JPH04184126A - 低温用放射計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は温度計測、分光分析、放射束強度測定などに
利用される放射計、特に低温領域の測定が可能な放射計
に関するものである。

［従来の技術］ 放射光の測定は、非接触温度計や分光分析計などで広く
利用されている。検出方式として放射光を交流化する方
法が一般的に行われているが、周囲温度による出力の変
動が有るため、その補正が必要となる。周囲温度の補償
方式として、放射計本体の温度を一定に保持する方式、
放射計の温度をサーミスタや白金抵抗体で測温して補償
する方式などがある。特に、光学系の改善による周囲温
度の補償方式として従来より行われてきた方式として第
３図に示したように参照光源と比較する方法がある。測
定対象からの放射光を対物レンズ３１により集光し、光
チョッパ３２で断続光としてピンホール３３により外乱
光を遮断し、レンズ３４．３５により検出素子３６に集
光して照射させる。光チョッパを鏡面に仕上げ、測定光
軸に斜設し光チョッパの回転によって測定対象からの放
射光とレンズ３７によって集光された参照光源３８から
の参照放射束が交互に検出素子に照射されるようにする
。これにより測定対象と参照光源の照度差に相当する振
幅を持った交流信号が受光素子から出力され、周囲温度
に対して補償用温度計や補償回路は必要とされない（例
えば（社）計測自動制御学会、昭和５６年３月１６日発
行「温度計測Ｊ　Ｐ２Ｏ３参照）。

［発明が解決しようとする課題１ 低温物体からの放射光測定や分光分析を行う場合、高感
度の検出素子としてＰｂＳやＦ（ｇＣｄＴｅなでの半導
体素子を冷却して用いることが多い。放射束の高感度・
高精度な測定では、従来のような周囲温度を一定に保つ
方式や測温による周囲温度の補償では補償効果が周囲温
度の制御精度や測温精度で制限されるため十分安定した
補償精度を得るのが難しく、検出素子の持つ高感度性を
損なってしまう。また、上記した参照光源を内蔵して行
う比較法では、参照光源からの放射束が測定対象からの
放射束より弱く安定した場合に有効であるが、低温物体
からの放射光の測定や分光後の弱い放射束を測定する場
合には適当な参照光源が得られない。さらに、上記した
参照光源を内蔵する場合にはシステム全体が大きくなる
点や、参岡光源用の光学系や電源がさらに必要とされる
などの問題点がある。

これらの問題点を解決するために第４図に示した方法が
提案されている。光検出器サーミスタボロメータ４１の
直前において金メツキした光チョッパ４２により放射光
の断続化を行い、測定対象からの放射光の入射を絶って
いる時には、前記光検出器からの放射光を前記光チョッ
パにより反射して再び光検出器に照射されるようにする
。この時の光検出器から出る放射光の強度は、検出器自
体の温度によって決まるため、検出器自体の温度を感温
素子４３により測定することによって、検出器自身から
の放射光強度を求める。これにより、検出器自身を前述
の参照光源として利用している（例えば（社）計測自動
制御学会、昭和５６年３月１６日発行、「温度計測ＪＰ
２１６Ｐ２Ｏ３参照し、この方法においては、検出器に
入射する放射光を一度平行光化し、平行光路上に光チョ
ッパを設置する必要があり、光チョッパは平行光化され
た放射光を完全に断続できるだけの大きさを持たなけれ
ばならない。したがって、数ＫＨ，の高速な周波数で放
射光の断続化を行うためには、直径１０ｃｍ近（の光チ
ョッパを高速で回転させなければならず、このため放射
計全体の大きさは、光チョッパによって制限され、小型
化が難しくなる。一方、前記したＰｂＳやＨｇＣｄＴｅ
なでの半導体光検出素子は、その特徴として数Ｋ　Ｈｚ
から数１０ＫＨｚの高速な周波数でも充分な感度を持っ
ており、この特性によって高感度化が可能である。した
がって、上記した光チョッパの小型化が難しい点は重要
な問題点となる。

本発明は、かかる問題点を解決し、周囲温度の補償が簡
単で安定、かつ高感度な低温用放射計を提供することを
目的とする。

［課題を解決するための手段〕 測定対象からの放射光をピンホールを介して光検出素子
に集光させる光学系と、放射光を断続させる光チョッパ
と、一定温度に保持されている光検出器とからなる放射
計において、ε＜０．１に鏡面化した光チョッパを前記
ピンホールの全面に設置し、前記ピンホールの前記光チ
ョッパに対向した面を凹面鏡化することにより検出素子
からの放射光のみが参照放射光源となるようにすること
を特徴とする。

［作用］ 低温物体からの放射光を測定する場合、測定対象からの
放射以外に測定対象の周囲からの放射光や、測定機器自
体からの放射光が測定検出素子に照射される。前記の測
定対象周囲からの放射光は放射計の光学的設計、特に光
学系内に設置されたピンホールによって取り除くことが
出来るが、放射計自体からの放射光を除外することは難
しい。

放射計自体からの放射光の影響を取り除くために、測定
対象からの放射光を光チョッパにより断続し、一定温度
物体からの放射光と測定対象からの放射光が交互に検出
素子に入射されるように工夫することは有効である。特
に、検出素子を一定温度に保持して前記一定温度物体と
し、検出素子自身からの放射光と測定対象からの放射光
を交互に検出素子に入射させれば、一定温度物体を新た
に設置する必要無く得ることが出来る。検出素子自体か
らの放射光を検出素子に入射させる手段として、光チョ
ッパからの放射を極力抑えて、逆に光チョッパに照射さ
れる放射光を極力反射するようにする。放射率としては
ε〈０．１が望ましい。ここで、放射率さく０．１とは
照射された光の９割以上が反射されることを示している
。光チョッパの放射率を小さくする手段としては鏡面研
磨、金メツキ、銅メツキ、銀メツキなどがある。

上記のように鏡面化した光チョッパを前記ピンホールの
測定放射光入射側に於てピンホールの周囲を凹面鏡にし
、その直前に前記光チョッパを配置する。光チョッパの
設置位置は、放射計の光学集光系と凹面鏡の光学定数に
よって決定され、検出素子からの放射光が、ピンホール
を通って光チョッパ、凹面鏡、再度光チョッパにより反
射されピンホールを再度通って検出素子に集光されるよ
うにする。上記のような光学系の設置により、検出素子
には光チョッパの断続により測定対象からの放射光と検
出器自体からの放射光が交互に入射されるようになる。

［実施例］ 以下、本発明について図面を用いて詳細に説明する。第
１図に本発明の１例を模式的に示す。

放射光検出素子１１は一定温度または低温に保持する。

保持温度は、測定対象の温度以下が望ましく、室温付近
の測定では、２０℃以下が望ましい。光チョッパ１２を
鏡面化し放射率を究めて小さ（さく０．１としピンホー
ル１３の直前に於て鏡面化した面をピンホール側に向け
、光軸に対して垂直に設置する。ここで、鏡面化とは表
面を平坦かつ反射率の高い状態にすることで、放射率ε
がさく０．１とは照射された光の９割以上が反射される
状態を示している。これに対向した前記ピンホール面を
凹面鏡の形状に加工して前記光チヨツパ同様の金メツキ
、銅メツキ、銀メツキなどにより放射率をさく０．１の
光反射表面として光チョッパとの多重反射により、検出
素子からの放射光のみが参照放射光源となるようにする
。前記光チョッパの設置位置は前記ピンホール上に設置
した凹面鏡の焦点距離に応じて動かし、上記の状態とな
るように決定する。特にＰｂＳやＨｇＣｄＴｅなどのよ
うに一３０℃以下に冷却して使用している検出素子は、
検出素子自体からの放射光が充分弱く安定しているため
、良好な参照光源として利用することができる。光学系
としては測定対象からの放射光を対物レンズ１４で集光
した後、集光点の直前で前配光チョッパにより放射光の
断続化を行う。集光点では前記ピンホールによる外乱放
射光の遮断を行い、ピンホールの後側でレンズ１５．１
６により前記検出素子上に集光させる。上記構成により
、測定対象からの放射束が、光チョッパにより絶たれた
時には、検出素子自体からの放射束が光チ３ツバおよび
ピンホール上の凹面鏡により反射されて検出素子に照射
される。

検出素子には、他からの放射束の照射がないため、検出
素子には測定対象からの放射束と、低温または一定温度
に保たれた検出素子自体からの放射束が交互に照射され
ることになる。

第２図にミラー系による放射計の具体的な構成を示した
。焦点距１１４０ｍｍの集光ミラー２１と反射鏡２２に
より直径１ｍｍのピンホール２３の位置に集光させ、そ
の直前で鏡面化した光チョッパ２４により放射光の交流
化を行う。光チョッパによる放射光の断続は、ｌＫＨ２
で行った。ピンホールの光チョッパに対面する位置に焦
点距離２０ｍｍの凹面鏡を作製した。ピンホールの後側
で焦点距離４０ｍｍのミラー２５により平行光化し、再
度焦点距離４０ｍｍのミラー２６で検出素子２７に集光
させた。検出素子としてＨｇＣｄＴｅ赤外線検出素子を
使用した。この素子は約５μｍまでの赤外光に感度を持
ち、電子冷凍素子によって約−６０℃に保持されている
。この光学系において光チョッパを鏡面化したものと、
してないものとを用いて、５０℃の黒体炉を１ｍの距離
より測定し、比較した。光チョッパを鏡面化していない
もので、周囲温度が２５度の時、出力は６ｍＶであった
が周囲温度を５度上昇させると、出力は４．５ｍＶとな
った。これは測定対象が５度下がった時とほぼ同じであ
った。これを光チョッパを鏡面化したもので測定した場
合には、周囲温度が２５度で９ｍＶとなる、出力の上昇
があった。この場合には、５度の周囲温度上昇によって
出力信号の下がりは見られなくなった。

［発明の効果１ 本発明の光学系を用いることにより、温度計測、分光分
析、放射束測定などに用いられる放射計の周囲温度補償
の精度が向上し、測定感度が向上する。さらに放射計の
小型化、軽量化、低価格化の効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の放射計の実施形態の１例を示す構成図
、第２図は本発明の他の実施例に用いた構成図、第３図
は従来法の構成図、第４図は従来法での周囲温度補正の
方法の１例を示す図である。 図中。 １１：光検出素子 １２：光チョッパ １３：ピンホール １４：対物レンズ １５．１６：レンズ 代理人　弁理士　１）北　嵩　晴 第２国 第４図 手続補正書泪発） 平成　３年　７月１９日

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 測定対象からの放射光をピンホールを介して光検出素子
   に集光させる光学系と、放射光を断続させる光チョッパ
   と、一定温度に保持されている光検出器とからなる放射
   計において、ε＜０．１（但し、εは物体表面からの放
   射率を示す）に鏡面化した光チョッパを前記ピンホール
   の前面に設置し、検出素子からの照射光のみが参照放射
   光源となるように前記ピンホールの前記光チョッパに対
   向した面を凹面鏡化することを特徴とする低温用放射計
   。