JPH05172628A

JPH05172628A - 気体膨脹型エネルギー測定装置

Info

Publication number: JPH05172628A
Application number: JP35565691A
Authority: JP
Inventors: Shigeyuki Kimura; 茂行木村; Sunao Miyazaki; 直宮崎; Tsutomu Masujima; 努升島
Original assignee: Jasco Corp
Current assignee: Jasco Corp
Priority date: 1991-12-24
Filing date: 1991-12-24
Publication date: 1993-07-09

Abstract

(57)【要約】【目的】測定精度の高い気体膨脹型エネルギー測定装
置を提供すること。【構成】入射された電磁波のエネルギーを吸収する吸
収膜３を内蔵する小室２と、その小室の他端面に形成さ
れた開口部を覆うようにして装着された可撓性膜８とを
備え、前記吸収膜で吸収される電磁波のエネルギーの量
に応じて可撓性膜の膨出量が変化するようになってい
る。そして、この可撓性膜の膨出量を検出する装置が、
可撓性膜に光束を照射する光源１６と、可撓性膜にて反
射された反射光束の光路を変換する平面反射鏡１８と、
その平面反射鏡で反射された反射光束を受ける第１，第
２の光電検出素子１９ａ，１９ｂを有する２分割光電検
出装置１９と、両検出素子１９ａ，１９ｂの出力電圧差
を検出する差動増幅器２０とから構成されている。そし
て、電磁波の非入射時には反射光束が両検出素子１９
ａ，１９ｂに対し、それぞれ等量づつ入射されるように
なっている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、気体膨脹型エネルギー
測定装置に関するもので、より具体的には電磁波のエネ
ルギーを小室内の吸収部材で吸収し、それにより小室内
の気体を膨脹させて、その膨脹の度合いを計測すること
により入射された電磁波の強度（エネルギー）を測定す
るためのエネルギー測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】気体の膨脹を利用してエネルギーを測定
する装置として、従来図５に示すようなゴレイ（ｇｏｌ
ａｙ）セルと称される測定装置がある。同図に示すよう
に、中空の容器Ａの内部に設けられた小室Ｂの一端に窓
孔Ｃが形成され、その窓孔Ｃが透明板Ｄで覆われてい
る。また、小室Ｂの他端側は、開口されており、その開
口部Ｅを覆うようにして可撓性膜Ｆが装着されており、
その可撓性膜Ｆの外側面に金属膜が被着されて反射面と
なっている。そして、上記小室Ｂは、透明板Ｄ並びに可
撓性膜Ｆにて密閉空間となっており、この密閉された小
室Ｂ内に不活性ガスであるＨｅガスが密封されている。
さらに、この小室Ｂ内には小室内に入射されたエネルギ
ーを吸収する吸収膜Ｇが配置されている。従って、光
（赤外線）が小室Ｂ内入射されると、その光のエネルギ
ーが吸収膜Ｇにて吸収されてその膜の温度が上昇し、そ
の温度上昇により、Ｈｅガスが加熱膨脹し、その膨脹に
よる圧力変化に対応して可撓性膜Ｆが所定量だけ膨出す
る。

【０００３】一方、可撓性膜Ｆの外側には、白色光を発
する光源Ｈが配置され、その光源Ｈと可撓性膜Ｆとの間
に、集光レンズＩ並びに透過格子Ｊが配置されている。
さらに、集光レンズＩの外側（可撓性膜Ｆと反対側）の
所定位置には、光電管Ｋが配置されている。これによ
り、光源Ｈから出射された光が、集光レンズＩにて可撓
性膜Ｆ上に集光されるが、集光レンズＩの可撓性膜Ｆ側
の直近に設けた透過格子Ｊのため、上記集光された光が
可撓性膜Ｆにて反射されて戻ってきた反射光が、透過格
子Ｊ上に格子像Ｌとして結象される。

【０００４】よって、小室Ｂ内に光が入射されないと
き、すなわち、図示のごとく可撓性反射膜Ｆが平坦で膨
出していない状態のときに、上記格子像Ｌが透過格子Ｊ
の格子上に重なって光が通らないように位置調整してお
けば、入射エネルギーがないときには光電管Ｋに光が入
射されずに出力が零となる。そして、小室Ｂ内に光が入
射されると、そのエネルギーの量に応じて可撓性膜Ｆが
膨出するため、光源Ｈから可撓性膜Ｆまでの距離並びに
その可撓性膜Ｆから透過格子Ｊまでの距離が変更し、格
子像Ｌが透過格子Ｊの格子に完全に重ならず、その一部
或いは全部が透過して集光レンズＩを介して光電管Ｋに
反射光が入射され、光電管Ｋに出力が生じる。そして、
その出力の大きさは、可撓性膜Ｆの膨出量（エネルギー
の大きさ）に対応しているため、予めその対応関係を調
べておくことにより、光電管Ｋの出力を測定することに
より、小室Ｂ内に入射されたエネルギー量を計測するこ
とができるのである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た従来のエネルギー測定装置では、以下に示す問題を有
している。すなわち、構成部品の一つである透過格子Ｊ
は、１ｍｍにつき５〜１０本の平行縦縞を設けなければ
ならないと共に、上述したごとく、小室Ｂ内への入射エ
ネルギー零のときに透過格子Ｊの格子と格子像Ｌとが完
全に重なりあうように各部品の位置調整を行わなければ
ならないため、その製造並びに組立が煩雑であるばかり
でなく、熟練した技術を要する。

【０００６】また、光源に白色光を用いていたため、そ
の熱伝導が大きく、小室Ｂ内に充填された気体（Ｈｅガ
ス）の分子の擾乱を生じ、測定誤差の一因となる。さら
に、入射エネルギー零の時には、可撓性膜Ｆは平坦であ
るために平面鏡として作用するが、入射エネルギーがあ
ると可撓性膜Ｆが膨出するため凸面鏡として作用するこ
とになる。しかも、そのエネルギーの大きさに応じて膨
出量が異なるため、可撓性膜Ｆの反射面（鏡）の焦点距
離がそれぞれ異なってしまう。その結果、入射エネルギ
ーがあると、可撓性膜Ｆで反射された反射光が透過格子
Ｊ上で結象できなくなり、ぼやけた象となってしまう。
よって、測定精度が低下してしまう。

【０００７】本発明は、上記した背景に鑑みてなされた
もので、その目的とするところは、比較的簡単に製造・
組立を行うことができ、測定精度の高い気体膨脹型エネ
ルギー測定装置を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記した目的を達成する
ために、本発明に係る気体膨脹型エネルギー測定装置で
は、測定対象である電磁波のエネルギーを吸収する吸収
部材を有する小室と、その小室の一端面に形成され前記
電磁波を前記小室内に入射させる窓孔と、前記小室の他
端面に形成された開口部を覆うようにして装着された可
撓性膜とを備え、前記吸収部材で吸収される前記電磁波
のエネルギーの量に応じて変動する前記可撓性膜の膨出
量を検出することにより前記エネルギーを測定するよう
にした気体膨脹型エネルギー測定装置において、前記可
撓性膜の膨出量を検出する手段が、前記可撓性膜の膨出
にともないそこにおける反射光束の光路の変位を生じる
ように前記可撓性膜の所定位置に光束を照射する光源
と、前記反射光束の光路の変位を検出する検出装置とか
ら構成した。

【０００９】

【作用】窓孔を介して小室内に電磁波が入射されると、
そのエネルギーが吸収部材に吸収される。すると、その
エネルギーにより加熱され小室内のガス圧が上昇し、可
撓性膜が膨出する。そして、その膨出する量はエネルギ
ーの大きさに対応する。

【００１０】一方、光源から出射された光束は、可撓性
膜に当接し、そこにおいて反射されて入射方向と異なる
方向に反射される。そしてその反射光束の光路は、上記
電磁波の入射に伴う可撓性膜の膨出により変位し、その
変位量は可撓性膜の膨出量が大きくなるほど大きくな
る。したがって、係る反射光束の光路の変位を検出装置
で検出することにより、可撓性膜の膨出量が検出でき、
ひいては入射された電磁波のエネルギーを測定すること
ができる。

【００１１】

【実施例】以下本発明に係る気体膨脹型エネルギー測定
装置について添付図面を参照にして詳述する。図１は、
本発明の好適な実施例を示している。まず、本発明は、
上記した従来の透過格子を用いて可撓性膜の変位量を測
定していたのに替えて、新たな機構により係る計測を行
うようにしたことを特徴としている。よって、入射エネ
ルギーの量に応じて可撓性膜を膨出させる基本構成は、
上記した従来のものと同様である。

【００１２】すなわち、適度な肉厚を有する板部材１の
中心を厚さ方向に切除して両端が開口された貫通孔を形
成し、小室２を構成する。そして、その小室２の中央部
に入射される電磁波エネルギーを吸収する吸収膜３を装
着している。また、小室２の一方開口部（窓孔）を覆う
ようにして、透明板４が板部材１に接着一体化され、密
閉される。さらに、小室２の他方開口部を覆うようにし
て、閉塞板５が捩子にて板部材１に装着されている。

【００１３】この閉塞板５は、その中心位置に断面略Ｔ
字状の連通孔７が形成されており、その連通孔７の一端
が上記小室２に連通している。また、連通孔７の他端に
は、可撓性膜８が装着されている。そして、この可撓性
膜８の外側面には、蒸着などにて金属薄膜を付着させて
反射鏡８ａを形成している。

【００１４】さらに、この小室２並びに連通孔７内にＨ
ｅガスが充填されている。このようにＨｅガスを充填さ
せることにより、Ｈｅガスで電磁波エネルギーが吸収さ
れることがなく、入射されたすべての電磁波エネルギー
を吸収膜３に吸収させることができる。また、閉塞板５
と板部材１との間には、所定の間隙９が形成されてお
り、上記充填されたＨｅガスが、その間隙９を通って外
部に流出可能となっている。すなわち、小室２内に電磁
波が入射され、Ｈｅガスが膨脹して可撓性膜８が膨出す
ることによりエネルギー測定が行われた後、次の測定に
備えるためにＨｅガスが定常状態（可撓性膜８が平坦）
になるまでの時間を短縮させるべく、係る間隙を介して
Ｈｅガスをリークできるようになっている。

【００１５】さらに本例では、板部材１の他方開口部側
に、上記閉塞板５を内包するようにして両端開口された
円筒状の側壁部材１０が取り付けられており、その側壁
部材１０の先端開口部１０ａにメニスカスレンズ１１が
固着されている。そして、これら板部材１，側壁部材１
０並びにメニスカスレンズ１１で画成される空間内１２
に、Ｈｅガスが充填されている。よって、可撓性膜８が
Ｈｅガス内に位置することになる。

【００１６】ここで本発明では、上記可撓性膜８の膨出
量（変位量）を測定するための手段（光学系）として、
まず、光源１６から出射される光束が、可撓性膜８の中
央部に対し所定角度で斜めに照射されるような位置に係
る光源１６を配設している。そして、この光束上にコリ
メータレンズ１７を配置することにより、出射された光
束を平行光線にしている。なお、本例では光源１６とし
て、単色光を発し、指向性の強い細径のレーザダイオー
ドを用いている。

【００１７】また、上記光源１６から出射され、可撓性
膜８の外側表面に形成された反射鏡８ａに照射され、そ
こにおいて反射された反射光束の光路上の所定位置に、
その光路に対し傾斜状に平面反射鏡１８が配設されてお
り、その平面反射鏡１８の下方には２分割光電検出装置
１９が配置されいる。この２分割光電検出装置１９は、
同図（Ｂ）に示すように、２個の光電検出素子１９ａ，
１９ｂを有しており、上記反射光束がそれら第１，第２
の光電検出素子１９ａ，１９ｂの両方に照射するように
位置調整がされている。そして、本例では、小室２内に
電磁波が入射されていない時、すなわち、可撓性膜８が
平坦状の時における反射光束が、２分割光電検出装置１
９の中央部に照射され、両光電検出素子１９ａ，１９ｂ
に等量づつ光が照射されるようになっている。

【００１８】さらに、上記第１，第２の光電検出素子１
９ａ，１９ｂの各出力が差動増幅器２０の両入力端子に
接続されている。これにより、第１，第２の光電検出素
子１９ａ，１９ｂの出力電圧の差が差動増幅器２０から
出力される。

【００１９】また本例では、上述した側壁部材１０の先
端側外周面に形成したネジ部に有底筒状の断熱材２５を
螺合しており、この断熱材２５内に、上記光学系のうち
平面反射鏡１８，２分割光電検出装置１９並びに差動増
幅器２０が収納配置されている。また、この断熱材２５
の底部中央部には、内周面にネジが形成されている透孔
２５ａが形成され、この透孔２５ａに放熱フィン２６を
螺着している。そして、この放熱フィン２６内に設けた
孔２６ａ内に上記光源１６並びにコリメータレンズ１７
が挿入配置されている。

【００２０】さらに、それら断熱材２５，放熱フィン２
６の一部並びに上述した側壁部材１０や板部材１の周囲
を断熱吸音材２７にて囲繞し、その断熱吸音材２７の底
面をベースプレート２８上に載置した除振材２９上に固
定している。

【００２１】これにより、たとえ光源１６が発熱したと
しても放熱フィン２６を介して放熱でき、測定装置内の
温度上昇が抑制され、Ｈｅガスの分子が活性化すること
がない。また、測定装置外の温度変化に対しても上記断
熱材２５並びに断熱吸音材２７により確実に断熱される
ため、温度変化によるＨｅガスに対する影響を生じさせ
ない。また、従来の測定装置では、外来の気圧の変動
や、機械的振動並びに音波等の外乱によってもＨｅガス
の分子の擾乱を生じるが、本例では、上記した断熱吸音
材２７並びに除振材２９を設けたことにより、上記外乱
の影響を抑制し安定作動を行えるようになっている。

【００２２】さらにまた、本例では、上記した断熱吸音
材２７内に補助用のＨｅガスを充填したリザーブタンク
３０を埋設するとともに、そのリザーブタンク３０と空
間１２との間を細径からなる放出管３１で連結してい
る。そして本例では、リザーブタンク３０の容量（約１
ｍｌ）を小室２（約６μｌ）並びに空間１２（約１００
μｌ）に比し充分大きくしているため、特別なバルブ等
を設けることなく、上記のごとく放出管３１で連通する
だけで、各空間に存在するＨｅガスの存在量の平衡を保
つべく、徐々に空間１２（小室２）側にリザーブタンク
３０内のＨｅガスが供給されるようにしているが、バル
ブ等を設け、所定のタイミングで補充用のＨｅガスを供
給するようにしても良い。

【００２３】これにより、小室２内のＨｅガスが拡散し
装置外に散逸してしまうことにより、小室２内に存在す
るＨｅガスの量が減少し、与えられたエネルギーに対す
るＨｅガスの膨脹量が変化して誤測定をするのが抑制さ
れ、小室２内のＨｅガスの量を略一定に保たれ、長期間
にわたって安定作動がなされる。

【００２４】次ぎに、上記した実施例の作用にいて説明
する。まず、図２に基づいて本例における基本的な動作
原理を説明すると、光源１６から出射された光束は、可
撓性膜８（反射鏡８ａ）にて反射され、その反射光束が
２分割光電検出装置１９に入射される。次いで、電磁波
が入射されて可撓性膜８が膨出すると、図中想像線で示
すように反射部位もΔＸだけ前進移動する。したがっ
て、２分割光電検出装置１９に入射される反射光束も、
図中想像線で示すように所定方向（上方）に位置ずれす
る。よって、両光電検出素子１９ａ，１９ｂに入射され
る光量が変動する。そして、それら両光電検出素子１９
ａ，１９ｂに入射される光量の差が差動増幅器２０から
出力されるため、この出力を検出することにより上記の
可撓性膜８の膨出量（移動量）ΔＸを測定することがで
きる。

【００２５】具体的な本装置における作用は、以下の通
りである。すなわち、まず電磁波が小室２内に入射され
ずに可撓性膜８が平坦の時には、光源１６から出射され
た光束はコリメータレンズ１７で平行光線にされた後、
可撓性膜８の反射鏡８ａの中央部に対して所定の角度で
照射される。すると、その反射鏡８ａで反射された反射
光束が平面反射鏡１８にてその光路を変更されて下方に
位置する２分割光電検出装置１９に入射される。この
時、上述したごとく反射光束は第１，第２の光電検出素
子１９ａ，１９ｂに対して等しい光量で照射されるため
（図３中ハッチングで示す）、両素子１９ａ，１９ｂか
ら出力される出力電圧も等しくなる。したがって、差動
増幅器２０の出力も零となる。

【００２６】一方、電磁波が小室２内に入射されると、
その電磁波のエネルギーが吸収膜３にて吸収されてその
膜の温度が上昇し、その温度上昇により、小室２内のＨ
ｅガスが加熱膨脹し、その膨脹による圧力変化に対応し
て可撓性膜８が所定量だけ膨出し、この膨出量はエネル
ギーが大きいほど大きくなる。

【００２７】そして、可撓性膜８が膨出すると、図４に
示すように、その膨出量に応じて反射光束の反射角度
（方向）が変動する。すると、その変動にともない２分
割光電検出装置１９に入射される反射光束の位置も異な
る。すなわち、図３に想像線で示すように片側にずれ、
一方の光電検出素子（例えば第１の光電検出素子１９
ａ）に入射される光量の方が多くなる。すると、両光電
検出素子１９ａ，１９ｂの出力電圧が異なる（第１の光
電検出素子１９ａ側の方が大きな出力電圧となる）た
め、差動増幅器２０から所定の出力電圧が生じる。そし
て、その出力電圧が大きいほど、可撓性膜８の膨出量、
すなわち、入射された電磁波のエネルギーが大きいこと
を意味する。その結果、差動増幅器２０の出力電圧を検
出することにより、可撓性膜８の膨出量、すなわち、入
射された電磁波のエネルギー強度を測定することができ
る。

【００２８】また、本例では上述したごとく可撓性膜８
が湾曲状に膨出するため、その膨出に対する反射光束の
角度（方向）変位の偏差が大きくなる。よって、微細な
エネルギーの差でも判別・検知することができ、より高
精度（約１ｎｍ程度以下の分解能となる）なものとな
る。

【００２９】なお、上記した実施例では、光束を可撓性
膜８に対して斜めに照射するようにしたが、本発明はこ
れに限ることなく、直交状に照射することもできる。但
し、係る場合には、可撓性膜８の膨出により反射光束の
角度（光路）が変動させなければならないため、その照
射位置は、可撓性膜８の中心からずらした位置にする必
要がある。また、上記した実施例では、２つの光電検出
素子を用いて検出する構成について示したか、その個数
は任意で３個以上でも構わない。

【００３０】なおまた、上記した実施例では、反射光束
の変位を検出する手段として複数の光電検出器（２個の
光電検出素子１９ａ，１９ｂ）並びに差動増幅器２０を
用いた例について説明したが、本発明はこれに限ること
なく、半導体位置センサー（ＰｏｓｉｔｉｏｎＳｅｎ
ｓｉｎｇＤｅｔｅｃｔｏｒ：ＰＳＤ）を用いるように
してもよい。すなわち、このＰＳＤは、比較的広面積な
受光面を有し、その受光面のどの位置に光が照射したか
を検出できるようになっている。従って、上記実施例に
おける２分割光電検出装置１９の設置位置に、このＰＳ
Ｄを設置する（差動増幅器２０は不要となる）ことによ
り、可撓性膜８の膨出に伴い反射光束の光路が変動した
ら、その変位をＰＳＤ上の照射位置の変位として検出す
ることができる。よって、係る位置変位を検出すること
により可撓性膜８の膨出量、すなわち、小室２内に入射
された電磁波のエネルギー量を測定することができる。
さらにまた、上記した実施例では、吸収手段として従来
から用いられている吸収膜を用いた例について説明した
が、本発明はこれに限ること無く、他の固体物質、さら
には測定対象の電磁波（波長）を吸収できる気体など種
々のものが用いられる。そして、気体を用いる場合に
は、Ｈｅガスを封入することなく係る気体を小室２内に
密封収納し、電磁波が入射されると係る気体がそのエネ
ルギーを吸収すると共に膨脹して可撓性膜を膨出させる
ような構成とすることができる。

【００３１】さらに、上記した実施例では、光源１６と
してレーザーダイオード（単色光）を用いたものについ
て説明したが、本発明はこれに限ることなく複数の波長
を合成した光や、従来用いている白色光（連続光）を用
いることも可能である。但し、係る場合においても、反
射光束の変位の検出をより高精度に行う必要から、アパ
ーチャーやその他の光学機器等を用いることによりその
光束の径はできるだけ細くすることである。また、白色
光の場合には、発熱量が大きいため熱による悪影響をな
くすため、上記した実施例における放熱フィン２９を設
置したりする他、各種の放熱手段を設置するのが好まし
い。

【００３２】

【発明の効果】以上のように、本発明に係る気体膨脹型
エネルギー測定装置では、可撓性膜の膨出にともない反
射光束の光路の変位を生じるように可撓性膜の所定位置
に光束を照射する光源と、反射光束の光路の変位を検出
する検出装置とにより、可撓性膜の膨出量を測定するよ
うにしたため、可撓性膜の微細な変化も反射光束の光路
の変化により確実に検出することができ、検出精度が向
上する。

【００３３】また、構成が簡略化されて、部品点数の削
減が図られるとともに、各構成部品の設置も容易に行う
ことができる。さらに、従来のように格子像を所定位置
に結象させる必要がなく、しかも、可撓性膜の湾曲状に
膨出するこも積極的に利用することができ、像がぼけた
りすることがなく、正確に検出することができる。

【００３４】また、光源としてレーザーを用いた場合に
は、発熱が少く（消費エネルギーが少い）、指向性が良
好で、かつ光束が細径であるため、熱的安定が良好で高
い測定精度，Ｓ／Ｎ比が得られる。さらに、Ｈｅガスの
リザーブタンクを設けた場合には、長期間にわたってＨ
ｅガスを小室内等に適正量維持することができるため、
長期間安定動作させることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る気体膨脹型エネルギー測定装置の
好適な一実施例を示す断面図である。

【図２】その動作原理を説明する図である。

【図３】２分割光電検出装置を示す平面図である。

【図４】可撓性膜の膨出に伴う反射光束の光路の変化を
示す図である。

【図５】従来の気体膨脹型エネルギー測定装置の原理図
を示す図である。

【符号の説明】

２小室３吸収膜（吸収手段）８可撓性膜８ａ反射鏡１６光源１９２分割光電検出装置１９ａ第１の光電検出素子（光電検出部）１９ｂ第２の光電検出素子（光電検出部）２０差動増幅器（光電検出部の出力値の差を求める装
置）３０リザーブタンク

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】測定対象である電磁波のエネルギーを吸
収する吸収部材を有する小室と、その小室の一端面に形
成され前記電磁波を前記小室内に入射させる窓孔と、前
記小室の他端面に形成された開口部を覆うようにして装
着された可撓性膜とを備え、前記吸収部材で吸収される
前記電磁波のエネルギーの量に応じて変動する前記可撓
性膜の膨出量を検出することにより前記エネルギーを測
定するようにした気体膨脹型エネルギー測定装置におい
て、前記可撓性膜の膨出量を検出する手段が、前記可撓性膜
の膨出にともないそこにおける反射光束の光路の変位を
生じるように前記可撓性膜の所定位置に光束を照射する
光源と、前記反射光束の光路の変位を検出する検出装置
とから構成されてなることを特徴とする気体膨脹型エネ
ルギー測定装置。
【請求項２】前記検出装置が、前記反射光束を受光す
るようにして近接配置された複数の光電検出部と、その
光電検出部の出力値の差を求める装置とから構成された
ことを特徴とする請求項１に記載の気体膨脹型エネルギ
ー装置。
【請求項３】前記検出装置が、半導体位置センサーで
あることを特徴とする請求項１に記載の気体膨脹型エネ
ルギー装置。
【請求項４】前記光源がレーザから構成されているこ
とを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の気
体膨脹型エネルギー測定装置。
【請求項５】前記請求項１〜４のいずれか１項に記載
された気体膨脹型エネルギー測定装置において、前記小
室内にＨｅガスを充満させるとともに、その小室内への
補充用のＨｅガスのリザーブタンクを装着したことを特
徴とする気体膨脹型エネルギー測定装置。