(57)【要約】      （修正有）【課題】受光角を有するセンサを用いながら、ＣＯＳエラーを十分に低減することのできる日射計を提供する。【解決手段】光センサ３０と、光センサの受光面に対向して配置される第１のレンズ１０と、光センサと第１のレンズの間に配置され、第１のレンズを通った光線のうち、一部の入射角の光線を透過させる光透過領域２５を有する遮光環２０とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光センサと、
前記光センサの受光面に対向して配置される第１のレンズと、
前記光センサと前記第１のレンズの間に配置され、前記第１のレンズを通った光線のうち、一部の入射角の光線を透過させる光透過領域を有する遮光環と、を備えた日射計。
【請求項２】
前記光センサと前記第１のレンズの間に、前記遮光環が複数設けられた、請求項１に記載の日射計。
【請求項３】
複数の前記遮光環は、前記センサに近いものほど前記光透過領域が小さい、請求項２に記載の日射計。
【請求項４】
前記光センサと前記第１のレンズの間に第２のレンズを備えた、請求項１に記載の日射計。
【請求項５】
前記第１のレンズと前記第２のレンズの間に、前記遮光環が設けられた、請求項４に記載の日射計。
【請求項６】
前記光センサと前記第１のレンズの間に、拡散媒体を備えた、請求項１に記載の日射計。
【請求項７】
前記光センサの受光面に対向して配置されるレンズを複数備え、前記光センサに最も近いレンズと前記光センサの間に、前記拡散媒体が配置されている、請求項６に記載の日射計。
【請求項８】
光センサと、
前記光センサの受光面に対向して配置される第１のレンズと、
前記光センサと前記第１のレンズの間に配置され、前記第１のレンズを通った光線のうち、一部の入射角の光線を透過させる光透過領域を有する遮光環と、を備えた測光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、日射光の強度や日射量を測定する日射計および測光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
長年にわたり太陽光放射は、ISO9060標準によって定義、分類された全天日射計（以降、日射計と記載）とよばれる放射センサによって測定されてきた。最も広く使用されている日射計のタイプは、太陽光スペクトル（主な波長は３００〜３０００ｎｍ）の範囲内の放射を受けるための黒色吸収材面をもった、平板の熱式センサ（熱電堆）を使用している。
【０００３】
近年、平板の熱式センサ（熱電堆）に代わり、薄膜のサーモパイルを用いた新しい熱式センサを使用する製品が多くなってきている。薄膜のサーモパイルは、熱電堆に比べて応答速度が速く、太陽からの放射照度の短い時間における変化に対応できるという利点がある。しかし、薄膜のサーモパイルは、一般に受光部がパッケージ内に収められており、パッケージに設けられた窓から入射する光を受光する構造になっているため、入射角が大きい光は、窓から入射することができない。すなわち、パッケージ内に収められたセンサは受光角（入射光を受光できる角度）を有している。
【０００４】
理論上、受光面積はＣＯＳθ（θは受光部に対する入射角）に比例して小さくなる。このため入射角が９０°では受光できなくなり、放射照度（光量）は０になる。従来の平板の熱式センサのような受光角が無い受光素子の場合、入射角θに依存した放射照度をＣＯＳθで割った値は、入射角に寄らず一定となる。しかし、パッケージに収められたセンサのように、受光素子が受光角をもつ場合、センサの出力値（放射照度）と入射角θに依存した放射照度の理論値との間の誤差（ＣＯＳエラー）が発生する問題があった。
【０００５】
例えば、特許文献１，２には、センサの受光面と光源の間に配置されたレンズ単体によって、ＣＯＳエラーの低減を試みる例が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第２６２１４３０号公報
【特許文献２】特許第２６６８９４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、特許文献１，２のように、レンズ単体では、受光角の狭いセンサを用いた測定装置のＣＯＳエラーを十分に低減することは困難であった。
【０００８】
本発明は前述の問題に鑑みてなされたものであり、受光角を有するセンサを用いながら、ＣＯＳエラーを十分に低減することのできる日射計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】
【０００９】
本発明の一実施形態に係る日射計は、光センサと、
前記光センサの受光面に対向して配置される第１のレンズと、
前記光センサと前記第１のレンズの間に配置され、前記第１のレンズを通った光線のうち、一部の入射角の光線を透過させる光透過領域を有する遮光環と、を備えたものである。
【００１０】
また、前記光センサと前記第１のレンズの間に、前記遮光環が複数設けられることが望ましい。
【００１１】
また、複数の前記遮光環は、前記センサに近いものほど前記光透過領域が小さいことが望ましい。
【００１２】
また、前記光センサと前記第１のレンズの間に、第２のレンズを備えるようにしてもよい。
【００１３】
また、前記第１のレンズと前記第２のレンズの間に、前記遮光環が設けられるようにしてもよい。
【００１４】
また、前記光センサと前記第１のレンズの間に、拡散媒体を備えるようにしてもよい。
【００１５】
また、前記光センサの受光面に対向して配置されるレンズを複数備え、前記光センサに最も近いレンズと前記光センサの間に、前記拡散媒体が配置されるようにしてもよい。
【００１６】
本発明の一実施形態に係る測光装置は、光センサと、
前記光センサの受光面に対向して配置される第１のレンズと、
前記光センサと前記第１のレンズの間に配置され、前記第１のレンズを通った光線のうち、一部の入射角の光線を透過させる光透過領域を有する遮光環と、を備えたものである。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の日射計によれば、受光角を有するセンサを用いながら、ＣＯＳエラーを十分に低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施の形態１に係る日射計１００の概略構成の例を示す側方断面図。
【図２】本発明の実施の形態１に係る日射計１００において測定した入射角度とＣＯＳエラーの関係の一例を示すグラフ。
【図３】比較例による日射計において測定した入射角度とＣＯＳエラーの関係の一例を示すグラフ。
【図４】本発明の実施の形態２に係る日射計１０１の概略構成の例を示す側方断面図。
【図５】日射計１０１に入射する様々な入射角の光を模式的に示した図。
【図６】本発明の実施の形態２に係る日射計１０１において測定した入射角度とＣＯＳエラーの関係の一例を示すグラフ。
【図７】本発明の実施の形態３に係る日射計１０２の概略構成の例を示す側方断面図。
【図８】本発明の実施の形態３に係る日射計１０２において測定した入射角度とＣＯＳエラーの関係の一例を示すグラフ。
【図９】本発明の実施の形態４に係る日射計１０３の概略構成の例を示す側方断面図。
【図１０】本発明の実施の形態４に係る日射計１０３において測定した入射角度とＣＯＳエラーの関係の一例を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下に本発明の実施形態を説明する。以下の図面の記載において、同一または類似の部分は同一の符号で表している。図面は模式的なものであり、具体的な寸法等は以下の説明を照らし合わせて判断するべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている。
【００２０】
実施の形態１．
図１は、本発明の一実施形態に係る日射計１００の概略構成の例を示す側方断面図である。日射計１００は、例えばISO9060標準によって定義、分類された全天日射計である。また、分光放射計も日射計に含むようにしてもよい。図１に示すように、日射計１００は、集光レンズ（第１のレンズ）１０、遮光環２０、センサ３０、筐体４０を備える。
【００２１】
集光レンズ１０は、入射した光を収束し、センサ３０に導光するためのレンズであり、例えば凹メニスカスレンズを用いることができる。集光レンズ１０とセンサ３０の間には遮光環２０が設けられている。
【００２２】
遮光環２０は、中央部に光透過領域２５を有した部材である。遮光環２０は、１つ以上の部品（パーツ）で構成されており、所定以上の強度とともに、その表面が光の反射を抑えた処理がされているものが好ましく、例えば表面が黒アルマイト加工処理を施したアルミニウム材で構成することが可能である。また、遮光環２０は、筐体４０と一体に形成されていてもよい。また、遮光環２０は、膜状の材料で形成された遮光膜であってもよい。さらに、遮光環２０は、集光レンズ１０の表面などに遮光塗料を塗布することによって形成されたものであってもよい。光透過領域２５は、例えば貫通穴であってもよいし、透過性の材質で形成されていてもよい。光透過領域２５の形状は、例えば、円形状、多角形、楕円形状、星形、歯車形状などとすることができる。遮光環２０の光透過領域２５の中心は、集光レンズ１０の光軸上にある。集光レンズ１０を通った光線が遮光環２０に入射する際、一部の入射角の光線（特に小さな入射角の光線）は、光透過領域２５を通過することができるが、一部の入射角の光線（特に大きな入射角の光線）は、光透過領域２５を通過できず、遮光環２０の部材に遮断される。このため、遮光環２０の部材によって遮断された光線はセンサ３０には届かない。
【００２３】
センサ３０は、金属製のパッケージ３１と、光透過窓３２と、受光部３３を含む。センサ３０は、熱式（熱型）センサであり、例えばサーモパイル、サーミスタ、ペルチェ、白金抵抗体が使用できる。センサ３０がサーモパイルの場合、受光部３３に入射した光（光エネルギー）を熱（熱エネルギー）に変換し、当該熱に応じた電気信号を出力するように構成されている。センサ３０は、薄膜のサーモパイルを用いることで、日射計の光に対する応答時間を短くすることが出来る。薄膜のサーモパイルは、シリコンをベースとすることで、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅ
ｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ）等の微細加工技術を利用することが出来るようになり、より容易に、安定的にセンサを製造することが出来る。また、シリコンベースのサーモパイルのセンサ３０は太陽光スペクトル（３００〜３０００ｎｍ）に対し、略均一な分光感度をもっている。センサ３０は、受光部３３をパッケージ３１に収納することで、機械的強度を高め、パッケージ３１内を密閉する事で、過酷な外部環境からの影響を低減させ長期的安定性を高めることが出来る。またパッケージ３１内に所定のガス（窒素、希ガス（Ｈｅ、Ａｒ、Ｘｅ、Ｎｅ等）を含む不活性ガス）を満たすことでさらにセンサの長期安定性が得られる。
【００２４】
また、受光部３３が光を受光できるように、パッケージ３１には、例えば受光部３３の周縁（外径）に基づいて開口が形成され、光透過窓３２で密閉されている。光透過窓３２は、例えば、太陽光スペクトル（３００〜３０００ｎｍ）で透過率５０％以上の略均一な高い透過率をもっており、この透過率特性により密閉性を維持しつつ、ブロードな分光特性に優れた日射計を得ることができる。このように、受光部３３はパッケージ３１内に収められ、光透過窓３２から入射する光を受光する構造になっているため、入射角が大きい光は、窓から入射することができない。すなわち、センサ３０は受光角を有している。
【００２５】
筐体４０は、集光レンズ１０、遮光環２０、センサ３０を固定している。筐体４０は、１つ以上の部品（パーツ）で構成されており、所定以上の強度とともに所定以上の熱伝導度を有する材料で構成することが好ましく、例えばアルミニウム等の金属材料で構成することが可能である。
【００２６】
図２は、日射計１００において測定した入射角度とＣＯＳエラーの関係の一例を示すグラフである。また、図３は、遮光環２０を設けていない日射計（比較例）において測定した入射角度とＣＯＳエラーの関係の一例を示すグラフである。図２，３において、横軸は入射角度（°）、縦軸はＣＯＳエラー（％）である。図３のグラフから明らかなように、遮光環２０を設けていない場合、特に大きな入射角度におけるＣＯＳエラーが顕著である。一方、図２のグラフから明らかなように、遮光環２０を設け、主に大きな入射角の光線を遮ることにより、大きな入射角におけるＣＯＳエラーが顕著に低減され、全体としてＣＯＳエラーが改善される。
【００２７】
以上のように、本実施形態によれば、集光レンズ１０とセンサ３０の間に、一部の入射角の光線を透過させる光透過領域２５を有する遮光環２０を設けたことにより、光透過領域２５を透過できない入射角の光線はセンサ３０に入射せず、日射計１００のＣＯＳエラーを改善することができる。
【００２８】
実施の形態２．
図４は、本発明の一実施形態に係る日射計１０１の概略構成の例を示す側方断面図である。図１と同一の符号は、同一または類似の構成を表している。図４に示すように、日射計１０１は、遮光環２０に加え、遮光環２１，２２を備えている。遮光環２１，２２は、遮光環２０と同様に、中央部に光透過領域２５を有しており、光透過領域２５の中心は、集光レンズ１０の光軸上にある。
【００２９】
３つの遮光環２０〜２２は、センサ３０に近いものほど、すなわち、遮光環２２、遮光環２１、遮光環２０の順で、光透過領域２５の面積が小さくなっていく。
【００３０】
図５は、日射計１０１に入射する様々な入射角の光（４０°〜８０°）を模式的に示した図である。図５に示すように、センサ３０からより遠い位置（遮光環２２の位置）では、大きな入射角の光（例えば、８０°以上）は集光レンズ１０の光軸Ａから離れた位置を通過するため、遮光環２２によって遮断される。一方、センサ３０に近づくに従って、各入射角の光は集光レンズ１０の効果によりセンサ３０に向かって集光され、センサ３０に近い遮光環では、大きな入射角の光に加えてより小さな入射角の光も遮断される。すなわち、センサ３０から遠い遮光環は、大きな入射角の光を主に遮光し、センサ３０に近い遮光環ほど、大きな入射角の光だけでなく、より小さな入射角の光も遮光する。
【００３１】
図６は、日射計１０１において測定した入射角度とＣＯＳエラーの関係の一例を示すグラフである。図６において、横軸は入射角度（°）、縦軸はＣＯＳエラー（％）である。図６のグラフから明らかなように、図３に示す遮光環を設けていない比較例の日射計に比べ、ＣＯＳエラーが顕著に改善されている。具体的には、大きな入射角（例えば、８０°）におけるＣＯＳエラーのみならず、より小さな入射角の光（例えば、７０°）においてもＣＯＳエラーの改善がみられる。
【００３２】
以上のように、本実施形態によれば、集光レンズ１０とセンサ３０の間に複数の遮光環２０〜２２を設けたことにより、遮光環２０〜２２の光透過領域２５を透過できない入射角の光線はセンサ３０に入射せず、日射計１０１のＣＯＳエラーを改善することができる。特に、センサ３０に近い位置に配置される遮光環ほど、光透過領域２５の面積を小さくすることにより、効果的にセンサ３０に入射する光がコントロールされ、ＣＯＳエラーの低減効果が高くなる。
【００３３】
実施の形態３．
図７は、本発明の一実施形態に係る日射計１０２の概略構成の例を示す側方断面図である。図１，４と同一の符号は、同一または類似の構成を表している。図７に示すように、日射計１０２は、２つの遮光環２０，２１を備えている。さらに、日射計１０２は、集光レンズ１０と遮光環２１の間に集光レンズ１１を備えている。
【００３４】
図８は、日射計１０２において測定した入射角度とＣＯＳエラーの関係の一例を示すグラフである。図８において、横軸は入射角度（°）、縦軸はＣＯＳエラー（％）である。図３のグラフと比較すると明らかなように、日射計１０２は、比較例の日射計に比べ、ＣＯＳエラーが顕著に改善されている。
【００３５】
以上のように、本実施形態によれば、集光レンズ１０とセンサ３０の間に複数の遮光環２０〜２１を設け、さらに、集光レンズも複数設けるようにしたことにより、日射計１０２のＣＯＳエラーを顕著に改善することができる。
【００３６】
実施の形態４．
図９は、本発明の一実施形態に係る日射計１０３の概略構成の例を示す側方断面図である。図１，４，７と同一の符号は、同一または類似の構成を表している。図９に示すように、日射計１０３は、２つの集光レンズ１０，１１を備え、また、集光レンズ１１とセンサ３０の間に拡散板（拡散媒体）５０を備えている。また、集光レンズ１０と集光レンズ１１の間、集光レンズ１１と拡散板５０の間、拡散板５０とセンサ３０の間に、それぞれ遮光環２２、遮光環２１、遮光環２０を備えている。また、遮光環２２、遮光環２１、遮光環２０の順で、光透過領域２５の面積が小さくなっていく。
【００３７】
拡散板５０は、光学媒体（平板ガラス等）にフロスト加工、拡散材料の塗布、泡や粒子状物質の埋め込み、などを施すことにより、入射した光を拡散して透過するように構成されたものであればよい。また、集光レンズのセンサ側の面にフロスト加工や、拡散材料の塗布等を施すことにより拡散面を設け、拡散板５０の代わり（拡散媒体）とすることもできる。
【００３８】
図１０は、日射計１０３において測定した入射角度とＣＯＳエラーの関係の一例を示すグラフである。図１０において、横軸は入射角度（°）、縦軸はＣＯＳエラー（％）である。図３のグラフと比較すると明らかなように、日射計１０３は、比較例の日射計に比べ、ＣＯＳエラーが顕著に改善されている。
【００３９】
以上のように、本実施形態によれば、集光レンズ１０とセンサ３０の間に拡散板５０を設けたことにより、日射計１０３のＣＯＳエラーを顕著に低減することができる。
【００４０】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されることなく種々に変形して適用することが可能である。また、本発明は、日射計だけでなく、分光放射計等、良好な入射角特性が必要な測光装置にも適用することができる。また、上記の実施形態では、センサ３０は光透過窓付きの金属パッケージ型センサであるが、センサはこれに限られず、受光角を持ったあらゆるセンサ、またはそれに準ずるもの（例えば光ファイバー）であっても、高い効果を得ることができる。また、上記の実施形態では、１つまたは２つの集光レンズを備えた例が示されているが、集光レンズの数は３つ以上であってもよい。
【００４１】
また、上記発明の実施形態を通じて説明された実施例や応用例は、用途に応じて適宜に組み合わせて、または変更もしくは改良を加えて用いることができ、本発明は上述した実施形態の記載に限定されるものではない。そのような組み合わせまたは変更もしくは改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
【符号の説明】
【００４２】
１０，１１…集光レンズ
２０，２１，２２…遮光環
２５…光透過領域
３０…センサ
３１…パッケージ
３２…光透過窓
３３…受光部
４０…筐体
５０…拡散板
１００，１０１，１０２，１０３…日射計
【図１】
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【図２】
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【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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【図９】
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【図１０】
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