DE112014003549T5

DE112014003549T5 - Thermometer für Mehrwellenlängen-Strahlungen und Verfahren zur Messung einer Temperatur von Mehrwellenlängen-Strahlungen

Info

Publication number: DE112014003549T5
Application number: DE112014003549.1T
Authority: DE
Inventors: Atsushi Taniguchi; Masahiro Watanabe; Tatsuo HARIYAMA; Hiroaki Kasai; Atsushi Miyamoto
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2013-09-12
Filing date: 2014-07-29
Publication date: 2016-05-12
Also published as: WO2015037352A1; JP2015055547A

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur gleichzeitigen Realisierung einer hochpräzisen Messung sowohl einer Temperatur als auch einer Form und stellt ein Thermometer für Mehrwellenlängen-Strahlungen bereit, das mit einer Blende versehen ist, welche teilweise ein von einem zu untersuchenden Objekt erzeugtes Wärmestrahlungslicht abblendet, einem zweidimensionalen diffraktiven Element, welches ein die Blende durchdrungen habendes Wärmestrahlungslicht je nach dem Wellenlängenbereich dispergiert, und einem zweidimensionalen Sensor, welcher das durch das zweidimensionale diffraktive Element dispergierte Wärmestrahlungslicht erfasst.

Description

Gegenstand der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Thermometer für Mehrwellenlängen-Strahlungen und ein Verfahren zur Messung einer Temperatur von Mehrwellenlängen-Strahlungen.
Hintergrund der Erfindung
Patentdokument 1 offenbart als bisheriges Verfahren zur Messung der Strahlungstemperatur ein Verfahren zur Messung einer Strahlungstemperatur unter Verwendung von Mehrwellenlängen, wobei eine Temperatur T einer Oberfläche eines zu untersuchenden Objekts basierend auf N Helligkeiten der spektralen Strahlungen L_i (N ist eine ganze Zahl größer oder gleich 3) von einem von der Oberfläche des zu untersuchenden Objekts abgestrahlten Wärmestrahlungslicht gemessen wird. Hierbei wird ein Strahlungs-Thermometer beschrieben, das dadurch gekennzeichnet ist, dass den Helligkeiten spektraler Strahlungen L_i N spektrale Emissionsgrade entsprechen, die durch vorherige Messung als eine Funktion einer für den Oberflächenzustand des zu untersuchenden Objekts spezifischen spektralen Wellenlänge angenähert werden, wobei die Funktion M unbekannte Größen (M ist eine ganze Zahl kleiner oder gleich (N – 2)) enthält, dass sich die Helligkeit der spektralen Strahlung L_i durch Einsetzen in eine Gleichung der spektralen Emissionsgrade ergibt, die als eine Funktion der spektralen Wellenlänge dienen, bei der die angenommenen Temperaturen T' und M angenommenen unbekanten Größen angenähert sind, wobei eine Berechnung unter Veränderung der angenommenen Temperaturen T und M angenommenen unbekannten Größen erfolgt, bis eine Differenz zwischen der Helligkeit der spektralen Strahlung und der Helligkeit der wirklich gemessenen spektralen Strahlung L_i ⁰ kleiner einem vorgegebenen Wert ist, und dass eine Temperatur, die durch eine Berechnung erhalten wird, bei der die Differenz zwischen der Helligkeit der spektralen Strahlung L_i und der Helligkeit der wirklich gemessenen spektralen Strahlung L_i ⁰ einen vorgegebenen Wert unterschritten hat, die Temperatur T des Messobjekts darstellt, wodurch die Temperatur T des Messobjekts ermittelt wird.
Ferner offenbart Patentdokument 2 für eine Verfahrensweise zur Kontrolle von Temperatur und Form in einem System eine Vorrichtung zur Überwachung von Strömung des Schlackenschmelzes, die dadurch gekennzeichnet ist, dass sie mit einer Einrichtung zur Messung von dreidimensionalen Formen versehen ist, welche den Schlackenschmelz von verschiedenen Richtungen aus gleichzeitig beobachtet, der aus einer Abstichöffnung des Ofens herabfließt, und welche damit die dreidimensionale Form des Schlackenschmelzes misst, einer Einrichtung zur Messung der Temperatur des Schlackenschmelzes sowie einer Einrichtung zur Entscheidung von guter/schlechter Abstichfähigkeit, welche entweder „Gut” oder „Schlecht” für die Abstichfähigkeit des Schlackenschmelzes entscheidet.
Die Einrichtung zur Messung von dreidimensionalen Formen ist dabei so ausgebildet, dass sie mit Hilfe der optischen Einrichtungen, die in Umfangsrichtung des Schlackenschmelzes beabstandet voneinander zumindest an drei oder meheren Stellen angeordnet sind, plane Koordinaten der insgesamt sechs oder mehr Berührungsstellen erfasst, die durch eine Verbindung zwischen einem Querschnitt und den optischen Einrichtungen in einem gewissen Koordinatenpunkt in Achsrichtung der Linien des aus der Abstichöffnung herabfliessenden Schlackenschmelzes auf dem Querschnitt ausgebildet sind, dass sie eine elliptische Kurve, die alle sechs Berührungsstellen enthält, aus den Werten planer Koordinaten ermittelt, dass sie die durch die elliptische Kurve dargestellten Daten bezüglich der Linien des Schlackenschmelzes hierarchisch ermittelt, dass sie damit die dreidimensionalen Oberflächenformen für Linien des Schlackenschmelzes ermittelt und dass sie dadurch schließlich die dreidimensionalen Oberflächenformen für alle Linien des aus der Abstichöffnung herabfliessenden Schlackenschmelzes ermittelt.
Des weiteren wird eine Vorrichtung zur Überwachung der Strömung des Schlackenschmelzes beschrieben, die dadurch gekennzeichnet ist, dass es sich bei den optischen Einrichtungen um eine Bildaufnahmeeinrichtung zum Aufnehmen eines zweidimensionalen Bilds des Schlackenschmelzes handelt, wobei ferner eine Einrichtung zur Messung der Temperatur vorgesehen ist, welche basierend auf mehreren Helligkeitsverteilungen für ein zweidimensionales Bild eine Helligkeitsverteilung für die Oberfläche einer dreidimensionalen Form des Schlackenschmelzes und aufgrund der Korrelation zwischen Helligkeit und Temperatur eine Temperaturverteilung für die dreidimensionale Oberfläche des Schlackenschmelzes ermittelt, und wobei die Eingangsinformationen eine Information über die Temperatur des Schlackenschmelzes enthalten.
Vorveröffentlichte Dokumente des Standes der Technik
Patentdokumente

Patentdokument 1: JP 1993-231944 A
Patentdokument 2: JP 2006-118744 A

Kurze Zusammenfassung der Erfindung
Aufgabe der Erfindung
Gemäß dem Patentdokument 1 kann zwar eine Information über die Temperaturverteilung ermittelt werden, jedoch nicht eine Information über die Tiefe.
Gemäß dem Patentdokument 2 werden gleichzeitig Temperatur und Form mittels einer Einrichtung zum Aufnehmen der zweidimensionalen Bilder gemessen, die an drei oder mehreren Stellen angeordnet sind, wobei jedoch ledigleich die Kontur erfasst wird und daher nur der Durchmesser des Zylinders und die einfache Form, wie Verzug, messbar sind.
Im Hinblick auf die oben erwähnte Problematik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Thermometer für Mehrwellenlängen-Strahlungen und ein Verfahren zur gleichzeitigen Realisierung einer hochpräzisen Messung sowohl einer Temperatur als auch einer Form bereitzustellen.
Beschreibung der Erfindung
Zur Lösung der oben erwähnten Aufgabe stellt die vorliegende Erfindung ein Thermometer für Mehrwellenlängen-Strahlungen bereit, das mit einer Blende versehen ist, welche teilweise ein von einem zu untersuchenden Objekt erzeugtes Wärmestrahlungslicht abblendet, einem zweidimensionalen diffraktiven Element, welches das die Blende durchdrungen habende Wärmestrahlungslicht je nach dem Wellenlängenbereich dispergiert, und einem zweidimensionalen Sensor, welcher das durch das zweidimensionale diffraktive Element dispergierte Wärmestrahlungslicht erfasst.
Die vorliegende Erfindung stellt ferner ein Verfahren zur Messung einer Temperatur für Mehrwellenlängen-Strahlungen bereit, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass ein von einem zu untersuchenden Objekt erzeugtes Wärmestrahlungslicht durch eine Blende abgeblendet wird, dass das die Blende durchdrungen habende Wärmestrahlungslicht je nach dem Wellenlängenbereich durch ein zweidimensionales diffraktives Element dispergiert wird, und dass das durch das zweidimensionale diffraktive Element dispergierte Wärmestrahlungslicht als zweidimensionales Bild erfasst wird.
Wirkung der Erfindung
Gemäß vorliegender Erfindung können im Hinblick auf die oben erwähnte Problematik ein Thermometer für Mehrwellenlängen-Strahlungen und ein Verfahren zur Messung einer Temperatur von Mehrwellenlängen-Strahlungen geschaffen werden, wobei die hochpräzise Messung sowohl der Temperatur als auch der Form gleichzeitig realisierbar ist Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es zeigt:
1 in einem Blockschaltbild den Aufbau eines Thermometers für Mehrwellenlängen-Strahlungen gemäß einem Beispiel 1 der Erfindung,
2 in einem Fließbild einen Messablauf mittels des Thermometers gemäß dem Beispiel 1 der Erfindung,
3 in schematischer Darstellung eine codierte Blende gemäß dem Beispiel 1 der Erfindung,
4 in schematischer Darstellung ein zweidimensionales diffraktives Element gemäß dem Beispiel 1 der Erfindung,
5 in schematischer Darstellung ein Bild, das durch einen zweidimensionalen Sensor gemäß dem Beispiel 1 der Erfindung aufgenommen wurde,
6 in schematischer Darstellung einen dreidimensionalen Datenkubus gemäß dem Beispiel 1 der Erfindung,
7 in einem Blockschaltbild den Aufbau einer Verarbeitungseinheit eines Thermometers für Mehrwellenlängen-Strahlungen gemäß dem Beispiel 1 der Erfindung,
8 eine schematische Darstellung zur Erläuterung einer Berechnungsweise für einen spektralen Emissionsgrad gemäß dem Beispiel 1 der Erfindung,
9 eine schematische Darstellung eines GUI gemäß dem Beispiel 1 der Erfindung,
10 in einem Blockschaltbild den Aufbau eines Thermometers für Mehrwellenlängen-Strahlungen gemäß einem Beispiel 2 der Erfindung,
11 in einem Blockschaltbild den Aufbau eines Kontrollsystems unter Verwendung von mehreren Thermometern für Mehrwellenlängen-Strahlungen gemäß einem Beispiel 3 der Erfindung sowie
12 in einem Fließbild einen Messablauf mittels des Kontrollsystems unter Verwendung von mehreren Thermometern gemäß dem Beispiel 1 der Erfindung.
Ausführungsform der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur gleichzeitigen Realisierung einer hochpräzisen Messung sowohl einer Temperatur als auch einer Form und stellt ein Thermometer für Mehrwellenlängen-Strahlungen bereit, das mit einer Blende versehen ist, welche teilweise ein von einem zu untersuchenden Objekt erzeugtes Wärmestrahlungslicht abblendet, einem zweidimensionalen diffraktiven Element, welches das die Blende durchdrungen habende Wärmestrahlungslicht je nach dem Wellenlängenbereich dispergiert, und einem zweidimensionalen Sensor, welcher das durch das zweidimensionale diffraktive Element dispergierte Wärmestrahlungslicht erfasst.
Nachstehend werden die Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert.
Beispiel 1
Ein Beispiel 1 der Erfindung wird anhand der 1–9 erläutert. In 1 ist ein Aufbau eines Thermometers für Mehrwellenlängen-Strahlungen gezeigt, das eine Messfunktion für Formen aufweist. Das Thermometer für Mehrwellenlängen-Strahlungen realisiert mit höherer Präzision als bisher eine Messung der Temperatur, indem eine Information über die Wellenlängen in zwei Raumdimensionen mittels eines zweidimensionalen spektralen Elements durch eine einmalige Aufnahme erhalten wird.
Dabei wird von einem zu untersuchenden Objekt 100 als zu untersuchendem Gegenstand ein zu untersuchendes Infrarot 101 als Wärmestrahlungslicht abgestrahlt, dessen Informationen über zwei Raumdimensionen und eine Dimension der Wellenlänge, also insgesamt drei Dimensionen, bei einem Aufnahmeteil für ein Spektralbild 120 erhalten wird. Ein Aufnahmeteil für ein Spektralbild 110 setzt sich aus einem Wellenlängen-Abschaltfilter 111, einem Objektiv 112, einer codierten Blende 113, bei der es sich um eine der Blenden handelt, die teilweise ein vom zu untersuchenden Objekt 100 erzeugtes Wärmestrahlungslicht abblendet, einer Kollimatorlinse 114, einem zweidimensionalen diffraktiven Element 115, das das Wärmestrahlungslicht je nach dem Wellenlängenbereich dispergiert, einer Abbildungslinse zum Abbilden von dispergierten Wärmestrahlungslichtern 116 und einem zweidimensionalen Sensor zur Erfassung der abgebildeten Wärmestrahlungslichter 117 zusammen.
Der Aufnahmeteil für das Spektralbild 110 ist nun in einer thermostatischen Umhüllung 120 enthalten, so dass der Temperaturzustand konstant bleibt, um die Änderung des Verhaltens vom optischen Element infolge der Temperaturänderung zu verhindern und das Geräusch des zweidimensionalen Sensors zu reduzieren. In der thermostatischen Umhüllung 120 ist ein Messfenster 121 vorgesehen, das das zu untersuchende, vom Objekt 100 abgestahlte Infrarot 101 durchlässt und das Infrarot 101 zum Aufnahmeteil für das Spektralbild 110 führt.
In 2 wird ein Ablaufdiagramm der nachfolgenden Verarbeitungen gezeigt. Ein Bild wird durch den Aufnahmeteil für das Spektralbild 110 erhalten (S100), wobei das in S100 erhaltene Bild einer Bildverarbeitung in einer Verarbeitungseinheit 130 unterliegt, so dass Verteilungen von Tiefen und Temperaturen in zwei Raumdimensionen berechnet werden (S101). Die in S101 berechneten Verteilungen von Tiefen und Temperaturen werden in einer Speichereinheit 140 gespeichert (S102) und es wird in einer Entscheidungseinheit 150 entschieden, ob die Tiefe und die Temperatur normal oder nicht normal sind (S103). Die Tiefe, die Temperatur und ein in S103 erhaltenes Entscheidungsergebnis werden auf einer Anzeigeeinheit 160 angezeigt (S104).
Nachstehend wird die Arbeitsweise der jeweiligen Bauteile näher erläutert. Das zu untersuchende Infrarot 101 fällt auf ein Objektiv 112 ein, nachdem es nur mit seinem gewünschten Wellenlängenbereich das Wellenlängen-Abschaltfilter 111 durchdrungen hat, und tritt dann in eine codierte Blende 113 ein, die auf einer nachgeschalteten Pupillenfläche aufgelegt ist. In 3 wird schematisch die codierte Blende 113 dargestellt.
Die erfindungsgemäß verwendete codierte Blende 113 blendet in beliebigen Positionen das Wärmestrahlungslicht ab und lässt es in den anderen Positionen außer den abgeblendeten Positionen durch. Während die gewöhnliche Blende kreisförmig ist, sind bei codierter Blende die abblendenden Positionen räumlich beliebig angeordnet. Außer der codierten Blende 113 kann eine beliebige Blende verwendet werden, soweit sie das Wärmestrahlungslicht abblenden kann. Allerdings führt die Verwendung einer codierten Blende 113, wie im vorliegenden Beispiel, durch die angemessene Auslegung von hellen und dunklen Positionen dazu, dass sich eine starke Korrelation zwischen einem Unschärfegrad und der Tiefe des erhaltenen Bilds ergibt, so dass man aus dem Unschärfegrad die Information über die Tiefe abschätzen kann.
Diese Verfahrensweise wird als Depth From Defocus (DFD) bezeichnet. Insbesondere kann man durch die Verwendung einer Levinschen codierten Blende aus einem Bild die Tiefeninformation ohne weiteres abschätzen. DFD findet im Bereich des Maschinensehens vorzugsweise im Sichtbaren Bereich Anwendung. Wenn dies im Infrarot wie beim vorliegenden Beispiel angewandt wird, ist es dann jedoch erforderlich, um die Genauigkeit der Abschätzung von der Tiefeninformation sicherzustellen, ein Medium auszuwählen, das die Durchdringung des Infrarots durch den abblendenden Teil verhindert, und die Ausdehnung der codierten Blende 113 selbst infolge absorbierten Infrarots zu reduzieren.
Hier wird die Ausdehnung der codierten Blende der Temperatur zufolge durch eine thermostatische Umhüllung 120 unterdrückt. Durch die codierte Blende 113 dringt das zu untersuchende Infrarot 101 durch und wird durch eine Kollimatorlinse 114 parallel gerichtet, so dass sich eine primäre Abbildung vom zu untersuchenden Objekt 100 ergibt. Dann wird ein zweidimensionales diffraktives Element 115 an der Position der primären Abbildung angeordnet. Das Infrarot wird in Abhängigkeit vom Wellenlängenbereich dispergiert und durch eine Abbildungslinse 116 auf einem zweidimensionalen Sensor 117 abgebildet. In 4 wird schematisch das zweidimensionale diffraktive Element 115 dargestellt. Es besteht aus einem das zu untersuchende Infrarot 101 durchlassenden Material und besitzt unterschiedliche Höhen pro Position.
Aufgrund dieser Konstruktion wird ein Bild, wie in 5 gezeigt, auf dem zweidimensionalen Sensor 117 durch die Steuerung der Diffraktionsrichtung vom zu beugenden Licht abgebildet. So ergibt sich ein gebeugtes Licht nullter Ordnung am zentralen Abschnitt (normales Abbildungsergebnis). In dessen Umgebung werden ferner die gebeugten Lichter erster und zweiter Ordnung in einem Zustand erhalten, bei dem sie in mehreren Richtungen dispergiert sind. Diese gebeugten Lichter erster und zweiter Ordnung sind so zu verstehen, dass ein dreidimensionaler Datenkubus von zwei räumlichen Dimensionen (x und y) und einer Dimension der Wellenlänge (λ) von verschiedenen Richtungen aus projektiert worden ist. Es ist daher möglich, aus einer Vielzahl von gebeugten Lichtern erster und zweiter Ordnung einen dreidimensionalen Kubus nach 6 unter Verwendung einer CT(Computed Tomography)-Technologie zu rekonstruieren, die im medizinischen Gebiet weit verbreitet angewandt wird.
Diese Verfahrensweise wird als CTIS (Computed Tomography Imaging Spectrometer) bezeichnet. Dabei wird ein Bereich der durchdringenden Wellenlänge vom Wellenlängen-Abschaltfilter 111 entsprechend festgestellt. Dadurch wird es möglich, den gewünschten dreidimensionalen Datenkubus mit hoher Genauigkeit zu berechnen, ohne dass die jeweiligen gebeugten Lichter übereinanderliegen.
Für den zweidimensionalen Sensor 117 können nun verschiedene CCD, CMOS und dergleichen eingesetzt werden. Liegt die Temperatur vom zu untersuchenden Objekt bei 1000°C, nähert sich dann das zu untersuchende Infrarot einem nahultraroten Bereich, so dass insbesondere ein CCD-Sensor unter Verwendung von InGaAs eingesetzt wird, welches die Erfassungsfähigkeit von etwa 0,9–1,5 μm besitzt. Bei der Messung der Temperatur wird im Wellenlängenbereich von 0,9–1,5 μm für die Messung von etwa 1000°C ± 300°C ein Dynamikbereich von etwa 50 dB erforderlich. Ist ein Sensor mit hohem Dynamikbereich nicht erhältlich, so sind mehrmalige Messungen mit unterschiedlicher Empfindlichkeit notwendig.
Das vorliegende Beispiel ermöglicht, mit Hilfe eines so erhaltenen zweidimensionalen Bilds mit Mehrwellenlängen die Temperatur an jeweiligen Bildpunkten des Bildes mit hoher Genauigkeit zu berechnen. Ferner ist die Tiefeninformation der jeweiligen Bildpunkten durch Nutzung Optischer Systeme mit der codierten Blende 113 möglich.
Nun wird die Verarbeitungseinheit 130 für so erhaltene Daten erläutert. In 7 wird die Verarbeitungseinheit näher dargestellt. Ein Bild wird durch den zweidimensionalen Sensor 117 des Aufnahmeteils für das Spektralbild 110 erhalten und in die Verarbeitungseinheit 130 eingegeben. Die Verarbeitungseinheit 130 besteht aus einem Tiefenberechnungsteil 131 und einem Temperaturberechnungsteil 132.
Hier wird die Verarbeitung im Tiefenberechnungsteil inhaltlich erläutert. Das erhaltene Bild, das die codierte Blende 113 durchdrungen hat, wird als solches sehr unscharf. Das Bild unterliegt daher einer Rekonstruktionsverarbeitung durch PSF (Point Spread Function) in Abhängigkeit von der Form der codierten Blende 113, um so das scharfe Bild und die Tiefeninformation zu erzielen (näher beschrieben in A. Levin, ACM Transactions an Graphics, 3, 2007). Das durch den zweidimensionalen Sensor 117 erhaltene Bild entspricht einem Bild, bei dem ein Abschnitt des Lichtes nullter Ordnung am zentralen Abschnitt nach 5 mittels der üblichen Optik erhalten wird. Es wird diese Tiefenverteilung des Abschnitts des Lichtes nullter Ordnung als Bild der Tiefenverteilung bezeichnet.
Nun wird ein Temperaturberechnungsteil 132 beschrieben. Zunächst wird aus den Bildern, enthaltend eine Vielzahl gebeugter Lichter nach 5, ein dreidimensionaler Datenkubus, wie in 6 gezeigt, rekonstruiert. Bei CTIS kann ein Verfahren zur Rekonstruktion mittels des liniearen Modells angewandt werden. Der dreidimensionale Datenkubus stellt für die jeweilige Wellenlänge ein Ausgangsbild g dar, welches sich durch ein Produnkt aus einer Systemmatrix H und dem Eingangsbild f (Bild nach 5) mit folgender Gleichung (1)
[Gleichung (1)]

g = H·f(x, y, λ) ausdrücken lässt. Aus dieser Gleichung wird f(x, y und λ) ermittelt. Dabei kann Expectation Maximization (EM) Method, Multiplicative Algebraic Rekonstruktion Technique (MART) oder dergleichen verwendet werden. Hierbei wird die Systemmatrix H vorher durch Kalibrierung mit Hilfe von Licht ermittelt, dessen zweidimensionale Form und Wellenlänge bereits bekannt ist. Durch diese Vorkalibrierung werden ebenfalls die Durchlässigkeitsgrade des Messfensters 121, Wellenlängen-Abschaltfilters 111 und sonstiger optischer Elemente, die Diffraktionseffizienz des zweidimensionalen diffraktiven Gitters 115 sowie die Detektionseffizienz des zweidimensionalen Sensors 117 kalibriert.

Anschließend wird aus f(x, y und λ) ein spektraler Emissionsgrad ermittelt. Nachfolgend betrachtet man der Einfachheit halber die Berechnung der Temperatur an einem Bildpunkt des Bildes f(x, y und λ). Es gilt dabei f(x_i, y_i und λ₁) = I₁, f(x_i, y_i und λ₂) = I₂, ..., f(x_i, y_i und λ_N) = I_N. In 8(a) sind auf der Ordinate die Helligkeit und auf der Abszisse die Wellenlänge aufgetragen, wobei ein Ergebnis der Auftragung von I₁, I₂, ..., I_N gezeigt ist. Handelt es sich beim zu untersuchenden Objekt 100 um einen schwarzen Körper, der 100% des Lichts absorbiert, ergibt sich dann ein mit einer durchgehenden Linie gezeigtes Spektrum (Schwarzkörperstrahlung), wobei jedoch die Menge des Strahlungslichts in Abhängigkeit vom Material und Oberflächenzustand abnimmt. Beträgt die Menge des Strahlungslichts vom schwarzen Körper eins, wird ein Dämpfungsgrad von I als Emissionsgrad bezeichnet und ein Emissionsgrad pro Wellenlänge als spektraler Emissionsgrad. Das Sprktrum der Schwarzkörperstrahlung P_j lässt sich nach der Planckschen Gleichung (2) [Gleichung (2)]
ausdrücken, worin h die Plancksche Konstante, c die Lichtgeschwindigkeit, k die Boltzmannsche Konstante und T die Temperatur des zu untersuchenden Objekts bedeuten.
Das wirklich erhaltene Sprktrum I_j lässt sich dadurch, dass jeweilige Wellenlängen des Spektrums P_j der Schwarzkörperstrahlung mit dem spektralen Emissionsgrad ε_j multiplizert werden, mit einer Gleichung (3)
[Gleichung (3)]

I_j = ε_j·P_j(T) ausdrücken.

Beim auf dem Markt erhältlichen Strahlungs-Thermometer wird eine Verfahrensweise verbreitet verwendet, bei der ε_j durch die Einwellenlängen-Messung als äußerer Parameter gegeben wird, um die Temperatur T zu ermitteln, oder bei der die Temperatur T aus I_j/I_j+1 unter der Annahme, dass bei den zwei Wellenlängen ε_j gleich ε_j+1 ist.
Es wird nach dem Verfahren gemäß dem Patentdokument 1 eine Gleichung des als Funktion spektraler Wellenlänge angenäherten spektralen Emissionsgrads verwendet und es besteht ein Problem der nicht einzuhaltenden Genauigkeit der Temperaturmessung, da das Verhalten des spektralen Emissionsgrads vom Messobjekt in Abhängigkeit von der Änderung der Phasentransformation, Legierung, Oxydation, Oberflächenrauhigkeit oder dergleichen stets variiert und dementsprechend von einer angenommener Funktion oft abweicht.
Der Temperaturberechnungsteil 132 nutzt ein Mehrwellenlängen-Spektrum zur Lösung der oben erwähnten Aufgabe und berechnet den spektralen Emissionsgrad mit hoher Genauigkeit. Nun wird er in Bezug auf 8(b) erläutert. Man betrachtet das Ableiten des Emissionsgrads ε₂ in der Wellenlänge λ_j. Der spektrale Emissionsgrad ε_j kann im lokalen Bereich mit einer einfachen Funktion beschrieben werden. Hier wird er als lineare Form wie folgt angenommen:
[Gleichung (4)]

ε_j = a + b·λ_j

Wird der spektrale Emissionsgrad nach Gleichung (4) angenommen, lässt sich die Gleichung (3) durch drei Variablen Koeffizienten a und b sowie die Temperatur T ausdrücken. Die Koeffizienten a und b sind dementsprechend aus den Helligkeiten zumindest in drei Wellenlängen innerhalb eines Bereich zu berechnen, in dem die Annahme der Gleichung (4) besteht. In 8(b) ist ein Fall gezeigt, bei dem die Intensität I₁, I₂ und I₃ im λ₂ sowie rechten und linken λ₁ und λ₃ verwendet sind. Der spektrale Emissionsgrad ε_j(j = 2 bis (N – 1)) kann durch die sukzessive wiederholende Berechnung gegenüber der Wellenlänge λ_j(j = 2 bis (N – 1)) ermittelt werden. Dadurch, dass man dieselbe Berechnungen bezüglich allen Bildpunkten wiederholt, kann ferner für jeweilige Bildpunkte der spektrale Emissionsgrad hochpräzise berechnet werden. Es sind beim Ermitteln des spektralen Emissionsgrads die Daten, die nahe einer Wellenlänge vorhanden sind, bei der das Absorptionsspektrum von Luft liegt, zuvor auszuschließen, da diese den Fehler verursachen könnten.
Unter Verwendung des Ergebnisses von so wie oben erhaltenen spektralen Emissionsgraden ε_j wird die Temperatur für den jeweiligen Bildpunkt von f(x, y und λ) berechnet. Das vorbeschriebene Verfahren erhält die spektralen Emissionsgrade ε_j durch die wiederholte Berechnug des Emissionsgrads im lokalen Bereich. Unter Verwendung aller spektralen Emissionsgrade ε_j wird die Temperatur T ermittelt und damit die Streuung der Messungen zur verbesserten Genauigkeit verringert. Hier wird eine Auswertungsfunktion E nach Gleichung (5) wie folgt definiert: [Gleichung (5)]
Durch eine Optimierungsberechnung wird das T abgeleitet, welches die Auswertungsfunktion E minimalisiert, wobei das abgeleitete T als Temperatur im zugehörigen Bildpunkt gilt.
Dieselbe Berechnung wird für alle Bildpunkte vorgenommen, so dass die Temperatur für jeweilige Bildpunkte von f(x, y und λ) erhalten wird. Auf diese Weise lässt sich ein Bild der zweidimensionalen Temperaturverteilung mit hoher Genauigkeit berechnen, ohne den Emissionsgrad vorzugeben, wie im vorbekannten Verfahren.
Die Tiefe und die Temperatur werden in der Verarbeitungseinheit 130 berechnet und auf der Speichereinheit 140 gespeichert. Dabei wird jedoch vom Benutzer die Erfordernis der Speicherung entschieden und die Auswahl von ON/OFF in Abhängigkeit davon vorgenommen.
Die Entscheidungseinheit 150 entscheidet aus den in der Verarbeitungseinheit 130 berechneten Tiefen und Temperaturen, ob der zu untersuchende Gegenstand normal oder nicht normal ist. Zuvor werden der Bildpunkt des Tiefenverteilungsbilds bzw. der Bereich aus einer Vielzahl von Bildpunkten sowie der zugelassene Tiefenbereich eingestellt. In einem eingestellten Bildpunkt bzw. Bereich aus einer Vielzahl von Bildpunkten wird es als nicht normal entschieden, wenn die gemessenen Werte außerhalb des zugelassenen Bereichs liegen. Es ist dabei noch möglich, einen mittleren Wert des Bereichs mit den gemessenen Werten zu vergleichen. Dasselbe gilt auch für die Temperatur. Es werden auch gegenüber dem Bild der Temperaturverteilung der Bildpunkt bzw. der Bereich aus einer Vielzahl von Bildpunkten sowie der zugelassene Temperaturbereich eingestellt, wobei dann durch den Vergleich mit den gemessenen Werten entschieden wird, ob es normal oder nicht normal ist. Dieses Entscheidungsergebnis von Normal/Anormal wird zusammen mit den Messergebnissen von Tiefen und Temperaturen auf der Anzeigeeinheit 160 angezeigt
In 9 wird ein GUI (Graphical User Interface) 170 der Anzeigeeinheit 160 gezeigt. Vorgesehen sind ein Startknopf zum Starten der Messung 171 und ein Stoppknopf zur Unterbrechung der Messung 172. Die Messung wird beim herabgedrückten Startknopf 171 fortlaufend vorgenommen und das Messergebnis auf einem Anzeigefenster für Messergebnisse 173 angezeigt. Die Tiefe wird zum Beispiel durch den Farbton ausgedrückt und die Temperatur durch die Klarheit. Dadurch werden zugleich die Tiefe und die Temperatur mit Hilfe von einem Bild ausgedrückt. Hier ist es möglich, die Temperatur durch RGB und die Tiefe durch die Klarheit auszudrücken. Ein Farbbalken 174 zeigt die Beziehung zwischen der angezeigten Farbe und der Klarheit sowie der Tiefe und der Temperatur. Es wird auch ein Messdatum auf einem Datum-Anzeigefenster 175 angezeigt.
Wird ein Speicher-Kontrollkästchen 176 ausgewählt, werden alle fortlaufend gemessenen Ergebnisse gespeichert. Durch die vorher eingestellten Bedingungen ist ferner eine Entscheidung von Normal/Anormal möglich. Dabei wird ein für die Entscheidung verwendeter Bereich 177 eingestellt sowie die Tiefe und die Temperatur als zugelassener Wert (nicht dargestellt). Wenn dies innerhalb des zugelassenen Wertes liegt, dann wird in einem Entscheidungskästchen 178 Normal angezeigt, dagegen Anormal beim außerhalb desselben liegenden Wert.
Nun wird eine Variante des Beispiels 1 beschrieben. Es sind einige Variationen der Modellierung bezüglich der Änderung von ε gegenüber der Änderung von λ zum Ermitteln der Temperatur T vorstellbar. Die vorliegende Variante stellt eine Verfahrensweise dar, die lediglich unter einer Annahme verarbeitet wird, dass sich die spektralen Emissionsgrade bei den benachbarten Wellenlängen aneinander annähern. Das heißt, es ergibt sich eine Wirkung, dass der Umwandlung des spektralen Emissionsgrads infolge der Materialien und Oberflächenzustände noch flexibler entsprochen werden kann, indem keine Einschränkung wie das Einsetzen der Funktion in Wellenlängenverteilung des spektralen Emissionsgrads vorgesehen ist. Nun wird ein spektraler Emissionsgrad ε_j wie folgt abgeleitet, der der Gleichung (3) genügt: [Gleichung (6)]
worin // und //n eine L_n-Norm bedeuten. Für die Koeffizienten β, m₁, n₁, m₂ und n₂ sind die angemessenen Bedingungen in Abhängigkeit des spektralen Emissionsgrads des zu untersuchenden Gegenstandes von den Wellenlängen sehr unterschiedlich und daher sind sie vor der Messung vorbereitungshalber entsprechend auszuwählen. Die Temperatur T ergibt sich durch Einsetzen des durch die Gleichung (6) ermittelten spektralen Emissionsgrads in die Gleichung (3) gemäß Gleichung 7 wie folgt:
[Gleichung (7)]

T = P^–1(I_j/ε ^_j)

Man führt bezüglich dem jeweiligen Bildpunkt die Berechnung der Gleichungen (6) und (7) durch und erhält ein Bild der Temperaturverteilung.
Gemäß vorliegendem Beispiel kann so durch die eingesetzte codierte Blende 113 nicht nur die Information über die Temperatur vom zu untersuchenden Objekt 100 erhalten werden, sondern auch die Tiefeninformation mit hoher Genauigkeit. Ferner ist die Temperaturinformation durch wiederholte Berechnung des spektralen Emissionsgrads für den lokalen Wellenlängenbereich hochpräzise zu erhalten.
Beispiel 2
In 10 wird der Aufbau gemäß dem Beispiel 2 dargestellt. Dieser Aufbau unterscheidet sich vom Aufbau nach 1 gemäß dem Beispiel 1 dadurch, dass statt einer codierten Blende 113 eine übliche kreisförmige Blende 118 eingesetzt wird. Wird eine hochschnelle Temperaturmessung erfordert, dann ist eine Bildrekonstruktionsverarbeitung problematisch, die durch Einsetzen der codierten Blende 113 notwendig wurde. Anstelle der codierten Blende 113 wird daher die übliche kreisförmige Blende 118 verwendet, um auf die Bildrekonstruktionsverarbeitung zu verzichten und so die beschleunigte Verarbeitung zu ermöglichen. Für die Tiefenmessung findet ein von Zhuo u. a. entwickeltes DFD Anwendung, welches auf die kreisförmige Blende anwendbar ist. Mit unterschiedlicher Blendenform wird der Tiefenberechnungsteil 131 anders als beim Beispiel 1 ausgebildet.
Nun wird die Verarbeitung im Tiefenberechnungsteil 131 gemäß vorliegendem Beispiel inhaltlich wie folgt vorgenommen. Ein Term nullter Ordnung wird aus den nach 5 erhaltenen, mehrere diffraktive Ordnungen enthaltenden Bildern extrahiert und die Verarbeitung von DFD vorgenommen. Eine Kante wird jeweils aus dem Bild des Terms nullter Ordnung und einem geglätteten Bild extrahiert, das dadurch erhalten wird, dass das Bild des Terms nullter Ordnung durch die Glättung mit Hilfe vom das Linsenverhalten nachbildenden PSF geglättet wird. Dann wird das Verhältnis jeweiliger Kantenbilder abgeleitet und das Tiefenbild durch Rauschentfernung und Ergänzungsverarbeitung erhalten. Während Zhuo u. a. die Unschärfe des Bildes unter Annahme vom Modell der dünnwandigen Linse als Gaußscher Funktion setzt, ist es unter Anwendung von PSF der wirklicher Linse möglich, das Tiefenbild mit noch höherer Genauigkeit zu berechnen.
Gemäß vorliegendem Beispiel ist ein präziseres Tiefenbild im Vergleich mit Beispiel 1 durch die Rekonstruktionsverarbeitung unter Anwendung vom PSF mittels kreisförmiger Blende 118 anstatt codierter Blende 113 zu erzielen.
Beispiel 3
Gemäß den Beispielen 1 und 2 wurde das Verfahren zur Messung vom zu untersuchenden Objekt 100 mittels eines einzigen Thermometers für Mehrwellenlängen-Strahlungen beschrieben. Beim eingesetzten einzigen Sensor stellt die Information über die Form lediglich eine Tiefe gegenüber der Betrachtungsrichtung dar. Bei der Verwendung im Gebiet von Warmschmieden und Warmwalzen ist es jedoch oft erforderlich, eine dreidimensionale Form von verschiedenen Betrachtungsrichtungen aus zu kontrollieren. Für einen solchen Fall wird nun ein System unter Verwendung des Thermometers für Mehrwellenlängen-Strahlungen 201, 202 und 203 mit einer Vielzahl von Tiefenberechnungsfunktionen gemäß 11 vorgeschlagen. Dabei entsprechen die Arbeitsweise vom jeweiligen Thermometer 201, 202 und 203 und die Verarbeitungsweise in der Verarbeitungseinheit 130 denjenigen gemäß Beispiel 1. Dazu kommt noch, dass eine Integriereinheit 210 vorgesehen ist, welche die Tiefeninformationen von jeweiligen Thermometern 201, 202 und 203 integriert, die in der Verarbeitungseinheit 130 berechnet und zueinander unabhängig verarbeitet wurden.
In 12 wird ein Messablauf dargestellt. Bilder werden jeweils durch einen Aufnahmeteil für das Spektralbild 110 von drei Thermometern für Mehrwellenlängen-Strahlungen erhalten (S200). Die drei in S200 erhaltenen Bilder unterliegen der Bildverarbeitung in der Verarbeitungseinheit 130 und es werden die Tiefen- und Temperaturverteilungen in zwei räumlichen Dimensionen berechnet (S201). Dann werden die aus den drei Thermometern in S201 jeweils berechneten Tiefeninformationen integriert (S202). Ferner werden die in S201 berechneten Temperaturverteilungen und die in S202 integrierten Tiefeninformationen auf einer Speichereinheit 140 gespeichert (S203). In einer Entscheidungseinheit 150 wird entschieden, ob die Tiefe und die Temperatur normal oder nicht normal sind (S204). Auf einer Anzeigeeinheit 160 werden die Information über Temperatur und Tiefe sowie die Ergebnisse aus S204 angezeigt (S205). Die Integration von drei Tiefenbildern kann auch so vorgenommen werden, dass in einem dreidimensionalen Koordinatensystem, bei dem Länge, Breite und Tiefe des Bildes mit x, y und z bezeichnet werden, die zuvor ermittelten Koordinatenwerte von jeweiligen Thermometern als Maßstab dienen, oder dass die aus den Tiefenbildern ermittelten dreidimensionalen Punktgruppen zueinander nach einem ICP(Iterative Closest Point)-Verfahren integriert werden.
Gemäß vorliegendem Beispiel wird unter Verwendung einer Vielzahl von Thermometern 201, 202 und 203 die Integration der jeweils aus einer Vielzahl von Thermometern berechneten Tiefeninformationen vorgenommen, so dass die Tiefen- und Temperatur-Informationen von einer Vielzahl von Betrachtungsrichtungen aus kontrolliert werden können.
Alle oben erwähnten Beispiele dienen lediglich als ein Beispiel zur Verschaulichung der Konkretisierung bei der Ausführung der Erfindung, ohne den technischen Bereich der Erfindung darauf zu beschränken. Die Erfindung kann nämlich in verschiedenen Formen ausgeführt werden, ohne deren technischen Gedanken oder deren wesentliche Eigenschaften zu verlassen.
Bezugszeichenliste

100: zu untersuchendes Objekt
101: zu untersuchendes Infrarot
110: Aufnahmeteil für Spektralbild
111: Wellenlängen-Abschaltfilter
112: Objektiv
113: codierte Blende
114: Kollimatorlinse
115: zweidimensionales diffraktives Element
116: Abbildungslinse
117: zweidimensionaler Sensor
118: kreisförmige Blende
120: thermostatische Umhüllung
121: Messfenster
130: Verarbeitungseinheit
131: Tiefenberechnungsteil
132: Temperaturberechnungsteil
140: Speichereinheit
150: Entscheidungseinheit
160: Anzeigeeinheit
170: GUI
171: Startknopf
172: Stoppknopf
173: Anzeigefenster für Messergebnis
174: Farbbalken
175: Datum-Anzeigefenster
176: Speicher-Kontrollkästchen
177: Bereich
178: Entscheidungskästchen
201, 202, 203: Thermometer für Mehrwellenlängen-Strahlungen
210: Integriereinheit

Claims

Thermometer für Mehrwellenlängen-Strahlungen mit einer Blende, welche teilweise ein von einem zu untersuchenden Objekt erzeugtes Wärmestrahlungslicht abblendet, einem zweidimensionalen diffraktiven Element, welches ein die Blende durchdrungen habendes Wärmestrahlungslicht je nach dem Wellenlängenbereich dispergiert, und einem zweidimensionalen Sensor, welcher das durch das zweidimensionale diffraktive Element dispergierte Wärmestrahlungslicht erfasst.
Thermometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Blende um eine codierte Blende handelt, die das Wärmestrahlungslicht in den beliebigen Positionen abblendet und in den anderen Positionen außer den abgeblendeten Positionen durchlässt.
Thermometer nach Anspruch 1, das mit einem Temperaturberechnungsteil versehen ist, der eine Temperaturverteilung durch wiederholte Berechnung eines spektralen Emissionsgrads für einen Bereich der Wellenlängen eines durch einen zweidimensionalen Sensor erfassten lokalen Wärmestrahlungslichtes berechnet.
Thermometer nach Anspruch 1, das mit einem Tiefenberechnungsteil versehen ist, der auf einem durch den zweidimensionalen Sensor erfassten zweidimensionalen Bild eine Rekonstruktionsverarbeitung anwendet und eine Information über die Tiefe des zu untersuchenden Objekts erhält.
Thermometer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Tiefenberechnungsteil die Tiefeninformation mit Hilfe von Depth From Defocus abschätzt.
Thermometer nach Anspruch 4, das mit einer Entscheidungseinheit versehen ist, die die im Tiefenberechnungsteil berechnete Tiefe mit einem zugelassenen Wert vergleicht und entscheidet, ob sie normal oder nicht normal ist.
Thermometer nach Anspruch 3, wobei es mit einer Entscheidungseinheit versehen ist, die die im Temperaturberechnungsteil berechnete Temperatur mit einem zugelassenen Wert vergleicht und entscheidet, ob sie normal oder nicht normal ist.
Verfahren zur Messung der Temperatur von Mehrwellenlängen-Strahlungen, dadurch gekennzeichnet, dass ein von einem zu untersuchenden Objekt erzeugtes Wärmestrahlungslicht durch eine Blende abgeblendet wird, ein die Blende durchdrungen habendes Wärmestrahlungslicht je nach dem Wellenlängenbereich durch ein zweidimensionales diffraktives Element dispergiert wird und das durch das zweidimensionale diffraktive Element dispergierte Wärmestrahlungslicht als zweidimensionales Bild erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Blende um eine codierte Blende handelt, die das Wärmestrahlungslicht in beliebigen Positionen abblendet und in den anderen Positionen außer den abgeblendeten Positionen durchlässt.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass man eine Temperaturverteilung durch wiederholte Berechnung eines spektralen Emissionsgrads für einen Bereich der Wellenlängen eines durch einen zweidimensionalen Sensor erfassten, lokalen wärmebestrahlenden Lichtes berechnet.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass man auf ein durch den zweidimensionalen Sensor erfasstes zweidimensionales Bild eine Rekonstruktionsverarbeitung anwendet und eine Information über die Tiefe des zu untersuchenden Objekts erzielt.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass man eine Tiefeninformation mit Hilfe von Depth From Defocus abschätzt.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass man eine berechnete Tiefe mit einem zugelassenen Wert vergleicht und entscheidet, ob sie normal oder nicht normal ist.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass man eine berechnete Temperatur mit einem zugelassenen Wert vergleicht und entscheidet, ob sie normal oder nicht normal ist.