JP2000121558A - 計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】長期に亘って安定性、信頼性の高い計測を行な
うことができる計測装置を提供すること。 【解決手段】レーザ光を試料８に照射し、前記試料８で
発生したプラズマ光を分光器１１で受光し分析すること
で前記試料８の成分に係る計測を行なう計測装置におい
て、放射されたレーザ光を透過するとともに前記プラズ
マ光を反射する第１の光学部材（５）と、この第１の光
学部材（５）で反射されたプラズマ光を前記分光器１１
へ入射するとともに反射する第２の光学部材（１０）
と、この第２の光学部材（１０）で反射されたプラズマ
光を入射し、前記プラズマ光の焦点位置のずれを検出す
る検出手段（１５）と、この検出手段（１５）で検出さ
れた前記ずれを補正するよう前記第１の光学部材（５）
を駆動する駆動手段と、を具備。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、セメントプラント
や火力プラントに適用されるレーザを用いた成分の計測
装置、及びごみ燃焼炉やボイラにおけるガスの濃度等を
計測する計測装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】（第１の従来の技術）最近、セメントプ
ラントや火力プラントなどでは、製品管理、燃焼制御、
ダイオキシン対策等のため、セメント原料や石炭など固
体粒子の成分量を迅速に監視するニーズが高まってい
る。

【０００３】上記のセメント原料や石炭など固体粒子の
成分の分析を行なう手法に、レーザ誘起ブレークダウン
法（Laser Induced Breakdown Spectroscopy：以
下、ＬＩＢＳ法と称す）がある。この手法では、試料に
レーザ光を照射し、試料が発生したプラズマ光が分光器
に入射する。この分光器が発生したスペクトル光の発光
波長の違いから成分を同定するとともに、発光強度から
成分の濃度を求める。このＬＩＢＳ法は、気体、液体、
固体中の成分を瞬時に計測可能な手法であり、セメント
プラントや火力プラント用の制御計器として注目されて
いる。

【０００４】図７は、従来例に係るこの種の成分計測装
置の構成を示す図である。図７において、励起用パルス
レーザ１０１が放射したレーザ光は、レンズ１０２によ
りパージ付計測窓１０３を介して測定場１１０に集光
し、測定場１１０に存在する固体粒子をプラズマ化さ
せ、この固体粒子がプラズマ光を発する。

【０００５】このプラズマ光は、ミラー１０４を介して
レンズ１０５により集光され、異なった波長分解能の複
数（２個以上）のグレーティングを有する分光器１０６
に入射し、各グレーティングから分光された光が放射さ
れ、各光は高速ゲートが可能なＣＣＤカメラ１０７によ
り撮影される。

【０００６】上記ＣＣＤカメラ１０７が出力する映像
は、コンピュータ１０８に転送され、コンピュータ１０
８は各成分からの発光強度情報より、測定場１１０に存
在する固体粒子の成分を計測する。なお、ＣＣＤカメラ
１０７による撮影は、励起用パルスレーザ１０１の発振
と同期ラインにより同期させている。そして、コンピュ
ータ１０８にて処理された後、コンピュータ１０８のＣ
ＲＴ上には図８に示すようなプラズマスペクトルが表示
される。

【０００７】これにより、測定場にある固体粒子の成分
をその場で計測することができるようになり、直ちに計
測結果を得ることができるようになったため、この計測
結果を用いてボイラやセメントプラント等を制御するこ
とが可能となる。

【０００８】（第２の従来の技術）近年、大気汚染や廃
棄物処理問題の深刻化により、環境モニタリング技術の
重要性が増してきている。例えばごみ処理場では、燃焼
炉での燃焼後の排ガスに含まれる有害ガスが周囲に及ぼ
す影響がある。このため、燃焼炉内における有害ガスを
直接測定し、リアルタイムにガス濃度等を検出して燃焼
制御を行なうことで、有害ガスの低減を図る必要があ
る。

【０００９】このようなごみ焼却炉やボイラ等の低公害
化、すなわち低ＮＯｘ化、低ダイオキシン化を図るに
は、燃焼炉における温度やＣＯ、Ｏ2等の各種濃度を監
視し、燃焼空気比等の制御を行なう必要があり、低コス
トで小型なガス計測装置の必要性が生じている。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】（第１の課題）上述し
た如き従来の成分計測装置では、計測環境における振動
等により装置の光学系において光軸のずれ等が発生する
ため、長期計測の安定性、信頼性の面で問題がある。

【００１１】（第２の課題）従来のガス計測装置による
計測データのサンプリング法では、対象となる焼却炉や
ボイラの上方に分析計やセンサを設置して計測を行なっ
ており、計測に数分間を要し応答性が悪く、計測制御を
行なうことも困難である。

【００１２】また、半導体レーザ吸収法を用いてガス計
測を行なう方法も考えられるが、この種の計測法では、
対象となる焼却炉やボイラにおける振動や、温度変化に
よる膨張、収縮、あるいは形状の経年変化等に起因し、
光学系において光軸のずれ等が発生するため、長期にお
ける安定性、信頼性の面で問題がある。

【００１３】本発明の目的は、長期に亘って安定性、信
頼性の高い計測を行なうことができる計測装置を提供す
ることにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決し目的を
達成するために、本発明の計測装置は以下の如く構成さ
れている。

【００１５】（１）本発明の計測装置は、レーザ光を試
料に照射し、前記試料で発生したプラズマ光を分光器で
受光し分析することで前記試料の成分に係る計測を行な
う計測装置において、放射されたレーザ光を透過すると
ともに前記プラズマ光を反射する第１の光学部材と、こ
の第１の光学部材で反射されたプラズマ光を前記分光器
へ入射するとともに反射する第２の光学部材と、この第
２の光学部材で反射されたプラズマ光を入射し、前記プ
ラズマ光の焦点位置のずれを検出する検出手段と、この
検出手段で検出された前記ずれを補正するよう前記第１
の光学部材を駆動する駆動手段と、から構成されてい
る。

【００１６】（２）本発明の計測装置は、レーザ光を試
料に照射し、前記試料で発生したプラズマ光を分光器で
受光し分析することで前記試料の成分に係る計測を行な
う計測装置において、放射された第１のレーザ光を反射
する第１の光学部材と、この第１の光学部材で反射され
た第１のレーザ光及び放射された第２のレーザ光を透過
するとともに反射する第２の光学部材と、この第２の光
学部材を透過した第１及び第２のレーザ光を透過すると
ともに前記プラズマ光を反射する第３の光学部材と、前
記第２の光学部材で反射された第１及び第２のレーザ光
を入射し、前記第１のレーザ光と前記第２のレーザ光の
焦点位置のずれを検出する第１の検出手段と、この第１
の検出手段で検出された前記ずれを補正するよう前記第
１の光学部材を駆動する第１の駆動手段と、前記第３の
光学部材で反射されたプラズマ光を前記分光器へ入射す
るとともに反射する第４の光学部材と、この第４の光学
部材で反射されたプラズマ光を入射し、前記プラズマ光
の焦点位置のずれを検出する第２の検出手段と、この第
２の検出手段で検出された前記ずれを補正するよう前記
第３の光学部材を駆動する第２の駆動手段と、から構成
されている。

【００１７】（３）本発明の計測装置は上記（１）また
は（２）に記載の装置であり、かつ前記各駆動手段をそ
れぞれ制御する一つまたは二つの制御手段を備えた。

【００１８】（４）本発明の計測装置は、計測用レーザ
光を計測対象のガス中に照射し前記ガスに前記計測用レ
ーザ光を吸収させた後、前記計測用レーザ光を受光し分
析することで前記ガスに係る計測を行なう計測装置にお
いて、前記計測用レーザ光の光軸のずれを補正するため
のパルス波からなり前記計測用レーザ光と同軸をなすよ
う照射され前記ガス中を通過した光軸ロック用レーザ光
を受光し、前記光軸ロック用レーザ光の焦点位置検出を
行なう受光手段と、この受光手段における前記光軸ロッ
ク用レーザ光の焦点位置のずれに基づいて前記計測用レ
ーザ光の照射角度を補正する補正手段と、から構成され
ている。

【００１９】（５）本発明の計測装置は、計測用レーザ
光を計測対象のガス中に照射し前記ガスに前記計測用レ
ーザ光を吸収させた後、前記計測用レーザ光を受光し分
析することで前記ガスに係る計測を行なう計測装置にお
いて、前記計測用レーザ光の光軸のずれを補正するため
のパルス波からなり前記計測用レーザ光と同軸をなすよ
う照射され前記ガス中を通過した光軸ロック用レーザ光
を受光し、前記光軸ロック用レーザ光の焦点位置検出を
行なう第１の受光手段と、前記ガス中を通過した前記光
軸ロック用レーザ光と前記計測用レーザ光を前記ガス中
に反射する反射手段と、この反射手段で反射され前記ガ
ス中を通過した前記光軸ロック用レーザ光を受光し、前
記光軸ロック用レーザ光の焦点位置検出を行なう第２の
受光手段と、前記第１の受光手段における前記光軸ロッ
ク用レーザ光の焦点位置のずれに基づいて前記計測用レ
ーザ光の照射角度を補正する第１の補正手段と、前記第
２の受光手段における前記光軸ロック用レーザ光の焦点
位置のずれに基づいて前記計測用レーザ光の反射角度を
補正する第２の補正手段と、から構成されている。

【００２０】（６）本発明の計測装置は上記（４）また
は（５）に記載の装置であり、かつ前記計測用レーザ光
が入射される第１の光ファイバと、前記光軸ロック用レ
ーザ光が入射される第２の光ファイバと、前記第１の光
ファイバと前記第２の光ファイバを結合し、前記計測用
レーザ光と前記光軸ロック用レーザ光を重ね合わせる光
学結合素子と、この光学結合素子で重ね合わされた前記
計測用レーザ光と前記光軸ロック用レーザ光を前記ガス
中に照射するための第３の光ファイバと、から構成され
ている。

【００２１】（７）本発明の計測装置は上記（４）乃至
（６）のいずれかに記載の装置であり、かつ前記光軸ロ
ック用レーザ光の最大振幅から前記計測用レーザ光の振
幅を減算し、その差分が突出した場合に前記光軸ロック
用レーザ光のパルスが前記受光手段に入射されたと判定
する手段を備えた。

【００２２】

【発明の実施の形態】（第１の実施の形態）図１は、本
発明の第１の実施の形態に係る成分計測装置の構成を示
す図である。図１に示す装置は、上述したＬＩＢＳ法に
よる光学系を構成し各種成分の分析を行なう。

【００２３】図１では、レーザ光を放射するＹＡＧレー
ザ１の光軸上にビームスプリッター２、及びミラー３が
設けられており、ミラー３により反射されるレーザ光の
光軸上にレンズ４とミラー５が設けられている。ミラー
５はレーザ光を透過し、そのレーザ光は実機取付ダクト
６内に通ずる。ミラー５は、実機取付ダクト６下方の測
定場７における試料８となる各種成分からのプラズマ光
を反射する。

【００２４】また、ミラー５に対して前記光軸と直交す
る方向に、レンズ９、ビームスプリッター１０、及び分
光器１１が設けられている。分光器１１にはＣＣＤカメ
ラ１２が接続されている。分光器１１は、異なった波長
分解能を有する複数のグレーティング（回析格子）を有
する。ＣＣＤカメラ１２は高速ゲートが可能であり、Ｃ
ＣＤカメラ１２にはコンピュータ１３が接続されてい
る。

【００２５】ＹＡＧレーザ１から放射されたレーザ光は
ビームスプリッター２を介してミラー３にて反射され、
レンズ４によりミラー５を透過した後、実機取付ダクト
６内を通り、試料８上に集光される。また、ＹＡＧレー
ザ１から放射されたレーザ光はビームスプリッター２に
て反射され、パワーメーター１４に入射される。

【００２６】試料８は、レンズ４により集光されたレー
ザ光を受光してプラズマ光を発生する。試料８から発生
したプラズマ光は、ミラー５により反射された後、レン
ズ９によりビームスプリッター１０を介して分光器１１
へ入射されるとともに、ビームスプリッター１０にて反
射され、位置検出装置１５に入射される。

【００２７】分光器１１は、入射したプラズマ光を最適
な波長分解能を有するグレーティングで分光し、分光し
た各光をＣＣＤカメラ１２へ出射する。ＣＣＤカメラ１
２は入射した各光を波長毎に光電変換し、各波長毎の信
号強度をコンピュータ１３へ転送する。コンピュータ１
３は、入力した各波長毎の信号強度より各成分に係る計
測を行なう。

【００２８】位置検出装置１５は、プラズマ光の焦点位
置を検出する二次元センサ（ＰＳＤ：Ｐｏｓｉｔｉｏｎ
Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ）である。当
該装置にて長期間で計測が行なわれる際、振動等により
光学系においてレーザ光あるいはプラズマ光の光軸にず
れが生じることがある。この場合、分光器１１の受光面
と位置検出装置１５の受光面において、プラズマ光の焦
点位置が各受光面の中心から２次元方向でずれる。位置
検出装置１５は、このプラズマ光の焦点位置の受光面中
心からの２次元方向でのずれ量を検出し、そのずれ量を
示す信号をミラー５の図示しない制御部へ送信する。

【００２９】前記制御部は位置検出装置１５から受信し
た信号に基づき、ミラー５の図示しない駆動機構を制御
してミラー５の角度を変えることでプラズマ光の反射方
向を変え、前記ずれ量を補正する。これにより、位置検
出装置１５の受光面中心からのプラズマ光の焦点位置の
ずれが矯正され、プラズマ光の焦点位置が受光面中心と
一致する。同様に、分光器１１の受光面中心からのプラ
ズマ光の焦点位置のずれが矯正され、プラズマ光の焦点
位置が受光面中心と一致するため、プラズマ光が最適な
状態で分光器１１に入射されることになる。

【００３０】（第２の実施の形態）図２は、本発明の第
２の実施の形態に係る成分計測装置の構成を示す図であ
る。図２において図１と同一な部分には同一符号を付し
てある。図２に示す装置は、上述したＬＩＢＳ法による
光学系を構成し各種成分の分析を行なう。

【００３１】図２では、レーザ光を放射するＹＡＧレー
ザ２１と波長可変レーザであるＯＰＯ（Ｏｐｔｉｃａｌ
Ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ Ｏｓｃｉｌａｔｅｒ）レーザ
２２が、各光軸が一致するよう一体化されており、ＹＡ
Ｇレーザ２１とＯＰＯレーザ２２の光軸上にビームスプ
リッター２３、及びミラー２４が設けられている。ミラ
ー２４により反射される第１のレーザ光の光軸上にミラ
ー３、レンズ４、ビームスプリッター２５、及びミラー
５が設けられている。ミラー５は第１のレーザ光を透過
し、その第１のレーザ光は実機取付ダクト６内に通ず
る。ミラー５は、実機取付ダクト６下方の測定場７にお
ける試料８となる各種成分からのプラズマ光を反射す
る。

【００３２】また、ＹＡＧレーザ１の光軸上にビームス
プリッター２及びミラー３が設けられており、ＹＡＧレ
ーザ１から放射されミラー３により反射される第２のレ
ーザ光の光軸は、ミラー２４で反射された第１のレーザ
光の光軸と一致する。さらに、ミラー５に対して前記光
軸と直交する方向に、レンズ９、ビームスプリッター１
０、及び分光器１１が設けられている。分光器１１には
ＣＣＤカメラ１２が接続されており、ＣＣＤカメラ１２
にはコンピュータ１３が接続されている。

【００３３】ＹＡＧレーザ２１から放射されＯＰＯレー
ザ２２にて波長が変えられた励起用の第１のレーザ光
は、ビームスプリッター２３を介してミラー２４にて反
射され、ミラー３を透過し、レンズ４によりビームスプ
リッター２５及びミラー５を透過した後、実機取付ダク
ト６内を通り、試料８上に集光される。また前記第１の
レーザ光はビームスプリッター２３にて反射され、パワ
ーメーター２６に入射される。さらに、ミラー２４で反
射された第１のレーザ光は、ビームスプリッター２５で
反射され、位置検出装置２７に入射する。

【００３４】一方、ＹＡＧレーザ１から放射された第２
のレーザ光（第１のレーザ光と波長が異なる）は、ビー
ムスプリッター２を介してミラー３にて反射され、第１
のレーザ光と同軸をなしてレンズ４によりビームスプリ
ッター２５及びミラー５を透過した後、実機取付ダクト
６内を通り、試料８上に集光される。また、ＹＡＧレー
ザ１から放射されたレーザ光はビームスプリッター２に
て反射され、パワーメーター１４に入射される。さら
に、ミラー３で反射された第２のレーザ光は、ビームス
プリッター２５で反射され、位置検出装置２７に入射す
る。

【００３５】試料８は、レンズ４により集光された第１
のレーザ光を受光して蛍光を発生するとともに、第２の
レーザ光を受光してプラズマ光を発生する。試料８から
発生した蛍光とプラズマ光は、ミラー５により反射され
た後、レンズ９によりビームスプリッター１０を介して
分光器１１へ入射されるとともに、ビームスプリッター
１０にて反射され、位置検出装置１３に入射される。

【００３６】分光器１１は入射した蛍光とプラズマ光
を、それぞれ最適な波長分解能を有するグレーティング
で分光し、分光した各光をＣＣＤカメラ１２に入射す
る。ＣＣＤカメラ１２は入射した各光を波長毎に光電変
換し、各波長毎の信号強度をコンピュータ１３へ転送す
る。コンピュータ１３は、入力した各波長毎の信号強度
より各成分に係る計測を行なう。

【００３７】位置検出装置２７，１５は、それぞれレー
ザ光、プラズマ光の焦点位置を検出する二次元センサ
（ＰＳＤ）である。当該装置にて長期間で計測が行なわ
れる際、振動等により光学系において第１のレーザ光と
第２のレーザ光の光軸にずれが生じることがある。この
場合、位置検出装置２７の受光面において、第１のレー
ザ光と第２のレーザ光の焦点位置が一致せず、２次元方
向でずれる。位置検出装置２７は第１のレーザ光と第２
のレーザ光の焦点位置の２次元方向でのずれ量を検出
し、そのずれ量を示す信号をミラー２４の図示しない制
御部へ送信する。

【００３８】前記制御部は位置検出装置２７から受信し
た信号に基づき、ミラー２４の図示しない駆動機構を制
御してミラー２４の角度を変えることで第１のレーザ光
の反射方向を変え、前記ずれ量を補正する。これによ
り、位置検出装置２７の受光面における第１のレーザ光
と第２のレーザ光の焦点位置のずれが矯正され、各焦点
位置が一致する。これにより、第１のレーザ光（ＯＰＯ
レーザ光）と第２のレーザ光（ＹＡＧレーザ光）の光軸
のずれが矯正され、各光軸が一致する。

【００３９】また、当該装置にて長期間で計測が行なわ
れる際、振動等により光学系において各レーザ光あるい
はプラズマ光の光軸にずれが生じることがある。この場
合、分光器１１の受光面と位置検出装置１５の受光面に
おいて、プラズマ光の焦点位置が各受光面の中心から２
次元方向でずれる。位置検出装置１５は、このプラズマ
光の焦点位置の受光面中心からの２次元方向でのずれ量
を検出し、そのずれ量を示す信号をミラー５の図示しな
い制御部へ送信する。

【００４０】前記制御部は位置検出装置１５から受信し
た信号に基づき、ミラー５の図示しない駆動機構を制御
してミラー５の角度を変えることでプラズマ光の反射方
向を変え、前記ずれ量を補正する。これにより、位置検
出装置１５の受光面中心からのプラズマ光の焦点位置の
ずれが矯正され、プラズマ光の焦点位置が受光面中心と
一致する。同様に、分光器１１の受光面中心からのプラ
ズマ光の焦点位置のずれが矯正され、プラズマ光の焦点
位置が受光面中心と一致するため、プラズマ光が最適な
状態で分光器１１に入射されることになる。

【００４１】（第３の実施の形態）図３は、本発明の第
３の実施の形態に係るガス計測装置の構成を示す図であ
る。図３に示す装置は、半導体レーザ吸収法を用いた装
置であり、燃焼炉ａ内におけるＣＯ、Ｏ2等の各種ガス
濃度を計測する。

【００４２】燃焼炉ａの両側面には計測窓ａ１，ａ２が
対向するよう設けられている。燃焼炉ａの一側方にはレ
ーザ発振部３１が設置されており、このレーザ発振部３
１には、波長６３０ｎｍまたは６７０ｎｍのレーザパル
スを出力する光軸ロック用ダイオードレーザ３１１、ミ
ラー３１２、及びハーフミラー３１３が備えられてい
る。

【００４３】ミラー３１２は、レーザ発振部３１外部の
レーザヘッド３２から出力された計測用レーザ光ｌ１
を、計測窓ａ１，ａ２の方向へ反射する。ハーフミラー
３１３は、ミラー３１２で反射された計測用レーザ光ｌ
１を透過するとともに、光軸ロック用ダイオードレーザ
３１１から出力された光軸ロック用レーザ光ｌ２を計測
窓ａ１，ａ２の方向へ反射する。また、レーザ発振部３
１の図示しない駆動部にはコンピュータ３３が接続され
ている。

【００４４】燃焼炉ａの他側方には、ダイクロイックミ
ラー（フィルター）３４、焦点位置検出器（２次元ＰＳ
Ｄ）３５、及び検出器３６が設置されている。ダイクロ
イックミラー３４は、計測窓ａ１，ａ２を透過した計測
用レーザ光ｌ１を検出器３６側へ反射するとともに、光
軸ロック用レーザ光ｌ２を焦点位置検出器３５側に透過
する。また、焦点位置検出器３５と検出器３６には、コ
ンピュータ３３が接続されている。

【００４５】以下、上述したように構成されたガス計測
装置の動作を説明する。レーザヘッド３２から出力され
た計測用レーザ光ｌ１は、レーザ発振部３１内のミラー
３１２で反射され、ハーフミラー３１３を介して計測窓
ａ１から焼却炉ａ内に入射する。焼却炉ａ内に入射した
計測用レーザ光ｌ１は、測定場を通り計測窓ａ２から焼
却炉ａ外へ出射する。焼却炉ａ外へ出射した計測用レー
ザ光ｌ１は、ダイクロイックミラー３４で反射され、検
出器３６内に入射する。

【００４６】一方、光軸ロック用ダイオードレーザ１２
から出力された光軸ロック用レーザ光ｌ２は、ハーフミ
ラー３１３で反射され、計測用レーザ光ｌ１と同軸をな
して（図では便宜上、計測用レーザ光ｌ１と光軸ロック
用ダイオードレーザ１２をずらして図示している）計測
窓ａ１から焼却炉ａ内に入射する。焼却炉ａ内に入射し
た光軸ロック用レーザ光ｌ２は、測定場を通り計測窓ａ
２から焼却炉ａ外へ出射する。焼却炉ａ外へ出射した光
軸ロック用レーザ光ｌ２は、ダイクロイックミラー３４
を透過して焦点位置検出器３５に入射する。

【００４７】このように、レーザヘッド３２から計測用
レーザ光ｌ１を測定場に出射するとともに、光軸ロック
用ダイオードレーザ３１１から計測用レーザ光ｌ１と同
軸をなし計測用レーザ光ｌ１の波長と異なる波長を有す
るパルスを発振させた光軸ロック用レーザ光ｌ２を測定
場に出射する。そして、ダイクロイックミラー３４によ
り光軸ロック用レーザ光ｌ２のみを焦点位置検出器３５
に入射させ、焦点位置検出器３５の受光面における光軸
ロック用レーザ光ｌ２の焦点位置情報がコンピュータ３
３に入力される。

【００４８】コンピュータ３３は、入力した焦点位置情
報の示す光軸ロック用レーザ光ｌ２の焦点位置と上記受
光面の中心とのずれ量を基に、レーザ発振部３１の図示
しない駆動部を制御する。これにより、前記駆動部はレ
ーザ発振部３１全体を縦方向（図３では上下方向）及び
横方向（図３では前後方向）に駆動し、計測用レーザ光
ｌ１及び光軸ロック用レーザ光ｌ２の照射角度を自動調
整する。

【００４９】すなわち、長期間で計測が行なわれる際
に、焼却炉ａにおける振動や、膨張、収縮、あるいは形
状の経年変化等に起因し、光学系において計測用レーザ
光ｌ１及び光軸ロック用レーザ光ｌ２の光軸のずれ等が
発生した場合に、焦点位置検出器３５で検出された上記
受光面における光軸ロック用レーザ光ｌ２の焦点位置が
上記受光面の中心から２次元方向でずれる。

【００５０】このずれ量をコンピュータ３３が算出し、
上記駆動部に出力する。上記駆動部は、入力したずれ量
分、そのずれが生じた方向に対して逆の方向へレーザ発
振部３１全体を縦方向及び横方向に動かす。これによ
り、光学系における光軸のずれが随時補正され、長期に
亘って安定性、信頼性の高い計測を行なうことができ
る。

【００５１】また、図３においてダイクロイックミラー
３４を用いない場合は、代わりに図示しない光路分割用
の光学素子を設け、計測用レーザ光ｌ１及び光軸ロック
用レーザ光ｌ２が焦点位置検出器３５と検出器３６の双
方に入射されるようにする。この場合、焦点位置検出器
３５では図示しない演算器により、入射した光軸ロック
用レーザ光ｌ２の最大振幅から計測用レーザ光ｌ１の振
幅を減算し、その差分が突出した場合に光軸ロック用レ
ーザ光ｌ２のパルスが焦点位置検出器３５に入射された
と判定され、コンピュータ３３により上述した照射角度
の自動調整が行なわれる。

【００５２】一方検出器３６では、図示しない演算器に
より、入射した光軸ロック用レーザ光ｌ２の最大振幅か
ら計測用レーザ光ｌ１の振幅を減算し、その差分が突出
していない場合に後述するような測定を行なう。

【００５３】図４は、光軸ロック用レーザ光ｌ２のパル
スと光吸収量測定との関係を示す図である。図４に示す
ように、光軸ロック用レーザ光ｌ２のパルス幅（パルス
が発生している時間）は１ｍｓであり、パルス間（パル
スが発生していない時間）は１ｓである。

【００５４】上述したように、光軸ロック用レーザ光ｌ
２と計測用レーザ光ｌ１は同軸上にあり、光軸ロック用
レーザ光ｌ２のパルスが発生していない時に焼却炉ａ内
の測定場におけるガスの分子により吸収された計測用レ
ーザ光ｌ１の量が、検出器３６で測定される。そして、
光軸ロック用レーザ光ｌ２のパルスが発生している時に
は、検出器３６による計測用レーザ光ｌ１の吸収量の測
定は行なわれない。

【００５５】コンピュータ３３は、検出器３６で検出さ
れたＣＯ、Ｏ2等による計測用レーザ光ｌ１の吸収量を
スペクトル波形により分析し、その波形からＣＯ、Ｏ2
等の各種ガス濃度を計測する。このように、光軸ロック
用レーザ光ｌ２は、ＣＯ、Ｏ2等の各種ガス濃度の計測
に影響を及ぼさないので、ガスによる微小な光吸収量の
測定を行なうことが可能になる。

【００５６】（第４の実施の形態）図５は、本発明の第
４の実施の形態に係るガス計測装置の構成を示す図であ
る。図５に示す装置は、半導体レーザ吸収法を用いた装
置であり、燃焼炉ａ内におけるＣＯ、Ｏ2等の各種ガス
濃度を計測する。図５において図３と同一な部分には同
一符号を付してある。

【００５７】燃焼炉ａの一側面には計測窓ａ１が設けら
れている。燃焼炉ａの一側方にはレーザ発振部３１が設
置されており、このレーザ発振部３１には、波長６３０
ｎｍまたは６７０ｎｍのレーザパルスを出力する光軸ロ
ック用ダイオードレーザ３１１、ミラー３１２、及びハ
ーフミラー３１３が備えられている。ミラー３１２は、
レーザ発振部３１外部のレーザヘッド３２から出力され
ミラー３０１を透過した計測用レーザ光ｌ１を、計測窓
ａ１の方向へ反射する。

【００５８】ハーフミラー３１３は、ミラー３１２で反
射された計測用レーザ光ｌ１を透過するとともに、光軸
ロック用ダイオードレーザ３１１から出力された光軸ロ
ック用レーザ光ｌ２を計測窓ａ１の方向へ反射する。ま
た、レーザ発振部３１にはコンピュータ３３が接続され
ている。なお、レーザヘッド３２から出力された計測用
レーザ光ｌ１は、ミラー３０１，３０２を介して後述す
る検出器３６に入射される。

【００５９】燃焼炉ａの他側面には、計測窓ａ１と対向
するよう第１受光部７０が設置されており、この第１受
光部７０にはミラー７１、及び焦点位置検出器（２次元
ＰＳＤ）７２が設置されている。ミラー７１は、計測窓
ａ１を透過した計測用レーザ光ｌ１と光軸ロック用レー
ザ光ｌ２を後述する第２受光部８０側へ反射するととも
に、光軸ロック用レーザ光ｌ２を焦点位置検出器７２側
に透過する。

【００６０】さらに、燃焼炉ａの上記一側方には第２受
光部８０と検出器３６が設置されており、第２受光部８
０には、ダイクロイックミラー８１及び焦点位置検出器
（２次元ＰＳＤ）８２が設置されている。ダイクロイッ
クミラー８１は、計測窓ａ１を透過した計測用レーザ光
ｌ２を検出器３６側へ反射するとともに、光軸ロック用
レーザ光ｌ１を焦点位置検出器８２側に透過する。ま
た、焦点位置検出器８２と検出器３６には、コンピュー
タ３３が接続されている。

【００６１】以下、上述したように構成されたガス濃度
計測装置の動作を説明する。レーザヘッド３２から出力
された計測用レーザ光ｌ１は、レーザ発振部３１内のミ
ラー３１２で反射され、ハーフミラー３１３を介して計
測窓ａ１から焼却炉ａ内に入射する。焼却炉ａ内に入射
した計測用レーザ光ｌ１は、測定場を通り第１受光部７
０内に入射する。さらに、レーザヘッド３２から出力さ
れた計測用レーザ光ｌ１は、ミラー３０１及び３０２を
介して検出器３６に入射される。

【００６２】第１受光部７０内に入射した計測用レーザ
光ｌ１は、ミラー７１を介して位置検出器７２に受光さ
れるとともに、ミラー７１でやや下方へ反射され再び測
定場を通り、計測窓ａ１を介して燃焼炉ａ外へ出射す
る。燃焼炉ａ外へ出射した計測用レーザ光ｌ１は第２受
光部８０内に入射し、ダイクロイックミラー８１で反射
され検出器３６に入射される。

【００６３】一方、光軸ロック用ダイオードレーザ３１
１から出力された光軸ロック用レーザ光ｌ２は、ハーフ
ミラー３１３で反射され、計測用レーザ光ｌ１と同軸を
なして（図では便宜上、計測用レーザ光ｌ１と光軸ロッ
ク用レーザ光ｌ２をずらして図示している）計測窓ａ１
から焼却炉ａ内に入射する。焼却炉ａ内に入射した光軸
ロック用レーザ光ｌ２は、測定場を通り第１受光部７０
内に入射する。

【００６４】第１受光部７０内に入射した光軸ロック用
レーザ光ｌ２は、ミラー７１でやや下方へ反射され、計
測用レーザ光ｌ１と同軸をなして再び測定場を通り、計
測窓ａ１を介して燃焼炉ａ外へ出射する。燃焼炉ａ外へ
出射した光軸ロック用レーザ光ｌ２は第２受光部８０内
に入射し、ダイクロイックミラー８１を透過して位置検
出器８２に受光される。

【００６５】このように、レーザヘッド３２から計測用
レーザ光ｌ１を測定場に出射するとともに、光軸ロック
用ダイオードレーザ３１１から計測用レーザ光ｌ１と同
軸をなし計測用レーザ光ｌ１の波長と異なる波長を有す
るパルスを発振させた光軸ロック用レーザ光ｌ２を測定
場に出射する。そして、第１受光部７０のミラー７１に
より光軸ロック用レーザ光ｌ２を焦点位置検出器７２に
入射させ、焦点位置検出器７２の受光面における光軸ロ
ック用レーザ光ｌ２の焦点位置情報がコンピュータ３３
に入力される。

【００６６】コンピュータ３３は、上記第３の実施の形
態と同様に、入力した焦点位置情報の示す光軸ロック用
レーザ光ｌ２の焦点位置と上記受光面の中心とのずれ量
を基に、レーザ発振部３１の図示しない駆動部を制御す
る。これにより、前記駆動部はレーザ発振部３１全体を
縦方向（図５では上下方向）及び横方向（図５では前後
方向）に駆動し、計測用レーザ光ｌ１及び光軸ロック用
レーザ光ｌ２の照射角度を自動調整する。

【００６７】また、第２受光部８０のダイクロイックミ
ラー８１により光軸ロック用レーザ光ｌ２を焦点位置検
出器８２に入射させ、焦点位置検出器８２の受光面にお
ける光軸ロック用レーザ光ｌ２の焦点位置情報がコンピ
ュータ３３に入力される。コンピュータ３３は、入力し
た焦点位置情報の示す光軸ロック用レーザ光ｌ２の焦点
位置と上記受光面の中心とのずれ量を基に、第１受光部
７０の図示しない駆動部を制御する。これにより、前記
駆動部は第１受光部７０全体を縦方向（図５では上下方
向）及び横方向（図５では前後方向）に駆動し、計測用
レーザ光ｌ１及び光軸ロック用レーザ光ｌ２のミラー７
１による反射角度を自動調整する。

【００６８】このように、燃焼炉ａの他側面に第１受光
部７を設け、レーザ発振部３１からの計測用レーザ光ｌ
１と光軸ロック用レーザ光ｌ２を一側面側へ反射させる
ことで、上記第３の実施の形態に比べ、燃焼炉ａ内にお
いて約２倍の光路長を確保することができる。よって、
測定場においてガスの分子により多量の計測用レーザ光
ｌ１が吸収されることになり、ＣＯ、Ｏ2等の各種ガス
濃度の計測をより精確に行なえる。また、燃焼炉ａの他
側方に図３の如き機器を設置する必要がなくなり、スペ
ースの有効利用が図れる。

【００６９】なお、図５では、燃焼炉ａにおいて計測用
レーザ光ｌ１と光軸ロック用レーザ光ｌ２を一往復照射
させたが、一往復半照射させたい場合は、燃焼炉ａにお
ける一側面の計測窓ａ１下方に第１受光部７０と同様の
受光部を設け、かつ他側面の第１受光部７０下方に計測
窓を設け、さらに前記計測窓の外側に第２受光部８０と
検出器３８を設置する。これにより、燃焼炉ａ内におい
て上記第３の実施の形態に比べ約３倍の長さの光路をジ
グザグ状に確保することができる。この際、各受光部の
焦点位置検出器における光軸ロック用レーザ光ｌ２の焦
点位置情報は、それぞれ上流側の受光部における反射角
度の自動調整に反映される。

【００７０】また、燃焼炉ａにおいて計測用レーザ光ｌ
１と光軸ロック用レーザ光ｌ２を二往復以上照射させた
い場合には、相当する数の受光部を燃焼炉ａの一側面と
他側面に設置し、それぞれ上流側の受光部における反射
角度の自動調整に反映させるようにする。

【００７１】（第５の実施の形態）図６は、本発明の第
５の実施の形態に係るガス濃度計測装置に適用される光
ファイバーの構成を示す図である。図６において、ビー
ムコンバーター９０の入力側には、計測用レーザｌ１が
入射される光ファイバー９１と光軸ロック用レーザ光ｌ
２が入射される光ファイバー９２が接続されている。ビ
ームコンバーター９０の出力側には、ビームコンバータ
ー９０で重ね合わせた計測用レーザｌ１とｌ２が出射さ
れる光ファイバー９３が接続されている。

【００７２】本発明の第５の実施の形態では、図６に示
すビームコンバーター９０を図３と図５に示したレーザ
発振部３１内に設置し、光ファイバー９１の端部をレー
ザヘッド３２に接続するとともに、光ファイバー９２の
端部を光軸ロック用ダイオードレーザ３１１に接続す
る。さらに、光ファイバー９３の端部を、計測用レーザ
ｌ１と光軸ロック用レーザ光ｌ２の光路が図３と図５に
示したものと同様になるよう、計測窓ａの方向へ向けて
レーザ発振部３１内に固定する。

【００７３】以上のような構成により、図３と図５に示
したレーザ発振部３１内においてミラー３１２とハーフ
ミラー３１３を設ける必要がなくなり、装置を簡易に構
成でき、さらにミラー３１２とハーフミラー３１３の微
動に起因する光軸のずれを防止することができる。

【００７４】なお、本発明は上記各実施の形態のみに限
定されず、要旨を変更しない範囲で適宜変形して実施で
きる。

【００７５】

【発明の効果】本発明の計測装置によれば、プラズマ光
の焦点位置のずれを検出し、その検出結果をフィードバ
ックして第１の光学部材を駆動し前記ずれを補正する光
学系自動補正機構を備えることで、プラズマ光が分光器
へ常時最適な状態で入射されることになり、長期に亘っ
て安定性、信頼性の高い計測を行なうことができる。

【００７６】本発明の計測装置によれば、二種類のレー
ザ光の焦点位置のずれを検出し、その検出結果をフィー
ドバックして第１の光学部材を駆動し前記ずれを補正す
る光学系自動補正機構を備えることで、二種類のレーザ
光の各光軸を常に同軸の状態に保持することができる。
さらに、プラズマ光の焦点位置のずれを検出し、その検
出結果をフィードバックして第３の光学部材を駆動し前
記ずれを補正することで、プラズマ光が分光器へ常時最
適な状態で入射されることになる。よって、長期に亘っ
て安定性、信頼性の高い計測を行なうことができる。

【００７７】本発明の計測装置によれば、駆動を要する
光学部材の駆動制御を長期に亘って自動的に行なうこと
ができる。

【００７８】本発明の計測装置によれば、計測光学系に
おける光軸のずれが随時補正され、光軸を常に最適に保
ち固定できるため、計測光学系の長期安定性を確保で
き、長期に亘って安定性、信頼性の高い計測を行なうこ
とができる。すなわち、ガスの濃度、温度等の計測に影
響を及ぼさないパルス発振による光軸ロック用レーザ光
を計測用レーザ光と同軸にして測定場に照射し、焦点位
置検出によるアクティブなレーザ照射角度のフィードバ
ックを行なことにより、計測装置として長期の安定性、
信頼性が向上する。

【００７９】本発明の計測装置によれば、計測用レーザ
光の光路を長く確保することができるため、測定場にお
いてガスの分子により多量の計測用レーザ光が吸収され
ることになり、ガスの濃度、温度等の計測をより精確に
行なえる。また、パルスを発振させた光軸ロック用レー
ザ光を用いることにより、光軸ロック用レーザ光が温
度、濃度計測に影響を及ぼすことを防止でき、計測用レ
ーザ光の光路が長くなるため、計測対象からの発光が存
在する場合にも背景光を除去することができる。

【００８０】本発明の計測装置によれば、計測用レーザ
光と光軸ロック用レーザ光を重ね合わせガス中に照射す
るため、装置を簡易に構成でき、前記計測用レーザ光と
前記光軸ロック用レーザ光が常に同軸をなすとともに、
照射に係るミラー等の光学部材を削除できるため、それ
ら光学部材の微動に起因する光軸のずれを防止すること
ができる。

【００８１】本発明の計測装置によれば、光軸ロック用
レーザ光の焦点位置検出を確実に行なえるため、計測用
レーザ光の照射角度または反射角度の補正をより精確に
行なえる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態に係る成分計測装置
の構成を示す図。

【図２】本発明の第２の実施の形態に係る成分計測装置
の構成を示す図。

【図３】本発明の第３の実施の形態に係るガス計測装置
の構成を示す図。

【図４】本発明の第３の実施の形態に係る光軸ロック用
レーザ光ｌ２のパルスと光吸収量測定との関係を示す
図。

【図５】本発明の第４の実施の形態に係るガス計測装置
の構成を示す図。

【図６】本発明の第５の実施の形態に係るガス濃度計測
装置に適用される光ファイバーの構成を示す図。

【図７】従来例に係るこの種の成分計測装置の構成を示
す図。

【図８】従来例に係るプラズマスペクトルを示す図。

【符号の説明】

１…ＹＡＧレーザ ２…ビームスプリッター ３…ミラー ４…レンズ ５…ミラー ６…実機取付ダクト ７…測定場 ８…試料 ９…レンズ １０…ビームスプリッター １１…分光器 １２…ＣＣＤカメラ １３…コンピュータ １４…パワーメーター １５…位置検出装置 ２１…ＹＡＧレーザ ２２…ＯＰＯレーザ ２３…ビームスプリッター ２４…ミラー ２５…ビームスプリッター ２６…パワーメーター ２７…位置検出装置 ａ…燃焼炉 ａ１…計測窓 ａ２…計測窓 ３１…レーザ発振部 ３１２…ミラー ３１３…ハーフミラー ３２…レーザヘッド ３３…コンピュータ ３４…ダイクロイックミラー ３５…位置検出器 ３６…検出器 ７０…第１受光部 ７１…ミラー ７２…位置検出器 ８０…第２受光部 ８１…ダイクロイックミラー ８２…位置検出器 ９０…ビームコンバーター ９１…光ファイバー ９３…光ファイバー

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2G043 AA01 CA05 CA06 EA01 EA10 FA05 GA02 GA04 GB03 GB19 HA01 HA02 HA05 HA09 KA08 KA09 LA03

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】レーザ光を試料に照射し、前記試料で発生
   したプラズマ光を分光器で受光し分析することで前記試
   料の成分に係る計測を行なう計測装置において、 放射されたレーザ光を透過するとともに前記プラズマ光
   を反射する第１の光学部材と、 この第１の光学部材で反射されたプラズマ光を前記分光
   器へ入射するとともに反射する第２の光学部材と、 この第２の光学部材で反射されたプラズマ光を入射し、
   前記プラズマ光の焦点位置のずれを検出する検出手段
   と、 この検出手段で検出された前記ずれを補正するよう前記
   第１の光学部材を駆動する駆動手段と、 を具備したことを特徴とする計測装置。
2. 【請求項２】レーザ光を試料に照射し、前記試料で発生
   したプラズマ光を分光器で受光し分析することで前記試
   料の成分に係る計測を行なう計測装置において、 放射された第１のレーザ光を反射する第１の光学部材
   と、 この第１の光学部材で反射された第１のレーザ光及び放
   射された第２のレーザ光を透過するとともに反射する第
   ２の光学部材と、 この第２の光学部材を透過した第１及び第２のレーザ光
   を透過するとともに前記プラズマ光を反射する第３の光
   学部材と、 前記第２の光学部材で反射された第１及び第２のレーザ
   光を入射し、前記第１のレーザ光と前記第２のレーザ光
   の焦点位置のずれを検出する第１の検出手段と、 この第１の検出手段で検出された前記ずれを補正するよ
   う前記第１の光学部材を駆動する第１の駆動手段と、 前記第３の光学部材で反射されたプラズマ光を前記分光
   器へ入射するとともに反射する第４の光学部材と、 この第４の光学部材で反射されたプラズマ光を入射し、
   前記プラズマ光の焦点位置のずれを検出する第２の検出
   手段と、 この第２の検出手段で検出された前記ずれを補正するよ
   う前記第３の光学部材を駆動する第２の駆動手段と、 を具備したことを特徴とする計測装置。
3. 【請求項３】前記各駆動手段をそれぞれ制御する一つま
   たは二つの制御手段を備えたことを特徴とする請求項１
   または２に記載の計測装置。
4. 【請求項４】計測用レーザ光を計測対象のガス中に照射
   し前記ガスに前記計測用レーザ光を吸収させた後、前記
   計測用レーザ光を受光し分析することで前記ガスに係る
   計測を行なう計測装置において、 前記計測用レーザ光の光軸のずれを補正するためのパル
   ス波からなり前記計測用レーザ光と同軸をなすよう照射
   され前記ガス中を通過した光軸ロック用レーザ光を受光
   し、前記光軸ロック用レーザ光の焦点位置検出を行なう
   受光手段と、 この受光手段における前記光軸ロック用レーザ光の焦点
   位置のずれに基づいて前記計測用レーザ光の照射角度を
   補正する補正手段と、 を具備したことを特徴とする計測装置。
5. 【請求項５】計測用レーザ光を計測対象のガス中に照射
   し前記ガスに前記計測用レーザ光を吸収させた後、前記
   計測用レーザ光を受光し分析することで前記ガスに係る
   計測を行なう計測装置において、 前記計測用レーザ光の光軸のずれを補正するためのパル
   ス波からなり前記計測用レーザ光と同軸をなすよう照射
   され前記ガス中を通過した光軸ロック用レーザ光を受光
   し、前記光軸ロック用レーザ光の焦点位置検出を行なう
   第１の受光手段と、 前記ガス中を通過した前記光軸ロック用レーザ光と前記
   計測用レーザ光を前記ガス中に反射する反射手段と、 この反射手段で反射され前記ガス中を通過した前記光軸
   ロック用レーザ光を受光し、前記光軸ロック用レーザ光
   の焦点位置検出を行なう第２の受光手段と、 前記第１の受光手段における前記光軸ロック用レーザ光
   の焦点位置のずれに基づいて前記計測用レーザ光の照射
   角度を補正する第１の補正手段と、 前記第２の受光手段における前記光軸ロック用レーザ光
   の焦点位置のずれに基づいて前記計測用レーザ光の反射
   角度を補正する第２の補正手段と、 を具備したことを特徴とする計測装置。
6. 【請求項６】前記計測用レーザ光が入射される第１の光
   ファイバと、 前記光軸ロック用レーザ光が入射される第２の光ファイ
   バと、 前記第１の光ファイバと前記第２の光ファイバを結合
   し、前記計測用レーザ光と前記光軸ロック用レーザ光を
   重ね合わせる光学結合素子と、 この光学結合素子で重ね合わされた前記計測用レーザ光
   と前記光軸ロック用レーザ光を前記ガス中に照射するた
   めの第３の光ファイバと、 を備えたことを特徴とする請求項４または５に記載の計
   測装置。
7. 【請求項７】前記光軸ロック用レーザ光の最大振幅から
   前記計測用レーザ光の振幅を減算し、その差分が突出し
   た場合に前記光軸ロック用レーザ光のパルスが前記受光
   手段に入射されたと判定する手段を備えたことを特徴と
   する請求項４乃至６のいずれかに記載の計測装置。