JPH0518048B2 - - Google Patents

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JPH0518048B2
JPH0518048B2 JP60034734A JP3473485A JPH0518048B2 JP H0518048 B2 JPH0518048 B2 JP H0518048B2 JP 60034734 A JP60034734 A JP 60034734A JP 3473485 A JP3473485 A JP 3473485A JP H0518048 B2 JPH0518048 B2 JP H0518048B2
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JP
Japan
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infrared
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radiation thermometer
infrared rays
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Wataru Sakuma
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Keyence Corp
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Publication date
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    • G01JMEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J5/00Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J5/02Constructional details
    • G01J5/08Optical arrangements
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    • G01J5/08Optical arrangements
    • G01J5/0806Focusing or collimating elements, e.g. lenses or concave mirrors

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Radiation Pyrometers (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、物体から放射される赤外線のエネ
ルギー量を計測して物体の温度を非接触的に測定
する放射温度計に係り、特に赤外線検出素子に熱
型赤外線検出素子を用い、かつ、常温付近の温度
測定が可能である、いわゆる低温用の放射温度計
に関する。
〔従来の技術〕
物体から放射される赤外線のエネルギー量を計
測する赤外線検出素子には、量子型赤外線検出素
子と熱型赤外線検出素子の2種類がある。常温付
近の温度測定が可能な量子型赤外線検出素子は、
それ自体が高価であり、また、液体窒素等を用い
て常時冷却する必要がある。そのため、装置が大
型化し、費用が嵩むという欠点がある。したがつ
て、一般に常温付近の温度測定には熱型赤外線検
出素子が用いられている。
周知のように、ステフアン・ボルツマンの法則
(下記参照)により物体から放射される赤外線の
エネルギー量は、絶対温度の4乗に比例する。
W=εσT4 W:物体の単位面積から単位時間に放射される
赤外線のエネルギー量(Wcm-2) σ:ステフアン・ボルツマン定数(5.67×
10-12Wcm-2K-4) ε:放射率 T:絶対温度 したがつて、温度が低ければ低いほど、放射さ
れる赤外線のエネルギー量は微量なものになる。
それゆえ、測定対象物以外の物体からの影響を受
けやすく、正確な温度測定を行うのは至難であつ
た。また、温度が低ければ低いほど、放射される
赤外線の波長は長波長(遠赤外線)の方へ移行す
る。この遠赤外線を透過させるためには、特殊な
物質からなる光学部品を用いねばならない。
従来、常温付近の温度測定のための低温用の放
射温度計の光学系として、反射鏡方式とレンズ方
式が通常使用されている。
反射鏡方式としては、カセグレン式が一般的で
ある。この方式の利点は、遠赤外線を透過させる
ために特殊な物質からなる光学部品を用いる必要
がない点である。第3図に示すように、放射温度
計の検知ヘツド部分1の中空部に、凸面鏡8が支
持棒9によつて吊着されている。凸面鏡8の凸面
側に、対向するようにして凹面鏡10が、検知ヘ
ツド部分1の内面に周設されている。凹面鏡10
の中心部には、開口部11が穿設されている。凹
面鏡10の凸面鏡8と反対側には、赤外線検出素
子12が前記開口部11に応当する位置に設けら
れている。この赤外線検出素子12は、前述した
ように、熱型赤外線検出素子である。そして、赤
外線検出素子12は絞り(図示省略)によつて、
開口部11を通過する赤外線のエネルギーのみ
を、検出するようになつている。
このように構成されたカセグレン式の動作原理
を説明する。この方式によれば、物体から放射さ
れる赤外線13を凹面鏡10で集光したのち、凸
面鏡8で反射し、凹面鏡10の中心部に穿設され
た開口部11を通過させて、赤外線検出素子12
に到達させている。この時に、凸面鏡8自身およ
び凹面鏡10自身から放射される赤外線のエネル
ギーは、無視することができる。すなわち、凸面
鏡8および凹面鏡10は、鏡体であるので赤外線
は放射されないからである。また、凹面鏡10の
背後(図において右側の面)から放射される赤外
線は、前記絞りによつて除外される。しかし、赤
外線検出素子12の受光視野内に位置している支
持棒9から放射される赤外線のエネルギーは、無
視しえない。なぜならば、熱型赤外線検出素子
は、自身の温度と測定対象物の温度が異なる場合
に検出信号を発生するものである。したがつて、
装置を大型化せずに、熱型赤外線検出素子と放射
温度計内の構成部品とを同一温度に保つことは通
常困難である。それゆえ、支持棒9から放射され
る赤外線のエネルギーの影響を受けて、誤つた検
出信号を発生するのである。
すると、前述したように、低温用の放射温度計
においては測定対象物以外からの僅かな赤外線の
エネルギーを受けても、大きな影響を被り誤差が
生じ、正確な温度測定は不可能になる。
そこで、この欠点を除去するために、モータに
連動されたチヨツパを赤外線検出素子12と凹面
鏡10の間に設けたり、あるいは、凸面鏡8と検
出対象物との間に設けたりする提案が種々なされ
ている。ところが、この方法では放射温度計自体
が大型化し、また、機構的にも複雑さを増し、信
頼性および機械的寿命の点で問題があつた。
それに比べてレンズ方式は、反射鏡方式のよう
な欠点がない。しかし、レンズには透過しない波
長範囲の赤外線を放射するという性質があるの
で、レンズ自身から放射される赤外線のエネルギ
ーが赤外線検出素子に到達してしまい、誤つた検
出信号が発生する。そのため、正確な温度測定が
不可能となる欠点がある。この欠点を除去するた
めには、ゲルマニウムレンズを用いれば良いのだ
が、ゲルマニウム自体が高価なうえ、表面に反射
を押さえるために無反射コーテイングを施さなけ
ればならず、非常に高価なものとなつてしまう。
〔発明が解決しようとする問題点〕
上記したように、精度が高く、しかも安価であ
る放射温度計を作成しようとする際に、反射鏡方
式を用いた場合には、測定対象物以外の放射温度
計を構成している部品から放射される赤外線のエ
ネルギーの影響が多大である点、および、この欠
点を除去するためにチヨツパを設けた場合には、
機構的に複雑さを増す点が問題点として挙げられ
る。また、レンズ方式を用いた場合には、費用的
に所望の放射温度計を得ることは不可能であると
いう問題点が挙げられる。
〔問題点を解決するための手段〕
この発明は、上記問題点に鑑みてなされたもの
であり、この問題点を解決するための具体的手段
は、物体から放射される赤外線のエネルギー量を
赤外線検出素子によつて計測することにより、こ
の物体の温度を測定する放射温度計において、所
望の波長範囲の赤外線を透過させる第1のフイル
タと、この第1のフイルタと前記赤外線検出素子
との間に位置し、前記第1のフイルタと同等かも
しくは広い波長透過特性を持つレンズ系と、先端
に開口部を有する熱伝導率の良い物質から形成さ
れたケースとが検知ヘツド部に内装されており、
前記ケース内部には前記赤外線検出素子が取付け
られ、ケースの先端部には、前記第1のフイルタ
と同等かもしくは狭い波長特性を持つ第2のフイ
ルタが、前記レンズ系と前記赤外線検出素子との
間に位置するように嵌入されていることである。
(作用) この発明は、前述のような手段を採つたので、
次のような作用がもたらされる。
所望の波長範囲の赤外線が第1のフイルタによ
り透過されたのち、第1のフイルタと赤外線検出
素子との間に設けられたレンズ系に伝達される。
前述したように、常温付近の温度の物体の放射す
る赤外線のエネルギー量は、極めて微量である。
したがつて、常温付近の物体の温度測定を行うた
めには、この微量の赤外線をレンズ系により無駄
なく集光してやり、赤外線検出素子に到達させて
やらねばならない。
レンズ系により集光された赤外線は、次に赤外
線検出素子が取付けられている、熱伝導率の良い
ケースに嵌入された第2のフイルタに伝達され
る。第2のフイルタは、第1のフイルタと同等か
もしくは狭い波長透過特性であるので、レンズ系
によつて集光された広い波長範囲の赤外線のう
ち、所望の波長範囲の赤外線のみを透過する。
第2のフイルタは、赤外線検出素子と同じ前記
ケース内に収容されているので、それ自身の温度
は赤外線検出素子と等しい温度となつている。し
たがつて、第2のフイルタから放射される赤外線
のエネルギーは、無視することができる。すなわ
ち、熱型赤外線検出素子は自身の温度と異なつた
温度の物体を測定する場合のみ、検出信号を発生
するからである。
この発明によれば、常温付近の温度である物体
から放射される微量の赤外線のエネルギーを、余
すところなく赤外線検出素子に到達させることが
でき、また、この赤外線検出素子の検出信号は、
前記物体から放射される赤外線のエネルギー量の
みに依存するという作用がもたらされるのであ
る。
〔実施例〕
この発明を、以下1実施例に基づいて説明す
る。第1図に示すように、放射温度計の検知ヘツ
ド部分1の先端開口部に、フツ化カルシウムから
なる第1のフイルタ2が嵌入されている。この第
1のフイルタ2の内側には、フツ化バリウムから
なるレンズ3が嵌入されている。常温付近の物体
から放射される赤外線の波長は、10μm以上の遠
赤外線をも含有する。この波長領域における赤外
線のエネルギー量は極めて微量である。したがつ
て、第1のフイルタ2によつて、所望の波長範囲
の赤外線を透過させたのち、レンズ3により集光
してやる必要がある。でないと、温度測定に必要
な量の赤外線のエネルギーが赤外線検出素子に到
達されない。
第1のフイルタ2は、常温付近の温度である検
出対象物から放射される赤外線の波長範囲に応じ
た波長透過特性(12μm以内)を有している。レ
ンズ3は、第1のフイルタ2の波長透過特性より
も広い波長透過特性(14μm以内)を有している。
そして、光量を減衰させないために出来うる限
り、薄くしてある。第1のフイルタ2はレンズ3
を、塵埃、水滴等から保護する機能も有してい
る。
レンズ3の内側の検知ヘツド部分1の終端部
に、ケース4が突設されている。このケース4
は、熱伝導率の良い物質から形成されている。こ
のケース4の先端開口部に、フツ化カルシウムか
らなる第2のフイルタ5が嵌入されている。第2
のフイルタ5の内側には、熱型赤外線検出素子6
が設けられている。熱型赤外線検出素子6は、こ
の熱型赤外線検出素子6からの検出信号を処理す
る外部機器(図示省略)に、接続コード7により
繋がれている。
第2のフイルタ5は、第1のフイルタ2と同等
かもしくは狭い波長透過特性(λ0≦12μm以内)
を有する。この実施例においては、第2のフイル
タ5の厚みを、第1のフイルタ2とほぼ同じ厚み
か、やや厚くすることにより、この特性を実現し
ている。熱型赤外線検出素子6には、サーモパイ
ル、サーミスタボロメータ等を用いれば良い。
第2のフイルタ5により、レンズ3によつて集
光された赤外線のうち、所望の波長範囲の赤外線
のみが選択され、透過される。したがつて、熱型
赤外線検出素子6に到達された赤外線は、検出対
象物と第2のフイルタ5からのみの赤外線であ
る。
すなわち、第2図に示すように、第1のフイル
タ2により波長が12μmまでの赤外線が透過され
る。次に、レンズ3は14μmまでの波長の赤外線
を透過するので、第1のフイルタを透過した赤外
線は漏れなくレンズ3を透過し集光される。第2
のフイルタ5は、λ0(≦12μm)の波長透過特性を
有するので、第1のフイルタ2、およびレンズ3
自身が放射する赤外線は透過されないのである。
さらに、第2のフイルタ5と熱型赤外線検出素子
6は、熱伝導率の良いケース4内にともに収容さ
れているので、温度差は生じない。したがつて、
熱型赤外線検出素子6は、検出対象物から放射さ
れた赤外線のみを受けて検出信号を発生するの
で、極めて正確な温度測定をなしうる。
この実施例においては、レンズ系をレンズ3の
みで形成したが、レンズ数枚あるいはレンズと他
の光学部品で形成しても良い。また、熱型赤外線
検出素子6に焦電素子を用い、チヨツパをこの焦
電素子の前方に設けた構成の放射温度計において
も、この発明を適用することはもちろん有効であ
る。
さらに、この実施例においては、第2のフイル
タをフツ化カルシウムにより形成したが、多層膜
干渉フイルタにより形成しても良い。多層膜干渉
フイルタは、設定された範囲の波長しか透過しな
い。それゆえ、その範囲以外の波長は、すべて反
射される。したがつて、レンズ系から到達される
赤外線のうち、所望の波長範囲の赤外線のみを透
過させ、赤外線検出素子に到達させる。
〔発明の効果〕
以上の説明から明らかなように、この発明にか
かる放射温度計は所望の波長範囲の赤外線を第1
のフイルタにより透過させたのち、第1のフイル
タと同等か、もしくは広い波長透過特性のレンズ
系により集光し、第1のフイルタと同等か、もし
くは狭い波長透過特性の第2のフイルタへ到達さ
せる。そして、この第2のフイルタは、集光され
た赤外線のうち所望の波長範囲の赤外線のみを赤
外線検出素子に到達させ、かつ、赤外線検出素子
と第2のフイルタは熱伝導率の良い同一のケース
内に収容されているので、第1のフイルタとレン
ズ系自身の放射する赤外線および第2のフイルタ
の放射する赤外線の影響は、赤外線検出素子の検
出信号にあらわれない。したがつて、測定環境の
温度変化が急激であつても、この変化に応じて放
射される第1のフイルタ、およびレンズ系からの
赤外線は、第2のフイルタによつて遮断され、常
に正確な温度測定が可能である。上記効果を、こ
の発明は機構上複雑さを増すことなく、かつ、簡
単な構成で、しかも安価に達成したものである。
【図面の簡単な説明】
第1図はこの発明の1実施例の断面図、第2図
はこの実施例の波長透過特性の説明図、第3図は
従来例の断面図である。 2……第1のフイルタ、3……レンズ、4……
ケース、5……第2のフイルタ、6……熱型赤外
線検出素子。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 物体から放射される赤外線のエネルギー量を
    赤外線検出素子によつて計測することによりこの
    物体の温度を測定する放射温度計において、 所望の波長範囲の赤外線を透過させる第1のフ
    イルタと、 この第1のフイルタと前記赤外線検出素子との
    間に位置し、前記第1のフイルタと同等かもしく
    は広い波長透過特性を持つレンズ系と、先端に開
    口部を有する熱伝導率の良い物質から形成された
    ケースとが検知ヘツド部に内装されており、前記
    ケース内部には前記赤外線検出素子が取付けら
    れ、ケースの先端部には、前記第1のフイルタと
    同等かもしくは狭い波長特性を持つ第2のフイル
    タが、前記レンズ系と前記赤外線検出素子との間
    に位置するように嵌入されていることを特徴とす
    る放射温度計。 2 第1のフイルタがフツ化カルシウムからなる
    特許請求の範囲第1項記載の放射温度計。 3 レンズ系に用いられているレンズがフツ化バ
    リウムからなる特許請求の範囲第1項または第2
    項記載の放射温度計。 4 第2のフイルタがフツ化カルシウムからなる
    特許請求の範囲第1項ないし第3項のいずれかに
    記載の放射温度計。 5 第2のフイルタが多層膜干渉フイルタからな
    る特許請求の範囲第1項ないし第3項のいずれか
    に記載の放射温度計。
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