JP2002541476A - 物質検出のための差分吸収放射分析に基づく光学経路スイッチング - Google Patents

物質検出のための差分吸収放射分析に基づく光学経路スイッチング

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JP2002541476A JP2000611054A JP2000611054A JP2002541476A JP 2002541476 A JP2002541476 A JP 2002541476A JP 2000611054 A JP2000611054 A JP 2000611054A JP 2000611054 A JP2000611054 A JP 2000611054A JP 2002541476 A JP2002541476 A JP 2002541476A
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Abstract

(57)【要約】 １つ以上の物質の検出のためのシステムおよび方法が提供される。光学経路スイッチが、第１および第２の偏光された成分の交互の時間に、サンプル経路放射を分ける。第１の偏光された成分は、第１の光学経路に沿って透過され、第２の偏光された成分は、第２の光学経路に沿って透過される。第１のガスレス光学フィルタ列が、少なくとも第１の波長帯域を分離するために第１の偏光された成分をフィルタリングし、それによって第１のフィルタリングされた放射を生成する。第２のガスレス光学フィルタ列が、少なくとも第２の波長帯域を分離するために第２の偏光された成分をフィルタリングし、それによって第２のフィルタリングされた放射を生成する。対象物質のスペクトル吸収は、第２の波長帯域と比較して第１１０の波長帯域で異なる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 （発明の起源） 本明細書に記載される発明は、アメリカ合衆国政府の職員によってなされ、本
発明に対するあらゆるロイヤルティを支払うことなく、政府の目的のために政府
によってまたは政府のために製造されまたは使用されることができる。
【０００２】 （発明の背景） １．発明の分野 本発明は、光学システムを使用する物質検出に関する。より詳細には、本発明
は、偏光変調された光学経路スイッチング、および差分吸収放射分析（ｄｉｆｆ
ｅｒｅｎｔｉａｌ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｒａｄｉｏｍｅｔｒｙ）の原理を使
用する、サンプル経路における物質の存在および／または濃度を検出するための
方法およびシステムである。
【０００３】 ２．従来技術の記載 ガス・フィルタ相関放射分析（Ｇａｓ Ｆｉｌｔｅｒ Ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏ
ｎ Ｒａｄｉｏｍｅｔｅｒ、ＧＦＣＲ）は、ＧＦＣＲの外部または内部のいずれ
かのあるサンプル経路に沿ったガス種の濃度を推定する。多くのＧＦＣＲにおい
て、ガス検知は、サンプル経路に沿ったガス分子の放出／吸収を、２つの光学セ
ルを通して交互に観察することによって達成される。これら２つの光学セルは、
相関および真空セルと呼ばれる。相関セルは、特定のガスに特有な分子遷移波長
での放射を強く吸収し、一方全ての他の波長を通過する、ガス種ｉの高い光学深
度を含む。実際には、相関セルは、ガス種ｉのバンド構造と一致する複数のスペ
クトル・ノッチ（すなわち、強い減衰）を規定する。真空セルは、一般に、例え
ば窒素、不活性ガス、または清浄な乾燥空気さえなどの、無視できる光学深度を
示すまたは光学深度がない、真空、またはガスあるいはガス混合物を封入する。
装置の前面または検出器の前面に配置される光学フィルタ（例えば、干渉フィル
タ）は、対象ガスの吸収帯域と一致する領域にスペクトル情報を制限する。これ
ら２つのガス種ｉの放出／吸収の観察間の信号強度における差は、サンプル経路
に沿ったこのガスの濃度に関することができる。
【０００４】 単一ガスの濃度測定のための知られているＧＦＣＲは、Ｓａｃｈｓｅらへ発行
され、国家航空宇宙局（Ｎａｔｉｏｎａｌ Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃｓ ａｎｄ
Ｓｐａｃｅ Ａｄｍｉｎｉｓｔｒａｔｉｏｎ、ＮＡＳＡ）に譲渡された、米国特
許第５１２８７９７号に開示され、その明細書を参照によって本明細書に組み込
む。ＧＦＣＲは、偏光子、偏光変調器、および偏光ビームスプリッタを備える、
非機械的な光学経路スイッチを含む。偏光子は、光（光源から発生した後にサン
プル経路を横切る）を、単一の、例えば垂直方向に偏光された成分に偏光し、こ
の単一の成分は、その後、偏光変調器によって、交互に垂直方向および水平方向
に偏光された成分に直ちに変調される。偏光変調器は、光学波長板とともに使用
されることができる。偏光変調されたビームは、その後、偏光ビームスプリッタ
に入射し、偏光ビームスプリッタは、ある成分、例えば水平方向に偏光された成
分の光を透過し、直交する成分、例えば垂直方向に偏光された成分の光を反射す
る。透過された水平方向に偏光されたビームは、ミラーによって反射され、ガス
相関セルを通過し、ビーム結合器へ到達する。反射された垂直方向に偏光したビ
ームは、真空セルを通過し、ミラーによって反射され、ビーム結合器へ到達する
。ビーム結合器は、水平方向および垂直方向の成分を、単一のビームに再結合し
、単一のビームは、対象ガス種の吸収帯域に、入射放射のスペクトル成分を制限
する光学干渉フィルタを通過する。その後、単一のビームは、従来の検出器に入
射する。しかしながら、このシステムは、単一のガス濃度だけを測定できること
に制限されている。
【０００５】 同じ光学経路のスイッチング技術に基づく多数のガス測定のためのＧＦＣＲは
、Ｓａｃｈｓｅらによる、１９９８年２月５日に出願され、国家航空宇宙局（Ｎ
ＡＳＡ）に譲渡された米国特許出願０９／０１９４７３に開示されている。この
システムでは、各光学経路は、それぞれ１つ以上の対象ガスのスペクトル特性を
有する、１つ以上のセルを含む。２つの光学経路は、その後、交互順の２つの直
交成分を含む、結合され偏光変調されたビームを形成するために交差される。結
合された偏光変調されたビームは、１つ以上の対象ガスが吸収帯域を有する、１
つ以上のより小さい対象スペクトル領域に分けられる。それぞれ対象スペクトル
領域内の２つの直交偏光成分間の強度の差は、その後、サンプル経路に沿った光
ビームのスペクトル放出／吸収の指示として決定される。スペクトル放出／吸収
は、サンプル経路における１つ以上の対象ガスの濃度を示す。
【０００６】 上述したシステムは両方とも、ガス相関セルの使用を必要とする。しかしなが
ら、ガス相関セルが現実的ではない場合がある。例えば、あるガスが、あまりに
も危険であり、および／または、特定の適用に関してあまりにも高価であるガス
相関セル構造を必要とする。さらに、オゾンなどのあるガスは、ガス・セル内に
収容するにはあまりにも反応性である。さらに、広範なガスのカテゴリ、例えば
炭化水素の検出／測定が望まれることもある。しかしながら、これをＧＦＣＲシ
ステムで達成するために、多くのガスが、１つのセル内に収容されなければなら
ない、またはビームが、多数のガス・セルを通過しなければならない。このため
構造が複雑になり、全体的なシステム費用が増大する。さらに、ガス相関セルは
、固体または液体のスペクトル吸収特性を測定するためには有用ではない、なぜ
なら、これらの物質は広範な吸収特性を有しているからである。
【０００７】 （発明の概要） したがって、ガス相関セルの必要なく、非機械的な光学方式で、任意のタイプ
の物質（すなわち、ガス、液体、または固体）を検出／測定することが、本発明
の目的である。
【０００８】 本発明の他の目的は、光学経路スイッチング技術を使用する広範なカテゴリの
ガスを検出／測定するための、方法およびシステムを提供することである。
【０００９】 本発明の他の目的および利点は、以降の明細書および図面においてより明らか
になろう。
【００１０】 本発明によれば、１つ以上の物質を検出するためのシステムおよび方法が提供
される。光学経路スイッチは、対象の測定またはサンプル経路に沿って通過する
放射を受ける。スイッチは、放射を、第１の偏光された成分と、第１の偏光され
た成分に直交する第２の偏光された成分とに、交互に時間連続で分ける。第１の
偏光された成分は、第１の光学経路に沿って透過され、第２の偏光された成分は
、第２の光学経路に沿って透過される。第１の光学経路内に配置された第１のガ
スレス（ｇａｓｌｅｓｓ）光学フィルタ列は、少なくとも第１の波長帯域を分離
し、それによって第１のフィルタリングされた放射を生成するために、第１の偏
光された成分をフィルタリングする。第２の光学経路内に配置された第２のガス
レス光学フィルタ列は、少なくとも第２の波長帯域を分離し、それによって第２
のフィルタリングされた放射を生成するために、第２の偏光された成分をフィル
タリングする。第１の波長帯域および第２の波長帯域は、独特である。さらに、
対象物質のスペクトル吸収は、第２の波長帯域と比較すると、第１の波長帯域で
異なる。第１および第２のフィルタリングされた放射を受けるために配置された
ビーム結合器は、放射の結合されたビームを形成するために、第１および第２の
フィルタリングされた放射を結合する。検出器は、サンプル経路の物質濃度の指
示として、第１の波長帯域および第２の波長帯域で交互に、結合されたビームの
少なくとも部分の強度をモニタするために配置される。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図面を参照して、特に図１を参照して、本発明による物質検出システムの一実
施形態が示され、および全般的に符号１０で参照されている。例として、本発明
は、ガス状の物質の検出、測定、および／または特徴付けに関係するものとして
記載される。しかしながら、本発明は、スペクトル的に異なる吸収特性を示す任
意の物質、例えばガス、液体、または固体の検出、測定、および／または特徴付
けするために使用されることができる。
【００１２】 システム１０は、例えば、望遠鏡または他のレンズ／ミラー・システムなどの
光学システム１２を含み、光学システム１２は、システム１０が人工衛星または
航空機に搭載されたときには地球または大気、システム１０が研究所または現場
の装置として使用されるときにはブラックボディ（ｂｌａｃｋｂｏｄｙ）、太陽
、レーザなどの放射源１１からの光を収集する。一般に、源１１からの放射は、
垂直方向に偏光された成分Ｖと水平方向に偏光された成分Ｈとの両方を備える。
放射は、サンプル経路ＳＰに沿って源１１とシステム１０との間を通過する。経
路ＳＰに沿った対象物質の存在は、システム１０により検出され、測定され、お
よび／または特徴付けられることができる方法で、放射に影響を与えることがで
きる。光学システム１２の後ろに備えられた光学経路スイッチは、光学偏光子１
４、光学波長板１６、偏光変調器１８、および偏光ビームスプリッタ２０を含む
。そのような光学経路スイッチは、Ｓａｃｈｓｅらへの前述の米国特許第５１２
８７９７号に詳細に開示され、したがって本明細書では簡単にだけ記載する。
【００１３】 光学偏光子１４は、光学システム１２の後ろに備えられ、所望の様に、例えば
図１に示される実施形態では垂直方向に、入射放射を偏光するように位置を調節
される。それから、偏光変調器１８（例えば、光弾性変調器）は、垂直方向に偏
光された入射ビームを受け、垂直方向および水平方向偏光間の出力ビームを迅速
に変調する。測定適用および使用される偏光変調器のタイプに応じて、偏光変調
器周波数は、ＤＣ近くから無線周波数（ＲＦ）までの範囲であることができる。
変更変調器は、光学波長板１６とともに使用されることができる。変調器１８の
出力は、図１に示されるように、垂直方向に偏光された成分Ｖと水平方向に偏光
された成分Ｈとの交互の時間連続である。ＶとＨとの間のスイッチング周波数は
、変調器１８の変調周波数によって決定される。
【００１４】 偏光ビームスプリッタ２０は、例えば、偏光変調された出力ビームが垂直方向
に偏光されているとき、経路１０１に沿ってビームを透過し、および偏光変調さ
れた出力ビームが水平方向に偏光されているとき、経路１０２に沿ってそれを反
射することによって、２つの経路間で偏光変調された出力ビームを非機械的にス
イッチする。代わりに、ビームスプリッタ２０は、垂直方向に偏光された光を反
射し、水平方向に偏光した光を透過するように方向を定められることもできる。
したがって、ビームスプリッタ２０は、変調器１８によって制御された偏光の迅
速に時間で変化する状態に応じて、光学経路１０１および１０２の間で交互に放
射ビームを迅速にそらす。経路１０１および１０２は、互いに垂直であるものと
して示されているが、以下に詳細に記載される本発明の他の実施形態に明らかに
なる場合では、これは必要ではないことに留意されたい。
【００１５】 光学経路１０１に沿って透過される放射ビームは、λAに中心合わせされた放
射の波長帯域だけを透過し、一方他の波長を反射するように構成された、ガスレ
ス光学帯域通過フィルタ２２に入射する。光学経路１０２に沿って透過される放
射ビームは、λBに中心合わせされた放射の波長帯域だけを透過し、一方他の波
長を反射するように構成された、第２のガスレス光学帯域通過フィルタ２４に入
射する。フィルタ２２および２４は、λAおよびλBに中心を合わせられた帯域が
、図２に示されるように独特であるように、選択され／構成される。さらに、検
出され、測定され、および／または特徴付けられるべき物質のスペクトル吸収は
、２つの帯域と異ならなければならない。２つの帯域の間のスペクトル吸収特性
の差がより大きいと、システム１０の測定感度は大きくなる。したがって、理想
的な場合の例では、スペクトル吸収は、λAに中心を合わせられた帯域だけで発
生する。（すなわち、λBに中心を合わせられた帯域におけるスペクトル吸収は
、ゼロである。）しかしながら、本発明は、２つの帯域間でスペクトル吸収（対
象物質の）において、ある差が存在する限り作用することが理解される。
【００１６】 光学経路１０１および１０２を沿って通過した結果としてのフィルタリングさ
れた放射ビームは、偏光ビーム結合器３０（例えば、偏光ビームスプリッタ）へ
、それぞれミラー２６および２８によって向けられ／反射される。ビーム結合器
３０は、ビームの偏光状態が、変調器１８の基本周波数（およびその高調波）で
時間変化する、単一のビームを経路１０３に沿って出力する。換言すれば、ビー
ム結合器３０の出力は、本質的に、フィルタ２２を通過した垂直方向に偏光され
た成分Ｖと、フィルタ２４を通過した水平方向に偏光された成分との間での交互
の時間連続である。結合された放射ビームは、光学経路１０３に沿って通過し、
放射強度を感知する検出器３４上に、集束光学装置３２によって集束される。こ
の放射は、交互の時間連続の形態であるので、検出器３４は、本質的に変調され
た信号振幅を検知する。これは、サンプル経路ＳＰに沿って存在するガス（また
は他の物質）は、放射源１１からの放射を、λAおよびλBに中心を合わせられた
帯域において異なって吸収するためである。したがって、サンプル経路ＳＰを通
る放射が受ける、異なる吸収は、変調された信号振幅として検出器３４によって
観察される。偏光変調周波数（またはその高調波）での変調された信号振幅の強
度は、サンプル経路ＳＰにおける対象物質の量または濃度に関係する。システム
１０が、放射源１１の強度変化、雑音変動、光学経路に沿った散乱などによる入
射放射の変化を受けるなら、検出器３４によって検知される変調された信号振幅
を正規化することが望まれることがあることに留意されたい。この場合なら、変
調された信号振幅は、従来技術で良く知られているように、検出器３４によって
検知されるＤＣ成分で分けられることができる。
【００１７】 例示のために、本発明は、炭化水素の測定に本発明を使用することについて、
簡単に記載される。この場合、λAに中心を合わせられた帯域が、炭化水素の典
型的な炭素−水素結合吸収と一致するように（λAは、ほぼ３．４μｍである）
、フィルタ２２は選択される。λBに中心を合わせられた帯域が、炭化水素の吸
収が比較的ない波長帯域と一致するように（λBは、ほぼ３．０μｍである）、
フィルタ２４は選択される。検出器３４によって検知される変調された信号振幅
の強度をモニタすることによって、サンプル経路ＳＰに存在する炭化水素による
吸収は、簡単な方法で、すなわち、多数のガス・フィルタ相関セルを備える多数
のＧＦＣＲ装置（例えば、各対象炭化水素について１つ）を必要としないで、検
出されおよび測定されることができる。
【００１８】 図１の実施形態に関連して記載したが、本発明は、それには限定されない。例
えば、本発明の教示による物質検出システムの他の実施形態が、図３において示
され、符号２００で全般的に参照される。同様の参照符号は、図１の実施形態で
使用された要素と同じ要素に対して使用される。フィルタ２２および２４が、そ
れぞれ２つの帯域通過フィルタ２２０および２２４で置き換えられる以外は、図
３における実施形態は、図１の実施形態と同様である。特に、フィルタ２２０は
、反射される他の波長とともに、λA1およびλA2に中心を合わせられた独特な波
長帯域をミラー２６へ通過する。フィルタ２２４は、反射される他の波長ととも
に、λB1およびλB2に中心を合わせられた独特な波長帯域をミラー２８へ通過す
る。フィルタ２２０および２２４の帯域通過特性は、図４に示されている。前述
の実施形態のように、λA1およびλA2に中心を合わせられた帯域が、第１および
第２の対象物質がそれぞれ吸収される放射帯域と一致するように、フィルタ２２
０を構成することができる。λB1およびλB2に中心を合わせられた帯域が、第１
および第２の対象物質が比較的吸収されない放射帯域と一致するように、フィル
タ２２４を構成することができる。
【００１９】 放射ビームが、ビーム結合器３０で結合された後、結合されたビームは、例え
ば、集束光学装置２３２を通って検出器２３４へ、λA1およびλB1に中心を合わ
せられた波長帯域を反射し、集束光学装置２３３を通って検出器２３５へ、λA2 およびλB2に中心を合わせられた波長帯域を透過するように構成された、分割（
ｐａｒｔｉｔｉｏｎｉｎｇ）またはエッジ・フィルタ２２６へ、光学経路１０３
に沿って向けられる。したがって、検出器２３４は、λA1およびλB1に中心を合
わせられた帯域間の吸収差による（すなわち、第１の物質に関係付けられた）変
調振幅を検知し、一方、検出器２３５は、λA2およびλB2に中心を合わせられた
帯域間の吸収差による（すなわち、第２の物質に関係付けられた）変調振幅を検
知する。図３の実施形態は、適切な帯域通過（例えば、トリプル帯域通過フィル
タ）およびビーム分割フィルタを使用することによって、３つ以上の物質を測定
するために拡張されることができる。
【００２０】 さらに、当業者によって理解されるように、他のフィルタ構成が可能である。
例えば、λA1に中心を合わせられた帯域は、第１の物質が吸収される放射帯域と
一致することができ、λB1に中心を合わせられた帯域は、第１の物質が吸収され
ない放射帯域と一致することができ、λA2に中心を合わせられた帯域は、第２の
物質が吸収されない放射帯域と一致することができ、λB2に中心を合わせられた
帯域は、第２の物質が吸収される放射帯域と一致することができる。
【００２１】 本発明のさらに他の実施形態が図５に示され、全般的に符号３００で参照され
る。ここでも、図１の実施形態で使用された要素と同じ要素には、同様の符号が
使用される。図５において、帯域通過フィルタ３２０および３２４が、透過の代
わりに反射で使用される。すなわち、図６Ａおよび図６Ｂにそれぞれ示されるよ
うに、フィルタ３２０は、λAに中心を合わせられた波長帯域を除いて全ての波
長を（ビーム結合器３０へ）反射し、フィルタ３２４は、λBに中心を合わせら
れた波長帯域を除いて全ての波長を（ビーム結合器３０へ）反射する。図１の実
施形態におけるように、λAおよびλBに中心を合わせられた帯域の吸収は、対象
物質で異なる。ビームは、ビーム結合器３０により結合され、フィルタ３２０お
よび３２４によって分離された２つの波長帯域に及ぶ帯域通過特性を有する、ブ
ラケッティング（ｂｒａｃｋｅｔｉｎｇ）帯域通過フィルタ３２６へ、光学経路
１０３に沿って透過される。ブラケッティング帯域通過フィルタ３２６の透過特
性は、図６Ｃに示されている。ブラケッティング・フィルタ３２６は、デュアル
帯域通過フィルタと置き換えることができることに留意されたい。いずれにして
も、集束光学装置３２および検出器３４は、図６Ｄに示される２つの帯域におけ
る吸収によって、影響される信号振幅を受ける。各帯域が交互に検出器３４によ
って受けられるので、振幅変調された信号がモニタされる。図５の実施形態の利
点は、より少ない成分と、図７を用いてこれから記載されるようなさらなる処理
に関する放射の大部分の維持とを含む。本発明は、複数の物質の同時測定を可能
にするために、デュアル（またはトリプル）帯域通過フィルタ（フィルタ３２０
および３２４の代わりに）、および波長分割光学装置／検出器を使用することに
よって、実施することもできる。
【００２２】 図７に示され全般的に符号４００で参照される実施形態は、同時に差分吸収お
よびガス・フィルタ相関測定を行うために使用される。前のように、図５の実施
形態と共通の要素に関して、同様な参照符号が使用される。システム４００は、
特定のガス種に関する高い測定特異性と、ガスの広範なクラス測定とが必要であ
る測定の適用において有用である。一例は、自動車排気の遠隔測定である。この
測定において、高いガス特異性は、５．２μｍでの強い水蒸気の帯域の重なりの
ために、正確なＮＯ測定のために必要である。同時に、「全炭化水素」測定が、
３．４μｍの炭素−水素吸収領域において望まれる。換言すれば、特定の炭化水
素の測定は、望ましくない。むしろ、このＣ−Ｈ拡張範囲における全体の差分吸
収の測定が、「全炭化水素」のある指示として望ましい。そのような一致しない
タイプの同時測定が、本発明では可能である。すなわち、本発明は、ＮＯ測定の
ためのＧＦＣＲ技術と、「全炭化水素」測定のための差分吸収技術とを使用する
ことを可能にする。
【００２３】 図７において、ガス相関セル４４０は、光学経路１０１に配置され、真空セル
４４４は、光学経路１０２に配置される。セル４４０および４４４は、ＧＦＣＲ
測定を可能にし、一方、フィルタ３２０および３２４は、図５を参照して上記で
説明したように、差分吸収測定を可能にする。より正確には、放射ビームは、ビ
ーム結合器３０で結合される。結合されたビームは、エッジ・フィルタ４２６で
分割され、エッジ・フィルタ４２６は、例えば、標準的なＧＦＣＲ測定が、従来
技術で良く知られているようになされることができるように、ＧＦＣＲ測定に関
係付けられる波長領域を、ＧＦＣＲ帯域通過フィルタ４４６、集束光学装置４３
２、および検出器４３４へ透過する。エッジ・フィルタ４２６は、前述の図５の
実施形態におけるように作用する、ブラケッティングまたは帯域通過フィルタ３
２６へ、他の波長を反射する。
【００２４】 反射で帯域通過フィルタを使用する同時に２つの物質を検出または測定する他
の方法は、図８に示され全般的に符号５００で参照される。すなわち、システム
５００は、図３に関して上述された結果を達成する代わりの構成である。光学経
路１０１において、第１の帯域通過フィルタ５２０が、λA1に中心を合わせられ
た第１の帯域の波長を除く全ての波長を、両面ミラー５２６の一方側に向かって
反射する。ミラー５２６は、λA2に中心を合わせられた第２の帯域の波長を除く
全ての波長を反射する第２の帯域通過フィルタ５２１へ、放射を反射する。同様
な方法で、帯域通過フィルタ５２４／５２５およびミラー５２６は、光学経路１
０２におけるλB1およびλB2に中心を合わせられた波長帯域を取り除くために協
働する。ビーム結合器３０から出力される単一のビームは、その後、図３の実施
形態で記載されたように処理されることができる。検出光学装置は、必要ならブ
ラケッティング・フィルタ３２６を含むことができる。
【００２５】 本発明のさらに他の実施形態が、図９に示され全般的に符号６００で参照され
る。システム６００は、ミラー５２６が、両側帯域通過吸収器６２６と置き換え
られている以外は、システム５００と同様である。吸収器６２６は、λA3に中心
を合わせられた第３の波長帯域における放射を吸収し、一方、他の全ての波長を
反射するように一方の側６２６Ａが構成されている。これが、その後初期的に吸
収され、λA3に中心を合わせられた帯域を透過する、帯域通過フィルタ・スタッ
クを構成することによって達成されることができる。例えば、基板材料は、この
波長帯域を強く吸収することができる。吸収器６２６の他方の側６２６Ｂは、λ B3 に中心を合わせられた波長を選択的に透過／吸収する第２のフィルタ・スタッ
クである。ビーム結合器３０で結合された後、図３、７、および８の実施形態に
開示されたシステムと同様な、分割フィルタリングする／集束する光学装置／検
出器６３２のシステムは、各波長帯域対（すなわち、λA1およびλB1、λA2およ
びλB2、λA3およびλB3に中心合わせされた波長帯域対）間の差分吸収が、個別
におよび同時に検知されることができるように、単一のビームを分割するために
使用される。
【００２６】 本発明のさらに他の実施形態において、図１０に示されるシステム７００は、
図５の実施形態のための代替構成である。システム７００は、光学経路１０３が
、ビームスプリッタ／結合器７５０の組み合わせを鋭角で出る、本発明のコンパ
クトな構成である。単一の光学要素は、ビームスプリッタ部分における水平方向
偏光を透過し、ビーム結合器部分における垂直方向偏光を透過するために、例え
ば、装置のワイヤ・グリッド（図示せず）を構成することによって、ビーム・ス
プリッティングとビーム結合とを組み合わせるために使用されることができる。
【００２７】 本発明の利点は多数ある。物質検出および測定は、ガス・セルを使用すること
なく達成されることができる。しかしながら、本発明は、同時の差分吸収および
ＧＦＣＲ測定を提供するために構成されることができる。さらに、多数の物質に
関係付けられる多数の差分吸収特性が、同時になされることができる。
【００２８】 本発明は、特定の実施形態に関して記載されたが、上記教示から見て当業者に
は容易に明らかであろう、多数の変形および修正がある。したがって、特許請求
の範囲の範囲内で、本発明は、特定に記載されたもの以外で実施されることがで
きることが理解される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明による物質検出システムの一実施形態の概略を示す。
【図２】 図１の実施形態で使用される帯域通過フィルタのフィルタ特性を示すグラフで
ある。
【図３】 ２つの物質が同時に検出され／測定されることができる、本発明の他の実施形
態の概略を示す。
【図４】 図３の実施形態で使用される帯域通過フィルタのフィルタ特性を示すグラフで
ある。
【図５】 帯域通過フィルタが反射で使用される、本発明の他の実施形態の概略を示す。
【図６】 図６Ａは、図５の実施形態で使用されるあるフィルタ特性を示すグラフであり
、図６Ｂは、図５の実施形態で使用される他のフィルタ特性を示すグラフであり
、図６Ｃは、図５の実施形態で使用されるブラケッティング帯域通過フィルタ特
性を示すグラフであり、図６Ｄは、図５の実施形態で検出器に到達するスペクト
ル情報を示すグラフである。
【図７】 差分吸収測定およびガス・フィルタ相関放射分析（ＧＦＣＲ）測定が同時にな
される、本発明の他の実施形態の概略を示す。
【図８】 ２つの物質が、反射で帯域通過フィルタを使用して、同時に検出され／測定さ
れることができる、他の実施形態の概略を示す。
【図９】 ３つの物質が、同時に検出され／測定されることができる、他の実施形態の概
略を示す。
【図１０】 本発明の他の実施形態の概略を示す。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｇ０２Ｂ 5/30 Ｇ０２Ｂ 5/30 (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ，ＵＧ，ＺＷ )，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ， ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ， ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，Ｃ Ｒ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＤＭ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ， ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，Ｋ Ｚ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ， ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，Ｓ Ｌ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ Ｆターム(参考） 2G020 AA03 BA02 BA12 BA14 CA02 CA15 CB05 CB07 CB14 CB42 CC26 CC47 CC48 CD03 CD05 CD13 CD15 CD22 2G059 AA01 BB01 BB04 BB08 CC13 EE01 EE05 EE12 GG04 HH01 HH06 JJ02 JJ11 JJ13 JJ18 JJ19 JJ20 JJ22 KK01 2H049 BA02 BA05 BA07 BB03 BB66 BC23

Claims (19)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 物質を検出する方法であって、 対象のサンプル経路に沿って通過する放射を受けるステップと、 前記放射を、第１の偏光された成分と、前記第１の偏光された成分と直交する
    第２の偏光された成分とに交互の時間連続で分けるステップと、 前記第１の偏光された成分を第１の光学経路に沿って、および前記第２の偏光
    された成分を第２の光学経路に沿って透過させるステップと、 第１のフィルタリングされた放射が生成される、少なくとも第１の波長帯域を
    分離するために、前記第１の偏光された成分をフィルタリングするステップと、 第２のフィルタリングされた放射が生成される、少なくとも第２の波長帯域を
    分離するために、前記第２の偏光された成分をフィルタリングするステップであ
    って、前記第１の波長帯域と前記第２の波長帯域とが独特であり、対象物質のス
    ペクトル吸収が、前記第２の波長帯域と比べて前記第１の波長帯域で異なる、フ
    ィルタリングするステップと、 放射結合されたビームを形成するために、前記第１のフィルタリングされた放
    射と前記第２のフィルタリングされた放射とを結合するステップと、 前記サンプル経路における前記物質の濃度の指示として、前記第１の波長帯域
    と前記第２の波長帯域とで交互に前記結合されたビームの振幅をモニタするステ
    ップとを含む、物質を検出する方法。
  2. 【請求項２】 前記第１の偏光された成分をフィルタリングする前記ステッ
    プが、前記第１のフィルタリングされた放射を形成するために、前記第１の波長
    帯域だけを通過させるステップを含み、前記第２の偏光された成分をフィルタリ
    ングする前記ステップが、前記第２のフィルタリングされた放射を形成するため
    に、前記第２の波長帯域だけを通過させるステップを含む請求項１に記載の方法
    。
  3. 【請求項３】 前記第１の偏光された成分をフィルタリングする前記ステッ
    プが、前記第１のフィルタリングされた放射を形成するために、前記第１の波長
    帯域を除く全ての波長を通過させるステップを含み、前記第２の偏光された成分
    をフィルタリングする前記ステップが、前記第２のフィルタリングされた放射を
    形成するために、前記第２の波長帯域を除く全ての波長を通過させるステップを
    含む請求項１に記載の方法。
  4. 【請求項４】 前記第１の偏光された成分および前記第１のフィルタリング
    された放射の１つと、前記第２の偏光された成分および前記第２のフィルタリン
    グされた放射の１つとを使用する、ガス・フィルタ相関放射分析を実行するステ
    ップをさらに含む請求項３に記載の方法。
  5. 【請求項５】 前記第１の偏光された成分をフィルタリングする前記ステッ
    プが、複数の独特な第１の波長帯域を分離するステップを含み、前記第２の偏光
    された成分をフィルタリングする前記ステップが、複数の独特な第２の波長帯域
    を分離するステップを含み、前記方法が、さらに 前記結合されたビームを、複数の分割されたビームに分割するステップをさら
    に含み、前記複数の分割されたビームがそれぞれ、前記複数の独特な第１の波長
    帯域の１つと、前記複数の独特な第２の波長帯域の１つとを含み、対象物質のス
    ペクトル吸収が、前記複数の独特な第２の波長帯域の前記１つと比較すると、前
    記複数の独特な第１の波長帯域の前記１つで異なり、前記モニタするステップが
    、前記複数の分割されたビームのそれぞれの振幅をモニタするステップと含む請
    求項１に記載の方法。
  6. 【請求項６】 複数の関係する対象物質が、前記第２の波長帯域よりも前記
    第１の波長帯域で、スペクトル的により吸収される請求項１に記載の方法。
  7. 【請求項７】 前記複数の関係する物質が、炭化水素である請求項６に記載
    の方法。
  8. 【請求項８】 前記第１の偏光された成分が、垂直方向に偏光され、前記第
    ２の偏光された成分が、水平方向に偏光される請求項１に記載の方法。
  9. 【請求項９】 前記モニタするステップが、前記第１の偏光された成分と前
    記第２の偏光された成分との間で前記時間連続が交互になる周波数で、調和して
    同期される請求項１に記載の方法。
  10. 【請求項１０】 物質を検出するシステムであって、 対象のサンプル経路に沿って通過する放射を受ける光学経路スイッチを備え、
    前記光学経路スイッチが、前記放射を、第１の偏光された成分と、前記第１の偏
    光された成分と直交する第２の偏光された成分とに交互に時間連続で分割し、前
    記光学経路スイッチが、前記第１の偏光された成分を第１の光学経路に沿って、
    および前記第２の偏光された成分を第２の光学経路に沿って透過させ、 前記システムがさらに、 第１のフィルタリングされた放射が生成される少なくとも第１の波長帯域を分
    離するために、前記第１の偏光された成分をフィルタリングするための前記第１
    の光学経路に配置された第１のガスレス光学フィルタ列と、 第２のフィルタリングされた放射が生成される少なくとも第２の波長帯域を分
    離するために、前記第２の偏光された成分をフィルタリングするための前記第２
    の光学経路に配置された第２のガスレス光学フィルタ列とを備え、前記第１の波
    長帯域と前記第２の波長帯域とが独特であり、対象物質のスペクトル吸収が、前
    記第２の波長帯域と比べて前記第１の波長帯域で異なり、 前記システムがさらに、 放射の結合されたビームを形成するために、前記第１のフィルタリングされた
    放射と前記第２のフィルタリングされた放射とを結合する、前記第１のフィルタ
    リングされた放射と前記第２のフィルタリングされた放射とを受けるために配置
    されたビーム結合器と、 前記サンプル経路内の前記物質の濃度指示として、前記第１の波長帯域と前記
    第２の波長帯域とで交互に前記結合されたビームの少なくとも部分の振幅をモニ
    タするために配置された検出手段とを含む、物質を検出するシステム。
  11. 【請求項１１】 前記第１のガスレス光学フィルタが、前記第１のフィルタ
    リングされた放射を形成するために、前記第１の波長帯域だけを通過する第１の
    光学フィルタリング手段を含み、前記第２のガスレス光学フィルタが、前記第２
    のフィルタリングされた放射を形成するために、前記第２の波長帯域だけを通過
    する第２の光学フィルタリング手段を含む請求項１０に記載のシステム。
  12. 【請求項１２】 前記第１のガスレス光学フィルタが、前記第１のフィルタ
    リングされた放射を形成するために、前記第１の波長帯域を除く全ての波長を通
    過する第１の光学フィルタリング手段を含み、前記第２のガスレス光学フィルタ
    が、前記第２のフィルタリングされた放射を形成するために、前記第２の波長帯
    域を除く全ての波長を通過する第２の光学フィルタリング手段を含む請求項１０
    に記載のシステム。
  13. 【請求項１３】 前記光学経路スイッチに結合されたガス・フィルタ相関放
    射分析器をさらに備え、前記ガス・フィルタ相関放射分析器が、前記サンプル経
    路内の少なくとも１つのガス種の濃度を測定するために、１つの前記第１の偏光
    された成分および前記第１のフィルタリングされた放射を使用し、および１つの
    前記第２の偏光された成分および前記第２のフィルタリングされた放射を使用す
    る請求項１２に記載のシステム。
  14. 【請求項１４】 前記第１のガスレス光学フィルタが、複数の独特な第１の
    波長帯域を分離するための第１の光学フィルタリング手段を含み、前記第２のガ
    スレス光学フィルタが、複数の独特な第２の波長帯域を分離するための第２の光
    学フィルタリング手段を含み、前記システムが、さらに、 前記結合されたビームを受けるために配置され、前記結合されたビームを複数
    の分割されたビームに分割するためのビーム分割器を備え、前記複数の分割され
    たビームのそれぞれが、前記複数の独特な第１の周波数帯域の１つと前記複数の
    独特な第２の周波数帯域の１つとを含み、対象物質のスペクトル吸収が、前記複
    数の独特な第２の周波数帯域の前記１つのと比較して、前記複数の独特な第１の
    周波数帯域の前記１つで異なり、前記検出手段が複数の検出器を備え、各前記複
    数の検出器が、前記複数の分割されたビームの１つを受けるために配置されてい
    る請求項１０に記載のシステム。
  15. 【請求項１５】 前記第１の偏光された成分が、垂直方向に偏光され、前記
    第２の偏光された成分が、水平方向に偏光される請求項１０に記載のシステム。
  16. 【請求項１６】 前記時間連続が、前記第１の偏光された成分と前記第２の
    偏光された成分との間で交互になる周波数で、前記検出器手段が調和して同期さ
    れる請求項１０に記載のシステム。
  17. 【請求項１７】 物質検出システムであって、 対象のサンプル経路に沿って通過する放射を受ける光学経路スイッチを備え、
    前記光学経路スイッチが、前記放射を、第１の偏光された成分と前記第１の偏光
    された成分に直交する第２の偏光された成分とが交互になる時間連続に分け、前
    記光学経路スイッチが、第１の光学経路に沿って前記第１の偏光された成分を透
    過し、第２の光学経路に沿って前記第２の偏光された成分を透過し、 前記システムが、さらに、 第１のフィルタリングされた放射が生成される第１の波長帯域で、前記第１の
    偏光された成分以外の全ての波長を通過させるために、前記第１の偏光された成
    分をフィルタリングする、前記第１の光学経路に配置された第１のガスレス光学
    フィルタ列と、 １つの前記第１の偏光された成分と、前記第１の波長帯域のスペクトル領域と
    は異なるスペクトル領域の前記第１のフィルタリングされた放射とをフィルタリ
    ングするために、前記第１の光学経路に配置された少なくとも１つのガス相関セ
    ルと、 第２のフィルタリングされた放射が生成される第２の波長帯域で、前記第２の
    偏光された成分以外の全ての波長を通過させるために、前記第２の偏光された成
    分をフィルタリングする、前記第２の光学経路に配置された第２のガスレス光学
    フィルタ列とを備え、前記第１の波長帯域および前記第２の波長帯域が独特であ
    り、対象物質のスペクトル吸収が、前記第２の波長帯域と比較して前記第１の波
    長帯域で異なり、 前記システムが、さらに、 前記第２の光学経路に配置された真空セルと、 結合された放射のビームを形成するために、前記第１のフィルタリングされた
    放射と前記第２のフィルタリングされた放射とを結合する、前記第１のフィルタ
    リングされた放射と前記第２のフィルタリングされた放射とを受けるように配置
    されたビーム結合器と、 前記サンプル経路内の前記物質の濃度指示として、前記第１の波長帯域と前記
    第２の波長帯域とで交互に、前記結合されたビームの少なくとも部分の振幅をモ
    ニタするために配置された第１の検出手段と、 前記サンプル経路内の少なくとも１つのガス種の濃度を測定するために、前記
    スペクトル領域で前記第１のフィルタリングされた放射と前記第２のフィルタリ
    ングされた放射との間の強度の差を検知するために配置された第２の検出手段と
    を備える物質検出システム。
  18. 【請求項１８】 前記第１の偏光された成分が、垂直方向に偏光され、前記
    第２の偏光された成分が、水平方向に偏光される請求項１７に記載のシステム。
  19. 【請求項１９】 前記時間連続が、前記第１の偏光された成分と前記第２の
    偏光された成分との間で交互になる周波数で、前記第１の検出手段が、調和して
    同期される請求項１７に記載のシステム。
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