特許 7453659 輻射光検出装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-03-12

(45)【発行日】2024-03-21

(54)【発明の名称】輻射光検出装置

(51)【国際特許分類】

   G01J 1/02 20060101AFI20240313BHJP

   G01J 1/04 20060101ALI20240313BHJP

   G01J 3/45 20060101ALI20240313BHJP

   G01J 5/48 20220101ALN20240313BHJP

【ＦＩ】

G01J1/02 C

G01J1/02 Q

G01J1/04 D

G01J3/45

G01J5/48 A

【請求項の数】 10

(21)【出願番号】P 2019210564

(22)【出願日】2019-11-21

(65)【公開番号】P2021081362

(43)【公開日】2021-05-27

【審査請求日】2022-09-28

【前置審査】

(73)【特許権者】

【識別番号】304028346

【氏名又は名称】国立大学法人 香川大学

(74)【代理人】

【識別番号】110001069

【氏名又は名称】弁理士法人京都国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】石丸 伊知郎

【審査官】小澤 瞬

(56)【参考文献】

【文献】特開平１０－３２５７５５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０３－０２８７２８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－１７２５３７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０２－０３５３２２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－０１４５８１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－０２０７９２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭６４－０１０１３０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０３－０８７６１９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００１－０２３８９０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００３－３４４１６２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－１４２５２２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｊ １／００ － Ｇ０１Ｊ １１／００

ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＭＥＤＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

窓部を有する筐体と、
前記筐体内に配置された、前記窓部から入射する測定対象物からの輻射光を検出する輻射光検出器と、
前記窓部から前記輻射光検出器に至る輻射光の光路及び前記輻射光検出器を、前記測定対象物の温度よりも低い所定の温度に冷却する冷却手段と
を備え、
前記輻射光の光路及び前記輻射光検出器の温度が、前記測定対象物の温度よりも低くなった状態で、該測定対象物からの輻射光を検出する、輻射光検出装置。

【請求項2】

請求項１に記載の輻射光検出装置において、
前記冷却手段が、前記光路を取り囲むように前記筐体内に設けられた熱伝導性シートを有する、輻射光検出装置。

【請求項3】

請求項２に記載の輻射光検出装置において、
前記熱伝導性シートが、前記輻射光検出器又は測定対象物に接触される接触部を有している、輻射光検出装置。

【請求項4】

請求項１に記載の輻射光検出装置において、
前記冷却手段が、前記筐体を冷却する、輻射光検出装置。

【請求項5】

請求項１に記載の輻射光検出装置において、
前記冷却手段が、さらに、
前記光路内の温度を検出する光路内温度検出器と、
前記光路内の温度を設定するための光路内温度設定部と、
前記光路内温度設定部により設定された温度になるように前記冷却手段を制御する制御部と
を有する、輻射光検出装置。

【請求項6】

請求項１に記載の輻射光検出装置において、さらに、
測定対象物を加熱するための加熱手段を備える、輻射光検出装置。

【請求項7】

請求項６に記載の輻射光検出装置において、
前記加熱手段が、前記窓部を取り囲むように前記筐体内に設けられた超音波振動子を有する、輻射光検出装置。

【請求項8】

請求項７に記載の輻射光検出装置において、
前記加熱手段が、さらに、前記超音波振動子が発する超音波振動の周波数及び／又は振幅を設定する超音波振動設定部を有する、輻射光検出装置。

【請求項9】

請求項６～８のいずれかに記載の輻射光検出装置において、さらに、
前記測定対象物の温度を検出する対象物温度検出器と、
前記測定対象物の温度を設定するための対象物温度設定部と、
前記対象物温度設定部により設定された温度になるように前記加熱手段を制御する制御部と
を備える、輻射光検出装置。

【請求項10】

請求項１に記載の輻射光検出装置において、
前記輻射光検出器が、受光面を有し、該受光面上の光の強度分布を検出するように構成され、
前記窓部と前記輻射光検出器との間の光路上に配置された、測定対象物に設けられた測定点からの輻射光を平行光束にする平行光束化部、前記平行光束を第１光束と第２光束に分割し該第１光束と該第２光束の間に光路長差を付与しつつ出射する位相シフタ、前記第１光束と前記第２光束が少なくとも一部において互いに重なるように前記輻射光検出器の受光面に入射させる干渉光学系と、
前記第１光束と前記第２光束が重なった部分の前記受光面の光の強度分布に基づき前記測定点のインターフェログラムを求め、このインターフェログラムをフーリエ変換することによりスペクトルを取得する処理部と
を有する、輻射光検出装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、輻射光検出装置に関する。

【背景技術】

【0002】

全ての物体は熱輻射により光（電磁波）を放射しており、プランクの法則より知られているように、放射する光の波長成分（スペクトル）は物体の温度によって決まる。例えば室温程度の物体からはピーク波長が10μm近傍の中赤外光が放射されている。このように熱輻射により物体から放射される光（輻射光ともいう）をマイクロボロメータにより検出し、熱分布画像として表示する装置が赤外線サーモグラフィである。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開平06-94537号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

マイクロボロメータには物体からの輻射光と、該マイクロボロメータが収容されている筐体や該筐体内の種々の部品（以下「筐体等」という）からの輻射光が入射する。そこで、一般的な赤外線サーモグラフィでは、筐体内のマイクロボロメータの前段にシャッターを設け、シャッターを閉じた状態でマイクロボロメータが受光した光量を測定しこれを筐体等からの輻射光量として記憶するようにしている。そして、シャッターを開けた状態で測定した光量から筐体等の輻射光量を減算することにより、物体からの輻射光量を求めている（特許文献１）。ところが、筐体内にシャッターを設けたり、筐体内又は筐体外にシャッターの開閉機構を設置したりすると、その分装置が大形化してしまう。

【0005】

また、マイクロボロメータが受光する物体からの輻射光量は、物体の温度の４乗とマイクロボロメータの温度の４乗によって決定される。つまり、物体から放射される輻射光は、該物体の温度の４乗とマイクロボロメータの温度の４乗の差（勾配）に応じて物体からマイクロボロメータに伝搬してくる。

【0006】

従って、同じ物体からの輻射光量を測定する場合であっても、外気温が変動することによってサーモグラフィの筐体やマイクロボロメータの温度が変動すると、マイクロボロメータが受光する輻射光量が変動する。

【0007】

本発明が解決しようとする課題は、装置を大形化することなく、外気温の影響を小さく抑えた輻射光検出装置を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上記課題を解決するために成された本発明に係る輻射光検出装置は、
窓部を有する筐体と、
前記筐体内に配置された、前記窓部から入射する測定対象物からの輻射光を検出する輻射光検出器と、
前記窓部から前記輻射光検出器に至る輻射光の光路を所定の温度に調整するための温調部材と
を備えることを特徴とする。

【0009】

上記構成の輻射光検出装置では、窓部から入射した測定対象物からの輻射光は、輻射光検出器によって検出される。このとき、外気温の変動に関係なく、窓部から輻射光検出器に至る輻射光の光路が温調手段によって所定の温度に調整されているため、測定対象物からの輻射光の測定結果に及ぼす外気温の影響を小さく抑えることができる。

【0010】

上記構成の輻射光検出装置において、好ましくは、前記温調手段が、前記光路を取り囲むように前記筐体内に設けられた熱伝導性シートを有する。
上記構成によれば、光路内で発生した熱が熱伝導性シートを通して放散されるため、光路内を低い温度に調整することができる。また、熱伝導性シートが光路を取り囲むように設けられているため、光路内全体の温度をほぼ一定に保持することができる。前記熱伝導性シートとしては、グラファイトシートが挙げられる。

【0011】

上記構成においては、前記熱伝導性シートが、前記輻射光検出器又は測定対象物に接触される接触部を有することが好ましい。

【0012】

上記の輻射光検出装置では、接触部を通して輻射光検出器の熱又は測定対象物の熱が熱伝導性シートに伝導する。したがって、光路内の温度を輻射光検出器又は測定対象物の温度とほぼ同じ温度に調整することができる。特に、熱伝導性シートが、測定対象物に接触される接触部を備える構成は、輻射光検出装置の温度が測定対象物の温度よりも高い場合に有用である。このような場合は、まずは接触部を該測定対象物に接触させて光路内の温度を測定対象物の温度に近付ける。このように、光路内の温度を測定対象物の温度に近付けることで、比較的短時間で測定対象物よりも光路内の温度を低くして輻射熱の測定を開始するまでの時間を短くすることができる。測定対象物よりも光路内の温度を低くする方法としては、例えば熱伝導性シートの接触部を測定対象物よりも温度の低い物体に接触させたり、冷却装置を使って筐体や輻射光検出器を冷却したりする方法が挙げられる。

【0013】

そこで、上記の輻射光検出装置においては、
前記温調手段が、前記筐体及び前記輻射光検出器の少なくとも一方を冷却するための冷却手段を有することが好ましい。

【0014】

上記構成においては、好ましくは前記温調手段が、前記光路内の温度を検出する光路内温度検出器と、前記光路内の温度を設定するための光路内温度設定部と、前記光路内温度設定部により設定された温度になるように前記冷却手段を制御する制御部とを有する。

【0015】

上記構成によれば、光路内の温度を光路内温度設定部によって設定された任意の温度に調整することができる。

【0016】

また、上記の輻射光検出装置は、さらに測定対象物を加熱するための加熱手段を備えると良い。

【0017】

上記構成においては、測定対象物を加熱することによって光路内の温度が相対的に低くなり、測定対象物から光路内に伝搬する輻射光量を増加させることができる。

【0018】

上記構成において、前記加熱手段は、前記窓部を取り囲むように前記筐体内に設けられた超音波振動子を有する構成とすることができる。この場合、前記加熱手段は、さらに、前記超音波振動子が発する超音波振動の周波数及び／又は振幅を設定する超音波振動設定部を有するようにしても良い。

【0019】

上記構成によれば、超音波振動子の発する超音波振動が測定対象物に付与されることで該測定対象物を超音波加熱することができる。この場合、測定対象物に付与される超音波振動の周波数及び／又は振幅の値によって、測定対象物内に定在波が形成されることがある。定在波では節にエネルギーが集中するため、節の部分はその他の部分よりも強く加熱される。したがって、測定点付近に節が位置するような超音波振動の定在波が形成されると、測定点から発せられる光（輻射光（赤外線））はその他の箇所から発せられる光よりも強くなる。測定点付近に節が位置するような超音波振動の定在波を形成するためには、測定対象物の大きさや形状等に応じて、超音波振動子の発する超音波振動の周波数及び／又は振幅を調節する必要がある。加熱手段が超音波振動設定部を備える構成では、超音波振動子の発する超音波振動の周波数及び／又は振幅を適宜の値に設定することができる。

【0020】

前記加熱手段を備える構成においては、さらに、
前記測定対象物の温度を検出する対象物温度検出器と、
前記測定対象物の温度を設定するための対象物温度設定部と、
前記対象物温度設定部により設定された温度になるように前記加熱手段を制御する制御部と
を備えることが好ましい。

【0021】

上記構成によれば、測定対象物を対象物温度設定部によって設定された任意幅温度に調整することができる。

【0022】

さらに、上記の輻射光検出装置においては、
前記輻射光検出器が、受光面を有し、該受光面上の光の強度分布を検出するように構成され、
前記窓部と前記輻射光検出器との間の光路上に配置された、測定対象物からの輻射光を平行光束にする平行光束化部、前記平行光束を第１光束と第２光束に分割し該第１光束と該第２光束の間に光路長差を付与しつつ出射する位相シフタ、前記第１光束と前記第２光束が少なくとも一部において互いに重なるように前記輻射光検出器の受光面に入射させる干渉光学系と、
前記第１光束と前記第２光束が重なった部分の前記受光面の光の強度分布に基づき前記測定点のインターフェログラムを求め、このインターフェログラムをフーリエ変換することによりスペクトルを取得する処理部と
を備えると良い。

【0023】

上記構成によれば、測定対象物から放射される輻射光の分光特性を測定することができる。

【発明の効果】

【0024】

本発明によれば、輻射光検出装置を大形化することなく、外気温の影響を小さく抑えることができる。

【図面の簡単な説明】

【0025】

【図1】本発明の実施形態である分光測定装置の第１実施例を示す上面図（ａ）、側面図（ｂ）。

【図2】分光測定装置の一部を省略して示す斜視図。

【図3】位相シフタの上面図（ａ）、側面図（ｂ）、反射面側から見た図（ｃ）。

【図4】分光測定装置の動作説明図。

【図5】変形例の分光測定装置の側面図。

【図6】本発明の実施形態である分光測定装置の第２実施例を示す概略構成図。

【図7】透過型光学素子の構成を示す図（ａ）～（ｄ）、透過型光学素子を通過した光が検出器の受光面に入射する様子を示す図（ｅ）。

【図8】本発明の実施形態である分光測定装置の第３実施例を示す概略構成図。

【図9】本発明の実施形態である分光測定装置の第４実施例を示す概略構成図。

【図10】本発明の実施形態である分光測定ユニットの第５実施例を示す概略構成図。

【発明を実施するための形態】

【0026】

以下、本発明に係る輻射光検出装置について具体的な実施例を挙げて説明する。

【0027】

［実施例１］
本発明に係る輻射光検出装置の実施形態である分光測定装置の第１実施例について図面を参照して説明する。
図１および図２は本実施例の分光測定装置１の全体構成を示している。なお、図１（ａ）および図２では、分光測定装置の内部構造が見えるように、筐体の一部を省略している。

【0028】

［分光測定装置の構成］
分光測定装置１００は、筐体１０と、その内部に収容された位相シフタ２０、対物レンズ３１、結像レンズ３２、及び輻射光検出器としての検出器４０を備えている。筐体１０は、大小２個の矩形箱状の筐体１０１及び筐体１０２から構成されている。以下、大きい方を第１筐体１０１、小さい方を第２筐体１０２と呼ぶ。位相シフタ２０、対物レンズ３１及び結像レンズ３２は第１筐体１０１に、検出器４０は第２筐体１０２にそれぞれ収容されている。

【0029】

第１筐体１０１は、矩形板状のベースプレート１１と４個の側壁部１２～１５と蓋１６とから構成されている。側壁部１２～１５同士、側壁部１２～１５とベースプレート１１、側壁部１２～１５と蓋１６はそれぞれねじ（図示せず）により取り外し可能に連結されている。

【0030】

対物レンズ３１は、そのレンズ面が側壁部１２と平行になるように、ベースプレート１１上に配置されている。また、結像レンズ３２は、そのレンズ面が側壁部１３と平行になるようにベースプレート１１上に配置されている。対物レンズ３１と結像レンズ３２は、ベースプレート１１の上面に立設されたレンズホルダー３３とベースプレート１１との間に保持されている。レンズホルダー３３は上面視Ｌ字状の部材と、一対の脚部とからなり、一対の脚部の下端部がベースプレート１１の上面に固定されている。ベースプレート１１の上面のうち位相シフタ２０、対物レンズ３１、結像レンズ３２、及びレンズホルダー３３の配置に対応する適宜の箇所には、それぞれ凹部が形成されている。脚部の下端部が挿入される凹部が形成されている。これら凹部に対物レンズ３１の下端部、結像レンズ３２の下端部、及びレンズホルダー３３の脚部の下端部を挿入することで、対物レンズ３１及び結像レンズ３２が位置決めされる。１個のレンズホルダー３３で対物レンズ３１および結像レンズ３２の両方を保持する構成により、対物レンズ３１と結像レンズ３２を近接させることができる。

【0031】

側壁部１２のうち対物レンズ３１と対向する箇所には測定対象物からの輻射光を筐体１０内に導入するための導入口７０（本発明の窓部に相当）が設けられている。導入口７０は、側壁部１２の外方に突出する円筒状部７１と、円筒状部７１の内部に嵌め込まれた集光レンズ７２と、集光レンズ７２と対物レンズ３１の間であって該対物レンズ３１の共役面に配置された共役面格子７３とを有している。共役面格子７３は、ベースプレート１１の上面に立設された格子ホルダー７４に保持されている。

【0032】

側壁部１３のうち結像レンズ３２と対向する箇所には、結像レンズ３２を通過した輻射光（反射光）の導出口８０が設けられており、該導出口８０が形成された部分の側壁部１３の外面に第２筐体１０２が取り付けられている。第２筐体１０２内には、検出器４０が、その受光面が導出口８０と対向し、且つ結像レンズ３２の結像面上に受光面が位置するように配置されている。検出器４０は、受光面上に２次元配置された複数の受光素子を有する２次元アレイセンサから構成されている。

【0033】

位相シフタ２０は、固定反射部材２１と、可動反射部材２２と、該可動反射部材２２を駆動する駆動機構２３とを備えている。固定反射部材２１は立方体状の金属ブロックから成り、その一面を鏡面加工することにより反射面２１ａ（以下、固定反射面２１ａともいう）が形成されている。固定反射部材２１は、その反射面２１ａが対物レンズ３１及び結像レンズ３２の各光軸に対して４５°傾くようにベースプレート１１の上面に固定されている。

【0034】

固定反射部材２１の上面２１ｃには駆動機構２３が固定されている。駆動機構２３は例えばインパクト駆動アクチュエータから成り、該駆動機構２３の上部に配置された移動体２４を水平方向に移動させる。移動体２４は、取付板部２４ａと、その端部から下方に折曲する取付端部２４ｂとを有する断面Ｌ字状の部材からなり、取付板部２４ａによって駆動機構２３の上部に取り付けられている。駆動機構２３は、移動体２４の移動方向が固定反射面２１ａの法線方向と一致するように、固定反射部材２１の取付面２１ｃに固定されている。

【0035】

可動反射部材２２は移動体２４の取付端部２４ｂに固定されている。可動反射部材２２は、立方体状の金属ブロックから成り、その一面を鏡面加工して成る反射面２２ａ（以下、可動反射面２２ａともいう）と、該反射面２２ａと反対側の面（背面）に形成された嵌合凹部２２ｂとを有しており、該嵌合凹部２２ｂが取付端部２４ｂに嵌合されている。可動反射部材２２の反射面２２ａは固定反射部材２１の反射面２１ａと略同じ大きさを有している。

【0036】

図１（ａ）に示すように第１筐体１０１の側壁部の内面、蓋１６の内面、及び第２筐体１０２（底板、側壁部及び天板）の内面には、温調手段を構成する熱伝導性シートであるグラファイトシート９０がそれぞれ貼り付けられている。なお、図２では、グラファイトシート９０の図示を省略している。

【0037】

グラファイトシート９０は、金属の中でも熱伝導率が高い銅やアルミニウムよりも優れた熱伝導性を有することが知られており、カネカ株式会社（商品名：グラフィニティ^TM）、パナソニック株式会社（商品名：PGSグラファイトシート）等から販売されている。本実施例では、これら一般に販売されているグラファイトシートを購入して使用することができる。

【0038】

また、筐体１０の下面には２個のペルチェ素子９５、９６が取り付けられている。一方のペルチェ素子９５は第１筐体１０１の下面に取り付けられており、他方のペルチェ素子９６は、その大部分が第２筐体１０２の下面に位置するように、第１筐体１０１及び第２筐体１０２の下面に跨って取り付けられている。ペルチェ素子９５、９６はいずれもその吸熱側（冷却側）が筐体１０の下面と接している。ペルチェ素子９５、９６は本発明の冷却手段に相当する

【0039】

第１筐体１０１の内部には、検出器４０及びペルチェ素子９５、９６を制御する制御装置５０が収容されている。詳細な説明及び図示は省略するが、制御装置５０は、検出器４０の検出信号からインターフェログラムを求め、このインターフェログラムを数学的にフーリエ変換して輻射光の波長毎の相対強度である分光特性（スペクトル）を求める演算部、演算部の演算結果を画像化する処理部、処理部の処理結果を出力するディスプレイやプリンタ等を備えている。

【0040】

［輻射光の分光特性の測定］
上記構成の分光測定装置１００を用いた測定対象物から発せられる輻射光の分光特性の測定動作について図４を参照して説明する。分光測定装置１００を用いた分光特性の測定方法は結像型２次元フーリエ分光法と呼ばれる。

【0041】

まず、測定対象物Ｓの輻射光の分光特性の測定を開始するに先立ち、ペルチェ素子９５、９６に電流を供給する。これにより、ペルチェ素子９５、９６の吸熱側に位置する第１筐体１０１及び第２筐体１０２が冷却され、さらに第１筐体１０１及び第２筐体１０２の内面に貼り付けられたグラファイトシート９０を通してこれら筐体１０１、１０２内に配置された部品が冷却される。このとき、測定対象物の温度よりも分光測定装置１００の温度の方が所定の温度だけ低くなるように、ペルチェ素子９５、９６には予め設定された時間、電流が供給される。

【0042】

次に、分光測定装置１００の位相シフタ２０の駆動機構２３を駆動し、可動反射部材２２を、図８に矢印Ａで示す方向に往復移動させる。より具体的には、可動反射部材２２を、可動反射面２２ａと固定反射面２１ａが同一面上にある基準位置と、可動反射面２２ａが固定反射面２１ａよりも後方にある変動位置との間を一定の速度で往復移動させる。駆動機構２３の駆動は、制御装置５０によって制御される。

【0043】

続いて、分光測定装置１００の導入口７０が測定対象物Ｓを向くように該分光測定装置１００を設置する。これにより、熱輻射により測定対象物Ｓから放射された輻射光１１０が導入口７０から第１筐体１０１内に入射する。第１筐体１０１に入射した輻射光１１０は、集光レンズ７２、対物レンズ３１を通過した後、平行光となって位相シフタ２０に到達する。位相シフタ２０に到達した輻射光１１０は、固定反射面２１ａと可動反射面２２ａの両方に跨るように両反射面に入射し、各反射面によって反射される。

【0044】

固定反射面２１ａで反射された光（固定反射光）と、可動反射面２２ａで反射された光（可動反射光）は、それぞれ結像レンズ３２を通過したのち導出口８０から第２筐体１０２に入射し、検出器４０の受光面上に集光して干渉光を形成する。検出器４０の受光面には複数の受光素子が配置されており、各受光素子は、測定対象物Ｓから発せられた輻射光１１０の干渉光の強度に応じた検出信号を発生する。各受光素子の検出信号は検出器４０から制御装置５０に出力され、処理される。

【0045】

可動反射面２２ａを移動させて固定反射光と可動反射光の光路長差を変化させることにより、干渉光の強度が変化する。測定対象物Ｓからはその温度に応じた所定の波長範囲の輻射光１１０が放射されるため、制御装置５０において検出器４０からの検出信号が処理されることにより、干渉光の強度変化を示すインターフェログラムが取得され、このインターフェログラムを数学的にフーリエ変換することにより、輻射光１１０の分光特性（スペクトル）が取得される。本実施例に係る分光測定装置１００では、検出器４０の受光面に複数の受光素子が二次元配置されているため、測定対象物Ｓから発せられる輻射光１１０の分光特性を二次元測定することができる。

【0046】

また、本実施例では、筐体１０を冷却するためのペルチェ素子９５、９６を設けるとともに筐体１０内にグラファイトシート９０を設け、筐体１０の入射した輻射光１１０が検出器４０に至るまでの光路をグラファイトシート９０が取り囲むようにした。そして、測定対象物Ｓの温度よりも筐体１０内の温度が低くなった状態で、測定対象物Ｓからの輻射光１１０の分光特性を測定するようにした。従って、外気温に関係なく測定対象物Ｓからの輻射光１１０を安定的に測定することができる。

【0047】

特に、本実施例では、筐体１０内にグラファイトシート９０を設け、筐体１０の入射した輻射光１１０が検出器４０に至るまでの光路をグラファイトシート９０が取り囲むようにした。このため、筐体１０内に入射した輻射光１１０が検出器４０に至るまでの光路の全体を効率よく、また均一に冷却することができる。

【0048】

本願発明者の実験によると、グラファイトシート９０を設けない状態でペルチェ素子９５、９６により筐体１０を冷却した場合は、筐体１０内の部品の温度を均一に冷却することが難しいか、あるいは均一になるまでに時間がかかったが、グラファイトシート９０を設けることにより、短時間で筐体１０内の部品の温度を均一に冷却することができた。

【0049】

なお、本実施例においては、筐体１０内の温度を検出する温度センサを設けて、該温度センサの結果に基づいてペルチェ素子９５、９６を動作させるようにしても良い。また、筐体１００内の温度を検出する温度センサ及び外気温を検出する外気温センサを設け、温度センサ及び外気温センサの検出結果からペルチェ素子９５、９６を動作させるようにしても良い。さらに、温度センサ及び外気温センサに加えて湿度センサを設け、筐体１０及び筐体１０内の部品に結露が生じない程度の温度まで筐体１０を冷却するようにしても良い。さらにまた、筐体１０内の温度を検出する温度センサ、及び筐体１０の温度を設定するための温度設定部を設けて、該温度設定部により設定された温度になるようにペルチェ素子９５、９６を動作させるようにしても良い。これらの構成によれば、測定対象物Ｓからの輻射熱の分光特性を精度良く、正確に測定することができる。

【0050】

また、図５に示すように、ペルチェ素子９５、９６の下部（放熱側）にヒートシンク９７を配置し、該ヒートシンク９７の下部にファン９８を配置してもよい。この構成によれば、筐体１０をより短時間で冷却することができる。上記の構成では、ペルチェ素子９５、９６、ヒートシンク９７、ファン９８から冷却手段が構成される。

【0051】

［実施例２］
図６は、本発明の実施形態である分光測定装置の第２実施例を示している。
［分光測定装置の構成］
この分光測定装置２００は、円筒状の筐体２０１とその内部に収容された透過型光学素子２１０及び検出器２２０（輻射光検出器に相当）と、超音波加熱装置２５０とを備えている。

【0052】

筐体２０１の一端部には、測定対象物Ｓからの輻射光を筐体２０１内に導入するための円形状の窓部２０２が設けられている。窓部２０２には、中赤外光の透過性に優れた材質から成る窓材が嵌め込まれている。また、筐体２０１の内周面には温調手段としての断熱性シート２９０が貼り付けられている。

【0053】

検出器２２０は、その受光面２２１が窓部２０２と対向するように筐体２０１の他端側の内部に配置されている。検出器２２０は複数の画素が二次元配置された赤外線ＣＣＤカメラ等の二次元エリアセンサから成る。検出器２２０は、処理装置２３０と信号線を介して接続されており、検出信号を処理装置２３０に出力する。

【0054】

透過型光学素子２１０は光入射面２１１とその裏側の光出射面２１２を有しており、光入射面２１１が窓部２０２側に、光出射面２１２が検出器２２０の受光面２２１側を向くように、窓部２０２と検出器２２０の間に配置されている。

【0055】

図７（ａ）は透過型光学素子２１０をその光出射面１２側から見た図、図７（ｂ）は同図（ａ）のｂ－ｂ'線に沿う断面図、図７（ｃ）は同図（ａ）のｃ－ｃ'線に沿う断面を紙面の上側から見た図、図７（ｄ）は同図（ａ）のｄ－ｄ'線に沿う断面を紙面の下側から見た図、図７（ｅ）は透過型光学素子２１０の光出射面２１２から出射した光が検出器２２０の受光面２２１に入射する様子を示す図である。ここでは、図７（ａ）における上下左右を、透過型光学素子１０の上下左右とする。

【0056】

透過型光学素子２１０は、光入射面２１１側（又は光出射面２１２側）から見て円形状の光学素子から成り、光入射面２１１は、外側に凸となる略球面状に構成されている。一方、光出射面２１２は、並んで配置された平面状の第１光出射面２１２Ａと第２光出射面２１２Ｂから構成されており、それぞれ、光出射面２１２の上下方向中央の中心線ＣＬから下方及び上方に向かって光入射面２１１側に傾斜している。

【0057】

また、第１光出射面２１２Ａは、図７（ａ）のｃ－ｃ'方向（つまり左右方向）に傾いていないのに対して、第２光出射面２１２Ｂは、図７（ａ）の符号ｃから符号ｃ'に向かって光入射面２１１側に所定の角度だけ傾いている。つまり、第２光出射面２１２Ｂは、中心線ＣＬから上方に向かって光入射面２１１側に傾斜しているとともに、右側から左側に向かって光入射面２１１側に傾斜している。このため、第１光出射面２１２Ａと第２光出射面２１２Ｂは、中心線ＣＬを挟んで対称な構成ではない。

【0058】

超音波加熱装置２５０は、筐体２０１内に配置された超音波振動子２５１と、筐体２０１の外部に設けられた反射板としての板材２５２と、超音波振動子２５１を駆動する駆動装置２５３を備えている。超音波振動子２５１は円環状を有しており、窓部２０２を取り囲むように筐体２０１の内面に固定されている。板材２５２は、超音波振動子２５１と所定の間隔を置いて対向している。

【0059】

［分光測定装置の使用方法］
上記分光測定装置２００の使用方法を説明する。ここでは、耳たぶのように厚みの小さい物体を測定対象物Ｓとすることとする。
まず、測定対象物Ｓを挟んで該測定対象物Ｓの両側に分光測定装置２００の筐体２０１と板材２５２を配置する。そして、窓部２０２及び板材２５２をそれぞれ測定対象物Ｓの表面に当接させる。

【0060】

この状態で、駆動装置２５３を動作させて超音波振動子２５１に交流電力を供給すると、測定対象物Ｓのうち板材２５２と窓部２０２の間の領域（測定領域）に超音波振動が発生し、該測定領域が超音波加熱される。これにより、測定領域から赤外線（輻射光）が放射され、この赤外線が窓部２０２を通して筐体２０１内の透過型光学素子２１０の光入射面２１１に入射する。透過型光学素子２１０に入射した赤外線のうち、該透過型光学素子２１０の合焦点である測定点ＳＰから発せられた赤外線は平行光束となって光出射面２１２に向かい、光出射面２１２から第１光束と第２光束に分かれて出射する。そして、光出射面２１２から出射した第１光束と第２光束は一部が重なった状態で検出器２２０の受光面２２１に入射し、第１光束と第２光束の干渉像を形成する。つまり、透過型光学素子２１０のうち光入射面２１１が平行光束化部、光出射面２１２が位相シフタ及び干渉光学系として機能する。したがって、検出器２２０で前記干渉像の光強度分布を測定することにより測定点ＳＰから放射された赤外線のインターフェログラムが得られ、このインターフェログラムを処理装置２３０でフーリエ変換することにより測定点ＳＰの分光特性を取得することができる。

【0061】

このように本実施例では、超音波加熱装置２５０によって測定対象物を加熱するようにしたため、測定対象物と筐体との間に温度差を生じさせることができる。また、筐体２０１の内面に断熱性シート２９０を貼り付けたため、筐体２０１内の温度を均一に且つ、外気温よりも低い温度に保持することができる。このため、外気温に関係なく測定対象物Ｓからの輻射光を安定的に測定することができる。

【0062】

［実施例３］
図８は本発明の実施形態である分光測定装置の第３実施例を示している。この分光測定装置２００Ａは、超音波加熱装置２５０の駆動装置２５３が超音波振動子２５１に供給する交流電力の周波数や超音波振動子２５１が発生する超音波振動の振幅を調整する振動調整部２５５と、使用者によって操作される操作部２５６を備えている点が第２実施例と異なる。振動調整部２５５及び操作部２５６は本発明の超音波振動設定部に相当する。

【0063】

また、分光測定装置２００Ａは、分光測定装置２００（筐体２０１）と板材２５２を測定対象物Ｓに装着するための装着部材２６０を備えている。装着部材２６０は、例えばクリップからなり、クリップの両端部に板材２５２及び筐体２０１がそれぞれ取り付けられている。

【0064】

装着部材２６０で測定対象物Ｓを挟持すると、板材２５２と窓材２０２が測定対象物Ｓを挟んで対向するように、板材２５２及び筐体２０１が測定対象物Ｓに固定される。上記した以外の分光測定装置２００Ａの構成は第２実施例の分光測定装置２００と同じであるため、同一部分には同一符号を付し、その説明を省略する。

【0065】

上記分光測定装置２００Ａの使用方法を説明する。ここでも、耳たぶのように厚みの小さい物体を測定対象物Ｓとすることとする。
まず、装着部材２６０で測定対象物Ｓを挟み、該該測定対象物Ｓの両側に筐体２０１と板材２５２を固定する。

【0066】

この状態で、駆動装置２５３を動作させて超音波振動子２５１に交流電力を供給すると測定対象物Ｓのうち板材２５２と窓部２０２の間の測定領域に超音波振動が発生し、該測定領域が超音波加熱される。このとき、操作部２５６を操作して超音波振動子２５１に供給する交流電力の周波数や超音波振動子２５１が発生する超音波振動の振幅を適宜調整し、板材２５２に垂直で、測定点ＳＰに節が位置する定在波を測定領域に形成する。

【0067】

図８に、測定対象物Ｓの内部に定在波Ｓｗが形成されている様子を模式的に示す。定在波Ｓｗでは節の部分にエネルギーが集中するため、節の部分が、その他の部分よりも強く加熱され、高エネルギーの赤外線を放射する。測定点ＳＰから発せられた高エネルギーの赤外線は窓部２０２を通して筐体２０１内の透過型光学素子２１０に入射する。透過型光学素子２１０に入射した測定点ＳＰからの赤外線は平行光束となって光出射面２１２に向かい、光出射面２１２から第１光束と第２光束に分かれて出射する。光出射面２１２から出射した第１光束と第２光束は一部が重なった状態で検出器２２０の受光面２２１に入射し、第１光束と第２光束の干渉像を形成する。したがって、検出器２２０で前記干渉像の光強度分布を測定することにより測定点ＳＰのインターフェログラムが得られ、このインターフェログラムを処理装置２３０でフーリエ変換することにより測定点ＳＰの分光特性を取得することができる。

【0068】

また、本実施例では、測定点ＳＰに位置するような超音波振動の定在波Ｓｗを形成し、測定点ＳＰから高エネルギーの赤外線を発生させることができる。このため、検出器２２０の受光面２２１における干渉像の形成に寄与しない、測定点ＳＰ以外の箇所から放射される赤外線を小さく抑えることができるため、ＳＮ比を高めることができる。

【0069】

なお、本実施例及び第２実施例では、筐体２０１の内面に断熱性シート２９０を貼り付けたが、これに代えて熱伝導性シート（グラファイトシート）を貼り付けても良い。グラファイトシートを貼り付けた場合は、光路内の熱を筐体２０１側に放出して該光路内を冷却することができる。

【0070】

［実施例４］
図９に示す分光測定装置３００は、円筒状の筐体３０１と、該筐体３０１内に収容された位相シフタ３２０、対物レンズ３３１、結像レンズ３３２、検出器３４０、及びペルチェ素子３９５を備えている。本実施例では、筐体３０１の一方の端部から他方の端部に向かって対物レンズ３３１、位相シフタ３２０、結像レンズ３３２、検出器３４０、及びペルチェ素子３９５がこの順に一列に並べられている。

【0071】

筐体３０１の一方の端部は、該筐体３０１の中心軸に対して傾斜する面で切断したような形状を有しており、その部分に赤外光の透過性に優れた材質から成る窓部３０２が嵌め込まれている。また、筐体３０１の他方の端部には蓋３０３が装着されており、該蓋３０３の内面にペルチェ素子３９５が取り付けられている。ペルチェ素子３９５は、その吸熱（冷却）側が検出器３４０と接しており、発熱側が蓋３０３に接している。蓋３０３は、熱伝導性に優れた材質から形成されており、ペルチェ素子３９５の発熱側で生じた熱を外部に放出し易い構成になっている。

【0072】

また、筐体３０１の内面には、グラファイトシート３９０が貼り付けられている。グラファイトシート３９０一部は筐体３０１の一端部（窓部３０２と筐体３０１の間）から該筐体３０１の外部まで延びており、筐体３０１の一端部の外周面に貼り付けられている。グラファイトシート３９０のうち筐体３０１の一端部に貼り付けられた部分を以下では接触部３９１と呼ぶ。また、グラファイトシート３９０の他端側は検出器３４０に接触している。この接触している部分は、本発明の接触部として機能する。

【0073】

位相シフタ３２０は、半円状の透過型光学部材である第１透過部３２１と第２透過部３２２からなり、全体としてほぼ円板状の構成を有している。第１透過部３２１は、入射面及び出射面が平行な厚さ一定の光学部材から成る。一方、第２透過部３２２は、第１透過部３２１の入射面に対して傾斜する入射面と、第１透過部３２１１の出射面と同一面上にある出射面を有するくさび形の光学部材から成る。本実施例では、第２透過部３２２は、その厚さが一方側から他方側に向かって徐々に小さくなっており、これにより入射面が、一方側から他方側に向かって結像レンズ３３２側に傾斜している。

【0074】

結像レンズ３３２は平凸面シリンドリカルレンズから成る。結像レンズ３３２は、位相シフタ３２０側の面が該位相シフタ３２０に向かって突出する円筒状の凸面から成り、検出器３４０側の面が位相シフタ３２０の出射面と平行な平面から成る。

【0075】

検出器３４０は、例えば複数の画素が２次元配置された赤外線ＣＣＤカメラから構成さ
れている。図示は省略するが、筐体３０１の内部には、検出器３４０及びペルチェ素子３９５を制御する制御装置が収容されている。制御装置は、検出器３４０の検出信号からインターフェログラムを求め、このインターフェログラムを数学的にフーリエ変換して輻射光の波長毎の相対強度である分光特性（スペクトル）を求める演算部、演算部の演算結果を記憶する記憶部を備えている。分光測定装置３００にはパーソナルコンピュータ等の外部端末が接続可能になっており、記憶部に記憶された演算結果を外部端末に取り込み、そこで、画像化したり、外部端末が備えるディスプレイやプリンタ等に出力したりすることができる。

【0076】

上記構成の分光測定装置３００を用いて、測定対象物Ｓから発せられる輻射光の分光特性を測定する際は、筐体３０１の一端部を測定対象物Ｓに接触させる。これにより接触部３９１が測定対象物Ｓに接触し、該測定対象物Ｓの熱がグラファイトシート３９０に伝達される。その結果、時間の経過とともに筐体３０１内の温度が測定対象物Ｓの温度とほぼ等しくなる。この状態で、ペルチェ素子３９５を所定時間動作させる。これにより、検出器３４０が冷却され、測定対象物Ｓよりも低温になる。本実施例では、筐体３０１内の温度と測定対象物Ｓの温度をほぼ等しい状態にしてから検出器３４０を冷却するため、予め設定された時間ペルチェ素子３９５を動作させることにより、測定対象物Ｓと検出器３４０の温度差をほぼ一定にすることができる。また、グラファイトシート３９０の他端部が検出器３４０と接触しているため、筐体３０１内の全体を検出器３４０とほぼ同じ温度に保つことができる。

【0077】

一方、測定対象物Ｓから放射された輻射光は、窓材３０２を通して筐体３０１内に入射する。そして、対物レンズ３３１を通過した後、位相シフタ３２０に入射し、該位相シフタ３２０によって２つに分割され、第１測定光と第２測定光として結像レンズ３３２に入射する。結像レンズ３３２に入射した第１測定光と第２測定光は検出器３４０の受光面に集光されて干渉光を形成する。受光面には多数の画素が配置されているため、これら画素によって干渉光の強度が検出される。制御装置は、筐体３０１内が所定の温度まで冷却された後、検出器３４０の検出信号を取り込み、所定の演算処理を行う。これにより、測定対象物Ｓのインターフェログラムが求められ、このインターフェログラムをフーリエ変換することによりスペクトル（分光特性）が得られる。

【0078】

［実施例５］
図１０は、本発明の第５実施例である分光測定ユニットの概略構成図である。この分光測定ユニットは、分光測定装置３００Ａと収容装置４００とを備えている。分光測定装置３００Ａは、第４実施例の分光測定装置３００と異なり、ペルチェ素子３９５を有していない。また、グラファイトシート３９０は筐体３０１内にのみ貼り付けられており、筐体３０１の外部にまで延びていない。それ以外の構成は第４実施例の分光測定装置３００とほぼ同じであるため、同一部分には同一符号を付して説明を省略する。

【0079】

収容装置４００は、測定対象物が収容される容器４０１と、容器４０１の底面に取り付けられたペルチェ素子４０２と、容器４０１の温度を検出する温度センサ４０３と、温度センサ４０３の検出結果に基づいてペルチェ素子４０２を制御する制御部４０４とを有している。容器４０１は上面が開口しており、この開口から測定対象物Ｓが収容される。また、ペルチェ素子４０２は発熱側が容器４０１の底面に接するように該容器４０１に取り付けられている。

【0080】

上記の分光測定ユニットでは、例えば液体状の測定対象物Ｓを容器４０１に収容し、ペルチェ素子４０２で容器４０１を所定の温度まで加熱する。これにより容器４０１内の測定対象物Ｓに含まれる揮発成分（水分）は蒸発し、不揮発成分が容器４０１内に残る。この状態で、容器４０１の開口と分光測定装置３００の筐体３０１の開口を突き合わせる。すると、容器４０１内に残った不揮発成分から放射された輻射熱は、容器４０１の開口及び筐体３０１の開口を通じて筐体３０１に入射する。この結果、第４実施例で説明したように、輻射光の分光特性が求められる。

【0081】

なお、上記実施例では、何れも本発明を分光測定装置に適用した実施例について説明したが、本発明は、測定対象物の熱分布を測定する赤外線サーモグラフィ、測定対象物から放射された輻射光の強度を測定する輻射光強度測定装置等にも適用できる。
また、上記実施例では、筐体内に熱伝導性シート又は断熱性シートを設けたが、筐体又は輻射光検出器を冷却するための冷却手段を設ける場合は、熱伝導性シート及び断熱性シートを省略しても良い。

【符号の説明】

【0082】

１、１００、２００、２００Ａ、３００、３００Ａ…分光測定装置
１０、１０１、２０１、３０１…筐体
２０２…窓部
２５０…超音波加熱装置
２５１…超音波振動子
２５５、２５６…超音波振動設定部
２９０…断熱性シート
４０、２２０、３４０…検出器
７０…導入口
９０、３９０…グラファイトシート
９５、９６、３９５、４０２…ベルチェ素子
３９１…接触部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】