JP2021060325A - Two-colour temperature measuring sensor and temperature measurement device using the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、2色温度計測センサー及びそれを用いた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。 The present invention relates to a two-color temperature measurement sensor and a temperature measurement device using the same, and is particularly suitable for measuring temperature distribution information of an object by using a two-color temperature method using a multi-wavelength single plate camera. is there.
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、2)。
Conventionally, a camera that uses a color camera to form temperature information of an object in an imaging means by an imaging system and measures the temperature information of the object by using a two-color temperature method using an output signal from the imaging means is known. (
特許文献1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。
In
特許文献2では、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、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いる。そして、画像センサーからの出力信号より、物体の所定領域の温度情報を求めている。
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。 If an infrared camera is used to measure the temperature of an object, the temperature distribution of each part of the object can be known.
このとき、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(Ratio Temperature、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という特徴がある。このとき、図7に示すように互いに異なった2つの波長領域の光束を各々通過するフィルター要素71、72を複数個モザイク状に配列したモザイクフィルター70を用いるとモザイクフィルターの第1の波長域71aの受光素子(センサー)71bに、本来の放射に加えてモザイクフィルターの第2の波長域72aを斜めに通過した光の一部がまた受光素子72bで反射した後に入射し、混合して光学的クロストークが発生する。この結果温度計測に際してS/Nが低下して検出精度が低下してくる場合がある。
At this time, the radiation in two wavelengths (wavelength range) of the object is measured, the ratio of the two is calculated, and the temperature of the blackbody showing the same value is set as the temperature of the object (Ratio Temperature, two-color temperature). ) Measurement can accurately measure the temperature of an object as long as the radiation rates at both wavelengths are the same. The single-plate color camera is characterized in that no error occurs due to the principle of specific temperature measurement even if the environmental temperature changes. At this time, as shown in FIG. 7, if a
これを防止するためには複数のフィルター要素の隣接するフィルター要素間に、遮光マスクを設けるのが良い。 In order to prevent this, it is preferable to provide a light-shielding mask between the adjacent filter elements of the plurality of filter elements.
しかしながらこのときの遮光うマスクを受光素子面状に精度良く形成するのは難しく、また工程が増加しコスト高の要因となる。 However, it is difficult to accurately form the light-shielding mask at this time on the surface of the light-receiving element, and the number of steps increases, which causes an increase in cost.
本発明はフィルター素子間に設ける遮光マスクを容易にしかも高精度に形成することができ2色温度法により物体の温度情報を高精度に測定できる2色温度計測センサー及びそれを用いた温度計測装置の提供を目的とする。 The present invention is a two-color temperature measurement sensor capable of easily and highly accurately forming a light-shielding mask provided between filter elements and capable of measuring the temperature information of an object with high accuracy by the two-color temperature method, and a temperature measuring device using the same. The purpose is to provide.
本発明の2色温度計測センサーは、多波長の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モザイクセンサーと、互いに異なった2つの波長域の光束を通過する2種類のフィルター要素を複数個モザイク状に隣接するフィルター要素の光通過波長域が互いに異なるように配列した2色モザイクフィルターを有し、前記モザイクセンサーと前記2色モザイクフィルターの双方を、前記モザイクセンサーを構成する1つの受光素子と、前記2色モザイクフィルターを構成する1つのフィルター要素が互いに重なるように重ね合わせた2色温度計測センサーであって、
前記1つのフィルター要素の大きさは前記1つの受光素子の大きささりも大きく、1つのフィルター要素の周辺部の1部は隣接する他のフィルター要素の周辺部と重複していることを特徴としている。
The two-color temperature measurement sensor of the present invention includes a mosaic sensor in which a plurality of light receiving elements capable of recording multi-wavelength images are arranged in a mosaic pattern, and two types of filter elements that pass light rays in two different wavelength ranges. It has a two-color mosaic filter in which a plurality of filter elements adjacent to each other in a mosaic pattern are arranged so that the light passing wavelength ranges are different from each other, and both the mosaic sensor and the two-color mosaic filter constitute one that constitutes the mosaic sensor. A two-color temperature measurement sensor in which a light receiving element and one filter element constituting the two-color mosaic filter are overlapped with each other so as to overlap each other.
The size of the one filter element is also large, and one part of the peripheral portion of one filter element overlaps with the peripheral portion of another adjacent filter element. ..
このとき、前記モザイクセンサーの受光素子の配列ピッチと前記2色モザイクフィルターのフィルター要素の配列ピッチは同じである。また、前記2色モザイクフィルターは、第1波長モザイクフィルターと第2波長モザイクフィルターを有し、前記第1波長モザイクフィルターのフィルター要素と前記第2波長モザイクフィルターのフィルター要素のピッチは同じであり、前記第1波長モザイクフィルターのフィルター要素と前記第2波長モザイクフィルターのフィルター要素のピッチは前記受光素子の配列ピッチの2倍である。 At this time, the arrangement pitch of the light receiving elements of the mosaic sensor and the arrangement pitch of the filter elements of the two-color mosaic filter are the same. Further, the two-color mosaic filter has a first wavelength mosaic filter and a second wavelength mosaic filter, and the pitch of the filter element of the first wavelength mosaic filter and the filter element of the second wavelength mosaic filter is the same. The pitch of the filter element of the first wavelength mosaic filter and the filter element of the second wavelength mosaic filter is twice the arrangement pitch of the light receiving element.
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2色温度計測センサー及びそれを用いた温度計測装置が得られる。 According to the present invention, it is possible to obtain a two-color temperature measurement sensor capable of accurately measuring the temperature distribution of an object by using specific temperature measurement using a single plate type camera, and a temperature measuring device using the same.
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、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。 The temperature measuring device of the present invention uses a single-plate multi-wavelength camera. The single-panel multi-wavelength camera has features such as a simple structure, easy manufacturing, and a good balance of output signals from each light receiving element in response to changes in the sensor environment.
図1において、11は温度計測装置である。温度計測装置11は物体の画像情報を撮影レンズ12で2色温度計測センサー13に形成する2色温度計測センサー13からの出力信号を信号処理手段14で処理する。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温度計測手段15で求めている。
In FIG. 1, reference numeral 11 denotes a temperature measuring device. The temperature measuring device 11 processes the output signal from the two-color
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に対する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。温度計測手段15からの出力信号に基づいて物体の温度情報を表示手段16に表示する。温度計測手段15からの出力信号を加熱炉の制御等に供することもできる。
The temperature measuring means 15 has two colors from the signal extraction unit 15a that extracts the output signal from the predetermined light receiving element for one filter element among the output signals from the signal processing means 14, and the output signal extracted by the signal extraction unit 15a. It has a specific
図2は本発明の温度計測装置を構成する一部分の2色温度計測用センサー13の要部断面図である。
FIG. 2 is a cross-sectional view of a main part of the two-color
図3は本発明の温度計測装置を構成する一部分の2色モザイクフィルター2の要部平面図である。
FIG. 3 is a plan view of a main part of the two-
2色温度計測用センサー13はモザイクセンサー1と2色モザイクフィルター2を有する。
The two-color
図4はモザイクセンサー1の要部平面図である。
FIG. 4 is a plan view of a main part of the
図5(A)、(B)は2色モザイクフィルター2に含まれる第1波長モザイクフィルター2λ1と第2波長モザイクフィルター2λ2の要部平面図である。
5A and 5B are plan views of the main parts of the first wavelength mosaic filter 2λ1 and the second wavelength mosaic filter 2λ2 included in the two-
図4において、1は多波長の画像が記録可能な複数の受光素子1aをモザイク状に配置したモザイクセンサーである。
In FIG. 4,
本実施例では、受光素子1aの受光面積は20μ×20μであり、複数の受光素子1aはピッチPaが20μでモザイク状(2次元的)に配置されている。
In this embodiment, the light receiving area of the light receiving
2色モザイクフィルター2は、第1波長モザイクフィルター2λ1と第2波長モザイクフィルター2λ2を有している。
The two-
図5(A)は第1波長モザイクフィルター2λ1の要部平面図である。 FIG. 5A is a plan view of a main part of the first wavelength mosaic filter 2λ1.
第1波長モザイクフィルター2λ1は第1波長フィルター2Gを複数個、モザイク状に配列した構成よりなっている。
The first wavelength mosaic filter 2λ1 has a configuration in which a plurality of
図6に示すように、第1波長フィルター2Gの主たる光透過波長域2Gtは波長785nm〜815nmであり、また、光通過領域大きさは24μ×24μである。
As shown in FIG. 6, the main light transmission wavelength range 2Gt of the
第1波長フィルター2Gは複数個、ピッチP2Gが40μ(2×20μ)でモザイク状に配列されている。
A plurality of
図5(B)は第2波長モザイクフィルター2λ2の要部平面図である。 FIG. 5B is a plan view of a main part of the second wavelength mosaic filter 2λ2.
第2波長モザイクフィルター2λ2は第2波長フィルター2Rを複数個、モザイク状に配列した構成よりなっている。
The second wavelength mosaic filter 2λ2 has a configuration in which a plurality of
図6に示すように、第2波長フィルター2Rの主たる光透過波長域2Rtは波長950nm〜990nmであり、また、光通過領域の大きさは24μ×24μである。
As shown in FIG. 6, the main light transmission wavelength range 2Rt of the
第2波長フィルター2Rは複数個、ピッチP2Rが40μ(2×20μ)でモザイク状に配列されている。
A plurality of
2色温度計測センサー13の構成は次のとおりである。
The configuration of the two-color
第1波長モザイクフィルター2λ1と第2波長モザイクフィルター2λ2は重ね合わされる。 The first wavelength mosaic filter 2λ1 and the second wavelength mosaic filter 2λ2 are superposed.
このとき図5(A)、(B)に示すように第1波長フィルター2G間の中心点2G1が第2波長フィルター2Rの中心点2R1と一致するように重ね合される。
At this time, as shown in FIGS. 5A and 5B, the center point 2G1 between the
さらにモザイクセンサー1と2色モザイクフィルター2が重ね合されている。このときモザイクセンサー1の受光素子1aの中心点1a1が第一波長フィルターG1の中心点2G1(又は第2波長フィルター2Rの中心点2R1と重なるように構成されている。
Further, the
このとき、第1波長フィルター2Gの外周部と第2波長フィルター2Rの外周部の重複する領域は外周部で2μの長さである。
At this time, the overlapping region of the outer peripheral portion of the
従って受光素子1aの有効面積は16μ×16μ(256μ2)となる。フィルターのないときは20μ×20μ(400μ2)である。従って受光素子1aの光利用効率は0.64となる。
Therefore, the effective area of the
図2、図3に示すように図2、図3に示すように第1波長モザイクフィルター2λ1の第1波長フィルター2Gの外周部の一部と第2波長モザイクフィルター2λ2の第2波長フィルター2Rの外周部の一部は重複する。
As shown in FIGS. 2 and 3, as shown in FIGS. 2 and 3, a part of the outer peripheral portion of the
そして図2に示すように重複した領域に入射した光は全て遮光されてモザイクセンサー1に入射しなくなる。これによりクロストークの発生を低減している。
Then, as shown in FIG. 2, all the light incident on the overlapping regions is blocked and does not enter the
本実施例の温度計測装置では2色温度計測センサー13に入射した光(400nm〜1000nm)のうち主に波長785nm〜815nmの光は第1波長フィルター2Gを通過したのち受光素子1aaに入射する。
In the temperature measuring device of this embodiment, of the light (400 nm to 1000 nm) incident on the two-color
また主に波長950nm〜990nmの光は第2波長フィルター2R通過したのち受光素子1aaに入射する。
Further, mainly light having a wavelength of 950 nm to 990 nm passes through the
図2に示すように第1波長フィルター2Gと第2波長フィルター2Rとの重なった領域に入射した光は第1波長フィルター2Gと第2波長フィルター2Rで遮光されて受光素子1aに入射しない。
As shown in FIG. 2, the light incident on the overlapping region of the
本実施例では以上の構成により光学的クロストークを軽減している。そして受光素子1aで検出される光を利用して2色温度計測を行い対象物の温度情報を得て物体の温度情報を表示手段16に表示している。
In this embodiment, the optical crosstalk is reduced by the above configuration. Then, the two-color temperature measurement is performed using the light detected by the
本発明における2色温度計測センサー13の制作方法は次のとおりである。
工程1 多層膜蒸着法等により、第1波長モザイクフィルター2λ1を作成する。
工程2 第2波長モザイクフィルター2λ2を別個に作成する。
工程3 第1波長モザイクフィルター2λ1と第2モザイクフィルター2λ2の膜面同士をモザイク状に貼り合わせる。
工程4 モザイクフィルター2をモザイクセンサー1に貼り付ける。この方法において、フィルター基材の一面に第1波長モザイクフィルターを形成し、他面に第2波長モザイクフィルターを形成してもよい。
The method for producing the two-color
Step 4 The
なお次の方法でも製作が可能である。
工程1 基板材料の第2波長モザイクフィルター2λ2の各モザイク領域において、センサー画素各辺から各々所定量少ない部分にマスク材を設置する。
工程2 多層膜蒸着法等により、基板前面に第1波長モザイクフィルター2λ1を作成する。
工程3 第2波長モザイクフィルター2λ2領域のマスクを除去する。
工程4 基板材料の第1波長の各モザイク領域に、センサー画素各辺から各々所定量少ない部分にマスク材を設置する。
工程5 多層膜蒸着法等により、基板前面に第2波長モザイクフィルター2λ2を作成する。
工程6 第1波長領域のモザイクフィルター上のマスクを除去する。
工程7 モザイクフィルターをモザイクセンサーに貼り付ける。
It can also be manufactured by the following method.
Step 2 A first wavelength mosaic filter 2λ1 is produced on the front surface of the substrate by a multilayer film deposition method or the like.
Step 4 A mask material is installed in each mosaic region of the first wavelength of the substrate material in a portion smaller by a predetermined amount from each side of the sensor pixel.
Step 5 A second wavelength mosaic filter 2λ2 is produced on the front surface of the substrate by a multilayer film deposition method or the like.
Step 6 Remove the mask on the mosaic filter in the first wavelength region.
なお本発明によれば次の効果も得られる。
・画像を2波長で取得して、その比から計測Dataを得る二色温度法やバイオ計測等に供する目的で、単一センサーにモザイク状にフィルターを構成することにより、画像センサーの周囲温度等環境の影響を回避する画像センサーを容易に作成することができる。
・光学クロストークを防止するためのマスクの作成が不要となる。
・2波長モザイクフィルター付き画像センサーより少ない工程で作成することができる。
・2波長に限らず多波長モザイクフィルター付き画像センサーをより短時間、低コストで作成することができる。
・工程の削減により不良率の低減ができる。
・複数画素を包括するモザイクフィルターを構成することにより高感度化が可能
According to the present invention, the following effects can also be obtained.
-The ambient temperature of the image sensor, etc. by configuring a filter in a mosaic pattern on a single sensor for the purpose of using it for two-color temperature method, bio-measurement, etc. Image sensors that avoid the effects of the environment can be easily created.
-It is not necessary to create a mask to prevent optical crosstalk.
-It can be created in fewer steps than an image sensor with a two-wavelength mosaic filter.
-It is possible to create an image sensor with a multi-wavelength mosaic filter, not limited to two wavelengths, in a shorter time and at lower cost.
・ The defective rate can be reduced by reducing the number of processes.
・ High sensitivity is possible by configuring a mosaic filter that includes multiple pixels.
I モザイクセンサー
2 2色モザイクフィルター
11 温度計測装置
12 撮影レンズ
13 2色温度計測センサー
14 信号処理手段
15 温度計測手段
16 表示手段
I
Claims (4)
前記1つのフィルター要素の大きさは前記1つの受光素子の大きささりも大きく、1つのフィルター要素の周辺部の1部は隣接する他のフィルター要素の周辺部と重複していることを特徴とする2色温度計測センサー。 A mosaic sensor in which a plurality of light receiving elements capable of recording a multi-wavelength image are arranged in a mosaic pattern, and a filter element in which a plurality of two types of filter elements that pass light rays in two different wavelength ranges are arranged in a mosaic pattern. It has a two-color mosaic filter arranged so that the light passing wavelength ranges are different from each other, and both the mosaic sensor and the two-color mosaic filter are provided with one light receiving element constituting the mosaic sensor and the two-color mosaic filter. It is a two-color temperature measurement sensor that is superposed so that one of the constituent filter elements overlaps with each other.
The size of the one filter element is also large, and one part of the peripheral portion of one filter element overlaps with the peripheral portion of another adjacent filter element. Two-color temperature measurement sensor.
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