JP7350672B2 - ミラー間の多重反射を利用した放射測温装置 - Google Patents

Description

本発明は、測定試料から放射される光を反射して再び測定試料に入射させるためのミラーを用いて、ミラーによる反射光をも受光することにより、測定試料の見かけの放射率を大きくして、温度測定を行う放射温度計に関する。

圧延や連続焼きなましなどの金属材の製造プロセスにおける金属材の表面温度の測定には、金属材の表面を傷つけることのない非接触の放射温度計が広く用いられている。放射温度計は対象からの熱放射の強度（放射輝度）を測定し、熱放射の強度から温度への換算を、黒体の熱放射強度と温度との関係に基づいて行う。温度測定の対象となる物質の放射率が黒体の放射率と異なる場合には、その物質の放射率に応じた補正により温度を得ることができる。しかし、圧延プロセス実行中の鋼板は、加熱や冷却により生じる金属表面の酸化膜により金属表面の性状は変動し、それに伴い放射率も変動するため放射率に応じた補正を行うことができず、正確な温度測定は困難であった。

そこで、鋼板などの測定対象に対して反射板を傾けて配置し、鋼板からの放射光を反射板と鋼板表面とで多重反射させることにより、鋼板表面の見かけの放射率を大きくして黒体の放射率に近づけることで、黒体放射とみなして温度換算する測温方法が提案されている（特許文献１）。

特開昭５９－８７３２９号公報

特許文献１の測温方法では、鋼板に対向して反射板を配置しなくてはならず、鋼板の真上の空間に反射板を配置する余地がない測定環境においては、かかる測温方法は適用できないという問題があった。

そこで、上記課題を解決するために本発明において、少なくとも測定面は平面状の測定試料を配置するための配置部と、配置部に配置される測定試料の測定面法線に対して所定範囲の角度θで測定試料から放射される光を反射して再び測定試料に入射させ、入射点から測定試料の測定面法線に対して所定範囲の角度－θで放射させるように構成される第一種のミラーと、配置部に配置される測定試料の測定面法線に対して所定範囲の角度－θで測定試料から放射される光を反射して再び測定試料に入射させ、入射点から測定試料の測定面法線に対して所定範囲の角度θで放射させるように構成される第二種のミラーと、からなり、第一種のミラーと、第二種のミラーとは、それぞれ一以上のミラーから構成されており、前記複数のミラー間で多重反射した光によって測定試料の見かけの放射率を大きくした放射輝度を測定するための放射温度計を有する放射測温装置を提供する。

また、上記の放射測温装置において、前記放射温度計は第一種のミラー又は／及び第二種のミラーの背後に配置され、自身の前方のミラーに設けられた穴部から前記多重反射した光を取り込むように構成される放射測温装置を提供する。

また、上記いずれかの放射測温装置において、放射温度計の光取込面の前方にｐ偏光子を有する偏光部を設けた放射測温装置を提供する。

また、上記いずれかの放射測温装置において、θの値が６０度以上である放射測温装置を提供する。

また、上記いずれかの放射測温装置において、内部観察用窓を備えたチャンバーを有し、前記配置部はチャンバー内に配置され、第一種のミラー及び第二種のミラー、並びに放射温度計の光取込面は、チャンバー外部に配置され、測定試料からの光を内部観察用窓を介して入射させるように構成されている放射測温装置を提供する。

また、上記いずれかの放射測温装置において、配置部は、測定試料を配置部上で移動可能とする移動手段を有する放射測温装置を提供する。

また、少なくとも測定面は平面状の測定試料を配置するための配置部と、配置部に配置される測定試料の測定面法線に対して所定範囲の角度θで測定試料から放射される光を反射して再び測定試料に入射させ、入射点から測定試料の測定面法線に対して所定範囲の角度－θで放射させるように構成される第一種のミラーと、配置部に配置される測定試料の測定面法線に対して所定範囲の角度－θで測定試料から放射される光を反射して再び測定試料に入射させ、入射点から測定試料の測定面法線に対して所定範囲の角度θで放射させるように構成される第二種のミラーと、放射温度計と、からなり、第一種のミラーと、第二種のミラーとは、それぞれ一以上のミラーから構成されている放射測温装置の測温方法であって、配置部に測定試料を配置する配置ステップと、前記複数のミラー間で多重反射した光によって測定試料の見かけの放射率を大きくした放射輝度を放射温度計で測定する測定ステップと、を有する測温方法を提供する。

また、少なくとも測定面は平面状の測定試料を配置するための配置部と、配置部に配置される測定試料の測定面法線に対して所定範囲の角度θで測定試料から放射される光を反射して再び測定試料に入射させ、入射点から測定試料の測定面法線に対して所定範囲の角度－θで放射させるように構成される第一種のミラーと、配置部に配置される測定試料の測定面法線に対して所定範囲の角度－θで測定試料から放射される光を反射して再び測定試料に入射させ、入射点から測定試料の測定面法線に対して所定範囲の角度θで放射させるように構成される第二種のミラーと、からなり、第一種のミラーと、第二種のミラーとは、それぞれＮ個のミラーから正Ｎ角形に配置構成されており、Ｎの値は、３以上で無限大以下であり、前記複数のミラー間で多重反射した光によって測定試料の見かけの放射率を大きくした放射輝度を測定するための放射温度計を有する放射測温装置を提供する。

本発明により、測定試料の測定面の上方空間に余裕のない場合であっても、多重反射により見かけの放射率を大きくすることができ、温度測定の精度を向上させることができる。

また、傾斜ミラーを用いる場合に対して、測定試料とミラー面との間の多重反射の回数を多くすることもできる。また、複数のミラーを用いることで温度測定のレイアウトの自由度が高く、かつレイアウトの設定や変更が容易である。

実施形態１の放射測温装置の一例を示す概念図 数式６に基づき見かけの放射率ε_ｅｆｆの変化を、試料放射率、反射回数をそれぞれパラメータとしてプロットした図 図２に示した見かけの放射率ε_ｅｆｆの変化を示した表 実施形態１の放射測温装置の他の例を示す概念図 多重反射を利用した放射測温の態様を一般化して示す概念図 第一種のミラー及び第二種のミラーに平面ミラーを用いた放射測温装置の一例を示す概念図 第一種のミラー及び第二種のミラーにシリンドリカルミラー（円筒面ミラー）を用いた放射測温装置の一例を示す概念図 第一種のミラー及び第二種のミラーに直角ミラーを用いた放射測温装置の一例を示す概念図 第一種のミラーと第二種のミラーとでリング状ミラーを構成した放射測温装置の一例を示す概念図 実施形態１の放射測温装置の測温方法の流れの一例を示すフロー図 実施形態２の放射測温装置の一例を示す概念図 Ｓｉウェハについて半導体レーザを使用して入射角度θごとに±１０度の範囲での反射分布測定結果を示す図 各種試料の偏光方向の偏光方向放射率の実験ないしシミュレーション結果 放射測温装置を加熱装置に適用した例を示す概念図

以下、本発明の実施の形態について、添付図面を用いて説明する。なお、本発明は、これら実施形態に何ら限定されるべきものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において、種々なる態様で実施し得る。

なお、実施形態１では、主に請求項１、２、６－８について説明する。実施形態２では、主に請求項３、４について説明する。実施形態３では、主に請求項５について説明する。
＜実施形態１＞
＜実施形態１ 概要＞

本実施形態の放射測温装置は、測定試料を挟んで、測定試料の測定面法線に対して角度θと角度－θとで放射される光を測定対象に対して反射し得る球面型の第一種のミラーと球面型の第二種のミラーとを用いて、それぞれのミラーと測定試料の測定面とで放射光を多重反射させるとともに、一方のミラー面において放射温度計の入射光軸と交差する部分に穴部を設け、その穴部を通して入射した光を放射温度計に取込んで測温するように構成されている。このように構成することで、多重反射により見かけの放射率を大きくした放射輝度を測定することができる。
＜実施形態１ 構成＞

図１は、本実施形態の放射測温装置の一例を示す概念図である。図１（ａ）は、上方から視た図であり、図１（ｂ）は、側方から視た図である。本実施形態の放射測温装置は、測定試料０１０１を配置するための配置部０１０６と、第一種のミラー０１０２と、第二種のミラー０１０３と、放射温度計０１０５と、からなる。
＜実施形態１ 測定試料＞

まず、測定試料０１０１は、少なくともその測定面（測定点は測定面に含まれる）が平面状になっている。すなわち、後述する放射温度計による測定は、放射温度計の焦点を測定試料の平面状になっている領域に合わせて行う。また、測定試料は、例えば鋼板や半導体ウェハ、アルミニウムなど種々である。また、温度測定が行われる場面としては、鉄鋼やアルミニウムの圧延プロセス、シリコンウェハのランプアニール、連続鋳造プロセス、車体の塗装プロセスなど温度管理を要する各種のプロセスで温度測定が行われる。なお、図１においては、測定試料として圧延プロセスにおける鋼板を示している。また、配置部などの基準面に対して同じ方向に法線方向があるスポットがあれば、測定面は必ずしも平面状でなくてもよい。
＜実施形態１ 配置部＞

図１（ｂ）に示すように、配置部０１０６は、測定試料０１０１を配置するためのものである。配置部による測定試料の配置は、測定試料を固定して配置するものであってもよいし、ローラーコンベアーなどのように測定試料を配置部上で移動可能とする移動手段を設けて測定試料を移動しつつ配置するものであってもよい。
＜実施形態１ 放射温度計＞

放射温度計０１０５は、第一種ミラーと第二種のミラーとの間で多重反射した光によって測定試料の見かけの放射率を大きくした放射輝度を測定する。放射温度計は、サーモパイルなどの赤外光検出素子と、対象から放射される赤外光を赤外光検出素子に集光するレンズなどの光学系とから構成されている。
＜実施形態１ 第一種のミラー＞

図１（ａ）に示すように、第一種のミラー０１０２は球面型ミラーであり、測定面の地点Ｐがそれぞれのミラーの集光点として略一致するように配置されている。また、第一種のミラーには、その反射面の略中心に穴部０１０７が設けられている。

図１（ｂ）に示すように、第一種のミラー０１０２は、測定面の地点Ｐから測定面法線０１０４に対して角度θで放射される光を反射して再び測定試料に入射させ、入射点から測定面法線に対して角度－θで放射させるように構成される。

また、第一種のミラーの反射面形状が半径Ｒの球面である場合には、第一種のミラーの中心と測定面の地点Ｐとの距離が半径Ｒと同じ長さになるように、第一種のミラーを測定試料に対して配値する。

そして、第一種のミラーは、測定面上の集光点Ｐから測定面法線０１０４に対して角度θで放射される光が穴部０１０７を通過して放射温度計０１０５に入射するとともに、集光点Ｐから放射された光であって穴部を通過せずミラー面に到達した光を再び集光点Ｐの方へ反射するように構成される。

そして、放射温度計０１０５は、第一種のミラーの背後に配置され、自身の前方に設けられた穴部０１０７から多重反射した光を取り込むように構成され、その受光軸が集光点Ｐに向くように配置され、集光点Ｐに焦点が合わせられている。

また、第一種のミラーの反射率は高いことが好ましく、反射率ρが０．９５以上であることが望ましい。第一種のミラーの反射率が高いほど、見かけの放射率を大きくすることができるからである。これは第二種のミラーについても同様である。
＜実施形態１ 第二種のミラー＞

第二種のミラー０１０３は、配置部に配置される測定試料の測定面法線に対して所定範囲の角度－θで測定試料から放射される光を反射して再び測定試料に入射させ、入射点から測定試料の測定面法線に対して所定範囲の角度θで放射させるように構成される。

また、第二種のミラーは、第一種のミラーと同様にその反射面の形状が半径Ｒの球面となる球面型ミラーであり、第二種のミラーの中心と測定面の地点Ｐとの距離が半径Ｒと同じ長さになるように測定試料に対して配値される。
＜実施形態１ 測定原理＞

上記の構成において、第一種のミラーと第二種のミラーと間で生じる多重反射と、それにより測定試料の見かけの放射率を大きくして温度測定を行う原理を以下に説明する。

第一種のミラーは半径Ｒの球面型ミラーであり、その焦点距離はｆ＝Ｒ／２となるので、下記の数式１で示す光学の集光公式が成り立つ。

測定試料の地点Ｐと球面型ミラーとの距離をａ＝Ｒとすると、数式１からｂ＝Ｒとなる。すなわち球面型の第一種のミラーが測定試料の地点Ｐから発せられた放射束はミラー面で反射し再び地点Ｐに戻る（第二種のミラーにおいても同様である）。そして、第一種のミラーと第二種のミラーは、測定試料の測定面法線に対して鏡面対象となる角度θにて向き合っている。したがって、放射束は、地点Ｐ、第一種のミラー、地点Ｐ、第二種のミラー、地点Ｐといった具合に進み、両ミラーと地点Ｐとで多重反射する。

ここで、いま試料試料のθ方向の（分光）放射率ε_θをとし、測定試料面を完全鏡面的な反射面だとすると、両ミラー間で永久的に多重反射を繰り返す。しかし実際には試料面での吸収や、球面型ミラーの反射率の影響により有限回の反射に収束する。そのため、第一種のミラーでの反射時に穴部から出る放射束φは実質ミラー間を有限のｎ回往復の積算とみなすと、下記の数式２に比例する量となる。

放射温度計は数式２の放射束φに対応する放射束を見かけの分光放射輝度Ｌ_ｅｆｆとして数式３を検出する。

ここで、ρは第一種のミラーと第二種のミラーの反射率、Ｌ_ｂ，λ（Ｔ）は温度Ｔ、波長λの黒体分光放射輝度である。数式３の見かけの分光放射輝度Ｌ_ｅｆｆは、パラメータαを下記の数式４のようにとれば、下記の数式５のように変形できる。

したがって、見かけの分光放射率ε_ｅｆｆは、数式６となる。

ここで、ｎ→∞のとき、ρ（１－ε_θ）＜１であるため、ρ^ｎ＋１（１－εθ）^ｎ＋１→０となり、数式５は数式７で表せる。この式は測定試料が完全鏡面的反射面であるときの究極的な見かけの放射輝度を表す。
ちなみにρ＝０．９５のとき、数式４よりα＝０．０５３となる。

図２は、数式６に基づき、見かけの放射率ε_ｅｆｆ の変化を往復反射回数ｎ、および測定試料の放射率ε_θをそれぞれパラメータとしてプロットしたものである。図２（ａ）では、横軸は試料放射率ε_λを表し、図２（ｂ）では、横軸は反射回数ｎを表している。なお、第一種ミラーと第二種ミラーの反射率ρは、ρ＝０．９５とした。また、図３は、図２に示した見かけの放射率ε_ｅｆｆの変化を、表に示したものである。

図２及び図３に示すように、もとの試料放射率が０．６あれば、反射回数ｎ＝５でも見かけの放射率は０．９５以上になる。見かけの放射率がこの程度まで高くなれば、黒体放射とみなすことができ、実際の試料の放射率が不明かつ変動的であっても、黒体放射とみなして温度測定をすることができる。
＜実施形態１ 他の態様＞

これまで、第一種のミラー及び第二種のミラーをそれぞれ球面型のミラーによって構成するとともに第一種のミラーに設けられる穴部を通して測定試料の放射輝度を測定した放射測温装置を示してきた。以下では、放射測温装置の他の種々の態様を示す。いずれの態様においても、上述した実施形態と同様に、測定試料を配置するための配置部、測定試料から放射される第一種のミラー、第二種のミラー及び放射温度計の各構成要素を有し、第一種のミラー及び第二種のミラーの形態などが異なる。
＜穴部を有さないミラーによる多重反射＞

図１で示した放射測温装置は、第一種のミラー及び第二種のミラーを球面型のミラーとするとともに、いずれかのミラーに穴部を設けることで、多重反射した放射束を放射温度計が測定し得るように構成した。このように構成することで、最小限のミラー数で測温可能であるため設置スペースをコンパクトにすることができるという利点がある。

以下の態様は、穴部を有する球面型ミラーという相対的に加工精度が求められるミラーを用いることなく多重反射により見かけの放射率を大きくして温度測定を行えるものである。図４は、穴部を有さないミラーを用いる基本的な放射測温装置の態様を示すものである。

図４は、複数のミラーによる多重反射を利用する放射測温装置の一例を示す概念図である。図４（ａ）は、上方から視た図であり、図４（ｂ）は、側方から視た図である。本実施形態の放射測温装置は、測定試料０４０１を配置するための配置部０４０６と、第一種のミラー０４０２と、二つの第二種のミラー０４０３、０４０４と、放射温度計０４０５と、からなる。第一種のミラー、第二種のミラー、測定試料の測定面における地点Ｐ_１、Ｐ_２、Ｐ_３、及び放射温度計のそれぞれの間に示されている矢印は、地点Ｐ_３から放射温度計に入射し得る光の経路を示している。

図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すように、第一種のミラー０４０２は、測定面の地点Ｐ_１から測定面法線に対して角度θで放射される光を反射して再び測定面の地点Ｐ_２に入射させるように構成されている。また、逆に測定面の地点Ｐ_２から測定面法線に対して角度θで放射される光を反射して再び測定面の地点Ｐ_１に入射させることができるように構成されている。

また、第二種のミラー０４０３は、測定面の地点Ｐ_２から測定面法線に対して角度－θで放射される光を反射して再び測定面の地点Ｐ_３に入射させるように構成されている。また、逆に測定面の地点Ｐ_３から測定面法線に対して角度－θで放射される光を反射して再び測定面の地点Ｐ_２に入射させることができるように構成されている。また、地点Ｐ_１から放射される光を反射する第二種のミラー０４０４は、地点Ｐ_１に正対しており、Ｐ_１から放射される光を反射してＰ_１に入射し得るように構成されている。このような第二種のミラーを再帰反射型ミラーという。

本例においても、第一種のミラーとして球面の凹面を反射面とする球面型ミラーを用いており、ミラーの反射率は高いことが好ましく、反射率ρが０．９５以上であることが望ましい。

放射温度計０４０５は、測定面に対して斜め方向から焦点を合わす位置に存在する。したがって、測定面から放射される光を十分に受光するために、放射温度計の光学系について被写界深度と焦点深度とを大きくするように構成することが望ましい。測定面上で焦点の合う領域を広くとれるようにすることで、測定面からの受光量及び受光強度を高めることができ、放射輝度を高くすることに寄与するからである。例えば、被写界深度は２０～３０ｃｍ、焦点深度は２～３ｃｍ程度が好ましく、このように構成することで直径３ｃｍ程度の領域をフォーカスすることができる。

続いて、本態様における多重反射について説明する。図４（ａ）に示すように、放射温度計が受光する光は、次の六つの光の総和であると考えられる。まず、地点Ｐ_３から直接受光する光である。そして、地点Ｐ_２から発せられ第二種のミラー０４０３で反射して地点Ｐ_３に入射し、地点Ｐ_３で反射して放射温度計に達する光である。そして、地点Ｐ_１から発せられ第一種のミラー０４０２で反射して地点Ｐ_２に入射し、地点Ｐ_２で反射してから第二種のミラー０４０３で反射して地点Ｐ_３に入射し、地点Ｐ_３で反射して放射温度計に達する光である。ここまでで三つの光である。なお、このような経路をとる多重反射のことを、本明細書では順方向の多重反射という。

また、Ｐ_１、Ｐ_２、Ｐ_３の各地点から発せられた光であって、地点Ｐ_１に正対する第二種のミラー０４０４による反射を経た光も放射温度計に入射する。例えば、地点Ｐ_１からは、第一種のミラー０４０２が位置する方向だけでなく、第二種のミラー０４０４が位置する方向にも光が放射される。地点Ｐ_１から第二種のミラー０４０４に発せられた光は、反射し再び地点Ｐ_１に入射する。地点Ｐ_１に入射した光は地点Ｐ_１にて反射し、第一種のミラー０４０２に入射して反射する。以降、地点Ｐ_２、第二種のミラー０４０３、を経由し、最終的に地点Ｐ_３から放射温度計に入射する。同様に、地点Ｐ_２及び地点Ｐ_３から発せられ、第二種のミラー０４０４による反射を経由して放射温度計に到達する。これらが、さらなる三つの光である。なお、このような経路とる多重反射のことを、本明細書では逆方向を含む多重反射という。

以上のように、放射温度計が受光する光は、上述した六つの光の総和になる。つづいて、それら六つの光のそれぞれの分光放射輝度について考える。測定面の温度Ｔ、測定試料の角度θ方向の放射率ε_θ、第一種のミラー及び第二種のミラーの反射率ρ、波長λで角度θ方向で温度Ｔにおける黒体の分光放射輝度をＬ_ｂ，λ（Ｔ）とした場合、地点Ｐ_３から発せられ、直接放射温度計に入射する光の分光放射輝度は、ε_θＬ_ｂ，λ（Ｔ）となる。

また、地点Ｐ_２から発せられ、第二種のミラー０４０３で反射してＰ_３に入射し、Ｐ_３にて反射して放射温度計に入射する光の分光放射輝度は、ρ（１－ε_θ）ε_θＬ_ｂ，λ（Ｔ）となる。ここで、（１－ε_θ）は、キルヒホッフの法則とエネルギー保存則から測定試料の角度θ方向での反射率である。なお、測定試料は非透過体であるとみなしている。

このように、地点Ｐ_２から発せられた光は、第一種のミラーによる反射と測定試料による反射とをそれぞれ１回ずつ経由して放射温度計に入射する。したがって、この光の分光放射輝度は、Ｐ_２から発せられた光の分光放射輝度ε_θＬ_ｂ，λ（Ｔ）に第一種のミラーの反射率ρと、測定試料の反射率（１－ε_θ）とを乗じた、ρ（１－ε_θ）ε_θＬ_ｂ，λ（Ｔ）となる。

そして、六つの光の総和は、以下のように示すことができる。
ε_θ｛１＋ρ（１－ε_θ）＋ρ^２（１－ε_θ）^２＋・・・＋ρ^５（１－ε_θ）^５｝Ｌ_ｂ，λ（Ｔ）

また、図５は、上記のような多重反射を利用した放射測温の態様を一般化して示す概念図である。図示するように、複数の第一種のミラー０５０２と複数の第二種のミラー０５０３（一の再帰反射型の第二種のミラー０５０４を含む）とにより測定面から発せられた光は反射を繰り返し、地点「Ｐ_ｎ」から放射温度計０５０５に入射する。この放射温度計に入射する光の分光放射輝度Ｌ_ｅｆｆは、以下の数式８で示すことができる。

この数式８は、すでに説明した数式３と同じである。そして、本態様においても上述したように、ｎ→∞とし、測定試料が完全鏡面的反射面であるとすれば、見かけの放射輝度は、数式７で示したものとなる。したがって本態様に放射測温装置においても、見かけの放射率を大きくして温度測定を行うことができる。
＜平面ミラーによる多重反射＞

図６は、第一種のミラー及び第二種のミラーに平面ミラーを用いた放射測温装置の一例を示す概念図である。図６（ｂ）に示すように、第一種のミラー０６０１は、測定対象０６０２の測定面法線０６０３に対して角度θにてミラー面が向くように配置され、第二種のミラー０６０４は、測定面法線に対して角度－θにてミラー面が向くように配置されている。

図６（ａ）に示すように、測定面の地点Ｐ_５に焦点を合わせた放射温度計０６０５は、対向する第二種のミラーのミラー面法線方向から角度φの方向に受光軸が向くように配置されている。また、第二種のミラー０６０４の一端には、測定面の地点Ｐ_１から入射する光を再び地点Ｐ_１に入射するように反射面が第二種のミラーの主たるミラー面法線方向から角度φ傾けた再帰反射型ミラー０６０６が備わる。

以上のような構成により、測定面から放射される光が第一種のミラー及び第二種のミラーとの間で多重反射し、多重反射によって放射温度計に入射する光の見かけの放射率を大きくすることができる。
＜シリンドリカルミラーによる多重反射＞

図７は、第一種のミラー及び第二種のミラーにシリンドリカルミラー（円筒面ミラー）を用いた放射測温装置の一例を示す概念図である。図７（ｂ）に示すように、第一種のミラー０７０１は、測定対象０７０２の測定面法線０７０３に対して角度θにてミラー面が向くように配置され、第二種のミラー０７０４は、測定面法線に対して角度－θにてミラー面が向くように配置されている。

図７（ａ）に示すように、測定面の地点Ｐ_５に焦点を合わせた放射温度計０７０５は、対向する第二種のミラーのミラー面法線方向から角度φの方向に受光軸が向くように配置されている。また、第二種のミラーの一端には、測定面の地点Ｐ_１から入射する光を再び地点Ｐ_１に入射するように反射面が第二種のミラーの主たるミラー面法線方向から角度φ傾けた再帰反射型ミラー０７０６が備わる。

以上のような構成により、測定面から放射される光が第一種のミラー及び第二種のミラーとの間で多重反射し、多重反射により放射温度計に入射する光の見かけの放射率を高めることができる。
＜直角ミラーによる多重反射＞

図８は、第一種のミラー及び第二種のミラーに直角ミラーを用いた放射測温装置の一例を示す概念図である。図８（ｂ）に示すように、第一種のミラー０８０１は、測定対象０８０２の測定面法線０８０３に対して角度θにてミラー面が向くように配置され、第二種のミラー０８０４は、測定面法線に対して角度－θにてミラー面が向くように配置されている。

図８（ａ）に示すように、第一種のミラーと第二種のミラーとは、互いに対向するミラー面を図中のｙ軸方向に平行にずらして配置している。また、第二種のミラーの一端には、測定面の地点Ｐ_１から入射する光を再び地点Ｐ_１に入射するように反射面が地点Ｐ_１に正対する再帰反射部０８０６が備わる。また、上述のようにずらすことで、ミラー面間での多重反射を経由して第二種のミラーの他端から放射される光は、対向する第一種のミラーに干渉することなく放射温度計０８０５に入射するように構成されている。

以上のような構成により、測定面から放射される光が第一種のミラー及び第二種のミラーとの間で多重反射し、多重反射により放射温度計に入射する光の見かけの放射率を高めることができる。なお、直角ミラーを直角プリズムに代えても同様の作用効果を奏することができる。
＜リング状ミラーによる多重反射＞

本態様は、上述の放射測温装置を基本とし、第一種のミラーと第二種のミラーの配置などに特徴を有するものである。すなわち、本態様における第一種のミラーと、第二種のミラーとは、それぞれＮ個のミラーから正Ｎ角形に配置構成されており、Ｎの値は、３以上で無限大以下である。

図９は、Ｎの値が無限大の場合を示す一例である。図９（ａ）に示すように、第一種のミラーと第二種のミラーとが正Ｎ角形に配置構成されるところ、Ｎの値を無限大とすることで、結果的に一のリング状ミラー０９０１を構成している。

リング状ミラーは、測定試料の測定面法線０９０６に対して角度θ（角度－θ）で測定試料から放射される光を反射して再び測定試料に入射させ、入射点から測定試料の測定面法線に対して所定範囲の角度－θ（角度θ）で放射させるように構成される。そして、放射温度計０９０３は、リング状ミラーの中心から少しずれた地点Ｐから測定面法線に対して角度θで放射される光を穴部０９０２を通して受光するように配置される。このような構成により、放射温度計は、リング状ミラーと測定面の地点Ｐを中心とする領域との間で多重反射することで見かけの放射率を大きくした放射輝度を測定することができる。
＜実施形態１ 測温方法＞

上述した本実施形態の放射測温装置に係る発明は、測温方法に係る発明としても表すことができる。すなわち、上述した配置部と第一種のミラーと第二種のミラーと放射温度計とからなり、第一種のミラーと第二種のミラーとはそれぞれ一以上のミラーから構成されている放射測温装置の測温方法として表すことができる。

図１０は、本実施形態の放射測温装置の測温方法の流れの一例を示すフロー図である。図示するように、まず、配置部に測定試料を配置する（１００１ 配置ステップ）。そして、前記複数のミラー間で多重反射した光によって測定試料の見かけの放射率を大きくした放射輝度を放射温度計で測定する（１００２ 測定ステップ）。
＜実施形態１ 効果＞

本実施形態の放射測温装置により、測定試料の測定面の上方空間に余裕のない場合であっても、多重反射により見かけの放射率を高くすることができ、放射率が不明で変動的な対象についても精度よく温度測定を行うことができる。
＜実施形態２＞
＜実施形態２ 概要＞

本実施形態は、実施形態１を基本とし、ｐ偏光を受光することで見かけの放射率をより大きくし、また前述の角度θの範囲をより鏡面反射特性を示す範囲に特定することで見かけの放射率をより大きくするものである。
＜実施形態２ 構成＞

図１１は、本実施形態の放射測温装置の一例を示す概念図である。この放射測温装置は、実施形態１において図１にて示した放射測温装置と基本的な構成を同じくし、さらに放射温度計の前方にｐ偏光子を有する偏光部を設けるものである。

図１１（ａ）に示すように、第一種のミラー１１０２及び第二種のミラー１１０３はそれぞれ球面型ミラーであり、それぞれの集光点が測定試料１１０１の測定面の地点Ｐにおいて略一致するように配置されている。また、第一種のミラーには、その反射面の略中心に穴部１１０７が設けられている。そして、第一種のミラーの後方であって、放射温度計１１０５の光取込面の前方にｐ偏光子を有する偏光部１１０８が設けられている。

また、図１１（ｂ）に示すように、第一種のミラー１１０２は、測定面上の地点Ｐから測定面法線に対して角度θで放射される光が穴部１１０７を通過して放射温度計１１０５に入射するとともに、地点Ｐから発せられた光であって穴部を通過せずミラー面に到達した光を再び地点Ｐの方へ反射するように構成される。また、第二種のミラー１１０３は、測定面上の地点Ｐから測定面法線に対して角度－θで放射される光を反射して、再び地点Ｐの方に入射するように構成される。
＜実施形態２ 角度θ＞

本実施形態において、角度θは６０度以上であると限定する。より好ましくは７０度以上であると限定する。実施形態１において説明したように、多重反射における反射回数ｎが多いことが見かけの放射率を高くすることに寄与する。したがって、測定試料が鏡面的な反射特性を有することが好ましい。換言すれば、測定試料が拡散反射の少ない反射特性を有することが好ましいと言える。

図１２は、Ｓｉウェハ（粗さＲａ＝０．２８μｍ）について半導体レーザ（λ＝５３２ｎｍ、無偏光）を使用して入射角度θ（３０度～８０度）ごとに±１０度の範囲での反射分布測定結果である。入射角度θが小さいところでは拡散的な広がりのある反射分布であるが、θ＝７０度以上で反射の拡散分布が著しく縮小し、鏡面的反射特性を示しており、反射回数ｎを高めることができ、多重反射により見かけの放射率を高めるという本発明における効果を高めることに大いに寄与する。また、以下に示す偏光特性との関係で相乗効果を奏し得る。
＜実施形態２ ｐ偏光子による作用＞

図１３は、各種試料（（ａ）Ｓｉウェハ、（ｂ）アルミニウム、（ｃ）冷延鋼板、（ｄ）ステンレス鋼板）の偏光方向の偏光方向放射率の実験ないしシミュレーション結果である（下記の文献を参考にした）。Ｓｉウェハや各種金属放射率および反射率は偏光によって大きく変化する。いずれもθ＝７０度～８０度の方向でｐ偏光放射率は増大する（ｐ偏光反射率は減少する）。逆にｓ偏光放射率は減少する（ｓ偏光反射率は増大する）。したがって、本手法はθ＝７０度～８０度の方向でｐ偏光を利用すれば放射率が増大するので、本発明の効果をより高めることができる（参考文献 井内徹，石井，偏光輝度を利用した常温付近における光沢金属の放射測温法，計測自動制御学会論文集，36, 395/401 (2000)）。

なお、角度θを６０度以上とすることの作用及び効果や、偏光部を設けることによる作用及び効果は、実施形態１で示した種々の放射測温装置においても同様に生じるものである。
＜実施形態２ 効果＞

本実施形態の放射測温装置によれば、見かけの放射率をより高めることができ、放射率が不明で変動的な対象についても精度よく温度測定を行うことができる。
＜実施形態３＞
＜実施形態３ 概要＞

本実施形態の放射測温装置は、実施形態１又は２を基本とし、加熱手段を備えるチャンバー内に配置される測定試料の温度を測定するための放射測温装置である。
＜実施形態３ 構成＞

図１４は、本実施形態の放射測温装置を加熱装置に適用した例を示す概念図である。図示するように、チャンバー１４０１には、その内部にシリコンウェハなどの測定試料１４０２を下方から加熱するための加熱手段１４０３と、内部観察用窓１４０４とを備えている。そして、上述した配置部１４０５は、チャンバー内に配置されている。なお、内部観察用窓には、赤外光を透過するフッ化カルシウム、合成石英、ゲルマニウム、フッ化マグネシウム臭化カリウム、サファイア、シリコン、塩化ナトリウム、ジンクセレン、硫化亜鉛などを用いることができる。

第一種のミラー１４０６及び第二種のミラー１４０７、並びに放射温度計１４０８の光取込面は、チャンバー外部に配置され、測定試料からの光を内部観察用窓を介して入射させるように構成されている。なお、本図の例では、第一種のミラー及び第二種のミラーはいずれも球面型ミラーであり、第一種のミラーには前述した穴部が設けられ、第一種のミラーの後方に配置されている放射温度計は穴部を通った光を受光するように構成されている。

このように放射測温装置を構成することにより、チャンバー内で加熱処理などに供される測定試料から放射される光が内部観察用窓を介して第一種のミラー及び第二種のミラーと多重反射し、多重反射した光が放射温度計に入射し、実施形態１などで説明したように、見かけの放射率を高くして温度測定を行うことができる。

また、上述した加熱装置に適用する場合には、測定試料は配置部に載置して止まった状態で測定されるが、配置部はこのような態様に限られるものではなく、測定試料を配置部上で移動可能とする移動手段を有するように構成することもできる。

例えば、コンベア焼成炉やコンベア加熱炉などのように、チャンバーの内外を通るコンベアにより測定試料をチャンバー内に搬送するとともに、チャンバー内にて測定試料をチャンバー入口からチャンバー出口まで移動させ、再びチャンバー外に測定試料を搬送するように構成することができる。係る構成によれば、搬送される測定試料に対して熱処理等を行うチャンバー内で測定対象の温度測定を行うことができる。
＜実施形態３ 効果＞

本実施形態の放射測温装置により、チャンバー内に配置される測定試料についても多重反射により見かけの放射率を高めることができ、放射率が不明で変動的な対象についても精度よく温度測定を行うことができる。

０１０１ 測定試料
０１０２ 第一種のミラー
０１０３ 第二種のミラー
０１０４ 測定面法線
０１０５ 放射温度計
０１０６ 配置部
０１０７ 穴部

Claims (7)

1. 少なくとも測定面は平面状の測定試料を配置するための配置部と、
   配置部に配置される測定試料の測定面法線に対して所定範囲の角度θで測定試料から放射される光を反射して再び測定試料に入射させ、入射点から測定試料の測定面法線に対して所定範囲の角度－θで放射させるように構成される第一種のミラーと、
   配置部に配置される測定試料の測定面法線に対して所定範囲の角度－θで測定試料から放射される光を反射して再び測定試料に入射させ、入射点から測定試料の測定面法線に対して所定範囲の角度θで放射させるように構成される第二種のミラーと、
   からなり、
   第一種のミラーと、第二種のミラーとは、それぞれ一以上のミラーから構成されており、
   前記θの値が６０度以上であり、
   前記複数のミラー間で多重反射した光によって測定試料の見かけの放射率を大きくした放射輝度を測定するための放射温度計を有する放射測温装置。
2. 前記放射温度計は第一種のミラー又は／及び第二種のミラーの背後に配置され、自身の前方のミラーに設けられた穴部から前記多重反射した光を取り込むように構成される請求項１に記載の放射測温装置。
3. 放射温度計の光取込面の前方にｐ偏光子を有する偏光部を設けた請求項１又は請求項２に記載の放射測温装置。
4. 内部観察用窓を備えたチャンバーを有し、
   前記配置部はチャンバー内に配置され、
   第一種のミラー及び第二種のミラー、並びに放射温度計の光取込面は、チャンバー外部に配置され、測定試料からの光を内部観察用窓を介して入射させるように構成されている請求項１から請求項３のいずれか一に記載の放射測温装置。
5. 配置部は、測定試料を配置部上で移動可能とする移動手段を有する請求項１から請求項４のいずれか一に記載の放射測温装置。
6. 少なくとも測定面は平面状の測定試料を配置するための配置部と、
   配置部に配置される測定試料の測定面法線に対して所定範囲の角度θで測定試料から放射される光を反射して再び測定試料に入射させ、入射点から測定試料の測定面法線に対して所定範囲の角度－θで放射させるように構成される第一種のミラーと、
   配置部に配置される測定試料の測定面法線に対して所定範囲の角度－θで測定試料から放射される光を反射して再び測定試料に入射させ、入射点から測定試料の測定面法線に対して所定範囲の角度θで放射させるように構成される第二種のミラーと、
   放射温度計と、
   からなり、
   前記θの値が６０度以上であり、第一種のミラーと、第二種のミラーとは、それぞれ一以上のミラーから構成されている放射測温装置の測温方法であって、
   配置部に測定試料を配置する配置ステップと、
   前記複数のミラー間で多重反射した光によって測定試料の見かけの放射率を大きくした放射輝度を放射温度計で測定する測定ステップと、
   を有する測温方法。
7. 少なくとも測定面は平面状の測定試料を配置するための配置部と、
   配置部に配置される測定試料の測定面法線に対して所定範囲の角度θで測定試料から放射される光を反射して再び測定試料に入射させ、入射点から測定試料の測定面法線に対して所定範囲の角度－θで放射させるように構成される第一種のミラーと、
   配置部に配置される測定試料の測定面法線に対して所定範囲の角度－θで測定試料から放射される光を反射して再び測定試料に入射させ、入射点から測定試料の測定面法線に対して所定範囲の角度θで放射させるように構成される第二種のミラーと、
   からなり、
   第一種のミラーと、第二種のミラーとは、それぞれＮ個のミラーから正Ｎ角形に配置構成されており、
   前記θの値が６０度以上であり、
   Ｎの値は、３以上で無限大以下であり、
   前記複数のミラー間で多重反射した光によって測定試料の見かけの放射率を大きくした放射輝度を測定するための放射温度計を有する放射測温装置。