(57)【要約】【課題】広い温度範囲を有する被測定物の表面の温度分布を、従来よりも高温度分解能かつ高解像度で測定できるようにする。【解決手段】露光時間を可変としたシャッター及び２次元固体撮像素子を有し、被測定物の輝度画像を出力する２次元カメラ１と、２次元カメラ１を制御して複数の露光時間で撮像させて、当該露光時間が紐ついた輝度画像を複数出力させる撮像条件設定部６と、露光時間が紐ついた輝度画像それぞれを階調データとして取り込むＡ／Ｄ変換部９と、露光時間ごとに設定した温度と階調との関係を示す校正曲線のデータを格納した温度変換データ記録部１１と、複数の露光時間ごとに得られた階調データについて、前記校正曲線に基づき、各露光時間に対応する有効温度範囲の温度分布を導出して、当該被測定物の表面の温度分布を導出する温度分布演算部１２とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
２次元カメラで被測定物の輝度画像を撮像して当該被測定物の表面の温度分布を測定する温度分布測定方法であって、
前記２次元カメラを用いて被測定物を複数の露光時間ごとに撮像し、当該撮像により得られた輝度画像を変換して階調データを得る手順と、
前記複数の露光時間ごとに得られた階調データについて、予め露光時間ごとに設定した温度と階調との関係を示す校正曲線に基づき、各露光時間に対応する有効温度範囲の温度分布を導出する手順と、
前記複数の露光時間に対応する有効温度範囲の温度分布を用いて、当該被測定物の表面の温度分布を導出する手順とを有することを特徴とする温度分布測定方法。
【請求項２】
前記２次元カメラによる撮像に先立ち、前記被測定物に関する、測温のための測温情報を入力する手順と、
前記入力された測温情報に基づき、所定の処理により被測定物の温度範囲を推定して、前記複数の露光時間を決定する手順とを有することを特徴とする請求項１に記載の温度分布測定方法。
【請求項３】
被測定物の２次元の輝度画像を撮像して当該被測定物の表面の温度分布を測定する温度分布測定装置であって、
露光時間を可変としたシャッター及び２次元固体撮像素子を有し、被測定物の輝度画像を出力する撮像手段と、
前記撮像手段を制御して複数の露光時間で撮像させて、当該露光時間が紐ついた輝度画像を複数出力させる撮像条件設定手段と、
前記露光時間が紐ついた輝度画像それぞれを階調データとして取り込む取り込み手段と、
露光時間ごとに設定した温度と階調との関係を示す校正曲線のデータを格納した温度変換データ記録手段と、
前記複数の露光時間ごとに得られた階調データについて、前記校正曲線に基づき、各露光時間に対応する有効温度範囲の温度分布を導出して、当該被測定物の表面の温度分布を導出する温度分布演算手段とを備えることを特徴とする温度分布測定装置。
【請求項４】
前記被測定物に関する、測温のための測温情報を入力する入力手段と、
前記入力手段により入力された測温情報に基づき、被測定物の温度範囲を推定して、前記複数の露光時間を決定する露光時間設定手段とを備え、
前記撮像条件設定手段は、前記露光時間設定手段により決定された複数の露光時間に基づき前記撮像手段を制御することを特徴とする請求項３に記載の温度分布測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被測定物の２次元の輝度画像を撮像して当該被測定物の表面の温度分布を測定する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に被検査体（被測定物）の温度分布を非接触に測定する装置として、赤外線サーモグラフィがある。赤外線サーモグラフィの製造メーカの最新カタログ等によれば、赤外線検出器としてマイクロボロメータ（検出波長域８〜１４μｍ）を使用したものは、非冷却型検出器のため室温で動作でき、比較的小型・軽量にできるので、工業用として普及している。検出温度範囲は、最大でも常温〜５００℃程度であり、赤外線検出器の前にＮＤフィルタを入れて、入射光を減衰させて、２０００℃程度の高温まで測れるようにしたものもある。
【０００３】
しかしながら、当該温度測定装置は、被検査体の温度変化量に対する赤外線検出器受光エネルギー変化が小さいため、温度分解能が悪いという問題がある。また、マイクロボロメータの２次元撮像素子の画素数が３２０×２４０程度と少なく、用途によっては空間分解能が不十分である場合がある。更に、画像センサ部の小型化には限界はあり、ＣＣＤカメラ等に比べると設置場所のスペース制約を受けることもある。
【０００４】
この問題を解決する手段の一つとして、可視光０．４〜０．８μｍの波長帯に感度ピークがあるＣＣＤやＣＭＯＳ等の固体撮像素子を有する２次元カメラを用いることがある。特許文献１にはその一例が記載されているが、１４５０〜１６００℃と高温で、測定温度範囲が狭いという問題がある。
【０００５】
また、特許文献２では、もっと広い温度範囲で精度良い温度測定を行う手法が提案されているが、入射光量について対数増幅機能を有する２次元撮像素子センサを検出部に用いるものであり、設置したい場所によるカメラサイズ制約、解像度不足、処理速度制約等から適用できない対象が多かった。
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−１１９１１０号公報
【特許文献２】特開２００６−３０８１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
そこで、ＣＣＤやＣＭＯＳ等の固体撮像素子を有する一般的な２次元カメラを用いて、被検査体の温度分布を測定できる手法が望まれていた。
【０００８】
以上の状況に鑑みて、本発明は、広い温度範囲（例えば５００℃程度以上で１５００℃程度以下）を有する被測定物の表面の温度分布を、従来よりも高温度分解能（例えば１℃程度以下）かつ高解像度で測定する技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の温度分布測定方法は、２次元カメラで被測定物の輝度画像を撮像して当該被測定物の表面の温度分布を測定する温度分布測定方法であって、前記２次元カメラを用いて被測定物を複数の露光時間ごとに撮像し、当該撮像により得られた輝度画像を変換して階調データを得る手順と、前記複数の露光時間ごとに得られた階調データについて、予め露光時間ごとに設定した温度と階調との関係を示す校正曲線に基づき、各露光時間に対応する有効温度範囲の温度分布を導出する手順と、前記複数の露光時間に対応する有効温度範囲の温度分布を用いて、当該被測定物の表面の温度分布を導出する手順とを有することを特徴とする。
また、本発明の温度分布測定方法の他の特徴とするところは、前記２次元カメラによる撮像に先立ち、前記被測定物に関する、測温のための測温情報を入力する手順と、前記入力された測温情報に基づき、所定の処理により被測定物の温度範囲を推定して、前記複数の露光時間を決定する手順とを有する点にある。
本発明の温度分布測定装置は、被測定物の２次元の輝度画像を撮像して当該被測定物の表面の温度分布を測定する温度分布測定装置であって、露光時間を可変としたシャッター及び２次元固体撮像素子を有し、被測定物の輝度画像を出力する撮像手段と、前記撮像手段を制御して複数の露光時間で撮像させて、当該露光時間が紐ついた輝度画像を複数出力させる撮像条件設定手段と、前記露光時間が紐ついた輝度画像それぞれを階調データとして取り込む取り込み手段と、露光時間ごとに設定した温度と階調との関係を示す校正曲線のデータを格納した温度変換データ記録手段と、前記複数の露光時間ごとに得られた階調データについて、前記校正曲線に基づき、各露光時間に対応する有効温度範囲の温度分布を導出して、当該被測定物の表面の温度分布を導出する温度分布演算手段とを備えることを特徴とする。
また、本発明の温度分布測定装置の他の特徴とするところは、前記被測定物に関する、測温のための測温情報を入力する入力手段と、前記入力手段により入力された測温情報に基づき、被測定物の温度範囲を推定して、前記複数の露光時間を決定する露光時間設定手段とを備え、前記撮像条件設定手段は、前記露光時間設定手段により決定された複数の露光時間に基づき前記撮像手段を制御する点にある。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、２次元カメラを用いて複数の露光時間ごとに被測定物の輝度画像を撮像し、当該輝度画像それぞれについて温度分布を導出するようにしたので、広い温度範囲を有する被測定物の表面の温度分布を、高温度分解能かつ高解像度で測定することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について説明する。図１は、本発明の実施の形態に係る温度分布測定装置の概要構成を示す図である。また、図２は、本発明の実施の形態に係る温度分布測定装置の処理動作を説明するためのフローチャートである。
【００１２】
本実施の形態に係る温度分布測定装置の主要な構成要素は、固体撮像素子を有する２次元カメラ１、及び、信号処理部２である。この場合に、２次元カメラ１及び信号処理部２を一体に構成してもよいし、例えば２次元カメラ１及び信号処理部２を別体に構成してもよい。
【００１３】
２次元カメラ１は、本発明でいう撮像手段に相当するものであり、ＣＣＤ又はＣＭＯＳ型の２次元固体撮像素子８と、シャッター速度を低速から高速まで柔軟に可変とした電子シャッター７とを備え、設定されたシャッター速度で撮像した画像データを出力する。
【００１４】
信号処理部２は、２次元カメラ１から出力される画像データをディジタル・データである階調データとして取り込むＡ／Ｄ変換部９（本発明でいう取り込み手段に相当）、階調データ格納部１０、温度分布演算部１２、及び温度変換データ記録部１１を備え、データ処理を行う。また、信号処理部２は、入力部４、露光時間設定部５、及び撮像条件設定部６を備え、２次元カメラ１により所望の適切な条件で撮像できるようにする。また、信号処理部２は、出力部１３を備え、温度分布測定結果を表示又は記録する。
【００１５】
撮像条件設定部６は、２次元カメラ１を制御して複数の露光時間で撮像させて、当該露光時間が紐ついた輝度画像を複数出力させる。Ａ／Ｄ変換部９は、本発明でいう取り込み手段に相当するものであり、露光時間が紐ついた輝度画像それぞれを階調データとして取り込む。温度変換データ記録部１１は、露光時間ごとに設定した温度と階調との関係を示す校正曲線のデータを格納する。温度分布演算部１２は、複数の露光時間ごとに得られた階調データについて、前記校正曲線に基づき、各露光時間に対応する有効温度範囲の温度分布を導出して、当該被測定物の表面の温度分布を導出する。入力部４は、被測定物に関する、測温のための測温情報や測定開始指令を入力する。露光時間設定部５は、入力部４により入力された測温情報に基づき、被測定物の温度範囲を推定して、複数の露光時間を決定する。
【００１６】
信号処理部２の温度変換データ記録部１１には、２次元カメラ１の校正曲線のデータ（図３を参照）が格納されている。校正曲線は、予め、２次元カメラ１により黒体炉を被測定物として用いて温度を変化させながら測定を実施し、２次元カメラ１の露光時間（シャッター速度の逆数：ｔｉ（ここでｉ＝１、２、・・・））をパラメータとして黒体炉内を撮像し、被測定物の放射率を用いて、撮像画像の輝度レベルと被測定物の表面の温度との関係を得たものである。画像の輝度レベルを、Ａ／Ｄ変換後の出力レベルを本実施の形態では一例として８ビット、すなわち０〜２５５段階（以後"階調"という）で表す。
【００１７】
輝度信号の飽和等がなく、温度との１対１の対応精度がよい階調は、４０〜２１０の範囲である。従って、１０００℃≧Ｔ＞Ｔ1の範囲では、露光時間ｔ1で校正した曲線ｌ1により階調Ｐを温度に一意的に変換することができる。同様に、Ｔ1≧Ｔ＞Ｔ2の範囲では曲線ｌ2、Ｔ2≧Ｔ＞Ｔ3の範囲では曲線ｌ3、Ｔ3≧Ｔ＞Ｔ4の範囲では曲線ｌ4、Ｔ4≧Ｔ＞５００℃の範囲では曲線ｌ5により階調Ｐを温度に一意的に変換することができる。
【００１８】
以上のように、入力光量（入射光量）に応じて２次元カメラ１のシャッター速度を高速にして露光時間を短く（ｔ１＜ｔ２＜ｔ３＜ｔ４）することにより、被測定物がさらに高温であっても、実験で温度測定ができる限り、校正曲線を導出することができる。
【００１９】
２次元カメラ１により撮像される被測定物に関する、測温のための測温情報が、信号処理部２の入力部４に入力される。入力部４は、キーボード等でマニュアル入力するようにしても良く、又、例えば工場内のネットワークのＩ／Ｏ装置で構成しても良い。測温情報とは、測定対象の材質（測温のための放射光の放射率が依存する）や操業条件（炉内の加熱情報、溶接情報、加熱切断情報等）である。例えば加熱炉内の金属帯の表面温度測定であれば、金属帯の材質や加熱炉の操業条件等が該当し、鋼板の溶接部の表面温度測定であれば、鋼板の鋼種や溶接条件等が該当する。
【００２０】
露光時間設定部５には、既に数多くの被測定物を測定した結果に基づき蓄積した知見や各材質の放射率等から、被測定物の温度領域及び放射光強度を概略推定する参照テーブル又は推定式を、推定データベースとして予め保持させておく。そして、当該推定データベースに基づき、前記測温情報について被測定物の有効温度範囲（最高温度〜最低温度）が露光時間設定部５により推定されるが、その有効温度範囲から、上述した校正曲線（図３を参照）により、２次元カメラ１で使用する露光時間を求める。図３の例では、温度範囲が８００〜９５０℃と決定されると、露光時間ｔ1とｔ2が選択される。温度範囲が６００〜８５０℃と決定されると、露光時間ｔ2とｔ3とｔ4が選択される。
【００２１】
なお、図３では、隣接する曲線ｌiの温度範囲が互いにオーバーラップしないように設定してあるが、例えば１／５程度ずつオーバーラップさせても良い。そして、曲線ｌiの温度範囲の端から、例えば１／１０以内になる露光時間は採用しないようにする。こうすることにより、有効温度範囲が２つの曲線ｌiの温度範囲の境界領域のときも、測定誤差を少なく適切な露光時間で測定することができる。
【００２２】
以上のようにして選択された１組（１つ又は複数）の露光時間は、画像処理部３の撮像条件設定部６により読み出され、ウィンドウ設定パラメータ（取り出す画像の範囲を指定するパラメータ）やシャッターモード等の他の設定値とともに２次元カメラ１に送られる（図２のステップＳ１０１）。露光時間以外の設定値は予め２次元カメラ１に送って設定を済ませておく。
【００２３】
入力部４に測定開始指令が入力されると、撮像条件設定部６は、２次元カメラ１に最初の露光時間を送って、電子シャッター７で設定した露光時間分だけ露光させて撮像させる。２次元カメラ１の２次元固体撮像素子８の各画素に蓄積された光エネルギーが信号に変換されて輝度画像データとして出力される。この輝度画像データが信号処理部２の画像処理部３のＡ／Ｄ変換部９に送られ、そこで所定のビット数のディジタル・データである階調データに変換されて、階調データ格納部１０に格納される（図２のステップＳ１０２）。
【００２４】
更に、露光時間設定部５で設定された複数の露光時間全てについて、撮像条件設定部６の指令下に同様の撮像が行われ、階調データ格納部１０には各階調データがそれぞれの露光時間と紐つけて格納される。例えば露光時間ｔ2とｔ3とｔ4が選択されていた場合は、３回の測定を連続的に実施することになる。ここで重要なのは、複数の測定、すなわち複数の撮像と階調データの格納を間をおかずに実施し、測定中は一切他の処理は実施せず、撮像処理を高速に実施することである。これにより、複数の測定が短時間に完了することになり、時間経過に伴う温度変化がほとんどない間に露光時間の異なる複数の階調データをデータ格納部１０に蓄積することになる。
【００２５】
なお、測定開始指令は、入力部４をキーボードやスイッチで構成してマニュアル、又は連続的に測定するようにしたり、外部機器とのＩ／Ｏポートやネットワーク・ポートで構成して他の装置や現象に同期させたりして、温度測定の目的に応じて出されるようにすると良い。
【００２６】
次に、温度分布演算部１２では、階調データ格納部１０に蓄積された階調データについて、温度変換データ記録部１１に格納されている校正曲線を用いて画素ごとに温度変換を行う。例えば、露光時間ｔ2とｔ3とｔ4が選択されていた場合は、まず、露光時間ｔ2で撮像して得られた階調を曲線ｌ2に当てはめて温度Ｔを求め、Ｔ1≧Ｔ＞Ｔ2の範囲であれば、その温度を採用する。この場合に、Ｔ2≧Ｔであれば、露光時間ｔ3で撮像して得られた階調を曲線ｌ3に当てはめて温度Ｔを求め、Ｔ2≧Ｔ＞Ｔ3の範囲であれば、その温度を採用する。この場合に、Ｔ3≧Ｔであれば、露光時間ｔ4で撮像して得られた階調を曲線ｌ4に当てはめて温度Ｔを求め、Ｔ3≧Ｔ＞Ｔ4の範囲であれば、その温度を採用し、Ｔ4≧Ｔであれば、温度はＴ4以下となる。このような処理を、各画素で行うことにより、温度分布を出力することができる（図２のステップＳ１０３）。ここで、Ｔ4≧Ｔと有効温度範囲から外れる部分は、例えば被測定対象の周囲の物体を測定した部分等が考えられ、そこは測定したい部分ではないので、Ｔ4以下という結果で構わない。なお、画素ごとに温度変換すると説明したが、隣接する複数の画素について平均化してから温度変換してもよい。
【００２７】
その後、温度分布演算部１２で階調データの画素ごと（又は複数の画素ごとの）温度変換結果を、コンピュータ・ディスプレイで構成される出力部１３に、温度によって色分けして表示したり、等高線表示したりする（ステップＳ１０４）。また、温度変換結果やコンピュータ・ディスプレイの表示画像を内蔵するハード・ディスク・ドライブ等で構成する記録装置に記録するようにしても良い。
【００２８】
以上述べた温度分布測定手法により、ＣＣＤやＣＭＯＳ型の２次元固体撮像素子を有する一般的な２次元カメラを用いて、５００℃〜１０００℃程度という広範囲の温度分布を１℃程度以下の高分解能で測定することが可能になる。
【００２９】
以上の処理において、一例として図３に示す５００〜１０００℃という範囲の校正曲線を用いて測定する方法について説明してきたが、この範囲は目的に応じて変更可能である。光エネルギーが弱くなることから、５００℃以下の対象に対する測定は、可視光域での放射強度が著しく小さく難しいが、５００℃程度以上の対象には、十分適用可能である。測定目的に応じて校正曲線の範囲を決め、測定条件も考慮しながらカメラを選定し、露光時間を適切に選択することによって、所望の範囲の校正曲線ができれば、より広い範囲での測定が可能である。
【００３０】
また、ここまで説明した処理においては、入力部４にて、測温情報を受け、露光時間設定部５にて露光時間を選択し、選択した露光時間に限って、その後の処理を行っていたが、全ての露光時間に対して、その後の処理を行う方法もある。具体的には、図３に示すような２次元カメラ１の校正曲線データを使用する場合であれば、ｔ1〜ｔ5の全ての露光時間を選択して、その後の処理を行う方法である。この方法では、有効温度範囲を決めるため、予め数多くの対象を測定して知見を得ておく必要がなく、手間が省けるが、１回の温度分布測定のための処理時間がかかるため、時間経過に伴う温度変化の大きい被測定対象に対しては不向きである。従って、被測定対象や測定目的に応じて、最適な方法を選択することが必要である。
【００３１】
また、２次元カメラ１への入射光量を調節するために露光時間のみをパラメータｔiとした。高速に輝度画像を撮像する点からは、２次元カメラ１の絞りを全開にして高速撮像するのが好ましいが、温度の時間変化が余り速くないときには、入射光量を調節するのみ、露光時間と視野絞りを併用して露光のパラメータとしても良い。このときには、上記の説明における露光時間を、露光時間及び視野絞りと読み換えればよい。
【００３２】
本発明の温度分布測定装置において、信号処理部２は、入力部４としてキーボード、マウス、Ｉ／Ｏボード、又はネットワーク・カード、各データ及びデータベースを保持・記録するメモリ、ＨＤＤ、又はＤＶＤ−ＲＡＭ等の記録装置、さらに、測定結果を表示するコンピュータ・ディスプレイを具備するコンピュータで構成することができる。上記した２次元カメラ１の撮影の制御、及び撮像データからの温度変換にわたる信号処理の各手順を実行するためのコンピュータプログラムを作成して、内蔵のメモリにロードして実行させれば良い。
【００３３】
（実施例）
鋼板を接合するフラッシュバット溶接における溶接部の温度分布を測定する目的で、本発明を適用した温度分布測定装置を、画像処理部３と信号処理部２にはＡ／Ｄ変換部９として画像入力ボードを備えたパソコンを用いて構成して適用した。図４にその結果の階調データ、及び、温度変換結果の温度分布の一例を示す。
【００３４】
溶接機を含むラインのプロセスコンピュータから、溶接開始前に、先行鋼板及び後行鋼板の材料情報及び溶接条件が、ネットワーク経由で入力部４に送信され、その情報から露光時間設定部５により選択された露光時間は、（１）０．７２ｍｓ、（２）３．０ｍｓ、（３）１５．０ｍｓの３つである。
【００３５】
溶接直後、前記プロセスコンピュータから入力部４に測定開始指令が出され、２次元カメラ１（２０００×２０００画素のＣＭＯＳカメラを使用）の電子シャッター７で露光時間を変え、前記３つの露光時間による撮像を行った。２次元撮像素子８からは、溶接部が含まれる２０００×５００画素の信号が読み出され、Ａ／Ｄ変換部９で８ビットの階調データに変換され、階調データ格納部１０に保存される。露光時間０．７２ｍｓ、３．０ｍｓ、１５．０ｍｓに対応する画像の例が、図４のＰ１、Ｐ２、Ｐ３である。３つの画像の階調データを用い、上述した方法で各画素の温度変換を行い、温度分布を求めた。
【００３６】
得られた結果は、１℃程度以下の分解能を有する温度値の集合（分布）であり、溶接状態の健全性の判定を行うロジックに当てはめる等、様々な用途に有効に使われるが、この段階での結果である数値データを羅列したり、再度画像化したりしても評価できない。そこで、結果の妥当性をわかり易く示すために、グラフで表してみた。Ｐ１〜Ｐ３の画像に関し、同一位置である溶接線に相当する部分の温度を、それぞれ単独でグラフに表したのがＧ１〜Ｇ３であり、本方法による温度分布測定結果から出力したグラフがＧ４である。単独の露光時間設定での測定では、充分な温度範囲が得られない測定結果（Ｇ１〜Ｇ３）となるのが、本発明の方法によれは、広範囲の温度分布を測定できた結果（Ｇ４）が得られることがわかる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の実施の形態に係る温度分布測定装置の概略構成を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る温度分布測定装置の処理動作を説明するためのフローチャートである。
【図３】温度変換に用いるカメラの校正曲線の一例を示す図である。
【図４】本発明をフラッシュバット溶接における溶接部の温度分布測定に適用した結果を示す図である。
【符号の説明】
【００３８】
１：２次元カメラ
２：信号処理部
３：画像処理部
４：入力部
５：露光時間設定部
６：撮像条件設定部
７：電子シャッター
８：２次元固体撮像素子
９：Ａ／Ｄ変換部
１０：階調データ格納部
１１：温度変換データ記録部
１２：温度分布演算部
１３：出力部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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