JPH0663864B2 - 低温温度分布測定用放射計 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は低温の赤外領域における
放射光の分光分析、温度計測などに用いられる低温用放
射計、特に測定対象における温度分布が測定可能な低温
温度分布測定用放射計に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】放射計は、物体の放出する放射エネル
ギーを測定し、その放射束の値から物体の温度を求め
る、物体の放出する赤外線の波長を測定する、試料
の分光吸収特性を測定するなどのために用いられる。そ
の構成には、赤外線レンズや集光ミラーを用いた光学系
とその集光位置に配設された光検出器からなるもの、或
いは温度分布などを可能にするためにポリゴンミラーを
回転させ（またはミラーを振動させ）て走査を行うもの
などがある。ポリゴンミラーを用いる場合、その構成
は、測定対象からの放射光をポリゴンミラーに入射さ
せ、ポリゴンミラーをモータによって回転させることに
より走査した反射光をレンズまたは集光ミラーで集光さ
せ、その集光点に配設した赤外線光検出器により光電変
換を行うことにより測定結果が得られるようになってい
る。

【０００３】ところで、絶対温度の値出しの要求に対し
ては、一般に黒体炉との比較が行われる。この方法につ
いて図５により説明する。図５は従来の低温用放射計の
主要部を示す構成図である。光学系の途中（例えば、系
内の集光位置近傍）に光チョッパ１（光検出器側の面の
スリット周辺に鏡面加工が施されている）を光路に対し
て４５°の角度に回転可能に設置し、鏡面に黒体炉２か
らの参照光を入射させ、測定対象からの放射光と黒体炉
２からの参照光とを光チョッパ１の回転に応じて交互に
赤外線レンズ３を介して光検出器４へ照射させ、その２
種類の検出出力を比較することにより温度絶対値の再生
を行う。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記した従来
技術にあっては、黒体炉の使用により温度精度は向上す
るものの、黒体炉及びその温度制御回路などを設ける必
要があり、装置が大型化すると共にコストアップを招く
不具合がある。

【０００５】本発明の目的は、上記した従来技術の実情
に鑑みてなされたものであり、黒体炉を用いることなく
同様の機能が得られるようにした低温用放射計を提供す
ることにある。

【０００６】

【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一次元方向へ走
査するポリゴンミラーと、該ポリゴンミラーからの放射
光を集光させる第１の光学系と、該光学系による集光位
置に配設されて外乱放射光を除去するピンホールと、該
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、前記ピンホールからの放射光を集光させる第
２の光学系と、該第２の光学系の集光位置に配設されて
入射光を光電変換する光検出器とを設けている放射計に
おいて、前記光チョッパに対向する前記ピンホールの周
囲に設けられる凹面鏡と、前記光チョッパの前記凹面鏡
に対向する面に設けられる鏡面とを具備し、前記光検出
器を一定温度に保持する恒温手段を設けている。

【０００７】

【作用】上記した手段によれば、ポリゴンミラーによっ
て走査された放射光は、光チョッパのスリットとピンホ
ールが合致する時には各々を通過し、ピンホールによっ
て外乱光を除去した後に第２の光学系を介して光検出器
に到達して測定出力が得られる。一方、光チョッパのス
リットとピンホールが不一致の時には、光検出器自身か
らの放射光が光チョッパの鏡面及び凹面鏡間で反射し、
光チョッパの鏡面及び第２の光学系を介して光検出器に
到達する。したがって、光検出器自身を疑似黒体の形状
にすることによって、比較用の黒体炉として用いること
ができ、光チョッパのスリットを通過して得られる測定
対象からの放射光の測定値と光チョッパによる遮光時の
光検出器自身からの放射光の測定値とを比較することに
より、黒体炉を設けることなく絶対温度の値出しをする
ことができる。

【０００８】

【実施例】以下、本発明の実施例について図面を参照し
ながら説明する。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。本実施例に示す光学系は、
入射光を走査するポリゴンミラー５、反射面が凹面鏡に
形成されてポリゴンミラー５からの放射光を集光させる
集光ミラー６、この集光ミラー６からの放射光を平行光
にするコリメートミラー７、コリメートミラー７からの
放射光を集光させる集光ミラー８、この集光ミラー８の
集光位置に配設されて照射光を光電変換する光検出素子
９を備えた光検出器１０の各々が光路上に順次配設して
構成されている。ポリゴンミラー５は、周面が多角形
（本実施例では六角形）にされ、その平坦面の各々には
鏡面が形成されている。また、ポリゴンミラー５はモー
タ（不図示）を駆動源として回転する。この回転に応じ
て、各鏡面が連続に反射角度を変えるので、入射光は一
次元の連続的に異なる方向からの光となる、すなわち走
査が行われる。

【０００９】さらに、集光ミラー６の集光位置には、ピ
ンホール１１を有するピンホール板１２が配設されてい
る。このピンホール板１２の直前（集光ミラー６方向）
には、円板状を成し、その周辺部の円周方向に一定間隔
にスリット（半径方向に伸びた開口を有する）の設けら
れた光チョッパ１３が配設されている。光チョッパ１３
はモータ１４を駆動源として一定速度で高速回転する。
また、凹面鏡１５の近傍のピンホール板１２には、測温
素子１６（例えば、白金抵抗体、サ−ミスタなど）が装
着され、その出力によって光検出素子９の検出値を温度
補正できるようにしている。

【００１０】図２及び図３はピンホール部の詳細構成を
示す断面図及び正面図である。ピンホール板１２には、
１つの微小径（例えば、直径１．０ｍｍ）のピンホール
１１が設けられており、光チョッパ１３に対向する面の
ピンホール１１の周囲に凹面鏡１５が形成されている。
凹面鏡１５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。この凹面鏡
１５及びピンホール１１に対向させて光チョッパ１３の
裏面（ピンホール１１側の面）には、同様な構成の鏡面
が形成されており、この鏡面と凹面鏡１５との間の２重
反射により、光検出素子９からの放射光のみを参照光と
して用いることができるようになる。

【００１１】図４は光検出素子９を用いた光検出器の詳
細構成を示す断面図である。例えば、光検出器１０の光
検出素子９（例えば、ＨｇＣｄＴｅによる赤外センサ素
子を用いている）はパッケージ１８の中央部に配設され
ている。この光検出素子９に対向する部分に窓１７が形
成され、その窓１７にはパッケージ１８を真空状態に密
封し、かつ光学系からの放射光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１９が埋め込ま
れている。窓１７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２０が設けられ、
その下端は光検出素子９に近接している。ガイド部２０
は、光検出素子９に向かって内径が小さくされている。
さらに、パッケージ１８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。光検出素
子９はそ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９の背面には
冷却部材２１（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１８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２２を設け
ることもできる。このような構成により、光検出器２１
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（例
えば、参照光源）を設ける必要が無くなる。

【００１２】以上の構成において、測定対象からの放射
光はポリゴンミラー５により、その回転に応じて測定対
象を走査しながら反射し、その反射光を集光ミラー６へ
照射する。集光ミラー６はポリゴンミラー５からの反射
光をピンホール１１内に集光させる。この集光点では、
ピンホール１１による外乱放射光の遮断が行われ、ピン
ホール１１を通過した放射光がコリメートミラー７によ
って平行光にされ、この平行光を受けた集光ミラー８は
入射光を光検出素子９に集光させる。ここで、測定対象
からの放射光が光チョッパ１３によって遮断されている
時には、図２に示すように、光検出器１０自体からの放
射光は光チョッパ１３の鏡面で反射して凹面鏡１５に到
達し、この凹面鏡１５で反射して再度光チョッパ１３の
鏡面に到達し、反射して光検出器１０側へ戻される。最
終的に光チョッパ１３の鏡面から得られる反射光は、コ
リメートミラー７及び集光ミラー８を介して光検出器１
０側へ戻され、これが光検出器１０の光検出素子９に照
射される。光検出器１０には、他からの放射光の照射が
ないため、光検出器１０には、測定対象からの放射光と
低温または一定温度（例えば、−６０℃）に保たれた光
検出器１０自体からの放射光が交互に照射されることに
なる。これにより、光検出器１０自体からの放射光が参
照光として機能するので、別体の参照光源（黒体炉）な
どによる比較を行うことなく放射光の分析、温度計測お
よびその分布測定を行うことができる。

【００１３】このように、光検出器１０が一定温度に保
たれていることにより、周囲温度の影響を排除すること
ができ、光検出器１０による検出出力に変動を生じさせ
ることがない。例えば、出力値の変動を従来の約１／１
０に低減することが確かめられた。また、凹面鏡１５に
よって低温に保持した光検出器１０からの放射光を再度
光検出器１０へ戻しているため、光検出器１０の出力が
高くなり、これに応じて検出精度を向上させることがで
きる。また、光検出器１０が黒体炉の形状にされている
ため、光検出器１０からの放射束をさらに安定にし、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１０を黒体炉にしない構成では、室温が３０℃から３
５℃に変化すると、光検出器１０に１℃分の出力変化が
見られたが、本発明によれば、１℃以下にすることで
き、測温の安定性を向上させることができた。

【００１４】一方、凹面鏡１５には、光チョッパ１３か
ら反射した赤外放射光が入射している。凹面鏡１５の反
射率が、１００％であれば、凹面鏡１５からの放射光は
ないが、現実には１００％の反射率を得ることはできな
いので、凹面鏡１５からは周囲温度に相関した微弱な放
射光がある。この周囲温度の変動分は、光検出素子９の
出力値の変動となって現れる。そこで、凹面鏡１５の温
度を測温素子１６によって検出し、この測定値に応じて
光検出素子９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１６による補正が無い場合には
光検出素子９の出力値に１〜２％の変動が見られたが、
測温素子１６を用いて凹面鏡１５の温度補償を行うこと
により、０．５％以下にすることができた。なお、上記
実施例においては、光学系をミラーを用いて構成した
が、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、
レンズを用いた構成にすることもできる。

【００１５】

【発明の効果】以上説明した通り、この発明は、測定対
象からの放射光を一次元方向へ走査するポリゴンミラー
と、該ポリゴンミラーからの反射光を集光させる第１の
光学系と、該光学系による集光位置に配設されて外乱放
射光を除去すると共に前記光チョッパに対向する面の周
囲に凹面鏡が設けられたピンホールと、該ピンホールの
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
及びピンホールの各々に対抗する部位に鏡面が形成され
た光チョッパと、前記ピンホールからの放射光を集光さ
せる第２の光学系と、該第２の光学系の集光位置に配設
されて入射光を光電変換することのできる一定温度に保
持された光検出器とを設けるようにしたので、光検出器
自身を疑似黒体として用いることができ、光チョッパの
スリットを通過して得られる放射光測定値と光チョッパ
による遮光時の光検出器自身からの放射光の測定値とを
比較することにより、黒体炉を設けることなく絶対温度
の値出しをすることができる。これにより、装置の小型
化、軽量化及び簡略化を図ることができる。

【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】本発明に係る光検出器の詳細を示す断面図であ
る。

【図５】従来の低温用放射計の主要部を示す構成図であ
る。

【符号の説明】

５ ポリゴンミラー ６ 集光ミラー ７ コリメートミラー ８ 集光ミラー ９ 光検出素子 １０ 光検出器 １１ ピンホール １２ ピンホール板 １３ 光チョッパ １４ モータ １５ 凹面鏡 １６ 測温素子 １７ 窓 １８ パッケージ １９ サファイヤガラス板 ２０ ガイド部 ２１ 冷却部材 ２２ 冷却手段

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 測定対象からの放射光を一次元方向へ走
   査するポリゴンミラーと、該ポリゴンミラーからの放射
   光を集光させる第１の光学系と、該光学系による集光位
   置に配設されて外乱放射光を除去するピンホールと、該
   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、前記ピンホールからの放射光を集光させる第
   ２の光学系と、該第２の光学系の集光位置に配設されて
   入射光を光電変換する光検出器とを備えた放射計におい
   て、前記光チョッパに対向する前記ピンホールの周囲に
   設けられる凹面鏡と、前記光チョッパの前記凹面鏡に対
   向する面に設けられる鏡面とを具備し、前記光検出器を
   一定温度に保持する恒温手段を設けたことを特徴とする
   低温温度分布測定用放射計。
2. 【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温度分布測定用放
   射計。