(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ビーム投光点Ａとビーム受光点Ｂを基準長Ｌを隔てて設置し、ビーム投光点Ａから被測定面（３）にレーザビーム（５）を走査し、ビーム受光点Ｂで被測定面側からの散乱光（６）を集光して光位置検出器（２０）に導き、その出力から被測定面の形状を測定する光学式プロフィル測定方法において、
前記光位置検出器（２０）は、ビーム投光側からビーム受光側に直線状に配列した複数の光電変換器（２０ａ）からなり、
各光電変換器の受光感度は、前記ビーム投光点Ａから前記被測定面（３）の照射点に達する前までのビーム光路からの散乱光を受ける側が相対的に低く、前記照射点からの反射光を受ける側が相対的に高くなるように傾斜感度に設定されており、更に、各光電変換器の出力レベルを比較し、その最大出力位置を光位置検出器上の被測定面の照射点Ｐと判断する、ことを特徴とする光学式プロフィル測定方法。
【請求項２】
ビーム投光点Ａとビーム受光点Ｂを基準長Ｌを隔てて設置し、ビーム投光点Ａから被測定面（３）にレーザビーム（５）を走査し、ビーム受光点Ｂで被測定面側からの散乱光（６）を集光して光位置検出器（２０）に導き、その出力から被測定面の形状を測定する光学式プロフィル測定装置において、
前記光位置検出器（２０）は、ビーム投光側からビーム受光側に直線状に配列した複数の光電変換器（２０ａ）からなり、
各光電変換器の受光感度は、前記ビーム投光点Ａから前記被測定面（３）の照射点に達する前までのビーム光路からの散乱光を受ける側が相対的に低く、前記照射点からの反射光を受ける側が相対的に高くなるように傾斜感度に設定されており、
更に、各光電変換器の出力レベルを比較し、その最大出力位置を光位置検出器上の被測定面の照射点Ｐと判断するシステム制御部を備える、ことを特徴とする光学式プロフィル測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高炉炉頂面のプロフィルを測定する光学式プロフィル測定方法に関わり、更に詳しくは、被測定面のレーザ照射位置を検出する光位置検出方法と装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
鉄鉱石を溶解する高炉では、通常、炉の上部からコークスと鉄鉱石を交互に挿入し、その後攪拌機により炉頂面のプロフィル（表面形状）の断面がＶ字形となるように設定する。炉頂プロフィルを所望のＶ字形にすることは高炉の燃費を節約する上で重要な意味をもっており、従って炉頂プロフィルを正確に測定する手段が要求される。
【０００３】
この要求を満たすために、三角測量を応用した光学式プロフィル測定手段が提案され出願されている（例えば、特開昭５４−６５０５９号）。この「プロファイル測定装置」は、図６に模式的に示すように、繰り返し発振するパルスレーザを光源としてレーザビーム５で被測定面３を走査し、被測定面３からの散乱光６を所定の開口径をもつ受光光学系７で集光し、その受光光学系７の焦点面上に描かれる像の軌跡から被測定面３のプロフィルを求めるものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述した光学式プロフィル測定手段では、図７に原理図を示すように、ビーム投光点Ａとビーム受光点Ｂを基準長Ｌを隔てて設置し、基準長Ｌに対する投光角αと受光角βとから被測定面３の垂直高さＨとその水平位置（例えば投光点Ａからの水平距離Ｃ）を演算するようになっている。
【０００５】
また、実際のプロフィル測定装置では、受光角βの測定精度を高めるために、図６の受光光学系７の前に受光ミラー（又はスキャニングミラー：図示せず）を設け、その傾斜角度をレーザのスポット光位置（照射点Ｐ）に追従させ、受光光学系７の焦点面上に位置決めした光位置検出器８で照射点Ｐの位置を検出している。すなわち、受光角βは、受光ミラーの受光角度と光位置検出器８上の照射点Ｐの位置から演算される。
【０００６】
更に、光位置検出器８は、多数の光電変換器を直線状に配列したものであり、照射点Ｐの位置は、散乱光６による各光電変換器の出力レベルを比較し、その最大出力位置としている。
【０００７】
しかしかかる光学式プロフィル測定装置において、投光点Ａから照射したレーザビーム５は、内部の粉塵で散乱されながら炉頂面上の照射点Ｐに達する。そのため、炉頂部の粉塵が激しい場合に、粉塵からの散乱光（以後ミー散乱光と称す）が強く、光電変換器の出力の山が２つ現れ、そのピーク値の差が小さいと、雑音信号の影響で照射点Ｐの位置を誤検出することがあった。
【０００８】
すなわち、光位置検出器を用いた三角測量方式のプロフィル測定装置では、従来から、その光位置検出にＰＳＤ（Position Sencing Device)）またはリニアＣＣＤなどの多チャンネル検出器が用いられ、その出力のピーク位置が被測定面３の照射点Ｐの位置となるが、上述したように、高粉塵環境下では、強いミー散乱光により出力の山が２つでき、スポット光位置を誤って検知することがある。かかる誤検出が発生すると、図６における受光角βの測定精度が大幅に悪化するばかりでなく、この誤検出に追従して受光ミラー（スキャニングミラー）の受光角度も大きく変化し、結果として測定したデータが全く使えなくなる問題点があった。
【０００９】
本発明は、かかる問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、粉塵が激しく、粉塵からのミー散乱光が強い場合でも、被測定面のレーザ照射位置Ｐを確実に検出することができ、これにより、雑音信号が大きく計測誤差がある場合でも、誤検出を大幅に低減し被測定面のプロフィルを正確に測定することができる光学式プロフィル測定方法と装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、ビーム投光点Ａとビーム受光点Ｂを基準長Ｌを隔てて設置し、ビーム投光点Ａから被測定面（３）にレーザビーム（５）を走査し、ビーム受光点Ｂで被測定面側からの散乱光（６）を集光して光位置検出器（２０）に導き、その出力から被測定面の形状を測定する光学式プロフィル測定方法において、前記光位置検出器（２０）は、ビーム投光側からビーム受光側に直線状に配列した複数の光電変換器（２０ａ）からなり、各光電変換器の受光感度は、前記ビーム投光点Ａから前記被測定面（３）の照射点に達する前までのビーム光路からの散乱光を受ける側が相対的に低く、前記照射点からの反射光を受ける側が相対的に高くなるように傾斜感度に設定されており、更に、各光電変換器の出力レベルを比較し、その最大出力位置を光位置検出器上の被測定面の照射点Ｐと判断する、ことを特徴とする光学式プロフィル測定方法が提供される。
また、本発明によれば、ビーム投光点Ａとビーム受光点Ｂを基準長Ｌを隔てて設置し、ビーム投光点Ａから被測定面（３）にレーザビーム（５）を走査し、ビーム受光点Ｂで被測定面側からの散乱光（６）を集光して光位置検出器（２０）に導き、その出力から被測定面の形状を測定する光学式プロフィル測定装置において、前記光位置検出器（２０）は、ビーム投光側からビーム受光側に直線状に配列した複数の光電変換器（２０ａ）からなり、各光電変換器の受光感度は、前記ビーム投光点Ａから前記被測定面（３）の照射点に達する前までのビーム光路からの散乱光を受ける側が相対的に低く、前記照射点からの反射光を受ける側が相対的に高くなるように傾斜感度に設定されており、更に、各光電変換器の出力レベルを比較し、その最大出力位置を光位置検出器上の被測定面の照射点Ｐと判断するシステム制御部を備える、ことを特徴とする光学式プロフィル測定装置が提供される。
【００１１】
粉塵によるミー散乱は、ビーム投光点Ａから照射されたレーザビーム（５）が被測定面（３）の照射点Ｐに達するまでのビーム光路からの散乱光であるため、光電変換器において前記ビーム投光点Ａから前記被測定面（３）の照射点に達する前までのビーム光路からの散乱光を受ける側が強いが、照射点Ｐからの反射光を受ける側にはほとんど発生しない。また、レーザビームが被測定面に十分達する条件下で計測を行うため、定常状態では照射点Ｐからの反射光強度が最も強い。従って、粉塵からのミー散乱光が強く、光電変換器の出力の山が２つ現れる場合には、ビーム投光側の山は粉塵からのミー散乱光によるものであり、ビーム受光側の山が必ず照射点Ｐからの反射光である。従って、これを識別するために、ビーム投光側からビーム受光側に直線状に配列した複数の光電変換器（２０ａ）の受光感度を、前記ビーム投光点Ａから前記被測定面（３）の照射点Ｐに達する前までのビーム光路からの散乱光を受ける側が相対的に低く、前記照射点からの反射光を受ける側が相対的に高くなるように傾斜感度に設定することにより、通常弱いビーム光路からの散乱光の強度を更に弱めることができ、照射点Ｐからの反射光強度を相対的に高めることができる。これにより、更に、各光電変換器の出力レベルを比較し、その最大出力位置を検出するだけで、雑音信号が大きく計測誤差がある場合でも、確実に被測定面の照射点Ｐを検出でき、誤検出を大幅に低減することができる。
【００１２】
言い換えれば、光学的物理現象であるミー散乱は、必ずスポット位置の光路上流側にのみ発生し、スポット光の先には発生しないため、単純に受光感度に傾斜を付けるだけで、単にピーク値を取る処理で、確実な測定を行なうことができ、誤検知の防止とシステムの簡素化を両立させることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
図１は、本発明の方法を適用する光学式プロフィル測定装置の全体構成図である。この図において、光学式プロフィル測定装置１０は、被測定面３にレーザビーム５（レーザ光）を投光する投光部１２と、被測定面３のスポット光位置（照射点Ｐ）からのレーザ光の散乱光６を受光する受光部１４とを備えている。被測定面３は、この図では高炉に装入されたコークスと鉄鋼石の積層面であるが、本発明はこれに限定されず、その他の被測定面にも適用することができる。
【００１４】
図１において、投光部１２は、レーザコントローラ１２ａ、レーザ電源部１２ｂ、レーザ発振器１２ｃ及びミラースキャナ１３からなり、レーザ発振器１２ｃから出射されたレーザビーム５を被測定面３に向けて反射し、かつミラーの揺動により被測定面３を走査するようになっている。
受光部１４は、ミラースキャナ１４ａ、レンズ１４ｂ、回転式光減衰器１４ｃ、受光器アレイ２０（光位置検出器）及び受光制御盤１５からなり、投光部１２で投光される被測定面３の照射点Ｐに応じてミラーを揺動させ、被測定面３の照射点Ｐからの散乱光６を常に安定して光位置検出器２０に向けて反射させるようになっている。更に、図中の１６はシステム制御部、１６ａはシステム制御盤、１６ｂはディスプレイであり、光位置検出器２０で得られたデータを基に被測定面３のプロフィルをディスプレイ１６ｂ上に表示するようになっている。
【００１５】
図２は、図１の装置により実際にプロフィルを測定した一例である。この図において、（Ａ）は光位置検出器２０を構成する光電変換器２０ａの出力図、（Ｂ）はこの出力データから得られた被測定面３のプロフィル図である。
受光器アレイ、すなわち、光位置検出器２０は、図２（Ａ）に示すように、ビーム投光側からビーム受光側に直線状に配列した複数（この例では３２チャンネル）の光電変換器２０ａからなる。また、システム制御盤１６ａにより、各光電変換器２０ａの出力レベルを比較し、その最大出力位置（この例では第１７チャンネル）を光位置検出器上の照射点Ｐと判断する。従って、図２（Ｂ）に示すように、受光角βをミラースキャナ１４ａ（受光ミラー）の受光角度と検出された光位置検出器上の照射点Ｐの位置から求め、基準長Ｌに対する投光角αと受光角βとから被測定面３の垂直高さＨとその水平位置を演算し、被測定面３のプロフィルを求めることができる。
【００１６】
図３は、図１の光位置検出器による各光電変換器の別の出力例である。この図において、（Ａ）は従来の出力例、（Ｂ）は本発明の方法における感度比率、（Ｃ）は本発明の方法を適用した出力例である。すなわち、本発明の光学式プロフィル測定方法では、各光電変換器２０ａの受光感度が、前記ビーム投光点Ａから前記被測定面（３）の照射点Ｐに達する前までのビーム光路からの散乱光を受ける側が相対的に低く、前記照射点からの反射光を受ける側が相対的に高くなるように傾斜感度に設定されている。なお、この傾斜感度の比率は、この例では、３２チャンネルの隣接する各光電変換器２０ａの感度が、反射光を受ける側が散乱光を受ける側より１％高く設定され、全体として投光側の第１チャンネルに対して受光側の第３２チャンネルが約１．３６倍の感度を有するように設定されている。なお、傾斜感度の比率は、好ましくは直線上であり、かつ比率が高いほど粉塵や外乱（雑音信号）に強くなるが、高すぎると正確なピーク位置に隣接する別の位置を照射点Ｐとして誤認し、検出位置精度がわずかに低下するおそれがある。従って、この比率は、全体として、散乱光を受ける側に対して反射光を受ける側が１．２〜２．０倍程度に設定するのがよい。
【００１７】
図３（Ｃ）は、（Ａ）の出力データを（Ｂ）の感度比率で補正したものである。この図から、図３（Ａ）の各光電変換器の出力レベルを比較し、その最大出力位置を光位置検出器上の被測定面の照射点Ｐと判断した場合には、ピーク位置がこの例では、第３チャンネルと第１７チャンネルにピークがあるため、外乱（雑音信号）が大きい場合には、第３チャンネルをピークとして誤検出するおそれがある。
【００１８】
図４は、このような誤検出が生じた場合の、被測定面３のプロフィルの測定例を示している。（Ａ）（Ｂ）とも、図３とほぼ同一条件下で発生した誤検出であり、受光角βの測定精度が大幅に悪化するばかりでなく、この誤検出に追従して受光ミラー（スキャニングミラー）の受光角度も大きく変化するため、実際の照射点Ｐと全くかけ離れた位置を照射点Ｐとして演算し、結果として測定したデータが全く使えなくなる。
【００１９】
これに対して、図３（Ｂ）（Ｃ）に示すように、ビーム投光側からビーム受光側に直線状に配列した複数の光電変換器（２０ａ）の受光感度を、前記ビーム投光点Ａから前記被測定面（３）の照射点Ｐに達する前までのビーム光路からの散乱光を受ける側が相対的に低く、前記照射点からの反射光を受ける側が相対的に高くなるように傾斜感度に設定することにより、通常弱いビーム光路からの散乱光（この例で第３チャンネル）の強度を更に弱めることができ、照射点Ｐからの反射光強度（この例で第１７チャンネル）を相対的に高めることができる。これにより、更に、各光電変換器の出力レベルを比較し、その最大出力位置（第１７チャンネル）を確実に検出できる。
【００２０】
図５は、本発明の方法によるプロフィル測定例である。（Ａ）（Ｂ）とも、図３とほぼ同一条件下での測定であるが、誤検出がほとんどなく、また、雑音信号が大きく計測誤差がある場合でも、確実に被測定面の照射点Ｐを検出できることが確認された。
【００２１】
なお、本発明の方法は、上述した実施例に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々に変更できることは勿論である。
【００２２】
【発明の効果】
上述したように、光学的物理現象であるミー散乱は、必ずスポット位置の光路上流側にのみ発生し、スポット光の先には発生しないため、本発明の方法により、単純に受光感度に傾斜を付けるだけで、単にピーク値を取る処理で、確実な測定を行なうことができ、誤検知の防止とシステムの簡素化を両立させることができる。
【００２３】
すなわち、本発明の光学式プロフィル測定方法と装置は、粉塵が激しく、粉塵からのミー散乱光が強い場合でも、被測定面のレーザ照射位置Ｐを確実に検出することができ、これにより、雑音信号が大きく計測誤差がある場合でも、誤検出を大幅に低減し被測定面のプロフィルを正確に測定することができる、等の優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の方法を適用する光学式プロフィル測定装置の全体構成図である。
【図２】図１の装置によるプロフィル測定例である。
【図３】図１の光位置検出器による各光電変換器の出力例である。
【図４】従来の方法によるプロフィル測定例である。
【図５】本発明の方法によるプロフィル測定例である。
【図６】従来の光学式プロフィル測定装置の模式的構成図である。
【図７】光学式プロフィル測定装置の原理図である。
【符号の説明】
３  被測定面
５  レーザビーム
６  散乱光
７  受光光学系
８  光位置検出器
８ａ  光電変換器
１０  光学式プロフィル測定装置
１２  投光部
１２ａ  レーザコントローラ
１２ｂ  レーザ電源部
１２ｃ  レーザ発振器
１３  ミラースキャナ
１４  受光部
１４ａ  ミラースキャナ
１４ｂ  レンズ
１４ｃ  回転式光減衰器
１５  受光制御盤
１６  システム制御部
１６ａ  システム制御盤
１６ｂ  ディスプレイ
２０  受光器アレイ（光位置検出器）
２０ａ  光電変換器
【図１】
0004300496.tif 000002
【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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