JP2007170841A - レーザ光出力部、レーザ光入力部およびレーザ式ガス分析計 - Google Patents

レーザ光出力部、レーザ光入力部およびレーザ式ガス分析計 Download PDF

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Abstract

【課題】簡易な構成で光軸調整範囲を広げたレーザ光出力部およびレーザ光入力部を提供する。さらにこれらのようなレーザ光出力部およびレーザ光入力部を搭載して計測精度を向上させたレーザ式ガス分析計を提供する。
【解決手段】垂直面がレーザ発光部12側に向けて配置される発光部側ウェッジ型ウィンドウ14と、一方の面が垂直面で、垂直面が発光部側ウェッジ型ウィンドウ14の傾斜面側に向けて配置される出力側ウェッジ型ウィンドウ16と、を備えるレーザ光出力部10であって、発光部側ウェッジ型ウィンドウ14や出力側ウェッジ型ウィンドウ16を、その光軸と略一致する中心軸を基に相対的に回転移動や水平移動させることにより、光軸を調整するレーザ光出力部とした。また、同様な光軸調整機構を有するレーザ光入力部20とした。さらにまた、これらレーザ光出力部10およびレーザ光入力部20を搭載したレーザ式ガス分析計1とした。
【選択図】図1

Description

本発明は、レーザ光軸の精密調整機能を有するレーザ光出力部およびレーザ光入力部に関する。また、これらレーザ光出力部またはレーザ光入力部を搭載したレーザ式ガス分析計に関する。
CO,NO等の各種ガス濃度等を検出する好適な手法としてレーザ吸収法が知られている。この手法は、レーザ光を雰囲気中に照射して、レーザ光の光路に存在する分子・原子によりレーザ光が光吸収されることを利用するものである。
レーザ吸収法を実現するレーザ計測システムは、測定したい空間に向けて測定用レーザ光を照射するレーザ光源と、測定空間を透過した測定用レーザ光を検出するレーザ光検出器と、このレーザ光検出器の出力信号を処理する演算処理装置と、により構成される。
このような装置の従来技術として、例えば、特許文献1に記載されたレーザ計測方法及びレーザ計測システムなどが知られている。この従来技術について図を参照しつつ説明する。図8は従来技術のレーザ計測システムのシステム構成図である。このレーザ計測システムは、レーザ光源101、ミラー102、ハーフミラー103、パルスレーザ光源104、光軸調整部105、レーザ光検出器106、ハーフミラー107、位置検出センサ108、演算処理装置109を備える。燃焼部110の炉壁111に形成された二個の窓部112,113が対向するように配置され、これら窓部112,113を測定用レーザ光121、パルスレーザ光122が透過する。
そして、レーザ光源101から出力された測定用レーザ光121が、ミラー102、ハーフミラー103、窓部112を経て燃焼部110内に照射され、対向する窓部113、ハーフミラー107を経てレーザ光検出器106に入射される。
また、パルスレーザ光源104から出力されたパルスレーザ光122が、ハーフミラー103、窓部112を経て燃焼部110内に照射され、対向する窓部113、ハーフミラー107を経て位置検出センサ108に入射される。
この計測は、光路上のガス等により測定用レーザ光121が吸収され、この吸収量が上記ガス等の濃度と関連することを利用してその濃度等を検出するものである。即ち、波長を連続的に変化させながら(変調をかけながら)測定用レーザ光121を測定空間に照射しており、この結果得るレーザ光検出器106の出力信号を演算処理装置109で分析・演算することにより検出対象である分子・原子の平均濃度及び平均温度のデータを得る。
ガス等を透過した測定用レーザ光121を処理する際、演算処理装置109は、この測定用レーザ光121の波長に対する強度を表すデータから、検出するガス等に固有の所定周波数帯域のデータである信号成分Aを削除し、この削除したデータが、残りの他の部分のデータと連続するように多項式のデータで補完してノイズ成分Cを生成するとともに、上記測定用レーザ光121のデータからノイズ成分Cを差し引くことによりノイズ成分Cを除去して検出する分子又は原子に対応する信号成分Aのデータのみを抽出する。このように処理することでS/N比の向上を図っている。
この種のレーザ計測システムにより得られる測定用レーザ光121は、理想的には、図9のレーザ光強度−レーザ光波長特性図で示すようになる。この図9では、横軸に測定用レーザ光121の波長、縦軸に測定用レーザ光121の強度を採ったものであり、当該測定用レーザ光121の強度(吸収度)の波長依存性を示す。ここで、特定の分子または原子(本例はCO分子)では、吸収される測定用レーザ光121の波長が理論計算により一義的に定まり、特定の波長で測定用レーザ光121の光強度の落ち込みが検出される。この落ち込みは分子又は原子による測定用レーザ光121の吸収に起因する。また、この落ち込みパターンは、測定用レーザ光121の光路上の濃度で落ち込み量が変わるので、測定用レーザ光121の吸収波長で特定される分子又は原子の濃度をその測定用レーザ光121の落ち込み量(吸収量)で検出する。特許文献1に記載の従来技術はこのようなものである。
特開2002−277391号公報(段落番号0022〜0031,図1)
このようなレーザ式のガス分析計は、燃焼部や煙道など排気ガスがある箇所に直接設置されるが、その光路長さが1mから10m程度になることがあり、最初の装置設置時にレーザ発光部を機械的に位置決めして光軸調整をする必要がある。このような調整機構について図を参照しつつ説明する。図10は従来技術のレーザ計測装置の調整機構の構成図である。図10に示すように例えば燃焼部(煙道)の炉壁111に溶接等で内部フランジ201を固定しておき、この内部フランジ201にOリング202を介して外部フランジ203が固定される。このように内部フランジ201と外部フランジ203との間で挟み込まれて固定されるOリング202の存在により、燃焼部(煙道)内の気体が外へ漏れたり、また、燃焼部(煙道)内へ外気が入り込まないようにしてある。
そして、このような内部フランジ201や外部フランジ203は発光側と受光側の両側に取付けられている。発光側の外部フランジ203にはレーザ光源205が固定される。なお、図10で示す構造は説明のため最も簡単な構造を示すものであり、図8のようなミラー、ハーフミラー等は備えない構造である。また、図示しないが、受光側では、内部フランジ、Oリングおよび外部フランジにより、レーザ光検出器が同様な機構により位置決め調整可能になされている。
続いて調整について説明する。発光側と受光側との内部フランジ201は数m以上離れ、さらに燃焼部(煙道)の炉壁111に溶接されるものであるため、レーザ光の光軸を完全に一致させて精度良く固定することは現実的には不可能である。そこで、光軸調整が必要となる。この光軸調整であるが、Oリング202の弾力性により外部フランジ203が移動できることに着目し、アライメントスクリュー204により内部フランジ201に対し外部フランジ203を傾けるように移動させ、外部フランジ203に取付けられたレーザ光源205や受光部を傾かせて、光軸角度調整を行っている。
しかしながら、このようなOリング202の弾力性を利用する光軸調整機構では、傾斜可能な光軸角度が数deg程度しかないため調整能力が低く、特に溶接により取付け精度が低い内部フランジ201を基準としているため、光軸を合わせられないおそれがあるという問題があった。
また、地震や衝突などにより燃焼部(煙道)の炉壁111が振動を受けると、アライメントスクリュー204も振動を受けて、外部フランジ203が動いて光軸がズレて、計測精度が低下するという問題点があった。
そこで、本発明は上記問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、簡易な構成で光軸調整範囲を広げたレーザ光出力部およびレーザ光入力部を提供することにある。さらにこれらのようなレーザ光出力部およびレーザ光入力部を搭載して計測精度を向上させたレーザ式ガス分析計を提供することにある。
このような本発明の請求項1に係るレーザ光出力部は、
レーザ発光部と、
一方の面が垂直面で、他方の面が傾斜面であり、その垂直面がレーザ発光部側に向けて配置される発光部側ウェッジ型ウィンドウと、
一方の面が垂直面で、他方の面が傾斜面であり、その垂直面が発光部側ウェッジ型ウィンドウの傾斜面側に向けて配置される出力側ウェッジ型ウィンドウと、
を備えるレーザ光出力部であって、
発光部側ウェッジ型ウィンドウおよび/または出力側ウェッジ型ウィンドウを、その光軸と略一致する中心軸を基に相対的に回転移動および/または水平移動させることにより、光軸を調整することを特徴とする。
また、本発明の請求項2に係るレーザ光出力部は、
レーザ発光部と、
一方の面が垂直面で、他方の面が傾斜面であり、その垂直面がレーザ発光部側に向けて配置される発光部側ウェッジ型ウィンドウと、
一方の面が垂直面で、他方の面が傾斜面であり、その傾斜面が発光部側ウェッジ型ウィンドウの傾斜面側に向けて配置される出力側ウェッジ型ウィンドウと、
を備えるレーザ光出力部であって、
発光部側ウェッジ型ウィンドウおよび/または出力側ウェッジ型ウィンドウを、その光軸と略一致する中心軸を基に相対的に回転移動および/または水平移動させることにより、光軸を調整することを特徴とする。
また、本発明の請求項3に係るレーザ光出力部は、
請求項1または請求項2に記載のレーザ光出力部において、
レーザ発光部および発光部側ウェッジ型ウィンドウが収容配置されるケース部と、
レーザ発光部および発光部側ウェッジ型ウィンドウの光軸と略一致するような中心軸によりケース部に対して回転移動および水平移動するようになされ、レーザ発光部および発光部側ウェッジ型ウィンドウの光軸上に出射側ウェッジ型ウィンドウが収容配置される収容部と、
を備え、
ケース部と収容部とを、中心軸を基に相対的に回転移動および/または平行移動させて、光軸を調整することを特徴とする。
本発明の請求項4に係るレーザ光入力部は、
レーザ受光部と、
一方の面が垂直面で、他方の面が傾斜面であり、その垂直面がレーザ受光部側に向けて配置される受光部側ウェッジ型ウィンドウと、
一方の面が垂直面で、他方の面が傾斜面であり、その垂直面が受光部側ウェッジ型ウィンドウの傾斜面側に向けて配置される入力側ウェッジ型ウィンドウと、
を備えるレーザ光入力部であって、
受光部側ウェッジ型ウィンドウおよび/または入力側ウェッジ型ウィンドウを、その光軸と略一致する中心軸を基に相対的に回転移動および/または水平移動させることにより、光軸を調整することを特徴とする。
また、本発明の請求項5に係るレーザ光入力部は、
レーザ受光部と、
一方の面が垂直面で、他方の面が傾斜面であり、その垂直面がレーザ受光部側に向けて配置される受光部側ウェッジ型ウィンドウと、
一方の面が垂直面で、他方の面が傾斜面であり、その傾斜面が受光部側ウェッジ型ウィンドウの傾斜面側に向けて配置される入力側ウェッジ型ウィンドウと、
を備えるレーザ光入力部であって、
受光部側ウェッジ型ウィンドウおよび/または入力側ウェッジ型ウィンドウを、その光軸と略一致する中心軸を基に相対的に回転移動および/または水平移動させることにより、光軸を調整することを特徴とする。
また、本発明の請求項6に係るレーザ光入力部は、
請求項4または請求項5に記載のレーザ光入力部において、
レーザ受光部および受光部側ウェッジ型ウィンドウが収容配置されるケース部と、
レーザ受光部および受光部側ウェッジ型ウィンドウの光軸と略一致するような中心軸によりケース部に対して回転移動および水平移動するようになされ、レーザ受光部および受光部側ウェッジ型ウィンドウの光軸上に入力側ウェッジ型ウィンドウが収容配置される収容部と、
を備え、
ケース部と収容部とを、中心軸を基に相対的に回転移動および/または平行移動させて、光軸を調整することを特徴とする。
本発明の請求項7に係るレーザ式ガス分析計は、
測定ガス中にレーザ光を照射し、そのレーザ光の光吸収による光量変化からガス濃度を測定するレーザ式ガス分析計において、
測定対象となるガスが光吸収するような波長のレーザ光を測定ガス中に照射する請求項1,請求項2または請求項3に記載のレーザ光出力部と、
光吸収されたレーザ光を受光して検出信号を出力するレーザ光入力手段と、
レーザ光入力手段からの検出信号を処理してガスを特定する演算処理装置と、
を備えることを特徴とする。
また、本発明の請求項8に係るレーザ式ガス分析計は、
請求項7に記載のレーザ式ガス分析計において、
前記レーザ光入力手段は、請求項4,請求項5または請求項6に記載のレーザ光入力部であることを特徴とする。
また、本発明の請求項9に係るレーザ式ガス分析計は、
請求項8の何れか一項に記載のレーザ式ガス分析計において、
前記4種のウェッジ型ウィンドウは、ガス成分が吸収する光の波長が含まれる赤外線を透過する合成石英、BK,CaF,またはBaFという赤外線透過材料により形成されたウィンドウであることを特徴とする。
以上のような本発明によれば、簡易な構成で光軸調整範囲を広げたレーザ光出力部およびレーザ光入力部を提供することができる。さらにこれらのようなレーザ光出力部およびレーザ光入力部を搭載して計測精度を向上させたレーザ式ガス分析計を提供することができる。
以下、本発明を実施するための最良の形態のレーザ光軸調整機構およびこのレーザ光軸調整機構を搭載したレーザ式ガス分析計について図を参照しつつ説明する。図1は本形態のレーザ式ガス分析計の構造図、図2はウェッジ型ウィンドウの説明図であり、図2(a)は形状の説明図、図2(b)は傾斜角度の説明図である。
レーザ式ガス分析計1は、図1で示すようにレーザ光出力部10、レーザ光入力部20、演算処理装置30を備える。レーザ式ガス分析計1は、燃焼部(煙道)40の炉壁41に対向するように設けられたフランジ部42,43に配置されている。なお、燃焼部(煙道)41以外でもガス分析対象がある箇所(例えば、ガスチャンバなど)に設置することが可能である。
レーザ光出力部10は、ケース部11、レーザ発光部12、コリメートレンズ13、発光部側ウェッジ型ウィンドウ14、収容部15、出力側ウェッジ型ウィンドウ16を備えている。
ケース部11は、穴部11aと、溝部11bとを備える。穴部11aは有底筒体であって内周円状に形成されている。この穴部11a内にレーザ発光部12、コリメートレンズ13および発光部側ウェッジ型ウィンドウ14が収容配置される。レーザ発光部12、コリメートレンズ13および発光部側ウェッジ型ウィンドウ14の光軸は、ケース部11の穴部11aに固定された時に穴部11aの中心軸と略一致するようになされている。これらは図示しない位置決め機構を介して取付けたり、または、穴部11a内の取付け位置精度を高めて、穴部11a内に配置固定するようにしても良い。ここに、発光部側ウェッジ型ウィンドウ14は、燃焼部(煙道)40側からの気体が煙やガスが流入しないように適宜シーリングがなされる。穴部11aの中心軸は、ケース部11の開口部に多段に形成された円状の溝部11bの中心軸でもある。このようにしてレーザ発光部12、コリメートレンズ13および発光部側ウェッジ型ウィンドウ14の光軸と穴部11aと溝部11bとの中心軸が略一致するようになされている。
レーザ発光部12は、レーザ光を出力する。レーザ光の波長は先に説明したように測定対象のガスの分子構造や原子構造により一義的に決定されるものであり、測定対象に応じて適宜選択される。
コリメートレンズ13は、レーザ発光部12から出射したレーザ光を平行光にする。
発光部側ウェッジ型ウィンドウ14は、図2(a)で示すように、一方の面が垂直面で、他方の面が傾斜面であり、本形態では垂直面をレーザ発光部12側に向けて配置する。傾斜面は、図2(b)で示すように、垂直面に対し傾斜角θiで傾斜されるものとする。発光部側ウェッジ型ウィンドウ14は、後述するが、平行光の光軸角度を変更させる。
収容部15は、孔部15a、環状部15b、フランジ面15cを備える。内側円孔である孔部15aおよび外側円筒体である環状部15bの中心軸は一致するように形成されている。この孔部15a内に出力側ウェッジ型ウィンドウ16が収容配置される。出力側ウェッジ型ウィンドウ16の光軸は、収容部15の孔部15aに固定された時に孔部15aの中心軸と略一致するようになされている。これらは図示しない位置決め機構を介して取付けたり、または、孔部15a内の取付け位置精度を高めて、孔部15a内に配置固定するようにしても良い。
また、収容部15のフランジ面15cは、図示しないねじ等の固定部により、シールの上で、フランジ部42に固定されている。また、収容部15の環状部15bがケース部11の開口部に多段に形成された円状の溝部11bに嵌め込まれている。これにより、環状部15bを軸とし、また、溝部11bを軸受けとする軸支構造を形成して、フランジ部42に固定された収容部15に対してケース部11が回転移動および水平移動するようになされている。なお、軸支構造としては、ケース部11に軸となる環状部と、また、収容部15に軸受けとなる溝部と、を形成した軸支構造としても良い。図示しないが回転移動後および水平移動後により決定された適正位置で収容部15にケース部11を固定する固定手段を持ち、この固定手段により固定される。
出力側ウェッジ型ウィンドウ16は、図2(a)で示すように、一方の面が垂直面で、他方の面が傾斜面であり、図1で示すように、出力側ウェッジ型ウィンドウ16の垂直面が発光部側ウェッジ型ウィンドウ14の傾斜面に対向するように配置する。傾斜面は、図2(b)で示すように、垂直面に対し傾斜角θiで傾斜されるものとする。出力側ウェッジ型ウィンドウ16は、後述するが、平行光の光軸角度を変更させる。出力側ウェッジ型ウィンドウ16は、燃焼部(煙道)40側からの気体が煙やガスが流入しないように適宜シーリングがなされる。
収容部15の環状部15bがケース部11の溝部11bに嵌め込まれたときに、ケース部11と収容部15との中心軸が略一致し、これにより出力側ウェッジ型ウィンドウ16の光軸は、レーザ発光部12、コリメートレンズ13および発光部側ウェッジ型ウィンドウ14の光軸と一致するように決定される。
このようなレーザ光出力部10では、レーザ発光部12から出力されたレーザ光がコリメートレンズ13により平行光にされ、後述するように発光部側ウェッジ型ウィンドウ14および出力側ウェッジ型ウィンドウ16により光軸調整がなされた上で、フランジ部42を通過して燃焼部40内へ照射される。
レーザ光出力部10はこのように構成される。
続いて、レーザ光入力部20について説明する。
レーザ光入力部20は、ケース部21、レーザ受光部22、集光レンズ23、受光部側ウェッジ型ウィンドウ24、収容部25、入力側ウェッジ型ウィンドウ26を、備えている。
ケース部21は、穴部21aと、溝部21bとを備える。穴部21aは有底筒体であって内周円状に形成されている。この穴部21a内にレーザ受光部22、集光レンズ23および受光部側ウェッジ型ウィンドウ24が収容配置される。レーザ受光部22、集光レンズ23および受光部側ウェッジ型ウィンドウ24の光軸は、ケース部21の穴部21aに固定された時に穴部21aの中心軸と略一致するようになされている。これらは図示しない位置決め機構を介して取付けたり、または、穴部21a内の取付け位置精度を高めて、穴部21a内に配置固定するようにしても良い。ここに、受光部側ウェッジ型ウィンドウ24は、燃焼部(煙道)40側からの気体が煙やガスが流入しないように適宜シーリングがなされる。穴部21aの中心軸は、ケース部21の開口部に多段に形成された円状の溝部21bの中心軸でもある。このようにしてレーザ受光部22、集光レンズ23および受光部側ウェッジ型ウィンドウ24の光軸と、穴部21aと溝部21bとの中心軸が略一致するようになされている。
レーザ受光部22は、レーザ光を受光して光強度に比例した検出信号を出力する。
集光レンズ23は、入射した平行光を集束し、レーザビームスポットをレーザ受光部22に入射させる。
受光部側ウェッジ型ウィンドウ24は、図2(a)で示すように、一方の面が垂直面で、他方の面が傾斜面であり、本形態では垂直面をレーザ受光部22側に向けて配置する。傾斜面は、図2(b)で示すように、垂直面に対し傾斜角θiで傾斜されるものとする。受光部側ウェッジ型ウィンドウ24は、後述するが、平行光の光軸角度を変更させる。
収容部25は、孔部25a、環状部25b、フランジ面25cを備える。内側円孔である孔部25aおよび外側円筒体である環状部25bの中心軸は一致するように形成される。この孔部25a内に入力側ウェッジ型ウィンドウ26が収容配置される。入力側ウェッジ型ウィンドウ26の光軸は、収容部25の孔部25aに固定された時に孔部25aの中心軸と略一致するようになされている。これらは図示しない位置決め機構を介して取付けたり、または、孔部25a内の取付け位置精度を高めて、孔部25a内に配置固定するようにしても良い。
また、収容部25のフランジ面25cは、図示しないねじ等の固定部により、シールの上、フランジ部43に固定されている。また、収容部25の環状部25bがケース部21の開口部に多段に形成された円状の溝部21bに嵌め込まれている。これにより、環状部25bを軸とし、また、溝部21bを軸受けとする軸支構造を形成し、フランジ部43に固定された収容部25に対してケース部21が回転移動および水平移動するようになされている。なお、軸支構造としては、ケース部21に軸となる環状部と、また、収容部25に軸受けとなる溝部と、を形成した軸支構造としても良い。図示しないが回転移動後および水平移動後により決定された適正位置で収容部25に対してケース部21を固定する固定手段を持ち、この固定手段により固定される。
入力側ウェッジ型ウィンドウ26は、図2(a)で示すように、一方の面が垂直面で、他方の面が傾斜面であり、図1で示すように、入力側ウェッジ型ウィンドウ26の垂直面が受光部側ウェッジ型ウィンドウ24の傾斜面に対向するように配置する。傾斜面は、図2(b)で示すように、垂直面に対し傾斜角θiで傾斜されるものとする。入力側ウェッジ型ウィンドウ26は、後述するが、平行光の光軸角度を変更させる。入力側ウェッジ型ウィンドウ26は、燃焼部(煙道)40側からの気体が煙やガスが流入しないように適宜シーリングがなされる。
収容部25の環状部25bがケース部21の円状開口部21aに嵌め込まれたときに、ケース部21と収容部25との中心軸が略一致し、これにより入力側ウェッジ型ウィンドウ26の光軸は、レーザ受光部22、集光レンズ23および受光部側ウェッジ型ウィンドウ24の光軸と一致するように決定される。
このようなレーザ光入力部20では、燃焼部40およびフランジ部42を通過して入力力されたレーザ光が、後述するように入力側ウェッジ型ウィンドウ26および受光部側ウェッジ型ウィンドウ24により光軸調整がなされた上で、集光レンズ23により集束光にされ、最終的にレーザ受光部22へ入射される。
レーザ光入力部20はこのように構成される。
そして、レーザ受光部22から出力された検出信号は、演算処理装置30へ入力される。演算処理装置30は、レーザ波長毎のレーザ光強度を検出して図9のような波長に依存して強度が落ち込むような検出データを取得する。また、この落ち込みパターンは、分子又は原子による測定用レーザ光の吸収に起因するものであり、測定用レーザ光の光路上の濃度で落ち込み量が変わるので、測定用レーザ光の吸収波長で特定される分子又は原子の濃度をその測定用レーザ光の落ち込み量(吸収量)で検出することとなる。検出結果は図示しない出力部(ディスプレイ・プリンタ等)により出力される。これにより雰囲気中に含まれるガスを特定する。レーザ式ガス分析計1はこのようなものである。
続いて本形態の光軸調整について図を参照しつつ説明する。まず、レーザ出力部10について説明する。図3は光軸調整の説明図であり、図3(a)標準光軸の説明図は、図3(b)は傾斜調整の説明図、図3(c)は垂直調整の説明図、図3(d)は垂直調整の説明図である。
再度の説明となるが、上記したような発光部側ウェッジ型ウィンドウ14、出力側ウェッジ型ウィンドウ16、受光部側ウェッジ型ウィンドウ24、入力側ウェッジ型ウィンドウ26(以下、四者共通の説明を行う場合は単にウェッジ型ウィンドウという。)は、図2(a),(b)に示すような形状をしており、一般的な光学部品として入手可能である。材料は、使用する波長にあわせ、例えば合成石英、BK,CaF,BaFという赤外線透過材料を採用することが可能である。例えば、煙道排ガス測定の排ガスが持つ吸収波長のうち、近赤外域の1.2〜2.2μmの波長範囲で透過率が全般的に高いBKを選択する。
次にウェッジ型ウィンドウでの屈折について説明する。一般的に光の屈折は、スネルの法則により、入射角をθ、屈折角をθ、入射側の媒質の屈折率をn、出射側の媒質の屈折率をnとしたとき数1で示される。
Figure 2007170841
図2(b)に示されるウェッジ型ウィンドウでは、角度が付いた面で屈折が発生する。
数1に従えば、出射角θは数2で示される。
Figure 2007170841
このようにウェッジ型ウィンドウの斜面の角度と屈折率差とにより光は屈折するが、ウェッジ型ウィンドウ1枚では、角度を変えることができず、光軸調整は困難となる。そこで、本発明では、ウェッジ型ウィンドウを2枚あわせ、片側を回転・水平移動させることで、屈折角度の範囲内で、光軸を調整可能としている。
通常は、図3(a)で示すように前後のウェッジ型ウィンドウ14,16の傾斜面の傾斜方向が平行となるように配置して、入射側と出射側で光軸を平行にしている。なお、実際は、屈折率が異なる境界面でそれぞれ屈折により傾斜が発生するが、図3(a)では傾斜面でのみ傾斜するとして簡略に図示している。実際の光路と異なるが、光軸調整が出来る点に重点を当てて説明する。以下、図3(a)〜図3(d)で同様に簡略に図示している。
ここで、図3(a)の状態からケース部11を180°回転移動させると、発光部側ウェッジ型ウィンドウ14の傾斜面が変化し、図3(b)で示すように光軸方向がθv下側へ傾斜する。このようにして0〜θvの範囲で光軸の角度調整が可能となる。
また、図3(a)の状態からケース部11を光軸方向で発光部側ウェッジ型ウィンドウ14が遠のくように水平移動させると、図3(c)で示すように光軸が−a平行移動する。このようにして光軸の移動調整が可能となる。
また、図3(a)の状態からケース部11を光軸方向で発光部側ウェッジ型ウィンドウ14が近づくように水平移動させると、図3(d)で示すように光軸が+a平行移動する。このようにして光軸の移動調整が可能となる。
続いて、レーザ入力部20について説明する。図4は光軸調整の説明図であり、図4(a)標準光軸の説明図は、図4(b)は傾斜調整の説明図、図4(c)は垂直調整の説明図、図4(d)は垂直調整の説明図である。
通常は、図4(a)で示すように前後のウェッジ型ウィンドウ26,24の傾斜面の傾斜方向が平行となるように配置して、入射側と出射側で光軸を平行にしている。なお、実際は、屈折率が異なる境界面でそれぞれ屈折により傾斜が発生するが、図4(a)では傾斜面でのみ傾斜するとして簡略に図示している。実際の光路と異なるが、光軸調整が出来る点に重点を当てて説明する。以下、図4(a)〜図4(d)で同様に簡略に図示している。
ここで、図4(a)の状態からケース部21を180°回転移動させると、受光部側ウェッジ型ウィンドウ24の傾斜面が変化し、図4(b)で示すように光軸方向がθv上側へ傾斜する。このようにして0〜θvの範囲で光軸の角度調整が可能となる。
また、図4(a)の状態からケース部21を光軸方向で受光部側ウェッジ型ウィンドウ24が遠のくように水平移動させると、図4(c)で示すように光軸が+a平行移動する。このようにして光軸の移動調整が可能となる。
また、図4(a)の状態からケース部11を光軸方向で受光部側ウェッジ型ウィンドウ24が近づくように水平移動させると、図4(d)で示すように光軸が−a平行移動する。このようにして光軸の移動調整が可能となる。
本形態のレーザ光出力部10、レーザ光入力部20およびレーザ式ガス分析計1はこのようなものである。
続いて他の形態について説明する。図5は光軸調整の説明図であり、図5(a)標準光軸の説明図、図5(b)は傾斜調整の説明図、図5(c)は垂直調整の説明図、図5(d)は垂直調整の説明図である。
本形態では、レーザ光出力部10において、発光部側ウェッジ型ウィンドウ14の一方の面が垂直面で、他方の面が傾斜面であり、その垂直面がレーザ発光部12側(入射側)に向けて配置されるものであり、さらに出力側ウェッジ型ウィンドウ16は、一方の面が垂直面で、他方の面が傾斜面であり、その傾斜面が発光部側ウェッジ型ウィンドウ14の傾斜面側に向けて配置されるものである。つまり、傾斜面が対向するように配置される。これ以外の構成は、図1で示した構成と同じであり、重複する説明を省略する。
通常は、図5(a)で示すように、発光部側ウェッジ型ウィンドウ14、出力側ウェッジ型ウィンドウ16の両傾斜面の傾斜方向が平行となるように配置して、入射側と出射側で光軸を平行にしている。なお、実際は、屈折率が異なる境界面で光軸の傾斜が発生するが、図5(a)では傾斜面でのみ傾斜するとして簡略に図示している。実際の光路と異なるが、光軸調整が出来る点に重点を当てて説明する。以下、図5(a)〜図5(d)で同様に簡略に図示している。
ここで、図5(a)の状態からケース部11を180°回転移動させると、図5(b)で示すように発光部側ウェッジ型ウィンドウ14の傾斜面が回転して、光軸方向がθv下側へ傾斜する。この傾斜範囲は0〜θvとなる。このようにして光軸の角度調整が可能となる。
また、図5(a)の状態からケース部11を光軸方向で発光部側ウェッジ型ウィンドウ14が遠のくように水平移動させると、図5(c)で示すように光軸が−a平行移動する。このようにして光軸の移動調整が可能となる。
また、図5(a)の状態からケース部11を光軸方向で発光部側ウェッジ型ウィンドウ14が近づくように水平移動させると、図5(d)で示すように光軸が+a平行移動する。このようにして光軸の移動調整が可能となる。
続いて他の形態について説明する。図6は光軸調整の説明図であり、図6(a)標準光軸の説明図、図6(b)は傾斜調整の説明図、図6(c)は垂直調整の説明図、図6(d)は垂直調整の説明図である。
本形態では、レーザ光入力部20において、受光部側ウェッジ型ウィンドウ24の一方の面が垂直面で、他方の面が傾斜面であり、その垂直面がレーザ受光部22側(出射側)に向けて配置されるものであり、さらに入力側ウェッジ型ウィンドウ26は、一方の面が垂直面で、他方の面が傾斜面であり、その傾斜面が受光部側ウェッジ型ウィンドウ24の傾斜面側に向けて配置されるものである。つまり、傾斜面が対向するように配置される。
通常は、図6(a)で示すように、受光部側ウェッジ型ウィンドウ24、入力側ウェッジ型ウィンドウ26の両傾斜面の傾斜方向が平行となるように配置して、入射側と出射側で光軸を平行にしている。なお、実際は、屈折率が異なる境界面で光軸の傾斜が発生するが、図6(a)では傾斜面でのみ傾斜するとして簡略に図示している。実際の光路と異なるが、光軸調整が出来る点に重点を当てて説明する。以下、図6(a)〜図6(d)で同様に簡略に図示している。
ここで、図6(a)の状態からケース部21を180°回転移動させると、図6(b)で示すように受光部側ウェッジ型ウィンドウ24の傾斜面が回転して、光軸方向がθv上側に傾斜する。この傾斜範囲は0〜θvとなる。このようにして光軸の角度調整が可能となる。
また、図6(a)の状態からケース部21を光軸方向で受光部側ウェッジ型ウィンドウ24が遠のくように水平移動させると、図6(c)で示すように光軸が+a平行移動する。このようにして光軸の移動調整が可能となる。
また、図6(a)の状態からケース部21を光軸方向で受光部側ウェッジ型ウィンドウ24が近づくように水平移動させると、図6(d)で示すように光軸が−a平行移動する。このようにして光軸の移動調整が可能となる。
本形態のレーザ光出力部10、レーザ光入力部20およびレーザ光分析計1はこのように構成することも可能である。
続いて、他の形態について説明する。図7は他の形態の説明図であり、図7(a)はレーザ光出力部の構成図、図7(b)は傾斜調整の説明図である。本形態では、先の図1で示した形態と比較すると、収容部15に対してケース部11が回転し、さらに、フランジ部42に対して収容部15が回転するようにした点が相違する。以下相違点のみ説明し、他の構成は同じ符号を付すとともに重複する説明を省略する。
フランジ部42の開口部には、ケース部11の開口部に多段に形成された円状の溝部11bが形成されている。
収容部15は、孔部15a、環状部15b、フランジ面15c、環状部15dを備える。内側円孔である孔部15aおよび外側筒体である環状部15b,15dの中心軸は一致するように形成される。環状部15dは、フランジ部42の溝部42aに嵌め込まれている。これにより、環状部15dを軸とし、また、溝部42aを軸受けとして、収容部15は、ケース部11とともに、フランジ部42に対して回転移動および水平移動するようになされている。また、先に説明したように、収容部15の環状部15bがケース部11の開口部に多段に形成された円状の溝部11bに嵌め込まれている。これにより、環状部15bを軸とし、また、溝部11bを軸受けとして、フランジ部42に固定された収容部15に対してケース部11が回転移動および水平移動するようになされている。
ベース部用固定部17は、収容部15に対してケース部11を固定する。
全体固定部18は、一体となった収容部15およびケース部11を、フランジ部42に対して固定する。
このような構成とした場合、例えば、収容部15に対してケース部11を固定して図3(b)のように調整し、さらに一体となった収容部15およびケース部11を回転して図7(b)のように調整すれば、全角度調整が可能となる。また、図3(c),(d)のように光軸の平行移動も可能であるため、調整範囲を広げることができる。
このような構成は、レーザ光入力部20において、収容部25に対してケース部21が回転し、さらに、フランジ部43に対して収容部25が回転するようにすれば良い。具体的には、図7と同様の構成であるが、フランジ部43の開口部には、円状の溝部を追加形成して、収容部25に追加構成した環状部を嵌め込めば実現できる。
以上本発明の各形態について説明した。通常レーザは非常に狭帯域の光を出射しており、屈折率が異なる面でのフレネル反射により光のノイズを発生するが、本発明のように前後二枚のウェッジ型ウィンドウを用いることで実質的にこのフレネル反射による干渉の影響を取り除くことも可能になる。
また、円周方向で固定するため、Oリングの弾力性とネジでする光軸調整ではないので、従来技術では問題となっていた振動の影響も低減可能となる。例えば、図1のように、環状部15bを溝部11bに隙間なく嵌め込めば、調整後は振動の影響を受けなくなり、光軸精度が保持される。
総じて、簡易な構成で光軸調整範囲を広げたレーザ光出力部およびレーザ光入力部を提供することが可能となる。さらにこれらのようなレーザ光出力部およびレーザ光入力部を搭載して計測精度を向上させたレーザ式ガス分析計を提供することが可能となる。
本発明を実施するための最良の形態のレーザ式ガス分析計の構造図である。 ウェッジ型ウィンドウの説明図であり、図2(a)は形状の説明図、図2(b)は傾斜角度の説明図である。 光軸調整の説明図であり、図3(a)標準光軸の説明図、図3(b)は傾斜調整の説明図、図3(c)は垂直調整の説明図、図3(d)は垂直調整の説明図である。 光軸調整の説明図であり、図4(a)標準光軸の説明図、図4(b)は傾斜調整の説明図、図4(c)は垂直調整の説明図、図4(d)は垂直調整の説明図である。 光軸調整の説明図であり、図5(a)標準光軸の説明図、図5(b)は傾斜調整の説明図、図5(c)は垂直調整の説明図、図5(d)は垂直調整の説明図である。 光軸調整の説明図であり、図6(a)標準光軸の説明図、図6(b)は傾斜調整の説明図、図6(c)は垂直調整の説明図、図6(d)は垂直調整の説明図である。 他の形態の説明図であり、図7(a)はレーザ光出力部の構成図、図7(b)は傾斜調整の説明図である。 従来技術のレーザ計測システムのシステム構成図である。 レーザ光強度−レーザ光波長特性図である。 従来技術のレーザ計測装置の調整機構の構成図である。
符号の説明
1:レーザ式ガス分析計
10:レーザ光出力部
11:ケース部
11a:穴部
11b:溝部
12:レーザ発光部
13:コリメートレンズ
14:発光部側ウェッジ型ウィンドウ
15:収容部
15a:孔部
15b:環状部
15c:フランジ面
15d:環状部
16:出力側ウェッジ型ウィンドウ
17:ベース部用固定部
18:全体固定部
20:レーザ光入力部
21:ケース部
21a:穴部
21b:溝部
22:レーザ受光部
23:集光レンズ
24:受光部側ウェッジ型ウィンドウ
25:収容部
25a:孔部
25b:環状部
25c:フランジ面
26:入力側ウェッジ型ウィンドウ
30:演算処理装置
40:燃焼部(煙道)
41:炉壁
42,43:フランジ部

Claims (9)

  1. レーザ発光部と、
    一方の面が垂直面で、他方の面が傾斜面であり、その垂直面がレーザ発光部側に向けて配置される発光部側ウェッジ型ウィンドウと、
    一方の面が垂直面で、他方の面が傾斜面であり、その垂直面が発光部側ウェッジ型ウィンドウの傾斜面側に向けて配置される出力側ウェッジ型ウィンドウと、
    を備えるレーザ光出力部であって、
    発光部側ウェッジ型ウィンドウおよび/または出力側ウェッジ型ウィンドウを、その光軸と略一致する中心軸を基に相対的に回転移動および/または水平移動させることにより、光軸を調整することを特徴とするレーザ光出力部。
  2. レーザ発光部と、
    一方の面が垂直面で、他方の面が傾斜面であり、その垂直面がレーザ発光部側に向けて配置される発光部側ウェッジ型ウィンドウと、
    一方の面が垂直面で、他方の面が傾斜面であり、その傾斜面が発光部側ウェッジ型ウィンドウの傾斜面側に向けて配置される出力側ウェッジ型ウィンドウと、
    を備えるレーザ光出力部であって、
    発光部側ウェッジ型ウィンドウおよび/または出力側ウェッジ型ウィンドウを、その光軸と略一致する中心軸を基に相対的に回転移動および/または水平移動させることにより、光軸を調整することを特徴とするレーザ光出力部。
  3. 請求項1または請求項2に記載のレーザ光出力部において、
    レーザ発光部および発光部側ウェッジ型ウィンドウが収容配置されるケース部と、
    レーザ発光部および発光部側ウェッジ型ウィンドウの光軸と略一致するような中心軸によりケース部に対して回転移動および水平移動するようになされ、レーザ発光部および発光部側ウェッジ型ウィンドウの光軸上に出射側ウェッジ型ウィンドウが収容配置される収容部と、
    を備え、
    ケース部と収容部とを、中心軸を基に相対的に回転移動および/または平行移動させて、光軸を調整することを特徴とするレーザ光出力部。
  4. レーザ受光部と、
    一方の面が垂直面で、他方の面が傾斜面であり、その垂直面がレーザ受光部側に向けて配置される受光部側ウェッジ型ウィンドウと、
    一方の面が垂直面で、他方の面が傾斜面であり、その垂直面が受光部側ウェッジ型ウィンドウの傾斜面側に向けて配置される入力側ウェッジ型ウィンドウと、
    を備えるレーザ光入力部であって、
    受光部側ウェッジ型ウィンドウおよび/または入力側ウェッジ型ウィンドウを、その光軸と略一致する中心軸を基に相対的に回転移動および/または水平移動させることにより、光軸を調整することを特徴とするレーザ光入力部。
  5. レーザ受光部と、
    一方の面が垂直面で、他方の面が傾斜面であり、その垂直面がレーザ受光部側に向けて配置される受光部側ウェッジ型ウィンドウと、
    一方の面が垂直面で、他方の面が傾斜面であり、その傾斜面が受光部側ウェッジ型ウィンドウの傾斜面側に向けて配置される入力側ウェッジ型ウィンドウと、
    を備えるレーザ光入力部であって、
    受光部側ウェッジ型ウィンドウおよび/または入力側ウェッジ型ウィンドウを、その光軸と略一致する中心軸を基に相対的に回転移動および/または水平移動させることにより、光軸を調整することを特徴とするレーザ光入力部。
  6. 請求項4または請求項5に記載のレーザ光入力部において、
    レーザ受光部および受光部側ウェッジ型ウィンドウが収容配置されるケース部と、
    レーザ受光部および受光部側ウェッジ型ウィンドウの光軸と略一致するような中心軸によりケース部に対して回転移動および水平移動するようになされ、レーザ受光部および受光部側ウェッジ型ウィンドウの光軸上に入力側ウェッジ型ウィンドウが収容配置される収容部と、
    を備え、
    ケース部と収容部とを、中心軸を基に相対的に回転移動および/または平行移動させて、光軸を調整することを特徴とするレーザ光入力部。
  7. 測定ガス中にレーザ光を照射し、そのレーザ光の光吸収による光量変化からガス濃度を測定するレーザ式ガス分析計において、
    測定対象となるガスが光吸収するような波長のレーザ光を測定ガス中に照射する請求項1,請求項2または請求項3に記載のレーザ光出力部と、
    光吸収されたレーザ光を受光して検出信号を出力するレーザ光入力手段と、
    レーザ光入力手段からの検出信号を処理してガスを特定する演算処理装置と、
    を備えることを特徴とするレーザ式ガス分析計。
  8. 請求項7に記載のレーザ式ガス分析計において、
    前記レーザ光入力手段は、請求項4,請求項5または請求項6に記載のレーザ光入力部であることを特徴とするレーザ式ガス分析計。
  9. 請求項8の何れか一項に記載のレーザ式ガス分析計において、
    前記4種のウェッジ型ウィンドウは、ガス成分が吸収する光の波長が含まれる赤外線を透過する合成石英、BK,CaF,またはBaFという赤外線透過材料により形成されたウィンドウであることを特徴とするレーザ式ガス分析計。
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