JP2014173989A - 熱画像観察装置 - Google Patents

Abstract

【課題】単一の撮像装置で波長の異なる複数の画像を取得できる様にした熱画像観察装置を提供する。
【解決手段】測定対象物１から放射される光を平行な光束とするレンズユニット４と、該レンズユニットを透して測定対象物から入射する前記光束を第１分割光束、第２分割光束に分割する光束分割手段６と、前記第１分割光束、前記第２分割光束のそれぞれの光路に設けられた選択波長の異なる第１波長フィルタ７、第２波長フィルタ１２と、前記第１波長フィルタ、前記第２波長フィルタを透過した前記第１分割光束、前記第２分割光束を受光する１つの受光素子８と、前記２つの光路の少なくとも一方に光路長調整光学部材１３を設け、前記２つの光路の光学長を等しくし、前記受光素子が受光した前記第１分割光束、前記第２分割光束の信号に基づき２色測温法により測定対象物の温度状態を演算する演算装置３とを具備した。
【選択図】図１

Description

本発明は、非接触での温度測定に用いられる熱画像観察装置に関するものである。

溶融金属或は溶接部等の温度、温度分布を非接触で測定する方法として２色測温法がある。該２色測温法は、波長の異なる２つの光を用いて同一点の画像を取得し、光強度と測定対象物の放射率から温度を測定するものである。又、放射率は測定対象物の状態、固体、液体或は表面状態（表面酸化膜の有無）等で変化する。２色測温法では、２波長でそれぞれ温度と放射率の関係を示す関係式（関係式については後述）が２式得られ、又同時に同一点の画像を取得するので、２式に於ける放射率は同じである。２式に於ける放射率が同じであることを利用して、測定対象物の温度を測定するものである。

従来の２色測温法に用いられる温度分布観察装置では、２つのカメラで測定対象物の同一箇所を撮像するものであり、２つのカメラは測定対象物の所定点、例えば溶接部の溶融プールの中心で、２つのカメラの光軸が合致する様設定され、光軸の合致した点を中心とした画像を取得する様になっている。又、前記２つのカメラにはそれぞれ異なる波長を透過する波長フィルタが設けられ、前記２つのカメラによって測定対象物について２波長の画像の光強度分布を取得する。又、２つの画像の光強度分布から上記２色測温法により、測定対象物の温度が測定できる。

従来の様に、２つのカメラを用いた温度分布観察装置では、視野のずれ等を補正する為のキャリブレーションが必要であり、又２つのカメラを用いることで装置が大型化し、或は設備コストが嵩む等の問題があった。

尚、特許文献１には、測定対象物からの光束をプリズムにより複数の光束に分割し、分割した光束に対してそれぞれ波長選択フィルタを設け、複数の波長により複数の画像を取得できる様にした多波長複数画面光学系が開示されている。

又、特許文献２には、測定対象物からの光束をダイクロイックプリズムにより、２波長に分割し、一方の波長は透過してフィルタを介してＣＣＤに投影し、反射した波長はもう１つのプリズムで反射してＣＣＤに投影し、ＣＣＤから得られる２波長の画像信号に基づき温度測定を行う２色放射温度計が開示されている。

特開２００５−３１５５８号公報 特開２００４−３１７３９３号公報

本発明は斯かる実情に鑑み、単一の撮像装置で波長の異なる複数の画像を取得できる様にした熱画像観察装置を提供するものである。

本発明は、測定対象物から放射される光を平行な光束とするレンズユニットと、該レンズユニットを透して測定対象物から入射する前記光束を第１分割光束、第２分割光束に分割する光束分割手段と、前記第１分割光束、前記第２分割光束のそれぞれの光路に設けられた選択波長の異なる第１波長フィルタ、第２波長フィルタと、前記第１波長フィルタ、前記第２波長フィルタを透過した前記第１分割光束、前記第２分割光束を受光する１つの受光素子と、前記２つの光路の少なくとも一方に光路長調整光学部材を設け、前記２つの光路の光学長を等しくし、前記受光素子が受光した前記第１分割光束、前記第２分割光束の信号に基づき２色測温法により測定対象物の温度状態を演算する演算装置とを具備した熱画像観察装置に係るものである。

又本発明は、前記光束分割手段は、入射される光束を前記第１分割光束、前記第２分割光束に分割するハーフミラーと、該ハーフミラーによって反射された前記第２分割光束の光軸を前記ハーフミラーを透過した前記第１分割光束の光軸と平行に偏向するミラーとを有し、前記第１分割光束、前記第２分割光束は前記受光素子上で重ならない様に前記ハーフミラー、前記ミラーが構成された熱画像観察装置に係るものである。

又本発明は、前記ハーフミラー、前記ミラーのいずれか一方を回転可能として前記第１分割光束、前記第２分割光束間の光軸の傾斜を調整可能とし、前記受光素子上に於ける前記第１分割光束の投影位置、前記第２分割光束の投影位置を所望の関係に設定可能とした熱画像観察装置に係るものである。

又本発明は、前記光路長調整光学部材は、前記２つの光路の光学長が等しくなる様に、屈折率と光束が透過する光路長が選択された熱画像観察装置に係るものである。

又本発明は、前記光路長調整光学部材は、複数の反射面を有し、該光路長調整光学部材を光束が透過することで光路長が長くなる様に構成された熱画像観察装置に係るものである。

又本発明は、前記第２分割光束の光軸、前記第１分割光束の光軸の少なくとも一方の、前記受光素子と対峙した位置に光楔部材を設けた熱画像観察装置に係るものである。

更に又本発明は、前記光路長調整光学部材の前記受光素子と対峙する端面を傾斜させ、前記光路長調整光学部材を光楔部材として機能させた熱画像観察装置に係るものである。

本発明によれば、測定対象物から放射される光を平行な光束とするレンズユニットと、該レンズユニットを透して測定対象物から入射する前記光束を第１分割光束、第２分割光束に分割する光束分割手段と、前記第１分割光束、前記第２分割光束のそれぞれの光路に設けられた選択波長の異なる第１波長フィルタ、第２波長フィルタと、前記第１波長フィルタ、前記第２波長フィルタを透過した前記第１分割光束、前記第２分割光束を受光する１つの受光素子と、前記２つの光路の少なくとも一方に光路長調整光学部材を設け、前記２つの光路の光学長を等しくし、前記受光素子が受光した前記第１分割光束、前記第２分割光束の信号に基づき２色測温法により測定対象物の温度状態を演算する演算装置とを具備したので、簡単な構成で而も単一の撮像装置で波長の異なる複数の画像を取得できるという優れた効果を発揮する。

本発明の第１の実施例に係る温度分布観察装置の基本構成図である。 本発明の第２の実施例に係る温度分布観察装置の概略構成図である。 第２の実施例に於ける要部拡大図である。 （Ａ）は第３の実施例に係る温度分布観察装置の概略構成図であり、又（Ｂ）は第３の実施例に於ける要部拡大図である。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施例を説明する。

先ず、図１に於いて、図１中、１は熱放射している測定対象物、２は熱画像観察装置の観察ユニット、３はＣＰＵ等に代表される演算装置３を示している。

前記観察ユニット２は、前記測定対象物１に対向するレンズユニット４（尚、図示では簡略化して示している）を有し、該レンズユニット４の光軸５上に光束分割手段としてハーフミラー６が設けられ、又前記光軸５上には第１波長フィルタ７、受光素子８が設けられている。

前記レンズユニット４は、前記測定対象物１からの光を平行光束として前記ハーフミラー６に導くものであり、該ハーフミラー６は入射した光束を分割し、一部を透過、残部を反射するものであり、透過する光量と反射する光量とは等しくなっている。

前記受光素子８には、例えばＣＣＤ、ＣＭＯＳセンサ等が用いられ、前記第１波長フィルタ７は、λ１の波長を選択して透過する光学特性を有している。

又、前記ハーフミラー６で前記光軸５が分岐され、分岐された光軸９上にはミラー１１が設けられ、該ミラー１１は前記光軸９を前記光軸５と平行に偏向し、偏向された前記光軸９上に第２波長フィルタ１２、光路長調整光学部材１３、前記受光素子８が配設される。前記第２波長フィルタ１２は、λ２の波長を選択して透過する光学特性を有している。

前記光軸９は２つのミラーで偏向され、偏向された後は前記光軸５と平行となり、前記光軸５と前記光軸９とは距離ａ離れている。この距離ａは、前記ハーフミラー６で分割された光束により得られる画像と、前記ハーフミラー６を透過した光束で得られる画像とが重ならない値とされる。

この為、前記測定対象物１から前記受光素子８に至る光路長は、前記光軸５と前記光軸９とでは距離ａ分だけ前記光軸９の光路長が長くなっている。前記光路長調整光学部材１３がないとすると、前記レンズユニット４による結像位置が、前記光軸５に比較して前記距離ａ分だけ、前記レンズユニット４側にずれることになる。

前記光路長調整光学部材１３は光学長を短くする作用があり、該光路長調整光学部材１３を前記光軸９に挿入することで、該光軸９の光学長を短くし、前記光軸５と前記光軸９の光学長を等価にする。

即ち、前記光路長調整光学部材１３の屈折率をｎ、光軸に沿った長さをｘとすると、光学長はｎｘとなる。

一方、焦点距離がｆであるレンズが存在し、平行光がこのレンズを透過して集光される場合、この光が空気中のみを透過する場合はレンズからｆの位置で集光されるが、光路内に光学長ｎｘの透過性物質が存在する場合は集光される距離はｆ＋（ｎｘ−ｘ）／ｎとなり、距離が伸びる。この性質を利用すると、焦点距離ｆのレンズに対して、距離がｆ＋ａである位置に集光したい場合、ｆ＋ａの側にａ＝（ｎ−１）ｘ／ｎであるような長さと屈折率をもつ透過性物質を挿入することにより、ｆ＋ａの位置に集光させることが可能となる。

従って、上記した様に、前記光路長調整光学部材１３を分岐によって長くなってしまった側の前記光軸９中に挿入し、屈折率ｎ、長さｘを適宜選択することで、同一の画像検出素子（前記受光素子８）上に両方の光軸５，９を経た光束を集光させることが可能となる。

従って、前記光路長調整光学部材１３を単に光軸上に挿入するだけで、前記光軸５と前記光軸９の光学長を等価にすることができ、ミラーやプリズムの使用を最少に押さえることができる。結果として観察ユニット２の光学系を簡潔に而も小型に構成することが可能となる。

ここで、屈折率ｎは、１．５〜２．０程度とされ、又前記光路長調整光学部材１３の材質としては、石英ガラス、プラスチック、光学結晶体等、種々のものが利用可能であるが、本実施例ではＹＡＧ（イットリウム アルミニウム ガーネット）が用いられ、更に安価なセラミックＹＡＧが用いられている。

前記測定対象物１からの光線（熱放射線）は、前記レンズユニット４により平行光束とされ、該平行光束は前記ハーフミラー６により２分割され、更に、分割された光束は前記ミラー１１により、前記ハーフミラー６を透過する光束と平行に偏向される。

前記ハーフミラー６を透過した光束は、前記第１波長フィルタ７を透過することによりλ１の波長に限定されて前記受光素子８に投影され、該受光素子８上にλ１の波長による前記測定対象物１像が形成される。

又、前記ハーフミラー６で分割（反射）され、前記ミラー１１で偏向された光束は前記第２波長フィルタ１２を透過し、λ２の波長に限定されて前記受光素子８に投影され、該受光素子８上にλ２の波長による前記測定対象物１像が形成される。上記した様に、距離ａは、λ１の波長による測定対象物像とλ２の波長による測定対象物像とが重ならない様に設定される。

前記受光素子８で得られた、受光信号は前記演算装置３に送出され、該演算装置３でλ１の波長による前記測定対象物１像の画像とλ２の波長による前記測定対象物１像の画像とを分離して取得し、２色測温法により測定対象物１の温度、温度分布等の温度状態を演算する。温度状態は、測定対象物１上の測定点と対応させ数値で表示され、或はグラフ化され、或は温度の高低に対応させた色分け表示で画像として表示される。

又本実施例では、同一の光学系で２色の画像が取得でき、両画像を取得する過程でキャリブレーション等の作業は必要ない。更に、同一の前記受光素子８から２色の画像信号を取得しているので、２色の画像信号間で同一性、同時性が確保され、信号間での補正も必要ない。

図２、図３を参照して、第２の実施例に係る温度分布観察装置の概略構成を説明する。
尚、図２、図３中、図１中で示したものと同等のものには同符号を付してある。

装置ベース１５に光路分割ユニット１６、撮像装置１７が設けられ、前記光路分割ユニット１６にレンズユニット４が設けられている。該レンズユニット４は、測定対象物１からの光を平行光束とするものであり、例えばテレセントリックレンズが用いられる。

前記光路分割ユニット１６はユニット筐体１８を有し、該ユニット筐体１８にハーフミラー６、第１波長フィルタ７が収納されている。更に、前記ユニット筐体１８にはミラー１１、第２波長フィルタ１２が収納されている。

前記レンズユニット４の光軸５上に前記ハーフミラー６、前記第１波長フィルタ７が設けられている。前記ハーフミラー６はハーフミラーホルダ１９を介して前記ユニット筐体１８に設けられ、前記ハーフミラーホルダ１９はピン２０を介して回転可能となっている。又、前記ハーフミラーホルダ１９は所要の固定具、例えばボルトにより、固定可能となっている。

前記ハーフミラー６で分岐された光軸９上に前記ミラー１１、前記第２波長フィルタ１２が設けられている。前記ミラー１１はミラーホルダ２１を介して前記ユニット筐体１８に設けられ、前記ミラーホルダ２１はピン２２を介して回転可能となっている。又、前記ミラーホルダ２１は所要の固定具、例えばボルトにより、固定可能となっている。尚、前記ハーフミラー６、前記ミラー１１の固定は、ボルト等の固定具を直接、前記ハーフミラー６、前記ミラー１１に押圧させて行ってもよい。

前記ミラー１１で偏向された前記光軸９が、前記光軸５に対して近接する様に、前記ミラー１１が傾斜して設けられている。又前記ハーフミラーホルダ１９は前記ピン２０を中心に、又前記ミラーホルダ２１は前記ピン２２を中心にそれぞれ回転させることで、前記光軸５と前記光軸９間の傾斜を調整できる様になっている。尚、前記光軸５を基準として、前記ハーフミラーホルダ１９を固定し、前記ミラーホルダ２１を回転させて前記光軸５と前記光軸９間の相対的な傾斜を調整してもよい。

前記撮像装置１７は、前記光軸５、前記光軸９が前記撮像装置１７の対物レンズに入射する様に設置され、又前記撮像装置１７の光軸は、前記光軸５と前記光軸９間の中心に位置する様に、前記光軸５に対して傾斜して前記装置ベース１５に設置されている。

前記撮像装置１７は、前記対物レンズの前記光路分割ユニット１６側に、且つ前記光軸５上に設置される第１光楔部材２４を有する。尚、該第１光楔部材２４は前記受光素子８と対峙した状態で設けられるのが好ましい。

又、前記撮像装置１７は、前記対物レンズの前記光路分割ユニット１６側に、且つ前記光軸９上に設置される光路長調整光学部材１３を有する。該光路長調整光学部材１３の前記撮像装置１７側の端面（好ましくは、前記受光素子８と対峙する端面）は、前記ハーフミラーホルダ１９に対して傾斜した傾斜端面となっている。該傾斜端面により、前記光軸９を傾斜分に相当する分だけ偏向する様になっている。従って、前記傾斜端面を形成することで、前記光路長調整光学部材１３を第２光楔部材として機能させることができる。又、前記光路長調整光学部材１３は上記した様に、前記光軸５と前記光軸９の光学長を同一にする作用も有する。

前記光軸５及び前記光軸９は、受光素子８上に所要距離、離れた位置に入射し、前記光軸５と前記光軸９の前記受光素子８上での離間距離は、後述する前記ハーフミラー６を透過したλ１の光束２６ａによる投影像と前記ハーフミラー６で分割されたλ２の光束２６ｂによる投影像が重ならない距離とされる。更に、前記受光素子８上での前記光軸５と前記光軸９との位置は、前記ミラーホルダ２１を前記ピン２２を中心に回転させ、前記光軸９の傾斜を調整することで、λ１の光束２６ａによる投影像とλ２の光束２６ｂによる投影像が重ならない所望の関係に設定することができる。

又、図示される様に、前記ハーフミラー６、前記ミラー１１は大きく、分岐された直後の前記光軸５、前記光軸９間の距離は前記撮像装置１７の受光素子８に対して大きい。然し乍ら、前記ミラー１１により前記光軸９を前記光軸５に近接する様、傾斜される為、小型の受光素子８でも、λ１の光束２６ａとλ２の光束２６ｂを充分に受光させることができる。

更に、前記第１光楔部材２４、前記光路長調整光学部材１３の楔効果で前記光軸５、前記光軸９を微小に偏向させ、λ１の光束２６ａとλ２の光束２６ｂとの境界位置での重なりを防止し、前記受光素子８の受光面を有効に利用することができる。

図４（Ａ）、図４（Ｂ）を参照して、第３の実施例に係る温度分布観察装置の要部の概略構成を説明する。尚、図４（Ａ）、図４（Ｂ）中、図２、図３中で示したものと同等のものには同符号を付しその説明を省略する。

図４は、光路分割ユニット１６の他の例を示すものである。

該他の例では、ハーフミラー６を透過した光軸５上に、光路長調整用の光学部材を設けたものである。該光学部材として、菱形プリズム２８が用いられる。尚、他の光路長調整用の光学部材として光ファイバ等が挙げられる。

該菱形プリズム２８は平行の２つの反射面を有し、内部で前記光軸５を２回偏向し、入射光軸に対して射出光軸を平行とし、入射光軸と射出光軸間の距離だけ、光路長を長くしている。前記菱形プリズム２８が用いられることで、前記光軸９上に設けられる光路長調整光学部材１３の光路長調整機能が軽減され、該光路長調整光学部材１３の小型化が可能となる。

又、前記光路長調整光学部材１３の射出側端面と前記菱形プリズム２８の射出側端面とを相互に近接させることで、光束２６ａと光束２６ｂとを近接させることができる。この為、小さな受光素子８が用いられても、λ１の光束２６ａによる画像とλ２の光束２６ｂによる画像を支障なく取得できる。又、前記光路長調整光学部材１３の射出側端面と前記菱形プリズム２８の射出側端面とを前記受光素子８に間隙無く対峙させることで、前記光束２６ａと前記光束２６ｂが物理的に分離した状態で、前記受光素子８に入射するので、２色の画像が重なることはない。又、前記光路長調整光学部材１３としてプリズムが用いられる場合は、前記菱形プリズム２８に限らず、複数の反射面を有し、プリズムを透過することで光路長が長くなる様に構成されていればよい。

尚、前記光路長調整光学部材１３として、所要の屈折率を有する光学部材を光路（図示では光軸９）に挿入したが、前記光路長調整光学部材１３として集光レンズを挿入し、該集光レンズにより測定対象物の像が前記受光素子８上に結像される様にしてもよい。この場合は、２色の像の倍率が異なるが、画像処理により２色の像の倍率が同一となる様にいずか一方の像の倍率を補正してもよい。

１ 測定対象物
２ 観察ユニット
３ 演算装置
５ 光軸
６ ハーフミラー
７ 第１波長フィルタ
８ 受光素子
９ 光軸
１１ ミラー
１２ 第２波長フィルタ
１３ 光路長調整光学部材
２４ 第１光楔部材
２８ 菱形プリズム

Claims (7)

1. 測定対象物から放射される光を平行な光束とするレンズユニットと、該レンズユニットを透して測定対象物から入射する前記光束を第１分割光束、第２分割光束に分割する光束分割手段と、前記第１分割光束、前記第２分割光束のそれぞれの光路に設けられた選択波長の異なる第１波長フィルタ、第２波長フィルタと、前記第１波長フィルタ、前記第２波長フィルタを透過した前記第１分割光束、前記第２分割光束を受光する１つの受光素子と、前記２つの光路の少なくとも一方に光路長調整光学部材を設け、前記２つの光路の光学長を等しくし、前記受光素子が受光した前記第１分割光束、前記第２分割光束の信号に基づき２色測温法により測定対象物の温度状態を演算する演算装置とを具備したことを特徴とする熱画像観察装置。
2. 前記光束分割手段は、入射される光束を前記第１分割光束、前記第２分割光束に分割するハーフミラーと、該ハーフミラーによって反射された前記第２分割光束の光軸を前記ハーフミラーを透過した前記第１分割光束の光軸と平行に偏向するミラーとを有し、前記第１分割光束、前記第２分割光束は前記受光素子上で重ならない様に前記ハーフミラー、前記ミラーが構成された請求項１の熱画像観察装置。
3. 前記ハーフミラー、前記ミラーのいずれか一方を回転可能として前記第１分割光束、前記第２分割光束間の光軸の傾斜を調整可能とし、前記受光素子上に於ける前記第１分割光束の投影位置、前記第２分割光束の投影位置を所望の関係に設定可能とした請求項２の熱画像観察装置。
4. 前記光路長調整光学部材は、前記２つの光路の光学長が等しくなる様に、屈折率と光束が透過する光路長が選択された請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の熱画像観察装置。
5. 前記光路長調整光学部材は、複数の反射面を有し、該光路長調整光学部材を光束が透過することで光路長が長くなる様に構成された請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の熱画像観察装置。
6. 前記第２分割光束の光軸、前記第１分割光束の光軸の少なくとも一方の、前記受光素子と対峙した位置に光楔部材を設けた請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の熱画像観察装置。
7. 前記光路長調整光学部材の前記受光素子と対峙する端面を傾斜させ、前記光路長調整光学部材を光楔部材として機能させた請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の熱画像観察装置。

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