(57)【要約】      （修正有）【課題】広い波長域に適用でき、かつ、応答が速く、稼動温度領域の広い熱型センサを開発する。【解決手段】上記の目的を達成するために、本発明の熱応力波焦点化現象を用いた赤外線検知装置は、熱型センサの一種であるが、一般の熱型センサがセンサの温度上昇を利用する方法をとっているのに対し、入射赤外線の吸収熱量による衝撃的熱膨張により瞬間的に励起される熱弾性波を焦点化して電気信号に変換して計測しているため、温度上昇を利用するセンサに比べて１０００倍程度速く応答し、また、適用温度領域は、１０００℃以上でも稼動させることができ、かつ、構造が至って、簡便である事を特徴としている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
断続励起された中位パワーあるいは高パワーのレーザを含む赤外線の全出力を受取るように露出された球形熱弾性波焦点化装置ないしは半球形熱弾性波焦点化装置で構成される熱弾性波焦点化装置を備え、前記焦点化装置に於いて入射赤外線に比例する熱弾性波を励起させ熱応力波焦点化現象で焦点化後、前記弾性波を圧電素子により電気信号に変換し入射赤外線のエネルギ強度を検知することを特徴とする赤外線検知装置。
【請求項２】
請求項１に記載の球形熱弾性波焦点化装置は１０００℃以上の高温に耐えうる材料の球形固体（２）で形成され、入射赤外線を感応吸収するコーティングを施された受光部（１）と球形固体（２）の中心まで達する円柱状の穴（３）を備え、前記円柱状の穴（３）に一端を固着され他端を液状粘性グリス（５）で圧電素子（６）に接合される導波管（４）を含み、入射赤外線加熱による前記受光部（１）の衝撃的熱膨張で瞬間的に熱弾性波を励起させ、弾性波伝播領域（８）で焦点化した後、前記導波管（４）に付着する液状粘性グリス（５）層通過で縦波弾性波のみに分離し、前記圧電素子（６）で電気信号に変換することを特徴とする球形熱弾性波焦点化装置。
【請求項３】
請求項１に記載の半球形熱弾性波焦点化装置は１０００℃以上の高温に耐えうる材料の半球形固体（９）で形成され、入射赤外線を感応吸収するコーティングを施された受光部（１）と半球形固体（９）の中心位置に液状粘性グリス（５）で接合する圧電素子（６）を配置し、入射赤外線加熱により前記受光部（１）の衝撃的熱膨張で瞬間的に熱弾性波を励起させ、弾性波伝播領域（８）で焦点化した後、前記液状粘性グリス（５）層通過で縦波弾性波のみに分離し、前記圧電素子（６）で電気信号に変換することを特徴とする半球形熱弾性波焦点化装置。
【請求項４】
請求項１に記載の熱弾性波焦点化装置に直結された導線（７）による出力情報を時間関数での電圧波形として記録格納し、前記波形の第一周期の最大振幅が時間軸となす時間軸より上の面積（１０）と時間軸より下の面積（１１）との和により入射赤外線強度を検知することを特徴とする赤外線検知方法。
【請求項５】
請求項１に記載の熱弾性波焦点化装置複数個を平面状に密接に結合して構成された焦点化装置計測盤（１２）をＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸回りに三次元的に揺動させることにより、入射赤外線強度分布より入射赤外線発射源（１３）の方向と距離を、さらに、前記発射源のエネルギー強度も検出することを特徴とする赤外線検知方法。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、０．７μｍ〜３００μｍ程度の広い波長域にある赤外線レーザなどの赤外線を５μｓｅｃ以下の短い応答時間で、１０００℃以上の厳しい熱負荷にも耐え、ただ一種類の検出器でその保持するエネルギー強度を検出する赤外線検知装置および方法に関する。
【背景技術】
【０００２】  従来、赤外線レーザなどの赤外線検出用のセンサの原理を大きく分けると、光−電変換を利用した量子型センサと光−熱変換を利用する熱型センサが知られている。量子型センサは、光起電力効果、熱伝導効果、光電子放出を利用したものであり、熱型センサは、導電率の変化、焦電効果、熱起電力効果を利用したものがよく知られている。【０００３】  赤外線レーザなどを検知する赤外線センサの性能を支配するものは、センサの適用波長域と応答時間及び稼動温度領域などである。量子型センサの多くは、応答は速いが、適用波長域は狭く、動作温度はセンサ温度があまり急激に上昇すると破壊されるため、中および高パワー赤外線レーザのパワーの一部のみ吸収することによって作動させるか、または、冷却タイプとなっている。【０００４】  適用温度領域について、量子型センサは電子を発生させるため一般に低温で、室温以上の高温で作動させるものは僅少である。また、熱型センサは、高温の状態では、センサ自身が高温となるためレーザなどの赤外線の熱量を瞬時に計測することは不可能である。【０００５】  熱型センサのような熱吸収を利用して応答検知するセンサには、発熱を抵抗体や熱電対に伝えて電気信号に変える方法がよく知られているが、応答はきわめて低速で、ｓｅｃオーダか、速いものでもｍｍｓｅｃオーダで、この検知方法では、量子型センサの応答の速さは得られないとされてきた。
【発明が解決しようとしている課題】
【０００６】  前記した如く、熱型センサの特徴である広い波長域に適用でき、かつ、応答が速く、稼動温度領域の広い熱型センサの開発が喫緊の課題となっている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】  上記の目的を達成するために、本発明の熱応力波焦点化現象を用いた赤外線検知装置は、熱型センサの一種であるが、一般の熱型センサがセンサの温度上昇を利用する方法をとっているのに対し、吸収赤外線の熱量による衝撃的熱膨張により瞬間的に励起される熱弾性波を焦点化して電気信号に変換して計測しているため、温度上昇を利用する熱型センサに比べて応答は１０００倍程度速く、適用温度領域は１０００℃以上でも稼動させることが可能で、かつ、構造が非常に簡便である事を特徴としている。
【作用】
【０００８】  かかる赤外線検知装置および検知方法によれば、断続励起された中位パワーあるいは高パワーのレーザを含む赤外線の全出力を受取るように露出された受光部で吸収した赤外線の量に比例して、球の表面の熱吸収により瞬間的に球面熱弾性波が生じ、これが球の中心に焦点化し大きな弾性波を生ずる。前記弾性波は縦波と横波で構成されているので、これを液状粘性グリス層通過処理により縦波だけに選別し、圧電素子で電気信号に変換して計測すれば、照射される赤外線の強さが正確に計測される。この熱弾性波は瞬間的な温度変化により励起し、その伝播速度は音速の速さをもち、印加温度が環境温度との温度差があれば作動するので、測定環境がいかに高温でも作動するという特徴を有している。そのため、適用温度領域が広い上に、応答をμｓｅｃ以下にまで速くする事が可能となる。
【実施例】
【０００９】  以下、図１から図９の図面を参照しながらこの発明の実施例を詳細に説明する。【００１０】  図５に基づいて本発明の熱応力波焦点化現象を用いた赤外線検知装置の一実施例を説明する。図５において、赤外線レーザ発振器はＳｐｅｃｔｒａ−Ｐｈｙｓｉｃｓ社製ＤＣＲ−１１ＱスイッチＮｄ：ＹＡＧレーザ（１８）で、第２高調波（５３２ｎｍ）を用いている。発射されたレーザは鏡（１９）で反射され焦点距離２００ｍｍの凸レンズ（２０）で焦点化される。凸レンズ通過後の光線は、分光板（２１）で２方向に分岐される。一方は入力レーザエネルギー量測定のためＮＤフィルタ（２２）通過後Ｍｏｌｅｃｔｒｏｎ社製のＪＥ−０５熱量計（２３）に入射し、その出力情報は電圧の変化としてＫＩＫＵＳＵＩ製デジタルオシロスコープＣＯＲ−５５０１（２６）のｃｈａｎｎｅｌ２（ｃｈ２）に入力される。一方、直進したレーザ光は、熱弾性波焦点化装置（２４）に入射され、入射赤外線に応答する電圧を検知して、ＮＦ回路設計ブロック製ＡＥ−９５０１の増幅器（２５）で増幅後デジタルオシロスコープＣＯＲ−５５０１（２６）のｃｈａｎｎｅｌ１（ｃｈ１）に入力される。この二方向の入力を数値化してデータ処理コンピュータ（２７）で処理することにより、前記赤外線のパワーまたはエネルギの表示を取得することを特徴とする赤外線検知装置である。【００１１】前記記載の熱弾性波焦点化装置（２６）の内、図１記載の球形熱弾性波焦点化装置は、球形固体（２）に直径１０ｍｍの光学ガラスＳ−ＬＡＨ７９ボールレンズを使用し、前記球レンズには中心に到達する導波管用の直径１．５ｍｍの円柱状の穴（３）を備え、前記穴に，直径１ｍｍ，長さ１８．８ｍｍの光ファイバーを固着し導波管（４）としている。さらに，前記球レンズの円柱穴に同軸となるような球表面に入射赤外線を感応吸収するコーティングとして黒色塗装を施し受光部（１）とし、圧電素子（６）には共振周波数５００ｋＨｚのＮＦ回路設計ブロック製ＡＥ−９０４ＰのＰＺＴ圧電素子を用いている。【００１２】前記記載の熱弾性波焦点化装置（２４）の内、図２記載の半球形熱弾性波焦点化装置は、半球形固体（９）にＢＫ−７（ホウケイ酸クラウン光学ガラス）のオリオン・オプティクス社製直径１０ｍｍの半球レンズを使用し、前記半球レンズの中心軸と同軸となるように球表面に入射赤外線を感応吸収するコーティングとして黒色塗装施し受光部（１）とし、圧電素子（６）には共振周波数５００ｋＨｚのＮＦ回路設計ブロック製ＡＥ−９０４ＰのＰＺＴ圧電素子を用いている。【００１３】図１の前記球レンズ製球形熱弾性波焦点化装置の受光部（１）に赤外線を照射すると吸収した熱量に比例して，球レンズ表面のガラス層が急激に加熱されるため衝撃的熱膨張により瞬間的に球面弾性波が生じ，これが弾性波伝播領域（８）を通過し球レンズの中心で焦点化し大きな弾性波を生ずる。これが熱応力波焦点化現象である。出力弾性波はグリス層通過で縦波弾性波のみに分離され、圧電素子（６）で電圧に変換されるため、出力電圧を計測すれば，照射される赤外線のエネルギー強度が正確に計測される。【００１４】図６は前記球形熱弾性波焦点化装置での電圧出力情報を経過時間で記録格納した計��結果の一例である。ｃｈａｎｎｅｌ２（ｃｈ２）の入力に対し、ｃｈａｎｎｅｌ１（ｃｈ１）の出力が応答する。図６より本発明の赤外線検知装置の応答は４μｓｅｃ程度と非常に速く、入射レーザエネルギー強度を大きな電圧振幅として利得表示している。本発明の赤外線検知方法は前記電圧波形の第一周期の最大振幅が時間軸となす時間軸より上の面積（２８）と時間軸より下の面積（２９）との和により入射赤外線強度を検知することを特徴とする。【００１５】図６は請求項２記載の球形熱弾性波焦点化装置での電圧出力情報を経過時間で記録格納した計測結果の一例であるが、請求項３記載の半球形熱弾性波焦点化装置を使用した際においても同様の電圧出力情報が得られることは明らかである。【００１６】図７は直径１０ｍｍの光学ガラスＳ−ＬＡＨ７９ボールレンズ製球形熱弾性波焦点化装置を用いた際の本発明の赤外線検知装置により得られたＶ・μｓｅｃーレーザエネルギー強度特性曲線であり、縦軸に前記面積Ｖ・μＳをとり、横軸には入射赤外線エネルギー強度をとっている。従って、縦軸の値が決まれば入射赤外線強度が決定される。【００１７】図８は半球形固体（２）にＢＫ−７（ホウケイ酸クラウン光学ガラス）のオリオン・オプティクス社製直径１０ｍｍの半球レンズを使用した半球形熱弾性波焦点化装置を用いた際の本発明の赤外線検知装置により得られたＶ・μｓｅｃーレーザエネルギー強度特性曲線であり、縦軸にＶ・μＳをとり、横軸には入射赤外線エネルギー強度をとっている。特性曲線は、ほぼ比例関係にあるため縦軸の値が決まれば容易に入射赤外線強度が決定される。【００１８】図７及び図８の特性曲線は、室温で計測されたもので、レーザによる温度上昇は数度程度でこの特性曲線に影響を与えるものではない。この実験を１０００℃以上の高温で行う場合、熱弾性波焦点化装置の製作材料を高温で破壊しない材料で製作し、特性曲線に温度補正を加えれば、高温においても本発明による特性曲線が得られる事は明らかである。【００１９】図９は、請求項５記載の焦点化装置計測盤（１２）による入射赤外線強度分布より赤外線発射源（１３）の方向とパワーを特定する赤外線検知方法の原理を説明したものである。図９において、例えば、Ｘ軸を回転移動させる事により、複数個の熱弾性波焦点化装置により計測される円錐状分布となる吸収赤外線強度分布の断面が二等辺三角形になるような位置でＸ軸を固定しＸ’軸をすれば、二等辺三角形の底角と底辺の長さが既知であることよりレーザ発射源（１３）の方向と距離、吸収赤外線強度より赤外線発射源のパワーも検出し得る。
【発明の効果】
【００２０】以上のように、請求項２及び請求項３に記載した熱弾性波焦点化装置を備えた、請求項１記載の赤外線検知装置は、請求項４記載の検知方法により、高パワーのレーザを含む断続励起された赤外線を、広い適用波長域で、かつ、５ｓｅｃ程度の非常な速さで応答を検知する事が可能で、稼動温度領域の広い検知装置となっている。また、本発明の赤外線検知装置の構造が非常に簡単に構成されているため、故障も少なく製作費用も安価である。また、請求項５記載の複数個組み合わせて構成される焦点化装置配置計測盤をもちいれば、いかなる場所に於いても容易にレーザ源の方向と距離、強さを検知することが出来る。従って、本発明により熱型赤外線センサの性能が著しく改善される事が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  図１は球形固体を用いた球形熱弾性波焦点化装置の構成図である。
【図２】  図２は半球形固体を用いた半球形熱弾性波焦点化装置の構成図である。
【図３】  図３は本発明の赤外線検知装置の熱弾性波焦点化装置より出力される時間ー電圧曲線より、入射赤外線エネルギー強度を検知方法の説明図である。
【図４】  図４は本発明の熱弾性波焦点化装置を複数個組み合わせて作成される焦点化装置計測盤を用いた赤外線発射源の検知方法を説明する説明図である。
【図５】  図５は本発明の赤外線検知装置の一実施例を示す構成図である。
【図６】  図６は図５の一実施例で熱弾性波焦点化装置より出力される時間ー電圧曲線より、入射赤外線エネルギー強度検知方法の説明図である。
【図７】  図７は図５の一実施例で使用された球形熱弾性波焦点化装置におけるＶ・μｓｅｃーレーザエネルギー強度特性曲線である。
【図８】  図８は図５の一実施例で使用された半球形熱弾性波焦点化装置におけるＶ・μｓｅｃーレーザエネルギー強度特性曲線である。
【図９】  図９は本発明の熱弾性波焦点化装置を複数個組み合わせて作成される焦点化装置計測盤を用いた赤外線発射源の検知方法を説明する説明図である。
【符号の説明】
１９    鏡
２０    凸レンズ
２１    分光板
２２    ＮＤフィルタ
２３    熱量計
２６    デジタルオシロスコープ
２７    データ処理コンピュータ
【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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