JPH0663863B2 - 低温用放射計 - Google Patents

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放射温度計や分光
分析計などで広く利用されている。

【０００３】図６は従来の低温用放射計の一例を示す構
成図である。図６において、その光学系は光軸上に、順
次、反射面が凹面鏡にされた集光ミラー１、その集光位
置に配設されたピンホール２、ミラー３、ポリゴンミラ
ー４、集光ミラー５及び該集光ミラー５の集光位置に配
設される光検出素子６の各々が配設されている。ポリゴ
ンミラー４は、外周に例えば６つの平坦面を有し、その
各々の面は鏡面仕上げにされている。また、ピンホール
２の直前には、光チョッパ７が配設されている。光チョ
ッパ７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８から構成されている。更に、図示を省
略しているが、光チョッパを光軸に対して４５°の角度
で配設し、光チョッパ７に対し４５°の角度で基準黒体
炉（参照光源）からの参照光が入射できるように構成さ
れ、光チョッパ７の回転によって集光ミラー１からの光
と基準黒体炉からの光とが交互にピンホール２へ入射で
きるようにしている。更に、赤外線センサである光検出
素子６は、例えば、一次元センサ、或いはＴＤＩ（Ｔｉ
ｍｅ Ｄｅｌａｙ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ：時間遅延
積分）センサやＳＰＲＩＴＥ（Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃ
ｅｓｓｉｎｇ Ｉｎ Ｔｈｅ Ｅｌｅｍｅｎｔ：エレメ
ント内信号処理）センサなどの赤外撮像デバイスを用い
ることが、良質な赤外画像または高感度出力を得る上で
望ましい。なお、これらセンサについては、共立出版株
式会社、１９８６年発行、山香英三編著「ハイテクノロ
ジセンサ」９４頁、９５頁に記載がある。

【０００４】図６の構成においては、被測定物からの放
射光は集光ミラー１により集光され、更に光チョッパ７
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、ついでミラー３によ
って平行光にされる。平行光にされた光は、回転するポ
リゴンミラー４の１つの鏡面に入射する。ポリゴンミラ
ー４は回転しているため、その回転に応じて入射光が一
方方向に走査される。この走査は、ポリゴンミラー４が
回転して鏡面が切り換えられるごとに繰り返される。こ
のような走査により、光検出素子６の検出面の赤外セン
サ素子列上に順次放射光が照射され、測定対象の温度分
布などを測定することができる。光チョッパ７が集光ミ
ラー１からの光を遮光している時には、基準黒体炉から
の参照光が光チョッパ７、ピンホール２、ポリゴンミラ
ー４、集光ミラー５を介して光検出素子６へ入射し、こ
の入射光のセンサ出力と集光ミラー１からのセンサ出力
とが比較される。この比較により温度絶対値を知ること
ができる。前記ＴＤＩ方式を使用すれば光検出素子６
は、特定の瞬時視野からの赤外光を各センサ素子で時間
的に遅延して検知するように構成されているので、その
信号を遅延回路を介して重畳すると、Ｓ／Ｎ比を改善し
た積分出力信号が得られる。この結果、Ｓ／Ｎ比に優
れ、感度の均一な測定出力を得ることができる。

【０００５】

【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、高速化（高回転）に対応して光チョッパの
小型化を図ろうとすると、参照光源があるために制約が
生じる。また、光検出素子に高感度で高速応答性のもの
（例えば、ＩｎＳｂ、ＨｇＣｄＴｅなどの半導体素子）
を用いる場合、これを冷却して使用することが多いが、
比較的低温（室温近く）からの放射光を測定可能である
がために、周囲温度の影響を排除することが難しい。

【０００６】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、ポリゴンミラーを用いた放射
計にあって、高感度化、高精度化が可能な低温用放射計
を提供することにある。

【０００７】

【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、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
ンホールを通過した放射光を一次元方向へ走査するポリ
ゴンミラーと、該ポリゴンミラー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
される赤外線センサとを備えた低温用放射計において、
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を設け
たものである。

【０００８】

【作用】上記した手段によれば、測定対象からの放射光
は光チョッパを通過し、ピンホールによって外乱光が除
去されたのち、ポリゴンミラーによって光検出素子上に
走査される。光検出素子がＳＰＲＩＴＥやＴＤＩであれ
ば、平均化を行ってＳ／Ｎ比を向上させた測定値を出力
する。一方、光チョッパの遮光時には光検出素子からの
放射光がポリゴンミラー及びピンホールを介して光チョ
ッパに戻され、その鏡面で反射しさらに凹面鏡との間の
２重反射後の放射光が再度ポリゴンミラーによって走査
されながら参照光として光検出素子へ照射される。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。

【０００９】

【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。本実施例に示す光学系は、入射光
９を集光させる集光ミラー１０の出射光路上には放射計
を小型化するために集光ミラー１０からの光を反射させ
る平面ミラー１１が配設され、その出射光路上の集光位
置にはピンホール１２を有するピンホール板１９が配設
されている。更に、平面ミラー１１の出射光路上には平
行光を生成するためのコリメートミラー１３が配設さ
れ、その出射光路上にポリゴンミラー１４が配設されて
いる。このポリゴンミラー１４は前記ポリゴンミラー４
と同一構成を有し、また、その回転中心にモータの駆動
力が伝達されるように構成されているが、ここではモー
タなどの図示を省略している。また、ポリゴンミラー１
４の出射光路上には、入射光の集光及びＦθ補正を行う
ためのＦθミラー１５が配設され、その集光位置に前記
したような種類の光検出素子１６（本実施例では、２０
個の赤外センサ素子を連続配置したものを用いている）
が配設されている。ピンホール板１９の直前には、ピン
ホール１２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１７が配設され、この光チョッパ
１７はモータ１８を駆動源として高速に回転する。

【００１０】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１９には、
１つの微小径（例えば、直径１．０ｍｍ）のピンホール
１２が設けられており、光チョッパ１７に対向する面の
ピンホール１２の周囲に凹面鏡２０が形成されている。
凹面鏡２０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
２０及びピンホール１２に対向させて光チョッパ１７の
裏面（ピンホール１２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２０との間の２重
反射により、光検出素子１６からの放射光のみを参照光
として用いることができるように光チョッパ１７を配置
している。

【００１１】図４は光検出素子１６を用いた光検出器の
詳細構成を示す断面図である。例えば、光検出器２１の
光検出素子１６（本実施例では、ＨｇＣｄＴｅによるも
のを用いた）は２０個の赤外線センサ素子が同一平面上
に連続に配設して１個の素子にされ、これがパッケージ
２２内に配設されている。この光検出素子１６に対向す
る部分に窓２３が形成され、その窓２３にはパッケージ
２２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赤外透過窓
材２４が埋め込まれている。窓２３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
２５が設けられ、その下端は光検出素子１６に近接して
いる。ガイド部２５は、光検出素子１６に向かって内径
が小さくされている。更に、パッケージ２２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１６の性能を最
大限に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１６の背面には冷却部材２６
（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２２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２７を設けることもでき
る。このような構成により、光検出器２１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、従来のように一定温度の放射物体（例えば、参照用
恒温黒体炉）を設ける必要が無くなる。

【００１２】以上の構成において、測定対象からの放射
光は集光ミラー１０で集光されるが、その直後で例えば
１０００Ｈｚで回転する光チョッパ１７によって放射光
が断続される。集光点では、ピンホール１２による外乱
放射光の遮断が行われ、ピンホール１２を通過した放射
光がコリメートミラー１３によって平行光にされ、これ
がポリゴンミラー１４によって走査され、その出射光が
Ｆθミラー１５により検出面までの距離変化に対する補
正（すなわちＦθ補正）及び集光が行われ、光検出素子
１６に再集光が行われる。このとき、ポリゴンミラー１
４が回転しているため、光検出素子１６内の２０個の赤
外線センサ素子群の一方から他方へ順次照射する。赤外
線センサ素子群の出力は、不図示の電気回路またはコン
ピュータによって平均化などの処理が行われ、前記した
ようにＳ／Ｎ比の改善が達成される。２０個の赤外線セ
ンサ素子を用いた場合、２０の平方根（約４．５）倍の
Ｓ／Ｎ比になり、本実施例では従来の４倍以上の改善を
図ることができた。

【００１３】ここで、測定対象からの放射束が光チョッ
パ１７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１７の
鏡面で反射して凹面鏡２０に到達し、凹面鏡２０で反射
して再度光チョッパ１７に到達し、再度の光チョッパ１
７での反射により光検出素子１６側へ戻される。最終的
に光チョッパ１７の鏡面から得られる放射束は、コリメ
ートミラー１３、ポリゴンミラー１４及びＦθミラー１
５を介して光検出素子１６へ戻される。光検出器２１に
は、他からの放射束の照射が無いため、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源として機能するの
で、参照光源（黒体炉）を新たに測定系内に配設するこ
となく放射光の分析、測定対象の温度計測などを行うこ
とができる。

【００１４】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からの検出出力に変動を生じさせ
ることがない。また、凹面鏡２０によって光検出器２１
側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、図６に示した従来からの構成によって、５０℃
に保持した黒体炉を１ｍの距離から測定した場合、室温
が３０℃から３５℃に変化すると、光検出器６に約５℃
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。

【００１５】図５は本発明の他の実施例を示す構成図で
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２８（例えば、白金抵抗体、サーミスタなど）を凹
面鏡２０の近傍のピンホール板１９に取り付け、凹面鏡
２０の温度補償を行うようにしたものである。凹面鏡２
０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２０は周囲温度に近い温度を持って
いる。これにより、理想的には無いはずの放射束が凹面
鏡２０からわずかに生じ、これが光チョッパ１７の鏡面
で反射して光検出素子１６へ照射される。この周囲温度
に相関した放射は、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２０の温度を測温素子２８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２８を有しない場合には光検出器２１の出力値に１〜
３％の変動が見られるが、測温素子２８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。

【００１６】

【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
一次元方向へ走査するポリゴンミラーと、該ポリゴンミ
ラー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赤外線センサとを備え
た低温用放射計において、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】光検出器２１の詳細を示す断面図である。

【図５】本発明の他の実施例を示す構成図である。

【図６】従来の低温用放射計を示す構成図である。

【符号の説明】

１０ 集光ミラー １１ 平面ミラー １２ ピンホール １３ コリメートミラー １４ ポリゴンミラー １５ Ｆθミラー １６ 光検出素子 １７ 光チョッパ １８ モータ １９ ピンホール板 ２０ 凹面鏡 ２１ 光検出器 ２２ パッケージ ２３ 窓 ２４ サファイヤガラス板 ２５ ガイド部 ２６ 冷却部材 ２７ 冷却手段 ２８ 測温素子

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【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
   ホールを通過した放射光を一次元方向へ走査するポリゴ
   ンミラーと、該ポリゴンミラー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
   れる赤外線センサとを備えた低温用放射計において、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を具備す
   ることを特徴とする低温用放射計。