JP2012181303A - 温度分布測定装置及びイメージガイド - Google Patents

Abstract

【課題】温度分布の測定精度を向上させることができる温度分布測定装置を提供すること。
【解決手段】温度分布測定装置１は、ワークＷの光を伝送するイメージガイド１０と、イメージガイド１０を透過した透過光を複数の画素３１で撮像して輝度信号Ａを生成するＣＣＤカメラ３０と、輝度信号Ａにより得られる輝度値Ｂに対して換算係数Ｋを用いて画素３１ごとに測定温度Ｔｍを算出するパソコン４０と、測定温度Ｔｍに基づいてワークＷの温度分布画像を表示するモニタ５０とを備える。イメージガイド１０は、長手方向に垂直な断面において、格子状に配置されていてＣＣＤカメラ３０の各画素３１に対応するコア部１４を有し、イメージガイド１０の長手方向に垂直な断面において、軸中心Ｏ１に対して径外方向側に位置する外側コア部の断面積は、軸中心に対して径内方向側に位置する内側コア部の断面積に比して、大きくなっている。
【選択図】 図４

Description

本発明は、観測対象物の温度を測定して温度分布画像を表示する温度分布測定装置、及び観測対象物の光を伝送するイメージガイドに関し、特に、温度分布の測定精度を向上させることができる温度分布測定装置及びイメージガイドに関する。

近年、高温環境下で観測対象物の温度測定を行う場合に、観測対象物の光を伝送するイメージガイドを用いて、観測対象物の温度分布画像を表示する方法が確立されつつある。この方法では、先ず、イメージガイドが観測対象物の光を伝送しつつ、イメージガイドに対して長手方向の前方側及び後方側に配置された光学系が観測対象物の光を結像させる。そして、撮像手段は、イメージガイドを透過した透過光を複数の画素で撮像して輝度信号を生成し、データ処理手段は、輝度信号により得られる輝度値に対して換算係数を用いて画素ごとに測定温度を算出する。これにより、表示手段は、測定温度に基づいて観測対象物の温度分布画像を表示するようになっている。

ここで、イメージガイドとして、例えば、下記特許文献１に記載されたものがある。このイメージガイドは、図１９に示したように、コア部１１４と各コア部１１４の外周に位置するクラッド部１１５とを有している。そして、各コア部１１４は、長手方向に垂直な断面において、異なる太さ（図１９においてＡ〜Ｅの５種類の太さ）になっている。このイメージガイド１１０を用いれば、各コア部１１４内で伝送される光の一部がコア部１１４とクラッド部１１５との境界面からクラッド部１１５内に漏れ出るとともに、この漏れ出た光成分が他のコア部１１４内に混入する現象、所謂クロストークが発生し難くなる。なお、下記特許文献１に記載されている各コア部１１４の配置は、ランダムになっている。

特開２００５−２２２０８７号公報

ところで、上記したイメージガイドや、コア部の太さ（断面積）が全て同一である一般的なイメージガイドを用いる場合、イメージガイドの長手方向の垂直な断面において、軸中心に対して径外方側に位置する外側コア部は、軸中心に対して径内方側に位置する内側コア部に比して、結像する光の光密度を小さくしてしまう。このため、観測対象物全体の実際の温度（以下、「実温度」と呼ぶ）が均一であっても、外側コア部に対応する撮像手段の画素では、内側コア部に対応する撮像手段の画素に比べて、輝度値が小さくなる。この結果、図２０（Ａ）（Ｂ）に示したように、表示手段の表示部１５１において、中心Ｐ１から遠い径外方部Ｐ３では中心Ｐ１に近い径内方部Ｐ２に比べて、測定温度Ｔｍが低く表示され、測定温度分布が正確でないという問題があった。なお、中心Ｐ１で表示されている測定温度Ｔｍが、従来のイメージガイドの軸中心に位置するコア部を透過した透過光に基づいて測定された温度である。

本発明は、上記した課題を解決するためになされたものであり、温度分布の測定精度を向上させることができる温度分布測定装置、及びイメージガイドを提供することを目的とする。

上記した課題を達成するために、本発明の温度分布測定装置は、以下の構成を有する。
（１）観測対象物の光を伝送するイメージガイドと、前記イメージガイドに対して長手方向の前方側及び後方側に配置されていて前記観測対象物の光を結像する光学系と、前記イメージガイドを透過した透過光を複数の画素で撮像して輝度信号を生成する撮像手段と、前記輝度信号により得られる輝度値に対して換算係数を用いて画素ごとに測定温度を算出するデータ処理手段と、前記測定温度に基づいて前記観測対象物の温度分布画像を表示する表示手段とを備えた温度分布測定装置において、前記イメージガイドは、長手方向に垂直な断面において、格子状又は同心円状に配置されていて前記撮像手段の各画素に対応するコア部を有し、前記イメージガイドの長手方向に垂直な断面において、軸中心に対して径外方向側に位置する外側コア部の断面積は、軸中心に対して径内方向側に位置する内側コア部の断面積に比して、大きくなっていることを特徴とする。
（２）（１）に記載された温度分布測定装置において、前記コア部は、複数の異なる材質で構成されていて、前記撮像手段の一つの画素に対して、異なる材質で構成された複数のコア部から成るコア部ブロックが対応していることを特徴とする。
（３）（１）又は（２）に記載された温度分布測定装置において、前記データ処理手段は、前記外側コア部に対応する画素で用いる換算係数を、前記内側コア部に対応する画素で用いる換算係数に比して、大きくすることを特徴とする。
（４）（１）乃至（３）の何れかに記載された温度分布測定装置において、前記データ処理手段は、前記イメージガイドの長さが長いほど、前記換算係数を大きくすることを特徴とする。

また、上記した課題を達成するために、本発明のイメージガイドは、以下の構成を有する。
（５）コア部を有し観測対象物の光を伝送するイメージガイドにおいて、長手方向に垂直な断面において、前記コア部は格子状又は同心円状に配置されていて、軸中心に対して径外方向側に位置する外側コア部の断面積は、軸中心に対して径内方向側に位置する内側コア部の断面積に比して、大きくなっていることを特徴とする。
（６）（５）に記載されたイメージガイドにおいて、前記コア部は、複数の異なる材質で構成されていることを特徴とする。
（７）（５）又は（６）に記載されたイメージガイドにおいて、前記コア部は、気体又は真空であることを特徴とする。

上記した温度分布測定装置の作用及び効果について説明する。
（１）本発明の温度分布測定装置によれば、イメージガイドのコア部が格子状又は同心円状に配置されていて、イメージガイドの長手方向に垂直な断面において、軸中心に対して径外方向側に位置する外側コア部の断面積は、軸中心に対して径内方向側に位置する内側コア部の断面積に比して、大きくなっている。これにより、撮像手段において、イメージガイドの軸中心に対応する中心画素から外側に向かうに従って、結像された光の照射面積が大きくなる。このため、中心画素から外側に向かうほど、結像された光の光密度が小さくなるものの、光の照射面積が大きくなるため、輝度値の低下が抑制される。従って、観測対象物の実際の温度が均一である場合において、各画素から得られる輝度値が均一になる。この結果、表示手段において、中心から遠い径外方部では、中心に近い径内方部に比べて、測定温度が低く表示されることが抑制されて、温度分布の測定精度を向上させることができる。
（２）この場合には、コア部が単一の材質で構成されている場合に比して、イメージガイドを透過する波長の範囲が広くなる。これにより、撮像手段の各画素ごとに得られる輝度値の範囲が広くなる。この結果、温度測定範囲を広くすることができる。
（３）この場合には、各コア部の断面積の変更に加えて、各画素に対する換算係数の変更によって、表示手段において中心から遠い径外方部の測定温度が中心に近い径内方部の測定温度に比べて低く表示されることを、より確実に防止することができる。
（４）この場合には、イメージガイドの長さに応じて測定温度と観測対象物の実際の温度との差が変化することを防止できる。この結果、非常に長いイメージガイドであっても用いることができる。

上記したイメージガイドの作用及び効果について説明する。
（５）本発明のイメージガイドによれば、長手方向に垂直な断面において、軸中心に対して径外方向側に位置する外側コア部の断面積は、軸中心に対して径内方向側に位置する内側コア部の断面積に比して、大きくなっている。このため、外側コア部によって結像される光の照射面積が、内側コア部によって結像される光の照射面積より大きくなる。この結果、外側コア部に基づく輝度値が内側コア部に基づく輝度値より小さくなること抑制でき、温度分布の測定精度を向上させることができる。
（６）この場合には、コア部が単一の材質で構成されている場合に比して、イメージガイドを透過する波長の範囲を広くすることができ、温度測定範囲を広くすることができる。
（７）この場合には、赤外領域全般において良好な透過性を有するため、温度測定範囲を広くすることができる。

温度分布測定装置を概略的に示した全体構成図である。 図１に示したイメージガイドの長手方向に垂直な断面を示した断面図である。 （Ａ）モニタの表示部に表示される温度分布画像の説明図である。（Ｂ）図１に示したイメージガイドを用いた場合において、表示部の中心からの径方向距離と測定温度との関係を示した説明図である。 図１に示したイメージガイドを長手方向に垂直な平面で切断したときの、イメージサークルを模式的に示した断面図である。 ＣＣＤカメラの各画素に対する光の照射面積を模式的に示した説明図である。 従来のイメージガイドの軸中心の位置にあるコア部からの距離と測定温度との関係を示した説明図である。 イメージガイドの軸中心に対応する画素からの距離と換算係数との関係を示した説明図である。 （Ａ）イメージガイドの長さと透過率との関係を示した説明図である。（Ｂ）イメージガイドの長さと輝度値との関係を示した説明図である。（Ｃ）イメージガイドの長さと修正係数との関係を示した説明図である。 透過光の波長とイメージガイドの透過率との関係を示した説明図である。 測定温度に対する透過光の波長と分光放射輝度との関係を示した説明図である。 第２実施形態におけるイメージガイドを長手方向に垂直な平面で切断したときの、イメージサークルを模式的に示した断面図である。 第２実施形態における温度分布測定装置において、イメージガイドを透過した透過光を第１量子型光検出器で撮像するときの説明図である。 第２実施形態における温度分布測定装置において、イメージガイドを透過した透過光を第２量子型光検出器で撮像するときの説明図である。 第１，第２量子型光検出器の各画素に対する光の照射面積を模式的に示した説明図である。 第１実施形態の第１変形実施形態におけるイメージガイドの図４相当の断面図である。 第１実施形態の第２変形実施形態におけるイメージガイドの図４相当の断面図である。 第２実施形態の第１変形実施形態におけるイメージガイドの図４相当の断面図である。 第２実施形態の第２変形実施形態におけるイメージガイドの図４相当の断面図である。 従来のイメージガイドの図４相当の断面図である。 （Ａ）モニタの表示部に表示される温度分布画像の説明図である。（Ｂ）従来のイメージガイドを用いた場合において、表示部の中心からの径方向距離と測定温度との関係を示した説明図である。

本発明に係る温度分布測定装置について、図面を参照しながら以下に説明する。図１は、測定対象物であるワークＷの温度分布を測定する温度分布測定装置１を概略的に示した全体構成図である。ワークＷは、例えば、自動車部品に用いられるギヤであり、炉内に配置されている。このワークＷは、例えば、浸炭焼入れ時にその温度が約１０００度から約１００度程度まで低下するようになっている。

ここで、ワークＷからの熱は、近赤外領域の光（電磁波）として放射される。そして、ワークＷから放射される輻射エネルギーのスペクトルは、温度によりその形が決まるものである。このため、近赤外領域において、特定波長の光強度（輝度値）を測定することにより、輝度値からワークＷの温度を推定できるようになっている。

温度分布測定装置１は、図１に示したように、ワークＷの光を伝送するイメージガイド１０と、ワークＷの光を結像させる光学系２０と、撮像手段としてのＣＣＤカメラ３０と、データ処理手段としてのパソコン４０と、表示手段としてのモニタ５０とを備えている。ここで、図２は、図１に示したイメージガイド１０の長手方向に垂直な断面を示した断面図である。

イメージガイド１０は、断面が円形の線であり、図２に示したように、断面が円形のイメージサークル１１と、このイメージサークル１１の外周を覆う石英ガラスジャケット１２と、この石英ガラスジャケット１２の外周を覆う樹脂製の被覆層１３とを有している。イメージサークル１１は、光の伝搬を許容してイメージガイド１０の画素として機能する複数のコア部１４と、これら複数のコア部１４が貫通するクラッド部１５とを有している。

イメージサークル１１の径は、例えば約２ｍｍ程度であり、このイメージサークル１１の中に、約５万個〜約１０万個程度のコア部１４が形成されている。なお、図２において、コア部１４の断面は、真円に描かれているが、現実には楕円形状や多角形等に変形している場合もある。また、コア部１４の大きさとクラッド部１５の大きさとの比率等は、概略的に示されている。

複数のコア部１４は、クラッド部１５を共有していて、例えば酸化ゲルマニウム（Ｇｅ０_２）が添加された石英で構成されている。各コア部１４の屈折率は同一である。クラッド部１５は、例えば純粋な石英又はフッ素（Ｆ）が添加された石英で構成されている。こうして、各コア部１４の屈折率は、クラッド部１５の屈折率より大きくなっていて、イメージガイド１０は、一端面に結像された画像を他端面に伝送することができる。このイメージガイド１０は、石英ガラスをコア部１４に用いた石英系イメージガイドであり、可視領域から波長が２μｍ程度の近赤外領域まで、良好な透過性を有するものである（図９の実線参照）。

光学系２０は、イメージガイド１０を透過した透過光をＣＣＤカメラ３０の受光素子に結像するためのものである。光学系２０は、図１に示したように、イメージガイド１０に対して長手方向の前方側及び後方側に配置されている。具体的に、光学系２０は、イメージガイド１０の一端面にワークＷの光を結像させる対物レンズ２１と、イメージガイド１０の他端面に設けられた接眼レンズ２２とを有する。対物レンズ２１及び接眼レンズ２２は、単レンズを複数枚組み合わせたものである。

ＣＣＤカメラ３０は、イメージガイド１０を透過した透過光を複数の画素３１で撮像するものである。このＣＣＤカメラ３０の一つの画素３１は、イメージガイド１０の一つのコア部１４に対応している。また、このＣＣＤカメラ３０は、近赤外領域に感度特性を有している。このため、ＣＣＤカメラ３０は、近赤外領域の透過光から輝度信号Ａを生成して、この輝度信号Ａをパソコン４０に出力するようになっている。

パソコン４０は、輝度信号Ａに基づいてワークＷの推定温度（測定温度Ｔｍ）を算出するものである。このパソコン４０は、先ず、入力した輝度信号Ａから近赤外領域の輝度値Ｂ（光強度）を得る。そして、パソコン４０は、予め記憶している輝度値−温度変換データを用いて、画素３１ごとに輝度値ＢからワークＷの仮温度Ｔｉを得る。ここで、ワークＷの仮温度ＴｉとワークＷの実際の温度Ｔｒ（以下、「実温度Ｔｒ」と呼ぶ）とが、測定条件等によって、大きく異なる場合がある。このため、パソコン４０は、仮温度Ｔｉと換算係数Ｋとを積算することにより、ワークＷの測定温度Ｔｍを算出している。即ち、換算係数Ｋは、測定温度Ｔｍが実温度Ｔｒに近づくように、仮温度Ｔｉを補正するための係数である。

モニタ５０は、ワークＷの温度分布画像を表示するものである。このモニタ５０は、パソコン４０からワークＷの測定温度Ｔｍを入力して、表示部５１にワークＷの二次元の温度分布画像をグレースケール又は擬似カラーとして表示するようになっている。ここで、図３（Ａ）は、表示部５１に表示される温度分布画像の説明図であり、図３（Ｂ）は、表示部５１の中心Ｐ１からの径方向距離と測定温度Ｔｍとの関係を示した説明図である。図３（Ａ）に示したように、表示部５１では、中心Ｐ１で表示されている測定温度Ｔｍが、イメージガイド１０の軸中心Ｏ１に位置するコア部１４を透過した透過光に基づいて測定された温度である。なお、図３（Ａ）（Ｂ）において、中心Ｐ１に近い径内方部をＰ２で示し、中心Ｐ１から遠い径外方部をＰ３で示す。

ところで、従来においては、測定対象物全体（任意の部位）の実温度Ｔｒが均一であっても、モニタ５０の表示部５１において、径外方部Ｐ３では径内方部Ｐ２に比べて測定温度Ｔｍが低く表示され、温度分布測定が正確でないという問題があった。これは、イメージガイドの長手方向の垂直な断面において、軸中心から遠い径内方向側に位置する外側コア部が、軸中心に近い径内方向側に位置する内側コア部に比して、結像する光の光密度を小さくするためである。このため、本実施形態においては、上記した問題に対処すべく、イメージガイド１０が以下のように構成されている。

図４は、図１に示したイメージガイド１０を長手方向に垂直な平面で切断したときの、イメージサークル１１を模式的に示した断面図である。図４では、コア部１４の構成を分かり易く説明するために、５行５列のコア部１４が示されている。なお、実際には上述したように、約５万個〜約１０万個程度のコア部１４が形成されている。また、図５は、コア部１４が５行５列であると仮定した場合に、ＣＣＤカメラ３０の各画素３１に対する光の照射面積を模式的に示した説明図である。

ここで、図４では、イメージガイド１０の軸中心Ｏ１の位置にあるコア部１４を第１コア部１４ａとし、第１コア部１４ａの外側を囲んでいるコア部１４を第２コア部１４ｂとし、第２コア部１４ｂを囲んでいるコア部１４を第３コア部１４ｃとする。また、図５では、第１コア部１４ａに対応する画素３１を第１画素（中心画素）３１ａとし、第２コア部１４ｂに対応する画素３１を第２画素３１ｂとし、第３コア部１４ｃに対応する画素３１を第３画素３１ｃとする。

図４に示したように、コア部１４は、格子状（マトリクス状）に配置されている。これにより、イメージガイド１０において、ＣＣＤカメラ３０の各画素３１に対する光の照射面積をコントロールし易くなる。また、各コア部１４では、イメージガイド１０の軸中心Ｏ１から径外方向に向かうに従って順に断面積が大きくなっている。言い換えると、第３コア部１４ｃの断面積は第２コア部１４ｂの断面積より大きく、第２コア部１４ｂの断面積は第１コア部１４ａの断面積より大きい。これにより、図５に示したように、ＣＣＤカメラ３０において、第１画素３１ａから外側に向かうに従って結像された光の照射面積が大きくなっている。なお、第３コア部１４ｃと第２コア部１４ｂとの関係において、第３コア部１４ｃが外側コア部であり、第２コア部１４ｂが内側コア部である。また、第２コア部１４ｂと第１コア部１４ａとの関係において、第２コア部１４ｂが外側コア部であり、第１コア部１４ａが内側コア部である。

このため、ＣＣＤカメラ３０において、第１画素３１ａでは光密度が大きいものの光の照射面積が小さく、第２画素３１ｂでは光密度及び光の照射面積が中程度の大きさであり、第３画素３１ｃでは光密度が小さいものの光の照射面積が大きくなる。従って、ワークＷ全体の実温度Ｔｒが均一である場合において、ＣＣＤカメラ３０の各画素３１（第１画素３１ａ，第２画素３１ｂ，第３画素３１ｃ）から得られる輝度値Ｂ（光強度）が均一になる。この結果、モニタ５０の表示部５１において、図３（Ｂ）に示したように、径外方部Ｐ３の測定温度Ｔｍと径内方部Ｐ２の測定温度Ｔｍとが均一になるように表示され、径外方部Ｐ３の測定温度Ｔｍが径内方部Ｐ２の測定温度Ｔｍより小さくなること（温度ムラ）が抑制される。

ここで、第１コア部１４ａ（イメージガイド１０の軸中心Ｏ１の位置にあるコア部１４）から距離Ｒだけ離れたコア部１４（以下、「Ｒコア部１４ｒ」と呼ぶ）の径について、図６を用いて説明する。図６は、第１コア部１４ａからの距離Ｒと測定温度Ｔｍとの関係を示した説明図である。図６に示した実線は、従来のイメージガイド（コア部の径が全て同一であるイメージガイド）を用いて温度測定をした場合の測定結果である。また、図６に示した仮想線は、測定対象の実際の温度である。

図６に示したように、第１コア部１４ａ，Ｒコア部１４ｒを真円として、第１コア部１４ａの径をＤ_１とし、Ｒコア部１４ｒの径をＤ_２とする。ここで、本実施形態のイメージガイド１０は径Ｄ_２が径Ｄ_１より大きいものであり、従来のイメージガイドは径Ｄ_２と径Ｄ_１とが同じであるものとする。そして、従来のイメージガイドを用いた場合に、第１コア部１４ａに対応する位置の測定温度ＴｍをＴｍ_１とし、Ｒコア部１４ｒに対応する位置の測定温度ＴｍをＴｍ_２とする。ここで、コア部１４ａ，１４ｒの断面積と測定温度Ｔｍ_１，Ｔｍ_２との積が一定であると仮定すると、以下の数１が成り立つ。
[数１] π／４×Ｄ_１ ^２×Ｔｍ_１＝π／４×Ｄ_２ ^２×Ｔｍ_２
上記した数１をＤ_２について展開すると、以下の数２が得られる。
[数２] Ｄ_２＝（Ｔｍ_１／Ｔｍ_２）^１／２×Ｄ_１
このようにして、Ｒコア部１４ｒの径Ｄ_２を設定することができる。

上述したイメージガイド１０の作製方法について説明する。先ず、周知のＶＡＤ法により、ゲルマニウムが添加された石英コアプリフォームスートを作製する。次に、このプリフォームスートを焼却炉で加熱して透明ガラス化し、コア用ガラスロッドを作製する。続いて、周知のプラズマ外付け法又はスート外付け法により、コア用ガラスロッドの外周にイメージガイド１０のクラッド部１５となる石英ガラス層を形成して、光ファイバ母材を作製する。次に、この光ファイバ母材を線引きして、径が数十μｍから数百μｍまでの間である光ファイバ素線を作製する。

そして、この光ファイバ素線を所定の長さで切断し、径が数十μｍから数百μｍまでの間である光ファイバ素線を合計５万本〜１０万本程度作製する。その後、これらの光ファイバ素線を円筒状の石英管の中に挿入する際に、各光ファイバ素線を格子状に配置するとともに、径が小さい光ファイバ素線を石英管の軸中心に近い位置に配置し、径が大きい光ファイバ素線を石英管の軸中心から遠い位置に配置する。そして、第１コア部１４ａの径がＤ_１になり、且つＲコア部１４ｒの径が上述したＤ_２になるように、光ファイバ素線が挿入された石英管を線引きする。最後に、周囲に被覆層１３（図２参照）を形成することで、上述したイメージガイド１０を作製できる。

次に、パソコン４０が設定する換算係数Ｋについて、図７を用いて説明する。図７は、第１画素３１ａ（図５参照）からの距離と換算係数Ｋとの関係を示した説明図である。上述したようにコア部１４の径Ｄ_１，Ｄ_２を設定しようとしても、製作誤差や製作条件の制約等により、未だ、モニタ５０の表示部５１において径外方部Ｐ３の測定温度Ｔｍが径内方部Ｐ２の測定温度Ｔｍより小さくなるおそれがある。このため、本実施形態では、パソコン４０が、ＣＣＤカメラ３０の画素３１ごとに測定温度Ｔｍを算出するための換算係数Ｋを変化させるようになっている。

具体的に、パソコン４０は、図７に示したように、第１画素３１ａ、第２画素３１ｂ、第３画素３１ｃの順に、対応する換算係数Ｋが大きくなるように設定している。即ち、パソコン４０は、イメージガイド１０の軸中心Ｏ１に対応する画素３１から外側に向かうに従って、対応する換算係数Ｋが大きくなるように設定している。これにより、第３画素３１ｃにおいて輝度値Ｂが低くなっていても、測定温度Ｔｍの低下を抑えることができる。この結果、本実施形態の温度分布測定装置１では、従来の温度分布測定装置に比べて、ハード部分の変更（各コア部１４の断面積）に加えて、ソフト部分（各画素３１における換算係数Ｋ）の変更により、モニタ５０の表示部５１において径外方部Ｐ３の測定温度Ｔｍが径内方部Ｐ２の測定温度Ｔｍより小さくなることを確実に防止できる。

続いて、イメージガイドの長さＬ（以下、「ファイバ長さＬ」と呼ぶ）に応じた換算係数Ｋの修正について、図８を用いて説明する。図８（Ａ）は、透過率Ｉとファイバ長さＬとの関係を示した説明図であり、図８（Ｂ）は、所定位置の画素における輝度値Ｂ（測定温度Ｔｍ）とファイバ長さＬとの関係を示した説明図であり、図８（Ｃ）は、換算係数Ｋを修正するための修正係数Ｊとファイバ長さＬとの関係を示した説明図である。

図８（Ａ）に示したように、イメージガイド１０は、その長さＬが長いほど透過率Ｉが低下するものである。このため、図８（Ｂ）に示したように、所定位置の画素における輝度値Ｂ（測定温度Ｔｍ）は、ファイバ長さＬが長いほど小さくなる。即ち、ファイバ長さＬに応じて、測定温度Ｔｍと実温度Ｔｒとの差が変化する。この結果、従来では、非常に長いイメージガイドを用いた場合に、測定温度Ｔｍと実温度Ｔｒと差が大きくなるおそれがあった。

そこで、本実施形態において、パソコン４０は、ファイバ長さＬに応じて換算係数Ｋを修正するようになっている。具体的に、パソコン４０は、図８（Ｃ）に示したように、ファイバ長さＬが長くなるほど大きくなる修正係数Ｊを記憶していて、この修正係数Ｊと換算係数Ｋとを積算することにより、最終的に換算係数Ｋを決定している。こうして、本実施形態の温度分布測定装置１では、ファイバ長さＬが長いほど換算係数Ｋを大きくすることにより、測定温度Ｔｍと実温度Ｔｒとの差が大きくなることを抑制でき、非常に長いイメージガイド１０であっても用いることができる。

本実施形態の温度分布測定装置１及びイメージガイド１０の作用効果について説明する。
この温度分布測定装置１によれば、先ず、イメージガイド１０はワークＷの光を伝送しつつ、光学系２０がワークＷの光を結像させる。そして、ＣＣＤカメラ３０はイメージガイド１０を透過した透過光を複数の画素３１で撮像して輝度信号Ａを生成し、パソコン４０は輝度信号Ａにより得られる輝度値Ｂに対して換算係数Ｋを用いて画素３１ごとに測定温度Ｔｍを算出する。これにより、モニタ５０は、測定温度Ｔｍに基づいてワークＷの温度分布画像を表示する。

ここで、本実施形態では、イメージガイド１０のコア部１４が、図４に示したように格子状に配置され、イメージガイド１０の軸中心Ｏ１から径外方向に向かうに従って順に断面積が大きくなっている。これにより、ＣＣＤカメラ３０において、図５に示したように、イメージガイド１０の軸中心Ｏ１に対応する中心画素（第１画素）３１から外側に向かうに従って結像された光の照射面積が大きくなる。このため、中心画素３１ａから外側に向かうほど、結像する光の光密度が小さくなるものの、光の照射面積が大きくなるため、輝度値Ｂの低下が抑制される。従って、ワークＷ全体の実温度Ｔｒが均一である場合において、各画素３１から得られる輝度値Ｂ（光強度）が均一になる。この結果、図３（Ｂ）に示したように、径外方部Ｐ３の測定温度Ｔｍが径内方部Ｐ２の測定温度Ｔｍより小さくなること（温度ムラ）が抑制され、温度分布の測定精度を向上させることができる。

次に、第２実施形態について説明する。この第２実施形態では、作用効果を分かり易くするために、先ず従来のイメージガイドの問題点について説明する。一般的に、従来のイメージガイドのコア部は単一の材質で構成されていて、イメージガイドを透過する光の波長の範囲が決まっている。ここで、図９は、透過光の波長とイメージガイドの透過率との関係を示した説明図であり、図１０は、測定温度に対する透過光の波長と分光放射輝度との関係を示した説明図である。

図９の実線で示したように、コア部が石英ガラスで構成された石英系イメージガイドである場合、透過できる光の波長、即ち、透過率が１００パーセントであるときの波長は、約２μｍまでである。この場合には、図１０において、透過する光の波長が約２μｍまでの部分を見ると、約４００度以上の温度のみを測定することができ、約４００度以下の温度を測定することができない。

一方、図９の破線で示したように、コア部がフッ化物ガラスで構成されたフッ化物系イメージガイドである場合、透過できる光の波長は約３．５μｍまでである。このため、図１０において、透過する光の波長が約３．５μｍまでの部分を見ると、約４００度以下の温度（例えば、１００度）を測定することができる。しかし、この場合には、図９に示したように、透過する光の波長は約１μｍ以上であるため、図１０に示したように、約４００度より非常に大きな温度（例えば１０００度）を測定できなくなる。従って、イメージガイドのコア部を単一の材質で構成した場合、透過する波長の範囲が限られているため、温度測定範囲が狭いという問題があった。そこで、この第２実施形態では、上記した問題に対処すべく、イメージガイドが以下のように構成されている。

図１１は、イメージガイド６０を長手方向に垂直な平面で切断したときの、イメージサークル１１を模式的に示した図４相当の断面図である。図１１では、縦方向及び横方向に二個ずつ配置されたコア部６４を１つのコア部ブロック６４Ａとすると、５行５列のコア部ブロック６４Ａが示されている。ここで、図１１では、イメージガイド６０の軸中心Ｏ１の位置にあるコア部ブロック６４Ａを第１コア部ブロック６４Ａａとし、第１コア部ブロック６４Ａａの外側を囲んでいるコア部ブロック６４Ａを第２コア部ブロック６４Ａｂとし、第２コア部ブロック６４Ａｂの外側を囲んでいるコア部ブロック６４Ａを第３コア部ブロック６４Ａｃとする。

図１１に示したように、コア部ブロック６４Ａは、格子状（マトリクス状）に配置されている。また、各コア部ブロック６４Ａの中の４個のコア部６４は格子状に配置され、４個全てのコア部６４の断面積は同一である。そして、第３コア部ブロック６４Ａｃの中の各コア部６４の断面積は、第２コア部ブロック６４Ａｂの中の各コア部６４の断面積より大きく、第２コア部ブロック６４Ａｂの中の各コア部６４の断面積は、第１コア部ブロック６４Ａａの中の各コア部６４の断面積より大きい。

更に、この第２実施形態では、各コア部ブロック６４Ａのコア部６４のうち、２個のコア部６４が石英ガラスで構成され、２個のコア部６４がフッ化物ガラスで構成されている。図１１では、石英ガラスで構成されたコア部６４を白い丸で石英コア部６４ｘとして表し、フッ化物ガラスで構成されたコア部６４をドット付の丸でフッ化物コア部６４ｙとして表す。こうして、このイメージガイド６０では、波長が約１μｍ以下の光が石英コア部６４ｘを透過し、波長が約１μｍ以上であり且つ約２．０μｍ以下である光が石英コア部６４ｘ及びフッ化物コア部６４ｙを透過し、波長が約２．０μｍ以上の光がフッ化物コア部６４ｙを透過するようになっている。

次に、この第２実施形態の温度分布測定装置２について、図１２〜図１４を用いて説明する。温度分布測定装置２は、図１３に示したように、上述したイメージガイド６０と、ワークＷの光を結像させる光学系２０と、撮像手段としての第１量子型光検出器７１及び第２量子型光検出器７２と、データ処理手段としてのパソコン４０と、表示手段としてのモニタ５０と、反射板８０と、回転駆動装置９０とを備えている。ここで、図１２は、イメージガイド６０を透過した透過光を第１量子型光検出器７１で撮像するときの説明図であり、図１３は、イメージガイド６０を透過した透過光を第２量子型光検出器７２で撮像するときの説明図である。

第１量子型光検出器７１及び第２量子型光検出器７２は、イメージガイド６０を透過した透過光を複数の画素７３，７４で撮像するものである。ここで、図１４は、上述したようにコア部ブロック６４Ａが５行５列であると仮定した場合に、第１，第２量子型光検出器７１，７２の各画素７３，７４に対する光の照射面積を模式的に示した説明図である。図１４に示したように、第１，第２量子型光検出器７１，７２の一つの画素７３，７４は、一つのコア部ブロック６４Ａに対応している。即ち、第１，第２量子型光検出器７１，７２の一つの画素７３，７４に対して、４個のコア部６４が対応している。

第１量子型光検出器７１は、約０．５μｍから約２．０μｍまでの波長領域に感度特性を有するものである。このため、第１量子型光検出器７１は、図１２に示したように、約０．５μｍから約２．０μｍまでの波長領域の透過光から輝度信号Ｃを生成して、この輝度信号Ｃをパソコン４０に出力するようになっている。一方、第２量子型光検出器７２は、約２．０μｍから約３．５μｍまでの波長領域に感度特性を有するものである。このため、第２量子型光検出器７２は、図１３に示したように、約２．０μｍから約３．５μｍまでの波長領域の透過光から輝度信号Ｄを生成して、この輝度信号Ｄをパソコン４０に出力するようになっている。

反射板８０は、イメージガイド６０を透過した透過光を第１量子型光検出器７１又は第２量子型光検出器７２に向けて反射するものである。この反射板８０は、軸中心Ｑ１周りに回転できるように構成されている。そして、反射板８０は、図１２に示したように、第１回転状態であるとき、イメージガイド６０を透過した透過光を第１量子型光検出器７１に向けて反射できるようになっている。また、反射板８０は、図１３に示したように、第２回転状態にあるとき、イメージガイド６０を透過した透過光を第２量子型光検出器７２に向けて反射できるようになっている。なお、反射板８０は、初期状態として図１２に示した第１回転状態になっている。

回転駆動装置９０は、反射板８０を軸中心Ｑ１周りに回転させるものである。この回転駆動装置９０は、パソコン４０から入力した第１回転信号θ１に基づいて、反射板８０が図１２に示した第１回転状態になるように駆動する。また、回転駆動装置９０は、パソコン４０から入力した第２回転信号θ２に基づいて、反射板８０が図１３に示した第２回転状態になるように駆動する。

パソコン４０は、輝度信号Ｃ又は輝度信号Ｄに基づいて、上記した第１実施形態のパソコン４０と同様の方法で、ワークＷの測定温度Ｔｍを算出するものである。このパソコン４０は、約０．５μｍから約２．０μｍまでの波長領域の透過光から得られた輝度信号Ｃに基づいて、約４００度から約１０００度まで間のワークＷの測定温度Ｔｍを算出するようになっている。そして、パソコン４０は、測定温度Ｔｍが約４００度から約１０００度までの間の温度であると判定した場合には、回転駆動装置９０に第１回転信号θ１を出力するようになっている。更に、パソコン４０は、測定温度Ｔｍが約４００度より小さくなったと判定した場合には、回転駆動装置９０に第１回転信号θ１に換えて第２回転信号θ２を出力するようになっている。

また、パソコン４０は、約２．０μｍから約３．５μｍまでの波長領域の透過光から得られた輝度信号Ｄに基づいて、約１００度から約４００度までの間のワークＷの測定温度Ｔｍを算出するようになっている。そして、パソコン４０は、測定温度Ｔｍが約１００度から約４００度までの間の温度であると判定した場合には、回転駆動装置９０に第２回転信号θ２を出力するようになっている。第２実施形態のその他の構成は、第１実施形態の構成と同様であるため、その説明を省略する。

第２実施形態の温度分布測定装置２及びイメージガイド６０の作用効果について説明する。
このイメージガイド６０では、図１１に示したように、コア部６４が石英ガラスとフッ化物ガラスの異なる材質で構成されている。そして、図１４に示したように、第１，第２量子型光検出器７１，７２の一つの画素７３，７４に対して、石英ガラスで構成された２個の石英コア部６４ｘとフッ化物ガラスで構成された２個のフッ化物コア部６４ｙから成るコア部ブロック６４Ａが対応している。これにより、ワークＷから放射される光のうち、波長が約１μｍ以下の光が石英コア部６４ｘを透過し、波長が約１μｍ以上であり且つ約２．０μｍ以下である光が石英コア部６４ｘ及びフッ化物コア部６４ｙを透過し、波長が約２．０μｍ以上であり且つ約３．５μｍ以下である光がフッ化物コア部６４ｙを透過する。

ところで、このワークＷは浸炭焼入れ時にその温度が約１０００度から約１００度程度まで低下するものである。このため、ワークＷの温度が約１０００度から約４００度まで低下するときには、ワークＷから波長が約０．５μｍから約２．０μｍまでの光が放射され、ワークＷの温度が約４００度から約１００度まで低下するときには、ワークＷから波長が約２．０μｍから約３．５μｍまでの光が放射される。

従って、ワークＷの温度が約１０００度から約４００度まで低下するとき、ワークＷから放射される光は、石英コア部６４ｘのみ、又は、石英コア部６４ｘ及びフッ化物コア部６４ｙを透過して、図１２に示したように、反射板８０によって第１量子型光検出器７１に向けて反射する。これにより、第１量子型光検出器７１は、約０．５μｍから約２．０μｍまでの波長領域の透過光から輝度信号Ｃを生成して、この輝度信号Ｃをパソコン４０に出力する。そして、パソコン４０は、輝度信号Ｃに基づいて約１０００度から約４００度までワークＷの測定温度Ｔｍを算出する。このとき、パソコン４０は、測定温度Ｔｍが約４００度から約１０００度までの間の温度であると判定するため、回転駆動装置９０に第１回転信号θ１を出力している。

ここで、ワークＷの温度が約４００度を下回るときには、パソコン４０が、輝度信号Ｃに基づいて測定温度Ｔｍが約４００度より小さくなったと判定するため、回転駆動装置９０に第２回転信号θ２を出力する。これにより、反射板８０は、回転駆動装置９０の駆動によって、図１３に示した第２回転状態になる。

従って、ワークＷの温度が約４００度から約１００度まで低下するとき、ワークＷから放射される光は、フッ化物コア部６４ｙのみを透過して、図１３に示したように、反射板８０によって第２量子型光検出器７２に向けて反射する。これにより、第２量子型光検出器７２は、約２．０μｍから約３．５μｍまでの波長領域の透過光から輝度信号Ｄを生成して、この輝度信号Ｄをパソコン４０に出力する。そして、パソコン４０は、輝度信号Ｄに基づいて約４００度から約１００度までワークＷの測定温度Ｔｍを算出する。このとき、パソコン４０は、測定温度Ｔｍが約１００度から約４００度までの間の温度であると判定するため、回転駆動装置９０に第２回転信号θ２を出力している。

こうして、モニタ５０は、約４００度から約１０００度までの測定温度Ｔｍに加えて、約１００度から約４００度までの測定温度Ｔｍに基づいて、ワークＷの温度分布画像を表示することができる。従って、この第２実施形態によれば、イメージガイドのコア部を単一の材質で構成した場合に比して、透過する波長の範囲を約０．５μｍ〜約３．５μｍまで広くすることができ、温度測定範囲を広くすることができる。なお、その他の第２実施形態の作用効果は、第１実施形態の作用効果と同様であるため、その説明を省略する。

以上、本発明に係る温度分布測定装置及びイメージガイドにおいて、本発明はこれに限定されることはなく、その趣旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。
例えば、第１実施形態において、イメージガイド１０（イメージサークル１１）は、図２に示したように、断面が円形あるが、図１５に示した第１変形実施形態のように、断面が矩形であっても良い。この場合には、コア部１４が格子状に配置されているため、イメージサークル１１に対するコア部１４の充填率を向上させることができる。
また、第１実施形態において、コア部１４は、図２に示したように、格子状に配置されているが、図１６に示した第２変形実施形態のように、同心円状に配置されていても良い。

また、第２実施形態において、イメージガイド６０（イメージサークル１１）は、図１１に示したように、断面が円形あるが、図１７に示した第１変形実施形態のように、断面が矩形であっても良い。この場合には、コア部ブロック６４Ａが格子状に配置されているため、イメージサークル１１に対するコア部ブロック６４Ａの充填率を向上させることができる。
また、第２実施形態において、コア部ブロック６４Ａ（コア部６４）は、図１１に示したように、格子状に配置されているが、図１８に示した第２変形実施形態のように、同心円状に配置されていても良い。

また、第２実施形態において、図１４に示したように、第１，２量子型光検出器７１，７２の一つの画素７３，７４に対して、石英ガラスで構成された２個の石英コア部６４ｘとフッ化物ガラスで構成された２個のフッ化物コア部６４ｙとが対応しているが、一つの画素７３，７４に対応するコア部６４の数は、４個に限定されるものではない。例えば、一つの画素７３，７４に対して、石英ガラスで構成された１個の石英コア部６４ｘとフッ化物ガラスで構成された１個のフッ化物コア部６４ｙとが対応していても良い。

また、第１実施形態において、撮像手段としてＣＣＤカメラ３０を用い、第２実施形態において、撮像手段として第１，第２量子型光検出器７１，７２を用いたが、撮像手段は、適宜変更可能であり、例えば、熱型光検出器、ＩｎＧａＡｓ（インジウムガリウムヒ素）センサーを使用したＩｎＧａＡｓカメラであっても良い。

また、第１実施形態において、コア部１４が石英ガラスで構成され、第２実施形態において、石英コア部６４ｘが石英ガラスで構成されるとともに、フッ化物コア部６４ｙがフッ化物ガラスで構成されているが、コア部の構成は、石英ガラス、フッ化物ガラスに限定されるものではない。例えば、コア部は、気体又は真空で構成されていても良い。コア部が気体又は真空で構成されたイメージガイドは、赤外領域全般において良好な透過性を有するため、温度測定範囲を広くすることができる。

１ 温度分布測定装置
１０ イメージガイド
１４ コア部
１４ａ 第１コア部
１４ｂ 第２コア部
１４ｃ 第３コア部
１５ クラッド部
２０ 光学系
３０ ＣＣＤカメラ
３１ 画素
３１ａ 第１画素
３１ｂ 第２画素
３１ｃ 第３画素
４０ パソコン
５０ モニタ
６０ イメージガイド
６４ コア部
６４ｘ 石英コア部
６４ｙ フッ化物コア部
６４Ａ コア部ブロック
７１，７２ 第１，第２量子型光検出器
８０ 反射板
９０ 回転駆動装置

Claims (7)

1. 観測対象物の光を伝送するイメージガイドと、
   前記イメージガイドに対して長手方向の前方側及び後方側に配置されていて前記観測対象物の光を結像する光学系と、
   前記イメージガイドを透過した透過光を複数の画素で撮像して輝度信号を生成する撮像手段と、
   前記輝度信号により得られる輝度値に対して換算係数を用いて画素ごとに測定温度を算出するデータ処理手段と、
   前記測定温度に基づいて前記観測対象物の温度分布画像を表示する表示手段とを備えた温度分布測定装置において、
   前記イメージガイドは、長手方向に垂直な断面において、格子状又は同心円状に配置されていて前記撮像手段の各画素に対応するコア部を有し、
   前記イメージガイドの長手方向に垂直な断面において、軸中心に対して径外方向側に位置する外側コア部の断面積は、軸中心に対して径内方向側に位置する内側コア部の断面積に比して、大きくなっていることを特徴とする温度分布測定装置。
2. 請求項１に記載された温度分布測定装置において、
   前記コア部は、複数の異なる材質で構成されていて、
   前記撮像手段の一つの画素に対して、異なる材質で構成された複数のコア部から成るコア部ブロックが対応していることを特徴とする温度分布測定装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載された温度分布測定装置において、
   前記データ処理手段は、前記外側コア部に対応する画素で用いる換算係数を、前記内側コア部に対応する画素で用いる換算係数に比して、大きくすることを特徴とする温度分布測定装置。
4. 請求項１乃至請求項３の何れかに記載された温度分布測定装置において、
   前記データ処理手段は、前記イメージガイドの長さが長いほど、前記換算係数を大きくすることを特徴とする温度分布測定装置。
5. コア部を有し観測対象物の光を伝送するイメージガイドにおいて、
   長手方向に垂直な断面において、前記コア部は格子状又は同心円状に配置されていて、
   軸中心に対して径外方向側に位置する外側コア部の断面積は、軸中心に対して径内方向側に位置する内側コア部の断面積に比して、大きくなっていることを特徴とするイメージガイド。
6. 請求項５に記載されたイメージガイドにおいて、
   前記コア部は、複数の異なる材質で構成されていることを特徴とするイメージガイド。
7. 請求項５又は請求項６に記載されたイメージガイドにおいて、
   前記コア部は、気体又は真空であることを特徴とするイメージガイド。
   

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