JPS5930707A

JPS5930707A - 形状測定用投受光装置

Info

Publication number: JPS5930707A
Application number: JP14188982A
Authority: JP
Inventors: Yuichiro Asano; 浅野　有一郎
Original assignee: Kawasaki Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 1982-08-16
Filing date: 1982-08-16
Publication date: 1984-02-18

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、形状測定用投受光装置に係り、特に。

レーザを用いた光切断法によシ竪型炉装入物レベル分布
を測定する際に用いるのに好適な、レーザ光等の光束を
、互いに方向の異なる複数の光切断面内で対象物に投射
、走査し、前記光切断面と異なる方向から光軌跡の２次
元画像を得ることによって、閉空間内の対象物の２次元
プロフィルを求めるようにした形状測定に用いるための
形状測定用投受光装置に関する。

近年、高炉、焼鈍炉等、外部と遮蔽された閉空間内の観
測、監視の要求が高まシつつある。例えば、高炉におい
て、炉頂の装入物分布が高炉操業における重要な制御要
因であることが明らかにされている。

このような炉内の表面状態の測定方法として、例えば、
第１図に示す如（、Ｈｅ−Ｎｅレーザ、アルゴンレーザ
等の種々のレーザ装置ｌＯから発振され１例えば反射鏡
１２によって反射された可視光のレーザビーム１４を、
高炉炉頂部に設けた窓の一つから、ビームスキャナ１６
を用いて高炉装入物１８．の表面上に投射、走査し、描
かれた光軌跡２０’（ｉ７．他の窓から工業用テレビカ
メラ２２により撮像し、該工業用テレビカメラ２２によ
シ得られるビデオ画像から、信号処理／検出装置２４に
より、光軌跡像各点の２次元位置座標（Ｈ，Ｖ）を検出
し、更に１例えばマイクロコンピュータ２６により、こ
れらの値と光切断面の水平方位角θ、工業用テレビカメ
ラ２２の幾何学的配置条件等から、一定の座標変換式に
より光軌跡各点の３次元位置座標（Ｘ−％ｙ、ｚ）＝２
求め、水平方位角θの値を順次変化させて前記の走査を
繰返すことによって、装入物１８表面上の広い範囲にわ
たるプロフィルを測定するようにした。光切断法が採用
されている。

この方法は、非接触にて被測定面に影響を与えることな
く、遠隔よシ測定できるという優れた特徴を有する。し
かしながら、前記のようなビームスキャナ１６．工業用
テレビカメラ２２等を用いて高炉の炉内観測を行う場合
、ビームスキャナ１６や工業用テレビカメラ２２を炉内
に配置すると。

高炉内は高温であシ且つ腐食ガスが充満しているため、
光学部分の表面が腐食し光の散乱を生じて走査ビーム或
いは受光画像にゆらぎを生じたり。

反射効率が極端に減少して、最悪の場合には、ビームス
キャナの偏向手段が光を吸収し、その表面に焼付きを生
じさせたりするため、炉内に配置して使用することはで
きなかった。

このため、従来は、第２図に示す如く、高炉の炉壁３０
に設けたパイレックスガラス３２の外方にビームスキャ
ナ１６を位置させ、レーザビーム１４は、このパイレッ
クスガラス３２全通して炉内に走査できるようにするこ
とによって、高炉とビームスキャナ１６とを隔離させ、
又、工業用テレビカメラ２２に関しても、第３図に示す
如く。

高炉の他の壁面３０に設けたパイレックスガラス３２の
外方に工業用テレビカメラ２２を位置させ。

光軌跡は、このパイレックスガラス３２全通して炉外か
ら撮像できるようにすることによって、高炉と工業用テ
レビカメラ２２とを隔離させていた。

しかしながら、このようにした場合５次のような欠点を
有していた。

（１）　　ビームスキャナ１６による走査範囲及び工業
用テレビカメラ２２による撮像範囲を大とするためには
、パイレックスガラス３２を大とする必要があり、必然
的に窓の構造が大型化し、炉壁上に大きな開口を設ける
必要がある。しかしながら、炉内は１通常、圧力が高く
（２〜３　ｋｐ／ｃｄ）　、且つ、高温（２００〜３０
０℃）であるため、パイレックスガラス３２の大きさを
あまシ太きくすることはできず、ビームスキャナ１６の
走査範囲及び工業用テレビカメラ２２の撮像範囲が制限
されてしまう。

（２）　１個の窓で投光、受光の両方の機能を満たすこ
とはできず、直交する２本の２次元プロフィルを測定す
る場合、ビームスキャナ１６は２次元的に走査する必要
があシ、走査装置が複雑化して。

コストが上昇する。

（３）炉内の腐食性ガス（主として亜硫酸ガス）。

粉塵のため、パイレックスガラス３２の炉内側表面が汚
れやすく、透過率が低下して光量不足を生じ、場合圧よ
っては投光或いは受光ができなくなる。このため、頻繁
忙パイレックスガラス３２を取り替えるか、蒸気洗浄装
置、或いは、前出第２図及び第３図に示す如く、駆動装
置３４によって移動するワイパ３６を設けることが必要
となり、装置が大型化、且つ複雑化する。

（４）高炉へ適用する場合、ベルレス方式高炉に対して
は、従来方式でも前記（１）〜（３）の欠点を許容すれ
ば、装入物のレベル分布を測定することは不可能ではな
いが、ベルとアーマの狭い間隙から装入物面上に投光し
、又、光軌跡を受像する必要があるベル式高炉に対して
は、適用不能である。

尚、炉内とビームスキャナ１６或いは工業用テレビカメ
ラ２２とを隔離する方法として、パイレックスガラス３
２を用いる代シに、炉壁面にエアパージ装置を設け、バ
ージエアを介して投光或いは受光することも考えられる
が、バージエアの流量を確保し、完全なパージを実現す
るためには。

炉内との境界にある開口を極めて小さくする必要があシ
、走査範囲や撮像範囲が極端に減少するという欠点を有
していた。

本発明は、前記従来の欠点を解消するべくなされたもの
で、走査範囲及び撮像範囲が大きく、保守が容易であり
、且つ、小型で構造が簡単な形状測定用投受光装置を提
供することを目的とする。

本発明は、レーザ光等の光束金、互いに方向の異々る複
数の光切断面内で対象物に投射、走査し。

前記光切断面と異なる方向から光軌跡の２次元画像を得
ることによって、閉空間内の対象物の２次元プロフィル
を求めるようにした形状測定に用いるための形状測定用
投受光装置において、ビームスキャナの偏向中心点から
放射状に投射された光束を、投光部基準軸に平行な光束
とするための第１の光学系、及び、該第１の光学系から
出射された光束を、投光用開口部を通る光束とするため
の。

光切断面内に配置された第２の光学系からなる投光部と
１便受Ｗｉｔ／受光用開口部を介して入射された光軌跡
の２次元画像を伝送するためのイメージファイバ受像系
からなる受光部と、前記投光部及び受光部を収納するた
めの、閉空間内に突出する先端面に前記投光用開口部及
び受光用開口部が形成され、閉空間外に突出する後端面
に光束入射用透光窓及びイメージファイバ挿入用小孔が
形成された筒状国体と％金偏えることにより、前記目的
を達成したものである。

又、前記投受光装置を、閉空間壁円周上の直交する２個
所に配設し、投光及び受光全交互に行うようにして、極
めて簡単な構成によシ、対象物の２次元プロフィルを得
ることができるようにしたものである。

更に、前記第１の光学系を、単一のシリンドリカル凸レ
ンズから構成して、構成を単純化したものである。

又、前記第２の光学系を、前記第１の光学系から出射さ
れた光束を屈折させるためのプリズムと。

該プリズムから出射された光束を、前記投光用開口部を
通る光束とするためのシリンドリカル凸レンズから構成
したものである。

以下図面を参照して５本発明に係る形状測定用投受光装
置が採用された。高炉装入物のレベル分布測定装置の実
施例を詳細に説明する。

本実施例は、第４図に示す如く、高炉炉外に配置された
レーザ装置１０と、該レーザ装置１０から発振されたレ
ーザビーム１４の光路を切換えるための光路切換装置５
０と、該光路切換装置５゜から出射されたレーザビーム
を、高炉炉壁３０の円周上の直交する２個所の延長上に
配置されたビームスキャナ１６Ａ、１６Ｂにそれぞれ導
くための導光部５２Ａ、５２Ｂと、該導光部５２Ａ、５
２Ｂによシ導かれたレーザビームをそれぞれ１次元的に
走査するためのビームスキャナ１６Ａ、１６Ｂと、高炉
炉壁３０円周上の直交する２個所に配設され、投光及び
受光を交互に行うようにされた。

本発明に係る投受光装置５４Ａ、５４Ｂと、投受光装置
５４Ａ、５４Ｂによシ投射、走査され、装入物１８の表
面上に形成された光軌跡２０Ａ％２゜Ｂｉそれぞれ伝送
するための、先端が前記投受光装置５４Ｂ、５４Ａに挿
入されたイメージファイバ５６Ｂ、５６Ａと、該イメー
ジファイバ５６Ｂ。

５６Ａにより伝送された光軌跡の２次元画像を撮像する
ための工業用テレビカメラ２２Ｂ、２２Ａと、から構成
される装置前記投受光装置５４は、第５図に詳細に示す如く、ビー
ムスキャナ１６の偏向中心点から放射状に投射されたレ
ーザビームを、投光部基準軸に平行々光束とするための
、単一のシリンドリカル凸レンズ５８からなる第１の光
学系、及び該シリンドリカル凸レンズ５８から出射され
た光束を、投光用開口部５４（１通る光束とするための
、光切断面内に配置された。前記シリンドリカル凸レン
ズ５８から出射された光束を屈折させるためのプリズム
６０．該プリズム６０から出射寧れた光束を前記投光用
開口部５４ＣＶ通る光束とするためのシリンドリカル凸
レンズ６２からなる第２の光学系から構成された投光部
５７と、受光用開口部５４ｄｔｌ−介して入射された光
軌跡の２次元画像を伝送するためのイメージファイバ５
６の受像系から力る受光部６４と、前記投光部５７及び
受光部６４を収納するための、炉内に突出する先端面に
前記投光用開口部５４ｃ及び受光用開口部５４ｄが形成
され、炉外に突出する後端面に光束入射用透光窓６６ａ
及びイメージファイバ挿入用小孔６６ｂが形成された筒
状国体６６とから構成されている。ここで、前記シリン
ドリカル凸レンズ５８の焦点位置は、光束入射用透光窓
６６ａのガラス板６８の後方にあり、この焦点位置に前
記ビームスキャナ１６の偏向中心点が設定されている。

又。

前記投光用開口部５４ｃは、前記シリンドリカル凸レン
ズ６２の焦点に位置している。更に、前記イメージファ
イバ５６の後端は、前記工業用テレビカメラ２２に接続
されている。

以下作用を説明する。

レーザ装置１０から発振されたレーザビーム１４は、光
路切換装置５０によシ光路を切換えられ。

２台のビームスキャナ１６Ａ、Ｂのいずれか一方に選択
的に導かれる。レーザビーム１４が１例えばビームスキ
ャナ１６Ａに導かれた場合、レーザビームは、ビームス
キャナ１６Ａにより鉛直面（第５図の紙面）内で１次元
的に走査され、ガラス板６８を経て、シリンドリカル凸
レンズ５８に到達する。該シリンドリカル凸レンズ５８
により。

レーザビームは、シリンドリカル凸レンズ５８の光軸に
平行なビームとなり、プリズム６０に到達する。プリズ
ム６０に到達したビームは、シリンドリカル凸レンズ６
２の光軸に平行なビームとされた後、シリンドリカル凸
レンズ６２により、投光用開口部５４ｃｋ通る広角度の
ビームとして、炉内装入物１８の表面に投射、走査され
、光軌跡２０Ａが得られる。この光軌跡２０　Ａｉｄ、
他方の投受光装置５４Ｂ内のイメージファイバ５６Ｂに
より受像され、この画像が、工業用テレビカメラ２２Ｂ
により撮像される。

次いで、光路切換装置５０が切換えられ、今度は、レー
ザビーム１４がビームスキャナ１６Ｂに導かれ、上記と
同様の動作により、光軌跡２０Ｂが得られる。その光学
像は、イメージファイバ５６Ａｉ介して工業用テレビカ
メラ２２Ａによシ撮像される。

以上の動作によシ得られた光軌跡２０Ａ及び２０Ｂのテ
レビ画像から、これらの各点のテレビ画面上における位
置座標が検出され、一定の座標変更により、光軌跡２Ｏ
Ａ、２０Ｂの実形状が求められる。

ここで、投受光装置５４Ａ、５４Ｂの内部は。

パージ用ガスにより炉内より高圧に保たれており。

投光用開口部５４Ｃ及び受光用開口部５４ｄよりパージ
ガスが炉内に噴出するようにされている。

本実施例においては、投光用開口部５４ｃ及び受光用開
口部５４ｄが炉内に突出した構造となっているため、装
置が小型であるにも拘らず、直径測定に十分々視野を得
ることができる。又、炉内に突出した部分（高温となる
）に稼動部がなく。

故障が少ない。更に、レーザ光が常に投光用開口部５４
Ｃの中心全通シ、又、イメージファイバ５６の先端は小
型で、小さ表開口部で広い視野を得られるため、投光用
開口部５４Ｃ及び受光用開口部５４ｄが、炉内ガス或い
はダストが装置内に入らないよう十分に小さくすること
ができ、これら開口部にガラス窓を設ける必要がない。

従って、ガラスの汚れ対策等を必要とせず、又、従来方
式に　　゛おいて、ガラス面に大きい入射角で入射した
場合に生じる強い反射もない。尚、本装置のガラス板６
８については、入射角が極めて小さく（はぼ垂直入射）
、前記の反射による光量の損失はほとんどない。又、ベ
ル式高炉においても、ベルとアーマのわずかの間隙から
装入物面上にレーザ光を走査し、又、光軌跡を撮像する
必要があり、このためには、投受光装置を炉壁から通常
約２ｍぐらい炉内に突出させる必要があるが１本装置に
よれば、これが可能となる。

尚、前記実施例は５本発明を、高炉炉頂原料面の直交す
る２本の直径プロフィルを測定するための高炉装入物の
レベル分布測定装置に適用していたが１本発明の適用範
囲は、これに限定されず、高温、ダスト雰囲気、腐食性
雰囲気等、悪環境下。

又、密閉空間内の対象物一般の形状測定にも同様に適用
できることは明らかである。

以上説明した通シ、本発明によれば、投受光装置の走査
範囲及び撮像範囲が大きく、保守が容易であり、且つ、
小型で構造が簡単であるという優れた効果全有する。

【図面の簡単な説明】

第１図１ｄ：、レーザを用いた光切断法による形状測定
の基本原理を示す、一部ブロック線図を含む斜視図、第
２図は、従来の形状測定で用いられている投光装置の構
成？示す断面部、第３図は、同じく、受光装置の構成を
示す断面図、第４図は。本発明に係る形状測定用投受光装置が採用された。高炉装入物のレベル分布測定装置の実施例の構成を示す
平面図、第５図は、前記実施例で用いられている投受光
装置の構成を示す断面図である。１０・・・レーザ装置、　　　１４パレーザビーム。！６．１６Ａ、１６Ｂ・・・ビームスキャナ。１８・・・装入物、　　２０Ａ、２０Ｂ・・・光軌跡。２２．２２Ａ、２２Ｂ・・・工業用テレビカメラ。３０・・・炉壁％　　５０・・・光路切換装置。５２Ａ、５２Ｂ・・・導光部。５４．５４Ａ、５４Ｂ・・・投受光装置。５４　Ｃ０１，投光用開口部、　　５４ｄ・・・受光用
開口部。５６．５６Ａ、５６Ｂ・・・イメージファイバ。５８．６２パ°シリンドリカル凸レンズ。６０・・・プリズム、　　　６４・・・受光部。６６・・・筒状国体、　　６６ａ・・・光束入射用透光
窓。６６ｂ・・・イメージファイバ挿入用小孔、６８・・・
ガラス板。第１図第２図第３図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）　　レーザ光等の光束を、互いに方向の異なる複
数の光切断面内で対象物に投射、走査し、前記光切断面
と異なる方向から光軌跡の２次元画像を得ることによっ
て、閉空間内の対象物の２次元プロフィルを求めるよう
にした形状測定に用いるための形状測定用投受光装置に
おいて、ビームスキャナの偏向中心点から放射状に投射
された光束を。投光部基準軸に平行ガ光束とするための第１の光学系、
及び、該第１の光学系から出射された光束を、投光用開
口部を通る光束とするための、光切断面内に配置された
第２の光学系からなる投光部と、受光用開口部を介して
入射された元軌跡の２次元画像を伝送するためのイメー
ジファイバ受像系からなる受光部と、前記投光部及び受
光部を収納するための、閉空間内に突出する先端面に前
記投光用開口部及び受光用開口部が形成され、閉空間外
に突出する後端面に光束入射用透光窓及びイメージファ
イバ挿入用小孔が形成された筒状国体と、全備えたこと
を特徴とする形状測定用投受光装置。
（２）前記投受光装置が、閉空間壁円周上の直交する２
個所に配設され、投光及び受光全交互に行うようにされ
ている特許請求の範囲第１項に記載の形状測定用投受光
装置。
（３）前記第１の光学系が、単一のシリンドリカル凸レ
ンズからなる特許請求の範囲第１項に記載の形状測定用
投受光装置。
（４）前記第２の光学系が、前記第１の光学系から出射
された光束を屈折させるためのプリズムと、該プリズム
から出射された光束を、前記投光用開口部を通る光束と
するためのシリンドリカル凸レンズとから構成されてい
る特許請求の範囲第１項に記載の形状測定用投受光装置
。