JPH02105048A - Method for measuring infrared radiation temperature, method for measuring space sensitivity distribution for this method, instrument for measurement and method for measuring thermal diffusivity - Google Patents

Method for measuring infrared radiation temperature, method for measuring space sensitivity distribution for this method, instrument for measurement and method for measuring thermal diffusivity

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JPH02105048A
JPH02105048A JP25905688A JP25905688A JPH02105048A JP H02105048 A JPH02105048 A JP H02105048A JP 25905688 A JP25905688 A JP 25905688A JP 25905688 A JP25905688 A JP 25905688A JP H02105048 A JPH02105048 A JP H02105048A
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Abstract

PURPOSE:To make measurement with high resolution by first measuring the space sensitivity distribution characteristic to an IR detecting system and correcting the actually measured temp. distribution of an object surface by using this distribution at the time of measuring the surface temp. of an object having a temp. distribution by using the detecting system without contact. CONSTITUTION:A slit 34 is first inserted into an optical path in order to form a slender wire-shaped laser beam 32 at the tie of using, for example, a slender thin film-like sample 30 as an object and measuring this surface temp. distribution. The width of the sample 30 is set shorter than the longitudinal size of the beam 32 in order to attain a one-dimensional heat conduction state and further, carbon powder of the extent of not giving influence to the temp. distribution is previously applied on the rear surface of the sample 30 in order to increase the SN at the time of setting a temp. response curve. The temp. of the sample 30 is thereafter changed by using liquid nitrogen and the laser is focused to the prescribed position of the sample by a silicon lens 14. This position is detected by an InSb IR detector 16. The detector 16 is moved to change its position at this time by which the desired temp. distribution is obtd.

Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

[産業上の利用分野1 本発明は、赤外線検出系を用いて、温度分布を有する物
体の表面温度を非接触で測定する赤外線放射温度測定方
法、前記赤外線検出系に特徴的な空間感度分布を測定す
る空間感度分布測定方法、そのための測定用装置、及び
、前記赤外線放射温度測定方法を利用した熱拡散率測定
方法に係り、特に、レーザフラッシュ法により薄膜状物
質の熱物性を非接触で測定する際に用いるのに好適な、
温度分布を有する物体の表面温度を高い空間分解能で測
定することが可能な赤外線放射温度測定方法、そのため
の空間感度分布測定方法、測定用装置、及び、熱拡散率
測定方法に関するものである。
[Industrial Application Field 1] The present invention relates to an infrared radiation temperature measurement method for non-contactly measuring the surface temperature of an object having a temperature distribution using an infrared detection system, and a method for measuring a spatial sensitivity distribution characteristic of the infrared detection system. The present invention relates to a method for measuring spatial sensitivity distribution, a measuring device for the measurement, and a method for measuring thermal diffusivity using the infrared radiation temperature measuring method, particularly for non-contact measurement of thermophysical properties of thin film materials using a laser flash method. Suitable for use when
The present invention relates to an infrared radiation temperature measuring method capable of measuring the surface temperature of an object having a temperature distribution with high spatial resolution, a spatial sensitivity distribution measuring method therefor, a measuring device, and a thermal diffusivity measuring method.

【従来の技術1 物体表面の温度を測定することは、あらゆる産業におい
て重要な技術である。例えば、製造プロセスの工程管理
、あるいは、製品の熱物性を測定することにより行う品
質管理等で、物体の表面温度を測定することは不可欠で
ある。 物体の表面温度を測定する方法には、大別して、接触式
と非接触式とがある。 前者の接触式は、測定対象に熱電対等の温度センサを直
接接触させ、その表面の温度を測定しようとするもので
ある。しかしながら、この方法では、温度センサと測定
対象表面との接触面あるいは接触圧により、安定した温
度が測定表示されない場合がある。又、微細な物体の温
度を測定する際には、温度センサを接触させることによ
って、測定対象の熱の分布に変化が発生し、必ずしも測
定対象物体の温度を正確に測定できない場合がある等の
問題点を有していた。 一方、後者の非接触式は、例えば特開昭63−5824
2に開示されている如く、測定対象に、測定器あるいは
測定センサを直接接触させることなく、例えば赤外線領
域の放射を検出素子で捉えて測定しようとするものであ
る。この方法は、前者の接触式に比べて、測定器を物体
近傍に設置し、センサを物体に接触させることが困難な
場合や、あるいは、センサそれ自体が物体の温度に撹乱
を与えることを防ぐという点で優れている。 しかしながら、赤外線検出系を用いて物体の表面温度を
非接触で測定する際には、次のような問題点があった。 即ち、物体表面からの放射光を例えばレンズを用いて集
光して、赤外線検出器に導く場合に、測定対象の空間分
解能が最低でも数uという大きな値になってしまい、0
.1〜0.01nのオーダーでの微小な温度分布のある
測定対象では、正確に温度分布を測定することができな
い。例えば、第7図(A)に示す如く、測定対象である
平板10上に非常に狭い高温部12がある時、該平板1
0表面からの放射光をレンズ14を用いて集光して赤外
線検出器16に導いた場合、実際の温度分布は、第7図
(B)で示す如くであるのに対して、前記赤外線検出器
16で測定された温度分布は、第7図(C)に示す如く
となり、検出される波形がなまってしまい、不正確な空
間分布となる。特に、前記高温部12がある間隔以上狭
い間隔で並んでいるときには、測定される温度分布が重
なってしまって、両者を分離して検出することが不可能
となり、充分な空間分解能を得ることはできなかった。 (発明が達成しようとする課題1 本発明は、前記従来の問題点を解消するべくなされたも
ので、温度分布を有する物体の表面温度を、高い空間分
解能で測定することが可能な赤外線放射温度測定方法を
提供することを第1の課題どする。 又、本発明は、前記赤外線放射温度測定方法を実施する
際に必要な、赤外線検出系に特徴的な空間感度分布を測
定することが可能な空間感度分布測定方法を提供するこ
とを第2の課題とする。 又、本発明は、前記空間感度分布を測定するための装置
を提供することを第3の課題とする。 又、本発明は、前記赤外線放射温度測定方法を利用した
、高精度の熱拡散率測定方法を提供することを第4の課
題とする。 (vR題を達成するための手段) 本発明は、赤外線検出系を用いて、温度分布を有する物
体の表面温度を非接触で測定する際に、前記検出系に特
徴的な空間感度分布を測定し、該空間感度分布を用いて
、検出系による物体表面の実測温度分布を補正すること
により、物体表面の実際の温度分布を求めるようにして
、前記第1の課題を達成したものである。 又、本発明は、赤外線検出系に特徴的な空間感度分布を
測定するに際して、放射される赤外線の強度分布がステ
ップ状に変化する測定面を作り、前記検出系を用いて、
該測定面の境界線に直交する方向に沿う温度分布を測定
し、該温度分布を、前記検出系の境界線からの距離で微
分することによって、検出系の空間感度分布を求めるよ
うにして、前記第2の課題を達成したものである。 又、本発明は、赤外線検出系に特徴的な空間感度分布を
測定するための装置を、放射される赤外線の強度分布が
ステップ状に変化するようにされた測定面と、他の面を
周囲から断熱するための断熱面と、前記測定面と断熱面
によって形成される恒温槽の内部を、所定の一定温度に
維持するための温度調整手段とを用いて構成することに
より、前記第3の課題を達成したものである。 又、本発明は、薄膜状の試料に所定断面形状のレーザビ
ームを瞬間的に照射し、試料の温度上昇曲線を赤外線検
出器で測定することにより、試料の熱拡散率を求めるに
際して、レーザビームの照射によって生じる温度上昇に
よる温度分布関数を、赤外線検出器で、その空間感度分
布を含んだまま測定し、試料の熱拡散率に直接関係する
装置定数を、レーザビームの照射位置からの距離の関数
として、理論的な温度分布関数を計算することにより決
定しておき、該距離rと、レーザご−ムの照射開始から
温度上昇がその最大値の半分に到達する迄の時間から、
試料の熱拡散率を求めるようにして、前記第4の課題を
達成したものである。 【作用及び効果1 第7図に示したように、実際の温度分布く第7図(B)
)が、その測定対象点の周辺の温度の影響を受けて、空
間分解能が低下することを防ぐためには、その検出系(
物体とレンズ、レンズと検出器間の距離、レンズ、検出
器等)での測定対象点からの距離に対応した感度を、別
の測定対象物から求め、その感度特性で測定温度を補正
すればよい。 即ち、例えば第1図(A)に示す如く、放射される赤外
線の強度分布I(×)がステップ状に変化する測定面2
0を作り、レンズ14及び赤外線検出器16を含む赤外
線検出系を用いて、該測定面20の境界線2OA(r−
0)に直交する方向(X方向)に沿う温度分布関数U 
(r )を測定する。測定される温度分布関数U (r
 )は、例えば第1図(B)に示す如くとなるが、この
温度分布関数U (r )は、検出系の空間感度分布を
S〈×)とすると、次式に示す如くとなる。 U (r )=f−−1(X )S (x−r )dx
−(1)ここで、rは、X方向で境界線2OAから測定
用光学系の焦点までの距離である。 この(1)式において、赤外線の強度分布I(X )は
、原理的にはステップ関数であり、例えば次式のように
表わずことかできる。 従って、(1)式を距離rで微分すると、次式に示す如
くとなる。 (aU(r))/(ar)−(a−b)S(+1・・・
・・・・・・(3) ここで、a、bは設定温度であり、実験的に所定の温度
に設定できる。又、U (r )は、測定された温度分
布で既知であるので、この(3)式から検出系の空間感
度分布S(×)を決定することができる。 このようにして決定した、例えば第1図(C)に示すよ
うな検出系の空間感度分布S (x )と、例えば第1
図(B)に示したような温度分布関数U D )を再び
前出(1)式に代入すると、物体表面の実際の赤外線強
度分布[(X)、即ち温度分布を求めることができる。 従って、検出系に特徴的な空間感度分布5(X)を予め
測定しておき、該空間感度分布S (x )を用いて、
検出系による物体表面の実測温度分布U′(r)を補正
すれば、例えば第1図(D)に示すような物体表面の温
度分布1−(X)を得ることができ、これは、実際の赤
外線の強度分布I(X)(第1図(A))に近いものと
なる。よって、検出器単体の空間分解能が低い場合であ
っても、空間分解能を向上させて、温度分布のある測定
対象についても、正確に温度分布を測定することが可能
となる。 面記赤外線検出系に特徴的な空間感度分布S(×)は、
例えば第2図に示すような装置を用いて測定することが
できる。 この装置は、放射される赤外線の強度分布がステップ状
に変化するようにされた測定面20と、他の面を周囲か
ら断熱するための断熱面22と、前記測定面20と断熱
面22によって形成される恒温槽24の内部を、所定の
一定温度に維持するための温度調整手段としての揚26
及び温度計28と、を含んでいる。 前記測定面20は、例えば厚さQ、3n程度の真鍮板で
形成し、その半分(図の手前側)には、カーボンを一様
に塗布して、該測定面20のカーボン塗布面20Gと裸
の真鍮面20Bの間で、前出(2)式で示した如く、放
射される赤外線の強度分布1 (X )が、ステップ状
に変化するようにされている。 この測定面20は、温度分布関数U (r ’)を測定
する間中、恒温槽24内の126によって、−定温度を
維持するようにされる。 又、前記断熱面22は、熱のリークを減らすために、例
えば発泡性プラスチックで作ることができる。 このような装置を用いて、第2図に示す如く、試料の代
わりに測定面20を検出系の焦点面に配置して、赤外線
検出器16及びレンズ14を含む検出系により、前記測
定面20の境界線20A(r=o)に直交する×方向に
沿う温度分布関数U(「)を測定し、該温度分布関数U
 (r )を、前記検出系の境界線2OAからの距離r
で微分することによって、検出系の空間感度分布S (
X )を容易に求めることができる。 又、薄膜状の試料に所定断面形状のレーザビームを瞬間
的に照射し、試料の温度上界曲線を赤外線検出器で測定
することにより、試料の熱拡散率を求めるに際して、レ
ーザビームの照射によって生じる温度上昇Tによる温度
分布関数U(αt1r)を、赤外線検出器で、その空間
感度分布S(X )を含んだまま測定し、試料の熱拡散
率αに直接関係する装置定数K(r)(三α・ t+/
z)を、レーザビームの照射位置からの距離rの関数と
して、理論的な温度分布関数U(αt、r)を計算する
ことにより決定しておき、該距離rと、レーザビームの
照射開始から温度上昇Tがその最大値の半分に到達する
迄の時間t1/2から、試料の熱拡散率αを高精度に測
定することができる。 【実施例】 以下、図面を参照して、薄膜の熱拡散率の測定に適用し
た、本発明の実施例を詳細に説明する。 第3図は、本発明に係る、レーザパルス技術を使った薄
膜状の試料30の熱拡散率を測定する方法の原理を示す
ものである。 この測定方法においては、レーザビーム32の1パルス
が、試料30の表面に瞬間的に照射される。レーザビー
ム32の光路の途中に挿入されたスリット34によって
、ビーム形状が、試料30の長手方向に垂直であり、且
つ、試料30の幅方向に関して、線状の光に限定されて
いる。試料30が充分に薄いので、長手方向に1次元の
熱伝導が行われていると仮定する。測定時間が短ければ
、試料30からの熱のリークはほとんど無視できる。 従って、熱拡散の式は、次式に示す如くとなる。 (c)T/c)t ) =(x (c) ’ T/ax
 2)−<4 )初期条件は、次式に示す如くである。 ・・・・・・・・・(5) To=Q/(ρCpd  )   −−(6)ここで、
Tは初期温度からの温度上昇、αは熱拡散率、℃はレー
ザビーム32の幅、Qはレーザビーム32から単位面積
当り試料30によって吸収される熱量、CP及びρは比
熱及び密度、dは試料30の厚み、Xはレーザビーム3
2の中心からの距殖である。 試料30の長さが無限であると仮定すると、(4)式か
ら次の(7)式が解として求められる。 ψ(crt 、x )=1/ET −β′ f−0ψo (0,X+2【喜β)e   dβ・・・
・・・・・・(7) 赤外線検出器を用いたレーザフラッシュ法による熱拡散
率αの測定において、温度上昇Tは、通常、試料温度自
体に比べて非常に小さい。従って、赤外線検出器16に
よって検出される信号強度は、温度上昇Tにほぼ比例し
たものとなる。 他方、赤外線検出器16の空間感度分布S(×)を含む
、測定された温度分布関数U(αt1r)は、次式に示
す如くとなる。 U (α(、r ) −f−=  ψ(αt 、 x  ) S (x−r 
 )dx−<8)試料30の熱拡散率αに直接関係する
、いわゆる装置定数K(r)(三α・ j+/2)は、
次のような手続を用いて、(8)式をレーザビーム32
の照射位置からの距Wirの関数として数値計算するこ
とにより決定される。即ち、理論的な温度分布関数U(
α【、r)を、αtの関数として様々なrについて計算
する。次いで、この曲線から、様々なrの値について、
パルスの照射開始から温度上昇Tがその最大値の半分に
到達するまでの時間t1/2を求める。それから、距離
rの関数として、装置定数K<r)が、次式によって求
められる。 α−K (r ) / t+/z    −−−(9)
この装置定数K(r)が、前記検出系の空間感度分布5
(x)に対応するものとなっている。 このようにして、熱拡散率αが、検出器の位置(r)と
時間【1/2から(9)式により容易に求められる。 以下、実験結果の一例について説明する。 実験は、長さ50mm、幅10nの薄膜状試料30を対
象として行い、細い線状のレーザビーム32を形成する
ために、幅A −2uのスリット34をレーザビーム3
2の光路中に挿入した。−次元熱伝導状態を実現するた
め、試料30の幅(10n )を、レーザビーム32の
長手方向く第3図の紙面に垂直な方向)寸法より短く設
定した。更に、温度応答曲線を測定する際のSN比を高
めるため、試料30の裏面(第3図の下方面)には、試
料30の温度分布に影響を与えない程度のカーボンパウ
ダを塗布した。 このような試料30について、その温度変化を、液体窒
素によって冷却され、シリコンレンズ14によって、試
料30の所定位置に焦点を結ぶようにされた1nsb赤
外線検出器16によって測定した。赤外線検出用のIn
Sb結晶の直径が約111であったので、試料30上の
検出領域の直径は、光路の幾何学的関係から、0.7〜
1.2Hの範囲であると計算された。赤外線検出器16
は、試料3oと平行なX方向に沿って移動可能とし、そ
の正確な位置を、マイクロメータによって読取った。試
料30は、検出器16の焦点面内の所定位置にあればよ
く、従って、試料30に応力や歪みをかける必要はない
。これは、特に、壊れ易い試料に有効である。 まず、前出(9)式の装置定数K (r )を求めるた
め、第2図に示したような装置を用いて、28から33
℃の温度範囲について、前記温度分布関数U (r )
を測定したところ、第4図(A)に示すような結果が得
られた。この温度分布関数U(r)から数値計算された
検出系の空間感度分布5(x)は、第4図(B)に示す
如くであった。 第5図は、第4図(B)によって与えられる空間感度分
布S (x )から求められた装置定数KD)を示した
ものである。 本実施例において、試料30の熱拡散率αを計算するた
めには、温度上昇と時間の関係を含む空間感度分布5(
X)の相対的な値のみが必要である。しかしながら、試
料30全体の温度上昇の最大値を評価するためには、空
間感度分布5(X)の絶対値が便利である。 本実施例による、プラチナ薄膜(厚さ25μm)の温度
応答曲線の測定結果の一例を第6図に示す。 その結果、熱拡散率α=0.210〜0.293(レー
ザビーム照射位置からの距@rの絶対値が2.8mm未
満の平均では(X=0.249cm2/5eC)の測定
値を得ることができた。又、銅薄膜(厚さ18μll1
)についても、同様の実験を行って、熱拡散率α=1.
13〜1.41 (lr l<2.8uの平均では(X
=1. 19cm’ /Sec )の測定値を得ること
ができた。これらの値は、文献に2叙された、バルク状
試料についての推奨値の範囲(プラチナは0.239−
0.265.銅は1.12−1.22>内にある。なお
、距離rが大きくなると精度が落ちるのは、主に温度上
昇曲線が崩れるためと考えられる。 この実施例では、検出器の空間感度分布の影響は、前記
装置定数K (r )に全て含まれている。 よって、この装置定数K (r )の値について、空間
感度分布を考慮した場合と、検出器の感度が空間上の1
点にだけ集中している場合について計算を行えば、検出
器の空間感度分布が、測定にどの程度影響を与えるか見
積ることができる。具体的に言えば、検出器の感度が空
間上の1点にだけ集中している場合、装置定数K (r
 )の値が10%変化すると、空間感度分布を考慮しな
いで得られた値は10%の誤差を持つことになる。空間
感度分布を考慮した場合と、感度が空間上の1点にだけ
集中している場合の装置定数K(r)の値の差を、いく
つかの検出器位置rについて計算したところ、下記第1
表に示すような結果が得られた。 第1表 第1表から、レーザビーム32の中心からの距離rが近
い程、空間感度分布の影響が大きいことが明らかである
。このように、一般に、レーザビーム32の中心からの
距離rが大きくなると、SN比が低下し、データのばら
つきが大きくなる傾向にあるが、本実施例によれば、検
出器位置が1rl<2.8の間で、粘度の高いデータが
得られる。 銅のデータについて検討したところ、銅の熱拡散率αの
文献推奨値は、1.12〜1.22であり、第2表に示
す如く、検出器の空間感度分布を考慮した場合は、この
推奨値に近い値が得られるのに対し、空間感度分布を無
視した解析では、推奨値より大きな値となっていること
が明らかである。 第2表 以上のように、測定において検出器の空間感度分布を考
慮することは、正確な測定を行うためには不可欠である
。 なお、前記実施例においては、本発明が、薄膜試料の熱
拡散率αの測定に適用されていたが、本発明の適用範囲
はこれに限定されず、r=Qとした裏面又は表面からの
温度測定や、一般の温度分布を有する物体の表面温度の
測定にも同様に適用できることは明らかである。
[Prior art 1] Measuring the temperature of the surface of an object is an important technology in all industries. For example, it is essential to measure the surface temperature of an object in process control of a manufacturing process or quality control performed by measuring the thermophysical properties of a product. Methods for measuring the surface temperature of an object can be roughly divided into contact methods and non-contact methods. In the former contact type, a temperature sensor such as a thermocouple is brought into direct contact with the object to be measured, and the temperature of the surface of the object is measured. However, with this method, a stable temperature may not be measured and displayed due to the contact surface or contact pressure between the temperature sensor and the surface to be measured. In addition, when measuring the temperature of a minute object, bringing the temperature sensor into contact with it may cause changes in the heat distribution of the object to be measured, making it impossible to accurately measure the temperature of the object. It had some problems. On the other hand, the latter non-contact type, for example,
As disclosed in No. 2, it is intended to capture and measure radiation in the infrared region with a detection element, for example, without bringing a measuring device or a measuring sensor into direct contact with the object to be measured. Compared to the former contact method, this method installs the measuring device near the object, and is used in cases where it is difficult to bring the sensor into contact with the object, or to prevent the sensor itself from disturbing the temperature of the object. It is excellent in that respect. However, when measuring the surface temperature of an object without contact using an infrared detection system, there are the following problems. That is, when emitted light from the surface of an object is focused using a lens and guided to an infrared detector, the spatial resolution of the object to be measured becomes a large value of at least several u, and
.. In a measurement target having a minute temperature distribution on the order of 1 to 0.01 nm, the temperature distribution cannot be accurately measured. For example, as shown in FIG. 7(A), when there is a very narrow high temperature area 12 on the flat plate 10 to be measured, the flat plate 1
When the emitted light from the zero surface is focused using the lens 14 and guided to the infrared detector 16, the actual temperature distribution is as shown in FIG. The temperature distribution measured by the device 16 is as shown in FIG. 7(C), and the detected waveform is blunted, resulting in an inaccurate spatial distribution. In particular, when the high-temperature parts 12 are lined up at a narrower interval than a certain distance, the measured temperature distributions overlap, making it impossible to separate and detect the two, making it difficult to obtain sufficient spatial resolution. could not. (Problem to be achieved by the invention 1) The present invention has been made in order to solve the above-mentioned conventional problems. The first object of the present invention is to provide a measurement method.Furthermore, the present invention is capable of measuring a spatial sensitivity distribution characteristic of an infrared detection system, which is necessary when implementing the infrared radiation temperature measurement method. A second object of the present invention is to provide a spatial sensitivity distribution measuring method.A third object of the present invention is to provide an apparatus for measuring the spatial sensitivity distribution. The fourth object of the present invention is to provide a highly accurate thermal diffusivity measurement method using the infrared radiation temperature measurement method. (Means for achieving the vR problem) The present invention uses an infrared detection system When measuring the surface temperature of an object with a temperature distribution without contact, the spatial sensitivity distribution characteristic of the detection system is measured, and the spatial sensitivity distribution is used to determine the actual temperature of the object surface measured by the detection system. The first object of the present invention is achieved by correcting the distribution to determine the actual temperature distribution on the surface of the object.Furthermore, the present invention also measures the spatial sensitivity distribution characteristic of infrared detection systems. In doing so, a measurement surface is created in which the intensity distribution of the emitted infrared rays changes stepwise, and using the detection system,
A spatial sensitivity distribution of the detection system is determined by measuring a temperature distribution along a direction perpendicular to the boundary line of the measurement surface and differentiating the temperature distribution with a distance from the boundary line of the detection system, This achieves the second problem. Further, the present invention provides a device for measuring the spatial sensitivity distribution characteristic of an infrared detection system, which includes a measurement surface in which the intensity distribution of emitted infrared rays changes in a stepwise manner, and other surfaces surrounding the device. and a temperature adjusting means for maintaining the inside of the constant temperature chamber formed by the measurement surface and the heat insulation surface at a predetermined constant temperature, the third The task has been accomplished. Furthermore, the present invention provides a method for determining the thermal diffusivity of a sample by instantaneously irradiating a thin film sample with a laser beam having a predetermined cross-sectional shape and measuring the temperature rise curve of the sample with an infrared detector. The temperature distribution function due to the temperature rise caused by the irradiation of the laser beam is measured with an infrared detector, including its spatial sensitivity distribution, and the device constants, which are directly related to the thermal diffusivity of the sample, are calculated based on the distance from the laser beam irradiation position. As a function, it is determined by calculating a theoretical temperature distribution function, and from the distance r and the time from the start of laser beam irradiation until the temperature rise reaches half of its maximum value,
The fourth problem has been achieved by determining the thermal diffusivity of the sample. [Function and Effect 1] As shown in Figure 7, the actual temperature distribution is shown in Figure 7 (B).
), the detection system (
If you find the sensitivity corresponding to the distance from the measurement target point (distance between object and lens, lens and detector, lens, detector, etc.) from another measurement target and correct the measured temperature using the sensitivity characteristics, good. That is, for example, as shown in FIG.
0, and using an infrared detection system including a lens 14 and an infrared detector 16, the boundary line 2OA(r-
Temperature distribution function U along the direction (X direction) perpendicular to 0)
(r) is measured. The measured temperature distribution function U (r
) is as shown in FIG. 1(B), for example, and this temperature distribution function U (r ) is as shown in the following equation, assuming that the spatial sensitivity distribution of the detection system is S<×). U(r)=f--1(X)S(x-r)dx
-(1) Here, r is the distance from the boundary line 2OA to the focal point of the measuring optical system in the X direction. In this equation (1), the infrared intensity distribution I(X) is in principle a step function, and can be expressed as, for example, the following equation. Therefore, when formula (1) is differentiated by the distance r, it becomes as shown in the following formula. (aU(r))/(ar)-(a-b)S(+1...
(3) Here, a and b are set temperatures, which can be experimentally set to predetermined temperatures. Furthermore, since U (r ) is known from the measured temperature distribution, the spatial sensitivity distribution S(x) of the detection system can be determined from this equation (3). The spatial sensitivity distribution S (x) of the detection system determined in this way, for example, as shown in FIG.
By substituting the temperature distribution function U D ) as shown in Figure (B) again into the above equation (1), the actual infrared intensity distribution [(X), that is, the temperature distribution, on the surface of the object can be determined. Therefore, the spatial sensitivity distribution 5(X) characteristic of the detection system is measured in advance, and using the spatial sensitivity distribution S (x),
By correcting the actually measured temperature distribution U'(r) on the surface of the object by the detection system, it is possible to obtain the temperature distribution 1-(X) on the surface of the object as shown in FIG. 1(D), for example. The intensity distribution of infrared rays I(X) (FIG. 1(A)) is similar to that of FIG. Therefore, even if the spatial resolution of a single detector is low, it is possible to improve the spatial resolution and accurately measure the temperature distribution even for a measurement target with a temperature distribution. The spatial sensitivity distribution S(×) characteristic of the surface infrared detection system is
For example, it can be measured using an apparatus as shown in FIG. This device consists of a measuring surface 20 in which the intensity distribution of emitted infrared rays changes in a stepwise manner, a heat insulating surface 22 for insulating other surfaces from the surroundings, and the measuring surface 20 and the heat insulating surface 22. A temperature adjusting means for maintaining the inside of the constant temperature bath 24 at a predetermined constant temperature.
and a thermometer 28. The measurement surface 20 is formed of a brass plate with a thickness Q, for example, about 3n, and half of it (the front side in the figure) is uniformly coated with carbon to form the carbon-coated surface 20G of the measurement surface 20. Between the bare brass surfaces 20B, the intensity distribution 1 (X) of the emitted infrared rays changes stepwise, as shown in equation (2) above. This measurement surface 20 is kept at -constant temperature by 126 in the constant temperature bath 24 during the measurement of the temperature distribution function U (r'). The insulating surface 22 can also be made of, for example, foamed plastic to reduce heat leakage. Using such an apparatus, as shown in FIG. 2, a measurement surface 20 is placed in the focal plane of the detection system instead of the sample, and the detection system including the infrared detector 16 and the lens 14 detects the measurement surface 20. The temperature distribution function U (') along the x direction perpendicular to the boundary line 20A (r=o) is measured, and the temperature distribution function U
(r) is the distance r from the boundary line 2OA of the detection system.
By differentiating with , the spatial sensitivity distribution S (
X) can be easily obtained. In addition, by instantaneously irradiating a thin film sample with a laser beam with a predetermined cross-sectional shape and measuring the temperature upper bound curve of the sample with an infrared detector, it is possible to determine the thermal diffusivity of the sample by irradiating it with a laser beam. The temperature distribution function U(αt1r) due to the resulting temperature rise T is measured with an infrared detector while including its spatial sensitivity distribution S(X), and the device constant K(r) is directly related to the thermal diffusivity α of the sample. (3α・t+/
z) is determined by calculating the theoretical temperature distribution function U(αt, r) as a function of the distance r from the laser beam irradiation position, and the distance r and from the start of the laser beam irradiation are The thermal diffusivity α of the sample can be measured with high precision from the time t1/2 until the temperature rise T reaches half of its maximum value. [Example] Hereinafter, an example of the present invention applied to the measurement of the thermal diffusivity of a thin film will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 3 shows the principle of a method of measuring the thermal diffusivity of a thin film sample 30 using laser pulse technology according to the present invention. In this measurement method, one pulse of the laser beam 32 is instantaneously irradiated onto the surface of the sample 30. The slit 34 inserted in the middle of the optical path of the laser beam 32 limits the beam shape to linear light that is perpendicular to the longitudinal direction of the sample 30 and in the width direction of the sample 30. It is assumed that the sample 30 is sufficiently thin so that one-dimensional heat conduction occurs in the longitudinal direction. If the measurement time is short, the leakage of heat from the sample 30 can be almost ignored. Therefore, the equation for thermal diffusion is as shown in the following equation. (c)T/c)t) = (x (c)'T/ax
2)-<4) The initial conditions are as shown in the following equation.・・・・・・・・・(5) To=Q/(ρCpd) −−(6) Here,
T is the temperature rise from the initial temperature, α is the thermal diffusivity, °C is the width of the laser beam 32, Q is the amount of heat absorbed by the sample 30 per unit area from the laser beam 32, CP and ρ are the specific heat and density, and d is the Thickness of sample 30, X is laser beam 3
This is distance learning from the center of 2. Assuming that the length of the sample 30 is infinite, the following equation (7) can be found as a solution from equation (4). ψ(crt, x)=1/ET −β′ f−0ψo (0,X+2[happy β)e dβ...
(7) In measuring the thermal diffusivity α by the laser flash method using an infrared detector, the temperature rise T is usually very small compared to the sample temperature itself. Therefore, the signal intensity detected by the infrared detector 16 is approximately proportional to the temperature rise T. On the other hand, the measured temperature distribution function U(αt1r) including the spatial sensitivity distribution S(x) of the infrared detector 16 is as shown in the following equation. U (α(,r) −f−= ψ(αt, x) S (x−r
) dx-<8) The so-called device constant K(r) (3α・j+/2), which is directly related to the thermal diffusivity α of the sample 30, is
Using the following procedure, equation (8) can be converted to laser beam 32
It is determined by numerical calculation as a function of the distance Wir from the irradiation position. That is, the theoretical temperature distribution function U(
α[, r) is calculated for various r as a function of αt. Then, from this curve, for various values of r,
The time t1/2 from the start of pulse irradiation until the temperature rise T reaches half of its maximum value is determined. Then, as a function of the distance r, the device constant K<r) is determined by the following equation. α−K (r) / t+/z −−−(9)
This device constant K(r) is the spatial sensitivity distribution 5 of the detection system.
(x). In this way, the thermal diffusivity α can be easily determined from the detector position (r) and time [1/2] using equation (9). An example of the experimental results will be described below. The experiment was conducted using a thin film sample 30 with a length of 50 mm and a width of 10 n, and in order to form a thin linear laser beam 32, a slit 34 with a width of A -2u was inserted into the laser beam 3.
It was inserted into the optical path of 2. In order to realize a -dimensional heat conduction state, the width (10n) of the sample 30 was set shorter than the length of the laser beam 32 (in the direction perpendicular to the paper plane of FIG. 3). Furthermore, in order to increase the signal-to-noise ratio when measuring the temperature response curve, carbon powder was applied to the back surface of the sample 30 (the lower surface in FIG. 3) to the extent that it did not affect the temperature distribution of the sample 30. The temperature change of such a sample 30 was measured by a 1nsb infrared detector 16 cooled by liquid nitrogen and focused on a predetermined position of the sample 30 by a silicon lens 14. In for infrared detection
Since the diameter of the Sb crystal was approximately 111, the diameter of the detection area on the sample 30 was 0.7 to 0.7 from the geometrical relationship of the optical path.
It was calculated to be in the range of 1.2H. Infrared detector 16
was movable along the X direction parallel to the sample 3o, and its exact position was read with a micrometer. The sample 30 only needs to be at a predetermined position within the focal plane of the detector 16, so there is no need to apply stress or strain to the sample 30. This is particularly useful for fragile samples. First, in order to find the device constant K (r ) in equation (9) above, use the device shown in FIG.
For a temperature range of °C, the temperature distribution function U (r )
When measured, results as shown in FIG. 4(A) were obtained. The spatial sensitivity distribution 5(x) of the detection system numerically calculated from this temperature distribution function U(r) was as shown in FIG. 4(B). FIG. 5 shows the device constant KD) determined from the spatial sensitivity distribution S (x) given by FIG. 4(B). In this example, in order to calculate the thermal diffusivity α of the sample 30, the spatial sensitivity distribution 5 (
Only the relative value of X) is needed. However, in order to evaluate the maximum temperature increase of the entire sample 30, the absolute value of the spatial sensitivity distribution 5(X) is convenient. An example of the measurement results of the temperature response curve of a platinum thin film (thickness: 25 μm) according to this example is shown in FIG. As a result, we obtain a measured value of thermal diffusivity α = 0.210 to 0.293 (on average when the absolute value of distance @r from the laser beam irradiation position is less than 2.8 mm (X = 0.249 cm2/5eC) In addition, a copper thin film (thickness 18 μl 1
), a similar experiment was conducted for thermal diffusivity α=1.
13 to 1.41 (lr l<2.8u on average (X
=1. A measured value of 19 cm'/Sec) was obtained. These values are within the range of recommended values for bulk samples given in the literature (for platinum, 0.239-
0.265. Copper is within 1.12-1.22>. Note that the accuracy decreases as the distance r increases, which is thought to be mainly due to the collapse of the temperature rise curve. In this example, the influence of the spatial sensitivity distribution of the detector is fully included in the device constant K (r ). Therefore, regarding the value of this device constant K (r), it is possible to determine whether the spatial sensitivity distribution is taken into account or if the sensitivity of the detector is 1 in space.
By performing calculations for the case where only a single point is concentrated, it is possible to estimate how much the spatial sensitivity distribution of the detector affects the measurement. Specifically, when the sensitivity of the detector is concentrated only at one point in space, the device constant K (r
) changes by 10%, the value obtained without considering the spatial sensitivity distribution will have an error of 10%. The difference in the value of the device constant K(r) when considering the spatial sensitivity distribution and when the sensitivity is concentrated only at one point in space was calculated for several detector positions r, and the results are shown below. 1
The results shown in the table were obtained. Table 1 It is clear from Table 1 that the shorter the distance r from the center of the laser beam 32, the greater the influence of the spatial sensitivity distribution. In this way, generally speaking, as the distance r from the center of the laser beam 32 increases, the S/N ratio tends to decrease and the data dispersion increases; however, according to this embodiment, when the detector position is 1rl<2 High viscosity data is obtained between .8 and .8. When we examined the data for copper, we found that the recommended value in the literature for the thermal diffusivity α of copper is 1.12 to 1.22, and as shown in Table 2, when the spatial sensitivity distribution of the detector is taken into account, this It is clear that a value close to the recommended value is obtained, whereas an analysis that ignores the spatial sensitivity distribution results in a value larger than the recommended value. As shown in Table 2 and above, it is essential to take the spatial sensitivity distribution of the detector into consideration during measurement in order to perform accurate measurements. In the above examples, the present invention was applied to the measurement of the thermal diffusivity α of the thin film sample, but the scope of the present invention is not limited to this, and measurement from the back or front surface where r=Q is applied. It is obvious that the present invention can be similarly applied to temperature measurement and measurement of the surface temperature of an object having a general temperature distribution.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図は、本発明に係る赤外線放射温度測定方法及びそ
のための空間感度分布測定方法の原理を説明するための
線図、 第2図は、本発明に係る空間感度分布測定用装置の構成
を示す斜視図、 第3図は、本発明に係る薄膜試料の熱拡散率測定方法の
実施例の原理を示す線図、 第4図は、前記実施例における温度分布関数U(r)及
び空間感度分布S(×)の測定結果の一例を示す線図、 第5図は、同じく装置定数K (r )の測定結果の一
例を示す線図、 第6図は、同じく温度応答曲線の測定結果の一例を示す
線図、 第7図は、赤外線検出器による温度測定状態、実際の温
度分布及び測定される温度分布の一例を比較して示す線
図である。 14・・・レンズ、 16・・・赤外線検出器、 20・・・測定面、 2OA・・・境界線、 20B・・真鍮面、 20C・・・カーボン塗布面、 22・・・断熱面、 24・・・恒温槽、 26・・・湯、 28・・・温度計、 1 (x )・・・赤外線の強度分布、U(「)・・・
測定された温度分布関数、S(×)・・・検出系の空間
感度分布、30・・・試料、 32・・・レーザビーム、 34・・・スリット、 K(r)・・・装置定数、 【1/2・・・温度上昇がその量大値の半分に到達する
迄の時間、 α・・・熱拡散率。
FIG. 1 is a diagram for explaining the principle of the infrared radiation temperature measuring method and the spatial sensitivity distribution measuring method according to the present invention, and FIG. 2 is a diagram showing the configuration of the spatial sensitivity distribution measuring device according to the present invention. FIG. 3 is a diagram showing the principle of an embodiment of the method for measuring thermal diffusivity of a thin film sample according to the present invention; FIG. 4 is a diagram showing the temperature distribution function U(r) and spatial sensitivity in the embodiment. FIG. 5 is a diagram showing an example of the measurement result of the distribution S(x), FIG. 5 is a diagram showing an example of the measurement result of the device constant K (r ), and FIG. 6 is a diagram showing the measurement result of the temperature response curve. Diagram showing an example FIG. 7 is a diagram comparing and showing an example of the temperature measurement state by the infrared detector, the actual temperature distribution, and the measured temperature distribution. 14... Lens, 16... Infrared detector, 20... Measurement surface, 2OA... Boundary line, 20B... Brass surface, 20C... Carbon coated surface, 22... Heat insulation surface, 24 ... Constant temperature bath, 26 ... Hot water, 28 ... Thermometer, 1 (x) ... Infrared intensity distribution, U ('') ...
Measured temperature distribution function, S(x)...Spatial sensitivity distribution of detection system, 30...Sample, 32...Laser beam, 34...Slit, K(r)...Device constant, [1/2...Time until the temperature rise reaches half of its maximum value, α...Thermal diffusivity.

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] (1)赤外線検出系を用いて、温度分布を有する物体の
表面温度を非接触で測定する際に、 前記検出系に特徴的な空間感度分布を測定し、該空間感
度分布を用いて、検出系による物体表面の実測温度分布
を補正することにより、 物体表面の実際の温度分布を求めることを特徴とする赤
外線放射温度測定方法。
(1) When measuring the surface temperature of an object with a temperature distribution in a non-contact manner using an infrared detection system, a spatial sensitivity distribution characteristic of the detection system is measured, and the spatial sensitivity distribution is used for detection. An infrared radiation temperature measurement method characterized by determining the actual temperature distribution on the surface of an object by correcting the measured temperature distribution on the surface of the object using a system.
(2)赤外線検出系に特徴的な空間感度分布を測定する
に際して、 放射される赤外線の強度分布がステップ状に変化する測
定面を作り、 前記検出系を用いて、該測定面の境界線に直交する方向
に沿う温度分布を測定し、 該温度分布を、前記検出系の境界線からの距離で微分す
ることによつて、検出系の空間感度分布を求めることを
特徴とする空間感度分布測定方法。
(2) When measuring the spatial sensitivity distribution characteristic of an infrared detection system, create a measurement surface where the intensity distribution of the emitted infrared rays changes stepwise, and use the detection system to measure the boundary line of the measurement surface. Spatial sensitivity distribution measurement characterized by determining the spatial sensitivity distribution of the detection system by measuring the temperature distribution along orthogonal directions and differentiating the temperature distribution with respect to the distance from the boundary line of the detection system. Method.
(3)赤外線検出系に特徴的な空間感度分布を測定する
ための装置であつて、 放射される赤外線の強度分布がステップ状に変化するよ
うにされた測定面と、 他の面を周囲から断熱するための断熱面と、前記測定面
と断熱面によつて形成される恒温槽の内部を、所定の一
定温度に維持するための温度調整手段と、 を含むことを特徴とする空間感度分布測定用装置。
(3) A device for measuring the spatial sensitivity distribution characteristic of infrared detection systems, which includes a measurement surface in which the intensity distribution of emitted infrared rays changes in a step-like manner, and another surface from the surroundings. A spatial sensitivity distribution characterized by comprising: a heat insulating surface for heat insulation; and a temperature adjustment means for maintaining the inside of a constant temperature chamber formed by the measurement surface and the heat insulating surface at a predetermined constant temperature. Measuring equipment.
(4)薄膜状の試料に所定断面形状のレーザビームを瞬
間的に照射し、試料の温度上昇曲線を赤外線検出器で測
定することにより、試料の熱拡散率を求めるようにした
熱拡散率測定方法において、レーザビームの照射によつ
て生じる温度上昇による温度分布関数を、赤外線検出器
で、その空間感度分布を含んだまま測定し、 試料の熱拡散率に直接関係する装置定数を、レーザビー
ムの照射位置からの距離の関数として、理論的な温度分
布関数を計算することにより決定しておき、 該距離rと、レーザビームの照射開始から温度上昇がそ
の最大値の半分に到達する迄の時間から、試料の熱拡散
率を求めることを特徴とする熱拡散率測定方法。
(4) Thermal diffusivity measurement in which the thermal diffusivity of the sample is determined by instantaneously irradiating a thin film sample with a laser beam with a predetermined cross-sectional shape and measuring the temperature rise curve of the sample with an infrared detector. In this method, the temperature distribution function due to the temperature rise caused by laser beam irradiation is measured with an infrared detector, including its spatial sensitivity distribution, and the device constants directly related to the thermal diffusivity of the sample are determined by the laser beam irradiation. It is determined by calculating a theoretical temperature distribution function as a function of the distance from the irradiation position of A thermal diffusivity measuring method characterized by determining the thermal diffusivity of a sample from time.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2013024446A (en) * 2011-07-19 2013-02-04 Panasonic Corp Range hood
KR20160006556A (en) * 2014-07-09 2016-01-19 (주) 대한피부과학연구소 Method for evaluating effectiveness of infrared-blocking

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