(57)【要約】【目的】放射率が未知の測定対象の放射率、温度のその場測定が可能な高精度の能動形放射温度測定装置を提供する。【構成】測定対象に参照熱源から放射エネルギーを放射し、測定対象からの放射エネルギーを放射温度計で検出する。参照熱源が測定対象に放射するエネルギーの立体角の可変手段と、放射温度計の出力から放射率、温度を演算する演算手段とを設ける。鏡面反射成分反射率と拡散反射成分反射率から方向半球反射率を求めることにより、放射率、温度をその場測定する。【選択図】図１
2004301604.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象に放射エネルギーを放射する参照熱源と、測定対象からの放射エネルギーを検出する放射温度計と、前記参照熱源が測定対象に放射するエネルギーの立体角を可変する可変手段と、放射温度計の出力から放射率、温度を演算する演算手段を備え、鏡面反射成分反射率と拡散反射成分反射率から方向半球反射率を求めることにより、放射率、温度をその場測定する放射温度測定装置。
【請求項２】
測定対象に放射エネルギーを放射する参照熱源と、測定対象からの放射エネルギーを検出する放射温度計と、前記参照熱源が測定対象に放射するエネルギーの立体角を可変する可変手段と、放射温度計の出力から表面粗さを演算する演算手段を備え、鏡面反射成分反射率と拡散反射成分反射率から表面粗さを求める光学的測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、測定対象の放射率、温度を測定する放射温度測定装置に関するものである。また、算出された鏡面反射成分反射率、拡散反射成分反射率より、測定対象の表面粗さを測定する表面光学的測定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、本件出願人による特許第３１３５０８８号にあるように、放射源から測定対象に放射する放射エネルギーの立体角を可変手段で変化させ、演算手段によりこのときの放射検出器の出力に基づき放射源が測定対象上の全空間を覆ったときの信号値を推定し、装置が大型化することがなく、簡易に測定対象の放射率、温度を演算するようにした放射温度測定装置がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記の放射温度測装置は、あらかじめ放射源と測定対象の立体角と、測定対象に対して対称位置に設けられた放射検出器の出力から得られる信号の関係（捕捉率特性）を求めておかねばならず、反射特性の異なる測定対象が混在する場合は、その異なる測定対象分の数の捕捉率特性を求めておかねばならなかった。また、測定中の測定対象がどの捕捉率特性に該当するかを演算手段に入力する必要があった。本発明は以上の点に鑑み、放射率が未知の測定対象の放射率、温度のその場測定が可能な高精度の能動形放射温度測定装置を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
この発明は、測定対象に放射エネルギーを放射する参照熱源と、測定対象からの放射エネルギーを検出する放射温度計と、前記参照熱源が測定対象に放射するエネルギーの立体角を可変する可変手段と、放射温度計の出力から放射率、温度を演算する演算手段を備え、鏡面反射成分反射率と拡散反射成分反射率から方向半球反射率を求めることにより、放射率、温度をその場測定する放射温度測定装置である。
【０００５】
また、測定対象に放射エネルギーを放射する参照熱源と、測定対象からの放射エネルギーを検出する放射温度計と、前記参照熱源が測定対象に放射するエネルギーの立体角を可変する可変手段と、放射温度計の出力から表面粗さを演算する演算手段を備え、鏡面反射成分反射率と拡散反射成分反射率から表面粗さを求める光学的測定装置である。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、図１、図２を用いて実施の形態を説明する。図１はこの発明の実施の形態を示す構成説明図である。図１において１は放射エネルギーを、少なくとも４つの径の異なる開口を有する回転セクタである立体角可変手段３を介して、温度Ｔ、放射率εの測定対象５に放射エネルギーを放射する（削除）温度Ｔｒ、放射率εｒ≒１の参照光源１である。放射温度計２は参照熱源１と対称位置に設けられ、その出力から演算手段４が鏡面反射成分反射率と拡散反射成分反射率から方向半球反射率を求めることにより、放射率、温度をその場測定する。
【０００７】
図２は参照熱源１が測定対象に放射するエネルギーの立体角の可変手段である回転セクタの平面図である。図１に示すモータ等の駆動手段３０１により回転軸９を中心として回転して、開口を参照熱源と測定対象間に位置させる。この実施例では参照熱源の放射エネルギーを遮断する全閉３０の他に、４つの径の異なる開口が設けられている。開口の可変手段に他の手段、例えばカメラの絞りのような構造の手段も用いることも可能である。
【０００８】
放射温度計２の出力から、放射率、温度の演算方法について説明する。測定対象５が参照光源１からの光を透過しない不透明体の場合、放射率ε、反射率ｒは次式の関係が成り立つ（キルヒホッフの法則）。
ε＝１−ｒ          式（１）
例えば第２２回ＳＩＣＥ学術講演会  予稿集１９１、１９２頁によると、鏡面拡散反射モデルでは、対称面で反射された放射は２つの成分からなると仮定する。１つは入射方向に対応する方向にだけ反射される鏡面反射成分であり、他方は半球空間に拡散的に反射される拡散反射成分である。方向半球反射率をｒｈとし、鏡面反射成分の反射率をｒｓ、拡散反射成分の反射率をｒｄとすれば、次式（２）の関係にある。
ｒｈ＝ｒｓ＋ｒｄ      式（２）
【０００９】
また、２方向反射率分布関数ｆは、ｆ＝ｋｃｏｓｎθで近似されることが示されている（第２２回ＳＩＣＥ学術講演会  予稿集１９１、１９２頁）。ここでｎとｋは定数で、ｎ＝０は完全拡散面であり、鏡面反射の場合はｎ≫１である。
【００１０】
回転セクタは、測定対象に対する立体角θｉの穴が少なくとも４個と参照熱源を完全に遮断する全閉３０（Ｌ０）が測定可能な部分を有するようにする。回転セクタが回転して、立体角θｉを変化させたときの放射温度計の出力Ｌｉは以下の各式で表される。立体角θｉは、θ１＜θ２＜θ３＜θ４とする。
Ｌ０＝εＬ（λ、Ｔ）      式（３）
Ｌ１＝εＬ（λ、Ｔ）＋（１−ε）・Ｆ（θ１）・εｒ・Ｌ（λ、Ｔｒ）    式（４）
Ｌ２＝εＬ（λ、Ｔ）＋（１−ε）・Ｆ（θ２）・εｒ・Ｌ（λ、Ｔｒ）    式（５）
Ｌ３＝εＬ（λ、Ｔ）＋（１−ε）・Ｆ（θ３）・εｒ・Ｌ（λ、Ｔｒ）    式（６）
Ｌ４＝εＬ（λ、Ｔ）＋（１−ε）・Ｆ（θ４）・εｒ・Ｌ（λ、Ｔｒ）    式（７）
？
Ｌｉ＝εＬ（λ、Ｔ）＋（１−ε）・Ｆ（θｉ）・εｒ・Ｌ（λ、Ｔｒ）  式（８）
【００１１】
また、Ｆ（θｉ）は次式（９）で表せる。
2004301604.tif 000003
2004301604.tif 000004
ここでＦ（θｉ）は全反射エネルギーに対する捕捉率、Ｆｓ（θｉ）は鏡面反射エネルギーに対する捕捉率、Ｆｄ（θｉ）は拡散反射エネルギーに対する捕捉率である。
【００１２】
次に拡散反射率ｒｄを求める演算方法を説明する。放射温度計の出力Ｌ２より、測定対象から放射された出力Ｌ０を除去し、参照熱源の放射エネルギーで割った値をρ２とすると、
2004301604.tif 000005
2004301604.tif 000006
以下同様に、
2004301604.tif 000007
【００１３】
式（１３）の右辺第１項において、鏡面反射成分はθ２、θ３の立体角で捕捉率がほぼ同じであるので、
ρ３−ρ２≒ｒｄ｛Ｆｄ（θ３）−Ｆｄ（θ２）｝        式（１４）
同様に、
ρ４−ρ２≒ｒｄ｛Ｆｄ（θ４）−Ｆｄ（θ２）｝        式（１５）
【００１４】
ここで、差の比ＤＲｄを
2004301604.tif 000008
2004301604.tif 000009
とすると、
2004301604.tif 000010
2004301604.tif 000011
θ２、θ３、θ４は既知であるので、ｃｏｓｎｄθで近似した場合の捕捉率の差の比ＤＲｄとｎｄの関係はあらかじめ幾何学的計算で求めておくことができる。よって、
ｎｄ＝Ｇ（ＤＲｄ）            式（１８）
ここでＧは求めたｎｄとＤＲｄの関数である。
式（１６）よりＤＲｄは測定値より求まり、式（１８）よりｎｄを一義的に求めることができる。
【００１５】
よって、
2004301604.tif 000012
2004301604.tif 000013
式（１９）と式（１４）から、
2004301604.tif 000014
2004301604.tif 000015
となりｒｄが求まる。
【００１６】
一方、鏡面反射率ｒｓはｒｄ及びＦｄ（θｉ）が求められているので、以下のようにして求めることができる。
2004301604.tif 000016
2004301604.tif 000017
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2004301604.tif 000019
【００１７】
鏡面反射成分の捕捉率の比ＤＲｓをとすると、
2004301604.tif 000020
2004301604.tif 000021
ｎｓ＝Ｇ（ＤＲｓ）      式（２４）
ｎｓは鏡面反射のべき数である。よって、
2004301604.tif 000022
2004301604.tif 000023
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となりｒｓが求まる。
ｒｈ＝ｒｓ＋ｒｄであるから、ε＝１−ｒｈで放射率が求まる。よって、式（３）より
2004301604.tif 000026
から温度Ｔを求めることができる。
【００１８】
また、２方向反射率分布関数の近似式ｆ＝ｋｃｏｓｎθのべき数ｎｄ、ｎｓが得られることから、あらかじめ表面粗さとべき数ｎｄ、ｎｓの関係を求めておけば、表面粗さの測定が可能である。
【００１９】
【発明の効果】
以上の構成により、測定対象の反射特性をあらかじめ求めておいたり、測定中の測定対象がどの捕捉率特性に該当するかを演算手段に入力する必要なしに、個々の測定対象における放射率、温度のその場測定が可能となる。
【００２０】
また、２方向反射率分布関数の近似式ｆ＝ｋｃｏｓｎθのべき数ｎｄ、ｎｓが得られることから、あらかじめ表面粗さとべき数ｎｄ、ｎｓの関係を求めておけば、表面粗さの測定が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施形態を示す構成説明図
【図２】可変手段（回転セクタ）の平面図
【符号の説明】
１…参照熱源
２…放射温度計
３…可変手段
４…演算手段
５…測定対象。
【図１】
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【図２】
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