JP2004245674A

JP2004245674A - 放射温度測定装置

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Publication number: JP2004245674A
Application number: JP2003034975A
Authority: JP
Inventors: Takeharu Tani; 武晴谷
Original assignee: Fuji Photo Film Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Holdings Corp
Priority date: 2003-02-13
Filing date: 2003-02-13
Publication date: 2004-09-02

Abstract

【課題】放射温度測定装置において、放射温度を高い感度で測定する。
【解決手段】レーザ光１６を発する光源１５と、ガラスからなる透明誘電体ブロック１１上に、金属薄膜１２、ＰＭＭＡからなる熱光学効果を有するＴＯ膜１３、および赤外線吸収膜１４がこの順に設けられてなる測定部１０と、発散光状態で発せられたレーザ光１６を、透明誘電体ブロック１１の一面から、透明誘電体ブロック１１と金属薄膜１２との界面に種々の入射角が得られるように入射させる入射光学系１７と、ブロック１１と金属薄膜１２との界面で全反射した反射光を平行光化するコリメータレンズ１８と、該反射光を検出する光検出手段としてのフォトダイオードアレイ１９と、フォトダイオードアレイ１９の検出結果からＴＯ膜１３の屈折率変化量を求め、該屈折率から被測定物１４の放射温度を求める信号処理部２０とから構成する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、物質の放射温度を測定する放射温度測定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
物質からの放射温度、温度変化あるいは放射温度分布を測定することが、セキュリティ分野、設備監視装置、医療分野などで要求されている。例えば、放射温度を測定する装置として、温度変化を抵抗変化として検出するボロメータ型赤外線センサが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
また、基材上に形成した異種金属の互いの端部を接点として接続した熱電対（サーモカップル）を複数直列接続することにより熱電堆（サーモパイル）を構成し、ゼーベック効果を利用して赤外線の放射吸収による温度変化を熱起電力として検出するサーモパイル型赤外線センサが提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００４】
また、赤外線集光レンズを用いて、測定物から発せられる赤外線を集光し、これを検出器により光電変換することにより放射温度を測定する携帯型放射温度計も提案されている（例えば、特許文献３参照）。
【０００５】
一方、金属中で自由電子が集団的に振動して、プラズマ波と呼ばれる粗密波が生じることが知られており、金属表面に生じるこの粗密波を量子化したものは表面プラズモンと呼ばれ、この表面プラズモンが光波によって励起される現象を利用して、試料の物性を分析する表面プラズモン測定装置が種々提案されている。
そして、それらの中で特によく知られているものとして、Ｋｒｅｔｓｃｈｍａｎｎ配置と称される系を用いるものが挙げられる（例えば、特許文献４参照）。
【０００６】
上記の系を用いる表面プラズモン測定装置は基本的に、例えばブロック状に形成された誘電体ブロックと、この誘電体ブロックの一面に形成されて試料に接触させられる金属薄膜と、光を発生させる光源と、上記光ビームを誘電体ブロックに対して、該誘電体ブロックと金属薄膜との界面で全反射条件となり、かつ、表面プラズモン共鳴条件を含む種々の入射角が得られるように入射させる光学系と、上記界面で全反射した光ビームの強度を測定して表面プラズモン共鳴の状態を検出する光検出手段とを備えてなるものである。
【０００７】
上記構成の表面プラズモン測定装置において、光ビームを金属薄膜に対して全反射角以上の特定入射角θ_ＳＰで入射させると、該金属薄膜に接している放射温度分布をもつ試料中にエバネッセント波が生じ、このエバネッセント波によって金属薄膜と試料との界面に表面プラズモンが励起される。エバネッセント光の波数ベクトルが表面プラズモンの波数と等しくて波数整合が成立しているとき、両者は共鳴状態となり、光のエネルギーが表面プラズモンに移行するので、誘電体ブロックと金属薄膜との界面で全反射した光の強度が鋭く減衰する。この光強度の減衰は、一般に上記光検出手段により暗線として検出される。したがって、この全反射減衰が生じる入射角である全反射減衰角θ_ＳＰより表面プラズモンの波数が分かる。なお上記の共鳴は、入射ビームがｐ偏光のときにだけ生じる。従って、光ビームがｐ偏光で入射するように予め設定しておく必要がある。
【０００８】
表面プラズモンの波数が分かると、試料の誘電率が求められる。すなわち表面プラズモンの波数をＫ_ＳＰ、表面プラズモンの角周波数をω、ｃを真空中の光速、ε_ｍとε_ｓをそれぞれ金属、試料の誘電率とすると、以下の関係がある。
【０００９】
【数１】

試料の誘電率ε_ｓが分かれば、所定の較正曲線等に基づいて試料の屈折率が分かるので、結局、上記全反射減衰が生じる全反射減衰角θ_ＳＰを知ることにより、試料の屈折率あるいは屈折率に関連する特性を分析することができる。
【００１０】
また、エバネッセント波を利用した類似のセンサーとして、漏洩モードセンサも知られている（例えば非特許文献１参照）。この漏洩モードセンサは基本的に、例えばプリズム状に形成された誘電体ブロックと、この誘電体ブロックの一面に形成されたクラッド層と、このクラッド層の上に形成されて、試料に接触させられる光導波層と、光ビームを発生させる光源と、上記光ビームを上記誘電体ブロックに対して、該誘電体ブロックとクラッド層との界面で全反射条件が得られるように種々の角度で入射させる光学系と、上記界面で全反射した光ビームの強度を測定する光検出手段と、該光検出手段の検出結果に基づいて導波モードの励起状態を測定する測定手段とを備えてなるものである。
【００１１】
なお、エバネッセント波を利用したセンサにおいて、光検出手段により前記界面で全反射した光ビームの強度を検出して、試料の特性を分析する方法としては種々の方法があり、例えば、前述したように、光ビームを前記界面で全反射条件が得られる種々の入射角で入射させ、各入射角に対応した位置毎に前記界面で全反射した光ビームの強度を検出して、全反射減衰により発生した暗線の位置（全反射減衰角θ_ＳＰ）を検出することにより全反射減衰の状態を測定して、試料の特性を分析する方法、あるいは、複数の波長の光ビームを前記界面で全反射条件が得られる入射角で入射させ、各波長毎に前記界面で全反射した光ビームの強度を検出して、全反射減衰波長λ_ＳＰを検出することにより試料の特性を分析する方法を挙げることができる（例えば非特許文献２参照）。
【００１２】
【特許文献１】
特開２００２−２３６０５１号公報
【００１３】
【特許文献２】
特開２００２−１５６２８３号公報
【００１４】
【特許文献３】
特開２００２−８１９９４号公報
【００１５】
【特許文献４】
特開平６−１６７４４３号公報
【００１６】
【非特許文献１】
「分光研究」第４７巻第１号（１９９８）第２１〜２３頁および第２６〜２７頁
【００１７】
【非特許文献２】
Ｄ．Ｖ．Ｎｏｏｒｔ，Ｋ．Ｊｏｈａｎｓｅｎ，Ｃ．Ｆ．Ｍａｎｄｅｎｉｕｓ，ＰｏｒｏｕｓＧｏｌｄｉｎＳｕｒｆａｃｅＰｌａｓｍｏｎＲｅｓｏｎａｎｃｅＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ，ＥＵＲＯＳＥＮＳＯＲＳＸＩＩＩ，１９９９，ｐｐ．５８５−５８８
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
従来技術の放射温度測定装置では、微小な温度あるいは温度変化を測定することが容易ではなかった。また、温度分布等の２次元画像を得るためには、測定光を２次元的に走査させると装置が大型化し、光源を２次元アレイ化すると高価になるという問題があった。
【００１９】
本発明は上記事情に鑑みて、簡便な構成であって安価に作製される、微小な放射温度あるいは温度分布まで、高感度で測定が可能な放射温度測定装置を提供することを目的とするものである。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の放射温度測定装置は、光源と、薄膜層、および被測定物に対向する熱光学効果を有する膜をこの順に、該熱光学効果を有する膜の屈折率より高い屈折率を有する前記光源からの光を透過する誘電体ブロック上に備えてなる測定部と、光源からの光を、誘電体ブロックと薄膜層との界面で全反射条件が得られるように、誘電体ブロック側から界面に入射させる入射光学系と、誘電体ブロックと薄膜層との界面で全反射した光の強度を検出する光検出手段と、光検出手段によって得られた全反射した光の強度変化に基づく全反射減衰の状態により、被測定物からの放射温度を求める信号処理部とからなることを特徴とするものである。
【００２１】
本発明の第２の放射温度測定装置は、光源と、表面に回折格子が設けられた光を透過させる誘電体ブロックの該表面上に、薄膜層、および被測定物に対向する熱光学効果を有する膜をこの順に備えた測定部と、光源からの光を、回折格子に誘電体ブロック側から入射させる入射光学系と、回折格子で反射した光の強度を検出する光検出手段と、光検出手段により得られた反射した光の強度変化に基づいて、被測定物からの放射温度を求める信号処理部とからなることを特徴とするものである。
【００２２】
熱光学効果を有する膜は透明材料からなることが望ましい。
【００２３】
さらに、熱光学効果を有する膜はポリマーからなることが望ましい。
【００２４】
さらには、熱光学効果を有する膜はＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）からなることが望ましい。
【００２５】
また、熱光学効果を有する膜の上に、赤外線吸収材料を含む膜を備えていることが望ましい。
【００２６】
赤外線吸収材料はカーボンブラックであることが望ましい。
【００２７】
被測定物からの赤外線を測定部に集光させる赤外線集光レンズを備えていることが望ましい。
【００２８】
また、上記放射温度測定装置において、上記薄膜層をクラッド層と、クラッド層より屈折率の高い光導波層とから構成し、該光導波層における導波モードの励起による効果を利用して放射温度を測定するように構成されたものとしてもよい。
【００２９】
なお、上記本発明の装置により測定可能な「放射温度」は、絶対値と相対値の両方を含むものである。
【００３０】
【発明の効果】
本発明の第１の放射温度測定装置は、表面プラズモンあるいは導波モードと界面から薄膜層に進入したエバネッセント光との共鳴による全反射光の光強度変化に基づく全反射減衰状態により、被測定物からの放射温度を、熱光学効果を有する膜の屈折率変化から求めるものである。エバネッセント光による全反射減衰を利用したセンサは共鳴特性が急峻であり、微小な屈折率変化を容易に検知することが可能であることから、熱光学効果を有する膜の微小な屈折率変化を高感度で検知することができるので、被測定物からの放射温度を高い感度で測定することが可能である。
【００３１】
また、本発明による装置によれば、従来のボロメータ型赤外線センサやサーモパイル型赤外線センサのように、複雑な構造の測定部を必要とせず、装置の構成を簡便なものとすることができ、安価で小型化されたものとすることができる。
【００３２】
また、本発明の第２の放射温度測定装置は、表面プラズモンあるいは導波モードと回折格子から薄膜層に進入した回折光との共鳴による反射光の光強度変化に基づく全反射減衰状態により、被測定物からの放射温度を、熱光学効果を有する膜の屈折率変化から求めるものであり、上記本発明の第１の放射温度測定装置と同様に微小な放射温度を高い感度で測定することができる。
【００３３】
熱光学効果を有する膜を透明材料からなるものとした場合は、さらに、急峻な共鳴特性を得ることができ、感度高く放射温度を測定することが可能となる。
【００３４】
また、熱光学効果を有する膜をポリマーからなるものとした場合は、膜形成が容易であり、屈折率温度係数が高いため、より高い感度で放射温度を測定することが可能である。
【００３５】
また、熱光学効果を有する膜をＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）からなるものとした場合は、屈折率温度係数が１．１×１０^−４と高く、赤外光に対する透明性も高いため、高い感度で放射温度を測定することが可能である。
【００３６】
また、熱光学効果を有する膜の上に、赤外線吸収材料を含む膜を備えた場合は、より効率良く赤外放射光を、熱光学効果を有する膜上に集光させることができるので、より高感度で放射温度を測定することが可能となる。
【００３７】
赤外線吸収材料にカーボンブラックを用いた場合は、良好に赤外放射光を吸収することが可能であり、高感度な測定が可能である。
【００３８】
被測定物からの赤外線を測定部に集光させる赤外線集光レンズを備えた場合は、測定光を測定部に対して２次元的に走査させる手段が不要であるため、容易に簡便な装置で被測定物の放射温度分布を得ることができる。
【００３９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を用いて詳細に説明する。
【００４０】
本発明の第１の実施形態による放射温度測定装置について説明する。その装置の概略側面形状を図１に示す。
【００４１】
本実施形態による放射温度測定装置は、図１に示すように、光ビーム１６を発生させる例えば半導体レーザ素子からなる光源１５と、例えばガラス（屈折率１．５）あるいはプラスチック（屈折率１．４〜１．６程度）等からなる、三角柱の一部が切り取られた形状の光ビーム１６を透過させる誘電体ブロック１１上に、例えば金、銀、銅、あるいはアルミニウム等からなる金属薄膜１２、例えばＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート；屈折率１．４９程度、屈折率温度係数１．１×１０^−４）からなる熱光学効果を有する膜１３（以下、ＴＯ膜と記載する）および赤外線吸収膜１４がこの順に設けられてなる測定部１０と、測定部１０に被測定物２３からの赤外放射光を集光させる集光レンズ２２と、発散光状態で発せられた光ビーム１６を、誘電体ブロック１１の一面１１ｂから、誘電体ブロック１１と金属薄膜１２との界面１１ａに種々の入射角が得られるように入射させる入射光学系１７と、透明誘電体ブロック１１と金属薄膜１２との界面で全反射し発散光の状態で誘電体ブロック１１の他の一面１１ｃから出射された光ビーム１６を平行光化するコリメータレンズ１８と、該平行光化された光を検出する光検出手段としてのフォトダイオードアレイ１９と、フォトダイオードアレイ１９によって検出された全反射光の光強度変化に基づいて全反射減衰状態により被測定物２３からの放射温度を求める信号処理部２０と、信号処理部２０により求められた放射温度を表示する表示部２１とからなるものである。
【００４２】
光ビーム１６は、上述のように誘電体ブロック１１と金属薄膜１２との界面で集光されるので、種々の入射角θで入射する成分を含むことになる。なお、この入射角は、界面１１ａに対して臨界角以上の角度とされる。光ビーム１６は、界面で全反射し、この全反射した光ビームには種々の反射角で反射する成分が含まれることになる。
【００４３】
なお、光ビーム１６は、界面に対してｐ偏光で入射させる。そのようにするためには、予め、レーザ光の向きをその偏光方向になるように配置すればよい。その他、波長板や偏光板で光１６の偏光の向きを制御してもよい。
【００４４】
誘電体ブロック１１は、金属薄膜１２が形成される検出面（つまり、上記界面１１ａ）と、光源からの光が入射される入射面１１ｂと、誘電体ブロック１１と金属薄膜１２との界面１１ａで全反射した光ビーム１６を出射する出射面１１ｃとを有する。
【００４５】
入射光学系１７は、光源から発散光状態で発せられた光ビーム１６を平行光化するコリメータレンズ１７ａと、誘電体ブロック１１と金属薄膜１２との界面に収束させる集光レンズ１７ｂとからなる。
【００４６】
赤外光集光レンズ２２は、被測定物からの赤外放射光２４をＴＯ膜１３上に結像するものであって、赤外光を良好に透過させる材料、例えばＧｅあるいはＺｎＳｅからなることが望ましい。
【００４７】
赤外線吸収膜１４を設けることにより、被測定物２３からの赤外放射光２４を効率良く吸収することが可能となり、精度高く被測定物２３からの放射温度を測定することができる。
【００４８】
ＴＯ膜１３の厚さは、１〜１０μｍ程度が望ましい。薄い程比熱が小さく応答が短くなるので望ましいが、全反射によって生じるエバネッセント光の浸み出し深さ（数１００ｎｍ）よりは厚くすることが望ましい。
【００４９】
熱光学効果を有する膜の屈折率温度係数は、１×１０^−５以上であることが望ましい。
【００５０】
次に、上記構成からなる放射温度測定装置の動作について説明する。
【００５１】
光源１５から発せられた光ビーム１６は、入射光学系１７の作用により、誘電体ブロック１１と金属薄膜１２との界面１１ａで収束するように、誘電体ブロック１１の一面から入射されて、該ブロック１１と金属薄膜１２との界面１１ａに全反射角以上の角度で入射する。
【００５２】
この際、光ビーム１６は、界面１１ａに対して種々の入射角で入射する成分を含むことになる。なお、界面１１ａに入射した光１６はそこで全反射し、全反射した光ビーム１６は誘電体ブロック１１から出射し、コリメータレンズ１８によって平行光化され、フォトダイオードアレイ１９により光強度が検出される。フォトダイオードアレイ１９は複数のフォトダイオードが一列に並設されてなり、図１の面内において、光の進行方向に対してフォトダイオード並設方向がほぼ直角となる向きに配設されている。従って、上記界面において種々の反射角で全反射した光ビームの各成分をそれぞれ異なるフォトダイオードが受光することになる。
【００５３】
界面１１ａで光ビーム１６が全反射するとき、誘電体ブロック１１から金属薄膜１２側にエバネッセント光が浸み出す。そして、光ビーム１６が界面１１ａに対してある特定の入射角θｓｐで入射した場合は、このエバネッセント波は金属薄膜１２とＴＯ膜１３との界面で表面プラズモンを励起するのに利用されるため、この角度の光については反射光強度が鋭く低下する。この時の全反射角が全反射減衰角θｓｐであり、角度θｓｐにおいて、反射光強度は最小値をとる。
【００５４】
信号処理部２０は、フォトダイオードアレイ１９から得られた全反射光の光強度変化に基づいて全反射減衰の状態により被測定物からの放射温度を求める。以下に詳しく説明する。
【００５５】
まず、所定の温度、例えば室温２０℃の場合の、ＴＯ膜１３の屈折率ｎ_０（基準屈折率ｎ_０）を、ダイオードアレイ１９により得られた全反射減衰角θｓｐから求める。
【００５６】
次に、測定部１０を、赤外光集光レンズ２２を挟んでＴＯ膜１３に対向させて配置する。このとき、被測定物１４からの赤外放射光が赤外光集光レンズ２２でＴＯ膜１３上に集光される。放射温度によってＴＯ膜１３の屈折率が変化する。変化後のＴＯ膜１３の屈折率ｎ_１をダイオードアレイ１９により得られた全反射減衰角θｓｐから求める。
【００５７】
基準測定物の場合の屈折率ｎ_０と被測定物設置後の屈折率ｎ_１とからＴＯ膜１３の屈折率変化量Δｎ（ｎ_１−ｎ_０）を求め、該屈折率変化量ΔｎからＴＯ膜１３に生じる温度Ｔを算出する。
【００５８】
ＰＭＭＡからなるＴＯ膜１３においては、屈折率温度係数は、１．１×１０^−４である。すなわち、ＴＯ膜１３の温度が１℃上昇したときの屈折率変化Δｎは１．１×１０^−４であるので、屈折率変化量ΔｎからＴＯ膜１３に生じる温度を求めることができる。つまり、屈折率変化量Δｎが１．１×１０^−４であれば温度変化は１℃である。
【００５９】
予め、放射温が分かる測定物に対するＴＯ膜の温度変化（屈折率変化）を、複数の温度で測定しておき、参照用のデータとして保持しておく。実際の測定を行うときには、得られたＴＯ膜の温度変化量を参照用データに照らして放射温度を求める。
【００６０】
あるいは、被測定物１４から測定部１０への光を遮った状態を毎回基準温度として屈折率を測定し、それに対して光を入射したときの屈折率変化量を求めるようにしてもよい。
【００６１】
また、外乱の影響を小さくして、より正確な放射温度を測定するための手段を設けることが望ましい。例えば、図２に示すように、測定部１０と赤外光集光レンズ２２との間に、一定周期で開口部が設けられた円板形の光チョッパー８を設ける。光チョッパーが回転することにより、測定部１０に到達する光のＯＮ／ＯＦＦ切替がなされる。この切替により、図３に示すような、時間的に周期変化する屈折率信号波形を得ることができる。開口部９から赤外放射光２４が測定部１０に到達した場合は、屈折率が極大となり（図中ａ）、遮断された場合は、屈折率が極小となる（図中ｂ）。信号の絶対値は、室温変化などの外乱の影響を受けて変化するが、信号変化、すなわち振幅ｃは一定であるので、この振幅（屈折率変化量Δｎに相当する）だけを検出すれば、より正確な放射温度を求めることができる。
【００６２】
上記のように、信号処理部２０においては、基準屈折率と、被測定物１４を測定した時の屈折率をそれぞれ求めてから屈折率変化量Δｎを算出するようにしてもよいし、表面プラズモンの共鳴状態の変化、すなわち全反射減衰状態の変化から直接求め、放射温度を求めるようにしてもよい。放射温度の絶対値を求めたい場合は、基準温度を予め求めておくことが望ましい。
【００６３】
表面プラズモンの共鳴特性は急峻であり、屈折率変化量Δｎが１×１０^−５程度の屈折率変化は容易に検出することが可能であるので、ＰＭＭＡを用いた場合、０．１度程度の温度変化は容易に測定することが可能である。このように、本発明によれば、従来の放射温度測定方法と比較して、より微小な放射温度あるいは放射温度分布を高い精度で容易に測定することが可能である。
【００６４】
また、ＴＯ膜１３および赤外線吸収膜１４は、図４に示すように、格子状に複数の領域に分割してもよい。これにより、放射温度分布のより高分解能な画像を得ることができる。
【００６５】
次に、本発明の第２の実施形態による放射温度測定装置について説明する。その装置の概略側面図を図５に示す。本実施の形態による装置は、入射光として単色光を平行光化して界面に入射させる構成とした点が上記第１の実施形態と異なる。上記第１の実施形態と同要素には同符号を付し、その説明を省略する（以下、同様）。
【００６６】
本実施形態の放射温度測定装置は、図５に示すように、レーザ光１６を発する半導体レーザ素子からなる光源１５と、測定部１０と、赤外光集光レンズ２２と、発散光状態で発せられたレーザ光１６を平行光化し、誘電体ブロック１１の一面から、誘電体ブロック１１と金属薄膜１２との界面１１ａに全反射以上の角度で入射させる入射光学系を構成するコリメータレンズ２７と、誘電体ブロック１１と金属薄膜１２との界面１１ａで全反射し、平行光の状態でブロック１１の他の一面から出射された光を２次元に検出する光検出手段としてのＣＣＤエリアセンサ２９と、ＣＣＤエリアセンサ２９よって検出された全反射減衰状態に基づいて被測定物１４の放射温度を求める信号処理部２０と、信号処理部２０により求められた放射温度を表示する表示部２１とからなるものである。また、光源１５は、図示されない回転機構を備え、これにより光源１５は回転させられ入射角度を変化させることが可能となっている。また、ＣＣＤエリアセンサ２９は図示されない回転機構を備え、前記入射されるレーザ光１６の角度変化による反射光の角度変化に対応して、位置を変化させることが可能となっている。
【００６７】
本実施形態の装置は、入射光１６を、ある一定の断面積のある平行光とし、界面１１ａからの反射光の断面積の光強度分布を、２次元的に検出可能なＣＣＤエリアセンサ２９により検出することにより、反射光の強度変化に基づく全反射減衰状態により、すなわち、表面プラズモン共鳴の起こる角度から被測定物の２次元放射温度分布を得ることができる。この場合、基準屈折率を設定しておくことにより絶対値の放射温度分布を得ることも可能であるが、相対値で得ることも可能である。
【００６８】
上記「ある一定の断面積」とは、界面での所望の領域に対して一度に光を入射させるために必要な断面積である。
【００６９】
なお、入射光を平行光とした場合、誘電体ブロック界面に平行方向と垂直方向とで、非対称な光学系となるため、全反射光による像に歪が生じる。これを補正するための歪補償用光学系を設けることが望ましい。
【００７０】
次に、本発明の第３の実施形態による放射温度測定装置について説明する。その装置の概略側面図を図６に示す。本実施形態の装置は、光源に白色光源を用い、白色光を平行化して入射光とした点が上記第１の実施の形態と異なる。
【００７１】
本実施形態の装置は、図６に示すように、発散光状態で白色光３６を発する白熱球からなる光源３５と、測定部１０と、白色光３６を平行光化し、誘電体ブロック１１の一面から、透明誘電体ブロック１１と金属薄膜１２との界面１１ａに全反射角以上の角度で入射させる入射光学系を構成するコリメータレンズ３７と、透明誘電体ブロック１１と金属薄膜１２との界面１１ａで全反射し平行光状態で誘電体ブロック１１の他の一面から出射された平行光を、波長に応じて異なる角度に回折させる回折格子３８と、回折光を波長に応じて異なる位置に集光する集光レンズ３９と、集光レンズ３９の集光位置に設置され、回折光からの特定の波長だけを抜き出すスリット４０と、スリット４０を透過した各波長の光を２次元的に検出するＣＣＤエリアセンサ４１と、回折格子の角度を掃引して検出波長を変化させるか、あるいは分光される各波長の集光位置にスリットの位置を移動させる制御部４２と、ＣＣＤエリアセンサ４１によって検出された全反射減衰状態に基づいて被測定物１４の放射温度を求める信号処理部２０と、信号処理部２０により求められた放射温度を表示する表示部２１とからなるものである。また、回折格子３８には、制御部４２によって制御される、光の波長を連続的または離散的に掃引するための回転機構が設けられている。
【００７２】
光源３５から発せられた白色光３６は、コリメータレンズ３７の作用により、透明誘電体ブロック１１と金属薄膜１２との界面１１ａに全反射角以上の角度で入射する。界面１１ａに入射した平行白色光は界面１１ａで全反射し、全反射した光３６は誘電体ブロック１１から出射し、回折格子３８により各波長に分光され、スリット４０を透過した特定の波長のみがＣＣＤエリアセンサ４１により各波長での光強度が検出される。検出結果から全反射減衰が生じる波長（全反射減衰波長λｓｐ）を特定することにより、被測定物の放射温度を求めることができる。
【００７３】
各波長における全反射減衰状態の検出は、スリット位置を固定して回折格子を回転させて行ってもよいし、回折格子を固定してスリットを移動させて行ってもよい。
【００７４】
なお、本実施形態では、測定装置の簡略化のため誘電体ブロック１１の出射側で白色光を分光しているが、入射側で分光して誘電体ブロック１１に入射させてもよい。
【００７５】
また、光源３５としては、白熱球の代わりに水銀ランプであってもよい。
【００７６】
次に、本発明の第４の実施形態による放射温度測定装置について説明する。その装置の概略側面図を図７に示す。
【００７７】
本実施形態の装置は、図７に示すように、レーザ光１５を発する半導体レーザからなる光源１６と、厚さが均一な、例えばガラスからなる誘電体基板５１上の一方の面５１ａ上に、金属薄膜５２、ＰＭＭＡからなるＴＯ膜５３および赤外線吸収膜５４をこの順に備えてなる測定部５０と、測定部５０に被測定物２３からの赤外放射光を集光させる赤外光集光レンズ２２と、レーザ光１６を誘電体基板５１に入射させる入射光学系２７と、誘電体基板５１の前記一方の面５１ａと対向する他方の面５１ｂの一部の領域に形成された、前記レーザ光１６を誘電体基板５１と金属薄膜５２との界面５１ａで臨界角以上の角度で入射させる光入射手段としての回折格子５１ｃと、前記界面で全反射した光を、誘電体基板外に出射させる、前記他方の面５１ｂの前記一部と異なる他の領域に形成された光出射手段である回折格子５１ｄと、回折格子５１ｄから出射されたレーザ光の強度を検出する光検出手段であるＣＣＤエリアセンサ２９とを備えるものである。入射光学系２７は、レーザ光１６を平行光化するコリメータレンズと、種々の角度で回折格子５１ｃに入射させる不図示のゴニオメータとからなる。
【００７８】
誘電体基板５１に対して入射させられたレーザ光１６は、回折格子５１ｃにより、臨界角以上の角度で誘電体基板５１と金属薄膜５２との界面５１ａに入射する。界面５１ａで全反射した反射光は、回折格子５１ｄにより、誘電体基板５１外に出射される。上記実施形態と同様に反射光の強度変化に基づく全反射減衰の状態により被測定物５４の放射温度分布を求めることができる。
【００７９】
なお、回折格子５１ｃおよび５１ｄは、誘電体基板５１に直接形成することにより得ることができる。
【００８０】
また、レーザ光は界面で収束する収束光であってもよい。
【００８１】
次に、本発明の第５の実施形態による放射温度測定装置について説明する。その装置の概略構成図を図８に示す。上記実施形態は表面プラズモンセンサを利用した装置であるが、本実施形態の放射温度測定装置は、漏洩モードセンサを利用したものである。
【００８２】
本実施形態の測定部は、図８に示すように、誘電体ブロック１１の上に、クラッド層６２、光導波層６３、ＰＭＭＡからなるＴＯ膜６４および赤外線吸収膜６５をこの順に備えてなるものである。
【００８３】
誘電体ブロック１１は、ＴＯ膜６４より屈折率の高いガラスからなり、クラッド層６２は、誘電体ブロック１１よりも低屈折率の石英などの誘電体、あるいは金などの金属を用いて薄膜状に形成されている。また光導波層６３は、クラッド層６２とＴＯ膜６４よりも高屈折率の誘電体、例えばポリスチレン（屈折率１．５９）を用いて薄膜状に形成されている。クラッド層６２の膜厚は、金の場合で３６．５ｎｍ、光導波層６３の膜厚は、ポリスチレンで形成する場合で７００ｎｍ程度とされる。
【００８４】
光源１５から出射した光１６を、誘電体ブロック１１の一面１１ｂから、誘電体ブロック１１を通してクラッド層６２に対して臨界角以上の入射角で入射させると、該光が誘電体ブロック１１とクラッド層６２との界面１１ａで全反射するが、クラッド層６２を透過して光導波層６３に特定入射角で入射した特定波数の光は、該光導波層６３を導波モードで伝搬するようになる。こうして導波モードが励起されると、入射光のほとんどが光導波層６３に取り込まれるので、上記界面１１ａで全反射する光の強度が鋭く低下する全反射減衰が生じる。
【００８５】
光導波層６３における導波光の波数は、該光導波層６３上のＴＯ膜６４の屈折率に依存するので、光強度変化に基づく全反射減衰状態から被測定物６５の放射温度を測定することができる。
【００８６】
本実施形態の漏洩モードを利用した放射温度測定装置は、上記の表面プラズモン励起を利用した放射温度測定装置と比較して略同等の感度で放射温度を測定することが可能である。
【００８７】
次に、本発明の第６の実施形態による放射温度測定装置について説明する。その装置の概略側面図を図９に示す。
【００８８】
本実施形態による装置は、図９に示すように、光ビーム１５を発生させる半導体レーザ素子からなる光源１５と、表面７１ａに凹凸状の回折格子７５が設けられた透明誘電体ブロック７１上に金属薄膜７２、およびＰＭＭＡからなるＴＯ膜７３および赤外線吸収膜７４をこの順に設けられてなる測定部７０と、測定部７０に被測定物２３からの赤外放射光を集光させる赤外光集光レンズ２２と、光ビーム１６を回折格子７５に誘電体ブロック７１の一面７１ｂから入射させるコリメータレンズからなる入射光学系２７と、回折格子７５により回折し、誘電体ブロック７１の他面７１ｃから該誘電体ブロック７１外に出射された反射光の光強度を検出する光検出手段としてのＣＣＤエリアセンサ２９と、ＣＣＤエリアセンサ２９により得られた光強度変化に基づいて、放射温度を求める信号処理部２０と放射温度を表示する表示部２１とからなるものである。
【００８９】
誘電体ブロック７１の一面７１ｂから回折格子７５が形成された界面７１ａに入射した光は、回折格子７５の効果で回折波が発生する。回折格子７５の凹凸差は通常数十ｎｍ程度が好ましく、ピッチは１μｍ前後が好ましい。
【００９０】
回折波の波数ｋは、回折格子７５の凹凸のピッチをＬ、光ビーム２６の波長をλ、入射角をθ、基板の屈折率をｎとすると、以下の式で表される。
ｋ＝ｓｉｎθ・２πｎ／λ±Ｎ２π／Ｌ（Ｎ：整数）
この回折波の波数ｋのいずれかが、金属薄膜７２とＴＯ膜７３との界面に形成される表面プラズモンモードの波数ｋｓｐに一致すると、表面プラズモン共鳴が起こる。表面プラズモン共鳴が起こると、誘電体ブロック７１の他の一面７１ｃから出射した反射光は減衰する。全反射型の表面プラズモン共鳴を利用した場合と同様に、共鳴の起こる波長から放射温度を求めることができる。
【００９１】
誘電体ブロック７１は、ＰＭＭＡより高い屈折率を有する材料に限られないという利点を有する。
【００９２】
本実施形態においても、上記第５の実施形態の漏洩モードを応用してもよい。
【００９３】
実施形態においては、ＴＯ膜として、ＰＭＭＡを例に説明したが、透明な材料、さらには、ポリマーからなることが望ましい。具体的には、ポリスチレン、ポリイミド、樹脂、光学ガラス、石英等を挙げることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態による放射温度測定装置を示す概略構成図
【図２】第１の実施形態による測定装置において光チョッパーを備えた図
【図３】光チョッパーを備えた場合の屈折率の時間変化を示すグラフ
【図４】ＴＯ膜の他の形状を示す断面図
【図５】本発明の第２の実施形態による放射温度測定装置を示す概略構成図
【図６】本発明の第３の実施形態による放射温度測定装置を示す概略構成図
【図７】本発明の第４の実施形態による、回折格子を用いた放射温度測定装置を示す概略構成図
【図８】本発明の第５の実施形態による、漏洩モードセンサを利用した放射温度測定装置を示す概略構成図
【図９】本発明の第６の実施形態による、誘電体ブロックと金属薄膜との界面に回折格子を設けた放射温度測定装置を示す概略構成図
【符号の説明】
１１誘電体ブロック
１２金属薄膜
１３熱光学効果を有する膜
１４赤外線吸収膜
１５光源
１６レーザ光
１７入射光学系
１８コリメータレンズ
１９フォトダイオードアレイ
２０信号処理部
２１表示部
２２赤外光集光レンズ
２３被測定物
２４赤外放射光

Claims

光源と、
薄膜層、および被測定物に対向する熱光学効果を有する膜をこの順に、該熱光学効果を有する膜の屈折率より高い屈折率を有する前記光源からの光を透過する誘電体ブロック上に備えてなる測定部と、
前記光源からの光を、前記誘電体ブロックと前記薄膜層との界面で全反射条件が得られるように、前記誘電体ブロック側から前記界面に入射させる入射光学系と、
前記誘電体ブロックと薄膜層との界面で全反射した光の強度を検出する光検出手段と、
該光検出手段によって得られた前記全反射した光の強度変化に基づく全反射減衰の状態により、前記被測定物からの放射温度を求める信号処理部とからなることを特徴とする放射温度測定装置。
光源と、
表面に回折格子が設けられた前記光を透過させる誘電体ブロックの該表面上に、薄膜層、および被測定物に対向する熱光学効果を有する膜をこの順に備えた測定部と、
前記光源からの光を、前記回折格子に誘電体ブロック側から入射させる入射光学系と、
前記回折格子で反射した光の強度を検出する光検出手段と、
該光検出手段により得られた前記反射した光の強度変化に基づいて、前記被測定物からの放射温度を求める信号処理部とからなることを特徴とする放射温度測定装置。
前記熱光学効果を有する膜が透明材料からなることを特徴とする請求項１または２記載の放射温度測定装置。
前記熱光学効果を有する膜がポリマーからなることを特徴とする請求項１、２または３記載の放射温度測定装置。
前記熱光学効果を有する膜がＰＭＭＡからなることを特徴とする請求項４記載の放射温度測定装置。
前記熱光学効果を有する膜の上に、赤外線吸収材料を含む膜を備えたことを特徴とする請求項１から５いずれか１項記載の放射温度測定装置。
前記赤外線吸収材料がカーボンブラックであることを特徴とする請求項１から６いずれか１項記載の放射温度測定装置。
前記被測定物からの赤外線を前記測定部に集光させる赤外線集光レンズを備えたことを特徴とする請求項１から７いずれか１項記載の放射温度測定装置。