(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザビームを偏向して、複数点を時分割で同じ時間、且つ、同じ間隔で測定物表面を照射する偏向ビーム生成部と、照射された前記レーザビームの反射光を１つの走査信号として、前記レーザビームの偏向タイミングと同期して受光するＣＣＤカメラ部と、前記測定物表面に対して、前記偏向ビーム生成部と前記ＣＣＤカメラ部とを、予め設定される光学的位置に固定する検出基盤部とを備える検出部と、
前記ＣＣＤカメラ部の出力を一定に制御するＡＧＣと、当該出力の谷部の形状の変化から、前記測定物表面と前記検出部との距離を求める演算部とを備える距離演算部と、
を備え、
前記偏向ビーム生成部は、音響光学素子と、当該音響光学素子に、直線偏向されたレーザビームを予め設定されるビームサイズ、且つ、１次回折光が分離可能な入射角で照射するレーザ光源部と、当該音響光学素子で偏向された一次回折光を受光して、前記測定物表面に結像させるコリメータ部とを備える偏向光学部と、
前記音響光学素子に、予め定める複数の周波数を生成するドライバー信号を等時間印加するドライバー部と、
前記レーザ光源部から照射するレーザビームの点滅を前記ＣＣＤカメラ部の走査周期信号に同期して制御する照射制御信号を生成して前記レーザ光源部に印加し、前記複数の周波数は、前記レーザビームが前記測定物表面において同じ間隔となるように設定する偏向設定信号を前記走査周期信号に同期して前記ドライバー部に送り、さらに、前記ドライバー部の出力周波数をモニタする偏向ビーム制御部と、
を備え、
前記距離演算部は，前記ＣＣＤカメラ部の出力のビームプロファイル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、
レーザビームを偏向して、複数点を時分割で同じ時間、且つ、同じ間隔で測定物表面を照射して、その受光信号のビームプロファイルの形状と位置変化から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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、移動する鋼板などとの距離を測定する距離測定装置に係り、特に、レーザ光を用いた３角測量方式による距離測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ光を用いた３角測量方式の距離測定装置が、高速で移動する鋼板の厚さや形状の測定にも広く応用されている。
【０００３】
しかしながら、測定物表面の反射率や散乱特性の変化によって、反射レーザ光の強さや位置が正確に求まらないため、高精度な距離測定用としては不向きであった。
【０００４】
そのため、光源から複数の線状ビームを送出し、測定対象に形成された複数の線状ビームに対応した像をＣＣＤ等の多分割光検出素子により受光し、多分割光検出素子が受光した複数の線状ビームに対応した電気信号に基づいて、予め決められた関数により積和演算を行ない、その積和演算の結果から像の位置を近似する関数を求め、測定表面の反射率のばらつきやスペックルの影響を軽減して、測定精度を上げようとする技術が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００５】
しかしながら、この方法では、積和計算が複雑になること、また、マルチビームの山の部分の波形が変化しやすいため、多分割光検出素子の出力信号のパターンの谷部のプロフィールを曲線近似して、その極小値を求めマルチビームの山の部分の影響を除くようにした技術が開示されている（例えば、特許文献２参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第３２４５００３号公報
【特許文献２】特許第３９６６８０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献２に開示された方法によれば、谷部のビーム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ので、特許文献１に開示された積和計算による方法に比べて、距離校正点毎の関数演算が簡素化されるので、校正が容易でその作業も短縮できる。
【０００８】
また、本発明者らのテストによれば谷の部分のプロフィールは、照射するビームのパワーを強くして、谷のプロフィールが雑音の影響を受けづらくした光学系とすれば、山の部分のプロフィールよりも測定値のばらつきが少ないことが分かってきた。
【０００９】
しかしながら、従来の複数ビームの生成は、格子の回折像を利用した複数スリットを用いたものであるため、中心のビームと左右のビームのパワーが異なるため、図４（ａ）に示すようにその谷部Ａの左右のプロフィールは、中心軸に対して非対称な形状となる。
【００１０】
例えば、その詳細について図５を参照して説明する。図５は、多分割光検出素子の谷部Ａの出力信号の拡大図で、実線で示す出力信号に対して、破線で示すようにその出力が半減した場合の極小点が、Ｐｍ１からＰｍ２へ、Δｅ変化する様子を示したものである。
【００１１】
即ち、最小値のビットＡ４（点ｍ２）に対して、所定の値α以上の閾値Ｖｒを越える左右のビットＡ１（点ｍ１）、ビット７（点ｍ３）の３点のデータから求めた極小値の位置Ｐｍ１は、破線のような半減した出力信号となった場合、夫々、点ｎ２、点ｎ１及び点ｎ３から求めた極小点Ｐｍ２に変化する。
【００１２】
そのため、多分割光検出素子数での分解能以上の高精度な距離測定を行う場合、測定表面の反射率のばらつきやスペックルの影響を受けやすく、精度の向上が図れない問題があった。
【００１３】
本発明は上記問題点を解決するためになされたもので、複数ビームを使用した３角測量方式による距離測定装置において、複数ビームの山部のプロファイルの非対称性による測定精度のバラツキを軽減した距離測定装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記目的を達成するために、本発明による距離測定装置は、レーザビームを偏向して、複数点を時分割で同じ時間、且つ、同じ間隔で測定物表面を照射する偏向ビーム生成部と、照射された前記レーザビームの反射光を１つの走査信号として、前記レーザビームの偏向タイミングと同期して受光するＣＣＤカメラ部と、前記測定物表面に対して、前記偏向ビーム生成部と前記ＣＣＤカメラ部とを、予め設定される光学的位置に固定する検出基盤部とを備える検出部と、前記ＣＣＤカメラ部の出力を一定に制御するＡＧＣと、当該出力の谷部の形状の変化から、前記測定物表面と前記検出部との距離を求める演算部とを備える距離演算部と、を備え、前記偏向ビーム生成部は、音響光学素子と、当該音響光学素子に、直線偏向されたレーザビームを予め設定されるビームサイズ、且つ、１次回折光が分離可能な入射角で照射するレーザ光源部と、当該音響光学素子で偏向された一次回折光を受光して、前記測定物表面に結像させるコリメータ部とを備える偏向光学部と、前記音響光学素子に、予め定める複数の周波数を生成するドライバー信号を等時間印加するドライバー部と、前記レーザ光源部から照射するレーザビームの点滅を前記ＣＣＤカメラ部の走査周期信号に同期して制御する照射制御信号を生成して前記レーザ光源部に印加し、前記複数の周波数は、前記レーザビームが前記測定物表面において同じ間隔となるように設定する偏向設定信号を前記走査周期信号に同期して前記ドライバー部に送り、さらに、前記ドライバー部の出力周波数をモニタする偏向ビーム制御部と、を備え、前記距離演算部は，前記ＣＣＤカメラ部の出力のビームプロファイル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、レーザビームを偏向して、複数点を時分割で同じ時間、且つ、同じ間隔で測定物表面を照射して、その受光信号のビームプロファイルの形状と位置変化から距離を求めるようにしたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、本発明の距離測定装置は、複数ビームを使用した３角測量方式による距離測定装置において、複数ビームの山部のプロファイルの非対称性による測定精度のバラツキを軽減した距離測定装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施形態を示す距離測定装置の構成図。
【図２】偏向光学部の構成図。
【図３】本発明の実施形態の動作を説明するためのタイムチャート。
【図４】本発明の実施形態の効果を説明するための図。
【図５】従来の複数ビーム方式の問題点を説明する説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明による実施形態について、図１乃至図４を参照して説明する。図１は、本実施形態の構成図である。本実施形態の距離測定装置１００は、検出部１と、距離演算部２とを備える。
【００１８】
検出部１は、レーザビームを偏向して、複数点を時分割で同じ時間、且つ、同じ間隔で測定物表面１０を照射する偏向ビーム生成部１３と、照射されたレーザビームの反射光を、予め設定される受光角θｒで受光し、１つの走査信号としてレーザビームの偏向タイミングと同期して受光するＣＣＤカメラ部１１と、測定物表面１０に対して、偏向ビーム生成部１３とＣＣＤカメラ部１１とを、予め設定される光学的位置に固定する検出基盤部１２とを備える。
【００１９】
距離演算部２は、検出部１とＣＣＤカメラ部１１の出力を一定に制御するＡＧＣ２１と、当該出力のビームプロファイルの形状と位置の変化から、測定物１０表面と検出部１との距離を求める演算部２２とを備える。
【００２０】
次に、各部の詳細構成について説明する。ＣＣＤカメラ部１１は、測定物１０表面からの反射光を受光して、予め設定される分解能のビット数を備えるライン走査型のＣＣＤでＣＣＤカメラ出力信号Ｓｏｉを生成するＣＣＤカメラ１１ａと、ＣＣＤカメラ出力信号Ｓｏｉをデジタル信号に変換するＡＤＣ１１ｂとを備える。
【００２１】
偏向ビーム生成部１３は、レーザビームを偏向する複数の周波数のドライバー信号ｆｉを生成するドライバー部１３ａと、ドライバー信号ｆｉに対応してレーザビームを偏向するとともに、予め定めるビームサイズに成形し測定物１０表面に照射する偏向光学部１３ｂと、ＡＧＣ２１で生成されるカメラ走査信号Ｓｓに同期して、レーザビームを点滅させる照射制御信号Ｓ３Ｔ、及び複数の周波数のドライバー信号ｆｉを設定する偏向設定信号Ｖｉとを生成しさらに、ドライバー部１３ａで生成されたドライバー信号の周波数をモニタする偏向ビーム制御部１３ｃと、を備える。
【００２２】
次に、この偏向光学部１３ｂの詳細構成について、図２を参照して説明する。偏向光学部１３ｂは音響光学素子１３ｂ２と、当該音響光学素子１３ｂ２に対して、直線偏向レーザビームを予め設定されるビームサイズ、且つ、０次回折光は除去し、１次回折光が分離抽出可能な入射角θｉで照射するレーザ光源部１３ｂ１と、入射した１次回折光を供給されるドライバー信号ｆｉで偏向した音響光学素子１３ｂ２からの出力光を受光して、測定物表面１０に予め設定されるビームサイズで結像させるコリメータ部１３ｂ３とを備える。
【００２３】
さらに詳細には、使用するレーザビームの光源は、可視光の半導体レーザを使用し、音響光学素子１３ｂ２は、この使用するレーザビームの波長、偏向、パワー密度等のレーザパラメータにより、予め定める偏向角度Δθが得られるものが選択される。
【００２４】
例えば、可視光の領域では、ガリウムリン等の市販の音響光学素子１３ｂ２が使用され、音響光学素子１３ｂ２には、測定物１０表面で複数点のレーザビームが、予め設定される間隔ΔＰで偏向されるような、１００〜３００ＭＨｚの周波数帯域のドライバー信号ｆｉが供給される。
【００２５】
この時、測定物１０表面でのレーザビームの位置設定は、例えば、複数点Ｐ１、Ｐ２，Ｐ３のピーク位置が間隔ΔＰとなるように、偏向角度Δθｉピッチで設定される。
【００２６】
間隔ΔＰは、図３の最下部に示すカメラ出力信号Ｓｏｉに示すように、ガウス分布したプロフィールのレーザビームの出力信号が、ピーク位置の１／ｅ２の位置で重なり合う位置に設定しておく。
【００２７】
このカメラ出力信号Ｓｏｉは、谷部の信号レベルが雑音の影響を受けにくい値以上で、且つ、谷部のプロフィールの形状の特徴が距離測定の範囲内で維持される値に適宜調整し、位置検出分解能な状態に設定する。
【００２８】
この調整は、特許文献１、及び２の開示されたマルチビーム成形の場合、回折格子によるビーム成形では、複数のピークのプロフィール全体が、ガウス分布状となるので、谷部の信号レベルとその谷部プロフィールを調整することが出来なかったが、本構成に信号レベルは、レーザビームのパワーとＡＧＣ２１に設定により、また、ビームの間隔はドライバー信号ｆｉを微調整することで独立して調整できる。
【００２９】
また、３つのピーク値をもつビームプロファイルの２つの谷部は、特許文献１に開示された方法の場合、回折格子により生成された複数の谷部がそのピーク位置の中心軸に対して非対称な形状であったが、本実施例による方法では対称な形状とできる特徴が有る。
【００３０】
このように構成された距離測定装置１００の検出部１は、レーザビームを偏向して、複数点を時分割で同じ時間、且つ、同じ間隔（オーバーラップ量）として測定物１０表面を照射することが出来る。
【００３１】
また、距離演算部２では、対称なビームプロファイルの谷部の形状を関数で近似し、近似された関数の極小点を求めて距離を求めるので、測定物１０表面の反射率のばらつきやスペックルがあっても、近似関数の対称性が維持されやすいので極小点の位置変化が少なくなる。
【００３２】
次に、図３を参照して、距離演算装置１００の動作を説明する。図３は、図１に示す距離演算装置１００の各部の信号をタイムチャートで示したものである。ＣＣＤカメラ１１ａで検出される信号は、走査周期信号Ｓｓの周期時間Ｔｓｉで決定されるチャージ時間で制御される。
【００３３】
この周期時間Ｔｓｉは、カメラ部１１ｂの出力を設定し、ＡＤＣ１１ｂの出力を一定に制御するＡＧＣ２１で生成される。
【００３４】
ドライバー部１３ａで生成されるドライバー信号ｆｉは、この走査周期信号Ｓｓに同期して、予め定める同じ照射時間Ｔで、予め設定される周波数のドライバー信号ｆ１、ｆ２、ｆ３を音響光学素子１３ｂ２に時分割で供給する。
【００３５】
このドライバー信号ｆｉは、偏向ビーム制御部１３ｃで生成する偏向設定位置信号Ｖｉで予め設定された電圧信号をドライバー部１３ａに供給し、ドライバー部１３ａでは、この偏向設定位置信号Ｖｉをその電圧値に対応する周波数のドライバー信号ｆｉに変換する。
【００３６】
生成されたドライバー信号ｆｉの周波数は、この偏向ビーム制御部１３ｃに帰還され、その周波数とＣＣＤカメラ１１ａのＣＣＤカメラ出力信号Ｓｏｉを観測して、ビーム間隔ΔＰの値が設定値となるような周波数に偏向設定位置信号Ｖｉを微調整して設定する。
【００３７】
レーザ光源部１３ｂ１のレーザビームの照射時間は、偏向ビーム制御部１３ｃで生成する走査周期信号Ｓｓに同期した照射制御信号Ｓ３Ｔによって設定し、偏向設定位置信号Ｖｉは走査周期信号Ｓｓに同期したパルス幅信号として、時間Ｔで設定する。
【００３８】
即ち、ＣＣＤカメラの出力信号Ｓｏｉは、走査周期信号Ｓｓで設定される周期Ｔｓｉの時間をチャージ時間とし、１周期遅れで周期Ｔｓｉに影響を与えないように高速のクロック信号Ｃｋで読み出される。
【００３９】
次に、このように構成された距離測定装置１００の位置検出における効果について図４を参照して説明する。図４は、図５で説明した特許文献２に示す方法での位置検出と対比して説明するための図である。
【００４０】
図４に示すように、ＣＣＤカメラ１１ａの出力信号Ｓｏｉの複数のビームプロファイルは、同じ形状で軸対称となる。
【００４１】
したがって、特許文献２に示す方法と同様の方法で、谷部とその近傍の左右２点を結ぶ曲線からその極小値を求めて位置検出を行う場合、実線で示すＣＣＤカメラ１１ａのＣＣＤカメラ出力信号Ｓｏｉの各ビット（Ａ１〜Ａ８）の出力信号に対して、破線で示すようにその出力が半減した場合の極小点を示したものである。
【００４２】
即ち、最小値のビットＡ５（点ｍ２）に対して、所定の値α以上の閾値Ｖｒを越える左右のビットＡ２（点ｍ１）、ビットＡ７（点ｍ３）の３点のデータから求めた極小値の位置Ｐｍは、破線のような半減した出力信号となった場合、夫々、ビットＡ５（点ｎ２）、ビットＡ１（点ｎ１）及びビットＡ８（点ｎ３）から求めた極小点Ｐｍの位置は変化しない。
【００４３】
そのため、ＣＣＤカメラ１１ａの素子数の分解能以上の高精度な距離測定を行う場合、従来の測定では、ビームプロファイルが非軸対称であること、さらに、その最小値も雑音でばらつきが多いため、測定物１０表面の反射率のばらつきやスペックルの影響を受けやすかったが、本方式の場合、ビームプロファイルが軸対称であること、さらに、その最小値は雑音の影響を受けにくいレベルに設定されることから、測定物表面の反射率のばらつきやスペックルの影響を受けにくくなり、ビット分解能以上の距離測定精度の向上が図れる。
【００４４】
本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。本実施形態は、複数のビームプロファイルを、音響光学素子を使用して時分割で位置を変更し、その出力をＣＣＤカメラで同期して検出するものであれば良く、谷部の形状とその位置の変化から距離を求める場合だけでなく、山部の形状とその位置の変化から距離を求める場合にも適用することが出来ることは言うまでも無い。
【符号の説明】
【００４５】
１  検出部
２  距離演算部
１０  測定物
１１  ＣＣＤカメラ部
１１ａ  ＣＣＤカメラ
１１ｂ  ＡＤＣ
１２  検出基盤部
１３  偏向ビーム生成部
１３ａ  ドライバー部
１３ｂ  偏向光学部
１３ｂ１  レーザ光源部
１３ｂ２  音響光学素子
１３ｂ３  コリメータ部
２１  ＡＧＣ
２２  演算部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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