(57)【要約】【課題】センサ光源からの光の安定化を図る。【解決手段】ＧＲＩＮレンズ４０１の一端面４１及び他端面４２にはそれぞれ反射規制手段が設けられている。光学式センサ装置Ｄは、センサ光源１１からの光を、第１光ファイバ３０１、ＧＲＩＮレンズ４０１、及び第３光ファイバ３０３を介してプローブ２３まで伝送し、プローブ２３に設けられた第３光ファイバ３０３の他端での光のフレネル反射による戻り光を、第３光ファイバ３０３を介して光モニタＰＤ１２に入力してフィードバックによるＡＰＣ制御を行う。【選択図】図１
2014157032.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
センサ光源、光モニタＰＤ、及びＧＲＩＮレンズを有する装置本体と、前記装置本体の外部に設けられたプローブと、を備えた光学式センサ装置であって、
前記センサ光源に一端が接続されていると共に前記ＧＲＩＮレンズの一端面に他端が接続された第１光ファイバと、
前記光モニタＰＤに一端が接続されていると共に前記ＧＲＩＮレンズの一端面に他端が接続された第２光ファイバと、
前記ＧＲＩＮレンズの他端面に一端が接続されていると共に他端が前記プローブに設けられた第３光ファイバと、
を含み、
前記ＧＲＩＮレンズの一端面及び他端面にはそれぞれ反射規制手段が設けられており、
前記センサ光源からの光を、前記第１光ファイバ、前記ＧＲＩＮレンズ、及び前記第３光ファイバを介して前記プローブまで伝送し、前記プローブに設けられた前記第３光ファイバの他端での光のフレネル反射による戻り光を、前記第３光ファイバ、前記ＧＲＩＮレンズを介して前記モニタＰＤに入力してフィードバックによるＡＰＣ制御を行うように構成された光学式センサ装置。
【請求項２】
請求項１に記載された光学式センサ装置において、
前記反射規制手段は、前記ＧＲＩＮレンズの一端面及び／又は他端面を被覆するように設けられた反射防止膜である光学式センサ装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載された光学式センサ装置において、
前記第１及び第２光ファイバは、前記ＧＲＩＮレンズの一端面において、その中心を挟んで対称となるように設けられている光学式センサ装置。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載された光学式センサ装置において、
前記センサ光源がシグナル光源であると共に、前記モニタＰＤがシグナル光モニタＰＤであり、
前記装置本体は、レファレンス光源及びレファレンス光モニタＰＤをさらに有し、
前記レファレンス光源に一端が接続されていると共に前記ＧＲＩＮレンズの一端面に他端が接続された第４光ファイバと、
前記レファレンス光モニタＰＤに一端が接続されていると共に前記ＧＲＩＮレンズの一端面に他端が接続された第５光ファイバと、
をさらに含み、
前記レファレンス光源からのレファレンス光を、前記第４光ファイバ、前記ＧＲＩＮレンズ、及び前記第３光ファイバを介して前記プローブまで伝送し、前記プローブに設けられた前記第３光ファイバの他端でのレファレンス光のフレネル反射による戻り光を、前記第３光ファイバ、前記ＧＲＩＮレンズ、及び前記第５光ファイバを介して前記レファレンス光モニタＰＤに入力してフィードバックによるＡＰＣ制御を行うように構成された光学式センサ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光学式センサ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＡＰＣ制御では、光源から出力される光をモニタし、それをフィードバックして発光出力が一定となるように制御を行う。
【０００３】
例えば、特許文献１には、ＬＤ（レーザダイオード）と同じパッケージ内にＰＤ（フォトダイオード）を配置し、ＰＤにより戻り光をモニタしてＡＰＣ制御を行うことが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−１６８４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の課題は、センサ光源からの光出力の安定化を図ることである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、センサ光源、光モニタＰＤ、及びＧＲＩＮレンズを有する装置本体と、前記装置本体の外部に設けられたプローブと、を備えた光学式センサ装置であって、
前記センサ光源に一端が接続されていると共に前記ＧＲＩＮレンズの一端面に他端が接続された第１光ファイバと、
前記光モニタＰＤに一端が接続されていると共に前記ＧＲＩＮレンズの一端面に他端が接続された第２光ファイバと、
前記ＧＲＩＮレンズの他端面に一端が接続されていると共に他端が前記プローブに設けられた第３光ファイバと、
を含み、
前記ＧＲＩＮレンズの一端面及び他端面にはそれぞれ反射規制手段が設けられており、
前記センサ光源からの光を、前記第１光ファイバ、前記ＧＲＩＮレンズ、及び前記第３光ファイバを介して前記プローブまで伝送し、前記プローブに設けられた前記第３光ファイバの他端での光のフレネル反射による戻り光を、前記第３光ファイバ、前記ＧＲＩＮレンズを介して前記モニタＰＤに入力してフィードバックによるＡＰＣ制御を行うように構成されている。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、プローブに設けられた第３光ファイバの他端での光のフレネル反射による戻り光に基づいて光伝送路全体を含めたフィードバックによるＡＰＣ制御を行うことができ、それによってセンサ光源からの光の安定化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施形態１に係る光学式温度センサ装置の構成を示すブロック図である。
【図２】プローブの縦断面図である。
【図３】第１〜第６光ファイバ心線として用いる光ファイバ心線の斜視図である。
【図４】第１及び第２ＧＲＩＮレンズとして用いるＧＲＩＮレンズの斜視図である。
【図５】（ａ）は、ＧＲＩＮレンズに反射規制手段としての反射防止膜を設けた構成を示す側面図であり、（ｂ）はＧＲＩＮレンズに反射規制手段としての斜め研磨構造を設けた構成を示す側面図である。
【図６】（ａ）は、第１〜第３光ファイバ心線と第１ＧＲＩＮレンズとのカップリング構造の側面図であり、（ｂ）は図６（ａ）におけるVIb-VIb断面図であり、（ｃ）は図６（ａ）におけるVIc-VIc断面図である。
【図７】（ａ）は、第３及び第６光ファイバ心線と第２ＧＲＩＮレンズとの接続構造の側面図であり、（ｂ）は図７（ａ）におけるVIIb-VIIb断面図であり、（ｃ）は図７（ａ）における矢視VIIcの正面図である。
【図８】実施形態２に係る光学式温度センサ装置の構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、実施形態について図面に基づいて詳細に説明する。
【００１０】
（実施形態１）
図１は、実施形態１に係る光学式温度センサ装置Ｄを示す。この実施形態１に係る光学式温度センサ装置Ｄは、各種装置における温度測定に用いられるものであり、特に電力設備における電力線や機器からの電磁波ノイズを受ける環境、医療分野ではマイクロ波を使用するハイパーサミヤ治療、半導体製造装置で高周波電源が使用される用途に好適なものである。
【００１１】
実施形態１に係る光学式温度センサ装置Ｄは、装置本体１０とその外部に設けられたプローブ２３とで構成されている。
【００１２】
装置本体１０には、Ｓｉｇ．ＬＥＤ１１（センサ光源：シグナル光源）、Ｓｉｇ．モニタＰＤ１２（シグナル光モニタＰＤ）、Ｒｅｆ．ＬＥＤ１３（レファレンス光源）、Ｒｅｆ．モニタＰＤ１４（レファレンス光モニタＰＤ）、Ｓｉｇ．／Ｒｅｆ．ＰＤ１５、及び第１ＧＲＩＮレンズ４０１が設けられている。
【００１３】
Ｓｉｇ．ＬＥＤ１１には、第１光ファイバ心線３０１の一端が直接又はレンズを介して接続され、また、Ｓｉｇ．モニタＰＤ１２には、第２光ファイバ心線３０２の一端が直接又はレンズを介して接続されている。第１及び第２光ファイバ心線３０１，３０２の他端は、それぞれ第１ＧＲＩＮレンズ４０１の一端面４１に接続されている。第１ＧＲＩＮレンズ４０１の他端面４２には、第３光ファイバ心線３０３の一端が接続されている。
【００１４】
Ｒｅｆ．ＬＥＤ１３には、第４光ファイバ心線３０４の一端が直接又はレンズを介して接続され、また、Ｒｅｆ．モニタＰＤ１４には、第５光ファイバ心線３０５の一端が直接又はレンズを介して接続されている。Ｓｉｇ．／Ｒｅｆ．ＰＤ１５には、第６光ファイバ心線３０６の一端が接続されている。
【００１５】
装置本体１０には制御部１６が設けられており、Ｓｉｇ．ＬＥＤ１１、Ｓｉｇ．モニタＰＤ１２、Ｒｅｆ．ＬＥＤ１３、Ｒｅｆ．モニタＰＤ１４、及びＳｉｇ．／Ｒｅｆ．ＰＤ１５がそれぞれ接続されている。なお、第３及び第６光ファイバ心線３０３，３０６は、それぞれ装置本体１０から外部に引き出され、それぞれケーブルを構成している。
【００１６】
第１ＧＲＩＮレンズ４０１の一端面４１及び他端面４２には、第１ＧＲＩＮレンズ４０１に外部から入力する光及び第１ＧＲＩＮレンズ４０１から外部に出力する光の一端面４１或いは他端面４２での反射を規制し、その伝送を阻止する反射規制手段が設けられている。
【００１７】
図２はプローブ２３を示す。
【００１８】
プローブ２３は、筒状に形成されたプローブ本体２３１と、その先端の開口を封じるように設けられた先端部材２３２とを有する。
【００１９】
プローブ本体２３１には、基端側に心線挿通孔２３１ａ及び先端側にレンズ保持孔２３１ｂが連通するように形成されており、心線挿通孔２３１ａに装置本体１０から引き出された第３及び第６光ファイバ心線３０３，３０６が挿通されていると共に、レンズ保持孔２３１ｂに第２ＧＲＩＮレンズ４０２が内嵌めされている。第３及び第６光ファイバ心線３０３，３０６の他端はそれぞれ第２ＧＲＩＮレンズ４０２の一端面４１に接続されている。
【００２０】
先端部材２３２は、基材２３２ａ上に半導体センサチップ２３２ｂが設けられた構成を有する。半導体センサチップ２３２ｂは、基材２３２ａに面する側に反射ミラー層が形成されていて、入力された光を反射する。そして、先端部材２３２は、半導体センサチップ２３２ｂが第２ＧＲＩＮレンズ４０２の他端面４２に対向するようにプローブ本体２３１に取り付けられている。また、図には示していないが、第２ＧＲＩＮレンズ４０２の長さを最適化し、第２ＧＲＩＮレンズ４０２の他端面４２と半導体センサチップ２３２ｂと間にギャップを設けることにより、熱応答性を高めることも可能である。
【００２１】
第２ＧＲＩＮレンズ４０２の他端面４２には、シグナル光及びレファレンス光波長に対する反射規制手段が設けられている。なお、第２ＧＲＩＮレンズ４０２の一端面４１には、かかる反射規制手段は設けられていない。
【００２２】
この実施形態１に係る光学式温度センサ装置Ｄでは、装置本体１０内において、Ｓｉｇ．ＬＥＤ１１からシグナル光が発されると、シグナル光は、第１光ファイバ心線３０１により伝送されて第１ＧＲＩＮレンズ４０１の一端面４１に入力される。第１ＧＲＩＮレンズ４０１の他端面４２から出力されるシグナル光は、第３光ファイバ心線３０３により伝送されてプローブ２３の第２ＧＲＩＮレンズ４０２の一端面４１に入力される。そして、第２ＧＲＩＮレンズ４０２の他端面４２から出力されるシグナル光は、プローブ２３の先端に設けられた半導体センサチップ２３２ｂに照射されて反射する。
【００２３】
プローブ２３における半導体センサチップ２３２ｂで反射したシグナル光の反射光（以下「シグナル反射光」という。）は、第２ＧＲＩＮレンズ４０２の他端面４２に入力される。第２ＧＲＩＮレンズ４０２の一端面４１から出力されるシグナル反射光は、第６光ファイバ心線３０６により伝送されてＳｉｇ．／Ｒｅｆ．ＰＤ１５に入力される。
【００２４】
ここで、半導体センサチップ２３２ｂを形成する半導体は光学的基礎吸収端波長を有し、この光学的基礎吸収端波長は温度上昇と共に長波長側に移行する。一方、シグナル光の波長は、測定温度範囲における光学的基礎吸収端波長の移行範囲に包含されていることから、半導体センサチップ２３２ｂに照射されて吸収された後のシグナル反射光の強度は温度上昇と共に減少する。従って、シグナル反射光の強度は、Ｓｉｇ．／Ｒｅｆ．ＰＤ１５に入力されて電気信号に変換された後に制御部１６に入力され、そして、制御部１６は、それに基づいた演算処理により測定温度を算出する（久間和生、沢田隆夫、田井修市、布下正宏，「光ファイバによる温度の遠隔測定」，センサ技術，１９８１年９月号（Vol.1. No.2）、及びKAZUO KYUMA et al. Fiber-Optical Instrument for Temperature Measurement, IEEE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICS, VOL.QE-18, NO.4, APRIL, 1982参照）。
【００２５】
また、この実施形態１に係る光学式温度センサ装置Ｄでは、装置本体１０内において、Ｒｅｆ．ＬＥＤ１３からレファレンス光が発されると、レファレンス光は、第４光ファイバ心線３０４により伝送されて第１ＧＲＩＮレンズ４０１の一端面４１に入力される。第１ＧＲＩＮレンズ４０１の他端面４２から出力されるレファレンス光は、第３光ファイバ心線３０３により伝送されてプローブ２３の第２ＧＲＩＮレンズ４０２の一端面４１に入力される。そして、第２ＧＲＩＮレンズ４０２の他端面４２から出力されるレファレンス光は、プローブ２３の先端に設けられた半導体センサチップ２３２ｂに照射されて反射する。
【００２６】
プローブ２３における半導体センサチップ２３２ｂで反射したレファレンス光の反射光（以下「レファレンス反射光」という。）は、第２ＧＲＩＮレンズ４０２の他端面４２に入力される。第２ＧＲＩＮレンズ４０２の一端面４１から出力されるレファレンス反射光は、第６光ファイバ心線３０６により伝送されてＳｉｇ．／Ｒｅｆ．ＰＤ１５に入力される。
【００２７】
ここで、レファレンス光の波長は、測定温度範囲における半導体センサチップ２３２ｂの光学的基礎吸収端波長の移行範囲に含まれず、そのため半導体センサチップ２３２ｂに照射された後のレファレンス反射光の強度は基本的には変化しない。但し、レファレンス光及びレファレンス反射光の強度は、第３及び第６光ファイバ心線３０３，３０６に与えられる熱や曲げや張力の影響により損失を生じる。レファレンス反射光の強度は、Ｓｉｇ．／Ｒｅｆ．ＰＤ１５に入力されて電気信号に変換されて制御部１６に入力されるが、制御部１６は、シグナル反射光の強度に基づいた測定温度を算出する演算処理において、レファレンス光及びレファレンス反射光の強度の損失が認められた場合には、シグナル光及びシグナル反射光の強度にも同じ損失が生じているものとして、その損失を相殺するように処理を行う。
【００２８】
さらに、この実施形態１に係る光学式温度センサ装置Ｄでは、Ｓｉｇ．ＬＥＤ１１からのシグナル光が、第１光ファイバ心線３０１、第１ＧＲＩＮレンズ４０１、及び第３光ファイバ心線３０３を介してプローブ２３まで伝送され、そのプローブ２３に設けられた第３光ファイバ心線３０３の他端でのシグナル光のフレネル反射による戻り光が、第３光ファイバ心線３０３、第１ＧＲＩＮレンズ４０１、及び第２光ファイバ心線３０２を介してＳｉｇ．モニタＰＤ１２に入力される。そして、Ｓｉｇ．モニタＰＤ１２は、入力された戻り光を光電変換して制御部１６に入力する。制御部１６は、Ｓｉｇ．モニタＰＤ１２の出力電流が一定になるようにフィードバックしてＳｉｇ．ＬＥＤ１１の駆動電流を制御し、それによってＳｉｇ．ＬＥＤ１１からのシグナル光の出力を一定に保持するＡＰＣ制御を行う。
【００２９】
また、Ｒｅｆ．ＬＥＤ１３からのレファレンス光が、第４光ファイバ心線３０４、第１ＧＲＩＮレンズ４０１、及び第３光ファイバ心線３０３を介してプローブ２３まで伝送され、そのプローブ２３に設けられた第３光ファイバ心線３０３の他端でのレファレンス光のフレネル反射による戻り光が、第３光ファイバ心線３０３、第１ＧＲＩＮレンズ４０１、及び第５光ファイバ心線３０５を介してＲｅｆ．モニタＰＤ１４に入力される。そして、Ｒｅｆ．モニタＰＤ１４は、入力された戻り光を光電変換して制御部１６に入力する。制御部１６は、Ｒｅｆ．モニタＰＤ１４の出力電流が一定になるようにフィードバックしてＲｅｆ．ＬＥＤ１３の駆動電流を制御し、それによってＲｅｆ．ＬＥＤ１３からのレファレンス光の出力を一定に保持するＡＰＣ制御を行う。
【００３０】
ところで、Ｓｉｇ．ＬＥＤからのシグナル光及びＲｅｆ．ＬＥＤからのレファレンス光の光出力レベルを一定にする従来技術として、それらの光をＬＥＤモジュール内蔵のモニタＰＤ或いは装置本体内において光ファイバ等の光導波路からカプラ等で分岐したところに設けられたモニタＰＤで受光し、フィードバック制御によりそれらの光出力レベルを一定にする技術が知られている。ところが、この場合、装置本体から出る前の光がモニタされるため、光コネクタ接続部での損失のばらつき、光ファイバ伝送路での温度や曲げ等による損失の変化の影響を受け、実際にセンサチップに届く光の光出力レベルは、モニタされた光の光出力レベルから変動している虞がある。
【００３１】
しかしながら、この実施形態１に係る光学式温度センサ装置Ｄによれば、第１ＧＲＩＮレンズ４０１の一端面４１及び他端面４２、並びに第２ＧＲＩＮレンズ４０２の他端面４２に反射規制手段が設けられている一方、第２ＧＲＩＮレンズ４０２の一端面４２に反射規制手段が設けられていないことにより、上記のようにプローブ２３に設けられた第３光ファイバ心線３０３の他端でのシグナル光或いはレファレンス光のフレネル反射による戻り光をＳｉｇ．モニタＰＤ１２或いはＲｅｆ．モニタＰＤ１４で受光し、それに基づいて光伝送路全体を含めたフィードバックによるＡＰＣ制御を行うことができ、それによってＳｉｇ．ＬＥＤ１１からのシグナル光及びＲｅｆ．ＬＥＤ１３からのレファレンス光の光出力の安定化を図ることができる。また、このような構成は、ＰＤ内蔵光源を入手できない場合でも、このような簡単な構成によりＡＰＣ制御を行うことができる。
【００３２】
以上の構成の実施形態１に係る光学式温度センサ装置Ｄにおいて、例えば、半導体センサチップ２３２ｂがＧａＡｓ結晶で形成されているような場合には、Ｓｉｇ．ＬＥＤ１１として発光波長が８９０ｎｍのＬＥＤ、また、Ｒｅｆ．ＬＥＤ１３として発光波長が９５０ｎｍのＬＥＤをそれぞれ用いることができる。
【００３３】
Ｓｉｇ．ＬＥＤ１１及びＲｅｆ．ＬＥＤ１３は、シグナル光或いはレファレンス光をパルス光として発光し、また、発光タイミングをずらして時分割で発光することが好ましい。シグナル反射光及びレファレンス反射光も、第２ＧＲＩＮレンズ４０２、並びに第６光ファイバ心線３０６を伝搬するため、Ｓｉｇ．ＬＥＤ１１及びＲｅｆ．ＬＥＤ１３が同時に発光すると、シグナル反射光及びレファレンス反射光の合波光がＳｉｇ．／Ｒｅｆ．ＰＤ１５に入力され、シグナル反射光とレファレンス反射光との区別が困難となる。しかしながら、シグナル光及びレファレンス光をパルス光とし、それらの発光タイミングをずらすことにより、Ｓｉｇ．／Ｒｅｆ．ＰＤ１５に入力されるシグナル反射光とレファレンス反射光とを明確に区別することができる。
【００３４】
図３は、第１〜第６光ファイバ心線３０１〜３０６として用いる光ファイバ心線３０を示す。
【００３５】
光ファイバ心線３０は、光ファイバ３１とそれを被覆する被覆層３２とを有する。光ファイバ心線３０の外径は例えば０．１〜３．０ｍｍである。
【００３６】
光ファイバ３１は、光源に使用される用途ではシングルモードを使用する場合も考えられるが、その他の用途では結合効率を優先していわゆるマルチモード光ファイバであることが好ましい。光ファイバ３１は、例えば、相対的に高屈折率なコア３１ａとそれを被覆する相対的に低屈折率なクラッド３１ｂとの二層構造に構成されている。光ファイバ３１は、石英製であって、例えば、コア３１ａが、ドーパントがドープされていない純粋な石英で形成され、且つクラッド３１ｂが、屈折率を低くするドーパント（例えばＦ等）がドープされた石英で形成された構成であってもよい。また、光ファイバ３１は、コア３１ａが、屈折率を高めるドーパント（例えばＧｅ等）がドープされた石英で形成され、且つクラッド３１ｂが、ドーパントがドープされていない純粋な石英又は屈折率を低くするドーパント（例えばＦ等）がドープされた石英で形成された構成であってもよい。さらに、光ファイバ３１は、プラスチック製であって、例えば、コア３１ａが、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）樹脂等で形成され、且つクラッド３１ｂが、フッ素含有ポリマー等で形成された構成であってもよい。また、光ファイバ３１は、例えば、コア３１ａが石英で形成され、且つクラッド３１ｂがプラスチックで形成されたＨＰＣＳ（Hard Polymer Clad Silica）構造のものであってもよい。光ファイバ３１の外径は例えば８０〜３，０００μｍである。コア３１ａの直径は例えば８〜２，９４５μｍである。
【００３７】
被覆層３２は樹脂で形成されている。被覆層３２は、内側のバッファ層（例えばシリコーン樹脂）とそれを被覆する外側のジャケット層（例えばナイロン樹脂）との二層構造等の多層で構成されていても、また、熱可塑性樹脂又は熱硬化性樹脂の単一層で構成されていても、どちらでもよい。被覆層３２の厚さは例えば１〜６００μｍである。
【００３８】
なお、第１〜第６光ファイバ心線３０１〜３０６は、部品の種類を少なくする観点からは同一構成を有することが好ましいが、それぞれの要求品質に対応して異なる構成を有していてもよい。
【００３９】
図４は、第１及び第２ＧＲＩＮレンズ４０１，４０２として用いるＧＲＩＮレンズ４０を示す。
【００４０】
ＧＲＩＮレンズ４０（gradient index lens：屈折率分布型レンズ）は、屈折率が半径方向に分布を有する円柱状レンズである。ＧＲＩＮレンズ４０は、縦断面において、直径に沿って正規分布状や上に凸の放物線状に屈折率が変化するグレーデッドインデックス型の屈折率分布を有しており、そして、入射した光は正弦波光路をとり、その正弦波光路の周期を各ＧＲＩＮレンズ４０固有の「ピッチ」という。ＧＲＩＮレンズ４０は、一般的な多成分系ガラス製や石英系ファイバとの融着が容易な石英系ガラス製であっても、また、プラスチック製であっても、どちらでもよい。多成分系ガラス製のＧＲＩＮレンズ４０の外径は例えば０．５〜４．０ｍｍである。ＧＲＩＮレンズ４０の長さは、例えば０．１〜０．４ピッチであり、具体的には例えば１．０〜２０．０ｍｍである。
【００４１】
第１ＧＲＩＮレンズ４０１の一端面４１及び他端面４２、並びに第２ＧＲＩＮレンズ４０２の他端面４２に設けられた反射規制手段は、図５（ａ）に示すように、ＧＲＩＮレンズ４０の一端面４１或いは他端面４２を被覆するように設けられた反射防止膜４３（ＡＲ膜）であってもよい。反射防止膜４３は、例えば誘電体多層膜、金属薄膜、或いは、それらのハイブリッド膜等で構成される。
【００４２】
また、反射規制手段は、図５（ｂ）に示すように、ＧＲＩＮレンズ４０の一端面４１或いは他端面４２に施された斜め研磨構造であってもよい。斜め研磨構造は、ＧＲＩＮレンズ４０一端面４１或いは他端面４２を研磨して軸に直交する方向に対して例えば８°程度傾斜した面とし、一方、そこに接続する光ファイバ３１の端面も同様に研磨し、これによりＧＲＩＮレンズ４０に外部から入力する光及びＧＲＩＮレンズ４０から外部に出力する光の一端面４１或いは他端面４２での反射光を外部へと放出する反射規制手段は、その他に球面研磨等であってもよい。
【００４３】
なお、第１ＧＲＩＮレンズ４０１の一端面４１及び他端面４２、並びに第２ＧＲＩＮレンズ４０２の他端面４２には、同一の反射規制手段が設けられていても、また、異なる反射規制手段が設けられていても、どちらでもよい。また、第１及び第２ＧＲＩＮレンズ４０１，４０２は、部品の種類を少なくする観点からは同一構成を有することが好ましいが、それぞれの要求品質に対応して異なる構成を有していてもよい。
【００４４】
半導体センサチップ２３２ｂを形成する半導体としては、上記のＧａＡｓの他、例えば、ＣｄＴｅ等が挙げられる。半導体センサチップ２３２ｂの大きさは例えば２００〜８００μｍである。半導体センサチップ２３２ｂの厚さは例えば２００〜８００μｍである。なお、この半導体の測定温度範囲における光学的基礎吸収端波長の移行範囲に基づいてシグナル光及びレファレンス光の波長は選択される。
【００４５】
図６（ａ）〜（ｃ）は、第１〜第５光ファイバ心線３０１〜３０５と第１ＧＲＩＮレンズ４０１とのカップリング構造を示す。
【００４６】
このカップリング構造では、第１、第２、第４、及び第５光ファイバ心線３０１，３０２，３０４，３０５の４本の光ファイバ３１（第１、第２、第４、及び第５光ファイバ）が第１ＧＲＩＮレンズ４０１の一端面４１に接続されている。これらの４本の光ファイバ３１の第１ＧＲＩＮレンズ４０１の一端面４１への接続は、通常機械的に行われるが、融着接続であることが好ましい。その場合、光ファイバ３１と第１ＧＲＩＮレンズ４０１とは同一材質であることが好ましく、また、光ファイバ３１がプラスチック製である場合、第１ＧＲＩＮレンズ４０１もプラスチック製であることが好ましい。第１ＧＲＩＮレンズ４０１の一端面４１に接続される第１光ファイバ心線３０１と第２光ファイバ心線３０２のコア３１ａの直径は、第１ＧＲＩＮレンズ４０１の他端面４２に接続される第３光ファイバ心線３０３のコア３１ａの直径と必ずしも同一でなくてもよく、第３光ファイバ心線３０３のコア３１ａの直径よりも小さくてもよい。
【００４７】
また、このカップリング構造では、第３光ファイバ心線３０３の光ファイバ３１（第３光ファイバ）が第１ＧＲＩＮレンズ４０１の他端面４２に接続されている。この光ファイバ３１の第１ＧＲＩＮレンズ４０１の他端面４２への接続は、通常機械的に行われるが、融着接続であることが好ましい。その場合、光ファイバ３１と第１ＧＲＩＮレンズ４０１とは同一材質であることが好ましい。具体的には、光ファイバ３１が石英製である場合、第１ＧＲＩＮレンズ４０１も石英製であることが好ましく、また、光ファイバ３１がプラスチック製である場合、第１ＧＲＩＮレンズ４０１もプラスチック製であることが好ましい。
【００４８】
第１及び第４光ファイバ心線３０１，３０４の一対の光ファイバ３１から第１ＧＲＩＮレンズ４０１に入力されるシグナル光及びレファレンス光を第３光ファイバ心線３０３の光ファイバ３１に効率よく入力する観点からは、第３光ファイバ心線３０３の光ファイバ３１は、第１ＧＲＩＮレンズ４０１の他端面４２の中心に設けられていることが好ましい。さらに、第１ＧＲＩＮレンズ４０１の長さは、光ファイバ３１を、コア３１ａの直径４００μｍ、ファイバ外径５００μm、及びＮＡ ０．２とし、並びに第１ＧＲＩＮレンズ４０１を、外径２ｍｍ、中心屈折率１．５９８６（８３０ｎｍ）、及び２次定数√Ａ ０．２９８（８３０ｎｍ）とした場合、０．１４〜０．３８ピッチであることが好ましく、具体的には例えば３〜８ｍｍであることが好ましい。なお、長さ１／４ピッチの第１ＧＲＩＮレンズ４０１は、一端面４１から平行光が入力されると、他端面４２の中心に集光結像する。
【００４９】
また、第２光ファイバ心線３０２の光ファイバ３１のコア３１ａにおいてシグナル反射光を効率よく受光する観点から、第１及び第２光ファイバ心線３０１，３０２の一対の光ファイバ３１は、第１ＧＲＩＮレンズ４０１の一端面４１において、その中心を挟んで対称となるように設けられていることが好ましい。同様の観点から、第２光ファイバ心線３０２の光ファイバ３１のコア３１ａの直径は、シグナル光を出射する第１光ファイバ心線３０１の光ファイバ３１のコア３１ａの直径と同等であるか、或いはよりも大きいことが好ましい。
【００５０】
加えて、第１ＧＲＩＮレンズ４０１の一端面４１から出力されるレファレンス反射光は、第５光ファイバ心線３０５の光ファイバ３１のコア３１ａにおいてレファレンス反射光を効率よく受光する観点から、第４及び第５光ファイバ心線３０４，３０５の一対の光ファイバ３１は、第１ＧＲＩＮレンズ４０１の一端面４１において、その中心を挟んで対称となるように設けられていることが好ましい。同様の観点から、第５光ファイバ心線３０５の光ファイバ３１のコア３１ａの直径は、レファレンス光を出射する第４光ファイバ心線３０４の光ファイバ３１のコア３１ａの直径と同等であるか、或いはよりも大きいことが好ましい。
【００５１】
以上のことから、第１、第２、第４、及び第５光ファイバ心線３０１，３０２，３０４，３０５の４本の光ファイバ３１が、第１ＧＲＩＮレンズ４０１の一端面４１に、第１及び第２光ファイバ心線３０１，３０２の一対の光ファイバ３１が対角に配置され且つ第４及び第５光ファイバ心線３０４，３０５の一対の光ファイバ３１が対角に配置された正方配置となるように接続されていることが好ましい。
【００５２】
以上のようなカップリング構造によれば、空間光学系構成と比較して、部品点数及び組立工数が少なく、また、光ファイバ３１を用いていることから信頼性が高く、さらに、ダイクロイックミラーや大口径のマルチモードファイバ用カプラのような高価な部品を使用する必要がない。
【００５３】
図７（ａ）〜（ｃ）は、第３及び第６光ファイバ心線３０３，３０６と第２ＧＲＩＮレンズ４０２との接続構造を示す。
【００５４】
この接続構造では、第３及び第６光ファイバ心線３０３，３０６の一対の光ファイバ３１が第２ＧＲＩＮレンズ４０２の一端面４１に接続されている。ここで、第３光ファイバ心線３０３の第２ＧＲＩＮレンズ４０２に接続される端面は、反射規制手段が施されず、フレネル反射が生じるようにして第２ＧＲＩＮレンズ４０２に機械的に接続されている。その他、全てのファイバの両端面と第３光ファイバ心線３０３の第１ＧＲＩＮレンズ４０１の他端面４２に接続される面ではＡＲコートや斜め研磨等の反射規制手段が施されている。この場合、第２ＧＲＩＮレンズ４０２の一端面４１の反射規制手段は、端面が垂直になるＡＲコートであることが望ましく、この面に接続される第６光ファイバ心線３１の端面に施される反射規制手段もＡＲコートであることが望ましい。なお、第２ＧＲＩＮレンズ４０２の外径は、これら一対の光ファイバ３１の外径の和と同等であるか、或いはそれ以上であることが好ましい。
【００５５】
第２ＧＲＩＮレンズ４０２の一端面４１から出力されるシグナル反射光或いはレファレンス反射光は、その一部が第３光ファイバ心線３０３にも入力されることとなるが、第６光ファイバ心線３０６の光ファイバ３１のコア３１ａにおいてシグナル反射光或いはレファレンス反射光を効率よく受光し、それらの第３光ファイバ心線３０３への入力を抑制する観点からは、第３及び第６光ファイバ心線３０３，３０６の一対の光ファイバ３１は、第２ＧＲＩＮレンズ４０２の一端面４１において、その中心を挟んで対称となり且つ相互に間隔を有さずに密接するように設けられていることが好ましい。また、半導体センサチップ２３２ｂは、第２ＧＲＩＮレンズ４０２の他端面４２の中心に対応するように設けられていることが好ましい。さらに、第２ＧＲＩＮレンズ４０２の長さは光ファイバ３１を、コア３１ａの直径４００μｍ、ファイバ外径５００μｍ、及びＮＡ０．２とし、並びに第１ＧＲＩＮレンズ４０１を、外径２ｍｍ、中心屈折率１．５９８６（８３０ｎｍ）、及び２次定数√Ａ ０．２９８（８３０ｎｍ）とした場合、０．２２〜０．２８ピッチであることが好ましく、具体的には例えば４．６〜５．９ｍｍであることが好ましく、また、第２ＧＲＩＮレンズ４０２の熱の影響の配慮が不要であれば、半導体センサチップ２３２ｂと第２ＧＲＩＮレンズ４０２の他端面４２とが接触していることが好ましい。加えて、同様の観点から、第６光ファイバ心線３０６の光ファイバ３１のコア３１ａの直径は、シグナル光或いはレファレンス光を出射する第３光ファイバ心線３０３の光ファイバ３１のコア３１ａの直径よりも大きいことが好ましい。
【００５６】
以上のような接続構造によれば、第３及び第６光ファイバ心線３０３，３０６と半導体センサチップ２３２ｂとの間に第２ＧＲＩＮレンズ４０２を介設することにより、第３及び第６光ファイバ心線３０３，３０６と半導体センサチップ２３２ｂとの間に、第２ＧＲＩＮレンズ４０２を介設せずに最適な空間を設けた場合に比べても、第６光ファイバ心線３０６の光ファイバ３１のコア３１ａにおいてシグナル反射光或いはレファレンス反射光を効率よく受光することができる。
【００５７】
（実施形態２）
図８は、実施形態２に係る光学式温度センサ装置Ｄを示す。なお、実施形態１と同一構成及び名称の部分は実施形態１と同一の符号で示す。この実施形態２に係る光学式温度センサ装置Ｄも、実施形態１と同様、各種装置における温度測定に用いられるものである。
【００５８】
実施形態２に係る光学式温度センサ装置Ｄは、装置本体１０とその外部に設けられたプローブ２３とで構成されている。
【００５９】
装置本体１０には、Ｓｉｇ．ＬＥＤ１１（シグナル光源）、Ｒｅｆ．ＬＥＤ１３（レファレンス光源）、Ｓｉｇ．／Ｒｅｆ．モニタＰＤ１７（シグナル光モニタＰＤ、レファレンス光モニタＰＤ）、Ｓｉｇ．／Ｒｅｆ．ＰＤ１５、第１ＧＲＩＮレンズ４０１、及び第３ＧＲＩＮレンズ４０３が設けられている。
【００６０】
Ｓｉｇ．ＬＥＤ１１には、第１光ファイバ心線３０１の一端が直接又はレンズを介して接続されている。第１光ファイバ心線３０１の他端は第１ＧＲＩＮレンズ４０１の一端面４１に接続されている。第１ＧＲＩＮレンズ４０１の他端面４２には、第３光ファイバ心線３０３の一端が接続されている。
【００６１】
Ｒｅｆ．ＬＥＤ１３には、第４光ファイバ心線３０４の一端が直接又はレンズを介して接続されている。第４光ファイバ心線３０４の他端は第１ＧＲＩＮレンズ４０１の一端面４１に接続されている。
【００６２】
Ｓｉｇ．／Ｒｅｆ．モニタＰＤ１７には第３ＧＲＩＮレンズ４０３の一端面４１が接続されている。第３ＧＲＩＮレンズ４０３の他端面４２には、第２及び第５光ファイバ心線３０２，３０５の一端がそれぞれ接続されている。第２及び第５光ファイバ心線３０２，３０５の他端は、それぞれ第１ＧＲＩＮレンズ４０１の一端面４１に接続されている。なお、第３ＧＲＩＮレンズ４０３は、図４に示すＧＲＩＮレンズ４０と同様の構成を有する。
【００６３】
Ｓｉｇ．／Ｒｅｆ．ＰＤ１５には、第６光ファイバ心線３０６の一端が接続されている。
【００６４】
装置本体１０には制御部１６が設けられており、Ｓｉｇ．ＬＥＤ１１、Ｒｅｆ．ＬＥＤ１３、Ｓｉｇ．／Ｒｅｆ．モニタＰＤ１７、及びＳｉｇ．／Ｒｅｆ．ＰＤ１５がそれぞれ接続されている。なお、第３及び第６光ファイバ心線３０３，３０６は、それぞれ装置本体１０から外部に引き出され、それぞれケーブルを構成している。
【００６５】
第１及び第３ＧＲＩＮレンズ４０１，４０３の一端面４１及び他端面４２には、第１及び第３ＧＲＩＮレンズ４０１，４０３に外部から入力する光及び第１及び第３ＧＲＩＮレンズ４０１，４０３から外部に出力する光の一端面４１或いは他端面４２での反射を規制し、その伝送を阻止する反射規制手段が設けられている。第３ＧＲＩＮレンズ４０３の一端面４１及び他端面４２の反射規制手段は、例えば、図５（ａ）及び（ｂ）に示す反射規制手段と同様の構成を有する。
【００６６】
この実施形態２に係る光学式温度センサ装置Ｄでは、装置本体１０内において、Ｓｉｇ．ＬＥＤ１１からシグナル光が発されると、シグナル光は、第１光ファイバ心線３０１により伝送されて第１ＧＲＩＮレンズ４０１の一端面４１に入力される。第１ＧＲＩＮレンズ４０１の他端面４２から出力されるシグナル光は、第３光ファイバ心線３０３により伝送されてプローブ２３の第２ＧＲＩＮレンズ４０２の一端面４１に入力される。そして、第２ＧＲＩＮレンズ４０２の他端面４２から出力されるシグナル光は、プローブ２３の先端に設けられた半導体センサチップ２３２ｂに照射されて反射する。
【００６７】
プローブ２３における半導体センサチップ２３２ｂで反射したシグナル反射光は、第２ＧＲＩＮレンズ４０２の他端面４２に入力される。第２ＧＲＩＮレンズ４０２の一端面４１から出力されるシグナル反射光は、第６光ファイバ心線３０６により伝送されてＳｉｇ．／Ｒｅｆ．ＰＤ１５に入力される。
【００６８】
また、この実施形態２に係る光学式温度センサ装置Ｄでは、装置本体１０内において、Ｒｅｆ．ＬＥＤ１３からレファレンス光が発されると、レファレンス光は、第４光ファイバ心線３０４により伝送されて第１ＧＲＩＮレンズ４０１の一端面４１に入力される。第１ＧＲＩＮレンズ４０１の他端面４２から出力されるレファレンス光は、第３光ファイバ心線３０３により伝送されてプローブ２３の第２ＧＲＩＮレンズ４０２の一端面４１に入力される。そして、第２ＧＲＩＮレンズ４０２の他端面４２から出力されるレファレンス光は、プローブ２３の先端に設けられた半導体センサチップ２３２ｂに照射されて反射する。
【００６９】
プローブ２３における半導体センサチップ２３２ｂで反射したレファレンス反射光は、第２ＧＲＩＮレンズ４０２の他端面４２に入力される。第２ＧＲＩＮレンズ４０２の一端面４１から出力されるレファレンス反射光は、第６光ファイバ心線３０６により伝送されてＳｉｇ．／Ｒｅｆ．ＰＤ１５に入力される。
【００７０】
さらに、この実施形態２に係る光学式温度センサ装置Ｄでは、Ｓｉｇ．ＬＥＤ１１からのシグナル光が、第１光ファイバ心線３０１、第１ＧＲＩＮレンズ４０１、及び第３光ファイバ心線３０３を介してプローブ２３まで伝送され、そのプローブ２３に設けられた第３光ファイバ心線３０３の他端でのシグナル光のフレネル反射による戻り光が、第３光ファイバ心線３０３、第１ＧＲＩＮレンズ４０１、第２光ファイバ心線３０２、及び第３ＧＲＩＮレンズ４０３を介してＳｉｇ．／ＲｅｆモニタＰＤ１７に入力される。そして、Ｓｉｇ．／ＲｅｆモニタＰＤ１７は、入力された戻り光を光電変換して制御部１６に入力する。制御部１６は、Ｓｉｇ．／ＲｅｆモニタＰＤ１７への光入力レベルが一定になるようにフィードバックしてＳｉｇ．ＬＥＤ１１の駆動電流を制御し、それによってＳｉｇ．ＬＥＤ１１からのシグナル光の出力を一定に保持するＡＰＣ制御を行う。
【００７１】
また、Ｒｅｆ．ＬＥＤ１３からのレファレンス光が、第４光ファイバ心線３０４、第１ＧＲＩＮレンズ４０１、及び第３光ファイバ心線３０３を介してプローブ２３まで伝送され、そのプローブ２３に設けられた第３光ファイバ心線３０３の他端でのレファレンス光のフレネル反射による戻り光が、第３光ファイバ心線３０３、第１ＧＲＩＮレンズ４０１、第５光ファイバ心線３０５、及び第３ＧＲＩＮレンズ４０３を介してＳｉｇ．／ＲｅｆモニタＰＤ１７に入力される。そして、Ｓｉｇ．／ＲｅｆモニタＰＤ１７は、入力された戻り光を光電変換して制御部１６に入力する。制御部１６は、Ｓｉｇ．／ＲｅｆモニタＰＤ１７への光入力レベルが一定になるようにフィードバックしてＲｅｆ．ＬＥＤ１３の駆動電流を制御し、それによってＲｅｆ．ＬＥＤ１３からのレファレンス光の出力を一定に保持するＡＰＣ制御を行う。
【００７２】
その他の構成及び作用効果は実施形態１と同様である。
【００７３】
（その他の実施形態）
上記実施形態１及び２では、プローブ２３に第２ＧＲＩＮレンズ４０２を設けたが、特にこれに限定されるものではなく、プローブ２３において、単に第３及び第６光ファイバ心線３０３，３０６の端面に対向するように半導体センサチップ２３２ｂが設けられた構成であってもよい。
【００７４】
上記実施形態１及び２では、装置本体１０内に設けられた第１ＧＲＩＮレンズ４０１の他端面４２に接続された第３光ファイバ心線３０３が装置本体１０外に引き出されてプローブ２３内に設けられた第２ＧＲＩＮレンズ４０２の一端面４１に接続された構成としたが、特にこれに限定されるものではなく、装置本体１０にコネクタが設けられ、第３光ファイバ心線３０３が、装置本体１０内において、第１ＧＲＩＮレンズ４０１からコネクタまで延びる部分と、装置本体１０外において、コネクタからプローブ２３内の第２ＧＲＩＮレンズ４０２まで延びる部分とに分割された構成であってもよい。この場合、コネクタにおける２つの部分の接続部端面には反射規制手段が設けられていることが好ましい。同様に、第６光ファイバ心線３０６も装置本体１０内外で分割された構成であってもよい。
【００７５】
上記実施形態１及び２では、装置本体１０から第３及び第６光ファイバ心線３０３，３０６がそれぞれプローブ２３まで延びた構成としたが、特にこれに限定されるものではなく、それらを束ねられて光ファイバケーブルとした構成であってもよい。
【００７６】
上記実施形態１及び２では、光学式温度センサ装置Ｄとしたが、特にこれに限定されるものではなく、変位等を光学的に検出する光学式センサ装置であってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００７７】
本発明は光学式センサ装置について有用である。
【符号の説明】
【００７８】
Ｄ  光学式温度センサ装置
１０  装置本体
１１  Ｓｉｇ．ＬＥＤ
１２  Ｓｉｇ．モニタＰＤ
１３  Ｒｅｆ．ＬＥＤ
１４ Ｒｅｆ．モニタＰＤ
１５  Ｓｉｇ．／Ｒｅｆ．ＰＤ
１６  制御部
１７  Ｓｉｇ．／Ｒｅｆ．モニタＰＤ
２３  プローブ
２３１  プローブ本体  
２３１ａ  心線挿通孔
２３１ｂ  レンズ保持孔
２３２  先端部材
２３２ａ  基材
２３２ｂ  半導体センサチップ
３０  光ファイバ心線
３１  光ファイバ
３１ａ  コア
３１ｂ  クラッド
３２  被覆層
３０１〜３０６  第１〜第６光ファイバ心線
４０  ＧＲＩＮレンズ
４１  一端面
４２  他端面
４３  反射防止膜
４０１，４０２，４０３  第１、第２、及び第３ＧＲＩＮレンズ
【図１】
2014157032.tif 000003
【図２】
2014157032.tif 000004
【図３】
2014157032.tif 000005
【図４】
2014157032.tif 000006
【図５】
2014157032.tif 000007
【図６】
2014157032.tif 000008
【図７】
2014157032.tif 000009
【図８】
2014157032.tif 000010