JP3423454B2 - 多視野型光プローブ - Google Patents
多視野型光プローブInfo
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- JP3423454B2 JP3423454B2 JP30650894A JP30650894A JP3423454B2 JP 3423454 B2 JP3423454 B2 JP 3423454B2 JP 30650894 A JP30650894 A JP 30650894A JP 30650894 A JP30650894 A JP 30650894A JP 3423454 B2 JP3423454 B2 JP 3423454B2
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、多視野型光プローブに
係り、特に発電用火力プラント等の燃焼炉内火炎の有
無、燃焼状態等を監視する装置に用いられ、燃焼火炎か
ら発せられる輻射光を採光する多視野型光プローブであ
って、受光量の確保、光伝送損失を低減して、火炎検
出、燃焼診断の性能と信頼性を向上させた多視野型光プ
ローブに関する。
係り、特に発電用火力プラント等の燃焼炉内火炎の有
無、燃焼状態等を監視する装置に用いられ、燃焼火炎か
ら発せられる輻射光を採光する多視野型光プローブであ
って、受光量の確保、光伝送損失を低減して、火炎検
出、燃焼診断の性能と信頼性を向上させた多視野型光プ
ローブに関する。
【０００２】
【従来の技術】近年の火力発電用ボイラでは中間負荷運
用、ＤＳＳ（毎日起動・停止）運転により頻繁にバーナ
の点火、消火作業が行なわれるようになっておりバーナ
火炎の点・消火状態を検出する火炎検出器は重要な構成
要素になっている。火炎検出器として一般に使用されて
いるもののほとんどは、火炎の発光を検出し火炎の有無
を判定する光学式である。発電用ボイラ等のマルチバー
ナ炉では、光検出式で、かつ火炎のフリッカ（ちらつ
き）信号（火炎発光のＡＣ成分）の強度から火炎の有無
を判定するフリッカ分析式が適している（以下、光検出
式ならびにフリッカ分析式火炎検出器を単に火炎検出器
と記す）。
用、ＤＳＳ（毎日起動・停止）運転により頻繁にバーナ
の点火、消火作業が行なわれるようになっておりバーナ
火炎の点・消火状態を検出する火炎検出器は重要な構成
要素になっている。火炎検出器として一般に使用されて
いるもののほとんどは、火炎の発光を検出し火炎の有無
を判定する光学式である。発電用ボイラ等のマルチバー
ナ炉では、光検出式で、かつ火炎のフリッカ（ちらつ
き）信号（火炎発光のＡＣ成分）の強度から火炎の有無
を判定するフリッカ分析式が適している（以下、光検出
式ならびにフリッカ分析式火炎検出器を単に火炎検出器
と記す）。
【０００３】また、環境対策等の面から、ボイラ等の燃
焼装置においては窒素酸化物、すすならびに一酸化炭素
を極力発生させないことが望まれている。このような燃
焼状態を形成するためには燃焼炉内で燃料と空気が適度
に混合する火炎を形成し、これにより燃焼炉内に極端な
高温度領域および極端な低温度領域を形成させないこと
が必要である。このような燃焼状態の監視を行なう装置
の一つに燃焼火炎の輻射光の分光分析から燃焼状態を診
断する分光分析式燃焼診断装置（以下、燃焼診断装置と
記す）がある。
焼装置においては窒素酸化物、すすならびに一酸化炭素
を極力発生させないことが望まれている。このような燃
焼状態を形成するためには燃焼炉内で燃料と空気が適度
に混合する火炎を形成し、これにより燃焼炉内に極端な
高温度領域および極端な低温度領域を形成させないこと
が必要である。このような燃焼状態の監視を行なう装置
の一つに燃焼火炎の輻射光の分光分析から燃焼状態を診
断する分光分析式燃焼診断装置（以下、燃焼診断装置と
記す）がある。
【０００４】火炎検出器および燃焼診断装置の光プロー
ブには、燃焼火炎のゆらぎ、吹き飛び等による火炎の空
間的変動に対処し、燃焼状態の空間分布（火炎温度分布
等）を計測するために複数の視野を有する多視野型光プ
ローブがある。図７に多視野型光プローブとそのバーナ
への設置状況を示す。多視野型光プローブ８３は炉壁を
貫いて火炎の根元付近にヘッド部８４が位置するよう設
置される。多視野型光プローブ８３内にはヘッド部８４
を冷却するための冷却エア８７が供給される。ヘッド部
８４は異なる３つの方向８６ａ、８６ｂ、８６ｃに視野
をもっており、視野８６ｃは火炎８０の根元付近からの
発光を観測し、視野８６ｂは火炎８０の中間領域、視野
８６ａは火炎の前方領域からの発光を観測する。
ブには、燃焼火炎のゆらぎ、吹き飛び等による火炎の空
間的変動に対処し、燃焼状態の空間分布（火炎温度分布
等）を計測するために複数の視野を有する多視野型光プ
ローブがある。図７に多視野型光プローブとそのバーナ
への設置状況を示す。多視野型光プローブ８３は炉壁を
貫いて火炎の根元付近にヘッド部８４が位置するよう設
置される。多視野型光プローブ８３内にはヘッド部８４
を冷却するための冷却エア８７が供給される。ヘッド部
８４は異なる３つの方向８６ａ、８６ｂ、８６ｃに視野
をもっており、視野８６ｃは火炎８０の根元付近からの
発光を観測し、視野８６ｂは火炎８０の中間領域、視野
８６ａは火炎の前方領域からの発光を観測する。
【０００５】ヘッド部は冷却空気量の低減と火炉の燃焼
用空気の偏流防止のため小型化を図る必要がある。ま
た、火炎検出器、燃焼診断装置は火力プラントの監視装
置として長期間連続的に運用され、特に火炎検出器の火
炎点、消火判定信号は自動バーナ制御に用いられること
から、長期連続使用に耐え信頼性を確保する上で、光プ
ローブ、特にヘッド部は堅牢性を必要とする。これら小
型、堅牢の要求に対しては光ファイバーが適する。
用空気の偏流防止のため小型化を図る必要がある。ま
た、火炎検出器、燃焼診断装置は火力プラントの監視装
置として長期間連続的に運用され、特に火炎検出器の火
炎点、消火判定信号は自動バーナ制御に用いられること
から、長期連続使用に耐え信頼性を確保する上で、光プ
ローブ、特にヘッド部は堅牢性を必要とする。これら小
型、堅牢の要求に対しては光ファイバーが適する。
【０００６】図８に従来の多視野型光プローブのヘッド
部の構成を示す。図８に示す従来の多視野型光プローブ
のヘッド部は、異なる３つの観測視野を持つ。プローブ
先端に位置するヘッド部８４は３本の石英光ファイバー
９０ａ、９０ｂ、９０ｃからなる。ヘッド部を構成する
３本の光ファイバーのうち９０ｂ、９０ｃに熱曲げ加工
を施すことにより光ファイバーを所定の方向に曲げ、プ
ローブ軸、すなわち火炎軸に対してそれぞれ異なる方向
に指向性をもたせている。光ファイバー９０ａは方向８
６ａに指向性を持ち、光ファイバー９０ｂは方向８６
ｂ、光ファイバー９０ｃは方向８６ｃに指向性を有す
る。ヘッド部８４の光ファイバー９０ａ〜９０ｃはコネ
クタ９１、９２を介して中継光ファイバー９３ａ〜９３
ｃと接続される。中継光ファイバーはプラント内の所定
の位置（計器室等）に設置した火炎検出器、燃焼診断装
置の盤まで敷設され、ヘッド部の光ファイバー９０ａ、
９０ｂ、９０ｃで採光した火炎発光を伝送する。ヘッド
部を構成する光ファイバー９０ａ〜９０ｃと中継光ファ
イバー９３ａ〜９３ｃを分離してコネクタ接続とするこ
とにより、組み立て、保守、交換を容易にしたものであ
る。
部の構成を示す。図８に示す従来の多視野型光プローブ
のヘッド部は、異なる３つの観測視野を持つ。プローブ
先端に位置するヘッド部８４は３本の石英光ファイバー
９０ａ、９０ｂ、９０ｃからなる。ヘッド部を構成する
３本の光ファイバーのうち９０ｂ、９０ｃに熱曲げ加工
を施すことにより光ファイバーを所定の方向に曲げ、プ
ローブ軸、すなわち火炎軸に対してそれぞれ異なる方向
に指向性をもたせている。光ファイバー９０ａは方向８
６ａに指向性を持ち、光ファイバー９０ｂは方向８６
ｂ、光ファイバー９０ｃは方向８６ｃに指向性を有す
る。ヘッド部８４の光ファイバー９０ａ〜９０ｃはコネ
クタ９１、９２を介して中継光ファイバー９３ａ〜９３
ｃと接続される。中継光ファイバーはプラント内の所定
の位置（計器室等）に設置した火炎検出器、燃焼診断装
置の盤まで敷設され、ヘッド部の光ファイバー９０ａ、
９０ｂ、９０ｃで採光した火炎発光を伝送する。ヘッド
部を構成する光ファイバー９０ａ〜９０ｃと中継光ファ
イバー９３ａ〜９３ｃを分離してコネクタ接続とするこ
とにより、組み立て、保守、交換を容易にしたものであ
る。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】発電用大型ボイラプラ
ントでは、ボイラの大容量化に伴なうバーナ設置本数の
増加、大型ボイラの中間負荷運用化に伴なうバーナ点
火、消火回数の増加、窒素酸化物（ＮＯX ) を低減する
燃焼方法の実施、さらには燃料の多様化に伴なう燃焼挙
動の変化等によりバーナ火炎の火炎検出、燃焼診断のよ
り一層の信頼性向上が望まれている。
ントでは、ボイラの大容量化に伴なうバーナ設置本数の
増加、大型ボイラの中間負荷運用化に伴なうバーナ点
火、消火回数の増加、窒素酸化物（ＮＯX ) を低減する
燃焼方法の実施、さらには燃料の多様化に伴なう燃焼挙
動の変化等によりバーナ火炎の火炎検出、燃焼診断のよ
り一層の信頼性向上が望まれている。
【０００８】火炎から発せられる輻射光を採光、分析し
て行なう、いわゆるパッシブ方式である火炎検出、燃焼
診断の性能および信頼性を向上させる上で輻射光分析
（フリッカ分析、分光分析）の検出限界、Ｓ／Ｎの改善
が望まれ、このためには受光量の確保、光伝送損失の低
減が重要である。火炎検出に用いられるフリッカは、火
炎から発せられる輻射光の時間的変動成分であるが、そ
のレベルは輻射光強度の１／１０００〜１／２０００程
度であり、また燃焼診断は分光により得られる所定の波
長を中心とした狭波長帯域の光（光強度低）を検出する
ことになり、取り扱う信号が微弱である。
て行なう、いわゆるパッシブ方式である火炎検出、燃焼
診断の性能および信頼性を向上させる上で輻射光分析
（フリッカ分析、分光分析）の検出限界、Ｓ／Ｎの改善
が望まれ、このためには受光量の確保、光伝送損失の低
減が重要である。火炎検出に用いられるフリッカは、火
炎から発せられる輻射光の時間的変動成分であるが、そ
のレベルは輻射光強度の１／１０００〜１／２０００程
度であり、また燃焼診断は分光により得られる所定の波
長を中心とした狭波長帯域の光（光強度低）を検出する
ことになり、取り扱う信号が微弱である。
【０００９】図８に示した従来の多視野型光プローブの
ヘッド部８４では、熱曲げ加工により光ファイバー９０
ｂ、９０ｃを所定の視野方向にファイバー受光端を向か
せ、かつこの曲げた光ファイバーを中継光ファイバー９
３ｂ、９３Ｃまで光を伝送する導波路として使用してい
るが、ファイバーに湾曲があるとその湾曲に沿って曲が
りきらない伝搬モードが湾曲部でファイバー外に放射さ
れ無視できない損失となる。
ヘッド部８４では、熱曲げ加工により光ファイバー９０
ｂ、９０ｃを所定の視野方向にファイバー受光端を向か
せ、かつこの曲げた光ファイバーを中継光ファイバー９
３ｂ、９３Ｃまで光を伝送する導波路として使用してい
るが、ファイバーに湾曲があるとその湾曲に沿って曲が
りきらない伝搬モードが湾曲部でファイバー外に放射さ
れ無視できない損失となる。
【００１０】本発明は、火炎検出および燃焼診断用の多
視野型光プローブにおいて、小型、堅牢な特徴をそのま
まに、受光量の確保と伝送損失を低減させることにより
火炎検出、燃焼診断用の火炎輻射光分析の検出限界、Ｓ
／Ｎを改善し、火炎検出と燃焼診断のより一層の性能お
よび信頼性向上を図ることを目的とする。
視野型光プローブにおいて、小型、堅牢な特徴をそのま
まに、受光量の確保と伝送損失を低減させることにより
火炎検出、燃焼診断用の火炎輻射光分析の検出限界、Ｓ
／Ｎを改善し、火炎検出と燃焼診断のより一層の性能お
よび信頼性向上を図ることを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
本願で特許請求する発明は以下のとおりである。 （１）燃焼火炎の複数領域からの光を受光して、これを
中継用光ファイバーにより火炎検出装置または燃焼診断
装置に伝送する多視野型光プローブにおいて、屈折率が
レンズ光軸からレンズ外周方向に向かって放物線状に減
少する所定長の屈折率分布ロッドレンズを複数個前記光
プローブの先端部に設け、このロッドレンズの後部出射
端に、レンズ光軸からレンズ外周方向にロッドレンズご
とに異なる距離だけ離して中継用光ファイバーを接続し
たことを特徴とする多視野型光プローブ。 （２）燃焼火炎の複数視野からの光を受光するように複
数の入射視野を備え、各視野からの受光を中継用光ファ
イバーにより火炎検出装置または燃焼診断装置に伝送す
る多視野型光プローブにおいて、前記光プローブ先端部
に屈折率がレンズ光軸からレンズ外周方向に向かって減
少し、かつ前後の入出射端が平行な屈折率分布ロッドレ
ンズを１個以上設け、このロッドレンズの後部出射端
に、レンズ光軸からレンズ外周方向に異なる距離だけ離
して接続した中継用光ファイバーを２個以上接続したこ
とを特徴とする多視野型光プローブ。
本願で特許請求する発明は以下のとおりである。 （１）燃焼火炎の複数領域からの光を受光して、これを
中継用光ファイバーにより火炎検出装置または燃焼診断
装置に伝送する多視野型光プローブにおいて、屈折率が
レンズ光軸からレンズ外周方向に向かって放物線状に減
少する所定長の屈折率分布ロッドレンズを複数個前記光
プローブの先端部に設け、このロッドレンズの後部出射
端に、レンズ光軸からレンズ外周方向にロッドレンズご
とに異なる距離だけ離して中継用光ファイバーを接続し
たことを特徴とする多視野型光プローブ。 （２）燃焼火炎の複数視野からの光を受光するように複
数の入射視野を備え、各視野からの受光を中継用光ファ
イバーにより火炎検出装置または燃焼診断装置に伝送す
る多視野型光プローブにおいて、前記光プローブ先端部
に屈折率がレンズ光軸からレンズ外周方向に向かって減
少し、かつ前後の入出射端が平行な屈折率分布ロッドレ
ンズを１個以上設け、このロッドレンズの後部出射端
に、レンズ光軸からレンズ外周方向に異なる距離だけ離
して接続した中継用光ファイバーを２個以上接続したこ
とを特徴とする多視野型光プローブ。
【００１２】（３）燃焼火炎の複数領域からの光を受光
して、これを中継用光ファイバーにより火炎検出装置ま
たは燃焼診断装置に伝送する２個以上の視野を備えた多
視野型光プローブにおいて、該光プローブ先端部に設け
られ、屈折率がレンズ光軸からレンズ外周方向に向かっ
て放物線状に分布しており、レンズ光軸上の屈折率をｎ
o 、屈折率分布定数をｇとするとレンズ光軸から半径ｒ
の位置における屈折率ｎ (r) が、 ｎ2 (r) ＝ｎ o 2(１−ｇ2 ｒ2) で表わされ、レンズ長が（２ｊ−１）π／２ｇ（ｊ＝
１，２，３……）である屈折率分布ロッドレンズと、こ
の屈折率分布ロッドレンズ出射端に、レンズ光軸からレ
ンズ外周方向に tanθ／（ｎo ｇ）で表わされる距離だ
け離して接続したコア径が前記屈折率分布ロッドレンズ
のレンズ半径よりも小さい中継用光ファイバーとから構
成されるレンズ光軸に対し角度θの視野方向に指向性を
持たせたことを特徴とする多視野型光プローブ。 （４）（３）において、１個の屈折率分布ロッドレンズ
と、この屈折率分布ロッドレンズ出射端にレンズ光軸か
らレンズ外周方向に異なる距離だけ離して接続した２個
以上の中継用光ファイバーとを備えたことを特徴とする
多視野型光プローブ。
して、これを中継用光ファイバーにより火炎検出装置ま
たは燃焼診断装置に伝送する２個以上の視野を備えた多
視野型光プローブにおいて、該光プローブ先端部に設け
られ、屈折率がレンズ光軸からレンズ外周方向に向かっ
て放物線状に分布しており、レンズ光軸上の屈折率をｎ
o 、屈折率分布定数をｇとするとレンズ光軸から半径ｒ
の位置における屈折率ｎ (r) が、 ｎ2 (r) ＝ｎ o 2(１−ｇ2 ｒ2) で表わされ、レンズ長が（２ｊ−１）π／２ｇ（ｊ＝
１，２，３……）である屈折率分布ロッドレンズと、こ
の屈折率分布ロッドレンズ出射端に、レンズ光軸からレ
ンズ外周方向に tanθ／（ｎo ｇ）で表わされる距離だ
け離して接続したコア径が前記屈折率分布ロッドレンズ
のレンズ半径よりも小さい中継用光ファイバーとから構
成されるレンズ光軸に対し角度θの視野方向に指向性を
持たせたことを特徴とする多視野型光プローブ。 （４）（３）において、１個の屈折率分布ロッドレンズ
と、この屈折率分布ロッドレンズ出射端にレンズ光軸か
らレンズ外周方向に異なる距離だけ離して接続した２個
以上の中継用光ファイバーとを備えたことを特徴とする
多視野型光プローブ。
【００１３】
【作用】上記屈折率分布ロッドレンズは、溶融塩中での
アルカリイオン交換の結果生じるイオン拡散分布の放物
線近似性を利用して作製される屈折率がレンズ中心軸
（レンズ光軸）から外周方向に向かって放物線状に分布
している円柱状の光学ガラス体である。屈折率分布ｎ
(r) は光軸中心上の屈折率をｎo 、光軸からの距離をｒ
とすると（１）式で与えられる。ｇは屈折率分布定数で
ある。
アルカリイオン交換の結果生じるイオン拡散分布の放物
線近似性を利用して作製される屈折率がレンズ中心軸
（レンズ光軸）から外周方向に向かって放物線状に分布
している円柱状の光学ガラス体である。屈折率分布ｎ
(r) は光軸中心上の屈折率をｎo 、光軸からの距離をｒ
とすると（１）式で与えられる。ｇは屈折率分布定数で
ある。
【００１４】
ｎ2 (r) ＝ｎo 2(１−ｇ2 ｒ2) …… （１）
原理的にグレーテッドインデックス（ＧＩ）光ファイバ
ーと同じ特性を持つ。直径１〜３mmの円柱状で入出射端
面が平坦であることから、光ファイバーやその他の光学
部品との接続や、固定冶具への取り付けが容易である等
の特徴を持つ。屈折率分布ロッドレンズ内の光線の伝搬
は概略図４、図５に示すようになる。図４はロッドレン
ズ４０の光軸に対して平行な光線４１が入射した場合、
図５は斜光線５１が入射した場合の光路図である。屈折
率分布レンズ４０に入射した光は、ロッドレンズ４０内
を周期的に蛇行して進行する。また、図４、図５とも蛇
行周期の１／４周期（０．２５ピッチ）の位置において
入射光線が集束している。光軸に平行な光線が入射した
場合は光軸上で焦点を結ぶ。斜光線の場合は光軸から外
周方向にはずれた位置に焦点を結び、その焦点位置は入
射角が大きい程光軸から外周方向へ遠のく。
ーと同じ特性を持つ。直径１〜３mmの円柱状で入出射端
面が平坦であることから、光ファイバーやその他の光学
部品との接続や、固定冶具への取り付けが容易である等
の特徴を持つ。屈折率分布ロッドレンズ内の光線の伝搬
は概略図４、図５に示すようになる。図４はロッドレン
ズ４０の光軸に対して平行な光線４１が入射した場合、
図５は斜光線５１が入射した場合の光路図である。屈折
率分布レンズ４０に入射した光は、ロッドレンズ４０内
を周期的に蛇行して進行する。また、図４、図５とも蛇
行周期の１／４周期（０．２５ピッチ）の位置において
入射光線が集束している。光軸に平行な光線が入射した
場合は光軸上で焦点を結ぶ。斜光線の場合は光軸から外
周方向にはずれた位置に焦点を結び、その焦点位置は入
射角が大きい程光軸から外周方向へ遠のく。
【００１５】屈折率分布ロッドレンズ内の光線の伝搬
は、レンズ周囲を大気（屈折率１）とした場合、（２）
式の光線行列により概略与えられる。
は、レンズ周囲を大気（屈折率１）とした場合、（２）
式の光線行列により概略与えられる。
【００１６】
【数１】
【００１７】実際には、図４、図５のように入射角が揃
った光線ではなく、屈折率分布ロッドレンズには種々の
入射角で光線（火炎発光）が入射するが、その入射角の
違いにより焦点位置が異なる。したがって、図６に示す
ように、屈折率分布ロッドレンズ６０の出射端面の光軸
から外周方向に所定の距離ｄだけ離れた位置に光ファイ
バー６２を設置する。屈折率分布ロッドレンズ６０のレ
ンズ長はロッドレンズ６０内伝搬光線の蛇行周期の１／
４周期に相当する長さ（０．２５Ｐ（ピッチ）＝π／２
ｇ）である。ロッドレンズ６０には種々の入射角の光線
が入射するが、光ファイバー６２の設置位置に焦点を結
ぶ入射角の光線６１のみが光ファイバー６２中を伝搬す
ることができる。したがって何等曲げ加工を施すことな
く光ファイバー６２の視野に指向性を持たせることがで
き、伝送損失の低減を図れる。また、光ファイバーのコ
ア径よりも屈折率分布レンズのレンズ径は大きく、この
大受光面で受けた光線を光ファイバーに集光させること
ができることから、受光量の増加を図ることができる。
った光線ではなく、屈折率分布ロッドレンズには種々の
入射角で光線（火炎発光）が入射するが、その入射角の
違いにより焦点位置が異なる。したがって、図６に示す
ように、屈折率分布ロッドレンズ６０の出射端面の光軸
から外周方向に所定の距離ｄだけ離れた位置に光ファイ
バー６２を設置する。屈折率分布ロッドレンズ６０のレ
ンズ長はロッドレンズ６０内伝搬光線の蛇行周期の１／
４周期に相当する長さ（０．２５Ｐ（ピッチ）＝π／２
ｇ）である。ロッドレンズ６０には種々の入射角の光線
が入射するが、光ファイバー６２の設置位置に焦点を結
ぶ入射角の光線６１のみが光ファイバー６２中を伝搬す
ることができる。したがって何等曲げ加工を施すことな
く光ファイバー６２の視野に指向性を持たせることがで
き、伝送損失の低減を図れる。また、光ファイバーのコ
ア径よりも屈折率分布レンズのレンズ径は大きく、この
大受光面で受けた光線を光ファイバーに集光させること
ができることから、受光量の増加を図ることができる。
【００１８】屈折率分布ロッドレンズは直径１〜３mm、
長さ３〜３０mmの小型な円柱状ガラス体であることか
ら、従来の熱曲げ加工を施した光ファイバーの代わりに
多視野型光プローブのヘッド部に用いても、コンパクト
性、固定の容易さを損なうことがない。
長さ３〜３０mmの小型な円柱状ガラス体であることか
ら、従来の熱曲げ加工を施した光ファイバーの代わりに
多視野型光プローブのヘッド部に用いても、コンパクト
性、固定の容易さを損なうことがない。
【００１９】
【実施例】図１に本発明の一実施例である、火炎検出器
および燃焼診断装置用の３つの異なる視野を有する多視
野型光プローブの構成を示す。光プローブ先端のヘッド
部１には３本の屈折率分布ロッドレンズ１ａ、１ｂ、１
ｃが同一方向にレンズ光軸を向けて取り付けられる。レ
ンズ１ａ、１ｂ、１ｃの出射端側はコネクタ３に固定さ
れ、コネクタ４を介して３本の中継光ファイバー２ａ、
２ｂ、２ｃと接続される。
および燃焼診断装置用の３つの異なる視野を有する多視
野型光プローブの構成を示す。光プローブ先端のヘッド
部１には３本の屈折率分布ロッドレンズ１ａ、１ｂ、１
ｃが同一方向にレンズ光軸を向けて取り付けられる。レ
ンズ１ａ、１ｂ、１ｃの出射端側はコネクタ３に固定さ
れ、コネクタ４を介して３本の中継光ファイバー２ａ、
２ｂ、２ｃと接続される。
【００２０】筒５内には冷却空気７が供給されており、
光ファイバー、レンズの冷却を行なう。冷却エア７はパ
ージエアも兼ね、燃焼炉内から飛来するすす等が受光面
に付着したり、プローブ内に堆積するのを防止する。ヘ
ッド部と中継光ファイバー接続部の拡大図を図２に示
す。屈折率分布ロッドレンズ１ａと中継光ファイバー２
ａは光軸を一致させて接続されるが、ロッドレンズ１ｂ
と中継光ファイバー２ｂはそれぞれの光軸を一致させず
ｄ1 の距離だけ離して接続され、ロッドレンズ１ｃと中
継光ファイバー２ｃも同様に互いの光軸をｄ2 の距離だ
け離して接続される。
光ファイバー、レンズの冷却を行なう。冷却エア７はパ
ージエアも兼ね、燃焼炉内から飛来するすす等が受光面
に付着したり、プローブ内に堆積するのを防止する。ヘ
ッド部と中継光ファイバー接続部の拡大図を図２に示
す。屈折率分布ロッドレンズ１ａと中継光ファイバー２
ａは光軸を一致させて接続されるが、ロッドレンズ１ｂ
と中継光ファイバー２ｂはそれぞれの光軸を一致させず
ｄ1 の距離だけ離して接続され、ロッドレンズ１ｃと中
継光ファイバー２ｃも同様に互いの光軸をｄ2 の距離だ
け離して接続される。
【００２１】前記（２）式に示した屈折率分布ロッドレ
ンズの光線行列から、レンズ入射端における光線の入射
角θ1 とレンズ出射端における光線位置ｒo （レンズ光
軸からの距離）の関係は屈折率分布レンズのレンズ長ｚ
o をπ／（２ｇ）に選ぶと、（３）式により与えられ
る。
ンズの光線行列から、レンズ入射端における光線の入射
角θ1 とレンズ出射端における光線位置ｒo （レンズ光
軸からの距離）の関係は屈折率分布レンズのレンズ長ｚ
o をπ／（２ｇ）に選ぶと、（３）式により与えられ
る。
【００２２】
【数２】
【００２３】
【外１】
【００２４】は光軸（ｚ軸）に対する入射光線の傾きｄ
ｒ／ｄｚであり tanθ1 で与えられる。屈折率分布ロッ
ドレンズと中継光ファイバーを互いの光軸を一致させて
接続させた場合（図２のロッドレンズ１ａと光ファイバ
ー２ａのペア）では、光ファイバー２ａの光軸はｒo ＝
０の位置であることから、（３）式から光ファイバー２
ａ入射端の光軸上に入射する光線はロッドレンズ１ａ入
射端に入射角θ＝０、すなわちレンズ光軸に対して平行
に入射した火炎発光である。したがって光ファイバー２
ａは光軸（火炎軸方向）に対し０°の方向に指向性を持
つ。
ｒ／ｄｚであり tanθ1 で与えられる。屈折率分布ロッ
ドレンズと中継光ファイバーを互いの光軸を一致させて
接続させた場合（図２のロッドレンズ１ａと光ファイバ
ー２ａのペア）では、光ファイバー２ａの光軸はｒo ＝
０の位置であることから、（３）式から光ファイバー２
ａ入射端の光軸上に入射する光線はロッドレンズ１ａ入
射端に入射角θ＝０、すなわちレンズ光軸に対して平行
に入射した火炎発光である。したがって光ファイバー２
ａは光軸（火炎軸方向）に対し０°の方向に指向性を持
つ。
【００２５】ロッドレンズと光ファイバーを互いの光軸
をｄ1 の距離だけ離して接続した場合では（図２のロッ
ドレンズ１ｂ、光ファイバー２ｂのペア）、（３）式か
ら、 ｒo ＝ｄ1 ＝ tanθ1 ／（ｎo ｇ） ∴θ1 ＝ tan-1（ｎo ｇｄ1) …… （４） ロッドレンズと光ファイバーを互いの光軸をｄ2 の距離
だけ離して接続した場合（図２のロッドレンズ１ｃ、光
ファイバー２ｃのペア）も同様に、 ｄ2 ＝ tanθ2 ／（ｎo ｇ） ∴θ2 ＝ tan-1（ｎo ｇｄ2) …… （５） したがって、光ファイバー２ｂ、２ｃは光軸（火炎軸方
向）に対して角度θ1、θ2 の方向に指向性を持つ。
をｄ1 の距離だけ離して接続した場合では（図２のロッ
ドレンズ１ｂ、光ファイバー２ｂのペア）、（３）式か
ら、 ｒo ＝ｄ1 ＝ tanθ1 ／（ｎo ｇ） ∴θ1 ＝ tan-1（ｎo ｇｄ1) …… （４） ロッドレンズと光ファイバーを互いの光軸をｄ2 の距離
だけ離して接続した場合（図２のロッドレンズ１ｃ、光
ファイバー２ｃのペア）も同様に、 ｄ2 ＝ tanθ2 ／（ｎo ｇ） ∴θ2 ＝ tan-1（ｎo ｇｄ2) …… （５） したがって、光ファイバー２ｂ、２ｃは光軸（火炎軸方
向）に対して角度θ1、θ2 の方向に指向性を持つ。
【００２６】θ＝０°、θ1 、θ2 の方向から屈折率分
布ロッドレンズ１ａ〜１ｃに入射した光線は、図２に示
した光路図のように蛇行してロッドレンズ内を伝搬し、
中継光ファイバー２ａ〜２ｃに入射する。例として屈折
率分布ロッドレンズ１ｂ、１ｃのレンズパラメータを屈
折率分布定数ｇ＝０．４３０〔mm-1〕、中心屈折率ｎo
＝１．６５８、レンズ長ｚo ＝π／（２ｇ）＝３．６５
３〔mm〕とし、ロッドレンズ１ｂと光ファイバー２ｂの
光軸ずれｄ1 ＝３８０〔μｍ〕、ロッドレンズ１ｃと光
ファイバー２ｃの光軸ずれｄ2 を８１０〔μｍ〕とした
場合、前記（４）、（５）式からθ1 ＝１５°、θ 2 ＝
３０°である。したがって光ファイバー２ｂに光軸に対
し１５°の方向に指向性を持たせ、光ファイバー２ｃに
光軸に対し３０°の方向に指向性を持たせることができ
る。
布ロッドレンズ１ａ〜１ｃに入射した光線は、図２に示
した光路図のように蛇行してロッドレンズ内を伝搬し、
中継光ファイバー２ａ〜２ｃに入射する。例として屈折
率分布ロッドレンズ１ｂ、１ｃのレンズパラメータを屈
折率分布定数ｇ＝０．４３０〔mm-1〕、中心屈折率ｎo
＝１．６５８、レンズ長ｚo ＝π／（２ｇ）＝３．６５
３〔mm〕とし、ロッドレンズ１ｂと光ファイバー２ｂの
光軸ずれｄ1 ＝３８０〔μｍ〕、ロッドレンズ１ｃと光
ファイバー２ｃの光軸ずれｄ2 を８１０〔μｍ〕とした
場合、前記（４）、（５）式からθ1 ＝１５°、θ 2 ＝
３０°である。したがって光ファイバー２ｂに光軸に対
し１５°の方向に指向性を持たせ、光ファイバー２ｃに
光軸に対し３０°の方向に指向性を持たせることができ
る。
【００２７】また、図２の光路図のとおり、屈折率分布
レンズはフォーカシングレンズの機能も果たしている。
図２および前述の図６では屈折率分布ロッドレンズのレ
ンズ長をｚo ＝π／（２ｇ）に設定しているが、屈折率
分布媒質内での光の周期的な蛇行性からレンズ長ｚ
o を、 ｚo ＝（２ｊ−１）π／（２ｇ） ｊ＝１、２、３、
…… としても同様の機能を持たせることができる。０．２５
Ｐ（ピッチ）＝π／（２ｇ）の長さは３〜６mm程度であ
るが、周期的な光の蛇行性を積極的に利用することによ
り必要な機能を満たしながら容易にレンズ長を長くでき
ることから、図２に示したように屈折率分布ロッドレン
ズの出射端を直接中継光ファイバーの入射端と接続でき
るようにレンズの周囲にコネクタを取り付けることがで
きる。これにより屈折率分布ロッドレンズからなるヘッ
ド部と中継光ファイバーとを分割し、コネクタ接続でき
ることから、組み込み、保守、交換が容易である。ま
た、図８に示した従来の多視野型光プローブにおいてコ
ネクタ９２、中継光ファイバー９３ａ〜９３ｃは従来の
ものをそのまま使用し、光ファイバー９０ａ〜９０ｃか
らなるヘッド部８４のみを本発明になる図２に示したヘ
ッド部に交換することが可能であり、既設の多視野型光
プローブの受光量増加、光損失の低減を容易に図ること
ができる。
レンズはフォーカシングレンズの機能も果たしている。
図２および前述の図６では屈折率分布ロッドレンズのレ
ンズ長をｚo ＝π／（２ｇ）に設定しているが、屈折率
分布媒質内での光の周期的な蛇行性からレンズ長ｚ
o を、 ｚo ＝（２ｊ−１）π／（２ｇ） ｊ＝１、２、３、
…… としても同様の機能を持たせることができる。０．２５
Ｐ（ピッチ）＝π／（２ｇ）の長さは３〜６mm程度であ
るが、周期的な光の蛇行性を積極的に利用することによ
り必要な機能を満たしながら容易にレンズ長を長くでき
ることから、図２に示したように屈折率分布ロッドレン
ズの出射端を直接中継光ファイバーの入射端と接続でき
るようにレンズの周囲にコネクタを取り付けることがで
きる。これにより屈折率分布ロッドレンズからなるヘッ
ド部と中継光ファイバーとを分割し、コネクタ接続でき
ることから、組み込み、保守、交換が容易である。ま
た、図８に示した従来の多視野型光プローブにおいてコ
ネクタ９２、中継光ファイバー９３ａ〜９３ｃは従来の
ものをそのまま使用し、光ファイバー９０ａ〜９０ｃか
らなるヘッド部８４のみを本発明になる図２に示したヘ
ッド部に交換することが可能であり、既設の多視野型光
プローブの受光量増加、光損失の低減を容易に図ること
ができる。
【００２８】図２に示した構成では、各視野に１個、図
２では一例として３視野の構成を示しているため３個の
屈折率分布ロッドレンズを使用しているが、光ファイバ
ーの細径性を利用して図３に示すように多視野型光プロ
ーブのヘッド部を１個の屈折率分布ロッドレンズから構
成可能である。図３において屈折率分布ロッドレンズ１
は図２のロッドレンズ１ａ、１ｂ、１ｃと同じくレンズ
長ｚo ＝π／（２ｇ）またはｚo ＝（２ｊ−１）π／
（２ｇ）ｊ＝１、２、３、……である。中継光ファイバ
ー２ａはロッドレンズ１と光軸を一致させて接続し、中
継光ファイバー２ｂ、２ｃはそれぞれレンズ光軸からｄ
1、ｄ2 の距離だけ、外周方向に離して接続される。図
３の光路図に示すようにロッドレンズ１の入射端におけ
る入射角の違いにより入射光線の伝搬の仕方が異なり、
ロッドレンズ１の出射端における焦点位置が異なること
から、中継光ファイバー２ａ〜２ｃに異なる視野からの
入射光を集光させることができる。図３において、入射
角θ1 、θ2 は前記（４）、（５）式で表わされる値で
ある。
２では一例として３視野の構成を示しているため３個の
屈折率分布ロッドレンズを使用しているが、光ファイバ
ーの細径性を利用して図３に示すように多視野型光プロ
ーブのヘッド部を１個の屈折率分布ロッドレンズから構
成可能である。図３において屈折率分布ロッドレンズ１
は図２のロッドレンズ１ａ、１ｂ、１ｃと同じくレンズ
長ｚo ＝π／（２ｇ）またはｚo ＝（２ｊ−１）π／
（２ｇ）ｊ＝１、２、３、……である。中継光ファイバ
ー２ａはロッドレンズ１と光軸を一致させて接続し、中
継光ファイバー２ｂ、２ｃはそれぞれレンズ光軸からｄ
1、ｄ2 の距離だけ、外周方向に離して接続される。図
３の光路図に示すようにロッドレンズ１の入射端におけ
る入射角の違いにより入射光線の伝搬の仕方が異なり、
ロッドレンズ１の出射端における焦点位置が異なること
から、中継光ファイバー２ａ〜２ｃに異なる視野からの
入射光を集光させることができる。図３において、入射
角θ1 、θ2 は前記（４）、（５）式で表わされる値で
ある。
【００２９】図３に示した実施例によれば、多視野型光
プローブを機能をそこなわず、より小型化することが可
能である。
プローブを機能をそこなわず、より小型化することが可
能である。
【００３０】
【発明の効果】本発明によれば形状、冶具への固定等の
取扱いの上で光ファイバーに酷似した屈折率分布ロッド
レンズ内の光線の周期的な蛇行性を利用することによ
り、光ファイバーからなる従来の多視野型光プローブヘ
ッド部の小型、堅牢な特徴をそのままに、何等曲げ加工
を施すことなく中継光ファイバーの視野に指向性を持た
せることができ、光ファイバーの湾曲に起因する光伝送
損失の低減を図れる。また、屈折率分布ロッドレンズの
集光機能により中継光ファイバーに所定の視野からの火
炎輻射光を集光させることができることから、受光量の
増加を図ることができる。
取扱いの上で光ファイバーに酷似した屈折率分布ロッド
レンズ内の光線の周期的な蛇行性を利用することによ
り、光ファイバーからなる従来の多視野型光プローブヘ
ッド部の小型、堅牢な特徴をそのままに、何等曲げ加工
を施すことなく中継光ファイバーの視野に指向性を持た
せることができ、光ファイバーの湾曲に起因する光伝送
損失の低減を図れる。また、屈折率分布ロッドレンズの
集光機能により中継光ファイバーに所定の視野からの火
炎輻射光を集光させることができることから、受光量の
増加を図ることができる。
【００３１】従って、火炎検出ならびに燃焼診断におけ
る火炎輻射光分析の精度を向上でき、ひいては火炎検
出、燃焼診断のより一層の性能および信頼性の向上を図
ることができる。
る火炎輻射光分析の精度を向上でき、ひいては火炎検
出、燃焼診断のより一層の性能および信頼性の向上を図
ることができる。
【図１】本発明になる一実施例の多視野型光プローブの
構成を示す図。
構成を示す図。
【図２】本発明の一実施例の多視野型光プローブのヘッ
ド部の構成を示す図。
ド部の構成を示す図。
【図３】本発明になる他の実施例を示す図。
【図４】屈折率分布ロッドレンズ中の光線の伝搬を示し
た図。
た図。
【図５】屈折率分布ロッドレンズ中の光線の伝搬を示し
た図。
た図。
【図６】屈折率分布レンズ内の光線の伝搬特性を利用し
て光ファイバーに指向性を持たせる原理を説明した図。
て光ファイバーに指向性を持たせる原理を説明した図。
【図７】多視野型光プローブのバーナへの設置状況を示
す図。
す図。
【図８】従来の多視野型光プローブのヘッド部の構成を
示す図。
示す図。
１、１ａ、１ｂ、１ｃ…屈折率分布ロッドレンズ、２
ａ、２ｂ、２ｃ…中継光ファイバー、３…コネクタ、４
…コネクタ、５…筒、６…３芯光ファイバーケーブル、
７…冷却空気、２２、２３、２４…入射光線。
ａ、２ｂ、２ｃ…中継光ファイバー、３…コネクタ、４
…コネクタ、５…筒、６…３芯光ファイバーケーブル、
７…冷却空気、２２、２３、２４…入射光線。
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(56)参考文献 特開 平６−235868（ＪＰ，Ａ)
特開 昭55−46368（ＪＰ，Ａ)
特開 昭61−240026（ＪＰ，Ａ)
特開 平６−43021（ＪＰ，Ａ)
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
G01J 1/00 - 1/60
Claims (4)
- 【請求項１】 燃焼火炎の複数領域からの光を受光し
て、これを中継用光ファイバーにより火炎検出装置また
は燃焼診断装置に伝送する多視野型光プローブにおい
て、屈折率がレンズ光軸からレンズ外周方向に向かって
放物線状に減少する所定長の屈折率分布ロッドレンズを
複数個前記光プローブの先端部に設け、このロッドレン
ズの後部出射端に、レンズ光軸からレンズ外周方向にロ
ッドレンズごとに異なる距離だけ離して中継用光ファイ
バーを接続したことを特徴とする多視野型光プローブ。 - 【請求項２】 燃焼火炎の複数視野からの光を受光する
ように複数の入射視野を備え、各視野からの受光を中継
用光ファイバーにより火炎検出装置または燃焼診断装置
に伝送する多視野型光プローブにおいて、前記光プロー
ブ先端部に屈折率がレンズ光軸からレンズ外周方向に向
かって減少し、かつ前後の入出射端が平行な屈折率分布
ロッドレンズを１個以上設け、このロッドレンズの後部
出射端に、レンズ光軸からレンズ外周方向に異なる距離
だけ離して接続した中継用光ファイバーを２個以上接続
したことを特徴とする多視野型光プローブ。 - 【請求項３】 燃焼火炎の複数領域からの光を受光し
て、これを中継用光ファイバーにより火炎検出装置また
は燃焼診断装置に伝送する２個以上の視野を備えた多視
野型光プローブにおいて、該光プローブ先端部に設けら
れ、屈折率がレンズ光軸からレンズ外周方向に向かって
放物線状に分布しており、レンズ光軸上の屈折率を
ｎo 、屈折率分布定数をｇとするとレンズ光軸から半径
ｒの位置における屈折率ｎ(r) が、 ｎ2 (r) ＝ｎ o 2(１−ｇ2 ｒ2) で表わされ、レンズ長が（２ｊ−１）π／２ｇ（ｊ＝
１，２，３……）である屈折率分布ロッドレンズと、こ
の屈折率分布ロッドレンズ出射端に、レンズ光軸からレ
ンズ外周方向に tanθ／（ｎo ｇ）で表わされる距離だ
け離して接続されたコア径が前記屈折率分布ロッドレン
ズのレンズ半径よりも小さい中継用光ファイバーとから
構成されるレンズ光軸に対し角度θの視野方向に指向性
を持たせたことを特徴とする多視野型光プローブ。 - 【請求項４】 請求項３において、１個の屈折率分布ロ
ッドレンズと、この屈折率分布ロッドレンズ出射端にレ
ンズ光軸からレンズ外周方向に異なる距離だけ離して接
続された２個以上の中継用光ファイバーとを備えたこと
を特徴とする多視野型光プローブ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP30650894A JP3423454B2 (ja) | 1994-12-09 | 1994-12-09 | 多視野型光プローブ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP30650894A JP3423454B2 (ja) | 1994-12-09 | 1994-12-09 | 多視野型光プローブ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08159869A JPH08159869A (ja) | 1996-06-21 |
| JP3423454B2 true JP3423454B2 (ja) | 2003-07-07 |
Family
ID=17957876
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP30650894A Expired - Fee Related JP3423454B2 (ja) | 1994-12-09 | 1994-12-09 | 多視野型光プローブ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3423454B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE102015105920A1 (de) * | 2015-04-17 | 2016-10-20 | Dr. Ing. H.C. F. Porsche Aktiengesellschaft | Zylinderkopfanordnung |
| KR101970162B1 (ko) * | 2018-10-22 | 2019-04-18 | 한국중부발전(주) | 화염 검출용 써모커플 일체형 화이버 옵틱 케이블 |
-
1994
- 1994-12-09 JP JP30650894A patent/JP3423454B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH08159869A (ja) | 1996-06-21 |
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