JPH0719957A - ポケットサイズのレーザーパワーメーター - Google Patents

ポケットサイズのレーザーパワーメーター

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JPH0719957A
JPH0719957A JP6069670A JP6967094A JPH0719957A JP H0719957 A JPH0719957 A JP H0719957A JP 6069670 A JP6069670 A JP 6069670A JP 6967094 A JP6967094 A JP 6967094A JP H0719957 A JPH0719957 A JP H0719957A
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    • G01KMEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • G01K17/003Measuring quantity of heat for measuring the power of light beams, e.g. laser beams

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  • Protection Of Generators And Motors (AREA)
  • Control Of Eletrric Generators (AREA)
  • Control Of High-Frequency Heating Circuits (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【目的】 レーザーによって発したレーザーエネルギー
のパワーを測定するのに適したポケットサイズのレーザ
ーパワーメーターを提供する。 【構成】 パワーメーターは、レーザーエネルギーを受
け取るのに適した熱素材を有する。熱素材に接続された
温度センサーは、熱素材における温度変化を変化する電
圧を有した電気センサー信号に変換する。温度センサー
に接続された微分器は電気センサー信号を受信し、電気
センサー信号の電圧の変化速度を表示する微分信号を生
成する。微分器に接続された冷却速度保持回路は、熱素
材の温度低下を表示する微分信号の冷却部分を受け、加
熱速度保持回路は、熱素材の温度上昇を表示する微分信
号の加熱部分を受ける。これらの保持回路に接続された
表示メーターは微分信号の冷却部分と加熱部分を足し合
わせ、微分信号をパワーリーディングに変換し、パワー
リーディングをオペレータに表示する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明はパワーメーター、更に言
えば、レーザーによって発散されたパワーを表示するこ
とができるメーターに関する。
【0002】
【従来の技術】数ワットから数百ワットの範囲のレーザ
ーパワーメーターには2つの汎用タイプが含まれる。先
端にヒートシンクが設けられた食肉温度計に類似した機
械プローブと、熱電対列検出器と遠隔読み出し装置を有
した電子メーターである。食肉温度計は所定時間、一般
には20秒間、レーザービームに対して「露出」され
る。温度上昇はプローブのバイメタル素子からの機械ニ
ードルの移動によって記録される。露出時間間隔におけ
る温度上昇は入力パワーに比例する。先端取り付けヒー
トシンクを除けば、食肉温度計タイプのメーターは一般
に使用される食肉温度計とほぼ同様の外見を有し、一般
には約20,000円の費用を要する。熱電対列型機器
はパワーを連続的に記録するものであり、その遅延時間
は1秒より小さい。これは大きな正確な研究室用の機器
であり、一般には約200,000円の費用を要する。
熱電対列タイプの機器は、レーザーの調整および最適化
のために用いられる。これには、ケーブルによって表示
コンソールから分離された「パワーヘッド」が含まれ
る。
【0003】食肉熱電対列タイプのメーターは持ち運び
に便利な大きさであるが、測定の正確さに欠けまたその
測定速度は遅い。食肉熱電対列タイプのメーターは、露
出された時間間隔を測定するために別個のストップウオ
ッチを必要とする。露出時間の測定は正確なパワー測定
に重要であるため、食肉温度計タイプのメーターにはあ
る特性が不足していることが明らかとなっている。ま
た、露出時間が比較的長く、ヒートシンクを冷却させる
ために使用から次の使用までに長時間を必要とする。次
の使用までに必要とされる遅延は一般に2,3分であ
る。熱電対列機器における限定は性能や正確さのためで
はなく、持ち運びの便利さからである。連続的に使用で
きるよう設計するとパワーヘッドは大きくなる。多くの
場合はそのサイズが大きいために、パワーヘッドを現存
のビーム配送装置に挿入するのは不可能である。
【0004】
【発明の概要】本発明の目的は、ポータブルパワーメー
ターの新たなクラスを用いて従来技術の限界を取り除く
と共に、新たな能力を提供することにある。本発明の他
の目的は、真のポケットサイズのレーザーパワーメータ
ーを達成することにある。本発明の他の目的は、ストッ
プウオッチや正確な時間測定の必要を除去することにあ
る。本発明の他の目的は、従来の食肉熱電対列タイプの
メーターと比較して、使用速度を増加させリサイクル時
間を減少させることにある。本発明のより好ましい実施
例はポケットサイズのレーザーパワーメーターに関す
る。パワーメーターは、レーザーエネルギーを受けるの
に適した熱素材を有する。熱素材(thermal mass) に接
続された温度センサーは熱素材における温度変化を可変
電圧を有する電子センサー信号に変更する。温度センサ
ーに接続された微分器は電気センサー信号を受け取っ
て、電気センサー信号の電圧変化速度を表示する微分信
号を発生する。微分器に接続された冷却速度保持回路
は、熱素材の温度低下を表示する微分信号の冷却部分を
受ける。微分器に接続された加熱速度保持回路は、熱素
材の温度上昇を表示する微分信号の加熱部分を受ける。
これらの保持回路に接続された表示メーターは、微分信
号の冷却部分と加熱部分を足し合わせ、微分信号をパワ
ーリーディングに変換し、このパワーリーディングをオ
ペレータに表示する。
【0005】
【実施例】本発明の好ましい実施例は、図1に示された
ポケットサイズのレーザーパワーメーター10に関す
る。パワーメーターは、レーザー(図示していない)か
らのレーザーエネルギーが方向付けされる熱素材12を
備える。熱素材は一般には「黒い」吸収剤コーティング
を有したアルミニウムや他の金属である。この熱素材1
2は温度センサー14に接続されており、この温度セン
サー14は熱素材における温度変化をこの温度変化に比
例して線型的に変化するような電圧を有する電気センサ
ー信号に変換する。温度センサー14は、この電気セン
サー信号を微分器16に伝送し、この微分器16で、こ
の電気センサー信号の電圧の変化速度を表示する微分信
号を作り出す。微分器16は、この微分信号を表示メー
ター18に伝送し、この表示メーター18で微分信号を
パワーリーディングに変換してこのパワーリーディング
をオペレータに表示する。熱素材12上に衝突している
レーザーエネルギーは、温度センサー14によって検出
された温度上昇を生成する。好ましくは、この温度セン
サーは熱素材内部に取りつけられた電子デバイスであ
る。このような電子デバイスは例えばNational Semicon
ductor Inc. によりLM35AHの名で製造され市販されてい
る。このデバイスは、必要とされる優れた電圧対温度線
型性を有する。
【0006】上述のように、温度センサー14は、温度
変化を、変化する電圧を有した電気センサー信号に変換
する。初期遅延間隔の後、電圧は時間に対して実質的に
線型に変化し、また、熱素材12に衝突するレーザーエ
ネルギーのパワーに比例する。初期の遅延間隔は、熱素
材12における金属の温度拡散率によって引き起こされ
る。初期の遅延間隔を明らかにするため、パワーメータ
ー10は表示メーター18に接続された保持タイマー2
0を有する。所定の遅延時間の後、保持タイマーは保持
タイミング信号を表示メーターに伝達する。表示メータ
ーは、保持タイミング信号を受けてそれに応じてパワー
読み出し定数を保持するデータ保持回路を有する。こう
して表示メーターは、保持タイミング信号の受信後に発
生した温度変化を無視する。好ましくは、表示メーター
は、Modute CによってBL100101H の名で製造され市販さ
れているような従来のデジタル電圧メーターであり、パ
ワー装置で校正される。測定間隔が完全であることをオ
ペレータに報告するため、パワーメーター10は保持タ
イマー20に接続されたビーパ22を備える。保持タイ
マーは、保持タイミング信号をビーパに、更に表示メー
ターに伝達する。ビーパは、保持タイミング信号に応答
して可聴信号を発することにより、測定間隔が完全であ
り、パワーメーターを測定中のレーザーから除去できる
ことをオペレータに知らせる。
【0007】一度目の測定では、熱素材12上に衝突す
るレーザーエネルギーのパワーは、温度センサー14に
よって測定される温度の増加速度に比例する。温度の増
加速度は、温度センサーにより、正的に変化する電圧を
有した電気信号に変換される。微分器16は、微分信号
を表示メーター18に伝送し、この表示メーター18で
この微分信号に基づいてパワーリーディングを表示す
る。後続の測定では、熱素材12の温度は上昇し得る
が、パワーが存在しないときは冷却速度が生じる。冷却
速度は、反対極性の微分信号、つまり、加熱の間に発生
された微分信号とは反対の信号を引き起こす。冷却速度
を後続の測定で得られた加熱速度に付加することによっ
て真のパワーリーディングが決定され得ることが確立さ
れる。新たな測定をする前の冷却速度を用いることもで
きるし、新たな測定をした後の冷却速度を用いることも
できる。表示メーター18はどちらの方法でも校正され
得る。冷却および加熱速度の両方を分析可能とするた
め、パワーメーター10は好ましくは加熱保持回路24
と冷却保持回路26を備え、それぞれが微分器16と表
示メーター18の間に接続される。加熱保持回路は、熱
素材12が加熱されている時間間隔に、微分信号の加熱
部分を受ける。同様に、冷却保持回路は、熱素材12が
冷却される時間間隔に、微分信号の冷却部分を受ける。
保持回路24,26は、微分信号のそれらの各部分を表
示メーター18に伝送する。表示メーターは加熱部分と
冷却部分を互いに足し合わせ、組み合わされた微分信号
をパワーリーディングに変換してこのパワーリーディン
グをオペレータに表示する。
【0008】パワーメーター10によれば、従来の改良
型の食肉温度計タイプのメーターで必要とされた10分
毎の測定ではなく秒毎に新たな測定を行なうようにし
て、リサイクルを行なうことが可能とされる。従来技術
で必要とされた延長された露出時間における温度変化で
はなく、瞬時の速度情報を測定することにより、パワー
メーター10は、従来の改良型の食肉温度計タイプのメ
ーターの熱素材と同じくらい熱素材12が熱くってしま
うことを許さない。また、加熱の変化速度が熱素材の温
度によって大きな影響を受けることがないため、熱素材
は正確な読み出しを得るのに完全に冷却される必要はな
い。この結果、冷却に必要とされる時間は本発明では従
来のものより小さくなる。更に、冷却速度情報を測定す
ることにより、パワーメーター10はレーザーパワーを
計算するのに有用な情報を得ることができるため、オペ
レータは、従来の改良型の食肉温度計タイプのメーター
によって必要とされたように、何らかの有用な情報を得
る前に熱素材が冷却されるのを待つ必要もない。オペレ
ータが新たな測定を開始することができるよう、パワー
メーター10は、微分器16、保持タイマー20、保持
回路24,26に接続されたリセットボタン28を有す
る。オペレータによって作動されると、リセットボタン
は微分器16、保持タイマー20、保持回路24,26
にリセット信号を伝送し、それらを0に設定して新たな
測定のためにそれらを準備する。
【0009】上述のように、熱素材12の金属の温度拡
散率により初期遅延間隔が引き起こされる。この遅延間
隔におけるセンサー信号電圧の増加速度は非線型であ
る。図2に改良された熱素材12が示されている。この
熱素材12は、その表面における金属拡散率の影響を均
等にする働きを持つ。熱素材は、温度センサー14の隣
接に、空間、若しくはチャンバ30を備える。チャンバ
30は、空間に非常に近接する領域に付与されたレーザ
ーエネルギーに関する拡散時間を増大させる。図3に示
されているのは、図1には示されていない幾つかの付加
的な特徴を有するレーザーメーター10のより好ましい
実施例における詳細な回路図である。図示の回路は表面
固定集積回路(IC)技術を使用する。このIC技術に
より、ほぼ1.2×5.5×0.46インチの大きさの
1つのケースにパワーメーターを収容することが可能と
される。図1に示した各ブロックを形成する各回路素子
(増幅器、トランジスタ、抵抗,等)が破線によって囲
まれており、図1で使用された参照番号に従って番号付
けされている。当業者には明らかなように、各ブロック
に示された特別且つ別々の回路素子(つまり、抵抗、ト
ランジタ、等)の組合せは図1についての上の記述に従
って動作する。このように、多くの別々の回路素子が詳
細に記述されている。図3に示された実施例は単なる例
示であり、本発明をここに示した回路に限定しようとす
るものではないことを理解すべきである。
【0010】電源32によってパワーメーター10に電
圧が供給される。この電源32は、好ましくは数年は使
用可能な9ボルトのリチウムバッテリである。電源32
には、図3に示されたパワーメーター10の部分に5ボ
ルト信号を付与するのに適した従来の電圧調整器が接続
される。パワーメーター10は、延長された露出時間に
おける平均温度変化ではなく、瞬時の速度情報を測定す
るものであるため、本発明の熱素材12は、従来の改良
型の食肉温度計タイプのメーターの熱素材のように熱く
なることはほとんどない。それでもなお、パワーメータ
ー10は、温度センサー14とビーパ22に接続された
最大温度検出回路36を備える。熱素材12が所定の最
大温度に到達すると、最大温度検出回路は警告信号をビ
ーパに伝送する。この警告信号に応答して、ビーパは可
聴信号を発し、熱素材が冷却するまで使用を中止するよ
うオペレータに警告する。安全性を高めるため、パワー
メーター10はリセットボタン28に接続された遮断タ
イマー38を有する。リセットボタンは、遮断タイマー
を電源32の正極端子に接続することによってその遮断
タイマーを作動させる。所定時間間隔後、例えば図3に
示された遮断タイマーの22秒後に、遮断タイマーは遮
断信号を遮断器40に伝送する。遮断器は抵抗を通じて
電源32をグラウンドに接続し、電源を電圧調整器34
から遮断する。この結果、9ボルトと5ボルトの双方が
パワーメーターの残りから遮断される。遮断タイマー3
8は、また、遮断信号を遮断ビーパドライバ42にも伝
送する。ビーパ22は、遮断ビーパドライバにより、パ
ワーが下降していくことを表示する可聴信号を発する。
オペレータがリセットボタン28を再び作動させると、
遮断器40は電源32を電圧調整器34に再び接続し、
これにより電源メーター10に電圧を供給する。
【0011】また、パワーメーター10は、保持回路2
4,26と表示メーター18の間に接続された少数点制
御器44を有する。少数点制御器は、表示メーターに信
号を伝送し、表示メーターがパワーリーディングにおい
てパワーリーディングの値に従って少数点をその適当な
位置に位置付けるようにする。パワーメーター10は線
型であることを理解すべきである。つまり、パワーメー
ター10において、熱素材12に衝突するレーザーエネ
ルギーのパワーは、微分器16によって発生される微分
信号に直接比例するということである。このような線型
性は、保持回路20を用いることにより、最終のパワー
リーディングが計算されて表示される前に所定の遅延時
間間隔を提供することによって保証される。このよう
に、測定される電圧速度は、熱素材12に対するレーザ
ーエネルギーの各々の付与に関して反復すべきである。
本発明のより好ましい実施例をアナログ計算回路を用い
て述べているが、例えばマイクロプロセッサ型の装置に
おいて、デジタル計算回路を用いて本発明を実行するこ
とも可能である。上の記述から明らかなように、本発明
の特別な実施例を例示のために述べているのであって、
本発明の範囲から逸脱することなく様々な変更を加える
ことが可能である。故に本発明は、特許請求の範囲以外
によって限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のレーザービームのブロック図。
【図2】本発明のより好ましい実施例で使用される熱素
材と温度センサーの上面図。
【図3】本発明のより好ましい実施例の詳細な回路図。
【図4】本発明のより好ましい実施例の詳細な回路図。
【図5】本発明のより好ましい実施例の詳細な回路図。
【図6】本発明のより好ましい実施例の詳細な回路図。

Claims (24)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 レーザーエネルギーを受け取るのに適し
    た熱素材と、 この熱素材に結合されて、該熱素材における温度変化を
    該温度変化に比例して変化するような信号を有する電気
    センサー信号に変換する温度センサーと、 前記電気センサー信号を受け取るために前記温度センサ
    ーに接続されて、前記電気センサー信号の電圧変化速度
    を表示する微分信号を生成する微分器と、 前記微分器に接続されて、前記微分信号をパワーリーデ
    ィングに変換し、このパワーリーディングをオペレータ
    に表示する表示メーターと、を備えることを特徴とする
    レーザーパワーメーター。
  2. 【請求項2】 請求項1記載のレーザーパワーメーター
    において、更に、前記表示メーターに接続されて、所定
    遅延間隔後に保持タイミング信号を表示メーターに送信
    するようにされた保持タイマーを備えており、前記表示
    メーターは前記保持タイミング信号に応答してパワーリ
    ーディング定数を保持する手段を有するレーザーパワー
    メーター。
  3. 【請求項3】 請求項2記載のレーザーパワーメーター
    において、更に、前記保持タイマーに接続されて、前記
    保持タイミング信号に応答して可聴信号を発するような
    可聴信号発生器を備えるレーザーパワーメーター。
  4. 【請求項4】 請求項1記載のレーザーパワーメーター
    において、更に、共に前記微分器に接続されている冷却
    速度保持回路と加熱速度保持回路とを有し、前記冷却速
    度保持回路は前記熱素材の温度低下を表示する微分信号
    の冷却部分を受け取るようにされており、前記加熱速度
    保持回路は前記熱素材の温度上昇を表示する微分信号の
    加熱部分を受け取るようにされているレーザーパワーメ
    ーター。
  5. 【請求項5】 請求項4記載のレーザーパワーメーター
    において、前記表示メーターは、前記保持回路から微分
    信号の冷却および加熱部分を受け取る手段と、前記微分
    信号をパワーリーディングに変換する前に前記冷却部分
    と前記加熱部分を足し合わせる手段と、を備えるレーザ
    ーパワーメーター。
  6. 【請求項6】 請求項1記載のレーザーパワーメーター
    において、更に、前記微分器に接続されて、前記微分器
    にリセット信号を伝送し、これにより前記微分器を新た
    なパワー測定のために準備するようなオペレータ作動リ
    セットスイッチを備えたレーザーパワーメーター。
  7. 【請求項7】 請求項1記載のレーザーパワーメーター
    において、前記熱素材は、前記熱素材における熱拡散率
    を増大させる温度センサーに隣接した空間を備えるレー
    ザーパワーメーター。
  8. 【請求項8】 請求項1記載のレーザーパワーメーター
    において、更に、前記表示メーターに接続されて、所定
    遅延間隔後に前記表示メーターをリセットするような遮
    断タイマーを備えるレーザーパワーメーター。
  9. 【請求項9】 請求項1記載のレーザーパワーメーター
    において、更に、 前記温度センサーに接続されて、前記温度センサーが前
    記熱素材の温度が所定の最大温度に到達したことを検出
    したときに警告信号を伝送するような最大温度検出回路
    と、 前記最大温度検出回路から前記警告信号を受信し、これ
    に応じて可聴信号を発するよう前記最大温度検出回路に
    接続された可聴信号発生器と、を備えるレーザーパワー
    メーター。
  10. 【請求項10】 レーザーエネルギーを受け取るように
    された熱素材と、 前記熱素材に接続されて、前該熱素材における温度変化
    を前記温度変化を表示する電気センサー信号に変換する
    温度センサーと、 前記電気センサー信号を受信するために前記温度センサ
    ーに接続されて、前記電気センサー信号の電圧の変化速
    度を表示する微分信号を生成するような微分器と、 前記熱素材の温度低下を表示する微分信号の冷却部分を
    受けるよう接続された冷却速度保持回路と、 前記熱素材の温度上昇を表示する微分信号の加熱部分を
    受けるよう接続された加熱速度保持回路と、 前記冷却速度および加熱速度保持回路から前記微分信号
    の前記冷却および加熱部分を受け取る手段と、 前記受け取り手段に接続されて、前記微分信号をパワー
    リーディングに変換し、前記パワーリーディングをオペ
    レータに表示する表示メーターと、を備えることを特徴
    とするレーザーパワーメーター。
  11. 【請求項11】 請求項10記載のレーザーパワーメー
    ターにおいて、更に、前記表示メーターに接続されて、
    所定遅延間隔後に保持タイミング信号を表示メーターに
    伝送する保持タイマーを備えており、前記表示メーター
    は、前記保持タイミング信号に応答して前記パワーリー
    ディング定数を保持する手段を備えるレーザパワーメー
    ター。
  12. 【請求項12】 請求項11記載のレーザーパワーメー
    ターにおいて、更に、前記保持タイマーに接続されて、
    前記保持タイミング信号に応答して音を発するような可
    聴信号派生器を備えたレーザパワーメーター。
  13. 【請求項13】 請求項10記載のレーザーパワーメー
    ターにおいて、更に、前記微分器と前記保持回路に接続
    されて、前記微分器と前記保持回路にリセット信号を伝
    送し、これにより前記微分器と前記保持回路を新たなパ
    ワー測定のために準備するようなオペレータ作動リセッ
    トスイッチを備えるレーザーパワーメーター。
  14. 【請求項14】 請求項10記載のレーザーパワーメー
    ターにおいて、前記熱素材は、該熱素材における熱拡散
    率を増大させる温度センサーに隣接した空間を備えるレ
    ーザーパワーメーター
  15. 【請求項15】 請求項10記載のレーザーパワーメー
    ターにおいて、更に、前記表示メーターに接続されて、
    所定遅延間隔後に前記表示メーターをリセットする遮断
    タイマーを備えるレーザーパワーメーター。
  16. 【請求項16】 請求項10記載のレーザーパワーメー
    ターにおいて、更に、 前記温度センサーに接続されて、前記温度センサーが前
    記熱素材の温度が所定の最大温度に到達したことを検出
    したときに警告信号を伝送するような最大温度検出回路
    と、 前記最大温度検出回路から前記警告信号を受信し、これ
    に応じて可聴信号を発するよう前記最大温度検出回路に
    接続された可聴信号発生器と、 を備えるレーザーパワーメーター。
  17. 【請求項17】 レーザーパワーを測定する方法におい
    て、 熱素材でレーザーエネルギーを受け取る段階と、 前記熱素材における温度変化を検出する段階と、 前記熱素材における温度変化を表示する電気センサー信
    号を伝送する段階と、 前記電気センサー信号を微分して前記電気センサー信号
    の変化速度を表示する微分信号を生成する段階と、 前記微分信号をパワーリーディングに変換する段階と、 前記パワーリーディングを表示メーターを用いて表示す
    る段階と、を備えることを特徴とする測定方法。
  18. 【請求項18】 請求項17記載の測定方法において、
    更に、 保持タイミング信号を所定遅延間隔後に表示メーターに
    伝送する段階と、 前記保持タイミング信号に応答してパワーリーディング
    定数を保持する段階と、を備える測定方法。
  19. 【請求項19】 請求項18記載の測定方法において、
    更に、前記保持タイミング信号に応答して可聴信号を発
    する段階を備える測定方法。
  20. 【請求項20】 請求項17記載の測定方法において、
    更に、前記微分信号を前記熱素材の温度低下を表示する
    冷却部分と前記熱素材の温度上昇を表示する加熱部分に
    分離する段階を備える測定方法。
  21. 【請求項21】 請求項20記載の測定方法において、
    更に、前記微分信号をパワーリーディングに変換する前
    に前記冷却部分と前記加熱部分を足し合わせる段階を備
    える測定方法。
  22. 【請求項22】 請求項17記載の測定方法において、
    更に、所定遅延間隔後に表示メーターをリセットする段
    階を備える測定方法。
  23. 【請求項23】 請求項17記載の測定方法において、
    更に、 前記熱素材が所定の最大温度に到達したことを検出する
    段階と、 前記最大温度の検出に応答して可聴信号を発する段階
    と、を備える測定方法。
  24. 【請求項24】 レーザーパワーを測定する方法におい
    て、 熱素材でレーザーエネルギーを受け取る段階と、 前記熱素材における温度変化を検出する段階と、 前記熱素材における温度変化を表示するような電気セン
    サー信号を伝送する段階と、 前記熱素材によって前記レーザーエネルギーを受けてい
    る際の電気センサー信号に基づいて、前記熱素材におけ
    る温度変化の加熱速度を計算する段階と、 前記熱素材によって前記レーザーエネルギーを受けてい
    ないときに、レーザーエネルギーを前記熱素材が受けた
    直前若しくは直後の電気センサー信号に基づいて、前記
    熱素材における温度変化の冷却速度を計算する段階と、 前記加熱速度の変化と冷却速度の変化を加算して前記レ
    ーザーのパワーを表示するパワー測定を生成する段階
    と、 前記パワー測定を表示する段階と、を備えることを特徴
    とする測定方法。
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