WO2012081512A1 - 表面温度の測定方法及び測定システム - Google Patents

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山田　善郎
順太郎 石井
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    • G01J2005/0077—Imaging

Definitions

  • the present invention relates to a surface temperature measuring method and measuring system.
  • the target emissivity and its distribution are usually unknown, and the measurement conditions and Since it varies depending on the surface state, correct surface temperature and temperature distribution information cannot be obtained from the radiance captured by a thermal imager or a scanning radiation thermometer. Furthermore, when there is a fine emissivity distribution, even if the material emissivity of each measurement site is known, the apparent emissivity will be different from the limit of the visual field characteristics of the thermal imaging device. There are also challenges. In addition, various methods for correcting the unknown emissivity have been tried, but there is also a problem that there is no method suitable for measuring following the target temperature changing at high speed.
  • Non-Patent Document 1 Before and after changing the ambient temperature using an infrared radiation thermometer or thermography capable of measuring two or more points simultaneously and an ambient radiation temperature switching device such as a shutter in front of the thermal infrared source as an auxiliary heat source To calculate the true target temperature from the measured brightness of the high emissivity part and low emissivity part.
  • an ambient radiation temperature switching device such as a shutter in front of the thermal infrared source as an auxiliary heat source
  • the method (1) requires an additional step of heating the target with a heater and means for knowing the target temperature at this time. Since the method (2) requires a polarizing optical element, it is expensive when applied to long-wavelength infrared light used in low-temperature radiation temperature measurement, and is not suitable for surface distribution measurement.
  • the auxiliary radiation source is required to be a black body, but it is difficult to obtain a good black body with a planar shape. If it is not a black body, correction is required, but sufficient accuracy cannot be obtained.
  • it is required to measure both the auxiliary radiation source and the measurement target, and cannot be applied when measuring a target temperature that changes at high speed.
  • the structure of the apparatus becomes complicated.
  • the method (4) it is required to measure the ambient temperature while switching it in steps, and therefore, it is not suitable for measuring a target temperature that changes at high speed. In addition, the apparatus becomes complicated.
  • the present invention provides a measurement method and a measurement system that can measure a surface temperature that changes correctly at high speed without using an expensive optical element and without being influenced by the emissivity distribution of the surface to be measured.
  • Providing is a first problem.
  • the present invention can accurately measure the surface temperature of the surface to be measured without being affected by the emissivity distribution of the surface to be measured without using an expensive optical element or using a device having a complicated structure.
  • a second problem is to provide a measurement method and a measurement system that can be used.
  • the first invention of the present invention provides the following surface temperature measuring method and measuring system.
  • a surface to be measured having an emissivity distribution, a radiometer for measuring the luminance distribution of the surface to be measured, and an auxiliary heat source installed at a specular reflection position from the radiometer with respect to the surface to be measured are prepared.
  • the brightness of two different emissivities of the surface to be measured is measured at two different auxiliary heat source temperatures, and the two emissivities of two different emissivities are measured based on the two luminance measurements at the two different emissivities, respectively.
  • a method for measuring a surface temperature comprising calculating a reflectance ratio at a place, and obtaining a temperature of the surface to be measured using measured values of luminance at two locations where the reflectance ratio and the emissivity are different .
  • the surface temperature measurement system is characterized in that the reflectance ratio of the surface to be measured is calculated, and the temperature of the surface to be measured is obtained using the measured values of luminance at two locations where the reflectance ratio and the emissivity are different.
  • the radiometer for measuring the luminance distribution is a thermal imager or a one-dimensional scanning radiometer.
  • the second invention of the present invention provides the following surface temperature measuring method and measuring system.
  • a surface to be measured having an emissivity distribution, a radiometer for measuring the luminance distribution of the surface to be measured, and an auxiliary heat source with variable brightness installed at a specular reflection position from the radiometer with respect to the surface to be measured
  • Preparing and changing the radiance of the auxiliary heat source so that the measured luminance of the high emissivity portion and the low emissivity portion of the measured surface are equal, and obtaining the temperature of the measured surface from the measured luminance at that time A characteristic method of measuring surface temperature.
  • a surface to be measured having an emissivity distribution, a radiometer for measuring the luminance distribution of the surface to be measured, and an auxiliary heat source with variable brightness installed at a specular reflection position from the radiometer with respect to the surface to be measured Including changing the radiance of the auxiliary heat source so that the measured luminance of the high emissivity portion and the low emissivity portion of the measured surface are equal, and obtaining the temperature of the measured surface from the measured luminance at that time Surface temperature measurement system.
  • the radiometer for measuring the luminance distribution is a thermal imager or a one-dimensional scanning radiometer.
  • the surface temperature distribution measurement for the purpose of heat generation site identification and heat generation measurement in semiconductor devices and circuit components using power devices, surface for the purpose of facility diagnosis and building structure defect detection
  • the surface temperature distribution can be correctly measured without being affected by the target emissivity distribution.
  • the surface temperature can be measured without using a device having a complicated structure.
  • the target temperature can be measured correctly without being affected by blurring of the visual field characteristic.
  • an auxiliary heat source 2 such as a black body is arranged at a position that is a mirror surface target with respect to the measurement surface, and heat radiation light from the auxiliary heat source 2 is reflected on the surface of the measurement object 1 and measured.
  • the thermal imaging apparatus 3 captures the thermal radiation light from the object 1 in a superimposed manner. If the temperature of the auxiliary heat source is changed in this state or the auxiliary heat source is blocked by a shutter or the like, a reflected light amount change proportional to a change in incident light amount occurs, and the luminance distribution captured by the thermal image device changes.
  • the ratio of the reflectance of the high emissivity part and the low emissivity part can be calculated by calculating the ratio of the change in luminance, that is, the change in the reflected light quantity. Can be sought.
  • the radiance of blackbody radiation is calculated from the measured luminance of the high emissivity part and the low emissivity part and the ratio of the reflectance calculated therefrom using the equation (9) shown below.
  • the target temperature is determined by applying Planck's law of radiation considering that it is a black body. As a result, the true target temperature can be known without the need to know the target emissivity distribution.
  • the emissivities of the higher emissivity part and the lower emissivity part are ⁇ Hi and ⁇ Lo , respectively, and the reflectances are ⁇ Hi and ⁇ Lo , respectively.
  • the heat radiance of the auxiliary heat source is L Heat-source, 1
  • the heat radiances S Hi, 1 and S Lo, 1 of the high emissivity part and the low emissivity part are respectively expressed by the following equations.
  • L (T) (S Hi, 2 ⁇ R ⁇ S Lo, 2 ) / (1 ⁇ R ⁇ ) (9)
  • S Hi, 2 ⁇ R ⁇ S Lo, 2 ) / (1 ⁇ R ⁇ ) (9) Treating the emissivity as 1, the correct temperature T is obtained from the measured luminance L (T). That is, measurement with unknown emissivity corrected is possible.
  • equations (6)-(9) all of S Hi, 2 , S Lo, 2 , L Heat-source, 2 are replaced with S Hi, 1 , S Lo, 1 , L Heat-source, 1 Also holds.
  • equation (9) is a relational equation that always holds regardless of the auxiliary heat source luminance L Heat-source and the target temperature T. Therefore, as long as the reflectance ratio R ⁇ does not change with time, L (T) at that time is calculated from the equation (9) using R ⁇ obtained in advance and the luminances S Hi and S Lo measured at an arbitrary timing. can do.
  • R ⁇ is obtained from luminance measurements at two auxiliary heat source temperatures in a steady state before the temperature change of the object is started, and the temperature change of the object is After the start, the value of R ⁇ is used while the auxiliary heat source luminance is constant, and the emissivity is corrected by the equation (9), and high-speed measurement can be performed following the changing target temperature.
  • the front surface of the auxiliary heat source may be covered with a shutter having a temperature different from that of the auxiliary heat source and opened or closed.
  • L Heat-source, 2 is a combination of the thermal radiance emitted by the shutter and the luminance reflected by the shutter from the surrounding radiation.
  • the auxiliary heat source 2 such as a black body is arranged at a mirror surface target position with respect to the measurement surface, and the thermal radiation from the auxiliary heat source 2 is measured.
  • the image is reflected on the surface 1 and superimposed on the thermal radiation from the measurement object 1 and captured by the thermal imager 3.
  • the difference in luminance disappears and the pattern of the emissivity distribution of the image captured by the thermal imaging device disappears, and when the heat source temperature is increased further, the luminance distribution is reversed, and the low emissivity portion However, the brightness becomes higher than that of the high emissivity portion, and the emissivity distribution pattern is visible again.
  • the difference in luminance disappears, that is, when the emissivity distribution pattern of the image disappears, the luminance is considered, and the emissivity is regarded as a black body, and Planck's radiation law is applied to obtain the target temperature.
  • the true target temperature can be known without the need to know the target emissivity distribution.
  • ⁇ Hi be the emissivity of the high emissivity portion of the measurement object having the emissivity distribution
  • ⁇ Lo be the emissivity of the low emissivity portion.
  • the thermal radiances S Hi and S Lo of the high emissivity part and the low emissivity part are respectively expressed by the following equations.
  • S Hi ⁇ Hi L (T)
  • S Lo ⁇ Lo L (T)
  • L (T) is the thermal radiance of a black body at temperature T.
  • an auxiliary heat source with luminance L Heat-source is installed, and the emitted light of the auxiliary heat source is superimposed on the target emitted light.
  • the brightness captured by the thermal imaging device is given below.
  • the emissivity distribution of interest in the first and second inventions may be, for example, a metal wiring pattern on a circuit board or device, or a pattern resulting from a fine structure distribution of the device. Further, when there is no emissivity distribution that can be used, a paint or a metal film may be applied to or pasted on the target surface.
  • the thermal imaging apparatus focuses on the measurement target surface and captures a two-dimensional thermal image.
  • the measurement object is a printed circuit board, a semiconductor device, or the like.
  • a black body device with a blackened surface is used as an auxiliary heat source.
  • a thermal image is measured by changing the temperature of the auxiliary heat source in steps while keeping the target temperature approximately constant, or by opening and closing a shutter that covers the front surface of the auxiliary heat source.
  • a high emissivity part and a low emissivity part as close as possible that can be regarded as isothermal are selected one by one.
  • the luminance of the high emissivity portion and the low emissivity portion in the two-level thermal image is obtained, the reflectance ratio R ⁇ is obtained based on the equation (5), and the luminance L (T) is obtained using the equation (9). .
  • the target temperature is determined from the measured brightness at this time, assuming that the emissivity is 1.
  • FIG. 2 is a thermal image when the auxiliary heat source temperature is lower than the target temperature.
  • the high emissivity part a which is a resin material of the printed circuit board, is bright with high brightness, and the metal wiring pattern is dark with low brightness as the low emissivity part b. I can see it.
  • FIG. 3 is a thermal image when the auxiliary heat source temperature is higher than the target temperature.
  • the high emissivity part a is dark and the low emissivity part b is brightly shining, and the brightness is reversed compared to the image of FIG. I understand.
  • the auxiliary heat source temperature does not need to be higher than the target temperature, and the present measurement principle holds even if it is low.
  • the measured brightness temperature of the high emissivity part a of FIG. 2 is 51 ° C.
  • the brightness temperature of the low emissivity part b is 40 ° C.
  • the luminance temperature of the low emissivity part b is 65 ° C.
  • the apparent brightness temperature is measured differently depending on the fineness of the pattern.
  • the metal pattern part has a low emissivity, so the brightness temperature is caught low. Is caught low. This is due to a phenomenon referred to as an area effect (Size-of-Source Effect) in which the light of the adjacent high emissivity part leaks due to the limit of the visual field characteristics of the thermal imaging apparatus.
  • the high emissivity part is also observed dark because of the leaked light to the low luminance pattern part adjacent to the pattern part with a narrow line width.
  • FIG. 3 is observed, although the high emissivity portion and the low emissivity portion are inverted, the thin line portion of the high luminance portion is dark and the thin line portion of the low luminance portion is observed bright as in FIG.
  • the area effect changes the apparent luminance temperature, thus hindering correct temperature measurement. It will be shown below that the present invention can eliminate the influence on this problem.
  • the increase / decrease in brightness due to the area effect is proportional to the difference in brightness between the high emissivity part and the low emissivity part, and the ratio is low in the high emissivity part a, which is the measurement point of the thin line part, by r Hi and low emission. Brightness is observed only at r Lo at the rate part b.
  • r Hi and r Lo are coefficients representing the area effect.
  • S Hi, 1 (1 ⁇ r Hi ) ( ⁇ Hi L (T) + ⁇ Hi L Heat-source, 1 ) + r Hi ( ⁇ Lo L (T) + ⁇ Lo L Heat-source, 1 )
  • S Lo, 1 (1 ⁇ r Lo ) ( ⁇ Lo L (T) + ⁇ Lo L Heat-source, 1 ) + r Lo ( ⁇ Hi L (T) + ⁇ Hi L Heat-source, 1 )
  • S Hi, 2 (1 ⁇ r Hi ) ( ⁇ Hi L (T) + ⁇ Hi L Heat-source, 2 ) + r Hi ( ⁇ Lo L (T) + ⁇ Lo L Heat-source, 2 )
  • S Lo, 2 (1 ⁇ r Lo ) ( ⁇ Lo L (T) + ⁇ Lo L Heat-source, 2 ) + r Lo ( ⁇ Hi L (T) + ⁇ Hi L Heat-source, 2 )
  • S Hi, 2 and S Lo, 2 are as follows when developed in the same manner as in equations (6) and (7).
  • the thermal imaging apparatus focuses on the measurement target surface and captures a two-dimensional thermal image.
  • the measurement object is a printed circuit board, a semiconductor device, or the like.
  • a black body device with a blackened surface is used as an auxiliary heat source.
  • the thermal image is measured while changing the temperature of the auxiliary heat source while keeping the target temperature approximately constant, and a condition for erasing the pattern of the thermal image due to the emissivity distribution on the measurement target is searched.
  • the target temperature is determined from the measured brightness at this time, assuming that the emissivity is 1.
  • the target temperature may be obtained by measuring the auxiliary heat source temperature with a contact-type thermometer or the like.
  • the auxiliary heat source temperature is lower than the target temperature
  • the high emissivity part which is the resin material of the printed circuit board
  • the pattern of the metal wiring appears dark with low luminance as the low emissivity part.
  • FIG. 5 is a thermal image when the auxiliary heat source temperature is raised and the luminance of the high emissivity part and the low emissivity part become equal. You can see that the pattern has disappeared.
  • FIG. 6 is a thermal image when the auxiliary heat source temperature is higher than the target temperature. The high emissivity part is dark and the low emissivity part is brightly shining, and the brightness is reversed compared to the image of FIG. I understand.
  • FIG. 7 shows a luminance change pattern (see 12 in FIG. 7) along the line drawn in FIG.
  • the vertical axis represents the brightness temperature.
  • This part of the pattern includes portions (a, b) where the high emissivity part is thin and the low emissivity part is thick, and conversely, parts (c, d) where the high emissivity part is thick and the low emissivity part is thin. ing.
  • the brightness temperature of the high emissivity part is 43 ° C.
  • the brightness temperature of the low emissivity part is about 35 ° C.
  • the thin line part is c
  • the apparent emissivity is lower than a (brightness).
  • the low emissivity part b has a higher apparent emissivity than d (the luminance temperature is high). This indicates that due to imperfections in the visual field characteristics of the thermal imager, a significant brightness blur occurs for temperature measurement even at a level where the blur is not clearly recognized as an image. In this state, if the emissivity of the known high emissivity part is applied to part c to obtain the temperature, a temperature lower than the true temperature is obtained, and if the emissivity of the known low emissivity part is applied to part b, A higher temperature is measured.
  • the luminance distribution pattern (see 11 in FIG. 7) corresponding to FIG. 5 shown in FIG. 7 is uniform, and shows a correct measurement temperature of 49 ° C. regardless of the place. Not only when the emissivity of the object to be measured is unknown, but also when measuring the temperature of an object with a minute emissivity distribution pattern that exceeds the limit of the field resolution characteristics of the thermal imager, the correct temperature is not affected. It can be seen that it can be measured.
  • the black body device is used as the auxiliary heat source.
  • the auxiliary heat source is not limited to this, and for example, an integrating sphere equipped with a lamp light source or a laser light source, the surface of the liquid warm bath, a flat surface Any device such as a heater may be used as long as the light source surface is sufficiently large with respect to the measurement target and the luminance is uniform and variable.
  • the thermal imager may also be a camera such as a CCD that measures visible / near infrared light as long as it measures a high temperature object. Further, instead of using a two-dimensional image, measurement using a linear sensor may be used.

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Abstract

本発明は、被測定面の放射率分布に影響されずに正しく被測定面の表面温度を測定することができる測定方法及び測定システムを提供する。放射率分布を持つ被測定面と、該被測定面の輝度分布を測定する放射計と、該被測定面に関して該放射計から鏡面反射位置に設置された補助熱源とを用意し、該被測定面の放射率の異なる２か所の輝度を２つの異なる補助熱源温度で測定し、該放射率の異なる２か所のそれぞれ２つの輝度測定値に基づいて該放射率の異なる２か所の反射率比を算出し、該放射率の異なる２か所の輝度測定値と該反射率比を用いて該被測定面の温度を求める。

Description

表面温度の測定方法及び測定システム
　本発明は、表面温度の測定方法及び測定システムに関する。
　２次元の熱画像装置や一次元走査型の温度計を用いて放射測温法により対象温度を測定しようとする場合、通常、対象の放射率やその分布が未知であり、また、測定条件や表面状態により変化するため、熱画像装置や走査型放射温度計で捉えられる放射輝度から正しい表面温度や温度分布の情報が得られない。
　さらに、微細な放射率分布が存在するとき、仮に測定各部位の物質放射率が既知であったとしても、熱画像装置の視野特性の限界から見掛けの放射率はこれとは異なるものになるという課題もある。
　また、未知の放射率を補正する各種手法が試みられているが、高速に変化する対象温度に追従して測定するのに適した手法がないという課題もある。
　放射率が未知である対象の温度を放射温度計や熱画像装置により非接触測定する場合、従来次のような方法が行われてきた。
（１）測定対象の放射率分布を知るために、対象をヒータで既知の温度に加熱して輝度分布を測定する方法。
（２）FLAにおける放射率補正技術として、スポット型の放射温度計測において２偏光を捉え、２偏光における対象反射率比を測定し、そこから放射率を補正する方法。（特許文献１参照）
（３）対象に黒体補助放射源からの反射光を重畳させ、対象からの熱放射光と反射光の輝度の和が補助放射源からの熱放射輝度と等しくなるように補助放射源温度を調節し、その時の補助放射源温度を接触型温度計で測定してそこから対象温度を知る方法。（非特許文献１参照）
（４）２つ以上の点を同時に測定可能な赤外放射温度計もしくはサーモグラフィーと、補助熱源として熱赤外線源の前にシャッタを付けるなどした環境放射温度切替え装置を用い、環境温度を変化させる前後の高放射率部と低放射率部の測定輝度から演算により真の対象温度を求める方法。（特許文献２参照）
　しかし、これらの従来技術はそれぞれ以下の点で問題がある。
（１）の方法は、対象をヒータで加熱するという追加の工程を必要とするほか、この時の対象温度を知る手段を必要とする。
（２）の方法は、偏光光学素子を必要とするため、低温の放射温度測定で使用する長波長赤外光に適用すると高価であり、また、面分布測定には不向きである。
（３）の方法では、補助放射源が黒体であることを求められるが、面状の良好な黒体を得るのは困難である。黒体でない場合は補正を必要としたが十分な精度が得られない。また、補助放射源と測定対象の両方を測定することが求められ、高速に変化する対象温度を測定する場合に適用できない。また、装置の構造が複雑になる。
（４）の方法では、環境温度をステップ状に切り替えながら測定することを求められ、従って高速に変化する対象温度を測定するのに適さない。また、装置が複雑になる。
特願２００９－２０２４９５号 特許第３９３９４８７号公報
J.Sci.Instrum.,1963,Vol40,1-4.
　本発明は、高価な光学素子を使用することなく、また被測定面の放射率分布に影響されずに正しく被測定面の高速に変化する表面温度を測定することができる測定方法及び測定システムを提供することを第１の課題とする。
　また、本発明は、高価な光学素子を使用したり、複雑な構造の装置を使用することなく、被測定面の放射率分布に影響されずに正しく被測定面の表面温度を測定することができる測定方法及び測定システムを提供することを第２の課題とする。
　本発明の第１の発明は、第１の課題を解決するために、次のような表面温度の測定方法及び測定システムを提供する。
（１）放射率分布を持つ被測定面と、該被測定面の輝度分布を測定する放射計と、該被測定面に関して該放射計から鏡面反射位置に設置された補助熱源とを用意し、該被測定面の放射率の異なる２か所の輝度を２つの異なる補助熱源温度で測定し、該放射率の異なる２か所のそれぞれ２つの輝度測定値に基づいて該放射率の異なる２か所の反射率比を算出し、該反射率比と該放射率の異なる２か所のそれぞれの輝度の測定値を用いて該被測定面の温度を求めることを特徴とする表面温度の測定方法。
（２）放射率分布を持つ被測定面と、該被測定面の輝度分布を測定する放射計と、該被測定面に関して該放射計から鏡面反射位置に設置された補助熱源とを含み、該被測定面の放射率の異なる２か所の輝度を２つの異なる補助熱源温度で測定し、該放射率の異なる２か所のそれぞれ２つの輝度測定値に基づいて該放射率の異なる２か所の反射率比を算出し、該反射率比と該放射率の異なる２か所のそれぞれの輝度の測定値を用いて該被測定面の温度を求めることを特徴とする表面温度の測定システム。
（３）上記輝度分布を測定する放射計は、熱画像装置又は１次元走査型放射計であることを特徴とする（２）に記載の表面温度の測定システム。
　本発明の第２の発明は、第２の課題を解決するために、次のような表面温度の測定方法及び測定システムを提供する。
（４）放射率分布を持つ被測定面と、該被測定面の輝度分布を測定する放射計と、該被測定面に関して該放射計から鏡面反射位置に設置された輝度可変な補助熱源とを用意し、該被測定面の高放射率部と低放射率部の測定輝度が等しくなるように該補助熱源の放射輝度を変化させ、その時の測定輝度から該被測定面の温度を求めることを特徴とする表面温度の測定方法。
（５）放射率分布を持つ被測定面と、該被測定面の輝度分布を測定する放射計と、該被測定面に関して該放射計から鏡面反射位置に設置された輝度可変な補助熱源とを含み、該被測定面の高放射率部と低放射率部の測定輝度が等しくなるように該補助熱源の放射輝度を変化させ、その時の測定輝度から該被測定面の温度を求めることを特徴とする表面温度の測定システム。
（６）上記輝度分布を測定する放射計は、熱画像装置又は１次元走査型放射計であることを特徴とする（５）に記載の表面温度の測定システム。
　本発明によれば、半導体デバイス内やパワーデバイスを利用した回路部品内における発熱部位特定・発熱量測定を目的とした面温度分布測定や、設備診断や建築構造物の欠陥検知を目的とした面温度分布測定において、対象放射率分布に影響されずに正しく面温度分布を測定することが可能になる。さらに、第１の発明によれば、高速に変化する面温度分布測定測定において、正しく測定することが可能となる。また、第２の発明によれば、複雑な構造の装置を使用することなく面温度測定が可能となる。
　また、熱画像装置の視野特性の限界に迫る微小な放射率パターンを有する電子デバイスなどの測定対象においても視野特性のにじみの影響を受けずに正しく対象温度を測定できる。
本発明に係る表面温度の測定システム 補助熱源温度が対象温度より低いときの熱画像 補助熱源温度が対象温度より高いときの熱画像 本発明に係る表面温度の非接触測定方法の説明図 パターン消失した画像 明暗が反転した画像 描かれている線に沿った輝度変化パターン
（本発明の原理）
　測定対象となる面の放射率分布の変化の大きい部分に着目し、輝度分布を熱画像装置で測定すると、放射率分布が輝度分布として捉えられる。このとき、対象の温度はある領域で一様であるか、温度分布は放射率分布と比べ空間的に十分なだらかであるものとする。
　まず、第１の発明について説明する。
　図１のように、面黒体などの補助熱源２を測定面について熱画像装置３と鏡面対象な位置に配置し、補助熱源２からの熱放射光を測定対象１の面に反射させて測定対象１からの熱放射光に重畳させて熱画像装置３で捉える。この状態で補助熱源の温度を変化させるか、補助熱源をシャッタなどで遮ると、入射光量の変化に比例した反射光量変化が生じ、熱画像装置が捉える輝度分布が変化する。高放射率部と低放射率部に入射する光量の変化は等しいので、輝度変化分、すなわち反射光量変化分の比を計算することにより高放射率部と低放射率部の反射率の比を求めることができる。
　次に、高放射率部と低放射率部の輝度測定値及びそこから計算される反射率の比から下記に示す（９）式を用いて黒体輻射の放射輝度を計算し、放射率が１の黒体とみなしてプランクの輻射の法則を適用し対象温度を求める。これにより対象放射率分布を知る必要なく真の対象の温度を知ることができる。
　第１の発明の測定原理を以下詳細に説明する。
　放射率分布を持つ測定対象の放射率の異なる２か所についてより高放射率部とより低放射率部の放射率をそれぞれεHi、εLo、反射率をρHi、ρLoとする。対象が不透明体の場合、キルヒホッフの法則よりεHi＋ρHi＝1、εLo＋ρLo＝1の関係が成り立つ。
　補助熱源の熱放射輝度がLHeat-source,1のとき、高放射率部と低放射率部の熱放射輝度SHi,1、SLo,1は、下記の式でそれぞれ表わされる。
　SHi,1＝εHiL(T)＋ρHiLHeat-source,1　　　　　　（１）
　SLo,1＝εLoL(T)＋ρLoLHeat-source,1　　　　　　（２）
　ここで、Tは測定対象温度、L(T)は温度Tの黒体の熱放射輝度である。
　次に補助熱源の熱放射輝度をLHeat-source,2に変化させると、高放射率部と低放射率部の熱放射輝度SHi,2、SLo,2は、下記の式でそれぞれ表わされる。
　SHi,2＝εHiL(T)＋ρHiLHeat-source,2　　　　　　（３）
　SLo,2＝εLoL(T)＋ρLoLHeat-source,2　　　　　　（４）
　４つの測定量SHi,1、SLo,1、SHi,2、SLo,2から高放射率部と低放射率部の反射率の比Ｒρは（１）－（４）式から導かれる下記（５）式で計算され、求めることができる。
　Ｒρ＝ρHi/ρLo＝（SHi,2－SHi,1）/（SLo,2－SLo,1）　（５）
　（３）、（４）式にεHi＋ρHi＝1、εLo＋ρLo＝1の関係を当てはめて変形すると（６）、（７）式になる。
　SHi,2＝L(T)＋ρHi（－L(T)＋LHeat-source,2）　　（６）
　SLo,2＝L(T)＋ρLo（－L(T)＋LHeat-source,2）　　（７）
　（６）、（７）式の両辺からL(T)を引いてから比を取り（５）式を用いると（８）式が得られる。
（SHi,2－L(T)）/（SLo,2－L(T)）＝Ｒρ　　　　　（８）
　（８）式を変形すると（９）式の形でL(T)をＲρを用いて表すことができる。
　L(T)＝（SHi,2－ＲρSLo,2）/（1－Ｒρ）　　　　　（９）
　放射率を１として扱って測定輝度L(T)から正しい温度Tが求められる。すなわち未知の放射率を補正した測定が可能である。なお、（６）－（９）式は、SHi,2、SLo,2、LHeat-source,2の全てをSHi,1、SLo,1、LHeat-source,1に置き換えても成り立つ。
　さらに、（９）式は補助熱源輝度LHeat-sourceや対象温度Tによらず常に成り立つ関係式である。従って反射率比Ｒρが時間的に変化しない限り、予め求めたＲρと、任意のタイミングで測定された輝度SHi、SLoを用いて（９）式よりその時のL(T)を計算することができる。
　よって、高速で温度が変化する現象を測定する場合には対象の温度変化が開始される前の定常状態で２つの補助熱源温度での輝度測定からＲρを求めておき、対象の温度変化が開始された後は補助熱源輝度一定のままこのＲρの値を用い、（９）式で放射率を補正し変化する対象温度に追従して高速測定することができる。
　ここで、異なる補助熱源温度を実現する方法として、補助熱源温度をステップ状に変化させる代わりに補助熱源の前面を補助熱源と温度の異なるシャッタなどで覆いこれを開閉させてもよい。この場合、LHeat-source,2はシャッタが放射する熱放射輝度及び周囲からの放射をシャッタが反射する輝度を複合したものである。
　次に、第２の発明について説明する。
　第１の発明と同様に、図１のように、面黒体などの補助熱源２を測定面について熱画像装置３と鏡面対象な位置に配置し、補助熱源２からの熱放射光を測定対象１の面に反射させて測定対象１からの熱放射光に重畳させて熱画像装置３で捉える。
　このとき、キルヒホッフの法則から、不透明表面では反射率＋放射率＝１の関係が成り立つため、低放射率部の方が反射率が高い。この状態で補助熱源の温度を変化させると、輝度分布が変化し、補助熱源温度の上昇に伴い高放射率部も低放射率部も輝度が増加するが、その増加の仕方は反射率の高い低放射率部の方が大きく、輝度の差が小さくなる。さらに補助熱源温度を上昇させると、輝度の差はなくなり熱画像装置の捉える画像の放射率分布によるパターンが消失し、さらに熱源温度を上昇させると輝度の分布は逆転し、低放射率部の方が高放射率部よりも輝度が高くなり再び放射率分布パターンが見えてくる。輝度の差がなくなったとき、すなわち画像の放射率分布パターンが消失した時の輝度を捉え、放射率が１の黒体とみなしてプランクの輻射の法則を適用し対象温度を求める。これにより対象放射率分布を知る必要なく真の対象の温度を知ることができる。
　第２の発明の測定原理を以下詳細に説明する。
　放射率分布を持つ測定対象の高放射率部の放射率をεHi、低放射率部の放射率をεLoとする。
　高放射率部と低放射率部の熱放射輝度SHi、SLoは、下記の式でそれぞれ表わされる。
　SHi＝εHiL(T)
　SLo＝εLoL(T)
　ここで、L(T)は温度Tの黒体の熱放射輝度である。
　次に輝度LHeat-sourceの補助熱源を設置し、対象放射光に補助熱源の放射光を重畳させる。 熱画像装置で捉えられる輝度は下記で与えられる。
　SHi＝εHiL(T)＋ρHiLHeat-source
　SLo＝εLoL(T)＋ρLoLHeat-source
　ここで、高放射率部の反射率をρHi、低放射率部の反射率をρLoとする。
　ここで、補助熱源輝度LHeat-sourceを調節し、高放射率部と低放射率部が等しくなるようにする。
　すなわち、SHi＝SLoより
　εHiL(T)＋ρHiLHeat-source＝εLoL(T)＋ρLoLHeat-source
両辺に－L(T)を足し、キルヒホッフの法則から得られるεHi+ρHi＝1、εLo+ρLo＝1の関係を用いて変形すると
　ρHi(－L(T)+LHeat-source)＝ρLo(－L(T)+LHeat-source)
となる。ρHi≠ρLoであるから、この等号が成り立つのはL(T)＝LHeat-sourceのときである。
　このとき、
　SHi＝SLo＝εHiL(T)＋ρHiL(T)＝εLoL(T)＋ρLoL(T)＝L(T)
であるため、測定された輝度SHi＝SLoは対象と同じ温度Tの黒体からの輻射と等しく、放射率を１として扱って測定輝度SHi＝SLoから正しい温度Tが求められる。
　第１及び第２の発明において着目する対象の放射率分布は、例えば回路基板やデバイス上の金属配線パターンや、デバイスの微細構造分布に起因するパターンであってもよい。また、利用できる放射率分布がない場合には対象表面に塗料や金属膜などを塗布したり貼付したりしてもよい。
（第１の実施形態）
　第１の発明の実施形態について説明する。熱画像装置は測定対象面上に焦点を合わせて２次元熱画像を撮像する。ここで、測定対象はプリント基板、半導体デバイスなどである。補助熱源としては表面を黒化した面黒体装置を使用している。まず最初に、対象温度をおよそ一定に保ちながら補助熱源の温度をステップ状に変化させて、もしくは補助熱源前面を覆うシャッタを開閉させて熱画像を測定する。次に、得られた熱画像中に、等温とみなせるなるべく近接した高放射率部と低放射率部をそれぞれ一か所づつ選定する。２水準の熱画像中の高放射率部と低放射率部の輝度を求め、（５）式に基づき反射率比Ｒρを求め、さらに（９）式を用いて輝度L(T)を求める。このときの測定された輝度から対象温度を放射率を１と仮定して求める。
　補助熱源の温度をステップ状に変化させた時に得られた熱画像の例を図２、３に示す。
　図２は補助熱源温度が対象温度より低いときの熱画像で、プリント基板の樹脂材である高放射率部aが高輝度に明るく、金属配線のパターンが低放射率部ｂとして低輝度に暗く見えている。
　図３は補助熱源温度が対象温度より高いときの熱画像で、高放射率部ａが暗く、低放射率部ｂが明るく光っていて、図２の画像と比べ明暗が逆転しているのが分かる。ここで、補助熱源温度は対象温度より高い必要はなく、低くても本測定原理は成立する。
　この例では、図２の高放射率部aの測定された輝度温度は５１℃、低放射率部ｂの輝度温度は４０℃、また図３の高放射率部ａの輝度温度は６２℃、低放射率部ｂの輝度温度は６５℃である。温度から輝度SHi,1、SLo,1、SHi,2、SLo,2に換算したのちに反射率比Ｒρを（５）式により計算すると０.４７が得られ、さらに（９）式に基づき計算することで真の温度６０℃と正しく求めることができる。
　図２を詳細にみると、同じ材質でもパターンの細かさにより見掛け上の輝度温度が異なって測定されていることが分かる。例えば、金属パターン部分は低放射率でありよって輝度温度が低く捉えられているが、その中でも線の幅が太い部分と細い部分とを比べると、細い部分の方が輝度温度が高く、太い部分が低く捉えられている。これは、熱画像装置の視野特性の限界のために隣接する高放射率部の光が漏れ込んで捉えられる面積効果（Size-of-Source　Effect）と呼ばれる現象による。また、高放射率部も同様に線幅が細いパターン部分が隣接する低輝度パターン部分への漏れ光のため、暗く観測されている。図３を観察すると、高放射率部と低放射率部は反転しているものの、図２同様に高輝度部の細線部分は暗く、低輝度部の細線部分は明るく観測されている。
　このように、一般に面積効果は見掛けの輝度温度を変化させ、よって正しい温度測定の妨げとなる。この課題に対し、本発明はその影響を排除できることを以下に示す。
　面積効果による輝度の増加・減少は高放射率部と低放射率部の輝度差に比例し、その割合は細線部分の測定個所である高放射率部aでrHiだけ輝度が低く、低放射率部bでrLoだけ輝度が高く観測される。
　ここでｒHi、rLoは面積効果を表す係数である。面積効果を考慮して式（１）－（４）を書き直して次の各式を得る。
SHi,1＝（1－rHi）（εHiL(T)＋ρHiLHeat-source,1）＋rHi（εLoL(T)＋ρLoLHeat-source,1）
SLo,1＝（1－rLo）（εLoL(T)＋ρLoLHeat-source,1）＋rLo（εHiL(T)＋ρHiLHeat-source,1）
SHi,2＝（1－rHi）（εHiL(T)＋ρHiLHeat-source,2）＋rHi（εLoL(T)＋ρLoLHeat-source,2）
SLo,2＝（1－rLo）（εLoL(T)＋ρLoLHeat-source,2）＋rLo（εHiL(T)＋ρHiLHeat-source,2）
　（５）式と同様にRρを計算すると次のようになる。
　Ｒρ＝（SHi,2－SHi,1）/（SLo,2－SLo,1）＝（（1－rHi）ρHi＋rHiρLo）/（（1－rLo）ρLo＋rLoρHi）
　一方、（６）、（７）式と同様に展開するとSHi,2、SLo,2は次のようになる。
　SHi,2＝（1－rHi）（L(T)－ρHi（L(T)－LHeat-source,2））＋rHi（L(T)－ρLo（L(T)－LHeat-source,2））＝L(T)－ρHi（（1－rHi）＋ρLo rHi）（L(T)－LHeat-source,2））
　SLo,2＝L(T)－ρLo（（1－rLo）＋ρHi rLo）（L(T)－LHeat-source,2））
　（８）式の導出と同様に展開すると、（SHi,2－L(T)）/（SLo,2－L(T)）＝Ｒρを得る。
　これは（８）式と同一である。よって、（９）式を用いて黒体輻射L(T)を求めて、真の温度Tを求めることができる。このように、面積効果により見掛けの輝度温度が変化していてもその影響を受けずに正しい温度を測定することが可能であることが分かる。
（第２の実施形態）
　第２の発明の実施形態について説明する。熱画像装置は測定対象面上に焦点を合わせて２次元熱画像を撮像する。ここで、測定対象はプリント基板、半導体デバイスなどである。補助熱源としては表面を黒化した面黒体装置を使用している。この状態で、対象温度をおよそ一定に保ちながら補助熱源の温度を変化させながら熱画像を測定し、測定対象上の放射率分布に起因する熱画像のパターンが消失する条件を探す。
　このときの測定された輝度から対象温度を放射率を１と仮定して求める。補助熱源の放射率が十分に１に近い場合には接触型の温度計などにより補助熱源温度を測定して対象温度を求めてもよい。
　補助熱源の温度を上昇させた時に得られた熱画像の例を図４～６に示す。
　図４では補助熱源温度が対象温度より低く、プリント基板の樹脂材である高放射率部が高輝度に明るく、金属配線のパターンが低放射率部として低輝度に暗く見えている。
　図５は補助熱源温度を上昇させて高放射率部と低放射率部の輝度が等しくなったときの熱画像である。パターンが消失しているのが分かる。
　図６では補助熱源温度が対象温度より高くなったときの熱画像で、高放射率部が暗く、低放射率部が明るく光っていて、図４の画像と比べ明暗が逆転しているのが分かる。
　図４に描かれている線に沿った輝度変化パターン（図７中の１２参照）を図７に示す。縦軸は輝度温度である。パターンのこの部分には高放射率部が細く低放射率部が太い部分（ａ，ｂ）と、その逆に高放射率部が太く低放射率部が細い部分（ｃ，ｄ）が含まれている。本来、高放射率部の輝度温度は４３℃、低放射率部の輝度温度は３５℃程度を示すところ、線が細い部分は高放射率部のｃは見掛けの放射率がａより低く（輝度温度が低く）、低放射率部のｂは見掛けの放射率がｄより高く（輝度温度が高く）出ている。これは熱画像装置の視野特性の不完全さが原因で、画像としてはにじみがはっきり認識されないレベルでも温度測定にとっては有意な輝度にじみが起きていることを示している。この状態で既知の高放射率部の放射率をｃ部に適用して温度を求めると真の温度より低めの温度が得られ、既知の低放射率部の放射率をｂ部に適用すれば高めの温度が測定されてしまう。
　これに対し、図７中に示す図５に対応した輝度分布パターン（図７中の１１参照）は一様であり、場所によらず正しい測定温度４９℃を示している。測定対象の放射率が未知な場合だけでなく、このように熱画像装置の視野分解特性の限界を超えた微小放射率分布パターンを持つ対象の温度測定においてもその影響を受けずに正しい温度を測定することが可能であることが分かる。
　第１及び第２の実施形態では、補助熱源としては面黒体装置を用いたが、補助熱源としてはこれに限らず、例えばランプ光源やレーザ光源を備えた積分球、液体温槽表面、平面ヒータなど、光源面が測定対象に対し十分大きく、輝度が一様で可変なものであれば何でもよい。
　また、熱画像装置も高温対象を測定するのであれば可視・近赤外光を測定するＣＣＤなどのカメラでもよい。また、２次元画像を用いる代わりにリニアセンサによる測定を用いてもよい。
　１　　測定対象
　２　　補助熱源
　３　　熱画像装置
 

Claims (5)

  1. 　放射率分布を持つ被測定面と、該被測定面の輝度分布を測定する放射計と、該被測定面に関して該放射計から鏡面反射位置に設置された補助熱源とを用意し、該被測定面の放射率の異なる２か所の輝度を２つの異なる補助熱源温度で測定し、該放射率の異なる２か所のそれぞれ２つの輝度測定値に基づいて該放射率の異なる２か所の反射率比を算出し、該反射率比と該放射率の異なる２か所のそれぞれの輝度の測定値を用いて該被測定面の温度を求めることを特徴とする表面温度の測定方法。
  2. 　放射率分布を持つ被測定面と、該被測定面の輝度分布を測定する放射計と、該被測定面に関して該放射計から鏡面反射位置に設置された補助熱源とを含み、該被測定面の放射率の異なる２か所の輝度を２つの異なる補助熱源温度で測定し、該放射率の異なる２か所のそれぞれ２つの輝度測定値に基づいて該放射率の異なる２か所の反射率比を算出し、該反射率比と該放射率の異なる２か所のそれぞれの輝度の測定値を用いて該被測定面の温度を求めることを特徴とする表面温度の測定システム。
  3. 　放射率分布を持つ被測定面と、該被測定面の輝度分布を測定する放射計と、該被測定面に関して該放射計から鏡面反射位置に設置された輝度可変な補助熱源とを用意し、該被測定面の高放射率部と低放射率部の測定輝度が等しくなるように該補助熱源の放射輝度を変化させ、その時の測定輝度から該被測定面の温度を求めることを特徴とする表面温度の測定方法。
  4. 　放射率分布を持つ被測定面と、該被測定面の輝度分布を測定する放射計と、該被測定面に関して該放射計から鏡面反射位置に設置された輝度可変な補助熱源とを含み、該被測定面の高放射率部と低放射率部の測定輝度が等しくなるように該補助熱源の放射輝度を変化させ、その時の測定輝度から該被測定面の温度を求めることを特徴とする表面温度の測定システム。
  5. 　上記輝度分布を測定する放射計は、熱画像装置又は１次元走査型放射計であることを特徴とする請求項２又は４に記載の表面温度の測定システム。
    　
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