JP2003315158A - 二重共鳴を利用する放射温度測定装置 - Google Patents
二重共鳴を利用する放射温度測定装置Info
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- JP2003315158A JP2003315158A JP2002125098A JP2002125098A JP2003315158A JP 2003315158 A JP2003315158 A JP 2003315158A JP 2002125098 A JP2002125098 A JP 2002125098A JP 2002125098 A JP2002125098 A JP 2002125098A JP 2003315158 A JP2003315158 A JP 2003315158A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 第一の課題は、放射温度計の分光応答度評価
を不要にし、高精度の標準放射温度計を得ることであ
り、検出器系において信号強度に対する非線型性をなく
し、温度決定の際の非線型測定による不確かさの影響を
なくすことである。また、参照温度定点での校正を不要
にし、直接物体の温度を決定することを可能とし、赤外
領域の放射光を、高感度・高精度検出が可能な可視波長
域の検出器で測定できるようにすることである。 【解決手段】 本願発明は、上記課題を解決するため
に、測定対象からの熱放射の強度から対象温度を求める
放射温度測定装置において、前記熱放射による原子又は
分子のエネルギー準位間の光学遷移を持つ二重共鳴現象
による波長変換手段および前記二重共鳴現象によって生
じた光の強度変化の観測手段を有し、観測された光強度
の変化から対象温度求めることを特徴とするものであ
る。
を不要にし、高精度の標準放射温度計を得ることであ
り、検出器系において信号強度に対する非線型性をなく
し、温度決定の際の非線型測定による不確かさの影響を
なくすことである。また、参照温度定点での校正を不要
にし、直接物体の温度を決定することを可能とし、赤外
領域の放射光を、高感度・高精度検出が可能な可視波長
域の検出器で測定できるようにすることである。 【解決手段】 本願発明は、上記課題を解決するため
に、測定対象からの熱放射の強度から対象温度を求める
放射温度測定装置において、前記熱放射による原子又は
分子のエネルギー準位間の光学遷移を持つ二重共鳴現象
による波長変換手段および前記二重共鳴現象によって生
じた光の強度変化の観測手段を有し、観測された光強度
の変化から対象温度求めることを特徴とするものであ
る。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】 本願発明は、物体からの熱
放射の輝度を捉えて物体の温度を決定する放射温度測定
装置に関する。特に、プランクの輻射法則に基づき温度
目盛を実現する標準放射温度計に関する。
放射の輝度を捉えて物体の温度を決定する放射温度測定
装置に関する。特に、プランクの輻射法則に基づき温度
目盛を実現する標準放射温度計に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来から、温度の測定技術として、放射
温度計がある。測定対象の特定波長帯域の熱放射輝度か
ら対象の温度を測定する温度計である。波長帯域を限定
して測定された物体の熱放射輝度が、物体の温度と放射
率によって、下記式で表されるプランクの輻射法則によ
り決まる現象を利用している。
温度計がある。測定対象の特定波長帯域の熱放射輝度か
ら対象の温度を測定する温度計である。波長帯域を限定
して測定された物体の熱放射輝度が、物体の温度と放射
率によって、下記式で表されるプランクの輻射法則によ
り決まる現象を利用している。
【数１】
左辺のＬλ（λ、Ｔ）は波長λ,温度Tにおける黒体の分
光放射輝度であり、c1,c 2はそれぞれ放射の第一定数お
よび第二定数であり、以下のとおりである。 c1=2πhc2=(3.741832±0.000020)×10-16 W・m2 c2=ch/k=(1.438786±0.000045)×10-2 m・K
光放射輝度であり、c1,c 2はそれぞれ放射の第一定数お
よび第二定数であり、以下のとおりである。 c1=2πhc2=(3.741832±0.000020)×10-16 W・m2 c2=ch/k=(1.438786±0.000045)×10-2 m・K
【０００３】光検出器としては、例えば、可視領域にお
いてはシリコンなどのフォトダイオードを用いる。分光
放射輝度を測定する場合、測定波長帯域を選択するため
に分光器を用いる必要があるが、これは一般に大型で持
ち運びに向かず、安定性も悪い。従って、通常は、波長
選択を行うために小型で安定性の良い干渉フィルターを
用いている。干渉フィルターにより選択する波長幅は、
測定に十分な信号強度を得るために、ある幅を持たせ、
例えば、４００℃から２０００℃を測定範囲とする測定
波長９００ｎｍの温度計の場合、約８０ｎｍである
（「放射測温と高温度標準」O plus E Vol.22 No.6 (20
00)）。従って、実際に観測される輝度信号Ｓと測定対
象の温度Ｔの関係は、干渉フィルターの分光透過率と光
検出器の分光感度を加味し、さらに、受光光学系の開口
径やレンズの透過率など、装置に関わる係数を考慮し、
プランクの輻射公式を近似的に表現した下記の式で表さ
れる。
いてはシリコンなどのフォトダイオードを用いる。分光
放射輝度を測定する場合、測定波長帯域を選択するため
に分光器を用いる必要があるが、これは一般に大型で持
ち運びに向かず、安定性も悪い。従って、通常は、波長
選択を行うために小型で安定性の良い干渉フィルターを
用いている。干渉フィルターにより選択する波長幅は、
測定に十分な信号強度を得るために、ある幅を持たせ、
例えば、４００℃から２０００℃を測定範囲とする測定
波長９００ｎｍの温度計の場合、約８０ｎｍである
（「放射測温と高温度標準」O plus E Vol.22 No.6 (20
00)）。従って、実際に観測される輝度信号Ｓと測定対
象の温度Ｔの関係は、干渉フィルターの分光透過率と光
検出器の分光感度を加味し、さらに、受光光学系の開口
径やレンズの透過率など、装置に関わる係数を考慮し、
プランクの輻射公式を近似的に表現した下記の式で表さ
れる。
【数２】
ただし、A,B,Cは、未定係数であり、A,Bは、測定波長帯
やその帯域幅の情報を持っている。Cは感度係数であ
る。
やその帯域幅の情報を持っている。Cは感度係数であ
る。
【０００４】このような従来技術の放射温度計を用いて
温度目盛を実現する方法が＜服部晋他：狭波長帯域放射
温度計の特性表示式,計量研究所報告, 32-1,29-34 (198
3).＞に記載されている。これによると、干渉フィルタ
ーの相対分光透過率と検出器の相対分光感度の積として
の分光応答度の測定、検出器の信号強度の線型性の測定
とその他装置係数を決定する手段としての参照温度定点
（銅点）での測定を行うことで目盛が実現される。
温度目盛を実現する方法が＜服部晋他：狭波長帯域放射
温度計の特性表示式,計量研究所報告, 32-1,29-34 (198
3).＞に記載されている。これによると、干渉フィルタ
ーの相対分光透過率と検出器の相対分光感度の積として
の分光応答度の測定、検出器の信号強度の線型性の測定
とその他装置係数を決定する手段としての参照温度定点
（銅点）での測定を行うことで目盛が実現される。
【０００５】しかし、分光応答度の測定には非常に高度
な技術が要求されるため、分光応答度測定精度の限界が
高精度の温度目盛実現を妨げる最大要因となっている。
さらに、干渉フィルターの透過波長は、経時変化するた
め、分光応答度測定は、定期的に繰り返す必要がある。
また、干渉フィルターの透過波長はフィルターの温度に
も敏感に影響されて変化するため、分光応答度測定を行
った環境と実際にこの温度計を使って温度測定を行う環
境とで室温が異なる場合、誤差を生じるという問題があ
る。
な技術が要求されるため、分光応答度測定精度の限界が
高精度の温度目盛実現を妨げる最大要因となっている。
さらに、干渉フィルターの透過波長は、経時変化するた
め、分光応答度測定は、定期的に繰り返す必要がある。
また、干渉フィルターの透過波長はフィルターの温度に
も敏感に影響されて変化するため、分光応答度測定を行
った環境と実際にこの温度計を使って温度測定を行う環
境とで室温が異なる場合、誤差を生じるという問題があ
る。
【０００６】従来の放射温度計は、検出器系における信
号強度の非線型性があると大きな誤差を生じるため高精
度の非線型評価を行う必要があるが、これは非常に困難
で、十分な温度決定精度が得られない。
号強度の非線型性があると大きな誤差を生じるため高精
度の非線型評価を行う必要があるが、これは非常に困難
で、十分な温度決定精度が得られない。
【０００７】従来の放射温度計を温度目盛を実現する標
準放射温度計として用いる場合のもう一つの問題点とし
て、参照温度定点での校正が必要とされる点が挙げられ
るが、この参照温度定点実現装置の誤差が温度目盛の精
度の低下を招いている。
準放射温度計として用いる場合のもう一つの問題点とし
て、参照温度定点での校正が必要とされる点が挙げられ
るが、この参照温度定点実現装置の誤差が温度目盛の精
度の低下を招いている。
【０００８】さらに、温度の測定範囲が低温の場合、可
視光領域では十分な熱放射が得られないため、赤外光領
域で熱放射を捉える必要がある。しかし、赤外光の高精
度検出は可視光に比べ困難で、検出器の受光感度も低
く、出力応答の直線性も劣る。そのため、低温域での十
分な温度測定精度が得られない。
視光領域では十分な熱放射が得られないため、赤外光領
域で熱放射を捉える必要がある。しかし、赤外光の高精
度検出は可視光に比べ困難で、検出器の受光感度も低
く、出力応答の直線性も劣る。そのため、低温域での十
分な温度測定精度が得られない。
【０００９】一方、特開平５−７９９２０号公報におい
ては、二色放射温度計が示されているが、これは、熱放
射体の２つの波長における分光放射輝度L1、L2の比L1/L
2がその放射体の温度の関数で表されることを利用した
温度計である（図１参照）。光学系は、2波長の分光放
射輝度を交互に測定するためのフィルター交換機構を有
する。このような従来の二色温度計は、放射率比を一定
と仮定して測定を行うことにより対象放射率の影響を受
けずに温度測定を行うことを目的としている。しかし、
輝度比の測定を用いることにより放射率の変動による効
果は消去されるものの、干渉フィルター透過率や光検出
器感度による影響は消去されないため、別途目盛が実現
されている標準放射温度計との比較校正を経て温度測定
に使用可能となる。従って、温度目盛の設定に用いる標
準放射温度計としての機能は持っていない。
ては、二色放射温度計が示されているが、これは、熱放
射体の２つの波長における分光放射輝度L1、L2の比L1/L
2がその放射体の温度の関数で表されることを利用した
温度計である（図１参照）。光学系は、2波長の分光放
射輝度を交互に測定するためのフィルター交換機構を有
する。このような従来の二色温度計は、放射率比を一定
と仮定して測定を行うことにより対象放射率の影響を受
けずに温度測定を行うことを目的としている。しかし、
輝度比の測定を用いることにより放射率の変動による効
果は消去されるものの、干渉フィルター透過率や光検出
器感度による影響は消去されないため、別途目盛が実現
されている標準放射温度計との比較校正を経て温度測定
に使用可能となる。従って、温度目盛の設定に用いる標
準放射温度計としての機能は持っていない。
【００１０】また、特開平５−１０８２２号公報におい
ては、迷光雑音の遮蔽体と、波長、偏光測定角度のうち
少なくとも１つ以上異なる条件で定義される２つの分光
放射輝度信号を計測するための２組のフォトンカウンタ
と、演算装置、パラメータ入力装置、及び演算結果出力
装置より構成される放射温度計測装置が記載されてい
る。この装置も放射率の変動の影響を受けずに温度を測
定することを目的にしており、測定物体表面の分光放射
輝度に比例した光子数を異なる分光条件で２組のフォト
ンカウンタを使用することで計数し、２つの分光放射輝
度に対応する分光放射率間の関係式を解くことによって
放射率を自動的に計算しながら温度を求めるため、放射
率の影響を受けず、測定精度の向上が図れる。フォトン
カウンタを使用することにより、光子数の離散的計数が
可能となり、S/N比が改善されることが特徴である。し
かし、放射率の変動による効果は消去されるものの、干
渉フィルター絶対透過率や光検出器絶対感度などは消去
されないため、別途目盛が実現されている標準放射温度
計との比較校正を経て温度測定に使用可能となる。従っ
て、温度目盛の設定に用いる標準放射温度計としての機
能は持っていない。
ては、迷光雑音の遮蔽体と、波長、偏光測定角度のうち
少なくとも１つ以上異なる条件で定義される２つの分光
放射輝度信号を計測するための２組のフォトンカウンタ
と、演算装置、パラメータ入力装置、及び演算結果出力
装置より構成される放射温度計測装置が記載されてい
る。この装置も放射率の変動の影響を受けずに温度を測
定することを目的にしており、測定物体表面の分光放射
輝度に比例した光子数を異なる分光条件で２組のフォト
ンカウンタを使用することで計数し、２つの分光放射輝
度に対応する分光放射率間の関係式を解くことによって
放射率を自動的に計算しながら温度を求めるため、放射
率の影響を受けず、測定精度の向上が図れる。フォトン
カウンタを使用することにより、光子数の離散的計数が
可能となり、S/N比が改善されることが特徴である。し
かし、放射率の変動による効果は消去されるものの、干
渉フィルター絶対透過率や光検出器絶対感度などは消去
されないため、別途目盛が実現されている標準放射温度
計との比較校正を経て温度測定に使用可能となる。従っ
て、温度目盛の設定に用いる標準放射温度計としての機
能は持っていない。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】従来の放射温度測定技
術の持つ上記問題点を克服し、高精度な温度目盛の実現
が可能な標準放射温度計を得ることが課題である。すな
わち、
術の持つ上記問題点を克服し、高精度な温度目盛の実現
が可能な標準放射温度計を得ることが課題である。すな
わち、
【００１２】第一の課題は、放射温度計の分光応答度評
価を不要にし、高精度の標準放射温度計を得ることであ
る。
価を不要にし、高精度の標準放射温度計を得ることであ
る。
【００１３】第二の課題は、検出器系において信号強度
に対する非線型性をなくし、温度決定の際の非線型測定
による不確かさの影響をなくすことである。
に対する非線型性をなくし、温度決定の際の非線型測定
による不確かさの影響をなくすことである。
【００１４】第三の課題は、参照温度定点での校正を不
要にし、直接物体の温度を決定することを可能とするこ
とである。
要にし、直接物体の温度を決定することを可能とするこ
とである。
【００１５】第四の課題は、赤外領域の放射光を、高感
度・高精度検出が可能な可視波長域の検出器で測定でき
るようにすることである。
度・高精度検出が可能な可視波長域の検出器で測定でき
るようにすることである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】 本願発明は、上記課題
を解決するために、測定対象からの熱放射の強度から対
象温度を求める放射温度測定装置において、前記熱放射
による原子又は分子のエネルギー準位間の光学遷移を持
つ二重共鳴現象による波長変換手段および前記二重共鳴
現象によって生じた光の強度変化の観測手段を有し、観
測された光強度の変化から対象温度求めることを特徴と
するものである。
を解決するために、測定対象からの熱放射の強度から対
象温度を求める放射温度測定装置において、前記熱放射
による原子又は分子のエネルギー準位間の光学遷移を持
つ二重共鳴現象による波長変換手段および前記二重共鳴
現象によって生じた光の強度変化の観測手段を有し、観
測された光強度の変化から対象温度求めることを特徴と
するものである。
【００１７】
【発明の原理及び作用】 二重共鳴現象は、二種類の電
磁波を用いる分光法であり、通常、１つの電磁波は、測
定対象の平衡分布をこわすために用いられ、他の電磁波
は、その影響を検出するために用いられる。それぞれの
電磁波の波長は、物質系のエネルギー準位間の２つの遷
移に共鳴しているが、本願発明の下記の具体例のよう
に、２つの遷移が１つのエネルギー準位を共有している
場合を三準位二重共鳴という。使用する電磁波の種類に
よってマイクロ波−赤外二重共鳴や、ラジオ波−光二重
共鳴などと呼ばれるが、本願発明は、赤外光をよりエネ
ルギーの大きい可視光あるいは紫外光に変換する手段と
して二重共鳴を用いているため、可視−赤外二重共鳴、
紫外−赤外二重共鳴と呼ぶ。
磁波を用いる分光法であり、通常、１つの電磁波は、測
定対象の平衡分布をこわすために用いられ、他の電磁波
は、その影響を検出するために用いられる。それぞれの
電磁波の波長は、物質系のエネルギー準位間の２つの遷
移に共鳴しているが、本願発明の下記の具体例のよう
に、２つの遷移が１つのエネルギー準位を共有している
場合を三準位二重共鳴という。使用する電磁波の種類に
よってマイクロ波−赤外二重共鳴や、ラジオ波−光二重
共鳴などと呼ばれるが、本願発明は、赤外光をよりエネ
ルギーの大きい可視光あるいは紫外光に変換する手段と
して二重共鳴を用いているため、可視−赤外二重共鳴、
紫外−赤外二重共鳴と呼ぶ。
【００１８】本願発明の二重共鳴の手法による温度決定
の原理を述べる。赤外および可視の遷移が１つの準位を
共有する図２−１に示すような3準位系原子を選択し、
図３のセル内に入れる。可視光遷移の準位にはあらかじ
め原子の占有数が無いように設定する。測定対象物から
の赤外光が入ると、赤外遷移が起こり、可視光遷移の準
位に原子の占有が現れ、可視光遷移がおこる。この遷移
が起こることにより、あらかじめ入れておいた可視光が
吸収され、減少する。また、可視光遷移が起こること
で、励起された原子の自然放出により蛍光が生じる。こ
の際、可視光遷移が強い許容遷移となるような、たとえ
ばD→P、P→S遷移の組み合わせになるようにしておくと
効率よく赤外遷移をとらえることが出来る。ここでD、
P、Sとは原子の電子状態の合成角運動量がそれぞれ2、
1、0であることを表す。可視光の吸収強度、あるいは蛍
光強度を検出器系で測定し、その信号を増幅器により増
幅する。
の原理を述べる。赤外および可視の遷移が１つの準位を
共有する図２−１に示すような3準位系原子を選択し、
図３のセル内に入れる。可視光遷移の準位にはあらかじ
め原子の占有数が無いように設定する。測定対象物から
の赤外光が入ると、赤外遷移が起こり、可視光遷移の準
位に原子の占有が現れ、可視光遷移がおこる。この遷移
が起こることにより、あらかじめ入れておいた可視光が
吸収され、減少する。また、可視光遷移が起こること
で、励起された原子の自然放出により蛍光が生じる。こ
の際、可視光遷移が強い許容遷移となるような、たとえ
ばD→P、P→S遷移の組み合わせになるようにしておくと
効率よく赤外遷移をとらえることが出来る。ここでD、
P、Sとは原子の電子状態の合成角運動量がそれぞれ2、
1、0であることを表す。可視光の吸収強度、あるいは蛍
光強度を検出器系で測定し、その信号を増幅器により増
幅する。
【００１９】これにより、測定対象の表面温度とプラン
クの輻射公式によってつながっている熱放射輝度に比例
した信号が得られる。したがって、この信号をプランク
の輻射公式に代入し、温度を決定するといった信号処理
系を介すことで、最終的に温度が求まる。図４にそのダ
イアグラムを示す。
クの輻射公式によってつながっている熱放射輝度に比例
した信号が得られる。したがって、この信号をプランク
の輻射公式に代入し、温度を決定するといった信号処理
系を介すことで、最終的に温度が求まる。図４にそのダ
イアグラムを示す。
【００２０】本願発明においては、二重共鳴の手法を用
いることで、以下の原理で、従来の放射温度計による温
度目盛設定方法に必要とされていた干渉フィルターの相
対分光透過率と検出器の相対分光感度の積としての分光
応答度の測定、検出器の信号強度の線型性の測定とその
他装置係数を決定する手段としての参照温度定点（銅
点）での測定を行うことなく、温度目盛が実現できる。
いることで、以下の原理で、従来の放射温度計による温
度目盛設定方法に必要とされていた干渉フィルターの相
対分光透過率と検出器の相対分光感度の積としての分光
応答度の測定、検出器の信号強度の線型性の測定とその
他装置係数を決定する手段としての参照温度定点（銅
点）での測定を行うことなく、温度目盛が実現できる。
【００２１】原子あるいは分子のエネルギー準位間の光
学遷移を利用した二重共鳴過程を波長選択に利用すれ
ば、原子あるいは分子のエネルギー準位構造は、固有の
もので、量子力学的に計算されているためエネルギー準
位間の遷移周波数は、既知であり、変化しないため、別
途分光応答度の測定が不要となり、高精度の標準放射温
度計を得ることが可能となる。
学遷移を利用した二重共鳴過程を波長選択に利用すれ
ば、原子あるいは分子のエネルギー準位構造は、固有の
もので、量子力学的に計算されているためエネルギー準
位間の遷移周波数は、既知であり、変化しないため、別
途分光応答度の測定が不要となり、高精度の標準放射温
度計を得ることが可能となる。
【００２２】二重共鳴によって生じた光強度変化を観測
する光検出器をフォトンカウンティング検出器にするこ
とで、１光子単位の測定が可能となり、原理的に信号強
度に対して線型な測定が可能である。従来の放射温度計
の温度決定における大きな不確かさ要因であった信号強
度に対する非線型応答性の影響がなくなり、十分な温度
決定精度を得ることができる。
する光検出器をフォトンカウンティング検出器にするこ
とで、１光子単位の測定が可能となり、原理的に信号強
度に対して線型な測定が可能である。従来の放射温度計
の温度決定における大きな不確かさ要因であった信号強
度に対する非線型応答性の影響がなくなり、十分な温度
決定精度を得ることができる。
【００２３】同一の原子あるいは分子が持つ複数の二重
共鳴遷移に対して、前記熱放射と複数の波長の異なる可
視光あるいは紫外光レーザー、又は波長可変な可視光あ
るいは紫外光レーザーを共鳴させ、これによって生じた
光の強度変化の観測を、前記複数の波長の異なる可視光
あるいは紫外光レーザーの吸収強度の比または前記可視
光あるいは紫外光レーザーの複数の波長における蛍光強
度の比の測定により行うため、前記数式２における装置
係数Ｃを消去することができる。従って参照温度定点で
の校正を不要にし、直接物体の温度を決定することが可
能となる
共鳴遷移に対して、前記熱放射と複数の波長の異なる可
視光あるいは紫外光レーザー、又は波長可変な可視光あ
るいは紫外光レーザーを共鳴させ、これによって生じた
光の強度変化の観測を、前記複数の波長の異なる可視光
あるいは紫外光レーザーの吸収強度の比または前記可視
光あるいは紫外光レーザーの複数の波長における蛍光強
度の比の測定により行うため、前記数式２における装置
係数Ｃを消去することができる。従って参照温度定点で
の校正を不要にし、直接物体の温度を決定することが可
能となる
【００２４】二重共鳴による波長変換手段により、測定
対象である物体からの熱放射の赤外光を、これよりも波
長の短い可視あるいは紫外光に変換する。これはエネル
ギーの低い光子をエネルギーの高い光子に変換すること
に相当するので、赤外もしくは紫外領域の測定を、高感
度・高精度検出が可能な可視波長域で実施することが可
能となる。
対象である物体からの熱放射の赤外光を、これよりも波
長の短い可視あるいは紫外光に変換する。これはエネル
ギーの低い光子をエネルギーの高い光子に変換すること
に相当するので、赤外もしくは紫外領域の測定を、高感
度・高精度検出が可能な可視波長域で実施することが可
能となる。
【００２５】２重共鳴の典型的な方法としては、図２に
示すごとく三通りが主に考えられる。それらを第１遷移
パターン、第２遷移パターンおよび第３遷移パターンと
呼ぶことにする。もちろん、その他のパターンも存在し
うることは明らかである。
示すごとく三通りが主に考えられる。それらを第１遷移
パターン、第２遷移パターンおよび第３遷移パターンと
呼ぶことにする。もちろん、その他のパターンも存在し
うることは明らかである。
【００２６】第１遷移パターンは、図２−１に示される
ように、吸収・蛍光法であり、検出したい赤外光が入る
と、Ｓ→Ｐ遷移が生じる。するとＰ準位の原子は常時入
れておいた可視レーザー光を吸収してＰ→Ｄ遷移が生
じ、Ｄ準位に励起されるので、可視レーザー光の一部に
吸収ピークが観測されることになる。また、同時に、Ｄ
→Ｐ遷移も起こるので、この遷移は蛍光により観測する
こともできる。
ように、吸収・蛍光法であり、検出したい赤外光が入る
と、Ｓ→Ｐ遷移が生じる。するとＰ準位の原子は常時入
れておいた可視レーザー光を吸収してＰ→Ｄ遷移が生
じ、Ｄ準位に励起されるので、可視レーザー光の一部に
吸収ピークが観測されることになる。また、同時に、Ｄ
→Ｐ遷移も起こるので、この遷移は蛍光により観測する
こともできる。
【００２７】第２の遷移パターンは、図２−２に示され
る。の可視光を常時に入れておくことにより、原子を
P準位に上げておく。次に、のように、検出したい赤
外光が入ると、原子は、D準位に励起されてしまうの
で、P準位からの可視光の蛍光が弱くなるものである。
この方法は、その蛍光が減る（ほぼ蛍光がなくなる）様
子を観測する方法である。蛍光がほぼゼロになる様子を
観測するため、高感度な測定が可能である。
る。の可視光を常時に入れておくことにより、原子を
P準位に上げておく。次に、のように、検出したい赤
外光が入ると、原子は、D準位に励起されてしまうの
で、P準位からの可視光の蛍光が弱くなるものである。
この方法は、その蛍光が減る（ほぼ蛍光がなくなる）様
子を観測する方法である。蛍光がほぼゼロになる様子を
観測するため、高感度な測定が可能である。
【００２８】第３の遷移パターンは、図２−３に示され
る。あらかじめ励起用レーザー光あるいは放電などによ
り、原子をＤ準位に励起しておく。そこに、検出したい
赤外光が入ると、Ｄ→Ｐ遷移が生じ、原子がＰ準位に励
起される。すると自然放出によりＰ→Ｓ遷移が生じ、蛍
光を観測することができる。
る。あらかじめ励起用レーザー光あるいは放電などによ
り、原子をＤ準位に励起しておく。そこに、検出したい
赤外光が入ると、Ｄ→Ｐ遷移が生じ、原子がＰ準位に励
起される。すると自然放出によりＰ→Ｓ遷移が生じ、蛍
光を観測することができる。
【００２９】
【実施例１】 本願発明を実施する装置の第一の実施例
を図３に示す。図３においては、測定対象である物体の
放射光（赤外光）と可視レーザー光とをビームスプリッ
ターで重ね合わせ、原子セルに導入する。そして、該セ
ルからの透過光の吸収あるいはセルの側方に出射された
蛍光を測定する。上記可視レーザーとしては、周波数可
変のプローブレーザー、つまり周波数可変なチタンサフ
ァイアレーザー、色素レーザー、あるいは半導体レーザ
ーを使用することができる。原子セルからの透過光ある
いは蛍光は、可視域の通常のシリコンフォトディテクタ
ーにより光を受け電気信号に変換する。電気信号に変換
された後は、増幅器により信号を増幅し、その信号はオ
シロスコープ等によって観測することができる。この信
号は測定対象の表面温度とプランクの輻射公式によって
つながっている熱放射輝度に比例している。したがっ
て、この信号をプランクの輻射公式に代入し、温度を決
定するといった信号処理系を介すことで、最終的に温度
が求まる。複数の二重共鳴系を有する物質として、原子
の場合には、超微細構造準位、分子の場合には、回転準
位を利用する。
を図３に示す。図３においては、測定対象である物体の
放射光（赤外光）と可視レーザー光とをビームスプリッ
ターで重ね合わせ、原子セルに導入する。そして、該セ
ルからの透過光の吸収あるいはセルの側方に出射された
蛍光を測定する。上記可視レーザーとしては、周波数可
変のプローブレーザー、つまり周波数可変なチタンサフ
ァイアレーザー、色素レーザー、あるいは半導体レーザ
ーを使用することができる。原子セルからの透過光ある
いは蛍光は、可視域の通常のシリコンフォトディテクタ
ーにより光を受け電気信号に変換する。電気信号に変換
された後は、増幅器により信号を増幅し、その信号はオ
シロスコープ等によって観測することができる。この信
号は測定対象の表面温度とプランクの輻射公式によって
つながっている熱放射輝度に比例している。したがっ
て、この信号をプランクの輻射公式に代入し、温度を決
定するといった信号処理系を介すことで、最終的に温度
が求まる。複数の二重共鳴系を有する物質として、原子
の場合には、超微細構造準位、分子の場合には、回転準
位を利用する。
【００３０】物体の発する赤外光を可視光に変換して、
可視光の吸収又は蛍光を測定する方法について、図５を
参照しつつ説明する。図５の（ａ）においては、ヘリウ
ムの一重項状態を示している。はじめ、準位21S0に放電
によって原子を励起しておく。この21S0は、準安定状態
であり、この状態に原子を励起させておけば、2μｍの
赤外遷移が起こると、P-Sの584nmの可視域の蛍光がで
る。一般に基底状態と許容遷移で結ばれる第一励起状態
の間の遷移は共鳴線という名前で呼ばれ、強い遷移であ
る上、詳細に調べられている遷移でもある。あるいは、
2.0581μｍの赤外遷移が起こると、P-Dの667.8nmの可視
遷移も起こるので、この赤外遷移を可視光の吸収で観測
することができる。
可視光の吸収又は蛍光を測定する方法について、図５を
参照しつつ説明する。図５の（ａ）においては、ヘリウ
ムの一重項状態を示している。はじめ、準位21S0に放電
によって原子を励起しておく。この21S0は、準安定状態
であり、この状態に原子を励起させておけば、2μｍの
赤外遷移が起こると、P-Sの584nmの可視域の蛍光がで
る。一般に基底状態と許容遷移で結ばれる第一励起状態
の間の遷移は共鳴線という名前で呼ばれ、強い遷移であ
る上、詳細に調べられている遷移でもある。あるいは、
2.0581μｍの赤外遷移が起こると、P-Dの667.8nmの可視
遷移も起こるので、この赤外遷移を可視光の吸収で観測
することができる。
【００３１】
【実施例２】 図５の（ｂ）を参照して、Heの三重項状
態を用いた例を説明する。はじめに、23S1に原子を励起
させておく。23S1も準安定状態である。この遷移に原子
を励起しておけば、1.083μｍの赤外遷移が起こると、P
-Dの587.5nmの可視遷移が起こる。したがってこの様子
を587.5nmの可視光の吸収によって観測することができ
る。
態を用いた例を説明する。はじめに、23S1に原子を励起
させておく。23S1も準安定状態である。この遷移に原子
を励起しておけば、1.083μｍの赤外遷移が起こると、P
-Dの587.5nmの可視遷移が起こる。したがってこの様子
を587.5nmの可視光の吸収によって観測することができ
る。
【００３２】
【実施例３】図５の（ａ）と（ｂ）の表す２つの系を２
波長に対する二重共鳴系として用いることができる。
波長に対する二重共鳴系として用いることができる。
【００３３】
【実施例４】 図６の左図に、ストロンチウムイオンに
おける遷移の例を示す。D-Pの1.09μｍ赤外遷移がおこ
ると、P-Sの422nm遷移がおこるので、この様子を可視の
蛍光で観測することができる。
おける遷移の例を示す。D-Pの1.09μｍ赤外遷移がおこ
ると、P-Sの422nm遷移がおこるので、この様子を可視の
蛍光で観測することができる。
【００３４】
【実施例５】 図６の右図に、イットリビウムイオンに
おける遷移の例を示す。D-Pの2.4μｍ赤外遷移がおこる
とP-Sの369nm遷移がおこるので、この様子を可視の蛍光
で観測することができる。
おける遷移の例を示す。D-Pの2.4μｍ赤外遷移がおこる
とP-Sの369nm遷移がおこるので、この様子を可視の蛍光
で観測することができる。
【００３５】
【実施例６】 図７に、カルシウム原子における遷移の
例を示す。Ｄの状態に放電等により原子を励起してお
く。ここへ、5.5μｍの赤外光が入射すると、P-Sの423n
m遷移がおこるので、この様子を可視の蛍光で観測する
ことができる。
例を示す。Ｄの状態に放電等により原子を励起してお
く。ここへ、5.5μｍの赤外光が入射すると、P-Sの423n
m遷移がおこるので、この様子を可視の蛍光で観測する
ことができる。
【００３６】
【実施例７】 図８に複数遷移における測定系の概念
図、図９に、ナトリウム原子における遷移の例を示す。
818ｎｍの赤外光と589.75ｎｍの可視光および819.7ｎｍ
の赤外光と389.15ｎｍの可視光がそれぞれ共鳴してい
る。818ｎｍの赤外光が入ると、589.75ｎｍの遷移から
の蛍光が減少するので、これを測定する。他方の遷移に
ついても同様である。この蛍光強度を光検出器で検出
し、その比を測定することで、装置係数を消去すること
ができ、定点校正が不要となる。
図、図９に、ナトリウム原子における遷移の例を示す。
818ｎｍの赤外光と589.75ｎｍの可視光および819.7ｎｍ
の赤外光と389.15ｎｍの可視光がそれぞれ共鳴してい
る。818ｎｍの赤外光が入ると、589.75ｎｍの遷移から
の蛍光が減少するので、これを測定する。他方の遷移に
ついても同様である。この蛍光強度を光検出器で検出
し、その比を測定することで、装置係数を消去すること
ができ、定点校正が不要となる。
【００３７】
【実施例８】 図１０に、リチウム原子における遷移の
例を示す。27.956μｍまたは27.953μｍの赤外光が入る
ことにより、323.35ｎｍの紫外光の吸収に変化が生じ、
この変化を観測することができる。この蛍光強度を光検
出器で検出し、その比を測定することで、装置係数を消
去することができ、定点校正が不要となる。
例を示す。27.956μｍまたは27.953μｍの赤外光が入る
ことにより、323.35ｎｍの紫外光の吸収に変化が生じ、
この変化を観測することができる。この蛍光強度を光検
出器で検出し、その比を測定することで、装置係数を消
去することができ、定点校正が不要となる。
【００３８】
【実施例９】実施例７、８において、原子または分子の
二重共鳴における量子効率をあらかじめ測定し、二重共
鳴現象によって生じた光強度変化を観測する光検出器を
フォトンカウンティング検出器にすることで絶対測定が
可能となり、熱力学的に温度決定ができる。
二重共鳴における量子効率をあらかじめ測定し、二重共
鳴現象によって生じた光強度変化を観測する光検出器を
フォトンカウンティング検出器にすることで絶対測定が
可能となり、熱力学的に温度決定ができる。
【００３９】
【発明の効果】 本願発明は、二重共鳴の手法を用いる
ことで、従来の放射温度計による温度目盛設定方法に必
要とされていた干渉フィルターの相対分光透過率と検出
器の相対分光感度の積としての分光応答度の測定、検出
器の信号強度の線型性の測定とその他装置係数を決定す
る手段としての参照温度定点（銅点）での測定を行うこ
となく、温度目盛が実現でき、従来の課題を解決した。
また、測定対象である物体からの熱放射の赤外光を、こ
れよりも波長の短い可視あるいは紫外光に変換すること
で、赤外もしくは紫外領域の測定を、高感度・高精度検
出が可能な可視波長域で実施することが可能となった。
ことで、従来の放射温度計による温度目盛設定方法に必
要とされていた干渉フィルターの相対分光透過率と検出
器の相対分光感度の積としての分光応答度の測定、検出
器の信号強度の線型性の測定とその他装置係数を決定す
る手段としての参照温度定点（銅点）での測定を行うこ
となく、温度目盛が実現でき、従来の課題を解決した。
また、測定対象である物体からの熱放射の赤外光を、こ
れよりも波長の短い可視あるいは紫外光に変換すること
で、赤外もしくは紫外領域の測定を、高感度・高精度検
出が可能な可視波長域で実施することが可能となった。
【図１】 プランクの輻射法則による放射強度の波長特
性図
性図
【図２】 二重共鳴法における原子遷移の典型例
【図３】 本願発明に係る装置の概念図
【図４】 温度決定のブロックダイアグラム
【図５】 ヘリウム原子における原子遷移の例
【図６】 Ｓｒイオン及びＹｂイオンにおける原子遷移
の例
の例
【図７】 カルシウム原子における原子遷移の例
【図８】 複数遷移における測定系の概念図
【図９】 ナトリウム原子における原子遷移の例
【図１０】リチウム原子における原子遷移の例
Claims (12)
- 【請求項１】 測定対象から放射される熱放射の分光強
度を測定し、該測定対象の温度を求める放射温度測定装
置において、原子又は分子のエネルギー準位間の光学遷
移から成る二重共鳴現象を利用して該測定対象の温度を
求めることを特徴とする放射温度測定装置。 - 【請求項２】 請求項１記載の放射温度測定装置におい
て、該装置は、原子又は分子のエネルギー準位間の光学
遷移から成る前記二重共鳴現象を利用する波長変換手段
及び前記二重共鳴現象によって生じた光強度の変化を観
測する観測手段を有し、該観測された光強度の変化から
該測定対象の温度求めることを特徴とする放射温度測定
装置。 - 【請求項３】 請求項２記載の放射温度測定装置におい
て、前記波長変換手段において共鳴する遷移は、前記熱
放射の光子と、前記熱放射の光子よりエネルギーの高い
光子とにそれぞれ共鳴する遷移であることを特徴とする
放射温度測定装置。 - 【請求項４】 請求項２又は３記載の放射温度測定装置
において、前記二重共鳴現象による波長変換手段は、前
記熱放射の入射光学系、二重共鳴遷移を有する物質及び
可視光又は紫外光レーザーから成り、前記二重共鳴現象
によって生じた光の強度変化の観測手段は、前記可視光
又は紫外光レーザーの光吸収強度の変化を測定する光検
出器であることを特徴とする放射温度測定装置。 - 【請求項５】 請求項２又は３記載の放射温度測定装置
において、前記二重共鳴現象による波長変換手段は、前
記熱放射の入射光学系、二重共鳴遷移を有する物質及び
可視光又は紫外光レーザーから成り、前記二重共鳴現象
によって生じた光の強度変化の観測手段は、前記可視光
又は紫外光レーザーによって励起された原子若しくは分
子の自然放出により生じた蛍光強度の変化を測定する光
検出器であることを特徴とする放射温度測定装置。 - 【請求項６】 請求項２又は３記載の放射温度測定装置
において、前記二重共鳴現象による波長変換手段は、前
記熱放射の入射光学系、前記二重共鳴遷移を有する物質
及び原子又は分子を準安定状態に励起させるための励起
源から成ることを特徴とする放射温度測定装置。 - 【請求項７】 請求項６記載の放射温度測定装置におい
て、前記二重共鳴現象によって生じた光強度変化の観測
手段は、蛍光強度変化を測定する光検出器であることを
特徴とする放射温度測定装置 - 【請求項８】 請求項６記載の放射温度測定装置におい
て、上記励起源は、光源又は放電装置であることを特徴
とする放射温度測定装置。 - 【請求項９】 請求項４ないし８のいずれかの請求項に
記載された放射温度測定装置において、前記二重共鳴遷
移を有する物質は、気体であることを特徴とする放射温
度測定装置。 - 【請求項１０】請求項４、５又は７のいずれかの請求項
に記載された放射温度測定装置において、前記光検出器
はフォトンカウンティング検出器であることを特徴とす
る放射温度測定装置。 - 【請求項１１】 請求項２記載の放射温度測定装置にお
いて、前記二重共鳴現象による変換手段は、前記熱放射
の入射光学系、複数の二重共鳴系を有する物質及び複数
の波長の異なる可視光又は紫外光レーザーから成り、複
数の二重共鳴現象によって生じた光強度の観測手段は、
前記複数の波長の異なる可視光若しくは紫外光レーザー
の吸収強度又は前記可視光若しくは紫外光レーザーの複
数の波長における蛍光強度を光検出器で検出し、その比
を測定することを特徴とする放射温度測定装置。 - 【請求項１２】 請求項２記載の放射温度測定装置にお
いて、前記二重共鳴現象による波長変換手段は、前記熱
放射の入射光学系、複数の二重共鳴系を有する物質及び
波長可変な可視光又は紫外光レーザーから成り、複数の
二重共鳴現象によって生じた光強度の観測手段は、前記
波長可変な可視光若しくは紫外光レーザーの複数の波長
における吸収強度の比又は前記可視光若しくは紫外光レ
ーザーの複数の波長における蛍光強度の比を測定するこ
とを特徴とする放射温度測定装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002125098A JP3713538B2 (ja) | 2002-04-26 | 2002-04-26 | 二重共鳴を利用する放射温度測定装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002125098A JP3713538B2 (ja) | 2002-04-26 | 2002-04-26 | 二重共鳴を利用する放射温度測定装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003315158A true JP2003315158A (ja) | 2003-11-06 |
| JP3713538B2 JP3713538B2 (ja) | 2005-11-09 |
Family
ID=29539914
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2002125098A Expired - Lifetime JP3713538B2 (ja) | 2002-04-26 | 2002-04-26 | 二重共鳴を利用する放射温度測定装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3713538B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110455417A (zh) * | 2019-08-21 | 2019-11-15 | 北京环境特性研究所 | 针对红外光学系统杂散辐射的定量测量误差校正方法 |
-
2002
- 2002-04-26 JP JP2002125098A patent/JP3713538B2/ja not_active Expired - Lifetime
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110455417A (zh) * | 2019-08-21 | 2019-11-15 | 北京环境特性研究所 | 针对红外光学系统杂散辐射的定量测量误差校正方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP3713538B2 (ja) | 2005-11-09 |
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