JP6090787B2 - 光学センサの校正方法 - Google Patents

Description

本発明は放射温度計や熱画像装置等の光学センサの温度目盛を校正する光学センサの校正方法に関するものである。

従来から、放射温度計や熱画像装置等の光学センサの温度目盛を校正する場合においては、基準となる放射源として、放射率が１の理想的な熱放射源である黒体を近似的に実現した黒体炉装置が利用されている。

一方、従来から、光学センサへ入射する光量を変調する機構として回転翼式光学フィルタ(チョッパ)が利用され、例えば、特許文献１の図１に示される赤外線検出装置においては、光源と赤外線センサ１との間の光路中に設置され、赤外線センサ１に入射する光量を変調させるチョッパ３が利用されている。

ここで、チョッパ３は特許文献１の図３に示されるように円盤状に形成され、その周縁部には透過用窓部３ｂの切り欠きが形成されている。そして、この透過用窓部３ｂは、チョッパ３の周縁部の４箇所に等間隔に設けられており、その開き角度及び隣接する透過用窓部３ｂの端部間の角度Ｃは共に４５度となっている。

また同様に、特許文献２の図１に示された光計測装置においては、光源と赤外線検出素子１１０との間の光路中に設置され、赤外線検出素子１１０に入射する光量を変調させる光チョッパ１２０が利用されている。

ここで、特許文献２の図１に示されるように、光チョッパ１２０は３枚のチョッパブレード１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃから構成されている。

さらに、上記文献に示されたチョッパ装置は、光検出装置(素子)の応答時間よりも十分に長い時間周期で回転させることにより、光検出装置(素子)の出力信号をチョッパの回転周期に同期した交流(ON/OFF)信号として出力させ、ロックイン検出(位相敏感検波)を可能としている。

特開平１１−２５８０３６号公報 特開平０７−２８０６４０号公報

市販の放射温度計や熱画像装置等の多くの光学機器は、仕様として、実在する測定対象表面の放射率による測定データへの影響を補正するための放射率補正機能を有しているが、かかる機能により補正された測定データについての校正を行うためには、理想的な黒体放射光に比して全ての波長において一定割合だけ放射率が小さな光を放射するいわゆる灰色体放射源が必要となる。

ここで、このような灰色体放射源を実現するためには、黒体炉装置に含まれる黒体空洞部を所望の空洞放射率を持つように設計して運用する第一の手段か、当該黒体空洞部の開口から放射される光の量を波長依存性のない光学フィルタにより一定割合減じる(減光)させる第二の手段のいずれかが必要となる。

しかし、上記第一の手段については、当該黒体空洞部における空洞放射率が、空洞の形状や内面の部材やコーティング表面の固有放射率、及び／あるいは空洞内面の温度分布等から複雑な影響を受けるため、放射温度計や熱画像装置等の光学センサの校正に必要な可視部から赤外部の広い波長域において一定値の空洞放射率を持つ黒体空洞を実現し、さらに校正対象とする機器に応じて０〜１の間で任意の空洞放射率を設定可能な灰色体放射源を実現することは現実的に不可能である。

また、上記第二の手段については、光学フィルタとして一般的なガラス基板等を用いることが考えられるものの、かかるフィルタでは基板及び表面コーティング材料の光吸収特性などの理由から可視部から赤外部の広い波長域に渡って高精度に一定の透過率を実現することは困難である。

一方、現在市販されている上記のような放射率補正機能を有した放射温度計や熱画像装置等の校正試験においては、実際に測定対象とされる物体の表面における放射率と同様の０.９９〜０.９０程度の放射率を持った灰色放射源を基準放射源として利用することが不可欠であるため、波長によらず９０％〜９９％程度の高い透過率を持ち、かつ、校正試験対象機器が有する当該放射率補正機能の仕様に応じて異なる透過率の設定や運用が可能となる減光フィルタが必要となる。

しかし、既存の技術においては、これらの要請を満足する減光フィルタは実現できないため、校正対象とされる光学センサの仕様に応じて高精度な温度校正をすることは困難であるという課題がある。

本発明は上記課題を解決するためになされたもので、基準放射源から放射される光の量を減じる割合に応じた中心角を有する回転翼に上記光を入射させ、当該回転翼により光量が減じられた光を用いて光学センサの温度応答性を校正する光学センサの校正方法を提供するものである。

本発明によれば、光学センサの温度応答性を校正するために必要な基準放射源として最適な灰色体放射源からの光を用いて光学センサの温度校正を行うことができるため、校正対象とされる光学センサの仕様によらず高精度な温度校正・試験を実現することができる。

図１は、本発明の実施の形態に係る赤外放射温度計の校正方法を実現するための構成図である。 図２は、図１に示された光学チョッパの構成を示す平面図である。 図３は、本発明の実施の形態に係る赤外放射温度計の校正方法を説明するためのフローチャートである。

以下において、本発明の実施の形態に係る赤外放射温度計の温度応答性(温度目盛)を校正する方法を詳しく説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係る赤外放射温度計の校正方法を実現するための構成図である。
図１に示されるように、本発明の実施の形態に係る赤外放射温度計の校正方法では、黒体炉装置１と、黒体炉装置１の空洞開口部と校正対象とされる赤外放射温度計２の受光部との間の光路上に設置された光学チョッパ３とが用いられる。

ここで、黒体炉装置１は、理想的な熱放射源として放射率がほぼ１とみなせるように設計された黒体空洞部を含み、黒体空洞部で生成された熱放射光は黒体炉装置１の開口部から外部へ放射される。
また、光学チョッパ３は、黒体炉装置１の開口部から放射された光の量を一定割合だけ減じる減光フィルタとしての機能を有し、光量変調機構として利用される。

図２は、図１に示された光学チョッパ３の回転翼部の構成を示す平面図である。図２に示されるように、光学チョッパ３の回転翼は、中心角Ａの開きを有する２枚の回転翼を備え、これらの回転翼は光学チョッパ３の回転中心に対して点対称となる位置に配置されている。
ここで、図２の破線で示された光学チョッパ３の回転翼の接円は、回転翼の部分と空隙部とから構成されるが、これら両部分の面積比はそれら部分の中心角の比、すなわち２Ａ度：(３６０−２Ａ)度となっている。
さらに、光学チョッパ３の回転翼は、軸モータ機構により、校正対象となる赤外放射温度計の応答時間(時定数)の逆数より大きな周波数で回転させる。
なお、回転翼の枚数は必ずしも２枚である必要はなく、全ての回転翼の中心角の和が、２Ａ度となる光学チョッパは、図２に示された光学チョッパ３と同じ減光率を実現しうる。

図３は、本発明の実施の形態に係る赤外放射温度計の温度目盛を校正する方法を説明するためのフローチャートである。以下において、本フローチャートを用いて、本発明の実施の形態に係る赤外放射温度計の温度目盛の校正方法を説明する。

ステップS1として、当該校正に必要な基準放射源として上記黒体炉装置１等の黒体炉を用意する。
ステップS2として、校正対象とする赤外放射温度計の仕様に応じて、黒体炉から当該赤外放射温度計に入射される放射光において、赤外放射温度計の温度応答性、より具体的には例えば温度目盛を校正するために最適な光量を決定する。
ステップS3として、光学チョッパ３をその回転翼の上記面積比がステップS2において決定された光量に対応した値となるよう設計する。具体的には、例えば図２に示されるように、光学チョッパ３として２枚の回転翼を備えるものを設計する場合には、黒体炉から放射される光の量を減じる割合(減光率)をＲとすると、図２に示される中心角Ａは１８０度に減光率Ｒを乗じた角度とされる。
そして、このように、各回転翼の中心角Ａを所望の減光率Ｒに応じた値と設計することにより、黒体炉装置１と合わせて所望の放射率を持った基準放射源としての灰色放射源を実現することができる。

ステップS4として、ステップS3で設計された光学チョッパ３の回転翼を、上記黒体炉から放射される放射光が上記赤外放射温度計２の受光部へ入射するまでの光路上に設置する。
ステップS5として、ステップS4で設置された光学チョッパ３の回転翼を赤外放射温度計２の応答時間(時定数)の逆数より大きな周波数で回転させる。
ここで、赤外放射温度計２は、応答時間内に受光する光に応じて温度を表示するものであるから、このような回転数で回転翼を回転させることにより、赤外放射温度計２の出力信号は、チョッパの回転周期及び、その位相に同期して変調されることなく、赤外放射温度計２がセンシングする光の量を、黒体炉から放射される光に対して光学チョッパ３の回転翼の上記面積比(あるいは中心角Ａ)に応じた割合だけ減じることとする。
ステップS6として、ステップS5において光学チョッパ３により減光された黒体炉からの放射光を使って赤外放射温度計の温度応答性、より具体的には例えば黒体炉の基準温度を参照として温度目盛を校正する。

上記のようなステップS1からステップS6を有する本発明の実施の形態に係る赤外放射温度計の校正方法によれば、すべての波長において放射率が１の黒体放射より所望の割合だけ放射率が小さい灰色体放射源を実現することができるため、かかる灰色体放射源を基準放射源とすることにより、校正対象となる赤外放射温度計の仕様にかかわらず、温度目盛等の温度依存性について高精度な校正を実現することができる。

なお、上記ステップS1からステップS6は、必ずしもこの順で実行される必要はなく、例えばステップS1をステップS3の後に実行してもよい。
また、本実施の形態においては、赤外放射温度計を校正対象とする光学センサの校正方法を説明したが、本発明に係る光学センサの校正方法は赤外熱画像装置(サーモグラフィ)や平面黒体炉等の赤外線機器に広く適用できることはいうまでもない。

例えば、赤外放射温度計２が仕様として持っている放射率補正機能から、赤外放射温度計２の温度目盛を高精度に校正するため放射率が０.９５の基準放射源が必要とされる場合には、黒体炉装置１から放射される光の放射率がほぼ１であることから、光学チョッパ３でかかる放射光を5%だけ減光し、かかる光を基準放射源からの光として用いることが望まれる。
ここで、１８０度に５％を乗じると９度となるので、光学チョッパ３を、各々の中心角Ａが９度の２枚の回転翼が回転中心に対して点対称の位置に配置されるよう設計する。
そして、かかる光学チョッパ３を赤外放射温度計２の応答時間の逆数より大きな回転数で回転させた状態で黒体炉装置１から放射される光を光学チョッパ３に入射させる。
ここで例えば、赤外放射温度計２の応答時間が１秒であるとき、光学チョッパ３の回転周波数は応答時間の逆数より大きな３０Ｈｚとされる。

このようにして、赤外放射温度計２へは、光学チョッパ３によって黒体炉装置１から放射された光を５％だけ減光させた光を入射させることができるため、赤外放射温度計２に対し、放射率が０.９５の灰色体放射源を基準放射源とした高精度な温度目盛りの校正を実現することができる。

このような実施例からも分かるように、本発明の実施の形態に係る光学センサの校正方法によれば、放射率が０.９９〜０.９０といった１に近い高い放射率を有する灰色体放射源も容易に実現することができるため、かかる灰色体放射源を基準放射源として用いることにより、赤外放射温度計２の仕様に応じた高精度な温度校正を実現することができる。

１ 黒体炉装置
２ 赤外放射温度計
３ 光学チョッパ

Claims (2)

1. 基準放射源から放射される光の量を減じる割合に応じた中心角を有する回転翼に前記光を入射させ、
   光学センサの応答時間の逆数より大きな周波数で前記回転翼を回転させて、
   前記回転翼により光量が減じられた前記光を用いて前記光学センサの温度依存性を校正する光学センサの校正方法。
2. 基準放射源を用意するステップと、
   前記基準放射源から放射される光において、光学センサの温度依存性を校正するために最適な光量を決定するステップと、
   光学チョッパを構成する回転翼の中心角を前記光量に応じたものとするステップと、
   前記回転翼を前記基準放射源と前記光学センサとの間の光路上に配置するステップと、
   前記回転翼を前記光学センサの応答時間の逆数より大きな周波数で回転させるステップと、
   前記光学チョッパにより光量が減じられた前記基準放射源からの光を用いて前記光学センサの温度依存性を校正するステップとを有する光学センサの校正方法。

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