(57)【要約】【課題】  1000(℃)以上の高温においても放射温度計の高い較正精度を得ることが可能な較正方法および較正装置を提供する。【解決手段】  ハーフミラー２０によって２分された第１分割光１８ｂおよび第２分割光１８ａがそれぞれ標準放射温度計２６および２色カメラ１６の焦点面すなわち光検出面５０等に入射させられ、それぞれの放射強度が測定されると、同時に測定されたそれぞれの測定値(すなわち放射強度比Ｒと標準放射温度計出力温度Ｔstd)の対が記憶される。そのため、一つの光軸１８上の光を分割して標準放射温度計２６および２色カメラ１６にそれぞれ垂直に入射させることから、視定する黒体炉１２の底面が異なることに起因する誤差が好適に排除されると共に、標準放射温度計２６および２色カメラ１６で同時に測定することから、時間的揺らぎの影響が好適に排除される。【選択図】                    図１
2005291711.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
黒体炉の温度を変化させつつその黒体炉から放射される放射エネルギーを標準温度計および較正しようとする放射温度計でそれぞれ測定することにより、それらの測定値の相互関係に基づいてその放射温度計を較正する方法であって、
前記黒体炉から放射される放射エネルギーのうち所定の測定波長域の光を前記標準温度計に向かう第１分割光と前記放射温度計に向かう第２分割光とに予め定められた所定の割合で２分し、同一入射角度を以てそれら標準温度計および放射温度計の焦点面にそれぞれ入射させて各々の放射強度を測定する測定工程と、
同時に測定された前記標準温度計の測定値と前記放射温度計の測定値との対を順次に記憶する測定値対記憶工程と
を、含むことを特徴とする放射温度計の較正方法。
【請求項２】
前記標準温度計および前記放射温度計の一方の焦点面上の予め定められた相互に隣接する複数点における放射強度の相対関係を予め定められた所定時間毎に演算する相対関係演算工程と、
前記相対関係の経時的変化に応じて、その変化を打ち消すように前記標準温度計および前記放射温度計の各々の焦点面を各々に平行な平面内で現在位置に対して同一方向に同一距離だけ同期して移動させる移動工程と
を、含むものである請求項１の放射温度計の較正方法。
【請求項３】
黒体炉の温度を変化させつつその黒体炉から放射される放射エネルギーを標準温度計および較正しようとする放射温度計でそれぞれ測定することにより、それらの測定値の相互関係に基づいてその放射温度計を較正するための較正装置であって、
前記黒体炉から放射される放射エネルギーのうち所定の測定波長域の光を、前記標準温度計にその焦点面に対して所定の入射角度を以て向かう第１分割光と、前記放射温度計にその焦点面に対してその第１分割光と同一の入射角度を以て向かう第２分割光とに、予め定められた所定の割合で２分するための光分割装置を、含むことを特徴とする放射温度計の較正装置。
【請求項４】
前記標準温度計および前記放射温度計の一方の焦点面上の予め定められた相互に隣接する複数点における放射強度の相対関係を予め定められた所定時間毎に演算するための相対関係演算手段と、
前記相対関係の経時的変化に応じて、その変化を打ち消すための前記標準温度計および前記放射温度計の一方の焦点面のその焦点面に平行な平面内における移動方向および移動距離を算出する移動量算出手段と、
前記標準温度計および前記放射温度計の各々の焦点面を前記算出された移動量だけ各々に平行な平面内で現在位置に対して同一方向に同一距離だけ同期して移動させるための同期移動装置と
を、含むものである請求項３の放射温度計の較正装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、放射温度計を高精度で較正するための較正方法および較正装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
非接触型の温度計測は工業的に有用であるために多用されている。このような非接触型の温度計測においては、１色法を用いた放射(輻射)温度計、２つ以上の波長の放射エネルギ強度の比から求める多色法(例えば２色法)による放射温度計がある(例えば、特許文献１等を参照)。前者の１色法を用いた放射温度計では、基準となる黒体の放射に対し、被測定部材からの放射エネルギの値を比較して温度を測定する。そのため、放射率を設定入力する必要があるため、放射率が変化する被測定部材の温度測定には不向きであるが、簡易に計測できる利点がある。これに対し、多色法による放射温度計では、２つ以上の波長の放射エネルギの比から温度が求られるので、放射率の項が相殺されて放射率が未知の被測定部材の温度も計測できる利点がある。
【０００３】
ところで、放射温度計を使用するに際しては、予め、標準温度計の測定値とその放射温度計の測定値との関係を求め、その放射温度計のずれを確定すること、すなわち較正を行う必要がある。この較正方法は、「放射温度計の性能試験方法通則」の「附属書１(規定)  校正方法」に規定されている(非特許文献１参照)。この規定によれば、放射温度計の較正は、黒体空洞の温度を較正しようとする放射温度計と標準として用いる温度計(すなわち標準温度計)とで測定し、相互の示度を比較することにより行うことになる。較正用の黒体炉は標準黒体炉と比較黒体炉に分類されるが、前者は標準温度計にガラス製温度計や白金抵抗温度計等を用いる低・中温域用黒体炉であり、500(℃)を超える中・高・超高温域には、標準温度計に放射温度計を用いる後者が利用される。
【０００４】
図１６〜図１８は、上記附属書１の「４．校正方法」に記載されている較正方法であって、上記比較黒体炉が用いられる中・高温以上の場合の３つの較正方法をそれぞれ説明する図である。図１６に示される較正方法では、較正する放射温度計１００および標準温度計１０２を同一光軸上に配置している。放射温度計１００は上下或いは左右に退避可能に設けられており、図に実線で示される測定位置にあるときは放射温度計１００で温度が測定され、一点鎖線で示される退避位置にあるときは標準温度計１０２で温度が測定される。すなわち、標準温度計１０２および放射温度計１００で黒体炉１０４内の同一位置を視定し、黒体炉１０４の温度が安定した状態で交互に測定することによって較正を行う。
【０００５】
また、図１７に示される較正方法では、放射温度計１００および標準温度計１０２がそれぞれ黒体炉１０４に対して互いに異なる方向に僅かに傾いて配置されている。そのため、放射温度計１００および標準温度計１０２で同時に測定された温度で較正が行われる。また、図１８に示される較正方法では、前後が対称に構成された黒体炉１０６を挟んで放射温度計１００および標準温度計１０２を対向して配置し、それらで同時に測定した温度で較正が行われる。
【特許文献１】特開２００４−０４５２６８号公報
【非特許文献１】日本工業規格JIS C 1612:2000
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記図１６〜図１８に示される較正方法で高精度を得るためには、黒体炉１０４，１０６の黒体空洞内の温度が底面全体に亘って一定温度で、且つ安定している(すなわち時間的な温度変化が無い)ことが必要である。しかしながら、黒体炉は底面の温度が一定の分布を有し、且つ時間的変化(以下、時間的温度揺らぎという)を完全には排除できないことから、このことが高い較正精度を得る妨げとなっていた。現状入手できる黒体炉では、例えば1000(℃)以上の温度では1(℃)程度の精度の保証値が限界となっているのである。そのため、放射温度計において、このような高温域でも例えば繰返し精度0.1(℃)以上の高精度の較正を可能とすることが望まれていた。例えば、対象物の物性に依らない温度計測が可能な２色法温度測定装置において、従来のサーモグラフィ等で用いられる輝度温度方式と同等以上、例えば繰返し精度0.1(℃)以上の高精度熱画像計測の要求があるにも拘わらず、較正方法が存在しないため、繰返し精度が1(℃)程度に留まり、その要求に応えられていない。
【０００７】
本発明は、以上の事情を背景として為されたものであって、その目的は、1000(℃)以上の高温においても放射温度計の高い較正精度を得ることが可能な較正方法および較正装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
斯かる目的を達成するため、第１発明の要旨とするところは、黒体炉の温度を変化させつつその黒体炉から放射される放射エネルギーを標準温度計および較正しようとする放射温度計でそれぞれ測定することにより、それらの測定値の相互関係に基づいてその放射温度計を較正する方法であって、(ａ)前記黒体炉から放射される放射エネルギーのうち所定の測定波長域の光を前記標準温度計に向かう第１分割光と前記放射温度計に向かう第２分割光とに予め定められた所定の割合で２分し、同一入射角度を以てそれら標準温度計および放射温度計の焦点面にそれぞれ入射させて各々の放射強度を測定する測定工程と、(ｂ)同時に測定された前記標準温度計の測定値と前記放射温度計の測定値との対を順次に記憶する測定値対記憶工程とを、含むことにある。
【０００９】
また、第２発明の要旨とするところは、黒体炉の温度を変化させつつその黒体炉から放射される放射エネルギーを標準温度計および較正しようとする放射温度計でそれぞれ測定することにより、それらの測定値の相互関係に基づいてその放射温度計を較正するための較正装置であって、(ａ)前記黒体炉から放射される放射エネルギーのうち所定の測定波長域の光を、前記標準温度計にその焦点面に対して所定の入射角度を以て向かう第１分割光と、前記放射温度計にその焦点面に対してその第１分割光と同一の入射角度を以て向かう第２分割光とに、予め定められた所定の割合で２分するための光分割装置を、含むことにある。
【発明の効果】
【００１０】
前記第１発明によれば、測定工程において、一定の割合で２分された第１分割光および第２分割光がそれぞれ標準温度計および放射温度計の焦点面に入射させられ、それぞれの放射強度が測定されると、測定値対記憶工程において、同時に測定されたそれぞれの測定値(すなわち放射強度)の対が記憶される。そのため、一つの光軸上の光を分割して標準温度計および放射温度計にそれぞれ同一入射角度で入射させることから、視定する黒体炉の底面が異なることに起因する誤差が好適に排除されると共に、標準温度計および放射温度計で同時に測定することから、時間的揺らぎの影響が好適に排除される。したがって、上記記憶された測定値対に基づいて較正することにより、黒体炉の温度保証値が較正精度に影響しないことから、1000(℃)以上の高温においても放射温度計の高い較正精度を得ることができる。
【００１１】
しかも、本発明によれば、上記のように時間的揺らぎの影響が排除されることから、較正するに際して黒体炉の温度が安定している必要がない。そのため、従来は必須であった温度が安定するまでの待機時間が無用となって迅速な較正が可能になると共に、昇温させつつ連続的な較正が可能であるので、一層高い精度で較正することが可能となる利点がある。
【００１２】
また、前記第２発明によれば、光分割装置によって、黒体炉から放射された光が標準温度計および放射温度計にそれぞれ同一の入射角度で入射する第１分割光および第２分割光に一定の割合で二分されることから、前記第１発明の較正方法を好適に実施できる。そのため、1000(℃)以上の高温においても放射温度計の高い較正精度を得ることが可能な較正装置が得られる。
【００１３】
なお、前記第１分割光および第２分割光は、前記標準温度計および放射温度計の測定波長域において黒体炉の放射エネルギーを一定の割合で２分割するものであれば、その分割割合は１：１に限られず適宜定めることができる。特に、２色式放射温度計においては測定対象とする２波長の強度比のみが問題となるため、第１分割光が十分な感度が得られる程度の放射強度を有していれば較正に支障は無いのである。また、上記測定波長域以外の波長域についての分割割合は任意である。すなわち、測定に影響しない波長域の光はどのような割合で分割されても差し支えない。
【００１４】
ここで、前記第１発明の較正方法は、好適には、(ｃ)前記標準温度計および前記放射温度計の一方の焦点面上の予め定められた相互に隣接する複数点における放射強度の相対関係を予め定められた所定時間毎に演算する相対関係演算工程と、(ｄ)前記相対関係の経時的変化に応じて、その変化を打ち消すように前記標準温度計および前記放射温度計の各々の焦点面を各々に平行な平面内で現在位置に対して同一方向に同一距離だけ同期して移動させる移動工程とを、含むものである。このようにすれば、相対関係演算工程において、焦点面上の相互に隣接する複数点の放射強度の相対関係が所定の時間間隔で演算されると共に、移動工程において、その相対関係の経時的変化に応じてその変化を打ち消すように標準温度計および放射温度計の各々の焦点面が同一方向に同一距離だけその表面に沿って変位させられる。そのため、黒体炉の放射エネルギーに起因する空間的な温度揺らぎが生じても、その変化が焦点面の変位によって打ち消されることから、一層高い較正精度が得られる。すなわち、空間的な温度揺らぎが生じると相互に隣接する較正点における放射強度の相対関係が変化し得ることから、その変化量に応じて焦点面を移動させればその変化を打ち消すことができるのである。
【００１５】
また、前記第２発明の較正装置は、好適には、(ｂ)前記標準温度計および前記放射温度計の一方の焦点面上の予め定められた相互に隣接する複数点における放射強度の相対関係を予め定められた所定時間毎に演算するための相対関係演算手段と、(ｃ)前記相対関係の経時的変化に応じて、その変化を打ち消すための前記標準温度計および前記放射温度計の一方の焦点面のその焦点面に平行な平面内における移動方向および移動距離を算出する移動量算出手段と、(ｄ)前記標準温度計および前記放射温度計の各々の焦点面を前記算出された移動量だけ各々に平行な平面内で現在位置に対して同一方向に同一距離だけ同期して移動させるための同期移動装置とを、含むものである。このようにすれば、相対関係演算手段によって焦点面上の相互に隣接する複数点の放射強度の相対関係が所定の時間間隔で演算されると共に、移動量算出手段によってその相対関係の経時的変化に応じて焦点面の移動量が算出されるので、同期移動装置によって算出された移動量だけ標準温度計および放射温度計の焦点面をそれぞれ移動させれば、空間的な温度揺らぎが好適に打ち消されることから、一層高い較正精度が得られる。
【００１６】
なお、上記態様において、「隣接する複数点」は、厳密に隣接するものだけに限られず、任意の較正点に対してその近傍に位置するものを含む。すなわち、相対関係の変化を監視する範囲は、所望とする較正精度に応じて適宜定めればよい。また、上記「所定時間」は、黒体炉の精度の保証値や所望とする較正精度に応じて適宜定められる。また、「経時的変化に応じて」とは、相対関係の経時的変化が認められた場合には常に移動量を算出し且つ移動させることを意味するものに限られず、得ようとする較正精度に対して無視し得る程度に小さい変化の場合には移動させないこと、すなわち、移動量を算出せずまたは移動量零を算出し、或いは移動を実施しないことも意味する。
【００１７】
また、前記移動工程および前記移動装置は、光軸に対して焦点面が相対移動させられるものであれば足りる。すなわち、焦点面(或いは放射温度計および標準温度計)が移動させられるものであっても、黒体炉が移動させられるものであってもよい。
【００１８】
また、好適には、前記光の分割は、ハーフミラーで光を二分するものである。すなわち、前記光分割装置は、黒体炉と標準温度計或いは放射温度計との間に光軸に対して４５度の角度で設けられたハーフミラーである。このようにすれば、黒体炉から放射された放射エネルギーが、ハーフミラーを透過し或いは反射して標準温度計に到達する第１分割光と、反射し或いは透過して放射温度計に到達する第２分割光とに、略全波長域に亘って略２等分される。なお、本発明においては、ハーフミラーを透過した光が標準温度計に入射するように構成されていても、反対に、これにより反射された光が標準温度計に入射するように構成されていても差し支えない。
【００１９】
また、好適には、前記光分割装置は、前記ハーフミラーと、これにより反射された光を透過した光と平行な方向に反射するための全反射ミラーとを備えたものである。このようにすれば、第１分割光および第２分割光が平行光になることから、標準温度計および放射温度計を横に並べて設置することができる。そのため、例えば、それらを共通の移動台上に固定して設ければ、その移動台を前記移動量だけ変位させることにより、それらの焦点面を同期して同一方向に同一距離だけ移動させることができる。すなわち、第１分割光および第２分割光が平行光で無い場合に比較して前記移動装置の構成や制御が簡単になる利点がある。
【００２０】
また、好適には、前記第１分割光および第２分割光は、前記標準温度計および前記放射温度計の各々の焦点面に垂直に入射させられる。それら第１分割光および第２分割光の焦点面への入射角度は同一角度であれば適宜の角度とすることができるが、このようにすれば、傾斜して入射させられる場合に比較して、レンズの周辺減光、バンドパスフィルターの波長(中心)のずれの影響が少なくなる。
【００２１】
また、好適には、前記放射温度計は、多色放射温度計である。本発明は、種々の形式の放射温度計の較正に適用し得るが、多色放射温度計は、相互に異なる複数の波長の放射強度の比に基づいて温度を測定することから、測定対象の放射率に影響されることなく高温における温度測定が可能である利点が生かされ、種々の対称物の温度を高精度で測定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の一実施例を図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の実施例において図は適宜簡略化或いは変形されており、各部の寸法比および形状等は必ずしも正確に描かれていない。
【００２３】
図１は、本発明の一実施例の放射温度計較正装置１０の全体構成を説明する図である。図１において、黒体炉１２は、前記黒体炉１０６と同様に構成されたものであって、略円筒状を成し且つ長手方向すなわち図１における左右方向の中央位置にその両側から視定可能な図示しない底面を備えている。この黒体炉１２は、例えば全体がカーボン等で構成されて真空中或いはアルゴン等の不活性ガス雰囲気中に設けられ、例えば右端側から図示しない二色温度計等の放射温度計で上記底面の温度を測定してフィードバック制御されることにより、例えば±1(℃)程度の誤差で温度制御されるものである。
【００２４】
また、上記黒体炉１２の左端側には精密可動ステージ１４が備えられ、その上には、黒体炉１２の正面位置に較正対象である２色カメラすなわち放射温度計１６が固定されている。また、黒体炉１２から２色カメラ１６に向かう光軸１８上には、その光軸１８に対して４５度の角度を成すハーフミラー２０が備えられており、黒体炉１２から放射された光は、そのハーフミラー２０により第１分割光路１８ａおよびこれに垂直な第２分割光路１８ｂに二等分される。透過した第１分割光路１８ａの光は、レンズやフィルタ等から成る光学系２２を経由して２色カメラ１６に入射させられる。一方、反射された第２分割光路１８ｂの光は、同様にレンズやフィルタ等から成る光学系２４を経由して標準放射温度計２６に入射させられる。この標準放射温度計２６は、例えば、0.4(℃)程度の保証値を有するものである。本実施例においては、上記のハーフミラー２０が光分割装置に相当する。なお、２色カメラ１６は、上述したように較正対象であって、較正装置１０を構成するものではない。この２色カメラ１６が固定されている位置には、較正対象となる所望の放射温度計がそれに代えて固定される。また、本実施例においては、後述するようにこの２色カメラ１６に入射させられる光の波長域が測定波長域に相当し、黒体炉１２から放射される光は略全波長域に亘って二等分される。
【００２５】
上記２色カメラ１６および標準放射温度計２６は、それぞれ放射エネルギーを受光するための焦点面検出器２８、３０を備えている。検出器２８は、例えば、多数の光検出素子が配列された光検出面５０(図２参照)を備えたＣＣＤ素子である。また、検出器３０は、例えばシリコン・フォトダイオード等から成るものである。検出器３０は、検出器２８と感応域が同程度であるものが選定されている。前記入射光の検出器２８，３０への入射角度は、２色カメラ１６および標準放射温度計２６の何れにおいてもその焦点面に垂直である。これら２色カメラ１６および標準放射温度計２６にそれぞれ入射した光は、電気信号に変換され、その信号が制御装置３２に送られて後述する種々の処理が行われる。制御装置３２は、例えばＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、入出力インターフェイス等を備えた所謂マイクロコンピュータであって、ＣＰＵは予めＲＯＭに記憶されたプログラムに従って入力信号を処理することにより、上記２色カメラ１６の較正を行う。
【００２６】
図２は、上記の２色カメラ１６の構成の一例の概略を説明する図である。この２色カメラ１８は、例えば２色式温度分布測定装置３４に利用されるものであって、焼成炉、加熱炉などの炉内において加熱されている被測定部材３６の表面から放射された光は、ハーフミラー(ビームスプリッタ)３８により第１光路４０および第２光路４２に２分されるようになっている。第１光路４０および第２光路４２はミラー４４、４６によって略直角に曲げられた後、ハーフミラー４８によって合成され、前記焦点面検出器すなわちＣＣＤ素子２８と、その光検出面５０に被測定部材３６の画像を結像させるレンズ装置５２とを有する画像検出器５４に入射させられるようになっている。
【００２７】
また、上記第１光路４０および第２光路４２には、たとえば中心波長600(nm)且つ半値幅10(nm)程度の第１波長(帯)λ1の光を通過させる第１フィルタ５６、およびたとえば中心波長650(nm)且つ半値幅10(nm)程度の第２波長(帯)λ2の光を通過させる第２フィルタ５８がそれぞれ介挿されている。上記第１フィルタ５６および第２フィルタ５８は、光波干渉を利用して所定の波長帯の光を通過させる所謂干渉フィルタから構成されている。
【００２８】
上記第１波長λ1および第１波長λ2は、たとえば以下のようにして決定されている。先ず、プランクの式により測定温度範囲の最低温度における黒体の波長と放射(輻射)強度との間の関係すなわち図３に示す曲線Ｌ１が求められ、次いで室温における被測定部材３６からのバックグラウンド放射強度ＥBGが測定される。次いで、そのバックグラウンド放射強度ＥBGの３倍値すなわち３×ＥBGを上まわる曲線Ｌ１上の任意の１点が第１波長λ1として決定される。検出誤差以上の強度を用いて測定精度を高める為である。次に、第１波長λ1の１／１２の波長以下の波長Δλだけたとえば第１波長λ1を600(nm)とすれば50(nm)(＝Δλ)だけ第１波長λ1から上または下へずらした波長たとえば650(nm)が第２波長λ2として決定される。後述の２色温度計の原理を示す近似式(式１)を成立させる為である。なお、第１波長λ1および第２波長λ2は、放射強度の測定精度を維持する為に相互の波長が重ならないように、以下において決定する半値幅の２倍以上の差が設けられるようにする。そして、上記第１波長λ1および第２波長λ2は、単色光の性質を維持する為に、その中心波長の１／２０以下、たとえば20(nm)程度以下の半値幅が用いられる。また、第１フィルタ５６および第２フィルタ５８は、それらの透過率の差が３０％以内となるように構成されている。透過率の差が３０％よりも大きくなると、輝度の低い側の波長において感度が低下してＳ／Ｎ比が下がり、表示温度の精度が低下する。
【００２９】
また、図２の光学系において、たとえばミラー４４、４６によってハーフミラー４８から画像検出器５４までの間において第１光路４０と第２光路４２とが僅かにずらされることにより、ＣＣＤ素子２８の光検出面５０において波長の異なる２画像が結像されるようになっている。すなわち、前記画像検出器５４においては、たとえば図４に示すように、被測定部材３６の表面から放射される光のうちから第１フィルタ５６により選択された第１波長λ1の被測定部材３６の第１画像Ｇ1が光検出面５０上の第１位置Ｂ1に結像され、且つ被測定部材３６の表面から放射される光のうちから第２フィルタ５８により選択された第２波長λ2の被測定部材３６の第２画像Ｇ2が、光検出面５０上の上記第１位置Ｂ1とは異なる第２位置Ｂ2に結像させられるようになっている。これにより、光検出面５０に配列された多数の光検出素子により、上記第１画像Ｇ1の各部位の放射強度および第２画像Ｇ2の各部位の放射強度が素子単位すなわち画素単位で検出されるようになっている。これら光検出素子から出力された信号は、演算制御装置６０に送られる。この演算制御装置６０は、前記制御装置３２と同様なマイクロコンピュータであって、ＣＰＵは予めＲＯＭに記憶されたプログラムに従って入力信号、すなわち上記光検出面５０に配列された多数の光検出素子からの信号を処理し、画像表示器６２に被測定部材３６の表面温度分布を表示させる。
【００３０】
図５は、上記演算制御装置６０の演算制御作動の要部を説明するフローチャートである。ステップ(以下、ステップを省略する)Ｓ１では、光検出面５０に配列された多数の光検出素子からの信号により、第１画像Ｇ1の各部位の放射強度Ｅ1ijおよび第２画像Ｇ2の各部位の放射強度Ｅ2ijが素子単位すなわち画素単位で読み込まれる。次に、Ｓ２では、光検出面５０内の第１位置Ｂ1に結像された第１画像Ｇ1および第２位置Ｂ2に結像された第２画像Ｇ2のうちの同じ部分に位置する光検出素子対がそれぞれ検出する第１波長λ1の放射強度Ｅ1ijと第２波長λ2の放射強度Ｅ2ijとの放射強度比Ｒij(＝Ｅ1ij／Ｅ2ij)が算出される。
【００３１】
次に、Ｓ３において、予め演算制御装置６０に記憶された関係に基づいて上記画素毎に算出された実際の放射強度比Ｒijより、被測定部材３６の画像を構成する画素毎の温度Ｔijが導出される。温度Ｔijの導出に用いられる関係は、たとえば式１に示す２色温度計の測定原理を示す近似式から得られるものである。式１は、放射率を用いなくとも異なる２波長λ1およびλ2における放射強度比Ｒから被測定部材３６の表面温度Ｔを求めることができるように導かれたものである。以下の式において、λ2＞λ1であって、Ｔは絶対温度を、Ｃ1は放射(Planck)第１定数、Ｃ2は放射(Planck)第２定数をそれぞれ示している。
【００３２】
(式１)
Ｒ＝(λ2／λ1)5ｅｘｐ［(Ｃ2／Ｔ)・(１／λ2−１／λ1)］
【００３３】
上式１は、以下のようにして求められる。すなわち、波長λにおいて単位時間、単位面積あたりに黒体から放射される放射強度(エネルギ)Ｅｂおよびλはプランク(Planck)の式である式２に従うことが知られている。また、ｅｘｐ(Ｃ2／λＴ)＞＞１である場合には、ウイーン(Wien)の近似式である式３が成り立つことが知られている。通常の物体は灰色であると考えることができる為、放射率εを代入して書き換えることにより式４が導出される。この式４を用いて２波長λ1およびλ2の放射強度Ｅ1およびＥ2の比Ｒを求めると式５が導かれる。上記２波長λ1およびλ2が近接している場合には、放射率εの依存性を無視することができ、ε1＝ε2と近似することができるので、前記式１が得られる。これによれば、放射率εの異なる物体であっても、それに影響なく温度Ｔを求めることができるのである。
【００３４】
(式２)
Ｅｂ＝Ｃ1／λ5［ｅｘｐ(Ｃ2／λＴ)−１］
(式３)
Ｅｂ＝Ｃ1ｅｘｐ(−Ｃ2／λＴ)／λ5
(式４)
Ｅ＝ε・Ｃ1ｅｘｐ(−Ｃ2／λＴ)／λ5
(式５)
Ｒ＝(ε1／ε2)・(λ2／λ1)5ｅｘｐ［(Ｃ2／Ｔ)・(１／λ2−１／λ1)］
【００３５】
以上のようにして、被測定部材３６の画像を構成する画素毎の温度Ｔijが算出されると、続くＳ４において、予め演算制御装置６０に記憶された関係から上記画素毎に算出された実際の温度Ｔijに基づいて被測定部材３６の表面の温度分布が表示される。例えば、被測定部材３６の表面の温度分布が予め定められた温度色により表示される。
【００３６】
上記のように構成され且つ使用される２色カメラ１６において、高精度で温度を測定するためには、予め、前記較正装置１０を用いて較正を行う必要がある。図６は、前記制御装置３２の制御作動の要部を説明するフローチャートである。較正を実施するに際しては、前記図１に示されるように２色カメラ１６を較正装置１０に固定すると共に、その２色カメラ１６を用いて測定しようとする温度域に黒体炉１２の温度を制御する。例えば、その温度域の最低温度まで黒体炉１２の温度を上昇させて保持する。黒体炉１２の温度が安定した後、例えば、適当な昇温速度で徐々に昇温させつつ較正を開始する。
【００３７】
まず、ステップＫＳ１では、予め定められた一定の時間毎に、２色カメラ１６により測定された２波長の放射強度比Ｒが画素毎に算出される。このステップＫＳ１は、前記図５のステップＳ１およびステップＳ２と同一の処理を実行することにより、放射強度比Ｒを算出するものである。次いで、ステップＫＳ２においては、標準放射温度計２６により上記２色カメラ１６と同時に測定された温度(すなわち標準放射温度計出力温度)Ｔstdが読込まれる。本実施例においては、これらステップＫＳ１，ＫＳ２が測定工程に対応する。
【００３８】
次いで、ステップＫＳ３においては、上記放射強度比Ｒと、標準放射温度計出力温度Ｔstdの対が記憶される。２色カメラ１６および標準放射温度計２６にそれぞれ入射する光は、前述したようにハーフミラー２０によって２分された光であるので、上記放射強度比Ｒおよび標準放射温度計出力温度Ｔstdは、同一時刻に取得したものが対となっている。本実施例においては、このステップＫＳ３が測定値対記憶工程に対応する。
【００３９】
上記のステップＫＳ１〜ＫＳ３の各ステップは、例えば黒体炉１２の昇温過程において繰返し実施される。これにより、放射強度比Ｒと標準放射温度計出力温度Ｔstdの対が多数得られ、順次に記憶される。但し、上記各ステップは、所望とする温度範囲に亘って、黒体炉１２の温度を断続的に上昇させつつ各温度において実施してもよい。また、上記各対のデータは、一時的に記憶され、且つ後述するような検量線を作成するためのＸ−Ｙ図表上に出力された後に直ちに捨てられても差し支えない。
【００４０】
図７は、このようにして得られた２色カメラ１６すなわち較正カメラの出力値(すなわち前記放射強度比Ｒ)、および標準放射温度計２６の出力温度すなわち基準黒体炉温度の変化を、経過時間(秒)を横軸にとって表したものである。較正カメラ出力値と基準黒体炉温度を同一時間毎に対比すれば明らかなように、それらの変化傾向は略一致している。すなわち、放射強度比Ｒは、基準黒体炉温度が変化するとそれに追随して直ちに変化している。なお、この図７は、黒体炉１２の温度が安定する前の測定値を含むものであり、黒体炉１２の温度は、測定開始後６０秒経過した時点で定常状態に達しているが、この定常状態でも前述したように±1(℃)程度の温度変化があり、温度は完全には一定に保たれていない。
【００４１】
図６に戻って、予め設定された測定時間が経過し、或いは、測定温度範囲の全域に亘って測定が終了すると、ステップＫＳ４において、図示しない画像出力装置(例えばモニタやプリンタ等)に検量線が出力される。すなわち、前記記憶された放射強度比Ｒと標準放射温度計出力温度Ｔstdの対が、２色温度計出力波長強度比を横軸にとり、標準放射温度計出力温度を縦軸にとったＸ−Ｙ図表上に出力され、更に、それら多数のデータ点から求められた一次回帰直線が表示される。なお、このデータ点の出力は逐次に実施されてもよい。データ点を黒丸で表し、一次回帰直線を細線で表した出力図形の一例を図８に示す。図示の例では、得られた直線Ｙの方程式は下記の(式６)であり、分散Ｒは0.99035であった。また、一次回帰直線(モデル関数)からの差分分布を図９に示す。これら図８、図９に示されるように、本実施例によれば、較正データのばらつきが極めて小さく、0.3(℃)程度の繰返し精度が得られた。この繰返し精度は、使用した２色カメラ１６のデータ深度によるハードウェアの理論的限界値に相当する。
【００４２】
(式６)
Ｙ＝−8.2756＋806.8Ｘ    Ｒ＝0.99035
【００４３】
なお、上記図７〜図９のデータは、970〜980(℃)程度の温度範囲について較正した結果を表したものであるが、本実施例においてばらつきが小さくなる効果の得られる理由は、前記図１に示されるようにハーフミラー２０で光を分割することによって、同時に測定した強度比と温度との対が得られることに基づく。したがって、較正装置１０によれば、上記温度範囲に限られず、２色カメラ１６で測定可能な1000(℃)以上の温度を含む全温度範囲に亘って優れた繰返し精度が得られる。
【００４４】
要するに、本実施例によれば、測定工程に対応するステップＫＳ１，ＫＳ２において、ハーフミラー２０によって２分された第１分割光１８ｂおよび第２分割光１８ａがそれぞれ標準放射温度計２６および２色カメラ１６の焦点面すなわち光検出面５０等に入射させられ、それぞれの放射強度が測定されると、測定値対記憶工程に対応するステップＫＳ３において、同時に測定されたそれぞれの測定値(すなわち放射強度比Ｒと標準放射温度計出力温度Ｔstd)の対が記憶される。そのため、一つの光軸１８上の光を分割して標準放射温度計２６および２色カメラ１６にそれぞれ垂直に入射させることから、視定する黒体炉１２の底面が異なることに起因する誤差が好適に排除されると共に、標準放射温度計２６および２色カメラ１６で同時に測定することから、時間的揺らぎの影響が好適に排除される。したがって、上記記憶された測定値対に基づいて較正することにより、黒体炉１２の温度保証値が較正精度に影響しないことから、1000(℃)以上の高温においても２色カメラ１６の高い較正精度を得ることができる。
【００４５】
次に、本発明の他の実施例を説明する。なお、以下の実施例において、前述した実施例と共通する部分は同一の符号を付して説明を省略する。
【００４６】
図１０に示す放射温度計較正装置６４は、２色カメラ１６に加えて標準放射温度計２６も精密可動ステージ１４上に固定されたものである。ハーフミラー２０で反射された第２分割光１８ｂの進路にはミラー(全反射ミラー)６６が備えられており、入射した光を直角に反射して第１分割光１８ａと平行であって標準放射温度計２６に向かう進行方向に変化させる。すなわち、本実施例では、２色カメラ１６および標準放射温度計２６に入射する光が互いに平行とされている。
【００４７】
また、上記の図１０およびその正面視にて表した図１１に示されるように、精密可動ステージ１４には、光軸１８に垂直を成し且つ互いに直交する二方向すなわち図１０における上下方向或いは図１１における上下方向に沿ってこれを駆動するためのＸ方向駆動装置６８およびＹ方向駆動装置７０が備えられている。これら駆動装置６８，７０は、何れもサブミクロン精度でその移動量を制御し得るものである。制御装置３２は、例えば標準放射温度計２６で測定した温度の経時変化に基づき、その変化が異常値を示したとき、すなわち、焦点面検出器３０に図１２に示されるような格子模様で一定の中心間隔Ｐを以て多数の較正点７２が設けられている場合に、相互に隣接する較正点７２によって検出された温度が急激に逆転したとき、実際の温度変化ではなく空間的揺らぎによる温度変化が生じたものと判断して、これを打ち消すように駆動装置６８，７０を駆動し、光検出面５０等をそれに平行な平面内で変位させる。なお、上記中心間隔Ｐは、２色カメラ１６に要求される較正精度や測定精度に応じた適宜の値である。
【００４８】
図１３は、上記制御装置３２の制御作動の要部を説明するためのフローチャートである。相対関係演算工程に対応するステップＩＳ１においては、上記多数の較正点７２の相対関係が一定の時間間隔で繰り返し演算され、その相対関係の変化が監視される。相互に隣接するものの温度差の急激な変化、例えば、温度の高低の逆転が認められると、空間的揺らぎによる温度変化があったものと判断して、ステップＩＳ２に進む。移動量算出工程に対応するステップＩＳ２では、空間的揺らぎがあったと判断されたときの多数の較正点７２の各々の温度変化に基づき、これを打ち消すための光検出面５０(この場合は、焦点面検出器３０の光検出面を言う)の黒体炉１２に対する光軸１８に垂直な方向における相対移動量を算出する。例えば、ｍ、ｎを較正点７２の座標とすると、時刻ｔ1においてＴ(m,n)＞Ｔ(m-1,n)、Ｔ(m,n)＞Ｔ(m+1,n)、Ｔ(m,n)＞Ｔ(m,n-1)、Ｔ(m,n)＞Ｔ(m,n+1)との関係にあったものが、時刻ｔ２においてＴ(m,n)＜Ｔ(m-1,n)、Ｔ(m,n)＞Ｔ(m+1,n)、Ｔ(m,n)＞Ｔ(m,n-1)、Ｔ(m,n)＞Ｔ(m,n+1)と変化していれば、Ｘ軸の負方向に１較正点分だけ変位したと判断して、精密移動ステージ１４をＸ軸の負方向に１較正点分だけ移動させるための移動量を算出するのである。なお、このステップＩＳ２が一定時間毎に必ず実施され、例えば空間的揺らぎが検出されない間は移動量０が算出されるように構成してもよい。
【００４９】
因みに、黒体炉１２の黒体空洞底面の温度は、例えば、図１４に示されるような分布を示している。この図１４においては、周縁部では低温になっているものの、中央部の10(mm)程度の直径の範囲内では略一定であると言える。しかしながら、これを温度軸について拡大すると、略一定に見える範囲においても、図１５に示されるように、未だ1(℃)程度の変動幅で中央に向かうに従って温度が高くなる傾向を有していることが判る。
【００５０】
そのため、前記のような空間的揺らぎがあると、焦点面検出器３０の一の素子の検出値が隣接する或いは近傍に位置する他の素子の検出値に置き換えられるので、その揺らぎの大きさに応じて、最大で例えば1(℃)程度の幅の温度変化が生じ得るのである。
【００５１】
しかしながら、本実施例においては、前記のような空間的揺らぎを検出すると、上述したようにこれを打ち消すための移動量が算出され、次いで、同期移動工程に対応するステップＩＳ３では、算出されたその移動量に応じてＸ方向駆動装置６８およびＹ方向駆動装置７０が駆動される。これにより、精密可動ステージ１４がＸ軸に沿って変位させられると共にＹ軸に沿って変位させられ、延いては、それに固定されている２色カメラ１６および標準放射温度計２６が光軸１８に垂直な平面内で変位させられる。すなわち、それらの焦点面検出器２８，３０の検出面がそれに平行な平面内で変位させられ、空間的揺らぎが補正される。なお、上記移動量は、温度に代えて標準放射温度計２６で検出された放射強度に基づいて算出することもでき、また、標準放射温度計２６に代えて２色カメラ１６で検出された放射強度を用いてもよい。
【００５２】
したがって、本実施例によれば、ステップＩＳ１において、多数の較正点７２の温度或いは放射強度の相対関係が一定時間毎に演算されると共に、その相対関係に異常が生じた場合には、ステップＩＳ２において、その相対関係の経時的変化に応じてその変化を打ち消すように標準放射温度計２６および２色カメラ１６が同一方向に同一距離だけ変位させられる。そのため、黒体炉１２の放射エネルギーに起因する空間的な温度揺らぎが生じても、その変化が較正点７２を変位させることで打ち消されることから、一層高い較正精度を得ることができる。
【００５３】
以上、本発明を図面を参照して詳細に説明したが、本発明は更に別の態様でも実施でき、その主旨を逸脱しない範囲で種々変更を加え得るものである。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の一実施例の較正装置の構成の要部を説明する模式図である。
【図２】図１の較正装置によって較正される温度分布測定装置の構成を説明する図である。
【図３】図２の第１フィルタの波長と第２フィルタの波長を決定する方法を説明する図である。
【図４】図２の画像検出装置の光検出面上に結像された第１画像および第２画像を説明する図である。
【図５】図２の温度測定用演算制御装置の制御動作の要部を説明するフローチャートである。
【図６】図１の較正用演算制御装置の制御動作の要部を説明するフローチャートである。
【図７】図１に示される較正装置で測定された較正しようとする放射温度計の出力値および標準温度計により測定された黒体炉温度の時間変化を示す図である。
【図８】図１に示される較正装置によって得られた２色温度計の出力波長強度比と標準放射温度計の出力温度との関係を示す図である。
【図９】図８に示される一次回帰直線からの差分を表したヒストグラムである。
【図１０】本発明の他の実施例の較正装置の構成の要部を説明する模式図である。
【図１１】図１０に示される較正装置を正面視で示す図である。
【図１２】図１０の較正装置の焦点面検出器上に設けられた較正点を説明する図である。
【図１３】図１０の較正用演算制御装置の制御作動の要部を説明するフローチャートである。
【図１４】黒体炉の温度分布を説明する図である。
【図１５】図１２のＸ方向における略中央部を抜き出し、温度目盛を拡大して黒体炉の空間揺らぎを説明する図である。
【図１６】ＪＩＳに規定された従来の較正方法の一態様を説明するための図である。
【図１７】ＪＩＳに規定された従来の較正方法の他の態様を説明するための図である。
【図１８】ＪＩＳに規定された従来の較正方法の更に他の態様を説明するための図である。
【符号の説明】
【００５５】
１０：放射温度計較正装置、１２：黒体炉、１４：精密可動ステージ、１６：２色カメラ、１８：光軸、２０：ハーフミラー、２６：標準放射温度計、２８，３０：焦点面検出器、３２：制御装置
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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