JPH04223238A - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は温度計測、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。

【０００２】

【従来の技術】放射計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。その検出方式として放射
光を交流化する方法が一般に行われているが、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には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法として、従来より行われてきた
方式に図３のものがある。

【０００３】図３は被測定物からの光を光学系を介して
光導電素子を用いた検出素子に導くもので、その光学系
は同一光軸上に、順次、対物レンズ１、その焦点位置に
配設されたピンホール２、レンズ３、レンズ４及びレン
ズ４の結像位置に配設される検出素子５の各々が配設さ
れている。また、ピンホール２の直前には、光チョッパ
６が配設されている。光チョッパ６には、周辺部の円周
方向に一定間隔に設けられたスリットが形成された円板
及び、この円板を一定速度で回転させるモータから構成
されている。そして、円板のピンホール２側の面は、鏡
面仕上げにされている。円板は、光学系の光軸に対して
４５度の傾きを以て取り付けられ、その鏡面にはレンズ
７を介して参照光源８の光が入射されている。

【０００４】被測定物からの放射光は対物レンズ１によ
り集光され、さらに光チョッパ６によって断続光にされ
る。この断続光はピンホール２を通過する過程で外乱光
が遮断され、さらにレンズ３及びレンズ４を介して検出
素子５に到達する。一方、レンズ７によって集光された
参照光源８からの参照放射光は、光チョッパ６の鏡面に
入射されているのでピンホール２方向へ反射される。し
たがって、ピンホール２には対物レンズ１からの放射光
と、レンズ７からの参照光とが交互に入射される。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るので、周囲温
度に対して補償用温度計や補償回路を必要としない。こ
の詳細については、例えば、計測自動制御学会、昭和５
６年３月１６日発行「温度計測」２０８頁に記載がある
。

【０００５】ところで、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Ｈ
ｇＣｄＴｅなどの半導体素子を冷却して用いることが多
い。放射束を高感度かつ高精度に測定するに際しては、
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こ
とが難しく、検出素子のもつ高感度性が損なわれる。

【０００６】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ほ
か、参照光源用の光学系や電源を必要とするなどの問題
がある。

【０００７】このような問題を解決するものとして、図
２に示す低温用放射計が提案されている。入射光を直角
方向へ反射させる為に反射ミラー９が配設され、その反
射光路上にレンズ１０が配設され、さらにレンズ１０の
焦点位置には光検出器であるサーミスタボロメータ１１
が配設されている。レンズ１０とサーミスタボロメータ
１１はＵ字形断面を有する筐体に保持され、その一部に
は感温素子１２が配設されている。また、反射ミラー９
の入り側には、モータ１３を駆動源とし、表面に金メッ
キの施された光チョッパ１４が配設されている。

【０００８】この構成では、入射光が光チョッパ１４に
よって断続され、その遮光時にサーミスタボロメータ１
１からの放射光が光チョッパ１４により反射し、再びサ
ーミスタボロメータ１１に照射される。このときにサー
ミスタボロメータ１１から出る放射光の強度は、光検出
器自体の温度によって決まるため、光検出器自体の温度
を感温素子１２によって測定し、光検出器自身からの放
射強度を求める。これにより、光検出器自身を前記した
参照光源８として利用することができる。なお、この詳
細については、前記した公知文献の２１６頁に記載があ
る。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記従来技術
にあっては、光検出器に入射する放射光を一旦平行光に
し、その光路上に設置した光チョッパは平行光化した放
射光を完全に断続し得る大きさを有する必要がある。こ
のため、数ＫＨｚの高速の周波数で放射光の断続を行う
ためには、直径１０ｃｍ近くの光チョッパを高速回転さ
せねばならず、低温用放射計全体の大きさが光チョッパ
によって制限され、小型化が難しくなる。

【００１０】一方、前記したＰｂＳやＨｇＣｄＴｅなど
の半導体光検出素子は、数ＫＨｚ〜数十ＫＨｚの高速な
周波数で動作可能な感度を有しており、光チョッパの小
型化が図られないと、その性能を十分に発揮することは
できない。

【００１１】本発明の目的は、上記従来技術の実情に鑑
みてなされたものであり、周囲温度の補償を簡単に行え
、高安定、高精度かつ高感度の低温用放射計を提供する
ことにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、測定対象からの放射光を光検出素子に集
光させる光学系と、該光学系内に配設されて外乱放射光
を除去するピンホールと、前記ピンホールの前段に配設
されて入射光を断続させる光チョッパとを備えた放射計
において、前記ピンホールの放射光入射側の面に形成さ
れる凹面鏡と、前記光チョッパの前記凹面鏡に対向する
部位に形成された鏡面と、前記凹面鏡の近傍に設けられ
ると共にその測温値に基づいて前記光検出素子の出力値
を補正する測温素子とを設けるようにしている。

【００１３】

【作用】上記した手段によれば、測定対象からの放射光
が光チョッパを断続的に通過して光検出素子に到達し、
また、光検出素子自身からの放射光は測定対象からの放
射光が絶たれたときに光チョッパの鏡面及びピンホール
の凹面鏡を介して再び光検出素子に到達する。このとき
、凹面鏡の温度が測温素子によって測定され、この測定
値に基づいて光検出素子の出力値が補正される。したが
って、光チョッパによって測定対象からの放射光と光検
出素子自身からの放射光が交互に選択されて光検出素子
に入射されることにより、光検出素子からの放射光のみ
が参照光源となるので、別途に参照光源を設けることな
く周囲温度の補償を行うことができる。

【００１４】

【実施例】図１は本発明による低温用放射計の一実施例
を示す構成図である。本実施例による光学系は、同一光
軸上に、順次、対物レンズ１５、その焦点位置に配設さ
れかつ対物レンズ１５側に凹面鏡１７が形成されたピン
ホール１６、レンズ１８、レンズ１９及び光検出素子２
０の各々が配設されている。また、ピンホール１６の直
前には、モータ２２を駆動源とする円板上の光チョッパ
２１が光軸に対して直角に配設されている。光チョッパ
２１は、図３に示した光チョッパ６と同様に、円周方向
に一定間隔にスリットが形成されている。さらに、ピン
ホール１６が形成されたピンホール板２３の凹面鏡１７
の近傍（凹面鏡１７に近いほど望ましい）には、測温素
子２４（白金抵抗体、サーミスタなど）が配置されてい
る。

【００１５】光チョッパ２１のピンホール１６側は、鏡
面仕上げにされ、その放射率は、ε＜０．１（すなわち
、照射された光の９割以上が反射される状態）にされて
いる。一方、ピンホール１６の凹面鏡１７は、金メッキ
、銀メッキなどにより放射率をε＜０．１の光反射表面
にされている。これにより、光チョッパ２１との多重反
射により、光検出素子２０からの放射光のみが参照放射
光源となるようにする。そして、多重反射が良好に行わ
れるようにするため、光チョッパ２１の設置位置は、凹
面鏡１７の焦点位置に応じた最適位置に設定する。特に
、ＰｂＳやＨｇＣｄＴｅなどのように、−３０℃以下に
冷却して使用するものでは、光検出素子自体からの放射
光が十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。

【００１６】以上の構成において、測定対象からの放射
光は対物レンズ１５で集光されるが、その直前で光チョ
ッパ２１によって放射光は断続される。集光点では、ピ
ンホール１６による外乱放射光の遮断が行われ、ピンホ
ール１６の後段でレンズ１８及びレンズ１９により光検
出素子２０の検出面に集光が行われる。

【００１７】測定対象からの放射束が光チョッパ２１に
よって遮断された時には、光検出素子２０自体からの放
射光が光チョッパ２１及びピンホール１６上の凹面鏡１
７により反射され、これが光検出素子２０に照射される
。光検出素子２０には、他からの放射束の照射がないた
め、光検出素子２０には、光検出素子２０自体からの放
射束と低温または一定温度に保たれた光検出素子２０自
体からの放射束が交互に照射されることになる。

【００１８】一方、凹面鏡１７の反射率が１００％であ
れば、凹面鏡１７からの放射光はないが、現実には１０
０％の反射率を得ることはできないので、凹面鏡１７か
らは、その温度に応じた放射光が出る。この凹面鏡１７
の温度変動分は、光検出素子２０の出力値の変動となっ
て現れる。そこで、凹面鏡１７の温度を測温素子２４に
よって検出し、この測定値に応じて光検出素子２０の検
出値を補正する。本発明者による実施結果によれば、測
温素子２４による補正が無い場合には光検出素子２０の
出力値に１〜２％の変動がみられたが、測温素子２４を
用いて凹面鏡１７の温度補償を行うことにより、１％以
下にすることができた。

【００１９】

【発明の効果】以上説明した通り、この発明は、測定対
象からの放射光を光検出素子に集光させる光学系と、該
光学系内に配設されて外乱放射光を除去するピンホール
と、前記ピンホールの前段に配設されて入射光を断続さ
せる光チョッパとを備えた放射計おいて、前記ピンホー
ルの放射光入射側の面に形成される凹面鏡と、前記光チ
ョッパの前記凹面鏡に対向する部位に形成された鏡面と
、前記凹面鏡の近傍に設けられると共にその測温値に基
づいて前記光検出素子の出力値を補正する測温素子とを
設けるようにしたので、光検出素子からの放射光のみを
参照光源として利用できるので、参照光源を別途設ける
ことなく周囲温度の補償を行うことができ、その上、装
置も小型化することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の低温用放射計を示す構成図である。

【図２】従来の周囲温度補正手段を備えた低温用放射計
の主要部を示す断面図である。

【図３】従来の低温用放射計を示す構成図である。

【符号の説明】

１５　　　　対物レンズ １６　　　　ピンホール １７　　　　凹面鏡 １８　　　　レンズ １９　　　　レンズ ２０　　　　光検出素子 ２１　　　　光チョッパ ２２　　　　モータ ２３　　　　ピンホール板 ２４　　　　測温素子

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　測定対象からの放射光を光検出素子に
   集光させる光学系と、該光学系内に配設されて外乱放射
   光を除去するピンホールと、前記ピンホールの前段に配
   設されて入射光を断続させる光チョッパとを備えた放射
   計において、前記ピンホールの放射光入射側の面に形成
   される凹面鏡と、前記光チョッパの前記凹面鏡に対向す
   る部位に形成された鏡面と、前記凹面鏡の近傍に設けら
   れると共にその測温値に基づいて前記光検出素子の出力
   値を補正する測温素子とを設けたことを特徴とする低温
   用放射計。