(57)【要約】【課題】高さ変動が加わった高速に移動する帯状体の真の形状を全面にわたって密に測定する。【解決手段】出力が変調された線状レーザ光源を用い、帯状体上に光切断像を構成し、撮像側に遅延積分型のリニアセンサを用いて、前記光切断像を少しずつずらしながら重ね撮像して、帯状体の形状を復元する光切断方式の形状測定方法において、線状レーザ光源とリニアセンサの対を複数用意し、それぞれの対により復元された形状の差分をとり、差分を積算することによって、高速に移動する帯状体の上下振動やねじれ振動による高さ変動を除いた真の形状を、帯状体の全面にわたって密に測定する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
出力が変調された線状レーザ光源を用い、帯状体上に光切断像を構成し、撮像側に遅延積分型のリニアセンサを用いて、前記光切断像を少しずつずらしながら重ね撮像して、帯状体の形状を復元する光切断方式の形状測定方法において、線状レーザ光源とリニアセンサの対を複数用意し、それぞれの対により復元された形状の差分をとり、差分を積算することによって、高速に移動する帯状体の上下振動やねじれ振動による高さ変動を除いた真の形状を、帯状体の全面にわたって密に測定することを特徴とする光学的形状測定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高速に走行する帯状体の形状を光学的に測定する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
熱延鋼板などの高速に走行する帯状体の平坦度などの形状測定においては、鋼板の幅方向および長手方向にレーザ変位計を多数台並べ、鋼板の幅方向のＣ反り、あるいは長手方向における耳波や中伸びといった形状を測定するという方法が知られている（特許文献１）。しかしながら、レーザ変位計を多数台並べるといってもレーザ変位計は高価であり、幅方向の測定点はせいぜい数点である。また、板幅が変更されたり板が蛇行した場合、板の動きに追従する機構も必要である。
【０００３】
一方、特許文献２のように、線状レーザ光源と遅延積分型リニアセンサを組み合わせた光切断方式により帯状体の形状を計測する方法においては、高速に走行する帯状体の形状を幅方向および長手方向において密に測定することが可能であり、得られた形状を画像化して、耳波や中伸びなどの形状を視覚的に明瞭な形で表示することができ、レーザ変位計を多数台並べる方法に比べはるかに安価に、少ない部品点数でかつ高精度な形状測定を実現できる。
【０００４】
【特許文献１】
特開平５−１９１２号公報「平坦度測定装置」
【特許文献２】
特許２９１３９０３号公報「光学的形状測定方法」
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、実際の鋼板の通板条件においては、単純な上下動だけではなく、鋼板の片側に生じる形状が大きい場合、板がねじれ振動を起こして、光切断像もねじれて見えてしまい、形状の悪くないもう片側も擬似的に形状が悪く見えてしまうという問題があった。
本発明はかかる問題点に鑑み、帯状体の形状の悪さに起因するねじれ振動などの高さ変動が生じても、帯状体の形状を全面全長にわたって正確に測定する方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、出力が変調された線状レーザ光源を用い、帯状体上に光切断像を構成し、撮像側に遅延積分型のリニアセンサを用いて、前記光切断像を少しずつずらしながら重ね撮像して、帯状体の形状を復元する光切断方式の形状測定方法において、線状レーザ光源とリニアセンサの対を複数用意し、それぞれの対により復元された形状の差分をとり、差分を積算することによって、高速に移動する帯状体の上下振動やねじれ振動による高さ変動を除いた真の形状を、帯状体の全面にわたって密に測定することを特徴とする光学的形状測定方法である。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施例に基づいて作用とともに説明する。図１は本発明に用いる装置の全体構成を示している。１は測定対象の鋼板であり、その中に耳波や中伸びなどの形状的欠陥を有している。２は線状レーザ光源であり、そこから射出する扇状に広げられたビーム３が、測定対象である鋼板に照射されると、測定対象の表面形状に沿って光切断像４を形成する。５は逐次積分型のリニアセンサを有するカメラであり、後で詳述する。６は測定対象の搬送速度を測定する測定ロールであり、７は回転速度測定器である。８は信号処理並びに制御装置であり、回転速度測定器７の回転速度の信号から対象物体の移動距離を算出し所定の距離毎に線状レーザ光源２を発光させると同時に、カメラ５に送る制御クロックを制御し、所定のビデオ信号を得る。この信号を高速に処理して連続的に形状値を得ることとなる。９は測定結果の表示装置である。
【０００８】
本実施例においては、線状レーザ光源２と特殊カメラ５の対を２組用いてそれぞれの対から得られた形状の差分をとり、これを積分することにより帯状体の高さ変動の影響を排した真の形状を測定する方法について説明するが、これは後で詳述することとし、まずは線状レーザ光源２と特殊カメラ５の対を１組用いて形状を測定する方法について説明する。
【０００９】
まず、特殊カメラ５について説明する。図２は特殊カメラの機能と信号処理の構造について説明するための図である。１０はカメラの受光部にある二次元半導体撮像素子の中の光電変換電荷積分転送部である。二次元に配列された光電変換素子は、各列毎に垂直方向の電荷転送部を有し、転送される途中でそれぞれの箇所の光電変換素子より電荷を受け取り積分する。１１は水平転送読みだし部であり、その出力は通常のリニアアレイと同じ形となる。
【００１０】
従来このタイプのセンサは撮像対象の実像が光電変換面上で垂直方向に移動する速度と垂直方向の転送速度を同期させると、等価的に長時間露光したことになり感度およびＳ／Ｎ比を画期的に向上できるため、超高速撮影や低照度撮影用として使用されている。
しかし本発明においては、上記素子を全く違った形で使用している。すなわち、対象物体と垂直転送速度は同期する必要はなく必要なだけ速く転送する。この間に適当な間隔にてレーザを瞬間的に発光させると、光切断像が対応する位置に電荷が蓄積する。装置全体を暗室中に置くか、カメラレンズの前にレーザの光だけを通す干渉フィルターを置くと、レーザが当たっていない部分は電荷が発生しないため、光切断像が重ならない範囲で、いくらでも光切断像の間隔を狭く出来、さらに連続的に切れ目なく光切断像が得られるという、これまでの単なるテレビカメラを使っていたときと比べてはるかに高速な測定を可能にする画期的な方法である。
【００１１】
次にリアルタイム信号処理方法の１例について説明する。この信号処理は光切断像の間隔変化分が形状の変化分に比例する事を利用して、実時間処理するためのものである。図２において、１２は前置増幅器でありセンサの出力を増幅すると同時にインピーダンスの変換を行う。１３は比較器でありアナログ信号を２値化し、光切断像があれば１となる。１４はシフトレジスタであり、水平転送クロックによって１ライン分遅延させる。１５はラッチであり今回値と前回値を保持する。１６は判定器であり今回の値と前回の値の組み合わせが、（１，０）となる時のみ、１を出力しその列に於いて次の光切断像が到達した事を判定する。１８は間隔積算カウント値保持用シフトレジスタであり、１７は第一制御回路である。第一制御回路１７は判定器１６の出力が０の間は単に対応する列のレジスタを＋１するだけであるが、１になると、＋１した後その値を第二制御回路１９へ送出する。２１は基準間隔値設定器であり、２０は変化分積分用レジスタである。基準間隔値は測定対象が平坦な時は光切断像は等間隔の直線となり、その間隔値を保持する。第二制御回路１９は第一制御回路１７よりきた今回の間隔値から基準値を減算して変化分を求め、それを２０の変化分積分値シフトレジスタの値に加算する。従って、このレジスタのそれぞれのデータは測定対象の幅方向における現在の高さを現しており、時々刻々と変化する形状をリアルタイムで表示する事も可能である。２２はＤ／Ａ変換器であり、２３は表示器である。
【００１２】
以上が線状レーザ光源２と特殊カメラ５の対を１組用いて形状を測定する方法についての説明である。次に、線状レーザ光源２と特殊カメラ５の対を２組用いて形状を測定する方法について説明する。
図３における上のグラフは、線状レーザ光源２と特殊カメラ５の対を１組用いて得られたＣ反りした板の幅方向断面図であり、板が左側に傾いたとき、右側に傾いたとき、および傾きのないときを抜き出して表示したものである。また、図３における下のグラフは、板の左側、中心部、および右側の高さ変化を長手方向にプロットしたものである。長手方向の板の高さ変化を見る限り、板の中心部と右側においても波が発生しているように見える。ところが実際に目視で板の形状を確認したところ、板の左側においては耳波が発生していたが、中心部から右側においては、波は発生していなかった。このように板の中心部および右側において擬似的に波形状が現れるのは、板左側の耳波により板のねじれが発生し、板の高さ変動が加わるためである。
【００１３】
次に、線状レーザ光源２と特殊カメラ５の対を２組、長手方向に間隔Ｌで近接して配置し、形状を測定する方法について説明する。板の真の形状をｙ＝ｆ（ｘ）、時刻ｔにおける板の高さ変動をｈ（ｔ）とすれば、時刻ｔにおける２組のレーザ−カメラ対による長手方向位置ｘｔ−Ｌ，ｘｔにおける形状測定値ｙ１，ｙ２は、近似的に以下のように表される。
ｙ１（ｔ）＝ｆ（ｘｔ−Ｌ）＋ｈ（ｔ）                ・・・（１）
ｙ２（ｔ）＝ｆ（ｘｔ）＋ｈ（ｔ）            ・・・（２）
ここで同時刻に取り込まれた形状の差分ｙ２−ｙ１を計算すると、
ｙ２（ｔ）−ｙ１（ｔ）＝ｆ（ｘｔ）−ｆ（ｘｔ−Ｌ）  ・・・（３）
のように、両方の対で測定された共通的な高さ変動分を差し引くことができる。カメラ間隔Ｌは小さいのでこれを積分することにより、真の形状ｆ（ｘ）を得ることができる。なお、真の形状がｓｉｎ関数で近似できる場合には積分してもｃｏｓ関数になり、位置が位相にしてπ／２ラジアンずれるだけなので、形状として波高さを簡易的に計算する場合には差分を計算するだけでもよい。図４は差分を積分して真の形状を計算する方法を示した図である。すなわち、距離Ｌだけ離れて配置された２組のレーザ−カメラ対で板の高さ変動が加わった形状を計算し、次に同時刻に得られた形状の差分Δｙｎを計算し、すでに計算で得られている、カメラ間距離Ｌだけ前のデータｙｎｐに差分Δｙｎを加えることにより、真の形状ｙｎを計算する。通常、レーザ変位計などのセンサを距離Ｌだけ離して配置し、２点間の測定値の差分を積分して形状を測定する方法においては、例えば図４において距離Ｌだけ離れたｙ０ｐとｙ０の２点間でしか差分・積分処理が行えないが、本発明の方法によればカメラ１台あたりの測定間隔が密にとれるので、ｙ０ｐとｙ０の２点間の他にｙ１ｐ，ｙ２ｐ，・・・とｙ１，ｙ２，・・・の間においても差分・積分処理を行うことが可能であり、密で精度の高い測定が可能である。
【００１４】
図５は本発明の方法により図３の長手方向の形状を計算しなおしたものであり、板のねじれにより発生した板の中心部から右側にかけての擬似的な形状を抑えることができ、左側の形状を正確に計算することができた。また、図６は相対的な板の高さを２５６階調の輝度に変換し、高いほど白く、低いほど黒くなるように画像表示したものである。図６に示すように、これまでレーザ−カメラ対１組による測定では振動に隠れて見えなかった形状を顕在化させることができ、高精度な形状測定と画像化による形状の明確な表現が可能になった。
【００１５】
なお、図１では線状レーザ光源１を、変調可能なレーザ光源と線状ビーム３を形成する光学素子が組み合わされたものとして記述したが、図７のようにレーザ光源２４と線状ビームを形成する光学素子２７の間に、ハーフミラー２５と全反射ミラー２６を介して平行な２つのレーザ光線を形成した後、光学素子２７で線状ビームを得るようにしてもよい。
【００１６】
【発明の効果】
本発明によれば、これまで困難であった高さ変動の加わった高速移動物体の連続的形状測定を初めて可能にした画期的発明であり、例えば鉄鋼業に於けるオンライン形状寸法計測において、従来の方式に比べてはるかに高密度な全面全長計測が可能になり、製品寸法形状の造り込み精度の向上やユーザに対する完全品質保証が実現できることになる。またコスト的に見ても本方式は簡単な装置で実現できるため、例えば熱延等で用いられているレーザ変位計を多数台並べた方式に比較して、はるかに安い設備投資で設置可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の全体構成を示す図である。
【図２】特殊カメラの機能と信号処理の構造を示す図である。
【図３】板の左側の形状が悪い場合に、板のねじれによって中心部から右側にかけて擬似的な形状が発生することを説明する図である。
【図４】２組のレーザ−カメラ対それぞれで測定した形状の差分を積分することにより真の形状を計算する方法を説明した図である。
【図５】差分を積分することによって図３で説明した擬似的な形状を抑制できたことを説明する図である。
【図６】差分を積分することによって、振動の中に隠れた形状を見出すことができた例を説明する図である。
【図７】本発明の実施例における別の形態での実現方法を示した図である。
【符号の説明】
１：測定対象物体                      ２：線状レーザ光源、
３：線状レーザビーム                  ４：光切断像、
５：特殊カメラ                        ６：速度測定用ロール、
７：回転速度測定器                    ８：信号処理制御盤、
９：表示装置                        １０：光電変換電荷積分転送部、
１１：水平転送読みだし部            １２：前置増幅器、
１３：比較器                        １４：シフトレジスタ、
１５：ラッチ                        １６：判定器、
１７：第一制御回路
１８：間隔積算カウント値保持用シフトレジスタ、
１９：第二制御回路                  ２０：変化分積分用シフトレジスタ、
２１：基準間隔値設定器              ２２：Ｄ／Ａ変換器、
２３：表示器                        ２４：レーザ光源、
２５：ハーフミラー                  ２６：全反射ミラー、
２７：線状ビームに広げるための光学素子
【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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【図６】
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【図７】
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