JP2009109355A - 距離測定装置及びその方法、距離測定装置を用いた厚さ測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、被測定物の表面の粗さや反射率などの光学的な反射特性の変化を受けにくく、且つ、小型化が容易な高精度な厚さ測定が可能な距離測定装置を用いた厚さ測定装置を提供することを目的とする。
【解決手段】一対の距離測定装置と、距離測定装置の出力から厚さを演算する厚さ演算部７とを備え、距離測定装置は、被測定物の表面にレーザビームを投光する光源部２と、該被測定物に投光された前記レーザビームを撮像するカメラ３と、光源部と前記カメラとを所定の位置に設定する支持部材４と、撮像された前記レーザビームの画像の位置の変化から被測定物との間の距離を求める距離演算部５とを備え、距離演算部は、レーザビームの画像から被測定物が移動する軸方向のプロファイルを求め、該プロファイルの重心位置を求めて、カメラと被測定物との間の距離を求めるようにしたことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、距離測定装置及びその方法、距離測定装置を用いた厚さ測定装置に係わり、特に、被測定物が一方向に移動する鋼板などの厚さ形状を測定する距離測定装置及びその方法、距離測定装置を用いた厚さ測定装置に関する。

光学式の三角測量方式は非接触、高精度で距離を測定できることから被測定物の表面形状の測定に使用されているが、高速で移動する鋼板などの厚さ形状の測定にも応用されている。

従来、厚板製造プロセスにおいては、γ線による厚さ測定を行っていたが、厚板を挟んで対向する位置に設けられる距離測定装置を用いた厚さ測定装置よれば、特別の安全管理が不要であることから、その用途が拡大している。

この厚板等の厚さ測定装置の場合には、Ｃ型フレームの互いに離間して対向する夫々の腕部の空間部に被測定物が配置され、夫々の腕部に互いに所定の間隔を持って配置された複数のレーザビームを用いた距離検出装置と、該距離検出装置の出力から厚さを演算する厚さ演算手段とを備え、距離検出装置は、被測定物の表面に鉛直方向に複数のレーザビームを投射する光源と、被測定物に投射された複数のレーザビームの反射光を鉛直平面上において対称な受光角で受光するように配置された２台の多分割光検出手段と、多分割光検出手段の出力信号の積分値を一定にする夫々の受光光量制御手段と、受光光量制御手段で制御された多分割光検出手段の出力信号の複数のレーザビームにおけるパターンの谷部の形状の変化から被測定物と距離検出装置間の距離を演算により求める距離演算手段とを備え、Ｃ型フレーム一方に配置された距離検出装置の出力及びＣ型フレームの他方に配置された距離検出装置の出力とから被測定物の厚さを厚さ演算手段で求めるようにしている（例えば、特許文献１参照。）。
特許第３９６６８０４号公報

特許文献１に開示された光学式の距離測定装置を用いた厚板等の厚さ測定装置の場合、被測定物との接触を避けるため、Ｃ型フレームの互いに離間して対向する夫々の腕部の空間部は、比較的大きな寸法を確保して置くことが必要であることから大型の距離測定装置を使用した光学装置となっていた。

そのため、レーザビームの投光光軸位置の位置ずれによる測定誤差を軽減するため、投光光軸に対して対称な位置に２つの多分割光検出手段を配置し、投光光軸位置のずれをキャンセルするようにしていた。

さらに、被測定物の表面の粗度や微視的な反射率のムラによって、反射光の強さや位置が正確に求まらないため、多分割光検出手段で受光したマルチビームの谷部の極小点の位置を求めて、距離を測定するようにしていた。

即ち、従来の光学式の距離測定装置を用いた厚板等の厚さ測定装置の場合、大型であるため、空間部を小さくすることが可能で、小型化が要求される薄板などの厚さ測定にそのまま使用するには、装置の大きさで問題があった。

さらに、厚板の場合、測定範囲５．０〜１００．０ｍｍの測定範囲に対して、５０μの測定精度であったが、薄板の場合には測定範囲０．１〜５．０ｍｍの測定範囲に対して、１μレベルの高精度が要求されるため、精度の面でも問題があった。

また、光学系もマルチビーム投光とし、受光系も２系統が必要となるなど構造が複雑となる問題もあった。

本発明は上記問題点を解決するためになされたもので、被測定物の表面の粗さや反射率などの光学的な反射特性の変化を受けにくく、且つ、小型化が容易な高精度な厚さ測定が可能な距離検出装置及びその方法、距離測定装置を用いた厚さ測定装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の距離測定装置は、移動する被測定物との間の距離を求める三角測量方式の距離測定装置であって、被測定物の表面にレーザビームを投光する光源部と、該被測定物と予め定められた位置に設けられ、該被測定物に投光された前記レーザビームを撮像するカメラと、前記被測定物に対し、前記光源部と前記カメラとを所定の位置に設定する支持部材と、撮像された前記レーザビームの画像の位置の変化から前記測定物との間の距離を求める距離演算部とを備える距離測定装置において、前記レーザビームの投光光軸と前記カメラの受光光軸とは、前記被測定物の表面と直行する同一平面上となるように前記光源部と前記カメラの光学位置を設定し、前記距離演算部は、前記レーザビームの画像から前記被測定物が移動する軸方向のプロファイルを求め、さらに、該プロファイルの重心位置を求めて、前記カメラと前記被測定物との間の距離を求めるようにしたことを特徴とする。

上記目的を達成するために、本発明の距離測定方法は、移動する被測定物との間の距離を求める三角測量方式の距離測定方法であって、被測定物の表面に投光するレーザビームの投光光軸と該レーザビームを撮像するカメラの受光光軸とを、前記測定物の表面と直行する同一平面上となるように設定し、前記カメラで撮像した前記レーザビームの画像から前記被測定物が移動する軸方向のプロファイルを求め、さらに、該プロファイルの重心位置を求めて、前記カメラと前記被測定物との間の距離を求めるようにしたことを特徴とする。

上記目的を達成するために、本発明の距離測定装置を用いた厚さ測定装置は、Ｃ型フレームの互いに離間して対向する夫々の腕部の空間部に被測定物が配置されるとともに前記夫々の腕部に互いに所定の間隔を持って配置されたレーザビームを用いた三角測量方式の一対の距離測定装置と、前記距離測定装置の出力から厚さを演算する厚さ演算部とを備え、前記距離測定装置は、前記被測定物の表面にレーザビームを投光する光源部と、該被測定物と予め定められた位置に設けられ、該被測定物に投光された前記レーザビームを撮像するカメラと、前記被測定物に対し、前記光源部と前記カメラとを所定の位置に設定する支持部材と、撮像された前記レーザビームの画像の位置の変化から前記被測定物との間の距離を求める距離演算部とを備え、前記レーザビームの投光光軸と前記カメラの受光光軸とは、前記被測定物の表面と直行する同一平面上となるように前記光源部と前記カメラの光学位置を設定し、前記距離演算部は、前記レーザビームの画像から前記被測定物が移動する軸方向のプロファイルを求め、さらに、該プロファイルの重心位置を求めて、前記カメラと前記被測定物との間の距離を求め、該被測定物の厚さを測定するようにしたことを特徴とする。

本発明によれば、被測定物の表面の粗さや反射率などの光学的な反射特性の変化を受けにくく、且つ、小型化が容易な高精度な厚さ測定が可能な距離検出装置及びその方法、距離測定装置を用いた厚さ測定装置を提供することが出来る。

以下、本発明による実施例を図１乃至図７を参照して説明する。まず、距離測定装置を用いた厚さ測定装置の構成を、図１を参照して説明する。

Ｃ型フレームの空間部を紙面と垂直な方向に走行する被測定物８の厚さｔを測定する厚さ測定装置の場合について説明する。

厚さ測定装置は、被測定物８の表面及び裏面の対向する位置で、夫々の距離Ｌａ、Ｌｂを、三角測量方式の測定原理で測定する、一対の距離測定装置１１と、夫々の距離測定装置１１の出力から、被測定物の厚さｔを求める厚さ演算部７とから構成される。

夫々の距離測定装置１１は、予め、所定の間隔Ｌｄで設定されているので、厚さｔは、Ｌｄ-（Ｌａ＋Ｌｄ）を演算することで求められる。

距離測定装置１１は、レーザビームを所定の形状で、被測定物８の表面に所定の投光角度θｉで照射する光源部２と、このレーザビームと同一平面状で、被測定物８の表面に対して法線方向から撮像するカメラ３と、この光源部２とカメラ３とを所定の位置で、Ｃ型フレーム１の対向する腕部に固定する支持部材４と、カメラ３から送信される画像データから距離を求める距離演算部５とから成る。

通常、支持部材４に搭載される光源部２とカメラ３とは、Ｃ型フレーム内に実装され、光源部２から照射されるレーザビームは、測定位置が法線方向で同じ位置となるような、対向する位置に固定され、距離演算部５は、Ｃ型フレーム１の外部に設けられるが、距離演算部５は、カメラ３内部や、Ｃ型フレーム内に設けても良い。

また、距離測定装置１１の構成は同一であるが、測定範囲が異なる場合には、夫々に適合した異なる測定範囲の光学距離で設定される。一般に、被測定物８は、ロール面上を搬送されることが多いので、表面に比べて裏面の測定範囲が小さくなるので、小型化がし易くなる。

次に、図２（ａ）を参照して、距離測定装置１１の各部の構成と光学系の詳細設定について説明する。図２は、ｚ軸方向に移動する薄物の被測定物８の上面に備えた距離測定装置１１の光学系とカメラ３での撮像を説明する図である。

光源部２から照射されるレーザビームとカメラ３の受光光軸とは、被測定物８の進行方向（ｚ軸）に対し、垂直なｘ−ｙ平面上に設けられる。そして、この光源部２は、カメラ３で撮像可能なレベルの所定の出力パワーの半導体レーザと、この半導体レーザを被測定物８の表面で、所定のビーム形状に成形するコリメータレンズ系とを備える。

一般に、被測定物８が薄板などの場合、その圧延工程でその表面は所定の粗度となるように成形される。そのため、レーザビームの反射光を撮像すると、ビームの形状以下の微細な反射光量のバラツキパターン（スペックルパターンと言う）が観測される。

このレーザビームのスペックルパターンの影響による距離測定精度のばらつきを軽減するため、レーザビームＬｚの形状は、図に示すように、被測定物８の進行方向（ｚ軸）に対して、θｂ傾斜して成形しておき、レーザビームＬｚの撮像信号を被測定物８の進行方向に所定のサイズ分を積算して平均化するようにする。

また、カメラ３は、エリアタイプのＣＣＤセンサを搭載し、被測定物８に照射されたレーザビームＬｚを含む所定のフレームサイズ（被測定物８の幅方向×進行方向：Ｆｗ×Ｆｈ）を要求される所定の分解能で撮像可能なビット数を備え、所定のシャッタ周期（フレーム周期ともいう）Ｔｆで、所定の露光時間Ｔｃで撮像可能な制御機能を備えたカメラ３とする。

そして、上面のカメラ３と裏面のカメラ３とは、シャッタタイミングの同期が可能なカメラとし、測定位置が同じポイントになるように設定される。

以上説明した、光学系は、被測定物８の表面に所定の投光角度θｉで照射する光源部２と、このレーザビームと同一平面状で、被測定物８の法線方向から撮像するカメラ３の場合を説明したが、被測定物８の表面に鉛直方向からレーザビームを照射し、カメラ３を、所定の受光角度θｉで受光する様に構成しても良い。

距離演算部５は、カメラ３から送信された画像のフレームサイズ（Ｆｄ×Ｆｈ）から、レーザビームを含む被測定物８の移動方向に所定のサイズ分（Ｆｗ×Ｆｄ）を切り出し記憶させる画像メモリ５１と、予め記憶させておく校正テーブルを記憶するメモリ５２と、画像メモリ５１に記憶させた画像データとメモリ５２に記憶した校正テーブルとから距離を求める演算部５３とから成る。

また、この距離演算部５は、一対の距離測定装置１１で、夫々の距離を独立に求めるようにした構成の場合で説明したが、距離演算部５の処理時間が許せば、図２（ｂ）に示すように、被測定物３の表面側のカメラ３及び裏面側のカメラ３ａ２からの画像を一つの距離演算部５の画像メモリ５１に送信し、１台の距離演算部５で夫々の距離を求めるように構成することも可能である。

次に、このように構成された距離演算部５の詳細な処理動作について、図３を参照して説明する。図３（ａ）は、距離演算部５の処理フロー図である。先ず、図３（ｂ）に示すように、カメラ３では、撮像したフレームサイズ（Ｆｗ×Ｆｈ）の画像データを距離演算部５の画像メモリ５１に送信する。距離演算部５では、この画像データから、レーザビームの所定の寸法を進行方向にＦｄ（Ｎｊ〜Ｈｋラスタ）分）を切り出す（ｓ１）。

この処理は、カメラ３側で予め画像の切り出し処理を行って画像メモリ５１に送信するようにすることも可能である。

次に、切り出された画像を垂直方向（被測定物８の移動方向）に積算した画像のプロファイルＰ（ｘ）を求める（ｓ２）。そして求めたプロファイルデータを所定の閾値Ｐ（ｒ）で切り出し、図３（ｄ）に示すように、プロファイルデータの幅方向（ｘ軸）のエッジ座標、Ｘｓ〜Ｘｅを求める（ｓ３）。

そして、エッジ座標の範囲のプロファイルデータの重心位置（μ）と標準偏差値（σ）とを求める。
μ＝Σ（Ｐ（ｘ）・ｘ）／Σ（ｐ（ｘ））
σ＝（Σ（ｘ−μ）^２・Ｐ（ｘ）／ΣＰ（ｘ））^１／２
さらに、求めた重心位置（μ）と標準偏差値（σ）に対する正規分布曲線ｆ（図３（ｄ）を求める（ｓ４）。

そして、ｘ軸方向の各座標における正規分布曲線ｆのプロファイルデータ（Ｐ（σｘｉ））とプロファイルデータＰ（ｘｉ）との差を求め、この差が、予め設定される値以上、たとえが、１０％の以上の差がある場合には、このプロファイルデータＰ（ｘｉ）を、正規分布曲線の同じｘ座標のデータ（Ｐ（σｘｉ））と置き換え、そうでない場合は元のプロファイルデータＰ（ｘｉ）を採用し、再び、重心位置を求める重心位置補正演算を行なう（ｓ５）。

次に、求めた重心位置補正演算で求めた重心位置（ｘｍ）から、後述する校正テーブル（図３（ｅ））を参照して、距離を求める（ｓ６）。

即ち、被測定物８の表面の粗さや反射率などの微細構造の状態によって、撮像したレーザビームの画像データが変動するため、レーザビームのプロファイルを平均化し、さらに、その正規分布曲線から所定の値以上のプロファイルデータを正規分布曲線のデータの値で置き換え、レーザビームプロファイルのデータに対して再度、重心位置を求めるようにしたので、表面性状のばらつきの影響が軽減され、再現性の良い高精度な距離測定が可能となる。

次に、このような距離測定装置１１を使用した厚さ測定装置の距離校正方法について図４乃至図６を参照して説明する。図４は、厚さ測定装置に使用する校正装置とその設定とを説明する図である。校正装置１０は、校正片送り部１０ａと校正片１０ｂとから成り、校正装置１０は、被測定物８が通板される基準位置に固定される。

そして、基準位置に校正片１０ｂを校正片送り装置１０ａを上下に駆動して所定の測定ピッチで移動し、測定の基準となる距離を設定する。校正片１０ｂの表面側では、上面側の距離検出装置１１の校正テーブルを作成し、校正片１０ｂの裏面側では、裏面側の校正テーブルを作成する。この測定は、同時、または、夫々、独立に行なうこともできる。

次に、図５を参照して、校正テーブルの作成方法について説明する。校正装置１０を基準位置ｐ１に設定する（ｓ１１）。この位置でのレーザビーム画像を撮像し（ｓ１２）、重心位置を求め（ｓ１３）、さらに、重心位置補正演算を行なう（ｓ１４）。

そして、求めた重心位置を図６に示す校正テーブルに書き込む。

図６の校正テーブルは、縦軸を設定位置とし、設定位置ｐ１に対する求めた重心位置を書き込んだもので、以下、校正片送り装置１０ａを、所定の位置に移動して、所定の距離差（ｐｉ−１−ｐｉ）を与え、距離測定範囲をカバーする範囲まで設定し、夫々の設定位置での重心位置を求め校正テーブルに書き込んで行く（ｓ１６）。

さらに、各測定位置間のデータを直線補間するための設定位置間での一次式を求め、各々の傾きａｉｉ−１とその切片ｂｉｉ−１とを求めて、校正テーブルに書き込んでおく。図６（ｂ）は、書き込んだ校正テーブルを図にしたものである。

同様にして、裏面側の距離測定装置の校正テーブルを作成する。

次にこのように校正された距離測定装置を使用した厚さ測定装置の測定処理フローについて図７を参照して説明する。

図７は、表面、裏面夫々の距離測定演算を独立に行う場合のフロー図で、被測定物８との表面の距離測定（ｓ２１、２２）と裏面の距離測定（Ｓ２３、２４）とを行なった後、厚さ演算処理を行う（ｓ２５）。距離測定演算を一つの装置で行なう場合には、この処理がシリーズに行われる。

本発明は、上述した実施例に何ら限定されるものではなく、カメラの分解能、レーザビームの形状、及び切り出し画像のビームプロファイルの積分範囲は、表面の性状と被測定物の厚さ定義とによって適宜変えても良く、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することが可能である。

本発明の厚さ測定装置の構成図。 本発明の距離測定装置の構成の説明図。 本発明の距離測定装置の処理フロー図。 本発明の厚さ測定装置の校正の説明図。 本発明の距離測定装置の校正テーブルの処理フロー図 本発明の校正テーブルの例。 本発明の厚さ測定装置の処理フロー図。

符号の説明

１ Ｃ型フレーム
２ 光源部
３ カメラ
４ 支持部材
５ 距離演算部
５１ 画像メモリ
５２ メモリ（校正テーブル）
５３ 演算部
６ 距離演算部
５１ａ 画像メモリ
５２ａ （メモリ）校正テーブル
５３ａ 演算部
７ 厚さ演算部
８ 被測定物
１０ 校正装置
１０ａ 校正片送り部
１０ｂ 校正片
１１ 距離測定装置

Claims (9)

1. 移動する被測定物との間の距離を求める三角測量方式の距離測定装置であって、
   被測定物の表面にレーザビームを投光する光源部と、
   該被測定物と予め定められた位置に設けられ、該被測定物に投光された前記レーザビームを撮像するカメラと、
   前記被測定物に対し、前記光源部と前記カメラとを所定の位置に設定する支持部材と、
   撮像された前記レーザビームの画像の位置の変化から前記測定物との間の距離を求める距離演算部と
   を備える距離測定装置において、
   前記レーザビームの投光光軸と前記カメラの受光光軸とは、前記被測定物の表面と直行する同一平面上となるように前記光源部と前記カメラの光学位置を設定し、
   前記距離演算部は、前記レーザビームの画像から前記被測定物が移動する軸方向のプロファイルを求め、さらに、該プロファイルの重心位置を求めて、前記カメラと前記被測定物との間の距離を求めるようにしたことを特徴とする距離測定装置。
2. 前記距離演算部は、前記カメラから送信された画像データを記憶させる画像メモリと、基準厚さとなる校正片を使用して、予め作成された校正テーブル記憶するメモリと、前記画像メモリに記憶させた画像データとテーブルとから距離を求める演算部とを備え、
   前記被測定物の前記プロファイルの平均値と標準偏差値とを求めて、前記プロファイルの正規分布曲線を求め、
   前記プロファイルイの各測定値と、この時の前記正規分布曲線の値とを比較して、その差が所定の値以上の場合、該測定値を前記正規分布曲線の値に置換して前記プロファイルの重心位置を求め、
   求めた該重心位置から、前記校正テーブルを参照して、前記カメラと前記被測定物との間の距離を求めるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の距離測定装置。
3. 前記光源部は、前記被測定物の表面に投光されるレーザビームの形状を、該被測定物の移動方向に所定の長さを有し、且つ、前記被測定物が移動する軸方向に対して所定の角度で傾斜させ、
   前記カメラは、露光時間を制御する機能を備えたエリアカメラとし、前記レーザビームの画像を所定の露光時間で撮像し、
   前記距離演算部は、前記レーザビームの画像から前記測定物の移動方向に所定の寸法を切り出して、前記プロファイルを求めるようにしたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の距離測定装置。
4. 移動する被測定物との間の距離を求める三角測量方式の距離測定方法であって、
   被測定物の表面に投光するレーザビームの投光光軸と該レーザビームを撮像するカメラの受光光軸とを、前記測定物の表面と直行する同一平面上となるように設定し、
   前記カメラで撮像した前記レーザビームの画像から前記被測定物が移動する軸方向のプロファイルを求め、
   さらに、該プロファイルの重心位置を求めて、
   前記カメラと前記被測定物との間の距離を求めるようにしたことを特徴とする距離測定方法。
5. 基準厚さとなる校正片を使用して、予め作成された校正テーブルを作成し、
   前記プロファイルの平均値と標準偏差値とを求めて、前記プロファイルの正規分布曲線を求め、
   前記プロファイルイの各測定値と、この時の前記正規分布曲線の値とを比較して、その差が所定の比率以上の場合、該測定値を前記正規分布曲線の値に置換して前記プロファイルの重心位置を求め、
   求めた該重心位置から、前記校正テーブルを参照して、前記カメラと前記被測定物との間の距離を求めるようにしたことを特徴とする請求項４に記載の距離測定方法。
6. 前記レーザビームの形状を、該被測定物の移動方向に所定の長さを有し、且つ、前記被測定物が移動する軸方向に対して所定の角度で傾斜させ、
   前記レーザビームの画像を所定の露光時間で撮像し、
   前記レーザビームの画像から前記被測定物の移動方向に所定の寸法を切り出して、前記プロファイルを求めるようにしたことを特徴とする請求項４または請求項５に記載の距離測定方法。
7. Ｃ型フレームの互いに離間して対向する夫々の腕部の空間部に被測定物が配置されるとともに前記夫々の腕部に互いに所定の間隔を持って配置されたレーザビームを用いた三角測量方式の一対の距離測定装置と、
   前記距離測定装置の出力から厚さを演算する厚さ演算部と
   を備え、
   前記距離測定装置は、前記被測定物の表面にレーザビームを投光する光源部と、該被測定物と予め定められた位置に設けられ、該被測定物に投光された前記レーザビームを撮像するカメラと、
   前記被測定物に対し、前記光源部と前記カメラとを所定の位置に設定する支持部材と、
   撮像された前記レーザビームの画像の位置の変化から前記被測定物との間の距離を求める距離演算部と
   を備え、
   前記レーザビームの投光光軸と前記カメラの受光光軸とは、前記被測定物の表面と直行する同一平面上となるように前記光源部と前記カメラの光学位置を設定し、
   前記距離演算部は、前記レーザビームの画像から前記被測定物が移動する軸方向のプロファイルを求め、さらに、該プロファイルの重心位置を求めて、前記カメラと前記被測定物との間の距離を求め、該被測定物の厚さを測定するようにしたことを特徴とする厚さ測定装置。
8. 前記距離演算部は、前記カメラから送信された画像データを記憶させる画像メモリと、基準厚さとなる校正片を使用して、予め作成された校正テーブル記憶するメモリと、前記画像メモリに記憶させた画像データとテーブルとから距離を求める演算部とを備え、
   前記被測定物の前記プロファイルの平均値と標準偏差値とを求めて、前記プロファイルの正規分布曲線を求め、
   前記プロファイルイの各測定値と、この時の前記正規分布曲線の値とを比較して、その差が所定の値以上の場合、該測定値を前記正規分布曲線の値に置換して前記プロファイルの重心位置を求め、
   求めた該重心位置から、前記校正テーブルを参照して、前記カメラと前記被測定物との間の距離を求めるようにしたことを特徴とする請求項６に記載の厚さ測定装置。
9. 前記光源部は、前記被測定物の表面に投光されるレーザビームの形状を、該被測定物の移動方向に所定の長さを有し、且つ、前記被測定物が移動する軸方向に対して所定の角度で傾斜させ、
   前記カメラは、露光時間を制御するシャッタ機能を備えたエリアカメラとし、前記レーザビームの画像を所定の露光時間で撮像し、
   前記距離演算部は、前記レーザビームの画像から前記被測定物の移動方向に所定の寸法を切り出して、前記プロファイルを求めるようにしたことを特徴とする請求項７または請求項８に記載の厚さ測定装置。

Images