JPS58218622A - 高分解能受光方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、光電変換素子を多数個組合せた光検知系によ
り、光スポットの中心位置を判定する方法に関するもの
である。

従来この種の受光器としては、光ダイオードアレイ等が
知られておシ、各種の光スポットの位置１− 分解能を必要とする検出器として使用されている。

しかしその使用方法は、後で説明する第２図に示す使用
方法で、本発明で提供する技術による光電変換素子の必
要個数の数倍の素子数を必要としていた。しかし、光ダ
イオードアレイは、１素子当りの単価が比較的安価であ
るので、上記のように素子数が多く必要となっても、実
用上特別な問題とはされなかった。

しかし光ダイオードアレイの持つ光電変換効率つま受光
に対する感度をはるかに越える高感度の受光器が必要と
なった場合、例えば光・ファイバーアレイと、光電子増
倍管アレイを組合せた受光器においては、ｌ素子当シの
単価が高価であるので。

経済的理由から少い素子数で、かつ高分解能を持った受
光器の開発という技術的に相反する課題を解決する必要
があった。

しかし従来の技術では、これら課題を解決することが出
来ず、やむを得ず光フアイバーアレイと光電子増倍管ア
レイの数を増加するか、又は分解能を犠牲にするかのど
ちらかの不満足な方法が取２− られて来た。

本発明は上記問題点を解決し、少い素子数で高分解能を
得る方法を提供することにある。

以下本発明を図面に示す一実施例を参照して説明する。

本実施例は、高分解能受光方法をレーザを用いて装入物
表面の断面形状を検出する。いわゆるレーザ方式プロフ
ィルメータを備えた溶鉱炉に適用したものである。

第１図は、上記レーザ方式プロフィルメータを備えた溶
鉱炉の概略構成図で、図中１は内部に例えばコークスや
鉱石等からなる装入物２を充填した溶鉱炉本体を示して
いる。この溶鉱炉本体１の炉壁３上部は、上方に絞シ込
まれて傾斜面となっており、この傾斜面には溶鉱炉内部
を介して、例えば相対向して投光窓４および受光窓５が
設けである。この時これらの投光窓４および受光窓５と
の距離りは予め定められる。手記投光窓４は、溶鉱炉本
体ｌ外部に設けたレーザ装置６のレーザ光７を溶鉱炉内
に投光するためのものである。一方−３〜 受光窓５は、受光レンズからなっており、溶鉱炉本体１
内の装入物２表面で乱反射された前記レーザ光７を集光
して、受光器８に導いている。

このようなレーザ方式プロフィルメータを備えた溶鉱炉
は、レーザ装置６のレーザ光７を図示しないコリメータ
等の光学系を介したのち、反射鏡９で反射させて溶鉱炉
本体ｌ内部に照射し、装入物２表面による上記レーザ光
７の乱反射光７ａを、受光窓５の受光レンズで集光して
受光器８で検出する。そして前記し〜ザ光７の投光角α
、乱反射光７ａの受光角βおよび前記投光窓４と受光窓
５との距離りにより、いわゆる三角測量法の演算を行い
、これによシ装入物２の表面各部の高さ、言い換えれば
装入物の表面断面形状（プロフィル）を得る。

ところで上記乱反射光７ａを受光器８で検出する場合、
従来方式では、光ダイオードアレイ等を光検出器として
用い、□光ダイオードアレイの受光面　　　１′に、乱
反射光７ａを受光窓５の受光レンズで集光し結像する。

この光ダイオードアレイの受光面に結４− 像した乱反射光７ａは、小さな光スポットとなって。

光ダイオードアレイのそれぞれの受光素子に光エネルギ
ーを与える。この模式図を第２図に示す。

第２図（ａ）は多数の受光素子１１から組合された光ダ
イオードアレイ１０の上に、光スポラ）１２が当ってい
る状態である。この光エネルギーは電気信号に変換され
る。

第２図（ｂ）　（ｄ、第２図（ａ）の光ダイオードアレ
イ１０の出力電気信号の大きさを表わした模式図で、予
め定めた一定のしきい値Ｅｏによって、光スポット１２
が光っている範囲を判定する。

第２図（ｂ）の例では、１番目からｊ番目の素子まで光
スポット１２が当っていると判定され、（ｉ−１）番目
および（ｊ＋１　）　　番目は光スポット、１２が当っ
ていないと判定されたことになる。第２図（ｂ）で、光
スポラ）１２の中心位置を判定する場合、１番解能はＶ
２つまり、受光素子１１の素子幅の１／２倍の分解能で
あることがわかる。

５− 従って従来方式の光ダイオード１０を用いた光検出器８
では、高分解能を必要とする場合、受光素子幅の小さい
ものを用いれば良い。換言すれば光スポット１２の径と
受光素子幅は、受光レンズ等の光学系倍率で決まるもの
であるので、光学系として一定の視野を確保するために
は、実際には受光素子１１の数が多いものを必要とする
。光ダイオードアレイｌＯの場合は、受光素子１１の１
個当りの単価が割合に安価であるので、受光素子１１の
数を多く必要とするこ（！：は特に問題ではない。

光ダイオードアレイ１０の光電変換効率、つ１り光に対
する感度をはるかに越える高感度の受光器が必要となっ
た場合、例えば第３図のように光フアイバーアレイと光
電子増倍管を組合せて、光ダイオードアレイ１０と同様
の機能を持ったものを作ることができる。

第３図で光ファイバー１４の一端を、光ダイオードアレ
イの受光面のように列状に並べ１曲端をそれぞれ１個ず
つの光電子増倍管１５に接続する。

６− 従って、光ファイバ〜１４の一端ハ５図中１３のように
列状に並んだ光フアイバーアレイとなる。

又、光電子増倍管１５の多数の集合を、ここでは光電子
増倍管アレイ１６と総称することにする。

従って光フアイバーアレイ１３に当った光スポットは、
光ファイバー１４に導ひかれ、光電子増倍管１５に入り
、ここで電気信号に変換される。

第３図で述べた光フアイバーアレイ１３と、光電子増倍
管アレイ１６よりなる光検出器は、高感度ではあるが、
受光素子１個当りの単価が極めて高価であり、経済的理
由で少い素子数で、高分解能を持った光検出器の開発と
いう技術的に相反する課題を解決する必要が出てくる。

第４図（ａ）、　（ｂ）、　（ｃ）は、光スポット１２
の径と受光素子の素子幅の関係を説明する図であり、こ
の例では受光素子の素子幅を同じにして、光スポラ）１
２の径を可変にしであるが、両者の関係は相対的なもの
で、素子幅を一定にして論じても何ら支障はない。

第４図（ａ）は、光スポット１２の径と素子幅が同７− じ例、第４図（ｂ）は、光スポラ）１２の径が素子幅よ
り小さい例、第４図（ｃ）は、光スポラ）１２の径が素
子幅より大きい例である。

第４図（ｃ）は、前記第２図（ａ）と同じで、同一分解
能を得るためには受光素子１４の数が多く必要である。

第４図（ｂ）は、光スポット１２の受光素子１４の中で
の位置の分解能はないため分解能は低下する。第４図（
ａ）は、光スポット１２は、１個の受光素子１４又は運
んだ２個の受光素子１４に入るので、前記第４図（ｃ）
と同様で、素子幅×１／２の分解能を有する。従って、
第４図（ａ）と第４図（ｃ）は、分解能は素子幅×１／
２で同じであるが、スポット径に対する同一視野を考え
ると、第４図（ｃ）の方が必要素子数が多い。従って、
同一分解能と同一視野の大きさを条件とすれば、第４図
（ａ）のように、スポット径と受光素子幅が同一の時が
、最も少ない素子数で、最も高い分解能が得られる。

本発明は上記第４図（ａ）のスポット径と受光素子　　
　幅の関係で、同じ素子数で、更に高い分解能を与える
ようにしたものである。従って、本発明は第８− ４図（ａ）のような関係で用いるのが最も効果があるが
、第４図（ｂ）、第４図（ｃ）の関係のときでも効果は
ある。

第５図（ａ）、　（ｂ）、　（ｃ）は光スポット１２が
光ファイバ１４の中央の例、少し右側の例、および素子
と素子の境界にそれぞれ当っている例を表わす模式図で
ある。第５図（ａ）、　（ｂ）、　（Ｃ）のそれぞれの
場合の光電子増倍管の出力信号を、ヒストグラムで模式
的に表わしたものが、第６図（ａ）、　（ｂ）、　（ｃ
）で、それぞれ１対ｌに対応している。

光スポラ）１２のエネルギー分布は、左右対称である事
に着目すると、第６図（ｂ）では、光電子増倍管１５の
出力信号のピーク値を示すものを第ｎ番目とする。（但
しｎは正整数）この時、　　（ｎ−１）。

ｎ、　　（ｎ＋１）　　番目０３個の信号の最大値（ｎ
番目）をＡ、最小値（ｎ−１番目）をＣとする。残りを
Ｂとする。ＡとＣを結び、総会ＡＣと同じ勾配で。

符号が反対の直線でＢ点を通る直線を引き、直線ＡＯの
延長との交点をＡ′とする。このＡ′点が光スポット１
２の真のピーク位置を与える。

９− 従って光スポット１２の真のピークＡ１点は、Ａ。

Ｂ、　　０のそれぞれの数値から一義的に求丑り、第位
置として与えられる。ここで（Ａ）、　　ＣＢ）、　　
（ｃ〕は、上記Ａ、Ｂ、Ｏ点の光電子増倍管１５の出力
信号値である。

第６図（ａ）は、第６図（ｂ）のＣＢ）　＝　〔０）の
場合で、である事を示している。

又第６図（ｃ）は、第６図（ｂ）の〔Ａ）　−ＣＢ）の
場合で。

番目の中点に真のピークがある事を示している。

本発明の方法は、第５図（ａ）、　（ｂＬ　（Ｃ）につ
いて述べたが、第７図（ａ）、　（ｂ）、　（ｃ）のよ
うに、光学系のピントのボケなどで光スポット１２の径
が拡大しても、全く同一の簡単な演算アルゴリズムで精
度よく、光スポット１２の中心位置を求めることが出来
る。このことは、光学系にピントのボケ等が発生しても
、常に精度良く、光スポット１２の中心位置を求めるこ
とが出来るので、実用上の効果は１０− 極めて大きい。

以上のように、本発明の受光方法は、少い素子数で高分
解能の位置検出能力を有し、かつ光スポット１２がピン
トボケなどでスポット径が変動しても何ら影響を受けず
、簡単な同一の演算アルゴリズムで、高精度の位置検出
能を有した受光装置を実現することが出来る。

又、光スポラ）１２の光が、光路上の減衰で受光素子に
入る光エネルギーが変動し、光電子増倍管の出力信号が
変動しても、位置検出能には、何ら悪影響がなく、常に
高精度を維持することができる。特に本発明は第１図に
示すレーザ方式プロフィルメータの受光器のように、使
用条件の厳しい条件下では、上記の効果が著しく有効な
ものとなる。

なお１本発明は光フアイバーアレイと光電子増倍管につ
いて述べたが、本発明の要旨に反しない限シ、光電変換
素子の種類には限定されない。

【図面の簡単な説明】

図は１本発明の一実施例を説明するもので、第１１− １図はレーザ方式プロフィルメータを備えた溶鉱炉の概
略構成図、第２図は従来方式光ダイオードアレー受光装
置模式図、第３図は光フアイバーアレーと光電子増倍管
アレ一方式受光装置模式図、第４図は光スポツト径と受
光素子幅の関係説明図、第５図、第７図は高分解能光ス
ポツト位置検出原理図、第６図、第８図は、第５図、第
７図にそれぞれ対応した光電子増倍管の出力信号模式図
である。 １・・・溶鉱炉本体　　　２・・・装入物３・・・炉壁
　　　　　　４・・・投光窓５・・・受光窓　　　　　
６・・・レーザ装置７・・・レーザ光　　　　７ａ・・
・乱反射光８・・・受光器　　　　　９・・・反射鏡１
０・・・光ダイオードアレイ　１１・・・受光素子１２
・・・光スポラ）　　　　１３・・・光フアイバーアレ
イ１４・・・光ファイバー　　１５・・・光電子増倍管
１６・・・光電子増倍管ア　　　　　　　　　　　　　
　　１第３図 第４図 ｎ−／ｎ　ｎｆｌ ７７−７７］　ｎｔｔ ｎ−／ｎｈすｌ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 光電変換素子を多数個列状に並べた光検知系を用いて光
   スポットの中心を判定するに際し、最も強く光を検知し
   た光電変換素子（ｎ番目）およびその両側の光電変換素
   子（ｎ−１）番目、（ｎ＋１）番目の３個の信号レベル
   を、最大値：（Ａ）。 を演算し、最大値と中間値をとった受光素子の素子間距
   離を、上記数値比に内分した位置を光スポットの中心位
   置と判定することを特徴とする高分解能受光方法。