JP6765327B2 - 放射温度測定装置及び放射温度測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、測定対象物の表面温度を測定する放射温度測定装置及び放射温度測定方法に関する。

測定対象物の温度を測定するための技術には様々なものがある。そのうち放射温度測定技術は、測定対象物からの放射光を利用して測定対象物の表面温度を非接触で測定する技術であり、放射温度計として実用化されている。放射温度計は、光電変換素子と光学フィルタとを備え、所定の波長帯域における測定対象物の放射エネルギー値を測定し、測定した放射エネルギー値を温度に変換することによって、測定対象物の表面温度を測定する。

測定対象物の放射エネルギー値は、理想的な黒体からの放射エネルギー値に測定対象物の放射率を乗じた値になるため、放射温度計を利用して測定対象物の表面温度を測定する際には、測定対象物の放射率の値が必要になる。このため、所定の波長の放射エネルギー値を測定する単色放射温度計では、測定対象物の放射率の値を予め測定しておき、予め測定した放射率の値を用いて測定対象物の表面温度を測定している。

一方、測定対象物が不透明物体である場合には、キルヒホッフの法則に基づいて反射率と放射率との和が１になる。このため、測定対象物の反射率を測定する技術を用いれば、測定対象物の反射率から測定対象物の放射率を求めて温度測定に用いることができる可能性が考えられる。具体的には、特許文献１には、鏡面性の高い測定対象物の反射率を測定する方法として、測定対象物の表面に対して垂直な方向から光を照射し、測定対象物の表面に対して垂直な方向に反射した光の輝度から測定対象物の垂直反射率を算出する技術が記載されている。

特許第５３１８３０３号公報（図１参照）

しかしながら、本発明の発明者らの検討によれば、特許文献１に記載の技術には以下に示すような問題点がある。以下、図１２を参照して、特許文献１に記載の技術の問題点について説明する。図１２は、鏡面性の高い圧延アルミニウム板（表面粗さＲａの測定値が０．０８μｍ未満）の傾き（ゴニオステージ角度）をθ度変化させた時の垂直反射率Ｒｖの面内の平均値（平均反射率）（入射光波長：８５０ｎｍ）及び相対比率Ｒｖ（θ）／Ｒｖ（０度）の変化の一例を示す図である。なお、相対比率Ｒｖ（θ）／Ｒｖ（０度）とは、傾きθ度のときの平均反射率を傾き０度のときの平均反射率で除算した値である。

図１２に示すように、垂直反射率の相対比率Ｒｖ（θ）／Ｒｖ（０度）は、傾きθが±０．５度変化しただけで８３〜８７％まで減衰し、また傾きθが±０．８度変化すると６３〜７４％まで減衰する。すなわち、特許文献１記載の技術によって測定される垂直反射率は、測定対象物の傾きθの影響を受けやすい。このため、特許文献１記載の技術を用いて測定対象物の反射率を精度よく測定するためには、測定対象物の傾きθを厳密に制御する必要がある。従って、例えば連続亜鉛めっきラインを移動する鋼板等の移動する不透明な測定対象物の反射率をオンラインで測定し、測定された反射率から測定対象物の表面温度を算出する処理に対して特許文献１記載の技術を適用することは困難である。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、移動する不透明な測定対象物の反射率をオンラインで精度よく測定して測定対象物の表面温度を測定可能な放射温度測定装置及び放射温度測定方法を提供することにある。

本発明に係る放射温度測定装置は、光源と、前記光源のオン／オフを制御するオン・オフ制御回路と、測定対象物の測定面の垂線に対して傾けて配置された、前記光源からの入射光を前記測定面に照射する同軸落射光学系と、前記測定面において反射された前記入射光に対して垂直な角度になるように入射面内における前記垂線を挟んで前記同軸落射光学系の位置とは反対側の位置に配置された、前記測定面において反射された前記入射光及び前記測定面から入射した放射光を前記同軸落射光学系に戻す再帰性反射板と、前記同軸落射光学系に入射した光の輝度を検出する放射光検出器と、前記放射光検出器によって検出された光の輝度値から前記測定面の表面温度を算出する信号処理装置と、を備え、前記信号処理装置は、前記オン・オフ制御回路によって前記光源をオン状態にした時に検出された光の輝度値から前記測定面の反射率を算出し、前記オン・オフ制御回路によって前記光源をオフ状態にした時に検出された光の輝度及び前記反射率から前記測定面の放射率を算出し、前記オン・オフ制御回路によって前記光源をオフ状態にした時に検出された光の輝度及び前記放射率を用いて前記測定面の表面温度を算出することを特徴とする。

本発明に係る放射温度測定装置は、上記発明において、前記信号処理装置は、前記オン・オフ制御回路によって前記光源をオン状態にした時に検出された光の輝度値から求められる反射率が前記測定面の反射率の二乗値になっていることを考慮して予め測定しておいた基準反射率に相当する基準輝度値を用いて前記測定面の反射率を算出すると共に、放射率と反射率との和が１．０であるとして前記測定面の放射率を算出することを特徴とする。

本発明に係る放射温度測定装置は、上記発明において、前記測定面の表面温度に対応した輝度値が、前記放射光検出器が備えるＡ／Ｄ変換器で有効な輝度レベルになるように前記放射光検出器の検出時間を調整する制御回路を備えることを特徴とする。

本発明に係る放射温度測定装置は、上記発明において、前記放射光検出器が単一の受光素子によって構成されていることを特徴とする。

本発明に係る放射温度測定装置は、上記発明において、前記放射光検出器が二次元のＣＣＤモノクロカメラによって構成され、前記光源が赤外ＬＥＤ光源であり、前記同軸落射光学系の先端に可視光カットフィルタが配置されていることを特徴とする。

本発明に係る放射温度測定装置は、上記発明において、前記放射光検出器が二次元のＣＣＤカラーカメラによって構成されていることを特徴とする。

本発明に係る放射温度測定方法は、光源と、前記光源のオン／オフを制御するオン・オフ制御回路と、測定対象物の測定面の垂線に対して傾けて配置された、前記光源からの入射光を前記測定面に照射する同軸落射光学系と、前記測定面において反射された前記入射光に対して垂直な角度になるように入射面内における前記垂線を挟んで前記同軸落射光学系の位置とは反対側の位置に配置された、前記測定面において反射された前記入射光及び前記測定面から入射した放射光を前記同軸落射光学系に戻す再帰性反射板と、前記同軸落射光学系に入射した光の輝度を検出する放射光検出器と、前記放射光検出器によって検出された光の輝度値から前記測定面の表面温度を算出する信号処理装置と、を備える放射温度測定装置を利用した放射温度測定方法であって、前記オン・オフ制御回路によって前記光源をオン状態にした時に検出された光の輝度値から前記測定面の反射率を算出するステップと、前記オン・オフ制御回路によって前記光源をオフ状態にした時に検出された光の輝度及び前記反射率から前記測定面の放射率を算出するステップと、前記オン・オフ制御回路によって前記光源をオフ状態にした時に検出された光の輝度及び前記放射率を用いて前記測定面の表面温度を算出するステップと、を含むことを特徴とする。

本発明に係る放射温度測定装置及び放射温度測定方法によれば、移動する不透明な測定対象物の反射率をオンラインで精度よく測定して測定対象物の表面温度を測定することができる。

図１は、本発明の一実施形態である放射温度測定装置の構成を示す模式図である。 図２は、本発明の一実施形態である放射温度測定方法を説明するための模式図である。 図３は、圧延アルミニウム板の傾きを変化させた時の本発明により測定された反射率の平均値及び相対比率の変化の一例を示す図である。 図４は、再帰性反射板が理想的な反射率（１００％）を有している場合とその状態に対し反射率が９０％になった場合との温度誤差を計算した結果の一例を示す図である。 図５は、反射率分布と表面温度分布の一例を示す図である。 図６は、アルミニウムサンプルの温度を変えながら反射率を測定した結果の一例を示す図である。 図７は、図６に示す結果から測定されたアルミニウムサンプルの表面温度を示す図である。 図８は、セラミック及び酸化しない金属で鍍金した鋼板の温度を変えながら反射率を測定した結果の一例を示す図である。 図９は、図８に示す結果から測定されたセラミック及び酸化しない金属で鍍金した鋼板の表面温度を示す図である。 図１０は、分光光度計による高反射率鏡面反射板の反射率の測定結果を示す図である。 図１１は、黒体炉校正式の一例を示す図である。 図１２は、圧延アルミニウム板の傾きを変化させた時の垂直反射率の平均値及び相対比率の変化の一例を示す図である。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態である放射温度測定装置の構成及びこの放射温度測定装置を利用した放射温度測定方法について説明する。

〔放射温度測定装置の構成〕
図１は、本発明の一実施形態である放射温度測定装置の構成を示す模式図である。図１に示すように、本発明の一実施形態である放射温度測定装置１は、鋼板等の移動する不透明な測定対象物Ｓの反射率を測定することによって得られる測定対象物の放射率を用いて表面温度を測定する装置であり、光源２、同軸落射光学系３、再帰性反射板４、放射光検出器５、オン・オフ制御回路１１、及び信号処理装置１２を主な構成要素として備えている。

光源２は、オン・オフ制御回路１１からの制御信号に従って測定対象物Ｓに照射する入射光を生成する装置であり、例えばＬＥＤ（Light Emitting Diode）光源によって構成されている。なお、３５０〜５５０℃の比較的低温度域の測定対象物Ｓの反射率を測定する場合には、７００〜１１００ｎｍの波長域のＣＣＤモノクロカメラと赤外ＬＥＤ光源（主波長８５０ｎｍ）を用いることが望ましい。

同軸落射光学系３は、測定対象物Ｓに照射する入射光の光軸と受光光学系の光軸とが一致している光学系であり、例えば同軸落射テレセントリックレンズによって構成されている。同軸落射光学系３は、測定対象物Ｓの測定面の垂線Ｌ１に対して傾けて配置されている。同軸落射光学系３は、光源２が生成した入射光を測定対象物Ｓの測定面に入射すると共に、外部からの入射光を放射光検出器５に透過する。なお、同軸落射光学系３の先端に可視光カットフィルタを配設してもよい。

再帰性反射板４は、測定対象物Ｓの測定面からの光を光の入射方向に戻す再帰性反射特性を有する板状の部材であり、測定対象物Ｓの測定面において反射された入射光に対して垂直な角度になるように入射面内における測定面の垂線Ｌ１を挟んで同軸落射光学系３の位置とは反対側の位置に配置されている。再帰性反射板４は、測定対象物Ｓの測定面において反射された入射光及び測定面から入射した放射光を同軸落射光学系３に戻す。なお、一般に、再帰性反射板４に対する光の入射角が±３０度以内であれば、再帰性反射板４はほぼ１００％発光位置に入射光を戻すと言われている。

ここで、再帰性反射板４は、測定対象物Ｓの測定面からの反射光に対して垂直な角度になるように配置されていることとしたが、厳密に垂直な角度に配置する必要はなく、測定対象物Ｓの測定面からの反射光を同軸落射光学系３に戻すことができる範囲内であればよい。また、本実施形態では、再帰性反射板４は、同軸落射光学系３の先端の高さ位置とほぼ同じ高さ位置に配置されていることとするが、再帰性反射板４の高さ位置は装置のレイアウトに応じて適宜変更することができる。

放射光検出器５は、同軸落射光学系３から伝達された光の輝度を検出する装置であり、単一の光受光素子、ＣＣＤモノクロカメラ、ＣＣＤカラーカメラ等によって構成されている。なお、ＣＣＤモノクロカメラは、高温域の測定も可能であるが、高温域になると測定対象物Ｓの温度に応じて色変化が生じるので、測定温度域（例えば５５０℃程度以上）によってはＣＣＤカラーカメラを用いることが望ましい。また、測定対象物Ｓの測定温度に対応した輝度値がＡ／Ｄ変換器で有効な輝度レベルになるように放射光検出器５の検出時間を調整することが望ましい。ＣＣＤモノクロカメラを用いる場合には、光源２として赤外ＬＥＤ光源を用い、同軸落射光学系３の先端に可視光カットフィルタを配設することが望ましい。

オン・オフ制御回路１１は、光源２に制御信号を出力することによって光源２のオン／オフ動作を制御する回路である。

信号処理装置１２は、放射光検出器５によって検出された光の輝度に基づいて測定対象物Ｓの反射率を算出し、算出された反射率に基づいて測定対象物Ｓの表面温度を算出する装置であり、パーソナルコンピュータ等の情報処理装置によって構成されている。

このような構成を有する放射温度測定装置１は、以下に示す放射温度測定方法により移動する不透明な測定対象物の反射率をオンラインで測定する。以下、図２を参照して、本発明の一実施形態である放射温度測定方法を実行する際の放射温度測定装置１の動作について説明する。

〔放射温度測定方法〕
図２は、本発明の一実施形態である放射温度測定方法を説明するための模式図である。本発明の一実施形態である放射温度測定方法では、まず、オン・オフ制御回路１１が光源２に制御信号を出力することによって光源２をオンする。これにより、図２（ａ）に示すように、同軸落射光学系３を介して測定対象物Ｓの測定面（Ｘ，Ｙ）に対して角度＋θで入射光Ｌ２が入射し、測定面（Ｘ，Ｙ）における入射光Ｌ２が正反射されて反射光Ｌ３が再帰性反射板４に入射する。

そして、再帰性反射板４の表面において反射光Ｌ３が反射されて反射光Ｌ４が測定対象物Ｓの測定面（Ｘ，Ｙ）に対して角度−θで入射し、測定面（Ｘ，Ｙ）において反射光Ｌ４が反射されて反射光Ｌ５が同軸落射光学系３を介して放射光検出器５に入射する。なお、再帰性反射板４として大きさ５５×３５ｍｍのものを距離１１０ｍｍで用いた場合、幾何学的配置から角度θは、１２〜１５度の範囲内とすることが可能であり、再帰性反射板４は正反射光の垂直軸に対して頂角約１２．５度の範囲でカバーすることができる。

ここで、測定面（Ｘ，Ｙ）における入射光Ｌ２の強度をＬ０（θ，Ｘ，Ｙ）、角度＋θで測定対象物Ｓの測定面（Ｘ，Ｙ）に入射した入射光Ｌ２が正反射方向に反射する反射率をＲ（θ，Ｘ，Ｙ）（％）とすると、反射光Ｌ３の強度はＬ０（θ，Ｘ，Ｙ）×Ｒ（θ，Ｘ，Ｙ）／１００と表することができる。このとき、Ｌ０（θ，Ｘ，Ｙ）×Ｒ（θ，Ｘ，Ｙ）／１００の値が、測定面（Ｘ，Ｙ）からの放射光（自発光放射光）よりも十分大きくなるようなＬ０（θ，Ｘ，Ｙ）の値をもつ光源を用いるようにしている。同様にして、再帰性反射板４の反射率が１００％であると仮定すると、反射光Ｌ５の強度はＬ０（θ，Ｘ，Ｙ）×Ｒ（θ，Ｘ，Ｙ）×Ｒ（−θ，Ｘ，Ｙ）／１００００と表することができる。また、正反射率は角度θが同じであれば方向性の影響を受けないと仮定できるので、以下に示す数式（１）が成立する。なお、数式（１）において、Ｒφ（Ｘ，Ｙ）は、測定面（Ｘ，Ｙ）の反射率（％）を示す。

また、以下の数式（２）に示すように、放射光検出器５によって検出された再帰性反射板４からの反射光Ｌ５の輝度に基づいて求められる反射率Ｒは、測定面（Ｘ，Ｙ）の反射率Ｒφ（Ｘ，Ｙ）の二乗値となる。このため、測定面（Ｘ，Ｙ）の反射率Ｒφ（Ｘ，Ｙ）は、反射率Ｒを以下の数式（３）に代入することによって求めることができる。具体的には、予め測定しておいた基準反射率に相当する基準輝度値と放射光検出器５によって検出された輝度値とから反射率Ｒを算出し、算出された反射率Ｒを以下の数式（３）に代入することによって測定面（Ｘ，Ｙ）の反射率Ｒφ（Ｘ，Ｙ）を算出する。このようにして、光源２をオンしたときに放射光検出器５によって検出された再帰性反射板４からの反射光Ｌ５の輝度から測定面（Ｘ，Ｙ）の反射率Ｒφ（Ｘ，Ｙ）を算出することができる。

次に、オン・オフ制御回路１１が光源２への制御信号の出力を停止することによって光源２をオフする。これにより、図２（ｂ）に示すように、測定面（Ｘ，Ｙ）から角度＋θ方向に放射された放射光（自発光放射光）Ｌ６が同軸落射光学系３を介して放射光検出器５に入射する。また、測定面（Ｘ，Ｙ）から角度−θ方向に放射された放射光Ｌ７が再帰性反射板４に入射し、再帰性反射板４の表面において放射光Ｌ７が反射されて反射光Ｌ８が測定対象物Ｓの測定面（Ｘ，Ｙ）に対して角度−θで入射する。そして、測定面（Ｘ，Ｙ）において反射光Ｌ８が反射されて反射光Ｌ９が同軸落射光学系３を介して放射光検出器５に入射する。

ここで、放射光Ｌ６の光量Ｒａ^＊ _ε１（Ｘ，Ｙ）は、放射率が１．０である場合の放射光Ｌ６の光量をＲａ^＊ _０（Ｘ，Ｙ：Ｔ℃、ε＝１．０）とすると、以下に示す数式（４）のように表すことができる。また同様にして、放射光Ｌ７の光量Ｒａ^＊ _ε２（Ｘ，Ｙ）は、以下に示す数式（５）のように表すことができる。また、反射光Ｌ９の光量Ｒａ^＊ _ε３（Ｘ，Ｙ）は、再帰性反射板４の反射率をＤとすると、以下に示す数式（６）のように表すことができる。

また、正反射率は角度θが同じあれば方向性の影響を受けないこと（数式（１）の成立）、以下の数式（７）に示すように放射率εも角度が同じであれば方向性の影響を受けないこと、及び以下の数式（８）に示すように反射率Ｒφ（Ｘ，Ｙ）／１００と放射率εφ（Ｘ，Ｙ）との和が１となることを仮定する。なお、εφ（Ｘ，Ｙ）は測定面（Ｘ，Ｙ）における放射率を示す。

これにより、放射光Ｌ６と反射光Ｌ９との輝度の和Ｒａ^＊ｓｕｍ（Ｘ，Ｙ）は、以下に示す数式（９）〜（１１）のように表される。なお、数式（１１）中のε（Ｘ，Ｙ）は２回反射の放射率であり、以下に示す数式（１２）のように表される。

数式（１０）に示す輝度の和Ｒａ^＊ｓｕｍ（Ｘ，Ｙ）は放射光検出器５によって検出された輝度値である。従って、輝度の和Ｒａ^＊ｓｕｍ（Ｘ，Ｙ）と反射率Ｒφ（Ｘ，Ｙ）とを数式（１２）に代入することによって求められる放射率ε（Ｘ，Ｙ）とを数式（１１）に代入することにより、放射率補正した放射輝度値Ｒａ^＊ _０（Ｘ，Ｙ：Ｔ℃、ε＝１．０）を算出することができる。これにより、放射率補正した放射輝度値Ｒａ^＊ _０（Ｘ，Ｙ：Ｔ℃、ε＝１．０）の対数値Ｖ（Ｘ，Ｙ）を以下の数式（１３）に示す黒体炉校正式に代入することによって、測定面（Ｘ，Ｙ）の表面温度ＴＥＭＰ（Ｘ，Ｙ）を算出することができる。なお、数式（１３）におけるパラメータＡ，Ｂ，Ｃは係数を示す。

図３は、鏡面性の高い圧延アルミニウム板（表面粗さＲａの測定値が０．０８μｍ未満）の傾き（ゴニオステージ角度）をθ度変化させた時の本発明により測定された反射率Ｒφの平均値（平均反射率）（入射光波長：８５０ｎｍ）及び相対比率Ｒφ（θ）／Ｒφ（０度）の変化の一例を示す図である。なお、相対比率Ｒφ（θ）／Ｒφ（０度）とは、傾きθ度のときの平均反射率を傾き０度のときの平均反射率で除算した値である。

図３に示すように、傾きの角度θが０度に対して±３度以内であれば反射率Ｒφの値は８６〜１００％と安定しており、傾きの角度θが４度を超えてはじめて反射率Ｒφは低下し始める。既に述べたように、従来の反射率測定方法（図１２参照）では、反射率Ｒｖの相対比率Ｒｖ（θ）／Ｒｖ（０度）は、傾きθが±０．５度変化しただけで８３〜８７％まで減衰し、また傾きθが±０．８度変化すると６３〜７４％まで減衰する。従って、本発明によれば、反射率Ｒφを測定する際の測定対象物の傾きθの影響を大幅に低減できる。このため、本発明によれば、例えば連続亜鉛めっきラインを移動する鋼板等の移動する不透明な測定対象物の反射率をオンラインで測定して測定対象物の表面温度を測定することができる。

ここで、再帰性反射板４の反射率が理想的な場合の９０％に低下した際の温度測定に与える誤差について説明する。図４は、測定面の反射率Ｒφ（Ｘ，Ｙ）が８０％から１０％まで１０％おきの温度４５０℃のサンプルを測定した場合において、再帰性反射板４が理想的な反射率（１００％）を有している場合（１．０）とその状態に対し反射率が９０％になった場合（０．９）との温度誤差を計算した結果を示す図である。図４に示すように、最も温度誤差が乗りやすい反射率８０％の場合であっても、高々１０℃程度の温度誤差に収まっていることがわかる。

また、図５は、本発明により測定したアルミニウムサンプルの鏡面部と粗さ♯３０の粗面部を窒化アルミニウムヒータで４５０℃に温度設定した時の反射率分布と表面温度分布の１例を示す図である。アルミニウム板５０ｍｍ×２５ｍｍの中央部で鏡面と粗面の境界部を作成し、その中央部分の８ｍｍ×２ｍｍ（１０００×２５０画素）の中央の１１画素の平均値を示したものである。図５に示すグラフから、反射率分布が境界部で大きく変化しているのに対し、表面温度はほぼ同じ温度を示していることがわかる。この表面温度分布を計算した結果では、粗さ♯３０の砥粒で粗面化した平面はかなり粗いので、鏡面の温度分布がほぼ均一であるのに対し、温度分布が面内で大きくばらついていることもわかる。また、粗面からの放射伝熱ロスが大きいので、粗面側の平均温度が約５℃低いこともわかる。

また、粗さ＃３０及び粗さ＃３２０のアルミニウムサンプルの温度を変えながら反射率を測定した結果を図６に示す。図６では、鏡面部分の反射率Ｒφ（Ｓ１）及び粗面部分の反射率Ｒφ（Ｓ５）及びそれらの差Ｒφ（Ｓ１−Ｓ５）を示している。図６に示すように、粗さ＃３０及び粗さ＃３２０共に、反射率は温度が高くなるにつれて大きくなる傾向があることが確認された。また、図６に示す結果から算出されたアルミニウムサンプルの表面温度を図７に示す。図７に示すように、鏡面部分と粗面部分の表面温度はよく一致していることがわかる。また、ヒータの設定値と鏡面部分の温度の差は、粗さ＃３０と粗さ＃３２０のアルミニウムサンプルでは異なっていた。これは、粗さ＃３０のアルミニウムサンプルの表面粗さが粗く、放射率が高いアルミニウムサンプルは、熱放射が大きいために表面温度が下がっているためと考えられる。また、セラミック及び酸化しない金属で鍍金した鋼板についての同様のデータを図８及び図９に示す。これらについても、同様の結果が得られた。

本実施例では、反射率校正のための前処理と測定対象物の表面温度を測定する際の事前処理とを行ない表面温度を測定した。また、本実施例では、ＣＣＤモノクロカメラの感度曲線をγ＝１．０とし、入力の光強度に比例する画像輝度値が得られるようにした。

前処理では、まず反射光がゼロの準黒体を用意した。これは内部径が５０ｍｍの円筒で高さが９０ｍｍ、円筒底部には頂角６０度の円錐を持った部材をねじ合わせで合体したものであり、黒色校正円筒と呼ぶ。円筒及び円錐底部の材質はアルミニウムであり、その表面につや消し黒色アルマイト処理を施したものを使用した。反射率校正板としては、高反射率鏡面反射板が市販されている。高反射率鏡面反射板は高価であり傷つきやすいので、公式基準器として用い、その基準器で値付した低反射率準白体を準黒体と同様にして白色校正円筒の形で作製し、低反射率約０．３％程度（数値は校正により決定する）の常用標準反射体として使用した。白色校正円筒が黒色校正円筒と異なる点は、頂角が１７５度と大きいこととつや消し白色アルマイト処理を施していることである。

次に、白色校正円筒の反射率を高反射率鏡面反射板で校正した。白色校正円筒の反射率を測定した時の輝度カウント値が飽和しない範囲でシャッター時間を決めた。ＣＣＤモノクロカメラのＡ／Ｄ変換は１６ビットであり、６５０００カウント（階調）を超える。本実施例では、ＬＥＤ光源が安定している状態にゲインを決めて、シャッター時間を０．２ｍｓｅｃとした。そこで、白色校正円筒の反射率を測定し、次に黒色校正円筒の反射率を測定した。この時の仮想の白色校正円筒の反射率を仮に０．３００と入力した。白のカウント数は３６３６６．８であり、黒のカウント数は３５９８０．２であり、その差は３８６．６であった。

次に、高反射率鏡面反射板の反射率を測定した。図１０は、分光光度計による高反射率鏡面反射板の反射率の測定結果を示す。波長８５０ｎｍの入射光に対する高反射率鏡面反射板の反射率は８６％であった。高反射率鏡面反射板の輝度値が飽和していないことを確認し、シャッター時間を０．０１ｍｓｅｃにセットした。次に、黒色校正円筒の輝度値を同じシャッター時間で測定し、高反射率鏡面反射板の輝度値から減算した。一方、白色校正円筒の輝度値は、シャッター時間０．２ｍｓｅｃのときに３８６．６カウントだったので、このカウント値を０．０１ｍｓｅｃで測定した場合に換算し、３８６．６×０．０１／０．２＝１９．３３として求めた。この係数で計算したときに高反射率鏡面反射板の反射率が８６％となるように、白色校正円筒の０．３００％の校正値を決定し、白色校正円筒の基準反射率として登録した。

測定対象物の表面温度を測定する際には、まず、基準反射率校正板の反射率を測定した。基準反射率校正板の反射率の測定が終了すると、次に、黒体炉校正式をセットした。次に、反射率測定と表面温度測定のための準備測定が２項目必要である。まず、１つめは測定対象物の反射輝度値が飽和しないシャッター時間を選択することである。そして、同軸落射光学系の前面に準黒体をセットし、まずＬＥＤ光源を点灯し、決めたシャッター時間で光学系の内部雑音輝度値を二次元画像データとして保存する。次に、放射輝度測定のための黒体測定を行った。以上が準備である。

次に、準黒体を取り除き、加熱されている測定対象物の反射率を測定した。次に、測定対象物の放射温度を測定した。以後、放射率補正した放射輝度値の対数値を黒体炉校正式に代入することによって、測定面（Ｘ，Ｙ）の表面温度を算出した。黒体炉校正式の一例を図１１に示す。

以上、本発明者らによってなされた発明を適用した実施の形態について説明したが、本実施形態による本発明の開示の一部をなす記述及び図面により本発明は限定されることはない。すなわち、本実施形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例、及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれる。

１ 放射温度測定装置
２ 光源
３ 同軸落射光学系
４ 再帰性反射板
５ 放射光検出器
１１ オン・オフ制御回路
１２ 信号処理装置
Ｓ 測定対象物

Claims (6)

1. 光源と、
   前記光源のオン／オフを制御するオン・オフ制御回路と、
   測定対象物の測定面（Ｘ，Ｙ）の垂線に対して傾けて配置された、前記光源からの入射光を前記測定面（Ｘ，Ｙ）に照射する同軸落射光学系と、
   前記測定面（Ｘ，Ｙ）において反射された前記入射光に対して垂直な角度になるように入射面内における前記垂線を挟んで前記同軸落射光学系の位置とは反対側の位置に配置された、前記測定面（Ｘ，Ｙ）において反射された前記入射光及び前記測定面（Ｘ，Ｙ）から入射した放射光を前記同軸落射光学系に戻す再帰性反射板と、
   前記同軸落射光学系に入射した光の輝度を検出する放射光検出器と、
   前記放射光検出器によって検出された光の輝度値から前記測定面（Ｘ，Ｙ）の表面温度を算出する信号処理装置と、を備え、
   前記信号処理装置は、前記オン・オフ制御回路によって前記光源をオン状態にした時に検出された光の輝度値から前記測定面（Ｘ，Ｙ）の反射率を算出し、前記オン・オフ制御回路によって前記光源をオフ状態にした時に検出された光の輝度値及び前記反射率から前記測定面（Ｘ，Ｙ）の放射率を算出し、前記オン・オフ制御回路によって前記光源をオフ状態にした時に測定面（Ｘ，Ｙ）から角度＋θ方向に放射されて前記同軸落射光学系に入射した放射光Ｌ６と、前記オン・オフ制御回路によって前記光源をオフ状態にした時に測定面（Ｘ，Ｙ）から角度−θ方向に放射され、前記再帰性反射板に入射し、前記再帰性反射板の表面において反射され、測定面（Ｘ，Ｙ）に対して角度−θで入射した後、反射されて前記同軸落射光学系に入射した反射光Ｌ９と、の輝度の和Ｒａ^＊ｓｕｍ（Ｘ，Ｙ）から、以下に示す数式（９）〜（１２）を用いて前記オン・オフ制御回路によって前記光源をオフ状態にした時に検出された光の輝度値の補正値Ｒａ^＊ _０（Ｘ，Ｙ：Ｔ℃、ε＝１．０）を算出し、補正値Ｒａ^＊ _０（Ｘ，Ｙ：Ｔ℃、ε＝１．０）を用いて前記測定面（Ｘ，Ｙ）の表面温度を算出することを特徴とする放射温度測定装置。
   ここで、Ｒａ^＊ _ε１（Ｘ，Ｙ）は放射光Ｌ６の輝度値、Ｒａ^＊ _ε３（Ｘ，Ｙ）は反射光Ｌ９の輝度値、εφ（Ｘ，Ｙ）は測定面（Ｘ，Ｙ）における放射率、Ｒａ^＊ _０（Ｘ，Ｙ：Ｔ℃、ε＝１．０）は放射率が１．０である場合の放射光Ｌ６の輝度値、Ｄは再帰性反射板の反射率、Ｒφ（Ｘ，Ｙ）は測定面（Ｘ，Ｙ）の反射率、ε（Ｘ，Ｙ）は２回反射の放射率を示す。
2. 前記信号処理装置は、前記オン・オフ制御回路によって前記光源をオン状態にした時に検出された光の輝度値から求められる反射率が前記測定面（Ｘ，Ｙ）の反射率の二乗値になっていることを考慮して予め測定しておいた基準反射率に相当する基準輝度値を用いて前記測定面（Ｘ，Ｙ）の反射率を算出すると共に、放射率と反射率との和が１．０であるとして前記測定面（Ｘ，Ｙ）の放射率を算出することを特徴とする請求項１に記載の放射温度測定装置。
3. 前記測定面（Ｘ，Ｙ）の表面温度に対応した輝度値が、前記放射光検出器が備えるＡ／Ｄ変換器で有効な輝度レベルになるように前記放射光検出器の検出時間を調整する制御回路を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の放射温度測定装置。
4. 前記放射光検出器が単一の受光素子によって構成されていることを特徴とする請求項１〜３のうち、いずれか１項に記載の放射温度測定装置。
5. 前記放射光検出器が二次元のＣＣＤカラーカメラによって構成されていることを特徴とする請求項１〜３のうち、いずれか１項に記載の放射温度測定装置。
6. 光源と、前記光源のオン／オフを制御するオン・オフ制御回路と、測定対象物の測定面（Ｘ，Ｙ）の垂線に対して傾けて配置された、前記光源からの入射光を前記測定面（Ｘ，Ｙ）に照射する同軸落射光学系と、前記測定面（Ｘ，Ｙ）において反射された前記入射光に対して垂直な角度になるように入射面内における前記垂線を挟んで前記同軸落射光学系の位置とは反対側の位置に配置された、前記測定面（Ｘ，Ｙ）において反射された前記入射光及び前記測定面（Ｘ，Ｙ）から入射した放射光を前記同軸落射光学系に戻す再帰性反射板と、前記同軸落射光学系に入射した光の輝度を検出する放射光検出器と、前記放射光検出器によって検出された光の輝度値から前記測定面（Ｘ，Ｙ）の表面温度を算出する信号処理装置と、を備える放射温度測定装置を利用した放射温度測定方法であって、
   前記オン・オフ制御回路によって前記光源をオン状態にした時に検出された光の輝度値から前記測定面（Ｘ，Ｙ）の反射率を算出するステップと、
   前記オン・オフ制御回路によって前記光源をオフ状態にした時に検出された光の輝度値及び前記反射率から前記測定面（Ｘ，Ｙ）の放射率を算出するステップと、
   前記オン・オフ制御回路によって前記光源をオフ状態にした時に測定面（Ｘ，Ｙ）から角度＋θ方向に放射されて前記同軸落射光学系に入射した放射光Ｌ６と、前記オン・オフ制御回路によって前記光源をオフ状態にした時に測定面（Ｘ，Ｙ）から角度−θ方向に放射され、前記再帰性反射板に入射し、前記再帰性反射板の表面において反射され、測定面（Ｘ，Ｙ）に対して角度−θで入射した後、反射されて前記同軸落射光学系に入射した反射光Ｌ９と、の輝度の和Ｒａ^＊ｓｕｍ（Ｘ，Ｙ）から、以下に示す数式（９）〜（１２）を用いて前記オン・オフ制御回路によって前記光源をオフ状態にした時に検出された光の輝度値の補正値Ｒａ^＊ _０（Ｘ，Ｙ：Ｔ℃、ε＝１．０）を算出し、補正値Ｒａ^＊ _０（Ｘ，Ｙ：Ｔ℃、ε＝１．０）を用いて前記測定面（Ｘ，Ｙ）の表面温度を算出するステップと、
   を含むことを特徴とする放射温度測定方法。
   ここで、Ｒａ^＊ _ε１（Ｘ，Ｙ）は放射光Ｌ６の輝度値、Ｒａ^＊ _ε３（Ｘ，Ｙ）は反射光Ｌ９の輝度値、εφ（Ｘ，Ｙ）は測定面（Ｘ，Ｙ）における放射率、Ｒａ^＊ _０（Ｘ，Ｙ：Ｔ℃、ε＝１．０）は放射率が１．０である場合の放射光Ｌ６の輝度値、Ｄは再帰性反射板の反射率、Ｒφ（Ｘ，Ｙ）は測定面（Ｘ，Ｙ）の反射率、ε（Ｘ，Ｙ）は２回反射の放射率を示す。