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KR20040010172A - 방사율 분포 측정 장치 및 방법 - Google Patents

방사율 분포 측정 장치 및 방법 Download PDF

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KR20040010172A
KR20040010172A KR1020030047880A KR20030047880A KR20040010172A KR 20040010172 A KR20040010172 A KR 20040010172A KR 1020030047880 A KR1020030047880 A KR 1020030047880A KR 20030047880 A KR20030047880 A KR 20030047880A KR 20040010172 A KR20040010172 A KR 20040010172A
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KR1020030047880A
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하시모또미유끼
야노겐지
이와따미사오
구니유끼 기따가와
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가부시키가이샤 노리타케 캄파니 리미티드
구니유끼 기따가와
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Abstract

피측정부재의 표면으로부터 방출되는 광에 기초하여, 피측정부재 표면상의 방사율 분포를 측정하는 방법 및 장치에 있어서, 피측정부재의 표면으로부터 방출된 광으로부터 선택된 제 1 파장 (λ1) 및 제 2 파장 (λ2) 을 갖는 각각의 2 개의 방사선으로 얻어진 제 1 화상 (G1) 및 제 2 화상 (G2) 의 대응 화소의 각 쌍에서의 방사강도비에 기초하여, 각 화상의 화소에서의 피측정부재 (12) 의 온도 (Tij) 를 산출하며, 이에 의해 피측정부재 표면의 온도 분포를 측정하고, 온도와 방사율의 소정의 관계에 따라서, 측정된 온도 분포에 기초하여, 피측정부재의 상기 화상의 각 화소에서의 방사율이 산출된다.

Description

방사율 분포 측정 장치 및 방법 {EMISSIVITY DISTRIBUTION MEASURING METHOD AND APPARATUS}
방사율 값이 미지인 복수의 다른 재료로 이루어진 피측정부재의 표면온도 분포를 측정하여, 그 측정된 그 표면온도의 분포에 기초하여 피측정부재의 표면상의 방사율 분포를 측정하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
피측정부재 표면의 각각의 일부분으로부터 방출되는 방사선 (radiation) 은 각각의 일부분에서의 온도 및 방사율에 대응하는 방사강도를 갖는다. 피측정부재 표면상의 방사율을 측정하기 위해, 피측정부재로부터 방출되는 각각의 파장을 갖는 적외선 강도 (I2) 를 FT-IR 와 같은 적외선 검출기를 사용하여 측정하며, 동일한 온도를 갖는 흑체화로 (black body furnace) 로부터 방출되는 적외선의 강도 (I1) 를 측정한다. 방사율 (ε) 을 I2/I1로 할 때, 즉 피측정부재로부터 방출되는 각 파장의 적외선 강도 (I2) 와 흑체로부터 방출되는 파장의 적외선의 강도 (I1) 의 비로 할 때, I1ε= I2라는 관계가 성립되기 때문에, 각 파장에서의 방사율은 이 관계에 따라서 산출될 수 있다. 피측정부재의 방사율의 정확한 분포가 미지인 경우, 비접촉 측정 방법에 의하여, 온도 분포가 정확하게 얻어질 수 없다. 이러한 경우에, 기지의 방사강도 (I3) 를 갖는 적외선을 피측정부재에 조사하여, 그조사된 적외선으로부터 반사되는 적외선의 강도 (I4) 를 측정한다. 적외선 강도 (I4) 의 반사율 (ρ) 은 I4= I3ρ인 종래의 관계에 따라서 얻어진다. 일반적으로 식 ε= 1-ρ로 성립되는 관계를 만족하기 때문에, 방사율 (ε) 은 반사율 (ρ) 과 식에 기초하여 얻어질 수 있다. 방사율을 얻는 방법에 대한 예는 JP-A-5-209792 에 개시되어 있다.
상기 전자의 방법과 같이, 피측정부재의 방사율을 FT-IR 와 같은 적외선 검출기를 사용하여 측정하는 경우에 있어서, 각각의 일부에 다른 방사율을 갖는 경우, 또는 표면상의 방사율이 시시각각 변화하는 경우, 피측정부재 표면상의 방사율 분포를 정확하게 측정할 수 없다. 상기 후자의 방법과 같이, 반사율 (ρ) 에 기초하여 방사율 (ε) 을 얻는 경우에 있어서, 적외선을 피측정부재에 조사하는 적외선 광원이 필요하며, 적외선 광원과 피측정부재 사이의 거리 또는 피측정부재의 형상이 변화하는 경우, 정확한 반사율을 얻을 수 없다. 또한, 피측정부재가 상대적으로 고온으로 가열될 세라믹 재료 또는 다른 재료인 경우, 세라믹 재료보다 더 큰 방사강도를 갖는 적외선을 피측정부재에 조사할 뿐만 아니라, 적외선을 피측정부재에 조사하기 위한 별도의 검사창을 화로에 제공하여 화로의 구조가 복잡해지므로, 열 에너지 누설이 많아지는 문제점이 발생한다.
상술한 배경기술의 관점에서 본 발명이 이루어졌다. 본 발명의 제 1 목적은 광원을 사용하지 않고 피측정부재의 표면상의 방사율 분포를 정확하게 측정하는 방법을 제공하는 것이다. 본 발명의 제 2 목적은 그 방법을 적절하게 행하는 장치를 제공하는 것이다.
제 1 목적은, 피측정부재의 표면으로부터 방출된 광에 기초하여, 피측정부재의 표면상의 방사율 분포를 측정하는 방법을 제공하는 본 발명의 제 1 양태에 따라서 성취될 수도 있는데, 그 방법은, 피측정부재의 표면으로부터 방출된 광으로부터 선택된 제 1 파장 및 제 2 파장을 갖는 각각의 2 개의 방사선으로부터 얻어진 제 1 화상 및 제 2 화상의 대응 화소의 각 쌍에서의 방사강도비에 기초하여, 그 화상의 각 화소에서의 피측정부재 (12) 의 온도를 산출하여, 피측정부재 표면의 온도 분포를 측정하는 온도-분포 측정 단계 (S1 내지 S3); 및 온도와 방사율의 소정의 관계에 따라서, 온도-분포 측정 단계에서 측정된 온도 분포에 기초하여, 피측정부재의 화상의 각 화소에서의 방사율을 산출하는 방사율 산출 단계 (S4) 를 포함한다.
상술한 본 발명의 제 1 양태에 따른 방법에서, 화상의 각 화소에서의 피측정부재의 온도는, 피측정부재의 표면으로부터 방출된 광으로부터 선택된 제 1 파장 및 제 2 파장의 각각의 방사선으로 얻어지는 제 1 화상 및 제 2 화상의 대응하는 화소의 각 쌍에서의 방사강도에 기초하여 산출된다. 따라서, 온도와 피측정부재의 방사율 사이의 소정의 관계에 따라서, 온도 분포에 기초하여, 각 화소에서의 방사율이 산출된다. 따라서, 피측정부재의 표면 방사율의 분포는, 어떠한 광원도 사용하지 않고, 각 화소에서의 방사율에 기초하여 정확하게 측정될 수 있다.
본 발명의 방법의 바람직한 제 1 형태에서, 온도-분포 측정 단계는, 측정온도의 최저온도범위에서 흑체의 파장에 대응하는 방사-강도 곡선에 따라서 선택되고상온에서 방사강도보다 높은 고방사강도 범위내에 있는 제 1 파장을 갖는 방사선을 투과시키는 제 1 필터를 사용하여, 피측정부재의 표면으로부터 방출된 광으로부터 제 1 파장을 갖는 방사선을 선택하는 제 1 파장 선택 단계; 고방사강도 범위내에 있는 제 2 파장을 갖는 방사선을 투과시키는 제 2 필터를 사용하여, 피측정부재의 표면으로부터 방출된 광으로부터 제 2 파장을 갖는 방사선을 선택하여, 제 1 파장의 1/12 이하이고 제 1 파장의 반치폭 및 제 2 파장의 반치폭의 합 이상인 소정의 차만큼, 제 2 파장이 제 1 파장과 파장차가 발생되도록 하는 제 2 파장 선택 단계 (S1); 및 제 1 필터에 의해 선택된 제 1 파장에서의 방사강도와 제 2 필터에 의해 선택된 제 2 파장에서의 방사강도비인 방사강도비에 기초하여, 방사강도비와 온도 사이의 관계에 따라서, 화상의 각 화소에서 피측정부재의 온도를 산출하는 온도 산출 단계 (S2, S3) 를 포함한다.
상술한 방법의 바람직한 제 1 형태에서, 피측정부재 (12) 의 표면온도의 분포는, 2 개의 방사강도의 비에 기초하여 산출된 각 화소에서의 온도, 및 상술한 제 1 파장 및 제 2 파장 선택 단계에서 제 1 필터 및 제 2 필터에 의해 선택된 피측정부재의 2 개의 화상의 대응하는 화소의 각각의 쌍에서 얻어진다. 본 구성에서, 충분히 높은 방사강도를 갖는 광 신호가 얻어지므로, 높은 광 신호의 S/N 비를 얻는다. 또한, 제 1 파장 및 제 2 파장은 서로 근사하므로, 본 광학 시스템의 측정 원리는, 파장에 기초한 방사율의 의존성은 서로 근사한 파장을 갖는 2 개의 방사선에 대해 무시될 수 있어 ε1 과 ε2 가 근사하게 된다는 전제조건을 갖는 2 색 온도게의 측정 원리와 동일하다. 따라서, 본 구성은 온도분포의 고정밀 측정을가능하게 만든다.
본 발명의 방법의 바람직한 제 2 형태에서, 제 1 필터 (34) 는 제 1 파장의 1/20 이하인 반치폭을 갖는 방사선을 투과시키며, 제 2 필터 (36) 는 제 2 파장의 1/20 이하인 반치폭을 갖는 방사선을 투과시킨다. 본 형태에서, 제 1 파장 및 제 2 파장을 갖는 방사선은 고도의 단색광을 노출시키는 것으로 간주된다. 따라서, 본 구성은 2 색 온도계에 대한 측정 원리의 전제조건을 충족시키므로, 온도 분포의 개선된 측정 정밀도를 나타낸다.
본 발명의 방법의 바람직한 제 3 형태에서, 제 1 필터 및 상기 제 2 필터는 30% 이하의 투과율차를 가지므로, 본 방법은 고감도 및 S/N 비를 보증하며, 제 1 파장 및 제 2 파장의 2 개의 방사선중 저휘도값을 갖는 하나에 있어서, 온도 분포의 정확한 측정을 가능하게 한다.
본 발명의 방법의 바람직한 제 4 형태에서, 방사율 산출 단계는, 방사강도와 피측정부재의 온도 사이의 소정의 관계에 따라서, 온도-분포 측정 단계에서 산출된 상기 각 화소에서의 온도에 기초하여, 피측정부재의 화상의 각 화소에서의 방사강도를 산출하는 단계; 흑체의 방사강도와 피측정부재의 온도 사이의 소정의 관계에 따라서, 그 산출된 피측정부재의 온도에 기초하여, 선택된 파장에서의 흑체의 방사강도를 산출하는 단계; 및 산출된 피측정부재의 방사강도 대 흑체의 산출된 방사강도의 비로서 방사율을 산출하는 단계를 포함한다. 본 방법의 형태에서, 피측정부재의 화상의 각 화소에서의 방사율은, 피측정부재의 온도와 흑체의 방사강도 사이의 소정의 관계에 따라서, 피측정부재의 산출된 온도에 기초하여 얻어진 선택된파장에서의 피측정부재의 방사강도 대 산출된 온도에 기초하여 얻어진 선택된 파장에서의 흑체의 방사강도비로서 산출된다.
상술한 제 2 목적은, 피측정부재의 표면으로부터 방출된 광에 기초하여, 상기 피측정부재의 표면의 방사율 분포를 측정하는 장치를 제공하는 본 발명의 제 2 양태에 따라서 성취될 수도 있는데, 그 장치는, 피측정부재의 표면으로부터 방출된 광으로부터 선택된 제 1 파장 및 제 2 파장을 갖는 각각의 2 개의 방사선으로부터 얻어진 제 1 화상 및 제 2 화상의 대응 화소의 각 쌍에서의 방사강도비에 기초하여, 화상의 각 화소에서의 상기 피측정부재 (12) 의 온도를 산출하며, 피측정부재 표면의 온도 분포를 측정하도록 동작하는 온도-분포 측정 장치 (28, 34, 36, 40, S1 내지 S3); 및 온도와 방사율의 소정의 관계에 따라서, 온도-분포 측정 단계에서 측정된 온도 분포에 기초하여, 피측정부재의 화상의 각 화소에서의 방사율을 산출하도록 동작하는 방사율 산출 장치를 구비한다.
본 발명의 제 2 양태에 따른 장치는 본 발명의 제 1 양태에 따른 방법에 대해서 상술한 것과 실질적으로 동일한 이점을 갖는다.
본 방법의 장치의 바람직한 제 1 형태에서, 온도-분포 측정 장치는, 피측정부재 (12) 의 표면으로부터 방출된 광으로부터 제 1 파장을 갖는 방사선을 선택하도록 동작하는 제 1 필터를 구비하는 제 1 파장 선택 장치; 제 1 파장의 1/12 이하이고 제 1 파장의 반치폭 및 제 2 파장의 반치폭의 합 이상인 소정의 차만큼, 제 2 파장이 제 1 파장과 파장차가 발생되도록, 피측정부재의 표면으로부터 방출된 광으로부터 제 2 파장을 갖는 방사선을 선택하도록 동작하는 제 2 필터 (36) 를 구비하는 제 2 파장 선택 장치; 및 방사강도비와 온도 사이의 관계에 따라서, 제 1 필터에 의해 선택된 제 1 파장에서의 방사강도와 제 2 필터에 의해 선택된 제 2 파장에서의 방사강도의 방사강도비에 기초하여, 화상의 각 화소에서 피측정부재의 온도를 산출하도록 동작하는 온도 산출 장치를 구비하되, 제 1 필터 (34)는 측정온도의 최저온도범위에서 흑체의 파장에 대응하는 방사-강도 곡선에 따라서 선택되고, 상온에서 방사강도보다 높은 고방사강도 범위내에 있는 제 1 파장을 갖는 방사선을 투과시키며, 제 2 필터 (36) 는 고방사강도 범위내에서 선택되는 제 2 파장을 갖는 방사선을 투과시킨다.
상술한 장치의 바람직한 제 1 형태는 방법의 바람직한 제 1 형태에서 상술한 것과 실질적으로 동일한 이점을 갖는다.
장치의 바람직한 제 2 형태에서, 제 1 필터 (34) 는 제 1 파장의 1/20 이하인 반치폭을 갖는 방사선을 투과시키며, 제 2 필터 (36) 는 제 2 파장의 1/20 이하인 반치폭을 갖는 방사선을 투과시킨다. 장치의 이 형태는 방법의 바람직한 제 2 형태에서 상술한 것과 실질적으로 동일한 이점을 갖는다.
장치의 바람직한 제 3 형태에서, 제 1 필터 및 제 2 필터는 30% 이하의 투과율차를 갖는다. 장치의 이 형태는 방법의 바람직한 제 3 형태에서 상술한 것과 실질적으로 동일한 이점을 갖는다.
장치의 바람직한 제 4 형태에서, 방사율 산출 장치는, 방사강도와 피측정부재의 온도 사이의 소정의 관계에 따라서, 온도-분포 측정 단계에서 산출된 각 화소에서의 온도에 기초하여, 피측정부재의 화상의 각 화소에서의 방사강도를 산출하는수단; 흑체의 방사강도와 피측정부재의 온도 사이의 소정의 관계에 따라서, 산출된 피측정부재의 온도에 기초하여, 선택된 파장에서의 흑체의 방사강도를 산출하는 수단; 및 산출된 피측정부재의 방사강도 대 흑체의 산출된 방사강도의 비로서 방사율을 산출하는 수단을 구비한다. 장치의 이 형태는 방법의 바람직한 제 4 형태에서 상술한 것과 실질적으로 동일한 이점을 갖는다.
본 발명의 다른 목적, 특징, 이점, 및 기술적 및 산업상 중요성은 하기의 바람직한 실시형태에 의해 더 잘 이해할 수 있다.
도 1 은 본 발명의 실시형태에 따른 방사율 분포 측정 장치의 구성을 개략적으로 나타내는 도면.
도 2 은 도 1 에 나타낸 제 1 필터 및 제 2 필터의 각각의 파장 (λ1및 λ2) 을 결정하는 방법을 설명하는 도면.
도 3 은 도 1 에 나타낸 화상 검출기 (32) 의 광검출표면 (26) 상에 형성된 제 1 화상 (G1) 및 제 2 화상 (G2) 을 설명하는 도면.
도 4 은 도 1 에 나타낸 연산 제어 장치에 의해 행해지는 제어 동작의 관련 부분을 설명하는 흐름도.
도 5 은, 방사강도비 (R) 로부터 표면온도 (T) 를 얻기 위해, 도 4 의 화소 온도 산출 단계에서 사용되는 관계를 나타내는 도면.
도 6 은, 방사율 (ε) 로부터 표시색을 결정하기 위해, 도 4 의 방사율 분포 표시 단계에서 사용되는 관계를 나타내는 도면.
도 7 은, 알루미나 기판의 재료와는 다른 방사율을 갖는 흑색 도료로 피복된 알루미나 기판의 일부분을 사선영역으로 나타내며, 도 1 의 장치를 사용하여 기판의 방사율 분포를 측정하는 실험예에 사용된 피측정부재인 알루미나 기판을 나타내는 정면도.
도 8 은, 기판의 표면온도 분포의 측정 결과에 따라서, 표면온도의 균일성을 나타내는 균일 색조를 갖는 표시 장치상에 표시된 알루미나 기판의 화상을 나타내는 도면.
도 9 은, 기판의 재료와 다른 방사율을 갖는 흑색 도료로 코팅된 알루미나 기판 일부분의 색조를 사선영역으로 나타내며, 표시 장치상에 표시된 알루미나 기판의 화상을 나타내는 도면.
도 10 은, 도 1 에 대응하며, 본 발명의 또 다른 실시형태에 따른 방사율 분포 측정 장치의 광학 시스템을 나타내는 도면.
도 11 은, 도 1 에 대응하며, 본 발명의 또 다른 실시형태에 따른 방사율 분포 측정 장치의 광학 시스템을 나타내는 도면.
도 12 은, 도 1 에 대응하며, 본 발명의 또 다른 실시형태에 따른 방사율 분포 측정 장치의 광학 시스템을 나타내는 도면.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
10 : 방사율 분포 측정 장치 12 : 피측정부재
14, 24 : 하프미러 16 : 제 1 광로
18 : 제 2 광로 20, 22 : 미러
26 : 광검출표면 28 : CCD 장치
30 : 렌즈장치 32 : 화상 검출기
34 : 제 1 필터 36 : 제 2 필터
도 1 을 참조하면, 본 발명의 제 1 실시형태의 방사율 분포 측정 장치의 구성이 도시되어 있으며, 소성화로 또는 가열화로내에서 가열되는 피측정부재 (12) 의 표면으로부터 방출되는 광은 하프미러 (빔 스플리터; 14) 에 의해 제 1 광로 (16) 에 따라 진행하는 제 1 성분 및 제 2 광로 (18) 에 따라 진행하는 제 2 성분으로 이분된다. 제 1 광로 및 제 2 광로 (16 및 18) 는 각각의 미러 (20, 22) 에 의해 거의 직각으로 구부러지며, 제 1 성분 제 2 성분은 하프 미러 (24) 상에 입사되며, 하프 미러 (24) 에 의해 반사 및 투과되어, CCD 장치 (28) 및 렌즈 장치 (30) 을 구비하는 화상 검출기 (32) 에 입사된다. CCD 장치 (28) 는 복수의 광검출 소자가 배열되는 광검출 표면 (26) 을 갖는다. 렌즈 장치 (30) 는 광검출 표면 (26) 상에 피측정부재 (12) 의 화상을 맞추도록 배열된다.
제 1 광로 (16) 에는, 예를 들어 약 10㎚ 의 반폭 및 제 1 파장 (대역)(λ1)(즉, 600㎚ 의 중심파장) 을 갖는 방사선을 투과시키는 제 1 필터 (34) 가 제공된다. 제 2 광로 (18) 에는, 예를 들어 약 10㎚ 의 반폭 및 제 2 파장 (대역)(λ2) (즉, 650㎚ 의 중심파장) 을 갖는 방사선을 투과시키는 제 2 필터 (36) 가 제공된다. 제 1 필터 및 제 2 필터 (34, 36) 는, 광간섭을 사용하여 선택된 파장 대역에서 방사선을 투과시는 "간섭 필터 (interference filter) " 라 칭한다.
예를 들어, 하기의 방법으로, 제 1 파장 (λ1) 및 제 2 파장 (λ2) 을 결정한다. 먼저, 플랑크 법칙에 의해, 측정온도의 최저온도범위 (즉, 500℃) 에서, 흑체의 방사강도와 파장 사이의 관계를 얻는다. 즉, 도 2 에 나타낸 곡선 (L1) 이 얻어진다. 그 후, 피측정부재 (12) 의 백그라운드 (background) 방사강도 (EEG) 가 25℃ 의 상온에서 측정된다. 다음으로, 백그라운드 방사강도 (EEG) 의 3 배이상, 즉 3 x EEG보다 큰, 곡선 (L1) 상의 임의의 지점에서의 파장 (λ) 이 제 1 파장 (λ1) 으로 결정되며, 측정에 사용되는 방사강도는 온도의 측정 오차를 방지하기 위해 충분히 높아야 한다. 그 후, 제 2 파장 (λ2) 은 소정의 차이 (Δλ) 만큼 제 1 파장 (λ1) 보다 작거나 크도록 결정되며, 소정의 차는 제 1 파장 (λ1) 의 1/12 이하가 된다. 예를 들어, 제 1 파장 (λ1) 을 600㎚, 제 2 파장 (λ2) 을 제 1 파장 (λ1) 보다 50㎚ 더 큰 650㎚ 로 결정한다. 제 1 파장 및 제 2 파장 (λ1및 λ2) 의 결정 방법은, 후술할 2 색 (dichroic) 온도계의 측정 원리를 나타내는 근사식 1 을 만족시킨다. 제 1 파장 (λ1) 과 제 2 파장 (λ2) 사이의 차이 (Δλ) 는, 방사강도의 측정 정밀도를 높게 유지하기 위해서, 후술할 반치폭의 2 배 이상이어야 한다. 단색광의 성질을 유지하기 위해, 제 1 방사선 파장 및 제 2 방사선 파장 (λ1및 λ2) 에 있어서, 반치폭은 중심 파장의 1/20 이하, 예를 들어 20㎚ 이하이어야 한다. 또한, 제 1 필터 (34) 및 제 2 필터 (36) 는 투과율의 차가 30% 이내이어야 한다. 차이가 30% 보다 크면, 제 1 파장 및 제 2 파장 (λ1및 λ2) 중 휘도가 낮은 측의 감도가 낮아지므로, 화상 검출기 (32) 의 S/N 비가 감소되며, 온도 표시의 정밀도가 감소된다.
따라서, 본 발명에 따른 방사율 분포 측정 장치 (10) 는 피측정부재 (12) 의 표면으로부터 방출되는 광으로부터 각각 제 1 파장 및 제 2 파장 (λ1및 λ2) 을 갖는 2 개의 방사선을 선택하도록 구성된다. 결국, 제 1 필터 (34) 는 제 1 파장 (λ1) 및 그 파장의 1/20 이하의 제 1 반치폭을 갖는 방사선을 투과시킨다. 제 1 파장 (λ1) 은, 측정온도의 최저온도범위에서의 흑체의 파장에 대응하는 방사강도 곡선 (L1) 에 따라, 상온에서의 백그라운드 (background) 방사강도보다 충분히 높은 고방사강도 범위내에서 선택된다. 반면, 제 2 필터 (26) 는 제 2 파장 (λ2) 및 그 파장의 1/20 이하의 제 2 반치폭을 갖는 방사선을 투과시킨다. 제 2 파장 (λ2) 은 상술한 고방사강도 범위내에서 선택되며, 제 1 파장 (λ1) 의 1/12 이하이며 상술한 제 1 반치폭 및 제 2 반치폭의 합 이상인 소정의 차만큼, 제 2 파장 (λ2) 은 제 1 파장 (λ1) 과 다르게 된다.
도 1 의 광학 시스템에서, 하프미러 (24) 와 화상 검출기 (32) 사이의 제 1 광로 및 제 2 광로 (16, 18) 부분은, 광검출 표면 (26) 상에 형성되는 제 1 화상 및 제 2 화상 (G1및 G2) 의 중첩을 방지하기 위해, CCD 장치 (28) 의 광검출 표면 (26) 에 평행한 방향으로 약간 이격되어 있다. 광경로 (16, 18) 의 이러한 이격 관계는 각각의 미러 (20, 22) 를 적절하게 배향시킴으로써 확립되며, 서로 이격되어 있는 각각의 다른 파장의 제 1 화상 및 제 2 화상 (G1및 G2) 은 광검출 표면 (26) 상에 형성된다. 도 3 에 나타낸 바와 같이, 제 1 화상 (G1) 은 피측정부재 (12) 의 표면으로부터 방출된 광으로부터 제 1 필터 (34) 에 의해 선택된 제 1 파장 (λ1) 을 갖는 방사선에 의해 화상 검출기 (32) 의 CCD 장치 (28) 의 광검출 표면 (26) 상의 제 1 위치 (B1) 에서 형성되며, 제 2 화상 (G2) 은, 피측정부재 (12) 의 표면으로부터 방출된 광으로부터 제 2 필터 (36) 에 의해 선택된 제 2 파장 (λ2) 을 갖는 방사선에 의해 광검출 표면 (26) 상의 제 2 위치 (B2) 에서 형성되어, 제 1 위치 및 제 2 위치 (B1및 B2) 는 도 3 에 나타낸 바와 같이 광검출 표면 (26) 에 평행한 방향으로 서로 이격되어 있다. 이러한 구성에 따르면, 광검출 표면 (26) 에 배열된 복수의 광검출 소자는 광검출 소자에 대응하는 제 1 화상 (G1) 의 각각의 화소와 제 2 화상 (G2) 의 각각의 화소에서 방사강도를 검출한다. 미러 (20, 22), 하프미러 (14, 24), 및 렌즈 장치 (30) 는 서로 협력하여, 각각의 위치에서 피측정부재 (12) 의 각각의 화상을 동시에 형성하는 제 1 및 제 2 파장을 선택하는 제 1 및 제 2 파장-선택 단계를 행할 수 있는 광학 화상 장치를 구성한다.
연산 제어 장치 (40) 는 중앙 처리 장치 (CPU), 무작위-접근 메모리 (RAM), 읽기 전용 메모리 (ROM), 및 입출력 인터페이스로 이루어진 마이크로컴퓨터를 말한다. CPU 은 ROM 에 저장된 제어 프로그램에 따라 동작하여, 광검출 표면 (26) 상에 배열된 복수의 광검출 소자의 입출력 신호를 처리하며, 피측정부재 (12) 의 표면온도의 분포를 표시하도록 화상표시장치 (42) 를 제어한다.
도 4 의 흐름도를 참조하여, 연산제어장치 (40) 의 제어 동작의 요부를 설명한다. 단계 S1 에서, 제 1 화상 (G1) 의 각각의 화소의 방사강도 (E1ij) 및 제 2 화상 (G2) 의 각각의 화소의 방사강도 (E2ij) 을 얻기 위해, 광검출 표면 (26) 상에 배열된 복수의 광검출소자의 출력 신호를 판독하도록 초기화된다. 그 후, 방사강도비 산출 단계 또는 장치에 대응하는 단계 S2 에서, 광검출 표면 (26) 상의 각각의 제 1 위치 및 제 2 위치 (B1및 B2) 에 형성된 제 1 화상 및 제 2 화상 (G1및 G2) 의 화소에 대응하는 각각의 쌍에서 방사강도비 (Rij=E1ij/E2ij) 를 산출한다. 방사강도비 (Rij) 는, 제 1 화상 (G1) 의 각각의 화소에서 광검출 소자에 의해 검출된 제 1 파장 (λ1) 의 방사강도 (E1ij) 와, 제 2 화상 (G2) 의 대응하는 화소에서광검출 소자에 의해 검출된 제 2 파장 (λ2) 의 방사강도 (E2ij) 의 비이다. 그 후, 도 5 에 나타낸 바와 같이, 방사강도비 (R) 와 온도 (T) 사이의 소정의 관계에 따라, 화소온도측정 단계 및 장치에 대응하는 단계 S3 에서는, 제 1 화상 및 제 2 화상 (G1및 G2) 의 대응하는 화소의 각각의 쌍에서 산출된 실질적인 방사강도비 (Rij) 에 기초하여, 피측정부재 (12) 의 화상의 각 화소의 온도 (Tij) 를 산출하도록 구현된다. 소정의 관계를 나타내는 데이터는 ROM 에 저장된다. 예를 들어, 도 5 에 나타낸 관계는 하기의 수학식 1 로 나타낼 수도 있으며, 그 수학식은 2 색 온도계의 측정 원리를 나타내는 근사식이다. 수학식 1 은, 피측정부재 (12) 의 방사율을 사용하지 않고 각각의 다른 파장 (λ1및 λ2) 에서 방사강도비 (R) 에 기초하여 피측정부재 (12) 의 표면온도 (T) 를 결정하도록 수식화된다. 하기의 식에서, 제 2 파장 (λ2) 은 제 1 파장 (λ1) 보다 크며, "T", "C1", 및 "C2" 각각은 절대온도, 플랑크 법칙의 제 1 상수, 및 플랑크 법칙의 제 2 상수를 나타낸다.
상기 수학식 1 은 하기의 방법으로 구한다. 즉, 단위시간동안 흑체의 단위 표면영역으로부터 방출되는 파장 (λ) 의 방사강도 에너지 (Eb), 및 파장 (λ) 은 플랑크 식인 하기의 수학식 2 를 만족시킨다. 또한,일 때, 빈 (Wien) 의 근사식인 수학식 3 을 만족시킨다. 회색을 갖는 통상의 물체에 있어서, 하기의 수학식 4 은 방사율 (ε) 의 삽입하여 수학식 3 을 변환함으로써 얻어진다. 2 개의 파장값 (λ1및 λ2) 의 방사강도 (E1및 E2) 의 비를 구하기 위해, 하기의 수학식 4 로부터 하기의 수학식 5 을 구한다. 2 개의 파장이 서로 근접하는 경우, 파장의 방사율 (ε) 의 의존성을 무시할 수 있다 (즉, ε1=ε2). 따라서, 상술한 수학식 1 을 구한다. 따라서, 서로 다른 방사율 (ε) 을 갖는 피측정부재의 온도 (T) 는 방사율의 영향없이 구할수 있다.
상술한 바와 같이, 피측정부재 (12) 의 화상의 각 화소의 온도 (Tij) 가 단계 S3 에서 산출된 후, 제어 흐름은 방사율 산출 단계 또는 장치에 대응하는 단계 S4 로 진행하여, 선택된 파장 (λ) 에서의 피측정부재의 온도 (Tij) 와 방사 에너지 강도 (Eij) 사이의 연산 제어 장치 (40) 의 ROM 에 저장된 소정의 관계 (E(T)) 에 따라서, 단계 S3 에서 산출된 각 화소의 온도 (Tij) 에 기초하여, 선택된 파장 (λ) 에서의 피측정부재 (12) 의 방사 에너지 강도 (Eij) 를 산출하며, 단계 S3 에서 산출된 각 화소의 온도 (Tij) 에 기초하여, 피측정부재의 온도와 흑체의 방사 에너지 강도 사이의 소정의 관계 (데이터 맵으로 저장됨) 에 따라서, 선택된 파장 (λ) 에서의 흑체의 방사 에너지 강도 (Ebij) 를 산출한다. 단계 S4 에서, 각 화소의 방사율 (εij=Eij/Ebij) 은 피측정부재 (12) 의 방사 에너지 강도 (Eij) 와 흑체의 방사 에너지 강도 (Ebij) 의 비로 산출된다.
단계 S4 에 후속하는 방사율-분포 표시 단계 또는 장치에 대응하는 단계 S5 에서, 각 화소에서 산출된 실질적인 방사율 (εij) 과, 방사율과 표시색 사이의 소정의 관계에 기초하여, 피측정부재 (12) 의 방사율 (εij) 의 분포를 표시한다. 소정의 관계를 나타내는 데이터는 ROM 에 저장된다. 도 6 은 방사율 (ε) 과 표시색 사이의 소정의 관계의 예를 나타낸다. 이 경우에, 피측정부재 (12) 의 표면 방사율 분포는 소정의 다른 색으로 표시된다.
도 1 에 나타낸 광학 시스템을 사용하여 본 발명가에 의해 수행된 실험예를 설명하는데, 망원렌즈 (AF Zoom Nikkor ED 7-300㎜ F4-5.6D) 가 장착된 CCD 카메라 (산타 바바라 인스투르먼트 그룹 사제의 모델 ST-7) 가 화상 검출기 (32) 로 사용되며, 하프미러 (14, 24) 의 각각은 크롬 플레이팅이 장착된 가시광선용 하프미러 BK7 (일본국 시그마 코키사제) 이며, 입사광의 30% 를 반사하고 입사광의 30% 를 투과한다. 각각의 미러 (20, 22) 는 알루미늄 평면 미러 (시그마 코키사제의 BK7) 이다. 각각의 제 1 필터 및 제 2 필터 (34, 36) 는 시그마 코키사제이다. 제 1 필터 (34) 는 600㎚ 의 파장 및 10㎚ 의 반치폭을 갖는 광을 투과하며, 제 2 필터 (36) 는 650㎚ 의 파장 및 10㎚ 의 반치폭을 갖는 광을 투과한다. 실험예 1 에서 사용되었던 피측정부재 (12)는 알루미늄 기판 (50㎜ x 50㎜ x 0.8㎜) 이며, 알루미늄 기판의 표면은 도 7 에 나타낸 바와 같이 알루미늄 기판의 방사율과 다른 방사율을 갖는 흑색 도료로 부분적으로 피복된다. 이러한 피측정부재 (12) 는 가열화로의 중심부분에 배치되며, 그 화로내의 온도는 10℃/min 의 비율로 상온으로부터 1000℃ 까지 상승했다. 알루미늄 기판의 표면온도의 분포는, 1000℃ 까지의 상승동안 화로내의 온도가 950℃ 에 도달했을때 측정되었다. 알루미늄 기판의 표면 방사율의 분포는 표면온도의 측정분포에 기초하여 산출되었다. 도 8 에 나타낸 바와 같이, 상술한 조건하의 실험은, 알루미늄 기판의 표면을 부분적으로 피복하는 알루미늄 기판의 방사율과 다른 흑색 도료에 있음에도 불구하고, 전체적인 표면에 걸쳐 알루미늄 기판의 온도의 균일한 분포를 나타내었다. 그러나, 도 9 에 나타낸 바와 같이, 실험에서 표시된 화상은 흑색 도료로 피복된 부분에서 방사율이 높은 표면을 나타내며, 흑색 도료로 피복되지 않고 알루미늄 기판을 노출시킨 부분에서 방사율이 낮은 표면을 나타낸다.
실험예 2 에서는, 피측정부재 (12) 로서 스테인리스 스틸 플레이트 (SUS :200㎜ x 200㎜ x 1㎜) 가 산소-부탄 화염을 발생시키도록 배열된 펜실버너 (pencil burner) 에 의해 부분적으로 가열되었다. 실험예 1 와 동일한 방법으로, 5 분 동안의 부분적인 가열 후, 피측정부재 (12) 의 표면온도의 분포가 측정되었고, 표면 방사율의 분포가 산출되었다. 표시된 화상에 대한 온도의 기울기가 크더라도, 방사율의 분포를 구할수 있다.
상술한 바와 같이, 본 실시형태는, 피측정부재 (12) 의 표면으로부터 방출된 광으로부터 선택된 제 1 파장 및 제 2 파장 (λ1및 λ2) 의 각각의 방사선으로부터 얻어지는 제 1 화상 및 제 2 화상 (G1및 G2) 의 대응하는 화소쌍에서의 방사강도비 (Rij) 에 기초하여, 그 화상의 각각의 화소에서의 피측정부재 (12) 의 온도 (Tij) 를 산출하도록 구성된다. 따라서, 산출된 온도 분포 (각 화소의 온도 Tij) 에 기초하여, 각 화소의 방사율 (εij) 은 온도 (Tij) 와 방사율 (εij) 사이의 소정의 관계에 따라서 산출된다. 따라서, 어떠한 광원도 사용하지 않고 각 화소의 방사율 (εij) 에 기초하여, 피측정부재 (12) 의 표면 방사율 분포를 정확하게 측정할 수 있다.
피측정부재 (12) 의 표면으로부터 방출되는 광으로부터의 제 1 파장 (λ1) 을 갖는 방사선을 선택하기 위해, 본 실시형태에서 사용되는 연산 제어 장치 (40) 는 제 1 파장 선택 단계 S1 을 구현하도록 구성되며, 광학 시스템은, 실질적으로 측정온도의 최저온도범위에서 흑체의 파장에 대응하는 방사강도 곡선 (L1) 에 따라선택된 제 1 파장 (λ1) 을 갖는 광을 투과시키는는 제 1 필터 (34) 의 형태로 제 1 파장 선택 장치를 사용하며, 제 1 파장은 상온에서 백그라운드 방사강도 (EBG) 보다 높은 고방사강도 범위내에 있다. 또한, 연산 제어 장치 (40) 는 제 2 파장 선택 단계 S1 을 구현하도록 구성되며, 광학 시스템은, 상술한 고방사강도 범위내에서 선택되는 제 2 파장 (λ2) 을 갖는 방사선을 투과하는 제 2 필터 (26) 의 형태로 제 2 파장 선택 장치를 사용하며, 제 1 파장 (λ1) 의 1/12 이하, 및 제 1 파장 (λ1) 의 반치폭 (Δλ1) 과 제 2 파장 (λ2) 의 반치폭 (Δλ2) 의 합 이상인 소정의 차만큼, 제 2 파장 (λ2) 은 제 1 파장 (λ1) 과 차이가 나타난다. 연산 제어 장치 (40) 는 온도 산출 장치에 대응하는 온도 산출 단계 (S2 및 S3) 를 구현하도록 구성되며, 온도 산출 장치는, 피측정부재 (12) 의 표면으로부터 방출되는 광으로부터 제 1 필터 (34) 에 의해 선택되는 제 1 파장 (λ1) 의 방사 에너지 강도와, 상술한 광으로부터 제 2 필터 (36) 에 의해 선택되는 제 2 파장 (λ2) 의 방사 에너지 강도의 비 (Rij) 에 기초하여, 도 5 에 나타낸 바와 같이 방사강도비 (Rij) 와 온도 (Tij) 사이의 관계에 따라서, 피측정부재 (12) 의 각 화소에서의 표면온도 (Tij) 를 산출한다. 피측정부재 (12) 의 표면온도의 분포는 각 화소에서의 온도 (Tij) 에 기초하여 얻어지며, 온도는 제 1 필터 및 제 2 필터 (34 및 36) 에 의해선택되는 제 1 파장 및 제 2 파장 (λ1및 λ2) 으로부터 얻어진 피측정부재 (12) 의 2 개의 화상의 대응화소의 각 쌍에서 얻어진 2 개의 방사강도 (E1ij및 E2ij) 의 비 (Rij) 에 기초하여 얻어진다. 단계 S1 내지 S3 은 피측정부재 (12) 의 표면온도의 분포를 측정하는 온도분포 측정 단계로 간주된다. 본 구성에서, 충분한 고방사강도를 갖는 광학 신호가 얻어질 수 있으며, 이에 따라서 화상 검출기 (32) 의 S/N 비가 높아질 수 있다. 또한, 제 1 파장 (λ1) 및 제 2 파장 (λ2) 이 서로 근접하여, 본 광학 시스템의 측정원리는 2 색 온도계의 측정원리의 전제조건인 「서로 근접하는 2 개의 파장에서는 방사율의 파장 의존성을 무시할 수 있고, 근사적으로 ε1=ε2가 된다」는 조건에 정확히 일치한다. 따라서, 본 측정 장치는 고정밀도의 온도분포의 측정을 할 수 있다.
본 실시형태에서, 연산 제어 장치 (40) 는 방사율 산출 장치에 대응하는 방사율 산출 단계 S4 을 구현하도록 더 구성되며, 방사율 산출 장치는, 저장된 피측정부재 (12) 의 방사 에너지 강도 (Eij) 와 온도 사이의 소정의 관계에 따라서, 단계 S3 에서 산출된 각 화소에서의 피측정부재 (12) 의 온도 (Tij) 에 기초하여, 각 화소에서 선택된 파장 (λ) 에서의 방사 에너지 강도 (Eij) 를 산출하며, 또한 흑체의 방사 에너지 강도와 피측정부재 (12) 의 온도 (Tij) 사이의 저장된 소정의 관계에 따라서, 단계 S3 에서 산출된 각 화소에서의 온도 (Tij) 에 기초하며, 파장 (λ)에서 흑체의 방사 에너지 강도 (Ebij) 를 산출한다. 방사율 산출 단계 또는 장치는 각 화소에서의 방사율 (εij=Eij/Ebij) 을 산출하며, 방사율은 피측정부재 (12) 의 방사 에너지 강도 (Eij) 와 흑체의 방사 에너지 강도 (Ebij) 의 비이다. 따라서, 피측정부재 (12) 의 화상의 각 화소에서의 방사율 (εij) 은, 온도 (Tij) 에 기초하여 얻어지는 선택된 파장에서의 피측정부재 (12) 의 방사강도 (Eij) 와, 피측정부재 (12) 의 온도 (Tij) 와 흑체의 방사강도 (Ebij) 사이의 소정의 관계에 따라서, 온도 (Tij) 에 기초하여, 선택된 파장에서의 흑체의 방사강도 (Ebij) 의 비로 산출된다.
또한, 본 실시형태에서는, 제 1 필터 (34) 가 제 1 파장 (λ1) 의 1/20 이하인 반치폭 (Δλ1) 을 갖는 방사선을 투과시키며, 제 2 필터 (36) 가 제 2 파장 (λ2) 의 1/20 이하인 반치폭 (Δλ2) 을 갖는 방사선을 투과시키도록 구성되어, 제 1 파장 및 제 2 파장 (λ1및 λ2) 을 갖는 방사선은 충분히 높은 단색광을 나타내는 것으로 간주된다. 따라서, 본 실시형태는 2 색 온도계에 의한 측정 원리와 동일하게 되어, 개선된 측정온도 분포를 얻는다.
또한, 본 실시형태는, 제 1 필터 및 제 2 필터 (34, 36) 가 30% 이하의 투과율의 차이를 갖도록 구성되며, 본 광학 시스템은 높은 감도 및 S/N 비를 가지며,제 1 파장 및 제 2 파장 (λ1및 λ2) 중 하나는 저휘도값을 가지므로, 온도분포를 정확하게 측정한다.
본 발명의 일 실시형태는 도면을 참조하여 상세하게 설명하고 있지만 본 발명은 달리 구현할 수도 있다.
상술한 실시형태에서, 단계 S1 내지 S3 에서, 피측정부재 (12) 의 온도분포는 피측정부재 (12) 로부터 방출된 광으로부터 선택된 각각 2 개의 파장을 갖는 2 개의 방사선을 사용함으로써 측정된다. 그러나, 온도분포는 각각 다른 파장을 갖는 3 개이상의 방사선을 사용함으로써 측정될 수도 있다.
방사율 산출 장치에 대응하는 방사율 산출 단계 S4 에서, 온도와 흑체의 방사 에너지 강도 사이의 소정의 관계를 나타내는 저장된 데이터 맵은, 단계 S3 에서 산출된 각 화소의 온도 (Tij) 에 기초하여 흑체 (Ebij) 의 방사율을 얻도록 사용될 수 있다. 그러나, 저장된 데이터 맵은 저장된 함수식으로 대체될 수도 있다.
도 10 에는, 본 발명의 또 다른 실시형태에 따라 방사율-분포 측정 장치의 광학 시스템을 개략적으로 나타낸다. 도 10 의 실시형태에서, 한 쌍의 미러 (50, 52) 는, 각 미러 (50, 52) 가 점선으로 표시된 제 1 위치와 실선으로 표시된 제 2 위치 사이의 고정단에 대하여 회전 가능하도록 배치된다. 미러 (50, 52) 가 제 1 위치에 위치되는 경우, 피측정부재 (12) 의 표면으로부터 방출되는 광은 제 1 광로 (16) 를 따라 화상 검출기 (32) 상에 입사한다. 미러 (50, 52) 가 제 2 위치에 배치되는 경우, 광은 제 2 광로 (18) 를 따라 화상 검출기 (32) 상에입사한다. 먼저 설명한 실시형태와 마찬가지로, 제 1 광로 (16) 에는 제 1 필터 (34) 가 제공되며, 제 2 광로 (18) 에는 제 2 필터 (36) 이 제공되어, 제 1 화상 및 제 2 화상 (G1및 G2) 은 소정의 시간차를 나타내는 제 1 파장 및 제 2 파장 (λ1및 λ2) 을 갖는 2 개의 방사선에 의해 형성된다. 따라서, 본 실시형태도 전술한 실시형태와 동일한 이점을 갖는다.
도 11 에 나타낸 실시형태에서, 회전 디스크 (56) 는, 피측정부재 (12) 와 화상 검출기 (32) 사이에서 연장하는 광경로에 평행한 축을 갖는 전기 모터 (54) 에 의해 회전가능하도록 배치되며, 전기 모터는 회전 디스크 (56) 의 방사 방향으로 적당한 거리만큼 광로로부터 오프셋된다. 회전 디스크 (56) 는, 제 1 차 필터 및 제 2 차 필터 (34, 36) 가 전기 모터 (54) 에 의한 회전 디스크 (56) 의 회전에 의해 광로에 선택적으로 정렬되도록, 제 1 차 필터 (34) 및 제 2 차 필터 (36) 를 반송한다. 제 1 화상 (G1) 은 제1 파장 (λ1) 을 갖고 제 1 필터 (34) 에 투과되는 방사선으로부터 형성되며, 제 2 화상 (G2) 은 제 2 파장 (λ2) 을 갖고 제 2 필터 (36) 에 투과되는 방사선으로부터 형성된다. 이들 제 1 화상 및 제 2 화상 (G1및 G2) 은 회전 디스크 (56) 을 회전시킴으로써 연속적으로 얻어진다. 따라서, 본 실시형태는 전술한 실시형태와 동일한 이점을 갖는다. 본 실시형태에서, 제 1 광로 (16) 제 2 광로 (18) 는 회전 디스크 (56) 와 화상 검출기 (32) 사이에서 선택적으로 확립되는 것으로 간주된다.
도 12 의 실시형태에서, 피측정부재 (12) 의 표면으로부터 방출된 광이 하프 미러 (14) 에 의해 제 1 광로 (16) 를 따라 진행하는 제 1 성분과 제 2 광로 (18) 를 따라 진행하는 제 2 성분으로 이분된다. 제 1 광로 (16) 에는 제 1 필터 (34) 가 제공되고, 제 1 필터 (34) 를 통해 투과되는 제 1 성분은 화상 검출기 (32) 상에 입사한다. 또한, 제 2 광로 (16) 에는 제 2 필터 (36) 가 제공되고, 제 2 필터 (36) 를 통해 투과되는 제 2 성분은 또 다른 화상 검출기 (32') 에 입사한다. 제 1 필터 및 제 2 필터 (34, 36) 는 각각의 화상 검출기 (32, 32') 내에서 일체화될 수 있다. 또한, 본 실시형태에서, 피측정부재 (12) 의 표면으로부터 방출된 광이 제 1 필터 (34) 를 통해 투과됨으로써 제 1 파장 (λ1) 에 의한 제 1 화상 (G1) 이 얻어지며, 피측정부재 (12) 의 표면으로부터 방출된 광이 제 2 필터 (36) 을 통해 투과됨으로써 제 2 파장 (λ2) 에 의한 제 2 화상 (G2) 이 얻어진다.
전술한 실시형태에서, 제 1 파장 및 제 2 파장 (λ1및 λ2) 은, 측정온도범위의 최저온도에서의 흑체의 파장에 대응하는 방사-강도 곡선 (L1) 에 따라서 선택되며, 상온에서 백그라운드 방사강도 (EBG) 보다 3 배 이상 높은 고방사강도 범위내에 있다. 그러나, 방사강도가 상온에서 백그라운드 방사강도 (EBG) 보다 충분히 높은 경우 본 발명의 원리를 만족시키기 때문에, 방사강도는 백그라운드 방사강도 (EBG) 의 3 배 이상일 필요는 없다.
전술한 실시형태에서, 제 1 파장 (λ1) 의 반치폭 (Δλ1) 은 제 1 파장 (λ1) 의 1/20 이하의 값이 되며, 제 2 파장 (λ2) 의 반치폭 (Δλ2) 은 제 2 파장 (λ2) 의 1/20 이하가 된다. 그러나, 반치폭은 파장의 1/20 이하일 필요는 없고, 본 발명의 원리에 따르면 파장의 1/20 을 조금 넘을 수도 있다.
전술한 실시형태에서, 제1 필터 및 제 2 필터 (34, 36) 의 투과율의 차이는 30% 이하가 된다. 그러나, 차이는 30% 이하일 필요는 없고, 본 발명의 원리에 따라서 30% 을 조금 넘을 수도 있다.
피측정부재 (12) 의 표면온도는 도 4 의 단계 S5 에서 다른 색으로 나타내지만, 표면온도는 예를 들어 등고선이나 밀도와 같은 다른 방법으로 나타낼 수도 있다.
전술한 실시형태에서 사용되는 화상 검출기 (32, 32') 는 광검출표면 (26) 을 갖는 CCD 장치 (28) 를 사용하지만, 화상 검출기는 컬러 촬상관과 같은 광검출소자를 사용할 수도 있다.
전술한 실시형태에서, CCD 장치 (28) 의 광검출표면 (26) 상에 배열된 광검출소자는 피측정부재 (12) 의 화상의 각 화소에 대응한다. 그러나, 광검출소자는 각 화소에 대응할 필요는 없다. 예를 들어, 서로 인접하는 복수의 광검출소자는 화상의 하나의 화소에 대응한다.
개시한 본 발명의 기술적 교시에 따라서, 본 발명에 대한 다양한 변화, 변형, 및 개량을 할 수도 있다는 것은 당업자에게 자명하다.
본 발명에 따르면, 피측정부재의 표면 방사율의 분포를 어떠한 광원도 사용하지 않고 각 화소에서의 방사율에 기초하여 정확하게 측정할 수 있다.

Claims (14)

  1. 피측정부재의 표면으로부터 방출된 광에 기초하여, 상기 피측정부재의 표면상의 방사율 분포를 측정하는 방법으로서,
    상기 피측정부재의 표면으로부터 방출된 광으로부터 선택된 제 1 파장 및 제 2 파장을 갖는 각각의 2 개의 방사선으로부터 얻어진 제 1 화상 및 제 2 화상의 대응 화소의 각 쌍에서의 방사강도비에 기초하여, 그 화상의 각 화소에서의 상기 피측정부재 (12) 의 온도를 산출하여, 상기 피측정부재 표면의 온도 분포를 측정하는 온도-분포 측정 단계 (S1 내지 S3); 및
    상기 온도와 상기 방사율 사이의 소정의 관계에 따라서, 상기 온도-분포 측정 단계에서 측정된 온도 분포에 기초하여, 피측정부재의 상기 화상의 각 화소에서의 방사율을 산출하는 방사율 산출 단계 (S4) 를 포함하는 것을 특징으로 하는 방사율 분포 측정 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 온도-분포 측정 단계는,
    측정온도의 최저온도범위에서 흑체의 파장에 대응하는 방사-강도 곡선에 따라서 선택되고, 상온에서 방사강도보다 높은 고방사강도 범위내에 있는 상기 제 1 파장을 갖는 방사선을 투과시키는 제 1 필터 (34) 를 사용하여, 상기 피측정부재 (12) 의 표면으로부터 방출된 광으로부터 상기 제 1 파장을 갖는 상기 방사선을 선택하는 제 1 파장 선택 단계 (S1);
    상기 고방사강도 범위내에 있는 상기 제 2 파장을 갖는 방사선을 투과시키는 제 2 필터 (36) 를 사용하여, 상기 피측정부재의 표면으로부터 방출된 광으로부터 상기 제 2 파장을 갖는 상기 방사선을 선택하는 제 2 파장 선택 단계 (S1); 및
    상기 방사강도비와 상기 온도 사이의 관계에 따라서, 상기 제 1 필터에 의해 선택된 상기 제 1 파장에서의 방사강도와 상기 제 2 필터에 의해 선택된 상기 제 2 파장에서의 방사강도의 비인 상기 방사강도비에 기초하여, 화상의 각 화소에서 상기 피측정부재의 온도를 산출하는 온도 산출 단계 (S2, S3) 를 포함하되,
    상기 제 2 파장은, 상기 제 1 파장의 1/12 이하이고 상기 제 1 파장의 반치폭 및 상기 제 2 파장의 반치폭의 합 이상인 소정의 차만큼 상기 제 1 파장과 파장차가 발생되도록 하는 것을 특징으로 하는 방사율 측정 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 필터 (34) 는 상기 제 1 파장의 1/20 이하인 반치폭을 갖는 방사선을 투과시키며, 상기 제 2 필터 (36) 는 상기 제 2 파장의 1/20 이하인 반치폭을 갖는 방사선을 투과시키는 것을 특징으로 하는 방사율 분포 측정 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 필터 및 상기 제 2 필터는 30% 이하의 투과율차를 갖는 것을 특징으로 하는 방사율 분포 측정 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 방사율 산출 단계는,
    상기 방사강도와 상기 피측정부재의 온도 사이의 소정의 관계에 따라서, 상기 온도-분포 측정 단계에서 산출된 상기 각 화소에서의 온도에 기초하여, 상기 피측정부재의 화상의 각 화소에서의 방사강도를 산출하는 단계;
    상기 흑체의 방사강도와 상기 피측정부재의 온도 사이의 소정의 관계에 따라서, 상기 산출된 피측정부재의 온도에 기초하여, 선택된 파장에서의 흑체의 방사강도를 산출하는 단계; 및
    상기 산출된 피측정부재의 방사강도 대 상기 산출된 흑체의 방사강도의 비로서 상기 방사율을 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방사율 분포 측정 방법.
  6. 피측정부재의 표면으로부터 방출된 광에 기초하여, 상기 피측정부재의 표면의 방사율 분포를 측정하는 장치로서,
    상기 피측정부재의 표면으로부터 방출된 광으로부터 선택된 제 1 파장 및 제 2 파장을 갖는 각각의 2 개의 방사선으로부터 얻어진 제 1 화상 및 제 2 화상의 대응 화소의 각 쌍에서의 방사강도비에 기초하여, 그 화상의 각 화소에서의 상기 피측정부재 (12) 의 온도를 산출하여, 상기 피측정부재 표면의 온도 분포를 측정하도록 동작하는 온도-분포 측정 장치 (28, 34, 36, 40, S1 내지 S3); 및
    상기 온도와 상기 방사율 사이의 소정의 관계에 따라서, 상기 온도-분포 측정 단계에서 측정된 온도 분포에 기초하여, 피측정부재의 상기 화상의 각 화소에서의 방사율을 산출하도록 동작하는 방사율 산출 장치 (28, 34, 36, 40, S4) 를 구비하는 것을 특징으로 하는 방사율 분포 측정 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 온도-분포 측정 장치는,
    상기 피측정부재 (12) 의 표면으로부터 방출된 광으로부터 상기 제 1 파장을 갖는 상기 방사선을 선택하도록 동작하는 제 1 필터를 구비하는 제 1 파장 선택 장치 (34, 40, S1);
    상기 제 1 파장의 1/12 이하이고 상기 제 1 파장의 반치폭 및 상기 제 2 파장의 반치폭의 합 이상인 소정의 차만큼, 상기 제 2 파장이 상기 제 1 파장과 파장차가 발생되도록, 상기 피측정부재의 표면으로부터 방출된 광으로부터 상기 제 2 파장을 갖는 상기 방사선을 선택하도록 동작하는 제 2 필터 (36) 를 구비하는 제 2 파장 선택 장치 (36, 40, S1); 및
    상기 방사강도비와 상기 온도 사이의 소정의 관계에 따라서, 상기 제 1 필터에 의해 선택된 상기 제 1 파장에서의 방사강도와 상기 제 2 필터에 의해 선택된 상기 제 2 파장에서의 방사강도의 비인 상기 방사강도비에 기초하여, 화상의 각 화소에서의 상기 피측정부재의 온도를 산출하도록 동작하는 온도 산출 장치 (40, S2, S3) 를 구비하되,
    상기 제 1 필터 (34)는, 측정온도의 최저온도범위에서 흑체의 파장에 대응하는 방사-강도 곡선에 따라서 선택되고 상온에서 방사강도보다 높은 고방사강도 범위내에 있는 상기 제 1 파장을 갖는 방사선을 투과시키며,
    상기 제 2 필터 (36) 는 상기 고방사강도 범위내에서 선택되는 상기 제 2 파장을 갖는 방사선을 투과시키는 것을 특징으로 하는 방사율 분포 측정 장치.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 1 필터 (34) 는 상기 제 1 파장의 1/20 이하인 반치폭을 갖는 방사선을 투과시키며, 상기 제 2 필터 (36) 는 상기 제 2 파장의 1/20 이하인 반치폭을 갖는 방사선을 투과시키는 것을 특징으로 하는 방사율 분포 측정 장치.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 1 필터 및 상기 제 2 필터는 30% 이하의 투과율차를 갖는 것을 특징으로 하는 방사율 분포 측정 장치.
  10. 제 6 항 내지 제 9 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 방사율 산출 장치는,
    상기 방사강도와 상기 피측정부재의 온도 사이의 소정의 관계에 따라서, 상기 온도-분포 측정 단계에서 산출된 상기 각 화소에서의 온도에 기초하여, 상기 피측정부재의 화상의 각 화소에서의 방사강도를 산출하는 수단;
    상기 흑체의 방사강도와 상기 피측정부재의 온도 사이의 소정의 관계에 따라서, 상기 산출된 피측정부재의 온도에 기초하여, 선택된 파장에서의 흑체의 방사강도를 산출하는 수단; 및
    상기 산출된 피측정부재의 방사강도 대 상기 산출된 흑체의 방사강도의 비로서 상기 방사율을 산출하는 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 방사율 분포 측정 장치.
  11. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 1 필터 (34) 및 상기 제 2 필터 (36) 가 제공된 각각의 제 1 광로 및 제 2 광로 (16, 18) 를 따라서 진행하는 2 개의 성분으로, 상기 피측정부재 (12) 의 표면으로부터 방출된 상기 광을 이분하는 제 1 하프 미러 (14);
    상기 제 1 필터 및 제 2 필터로부터 상기 제 1 파장 및 제 2 파장의 방사선을 수광하도록 배치된 제 2 하프 미러 (24); 및
    상기 제 1 파장 및 제 2 파장의 방사선에 응답하여, 상기 2 개의 화상이 서로 이격적으로 위치하도록, 상기 제 1 파장 및 제 2 파장의 상기 방사선에 기초하여, 상기 피측정부재의 2 개의 화상을 형성하도록 동작하는 복수의 광검출소자 (28) 를 구비하는 화상 검출기 (32) 를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 방사율 분포 측정 장치.
  12. 제 7 항에 있어서,
    상기 피측정부재 (12) 의 표면으로부터 방출된 광이 상기 제 1 필터 (34) 가 제공된 제 1 광로 (16) 를 따라 진행하는 제 1 위치와, 한 쌍의 미러의 대응 미러가 제 2 필터 (36) 가 제공된 제 2 광로 (18) 를 따라 진행하는 상기 광을 반사시키는 제 2 위치 사이에서, 각각 이동가능한 한 쌍의 미러 (50, 52); 및
    상기 제 1 파장 및 제 2 파장의 방사선에 응답하여, 상기 2 개의 화상이 서로 이격적으로 위치하도록, 상기 제 1 파장 및 제 2 파장의 상기 방사선에 기초하여, 상기 피측정부재의 2 개의 화상을 형성하도록 동작하는 복수의 광검출소자 (28) 를 구비하는 화상 검출기 (32) 를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 방사율 분포 측정 장치.
  13. 제 7 항에 있어서,
    상기 피측정부재 (12) 로부터 연장하는 광로 (16, 18) 에 평행한 축에 대하여 회전가능하며, 이에 고정된 상기 제 1 필터 및 상기 제 2 필터 (34, 36) 를 반송하는 회전 디스크 (56);
    상기 회전 디스크를 회전가능하도록 동작하는 전기 모터 (54); 및
    상기 제 1 파장 및 제 2 파장의 방사선에 응답하여, 상기 2 개의 화상이 서로 이격적으로 위치하도록, 상기 제 1 파장 및 제 2 파장의 상기 방사선에 기초하여, 상기 피측정부재의 2 개의 화상을 형성하도록 동작하는 복수의 광검출소자 (28) 를 구비하는 화상 검출기 (32) 를 더 구비하되,
    상기 제 1 필터 및 상기 제 2 필터 (34, 36) 는 상기 회전 디스크의 회전에의해 상기 광로에 선택적으로 정렬되도록 상기 회전 디스크상에 배치되는 것을 특징으로 하는 방사율 분포 측정 장치.
  14. 제 6 항에 있어서,
    상기 피측정부재 (12) 의 표면으로부터 방출된 상기 광을, 상기 제 1 필터 (34) 및 상기 제 2 필터 (36) 가 각각 제공된 제 1 광로 및 제 2 광로 (16, 18) 를 따라서 진행하는 2 개의 성분으로 이분하는 제 1 하프 미러 (14); 및
    상기 제 1 파장 및 제 2 파장의 방사선을 수광하도록 배치되는 한 쌍의 화상 검출기 (32, 32') 를 더 구비하되,
    상기 한 쌍의 화상 검출기 각각은, 상기 제 1 파장 및 제 2 파장의 대응 방사선에 응답하고 상기 대응 방사선에 기초하여, 상기 피측정부재의 화상을 형성하도록 동작하는 복수의 광검출소자 (28) 를 구비하는 것을 특징으로 하는 방사율 분포 측정 장치.
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