(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
サンプルのパラメータを測定するための赤外線ゲージであって、
サンプルを照射するための所定の周波数をもつ赤外線を出力する主赤外線源（１２）と、
前記サンプルから反射された又は前記サンプルを透過した赤外線を検出し、該検出した赤外線を表す信号を生成する一次検出器（２８２）を含む一次検出器回路（２８）と、
前記検出した赤外線に対する前記検出器の応答特性を安定化させるための安定化手段とを備え、
前記安定化手段が、
追加の赤外線を前記検出器に向けるための制御された赤外線源（３２）と、
前記検出器によって生成された前記信号に応じて前記追加の赤外線を制御するための前記検出器から前記制御された赤外線源までのフィードバックループ（３７）とを含み、該フィードバックループが、該赤外線ゲージの使用時に通常発生する前記所定の周波数の信号を通過させるとともに、所定の周波数変動をフィルタ処理で除去するように構成された高域フィルタを含み、さらに、前記検出器によって生成された前記信号を受信するように構成された増幅器（３８）を備えて、前記増幅器のゲインを選択して前記フィードバック信号のレベルを制御することにより、前記検出器の周波数応答を拡大し、それにより、前記検出器を照射する全体の照明の変動を最小限にする、赤外線ゲージ。
【請求項２】
請求項１の赤外線ゲージにおいて、前記安定化手段が、前記受け取った赤外線に応じて前記検出器の応答を線形化するように構成されている、赤外線ゲージ。
【請求項３】
請求項１又は２の赤外線ゲージにおいて、前記安定化手段が、前記受け取った赤外線に応じて前記検出器の周波数応答を拡大するように構成されている、赤外線ゲージ。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１項の赤外線ゲージにおいて、前記フィードバックループが、前記検出器によって生成された前記信号に応じて、前記制御された赤外線源によって放射された赤外線の強度を調節するように構成されている、赤外線ゲージ。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか１項の赤外線ゲージにおいて、前記検出器回路が、電圧出力信号を供給するように構成され、さらに、前記フィードバックループが電圧／電流変換器（４０）を備える、赤外線ゲージ。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか１項の赤外線ゲージにおいて、前記制御された赤外線源が、反射面（２８４）により前記検出器を照射するように構成されている、赤外線ゲージ。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか１項の赤外線ゲージにおいて、前記制御された赤外線源が、前記検出器を直接照射するように構成されている、赤外線ゲージ。
【請求項８】
請求項１から７のいずれか１項の赤外線ゲージにおいて、複数の前記制御された赤外線源（３２）が、赤外線を均一に分配して前記検出器を照射するように構成されている、赤外線ゲージ。
【請求項９】
請求項１から８のいずれか１項の赤外線ゲージにおいて、前記主赤外線源及び前記検出器が、協働して、前記検出器が、前記主赤外線源により照射された後に、前記サンプルによって透過、散乱又は反射する赤外線を検出するように構成されている、赤外線ゲージ。
【請求項１０】
請求項１から９のいずれか１項の赤外線ゲージにおいて、さらに、
前記赤外線を検出して、前記受け取った赤外線を表す信号を生成する二次検出器（２４２）を含む二次検出器回路（２４）と、
追加の赤外線を前記二次検出器に向けるための別の制御された赤外線源（３０）と、
前記二次検出器によって生成された前記信号に応じて追加の赤外線の別の赤外線源を制御するためのフィードバックループ（３７）とを備える、赤外線ゲージ。
【請求項１１】
請求項１０の赤外線ゲージにおいて、測定されるパラメータを計算するために、前記一次検出器及び二次検出器からそれぞれ生成された一次及び二次検出信号に応答する手段をさらに備える、赤外線ゲージ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
［技術分野］
【０００２】
本発明は、電磁検出装置に関し、特に、サンプルのパラメータを測定するための電磁ゲージ（電磁測定器，電磁計測器）、特に赤外線吸収ゲージ（赤外線吸収測定器，赤外線吸収計測器）に関する。
［背景技術］
【０００３】
赤外線吸収ゲージは周知であり、例えばサンプルの成分（例えば、紙もしくはタバコの水分、食品の脂肪、タンパク質及び水分）、基板上に吸収又は吸着された物質の量、基板上のコーティングもしくはフィルムの厚さ、又はプリント回路基板内の樹脂の硬化程度を測定するために使用される。本明細書では、「パラメータ」という用語は、被測定サンプルの性質（組成、コーティングの厚さなど）を示すために用いられる。
【０００４】
赤外線吸収ゲージは、従来、２種類以上の波長の赤外線をサンプル又は基板上に投影し、サンプルによって反射、透過又は散乱した放射線の強度を測定することにより動作する。測定強度に比例する信号は、測定されるパラメータの値を提供するように処理される。ゲージが投影する２種類以上の波長の少なくとも１種類は、当該パラメータによって投影されるように選択し、少なくとも他の１種類は、当該パラメータにより実質的に影響されないように選択する。例えば、サンプル中の水分の量を測定する場合、一方の波長（「測定波長」）は、水分の吸収波長（1.45μｍ又は1.94μｍ）で選択し、他方の波長（「基準波長」として知られている。）は、水分によって著しく吸収されない波長を選択する。
【０００５】
概して、ゲージは、広帯域発光スペクトルを有する赤外線源と、サンプルによって反射、散乱又は透過された放射線を受光するための検出器とを備え、フィルタは、赤外線源とサンプルとの間に配置されて、サンプルのみを所望の測定波長及び基準波長に暴露し、この場合、サンプルは、例えば適切なフィルタを放射線源の前の回転ホイール上に配置することにより、選択波長の放射線に連続的に暴露される。別法によると、フィルタホイールは、サンプルと検出器との間に配置することができ、各々のフィルタをサンプルと検出器の間に連続的に挿置する。当然、放射線源が、フィルタを使用しなくても所望の波長の放射線を生成することが出来る場合、こうしたフィルタは省略することが出来る。
【０００６】
検出器は、サンプルとの相互作用の後に光の強度を測定し、サンプルに入射する放射線の強度に応じて信号を生成する。最も単純な場合、測定波長の光を受光した時の検出器からの信号と、基準波長の光を受光した時の検出器からの信号との比率を計算することにより、関連するパラメータ、例えばサンプル中の水分量の測定基準になる信号を得ることが出来る。多くの場合、幾つかの測定波長及び／又は幾つかの基準波長を使用し、測定波長及び基準波長の信号を使用して、関連するパラメータを計算する。
【０００７】
こうした測定ゲージに通常使用される検出器は、従来、硫化鉛（PbS）検出器である。なぜなら、PbS検出器は、こうした用途に使用されるその他の殆どの検出器よりも検出性能及び波長応答が優れているからである。しかし、PbS検出器は、特に以下などの多くの制約を有する：
(a) 感温性：代表的な検出器セルの抵抗は、温度が10℃上昇するごとに25％低下する。
(b) 非線形性：入射光に対する検出器の応答性は、検出器の動作範囲全体で線形ではない。
(c) 応答時間：検出器の応答時間は、異なる波長を検出出来る速度、つまり連続フィルタを使用出来る速度を通常制限する。フィルタのデータ速度がより速い場合、あるフィルタから得られる波長からの信号が非常に遅れて、次のフィルタから得られる波長からの信号に流入し、その結果「クロストーク」を生じる傾向がある。
(d) ノイズ：検出器の動作周波数が低い場合、1/fノイズとして知られているノイズが生じる。比較的遅いフィルタデータ速度を選択してクロストークを防止すると、こうしたノイズが問題になる。
【０００８】
上記から、測定ゲージに現在使用されている検出器は、検出器の応答時間だけではなく多くの欠点を有することが明らかである。
【０００９】
本発明は、これらの問題に対処し、赤外線測定ゲージなどの電磁検出装置に使用する検出器の性能を改善することを模索する。
［発明の概要］
【００１０】
本発明の一態様により、電磁検出装置であって、
【００１１】
電磁放射線を検出し、受光した放射線を表す信号を生成する検出器回路と、検出器が検出した放射線に対する検出器の応答特性を安定させる安定化手段とを備え、
【００１２】
前記安定化手段は、
【００１３】
放射線を検出器に方向付けるために制御された電磁放射線源と、
【００１４】
検出器によって生成された信号に応じて放射線源を制御する手段とを備える安定化手段とを有する、電磁検出装置を提供する。
【００１５】
本発明の好ましい形態では、検出器の応答特性を安定させる手段は、検出器の応答の線形化及び／又は検出器の応答周波数の拡大の少なくとも一方を達成するように構成されている。
【００１６】
赤外線測定ゲージの場合、線形化の改善は、測定ゲージの温度安定性を高める傾向があり、校正がより予測可能になる。検出器の周波数応答の拡大により、はるかに速いフィルタデータ速度を使用することが出来るため、測定ゲージの応答時間が減少する。より速いフィルタ速度によって、周囲光感度も減少するため、ノイズを改善する可能性がある。
【００１７】
有利なことに、放射線源を制御する手段は、この放射線源によって放射される放射線の強度を調整するために構成されている。
【００１８】
本発明の一実施態様では、この制御手段は、放射線源によって放射される放射線の強度を調整し、検出器の信号を実質的に予め決められたレベルに維持するために構成されている。
【００１９】
本発明のもう１つの実施態様では、この制御手段は、放射線源によって放射される放射線の強度を調整し、検出器の信号の変動を最小限にするために構成されている。
【００２０】
有利なことに、このために、検出器回路の出力部から第２放射線源まで、フィードバック経路を形成する。
【００２１】
本発明について、例示としての添付の図面を参照しながら、さらに説明する。［好適な実施態様の詳細な説明］
【００２２】
まず図１を参照すると、この図は、例えば本件出願人のPCT国際公開第WO98/22806号に記載されている公知の赤外線ゲージのヘッド１０を示す。ヘッド１０は、赤外線放射線の放射源を提供するランプ１２と、モータ１６により駆動される円形フィルタホイール１４とを備える。フィルタホイール１４は、一連のフィルタ、例えば５個のフィルタを支持し、各々のフィルタは、選択された様々な放射波長を通すように設計される。個々のフィルタを通過する光は、以下に説明するように検出器取付けテーブル１８に向かって方向付けられる。
【００２３】
取付けテーブル１８は、光ビームの一部を赤外線ゲージ１０からサンプル２２に向かって下方に反射するビームスプリッタ２０を支持する。ビームスプリッタ２０に衝突する赤外線光ビームの他の部分は、ビームスプリッタ内で光電センサを含む検出器組立体２４に向かって屈折する。一方、ヘッド１０によりサンプル２２方向に放射される光は、サンプル２２から逆にヘッド１０内の収集ミラー２６に向かって反射し、その結果、別の光電センサを含むもう１つの検出器組立体２８に反射する。従って、２個の検出器組立体２４、２８は、ランプ１２が放射し、選択した１個のフィルタによりフィルタ処理される光の強度及びサンプル２２から反射した後の同じ光の強度をそれぞれ表す検出信号を生成する。検出器組立体２８は、一般に一次検出器組立体と呼ばれ、検出器組立体２４は、一般に二次検出器組立体と呼ばれる。２個の検出器組立体２８、２４により生成される信号は、サンプル２２のパラメータを測定するように、公知の方法で処理される。
【００２４】
従って、上記の測定ゲージは、検出される光が、パラメータを測定されるサンプルから後方に散乱する後方散乱ゲージとして知られている。もう１つの公知の測定ゲージは、パラメータを測定されるサンプルを透過する光を検出する。
【００２５】
次に、図２を参照すると、この図は、図１に示すように、一次検出器組立体２８及び二次検出器組立体２４を支持する取付けテーブル１８を有する本発明による検出器組立体を示す。知られている通り、一次検出器組立体２８は、PbS検出器２８２と、ケイ素の小さいシートであり、検出器２８２の前方に取り付けられて可視光を遮断する遮断フィルタ２８４とを備える。同様に、二次検出器組立体２４は、PbS検出器２４２と、やはりケイ素の小さいシートであり、検出器の前方に取り付けられて可視光を遮断する遮断フィルタ２４４を備える。
【００２６】
しかし、本発明によると、取付けテーブル１８は、追加の放射線源、この場合、遮断フィルタ２４４方向に方向付けられた第１ガリウム砒素（GaAs）赤外線エミッタ又はダイオード及び遮断フィルタ２８４方向に方向付けられた第２GaAsダイオード３２も支持する。GaAsダイオード３０は、赤外線を遮断フィルタ２４４方向に方向付け、この放射線は、遮断フィルタ２４４により取付けテーブル１８方向に逆に反射され、使用されている検出器２４２を照射する。同様に、GaAsダイオード３２は、放射線を遮断フィルタ２８４方向に方向付け、この放射線は、取付けテーブル１８方向に逆に反射し、使用されている検出器２８２を照射する。従って、測定ヘッド１０の動作時、一次及び二次検出器２８２、２４２は、連続的に加わる測定波長及び基準波長のみならず、２個のGaAsダイオード３２、３０からの放射線も受け入れる。２個のGaAsダイオード３２、３０は、検出器２８２、２４２と協同して、これら検出器からの出力を安定させるように配置し、このため、ダイオード３２、３０が放射する放射線の強度は、以下に記載するように制御される。
【００２７】
図３及び図４は、ダイオード３２、３０を制御して、検出器２８２、２４２の出力を安定させるための構成の様々な実施態様を示す。分かりやすくするため、ダイオード３２及び検出器２８２の構成のみを各々の事例について説明するが、同じ配置がダイオード３０及び検出器２４２に使用されると考えるべきである。
【００２８】
まず、図３を参照すると、検出器２８２は、反転増幅器３４により増幅されて、電圧出力信号として出力３６に供給される出力信号を生成するように配置される。出力３６に供給される信号の割合は、フィードバック回路３７によりダイオード３２にフィードバックされる。詳細には、フィードバック回路３７は、出力３６からフィードバックされる電圧信号を受信するように接続された１個の入力部及びライン３９上に供給されるバイアス電圧を受け入れるように配置されたもう１つの入力部を有する加算増幅器３８を備える。加算増幅器３８の出力は、出力がダイオード３２を制御する電圧／電流変換器４０に接続される。
【００２９】
受信する測定波長又は基準波長における光の強度の増加により、検出器２８２からの出力信号の大きさが増加し始めると、GaAsダイオード３２に供給される電流が低下し始めて、ダイオード３２が放射する照明の強度が減少する。従って、フィードバック回路３７は、負のフィードバックループとして作用し、検出器２８２を照射する全体の照明、つまり、サンプル２２から逆に反射され、GaAsダイオード３２により放射される結合照明を実質的に一定の予め決められたレベルに維持しようとする。
【００３０】
この予め決められたレベルは、測定波長及び基準波長の放射線が検出器２８２上に放射されない状態で、この放射線に相当する光束を放射するために、使用時に測定ゲージが遭遇すると予想される最大外部照明レベルに相当するように設定され、ライン３９上のバイアス電圧を正しく選択してGaAsダイオード３２を校正して得られる。この効果は、検出器２８２を動作応答特性の特定部分に限定し、検出器２８２上に入射する全体の放射線の変動を非常に減少させることである。
【００３１】
出力３６で得られる電圧出力信号は、実際上、予め決められたレベルと検出器２８２に現に入射する放射線の実際のレベルとの差を表す誤差信号に相当する。この差は、結局、サンプル２２から逆に反射された光の量を表す。次に、こうした誤差信号は、測定されるパラメータを指示するように公知の方法で処理される。
【００３２】
図４は、図３に示す構成を改善したものであり、検出器２８２は、こうした飽和状態で動作する必要はない。同じ部品は、図３と同じ参照符号で示す。
【００３３】
図４に示す回路では、検出器２８２は、高域フィルタ４２により増幅器３４に接続される。フィルタ４２は、所望のフィルタデータ速度を選択することにより、測定ゲージの使用時に通常発生する周波数の信号を通過させるように構成する。しかし、同時に、フィルタ４２は、例えば周囲温度又は定常状態の照明の非常に漸進的な変化に対応して生成される低い周波数変動をフィルタ処理して除去するように構成する。
【００３４】
この実施態様では、ライン３９に印加されるバイアス電圧は、検出器２８２に当たる放射線のレベルを使用時に予想される光束の最大変動を表す量に維持するように設定する。このレベルは、当然、図３の実施態様に使用される飽和レベルより相当に低い。従って、本発明の実施態様は、全体の照明レベルを予め決められた一定レベルに維持するのではなく、検出器２８２を照射する全体の照明の変動を単に最小限にしようとするものである。
【００３５】
上記の通り、出力３６で得られる電圧信号は、予め設定されたレベルと、検出器２８２に入射する放射線の実際のレベルとの差を表す誤差信号を構成する。従って、この差は、検出器２８２上に当たってサンプル２２から逆に反射される光の量を表す。
【００３６】
図３に示す回路は、動作応答特性の予め決められた領域で動作する検出器２８２は、動作応答特性の予め決められた領域で動作する検出器２８２を形成し、図４に示す回路は、動作特性に沿って限られた範囲で動作する検出器２８２を形成する。どちらの場合も、実験により、検出器は、線形性の改善及び予想周波数応答による利益があることが実証されている。
【００３７】
図５は、検出器全体の動作範囲に対する入射光による従来の検出器の応答を表すグラフを示す。入射光の光出力は、Ｘ軸に沿って表され、検出器の標準化された応答は、Ｙ軸に沿って表されている。図示の通り、検出器の応答は、5μWの入射光で0.072であり、10μWの入射光で0.141であるから、曲線のこの領域では、検出器の応答は殆ど線形である。しかし、50μW及び100μWの入射光について同じ比較を行うと、検出器の応答は0.589：1,000の比率であり、線形にはほど程遠い。
【００３８】
図５に示す曲線は、検出器の入射光の変化が小さければ小さいほど、検出器信号はより線形になることを示す。
【００３９】
従って、本発明によるフィードバック構成は、検出器に入射する全体の放射線の変化を減少させ、検出器により生成されて結果として得られる信号はより線形になる。
【００４０】
これは、検出器が動作時に強度に照射され、深く吸収されそうな状況で特に有利である。なぜなら、線形化応答は、適切に校正し、温度安定性を良好にする上で重要だからである。
【００４１】
図６は、室温における公知の測定ゲージの従来のPbS検出器に関する周波数応答のグラフを示す。検出器の標準化された応答は、入射光のチョッピング周波数に対して描かれており、チョッピング周波数は、図１に示すフィルタホイール１４の回転周波数にフィルタホイール１４内のフィルタの数を乗じた値に相当する。
【００４２】
図から分かる通り、検出器の応答は、約100Ｈｚ以下の周波数では一定であり、−3ｄｂ点に達すると、信号は一般に、約700Ｈｚで90°の位相シフトを生じる。
【００４３】
次に図７を参照すると、この図は、本発明により動作する検出器の検出器周波数応答を示す。図から分かる通り、検出器の周波数応答は、約1,000Ｈｚ以下のチョッピング周波数では実際上一定であり、−3ｄｂ点は約10ｋＨｚで発生する。従って、周波数応答は著しく改善されている。
【００４４】
実際には、本発明によるフィードバック構成を使用すると、主増幅器３４が出力を増幅するために検出器２８２が生成する信号の大きさは事実上減少し、増幅時に追加のノイズが導入されることになる。しかし、フィードバック経路内の増幅器３８のゲインを適切に選択してフィードバックのレベルを調整すると、検出器の周波数応答の拡大を用途に応じて最適に選択することが出来る。
【００４５】
検出器の周波数応答を拡大すると、各々の測定及び基準波長の測定時間を1ｍｓという短さにすることが可能であり、これは、現在可能な時間より著しく速い。
【００４６】
これは、材料の走行ウェブを走査して測定波長を得る走査用途では特に有利であり、つまり、各々の走査の結果を平均して、優れたウェブ横断解像力を得ることが出来る。応答時間の改善も、パラメータを測定されるサンプルが材料、例えば運動に応じた製品の高さ、反射率及び角度の変化によるプレゼンテーションノイズを発生しやすいスナック食品及びタバコなどを構成する場合に有利である。この場合、波長データを迅速に取得することにより、プレゼンテーションノイズを著しく減少させることが出来る。
【００４７】
上記の説明は、サンプル２２から逆に反射する光を表す出力信号を提供するように、検出器２８２及びダイオード３２の動作を限定した。フィルタホイール１４によりフィルタ処理されるランプ１２からの光を表す出力信号を提供するための検出器２４２及びダイオード３０の動作も同様であることが分かるであろう。次に、こうした信号は、測定されるパラメータを決定するように、公知の方法で処理される。
【００４８】
上記の構成には、様々な変形が可能である。
【００４９】
特に、ダイオード３０又は３２の各々は、検出器の照明を均一にするために、対応する検出器２４２又は２８２の周囲に等間隔に配置されたダイオードの配列に置き換えることが出来る。
【００５０】
さらに、ダイオード３０、３２は、上記のように遮断フィルタ２４４、２８４からの反射により照明するのではなく、検出器２４、２８を直接照明するように構成することが出来る。
【００５１】
上記の説明では、検出器２４２、２８２はPbS検出器であり、ダイオード３０、３２はGaAsダイオードであると仮定した。しかし、その他の種類の検出器も、適切なダイオードと共に使用することが出来る。
【００５２】
さらに、増幅器３４、３８は、検出器２４２、２８２を照射する光の強度が増加する時に、フィードバック回路３７がダイオード３０、３２に供給される電流を減少させるように備えた別法による増幅器に置き換えることが出来る。
【００５３】
本発明は、赤外測定ゲージに関連して説明してきたが、光のその他の波長を利用する、例えば可視光の波長を利用する測定ゲージに使用することも出来る。
【００５４】
当然、本発明は、その他の種類の電磁、特に赤外線検出装置、例えば赤外線温度検出器又は赤外線画像形成装置に使用することも出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】  図１は、説明のために、周知されている赤外線ゲージのヘッドの略断面を示す。
【図２】  図２は、こうした赤外線ゲージの検出器取付けプレートの細部を示す略断面であり、本発明を示す。
【図３】  図３は、本発明の一実施態様を示すブロック図である。
【図４】  図４は、本発明のもう１つの実施態様を示すブロック図である。
【図５】  図５は、従来のPbS検出器の応答の非線形性を示すグラフである。
【図６】  図６は、周知されているゲージのPbS検出器の周波数応答を示すグラフである。
【図７】  図７は、本発明を使用した時の検出器の周波数応答を示すグラフである。
【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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