(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
赤外線光源であって、
励起手段によって所定の温度領域まで加熱されると、所望の波長で赤外線放射を提供する赤外線素子と、
前記赤外線素子から発生される熱によって提供される協力的温度領域に到達するように、前記赤外線素子と結合された絶縁体と、
を有し、
前記協力的温度領域での前記絶縁体は、前記協力的温度領域に到達する前記赤外線素子に起因するスペクトル欠損を除去するように、前記赤外線素子の出力発光に共同加算する、１つ又はそれ以上の所望の赤外線発光スペクトル帯を提供し、且つ、
前記絶縁体の１つ又はそれ以上の壁は、前記共同加算された前記絶縁体及び前記赤外線素子の光学スペクトル出力の発光を増強すると共に、加えて結合された分光計結像素子の視野と調和するように、前記光源の光学的開口を定義する穴部に収束する円錐状内部として構成される、赤外線光源。
【請求項２】
前記加熱された絶縁体によって提供される、前記共同加算された１つ又はそれ以上の所望の赤外線発光スペクトル帯は、波数が約１５００未満の光学的放射を有する、請求項１に記載の赤外線光源。
【請求項３】
前記加熱された絶縁体によって提供される、前記共同加算された１つ又はそれ以上の所望の赤外線発光スペクトル帯は、波数が約１０７９での光学的放射を有する、請求項１に記載の赤外線光源。
【請求項４】
前記結合された絶縁体は前記赤外線素子と接触しており、且つ、前記絶縁体は、前記赤外線素子と共に所望の温度領域まで温度上昇し、これによって共同加算された放射率が約５０％増加する、請求項１に記載の赤外線光源。
【請求項５】
前記結合された絶縁体は前記赤外線素子に隣接しており、且つ、放射率を約５０％増加させるように、前記絶縁体は、前記赤外線素子と共に所望の温度領域まで温度上昇する、請求項１に記載の赤外線光源。
【請求項６】
前記赤外線素子は窒化ケイ素を有する、請求項１に記載の赤外線光源。
【請求項７】
前記赤外線素子は炭化ケイ素を有する、請求項１に記載の赤外線光源。
【請求項８】
前記絶縁体は、動作温度に耐えるように構成された多孔質セラミック材料を有する、請求項１に記載の赤外線光源。
【請求項９】
前記絶縁体は、酸化アルミニウム、窒化物、及びジルコニウム絶縁体から選択された少なくとも１つの絶縁体を有する、請求項１又は６に記載の赤外線光源。
【請求項１０】
前記所定の温度領域は、約７００℃から約１４００℃までの領域を有する、請求項１に記載の赤外線光源。
【請求項１１】
協力的温度領域は、約７００℃から約１４００℃までの領域を有する、請求項１に記載の赤外線光源。
【請求項１２】
前記励起手段は、電源及び光源から選択された少なくとも１つの励起手段を有する、請求項１に記載の赤外線光源。
【請求項１３】
前記光源はレーザ・ダイオードを含む、請求項１に記載の赤外線光源。
【請求項１４】
前記絶縁体の前記壁は、前記光源の前記光学的開口を定義する円形の穴部に収束する円錐状内部表面として構成される、請求項１に記載の赤外線光源。
【請求項１５】
前記結合された分光計結像素子は、前記光学的開口に最適化された前記視野を有するように、約ｆ／４からｆ／１までのｆ値で特徴付けられる、請求項１４に記載の赤外線光源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光源の分野に関し、特に、赤外分光計のような分析機器において使用される赤外線光源に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の赤外線発光光源では、加熱されると連続した帯域の光学的放射を発光するワイヤ、金属、又はセラミックス素子が用いられている。特に光源素子、例えばＦＴＩＲ機器のような赤外分光計に組み込まれる赤外線点火光源素子は、しばしば市販の発熱素子の変更例又は適応例である。例として、カンタル（即ち、高温に耐える能力と中程度の電気抵抗を有することで知られる合金）のような抵抗性の電気的導体材料及び炭化ケイ素から製造される材料で構成されるフィラメントが含まれる。他の例として、ディーゼル・エンジンにおける燃焼室を予備加熱するのに使用される、先端を窒化ケイ素としたグロー・プラグ（ｇｌｏ−ｐｌｕｇ）の使用も含まれる。
【０００３】
しかしながら、炭化ケイ素を用いるような場合、特に発熱素子が周囲条件に露出される場合、光源の安定化が主な問題となる可能性がある。例えば、光源近傍での空気乱流は、光源近くの熱い空気及び近くの冷えた空気に起因する屈折率の変化に誘発された光源ノイズに加えて、局所的な冷却の原因となる可能性がある。通常、これらの問題は、光源素子を熱的に絶縁するエンクロージャで囲むことによって軽減可能であるが、しかし、エンクロージャには所望の赤外線放射ビームの出射を可能にするための穴部が備えられている。そのような配置における絶縁によって、動作電圧の減少が可能となることに加え、出力の安定化が促進される。
【０００４】
しかしながら、点火光源として炭化物素子を用いる場合の、他の甚だしい不安定性は、素子が１３００℃近くまで加熱される際、酸化及び熱劣化のような材料変化が、所望のスペクトル出力における不均一性を生じさせ、そのために、測定結果が影響を受け、それ故に例えば光源の人為的なスペクトル補正が必要となる。
【０００５】
この他のスペクトルの不安定な光源は、そのジオメトリーによって、光源自身の結像において生じる。動作時には、点火光源素子が非常に抵抗性の高い炭化ケイ素で作られる場合、ループ、即ちＵ字型の発熱素子としてしばしば構成されるが、これは電気的に電源と結合し、その結果、所定の赤外線電磁波帯域幅の広い領域にわたって素子が放射することを可能にする高温まで素子を加熱する。Ｕ字型の中央部分の結像において問題が生じるが、それは結果的に中央部分で放射率損失があるからであり、光学的リレー像の外側部分が分光計全体にわたって向けられるのとは対照的である。このことは、スペクトル情報を解釈する場合、問題の原因となる。
【０００６】
このような赤外線光源を提供する装置に関する背景的情報は、参照によってその開示の全体が本明細書に組み込まれるが、１９９４年３月１日に発行されたＤｒａｋｅらの米国特許第５，２９１，０２２号明細書に見出すことができる。「Ｈｉｇｈ  Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ  Ｉｎｆｒａｒｅｄ  Ｓｏｕｒｃｅ」と題するこの特許は以下の記述を含む。「赤外分光計で使用される赤外線光源は、閉じ込め空洞を有する絶縁体コアと、閉じ込め空洞と連絡する出口ポートと、閉じ込め空洞内にマウントされた電気的に加熱される赤外線素子とを含み、赤外線素子の一部分は出口ポートに面し、且つ、閉じ込め空洞の壁は赤外線素子と近接した間隔をとっている。絶縁体コアは、熱に対する優れた耐性及び非常に低い熱伝導率を有するセラミック・ファイバ材料で形成されており、その結果、絶縁体コアからは、赤外線放射として出口ポートを通る以外は、赤外線素子からの熱の逃げがほとんど無い。絶縁体コアは、好ましくは金属ハウジングの中央空洞内にマウントされ、且つ、ハウジングにおける出口穴部に対して密閉された赤外線透過性の窓ガラスによって周囲環境から密閉されてもよい。赤外線素子からの電気供給ラインは、ハウジングにおける穴部を通して延在してもよく、穴部は、ハウジング内部に周囲環境からのガスの通過を禁止するように、密閉されている。赤外線素子がこのような方法で周囲環境から密閉される所では、潜在的に腐食性のガスが、熱い赤外線素子に到達することは阻止されるであろう。赤外線素子を絶縁体コア内に閉じ込めることによって、赤外分光計のような分析機器での使用のための赤外線放出のために所望の温度に素子を維持することが可能となり、その一方で、消費電力は非常に低い。」
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
一般に、上述のように記載された光源を使用する従来のシステムでは、発光されるスペクトル出力における変化の原因となる赤外線素子の材料変化と同様に、光源の結像に関する問題があった。それ故に、技術社会の要望に対処可能な、改善された赤外線放射率光源に対するニーズが存在し、従って、本発明はこのようなニーズに向けられたものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、それ故に、波数が約１５００未満に設計された光源の所望の光学領域において、放射率を増加させる（例えば、約５０％までの範囲で増加させる）赤外線光源及び方法を提供するものである。
【０００９】
特に、本発明は赤外線光源に、より多くの場合、中赤外線光源に向けられており、この光源は、以下に限定されないが、酸化アルミニウム又は酸化ジルコニウムのような絶縁材料との組み合わせで、ケイ素をベースとした赤外線光源素子（例えば、窒化ケイ素、炭化ケイ素等）を含んでいるが、素子の組み合わせが、赤外線出力照度の共同加算された光源スペクトルを提供するように構成されている。更により具体的には、絶縁体それ自身が機械加工されるか又は変更され、それによって、赤外線光源素子が、絶縁体内に結果的に構成される空洞と接触する（例えば、密接する）か、又は近接し（即ち、隣接し）、その結果、共同加算されたスペクトルによってＩＲ光源の像が絶縁材料と赤外線素子で平均化されたものとなる。本発明のこのような配置は、波数が約１５００未満、より多くの場合は波数が約１１００未満、更には特に波数が約１０７９でのＩＲ光源の放射率を増加させる。
【００１０】
それ故に、本発明は以下を含む赤外線光源を提供するものである。所定の温度領域内に加熱された場合、所望の波長で赤外線放射を提供する赤外線素子と、赤外線素子からの発生熱によって提供される協力的温度領域に到達するように、赤外線素子と結合した絶縁体とを含み、協力的温度領域にある絶縁体は、赤外線素子の出力発光に共同加算される１つ又はそれ以上の所望の赤外線発光スペクトル帯を提供し、それによって、協力的温度領域に到達する赤外線素子に起因するスペクトル欠損が除去され、且つ、１つ又はそれ以上の絶縁体の壁が、光源の光学的開口を定義する穴部へと収束する円錐形内部として構成され、それによって、共同加算された絶縁体及び赤外線素子の発光が増強され、且つ、加えて結合された分光計結像要素の視野が調和される。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１Ａ】本発明の有益なＩＲ光源の実施形態の一例について、一側面を描いた図である。
【図１Ｂ】本発明の有益なＩＲ光源の実施形態の一例について、別の側面を描いた図である。
【図２Ａ】波数１０７９で結果的に生じた大きな人為現象を含むスペクトル・データを示したものである。スペクトル自体は、２週間の通電テスト、そして１１００℃での動作状態での、１５分間間隔で取得された、窒化ケイ素光源からの２００個の１分間バックグラウンド測定によって提供されたものである。
【図２Ｂ】図２Ａのためのデータ作成に用いたのと同じ窒化ケイ素光源に関するものであるが、しかしここではＲＡＴＨ  Ｉｎｃ．製の１７４／７００（８６％Ａｌ２Ｏ３−１４％ＳｉＯ２）絶縁体と合体されている。
【図３Ａ】３つのスペクトルを示したものである。第１のスペクトルは、その後方にある光源素子と共に加熱された絶縁体に起因し、第２のスペクトルは絶縁体無しの状態のものであり、第３のスペクトルは光源全体にわたって絶縁体が取り付けられたものからのものである。
【図３Ｂ】本発明で記述されるように、赤外線素子へと導く、所定の外径を有するべく構成された円錐形を有する絶縁ブロックからのスペクトル・データである。
【図４Ａ】炭化ケイ素赤外線素子上に設置されたＲＡＴＨ１７４／７００及びＺＹＺ３絶縁体からの２つのスペクトル・データを示したものである。
【図４Ｂ】１３００℃での炭化ケイ素赤外線素子及び１２００℃での窒化ケイ素赤外線素子からの一対のスペクトル・データを示し、共にＺＹＺ３絶縁体が取り付けられ、且つ、同一のシステムで運転されたものである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本明細書の本発明の記述においては、暗黙的又は明示的に理解されない限り、又はそうではないと明示されない限り、単数形で現れる単語はその複数形の相当物を包含し、且つ、複数形で現れる単語はその単数形の相当物を包含する。その上、暗黙的又は明示的に理解されない限り、又はそうではないと明示されない限り、与えられた任意の構成要素又は本明細書に記述される実施形態に対して、いかなる可能な候補又はその構成要素に対して挙げられる代替物は、個別に又はお互いの組み合わせにおいて、一般的に使用されてもよいことが理解される。加えて、暗黙的又は明示的に理解されない限り、又はそうではないと明示されない限り、そのような候補又は代替物は単に例証的であり、限定的ではないことが理解される。
【００１３】
更に、そうではないと示されない限り、明細書及び請求項で使用される材料の量、成分、反応条件等は、「約」という用語によって修飾されると理解するべきである。それ故に、反対のことが示されない限り、明細書及び添付された請求項において、明示される数値パラメータは近似値であり、本明細書に提示される主題によって得ることを目的とした所望の特性に依存して変わり得るものである。少なくとも、且つ、請求項の範囲に対する等価物に関する教義の応用範囲を限定する試みとしてではなく、各数値パラメータは、多くの報告された有効数字に照らして、且つ通常の丸め技術を適用することによって、少なくとも解釈されるべきである。本明細書に提示される主題の広い範囲を明示する数値領域及びパラメータは近似値ではあるが、特定の例で明示される数値は、可能な限り正確に報告される。しかしながら、いかなる数値も、それぞれの試験測定で見出される標準偏差から必ず起こる、ある程度のエラーを本質的に含んでいる。
【００１４】
一般的な記述
本発明はＩＲに向けられており、例えば、ケイ素をベースとした赤外線素子、特に窒化ケイ素赤外線素子に起因する単一ビームのスペクトルにおける出力の人為現象を実質的に除去することを目的とした中赤外線光源装置に向けられている。
【００１５】
本発明の改良された光源は窓ガラスを含まないが、その理由は、窓ガラスは発光される放射をいくらか遮断し、且つ、コストがかかるからである。しかしながら、本発明の赤外線光源は空気に露出されているため、且つ、そのような所望の光源はケイ素をベースとしているため、それらが、例えば中ＩＲ光源として使用されるのに十分な高い温度（約１３００℃に近い温度及びそれ以上の温度）で運転されると、表面に酸化物、しばしば複雑な金属酸化物が形成される。酸化物が形成されるにつれ、それらは特定の波長で放射率を低下させる原因となるが、その波長は通常、波数で１５００未満、しばしば約１１００未満の波数である。
【００１６】
本発明は、接触又は隣接配置で赤外線素子（例えば、点火器）と結合するように構成された絶縁体空洞の組み合わせによって、波数が約１５００未満での放射率が共同加算的となるように、この問題に新規な方法で対処しており、その結果として、平均化された出力が、より均一なスペクトルを提供する。
【００１７】
特に、赤外線素子は、ある方法で（即ち、絶縁体に接触するか隣接するかで）絶縁体と結合しているが、このことは絶縁体をも加熱されることを可能とし、その結果、絶縁体は所望の波長でエネルギーを発光するが、赤外線光源の加熱された表面での酸化物によって、その波長では放射率が減衰する。一般に、この新規な構成は、窒化ケイ素から構成された赤外線光源及び、例えば酸化アルミニウム又は酸化ジルコニウムから構成された絶縁体で好適に働く。特に、酸化ジルコニウムは、それがより効果的な絶縁体であり、且つより良い放射率を持つ傾向にある軟らかく多孔質な材料である、という点において有益である。加えて、構成された光学的空洞及び選択された絶縁体材料はまた、発光されるエネルギーに対して積分球として動作する。
【００１８】
具体的な記述
上述のように、本発明は新規なＩＲ光源装置を提供する。この装置は赤外線素子を含み、例えば赤外線点火素子が接触する方法で、例えば限定されるものではないが酸化ジルコニウムのような所望の絶縁材料と実質的に接触した方法で、又は絶縁材料に近接した（即ち隣接した）状態で組み込まれ、その結果、いずれの構成においても、赤外線光源素子の大よその温度領域で絶縁体の効果的な加熱が可能となる。上述のように、同様に設計された装置が、１９９４年３月１日に発行され、「Ｈｉｇｈ  Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ  Ｉｎｆｒａｒｅｄ  Ｓｏｕｒｃｅ」と題するＤｒａｋｅらによる米国特許第５，２９１，０２２号明細書に見出すことができる。この特許の開示内容は、参照によってその全体が本明細書に組み込まれる。
【００１９】
本発明の赤外線素子として組み込むことが可能な所望の材料は、これに限定されるものではないが、炭化物、特に炭化ケイ素（ドープされたもの及びアンドープのもの）であり、しかしより多くの場合、赤外線素子には窒化ケイ素が好適である。赤外線素子としての炭化ケイ素に関して、本発明で構成される場合依然として有益である一方で、このような素子は、単一ビームのスペクトルにおいて、波数が約１０７９の領域で時間経過によって放射率の損失が５０％に近付くような変化をする、望ましくない光学的な人為現象を生じさせることが一般に知られている。更に、高温点の移動（ｈｏｔ  ｓｐｏｔ  ｍｉｇｒａｔｉｏｎ）及び炭化ケイ素光源素子の酸化によって、しばしばスループットの低下、又は変化がもたらされる。
【００２０】
しかしながら、窒化ケイ素は、それが炭化ケイ素デバイスよりも高価であり、且つ、同様な温度領域で動作させる場合、波数が約１５００未満で、例えば波数が約１０７９で同様な放射率の同様な損失を呈するにもかかわらず、且つ、同デバイスを運転するのにより多くの電力（例えば、同様に構成される約１０〜１６ワットの炭化ケイ素デバイスよりも大きい約１８〜２５ワット）を必要とする傾向にあるにもかかわらず、より望ましい赤外線光源素子である。
【００２１】
しかしながら、窒化ケイ素の利点は、タングステン元素と袖状に結合する、本質的にプラグ材料であるアンドープ材料から成るディーゼル・エンジンのグロー・プラグとして窒化ケイ素が設計される、という事実の中に埋め込まれている。そのような構成の故に、これらのタイプの赤外線素子は、本発明に使用される永続的且つ反復可能な素子に適している。何故ならば、その素子は、高温点の移動、及び組立て及び取扱いでの破砕、及び／又は酸化による固有抵抗の逆方向変化を部品寿命にわたって約０．１％未満に最小化するからである。本発明における、このような窒化ケイ素素子を用いる場合の動作パラメータの例には、デバイスを約７００℃から最高温度の約１４００℃まで、より多くの場合には約１２００℃で、直流で約９ボルトから約１３ボルトまでの範囲で、運転することが含まれる。
【００２２】
幾何学的には、本発明の赤外線素子は様々な断面を含むことが可能であり、これには、限定されるものではないが、多角形、長方形、球体、楕円形が含まれ、且つ、各々はデバイスを加熱するための導電性リードと結合可能であり、それ故に所望の赤外線発光を提供する。一般に、本明細書に開示される断面形状の目的は、過去に慣例的に使用されてきたＵ字型の炭化ケイ素素子を結像させるような、過去の結像に関する問題を除去することである。特に、Ｕ字型設計の故に、放射率パターンに帰着するボイド（即ち、像の中央部分における強度の低下）は、結局のところ下流の分光計の中に結像される。本発明では、例えば赤外線光源として窒化ケイ素材料のプラグのようなプラグ材料を使用すること、及び、例えば長さで約２インチ以下の、且つ直径で約１／８インチ以下の寸法を有することは、物体自身が離れた中央部分を具備しないので、結像されるビームにおいてボイドを除去する。
【００２３】
さて、絶縁材料に目を向けると、そのような適切な電気的に絶縁性の材料としては、限定されるものではないが、酸化アルミニウムのような１つ又はそれ以上の金属酸化物、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、窒化ホウ素のような窒化物、及びジルコニウムが含まれ、ここでジルコニウムが一般的に好適である。更に特別に、ジルコニウムに関しては、この材料はしばしば、ＺＹＺ３、及びＺＹＺ３よりも強いＺＹＺ６のようなＺｉｒｃａｒ  Ｚｉｒｃｏｎｉａ  Ｉｎｃ．製の軟らかい多孔質セラミック・ファイバから成る。従って、ＺＹＺタイプ絶縁体は、多孔質であるが、なお固く、シリカと接合されたイットリア安定化ジルコニア・ファイバで構成された耐火構造体である。このような組成は、シリカ接合材料の強度及び機械切削加工性と組み合わされたジルコニア・ファイバの低い熱伝導率を有する絶縁材料を提供する。更に、その特別な材料は均一に接合されるが、それによって、ＣＮＣ（コンピュータ数値制御）機械加工され、厳密な許容差及び複雑な形状が可能となる。
【００２４】
それ故に、他の有益な特性に加えて、上記で記述された材料は所望の絶縁特性を提供し、且つ、機械特性及び熱的絶縁特性が低下することなく、約１６５０℃までの高温に耐えることが目的とされている。更に、それは熱の不良導体であるため、本発明の機械加工された空洞内に空気が閉じ込められ、赤外線素子自身のおおよその協力的温度に急速に到達することが可能となり、そのため、空気を通しての熱損失が最小となる。このような特性の驚くべき結果は、本発明に利点を与える。何故ならば、絶縁材料が赤外線素子に誘起されて温度領域にまで急速に加熱されるので（即ち、約７００℃から約１４００℃までの協力温度）、絶縁材料は、選択された動作温度で赤外線材料によって提供される発光帯と共に発光されるべき、波数が約１５００未満の放射帯を提供する黒体発光体として動作する。重要な態様は、加熱された動作条件における絶縁材料は、本明細書に開示されるように、赤外線光源の出力発光に共同加算する発光スペクトルを提供することである（酸化アルミニウム絶縁体（例えば、Ｒａｔｈ  １７４／７００）もまた、酸化ジルコニウムほどは効率的ではないが、このような利点を提供することに注目されたい）。実際には、有害な酸化物が所望の動作温度で形成されるので、組み合わされたスペクトル出力は、赤外線光源の出力によって提供されるスペクトル欠損を実質的に除去する共同加算されたスペクトルの結果である。加えて、多孔質構造である故に、光源からの光学的放射を受けることにおいて、その材料はまた、ほぼ完全な発光体として動作し、それによって、積分球の方法で赤外線光源に向けて放射を返すが、その結果として、光源によって提供される全体的な放射率が向上する。
【００２５】
上で開示したように、本発明の赤外線は一般に、デバイスの結合した伝導線リードを通過するように向けられた電気的励起手段を介して、要求される温度領域に到達する。他の実施形態として、本明細書に記述される赤外線光源は、素子内で所望の温度を付加的に誘起するための光学的励起手段、特にレーザ光学励起によっても加熱することが可能であり、従ってまた黒体発光に帰着する。レーザ励起源は、限定されるものではないが、連続波（ＣＷ）、及び／又は固体デバイス、より多くの場合、構成される赤外線素子によって容易に吸収されうる適切な波長（例えば、約１ミクロン未満）のレーザダイオード・デバイスを含むことが可能である。レーザ励起を用いることの有益な結果として、光を発生するのに最適な形状とすることが可能な、より高温のセラミックスを使用することが含まれる。
【００２６】
さて、図面に目を向けると、図１Ａ及び１Ｂは、本発明の有益なＩＲ光源の実施例について異なる側面を描いた図であり、一般に参照符号１００によって示される。特に、図１Ａ及び１Ｂは共に、以前に上で議論したように、選択された絶縁体６に新規な方法で実質的に接触又は隣接した赤外線光源２（例えば、点火器）を説明したものである。
【００２７】
上で記述したように、絶縁体６コア自体は、より多くの場合、ジルコニウム・ファイバのセラミック材料で形成されており、これは比較的軟らかく、それ故に固体の赤外線素子２のような硬質材料によって貫通させることが可能である。参照符号１２及び１４によって示される壁及び赤外線素子２の組み合わせを含む空洞を形成する手段は、赤外線素子２を絶縁体６のコアを形成する固体ブロック内に押し込むステップを含むが、この際、赤外線素子は、コアの壁１２によって形成される円錐形状の内部の頂点にある、絶縁体コア内の所望の終端点まで延在する（例えば、円錐形状の穴は、図１Ａに示すように、文字Ａで示される約０．２１０インチまでの外径、及び図１Ｂにおいて参照文字Ｃで示される約０．１８０インチまでの内径、並びに図１Ａにおいて文字Ｂで示される約０．０２０インチまでの長さを具備し、各文字は矢印を伴って示されている）。
【００２８】
更に示されているのは、高温耐性のセラミックセメント材料３であり（例えば、Ｓａｕｅｒｅｉｓｅｎ  Ｅｌｅｃｔｒｏｔｅｍｐ  ＃８  ｃｅｍｅｎｔ）、米国特許第５，２９１，０２２号明細書の参照による包含において議論したように、例えばＯリング、キャップ等、他の既知の素子と共同することで、これは絶縁体６内で赤外線素子２を密閉するのに役立つ。
【００２９】
このような構成では、図１Ｂに示すように、赤外線素子２及び円錐形状の穴の壁１２は、穴部５を定義する開口を除いて実質的に接触するように、絶縁体６の中に形成される。ここで、穴部５は円錐形状の穴の底を構成しており、赤外線素子２の露出した底部端２’よりもわずかに大きい。
【００３０】
加えて、図１Ａ及び１Ｂに示した方法で壁１２を構築することは（即ち、赤外線光源の光学的開口を定義する穴に収束するように円錐状内部を備えるべく壁１２を構成することは）、結果として絶縁体６コアの出口ポートとしても作用し、加熱する赤外線素子２の周りの空気スペースを最小にし、それ故に、有害な屈折的加熱効果をも防ぐ。他の有益な実施形態として、絶縁体をＣＮＣ機械加工して、赤外線素子２を受け入れるべく設計された厳しい許容差とすることにより、空洞を構築することも可能である。空洞を適合させるいずれの手段においても、好ましくは、赤外線加熱素子２は、図１Ｂに示すように、定義された穴部５に隣接する赤外線素子の底部端２’のみが最高加熱温度に到達するように構成される。
【００３１】
図１Ｂに表されるように、構成された壁１４によって斜めに切られた穴は、壁１２によって定義される円錐状内部と共に、図１Ｂに示すように、受け入れ数値角θを含む所望の視野を有する光学的空洞として総体的に作用することで、周辺光量の低下を最小にすることに役立つことも理解される。それ故に、このような視野構築は、例えば、約ｆ／４からｆ／１までのｆ値を考慮した所定の光学設計パラメータを有する軸外し放物面反射器のような、本発明の分光計システム内で結合された光学屈折性又は反射性の結像素子と共に、最適化されるように設計される。従って、このような配置は、絶縁体材料６及び赤外線素子２が共に、分光計システムの中の１つ又はそれ以上の設計された結像面を通して、スループットが増大し且つ光収差が最小化した状態で、一様に光学的にリレーされることを可能とするスポット径特性を提供する。
【００３２】
以下の非制限的な例は、本発明を例証するものである。特に、図２Ａは、２週間の通電テスト、そして１１００℃での動作状態での、窒化ケイ素光源から１５分間間隔で取得した２００個の１分間バックグラウンド測定のスペクトル結果を示すものである。図２Ａは安定した光源出力を示している一方で、それはまた、波数１０７９（便宜上、ラベルされ、且つ矢印を伴う）で大きな人為現象を示している。
【００３３】
図２Ｂは、図２Ａのためのデータを作成するのに使用されたのと同じ窒化ケイ素を示したものであるが、しかしここでは、本発明の実施形態のために上で記述した方法で、ＲＡＴＨ  Ｉｎｃ．製の１７４／７００（８６％Ａｌ２Ｏ３−１４％ＳｉＯ２）絶縁体と合体されている。それ故に、合体された絶縁体のため、ラベルされ且つ矢印を伴って示されるように、約１２００℃までの温度の上昇及び波数１０７９での人為現象における減少がもたらされている。
【００３４】
図３Ａは、３つのスペクトルを示したものである。第１のスペクトル３０は、その後方にある光源素子と共に加熱された絶縁体に起因し、そのため、絶縁体（即ち、Ｒａｔｈ  ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ）がシステムの光源である。第２のスペクトル３２は絶縁体無しの状態のものであり、第３のスペクトル３４は光源全体にわたって絶縁体を取り付けたものに起因している。
【００３５】
それ故に、図３Ａに示すように、これらの結果は、絶縁体のみでは人為現象を示さないこと、且つ、絶縁体が素子の近くに配置された場合、それが赤外線素子に接触するか、又は近接する（即ち、隣接する）でなければならず、その結果、光源の一部分として動作するのに十分熱くなること、を説明している。更に注目すべきことは、図３Ａに示すように、波数１２００未満の絶縁体のスペクトル（即ち、第１スペクトル３０）は、個々の光源の低放射率を有する領域において補完すべき放射率を有益に提供する（例えば、スペクトル３２の１０７９領域を参照）。
【００３６】
図３Ｂは、０．２１インチの外径及び０．１８インチの内径で、素子へと導く円錐を有する絶縁体ブロックからのデータを示したものである。赤外線素子用の穴は約３ｍｍに構成されており、且つ４．７ｍｍの素子が押し込まれているので、その結果、それは絶縁体の全方向で接触することになった。従って、図３Ａの結果は、上で記述したように、光源からの光が絶縁体で反射し、且つ、積分球に同化するような方法で光源ミラー（例えば放物面軸外しミラー）の焦点で再結合することが可能となるように円錐及び空洞を設計することによって増強される。
【００３７】
図４Ａは、炭化ケイ素赤外線素子の上に設置されたＲＡＴＨ１７４／７００絶縁体４０及びＺＹＺ３絶縁体４４に起因する一対のスペクトル・データである。ＺＹＺ３絶縁体が本発明で使用される場合、素子の温度は約１１２０℃から約１３００℃以上まで上昇する。注目すべきは、絶縁体の変更が、即ちＲＡＴＨ１７４／７００絶縁体４０からＺＹＺ３絶縁体４４への変更が、波数が約１０７９の帯域幅での人為現象を減少させることである（ＲＡＴＨ１７４／７００絶縁体４０のスペクトルにおいてラベルで示されている）。
【００３８】
図４Ｂは、１３００℃での炭化ケイ素赤外線素子４６及び１２００℃での窒化ケイ素赤外線素子４８からの一対のスペクトルを示したものであり、この場合、いずれにもＺＹＺ３絶縁体が取り付けられており、且つ、いずれも同じシステムで運転された。これらの目盛は共通に振られており、検出器で結像するためのより大きな高温点があるという事実によって、より低い温度においてさえも窒化ケイ素が、より高いスループットを具備していることを示している。
【００３９】
この応用における議論は、基礎的記述として役立つことを意図するものである。本発明は、図示され且つ記述された様々な実施形態に従って記述されてきたが、当業者であれば、実施形態には変形例が可能であり、且つこれらの変形例は本発明の精神及び範囲の内にあることを、容易に認識するであろう。読者は、特定の議論が全ての可能な実施形態を明確に記述しない可能性、即ち、多くの代替例は暗黙的であること、に気付くべきである。そのような変更例等は、十分に当業者の能力の範囲内、且つ本発明の範囲及び精神の範囲内にある、単なる変更例と考えられる。それ故に、そのような多くの変更例が、本発明の精神、範囲及び本質から逸脱することなく、当業者によって創作される可能性がある。記述、図面及び用語のいずれにおいても、本発明の範囲が制限されない、即ち、本発明は請求項によって定義される、ことが意図されている。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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