JPS627484B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は光温度検出器に係り、特に出射光の強
さが固体物質の熱膨張・収縮と光学的屈折率の温
度変化によつて変化することを利用した温度検出
素子を有する光温度検出器に関する。

光温度検出器の一例として物質の熱膨張と光の
多重干渉を利用したものが知られている。これ
は、第１図に示されるように、光学的に透明な２
枚の平面板１，１を平行に配置し、それらの間に
熱膨張物質２を挾んで空間３を形成し、平面板１
を通して空間３に光を入射させるようにしたもの
である。光は空間３内で繰返し反射した後、平面
板１より出射するが、繰り返し反射の回数を異に
する波が無限個生じ、この繰り返し反射回数によ
つてそれぞれの光波の位相が異なり干渉が生じ
る。この干渉の２枚の平行平面板の距離に応じて
変化するため、平行平面板によつて挾まれた熱膨
張物質の周囲温度に対応した膨張・収縮による２
枚の平行平面板の間の距離の変化から周囲温度を
検出することができる。このような装置は温度検
出器を構成する部材として熱膨張物質と２枚の平
行平面板の３点を最少限必要とし、しかも平行平
面板が精度良く平行関係を維持するように接合さ
れていなければならず、そのために構造が複雑と
なると共に平行平面板を互いに平行に配列させる
ための調整機構が必要となり、製造工程が複雑と
なり、長期にわたる信頼性を付与することが難し
くなる等の欠点を有していた。

本発明は、このような従来の装置が有する欠点
を解消し、温度検出素子の一対の平行な平端面に
光を入射したときに生ずる多重反射に伴う多波干
渉の温度による変化を利用した光温度検出器を提
供することにある。

以下、本発明による光温度検出器の実施例を図
面を参照して説明する。

先ず、本発明による光温度検出器に対する理解
を容易にするために、第２図を参照して多波干渉
の原理を説明しておく。

第２図に示されるように、屈折率η_２、厚さｌ
の極めて平行度の高い光学的に平滑な平面対を有
する平面板が屈折率η_１の媒質中に置かれている
とする。

平面板に対して平面波が入射角θ_１で入射した
場合、入射波は両端面で無限の回数の反射と透過
を繰り返し無限の数の部分反射波B₁、B₂、……
…と部分透過波A₁、A₂、A₃………を生ずる。こ
の場合に１往復だけ光路差のある２つの部分波の
位相差δは、 δ＝４πη_２ｌｃｏｓθ_２／λ_０ ………(1) で与えられる。たゞし、λ_０は入射波の真空中の
波長、θ_２は入射波の平面板内での屈折角であ
る。

このとき、反射光強度Irと入射光強度Iiとの間
には次の関係が成立する。

Ｉｒ／Ｉｉ＝４Ｒｓｉｎ^２（δ／２）／（１−Ｒ）^２＋
４Ｒｓｉｎ^２（δ／２）……(2) さらに透過光強度Itと入射光強度Iiとの間に
は、 Ｉｔ／Ｉｉ＝（１−Ｒ）^２／（１−Ｒ）^２＋４Ｒｓｉｎ
^２（δ／２）……(3) の関係式が得られる。こゝでＲは反射膜がない場
合 Ｒ＝（η_１−η_２）^２／（η_１＋η_２）^２
………(4) 上記(3)、(4)式において、温度の変化に対しては
Ｒは一定とみなしてさしつかえないのでIr／Ii、
It／Iiはδの関数、すなわち、Ir／Ii、It／Iiは周
期２πの周期関数である。

次に平面板の厚さｌ、光学的屈折率η_２は温度
の変化に対して ｌ＝l₀（１＋αｔ） ………(5) η_２＝η_０（１＋βｔ） ………(6) で近似する。こゝでl₀、η_０はそれぞれ０℃のと
きのｌ、η_２の値であり、αは線膨張率、βは光
学的屈折率の温度変化率、ｔは温度である。

上記式(1)、(5)、(6)より δ＝４πｌ_０η_０ｃｏｓθ_２／λ_０（１＋αｔ）（１＋βｔ）４πｌ_０η_０ｃｏｓθ_２／λ_０｛１＋（α＋β）ｔ
｝………(7) となる。

たゞし、広い温度範囲をとるとα、β自体が温
度ｔの関数となるが適宜温度範囲を狭くとること
によりδを温度ｔの一次関数として近似できる。

前述したとおり、(2)(3)式はδ＝２πの周期関数
であり、これを温度に直すと、式(7)においてδ＝
２πとして △ｔ＝λ_０／｛２ l₀η_０（α＋β）｝cosθ_２
………(8) がIr／IiおよびIt／Iiの周期を与える。

第３図はこの関係を図示したものである。

これらのことから、平行平面板に使用する材料
の種類、平行平面の間隔、使用する光の波長およ
び入射角を定めれば△ｔが定まり、同時に式(2)(3)
より与えられた温度に対するIr／IiおよびIt／Iiが
決定される。

さらに反射光強度Irと透過光強度Itとの間の比
をとると、式(2)(3)により Ｉｒ／Ｉｔ＝４Ｒ／（１−Ｒ）^２sin²（δ／２）…
……(9) あるいは Ｉｒ／Ｉｔ＝（１−Ｒ）^２／４Ｒcos c²（δ／２）
………(10) となる。

上記式(9)(10)にはIiが表われず、光源の光量変動
の影響が除去されていることがわかる。これらの
ことから反射光強度と透過光強度の両方を検出し
て両者の比をとることにより光源の光量変動の影
響を受けることなく温度を検出することができ
る。

次に第４図乃至第７図を参照して本発明の具体
的な実施例について説明する。

第４図において、符号１１は例えばHe−Neレ
ーザ等の光源を示し、この光源１１からの光は光
路としての光フアイバ１２内に伝播する。光フア
イバ１２の先端には光フアイバ１２内に透過した
光を平行光線に変換するためのレンズ１３が設け
られている。このレンズ１３の近傍には温度検出
素子１４が配置されており、この素子１４は、チ
タニヤ、サフアイヤ、ニオブ酸リチウム等の光学
結晶あるいは石英や各種ガラス等のうちから選択
されて使用する光の波長において光学的に透明な
一つの物質上に設けられた適当な光学的パワー反
射係数を有する互に平行であつて、かつ平滑な一
対の平端面１４ａ，１４ｂによつて形成されてい
る。

この平行でかつ平滑が平端面１４ａ，１４ｂ
は、光学研摩等によつてそれが設けられる固体物
質とこれをとりまく周囲の媒体で定まる光学的パ
ワー反射係数を有するように形成されるか、ある
いは光学研摩等によつて光学的に透明な固体上に
あらかじめ設けられた平行かつ平滑な平面に、そ
れらが所望の光学的パワー反射係数を有するよう
に反射膜を施したものである。

しかして、上記温度検出素子１４の平端面１４
ｂの側には透過光を集光するためのレンズ１５が
配置され、集光された透過光は光路としての光フ
アイバ１６内を伝播して受光部１７に導れるよう
になつている。また、受光部１７からの光信号は
信号処理表示部１８に供給される一方、前記光源
１１からの光は受光部１９によつて検出され、上
記信号処理表示部１８に加えられるようになつて
いる。

このように構成された実施例において、光源１
１から出射した光は、光フアイバ１２を通つて伝
播し、レンズ１３を通過して平行光となつて温度
検出素子１４の平端面１４ａに垂直あるいは斜め
に入射し、温度検出素子１４の平端面１４ａ，１
４ｂの間でくり返し反射した後、平端面１４ｂよ
り出射してレンズ１５によつて集光され、光フア
イバ１６内に伝播し、受光部１７に入射して光量
を測定される。このとき、くり返し反射の回数の
異なる光波の位相は互いに異なるため、光波相互
の干渉により透過光の強度が定まる。この光波の
干渉による透過光の強度は平行な平端面間の距離
と温度検出素子を構成する物質の光学的屈折率に
よつて定まり、この距離と物質の光学的屈折率は
温度によつて変化するので温度変化が透過光強度
の変化に変換される。

第５図に示された実施例は、温度検出素子１４
の平端面に光を垂直に入射させ、光を入射させた
側の平端面より射出する多波干渉光を検出するよ
うにした垂直反射型の実施例である。すなわち、
第５図において、光フアイバ１２と１６とは、両
者間に適当な間隔をおいて同一直線上に配置さ
れ、レンズ１３と１５との間にはビームスプリツ
タ２０が配置される一方、光フアイバ１６の先端
には、レンズ２１が取付けられ、光フアイバ１６
内を伝播した光を平行光線に変換するようになつ
ており、さらにレンズ２１の先には温度検出素子
１４が配置されている。一方、上記ビームスプリ
ツタ２０の下方には、ビームスプリツタ２０から
の光を集光するレンズ２３および光を導く光フア
イバ２４が配置され、その先に光量を検出するた
めの受光部１７が接続され、その出力は信号処理
表示部１８が接続されている。さらに、光源１１
からの光は、別の光路を通して受光部１９に入射
し、この受光部１９の光量信号は、信号処理表示
部１８に加えられるようになつている。

このように構成された実施例によれば、光源１
１から出射した光はビームスプリツタ２０を通過
し、レンズ１５によつて集光され光フアイバ１６
内を進行し、レンズ２１によつて平行光線となつ
て温度検出素子１４の平端面１４ａに対して垂直
に入射する。そして、温度検出素子１４の平行な
端面１４ａ，１４ｂの間でくり返し反射したの
ち、光が入射した側の平端面１４ａより出射し、
再びレンズ２１によつて集光され、光フアイバ１
６内を図の左方に向つて進み、ビームスプリツタ
２０で反射され、レンズ２３光フアイバ２４を通
じて受光部１７に入り、反射光の光量が検出され
る。この反射光の光量信号と、光源１１から別の
系路を通して受光部１９に入つた光量信号とは比
較され、その結果は、信号処理表示部１８によつ
て表示される。このような実施例においても、前
記透過形の場合と同様にくり返し反射の回数の異
なる波の位相が異なるため、相互に干渉する結
果、反射光の強度は温度検出素子１４の温度によ
り変化する。

また、第６図は、温度検出素子１４の受光側の
平端面１４ａに光を斜めに入射させ、光を入射さ
せた側の平端面より射出する多波干渉光を検出す
るようにした斜め反射型の実施例である。すなわ
ち、この実施例においては、光源１１、光フアイ
バ１２およびレンズ１３の光軸が温度検出素子１
４の平端面１４ａに対して傾斜して配置される一
方、温度検出素子１４の平端面１４ａから斜めに
射出する光を受光するレンズ１５、光フアイバ１
６およびレンズ１７は平端面１４ａに対して傾斜
して設けられている。このような実施例によれ
ば、光源１１から出射した光は、光フアイバ１２
内を伝播しレンズ１３によつて平行光線となつて
温度検出素子１４の平端面１４ａに対して斜めに
入射し、平端面１４ａ，１４ｂの間をくり返し反
射したのち、平端面１４ａから斜めに出射する。
この出射光は、レンズ１５、および光フアイバ１
６を通して受光部１７に入射され光量を測定され
る。この光量と受光部１９からの光量信号とが比
較され、信号処理表示部１８に表示される。

さらに、第７図に示された実施例は、温度検出
素子１４の平端面１４ａ，１４ｂの間でくり返し
反射したのち透過光と反射光の両方を検出し、両
者の光量の比をとる例であつて、第４図ぞに示し
た実施例と第６図に示した実施例を組合せたもの
に相当する。このような実施例によれば、光源１
１からの光は、光フアイバ１２およびレンズ１３
を通して温度検出素子１４の平端面１４ａに入射
し、その透過光はレンズ１５および光フアイバ１
６を通して受光部１７に導かれ透過光の光量が測
定される。一方、平端面１４ａから反射した反射
光はレンズ１５および光フアイバ１６を通じて受
光部１７に達し反射光の光量を測定される。しか
して、温度検出素子１４からの透過光の光量と反
射光の光量とは比較され、その光量の比が信号処
理表示部１８に表示され、このような実施例によ
れば、光源の光量変動の影響を除去することがで
きる。

以上述べたように本発明によれば、適当な波長
の光に対して光学的に透明な１つの物質に平行な
平端面の対を設けることによつて温度検出素子を
構成し、この素子に光源からの光を入射したとき
に生ずる多重反射による出射光の多波干渉の結
果、出射光強度が温度検出素子の膨張、収縮と光
学的屈折率の変化に伴つて変化することを利用し
て温度を測定するようにしたから、温度検出部の
構造が単純となり、製造が簡単であつて工数が減
少し、調整あるいは調整機構を不要にすることが
できる。また、長期にわたつて測定性能に対する
信頼性が高く、熱容量を低減し応答速度を向上さ
せることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の光温度検出器を示した縦断面
図、第２図は多波干渉の原理を示した説明図、第
３図は温度に対するIr／IiおよびIt／Iiの変化を示
した線図、第４図は本発明の一実施例による透過
型光温度検出器を示した説明図、第５図は本発明
による垂直入射反射型光温度検出器を示した説明
図、第６図は斜入射反射型光温度検出器を示した
説明図、第７図は透過反射型光温度検出器を示し
た説明図である。 １１……光源、１２，１６……光フアイバ、１
３，１５……レンズ、１４……温度検出素子、１
７……受光部、１８……信号処理表示部。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 光源と、チタニア、サフアイア、またはニオ
   ブ酸リチウムの光学結晶、あるいは石英およびガ
   ラスのうちから選択され、使用する光の波長にお
   いて光学的に透明な物質上に設けられた、適当な
   光学的パワー反射係数を有する平行かつ平滑な一
   対の平端面を備えた温度検出素子と、上記光源か
   らの光を上記温度検出素子に導く光路と、上記温
   度検出素子からの透過光または反射光あるいは双
   方の光の量を測定する受光部とを備え、前記平端
   面における光の多重反射に伴う多波干渉の温度に
   よる変化によつて温度を検出するようにした光温
   度検出器。 ２ 特許請求の範囲第１項記載の光温度検出器に
   おいて、温度検出素子の平行な平端面には反射膜
   が形成されて大きなパワー反射係数を有すること
   を特徴とする光温度検出器。