JPH0663865B2

JPH0663865B2 - 低温用放射計

Info

Publication number: JPH0663865B2
Application number: JP3022580A
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: 1991-01-24
Filing date: 1991-01-24
Publication date: 1994-08-22
Anticipated expiration: 2009-08-22
Also published as: JPH04240528A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は温度検出、分光分析、放
射光強度測定などに利用される放射計、特に低温領域
（室温以下）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７のものがある。

【０００３】図７は被測定物からの光を光学系を介して
光電変換素子を用いた光検出器に導くもので、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光検出器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度の傾きをもって取り付けられ、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。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ＩｎＳｂ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、十分安定した補償制度を得
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１
１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が配設されている。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。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１１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、直径１０ｃｍ近くの光チョッパを回転させねば
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。

【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、周囲温度に対する補償を簡単
に行え、高精度化、高感度化及び小型化を図ることので
きる低温用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る光検出器とを備えた
低温用放射計において、前記光チョッパとして光路に対
して直交する方向に振動させる電気−機械変換素子と、
前記光チョッパに対向する面の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及びピン
ホールの各々に対向する部位に形成される鏡面と、前記
光検出器を一定温度に保持する恒温手段とを設けてい
る。

【０００９】

【作用】上記した手段によれば、測定対象からの放射光
は振動する光チョッパを通過し、ピンホールによって外
乱光が除去された後に光検出素子に到達し、一方、光チ
ョッパが入射光を遮光している時には光検出器自身から
の一定温度に対応した一定強度の放射光が光チョッパの
鏡面と凹面鏡との間で反射した後に参照光として再度光
検出器に到達するので、光チョッパの遮光時と通光時の
測定出力を比較することにより温度絶対値を知ることが
できる。したがって、周囲温度の補正手段を別途に設け
ることなく高感度かつ高精度に測定を行えると共に、光
チョッパの小型化を図ることができる。

【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。本実施例では、光学系にレンズを
用いず集光ミラーを用いて構成している。本実施例に示
す光学系は、入射光ＩＬを集光させる集光ミラー１５の
出射光路上には光学系を小型化するために集光ミラー１
５からの光を反射させる平面ミラー１６が配設され、そ
の出射光路上の集光位置にはピンホール１７を有するピ
ンホール板１８が配設されている。更に、平面ミラー１
６の反射光路上には平行光を生成するためのコリメート
ミラー１９が配設され、その反射光路上には集光ミラー
２０が配設されている。更に、集光ミラー２０の集光位
置には光検出器２１が配設されている。ピンホール板１
８の直前には、ピンホール１７へ平面ミラー１１からの
光を断続的に入射させるための光チョッパ２２が配設さ
れ、この光チョッパ２２は電気−機械変換素子２３（例
えば、バイモルフ）を駆動源として、光路に直交する方
向へ往復運動する。電気−機械変換素子２３は台２４に
一端が固定され、他端にはアーム２６が取り付けられ、
このアーム２６の先端に光チョッパ２２が取り付けられ
ている。そして、不図示の駆動回路から駆動電圧が周期
的に与えられると、電気−機械変換素子２３は、その厚
み方向に振動し、これに応じて光チョッパ２２が更に大
きく振動する。光チョッパ２２は、光路に対し横方向か
ら出入を繰り返し、ピンホール１７へ平面ミラー１６か
らの放射光を選択的に送り込んでいる。

【００１１】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１８には、
１つの微小径（例えば、直径１．０ｍｍ）のピンホール
１７が設けられており、光チョッパ２２に対向する面の
ピンホール１７の周囲に凹面鏡２５が形成されている。
凹面鏡２５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
２５及びピンホール１７に対向させて光チョッパ２２の
裏面（ピンホール１７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２５との間の２重
反射により、光検出器２１からの放射束のみを参照光源
として用いることができるように光チョッパ２２の鏡面
を配設する。

【００１２】図４は光検出器２１を用いた光検出器の詳
細構成を示す断面図である。パッケージ２７の中心部に
は光検出素子２８が配設され、この光検出素子２８に対
向する部分に窓２９が形成され、その窓２９にはパッケ
ージ２７内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の赤
外透過窓材３０が埋め込まれている。窓２９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３１が設けられ、その下端は光検出素子２８
に近接している。ガイド部３１は、光検出素子２８に向
かって内径が小さくなるように構成されている。更に、
パッケージ２７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２８の性能を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２８の背面には
冷却部材３２（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２７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３３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２
８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、これを参照光源として用いることが
できると共に、従来のように一定温度の放射物体（例え
ば、参照光源）を設ける必要がなくなる。

【００１３】以上の構成において、測定対象からの放射
束は集光ミラー１５で集光されるが、その直前で振動し
ている光チョッパ２２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を通過した放射束がコリメートミ
ラー１９によって平行光にされ、これが集光ミラー２０
によって光検出素子２８上へ集光され、放射光強度など
の測定が行われる。ここで、測定対象からの放射束が光
チョッパ２２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２１自体からの放射束が光チョッパ
２２の鏡面で反射して凹面鏡２５に到達し、凹面鏡２５
で反射して再度光チョッパ２２の鏡面に到達し、光チョ
ッパ２２で反射して光検出器２１側へ戻される。最終的
に光チョッパ２２の鏡面から得られる放射束は、コリメ
ートミラー１９及び集光ミラー２０を介して光検出器２
１へ戻される。光検出器２１には、他からの放射束の照
射がないため、光検出器２１には、測定対象からの放射
束と低温または一定温度（例えば、−６０℃）に保たれ
た光検出器２１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２１自体からの放射束
が参照光として機能するので、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、温度計測など
を行うことができる。このように、光検出器２１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２１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１／１０に低減することが確かめられた。また、凹面
鏡２５によって低温に保たれた光検出器２１自体からの
放射光を再度光検出器２１へ戻しているため、光検出器
２１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２１が黒体炉の形状
にされているため、光検出器２１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２１を疑似黒体炉にしない構成では、室温が３
０℃から３５℃に変化すると、光検出器２１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５は本発明の他の実施例の主要部の構成
を示す断面図である。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３４（例えば、白金抵抗体、サーミ
スタなど）を凹面鏡２５の近傍のピンホール板１８に取
り付け、凹面鏡２５の温度補償を行うようにしたもので
ある。凹面鏡２５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２５は周囲温度の影
響によって温度変動する。これにより、理想的には無い
はずの放射が凹面鏡２５から生じ、これが光チョッパ２
２の鏡面で反射して光検出器２１へ照射される。この周
囲温度変化分による放射計の変動は、光検出器２１の検
出値の変動となって現れる。そこで、凹面鏡２５の温度
を測温素子３４によって検出し、この測定値に応じて光
検出器２１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３４を有しない場合には光検出器
２１の出力値に１〜２％の変動が見られるが、測温素子
３４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。なお、上記実施例においては、光学系をミラ
ーのみを用いて構成したが、これに限らず、例えば、レ
ンズを用いて構成することも可能である。

【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
に配設される光検出器とを備えた低温用放射計におい
て、前記光チョッパとして光路に対して直交する方向に
振動させる電気−機械変換素子と、前記光チョッパに対
向する面の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及びピンホールの各々に対向
する部位に形成される鏡面と、前記光検出器を一定温度
に保持する恒温手段とを設けたので、周囲温度の補正手
段を別途に設けることなく高感度かつ高精度に測定を行
えると共に、光チョッパの小型化を図ることができ、装
置の小型化が可能になる。

【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】本発明の光検出器の詳細を示す断面図である。

【図５】本発明の他の実施例の主要部の構成を示す断面
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集光ミラー１６平面ミラー１７ピンホール１８ピンホール板１９コリメートミラー２０集光ミラー２１光検出器２２光チョッパ２３電気−機械変換素子２４台２５凹面鏡２６アーム２７パッケージ２８光検出素子２９窓３０サファイヤガラス板３１ガイド部３２冷却部材３３冷却手段３４測温素子

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者井内徹神奈川県川崎市中原区井田1618番地新日本製鐵株式会社第１技術研究所内 (56)参考文献特開昭62−82333（ＪＰ，Ａ)

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る光検出器とを備えた
低温用放射計において、前記光チョッパとして光路に対
して直交する方向に振動させる電気−機械変換素子と、
前記光チョッパに対向する面の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及びピン
ホールの各々に対向する部位に形成される鏡面と、前記
光検出器を一定温度に保持する恒温手段とを具備するこ
とを特徴とする低温用放射計。