JP2020038107A

JP2020038107A - 温度計測装置

Info

Publication number: JP2020038107A
Application number: JP2018165055A
Authority: JP
Inventors: 臼井寛之; Hiroyuki Usui; 三井健司; Kenji Mitsui
Original assignee: Mitsui Photonics Ltd
Current assignee: Mitsui Photonics Ltd
Priority date: 2018-09-04
Filing date: 2018-09-04
Publication date: 2020-03-12

Abstract

【課題】単板式カメラを用いて比温度計測を利用して物体の温度分布を正確に測定することができる温度計測装置を提供する。【解決手段】物体の画像情報を撮像手段１１ｂに形成する撮像系１１、撮像手段として物体の多波長画像が記録可能な受光素子を複数個、モザイク状に配列した画像センサー１３と、互いに異なった２つの波長領域の光束を各々通過するフィルター要素を複数個モザイク状に配列したモザイクフィルター１２を有し、モザイクフィルターは画像センサーの光入射側に設けられており、モザイクフィルターを構成する複数のフィルター要素１２ａの１つは、画像センサーを構成する複数の受光素子１３ａのうち複数個の受光素子を含む受光素子部１３ｂを覆うように構成されており、画像センサーからの出力信号を処理する信号処理手段１４、信号処理手段からの出力信号より物体の所定領域の温度情報を求める温度計測手段１５と、を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、温度計測装置に関し、特に物体の温度分布情報を多波長単板カメラを用いて２色温度法を利用して計測する際に好適なものである。

従来、カラーカメラを利用して、物体の温度情報を撮影系により撮像手段に形成し、撮像手段からの出力信号を利用して２色温度法を用ちいて物体の温度情報を計測するカメラが知られている（特許文献１）。

赤外線カメラでは赤外領域の放射を画像センサー（赤外線センサー）で受光、その強さの分布を濃淡で画像として表現している。カラーカメラのうち単板式カラーカメラでは１つの撮像手段を用い、その各画素（受光素子）の光入射側にＲ，Ｇ，Ｂのモザイク状のカラーフィルターを装着して各画素よりＲ，Ｇ、Ｂの信号を算出している。単板式カラーカメラで用いるＣＣＤまたはＣ−ＭＯＳ撮像デバイス〔撮像手段〕は複数の画素を２次元的に配置し、画素の１つ１つに対応してＲ，Ｇ、Ｂのモザイクカラーフィルターを対抗配置している。

特開２００１−１５７２１４号公報

物体の温度計測に赤外線カメラを使用すれば、物体の各部の温度分布を知ることができる。しかしながら、赤外線カメラは放射温度を測定するものである。このため物体の放射温度から眞温度を知るためには、放射率や測定物体までの透過率などによる補正が必要になる。これに対して物体の２つの波長（波長域）における放射を測定し、両者の比を算出して、同じ値を示す黒体の温度をその物体の温度とする比温度（ＲａｔｉｏＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，２色温度）計測は、両波長における放射率が同値である限り物体の温度を正確に計測することができる。単板式カラーカメラでは環境温度の変化があっても、比温度測定の原理から誤差は発生しない。

本発明は単板式カメラを用いて比温度計測を利用して物体の温度分布を正確に測定することができる温度計測装置の提供を目的とする。

本発明の温度計測装置は、
物体の画像情報を撮像手段に形成する撮像系、前記撮像手段は物体の多波長画像が記録可能な受光素子を複数個、モザイク状に配列した画像センサーと、互いに異なった２つの波長領域の光束を各々通過するフィルター要素を複数個モザイク状に配列したモザイクフィルターを有し、前記モザイクフィルターは前記画像センサーの光入射側に設けられており、前記モザイクフィルターを構成する複数のフィルター要素に１つは、前記画像センサーを構成する複数の受光素子のうち複数個の受光素子を含む受光要素を覆うように構成されており、前記画像センサーからの出力信号を処理する信号処理手段、前記信号処理手段からの出力信号より前記物体の所定領域の温度情報を求める温度計測手段と、を有することを特徴としている。

本発明によれば、単板式カメラを用いて比温度計測を利用して物体の温度分布を正確に測定することができる温度計測装置が得られる。

本発明の温度計測装置の要部概略図光学的クロストークの説明図各波長での放射量の説明図ビンニングの説明図本発明にかかるモザイクフィルターの説明図本発明にかかるモザイクフィルターと受光素子要部の説明図本発明にかかるモザイクフィルターと受光素子要部の説明図本発明にかかる遮光マスクの説明図

本発明の温度計測装置では単板式の多波長カメラを用いている。単板式の多波長カメラでは、構造が簡単で製造が容易であり、画像センサーの環境の変化に対して、各受光素子からの出力信号のバランスが良いなどの特徴がある。

しかしながら単板式の多波長カメラでは多板式の多波長カメラ例えば３波長カメラに比べて解像度が１／３に低下し、これを補完で対応する必要がある。各波長の感度が１／３に低下し、また、各波長間の受光素子に光学的クロストークが発生するなどの課題がある。

本発明の温度計測装置ではモザイクフィルターを用いた単板式の多波長カメラを２色温度法を利用して物体の温度分布を測定する。多波長カメラを用いて２色温度法（ＲａｔｉｏＲａｄｉｏｍｅｔｒｙ）にて物体の温度情報を得るには、多波長カメラからの出力の例えば赤色と緑色が同率で変化するため、その影響を受けないというメリットがある。

しかしながら、例えば９００°Ｃ程度の低温度の物体の温度計測では可視域の放射が少ない。このためモザイクフィルターを使用することが困難である。

本発明は比較的低温の物体をモザイクフィルターを装着した多波長カメラからの出力信号をもとに２色温度法による温度計測するのに好適な温度計測装置である。なお、本発明の温度計測装置は２色温度法による計測に限るものではない。

図１は本発明の温度計測装置の要部概略図である。

図１において、１１は物体の画像情報を撮影レンズ１１ａで撮像手段１１ｂに形成する撮像系である。１４は撮像手段１１ｂからの出力信号を処理する信号処理手段である。
１５は信号処理手段１４からの出力信号より物体の所定領域の温度情報を求める温度計測
手段である。

撮像手段１１ｂは物体のカラー画像(多波長画像）が記録可能な受光素子を複数個、モザイク状に配列した画像センサー１３と、互いに異なった２つの波長領域の光束を各々通過するフィルター要素を複数個モザイク状に配列したモザイクフィルター１２を有する。

モザイクフィルター１２は画像センサー１３の光入射側に設けられており、モザイクフィルター１２を構成する複数のフィルター要素１２ａの１つは、画像センサー１３を構成する複数の受光素子１２ａのうち複数個の受光素子を含む受光素子要部（受光要素）１３を覆うように構成されている。

温度計測手段１５は、信号処理手段１４からの出力信号のうち１つのフィルター要素１２ａに対する複数個の受光素子を含む受光素子部１３ｂより所定の受光素子からの出力信号を抽出する信号抽出部１５ａ、信号抽出部１５ａで抽出された出力信号から２色温度法を利用して物体の温度情報を得る比温度計測部１５ｂを有する。１６は温度計測手段１５からの出力信号に基ついて物体の温度情報を表示する表示手段である。

信号抽出部１５ａは１つのフィルター要素に対する複数の受光素子からのうち任意の複数個（例えば３×３＝９個）の受光素子からの出力信号を合算して出力する。そして複数のフィルター要素１２ａの隣接するフィルター要素間には、遮光マスク１７が設けられている。

本発明の温度計測装置ではモザイクフィルター１２を用いた単板式の多波長カメラを用いている。この時光学的クロストークを低減して高精度な温度計測を行っている。一般的に、クロストークは電気信号のある回線が他の回線に対して容量等で結合し、信号が混ざり合う状況を言うが、ここでいう光学的クロストークは、図２に示すようにモザイクフィルター１２の、第１の波長域の受光素子（センサー）に、本来の放射に加えてモザイクフィルター１２の第２の波長域を通過した放射が入射し、混合する現象を言う。クロストークがあると温度計測に際してＳ／Ｎが低下して検出精度が低下する。

各実施例の温度計測装置では低温度の物体の温度計測に際して計測感度を向上させている。３００℃等の比較的低温域の物体からの熱放射の量について説明する。計測対象の物体から発せられる放射の量はＰｌａｎｃｋの放射測で表現される。

ここで、Ｍ_λ：波長λにおける放射の強さ
λ：波長μｍ
ｃ_１：第一放射定数＝２πｃ^２ｈ＝３．７４１８４４Ｘ１０^−１６［Ｗｍ^２］
ｃ_２：第二放射定数＝ｃｈ／ｋ＝１．４３８７６９Ｘ１０^−２［ｍＫ］
Ｔ：絶対温度（Ｋｅｌｖｉｎ）
ε：λにおける放射率
τ：λにおける介在物の透過率
図３は３００〜１０００℃の黒体（放射率ε＝１）放射量の分布を、波長７００〜１０００ｎｍにおいて図示したものである。１０００℃における放射量に比して３００℃の放射量が極端に少ないことが理解できる。温度計測においては、温度変化に対する放射の変化が大きいので、これに対応する必要がある。その方法と問題点は次のとおりである。
・撮影系の開口絞りを調整減衰のみの対応であり、かつ諸収差が変動するので不可
・露光時間の調整減衰のみの対応
・出力アンプ増幅が可能であるが信号／ノイズの悪化と直線性の劣化が発生
・画素出力の加算画素数が減じるが良好（複数のフォトダイオード出力を加算）
一般に画像センサーからのセンサー出力のアンプの増幅度を上昇させることで対応できるが、Ｓ／Ｎ比が悪化するうえ入射に対する出力の直線性が失われる等事象が発生するので望ましくない。

また、Ｓ／Ｎや出力／入射のリニアリティーを劣化させることなく出力を増加させる方法として複数画素（フォトダイオード）から出力を加算する方式がある。

モノクローム・カメラではビンニングと称して周囲画素出力を加算させる方法が実行される。これにより面積解像度は加算分低下するが、感度は加算分増加する。図４の例では縦、横各２、計４画素（受光素子）のからの出力を加算して、一つの受光素子からの出力としている。

複数の受光素子からの信号を加算する方法は、画像センサーからの出力前にアナログ的に実行される場合と、出力後ディジタル的に行われる場合がある。これにより、画素数は１／加算数になるが、出力は加算数倍になる。またアナログ的に実行された場合はノイズが低減されるメリットがある。

この方法は、モノクローム・カメラや、３センサーカラーカメラでは有効であるが、モザイク方式カラーセンサーでは赤、緑、青が混合されるので、この方法を用いるのは困難である。

画像による温度分布計測では、被計測対象の温度境界が緩慢で急激に変化するケースが稀である。従って画素数が要求されるケースが少ないので、ビンニング法の適応が望まれる。

また二色温度法では３波長ではなく２波長による計測のみでよいが、両波長のクロストークは可能な限り回避するのが良い。光学的クロストークは受光素子の受光面とモザイクフィルターの間隔がある場合に生ずる。

本発明ではこのような問題に対応し、感度を増強しつつ、クロストークを減ずるモザイクフィルターを用いている。

図５は本発明に係るモザイクフィルター１２と画像センサー１３との関係を示す。１２はモザイクフィルターであり複数のフィルター要素１２ａをモザイク状に配列している。１３ａは画像センサー１３を構成する１つの受光素子（フォトダイオード）である。１２ａ１は第１波長のフィルター要素であり３×３の受光素子（受光素子要素）を覆っている。１２ａ２は第２波長のフィルター要素であり３×３の受光素子（受光素子要素）を覆っている。

正方形状の９つの受光素子を覆うよう第１波長のフィルター要素１２ａ１を配置する。隣接して９つの受光素子１３ａを覆うように第２波長のフィルター１２ａ２を配置する。９つの受光素子を組みとして全受光面にモザイク状にフィルター要素１２を配置する。

１０００℃程度の比較的高温域の物体の温度測定には、クロストークを極力避けるクロストーク排除モードでフォトダイオードの出力を読み取る。５００℃以下の比較的低温の物体の温度測定では、高感度モードで受光素子からの出力を読み取る。

図６を用いてクロストークの排除モードを用いた画像センサーからの出力の読み取り方法を説明する。

比較的高温で計測対象からの放射が強い場合は受光素子からの読み取りをクロストーク排除モードとする。

図６において、１３ａ１は第１波長の読み取り用の受光素子である。１３ａ２は第２波長の読み取り用の受光素子である。

モザイクフィルター１２の１区画（フィルター要素１２ａ）で囲まれた９つの受光素子（受光素子要素１３ｂ）のうちの、中心に位置する受光素子１３ａ１，１３ａ２からの出力のみを、温度計算に用いる。これにより、面積解像度は１／３となるが光学的クロストークの影響をほぼ完全に排除することができる。

次に図７を用いてクロストークの低減と高感度モードを用いた画像センサーからの読み取りについて説明する。

図７において、１２ａ１は第１波長フィルター要素である。１２ａ２は第２波長フィルター要素である。１３ｂ１は第１波長の読み取り用の受光素子である。１３ｂ２は第２波長の読み取り用の受光素子である。

モザイクフィルター１２の同一区分（フィルター要素１２ａ１，１２ａ２）を受光する９つの受光素子よりなる受光素子要素１３ｂ１，１３ｂ２からの出力を加算する。これにより出力が９倍となり、低温域の計測に有利となる。さらに「信号／光学的クロストーク」が３倍となり、光学的クロストークの低減にも有効である。

図８はモザイクフィルター１２に遮光マスク１７を付加した時の説明図である。クロストークの低減と高感度モードを用いてさらにクロストークを低減するためにモザイクフィルター１２の１区分の境界に遮光マスク１７を設けている。これによりクロストークをさらに低減する。この時出力信号は３×３＝９（倍）となる。ここで遮光マスクを設置しないときには９つの受光素子の辺は３６辺である。遮光マスク１７を用いた時の９つの受光素子の辺は１２となる。これよりクロストークの発生率は１２／３６＝１／３となる。

以上のように日本発明の温度計測装置に拠れば次の効果が得られる。
・２波長を対象としたモザイクフィルターにより、単１の画像センサーで２波長の受光が可能となり二色温度法が実現できる。
・画像センサーの環境温度が変化しても、２波長の放射量の比から温度を算出する二色温度法では影響をうけにくい。
・９以上のフォトダイオード（受光素子）を単一のモザイクフィルターの１区画で覆った場合は、ほぼ完全にクロストークを排除できる。
・フォトダイオードからの出力を加算する高感度モードでは感度を加算数倍に高めることができ、より低温の計測が容易となる。
・比較的低温用としてフォトダイオードからの出力を加算した場合は、出力に対する光学的クロストークを（１／√加算数）に低減できる。
・フィルター覆うフォトダイオードの数は２以上の整数の２乗であればよく、２でも出力合算後の（クロストーク／出力）が１の場合の１／２となる。
・モザイクフィルターとフォトダイオードの位置ずれがあった場合でもクロストークを低減する事が出来る。

１１撮影系
１１ａ撮影レンズ
１１ｂ撮像手段
１２モザイクフィルター
１３画像センサー
１４信号処理手段
１５温度計測手段
１６表示手段
１７遮光マスク

Claims

物体の画像情報を撮像手段に形成する撮像系、前記撮像手段は物体の多波長画像が記録可能な受光素子を複数個、モザイク状に配列した画像センサーと、互いに異なった２つの波長領域の光束を各々通過するフィルター要素を複数個モザイク状に配列したモザイクフィルターを有し、前記モザイクフィルターは前記画像センサーの光入射側に設けられており、
前記モザイクフィルターを構成する複数のフィルター要素に１つは、前記画像センサーを構成する複数の受光素子のうち複数個の受光素子を含む受光要素を覆うように構成されており、
前記画像センサーからの出力信号を処理する信号処理手段、前記信号処理手段からの出力信号より前記物体の所定領域の温度情報を求める温度計測手段と、を有すること、
を特徴とする温度計測装置。
前記温度計測手段は、前記信号処理手段からの出力信号のうち前記１つのフィルター要素に対する前記複数個の受光素子より所定の受光素子からの出力信号を抽出する信号抽出部、前記信号抽出部で抽出された出力信号から２色温度法を利用して前記物体の温度情報を得る比温度計測部を有することを特徴とする請求項１に記載の温度計測装置。
前記信号抽出部は前記１つのフィルター要素に対する複数の受光素子からのうち任意の複数個の受光素子からの出力信号を合算して出力することを特徴とする請求項１または２に記載の温度計測装置。
前記複数のフィルター要素の隣接するフィルター要素間には、遮光マスクが設けられていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の温度計測装置。