JPH0675015B2 - 低温用放射計 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は温度計測、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。

［従来の技術］ 放射光の測定は、被接触温度計や分光分析計などで広く
利用されている。検出方式として放射光を交流化する方
法が一般的に行われているが、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
方式として、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
度の補償方式として従来より行われてきた方式として第
３図に示したように参照光源と比較する方法がある。測
定対象からの放射光を対物レンズ31により集光し、光チ
ョッパ32で断続光としてピンホール33により外乱光を遮
断し、レンズ34、35により検出素子36に集光して照射さ
せる。光チョッパを鏡面に仕上げ、測定光軸に斜設し光
チョッパの回転によって測定対象からの放射光とレンズ
37によって集光された参照光源38からの参照放射光が交
互に検出素子に照射されるようにする。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
度計や補償回路は必要とされない（例えば（社）計測自
動制御学会、昭和56年３月16日発行「温度計即）P208参
照）。

［発明が解決しようとする課題］ 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HgCdTeなでの半導体素子を冷
却して用いることが多い。放射束の高感度・高精度な測
定では、従来のような周囲温度を一定に保つ方式や測温
度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
を得るのが難しく、検出素子の持つ高感度性を損なって
しまう。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点や、参
照光源用の光学系や電源がさらに必要とされるなどの問
題点がある。

これらの問題点を解決するために第４図に示した方法が
提案されている。光検出器サーミスタボロメータ41の直
前において金メッキした光チョッパ42により放射光の断
続化を行い、測定対象からの放射光の入射を絶っている
時には、前記光検出器からの放射光を前記光チョッパに
より反射して再び光検出器に照射されるようにする。こ
の時の光検出器から出る放射光の強度は、検出器自体の
温度によって決まるため、検出器自体の温度を感温素子
43により測定することによって、検出器自身からの、放
射光強度を求める。これにより、検出器自身を前述の参
照光源として利用している（例えば（社）計測自動制御
学会、昭和56年３月16日発行、「温度計測」P216参
照）。しかし、この方法においては、検出器に入射する
放射光を一度平行光化し、平行光路上に光チョッパを設
置する必要があり、光チョッパは平行光化された放射光
を完全に断続できるだけの大きさを持たなければならな
い。したがって、数KH₂の高速な周波数で放射光の断続
化を行うためには、直径10cm近くの光チョッパを高速で
回転させなければならず、このため放射計全体の大きさ
は、光チョッパによって制限され、小型化が難しくな
る。一方、前記したPbSやHgCdTeなでの半導体光検出素
子は、その特徴として数KH₂から数10KH₂の高速な周波数
でも充分な感度を持っており、この特性によって高感度
化が可能である。したがって、上記した光チョッパの小
型化が難しい点は重要な問題点となる 本発明は、かかる問題点を解決し、周囲温度の補償が簡
単で安定、かつ高感度な低温用放射計を提供することを
目的とする。

［課題を解決するための手段］ 上記の目的を達成するために、この発明の低温用放射計
は、測定対象からのピンホールを介して光検出素子に集
光させる光学系と、放射光を遮断させる光チョッパと、
一定温度に保持させている光検出器とらからなる放射計
において、表面の放射率が0.1より小さな鏡面とした光
チョッパを前記ピンホールの前面に配置し、検出素子か
らの照射光のみが参照放射光源となるように前記ピンホ
ールの前記光チョッパに対向した面を凹面鏡化するもの
である。

［作用］ 低温物体からの放射光を測定する場合、測定対象からの
放射光以外に測定対象の周囲からの放射光や、測定機器
自体からの放射光が測定検出素子に照射される。前記の
測定対象周囲からの放射光は放射計の光学的設計、特に
光学系内に設置されたピンホールによって取り除くこと
が出来るが、放射計自体からの放射光を除外することは
難しい。放射計自体からの放射光の影響を取り除くため
に、測定対象からの放射光を光チョッパにより断続し、
一定温度物体からの放射光と測定対象からの放射光が交
互に検出素子に入射されるように工夫することは有効で
ある。特に、検出素子を一定温度に保持して前記一定温
度物体とし、検出素子自身からの放射光と測定対象から
の放射光を交互に検出素子に入射させれば、一定温度物
体を新たに設置する必要無く得ることが出来る。検出素
子自体からの放射光を検出素子に入射させる手段とし
て、光チョッパからの放射を極力抑えて、逆に光チョッ
パに照射される放射光を極力反射するようにする。ここ
で、放射率ε＜0.1が望ましい。ここで、放射率ε＜0.1
とは照射された光の９割以上が反射されることを示して
いる。光チョッパの放射率を小さくする手段としては鏡
面研磨、金メッキ、銅メッキ、銀メッキなどがある。上
記のように鏡面化した光チョッパを前記ピンホールの測
定放射光入射側に於てピンホールの周囲を凹面鏡にし、
その直前に前記光チョッパを配置する。光チョッパの設
置位置は、放射計の光学集光系と凹面鏡の光学定数によ
って決定され、検出素子からの放射光が、ピンホールを
通って光チョッパ、凹面鏡、再度光チョッパにより反射
されピンホールを再度通って検出素子に集光されるよう
にする。上記のような光学系の設置により、検出素子に
は光チョッパの断続により測定対象からの放射光と検出
器自体からの放射光が交互に入射されるようになる。

［実施例］ 以下、本発明について図面を用いて詳細に説明する。第
１図に本発明の１例を模式的に示す。放射光検出素子11
は一定温度または低温に保持する。保持温度は、測定対
象の温度以下が望ましく、室温付近の測定では、20℃以
下、より好ましくは０℃以下とすることが望ましい。光
チョッパ12を鏡面化し放射率を究めて小さくε＜0.1と
しピンホール13の直前に於て鏡面化した面をピンホール
側に向け、光軸に対して垂直に設置する。ここで、鏡面
化とは表面を平坦かつ反射率の高い状態にすることで、
放射率がε＜0.1とは照射された光の９割以上が反射さ
れる状態を示している。これに対向した前記ピンホール
面を凹面鏡の形状に加工して前記光チョッパ同様の金メ
ッキ、銅メッキ、銀メッキなどにより反射率をε＜0.1
の光反射表面として光チョッパとの多重反射により、検
出素子からの放射光のみが参照放射光源となるようにす
る。前記光チョッパの設置位置は前記ピンホール上に設
置した凹面鏡の焦点距離に応じて動かし、上記の状態と
なるように決定する。特にPbSやHgCdTeなどのように−3
0℃以下に冷却して使用している検出素子は、検出素子
自体からの放射光が充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。光学系としては
測定対象からの放射光を対物レンズ14で集光した後、集
光点の直前で前記光チョッパにより放射光の断続化を行
う。集光点では前記ピンホールによる外乱反射光の遮断
を行い、ピンホールの後側でレンズ15、16により前記検
出素子上に集光させる。上記構成により、測定対象から
の放射束が、光チョッパにより絶たれた時には、検出素
子自体からの放射束が光チョッパおよびピンホール上の
凹面鏡により反射されて検出素子に照射される。検出素
子には、他からの放射束の照射がないため、検出素子に
は測定対象からの放射束と、低温または一定温度に保た
れた検出素子自体からの放射束が交互に照射されること
になる。

第２図にミラー系による放射計の具体的な構成を示し
た。焦点距離40mmの集光ミラー21と反射鏡22により直径
1mmのピンホール23の位置に集光させ、その直前で鏡面
化した光チョッパ24により放射光の交流化を行う。光チ
ョッパによる放射光の断続は、1KH₂で行った。ピンホー
ルの光チョッパに対面する位置に焦点距離20mmの凹面鏡
を作製した。ピンホールの後側で焦点距離40mmのミラー
25により平行光化し、再度焦点距離40mmのミラー26で検
出素子27に集光させた。検出素子としてHgCdTe赤外線検
出素子を使用した。この素子は約５μｍまでの赤外光に
感度を持ち、電子冷凍素子によって約−60℃に保持され
ている。この光学系において光チョッパを鏡面化したも
のと、してないものとを用いて50℃の黒体炉を1mの距離
より測定し、比較した。光チョッパを鏡面化していない
もので、周囲温度が25度の時、出力は6mVであったが周
囲温度を５度上昇させると、出力は4.5mVとなった。こ
れは測定対象が５度下がった時とほぼ同じであった。こ
れを光チョッパを鏡面化したもので測定した場合には、
周囲温度が25度で9mVとなる、出力の上昇があった。こ
の場合には、５度の周囲温度上昇によって出力信号の下
がりは見られなくなった。

［発明の効果］ 本発明の光学系を用いることにより、温度計測、分光分
析、放射束測定などに用いられる放射計の周囲温度補償
の精度が向上し、測定感度が向上する。さらに放射系の
小型化、軽量化、低価格化の効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の放射計の実施形態の１例を示す構成
図、第２図は本発明の他の実施例に用いた構成図、第３
図は従来法の構成図、第４図は従来法での周囲温度補正
の方法の１例を示す図である。 図中． 11:光検出素子 12:光チョッパ 13:ピンホール 14:対物レンズ 15,16:レンズ

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52−11076（ＪＰ，Ａ) 特公 昭44−4758（ＪＰ，Ｂ１)

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】測定対象からのピンホールを介して光検出
   素子に集光させる光学系と、放射光を遮断させる光チョ
   ッパと、一定温度に保持させている光検出器とからなる
   放射計において、表面の放射率が0.1より小さな鏡面と
   した光チョッパを前記ピンホールの前面に配置し、検出
   素子からの照射光のみが参照放射光源となるように前記
   ピンホールの前記光チョッパに対向した面を凹面鏡化す
   ることを特徴とする低温用放射計。