JPH0868690A

JPH0868690A - 光強度測定用光センサ及び光計測装置

Info

Publication number: JPH0868690A
Application number: JP22740494A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Takahashi; 高橋　　毅; Masahiko Morinaga; 雅彦森永; Hideaki Yamada; 秀明山田
Original assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry; Kurita Water Industries Ltd
Current assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry; Kurita Water Industries Ltd
Priority date: 1994-08-30
Filing date: 1994-08-30
Publication date: 1996-03-12

Abstract

(57)【要約】【目的】高強度の光の実加熱面・実測定面などで光強
度測定用光センサの使用を可能とする。また、高出力の
光強度分布を測定可能とする。【構成】少なくとも測定対象光の照射方向Ａと対向す
る外表面７が錐形状でかつ反射面とされたハウジング１
と、このハウジング１の頂部から底部に向け形成され内
周面８が反射面とされた孔２と、この孔２を通る光の通
路に配置され光強度に対応した信号を発生する受光部３
とを有してなる。また、受光部３の手前には減衰フィル
ター１０が配置されている。これら光強度測定用光セン
サ２０を同一平面で相直交する２軸方向へ移動させて走
査ることによって、光強度分布を測定可能としている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光強度を測定するため
の光強度測定用光センサとその光強度測定用光センサを
利用して光強度分布を測る光計測装置に関する。更に詳
述すると、本発明は、光強度の高いランプやレーザー等
を使用して加熱や加工などを行う際、その加熱や加工が
行われる位置での単位面積当たりの光強度・光エネルギ
ーやその分布を測定する装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、ランプやレーザー等を使用し
て、加熱や非接触下での加工などが行われている。例え
ば、切断や焼き入れ等の加工においては、ピンポイント
での加熱が必要となるため、高出力の固体レーザーやガ
スレーザー等が数ｍｍの光束に絞り込まれて使われてい
る。また、塗料の焼き入れや紫外線加工等では、比較的
広い範囲に特定の波長の光を照射することが行われてい
る。更に、最近ではランプやレーザー等を使用した局所
的加熱により伝熱管の熱抵抗を非破壊で測定するもの
（特開平２−１２６１４５号）等がある。

【０００３】このような加工や測定においては、その加
工位置や測定箇所でのランプやレーザー等の単位面積当
たりの光強度、即ち、光エネルギーやその分布を定量的
に正しく把握することが加工品質や測定精度を担保する
上で重要となる。また、塗料の焼き入れや紫外線加工な
どにおける広い範囲での加熱・照射のむらは、処理速度
の低下や品質の悪化の原因となるため、照射むらを防ぐ
上で加熱源の安定性を把握することが重要となる。更
に、熱抵抗の測定などでは加熱の強度分布が測定精度に
影響を与える重要な測定因子であることが指摘されてい
る。

【０００４】このような加工位置や加熱位置での光強度
の測定方法としては、従来、限られた条件下に塗料等が
照射された光の熱により変質する現象を利用して光強度
を測定したり、面状の発光板等を測定又は加工位置に配
し光強度の分布を測定する方法がとられている。また、
弱い光を利用した加工や測定においては、普通の照度計
等を用い、輝度や照度の変化を計測する方法が採用され
ている。

【０００５】また、レンズなどで集光した数１００Ｗを
越えるような大出力の光を測定する技術は、従来存在し
ていない。このため、経験的に加工時間や照射方法を決
めざるを得ず、設計条件での光学設計を基準にして加工
時間等が決められているのが実情である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
各測定法は定量的でなかったり精度に劣ることから、実
際にはあまり使われず、経験的に加工・加熱の時間や加
工・加熱方法を決定しているのがほとんどである。特
に、高強度の光を発するものは、加熱フィラメントの自
己発熱による変形や光学系の熱歪による像のずれ等が時
間の経過と共に明らかに生じているにも拘わらず測定の
困難さから強度分布などの実測例はなく、ほとんどが設
計条件での光学設計を基準にしているのが実状である。

【０００７】このため、従来では、加工位置や測定箇所
での光強度やその分布を正しく把握できずに、加工速度
や加熱速度の低下や品質の低下さらには測定精度の低下
などを招いている。また、限られた条件下で採用される
機器や方法の場合には、その限られた条件下においての
み使用できるもので、普遍性に欠ける。特に、高強度の
光を発する場合については、非常な高温になる等の理由
により、これらの機器や方法を採用することができな
い。

【０００８】本発明は、高強度の光を発するものであっ
ても適用ができる光強度測定用の光センサとその光強度
測定用光センサを利用して光強度分布を測る光計測装置
を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】かかる目的を達成するた
め、請求項１記載の発明の光強度測定用光センサは、少
なくとも測定対象光の照射方向と対向する外表面が錐形
状でかつ反射面とされたハウジングと、このハウジング
の頂部から底部に向け形成され内周面が反射面とされた
孔部と、この孔部を通る光の通路に配置され光強度に対
応した信号を発生する受光部とから構成されている。

【００１０】また、請求項２記載の発明の光強度測定用
光センサは、受光部の手前に減衰フィルターが配置され
ている。

【００１１】更に、本発明の光計測装置は、請求項１ま
たは２記載の光強度測定用光センサを同一平面で相直交
する２軸方向へ移動させて走査し、光強度分布を測定す
るようにしている。

【００１２】

【作用】したがって、ランプやレーザー等の光を錐形状
の頂部方向から光強度測定用光センサに当てると、光の
大部分は反射面に仕上げられた錐形状のハウジングの外
表面で横方向に反射・拡散され、ハウジングひいては受
光部が加熱されるのを防止するとと共に反射光が光源方
向に戻り照射光と干渉することを防ぐ。そして、頂部に
開口された孔は、孔の面積に比例した光を受け入れるこ
とになり、局所的な場所を限定すると同時にアパーチャ
ー（絞り孔）としても機能する。よって、光のごく一部
が、錐形状のハウジングの頂部から底部に向け形成され
た孔部に入り、周りの影響が除去された形で孔部内を進
入する。孔に導入された光のほぼ全ては、直接あるいは
反射しながらその出口部に達し、ここで光の強さを測定
することにより強度測定が可能となる。この進入光は、
その後、孔部を通る光の通路に配置された受光部で受光
され、受光部からその光強度に対応した信号が発生す
る。

【００１３】また、請求項２の発明によれば、孔に導入
されたごく一部の光が受光部に到達する課程で減衰フィ
ルタによって適当な減衰が施されるため、大出力の光が
受光部で読みとれるレベルまで落とされ、加工光の強さ
を光の明るさとして、または熱の強さとして検知するこ
とができる。しがって、光強度測定用光センサを実加熱
面に設置しても、加工光のごく一部を微細な孔に導きサ
ンプリングし、さらに光を減衰させ、その光を直接、ま
たは熱に変えて強度として捉えることができる。

【００１４】更に、請求項３の発明の場合、光強度測定
用光センサが二次元的に走査されるため、実加熱面ある
いは実加工面での光強度の分布が得られる。

【００１５】

【実施例】以下、本発明の構成を図面に示す実施例に基
づいて詳細に説明する。

【００１６】図１に本発明の光強度測定用光センサの一
実施例を示す。この光強度測定用光センサ２０は、少な
くとも測定しようとする光の照射方向Ａと対向する外表
面７が錐形状でかつ反射面とされたハウジング１と、こ
のハウジング１の頂部から底部に向け形成され内周面８
が反射面とされた孔２と、この孔２を通る光の通路に配
置され光強度に対応した信号を発生する受光部３とから
主に構成されている。

【００１７】ハウジング１は測定しようとする光で加熱
され難い形状および構造を成し、かつその内側に測定対
象光のごく一部を導入し得るように設けられている。例
えば、本実施例の場合、直円錐形状の錐体部４と、減衰
フィルターとしてのＮＤフィルター１０及び光拡散板１
１を支持する中リング５と、受光部３を保持する基台部
６とから構成されている。錐体部４および中リング５の
中央には光を導入するための微細な孔２が設けられてお
り、その孔２の途中にＮＤフィルター１０と光拡散板１
１が配置されている。

【００１８】ここで、光拡散板１１としては例えば摺り
ガラスや乳白色ガラス等が採用される。この光拡散板１
１の存在は光のむらをなくして平坦化するため、測定精
度を向上させることができるが、場合によっては使用さ
れないこともある。なお、ＮＤフィルター１０は、灰色
フィルターとして知られているもので、光のエネルギー
の相対分光分布を変えることなく光の強さを減らす減衰
フィルターである。また、受光部３としては、本実施例
の場合、熱電堆（サーモパイル）が採用されているが、
これに特に限定されるものではなく、測定条件などに応
じて適宜受光素子例えば光伝導型の受光素子などが採用
されることもある。

【００１９】錐体部４には、冷却用流体例えば水を循環
させるためのウォータージャケット９が内部に形成され
ている。このウォータジャケット９は、円錐部４の外表
面７における光の反射だけではハウジング１が加熱され
過ぎるのを防止できない場合に、強制的にハウジング１
の冷却を図るためのもので、必要に応じて冷却流体が循
環される。ウォータジャケット９には入り口パイプ９ａ
及び出口パイプ９ｂが接続され、外部から必要に応じて
水あるいはその他の冷却流体が流されて測定光に曝され
る錐体部４を冷却するように設けられている。

【００２０】また、ハウジング１の錐体部４の外表面７
は、入射する光を横方向へ反射・拡散させるため、鏡面
研磨仕上げやメッキなどで反射面に構成されている。こ
の錐体部４の軸４ａと母線４ｂとがなす角度αは、反射
した光が光源側へ戻って干渉を起こすのを防ぐため、４
５度以下に設定することが好ましい。本実施例の場合、
約４５度に設定することによって、光源側および測定面
（実加熱面や実加工面を含む）の双方に反射光が届かな
いように設けられいる。

【００２１】また、孔２を画成するハウジング４の内周
面８もまた、鏡面研磨仕上げやメッキ処理などによって
反射面に形成されている。そして、孔２に斜めから入射
した光でも反射しながら高い効率で受光部３まで到達で
きるようにして、導入した光が受光部３に到達するまで
の減衰を防いでいる。孔２はごく一部の光を導入すると
共に周りからの光の入射を妨げるための助走区間を構成
し、開口面積に比例した光を導入して周りからの光の入
射を妨げる。

【００２２】尚、受光部３からの信号の取り出しは、基
台部６の円形孔１２から外部に導出されているリード線
１３によって行われる。

【００２３】このように構成された光強度測定用光セン
サ２０は、例えば実加熱位置・実加工位置や実測定箇所
あるいはその他の箇所に置かれ、その位置における光強
度を測定することができる。

【００２４】光強度測定用光センサ２０を光路上に孔２
が平行となるように設置すれば、照射された光の大部分
は、ハウジング１の円錐状の鏡面研磨仕上げされた外表
面７により横方向へ反射される。この反射・拡散で光強
度測定用光センサ２０のハウジング１の温度上昇を防い
でいると共に、反射光が光源方向に戻り照射光と干渉す
ることを防止している。そして照射された光のごく一部
が円錐状のハウジング１の頂部に開口された孔２に導入
され、周りの影響が除去された形で孔２内を進入する。
なお、導入された光は、孔２を画成する内周面８が鏡面
研磨仕上げなどで反射面とされているので、ほとんど減
衰することなく、その通路に配置されたＮＤフィルター
１０に到着する。そして、ＮＤフィルター１０で受光部
３で測定できる程度まで減衰される。更に、光拡散板１
１で均一化され光のむらが除去される。即ち、光強度が
大出力であっても、導入された光はＮＤフィルター１０
と光拡散板１１とによって受光部３を損なわずかつ受光
部３で読みとれるレベルまでに減衰され、測定を可能と
する。本実施例では受光部３として熱電堆（サーモパイ
ル）を使用しているので、二組の熱電対の一つを光照射
側に、他方を参照側として使うことによって周囲温度変
化の影響を少なくできる。また、受光面積も広くでき、
高い出力電圧が得られる。

【００２５】受光部３に達した光は、受光部３での光電
変換によって光強度に対応した電圧に変換され、電気信
号としてリード線１３から出力される。例えば、電圧計
によりその電圧が計測される。また、受光部３からの電
圧信号は、ＡＤコンバータを介してＡ／Ｄ変換されて公
知の信号処理手段に入力され、その位置での光強度の値
が演算され、かつ必要に応じて記憶される。ここで、減
衰フィルターとしてのＮＤフィルター１０および光拡散
板１１は減衰率があらかじめ判明しているため、その相
関関係を基に公知の演算処理手段などを使って測定値か
ら実際の光のエネルギ強度を容易に演算することができ
る。なお、光拡散板１１は測定条件などによっては設け
なくとも測定精度をそれほど落とさずに済む場合もあ
る。

【００２６】以上のようにして加熱する光体系を崩さず
にかつ非常に高密度の光を測定することができる。

【００２７】この光強度測定用光センサ２０は単位面積
当たりの光強度を測定できるので、Ｘ−Ｙスキャナに搭
載することによって、同一平面で相直交する２軸方向へ
走査して光強度分布を測定する光計測装置を構成するこ
とができる。

【００２８】例えば図２に示すように、Ｘ−Ｙステージ
２４上で鉛直方向に送りを与えうるフィードスクリュウ
機構２１に光強度測定用光センサ２０を取り付け、この
フィードスクリュー機構２１を搭載したＸ−Ｙステージ
２４をステッピングモータ２２，２３でＸ，Ｙ方向（水
平方向）に走査駆動される。尚、光強度測定用光センサ
２０をＺ方向（図２の上下方向）に移動させることによ
って三次元スキャンを実施することもできる。また、垂
直面内における二次元スキャンとすることも可能であ
る。

【００２９】単位面積当たりの光強度を測定できる光強
度測定用光センサ２０のＸ，Ｙ方向（水平方向）への走
査によって、各位置での光強度の値が測定されて記憶さ
れるため光強度分布を求めることができる。

【００３０】具体的な測定の一例を図３に示す。この測
定は、リフレクター式の５００Ｗハロゲンランプの焦点
位置の加熱強度分布を求めたものである。ここで、光強
度測定用光センサ２０は、Ｘ−Ｙステージ２４上に置か
れ、光強度測定用光センサ２０の頂部が集光基準面ｍ上
をＸＹ方向に移動可能なように設けられている。Ｘ−Ｙ
ステージ２４は、例えばパルスモータによりステップ駆
動される。光強度測定用光センサ２０には、電圧計２５
が接続され、熱電堆（サーモパイル）からなる受光部３
からの出力電圧を計測している。光強度測定用光センサ
２０には、更に、ＡＤコンバータ２６が接続され、アナ
ログ出力電圧をデジタル信号に変換した後、その信号の
処理を行うコンピュータからなる制御処理部２７に入力
される。この制御処理部２７は、光強度測定用光センサ
２０の駆動部となるパルスモータの制御も併せて行う。
制御処理部２７は、パルスモータに駆動信号を発信し、
Ｘ方向あるいはＹ方向にＸ−Ｙステージ２４をワンステ
ップずつ駆動し、光強度測定用光センサ２０の位置を所
定間隔置き移動させ、その位置ごとに測定を繰り返す。

【００３１】まず、ハロゲンランプ２８をオフにし、室
内の自然光だけが測定用光センサ２０のハウジング１の
孔２に入射している状態で測定を行い、この測定装置自
身のバックグランド値を求める。続いて、ハロゲンラン
プ２８を点灯させ、その光を凹面鏡２９により集光す
る。その際、測温箇所に直径３０ｍｍの集光がなされ、
かつその中央に最大強度が来るように距離等が設定され
る。尚、この設定条件は、この加熱装置の設計条件でも
ある。

【００３２】そして、その集光位置即ち加熱される位置
に光強度測定用光センサ２０の頂部が位置するようにＸ
−Ｙステージ２４および光強度測定用光センサ２０を配
置する。この位置を例えば図４に示される第一の測定位
置Ｓ1,1 とする。その位置で計測を行った。次に、２．
５ｍｍだけＸ方向に移動したＳ1,2 の位置に光強度測定
用光センサ２０を移してから同様に測定を行った。そし
て、同様に次々とＸ方向に移動してＳ1,20までで計２０
回の計測を行った。次に、Ｙ方向に２．５ｍｍだけ移動
したＳ2,20の位置で計測を行った。このようにして、碁
盤目状に計４００ポイントでの計測を行った。

【００３３】この加熱強度分布実測結果を図４に２次元
的に示し、図５に３次元的に示している。測定対象とし
たランプは、加工位置でφ３０の集光を計画し、また、
図４の中央に最大強度がくるよう計画されたものである
が、図４に示されるようにφ１０の明瞭なピークと比較
的大きな分布を有していることが認められ、また、焦点
も多少ＸＹ方向にずれていることが判る。すなわち、設
計と実際にずれのあることになる。この様な現象は、従
来技術では測定できず、本発明の装置によって始めて確
認されたものである。

【００３４】尚、上述の各実施例は本発明の好適な実施
の一例ではあるが、これらに限定されるものではなく本
発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能
である。例えば、ハウジングは、本実施例の場合、直円
錐形状としているがこれに限定されず斜円錐状あるいは
角錐状でも良い。更に、ハウジング１の軸４ａと母線４
ｂないし側稜とのなす角度αは、本実施例の場合４５度
としているがこれに特に限定されず、光源側への反射を
完全に防ぐ必要がない場合などには４５度よりある程度
大きくとも光の干渉を避ける利点は損なわれない。よっ
て、角度αは、好ましくは３５度から５５度程度が良
く、４５度近傍が最も良い角度となる。また、ＮＤフィ
ルター１０は、光の強度等に合わせて適宜取り外しても
良いし、他の減衰手段、例えばグレーティング（メッシ
ュ）や絞り、減衰板等の減衰手段に変更したり、他の減
衰手段を追加したりしても良い。更に、計測対象の光は
ランプ光の他、レーザー光等各種の光を対象とできる。

【００３５】

【発明の効果】以上の説明より明らかなように、請求項
１の発明の光強度測定用光センサは、少なくとも測定対
象光の照射方向と対向する外表面が錐形状でかつ反射面
とされたハウジングと、このハウジングの頂部から底部
に向け形成され内周面が反射面とされた孔部と、この孔
部を通る光の通路に配置され光強度に対応した信号を発
生する受光部とから構成されているので、照射される光
の大部分が錐形状のハウジングの外表面で反射・拡散さ
れ、ハウジングの温度上昇が防止されると共に反射光が
光源方向に戻り照射光と干渉することが防止される一
方、光のごく一部が周りの影響が除去された形でハウジ
ング内の孔に導入されて測定できる。このため、精度の
良い測定が行える。しかも、ハウジングの頂上を測定ポ
イントとすることにより、測定ポイントの位置決めが容
易な光強度測定用光センサを得ることができる。

【００３６】また、請求項２の発明の光強度測定用光セ
ンサは、受光部の手前に減衰フィルターが配置されてい
るので、大出力の光であっても、受光部で読みとれるレ
ベルまで落とされ、加工光の強さを光の明るさとして、
または熱の強さとして検知することができる。しがっ
て、出力の小さな光エネルギの測定は勿論のこと、高強
度・高エネルギーの光を利用した装置の実加熱位置や実
加工位置での光強度の測定にも利用でき、使用範囲が広
い光強度測定用光センサを得ることができる。

【００３７】更に、本発明の光計測装置は、請求項１ま
たは２記載の光強度測定用光センサを同一平面で相直交
する２軸方向へ移動させて走査し、光強度分布を測定す
るようにしているので、出力の小さな光エネルギの測定
は勿論のこと、高強度・高エネルギーの光を利用した装
置の実加熱位置や実加工位置における光強度分布の実態
を把握することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光強度測定用光センサの一実施例を示
す断面図である。

【図２】本発明の光強度測定用光センサを使用した光計
測装置の一例を示す側面図である。

【図３】本発明の光計測装置を用いた光強度分布測定の
説明図である。

【図４】本発明の光強度測定用光センサを使用して測定
した二次元の光強度分布図である。

【図５】本発明の光強度測定用光センサを使用して測定
した三次元の光強度分布図である。

【符号の説明】

１ハウジング２孔３受光部７ハウジングの外表面８孔２を画成する内周面１０ＮＤフィルター（減衰フィルター）１１光拡散板２０光強度測定用光センサ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者山田秀明東京都新宿区西新宿３−４−７栗田工業株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも測定対象光の照射方向と対向
する外表面が錐形状でかつ反射面とされたハウジング
と、このハウジングの頂部から底部に向け形成され内周
面が反射面とされた孔と、この孔を通る光の通路に配置
され光強度に対応した信号を発生する受光部とを有して
なる光強度測定用光センサ。
【請求項２】受光部の手前に減衰フィルターが配置さ
れていることを特徴とする請求項１記載の光強度測定用
光センサ。
【請求項３】請求項１または２記載の光強度測定用光
センサを同一平面で相直交する２軸方向へ移動させて走
査し、光強度分布を測定することを特徴とする光計測装
置。