(57)【要約】      （修正有）【課題】測定対象表面に膜が存在する場合でもその影響を低減し、より高精度な距離計測を行う距離計測装置を提供する。【解決手段】距離計測装置１０の照射部１１は、レーザビームＭＬＢを測定光として測定対象物１４に照射し、撮像部１７は、測定光の反射光を受光し、撮像面上に結像されたレーザビームの反射光を撮像する。これにより、距離演算部１９の膜厚補正部２０は、撮像面上における反射光に基づいて測定対象物までの距離を演算により求めるに際し、測定対象物の表面に形成されている膜の屈折率及び膜厚に起因する距離の誤差を補正する。【選択図】図１
2019060647.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザビームを測定光として測定対象物に照射する照射部と、
前記測定光の反射光を受光し、撮像面上に結像された前記レーザビームの反射光を撮像する撮像部と、
前記撮像面上における前記反射光に基づいて前記測定対象物までの距離を演算により求める距離演算部と、を備え、
前記距離演算部は、前記測定対象物の表面に形成されている膜の屈折率及び膜厚に起因する前記距離の誤差を補正する膜厚補正部を備える、
距離計測装置。
【請求項２】
前記膜厚補正部は、前記膜の屈折率をλとし、前記膜の膜厚をＴとし、測定距離値をｔ１とし、前記距離の誤差をΔｔ１とし、前記測定光の照射時の光軸と前記撮像部の受光軸とのなす角度をθ１とした場合に、（Ａ）式により前記距離の誤差Δｔ１を算出し、
Δｔ１＝Ｔ×（１−１／ｆ（θ１，λ））              …（Ａ）
ここで、
ｆ（θ１，λ）＝ｔａｎ（ａｒｃｓｉｎ（（ｓｉｎθ１）／λ））×ｔａｎθ１）
であり、
前記距離演算部は、（Ｂ）式により前記測定対象物までの距離ｔを算出する、
ｔ＝ｔ１＋Δｔ１      …（Ｂ）
請求項１記載の距離計測装置。
【請求項３】
前記膜厚補正部は、前記膜の屈折率λが不明の場合に前記膜の材料に応じて所定の屈折率を用いる、
請求項２記載の距離計測装置。
【請求項４】
前記膜厚補正部は、前記膜の膜厚Ｔが不明の場合に所定の膜厚を用いる、
請求項２又は請求項３記載の距離計測装置。
【請求項５】
レーザビームを測定光として測定対象物に照射する照射部と、
第１の受光軸を有し、前記測定光の反射光を受光し、第１の撮像面上に結像された前記レーザビームの反射光を撮像する第１撮像部と、
第１の受光軸を有し、前記測定光の反射光を受光し、第２の撮像面上に結像された前記レーザビームの反射光を撮像する第２撮像部と、
同一の測定対象物に対する前記第１の撮像面上における前記反射光に対応する前記第１の撮像部の出力及び前記第２の撮像面上における前記反射光に対応する前記第２の撮像部の出力に基づいて、屈折率が既知である前記測定対象物の表面に形成されている膜による前記距離の誤差を補正して前記測定対象物までの距離を演算により求める距離演算部と、を備える距離計測装置。
【請求項６】
前記距離演算部は、前記第１の撮像部に対応する測定値をｔ１とし、前記第２の撮像部に対応する測定値をｔ１０とし、前記測定光の照射時の光軸と前記第１の撮像部の受光軸とのなす角度をθ１とし、前記測定光の照射時の光軸と前記第２の撮像部の受光軸とのなす角度をθ１０とした場合に、（Ｃ）式により前記距離の誤差Δｔ１を補正して前記測定対象物までの距離を演算により求める、
ｔ＝（（１−１／ｆ（θ１０，λ））×ｔ１−（１−１／ｆ（θ１，λ））
×ｔ１０）／（１／ｆ（θ１，λ）-１／ｆ（θ10，λ））…（Ｃ）
請求項５記載の距離計測装置。
【請求項７】
レーザビームを測定光として測定対象物に照射する照射部と、前記測定光の反射光を受光し、撮像面上に結像された前記レーザビームの反射光を撮像する撮像部と、を備えた距離計測装置で実行される方法であって、
前記測定光を測定対象物に照射する過程と、
前記測定光の反射光を受光して撮像する過程と、
前記測定対象物の表面に形成されている膜の屈折率及び膜厚に起因する前記距離の誤差を算出する過程と、
前記距離の誤差及び前記撮像面上における前記反射光に基づいて前記測定対象物までの距離を演算により求める過程と、
を備えた方法。
【請求項８】
レーザビームを測定光として測定対象物に照射する照射部と、第１の受光軸を有し、前記測定光の反射光を受光し、第１の撮像面上に結像された前記レーザビームの反射光を撮像する第１撮像部と、第１の受光軸を有し、前記測定光の反射光を受光し、第２の撮像面上に結像された前記レーザビームの反射光を撮像する第２撮像部と、を備えた距離計測装置で実行される方法であって、
前記測定光を測定対象物に照射する過程と、
前記測定光の反射光を受光して前記第１撮像部及び前記第２撮像部においてそれぞれ撮像する過程と、
同一の測定対象物に対する前記第１の撮像面上における前記反射光に対応する前記第１の撮像部の出力及び前記第２の撮像面上における前記反射光に対応する前記第２の撮像部の出力に基づいて、屈折率が既知である前記測定対象物の表面に形成されている膜による前記距離の誤差を補正して前記測定対象物までの距離を演算により求める過程と、
を備えた方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、距離計測装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、非接触、高精度で距離を測定できることから、光学式の３角測量方式が測定対象物の表面形状の測定に使用されている。
さらに、最近では鋼板などの高速で搬送される測定対象物の厚さや形状の測定にも広く応用されてきている。
【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場合もあるため、照射するレーザをスリットにより干渉させてマルチレーザビームとし、その干渉縞の明暗パターンの検出を行い、明暗パターンの暗部に現れる、明るい部分に挟まれたより暗い部分の明るさ曲線の形状（谷部の形状）を関数に近似し、暗部の極小座標を算出することで距離の演算を行うことで、測定対象の反射率や散乱特性に影響を受けにくい測定とし、高精度な測定を行っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平８−３０４０６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、測定対象表面に、水や油等の膜が存在する場合、測定光が膜により屈折される。
このため、撮像装置が撮像を行う際に膜が存在しない場合に反射光が到達する位置と実際に到達する位置とでずれが発生し、ひいては、測定誤差が発生してしまう虞があった。
そこで、本発明は、測定対象表面に膜が存在する場合でもその影響を低減し、より高精度な距離計測を行うことが可能な距離計測装置及び方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
実施形態の距離計測装置の照射部は、レーザビームを測定光として測定対象物に照射する。
撮像部は、測定光の反射光を受光し、撮像面上に結像された前記レーザビームの反射光を撮像する。
これにより、距離演算部の膜厚補正部は、撮像面上における反射光に基づいて記測定対象物までの距離を演算により求めるに際し、測定対象物の表面に形成されている膜の屈折率及び膜厚に起因する距離の誤差を補正する。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】図１は、第１実施形態の距離計測装置の概要構成及びマルチレーザビームの照射状態の説明図である。
【図２】図２は、マルチレーザビームとＣＣＤの出力信号レベルの関係の説明図である。
【図３】図３は、第１実施形態の測定処理の説明図である。
【図４】図４は、第２実施形態の距離計測装置の概要構成説明図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
次に図面を参照して実施形態について詳細に説明する。
［１］第１実施形態
図１は、第１実施形態の距離計測装置の概要構成及びマルチレーザビームの照射状態の説明図である。
【０００９】
距離計測装置１０は、図１（ａ）に示すように、レーザビームＬＢを出射する光源１１（照射部）と、レーザビームＬＢを平行光とするコリメートレンズ１２と、平行光とされたレーザビームＬＢを複数の楕円形状を有するレーザビームＬＢ１〜ＬＢ３で構成されるマルチレーザビームＭＬＢとするスリット１３と、マルチレーザビームＭＬＢを測定対象物１４上に結像させるシリンドリカルレンズ１５と、マルチレーザビームＭＬＢの測定対象物１４表面への照射位置を往復移動（振動）させてノイズ低減を図る光学系ユニット１６と、ＣＣＤ１７Ａ及びＣＣＤ１７Ａの撮像面に測定対象物１４により反射されたマルチレーザビームＭＬＢを結像させる受光レンズ１７Ｂを有し、撮像手段として機能して撮像信号ＳＡ（アナログ信号）を出力するＣＣＤカメラ（撮像部）１７と、ＣＣＤカメラ１７から出力された撮像信号ＳＡのＡ／Ｄ変換を行い撮像データＤＰを出力するＡ／Ｄコンバータ（ＡＤＣ）１８と、入力された撮像データＤＰに基づいて、測定対象物１４までの距離を算出する距離演算装置１９と、を備えている。
ここで、距離演算装置１９は測定対象物の表面に形成されている膜の屈折率及び膜厚に起因する距離の誤差を補正する膜厚補正部２０を有している。
より詳細には、膜厚補正部２０は、測定対象物の表面に形成されている膜の存在により発生する光路長の変化（屈折率及び膜厚に比例する誤差）を設定した折率及び膜厚に基づいて演算により除去して膜が存在しないとした場合の測定対象物までの距離を算出できるようにされている。
【００１０】
上記構成において、光源１１、コリメートレンズ１２及びスリット１３は、マルチレーザビーム照射手段として機能し、図１（ｂ）に示すように測定対象物である測定対象物１４の表面に、複数の楕円形状を有するレーザビームＬＢ１〜ＬＢ３を短軸方向（図１では、Ｘ軸方向）に横一列に照射する。
光学系ユニット１６の光源１１は、測定対象物の表面に、複数の楕円形状を有するレーザビームを短軸方向に横一列に照射する。
【００１１】
そして、ＣＣＤカメラ１７は、複数のレーザビームＬＢ１〜ＬＢ３の反射光を受光し、撮像面上に結像された複数のレーザビームＬＢ１〜ＬＢ３の反射光（による干渉縞）の明暗パターンを撮像する。
これらの結果、距離演算装置１９は、撮像面上における複数のレーザビームＬＢ１〜ＬＢ３の反射光の明暗パターンに基づいて測定対象物１４までの距離を演算により求める。
【００１２】
上記構成において、光源１１、コリメートレンズ１２、スリット１３、シリンドリカルレンズ１５、光学系ユニット１６、ＣＣＤ１７Ａ及び受光レンズ１７Ｂは距離検出部ＭＤを構成している。
そして、距離検出部ＭＤの光学系は、測定対象物１４と所定の距離を持って設定配置されており、ＣＣＤカメラ１７は、測定対象物１４の表面に照射されたＡＡ点の像を、ＣＣＤ１７Ａの撮像面のＰＡ点で結像する。
【００１３】
この場合において、測定対象物１４の位置が測定対象物１４Ｘの位置まで移動したとすると、測定対象物１４の表面（測定面）がＡＡ点からＢＢ点に移動（変化）する。これにより、マルチレーザビームＭＬＢを構成している複数のレーザビームＬＢ１〜ＬＢ３の結像点は夫々ＰＡ点からＰＢ点に移動する。この移動範囲、即ち距離計測範囲に対して、所定の分解能が得られる様に、ＣＣＤ１７Ａの画素数（素子数）が選択されている。
【００１４】
また、ＣＣＤ１７Ａは、ラインスキャン型ＣＣＤとして構成されており、複数のレーザビームＬＢ１〜ＬＢ３の形状は、測定対象物１４の表面においてＣＣＤ１７Ａの測定視野寸法よりも大きな形状になる様にコリメートレンズ１２のコリメータ倍率が設定されている。
また、受光レンズ１７Ｂは、測定対象物１４との対物距離とＣＣＤ１７Ａの分解能に基づいて光学倍率が決定されて選択されている。
【００１５】
例えば、ＣＣＤ１７Ａの画素数（素子数）が１０００〜５０００画素、各画素（素子）の形状は１５μｍ×１５μｍ程度のものが使用され、そして受光レンズ１７等の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とすると測定対象物１４表面における分解能は１５０μｍとなる。
【００１６】
図２は、マルチレーザビームとＣＣＤの出力信号レベルの関係の説明図である。
図２（ａ）において、符号ＳＰ１〜ＳＰ３は、マルチレーザビームＭＬＢを構成するレーザビームＬＢ１〜ＬＢ３のＣＣＤ１７Ａの受光面上における結像画像である。
そして、図２（ｂ）は、これらの複数のレーザビームＬＢ１〜ＬＢ３をＣＣＤ１７Ａによって走査したときの各素子の出力信号レベル（高いほど光量が高い）を示したものである。
【００１７】
複数のレーザビームＬＢ１〜ＬＢ３の形状は、通常、距離検出部ＭＤのコリメートレンズ１２とスリット１３とによって楕円形状に形成される。
また、図２（ａ）に示す矩形列はラインスキャン型ＣＣＤとして構成されたＣＣＤ１７Ａの各受光素子１７Ｇを示し、列方向は図１におけるＸ軸方向となっており、矩形の長軸方向は図１に示すＹ軸方向に沿っている。そして、マルチレーザビームＭＬＢを構成する楕円形状を有する複数のレーザビームＬＢ１〜ＬＢ３３の長軸方向の中心を走査するようにＣＣＤカメラ１７の光軸が設定されている。
【００１８】
以上の説明は、測定対象物１４の表面に膜が存在しないか、あるいは、膜が存在していたとしても無視した場合の説明であるが、実際の測定対象物の表面には、冷却や測定対象物の表面保護の観点から油膜や水膜が形成されている場合がある。
【００１９】
このような場合には、ＣＣＤ１７Ａが撮像を行う際に膜が存在しない場合に反射光が到達する位置と実際に到達する位置とでずれが発生し、ひいては、測定誤差が発生してしまうこととなる。
そこで、本第１実施形態においては、膜厚補正部２０において以下に説明するような手順で膜の影響を抑制している。
【００２０】
図３は、第１実施形態の測定処理の説明図である。
以下の説明において、測定対象物１４までの実際の距離をｔ、膜２０が存在する場合に得られる測定対象物１４までの距離測定値をｔ１とし、膜２０の存在による距離誤差をΔｔ１とし、膜２０の存在による見かけ上の測定対象物１４の反射角をθ１（反射光光軸Ｒ１）とし、膜２０の存在による測定対象物１４の表面における反射角をθ２とし、膜２０が存在しない場合の反射光光軸をＲ２とし、レーザ光ＭＬＢの光軸から反射光の膜２０からの出射位置までの距離をＬとする。
【００２１】
ここで、図３に示すように、
ｔ＝ｔ１＋Δｔ１
であり、
ｘ＝Ｌ／ｔａｎθ１
であるから、屈折による誤差Δｔ１を算出する式を考えると、（１）式となる。
Δｔ１＝Ｔ−Ｌ／ｔａｎθ１                  …（１）
【００２２】
この場合において、レーザ光ＭＬＢの光軸から反射光の膜２０からの出射位置までの距離Ｌは、（２）式で表される。
Ｌ＝Ｔ／ｔａｎθ２                          …（２）
従って、
Δｔ１＝Ｔ−Ｔ／（ｔａｎθ２×ｔａｎθ１）
＝Ｔ×（１−１／（ｔａｎθ２×ｔａｎθ１））…（３）
【００２３】
ここで、屈折率λからθ２の式を考えると、
１×ｓｉｎθ１＝λ×ｓｉｎθ２
ｓｉｎθ２＝（ｓｉｎθ１）／λ
∴  θ２＝ａｒｃｓｉｎ（（ｓｉｎθ１）／λ）      …（４）
【００２４】
（３）式に（４）式を代入すると、距離誤差Δｔ１は、（５）式で表される。
Δｔ１＝Ｔ×（１−１／（ｔａｎ（ａｒｃｓｉｎ（（ｓｉｎθ１）／λ））
×ｔａｎθ１））
…（５）
【００２５】
ここで、
ｆ（θ１，λ）＝ｔａｎ（ａｒｃｓｉｎ（（ｓｉｎθ１）／λ））×ｔａｎθ１）
…（６）
として、（５）式に代入すると、距離誤差Δｔ１は、（７）式で表される。
Δｔ１＝Ｔ×（１−１／ｆ（θ１，λ））              …（７）
【００２６】
したがって、次式により、膜の存在に起因する距離誤差を抑制してより高精度な距離演算を行える。
ｔ＝ｔ１＋Δｔ１
【００２７】
以上の説明のように、本第１実施形態によれば、膜の存在により発生する屈折に起因する距離誤差を抑制してより高精度な距離演算を行える。
【００２８】
以上の説明は、膜厚Ｔ及び膜の屈折率λが既知の場合の説明であったが、膜厚Ｔが不明な場合は、距離演算装置１９に測定対象に応じた固定パラメータとしての固定膜厚値あるいは固定パラメータとしての固定屈折値を予め記憶した記憶部をさらに備えて、これらの値を用いるようにすれば同様に適用が可能である。
【００２９】
また膜の屈折率λが不明の場合には、距離演算装置１９に膜の材料に応じた固定パラメータとしての固定屈折率値を予め記憶した記憶部をさらに備えて、これらの値を用いるようにすれば同様に適用が可能である。
【００３０】
さらに膜の材料が不明である場合には、距離演算装置１９に固定パラメータとしての通常想定される膜の材料の平均的な屈折率及び膜厚に応じ固定膜厚値を予め記憶した記憶部をさらに備えて、これらの値を用いるようにすれば測定精度は低下するものの同様に適用が可能である。
【００３１】
［２］第２実施形態
上記第１実施形態では、受光系が１系統の場合のものであったが、本第２実施形態は、受光系を２系統設けた場合の実施形態である。
この場合において各受光系においては、測定光の受光軸が異なっているものとし、膜２０の屈折率は既知であるものとする。
【００３２】
図４は、第２実施形態の距離計測装置の概要構成説明図である。
図４において、図１（ａ）と異なる点は、受光軸の異なる受光系としての二つのＣＣＤカメラ１７（１７−１，１７−２）及び対応する二つのＡ／Ｄコンバータ（ＡＤＣ）１８（１８−１、１８−２）を設けた点である。
【００３３】
次に、各受光系のそれぞれの受光軸をθ１，θ１０，誤差をΔｔ１，Δｔ１０とすると、（８）式及び（９）式が成立する。
Δｔ１＝Ｔ×（１−１／ｆ（θ１，λ））                …（８）
Δｔ１０＝Ｔ×（１−１／ｆ（θ１０，λ））              …（９）
（８）式及び（９）式を変形し、膜厚Ｔを消去すると、（１０）式となる。
Δｔ１／（１−１／ｆ（θ１，λ））＝Δｔ10／（１−１／ｆ（θ10，λ））
…（１０）
【００３４】
ここで、２つの受光系の測定値をそれぞれｔ１，ｔ１０とすると、光学系は異なっても測定対象物は同一であるため、測定値ｔ１，＝ｔ１０であるから（１１）式が成立する。
【００３５】
（ｔ−ｔ１）／（１−１／ｆ（θ１，λ））
＝（ｔ−ｔ１０）／（１−１／ｆ（θ１０，λ））      …（１１）
【００３６】
次に（１１）式を変形すると、（１２）式となる。
（１−１／ｆ（θ１０，λ））×（ｔ−ｔ１）
＝（１−１／ｆ（θ１，λ））×（ｔ−ｔ１０）        …（１２）
【００３７】
さらに（１２）式を変形すると、（１３）式となる。
（１／ｆ（θ１，λ）−１／ｆ（θ１０，λ））×ｔ
＝（１−１／ｆ（θ１０，λ））×ｔ１−（１−１／ｆ（θ１，λ））×ｔ10
…（１３）
【００３８】
これらの結果、実際の距離ｔは、（１４）式の通りとなる。
ｔ＝（（１−１／ｆ（θ１０，λ））×ｔ１−（１−１／ｆ（θ１，λ））
×ｔ１０）／（１／ｆ（θ１，λ）-１／ｆ（θ10，λ））…（１４）
【００３９】
（１４）式に示すように、本第２実施形態では、既知である膜２０の屈折率λ及び２つの受光系の測定値ｔ１、ｔ１０から実際の距離ｔを算出することができる。
以上の説明のように、本第２実施形態によれば、膜の屈折率λが既知である場合に膜厚の影響を受けることなく、膜の影響を抑制して高精度な距離演算を行える。
【００４０】
［３］実施形態の変形例
本実施形態の距離計測装置で実行されるプログラムは、インストール可能な形式又は実行可能な形式のファイルでＣＤ−ＲＯＭ、フレキシブルディスク（ＦＤ）、ＣＤ−Ｒ、ＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ  Ｄｉｓｋ）等のコンピュータで読み取り可能な記録媒体に記録されて提供される。
【００４１】
また、本実施形態の距離計測装置で実行されるプログラムを、インターネット等のネットワークに接続されたコンピュータ上に格納し、ネットワーク経由でダウンロードさせることにより提供するように構成しても良い。また、本実施形態の距離計測装置で実行される制御プログラムをインターネット等のネットワーク経由で提供または配布するように構成しても良い。
また、本実施形態の距離計測装置のプログラムを、ＲＯＭ等に予め組み込んで提供するように構成してもよい。
【００４２】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、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。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００４３】
１０  距離計測装置
１１  光源（照射部）
１２  コリメートレンズ
１３  スリット
１４  測定対象物
１５  シリンドリカルレンズ
１６  光学系ユニット
１７  ＣＣＤカメラ（撮像部）
１７−１  ＣＣＤカメラ（第１の撮像部）
１７−２  ＣＣＤカメラ（第２の撮像部）
１７Ａ  ＣＣＤ
１７Ｂ  受光レンズ
１７Ｇ  受光素子
１８、１８−１、１８−２  Ａ／Ｄコンバータ（ＡＤＣ）
１９  距離演算装置（距離演算部）
２０  膜厚補正部
ＬＢ  レーザビーム
ＭＬＢ  マルチレーザビーム
【図１】
2019060647.tif 000003
【図２】
2019060647.tif 000004
【図３】
2019060647.tif 000005
【図４】
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