JPH06507022A - 光ルミネッセンスと黒体検出技術を組み合わせて用いた温度測定 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 光ルミネツセンスと黒体検出技術を 組み合わせて用いた温度測定 発明の背景 本発明は、一般的に言えば光学的な温度測定に関する。

平面または他の固体物体および液体または他の環境の光学的温度測定技術は伝統 的な電気的な技術２例えば熱電対を利用するもの、サーミスタまたは温度抵抗装 置（ＲＴＤｓ）に代わり、より一層用いられるようになってきている。初期の表 面の温度を測定する技術は赤外線放射計であった。この技術をもってすれば、問 題の表面から発射される赤外線のエネルギーは非接触技術によって測定できた。

もし表面の放射率が既知であればその温度は赤外線放射強度測定により算出する ことができる。問題とする表面の放射率を精密に知ることがしばしば困難である という理由からそのような測定は希望するような正確さで行われてはいない。

さらに赤外線放射計測は高温度の測定には利用できるが、低い温度の測定応用に は利用できない。

より低い温度の測定のために種々の光学技術が提案されてきた。そのような技術 のひとつは光フアイバプローブの先端の容器内に液晶のフィルムを入れておいて 、その光ファイバを生物組織の中に埋め込んでその温度を測定するものである。

センサに向かって投射された光の一部はそれによって反射されるが、それはその 温度のある種の表示をしている。この技術の例として米国６特許第４，０１６， ７８１号−ローゼル等（１９７７年）を挙げることができる。他の技術は米国特 許第４，１４０，３９３号−七タス（１９７９年）に記述されているものであっ て、複屈折結晶を光ファイバの端部に温度検出要素として利用したものである。

米国特許第４，１３６，５６６号−クリステンセン（１９７９年）は半導体材料 の光吸収端の偏移が温度の関数によることを用いたものである。

その他事（の光学的温度測定の検出器が提案されてきているが、低温測定のため の光ルミネツセンス検出器が最も広く商業的に受け入れられていることが理解で きる。初期の光ルミネツセンス装置では連続的に検出器がルミネッセンス状態に 励起され、そして定められた波長帯域内の結果としての放射の強さが測定されて いた。これらの技術の実施形態は米国特許第４，４４８．５４７号−ライツカ− シャイム（１９８４年）および第４，３７６．８９０号−エングストローム等（ １９８３年）に記述されている。

ごく最近に光ルミネツセンスの温度を依存する減衰時間が温度測定装置に利用さ れている。

検出器がそれに投射された時間的に変化する励起照射信号によってルミネッセン ス状態に励起され、そして結果の時間的に変化する特性を持つルミネッセンスが 検出され、そしてそれは温度情報を抽出するために処理される。これらは米国再 発行特許第３１，８３２号−サマルスキ（１９８５年）および米国特許第４，６ ５２．１４３号−ライツカ−シャイム等（１９８７年）および米国特許第２，１ １３，８３７Ｂ号−ボーゼルマン（１９８６年）に示されている。それらの製品 の商品化されたものは光ルミネツセンス材料がひとつの光ファイバの端部に設け られている。この技術は絶対的なレベルというよりはむしろルミネッセンス強度 の中における温度依存性のある減衰時間の変化を測定するものであるから、この 装置は許容可能な範囲の精度の測定のためにほとんど較正をあるいは全（必要と しない。

光ルミネツセンス技術は特に低い温度（例えば−１ＯＯまたは一２００’Ｃ）か らある程度の高い温度（３００から５００°Ｃ）における温度測定に利用される 。しかしながら、この技術はルミネッセンスの熱クエンチング現象に依存するも のであるから、検出器材料は非常に高い温度で照射を終了する。

１０ＱＯ’Ｃまたはそのあたりまで使われる光のルミネッセンス材料は非常に少 なくこれらの材料は大変制限された使用範囲にあり、より低い温度の測定には利 用できない。

分離された物体の技術として黒体の構成を検出器として利用した光フアイバプロ ーブ温度検出器が開発されてきている。そのような技術の例は米国特許第４゜５ ７６．４８６号−ディルス（１９８６年）、第４゜７５０．１３９号−ディルス （１９８８年）および第４．８４５，６４７号−ディルス等（１９８９年）に示 されている。極端な非常に高い温度を測定するためにまず最初に設計されたもの として、これらの温度に耐えることができる光学的な透過可能性を持つプローブ の端部に適当な不透明な材料が黒体空洞を形成するために塗布されている。黒体 空洞からの温度依存性をもつ赤外線放射が光伝送媒体によって接続されている光 ファイバに伝えられ、それから計測装置に伝えられる。さらに外部の物体または 表面が黒体空洞の形に形成されていて、光を集めるために光パイプが設けられて 、レンズシステムを用いたり用いなかったりする。

その伝送用の放射が黒体に非接触の検出器で集められる。

一方、そのような赤外線システムが近赤外検出器を主として用いられ、伝送材料 は広い温度範囲をカバーすることができるが、低い温度、（例えば２００°Ｃか ら３００°Ｃ以下）では使用できず、その結果多くの環境温度の測定に利用でき ない。このような低温度における制限をある範囲で治癒するために、電気的な技 術１例えば熱電対を使用するような技術が黒体検出器の利用と結合して行われて きているが、これは光ではない温度測定技術の奇妙な結合であった。

さらに黒体放射は温度の変数の項において、物理の法則に極めて良く適合するの であるが、放射は他の要素によって修正される。例えば、コネクタとか伝送材料 である。このシステムは強度の測定によるものであるから、完全な較正システム が要求されている。

このことはいつでも簡単に実行できたりまたは可能であるというものではな（、 工業的なプロセス制御とか宇宙空間における利用であって、光学的な伝送ケーブ ルがシステムの中に前もって配置され、検出器は全（離れた所、すなわち典型的 には近づくことができない場合などでは特にそうである。

本発明の目的は非常に広い温度の範囲において、温度を正確に測定することがで きる光学的システムを提供することである。

本発明のさらに他の目的は実質的に自己−較正をすることができるシステムを提 供することである。

発明の要約 この目的およびその他の付加的な目的は本発明によって達成されるのであるが、 ここにおいて間欠的にかつ一般的に述べれば光ルミネツセンスおよび黒体技術が ひとつの検出器を形成するために結合され、そして付属的な計測装置が広い範囲 で連続的に温度測定を可能にするために設けられる。前記検出器は光学的伝送媒 体の端部のプローブの一部であるが、または対象物に取り付けられた形態である か、またはその温度が直接光パイプまたは他の光学要素に接触することなく、計 られるべきである環境内に配置される。検出器の材料の選択に従属して、本発明 によるシステムは一２００’Ｃから１０００°Ｃまたはそれ以上の温度範囲を正 確に測定することができるであろう。このような技術とシステムの特別な応用例 は航空機または宇宙船であって、それらが関連する温度は極端に低い温度環境で ある宇宙空間から極端に高い温度を発生するジェットエンジンまたは地球の大気 圏に再突入するための乗り物の先端部に発生する高温の測定である。

本発明は２つの異なった光学技術を結合させて、ひとつのシステムを構成し、そ してそれが実質的に自己−較正可能であって、そしてより広い温度範囲、すなわ ち低温学的な温度領域から検出器が灼熱に晒される温度に至るまでを測定できる のである。唯一の条件は検出器とプローブ材料が要求される最高温度の範囲内で 物理的な損傷または光学的特徴の損傷または変化がないことである。幸いなこと にはそのような材料が現存し、かつそのようなハイブリッドシステムに利用可能 である。

その他の目的と本発明の種々の特徴における利点はその好適な実施形態の記述に より明らかにされるものであり、それらの記述は添付の図面を参照して行われる 。

図面の簡単な説明 図１は光ルミネツセンスと黒体温度測定技術を結合の概念的説明図； 図２および４は黒体検出器の特性の例を示す図；図３および５は光ルミネツセン ス検出器の特性を示す図； 図６は光ルミネツセンスと黒体測定を共同的な効果により拡張された連続する温 度範囲を測定するための状態を示す図； 図７から１３はルミネッセンス物質と黒体の特定の温度測定プローブの種々の実 施形態を示す断面図；図１４および１５は光ルミネッセンス材料、それ自体を黒 体の容器を形成するために用いた実施形態の部分断面図； 図１６および１７は遠隔的に温度を測定するための特定の異なる配列を図示して いる図； 図１８は一般的に光検出および信号処理のひとつの形態を示す図； 図１９は光学検出および信号処理の他の例を示す図；図２０は光学検出および信 号処理のさらに他の例を示す図； 図２１は図２０の具体例に使用される二重形状の検出器の正面図である。

好適な実施例の説明 まず初めに図１を参照すると、そこには光ルミネツセンスと黒体温度測定技術を 組み合わせた技術が一般的に示されている。温度が測定されるべき環境１１の中 に配置されているのは、２つの温度測定用のプローブであり、ひとつは光ルミネ ツセンス検出器１３が光学伝送ファイバまたは光バイブ１５の先端に付着されて おり、そしてその他は黒体検出器１７が光学的に透明なファイバまたは光バイブ １９の先端に支持されている。これらのプローブの材料は当然なことではあるが 、測定されるべき温度の全範囲の影響に対して耐えられるものである。光バイブ １５と１９は一般的にサファイアから選ばれるのであって、その理由はそれらが 非常に高い温度に対応するからであるが、別の材料も同様に利用できる。光ルミ ネツセンスプローブは光ファイバ２１によって測定装置２３に光学的に接続され ており、そして黒体プローブは光ファイバ２５にょってその計測装置２７に接続 されている。光ルミネツセンスおよび黒体温度測定システムの各々は別々に本発 明の譲受人であるラフストロン　コーポレイションによって販売されている。こ こで新しいと言えるものは、このシステムに設けられた２つの温度測定技術を組 合せて利用することである。

検出器と測定技術であって、２つの測定を結合されたものの具体的な形態を説明 する前に、黒体およびルミネッセンス計測技術の各々の特徴を別々に説明する。

黒体技術であって、光バイブの先端にフィルムを配置することによって形成され る黒体空洞の構造については前述した米国特許第４．５７６．４８６号に示され ており、それを参照されたい。光パイプの先端は図７の実施例の光バイブ２９と して示されているように一般的に傾斜させられている。その端部に好ましくはス パッタリング技術によってコーティングされているものは適当な黒体空洞を形成 する層３１であって、例えば白金ロジュームである。その層は速い温度応答を提 供するために薄く作られている。その空洞は光ノくイブ２９の長さに沿うある一 定の方向に光照射スベクｌ−）しの赤外線端の電磁波を照射する。その結果得ら れた赤外線光学信号３３は測定装置に伝送され、放出された放射の強度は温度に 変換される。

そのような検出器の放射は図２中の曲線群として示されており、放射のスペクト ラムは一般的に赤外線領域にあり、その強度は温度の上昇とともに上昇している 。検出器によって受信される信号は図２に示されたもののバンド幅を制限した形 状のものであり、その理由はサファイアの光バイブと光フアイバリンクはある種 の制限効果を持っているからである。さらに加えるにある形態としてはシリコン 光ダイオードが検出器として使用され、そして狭い帯域幅の光学フィルタであっ て、はぼ０．９５ミクロン波長のものがそれに関連して使用される。この光検出 器の電気的な信号出力は黒体検出器の温度と関連づけられる。

温度の関数としての黒体放射の特性の例は特定な光学および検出器の結合で測定 されたものとして図４の曲線群に示されている。曲線４２はインジュームーガリ ウムー砒素検出器で０．８から１．７ミクロンの領域における応答を示している 。曲線４４にはシリコンホトダイオードで光学伝送媒体それ自身によって提供さ れるものを除けば、いかなるフィルタも使用しない場合の応答を示している。曲 線４６は中心の波長が０．９５ミクロンである狭い帯域幅のフィルタを使用した 場合の応答を示している。

ひとつの形態として図７に示されている光ルミネツセンス検出器の構造において 粉末状のルミネッセンス材料が検出器３５を形成し、それは物理的にサファイア 光パイプ３７に付着されており、サファイア光ノ（イブは、３９として示されて いる光信号を搬送し、励起用の信号は検出器３５に向けられ、温度に依存するル ミネッセンス信号はそれから計測装置の光検出器に搬送される。好適な光ルミネ ツセンス材料と温度測定システムは同時継続中の出願番号環６２１．９００号、 １９９０年１２月４日にジエンセン等によって出願されたものであり、この発明 等の所有者と同一人に帰属するものであり、これも参照文献とされるべきである 。

好ましいルミネッセンス材料であって、その出願に記載されているものはクロー ムで活性化されたイットリュームーガリウムーガーネット（ＹＧＧ”）である。

これは本発明においてそれが拡張された温度領域の上限においても充分に機能す るという点に特徴がある。

図３を参照すると曲線４１はこの特殊の光ルミネツセンス材料の吸収スペクトル を示しており、一方向線４３はその結果としてのルミネッセンス放射スペクトル を示している。その材料はその吸収スペクトルの範囲内にあるｏ、　６５　ミク ロンの波長の光放射ダイオードから励起されている。そのルミネッセンスはその 波長が適当なフィルタによってほぼ０．７５ミクロンに定められた後にシリコン ホトダイオードによって検出される。図５は前記ルミネッセンス材料の温度の関 数としての減衰時間を示す曲線を示している。

図１に示される結合されたシステムにおいてその変形された部分は次の通りであ り、連続的な温度測定能力は光ルミネツセンス検出器がこの範囲の低い方の領域 を測定し、黒体検出器によって高い方の領域が測定されることにより達成される 。温度のある領域において、各々の技術によって測定される測定値が重なり合う ところがあるから、それらの一方によるべきか、他方の温度信号によるべきかを 決定する必要がある。

図６に示されている曲線群は好ましい温度の変換点を示している。黒体測定にお ける下側の限界は一時的には光検出器と光伝送媒体の帯域幅の制限によって決定 される。３つの曲線４５．４７および４９は異なった黒体の検出器の装置につい てであるが、同様な光フアイバ伝送系統を用いたものであって、測定された電気 信号のノイズレベルの推定は温度の関数として成される。同様にして下線の示す 曲線５１はそのような前述した好ましい光ルミネツセンスシステムのためのその ような雑音の関数の推測を示している。

最も低い雑音の測定は結合された技術および下限の温度範囲において取得できる ものであって、それらの温度における転移温度は図６に示す曲線のそれぞれの交 差する点である。

例えば曲線４５はシリコンダイオードを用いて黒体放射を前述した形態の光ファ イバを用いてフィルタを用いないで測定した場合を示している。この曲線４７は 曲線５１とほぼ２８０°Ｃで交差している。

曲線４９は同様なシリコンホトダイオードが用いられているのであるが、黒体放 射の波長が狭い帯域幅の光学フィルタによって０．９５　ミクロンの近傍に限定 された場合を示している。もしこの結合が用いられる場合においては、交差温度 はほぼ３２５°Ｃである。

同様にして曲線４５はインジュームーガリウムー砒素の黒体放射光検出器の使用 をフィルタを用いないで使用した場合においてであって、光ルミネツセンスシス テムとの交差点はこのような条件下において約１６０°Ｃである。しかしながら 、与えられた光ルミネツセンスと黒体温度測定との組合せはひとつの交差温度を 持っており、それが自動的に両方の信号の電気信号の処理または図１の二重シス テムのユーザーによって行われる。光ルミネツセンス計測装置２３からの温度は 与えられた温度システムの温度交差点以下であり、それ以上の温度については黒 体計測装置２７の温度に依存させられる。

図６はまたかなりの範囲の精度でもって、いずれのシステムでも測定できる重な り合いがあることを示している。図１の破線５３は装置２３および２７において 行われるであろう結合であって、黒体放射の読み取りの較正をするために光ルミ ネツセンスの読み取りをこの重ね合った領域で利用する電気的またはマニュアル による関わり合いを示している。上述したように光ルミネツセンスの温度測定シ ステムはルミネッセンスの温度に依存する減衰時間に基礎を置くものであるから 、はとんどまたは全く較正を必要としない。

検出される絶対的な信号レベルに影響を与える２例えば光源の老化、および光源 または検出器の老化、光コネクタの結合度の変化、光伝送の変化等々は光ルミネ ツセンス減衰時間には影響を与えない。しかしこれらの要素は検出されるべき黒 体温度放射の絶対的強度に影響を与えるものであるから、黒体については定期的 な較正が必要となる。

そのような較正は図１のシステムにおいて各々の光ルミネツセンス検出器１３お よび黒体検出器１７を共に共通の温度内で、図６に示される温度の適当な交差点 近辺の帯域中に配置することによって容易に実行できる。光ルミネツセンス計測 装置２３によって測定された信頼に足る温度が黒体装置２７の測定値を調節する ために利用される。一度調整が成されると黒体計測用の装置２７は光ルミネツセ ンス検出器が満足に動作するのには非常に高い温度領域を含むその半分の領域の 全範囲に亘って正確に働くであろう。同様にして黒体計測は光ルミネツセンス計 測をその同じ温度領域において較正することができるものであって、これも必要 となる。そのようなひとつの例は光ルミネツセンス材料のその応答特性が高過ぎ る温度に晒されることによって変化した場合であって、黒体部分がごく最近の較 正によって正しく保たれている場合である。

分離されている光ルミネツセンスおよび黒体検出器の結合が図７に示されている ように好ましくは高い温度耐性を有する鞘５５によって２例えばサファイア性の ものによって囲まれていることが好ましい。

このような鞘の内部が空気またはその他の材料であって、それらの屈折率が前記 材料（例えば典型的なサファイア）が形成する光ファイバまたは光バイブ２９お よび３７の屈折率よりも少ないこと、個々の光信号３３および３９は別々に検出 され、処理される。

さらに光ルミネツセンスおよび黒体技術を結合させるために図８から図１３にい くつかの例が示されており、それらはひとつの光バイブまたはこの具体例に示さ れているようなサファイアのパイプであって、その中に黒体と光検出のユニット が組み込まれている。

図８において、円形の断面をもつ光パイプ５７は、円形の孔がその端部に設けら れている。この孔の底には、ある量の光ルミネツセンス材料５９が配置され、そ れは、その孔の中に栓６１によって保持されている。

粉末状のルミネッセンス材料の使用はその検出器が均一性を保ち、かつ再現可能 性をもっているという理由で好ましいものであるが、ルミネッセンス結晶材料も 代わりに用いることができる。黒体空洞であってその中にルミネッセンス材料５ ９が存在するものはこの様な目的で使用される一般的なタイプのコーティング６ ３が施されている。２つの検出器と計測装置間の光の結合は、一本の光バイブ５ ７によって行われる。

変形させたプローブが図９に示されており、それは中心の光学的光バイブロ・５ を含んでおり、それはある量のルミネッセンス材料６７をその端部に鞘６９で囲 むことによって保持している。鞘６９の外側はその閉じられた端部において光ル ミネツセンス材料６７を囲んでおり、それは黒体空洞を形成する透明コーティン グ７１である。鞘６９の屈折率は光バイブロ５のそれよりも少なく、それにより クラッドを形成し、もし光バイブロ５が適当に光信号を伝送すれば、その長さ方 向に亘って高い損失なしに伝送することができる。

しかしながら、鞘７１からの光信号を光バイブロ５であってその端部が隣接して いるものへの光結合が好ましくその理由は黒体と光ルミネツセンス放射信号の両 方が相当なレベルで鞘６９内に存在するからである。

これは、光バイブロ５の端部に近接する領域の表面を荒らすことによって完成さ れる。

利用できる材料から光バイブロ５と鞘６９の近接する部分の反射率の好ましい差 を得ることが困難であることから、他の代替構造、例えば図１０に示されている ものがあり、それはより小さな径の光パイプ７８を同様な１ｌｆｉ６９’の中に 空気空間７２が光パイプ７３を囲むように配置するものである。空気空間７２は その反射率がサファイアのそれよりも一層低いことから、クラッドとして働（。

しかし光ルミネツセンス材料６７′を鞘６９′に一定量を補足してお（ために円 筒状であって光学的に透明な栓７５が鞘６９′に光パイプ７３の端部において堅 く嵌められる。この具体例において、図９の実施例に関連して説明したように、 荒らされた表面であって、そこに栓７５が鞘６９′の内側に接触することも好ま しいことである。そのような荒らしは、層７１′によって形成されている黒体キ ャビティとの間の光学的通信を改良させることができ、光ルミネツセンス材料が 一方において、光パイプ７３、他方において鞘６９′と栓７５を介して改良され た光結合をする。

図１１を参照すると、光信号を端部および光パイプの横側を介して選択的に通信 する能力を持つものが有効に利用されている。光パイプまたはロッド７７は黒体 空洞、その端部に適用された層７９により形成される黒体空洞をもっている。こ のコーティングに近接しているが、黒体空洞自身の外側に位置する帯８１が光バ イブ７７を巻いている。帯８１は、光ルミネツセンス材料を含んでいる。光バイ ブ７７の外側は、光ルミネツセンス検出器８１に接触しており、そこは光線がそ れおよび光バイブ７７間を移行できるように荒らされている。図１１に示される 構造のひとつの特徴は、２種類の光信号が異なったモードによって光パイプ７７ に沿って伝送され、黒体強度信号８３は基本的には低い次数（中心）のモードで 、光ルミネツセンス信号は高い次数のモード８５で伝送されることである。

図１２の検出器は、図１１のそれと似ているが、光ルミネツセンス材料検出器８ ７が直接に光バイブ８９に付着させられており、効果的に黒体空洞を完成してお り、残りは光バイブ８９をその端部に近接する領域で円環状の取り巻きを形成し ている。前述したように光バイブ８９の表面は荒らされており、そこに黒体のコ ーティング９１が存在する。この場合において、低い次数（中心）モード９３が ほとんどのルミネッセンス検出器８７からの信号を含み、一方、高い次数のモー ド９５はほとんどの黒体空洞からの信号を含んでいる。

図１３に示されている検出器の実施例は、好ましい光ルミネツセンス材料がサフ ァイアから作られているという事実を特徴としている。ルビーであって、以前光 ルミネツセンス温度検出器として利用できると提案されているものが、クローム をサファイアにドーピングすることによって形成される。通常のサファイアの光 学的光バイブ９７は、図１３に示されているようにクロミュームが黒体空洞の中 に拡散させられている。

図１３に示されているように、光バイブ９７の端部における点の密度を変えるこ とにより、添加物の密度がバイブ端において最も高く、それからその端部から離 れるにしたがってゼロに向かって減少していることを示している。黒体空洞は通 常の形の層１０１によって形成され、それは光パイプ９７の端部に位置させられ ている。変形例として、添加物で充分な黒体空洞をそれ自身によって構成するこ とがある。

図８−１３に示す具体例について説明をしたが、温度センシングプローブは、光 ルミネツセンスおよび黒体検出器は別々に設けられている。これに対して図１４ および１５に示される具体案においては、ルミネッセンス材料それ自身が黒体空 洞の壁を形成するものである。図１４において、外側の鞘１０８が一端が閉鎖さ れており、光学的に透明な円錐状の挿入物１０５であって、光バイブ１０７に光 学的に結合しているものを収容している。円錐状の物体１０５と鞘１０３の間の 空間には光ルミネツセンス材料のある一定量１０９が封入されている。その他の 黒体空洞を形成するためにその他のコーティングは不要であり、その理由はそれ が円錐形に形成されるからである。

同様な結果が異なった構造ではあるが、図１５の具体例によっても得られる。光 ルミネツセンス材料である円筒状の形状の層１１１が外側の鞘１１３と内側の鞘 １１５０間に閉じ込められている。黒体空洞はその端部の鞘１１５内に形成され る。光学的な光バイブ１１７は黒体空洞と連絡するために位置させられており、 そして更にその外側の壁を形成する光ルミネツセンス材料にも連絡している。

前述した検出器の形態において、光ルミネツセンスおよび黒体検出器は物理的に 光バイブに光測定装置への帰り道の光経路に結合されて設けられている。

光パイプとか、その他の光学的装置から離れた位置において、光検出器に光学的 な通信をして温度の読み込みを離れた所で行うことが好ましい応用例がある。

その様な遠隔的な温度測定は、図１６および図１７に示されているものによって 可能となる。

図１６は、黒体空洞１２９が光ルミネツセンス材料の層１３１の内側に検出器１ ３３の一部として設けられている。検出器１３３は温度が測定されるべき対象物 に接触し、環境内または温度が測定されるべき対象物に接触して位置させられて いる。適当な光学システム１３５が空［１２９と適当な光検出器（図示せず）を 連絡している。か（してひとつの空洞がルミネッセンス材料により図１４および １５のプローブと類似した形態で設けられているが、検出器１３３は離れた温度 測定の応用に適している点で異なっている。

特定の構造が完全な黒体放射特性を与えない場合においては高い温度範囲の測定 は層１８１の放射率によって決めることができる。

同様にして、図１７を参照すると、平面検出器１３７は一般的に光ルミネツセン ス材料の平坦な層１３９をもっている。適当な光システム１４１は表面１３９と 適当なルミネッセンス励起源および１または２以上の光検出器（図示せず）とを 通信するために設けられている。拡大された温度領域のうちの高い温度の半分の 領域はルミネッセンス検出器１３９であってその放射率が既知かあるいは制御で きるものを検出することによって完成させられる。放射率についての知識はそれ が拡大された領域の高い温度領域にあるときに、その赤外放射からその温度の算 出を可能にする。

測定されるべき物体の表面からの赤外線放射を検出するというよりは、むしろ制 御された検出器１３７を用いることによっである確かさで放射率を知ることがで き、そして温度がある確かさをもって測定される。

この方法によって検出器１２７によって測定されるものよりも２つの温度領域の 重なる部分における相互の較正を可能にする。

図１８から２１は、一般的に前述した光ルミネツセンスおよび黒体検出器からの 光学信号の処理について３つの異なる方法を示している。まず最初に図１８を参 照すると、光ファイバ１４３は、先に示した実施例であって、図８から図１０の 任意の検出器および１３から１７の任意の検出器と通信できる。光源１４５は、 励起ビーム１４７を光分割器１４９を介して光ファイバ１４３の中に送りこむ。

光源１４５は光放射ダイオードフラッシュランプ、レーザまたその他のタイプで あって、励起されるべき光ルミネツセンスの特性に依存して決まる。これらの検 出器のうちのひとつからの光学信号１５１は、光ファイバ１４３を通りダイクロ イックタイプの光分割器１４９によって異なる周波数帯域に分けられる。検出器 １５３に反射されるものは、光信号１５１の部分１５５であって、それは波長領 域０．９５ミリミクロンより長い部分に属する。

この波長領域において、黒体の検出器の放射が存在する。信号１５１の他の要素 １５７は、他の光検出器１５９に向けられて、これは０．９５ミクロン以下の波 長をもっていて、それは、前述した例に示されているようにルミネッセンス波長 領域を含んでいる。

装置１６１は、ルミネッセンス材料を定期的に励起するための時間的に変化する 信号を発生しており、それは同様に光検出器１５９からの信号を処理する回路を 含んでいる。同様にして処理回路１６Ｂは、検出器１５３の黒体信号出力を受信 し、それを温度の情報を得るように処理する。測定装置１６１と１６３は、接続 線１６２により共同して動作するように接続され、それは２つの異なる装置の較 正等のために手動により較正され、または２つの電気回路を結合する。

図１９のシステムは、図１８の検出器システムと同様に動作するが、温度を含む 光学信号１６５は、その周波数要素に分割されないでむしろ直接ひとつの光検出 器１６７に向けて導かれるという点において幾分具なっている。光検出器１６７ の出力は、ルミネッセンス要素からの温度を決定するために回路１６９および黒 体要素からの温度を決定するために回路１７１の両方に供給される。与えられた 検出器の温度に対して黒体の赤外線信号は、一定であり、ルミネッセンス信号は 変化するものであるからそれぞれ個々に検出される。

一般的に言って、較正温度を除き１または他方の計測システムが利用され、両方 が利用されるということはない。かくして回路１６９は光信号の変化する部分を 見ており、回路１７１は直流電流要素を見ている。

他の回路１７３は時間的に異なる信号を光源１７５を励起して、光ルミネツセン ス励起照射１７７を与える。

相互接続回路１７０は、黒体計測サブシステム１７１をルミネッセンス計測サブ システム１６９と２つの範囲が重なる部分の読み取りによって較正される。

図２０および２１に、一般的に説明されている処理形態は、図１１および１２の 検出器の処理に適している。検出器から光ファイバ１７９を介する光信号は適当 な光学系によって検出器構造１８１に波長帯域に分けることなく結像される。光 分割器１８３は１７９にルミネッセンス励起光源１８５からのルミネッセンス后 起照射を送り込むために用いられる。検出器構造工８１は、中心部の光検出器１ ８７と、その周りに円環状に形成された光検出器１８９のアレイをもっていてそ れは各々の実施例２図１１および１２のものの光バイブ７７または８９からの空 間的に分離されたモードのピークに適合するような寸法をもっている。

これと違って光検出器構造を非常に大きな直径の円状の検出器であって小さな円 形検出器１８７がその前にマスクとして働くようにし、外側のリングを大形の検 出器として図２２２図２１の具体例のリングにおけるリング１８９としての機能 を果たすようにすることができる。検出器組立が個々のシステムと、一致するよ うに各々の検出器と共同する光学的要素を付加することができる。

外側の検出リング１８９からの信号はルミネッセンス信号処理回路１９１に導か れ、中央の検出器の出力は黒体信号処理回路１９３に導かれる。相互接続回路１ ９２は、較正時の共同のために利用される。

この配置が図１２の実施例の検出器にも適用されることが理解されるであろう。

図１１の具体例に対しては、２つの光検出器の接続の処理回路１９１と１９３の 処理回路との接続は単に反対にされれば良い。いずれの場合においても回路１９ ５は光源１８５を時間変化信号でドライブするために用いられる。

本発明の種々の特徴がその公的な実施形態および特定の例に関連して行われたが 、本発明は添付のクレームの全請求の範囲の全範囲において、保護が与えるべき であると理解されたい。

ＦＩＧ　Ｂ。

ＦＩＧ、１０ ＦＩＧ　／Ｉ ＦＩＧ／２゜ ＦＩＧ、Ｉ５゜ 国際調査報告　！１ｒＴ／１１ｃ（ｌつ７．、つ、ウワ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．局所的な環境の温度を測定するための方法であって： 材料構造を前記環境と熱的に通信する位置に配置するステップであり、前記材料 構造は前記構造の温度に関連する強度レベルをもつ第１の信号を電磁的エネルギ ーで赤外線領域の放射をするステップと、同時に前記局所的な環境に光ルミネッ センス材料を前記環境と関連するように配置するステップであり、前記材料は電 磁的に励起された時に光ルミネッセンス放射を第２の信号として前記光ルミネッ センス材料の温度に関連する強度特性をもつものとして放射するステップと、 前記光ルミネッセンス材料をそれが前記第２の信号を放出するように励起するス テップと、前記第１の温度範囲を前記第１の信号のためにおよび第２の温度範囲 を前記第２の信号のために確立するステップであり、前記第１の範囲は前記第２ の範囲よりも、より高い温度領域にあり、前記第２の領域は前記第１の領域より も低い領域にあるステップと、前記第１または第２の信号のいずれか一方を検出 するステップと、 前記検出された第１または第２の信号から局所的な環境の温度を決定するステッ プであり、これによって温度が前記第１および第２の領域に亘って、測定可能に するステップと を含む温度を測定するための方法。 ２．請求項１記載の方法において、 前記第１と第２の温度領域を確立するステップは、前記第１および第２の温度範 囲がある程度重なるようにし、前記重なる温度領域は前記第１および第２の信号 が、実質的に同じであって前記第１および第２の信号が、各々独自に評価される 温度を測定するための方法。 ３．請求項１記載の方法において、前記第１および第２の温度領域を確立するス テップは、前記範囲を幾分重ね合わせ、そして前記方法はさらに前記構造と前記 光ルミネッセンス検出器を共通の温度において、前記重ね合わされた第１および 第２の温度領域で測定し、そして測定された電圧によって前記第２の信号によっ て測定された温度により、前記第１の信号を較正する温度を測定するための方法 。 ４．請求項１記載の方法において、前記構造を配置するステップと、前記光ルミ ネッセンス検出器を配置するステップは、前記検出器を共通のプローブの中の一 端の伝送物体に配置し、そしてさらに前記検出ステップは、前記伝送媒体の他端 によって行われる温度を測定するための方法。 ５．請求項４記載の方法において、前記共通のプローブに配置する工程は前記プ ローブが前記構造と前記光ルミネッセンス材料が前記ひとつの光学的に透明な要 素の一端に前記第１および第２の信号がそれらから発生されたものが共通の経路 をもって前記伝送媒体に伝達される温度を測定するための方法。 ６．請求項５記載の方法において、前記プローブを配置するステップはさらに前 記光ルミネッセンス材料が前記構造の空洞の中に配置される温度を測定するため の方法。 ７．請求項５記載の方法において、前記プローブを配置するステップはさらに、 前記プローブのひとつの構造または前記光ルミネッセンス材料は前記エレメント の端にひとつの信号が、前記端部と前記共通の伝送経路を介して通信し、そして 他の構造または前記光ルミネッセンス材料は前記エレメントの端部の周りに前記 側面を通じて共通の伝送媒体に連結するように配置される温度を測定するための 方法。 ８．請求項５記載の方法であって、前記プローブを配置するステップはさらにひ とつのプローブで光ルミネッセンス材料が前記エレメントの中に、活性化材料の 拡散によって行われる温度を測定するための方法。 ９．請求項５記載の方法において、前記プローブを配置するステップはさらに前 記プローブが光ルミネッセンス材料で前記構造のように形成されたものをもつ温 度を測定するための方法。 １０．請求項１記載の方法において、前記構造とルミネッセンス材料を配置する ステップは前記検出器が光ルミネッセンス材料をもつ共通の構造として前記構造 の少なくとも一部を形成する温度を測定するための方法。 １１．請求項１記載の方法において、前記構造と光ルミネッセンス検出器を配置 する工程は、前記検出器を一緒に配置し前記第１および第２の信号を検出するス テップは前記信号を検出器から共通の検出位置に導くステップを含む温度を測定 するための方法。 １２．請求項１記載の方法であって、前記第１および第２の信号を検出するステ ップは異なる検出器を前記第１および第２の信号の経路に位置させそして前記温 度検出ステップは、別々の第１および第２の信号の検出されたものの別々の処理 工程を含む温度を測定するための方法。 １３．請求項１記載の方法において、前記第１および第２の信号を検出するステ ップは第１の信号は前記第１の検出器を前記第１および第２の信号の経路に配置 し、それによってひとつの電気的な信号であって同じ第１および第２の信号を含 むものを提供する温度を測定するための方法。 １４．請求項１３記載の方法において、前記温度検出ステップは、前記ひとつの 電気信号をそれから、第１および第２の情報を含むものに分離する工程を含む温 度を測定するための方法。 １５．請求項１４にしたがう方法であって、前記光ルミネッセンス材料はさらに 、それが過渡的な照射によって励起されたときに、前記ルミネッセンス材料の温 度を表示するところのルミネッセンス材料特有の強度減衰時間に対応する変化を する放射を行い、ここにおいて前記光ルミネッセンス材料を励起するステップは 、時間的に、異なる励起された信号強度をもつものを前記光材料にあて、これに よって前記第２の信号は時間変化するものであり、前記温度決定ステップはさら に、第２の信号の電気信号から時間変化するものとして検出し、分離する温度を 測定するための方法。 １６．請求項１記載の方法において、前記光ルミネッセンス材料は、さらにそれ が過渡的な照射によって励起された時に、前記ルミネッセンス放射は、ルミネッ センス材料の特徴に原因して、前記ルミネッセンス材料の温度に関連して強度が 変化する信号を発生し、そこにおいて前記光ルミネッセンス材料を励起するステ ップは、時間的に変わる励起照射強度を前記光ルミネッセンス材料にあて、これ によって前記第２の信号が時間的に変化する温度を測定するための方法。 １７．環境または対象物体の温度を測定する方法であって： 前記環境または対象物体に関連するように少なくとも部分的には光ルミネッセン ス材料により形成された空洞を配置するステップであって、前記空洞は第１およ び第２の要素を含む放射信号経路に沿って放射することによって特徴づけられ、 前記第１の要素は前記電磁エネルギースペクトルの赤外線領域に安定した要素を もち、そして前記黒体空洞の温度に前記第１の動作可能な領域において、強度が 関連づけられており、前記第２の要素は前記光ルミネッセンス材料が励起された 時に、時間によって変化する第２の要素を含み、前記黒体温度空洞の温度に関連 する強度をもつ第２の領域の温度領域であって、 前記時間的に変化する光ルミネッセンス材料を励起する信号を前記空洞に照射し 、 前記検出器を前記共通の照射経路に配置することによって、共通の励起信号を発 生し、および前記共通の電気信号を前記第１および第２の要素を分離するように することにより、前記環境とまたは対象物の前記第１および第２の操作可能の領 域における測定を行う温度を測定するための方法。 １８．請求項１７記載の方法において、前記空洞を配置するステップは、前記空 洞を共通のプローブ、前記光学伝送媒体の端部の共通のプローブの一部としてお りそしてさらに、前記光検出器を配置するステップは、前記光検出器を前記光伝 送媒体の他方側に配置する温度を測定するための方法。 １９．請求項１７記載の方法において、前記空洞に前記励起光を照射するステッ プと、前記検出器を、共通の信号経路であり、光収集システムである、前記空洞 に接触しないものを配置するステップを含み、ここにおいて、遠隔的な温度測定 が行われる温度を測定するための方法。 ２０．請求項１７記載の方法において、前記光ルミネッセンス材料は、前記過渡 的な照射によって励起された時に前記第２の信号要素は、前記ルミネッセンス材 料の温度減衰特性の強度に対応する、変化する要素を含む温度を測定するための 方法。 ２１．環境または対象の温度を測定する方法であって： 前記環境または物体に熱的に関連するように少なくとも部分的に光ルミネッセン ス材料をもち、既知の放射率をもつ検出器を配置し、前記検出器の表面は第１お よび第２の要素を含む放射信号を共通の経路に沿って放射し、前記第１の要素は 前記電磁エネルギースペクトルの赤外線領域の中の安定した信号状態であり、そ して第１の動作可能な温度範囲における検出器の表面の温度に関連する振幅をも つものであり、前記第２の要素は前記光ルミネッセンス材料が励起されることに よって起こる変化するルミネッセンス信号要素をもつものであり、そして強度は 前記第２の温度の動作領域における検出器表面の温度に関連づけられているステ ップと、 前記検出器の表面に時間的に変化する光ルミネッセンス材料を励起照射する信号 を向けるステップと、前記電気信号を第１および第２の要素をそれらから分離す るように処理することによって、前記環境または対象の温度を前記第１または第 ２の動作領域の両方によって測定する温度を測定するための方法。 ２２．請求項２１記載の方法において、前記検出器表面を配置するステップは、 前記共通のプローブの表面である表面を光ファイバ伝送媒体端の表面を配置し、 さらに前記検出ステップは、検出器による放射信号であって、前記光検出器を前 記光伝送媒体の他方に配置する温度を測定するための方法。 ２３．請求項２１記載の方法において、前記励起照射を前記検出器の表面に位置 するステップと、前記検出器を共通な光ファイバ経路に配置するステップは前記 光集束はひとつの光集束システムであって、前記検出器の表面には接触しないも のを配置、これにより遠隔温度測定が成される温度を測定するための方法。 ２４．請求項２１記載の方法において、前記検出器表面を配置するステップは、 前記表面を前記黒体空洞の形に配置し、前記放射率は実質的に１．０に等しい温 度を測定するための方法。 ２５．請求項２１記載の方法において、前記光ルミネッセンス材料は、過渡的な 照射によって励起され、前記第２の照射信号要素は前記ルミネッセンス材料の強 度減衰時間特性に対応する強度変化をもつ温度を測定するための方法。 ２６．与えられた領域における温度を測定するためのシステムであって： 検出器であって第１および第２の電磁照射信号を放出し、前記第１の信号は検出 器の温度に関連する与えられた電磁の上側の範囲にあり、赤外線領域の電磁エネ ルギースペクトルであって、前記信号は前記検出器の温度の前記与えられた範囲 の低い部分に相当し、温度に依存する光ルミネッセンス材料が前記電磁照射によ って励起されたときに成され、 前記第１および第２の信号を受信し、少なくともひとつのそれらに関連する電気 的信号を発生する手段と、前記少なくともひとつの電気信号を受信して、与えら れた領域内の前記検出器の温度の測定を供給する手段を含む温度を測定するため のシステム。 ２７．請求項２６記載のシステムにおいて、前記検出器は前記光伝送媒体の端部 に付着させられており、前記電気的信号発生手段は他の側に設けられている温度 を測定するためのシステム。 ２８．請求項２６記載のシステムにおいて、前記検出器は黒体空洞であって、前 記第１の電磁信号を発生する温度を測定するためのシステム。 ２９．請求項２８記載のシステムであって、前記検出器はさらに前記光ルミネッ センス材料が前記黒体空洞の中に形成されているという特徴をもつ温度を測定す るためのシステム。 ３０．請求項２６記載のシステムであって、前記検出器はさらに前記第１の信号 が、前記検出器の特定の温度に対応する実質的に安定したものであり、前記第２ の信号は前記検出器が前記光ルミネッセンス材料がそこに入射する電磁放射によ って励起された時に、前記検出器の温度として変わる信号を発生し、そして前記 システムはさらに前記時間的に変化する励起信号を前記光ルミネッセンス材料に 向ける手段を含む温度を測定するためのシステム。 ３１．請求項３０項記載のシステムにおいて、前記測定はひとつの光検出器で前 記第１および第２の信号を受け、前記電気信号の出力を定常状態と時間的に変化 する要素に分離する温度を測定するためのシステム。 ３２．請求項２６記載のシステムは、さらにある長さの１本の光学的光パイプを 含みそして前記検出器は、第１および第２の信号を前記光パイプに空間的に分離 された角度から前記光パイプに供給し、そして前記電気的な信号を発生する手段 は第１および第２の光検出器で空間的に前記第１および第２の光パイプからの第 １および第２の信号に対応するように配置されている温度を測定するためのシス テム。 ３３．光学的に温度を測定する装置であって：長い光学的に透明な光パイプと、 前記光パイプの一端に近接して設けられている黒体空洞であって、前記パイプに 沿って温度に依存する光照射を伝達し、そして前記光パイプ端に近接して一定量 の光ルミネッセンス材料が配置され、励起されたときに前記光パイプに沿って、 温度に依存する光学照射を前記光パイプについて放射する温度を測定するための 検出器。 ３４．請求項３３記載の検出器であって、前記光パイプはサファイアから形成さ れ、前記光ルミネッセンス材料はクロムの活性剤の拡散によって形成されている 温度を測定するための検出器。 ３５．請求項３３記載の検出器において、前記黒体空洞は、光学的に前記光パイ プに前記一端を介して結合され、前記光ルミネッセンス材料は光学的に前記光パ イプに前記一端に隣接する横の表面を介して結合している温度を測定するための 検出器。 ３６．請求項３３記載の検出器において、前記光ルミネッセンス材料は、光学的 に前記光パイプに前記一端を介して接続され、前記黒体空洞は光学的に前記光パ イプにその一端に近接する横面で結合させられている温度を測定するための検出 器。 ８７．請求項３３記載の検出器において、前記黒体空洞は、不透明な材料であっ て前記光パイプの端に結合されているものに、コーティングすることによって形 成され、そしてある長さ、光パイプにそって設けられ、そしてそこにおいて、前 記一定量の光ルミネッセンス材料が前記空洞に配置されている温度を測定するた めの検出器。 ３８．光学温度測定検出器であって： 実質的に長い透明な光パイプ，および 前記光パイプの一端によって指示される光ルミネッセンス材料によって形成させ る壁による黒体空洞であって、前記空洞は前記光パイプと光学的に通信している 光学温度測定検出器。