JP3966804B2 - 距離検出装置，厚さ測定装置及びその方法 - Google Patents
距離検出装置，厚さ測定装置及びその方法 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は，距離測定装置，これを利用した厚さ測定装置及びその方法に係わり，特に高速で動揺して移動する鋼板などの形状をレーザ光線を用いた距離検出器を使用して測定する距離検出装置，厚さ測定装置及びその方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光学式の３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対象物の表面形状の測定に使用されているが，最近では鋼板などの高速で移動する被測定対象物の厚さや形状の測定にも広く応用されて来ている。特に厚板製造プロセスにおいては，従来γ線による厚さ測定を行っていたが，光学方式によれば放射線のような特別の安全管理が不要であることからもその用途が拡大している。
【０００３】
しかし，光学式であるため表面の反射率の変化や，散乱特性等の変化によって反射光の強さや位置が正確に求まらないため,高精度な距離測定,厚さ測定の結果は満足できるものではなかった。
【０００４】
図１１を参照してこのような３角測量方式による従来方法を説明する。この距離測定装置は，距離検出部３０１，ＣＣＤカメラ信号をデジタル信号ｓ３０１，ｓ３０２に変換するためのＡＤＣ（アナログデジタルコンバータ）３１１，３１２及び距離演算を行うＭＣ（マイクロコンピュータ）３１５とから構成されている。（例えば，特許文献１参照。）。
【０００５】
この距離検出部３０１は，被測定対象物１０の表面において複数レーザビーム３０３を所定のビーム寸法に分割形成し,被測定対象物１０の表面に垂直落射させる光源３０１ａ及びコリメータレンズ３０２と，被測定対象物１０の表面からのビーム３０３の反射光の位置を同じ受光角度で受光するように配置された２台のＣＣＤカメラ３０６，３０７とから構成される。
【０００６】
また，ＣＣＤカメラ３０６，３０７は夫々の受光レンズ３０４，３０５，ＣＣＤ素子３０６ａ，３０７ａ及び図示しないＣＣＤカメラ３０６,３０７を制御する周辺回路とから構成されている。
【０００７】
この構成において被測定対象物１０の表面Ａ点に照射された複数のビーム３０３は，ＣＣＤ素子３０６ａ，３０７ａの点ａ１，ａ２に夫々結像されている。ここで被測定対象物１０の表面がＢ点に移動すると，落射されたビーム３０３の位置はＣＣＤ素子３０６ａ，３０７ａの点ｂ１，ｂ２に夫々同じ方向に移動した位置に結像される。
【０００８】
したがってＣＣＤカメラ３０６，３０７の出力信号の位置変化をＭＣ３１５によって演算処理し，さらに夫々の演算処理出力を加算平均処理することによって距離を求めている。
【０００９】
通常，距離の測定分解能は距離測定の光学系によって所定の値が設定される。例えば，１００ｍｍの測定範囲を１０００素子のＣＣＤカメラ３０６，３０７で測定する場合の測定分解能は０．１ｍｍ／素子となるが，さらに詳細な分解能が必要となる場合は，ＣＣＤカメラ３０６，３０７の素子数を増やすか，又は素子以上の分解能を確保するための補正演算が行なわれる。
【００１０】
この補正演算の方法は，複数のレーザビーム３０３のＣＣＤ素子３０６ａ，０７ａ上での結像位置（ｚ）に対応する光量データＰ（ｚ）に対して，複数の山形状の関数Ｑ（ｚ）との積和演算を，関数Ｑ（ｚ）の位置ｚを（ｋ−ｚ）として，ｚの全範囲にわたって変化させて行い，積和演算値Ｒ（ｋ）を求める。即ち,
【数１】
Ｒ（ｋ）＝ΣＰ（ｚ）・Ｑ（ｋ−ｚ）・・・（１）
そして，ずらした量ｋを必要な範囲に対して行い，その結果,最も積和演算値Ｒ（ｋ）が高い値を示す素子の位置ｚを１素子以下の詳細値として２次関数又はスプライン関数等に近似して求める方法である。
【００１１】
この構成においては，複数のレーザビームとすることによって，同じ個所の測定回数を増やすことによって測定値のバラツキを平均化し精度向上を図っている。
【００１２】
また，落射される鉛直方向のレーザビームが温度変化による被測定表面で位置が移動した場合や，表面反射率の変動によりレーザビームの形状が変化した場合には，あたかも被測定対象物との距離が変動した様に見なされるが,この場合の測定誤差は，左右のＣＣＤカメラ３０６，３０７で互いに逆方向の距離変化として検出されるので，２台ＣＣＤカメラ３０６，３０７の出力を前述したように加算平均処理することにより除去できる。
【００１３】
そして，関数Ｑ（ｚ）を正常表面から結像されたレーザビームに相似の形状とすることによってレーザビーム形状の変化を伴う外乱を削除し，最も相関の高い位置を求めるようにして１素子以上の分解能の精度を達成する様にしている。
【００１４】
また，このような測定原理に基づく距離検出装置の他の実施事例として，被測定対象物の表面並びに裏面に対向して複数台を固定配置し，被測定対象物の厚さと傾斜角度を同時に測定して，厚さ測定時の傾斜による測定誤差を補正する厚さ測定装置も開示されている。
【００１５】
【特許文献１】
特開平８−３０４０６８号公報
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
前述した三角測量を測定原理とする距離検出装置を用いた厚さ測定装置は，複数のレーザビームからなる微小なレーザビームを光源として使用できるので，空間分解能が良く，応答速度も速いことから用途が拡大している。
【００１７】
この様な距離検出装置の用途として，例えば，厚板等の大きな形状の鋼板の厚さ測定装置が有る。この種の厚板は，厚さが５ｍｍ乃至１２５ｍｍ，幅が１ｍ乃至５ｍ，長さが５ｍ乃至２０ｍの大きな形状で，従来，±０．１％の厚さ精度を要求されていたものが，近年，±０．０５％以下の２倍近い厚さの精度の向上が要求されている。
【００１８】
しかしながら，表面の光学的な特性が多様に変化する被測定対象物の厚さ測定装置として前述したような距離検出装置を使用した場合には,次のような問題があり高精度で測定を行うことが困難であった。即ち，
１）被測定対象物の表面反射率の変化が測定場所で大きく変化し，拡散光を受光する検出カメラの信号が安定化されないため測定が行えない場合がある。
【００１９】
２）関数Ｑ（ｚ）は，測定距離によって結像される像の大きさが変わるため距離校正位置毎に形状の異なるものを容易する必要があり，距離補正演算に使用する校正テーブルの作成が複雑で,校正作業にも時間がかかる。
【００２０】
３）複数のレーザビームの反射像Ｐ（ｚ）の形状が多様に変化し，積和演算値Ｒ（ｋ）のピーク位置の変化が大きく精度が向上しない。
【００２１】
４）被測定対象物の厚さ測定に応用した場合，被測定対象物の傾斜角による厚さ測定誤差を補正するために傾斜方向にも距離検出装置を配置する必要があり設備が大型化し,設置場所が限定される。
【００２２】
本発明は上記問題点を解決するためになされたもので，被測定対象物表面の光学的な反射特性の変化を受けにくく,且つ被測定対象物の姿勢の動揺に対しても同時に測定誤差の補正が行える高精度な距離検出装置，厚さ測定装置及びその方法を提供することを目的とする。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために，本発明の距離検出装置，厚さ測定装置及びその方法は，被測定対象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，被測定対象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，
前記被測定対象物に対して前記光源と前記多分割光検出手段とを所定の位置に固定設定する設定手段と，前記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，前記受光光量制御手段で制御された前記多分割光検出手段の出力信号の前記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対象物と前記設定手段との間の距離を演算により求める距離演算手段とを備えたことを特徴とする。
【００２４】
本発明によれば，ＣＣＤカメラの受光光量制御手段と，受光された複数のレーザビーム像の谷部の形状から距離を求める距離演算手段とを備えたので，被測定対象物の表面の光学的特性の影響を受けにくい高精度な距離検出装置を提供できる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
（第１の実施の形態）
以下，本発明による第１の実施の形態について図１乃至図７を参照して説明する。まず，全体の概略構成と距離検出部１の光学系の設定条件を説明し，次に，本発明の主要要素である受光光量制御手段と距離を求める距離演算処理部１５について詳述する。
【００２６】
図１は第１の実施の形態の構成図である。距離検出装置は，２台のＣＣＤカメラ６，７を固定内蔵する距離検出部１，ＣＣＤカメラ６，７からの検出信号ｓ０１，ｓ０２をデジタル化するＡＤＣ（アナログデジタル変換回路）１１，１２，ＣＣＤカメラ６，７の受光光量を一定に制御するＡＧＣ（オートゲインコントロール回路）８，９及び両ＡＤＣ１１，１２のカメラ出力信号ｓ１，ｓ２から距離を求める距離演算部１５とから構成される。
【００２７】
距離検出部１は，２台のＣＣＤカメラ６，７と，図示しないレーザ等の光源及びコリメータレンズ２ａを内蔵する光源部２とから構成される。またＣＣＤカメラ６，７は，受光レンズ４，５，ラインスキャン型ＣＣＤ６ａ，７ａ及びラインスキャン型ＣＣＤ６ａ，６ｂの図示しない周辺回路とから構成される。
【００２８】
この距離検出部１の光学系は，図１に示す様に被測定対象物１０と所定の距離を持って設定配置され，光源部２において楕円状の複数のレーザビームを被測定対象物１０に鉛直方向から照射し，この反射光をレーザビームの左右のＣＣＤカメラ６，７で受光する。このＣＣＤカメラ６，７は，複数のレーザビーム３の光軸に対して同一平面上において左右対称な受光角度θｒの位置に設定配置され，被測定対象物１０の表面に照射されたＡ点の像を，ラインスキャン型ＣＣＤ６ａ，７ａの受光面の点ａ１，点ａ２に夫々結像する。
【００２９】
被測定対象物１０の表面がＡ点からＢ点に変化すると，複数のレーザビーム３の結像点は夫々ｂ１，ｂ２点に移動する。この移動範囲，即ち距離測定範囲に対して，所定の分解能が得られる様に，ラインスキャン型ＣＣＤ６ａ，７ａの素子数を選択する。また，受光レンズ４，５は被測定対象物１０との対物距離と前述した分解能とから光学倍率を決定し，所定の受光レンズ４，５を選択する。
【００３０】
また受光角度θｒは，主に被測定対象物１０の表面から拡散反射される複数のレーザビーム３の受光光量が所定のエネルギーで得られるように設定しておく。受光角度が４５度以上になると，被測定対象物１０の姿勢や表面粗度の影響で極端に変動するので，受光角度は４５度以下の範囲で選択することが望ましい。
【００３１】
複数のレーザビーム３の形状は，被測定対象物１０表面においてラインスキャンＣＣＤ６ａ，６ｂの測定視野寸法よりも大きな形状になる様に光源部１０のコリメータ倍率を設定しておく。
【００３２】
この様にして設定された複数のレーザビーム３とＣＣＤカメラ６，７からの出力信号の関係を図２に示す。図２（ａ）のｍ，ｎ，ｐは，ＣＣＤカメラ７のラインスキャン型ＣＣＤ７ａの表面に結像された複数のレーザビーム３で，図２（ｂ）は，この複数のレーザビーム３をラインスキャン型ＣＣＤ７ａによって走査したときの各素子の出力を示したものである。
【００３３】
図２（ａ）の矩形列はラインスキャン型ＣＣＤ７ａの各素子を示し，列方向は図１におけるｙ軸方向，即ち被測定対象物１０の距離の測定方向に，矩形の長軸方向は図１における紙面と直角方向に対応している。そして，複数のレーザビーム３の長軸方向の中心を走査するようにＣＣＤカメラ６，７の光軸が設定されている。
【００３４】
ラインスキャンＣＣＤ７ａの素子数は，１０００乃至５０００ｂｉｔ，また各素子形状は１５μｍ×１５μｍ程度のものが使用され，そして前述した光学系の倍率によって分解能が決定される。例えば，光学系の倍率を１／１０とすると被測定対象物１０表面での分解能は１５０μｍとなる。
【００３５】
複数のレーザビーム３の形状は，通常，図示したような光源部２のレーザ光学系のスリットとコリメータによって楕円形状に形成され，ＣＣＤカメラ７の出力は，複数のレーザビーム３が照射された個所の表面が正常な拡散面であれば，図示した様なレーザビームのパワー分布形状に近似した形状を示す。即ち，レーザビーム３のパワーの最も強いピーク位置はＡ０で，レーザビーム３の弱い位置はＡ４，Ｂ４となり，そのエンベロープはガウス分布に近い形状となっている。
【００３６】
次に，この様に設定されたＣＣＤカメラ７の出力を一定に制御する受光光量制御手段について図３を参照して説明する。この受光光量制御手段の構成は，ＣＣＤカメラ７と，このカメラの信号を変換するＡＤＣ１２と，ＣＣＤカメラ７の露光時間を制御するＡＧＣ９とから構成される。
【００３７】
ＣＣＤカメラ７は受光レンズ５と，受光レンズ５の結像面に配置されたラインスキャン型ＣＣＤ７ａと，ラインスキャン型ＣＣＤ７ａの出力を増幅するアンプ７ｂと，ラインスキャン型ＣＣＤ７ａの露光時間及び走査を制御する走査露光制御回路７ｃとから構成される。ラインスキャン型ＣＣＤ７ａには，走査時間は一定で，蓄積する受光光量の露光時間を制御するゲートを持っているものと，走査周期を可変して蓄積時間を変えるものとがあるが，前者のタイプの方が走査時間が変らないので望ましい。
【００３８】
また，ＡＧＣ９はＡＤＣ１２により検出信号をデジタル化されたＣＣＤカメラ７の出力信号の積分値，即ち面積を求める面積値演算回路９ａ，この面積の制御目標値を設定する面積値設定回路９ｂ，前記面積演算回回路９ａの出力と面積値設定回路９ｂとの出力の差を求める比較回路９ｃ及び比較回路９ｃの出力からＣＣＤカメラの７の露光時間を制御する露光時間制御回路９ｄとから構成され，露光時間制御回路９ｄの出力はＣＣＤカメラ７の走査露光制御回路７ｃに入力される。
【００３９】
次に，この様に構成された受光光量制御手段の動作について説明する。複数のレーザビーム３のパワーや被測定対象物１０の表面の反射率が変化してＣＣＤカメラ７から受光された光量が増減すると，面積値演算回路９ａから検出される信号の面積値が増減する。この面積値と，面積値設定回路９ｂで設定される値とを比較してその差を露光時間制御回路９ｄに送る。
【００４０】
露光時間制御回路９ｄでは，この面積値の差に相当するＣＣＤカメラ７の露光時間を走査露光制御回路７ｃにフィードバックし受光量を制御する。ＣＣＤカメラ７の露光時間とＣＣＤカメラ７の出力信号の面積は比例関係にあるので走査毎の修正動作が可能で，露光時間の制御応答は高速化することができる。
【００４１】
この様に構成された受光光量制御手段は，受光信号の波形を乱すことがなく，且つＣＣＤカメラ６，７毎に独立に設けられているので，ラインスキャン型ＣＣＤ６ａ，７ａの受光感度のバラツキや被測定対象物１０の反射特性の相違及び動揺等によって受光光量が変化してもＣＣＤカメラ６，７の出力を一定に高速で制御することができる。したがって，後続の距離演算部１５での処理を安定して行うことができる。
【００４２】
次にこのように安定化されたカメラ出力信号ｓ１，ｓ２から距離を求める距離演算部１５での処理について図４，図５を参照して説明する。距離演算処理は左右のＣＣＤカメラ６，７について同様であるので，一方のＣＣＤカメラ６について説明する。また，複数のレーザビーム３は３本とし，このレーザビーム３の谷部Ａ，Ｂ２ヶ所の情報から２箇所の距離情報を独立に求めるが，この谷部Ａ，Ｂの処理も同様である。
【００４３】
まずこの距離演算処理の基本的な考え方について説明する。従来は３本のレーザビーム３の３箇所の山形の明部の波形の位置情報から距離を求めたが，本発明では，複数のレーザビーム３のビーム間の暗部，即ち谷部Ａ，Ｂ２箇所の位置情報から距離を求める。
【００４４】
この理由は，明部は表面の反射特性の影響によってビームのプロフィールが多様に変化するため，素子分解能以下の距離演算を行っても精度の向上が期待できないが，逆にこの谷部Ａ，Ｂの波形は明部に比べ比較的安定しているので，表面の反射特性の影響があっても精度の向上が可能であることによる。
【００４５】
また，この距離演算は従来ビームプロフィールに近似したフィルタ関数（前述したＱ（ｚ））との積和演算処理を行って求めたが，本発明では，谷部のプロフィールを曲線で近似しその極小値を求めるようにしている。したがって，距離校正点毎のフィルタ関数を設ける必要がないので，校正が容易で校正作業も短時間で行える。
【００４６】
このような考え方に基づいた本発明の距離演算処理の詳細について図４及び図５を参照しながら説明する。先の図１で説明した複数のレーザビーム３のカメラからの出力信号ｓ０１はＡＤＣ１１でデジタル化されたカメラ出力信号ｓ１に変換されて距離演算部１５に送られる。距離演算部１５は，パソコン等のコンピュータ機能をもつ装置でソフトウエアによって後述する機能の処理を行っている。
【００４７】
まず図５（ａ）に示す複数のレーザビーム３の走査信号からレーザビーム３の谷部Ａ，Ｂの最小値検出処理が行なわれる（図４における１５１）。この処理はレーザビーム３のプロファイルのピーク値とそのアドレスＡ０が記憶される。さらにこのアドレスＡ０の左右において最小となるアドレスＡ４，Ｂ４とその最小値が抽出記憶される。
【００４８】
次に最小値近傍のデータ抽出処理が行なわれる（１５２，１６２）。この処理によって，各々の谷部Ａ，Ｂの形状を近似できる所定の最小値近傍のデータＡ１乃至Ａ７とＢ１乃至Ｂ７が抽出される。
【００４９】
抽出された最小値近傍のデータからこの谷部の近似曲線が近似曲線演算処理される（１５３，１６３）。この処理に付いては詳細を後述する。近似曲線処理された（１５３，１６３）後，その近似曲線の極小値Ｘ６ａｐ，Ｘ６ｂｐを谷部極小値演算処理で求め（１５４，１６４），この極小値Ｘ６ａｐ，Ｘ６ｂｐの位置情報と距離校正テーブル１５５，１６５とから，後述する距離演算処理を行う（１５６，１６６）。
【００５０】
さらに，この距離演算処理１５６，１６６の出力Ｌ６ａ，Ｌ６ｂ及び他方のＣＣＤカメラ７によって求められる出力Ｌ７ａ，Ｌ７ｂとの加算平均演算処理を行って（１５７）１点の距離測定値出力とする。
【００５１】
次に谷部Ａ，Ｂの近似曲線を求める近似曲線演算処理１５３，１６３の例について谷部Ａの場合について図５（ｂ）を参照して説明する。谷部Ｂの処理はＡ部と同様であるので説明を省略する。
【００５２】
この谷部Ａを近似する座標として横軸をラインスキャン型ＣＣＤ６ａのアドレスに，縦軸を出力に対応させ，谷部Ａの最小値Ａ４のアドレス近傍前後のデータを所定のロジックによって近似する曲線の次数に対応させて，所定のデータ点数を選定する。
【００５３】
そして，この近似曲線方程式を解いて，さらにこの近似曲線の微分値がゼロとなる極小値の座標Ｘａｐ（Ｘｂｐ）を求める。図５（ｂ）は，２次曲線近似する場合を示し，最小値の点ｐ２の前後に各１点ｐ１，ｐ３を選定した場合を図示している。
【００５４】
このとき，前後の点ｐ１，ｐ３のデータの選定は，谷部Ａの形状を近似しやすいサンプリング点とするため，最小値の点ｐ２より所定の値α以上大きく，且つ点ｐ２に最も近いアドレスのデータを選ぶようなロジックとしておく。このｐ１乃至ｐ３の３点のデータから２次曲線を求め，求めた２次曲線から微分値がゼロとなるＸ軸の位置Ｘａｐを所定の分解能で演算により求める。このような曲線近似方法によって，素子分解能以下の分解能の距離が精度良く簡単に求められる。
【００５５】
次に，距離校正テーブル１５５，１６５と谷部極小値演算処理１５４，１６４の谷部Ａ，Ｂの極小値（Ｘａｐ，Ｘｂｐ）出力とから，夫々の谷部Ａ，Ｂの距離Ｌ６ａ，Ｌ６ｂを求める距離演算処理が行なわれる（１５６，１６６）。この距離校正について，図６に示す校正テーブル及び図７に示す構成演算説明図を参照して説明する。
【００５６】
例えば，校正テーブル図６は真値となる校正距離L（ｎ）を0.6ｍｍピッチで０〜１７９．４ｍｍまで変え，この時のＣＣＤカメラ６，７の距離データ３００点を谷部Ａ，Ｂ各夫々に対して予め作成しておく。ＣＣＤカメラ６，７からはこの距離に対応するカメラの距離データＸ６ａｐ乃至Ｘ７ｂｐが４グループ記憶される。そして，測定データとして前述した曲線近似によって極小値Ｘ６ａｐ乃至Ｘ７ｂｐが求まると，距離演算処理１５６，１６６では直線近似法によりＣＣＤ素子の分解能以下の距離データＬ６ａ乃至Ｌ７ｂが下記演算式で求まる。
【００５７】
例えば，この演算式は図７に示す関係から，下記演算式で表される。
【００５８】
【数２】
その結果，ＣＣＤ素子による分解能以下の距離精度が確保される。
【００５９】
さらにＣＣＤカメラ6とＣＣＤカメラ７の距離データＬ６ａ乃至Ｌ７ｂを加算平均処理１５７で加算平均して距離出力とする。したがって，温度によって複数のレーザビーム3の光軸の位置がずれた場合でも，左右のＣＣＤカメラ6，7のデータが互いに逆方向に増減するので加算平均処理１５７によってこの誤差が相殺される。
【００６０】
（第２の実施の形態）
本発明による第２の実施の形態は，第１の実施の形態で説明した距離検出装置を利用して，移動する鋼板の厚さを測定する厚さ測定装置に応用した場合の例である。
【００６１】
図８乃至図１０を参照してこの厚さ測定装置を説明する。
【００６２】
図８は，厚さ測定装置の原理及び全体の構成を説明する図である。まず，厚さ測定の原理をこの図を参照して説明する。被測定対象物は，紙面に直角方向に移動する厚さｔ，幅ｗの厚板１０ａである。この厚板１０ａは，距離Ｌをもって対向するＣ型フレーム１ｃ内の空間に配置され，またＣ型フレーム１ｃ上に固定配置された距離検出装置１Ｔ及び１Ｂによって，厚板１０ａの，夫々の表面距離検出部１Ｔ，１Ｂとの距離Ｌｔ，Ｌｂを測定する。
【００６３】
そして，厚板の厚さｔを演算によって求める。即ち，
【数３】
ｔ＝Ｌ−（Ｌｔ＋Ｌｂ）・・・（３）
から厚さｔが求められる。
【００６４】
次にこの厚さ測定装置の構成について説明する。この厚さ測定装置はＣ型フレーム１ｃの対向する腕部１ｃ１，１ｃ２に夫々搭載された２台の距離検出部１Ｔ及び１Ｂと，この距離検出部１Ｔ及び１Ｂからの信号ｓ１，ｓ２から厚板１０ａの片方の表面との距離を求める距離演算部１５Ｔ，１５Ｂと，厚板１０ａの傾斜による厚さ測定誤差を補正する傾斜補正処理部１６Ｔ，１６Ｂ及び距離演算部１５Ｔ，１５Ｂの出力と傾斜補正処理部１６Ｔ，１６Ｂとで求めた厚板１０ａの鋼板の傾斜角とから厚さ演算を行う厚さ測定演算部２０により構成される。
【００６５】
傾斜補正処理部１６Ｔ，１６Ｂは厚板１０ａの傾斜を複数のレーザビーム３のビームパターンの幅形状の変化と，前述したＣＣＤカメラ６，７の信号の谷部Ａ，Ｂの信号レベルの変化から鋼材の傾斜角度を求める傾斜補正校正テーブル１６Ｔａ，１６Ｂａを作成し，詳細を後述する測定したレーザビームの３のパターンの幅と谷部Ａ，Ｂの信号レベルとから厚板１０ａの傾斜角を求め，厚さ測定演算部２０で厚さ傾斜補正演算を行うものである。
【００６６】
次にこの傾斜補正処理部１６Ｔ，１６Ｂの詳細について図９と図１０を参照して説明する。図９（ａ）はＣＣＤカメラ６，７の光学系の設定と厚板の傾斜を定義する図である。ＣＣＤカメラ６，７はｘ−ｙ平面に配置され，複数のレーザビーム３は厚板１０ａの厚さを測定するｙ軸上で厚板１０ａの表面に垂直に落射されている。
【００６７】
x軸は厚板１０ａの幅方向で，ｚ軸は厚板１０ａの移動方向である。また，幅方向における厚板１０ａの傾斜角度をΔθｘ，移動方向の傾斜角度をΔθｚで示している。この光学設定から図９（ｂ）に示す様に厚板１０ａの姿勢が傾斜すると，傾斜角度分見かけ上厚く測定される。即ちｘ−ｙ平面でΔθｘ傾斜すると１／ＣＯＳ（Δθｘ）倍厚く測定される。従ってこの傾斜角度Δθｘを測定して誤差を補正する。
【００６８】
まず，厚板１０ａが幅方向に傾斜した時の傾斜角度の検出方法について説明する。図９（ｃ）は，幅方向にΔθｘ傾斜した時の測定原理の説明図である。横軸は厚板１０ａの幅方向（ｘ軸）で，縦軸はレーザビーム３の落射光軸方向ｙ軸で,このときのＤｂは複数のレーザビーム３の幅寸法である。
【００６９】
厚板１０ａが傾斜してない時レーザビーム３の幅Ｄｂは,受光角度θｒ方向でこのレーザビーム３を受光するＣＣＤカメラ６，７においては,夫々Ｄ６,Ｄ７の幅が検出される。ここで厚板１０ａが図に示す方向にΔθｘ傾斜するとＣＣＤカメラ６においてはΔＤ６分レーザビーム３の幅が大きく検出され，ＣＣＤカメラ７においてはΔＤ７分レーザビーム３の幅が小さく検出される。
【００７０】
このとき厚板１０ａの傾斜角度Δθｘとレーザビーム３の幅の変化には（４）式の関係がある。
【００７１】
【数４】
ΔＤ６（ΔＤ７）＝Ｄｂ・ｓｉｎθｒ・ｔａｎ（Δθｘ）・・・（４）
従って,レーザビーム３の幅と傾斜角Δθｘの関係を予め測定し,傾斜補正校正テーブル１６Ｔａ，１６Ｔｂを作成しておけば，レーザビーム３の幅から傾斜角度Δθｘが求まる。このとき,レーザビーム３の幅は,距離演算部１５Ｔ，１５Ｂの処理の説明で前述したレーザビーム３の谷部Ａ，Ｂの夫々の極小値間の距離から求める様にしておく。
【００７２】
次に，図１０を参照して厚板１０ａが移動方向にΔθｚ変動した時の傾斜角度の検出方法について説明する。図１０（ａ）は厚板１０ａが傾斜していないとき,ラインスキャン型ＣＣＤ６ａ（７ａ）の受光面に結像されたレーザビーム３の像である。ΔＬ×ΔＷはラインスキャン型ＣＣＤ６ａの１素子の寸法で,Ａ４,Ｂ４は谷部Ａ，ＢのＣＣＤカメラ６の信号が最小値であるアドレスを示す。
【００７３】
このとき,ＣＣＤカメラ６（７）の信号の波形を図１０（ｂ）に示す。Ａ３乃至Ａ５,Ｂ３乃至Ｂ５はＣＣＤカメラ６（７）の信号が最小値を示す前後の１素子のアドレスを示す。
【００７４】
図１０（ｃ），（ｄ）は厚板１０ａが移動方向（ｚ軸方向）にｘ−ｚ平面に対してΔθｚ傾斜した時の複数のレーザビーム３の像とＣＣＤカメラ信号６（７）の信号を示す。図１０（ｃ）に示す様に，ｘ−ｙ軸平面にあるＣＣＤカメラ６，７の結像面でのレーザビームは傾斜した像となり,このため谷部Ａ，Ｂの信号レベルが増加するように光を受ける。この谷部Ａ，Ｂの信号レベルは傾斜角度Δθｚに略比例して持ち上がるようになる。このときのＣＣＤカメラ６，７の信号は同じ方向で増加する。
【００７５】
前述した幅方向の傾斜と同様に,移動方向の傾斜についても傾斜角度と谷部Ａ，Ｂの信号の加算値との関係を傾斜補正校正テーブル１６Ｔａ,１６Ｔｂとして予め記憶しておき，測定時に谷部Ａ，Ｂの信号レベルを求め,この信号レベルに対応する傾斜角度Δθzを求める。
【００７６】
谷部Ａ，Ｂの信号レベルは，ＣＣＤカメラ６，７双方の谷部Ａ，Ｂから２点片面で４点測定可能であるが，データ点数を増やせばデータのバラツキが軽減されるので加算値で傾斜補正することが望ましい。
【００７７】
また谷部Ａ，Ｂのデータとしては図１０（ｄ）に示す様に最小値近傍のＡ３乃至Ａ５とＢ３乃至Ｂ５で代表すれば充分である。
【００７８】
この傾斜補正処理は図８の構成では両面独立に検出したが片面のみでも求めた傾斜角度で傾斜補正することも可能である。
【００７９】
以上の様にして，表裏の距離演算部１５Ｔ,１５Ｂの信号と傾斜補正処理部１６Ｔ,１６Ｂで求めた傾斜角度信号が厚さ測定演算部２０に送られ,ここで（３）式で示した厚さ演算と傾斜角度補正演算が行なわれる。
【００８０】
以上の構成による厚さ測定装置においては，厚板１０ａの傾斜角度を距離検出部１Ｔ,１Ｂの信号から同時に検出できるので,傾斜角度を検出するために新たな装置を設置する必要がなく，設置スペースを大きくする必要がない。また厚さ測定個所の信号から傾斜角度を同時にリアルタイムで補正するので補正制度が向上する。
【００８１】
【発明の効果】
以上説明したように，本発明によれば，被測定対象物表面の光学的特性の影響を受けにくい受光光量制御手段と距離演算手段を備え，且つ被測定対象物の測定個所の姿勢を同時に測定し，姿勢により生じる厚さ測定誤差を補正するようにしたので高精度な距離検出装置，厚さ測定装置及びその方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態を示す距離検出装置の構成図。
【図２】 本発明の実施の形態の複数のビームの形状（ａ）とそのカメラ出力（ｂ）の説明図。
【図３】 本発明の実施の形態の受光光量制御手段の構成図。
【図４】 本発明の実施の形態の距離演算処理の方法の説明図。
【図５】 本発明の実施の形態の谷部の形状の近似方法の説明図。
【図６】 距離校正テーブルの例
【図７】 距離校正式（１）の説明図。
【図８】 本発明の第２の実施の形態の距離検出装置を利用した厚さ測定装置の構成図。
【図９】 被測定対象物の姿勢と測定ビーム幅寸法の変化を説明する図。
【図１０】 被測定対象物の姿勢とカメラ出力のレベルの変化を説明する図。
【図１１】 従来の距離検出装置の説明図。
【符号の説明】
１ 距離検出部
１Ｔ，１Ｂ 距離検出部
１ｃ Ｃフレーム
１ｃ１，１ｃ２ 腕部
２ 光源部
２ａ コリメータレンズ
３ レーザビーム
４，５ 受光レンズ
６，７ ＣＣＤカメラ
６ａ，７ａ ラインスキャン型ＣＣＤ
７ｂ アンプ
７ｃ ＣＣＤ走査回路
８，９ ＡＧＣ
９ａ，９ｂ 面積値演算回路
９ｃ 比較回路
９ｄ 露光時間制御回路
１０ 被測定対象物
１０ａ 厚板
１１，１２ ＡＤＣ
１５，１５Ｔ，１５Ｂ 距離演算部
１６Ｔ，１６Ｂ 傾斜補正処理部
１６Ｔａ，１６Ｔｂ 傾斜補正校正テーブル
２０ 厚さ測定演算部
１５１ 谷部最小値検出処理
１５２，１６２ 最小値近傍のデータ抽出処理
１５３，１６３ 谷部近似曲線演算処理
１５４，１６４ 谷部極小値演算処理
１５５，１６５ 距離校正テーブル
１５６，１６６ 距離演算処理
１５７ 平均化演算処理
３０１ 距離検出部
３０２ コリメータレンズ
３０３ レーザビーム
３０４,３０５ 受光レンズ
３０６,３０７ ＣＣＤカメラ
３０６ａ,３０７ａ ＣＣＤ
３１１， ３１２ ＡＤＣ
３１５ ＭＣ
【発明の属する技術分野】
本発明は，距離測定装置，これを利用した厚さ測定装置及びその方法に係わり，特に高速で動揺して移動する鋼板などの形状をレーザ光線を用いた距離検出器を使用して測定する距離検出装置，厚さ測定装置及びその方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光学式の３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対象物の表面形状の測定に使用されているが，最近では鋼板などの高速で移動する被測定対象物の厚さや形状の測定にも広く応用されて来ている。特に厚板製造プロセスにおいては，従来γ線による厚さ測定を行っていたが，光学方式によれば放射線のような特別の安全管理が不要であることからもその用途が拡大している。
【０００３】
しかし，光学式であるため表面の反射率の変化や，散乱特性等の変化によって反射光の強さや位置が正確に求まらないため,高精度な距離測定,厚さ測定の結果は満足できるものではなかった。
【０００４】
図１１を参照してこのような３角測量方式による従来方法を説明する。この距離測定装置は，距離検出部３０１，ＣＣＤカメラ信号をデジタル信号ｓ３０１，ｓ３０２に変換するためのＡＤＣ（アナログデジタルコンバータ）３１１，３１２及び距離演算を行うＭＣ（マイクロコンピュータ）３１５とから構成されている。（例えば，特許文献１参照。）。
【０００５】
この距離検出部３０１は，被測定対象物１０の表面において複数レーザビーム３０３を所定のビーム寸法に分割形成し,被測定対象物１０の表面に垂直落射させる光源３０１ａ及びコリメータレンズ３０２と，被測定対象物１０の表面からのビーム３０３の反射光の位置を同じ受光角度で受光するように配置された２台のＣＣＤカメラ３０６，３０７とから構成される。
【０００６】
また，ＣＣＤカメラ３０６，３０７は夫々の受光レンズ３０４，３０５，ＣＣＤ素子３０６ａ，３０７ａ及び図示しないＣＣＤカメラ３０６,３０７を制御する周辺回路とから構成されている。
【０００７】
この構成において被測定対象物１０の表面Ａ点に照射された複数のビーム３０３は，ＣＣＤ素子３０６ａ，３０７ａの点ａ１，ａ２に夫々結像されている。ここで被測定対象物１０の表面がＢ点に移動すると，落射されたビーム３０３の位置はＣＣＤ素子３０６ａ，３０７ａの点ｂ１，ｂ２に夫々同じ方向に移動した位置に結像される。
【０００８】
したがってＣＣＤカメラ３０６，３０７の出力信号の位置変化をＭＣ３１５によって演算処理し，さらに夫々の演算処理出力を加算平均処理することによって距離を求めている。
【０００９】
通常，距離の測定分解能は距離測定の光学系によって所定の値が設定される。例えば，１００ｍｍの測定範囲を１０００素子のＣＣＤカメラ３０６，３０７で測定する場合の測定分解能は０．１ｍｍ／素子となるが，さらに詳細な分解能が必要となる場合は，ＣＣＤカメラ３０６，３０７の素子数を増やすか，又は素子以上の分解能を確保するための補正演算が行なわれる。
【００１０】
この補正演算の方法は，複数のレーザビーム３０３のＣＣＤ素子３０６ａ，０７ａ上での結像位置（ｚ）に対応する光量データＰ（ｚ）に対して，複数の山形状の関数Ｑ（ｚ）との積和演算を，関数Ｑ（ｚ）の位置ｚを（ｋ−ｚ）として，ｚの全範囲にわたって変化させて行い，積和演算値Ｒ（ｋ）を求める。即ち,
【数１】
Ｒ（ｋ）＝ΣＰ（ｚ）・Ｑ（ｋ−ｚ）・・・（１）
そして，ずらした量ｋを必要な範囲に対して行い，その結果,最も積和演算値Ｒ（ｋ）が高い値を示す素子の位置ｚを１素子以下の詳細値として２次関数又はスプライン関数等に近似して求める方法である。
【００１１】
この構成においては，複数のレーザビームとすることによって，同じ個所の測定回数を増やすことによって測定値のバラツキを平均化し精度向上を図っている。
【００１２】
また，落射される鉛直方向のレーザビームが温度変化による被測定表面で位置が移動した場合や，表面反射率の変動によりレーザビームの形状が変化した場合には，あたかも被測定対象物との距離が変動した様に見なされるが,この場合の測定誤差は，左右のＣＣＤカメラ３０６，３０７で互いに逆方向の距離変化として検出されるので，２台ＣＣＤカメラ３０６，３０７の出力を前述したように加算平均処理することにより除去できる。
【００１３】
そして，関数Ｑ（ｚ）を正常表面から結像されたレーザビームに相似の形状とすることによってレーザビーム形状の変化を伴う外乱を削除し，最も相関の高い位置を求めるようにして１素子以上の分解能の精度を達成する様にしている。
【００１４】
また，このような測定原理に基づく距離検出装置の他の実施事例として，被測定対象物の表面並びに裏面に対向して複数台を固定配置し，被測定対象物の厚さと傾斜角度を同時に測定して，厚さ測定時の傾斜による測定誤差を補正する厚さ測定装置も開示されている。
【００１５】
【特許文献１】
特開平８−３０４０６８号公報
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
前述した三角測量を測定原理とする距離検出装置を用いた厚さ測定装置は，複数のレーザビームからなる微小なレーザビームを光源として使用できるので，空間分解能が良く，応答速度も速いことから用途が拡大している。
【００１７】
この様な距離検出装置の用途として，例えば，厚板等の大きな形状の鋼板の厚さ測定装置が有る。この種の厚板は，厚さが５ｍｍ乃至１２５ｍｍ，幅が１ｍ乃至５ｍ，長さが５ｍ乃至２０ｍの大きな形状で，従来，±０．１％の厚さ精度を要求されていたものが，近年，±０．０５％以下の２倍近い厚さの精度の向上が要求されている。
【００１８】
しかしながら，表面の光学的な特性が多様に変化する被測定対象物の厚さ測定装置として前述したような距離検出装置を使用した場合には,次のような問題があり高精度で測定を行うことが困難であった。即ち，
１）被測定対象物の表面反射率の変化が測定場所で大きく変化し，拡散光を受光する検出カメラの信号が安定化されないため測定が行えない場合がある。
【００１９】
２）関数Ｑ（ｚ）は，測定距離によって結像される像の大きさが変わるため距離校正位置毎に形状の異なるものを容易する必要があり，距離補正演算に使用する校正テーブルの作成が複雑で,校正作業にも時間がかかる。
【００２０】
３）複数のレーザビームの反射像Ｐ（ｚ）の形状が多様に変化し，積和演算値Ｒ（ｋ）のピーク位置の変化が大きく精度が向上しない。
【００２１】
４）被測定対象物の厚さ測定に応用した場合，被測定対象物の傾斜角による厚さ測定誤差を補正するために傾斜方向にも距離検出装置を配置する必要があり設備が大型化し,設置場所が限定される。
【００２２】
本発明は上記問題点を解決するためになされたもので，被測定対象物表面の光学的な反射特性の変化を受けにくく,且つ被測定対象物の姿勢の動揺に対しても同時に測定誤差の補正が行える高精度な距離検出装置，厚さ測定装置及びその方法を提供することを目的とする。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために，本発明の距離検出装置，厚さ測定装置及びその方法は，被測定対象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，被測定対象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，
前記被測定対象物に対して前記光源と前記多分割光検出手段とを所定の位置に固定設定する設定手段と，前記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，前記受光光量制御手段で制御された前記多分割光検出手段の出力信号の前記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対象物と前記設定手段との間の距離を演算により求める距離演算手段とを備えたことを特徴とする。
【００２４】
本発明によれば，ＣＣＤカメラの受光光量制御手段と，受光された複数のレーザビーム像の谷部の形状から距離を求める距離演算手段とを備えたので，被測定対象物の表面の光学的特性の影響を受けにくい高精度な距離検出装置を提供できる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
（第１の実施の形態）
以下，本発明による第１の実施の形態について図１乃至図７を参照して説明する。まず，全体の概略構成と距離検出部１の光学系の設定条件を説明し，次に，本発明の主要要素である受光光量制御手段と距離を求める距離演算処理部１５について詳述する。
【００２６】
図１は第１の実施の形態の構成図である。距離検出装置は，２台のＣＣＤカメラ６，７を固定内蔵する距離検出部１，ＣＣＤカメラ６，７からの検出信号ｓ０１，ｓ０２をデジタル化するＡＤＣ（アナログデジタル変換回路）１１，１２，ＣＣＤカメラ６，７の受光光量を一定に制御するＡＧＣ（オートゲインコントロール回路）８，９及び両ＡＤＣ１１，１２のカメラ出力信号ｓ１，ｓ２から距離を求める距離演算部１５とから構成される。
【００２７】
距離検出部１は，２台のＣＣＤカメラ６，７と，図示しないレーザ等の光源及びコリメータレンズ２ａを内蔵する光源部２とから構成される。またＣＣＤカメラ６，７は，受光レンズ４，５，ラインスキャン型ＣＣＤ６ａ，７ａ及びラインスキャン型ＣＣＤ６ａ，６ｂの図示しない周辺回路とから構成される。
【００２８】
この距離検出部１の光学系は，図１に示す様に被測定対象物１０と所定の距離を持って設定配置され，光源部２において楕円状の複数のレーザビームを被測定対象物１０に鉛直方向から照射し，この反射光をレーザビームの左右のＣＣＤカメラ６，７で受光する。このＣＣＤカメラ６，７は，複数のレーザビーム３の光軸に対して同一平面上において左右対称な受光角度θｒの位置に設定配置され，被測定対象物１０の表面に照射されたＡ点の像を，ラインスキャン型ＣＣＤ６ａ，７ａの受光面の点ａ１，点ａ２に夫々結像する。
【００２９】
被測定対象物１０の表面がＡ点からＢ点に変化すると，複数のレーザビーム３の結像点は夫々ｂ１，ｂ２点に移動する。この移動範囲，即ち距離測定範囲に対して，所定の分解能が得られる様に，ラインスキャン型ＣＣＤ６ａ，７ａの素子数を選択する。また，受光レンズ４，５は被測定対象物１０との対物距離と前述した分解能とから光学倍率を決定し，所定の受光レンズ４，５を選択する。
【００３０】
また受光角度θｒは，主に被測定対象物１０の表面から拡散反射される複数のレーザビーム３の受光光量が所定のエネルギーで得られるように設定しておく。受光角度が４５度以上になると，被測定対象物１０の姿勢や表面粗度の影響で極端に変動するので，受光角度は４５度以下の範囲で選択することが望ましい。
【００３１】
複数のレーザビーム３の形状は，被測定対象物１０表面においてラインスキャンＣＣＤ６ａ，６ｂの測定視野寸法よりも大きな形状になる様に光源部１０のコリメータ倍率を設定しておく。
【００３２】
この様にして設定された複数のレーザビーム３とＣＣＤカメラ６，７からの出力信号の関係を図２に示す。図２（ａ）のｍ，ｎ，ｐは，ＣＣＤカメラ７のラインスキャン型ＣＣＤ７ａの表面に結像された複数のレーザビーム３で，図２（ｂ）は，この複数のレーザビーム３をラインスキャン型ＣＣＤ７ａによって走査したときの各素子の出力を示したものである。
【００３３】
図２（ａ）の矩形列はラインスキャン型ＣＣＤ７ａの各素子を示し，列方向は図１におけるｙ軸方向，即ち被測定対象物１０の距離の測定方向に，矩形の長軸方向は図１における紙面と直角方向に対応している。そして，複数のレーザビーム３の長軸方向の中心を走査するようにＣＣＤカメラ６，７の光軸が設定されている。
【００３４】
ラインスキャンＣＣＤ７ａの素子数は，１０００乃至５０００ｂｉｔ，また各素子形状は１５μｍ×１５μｍ程度のものが使用され，そして前述した光学系の倍率によって分解能が決定される。例えば，光学系の倍率を１／１０とすると被測定対象物１０表面での分解能は１５０μｍとなる。
【００３５】
複数のレーザビーム３の形状は，通常，図示したような光源部２のレーザ光学系のスリットとコリメータによって楕円形状に形成され，ＣＣＤカメラ７の出力は，複数のレーザビーム３が照射された個所の表面が正常な拡散面であれば，図示した様なレーザビームのパワー分布形状に近似した形状を示す。即ち，レーザビーム３のパワーの最も強いピーク位置はＡ０で，レーザビーム３の弱い位置はＡ４，Ｂ４となり，そのエンベロープはガウス分布に近い形状となっている。
【００３６】
次に，この様に設定されたＣＣＤカメラ７の出力を一定に制御する受光光量制御手段について図３を参照して説明する。この受光光量制御手段の構成は，ＣＣＤカメラ７と，このカメラの信号を変換するＡＤＣ１２と，ＣＣＤカメラ７の露光時間を制御するＡＧＣ９とから構成される。
【００３７】
ＣＣＤカメラ７は受光レンズ５と，受光レンズ５の結像面に配置されたラインスキャン型ＣＣＤ７ａと，ラインスキャン型ＣＣＤ７ａの出力を増幅するアンプ７ｂと，ラインスキャン型ＣＣＤ７ａの露光時間及び走査を制御する走査露光制御回路７ｃとから構成される。ラインスキャン型ＣＣＤ７ａには，走査時間は一定で，蓄積する受光光量の露光時間を制御するゲートを持っているものと，走査周期を可変して蓄積時間を変えるものとがあるが，前者のタイプの方が走査時間が変らないので望ましい。
【００３８】
また，ＡＧＣ９はＡＤＣ１２により検出信号をデジタル化されたＣＣＤカメラ７の出力信号の積分値，即ち面積を求める面積値演算回路９ａ，この面積の制御目標値を設定する面積値設定回路９ｂ，前記面積演算回回路９ａの出力と面積値設定回路９ｂとの出力の差を求める比較回路９ｃ及び比較回路９ｃの出力からＣＣＤカメラの７の露光時間を制御する露光時間制御回路９ｄとから構成され，露光時間制御回路９ｄの出力はＣＣＤカメラ７の走査露光制御回路７ｃに入力される。
【００３９】
次に，この様に構成された受光光量制御手段の動作について説明する。複数のレーザビーム３のパワーや被測定対象物１０の表面の反射率が変化してＣＣＤカメラ７から受光された光量が増減すると，面積値演算回路９ａから検出される信号の面積値が増減する。この面積値と，面積値設定回路９ｂで設定される値とを比較してその差を露光時間制御回路９ｄに送る。
【００４０】
露光時間制御回路９ｄでは，この面積値の差に相当するＣＣＤカメラ７の露光時間を走査露光制御回路７ｃにフィードバックし受光量を制御する。ＣＣＤカメラ７の露光時間とＣＣＤカメラ７の出力信号の面積は比例関係にあるので走査毎の修正動作が可能で，露光時間の制御応答は高速化することができる。
【００４１】
この様に構成された受光光量制御手段は，受光信号の波形を乱すことがなく，且つＣＣＤカメラ６，７毎に独立に設けられているので，ラインスキャン型ＣＣＤ６ａ，７ａの受光感度のバラツキや被測定対象物１０の反射特性の相違及び動揺等によって受光光量が変化してもＣＣＤカメラ６，７の出力を一定に高速で制御することができる。したがって，後続の距離演算部１５での処理を安定して行うことができる。
【００４２】
次にこのように安定化されたカメラ出力信号ｓ１，ｓ２から距離を求める距離演算部１５での処理について図４，図５を参照して説明する。距離演算処理は左右のＣＣＤカメラ６，７について同様であるので，一方のＣＣＤカメラ６について説明する。また，複数のレーザビーム３は３本とし，このレーザビーム３の谷部Ａ，Ｂ２ヶ所の情報から２箇所の距離情報を独立に求めるが，この谷部Ａ，Ｂの処理も同様である。
【００４３】
まずこの距離演算処理の基本的な考え方について説明する。従来は３本のレーザビーム３の３箇所の山形の明部の波形の位置情報から距離を求めたが，本発明では，複数のレーザビーム３のビーム間の暗部，即ち谷部Ａ，Ｂ２箇所の位置情報から距離を求める。
【００４４】
この理由は，明部は表面の反射特性の影響によってビームのプロフィールが多様に変化するため，素子分解能以下の距離演算を行っても精度の向上が期待できないが，逆にこの谷部Ａ，Ｂの波形は明部に比べ比較的安定しているので，表面の反射特性の影響があっても精度の向上が可能であることによる。
【００４５】
また，この距離演算は従来ビームプロフィールに近似したフィルタ関数（前述したＱ（ｚ））との積和演算処理を行って求めたが，本発明では，谷部のプロフィールを曲線で近似しその極小値を求めるようにしている。したがって，距離校正点毎のフィルタ関数を設ける必要がないので，校正が容易で校正作業も短時間で行える。
【００４６】
このような考え方に基づいた本発明の距離演算処理の詳細について図４及び図５を参照しながら説明する。先の図１で説明した複数のレーザビーム３のカメラからの出力信号ｓ０１はＡＤＣ１１でデジタル化されたカメラ出力信号ｓ１に変換されて距離演算部１５に送られる。距離演算部１５は，パソコン等のコンピュータ機能をもつ装置でソフトウエアによって後述する機能の処理を行っている。
【００４７】
まず図５（ａ）に示す複数のレーザビーム３の走査信号からレーザビーム３の谷部Ａ，Ｂの最小値検出処理が行なわれる（図４における１５１）。この処理はレーザビーム３のプロファイルのピーク値とそのアドレスＡ０が記憶される。さらにこのアドレスＡ０の左右において最小となるアドレスＡ４，Ｂ４とその最小値が抽出記憶される。
【００４８】
次に最小値近傍のデータ抽出処理が行なわれる（１５２，１６２）。この処理によって，各々の谷部Ａ，Ｂの形状を近似できる所定の最小値近傍のデータＡ１乃至Ａ７とＢ１乃至Ｂ７が抽出される。
【００４９】
抽出された最小値近傍のデータからこの谷部の近似曲線が近似曲線演算処理される（１５３，１６３）。この処理に付いては詳細を後述する。近似曲線処理された（１５３，１６３）後，その近似曲線の極小値Ｘ６ａｐ，Ｘ６ｂｐを谷部極小値演算処理で求め（１５４，１６４），この極小値Ｘ６ａｐ，Ｘ６ｂｐの位置情報と距離校正テーブル１５５，１６５とから，後述する距離演算処理を行う（１５６，１６６）。
【００５０】
さらに，この距離演算処理１５６，１６６の出力Ｌ６ａ，Ｌ６ｂ及び他方のＣＣＤカメラ７によって求められる出力Ｌ７ａ，Ｌ７ｂとの加算平均演算処理を行って（１５７）１点の距離測定値出力とする。
【００５１】
次に谷部Ａ，Ｂの近似曲線を求める近似曲線演算処理１５３，１６３の例について谷部Ａの場合について図５（ｂ）を参照して説明する。谷部Ｂの処理はＡ部と同様であるので説明を省略する。
【００５２】
この谷部Ａを近似する座標として横軸をラインスキャン型ＣＣＤ６ａのアドレスに，縦軸を出力に対応させ，谷部Ａの最小値Ａ４のアドレス近傍前後のデータを所定のロジックによって近似する曲線の次数に対応させて，所定のデータ点数を選定する。
【００５３】
そして，この近似曲線方程式を解いて，さらにこの近似曲線の微分値がゼロとなる極小値の座標Ｘａｐ（Ｘｂｐ）を求める。図５（ｂ）は，２次曲線近似する場合を示し，最小値の点ｐ２の前後に各１点ｐ１，ｐ３を選定した場合を図示している。
【００５４】
このとき，前後の点ｐ１，ｐ３のデータの選定は，谷部Ａの形状を近似しやすいサンプリング点とするため，最小値の点ｐ２より所定の値α以上大きく，且つ点ｐ２に最も近いアドレスのデータを選ぶようなロジックとしておく。このｐ１乃至ｐ３の３点のデータから２次曲線を求め，求めた２次曲線から微分値がゼロとなるＸ軸の位置Ｘａｐを所定の分解能で演算により求める。このような曲線近似方法によって，素子分解能以下の分解能の距離が精度良く簡単に求められる。
【００５５】
次に，距離校正テーブル１５５，１６５と谷部極小値演算処理１５４，１６４の谷部Ａ，Ｂの極小値（Ｘａｐ，Ｘｂｐ）出力とから，夫々の谷部Ａ，Ｂの距離Ｌ６ａ，Ｌ６ｂを求める距離演算処理が行なわれる（１５６，１６６）。この距離校正について，図６に示す校正テーブル及び図７に示す構成演算説明図を参照して説明する。
【００５６】
例えば，校正テーブル図６は真値となる校正距離L（ｎ）を0.6ｍｍピッチで０〜１７９．４ｍｍまで変え，この時のＣＣＤカメラ６，７の距離データ３００点を谷部Ａ，Ｂ各夫々に対して予め作成しておく。ＣＣＤカメラ６，７からはこの距離に対応するカメラの距離データＸ６ａｐ乃至Ｘ７ｂｐが４グループ記憶される。そして，測定データとして前述した曲線近似によって極小値Ｘ６ａｐ乃至Ｘ７ｂｐが求まると，距離演算処理１５６，１６６では直線近似法によりＣＣＤ素子の分解能以下の距離データＬ６ａ乃至Ｌ７ｂが下記演算式で求まる。
【００５７】
例えば，この演算式は図７に示す関係から，下記演算式で表される。
【００５８】
【数２】
【００５９】
さらにＣＣＤカメラ6とＣＣＤカメラ７の距離データＬ６ａ乃至Ｌ７ｂを加算平均処理１５７で加算平均して距離出力とする。したがって，温度によって複数のレーザビーム3の光軸の位置がずれた場合でも，左右のＣＣＤカメラ6，7のデータが互いに逆方向に増減するので加算平均処理１５７によってこの誤差が相殺される。
【００６０】
（第２の実施の形態）
本発明による第２の実施の形態は，第１の実施の形態で説明した距離検出装置を利用して，移動する鋼板の厚さを測定する厚さ測定装置に応用した場合の例である。
【００６１】
図８乃至図１０を参照してこの厚さ測定装置を説明する。
【００６２】
図８は，厚さ測定装置の原理及び全体の構成を説明する図である。まず，厚さ測定の原理をこの図を参照して説明する。被測定対象物は，紙面に直角方向に移動する厚さｔ，幅ｗの厚板１０ａである。この厚板１０ａは，距離Ｌをもって対向するＣ型フレーム１ｃ内の空間に配置され，またＣ型フレーム１ｃ上に固定配置された距離検出装置１Ｔ及び１Ｂによって，厚板１０ａの，夫々の表面距離検出部１Ｔ，１Ｂとの距離Ｌｔ，Ｌｂを測定する。
【００６３】
そして，厚板の厚さｔを演算によって求める。即ち，
【数３】
ｔ＝Ｌ−（Ｌｔ＋Ｌｂ）・・・（３）
から厚さｔが求められる。
【００６４】
次にこの厚さ測定装置の構成について説明する。この厚さ測定装置はＣ型フレーム１ｃの対向する腕部１ｃ１，１ｃ２に夫々搭載された２台の距離検出部１Ｔ及び１Ｂと，この距離検出部１Ｔ及び１Ｂからの信号ｓ１，ｓ２から厚板１０ａの片方の表面との距離を求める距離演算部１５Ｔ，１５Ｂと，厚板１０ａの傾斜による厚さ測定誤差を補正する傾斜補正処理部１６Ｔ，１６Ｂ及び距離演算部１５Ｔ，１５Ｂの出力と傾斜補正処理部１６Ｔ，１６Ｂとで求めた厚板１０ａの鋼板の傾斜角とから厚さ演算を行う厚さ測定演算部２０により構成される。
【００６５】
傾斜補正処理部１６Ｔ，１６Ｂは厚板１０ａの傾斜を複数のレーザビーム３のビームパターンの幅形状の変化と，前述したＣＣＤカメラ６，７の信号の谷部Ａ，Ｂの信号レベルの変化から鋼材の傾斜角度を求める傾斜補正校正テーブル１６Ｔａ，１６Ｂａを作成し，詳細を後述する測定したレーザビームの３のパターンの幅と谷部Ａ，Ｂの信号レベルとから厚板１０ａの傾斜角を求め，厚さ測定演算部２０で厚さ傾斜補正演算を行うものである。
【００６６】
次にこの傾斜補正処理部１６Ｔ，１６Ｂの詳細について図９と図１０を参照して説明する。図９（ａ）はＣＣＤカメラ６，７の光学系の設定と厚板の傾斜を定義する図である。ＣＣＤカメラ６，７はｘ−ｙ平面に配置され，複数のレーザビーム３は厚板１０ａの厚さを測定するｙ軸上で厚板１０ａの表面に垂直に落射されている。
【００６７】
x軸は厚板１０ａの幅方向で，ｚ軸は厚板１０ａの移動方向である。また，幅方向における厚板１０ａの傾斜角度をΔθｘ，移動方向の傾斜角度をΔθｚで示している。この光学設定から図９（ｂ）に示す様に厚板１０ａの姿勢が傾斜すると，傾斜角度分見かけ上厚く測定される。即ちｘ−ｙ平面でΔθｘ傾斜すると１／ＣＯＳ（Δθｘ）倍厚く測定される。従ってこの傾斜角度Δθｘを測定して誤差を補正する。
【００６８】
まず，厚板１０ａが幅方向に傾斜した時の傾斜角度の検出方法について説明する。図９（ｃ）は，幅方向にΔθｘ傾斜した時の測定原理の説明図である。横軸は厚板１０ａの幅方向（ｘ軸）で，縦軸はレーザビーム３の落射光軸方向ｙ軸で,このときのＤｂは複数のレーザビーム３の幅寸法である。
【００６９】
厚板１０ａが傾斜してない時レーザビーム３の幅Ｄｂは,受光角度θｒ方向でこのレーザビーム３を受光するＣＣＤカメラ６，７においては,夫々Ｄ６,Ｄ７の幅が検出される。ここで厚板１０ａが図に示す方向にΔθｘ傾斜するとＣＣＤカメラ６においてはΔＤ６分レーザビーム３の幅が大きく検出され，ＣＣＤカメラ７においてはΔＤ７分レーザビーム３の幅が小さく検出される。
【００７０】
このとき厚板１０ａの傾斜角度Δθｘとレーザビーム３の幅の変化には（４）式の関係がある。
【００７１】
【数４】
ΔＤ６（ΔＤ７）＝Ｄｂ・ｓｉｎθｒ・ｔａｎ（Δθｘ）・・・（４）
従って,レーザビーム３の幅と傾斜角Δθｘの関係を予め測定し,傾斜補正校正テーブル１６Ｔａ，１６Ｔｂを作成しておけば，レーザビーム３の幅から傾斜角度Δθｘが求まる。このとき,レーザビーム３の幅は,距離演算部１５Ｔ，１５Ｂの処理の説明で前述したレーザビーム３の谷部Ａ，Ｂの夫々の極小値間の距離から求める様にしておく。
【００７２】
次に，図１０を参照して厚板１０ａが移動方向にΔθｚ変動した時の傾斜角度の検出方法について説明する。図１０（ａ）は厚板１０ａが傾斜していないとき,ラインスキャン型ＣＣＤ６ａ（７ａ）の受光面に結像されたレーザビーム３の像である。ΔＬ×ΔＷはラインスキャン型ＣＣＤ６ａの１素子の寸法で,Ａ４,Ｂ４は谷部Ａ，ＢのＣＣＤカメラ６の信号が最小値であるアドレスを示す。
【００７３】
このとき,ＣＣＤカメラ６（７）の信号の波形を図１０（ｂ）に示す。Ａ３乃至Ａ５,Ｂ３乃至Ｂ５はＣＣＤカメラ６（７）の信号が最小値を示す前後の１素子のアドレスを示す。
【００７４】
図１０（ｃ），（ｄ）は厚板１０ａが移動方向（ｚ軸方向）にｘ−ｚ平面に対してΔθｚ傾斜した時の複数のレーザビーム３の像とＣＣＤカメラ信号６（７）の信号を示す。図１０（ｃ）に示す様に，ｘ−ｙ軸平面にあるＣＣＤカメラ６，７の結像面でのレーザビームは傾斜した像となり,このため谷部Ａ，Ｂの信号レベルが増加するように光を受ける。この谷部Ａ，Ｂの信号レベルは傾斜角度Δθｚに略比例して持ち上がるようになる。このときのＣＣＤカメラ６，７の信号は同じ方向で増加する。
【００７５】
前述した幅方向の傾斜と同様に,移動方向の傾斜についても傾斜角度と谷部Ａ，Ｂの信号の加算値との関係を傾斜補正校正テーブル１６Ｔａ,１６Ｔｂとして予め記憶しておき，測定時に谷部Ａ，Ｂの信号レベルを求め,この信号レベルに対応する傾斜角度Δθzを求める。
【００７６】
谷部Ａ，Ｂの信号レベルは，ＣＣＤカメラ６，７双方の谷部Ａ，Ｂから２点片面で４点測定可能であるが，データ点数を増やせばデータのバラツキが軽減されるので加算値で傾斜補正することが望ましい。
【００７７】
また谷部Ａ，Ｂのデータとしては図１０（ｄ）に示す様に最小値近傍のＡ３乃至Ａ５とＢ３乃至Ｂ５で代表すれば充分である。
【００７８】
この傾斜補正処理は図８の構成では両面独立に検出したが片面のみでも求めた傾斜角度で傾斜補正することも可能である。
【００７９】
以上の様にして，表裏の距離演算部１５Ｔ,１５Ｂの信号と傾斜補正処理部１６Ｔ,１６Ｂで求めた傾斜角度信号が厚さ測定演算部２０に送られ,ここで（３）式で示した厚さ演算と傾斜角度補正演算が行なわれる。
【００８０】
以上の構成による厚さ測定装置においては，厚板１０ａの傾斜角度を距離検出部１Ｔ,１Ｂの信号から同時に検出できるので,傾斜角度を検出するために新たな装置を設置する必要がなく，設置スペースを大きくする必要がない。また厚さ測定個所の信号から傾斜角度を同時にリアルタイムで補正するので補正制度が向上する。
【００８１】
【発明の効果】
以上説明したように，本発明によれば，被測定対象物表面の光学的特性の影響を受けにくい受光光量制御手段と距離演算手段を備え，且つ被測定対象物の測定個所の姿勢を同時に測定し，姿勢により生じる厚さ測定誤差を補正するようにしたので高精度な距離検出装置，厚さ測定装置及びその方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態を示す距離検出装置の構成図。
【図２】 本発明の実施の形態の複数のビームの形状（ａ）とそのカメラ出力（ｂ）の説明図。
【図３】 本発明の実施の形態の受光光量制御手段の構成図。
【図４】 本発明の実施の形態の距離演算処理の方法の説明図。
【図５】 本発明の実施の形態の谷部の形状の近似方法の説明図。
【図６】 距離校正テーブルの例
【図７】 距離校正式（１）の説明図。
【図８】 本発明の第２の実施の形態の距離検出装置を利用した厚さ測定装置の構成図。
【図９】 被測定対象物の姿勢と測定ビーム幅寸法の変化を説明する図。
【図１０】 被測定対象物の姿勢とカメラ出力のレベルの変化を説明する図。
【図１１】 従来の距離検出装置の説明図。
【符号の説明】
１ 距離検出部
１Ｔ，１Ｂ 距離検出部
１ｃ Ｃフレーム
１ｃ１，１ｃ２ 腕部
２ 光源部
２ａ コリメータレンズ
３ レーザビーム
４，５ 受光レンズ
６，７ ＣＣＤカメラ
６ａ，７ａ ラインスキャン型ＣＣＤ
７ｂ アンプ
７ｃ ＣＣＤ走査回路
８，９ ＡＧＣ
９ａ，９ｂ 面積値演算回路
９ｃ 比較回路
９ｄ 露光時間制御回路
１０ 被測定対象物
１０ａ 厚板
１１，１２ ＡＤＣ
１５，１５Ｔ，１５Ｂ 距離演算部
１６Ｔ，１６Ｂ 傾斜補正処理部
１６Ｔａ，１６Ｔｂ 傾斜補正校正テーブル
２０ 厚さ測定演算部
１５１ 谷部最小値検出処理
１５２，１６２ 最小値近傍のデータ抽出処理
１５３，１６３ 谷部近似曲線演算処理
１５４，１６４ 谷部極小値演算処理
１５５，１６５ 距離校正テーブル
１５６，１６６ 距離演算処理
１５７ 平均化演算処理
３０１ 距離検出部
３０２ コリメータレンズ
３０３ レーザビーム
３０４,３０５ 受光レンズ
３０６,３０７ ＣＣＤカメラ
３０６ａ,３０７ａ ＣＣＤ
３１１， ３１２ ＡＤＣ
３１５ ＭＣ
Claims (8)
- 被測定対象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，
被測定対象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，
前記被測定対象物に対して前記光源と前記多分割光検出手段とを所定の位置に固定設定する設定手段と，
前記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，
前記受光光量制御手段で制御された前記多分割光検出手段の出力信号の前記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対象物と前記設定手段との間の距離を演算により求める距離演算手段とを備えたことを特徴とする距離検出装置。 - 前記２台の多分割光検出手段はＣＣＤカメラであり，前記受光光量制御手段は前記ＣＣＤカメラの露光時間の制御によりＣＣＤカメラの出力信号の積分値が一定となるようにしたことを特徴とする請求項１記載の距離検出装置
- 前記距離演算手段は，前記ＣＣＤカメラ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を所定の関数で近似し，近似された関数の極小点を求め，この極小点の位置に対応する距離を演算によって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のいずれか１項に記載の距離検出装置。
- 前記距離演算手段は，前記ＣＣＤカメラ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を所定の関数で近似し，近似された関数の極小点を求め，この極小点の位置に対応する距離を演算によって求め，さらに，夫々ＣＣＤカメラの距離の演算出力の加算平均値から距離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のいずれか１項に記載の距離検出装置。
- 被測定対象物の表面に鉛直方向から複数のレーザビームを投射し，
被測定対象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前記被測定対象物に対して２台の多分割光検出手段を所定の位置に配置し，
前記多分割光検出手段の受光光量をこの多分割光検出手段からの出力信号の積分値が一定となるように制御し，
前記多分割光検出手段の出力信号の前記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対象物との距離を演算により求めるようにしたことを特徴とする距離測定方法。 - Ｃ型フレームの互いに離間して対向する夫々の腕部の前記対向間空間部に被測定対象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複数のレーザビームを用いた距離検出装置と，
前記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，
前記距離検出装置は，被測定対象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，
被測定対象物に投射された前記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，
前記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，
前記受光光量制御手段で制御された前記多分割光検出手段の出力信号の前記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対象物と前記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，
前記厚さ演算手段は，前記Ｃフレーム一方に配置された距離検出装置の出力及び前記Ｃ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対象物の厚さを求めるようにしたことを特徴とする厚さ測定装置。 - 前記距離検出装置の多分割光検出手段の出力信号から前記複数のレーザビームにおけるパターンの形状の変化を測定し，前記被測定対象物の傾きによる厚さを補正す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。
- 前記複数のレーザビーム及び前記多分割光検出手段の距離検出光軸平面は，被測定対象物の移動方向及び移動基準平面に対して夫々鉛直となるように設定配置し，
前記距離検出装置の多分割光検出手段の出力信号から前記複数のレーザビームにおけるパターンの幅信号の変化から被測定対象物の幅方向の傾斜による厚さの変化を補正し，前記複数のレーザビームにおけるパターンの谷部の信号レベルの変化から被測定対象物の移動方向の傾きによる厚さを補正す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。
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