JP6663806B2 - Radiation thermometer - Google Patents
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Description
本発明は、測定対象物から放射（輻射）される赤外線エネルギを赤外線センサによって検知し、その値から測定対象物の表面温度を計測する放射温度計に関するものである。 The present invention relates to a radiation thermometer that detects infrared energy radiated (radiated) from an object to be measured by an infrared sensor and measures the surface temperature of the object from the value.
この種の放射温度計は、先端が開口する鏡筒（以下、筐体ともいう）と、該鏡筒の底部に配置された赤外線センサと具備しており、測定対象物から放射され、筐体の先端開口から内部に入った赤外線を赤外線センサで受光するように構成してある。
このときにノイズの原因となるのが、迷光である。迷光とは、前記赤外線導入口から筐体内に侵入し、筐体内で反射するなどして赤外線センサに取り込まれる赤外線のことである。
従来は、特許文献１、特許文献２に示すように、この迷光を減少させるべく筐体の内面に反射防止部材や凹凸形状を形成したものが知られている。
This type of radiation thermometer includes a lens barrel (hereinafter, also referred to as a housing) having an open end, and an infrared sensor disposed at the bottom of the lens barrel. The infrared sensor that enters the inside through the opening at the tip of the camera is received by an infrared sensor.
At this time, stray light causes noise. The stray light is infrared rays that enter the housing through the infrared inlet and are reflected by the housing and are taken into the infrared sensor.
Conventionally, as disclosed in Patent Literature 1 and Patent Literature 2, an anti-reflection member or an uneven shape is formed on an inner surface of a housing to reduce the stray light.
しかしながら、測定誤差を惹起するノイズの原因はこれ以外にもある。
そのひとつが、筐体自身や筐体の内部空間に配置された種々の部品から放射されている赤外線（以下、自家赤外線ともいう。）である。前記赤外線センサは、測定対象物からの赤外線に加えて、この自家赤外線も受光するから、例えば周囲温度の変化等によって筐体等の温度が変わると、前記自家赤外線の強度が変化し、この影響を赤外線センサが受けて測定温度がドリフトするといった不具合が生じうる。
However, there are other sources of noise that cause measurement errors.
One of them is infrared rays (hereinafter, also referred to as private infrared rays) emitted from the housing itself and various components arranged in the internal space of the housing. The infrared sensor also receives the self-infrared light in addition to the infrared light from the object to be measured.For example, if the temperature of the housing or the like changes due to a change in ambient temperature or the like, the intensity of the self-infrared light changes, and this influence is exerted. May be received by the infrared sensor and the measurement temperature may drift.
本発明は、かかる不具合に鑑みてなされたものであって、筐体や筐体内部に配置された部品から出る赤外線に起因した測定誤差を軽減し、高い精度での温度測定が可能な放射温度計を提供すべく図ったものである。 The present invention has been made in view of such a problem, and reduces a measurement error caused by infrared rays emitted from a housing or a component disposed inside the housing, thereby enabling a radiation temperature capable of measuring temperature with high accuracy. It is intended to provide a total.
すなわち、本発明に係る放射温度計は、赤外線導入口を有する筐体と、該筐体内に配置された赤外線センサとを具備し、測定対象物から放射され、前記赤外線導入口を通って筐体内に導入された赤外線を前記赤外線センサで検出することによって当該測定対象物の温度を計測するものである。 That is, the radiation thermometer according to the present invention includes a housing having an infrared inlet, and an infrared sensor disposed in the housing. The temperature of the object to be measured is measured by detecting the infrared light introduced into the device by the infrared sensor.
そして、このものは、入射した光の一部又は全部を前記赤外線センサの検出感度がより低い波長帯域の光に変換して射出する波長変換子を具備し、該波長変換子が、前記赤外線センサが収容されている筐体内部空間に露出する面の一部又は全部に設けられていることを特徴とする。 And this includes a wavelength converter that converts a part or all of the incident light into light in a wavelength band where the detection sensitivity of the infrared sensor is lower and emits the light, and the wavelength converter is the infrared sensor. Is provided on a part or all of the surface exposed to the housing internal space in which is accommodated.
このような構成であれば、筐体内部空間に露出する面、例えば、筐体の内面や筐体内部空間に配置された部品の表面から、その温度に応じて放射される赤外線が、前記波長変換子によって、赤外線センサの検出感度が、より低い光に変換されるので、前記筐体等から放射される赤外線によって発生する熱ノイズを低減でき、放射温度計の測定精度を向上させることが可能になる。 With such a configuration, infrared rays radiated in accordance with the temperature from the surface exposed to the internal space of the housing, for example, from the inner surface of the housing or the surface of a component disposed in the internal space of the housing, emit the infrared light having the wavelength. The converter converts the detection sensitivity of the infrared sensor to lower light, so that thermal noise generated by infrared rays radiated from the housing or the like can be reduced, and the measurement accuracy of the radiation thermometer can be improved. become.
また、前記赤外線導入口と赤外線センサとの間に設けられた絞り機構をさらに具備し、該絞り機構が、筐体内を仕切る仕切り壁と該仕切り壁に設けられた絞り孔とからなる構成の場合、赤外線センサの正面に位置する仕切り壁から放射される赤外線が、熱ノイズの大きな要因となるため、前記波長変換子を該仕切り壁の赤外線センサ側の面に設けておくことによって、測定精度を効果的に向上させることができる。 In the case of a configuration further comprising a diaphragm mechanism provided between the infrared inlet and the infrared sensor, the diaphragm mechanism includes a partition wall for partitioning the inside of the housing and a diaphragm hole provided in the partition wall. Since infrared radiation emitted from a partition wall located in front of the infrared sensor is a major factor of thermal noise, measurement accuracy can be improved by providing the wavelength converter on the infrared sensor side of the partition wall. It can be improved effectively.
より具体的には、前記波長変換子が、入射した赤外線のピーク波長をずらすように変換するフォトニック結晶を用いたものを挙げることができる。
前記波長変換子は、前記面に別体として敷設されていてもよいし、前記面に表面処理により形成されていてもよい。表面処理により形成すれば部品点数を削減できる。
More specifically, a wavelength converter using a photonic crystal that converts the peak wavelength of incident infrared rays so as to be shifted can be used.
The wavelength converter may be laid separately on the surface, or may be formed on the surface by surface treatment. If formed by surface treatment, the number of parts can be reduced.
波長変換子が設けられる前記面の具体例としては、筐体の内面を挙げることができる。
前記内面とは、例えば筐体が筒状をなし、その先端に前記赤外線導入口が設けられているとともに、その底面に前記赤外線センサが設けられているものであれば、該筐体の内側周面や底面がこれにあたる。
A specific example of the surface on which the wavelength converter is provided is an inner surface of a housing.
The inner surface means, for example, a case in which the housing has a cylindrical shape, the infrared inlet is provided at the tip thereof, and the infrared sensor is provided on the bottom surface thereof. The surface and the bottom correspond to this.
ノイズの原因としては、前述したように、筐体等から熱エネルギとして放出される赤外線の他、前記赤外線導入口から筐体内に侵入し、筐体内で反射するなどして赤外線センサに取り込まれる迷光がある。この迷光の影響をも低減し、赤外線センサで検知される視野をはっきりさせて、さらに測定精度を上げるためには、波長変換子の表面に反射防止膜を設けたり、あるいは波長変換子として迷光を吸収して熱に変換する機能を有するものを用いたりすることが望ましい。 The cause of the noise is, as described above, in addition to infrared rays emitted as heat energy from the casing or the like, stray light that enters the casing from the infrared inlet, is reflected in the casing, and is captured by the infrared sensor. There is. In order to reduce the influence of this stray light, clarify the field of view detected by the infrared sensor, and further increase the measurement accuracy, an antireflection film is provided on the surface of the wavelength converter, or stray light is used as a wavelength converter. It is desirable to use one having a function of absorbing and converting it to heat.
前記フォトニック結晶は、波長変換された光の射出方向を制御することができ、この射出方向はフォトニック結晶の格子定数によって定めることができる。したがって、敷設されたフォトニック結晶の全てを同じ格子定数にするのではなく、一部のフォトニック結晶の格子定数を、他の場所に敷設されたフォトニック結晶の格子定数とは異なるものにすれば、フォトニック結晶から射出される光の方向を制御して、赤外線センサへ直接入射する光を低減させることができる。そしてその結果、測定精度をさらに向上させることができるようになる。 The photonic crystal can control the emission direction of the wavelength-converted light, and the emission direction can be determined by the lattice constant of the photonic crystal. Therefore, not all of the laid photonic crystals have the same lattice constant, but the lattice constant of some photonic crystals must be different from the lattice constant of the photonic crystals laid elsewhere. For example, the direction of light emitted from the photonic crystal can be controlled to reduce light directly incident on the infrared sensor. As a result, the measurement accuracy can be further improved.
赤外線センサは、その検出波長帯域が８μｍ〜１４μｍのものが好ましい。このようなものであれば、測定対象物との間の大気による赤外線の吸収影響を受けにくいからである。 The infrared sensor preferably has a detection wavelength band of 8 μm to 14 μm. This is because such a structure is unlikely to be affected by infrared absorption by the atmosphere between the object and the measurement object.
このように構成した本発明によれば、筐体の内面や筐体内部空間に配置された部品の表面等から熱エネルギとして放射される赤外線が、波長変換子によって、赤外線センサの検出感度がより低い光に変換されるので、筐体や部品から出る赤外線の赤外線センサに対する影響を低減でき、放射温度計の測定精度を向上させることが可能になる。 According to the present invention configured as described above, the infrared radiation radiated as heat energy from the inner surface of the housing or the surface of a component disposed in the inner space of the housing, the detection sensitivity of the infrared sensor is increased by the wavelength converter. Since the light is converted into low light, it is possible to reduce the influence of infrared light emitted from the housing and components on the infrared sensor, and improve the measurement accuracy of the radiation thermometer.
以下に本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。 An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.
本実施形態に係る放射温度計１００は、図１に示すように、先端部に赤外線導入口１ａが形成された筒状をなす筐体１と、該筐体１内に設けられた絞り機構２と、該筐体１の底部に配置されて、前記赤外線導入口１ａ及び絞り機構２を通じて筐体１内部空間Ｓに入ってきた赤外線の強度を検出する赤外線センサ３とを具備したものである。 As shown in FIG. 1, a radiation thermometer 100 according to the present embodiment includes a cylindrical housing 1 having an infrared inlet 1 a formed at a distal end thereof, and a diaphragm mechanism 2 provided in the housing 1. And an infrared sensor 3 disposed at the bottom of the housing 1 and detecting the intensity of infrared light entering the internal space S of the housing 1 through the infrared inlet 1a and the aperture mechanism 2.
各部を詳述する。
前記筐体１は、ここでは底面が閉塞されるとともに先端面が開口して前記赤外線導入口１ａが形成された円筒状をなすものである。この赤外線導入口１ａには凸型の赤外線透過レンズ４が嵌め込まれている。
Each part will be described in detail.
Here, the housing 1 has a cylindrical shape in which the bottom surface is closed and the front end surface is open to form the infrared inlet 1a. A convex infrared transmitting lens 4 is fitted into the infrared inlet 1a.
前記絞り機構２は、筐体１の内部空間Ｓを軸線方向とは垂直な方向に仕切る仕切り壁２１と、この仕切り壁２１の中心に形成された絞り孔２２とから構成されたものである。なお、以下では、前記内部空間Ｓのうち、仕切り壁２１よりも赤外線センサ３側の内部空間のことをセンサ側空間Ｓ１、仕切り壁２１よりも赤外線導入口１ａ側の内部空間のことを導入口側空間Ｓ２という。 The diaphragm mechanism 2 includes a partition wall 21 that partitions the internal space S of the housing 1 in a direction perpendicular to the axial direction, and a diaphragm hole 22 formed at the center of the partition wall 21. In the following, of the internal space S, an internal space on the infrared sensor 3 side of the partition wall 21 will be referred to as a sensor side space S1, and an internal space on the infrared inlet 1a side of the partition wall 21 will be referred to as an inlet. It is called side space S2.
前記赤外線センサ３は、図示しないセンサ素子とこのセンサ素子の受光面に設けられた図示しない光フィルタとを備えたものであり、前記受光面が軸線上に位置して赤外線導入口１ａを向くように、筐体１の底壁中央に配設されている。 The infrared sensor 3 includes a sensor element (not shown) and an optical filter (not shown) provided on a light receiving surface of the sensor element. The light receiving surface is located on the axis and faces the infrared inlet 1a. Is disposed in the center of the bottom wall of the housing 1.
前記センサ素子は、赤外線を吸収したときの温度変化を起電力の変化として検知する熱型のものであり、ここでは、熱電対を多数直列に並べて薄膜化したサーモパイルが用いられている。このセンサ素子としては、ポロメータや焦電型のような他の熱型のセンサ素子でもよいし、あるいは、熱型ではなく量子型のものを用いても構わない。 The sensor element is of a thermal type that detects a change in temperature when absorbing infrared rays as a change in electromotive force. In this case, a thermopile in which a large number of thermocouples are arranged in series and thinned is used. As the sensor element, another thermal sensor element such as a porometer or a pyroelectric element may be used, or a quantum element instead of the thermal element may be used.
前記光フィルタは、所定の波長帯域の光（電磁波）のみを通過させるバンドパスフィルタである。ここでは例えば波長が８μｍ〜１４μｍの帯域の赤外線のみを通過させるものが用いられており、この光フィルタを通過した赤外線のみが前記センサ素子で受光されるように構成してある。この波長帯域（８μｍ〜１４μｍ）は大気による吸収が少ない帯域なので、温度測定に際して、測定対象物と赤外線センサ３との間に介在する大気による吸収影響を抑制でき、より精度の高い測定が可能になる。 The optical filter is a bandpass filter that passes only light (electromagnetic waves) in a predetermined wavelength band. Here, for example, a device that allows only infrared light having a wavelength of 8 μm to 14 μm to pass is used, and only the infrared light that has passed through this optical filter is received by the sensor element. Since this wavelength band (8 μm to 14 μm) is a band where the absorption by the atmosphere is small, the influence of absorption by the atmosphere interposed between the object to be measured and the infrared sensor 3 can be suppressed at the time of temperature measurement, and more accurate measurement can be performed. Become.
しかして、この実施形態では、図１、図２に示すように、フォトニック結晶を用いた波長変換子５が、センサ側空間Ｓ１の内面にのみ、すなわち筐体１の内側周面、筐体１の底面、及び、仕切り壁２１の裏面にくまなく敷設してある。 In this embodiment, as shown in FIGS. 1 and 2, the wavelength converter 5 using the photonic crystal is provided only on the inner surface of the sensor-side space S1, that is, on the inner peripheral surface of the housing 1, 1 and the back surface of the partition wall 21.
この波長変換子５は、入射した光を異なる波長帯域（スペクトル）の光に変換して射出する板状（又は膜状）をなすものである。
より具体的に説明すると、この波長変換子５は、入射した赤外線のスペクトルを変化させ、変化前の赤外線のスペクトルと比較して、前記赤外線センサ３で受感可能な波長帯域（８μｍ〜１４μｍ）に亘る積算光強度が低くなるようにするものである。
The wavelength converter 5 has a plate shape (or a film shape) that converts incident light into light of a different wavelength band (spectrum) and emits the light.
More specifically, the wavelength converter 5 changes the spectrum of the incident infrared light, compares the spectrum with the infrared light before the change, and detects the wavelength band (8 μm to 14 μm) that can be received by the infrared sensor 3. Is to be reduced.
また、この波長変換子５に用いられているフォトニック結晶は、所定の格子定数を有するものであり、波長変換されて射出される光の方向をある程度制御できる。具体的に説明すると、フォトニック結晶から射出される光は、面に対してほぼ一定の角度を持った光となる。すなわち、ある１点から射出される光は、図２に示すように、傘状に広がる光となる。
そこで、例えばすべてのフォトニック結晶を同じ格子定数にすると、図３に示すように、筐体内側周面の一部領域Ｐに敷設されたフォトニック結晶からの光が赤外線センサ３に入射することになる。
このような構成でも構わないが、この実施形態では、この領域Ｐに敷設されたフォトニック結晶の格子定数を他の領域におけるフォトニック結晶のそれとは異ならせ、図４に示すように、領域Ｐから射出される光の角度が、筐体内側周面の垂直な方向に対して、より小さくなるように構成している。このようにして、同図に示すように、筐体内側周面からの射出光（放射赤外線）が赤外線センサ３に直接入射しないようにしてある。
The photonic crystal used in the wavelength converter 5 has a predetermined lattice constant, and can control the direction of the wavelength-converted and emitted light to some extent. Specifically, light emitted from the photonic crystal is light having a substantially constant angle with respect to the plane. That is, light emitted from a certain point becomes light spreading like an umbrella as shown in FIG.
Therefore, for example, if all the photonic crystals have the same lattice constant, light from the photonic crystals laid on the partial region P on the inner peripheral surface of the housing enters the infrared sensor 3 as shown in FIG. become.
Although such a configuration may be used, in this embodiment, the lattice constant of the photonic crystal laid in this region P is made different from that of the photonic crystal in the other region, and as shown in FIG. The angle of the light emitted from the housing is configured to be smaller in the direction perpendicular to the inner peripheral surface of the housing. In this way, as shown in the figure, light emitted from the inner peripheral surface of the housing (radiated infrared) is prevented from directly entering the infrared sensor 3.
さらに、この実施形態では、図２に示すように、この波長変換子５の表面に、前記赤外線センサ３が受感可能な波長帯域の光（８μｍ〜１４μｍ）をほぼ吸収する反射防止膜６が設けられている。 Further, in this embodiment, as shown in FIG. 2, on the surface of the wavelength converter 5, an antireflection film 6 that substantially absorbs light (8 μm to 14 μm) in a wavelength band that can be sensed by the infrared sensor 3 is provided. Is provided.
しかして、このような構成によれば、筐体１の内測周面や底面、あるいは仕切り壁２１の裏面から、その温度に応じて放射される赤外線が、波長変換子５によって、赤外線センサ３の検出感度がより低い光に変換されるので、これに起因した熱ノイズを低減でき、放射温度計１００の測定精度を向上させることが可能になる。 Thus, according to such a configuration, infrared rays radiated from the inner circumferential surface or the bottom surface of the housing 1 or the back surface of the partition wall 21 in accordance with the temperature are transmitted to the infrared sensor 3 by the wavelength converter 5. Is converted to light with lower detection sensitivity, so that thermal noise due to this can be reduced, and the measurement accuracy of the radiation thermometer 100 can be improved.
また、測定ノイズのもうひとつの原因である迷光に関しても、波長変換子５の表面に反射防止膜６を設けて赤外線センサ３に入射する迷光の光量を低減させているので、これに起因した測定の誤差を軽減することができる。 Also, regarding stray light, which is another cause of measurement noise, an antireflection film 6 is provided on the surface of the wavelength converter 5 to reduce the amount of stray light incident on the infrared sensor 3, so that measurement due to this is performed. Can be reduced.
さらに、波長変換子５に用いられるフォトニック結晶の格子定数を、敷設場所によって適宜異ならせ、波長変換された光の方向を制御して、射出光が赤外線センサ３に可及的に入射しない向きに設定してあるので、測定精度の向上にさらに資することができる。
また、赤外線センサ３から見えるのは、小さな絞り孔２２とその周囲のセンサ側空間Ｓ１の内面であるため、当該センサ側空間Ｓ１の内面から放射される赤外線が、熱ノイズの主要な原因となる。したがって、この実施形態のように、フォトニック結晶を用いた波長変換子５を当該内面にのみ設けておくだけで、大きな熱ノイズ低減効果を得ることができる。
Furthermore, the lattice constant of the photonic crystal used for the wavelength converter 5 is appropriately changed depending on the installation location, the direction of the wavelength-converted light is controlled, and the direction in which the emitted light does not enter the infrared sensor 3 as much as possible. , Which can further contribute to improvement of measurement accuracy.
Further, since the infrared sensor 3 can see the small aperture 22 and the inner surface of the sensor-side space S1 around the small aperture 22, the infrared radiation radiated from the inner surface of the sensor-side space S1 is a major cause of thermal noise. . Therefore, a large thermal noise reduction effect can be obtained only by providing the wavelength converter 5 using the photonic crystal only on the inner surface as in this embodiment.
なお本発明は前記実施形態に限られるものではない。
波長変換子は、筐体の内部空間に露出する面の全部に設けてもよいが、一部にのみ設けてもよい。例えば、図５に示すように、筐体１の内側周面にのみ波長変換子５を設けてもよい。なお、この図５の放射温度計１００は絞り機構２を備えていない。
The present invention is not limited to the above embodiment.
The wavelength converter may be provided on the entire surface exposed to the internal space of the housing, or may be provided only on a part thereof. For example, as shown in FIG. 5, the wavelength converter 5 may be provided only on the inner peripheral surface of the housing 1. Note that the radiation thermometer 100 of FIG.
波長変換子に用いられているフォトニック結晶は、前記実施形態では筐体等と別体であったが、筐体等の表面にエッチングなどの表面処理を施して形成しても構わない。 The photonic crystal used for the wavelength converter is separate from the housing and the like in the above embodiment, but may be formed by performing a surface treatment such as etching on the surface of the housing and the like.
反射防止膜は必ずしも設ける必要はない。
迷光の反射を防止するためには、前述したような反射防止膜を設けてもよいし、それ以外に、例えば、波長変換子に用いられているフォトニック結晶自身を、反射を抑制するような材質、すなわちＳｉＯ２や有機材料等で形成しても構わない。この場合、迷光は波長変換子に吸収され、熱となり、波長変換子から波長帯域が制御された光として射出される。
その他、本発明はその趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。
It is not always necessary to provide an antireflection film.
In order to prevent reflection of stray light, an anti-reflection film as described above may be provided, or, for example, a photonic crystal itself used for a wavelength converter may be used to suppress reflection. It may be formed of a material, that is, SiO 2 or an organic material. In this case, the stray light is absorbed by the wavelength converter, becomes heat, and is emitted from the wavelength converter as light whose wavelength band is controlled.
In addition, the present invention can be variously modified without departing from the spirit thereof.
１００・・・放射温度計
１ａ・・・赤外線導入口
１・・・筐体
２・・・絞り機構
２１・・・仕切り壁
２２・・・絞り孔
３・・・赤外線センサ
５・・・波長変換子
６・・・反射防止膜
Ｓ・・・内部空間
100 radiation thermometer 1a infrared inlet 1 housing 2 diaphragm mechanism 21 partition wall 22 aperture hole 3 infrared sensor 5 wavelength conversion Element 6: anti-reflection film S: internal space
Claims (9)
光を受けて前記赤外線センサの検出感度の低い波長帯域の光を射出するフォトニック結晶を具備し、該フォトニック結晶が、前記赤外線センサが収容されている筐体内部空間に露出する面の一部又は全部に設けられていることを特徴とする放射温度計。 A housing having an infrared inlet, and an infrared sensor disposed in the housing, the infrared sensor radiated from the object to be measured and introduced into the housing through the infrared inlet and detected by the infrared sensor By measuring the temperature of the object to be measured,
A photonic crystal that receives light and emits light in a wavelength band where the detection sensitivity of the infrared sensor is low, wherein the photonic crystal is exposed on an inner space of a housing housing the infrared sensor. A radiation thermometer provided in a part or all of the radiation thermometer.
前記フォトニック結晶が、前記仕切り壁の赤外線センサ側の面に設けられている請求項１記載の放射温度計。 It further comprises a diaphragm mechanism provided between the infrared inlet and the infrared sensor, the diaphragm mechanism comprises a partition wall for partitioning the inside of the housing and a diaphragm hole provided in the partition wall,
The radiation thermometer according to claim 1, wherein the photonic crystal is provided on a surface of the partition wall on the infrared sensor side.
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