JPH01143924A - 温度の遠隔測定装置並びに方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の概要 第１と第２の離隔した波長を含み、且つ一方の波長の放
射率が他方の波長の放射率と異なるか又は必ずしも異な
らなくてもよい未知の放射率特性を持つ波長帯域に亘っ
て輻射する熱的に放射する目標の温度を、（ａ）これら
２つの波長で熱輻射の一部よル信号を引き出し、（ｂ）
目標を直撃するこれら波長の補対の２つのビームの反射
部分から信号を引き出し、（ｃ）これら引き出された信
号を使用して温度を計算することによって遠隔的に読む
。

発明の背景 目標から放射する暢射光を測定することにより高温度の
目標の温度遠隔測定に使用される高温計確には実行出来
ない。材料の放射率は単に材料の成分組成と表面組織に
依存するばかシでなく、また測定実施の際の高温計が使
用する波長と、同様に使用される観察角度と目標の温度
によっても変化するので、放射率は、温度測定が誤差な
いように充分な正確さで知ることはきわめてまれである
。

本発明は、高温計の新しい形を指向している。

ここでは目標の放射率の予備知識は必要でなく又は利用
もしない。又放射率の不確実性は、２つの異なった波長
による測定において目標の反射率の比の直接測定及び原
位置測定により除去される。

発明の要約 絶対零度以上の温度のあらゆる物体（ｐｈｙｓｉｃａｌ
ｂｏｅｉｙ　）は波長の広帯域に亘多ブランクの法則に
従い電磁放射線を放射する ここで、Ｌは選択した波長Ｗでのスペクトル放射エネル
ギー（ｒａｄｉａｎｃｅ　）、　ｙは物体の温度、Ｅは
波長Ｗにおける放射率、Ｃは真空中の光速度、ｈはブラ
ンクの定数、ｋはボルツマンの定数。目標が黒体である
とすると、黒体は定義によ、９１に等しい放射率であシ
、ブランクの法則は となる。

２つの離隔された波長ＡとＢに対し、これら波長におけ
る対応する黒体輻射ＰとＱは次のように定義される。

目標が波長ＡとＢを含む波長領域に亘シ熱的に輻射し、
且つこれら波長での実際の放射率が夫々ＭとＮで表され
る場合、これら波長での実際に測定した熱輻射は夫々Ｆ
とＧで表わされたのように定義される。

Ｍ＝−・・・・・・（７） Ｎ＝□　　　　　　　　　　　　　　・・・・・・（８
）目標が特定波長の入射輻射のビームを受け、この入射
輻射の一部７６とビームを発生した点に反射されたとき
、目標の放射率Ｂと相対的に反射された輻射ｒ（両方向
性の反射性）は、キルヒホーフの法則の助けにより次の
ように定義される。

ｒ＝Ｈ（１−Ｂ）　　　　　　　　　　　　・・・・・
・（９）ここで、Ｈは両方向性反射率と半球の反射率と
の比である。Ｈの値は各波長ＡとＢの各々にとって実質
的に同一である。

従って、Ｍの放射率を持った波長人における相対的に反
射された輻射と、放射率Ｎを持った波長Ｂの相対的に反
射された輻射との比Ｒは、次式と同一になる。

Ｒ，Ｆ、Ｇは測定可能であシ、ＡとＢは解っているから
、４個の公式（５）　、　（６）　、　（７）　、　（
８）は３個の未知の変数Ｔ、Ｍ、Ｎを含みこれらの式は
例えば遂次近似方法の如く各種公知の数値計算法により
解ける。

本発明によると、所望の測定が得られ、これらの測定及
び既知の数量は第１と第２の離隔された波長を含んだ波
長帯域に亘シ放射をする熱的輻射している目標の温度を
遠隔的に読み取るのに使用される。目標はある波長の放
射率が他の波長の放射率と異なってもよく、必ずしも異
なわなくてもよい未知の放射率特性をもっている。

本発明によると、第１電気信号は装置に衝突する第１波
長における熱輻射の一部に応答するものが得られ、第１
信号はそこで単調に変化する。第２電気信号は装置に衝
突する第２波長における熱輻射の１部分に応答するもの
が得られ、第２信号はそこで単調に変化する。第１波長
の第１轢射ビームは目標に指向され、それにより第１ビ
ームの一部は目標で反射される。第２波長の第２輻射ビ
ームは目標に指向され、それにより第２ビームの一部は
目標で反射される。第３の信号は第１反射ビームの衝突
部分から得られ、そこで単調に変化する。第４の信号は
第２反射ビームの衝突部分から得られ、そこで単調に変
化する。そこで温度は第１．第２．第３．第４信号を使
用して計算されるＯ 好ましい冥施例の詳細説明 さて第１図乃至第４図を参照するに、第１の直径を有す
る比較的短い前方の中空円筒形シリンダ５７は、断面が
角形を有する後部の長い中空シリンダ１０２と軸を一致
させ、その端部と端部を接続される。これらのシリンダ
は主たる装置の筐体を構成する。

第２シリンダ１０２は、一方の側壁の円形開口１０４を
少し前方に配置させ、同一の側壁の円形開口１０６を少
し後方に配置させている。シリンダ１０２はまた反対側
の側壁に大きい角形開口１０８ｔ−配置させて騒る。

開口１０４に接続されたレンズ筒１０１は、シリンダ１
０２の軸に直交する軸を有し、その中にダイオードレー
ザ１６〔波長人を発する〕を配置させている。ま之、レ
ンズ筒１０１には、レンズ１５、フィルタ１４　（波長
人を中心とする狭帯域通過の）、ビーム結合器１３が配
置されている。レンズ筒１０１の側方のレンズ筒延長部
１０５は、ダイオードレーザ１９（波長Ｂを発する）を
収容している。該レーザ１９に隣接してレンズ１Ｂ、フ
ィルタ１７　（波長Ｂｔ−中心とする狭帯域通過の）、
が配置される。

開口１０６に接続されたレンズ筒１０７は、シリンダ１
０２の軸に直交する軸を有する。レンズ筒１０７の上部
に配置されたプリズム４は、光径路は折シ曲げて装置の
全体の長さを縮少するのく使用される。プリズム４の下
部に配置された開口ブレート５は、前方のシリンダの前
部端に配置され念レンズ１の焦点面（ｆｏｃａｌ　ｐｌ
ａｎｅ　）にピンホールを位置させている。ピンホール
は、目標場所の対応する幾何学的領域からの輻射（光線
：　ｒａｄｉａｔｉｏｎ　）を通過させる。レンズ６は
開口ブレート５の下部に配置される。ビーム・スプリッ
タ７は、レンズ６の下方に配置される。フィルタ１０（
波長Ｂｔ−中心とする狭帯域通過の）は、ビーム・スプ
リツタフの下方、レンズ筒と光検知器１１の上方に配置
されるＯレンズ筒１０７の側方延長レンズ＠　１０３は
、フィルタ８（波長人を中心とする狭帯域通過の）、レ
ンズ９１、光検知器９を収容する。

全体構造の内壁は、散乱放射を抑圧するため黒に塗られ
る。

２波長のビーム結合器及びビーム・スプリッタ２と３は
、シリンダ１０２内で相互に本質的に直角で、且つシリ
ンダ１０２の長軸に関し、各々４５度と１３５度に配置
される。

取付部品１１２は、開口１０８の上にあるシリンダ１０
２に保持され、開口に平行するグラウンド・ガラス観測
スクリーン４０を有する。取付部品は、アイピース２１
をｆ装備した直角部を有し、プリズム２０を積載してい
る取付部品の台と並置している。

レンズ１は、その外側表面に螺旋溝間を設けたレンズ筒
５５にしつかシと固定されている。レンズ筒５５は、シ
リンダ５７の軸と一致している軸上に配置される。シリ
ンダ５７は、レンズ筒関のスロット６１に係合するビン
印を備える。回転素子である焦点リング犯は、シリンダ
５７の外周の所定位置に保持リングＢにより保持され、
シリンダ５７のスロット６２を介し溝間に達するビン５
９を備える。リング団の手動回転により固定しているシ
リンダ５７に関しレンズ部間が共通軸（シリンダ５７の
）に沿って前後に移動させることになる。このリングは
、視覚像が焦点に来るように回転される。視覚像は、レ
ンズ１によりすシガラス観察スクリーン４０上に、赤外
光線から可視光線を分離する低温ミラ３の助けＫよシ形
成される。スクリーン物上に形成される可視像は、対眼
レンズ２１を通し正立像プリズム加を介して観察される
。平らな小面がこのプリズムにつくられ、観察の観測視
野の中に英数字デイスプレィ５１が直接観察を可能にす
るように形成される。

ビーム結合器とスプリッタ２と３を使用して、レーザ伝
送システム、光検知器の受光システム、観察システムの
ナベての３システム用の対物レンズとして役立つレンズ
１によ多光軸を重ね合わせる。

目標あは、波長ＡとＢの帯域に亘シ熱的に放射する。光
線囚で表わされるこの放射光の一部は目標から見て遠方
に配置された温度測定装置の対物レンズ１に衝突する。

レンズ１はビーム結合器２とビーム・スプリッタ３を介
してプリズム４に光線を向ける。プリズムは、ビームを
直角に曲げ、これをピンホール孔４２を有するプレート
５に同一光線を集束する。この孔を通過したビームは、
レンズ６により平行光線にされ、それから２波長のビー
ム・スプリッタ７に衝突する。そのスプリッタは、ビー
ムを、２つのスペクトル帯域、即ち、一方が波長Ａ１他
方が波長Ｂを含むように分離するように設計されている
。スプリッタは、これら帯域の一方を反射し、これら帯
域の他方を透過させる。

第１帯域は反射され、波長人を中心とする狭帯域スペク
トル成分だけを通過させるフィルタ８を通過する。この
成分は、光検出器９に衝突する。

光検出器９は、そこで第１直流光電流を生じ、増幅器２
７において増幅した後、波長人の目標の適当な熱的輻射
の一部によって単調に変化する第１電圧即ち信号■ｃ１
となる。第１信号はマイクロコンピュータ四の入力とし
て供給される。

第２帯域は伝送され、波長Ｂを中心とする狭帯域スペク
トル成分だけを通過させるフィルタ１０を通過する。こ
の成分は光検出器１１に衝突する。光検出器１１はそこ
で第２直流光電流を発生し、増幅器（９）において増幅
した後、波長Ｂの目標の適当な熱的輻射の一部によって
単調に変化する第２電圧すなわち信号ｖｃｇとなる。こ
の第２信号はマイクロコンピュータ四の入力として供給
される。

かくして２つの信号Ｖ。１とｖｃ！は熱目標のスペクト
ル輻射成分に関する必要情報をマイコンに供給する。レ
ンズ（イ）と９１は随時取シ付けられるものであシ、そ
れらは、輻射成分を各検知器の感度良好の範囲に集中さ
せる。

放射率成分に関する必要情報は、レーザダイオード１６
　（波長人）とレーザダイオード１９（波長Ｂ）Ｋよシ
発生される２つのレーザビーム夫々を目標の同一のスポ
ット上に指向させることによって得られる。これらレー
ザよシの輻射光は、レンズ１５と１８で夫々平行光線に
され、フィルタ１４と１５ヲ夫夫通過させる（これらの
フィルタは、赤外線を阻止し、それは、他方、甚だしく
レーザを加熱する）。

輻射光はそれからビーム結合器１３において結合される
。結合した輻射光はそこで凹レンズｎを通過し、ビーム
・スプリッタ啓２に至る。大部分の輻射光はそこでレン
ズ１を介して目標へと外部に向かい通過する。

目標からの反射された輻射光は、逆行してレンズ１ｔ−
通過し各波長毎に別々に検知される。装置が目標により
発生される輻射光と、反射されたレーザ輪射光から生ず
る輻射光を区別するため、２個のレーザビームは輝度変
調される。さらに特別には、レーザは連続的に動作せず
、オンオフのパルスを発生する。更に、規準化ステップ
（後述する）において所望しない相互作用を避は検知を
簡単化するため、レーザは、その出力パルスが相互干渉
せず相互が間隔を置くようなタイミングでオンオフのパ
ルス化される。反射された輻射光は、検知器９と１１に
おいて発生される変調光電流を生ずるようになる。かく
して検知器は、パルス増幅器３２（波長人）と３３（波
長Ｂ）に対応して無変調成分を阻止し、変調成分を通過
させる容量あとあを使用することにより分離された変調
成分と無変調波成分をあたえる。これら増幅器の出力で
発生された信号は、サンプル・ホールド増幅器臼と６２
を通過する。これら増幅器は、マイクロコンピュータか
らの適当なタイミング信号がそこに供給される時にだけ
導通する。タイミング信号の間は、これらず増幅器は、
最後のサンプル値を保持する。

これら増幅器の出力は第３．第４人力信号■１１゜ｖ１
！としてマイクロコンピュータ四に供給される。

規準化は、レーザ電力が、周囲温度の変化、電池電力及
び類似の変化のために変化するから必要である。かよう
な変化が装置の動作に悪影響を与えないようにするため
、適当な補正がマイクロコンピュータに導かれることを
保証することが必要である。この目的のため、レーザに
より放射される輻射光の一部は結合器２を通過して光検
知器−に衝突する。この光ダイオードの出力は、サンプ
ル・ホールド増幅器７０　、６６の入力に導かれる。レ
ーザ出力はインターリーブされるので、マイクロコンピ
ュータからの適当なタイミング信号は、増幅器６６（波
長人）と増幅器（波長Ｂ）が、マイクロコンピュータに
供給されるインターリーブされた出力電圧■２１及び■
２！を発生し、それにより所望の規準化を保証する。

適切なアルゴリズムとテーブルを含んだファームウェア
・プログラムはマイクロコンピュータに蓄積される。

レーザ１６と１９の各々は、対応したパルスレーザ供給
ユニット印と６１の１つに接続される。電池パック団は
、論理制御され良電子スイッチを経て回路ユニット６７
に電力を供給する。ユニット６７ハ、種々の増幅器なら
びにマイクロコンピュータに接続される電圧出力リード
ｘ、ｙ、ｚを有し、図示の如く必要な動作電圧を分配す
る。

電子スイッチは次のように動作する。ブツシュボタンス
イッチ１００の接点人が断（開：ｏｐｅｎ）の時、トラ
ンジスタ１０１　、１０２は非導通であシ、装置は非動
作で電流の流出は存在しない。この点で、スイッチ１０
０の接点Ｂは接地される。ブツシュボタンが動作中であ
ると、接点Ｂは開となシ接点人は閉となる。この動作に
よりトランジスタ１０１は全導通に切シ替わる。電力は
そこでユニット６７に供給され、装置の動作を開始させ
る。そこでボタンが不動作になると、マイクロコンピュ
ータはトランジスタ１０２を導通にし、これでトランジ
スタ１０１が導通を維持する。

約０．２秒の最初の期間中、装置は、目標の熱放射を受
ける。そこでマイクロコンピュータからのパルス列は、
レーザをトリガして約０．２秒の間パルス動作を作動さ
せる。適当な計算が行われ、温度読み取シが表示装置５
１によ）表示された後、マイクロコンピュータはトラン
ジスタ１０２を非導通にして、かくして、トランジスタ
１０１ｔ−導通にし、装置を不動作にする。

電力供給動作、ビーム・スプリッタ及び結合器。

増幅器その他の回路部分の詳細な説明は、１９８５年３
月４日に米国に出願され、本願の瞳受入に譲渡された米
国出願７０７，７４２号に見出すことができる。

この出願は参考のために、こ＼に組み入れられている。

波長人が１．３μｍの値をもち、一方、波長Ｂは、１．
５μｍの値を有するものとする。ＦＬＤ　１３０　Ｄ−
４−ＷＪと商業的に指定されたレーザダイオードはレー
ザダイオード１６として使用でき、他方、ＦＬＤ１５０
　Ｄ−４−ＷＪと商業的に指定されたレーザダイオード
はレーザダイオード１９として使用できる。ある条件下
では、レーザダイオードを使用する必要がなく、発光ダ
イオードをその代わシに使用できる。同一波長を使用す
ると、発光ダイオードＦＢＤ１３０　ＫＩＷＢをレーザ
１６に代えることができる。一方発光ダイオードＦＥＤ
　１５０ＫＩＷＢ　ｔ−レーザ１９に代えることができ
る。　商品名ＦＩＤ　１３Ｓ３２ＷＳ　１５０と指定さ
れる光検知器はこ＼に開示した光検知器の各々に使用で
きる。

上述の如く規準化動作はマイクロコンピュータにて実行
される。他の方法として規準化動作は、マイクロコンピ
ュータに供給する前に、第３．第４信号を規準化するこ
とにより実行できる。第１反射ビームの反射された一部
と、第２反射ビームの反射された一部との比は、マイク
ロコンピュータにて上述の如く得られる。他の方法とし
て、この比は、信号をマイクロコンピュータに供給する
前に規準化信号から得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に使用する光学的電気的システムを説
明する簡単化したブロック図を示す。 第２図は、本発明に使用する筐体及びある構成成部品の
断面形式の側面図を示す。 第３図は、第２図に図示の構造の透視図を示す。 第４図は、第３図に図示の構造の端面図を示す。 ２・・・ビーム結合器 ３・・・ビームスプリッタ ８　、１０　、１４　、１７・・・フィルタ９．１１・
・・光検知器 １６　、１９・・・ダイオードレーザ 四・・・マイクロコンピュータ ５１・・・英数字デイスプレィ ６２　、６３　、６６　、７０・・・増幅器１０１、１
０７・・・レンズ筒 １０２・・・後方中空シリンダ １０３、１０５・・・側方レンズ筒 特許出願人　クオンタムーロジック・コーポレーション
化　理　人　弁理出玉　蟲　久五部

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. （１）第１と第２の離隔した波長を含んだ波長帯域に亘
   つて輻射する熱的の放射する目標の温度を遠隔的に読み
   取る装置であつて、一方の波長の放射率が他方の波長の
   放射率と異なるか又は必ずしも異ならなくてもよい未知
   の放射率特性を有する前記目標の温度を遠隔で読む装置
   において、 そこに衝突する前記第１波長の熱輻射光の一部に応答し
   て、それにより単調に変化する第１電気信号をそこから
   引き出す第１の手段と、 そこに衝突する前記第２波長の熱輻射光の一部に応答し
   て、それにより単調に変化する第２電気信号をそこから
   引き出す第２の手段と、 前記第１波長の輻射光の第１ビームを前記目標に指向さ
   せ、それにより前記第１ビームの一部が前記目標から反
   射される第３の手段と、 前記第２波長の輻射光の第２ビームを前記目標に指向さ
   せ、それにより前記第２ビームの一部が前記目標から反
   射される第４の手段と、 第１反射ビームの衝突する一部に応答し、それにより単
   調に変化する第３の電気信号をそれにより抽出する第５
   の手段と、 第２反射ビームの衝突する一部に応答し、それにより単
   調に変化する第４の電気信号をそれより抽出する第６の
   手段と、 前記第１、第２、第３、第４信号に応答し、前記温度を
   計算する第７の手段と、 を具えたことを特徴とする温度遠隔測定装置。
2. （２）前記第３、第４信号を規準化する第８の手段と、
   前記第１、第２信号及び前記基準化した第３、第４信号
   に応答する前記第７の手段を更に含むことを特徴とする
   特許請求の範囲第１項記載の温度遠隔測定装置。
3. （３）第１、第２信号は変調されず、前記第３、第４信
   号は変調されることを特徴とする特許請求の範囲第２項
   記載の温度遠隔測定装置。
4. （４）前記第３、第４の手段の各々が分離したレーザを
   具えていることを特徴とする特許請求の範囲第３項記載
   の温度遠隔測定装置。
5. （５）前記第３、第４の手段の各々は分離した発光ダイ
   オードを具えていることを特徴とする特許請求の範囲第
   ３項記載の温度遠隔測定装置。
6. （６）前記第１、第２の手段の各々は分離した光検知器
   を具えていることを特徴とする特許請求の範囲第３項記
   載の温度遠隔測定装置。
7. （７）前記第８の手段は光検知器を具えていることを特
   徴とする特許請求の範囲第３項記載の温度遠隔測定装置
   。
8. （８）第１と第２の離隔した波長を含む波長帯域に亘つ
   て輻射する熱的の放射する目標の温度を遠隔的に読取る
   方法であつて、一方の波長の放射率が他方の放射率と異
   なるか又は必ずしも異ならなくてもよい未知の放射率特
   性を有する目標の温度を遠隔的に読取る方法において、 前記目標に衝突する第１波長の熱輻射光の一部から単調
   に変化する第１電気信号を抽出するステップと、 前記目標に衝突する第２波長の熱輻射光の一部から、単
   調に変化する第２電気信号を抽出するステップと、 第１波長の第１ビーム輻射光の一部を目標に指向させ、
   それにより第１ビームの一部が目標から反射されるステ
   ップと、 第２波長の第２ビーム輻射光の一部を目標に指向させ、
   それにより第２ビームの一部が目標から反射されるステ
   ップと、 両反射ビームの衝突部分から対応する第３、第４信号を
   抽出し、第３、第４信号の各々は、対応する反射ビーム
   の衝突部分により単調に変化するステップと、 第１、第２、第３、第４信号を用いて、目標の温度を計
   算するステップと、 を具えることを特徴とする温度遠隔測定方法。
9. （９）各指向されたビームは、レーザビームであること
   を特徴とする特許請求の範囲第８項記載の温度遠隔測定
   方法。
10. （１０）各指向されたビームは、発光ダイオードである
    ことを特徴とする特許請求の範囲第８項記載の温度遠隔
    測定方法。
11. （１１）前記第３信号と第４との比が利用され、前記第
    ３、第４信号は規準化されることを特徴とする特許請求
    の範囲第８項記載の温度遠隔測定方法。