(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象物体から放射される赤外線に対して測定する波長が異なる少なくとも第１の赤外線センサ、第２の赤外線センサならびに第３の赤外線センサと、
各種情報などを記憶する記憶部と、
前記第１、第２ならびに第３の赤外線センサの出力信号を処理する演算部を備え、
前記記憶部には、前記第１の赤外線センサと第２の赤外線センサからの波長差に対する赤外線強度の勾配と、前記測定対象物体の表面温度の関係が予め記憶されており、
前記演算部は、
前記第１の赤外線センサと第２の赤外線センサからの波長差に対する赤外線強度の勾配に基づいて、前記記憶部に記憶されている赤外線強度の勾配と測定対象物体の表面温度の関係から当該測定対象物体の表面温度Ｔを求め、
前記第３の赤外線センサの出力信号で示される波長λ、前記測定対象物の表面温度Ｔ、及び予め決定された定数α、β、γを式（１）に代入して、前記測定対象物体の全放射エネルギーＥを演算して、
前記測定対象物体の表面温度Ｔから、黒体の全放射エネルギーＥｂを演算して、
前記測定対象物体の放射率（Ｅ／Ｅｂ）を演算する構成になっていることを特徴とする赤外線放射率測定装置。
【数１】
0006485953.tif 000004
【請求項２】
請求項１に記載の赤外線放射率測定装置において、
前記測定対象物体は、液体金属が付着する物体または金属膜が形成される物体であることを特徴とする赤外線放射率測定装置。
【請求項３】
請求項１に記載の赤外線放射率測定装置において、
前記第１の赤外線センサと第２の赤外線センサと第３の赤外線センサが併設されて１つのマトリクス構成要素となり、そのマトリクス構成要素がＸ−Ｙ方向に多数並べられてマトリクス状の平面放射率測定装置を構成していることを特徴とする赤外線放射率測定装置。
【請求項４】
テスト用測定対象物体の表面温度毎に、測定する波長が異なる第１の赤外線センサと第２の赤外線センサで前記テスト用測定対象物体から放射される赤外線強度を測定して、前記第１の赤外線センサと第２の赤外線センサからの波長差に対する赤外線強度の勾配と前記テスト用測定対象物体の表面温度の関係をまとめて記憶する第１のステップと、
測定する測定対象物体から放射される赤外線強度を前記第１の赤外線センサと第２の赤外線センサで測定して、前記第１の赤外線センサと第２の赤外線センサからの波長差に対する赤外線強度の勾配を求める第２のステップと、
前記記憶されている赤外線強度の勾配とテスト用測定対象物体の表面温度の関係から、前記求められた勾配に対応する測定対象物体の表面温度Ｔを求める第３のステップと、
前記第１の赤外線センサならびに第２の赤外線センサとは異なる第３の赤外線センサの出力信号で示される波長λ、前記測定対象物の表面温度Ｔ、及び予め決定された定数α、β、γを式（２）に代入して、前記測定対象物体の全放射エネルギーＥを演算する第４のステップと、
前記測定対象物体の表面温度Ｔから、黒体の全放射エネルギーＥｂを演算する第５のステップと、
前記測定対象物体の放射率（Ｅ／Ｅｂ）を演算する第６のステップを有することを特徴とする赤外線放射率測定方法。
【数２】
0006485953.tif 000005
【請求項５】
請求項４に記載の赤外線放射率測定方法において、
前記測定対象物体は、液体金属が付着する物体または金属膜が形成される物体であることを特徴とする赤外線放射率測定方法。
【請求項６】
請求項４に記載の赤外線放射率測定方法において、
前記第１の赤外線センサと第２の赤外線センサと第３の赤外線センサが併設されて１つのマトリクス構成要素となり、そのマトリクス構成要素がＸ−Ｙ方向に多数並べられてマトリクス状の平面放射率測定装置を構成していることを特徴とする赤外線放射率測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、赤外線放射率（以下、単に放射率と略記する場合もある）測定装置および赤外線放射率測定方法に係り、特に測定対象物体自体が高温で、かつその測定対象物体が高温雰囲気内にあるような条件において使用するのに適した非接触による赤外線放射率測定装置および赤外線放射率測定方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ナトリウム冷却高速炉の液体ナトリウムを収容したプラント機器類でカバーガス中にある機器内表面は、プラント運転中にはナトリウム蒸気が付着・堆積して、ほぼ未酸化で鏡面の溶融ナトリウムで覆われる状態になる。
【０００３】
このような機器類、特に安全上重要な機器類の熱設計をする場合、機器類が接する雰囲気の対流熱伝達による熱の授受のほか、輻射による放熱や入熱も計算で考慮する必要が有り、そのためには物性値として放射率が必要となる。
【０００４】
一般に放射率は物質の表面性状（例えば金属では酸化の程度など）に影響されるため、液体ナトリウム表面のように雰囲気条件で酸化状態が影響を受ける場合、プラント運転条件と同等な雰囲気条件で（例えば数％以下の酸素濃度の不活性雰囲気）で、放射率を測定する必要がある。
【０００５】
このためには、可能な限りプラント運転状態を模擬した不活性雰囲気中でナトリウムの表面状態を模擬して放射率を測定する装置が必要となる。
【０００６】
従来の測定方法では、試料作成のため所望の条件でナトリウム蒸気に暴露させたのち、測定のため窒素やアルゴンなどの不活性ガス雰囲気の容器内に一旦入れて封止する。
【０００７】
そして、放射率を測定する機器類（赤外線測定器や赤外線分光器）を設置している試料室内を不活性ガス雰囲気にし、その試料室内に試料をセットして測定する必要があった。
【０００８】
この場合、試料の作成から測定までに要する時間内に、試料に付着したナトリウムは若干ながら生じる雰囲気の変化により性状が変化（温度変化による凝固や微量な酸素による酸化）して、所望の条件における放射率の測定が困難であった。
【０００９】
これを解消するため、従来の測定装置では試料性状の変化を避けるのに、試料作成と同じ不活性ガス雰囲気内で測定を行っていた。
【００１０】
具体的には、赤外線の光路を切り替えるための赤外線導入装置と、黒体炉と、雰囲気管理用のグローブボックス（Ｇ．Ｂ．）と、赤外分光光度計が用いられ、前述の赤外線導入装置と黒体炉がＧ．Ｂ．の内部に設置され、前述の赤外分光光度計がＧ．Ｂ．の外部に設置されている。
【００１１】
Ｇ．Ｂ．内にある赤外線導入装置ならびに黒体炉とＧ．Ｂ．外にある赤外分光光度計は、Ｇ．Ｂ．の周壁部を貫通する信号線束により接続されている。また、Ｇ．Ｂ．の外部には、Ｇ．Ｂ．内のガスの状態を管理するためのＧ．Ｂ．管理操作部が設置されている。
【００１２】
そして、不活性ガス雰囲気状態が管理されたＧ．Ｂ．内の試料台に試料をセットして、放射率の測定を行っていた。
【００１３】
この種技術に関する先行技術文献としては、例えば特開平６−１３７９５３号公報（特許文献１）などを挙げることができる。
【００１４】
この特許文献１に記載の赤外線センサによる温度測定方法は、温度Ｔの物体から放射される赤外線のうち、異なった波長λ1、λ2におけるそれぞれの放射エネルギーＥ（λ1）、Ｅ（λ2）の比であるＥ（λ1）／Ｅ（λ2）は、温度Ｔに対して単調減少関数となるという考えに基づいたものである。
【００１５】
具体的には、次の手順で測定対象物体の温度Ｔを求めるものである。
（手順１）：測定対象の物体から放射される赤外線のうち、異なった波長λ1、λ2におけるそれぞれの放射エネルギーＥ（λ1）、Ｅ（λ2）を測定する。
（手順２）：その測定結果に基づいて、放射エネルギー比であるＥ（λ1）／Ｅ（λ2）を算出する。
（手順３）：算出した放射エネルギー比の値を、予め算出して記憶している放射エネルギー比の値と温度Ｔの対応関係に当てはめて、測定対象の温度Ｔを求めるものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】特開平６−１３７９５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
しかし、従来の測定装置は、内部に赤外線導入装置、黒体炉ならびに試料台などが設置されるためにある程度の大きさを有するＧ．Ｂ．が用いられ、そのＧ．Ｂ．の外部には赤外分光光度計とＧ．Ｂ．管理操作部が設置されている。
【００１８】
従来の測定装置全体の大きさは．Ｇ．Ｂ．管理操作部を含まなくても約１ｍ×２ｍ×１．５ｍ程度である。このようなことか測定装置全体が大型でかつ重量が重く、構造が複雑化して、コストが高く、また、大きな設置スペースが必要であるなどの課題がある。
【００１９】
また、前記特許文献１に記載の赤外線センサによる温度測定方法では、温度測定を実施しようとしている現実の物体においては複雑なプロファイルとなる場合が有り、温度測定への適用が困難な場合があるなどの課題を有している。
【００２０】
本発明の目的は、このような従来技術の課題を解消し、構造が簡単で、小型、軽量で取扱い性が良好で、設置スペースも狭くなり、安価で、しかも簡単にかつ確実に赤外線の放射率測定が可能な赤外線放射率測定装置および赤外線放射率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】
【００２１】
前記目的を達成するため、本発明の第１の手段は、
測定対象物体から放射される赤外線に対して測定する波長が異なる少なくとも第１の赤外線センサ、第２の赤外線センサならびに第３の赤外線センサと、
各種情報などを記憶する記憶部と、
前記第１、第２ならびに第３の赤外線センサの出力信号を処理する演算部を備え、
前記記憶部には、前記第１の赤外線センサと第２の赤外線センサからの波長差に対する赤外線強度の勾配と、前記測定対象物体の表面温度の関係が予め記憶されており、
前記演算部は、
前記第１の赤外線センサと第２の赤外線センサからの波長差に対する赤外線強度の勾配に基づいて、前記記憶部に記憶されている赤外線強度の勾配と測定対象物体の表面温度の関係から当該測定対象物体の表面温度Ｔを求め、
前記第３の赤外線センサの出力信号で示される波長λ、前記測定対象物の表面温度Ｔ、及び予め決定された定数α、β、γを式（２）に代入して、前記測定対象物体の全放射エネルギーＥを演算して、
前記測定対象物体の表面温度Ｔから、黒体の全放射エネルギーＥｂを演算して、
前記測定対象物体の放射率（Ｅ／Ｅｂ）を演算する構成になっていることを特徴とするものである。
【００２２】
本発明の第２の手段は前記第１の手段において、
前記測定対象物体は、例えば鉛−ビスマス、リチウム、リチウム−鉛、ナトリウム、スズなど液体金属が付着する物体、または例えばスバッタリングなどによって金属膜が形成される物体であることを特徴とするものである。
【００２３】
本発明の第３の手段は前記第１の手段において、
前記第１の赤外線センサと第２の赤外線センサと第３の赤外線センサが併設されて１つのマトリクス構成要素となり、そのマトリクス構成要素がＸ−Ｙ方向に多数並べられてマトリクス状の平面放射率測定装置を構成していることを特徴とするものである。
【００２４】
本発明の第４の手段は、
テスト用測定対象物体の表面温度毎に、測定する波長が異なる第１の赤外線センサと第２の赤外線センサで前記テスト用測定対象物体から放射される赤外線強度を測定して、前記第１の赤外線センサと第２の赤外線センサからの波長差に対する赤外線強度の勾配と前記テスト用測定対象物体の表面温度の関係をまとめて記憶する第１のステップと、
測定する測定対象物体から放射される赤外線強度を前記第１の赤外線センサと第２の赤外線センサで測定して、前記第１の赤外線センサと第２の赤外線センサからの波長差に対する赤外線強度の勾配を求める第２のステップと、
前記記憶されている赤外線強度の勾配とテスト用測定対象物体の表面温度の関係から、前記求められた勾配に対応する測定対象物体の表面温度Ｔを求める第３のステップと、
前記第１の赤外線センサならびに第２の赤外線センサとは異なる第３の赤外線センサの出力信号で示される波長λ、前記測定対象物の表面温度Ｔ、及び予め決定された定数α、β、γを式（２）に代入して、前記測定対象物体の全放射エネルギーＥを演算する第４のステップと、
前記測定対象物体の表面温度Ｔから、黒体の全放射エネルギーＥｂを演算する第５のステップと、
前記測定対象物体の放射率（Ｅ／Ｅｂ）を演算する第６のステップを有することを特徴とするものである。
【００２５】
本発明の第５の手段は前記第４の手段において、
前記測定対象物体は、例えば鉛−ビスマス、リチウム、リチウム−鉛、ナトリウム、スズなど液体金属が付着する物体または例えばスバッタリングなどによって金属膜が形成される物体であることを特徴とするものである。
【００２６】
本発明の第６の手段は前記第４の手段において、
前記第１の赤外線センサと第２の赤外線センサと第３の赤外線センサが併設されて１つのマトリクス構成要素となり、そのマトリクス構成要素がＸ−Ｙ方向に多数並べられてマトリクス状の平面放射率測定装置を構成していることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００２７】
本発明は前述のような構成になっており、構造が簡単で、小型、軽量で取扱い性が良好で、設置スペースも狭くなり、安価で、しかも簡単にかつ確実に赤外線の放射率測定が可能な赤外線放射率測定装置および赤外線放射率測定方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の実施形態に係る温度・放射率測定装置の全体の構成を示す概略構成図である。
【図２】本発明の実施形態に係るセンサヘッドを図４において矢印Ａ方向から視た矢視構成図である。
【図３】そのセンサヘッドを図４において矢印Ｂ方向から視た矢視構成図である。
【図４】そのセンサヘッドを図２において矢印Ｃ方向から視た矢視構成図である。
【図５】本発明の実施形態に係る赤外線センサを赤外線入射側から視た側面図である。
【図６】その赤外線センサの断面図である。
【図７】赤外線分光特性図で、（ａ）は黒体の赤外線分光特性図、（ｂ）は測定対象物体の赤外線分光特性図である。
【図８】（ａ）、（ｂ）は測定対象物体における赤外線分光特性の内外挿方法を説明するための図である。
【図９】黒体での各温度における波長と分光放射発散度との関係を示す特性図である。
【図１０】本実施形態に係る温度・放射率測定装置での処理手順を説明するフローチャートである。
【図１１】本発明の適用例１に係る機器状態監視装置の概略構成図である。
【図１２】本発明の適用例２に係る板ガラスの製造に用いるフロートバス内放射率測定装置の概略構成を示す縦断面図である。
【図１３】このフロートバス内放射率測定装置の概略構成を示す横断面図である。
【図１４】本発明の適用例３に係る膜厚モニタ装置を備えた成膜装置の概略構成図である。
【図１５】本発明の適用例４に係る温度測定・表示装置の概略構成図である。
【図１６】その温度測定・表示装置に用いる温度測定用マトリクスセンサ部の概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
次に本発明の実施形態を図面とともに説明する。図１は、本発明の実施形態に係る温度・放射率測定装置１００の全体の構成を示す概略構成図である。
【００３０】
本発明の実施形態に係る温度・放射率測定装置１００は、測定対象物体２００（測定対象物体２００の具体例については、後述の適用例で説明する）から放射される赤外線の放射エネルギーを測定する測定部１と、各種データ、プログラム、演算結果などを記憶する記憶部１５と、演算部１６から主に構成されている。
【００３１】
測定部１は、赤外線センサ２を内蔵したセンサヘッド３と、それと信号線４で接続されたデータ収録が可能な後段信号処理部５から主に構成されている。図中の符号７は測定対象物体２００から放射される赤外線であり、それの放射エネルギーが測定部１によって測定される。
【００３２】
実際に作製した測定部１のサイズは、横、高さとも数十ｃｍ以内であり、前述した従来のＧ．Ｂ．を備えた放射率測定装置に比べると格段に小型化して、設置スペースの狭小化が図れる。
【００３３】
図２〜図４はセンサヘッド３の構成を説明するための図で、図２はセンサヘッド３を図４において矢印Ａ方向から視た矢視構成図、図３はセンサヘッド３を図４において矢印Ｂ方向から視た矢視構成図、図４はセンサヘッド３を図２において矢印Ｃ方向から視た矢視構成図である。
【００３４】
図２〜図４に示されているように、センサヘッド３は、耐環境性のために設けられた導光管８と、導光管８の後端部に取り付けられた赤外線センサ２と、導光管８の先端部近くに取り付けられた赤外線光路変更光学系９と、赤外線光路変更光学系９と対応する導光管８の上面（図２参照）と端面（図４参照）にそれぞれ設けられた赤外線透過部１０と、赤外線センサ２の受光面側に設けられた集光レンズ１１から構成されている。
【００３５】
導光管８は、赤外線７を赤外線透過部１０から入射して赤外線センサ２に導く機能を有している。
【００３６】
導光管８の周囲の温度が測定の妨げにならないように、導光管８の内部は断熱のために真空状態に維持されている。また、導光管８の内面は迷光排除のために黒体に近い材料で構成するか、黒色塗料がコーティングされている。なお、使用環境などにより、導光管８の代わりに光ファイバーを使用することもできる。
【００３７】
赤外線透過部１０は、赤外線の透過に適した例えばＣａＦ2やＢａＦ2などで構成されている。
【００３８】
図３に示すように、導光管８に対する赤外線７の入射方向が赤外線センサ２のセンサ面に対して垂直でない場合には、光路を変更するための赤外線光路変更光学系９が導光管８内に設置されている。赤外線光路変更光学系９は、例えば赤外線スプリッタやミラーなどから構成されている。
【００３９】
図５は赤外線センサ２を赤外線入射側から視た側面図、図６は赤外線センサ２の断面図である。本実施形態の場合は図５に示すように、Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４の４個のセンサ素子１２が上下方向ならびに左右方向に対称に設置されている。
【００４０】
センサ材料には、例えばＳｉ，Ｇｅ，ＩｎＧａＡｓ，ＰｂＳ，ＰｂＳｅなどの半導体、焦電素子、サーモパイルなどが用いられ、測定波長や感度に応じて適切な材料を選択することができる。
【００４１】
図５に示す点線の円は、赤外線センサ２上での赤外線７の入射範囲を示しており、測定対象物体２００からの赤外線７がＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４の各センサ素子１２に均等に入射されるように、各センサ素子１２の位置が設定されている。各センサ素子１２の役割などについては、後で説明する。
【００４２】
図６に示すように各センサ素子１２の受光面側には、センサ素子１２への入射光適正化および測定波長透過用フィルタの機能を有するセンサ前光学系１３が設置されている。
【００４３】
また、各センサ素子１２の背面側には、センサ素子１２の出力を増幅するためのプリアンプなどの初段信号処理部１４が接続されている。Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４の各センサ素子１２からの検出信号は夫々の初段信号処理部１４で処理された後、信号線４を通って図１に示す後段信号処理部５に入力される。
【００４４】
本発明の放射率測定装置は前述のような構成になっており、構造が簡単で、小型、軽量で取扱い性が良好で、設置スペースも狭くなり、安価である。
【００４５】
図７は赤外線分光特性図で、（ａ）は黒体の赤外線分光特性図、（ｂ）は測定対象物体２００の赤外線分光特性図である。また、図８（ａ）、（ｂ）は、測定対象物体２００における赤外線分光特性の内外挿方法を説明するための図である。
【００４６】
赤外線センサ２に内装されているセンサ素子１２の設置数は、次の考えに基づいて設定されている。測定対象物体２００の温度測定には最低２個のセンサ素子１２が必要である。
【００４７】
２色温度計は、２つの異なる波長の波長差Δλに対する赤外線強度の勾配は温度依存性を有していることを利用して温度を測定するものである。本実施形態はこの２色温度計の測定原理を応用して、測定対象物体２００の温度測定を行っている。高精度な測定を行うため、３個以上のセンサ素子１２を用いて温度を測定してもよい。
【００４８】
その後、温度測定用センサ素子１２のうち何れかのセンサ素子１２で予め求めておいた測定値−温度−放射率の関係から、放射率を逆算する。
【００４９】
なお、放射率測定のためのセンサ素子１２を別途設けてもよい。単一波長における放射率のみの測定であれば、所望の波長におけるセンサ素子１２を１個用いればよい。複数波長における放射率が必要な場合には、必要数のセンサ素子１２を用いることになる。
【００５０】
全放射率測定の必要がある場合には、本来、フーリェ変換赤外分光光度計（ＦＴ−ＩＲ）を用い、図８（ａ）に示すように赤外線の全波長帯域にわたって放射エネルギーを測定して、放射率を算出する必要があり、作業が煩雑であった。
【００５１】
ところが本発明では、複数波長の放射率の測定結果から全放射率を内外挿方法により求めることができる。次にこの方法について説明する。
【００５２】
ある温度における黒体の放射エネルギーはPlanckの黒体輻射の下式（１）で示され、赤外線波長領域にわたり概略図７（ａ）のような波長特性になるとする。また、測定対象物体２００については、同じ温度における放射エネルギーが概略図７（ｂ）のような波長特性になるとする。
【００５３】
【数１】
0006485953.tif 000002
Ｅ（λ，Ｔ）：波長λで絶対温度Ｔでの黒体の放射エネルギー［Ｗ／ｍ2μｍ］
λ：測定する波長［μｍ］
Ｔ：絶対温度［Ｋ］
Ｃ1：定数で３．７４３×１０8［Ｗμｍ4／ｍ2］
Ｃ2：定数で１．４３９×１０4［μｍＫ］
それぞれ赤外線波長領域にわたり積分した放射エネルギーをＥｂ（図７（ａ）参照）、Ｅ（図７（ｂ）参照）とすれば、測定対象物体２００の全放射率は（Ｅ／Ｅｂ）で表される。
【００５４】
予め、測定対象物体２００からの波長特性（赤外線分光特性）を把握しておくことにより（その波長特性を整理して図１の記憶部１５に記憶しておくことにより）、図８（ｂ）に示すように、数点（この例では３点）の波長を測定するのみで、元の波長特性（（図８（ｂ）に示す実線の特性曲線）を再現することができる。
【００５５】
その際、波長測定に要求される精度、コストなどを踏まえて測定点数を決定する。なお、図８（ａ），（ｂ）の横軸上に示されている黒点は、それぞれ測定する波長を示している。
【００５６】
ここでは一例として、測定対象物体２００の波長特性（赤外線分光特性）も概ね前記式１に従うものとして、下式２で内外挿をする方法を示した。フィッティングする関数は元の波長特性の再現に適していればよく、任意の関数でよい。
【００５７】
【数２】
0006485953.tif 000003
Ｅ（λ，Ｔ）：波長λで絶対温度Ｔでの測定対象物体の放射エネルギー［Ｗ／ｍ2μｍ］
λ：測定する波長［μｍ］
Ｔ：絶対温度［Ｋ］
α、β、γ：係数
本実施形態の場合、各センサ素子１２（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４）の役割は、
Ｓ１，Ｓ２：測定対象物体２００の表面の温度測定用
Ｓ３，Ｓ４：波長Ａおよび波長Ｂにおける放射率測定用
となっている。
【００５８】
図９は、黒体での温度と分光放射発散度との関係を示す特性図である。横軸に赤外線の波長を、縦軸に分光放射発散度をとっており、温度毎の波長−分光放射発散度の関係を示している。なお、分光放射発散度は、単位面積当たりに放出する放射束のことである。
【００５９】
例えば図５に示すＳ１のセンサ素子１２は波長１μｍの赤外線を透過するセンサ前光学系１３を、Ｓ２のセンサ素子１２は波長６μｍの赤外線を透過するセンサ前光学系１３を、それぞれ用いて赤外線センサ２を構成しているとする。
【００６０】
図９に示すように、
温度５５００℃の特性曲線上での波長１μｍにおける赤外線強度測定点Ａと波長６μｍにおける赤外線強度測定点Ｂを直線で結んだ波長差Δλに対する赤外線強度の勾配Ｘと、
温度２５００℃の特性曲線上での波長１μｍにおける赤外線強度測定点Ｃと波長６μｍにおける赤外線強度測定点Ｄを直線で結んだ波長差Δλに対する赤外線強度の勾配Ｙと、
温度１０００℃の特性曲線上での波長１μｍにおける赤外線強度測定点Ｅと波長６μｍにおける赤外線強度測定点Ｆを直線で結んだ波長差Δλに対する赤外線強度の勾配Ｚは、それぞれ異なっている。
【００６１】
すなわち、赤外線強度の勾配がＸであれば測定対象物体２００の表面温度は５５００℃、勾配がＹであれば表面温度は２５００℃、勾配がＺであれば表面温度は１０００℃・・・と特定できるから、赤外線強度の勾配と測定対象物体２００の表面温度は相関関係がある。この赤外線強度の勾配と測定対象物体２００の表面温度との関係を実験で予め詳細に求めておき、その結果をテーブルとして記憶部１５（図１参照）に記憶しておく。
【００６２】
そして測定する波長が異なるＳ１とＳ２の２個のセンサ素子１２からの出力値を用いて、そのＳ１とＳ２の波長差Δλに対する赤外線強度の勾配を演算して、その演算結果から測定対象物体２００の表面温度値を求めることができる。
【００６３】
図１０は、本実施形態に係る温度・放射率測定装置での処理手順を説明するフローチャートである。
【００６４】
測定前の前提条件として、予め測定対象物体２００における放射エネルギーの波長依存性を把握しておき、図８（ｂ）に示すように測定波長帯域および放射エネルギーを測定する測定点数を決定して、要求に見合う赤外線センサヘッドであるものとする。なお、この前提条件は、全放射率測定が必要な場合の前提条件である。
【００６５】
（手順１）：測定する波長が異なるＳ１とＳ２の２個のセンサ素子１２からの出力値を用いて、そのＳ１とＳ２の波長差Δλに対する赤外線強度の勾配を求め、さらにその勾配から測定対象物体２００の表面温度を求める。
【００６６】
前述のように、Ｓ１とＳ２の波長差Δλに対する赤外線強度の勾配と、測定対象物体２００の表面温度は図９に示すような関係にあり、両者の関係が予めテーブルとして記憶部１５（図１参照）に記憶されているから、そのテーブルを用いて測定対象物体２００の表面温度を換算する。
【００６７】
（手順２）：Ｓ１とＳ２のセンサ素子１２以外のＳ３のセンサ素子１２の出力値と、前記式２から測定対象物体２００の放射エネルギーの波長依存性を推定し、測定対象物体２００の全放射エネルギーＥを演算する。
【００６８】
（手順３）：手順１で得た表面温度を用いて、下記式３から黒体の全放射エネルギーＥｂを演算する。
【００６９】
数３
Ｅｂ＝σＴ4
Ｅｂ：黒体の全放射エネルギー
σ：Stefan-Boltzmann定数（5.670373×10-8Wm-2 K-4）
Ｔ：表面温度［Ｋ］
（手順４）：手順２で得た測定対象物体２００の全放射エネルギーＥと、手順３で得た黒体の全放射エネルギーＥｂから、測定対象物体２００の放射率（Ｅ／Ｅｂ）を演算する。
【００７０】
手順１での測定対象物体２００の表面温度の換算、手順２での測定対象物体２００の全放射エネルギーＥの演算、手順３での黒体の全放射エネルギーＥｂの演算、ならびに手順４での測定対象物体２００の放射率の演算は、図１に示す演算部１６によって行われる。また、前記式２ならびに式３の演算式は、図１に示す記憶部１５に記憶されている。
【００７１】
このようにして、測定対象物体２００の表面温度と放射率の２つを同時に得ることができる。
【００７２】
前記手順１から手順４までをもう少し分けて具体的に説明すると、次のようなステップで構成されていることになる。
【００７３】
テスト用測定対象物体の表面温度毎に、測定する波長が異なる第１の赤外線センサと第２の赤外線センサで前記テスト用測定対象物体から放射される赤外線強度を測定して、前記第１の赤外線センサと第２の赤外線センサからの波長差に対する赤外線強度の勾配と前記テスト用測定対象物体の表面温度の関係をまとめて記憶する第１のステップ。
【００７４】
測定する測定対象物体から放射される赤外線強度を前記第１の赤外線センサと第２の赤外線センサで測定して、前記第１の赤外線センサと第２の赤外線センサからの波長差に対する赤外線強度の勾配を求める第２のステップ。
【００７５】
前記記憶されている赤外線強度の勾配とテスト用測定対象物体の表面温度の関係から、前記求められた勾配に対応する測定対象物体の表面温度を求める第３のステップ。
【００７６】
前記第１の赤外線センサならびに第２の赤外線センサとは異なる第３の赤外線センサの出力信号から、前記測定対象物体の全放射エネルギーＥを演算する第４のステップ。
【００７７】
前記測定対象物体の表面温度から、黒体の全放射エネルギーＥｂを演算する第５のステップ。
【００７８】
前記測定対象物体の放射率（Ｅ／Ｅｂ）を演算する第６のステップ。
【００７９】
次に、本実施形態の温度・放射率測定装置の適用例について具体的に説明する。
【００８０】
（適用例１）
適用例１は、液体金属（例えば鉛−ビスマス、リチウム、リチウム−鉛、ナトリウムなど）を冷却材として使用するプラント機器類の表面に冷却材が付着したか否かをプラント機器類（測定対象物体）の放射率を測定して判断し、機器類の状態を監視する機器類状態監視装置への適用例である。
【００８１】
液体金属を収容する機器類（液体金属べーパーを含むカバーガスに接触する機器類表面）には、経年に伴い液体金属べーパーが付着することにより機器類の放射率が変化する。これが機器類の伝熱特性や周囲のカバーガス領域の熱流動場にも影響を与え、この影響により機器類の健全性を損なう可能性がある。
【００８２】
図１１は、適用例１に係る機器状態監視装置の概略構成図である。
【００８３】
この例では、容器２１内に例えば鉛−ビスマス、リチウム、リチウム−鉛、ナトリウムなど液体金属からなる冷却材２２が収容され、容器２１の上端開口部は蓋体２３で密閉されている。
【００８４】
蓋体２３の下面には所定の機器類２４や配線、配管（いずれも図示せず）などが取り付けられている。また、冷却材２２と蓋体２３の間には例えばアルゴンガスなどの不活性ガスが充満されて、カバーガス空間部２５を形成している。
【００８５】
赤外線センサ２ならびに導光管８を有するセンサヘッド３の下端部が蓋体２３から抜き差し可能に挿入され、機器類２４の近くに設置されている。本適用例１では、センサヘッド３の下端部に金からなる赤外線反射鏡２６が設置されている。
【００８６】
容器２１内には液体金属からなる冷却材２２が収容されて、蓋体２３で密閉されていることから、経年に伴い液体金属べーパーがカバーガス空間部２５と接する容器２１の内面、蓋体２３の下面ならびに機器類２４には液体金属べーパーが付着することがある。
【００８７】
この液体金属の付着量が増すと、容器２１の内面、蓋体２３の下面ならびに機器類２４から赤外線７が放射される。放射された赤外線７を赤外線反射鏡２６により導光管８内に導き、赤外線センサ２で受光して後段信号処理部５で信号処理を行い、機器類２４などの表面温度と放射率を測定して、測定結果を記録する。
【００８８】
この機器状態監視装置は例えば機器類２４の定期検査時などに使用され、定期的に機器類２４などからの放射率の変化を把握することにより、機器類の健全性を監視することができる。この適用例１で機器状態監視装置を使用しない場合は、センサヘッド３を蓋体２３から抜き出しておくとよい。
【００８９】
この適用例１ではセンサヘッド３を蓋体２３に対して抜き差し可能に設けたが、センサヘッド３を容器２１に対して抜き差し可能に設けることも可能である。
【００９０】
また、機器類２４の外周あるいは（ならびに）容器２１の内周に沿ってセンサヘッド３を移動可能に設けて、機器類２４あるいは（ならびに）容器２１での液体金属べーパーの付着分布を監視することも可能である。
【００９１】
（適用例２）
フロート板ガラスは、フロートバスと呼ばれる炉の中で溶融スズ（液体金属）の上に溶かしたガラスを流し込み、板状に成形して製造される。板ガラスの成形過程で、溶融ガラスは表面張力と重力とのバランスで平衡厚さになるまで広がる。そのた後、フロートバスの出口に向かって牽引されながら冷却され、固化する際にローラで延伸されて所望の厚さに成形される。
【００９２】
この過程において、ガラスの粘性は成形状態に影響を与える一つの要因となるが、温度に対して非常に敏感であるため、温度分布を詳細に把握する必要がある。
【００９３】
フロートバス内は、溶融スズの酸化を防止するため、還元ガス（通常は、窒素と水素の混合ガス）が主にフロートバスの上部から導入されており、ガス中にはスズ、酸素およびイオウなどの不純物質が相状態や化合状態を変化させながら存在し、フロートバス上部の耐火壁や機器類などに付着、堆積する。
【００９４】
通常、フロートバス内は６００℃以上に維持されているので、温度場は輻射熱伝達により支配される（伊藤肇  上堀徹  ガラスの溶解・成形シミュレーション技術の展望、Res.Reports Asahi Glass Co.,Ltd.,57(2007)参照）。
【００９５】
フロートバス内の機器類に付着、堆積した堆積物が放射率に影響するため、放射率の監視も製造プロセス上重要である。
【００９６】
図１２はこの適用例２に係る板ガラスの製造に用いるフロートバス内放射率測定装置の概略構成を示す縦断面図、図１３はこのフロートバス内放射率測定装置の概略構成を示す横断面図である。
【００９７】
これらの図に示されているように、炉形式のフロートバス３１内には溶融スズ３２の層が広い面積で形成され、フロートバス３１内は６００℃以上の高温に維持されている。
【００９８】
溶融ガラス３３は溶融ガラス注入口３４から溶融スズ３２の上に流し込まれて、溶融ガラス３３の表面張力と重力とのバランスで平衡厚さになるまで広がった後、フロートバス３１の出口に向かって牽引されながら冷却され、固化する際に複数本のトップローラ３５と焼きなましローラ３６で延伸されて所望の厚さに成形される。
【００９９】
フロートバス３１内では、溶融ガラス３３の移動に伴い溶融スズ３２も流動する。この溶融スズ３２の酸化を防止するため、窒素と水素の混合ガスからなる還元ガス３７が耐火性の上カバー３８を通して、フロートバス３１の上部空間３９に導入されている。
【０１００】
図１２において符号４０は、上部空間３９内に設置されたヒータで、ガラスの移動方向に沿って複数本設けられている。また符号４１は、上カバー３８を支持する耐火壁である。従って、フロートバス３１の上方は、主に上カバー３８と耐火壁４１によって覆われている。
【０１０１】
前述のように上部空間３９のガス中にはスズ、酸素およびイオウなどの不純物質が相状態や化合状態を変化させながら存在し、フロートバス３１の上方にある上カバー３８、耐火壁４１ならびに機器類（図示せず）などに付着、堆積する。
【０１０２】
そのため適用例２では、カバー３８を通して適用例１と同様のセンサヘッド３が上部空間３９に露呈している耐火壁４１の近くに、抜き差し可能に挿入されている。このセンサヘッド３により、放射率の変化の監視がなされている。
【０１０３】
この適用例２ではセンサヘッド３を上部空間３９に露呈している耐火壁４１の近くに設けたが、センサヘッド３を上部空間３９に露呈しているカバー３８の近くに設けることも可能である。
【０１０４】
（適用例３）
スパッタリングなどで絶縁基板の表面に薄膜あるいは厚膜などの膜を形成する場合、膜厚制御のために膜厚モニタ装置が必要である。現在、水晶振動子を利用して、絶縁基板上の膜厚変化（重量変化）による共振周波数の変化を測定して、膜厚を制御する膜厚モニタ装置がある。
【０１０５】
この方法は、直径が約１ｃｍ、厚さが約０．５ｍｍの円盤状の水晶振動子を用いて、絶縁基板上に形成した膜の平均膜厚をモニタリングするものであるが、この膜厚モニタ装置ではより微小な領域での膜厚分布の測定は困難である。
【０１０６】
そこで絶縁基板と成膜材料の放射率の差を利用して、絶縁基板上の膜厚モニタ装置の適用例を図１４に示す。この図は、適用例３に係る膜厚モニタ装置を備えた成膜装置の概略構成図である。
【０１０７】
成膜装置（例えばスパッタリング装置）のケーシング５１の内部には、スパッタ粒子５２を放出するためのターゲット５３と絶縁基板５４が所定の間隔をおいて対峙されている。また、ターゲット５３の内側には、磁石５５が設置されている。
【０１０８】
前記ターゲット５３と絶縁基板５４には、数百ボルトの直流電源５６が接続されている。さらにケーシング５１には吸引穴５７が形成され、吸引穴５７を通してロータリーポンプ（図示せず）によりケーシング５１内が所定の値に減圧されている。
【０１０９】
図１４はスパッタリングしている途中の状態を示しており、図中の●印はターゲット５３から放出されたスパッタ粒子５２を、○印は残留ガス分子５８を、太線矢印はイオンの衝突５９を、それぞれ示している。
【０１１０】
このスパッタリング装置により、絶縁基板５４の上にスパッタ粒子５２が付着、堆積して金属薄膜６０が形成される。この金属薄膜６０などの薄膜形成の大半は、薄膜物質がクラスター状を形成して核となり、その核どうしが合体して島を作り、さらにその島が合体しながら連続した膜を形成する核成長型であり、このように連続膜に至るまでの遷移過程が重要である（岩田伸、佐藤壽、他、スパッタリングによる薄膜面生成過程の特性と加振による平坦化、Dynamics and Design Conference ：機械力学・計測制御講演論文集，：Ｄ＆Ｄ2001,234(2001)参照）。
【０１１１】
本適用例３では、このスパッタリング装置において、絶縁基板５４（金属薄膜６０）側から放出される赤外線７がセンサヘッド３に導入できるように、センサヘッド３が例えばケーシング５１の蓋体６１などに取り付けられている。
【０１１２】
センサヘッド３の光学系において、ｍｍオーダーの測定スポットで絶縁基板５４（金属薄膜６０）の表面の放射率を測定することにより、金属薄膜６０の形成過程における膜厚の変化が把握できる。
【０１１３】
さらに、センサヘッド３の光学系により測定スポットを移動することで、金属薄膜６０の膜厚分布を把握することも可能である。金属薄膜６０が十分な厚さをもって均一に成膜された場合には、センサヘッド３によって測定される放射率は一定となるため、均一な膜厚分布を有する金属薄膜６０が形成される過程を、このセンサヘッド３によりモニタリングすることができる。
【０１１４】
この適用例３では膜形成時のモニタリングについて説明したが、基板に対する液体金属の濡れ状態をモニタリングするために本発明の赤外線放射率測定装置を使用することも可能である。
【０１１５】
（適用例４）
前記適用例１〜３では、測定手段として１個のセンサヘッド３を用いて測定対象物体の表面温度、放射率を測定したが、この適用例４は、測定手段として多数個のセンサヘッドを併設して測定対象物体の広い面積での表面温度、放射率ならびにそれらの分布状態を測定する温度・放射率測定装置である。
【０１１６】
例えば飛行場の搭降口付近などに設置されて、測定対象物体である搭降者の例えば頭部や顔付近の熱画像が得られる従来のサーモグラフィは、表示画面上にマトリクス状にカラーや白黒の濃淡差で視野内の温度分布を表示することはできるが、熱画像上の個々の部分での表面温度の測定ならびにその表示はできない。
【０１１７】
すなわち、例えば皮膚、頭髪、服地など物質により赤外線の放射率が異なるため、前述した個々の物質に対して放射率の情報を与えない限り、熱画像の個々の部分での表面温度の測定はできない。
【０１１８】
この適用例４はこのような課題を解決したものであり、図１５および図１６を用いて説明する。図１５は適用例４に係る温度測定・表示装置３００の概略構成図、図１６はその温度測定・表示装置３００に用いる温度測定用マトリクスセンサ部７１の概略構成図である。
【０１１９】
熱画像を出力することのできる温度測定・表示装置３００は図１５に示すように、温度測定用マトリクスセンサ部７１と、記憶部７２と、熱画像を出力する例えば液晶画面などの表示部７３から主に構成され、各部は図に示すような接続関係になっている。
【０１２０】
温度測定用マトリクスセンサ部７１は図１６に示しているように、Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４の４個のセンサ素子１２を組み合わせた赤外線センサ２（図５参照）からなるマトリクス構成要素７４を、Ｘ−Ｙ方向にＮ×Ｎ個マトリクス状に配置して構成したものである。
【０１２１】
温度測定用マトリクスセンサ部７１内における各マトリクス構成要素７４でのＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４の配置状態は同じである。赤外線センサ２の構成ならびに機能などについては、図１ないし図９を用いて説明したので、重複する説明は省略する。
【０１２２】
この温度測定・表示装置３００は飛行場の搭降口付近などに設置されて、搭降者の頭部や顔付近からの赤外線（熱線）の放射エネルギーはマトリクス構成要素７４によって個々に測定される。
【０１２３】
測定により得られた個々のデータは、記憶部７２に格納されているプログラムに基づいて信号処理された後、表示部７３に送られてマトリクス状にカラーや白黒の濃淡差で搭降者の頭部や顔付近の温度分布が表示される。また、必要に応じて、熱画像の個々の部分での温度表示もできるようになっている。
【符号の説明】
【０１２４】
１：測定部
２：赤外線センサ
３：センサヘッド
５：後段信号処理部
７：赤外線
８：導光管
１２：センサ素子
１３：センサ前光学系
１５：記憶部
１６：演算部
２１：容器
２２：冷却材
２４：機器類
２５：カバーガス空間部
３１：フロートバス
３２：溶融スズ
３３：溶融ガラス
３９：上部空間
４１：耐火壁
５１：ケーシング
５２：スパッタ粒子
５４：絶縁基板
６０：金属薄膜
７１：温度測定用マトリクスセンサ部
７２：記憶部
７３：表示部
７４：マトリクス構成要素
１００：温度・放射率測定装置
２００：測定対象物体
３００：温度測定・表示装置
【図１】
0006485953.tif 000006
【図２】
0006485953.tif 000007
【図３】
0006485953.tif 000008
【図４】
0006485953.tif 000009
【図５】
0006485953.tif 000010
【図６】
0006485953.tif 000011
【図７】
0006485953.tif 000012
【図８】
0006485953.tif 000013
【図９】
0006485953.tif 000014
【図１０】
0006485953.tif 000015
【図１１】
0006485953.tif 000016
【図１２】
0006485953.tif 000017
【図１３】
0006485953.tif 000018
【図１４】
0006485953.tif 000019
【図１５】
0006485953.tif 000020
【図１６】
0006485953.tif 000021