JPH0426683B2 - - Google Patents

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JPH0426683B2
JPH0426683B2 JP61266145A JP26614586A JPH0426683B2 JP H0426683 B2 JPH0426683 B2 JP H0426683B2 JP 61266145 A JP61266145 A JP 61266145A JP 26614586 A JP26614586 A JP 26614586A JP H0426683 B2 JPH0426683 B2 JP H0426683B2
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Jiro Matsuo
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Nippon Steel Corp
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は鋼板平坦度測定等、形状が比較的平坦
に近い物に対する形状測定に関するものである。
〔従来の技術〕
モアレ法を用いて形状を求める方法としては、
等高線観測装置(例えば特公昭50−34947号公報)
が知られている。この方法は、モアレトポグラフ
イと呼ばれ、光源と観察系の結像点(例えば瞳)
とを、格子面から等しい垂直距離の位置に配置さ
せ、物体表面上に等高線群を現出させることによ
り、物体の表面の形状を迅速正確に観察するもの
である。しかし、この方法では等高線の相対的な
高さ、いわゆる凹凸がわからず、自動化が困難で
ある。
そこで、測定物の形状の最大傾斜より大きく、
格子に対して該測定物を傾けて設置することによ
り、凹凸判定をすることなく一意的に縞の高さを
指定しようとする形状測定方法は容易に考えられ
る。
〔発明が解決しようとする問題点〕
しかし、測定物が鋼板のような重量物において
は、静止又は搬送中を問わずそれを傾けることは
容易でなく、格子を含めて光学系すべてを傾けな
ければならない。
しかし、大きな格子を精度よく傾けることも難
しく、又、形状の合せて傾斜角を調整することも
容易でない。
本発明は、格子と測定物体は傾斜調整すること
なく、また、凹凸判定を要することなく、モアレ
縞を利用して物体表面の形状を測定することを目
的とする。
〔問題点を解決するための手段〕
本発明は以上の如き問題点を有利に解決するた
めになしたもので、その要旨とするところは、平
面格子の影を、点状又はスリツト状の光源から出
た光によつて、破測定物表面上に投影し、この影
をもとの格子を通して観察するときに生じるモア
レ縞によつて板状物体表面の形状を求めるに際
し、光源と格子面の垂直距離h1と撮像点と格子面
の垂直距離h2をあえてh1≠h2として光切断面群を
板状物体に対して傾斜させ、格子のピツチP、光
源と撮像点の水平距離l、および、格子面と搬送
ロールまでの間隔から板状物体の板厚を差し引い
た値Z0、に基づいて、測定面の任意のモアレ縞の
光量の極大点を基準点P0とし、任意のモアレ縞
の光量の極大点の、基準点からの高さYNを次式
で求めることを特徴とする、傾斜モアレ式形状測
定方法である。
YN=ΔZ・(xN/W−N) 但し、 ΔZ=P/<lh2/(Z0+h22+x(h2−h1)(h1h2
−Z0 2)/〔(Z0+h12(Z0+h22〕> ここでxは光源を頂点としたモアレ縞位置の水
平距離、Wは格子面から下方にZ0の垂直距離に置
いた平坦な板に発生するモアレ縞の間隔であり、 W=〔h1h2+(h1+h2)Z0+Z0 2〕・P/〔(h2−h1
)Z0〕 xNは基準点P0から、高さを求めるモアレ縞の
光量極大点の水平距離、Nは基準点からの相対的
な次数である。
〔作用〕
第1図を参照して、本発明の測定方法を説明す
る。
第1図に示す記号は次の事項を意味する。
h1:光源11と格子面13との垂直距離。
h2:観察系の結像点(図示は瞳)12と格子面1
3の垂直距離, l:光源11と観察系の結像点12の距離, P:格子13のピツチ, N:縞次数と呼ばれ、格子面13からの光切断面
群14の順番。
今、一つの光の経路の例として、光源11から
格子13上の隙間A点を通り、C点で測定物にあ
たつて反射し、格子13の隙間B点を通り観察系
の結像点12に帰る経路を考える。点Aと点Bの
距離をNPとする。第1図より明らかなように、
点Cのモアレ縞の縞次数はNとなる。第1図の場
合N=3である。
xは光源11を原点とした点Cの水平方向距離
を示し、Zは点Cの深さとする。また、基本式の
導出の準備として点Aと点Cの水平距離をξとお
く。ΔZは縞次数Nが1変化したときの縞深さの
変化、Z0は格子13から基準面15までの距離、
Wは基準面に現出するモアレ縞の縞間隔、θは基
準面15に対する光切断面群14の傾斜角を示
す。モアレトポグラフイはh1=h2となるが、本発
明の特徴はh1≠h2とした点にある。
第1図により三角形の相似条件より基本式とし
て次式を得る。
(h1+Z):x=Z:ξ (h2+Z):(1−x)=Z:(NP−ξ) …(1) 両式よりξを消去して、 N=lZ/〔P(Z+h2)〕(h2−h1)xZ/〔P(Z+
h1)(Z+h2)〕…(2) となる。縞次数Nが1変化した時の縞深さZの変
化ΔZを求めるために、NをZで微分すると、 dN/dZ=lh2/〔P(Z+h22〕+(h2−h1)(h1h2
−Z2)x/〔P(Z+h12(Z+h22〕…(3) となり、ΔZはNの変化dN=1とした時のZの変
化dZであるから、 ΔZ=P/〈lh2/〔(Z+h22〕+(h2−h1)(h1h
2−Z2)x/〔(Z+h12(Z+h22〕〉…(4) となる。
また、基準面15に対する縞間隔Wは次のよう
にして求まる。
(2)式を変形して、 x=〔h1h2NP+(h1NP+h2NP−h1l)Z+(NP−l)Z
2〕/〔(h2−h1)Z〕…(5) となる。Z=Z0における縞間隔Wは、 WΔ =xN=N+1 Z=Z0 −xN=N Z=Z0 =〔h1h2+(h1+h2)Z0+Z0 2〕 ・P/〔(h2−h1)Z0〕 …(6) と正確に一定値となる。
さらに、基準面15に対する光切断面群14の
傾斜角θは以下のようにして求まる。
(5)式をZで微分して、 dx/dZ=〔(NP−1l)Z2−h1h2NP〕 /〔(h2−h1)Z2〕 …(7) となり、傾斜角θは、 θ=tan-1〈(h2−h1)Z0 2 /〔(NP-l)Z0 2−h1h2NP〕〉 …(8) となる。ここで、NはZとxの変数であり、式(2)
より求まる。
以上の準備より、具体的に形状を求める方法を
述べる。測定物表面16と光切断面群14の交わ
りのようすを第2図に示す。第2図において、光
切断面群14と測定物表面16の交点を左から
P0,P1,……とする。これらの交点のうち1つ
を基準点として形状を求める。
ここで測定条件として測定物形状の最大傾斜
が、光切断面群14の傾斜より小さいとする。こ
の条件より、測定物表面16上に現出するモアレ
縞の縞次数Nは単調増加する。すなわち、P0
らかぞえてN個めの交点の相対的な縞次数はN、
と一意的に決定できる。
縞次数Nから形状を求めるには以下のようにす
る。例えば、点P1の高さy1は以下のように求ま
る。まずQ1点の相対的な縞次数は次式で求まる。
Q1点の縞次数=x1/W …(9) ここでWは、前述の式(6)で与えられている。
したがつてP1点の高さy1は、 y1=ΔZ(Q1点の縞次数−P1点の縞次数) =ΔZ(x1/W−1) …(10) で求まる。同様にして任意の点PNの高さは次式
で求まる。
yN=ΔZ(xN/W−N) …(11) ここで、ΔZは前述の式(4)で与えられxの関数
である。
光切断面群14と測定物表面の交点以外の点の
形状は、たとえばスプライン関数による補間計算
により求めることができる。
ここで、光源と格子面の垂直距離h1と、結像点
12と格子面の垂直距離h2とを、h1≠h2とするこ
とが本発明のポイントであるが、垂直距離を異な
らせる量は、測定物の形状により異なる。鋼板の
ように平坦な場合の幾何学寸法の一例を次に示
す。
格子面13のピツチ P=1.5mm 光源11と格子面13の垂直距離 h1=3800mm 結像点12と格子面13の垂直距離 h2=4200mm 光源11と結像点12の水平距離 l=3000mm 格子面13と基準面15の距離 Z0=500mm とすると、まず式(6)より、 基準面15における縞間隔W=151.6mmとなる。
また縞次数Nが1だけ変化したときの縞深さの変
化ΔZ1及び、基準面15と光切断面群の傾斜角θ
は、光源11からの水平距離xの関数であるが、
式(4)及び(8)より、 x=0の点で ΔZ=2.63mm、θ=00.99゜ x=3000mmの点で ΔZ=2.43mm、θ=0.92゜ となる。
すなわちx=0の点では、形状がΔZ=2.43mm
高くなるとモアレ縞は、第1図でほぼ右へW=
152mm移動し、x=3000mmの点では形状が2.63mm
高くなるとモアレ縞は、同じく152mm右へ移動す
る。
光切断面群の傾きはほぼ0.9゜であるから、凹凸
判定できる最大形状傾きは 16mm/1000mm(≒tan0.9゜) となるが、一般の鋼板においては、この範囲で十
分である。
測定物の形状が悪いものに対しては光源11と
結像点12の段差を大きくすることにより、θは
大きくなり、凹凸判定が可能となるが、Wは小さ
くなり、形状変化に対してモアレ縞の動く距離は
小さくなり、形状測定の感度が悪くなる。
〔実施例〕
本発明を鋼板平坦度計に応用した実施例を第3
図により説明する。
第3図の13は、板幅方向5m、長手方向2m、
格子ピツチ1.5mm、格子ワイヤ径0.5mmの大型格子
で、鋼板搬送ロール21とは平行に設置してあ
る。そして搬送ロール21表面との間隔は搬送時
の衝突防止のため、550mmに設定してある。
17はモアレ縞を形成する光源となるレーザー
光源(YAGレーザー、波長532mm、出力4.5W)
で、レーザー光はビームエキスパンダー18を経
由して反射ミラー19により方向を変えられ、凹
レンズ20を介して格子13を通つて、鋼板22
の表面にモアレ縞を形成する。23は、形成され
たモアレ縞を格子13を通して検出するITVカ
メラである。24は、モニタテレビであり、
ITV23で検出されたモアレ縞を目視観察する
ためのものである。25は画像処理装置であつ
て、ITV23の出力を取り込み、前述の演算式
(4),(6),(11)によりそれぞれ縞次数Nが1変化
した時の縞深さZの変化ΔZ、基準面に対する縞
間隔W、任意の点PNの高さyNを求めて、鋼板の
平坦度を求める。26は出力表示装置であつて、
等高線、P/H(P:波のピツチ、H:波の高さ)
等を表示する。
本実施例の場合、凹レンズ20と格子13間の
垂直距離h1は4150mmに設定し、ITV23(結像
点)と格子13間の垂直距離h2は3750mmとした。
また凹レンズ20とITV23の間隔Iは3100mm
であり、縞の分解能ΔZ=2.5mm、光切断面群の傾
きθ=0.103゜に調整した。
このような機器構成による平坦度計を用いて実
際の厚鋼板を測定した。
鋼板寸法:幅max4500mm×長max25000mm 材質:全鋼種 鋼板表面温度:250℃以下 鋼板搬送速度:0.1m/秒、1m/秒 平坦度測定値:波高さ0〜15mm 同一厚鋼板を平坦面に移し替えてスケールを用
いて人手にて平坦度測定した。多数の実測との比
較から、静止精度ε=±0.5mmが得られた。
一方、走間測定すなわち鋼板を搬送ローラー上
を走行させながら測定する場合にも、走間測定精
度ε=±1.0mmと高精度が得られた。
〔発明の効果〕
光切断面群を測定物体に傾けることの利点は次
の通りである。
凹凸判定が不要。
モアレ縞の曲がり形状を求めるため分解能が
向上する。前述の実施例においてΔZ=2.5mmであ
るが、測定精度ε=±0.5mmが得られた。
常にパターンの決まつたモアレ縞があらわれ
るため画像処理が容易である。
モアレトポグラフイの原理を用いて格子を含め
た光学系すべてを傾けることにより、上記の効果
は得られるが、本発明では、格子は測定物と平行
に置くため、さらに次の効果が得られる。
格子の平行度調整が容易。
複数個のカメラを位置と高さを違えて設置す
ることにより、傾斜角θと分解能ΔZが異なるモ
アレ縞が同時に得られる。
【図面の簡単な説明】
第1図は、本発明の測定方法を説明するための
図面であり、モアレ測定用格子の断面を示す。第
2図は、第1図に示す測定態様での、光切断面群
と測定物の交じわり面を示す斜視図である。第3
図は、本発明を厚板平坦度計に適用したときの装
置構成の一例を示す斜視図である。 11:光源、12:観察系、13:格子、1
4:光切断面群、15:基準面、16:測定物表
面、17:レーザー光源、18:ビームエキスパ
ンダー、19:反射ミラー、20:凹レンズ、2
1:搬送ロール、22:鋼板、23:ITV、2
4:モニタ、25:画像処理装置、26:出力表
示。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 平面格子の影を、点状又はスリツト状の光源
    から出た光によつて被測定物表面上に投影し、こ
    の影をもとの格子を通して観察点で得て、平面格
    子の影によつて生じるモアレ縞を利用して板状物
    体表面の形状を求めるに際し、光源と格子面の垂
    直距離h1と撮像点と格子面の垂直距離h2をあえて
    h1≠h2として光切断面群を板状物体に対して傾斜
    させ、格子のピツチP、光源と撮像点の水平距離
    l、および、格子面と搬送ロールまでの間隔から
    板状物体の板厚を差し引いた値Z0、に基づいて、
    測定面の任意のモアレ縞の光量の極大点を基準点
    P0とし、任意のモアレ縞の光量の極大点の、基
    準点からの高さYNを次式で求めることを特徴と
    する、傾斜モアレ式形状測定方法、 YN=ΔZ・(xN/W−N) 但し、 ΔZ=P/<lh2/(Z0+h22+x(h2−h1)(h1h2
    −Z0 2)/〔(Z0+h12(Z0+h22〕> ここでxは光源を頂点としたモアレ縞位置の水
    平距離、Wは格子面から下方にZ0の垂直距離に置
    いた平坦な板に発生するモアレ縞の間隔であり、 W=〔h1h2+(h1+h2)Z0+Z0 2〕・P/〔(h2−h1
    )Z0〕 xNは基準点P0から、高さを求めるモアレ縞の
    光量極大点の水平距離、Nは基準点からの相対的
    な次数である。
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