JPH0579447U - 光パワー測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 温度差検出素子を使用せずに正確な測定が可
能な光パワー測定装置を提供する。 【構成】 測定光を熱として吸収すると共にヒータを有
する熱吸収体１と、温度の基準になる温度基準ジャケッ
ト８と、熱吸収体１を冷却する熱電冷却素子７と、交流
電流が重畳された冷却電流を熱電冷却素子に印加する電
流源２１と、電流源２１により印加された交流電流の電
圧降下により発生した交流電圧から熱電冷却素子７の抵
抗値を検出し、補償電圧を求める補償電圧生成手段２
２，２３と、熱電冷却素子７の端子間電圧と補償電圧と
の差を演算して温度差に応じた制御電圧を生成する温度
差検出手段２４と、温度差検出手段２４の制御電圧を受
けて熱電冷却素子での温度差が減少するようにヒータ４
に電流を供給する制御手段２５とを備えたことを特徴と
する光パワー測定装置。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案はレーザ等の光のパワーを測定するための光パワー測定装置に関し、更 に詳しくは熱電変換素子についての改善に関する。

【０００２】

【従来の技術】

この種の光パワー測定装置としては図２の構成のものが良く知られている。ま た、図３は受光ヘッド部分の詳細を示す図である。

【０００３】 これらの図において、１はセンサ部Ｓを形成する受光体であり、内面に光吸収 塗料２が塗布された筒体３及びヒータ４が埋設された伝熱板５で構成されている 。６，６ａは温度差検出素子、７は熱電冷却素子であり、これらの素子は同等な 性能を有するペルチェ素子で形成され、伝熱板５と基準ジャケット８に挾まれた 状態で固定されている。なお、基準ジャケット８の外周は温度を安定化するため に中間ジャケット９と外部ジャケット１０で囲まれていて、センサ部Ｓが三重の ジャケットで囲まれた受光ヘッドＡとして構成されている。なお、筒体３を含む 伝熱板５の熱容量と基準ジャケット８の熱容量は、1:1000程度で基準ジャケット ９の方が大きくなっている。

【０００４】 １１は熱電冷却素子７に接続された定電流源である。１２は温度差検出素子６ ，６ａからの出力より等温制御のためのヒータパワーを求めるフィードバックア ンプである。このフィードバックアンプ１２の出力は、ヒータ４に印加されると 共に、入射した光パワーを求めるため外部に出力される。尚、フィードバックア ンプ１２は、プリアンプ１３及びＰＩＤアンプ１４で構成されている。

【０００５】 上記構成において、測定光が入力されていない場合、基準ジャケット８は室温 とされ、ペルチェ素子からなる熱電冷却素子７には定電流源１１から一定な値Ｉ A の電流が常時加えられ、伝熱板５側を常に冷却している。この場合、基準ジャ ケット８側は加熱されることになるが、この基準ジャケット８の熱容量は大きく 、熱電冷却素子７の加熱量は僅かである。従って、熱電冷却素子７と定電流源１ １により、常時受光体１側の温度を低める方向に作用している。

【０００６】 一方、温度差検出素子６，６ａはこの温度差（基準ジャケット８と伝熱板５の 温度差：ｎＶレベル）を検出し、プリアンプ１３はその出力を（ｍＶレベル）に 増幅し、ＰＩＤアンプ１４に加える。そして、ＰＩＤアンプ１４で所定の演算（ この演算は伝熱板５と基準ジャケット８の温度が速く一致するように制御するた めの公知のＰＩＤ演算）が施される。このＰＩＤアンプ１４の出力はヒータ４に 加えられてヒータ４の温度を上昇させ、温度差検出素子６ａ，６ｂの出力が零に なるように制御する。

【０００７】 従って、図２の装置では、熱電冷却素子７と定電流源１１の作用により冷却さ れた伝熱板５に対してＰＩＤアンプ１４から電圧（電流Ｉ）をヒータ４へ加えて 伝熱板５を加熱し、受光体１の温度と温度基準ジャケット８の温度が一致するよ うに制御している。

【０００８】 このような状態で、測定すべきレーザ光Ｌａが筒体３の上部から入射されると 受光体１が光を吸収し、その光パワーに応じて温度が上昇する。その熱は伝熱板 ５に伝導され、温度平衡状態にあった伝熱板５と基準ジャケット８間に温度差が 発生する。この温度差を温度差検出素子６ａ，６ｂが検出し、ＰＩＤアンプ１４ はヒータ４に送出していた電圧値を減少させる。従って、熱電冷却素子の冷却作 用により、ヒータ４の温度は低下し、伝熱板５と基準ジャケット８の温度は再び 一致する。

【０００９】

【考案が解決しようとする課題】

以上のように、熱電冷却素子７には定電流源１１から一定な値ＩA の電流が常 時加えられ、伝熱板５側を常に冷却している。この結果、基準ジャケット８側は 常時加熱されることになる。

【００１０】 以上のような構成では、複数の熱電変換素子を用いており、構造が複雑になる 欠点がある。 本考案はこのような点に着目してなされたものであり、その目的は、温度差検 出に用いる熱電変換素子周辺の構成を簡略化した光パワー測定装置を提供するこ とにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】

上記課題を解決する本考案は、 測定光を熱として吸収すると共にヒータを有する熱吸収体と、 温度の基準になる温度基準ジャケットと、 熱吸収体を冷却する熱電冷却素子と、 交流電流が重畳された冷却電流を熱電冷却素子に印加する電流源と、 電流源により印加された交流電流の電圧降下により発生した交流電圧から熱電 冷却素子の抵抗値を検出し、補償電圧を求める補償電圧生成手段と、 熱電冷却素子の端子間電圧と補償電圧との差を演算して温度差に応じた制御電 圧を生成する温度差検出手段と、 温度差検出手段の制御電圧を受けて熱電冷却素子での温度差が減少するように ヒータに電流を供給する制御手段とを備えたことを特徴とするものである。

【００１２】

【作用】

本考案において、熱吸収体を冷却する熱電冷却素子に交流電流を流し、この交 流電流で生じる電圧降下により熱電冷却素子の抵抗値を検出し、補償電圧を生成 する。そして、補償電圧と熱電冷却素子の端子間電圧とから温度差に応じた制御 電圧を得て、これにより等温制御を行う。

【００１３】

【実施例】

以下、図面を参照して本考案の実施例を詳細に説明する。 図１は本考案の一実施例を示す構成図である。既に説明したものと同一物には 同一番号を付す。

【００１４】 この図において、受光体１には伝熱板５を介して熱電冷却素子７が取付けら、 温度基準ジャケット８に連結されている。そして、熱電冷却素子７には電流源２ １からの交流が重畳された定電流Ｉが供給されており、この熱電冷却素子７の出 力（端子間電圧Ｖ１）は、交流電圧計２２及び差動増幅器２４の一端に供給され ている。また、交流電圧計２２の出力は電圧源２３に供給されており、電圧源２ ３の出力（Ｖ２）が差動増幅器２４の他端に供給されている。差動増幅器の差動 増幅出力（Ｖ３）はメイン（ＰＩＤ）アンプ２５で増幅されて、ヒータ４に供給 される。

【００１５】 このように構成した本実施例装置の動作は以下のとおりである。 差動増幅器２４の両入力端子には、熱電冷却素子７の端子間電圧Ｖ１と電圧源 ２３の発生電圧Ｖ２とが印加されており、これらの差動増幅出力がメインアンプ ２５に印加され、所定のＰＩＤ演算により等温制御のためのヒータパワーが決定 されている。

【００１６】 入射する光パワーが無いときには、熱電冷却素子７の端子間電圧Ｖ１と電圧Ｖ ２との差が無くなるような出力がヒータ４に印加されている。すなわち、メイン アンプ１４から電圧（電流Ｉ）がヒータ４へ加えられ、伝熱板５が加熱され、受 光体１の温度と温度基準ジャケット８の温度が一致するように制御されている。 このときのヒータ電力をＰ１とする。

【００１７】 このような状態で、測定すべきレーザ光が入射されると、その光パワーに応じ て受光体の１の温度が上昇する。その熱は伝熱板５に伝導され、温度平衡状態に あった伝熱板５と温度基準ジャケット８間に温度差が発生する。この温度差を熱 電冷却素子７が検出し、メインアンプ１４はヒータ４に送出していた電圧値を減 少させる。従って、ヒータ４の温度は低下し、伝熱板５と基準ジャケット８の温 度は再び一致する。このように、光パワー入力Ｐinがあると、ヒータ４の電力は これに応じて減少してＰ２となる。これにより、入射光パワーＰinはヒータ消費 電力の差（Ｐ１−Ｐ２）に比例した値に置換され、Ｐ１とＰ２を知ることによっ て入射光パワーＰinを知ることができる。

【００１８】 ところで、熱電冷却素子７の端子間電圧Ｖ１は、冷却電流Ｉによって生じる電 圧降下と、熱電冷却素子７の両面の温度差によって生じる起電力Ｖｔとの和であ る。すなわち、 Ｖ１＝Ｒｐ・Ｉ＋Ｖｔ … となる。ここで、Ｒｐは熱電冷却素子７の電気抵抗である。従って、このような 端子間電圧Ｖ１が差動増幅器２４の一端に印加されている。

【００１９】 そして、差動増幅器の他端にＶ２＝Ｒｐ・Ｉなる電圧Ｖ２を印加することによ り、差動増幅出力Ｖ３は、 Ｖ３＝Ｖ２−Ｖ１ ＝Ｇ・Ｖｔ … となる。尚、ここで、Ｇが差動利得である。

【００２０】 従って、単一の熱電変換素子（本実施例では熱電冷却素子７）のみで、冷却と 温度検出とが行え、この温度検出結果をヒータ４へ負帰還することにより等温制 御が実現される。

【００２１】 尚、電流源２１が発生する定電流Ｉに交流分ＩACを重畳しておくと、熱電冷却 素子の端子間電圧Ｖ１に含まれる交流分から抵抗値Ｒｐを求めることが可能であ る。すなわち、交流電圧計２２で、端子間電圧Ｖ１に含まれる交流分ＶACを測定 することで、抵抗値Ｒｐ（＝ＩAC／ＶAC）を求めることが出来る。カロリメータ の応答性から考慮すると、５０〜１００Ｈｚの範囲であれば等温制御には影響を 与えることがない。このようにして求めたＲｐより、Ｖ２＝Ｒｐ・Ｉなる電圧Ｖ ２を電圧源２３が上記のように発生している。

【００２２】 以上のようにして等温制御されるが、熱電冷却素子７はBi-Te 等の半導体で構 成されているため、抵抗値Ｒｐは温度により変化する。従って、高精度の等温制 御を行うためには、Ｒｐを校正する必要が有る。但し、熱電冷却素子７は温度基 準ジャケット８内に配置されているため、測定中に生じる温度変化は小さいため 、Ｒｐの校正は測定開始時に行えば十分である。

【００２３】 以上のようにすることで、熱電変換素子として熱電冷却素子のみで良く、温度 差検出素子を省略することができ、構造を簡略化することができる。 以上説明したように、熱電冷却素子の端子間電圧Ｖ１と熱電冷却素子の抵抗値 に応じた電圧Ｖ２とを差動増幅し、等温制御を行うことにより、温度差検出素子 を用いることなく、熱電冷却素子のみを使用することで、正確な温度測定および 等温制御をすることが可能な光パワーメータを実現することが可能になる。従っ て、温度差検出に用いる熱電変換素子周辺の構成を簡略化した光パワー測定装置 を実現することができる。

【００２４】

【考案の効果】

以上詳細に説明したように、本考案では、熱電冷却素子の端子間電圧Ｖ１と熱 電冷却素子の抵抗値に応じた電圧Ｖ２とを差動増幅し、等温制御を行うことによ り、温度差検出素子を用いることなく、熱電変換素子として熱電冷却素子のみを 使用して、正確な温度測定および等温制御をすることが可能になる。従って、温 度差検出に用いる熱電変換素子周辺の構成を簡略化した光パワー測定装置を実現 することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案の一実施例の構成を示す構成図である。

【図２】従来例の全体構成を示す構成図である。

【図３】受光ヘッド部分の詳細な構成を示す構成図であ
る。

【符号の説明】

１ 受光体 ２ 光吸収塗料 ３ 筒体 ４ ヒータ ５ 伝熱板 ７ 熱電冷却素子 ８ 温度基準ジャケット ２１ 電流源 ２２ 交流電圧計 ２３ 電圧源 ２４ 差動増幅器 ２５ メインアンプ

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 測定光を熱として吸収すると共にヒータ
   （４）を有する熱吸収体（１）と、 温度の基準になる温度基準ジャケット（８）と、 熱吸収体（１）を冷却する熱電冷却素子（７）と、 交流電流が重畳された冷却電流を熱電冷却素子（７）に
   印加する電流源（２１）と、 電流源（２１）により印加された交流電流の電圧降下に
   より発生した交流電圧から熱電冷却素子（７）の抵抗値
   を検出し、補償電圧を求める補償電圧生成手段（２２，
   ２３）と、 熱電冷却素子（７）の端子間電圧と補償電圧との差を演
   算して温度差に応じた制御電圧を生成する温度差検出手
   段（２４）と、 温度差検出手段（２４）の制御電圧を受けて熱電冷却素
   子（７）での温度差が減少するようにヒータ（４）に電
   流を供給する制御手段（２５）とを備えたことを特徴と
   する光パワー測定装置。