JP5486732B2 - 赤外線放射温度計用の光学システム及びピント合わせ構造 - Google Patents

Description

本発明は非接触光学温度計に関し、特に光学システムの接眼レンズと対物レンズとも光学プローブの後端にて操作する赤外線放射温度計に関する。

赤外線放射温度計は、その光学システムを通じて目標の赤外線熱放射エネルギーを採集し、直接または間接（光ファイバでの伝送）的に赤外線温度測定センサーに集束し、電気信号に転換し、後続の回路処理を経て、測定温度を表示し、該当の電気信号を出力する。その光学システムの形式は次のように分けられる。
Ａ．対物レンズのみ付きで、ピント合わせができない。一般的には測定方向を指示するレーザー・ビームがある。この構造はもっとも単純で、主に簡単な低温、中温、高温赤外線放射温度計に用いられる。
Ｂ．対物レンズと接眼レンズが付くが、ピント合わせができない。この構造も簡単である。例えば、日本チノー社の携帯型赤外線放射温度計ＩＲ−ＨＳに用いられる。
Ｃ．対物レンズは、プローブの前端で操作してピント合わせができるが、接眼レンズはプローブの後端でピント合わせができない。この構造は、通常中温、高温赤外線放射温度計に多く用いられる。例えば、米国Ｒａｙｔｅｋ社のマラソンシリーズの赤外線放射温度計、米国ＩＲＣＯＮ社のＳＲ、及びＭｏｄｌｉｎｅ ３シリーズの赤外線放射温度計。
Ｄ．対物レンズは、プローブの前端で操作してピント合わせができ、接眼レンズはプローブの後端で操作してピント合わせができる。この構造は、通常に高付加価値のあるものに多く用いられ、本発明に関わる技術に近いである。例として、英国ＬＡＮＤ社と日本ミノルタ製ＴＲ−６３０、日本チノー社の携帯型赤外線放射温度計ＩＲ−ＡＨと一部の赤外線放射温度計ＩＲ−ＣＡ、及び上海協同物理研究所のＸＴＩＲ−Ｆシリーズ光ファイバ赤外線放射温度計がある。
Ｅ．対物レンズは、プローブの後端で操作してピント合わせができるが、プローブの後端にある接眼レンズはピント合わせができない。この構造は、複雑で、デザインが斬新で、少数の高付加価値のあるもののみに用いられ、本発明に関わる技術に近いである。例えば、英国ＬＡＮＤ社製のＳＹＳＴＥＭ ４（Ｓ４と略称）シリーズの固定式赤外線放射温度計及び米国ＩＲＣＯＮ社製 Ｍｏｄｌｉｎｅ ５シリーズの一体化赤外線放射温度計。

従来の技術の不足と欠陥は下記のとおりである。
ａ．対物レンズは固定式なので、測定の物距離の変化によって測定の像距離を調節できない。光学集束の解像度が低いのである。
ｂ．接眼レンズはないため、目標の被測定物の正確な有効部位を観察、判断できない。環境の光線が明るいときまたは目標温度が高くて赤くなるとき、被測定面では、レーザーポインター（赤色）の指向する狙い効果を失ってしまう。
ｃ．接眼レンズはピント合わせできず、操作者の視力の差異によって、区切り面上の照準円（照準の十字）及び目標結像への観察に影響を与え、最高の対物レンズピント合わせ測定効果を達成できなくなる。
ｄ．対物レンズは、プローブの前端で操作してピント合わせを行い、エアスプレーと冷却水ジャケットの設置・使用による影響を受ける。
ｅ．ピント合わせ部分と動きスリットが露出し、長期間にオンラインで使用するとき、工業現場のオイル蒸気、埃に汚染・浸透されやすく、装置の故障の原因になり、使用に支障を与える可能性がある。手入れが不便である。
ｆ．対物レンズがピント合わせされた後、ロックできないまたはロックしにくく、忘れやすいため、オンライン使用時、被測定物の振動による影響を受けて測定結果の変化を引き起こす可能性がある。
ｇ．対物レンズがプローブの後端にてピント合わせする従来のハイエンド技術は、設計構造が複雑で、且つ接眼レンズがピント合わせできないという欠陥もある。例として、英国ＬＡＮＤ社のＳＹＳＴＥＭ ４（Ｓ４と略称）シリーズ固定式赤外線放射温度計がある。プローブの前端はシールドされ、後端にある対物レンズピント合わせリングを回転することによって、対物レンズの位置を移動しピント合わせする。ピント合わせの伝動構造の部品は、鋳物台、ピント合わせリング、歯車ユニット、伝動連結棒、スプリング、ねじ山などがある。スプリングの減衰作用を除き、ピント合わせロック装置を搭載しておらず、接眼レンズはピント合わせができない。

米国ＩＲＣＯＮ製Ｍｏｄｌｉｎｅ ５シリーズ一体化赤外線放射温度計は、対物レンズがプローブの前端に固定され、プローブの後端にある後部のシェールを回転することによって、内部芯を全体的直線位置移行として対物レンズのピント合わせを実現する。外部接続のケーブル接続台座を前半部のシェールに固定し、内部の数本のケーブルがピント合わせ時に頻繁に引っ張られる。ピント合わせロックは、プローブの前半部シェールに固定されるボルト台座を締めて、回転できるプローブの後半部のシェールを押し付ける。回転シェールの加工精度の高さを要求される。接眼レンズはピント合わせができない。

本発明の目的は次の問題を同時に解決できる全体的技術案を提供することである。

一切にエアスプレー及び冷却水ジャケットの設置・使用による影響を受けない。対物レンズと接眼レンズは、ピント合わせができる。ピント合わせの動く部分は、現場のオイル蒸気の汚染、浸透を受けない。

本発明が採用する技術スキームの主な特徴は、次のとおりである。

光学プローブの後端に、引っ張りで接眼レンズ用鏡筒及び回転でピント合わせできる対物レンズピント合わせリング、プローブが搭載される後部キャップが設計され、動くピント合わせ部分を保護できる上、対物レンズの測定像距離をロックしやすくなる。

本発明は、従来の技術と比べると、次のメリットがある。
１．操作性が高い。接眼レンズと対物レンズは光学プローブの後端でピント合わせし、操作しやすく、エアスプレー及び冷却水ジャケットの使用による影響を受けない。
２．信頼性が高い。後端の密封保護用キャップの汚染防止と測定像距離のロックという役目は、長期間に渡るオンライン使用の信頼性を高める。
３．測定精度と重複性が高い。接眼レンズと対物レンズの前後ピント合わせは、視力の異なった操作者が同様で最高な目視照準解像度、光学集束解像度及び測定精度が得られる。
４．手入れが便利である。外観がつやつやしてきれいな全密封型プローブは、汚染・浸透されにくく、汚れにくく、メンテや手入れがより便利（外部接続用インターフェースが使用しないとき密封キャップで守れている）である。
５．構造が簡単である。対物レンズがプローブの後端でピンと合わせを行う従来のハイエンド技術に比べて、デザインが精緻で、構造が簡単で、製造がたやすく、機能が整備されていて、適用範囲が広くて、産業実用性が高いのである。

本発明の光ファイバ赤外線放射温度計光学プローブの構造模式図である。 本発明の一体化赤外線放射温度計の構造模式図である。 本発明のエアスプレー付き光ファイバ赤外線放射温度計光学プローブの模式図である。 本発明のエアスプレーと冷却水ジャケット付き一体化赤外線放射温度計の模式図である。

図１に示すように、最適な実施形態は光ファイバ赤外線放射温度計光学プローブであり、ここで、
１．後ろに引っ張られた接眼レンズ用鏡筒（１００）は、前後部のねじ山で繋げる円筒及び中央部に搭載される接眼レンズ（１０１）を含み、前部円筒に直線位置決めスライド溝（１０２）が開けられ、後部円筒が目視照準用マスクとして、ヘッダ部直径がやや大きく、頚部リング溝にＯリング（１０３）が嵌められている。
２．左右回転できる対物レンズピント合わせリング（３００）は、その後端が直径のやや大きい手持ちローラーであり、中央部にリング型位置決めスライド溝（３０１）があり、前部の円筒に六角外側ねじ山が付いている。
３．直線で滑られる対物レンズ用鏡筒（２００）の前端に対物レンズ（２０１）を搭載し、前部円筒に直線位置決めスライド溝（２０２）が開き、中央部に上下貫通、両サイド繋げるスライド溝があり、後部円筒に六角内側ねじ山が付いている。
４．光学系ケーシング（５００）内に固定される分光鏡（４００）は、ヘッド４５°斜面に分光鏡（４０２）を搭載し、中央部に中心照準円を付ける区切り板（４０１）があり、前後部では直径の異なった円筒で、その間はねじ山で繋いでいて、前段の円筒上下は柱面を保留し、左右両サイドは平面で、後段円筒に位置決め孔とねじ（４０３）がある。
５．光学系ケーシング（５００）は、前端に光回路密封保護窓（５０１）を搭載し、前段に位置決め孔とねじ（５０２）がある。中央部の外側に赤外線集束点を受けるユニットの接続インターフェース（５０３）及び位置決め孔とねじ（５０４）を搭載している。後段に位置決め孔とねじ（５０５）がある。後端に外側ねじ山があり、逃げ溝にＯリング（５０６）が嵌められ、保護キャップ（５０７）が付いている。

最適な実施形態の全体的組立ステップは次のとおりとする。
１．接眼レンズ用鏡筒（１００）前段上の直線スライド溝（１０２）及び分光鏡（４００）後段上の位置決めねじ（４０３）を組立てる。
２．対物レンズ用鏡筒（２００）の後段と対物レンズピント合わせリング（３００）前段の六角内側、外側ねじ山を組み立てる。分光鏡（４００）の前段を対物レンズ用鏡筒（２００）の中段スライド溝に嵌める。
３．上記１）と２）の分光鏡（４００）の前段、後段のねじ山を繋いで、中央部に区切り板（４０１）を付ける。
４．上記３）を光学系ケーシング（５００）に挿入し、位置決め孔とねじ（５０２）と直線位置決めスライド溝（２０２）で対物レンズ用鏡筒（２００）同軸スリープ、直線移動可能な距離を限定し、光学系ケーシング（５００）に接続インターフェース（５０３）を設置する。
５．分光鏡（４０２）が光学系ケーシング（５００）中での位置を調節し、入射光が対物レンズ（２０１）と分光鏡（４０２）で反射された後の集束点がぴったり接続インターフェース（５０３）のセンターに当たる。分光鏡（４０２）を通して可視光集束点が区切り板（４０１）上の中心照準円に当たる。光学系ケーシング（５００）上の位置決め孔とねじ（５０４）を利用して分光鏡（４００）を固定し、位置決め孔とねじ（５０５）と対物レンズピント合わせリング（３００）中段上のリング型位置決めスライド溝（３０１）と組み合わせ、対物レンズピント合わせリング（３００）が光学系ケーシング（５００）の後端にて左右に回転させる。光学系ケーシング（５００）と後端の保護キャップ（５０７）はねじ山で連結し、全体的な組合せが完了する。

最適な実施形態のピント合わせ操作と保護方式は次とする。

接眼レンズ用鏡筒（１００）を引っ張って、接眼レンズ（１０１）と区切り板（４０１）との間の距離を変更し、接眼レンズ（１０１）で区切り面中心にある照準円をはっきり見取る。対物レンズピント合わせリング（３００）を回転し、対物レンズ用鏡筒（２００）に移動させ、対物レンズ（２０１）と区切り板（４０１）との間の距離を変更し、区切り面で目標の結像をはっきり見取る。照準円で目標の有効被測定区域を判断する。その際、目標放射の赤外線が分光鏡（４０２）で放射され、集束点が接続インターフェース（５０３）のセンターに当たる。挿入した光ファイバで遠隔の赤外線温度測定センサーに伝達し、光電交換と後続の回路処理を行い、被測定温度を表示し、該当の電気信号を出力する。上記操作が完了した後、後端にある保護キャップ（５０７）は接眼レンズ用鏡筒（１００）に軸方向に押し付けられて、対物レンズピント合わせリング（３００）を締める。対物レンズ（２０１）の測定像距離をロックし、柔軟性のＯリング（１０３）が弾性で対物レンズピント合わせリング（３００）への押し付けを微調整し、回転が減衰する度合いを増やし、全体的動きスリットのあるピント合わせ部分が密封され保護される。

図２に示すように、実施例２が前記光学システムをベースに、外部部品を増やし、完全した一体化赤外線温度計を構成した。ここで、
ａ）信号処理回路部品を搭載する組込式マイクロプロセッサシステムＰＣＢ板は、最も多くとも４枚の（７０１）、（７０２）、（７０３）、（７０４）がある。
ｂ）マン・マシン・インターフェース（７０５）は、４桁のＬＥＤデジタル表示機及び三つの機能操作ボタン、関連処理回路部品を含む。
ｃ）一体化本体シェール（６００）には、前部に光回路密封保護窓（６０１）、後部にＯリング（６０６）、該当の観察窓ガラス（６０２）付きの後端回転キャップ（６０７）、及び外部接続用ファイバーコンセント（６０３）がある。

図２に示す実施例２では、増加部分の設置位置及び本発明に記載の光学システムが構造上での組立を明示した。本体シェール（６００）の密封・保護を受ける光学系ケーシング（５００）は、前部の光回路密封保護窓（５０１）、Ｏリング（５０６）及び後部の保護キャップ（５０７）を取り付ける必要がない。接続インターフェース（５０３）は、赤外線温度測定センサーの台座として直接に利用できる。接眼レンズ用鏡筒（１００）で後部のマン・マシン・インターフェース（７０５）の設置に協力し、より長い焦点距離を持つ接眼レンズ（１０１）を選ぶか、または接眼レンズ（１０１）と（１０４）との組合せで延長する。上記の調整のほかに、その構造原理、ピント合わせ操作方式及びロック、保護特徴は、実施例１.とまったく同様である。回路部分が本発明内容に関係しないため、ここでは詳しく記述しない。

上記の一体化赤外線温度計に、バッテリー利用のシャーフトを設置し、バッテリー給電に改造し、後部の回転キャップ（６０７）を省いて、手持ち式の赤外線温度計に変更できる。

上記の一体化赤外線温度計中の一部の信号処理回路またはマン・マシン・インターフェースを分離し、単独した遠隔電気信号処理・表示・制御器に組立、残留部分が赤外線温度測定センサー及び一部電気信号処理回路を含む光学温度測定プローブになる。接続ファイバを加えれば、分離式赤外線放射温度計を構成する。

従った、本発明に記載の光学システム及びピント合わせ構造を用いて、様々な形式を持った赤外線放射温度計を作ることができると判明した。

図３は、本発明のエア（空気）スプレー付き光ファイバ赤外線放射温度計光学プローブの模式図を示す。

図４は、本発明のエアスプレーと冷却水ジャケット付き一体化赤外線放射温度計の模式図を示す。

現在までに、工業での応用のために設計制作されたオンライン式赤外線放射温度計は多数の種類がある。使用性能と使用場所において、それぞれメリットとデメリットがある。そのうち、
光ファイバ赤外線放射温度計の光学プローブのデザインは簡単で、内部にセンサーその他電子部品が含まれていない。通常には目視照準と光学ピントあわせを採用しない。メリットは、全体密封で、水冷式装置が必要されなく、高温環境で運転できる。欠点としては、光学解像度が低いことである。

一体化された分離式赤外線放射温度計の光学プローブ内部に、センサーその他電子部品が含まれていて、補助用の水冷式装置または風冷式装置を搭載しないと、高温環境では正常に運行できない。従って、余計なコストが発生する。ここで、高い光学解像率を持つハイエンド装置のプローブは、対物レンズ前端ピントあわせの目視照準構造が多く用いられていて、水冷式装置または圧縮エアスプレーが要求される工業現場で使用する場合、ピントあわせの操作が影響を受け、操作が不便になる。

現在、有名ブランドのハイエンド装置、例えば英国ＬＡＮＤ社製のＳＹＳＴＥＭ４シリーズ赤外線放射温度計、米国ＩＲＣＯＮ社製Ｍｏｄｌｉｎｅ５シリーズの赤外線放射温度計は、対物レンズの後ピント合わせを採用し、構造が複雑で価格が高い。欠陥としては、接眼レンズがピントあわせできない（視力の異なった人間がピント合わせを行う時、最適視覚解像率を保証できない）、プローブの完全な密封も実現できないことである。工業高温環境にて使用すると、水冷式装置の余計なコストが発生する。防爆と高精度測定要求のある多結晶シリカを生産する場合、米国ＩＲＣＯＮ社製Ｍｏｄｌｉｎｅ５シリーズの赤外線放射温度計を例として挙げると、防爆型は非防爆型より価格がずっと高い。

本発明に記載の赤外線放射温度計用プローブ、特に光ファイバプローブは接眼レンズと対物レンズはそれぞれプローブの後部でピント合わせし、視力の異なった人間が操作しても、同様な最適視覚解像率及びシステムの最適光学測定制度が得られる。それに、前端の圧縮エアスプレー装置の影響を受けない。対物レンズのピント合わせ後の位置は、プローブの後ろのキャップにロック・密封されやすく、現場の振動や油汚れ蒸気の侵食にも耐えられる。水冷式装置を搭載しなくても長期的に高温環境にて使用できる。また、高温目標測定にも優れた重複性と長期的安定性をもたらすことができる。輸送光ファイバが防爆区域を通せば、多結晶シリカ生産の高精度、防爆温度測定に安心に利用できる。

総じて言えば、本発明は簡単な構造設計方法で、有効的に既存各種の赤外線放射温度計光学プローブの長所を有したうえ、これらの長所を超えている。特に光ファイバ型のプローブは、高い光学解像率を持っている。全密封で、対物レンズのピント合わせがエアスプレー装置の影響を受けない。耐高温、耐振動、防爆性能を備え、様々な環境（１００℃〜３０００℃範囲の温度測定に適用できる）において、工業分野での利用の実用性と共通性を大幅に拡大している。エアスプレー装置を除き、その他余計なコストが一切発生しない。

１００…接眼レンズ用鏡筒、１０１…接眼レンズ、１０３，５０６…Ｏリング、２００…対物レンズ用鏡筒、２０１…対物レンズ、３００…対物レンズピント合わせリング、３０１…リング型スライド溝、４００，４０２…分光鏡、４０１…区切り板、５００…光学系ケーシング、５０１…光回路密封保護窓、５０２，５０４，５０５…ねじ、５０３…接続インターフェース、５０７…保護キャップ。

Claims (8)

1. 接眼レンズ用鏡筒（１００）、対物レンズ用鏡筒（２００）、対物レンズピント合わせリング（３００）、分光鏡（４００）、光学系ケーシング（５００）で構成される赤外線放射温度計の光学システム及びピント合わせ構造であって、
   光学系ケーシング（５００）の内側に分光鏡（４００）と対物レンズ用鏡筒（２００）があり、外部に赤外線フォーカススポットレシーバの接続インターフェース（５０３）、後端に同軸で積み重ねて設置される回転可能な対物レンズピント合わせリング（３００）と接眼レンズ用鏡筒（１００）があり、光学系ケーシング（５００）の後端に保護キャップ（５０７）が付けられ、
   光学系ケーシングの後部にある接眼レンズ用鏡筒（１００）が引っ張られると、接眼レンズ（１０１）の位置移行・焦点調節がなされ、対物レンズピント合わせリング（３００）が回転されると、対物レンズ（２０１）の位置移行・焦点調節がなされ、
   保護キャップ（５０７）が、対物レンズ（２０１）の測定像距離をロックでき、全体的ピント合わせ部分が密封保護されること
   を特徴とする赤外線放射温度計光学システム及びピント合わせ構造。
2. 接眼レンズ用鏡筒（１００）が、中央部に接眼レンズ（１０１）を搭載し、後端に目視照準マスクを備え、引っ張られて接眼レンズ（１０１）のピント合わせができ、保護キャップ（５０７）が、対物レンズピント合わせリング（３００）を押さえてロックでき、接眼レンズ用鏡筒（１００）に設けた頚部リンクの溝にＯリング（１０３）が嵌められて、保護キャップ（５０７）の押さえが弾性的に微調整され、また、対物レンズピント合わせリング（３００）の回転が減衰されることを特徴とする請求項１に記載の赤外線放射温度計の光学システム及びピント合わせ構造。
3. 対物レンズピント合わせリング（３００）の前端と対物レンズ用鏡筒（２００）の後端とは伝動の組合せを構成し、前者が後者を押し付けて直線移動させることができ、対物レンズピント合わせリング（３００）の中部に、光学系ケーシング（５００）に取り付けるためのリング型スライド溝（３０１）があり、対物レンズピント合わせリング（３００）の後端に、光学系ケーシング（５００）の外部に位置して、ローレットが切られ、手持ちで回転操作に供され、対物レンズピント合わせリング（３００）の中軸部分が空で、接眼レンズ用鏡筒（１００）のその中での設置及び移動に影響を与えないことを特徴とする請求項１に記載の赤外線放射温度計の光学システム及びピント合わせ構造。
4. 対物レンズ用鏡筒（２００）の前端に対物レンズ（２０１）が設置され、対物レンズ用鏡筒（２００）の中部に分光鏡（４００）が収容され、対物レンズ用鏡筒（２００）の後端と対物レンズピント合わせリング（３００）の前端とは、伝動の組合せを構成し、後者が回転時、前者に直線移動させることができることを特徴とする請求項１に記載の赤外線放射温度計の光学システム及びピント合わせ構造。
5. 分光鏡（４００）は、前部分光鏡および後部分光鏡から構成されてネジ山で接続され、前部分光鏡の端の４５°斜面に分光鏡（４０２）が設置されていて、中央部に区切り板（４０１）が取り付けられ、前部分光鏡の側方側面は柱面形状、両端側面は平面形状であり、対物レンズ用鏡筒（２００）は、中部にスライド溝が設けられ、該スライド溝に分光鏡（４００）が嵌められ、精確に光学系ケーシング（５００）の中央に位置決めされ、後部分光鏡の外径と対物レンズピント合わせリング（３００）の内径とは滑りばめ、後部分光鏡の内径と接眼レンズ用鏡筒（１００）の前端の外径とは滑りばめしていることを特徴とする請求項１に記載の赤外線放射温度計の光学システム及びピント合わせ構造。
6. 光学系ケーシング（５００）の前端に光回路密封保護窓（５０１）が設置され、対物レンズ用鏡筒（２００）上の直線位置決めスライド溝（２０２）に合わせて、光学系ケーシング（５００）の前端に位置決め用孔とねじ（５０２）が設けられ、光学系ケーシング（５００）の中央部に赤外線フォーカススポットレシーバの接続インタフェース（５０３）が取り付けられ、光学系ケーシングの中央部に分光鏡（４００）に合わせて位置決めされた、位置決め用孔とねじ（５０４）が設けられ、後端に、対物レンズピント合わせリング（３００）上のリング型位置決めスライド溝（３０１）に合わせて取り付けた、位置決め用孔とねじ（５０５）が設けられ、後端に外ネジ山があり、逃げ溝にＯリング（５０６）が嵌められ、保護キャップ（５０７）が取り付けられることを特徴とする請求項１に記載の赤外線放射温度計の光学システム及びピント合わせ構造。
7. 操作者によって接眼レンズ用鏡筒（１００）の後端が引っ張られると、接眼レンズ（１０１）と区切り板（４０１）との相対的距離が調節され、接眼レンズ（１０１）を照準することによって、区切り板（４０１）の区切り面にある中心照準円を見取り、対物レンズピント合わせリング（３００）が回転されると、対物レンズ用鏡筒（２００）を直線移動させることができ、対物レンズ（２０１）と区切り板（４０１）との相対的距離が調節され、区切り面上の目標結像が見取られ、且つ照準円の中で目標の有効被測定区域が判断され、その際、目標の放射の赤外線が分光鏡（４０２）に反射され、フォーカススポットが接続インターフェース（５０３）の中央に形成されることを特徴とする請求項１に記載の赤外線放射温度計の光学システム及びピント合わせ構造。
8. 後端にある保護キャップ（５０７）は、接眼レンズ用鏡筒（１００）を軸方向に押し付けて対物レンズピント合わせリング（３００）と合わせて、対物レンズ（２０１）の測定像距離のロックとピント合わせ部分全体の密封保護に用いられることを特徴とする請求項１に記載の赤外線放射温度計の光学システム及びピント合わせ構造。

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