JP2002323381A

JP2002323381A - 放射温度分布計測装置

Info

Publication number: JP2002323381A
Application number: JP2001130976A
Authority: JP
Inventors: Yuichi Fujii; 雄一藤井; Yasushi Kusaka; 泰草鹿
Original assignee: Minolta Co Ltd
Current assignee: Minolta Co Ltd
Priority date: 2001-04-27
Filing date: 2001-04-27
Publication date: 2002-11-08

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は、温度差や温度変化量の大きい測定対
象物の温度分布測定を行うことができる放射温度分布計
測装置を提供することを目的とする。【解決手段】ダイナミックレンジの広い、入射される放
射光の光量に対して自然対数的に変換された電気信号を
出力する画素がマトリクス状に配されたエリアセンサ４
を用いることによって、Ａ／Ｄコンバータ５後段の演算
回路で演算処理して得られる測定対象物Ａの各部に対し
て計測する温度範囲を広くすることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、非接触で温度測定
可能な放射温度分布計測装置に関するもので、特に、画
素がマトリクス状に配されたエリアセンサによって、測
定対象物からの放射光が検出されて温度測定を行う放射
温度分布計測装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、連続鋳造炉や連続焼鈍炉内の
金属材料の温度や溶接部分の金属材料の温度を測定する
ために、非接触型の温度計測装置として、測定対象物か
らの放射光を検出することによって、測定対象物の放射
熱を測定する放射温度計測装置が用いられている。この
ような放射温度計測装置には、測定対象物からの放射光
のうち測定する放射光を１つの特定波長の放射光とする
単色放射温度計測装置や、測定対象物からの放射光のう
ち測定する放射光を２つの特定波長の放射光とする二色
放射温度計測装置などがある。

【０００３】単色放射温度計測装置では、特定波長の放
射光の分光密度を測定することによって、その分光放射
エネルギーに対する温度が計測される。又、二色放射温
度計測装置では、二つの特定波長の放射光の分光密度を
測定することによって、それぞれの特定波長における放
射率を測定し、この二つの特定波長における放射率の比
を演算し、その放射率の比に対する温度が計測される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】このような放射温度計
測装置において、一点の温度を計測するような放射温度
計測装置の場合は、検出素子（フォトダイオード）の出
力電流を読み出すことにより、放射光の検出を行う検出
素子のダイナミックレンジを広くすることができる。そ
のため、計測できる温度の幅を広くすることができる。
しかしながら、周辺部分も計測可能な二次元的に温度分
布を計測するような放射温度分布計測装置の場合は、放
射光の検出を行う検出素子がマトリックス状に配された
エリアセンサが用いられる。このエリアセンサは、検出
素子の出力電流を一旦、コンデンサに蓄積し、電圧とし
て読み出すため、ダイナミックレンジが狭くなる。

【０００５】これを用い、例えば、溶接部分の金属材料
の温度分布を測定する際に、測定対象物は溶接部分及び
その周辺部分の温度分布であり、両者には大きな温度差
が存在し、温度の経時変化も大きいため、遮光フィルタ
などを用いて、エリアセンサの撮影可能なダイナミック
レンジを数段階に分けてシフトさせなければ、その温度
分布を測定することができない。

【０００６】即ち、放射光の分光密度と波長の関係が図
６のようになるため、広い温度範囲を測定するために
は、エリアセンサのダイナミックレンジを３桁以上とす
る必要があることがわかる。しかしながら、従来のよう
な、入射光に対して線形変換した電気信号を出力するエ
リアセンサの場合、そのダイナミックレンジが２桁以下
となるため、エリアセンサの撮影可能なダイナミックレ
ンジを数段階に分けてシフトさせる必要がある。

【０００７】このような問題を鑑みて、本発明は、温度
差や温度変化量の大きい測定対象物の温度分布測定を行
うことができる放射温度分布計測装置を提供することを
目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１に記載の放射温度分布計測装置は、温度測
定をする対象物の各部から放射される放射光を検出する
ことによって、該対象物の温度分布を計測する放射温度
分布計測装置において、前記放射光が入射されるととも
に入射光量に対して自然対数的に変換した電気信号を出
力する複数の画素がマトリクス状に配されるエリアセン
サと、該エリアセンサから出力された電気信号より前記
対象物各部の温度を求める演算回路と、該演算回路によ
って求められた前記対象物各部の温度より、前記対象物
の温度分布を表示する表示部と、を有することを特徴と
する。

【０００９】このような放射温度分布計測装置による
と、対象物からの放射光より、バンドパスフィルタなど
を通過した特定波長の放射光がエリアセンサに入射され
て、光電変換される。そして、エリアセンサから出力さ
れた各画素毎の電気信号を演算回路で演算処理すること
によって、表示部に対象物の温度分布を表示させること
ができる。

【００１０】又、このような放射温度分布計測装置にお
いて、請求項２に記載するように、１つの特定波長の放
射光のみを用いて、前記対象物の温度分布を計測する単
色放射温度分布計測装置としても構わない。又、請求項
３に記載するように、２つの特定波長の放射光を用い
て、前記対象物の温度分布を計測する二色放射温度分布
計測装置としても構わない。又、請求項４に記載するよ
うに、複数の特定波長の放射光を用いて、前記対象物の
温度分布を計測する複数放射温度分布計測装置としても
構わない。

【００１１】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態について、図
面を参照して説明する。尚、本実施形態において、説明
を簡単にするために、測定する放射光の特定波長を１つ
とする単色放射温度分布計測装置を例に挙げて、説明す
る。図１は、本実施形態の単色放射温度分布計測装置の
構成を示すブロック図である。

【００１２】図１に示す単色放射温度分布計測装置は、
測定対象物Ａからの放射光より特定波長の放射光を通過
させるためのバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）１と、ＢＰ
Ｆ１を通過した放射光が入射される光学系２と、光学系
２に入射された放射光を増幅するイメージインテンシフ
ァイアなどの光増幅部３と、光増幅部３で増幅された放
射光を光電変換するエリアセンサ４と、エリアセンサ４
から出力された電気信号をデジタル信号に変換するＡ／
Ｄコンバータ５と、Ａ／Ｄコンバータ５からのデジタル
信号を演算処理する演算回路６と、演算回路６での演算
結果に基づいて測定対象物Ａの温度分布を表示する表示
部７とを有する。

【００１３】まず、このような単色放射温度分布計測装
置におけるエリアセンサについて、以下に説明する。

【００１４】＜エリアセンサ＞図１の単色放射温度分布
計測装置において使用するエリアセンサについて、図面
を参照して説明する。図２は、エリアセンサの構成を示
す回路ブロック図である。図３は、図２のエリアセンサ
の一部を示す回路図である。

【００１５】図２において、Ｇ11〜Ｇｍｎは行列配置
（マトリクス配置）された画素を示している。１１は垂
直走査回路であり、行（ライン）１３−１、１３−２、
・・・、１３−ｎを順次走査していく。１２は水平走査
回路であり、画素から出力信号線１５−１、１５−２、
・・・、１５−ｍに導出された光電変換信号を画素ごと
に水平方向に順次読み出す。１４は電源ラインである。
各画素に対し、上記ライン１３−１、１３−２・・・、
１３−ｎや出力信号線１５−１、１５−２・・・、１５
−ｍ、電源ライン１４だけでなく、他のライン（例え
ば、クロックラインやバイアス供給ライン等）も接続さ
れるが、図２ではこれらについて省略する。

【００１６】出力信号線１５−１、１５−２、・・・、
１５−ｍごとにＮチャネルのＭＯＳトランジスタＱ１、
Ｑ２が図示の如く１組ずつ設けられている。出力信号線
１５−１を例にとって説明すると、ＭＯＳトランジスタ
Ｑ１のゲートは直流電圧線１６に接続され、ドレインは
出力信号線１５−１に接続され、ソースは直流電圧ＶP
S’のライン１７に接続されている。一方、ＭＯＳトラ
ンジスタＱ２のドレインは出力信号線１５−１に接続さ
れ、ソースは最終的な信号線１８に接続され、ゲートは
水平走査回路１２に接続されている。

【００１７】画素Ｇ11〜Ｇｍｎには、後述するように、
それらの画素で発生した光電荷に基づく信号を出力する
ＮチャネルのＭＯＳトランジスタＴ２が設けられてい
る。ＭＯＳトランジスタＴ２と上記ＭＯＳトランジスタ
Ｑ１との接続関係は図３（ａ）のようになる。ここで、
ＭＯＳトランジスタＱ１のソースに接続される直流電圧
ＶPS’と、ＭＯＳトランジスタＴ２のドレインに接続さ
れる直流電圧ＶPD’との関係はＶPD’＞ＶPS’であり、
直流電圧ＶPS’は例えばグランド電圧（接地）である。
この回路構成は上段のＭＯＳトランジスタＴ２のゲート
に信号が入力され、下段のＭＯＳトランジスタＱ１のゲ
ートには直流電圧ＤＣが常時印加される。このため下段
のＭＯＳトランジスタＱ１は抵抗又は定電流源と等価で
あり、図３（ａ）の回路はソースフォロワ型の増幅回路
となっている。この場合、ＭＯＳトランジスタＴ２から
増幅出力されるのは電流であると考えてよい。

【００１８】ＭＯＳトランジスタＱ２は水平走査回路１
２によって制御され、スイッチ素子として動作する。
尚、後述するように図４の画素内にはスイッチ用のＮチ
ャネルのＭＯＳトランジスタＴ３も設けられている。こ
のＭＯＳトランジスタＴ３も含めて表わすと、図３
（ａ）の回路は正確には図３（ｂ）のようになる。即
ち、ＭＯＳトランジスタＴ３がＭＯＳトランジスタＱ１
とＭＯＳトランジスタＴ２との間に挿入されている。こ
こで、ＭＯＳトランジスタＴ３は行の選択を行うもので
あり、トランジスタＱ２は列の選択を行うものである。

【００１９】１．画素の第１例このような構成のエリアセンサにおける画素Ｇ11〜Ｇmn
の構成の一例について、図４を参照して以下に説明す
る。図４において、ｐｎフォトダイオードＰＤが感光部
（光電変換部）を形成している。そのフォトダイオード
ＰＤのアノードはＭＯＳトランジスタＴ１のドレイン及
びゲート、ＭＯＳトランジスタＴ２のゲートに接続され
ている。ＭＯＳトランジスタＴ２のソースは行選択用の
ＭＯＳトランジスタＴ３のドレインに接続されている。
ＭＯＳトランジスタＴ３のソースは出力信号線１５（こ
の出力信号線１５は図３の１５−１、１５−２、・・
・、１５−ｍに対応する）へ接続されている。尚、ＭＯ
ＳトランジスタＴ１〜Ｔ３は、それぞれ、Ｎチャネルの
ＭＯＳトランジスタでバックゲートが接地されている。

【００２０】又、フォトダイオードＰＤのカソード及び
ＭＯＳトランジスタＴ２のドレインには直流電圧ＶPDが
印加されるようになっている。一方、ＭＯＳトランジス
タＴ１のソースには直流電圧ＶPSが印加され、ＭＯＳト
ランジスタＴ１がサブスレッショルド領域で動作するよ
うにバイアスされている。又、ＭＯＳトランジスタＴ３
のゲートには信号φＶが入力される。

【００２１】このような構成の画素において、フォトダ
イオードＰＤに光が入射されると、光電流が発生し、Ｍ
ＯＳトランジスタのサブスレッショルド特性により、Ｍ
ＯＳトランジスタＴ１，Ｔ２のゲートに光電流を自然対
数的に変換した値の電圧が発生する。そして、ＭＯＳト
ランジスタＴ３にパルス信号φＶを与えることによっ
て、ＭＯＳトランジスタＴ２は、そのゲート電圧に応じ
てソース電流を、ＭＯＳトランジスタＴ３を介して信号
線１５に出力電流として出力する。

【００２２】このとき、ＭＯＳトランジスタＴ２がソー
スフォロワ型のＭＯＳトランジスタとして動作するた
め、信号線１５には出力信号が電圧信号として現れる。
その後、信号φＶをローレベルにしてＭＯＳトランジス
タＴ３をＯＦＦにする。このように、ＭＯＳトランジス
タＴ２，Ｔ３を介して出力される出力信号は、ＭＯＳト
ランジスタＴ２のゲート電圧に比例した値となるため、
フォトダイオードＰＤへの入射光量が自然対数的に変換
された信号となる。

【００２３】２．画素の第２例図２のような構成のエリアセンサにおける画素Ｇ11〜Ｇ
mnの構成の別例について、図５を参照して以下に説明す
る。図５は、本実施形態に使用するエリアセンサに設け
られた画素の構成を示す回路図である。

【００２４】図５に示すように、本例では、画素の出力
側を構成するＭＯＳトランジスタＴ２，Ｔ３が、図４の
画素と同様の構成をしている。このような図４の画素に
おいて、フォトダイオードＰＤのアノードに直流電圧Ｖ
PSが印加される。そして、ＭＯＳトランジスタＴ４のド
レインに直流電圧ＶPDが印加されるとともに、そのソー
スがＭＯＳトランジスタＴ２のゲート及びフォトダイオ
ードＰＤのカソードに接続される。又、ＭＯＳトランジ
スタＴ４のゲートには直流電圧ＶPGが印加される。

【００２５】このような構成の画素において、フォトダ
イオードＰＤに光が入射すると光電流が発生し、ＭＯＳ
トランジスタのサブスレッショルド特性により、光電流
を自然対数的に変換した値の電圧がＭＯＳトランジスタ
Ｔ１のソース及びＭＯＳトランジスタＴ２のゲートに発
生する。尚、このとき、フォトダイオードＰＤで発生し
た負の光電荷がＭＯＳトランジスタＴ１のソースに流れ
込むため、強い光が入射されるほどＭＯＳトランジスタ
Ｔ１のソース電圧が低くなる。

【００２６】このようにして光電流に対して自然対数的
に変化した電圧がＭＯＳトランジスタＴ２のゲートに現
れると、パルス信号φＶが与えられてＭＯＳトランジス
タＴ３をＯＮとして、前記光電流を自然対数的に変換し
た値となる電流が、ＭＯＳトランジスタＴ２，Ｔ３を介
して出力信号線１５に導出される。このようにして入射
光量の対数値に比例した信号（出力電流）を読み出す
と、ＭＯＳトランジスタＴ３をＯＦＦにする。

【００２７】このように入射光量に対して対数変換され
た出力信号を出力する図２のような構成のエリアセンサ
は、そのダイナミックレンジが５〜６桁と、線形変換動
作を行う従来のエリアセンサのダイナミックレンジが２
桁であることに比べ、十分に広いダイナミックレンジを
有する。そのため、例えば、測定対象物Ａが溶接部分で
あるときにおいても、放射光の放射率の高いアーク光及
び溶融池とその周辺部分を撮像することが可能である。

【００２８】尚、エリアセンサの構成は図２に限定され
るものでなく、画素からの出力を一旦サンプルホールド
するホールド回路を有するものでも構わない。又、画素
の構成についても、図４及び図５の回路構成に限定され
るものでなく、対数変換動作が行える画素であればよ
い。例えば、積分回路や増幅回路を備えたような回路構
成の画素でも構わないし、その設けられたＭＯＳトラン
ジスタの閾値特性が原因となる各画素の感度バラツキを
検出することができるような回路構成としても構わな
い。

【００２９】＜温度計測動作＞このようにダイナミック
レンジの広い入射光に対して対数変換した電気信号を出
力するエリアセンサが設けられた単色放射温度分布計測
装置の動作について、説明する。

【００３０】測定対象物Ａからの放射光が、単色放射温
度分布測定装置に入射されると、特定の波長の放射光が
選択されるように、ＢＰＦ１によって設定された特定の
波長付近の放射光のみが通過し、光学系２に入射され
る。この通過させる放射光を決める特定の波長は、温度
測定に適当な波長が設定される。そして、ＢＰＦ１及び
光学系２を通過した放射光は、光増幅部３に入射される
と、まず、光電変換されて光電子が得られる。次に、こ
の光電子が電圧が印加された光電面に衝突することによ
って、２次電子が発生して、光電子の数量が増幅され
る。そして、増幅された光電子の数量に応じ、蛍光面で
光を発生し、エリアセンサ４に入射する。

【００３１】エリアセンサ４では、光増幅部３で増幅さ
れた光が入射されると、各画素が上述した動作を行うこ
とによって、対数変換された電気信号が出力信号として
出力される。このエリアセンサ４からの出力信号が、Ａ
／Ｄコンバータ５に与えられて、デジタル信号に変換さ
れた後、演算回路６に入力される。

【００３２】演算回路６では、エリアセンサ４からの出
力信号に重畳されるノイズの除去が行われた後、各画素
へ入射された放射光に放射率補正を加えた後、下の
（１）式で表されるプランクの放射則を用いて、測定対
象物Ａ各部の温度が求められる。Ｍλ＝（Ｃ１／λ⁵）［１／｛exp（Ｃ２／Ｔ×λ）−１｝］ …（１）尚、Ｍλ；分光放射発散度、λ；波長、Ｔ；絶対温度、
Ｃ１；第１放射定数、Ｃ２；第２放射定数をそれぞれ表
す。

【００３３】即ち、エリアセンサ４が撮像動作を行うこ
とによって得られた各画素毎に入射される放射光に対す
る電気信号の信号レベルより、予め、計測して得られた
放射光密度とエリアセンサからの電気信号の信号レベル
との関係を用いて、各画素毎に入射される放射光密度が
求められる。そして、各画素毎に求められた放射光密度
を用いて、（１）式より、各画素が撮像する計測対象物
Ａの各部の温度が求められる。

【００３４】このように、演算回路６で、エリアセンサ
４内の各画素からの出力信号毎に、各画素が放射光を検
出する測定対象物Ａの各部の温度が求められる温度校正
が行われると、温度信号として表示部７に出力する。こ
の温度信号は、演算回路６で求められた温度によって、
そのレベルが変化し、表示部７に温度分布が表示される
際、この温度信号のレベルに基づいて、表示される色が
変化する。即ち、例えば、温度の高い部分ほど赤色が濃
く、温度の低い部分ほど青色が濃くなるように、演算回
路６より与えられる温度信号に基づいて、その部分の温
度に応じた色が表示されることで、測定対象物Ａの温度
分布が表示部７に表示される。

【００３５】尚、本実施形態では、特定波長を１つとす
る単色放射温度分布測定装置について、説明したが、特
定波長を２つとする二色放射温度分布測定装置や、特定
波長を複数とする複数色放射温度分布測定装置としても
構わない。

【００３６】二色放射温度分布測定装置の場合、２つの
特定波長の放射光が通過可能なＢＰＦが設けられる。そ
して、演算回路において、それぞれの特定波長の放射光
から得たエリアセンサからの出力信号について、そのオ
フセットの補正を行った後、まず、各特定波長の放射光
密度が得られる。そして、得られた各特定波長の放射光
密度の比を求め、プランクの分布則が用いられて、測定
対象物の温度が求められる。そして演算回路で求められ
た温度に基づいて、測定対象物の温度分布が表示部に表
示される。

【００３７】又、このように、複数の特定波長の放射光
を用いて測定対象物の温度分布が求められる際、隣接す
る各画素毎に、異なるＢＰＦを通過する各放射光が入射
されるか、又は、撮像するフレーム毎に、異なるＢＰＦ
を通過する各放射光が入射される。よって、各画素毎に
異なるＢＰＦを通過する各放射光が入射される場合は、
空間的な補正が行われるとともに、フレーム毎に異なる
ＢＰＦを通過する各放射光が入射される場合は時間的な
補正が行われる。

【００３８】更に、演算回路において、測定対象物の各
部の温度を求める際、上記のようにプランクの放射則を
用いて温度校正が行われるものとしたが、擬似黒体炉や
定点黒体炉や標準光源などから得られた参照値を用いて
温度校正が行われるものとしても構わない。

【００３９】

【発明の効果】本発明によると、エリアセンサに、入射
光量に対して自然対数的に変換された電気信号を出力す
る画素がマトリクス状に配されたエリアセンサが用いら
れるため、エリアセンサのダイナミックレンジが広くな
る。よって、ダイナミックレンジの広い放射光を検出す
ることができるため、計測可能な温度範囲が広くなる。
又、従来用いられた遮光フィルタを不要とすることがで
きるる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の放射温度分布計測装置の構成を示すブ
ロック図。

【図２】エリアセンサの構成を示すブロック回路図。

【図３】図２のエリアセンサの一部を示す回路図。

【図４】図２のエリアセンサ内に設けられた画素の構成
を示す回路図。

【図５】図２のエリアセンサ内に設けられた画素の構成
を示す回路図。

【図６】放射光の分光密度と波長の関係を示すグラフ。

【符号の説明】

１ＢＰＦ（バンドパスフィルタ）２光学系３光増幅部４エリアセンサ５Ａ／Ｄコンバータ６演算回路７表示部

フロントページの続きＦターム(参考） 2G065 BA07 BA21 BA34 BB26 BC03 BC08 BC10 BC13 BC15 BC18 BC22 BC28 BD04 DA01 2G066 AA04 AA20 AC01 AC11 BA13 BC02 BC04 BC07 BC23 CA01 CB01 4M118 AA02 AB01 BA14 CA03 CA07 CA40 FA06 FA33 FA42 FA50 GC20 5C024 AX07 CX43 CY04 EX51 GX03 GY01

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】温度測定をする対象物の各部から放射さ
れる放射光を検出することによって、該対象物の温度分
布を計測する放射温度分布計測装置において、前記放射光が入射されるとともに入射光量に対して自然
対数的に変換した電気信号を出力する複数の画素がマト
リクス状に配されるエリアセンサと、該エリアセンサから出力された電気信号より前記対象物
各部の温度を求める演算回路と、該演算回路によって求められた前記対象物各部の温度よ
り、前記対象物の温度分布を表示する表示部と、を有することを特徴とする放射温度分布計測装置。
【請求項２】１つの特定波長の放射光のみを用いて、
前記対象物の温度分布を計測することを特徴とする請求
項１に記載の放射温度分布計測装置。
【請求項３】２つの特定波長の放射光を用いて、前記
対象物の温度分布を計測することを特徴とする請求項１
に記載の放射温度分布計測装置。
【請求項４】複数の特定波長の放射光を用いて、前記
対象物の温度分布を計測することを特徴とする請求項１
に記載の放射温度分布計測装置。