JP5626679B2

JP5626679B2 - 表面温度の測定方法及び測定システム

Info

Publication number: JP5626679B2
Application number: JP2010276899A
Authority: JP
Inventors: 山田　善郎; 善郎山田; 順太郎石井
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2010-12-13
Filing date: 2010-12-13
Publication date: 2014-11-19
Anticipated expiration: 2030-12-13
Also published as: JP2012127678A

Description

本発明は、表面温度の測定方法及び測定システムに関する。

２次元の熱画像装置や一次元走査型の温度計を用いて放射測温法により対象温度を測定しようとする場合、通常、対象の放射率やその分布が未知であり、また、測定条件や表面状態により変化するため、熱画像装置や走査型放射温度計で捉えられる放射輝度から正しい表面温度や温度分布の情報が得られない。
さらに、微細な放射率分布が存在するとき、仮に測定各部位の物質放射率が既知であったとしても、熱画像装置の視野特性の限界から見掛けの放射率はこれとは異なるものになるという課題もある。
また、未知の放射率を補正する各種手法が試みられているが、高速に変化する対象温度に追従して測定するのに適した手法がないという課題もある。

放射率が未知である対象の温度を放射温度計や熱画像装置により非接触測定する場合、従来次のような方法が行われてきた。
（１）測定対象の放射率分布を知るために、対象をヒータで既知の温度に加熱して輝度分布を測定する方法。
（２）FLAにおける放射率補正技術として、スポット型の放射温度計測において２偏光を捉え、２偏光における対象反射率比を測定し、そこから放射率を補正する方法。（特許文献１参照）
（３）対象に黒体補助放射源からの反射光を重畳させ、対象からの熱放射光と反射光の輝度の和が補助放射源からの熱放射輝度と等しくなるように補助放射源温度を調節し、その時の補助放射源温度を接触型温度計で測定してそこから対象温度を知る方法。（非特許文献１参照）
（４）２つ以上の点を同時に測定可能な赤外放射温度計もしくはサーモグラフィーと、補助熱源として熱赤外線源の前にシャッタを付けるなどした環境放射温度切替え装置を用い、環境温度を変化させる前後の高放射率部と低放射率部の測定輝度から演算により真の対象温度を求める方法。（特許文献２参照）

しかし、これらの従来技術はそれぞれ以下の点で問題がある。
（１）の方法は、対象をヒータで加熱するという追加の工程を必要とするほか、この時の対象温度を知る手段を必要とする。
（２）の方法は、偏光光学素子を必要とするため、低温の放射温度測定で使用する長波長赤外光に適用すると高価であり、また、面分布測定には不向きである。
（３）の方法では、補助放射源が黒体であることを求められるが、面状の良好な黒体を得るのは困難である。黒体でない場合は補正を必要としたが十分な精度が得られない。また、補助放射源と測定対象の両方を測定することが求められ、高速に変化する対象温度を測定する場合に適用できない。
（４）の方法では、環境温度をステップ状に切り替えながら測定することを求められ、従って高速に変化する対象温度を測定するのに適さない。

特願２００９−２０２４９５号特許第３９３９４８７号公報

J.Sci.Instrum.,1963,Vol40,1-4.

本発明は、高価な光学素子を使用することなく、また被測定面の放射率分布に影響されずに正しく被測定面の高速に変化する表面温度を測定することができる測定方法及び測定システムを提供することを課題とする。

本発明は、次のような表面温度の測定方法及び測定システムを提供する。
（１）放射率分布を持つ被測定面と、該被測定面の輝度分布を測定する放射計と、該被測定面に関して該放射計から鏡面反射位置に設置された補助熱源とを用意し、該被測定面の放射率の異なる２か所の輝度を２つの異なる補助熱源温度で測定し、該放射率の異なる２か所のそれぞれ２つの輝度測定値に基づいて該放射率の異なる２か所の反射率比を算出し、該反射率比と該放射率の異なる２か所のそれぞれの輝度の測定値を用いて該被測定面の温度を求めることを特徴とする表面温度の測定方法。
（２）放射率分布を持つ被測定面と、該被測定面の輝度分布を測定する放射計と、該被測定面に関して該放射計から鏡面反射位置に設置された補助熱源とを含み、該被測定面の放射率の異なる２か所の輝度を２つの異なる補助熱源温度で測定し、該放射率の異なる２か所のそれぞれ２つの輝度測定値に基づいて該放射率の異なる２か所の反射率比を算出し、該反射率比と該放射率の異なる２か所のそれぞれの輝度の測定値を用いて該被測定面の温度を求めることを特徴とする表面温度の測定システム。
（３）上記輝度分布を測定する放射計は、熱画像装置又は１次元走査型放射計であることを特徴とする（２）に記載の表面温度の測定システム。

本発明によれば、半導体デバイス内やパワーデバイスを利用した回路部品内における発熱部位特定・発熱量測定を目的とした高速に変化する面温度分布測定や、設備診断や建築構造物の欠陥検知を目的とした面温度分布測定において、対象放射率分布に影響されずに正しく面温度分布を測定することが可能になる。
また、熱画像装置の視野特性の限界に迫る微小な放射率パターンを有する電子デバイスなどの測定対象においても視野特性のにじみの影響を受けずに正しく対象温度を測定できる。

本発明に係る表面温度の測定システム補助熱源温度が対象温度より低いときの熱画像補助熱源温度が対象温度より高いときの熱画像

（本発明の原理）
測定対象となる面の放射率分布の変化の大きい部分に着目し、輝度分布を熱画像装置で測定すると、放射率分布が輝度分布として捉えられる。このとき、対象の温度はある領域で一様であるか、温度分布は放射率分布と比べ空間的に十分なだらかであるものとする。

図１のように、面黒体などの補助熱源を測定面について熱画像装置と鏡面対象な位置に配置し、補助熱源からの熱放射光を測定対象の面に反射させて測定対象からの熱放射光に重畳させて熱画像装置で捉える。この状態で補助熱源の温度を変化させるか、補助熱源をシャッタなどで遮ると、入射光量の変化に比例した反射光量変化が生じ、熱画像装置が捉える輝度分布が変化する。高放射率部と低放射率部に入射する光量の変化は等しいので、輝度変化分、すなわち反射光量変化分の比を計算することにより高放射率部と低放射率部の反射率の比を求めることができる。
次に、高放射率部と低放射率部の輝度測定値及びそこから計算される反射率の比から下記に示す（９）式を用いて黒体輻射の放射輝度を計算し、放射率が１の黒体とみなしてプランクの輻射の法則を適用し対象温度を求める。これにより対象放射率分布を知る必要なく真の対象の温度を知ることができる。

測定原理を以下詳細に説明する。
放射率分布を持つ測定対象の放射率の異なる２か所についてより高放射率部とより低放射率部の放射率をそれぞれε_Hi、ε_Lo、反射率をρ_Hi、ρ_Loとする。対象が不透明体の場合、
キルヒホッフの法則よりε_Hi＋ρ_Hi＝1、ε_Lo＋ρ_Lo＝1の関係が成り立つ。
補助熱源の熱放射輝度がL_{Heat-source,1}のとき、高放射率部と低放射率部の熱放射輝度S_Hi,1、S_Lo,1は、下記の式でそれぞれ表わされる。
S_Hi,1＝ε_HiL(T)＋ρ_HiL_{Heat-source,1} （１）
S_Lo,1＝ε_LoL(T)＋ρ_LoL_{Heat-source,1} （２）
ここで、Tは測定対象温度、L(T)は温度Tの黒体の熱放射輝度である。
次に補助熱源の熱放射輝度をL_{Heat-source,2}に変化させると、高放射率部と低放射率部の熱放射輝度S_Hi,2、S_Lo,2は、下記の式でそれぞれ表わされる。
S_Hi,2＝ε_HiL(T)＋ρ_HiL_{Heat-source,2} （３）
S_Lo,2＝ε_LoL(T)＋ρ_LoL_{Heat-source,2} （４）

４つの測定量S_Hi,1、S_Lo,1、S_Hi,2、S_Lo,2から高放射率部と低放射率部の反射率の比Ｒ_ρは（１）−（４）式から導かれる下記（５）式で計算され、求めることができる。
Ｒ_ρ＝ρ_Hi/ρ_Lo＝（S_Hi,2−S_Hi,1）/（S_Lo,2−S_Lo,1）（５）

（３）、（４）式にε_Hi＋ρ_Hi＝1、ε_Lo＋ρ_Lo＝1の関係を当てはめて変形すると（６）、（７）式になる。
S_Hi,2＝L(T)＋ρ_Hi（−L(T)＋L_{Heat-source,2}）（６）
S_Lo,2＝L(T)＋ρ_Lo（−L(T)＋L_{Heat-source,2}）（７）
（６）、（７）式の両辺からL(T)を引いてから比を取り（５）式を用いると（８）式が得られる。
（S_Hi,2−L(T)）/（S_Lo,2−L(T)）＝Ｒ_ρ （８）
（８）式を変形すると（９）式の形でL(T)をＲ_ρを用いて表すことができる。
L(T)＝（S_Hi,2−Ｒ_ρS_Lo,2）/（1−Ｒ_ρ）（９）
放射率を１として扱って測定輝度L(T)から正しい温度Tが求められる。すなわち未知の放射率を補正した測定が可能である。なお、（６）−（９）式は、S_Hi,2、S_Lo,2、L_{Heat-source,2}の全てをS_Hi,1、S_Lo,1、L_{Heat-source,1}に置き換えても成り立つ。

さらに、（９）式は補助熱源輝度L_Heat-sourceや対象温度Tによらず常に成り立つ関係式である。従って反射率比Ｒ_ρが時間的に変化しない限り、予め求めたＲ_ρと、任意のタイミングで測定された輝度S_Hi、S_Loを用いて（９）式よりその時のL(T)を計算することができる。
よって、高速で温度が変化する現象を測定する場合には対象の温度変化が開始される前の定常状態で２つの補助熱源温度での輝度測定からＲ_ρを求めておき、対象の温度変化が開始された後は補助熱源輝度一定のままこのＲ_ρの値を用い、（９）式で放射率を補正し変化する対象温度に追従して高速測定することができる。

ここで、異なる補助熱源温度を実現する方法として、補助熱源温度をステップ状に変化させる代わりに補助熱源の前面を補助熱源と温度の異なるシャッタなどで覆いこれを開閉させてもよい。この場合、L_{Heat-source,2}はシャッタが放射する熱放射輝度及び周囲からの放射をシャッタが反射する輝度を複合したものである。
着目する対象の放射率分布は、例えば回路基板やデバイス上の金属配線パターンや、デバイスの微細構造分布に起因するパターンであってもよい。また、利用できる放射率分布がない場合には対象表面に塗料や金属膜などを塗布したり貼付したりしてもよい。

（本発明の実施形態）
熱画像装置は測定対象面上に焦点を合わせて２次元熱画像を撮像する。ここで、測定対象はプリント基板、半導体デバイスなどである。補助熱源としては表面を黒化した面黒体装置を使用している。まず最初に、対象温度をおよそ一定に保ちながら補助熱源の温度をステップ状に変化させて、もしくは補助熱源前面を覆うシャッタを開閉させて熱画像を測定する。次に、得られた熱画像中に、等温とみなせるなるべく近接した高放射率部と低放射率部をそれぞれ一か所づつ選定する。２水準の熱画像中の高放射率部と低放射率部の輝度を求め、（５）式に基づき反射率比Ｒ_ρを求め、さらに（９）式を用いて輝度L(T)を求める。このときの測定された輝度から対象温度を放射率を１と仮定して求める。

補助熱源の温度をステップ状に変化させた時に得られた熱画像の例を図２、３に示す。
図２は補助熱源温度が対象温度より低いときの熱画像で、プリント基板の樹脂材である高放射率部aが高輝度に明るく、金属配線のパターンが低放射率部bとして低輝度に暗く見えている。
図３は補助熱源温度が対象温度より高いときの熱画像で、高放射率部aが暗く、低放射率部bが明るく光っていて、図２の画像と比べ明暗が逆転しているのが分かる。ここで、補助熱源温度は対象温度より高い必要はなく、低くても本測定原理は成立する。

この例では、図２の高放射率部aの測定された輝度温度は51℃、低放射率部bの輝度温度は40℃、また図３の高放射率部aの輝度温度は62℃、低放射率部bの輝度温度は65℃である。温度から輝度S_Hi,1、S_Lo,1、S_Hi,2、S_Lo,2に換算したのちに反射率比Ｒ_ρを（５）式により計算すると0.47が得られ、さらに（９）式に基づき計算することで真の温度60℃と正しく求めることができる。

図２を詳細にみると、同じ材質でもパターンの細かさにより見掛け上の輝度温度が異なって測定されていることが分かる。例えば、金属パターン部分は低放射率でありよって輝度温度が低く捉えられているが、その中でも線の幅が太い部分と細い部分とを比べると、細い部分の方が輝度温度が高く、太い部分が低く捉えられている。これは、熱画像装置の視野特性の限界のために隣接する高放射率部の光が漏れ込んで捉えられる面積効果（Size-of-Source Effect）と呼ばれる現象による。また、高放射率部も同様に線幅が細いパターン部分が隣接する低輝度パターン部分への漏れ光のため、暗く観測されている。図３を観察すると、高放射率部と低放射率部は反転しているものの、図２同様に高輝度部の細線部分は暗く、低輝度部の細線部分は明るく観測されている。

このように、一般に面積効果は見掛けの輝度温度を変化させ、よって正しい温度測定の妨げとなる。この課題に対し、本発明はその影響を排除できることを以下に示す。
面積効果による輝度の増加・減少は高放射率部と低放射率部の輝度差に比例し、その割合は細線部分の測定個所である高放射率部aでr_Hiだけ輝度が低く、低放射率部bでr_Loだけ輝度が高く観測される。
ここでｒ_Hi、r_Loは面積効果を表す係数である。面積効果を考慮して式（１）−（４）を書き直して次の各式を得る。
S_Hi,1＝（1−r_Hi）（ε_HiL(T)＋ρ_HiL_{Heat-source,1}）＋r_Hi（ε_LoL(T)＋ρ_LoL_{Heat-source,1}）
S_Lo,1＝（1−r_Lo）（ε_LoL(T)＋ρ_LoL_{Heat-source,1}）＋r_Lo（ε_HiL(T)＋ρ_HiL_{Heat-source,1}）
S_Hi,2＝（1−r_Hi）（ε_HiL(T)＋ρ_HiL_{Heat-source,2}）＋r_Hi（ε_LoL(T)＋ρ_LoL_{Heat-source,2}）
S_Lo,2＝（1−r_Lo）（ε_LoL(T)＋ρ_LoL_{Heat-source,2}）＋r_Lo（ε_HiL(T)＋ρ_HiL_{Heat-source,2}）

（５）式と同様にR_ρを計算すると次のようになる。
Ｒ_ρ＝（S_Hi,2−S_Hi,1）/（S_Lo,2−S_Lo,1）＝（（1−r_Hi）ρ_Hi＋r_Hiρ_Lo）/（（1−r_Lo）ρ_Lo＋r_Loρ_Hi）
一方、（６）、（７）式と同様に展開するとS_Hi,2、S_Lo,2は次のようになる。
S_Hi,2＝（1−r_Hi）（L(T)−ρ_Hi（L(T)−L_{Heat-source,2}））＋r_Hi（L(T)−ρ_Lo（L(T)−L_{Heat-source,2}））＝L(T)−ρ_Hi（（1−r_Hi）＋ρ_Lo r_Hi）（L(T)−L_{Heat-source,2}））
S_Lo,2＝L(T)−ρ_Lo（（1−r_Lo）＋ρ_Hi r_Lo）（L(T)−L_{Heat-source,2}））
（８）式の導出と同様に展開すると、（S_Hi,2−L(T)）/（S_Lo,2−L(T)）＝Ｒ_ρを得る。
これは（８）式と同一である。よって、（９）式を用いて黒体輻射L(T)を求めて、真の温度Tを求めることができる。このように、面積効果により見掛けの輝度温度が変化していてもその影響を受けずに正しい温度を測定することが可能であることが分かる。

ここで、補助熱源としては面黒体装置を用いたが、補助熱源としてはこれに限らず、例えばランプ光源やレーザ光源を備えた積分球、液体温槽表面、平面ヒータなど、光源面が測定対象に対し十分大きく、輝度が一様で可変なものであれば何でもよい。
また、熱画像装置も高温対象を測定するのであれば可視・近赤外光を測定するＣＣＤなどのカメラでもよい。また、２次元画像を用いる代わりにリニアセンサによる測定を用いてもよい。

Claims

放射率分布を持つ被測定面と、該被測定面の輝度分布を測定する放射計と、該被測定面に関して該放射計から鏡面反射位置に設置された補助熱源とを用意し、該被測定面の放射率の異なる２か所の輝度を２つの異なる補助熱源温度で測定し、該放射率の異なる２か所のそれぞれ２つの輝度測定値に基づいて該放射率の異なる２か所の反射率比を算出し、該反射率比と該反射率比を算出した後の該放射率の異なる２か所のそれぞれの輝度の測定値を用いて、該被測定面の温度を温度変化に追従して求めることを特徴とする表面温度の測定方法。
放射率分布を持つ被測定面と、該被測定面の輝度分布を測定する放射計と、該被測定面に関して該放射計から鏡面反射位置に設置された補助熱源とを含み、該被測定面の放射率の異なる２か所の輝度を２つの異なる補助熱源温度で測定し、該放射率の異なる２か所のそれぞれ２つの輝度測定値に基づいて該放射率の異なる２か所の反射率比を算出し、該反射率比と該反射率比を算出した後の該放射率の異なる２か所のそれぞれの輝度の測定値を用いて、該被測定面の温度を温度変化に追従して求めることを特徴とする表面温度の測定システム。
上記輝度分布を測定する放射計は、熱画像装置又は１次元走査型放射計であることを特徴とする請求項２に記載の表面温度の測定システム。