(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
自然光の分光放射の測定方法において、測定対象とする波長域において複数個波長における分光放射量を計測し、別の精密な分光放射計により得た前記波長域において複数個波長における分光放射量を基準とし、同一波長についてこの基準分光放射量と前記分光放射量の比を複数個求め、波長λ1、λ2、λ3におけるこれらの比Ｒλと波長λとの３組のデータ（Ｒλ1,λ1）、（Ｒλ2,λ2）、（Ｒλ3,λ3）を、上記測定波長域における比Ｒλを表す式（Ｒλ＝Ａλ2＋Ｂλ＋Ｃ）に代入して未知数Ａ、Ｂ、Ｃを決定し、この数式に既知の基準光の分光放射量をかけ合わせて自然光の分光放射量を求めることを特徴とする分光放射量の測定方法。
【請求項２】
基準光の分光放射量に対する比を表現する数式
（Rλ＝Aλ２＋Bλ＋C)の係数のみを記憶して、メモリー容量を少なくしたことを特徴とする請求項１に記載の分光放射量の測定方法。
【請求項３】
請求項１及び請求項２に記載の測定方法に用いられる分光放射計であって、該分光放射計は、直径の異る複数個の開口を穿設してなる複数個のフィルターを組み込んだ回転フィルター機構と、該回転フィルター機構により分光された信号を計測するセンサーと、前記回転フィルター機構の動作に伴ない同じ波長の信号が到来するまでは前記信号を保持するホールド回路を具備し、各波長別に分光放射量を連続的に計測することを特徴とする分光放射計。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は種々な大気条件のもとでの自然光の分光放射量を手軽に知る事が出来る分光放射量の測定方法及びその分光放射計に係る。自然光を対象とした各種の材料（例えば、太陽電池，太陽熱吸収材）や植物、動物等の波長に対する反応特性は人工光源を利用した測定等により既知である場合が多いので、本発明により自然光の分光放射量とこれ等の反応特性をかけ合わせる事により、材料等の総合的な反応状況等を簡単に決定出来る。本発明によれば連続的に四季を通じ、分光放射量のデータを得ることが出来るので太陽エネルギー利用分野のみならず、農業、高分子やその他の材料で太陽光による劣化特性を必要とする分野では必須の計測器を提供出来る。
【０００２】
【従来の技術】
屋外に於いて回折格子やプリズムを利用した耐候性のある分光放射計は広く使われている。しかし、この方法によると機器が非常に高価につくこと、専門の熟練した技術者が必要であること、校正の操作が難しい事と共に３０分に一回程度の計測しか出来ず時間的に連続的な自然光の分光放射量を得ることは難しかった。この理由は、回折格子やプリズムを使用した光学系は非常に精密で、かつ取扱が困難であるからである。
【０００３】
この従来方法では、内蔵又は外付けにした自然光を疑似した標準ランプの分光放射量Ｓλを既知として回折格子、プリズム等より構成される分光系により波長を変えながら、各波長に於ける分光放射に対する出力Ｅλを計測して、分光放射計の波長に対する感度常数（以下分光感度常数と称す）Ｄλを下記の関係により求める。
【０００４】
【数１】
0003602187.tif 000002
【０００５】
この操作を校正と称し、分光感度常数Ｄλは分光放射計内部にメモリーされる。
【０００６】
実際の測定においては、（１）の関係を逆に使って、ＥλとＤλとをかけ合わせる事により、測定対象である自然光の分光放射量Ｉλを決定する方法である。即ち
【０００７】
【数２】
0003602187.tif 000003
【０００８】
よりＩλを求めている。しかしこの測定方法では分光感度常数Ｄλは光学系が精密な為、温度等に影響されて変化し易いので、しばしばこの校正作業が必要である事、又その校正には、一般的に１０分〜２０分程度の長時間必要である事がこの従来方法の欠点である。又、分光放射量Ｉλを求める実測定においても、同じ程度の時間を必要とするので測定の時間分解能が非常に悪くなる事につながっていた。又、光学系を固定しセンサーにＣＣＤ等を使った分光放射計もあるが、この方法では校正時間及び測定時間は短縮されるが、度々校正を必要とする点においては回折格子、プリズムを使用した分光放射計と同じである。いずれの分光放射計も非常に高価である。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、上記校正を年一回程度に少なくし、かつ苛酷な天候下においても中断せず計測を可能とする安価な分光放射計の実現である。又、従来技術においては、実測した分光放射量のデータをそのまま保存する必要があるから例えば１ｎｍ毎に３００ｎｍより８００ｎｍまで計測した場合の測定結果の保存に必要とするメモリー容量が膨大となるが本方法によればこの容量を大幅に減少させる事も重大な課題の一つである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
図１は種々な大気条件下で計測された自然光の水平面に入射するＵＶ域での分光放射量の数例のグラフを示し、各々大気路程（ＡＭ：太陽高度角が９０°の時を１．０とし角度が小さくなると共に路程は長くなる）が１．２４，１．５，２．０，２．７２の場合を示す。図１のグラフにおける凹凸は、大陽や地球大気における特有の分子、原子による放射、吸収により起こったものであり、凹凸の起きる波長は、即ち放射、吸収の起きる波長は存在する原子分子の種類が変わらなければ常に一定である。またこのことは実際の日射の現象においても変わらない。本発明では先ずこの事に注目した。
【００１１】
以上の前提にたって、任意の基準となる自然光の分光放射量Ｉλｒで任意の分光放射量Ｉλｍを割りこの比をＲλとする。即ち、
【００１２】
【数３】
0003602187.tif 000004
【００１３】
と示す。このＲλの数例を図２に示す。図２では大気路程が１．５の分光放射量を基準にとった。図２で注目すべき事は、Ｒλは波長に対し非常なスムースな曲線として表現出来る事である。この事は僅か数カ所の波長において計測すれば、Ｒλを全波長に対して近似式で表現出来る事になり、従来の様に膨大なメモリー容量が必要なくなる。
【００１４】
具体的には、先ず基準となるＩλｒを別な精密な分光計により一回  正確に計測しておく。次に数カ所の波長λ１、λ２、…λｎにおけるフイルターとセンサーを含んだ後述する簡易な分光放射計の分光感度常数をＴλ１、Ｔλ２、…Ｔλｎ  とすると、各波長における出力Ｅλｒは基準光の分光放射量Ｉλｒに対して
【００１５】
【数４】
0003602187.tif 000005
【００１６】
として表現出来る。ここでＴλは、人工光源により通常の分光機を利用して実測により容易に求める事が出来る。
【００１７】
従って、前述の如く基準光の分光放射量Ｉλｎｒは、既知であるので、基準光に対する出力Ｅλｎｒは、基準光下において実測するか、又はＴλが既知であるので計算により容易に求める事が出来る。
【００１８】
このＥλｎｒが本発明においては校正値である。一回この校正値を決めておけば、以下に構造を述べるフィルター式の簡易分光放射計では、年一回程度の再校正が必要となるのみである。
【００１９】
次にこの簡易分光放射計により任意の自然光を計測した場合の出力をＥλ1m’Ｅλ2m・・・Ｅλnmとすると、各校正値Ｅλ1r'Ｅλ2r・・・Ｅλnrに対する比Ｒλは式（３）より
【００２０】
【数５】
0003602187.tif 000006
【００２１】
と示される。このＲλ１，Ｒλ２…Ｒλｎとその波長λ１  ，λ２  …λｎ  を図２上の大気路程が１．２４のＲλに○印で示した。
【００２２】
実例として、ＵＶ域中の３波長での比Ｒλ１、Ｒλ２及びＲλ３が本発明放射計による出力Ｅλ１ｍ、Ｅλ２ｍ及びＥλ３ｍと式（５）とによって求めさえすれば下記の如くＲλは未知数Ａ，Ｂ，Ｃを含んだ波長に対する簡単な下記２次式で近似出来る。
【００２３】
【数６】
0003602187.tif 000007
【００２４】
この様に２次式で近似出来るのは、前述の如くＲλは、スムースな曲線であるからである。
【００２５】
従って、式（６．１）〜（６．３）の未知数Ａ，Ｂ，Ｃはλ１  ，λ２  ，λ３  及び決まったＲλ１，Ｒλ２  、およびＲλ３を既知として、例えば行列式として解く事により決定する事が出来る。
【００２６】
Ａ，Ｂ，Ｃが決定されると、
【００２７】
【数７】
0003602187.tif 000008
【００２８】
として、Ｒλをλの連続的な関数として示す事が出来る。
【００２９】
図２より明らかな通りλ＞λ３  を境界として曲線の曲率が異なるので、次の波長域λ３  ，λ４  ，λ５  においては次の２次式を導入し、全体としては下記で示すことができる。
【００３０】
【数８】
0003602187.tif 000009
【００３１】
ここでＤ１  ，Ｄ２  は、
【００３２】
【数９】
0003602187.tif 000010
【００３３】
の如き性質を有する。即ち該当波長域では１、該当波長域外では０となるダミー関数である。Ａ’，Ｂ’，Ｃ’は、λ３  ＜λ＜λ５  における前記と同じ手法で決定した係数である。
【００３４】
以上により、実例における全体のλ１  ＜λ＜λ５  間においてＲλが求まった事になるので、式（２）を逆に使って基準の分光放射量Ｉλｒを既知としてすべての波長に対して連続的な分光放射量Ｉλｍを下式から最終的に求める事が出来る。
【００３５】
【数１０】
0003602187.tif 000011
【００３６】
上述においては、ＵＶ域を例にとり説明したが本発明測定方法は全波長域にも適用できる。図３は本発明測定方法の正確さを検証したグラフである。実線は他の信頼性のある高精度分光放射計で計測した正確な分光放射量を示し、＋印は本発明方法により求めた１ｎｍ毎の分光放射量である。両者は非常によく一致しており本方法の正当性が立証されたことになる。
【００３７】
次に、本発明分光放射測定方法を利用して任意の緯度・時刻におけるオゾンの総量を求めることが出来るのでこれについて以下説明する。ＵＶ域で例えばλ１をオゾンの吸収の顕著な３０５ｎｍとしλ２を吸収の極めて少ない３３０ｎｍとする時、出力比は、オゾン総量と大気路程の関数として表わされ、即ち今、０をオゾン総量、ｍを大気の路程とした時
【００３８】
【数１１】
0003602187.tif 000012
【００３９】
として（複雑な関数として）表現出来る事が過去の観測、理論計算により分かっている。
【００４０】
大気路程ｍは、時刻、緯度が既知であれば容易に計算出来、且つ、出力比Ｅ３０５  ／Ｅ３３０  の測定により図４に示される出力比とオゾン総量×大気路程との関係が点線で示す様に２次曲線等で近似出来るのでオゾン量を容易に求める事が出来ることになる。
【００４１】
但し、図４では縦軸の出力比Ｅ３０５  ／Ｅ３３０  は対数でプロットしてあり、従って、
【００４２】
【数１２】
0003602187.tif 000013
【００４３】
と示されることになる。又は出力比Ｅ３０５／Ｅ３３０をオゾン総量と大気路程のいずれかをパラメータとし、他方の関数とした曲線群で近似することもできる。
【００４４】
以上の方法を実施するフィルター方式による分光放射計の構造について図５〜図８で説明する。図５に本簡易分光放射計のブロック図を示し、分光放射計本体Ｂ、変換器Ｃ及び演算回路（又はパーソナルコンピュータ）Ｄより構成される。
【００４５】
上記分光放射計本体Ｂ及び変換器Ｃの詳細を示す図６において、例えば図７に示す夫々の波長特性を持つ複数個のフィルター１をフィルターターレット２に収納しておき、これを一定速度で連続的に例えば６０ｒｐｍで回転する。拡散板３を透過して入射した光は、フィルター１により分光されフィルターの後に取付けられたセンサー４に入射する。センサー４よりの出力は、図８に示す波形でこの波形は増幅器５に時系列的に入力される。
【００４６】
本発明において測定対象とする分光放射量は水平面に対しすべての角度で入射する自然光を対象とする。従って図６に示すごとくｃｏｓ則を満足させるための拡散板３を設け入射光を拡散させてフィルター１に導く構造となっている。拡散板３の材質は光を透過する材料の一種であるので波長に対し屈折率が異る。一方ｃｏｓ則を完全に満足する光学系は実現しずらく必ずｃｏｓ則よりのずれ（ｃｏｓ誤差と云う）を生ずる。このｃｏｓ誤差があると本発明放射計による出力Ｅλｍに波長毎に異った誤差を含むことになり式（３）に示される比Ｒλにかなりの誤差が含まれることになる。ところが本発明においてはＲλは重要な中心的な役割りをはたすのでこのｃｏｓ誤差を補正することが必須である。従ってフィルター１の前に波長に応じて直径のことなる開口１’を設けｃｏｓ誤差を波長に対し一定になる様にした。
【００４７】
各波長に対する信号は、図８の最上部に斜線で示す次の同じ波長の信号が到来するまでホールド回路７にホールドされ、ほぼ一秒毎に新しい信号に更新される。図８の下部に各波長毎の出力波形として示す自然光においては、一秒間の信号のレベルの変化は極めて小さいので（光量の変化は極めて少ない）ローパスフィルター８を通した後では各波長について時間に対する連続的なアナログ信号として取り出す事が出来る事になる。各波長毎に設けたホールド回路７への入力信号の開閉はフィルター１の各々が取扱う波長毎にゲート信号を発するゲート制御回路９により制御される。
【００４８】
別に零ドリフト検出用フィルター６により零レベルに相等する信号により零ドリフトの補正を行う。
【００４９】
次に図６の出力点１０からの信号はＡ／Ｄコンバートした後に式（５）より（７）までの過程を演算する回路が続く（図示せず）。この場合、式（４）における校正値Ｅλｎｒは予め演算回路に入力し記録しておく。
【００５０】
オゾン総量測定の場合は測定時刻、赤緯緯度を入力して大気路程ｍを計算しておき図４に式（１１）を点線で示すグラフによりオゾン総量を求める。
【００５１】
測定結果より得られる係数群Ａ，Ｂ，Ｃ，Ａ’，Ｂ’，Ｃ’及び出力Ｅ３０５  ／Ｅ３３０  が出力データとしてメモリーされる。この係数群を得るため演算回路（図５に示すＤ）は、パーソナルコンピュータで行う事も出来る。最終的な波長に対する分光放射量のグラフ表示等は別のパーソナルコンピュータで行う事も可能である。例えばこのデータを媒体を介して別のパーソナルコンピュータで式（９）及び（１０）を計算する事により、あらゆる波長における分光放射量Ｉλｍ及びオゾン総量を得ることが出来る。
【００５２】
【発明の効果】
以上の発明により、任意の時間における詳細な分光放射量が年間を通じ、簡単に得ることが出来るので、例えば波長に依存する反応曲線Ａλが既知の材料の劣化に及ぼす影響Ｆは、
【００５３】
【数１３】
0003602187.tif 000014
【００５４】
として、極めて簡単に四季を通じて得られる事になる。例として劣化の例をあげたが、Ａλとしては、太陽電池の分光特性や太陽熱の吸収材料の特性等自由に与える事が出来るので、四季を通じた分光放射に対する特性を容易に知ることが出来る。
【００５５】
又、特定波長域でＩｍλを積分すれば、ＵＶ−Ｂ、ＵＶ−Ａ等の放射量も正確に得る事ができる。
【００５６】
この方法では、メモリーすべきデータは、一回の測定につき前記６個の係数及び出力比Ｅ３０５  ／Ｅ３３０  のみであるので、メモリー容量が極めて少なくてすむと云う大きな効果がある。
【００５７】
又、現在高価な分光機を使用して計測されているオゾン総量の計測機に比し本機は約１／１０の価格で装置化する事が出来るので、より緻密な測定ネットを完成させる事が出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】種々の大気路程における自然光の分光放射量を示すグラフである。
【図２】図１の大気路程１．５の各波長の分光放射量を基準１．０として他の大気路程における分光放射量との比を示すグラフである。
【図３】他の精密な分光放射計を使って計測した分光放射量と本発明により得た分光放射量とがよく一致している事を示すグラフである。
【図４】オゾンの吸収の大きい波長とオゾン吸収の極めて少ない波長における出力比（対数）と大気路程×オゾン量の関係を示すグラフである。
【図５】本発明による分光放射計のブロック図である。
【図６】図５の分光放射計本体Ｂ及び変換器Ｃの詳細を示す図である。
【図７】上記分光放射計本体に組み込まれるフィルター群の透過特性を示すグラフである。
【図８】図６における分光放射計本体Ｂの出力信号と変換器Ｃの出力信号との関係を説明する図である。
【図１】
0003602187.tif 000015
【図２】
0003602187.tif 000016
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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