JPH06105185B2 - 光電変換処理装置 - Google Patents

光電変換処理装置

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JPH06105185B2
JPH06105185B2 JP61113375A JP11337586A JPH06105185B2 JP H06105185 B2 JPH06105185 B2 JP H06105185B2 JP 61113375 A JP61113375 A JP 61113375A JP 11337586 A JP11337586 A JP 11337586A JP H06105185 B2 JPH06105185 B2 JP H06105185B2
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01JMEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J1/00Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/10Photometry, e.g. photographic exposure meter by comparison with reference light or electric value provisionally void
    • G01J1/20Photometry, e.g. photographic exposure meter by comparison with reference light or electric value provisionally void intensity of the measured or reference value being varied to equalise their effects at the detectors, e.g. by varying incidence angle
    • G01J1/34Photometry, e.g. photographic exposure meter by comparison with reference light or electric value provisionally void intensity of the measured or reference value being varied to equalise their effects at the detectors, e.g. by varying incidence angle using separate light paths used alternately or sequentially, e.g. flicker
    • G01J1/36Photometry, e.g. photographic exposure meter by comparison with reference light or electric value provisionally void intensity of the measured or reference value being varied to equalise their effects at the detectors, e.g. by varying incidence angle using separate light paths used alternately or sequentially, e.g. flicker using electric radiation detectors

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Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、出力信号が入射エネルギーに比例し、感度の
温度依存性が小さい性質をもつSPD(シリコンフォトダ
イオード)などの光検知器を有する光電変換処理装置に
関する。
従来の技術 SPDは、その出力信号iが入射エネルギーIに良好に比
例し(i=k・Iγとしたときにγ=1)、感度の温度
依存性が小さい性質をもつ光検知器である。ここで、k
は比例定数である。
しかし、SPDは、その感知波長域が可視光から約1μm
までであり、例えば、2μmの光検知器など1μm以上
の光検知器として利用することが困難である。
そこで、例えば、1〜3μmの光検知器を構成する場
合、従来では、PbS素子(以下、PbSと略称する)を使用
している。
このPbSは、その感知波長域が可視光から3μm位まで
であり、SPDに比べて長い波長域の入射エネルギーを感
知することができるとともに、液体窒素による冷却を必
要としない等の利点がある。
発明が解決しようとする問題点 しかし、その反面、PbSには、次のような欠点がある。
即ち、 出力信号iが入射エネルギーIに良好に比例しない
(i=k・Iγ(I))。即ち、指数γはIに依存す
る。
感度の温度依存性が大きい。つまり、温度ドリフト
が大きい。
光導電型であるため、バイアス電圧を必要とする。
SPDとPbSの長短をまとめると、次表のようになる。
前記については、その指数γがPbSによって大きなバ
ラツキをもち、しかも、同じPbSでも入射エネルギー強
度によって指数γが変わる(γ=γ(I))という根本
的な問題を有している(第7図参照)。
そのため、出力信号から入射エネルギーを換算によって
求めるためには、そのPbS独自のものとして、種々の入
射エネルギー強度に対する指数γを実験によって求めて
おかなければならない。
また、前記についても、その温度係数がPbSによって
大きなバラツキをもち、しかも、同じPbSでも温度によ
って温度係数が変わるという基本的な問題を有している
(第8図参照)。
そのため、出力信号を温度補正するためには、そのPbS
独自のものとして、種々の温度に対する温度係数を実験
によって求めておかなければならない。
このように、種々の指数γ,温度係数を実験によって求
めること自体が非常に面倒である上に、実際の測定にお
いて最適な指数γ,温度係数を決定することも著しく困
難である。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであっ
て、利点ならびに欠点を互いに異にする2種の光検知器
を用いることによって、それぞれの欠点を相互に補完
し、その利点を有効に活用できるようにすることを目的
とする。
問題点を解決するための手段 本発明は、前記のような問題点を解決するために、次の
ような構成をとる。
即ち、本発明の光電変換処理装置は、 出力信号が測定対象からの光の入射エネルギーに良好に
比例しない性質あるいは感度の温度依存性が大きい性質
を持つと共に、所定の感知波長域を有し測定対象からの
光を入射してその入射エネルギーを検出する、第1検出
手段(例えば、PbS)と、 出力信号が測定対象からの光の入射エネルギーに良好に
比例する性質、あるいは感度の温度依存性が小さい性質
を持つと共に、前記第1検出手段と部分的に共通する感
知波長域を有する第2検出手段(例えば、SPD)と、 前記第1検出手段と前記第2検出手段の共通する波長域
においてエネルギーを放射する発光素子と、 前記測定対象からの光の前記第1検出手段への入射を間
欠的に遮断する遮光手段(例えば、チヨツパ)と、 前記遮光手段が光の入射を遮断している状態においての
み前記発光素子の放射エネルギーを前記第1検出手段へ
入射させ、この発光素子からの光の入射した時の第1検
出手段の出力レベルが、遮光手段が光の入射を許容して
いる状態において測定対象からの光を入射した時の第1
検出手段の出力レベルに等しくなるよう、前記発光素子
の放射エネルギーを制御する制御手段と、 前記遮光手段が光の入射を遮断している状態において、
前記発光素子の放射エネルギーを前記第2検出手段へ入
射し、その第2検出手段の出力からエネルギー量を算出
する演算手段と、 を備えたものである。
作 用 この構成による作用は、次のとおりである。
遮光手段(以下、チョッパ)が測定対象からの光の入射
を許容する開状態にあるときは、第1検出手段に測定対
象からの光が入射される。第1検出手段はその入射エネ
ルギーを感知し、その出力信号が制御手段に入力され
る。
チョッパが測定対象からの光の入射を遮断する閉状態と
なると、制御手段は発光素子の放射エネルギーを第1検
出手段へ入射させる。一方、この発光素子の放射エネル
ギーは第2検出手段へも入射される。なお、発光素子の
放射エネルギーの波長域は第1及び第2検出手段の感知
波長域の共通領域にある。
制御手段は、発光素子の放射エネルギーを次のように制
御する。
即ち、発光素子の放射エネルギーが第1検出手段に入射
されると、第1検出手段はその入射エネルギーを感知
し、その出力信号を制御手段に出力する。制御手段は、
この時の第1検出手段からの出力レベルが、チョッパの
開状態で入力した第1検出手段からの出力レベルに等し
くなるように発光素子の放射エネルギーを制御する。
第2検出手段によって感知される発光素子の放射エネル
ギーは、そのレベルにおいて、測定対象からの光の入射
エネルギーに比例する。チョッパによって光の遮断状態
を作るのは、制御手段が測定対象からの光の入射エネル
ギーとレベルの等しい発光素子の放射エネルギーを作る
ための期間を確保するためである。
第2検出手段は、測定対象からの光の入射エネルギーを
直接的には感知しないが、この入射エネルギーのレベル
と等しい発光素子の放射エネルギーを感知する。即ち、
第2検出手段は、間接的に測定対象からの光の入射エネ
ルギーを感知する。そして演算手段は、間接的に感知さ
れた第2検出手段の出力からエネルギー量を算出する。
実施例 以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明す
る。
<第1実施例> 第1図は本発明の第1実施例に係る2μm帯の光電変換
処理装置の回路図である。
第1図において、1はPbS素子(以下、PbSと略称す
る)、2はSPD(シリコンフォトダイオード)、3はLED
(赤外線発光ダイオード)、4はフィルタである。
第2図に、PbS1,SPD2の分光感度のスペクトル分布、LED
3の発光速度のスペクトル分布およびフィルタ4の分光
透過率を示す。横軸が波長λ〔μm〕、縦軸が相対感度
である。
PbS1に関する第1の感知波長域A1は可視光から3μm位
までであり、SPD2に関する第2の感知波長域A2は可視光
から1μm位までであり、LED3の波長域A3は1μm弱で
あり、これは感知波長域A1,A2に共通に存在する。
a1はPbS1についての所定感度領域、a2はSPD2についての
所定感度領域であり、所定感度領域a1と所定感度領域a2
とは一部重複している。フィルタ4は、SPD2に関する第
2の感知波長域A2の最大波長よりも長い波長成分を透過
させるものである。
第1図において、5はピンホール板であり、中央にピン
ホール5aが設けられているとともに、一側面が反射面5b
に形成されている。6はチョッパ、Mはチョッパ6を駆
動回転するモータ、7はチョッパ6が入射エネルギーIm
の入射を断続する状態を検出するフォトインタラプタ
(チョッパ開閉状態検出器)である。
PbS1およびSPD2は、ピンホール板5の反射面5bに対向す
る側に配置されている。PbS1は、ピンホール5aの中心軸
の延長線上に配置され、入射エネルギーImのうちフィル
タ4を透過した測定入射エネルギーIm1が直接的に入射
されるとともに、LED3からの放射エネルギーIrのうち反
射面5bによって反射された放射エネルギーIr1が入射さ
れるように構成されている。一方、SPD2は、測定入射エ
ネルギーIm1の入射領域外に配置されているが、放射エ
ネルギーIrのうち反射面5bで反射された放射エネルギー
Ir2が入射されるように構成されている。
フィルタ4はピンホール板5に対向して配置され、フィ
ルタ4とピンホール板5との間でチョッパ6が回転する
ようになっている。フィルタ4は、第2図に示すよう
に、第1の感知波長域A1のうちの1μm強〜3μmの波
長のみを通過させ、それ以外はカットする特性をもつ。
8は、直流電源Vb,抵抗8aおよび直流成分カット用のコ
ンデンサ8bとともに構成された交流アンプである。PbS1
の一端は接地され、他端は抵抗8aを介して直流電源Vbに
接続されている。PbS1と抵抗8aとの接続点は、コンデン
サ8bを介して交流アンプ8の入力端子に接続されてい
る。
9は、交流アンプ8で交流増幅された出力SPbS′を整流
する整流器である。この整流器9は、フォトインタラプ
タ7から入力した開閉状態検出信号Scに同期して整流作
用を行うものである。10は、制御信号CLEDによってLED3
のスイッチングトランジスタTrをON・OFF制御するとと
もに、LED3に流れる電流ILEDを制御する制御回路であ
る。
この制御回路10は、フォトインタラプタ7からの閉状態
検出信号(開閉状態検出信号Scの“H"レベル)の入力が
あったときに、制御信号CLEDを出力してトランジスタTr
をONし、LED3に電流ILEDを流してLED3から放射エネルギ
ーIrを出力させるとともに、整流器9からの出力SPbS
が“0"になるように電流ILEDをフィードバック制御する
ように構成されている。
11はSPD2の出力電流を電圧に変換して出力する電流−電
圧変換出力回路であり、11aはその帰還抵抗である。
次に、この第1実施例の動作を第3図のタイムチャート
に基づいて説明する。
チョッパ6の開口部分がピンホール5aに対向したとき、
入射エネルギーImがフィルタ4を通って不要波長成分が
カットされた測定入射エネルギーIm1がPbS1に入射す
る。チョッパ6の遮断部分がピンホール5aに対向したと
き、測定入射エネルギーIm1のPbS1への入射も遮断され
る。即ち、第3図(A)に示すように、チョッパ6の回
転に伴ってPbS1に対する測定入射エネルギーIm1の入射
が断続する。
一方、チョッパ6の開閉がフォトインタラプタ7によっ
て検出され、“H"レベルと“L"レベルとを交互に繰り返
す開閉状態検出信号Scが整流器9および制御回路10に入
力される。チョッパ6が閉で、開閉状態検出信号Scが
“H"レベルのとき、制御回路10から制御信号CLEDが出力
され、トランジスタTrがONし、LED3に電流ILEDを流して
LED3から放射エネルギーIrを出力させる。この放射エネ
ルギーIrのうち反射面5bで反射された放射エネルギーIr
1がPbS1に入射される。開閉状態検出信号Scが“L"レベ
ルのときには、トランジスタTrはOFFし、PbS1への放射
エネルギーIr1の入射もなくなる。即ち、第3図(B)
に示すように、チョッパ6の回転に伴ってPbS1に対する
放射エネルギーIr1の入射が断続する。
以上の結果、チョッパ6の回転に伴ってPbS1に入射され
る放射エネルギーは、第3図(C)に示すように、Im1
+Ir1となる。通常は、1m1の値とIr1の値とは相違する
ため、放射エネルギー(Im1+Ir1)は交流成分をもつこ
とになる。従って、PbS1の出力波形も、同様の交流成分
をもつことになる。
PbS1の出力のうち直流成分がコンデンサ8bによってカッ
トされ、交流成分のみが交流アンプ8に入力され、増幅
される。交流アンプ8の出力SPbS′の波形は、第3図
(D)に示すようになる。この出力SPbS′が整流器9に
よって整流され、第3図(E)に示す直流出力SPbS″と
なる。この直流出力SPbS″は、通常は“0"レベルではな
いため、制御回路10からLED3に電流ILEDが供給される
が、その電流ILEDは、整流器9の出力SPbS″が“0"レベ
ルとなるように制御される。従って、測定入射エネルギ
ーIm1のレベルと放射エネルギーIr1のレベルとが等しく
なる。即ち、チョッパ6による測定入射エネルギーIm1
の入射,遮断にかかわらず、PbS1への入射エネルギー強
度は、常に一定に保持される。
一方、反射面5bによる反射エネルギーの他の一部が放射
エネルギーIr2としてSPD2に入射する。SPD2に入射され
る放射エネルギーIr2は、PbS1に入射される放射エネル
ギーIr1と比例するから、この放射エネルギーIr1と等し
い強度のフィルタ4を透過した測定入射エネルギーIm1
とも比例する。この測定入射エネルギーIm1は、フィル
タ4を透過する前の入射エネルギーImと比例する。
従って、SPD2に入射される放射エネルギーIr2を測定す
ることは、結果的に入射エネルギーImを測定することと
等価である。
ところで、測定入射エネルギーIm1の波長域は、PbS1に
ついての関知波長域A1にあり、SPD2の感知波長域A2には
存在しない。従って、本来的に測定入射エネルギーIm1
はSPD2によっては感知されない。しかし、両感知波長域
A1,A2に共通な波長域A3をもつLED3の放射エネルギーIr2
を媒介とするため、SPD2によって測定入射エネルギーIm
1を結果的に測定することができる。即ち、感知波長域A
2よりも長波長側の測定入射エネルギーIm1であっても、
これをSPD2によって測定できる。
SPD2は、前述したように、出力信号が入射エネルギーに
比例し、かつ、感度の温度依存性が小さいため、誤差が
著しく小さく、測定入射エネルギーIm1の測定を高精度
に行うことができる。即ち、従来では不可能であった長
波長域の測定入射エネルギーIm1の高精度な測定を行う
ことができるのである。さらに、LED3をパルス点灯させ
るので、アンプ11の出力SSPDも交流信号となり、SPD2の
暗電流の影響を除去できる。
<第2実施例> 第4図は第2実施例に係る光電変換処理装置の回路図で
ある。
第4図において、第1実施例に係る第1図に示した符号
と同一の符号は、本実施例においても、その符号が示す
部品,部分等と同様のものを指す。また、特記しない限
り、接続関係についても本実施例と第1実施例とは同様
の構成を有している。
本実施例において、第1実施例と異なっている構成は、
次の通りである。
電流−発光強度特性が同一の2つのLED3a,3bの直列回路
をトランジスタTrに接続している。一方のLED3aは、PbS
1に対して放射エネルギーIr1を入射するものである。他
方のLED3bは、SPD2に対して放射エネルギーIr2を入射す
るものである。LED3aの放射エネルギーIrはSPD2には入
射せず、LED3bの放射エネルギーIr2はPbS1には入射せ
ず、かつ、測定入射エネルギーIm1がSPD2には入射しな
いように、〔ピンホール5a,LED3a,PbS1〕の系と、〔LED
3b,SPD2〕の系とが光学的に分離されて配置されてい
る。この光学的に分離があるため、フィルタ4は省略さ
れている。
その他の構成ならびに動作は第1実施例と同様であるの
で、説明を省略する。
<第3実施例> 第5図は第3実施例に係る光電変換処理装置の回路図で
ある。
第5図において、第1実施例に係る第1図に示した符号
と同一の符号は、本実施例においても、その符号が示す
部品,部分等と同様のものを指す。また、特記しない限
り、接続,配置関係についても本実施例と第1実施例と
は同様の構成を有している。
本実施例において、第1実施例と異なっている構成は、
次の通りである。
PbS1の出力端子とアース間に平滑コンデンサ8cが挿入さ
れている。整流出力SPbS″を出力する整流器9の出力端
子がコンパレータ13の非反転入力端子(+)に接続さ
れ、コンパレータ13の反転入力端子(−)には鋸歯状発
生回路12の出力端子が接続されている。コンパレータ13
の出力端子とフォトインタラプタ7の出力端子とがAND
ゲート14の2入力端子に接続され、ANDゲート14の出力
端子がスイッチングトランジスタTr1のベースに接続さ
れている。トランジスタTr1のコレクタにカソードが接
続されたLED3のアノードが抵抗16を介して定電圧源15の
正極端子に接続されている。
鋸歯状波発生回路12,コンパレータ13,ANDゲート14が発
明の構成にいう制御回路10aを構成している。
その他の構成は第1実施例と同様であるので、説明を省
略する。
次に、この第3実施例の動作を第6図のタイムチャート
に基づいて説明する。
チョッパ6の開閉に伴ってPbS1に入射される測定入射エ
ネルギーIm1は第6図(A)のようになる。
鋸歯状波発生回路12は第6図(F)に示す鋸歯状波Ssaw
を出力する。この鋸歯状波Ssawが第6図(E)に示す整
流器9の出力SPbS″と比較され、整流出力SPbS″のレベ
ルが鋸歯状波Ssawのレベルよりも高いときに、第6図
(G)に示すようにコンパレータ13からパルス信号PLED
が出力される。
開閉状態検出信号Scは、第6図(H)に示すようにチョ
ッパ6が閉のときに“H"レベルとなる。従って、測定入
射エネルギーIm1の入射が遮断されているときに、ANDゲ
ート14から第6図(I)に示すパルス状の制御信号C
LED1を出力し、トランジスタTr1を断続的にON・OFFす
る。
その結果、定電圧源15から抵抗16を介してLED3に流れる
定電流i0が断続し、LED3は、断続的に放射エネルギーIr
を出力する。この放射エネルギーIrが反射面5bで反射さ
れてPbS1に入射する放射エネルギーIr1は、第6図
(B)に示すようなパルス状の波形となる。
従って、チョッパ6の開閉に伴ってPbS1に入射される放
射エネルギー(Im1+Ir1)は、第6図(C)のようにな
る。この放射エネルギー(Im1+Ir1)を入射したPbS1の
出力が平滑コンデンサ8cによって平滑され、第6図
(D)に示すような交流成分をもつ出力SPbSとなる。こ
の出力SPbSはコンデンサ8bによって直流成分をカットさ
れ、交流アンプ8によって増幅されて第3図(D)と同
様の波形の出力SPbS′となる。この出力SPbS′が整流器
9によって整流されると、第6図(E)に示すような整
流出力SPbS″となる。この整流出力SPbS″がコンパレー
タ13に入力されて鋸歯状波Ssawと比較される。
整流出力SPbS″のレベルは、平滑された出力SPbSに含ま
れる交流成分が多いほど高くなる。そして、整流出力SP
bS″のレベルが高いほど、コンパレータ13から出力され
るパルス信号PLEDのパルス幅が大きくなる。これに伴っ
て、制御信号CLED1のパルス幅も大きくなり、PbS1に入
射する放射エネルギーIr1のパルス幅も大きくなる。即
ち、平滑出力SPbSに含まれる交流成分が減少する。最終
的には、交流成分がなくなり、チョッパ6の閉の状態で
PbS1に入射されるLED3の放射エネルギーIr1の積分値
と、チョッパ6の開の状態でPbS1に入射される測定入射
エネルギーIm1の積分値とが等しくなる。従って、第1
実施例と同様の効果が発揮される。
本発明は、次のような構成のものも実施例として含む。
(イ)PbS素子に代えて、PbSe素子を用いたもの。
(ロ)発明の構成にいう第1の光検知器として、測定入
射エネルギーと出力とが良好に比例しないだけで、感度
の温度依存性が小さいものを用いたもの。あるいは、逆
に、第1の光検知器として、感度の温度依存性が大きい
だけで、測定入射エネルギーと出力とが良好に比例する
ものを用いたもの。
(ハ)チョッパの開閉状態検出器をもたずに、連続的に
点灯されている発光素子の放射エネルギーIrをチョッパ
によって放射エネルギーImと逆位相でPbSに入射させ、
整流器9でも開閉状態検出信号Scによる同期整流をしな
いもの。
効 果 本発明によれば、次の効果が発揮される。
遮光手段(以下、チョッパ)閉状態のとき、制御手段
は、第1検出手段の出力レベルがチョッパ開状態と閉状
態とで等しくなるように発光素子の放射エネルギーを制
御する。その放射エネルギーは、第1検出手段と第2検
出手段の双方に感知される。従って、第2検出手段によ
る発光素子の放射エネルギーの検出は、測定対象からの
光の入射エネルギーを検出することと等価である。
以上のように、本発明では第2検出手段によって間接的
に測定対象から光の入射エネルギーを測定できる。従っ
て、第2検出手段が有している、出力信号が入射エネル
ギーに良好に比例する、あるいは感度の温度依存性が小
さい、という利点を有効に活用した高精度な入射エネル
ギーの測定が可能となる。
【図面の簡単な説明】
第1図ないし第3図は本発明の第1実施例に係り、第1
図は光電変換処理装置の回路図、第2図に、PbS,SPDお
よびLEDについてのスペクトル分布図、第3図は動作説
明に供するタイムチャートである。第4図は第2実施例
に係る光電変換処理装置の回路図である。第5図および
第6図は第3実施例に係り、第5図は光電変換処理装置
の回路図、第6図は動作説明に供するタイムチャートで
ある。また、第7図はPbSの入射エネルギー/出力電圧
の特性図、第8図はPbSの感度の温度特性図である。 1……PbS素子(第1の光検知器) 2……SPD(第2の光検知器) 3……LED(発光素子) 6……チョッパ 7……フォトインタラプタ(チョッパ開閉状態検出器) 10……制御回路 10a……制御回路 11……電流−電圧変換出力回路(出力回路)

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】出力信号が測定対象からの光の入射エネル
    ギーに良好に比例しない性質あるいは感度の温度依存性
    が大きい性質を持つと共に、所定の感知波長域を有し測
    定対象からの光を入射してその入射エネルギーを検出す
    る、第1検出手段と、 出力信号が測定対象からの光の入射エネルギーに良好に
    比例する性質、あるいは感度の温度依存性が小さい性質
    を持つと共に、前記第1検出手段と部分的に共通する感
    知波長域を有する第2検出手段と、 前記第1検出手段と前記第2検出手段の共通する波長域
    においてエネルギーを放射する発光素子と、 前記測定対象からの光の前記第1検出手段への入射を間
    欠的に遮断する遮光手段と、 前記遮光手段が光の入射を遮断している状態においての
    み前記発光素子の放射エネルギーを前記第1検出手段へ
    入射させ、この発光素子からの光を入射した時の第1検
    出手段の出力レベルが、遮光手段が光の入射を許容して
    いる状態において測定対象からの光を入射した時の第1
    検出手段の出力レベルに等しくなるよう、前記発光素子
    の放射エネルギーを制御する制御手段と、 前記遮光手段が光の入射を遮断している状態において、
    前記発光素子の放射エネルギーを前記第2検出手段へ入
    射し、その第2検出手段の出力からエネルギー量を算出
    する演算手段と、 を備えたことを特徴とする光電変換処理装置。
  2. 【請求項2】前記発光素子は発光ダイオードからなると
    ともに、前記制御手段は、前記遮光手段の遮光状態を検
    出する遮光状態検出手段を有し、遮光手段が光の入射を
    遮断している期間内に前記発光ダイオードを発光させる
    ように構成されている特許請求の範囲第1項記載の光電
    変換処理装置。
  3. 【請求項3】前記第1検出手段はPbS素子であり、前記
    第2検出手段はSPD(シリコンフォトダイオード)であ
    る特許請求の範囲第1項記載の光電変換処理装置。
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