JPS6135492B2 - - Google Patents
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- JPS6135492B2 JPS6135492B2 JP55041364A JP4136480A JPS6135492B2 JP S6135492 B2 JPS6135492 B2 JP S6135492B2 JP 55041364 A JP55041364 A JP 55041364A JP 4136480 A JP4136480 A JP 4136480A JP S6135492 B2 JPS6135492 B2 JP S6135492B2
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- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
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- G01J5/58—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using absorption; using extinction effect
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Description
【発明の詳細な説明】
この発明は、光フアイバを用いた温度測定装置
に関するものである。
に関するものである。
従来のこの種の装置としては第１図ａ，ｂに示
すものがあつた。第１図ａ，ｂにおいて、１，２
は入力用および出力用の光フアイバ、３，４は1/
４ピツチ屈折率分布型ロツドレンズ（以下、単に
レンズという）、５は空間を伝搬している平行光
ビーム、６は温度検出器の検出器本体、７は前記
検出器本体６に一端を固定したバイメタル、８は
前記バイメタル７の自由端に取り付けられた遮蔽
板であり、以上で温度検出器９が構成されてい
る。１０は前記光フアイバ１と結合された、例え
ば発光ダイオードまたは半導体レーザ等の光源、
１１は光源駆動用の安定化電源、１２は光パワー
メータである。
すものがあつた。第１図ａ，ｂにおいて、１，２
は入力用および出力用の光フアイバ、３，４は1/
４ピツチ屈折率分布型ロツドレンズ（以下、単に
レンズという）、５は空間を伝搬している平行光
ビーム、６は温度検出器の検出器本体、７は前記
検出器本体６に一端を固定したバイメタル、８は
前記バイメタル７の自由端に取り付けられた遮蔽
板であり、以上で温度検出器９が構成されてい
る。１０は前記光フアイバ１と結合された、例え
ば発光ダイオードまたは半導体レーザ等の光源、
１１は光源駆動用の安定化電源、１２は光パワー
メータである。
次に動作について説明する。まず、安定化電源
１１によつて駆動された光源１０の一定の光パワ
ーを光フアイバ１に導波し、温度検出器９の検出
器本体６へ導く。検出器本体６内で光フアイバ１
の射出光をレンズ３によつて平行光ビーム５に変
換して、空間を伝搬させた後、レンズ４で集光し
光フアイバ２に結合、導波させ、その導波光のパ
ワーを光パワーメータ１２で測定しておく。次に
検出器本体６の周辺の温度変化にともなつてバイ
メタルの彎曲が生じ、遮蔽板８が平行光ビーム５
の中へ挿入され、平行光ビーム５の透過率が変化
し、光パワーメータ１２で検出する光強度が変化
する。この結果、検出器本体６周辺の温度と測定
された光強度との関係から温度を精確に測定する
ことができ、光フアイバを用いた温度測定器とし
て使用される。
１１によつて駆動された光源１０の一定の光パワ
ーを光フアイバ１に導波し、温度検出器９の検出
器本体６へ導く。検出器本体６内で光フアイバ１
の射出光をレンズ３によつて平行光ビーム５に変
換して、空間を伝搬させた後、レンズ４で集光し
光フアイバ２に結合、導波させ、その導波光のパ
ワーを光パワーメータ１２で測定しておく。次に
検出器本体６の周辺の温度変化にともなつてバイ
メタルの彎曲が生じ、遮蔽板８が平行光ビーム５
の中へ挿入され、平行光ビーム５の透過率が変化
し、光パワーメータ１２で検出する光強度が変化
する。この結果、検出器本体６周辺の温度と測定
された光強度との関係から温度を精確に測定する
ことができ、光フアイバを用いた温度測定器とし
て使用される。
上記のように構成された従来の温度測定装置
は、比較的測定温度範囲（10〜50℃）が狭く、ま
た、バイメタル７、遮蔽板８、レンズ３，４等の
取付け固定部の温度変化による誤差も大きいほど
〓〓〓〓
の欠点があつた。また、測定に用いられる検出器
本体６の内で実際に温度を検出し温度によつて変
化する部分がバイメタル７であり、そのバイメタ
ル７は検出器本体６内に比較的薄い板で装着され
ているために、熱伝導が遅く周囲温度に対する応
答はかなり遅れるためにどうしても急速な温度変
化は測定できないという欠点があつた。
は、比較的測定温度範囲（10〜50℃）が狭く、ま
た、バイメタル７、遮蔽板８、レンズ３，４等の
取付け固定部の温度変化による誤差も大きいほど
〓〓〓〓
の欠点があつた。また、測定に用いられる検出器
本体６の内で実際に温度を検出し温度によつて変
化する部分がバイメタル７であり、そのバイメタ
ル７は検出器本体６内に比較的薄い板で装着され
ているために、熱伝導が遅く周囲温度に対する応
答はかなり遅れるためにどうしても急速な温度変
化は測定できないという欠点があつた。
この発明は、上記のような従来のものの欠点を
除去するためになされたもので、測定に使用して
いる単波長の発光スペクトルを有する光源、例え
ば発光ダイオードまたは半導体レーザの波長にそ
の光学的吸収端を一致させた温度検出用半導体小
片を検出器本体内に装着し、前記光源から光フア
イバによつて導波された光に対するその透過光強
度の温度変化を測定することによつて、温度検出
器周辺の温度の広い温度範囲にわたつて安定、小
型、かつ応答速度が速く測定できる光フアイバを
用いた温度測定装置を提供することを目的として
いる。以下、この発明を図面に基づいて説明す
る。
除去するためになされたもので、測定に使用して
いる単波長の発光スペクトルを有する光源、例え
ば発光ダイオードまたは半導体レーザの波長にそ
の光学的吸収端を一致させた温度検出用半導体小
片を検出器本体内に装着し、前記光源から光フア
イバによつて導波された光に対するその透過光強
度の温度変化を測定することによつて、温度検出
器周辺の温度の広い温度範囲にわたつて安定、小
型、かつ応答速度が速く測定できる光フアイバを
用いた温度測定装置を提供することを目的として
いる。以下、この発明を図面に基づいて説明す
る。
第２図はこの発明の一実施例を示す温度検出器
の断面側面図、第３図は測定系の構成図である。
これらの図において、第１図と同一符号は同一構
成部分を示し、１３は熱伝導がよく、熱容量の小
さい金属管、１４は半導体結晶ままたは非晶質半
導体からなる温度検出用半導体小片（以下、単に
半導体小片という）、１５は前記半導体小片１４
の表面に形成された反射防止膜、１６は熱の良導
体による前記半導体小片１４の保持具、１７およ
び１８は前記光フアイバ１，２の保護具および保
持具である。また、１９は前記入力用と出力用の
光フアイバ１，２の揃えられた端面、２０は前記
半導体小片１４の表面に蒸着された金属膜による
全反射膜、２１は光強度検出素子である。
の断面側面図、第３図は測定系の構成図である。
これらの図において、第１図と同一符号は同一構
成部分を示し、１３は熱伝導がよく、熱容量の小
さい金属管、１４は半導体結晶ままたは非晶質半
導体からなる温度検出用半導体小片（以下、単に
半導体小片という）、１５は前記半導体小片１４
の表面に形成された反射防止膜、１６は熱の良導
体による前記半導体小片１４の保持具、１７およ
び１８は前記光フアイバ１，２の保護具および保
持具である。また、１９は前記入力用と出力用の
光フアイバ１，２の揃えられた端面、２０は前記
半導体小片１４の表面に蒸着された金属膜による
全反射膜、２１は光強度検出素子である。
ところで、通常の真性半導体結晶または非晶質
半導体における光の吸収係数のスペクトラムは第
７図ａに示すように、ある温度Ｔでλg（Ｔ）＝
1.24／Ｅg（Ｔ）で与えられるエネルギーギヤツ
Ｅg（Ｔ）に対応する波長λg（Ｔ）を吸収端とし
てλg（Ｔ）より短い波長域の光に対して急激に
その吸収係数αが増大する。
半導体における光の吸収係数のスペクトラムは第
７図ａに示すように、ある温度Ｔでλg（Ｔ）＝
1.24／Ｅg（Ｔ）で与えられるエネルギーギヤツ
Ｅg（Ｔ）に対応する波長λg（Ｔ）を吸収端とし
てλg（Ｔ）より短い波長域の光に対して急激に
その吸収係数αが増大する。
一般に真性シリコン結晶では、α＝α０λ
（S0／λ−Ｅg）3/2、（ここで、α０・S0は定数）
で表わされ、―族、―族の化合物半導体
や非晶質半導体では、α＝α0exp（−S0／λ）
で表わされる。λd（Ｔ）より短い波長の光に対
しては吸収係数αは第４図ａに示すように飽和す
るかまたはむしろ減少する。このような各種半導
体小片の光学特性（吸収特性）の温度依存は第４
図ａに示すようにその温度ＴがT1→T2→T3と上
昇すれにつれて吸収端λg（Ｔ）は長波長側へ移
行する。その依存性は一般に第４図ｂに示すよう
に−150℃以上の温度域で、いずれの半導体で
も、Ｅg（Ｔ）＝Ｅg(0)−λＴで与えられ、係数λ
は半導体によつて固有の値で、（１〜10）×
10-4eV／deg）であることがわかつている。
（S0／λ−Ｅg）3/2、（ここで、α０・S0は定数）
で表わされ、―族、―族の化合物半導体
や非晶質半導体では、α＝α0exp（−S0／λ）
で表わされる。λd（Ｔ）より短い波長の光に対
しては吸収係数αは第４図ａに示すように飽和す
るかまたはむしろ減少する。このような各種半導
体小片の光学特性（吸収特性）の温度依存は第４
図ａに示すようにその温度ＴがT1→T2→T3と上
昇すれにつれて吸収端λg（Ｔ）は長波長側へ移
行する。その依存性は一般に第４図ｂに示すよう
に−150℃以上の温度域で、いずれの半導体で
も、Ｅg（Ｔ）＝Ｅg(0)−λＴで与えられ、係数λ
は半導体によつて固有の値で、（１〜10）×
10-4eV／deg）であることがわかつている。
反射防止膜１５を付加した半導体小片１４を透
過した後の光強度Ｉは入射光強度I0に対して、 Ｉ＝I0exp（−αｄ）（ｄは光の透過距離）で与
えられるので、光源、光フアイバ１，２、光強度
検出素子２１からなる測定用光学系の検出感度と
半導体小片１４の吸収係数αとから光の透過距離
ｄが設計される。
過した後の光強度Ｉは入射光強度I0に対して、 Ｉ＝I0exp（−αｄ）（ｄは光の透過距離）で与
えられるので、光源、光フアイバ１，２、光強度
検出素子２１からなる測定用光学系の検出感度と
半導体小片１４の吸収係数αとから光の透過距離
ｄが設計される。
したがつて、この発明の温度測定装置に使用す
る光源（半導体レーザまたは発光ダイオード）の
波長λ０に対して、被測定温度範囲がT1〜T3に
したいときには、温度T1においてλg（T1）λ
０、温度T3においてλd（T3）λ０になるよう
な半導体材料を選択して半導体小片１４として用
いればよい。例えばGaAlAs系の半導体レーザま
たは発光ダイオード（波長0.8μｍ帯）に対して
は適当な混合比のGaAlAs化合物結晶やAsSSeガ
ラス等があり、GaInAsP系の半導体レーザまた
は発光ダイオード（波長1.2μｍ帯）に対しては
Si結晶または非晶質、GaInAsP化合物結晶、
AsSeTe（Si，Ge）ガラスなどがある。上記の温
度変化を伴う光学的作用を生じるように選ばれた
半導体小片１４を第２図に示す実施例のように、
熱の良導体で作られた保持具１６に取付け、金属
管１３（輻射の測定の場合には表面を黒色に塗つ
ておくことが望ましい）内へ装着する。
る光源（半導体レーザまたは発光ダイオード）の
波長λ０に対して、被測定温度範囲がT1〜T3に
したいときには、温度T1においてλg（T1）λ
０、温度T3においてλd（T3）λ０になるよう
な半導体材料を選択して半導体小片１４として用
いればよい。例えばGaAlAs系の半導体レーザま
たは発光ダイオード（波長0.8μｍ帯）に対して
は適当な混合比のGaAlAs化合物結晶やAsSSeガ
ラス等があり、GaInAsP系の半導体レーザまた
は発光ダイオード（波長1.2μｍ帯）に対しては
Si結晶または非晶質、GaInAsP化合物結晶、
AsSeTe（Si，Ge）ガラスなどがある。上記の温
度変化を伴う光学的作用を生じるように選ばれた
半導体小片１４を第２図に示す実施例のように、
熱の良導体で作られた保持具１６に取付け、金属
管１３（輻射の測定の場合には表面を黒色に塗つ
ておくことが望ましい）内へ装着する。
第２図の実施例では、半導体小片１４は半球状
に加工され、その平面には光源波長λ０に対する
反射防止膜１５、曲面には全反射膜２０が形成さ
れ、光フアイバ１，２は密着接近させてその端面
１９が半導体小片１４の半球面の中心にくるよう
に装着したもので、光フアイバ１からの射出光は
半導体小片１４内に入射し、曲面に形成された全
〓〓〓〓
反射膜２０で反射され、凹面鏡として働き光フア
イバ２へ集光結合されるように構成したものであ
り、入出力用の光フアイバ１，２が温度検出器に
対して同一方向にあるためにより小型の温度検出
器９が実現できる。
に加工され、その平面には光源波長λ０に対する
反射防止膜１５、曲面には全反射膜２０が形成さ
れ、光フアイバ１，２は密着接近させてその端面
１９が半導体小片１４の半球面の中心にくるよう
に装着したもので、光フアイバ１からの射出光は
半導体小片１４内に入射し、曲面に形成された全
〓〓〓〓
反射膜２０で反射され、凹面鏡として働き光フア
イバ２へ集光結合されるように構成したものであ
り、入出力用の光フアイバ１，２が温度検出器に
対して同一方向にあるためにより小型の温度検出
器９が実現できる。
なお、この場合には、温度検出器９の先端に窓
をあけて直接半導体小片１４を露出してもよい
し、輻射熱測定のために適当なNDフイルタを介
してもよい。
をあけて直接半導体小片１４を露出してもよい
し、輻射熱測定のために適当なNDフイルタを介
してもよい。
また、温度検出器９の入出力用の光フアイバ
１，２は種類、性能等には何らの限定はないが、
入力用の光フアイバ１よりも出力用の光フアイバ
２のコア径、NA値が大きい方が都合がよい。
１，２は種類、性能等には何らの限定はないが、
入力用の光フアイバ１よりも出力用の光フアイバ
２のコア径、NA値が大きい方が都合がよい。
次に動作について説明する。上記第２図の温度
検出器９を用いて第３図に示すように構成し、安
定化電源１１またはパルス発生器によつて駆動さ
れた光源１０から光フアイバ１に結合、導波され
て温度検出器９内へ導かれた後、光フアイバ１か
ら射出される単一波長、一定光強度の光ビーム
は、半導体小片１４を通過する際に一部は吸収さ
れ残りは透過し全反射膜２０で反射され再び光フ
アイバ２に集光されて光強度検出素子２１および
光パワーメータ１２によつてその光強度が測定さ
れる。温度検出器９の温度による半導体小片１４
の光学的吸収係数αの変化に伴つてその半導体小
片１４での透過光強度が変化するので、光強度検
出素子２１および光パワーメータ１２によつて測
定される光フアイバ２によつて導かれる光強度と
温度検出器９の温度の関係を知ることによつて、
広い温度範囲にわたつて安定、かつ高精度また、
応答速度の速い小型の光フアイバ温度測定装置を
実現できる。
検出器９を用いて第３図に示すように構成し、安
定化電源１１またはパルス発生器によつて駆動さ
れた光源１０から光フアイバ１に結合、導波され
て温度検出器９内へ導かれた後、光フアイバ１か
ら射出される単一波長、一定光強度の光ビーム
は、半導体小片１４を通過する際に一部は吸収さ
れ残りは透過し全反射膜２０で反射され再び光フ
アイバ２に集光されて光強度検出素子２１および
光パワーメータ１２によつてその光強度が測定さ
れる。温度検出器９の温度による半導体小片１４
の光学的吸収係数αの変化に伴つてその半導体小
片１４での透過光強度が変化するので、光強度検
出素子２１および光パワーメータ１２によつて測
定される光フアイバ２によつて導かれる光強度と
温度検出器９の温度の関係を知ることによつて、
広い温度範囲にわたつて安定、かつ高精度また、
応答速度の速い小型の光フアイバ温度測定装置を
実現できる。
なお、上記各実施例では半導体小片１４は固体
を加工して用いたが、例えば上記の条件さえみた
せば光フアイバ１の端面に蒸着した非晶質化合物
の薄膜を形成し光フアイバ２の端面とではさみ込
んだような超小型の温度検出器を提供することも
できる。
を加工して用いたが、例えば上記の条件さえみた
せば光フアイバ１の端面に蒸着した非晶質化合物
の薄膜を形成し光フアイバ２の端面とではさみ込
んだような超小型の温度検出器を提供することも
できる。
さらに、光源１０の波長の安定性が問題となる
ような場合には、例えばHe―Neレーザ（0.633μ
ｍまたは1.15μｍ）のようなガスレーザを光源と
して採用しても何らさしつかえない。また、レン
ズ３，４のかわりに適当な凸レンズを用いてもよ
い。
ような場合には、例えばHe―Neレーザ（0.633μ
ｍまたは1.15μｍ）のようなガスレーザを光源と
して採用しても何らさしつかえない。また、レン
ズ３，４のかわりに適当な凸レンズを用いてもよ
い。
以上詳細に説明したように、この発明は一定強
度の光を結合、導波させる光フアイバ伝送路の一
部に、光源の波長にその光学的吸収端を一致させ
た温度検出用半導体小片を挿入し、この半導体小
片の光ビームの入射側を平面に、他方の側を球面
にし、平面の表面に反射防止膜を、球面の表面に
全反射膜を形成したので半導体小片を通つた光ビ
ームは内部で散乱しても全反射膜で反射されて出
力用の光フアイバに入力されるので、効率のよい
集光ができる。そして、この温度検出用半導体小
片の光学的吸収端の温度変化を伴う透過光強度変
化を測定するように構成したので、装置は極めて
安定、小型にでき、強い電磁界環境下でも高い精
度と広い温度測定範囲と速い応答速度をもつ温度
測定装置が得られる効果がある。
度の光を結合、導波させる光フアイバ伝送路の一
部に、光源の波長にその光学的吸収端を一致させ
た温度検出用半導体小片を挿入し、この半導体小
片の光ビームの入射側を平面に、他方の側を球面
にし、平面の表面に反射防止膜を、球面の表面に
全反射膜を形成したので半導体小片を通つた光ビ
ームは内部で散乱しても全反射膜で反射されて出
力用の光フアイバに入力されるので、効率のよい
集光ができる。そして、この温度検出用半導体小
片の光学的吸収端の温度変化を伴う透過光強度変
化を測定するように構成したので、装置は極めて
安定、小型にでき、強い電磁界環境下でも高い精
度と広い温度測定範囲と速い応答速度をもつ温度
測定装置が得られる効果がある。
第１図ａ，ｂは従来の温度測定装置の検出器本
体の断面側面図および測定系の構成図、第２図は
この発明の一実施例を示す温度測定装置の検出器
本体の断面側面図、第３図は測定系の構成図、第
４図ａ，ｂは半導体小片の光吸収係数αのスペク
トラムの温度変化を示す図および半導体小片の光
吸収端エネルギーギヤツプＥgの温度変化を示す
図である。 図中、１，２は光フアイバ、３，４はレンズ、
９は温度検出器、１０は光源、１１は安定化電
源、１２は光パワーメータ、１３は金属管、１４
は半導体小片、１５は反射防止膜、１６，１８は
保持具、１７は保護具、１９は端面、２０は全反
射膜、２１は光強度検出素子である。なお、図中
の同一符号は同一または相当部分を示す。 〓〓〓〓
体の断面側面図および測定系の構成図、第２図は
この発明の一実施例を示す温度測定装置の検出器
本体の断面側面図、第３図は測定系の構成図、第
４図ａ，ｂは半導体小片の光吸収係数αのスペク
トラムの温度変化を示す図および半導体小片の光
吸収端エネルギーギヤツプＥgの温度変化を示す
図である。 図中、１，２は光フアイバ、３，４はレンズ、
９は温度検出器、１０は光源、１１は安定化電
源、１２は光パワーメータ、１３は金属管、１４
は半導体小片、１５は反射防止膜、１６，１８は
保持具、１７は保護具、１９は端面、２０は全反
射膜、２１は光強度検出素子である。なお、図中
の同一符号は同一または相当部分を示す。 〓〓〓〓
Claims (1)
- １ 単一波長の発光スペクトルをもつ光源と、そ
の一定強度の光を結合、導波させる入力用の光フ
アイバと、この入力用の光フアイバに少なくとも
端部側が密着接近し端面を一致させた出力用の光
フアイバと、前記光源の波長にその光学的吸収端
を一致させた半導体結晶または非晶質半導体から
なり、一方の面が平面に他方の面が球面に形成さ
れ、前記平面上に前記光源の波長に対する反射防
止膜が設けられ、前記球面上に全反射膜が形成さ
れるとともに前記球面の中心に前記入力用および
出力用の光フアイバの端面を位置させた温度検出
用の半導体小片を有する温度検出器と、前記光学
的吸収端の温度変化に伴う前記出力用の光フアイ
バの導波光の透過光強度を検出する光強度検出素
子と、この光強度検出素子からの光強度を検出す
るための光パワーメータとを備えたことを特徴と
する温度測定装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4136480A JPS56137236A (en) | 1980-03-31 | 1980-03-31 | Measuring device for temperature |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4136480A JPS56137236A (en) | 1980-03-31 | 1980-03-31 | Measuring device for temperature |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS56137236A JPS56137236A (en) | 1981-10-27 |
| JPS6135492B2 true JPS6135492B2 (ja) | 1986-08-13 |
Family
ID=12606404
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4136480A Granted JPS56137236A (en) | 1980-03-31 | 1980-03-31 | Measuring device for temperature |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS56137236A (ja) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS58111435A (ja) * | 1981-12-24 | 1983-07-02 | Nec Corp | 出力論理回路 |
| JPS59231429A (ja) * | 1983-06-15 | 1984-12-26 | Agency Of Ind Science & Technol | 光学的温度検出素子 |
| JPS6358723U (ja) * | 1986-10-03 | 1988-04-19 | ||
| KR102611019B1 (ko) * | 2021-07-30 | 2023-12-07 | (주)지씨아이 | Otdr을 적용한 온도감지장치 |
-
1980
- 1980-03-31 JP JP4136480A patent/JPS56137236A/ja active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS56137236A (en) | 1981-10-27 |
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