위 △R을 정확하게 측정할 수 있다.
(9) <연산 처리에 의한 제i 광축 각도 및 제i 사영 각도의 캘리브레이션에 대하여>
광축 각도 및 사영 각도는 직접 측정해도 되지만, 고정밀도로 측정하는 것은 어렵다. 그래서, 제1 실시 형태로부터 제8 실시 형태에 있어서의 각도 취득부(23)에 있어서, 제i 광축 각도 θi 및 제i 사영 각도 Φi를 연산 처리에 의해 산출하는 경우에 대하여 이하에 설명한다.
도 14는, 경사 각도로서 제i 광축 각도 θi 및 제i 사영 각도 Φi를 연산 처리에 의해 산출하는 각도 취득부(23)의 회로 구성을 도시하는 블록도이다. 이 경우, 각도 취득부(23)에는, 사영 각도 취득부(28) 및 광축 각도 취득부(29)에 더하여, 교정용 데이터 취득부(90)가 마련되어 있다.
제i 광축 각도 θi 및 제i 사영 각도 Φi는, 예를 들어 측정 대상으로 되는 피측정 대상물 P의 이동 속도 V, 이격 변위 d(이격 변위 △R) 등을 측정하기에 앞서, 피측정 대상물 P를 사용한 시험을 행함으로써 산출해 두는 것이 바람직하다. 여기서는, 도 1 및 도 6에 도시한 제1 실시 형태를 일례로서 설명하지만, 기타의 제2 실시 형태로부터 제8 실시 형태에 대해서도 마찬가지로 하여, 제i 광축 각도 θi 및 제i 사영 각도 Φi를 산출할 수 있다.
도 15는, 제i 광축 각도 θi 및 제i 사영 각도 Φi의 산출 처리 수순을 도시하는 흐름도이다. 여기서는, 도 15에 도시한 흐름도와 함께 광축 각도 및 사영 각도의 산출 처리 수순에 대하여 설명한다. 먼저, 동일한 위치에서 피측정 대상물 P를, 예를 들어 X축 방향을 따라 복수의 교정용 이동 속도 VX1, VX2로 이동시키고, 이들 교정용 이동 속도 VX1, VX2일 때의 각 제i 비트 주파수를 각각 검출하고(스텝 SP11), 검출한 각 제i 비트 주파수를 주파수 해석부(14)로부터 주파수 차 산출부(22)로 송출한다.
주파수 차 산출부(22)는, X축 방향에서의 교정용 이동 속도 VX1, VX2에 있어서의 제i 비트 주파수의 주파수의 차를, 제i 교정용 주파수 차(이하, 단순히 교정용 주파수 차라고도 칭함) △fXi로서 산출하고(스텝 SP13), 이것을 사영 각도 취득부(28) 및 광축 각도 취득부(29)로 송출한다.
교정용 데이터 취득부(90)는, X축 방향에서의 교정용 이동 속도 VX1, VX2를 나타내는 정보를 취득하고, 이들 교정용 이동 속도 VX1, VX2의 속도차를 나타내는 교정용 속도차 VXD를 취득한다(스텝 SP12). 또한, 교정용 데이터 취득부(90)는, 교정용 이동 속도 VX1, VX2 또는 교정용 속도차 VXD를 나타내는 정보를, 외부의 속도 계측계 등의 센서에 의해 취득해도 되고, 교정용 이동 속도 VX1, VX2 또는 교정용 속도차 VXD를 나타내는 정보를 상수로서 취득해도 되고, 당해 상수를 미리 기억하고 있는 것만 이어도 된다. 교정용 데이터 취득부(90)는, 교정용 속도차 VXD를 나타내는 정보를 사영 각도 취득부(28) 및 광축 각도 취득부(29)로 송출한다.
이에 의해, 제i 교정용 주파수 차 △fXi와, 교정용 속도차 VXD와, 파장 λ를 사용하여, 이동 각도 α＝0°로 하고, 상기한 식(1)의 제2 항으로부터 하기의 식(8)을 유도할 수 있다.
Figure 112021088245475-pct00008
이어서, 동일한 위치에서 피측정 대상물 P를, 예를 들어 X축 방향과 직교하는 Y축 방향을 따라 복수의 교정용 이동 속도 VY1, VY2로 이동시키고, 이들 교정용 이동 속도 VY1, VY2일 때 각 제i 비트 주파수를 각각 검출하고(스텝 SP14), 검출한 각 제i 비트 주파수를, 주파수 해석부(14)로부터 주파수 차 산출부(22)로 송출한다.
주파수 차 산출부(22)는, Y축 방향에서의 교정용 이동 속도 VY1, VY2에 있어서의 제i 비트 주파수의 주파수의 차를, 제i 교정용 주파수 차(이하, 단순히 교정용 주파수 차라고도 칭함) △fYi로서 산출하고(스텝 SP16), 이것을 사영 각도 취득부(28) 및 광축 각도 취득부(29)로 송출한다.
교정용 데이터 취득부(90)는, Y축 방향에서의 교정용 이동 속도 VY1, VY2를 나타내는 정보를 취득하고, 이들 교정용 이동 속도 VY1, VY2의 속도차를 나타내는 교정용 속도차 VYD를 취득한다(스텝 SP15). 또한, 교정용 데이터 취득부(90)는, 교정용 이동 속도 VY1, VY2 또는 교정용 속도차 VYD를 나타내는 정보를, 외부의 속도 계측계 등의 센서에 의해 취득해도 되고, 교정용 이동 속도 VY1, VY2 또는 교정용 속도차 VYD를 나타내는 정보를 상수로서 취득해도 되고, 당해 상수를 미리 기억하고 있는 것만 이어도 된다. 교정용 데이터 취득부(90)는, 교정용 속도차 VYD를 나타내는 정보를 사영 각도 취득부(28) 및 광축 각도 취득부(29)로 송출한다.
이에 의해, 제i 교정용 주파수 차 △fYi와, 교정용 속도차 VYD와, 파장 λ를 사용하여, 이동 각도 α＝90°로 하고, 상기한 식(1)의 제3 항으로부터 하기의 식(9)를 유도할 수 있다.
Figure 112021088245475-pct00009
사영 각도 취득부(28)는, X축 방향에 있어서의 제i 주파수 차 △fXi와 교정용 속도차 VXD를 취득함과 함께, Y축 방향에 있어서의 제i 주파수 차 △fYi와 교정용 속도차 VYD를 취득하고, 또한 파장 취득부(17)로부터 파장 λ를 취득함으로써, 상기한 식(8) 및 식(9)에 기초하여, 제i 사영 각도 Φi를 산출할 수 있다(스텝 SP17).
또한, 광축 각도 취득부(29)에서도, X축 방향에 있어서의 제i 주파수 차 △fXi와 교정용 속도차 VXD를 취득함과 함께, Y축 방향에 있어서의 제i 주파수 차 △fYi와 교정용 속도차 VYD를 취득하고, 또한 파장 취득부(17)로부터 파장 λ를 취득함으로써, 상기한 식(8) 및 식(9)에 기초하여, 제i 광축 각도 θi를 산출할 수 있다(스텝 SP17).
이에 의해, 측정 장치(1)에서는, 제i 측정 헤드(5i)를 설치할 때 제i 측정 헤드(5i)의 제i 광축 각도 θi 및 제i 사영 각도 Φi를 정확하게 취득할 수 있고, 가일층의 고정밀도로 이동 속도 V나 이격 변위 d 등을 측정할 수 있다. 또한, 측정 장치(1)에서는, 제i 측정광의 제i 광축 각도 θi 및 제i 사영 각도 Φi가 직접 측정하는 것이 곤란한 경우라도, 정확한 제i 광축 각도 θi 및 제i 사영 각도 Φi를 구할 수 있다.
또한, 상술한 실시 형태에 있어서는, 제i 광축 각도 θi 및 제i 사영 각도 Φi의 양쪽을 각도 취득부(23)에서 산출하는 경우에 대하여 설명했지만, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 제i 광축 각도 θi 및 제i 사영 각도 Φi 중 어느 한쪽을 각도 취득부(23)에서 산출하도록 해도 된다.
예를 들어, 제i 사영 각도 Φi가 0°로 되도록 제i 측정 헤드(5i)를 배치함으로써, 상기한 식(8)에 기초하여(ΔfXi＝(2VXDsinθi)/λ), 제i 광축 각도 θi를 산출할 수 있다. 또한, 제i 사영 각도 Φi가 90°로 되도록 제i 측정 헤드(5i)를 배치함으로써, 상기한 식(9)에 기초하여(ΔfYi＝(2VYDsinθi)/λ), 제i 광축 각도 θi를 산출할 수 있다.
또한, 제i 광축 각도 θi 및 제i 사영 각도 Φi 중 어느 한쪽을 상수로서 취득해도 되고, 미리 기억해 두도록 해도 된다. 제i 광축 각도 θi 및 제i 사영 각도 Φi 중 어느 한쪽을 상수로 함으로써, 다른 제i 광축 각도 θi 또는 제i 사영 각도 Φi를 상기한 식(8) 또는 식(9)에 기초하여 산출할 수 있다.
또한, 상술한 제9 실시 형태에서는, 피측정 대상물 S의 속도 V 및 이격 변위 d 중 적어도 어느 한쪽을 측정할 때, 레이저광의 광축 ai의 경사 각도(제i 광축 각도 θi 및 제i 사영 각도 Φi의 양쪽, 또는 한쪽)를 측정하는 측정 방법에 대하여 설명했지만, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 피측정 대상물 S의 속도 V 및 이격 변위 d를 측정하지 않고, 레이저광의 광축 ai의 경사 각도(제i 광축 각도 θi 및 제i 사영 각도 Φi의 양쪽, 또는 한쪽)만을 측정하는 측정 방법으로 해도 된다.
(10) <제i 광축 각도 θi에 대하여>
여기서, 상술한 제1 실시 형태로부터 제8 실시 형태에 있어서, 제i 광축 각도 θi를 제로로 한 경우(즉, 제i 측정 헤드(5i)의 광축 ai를, 피측정 대상물 표면 S 또는 곡면 S의 면 법선 방향과 일치시킨 경우)에는, 피측정 대상물 P의 이동 속도 V를 측정하는 것이 곤란하기 때문에, 제i 광축 각도 θi는 제로보다 크게 하는 것이 필요해진다.
한편, 제i 광축 각도 θi에 대한 주파수 변화율로서, 제i 광축 각도 θi가 60°보다 커지면, 피측정 대상물 P의 이동 속도 V의 측정 분해능의 변화가 0°일 때의 1/2 정도로 되기 때문에, 제i 광축 각도 θi의 최대 각도는 60°인 것이 바람직하다. 따라서, 제i 광축 각도 θi는, 0°<θi≤60°로 설정하는 것이 바람직하다.
또한, 제i 광축 각도 θi가 크면, 제i 반사광의 강도가 저하되어 버려, 피측정 대상물 P의 이동 속도 V나, 이격 변위 d 등의 측정이 곤란해진다. 이 관점으로부터 보면, 제i 광축 각도 θi의 상한은, 거리 측정 범위, 측정 대상, 표면 성상에 따라 정할 수 있고, 예를 들어 흑피 강판을 대상으로 하여 50㎜ 정도의 측정 범위라면, 제i 광축 각도 θi가 40°까지는, 안정적으로 측정 가능한 충분한 신호 강도가 얻어진다. 따라서, 제i 광축 각도 θi의 범위로서는, 0°<θi≤40°로 하는 것이 더욱 바람직하다. 단, 거리 측정 범위를 작게 할 수 있으면, 제i 광축 각도 θi의 상한을 크게 하는 것도 가능하다.
(11) <다른 실시 형태>
또한, 상술한 제1 실시 형태로부터 제8 실시 형태에 있어서는, 예를 들어 N개의 제i 측정 헤드(5i)를 설치한 경우에는, 1개의 레이저 발진기(2)로부터 발하는 레이저광을 분기기(3b, 3c)에서 분기하여 제i 측정 헤드(5i)마다 제i 측정광 및 제i 참조광을 생성한 경우에 대하여 설명했지만, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 제i 측정 헤드(5i)마다 각각 레이저 발진기를 마련하도록 해도 된다.
또한, 상술한 제1 실시 형태로부터 제8 실시 형태에 있어서는, 시간에 대하여 소정의 주파수 변화량으로 변조된 레이저광을 발진하는 레이저 발진부로서, FSF 레이저를 적용했지만, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 시간에 대하여 주파수가 변조된 레이저광을 발진 가능하면, 예를 들어 주입 전류에 의해 주파수를 변조 가능한 파장 가변 반도체 레이저 등, 다양한 레이저 발진부를 적용해도 된다.
(12) <연산 처리 장치의 하드웨어 구성의 일례>
이어서, 도 16을 참조하면서, 본 발명의 실시 형태에 관한 연산 처리 장치(11, 31, 33, 41, 51)의 하드웨어 구성에 대하여, 상세하게 설명한다. 도 17은, 본 발명의 실시 형태에 관한 연산 처리 장치(11, 31, 33, 41, 51)의 하드웨어 구성을 설명하기 위한 블록도이고, 연산 처리 장치(11, 31, 33, 41, 51)를 통합하여 연산 처리 장치(200)로서 도시하고 있다.
연산 처리 장치(200)는, 주로, CPU(901)와, ROM(903)과, RAM(905)을 구비한다. 또한, 연산 처리 장치(200)는, 또한, 버스(907)와, 입력 장치(909)와, 출력 장치(911)와, 스토리지 장치(913)와, 드라이브(915)와, 접속 포트(917)와, 통신 장치(919)를 구비한다.
CPU(901)는, 중심적인 처리 장치 및 제어 장치로서 기능하고, ROM(903), RAM(905), 스토리지 장치(913), 또는 리무버블 기록 매체(921)에 기록된 각종 프로그램에 따라, 연산 처리 장치(200) 내의 동작 전반 또는 그 일부를 제어한다. ROM(903)은, CPU(901)가 사용하는 프로그램이나 연산 파라미터 등을 기억한다. RAM(905)은, CPU(901)가 사용하는 프로그램이나, 프로그램의 실행에 있어서 적절히 변화되는 파라미터 등을 1차 기억한다. 이것들은 CPU 버스 등의 내부 버스에 의해 구성되는 버스(907)에 의해 서로 접속되어 있다.
버스(907)는, 브리지를 통해, PCI(Peripheral Component Interconnect/Interface) 버스 등의 외부 버스에 접속되어 있다.
입력 장치(909)는, 예를 들어 마우스, 키보드, 터치 패널, 버튼, 스위치 및 레버 등 유저가 조작하는 조작 수단이다. 또한, 입력 장치(909)는, 예를 들어 적외선이나 기타의 전파를 이용한 리모트 컨트롤 수단(소위, 리모컨)이어도 되고, 연산 처리 장치(200)의 조작에 대응한 PDA 등의 외부 접속 기기(923)여도 된다. 또한, 입력 장치(909)는, 예를 들어 상기한 조작 수단을 사용하여 유저에 의해 입력된 정보에 기초하여 입력 신호를 생성하고, CPU(901)에 출력하는 입력 제어 회로 등으로 구성되어 있다. 유저는, 이 입력 장치(909)를 조작함으로써, 연산 처리 장치(200)에 대하여 각종 데이터를 입력하거나 처리 동작을 지시하거나 할 수 있다.
출력 장치(911)는, 취득한 정보를 유저에 대하여 시각적 또는 청각적으로 통지하는 것이 가능한 장치로 구성된다. 이러한 장치로서, CRT 디스플레이 장치, 액정 디스플레이 장치, 플라스마 디스플레이 장치, EL디스플레이 장치 및 램프 등의 표시 장치나, 스피커 및 헤드폰 등의 음성 출력 장치나, 프린터 장치, 휴대 전화, 팩시밀리 등이 있다. 출력 장치(911)는, 예를 들어 연산 처리 장치(200)가 행한 각종 처리에 의해 얻어진 결과를 출력한다. 구체적으로는, 표시 장치는, 연산 처리 장치(200)가 행한 각종 처리에 의해 얻어진 결과를, 텍스트 또는 이미지로 표시한다. 한편, 음성 출력 장치는, 재생된 음성 데이터나 음향 데이터 등으로 이루어지는 오디오 신호를 아날로그 신호로 변환하여 출력한다.
스토리지 장치(913)는, 연산 처리 장치(200)의 기억부의 일례로서 구성된 데이터 저장용의 장치이다. 스토리지 장치(913)는, 예를 들어 HDD(Hard Disk Drive) 등의 자기 기억 디바이스, 반도체 기억 디바이스, 광 기억 디바이스, 또는 광자기 기억 디바이스 등에 의해 구성된다. 이 스토리지 장치(913)는, CPU(901)가 실행하는 프로그램이나 각종 데이터 및 외부로부터 취득한 각종 데이터 등을 저장한다.
드라이브(915)는, 기록 매체용 리더라이터이고, 연산 처리 장치(200)에 내장, 혹은 외장된다. 드라이브(915)는, 장착되어 있는 자기 디스크, 광 디스크, 광자기 디스크, 또는 반도체 메모리 등의 리무버블 기록 매체(921)에 기록되어 있는 정보를 판독하여, RAM(905)에 출력한다. 또한, 드라이브(915)는, 장착되어 있는 자기 디스크, 광 디스크, 광자기 디스크, 또는 반도체 메모리 등의 리무버블 기록 매체(921)에 기록을 기입하는 것도 가능하다. 리무버블 기록 매체(921)는, 예를 들어 CD 미디어, DVD 미디어, Blu-ray(등록 상표) 미디어 등이다. 또한, 리무버블 기록 매체(921)는, 컴팩트 플래시(등록 상표)(Compact Flash: CF), 플래시 메모리, 또는, SD 메모리 카드(Secure Digital memory card) 등이어도 된다. 또한, 리무버블 기록 매체(921)는, 예를 들어 비접촉형 IC 칩을 탑재한 IC 카드(Integrated Circuit card) 또는 전자 기기 등이어도 된다.
접속 포트(917)는, 기기를 연산 처리 장치(200)에 직접 접속하기 위한 포트이다. 접속 포트(917)의 일례로서, USB(Universal Serial Bus) 포트, IEEE1394 포트, SCSI(Small Computer System Interface) 포트, RS-232C 포트, HDMI(등록 상표)(High-Definition Multimedia Interface) 포트 등이 있다. 이 접속 포트(917)에 외부 접속 기기(923)를 접속함으로써, 연산 처리 장치(200)는, 외부 접속 기기(923)로부터 직접 각종 데이터를 취득하거나, 외부 접속 기기(923)에 각종 데이터를 제공하거나 한다.
통신 장치(919)는, 예를 들어 통신망(925)에 접속하기 위한 통신 디바이스 등으로 구성된 통신 인터페이스이다. 통신 장치(919)는, 예를 들어 유선 혹은 무선 LAN(Local Area Network), Bluetooth(등록 상표), 또는 WUSB(Wireless USB)용의 통신 카드 등이다. 또한, 통신 장치(919)는, 광통신용의 라우터, ADSL(Asy㎜etric Digital Subscriber Line)용의 라우터, 또는 각종 통신용의 모뎀 등이어도 된다. 이 통신 장치(919)는, 예를 들어 인터넷이나 다른 통신 기기와의 사이에서, 예를 들어 TCP/IP 등의 소정의 프로토콜에 의거하여 신호 등을 송수신할 수 있다. 또한, 통신 장치(919)에 접속되는 통신망(925)은, 유선 또는 무선에 의해 접속된 네트워크 등에 의해 구성되고, 예를 들어 인터넷, 가정내 LAN, 사내 LAN, 적외선 통신, 라디오파 통신 또는 위성 통신 등이어도 된다.
이상, 본 발명의 실시 형태에 관한 연산 처리 장치(200)의 기능을 실현 가능한 하드웨어 구성의 일례를 나타냈다. 상기한 각 구성 요소는, 범용적인 부재를 사용하여 구성되어 있어도 되고, 각 구성 요소의 기능에 특화한 하드웨어에 의해 구성되어 있어도 된다. 따라서, 본 실시 형태를 실시하는 그때그때의 기술 레벨에 따라, 적절히 이용하는 하드웨어 구성을 변경하는 것이 가능하다.
(13) <실시예 1>
이어서, 검증 시험에 대하여 설명한다. 비교예로서, 처음에, 시간에 대하여 주파수가 변조된 레이저광을 사용한 종래의 거리 측정 장치를 사용하여, 변위 측정 방향에 직교하는 방향을 따라 이동하는 판 형상의 피측정 대상물 P까지의 거리를 측정했다. 여기서는, 피측정 대상물 P의 이동 속도 V를, 50mpm, 100mpm, 150mpm으로 바꾸고, 종래의 거리 측정 장치를 사용하여, 각각 피측정 대상물 표면 S까지의 거리를 측정한바, 도 17에 도시한 바와 같은 결과가 얻어졌다.
도 17의 종축은, 이동 속도 V가 0mpm일 때의, 거리 측정 장치의 소정 위치로부터 피측정 대상물 표면 S까지의 거리를 기준으로 하여, 0으로 하고 있다. 도 17에 도시한 바와 같이, 레이저광을 사용한 종래의 거리 측정 장치에서는, 예를 들어 이동 속도 V를 50mpm으로 하면, 판 높이가 기준으로부터 약 1㎜ 시프트하고, 이동 속도 V를 100mpm으로 하면, 판 높이가 기준으로부터 약 2㎜ 시프트하고, 이동 속도 V를 150mpm으로 하면, 판 높이가 기준으로부터 약 3㎜ 시프트한 값으로 되는 것을 확인했다.
이상으로부터, 레이저광을 사용한 종래의 거리 측정 장치에서는, 원래 동일한 값으로 될 것인 피측정 대상물 P까지의 거리(소정 위치로부터의 판 높이)가, 이동 속도 V에 따라 다른 값으로서 검출되는 것이 확인되었다.
이어서, 실시예로서, 피측정 대상물 P의 상대적인 이동 속도 V와, 피측정 대상물 P의 이동 방향을 나타내는 정보인 이동 각도 α를 기지로 한 제5 실시 형태의 측정 장치를 사용하여, 상술한 비교예와 마찬가지로, 피측정 대상물 P의 이동 속도 V를 50mpm, 100mpm, 150mpm으로 하고, 이들 이동 속도 V마다 각각 소정 위치로부터 피측정 대상물 표면 S까지의 거리(판 높이)를 측정했다.
그 결과, 도 18에 도시한 바와 같은 결과가 얻어졌다. 또한, 도 18은, 제5 실시 형태의 측정 장치를 사용하여 이격 변위 d를 산출하고, 이격 변위 d를 보정값으로서 사용하여, 소정 위치로부터 피측정 대상물 표면 S까지의 거리(판 높이)를 산출한 결과를 도시한 그래프이다. 또한, 이 실시예에서는, 1개의 제i 측정 헤드(5i)를 사용하고 있고, 제i 측정광의 제i 광축 각도 θi를 2.4도로 하고, 레이저광의 파장 λ를 1550㎚로 하여 이격 변위 d를 산출했다.
도 18에 도시한 바와 같이, 이동 속도 V가 50mpm, 100mpm, 150mpm으로 다를 때라도, 측정 거리가 0㎜ 부근에서 대략 일치하는 것을 확인할 수 있었다.
(14) <실시예 2>
도 19에 평가 장치의 개략도를 도시한다. 측정 헤드가 3개인 본 발명의 제1 실시 형태의 측정 장치(광축 각도 θi: θ1＝θ2＝θ3＝5°, 사영 각도 Φi: Φ1＝0°, Φ2＝120°, Φ3＝240°, 레이저의 파장 λ＝1550㎚)를 사용하여, 반시계 방향으로 회전하는 원반(100)의 x축으로부터 각도 β°(측정 위치 각도 β°라고도 칭함)에서, 중심으로부터 800㎜의 위치(측정 위치라고도 칭함) P100의 이동 속도와 이격 변위를, 측정 헤드와 원반 표면이 약 300㎜ 이격된 위치를 기준 위치로 하여 측정했다. 또한, 이동 각도 α와 측정 위치 각도 β는 α＝β＋90°의 관계를 갖는다.
도 20은, 이격 변위 d를 0㎜(기준 위치), 50㎜로 하고, 설정 이동 각도 β°를 0°, 45°, 90°로 하여 원반(100)을 회전시키고, 이동 속도 V의 설정값(설정 이동 속도라고도 칭함)과 측정값(측정 이동 속도라고도 칭함)을 비교한 것이다. 이격 변위, 이동 각도가 다름에도 불구하고, 이동 속도를 정확하게 측정할 수 있는 것이 확인되었다.
도 21은 기준 위치에서, 설정 이동 속도 5m/s, 15m/s, 25m/s의 조건에서, 측정 위치 각도 β°를 0°, 45°, 90°로 변화시킨 때 얻어진 이동 각도 α의 측정값 －90°(도 21에서는 종축에 「α－90°」라고 표기함)를 나타내는 것이다. 이에 의해, 이동 속도, 이동 각도에 구애되지 않고, 이동 각도 α를 정확하게 측정할 수 있는 것이 확인되었다. 따라서, 측정 위치의 이동 방향을 정확하게 측정할 수 있는 것이 확인되었다.
1: 측정 장치
2: 레이저 발진기
5i: 제i 측정 헤드(측정 헤드)
7i: 제i 광 검출부
11, 31, 33, 41, 51, 200: 연산 처리 장치
d: 이격 변위
P, P1: 피측정 대상물
△R: 이격 변위
S: 피측정 대상물 표면, 곡면
θi: 제i 광축 각도(광축 각도, 경사 각도)
Φi: 제i 사영 각도(사영 각도, 경사 각도)

Claims (10)

  1. 이동하는 피측정 대상물의 소정의 방향의 변위인 이격 변위 및 상기 소정의 방향에 직교하는 방향의 상대적인 속도인 이동 속도 중 적어도 어느 한쪽을 측정하는 측정 장치이며,
    시간에 대하여 소정의 주파수 변조 속도로 변조된 레이저광을, 참조광과 측정광으로 나누는 분기기와,
    상기 측정광을 조사하고, 또한 상기 측정광이 반사한 반사광을 수광하는 조사·수광면을 갖는 1개 또는 2개 이상의 측정 헤드와,
    상기 반사광과 상기 참조광의 광 간섭에 의해 비트 신호를 출력하는 광 검출부와,
    상기 비트 신호가 입력되는 연산 처리 장치를 구비하고,
    상기 측정 헤드는 상기 조사·수광면으로부터 조사하는 레이저광의 광축이 상기 소정의 방향에 대하여 경사져서 배치되어 있고,
    상기 연산 처리 장치는,
    상기 비트 신호에 기초하는 비트 주파수를 검출하고,
    측정 시의 상기 비트 주파수와 소정의 기준 상태에서의 비트 주파수인 기준 주파수의 차인 주파수 차를 산출하고,
    상기 주파수 차와, 상기 경사져서 배치된 상기 레이저광의 광축의 경사 각도에 기초하여, 상기 이동 속도 및 상기 이격 변위 중 적어도 어느 한쪽을 산출하는, 측정 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 연산 처리 장치는,
    상기 소정의 방향에 직교하는 방향으로 이동하는 상기 피측정 대상물의 이동 방향을 나타내는 정보를 취득하는 이동 방향 취득부를 구비하고, 상기 이동 방향 취득부에서 취득한 상기 이동 방향을 나타내는 정보에 기초하여, 상기 이동 속도 및 상기 이격 변위 중 적어도 어느 한쪽을 산출하는, 측정 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 연산 처리 장치는,
    상기 이동 속도를 취득하는 속도 취득부를 구비하고, 상기 속도 취득부에서 취득한 상기 이동 속도에 기초하여 상기 이격 변위를 산출하는, 측정 장치.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 연산 처리 장치는,
    상기 이격 변위를 취득하는 이격 변위 취득부를 구비하고, 상기 이격 변위 취득부에서 취득한 상기 이격 변위에 기초하여 상기 이동 속도를 산출하는,
    측정 장치.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 연산 처리 장치는,
    상기 피측정 대상물의 이동 속도를 바꾸어 측정한 속도차를 교정용 속도차로서 취득하는 교정용 데이터 취득부를 구비하고,
    상기 교정용 속도차를 취득하기 위해 상기 피측정 대상물의 이동 속도를 바꾼 때의 상기 비트 주파수의 차를 교정용 주파수 차로서 취득하고,
    상기 레이저광의 파장과, 상기 교정용 속도차와, 상기 교정용 주파수 차를 사용하여, 상기 레이저광의 광축의 상기 경사 각도를 산출하는, 측정 장치.
  6. 이동하는 피측정 대상물의 소정의 방향의 변위인 이격 변위 및 상기 소정의 방향에 직교하는 방향의 상대적인 속도인 이동 속도 중 적어도 어느 한쪽을 측정하는 측정 방법이며,
    시간에 대하여 소정의 주파수 변조 속도로 변조된 레이저광을, 분기기에 의해 참조광과 측정광으로 나누는 분기 스텝과,
    조사·수광면으로부터 조사하는 레이저광의 광축이 상기 소정의 방향에 대하여 경사져서 배치된 1개 또는 2개 이상의 측정 헤드를 사용하여, 상기 조사·수광면으로부터 상기 측정광을 상기 피측정 대상물의 표면에 조사하고, 또한 상기 측정광이 상기 피측정 대상물의 상기 표면에서 반사한 반사광을 상기 조사·수광면에서 수광하는 조사·수광 스텝과,
    상기 반사광과 상기 참조광의 광 간섭에 의해 비트 신호를 출력하는 광 검출 스텝과,
    상기 비트 신호가 연산 처리 장치에 입력되어, 상기 연산 처리 장치에서 연산 처리를 행하는 연산 처리 스텝을 구비하고,
    상기 연산 처리 스텝은,
    상기 비트 신호에 기초하는 비트 주파수를 검출하고,
    측정 시의 상기 비트 주파수와 소정의 기준 상태에서의 비트 주파수인 기준 주파수의 차인 주파수 차를 산출하고,
    상기 주파수 차와, 상기 경사져서 배치된 상기 레이저광의 광축의 경사 각도에 기초하여, 상기 이동 속도 및 상기 이격 변위 중 적어도 어느 한쪽을 산출하는, 측정 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 연산 처리 스텝은,
    상기 피측정 대상물의 이동 방향을 나타내는 정보를 취득하는 이동 방향 취득 스텝을 구비하고, 상기 이동 방향 취득 스텝에서 취득한 상기 이동 방향을 나타내는 정보에 기초하여, 상기 이동 속도 및 상기 이격 변위 중 적어도 어느 한쪽을 산출하는, 측정 방법.
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서, 상기 연산 처리 스텝은,
    상기 이동 속도를 취득하는 속도 취득 스텝을 구비하고, 상기 속도 취득 스텝에서 취득한 상기 이동 속도에 기초하여 상기 이격 변위를 산출하는, 측정 방법.
  9. 제6항 또는 제7항에 있어서, 상기 연산 처리 스텝은,
    상기 이격 변위를 취득하는 이격 변위 취득 스텝을 구비하고, 상기 이격 변위 취득 스텝에서 취득한 상기 이격 변위에 기초하여 상기 이동 속도를 산출하는, 측정 방법.
  10. 이동하는 피측정 대상물을 향해 조사되는 레이저광의 광축의 경사 각도를 측정하는 측정 방법이며,
    시간에 대하여 소정의 주파수 변조 속도로 변조된 상기 레이저광을, 분기기에 의해 참조광과 측정광으로 나누는 분기 스텝과,
    조사·수광면으로부터 조사하는 레이저광의 광축이, 이동하는 피측정 대상물의 소정의 방향에 대하여 경사져서 배치된 1개 또는 2개 이상의 측정 헤드를 사용하여, 상기 조사·수광면으로부터 상기 피측정 대상물의 표면으로 상기 측정광을 조사하고, 또한 상기 측정광이 상기 피측정 대상물의 상기 표면에 반사한 반사광을 상기 조사·수광면에서 수광하는 조사·수광 스텝과,
    상기 반사광과 상기 참조광의 광 간섭에 의해 비트 신호를 출력하는 광 검출 스텝과,
    상기 비트 신호가 연산 처리 장치에 입력되고, 상기 연산 처리 장치에서 연산 처리를 행하는 연산 처리 스텝을 구비하고,
    상기 연산 처리 스텝은,
    상기 피측정 대상물의 이동 속도를 바꾸어 측정한 속도차를 교정용 속도차로서 취득하는 교정용 데이터 취득 스텝을 구비하고,
    상기 교정용 속도차를 취득하기 위해 상기 피측정 대상물의 이동 속도를 바꾼 때의 상기 비트 신호에 기초하는 비트 주파수의 차를 교정용 주파수 차로서 취득하고,
    상기 레이저광의 파장과, 상기 교정용 속도차와, 상기 교정용 주파수 차를 사용하여, 상기 레이저광의 광축의 상기 경사 각도를 산출하는, 측정 방법.
KR1020217024290A 2019-01-23 2020-01-23 측정 장치 및 측정 방법 KR102457941B1 (ko)

Applications Claiming Priority (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JPJP-P-2019-009532 2019-01-23
JP2019009532A JP7107234B2 (ja) 2018-09-20 2019-01-23 速度測定方法及び速度測定装置
JP2019071081A JP7107268B2 (ja) 2019-04-03 2019-04-03 速度測定方法及び速度測定装置
JPJP-P-2019-071081 2019-04-03
PCT/JP2020/002420 WO2020153453A1 (ja) 2019-01-23 2020-01-23 測定装置及び測定方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20210108469A KR20210108469A (ko) 2021-09-02
KR102457941B1 true KR102457941B1 (ko) 2022-10-24

Family

ID=71736268

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020217024290A KR102457941B1 (ko) 2019-01-23 2020-01-23 측정 장치 및 측정 방법

Country Status (6)

Country Link
US (1) US11635520B2 (ko)
EP (1) EP3916429A4 (ko)
JP (2) JP7107268B2 (ko)
KR (1) KR102457941B1 (ko)
CN (1) CN113287038B (ko)
WO (1) WO2020153453A1 (ko)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP7478067B2 (ja) 2020-08-31 2024-05-02 株式会社ミツトヨ データ補正装置、測定システム、プログラム、および補正方法
WO2024076110A1 (ko) * 2022-10-06 2024-04-11 엘지이노텍 주식회사 라이다 장치 및 동작 방법

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20050030520A1 (en) * 2003-08-08 2005-02-10 Sharp Kabushiki Kaisha Velocimeter, displacement meter, vibrometer and electronic device
JP2016080409A (ja) * 2014-10-10 2016-05-16 新日鐵住金株式会社 距離測定装置

Family Cites Families (29)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH01206283A (ja) 1988-02-13 1989-08-18 Brother Ind Ltd 光ヘテロダイン測定装置
JP2733990B2 (ja) * 1988-09-06 1998-03-30 日本電気株式会社 距離測定装置
JPH0287005A (ja) 1988-09-26 1990-03-27 Brother Ind Ltd 光ヘテロダイン干渉表面形状測定装置
JP2504544B2 (ja) * 1988-11-14 1996-06-05 日本板硝子株式会社 多次元レ―ザドップラ速度計
JPH0465601A (ja) 1990-07-04 1992-03-02 Brother Ind Ltd 光ヘテロダイン干渉測定装置
JP3365799B2 (ja) * 1992-11-24 2003-01-14 オリンパス光学工業株式会社 距離・速度測定装置
JPH08101014A (ja) * 1994-09-30 1996-04-16 Sony Tektronix Corp 変位・速度測定装置
JP2954871B2 (ja) 1996-03-25 1999-09-27 株式会社先進材料利用ガスジェネレータ研究所 光ファイバセンサ
US5949546A (en) * 1997-05-14 1999-09-07 Ahead Optoelectronics, Inc. Interference apparatus for measuring absolute and differential motions of same or different testing surface
JP3501639B2 (ja) * 1997-10-31 2004-03-02 キヤノン株式会社 ３次元形状測定装置
US6008901A (en) * 1997-08-22 1999-12-28 Canon Kabushiki Kaisha Shape measuring heterodyne interferometer with multiplexed photodetector aaray or inclined probe head
JP4536873B2 (ja) 2000-06-05 2010-09-01 キヤノン株式会社 三次元形状計測方法及び装置
JP2002267426A (ja) 2001-03-12 2002-09-18 Canon Inc 形状測定装置及び測定方法
AU2003239914A1 (en) * 2002-05-29 2003-12-19 Kent L. Deines System and method for measuring velocity using frequency modulation of laser output
JP4067978B2 (ja) * 2003-01-31 2008-03-26 三ツ星ベルト株式会社 ベルト発音評価方法
JP2006029912A (ja) * 2004-07-14 2006-02-02 Sharp Corp 光学式移動情報検出装置、エンコーダおよび電子機器
JP5227023B2 (ja) 2004-09-21 2013-07-03 ディジタル シグナル コーポレイション 生理学的機能を遠隔的にモニターするシステムおよび方法
JP4617434B2 (ja) * 2004-12-28 2011-01-26 独立行政法人産業技術総合研究所 距離測定装置
JP4793675B2 (ja) 2005-04-21 2011-10-12 独立行政法人産業技術総合研究所 距離測定装置
US7557795B2 (en) 2005-06-30 2009-07-07 Microsoft Corporation Input device using laser self-mixing velocimeter
CN101504279B (zh) 2009-03-06 2010-09-22 北京理工大学 抗径向跳动的合作目标激光转角及速率测量方法与装置
JP5702536B2 (ja) * 2010-01-05 2015-04-15 アズビル株式会社 速度計測装置および方法
JP2013174456A (ja) 2012-02-23 2013-09-05 Tokai Univ レーザドップラ速度計
JP2014102258A (ja) 2014-02-05 2014-06-05 Hitachi Ltd 距離測定装置および距離測定方法
JP2016014616A (ja) * 2014-07-03 2016-01-28 アズビル株式会社 速度変移計測装置および方法
JP6530938B2 (ja) 2015-03-20 2019-06-12 株式会社小野測器 レーザ測定装置
JP2017053789A (ja) * 2015-09-11 2017-03-16 アズビル株式会社 速度計測装置および方法
CN107255451B (zh) * 2017-07-07 2023-07-18 浙江理工大学 角度补偿式激光外差干涉位移测量装置及方法
JP7074311B2 (ja) * 2017-08-30 2022-05-24 国立研究開発法人産業技術総合研究所 光学的距離測定装置および測定方法

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20050030520A1 (en) * 2003-08-08 2005-02-10 Sharp Kabushiki Kaisha Velocimeter, displacement meter, vibrometer and electronic device
JP2016080409A (ja) * 2014-10-10 2016-05-16 新日鐵住金株式会社 距離測定装置

Also Published As

Publication number Publication date
JP6750767B1 (ja) 2020-09-02
US11635520B2 (en) 2023-04-25
US20220043150A1 (en) 2022-02-10
KR20210108469A (ko) 2021-09-02
WO2020153453A1 (ja) 2020-07-30
EP3916429A4 (en) 2022-10-19
CN113287038B (zh) 2022-06-21
CN113287038A (zh) 2021-08-20
JP7107268B2 (ja) 2022-07-27
EP3916429A1 (en) 2021-12-01
JPWO2020153453A1 (ja) 2021-02-18
JP2020169876A (ja) 2020-10-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN101031817B (zh) 测量移动后向反射器的绝对测距仪
US20180252814A1 (en) Laser tracker
JP2021520487A (ja) 静止面および回転面上において横揺れ角を測定するための光学分度器
KR102457941B1 (ko) 측정 장치 및 측정 방법
JP3113731B2 (ja) 部品実装検査方法及びその検査装置並びに該検査装置により検査された基板
JP5207959B2 (ja) 寸法測定装置
WO2017168628A1 (ja) 立体形状計測装置、立体形状計測プローブ
US20220120864A1 (en) Method for measuring deflection angle of galvanometer scanner, and laser radar using method
US20190369136A1 (en) Measuring device and processing device
Zeng et al. A two-beam laser triangulation for measuring the position of a moving object
JP5054592B2 (ja) 形状算出装置，形状算出プログラム，形状算出方法，形状測定装置
TWI507663B (zh) 線性平台之量測裝置及其量測方法
JPS5856094B2 (ja) 微小振動測定装置
CN113465550B (zh) 非接触式转动角位移测量装置及测量方法
CN113008132B (zh) 一种基于cqp的激光干涉仪与光轴精密定位调装装置及方法
JP7107234B2 (ja) 速度測定方法及び速度測定装置
KR101772900B1 (ko) 간섭계를 이용한 기울기 측정 센서
JP2017049117A (ja) 寸法測定装置及び参照光路長走査装置
JP3021090B2 (ja) 非接触測定プローブ
JP2924754B2 (ja) 光行差速度計
RU2498214C1 (ru) Устройство измерения анизотропии пространства скоростей электромагнитного излучения
JP2859969B2 (ja) 光ファイバ・レーザドップラ速度計の測定ヘッド固定具および速度測定方法
JPS63101702A (ja) 光測長計
JP2001124515A (ja) 光学式位置座標指示装置
JPH01203918A (ja) 測定装置と物体との間の光学的距離測定方法

Legal Events

Date Code Title Description
A302 Request for accelerated examination
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant