JP2021060325A - ２色温度計測センサー及びそれを用いた温度計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】フィルター素子間に設ける遮光マスクを容易にしかも高精度に形成することが可能な２色温度計測センサーを提供する。【解決手段】多波長の画像が記録可能な受光素子を複数個モザイク状に配列したモザイクセンサー３と、互いに異なった２つの波長域の光束を通過する２種類のフィルター要素２Ｒ，２Ｇを複数個モザイク状に隣接するフィルター要素の光通過波長域が互いに異なるように配列した２色モザイクフィルター２を有し、モザイクセンサーと２色モザイクフィルターの双方を、モザイクセンサーを構成する１つの受光素子と、２色モザイクフィルターを構成する１つのフィルター要素とが互いに重なるように重ね合わせた２色温度計測センサーであって、１つのフィルター要素の大きさは１つの受光素子の大きささりも大きく、１つのフィルター要素の周辺部の１部は隣接する他のフィルター要素の周辺部と重複している。【選択図】図２

Description

本発明は、２色温度計測センサー及びそれを用いた温度計測装置に関し、特に物体の温度分布情報を多波長単板カメラを用いて２色温度法を利用して計測する際に好適なものである。

従来、カラーカメラを利用して、物体の温度情報を撮影系により撮像手段に形成し、撮像手段からの出力信号を利用して２色温度法を用いて物体の温度情報を計測するカメラが知られている（特許文献１、２）。

特許文献１では赤外領域の放射を画像センサー（赤外線センサー）で受光、その強さの分布を濃淡で画像として表現している。カラーカメラのうち単板式カラーカメラでは１つの撮像手段を用い、その各画素（受光素子）の光入射側にＲ、Ｇ、Ｂのモザイク状のカラーフィルターを装着して各画素よりＲ、Ｇ、Ｂの信号を算出している。単板式カラーカメラで用いるＣＣＤまたはＣ−ＭＯＳ撮像デバイス〔撮像手段〕は複数の画素を２次元的に配置し、画素の１つ１つに対応してＲ、Ｇ、Ｂのモザイクカラーフィルターを対抗配置している。

特許文献２では、互いに異なった２つの波長領域の光束を各々通過するフィルター要素を複数個モザイク状に配列したモザイクフィルターを有し、モザイクフィルターは、画像センサーの光入射側に設けられている。そして、画像センサーからの出力信号より、物体の所定領域の温度情報を求めている。

特開２００１−１５７２１４号公報 特願２０１５−１６５０５５号

物体の温度計測に赤外線カメラを使用すれば、物体の各部の温度分布を知ることができる。

このとき、物体の２つの波長（波長域）における放射を測定し、両者の比を算出して、同じ値を示す黒体の温度をその物体の温度とする比温度（Ｒａｔｉｏ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ、２色温度）計測は、両波長における放射率が同値である限り物体の温度を正確に計測することができる。単板式カラーカメラでは環境温度の変化があっても、比温度測定の原理から誤差は発生しないという特徴がある。このとき、図７に示すように互いに異なった２つの波長領域の光束を各々通過するフィルター要素７１、７２を複数個モザイク状に配列したモザイクフィルター７０を用いるとモザイクフィルターの第１の波長域７１ａの受光素子（センサー）７１ｂに、本来の放射に加えてモザイクフィルターの第２の波長域７２ａを斜めに通過した光の一部がまた受光素子７２ｂで反射した後に入射し、混合して光学的クロストークが発生する。この結果温度計測に際してＳ／Ｎが低下して検出精度が低下してくる場合がある。

これを防止するためには複数のフィルター要素の隣接するフィルター要素間に、遮光マスクを設けるのが良い。

しかしながらこのときの遮光うマスクを受光素子面状に精度良く形成するのは難しく、また工程が増加しコスト高の要因となる。

本発明はフィルター素子間に設ける遮光マスクを容易にしかも高精度に形成することができ２色温度法により物体の温度情報を高精度に測定できる２色温度計測センサー及びそれを用いた温度計測装置の提供を目的とする。

本発明の２色温度計測センサーは、多波長の画像が記録可能な受光素子を複数個モザイク状に配列したモザイクセンサーと、互いに異なった２つの波長域の光束を通過する２種類のフィルター要素を複数個モザイク状に隣接するフィルター要素の光通過波長域が互いに異なるように配列した２色モザイクフィルターを有し、前記モザイクセンサーと前記２色モザイクフィルターの双方を、前記モザイクセンサーを構成する１つの受光素子と、前記２色モザイクフィルターを構成する１つのフィルター要素が互いに重なるように重ね合わせた２色温度計測センサーであって、
前記１つのフィルター要素の大きさは前記１つの受光素子の大きささりも大きく、１つのフィルター要素の周辺部の１部は隣接する他のフィルター要素の周辺部と重複していることを特徴としている。

このとき、前記モザイクセンサーの受光素子の配列ピッチと前記２色モザイクフィルターのフィルター要素の配列ピッチは同じである。また、前記２色モザイクフィルターは、第１波長モザイクフィルターと第２波長モザイクフィルターを有し、前記第１波長モザイクフィルターのフィルター要素と前記第２波長モザイクフィルターのフィルター要素のピッチは同じであり、前記第１波長モザイクフィルターのフィルター要素と前記第２波長モザイクフィルターのフィルター要素のピッチは前記受光素子の配列ピッチの２倍である。

本発明によれば、単板式カメラを用いて比温度計測を利用して物体の温度分布を正確に測定することができる２色温度計測センサー及びそれを用いた温度計測装置が得られる。

本発明の温度計測装置の要部概略図 本発明にかかる２色温度計測センサーの要部断面図 本発明にかかるモザイクフィルターの要部平面図 本発明にかかるモザイクセンサーの要部平面図 （Ａ）、（Ｂ）本発明にかかるモザイクフィルターの要部平面図 本発明にかかるモザイクフィルターの分光透過率の説明図 光学的クロストークの説明図

本発明の温度計測装置では単板式の多波長カメラを用いている。単板式の多波長カメラでは、構造が簡単で製造が容易であり、センサーの環境の変化に対して、各受光素子からの出力信号のバランスが良いなどの特徴がある。

図１において、１１は温度計測装置である。温度計測装置１１は物体の画像情報を撮影レンズ１２で２色温度計測センサー１３に形成する２色温度計測センサー１３からの出力信号を信号処理手段１４で処理する。信号処理手段１４からの出力信号より物体の所定領域の温度情報を温度計測手段１５で求めている。

温度計測手段１５は、信号処理手段１４からの出力信号のうち１つのフィルター要素に対する所定の受光素子からの出力信号を抽出する信号抽出部１５ａ、信号抽出部１５ａで抽出された出力信号から２色温度法を利用して物体の温度情報を得る比温度計測部１５ｂを有する。温度計測手段１５からの出力信号に基づいて物体の温度情報を表示手段１６に表示する。温度計測手段１５からの出力信号を加熱炉の制御等に供することもできる。

図２は本発明の温度計測装置を構成する一部分の２色温度計測用センサー１３の要部断面図である。

図３は本発明の温度計測装置を構成する一部分の２色モザイクフィルター２の要部平面図である。

２色温度計測用センサー１３はモザイクセンサー１と２色モザイクフィルター２を有する。

図４はモザイクセンサー１の要部平面図である。

図５（Ａ）、（Ｂ）は２色モザイクフィルター２に含まれる第１波長モザイクフィルター２λ１と第２波長モザイクフィルター２λ２の要部平面図である。

図４において、１は多波長の画像が記録可能な複数の受光素子１ａをモザイク状に配置したモザイクセンサーである。

本実施例では、受光素子１ａの受光面積は２０μ×２０μであり、複数の受光素子１ａはピッチＰａが２０μでモザイク状（２次元的）に配置されている。

２色モザイクフィルター２は、第１波長モザイクフィルター２λ１と第２波長モザイクフィルター２λ２を有している。

図５（Ａ）は第１波長モザイクフィルター２λ１の要部平面図である。

第１波長モザイクフィルター２λ１は第１波長フィルター２Ｇを複数個、モザイク状に配列した構成よりなっている。

図６に示すように、第１波長フィルター２Ｇの主たる光透過波長域２Ｇｔは波長７８５ｎｍ〜８１５ｎｍであり、また、光通過領域大きさは２４μ×２４μである。

第１波長フィルター２Ｇは複数個、ピッチＰ２Ｇが４０μ（２×２０μ）でモザイク状に配列されている。

図５（Ｂ）は第２波長モザイクフィルター２λ２の要部平面図である。

第２波長モザイクフィルター２λ２は第２波長フィルター２Ｒを複数個、モザイク状に配列した構成よりなっている。

図６に示すように、第２波長フィルター２Ｒの主たる光透過波長域２Ｒｔは波長９５０ｎｍ〜９９０ｎｍであり、また、光通過領域の大きさは２４μ×２４μである。

第２波長フィルター２Ｒは複数個、ピッチＰ２Ｒが４０μ（２×２０μ）でモザイク状に配列されている。

２色温度計測センサー１３の構成は次のとおりである。

第１波長モザイクフィルター２λ１と第２波長モザイクフィルター２λ２は重ね合わされる。

このとき図５（Ａ）、（Ｂ）に示すように第１波長フィルター２Ｇ間の中心点２Ｇ１が第２波長フィルター２Ｒの中心点２Ｒ１と一致するように重ね合される。

さらにモザイクセンサー１と２色モザイクフィルター２が重ね合されている。このときモザイクセンサー１の受光素子１ａの中心点１ａ１が第一波長フィルターＧ１の中心点２Ｇ１（又は第２波長フィルター２Ｒの中心点２Ｒ１と重なるように構成されている。

このとき、第１波長フィルター２Ｇの外周部と第２波長フィルター２Ｒの外周部の重複する領域は外周部で２μの長さである。

従って受光素子１ａの有効面積は１６μ×１６μ（２５６μ^２）となる。フィルターのないときは２０μ×２０μ（４００μ^２）である。従って受光素子１ａの光利用効率は０．６４となる。

図２、図３に示すように図２、図３に示すように第１波長モザイクフィルター２λ１の第１波長フィルター２Ｇの外周部の一部と第２波長モザイクフィルター２λ２の第２波長フィルター２Ｒの外周部の一部は重複する。

そして図２に示すように重複した領域に入射した光は全て遮光されてモザイクセンサー１に入射しなくなる。これによりクロストークの発生を低減している。

本実施例の温度計測装置では２色温度計測センサー１３に入射した光（４００ｎｍ〜１０００ｎｍ）のうち主に波長７８５ｎｍ〜８１５ｎｍの光は第１波長フィルター２Ｇを通過したのち受光素子１ａａに入射する。

また主に波長９５０ｎｍ〜９９０ｎｍの光は第２波長フィルター２Ｒ通過したのち受光素子１ａａに入射する。

図２に示すように第１波長フィルター２Ｇと第２波長フィルター２Ｒとの重なった領域に入射した光は第１波長フィルター２Ｇと第２波長フィルター２Ｒで遮光されて受光素子１ａに入射しない。

本実施例では以上の構成により光学的クロストークを軽減している。そして受光素子１ａで検出される光を利用して２色温度計測を行い対象物の温度情報を得て物体の温度情報を表示手段１６に表示している。

本発明における２色温度計測センサー１３の制作方法は次のとおりである。
工程１ 多層膜蒸着法等により、第１波長モザイクフィルター２λ１を作成する。
工程２ 第２波長モザイクフィルター２λ２を別個に作成する。
工程３ 第１波長モザイクフィルター２λ１と第２モザイクフィルター２λ２の膜面同士をモザイク状に貼り合わせる。
工程４ モザイクフィルター２をモザイクセンサー１に貼り付ける。この方法において、フィルター基材の一面に第１波長モザイクフィルターを形成し、他面に第２波長モザイクフィルターを形成してもよい。

なお次の方法でも製作が可能である。
工程１ 基板材料の第２波長モザイクフィルター２λ２の各モザイク領域において、センサー画素各辺から各々所定量少ない部分にマスク材を設置する。
工程２ 多層膜蒸着法等により、基板前面に第１波長モザイクフィルター２λ１を作成する。
工程３ 第２波長モザイクフィルター２λ２領域のマスクを除去する。
工程４ 基板材料の第１波長の各モザイク領域に、センサー画素各辺から各々所定量少ない部分にマスク材を設置する。
工程５ 多層膜蒸着法等により、基板前面に第２波長モザイクフィルター２λ２を作成する。
工程６ 第１波長領域のモザイクフィルター上のマスクを除去する。
工程７ モザイクフィルターをモザイクセンサーに貼り付ける。

なお本発明によれば次の効果も得られる。
・画像を２波長で取得して、その比から計測Ｄａｔａを得る二色温度法やバイオ計測等に供する目的で、単一センサーにモザイク状にフィルターを構成することにより、画像センサーの周囲温度等環境の影響を回避する画像センサーを容易に作成することができる。
・光学クロストークを防止するためのマスクの作成が不要となる。
・２波長モザイクフィルター付き画像センサーより少ない工程で作成することができる。
・２波長に限らず多波長モザイクフィルター付き画像センサーをより短時間、低コストで作成することができる。
・工程の削減により不良率の低減ができる。
・複数画素を包括するモザイクフィルターを構成することにより高感度化が可能

Ｉ モザイクセンサー
２ ２色モザイクフィルター
１１ 温度計測装置
１２ 撮影レンズ
１３ ２色温度計測センサー
１４ 信号処理手段
１５ 温度計測手段
１６ 表示手段

Claims (4)

1. 多波長の画像が記録可能な受光素子を複数個モザイク状に配列したモザイクセンサーと、互いに異なった２つの波長域の光束を通過する２種類のフィルター要素を複数個モザイク状に隣接するフィルター要素の光通過波長域が互いに異なるように配列した２色モザイクフィルターを有し、前記モザイクセンサーと前記２色モザイクフィルターの双方を、前記モザイクセンサーを構成する１つの受光素子と、前記２色モザイクフィルターを構成する１つのフィルター要素とが互いに重なるように重ね合わせた２色温度計測センサーであって、
   前記１つのフィルター要素の大きさは前記１つの受光素子の大きささりも大きく、１つのフィルター要素の周辺部の１部は隣接する他のフィルター要素の周辺部と重複していることを特徴とする２色温度計測センサー。
2. 前記モザイクセンサーの受光素子の配列ピッチと前記２色モザイクフィルターのフィルター要素の配列ピッチは同じであることを特徴とする請求項１に記載の２色温度計測センサー。
3. 前記２色モザイクフィルターは、第１波長モザイクフィルターと第２波長モザイクフィルターを有し、前記第１波長モザイクフィルターのフィルター要素と前記第２波長モザイクフィルターのフィルター要素のピッチは同じであり、前記第１波長モザイクフィルターのフィルター要素と前記第２波長モザイクフィルターのフィルター要素のピッチは前記受光素子の配列ピッチの２倍であることを特徴とする請求項２に記載の２色温度計測センサー。
4. 物体の画像情報を撮像手段に形成する撮像系と請求項１乃至３のいずれか１項の２色温度計測センサーを有することを特徴とする温度計測装置。

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