JP5942525B2

JP5942525B2 - 温度分布観察装置

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Publication number: JP5942525B2
Application number: JP2012069080A
Authority: JP
Inventors: 文夫松坂; 山田　雅人; 雅人山田
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2012-03-26
Filing date: 2012-03-26
Publication date: 2016-06-29
Anticipated expiration: 2032-03-26
Also published as: JP2013200227A

Description

本発明は、非接触での温度測定に用いられる温度分布観察装置に関するものである。

溶融金属或は溶接部等の温度、温度分布を非接触で測定する方法として２色測温法がある。該２色測温法は、波長の異なる２つの光を用いて同一点の画像を取得し、光強度と測定対象物の放射率から温度を測定するものである。又、放射率は測定対象物の状態、固体、液体或は表面状態（表面酸化膜の有無）等で変化する。２色測温法では、２波長でそれぞれ温度と放射率の関係を示す関係式（関係式については後述）が２式得られ、又同時に同一点の画像を取得するので、２式に於ける放射率は同じである。２式に於ける放射率が同じであることを利用して、測定対象物の温度を測定するものである。

従来の２色測温法に用いられる温度分布観察装置では、２つのカメラで測定対象物の同一箇所を撮像するものであり、２つのカメラは測定対象物の所定点、例えば溶接部の溶融プールの中心で、２つのカメラの光軸が合致する様設定され、光軸の合致した点を中心とした画像を取得する様になっている。又、前記２つのカメラにはそれぞれ異なる波長を透過する波長フィルタが設けられ、前記２つのカメラによって測定対象物について２波長の画像の光強度分布を取得する。又、２つの画像の光強度分布から上記２色測温法により、測定対象物の温度が測定できる。

従来の様に、２つのカメラを用いた温度分布観察装置では、視野のずれ等を補正する為のキャリブレーションが必要であり、又２つのカメラを用いることで装置が大型化し、或は設備コストが嵩む等の問題があった。

尚、特許文献１には、測定対象物からの光束をプリズムにより複数の光束に分割し、分割した光束に対してそれぞれ波長選択フィルタを設け、複数の波長により複数の画像を取得できる様にした多波長複数画面光学系が開示されている。

特開２００５−３１５５８号公報

本発明は斯かる実情に鑑み、単一の撮像装置で波長の異なる複数の画像を取得できる様にした温度分布観察装置を提供するものである。

本発明は、対物レンズと、該対物レンズを透して測定対象物から入射する光束を第１分割光束、第２分割光束に２分割する光束分割手段と、前記第１分割光束、前記第２分割光束それぞれの光路に設けられた選択波長の異なる第１波長フィルタ、第２波長フィルタと、前記第１波長フィルタ、前記第２波長フィルタを透過した前記第１分割光束、前記第２分割光束を所定の光軸間距離となる様、平行に収束させる光束収束手段と、該光束収束手段からの光束を平行光束として射出し、撮像素子に結像させるテレセントリックレンズとを具備する温度分布観察装置に係るものである。

又本発明は、前記第１波長フィルタ、前記第２波長フィルタは、選択波長の異なる他の波長フィルタに交換可能である温度分布観察装置に係るものである。

又本発明は、分割された前記第１分割光束を前記光束収束手段に入射する様、光路を偏向する第１光路偏向手段が設けられ、分割された前記第２分割光束を前記光束収束手段に入射する様、光路を偏向する第２光路偏向手段が設けられ、前記第１光路偏向手段及び前記第２光路偏向手段は、それぞれ複数の偏向光学部材を有し、偏向光学部材の少なくとも１つを変位可能とし、前記第１分割光束、前記第２分割光束の少なくとも一方の光路長を調整可能とした温度分布観察装置に係るものである。

又本発明は、前記テレセントリックレンズは前記第１分割光束及び前記第２分割光束を、１つの前記撮像素子に投影し、該撮像素子に分離された２つの測定対象物の像を形成する温度分布観察装置に係るものである。

本発明によれば、対物レンズと、該対物レンズを透して測定対象物から入射する光束を第１分割光束、第２分割光束に２分割する光束分割手段と、前記第１分割光束、前記第２分割光束それぞれの光路に設けられた選択波長の異なる第１波長フィルタ、第２波長フィルタと、前記第１波長フィルタ、前記第２波長フィルタを透過した前記第１分割光束、前記第２分割光束を所定の光軸間距離となる様、平行に収束させる光束収束手段と、該光束収束手段からの光束を平行光束として射出し、撮像素子に結像させるテレセントリックレンズとを具備するので、同一の光学系で同一撮像素子上に波長の異なる２つの分離した像を同時に取得でき、温度分布観察装置の小型化、低コスト化が図れ、更に、同一光学系で、同時に、同一の像が得られるので、補正、校正が必要なく、信号処理の簡略化が図れる等の優れた効果を発揮する。

本発明の実施例に係る温度分布観察装置の概略構成図である。本実施例で用いられるテレセントリックレンズと通常のレンズとの光束の相違を示す説明図であり、（Ａ）は通常のレンズ、（Ｂ）はテレセントリックレンズを示す。テレセントリックレンズ及び通常のレンズで結像される像の相違を示す説明図であり、（Ａ）は投影図、（Ｂ）は通常のレンズによる像、（Ｃ）はテレセントリックレンズによる像を示す。本発明の具体的な実施例を示す平面図である。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施例を説明する。

先ず、図１に於いて、本発明の実施例に係る温度分布観察装置の概略構成を説明する。

図１中、１は測定対象物、２は観察ユニット、３はＣＰＵ等に代表される演算用計算機を示す。

前記観察ユニット２で撮像した測定対象物１の画像は、デジタル画像データとして前記演算用計算機３に出力される。該演算用計算機３では画像データに所要の信号処理をし、２色測温法により温度、温度分布を算出する。

次に、前記観察ユニット２について説明する。

撮像光軸４上に対物レンズ５、光束分割手段であるプリズム６、光束収束手段であるプリズム７、結像レンズとしてのテレセントリックレンズ８、撮像素子９が順次配設される。前記プリズム６は、前記対物レンズ５によって測定対象物１の像が結像される位置に配設される。前記撮像素子９としてはＣＣＤ或はＣＭＯＳセンサ等であり、該撮像素子９は、多数の画素の集合体であり、各画素毎に受光信号を出力すると共に、受光信号を出力した画素を特定でき、更に各画素の撮像素子９上での位置を特定できる様に構成されている。

尚、前記テレセントリックレンズ８は、図示では簡略して単一のレンズで示しているが、実際は複数のレンズから構成されたレンズユニットである。又、前記観察ユニット２にデジタルカメラを接続し、前記撮像素子９として前記デジタルカメラが具備する撮像素子を用いてもよい。

前記プリズム６により分割された光束の一方（第１分割光束１１）の第１光軸上には光路偏向光学部材であるミラー１２、第１波長フィルタ１３、ミラー１４が配設されている。

前記プリズム６によって分割された前記第１分割光束１１は、前記ミラー１２によって前記撮像光軸４と平行に偏向され、前記ミラー１４によって前記プリズム７に入射される。該プリズム７は、前記第１分割光束１１を前記撮像光軸４と平行に反射し、前記テレセントリックレンズ８に入射させる。該テレセントリックレンズ８は、入射された前記第１分割光束１１を平行光束として前記撮像素子９に結像（投影）させる。

前記第１波長フィルタ１３は、特定の波長λ１を透過する様に設定されており、前記テレセントリックレンズ８を経て前記撮像素子９に投影される画像は波長λ１で形成される。

又、前記プリズム６により分割された光束の他方（第２分割光束１５）の第２光軸上には光路偏向光学部材であるミラー１６、第２波長フィルタ１７、ミラー１８が配設されている。前記プリズム６によって分割された前記第２分割光束１５は、前記ミラー１６によって前記撮像光軸４と平行に偏向され、前記ミラー１８によって前記プリズム７に入射される。

該プリズム７は、前記第２分割光束１５を前記撮像光軸４と平行に反射し、前記テレセントリックレンズ８に入射させる。該テレセントリックレンズ８は、入射された前記第２分割光束１５を平行光束として前記撮像素子９に結像（投影）させる。

前記第２波長フィルタ１７は、前記波長λ１とは異なる特定の波長λ２を透過する様に設定されており、前記テレセントリックレンズ８を経て前記撮像素子９に投影される画像は波長λ２で形成される。

ここで、前記第１分割光束１１と前記第２分割光束１５は、前記プリズム７でそれぞれ反射され前記撮像光軸４と平行に前記テレセントリックレンズ８に入射するが、入射する際の前記第１分割光束１１と前記第２分割光束１５の光軸４ａ，４ｂ間の距離Ｄは、前記第１分割光束１１、前記第２分割光束１５が重ならず、完全に分離する距離、即ち分割光束の直径よりも大きい値に設定される。更に、前記プリズム７によって収束された前記第１分割光束１１、前記第２分割光束１５の光軸４ａ，４ｂの前記撮像素子９上での位置は、既知となっている。

前記テレセントリックレンズ８は、平行に入射した前記第１分割光束１１、前記第２分割光束１５を平行に且つ平行光束として前記撮像素子９に投影する。従って、分割された光束は互いに混合することなく完全に分離された２つの像として、又異なる波長を有する２つの像として前記撮像素子９に投影される。

前記ミラー１２、前記ミラー１４で構成される光路偏向手段、前記ミラー１６、前記ミラー１８で構成される光路偏向手段は、それぞれ前記プリズム６で分割された光束を前記プリズム７に導く作用を奏する。

又、前記対物レンズ５から前記撮像素子９に至る光学的距離は、完全又は略完全に一致する様に光学系が構成されている。

上記した様に、前記第１分割光束１１、前記第２分割光束１５は測定対象物１からの光束を分割したものであり、又前記第１分割光束１１、前記第２分割光束１５の光軸４ａ，４ｂの前記撮像素子９上での位置が既知であり、更に光軸間距離Ｄも既知であるので、前記第１分割光束１１で投影される画像、前記第２分割光束１５で投影される画像は完全に一致し、更に前記撮像素子９に投影される画像間での対応付もキャリブレーションをすることなく、又対応付の為の画像処理を行うことなく直ちに対応付が可能である。

尚、図２は、通常のレンズとテレセントリックレンズ８の光路上での光束の相違を示している。図２（Ａ）は通常のレンズ１９を示しており、図２（Ｂ）はテレセントリックレンズ８を示している。

通常のレンズ１９では、光束は通常のレンズ１９に対して角度を持って入射し、又射出する為、測定対象物の距離に対応して結像位置が変化する。この為、測定対象物が立体である場合は、焦点の合っていない部分がぼけてしまう。又、図３（Ａ）に示される様に測定対象物が立体であった場合には、側面からの光も入射し、像としては、図３（Ｂ）に示される様に側面迄含まれた像となる。

これに対し、図２（Ｂ）に示される様に、テレセントリックレンズ８ではテレセントリックレンズ８に対し平行光束で入射し、テレセントリックレンズ８から平行光束で射出される為、テレセントリックレンズ８に対する測定対象物の位置に変動があったとしても、結像される像のぼけは生じない。又、図３（Ａ）に示される様に測定対象物が立体であった場合にでも、平行光が入射するので、側面からの光は入射せず、図３（Ｃ）に示される様に正確な平面像が撮像素子に投影される。

従って、前記撮像素子９で受光した像を補正することなく、該撮像素子９の画素の位置から測定対象物の部位（位置）を特定することができる。

尚、上記実施例に於いて、前記第１波長フィルタ１３、前記第２波長フィルタ１７を交換可能とし、異なる波長選択機能を有する他の波長フィルタに交換することで、又撮像素子９を交換可能とすることで、種々の測定条件で画像の取得を行うことができる。

前記撮像素子９からの画像データは前記演算用計算機３に出力され、該演算用計算機３は画像データから、前記第１分割光束１１による画像、前記第２分割光束１５による画像を分離し、２色測温法に基づき、測定対象物の温度、温度分布を演算する。

上記した様に、本実施例では、補正、校正をする必要のない、２色の画像信号が簡単に得られる。以下に、２色で撮像した画像から温度を測定する場合の、温度の導出式を示す。

物体が放出する電磁波の強度は温度、波長に対して以下のプランクの放射則に従う。

Ｉ＝ε（２Ｃa ／λ⁵）×（１／［ｅｘｐ（Ｃb ／λＴ）−１］）・・・（式１）

ここで、Ｉ：光強度、ε：放射率、λ：波長、Ｔ：温度、Ｃa 、Ｃb ：プランク定数とする。

２つの波長λ１、λ２により光強度Ｉ１、Ｉ２を求めることで、以下の式２で温度Ｔを求めることができる。

Ｔ＝［Ｃb （λ１−λ２）／λ１・λ２］×［１／ｌｎ（Ｉ１λ１⁵／Ｉ２λ２⁵）］・・・（式２）

次に、図４を参照して具体的な実施例を説明する。

尚、図４中、図１中で示したものと同等のものには同符号を付してある。又、図４中、２１は光束分割光学ユニットを示している。

該光束分割光学ユニット２１の対物側に対物レンズ５が配設され、前記光束分割光学ユニット２１の結像側にテレセントリックレンズ８が設けられ、前記対物レンズ５、前記光束分割光学ユニット２１、前記テレセントリックレンズ８は撮像光軸４上に配設されている。前記テレセントリックレンズ８の結像側には撮像素子９を有する撮像装置１０（例えばＣＣＤカメラ等）が配設されている。

前記光束分割光学ユニット２１は光学部材を収納するケーシング２２を有し、該ケーシング２２の底板２３にＬ字状の基板２４が固着され、該基板２４に対し結像側に前記撮像光軸４と平行な方向に変位可能に第１スライドブロック２５が設けられ、該第１スライドブロック２５は第１調整螺子２６によって位置が調整可能となっている。

前記基板２４に隣接し、前記撮像光軸４に対して直交する方向に変位可能に第２スライドブロック２７が設けられ、該第２スライドブロック２７は第２調整螺子２８によって位置調整可能となっている。又、前記第２スライドブロック２７に隣接し、前記撮像光軸４に関し、前記第１スライドブロック２５と対称な位置に第３スライドブロック２９が前記撮像光軸４と平行な方向に変位可能に設けられ、前記第３スライドブロック２９は第３調整螺子３１によって前記撮像光軸４と平行な方向に位置調整可能となっている。

前記基板２４の凹部に位置し、該基板２４と前記第１スライドブロック２５との間に第１フィルタ保持ブロック３２が前記底板２３に対して着脱可能に設けられ、前記第２スライドブロック２７上には第２フィルタ保持ブロック３３が前記第２スライドブロック２７に対して着脱可能に設けられている。

前記撮像光軸４上に配置されたハーフミラー３５が、前記対物レンズ５の焦点位置に設けられ、前記ハーフミラー３５の透過側に、副偏向ミラー３６がミラーホルダ３７を介して前記基板２４に取付けられている。更に前記ハーフミラー３５の反射側にミラーホルダ３８を介してミラー１２が前記基板２４に取付けられている。ここで、前記ハーフミラー３５及び前記副偏向ミラー３６は光束分割手段として機能する。

前記ミラー１２に対向してミラー１４が配置され、該ミラー１４はミラーホルダ３９を介して前記第１スライドブロック２５に取付けられている。

前記ミラー１２と前記ミラー１４との間に第１波長フィルタ１３が配置され、該第１波長フィルタ１３はフィルタホルダ４１を介して前記第１フィルタ保持ブロック３２に固定されている。前記第１波長フィルタ１３は、第１分割光束１１の光路上に位置し、該第１分割光束１１が前記第１波長フィルタ１３を透過する様になっている。

前記副偏向ミラー３６に対向してミラー１６が配置され、該ミラー１６はミラーホルダ４２を介して前記第２スライドブロック２７に取付けられている。

前記ミラー１６に対向し、且つ前記撮像光軸４に関し、前記ミラー１４と対称な位置にミラー１８が配置され、該ミラー１８はミラーホルダ４３を介して前記第３スライドブロック２９に取付けられている。

前記ミラー１６と前記ミラー１８との間に第２波長フィルタ１７が配置され、該第２波長フィルタ１７はフィルタホルダ４４を介して前記第２フィルタ保持ブロック３３に固定されている。前記第２波長フィルタ１７は、第２分割光束１５の光路上に位置し、該第２分割光束１５が前記第２波長フィルタ１７を透過する様になっている。

前記ミラー１４と前記ミラー１８との中間で、且つ前記撮像光軸４の光軸上に、プリズム７が配設されている。而して、前記光束分割光学ユニット２１に於いて、前記ハーフミラー３５から前記ミラー１２、前記ミラー１４を経て前記プリズム７に至る光路長と、前記ハーフミラー３５から前記副偏向ミラー３６、前記ミラー１６、前記ミラー１８を経て前記プリズム７に至る光路長とは同一の長さとなる様に構成されている。

以下、作用について説明する。

前記対物レンズ５に入射した測定対象物からの光束は、前記対物レンズ５によって前記ハーフミラー３５上に結像される。該ハーフミラー３５によって、光束が２分割され、反射された光束は前記第１分割光束１１として前記ミラー１２で反射され、前記第１波長フィルタ１３を透過する。該第１波長フィルタ１３は特定の波長λ１を透過し、特定の波長λ１となった前記第１分割光束１１は前記ミラー１４、前記プリズム７で反射され、前記テレセントリックレンズ８に入射し、該テレセントリックレンズ８から平行光束で射出され、前記撮像素子９上に波長λ１の像を結像する。

前記ハーフミラー３５を透過した光束は前記第２分割光束１５として前記副偏向ミラー３６、前記ミラー１６で反射され、前記第２波長フィルタ１７を透過する。該第２波長フィルタ１７は特定の波長λ２を透過し、特定の波長λ２となった前記第２分割光束１５は前記ミラー１８、前記プリズム７で反射され、前記テレセントリックレンズ８に入射し、該テレセントリックレンズ８から平行光束で射出され、前記撮像素子９上に波長λ２の像を結像する。

前記プリズム７で反射された前記第１分割光束１１、前記第２分割光束１５の両光軸間の距離は、前記第１分割光束１１、前記第２分割光束１５の光束の太さより大きくなっており、前記第１分割光束１１、前記第２分割光束１５は完全に分離されて、前記撮像素子９に投影され、分離された２つの測定対象物の像が前記撮像素子９上に結像される。

上記した様に、前記第１分割光束１１の光路長、前記第２分割光束１５の光路長は同一に構成されているが、部品差、組立て誤差で両光路長に誤差が生じる場合がある。この場合、前記第１調整螺子２６、前記第２調整螺子２８、前記第３調整螺子３１のいずれか、或は所要の調整螺子を調整して、前記第１スライドブロック２５、前記第２スライドブロック２７、前記第３スライドブロック２９の少なくとも１つを変位させることで光路長の調整が行え、両光路長を同一、或は相違を微小（誤差内）とすることができる。

又、本実施例では前記第１フィルタ保持ブロック３２、前記第２フィルタ保持ブロック３３を着脱可能としており、調整の完了した選択波長の異なる波長フィルタが取付けられている別の第１フィルタ保持ブロック３２、第２フィルタ保持ブロック３３と交換することで、測定条件を容易に変更することができる。

更に、前記第１波長フィルタ１３、前記第２波長フィルタ１７の選択波長を変更することで、前記光路長が微妙に変化するが、この場合にも前記第１調整螺子２６、前記第２調整螺子２８、前記第３調整螺子３１を調整して、前記ミラー１４、前記ミラー１６、前記ミラー１８の位置を変位させることで、両光路長を合致させることができる。

尚、前記第１波長フィルタ１３、前記第２波長フィルタ１７を変更する場合、波長フィルタとフィルタホルダとを一体として交換可能としてもよい。

又、光束収束手段として、３角プリズム７を用いたが、２つのミラーに変更してもよい。その他、ハーフミラー、波長選択板、ダイクロイックミラー、ビームスプリッタ等、光束を反射或は分割する他の光学部材を用いること、或は組合せることが可能であることは言う迄もない。更に又、前記両光路長を調整する手段としては、前記ミラー１４、前記ミラー１６、前記ミラー１８の少なくとも１つが変位可能となっていればよい。

１測定対象物
２観察ユニット
３演算用計算機
４撮像光軸
５対物レンズ
６プリズム
７プリズム
８テレセントリックレンズ
９撮像素子
１１第１分割光束
１２ミラー
１３第１波長フィルタ
１４ミラー
１５第２分割光束
１６ミラー
１７第２波長フィルタ

Claims

対物レンズと、該対物レンズを透して測定対象物から入射する光束を第１分割光束、第２分割光束に２分割し、前記第１分割光束、前記第２分割光束を所定の光軸間距離となる様、平行に収束させる光束分割光学ユニットと、該光束分割光学ユニットからの光束を平行光束として射出し、撮像素子に結像させるテレセントリックレンズとを具備し、前記対物レンズと前記光束分割光学ユニットと前記テレセントリックレンズとは撮像光軸上に配設され、前記光束分割光学ユニットは前記撮像光軸上の前記対物レンズの焦点位置に設けられ、前記第１分割光束を反射させると共に前記第２分割光束を透過させるハーフミラーと、該ハーフミラーの反射側に設けられた第１ミラーと、該第１ミラーに対向して設けられた第２ミラーと、前記第１ミラーと前記第２ミラーとの間に設けられた第１波長フィルタと、前記ハーフミラーの透過側に設けられた副偏向ミラーと、該副偏向ミラーに対向して設けられた第３ミラー、該第３ミラーに対向し且つ前記撮像光軸に関して前記第２ミラーと対称な位置に設けられた第４ミラーと、前記第３ミラーと前記第４ミラーとの間に設けられた第２波長フィルタと、前記第２ミラーと前記第４ミラーの中間で且つ前記撮像光軸上に設けられたプリズムとを有し、前記第２ミラーと前記第４ミラーを前記撮像光軸と平行な方向に変位可能とし、前記第３ミラーを前記撮像光軸と直交する方向に変位可能としたことを特徴とする温度分布観察装置。
前記第１波長フィルタ、前記第２波長フィルタは、選択波長の異なる他の波長フィルタに交換可能である請求項１の温度分布観察装置。
前記テレセントリックレンズは前記第１分割光束及び前記第２分割光束を、１つの前記撮像素子に投影し、該撮像素子に分離された２つの測定対象物の像を形成する請求項１又は請求項２の温度分布観察装置。