JP2014020817A - 放射温度計用校正装置及び放射温度計の校正方法 - Google Patents

Abstract

【課題】小型化可能であり、例えば製造ラインに設置された放射温度計をオンラインで校正可能な、放射温度計用校正装置を提供する。
【解決手段】発光素子と当該発光素子からの光を拡散するとともに透過する拡散手段とを備える放射温度計用校正装置とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、例えば製造ラインに設置された放射温度計をオンラインで校正可能な、放射温度計用校正装置及び放射温度計の校正方法に関する。

従来、放射温度計の校正は黒体炉を基準光源として行われてきた。しかしながら、黒体炉は昇温から温度安定に至るまでに長時間を要し、また、大型機器であるため製造ラインに設置された放射温度計をオンラインで校正することができないという問題があった。そのため、製造ラインの長期停機のタイミングでしか放射温度計の校正を行うことができず、オンラインで簡易的に放射温度計の校正を行うことが可能な装置が必要とされていた。

放射温度計の校正装置として特許文献１〜３には、内面が拡散反射面とされた積分球と積分球の内面に光を照射する光源とにより擬似黒体炉を構成し、積分球の開口部から一様な輝度分布の光（面光源）を射出し、射出された光を用いて放射温度計の校正を行うものが開示されている。

特公平５−４０１１号公報 特開平６−１６０１９２号公報 特開２００３−１０６９０１号公報

放射温度計の測定視野は光学的に決定される面積を持っており、放射温度計は、当該面積内の輝度エネルギーを平均化し、温度に換算している。そのため、放射温度計の校正の際に照射される面光源は、輝度ムラがなく一様であることが必要不可欠となる。特許文献１〜３に開示された放射温度計用校正装置においては、輝度ムラのない面光源を作成するために積分球を用いていた。積分球とは、図１に示すように、内壁を反射性・拡散性に優れたものとし、光源からの光を内壁で反射・拡散させるものである。内壁で反射・拡散を繰り返した光は、空間的に積分され、積分球からは、光源の広がりや角度に依存しない、光源の強度にのみ依存した一様な面光源を射出させることができる。しかしながら、積分球を用いた校正装置にあっては、積分球内の表面積が射出部面積よりも十分大きくなければならず、射出部面積を大きくするためには積分球本体を大きくしなければならない。そのため、装置が大型化してしまい、放射温度計の校正の際は、装置を据置として、放射温度計を製造ラインから取り外してオフラインにて校正をせざるを得ないという問題があった。また、積分球の内壁は、光源の波長により材質等を逐一選択する必要があり、特定の光源しか適用することができないという問題もあった。

そこで本発明は、小型化可能であり、例えば製造ラインに設置された放射温度計をオンラインで校正可能な、放射温度計用校正装置を提供することを課題とする。

本発明者らは、複数の発光素子を２次元に配置して光源とし、当該光源を用いて放射温度計の校正を行うことを着想した。さらに、発光素子の前面に光を拡散する拡散手段を配置することで、積分球を用いた場合と同様、放射温度計の校正用に適した輝度ムラの低減された面光源を得ることができることを知見した。これにより、積分球のような大型装置とすることなく、発光素子及び光拡散手段という簡易な構成で放射温度計用校正装置を完成することができたのである。

本発明は、上記知見に基づいてなされたものである。すなわち、
第１の本発明は、発光素子と当該発光素子からの光を拡散するとともに透過する拡散手段とを備える放射温度計用校正装置である。

本発明において「発光素子」とは、電圧を加えることで一定の波長の光を発生させることが可能な素子であれば特に限定されるものではなく、通常の発光ダイオードを用いることができる。「拡散手段」とは、発光素子からの光を屈折させ、所定の角度に拡散させつつ透過させることが可能な手段であればよく、その形状についても、板状、フィルム状等の種々の形状を例示できる。

第１の本発明において、複数の発光素子が２次元に配置されてなることが好ましい。複数の発光素子を設けることで、より広範且つ輝度ムラのない面光源を得ることができ、放射温度計の校正用に一層適したものとなるためである。

第１の本発明において、発光素子と拡散手段とが離隔して設けられていることが好ましい。得られる面光源の輝度ムラが一層低減されるためである。

第１の本発明において、拡散手段の光拡散角度が２０°以上であることが好ましい。得られる面光源の輝度ムラが一層低減されるためである。

第１の本発明において、拡散手段が、すりガラス、オパールガラス又はレンズ拡散板（ＬＳＤ）のいずれかであることが好ましい。

特に拡散手段がレンズ拡散板（ＬＳＤ）であることが好ましい。

第１の本発明において、発光素子からの光が複数の拡散手段を介して拡散されることが好ましい。光の拡散がより大きくなり、得られる面光源の輝度ムラが一層低減されるためである。

第１の本発明において、拡散手段を介して得られる面光源が略円形状となるように発光素子を複数配置してなることが好ましい。放射温度計の視野は同心円であり、これに合わせて面光源の形状を略円形状とすることで、放射温度計の校正に一層最適なものとなるとともに、複数の発光素子を設置する場合に発光素子の数を減らすことができ、消費電力を削減することができるためである。

第２の本発明は、拡散手段を介して発光素子からの光を拡散させるとともに透過させて面光源とし、当該面光源を用いて放射温度計の校正を行う、放射温度計の校正方法である。

本発明においては、発光素子と拡散手段という簡易な構成で、放射温度計の校正に適した一様な面光源を得ることができる。すなわち、本発明によれば、小型化可能であり、例えば、製造ラインに設置された放射温度計をオンラインで校正可能な放射温度計用校正装置を提供することができる。

積分球を用いた従来方式を説明するための図である。 一実施形態に係る本発明の校正装置１０を説明するための概略図である。 （Ａ）が発光素子の発散角度θ_１を説明するための概略図、（Ｂ）が拡散手段の光拡散角度θ_２を説明するための概略図である。 一実施形態に係る本発明の校正装置２０を説明するための概略図である。 図４の矢印Ｖに係る矢視図であって校正装置における発光素子の配置や拡散手段の形状等を説明するための概略図である。 一実施形態に係る本発明の校正装置３０を説明するための概略図である。 実施例に係る校正装置により得られる面光源の状態を示す写真図である。 実施例に係る校正装置により得られる面光源の状態を示す写真図である。

１．放射温度計用校正装置１０
図２に、一実施形態に係る本発明の放射温度計用校正装置１０を概略的に示す。図２に示すように、校正装置１０は、発光素子１と該発光素子１からの光を拡散させつつ透過させる拡散手段２とを備えることに特徴を有する。拡散手段２において拡散・透過した光は、放射温度計の校正に好適な、輝度ムラの低減された一様な面光源５となる。

１．１．発光素子１
発光素子１は、一定の波長の光を発生させることが可能な素子であれば特に限定されるものではなく、通常の発光ダイオードを用いることができるが、放射温度計が適用される温度域によって、放射温度計の検出素子が異なるので、その検出素子の感度が高い波長帯の輝度が高い発光素子を選択することが好ましい。例えば高温用（検出素子：Ｓｉ）であれば０．５ｎｍ〜０．９６ｎｍ、好ましくは０．９ｎｍ〜０．９４ｎｍであり、中温用（検出素子：ＩｎＧａＡｓ）であれば１．１ｎｍ〜１．７ｎｍ、好ましくは１．５５ｎｍ〜１．６５ｎｍの波長を有する光を発生させることが可能な発光素子を用いるとよい。

面光源の輝度ムラを一層低減する観点からは、発光素子１からの光が所定の発散角度にて広がりを持って射出されることが好ましい。すなわち、図３（Ａ）に示す発光素子１の発散角度θ_１が２０°以上であることが好ましい。

発光素子１の形状、大きさについては、装置の小型化を達成しつつ一様な面光源を得ることが可能であれば、特に限定されるものではない。例えば、図２に示すような発光素子が単数（またはごく少数）の場合は、発光部の面積が比較的の大きな発光素子（たとえば単数の場合、径Ｒ_１としては放射温度計の受光部と同程度）を用いるのがよい。しかし、面積の大きな発光素子は面内での輝度ムラが生じやすいことから、後述する放射温度計用校正装置２０（図４参照）のように、複数の発光素子１、１、…が２次元に配列されている形態が好ましい。

１．２．拡散手段２
拡散手段２は、発光素子１からの光を拡散させつつ透過させ、一様な面光源に変換可能なものであればよいが、面光源の輝度ムラを一層低減する観点からは、拡散手段２は一定以上の拡散角度を有するものが好ましい。より具体的には、図３（Ｂ）に示す拡散角度θ_２が、好ましくは２０°以上、より好ましくは４０°以上であり、好ましくは８０°以下の拡散手段を用いるとよい。また、拡散手段２を介したことによる光の減衰を抑える観点から、拡散手段２は光の透過率が高いものが好ましい。

拡散手段２の形状は特に限定されるものではないが、光の屈折を低減し、一様な面光源をより容易に得ることができる観点から板状或いはフィルム状等の平面状の拡散手段を用いることが好ましい。拡散手段２の好ましい形態としては、すりガラス、オパールガラス又はレンズ拡散板（ＬＳＤ）が挙げられ、この中でも光の透過率が高いレンズ拡散板（ＬＳＤ）を用いることが特に好ましい。

発光素子１と拡散手段２との配置については、発光素子１からの光が拡散手段２において適切に拡散され、透過される形態であれば特に限定されるものではない。ただし、発光素子１が所定の発散角度θ_１を有する場合、図２に示すように、発光素子１と拡散手段２との間を離隔させて配置することで、得られる面光源が広範となるとともに輝度ムラが一層低減され好ましい。発散角度θ_１や拡散角度θ_２によるが、例えば、発光素子１と拡散手段２との距離（図２の距離Ｌ_１）を１０ｍｍ〜４０ｍｍとすることが好ましく、３０ｍｍ〜４０ｍｍとすることがより好ましい。

校正装置１０において、発光素子１と拡散手段２とは、例えば、所定の筐体内に収容・固定することにより、容易に持ち運びが可能である。筐体の材質・形状や発光素子と電源との配線については、発光素子１と拡散手段２との配置関係に悪影響を及ぼさない限り、いずれの形態も採用することができる。尚、校正装置１０と電源とを着脱可能にしておくことで、持ち運びが一層容易となる。

本発明に係る校正装置１０は、発光素子１と拡散手段２という簡易な構成で、発光素子１からの光を拡散手段２によって拡散・透過させて輝度ムラのない一様な面光源５を得ることができる。当該面光源５によれば、放射温度計の測定値を精度よく確認することができ、放射温度計を適切に校正することができる。よって、校正装置１０は小型化可能であり、例えば製造ラインに設置された放射温度計をオンラインで校正可能である。

２．放射温度計用校正装置２０
図４に、一実施形態に係る本発明の放射温度計用校正装置２０を概略的に示す。図４に示すように、校正装置２０は、複数の発光素子１、１、…と、当該複数の発光素子１からの光を拡散させつつ透過させる一つの拡散手段２とを備えることに特徴を有する。
図５に、図４の矢印Ｖに係る矢視概略図を示す。図４、５から明らかなように、校正装置２０においては、複数の発光素子１、１、…が２次元に配列されており、複数の発光素子１、１、…の前面に円板状の拡散手段２が設けられている。

校正装置２０において、複数の発光素子１、１、…を２次元に配置することで、より広範且つ輝度ムラのない面光源を得ることができ、放射温度計の校正用に一層適したものとなる。ここで、発光素子１、１、…を２次元に配置する際は、拡散手段２を介して得られる面光源が略円形状となるように配置するとよい。校正対象である放射温度計は同心円状の視野を有しており、これに合わせて面光源の形状を略円形状とすることで、放射温度計の校正に一層最適なものとなるためである。また、略円形状の面光源とすることで、角部の発光素子を削減できるため、全体として発光素子１、１、…の数を減らすことができ、消費電力を削減することもできる。

図５において、発光素子１は、例えば発光部の径Ｒ_１がφ３〜５ｍｍ程度のものを用い、これを１０ｍｍ四方の密度が３〜４個程度となるように配置することが好ましい。サイズが小さな発光素子を密に配置すると発熱量が増加する虞があり、サイズが大きな発光素子は前述したように面内に光源にムラができやすい。また、円板状の拡散手段２の大きさ（Ｒ_２）については、発光素子１の大きさや数、放射温度計の受光部の大きさ等に合わせて適宜決定することができる。例えば、φ７０〜１００ｍｍである。

なお、発光素子１を複数配置する場合の発光素子１の数については、図５で示された数に限定されるものではなく、発光素子１の大きさ、配置の仕方に合わせて適宜決定することができる。また、発光素子１の配列についても、図５で示された碁盤目状に限定されるものではなく、例えば千鳥状に配列してもよい。

３．放射温度計用校正装置３０
図６に、一実施形態に係る本発明の放射温度計用校正装置３０を概略的に示す。図６に示すように、校正装置３０は、発光素子１と、当該発光素子１からの光を拡散させつつ透過させる第１の拡散手段２ａと、第１の拡散手段２ａにより拡散・透過された光をさらに拡散させつつ透過させる第２の拡散手段２ｂとを備えることに特徴を有する。言い換えれば、校正装置３０においては発光素子１からの光が複数の拡散手段２ａ、２ｂを介して拡散される。

校正装置３０において、複数の拡散手段２ａ、２ｂを設けることで、より広範且つ輝度ムラのない面光源を得ることができ、放射温度計の校正用に一層適したものとなる。ここで、拡散手段２ａ、２ｂは、互いに全く異なる拡散手段を用いてもよいし、同等の拡散手段を用いてもよい。特に、異なる拡散角を有する拡散手段を組み合わせて用いることが好ましい。

また、発光素子１と拡散手段２ａとを離隔させることと同様の趣旨から、拡散手段２ａと拡散手段２ｂとの間も所定の距離Ｌ_２だけ離隔させることが好ましい。発光素子の発散角度や拡散手段の拡散角度、さらには上記した距離Ｌ_１等にもよるが、例えば、距離Ｌ_２を１５ｍｍ〜３５ｍｍとすることが好ましい。

４．放射温度計の校正方法
上記の説明では、本発明について放射温度計用校正装置としての側面を説明した。一方、本発明は放射温度計の校正方法としての側面も有する。すなわち、本発明に係る放射温度計の校正方法は、拡散手段を介して発光素子からの光を拡散させるとともに透過させて面光源とし、該面光源を用いて放射温度計の校正を行うことに特徴を有する。既に説明したように、拡散手段を介して得られる面光源は、輝度ムラが低減された一様なものであり、当該面光源を用いることで簡易な構成で精度よく放射温度計の校正を行うことができる。

以下、実施例により、本発明に係る放射温度計用校正装置について、より詳しく説明する。以下の実施例では、発光素子を用いた校正装置を複数作成し、拡散手段を介して得られる面光源を評価した。

＜実施例１＞
発光素子を図５で示されるように複数配置し、当該発光素子の前面に拡散手段としての円板状のオパールガラスを図６で示されるように２枚配置して実施例１に係る校正装置を作成した。発光素子の発光部の大きさ（Ｒ_１）はφ５ｍｍ、発散角度θ_１は４４°とし、オパールガラスは厚み０．８ｍｍ、φ５０ｍｍとした。発光素子の設置密度は４個／１００ｍｍ^２とし、発光素子から２０ｍｍの位置（Ｌ_１＝２０ｍｍ）にオパールガラスを一枚、発光素子から４０ｍｍの位置（Ｌ_２＝２０ｍｍ）にオパールガラスを一枚設置した。

＜比較例１＞
拡散手段を設置しないこと以外は、実施例１と同様にして比較例１に係る校正装置を作成した。

実施例１に係る校正装置について、得られる面光源を図７（Ａ）に示す。図７（Ａ）から明らかなように、発光素子の前面に拡散手段を設置することによって一様な面光源を得ることができた。

実施例１に係る校正装置から得られる面光源に対して、実際に放射温度計を用いて温度の測定を行い、輝度ムラの評価を行った。結果を図７（Ｂ）に示す。図７（Ｂ）から明らかなように、面光源のいずれの箇所においても、測定温度は±１０℃以内とほぼ同等であり、輝度ムラのない一様な面光源であることが確認できた。すなわち、本発明により得られる面光源は、放射温度計の校正に好適に用いることができるといえる。

一方で、比較例１に係る校正装置から得られる面光源は、拡散板を設置しなかったことで、発光素子一つ一つについて、それぞれ中心の輝度が高くなっており、面光源として輝度ムラが大きく、放射温度計の校正には不適なものであった。

拡散手段として種々のレンズ拡散板（ＬＳＤ）を用いて、「同輝度の面光源とするために必要な発光素子の電流量」、「拡散性」を評価した。結果を下記表１に示す。

表１に示すように、光透過性の低いすりガラスを用いた場合、同輝度の面光源とするために必要な発光素子の電流量が増大し、消費電力が増大した。この観点では、光透過率の高いレンズ拡散板（ＬＳＤ）を用いることが好ましいといえる。また、ＬＳＤを複数組み合わせることで、消費電力を低減しつつ、拡散性を極めて良好とすることができることが分かった。特に拡散角度が２０°以上のＬＳＤを複数枚組み合わせることで、拡散性を向上させることができることが分かった。尚、表１から明らかなように、最も好ましい組み合わせは、拡散角度２０°のＬＳＤと拡散角度４０°のＬＳＤとの組み合わせであった。

上記実施例１の発光素子（発散角度θ_１＝４４°）に替えて、発散角度θ_１が２０°と小さな発光素子を用い、且つ、発光素子の前面に種々の拡散手段を設置して種々の校正装置を作成した。当該校正装置により得られる面光源を図８（Ａ）〜（Ｈ）に示す。

図８（Ａ）〜（Ｅ）は、拡散手段が１枚の場合に得られる面光源である。図８（Ａ）〜（Ｄ）から明らかなように、拡散手段がＬＳＤ１枚の場合、その拡散角度が１０°の場合でも光の拡散によって輝度ムラをある程度低減できた。さらにその拡散角度が４０°〜８０°の場合に、輝度ムラのない特に均一な面光源を得ることができた。また、図８（Ｅ）から明らかなように、すりガラスを用いた場合でも光の拡散によって輝度ムラを低減できた。

図８（Ｆ）〜（Ｈ）は、拡散手段が２枚の場合に得られる面光源である。図（Ａ）〜（Ｅ）と図８（Ｆ）〜（Ｈ）との比較から明らかなように、拡散手段を１枚設置した場合よりも２枚設置した場合のほうが、面光源の輝度ムラを低減することができた。以上のように、発光素子の発散角度が小さい場合は、拡散手段の拡散角度が大きなものを用いるか、或いは、拡散手段を複数枚設けることで、放射温度計の校正により好適な輝度ムラのない面光源を得ることができた。

以上、現時点において、もっとも、実践的であり、かつ、好ましいと思われる実施形態に関連して本発明を説明したが、本発明は、本願明細書中に開示された実施形態に限定されるものではなく、請求の範囲及び明細書全体から読み取れる発明の要旨或いは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴う放射温度計用校正装置及び放射温度計の校正方法もまた本発明の技術的範囲に包含されるものとして理解されなければならない。

本発明に係る放射温度計用校正装置は、簡易な構成よりなるものであり、小型化により持ち運びが可能である。そのため、例えば、製造ラインに設置された放射温度計をオンラインで簡易校正する際に好適に用いることができる。

１ 発光素子
２、２ａ、２ｂ 拡散手段
５ 面光源
１０、２０、３０ 放射温度計用校正装置

Claims (9)

1. 発光素子と該発光素子からの光を拡散するとともに透過する拡散手段とを備える放射温度計用校正装置。
2. 複数の前記発光素子が２次元に配置されてなる、請求項１に記載の放射温度計用校正装置。
3. 前記発光素子と前記拡散手段とが離隔して設けられている、請求項１又は２に記載の放射温度計用校正装置。
4. 前記拡散手段の光拡散角度が２０°以上である、請求項１〜３のいずれかに記載の放射温度計用校正装置。
5. 前記拡散手段が、すりガラス、オパールガラス又はレンズ拡散板（ＬＳＤ）のいずれかである、請求項１〜４のいずれかに記載の放射温度計用校正装置。
6. 前記拡散手段がレンズ拡散板（ＬＳＤ）である、請求項５に記載の放射温度計用校正装置。
7. 前記発光素子からの光が複数の前記拡散手段を介して拡散される、請求項１〜６のいずれかに記載の放射温度計用校正装置。
8. 前記拡散手段を介して得られる面光源が略円形状となるように前記発光素子を複数配置してなる、請求項１〜７のいずれかに記載の放射温度計用校正装置。
9. 拡散手段を介して発光素子からの光を拡散させるとともに透過させて面光源とし、該面光源を用いて放射温度計の校正を行う、放射温度計の校正方法。