JPH0663862B2

JPH0663862B2 - 低温用アレイ型放射計

Info

Publication number: JPH0663862B2
Application number: JP3016845A
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: 1991-01-18
Filing date: 1991-01-18
Publication date: 1994-08-22
Anticipated expiration: 2009-08-22
Also published as: JPH04236335A

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アレイ型放射計、特に低
温領域の測定が可能な低温用アレイ型放射計に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】放射計による測定は非接触放射温度計や
分光分析計などで広く利用されている。その検出方式と
して放射計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あるため、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５のものがある。

【０００３】図５は被測定物からの光を光学系を介して
光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及び該レン
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９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度の傾きを持って取り付けられ、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。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。ピンホール２を通過した
放射光と参照光は、レンズ３及びレンズ４を介して検出
素子５に交互に到達する。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５６年３月１６日発行「温度計
測」２０８頁に記載がある。

【０００４】ところで、低温物体からの微弱な放射光測
定や分光分析を行う場合、高感度の検出素子としてＩｎ
ＳｂやＨｇＣｄＴｅ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、検出素子の持つ高感度性が損なわ
れる。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。

【０００５】このような問題を解決するものとして、図
６に示す低温用放射計が提案されている。入射光を直角
方向へ反射させるために反射ミラー１０が配設され、そ
の反射光路上にレンズ１１が配設され、さらにレンズ１
１の焦点位置には光検出器であるサーミスタボロメータ
１２が配設されている。レンズ１１とサーミスタボロメ
ータ１２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１３が設置されている。また、反射ミラ
ー１０の入り側には、モータ１４を駆動源とし、表面に
金メッキの施された光チョッパ１５が配設されている。
この構成では、入射光が光チョッパ１５によって断続さ
れ、その遮光時にサーミスタボロメータ１２からの放射
光が光チョッパ１５により反射し、再びサーミスタボロ
メータ１２に照射される。この時にサーミスタボロメー
タ１２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１３
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。

【０００６】

【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、光検出器が単一の検出素子または小部分に
多素子が集約されている場合には問題ないが、光検出器
が複数の素子を１次元配列した大型の光検出器に図６に
示した自己放射に対する補正を適用した場合には、光チ
ョッパ１５をさらに大型のものとする必要があり、実用
上問題である。

【０００７】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、複数の素子を配列した光検出
器を用いた場合でも、周囲温度に対する補正を行えるよ
うにした低温用アレイ型放射計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集光させる光学
系と、複数の光検出素子を１次元配列して構成されると
共に前記光学系の集光位置に配設される光検出器と、前
記光学系内の集光位置に配設されると共に前記光検出素
子の各々に対応した位置において外乱放射光を除去する
光検出素子と同数のピンホールと、該ピンホールの各々
の放射光入射側の面に設けられる凹面鏡と、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と共に前記
凹面鏡の各々に対抗する部位が鏡面仕上げされた光チョ
ッパとを設けるものであり請求項２において、凹面鏡の
近傍に測温素子を装着し、その測温値に基づいて前記光
検出器の出力値を補正するようにしている。

【０００９】

【作用】上記した手段によれば、測定対象からの放射光
は光チョッパを通過し、光検出素子に対応して１次元配
列されたピンホールの各々及び光学系の後段を介して光
検出素子に到達する。また、光検出素子自身からの放射
光は光チョッパによって放射光が絶たれた時に光チョッ
パの鏡面及びピンホールの凹面鏡を２重反射して再び光
検出素子に到達し、これが参照光源として機能する。し
たがって、光チョッパによって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、かつ測定対象をスキャンしたと同等の放射光測
定を行うことができる。

【００１０】

【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。本発明では、後記するように、光
検出器自身からの放射光を参照光とするので、従来必要
とした参照光源８及びレンズ７を必要としない。このた
め、光チョッパ２６は光路に対し垂直に配設されてい
る。また、光検出器２０には多素子（例えば、１次元配
列した１０素子）の光検出素子１６が用いられ、これに
対応して図２及び図３に示す多数穴のピンホール１７が
用いられている。他の構成は、図５に示した通りである
ので、ここでは説明を省略する。

【００１１】図２は１次元配列の光検出素子を使用した
場合のピンホール１７の詳細構成を示す断面図であり、
図３は図２のピンホール１７の正面図である。図２及び
図３に示すように、ピンホール板１８には、光検出素子
１６の配列方向に合わせて複数個（本実施例では１０個
を４０ｍｍ内に配設）のピンホール１７（その直径は、
例えば１．０ｍｍ）が連続的に形成されている。ピンホ
ール１７の各々には、光チョッパ２６に対向する面に凹
面鏡１９が形成されている。凹面鏡１９は、金メッキ、
銀メッキなどにより放射率を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）の光反射面に
加工されている。これにより、光チョッパ２６の鏡面と
の２重反射により、光検出器２０からの放射光のみが参
照光となるようにする。そして、例えば外径４ｍｍ（し
たがって、ピンホール１７のピッチも４ｍｍ）とし、レ
ンズ１の焦点距離を７７ｍｍに設定する。また、測定対
象Ａと対物レンズ１の間の距離は例えば２ｍにされ、対
物レンズ１とピンホール１７との間の距離は例えば８０
ｍｍに設定される。なお、光チョッパ２６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にされている。

【００１２】図４は光検出器２０の詳細構成を示す断面
図である。例えば、ＨｇＣｄＴｅによる光検出器２０の
光検出素子１６（アレイ素子）はパッケージ２１内に配
設され、その検出部に対向する部分に窓２２が形成さ
れ、その窓２２にはパッケージ２１を真空状態に密封
し、かつ光学系からの放射束を入光可能にするためにサ
ファイヤガラス板など、赤外透過窓材２３が埋め込まれ
ている。窓２２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２４が設けられ、
その下端は光検出素子１６に近接している。ガイド部２
４は、検出素子１６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４の絞り角
度に一致させている。さらにパッケージ２１の内面は無
光沢の黒色に塗装され、疑似黒体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１６の性能を最
大限に発揮させるためには低温度に保持する必要があ
る。そこで、光検出素子１６の背面には冷却部材２５
（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２１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２７を設けることもでき
る。このような構成により、光検出器２０は一定温度に
保持されるので、一定温度の放射物体とみなすことがで
き、従来のように一定温度の放射物体（図５の参照光源
８）を別途設ける必要が無くなる。

【００１３】以上の構成において、測定対象Ａからの放
射束は対物レンズ１で集光されるが、その直前で例えば
１０００Ｈｚで回転する光チョッパ２６によって放射束
が断続される。集光点では、ピンホール１７による外乱
放射束の遮断が行われ、ピンホール１７の後段でレンズ
３及びレンズ４により光検出器２０の光検出素子１６の
検出面に再集光が行われる。光学系を前記した寸法にし
たとき、測定対象Ａが１０００ｍｍの長さであれば、光
検出器２０のアレイ素子上には測定対象Ａを１０ｍｍ間
隔で直径２．５ｍｍの大きさで測定される。すなわち、
測定対象Ａの形状に相似の光像がアレイ素子上へ照射す
ることができる。したがって、測定対象Ａに応じた放射
測定をスキャニングを行うことなく高精度に行うことが
できる。一方、測定対象からの放射束が光チョッパ２６
によって遮断されている時には、光検出器２０自体から
の放射束が光チョッパ２６の鏡面及びピンホール１７上
の凹面鏡１９により反射され、これが光検出器２０の光
検出素子１６に照射される。光検出器２０には、他から
の放射束の照射がないため、光検出器２０には、測定対
象Ａからの放射束と低温または一定温度に保たれた光検
出器２０自体からの放射束が交互に照射されることにな
る。これにより、光検出器２０自体からの放射光が参照
光として機能するので、従来のように、参照光源を別途
設ける必要がない。このとき、光検出器２０が疑似黒体
の形状にされているため、光検出器２０からの放射束を
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、光検出器２０を黒体にしない構成では、室温が３
０℃から３５℃に変化すると、光検出器２０に１℃分の
出力変化が見られたが、本発明によれば、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。

【００１４】図７は本発明の他の実施例を示す構成図で
ある。なお、本実施例においては、図１と同一部分につ
いては同一引用数字を用いたので、以下においては重複
する説明を省略する。本実施例は、図１の実施例に測温
素子２８（例えば、白金抵抗体、サーミスタなど）を凹
面鏡１８の近傍のピンホール板１８に取り付け、凹面鏡
１９の温度補償を行うようにしたものである。凹面鏡１
９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１９は周囲温度と同じ温度になって
いる。これにより、理想的には無いはずの放射が凹面鏡
１９から生じ、これが光チョッパ２６の鏡面で反射して
光検出素子１６へ照射される。この周囲温度による放射
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１９の温度を測温素子２８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２８を有しな
い場合には光検出器２０の出力値に２〜３％の変動が見
られるが、測温素子２８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。

【００１５】

【発明の効果】以上説明した通り、この発明は、測定対
象からの放射光を集光させる光学系と、複数の光検出素
子を１次元配列して構成されると共に前記光学系の集光
位置に配設される光検出器と、前記光学系内の集光位置
に配設されると共に前記光検出素子の各々に対応した位
置において外乱放射光を除去する前記光検出素子と同数
のピンホールと、該ピンホールの各々の放射光入射側の
面に設けられる凹面鏡と、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と共に前記凹面鏡の各々に対
抗する部位が鏡面仕上げされた光チョッパとを設けるよ
うにしたので、別途に参照光源を設けることなく、かつ
測定対象をスキャンしたのと同等の微弱な放射光測定を
行うことができる。また、さらに凹面鏡の近傍に測温素
子を装着し、その測温値に基づいて前記光検出器の出力
値を補正するようにしたので、凹面鏡自体からの放射に
よる誤差分を補正し、測定精度を向上させることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の低温用アレイ型放射計を示す構成図で
ある。

【図２】本発明のピンホールの構成の詳細を示す断面図
である。

【図３】図２のピンホールの詳細を示す正面図である。

【図４】光検出器２０の詳細を示す断面図である。

【図５】従来の低温用放射計を示す構成図である。

【図６】従来の温度補正手段を備えた低温用放射計の主
要図を示す断面図である。

【図７】本発明の他の実施例を示す構成図である。

【符号の説明】

１対物レンズ３レンズ４レンズ９モータ１６光検出素子１７ピンホール１８ピンホール板１９凹面鏡２０光検出器２１パッケージ２２窓２３サファイヤガラス２４ガイド部２５冷却部材２６光チョッパ２７冷却手段２８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集光させる光学系
と、複数の光検出素子を１次元配列して構成されると共
に前記光学系の集光位置に配設される光検出器と、前記
光学系内の集光位置に配設されると共に前記光検出素子
の各々に対応した数を備えて外乱放射光を除去する複数
のピンホールと、該ピンホールの各々の放射光入射側の
面に設けられる凹面鏡と、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と共に前記凹面鏡の各々に対
向する部位が鏡面仕上げされた光チョッパとを具備する
ことを特徴とする低温用アレイ型放射計。
【請求項２】請求項１において、凹面鏡の近傍に測温
素子を装着し、その測温値に基づいて前記光検出器の出
力値を補正することを特徴とする低温用アレイ型放射
計。