JPH10122973A - 光学的手法による非接触測温方法 - Google Patents
光学的手法による非接触測温方法Info
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- JPH10122973A JPH10122973A JP29775696A JP29775696A JPH10122973A JP H10122973 A JPH10122973 A JP H10122973A JP 29775696 A JP29775696 A JP 29775696A JP 29775696 A JP29775696 A JP 29775696A JP H10122973 A JPH10122973 A JP H10122973A
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Landscapes
- Measuring Temperature Or Quantity Of Heat (AREA)
- Radiation Pyrometers (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 実際に使われている環境下にある物体の温度
をフォノンスペクトルの解析により非接触で測温する方
法を提供する。 【解決手段】 被測温試料１３に光を照射し、試料の格
子振動中の２フォノン過程のスペクトル線の強度を透過
法または反射法で非接触に測定し、予め測定してあった
上記スペクトルの温度依存性と比較して、このスペクト
ル線の強度の温度依存性に基づいて試料１３の温度を測
定する。
をフォノンスペクトルの解析により非接触で測温する方
法を提供する。 【解決手段】 被測温試料１３に光を照射し、試料の格
子振動中の２フォノン過程のスペクトル線の強度を透過
法または反射法で非接触に測定し、予め測定してあった
上記スペクトルの温度依存性と比較して、このスペクト
ル線の強度の温度依存性に基づいて試料１３の温度を測
定する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、光を用いて試料温
度を非接触で測定する方法に関するものであり、さらに
具体的には、２フォノンスペクトルが観測可能な全ての
固体の温度をフォノンスペクトルの解析により非接触で
測温するための光学的手法による非接触測温方法に関す
るものである。
度を非接触で測定する方法に関するものであり、さらに
具体的には、２フォノンスペクトルが観測可能な全ての
固体の温度をフォノンスペクトルの解析により非接触で
測温するための光学的手法による非接触測温方法に関す
るものである。
【０００２】
【従来の技術】抵抗温度計や熱電対等の接触型温度計を
用いる測温では、試料温度と温度計の温度が一致してい
るかが常に問題である。また、高速で回転運動している
試料等では、測温不可能なことがある。一方、非接触型
温度計としては、高温領域で放射温度計が実用化されて
いる。しかし、放射率が既知である試料でないと、正確
な測温ができない等の問題がある。
用いる測温では、試料温度と温度計の温度が一致してい
るかが常に問題である。また、高速で回転運動している
試料等では、測温不可能なことがある。一方、非接触型
温度計としては、高温領域で放射温度計が実用化されて
いる。しかし、放射率が既知である試料でないと、正確
な測温ができない等の問題がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】本発明の技術的課題
は、試料温度を非接触で測温するための方法であって、
物質の温度の測定に光を利用し、従来の測温では不可能
であった高速回転物体の測温や、強磁場などの極限環境
下にある物体の測温を可能にした非接触測温方法を提供
することにある。また、本発明の他の技術的課題は、低
温から高温までの温度範囲で測定可能であり、試料が実
際に使われている環境下においても即時に測温できる技
術を提供することにある。
は、試料温度を非接触で測温するための方法であって、
物質の温度の測定に光を利用し、従来の測温では不可能
であった高速回転物体の測温や、強磁場などの極限環境
下にある物体の測温を可能にした非接触測温方法を提供
することにある。また、本発明の他の技術的課題は、低
温から高温までの温度範囲で測定可能であり、試料が実
際に使われている環境下においても即時に測温できる技
術を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
の本発明の非接触測温方法は、被測温試料に光を照射
し、試料の格子振動中の２フォノン過程のスペクトル線
の強度を透過法または反射法で非接触に測定し、上記ス
ペクトル線の強度の温度依存性に基づいて試料の温度を
測定することを特徴とするものである。このような非接
触測温方法は、固体の格子振動中の２フォノン過程のス
ペクトル線の強度が、温度によって変化するという特性
を利用するもので、実際の測温においては、測温したい
物質の透過率あるいは反射率を、２フォノン過程を観測
できる領域で前もって測定し、上記スペクトルの温度依
存性を調べておき、実際に使われている状況でその物質
の透過率あるいは反射率を測り、予め測定してあったス
ペクトルの温度依存性と比較して、温度を求めるもので
ある。
の本発明の非接触測温方法は、被測温試料に光を照射
し、試料の格子振動中の２フォノン過程のスペクトル線
の強度を透過法または反射法で非接触に測定し、上記ス
ペクトル線の強度の温度依存性に基づいて試料の温度を
測定することを特徴とするものである。このような非接
触測温方法は、固体の格子振動中の２フォノン過程のス
ペクトル線の強度が、温度によって変化するという特性
を利用するもので、実際の測温においては、測温したい
物質の透過率あるいは反射率を、２フォノン過程を観測
できる領域で前もって測定し、上記スペクトルの温度依
存性を調べておき、実際に使われている状況でその物質
の透過率あるいは反射率を測り、予め測定してあったス
ペクトルの温度依存性と比較して、温度を求めるもので
ある。
【０００５】このように物質の温度の測定に光を利用す
ると、従来の測温では不可能であった高速回転物体の測
温や、強磁場などの極限環境下にある物体の非接触での
測温が可能になり、また、低温から高温までの温度範囲
で測定可能であり、試料が実際に使われている環境下に
おいて即時に測温することが可能になる。
ると、従来の測温では不可能であった高速回転物体の測
温や、強磁場などの極限環境下にある物体の非接触での
測温が可能になり、また、低温から高温までの温度範囲
で測定可能であり、試料が実際に使われている環境下に
おいて即時に測温することが可能になる。
【０００６】
【発明の実施の形態】図１は、本発明に係る非接触測温
方法を、測定しようとする波長において被測温試料が透
明な場合の透過測定に適用する装置の構成を概念的に示
し、また、図２は、本発明の方法を、測定しようとする
波長において試料が不透明な場合の反射測定に適用する
装置の構成を概念的に示している。
方法を、測定しようとする波長において被測温試料が透
明な場合の透過測定に適用する装置の構成を概念的に示
し、また、図２は、本発明の方法を、測定しようとする
波長において試料が不透明な場合の反射測定に適用する
装置の構成を概念的に示している。
【０００７】図１の透過測定の場合について具体的に説
明すると、室温部分にレーザ等の光源１１を配置し、こ
の光源１１からの光を、反射率ｒが既知のビームスプリ
ッター１２を透して被測温試料１３に投射すると、それ
らのビームスプリッター１２及び試料１３における反射
光や透過光は、光源１１と同じ室温部分に配置した３台
の検出器１４，１５，１６において検出される。上記ビ
ームスプリッター１２での反射光を受光する検出器１４
は、光源１１の出力モニターであり、他の検出器１５，
１６は、試料１３の反射光強度測定と透過光強度測定の
ためのものである。後述する実施例の測定では、試料１
３を自由に温度が可変の試料室１７内等に置いたが、実
際の測温では、この試料１３は実際に使われている環境
下に置いたままでよい。
明すると、室温部分にレーザ等の光源１１を配置し、こ
の光源１１からの光を、反射率ｒが既知のビームスプリ
ッター１２を透して被測温試料１３に投射すると、それ
らのビームスプリッター１２及び試料１３における反射
光や透過光は、光源１１と同じ室温部分に配置した３台
の検出器１４，１５，１６において検出される。上記ビ
ームスプリッター１２での反射光を受光する検出器１４
は、光源１１の出力モニターであり、他の検出器１５，
１６は、試料１３の反射光強度測定と透過光強度測定の
ためのものである。後述する実施例の測定では、試料１
３を自由に温度が可変の試料室１７内等に置いたが、実
際の測温では、この試料１３は実際に使われている環境
下に置いたままでよい。
【０００８】ここで、光源の出力をＩ0 、試料における
透過強度をＩT 、同反射強度をＩRとし、試料の厚さを
ｄ、光吸収係数をαとすると、
透過強度をＩT 、同反射強度をＩRとし、試料の厚さを
ｄ、光吸収係数をαとすると、
【数１】 と表される。この式に基づき、後述するように温度測定
のための光吸収係数を求めることになる。
のための光吸収係数を求めることになる。
【０００９】一方、反射測定から温度を求めるための配
置を概念的に示す図２においても、室温部分にレーザ等
の光源２１が配置され、この光源２１からの光が、反射
率ｒが既知のビームスプリッター２２を透して被測温試
料２３に投射され、それらのビームスプリッター２２及
び試料２３における反射光が２台の検出器２４，２５に
おいて検出される。上記ビームスプリッター２２での反
射光を受光する検出器２４は光源２１の出力モニターで
あり、他の検出器２５は試料２３による反射光強度測定
のためのものである。試料２３は、図１と同様に、自由
に温度が可変の試料室２７内に置いた状態を示している
が、実際の測温では、この試料２３は実際に使われてい
る環境下に置いたままでよい。
置を概念的に示す図２においても、室温部分にレーザ等
の光源２１が配置され、この光源２１からの光が、反射
率ｒが既知のビームスプリッター２２を透して被測温試
料２３に投射され、それらのビームスプリッター２２及
び試料２３における反射光が２台の検出器２４，２５に
おいて検出される。上記ビームスプリッター２２での反
射光を受光する検出器２４は光源２１の出力モニターで
あり、他の検出器２５は試料２３による反射光強度測定
のためのものである。試料２３は、図１と同様に、自由
に温度が可変の試料室２７内に置いた状態を示している
が、実際の測温では、この試料２３は実際に使われてい
る環境下に置いたままでよい。
【００１０】ここで、光源の出力をＩ0 、試料における
反射強度をＩR とすると、反射率Ｒは、
反射強度をＩR とすると、反射率Ｒは、
【数２】 と表される。この式に基づき、後述するように試料２３
の温度を求めることになる。
の温度を求めることになる。
【００１１】次に、本発明の非接触測温方法を、シリコ
ンの透過測定の場合を例にして説明するが、本発明の本
質は、２フォノン過程によるスペクトル強度が温度依存
することを利用し、スペクトル線の強度を透過法や反射
法で非接触に測温する点にあり、透過率が零の不透明物
質の場合には、反射率測定から測温を行うことができ
る。
ンの透過測定の場合を例にして説明するが、本発明の本
質は、２フォノン過程によるスペクトル強度が温度依存
することを利用し、スペクトル線の強度を透過法や反射
法で非接触に測温する点にあり、透過率が零の不透明物
質の場合には、反射率測定から測温を行うことができ
る。
【００１２】まず、固体の２フォノン過程の光吸収係数
αは、次のように表される。
αは、次のように表される。
【数３】 になる。
【数４】 の値が、ωとδωの間に入るものすべてについての和を
示す。ここで、ωは光の周波数、ε2 は誘電関数の虚数
部、ｃは光速度、ｎは屈折率である。
示す。ここで、ωは光の周波数、ε2 は誘電関数の虚数
部、ｃは光速度、ｎは屈折率である。
【００１３】この２フォノン過程の光吸収係数αの特徴
は、以下のＡ〜Ｃのようである。 Ａ． 図３は、光とフォノンの相互作用を表す図で、光
の波数をｋ、フォノンの波数をｑで表している。（ａ）
は１フォノン過程を示し、（ｂ）〜（ｅ）が２フォノン
過程である。シリコンのような共有結合結晶では、図３
の（ｂ）と（ｃ）のみであり、この結果は、式（１）に
おいて、 Φ（ＴＯ,j,j' ）≡０ と Φ（ＴＯ,j'',j''' ）≡０ と同等である。 Ｂ． 光吸収係数が小さい（１０2 ｃｍ-1〜１０-3ｃｍ
-1）ために、数ミリ程度の厚さの試料でも透過率の測定
が可能である。
は、以下のＡ〜Ｃのようである。 Ａ． 図３は、光とフォノンの相互作用を表す図で、光
の波数をｋ、フォノンの波数をｑで表している。（ａ）
は１フォノン過程を示し、（ｂ）〜（ｅ）が２フォノン
過程である。シリコンのような共有結合結晶では、図３
の（ｂ）と（ｃ）のみであり、この結果は、式（１）に
おいて、 Φ（ＴＯ,j,j' ）≡０ と Φ（ＴＯ,j'',j''' ）≡０ と同等である。 Ｂ． 光吸収係数が小さい（１０2 ｃｍ-1〜１０-3ｃｍ
-1）ために、数ミリ程度の厚さの試料でも透過率の測定
が可能である。
【００１４】Ｃ． 光吸収係数の温度依存性は、式
（１）の各項に現れているボーズ・アインシュタイン分
布、
（１）の各項に現れているボーズ・アインシュタイン分
布、
【数５】 の温度（Ｔ）依存性によっている。
【００１５】実施例として後述するように、図４には、
高純度シリコンサンプルの透過測定から得られた光吸収
係数の温度依存性を示す。この測定は、試料温度を４．
２Ｋ〜４００Ｋで変えて測定したものであるが、さら
に、デバイ温度以上のシリコン（６４５Ｋ）では、
高純度シリコンサンプルの透過測定から得られた光吸収
係数の温度依存性を示す。この測定は、試料温度を４．
２Ｋ〜４００Ｋで変えて測定したものであるが、さら
に、デバイ温度以上のシリコン（６４５Ｋ）では、
【数６】 と近似でき、光吸収係数は温度に比例することになる。
【００１６】実際の測温においては、測温したい物質
（試料あるいは装置の一部の材料）の透過率あるいは反
射率を、２フォノン過程を観測できる領域で前もって測
定し、これらのスペクトルの温度依存性を調べておく。
このとき、実施例で説明するシリコンの透過測定の例で
は、フーリエ変換型赤外分光光度計を用いているが、実
際の測定では、波長固定の光源（レーザ光源等）でもよ
い。温度の測定は、実際に使われている状況で、その物
質の透過率あるいは反射率を測り、前もって測定してあ
ったスペクトルの温度依存性と比較して温度を求めるも
のである。あるいは、上述した高純度シリコンの微小片
を測温したい物質または装置に張り付け、このシリコン
の光吸収係数を図１の透過測定装置で測ることにより測
温することもできる。
（試料あるいは装置の一部の材料）の透過率あるいは反
射率を、２フォノン過程を観測できる領域で前もって測
定し、これらのスペクトルの温度依存性を調べておく。
このとき、実施例で説明するシリコンの透過測定の例で
は、フーリエ変換型赤外分光光度計を用いているが、実
際の測定では、波長固定の光源（レーザ光源等）でもよ
い。温度の測定は、実際に使われている状況で、その物
質の透過率あるいは反射率を測り、前もって測定してあ
ったスペクトルの温度依存性と比較して温度を求めるも
のである。あるいは、上述した高純度シリコンの微小片
を測温したい物質または装置に張り付け、このシリコン
の光吸収係数を図１の透過測定装置で測ることにより測
温することもできる。
【００１７】また、光学的手法による非接触温度計の温
度分解能は、次のようである。各温度での光吸収係数の
差と、それらの温度での各スペクトルのノイズによるス
ペクトル幅の広がりとの比から、温度分解能が決まる。
これは測定系に強く依存する。図４の結果を得た測定系
では、室温近傍では、温度分解能が約０．２Ｋであっ
た。窒素温度（７７Ｋ）以下では分解能が悪く、実用的
ではないが、この測温方法は、７７Ｋ以上で融点近く
（シリコンの場合１６８７Ｋ）までの温度範囲において
実用的な手法である。
度分解能は、次のようである。各温度での光吸収係数の
差と、それらの温度での各スペクトルのノイズによるス
ペクトル幅の広がりとの比から、温度分解能が決まる。
これは測定系に強く依存する。図４の結果を得た測定系
では、室温近傍では、温度分解能が約０．２Ｋであっ
た。窒素温度（７７Ｋ）以下では分解能が悪く、実用的
ではないが、この測温方法は、７７Ｋ以上で融点近く
（シリコンの場合１６８７Ｋ）までの温度範囲において
実用的な手法である。
【００１８】
【実施例】図４は、フーリエ変換型赤外分光光度計を用
いて中赤外光領域（４００ｃｍ-1〜１６００ｃｍ-1）で
の、高純度シリコンサンプル（厚さ２．８ｍｍ）の透過
測定から得られた、２フォノン過程による光吸収係数の
温度依存性を示すものである。横軸は波数で、縦軸は光
吸収係数である。試料温度は４．２Ｋ〜４００Ｋまで変
えて測定した。図において一番下のスペクトルは、
４．２Ｋ〜６０Ｋまでのスペクトルで、ほとんど温度依
存していない。その上のスペクトル〜は、順次８０
Ｋ（）、１００Ｋ（）、１５０Ｋ（）、２００Ｋ
（）、２５０Ｋ（）、３００Ｋ（）、３５０Ｋ
（）と４００Ｋ（）である。７７Ｋ以上において光
吸収係数のスペクトルは温度に依存している。
いて中赤外光領域（４００ｃｍ-1〜１６００ｃｍ-1）で
の、高純度シリコンサンプル（厚さ２．８ｍｍ）の透過
測定から得られた、２フォノン過程による光吸収係数の
温度依存性を示すものである。横軸は波数で、縦軸は光
吸収係数である。試料温度は４．２Ｋ〜４００Ｋまで変
えて測定した。図において一番下のスペクトルは、
４．２Ｋ〜６０Ｋまでのスペクトルで、ほとんど温度依
存していない。その上のスペクトル〜は、順次８０
Ｋ（）、１００Ｋ（）、１５０Ｋ（）、２００Ｋ
（）、２５０Ｋ（）、３００Ｋ（）、３５０Ｋ
（）と４００Ｋ（）である。７７Ｋ以上において光
吸収係数のスペクトルは温度に依存している。
【００１９】
【発明の効果】以上に詳述した本発明の光学的手法によ
る非接触測温方法によれば、物質の温度を光を使うこと
で、非接触で即時に測温することができ、従来の測温で
は不可能であった高速回転物体の測温や、強磁場などの
極限環境下の測温が可能になる。
る非接触測温方法によれば、物質の温度を光を使うこと
で、非接触で即時に測温することができ、従来の測温で
は不可能であった高速回転物体の測温や、強磁場などの
極限環境下の測温が可能になる。
【図１】本発明の測温方法を実施するための測温装置の
概要を示すもので、測定しようとする波長で試料が透明
な場合の透過測定に適用する装置の構成図である。
概要を示すもので、測定しようとする波長で試料が透明
な場合の透過測定に適用する装置の構成図である。
【図２】本発明の測温方法を実施するための測温装置の
概要を示すもので、測定しようとする波長で試料が不透
明な場合の反射測定に適用する装置の構成図である。
概要を示すもので、測定しようとする波長で試料が不透
明な場合の反射測定に適用する装置の構成図である。
【図３】（ａ）〜（ｅ）は、光とフォノンの相互作用を
表す説明図である。
表す説明図である。
【図４】高純度シリコンサンプルの透過測定から得られ
た２フォノン過程による光吸収係数の温度依存性を示す
グラフである。
た２フォノン過程による光吸収係数の温度依存性を示す
グラフである。
１１，２１ 光源 １３，２３ 被測温試料 １４〜１６，２４，２５ 検出器
Claims (1)
- 【請求項１】被測温試料に光を照射し、試料の格子振動
中の２フォノン過程のスペクトル線の強度を透過法また
は反射法で非接触に測定し、上記スペクトル線の強度の
温度依存性に基づいて試料の温度を測定することを特徴
とする光学的手法による非接触測温方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP29775696A JPH10122973A (ja) | 1996-10-21 | 1996-10-21 | 光学的手法による非接触測温方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP29775696A JPH10122973A (ja) | 1996-10-21 | 1996-10-21 | 光学的手法による非接触測温方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10122973A true JPH10122973A (ja) | 1998-05-15 |
Family
ID=17850774
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP29775696A Pending JPH10122973A (ja) | 1996-10-21 | 1996-10-21 | 光学的手法による非接触測温方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH10122973A (ja) |
-
1996
- 1996-10-21 JP JP29775696A patent/JPH10122973A/ja active Pending
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