JP2000206035A - ガス検出装置 - Google Patents
ガス検出装置Info
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- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
- G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
- G01N21/39—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using tunable lasers
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N2201/00—Features of devices classified in G01N21/00
- G01N2201/06—Illumination; Optics
- G01N2201/065—Integrating spheres
Abstract
(57)【要約】
【課題】測定に用いる光の多重反射による測定誤差を抑
えたガス検出装置を提供する。 【解決手段】レーザ光源１から出射されたレーザ光４
は、ガス導入口８とガス排出口９とを有するガスセル２
の被検出ガスが収容された容器５内に第１の窓６を通し
て入射される。前記レーザ光４は光拡散板１０によって
拡散光１１となり、その一部は第２の窓７から出射され
て受光器３で受光される。レーザ光４、拡散光１１は前
記被検出ガスの濃度に応じた吸収を受けるので受光器３
で受光される光量から被検出ガスの濃度が分かる。レー
ザ光４を拡散光１１とすることで多重反射による測定誤
差が抑えられる。
えたガス検出装置を提供する。 【解決手段】レーザ光源１から出射されたレーザ光４
は、ガス導入口８とガス排出口９とを有するガスセル２
の被検出ガスが収容された容器５内に第１の窓６を通し
て入射される。前記レーザ光４は光拡散板１０によって
拡散光１１となり、その一部は第２の窓７から出射され
て受光器３で受光される。レーザ光４、拡散光１１は前
記被検出ガスの濃度に応じた吸収を受けるので受光器３
で受光される光量から被検出ガスの濃度が分かる。レー
ザ光４を拡散光１１とすることで多重反射による測定誤
差が抑えられる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】レーザ吸収分光を利用したガ
ス検出装置に係り、特に目的とするガスの有無の検知や
濃度測定のためにガスを導入してレーザ光と相互作用を
行わせるガスセルを有するガス検出装置に関する。
ス検出装置に係り、特に目的とするガスの有無の検知や
濃度測定のためにガスを導入してレーザ光と相互作用を
行わせるガスセルを有するガス検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】レーザ吸収分光は、物質が固有の光波長
に対して大きな吸収をもつという性質を利用して、分析
などに用いられる分光技術の一種である。この技術をガ
ス分析の分野で応用することにより、目的とするガスの
検出や濃度測定が可能となる。
に対して大きな吸収をもつという性質を利用して、分析
などに用いられる分光技術の一種である。この技術をガ
ス分析の分野で応用することにより、目的とするガスの
検出や濃度測定が可能となる。
【０００３】従来のガス検出装置の光学系の一例を図９
に示す。この光学系はレーザ光源１、ガスセル２および
受光器３より構成される。ガスセル２は通常、ガスを収
容するための容器５、ガス導入孔８とガス排出孔９、お
よびレーザ光４が通過するための第１の窓６と第２の窓
７より構成される。レーザ光源１より出射したレーザ光
４は第１の窓６から入射し、容器５内部に収容されたガ
スでその一部が吸収され、第２の窓７より出射して受光
器３に達する。レーザ光４の波長を被検出ガスの吸収波
長付近で変化させると図１０のようなガス吸収曲線がみ
られる。この曲線上で大きな吸収を示す波長になるべく
近い波長のレーザ光を用いて、該レーザ光のガスによる
吸収の度合い、すなわち受光器３で受光するレーザ光の
光量の変化量を測ることでガス濃度を知ることができ
る。
に示す。この光学系はレーザ光源１、ガスセル２および
受光器３より構成される。ガスセル２は通常、ガスを収
容するための容器５、ガス導入孔８とガス排出孔９、お
よびレーザ光４が通過するための第１の窓６と第２の窓
７より構成される。レーザ光源１より出射したレーザ光
４は第１の窓６から入射し、容器５内部に収容されたガ
スでその一部が吸収され、第２の窓７より出射して受光
器３に達する。レーザ光４の波長を被検出ガスの吸収波
長付近で変化させると図１０のようなガス吸収曲線がみ
られる。この曲線上で大きな吸収を示す波長になるべく
近い波長のレーザ光を用いて、該レーザ光のガスによる
吸収の度合い、すなわち受光器３で受光するレーザ光の
光量の変化量を測ることでガス濃度を知ることができ
る。
【０００４】ところで、実際にガスの濃度測定を行うと
様々な原因による誤差が生じるが、その中でもレーザ光
の干渉によって発生するドリフトによる誤差は絶対値も
大きくまた対策も難しい。具体的には、レーザ光がガス
セルの窓部を透過するときや受光器内部の光学系を透過
するときに多重反射が生じ、これが元のレーザ光と干渉
し、光強度の変化として現れる。この強度変動が吸収曲
線に畳重した場合、あたかも被検出ガスの濃度が変化し
たかのごとく観測されてしまう。
様々な原因による誤差が生じるが、その中でもレーザ光
の干渉によって発生するドリフトによる誤差は絶対値も
大きくまた対策も難しい。具体的には、レーザ光がガス
セルの窓部を透過するときや受光器内部の光学系を透過
するときに多重反射が生じ、これが元のレーザ光と干渉
し、光強度の変化として現れる。この強度変動が吸収曲
線に畳重した場合、あたかも被検出ガスの濃度が変化し
たかのごとく観測されてしまう。
【０００５】そこで光学的な多重反射を極力避けるた
め、従来では図１１に示すような工夫がされてきた。こ
の例ではウェッジ形状のガラス板の両面に反射防止膜１
２を施したものをガスセル２の窓材に用いている。この
ようにすることで多重反射による干渉の影響を減らすこ
とができる。
め、従来では図１１に示すような工夫がされてきた。こ
の例ではウェッジ形状のガラス板の両面に反射防止膜１
２を施したものをガスセル２の窓材に用いている。この
ようにすることで多重反射による干渉の影響を減らすこ
とができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかしガスセル２で多
重反射を抑えても、受光器３の部分で同様の問題が生じ
る。例えば受光器３にフォトダイオード（以後、ＰＤと
いう。）を使用した場合、ＰＤ容器の窓とＰＤ素子表面
の間で多重反射が生じ、これが測定誤差となってしま
う。このように干渉が原因となる誤差は、光学系のさま
ざまな場所で生じる可能性があるため、全ての光学部品
において干渉が起こらないように改善していくことは難
しい。この発明の目的は、測定に用いる光の多重反射に
よる測定誤差を抑えたガス検出装置を実現することであ
る。
重反射を抑えても、受光器３の部分で同様の問題が生じ
る。例えば受光器３にフォトダイオード（以後、ＰＤと
いう。）を使用した場合、ＰＤ容器の窓とＰＤ素子表面
の間で多重反射が生じ、これが測定誤差となってしま
う。このように干渉が原因となる誤差は、光学系のさま
ざまな場所で生じる可能性があるため、全ての光学部品
において干渉が起こらないように改善していくことは難
しい。この発明の目的は、測定に用いる光の多重反射に
よる測定誤差を抑えたガス検出装置を実現することであ
る。
【０００７】
【課題を解決するための手段】従来は、被検出ガス中の
光路長をなるべく長くして被検出ガスによる光の吸収量
を増やし、Ｓ／Ｎを上げることで測定精度を上げるよう
にしていた。そのため、測定に用いる光の可干渉性を維
持してビーム径がなるべく変化しないようにしていた。
しかし、本発明の発明者等は、前述の問題はレーザ光が
可干渉性を有するために現れる現象であることに着目
し、従来とは考え方を逆にして光源から出射したレーザ
光を光拡散手段によって拡散させ、積極的に可干渉性を
低下させて干渉を起こさない光に変えることとした。
光路長をなるべく長くして被検出ガスによる光の吸収量
を増やし、Ｓ／Ｎを上げることで測定精度を上げるよう
にしていた。そのため、測定に用いる光の可干渉性を維
持してビーム径がなるべく変化しないようにしていた。
しかし、本発明の発明者等は、前述の問題はレーザ光が
可干渉性を有するために現れる現象であることに着目
し、従来とは考え方を逆にして光源から出射したレーザ
光を光拡散手段によって拡散させ、積極的に可干渉性を
低下させて干渉を起こさない光に変えることとした。
【０００８】すなわち、本発明のガス検出装置は、被検
出ガスを導入するガス導入孔と被検出ガスを排出するガ
ス排出孔とを有する被検出ガスを収容するガスセルと、
当該被検出ガスの濃度を検出するために可干渉性を有す
る光を前記ガスセルの内部に出力する光源と、前記可干
渉性を有する光を拡散させるために当該光の光路に備え
て当該可干渉性を崩す光拡散手段と、前記光拡散手段で
拡散された光を受光する受光器とを備えている。このよ
うに、光拡散手段をガスセル内部もしくは外部に設ける
ことで干渉が原因となる光学的ノイズを低下させること
ができる。
出ガスを導入するガス導入孔と被検出ガスを排出するガ
ス排出孔とを有する被検出ガスを収容するガスセルと、
当該被検出ガスの濃度を検出するために可干渉性を有す
る光を前記ガスセルの内部に出力する光源と、前記可干
渉性を有する光を拡散させるために当該光の光路に備え
て当該可干渉性を崩す光拡散手段と、前記光拡散手段で
拡散された光を受光する受光器とを備えている。このよ
うに、光拡散手段をガスセル内部もしくは外部に設ける
ことで干渉が原因となる光学的ノイズを低下させること
ができる。
【０００９】以下、実験結果をもとに光拡散手段の効果
を説明する。図１２はガス吸収曲線を見るための測定系
を示す。測定系はレーザ光源１、ガスセル２、受光器
３、および光拡散手段である光拡散板１０から構成され
る。ガスセル２はパイレックス円筒容器（長さ２ｃｍ）
に１００％メタンガスを１．３３×１０4 Ｐａ（１００
ｔｏｒｒ）封入したものを使用した。レーザ光４が通過
する部分は平面に加工されている。レーザは分布帰還型
半導体レーザ（ＤＦＢ−ＬＤ）を使用した。このレーザ
の発振波長は１６５３．７ｎｍでスペクトル線幅は約１
０ＭＨｚである。なおこの発振波長はメタンガスの近赤
外吸収線の一つに合わせている。光拡散板１０はアクリ
ル板表面を＃２８０のサンドペーパーですりガラス状に
研磨加工したものを使用した。ＤＦＢ−ＬＤの温度を変
えながら発振波長をガスの吸収線付近で変化させ、ガス
セル２を透過した光強度を逐次プロットすればメタンガ
スの吸収曲線が得られる。
を説明する。図１２はガス吸収曲線を見るための測定系
を示す。測定系はレーザ光源１、ガスセル２、受光器
３、および光拡散手段である光拡散板１０から構成され
る。ガスセル２はパイレックス円筒容器（長さ２ｃｍ）
に１００％メタンガスを１．３３×１０4 Ｐａ（１００
ｔｏｒｒ）封入したものを使用した。レーザ光４が通過
する部分は平面に加工されている。レーザは分布帰還型
半導体レーザ（ＤＦＢ−ＬＤ）を使用した。このレーザ
の発振波長は１６５３．７ｎｍでスペクトル線幅は約１
０ＭＨｚである。なおこの発振波長はメタンガスの近赤
外吸収線の一つに合わせている。光拡散板１０はアクリ
ル板表面を＃２８０のサンドペーパーですりガラス状に
研磨加工したものを使用した。ＤＦＢ−ＬＤの温度を変
えながら発振波長をガスの吸収線付近で変化させ、ガス
セル２を透過した光強度を逐次プロットすればメタンガ
スの吸収曲線が得られる。
【００１０】図１３に光拡散板１０の有無によるガス吸
収曲線の違いを示す。横軸はレーザ光の波長を示し、縦
軸はガスセル透過光強度を示している。この２つの吸収
曲線のうち光拡散板１０が無い場合の吸収曲線では光波
長の変化に伴って周期的な光強度変動が生じている。こ
の変動は多重反射による干渉で生じたものであり、ガス
濃度で約３％の吸収に相当する強度幅である。ガス吸収
はこの光強度変動に足し合わさる形で出てくる。結果と
して周期変動の山の部分で吸収曲線が重なるか、谷の部
分で重なるかによってガス濃度が異なって観測されるこ
とになる。一方、光拡散板１０の有る場合では同様の変
動が見られない。つまり光拡散板１０により可干渉性が
低下して多重反射による干渉の影響が小さくなったこと
がこの実験結果より分かる。
収曲線の違いを示す。横軸はレーザ光の波長を示し、縦
軸はガスセル透過光強度を示している。この２つの吸収
曲線のうち光拡散板１０が無い場合の吸収曲線では光波
長の変化に伴って周期的な光強度変動が生じている。こ
の変動は多重反射による干渉で生じたものであり、ガス
濃度で約３％の吸収に相当する強度幅である。ガス吸収
はこの光強度変動に足し合わさる形で出てくる。結果と
して周期変動の山の部分で吸収曲線が重なるか、谷の部
分で重なるかによってガス濃度が異なって観測されるこ
とになる。一方、光拡散板１０の有る場合では同様の変
動が見られない。つまり光拡散板１０により可干渉性が
低下して多重反射による干渉の影響が小さくなったこと
がこの実験結果より分かる。
【００１１】光が拡散することによりどの程度まで可干
渉性が低下したかは光干渉強度を測ることで数値的に表
現できる。図１４に光干渉強度を測る測定系を示す。こ
の系はレーザ光源１、平行平面ガラス板１３、受光器３
および光拡散板１０で構成される。レーザ光４が平行平
面ガラス板１３に垂直に入射できるように光軸調整を行
った後、レーザの波長を掃引しながら平行平面ガラス板
１３の透過光を受光すると、光強度の周期変動が観測で
きる。一般的にこの周期変動は平行平面ガラス板１３の
板厚と表面反射率で決まるエタロンの透過特性と呼ばれ
る波形を示す。次に光拡散板１０をレーザ光源１と平行
平面ガラス板１３の間に挿入して透過特性を観測する。
光拡散板１０を挿入した場合には、レーザ光４の位相が
ランダムに乱されるため多重反射しても干渉はほとんど
起こらず、波長掃引しても光強度の変動は小さい。以上
の測定方法で得られた透過特性から、最大受光強度に対
する光変動振幅の割合を測ることで光干渉強度がどれだ
け光拡散板１０によって低下したかが定量化できる。
渉性が低下したかは光干渉強度を測ることで数値的に表
現できる。図１４に光干渉強度を測る測定系を示す。こ
の系はレーザ光源１、平行平面ガラス板１３、受光器３
および光拡散板１０で構成される。レーザ光４が平行平
面ガラス板１３に垂直に入射できるように光軸調整を行
った後、レーザの波長を掃引しながら平行平面ガラス板
１３の透過光を受光すると、光強度の周期変動が観測で
きる。一般的にこの周期変動は平行平面ガラス板１３の
板厚と表面反射率で決まるエタロンの透過特性と呼ばれ
る波形を示す。次に光拡散板１０をレーザ光源１と平行
平面ガラス板１３の間に挿入して透過特性を観測する。
光拡散板１０を挿入した場合には、レーザ光４の位相が
ランダムに乱されるため多重反射しても干渉はほとんど
起こらず、波長掃引しても光強度の変動は小さい。以上
の測定方法で得られた透過特性から、最大受光強度に対
する光変動振幅の割合を測ることで光干渉強度がどれだ
け光拡散板１０によって低下したかが定量化できる。
【００１２】図１５に光拡散板１０の有無による平行平
面ガラス板１３の透過光強度の特性を３つ示す。横軸は
レーザ光４の波長を示し、縦軸は受光強度を示す。図
中、Ａは平行平面ガラス板１３だけを透過した特性を示
す。ＢおよびＣは光拡散板１０を挿入した場合の透過特
性であり、光拡散板１０にはアクリル板表面を＃６００
もしくは＃２８０のサンドペーパーで研磨加工したもの
をそれぞれ用いた。なお、平行平面ガラス板１３は板厚
１０ｍｍのものを使用した。光波長１６５４．１７２ｎ
ｍ付近におけるＡ、Ｂ、Ｃ、３つの透過特性をみると、
平行平面ガラス板１３だけの場合では光干渉強度が７．
１％であるが、＃６００のサンドペーパーで研磨加工し
た光拡散板１０を入れることで光干渉強度が２．２％に
小さくなることが分かる。更に＃２８０のサンドペーパ
ーで研磨加工した光拡散板１０を入れると干渉強度が
０．４５％にまで低下したことが分かる。このように光
拡散手段は干渉強度を小さくする方法として有効であ
る。
面ガラス板１３の透過光強度の特性を３つ示す。横軸は
レーザ光４の波長を示し、縦軸は受光強度を示す。図
中、Ａは平行平面ガラス板１３だけを透過した特性を示
す。ＢおよびＣは光拡散板１０を挿入した場合の透過特
性であり、光拡散板１０にはアクリル板表面を＃６００
もしくは＃２８０のサンドペーパーで研磨加工したもの
をそれぞれ用いた。なお、平行平面ガラス板１３は板厚
１０ｍｍのものを使用した。光波長１６５４．１７２ｎ
ｍ付近におけるＡ、Ｂ、Ｃ、３つの透過特性をみると、
平行平面ガラス板１３だけの場合では光干渉強度が７．
１％であるが、＃６００のサンドペーパーで研磨加工し
た光拡散板１０を入れることで光干渉強度が２．２％に
小さくなることが分かる。更に＃２８０のサンドペーパ
ーで研磨加工した光拡散板１０を入れると干渉強度が
０．４５％にまで低下したことが分かる。このように光
拡散手段は干渉強度を小さくする方法として有効であ
る。
【００１３】以上の実験では光拡散手段としてアクリル
板をサンドペーパーで研磨加工したものを用いたが、光
学ガラスを研磨材ですりガラス状に加工した部品や、金
属粒子を透明なプラスチックやガラスに混ぜたものや、
「光拡散板」や「ディフューザ」として市販されている
光学部品を使用しても同様の効果が得られる。
板をサンドペーパーで研磨加工したものを用いたが、光
学ガラスを研磨材ですりガラス状に加工した部品や、金
属粒子を透明なプラスチックやガラスに混ぜたものや、
「光拡散板」や「ディフューザ」として市販されている
光学部品を使用しても同様の効果が得られる。
【００１４】レーザ光源から出射したレーザ光の可干渉
性をどの程度まで低下させれば干渉の影響が十分に小さ
くなったと見なせるかについては、濃度測定時での誤差
やドリフトをいかにを小さくして正確に測りたいかとい
う要求により異なるものである。吸収曲線の吸収ピーク
から吸収率を読取ってガス濃度を測る方法では、干渉の
影響によって引き起こされる誤差やドリフトは、光干渉
強度の割合に比例するため、これらを半分に低下させた
い場合には光干渉強度を半分にまで小さくする光拡散手
段を用いればよく、また１桁改善したい場合には光干渉
強度を１／１０に小さくする光拡散手段を用いればよ
い。
性をどの程度まで低下させれば干渉の影響が十分に小さ
くなったと見なせるかについては、濃度測定時での誤差
やドリフトをいかにを小さくして正確に測りたいかとい
う要求により異なるものである。吸収曲線の吸収ピーク
から吸収率を読取ってガス濃度を測る方法では、干渉の
影響によって引き起こされる誤差やドリフトは、光干渉
強度の割合に比例するため、これらを半分に低下させた
い場合には光干渉強度を半分にまで小さくする光拡散手
段を用いればよく、また１桁改善したい場合には光干渉
強度を１／１０に小さくする光拡散手段を用いればよ
い。
【００１５】
【発明の実施の形態】以下、図面に基づいて本発明の実
施の形態を説明する。図１は第１の実施の形態の構成を
示す図である。図１は、レーザ光源１、ガスセル２およ
び受光器３を含む光学系を示しており、レーザ光源１か
ら出射したレーザ光４がガスセル２を通過して受光器３
に入射する配置になっている。レーザ光源１は発振波長
が被検出ガスの吸収スペクトルに一致するもので、か
つ、被検出ガスの吸収スペクトル線幅より狭い光スペク
トル線幅をもつレーザを使用している。ガスセル２は被
検出ガスを収容するための容器５と第１の窓６および第
２の窓７で構成され、容器５と窓の接触部は気密を保つ
ことができる構造となっている。また容器５には、被検
出ガスを導入し排出するためのガス導入孔８とガス排出
孔９が設けられている。容器５の材質は、被検出ガスの
種類に応じてアルミやステンレスなどの金属か、ガラス
を材料とする容器が使用できる。例えば二酸化炭素（Ｃ
Ｏ2 ）、メタン（ＣＨ4 ）、亜酸化窒素（Ｎ2 Ｏ）など
のように腐食性の無いガスに対しては金属製の容器が、
またアンモニア（ＮＨ3 ）や塩化水素（ＨＣｌ）などの
ように腐食性が強いガスに対してはガラス製の容器を使
用する。容器５内部には光拡散手段としての光拡散板１
０が設けられレーザ光４の可干渉性を低下させる働きを
している。レーザ光４は光拡散板１０によって透過もし
くは反射され拡散光１１となりこの光の一部が受光器３
に入射する。第１の窓６はウェッジタイプの光学基板に
反射防止膜１２を付けたものを用いている。なぜなら第
１の窓６を透過するときのレーザ光４の可干渉性はまだ
大きいからである。第２の窓７を透過するレーザ光の可
干渉性は小さいのでこの窓の材質はレーザ光が透過でき
るものであればよく、安価な通常のガラス板が使用でき
る。容器５内部に設けられる光拡散板１０は窓と同じ材
料かアクリル板の表面をすりガラス状に加工した部品
か、または「光拡散板」、「ディフューザ」として市販
されている光学部品が使用できる。以上の構成により干
渉が原因となる光学的ノイズは極めて小さくなるため、
受光器３では被検出ガスの光吸収による光強度変化だけ
が受光でき、安定なガス濃度測定が可能となる。
施の形態を説明する。図１は第１の実施の形態の構成を
示す図である。図１は、レーザ光源１、ガスセル２およ
び受光器３を含む光学系を示しており、レーザ光源１か
ら出射したレーザ光４がガスセル２を通過して受光器３
に入射する配置になっている。レーザ光源１は発振波長
が被検出ガスの吸収スペクトルに一致するもので、か
つ、被検出ガスの吸収スペクトル線幅より狭い光スペク
トル線幅をもつレーザを使用している。ガスセル２は被
検出ガスを収容するための容器５と第１の窓６および第
２の窓７で構成され、容器５と窓の接触部は気密を保つ
ことができる構造となっている。また容器５には、被検
出ガスを導入し排出するためのガス導入孔８とガス排出
孔９が設けられている。容器５の材質は、被検出ガスの
種類に応じてアルミやステンレスなどの金属か、ガラス
を材料とする容器が使用できる。例えば二酸化炭素（Ｃ
Ｏ2 ）、メタン（ＣＨ4 ）、亜酸化窒素（Ｎ2 Ｏ）など
のように腐食性の無いガスに対しては金属製の容器が、
またアンモニア（ＮＨ3 ）や塩化水素（ＨＣｌ）などの
ように腐食性が強いガスに対してはガラス製の容器を使
用する。容器５内部には光拡散手段としての光拡散板１
０が設けられレーザ光４の可干渉性を低下させる働きを
している。レーザ光４は光拡散板１０によって透過もし
くは反射され拡散光１１となりこの光の一部が受光器３
に入射する。第１の窓６はウェッジタイプの光学基板に
反射防止膜１２を付けたものを用いている。なぜなら第
１の窓６を透過するときのレーザ光４の可干渉性はまだ
大きいからである。第２の窓７を透過するレーザ光の可
干渉性は小さいのでこの窓の材質はレーザ光が透過でき
るものであればよく、安価な通常のガラス板が使用でき
る。容器５内部に設けられる光拡散板１０は窓と同じ材
料かアクリル板の表面をすりガラス状に加工した部品
か、または「光拡散板」、「ディフューザ」として市販
されている光学部品が使用できる。以上の構成により干
渉が原因となる光学的ノイズは極めて小さくなるため、
受光器３では被検出ガスの光吸収による光強度変化だけ
が受光でき、安定なガス濃度測定が可能となる。
【００１６】図２に第２の実施の形態の構成を示す。第
２の実施の形態は、光拡散板１０をレーザ光源１と第１
の窓６の間に置いた構成である。光拡散板１０を透過し
た拡散光１１であるレーザ光の可干渉性は低下するた
め、第１および第２の窓６，７は両方とも安価なガラス
板が使用できるという利点がある。
２の実施の形態は、光拡散板１０をレーザ光源１と第１
の窓６の間に置いた構成である。光拡散板１０を透過し
た拡散光１１であるレーザ光の可干渉性は低下するた
め、第１および第２の窓６，７は両方とも安価なガラス
板が使用できるという利点がある。
【００１７】図３に第３の実施の形態の構成を示す。第
３の実施の形態は、第１の窓６を光透過型の光拡散板１
０に置き換えた構成である。ガスセル２内部に光拡散手
段を設ける必要がなくなり、更に光拡散板１０を第１の
窓６として併用したことでガスセル２を構成する部品点
数が削減できるという利点がある。
３の実施の形態は、第１の窓６を光透過型の光拡散板１
０に置き換えた構成である。ガスセル２内部に光拡散手
段を設ける必要がなくなり、更に光拡散板１０を第１の
窓６として併用したことでガスセル２を構成する部品点
数が削減できるという利点がある。
【００１８】図４に第４の実施の形態の構成を示す。第
４の実施の形態は第１の実施の形態で示した光拡散板１
０を反射型にした場合の構成である。この場合の光拡散
板１０としては、ガラスや金属の表面をフロスト状に仕
上げたものや、これらの表面にアルミや金を蒸着したも
の、もしくは反射率の大きな粉末（ポリテトラフロロエ
チレン、硫酸バリウム、硫黄）を塗布したものが利用で
きる。いずれの場合も表面から反射する光は拡散して可
干渉性が低下するため、安定なガス濃度測定が可能とな
る。
４の実施の形態は第１の実施の形態で示した光拡散板１
０を反射型にした場合の構成である。この場合の光拡散
板１０としては、ガラスや金属の表面をフロスト状に仕
上げたものや、これらの表面にアルミや金を蒸着したも
の、もしくは反射率の大きな粉末（ポリテトラフロロエ
チレン、硫酸バリウム、硫黄）を塗布したものが利用で
きる。いずれの場合も表面から反射する光は拡散して可
干渉性が低下するため、安定なガス濃度測定が可能とな
る。
【００１９】図５に第５の実施の形態の構成を示す。第
５の実施の形態は、光拡散手段としての反射型の光拡散
体１０を容器５内部の全面に設け、かつ容器５の内面は
角部のない形状にした構成である。受光器３は直接光が
入射しない位置に設置される。このような構成にするこ
とで、入射光は容器５の中で複数回反射し、様々な経路
の光が受光器３に達するため、受光強度が大きくなりＳ
／Ｎが向上する。内部形状において角部を排除した理由
は多重反射による光量の減衰をできるだけ防ぐためであ
る。この構成では被検出ガスとレーザ光の相互作用長が
長いため、ガスによる吸収の割合いが大きくなり、ガス
セル２をレーザ光が１回だけ通過する構造よりも感度よ
くガス濃度を測定することができるという利点がある。
５の実施の形態は、光拡散手段としての反射型の光拡散
体１０を容器５内部の全面に設け、かつ容器５の内面は
角部のない形状にした構成である。受光器３は直接光が
入射しない位置に設置される。このような構成にするこ
とで、入射光は容器５の中で複数回反射し、様々な経路
の光が受光器３に達するため、受光強度が大きくなりＳ
／Ｎが向上する。内部形状において角部を排除した理由
は多重反射による光量の減衰をできるだけ防ぐためであ
る。この構成では被検出ガスとレーザ光の相互作用長が
長いため、ガスによる吸収の割合いが大きくなり、ガス
セル２をレーザ光が１回だけ通過する構造よりも感度よ
くガス濃度を測定することができるという利点がある。
【００２０】図６に第６の実施の形態の構成を示す。第
６の実施の形態は、被検出ガスを収容する容器５の形状
を球にした場合の構成である。容器５の内面は第５の実
施の形態と同じように全面に光拡散体１０を設け、受光
器３は直接光が入射しない位置に設置される。容器５の
形状を球にすることで容器５内部での光強度の偏りが小
さくなり、レーザ光の入射角度や受光器３の取付位置に
依存した光強度の変化はほとんど無くなる。その結果、
温度変動によるドリフトが小さくなり、安定にガス濃度
が測定できるという利点が出てくる。
６の実施の形態は、被検出ガスを収容する容器５の形状
を球にした場合の構成である。容器５の内面は第５の実
施の形態と同じように全面に光拡散体１０を設け、受光
器３は直接光が入射しない位置に設置される。容器５の
形状を球にすることで容器５内部での光強度の偏りが小
さくなり、レーザ光の入射角度や受光器３の取付位置に
依存した光強度の変化はほとんど無くなる。その結果、
温度変動によるドリフトが小さくなり、安定にガス濃度
が測定できるという利点が出てくる。
【００２１】図７に第７の実施の形態の構成を示す。第
７の実施の形態は、第６の実施の形態の受光器３を複数
（この実施の形態では２つ）にした場合の構成を示す。
このように複数の受光器３，３を設けることで受光強度
が大きくなりＳ／Ｎが向上するとともに、容器５内部の
ガス濃度のむらによる測定誤差が低減できるという利点
がある。
７の実施の形態は、第６の実施の形態の受光器３を複数
（この実施の形態では２つ）にした場合の構成を示す。
このように複数の受光器３，３を設けることで受光強度
が大きくなりＳ／Ｎが向上するとともに、容器５内部の
ガス濃度のむらによる測定誤差が低減できるという利点
がある。
【００２２】図８に第８の実施の形態の構成を示す。第
８の実施の形態は、被検出ガスを収容する容器５の壁面
に光源１と受光器３を装着した構成である。壁面に装着
することで第１〜第７の実施の形態で見られた第１およ
び第２の窓６，７を設ける必要がない。また光源１が半
導体レーザ（ＬＤ）の場合に限れば、ＬＤ素子端面から
発散する光をそのままガスセル２内に照射すればよいの
でコリメートレンズや光アイソレータなどの部品を使う
必要がなく安価な光学系が実現できる。さらに微妙な光
軸調整はほとんど行う必要がないため製作に係わる手間
が大幅に削減できることに加えて、外部環境の変化によ
る影響も受け難いという利点がある。
８の実施の形態は、被検出ガスを収容する容器５の壁面
に光源１と受光器３を装着した構成である。壁面に装着
することで第１〜第７の実施の形態で見られた第１およ
び第２の窓６，７を設ける必要がない。また光源１が半
導体レーザ（ＬＤ）の場合に限れば、ＬＤ素子端面から
発散する光をそのままガスセル２内に照射すればよいの
でコリメートレンズや光アイソレータなどの部品を使う
必要がなく安価な光学系が実現できる。さらに微妙な光
軸調整はほとんど行う必要がないため製作に係わる手間
が大幅に削減できることに加えて、外部環境の変化によ
る影響も受け難いという利点がある。
【００２３】
【発明の効果】従来のガス検出装置では、ガスセルを含
む光学系でレーザ光の多重反射が生じ、光の強度変化と
なって現れ、これが測定誤差の主な原因となっていた。
本発明のガス検出装置は、レーザ光が有する可干渉性を
光拡散手段により積極的に低下させて干渉に起因する光
量変動を小さくすることとしたから、前述の測定誤差を
抑えた安定なガス濃度測定を行うことができる。
む光学系でレーザ光の多重反射が生じ、光の強度変化と
なって現れ、これが測定誤差の主な原因となっていた。
本発明のガス検出装置は、レーザ光が有する可干渉性を
光拡散手段により積極的に低下させて干渉に起因する光
量変動を小さくすることとしたから、前述の測定誤差を
抑えた安定なガス濃度測定を行うことができる。
【図１】本発明の第１の実施の形態の構成を示す図であ
る。
る。
【図２】本発明の第２の実施の形態の構成を示す図であ
る。
る。
【図３】本発明の第３の実施の形態の構成を示す図であ
る。
る。
【図４】本発明の第４の実施の形態の構成を示す図であ
る。
る。
【図５】本発明の第５の実施の形態の構成を示す図であ
る。
る。
【図６】本発明の第６の実施の形態の構成を示す図であ
る。
る。
【図７】本発明の第７の実施の形態の構成を示す図であ
る。
る。
【図８】本発明の第８の実施の形態の構成を示す図であ
る。
る。
【図９】従来のガス検出装置の構成を示す図である。
【図１０】ガス吸収曲線を示す図である。
【図１１】従来のガス検出装置の構成を示す図である。
【図１２】ガス吸収曲線を測る光学系を示す図である。
【図１３】メタンガスの吸収曲線を示す図である。
【図１４】光干渉強度を測る光学系を示す図である。
【図１５】透過光強度の特性を示す図である。
１ 光源（レーザ光源） ２ ガスセル ３ 受光器 ４ レーザ光 ５ 容器 ６ 第１の窓 ７ 第２の窓 ８ ガス導入孔 ９ ガス排出孔 １０ 光拡散手段（光拡散板，光拡散体） １１ 拡散光 １２ 反射防止膜 １３ 平行平面ガラス板
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2G057 AA01 AA02 AA07 AB04 AB06 AB08 AC03 BA05 BB01 BB06 BB07 CA07 DA09 DC06 2G059 BB01 CC20 EE01 GG01 HH01 JJ16 JJ26 KK01 MM17 NN06
Claims (1)
- 【請求項１】 被検出ガスを導入するガス導入孔（８）
と被検出ガスを排出するガス排出孔（９）とを有する被
検出ガスを収容するガスセル（２）と、 当該被検出ガスの濃度を検出するために可干渉性を有す
る光を前記ガスセルの内部に出力する光源（１）と、 前記可干渉性を有する光を拡散させるために当該光の光
路に備えて当該可干渉性を崩す光拡散手段（１０）と、 前記光拡散手段で拡散された光を受光する受光器（３）
とを備えたガス検出装置。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1117199A JP2000206035A (ja) | 1999-01-19 | 1999-01-19 | ガス検出装置 |
| US09/478,828 US6603555B1 (en) | 1999-01-19 | 2000-01-06 | Gas detecting apparatus using laser absorption spectroscopy |
| EP20000100825 EP1022558A3 (en) | 1999-01-19 | 2000-01-17 | Gas detecting apparatus using laser absorption spectroscopy |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1117199A JP2000206035A (ja) | 1999-01-19 | 1999-01-19 | ガス検出装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000206035A true JP2000206035A (ja) | 2000-07-28 |
Family
ID=11770616
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1117199A Pending JP2000206035A (ja) | 1999-01-19 | 1999-01-19 | ガス検出装置 |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6603555B1 (ja) |
| EP (1) | EP1022558A3 (ja) |
| JP (1) | JP2000206035A (ja) |
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| US8396524B2 (en) | 2006-09-27 | 2013-03-12 | Covidien Lp | Medical sensor and technique for using the same |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20050118 |
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| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20050524 |