DE1161701B

DE1161701B - Device for measuring the color temperature of radiating bodies

Info

Publication number: DE1161701B
Application number: DES49708A
Authority: DE
Inventors: Dr Fritz Lieneweg
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1956-07-25
Filing date: 1956-07-25
Publication date: 1964-01-23

Description

Einrichtung zum Messen der Farbtemperatur von strahlenden Körpern Für die Messung der Farbtemperatur muß die Strahlung des zu messenden Körpers in zwei spektrale Bereiche mit unterschiedlichen Wellenlängen aufgeteilt werden. Gebräuchliche Farbfilter lassen einen eng begrenzten spektralen Bereich der Strahlung hindurchtreten und absorbieren die übrige Strahlung. Sie können sich infolgedessen stark erwärmen. Außerdem treten vielfach im Gebiet längerer Wellen wieder störende Durchlässigkeitsbereiche auf. Auch Interferenzfilter besitzen neben dem für die Messung ausgenutzten Durchlässigkeitsbereich Nebenbereiche der Durchlässigkeit, vor allem im ultraroten Strahlungsgebiet.Device for measuring the color temperature of radiating bodies For the measurement of the color temperature, the radiation of the body to be measured must be in two spectral ranges with different wavelengths can be divided. Common Color filters allow a narrowly limited spectral range of radiation to pass through and absorb the rest of the radiation. As a result, they can become very warm. In addition, in the area of longer waves, disturbing permeability areas often occur again on. In addition to the transmission range used for the measurement, interference filters also have Secondary areas of permeability, especially in the ultra-red radiation area.

Als Strahlungsempfänger für Farbpyrometer sind Fotoelemente, Fotozellen und Thermoelemente gebräuchlich. Die insbesondere bei Thermoelementen erforderliche größere Strahlungsintensität würde in den vorgeschalteten Farbfiltern eine Meßfehler verursachende Erwärmung hervorrufen. Photo elements, photocells, are used as radiation receivers for color pyrometers and thermocouples in use. The one required especially for thermocouples greater radiation intensity would cause a measurement error in the upstream color filters cause warming.

Zur Strahlentrennung bei Farbpyrometern sind außerdem sogenerrGoldfilter, d. h. mit einer Gbldschicht bedampfte Glasfolien verwendet worden, die das rote Licht reflektieren und das grüne Licht durchtreten lassen, wenn sie unter einem Winkel von 450 von der Strahlung getroffen werden. So-called gold filters are also used to separate the rays of color pyrometers. d. H. With a glass film vapor-deposited, the red Reflect light and let the green light pass through when under one Angle of 450 to be hit by the radiation.

Außerdem wurden zur Farbentrennung bei Farbfernsehgeräten mit Salzschichten bedeckte Gläser verwendet, die das blaue Licht reflektieren und rotes Licht durchtreten lassen. Bei diesen Filtern tritt praktisch keine Erwärmung durch Absorption auf.In addition, layers of salt were used to separate colors in color televisions uses covered glasses that reflect the blue light and allow red light to pass through permit. With these filters there is practically no heating due to absorption.

Jedoch ist die Lage der Grenzwellenlänge, bei der die Spektralbereiche getrennt werden, hier von der Dicke der aufgebrachten Goldschicht bzw. Salzschicht abhängig und kann erst nach der Herstellung der Filter festgestellt werden, wenn eine entsprechende Messung durchgefiihrt wird. Weiter ist die Lage der Grenzwellenlänge davon abhängig, unter welchem Winkel die Strahlung auf das Filter trifft. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für die Strahlentrennung bei Farbpyrometern eine Gruppe von Filtern anzugeben, deren Grenzwellenlänge allein durch das Filtermaterial bestimmt ist.However, the position of the cut-off wavelength at which the spectral ranges are separated, here by the thickness of the applied gold layer or salt layer dependent and can only be determined after the manufacture of the filter, if a corresponding measurement is carried out. Next is the position of the cut-off wavelength depends on the angle at which the radiation hits the filter. The invention is based on the task of creating a group for the separation of rays in color pyrometers of filters whose cut-off wavelength is determined solely by the filter material is.

Gemäß der Erfindung ist das Trennfilter ein Halbleiter, dessen untere Grenzwellenlänge im sichtbaren Gebiet oder im benachbarten Ultrarot zur Strahlentrennung ausgenutzt ist. Als Halbleiter für diesen Zweck besonders geeignet sind Elemente der IV. Gruppe des Periodischen Systems oder Mischverbindungen aus Elementen der III. und V. Gruppe. According to the invention, the separation filter is a semiconductor, the lower Cut-off wavelength in the visible area or in the neighboring ultra-red for radiation separation is exploited. Elements are particularly suitable as semiconductors for this purpose of the IV. group of the periodic table or mixed compounds of elements of the III. and V. group.

Als besonders vorteilhaft sind aus der IV. Gruppe des Periodischen Systems Silizium und Germanium zu nennen und aus der Gruppe der Mischverbindun- gen Galliumphosphid (GaP), Galliumarsenid (GaAs), Indiumphosphid (InP), Indiumarsenid OnAs), Indium-Arsenidantimonid [In (AsSb)j. Die jeweils erwünschten Grenzwellenbereiche, z. B. um bestimmte störende Absorptionsbanden auszuschalten, werden erhalten, wenn die genannten Halbleiter in bekannter Weise in passenden Verhältnissen gemischt sind.Particularly advantageous are from group IV of the periodic Systems silicon and germanium and from the group of mixed compounds gene Gallium phosphide (GaP), gallium arsenide (GaAs), indium phosphide (InP), indium arsenide OnAs), indium arsenide antimonide [In (AsSb) j. The respectively desired cut-off wave ranges, z. B. to switch off certain disturbing absorption bands are obtained when the said semiconductors mixed in a known manner in suitable proportions are.

Aus Germanium sind bereits optische Linsen hergestellt worden, bei denen die Durchlässigkeit für ultrarote Strahlung bei diesem Material ausgenutzt wurde. Außerdem ist es bekannt, einen Germaniumkristall als Modulator für ultrarote Strahlung zu verwenden. An den Kristall wird senkrecht zur Durchtrittsrichtung der ultraroten Stahlung eine Spannung angelegt, mit der die Zahl der Ladungsträger in dem Kristall verändert werden kann. Die Durchlässigkeit des Kristalls für ultrarote Strahlung ist dann von der angelegten Spannung abhängig, und die durchtretende Strahlung läßt sich mit dieser Spannung modulieren. Optical lenses have already been made from germanium, at which exploited the permeability for ultrared radiation in this material became. It is also known to use a germanium crystal as a modulator for ultra-red Use radiation. The crystal is perpendicular to the direction of passage A voltage is applied to ultra-red radiation, with which the number of charge carriers in the crystal can be changed. The permeability of the crystal to ultra-red Radiation is then dependent on the applied voltage, and the radiation passing through can be modulated with this voltage.

Die Halbleitermaterialien sind zur Strahlentrennung bei Farbpyrometern besonders geeignet, da sie für kurzwellige Strahlung unter einer bestimmten Grenzwellenlänge völlig undurchlässig, dagegen für langwellige Strahlung von größerer Wellenlänge als der Grenzwellenlänge entspricht, praktisch vollkommen durchlässig sind. Dieses Verhalten ist nicht wie bei den Farbgläsern auf Absorption zurückzuführen, sondern die Halbleiter lassen die langwellige Strahlung bei vernachlässigbarer kleiner Absorption und nur geringer Reflexion hindurchtreten, während die Strahlung kürzerer Wellenlänge praktisch vollkommen reflektiert wird. Bei einigen Halbleitern oder Mischverbindungen von Halbleitern tritt bei längeren Wellenlängen im langwelligen ultraroten Strahlungsgebiet eine weitere Trennstelle auf, bei der noch langwelligere Strahlung reflektiert wird. Diese Trennstelle liegt aber im Wellenlängengebiet oberhalb von 6 bis 8'1 und stört die Messung nicht, da im Strahlengang üblicherweise bei Farbpyrometern Glaslinsen oder Glasscheiben angeordnet sind, die ohnehin alle Strahlung absorbieren, deren Wellenlänge größer ist als etwa 4 bis 5 u. The semiconductor materials are used to separate the rays in color pyrometers particularly suitable as they are used for short-wave radiation below a certain cut-off wavelength completely opaque, but for long-wave radiation of greater wavelength than corresponds to the cut-off wavelength, are practically completely transparent. This Behavior is not due to absorption, as is the case with colored glasses, but rather the semiconductors leave the long-wave radiation with negligibly small absorption and only little reflection pass through, while the radiation of shorter wavelengths is practically completely reflected. With some semiconductors or mixed compounds of semiconductors occurs at longer wavelengths in the long-wave ultra-red radiation region Another separation point at which even longer-wave radiation is reflected. This separation point but lies in the wavelength range above 6 to 8'1 and does not interfere with the measurement, since it is usually in the beam path with color pyrometers Glass lenses or glass panes are arranged, which absorb all radiation anyway, whose wavelength is greater than about 4 to 5 u.

Bei den Halbleitermaterialien ist die Grenzwellenlänge unabhängig von dem Winkel, unter dem die Strahlung einfällt und unabhängig von der Dicke des Filtermaterials. Die Trennstelle läßt sich daher reproduzierbar auf einen bestimmten Wellenlängenwert einstellen, indem die entsprechende Halbleiterlegierung passend gewählt wird. Diese Eigenschaft unterscheidet die genannten Filter vorteilhaft von den früher erwähnten Goldfiltern. In the case of semiconductor materials, the cut-off wavelength is independent of the angle at which the radiation is incident and independent of the thickness of the Filter material. The separation point can therefore be reproducible on a specific one Adjust wavelength value by matching the appropriate semiconductor alloy is chosen. This characteristic advantageously distinguishes the filters mentioned from the gold filters mentioned earlier.

Ein besonders einfaches Farbfilter wird erhalten, wenn der Halbleiter als Scheibe oder Platte ausgebildet und in bei Farbpyrometern bekannter Weise zur Aufteilung der Strahlung in einen reflektierten und einen durchgelassenen Anteil zur Achse der Strahlung schräg gestellt ist. Der durchgelassene Anteil enthält die langwellige Strahlung, während die reflektierte Komponente sich aus kurzwelliger Strahlung unterhalb der Grezwellenlänge und einem geringen Anteil restlicher reflektierter langwelliger Strahlung zusammensetzt. Die Strahlung beider Strahlungswege trifft auf je einen Strahlungsempfänger beliebiger Art, vornehmlich auf je ein Vielfachthermoelement. Als Halbleiterfilter eignen sich besonders GaAs, InP, Si, Ge und Jn (As, Sb), deren Grenzwellenlängen in der Reihenfolge der Aufzählung bei 0,92; 1,0; 1,2; 1,7 und 2,5 Z liegen. A particularly simple color filter is obtained when the semiconductor designed as a disk or plate and used in a manner known from color pyrometers Division of the radiation into a reflected and a transmitted part is inclined to the axis of the radiation. The portion that has passed through contains the long-wave radiation, while the reflected component is made up of short-wave radiation Radiation below the Grez wavelength and a small proportion of remaining reflected composed of long-wave radiation. The radiation from both radiation paths hits each with a radiation receiver of any type, primarily each with a multiple thermocouple. Particularly suitable semiconductor filters are GaAs, InP, Si, Ge and Jn (As, Sb), their Cut-off wavelengths in the order of listing at 0.92; 1.0; 1.2; 1.7 and 2.5 Z lie.

Als Strahlungsempfänger können in bekannter Weise auch Fotoelemente oder Fotozellen beliebiger Art verwendet werden. In diesem Fall muß ein Halbleitermaterial benutzt werden, dessen Grenzwellenlänge innerhalb des Empfindlichkeitsbereiches der verwendeten Fotoelemente oder Fotozellen liegt. In Verbindung mit lichtelektrischen Empfängern, die auf das sichtbare Strahlungsgebiet ansprechen, eignet sich besonders Galliumphosphid (GaP), dessen Grenzwellenlänge bei 0,55 liegt. As a radiation receiver, photo elements can also be used in a known manner or photocells of any kind can be used. In this case, a semiconductor material must be used are used whose cut-off wavelength is within the sensitivity range of the photo elements or photocells used. In conjunction with photoelectric Receivers that respond to the visible radiation area are particularly suitable Gallium phosphide (GaP), the cutoff wavelength of which is 0.55.

Man kann auch bestimmte Wellenlängenbereiche aussondern, wenn man geeignete Zusatzfilter vor oder hinter dem Hauptfilter aus Halbleitermaterial anordnet. Durch Filter vor dem Hauptfllter kann man z. B. den gesamten Strahlungsbereich nach längeren Wellenlängen hin zusätzlich begrenzen oder eine Wellenlängenbegrenzung im kurzwelligen Teil durch Filter vor dem Strahlungsempfänger für das kurzwelligere Licht bewirken. Beide Maßnahmen können auch gemeinsam angewendet werden. Zur Begrenzung im kurzwelligen Teil wird zweckmäßig wiederum ein Filter aus Halbleiterwerkstoff benutzt, dessen Grenzwellenlängen bei kürzerer Wellenlänge liegen als das Hauptfilter. Es kann dann entweder der vom Zusatzfilter durchgelassene oder auch der reflektierte Anteil der Strahlung auf den Empfänger für den kurzwelligeren Lichtanteil treffen. You can also sort out certain wavelength ranges if you arranges suitable additional filter in front of or behind the main filter made of semiconductor material. Filters in front of the main filter can be used, for. B. after the entire radiation area Limit longer wavelengths in addition or a wavelength limitation in the short-wave part through filters in front of the radiation receiver for the shorter-wave part Cause light. Both measures can also be used together. To the limit In the short-wave part, a filter made of semiconductor material is again expedient used whose cut-off wavelengths are shorter than the main filter. Either the filter let through by the additional filter or the reflected one can then be used Part of the radiation hits the receiver for the shorter-wave light component.

Für die Anzeige der Farbtemperatur können an sich beliebige bekannte Kompensationsverfahren benutzt werden, durch die das Verhältnis der beiden Strahlungsenergien bestimmt wird. Auch die sonstigen bekannten Schaltungen zur Darstellung des Quotienten der von den beiden Strahlungsempfängern abgegebenen elektrischen Leistung sind verwendbar, z. B. Quotientenmeßgeräte, Differenzmeßschaltungen unter Benutzung von logarithmierenden Schalt- elementen od. dgl. Ferner kann auch das bekannte Wechsellichtverfahren eingesetzt werden, das nur eine lichtelektrische Zelle erfordert und Ungleichmäßigkeiten der sonst üblichen zwei Empfänger ausschaltet. Any known ones can be used for the display of the color temperature Compensation methods are used, through which the ratio of the two radiation energies is determined. Also the other known circuits for representing the quotient the electrical power emitted by the two radiation receivers can be used, z. B. quotient measuring devices, differential measuring circuits using logarithmic Switching elements or the like. Furthermore, the known alternating light method can also be used which requires only one photoelectric cell and irregularities in the otherwise usual two receivers turns off.

Die Zeichnung zeigt in schematischer Darstellung drei der Erläuterung dienende Ausführungsbeispiele von erfindungsgemäß ausgebildeten Farbtemperatur-Meßeinrichtungen. In F i g. 1 ist der Strahlengang einer mit zwei Thermoelementen als Strahlungsempfänger ausgerüsteten Meßeinrichtung mit einem Trennfilter dargestellt; Fig. 2 zeigt ein Beispiel für eine an sich bekannte selbsttätige Kompensationsmeßeinrichtung, die an die Thermoelemente des Farbpyrometers nach Fig. 1 angeschlossen werden kann; Fig.3 gibt eine Anordnung wieder. bei der durch mehrere Filter eine zusätzliche Strahlenbegrenzung vorgenommen wird. The drawing shows a schematic representation of three of the explanations Serving embodiments of color temperature measuring devices designed according to the invention. In Fig. 1 is the beam path of one with two thermocouples as radiation receivers equipped measuring device shown with a separating filter; Fig. 2 shows a Example of an automatic compensation measuring device known per se, which can be connected to the thermocouples of the color pyrometer of Figure 1; 3 shows an arrangement. in the case of an additional filter through several filters Radiation limitation is made.

Nach Fig. 1 trifft die Strahlung des Körpers 1, dessen Temperatur gemessen werden soll, auf das Objektiv L1 des erfindungsgemäß ausgebildeten Farbpyrometers 2. Das von der Linse L1 entworfene Bild des Körpers 1 wird über die Linsen auf die Vielfachthermoelemente Tlz, und Th2. abgebildet. In gleicher Entfernung von beiden Thermoelementen befindet sich eine Scheibe aus Halbleitermaterial. die unter einem Winkel von 450 schräg zur Achse der Strahlung steht. Durch diese Scheibe F wird die einfallende Strahlung in zwei Bereiche unterschiedlicher Wellenlänge aufgeteilt. Die hindurchtretende und auf das Thermoelement Th1 treffende Strahlung besteht aus langwelligem Licht und enthält nur Wellenlängen, die größer sind als die Grenzwellenlängen des Halbleiters. Das an der Halbleiterscheibe reflektierte Licht enthält den kurzrvellig n Anteil oberhalb der Grenzwellenlänge und nur emen geringen Teil von noch reflektierter langwelliger Strahlung. Die beiden Thermoelemente sind, wie Fig.2 zeigt, gegeneinandergeschaltet, und die Spannungsdifferenz wird dem Eingang eines Kompensationsverstärkers K zugeführt. Im Kreis des einen Thermoelementes ist ein Widerstand 3 mit einem verstellbaren Abgriff 4 angeordnet. Dieser Abgriff wird in bekannter Weise von einem im Ausgang des Kompensationsverstärkers K angeordneten Stellmotor 5 so lange verstellt, bis die Spannungsdifferenz im Eingang des Verstärkers praktisch verschwindet. Die Stellung des Schleifers 4 ist dann ein Maß für die Farbtemperatur des Körpers 1. Derartige Kompensationsschaltungen sind bekannt. According to Fig. 1, the radiation of the body 1 hits its temperature is to be measured on the objective L1 of the color pyrometer designed according to the invention 2. The image of the body 1 designed by the lens L1 is applied to the Multiple thermocouples Tlz, and Th2. pictured. Equal distance from both Thermocouples are a disk made of semiconductor material. those under one Angle of 450 is inclined to the axis of the radiation. Through this disk F is the incident radiation is divided into two ranges of different wavelengths. The radiation that passes through and hits the thermocouple Th1 consists of long-wave light and only contains wavelengths that are larger than the cut-off wavelengths of the semiconductor. The light reflected on the semiconductor wafer contains the short-wave n portion above the cut-off wavelength and only a small portion of still reflected long-wave radiation. The two thermocouples are, as shown in Fig. 2, connected to each other, and the voltage difference is fed to the input of a compensation amplifier K. In the circle of one thermocouple there is a resistor 3 with an adjustable one Tap 4 arranged. This tap is in a known manner from one in the output of the compensation amplifier K arranged servomotor 5 adjusted until the voltage difference in the input of the amplifier practically disappears. The position of the grinder 4 is then a measure of the color temperature of the body 1. Such Compensation circuits are known.

Nach Fig.3 wird die Schaltung zunächst in gleicher Weise wie in Fig. 1 über eine LinsenanordnungLt und L2 geleitet und tritt dann durch ein Olasfilter 6, das Wellenlängen über etwa 2 CL nicht mehr durchläßt. Das Licht trifft weiter auf ein halbdurchlässiges Trennfilter 7, z. B. aus Germanium mit einer Grenzwellenlänge bei 1,7 p und wird hierdurch in einen durchgelassenen Anteil 8 und einen reflektierten Anteil 9 aufgespalten. Der durchgelassene Anteil 8 enthält Licht der Wellenlängen zwischen 1,7 und 211 und trifft auf den Strahlungsempfänger 10. Das reflektierte Licht 9, das die Wellenlängen unterhalb 1,7 u enthält, trifft auf ein Halbleiterfilter 11, z. B. aus Silizium (Grenzwellenlänge 1,2 p), und dieses läßt nun Strahlen oberhalb 1,2 , d. h. zwischen 1,2 und 1,7 Z durch, reflektiert dagegen Strahlen unterhalb 1,2y. Der Strahlungsempfänger 12 ist im Zeichnungsbeispiel hinter dem Filter 11 angeordnet. Er könnte auch in den Strahlengang des reflektierten Lichtes gesetzt werden, wenn man das Licht der Wellenlängen unter 1,2 pt zur Messung heranziehen wollte. According to Fig. 3, the circuit is initially in the same way as in Fig. 1 is passed through a lens array LT and L2 and then passes through an Olas filter 6, which no longer transmits wavelengths above about 2 CL. The light continues to hit on a semi-permeable separating filter 7, e.g. B. of germanium with a cutoff wavelength at 1.7 p and is thereby divided into a transmitted portion 8 and a reflected portion Split 9 share. The transmitted portion 8 contains light of the wavelengths between 1.7 and 211 and hits the radiation receiver 10. The reflected Light 9, which contains the wavelengths below 1.7 u, hits a semiconductor filter 11, e.g. B. made of silicon (cut-off wavelength 1.2 p), and this now lets rays above 1.2, d. H. between 1.2 and 1.7 Z through, reflected on the other hand rays below 1.2y. The radiation receiver 12 is in the drawing example behind the Filter 11 arranged. It could also be in the beam path of the reflected light can be set if one uses the light of the wavelengths below 1.2 pt for the measurement wanted to.

Die Lichtführung kann in beliebiger anderer Weise vorgenommen werden. So kann beispielsweise lediglich eine Fotozelle benutzt werden und die Strahlung der beiden Strahlungswege nach dem bekannten Wechsellichtverfahren abwechselnd auf die Fotozelle treffen. The light can be guided in any other way. For example, only one photocell can be used and the radiation of the two radiation paths alternately according to the known alternating light method hit the photocell.

Claims

Claims: 1. Device for measuring the color temperature of radiating bodies with filters separating the spectral regions to be compared, in which the not transmitted part of the spectrum is mainly reflected is, d u r c h characterized that the separation filter is a semiconductor, its lower cut-off wavelength in the visible area or in the neighboring ultra-red for radiation separation is exploited.

2. Device according to claim 1, characterized in that as semiconductor elements of the IV. group of the periodic table or mixed compounds of elements of the III. and V. Group of the Periodic Table can be used.

3. Device according to claim 2, characterized in that as a semiconductor GaP, InP, Si, Ge, In (As, Sb) can be used.

4. Device according to claim 1 or the following, characterized in that that the semiconductor is designed as a disk or plate and in color pyrometers known way, to split the radiation into a reflected and a transmitted Part that is inclined to the axis of the radiation.

5. Device according to claim 4, characterized in that in the beam path of the reflected, shorter-wave part, a second semiconductor filter is arranged whose cutoff wavelength is shorter than that of the separation filter.

Documents considered: German Patent No. 880 504; Swiss Patent No. 262 325; U.S. Patent No. 2237713; Hemsing, "Temperaturmessage", 1955, p. 202, 2nd edition; "Physica", 20 (1954), p. 905; »Electronics«, October 1954, pp. 155 to 157; "Physical Review", 1949, pp. 1705-1710; 1950, p. 287; "Physikalisches Taschenbuch", 1951, pp. 235, 236; "Journal of the Optical Society", 1957, pp. 244 to 246.