JPH05500104A - 赤外線パルス放射源 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 赤外線パルス放射源 本発明は、赤外線パルス放射源に関し、特に、赤外線スペクトル分析およびサー マルプリンタにおいてのそれらの応用に関する。本明細書に示されるような放射 源を設計することにより、現在知られている同様の放射源よりも大きい熱コント ラストと小さい時定数が得られる。これは生産を容易にし、このような放射源を 取り巻く装置の性能を改善する。

ある温度を持った全ての物体や物は、熱による電磁放射を発生する。理想的な完 全放射体に関して、単位面積当たりに放射される出力は、波長がλのときの波長 間隔をδλとすると、ブランクの放射法則によって示され、ｃ ここで、Ｔは物体の温度、ｈはブランク定数、ｋはボルツマン定数、そしてＣは 光の速度であり、Ｗ（λ、Ｔ）は、物体のスペクトル放射発散度と名付けられる 。このような熱放射のスペクトル分布は波長λｌ１ｌａＸで著しい最大値を持ち 、これに対する十分な近似はウィーンの転置法則を通じて物体の温度から決定さ れる。

（２）　’Ｔ・λ、、、−２８９７．　９　［Ｋ・μｍＩｌよって、温度を増加 していくにつれて、この分布の最大点は式（２）に従って短波長の方に置き換え られる。最大点の各両側において、ベクトル分布は、λの減少する側では著しく かなり急激に降下し、λの増加する側では緩やかに降下する。

全ての波長λにわたる式（１）の積分値は、物体の総放射発散度に関するステフ ァン−ボルツマンの法則を与え、（３）　Ｗ＝σＴ４ ここで、ｃｒ＝５．６７・１０−１２［Ｗ　／ａｉＫ’　］は、］ステファンー ボルツマン定である。１０００にの放射器に対して、これは近似的に５［Ｗ／ａ ｉ］に相当する。理想的な完全放射体でない物体は、式（１）及び（３）の右辺 側に関数さくｌを導入することによってほぼ便宜的に表わされ、このεは物体の 放射率と名付けられる。εがλに依存しない材料は灰色放射体（ｇｒｅｙ　ｅｍ ｉｔｔｅｒｓ）と呼ばれる。　一温度Ｔの物体が大きさδＴの温度変化にさらさ れるとき、対応する変化は、物体の放射発散度の範囲内で起こる。一定波長λに おいて、Ｗ（λ、Ｔ）は、温度を上げるにつれて常に上昇する。このようなスペ クトル放射コントラストはλ□８付近の範囲で最も大きい。同時に、灰色物体の 総放射発散度Ｗは量によって変わる。

（４）　δＷ＝４εσＴコδＴ 赤外線分光器に加えてサーマルプリンタにおいて、熱源からの放射強度の大きく て急激な変化が好ましい。しかし、ネルンスト（Ｎｅｒｎｓｔ）及びグローμ（ Ｇｌｏｂａｒ）の放射器のような古典的な赤外線放射源は一定の温度で動作する 。それはまた、近代的な放射源にも当てはまり、該放射源内の薄い導電層は、熱 的に絶縁する基板面にデポジットされている。英国特許第１．１７４．５１５号 、米国特許第３．６９４．６２４号および第３，８７５．４１３号並びにドイツ 特許公開明細書第２４．４２．８９２号、参照。

そして放射強度の変化は、放射に割り込む機械的に可動なシャッタ（チョッパ） によって作られる。これは、熱い放射源と冷たいチョッパブレード（ｃｈｏｐｐ ｅｒ　ｂｌａｄｅ）との間で放射を大きいコントラストにする。しかしこれは、 固定周波数に対して温度変化を制限し、そして機械的に可動な部分を複雑にする ことにつながり、また、他の回路構成部品に反して放射源の電気的制御を妨げる 。

ノルウェー特許第１４９．６７９号が開示する赤外線パルス放射源は、電気的に 絶縁する基板上に導電層がデポジットされており、この放射源の熱的な時定数一 基板を通る熱拡散のために必要とされる時間によって与えられるーは、放射源が 動作すべきパルス周波数と適合するように調整されている。そしてこの放射源は 、電流パルスの継続時間の間、基板の前面の導電層から基板の後面とを分離する ことができる厚みに作られる必要がある。同時にこの放射源は、パルスとパルス の間に基板を通る熱拡散に耐える十分な薄さでなければならない。

これによって、０．１から１ｍｍの典型的な基板の厚さを持った放射体か与えら れる。

しかしなからノルウェー特許に示されるように与えられた厚さを持つ放射源は、 主に基板の熱容量から決定される熱応答を持つ。これは厚さが０．５ｍｍで面積 かｌｃｉの基板から示され、比重か２［ｇ／ｃｏ？］で、ＩＯＫの温度差につき ０．５Ｊの熱エネルギを蓄える比熱容量ｏ、５　［Ｊ／ｇ−Ｋ］をもつ材料から 作られている。この放射源が５０Ｈｚの熱放射を生成するために用いられると、 ２５Ｗの電気エネルギが供給される必要がある。しかし、１００ＯＫの温度にお いて、式（３）から５Ｗの熱出力のみが放射され、しかも式（４）に係る温度変 化と同時発生的に放射されるのは、わずか０．２Ｗだけである。従って、このよ うな放射源のエネルギの使い方は非常に効率か悪い。電気的に供給された大部分 のエネルギは、基板内の熱として蓄えられるので、後面や端部を通して継続的に 外へ放出され、はぼ２０％がＣＷ放射として失われ、つまり、エネルギの１％以 下しか所望の５０Ｈ２の放射として基板から放射されない。またこの放射源は、 その前面と後面との間の時間的温度差が基板に反復した撓み応力を与えるので、 機械的に破損する不安がある。

米国特許第３．９６１．１５５号に開示されるサーマルプリンタ用エレメントの 主要構成要素は、主に上述の放射源と同様である。この基板の厚さは典型的に０ ．５ｍｍであり、従ってこのエレメントは、ノルウェー特許第１４９，６７９号 による放射源に適用されるのと同じ制限を与えられている。開示された特許明細 書のうち、任意に選択されるパルス周波数で大きい温度コントラストを達成する 必要があるといった熱パルス放射源についての重要な課題を解決するものは無い 。

本発明がその出発点として取り上げる点は、大きい温度コントラストか、主に、 各電流パルスの間に放射源を冷却する問題である。これは、熱伝導によって冷却 されるような上述の放射源とは反対に、放射源の放射に冷却させるように作るこ とによって達成することができる。熱の伝導は拡散によって起こるので緩やかな 過程であるが、熱放射は本質的に瞬間的である。そこでこの放射源は、電流パル スが流れている間、電気的に供給されるエネルギの殆どを外部へ熱的に放出させ るように設計される必要がある。前者は、有益な放射が放射源を冷却する放射と 同じなので放射源の高い熱効率となる。

理想的には非常に少ない熱エネルギが電流パルスの後に放射源で蓄えられ、該エ ネルギが継続される熱放射を通じて更に次に取り除かれる。これが起こる時間間 隔は、各電流パルスの後に温度の急激で大きい降下とするならば、電流パルスの 継続時間と比較されるように短くしてもよい。

放射冷却の放射源において、熱的に蓄えられるエネルギは、より少なく、言い換 えると、各電流パルスの間に放射される熱エネルギと比べて好適に意味があるほ ど少ない。このような放射源は非常に薄いので、それらの体積の全体にわたって 一様に温められる。従って、これらの放射源は、更に、両側に向かって放射冷却 される。これによって式（４）から、放射源の厚さｔが次の関係を満足しなけれ ばならないことかわかる。

（５）　ｔ＜８εσＴ’　／Ｃρｆ ここてＣは放射源材料の比熱容量であり、ρはその密度、ｆは所望の放射のパル ス周波数である。上述の例におけるような材料に関して、Ｃ＝０．５　［Ｊ／ｇ −Ｋ］で、ρ＝２［ｇ／ｄ］、そしてε；１であると、ｆ＝１００Ｈｚでは、ｔ 〈４μｍとなることがわかる。これは、はじめに記述した放射源に関するものよ りも約１／Ｉ　ＯＯのオーダーで薄く、その上、赤外線パルス放射用の効果的な 放射源構成のためにここで規定された基本的条件を強調する目的にかなう。

より詳細な本発明の呈示は以下に示される。参照符号か図面に付されており、こ れらの図面において、すべての相対的な寸法は変更されてもよく、ここに、 第１図は、電流用のリードのある放射源の設計を概略的に示し、 第２図は、非伝導性材料上にデポジットされた導電層から成る放射源を示し、 第３図は、放射源を通して理想化された一片を、該放射源の機能に対する重要な 光学的関係を強調して表現し、第４図は、熱放射の送出のための窓をもつ容器内 に収容された放射源を示し、 第５図は、２つの窓の間に収容された放射源の使用を、放射源用ドライブ回路と 放射の感知システムとを関連させて示す。

第１図は、物理的厚さ１１の放射源１０が、放射源に接触する電気的接点１４． １５上に結合された電気供給リードＩ２．１３を備えていることを表している。

放射源を意図されるように動作させるために、その物理的厚さは請求の範囲ｌま たは２に案出される条件を満足しなければならない。原理的には、請求の範囲４ から７に係る全ての放射源は、第１図のような形とされるか、基本的にその長さ 及び幅の寸法よりもかなり小さい物理的な厚さで形成されたプレートである。

しばしば放射源は、それ自身の放射に対して部分的に透明とすべく十分に薄くし ても構わない。これは有効な放射率を減少させる。それを避けるためには、請求 の範囲１または２に従属する請求の範囲４から８に記述されるような放射源をで きるかぎり薄く作ることか有利である。実際の状況では、適切な最適条件の組み 合わせは、個々の各状況にて調査されなければならない。

このような薄い放射源についての興味ある可能性は、それらか各種抵抗金属およ び合金から作られることであり、例えばＮｉ、Ｃｒ及びＦｅの組み合わせがある 。これにより、十分なオーム抵抗を維持しながら放射源を電気的に上昇される温 度に温める。この可能性は請求の範囲４に表される。同時に、このような金属及 び合金は高い放射率を持ち、Ｎｉ　−Ｃｒ−Ｆｅては０．８以上てあり、請求の 範囲５に述べられるように、特に高温て酸化されると０．９以上となる。

また、請求の範囲４は、別の関連した放射源材料である金属ガラスを特定し、で きれば請求の範囲５に係るように酸化される。これらは、遷移金属及び非金属が 通常に混合されてなる合金であり、アモルファス構造を保つために液体状態から ショック冷却（ｓｈｏｃｋ　ｃｏｏｌｅｄ）される。金属ガラスは、合金をつく るための構成要素の選択によって大幅に変化する電気抵抗を持った薄い箔に好適 に作られる。加えて、金属ガラスは良好な耐腐食特性を持つ。温度が一定の限度 以上に達すると、金属ガラスの再結晶化に起因して問題が発生する可能性かある 。ここでは、この材料は、比較的低い温度で動作する放射源にとっては極めて適 当であろう。

第３の関連する他の例は、請求の範囲６に特定されるように、半導体材料を使用 して第１図に係る放射源を作ることである。これらは標準的なエツチング技術に よって所望の厚さに作られてもかまわない。通常の条件のもとて、幾つかの半導 体は赤外線放射に対して透明にすることができ、赤外線における光学的材料とし て広く用いられる。しかし、十分に高濃度なドーピングをすると、電気的に言え ば、半導体は、多くの自由電荷キャリアを得るので金属に近つく。従って、この 電気抵抗はドーピングによって調節される。同時に、この材料のもつ赤外線放射 の吸収は強力に強まり、同様にその熱赤外線放射率が増加する。できるかぎり高 濃度のドーピングをすることは、それか電荷キャリアの数を増やし、また、透明 度を減らし、しかも最適条件に対して放射源の放射率を増やすのでしばしば有効 である。実際に有効なドーピングの限度は、放射源用ドライブ回路５６上の電気 的な要求から設定されるであろう。以下の第５図参照。

図１に係る放射源の他の具体例は、放射源が基本的に非伝導性の材料に、請求の 範囲７に述べられるような１つ以上の導電性の材料を付加されて作られてもよい 。セラミックは、このような放射源のための個々に関連する出発物質を構成する 。これは、一般的に高い融点と有利な温度特性とをもつ多くのセラミックが、そ の組成を広い範囲で変えられえる材料構造を持つからである。

第２図か示す放射源は、主として、電気的に非伝導性の基板２０上に導電層２２ がデポジットされ、この上に電気的接点２３．２４と供給リード２５．２６とを 備えて構成され、その全体の物理的厚さ２１は請求の範囲１または２を特徴する 請求の範囲２について、これは、エレメントの厚さに関する数学的関係式（５） に導入するための材料の組み合わせに関する平均密度すなわち実効密度、および 比熱容量である。

また、基板か熱放射を放つように、放射源の実際のスペクトル領域において不透 明な基板材料を選択してもよい。利用可能な材料は、例えば、クォーツ、アルミ ナ、及び各種セラミック、またはゼロドール（Ｚｅｒｏｄｕｒ）のような熱抵抗 ガラスか可能である。また、所望に応じて、導電層は、放射源の熱特性の影響を 顕著に受けないように−そして、放射源の光学的特性のみに制限された範囲に一 非常に薄く作られてもよい。また、基板材料は赤外線放射に関連して透明に選択 されても構わない。そして導電層は、放射率を増加させるために基板の厚さを犠 牲にして厚く作る必要があっても、放射器としての役目を果たさなければならな い。請求の範囲８かその両方について記述している。

請求の範囲１および２の結果として、放射源は通常、発生されるべき放射の波長 に比較できる厚さを持つことかできる。

加えて、上述のように、それらはしばしば放射に対して部分的に透明である。他 の何らかの電磁的構造として、これは、特にエレメントの表面に対する法線方向 、つまり放射の主方向と同様な方向で強い干渉効果を導く。このように第３図か 示す放射源３０を通る理想化された一片は、物理的厚み３１と光学的厚み３２と を持ち、この光学的厚みは物理的厚みと材料の放射屈折率との積である。また放 射は、放射源内部の点３３から放射されるように示され、表面からの反射３４゜ ３５と送出される光線３６．３７とがある。半導体のような大きな反射屈折率を もつ材料において明確に述べられるように、このような反射によって顕著な干渉 作用が起こる。従って、表面の反射を減らすために、相対的に低い反射屈折率を もつ材料を用いることが有効である。簡単な耐反射コーティングは、基板の厚さ だけを犠牲にするが、個々に比較できる厚い放射源と短い波長とのために施され てもよく、このように実効放射率を減らすために働くことかてきる。

しばしば干渉の問題は、請求の範囲３に述べられるように、放射源の光学的厚さ が放射波長の半分の倍数に等しいとき最小化され得る。表面に対する法線を取り 巻く立体角において、これは、選択されたスペクトル間隔で放射を最大にする構 造的干渉を与える。製造の間の各々の放射源間の軽微な厚さの変化は、その後、 選択される波長でのそれらの熱放射に関する方向及び放射の特徴において重大な 変化に至らないであろう。再現性のある条件を保つために、このように、干渉の 問題は、異なるスペクトル領域のために異なる厚さで作られるべき放射源を必要 とする。これは更に、記述された本放射源に関係する新たな特徴である。

第４図に示す放射源４０は、電気供給リード４１．４２かあり、反応性ガスのな い気密シールドされた容器４３内にマウントされており、これにより放射源は、 動作中、その特性を変えられない。請求の範囲９に述べられるように、同じ容器 内に２つ以上の放射源をマウントして、２つ以上の波長間ですぐに変わることは しばしば有効である。この容器は、熱的によく伝導する金属から作られ、能動的 または受動的な外部冷却手段４４．４５に周囲を囲まれており、また、赤外線放 射に対して透明な窓４６を備えている。電流パルスの間に放射源を冷却すること は本発明に関する主要点てあり、これにより、放射における大きなコントラスト を達成できる。この放射源か自由に懸架されて物理的に障害なく放射てきる限り これは問題がない。この放射はその後、上述のように放射源を冷却するために働 く。この放射源は、十分に実用的な容器の内部にマウントされ、後者は放射源か ら出射する放射を制限することかでき、これによりその冷却をも制限する。これ は、一定温度で動作される本放射源に関連する新しい問題であるか、容器内の熱 が、供給されるエネルギの大部分を外に伝導し、つまりここでは放射源の動作に 関する問題を起こさずに容器の温度は、放射源の温度に近づくことかできる。

この放射源は、放射源によって温められるその周囲よりも冷たくなることは一度 も無いはずである。各電流パルスの間、放射源を低い温度にするために、請求の 範囲９て述へられるように、この容器は窓も含めて使用の際、放射源によって達 せられるべき最低温度よりも低く保たれなければならない。

そして放射源は、各パルスの間の正味の発熱量損失を持つ。

これは、この容器が関与する限り、外部的に容器を冷却することに加えて、ミラ ーのようなその内部の壁の状態を作ることによって達成することかできる。する と放射源からの放射は、壁に吸収された放射か外に伝導されると同時に、主に放 射源面上に後退、または窓を通って外へ反射されるであろう。

更に、請求の範囲９て述べられるように、この窓か放射源からの紛然放射の大部 分−好適には９０％以上−を含むスペクトル範囲にわたり透明であることは、放 射源に関する効果的な冷却の条件でもある。これはまた、一定温度で動作する本 放射源に比へて新規な特徴でもある。これらのために、放射源か放つ個々のスペ クトルレンジに対して窓が真に透明であることだけを必要とされる。そして、ス ペクトル領域の外側の放射源からの放射は、窓に吸収されてこれを温める。この 結果、窓は放射源を温め続けるべく放射源面上に後向きに放射する。これは、各 電流パルスの間で本放射源を冷えにくくする。適当に動作すべき放射源のために 、全ての熱放射か支障なく放射源を出射することが必要である。例えば、熱放射 の９０％の伝導のために、式（２）による放射源のピーク温度から示されるよう に、窓はλ、、８を中心に全てのディケード（ｄ　ｅ　ｃ　ａ　ｄ　ｅ）にわた って透明でなければならない。

３μｍの波長で動作する放射源のために有効な窓は、このように好ましくは１か ら１０μｍの範囲において透明とされなければならない。放射源は１００ＯＫ及 びこれ以上に上げられた温度で動作するときには、可視スペクトル領域まで下げ た透明、また好ましくは可視スペクトル領域内の透明とされるべき窓を必要とす る。低屈折率の窓材料は、放射の冷却作用を減少させる窓表面からの再帰反射を 避けるために有利とされる。λ工、Ｘ周辺を中心とした広帯域の耐反射コーティ ングも、この状況において有益である。

第５図に示す１つ以上の放射源５０は、請求の範囲１０にて規定したように、電 気供給リード５１．５’２を備えており、２つの窓５４．５５がある容器５３内 にマウントされている。

他の事項において、容器及び窓は、請求の範囲９にて規定したような同じ特性を 持つ。この放射源は厚さが非常に薄く、両側へ等しく良好に放射できるので、こ の実施例は、効果的な放射冷却作用の必要条件を満足する最適例の１ってあろう 。

またこの設計は、図に示されるように、放射源の両側からの放射の利用を可能に している。そして、概略的に示される図面には、放射源用の電気ドライブ回路５ ６に加えてレンズ５７．５８と鏡５９．６０を備え、感知装置６１．６２への放 射を導いている。この感知装置は、いつ放射源が赤外線スペクトル分析、例えば 気体の感知に用いられているかに関わりかある。そして、放射源の２つの面は、 ２つの異なる波長での放射をつくるのに用いられ、すなわち、気体の量を走査測 定するとき、一方側からの放射が、他方側からの放射の微小変化を見極めるため の基準として使われることができる。両方の場合、幾つか種々の例において容易 に考えられるように、２つの窓のある放射源は、明らかに構造的な利点を与え、 同時に、スプリッタを必要としないので放射の無駄をなくす。

このように、本発明が可能とする赤外線放射ノくルスの生成動作の１つは、個々 に一定の強度を持ち、関係式（５）に導入する周波数ｆに従う。従ってこの放射 源は、他の回路エレメントのように電子工学的に制御される。また、例えばこの ようなエレメントからの放射をパルスコード化することも可能である。これは、 サーマルプリンタにおいて放射源を有効にさせ、同時にこのコード化は、より進 んだ分光学的関係に利用され得る。その上、任意な放射強度のために、この放射 源は、同様の周知な放射源に供給されるエネルギと比べて、かなり少ないエネル ギしか必要としない。そして、重要な構造の単純化は、分光および分析の装置に おいて、この放射源の両側からの放射が利用されることによって実現できる。

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Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. １．赤外線放射源が薄いプレート形の導電性エレメントを備え、パルス電流にし たがって該エレメントを活性化するとき、該エレメントが該エレメントの温度を 最高値と最低値との間で変えるべく配置された赤外線放射源において、電流の１ パルスの間に前記エレメントに蓄えられる熱エネルギが、前記電流の同じ１パル スの過程で該エレメントから放射される熱エネルギよりも少なく、好適にはかな り少なくなる程度に前記エレメントの物理的厚さが小さいことを特徴とする赤外 線放射源。
2. ２．前記エレメントの物理的厚さｔが、関係式ｔ＜８εσＴ４／Ｃρｆ を満足し、ここで記号“＜”は“より少ない”を示し、Ｃ［Ｊ／ｇ・Ｋ］は該エ レメントの比熱容量、ρ［ｇ／ｃｍ３］は該エレメントの実効密度、ε＜１は該 エレメントの材料の材料／結合体に関する放射率、σ＝５．６７・１０−１２［ Ｗ／ｃｍ２Ｋ４］はステファン−ボルツマン定数、Ｔ［Ｋ］は前記電流の各パル スの間に温められる該エレメントの温度であり、そして、ｆ［Ｈ２］は該電流パ ルスの周波数であることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の赤外線放射源。
3. ３．前記エレメントの光学的厚さがｌ＝ｎ・ｔであり、ここで、ｎは該エレメン ト材料の屈折作用の屈折率であり、該厚さは、該エレメントからの所望の熱放射 の中心波長の半分の倍数にほぼ一致することを特徴とする請求の範囲第１項また は第２項に記載の赤外線放射源。
4. ４．前記エレメント材料が、金属、または少なくともＮｉ，Ｃｒ，Ｆｅおよび金 属ガラスのうちいずれか１つをもつ金属合金を具備することを特徴とする請求の 範囲第１項、第２項または第３項に記載の赤外線放射源。
5. ５．前記エレメントの表面が酸化されていることを特徴とする請求の範囲第４項 に記載の赤外線放射源。
6. ６．前記エレメントが、−可能な限りドープされ、好適には強くドープされた− 半導体材料で作られることを特徴とする請求の範囲第１項、第２項または第３項 に記載の赤外線放射源。
7. ７．前記エレメントは、基本的に導電性物質が混合された非伝導な材料で作られ ることを特徴とする請求の範囲第１項、第２項または第３項に記載の赤外線放射 源。
8. ８．前記エレメントは、基本的に導電層がデポジットされた非伝導な材料で作ら れることを特徴とする請求の範囲第１項、第２項または第３項に記載の赤外線放 射源。
9. ９．１つ以上のエレメントが、反応性ガスの無い密閉のカプセル化された容器内 にマウントされ、該容器に該各エレメントの１側面（前面）と適合された赤外線 送出窓がある赤外線放射源において、前記容器は大きな熱伝導率をもつ材料から 作られ、該容器の内部面が低い放射率で、しかも熱放射に対して好適にはミラー のような外観を持ち、該容器の外側の壁が適合されている能動的または受動的な 冷却作用が、前記電流パルスの間、該容器の温度を前記エレメントから到達した 前記最小値以下に十分維持し、且つ、前記窓のスペクトル送出範囲が非常に広い ので、該エレメントからの総熱放射の大部分−好適には９０％以上−を網羅する ことを特徴とする請求の範囲第１項から第８項の１つ以上に記載の赤外線放射源 。
10. １０．同様の赤外線送出窓が前記各エレメントの他方（後面）に適合されること を特徴とする請求の範囲第９項に記載の赤外線放射源。