JPH0236171B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は物理分析、精密計測、熱処理等におけ
る温度測定に用いる赤外温度測定装置に関するも
のである。 半導体工業において電気回路素子のジユール加
熱による温度上昇は重要な問題であり、その温度
計測には非接触型が要求される関係上赤外線温度
計が用いられてきた。又、最近、高速応答素子や
オプトエレクトロニクスの発展がめざましいが、
この場合高速の電子的現象に付随して高速の熱的
過渡現象が生じる。 更に、イオンビームを利用する精密工業では、
ビームによる発熱を伴うが、ビームの変動時やパ
ルス運転中（例えば核融合炉）には、ビームが照
射された部分に高速の温度変化がひき起されるよ
うになり、従つて高速応答の温度速度が必要とな
る。従来、かゝる目的に用いられるものとしては
いわゆる単色式の赤外線温度計があるが、この温
度計は被測定物体の赤外線放射率に大きく影響さ
れるために温度の絶対値の測定を行うのが極めて
困難であつた。 又、従来、放射率の影響を受け難い温度計とし
て二波長比較式の温度計も使用されているが、こ
れは二波長の強度を比較する際機械的なチヨツパ
を用いる必要があるため、その応答時間は10ミリ
秒が限度であり、高速応答は不可能である。 これがため、放射率の影響を受けず、しかも高
速応答で温度計測を行うためには単波長式赤外線
温度計及び二波長式赤外線温度計を併用する必要
があるがかように個別の測定装置で計測を行う場
合には装置が高価になるだけでなく、システム全
体としての温度較正が困難であり、信頼性が低下
する。又二種類の個別の測定器の被測定表面上に
おける光スポツトの形状及び位置を一致させるこ
とは極めて困難である。 本発明は上述の問題点を解決し、二系統の光学
系及びその信号処理系を適宜組合せることによつ
て、ミリ秒以下の高速応答性を有し、しかも自動
的に放射率補正を行い得る非接触式赤外温度測定
装置を提供することを目的とするものである。 本発明赤外温度測定装置は、単波長光学系と、
この光学系の出力を処理する第１電気回路系と、
二波長比較光学系と、この光学系の出力を処理す
る第２電気回路系と、前記二波長比較光学系の出
力を受け前記単波長光学系の出力に対し放射率の
補正を高速で行い得る放射率補正回路とを具える
ことを特徴とする。 図面につき本発明を説明する。 本発明赤外温度測定装置は、二つの光学系を収
納する測置本体と、両光学系に対する電気回路系
とを以て構成する。即ち第１図に示すように本発
明赤外温度測定装置の本体１は高速赤外線センサ
２及び有孔凹面反射鏡３を有するカセグレン配置
の高速応答用単波長光学系Ａと、凸レンズ、フイ
ルタ（窓）５を有する光チヨツパ６及び二波長比
較計測用赤外線センサ７を有する二波長比較光学
系Ｂとを以て構成する。赤外線センサ２を液体窒
素容器８内に収納して使用温度が77Kとなるよう
にし、その測定波長を1.8〜5.5μｍとする。この
赤外線センサ２は例えばインジウム・アンチモン
で造るが、インジウム・砒素、カドミウム・水
銀・テルル等の材料で造ることもできる。赤外線
センサ７の光学系Ｂは二波長、例えば2.02μｍ及
び2.33μｍを選択する光学フイルタ５によつて入
射赤外光をチヨツプして互に異る二波長の赤外線
が赤外線センサ７に到達し得るようにする。赤外
線センサ７は二波長比較式のものとすると共に硫
化鉛で造り、室温で使用し得るようにする。又、
このセンサ７は光学フイルタのチヨツプ時間より
も充分に速い応答性を有するものとする。これら
両光学系Ａ及びＢは外匣９内に収納すると共にそ
の光軸及び被測定物体１０の表面での光スポツト
１１が互に一致し得るように配置し、この外匣９
には照準用のぞき窓１２を設け、これにより被測
定物体１０の表面での光スポツト１１の位置決め
及び調整を行い得るようにする。従つて同一点か
らの赤外光の情報が両光学系Ａ及びＢ並びにその
電気回路系に入力され得得るようにする。又、外
匣９の出力側から導出する２本の導線１３及び１
４を光学系Ａ及びＢの電気回路系A′及びB′（第２
図参照）に夫々接続する。 即ち、第２図に示すように電気回路系A′は装
置本体１の出力導線１３に接続されたバツフア増
幅器１５と、単波長式主増幅器１６と、リニアラ
イザ１７と、Ａ／Ｄ変換器１８と、デイジタル表
示器１９とを以て構成する。 又、電気回路系B′は、前置増幅器２０と、二
波長比較による対数増幅器２１と、放射率補正回
路２２と、放射率表示器２３とを以て構成する。
この放射率補正回路２２は、前記対数増幅器２１
に組込まれた放射率演算回路２４と、その出力側
に自動スイツチ２５を介して接続された放射率補
正演算回路２６と、放射率設定回路２７とを以て
構成する。 更に電気回路系A′の主増幅器１６と電気回路
系B′の二波長比較対数増幅器２１との間には室
温補償回路２８を設け、これにより装置全体とし
ての温度較正を行ない得るようにする。 斯様に構成した本発明赤外温度測定装置の作動
は次の通りである。 今、照準用のぞき窓１２を見ながら被測定物体
１０の表面上の測定スポツト１１を位置決めす
る。 斯様にすると測定スポツト１１の赤外温度の放
射光は、高速応答の単波長光学系Ａにおいては有
孔凹面反射鏡３で反射されて赤外線センサ２に到
達し、こゝで連続的に電気信号に変換されると共
に二波長比較光学系Ｂにおいては凹面反射鏡３の
中央孔、凸レンズ４及び光チヨツパ６のフイルタ
５を経て赤外線センサ７に到達する。この場合入
射赤外光はフイルタ５により二波長の光にチヨツ
プされるためセンサ７には異る二波長の赤外光が
入射されるようになる。 光学系Ｂのかかる異る二波長の赤外光は、赤外
線センサ７により検出され且つ電気信号に変換さ
れてその電気回路系B′の前置増幅器２０に供給
され、ここで増幅されて二波長比較対数増幅器２
１に供給され、こゝで電圧増幅及びサンプルホー
ルドされた後放射率演算回路２４で対数変換及び
減算処理されて放射率を算出する。放射率演算回
路２４の出力即ち放射率に対応する電気信号は、
放射率表示器２３で表示されると共にスイツチ２
５を経て放射率補正回路２２の放射率補正演算回
路２６に供給されて放射率の補正係数を算出し、
その出力を放射率設定回路２７に供給し、こゝで
放射率の補正値を最終的に且つ連続的に設定し得
るようにする。スイツチ２５は通常自動スイツチ
とするが、これを手動スイツチに切換えることも
できる。 又、放射率設定回路２７も手動設定に切換える
ことができる。更に放射率補正演算回路２６は、
Ａ／Ｄ変換器を内蔵するマイクロコンピユータに
より構成するため雑音の導入が殆どなく長時間高
精度で安定して使用することができる。 又、光学系Ａの赤外光は、赤外線センサ２によ
り連続的に検出され且つ電気信号に変換されて、
その電気回路系A′のバツフア増幅器１５に供給
され、こゝで増幅されて単波長主増幅器１６に供
給され、こゝで室温補償回路２８により温度補償
されると共に放射率設定回路２７により放射率の
補正を行う。かように温度補償され且つ放射率補
正された主増幅器１６のアナログ出力である温度
信号は高速リニアライザ１７及びＡ／Ｄ変換器１
８を経てデイジタル表示器１９で温度表示される
と共に温度信号出力端子２９から利用回路、例え
ば通常の温度制御回路に供給される。 次に本発明赤外温度測定装置と従来の赤外温度
計との諸特性を以下に示す。

【表】 上表からも明らかなように本発明赤外温度測定
装置によれば上述したように構成したので、被測
定物体の表面の赤外放射率が時間的に変化しても
自動的に放射率の補正を行うことができ、しかも
高速応答で正確に温度を測定することができる。 例えば、被測定物体の表面酸化や表面状態の変
化が進行しててもその温度を正確に測定すること
ができる。 又、被測定物体の放射率が場所によつて異る場
合でも、スポツトサイズの分解能の範囲で正確に
且つ高速応答で温度を測定することができる。例
えば放射率の異なる物質の混合物や複合体の高速
応答測定が可能ととなる。 更に、本発明赤外温度測定装置は、高速応答温
度計と放射率測定器とを兼用し、且つ全体として
温度較正がなされているため、信頼性が高く、し
かも廉価である。 本発明は上述した例にのみ限定されるものでは
なく、種々の変更を行うことができる。例えば上
述した例では２個の赤外線センサを用いたが、１
個の赤外線センサを両光学系に兼用することもで
きる。この場合には温度計測が時間的に分割して
行われ従つて放射率補正も間欠的となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明赤外温度測定装置の光学系を示
す断面図、第２図は光学系からの出力を処理する
電気回路を示すブロツク図である。 １……装置本体、２，７……赤外線センサ、３
……有孔凹面反射鏡、４……凸レンズ、５……フ
イルタ(6)、６……光チヨツパ、８……液体窒素容
器、９……装置外匣、１０……被測定物体、１１
……測定スポツト、１２……照準用のぞき窓、１
３，１４……出力導線、１５……バツフア増幅
器、１６……単波長式主増幅器、１７……リニア
ライザー、１８……Ａ／Ｄ変換器、１９……デイ
ジタル表示器、２０……前置増幅器、２１……二
波長比較対数増幅器、２２……放射率補正回路、
２３……放射率表示器、２４……放射率演算回
路、２５……スイツチ、２６……放射率補正演算
回路、２７……放射率設定回路、２８……室温補
償回路、２９……温度信号出力端子。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 単波長光学系と、該光学系の出力信号を処理
   する電気回路系と、二波長比較光学系と、該光学
   系の出力信号を処理する電気回路系と、前記二波
   長光学系の出力を受け、前記単波長光学系の出力
   に対し放射率の補正を高速で行い得る放射率補正
   回路とを具えることを特徴とする赤外線温度測定
   装置。 ２ 単波長光学系は、カセグレン配置された有孔
   凹面反射鏡と、高速応答赤外線センサとを具える
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の赤
   外線温度測定装置。 ３ 二波長比較光学系は、凸レンズと、フイルタ
   付光チヨツパと、赤外線センサとを具えることを
   特徴とする特許請求の範囲第１項記載の赤外線温
   度測定装置。 ４ 単波長光学系の電気回路系は、赤外線センサ
   の出力を受けるバツフア増幅器と、単波長式主増
   幅器と、該主増幅器の出力を温度変化に対し直線
   性とするリニアライザと、該リニアライザのアナ
   ログ出力をデイジタル値に変換するＡ／Ｄ変換器
   と、該変換器の出力を表示するデイジタル表示器
   とを具えることを特徴とする特許請求の範囲第１
   項記載の赤外温度測定装置。 ５ 二波長比較光学系の電気回路系は、赤外線セ
   ンサの出力を受ける前記増幅器と、該増幅器の出
   力を受ける二波長比較対数増幅器と、該対数増幅
   器に組込まれた放射率演算回路と、放射率表示器
   とを具えることを特徴とする特許請求の範囲第１
   項記載の赤外温度測定装置。 ６ 放射率補正回路は、放射率演算回路の出力を
   受ける放射率補正演算回路と、該演算回路の出力
   を受ける放射率設定回路とを具えることを特徴と
   する特許請求の範囲第１項又は第５項記載の赤外
   温度測定装置。 ７ 単波長光学系及び二波長比較光学系を単一容
   器に収納することを特徴とする特許請求の範囲第
   １項記載の赤外温度測定装置。