温度計測装置
【課題】 被測定物体の温度計測を高速に行うことが可能な温度計測装置を提供する。
【解決手段】 半導体光電陰極Ｃ１は、印加電圧に応じて波長に対する量子効率の特性が異なる。したがって、検出器駆動回路Ｅを制御して印加電圧を制御すると、波長特性が異なる出力（電子量：検出信号）を得ることができる。これら複数の出力は、被測定物体Ａの温度と相関を有するので、解析装置Ｄは、被測定物体Ａの温度を演算することができる。この装置では、機械的な回転フィルタではなく、半導体光電陰極Ｃ１への印加電圧制御により波長特性を変化させているため、高速の温度計測が可能となる。
【解決手段】 半導体光電陰極Ｃ１は、印加電圧に応じて波長に対する量子効率の特性が異なる。したがって、検出器駆動回路Ｅを制御して印加電圧を制御すると、波長特性が異なる出力（電子量：検出信号）を得ることができる。これら複数の出力は、被測定物体Ａの温度と相関を有するので、解析装置Ｄは、被測定物体Ａの温度を演算することができる。この装置では、機械的な回転フィルタではなく、半導体光電陰極Ｃ１への印加電圧制御により波長特性を変化させているため、高速の温度計測が可能となる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、温度計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、被測定物体からの熱放射を検出し、当該検出値に基づいて被測定物体の温度を計測する放射温度計が知られている。
【０００３】
全ての物体は有限の温度を持ち、その温度に応じて自ら電磁波を放射する。この熱放射の強度（Ｉ）と波長（λ）の関数は、物体の温度（Ｔ）に依存し、プランクの法則として知られている。一般に、温度（Ｔ）が高くなるほど、熱放射強度（Ｉ）のスペクトルピークは短波長側にシフトする。したがって、被測定物体からの熱放射を、分光器を用いて波長分解した後、波長毎の放射強度を放射検出器で検出し、得られたスペクトルのピークを与える波長（λｍａｘ）が判明すれば、スペクトルピーク波長（λｍａｘ）と温度（Ｔ）との対応表を用いて、温度（Ｔ）を求めることができる。対応表はメモリに格納しておき、演算には小型のマイクロプロセッサや汎用のコンピュータを用いることができる。
【０００４】
スペクトルピークを得るためには分光器が必要となるため、分光器を用いない簡易な構造の放射温度計も知られている。このような放射温度計としては、全放射温度計、単色温度計、二色温度計が知られている。
【０００５】
図５は、全放射温度計の計測原理を示すグラフである。
【０００６】
図５（ａ）の熱放射強度の波長依存性のグラフに示すように、プランクの法則に基づき、温度（Ｔ）が上昇するほど、熱放射強度（Ｉ）のスペクトルの広波長帯域における積分値（面積Ｓ）は増加する。なお、このグラフは両対数グラフであり、熱放射強度（Ｉ）は縦軸、波長（λ）は横軸である。すなわち、被測定物体の温度が、ＴＬＯＷ＜ＴＭＩＤ＜ＴＨＩＧＨの場合、各スペクトルの積分値は、ＳＬＯＷ＜ＳＭＩＤ＜ＳＨＩＧＨの関係を満たす。
【０００７】
図５（ｂ）は、温度（Ｔ）と面積（Ｓ）の関係を示すグラフであり、面積（Ｓ）が判明すれば、温度（Ｔ）を演算することができる。面積（Ｓ）は、放射検出器（光検出器（赤外線含む））の出力電流（ｉ）とは比例的な関係にあるため、当該電流（ｉ）と面積（Ｓ）の対応表を用いて、放射検出器の出力電流（ｉ）を面積（Ｓ）に変換し、面積（Ｓ）と温度（Ｔ）との対応表を用いて、求められた面積（Ｓ）を温度（Ｔ）に変換すればよい。
【０００８】
図６は、単色温度計の計測原理を示すグラフである。
【０００９】
図６（ａ）の熱放射強度の波長依存性のグラフに示すように、プランクの法則に基づき、温度（Ｔ）が上昇するほど、熱放射強度（Ｉ）の各波長における絶対値は増加する。なお、このグラフは両対数グラフである。すなわち、被測定物体の温度が、ＴＬＯＷ＜ＴＭＩＤ＜ＴＨＩＧＨの場合、単一の波長（λ０）における熱放射強度（Ｉ）は、ＩＬＯＷ＜ＩＭＩＤ＜ＩＨＩＧＨの関係を満たす。
【００１０】
図６（ｂ）は、温度（Ｔ）と熱放射強度（Ｉ）の関係を示すグラフであり、特定の波長（λ０）における強度（Ｉ）が判明すれば、温度（Ｔ）を演算することができる。特定の波長（λ０）における強度（Ｉ）は、例えば、波長（λ０）の光のみを透過させる狭域バンドバスフィルタを放射検出器（光検出器（赤外線含む））の光入射面側に設け、狭域バンドバスフィルタを透過した熱放射の強度を計測する。この熱放射強度（Ｉ）と放射検出器の出力電流（ｉ）とは比例的な関係にあるため、当該電流（ｉ）と熱放射強度（Ｉ）の対応表を用いて、放射検出器の出力電流（ｉ）を熱放射強度（Ｉ）に変換し、熱放射強度（Ｉ）と温度（Ｔ）との対応表を用いて、求められた熱放射強度（Ｉ）を温度（Ｔ）に変換すればよい。
【００１１】
図７は、二色温度計の計測原理を示すグラフである。
【００１２】
図７（ａ）の熱放射強度の波長依存性のグラフに示すように、プランクの法則に基づき、温度（Ｔ）が上昇すると、特定の波長間のスペクトルの傾きが変化する。なお、このグラフは両対数グラフである。赤外線の短波長側に２つの波長λ１、λ２を設定した場合、被測定物体の温度が、ＴＬＯＷ＜ＴＭＩＤ＜ＴＨＩＧＨとしたとき、各波長λ１、λ２における強度を与える２つの座標を結ぶ直線の傾き（係数）ａ１，ａ２，ａ３は、ａ１＞ａ２＞ａ３の関係を満たす。すなわち、温度（Ｔ）の増加に対して、係数ａ１，ａ２，ａ３は単調に減少する。
【００１３】
赤外線の長波長側に２つの波長λ３、λ４を設定した場合、被測定物体の温度が、ＴＬＯＷ＜ＴＭＩＤ＜ＴＨＩＧＨとしたとき、各波長λ１、λ２における強度を与える２つの座標を結ぶ直線の傾き−ｂ１，−ｂ２，−ｂ３を与える係数ｂ１，ｂ２，ｂ３は、ｂ１＜ｂ２＜ｂ３の関係を満たす。すなわち、温度（Ｔ）の増加に対して係数ｂ１，ｂ２，ｂ３は単調に増加する。
【００１４】
図７（ｂ）は、温度（Ｔ）と係数の関係を示すグラフであり、温度（Ｔ）の増加に対して、係数ａ１，ａ２，ａ３又はｂ１，ｂ２，ｂ３が、単調に減少又は増加する。
【００１５】
いずれの波長設定を採用してもよいが、一般には短波長側の設定が用いられる。二色温度計は、一般には、２つの放射検出器（光検出器（赤外線含む））と、２つの狭域バンドパスフィルタを要する。短波長側の計測設定の場合、波長λ１の熱放射のみを透過させる狭域バンドパスフィルタと、波長λ２の熱放射のみを透過させる狭域バンドパスフィルタを、それぞれ、第１の放射検出器及び第２の放射検出器の光入射面側に配置しておき、各放射検出器の出力電流（ｉ１）、（ｉ２）を測定する。
【００１６】
各波長λ１、λ２における熱放射強度（Ｉ１）、（Ｉ２）と放射検出器の出力電流（ｉ１）、（ｉ２）とは比例的な関係にあるため、当該電流（ｉ１）、（ｉ２）と熱放射強度（Ｉ１）、（Ｉ２）の対応表を用いて、放射検出器の出力電流（ｉ１）、（ｉ２）を熱放射強度（Ｉ１）、（Ｉ２）に変換し、熱放射強度（Ｉ１）、（Ｉ２）と波長λ１、λ２から得られる直線の傾きの係数ａ１，ａ２，ａ３を求め、温度（Ｔ）と係数ａ１，ａ２，ａ３の対応表を用いて、求められた係数ａ１，ａ２，ａ３を温度（Ｔ）に変換すればよい。長波長側の設定の場合も同様である。
【００１７】
なお、各計測における演算には、データの補正を行う手段が知られており、精度を高めるための研究がなされている。
【００１８】
また、上述の２つのフィルタと、放射検出器の出力を用いた二色温度計や、その他の放射温度計を組み合わせたものが、例えば、以下の特許文献１、特許文献２に記載されている。
【００１９】
特許文献１は、被測定物体から輻射されるエネルギーのうち、異なる２つの波長のエネルギー成分を抽出し、両者の強度の比に基づいて、被測定物体の温度を決定する色温度計であって、異なる波長を透過する２種類の半円状のフィルタを回転させることで２波長のエネルギー成分を光電子増倍管（ＰＭＴ）で抽出する技術を開示している。
【００２０】
特許文献２は、被測定物体から輻射されるエネルギーのうち、異なる波長のエネルギー成分を抽出し、両者の強度の比に基づいて、被測定物体の温度を決定する色温度計であって、被測定物体からの輻射エネルギーを光ファイバにより分光装置に導くと共に、分光器で分光された異なる波長のエネルギー成分毎にＰＭＴで検出する技術を開示している。
【特許文献１】特開平６−１０２０９６号公報
【特許文献２】特開平１０−１０４０８４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
しかしながら、上述の特許文献１においては、異なる２つの波長のエネルギー成分を抽出するために、異なる特性のフィルタを１つの放射検出器の前面で回転させているため、検出速度はフィルタの回転速度に依存する。このフィルタの回転は機械的に行われるため、温度検出を高速に行うことはできないという問題がある。
【００２２】
また、特許文献２においては、異なる波長のエネルギー成分を抽出するために分光器を用いているため、装置が大型化するという問題がある。
【００２３】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、被測定物体の温度計測を高速に行うことが可能な温度計測装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
上述の課題を解決するため、本発明に係る温度計測装置は、被測定物体からの放射光が入射する半導体光電陰極と、半導体光電陰極に電圧を印加する可変電圧印加手段と、可変電圧印加手段を制御して電圧を変化させる制御手段と、制御手段により電圧を変化させた場合に、半導体光電陰極から出力される電子量に基づいて、被測定物体の温度を演算する演算手段とを備えることを特徴とする。
【００２５】
半導体光電陰極は、印加電圧に応じて波長に対する量子効率の特性が異なる。したがって、可変電圧印加手段を制御して印加電圧を制御すると、波長特性が異なる出力（電子量）を得ることができる。これら複数の出力は、被測定物体の温度と相関を有するので、被測定物体の温度を演算することができる。本発明では、機械的な回転フィルタではなく、半導体光電陰極への印加電圧制御により波長特性を変化させているため、高速の温度計測が可能となる。
【００２６】
また、本発明に係る温度計測装置は、放射光の短波長側を遮断するフィルタを、半導体光電陰極の光入射面側に配置することが好ましい。短波長側（赤外領域である場合も含む）の光は背景光などを含んでいる場合が多いので、これをカットすることで、より正確な温度計測を行うことが可能となる。
【００２７】
また、本発明に係る温度計測装置は、半導体光電陰極からの電子を増倍する電子増倍部と、電子増倍部からの電子を収集する陽極とを有する光電子増倍管を備えることが好ましい。半導体光電陰極を具備する光電子増倍管は、感度が高いため、微弱な光を正確に検出することができ、したがって、より正確な温度計測を行うことが可能となる。
【００２８】
また、本発明に係る温度計測装置の制御手段は、上記電圧を２段階以上変化させることを特徴とする。この場合、各段階に応じて波長特性が異なる複数の出力、すなわち、演算の基礎となる複数のデータを得ることができる。
【００２９】
また、本発明に係る温度計測装置の演算手段は、第１電圧における半導体光電陰極からの電子量を第１値、第２電圧における半導体光電陰極からの電子量を第２値とした場合、第１値と第２値の比率を演算し、この比率と温度との相関関係を予め記憶しておき、演算された比率に対応する温度を出力することを特徴とする。
【００３０】
入射光強度は熱源としての被測定物体までの距離によって変化するが、その比率は距離や強度などによって変化しにくい。したがって、各電圧の場合の電子量の比率を温度と対応づけて記憶しておき、演算された比率に基づき、温度をルックアップテーブル方式で読み出せば、正確な温度計測を行うことが可能となる。
【００３１】
なお、電圧が３段階以上に変化する場合、その中で選択された２段階毎に求められた温度の平均を演算するなどの処理を行えば、より正確な温度計測が可能となる。
【発明の効果】
【００３２】
本発明の温度計測装置によれば、被測定物体の温度計測を高速に行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
以下、実施の形態に係る温度計測装置について説明する。同一要素には同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。
【００３４】
図１は、実施の形態に係る温度計測装置のブロック図である。
【００３５】
被測定物体Ａからの放射光ｈνは、光ファイバなどの光伝送系Ｂを介して、光電子増倍管Ｃの半導体光電陰極Ｃ１に入射する。光伝送系Ｂとしてはミラーを用いてもよく、この光伝送系Ｂの光入射面と、被測定物体Ａとの間には、図示しない放射光集光用のレンズが介在している。光電子増倍管Ｃから出力された検出信号は、解析装置Ｄに入力され、解析装置Ｄの解析結果（温度）は、表示装置Ｆに表示される。なお、光電子増倍管Ｃは、検出器駆動回路Ｅによって駆動されており、検出器駆動回路Ｅから出力される駆動信号は、解析装置Ｄ内のクロックと同期している。すなわち、解析装置Ｄから出力される同期信号に同期して、検出器駆動回路Ｅから出力される駆動信号の電圧レベルが変化する。また、解析装置Ｄは、測定された温度に基づいて、被測定物体Ａを駆動する被測定物体駆動装置Ｇを制御する。この制御は解析装置Ｄから被測定物体駆動装置Ｇに出力される制御信号によって行われる。
【００３６】
被測定物体Ａは、機械加工や半導体プロセスにおける加工対象物であり、計測された温度が所定条件に到達した場合には、被測定物体駆動装置Ｇは被測定物体Ａに適当な処理を実行する。例えば、被測定物体駆動装置Ｇをベルトコンベアとすると、このベルトコンベアは、加熱処理が終了した被測定物体Ａを搬送する。被測定物体駆動装置Ｇが溶接用のロボットアームであるとすると、溶接が終了した場合にロボットアームは被測定物体Ａの特定位置とは別の位置に移動する。被測定物体Ａをヒータとして、被測定物体駆動装置Ｇをヒータへの電力供給源とし、温度の自動制御を行うことも可能である。
【００３７】
光電子増倍管Ｃは、半導体光電陰極Ｃ１、電子増倍部Ｃ２、陽極Ｃ３及びこれらを収容する真空容器Ｃ４を備えている。電子増倍部Ｃ２には、検出器駆動回路Ｅから駆動電圧が与えられるが、この駆動電圧は必要に応じて変化させ、利得調整を行ってもよい。すなわち、電子増倍部Ｃ２への印加電圧を増加させれば利得が増加し、減少させれば利得が減少するので、光電子増倍管Ｃからの出力に基づき、被測定物体Ａからの放射光が弱い場合には利得を増加させ、強い場合には利得を減少させる制御を行うことも可能である。複数のダイノードから構成される電子増倍部Ｃ２のタイプとしては、ライン型、ボックスアンドグリッド型、メッシュ型など様々な形状のものが知られている。
【００３８】
半導体光電陰極Ｃ１の光入射面側と電子出射面側の間に電圧が印加される。この印加電圧は、検出器駆動回路Ｅによって制御される。光電子増倍管Ｃの出力（検出信号）は、半導体光電陰極Ｃ１から出射された電子量に比例する。したがって、上述の温度計測装置は、被測定物体Ａからの放射光ｈνが入射する半導体光電陰極Ｃ１と、半導体光電陰極Ｃ１に電圧を印加する検出器駆動回路（可変電圧印加手段）Ｅと、検出器駆動回路Ｅを制御してこの電圧を変化させる解析装置（制御手段）Ｄと、解析装置Ｄにより電圧を変化させた場合に、半導体光電陰極Ｃ１から出力される電子量に基づいて、被測定物体Ａの温度を演算する解析装置（演算手段）Ｄとを備えている。
【００３９】
半導体光電陰極Ｃ１は、印加電圧に応じて波長に対する量子効率の特性が異なる（図３参照）。したがって、検出器駆動回路Ｅを制御して印加電圧を制御すると、波長特性が異なる出力（電子量：検出信号）を得ることができる。これら複数の出力は、被測定物体Ａの温度と相関を有するので、解析装置Ｄは、被測定物体Ａの温度を演算することができる。この装置では、機械的な回転フィルタではなく、半導体光電陰極Ｃ１への印加電圧制御により波長特性を変化させているため、高速の温度計測が可能となる。
【００４０】
なお、本例では、放射光ｈνの短波長側を遮断するフィルタＦＬを、半導体光電陰極Ｃ１の光入射面側に配置してある。短波長側（赤外領域である場合も含む）の光は背景光などを含んでいる場合が多いので、これをカットすることで、より正確な温度計測を行うことが可能となる。フィルタＦＬとしては、両面を研磨したシリコン基板や、色ガラスフィルタなどを用いることができ、これを光伝送系Ｂと半導体光電陰極Ｃ１との間に介在させる。
【００４１】
また、光電子増倍管Ｃは、半導体光電陰極Ｃ１からの電子を増倍する電子増倍部Ｃ２と、電子増倍部Ｃ２からの電子を収集する陽極Ｃ３とを有している。半導体光電陰極Ｃ１を具備する光電子増倍管Ｃは、感度が高いため、微弱な光を正確に検出することができ、したがって、より正確な温度計測を行うことが可能となる。
【００４２】
図２は、各要素の詳細構造を説明するための図である。
【００４３】
この半導体光電陰極Ｃ１は、半導体基板１１上に形成された光吸収層１２、光吸収層１２上に形成された電子放出層１３、電子放出層１３上に形成されバイアス印加パターンを有する半導体層１４、及び電子放出層１３上に形成された仕事関数低下用の活性層Ｌを備えている。半導体基板１１の裏面側には電極層１６が形成されており、半導体層１４上には電極層１５が形成されている。電極層１６と電極層１５との間には、可変電圧源Ｅ２からバイアス電圧が印加され、電極層１５の電位は電極層１６の電位よりも相対的に高く設定される。
【００４４】
各半導体層の（１）材料、（２）導電型、（３）キャリア濃度、（４）厚みは以下の通りである。
・半導体基板１１
（１）ＩｎＰ
（２）ｐ型
（３）５×１０１５ｃｍ−３以上
（４）５００μｍ
・光吸収層１２
（１）ＩｎＧａＡｓ
（２）ｐ型
（３）８×１０１５ｃｍ−３以上１×１０１７ｃｍ−３以下
（４）０．０１μｍ〜５μｍ
・電子放出層１３
（１）ＩｎＰ
（２）ｐ型
（３）８×１０１５ｃｍ−３以上１×１０１７ｃｍ−３以下
（４）０．１μｍ〜２μｍ
・半導体層１４
（１）ＩｎＰ
（２）ｎ型
（３）１×１０１８ｃｍ−３以上
（４）０．０５μｍ〜１μｍ
【００４５】
電極層１６はＡｕＺｎからなり、光照射の妨げとならないように半導体基板１１の裏面の一部に形成されている。電極層１５と電極層１６の間には、電極層１５を正とするバイアス電圧が印加される。
【００４６】
半導体層１４は、電子放出層１３の一部が露出するようにリソグラフィーを用いて線幅０．１μｍ以上４μｍ以下、間隔０．１μｍ以上４μｍ以下のストライプ状にパターニングされている。電極層１５はＴｉからなり、厚みは０．０２μｍないし０．０５μｍである。
【００４７】
半導体基板１１を介して光吸収層１２に放射光ｈνが入射すると、光吸収層１２は入射した放射光ｈνに感応して正孔／電子対（キャリア）を発生する。光吸収層１２で発生した電子は、バイアス電圧によって生じる電界にしたがって、表面側の電極層１５方向へ走行する。光吸収層１２で発生した電子は、電子放出層１３及び活性層Ｌを順次介して真空中に放出される。
【００４８】
ＳｉやＧａＡｓ、ＩｎＰなどの半導体の表面に特定の原子が付着すると、バルク中のエネルギーバンド構造に起因して伝導帯の電子エネルギーと真空準位との差は小さくなる。材料によっては、伝導帯のほうが高くなり所謂負性電子親和力（Ｎｅｇａｔｉｖｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ａｆｆｉｎｉｔｙ ：ＮＥＡ）が生じる。電子親和力を低下させる手段としては、セシウム（Ｃｓ）や酸素（Ｏ）を半導体の表面に付着させることで実現することができる。すなわち、電子放出層１３の上に形成される活性層Ｌの材料としては、Ｓｂ−Ｃｓ、Ｓｂ−Ｒｂ−Ｃｓ、Ｓｂ−Ｋ−Ｃｓ、Ｎａ−Ｋ−Ｓｂ、Ｎａ−Ｋ−Ｓｂ−Ｃｓ、Ｃｓ−Ｔｅ、Ｃｓ−Ｉなどを採用することができる。
【００４９】
なお、光吸収層１２に用いられるＩｎＧａＡｓは赤外域において吸収係数が高く、ＩｎＰよりもエネルギーバンドギャップが狭いことが知られている。なお、Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７ＡｓはＩｎＰに格子整合することが知られている。なお、半導体光電陰極Ｃ１は上述の構造のものに限定されない。
【００５０】
検出器駆動回路Ｅは、電源回路Ｅ１と、可変電圧源Ｅ２を備えている。電源回路Ｅ１は、電子増倍部Ｃ２に増倍用の電圧を印加すると共に、半導体光電陰極Ｃ１の電極１６と陽極Ｃ３との間にも電圧を印加する。陽極Ｃ３の電位が最も高く設定されている。半導体光電陰極Ｃ１から出射された電子ｅは、電子増倍部Ｃ２内に導入され、電子数が増倍されて、陽極Ｃ３で収集される。
【００５１】
陽極Ｃ３から出力された検出信号は、解析装置Ｄ内の電流計Ｄ１で検出され、電源回路Ｅ１に戻る。解析装置Ｄは、電流計Ｄ１で検出された検出信号に基づいて、被測定物体Ａの温度を演算するコンピュータＤ２を備えている。演算結果としての温度は表示信号として、コンピュータＤ２から表示装置Ｆに送信される。また、演算された温度が所定条件を満たした場合の被測定物体駆動装置Ｇの制御信号が、コンピュータＤ２から送信される。
【００５２】
コンピュータＤ２による演算処理について説明する。コンピュータＤ２は、デジタル演算を行うものであるが、この代わりにアナログで演算を行う回路を用いることもできる。
【００５３】
可変電圧源Ｅ２は、コンピュータＤ２からの指示に応じて、半導体光電陰極Ｃ１に、周期的な変調電圧を印加する。本例の場合は、この電圧は、２段階以上変化させる。換言すれば、コンピュータＤ２（制御手段）は、上記電圧を２段階以上変化させる。この場合、各段階に応じて波長特性が異なる複数の出力、すなわち、演算の基礎となる複数のデータを得ることができる。なお、電圧が３段階以上に変化する場合、その中で選択された２段階毎に求められた温度の平均を演算するなどの処理を行えば、より正確な温度計測が可能となる。
【００５４】
図３は、半導体光電陰極Ｃ１への入射光の波長（ｎｍ）と量子効率（％）の関係を示すグラフである。
【００５５】
同図に示すように、半導体光電陰極Ｃ１への印加電圧は、例えば２Ｖ（一点鎖線）、３Ｖ（二点鎖線）、４Ｖ（実線）というように設定する。印加電圧に応じて、半導体光電陰極Ｃ１内で発生する空乏層の厚みが変化する。逆バイアス電圧の場合には、印加電圧が大きくなるほど空乏層の厚みが大きくなる。印加電圧に応じて、空乏層の厚みと光電子の出射効率が変化し、波長毎の感度特性が変化する。
【００５６】
いずれの波長においても、印加電圧が増加するにしたがって、量子効率は増加している。この印加電圧をＶ、量子効率をＱＥ、波長をλとすると、関数をｆとして、ＱＥ＝ｆ（λ，Ｖ）と表すことができる。ＱＥの特定波長帯域内の積分値は、検出信号（出力電流（＝ｉ）；半導体光電陰極からの電子量）であるため、∫ＱＥ（λ，Ｖ）ｄλ＝ｉ（Ｖ）である。コンピュータＤ２には出力電流ｉが入力されているので、出力電流ｉ（Ｖ）から被測定物体Ａの温度Ｔを演算する。
【００５７】
電圧Ｖ＝Ｖ１のときに出力電流がｉ（Ｖ１）＝Ｓ１であり、電圧Ｖ＝Ｖ２のときに出力電流がｉ（Ｖ２）＝Ｓ２であったとすると、出力電流ｉ（Ｖ２）を基準として、比率Ｒ＝Ｓ１／Ｓ２を演算する。すなわち、背景光強度に因らない出力電流Ｓ１に規格化する補正を行う。
【００５８】
出力電流Ｓ１，Ｓ２は熱放射強度（入射光強度：エネルギー）Ｉと比例的な関係にあり、また、図６（ｂ）に示すように、熱放射強度Ｉは温度Ｔの関数である。したがって、出力電流Ｓ１（比率（Ｒ））が判明すれば、熱放射強度Ｉを求めることができ、熱放射強度Ｉから温度Ｔを演算することができる。これらの関係は、試行実験によって予めメモリ内に記憶させておく。
【００５９】
すなわち、本実施形態のコンピュータ（演算手段）Ｄ２は、第１電圧Ｖ１における半導体光電陰極Ｃ１からの電子量を第１値Ｓ１＝（ｉ（Ｖ１））、第２電圧Ｖ２における半導体光電陰極Ｃ１からの電子量を第２値Ｓ２＝（ｉ（Ｖ２））とした場合、第１値Ｓ１と第２値Ｓ２の比率Ｒ（＝Ｓ１／Ｓ２）を演算し、この比率Ｒと温度Ｔとの相関関係を予め記憶しておき、演算された比率Ｒに対応する温度Ｔを表示装置Ｆに出力している。
【００６０】
入射光強度は熱源としての被測定物体Ａまでの距離によって変化するが、その比率は距離や強度などによって変化しにくい。したがって、各電圧の場合の電子量の比率Ｒを温度Ｔと対応づけて記憶しておき、演算された比率Ｒに基づき、温度Ｔをルックアップテーブル方式で読み出せば、正確な温度計測を行うことが可能となる。
【００６１】
図４は、半導体光電陰極Ｃ１に印加される駆動電圧、検出信号、解析信号（温度）のタイミングチャートである。
【００６２】
本例では、異なる駆動電圧を印加し、その感度波長を周期的に変え、それぞれの時間タイミング毎に温度計測を行っている。温度Ｔを演算するため、駆動信号と検出信号とは同期させており、駆動信号のタイミングに合わせて検出信号をサンプリングしている。駆動電圧はＶ１，Ｖ２の２値の方形波パルスからなり、各電圧Ｖ１，Ｖ２のときの検出信号Ｓ１，Ｓ２が得られる。解析信号は、上述の温度Ｔを示すものであり、時間的に隣接する２つのレベルＳ１，Ｓ２に基づいて演算された温度Ｔを示している。このように、本実施形態に係る温度計測装置では、駆動電圧の変化の周期に同期した高速の温度計測が可能となる。上述の装置では、１つの光電子増倍管を用いるだけで高速の温度計測を行うことができ、システムの信頼性を確保すると同時に、安価な装置を提供することができる。なお、演算方法は上述のものだけでなく、従来から知られるその他の放射温度計の演算も利用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】実施の形態に係る温度計測装置のブロック図である。
【図２】各要素の詳細構造を説明するための図である。
【図３】半導体光電陰極Ｃ１への入射光の波長（ｎｍ）と量子効率（％）の関係を示すグラフである。
【図４】半導体光電陰極Ｃ１に印加される駆動電圧、検出信号、解析信号（温度）のタイミングチャートである。
【図５】全放射温度計の計測原理を示すグラフである。
【図６】単色温度計の計測原理を示すグラフである。
【図７】二色温度計の計測原理を示すグラフである。
【符号の説明】
【００６４】
１１・・・半導体基板、１２・・・光吸収層、１３・・・電子放出層、１４・・・半導体層、１５・・・電極層、１６・・・電極、Ａ・・・被測定物体、Ｂ・・・光伝送系、Ｃ・・・光電子増倍管、Ｃ１・・・半導体光電陰極、Ｃ２・・・電子増倍部、Ｃ３・・・陽極、Ｃ４・・・真空容器、Ｄ・・・解析装置、Ｄ１・・・電流計、Ｄ２・・・コンピュータ、Ｅ・・・検出器駆動回路、Ｅ１・・・電源回路、Ｅ２・・・可変電圧源、Ｆ・・・表示装置、ＦＬ・・・フィルタ、Ｇ・・・被測定物体駆動装置、ｈν・・・放射光、Ｌ・・・活性層。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、温度計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、被測定物体からの熱放射を検出し、当該検出値に基づいて被測定物体の温度を計測する放射温度計が知られている。
【０００３】
全ての物体は有限の温度を持ち、その温度に応じて自ら電磁波を放射する。この熱放射の強度（Ｉ）と波長（λ）の関数は、物体の温度（Ｔ）に依存し、プランクの法則として知られている。一般に、温度（Ｔ）が高くなるほど、熱放射強度（Ｉ）のスペクトルピークは短波長側にシフトする。したがって、被測定物体からの熱放射を、分光器を用いて波長分解した後、波長毎の放射強度を放射検出器で検出し、得られたスペクトルのピークを与える波長（λｍａｘ）が判明すれば、スペクトルピーク波長（λｍａｘ）と温度（Ｔ）との対応表を用いて、温度（Ｔ）を求めることができる。対応表はメモリに格納しておき、演算には小型のマイクロプロセッサや汎用のコンピュータを用いることができる。
【０００４】
スペクトルピークを得るためには分光器が必要となるため、分光器を用いない簡易な構造の放射温度計も知られている。このような放射温度計としては、全放射温度計、単色温度計、二色温度計が知られている。
【０００５】
図５は、全放射温度計の計測原理を示すグラフである。
【０００６】
図５（ａ）の熱放射強度の波長依存性のグラフに示すように、プランクの法則に基づき、温度（Ｔ）が上昇するほど、熱放射強度（Ｉ）のスペクトルの広波長帯域における積分値（面積Ｓ）は増加する。なお、このグラフは両対数グラフであり、熱放射強度（Ｉ）は縦軸、波長（λ）は横軸である。すなわち、被測定物体の温度が、ＴＬＯＷ＜ＴＭＩＤ＜ＴＨＩＧＨの場合、各スペクトルの積分値は、ＳＬＯＷ＜ＳＭＩＤ＜ＳＨＩＧＨの関係を満たす。
【０００７】
図５（ｂ）は、温度（Ｔ）と面積（Ｓ）の関係を示すグラフであり、面積（Ｓ）が判明すれば、温度（Ｔ）を演算することができる。面積（Ｓ）は、放射検出器（光検出器（赤外線含む））の出力電流（ｉ）とは比例的な関係にあるため、当該電流（ｉ）と面積（Ｓ）の対応表を用いて、放射検出器の出力電流（ｉ）を面積（Ｓ）に変換し、面積（Ｓ）と温度（Ｔ）との対応表を用いて、求められた面積（Ｓ）を温度（Ｔ）に変換すればよい。
【０００８】
図６は、単色温度計の計測原理を示すグラフである。
【０００９】
図６（ａ）の熱放射強度の波長依存性のグラフに示すように、プランクの法則に基づき、温度（Ｔ）が上昇するほど、熱放射強度（Ｉ）の各波長における絶対値は増加する。なお、このグラフは両対数グラフである。すなわち、被測定物体の温度が、ＴＬＯＷ＜ＴＭＩＤ＜ＴＨＩＧＨの場合、単一の波長（λ０）における熱放射強度（Ｉ）は、ＩＬＯＷ＜ＩＭＩＤ＜ＩＨＩＧＨの関係を満たす。
【００１０】
図６（ｂ）は、温度（Ｔ）と熱放射強度（Ｉ）の関係を示すグラフであり、特定の波長（λ０）における強度（Ｉ）が判明すれば、温度（Ｔ）を演算することができる。特定の波長（λ０）における強度（Ｉ）は、例えば、波長（λ０）の光のみを透過させる狭域バンドバスフィルタを放射検出器（光検出器（赤外線含む））の光入射面側に設け、狭域バンドバスフィルタを透過した熱放射の強度を計測する。この熱放射強度（Ｉ）と放射検出器の出力電流（ｉ）とは比例的な関係にあるため、当該電流（ｉ）と熱放射強度（Ｉ）の対応表を用いて、放射検出器の出力電流（ｉ）を熱放射強度（Ｉ）に変換し、熱放射強度（Ｉ）と温度（Ｔ）との対応表を用いて、求められた熱放射強度（Ｉ）を温度（Ｔ）に変換すればよい。
【００１１】
図７は、二色温度計の計測原理を示すグラフである。
【００１２】
図７（ａ）の熱放射強度の波長依存性のグラフに示すように、プランクの法則に基づき、温度（Ｔ）が上昇すると、特定の波長間のスペクトルの傾きが変化する。なお、このグラフは両対数グラフである。赤外線の短波長側に２つの波長λ１、λ２を設定した場合、被測定物体の温度が、ＴＬＯＷ＜ＴＭＩＤ＜ＴＨＩＧＨとしたとき、各波長λ１、λ２における強度を与える２つの座標を結ぶ直線の傾き（係数）ａ１，ａ２，ａ３は、ａ１＞ａ２＞ａ３の関係を満たす。すなわち、温度（Ｔ）の増加に対して、係数ａ１，ａ２，ａ３は単調に減少する。
【００１３】
赤外線の長波長側に２つの波長λ３、λ４を設定した場合、被測定物体の温度が、ＴＬＯＷ＜ＴＭＩＤ＜ＴＨＩＧＨとしたとき、各波長λ１、λ２における強度を与える２つの座標を結ぶ直線の傾き−ｂ１，−ｂ２，−ｂ３を与える係数ｂ１，ｂ２，ｂ３は、ｂ１＜ｂ２＜ｂ３の関係を満たす。すなわち、温度（Ｔ）の増加に対して係数ｂ１，ｂ２，ｂ３は単調に増加する。
【００１４】
図７（ｂ）は、温度（Ｔ）と係数の関係を示すグラフであり、温度（Ｔ）の増加に対して、係数ａ１，ａ２，ａ３又はｂ１，ｂ２，ｂ３が、単調に減少又は増加する。
【００１５】
いずれの波長設定を採用してもよいが、一般には短波長側の設定が用いられる。二色温度計は、一般には、２つの放射検出器（光検出器（赤外線含む））と、２つの狭域バンドパスフィルタを要する。短波長側の計測設定の場合、波長λ１の熱放射のみを透過させる狭域バンドパスフィルタと、波長λ２の熱放射のみを透過させる狭域バンドパスフィルタを、それぞれ、第１の放射検出器及び第２の放射検出器の光入射面側に配置しておき、各放射検出器の出力電流（ｉ１）、（ｉ２）を測定する。
【００１６】
各波長λ１、λ２における熱放射強度（Ｉ１）、（Ｉ２）と放射検出器の出力電流（ｉ１）、（ｉ２）とは比例的な関係にあるため、当該電流（ｉ１）、（ｉ２）と熱放射強度（Ｉ１）、（Ｉ２）の対応表を用いて、放射検出器の出力電流（ｉ１）、（ｉ２）を熱放射強度（Ｉ１）、（Ｉ２）に変換し、熱放射強度（Ｉ１）、（Ｉ２）と波長λ１、λ２から得られる直線の傾きの係数ａ１，ａ２，ａ３を求め、温度（Ｔ）と係数ａ１，ａ２，ａ３の対応表を用いて、求められた係数ａ１，ａ２，ａ３を温度（Ｔ）に変換すればよい。長波長側の設定の場合も同様である。
【００１７】
なお、各計測における演算には、データの補正を行う手段が知られており、精度を高めるための研究がなされている。
【００１８】
また、上述の２つのフィルタと、放射検出器の出力を用いた二色温度計や、その他の放射温度計を組み合わせたものが、例えば、以下の特許文献１、特許文献２に記載されている。
【００１９】
特許文献１は、被測定物体から輻射されるエネルギーのうち、異なる２つの波長のエネルギー成分を抽出し、両者の強度の比に基づいて、被測定物体の温度を決定する色温度計であって、異なる波長を透過する２種類の半円状のフィルタを回転させることで２波長のエネルギー成分を光電子増倍管（ＰＭＴ）で抽出する技術を開示している。
【００２０】
特許文献２は、被測定物体から輻射されるエネルギーのうち、異なる波長のエネルギー成分を抽出し、両者の強度の比に基づいて、被測定物体の温度を決定する色温度計であって、被測定物体からの輻射エネルギーを光ファイバにより分光装置に導くと共に、分光器で分光された異なる波長のエネルギー成分毎にＰＭＴで検出する技術を開示している。
【特許文献１】特開平６−１０２０９６号公報
【特許文献２】特開平１０−１０４０８４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
しかしながら、上述の特許文献１においては、異なる２つの波長のエネルギー成分を抽出するために、異なる特性のフィルタを１つの放射検出器の前面で回転させているため、検出速度はフィルタの回転速度に依存する。このフィルタの回転は機械的に行われるため、温度検出を高速に行うことはできないという問題がある。
【００２２】
また、特許文献２においては、異なる波長のエネルギー成分を抽出するために分光器を用いているため、装置が大型化するという問題がある。
【００２３】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、被測定物体の温度計測を高速に行うことが可能な温度計測装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
上述の課題を解決するため、本発明に係る温度計測装置は、被測定物体からの放射光が入射する半導体光電陰極と、半導体光電陰極に電圧を印加する可変電圧印加手段と、可変電圧印加手段を制御して電圧を変化させる制御手段と、制御手段により電圧を変化させた場合に、半導体光電陰極から出力される電子量に基づいて、被測定物体の温度を演算する演算手段とを備えることを特徴とする。
【００２５】
半導体光電陰極は、印加電圧に応じて波長に対する量子効率の特性が異なる。したがって、可変電圧印加手段を制御して印加電圧を制御すると、波長特性が異なる出力（電子量）を得ることができる。これら複数の出力は、被測定物体の温度と相関を有するので、被測定物体の温度を演算することができる。本発明では、機械的な回転フィルタではなく、半導体光電陰極への印加電圧制御により波長特性を変化させているため、高速の温度計測が可能となる。
【００２６】
また、本発明に係る温度計測装置は、放射光の短波長側を遮断するフィルタを、半導体光電陰極の光入射面側に配置することが好ましい。短波長側（赤外領域である場合も含む）の光は背景光などを含んでいる場合が多いので、これをカットすることで、より正確な温度計測を行うことが可能となる。
【００２７】
また、本発明に係る温度計測装置は、半導体光電陰極からの電子を増倍する電子増倍部と、電子増倍部からの電子を収集する陽極とを有する光電子増倍管を備えることが好ましい。半導体光電陰極を具備する光電子増倍管は、感度が高いため、微弱な光を正確に検出することができ、したがって、より正確な温度計測を行うことが可能となる。
【００２８】
また、本発明に係る温度計測装置の制御手段は、上記電圧を２段階以上変化させることを特徴とする。この場合、各段階に応じて波長特性が異なる複数の出力、すなわち、演算の基礎となる複数のデータを得ることができる。
【００２９】
また、本発明に係る温度計測装置の演算手段は、第１電圧における半導体光電陰極からの電子量を第１値、第２電圧における半導体光電陰極からの電子量を第２値とした場合、第１値と第２値の比率を演算し、この比率と温度との相関関係を予め記憶しておき、演算された比率に対応する温度を出力することを特徴とする。
【００３０】
入射光強度は熱源としての被測定物体までの距離によって変化するが、その比率は距離や強度などによって変化しにくい。したがって、各電圧の場合の電子量の比率を温度と対応づけて記憶しておき、演算された比率に基づき、温度をルックアップテーブル方式で読み出せば、正確な温度計測を行うことが可能となる。
【００３１】
なお、電圧が３段階以上に変化する場合、その中で選択された２段階毎に求められた温度の平均を演算するなどの処理を行えば、より正確な温度計測が可能となる。
【発明の効果】
【００３２】
本発明の温度計測装置によれば、被測定物体の温度計測を高速に行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
以下、実施の形態に係る温度計測装置について説明する。同一要素には同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。
【００３４】
図１は、実施の形態に係る温度計測装置のブロック図である。
【００３５】
被測定物体Ａからの放射光ｈνは、光ファイバなどの光伝送系Ｂを介して、光電子増倍管Ｃの半導体光電陰極Ｃ１に入射する。光伝送系Ｂとしてはミラーを用いてもよく、この光伝送系Ｂの光入射面と、被測定物体Ａとの間には、図示しない放射光集光用のレンズが介在している。光電子増倍管Ｃから出力された検出信号は、解析装置Ｄに入力され、解析装置Ｄの解析結果（温度）は、表示装置Ｆに表示される。なお、光電子増倍管Ｃは、検出器駆動回路Ｅによって駆動されており、検出器駆動回路Ｅから出力される駆動信号は、解析装置Ｄ内のクロックと同期している。すなわち、解析装置Ｄから出力される同期信号に同期して、検出器駆動回路Ｅから出力される駆動信号の電圧レベルが変化する。また、解析装置Ｄは、測定された温度に基づいて、被測定物体Ａを駆動する被測定物体駆動装置Ｇを制御する。この制御は解析装置Ｄから被測定物体駆動装置Ｇに出力される制御信号によって行われる。
【００３６】
被測定物体Ａは、機械加工や半導体プロセスにおける加工対象物であり、計測された温度が所定条件に到達した場合には、被測定物体駆動装置Ｇは被測定物体Ａに適当な処理を実行する。例えば、被測定物体駆動装置Ｇをベルトコンベアとすると、このベルトコンベアは、加熱処理が終了した被測定物体Ａを搬送する。被測定物体駆動装置Ｇが溶接用のロボットアームであるとすると、溶接が終了した場合にロボットアームは被測定物体Ａの特定位置とは別の位置に移動する。被測定物体Ａをヒータとして、被測定物体駆動装置Ｇをヒータへの電力供給源とし、温度の自動制御を行うことも可能である。
【００３７】
光電子増倍管Ｃは、半導体光電陰極Ｃ１、電子増倍部Ｃ２、陽極Ｃ３及びこれらを収容する真空容器Ｃ４を備えている。電子増倍部Ｃ２には、検出器駆動回路Ｅから駆動電圧が与えられるが、この駆動電圧は必要に応じて変化させ、利得調整を行ってもよい。すなわち、電子増倍部Ｃ２への印加電圧を増加させれば利得が増加し、減少させれば利得が減少するので、光電子増倍管Ｃからの出力に基づき、被測定物体Ａからの放射光が弱い場合には利得を増加させ、強い場合には利得を減少させる制御を行うことも可能である。複数のダイノードから構成される電子増倍部Ｃ２のタイプとしては、ライン型、ボックスアンドグリッド型、メッシュ型など様々な形状のものが知られている。
【００３８】
半導体光電陰極Ｃ１の光入射面側と電子出射面側の間に電圧が印加される。この印加電圧は、検出器駆動回路Ｅによって制御される。光電子増倍管Ｃの出力（検出信号）は、半導体光電陰極Ｃ１から出射された電子量に比例する。したがって、上述の温度計測装置は、被測定物体Ａからの放射光ｈνが入射する半導体光電陰極Ｃ１と、半導体光電陰極Ｃ１に電圧を印加する検出器駆動回路（可変電圧印加手段）Ｅと、検出器駆動回路Ｅを制御してこの電圧を変化させる解析装置（制御手段）Ｄと、解析装置Ｄにより電圧を変化させた場合に、半導体光電陰極Ｃ１から出力される電子量に基づいて、被測定物体Ａの温度を演算する解析装置（演算手段）Ｄとを備えている。
【００３９】
半導体光電陰極Ｃ１は、印加電圧に応じて波長に対する量子効率の特性が異なる（図３参照）。したがって、検出器駆動回路Ｅを制御して印加電圧を制御すると、波長特性が異なる出力（電子量：検出信号）を得ることができる。これら複数の出力は、被測定物体Ａの温度と相関を有するので、解析装置Ｄは、被測定物体Ａの温度を演算することができる。この装置では、機械的な回転フィルタではなく、半導体光電陰極Ｃ１への印加電圧制御により波長特性を変化させているため、高速の温度計測が可能となる。
【００４０】
なお、本例では、放射光ｈνの短波長側を遮断するフィルタＦＬを、半導体光電陰極Ｃ１の光入射面側に配置してある。短波長側（赤外領域である場合も含む）の光は背景光などを含んでいる場合が多いので、これをカットすることで、より正確な温度計測を行うことが可能となる。フィルタＦＬとしては、両面を研磨したシリコン基板や、色ガラスフィルタなどを用いることができ、これを光伝送系Ｂと半導体光電陰極Ｃ１との間に介在させる。
【００４１】
また、光電子増倍管Ｃは、半導体光電陰極Ｃ１からの電子を増倍する電子増倍部Ｃ２と、電子増倍部Ｃ２からの電子を収集する陽極Ｃ３とを有している。半導体光電陰極Ｃ１を具備する光電子増倍管Ｃは、感度が高いため、微弱な光を正確に検出することができ、したがって、より正確な温度計測を行うことが可能となる。
【００４２】
図２は、各要素の詳細構造を説明するための図である。
【００４３】
この半導体光電陰極Ｃ１は、半導体基板１１上に形成された光吸収層１２、光吸収層１２上に形成された電子放出層１３、電子放出層１３上に形成されバイアス印加パターンを有する半導体層１４、及び電子放出層１３上に形成された仕事関数低下用の活性層Ｌを備えている。半導体基板１１の裏面側には電極層１６が形成されており、半導体層１４上には電極層１５が形成されている。電極層１６と電極層１５との間には、可変電圧源Ｅ２からバイアス電圧が印加され、電極層１５の電位は電極層１６の電位よりも相対的に高く設定される。
【００４４】
各半導体層の（１）材料、（２）導電型、（３）キャリア濃度、（４）厚みは以下の通りである。
・半導体基板１１
（１）ＩｎＰ
（２）ｐ型
（３）５×１０１５ｃｍ−３以上
（４）５００μｍ
・光吸収層１２
（１）ＩｎＧａＡｓ
（２）ｐ型
（３）８×１０１５ｃｍ−３以上１×１０１７ｃｍ−３以下
（４）０．０１μｍ〜５μｍ
・電子放出層１３
（１）ＩｎＰ
（２）ｐ型
（３）８×１０１５ｃｍ−３以上１×１０１７ｃｍ−３以下
（４）０．１μｍ〜２μｍ
・半導体層１４
（１）ＩｎＰ
（２）ｎ型
（３）１×１０１８ｃｍ−３以上
（４）０．０５μｍ〜１μｍ
【００４５】
電極層１６はＡｕＺｎからなり、光照射の妨げとならないように半導体基板１１の裏面の一部に形成されている。電極層１５と電極層１６の間には、電極層１５を正とするバイアス電圧が印加される。
【００４６】
半導体層１４は、電子放出層１３の一部が露出するようにリソグラフィーを用いて線幅０．１μｍ以上４μｍ以下、間隔０．１μｍ以上４μｍ以下のストライプ状にパターニングされている。電極層１５はＴｉからなり、厚みは０．０２μｍないし０．０５μｍである。
【００４７】
半導体基板１１を介して光吸収層１２に放射光ｈνが入射すると、光吸収層１２は入射した放射光ｈνに感応して正孔／電子対（キャリア）を発生する。光吸収層１２で発生した電子は、バイアス電圧によって生じる電界にしたがって、表面側の電極層１５方向へ走行する。光吸収層１２で発生した電子は、電子放出層１３及び活性層Ｌを順次介して真空中に放出される。
【００４８】
ＳｉやＧａＡｓ、ＩｎＰなどの半導体の表面に特定の原子が付着すると、バルク中のエネルギーバンド構造に起因して伝導帯の電子エネルギーと真空準位との差は小さくなる。材料によっては、伝導帯のほうが高くなり所謂負性電子親和力（Ｎｅｇａｔｉｖｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ａｆｆｉｎｉｔｙ ：ＮＥＡ）が生じる。電子親和力を低下させる手段としては、セシウム（Ｃｓ）や酸素（Ｏ）を半導体の表面に付着させることで実現することができる。すなわち、電子放出層１３の上に形成される活性層Ｌの材料としては、Ｓｂ−Ｃｓ、Ｓｂ−Ｒｂ−Ｃｓ、Ｓｂ−Ｋ−Ｃｓ、Ｎａ−Ｋ−Ｓｂ、Ｎａ−Ｋ−Ｓｂ−Ｃｓ、Ｃｓ−Ｔｅ、Ｃｓ−Ｉなどを採用することができる。
【００４９】
なお、光吸収層１２に用いられるＩｎＧａＡｓは赤外域において吸収係数が高く、ＩｎＰよりもエネルギーバンドギャップが狭いことが知られている。なお、Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７ＡｓはＩｎＰに格子整合することが知られている。なお、半導体光電陰極Ｃ１は上述の構造のものに限定されない。
【００５０】
検出器駆動回路Ｅは、電源回路Ｅ１と、可変電圧源Ｅ２を備えている。電源回路Ｅ１は、電子増倍部Ｃ２に増倍用の電圧を印加すると共に、半導体光電陰極Ｃ１の電極１６と陽極Ｃ３との間にも電圧を印加する。陽極Ｃ３の電位が最も高く設定されている。半導体光電陰極Ｃ１から出射された電子ｅは、電子増倍部Ｃ２内に導入され、電子数が増倍されて、陽極Ｃ３で収集される。
【００５１】
陽極Ｃ３から出力された検出信号は、解析装置Ｄ内の電流計Ｄ１で検出され、電源回路Ｅ１に戻る。解析装置Ｄは、電流計Ｄ１で検出された検出信号に基づいて、被測定物体Ａの温度を演算するコンピュータＤ２を備えている。演算結果としての温度は表示信号として、コンピュータＤ２から表示装置Ｆに送信される。また、演算された温度が所定条件を満たした場合の被測定物体駆動装置Ｇの制御信号が、コンピュータＤ２から送信される。
【００５２】
コンピュータＤ２による演算処理について説明する。コンピュータＤ２は、デジタル演算を行うものであるが、この代わりにアナログで演算を行う回路を用いることもできる。
【００５３】
可変電圧源Ｅ２は、コンピュータＤ２からの指示に応じて、半導体光電陰極Ｃ１に、周期的な変調電圧を印加する。本例の場合は、この電圧は、２段階以上変化させる。換言すれば、コンピュータＤ２（制御手段）は、上記電圧を２段階以上変化させる。この場合、各段階に応じて波長特性が異なる複数の出力、すなわち、演算の基礎となる複数のデータを得ることができる。なお、電圧が３段階以上に変化する場合、その中で選択された２段階毎に求められた温度の平均を演算するなどの処理を行えば、より正確な温度計測が可能となる。
【００５４】
図３は、半導体光電陰極Ｃ１への入射光の波長（ｎｍ）と量子効率（％）の関係を示すグラフである。
【００５５】
同図に示すように、半導体光電陰極Ｃ１への印加電圧は、例えば２Ｖ（一点鎖線）、３Ｖ（二点鎖線）、４Ｖ（実線）というように設定する。印加電圧に応じて、半導体光電陰極Ｃ１内で発生する空乏層の厚みが変化する。逆バイアス電圧の場合には、印加電圧が大きくなるほど空乏層の厚みが大きくなる。印加電圧に応じて、空乏層の厚みと光電子の出射効率が変化し、波長毎の感度特性が変化する。
【００５６】
いずれの波長においても、印加電圧が増加するにしたがって、量子効率は増加している。この印加電圧をＶ、量子効率をＱＥ、波長をλとすると、関数をｆとして、ＱＥ＝ｆ（λ，Ｖ）と表すことができる。ＱＥの特定波長帯域内の積分値は、検出信号（出力電流（＝ｉ）；半導体光電陰極からの電子量）であるため、∫ＱＥ（λ，Ｖ）ｄλ＝ｉ（Ｖ）である。コンピュータＤ２には出力電流ｉが入力されているので、出力電流ｉ（Ｖ）から被測定物体Ａの温度Ｔを演算する。
【００５７】
電圧Ｖ＝Ｖ１のときに出力電流がｉ（Ｖ１）＝Ｓ１であり、電圧Ｖ＝Ｖ２のときに出力電流がｉ（Ｖ２）＝Ｓ２であったとすると、出力電流ｉ（Ｖ２）を基準として、比率Ｒ＝Ｓ１／Ｓ２を演算する。すなわち、背景光強度に因らない出力電流Ｓ１に規格化する補正を行う。
【００５８】
出力電流Ｓ１，Ｓ２は熱放射強度（入射光強度：エネルギー）Ｉと比例的な関係にあり、また、図６（ｂ）に示すように、熱放射強度Ｉは温度Ｔの関数である。したがって、出力電流Ｓ１（比率（Ｒ））が判明すれば、熱放射強度Ｉを求めることができ、熱放射強度Ｉから温度Ｔを演算することができる。これらの関係は、試行実験によって予めメモリ内に記憶させておく。
【００５９】
すなわち、本実施形態のコンピュータ（演算手段）Ｄ２は、第１電圧Ｖ１における半導体光電陰極Ｃ１からの電子量を第１値Ｓ１＝（ｉ（Ｖ１））、第２電圧Ｖ２における半導体光電陰極Ｃ１からの電子量を第２値Ｓ２＝（ｉ（Ｖ２））とした場合、第１値Ｓ１と第２値Ｓ２の比率Ｒ（＝Ｓ１／Ｓ２）を演算し、この比率Ｒと温度Ｔとの相関関係を予め記憶しておき、演算された比率Ｒに対応する温度Ｔを表示装置Ｆに出力している。
【００６０】
入射光強度は熱源としての被測定物体Ａまでの距離によって変化するが、その比率は距離や強度などによって変化しにくい。したがって、各電圧の場合の電子量の比率Ｒを温度Ｔと対応づけて記憶しておき、演算された比率Ｒに基づき、温度Ｔをルックアップテーブル方式で読み出せば、正確な温度計測を行うことが可能となる。
【００６１】
図４は、半導体光電陰極Ｃ１に印加される駆動電圧、検出信号、解析信号（温度）のタイミングチャートである。
【００６２】
本例では、異なる駆動電圧を印加し、その感度波長を周期的に変え、それぞれの時間タイミング毎に温度計測を行っている。温度Ｔを演算するため、駆動信号と検出信号とは同期させており、駆動信号のタイミングに合わせて検出信号をサンプリングしている。駆動電圧はＶ１，Ｖ２の２値の方形波パルスからなり、各電圧Ｖ１，Ｖ２のときの検出信号Ｓ１，Ｓ２が得られる。解析信号は、上述の温度Ｔを示すものであり、時間的に隣接する２つのレベルＳ１，Ｓ２に基づいて演算された温度Ｔを示している。このように、本実施形態に係る温度計測装置では、駆動電圧の変化の周期に同期した高速の温度計測が可能となる。上述の装置では、１つの光電子増倍管を用いるだけで高速の温度計測を行うことができ、システムの信頼性を確保すると同時に、安価な装置を提供することができる。なお、演算方法は上述のものだけでなく、従来から知られるその他の放射温度計の演算も利用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】実施の形態に係る温度計測装置のブロック図である。
【図２】各要素の詳細構造を説明するための図である。
【図３】半導体光電陰極Ｃ１への入射光の波長（ｎｍ）と量子効率（％）の関係を示すグラフである。
【図４】半導体光電陰極Ｃ１に印加される駆動電圧、検出信号、解析信号（温度）のタイミングチャートである。
【図５】全放射温度計の計測原理を示すグラフである。
【図６】単色温度計の計測原理を示すグラフである。
【図７】二色温度計の計測原理を示すグラフである。
【符号の説明】
【００６４】
１１・・・半導体基板、１２・・・光吸収層、１３・・・電子放出層、１４・・・半導体層、１５・・・電極層、１６・・・電極、Ａ・・・被測定物体、Ｂ・・・光伝送系、Ｃ・・・光電子増倍管、Ｃ１・・・半導体光電陰極、Ｃ２・・・電子増倍部、Ｃ３・・・陽極、Ｃ４・・・真空容器、Ｄ・・・解析装置、Ｄ１・・・電流計、Ｄ２・・・コンピュータ、Ｅ・・・検出器駆動回路、Ｅ１・・・電源回路、Ｅ２・・・可変電圧源、Ｆ・・・表示装置、ＦＬ・・・フィルタ、Ｇ・・・被測定物体駆動装置、ｈν・・・放射光、Ｌ・・・活性層。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定物体からの放射光が入射する半導体光電陰極と、
前記半導体光電陰極に電圧を印加する可変電圧印加手段と、
前記可変電圧印加手段を制御して前記電圧を変化させる制御手段と、
前記制御手段により前記電圧を変化させた場合に、前記半導体光電陰極から出力される電子量に基づいて、前記被測定物体の温度を演算する演算手段と、
を備えることを特徴とする温度計測装置。
【請求項２】
前記放射光の短波長側を遮断するフィルタを、前記半導体光電陰極の光入射面側に配置したことを特徴とする請求項１に記載の温度計測装置。
【請求項３】
前記半導体光電陰極からの電子を増倍する電子増倍部と、前記電子増倍部からの電子を収集する陽極と、を有する光電子増倍管を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の温度計測装置。
【請求項４】
前記制御手段は、前記電圧を２段階以上変化させることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の温度計測装置。
【請求項５】
前記演算手段は、
第１電圧における前記半導体光電陰極からの電子量を第１値、
第２電圧における前記半導体光電陰極からの電子量を第２値、
とした場合、
前記第１値と第２値の比率を演算し、
前記比率と温度との相関関係を予め記憶しておき、演算された比率に対応する温度を出力することを特徴とする請求項４に記載の温度計測装置。
【請求項１】
被測定物体からの放射光が入射する半導体光電陰極と、
前記半導体光電陰極に電圧を印加する可変電圧印加手段と、
前記可変電圧印加手段を制御して前記電圧を変化させる制御手段と、
前記制御手段により前記電圧を変化させた場合に、前記半導体光電陰極から出力される電子量に基づいて、前記被測定物体の温度を演算する演算手段と、
を備えることを特徴とする温度計測装置。
【請求項２】
前記放射光の短波長側を遮断するフィルタを、前記半導体光電陰極の光入射面側に配置したことを特徴とする請求項１に記載の温度計測装置。
【請求項３】
前記半導体光電陰極からの電子を増倍する電子増倍部と、前記電子増倍部からの電子を収集する陽極と、を有する光電子増倍管を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の温度計測装置。
【請求項４】
前記制御手段は、前記電圧を２段階以上変化させることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の温度計測装置。
【請求項５】
前記演算手段は、
第１電圧における前記半導体光電陰極からの電子量を第１値、
第２電圧における前記半導体光電陰極からの電子量を第２値、
とした場合、
前記第１値と第２値の比率を演算し、
前記比率と温度との相関関係を予め記憶しておき、演算された比率に対応する温度を出力することを特徴とする請求項４に記載の温度計測装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００８−１８５４８２（Ｐ２００８−１８５４８２Ａ）
【公開日】平成２０年８月１４日（２００８．８．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１９９８５（Ｐ２００７−１９９８５）
【出願日】平成１９年１月３０日（２００７．１．３０）
【出願人】（０００２３６４３６）浜松ホトニクス株式会社 (1,479)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年８月１４日（２００８．８．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１月３０日（２００７．１．３０）
【出願人】（０００２３６４３６）浜松ホトニクス株式会社 (1,479)
【Ｆターム（参考）】
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