JP2010164375A - 濃度計測装置及び濃度計測方法 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザ光の吸収をより高感度で検出することのできる、濃度計測装置及び濃度計測方法を提供することにある。
【解決手段】計測対象に向けてレーザ光を出射するレーザーダイオードを、前記レーザ光の波長が第１変調波により変調されるように制御する発光制御部と、前記計測対象を透過した前記レーザ光を受光するフォトダイオードから受光信号を取得し、前記受光信号に基づいて、前記計測対象の濃度を計測する受光処理部とを具備する。前記第１変調波は、強度がゼロとなるときの傾きの絶対値が、同じ振幅及び同じ周波数を有する正弦波のそれよりも小さい波形である。
【選択図】図６

Description

本発明は、濃度計測装置及び濃度計測方法に関する。

計測対象の濃度を測定する技術として、レーザ光を利用した技術が知られている。この技術では、物質が、物質固有の波長（吸収波長）の光を吸収する性質を有することが利用されている。計測対象にレーザ光を照射する。レーザ光の波長が、計測対象物質の吸収波長と一致していれば、レーザ光は計測対象により吸収される。このときの吸収量は、物質の濃度に依存する。そこで、計測対象を透過したレーザ光を受光し、計測対象によるレーザ光の吸収量を求める。求めた吸収量に基づいて、計測対象の濃度を算出することができる。

計測対象の濃度を計測するにあたり、計測精度を向上させることが望まれる。精度を向上させるために、レーザ光の波長を変調させる手法が知られている。レーザ光の波長を所定の周波数の変調波により変調する。そして、受光側にて得られた受光信号を、変調波の周波数に基づいて復調する。これにより、ノイズ成分が除去され、計測対象によるレーザ光の吸収量を正確に知ることができる。

さらに精度を高めるための技術が、特許文献１（特許第３８６１０５９）及び特許文献２（特許第３３４２４４６）に記載されている。特許文献１及び特許文献２には、レーザ光の発振波長を少なくとも２つの異なる周波数で変調し、受光した信号の中から変調された信号を周波数毎に順次それぞれ復調することが記載されている。特許文献１及び２に記載された技術によれば、レーザ光を少なくとも二重で変調することにより、ミラーなどの光学部品で発生するフリンジの影響を除去することができ、計測精度を更に高めることができる。

尚、レーザ光の波長を変調する際の変調波としては、通常、正弦波が用いられる。

特許第３８６１０５９号公報 特許第３３４２４４６号公報

図１は、レーザ光の波長を正弦波で変調したときに、レーザ光の吸収量がどのような波形で表されるかを説明するための説明図である。図１（ａ）は、計測対象物質による光の吸収量と波長との関係を示すグラフである。図１（ｂ）は、変調波の波形を示し、時刻ｔとレーザ光の波長との関係を示している。図１（ｃ）は、計測対象によるレーザ光の吸収量と時刻ｔとの関係を示すグラフである。

図１（ａ）に示されるように、多くの物質では、光の吸収量の波長分布が、中心波長λ_０を中心としたガウス分布である。ここで、図１（ｂ）に示されるように、レーザ光の波長を、λ_０を中心とした周期２Ｔの正弦波で変調したとする。すると、図１（ｃ）に示されるように、レーザ光の吸収量は、周期Ｔの波形を示す。言い換えれば、変調波の周波数をｆとすると、レーザ光の吸収量は、２×ｆ成分により表される。これは、光の吸収量が波長に対してガウス分布を示すからである。これを利用し、レーザ光の吸収量の波形を２×ｆ成分で復調すれば、ノイズの影響を排除してレーザ光の吸収量に関する情報を取り出すことができる。その結果、正確に濃度計測を行うことができる。

但し、上述の手法では、変調されるレーザ光の波長の中心値が、中心波長λ_０に一致していなければならない。変調波の中心値が中心波長λ_０からずれていると、レーザ光の吸収波形の振幅もずれてしまい、正確な計測ができない。

そこで、中心波長λ_０を必ず通過するような搬送波を用い、搬送波に対して正弦波で変調を行う手法が採用されることがある。図２は、搬送波としてランプ波を用いたときの、時刻とレーザ光の波長との関係を示す概略図である。レーザ光の波長がλ_０を通過する時刻ｔ_０において、計測対象によるレーザ光の吸収が起こる。図３は、図２で示した波形のレーザ光を用いたときの、レーザ光の吸収量の波形を示す概略図である。レーザ光の吸収量の振幅は、時刻ｔ_０を中心として、ガウス分布を示す。そこで、このようなレーザ光の吸収量を示す信号から、ロックインアンプなどを用いて２×ｆ成分を位相検波し、更にローパスフィルタなどで低周波成分を抽出する。図３中には、抽出された低周波成分の波形が点線で示されている。抽出された低周波成分の波高値Ａ１は、時刻ｔ０におけるレーザ光の吸収量に対応する。すなわち、中心波長λ_０におけるレーザ光の吸収量に対応する。従って、波高値Ａ１を求めることにより、中心波長λ_０におけるレーザ光の吸収量を求めることができる。これにより、計測対象の濃度を算出することが可能である。尚、図２及び図３では、搬送波としてランプ波を例示したが、ランプ波はあくまで一例であり、計測対象の吸収波長を通過するような波形であれば他の波形が用いられてもよい。

ところで、図３で示されるように、波高値Ａ１は、レーザ光の吸収量の振幅Ａ２よりも小さくなる。波高値Ａ１を大きくすることができれば、レーザ光の吸収量を高感度で検出することができ、ノイズの影響をより確実に排除できると考えられる。

従って、本発明の目的は、レーザ光の吸収をより高感度で検出することのできる、濃度計測装置及び濃度計測方法を提供することにある。

以下に、［発明を実施するための最良の形態］で使用される番号を括弧付きで用いて、課題を解決するための手段を説明する。これらの番号は、［特許請求の範囲］の記載と［発明を実施するための最良の形態］との対応関係を明らかにするために付加されたものである。ただし、それらの番号を、［特許請求の範囲］に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。

本発明に係る濃度計測装置（１）は、計測対象に向けてレーザ光を出射するレーザーダイオード（４）と、そのレーザ光の波長が第１変調波により変調されるように、レーザーダイオード（４）を制御する発光制御部（２）と、計測対象（５）を透過したレーザ光を受光し、受光信号を生成するフォトダイオード（６）と、その受光信号に基づいて、計測対象（５）の濃度を計測する受光処理部（３）とを具備する。その第１変調波は、同じ振幅の正弦波よりも、強度がゼロとなるときの傾きの絶対値が小さい波形である。

この発明によれば、第１変調波の中心が計測対象の吸収波長の中心λ_０に一致するときに、レーザ光の波長が中心λ_０の近傍を通過する期間が、正弦波のときよりも長くなる。
中心λ_０の近傍では、計測対象によるレーザ光の吸収量が大きい。従って、吸収量が大きい期間が、長くなる。その結果、レーザ光の吸収を、高感度で検出することができる。

本発明に係る濃度計測装置（１）は、計測対象（５）に向けてレーザ光を出射するレーザーダイオード（４）と、レーザ光の波長が正弦波により変調されるように、レーザーダイオードを制御する発光制御部（２）と、計測対象（５）を透過したレーザ光を受光し、受光信号を生成するフォトダイオード（６）と、受光信号に基づいて、計測対象（５）の濃度を計測する受光処理部（３）とを具備する。受光処理部（３）は、受信信号に基づいて、計測対象（５）によるレーザ光の吸収量を示す吸収信号を生成する吸収信号生成部（１２）と、吸収信号を、処理関数を用いて、波形が正弦波となるように変換し、変換吸収信号を生成する関数処理器（２０、２１）とを備えている。

本発明に係る濃度計測方法は、計測対象（５）に向けてレーザ光を出射するレーザーダイオード（４）を、レーザ光の波長が第１変調波により変調されるように制御するステップと、計測対象（５）を透過したレーザ光を受光し、受光信号を生成するステップと、受光信号に基づいて、前記計測対象の濃度を計測するステップとを具備する。第１変調波は、同じ振幅の正弦波よりも、強度がゼロとなるときの傾きの絶対値が小さい波形である。

本発明によれば、レーザ光の吸収をより高感度で検出することのできる、濃度計測装置及び濃度計測方法が提供される。

レーザ光の吸収量がどのような波形で表されるかを説明するための説明図である。 時刻とレーザ光の波長との関係を示す概略図である。 レーザ光の吸収量の波形を示す概略図である。 第１の実施形態に係る濃度計測装置を示すブロック図である。 変調波信号の一例を示すグラフである。 吸収波形を示す概念図である。 吸収波形を示す概念図である。 振幅係数δと、吸収波形の振幅と、変調波に含まれる高調波成分の存在比率との関係を示すグラフである。 （ａ）変調波信号の波形と（ｂ）吸収波形とを示すグラフである。 （ａ）変調波信号の波形と（ｂ）吸収波形とを示すグラフである。 （ａ）変調波信号の波形と（ｂ）吸収波形とを示すグラフである。 （ａ）変調波信号の波形と（ｂ）吸収波形とを示すグラフである。 （ａ）変調波信号の波形と（ｂ）吸収波形とを示すグラフである。 （ａ）変調波信号の波形と（ｂ）吸収波形とを示すグラフである。 （ａ）変調波信号の波形と（ｂ）吸収波形とを示すグラフである。 （ａ）変調波信号の波形と（ｂ）吸収波形とを示すグラフである。 （ａ）変調波信号の波形と（ｂ）吸収波形とを示すグラフである。 フーリエ変換解析結果を示すグラフである。 フーリエ変換解析結果を示すグラフである。 フーリエ変換解析結果を示すグラフである。 フーリエ変換解析結果を示すグラフである。 フーリエ変換解析結果を示すグラフである。 フーリエ変換解析結果を示すグラフである。 フーリエ変換解析結果を示すグラフである。 フーリエ変換解析結果を示すグラフである。 フーリエ変換解析結果を示すグラフである。 振幅係数δと変調波信号の振幅との関係を示すグラフである。 シミュレーション結果を示すグラフである。 シミュレーション結果を示すグラフである。 シミュレーション結果を示すグラフである。 正弦波の３乗により示される波形を示すグラフである。 シミュレーション結果を示すグラフである。 第２の実施形態に係る濃度計測装置を示すブロック図である。

（第１の実施形態）
以下に、図面を参照しつつ、本発明の第１の実施形態について説明する。図４は、本実施形態に係る濃度計測装置１を示すブロック図である。

この濃度計測装置１は、発光制御部２と、レーザーダイオード４と、フォトダイオード６と、受光処理部３とを備えている。発光制御部２は、レーザーダイオード４を制御する部分である。発光制御部２により、レーザーダイオード４から所定波長のレーザ光が出射される。レーザ光は、計測対象ガス領域５に導かれ、計測対象による吸収を受けた後、フォトダイオード６により受光される。レーザ光を受光したフォトダイオード６は、受光信号Ｄを生成し、受光処理部３に供給する。受光処理部３は、受光信号Ｄに基づいて、計測対象の濃度を計算する。

発光制御部２は、搬送波発生器７と、第１変調波発生器８−１と、第２変調波発生器８−２と、加算器９と、レーザーダイオードドライバ１０とを備えている。

搬送波発生器７は、搬送波信号Ａとして、ランプ波を発生させる。

第１変調波発生器８−１は、第１変調波信号Ｂ１を発生させる。第１変調波信号Ｂ１の周波数は、搬送波信号Ａの周波数よりも十分に大きく、ｆ１である。ｆ１は、例えば、１００（ｋＨｚ）である。

第２変調波発生器８−２は、第１変調波信号Ｂ１よりも十分に小さい周波数ｆ２で、第２変調波信号Ｂ２を発生させる。ｆ２は、例えば、５（ｋＨｚ）である。

加算器９は、搬送波信号Ａ、第１変調波信号Ｂ１、及び第２変調波信号Ｂ２を加算して、合成信号Ｃを生成する。

レーザーダイオードドライバ１０は、合成信号Ｃにより、レーザーダイオード４の注入電流を変化させる。

レーザーダイオード４は、注入電流の供給を受けて、レーザ光を発振する。ここで、レーザーダイオード４は、レーザ光の発振波長が、注入電流に応じて変化するように構成されている。レーザ光の波長は、注入電流の波形と同じ波形で変化する。注入電流の波形は、合成信号Ｃの波形と同じであるので、レーザ光の波長は、合成信号Ｃと同じ波形で変化することになる。すなわち、レーザ光の波長は、図２で示したような波形となる。但し、図２では、スケールの都合上、第２変調波信号Ｂ２による波形までは反映されていない。

レーザーダイオード４より出射されたレーザ光は、計測対象ガス領域５に導かれる。レーザ光の波長が、計測対象ガス領域５に含まれる計測対象に固有の吸収波長と一致するとき、レーザ光は計測対象による吸収を受ける。計測対象ガス領域５を透過したレーザ光は、フォトダイオード６によって受光される。

フォトダイオード６は、レーザ光を受光すると、そのレーザ光の強度を示す受光信号Ｄを生成する。受光信号Ｄは、受光処理部３に供給される。

受光処理部３は、フォトダイオードアンプ１１と、差動アンプ１２と、ゲインアンプ１３と、アナログ／デジタル変換器１４と、第１位相検波器１５と、第１ローパスフィルタ１６と、第２位相検波器１７と、第２ローパスフィルタ１８と、ガス濃度算出部１９とを備えている。

フォトダイオードアンプ１１は、受光信号Ｄを増幅し、増幅信号Ｅを生成する。増幅信号Ｅは、差動アンプ１２に供給される。

差動アンプ１２は、増幅信号Ｅを合成信号Ｃにより差動増幅する。差動アンプ１２の出力信号は、計測対象ガス領域５におけるレーザ光の吸収量を示すことになる。差動アンプ１２の出力信号は、吸収信号Ｆとして、ゲインアンプ１３に供給される。

吸収信号Ｆは、ゲインアンプ１３で増幅された後、アナログ／デジタル変換器１４によりデジタル信号に変換され、第１位相検波器１５へと送られる。

第１位相検波器１５は、送られてきた吸収信号Ｆを、周波数２×ｆ１で位相検波し、第１復調信号Ｇ１を生成する。第１復調信号Ｇ１は、第１ローパスフィルタ１６へ送られる。

第１ローパスフィルタ１６は、第１復調信号Ｇ１の低周波成分を抽出し、第１低周波信号Ｈ１を生成する。第１低周波信号Ｈ１は、第２位相検波器１７へ送られる。

第２位相検波器１７は、第１低周波信号Ｈ１を、周波数２×ｆ２で位相検波し、第２復調信号Ｇ２を生成する。第２復調信号Ｇ２は、第２ローパスフィルタ１８へ送られる。

第２ローパスフィルタ１８は、第２復調信号Ｇ２の低周波成分を抽出し、第２低周波信号Ｈ２を生成する。第２低周波信号Ｈ２は、ガス濃度算出部１９へ送られる。

ガス濃度算出部１９は、第２低周波信号Ｈ２の波高値を算出する。算出された波高値は、計測対象ガス領域５における計測対象の濃度に依存する。従って、ガス濃度算出部１９は、算出した波高値に基づいて、計測対象の濃度を算出し、算出結果を出力する。

上述のように、二つの異なる周波数の変調波信号（第１変調波信号Ｂ１及び第２変調波信号Ｂ２）を用いることにより、フリンジの影響を排除することができ、正確に濃度を計測することが可能である。

ここでさらに、本実施形態では、計測対象によるレーザ光の吸収量を高感度に検出するため、変調波信号（第１変調波信号Ｂ１及び第２変調波信号Ｂ２のそれぞれ）の波形が工夫されている。

図５は、本実施形態に係る変調波信号の一例を示すグラフである。図５中、横軸は時刻ｔを示し、縦軸は信号強度を示している。図５中、変調波信号は、実線で示されている。また、比較のため、点線により、この変調波信号と同じ振幅及び周波数を有する正弦波の波形が示されている。

図５に示されるように、変調波信号は、強度がゼロとなるときの傾きの絶対値が、正弦波のそれよりも小さい。すなわち、強度がゼロとなる点を通過するときの傾きは、正弦波よりも緩やかとなっている。このような変調波信号を用いることにより、受光処理部３において、レーザ光の吸収量を高感度に検出することができる。この理由について、以下に説明する。

図６は、本実施形態におけるレーザ光の吸収量の波形（以下、吸収波形）を説明するための説明図である。図６（ａ）は、計測対象による光の吸収量と波長との関係を示している。図６（ｂ）は、レーザ光の波長と時刻ｔとの関係を示している。図６（ｃ）は、吸収波形を示し、横軸が時刻であり縦軸が吸収量である。図６（ｃ）のグラフは、縦軸を信号強度に置き換えれば、吸収信号Ｆの波形となる。

図６（ａ）に示されるように、計測対象による光の吸収量の波長分布は、λ_０を中心とするガウス分布を示すものとする。図６（ｂ）に示されるように、レーザ光の発振中心波長が、λ_０に一致しているときについて考える。このとき、レーザ光の波長の時間変化は、変調波信号に対応した波形となる。変調波信号の強度（波長）がゼロ（波長がλ_０）となるとき、レーザ光の吸収量は、ピーク値となり、吸収波形においてもピーク値を示す。すなわち、吸収波形のピーク値は、時刻Ｔ及び２Ｔに現れる。ここで、本実施形態に係る変調波信号は、強度がゼロとなる点を通過するときの傾きが、緩やかである。すなわち、レーザ光の波長がλ_０近傍である期間が、長くなっている。その結果、吸収波形においては、強度がピーク値に近い期間が長くなる。すなわち、吸収波形は、幅の広い山型の波形を示す。これに対して、図１で示したように、正弦波は、強度がゼロとなる点を通過するときの傾きが、急峻である。従って、レーザ光の波長がλ_０近傍である期間は、短い。その結果、吸収波形は、ピークの前後で急激に落ち込む波形になる。

実際には、搬送波（ランプ波）により、レーザ光の波長の中心値は、直線的に変化する。図７は、搬送波を考慮に入れたときの吸収波形を示す概念図である。図７中、吸収波形は実線にて示されている。吸収波形の振幅は、レーザ光の波長の中心値がλ_０となる時刻ｔ_０を中心として、ガウス分布を示す。ここで、少なくとも時刻ｔ０の近傍では、既述のように、幅の広い山型の波形を示す。この吸収波形に対応する吸収信号Ｆを、位相検波器（第１位相検波器１５又は第２位相検波器１７）で復調し、更にローパスフィルタ（第１ローパスフィルタ１６又は第２ローパスフィルタ１８）で低周波成分を抽出すると、図７中、点線で示される波形になる。正弦波で変調を行ったとき（図３参照）と比較すれば、時刻ｔ０近傍におけるピークの幅が広くなっているため、抽出された低周波成分の波高値は高くなる。これにより、高感度でレーザ光の吸収を検出することができる。

続いて、変調波信号の波形として、好ましい波形について説明する。出力効率を最大とするためには、吸収波形が、時刻ｔ_０近傍において高調波成分の無い正弦波形であればよいと考えられる。そこで、吸収波形が正弦波形となるような変調波信号の波形について考える。

計測対象による光の吸収量と波長との関係がガウス分布に従うとすれば、計測対象による光の吸収量φ（λ）は、次の式１により表現される。

上式１中、Ａは、中心波長λ_０におけるガス吸収率を示し、λは波長を示す。

一方、吸収波形ｙ（ｔ）は、所望する正弦波形になるものとすると、次の式２により表現される。

上式２中、Ｔは吸収波形の周期を示し、ａは吸収波形の振幅を示し、δは吸収波形の振幅係数を示し、ｎは自然数（１、２、・・・）を示す。

ここで、境界条件として、ｙ（０）＝Ａを考えると、次の式３により、吸収波形の振幅ａを求めることができる。

上式３を、上式２に代入すると、吸収波形ｙ（ｔ）は、次の式４により表される。

ここで、ｙ（ｔ）を得る為には、どのようなレーザ光の波長（λ（ｔ））を与えればよいかという逆問題を考える。すなわち、ｙ（ｔ）＝φ（λ）として、次の式５を考える。

上式５を、次の式６のように展開する。

すなわち、上式６から、レーザ光の波長は、次の式７のように変調されればよいことがわかる。

尚、レーザ光の波長は、変調波信号の強度に依存するため、変調波信号の波形は、λを強度ｘに置き換え、下記式８で示されることになる。

すなわち、上式８で示される変調波信号を用いれば、吸収波形が時刻ｔ_０近傍において正弦波形になる。尚、図５で示した波形は、この上式８の波形を示している。

上式８中、振幅係数δの値は、０．００５以上０．０５以下が好ましい。この点について以下に説明する。

図８は、吸収中心波長λ_０における吸収率＝１と仮定したときの、振幅係数δと、吸収波形の振幅と、変調波に含まれる高調波成分の存在比率（スペクトル比）との関係を示している。図８中には、吸収波形の振幅２２と、３倍高調波成分（基本波比）の振幅２３と、５倍高調波成分（基本波比）の振幅２４とが示されている。図８において、振幅係数δは、０．０００１〜１までの範囲で示されている。図８に示されるように、吸収波形の振幅は、振幅係数δが小さいほど、大きくなる。吸収波形の振幅が大きければ、レーザ光の吸収を高感度で検出できる。従って、高感度で検出を行う点からは、振幅係数δは小さい方が好ましい。

一方で、変調波に含まれる高調波成分のスペクトル比は、振幅係数δが大きいほど小さくなっている。図９乃至図１７は、それぞれ、（ａ）変調波信号の波形と（ｂ）吸収波形とを示すグラフである。変調波信号の周波数は、５ｋＨｚであるものとする。図９はδ＝０．９、図１０はδ＝０．５、図１１はδ＝０．１、図１２はδ＝０．０５、図１３はδ＝０．０１、図１４はδ＝０．００５、図１５はδ＝０．００１、図１６はδ＝０．０００５、図１７はδ＝０．０００１のときの波形を示している。図９乃至１７に示されるように、変調波信号の波形は、δが小さくなるにつれて、鋭いピークを示している。これは、主に３倍及び５倍の高調波成分が増大していることを示している。一方、図１８乃至２６は、図９乃至図１７に示される波形のフーリエ変換解析結果を示している。すなわち、図１８はδ＝０．９、図１９はδ＝０．５、図２０はδ＝０．１、図２１はδ＝０．０５、図２２はδ＝０．０１、図２３はδ＝０．００５、図２４はδ＝０．００１、図２５はδ＝０．０００５、図２６はδ＝０．０００１のときのフーリエ変換解析結果を示している。図１８乃至２６に示される変調波のフーリエ変換解析結果からも、δが大きいほど、高調波成分（１５（ｋＨｚ）のピークが小さくなっていることが確認される。すなわち、振幅係数δは、高調波成分の存在比率を少なくする点からは、大きい方が好ましい。尚、図１８乃至２６の吸収波形のフーリエ変換解析結果からは、いずれも、吸収波形が直流成分と基本波成分（１０ｋＨｚ）の成分のみであり、純粋な正弦波形となっていることがわかる。

上述のように、好ましい振幅係数δの値は、吸収波形の振幅を大きくする点と高調波成分を抑制する点とのトレードオフの関係となる。ここで、振幅係数δを０．００５以上０．０５以下の範囲とすれば、図８に示されるように、高調波成分を十分に抑えた上で、吸収波形の振幅を大きくすることができる。

また、振幅係数δは、より好ましくは、０．０１である。図８に示されるように、振幅係数δを０．０１に設定した場合、変調波信号における３倍高調波成分の比率は３．８％であり、５倍高調波成分の比率は０．７％である。すなわち、基本波成分に比べて、高調波成分を十分に少なくすることが可能である。さらに、図２２（ａ）に示されるように、δ＝０．０１のときの変調波信号の高調波成分（１５ｋＨｚ）は、基本波成分に比べて、十分に小さくなっていることが確認される。

また、図２７は、振幅係数δと変調波信号の振幅との関係を示している。振幅係数δ＝０．０１に設定した場合、変調波信号の振幅は３．０３である。ここで、θ（λ）がガウス分布に従うため、θ（λ）＝０．５のときのλは、λ_０±１．１８である。従って、半値幅は、２×１．１８＝２．３６により、２．３８である。すなわち、振幅係数δを０．０１に設定した場合、変調波の振幅は、３．０３／２．３６＝１．２８となり、半値幅に対して１．２８倍の振幅となることがわかる。このように、δ＝０．０１に設定した場合には、半値幅よりも十分大きい振幅が得られる観点からも、好ましい。

図２８は、式８で示される波形の変調波信号を用いたときのシミュレーション結果を示している。尚、振幅係数δは、０．０１に設定されている。図２８中、（ａ）は変調波信号（Ｂ１またはＢ２）の波形を示し、（ｂ）は合成信号Ｃの波形を示し、（ｃ）は吸収信号Ｆの波形を示し、（ｄ）は復調信号（Ｇ１又はＧ２）の波形を示し、（ｅ）は低周波成分信号（Ｈ１又はＨ２）の波形を示している。図２８中、レーザ光の中心波長が計測対象の吸収波長に一致する時刻が、０．０４５（ｓ）である。図２８（ｃ）に示されるように、時刻０．０４５付近において、吸収信号Ｆの波形は、正弦波形状となっていることが確認される。図２８（ｅ）に示されるように、ローパスフィルタで処理された後の低周波成分信号（Ｈ１又はＨ２）では、波高値が２２１７（Ａ／Ｄ値）であった。

図２９は、比較のため、正弦波によってレーザ光の波長を変調したときのシミュレーション結果を示している。図２８と同様、図２９中において、（ａ）は正弦波信号の波形を示し、（ｂ）は合成信号Ｃの波形を示し、（ｃ）は吸収信号Ｆの波形を示し、（ｄ）は復調信号の波形を示し、（ｅ）は低周波成分信号の波形を示している。図２８と同様に、レーザ光の中心波長が計測対象の吸収波長λ_０に一致する時刻が、０．０４５（ｓ）である。図２９（ｃ）に示されるように、時刻０．０４５付近において、吸収信号Ｆの波形は、幅が細くなっている。そして、ローパスフィルタで処理された後の低周波成分信号（Ｈ１又はＨ２）では、波高値が９１６（Ａ／Ｄ値）であった。

図２８（ｅ）と図２９（ｅ）とを比較すれば、本実施形態に係る変調波信号を用いることによって、正弦波を用いた場合の２．３倍（＝２２１７／９１６）の波高値を得ることができ、計測対象によるレーザ光の吸収を高感度に検出できることがわかる。

図３０は、振幅が最適化された正弦波によってレーザ光の波長を変調したときのシミュレーション結果を示している。図２８と同様、図３０中において、（ａ）は正弦波信号の波形を示し、（ｂ）は合成信号Ｃの波形を示し、（ｃ）は吸収信号Ｆの波形を示し、（ｄ）は復調信号の波形を示し、（ｅ）は低周波成分信号の波形を示している。図３０（ｅ）に示されるように、低周波成分信号（Ｈ１又はＨ２）の波高値は、１４６５（Ａ／Ｄ値）であった。このように、図２９（ｅ）に示した波形の波高値（９１６）と比較すれば、振幅を最適化することによっても、波高値を大きくできることがわかる。しかし、図２８（ｅ）にて示されるように、本実施形態に係る変調波信号を用いれば、正弦波の振幅を最適化した場合よりも、更に波高値を大きくすることができ、より効果的であることがわかる。

以上説明したように、本実施形態によれば、レーザ光の波長を、強度がゼロとなるときの傾きの絶対値が同じ振幅及び同じ周波数を有する正弦波のそれよりも小さい波形で変調することにより、計測対象によるレーザ光の吸収を高感度で検出することが可能である。

尚、本実施形態では、変調波信号として、二つの異なる周波数の信号（第１変調波信号Ｂ１と第２変調波信号Ｂ２）を用いる場合について説明した。レーザ光の吸収をより高感度で検出する観点からは、二つの変調波信号の両方を、強度がゼロとなるときの傾きの絶対値が同じ振幅及び同じ周波数を有する正弦波のそれよりも小さい波形とすることが好ましい。但し、二つの変調波信号のうちの一方にのみ本実施形態に係る変調波信号を適用しても、正弦波を用いた場合よりも高感度でレーザ光の吸収を検出することはできる。

また、変調波信号は必ずしも二つの異なる周波数の信号が用意される必要はなく、変調波信号が一つである場合でも、本発明を適用することは可能である。

また、本実施形態では、受光処理部３に差動アンプ１２が設けられており、差動アンプによって、増幅信号Ｅが合成信号Ｃで差動増幅されることにより吸収信号Ｆが生成される。但し、本実施形態で説明した受光処理部３の構成はあくまで一例であり、その他の構成が採用されてもよい。例えば、合成信号Ｃを用いずに、増幅信号Ｅを線形補完することにより、レーザ光の吸収量を示す吸収信号Ｆが生成されてもよい。このような場合でも、本実施形態に係る変調波信号を用いることによる作用を奏することが可能である。

また、本実施形態では、変調波信号の好ましい波形として、式８で示される波形を例示した。但し、強度がゼロとなるときの傾きの絶対値が同じ振幅及び同じ周波数を有する正弦波のそれよりも小さい波形であれば、式８で示される波形とは別の波形を用いることも可能である。

例えば、変調波信号の波形として、正弦波の３乗により示される波形を用いることも可能である。図３１は、正弦波の３乗により示される波形を示すグラフである。図３１中、横軸は時刻ｔを示し、縦軸は信号強度を示している。図３１には、比較のため、正弦波が点線で示されている。図３１に示されるように、正弦波の３乗により示される波形も、強度がゼロとなるときの傾きの絶対値が、同じ振幅及び同じ周波数を有する正弦波のそれよりも小さい。

図３２は、変調波信号の波形として、正弦波の３乗により示される波形を用いたときのシミュレーション結果を示している。図２８と同様、図３２中において、（ａ）は変調波信号の波形を示し、（ｂ）は合成信号Ｃの波形を示し、（ｃ）は吸収信号Ｆの波形を示し、（ｄ）は復調信号の波形を示し、（ｅ）は低周波成分信号の波形を示している。図３２（ｅ）に示されるように、低周波成分信号（Ｈ１又はＨ２）の波高値は、２１４９（Ａ／Ｄ値）であり、正弦波を用いた場合（図２９、３０参照）よりも大きな値が得られた。

（第２の実施形態）
続いて、本発明の第２の実施形態について説明する。図３３は、本実施形態に係る濃度計測装置１を示すブロック図である。本実施形態では、第１の実施形態に対して、受光処理部３の構成が工夫されている。具体的には、受光処理部３に、第１関数処理器２０及び第２関数処理器２１が追加されている。また、第１の実施形態とは異なり、第１変調波発生器８−１及び第２変調波発生器８−２は、正弦波の変調波信号を生成する。その他の点については、第１の実施形態と同様とすることができるので、詳細な説明は省略する。

本実施形態では、レーザ光の波長が正弦波で変調される。従って、受光処理部３において、計測対象によるレーザ光の吸収量を示す信号（吸収信号Ｆ）は、図３で示したような波形となる。このままでは、第１の実施形態で説明したように、ローパスフィルタ通過後の信号の波高値は高くならない。そこで、第１関数処理器２０及び第２関数処理器２１により、吸収信号Ｆの波形が正弦波となるように、処理が行われる。

第１関数処理器２０は、アナログ／デジタル変換器１４と第１位相検波器１５との間に設けられている。第２関数処理器２１は、第１ローパスフィルタ１６と第２位相検波器１７との間に設けられている。第１関数処理器２０は、第１変調波信号Ｂ１に対応して設けられており、第２関数処理器２１は、第２変調波信号Ｂ２に対応して設けられている。第１関数処理器２０と第２関数処理器２１の実質的な処理内容は同じであるので、以下では第１関数処理器２０の処理についてのみ、説明を行う。

第１関数処理器２０は、アナログ／デジタル変換器１４によりデジタルデータとされた吸収信号Ｆ（以下、デジタル吸収信号と称す）に対して、下記式９で示される関数を乗算する。

上式９中、δは振幅係数を示し、λはレーザ光の波長を示す。レーザ光の波長は、正弦波で示される為、λ（ｔ）は、下記式１０で表される。

上式１０中、ａは、第１変調波Ｂ１として用いた正弦波の振幅を示し、ωは変調に用いた正弦波の角周波数を示す。

上式９において、分母のｅｘｐ（−１／２×λ^２（ｔ））は、吸収信号Ｆを示している。従って、関数処理器２０により変換された信号（変換吸収信号と称す）は、式９中の分子で表される正弦波形になる。

第１関数処理器２０により生成された変換吸収信号は、以降、第１位相検波器１５で位相検波された後、第１ローパスフィルタ１６で低周波成分が抽出される。変換吸収信号の波形は、正弦波となっているため、第１の実施形態で説明したのと同様に、ローパスフィルタ通過後の信号の波高値を高くすることができ、計測対象によるレーザ光の吸収量を高感度で検出することができる。

また、本実施形態では、関数処理器（２０、２１）が、アナログ／デジタル変換器１４の後段に設けられている。従って、正弦波形である変換吸収信号は、デジタル処理によって得られる。そして、変調波信号としては、正弦波が用いられる。第１の実施形態の式１１で示したような信号は、傾きが急激に変化する点が存在する（図５参照）。このような波形の変調波信号を生成しようとする場合、生成された変調波信号に高調波成分が含まれ易い。これに対して、変調波信号として正弦波を用いれば、高調波成分を抑えることができ、ノイズ発生による悪影響を無くすことができる。

以上、第１、２の実施形態について説明した。但し、これらの実施形態は互いに独立するものではなく、矛盾の無い範囲内で組み合わせて使用することも可能である。

１ ガス濃度計測装置
２ 発光制御部
３ 受光処理部
４ レーザーダイオード
５ 計測対象ガス領域
６ フォトダイオード
７ 搬送波発生器
８−１ 第１変調波発生器
８−２ 第２変調波発生器
９ 加算器
１０ レーザダイオードドライバ
１１ フォトダイオードアンプ
１２ 差動アンプ
１３ ゲインアンプ
１４ アナログ−デジタル変換器
１５ 第１位相検波器
１６ 第１ローパスフィルタ
１７ 第２位相検波器
１８ 第２ローパスフィルタ
１９ ガス濃度算出部
２０ 第１関数処理器
２１ 第２関数処理器
２２ 吸収波形振幅
２３ ３倍高調波成分
２４ ５倍高調波成分
Ａ 搬送波信号
Ｂ１ 第１変調波信号
Ｂ２ 第２変調波信号
Ｃ 合成信号
Ｄ 受光信号
Ｅ 計測信号
Ｆ 吸収信号
Ｇ１ 第１復調信号
Ｇ２ 第２復調信号
Ｈ１ 第１低周波成分信号
Ｈ２ 第２低周波成分信号

Claims (25)

1. 計測対象に向けてレーザ光を出射するレーザーダイオードを、前記レーザ光の波長が第１変調波により変調されるように制御する発光制御部と、
   前記計測対象を透過した前記レーザ光を受光するフォトダイオードから受光信号を取得し、前記受光信号に基づいて、前記計測対象の濃度を計測する受光処理部と、
   を具備し、
   前記第１変調波は、強度がゼロとなるときの傾きの絶対値が、同じ振幅及び同じ周波数を有する正弦波のそれよりも小さい波形である
   濃度計測装置。
2. 請求項１に記載された濃度計測装置であって、
   前記第１変調波の周波数はｆであり、
   前記受光処理部は、
   前記受光信号に基づいて、周波数が２×ｆである成分を検波し、復調信号を生成する位相検波器と、
   前記復調信号の低周波成分を抽出し、低周波成分信号を生成するローパスフィルタと、
   前記低周波成分信号に基づいて、前記計測対象の濃度を算出する濃度算出部とを備える
   濃度計測装置。
3. 請求項２に記載された濃度計測装置であって、
   前記受光処理部は、更に、前記受光信号を参照信号と比較することにより、前記計測対象による前記レーザ光の吸収量を示す吸収信号を生成する差動アンプ、を備え、
   前記位相検波器は、前記吸収信号に基づいて、前記復調信号を生成する
   濃度計測装置。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載された濃度計測装置であって、
   前記第１変調波の波形は、前記計測対象による前記レーザ光の吸収量の時間変化が正弦波となるような波形である
   濃度計測装置。
5. 請求項４に記載された濃度計測装置であって、
   前記計測対象による光の吸収量が、波長に対してガウス分布を示す場合に、
   前記第１変調波の波形は、下記式１で示され、
   

   

   式１中、前記ｔは時間、前記λは波長、前記Ｔは周期、前記ｎは自然数、前記δは振幅係数を示す
   濃度計測装置。
6. 請求項５に記載された濃度計測装置であって、
   前記δは、０．００５以上、０．０５以下である
   濃度計測装置。
7. 請求項１乃至３のいずれかに記載された濃度計測装置であって、
   前記第１変調波の波形は、正弦波の３乗により表される波形である
   濃度計測装置。
8. 請求項１乃至７のいずれかに記載された濃度計測装置であって、
   前記発光制御部は、
   搬送波信号を生成する搬送波発生器と、
   前記第１変調波に対応する波形の第１変調波信号を生成する第１変調波発生器と、
   前記搬送波信号と前記第１変調波信号とを加算し、合成信号を生成する加算器と、
   前記合成信号に基づいて、前記レーザーダイオードに対する注入電流量を制御するレーザダイオードドライバとを備える
   濃度計測装置。
9. 請求項８に記載された濃度計測装置であって、
   前記搬送波信号は、ランプ波である
   濃度計測装置。
10. 請求項８又は９に記載された濃度計測装置であって、
    前記発光制御部は、更に、前記第１変調波とは異なる周波数である第２変調波信号を生成する第２変調波発生器を備え、
    前記加算器は、前記合成信号として、前記搬送波信号と前記第１変調波信号と前記第２変調波信号とを加算した信号を生成し、
    前記第２変調波信号発生器は、前記第２変調波信号として、前記第１変調波と同様に、強度がゼロとなるときの傾きの絶対値が、同じ振幅及び同じ周波数を有する正弦波のそれよりも小さい波形の信号を生成する
    濃度計測装置。
11. 請求項１乃至１０のいずれかに記載された濃度計測装置であって、
    前記計測対象は、ガス成分である
    濃度計測装置。
12. 計測対象に向けてレーザ光を出射するレーザーダイオードを、前記レーザ光の波長が正弦波により変調されるように制御する発光制御部と、
    前記計測対象を透過した前記レーザ光を受光するフォトダイオードから受講信号を取得し、前記受光信号に基づいて、前記計測対象の濃度を計測する受光処理部と、
    を具備し、
    前記受光処理部は、
    前記受信信号に基づいて、前記計測対象による前記レーザ光の吸収量を示す吸収信号を生成する吸収信号生成部と、
    前記吸収信号を、処理関数を用いて、波形が正弦波となるように変換し、変換吸収信号を生成する関数処理器とを備えている
    濃度計測装置。
13. 請求項１２に記載された濃度計測装置であって、
    前記関数処理器は、前記吸収信号に対して、下記式２で示される関数ｆ（ｔ）を乗算することにより、前記変換吸収信号を生成し、
    

    

    式２中、ｔは時刻、λはレーザ光の波長、δは振幅係数、ｎは自然数を示す
    濃度計測装置。
14. 請求項１２又は１３の記載された濃度計測装置であって、
    前記受光処理部は、
    前記吸収信号をデジタル信号に変換してデジタル吸収信号を生成するアナログ／デジタル変換器を備え、
    前記関数処理器は、前記デジタル吸収信号に対して前記処理関数を用いた処理を行う
    濃度計測装置。
15. 計測対象に向けてレーザ光を出射するレーザーダイオードを、前記レーザ光の波長が第１変調波により変調されるように制御するステップと、
    前記計測対象を透過した前記レーザ光を受光し、受光信号を生成するステップと、
    前記受光信号に基づいて、前記計測対象の濃度を計測するステップと、
    を具備し、
    前記第１変調波は、強度がゼロとなるときの傾きの絶対値が、同じ振幅及び同じ周波数を有する正弦波のそれよりも、小さい波形である
    濃度計測方法。
16. 請求項１５に記載された濃度計測方法であって、
    前記第１変調波の周波数はｆであり、
    前記濃度を計測するステップは、
    前記受光信号に基づいて、周波数が２×ｆである成分を検波し、復調信号を生成するステップと、
    前記復調信号の低周波成分を抽出し、低周波成分信号を生成するステップと、
    前記低周波成分信号に基づいて、前記計測対象の濃度を算出するステップとを備える
    濃度計測方法。
17. 請求項１６に記載された濃度計測方法であって、
    前記濃度を計測するステップは、更に、
    前記受光信号を参照信号と比較することにより、前記計測対象による前記レーザ光の吸収量を示す吸収信号を生成するステップを備え、
    前記復調信号を生成するステップは、前記吸収信号に基づいて、前記復調信号を生成するステップを含んでいる
    濃度計測方法。
18. 請求項１５乃至１７のいずれかに記載された濃度計測方法であって、
    前記計測対象による光の吸収量が、波長に対してガウス分布を示す場合に、
    前記第１変調波は、前記計測対象による前記レーザ光の吸収量の時間変化が正弦波となるような波形である
    濃度計測方法。
19. 請求項１８に記載された濃度計測方法であって、
    前記第１変調波の波形λ（ｔ）は、下記式１で示され、
    

    

    式３中、前記ｔは時間、前記λは波長、前記Ｔは周期、前記ｎは自然数、前記δは振幅係数を示す
    濃度計測方法。
20. 請求項１９に記載された濃度計測方法であって、
    前記δは、０．００５以上、０．０５以下である
    濃度計測方法。
21. 請求項１５乃至１７のいずれかに記載された濃度計測方法であって、
    前記第１変調波の波形は、正弦波の３乗により表される波形である
    濃度計測方法。
22. 請求項１５乃至２１のいずれかに記載された濃度計測方法であって、
    前記制御するステップは、
    搬送波信号を生成するステップと、
    前記第１変調波に対応する波形の第１変調波信号を生成するステップと、
    前記搬送波信号と前記第１変調波信号とを加算し、合成信号を生成するステップと、
    前記合成信号に基づいて、前記レーザーダイオードに対する注入電流量を制御するステップとを備える
    濃度計測方法。
23. 請求項２２に記載された濃度計測方法であって、
    前記搬送波信号を生成するステップは、前記搬送波信号としてランプ波を生成するステップを含む
    濃度計測方法。
24. 請求項２２又は２３に記載された濃度計測方法であって、
    前記制御するステップは、更に、前記第１変調波とは異なる周波数の波形で第２変調波信号を生成するステップを備え、
    前記合成信号を生成するステップは、前記合成信号として、前記搬送波信号と前記第１変調波信号と前記第２変調波信号とを加算した信号を生成するステップを含み、
    前記第２変調波信号の波形は、前記第１変調波と同様に、強度がゼロとなるときの傾きの絶対値が、同じ振幅及び同じ周波数を有する正弦波のそれよりも、小さい波形である
    濃度計測方法。
25. 請求項１５乃至２４のいずれかに記載された濃度計測方法であって、
    前記計測対象は、ガス成分である
    濃度計測方法。

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