JP2004317393A - 二色放射温度計 - Google Patents

Abstract

【課題】単板式の二色放射温度計並みの簡単な構成で、且つ測定波長の変更も容易に行えるようにする。
【解決手段】λ１、λ２の二波長の選択機能を有するプリズム１４により、測定対象１１から到来する入射光Ｌ１を２つに分岐しつつ波長を制限し、さらにクロストーク防止用に設けられた波長選択フィルタ１７、１８を通して、１個のＣＣＤ１０の受光面上の重ならない２つの領域にそれぞれ同一像のλ１対応像とλ２対応像とを結像させる。そして、ＣＣＤ１０から読み出した画素信号を分離して形成した２枚の画像から温度分布を計算する。測定波長を変更する際にはプリズム１４とフィルタ１７、１８とを交換すればよい。
【選択図】 図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、測定対象からの熱放射を利用して非接触でその測定対象の温度測定を行う二色放射温度計に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば溶鉱炉内部での燃焼や爆発時の温度を非接触で測定するために二色放射温度計（又は二波長放射温度計などと呼ばれることもある）が利用されている（例えば特許文献１など参照）。特に測定対象が２次元面である場合、ＣＣＤカメラを用いた二色放射温度計が有用である（例えば特許文献２など参照）。この種の二色放射温度計では、相異なる２つの波長光による測定面の画像をＣＣＤカメラにより取得し、その２枚の画像の輝度情報の差などに基づいて測定面の２次元温度分布などを算出することができる。
【０００３】
こうした二色放射温度計において、二波長に対応した画像を取得する方法として、従来、波長選択プリズム等で分光した光を２つのＣＣＤカメラで独立に受光する方式（二板式）と、上記特許文献２に記載のように、プリズムなどの光学素子を用いることなく通常のカラー撮影用のＣＣＤセンサに搭載されたＲＧＢフィルタの波長選択性を利用する方式（単板式）とが知られている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平７−２５３３６１号公報
【特許文献２】
特開２００２−３０９３０７号公報（段落００１０）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記二板式の構成では、プリズムや波長選択フィルタを適宜交換することによって測定波長を自由に変更できるという利点がある。しかしながら、２組のＣＣＤカメラが必要であるため、装置構成が複雑になるとともにコストが高くなる傾向にある。他方、単板式の構成では、装置構成は簡単になりコスト的にも有利であるが、通常のカラー撮影用のＣＣＤセンサを使用するためにＲＧＢの３波長以外の測定波長を選ぶことはできない。そのため、測定対象から放射される光の色（波長）によっては正確な温度測定ができない場合がある。
【０００６】
本発明はこのような点に鑑みて成されたものであり、その目的とするところは、単板式並みの簡単な構成でありながら測定波長を任意且つ容易に変更することができる二色放射温度計を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段、及び効果】
上記課題を解決するために成された本発明に係る二色放射温度計は、
ａ）微小受光素子が２次元状に配置されて成る唯一の撮像素子と、
ｂ）測定対象から到来する入射光を２つに分岐させて前記撮像素子の２次元受光面上の２つの相異なる領域に照射するための光分岐手段と、
ｃ）前記２つの相異なる領域に対して照射される光の波長をそれぞれ異なる第１及び第２の波長に制限する波長制限手段と、
ｄ）前記２つの相異なる領域に位置する前記微小受光素子からそれぞれ第１及び第２の波長に対応する画像信号を受け取り、その２枚の画像に基づいて前記測定対象の温度を算出する温度演算手段と、
を備えることを特徴としている。
【０００８】
ここで、撮像素子の典型的な一態様はＣＣＤ又はＣＭＯＳ型のイメージセンサである。また、光分岐手段の典型的な一態様はプリズムであるが、偏光ビームスプリッタなどの偏光成分を利用して光を分岐するものでもよい。また、波長制限手段の典型的な一態様は波長選択性を有するフィルタである。もちろん、各構成要素は上記記載以外のものであってもよい。
【０００９】
本発明に係る二色放射温度計では、測定対象から熱放射された光は光分岐手段により２つに分岐されるとともに、波長制限手段により、分岐された一方の光は第１の波長成分のみに制限され、他方の光は第２の波長成分のみに制限される。そして、いずれも単色光として、唯一の撮像素子の２次元受光面上で重ならない２つの相異なる領域に照射される。したがって、これら照射光によって２つの領域に投影される像は、測定対象の同一像であって波長のみが異なるものである。温度演算手段は、その２つの相異なる領域に位置している微小受光素子からそれぞれ画像信号を受け取り、その２枚の画像、つまり第１の波長に対応した画像と第２の波長に対応した画像とに基づいて、例えばそれぞれの輝度の差などから測定対象の温度を算出する。
【００１０】
このように本発明に係る二色放射温度計によれば、撮像素子は１個のみでよいので装置構成が簡単になり、装置の小型化が可能であるとともにコスト的にも有利である。しかも、波長選択フィルタ等の波長制限手段を交換するのみで測定波長の変更に対応できるので、測定対象に応じた任意の測定波長に容易に設定することができる。
【００１１】
なお、上記撮像素子としては、各微小受光素子で得られた画素信号を順次読み出すような一般的な素子を用いることができるが、上記２つの相異なる領域の間に位置する境界線を隔てたその両側において、それぞれ並列的につまり２系統で、各範囲に属する微小受光素子による画素信号を読み出すことができる構成の撮像素子とすると都合がよい。
【００１２】
このような構成によれば、２枚の画像中の互いに対応する画素信号を並行して読み出しながら、例えば両者の差分をとるなどのデータ処理を高速に行うことができる。したがって、例えば爆発や燃焼といった現象の２次元温度分布を高速で測定したいような用途に好適である。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る二色放射温度計の一実施例について、図１〜図３を参照して説明する。
【００１４】
図１は本実施例の二色放射温度計の全体構成図、図２は図１中の撮像部の概略光路構成図、図３は図２中のＣＣＤイメージセンサの受光面の正面図である。
【００１５】
本実施例の二色放射温度計は、測定対象の物体が放射する光を受光するＣＣＤイメージセンサ１０を含む撮像部１と、そのＣＣＤイメージセンサ１０に各種制御信号を送るＣＣＤ駆動部２と、ＣＣＤイメージセンサ１０から読み出された画素信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換部３と、デジタル化された画素信号をλ１、λ２なる２つの波長に対応する画像に分離するとともに必要に応じて所定の信号処理を施す画像信号処理部４と、この２枚の画像信号に基づいて測定対象の２次元的な温度分布情報を計算する温度計算部５とを備える。λ１、λ２の２波長に対応する画像信号から温度を算出するアルゴリズムについては、従来から用いられている方法を利用すればよい。
【００１６】
本実施例の特徴の１つは撮像部１における光路構成にある。即ち、図２に示すように、入射光を集光する入射レンズ系１２とＣＣＤイメージセンサ１０との間には、遮光板１３と波長選択機能を有するプリズム１４とを配置している。このプリズム１４は、入射光に対して４５°の傾斜面となっている入射面に波長λ１である光のみを選択的に透過するλ１波長選択透過フィルタ１５を備え、入射面と１８０°反対の出射面には波長λ２である光のみを反射する（換言すれば波長λ２以外の光を透過させる）λ２波長選択反射フィルタ１６を備える。また、ＣＣＤイメージセンサ１０の受光面の左半分には波長λ１の光を選択的に透過するλ１波長選択透過フィルタ１７を、受光面の右半分には波長λ２の光を選択的に透過するλ２波長選択透過フィルタ１８を貼着してある。
【００１７】
図３に示すように、ＣＣＤイメージセンサ１０の２次元受光面１０ａは略中央から左右に仮想的に分割されており、左半面には波長λ１を持つ光の受光領域１０Ｌ、右半面には波長λ２を持つ光の受光領域１０Ｒが設定されている。即ち、この二色放射温度計では、唯一のＣＣＤイメージセンサ１０の２次元受光面１０ａ上の重ならない位置に、λ１、λ２の二波長に対応した同一像を結像させるようにしている。
【００１８】
上記構成の二色放射温度計を用いた放射温度の測定動作について説明する。測定対象１１から放射された波長λ１、λ２を含む放射光Ｌ１は入射レンズ系１２で集光され、遮光板１３によりコリメートされてプリズム１４に入射する。この入射光Ｌ１のうち、波長λ１の光Ｌ２のみがλ１波長選択透過フィルタ１５を透過して直進し、さらにＣＣＤイメージセンサ１０の前面に貼着されているλ１波長選択透過フィルタ１７を透過する際にλ１以外の波長光が更に減衰されて２次元受光面１０ａ上のλ１受光領域１０Ｌに到達する。
【００１９】
一方、プリズム１４への入射光Ｌ１にあってλ１以外の波長光はλ１波長選択透過フィルタ１５で反射されて光路は略直角に曲げられ、次にλ２波長選択反射フィルタ１６に当たる。ここでλ２の波長光Ｌ３のみが反射されて光路は再び略直角に曲げられ、プリズム１４から出射する。そして、ＣＣＤイメージセンサ１０の前面に貼着されているλ２波長選択透過フィルタ１８を透過する際にλ２以外の波長光が更に減衰されて２次元受光面１０ａ上のλ２受光領域１０Ｒに到達する。なお実際には、分岐された２つの光Ｌ２、Ｌ３の光路長が揃うようにプリズム１４等を構成する。
【００２０】
上記構成において、プリズム１４は元の像をＣＣＤイメージセンサ１０の２次元受光面１０ａ上で二重映しにする機能を果たし、プリズム１４に備えられたフィルタ１５、１６がλ１、λ２の波長光を選択する機能を果たす。また、２次元受光面１０ａの前面に貼着された波長選択透過フィルタ１７、１８は波長選択機能を補助することで、波長純度を高めている。この構成では、λ１受光領域１０Ｌとλ２受光領域１０Ｒとがきわめて近接しているため、プリズム１４での迷光などに起因するクロストークが無視できないが、受光面１０ａの直前に波長選択透過フィルタ１７、１８を設けることでクロストークを防止することができる。したがって、波長選択透過フィルタ１７、１８は必ずしも受光面１０ａに貼着されていなくてもよいが、できるだけ受光面１０ａに近接して設けることが好ましい。
【００２１】
以上のようにしてＣＣＤイメージセンサ１０のλ１受光領域１０Ｌには測定対象１１のλ１波長成分のみの像、λ２受光領域１０Ｒにはλ２波長成分のみの同一像に対応した電荷信号がそれぞれ蓄積される。所定時間だけ電荷信号を蓄積した後、ＣＣＤ駆動部２は所定の制御信号をＣＣＤイメージセンサ１０へ入力し、２次元受光面１０ａを構成する多数の画素から順次画素信号を読み出す。このアナログ画素信号はＡ／Ｄ変換部３でデジタル信号に変換され、画像信号処理部４においてλ１受光領域１０Ｌに対応した画素信号とλ２受光領域１０Ｒに対応した画素信号とに分離される。温度計算部５はそのλ１対応画像信号とλ２対応画像信号とに基づいて測定対象１１の各微小位置毎の温度を計算し、温度分布情報として温度の分布画像を作成する。こうした画像は例えばモニタの画面上に表示することができる。
【００２２】
なお、上記構成では、測定波長λ１、λ２を変更したい場合には、波長選択機能を有するプリズム１４とＣＣＤイメージセンサ１０の２次元受光面１０ａに貼着した波長選択透過フィルタ１７、１８とを交換すればよい。
【００２３】
次に、本発明の他の実施例による二色放射温度計について図４を参照して説明する。上記実施例では測定対象の物体像を二重映しにするためにプリズムを利用していたが、本実施例ではそれに代えて偏光ビームスプリッタを用いている。即ち、図４において、偏光ビームスプリッタ２４の入射面にはＰ波選択透過フィルタ２５が、出射面にはＳ波選択反射フィルタ２６が設けられ、λ１波長選択透過フィルタ１７の前面にはＰ波選択透過フィルタ１９が、λ２波長選択透過フィルタ１８の前面にはＳ波選択透過フィルタ２０が設けられる。
【００２４】
測定対象１１から放射された波長λ１、λ２を含む放射光Ｌ１は入射レンズ系１２で集光され、遮光板１３によりコリメートされて偏光ビームスプリッタ２４に入射する。この入射光Ｌ０のうち、Ｐ波成分の光ＬｐのみがＰ波選択透過フィルタ２５を透過して直進し、さらにＣＣＤイメージセンサ１０の前面に貼着されているＰ波選択透過フィルタ１９を透過する際にＳ波成分が更に除去され、続いてλ１波長透過フィルタ１７を透過する際にλ１以外の波長光が減衰されて２次元受光面１０ａ上のλ１受光領域１０Ｌに到達する。
【００２５】
一方、偏光ビームスプリッタ２４への入射光Ｌ１にあってＰ波以外つまりＳ波成分の光はＰ波選択透過フィルタ２５で反射されて光路は略直角に曲げられ、次にＳ波選択反射フィルタ２６に当たる。ここでＳ波成分の光は反射されて光路は再び略直角に曲げられ、偏光ビームスプリッタ２４から出射する。そして、ＣＣＤイメージセンサ１０の前面に貼着されているＳ波選択透過フィルタ２０を透過する際にＳ波以外の光が更に減衰され、続いてλ２波長選択透過フィルタ１８を透過する際にλ２以外の波長光が減衰されて２次元受光面１０ａ上のλ２受光領域１０Ｒに到達する。
【００２６】
したがって、ここでは、偏光ビームスプリッタ２４が本発明における光分岐手段であり、波長選択透過フィルタ１７、１８が本発明における波長制限手段である。また、Ｐ波選択透過フィルタ１９及びＳ波選択透過フィルタ２０は偏光ビームスプリッタ２４による光分岐を補助するものである。
【００２７】
この実施例の構成においても、ＣＣＤイメージセンサ１０の２次元受光面１０ａ上のλ１受光領域１０Ｌ及びλ２受光領域１０Ｒには、それぞれλ１波長光の像及びλ２波長光の像が２重映しになる。この実施例では、測定波長λ１、λ２を変更したい場合に波長選択透過フィルタ１７、１８のみを交換すればよいので、この点では上記実施例よりも有利である。
【００２８】
上記実施例はいずれも、１系統の出力信号ラインを介して画素信号を順番に読み出すような固体撮像素子（ＣＣＤイメージセンサ又はＣＭＯＳイメージセンサ）を想定していたが、２系統の出力信号ラインを介して画素信号を並列に読み出すことが可能であるような固体撮像素子を利用すれば、図５に示すような構成が可能である。
【００２９】
即ち、λ１受光領域１０Ｌから読み出した画素信号をＡ／Ｄ変換部３ａでデジタル化し、λ２受光領域１０Ｒから読み出した画素信号をＡ／Ｄ変換部３ｂでデジタル化する。２枚の画像に対応する画素信号はＣＣＤイメージセンサ１０からの読み出し時点で既に分離されているため、上述したように画像信号を分離するための処理は不要になる。また、ＣＣＤイメージセンサ１０から画素信号を読み出す際に同一像上の同一位置に対する２つの画素信号を同時に並行して読み出すことにより、例えば温度計算部５で画素信号の差分を計算するといった処理が高速で行える。従って、上記実施例のような構成と比較して、温度分布の算出を高速で行うことができるという利点がある。
【００３０】
なお、上記実施例はいずれも一例であって、本発明の趣旨に沿った範囲で適宜変形や修正を行なえることは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例である二色放射温度計の全体構成図。
【図２】図１中の撮像部の概略光路構成図。
【図３】図２中のＣＣＤイメージセンサの受光面の正面図。
【図４】本発明の他の実施例である二色放射温度計の撮像部の概略光路構成図。
【図５】本発明の他の実施例である二色放射温度計の全体構成図。
【符号の説明】
１…撮像部
２…ＣＣＤ駆動部
３、３ａ、３ｂ…Ａ／Ｄ変換部
４…画像信号処理部
５…温度計算部
１０…ＣＣＤイメージセンサ
１０ａ…２次元受光面
１０Ｌ…λ１受光領域
１０Ｒ…λ２受光領域
１１…測定対象
１２…入射レンズ系
１３…遮光板
１４…プリズム
１５、１７…λ１波長選択透過フィルタ
１６…λ２波長選択反射フィルタ
１８…λ２波長選択透過フィルタ
１９、２５…Ｐ波選択透過フィルタ
２０…Ｓ波選択透過フィルタ
２４…偏光ビームスプリッタ
２６…Ｓ波選択反射フィルタ

Claims (1)

1. ａ）微小受光素子が２次元状に配置されて成る唯一の撮像素子と、
   ｂ）測定対象から到来する入射光を２つに分岐させて前記撮像素子の２次元受光面上の２つの相異なる領域に照射するための光分岐手段と、
   ｃ）前記２つの相異なる領域に対して照射される光の波長をそれぞれ異なる第１及び第２の波長に制限する波長制限手段と、
   ｄ）前記２つの相異なる領域に位置する前記微小受光素子からそれぞれ第１及び第２の波長に対応する画像信号を受け取り、その２枚の画像に基づいて前記測定対象の温度を算出する温度演算手段と、
   を備えることを特徴とする二色放射温度計。

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