光学的影響変数

非接触温度測定は光学的測定法に基づいている。パイロメータの光学特性は、測定精度に大きく影響し、しばしば過小評価されます。多くの場合、測定の不確かさをテストする際、データシートに指定されたパラメータのみが比較されます。しかし、単純な光学部品が正しく選択されていなかったり、正しく調整されていなかったりすると、非常に深刻な測定誤差を引き起こす可能性があります。以下のレポートでは、光学結像誤差の原理と影響、および高温計の光学パラメータの仕様について説明します。また、ユーザー自身が高温計の光学系の品質をコントロールできる方法を紹介します。

球面収差（絞り誤差）
レンズの端に近いところから入射する光線は、中心から入射する光線とは異なる距離で焦点を結ぶ。その結果、像がわずかにぼやける。球面収差は、複数のレンズで構成される光学系では、複数のレンズ面を適切な方法で組み合わせることで低減できる。

色収差（縦色収差）
レンズの焦点距離は波長によって異なる。異なる波長の光や放射線は、異なる点に焦点を結ぶ。その結果、物体の像の周囲に色のついた縁が現れる。色収差は、2つの波長（アクロマート）または3つの波長（アポクロマート）に対して補正された光学系を使用することによって、大幅に削減することができます（図2）。レンズの材料は、レンズの収差が2波長または3波長で互いに補正し合うように選択される。

光学系を指定するには、ある距離に対する測定スポットサイズか、距離比、すなわち測定距離と測定野径の比を指定する。

パイロメーターの測定スポットサイズは、半空間で受け取ることができる最大エネルギーの一定割合に関連している。100%は無限大の測定物に相当します。測定スポットの大きさは、通常、受光可能な最大エネルギーの90%、95%、98%に関係します（図3）。

放射成分が90％ではなく95％に関係する場合、測定野が大きくなります。従って、測定野の大きさに関する情報は、同じパーセンテージに言及している場合にのみ比較可能である。メーカーによっては、放射線のパーセンテージを指定しないか、低いパーセンテージとして定義している。その結果、このようなメーカーはデータシートで測定野が非常に小さいように装っているが、定義が違えばかなり大きな値を記載しなければならないことを十分承知している。さらに、レンズの公差を考慮せずに測定野の大きさを指定しているメーカーもある。

高温計の場合、焦点調節可能な光学系と固定焦点の光学系がある。測定フィールドは焦点距離でのみ焦点が合っている。パイロメーターが焦点距離の範囲外で操作された場合、センサー上の赤外線の均一な分布は保証されなくなる（図4）。

その後、測定面を介して受信された放射線は、さまざまな程度で検出される。

このことは、「黒体」の前での高温計の校正に特に影響します。炉の開口部は高温計の測定領域の数倍の大きさが必要です。単純な光学系と大きな測定野を持つ装置では、校正中に発生する測定誤差を減らすために、非常に大きな放射体を校正源として使用しなければなりません。これは、低コストのデバイスの高い測定不確かさの主な誤差源の一つである。

特に、高温計の測定領域よりわずかに大きいだけの小さな測定対象物では、焦点設定が正しくないと大きな測定誤差につながることがあります。しかし、パイロメーターが開口部、サイトグラス、炉壁、サイトチューブを通して測定対象物を見ている場合でも、光学系の調整が不十分であったり、ピント合わせが不適切であったりすると、すぐに円錐視野が狭まり、その結果、測定値が不正確になる可能性があります。高温計の測定視野よりかなり大きな対象物を測定する場合、測定対象物の大きさや測定距離が変わると、単純な光学系では表示される温度が変わってしまいます。図5は、高品質光学系と単純光学系の測定値の縮小表示を測定対象物の直径に対して比較したものである。単純な光学系では、測定対象の大きさが変わると測定値が大きく低下する。測定距離が変わっても、測定対象物の大きさが一定であれば同じ効果があります。つまり、単純な光学系を持つ装置では、測定距離が異なると測定値が異なって表示されます。この誤差の原因は、特に、異なる距離で確実に使用される単純なハンドヘルド装置を使用する場合に考慮しなければなりません。この影響はサイズ・オブ・ソース効果(SSE)と呼ばれ、すべての高温計において多かれ少なかれ重要な誤差の原因となります。原因は、光学系の結像誤差、光学部品や筐体部品からの散乱光や反射、光の波動性による回折です。サイズ・オブ・ソース効果は測定波長が短くなるにつれて減少します。この影響は、光学結像誤差を注意深く補正し、反射防止光学部品を使用し、装置内の迷光や反射を避けることで最小限に抑えることができます。実際には、ユーザーは測定距離に正確に焦点を合わせることで、この誤差を最小限に抑えることができます。

温度にもよりますが、測定対象物から放射される赤外線は0.6～20μmの波長範囲、つまり通常は可視光線より上です。まず、これは高温計が使用する波長範囲に合わせて光学系を補正する必要があることを意味します。使用者が目視で焦点を合わせたい場合や、照準補助としてビデオカメラを装備している場合、光学系は可視光と赤外光の両方の波長域で光学結像誤差が等しく補正されるように設計されなければなりません。単純な装置では、色補正されていない、あるいは一方の波長に対してのみ補正されたレンズが使用される。この場合、赤外放射と可視放射の焦点位置が一致しない（図2）。

特にレーザーを使って測定点を表示する場合、単純なレンズではレーザー点と測定距離が一致しません。

これらの誤差は、光学的に複雑な2レンズシステムまたは3レンズシステムでのみ可能な限り排除することができます。例えば、CellaTemp PAシリーズの高温計は、広帯域反射防止レンズシステムを備えた高品質の精密光学系を備えています。

これにより、直径0.3mmのワイヤーでも正確に温度を測定することができます。

高温計の画像特性はユーザーによって簡単にチェックすることができる。これを行うには、パイロメータを定義された放射源に合わせます。

放射エリアのサイズはパイロメータの測定フィールドの数倍でなければならない。次に，放射源の前に焦度計の焦点距離(a)で開いた虹彩絞りを置き，焦度計を使用して放射率設定ε = 1で温度を決定する(図6)。高温になると光学的な測定誤差が目立ちやすくなるため、パイロメータの測定範囲の端で測定を行うことが望ましい。高温計の放射率を0.98に設定すると、温度表示が大きくなる。

その後、表示される温度が再び元の値と一致するまで、絞りダイアフラムの直径を小さくする必要があります。アイリスダイアフラムの開口部の直径は、放射エネルギーの98％に対する測定フィールドのサイズに対応します。測定距離aとの比は、距離比D = .この測定を測定野の大きさ95 %と90 %について繰り返し、その結果をメーカーのパンフレットの仕様と比較する。

このようにして、レンズ誤差の影響を含め、異なる装置の実際の光学結像特性を非常に簡単にチェックし、比較することができる。

例えば図7は、放射エネルギーの90 %と95 %の測定対象物の直径を示している。90 %の場合、測定視野の大きさの差はまだ比較的小さく、単純光学系ではØ 14 mm、高品質光学系ではØ 10.2 mmである。しかし、95%（簡易光学系ではØ 24 mm、高品質光学系ではØ 11.5mm）では、数値はすでに大きく異なっています。測定野径をより良い（小さい）値に指定できるようにするため、メーカーによっては、放射線の基準値をより小さい値（例えば90 %）に指定することを好む。これにより，単純な光学系が実際よりもかなり優れているように見える。

パイロットライト，ビデオカメラ又はレンズを通しての照準器を備えた高温計の場合，この試験は，測定野と視野からの焦点の距離が同一であるかどうか，及び測定野の印が高温計の測定面の位置及び大きさに実際に対応しているかどうかを決定するためにも使用できる。

高温計を選択する際には、計量パラメータを比較することに加えて、光学特性も注意深く比較する必要があります。メーカーのパンフレットに記載されている情報は残念ながら不十分なことが多いので、指定された測定野がどのように決定されたのか、またレンズの誤差やアライメントの公差が仕様に考慮されているかどうかを詳しく尋ねる必要があります。異なるパイロメーターの比較は、光学仕様と基準値が同じ場合にのみ可能です。重要な場合には、パンフレットに記載されている情報の品質と仕様を上記のように自分でチェックし、安全側に立つべきです。結局のところ、電気的測定の不確かさが1%未満であるにもかかわらず、簡単なレンズと光学的セットアップを使用した結果、測定誤差が著しく大きくなるような高温計は何の役に立つのでしょうか？