JP2009250728A - Gas concentration measuring instrument - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、一酸化炭素や二酸化炭素のように赤外線を吸収する特性を持つガスの濃度を測定するガス濃度測定装置に関するものである。 The present invention relates to a gas concentration measuring apparatus that measures the concentration of a gas having a characteristic of absorbing infrared rays, such as carbon monoxide and carbon dioxide.
一酸化炭素や二酸化炭素などの気体(ガス)は、図10に示すように特定の波長(吸収波長)の光(主に赤外線)を吸収する性質を有しており、かかる性質を利用してガスの濃度を測定するガス濃度測定装置が提供されている(例えば、特許文献1参照)。従来のガス濃度測定装置としては、図9に示すようなものがある。 A gas (gas) such as carbon monoxide or carbon dioxide has a property of absorbing light (mainly infrared rays) having a specific wavelength (absorption wavelength) as shown in FIG. A gas concentration measuring device that measures the concentration of gas is provided (see, for example, Patent Document 1). A conventional gas concentration measuring apparatus is shown in FIG.
この従来装置は、測定ガスが導入される容器(ガスセル)20と、赤外線を放射する赤外線光源(例えば、半導体レーザ)21と、赤外線光源21から放射される赤外線を集光して容器20の一端側より入射させるレンズ22と、容器20を通過した赤外線から測定ガスの吸収波長に一致する波長の赤外線のみを選択的に通過させる光学フィルタ23と、光学フィルタ23を通過した吸収波長の赤外線を集光するレンズ24と、レンズ24で集光された吸収波長の赤外線の強度を検出する赤外線検出器(サーモパイルや焦電素子など)25とを備えている。例えば、測定ガスを一酸化炭素とする場合、一酸化炭素を含む気体が導入された容器20に赤外線を入射すると、一酸化炭素の吸収波長(=4.7μm)の赤外線が容器20内の測定ガス(一酸化炭素)によって吸収されるから、光学フィルタ23を通過した赤外線の強度を赤外線検出器25によって検出することで容器20内の測定ガス(一酸化炭素)の濃度を測定することができる。尚、光学フィルタ23は、図11に示すように測定ガスの吸収波長(図示例では一酸化炭素の吸収波長である4.7μm)のみを通過させるバンドパスフィルタからなる。
This conventional apparatus includes a container (gas cell) 20 into which a measurement gas is introduced, an infrared light source (for example, a semiconductor laser) 21 that emits infrared light, and one end of the
また、図9に示す従来装置では、赤外線光源21の発光強度が変化した場合や、測定ガスと吸収帯(吸収波長領域)が部分的に重なる雑ガスが容器20内に混入した場合に、測定ガスの濃度を正確に測定できなくなる虞がある。そこで、測定ガスの吸収波長と異なる波長の赤外線(参照光)を容器20に入射させ、容器20を通過した参照光の強度と、測定ガスの吸収波長の赤外線の強度との差分を求めることで赤外線光源21の発光強度の変化や雑ガスの影響による測定誤差を補正するものも提案されている。
Further, in the conventional apparatus shown in FIG. 9, measurement is performed when the emission intensity of the
例えば、図12に示す従来装置は、赤外線光源21、レンズ22,24、光学フィルタ23、赤外線検出器25をそれぞれ2つずつ備え、一方の光学フィルタ23Aを通過した測定ガスの吸収波長(例えば、4.7μm)の赤外線の強度を赤外線検出器25Aで検出し、他方の光学フィルタ23Bを通過した測定ガスと異なる吸収波長(例えば、4.0μm)の赤外線の強度を赤外線検出器25Bで検出し、2つの赤外線検出器25A,25Bで検出される赤外線強度の差分を求めて測定誤差を補正するものである。
ところで、上述のような赤外線吸収方式のガス濃度測定装置では、測定ガスの吸収波長のみを選択的に通過させる光学フィルタ23のフィルタ特性が測定精度に大きく影響することになる。すなわち、光学フィルタ23の通過域(バンド幅)が狭いほど(狭帯域であるほど)、測定ガス以外の雑ガスの影響が少なくなるために高精度の測定が可能になる。しかしながら、この種の光学フィルタ23は、通常、母材の表面に蒸着やスパッタリングによって多数(50層〜200層程度)の薄膜をコーティングして形成されているため、薄膜の張力で母材が変形あるいは破壊されたり、薄膜の密着性を確保することが困難であったり、製造コストが高くなるといった問題があった。しかも、蒸着によるコーティングでは膜厚の管理が非常に難しいため、通過域の中心波長を所望の波長(測定ガスの吸収波長)に一致させることが困難であって光学フィルタの歩留まりが悪く、製造コストが高くなってしまう。また、薄膜材料には赤外線を透過する材料を用いなければならないが、コーティング可能な薄膜材料の種類が限られており(例えば、SiO2,ZnO,Geなど)、それらを使用することで製造コストが高くなってしまう。
By the way, in the infrared concentration gas concentration measuring apparatus as described above, the filter characteristics of the
本発明は上記事情に鑑みて為されたものであり、その目的は、製造コストを抑えつつ測定精度の向上が図れるガス濃度測定装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a gas concentration measuring apparatus capable of improving measurement accuracy while suppressing manufacturing cost.
請求項1の発明は、上記目的を達成するために、測定ガスが導入される容器と、測定ガスによって吸収される第1の波長と第1の波長以外の波長とを含む赤外線を放射する赤外線光源と、赤外線光源が放射する赤外線から第1の波長の赤外線のみを選択的に反射して容器に入射させる第1の波長フィルタと、容器を通過した第1の波長の赤外線の強度を検出する第1の赤外線検出器とを備え、第1の波長フィルタは、基板の入射面側に屈折率の異なる部位が格子状に形成されているサブ波長光学素子からなることを特徴とする。
In order to achieve the above object, the invention according to
請求項1の発明によれば、第1の波長フィルタが、基板の入射面側に屈折率の異なる部位が格子状に形成されているサブ波長光学素子からなるので、薄膜を多層にコーティングしてなる波長フィルタと比較して、製造コストを抑えながらも狭帯域のフィルタ特性を実現することができる。その結果、製造コストを抑えつつ測定精度の向上が図れる。 According to the first aspect of the present invention, the first wavelength filter includes the sub-wavelength optical element in which the portions having different refractive indexes are formed in a lattice pattern on the incident surface side of the substrate. Compared to the wavelength filter, a narrow band filter characteristic can be realized while suppressing the manufacturing cost. As a result, the measurement accuracy can be improved while suppressing the manufacturing cost.
請求項2の発明は、上記目的を達成するために、測定ガスが導入される容器と、測定ガスによって吸収される第1の波長と第1の波長以外の波長とを含む赤外線を放射する赤外線光源と、赤外線光源が放射し且つ容器を通過した赤外線から第1の波長の赤外線のみを選択的に反射する第1の波長フィルタと、第1の波長フィルタで反射された第1の波長の赤外線の強度を検出する第1の赤外線検出器とを備え、第1の波長フィルタは、基板の入射面側に屈折率の異なる部位が格子状に形成されているサブ波長光学素子からなることを特徴とする。 In order to achieve the above object, the invention according to claim 2 radiates infrared rays including a container into which a measurement gas is introduced, a first wavelength absorbed by the measurement gas, and a wavelength other than the first wavelength. A light source, a first wavelength filter that selectively reflects only infrared light of a first wavelength from infrared light emitted from an infrared light source and passed through a container; and infrared light of a first wavelength reflected by the first wavelength filter A first infrared detector for detecting the intensity of the first wavelength filter, wherein the first wavelength filter includes a sub-wavelength optical element in which portions having different refractive indexes are formed in a lattice pattern on the incident surface side of the substrate. And
請求項2の発明によれば、第1の波長フィルタが、基板の入射面側に屈折率の異なる部位が格子状に形成されているサブ波長光学素子からなるので、薄膜を多層にコーティングしてなる波長フィルタと比較して、製造コストを抑えながらも狭帯域のフィルタ特性を実現することができる。その結果、製造コストを抑えつつ測定精度の向上が図れる。
According to the invention of
請求項3の発明は、請求項1の発明において、赤外線光源が放射する赤外線から第1の波長と異なり且つ測定ガスによって吸収されない第2の波長の赤外線のみを選択的に反射して容器に入射させる第2の波長フィルタと、容器を通過した第2の波長の赤外線の強度を検出する第2の赤外線検出器とを備え、第2の波長フィルタは、基板の入射面側に屈折率の異なる部位が格子状に形成されているサブ波長光学素子からなることを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, only infrared light having a second wavelength different from the first wavelength and not absorbed by the measurement gas is selectively reflected from the infrared light emitted from the infrared light source and incident on the container. And a second infrared detector that detects the intensity of the infrared light having the second wavelength that has passed through the container. The second wavelength filter has a different refractive index on the incident surface side of the substrate. It is characterized by comprising sub-wavelength optical elements whose parts are formed in a lattice shape.
請求項3の発明によれば、第1の赤外線検出器で検出する赤外線強度と第2の赤外線検出器で検出する赤外線強度との差分を取るなどして、赤外線光源から放射される赤外線の強度変動や測定ガス以外の雑ガスによる影響を抑えて測定精度の向上が図れる。
According to invention of
請求項4の発明は、請求項2の発明において、赤外線光源が放射し且つ容器を通過した赤外線から第1の波長と異なり且つ測定ガスによって吸収されない第2の波長の赤外線のみを選択的に反射する第2の波長フィルタと、第2の波長フィルタで反射された第2の波長の赤外線の強度を検出する第2の赤外線検出器とを備え、第2の波長フィルタは、基板の入射面側に屈折率の異なる部位が格子状に形成されているサブ波長光学素子からなることを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, in the second aspect of the invention, only the second wavelength infrared light that is different from the first wavelength and is not absorbed by the measurement gas is selectively reflected from the infrared light emitted from the infrared light source and passed through the container. And a second infrared detector for detecting the intensity of the infrared of the second wavelength reflected by the second wavelength filter, wherein the second wavelength filter is on the incident surface side of the substrate And a sub-wavelength optical element in which portions having different refractive indexes are formed in a lattice shape.
請求項4の発明によれば、第1の赤外線検出器で検出する赤外線強度と第2の赤外線検出器で検出する赤外線強度との差分を取るなどして、赤外線光源から放射される赤外線の強度変動や測定ガス以外の雑ガスによる影響を抑えて測定精度の向上が図れる。
According to invention of
請求項5の発明は、請求項1〜4の何れか1項の発明において、第1及び第2の波長フィルタは、屈折率の異なる格子状の部位が一次元周期のサブ波長格子を形成する共振モード格子フィルタからなることを特徴とする。
The invention of
請求項6の発明は、請求項1〜4の何れか1項の発明において、第1及び第2の波長フィルタは、屈折率の異なる格子状の部位が二次元周期のサブ波長格子を形成する共振モード格子フィルタからなることを特徴とする。
The invention of
請求項7の発明は、上記目的を達成するために、測定ガスが導入される容器と、測定ガスによって吸収される第1の波長と第1の波長と異なり且つ測定ガスによって吸収されない第2の波長とを含む赤外線を放射する赤外線光源と、赤外線光源が放射する赤外線から第1の波長及び第2の波長の赤外線のみを互いの向きが直交する直線偏光に変換して選択的に反射する第3の波長フィルタと、第3の波長フィルタで反射された後に容器を通過した第1の波長の赤外線のみを通過させる第1の偏光フィルタと、第3の波長フィルタで反射された後に容器を通過した第2の波長の赤外線のみを通過させる第2の偏光フィルタと、第1の偏光フィルタを通過した第1の波長の赤外線の強度を検出する第1の赤外線検出器と、第2の偏光フィルタを通過した第2の波長の赤外線の強度を検出する第2の赤外線検出器とを備え、第3の波長フィルタは、基板の入射面側に屈折率の異なる部位が格子状に形成されているサブ波長光学素子からなることを特徴とする。 In order to achieve the above object, a seventh aspect of the present invention provides a container into which a measurement gas is introduced, a first wavelength that is absorbed by the measurement gas, and a second wavelength that is different from the first wavelength and is not absorbed by the measurement gas. An infrared light source that emits infrared light including a wavelength, and a first light that selectively emits infrared light having a first wavelength and a second wavelength from the infrared light emitted from the infrared light source to linearly polarized light whose directions are orthogonal to each other. 3 wavelength filter, a first polarizing filter that passes only the first wavelength infrared light reflected by the third wavelength filter and then passed through the container, and passes through the container after being reflected by the third wavelength filter A second polarizing filter that passes only the infrared light having the second wavelength, a first infrared detector that detects the intensity of the infrared light having the first wavelength that has passed through the first polarizing filter, and a second polarizing filter Through And a second wavelength detector that detects the intensity of the infrared light having the second wavelength, and the third wavelength filter has a sub-wavelength in which portions having different refractive indexes are formed in a lattice pattern on the incident surface side of the substrate It comprises an optical element.
請求項7の発明によれば、第3の波長フィルタが、基板の入射面側に屈折率の異なる部位が格子状に形成されているサブ波長光学素子からなるので、薄膜を多層にコーティングしてなる波長フィルタと比較して、製造コストを抑えながらも狭帯域のフィルタ特性を実現することができ、その結果、製造コストを抑えつつ測定精度の向上が図れる。また、第1の赤外線検出器で検出する赤外線強度と第2の赤外線検出器で検出する赤外線強度との差分を取るなどして、赤外線光源から放射される赤外線の強度変動や測定ガス以外の雑ガスによる影響を抑えて測定精度の向上が図れ、しかも、請求項3の発明と比較して波長フィルタの数を減らすことができるから安価であり、さらに、第1及び第2の波長の赤外線が同一の光路を通ることから測定精度の向上が図れる。
According to the invention of
請求項8の発明は、上記目的を達成するために、測定ガスが導入される容器と、測定ガスによって吸収される第1の波長と第1の波長と異なり且つ測定ガスによって吸収されない第2の波長とを含む赤外線を放射する赤外線光源と、赤外線光源が放射する赤外線から第1の波長及び第2の波長の赤外線のみを互いの向きが直交する直線偏光に変換して選択的に反射する第3の波長フィルタと、第3の波長フィルタで反射された後に容器を通過した第1の波長の赤外線と第2の波長の赤外線とを分離する偏光ビームスプリッタと、偏光ビームスプリッタで分離された第1の波長の赤外線の強度を検出する第1の赤外線検出器と、偏光ビームスプリッタで分離された第2の波長の赤外線の強度を検出する第2の赤外線検出器とを備え、第3の波長フィルタは、基板の入射面側に屈折率の異なる部位が格子状に形成されているサブ波長光学素子からなることを特徴とする。
In order to achieve the above object, the invention according to
請求項8の発明によれば、第3の波長フィルタが、基板の入射面側に屈折率の異なる部位が格子状に形成されているサブ波長光学素子からなるので、薄膜を多層にコーティングしてなる波長フィルタと比較して、製造コストを抑えながらも狭帯域のフィルタ特性を実現することができ、その結果、製造コストを抑えつつ測定精度の向上が図れる。また、第1の赤外線検出器で検出する赤外線強度と第2の赤外線検出器で検出する赤外線強度との差分を取るなどして、赤外線光源から放射される赤外線の強度変動や測定ガス以外の雑ガスによる影響を抑えて測定精度の向上が図れ、しかも、請求項7の発明と比較して2つの偏光フィルタの代わりに1つの偏光ビームスプリッタを用いているから安価であり、さらに、第1及び第2の波長の赤外線が同一の光路を通ることから測定精度の向上が図れる。
According to the invention of
本発明によれば、製造コストを抑えつつ測定精度の向上が図れる。 According to the present invention, it is possible to improve measurement accuracy while suppressing manufacturing costs.
以下、二酸化炭素を測定ガスとするガス濃度測定装置に本発明の技術思想を適用した実施形態について説明する。但し、測定ガスは二酸化炭素に限定されるものではなく、吸収帯が赤外線の波長領域に重なるガス、例えば、図10に示すように一酸化炭素や酸化窒素、硫化窒素などであっても構わない。 Hereinafter, an embodiment in which the technical idea of the present invention is applied to a gas concentration measurement apparatus using carbon dioxide as a measurement gas will be described. However, the measurement gas is not limited to carbon dioxide, and may be a gas whose absorption band overlaps with the infrared wavelength region, for example, carbon monoxide, nitrogen oxide, or nitrogen sulfide as shown in FIG. .
(実施形態1)
本実施形態は、図1に示すように測定ガス(二酸化炭素)が導入される容器(ガスセル)1と、測定ガスによって吸収される第1の波長λ1(=4.3〜4.4μm)と第1の波長λ1以外の波長とを含む赤外線を放射する赤外線光源2と、赤外線光源2が放射する赤外線を集光するレンズ3と、レンズ3で集光された赤外線から第1の波長λ1の赤外線のみを選択的に反射して容器1に入射させる第1の波長フィルタ4と、容器1を通過した第1の波長λ1の赤外線を集光するレンズ5と、レンズ5で集光された第1の波長λ1の赤外線の強度を検出する第1の赤外線検出器6と、第1の波長フィルタ4を透過した第1の波長以外の赤外線を吸収する赤外線吸収体7とを備えている。赤外線光源2は、フィラメントを有する電球や、いわゆるMEMS技術によって形成された微少な発熱体を有する光源、あるいは半導体レーザなどからなる。また第1の赤外線検出器6は、サーモパイルや焦電素子などの熱型の検出素子の他、InSbやPbSeなどの量子型の検出素子、あるいは熱音響型の検出素子などで構成される。赤外線吸収体7は、第1の波長フィルタ4で反射されなかった赤外線が迷光となってノイズの原因となることを防ぐためのものであって、筒型の光トラップや赤外線吸収膜などで構成される。
(Embodiment 1)
In the present embodiment, as shown in FIG. 1, a container (gas cell) 1 into which a measurement gas (carbon dioxide) is introduced, a first wavelength λ1 (= 4.3 to 4.4 μm) absorbed by the measurement gas, and An infrared
第1の波長フィルタ4は、図2(a)に示すように図示しないシリコン基板上にSiO2の薄膜(膜厚:2〜3mm)4aが成膜され、当該SiO2膜4aの上に互いに屈折率が異なる2種類の格子4b,4cが一定のピッチで並ぶように形成されたサブ波長光学素子(回折格子)からなる。一方の格子4bは、CVD(化学気相成長法)によって成膜されたシリコン窒化膜をエッチングすることで形成され、他方の格子4cは、ゾルゲル法又はCVDによって格子4bの間にシリコン酸化膜を成膜することで形成される。但し、格子4b,4cの表面(入射面)は、エッチバック若しくは研磨によって所望の厚み(例えば、1.072μm)にされるとともに平滑化される。ここで、SiO2膜4aの屈折率が1.52、格子4bの屈折率が2.0、格子4cの屈折率が2.1であるから、格子4b,4cのピッチを2.512μmに設定すれば、図2(b)に示すように二酸化炭素の吸収波長である4.4μmの赤外線をS偏光に変換して反射するサブ波長光学素子を形成することができる。但し、このサブ波長光学素子では、図2(b)に示すように4.0μmの赤外線もP偏光に変換して反射しているので、偏光フィルタを用いてP偏光を遮蔽(吸収)させることが望ましい。
As shown in FIG. 2A, the
而して、赤外線光源2から放射される赤外線がレンズ2で集光されて第1の波長フィルタ4の入射面に入射すると、測定ガス(二酸化炭素)の吸収帯に含まれる第1の波長λ1の赤外線(S偏光)のみが反射されて容器1を通過し、容器1内で測定ガスに吸収されずに通過した第1の波長λ1の赤外線が第1の赤外線検出器6に入射するから、第1の赤外線検出器6の出力に基づいて容器1内の測定ガス(二酸化炭素)の濃度を測定することができる。
Thus, when the infrared light emitted from the infrared
ここで、第1の波長フィルタ4をサブ波長光学素子で構成していることで、以下のような利点がある。つまり、従来例のように母材の表面に蒸着やスパッタリングによって多数(50層〜200層程度)の薄膜をコーティングして形成される光学フィルタ23に比較して反射域(バンド幅)を狭くすることが可能である。また、材料として赤外線を透過するシリコン基板が使用できるためにゲルマニウムなどに比べて材料費が安価である。さらに、通常の半導体プロセスを利用して格子4b,4cを高い精度で形成できるため、反射域の中心波長を所望の波長(測定ガスの吸収波長)に一致させることが容易となって歩留まりがよく、製造コストを下げることができる。
Here, since the
尚、第1の波長フィルタ4で反射された第1の波長λ1の赤外線を容器1に入射させる代わりに、図3に示すように容器1を通過した赤外線から第1の波長λ1の赤外線のみを第1の波長フィルタ4で反射させて第1の赤外線検出器6に入射させる構成としても構わない。図1の構成では、容器1の前段に第1の波長フィルタ4を配置することで容器1内に不要な赤外線が入射しないため、例えば、容器1内に混在している測定ガス以外のガスが第1の波長λ1以外の波長の赤外線を吸収して容器1内の温度が上昇することがない。また、サブ波長光学素子からなる第1の波長フィルタ4は入射面に対する赤外線の入射角度に対する波長依存性が大きいため、僅かな角度の違いで反射する波長が大きく変化してしまうが、図3の構成では、図1の構成と比較して第1の波長フィルタ4から第1の赤外線検出器6までの光路長が短いので、第1の波長フィルタ4の角度を変化させたときに第1の赤外線検出器6に入射する赤外線の移動量が少なくなり、その結果、角度調整が容易になるという利点がある。
Instead of causing the infrared ray having the first wavelength λ1 reflected by the
ところで、第1の波長フィルタ4を構成するサブ波長光学素子としては、図4(a)に示す1次元の共振モード格子30や、図4(b)に示す2次元の共振モード格子40であっても構わない。1次元の共振モード格子30は、基板(サブストレート)31上に導波層32が形成されるとともに、導波層32上にサブ波長の回折格子33が形成されている。回折格子33の周期は、屈折率の高い導波層32に対しては回折波が発生する程度に長く、基板31や入射空間には回折波が発生しない程度に短く設定される。回折格子33で回折された光(赤外線)が導波層32の伝搬条件を満たしている場合、光波は一旦導波層32内に入り、少しの距離を伝搬した後、回折格子33の影響によって再び外部に放射される。このとき、基板30側に放射される光は、直接透過する光波に対して位相が反転しており、互いに打ち消し合って透過光の強度はほぼゼロになる。一方、回折格子33上部の入射空間側に放射される光波は、直接反射された光波と同位相になるために強め合う(これを「共鳴反射」と呼ぶ。)。また、回折波が導波層32の伝搬条件を満たさない場合は、導波層32に光が入らないので薄膜の透過光と同じになる。共鳴反射が生じる条件は狭く、狭帯域の波長フィルタが容易に実現できる。
By the way, the sub-wavelength optical elements constituting the
図4(b)に示す2次元の共振モード格子40は特開2000−275415号公報に記載されているものであって、基板41と、基板41上に形成された導波層42と、導波層42上に形成された格子層43とで構成される。格子層43には、矩形の凹部44が等ピッチで格子状に配設されており、凹部44、例えば空気と、凹部44以外の部分の低屈折率の媒質とから格子層43が構成され、高屈折率の導波層42が導波路となる。格子層43に入射する光は、格子層43によって共振を起こし、特定波長の反射光のみが反射される。さらに、この共振モード格子40においては、入射光が格子層43表面の法線方向に対して斜め方向から入射した場合の偏光依存性を無くすことができるので、図2に示したサブ波長光学素子のようにP偏光とS偏光の2種類の反射光が発生せず、不要な反射光を除去するために偏光フィルタを用いて不要な反射光(偏光)を除去する必要がない。
A two-dimensional resonance mode grating 40 shown in FIG. 4B is described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-275415, and includes a
(実施形態2)
本実施形態は、図5に示すように赤外線光源2が放射する赤外線から第1の波長λ1と異なり且つ測定ガスによって吸収されない第2の波長λ2の赤外線のみを選択的に反射して容器1に入射させる第2の波長フィルタ8と、容器1を通過した第2の波長λ2の赤外線を集光するレンズ9と、レンズ9で集光された第2の波長λ2の赤外線の強度を検出する第2の赤外線検出器10とを備えている点に特徴がある。但し、かかる特徴点を除く本実施形態の基本構成は実施形態1と共通であるから、共通の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。
(Embodiment 2)
In the present embodiment, as shown in FIG. 5, only the infrared ray having the second wavelength λ2 which is different from the first wavelength λ1 and is not absorbed by the measurement gas from the infrared ray emitted from the infrared
従来技術で説明したように、赤外線光源2の発光強度が変化した場合や、測定ガスと吸収帯(吸収波長領域)が部分的に重なる雑ガスが容器1内に混入した場合に、測定ガスの濃度を正確に測定できなくなる虞があることに鑑み、本実施形態では、測定ガスの吸収波長λ1と異なる波長λ2の赤外線(参照光)を容器1に入射させ、容器1を通過した参照光(第2の波長λ2の赤外線)の強度と、測定ガスの吸収波長(第1の波長λ1)の赤外線の強度との差分を求めることで赤外線光源2の発光強度の変化や雑ガスの影響による測定誤差を補正できるようにしている。
As described in the prior art, when the emission intensity of the infrared
すなわち、第1の波長フィルタ4を透過した赤外線を第2の波長フィルタ8の反射面に入射すれば、第2の波長フィルタ8の反射面において第2の波長λ2(例えば、λ2=4.0μm)の赤外線(参照光)のみを選択的に反射させて容器1に入射させることができる。例えば、測定ガスが二酸化炭素であれば、第1の波長λ1=4.4μm、第2の波長λ2=4.0μmとし、測定ガスが一酸化炭素であれば、第1の波長λ1=4.7μm、第2の波長λ2=4.0μmとすればよい。尚、第2の波長フィルタ8には第1の波長フィルタ4と共通の構成を有するサブ波長光学素子を用いる。
That is, if the infrared light transmitted through the
而して本実施形態によれば、測定ガスの吸収波長(第1の波長λ1)と異なる波長(第2の波長λ2)の赤外線(参照光)を容器1に入射させ、容器1を通過した参照光の強度と、測定ガスの吸収波長(第1の波長λ1)の赤外線の強度との差分を求めることで赤外線光源2の発光強度の変化や雑ガスの影響による測定誤差を補正することにより測定精度を向上することができる。しかも、第2の波長λ2のみを選択的に反射する第2の波長フィルタ8をサブ波長光学素子で構成しているので、従来例のように母材の表面に蒸着やスパッタリングによって多数(50層〜200層程度)の薄膜をコーティングして形成される光学フィルタ23に比較して反射域(バンド幅)を狭くすることが可能である。また、材料として赤外線を透過するシリコン基板が使用できるためにゲルマニウムなどに比べて材料費が安価であり、さらに、通常の半導体プロセスを利用して格子4b,4cを高い精度で形成できるため、反射域の中心波長を所望の波長(測定ガスの吸収波長)に一致させることが容易とな歩留まりがよく、製造コストを下げることができるという利点がある。
Thus, according to the present embodiment, infrared light (reference light) having a wavelength (second wavelength λ2) different from the absorption wavelength (first wavelength λ1) of the measurement gas is incident on the
尚、第1及び第2の波長フィルタ4,8で反射された第1及び第2の波長λ1,λ2の赤外線を容器1に入射させる代わりに、図6に示すように容器1を通過した赤外線から第1の波長λ1の赤外線のみを第1の波長フィルタ4で反射させて第1の赤外線検出器6に入射させるとともに、第1の波長フィルタ4を透過した赤外線から第2の波長λ2の赤外線のみを第2の波長フィルタ8で反射させて第2の赤外線検出器10に入射させる構成としても構わない。図5の構成では、容器1の前段に第1及び第2の波長フィルタ4,8を配置することで容器1内に第1及び第2の波長λ1,λ2の赤外線以外の不要な赤外線が入射しないため、例えば、容器1内に混在している測定ガス以外のガスが第1及び第2の波長λ1,λ2以外の波長の赤外線を吸収して容器1内の温度が上昇することがない。また、サブ波長光学素子からなる第1及び第2の波長フィルタ4,8は入射面に対する赤外線の入射角度に対する波長依存性が大きいため、僅かな角度の違いで反射する波長が大きく変化してしまうが、図6の構成では、図5の構成と比較して第1及び第2の波長フィルタ4,8から第1及び第2の赤外線検出器6,10までの光路長がそれぞれ短いので、第1及び第2の波長フィルタ4,8の角度を変化させたときに第1及び第2の赤外線検出器6,10に入射する赤外線の移動量が少なくなり、その結果、角度調整が容易になるという利点がある。さらに、図5の構成では第1の波長λ1の赤外線と第2の波長λ2の赤外線を容器1に対して平行に入射及び通過させているのに対し、図6の構成では容器1に対して第1及び第2の波長λ1,λ2を含む赤外線を入射及び通過させているため、相対的に容器1の寸法を小さくできるという利点もある。
Instead of causing the infrared rays having the first and second wavelengths λ1 and λ2 reflected by the first and
(実施形態3)
本実施形態の基本構成は実施形態2と共通であるから、共通の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。本実施形態は、図7に示すように赤外線光源2が放射する赤外線から第1の波長λ1及び第2の波長λ2の赤外線のみを互いの向きが直交する直線偏光に変換して選択的に反射する第3の波長フィルタ13と、第3の波長フィルタ13で反射された後に容器1を通過した第1の波長λ1の赤外線のみを通過させる第1の偏光フィルタ11と、第3の波長フィルタ13で反射された後に容器1を通過した第2の波長λ2の赤外線のみを通過させる第2の偏光フィルタ12とを備えた点に特徴がある。
(Embodiment 3)
Since the basic configuration of the present embodiment is the same as that of the second embodiment, the same components are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted. In the present embodiment, as shown in FIG. 7, only infrared rays having the first wavelength λ1 and the second wavelength λ2 are converted from the infrared rays emitted from the infrared
第3の波長フィルタ13は、実施形態1で説明したサブ波長光学素子(図2(a)参照)からなり、第1の波長λ1(=4.4μm)の赤外線をS偏光に変換して反射するとともに、第2の波長λ2(=4.0μm)の赤外線もP偏光に変換して反射している(図2(b)参照)。また、第1及び第2の偏光フィルタ11,12は、従来周知のワイヤグリッド偏光板やサブ波長光学素子(回折格子)などで構成される。
The
すなわち、第3の波長フィルタ13で反射された第1及び第2の波長λ1,λ2の赤外線(S偏光及びP偏光)を容器1に入射し、容器1を通過した第1の波長λ1の赤外線(S偏光)と第2の波長λ2の赤外線(P偏光)を第1及び第2の偏光フィルタ11,12によって弁別するとともに、弁別した第1及び第2の波長λ1,λ2の赤外線の強度を第1の赤外線検出器6と第2の赤外線検出器10とで各別に検出することができる。
That is, infrared rays of the first and
而して本実施形態によれば、実施形態2と同様に、測定ガスの吸収波長(第1の波長λ1)と異なる波長(第2の波長λ2)の赤外線(参照光)を容器1に入射させ、容器1を通過した参照光の強度と、測定ガスの吸収波長(第1の波長λ1)の赤外線の強度との差分を求めることで赤外線光源2の発光強度の変化や雑ガスの影響による測定誤差を補正することにより測定精度を向上することができる。しかも、第1及び第2の波長λ1,λ2のみを選択的に反射する第3の波長フィルタ13をサブ波長光学素子で構成しているので、従来例のように母材の表面に蒸着やスパッタリングによって多数(50層〜200層程度)の薄膜をコーティングして形成される光学フィルタ23に比較して反射域(バンド幅)を狭くすることが可能である。また、材料として赤外線を透過するシリコン基板が使用できるためにゲルマニウムなどに比べて材料費が安価であり、さらに、通常の半導体プロセスを利用して格子41,42を高い精度で形成できるため、反射域の中心波長を所望の波長(測定ガスの吸収波長)に一致させることが容易となって歩留まりがよく、製造コストを下げることができるという利点がある。しかも、実施形態2では第1及び第2の波長フィルタ4,8を用いて第1及び第2の波長λ1,λ2の赤外線を選択的に反射しているのに対し、本実施形態では、第3の波長フィルタ13のみで第1及び第2の波長λ1,λ2の赤外線を反射しているから、構成を簡素化して安価にできるとともに、第1及び第2の波長λ1,λ2の赤外線が同一の光路を通ることになるから、赤外線強度の差分を利用した補正の精度、すなわち、測定精度が向上できるという利点もある。
Thus, according to the present embodiment, as in the second embodiment, an infrared ray (reference light) having a wavelength (second wavelength λ2) different from the absorption wavelength (first wavelength λ1) of the measurement gas is incident on the
(実施形態4)
本実施形態の基本構成は実施形態3と共通であるから、共通の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。本実施形態は、図8に示すように第1及び第2の偏光フィルタ11,12に代えて、第3の波長フィルタ13で反射された後に容器1を通過した第1の波長λ1の赤外線と第2の波長λ2の赤外線とを分離する偏光ビームスプリッタ14を備えた点に特徴がある。
(Embodiment 4)
Since the basic configuration of this embodiment is the same as that of the third embodiment, the same components are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted. In this embodiment, instead of the first and second
偏光ビームスプリッタ14は、光透過性を有する基板14aの一方の面にS偏光の赤外線を直進させるとともにP偏光の赤外線を屈折(反射)させる偏光格子14bが形成されたサブ波長光学素子からなる(例えば、特開2002−90534号公報参照)。このような構成の偏光ビームスプリッタ14は、基板14aや偏光格子14bを金型による樹脂成形若しくは半導体プロセスによって製造することができる。
The
而して本実施形態によれば、実施形態3と比較して、2つの偏光フィルタ11,12の代わりに1つの偏光ビームスプリッタ14で済むことから安価であり、さらに、偏光フィルタ11,12では通過しない光(赤外線)が失われてしまうのに対して、偏光ビームスプリッタ14ではS偏光とP偏光を完全に分離することができるので、光のロスがないという利点がある。
Thus, according to the present embodiment, as compared with the third embodiment, one
1 容器
2 赤外線光源
4 第1の波長フィルタ
6 第1の赤外線検出器
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