JP4247729B2 - 照射点検出装置 - Google Patents

Description

【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手段に関わり、更に詳しくは、炉頂面からの入射光を高い減衰率で減衰し、かつゴースト光の発生を抑制するゴースト防止フィルターを有する照射点検出装置に関する。
【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５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】
上述した光学式プロフィル測定手段では、図６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５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】
【発明が解決しようとする課題】
光位置検出器８を構成する各光電変換器は、比較的暗い散乱光６も検出できるように高感度に設定されている。そのため、散乱光６の照度（明るさ）が高い場合には、逆にその照度を減衰して光位置検出器８に導く必要がある。そのため、従来から、光位置検出器８の前に、複数の減衰フィルターを有する回転式減衰器を設け、被測定面３からの入射光の照度に応じて減衰フィルターの減衰率を選択し、減衰フィルターを通過する入射光の照度を調整していた。この調整範囲は、光電変換器のラチチュードが２桁程度であり、入射光の照度は６〜７桁に達するため、４〜５桁分の減衰フィルター、例えば１／１，１／１０，１／１０² ，１／１０³ ，１／１０⁴ ，１／１０⁵ の透過率の６枚のフィルターを必要とした。
【０００８】
減衰フィルターには、吸収型と反射型があり、１／１〜１／１０³ の比較的低い減衰率には吸収型のＮＤフィルターが用いられ、１／１０⁴ 以上の高い減衰率には反射型のＮＤフィルターが用いられる。しかし、かかる反射型ＮＤフィルターを使用する場合、フィルターでの反射光がその前にあるレンズ系から反射されて発生するゴースト光が光位置検出器に到達し、そのゴースト光の強度が大きいため、照射点Ｐの位置を誤検出する等の現象が発生する問題点があった。
【０００９】
一方、吸収型のＮＤフィルターではこのような現象は生じないが、吸収型のみで１／１０⁴ 以上の高い減衰率を達成しようとすると、フィルターが厚く重くなり、回転式減衰器に組み込むのが難しくなる問題点があった。
【００１０】
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、高減衰率の反射型ＮＤフィルターを用いた場合に、ゴースト光により出力の山が２つでき、スポット光位置（シグナル光）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５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。
【００１１】
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、被測定面からの入射光を高い減衰率で減衰でき、かつゴースト光の発生を大幅に低減でき、更に従来の回転式減衰器に容易に組み込める薄さに構成できるゴースト防止フィルターを有する照射点検出装置を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、レーザビームを被測定面に投光する投光部と、前記被測定面における照射点で散乱した前記レーザビームの散乱光が透過するゴースト防止フィルターと、前記ゴースト防止フィルターを透過した前記散乱光を受光する受光部と、を備える照射点検出装置であって、
前記ゴースト防止フィルターは、吸収型ＮＤフィルターの一方面に反射型ＮＤフィルターを設けたものであり、前記反射型ＮＤフィルターは前記受光部の側に設けられ、前記吸収型ＮＤフィルターは前記受光部と反対側に設けられ、
前記反射型ＮＤフィルターの光の透過率をＴｒとし、前記反射型ＮＤフィルターへ入射する前記散乱光の強度をＩ ₀ とし、該入射する散乱光のうち反射型ＮＤフィルターを透過して前記受光部へ入射する散乱光の強度をＩｓとし、該入射する散乱光のうち反射型ＮＤフィルターで反射される散乱光の強度をＩｒとすると、Ｉｓ＝Ｉ ₀ ×Ｔｒ、および、Ｉｒ＝Ｉ ₀ ×（１−Ｔｒ）が成り立ち、
前記透過率Ｔｒは、１／１０ ^２ 〜１／１０ ^３ である、ことを特徴とする照射点検出装置が提供される。本発明の好ましい実施形態によれば、前記反射型ＮＤフィルタ−は、前記吸収型ＮＤフィルタ−の一方面にコーティングされて形成される。また、前記吸収型ＮＤフィルタ−の透過率Ｔｄが１／１０〜１／１０² であるのがよい。
【００１３】
上記本発明の構成によれば、吸収型フィルタ−の背面に反射型フィルタ−を設けているので、反射型フィルタ−で反射された反射光がその前にあるレンズ系から反射されて再度反射型フィルタ−に入射するまでに、吸収型フィルタ−内を少なくとも２回余分に通過し、吸収型ＮＤフィルタ−の透過率Ｔｄの２乗の減衰を余分に受ける。従って、その透過率Ｔｄを１／１０〜１／１０² とすると、ゴ−スト光は入射光に比べて１／１０² 〜１／１０⁴ となり、シグナル光とゴースト光の強度に大きな差が発生し、シグナル光の位置検出等の測定に全く支障をきたさなくなる。
【００１４】
また、被測定面からの入射光は、吸収型フィルタ−による透過率Ｔｄと反射型ＮＤフィルタ−の透過率Ｔｒで続けて減衰されるので、全体としてＴｄ×Ｔｒの高い減衰率で減衰できる。例えば、透過率Ｔｄが１／１０〜１／１０² 、透過率Ｔｒが１／１０² 〜１／１０³ の場合、この透過率は、１／１０³ 〜１／１０⁵ となる。
【００１５】
【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、本発明のゴースト防止フィルターを備えた照射点検出装置の全体構成図である。この図において、照射点検出装置（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。
【００１６】
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。
【００１７】
受光部１４は、ミラースキャナ１４ａ、レンズ１４ｂ、回転式光減衰器２２、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。
【００１８】
図２は、図１の受光部１４の部分構成図である。この図に示すように、受光部１４のレンズ１４ｂは、通常収差補正の目的で２枚以上のレンズ系で構成され、光位置検出器２０の焦点面に正確に焦点を結ぶように構成されている。そのため、このレンズ系の光位置検出器２０側は通常凸球面に形成されている。
【００１９】
回転式光減衰器２２は、光位置検出器２０の光軸Ｚと平行な回転軸２２ａを中心に回転可能なフィルター取付板２２ｂと、このフィルター取付板２２ｂを所定の角度（例えば、６０°）づつ旋回させる駆動モータ２２ｃとを備えている。フィルター取付板２２ｂの周囲には、減衰フィルター２３を取り付けるフィルター取付金具が設けられ、その位置のフィルター取付板には開口が設けられている。この構成で駆動モータ２２ｃでフィルター取付板２２ｂを所定の角度づつ旋回させることにより、所望の減衰率を有する減衰フィルター２３を光軸Ｚ上に自由に挿入することができる。また、ゴースト防止フィルター２４は、この減衰フィルター２３のうちの１枚又は複数枚として使用するものである。
【００２０】
図３は、ゴースト防止フィルターの原理図である。図３（Ａ）に示すように、本発明のゴースト防止フィルター２４は、吸収型ＮＤフィルタ−２４ａの背面に反射型ＮＤフィルタ−２４ｂを設けたものである。また、このゴースト防止フィルター２４は、この図のように吸収型ＮＤフィルタ−側を入射光側に向けて位置決めする。更に、吸収型ＮＤフィルタ−２４ａの透過率Ｔｄは１／１０〜１／１０² であり、背面の反射型ＮＤフィルタ−２４ｂの透過率Ｔｒは１／１０² 〜１／１０³ であるのがよい。
【００２１】
以下、図３を基に、本発明の原理を説明する。ゴースト防止フィルターの場合、図３（Ｂ）は、従来の反射型ＮＤフィルタ−２４ｂで透過率Ｔｒが１／１０⁵ の場合である。図３（Ｂ）の場合、入射光の強度をＩ₀ とすると、フィルターを通過して光位置検出器２０に入るシグナル光の強度はＩｓ＝Ｉ₀ ×Ｔｒ．．．（式１）となる。一方、反射型ＮＤフィルタ−２４ｂで反射された光の強度はＩｒ＝Ｉ₀ ×（１−Ｔｒ）．．．（式２）であり、これが上述したレンズ系で１００％反射して再度入射すると、その通過光、すなわちゴースト光の強度は、Ｉｇ＝Ｉｒ×Ｔｒ＝Ｉ₀ ×（１−Ｔｒ）×Ｔｒ＝Ｉｓ×（１−Ｔｒ）．．．（式３）となる。従って、シグナル光とゴースト光の強度比は、１：１−Ｔｒであり、透過率Ｔｒが非常に小さい（１／１０⁵ ）ため、両者の差はほとんどなく、上述したようにゴースト光により出力の山が２つでき、スポット光位置（シグナル光）を誤って検知する問題が発生する。
【００２２】
これに対して、図３（Ａ）に示すゴースト防止フィルターでは、例えば、フィルターを通過して光位置検出器２０に入るシグナル光の強度はＩｓ＝Ｉ₀ ×Ｔｄ×Ｔｒ．．．（式４）となる。一方、反射型ＮＤフィルタ−２４ｂで反射した光は、その段階で吸収型ＮＤフィルタ−２４ａにより減衰されており、更に反射してもどる際に減衰されるので、反射光の強度はＩｒ＝Ｉ₀ ×Ｔｄ×（１−Ｔｒ）×Ｔｄ．．．（式５）である。この反射光がレンズ系で１００％反射して再度入射すると、その通過光、すなわちゴースト光の強度は、Ｉｇ＝Ｉ₀ ×Ｔｄ×（１−Ｔｒ）×Ｔｄ×Ｔｄ×Ｔｒ＝Ｉ₀ ×Ｔｄ×Ｔｒ×（１−Ｔｒ）×Ｔｄ² ＝Ｉｓ×（１−Ｔｒ）×Ｔｄ² ．．．（式６）となる。従って、シグナル光とゴースト光の強度比は、１：（１−Ｔｒ）×Ｔｄ² ≒１：Ｔｄ² となり、吸収型ＮＤフィルタ−２４ａの透過率Ｔｄを１／１０〜１／１０² と比較的小さい減衰率にした場合でも、ゴースト光の強度はその二乗の１／１０² 〜１／１０⁴ となり、ゴースト光はほとんど消えて、シグナル光の位置検出等の測定に全く支障をきたさなくなる。
【００２３】
【実施例】
図４は、図２の光位置検出器による各光電変換器の出力例である。この図において、（Ａ）は従来の出力例、（Ｂ）はゴースト防止フィルターを用いた出力例である。受光器アレイ、すなわち、光位置検出器２０は、図４（Ａ）に示すように、複数（この例では３２チャンネル）の光電変換器からなる。また、上述したシステム制御盤１６ａにより、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照射点Ｐと判断し、これから被測定面３上の照射点Ｐの垂直高さと水平位置を演算して、そのプロフィルを求めるようになっている。
【００２４】
図４（Ａ）の例では、被測定面からのシグナル光Ｓの他にゴースト光Ｇが発生している。従って、この場合に、照射点Ｐの位置を誤検出するおそれがある。これに対して、図４（Ｂ）の例では、（Ａ）のゴースト光Ｇのみが完全に消えている。すなわち、ゴースト防止フィルターを用いることにより、ゴースト光の発生を大幅に低減できることが確認された。
【００２５】
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。
【００２６】
【発明の効果】
上述したように、本発明の構成によれば、反射型フィルタ−で反射された反射光がその前にあるレンズ系から反射されて再度反射型フィルタ−に入射するまでに、吸収型フィルタ−内を少なくとも２回余分に通過し、吸収型ＮＤフィルタ−の透過率Ｔｄの２乗の減衰を余分に受ける。従って、その透過率Ｔｄを１／１０〜１／１０² とすると、ゴ−スト光は入射光に比べて１／１０² 〜１／１０⁴ となり、ゴースト光をほとんどなくすことができる。
【００２７】
また、被測定面からの入射光は、吸収型フィルタ−による透過率Ｔｄと反射型ＮＤフィルタ−の透過率Ｔｒで続けて減衰されるので、全体としてＴｄ×Ｔｒの高い減衰率で減衰できる。
【００２８】
更に、ゴースト防止フィルターは、１枚の吸収型フィルタ−と１枚の反射型フィルタ−を密着して構成できるので、５ｍｍ前後の厚い吸収型フィルタ−を２〜３枚組み合わせた場合の厚さ（１０〜１５ｍｍ）に比較して、反射型フィルタ−の厚さは薄くできる（例えば１．５ｍｍ程度）ので、ゴースト防止フィルター全体の厚さを６．５ｍｍ程度にすることができ、従来の回転式減衰器に容易に組み込むことができる。
【００２９】
従って、ゴースト防止フィルターは、被測定面からの入射光を高い減衰率で減衰でき、かつゴースト光の発生を大幅に低減でき、更に従来の回転式減衰器に容易に組み込める薄さに構成できる、等の優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のゴースト防止フィルターを備えた照射点検出装置の全体構成図である。
【図２】図１の受光部１４の部分構成図である。
【図３】本発明のゴースト防止フィルターの原理図である。
【図４】図２の光位置検出器による各光電変換器の出力例である。
【図５】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６】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照射点検出装置
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
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
２２ 回転式光減衰器
２２ａ 回転軸
２２ｂ フィルター取付板
２２ｃ 駆動モータ
２３ 減衰フィルター
２４ ゴースト防止フィルター
２４ａ 吸収型ＮＤフィルター
２４ｂ 反射型ＮＤフィルタ−

Claims (3)

1. レーザビームを被測定面に投光する投光部と、前記被測定面における照射点で散乱した前記レーザビームの散乱光が透過するゴースト防止フィルターと、前記ゴースト防止フィルターを透過した前記散乱光を受光する受光部と、を備える照射点検出装置であって、
   前記ゴースト防止フィルターは、吸収型ＮＤフィルターの一方面に反射型ＮＤフィルターを設けたものであり、前記反射型ＮＤフィルターは前記受光部の側に設けられ、前記吸収型ＮＤフィルターは前記受光部と反対側に設けられ、
   前記反射型ＮＤフィルターの光の透過率をＴｒとし、前記反射型ＮＤフィルターへ入射する前記散乱光の強度をＩ ₀ とし、該入射する散乱光のうち反射型ＮＤフィルターを透過して前記受光部へ入射する散乱光の強度をＩｓとし、該入射する散乱光のうち反射型ＮＤフィルターで反射される散乱光の強度をＩｒとすると、Ｉｓ＝Ｉ ₀ ×Ｔｒ、および、Ｉｒ＝Ｉ ₀ ×（１−Ｔｒ）が成り立ち、
   前記透過率Ｔｒは、１／１０ ^２ 〜１／１０ ^３ である、ことを特徴とする照射点検出装置。
2. 前記反射型ＮＤフィルタ−は、前記吸収型ＮＤフィルタ−の前記一方面にコーティングされて形成される、ことを特徴とする請求項１に記載の照射点検出装置。
3. 前記吸収型ＮＤフィルタ−の透過率Ｔｄが１／１０〜１／１０² である、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の照射点検出装置。

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