JP7073472B2 - 赤外線撮影装置、赤外線撮影システム及び赤外線撮影方法 - Google Patents
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Description
赤外線を検出する素子としては、酸化バナジウム(VOx)やアモルファスシリコン(a-Si)等、ボロメータと呼ばれている材料を利用したものや、インジウムアンチモン(InSb)や水銀カドミウムテルル(HgCdTe)等、量子型と呼ばれている材料を利用したものがある。
一方、赤外線は水に吸収される性質を有するため、大気中において非接触で赤外線を検出するには、水の吸収の影響が小さい波長帯を選択する必要がある。一般に、波長2~5 μmと波長8~14 μmは「大気の窓」として知られている波長帯であり、水の吸収の影響を大きく受けることなく赤外線の検出が可能な波長帯である。赤外線カメラと呼ばれる、測定対象物の温度を計測し、画像化する機能を有する赤外線撮影装置には、この「大気の窓」に検出感度を有する赤外線素子が一般的に使用されている。
放射率は波長にも依存するが、一般的に金属は放射率が低く、反射率が高い傾向にある。例えば、アルミニウムの放射率は波長10 μm付近において凡そ0.05である。放射率が低い測定対象物の温度を計測する場合、次の2つの理由により、信号対ノイズ比(S/N)が悪くなるため、測定対象物の温度を正確に計測することが困難となる。
ここでいう外乱とは、測定対象物以外の周囲環境から放射されて赤外線撮影装置に入射する赤外線のことである。金属では光の透過が“0”であるので、例えば、放射率0.05のアルミニウムの場合は、0.95の反射率を有する。
赤外線撮影素子でアルミニウムを計測する場合を想定すると、アルミニウムから放射される本来検出すべき赤外線に加えて、周囲環境から放射された赤外線の95%が測定対象物のアルミニウムで反射する。そして、この反射した赤外線が外乱として赤外線撮影素子に入射することになる。
そして、測定対象物の放射率及び測定対象物の測定温度上限値を記憶する記憶部と、この記憶部に記憶されている放射率と測定温度上限値に基づいて、撮影素子の出力値を算出する処理部と、処理部で算出された出力値に基づいて、露光時間ないし光学絞りのいずれか、あるいは両方を調整する調整部と、を備える。なお、測定対象物の放射率及び測定対象物の測定温度上限値は、温度計測を行うユーザが測定対象物の状況を見て適宜設定し、入力する値である。
また、測定温度上限値をT_max、測定対象物の放射率をε、光学絞りのF値をF#、露光時間をTintとした場合、
Tint=k×2000×F#×F#/ε/(T_max 3 )
の関係に基づいてTintを設定し、kを0.5より大きく2より小さい値とする。
Tint=k×2000×F#×F#/ε/(T_max 3 )
の関係に基づいてTintを設定し、kを0.5より大きく2より小さい値とする。
Tint=k×2000×F#×F#/ε/(T_max 3 )
の関係に基づいてTintを設定し、kを0.5より大きく2より小さい値とする。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
以下、本発明の実施の形態の例を説明する前に、本発明を実施する上での動作原理を説明する。
測定対象物となる金属材料の温度計測は、加工や成型におけるプロセス制御を主たる目的として行われる。発明者らは、プロセス制御を目的とした温度計測では、測定対象物の温度が主として200℃以上、多くの場合は500℃以上の高温であることに着目した。例えば、アルミニウムの融点は約660℃であり、成型を行う際には、アルミニウムを660℃以上の温度に昇温させる必要がある。
これに対して、500℃の温度にある測定対象物から放射される赤外線の強度は波長4 μm前後が最も強くなり、また、強度も25℃の温度にある測定対象物から放射される赤外線の強度の凡そ100倍となる。すなわち、I_500_4μm≒100×(I_25_10μm)となる。
図1は、本発明の実施の一形態である赤外線撮影装置の例(以下、「本例」という)を示している。
図1に示すように、本例の赤外線撮影装置100は、測定対象物101から放射される赤外線量を撮影するためのカメラ102を備える。カメラ102は、撮影素子106として320(水平方向)×256(垂直方向)画素のインジウムガリウムヒ素(InGaAs)が用いられる。また、本例にかかる赤外線撮影装置100は、カメラ102に装着されたレンズ103、レンズ103前面に具備された機械的に開閉可能なシャッタ104、及びレンズ103に入射する入射光を調整する光学絞り105を備える。
なお、上述したパソコン108の機能として設けた記憶部109、処理部110及び調整部111を、カメラ102内の不図示のマイコンに設けるようにしてもよい。
図3Aは、赤外線撮影装置100のステンレス製容器112を上から見た上視図であり、図3Bは、ステンレス製容器112を側面から見た側視図である。
本例の赤外線撮影装置100の温度計測の確からしさを検証するために、図3に示すように、ステンレス製容器112内に測定対象物であるアルミニウム113を配置し、このアルミニウム113の一部に熱電対114を貼り付けた。そして熱電対114による温度計測を合わせて、本例の赤外線撮影装置100によるアルミニウム113の温度計測を行った。
以下、取得した画像データから温度値を計測する方法について説明する。同一の測定対象物を計測する場合であっても、電気回路のオフセット変動等の影響により、カメラ102の内部温度に依存して画像出力は変化する。
表1に示したように、300℃程度の高温物体の計測を行う場合、波長1 μmでは、25℃程度の物体(周囲環境)から放射される赤外線の強度は無視できるほど小さい。
さらに、表1には示していないが、例えば、周囲環境温度が80℃であっても、この外乱強度は、プランクの式で計算すると無視できるレベルにあることが分かる。
この参照画像としては、例えばシャッタ104を閉じたままの状態で、カメラ102で撮影した画像などが考えられる。25℃にある参照物体から得られる入射信号強度(S)である「I_25」は、150℃以上の高温の物体(測定対象物)の入射信号強度(S)と比べると、極めて小さいので無視できる程度のものである。このためI_25の値は限りなく“0”に近くなり、参照物体を測定した赤外線量の値I_REFは、ほぼ“ofs”の値に等しくなる。
なお、I_objと測定対象物の温度の関係を、実際の測定を行うのとは別の場所で事前に計測しておくことで、I_objに基づいて測定対象物の温度を算出することも可能である。
すなわち、インジウムガリウムヒ素(InGaAs)のようなフォトダイオード型の撮影素子106には、動作可能な光強度範囲が存在する。つまり、通常であれば、ノイズレベルの凡そ1000~10000倍程度の光強度までしか正確に検出することができず、それ以上に強い光に対しては出力が飽和してしまうという問題である。
本例にかかる赤外線撮影装置100は、パソコン108の処理部110において、測定対象物101の放射率と計測したい温度上限を指定することにより、露光時間を装置内部で自動的に調整する機能を有している。ユーザは本例の赤外線撮影装置100の動作範囲(ダイナミックレンジ)を考慮して、測定対象物101の放射率と、計測したい上限温度を入力することができる。
測定上限温度をT_max(℃)、測定対象物の放射率をε、光学絞り105のF値をF#、露光時間をTint(s)として、
Tint=k×2000×F#×F#/ε/(T_max3)
の関係に基づいてTintを設定し、kを0.5<k<2とすることで、信号対ノイズ比(S/N)の良い温度計測を行うことができることを発明者らは確認している。
したがって、本例にかかる赤外線撮影装置100は、波長0.9μm以下のLED照明と組み合わせて使用するのが好適である。
例えば、上記した実施形態は本発明をわかりやすく説明するために装置及びシステムの構成を詳細かつ具体的に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されない。また、本発明で開示した実施形態の構成の一部について、他の構成を追加・削除・置換をすることも可能である。
Claims (3)
- 波長0.9~1.7 μmに主たる受光感度を有する撮影素子と、
前記撮影素子に入射される赤外線の光量を調整するための光学絞りと、
測定対象物の放射率及び前記測定対象物の測定温度上限値が予め記憶される記憶部と、
前記記憶部に記憶されている前記放射率と前記測定温度上限値に基づいて、前記撮影素子の出力値を算出する処理部と、
前記処理部で算出された前記出力値に基づいて、露光時間ないし前記光学絞りのいずれか、あるいは両方を調整する調整部と、を備え、
前記測定温度上限値をT_max、前記測定対象物の放射率をε、前記光学絞りのF値をF#、露光時間をTintとした場合、
Tint=k×2000×F#×F#/ε/(T_max 3 )
の関係に基づいて前記Tintを設定し、前記kを0.5より大きく2より小さい値とする
赤外線撮影装置。 - 波長0.9μm以下のLED光を光源とする照明と、赤外線撮影装置とから構成される赤外線撮像システムであって、
前記赤外線撮影装置は、
波長0.9~1.7 μmに主たる受光感度を有する撮影素子と、
前記撮影素子に入射される赤外線の光量を調整するための光学絞りと、
測定対象物の放射率及び前記測定対象物の測定温度上限値が予め記憶される記憶部と、
前記記憶部に記憶されている前記放射率と前記測定温度上限値に基づいて、前記撮影素子の出力値を算出する処理部と、
前記処理部で算出された前記出力値に基づいて、露光時間ないし前記光学絞りのいずれか、あるいは両方を調整する調整部と、を備え、
前記測定温度上限値をT_max、前記測定対象物の放射率をε、前記光学絞りのF値をF#、露光時間をTintとした場合、
Tint=k×2000×F#×F#/ε/(T_max 3 )
の関係に基づいて前記Tintを設定し、前記kを0.5より大きく2より小さい値とする
赤外線撮影システム。 - 波長0.9~1.7 μmに主たる受光感度を有する撮影素子と、前記撮影素子に入射される赤外線の光量を調整するための光学絞りと、測定対象物の放射率及び前記測定対象物の測定温度上限値が予め記憶される記憶部と、を備えた赤外線撮影装置による赤外線撮影方法であって、
前記記憶部に記憶されている前記放射率と前記測定温度上限値に基づいて、前記撮影素子の出力値を算出するステップと、
前記出力値に基づいて、露光時間ないし前記光学絞りのいずれか、あるいは両方を調整するステップと、含み、
前記測定温度上限値をT_max、前記測定対象物の放射率をε、前記光学絞りのF値をF#、露光時間をTintとした場合、
Tint=k×2000×F#×F#/ε/(T_max 3 )
の関係に基づいて前記Tintを設定し、前記kを0.5より大きく2より小さい値とする
赤外線撮影方法。
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