JPH0663860B2

JPH0663860B2 - 低温用放射計

Info

Publication number: JPH0663860B2
Application number: JP2419088A
Authority: JP
Inventors: 愛次城生; 哲哉鈴木; 智藤井; 徹井内
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1990-12-25
Filing date: 1990-12-25
Publication date: 1994-08-22
Anticipated expiration: 2009-08-22
Also published as: JPH04223239A

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６のものがある。

【０００３】図６は被測定物からの放射光を光学系を介
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からの放射光が入射されてい
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光が測定対象からの放射
光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
７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が配置されている。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
射光強度を求める。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な構成
によって行え、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器に集光
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、前記光検出器を一定温度の参照
光源とする黒体炉化手段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、光検出器が疑似黒体炉にされているので、光検出器
からの放射光が安定する。したがって、光検出器からの
放射光が光チョッパ及び凹面鏡を介して再び光検出器に
戻されるため参照光が安定し、測温の安定性を向上させ
ることができる。

【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及び光検出器２０
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２
１が光軸に対して直角に配設されている。光チョッパ２
１は、図６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。

【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と凹面鏡
１７との２重反射により、光検出器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、２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】図２及び図３は光検出器２０の詳細を示す
断面図及び斜視図である。例えば、ＨｇＣｄＴｅによる
光検出器２０の光検出素子２７はパッケージ２３内に配
設され、その検出部に対向する部分に窓２４が形成さ
れ、その窓２４にはパッケージ２３を真空状態に密封
し、かつ光学系からの放射光を入射可能にするためにサ
ファイヤガラス２５が埋め込まれている。窓２４の内側
には、内面が鏡面仕上げ（ε＜０．１）にされた円錐筒
状のガイド部２６があり、この円錐筒状のガイド部２６
は、光検出器２０に向かって内径が小さくなり、その内
径の傾斜角（視野角）θは光学系のレンズ１９の絞り角
度に一致させ、光学系からの放射光のみが入射されるよ
うにしている。

【００１７】さらに、パッケージ２３の内面は無光沢の
黒色に塗装して内面反射を防止し、疑似的な黒体炉とし
て機能するようにしている。前記したように、光検出素
子２７の性能を最大限に発揮させるためには、低い温度
に保持する必要がある。そこで、光検出素子２７の背面
には冷却部材２８（例えば、電子冷却素子）が配設され
ている。また、必要に応じてパッケージ２３の背面に放
熱板あるいは空冷装置、水冷装置などの冷却手段２９を
設けることもできる。このような構成により、光検出素
子２７は一定温度に保持されるので、光検出器２０を一
定温度物体とみなすことができ、従来のように一定温度
物体（参照光源８）を設ける必要がなくなる。

【００１８】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
出器２０の光検出素子２７の検出面に集光が行われる。

【００１９】測定対象からの放射光が光チョッパ２１に
よって遮断された時には、光検出器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１７
により反射され、これが光検出器２０の光検出素子２７
に照射される。光検出器２０には、他からの放射光の照
射がないため、光検出器２０には、測定対象からの放射
光と低温または一定温度に保たれた光検出器２０自体か
らの放射光が交互に照射されることになる。このとき、
光検出器２０が黒体炉の形状にされているため、光検出
器２０からの放射光を安定にし、感度の安定度を向上さ
せることができる。例えば、５０℃の黒体炉を１ｍの距
離から測定した時、光検出器２０を黒体炉の形状にしな
い構成では、室温が２５℃から３５℃に変化すると、１
℃程度の出力減少があったが、図２及び図３による構成
を採用した光検出器２０では０．５℃以下にすることが
でき、測温の安定性を向上させることができた。

【００２０】なお、上記実施例では、光検出器２０が１
つの光検出素子２７を有するものとしたが、測定対象に
応じた素子配列の光検出器２０を用いることもできる。
例えば、図４に示すように、多素子を用いることもでき
る。すなわち、測定対象が棒状であれば、その輪郭形状
に合わせて複数の素子をＩ字形に配列する。このような
光検出器２０を用いることにより、測定対象の各部位の
放射光を入射させることができ、さらに精密な測定が可
能になる。

【００２１】図５は本発明の他の実施例を示す構成図で
ある。本実施例は、図１の実施例に測温素子３１（例え
ば、白金抵抗体、サーミスタなど）を凹面鏡１７の近傍
のピンホール板３０に取り付け、凹面鏡１７の温度補償
を行うようにしたものである。したがって、測温素子３
１以外の構成については、図１と同一であるので、ここ
では重複する説明を省略する。

【００２２】凹面鏡１７の反射率は１００％が理想であ
るが、現実には９０％程度であり、凹面鏡１７は周囲温
度と同じ温度である。これにより、理想的にはないはず
の放射が凹面鏡１７から生じ、これが光チョッパ２１の
鏡面で反射して光検出器２０へ照射される。この温度変
化分による放射は、光検出器２０の検出値の変動となっ
て現れる。そこで、凹面鏡１７の温度を測温素子３１に
よって検出し、この測定値に応じて光検出器２０の検出
値を補正する。このような補正により、例えば、測温素
子３１を有しない場合には光検出器２０の出力値に数％
の変動が見られるが、測温素子３１を設けて補正した場
合には１％以下にすることが可能になる。

【００２３】

【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器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、前記光検出器を一定温度の参照光源とする黒体炉化
手段とを設けるようにしたので、光検出器からの放射光
が光チョッパ及び凹面鏡を介して再び光検出器に戻され
るため、参照光が安定し、測温の安定性を向上させるこ
とができる。

【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】本発明に係る光検出器の詳細構成を示す断面図
である。

【図３】光検出器２０の詳細を示す斜視図である。

【図４】光検出器２０の他の例を示す斜視図である。

【図５】本発明の他の実施例を示す構成図である。

【図６】従来の低温用放射計を示す構成図である。

【図７】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。

【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光検出器２１光チョッパ２２モータ２３パッケージ２４窓２５サファイヤガラス２６ガイド部２７光検出素子２８冷却部材２９冷却手段３０ピンホール板３１測温素子

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】測定対象からの放射光を光検出器に集光
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、前記光検出器を一定温度の参照
光源とする黒体炉化手段とを設けたことを特徴とする低
温用放射計。