(57)【要約】【課題】移動する不透明な測定対象物の反射率を簡素な構成によりオンラインで精度よく測定して、それから得られる放射率を用いて測定対象物の表面温度を測定すること。【解決手段】放射温度測定装置１は、光源２をオンしたときに撮像装置５によって撮像された画像から鏡面反射光を受光している画素を抽出し、抽出された画素の輝度値を用いて測定対象物Ｓの反射率を算出し、算出された反射率から測定対象物Ｓの放射率を算出し、光源２をオフしたときに撮像装置５によって撮像された画像と放射率とから測定対象物Ｓの表面温度を算出する演算器６を備える。【選択図】図１
2018179973.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象物の表面に光を照射する光源と、
前記光源のオン／オフを制御するオン・オフ制御回路と、
受光レンズ系を介して前記測定対象物の表面からの光を受光する受光光学系と、
前記受光光学系が受光した光を撮像する撮像装置と、
前記光源をオンしたときに前記撮像装置によって撮像された画像から鏡面反射光を受光している画素を抽出し、抽出された画素の輝度値を用いて前記測定対象物の反射率を算出する反射率算出部と、
前記反射率算出部によって算出された反射率から前記測定対象物の放射率を算出する放射率算出部と、
前記光源をオフしたときに前記撮像装置によって撮像された画像と前記放射率算出部によって算出された放射率とから前記測定対象物の表面温度を算出する表面温度算出部と、
を備えることを特徴とする放射温度測定装置。
【請求項２】
前記測定対象物に照射される光の光軸、前記受光光学系で受光される光の光軸、及び前記撮像装置の光軸が、同軸であり、且つ、前記測定対象物の表面の法線方向に対して平行であることを特徴とする請求項１に記載の放射温度測定装置。
【請求項３】
前記受光光学系はテレセントリック光学系であることを特徴とする請求項１又は２に記載の放射温度測定装置。
【請求項４】
前記放射率算出部は、前記光源をオンしたときに前記撮像装置によって撮像された画像の輝度ヒストグラムを算出し、算出された輝度ヒストグラムを用いて輝度値が最大である画素を鏡面反射光を受光している画素として抽出することを特徴とする請求項１〜３のうち、いずれか１項に記載の放射温度測定装置。
【請求項５】
前記放射率算出部は、前記光源をオンしたときに前記撮像装置によって撮像された画像の輝度ヒストグラムを算出し、算出された輝度ヒストグラムを用いて輝度の大きい方から所定の割合の画素分の輝度の平均値を算出し、算出された平均値以上の輝度値を有する画素を鏡面反射光を受光している画素として抽出することを特徴とする請求項１〜３のうち、いずれか１項に記載の放射温度測定装置。
【請求項６】
測定対象物の表面に光を照射する光源と、前記光源のオン／オフを制御するオン・オフ制御回路と、受光レンズ系を介して前記測定対象物の表面からの光を受光する受光光学系と、前記受光光学系が受光した光を撮像する撮像装置と、を備える放射温度測定装置を用いた放射温度測定方法であって、
前記光源をオンしたときに前記撮像装置によって撮像された画像から鏡面反射光を受光している画素を抽出し、抽出された画素の輝度値を用いて前記測定対象物の反射率を算出する反射率算出ステップと、
前記反射率算出ステップにおいて算出された反射率から前記測定対象物の放射率を算出する放射率算出ステップと、
前記光源をオフしたときに前記撮像装置によって撮像された画像と前記放射率算出ステップにおいて算出された放射率とから前記測定対象物の表面温度を算出する表面温度算出ステップと、
を含むことを特徴とする放射温度測定方法。
【請求項７】
前記放射温度測定装置における、前記測定対象物に照射される光の光軸、前記受光光学系で受光される光の光軸、及び前記撮像装置の光軸が、同軸であり、且つ、前記測定対象物の表面の法線方向に対して平行であることを特徴とする請求項６に記載の放射温度測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、測定対象物の表面温度を測定する放射温度測定装置及び放射温度測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
測定対象物の温度を測定するための技術には様々なものがある。そのうち放射温度測定技術は、測定対象物からの放射光を利用して測定対象物の表面温度を非接触で測定する技術であり、放射温度計として実用化されている。放射温度計は、光電変換素子と光学フィルタとを備え、所定の波長帯域における測定対象物の放射エネルギー値を測定し、測定した放射エネルギー値を温度に変換することによって、測定対象物の表面温度を測定する。測定対象物の放射エネルギー値は、理想的な黒体からの放射エネルギー値に測定対象物の放射率を乗じた値になるため、放射温度計を利用して測定対象物の表面温度を測定する際には、測定対象物の放射率の値が必要になる。このため、所定の波長の放射エネルギー値を測定する単色放射温度計では、測定対象物の放射率の値を予め測定しておき、予め測定した放射率の値を用いて測定対象物の表面温度を測定している。
【０００３】
一方、測定対象物が不透明物体である場合には、キルヒホッフの法則に基づいて反射率と放射率との和が１になる。このため、測定対象物の反射率を測定する技術を用いれば、測定対象物の反射率から測定対象物の放射率を求めて表面温度測定に用いることができる可能性が考えられる。具体的には、非特許文献１には、キルヒホッフの法則では、拡散性のある測定対象に対しては全方位に反射する全ての反射光を考慮する必要があることから、半球状に複数並べられた検出器をその半球の直径を軸として１８０°回転させることにより、測定対象物の表面に対してレーザ光源から斜めに入射し、測定対象物の表面で反射されたレーザ光を半球上の全成分に対して光検出器アレイで受光する技術が記載されている。また、特許文献１には、棒状放射源と走査型光検出器とを用いて反射光角度分布の一部を測定し、測定結果から求めた鏡面反射成分と推定した全方位角への完全拡散成分との総和から反射率を推定して放射率を求める技術が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１０−１８５６９３号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】JOURNAL OF RESEARCH, Vol.89, No.1, 1984
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、非特許文献１記載の技術では、測定データが膨大になり、膨大な測定データを処理する必要があるために、測定及び演算に時間がかかり、実用的ではない。また、測定装置と測定対象物の表面との間にリフトオフを取ることができないので、移動する測定対象物の表面温度をオンラインで測定する装置を実現することはできない。一方、特許文献１記載の技術では、全方位角の反射光の積分値を求めるために、放射源や受光器として広がりのある範囲をカバーできるものを用いる必要があり、装置が大規模になる。また、放射率を正確に測定するためには全方位角をカバーする装置が必要になるが、その場合、装置を測定対象物から離して測定することができないために、移動する測定対象物の表面温度をオンラインで測定する装置を実現することはできない。
【０００７】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、移動する不透明な測定対象物の反射率を簡素な構成によりオンラインで精度よく測定して、それから得られる放射率を用いて測定対象物の表面温度を測定可能な放射温度測定装置及び放射温度測定方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る放射温度測定装置は、測定対象物の表面に光を照射する光源と、前記光源のオン／オフを制御するオン・オフ制御回路と、受光レンズ系を介して前記測定対象物の表面からの光を受光する受光光学系と、前記受光光学系が受光した光を撮像する撮像装置と、前記光源をオンしたときに前記撮像装置によって撮像された画像から鏡面反射光を受光している画素を抽出し、抽出された画素の輝度値を用いて前記測定対象物の反射率を算出する反射率算出部と、前記反射率算出部によって算出された反射率から前記測定対象物の放射率を算出する放射率算出部と、前記光源をオフしたときに前記撮像装置によって撮像された画像と前記放射率算出部によって算出された放射率とから前記測定対象物の表面温度を算出する表面温度算出部と、を備えることを特徴とする。
【０００９】
本発明に係る放射温度測定装置は、上記発明において、前記測定対象物に照射される光の光軸、前記受光光学系で受光される光の光軸、及び前記撮像装置の光軸が、同軸であり、且つ、前記測定対象物の表面の法線方向に対して平行であることを特徴とする。
【００１０】
本発明に係る放射温度測定装置は、上記発明において、前記受光光学系はテレセントリック光学系であることを特徴とする。
【００１１】
本発明に係る放射温度測定装置は、上記発明において、前記放射率算出部は、前記光源をオンしたときに前記撮像装置によって撮像された画像の輝度ヒストグラムを算出し、算出された輝度ヒストグラムを用いて輝度値が最大である画素を鏡面反射光を受光している画素として抽出することを特徴とする。
【００１２】
本発明に係る放射温度測定装置は、上記発明において、前記放射率算出部は、前記光源をオンしたときに前記撮像装置によって撮像された画像の輝度ヒストグラムを算出し、算出された輝度ヒストグラムを用いて輝度の大きい方から所定の割合の画素分の輝度の平均値を算出し、算出された平均値以上の輝度値を有する画素を鏡面反射光を受光している画素として抽出することを特徴とする。
【００１３】
本発明に係る放射温度測定方法は、測定対象物の表面に光を照射する光源と、前記光源のオン／オフを制御するオン・オフ制御回路と、受光レンズ系を介して前記測定対象物の表面からの光を受光する受光光学系と、前記受光光学系が受光した光を撮像する撮像装置と、を備える放射温度測定装置を用いた放射温度測定方法であって、前記光源をオンしたときに前記撮像装置によって撮像された画像から鏡面反射光を受光している画素を抽出し、抽出された画素の輝度値を用いて前記測定対象物の反射率を算出する反射率算出ステップと、前記反射率算出ステップにおいて算出された反射率から前記測定対象物の放射率を算出する放射率算出ステップと、前記光源をオフしたときに前記撮像装置によって撮像された画像と前記放射率算出ステップにおいて算出された放射率とから前記測定対象物の表面温度を算出する表面温度算出ステップと、を含むことを特徴とする。
【００１４】
本発明に係る放射温度測定方法は、上記発明において、前記放射温度測定装置における、前記測定対象物に照射される光の光軸、前記受光光学系で受光される光の光軸、及び前記撮像装置の光軸が、同軸であり、且つ、前記測定対象物の表面の法線方向に対して平行であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係る放射温度測定装置及び放射温度測定方法によれば、移動する不透明な測定対象物の反射率を簡素な構成によりオンラインで精度よく測定して、それから得られる放射率を用いて測定対象物の表面温度を測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、本発明の一実施形態である放射温度測定装置の構成を示す模式図である。
【図２】図２は、測定対象物の表面で生じる光学的反射のモデルを示す模式図である。
【図３】図３は、図１に示す放射温度測定装置の変形例の構成を示す模式図である。
【図４】図４は、測定対象物の表面温度を算出する際の放射温度測定装置の動作を説明するための模式図である。
【図５】図５は、測定対象物の反射率を算出する際の放射温度測定装置の動作を説明するための模式図である。
【図６】図６は、金属サンプルの構成を示す模式図である。
【図７】図７は、金属サンプルの表面温度の測定結果を示す図である。
【図８】図８は、黒体スプレーを基準として放射画像から算出した放射率と本発明により反射画像から算出した放射率との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面を参照して、本発明の一実施形態である放射温度測定装置の構成及びこの放射温度測定装置を用いた放射温度測定方法について説明する。
【００１８】
〔放射温度測定装置の構成〕
図１は、本発明の一実施形態である放射温度測定装置の構成を示す模式図である。図１に示すように、本発明の一実施形態である放射温度測定装置１は、鋼板等の移動する不透明な測定対象物Ｓの反射率を測定することによって得られる測定対象物Ｓの放射率を用いて測定対象物Ｓの表面温度を測定する装置であり、光源２、受光光学系３、波長フィルタ４、撮像装置５、演算器６、及びコントローラー７を主な構成要素として備えている。
【００１９】
光源２は、コントローラー７からの制御信号に従って測定対象物Ｓに照射する入射光を生成する装置であり、例えばＬＥＤ（Light Emitting Diode）光源によって構成されている。
【００２０】
受光光学系３は、受光レンズ系を介して測定対象物Ｓからの光を受光する光学系であり、測定対象物Ｓに照射される入射光の光軸、受光光学系３で受光される光の光軸、及び撮像装置５の光軸が、同軸、且つ、測定対象物Ｓの表面の法線方向に対して平行になるように配置されている。受光光学系３は、例えば同軸落射テレセントリックレンズによって構成されている。受光光学系３は、光ファイバー８を介して伝送された光源２からの入射光を測定対象物Ｓに入射すると共に、測定対象物Ｓからの光を撮像装置５に透過する。
【００２１】
波長フィルタ４は、測定対象物Ｓからの光のうち、測定対象物Ｓの想定温度に適した波長の光を選定して受光光学系３に入射させる機能を有している。
【００２２】
撮像装置５は、例えばＣＣＤカメラ等によって構成され、受光光学系３を透過した光により測定対象物Ｓの表面の画像を例えば１画素μｍオーダ程度に拡大して撮像し、撮像した画像のデータを演算器６に出力する。
【００２３】
演算器６は、パーソナルコンピュータ等の情報処理装置によって構成され、撮像装置５から出力された画像のデータに対して後述する画像処理を施すことによって測定対象物Ｓの表面温度を算出する。演算器６は、本発明に係る反射率算出部、放射率算出部、及び表面温度算出部として機能する。
【００２４】
コントローラー７は、光源２及び演算器６に制御信号を出力することによって光源２及び演算器６の動作を制御する回路である。
【００２５】
このような構成を有する放射温度測定装置１は、以下に示す放射温度測定方法により移動する不透明な測定対象物Ｓの表面温度をオンラインで測定する。以下、図２を参照して、本発明の一実施形態である放射温度測定方法を実行する際の放射温度測定装置１の動作について説明する。
【００２６】
なお、以下の説明において、測定対象物Ｓは、（１）表面温度の測定面に温度分布がない、（２）各微小平面の放射率は同一である、との条件を満足するものとする。また、本発明の発明者らは、（３）拡散性のある多くの表面も、ミクロに見れば、鏡面性を有する複数の微小平面によって構成されており、表面の拡散性は、微小平面の傾きにより生じていると考えられることに気づいた。このような測定対象物Ｓとしては、結晶粒からなる金属表面を例示することができる。
【００２７】
〔放射温度測定方法〕
図２は、測定対象物Ｓの表面で生じる光学的反射のモデルを示す模式図である。図２に示すように、測定対象物Ｓの表面は様々な向きを向いた複数の微小平面により構成されていると考えられる。そして、ミクロに見れば入射光は微小平面の一つ一つによって鏡面的に反射される。このとき、入射光の入射方向に対して垂直な微小平面からの反射光Ｒ１の伝播方向は測定対象物Ｓをマクロに見たときの正反射方向と一致するが、入射光の入射方向に対して傾いている微小平面からの反射光Ｒ２の伝播方向は測定対象物Ｓをマクロに見たときの正反射方向とは必ずしも一致しない。ここでは、前者の反射光Ｒ１を鏡面反射光Ｒ１、後者の反射光Ｒ２を鏡面拡散反射光Ｒ２と呼ぶことにする。
【００２８】
ここで、キルヒホッフの法則により、透過を考慮しなければ測定対象物Ｓの微小平面に入射する光線のエネルギーは微小平面において反射する光線のエネルギーと微小平面において吸収される光線のエネルギーとの和になる。また、微小平面に限ってみれば反射は鏡面反射又は鏡面拡散反射のみであるため、いずれの場合もその反射率と吸収率との和は１となる。従って、測定対象物Ｓの反射率を算出することができれば、１から算出された反射率を減算することによって測定対象物Ｓの吸収率、すなわち放射率を導出することができる。
【００２９】
このとき、測定対象物Ｓをマクロに見れば、図２に示す全ての方向に反射する光を考慮しなければならないが、図１に示した受光光学系３を介して観察することを考えると、光の入射方向に対して垂直な微小平面からの反射光をとらえることができれば、鏡面反射光Ｒ１のみを測定するだけでよいので、従来技術のように全方位の反射を全てとらえる必要はなく、一方向からの測定により測定対象物Ｓの反射率を算出することができる。
【００３０】
そのためには、測定対象物Ｓを拡大して観察し、鏡面反射を起こしている微小平面に対応する微小面素よりも１画素の分解能を小さくすること、光の入射方向と受光方向とを同一にすることが必要である。このため、本実施形態では、受光光学系３は、測定対象物Ｓに照射する入射光の光軸と受光光学系３で受光される光の光軸とが、同軸、且つ、測定対象物Ｓの表面の法線方向に対して平行になるように配置されている。また、撮像装置５は、温度計測のためにはダイナミックレンジが大きく、且つ、上記の分解能を満たす高解像度のものを選定することが重要である。また、移動体を測定するためには、露光時間や光源の発光時間を適切に設定できる必要がある。
【００３１】
本発明の一実施形態である放射温度測定方法では、基本的には、光源２を発光させていないときの画像（放射画像）と、光源２を発光させたときの画像（反射画像）を得る。光源２から照射される光線は、光ファイバー８により受光光学系３に伝送され、測定対象物Ｓ上に撮像装置５の光軸と同軸となるよう照射される。
【００３２】
撮像装置５によって撮像された画像のデータは演算器６に送信される。そして、演算器６は、反射画像から反射率及び放射率を計算し、放射画像と放射率とを用いて測定対象物Ｓの表面温度を算出する。反射率は、反射画像の輝度を予め反射率がわかっている測定対象物を測定したときの反射画像の輝度と比較することにより算出できる。具体的には、予め反射率がわかっている測定対象物の反射画像を１枚撮像しておき、比例計算により測定した反射画像の輝度から反射率を算出する、又は、予め反射率がわかっている２種類の測定対象物の反射画像を撮像しておき、測定した反射画像の輝度と２種類の反射画像の輝度とを比較して内挿又は外挿する形で反射率を算出する。
【００３３】
なお、測定対象物Ｓの反射率を算出するためには、放射光の影響を受けないように十分に強い光を測定対象物Ｓに入射することが望ましい。そして、放射光を測定する際には、十分に大きな信号強度が得られるよう、撮像装置５の露光時間を反射光の測定時に比べて長く設定する、又は、測定対象物Ｓの移動速度が遅く、ほぼ同じ視野で光源２を照射したときの画像と放射画像とを撮像できる場合には、両者の差分を画素毎に取ることによって反射画像を算出することもできる。
【００３４】
いずれの場合にも、光源２を照射したときに撮像された画像から鏡面反射光を受光している画素を抽出するためには、画像の輝度ヒストグラムを算出し、輝度ヒストグラムを用いて最大の輝度値を示す画素を鏡面反射光を受光している画素として抽出したり、輝度ヒストグラムを用いて輝度の高い方から所定の割合の画素を選択し、選択された画素の輝度の平均値を算出し、算出された平均値以上の輝度値を示す画素を鏡面反射光を受光している画像として抽出したりすることが考えられる。ここで、所定の割合とは、例えば、測定対象物Ｓの表面を統計的に見たときに光の入射方向に対して垂直な微小平面が存在する割合よりも小さい値にすることにより、確実に光の入射方向に対して垂直な微小平面からの情報を得ることができる。なお、画像の輝度ヒストグラムを算出した場合には、２つの画像の差分値を求める際、輝度ヒストグラムから決定した任意の輝度範囲の画像データ同士の差分値を求めるようにしてもよい。
【００３５】
このように構成することにより、測定対象物Ｓが搬送中の振動等により多少傾いた場合、すなわち、撮像装置５の光軸が測定対象物Ｓの表面の法線方向に対して厳密に平行にならない場合であっても、元々鏡面反射を起こす微小平面からの反射光は別の方向に反射されてしまうが、測定対象物Ｓの傾きにより、たまたま入射光に対して垂直の角度となった別の微小平面からの反射が鏡面反射と見なせるので、ある程度の対象の傾きには対応可能である。また、この場合、上記所定の割合については、測定対象物Ｓが傾いた状況において、光の入射方向に対して垂直な微小平面が存在する割合を考慮して設定しておく。
【００３６】
本考察を踏まえ、微小鏡面反射から放射率を算出して表面温度を測定するプロセスを説明する。測温対象物Ｓの表面の法線方向に対して、撮像装置５の光軸が平行となるように撮像装置５を設置する。厳密に撮像装置５の光軸が測定対象物Ｓの表面の法線方向に対して平行であり、且つ、測定対象物Ｓの表面がミクロな視点である程度平坦であれば、光源２を点灯させて照明光を照射した反射光の大部分が正反射となり、校正された撮像装置５で受光することによって鏡面反射率を測定することが可能となる。なお、図３（ａ）に示すように受光光学系３と投光光学系１１とを別にしたり、図３（ｂ）に示すように光路中に反射光学系１２を挿入したりしてもよい。
【００３７】
放射温度測定装置１の動作を説明する。まず、光源２の電源を切り、放射光量のみ受光する場合について考察する。放射光の挙動を図４に示す。図４に示すように、測定対象物Ｓの表面から直接放射される光線Ｒ３が撮像装置５で受光される。ここで、測定対象物Ｓの温度値をＴ、放射率をε（Ｘ，Ｙ）とし、温度Ｔの黒体放射を仮定した放射光量をＬＢ（Ｔ，Ｘ，Ｙ）とすると、撮像装置５に入射する位置（Ｘ，Ｙ）における放射光量Ｌｅ（Ｔ，Ｘ，Ｙ）は以下に示す数式（１）で表すことができる。
【００３８】
【数１】
2018179973.tif 000003
【００３９】
ここで、キルヒホッフの法則により微小平面における放射光と反射光の和が１となるため、微小平面における鏡面反射率をＲ（Ｘ，Ｙ）とすると、以下に示す数式（２）が成立する。
【００４０】
【数２】
2018179973.tif 000004
【００４１】
次に、光源２を点灯させその反射光を受光する場合について考察する。微小平面における反射光の挙動を図５に示す。図５に示すように、受光光学系３から照射された光線Ｒ４（入射光量Ｌｉｎ（Ｘ，Ｙ））は、微小平面で正反射し、光線Ｒ４の光軸と全く同一の光軸で再び受光光学系３に入射し撮像装置５で受光される（光線Ｒ５）。また、測定対象物Ｓの表面から直接放射される光線Ｒ３が撮像装置５で受光される。このとき、撮像装置５に入射する光量Ｌｒ＋ｅは以下に示す数式（３）で記述される。
【００４２】
【数３】
2018179973.tif 000005
【００４３】
ここで、光源２の光量Ｌｉｎ（Ｘ，Ｙ）が放射光量Ｌｅ（Ｔ，Ｘ，Ｙ）より十分大きい場合、露光中に撮像装置５に入射する第２項の放射光量は無視でき、数式（３）は以下に示す数式（４）で記述される。
【００４４】
【数４】
2018179973.tif 000006
【００４５】
ここで、入射光量Ｌｉｎ（Ｘ，Ｙ）を反射率が既知の校正器で予め校正しておくことにより、鏡面反射率Ｒ（Ｘ，Ｙ）を算出することが可能となる。校正は、予め反射率が既知の測定対象物の画像を１つ測定しておき、輝度の比例計算で鏡面反射率Ｒ（Ｘ，Ｙ）を算出したり、２つの測定対象物の反射率を測定しておき、輝度の内挿・外挿で鏡面反射率Ｒ（Ｘ，Ｙ）を計算したりすることもできる。
【００４６】
なお、数式（３）の第２項の放射光量が無視できない場合において、測定対象物Ｓの移動速度が十分遅い場合には、ほぼ同一視野の対応する２枚の画像の差分を用いて数式（３）から数式（１）を減じることにより数式（４）が得られる。また、測定対象物Ｓが高速に移動し、ほぼ同一視野の対応する２枚の画像が得られない場合には、輝度ヒストグラムから得られるデータを用いてもよい。すなわち、光源２を発光させたときの画像の輝度ヒストグラムの最大値が鏡面反射を起こす微小平面からの反射と考えられるので、その最大値と放射画像の輝度ヒストグラムから得られる値との差分を取る。放射輝度画像は、反射画像に比べて角度依存性が小さいので、輝度の平均値や中央値を用いればよい。その際、測定対象物Ｓ上の異物等の異常点は、輝度ヒストグラムの形から判断して除外しておく。
【００４７】
以上により、数式（１），（２），（４）を用いて黒体放射時の測定対象物Ｓの表面の放射光量Ｌｅ（Ｔ，Ｘ，Ｙ）、従って放射光量ＬＢ（Ｔ，Ｘ，Ｙ）を算出でき、測定対象物Ｓの表面温度Ｔを求めることが可能となる。放射光量ＬＢ（Ｔ，Ｘ，Ｙ）と測定対象物Ｓの表面温度Ｔとの関係は、通常の放射温度計と同様、予め温度計を黒体炉で校正しておくことにより得られる。
【００４８】
なお、微小平面が測定対象物Ｓの表面の法線方向に対して大きく傾いているために、受光光学系３からの照射光が微小平面で正反射され、再び受光光学系３に入射しない場合も考えられる。この場合、上記考察によるモデルが成立せず、表面温度を正しく算出できない可能性がある。このため、このような場合には、輝度ヒストグラムを演算し、統計的にそのような小さい輝度値を除外して表面温度を算出するとよい。例えば反射画像分布や放射画像分布から輝度ヒストグラムが最大となる値を算出する、又は、単純に輝度の最大値を算出する、さらに小さい輝度値を異常値として除外する等といった方法が挙げられる。
【００４９】
さらに、実用上、受光光学系３の被写界深度が小さいことが多いために、測定対象物Ｓのばたつきを小さくすることが望ましい。また、ばたつきによる振動が受光光学系３の被写界深度より大きい場合には、測定対象物Ｓの画像を複数枚撮像し、画像のボケ度合を評価した上でピントが合っている画像のみを表面温度の測定に用いればよい。
【００５０】
以上をまとめると、本発明の一実施形態である放射温度測定方法では、まず、光の照射方向と受光方向とが同じである同軸落射によって光を照射可能、且つ、測定対象物Ｓのおおよその温度に適した波長を選定する波長フィルタ４を装着した受光光学系３と撮像装置５とにより測定対象物Ｓの画像を撮像する。このとき、測定対象物Ｓの表面の法線方向に対して撮像装置５の光軸が平行となるように撮像装置５を設置する。撮像装置５の光軸が測定対象物Ｓの表面の法線方向に対して厳密に平行、且つ、測定対象物Ｓの表面がミクロな視点である程度平坦であれば、光源２を点灯させて同軸落射光を照射した反射光の大部分が正反射となり、校正された撮像装置５で受光することによって鏡面反射率を測定することができる。従って、鏡面反射率から放射率を算出し、光源２の電源を切った状態で受光した放射光量と放射率とから測定対象物Ｓの表面温度を測定できる。鏡面反射率は撮像した画像の輝度の平均値や中央値等を用いて算出するとよい。
【００５１】
また、搬送中の測定対象物Ｓの表面温度を本発明により測定する場合において、振動等の影響によって撮像装置５の光軸が測定対象物Ｓの表面の法線方向に対して厳密に平行にならない場合には、光源２を点灯させた状態で測定対象物Ｓの画像を複数枚撮像し、撮像された画像の中で最も光量が高い画像を用いて画像処理を行うことが望ましい。これにより、撮像装置５の光軸が測定対象物Ｓの表面の法線方向に最も平行に近い条件で鏡面反射率を測定することが可能となる。
【実施例】
【００５２】
以下に本発明の実施例を示す。
【００５３】
本実施例では、表面性状が異なる部分を持つ金属サンプルをヒーターと接触させることによって表面温度を目標温度まで加熱することを考える。金属サンプルはヒーターで一様に加熱する。金属サンプル表面は鏡面部分と粗面部分を有し、鏡面部分と粗面部分とでは放射率が異なる。金属サンプルの大きさは、長さＨを５０ｍｍ、幅Ｗを２５ｍｍ、厚さｔを１．０ｍｍとし、目標温度を４４０℃、４１０℃、３９０℃とし、ヒーターの出力を一定として定常状態となるまで加熱した。図６に示すように、鏡面部分ＰＡ及び粗面部分ＰＢの両方に渡る直線Ｄ上の温度プロファイルを本発明の手法により算出した。また、比較のため、通常の放射率固定値の単色放射温度計を模擬し、放射率を粗面部分で測定した平均放射率（ε＝０．９４３）を固定値として用いて全プロファイルの温度値を算出した。
【００５４】
金属サンプルの表面温度の測定結果を図７に示す。横軸に直線Ｄ上における温度測定位置ｄを０．１ｍｍを単位として示し、縦軸に測定温度Ｔを℃を単位として示した。また、図６と図７における温度測定位置は、直線Ｄ上に対してＰＡ側の点ｄ０が起点、ＰＡとＰＢの境界となる点ｄ１が通過点、ＰＢ側の点ｄ２が終点となる。金属サンプルの熱伝導性が高いため表面温度は均一となるはずであるが、図７に示すように、放射率を固定値（０．９４３）として鏡面部分及び粗面部分の両方の表面温度を算出した場合、鏡面部分の放射率が本来の値より小さい影響を受けて、鏡面部分の表面温度が粗面部分の表面温度と比較して低くなった。これに対して、本発明により鏡面部分及び粗面部分の各位置における放射率を補正して表面温度（放射率補正温度Ｅ２）を算出した場合には、放射率の変動に関わらず表面温度は一定となり、放射率変動の影響を受けずに表面温度を測定可能であることが確認できた。なお、ある程度表面の均一性が担保されるのであれば、本発明は固定された金属サンプルだけでなく、通板中のラインにも適用可能である。
【００５５】
また、溶けた亜鉛が鋼板表面に付着して固まった溶融亜鉛鍍金サンプルを加熱し、（ａ）表面亜鉛の溶融前、（ｂ）表面亜鉛の溶融後、及び（ｃ）溶融亜鉛と鉄の合金化反応完了後のそれぞれの状態について、本発明により反射画像から放射率を算出した結果を図８に示す。図８の縦軸は、放射率のわかっている黒体スプレーが塗布された表面部分との輝度差により計算した放射率（黒体スプレーを基準として放射画像から算出した放射率）である。図８に示すように、本発明により反射画像から算出した放射率と黒体スプレーを基準として放射画像から算出した放射率とがよい一致を示している。これにより、製鉄プロセスの中で放射率が大きく変化するプロセスである亜鉛と鉄の合金化反応に対しても本発明を適用できることが確認された。
【００５６】
以上、本発明者らによってなされた発明を適用した実施の形態について説明したが、本実施形態による本発明の開示の一部をなす記述及び図面により本発明は限定されることはない。すなわち、本実施形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例、及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれる。
【符号の説明】
【００５７】
１  放射温度測定装置
２  光源
３  受光光学系
４  波長フィルタ
５  撮像装置
６  演算器
７  コントローラー
８  光ファイバー
１１  投光光学系
１２  反射光学系
Ｓ  測定対象物
【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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【図８】
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