JPH0843211A

JPH0843211A - 温度ならびに放射率測定方法

Info

Publication number: JPH0843211A
Application number: JP6179885A
Authority: JP
Inventors: Hiromi Azuma; 博美東
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1994-08-01
Filing date: 1994-08-01
Publication date: 1996-02-16

Abstract

(57)【要約】【目的】非接触に対象物の温度ならびに放射率を測定
する方法を提供する。【構成】二つの互いに異なる分光感度特性を有する撮
像素子１Ａ，１Ｂからの出力信号、背景温度設定回路３
から対象物の背景温度を処理回路２を入力することで、
対象物の温度と放射率を求めることができる。熱平衡状
態にある対象物の放射率と反射率の関係式、光学系の透
過特性ならびに撮像素子の量子効率を表す関係式から、
出力信号は、対象物の温度に対して二次の関係、対象物
の放射率に対しては線形の関係がある。本発明では、二
つの互いに分光感度特性の異なる撮像素子からの出力信
号と対象物背景の温度を仮定するだけで、先に挙げた関
係から、対象物の温度と放射率を決定することができ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、撮像素子を用いて対象
物に非接触で対象物の温度ならびに放射率測定方法に関
し、特に二つの互いに異なる分光感度特性を有する撮像
素子からの出力信号を用いて、非接触に対象物の温度と
放射率とを測定する方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、撮像素子を用いて対象物に非接触
で測定する対象物の温度は、対象物の放射率を１．０と
仮定し黒体輻射の式から求められることが多い。しか
し、実際の対象物の放射率は０．０から１．０までの値
を取るため、算出された温度と実際の温度とには大きな
誤差が生じるという問題がある。

【０００３】このような問題に関連した従来技術とし
て、次のようなものがある。

【０００４】特開昭６０−０１４５７８号公報に記載の
技術では、赤外線分光感度特性が互いに異なる複数個の
赤外線固体撮像素子を用いて被写物体の同一の熱線像を
撮像することによって、被写物体の温度分布を求め得る
とともに、被写物体の絶対温度値をも、基準温度黒体に
よることなく、複数個の赤外線固体撮像素子がそれぞれ
出力する被写物体の画像信号から求めている。

【０００５】特公平０２−０６３３１１号公報に記載の
技術では、互いに異なる障壁の高さを有する複数個のシ
ョットキ接合が互いの間に間隔をおいて列方向もしくは
行方向にストライプ状に配置されたショットキ接合スト
ライプ状アレイまたは複数個のショットキ接合が互いの
間に間隔をおいて列方向もしくは行方向にモザイク状に
配置されたショットキ接合モザイク状アレイで赤外線光
電変換部を構成することで、被写体のほぼ同一部分を撮
像することができるようにして、複数個のショットキ接
合の出力信号を計算処理して、被写体の温度分布と絶対
温度を求めている。

【０００６】前記特開昭６０−０１４５７８号公報に記
載の赤外線撮像装置を図６に示す。図６において、被写
物体５０から赤外線レンズ２を通った熱線が、赤外線ビ
ームスプリッタ８，９によって三方向に分けられて、赤
外線固体撮像素子１０には、赤外線バンドパスフィルタ
１３によって、被写物体５０のλ₁±Δλ₁／２の波長
の赤外線像が結ばれ、赤外線固体撮像素子１１には、赤
外線バンドパスフィルタ１４によって、λ₂±Δλ₂／
２の波長の赤外線像が結ばれ、赤外線固体撮像素子１２
には、赤外線バンドパスフィルタ１５によって、λ₃±
Δλ₃／２の波長の赤外線像が結ばれる。要するにこれ
らの赤外線固体撮像素子１０、１１、１２は、赤外線バ
ンドパスフィルタ１３、１４、１５によって、互いに異
なる赤外線分光感度特性を持ったことになる。そして、
赤外線固体撮像素子１０からλ₁±Δλ₁／２の波長の
赤外線像の画像信号Ｉ₁が信号処理回路１６へ出力さ
れ、赤外線固体撮像素子１１からλ₂±Δλ₂／２の波
長の赤外線像の画像信号Ｉ₂が信号処理回路１６へ出力
され、赤外線固体撮像素子１２からλ₃±Δλ₃／２の
波長の赤外線像の画像信号Ｉ₃が信号処理回路１６へ出
力される。信号処理回路１６では、赤外線固体撮像素子
１０、１１、１２から出力された画像信号Ｉ₁、Ｉ₂、
Ｉ₃を被写物体５０の温度分布を示す画像信号Ｉと、被
写物体５０の絶対温度Ｔを示す信号と、被写物体５０の
放射率εを示す信号とに変換して出力する。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】特開昭６０−０１４５
７８号公報ならびに特公平０２−０６３３１１号公報に
記載の技術では、互いに異なる赤外線分光感度特性を有
する三つの赤外線固体撮像素子を用いて、かつ被写物体
の背景温度を外部から設定してやらなければ、被写物体
の絶対温度を放射率を求められないという問題と、二つ
の互いに異なる赤外線分光感度特性を有する赤外線固体
撮像素子を用いた場合には、被写物体の背景温度と放射
率を外部から設定してやらなければ、被写物体の絶対温
度を求められないという問題がある。

【０００８】本発明の目的は、上述のような問題点を解
決した温度ならびに放射率測定方法を提供することにあ
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上述した問題点を解決す
るため、本発明による温度ならびに放射率測定方法は、
二つの互いに異なる分光感度特性を有する撮像素子の出
力信号と、あらかじめ光学系の光学特性と撮像素子の分
光感度特性から求めた、出力信号の温度と放射率依存性
を表す係数と、あらかじめ設定した対象物の背景温度と
から対象物の温度と放射率を容易に得ることができる。

【００１０】

【作用】二つの互いに異なる分光感度特性を有する撮像
素子からの出力信号、背景温度設定回路から対象物の背
景温度を処理回路を入力することで、対象物の温度と放
射率を求めることができる。熱平衡状態にある対象物の
放射率と反射率の関係式、光学系の透過特性ならびに撮
像素子の量子効率を表す関係式から、出力信号は、対象
物の温度に対して二次の関係、対象物の放射率に対して
は線形の関係がある。本発明では、二つの互いに分光感
度特性の異なる撮像素子からの出力信号と対象物背景の
温度を仮定するだけで、先に挙げた関係から、対象物の
温度と放射率を決定することができる。

【００１１】

【実施例】本発明の実施例について図面を参照して説明
する。

【００１２】図１は、本発明の温度ならびに放射率測定
方法を実施する画像処理装置を示す。この画像処理装置
は、撮像素子１Ａと、撮像素子１Ｂと、処理回路２と、
背景温度設定回路３とから構成されている。

【００１３】二つの撮像素子１Ａ，１Ｂは、互いに異な
る分光感度特性を有している。本実施例では、互いに異
なる分光感度特性を有する撮像素子１Ａ，１Ｂとして、
互いに異なるバリアハイトを有するショットキ接合型固
体撮像素子を用いる。

【００１４】また本実施例では、撮像素子１Ａ，１Ｂか
らの出力信号は、その波長域が、３μｍ〜５μｍ帯のい
わゆる大気の窓と呼ばれる波長域であるとする。

【００１５】このような画像処理装置において、撮像素
子１Ａならびに１Ｂからの出力信号と、背景温度設定回
路３から対象物の背景温度とを処理回路２に入力するこ
とで、対象物の温度と放射率を求めることができる。

【００１６】次に、図１に示した本発明の一実施例の原
理について説明する。対象物の吸収率をα_obj、放射率
をε_obj、反射率をｒ_obj、透過率をτ_objとすると、
熱平衡状態におけるキルヒホッフの法則から式（１）が
成り立つ。

【００１７】 α_obj＋ｒ_obj＋τ_obj＝１（１）対象物が充分に厚さのある場合は透過成分が存在しない
のでτ_obj＝０となり、熱平衡状態であることからα
_obj＝ε_objが成り立つことから、対象物の反射率は式
（２）で表される。

【００１８】ｒ_obj＝１−ε_obj （２）撮像素子の出力電圧Ｖ_objは、先に挙げたキルヒホッフ
の法則が成り立つ場合には、式（３）で表すことができ
る。式（３）のＡ_senは撮像素子の有効画素面積、ｆｆ
_senはフィルファクター、ｔ_senは積分時間、Ｃ_FJは浮
遊容量、Ｇ_aはオンチップアンプ利得であり、ｍ_lenは
光学系の横倍率である。また、Ｔ_obj、ε_objは対象物
の温度と放射率を、Ｔ_backは背景温度を、ｓ_backは背景
温度の散乱の寄与率を、τ_filはフィルターの透過率、
τ_lenはレンズの透過率をそれぞれ表す。

【００１９】

【数１】

【００２０】温度Ｔの単位立体角当たりの黒体輻射Ｎ_BB
は式（４）で表され、量子効率係数をＣ₁、バリアハイ
トをφ_SBとおいた場合の撮像素子応答ηは式（５）で表
される。

【００２１】以上から各定数に設計値もしくは測定値を
代入することで出力電圧を見積ることができる。

【００２２】図２ならびに図３は、本発明における対象
物の温度Ｔ_objと放射率ε_objを求める原理作用の一例
の説明図である。熱平衡状態にある対象物の放射率と反
射率の関係式、光学系の透過特性ならびに撮像素子の量
子効率を表す関係式から、撮像素子の出力信号は、図２
に示すように対象物の温度に対して二次の関係、対象物
の放射率に対しては図３で示すように線形の関係がある
ことがわかる。

【００２３】以上の結果から、出力電圧ｙ（ε_obj，Ｔ
_obj）は、式（６）ならびに式（７）で表すことができ
る。

【００２４】

【数２】

【００２５】ここで、ａ（ε_obj）、ｂ（ε_obj）、ｃ
（ε_obj）は放射率εに関する任意の関数ならびにα
（Ｔ_obj）、β（Ｔ_obj）は温度Ｔに関する任意の関数
である。両式を微分し係数比較を行うと式（８）〜式
（１０）が得られる。

【００２６】

【数３】

【００２７】式（８）〜式（１０）より、ａ
（ε_obj）、ｂ（ε_obj）、ｃ（ε_obj）は放射率εに
対して線形、ならびにα（Ｔ_obj）、β（Ｔ_obj）は温
度Ｔに関する二次式となることがわかる。積分係数の値
を任意に定めると、出力電圧ｙ（ε_obj，Ｔ_obj）は式
（１１）で表される。

【００２８】ｙ（ε_obj，Ｔ_obj）＝（Ｔ_obj−ζ）²・ε_obj＋（Ｔ_obj−ξ）² （１１） ζとξは共にＴやεとは関係がなく、撮像条件や光学
系、撮像処理装置全体の特性で決まる定数である。あら
かじめζとξの値を分光特性の測定や計算で求めておけ
ば、対象物の背景温度を仮定することで二つの互いに異
なる分光感度特性を有する撮像素子の出力信号から対象
物の温度Ｔ_objと放射率ε_objを容易に得ることができ
る。

【００２９】図４ならびに図５は、本発明における推定
方法の有効性を確認するために、対象物として絶対温度
３５０度に保持した、測定波長域の平均放射率が６９．
４％の標準試料を用いて、二つの互いに異なる分光感度
特性を有する撮像素子１Ａ，１Ｂの出力信号を、処理回
路２に入力し、背景温度設定回路３で背景温度として絶
対温度３００度と仮定して処理回路２に入力し、処理回
路で求めた対象物の温度と放射率の頻度分布の一例を示
す図である。頻度分布から求めた対象物の温度ならびに
放射率は、実際のそれぞれの値に対して±σの範囲であ
り本発明の測定方法の妥当性を示している。

【００３０】このことから、本発明による温度ならびに
放射率測定方法は、二つの互いに異なる分光感度特性を
有する撮像素子の出力信号と、あらかじめ光学系の光学
特性と撮像素子の分光感度特性から求めた、出力信号の
温度と放射率依存性を表す係数と、あらかじめ設定した
対象物の背景温度とから、対象物の温度と放射率を容易
に得ることができる。

【００３１】本実施例では互いに異なる分光感度特性を
有する撮像素子の出力信号として互いに異なるバリアハ
イトを有するショットキ接合型固体撮像素子の出力信号
を用いて説明したが、その他の撮像素子であっても、そ
れらを組み合わせて用いてもよい。

【００３２】このような撮像素子には、次のようなもの
を用いることができる。（１）光電変換部の分光感度特性が異なる画素が縞状も
しくは格子状に構成された撮像素子。（２）光電変換部の分光感度特性が異なる複数の撮像素
子。（３）前面に異なる透過特性もしくは反射特性を有する
光学系からなる撮像素子。

【００３３】また、本実施例では出力信号の波長域とし
て３μｍ〜５μｍ帯のいわゆる大気の窓と呼ばれる波長
域について説明したが、その他の波長域であっても、そ
れらを組み合わせて用いてもよい。

【００３４】例えば、撮像素子１Ａ，１Ｂからの出力信
号は、その波長域が、８μｍ〜１３μｍのいわゆる大気
の窓と呼ばれる波長域を用いることができる。

【００３５】また撮像素子１Ａ，１Ｂからの出力信号
は、一方の波長域を可視光域とし、他方を大気の窓と呼
ばれる波長域とすることができる。

【００３６】また撮像素子１Ａ，１Ｂからの出力信号
は、その波長域を、可視光域とすることができる。

【００３７】また撮像素子１Ａ，１Ｂからの出力信号
は、一方の波長域を、可視光域と大気の窓の波長域と
し、他方を可視光域と大気の窓以外の波長域とすること
ができる。

【００３８】また撮像素子１Ａ，１Ｂからの出力信号
は、その波長域を、可視光域と大気の窓以外の波長域と
することができる。

【００３９】また撮像素子１Ａ，１Ｂからの出力信号
は、対象物の温度に対して２次の関係、放射率に対して
線形の関係にすることができる。

【００４０】また撮像素子１Ａ，１Ｂからの出力信号
は、対象物の温度と放射率に対して多項式で表すことが
できる。

【００４１】本発明によれば、温度と放射率依存性を表
す係数は、黒体輻射の関係式と、光学系の透過特性およ
び反射特性と、撮像素子の分光感度特性とから定められ
る。

【００４２】また、温度と放射率依存性を表す係数は、
対象物の温度に対して４次式と、放射率に対して２次式
とで表すことができる。

【００４３】また、温度と放射率依存性を表す係数は、
対象物の温度と放射率に対して多項式で表すことができ
る。

【００４４】さらに、対象物の背景温度が、例えば熱電
対や測温抵抗体からの信号として、出力信号と共に得ら
れる場合、前記係数を対象物の温度と放射率と共に計算
することができる。

【００４５】また、対象物の背景温度が、例えば熱電対
や測温抵抗体からの信号として、出力信号と共に得られ
る場合、あらかじめ求めておいた前記係数群から選ぶこ
とができる。

【００４６】また、本実施例において不図示の光学系に
は、レンズでも反射鏡でもその他の光学系でもよくまた
それらを組み合わせて用いてもよい。

【００４７】最後に、本発明の実施態様を列記する。（１）二つの互いに異なる分光感度特性を有する撮像素
子の出力信号と、あらかじめ光学系の光学特性と撮像素
子の分光感度特性から求めた、出力信号の温度と放射率
依存性を表す係数と、あらかじめ設定した対象物の背景
温度とから対象物の温度と放射率を求めることを特徴と
する温度ならびに放射率測定方法。（２）前記撮像素子が、光電変換部の分光感度特性が異
なる画素が縞状もしくは格子状に構成された撮像素子か
らなることを特徴とする（１）記載の温度ならびに放射
率測定方法。（３）前記撮像素子が、光電変換部の分光感度特性が異
なる複数の撮像素子からなることを特徴とする（１）記
載の温度ならびに放射率測定方法。（４）前記撮像素子が、撮像素子の前面に異なる透過特
性もしくは反射特性を有する光学系からなることを特徴
とする（１）記載の温度ならびに放射率測定方法。（５）前記出力信号の波長域が、３μｍから５μｍ帯ま
たは８μｍから１３μｍのいわゆる大気の窓と呼ばれる
波長域であることを特徴とする（１）記載の温度ならび
に放射率測定方法。（６）前記出力信号のうち一方の波長域が可視光域であ
り、他方が前記大気の窓と呼ばれる波長域であることを
特徴とする（１）記載の温度ならびに放射率測定方法。（７）前記出力信号の波長域が、可視光域であることを
特徴とする（１）記載の温度ならびに放射率測定方法。（８）前記出力信号のうち一方の波長域が、可視光域と
前記大気の窓の波長域であり、他方が可視光域と前記大
気の窓以外の波長域であることを特徴とする（１）記載
の温度ならびに放射率測定方法。（９）前記出力信号の波長域が、可視光域と前記大気の
窓以外の波長域であることを特徴とする（１）記載の温
度ならびに放射率測定方法。（１０）前記出力信号が、対象物の温度に対して２次
式、放射率に対して線形関係であることを特徴とする
（１）記載の温度ならびに放射率測定方法。（１１）前記出力信号が、対象物の温度と放射率に対し
て多項式で表されることを特徴とする（１）記載の温度
ならびに放射率測定方法。（１２）前記係数が、黒体輻射の関係式と光学系の透過
特性と反射特性と、撮像素子の分光感度特性とから定ま
ることを特徴とする（１）記載の温度ならびに放射率測
定方法。（１３）前記係数が、対象物の温度に対して４次式と、
放射率に対して２次式とで表され、これらの関係式を温
度が正の実数であることと、放射率が０．０から１．０
までの実数であることから前記出力信号を用い、対象物
の温度と放射率を同時に求められることを特徴とする
（１）記載の温度ならびに放射率測定方法。（１４）前記係数が、対象物の温度と放射率に対して多
項式で表され、これらの関係式を温度が正の実数である
ことと、放射率が０．０から１．０までの実数であるこ
とから前記出力信号を用い、対象物の温度と放射率を同
時に求められることを特徴とする（１）記載の温度なら
びに放射率測定方法。（１５）前記対象物の背景温度が、例えば熱電対や測温
抵抗体からの信号として、前記出力信号と共に得られる
場合、前記係数を対象物の温度と放射率と共に計算する
ことを特徴とする（１）記載の温度ならびに放射率測定
方法。（１６）前記対象物の背景温度が、例えば熱電対や測温
抵抗体からの信号として、前記出力信号と共に得られる
場合、あらかじめ求めておいた前記係数群から選ぶこと
を特徴とする（１）記載の温度ならびに放射率測定方
法。

【００４８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明による温度
ならびに放射率測定方法は、二つの互いに異なる分光感
度特性を有する撮像素子の出力信号と、あらかじめ光学
系の光学特性と撮像素子の分光感度特性から求めた、出
力信号の温度と放射率依存性を表す係数と、あらかじめ
設定した対象物の背景温度とから、対象物の温度と放射
率を容易に得ることができるという効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を実施する画像処理装置の一構成図であ
る。

【図２】本発明における対象物の温度と放射率を求める
原理作用の説明図である。

【図３】本発明における対象物の温度と放射率を求める
原理作用の説明図である。

【図４】本発明における測定方法より求めた対象物の温
度の頻度分布の一例を示す図である。

【図５】本発明における測定方法より求めた対象物の放
射率の頻度分布の一例を示す図である。

【図６】従来の画像処理装置の一例の構成図である。

【符号の説明】

１Ａ撮像素子１Ｂ撮像素子２処理回路３背景温度設定回路

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】二つの互いに異なる分光感度特性を有する
撮像素子の出力信号と、あらかじめ光学系の光学特性と
撮像素子の分光感度特性から求めた、出力信号の温度と
放射率依存性を表す係数と、あらかじめ設定した対象物
の背景温度とから、対象物の温度と放射率を求めること
を特徴とする温度ならびに放射率測定方法。
【請求項２】前記撮像素子が、光電変換部の分光感度特
性が異なる複数の撮像素子からなることを特徴とする請
求項１記載の温度ならびに放射率測定方法。
【請求項３】前記出力信号が、対象物の温度に対して二
次式、放射率に対して線形関係であることを特徴とする
請求項１記載の温度ならびに放射率測定方法。
【請求項４】前記係数が、黒体輻射の関係式と光学系の
透過特性と反射特性と、撮像素子の分光感度特性とから
定まることを特徴とする請求項１記載の温度ならびに放
射率測定方法。
【請求項５】前記対象物の背景温度が、前記出力信号と
共に得られる場合、前記係数を対象物の温度と放射率と
共に計算することを特徴とする請求項１記載の温度なら
びに放射率測定方法。
【請求項６】前記対象物の背景温度が、前記出力信号と
共に得られる場合、あらかじめ求めておいた前記係数群
から選ぶことを特徴とする請求項１記載の温度ならびに
放射率測定方法。