JP2013127414A

JP2013127414A - 多成分用レーザ式ガス分析計

Info

Publication number: JP2013127414A
Application number: JP2011277263A
Authority: JP
Inventors: Ryoichi Higashi; 亮一東; Noritomo Hirayama; 紀友平山; Yasuyuki Masunaga; 靖行増永
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2011-12-19
Filing date: 2011-12-19
Publication date: 2013-06-27

Abstract

【課題】発光側において、異なる複数波長以上のレーザ光源から出た光を、ファイバカプラを使用せずに空間に放射することによって、発光側での挿入損失を無くし、光のパワーを効率よく受光素子まで伝送することで、測定ガスの吸収信号の強度を高める多成分用レーザ式ガス分析計を提供する。
【解決手段】発光部１００は、複数ガスを分析するため、ピグテール型発光素子１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄのレーザ光をそれぞれ伝送するシングルモード型光ファイバ１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄの端部をファイババンドル端部２１で束ねて各レーザ光の出射点を近接させつつ出射させ、受光部２００で検出信号から複数ガスの性状を分析する多成分用レーザ式ガス分析計１とした。
【選択図】図１

Description

本発明は、空間内の各種の測定対象ガスの有無や濃度を分析する多成分用レーザ式ガス分析計に関する。

多成分用レーザ式ガス分析計の従来技術として、例えば、特許文献１（特開２０００−７４８３０号公報、発明の名称「半導体レーザ分光法を用いた温度・濃度・化学種の高速計測方法および計測システム」）に記載の発明が知られている。この計測システムについて図を参照しつつ説明する。

図１２は、従来技術の光ファイバを用いたレーザ式ガス分析計の実施形態を示す全体構成図である。図１２において、５０１，５０２は発光部としての半導体レーザで、互いに異なる波長λ_１（例えば１．９９６μｍ）、λ_２（例えば２．０５０μｍ）のレーザ光を発するものであり、例えば分布帰還型（ＤＦＢ）半導体レーザよりなる。これらの半導体レーザ５０１，５０２は、ファンクションジェネレータ５０３によってそれぞれ電流制御される。

５０４，５０５は半導体レーザ５０１，５０２に光ファイバ５０６，５０７を介して接続されるファイバカプラ、５０８は半導体レーザ５０１，５０２がそれぞれ発するレーザ光を後述するセル５１３に測定光として送出するためのファイバカプラで、５０９，５１０は光ファイバである。なお、ファイバカプラ５０４，５０５には、参照光としてのレーザ光用の光ファイバ５１１，５１２がそれぞれ接続されている。

５１３は前記ファイバカプラ５０８の後段に設けられるセルである。このセル５１３の両端部は、２μｍ付近のレーザ光を透過させるセル窓５１３ａ，５１３ｂで封止されるとともに、ガス導入口５１３ｃ、ガス導出口５１３ｄを備え、ガス導入口５１３ｃには例えばＣＯ_２と空気とを適宜の割合で供給できるように開閉弁５１４，５１５を備えたガス供給ライン５１６，５１７が接続され、ガス導出口５１３ｄには開閉弁５１８および真空ポンプ５１９を備えたガス排出ライン５２０が接続されている。

また、セル窓５１３ａ，５１３ｂの外部にミラー５２１，５２２を設け、セル５１３に入射したレーザ光がセル５１３内を数回通過した後、出射するように構成されている。
そして、５２３，５２４はセル５１３の前段側および後段側にそれぞれ設けられるコリメータで、後段側のコリメータ５２４の後段には分波器５２５が設けられている。この分波器５２５は、セル５１３を透過した二つの波長のレーザ光（測定光）を波長λ_１，λ_２のレーザ光に分離するものである。

５２６，５２７は測定光用のフォトダイオード、５２８，５２９は参照光用のフォトダイオードで、これらのフォトダイオード５２６，５２７には分波器５２５によって分離された波長λ_１，λ_２のレーザ光（測定光）が入射し、フォトダイオード５２８，５２９には光ファイバ５１１，５１２を経て波長λ_１，λ_２のレーザ光（参照光）が入射する。

５３０〜５３３は前記フォトダイオード５２６〜５２９にそれぞれ対応して設けられるプリアンプで、これらのプリアンプ５３０〜５３３は、Ａ／Ｄ変換器５３４を経て図示していない信号処理装置（例えばコンピュータ）に入力されるように構成されている。

上述のように構成されたレーザ式ガス分析計においては、セル５１３にＣＯ_２と空気とを適宜の割合で混合したガスが被測定ガスとして供給される。この状態において、半導体レーザ５０１，５０２からそれぞれ発せられた二つの波長のレーザ光λ_１，λ_２が、混合した状態で被測定ガスが充填されたセル５１３を測定光として透過する。この測定光は、分波器５２５において元の波長λ_１，λ_２のレーザ光となり、フォトダイオード５２６，５２７に入射する。一方、前記半導体レーザ５０１，５０２からそれぞれ発せられた二つの波長のレーザ光λ_１，λ_２は、そのまま光ファイバ５１１，５１２を経て参照光としてフォトダイオード５２８，５２９に入射する。

そして、フォトダイオード５２６〜５２９からは、入射する光に応じた信号を出力し、これらの出力信号は、プリアンプ５３０〜５３３を経てＡ／Ｄ変換器５３４に入り、その変換出力がコンピュータに入力され、信号処理される。セル５１３に供給された被測定ガスの温度・濃度・化学種が求められる。

このレーザ式ガス分析計においては、計測に用いるレーザ光を、従来よりも長い波長である２μｍ付近の相異なる波長λ_１，λ_２のレーザ光を用いているので、吸収の強い吸収線で計測を行うことができ、必要光路長の短縮や、温度・濃度・化学種の測定におけるＳ／Ｎの向上が図れる。従来技術はこのようなものである。

特開２０００−７４８３０号公報（特許第４０３８６３１号公報）、発明の名称「半導体レーザ分光法を用いた温度・濃度・化学種の高速計測方法および計測システム」

この先行技術では、発光側において異なる波長のレーザ光をファイバカプラ５０８によって１本の光ファイバ上に結合しているが、一般に、ファイバカプラには挿入損失が存在する。例えば、２入力１出力の溶融延伸型ファイバカプラであれば少なくとも一方の入力ポートにおいて３ｄＢ以上の挿入損失がある。また、異なる２波長のみを結合する場合は、それら特定の２波長に対して挿入損失を３ｄＢ以下に低減するように設計された波長分割多重（ＷＤＭ）型ファイバカプラを用いることが可能であるが、異なる３波長以上では、波長分割多重方式は適用できない。

すなわち、例えば酸素検出用の波長７６３ｎｍレーザと、二酸化炭素検出用の波長２００４ｎｍレーザと、一酸化炭素検出用の波長２３３０ｎｍレーザの３波長をファイバカプラで１本の光ファイバ上に結合する場合には、波長分割多重型ファイバカプラであらかじめ２波長を１本の光ファイバに結合し、そこでの各挿入損失を３ｄＢ以下に抑えたとしても、残りの１波長と前記の２波長を結合するためにもう一段ファイバカプラで結合することとなり、結局少なくとも１波長は３ｄＢ以上の挿入損失を生じる。

このように、発光側において異なる３波長以上のレーザ光をファイバカプラによって１本の光ファイバ上に結合する場合には、レーザ光源から出た光のパワーを受光素子まで効率よく伝送することができず、測定ガスの吸収信号の強度が低下するという問題がある。

また、この先行技術では、コリメート、集光手段として用いているレンズによる色収差が問題となる。光ファイバから出射され、波長が異なる複数のレーザ光を、レンズを用いてコリメートしようとすると、色収差のため、あるレーザ光はコリメートされたとしても、残る他のレーザ光は集束あるいは発散光となってしまう。あるいは、波長が異なる複数の平行なレーザ光を、レンズを用いて集束しようとすると、集束位置が波長によって異なってしまう。このことにより、光ファイバから出射される波長が異なる複数のレーザ光を、効率よく分波器に導くことが困難となる。この傾向は、伝送すべき空間の光路長が長くなるほど顕著となる問題である。

そこで、本発明は上記の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、光のパワーを効率よく受光素子まで伝送し、測定対象ガスの吸収信号の強度を高める多成分用レーザ式ガス分析計を提供することにある。

本発明の請求項１に係る多成分レーザ式ガス分析計は、
レーザ光による検出光を出射する発光部と、複数の測定対象ガスが存在する空間を介して伝播された検出光を受光する受光部と、を備え、複数種類の測定対象ガスの濃度を測定する周波数変調方式の多成分用レーザ式ガス分析計であって、
前記発光部は、
それぞれの測定対象ガス別に設けられる素子であって周波数変調されたレーザ光を出射する複数の発光素子と、これらの発光素子のレーザ光をそれぞれ伝送する複数の光ファイバと、これらの光ファイバの端部を束ねて各レーザ光の出射点を近接させるためのファイババンドル端部と、このファイババンドル端部から出射された結合光に対して収差の影響を低減しつつ前記空間に検出光として出射する放物面鏡と、を備え、
前記受光部は、
前記空間を透過した検出光を収差の影響を低減しつつ集光する放物面鏡と、この放物面鏡から出力された集光を受光する受光素子と、前記受光素子からの検出信号に基づいてガス分析を行う分析部と、
を備えたことを特徴とする多成分用レーザ式ガス分析計とした。

また、本発明の請求項２に係る多成分レーザ式ガス分析計は、
レーザ光による検出光を出射する発光部と、複数の測定対象ガスが存在する空間を介して伝播された検出光を受光する受光部と、を備え、複数種類の測定対象ガスの濃度を測定する周波数変調方式の多成分用レーザ式ガス分析計であって、
前記発光部は、
それぞれの測定対象ガス別に設けられる素子であって周波数変調されたレーザ光を出射する複数の発光素子と、これらの発光素子のレーザ光をそれぞれ伝送する複数の光ファイバと、これらの光ファイバの端部を束ねて各レーザ光の出射点を近接させるためのファイババンドル端部と、このファイババンドル端部から出射された結合光に対して収差の影響を低減しつつ前記空間に検出光として出射する放物面鏡と、を備え、
前記受光部は、
前記空間を透過した検出光を収差の影響を低減しつつ集光する放物面鏡と、この放物面鏡から出力された集光を受光する受光素子と、受光素子からの検出信号に基づいてガス分析を行う分析部と、を備え、
前記発光素子は、
発光素子本体と、この発光素子本体の温度検出手段と、前記発光素子本体の加熱冷却手段と、前記発光素子本体からの出射波長が所定値になるように前記温度検出手段による検出温度に応じて前記加熱冷却手段を制御する温度制御手段と、前記発光素子本体への供給電流を変化させて測定対象ガスの吸光特性を走査するための波長走査駆動信号およびトリガ信号を生成する波長走査駆動信号発生手段と、高周波変調信号を生成する高周波変調信号発生手段と、前記波長走査駆動信号を前記高周波変調信号により変調して前記発光素子本体に対する駆動信号を生成する駆動信号発生手段と、をそれぞれ備えると共に、
前記分析部は、
各発光素子における高周波変調信号の２倍周波数成分を有する参照信号をそれぞれ生成する参照信号発生手段と、前記受光素子の出力信号から前記２倍周波数成分をそれぞれ検出する同期検波手段と、トリガ信号を基準として所定時間経過したときの同期検波手段の出力信号の値に基づいて測定対象ガスの濃度を演算する演算手段と、
を備えたことを特徴とする多成分用レーザ式ガス分析計とした。

また、本発明の請求項３に係る多成分レーザ式ガス分析計は、
請求項１または請求項２に記載の多成分用レーザ式ガス分析計において、
前記発光素子は、ピグテール型の発光素子であり、また、前記光ファイバは、シングルモード型の光ファイバである、ことを特徴とする多成分用レーザ式ガス分析計とした。

本発明によれば、発光側において、異なる複数波長以上のレーザ光源から出た光を、ファイバカプラを使用せずに空間に放射することによって、発光側での挿入損失を無くすことができる。
また、本発明によれば、レーザ光のコリメートのために放物面鏡を用いることで波長に依存せずにコリメートし、かつ、集光に放物面鏡を用いることで波長に依存せず同じ位置に集光することにより、受光効率を高めることができる。
総じて、光のパワーを効率よく受光素子まで伝送し、測定対象ガスの吸収信号の強度を高める多成分用レーザ式ガス分析計を提供することができる。

本発明の実施の形態の多成分用レーザ式ガス分析計の全体構成図である。ピグテール型発光素子の内部構成図である。半導体レーザの発光波長の変化を示す特性図であり、図３（ａ）はドライブ電流−発光波長特性図、図３（ｂ）は温度−発光波長特性図である。ファイババンドル端部の断面構成図である。受光素子についての波長−受光感度特性を示す特性図である。分析部の構成図である。Ｏ_２ガス，ＨＣＬガス，ＣＯ_２ガス、ＣＯガスの吸収スペクトラム例を示す特性図である。各部で検出される波形の説明図であり、図８（ａ）はレーザ素子の波長走査駆動信号発生回路の出力波形を示す図、図８（ｂ）は高調波変調信号発生回路の出力波形を示す図、図８（ｃ）は駆動信号発生回路の出力波形を示す図である。受光信号、同期検波回路の出力信号、トリガ信号を示す波形図である。受光信号、同期検波回路の出力信号、トリガ信号を示す波形図である。他の形態の受光素子を説明するブロック図である。従来技術の多成分用レーザ式ガス分析計の説明図である。

続いて、本発明を実施するための形態に係る多成分用レーザ式ガス分析計について図を参照しつつ以下に説明する。図１は、本形態の多成分用レーザ式ガス分析計の全体構成図である。

本形態の多成分用レーザ式ガス分析計１は、周波数変調方式を採用している。この多成分用レーザ式ガス分析計１は、変調光生成部１０、発光側光学部２０、受光側光学部３０、受光信号伝送用電線４０、分析部５０を備えている。このうち、図１でも示すように、変調光生成部１０、発光側光学部２０で本発明の発光部１００を構成する。また、受光側光学部３０、分析部５０で本発明の受光部２００を構成する。

変調光生成部１０は、さらにピグテール型発光素子１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄと、シングルモード型ファイバ（ピグテール）１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄと、を備える。
発光側光学部２０は、さらにファイババンドル端部２１と、コリメート放物面鏡２２と、発光側ウェッジ付窓板２３と、を備える。

受光側光学部３０は、さらに集光放物面鏡３１と、受光素子３２と、受光側ウェッジ付窓板３３と、を備える。
受光信号伝送用電線４０は、受光素子３２が検出光を受光して出力する検出信号を伝送する。
分析部５０は、受光信号伝送用電線４０からの検出信号を入力し、後述する分析を行う。

発光側光学部２０、受光側光学部３０は、図１に示すように、複数の測定対象ガスを含むガスが流通する配管等の壁８１ａ，８１ｂに、溶接等により固定されたフランジ８２ａ，８２ｂ及び光軸調整フランジ８３ａ，８３ｂを介して取り付けられる。ここで、光軸調整フランジ８３ａ，８３ｂは、発光側光学部２０から出射される検出光７０が受光側光学部３０において最大の光量で受光されるように光軸を調整するためのものである。

なお、発光側ウェッジ付窓板２３、受光側ウェッジ付窓板３３は、光路内にあり、検出光７０を透過させつつ、複数の測定対象ガスを含むガスが発光側光学部２０や受光側光学部３０の内部に進入しないようにし、コリメート放物面鏡２２、集光放物面鏡３１やファイババンドル端部２１、受光素子３２が直接ガスに触れないよう保護する役割を果たす。

次に、発光部１００、および、受光部２００の詳細構成について説明する。まず、発光部１００について図１〜図４を参照しつつ詳細に説明する。
変調光生成部１０は、測定対象ガスの吸光特性に応じたレーザ光の発光素子を複数設けて、測定対象ガスの個数のレーザ光を照射するようになされており、これらレーザ光に対して周波数を変調した変調光を複数生成し、これら複数の変調光を発光側光学部２０へと伝送するユニットである。

変調光生成部１０は、図１で示すように、さらに測定対象ガスの種類の数に等しい個数（本形態では例示的に４個として説明する）のピグテール型発光素子１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄと、ピグテール型発光素子と同じ本数（本形態では例示的に４本として説明する）のシングルモード型光ファイバ（ピグテール）１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄとを備えている。なお、ピグテール型発光素子１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄと、シングルモード型光ファイバ１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄとは、それぞれ、予め光学的に接続された状態でピグテール型レーザ素子として市販されているものもあり、この場合、光学的な調整が不要である。

ピグテール型発光素子１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄは、詳しくは後述するが、図２で示すような構成としている。
ピグテール型発光素子１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄは、それぞれ発光素子本体１１１ａ，１１１ｂ，１１１ｃ，１１１ｄを内蔵している。これら発光素子本体１１１ａ，１１１ｂ，１１１ｃ，１１１ｄは、測定対象ガス１成分につき１個の発光素子を用いるように構成している。これらは、例えば、ＤＦＢレーザ（Distributed Feedback Laser）、もしくはＶＣＳＥＬ（Vertical Cavity Surface Emitting Laser）といわれるレーザ素子である。

これらレーザ素子は、発光波長がガスの吸光特性に一致する可視領域や近赤外領域にて発光が可能であり、かつ、電流と温度により、発光波長を可変可能である。本形態では説明の具体化のため、可視領域を発するのはピグテール型発光素子１１ａであるとし、また、近赤外領域を発するのはピグテール発光素子１１ｂ，１１ｃ，１１ｄであるものとして説明する。

なお、このような構成は測定対象ガスの実状に応じて決定されるものであり、例えば、可視領域を発するピグテール型発光素子を２個、近赤外領域を発するピグテール型発光素子を４個というように適宜選択することができる。一般に可視領域を発するｍ個のピグテール型発光素子および近赤外領域を発するｎ個のピグテール型発光素子を配置するものである。

本形態では測定対象ガスとして酸素ガス（Ｏ_２ガス）、塩素ガス（ＨＣｌガス）、二酸化炭素ガス（ＣＯ_２ガス）、一酸化炭素ガス（ＣＯガス）を測定するものとする。
可視領域として、例えば、酸素ガス（Ｏ_２ガス）を検出するために波長７６３ｎｍを発光するピグテール型発光素子１１ａとし、近赤外領域として、例えば塩素ガス（ＨＣｌガス）を検出するために波長１７８０ｎｍを発光するピグテール型発光素子１１ｂとし、二酸化炭素ガス（ＣＯ_２ガス）を検出するために波長２００４ｎｍを発光するピグテール型発光素子１１ｃとし、一酸化炭素ガス（ＣＯガス）を検出するために波長２３３０ｎｍを発光するレーザ素子１１ｄとする。

これらのピグテール型発光素子１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄは、ガスの吸収特性に一致する可視領域・近赤外領域の波長にて発光が可能であり、さらに、図３（ａ）に示したようにドライブ電流により発光波長を可変とすることができる。また、図３（ｂ）に示したように温度によって発光波長を可変とすることができる。このように温度と電流で、レーザの発光波長を可変可能である。なお、レーザ素子以外でも上記の条件を満たす、つまり測定対象ガスの吸収波長帯域で波長掃引できるものであれば他種の発光素子を用いてもよい。

続いてピグテール型発光素子１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ内の制御について説明する。
図２において、発光素子本体１１１ａ，１１１ｂ，１１１ｃ，１１１ｄの温度は、サーミスタ等の温度検出素子１１２ａ，１１２ｂ，１１２ｃ，１１２ｄを用いて検出される。これらの温度検出素子１１２ａ，１１２ｂ，１１２ｃ，１１２ｄは温度制御回路１１３ａ，１１３ｂ，１１３ｃ，１１３ｄに接続されている。これら、温度制御回路１１３ａ，１１３ｂ，１１３ｃ，１１３ｄは、発光素子本体１１１ａ，１１１ｂ，１１１ｃ，１１１ｄの発光波長を安定化させるため、温度検出素子１１２ａ，１１２ｂ，１１２ｃ，１１２ｄの抵抗値がそれぞれ一定になるようにＰＩＤ制御等を行ってペルチェ素子１１４ａ，１１４ｂ，１１４ｃ，１１４ｄの温度制御を行い、発光素子本体１１１ａ，１１１ｂ，１１１ｃ，１１１ｄの温度を調節する。

また、発光波長を変化させる波長走査駆動信号発生回路１１５ａ，１１５ｂ，１１５ｃ，１１５ｄの出力信号と、発光波長を周波数変調させるための高周波変調信号発生回路１１１６ａ，１１６ｂ，１１６ｃ，１１６ｄの出力信号とを、駆動信号発生回路１１７ａ，１１７ｂ，１１７ｃ，１１７ｄにより合成して駆動信号を生成し、この駆動信号をＶ−Ｉ変換して発光素子本体１１１ａ，１１１ｂ，１１１ｃ，１１１ｄに供給する。これにより、発光素子本体１１１ａ，１１１ｂ，１１１ｃ，１１１ｄからは、それぞれ異なる種類の測定対象ガスの吸光特性を走査するための、周波数変調された所定波長のレーザ光が出射される。したがって、ピグテール型発光素子１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄから所定波長のレーザ光が出射される。

そして波長走査駆動信号発生回路１１５ａ，１１５ｂ，１１５ｃ，１１５ｄからはそれぞれトリガ信号ａ、トリガ信号ｂ、トリガ信号ｃ、トリガ信号ｄが出力される。これらトリガ信号ａ、トリガ信号ｂ、トリガ信号ｃ、トリガ信号ｄは、通信線６０を介して分析部５０の演算回路５５ａ，５５ｂ，５５ｃ，５５ｄへ入力される（図６参照）。これらトリガ信号については後述する。

図１にもどるが、ピグテール型発光素子１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄから出射したレーザ光は、それぞれシングルモード型光ファイバ１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ内を伝送される。これらシングルモード型光ファイバ１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄは、ピグテール型発光素子１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄの各々の発光波長に応じた適切なコア径や屈折率のものを選ぶことができる。

このことにより、マルチモード型光ファイバを用いて複数の波長をまとめて伝送する場合と比較して、伝送損失を小さく抑えることができる。また、途中に光ファイバカプラを使用しないため、挿入損失が発生せず、効率よく光を伝送できるという利点がある。こうしてピグテール型レーザ素子１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄから出射したレーザ光は、発光側光学部３０内にあるファイババンドル端部２１へと効率よく伝送される。

次に、ファイババンドル端部２１の詳細を説明する。ファイババンドル端部２１は、図４に示すように、フェルール２１１により、シングルモード型光ファイバ１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄの端部を束ねて、各レーザ光の出射点を近接させる役割を果たす。図４では、４本の光ファイバを束ねた場合の断面の一例を示す。

フェルール２１１は、その中心部に、断面が正方形状の中空穴２１２を備えている。中空穴２１２の大きさは、シングルモード型光ファイバ１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄを断面が正方格子状に接するように並べたときに、内接する大きさとしており、そのため光ファイバ同士の位置関係は固定される。

例えば、典型的なシングルモード型光ファイバの直径は１２５μｍであるから、正方形状の中空穴２１２の一辺の長さを２倍直径長さの２５０μｍとして、光ファイバ同士の位置関係を固定する。このようにシングルモード型光ファイバ１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄを近接させることにより、レーザ素子からの発光点を近接させる。

図４の場合においては、シングルモード型光ファイバ１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄは正方格子状に並んでいるため、発光点の間隔は最近接で１２５μｍとなる。これにより複数のシングルモード型光ファイバ１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄから発せられる各レーザ光をファイババンドル端部２１で近接させつつ出射することで結合して結合光を生成することができる。

なお、中空穴２１２の形状は正方形に限定されるものではなく、例えば円形であってもよく、光ファイバ同士の位置関係が固定できればよい。また、シングルモード型光ファイバが２本，３本，５本、６本という場合でも適宜形状の中空穴２１２を形成してファイババンドル端部２１で把持することが可能である。

図１に戻って説明する。ファイババンドル端部２１から出射したレーザ光は、コリメート放物面鏡２２により平行光に変換される。ここで、放物面鏡について説明する。放物面鏡とは、その反射面が回転放物面の一部からなる鏡である。放物面鏡の回転軸に対して平行に反射面に入射した光は、放物面鏡の焦点に集光する。一方、放物面鏡の焦点から発し反射面に入射した光は、放物面鏡の回転軸に対して平行な光に変換される。上記の性質を利用して、以下のようにコリメート光学系を構成する。

すなわち、ファイババンドル端部２１をコリメート放物面鏡２２の焦点に配置することにより、ファイババンドル端部２１から出射した結合光２４はコリメート放物面鏡２２によって反射され、検出光７０は平行光となる。実際には、光ファイババンドル端部２１を焦点に配置しても、シングルモード型光ファイバ１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄの発光点のすべてを焦点と完全に一致させることはできず、光ファイバの半径程度の距離をもって離れることとなる。

この影響は、検出光７０に含まれる複数のレーザ光の断面形状が非円形状となることや、光軸に対して若干の角度をもつこととなって現れるが、光路長が数ｍ程度であればその影響は十分に小さい。なお、レーザ光のコリメートにレンズではなく放物面鏡を採用した理由を説明すると、レンズはコリメートの原理に屈折を利用するために色収差の影響があり、波長７６０ｎｍから２３３０ｎｍに渡る広帯域なレーザ光を等しく平行にすることが困難であるからである。放物面鏡であればコリメートの原理に反射を利用するために、レンズの場合のような色収差は発生しないので、波長によらずレーザ光を等しくコリメートすることが可能である。

上記のように平行光となった検出光７０は、発光側ウェッジ付窓板２３を透過し、壁８１ａ，８１ｂの内部区間（複数の測定対象ガスが流通する空間）を伝播し、受光側ウェッジ付窓板３３を透過する。ここで平行平面窓板ではなく、ウェッジ付窓板を採用する理由を説明する。一般に、窓板の表面あるいは裏面では、レーザ光が多少の反射を起こす。このため、窓板の表面あるいは裏面（本実施形態の場合は、発光側ウェッジ付窓板２３の表面と裏面および受光側ウェッジ付窓板３３の表面と裏面の合計４面ある）のうち、複数の面が光軸に対して垂直に配置されていると、多重反射を生じ光学干渉ノイズを引き起こす。その結果、受光信号の強度を変調させ、ガス濃度の計測が不正確となってしまう。この現象を避けるために、平行平面窓板を採用せず、ウェッジ付窓板を採用する。また、ウェッジ付窓板の表面、裏面はそれらのどれもが光軸に対して垂直とならないように配置することが望ましい。

続いて、受光部２００について説明する。受光部２００は、検出光７０を受光し、測定対象ガスの吸光特性により吸収された光について分析するユニットである。すなわち、受光側光学部３０では、図１で示すように、受光側ウェッジ付窓板３４を透過した平行光である検出光７０は、集光放物面鏡３１に入射し、反射して受光素子３２へと集束する集光３４となり、受光素子３２に結合する。受光素子３２を集光放物面鏡３１の焦点に配置し、集光放物面鏡３１の回転軸を検出光７０に対して平行に配置することにより、検出光７０は受光素子３２に効率よく結合する。従って、この形態によれば、レーザ光の波長に依存せずにコリメート及び集光が可能であるため、確実に検出光７０を受光素子３２に入力することが可能になる。

なお、受光の効率や光軸変化に対する尤度の観点からは、受光素子３２の受光面積が大きいほど、集光３４を余すことなく効率よく受光できるため、受光面積が大きいことが望ましい。さらに受光素子３２の受光面積が大きいほど、光軸のずれによる光量の低下を抑えることができるため、やはり受光面積が大きいことが望ましい。すなわち、仮に環境の振動や熱膨張の影響によって光軸がずれて、検出光の集光放物面鏡３１への入射角度が変化し、集光位置がずれたとしても、受光素子の面積が大きければ、受光可能な部分から集光３４が外れることなく受光し続けられる。一方で、一般に受光素子３２の受光面積が大きいほど、周波数応答性は低下するため、変調方式で検出する場合には変調周波数での応答性の確保のために受光面積の上限がある。従って、最適な受光面積が存在するものであり、この最適な受光面積に設定されて、検出が行われる。

続いて、分析部５０について説明する。分析部５０は、受光素子３２にて光電変換された信号電流を、受光信号伝送用電線４０を介して入力し、測定対象ガスの吸光特性により吸収された光について分析するユニットである。

測定対象ガスとして酸素ガス（Ｏ_２ガス）、塩素ガス（ＨＣｌガス）、二酸化炭素ガス（ＣＯ_２ガス）、一酸化炭素ガス（ＣＯガス）を測定する場合、受光素子３２には、図５に示すように５００ｎｍ〜２５００ｎｍに感度をもつ近赤外波長域に感度をもつＩｎＧａＡｓフォトダイオードを採用することができる。１個のＩｎＧａＡｓフォトダイオードにより、すべての測定対象ガスに対応する波長のレーザ光を光電変換し、信号を取り出すことが可能である。なお、波長が９００ｎｍ以下では受光感度が０．２Ａ／Ｗ以下と小さいがこのような信号でも検出可能であり、検出信号を適宜増幅することで分析は可能である。

図１に戻るが、受光素子３２は、受光量に応じて、電気信号による検出信号に変換して分析部５０に送る。この分析部５０は、例えば、検出信号に対して増幅やノイズのフィルタリングを行い、濃度を検出する。

図６は、分析部５０の内部構成図である。受光素子３２から分析部５０へ入力された検出信号は、Ｉ−Ｖ変換回路５１によって電流信号から電圧信号に変換される。また、参照信号発生回路（発振回路）５２ａ，５２ｂ，５２ｃ，５２ｄは、それぞれ高周波変調信号発生回路１１６ａ，１１６ｂ，１１６ｃ，１１６ｄによる高周波変調信号の２倍周波数の信号を参照信号として出力する。Ｉ−Ｖ変換回路５１により変換された電圧信号と前記参照信号とは同期検波回路５３ａ，５３ｂ，５３ｃ，５３ｄに入力され、前記電圧信号から２倍周波数成分の信号が抽出される。これらの信号はそれぞれフィルタ５４ａ，５４ｂ，５４ｃ，５４ｄに入力され、ノイズ除去、増幅等の処理が行われて演算回路５５ａ，５５ｂ，５５ｃ，５５ｄに入力されるとともに、この演算回路５５ａ，５５ｂ，５５ｃ，５５ｄにおいて測定対象ガスの濃度が演算されることになる。

次に、上記の構成において、測定対象ガスの濃度を検出する原理について説明する。ここでは可視領域にある酸素ガス（Ｏ_２ガス）と近赤外領域にある塩素ガス（ＨＣｌガス）、二酸化炭素ガス（ＣＯ_２ガス）、一酸化炭素ガス（ＣＯガス）について検出する。酸素は図７に示すように７６０ｎｍ〜７６８ｎｍで吸光特性を有する。酸素検出するために、可視領域として波長７６３ｎｍを発光するピグテール型発光素子１１ａとする。同様に、近赤外領域として、例えば、塩素ガスを検出するために波長１７８０ｎｍを発光するピグテール型発光素子１１ｂとし、二酸化炭素ガスを検出するために波長２００４ｎｍを発光するピグテール型発光素子１１ｃとし、一酸化炭素ガスを検出するために波長２３３０ｎｍを発光するピグテール型発光素子１１ｄとする。本発明では５００〜２５００ｎｍまでの光が光ファイバを伝播されるようにしたため、検出は可能である。

まず、変調光生成部１０から出射した検出光７０は、測定対象ガスが流通する壁８１ａ，８１ｂ内の空間を透過し、吸光されたものとする。これらの検出光は受光素子３２に入射する。
図８は、例えばピグテール型発光素子１１ａの駆動電流波形の一例を示している。
測定対象ガスの吸光特性を走査する波長走査駆動信号Ｓ_１は、ピグテール型発光素子１１ａの駆動電流値を直線的に変化させてピグテール型発光素子１１ａの発光波長を徐々に変化させ、例えば、０．２ｎｍ程度の吸光特性を走査する。一方、信号Ｓ_２は、駆動電流値をピグテール型発光素子１１ａが安定するスレッショルドカレント以上に保ち、一定波長で発光させるためのものである。さらに、信号Ｓ_３では、駆動電流値を０ｍＡにしておく。

図８（ｂ）は、図２の高周波変調信号発生回路１１６ａから出力される変調信号の波形図であり、測定対象ガスの吸光特性を検出するための信号Ｓ_４は、例えば周波数が１０ｋＨｚの正弦波とし、波長幅を０・０２ｎｍ程度変調する。
図８（ｃ）は、図２の駆動信号発生回路１１７ａから出力される駆動信号（波長走査駆動信号発生回路１１５ａの出力信号と高周波変調信号発生回路１１６ａの出力信号との合成信号）の波形図であり、この駆動信号Ｓ_５を発光素子本体１１１ａに供給すると、発光素子本体１１１ａからは、測定対象ガスの０．２ｎｍ程度の吸光特性を波長幅０．０２ｎｍ程度で検出可能な変調光が出力される。

他の発光素子本体１１１ｂ，１１１ｃ，１１１ｄも、上記と同様にして、測定対象ガスの吸光特性に応じて分析される。
４個の発光素子本体１１１ａ，１１１ｂ，１１１ｃ，１１１ｄの変調波周波数を、例えば１０ｋＨｚ，１２．５ｋＨｚ，１５ｋＨｚ，１７．５ｋＨｚとすると、変調信号の２倍周波数成分はそれぞれ２０ｋＨｚ，２５ｋＨｚ，３０ｋＨｚ，３５ｋＨｚとなり、参照信号発生回路５２ａ，５２ｂ，５２ｃ，５２ｄがこれらの周波数の参照信号を出力することで、同期検波回路５３ａ，５３ｂ，５３ｃ，５３ｄは上記の２倍周波数成分に吸光特性を有する測定対象ガス、すなわち、Ｏ_２ガス、ＣＯ_２ガス、ＨＣｌガス、ＣＯガスの吸光特性のみをそれぞれ検出して出力することができる。

測定対象ガス、すなわちＯ_２ガス、ＣＯ_２ガス、ＨＣｌガス、ＣＯガスに吸光特性がある場合、同期検波回路５３ａ，５３ｂ，５３ｃ，５３ｄからは図９に示すような吸光特性が得られる。なお、検出光７０の光路上に測定対象ガスが存在しない場合には、同期検波回路５３ａ，５３ｂ，５３ｃ，５３ｄの出力に図９のような吸光特性は現れず、図１０で示すような出力となる。

続いて演算回路による濃度算出方法について説明する。ここではＯ_２ガスについて例示的に説明する。
演算回路５５ａには、波長走査駆動信号発生回路１１５ａからトリガ信号ａが入力される。
図８（ａ）におけるトリガ信号は、上記Ｓ_１，Ｓ_２，Ｓ_３を含めた１周期ごとに出力される信号であり、波長走査駆動信号発生回路１１６ａより出力され、通信線５０を介して、演算回路５５ａへ入力される。トリガ信号は、波長走査駆動信号のＳ_３と同期がとれている。図９で示すように、トリガ信号から所定時間ｔ_ｂ，ｔ_ｃ，ｔ_ｄ経過したときに同期検波回路出力波形でＢ点の最小値Ｂ、Ｃ点の最大値Ｃ、Ｄ点の最小値Ｄが登場する。これら所定時間ｔ_ｂ，ｔ_ｃ，ｔ_ｄは工場出荷前や校正時に実験的に予め算出しておいて、図示しないメモリに登録しておく。この値を用いて濃度を算出する。

演算回路５５ａとしては、トリガ信号から所定時間ｔ_ｂ，ｔ_ｃ，ｔ_ｄ経過するときに同期検波回路出力波形の値を読みとって記憶し、その後に濃度を算出する処理を行う。この同期検波回路出力波形はその波形のピークにある最大値がそのままガス濃度を表わすため、例えば、最大値を濃度として出力する。または最大値から最小値を減じた差分値を濃度とするというものである。他の測定対象ガス（ＣＯ_２ガス、ＨＣｌガス、ＣＯガス）の濃度検出動作についても、同様に行えばよい。

特にガス濃度が低くなると、光学窓材料などによるレーザ光の干渉による影響のノイズの影響が強くなり、これらのノイズがピークとなって検出されてしまうなど、ピークの発見が困難であるが、本発明では、このようにガス吸収が発生する部分を予め設定しトリガ信号を基準にガス吸収のピークを検出するようにしたため、ノイズ等に影響されることなく正確なガス濃度検出ができるという利点がある。
このような装置構成によって、従来技術と同様に、２倍周波数の信号を検出することでガス濃度が計測可能となる。

また、低損失であるためピークが確実に現れるようにして低濃度のガスの検出能力を向上させた。加えて同期によりピーク位置を正確に検出できるようにしたため、やはり低濃度のガスの検出能力を向上させた。
このような装置構成によって、ガス濃度が計測可能となる。本発明では５００〜２５００ｎｍという広い波長域で計測可能となる。
以上本発明の多成分レーザ式ガス分析計について説明した。この多成分レーザ式ガス分析計では各種の変形形態が可能である。

続いて他の形態について説明する。この形態では、先の形態のうち、受光素子３２のみを変更するものである。本形態では、図１１に示すように、受光素子３２は、可視光領域に感度をもつＳｉフォトダイオードと、近赤外領域に感度をもつＩｎＧａＡｓフォトダイオードとが一体化された可視光・近赤外光用受光素子４６を用いるものである。このような構成を採用しても本発明の実施は可能である。

続いて他の形態について説明する。先に説明した二形態では、周波数が異なる複数光線を結合した検出光であるものとして説明した。本形態では、それぞれのピグテール型発光素子を、時分割で動作させるものとした。そして検波手段では、受光手段の信号から、高周波変調の基本は成分と２倍波成分を、動作中のピグテール型発光素子と同期しながら検波することとした。例えば、図８の発光素子本体１１１ａ，１１１ｂ，１１１ｃ，１１１ｄと、参照信号発生回路５２ａ，５２ｂ，５２ｃ，５２ｄと、それぞれ演算回路５５ａ，５５ｂ，５５ｃ，５５ｄに接続し、とも一個ずつ動作するように同期させて検波手段の信号から変調周波数成分を測定する。このように複数のガス成分を時分割で測定するような多成分用レーザ式ガス分析計としてもよい。

続いて他の形態について説明する。先に説明した三形態では、ファイババンドル端部２１の端面については限定していなかったが、本形態ではファイババンドル端部２１を斜め研磨とする。このように構成することで、戻り光は斜め研磨端での反射により光ファイバ内に戻ることがなく、戻り光の影響を除去することが可能になる。

続いて他の形態について説明する。先に説明した四形態では、例示的に酸素ガス（Ｏ_２ガス）、塩素ガス（ＨＣｌガス）、二酸化炭素ガス（ＣＯ_２ガス）、一酸化炭素ガス（ＣＯガス）を測定するものとして説明したが、これらガスのみに限定される趣旨ではなく、他の成分のガスを含んでいてもよい。その場合、他の成分のガスを検出できるような波長を有するピグテール型発光素子が追加され、この波長で検出できるように演算回路の演算処理内容が変更されて用いられるというものである。例えば、波長５００ｎｍ〜２５００ｎｍの領域に吸収スペクトラムを有するｍ種類のガス濃度を検出するため、各々の吸収線の波長にて発光するｍ個のピグテール型発光素子を配置してファイババンドル端部２１でｍ個のシングルモード型光ファイバを近接させた状態で固定することにより、検出が可能となる。

以上本発明について説明した。本発明のレーザ式ガス分析計によれば、可視光および近赤外光にわたって吸光する複数のガスを含む測定対象ガスに対してガス成分を正確に検出することが可能となる。特に、波長５００ｎｍから２５００ｎｍまでの広い波長範囲にわたる異なる３波長以上のレーザ光源から出た光を、ファイバカプラを使用せずに空間に放射し、受光側で１本の光ファイバ上に結合することによって、発光側での挿入損失をなくし、光のパワーを効率よく受光素子まで伝送することで、測定ガスの吸収信号の強度を高めることができる。さらに、レーザ光のコリメートのために放物面鏡を用いることで波長に依存せずにコリメートし、かつ、集光のためにも放物面鏡を用いることで波長に依存せず同じ位置に集光することにより、受光効率を高め、ひいては測定対象ガスの吸収信号の強度を高めることができる。

また、半導体レーザを用いた吸収分光法に基づくレーザ式ガス分析計において、従来の光ファイバ式ガス分析計では、ガスの吸収スペクトル波形のピークを検出するように信号処理していたが、信号強度が電気信号ノイズよりも大きくなければならず、濃度が低いガス濃度検出が困難であったが、本願提案では低損失であるためピークが確実に現れるようにして低濃度のガスの検出能力を向上させた。さらに波長走査信号のトリガ信号をもとに、ガス吸収ピークを検出することで、低濃度ガス検出が可能となった。加えて同時に複数成分測定が可能となる。

本発明の多成分用レーザ式ガス分析計は、ボイラ、ゴミ焼却等の燃焼排ガス測定用として最適である。その他、鉄鋼用ガス分析［高炉、転炉、熱処理炉、焼結（ペレット設備）、コークス炉］、青果貯蔵及び熟成、生化学（微生物）［発酵］、大気汚染［焼却炉、排煙脱硫・脱硝］、自動車排ガス（除テスタ）、防災［爆発性ガス検知、有毒ガス検知、新建築材燃焼ガス分析］、植物育成用、化学用分析［石油精製プラント、石油化学プラント、ガス発生プラント］、環境用［着地濃度、トンネル内濃度、駐車場、ビル管理］、理化学各種実験用などの分析計としても有用である。

１００：発光部
１０：変調光生成部
１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ：ピグテール型発光素子
１１１ａ，１１１ｂ，１１１ｃ，１１１ｄ：発光素子本体
１１２ａ，１１２ｂ，１１２ｃ，１１２ｄ：温度検出素子
１１３ａ，１１３ｂ，１１３ｃ，１１３ｄ：温度制御回路
１１４ａ，１１４ｂ，１１４ｃ，１１４ｄ：ペルチェ素子
１１５ａ，１１５ｂ，１１５ｃ，１１５ｄ：波長走査駆動信号発生回路
１１６ａ，１１６ｂ，１１６ｃ，１１６ｄ：高周波変調信号発生回路
１１７ａ，１１７ｂ，１１７ｃ，１１７ｄ：駆動信号発生回路
１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ：シングルモード型光ファイバ（ピグテール）
２０：発光側光学部
２１：ファイババンドル端部
２２：コリメート放物面鏡
２３：発光側ウェッジ付窓板
２４：結合光
２００：受光部
３０：受光側光学部
３１：集光放物面鏡
３２：ファイバ端部
３３：発光側ウェッジ付窓板
３４：集光
４０：受光信号伝送用電線
５０：分析部
５１：Ｉ−Ｖ変換回路
５２ａ，５２ｂ，５２ｃ，５２ｄ：参照信号発生回路
５３ａ，５３ｂ，５３ｃ，５３ｄ：同期検波回路
５４ａ，５４ｂ，５４ｃ，５４ｄ：フィルタ
５５ａ，５５ｂ，５５ｃ，５５ｄ：演算回路
６０：通信線
７０：検出光
８１ａ，８１ｂ：壁
８２ａ，８２ｂ：フランジ
８３ａ，８３ｂ：光軸調整フランジ

Claims

レーザ光による検出光を出射する発光部と、複数の測定対象ガスが存在する空間を介して伝播された検出光を受光する受光部と、を備え、複数種類の測定対象ガスの濃度を測定する周波数変調方式の多成分用レーザ式ガス分析計であって、
前記発光部は、
それぞれの測定対象ガス別に設けられる素子であって周波数変調されたレーザ光を出射する複数の発光素子と、これらの発光素子のレーザ光をそれぞれ伝送する複数の光ファイバと、これらの光ファイバの端部を束ねて各レーザ光の出射点を近接させるためのファイババンドル端部と、このファイババンドル端部から出射された結合光に対して収差の影響を低減しつつ前記空間に検出光として出射する放物面鏡と、を備え、
前記受光部は、
前記空間を透過した検出光を収差の影響を低減しつつ集光する放物面鏡と、この放物面鏡から出力された集光を受光する受光素子と、前記受光素子からの検出信号に基づいてガス分析を行う分析部と、
を備えたことを特徴とする多成分用レーザ式ガス分析計。
レーザ光による検出光を出射する発光部と、複数の測定対象ガスが存在する空間を介して伝播された検出光を受光する受光部と、を備え、複数種類の測定対象ガスの濃度を測定する周波数変調方式の多成分用レーザ式ガス分析計であって、
前記発光部は、
それぞれの測定対象ガス別に設けられる素子であって周波数変調されたレーザ光を出射する複数の発光素子と、これらの発光素子のレーザ光をそれぞれ伝送する複数の光ファイバと、これらの光ファイバの端部を束ねて各レーザ光の出射点を近接させるためのファイババンドル端部と、このファイババンドル端部から出射された結合光に対して収差の影響を低減しつつ前記空間に検出光として出射する放物面鏡と、を備え、
前記受光部は、
前記空間を透過した検出光を収差の影響を低減しつつ集光する放物面鏡と、この放物面鏡から出力された集光を受光する受光素子と、受光素子からの検出信号に基づいてガス分析を行う分析部と、を備え、
前記発光素子は、
発光素子本体と、この発光素子本体の温度検出手段と、前記発光素子本体の加熱冷却手段と、前記発光素子本体からの出射波長が所定値になるように前記温度検出手段による検出温度に応じて前記加熱冷却手段を制御する温度制御手段と、前記発光素子本体への供給電流を変化させて測定対象ガスの吸光特性を走査するための波長走査駆動信号およびトリガ信号を生成する波長走査駆動信号発生手段と、高周波変調信号を生成する高周波変調信号発生手段と、前記波長走査駆動信号を前記高周波変調信号により変調して前記発光素子本体に対する駆動信号を生成する駆動信号発生手段と、をそれぞれ備えると共に、
前記分析部は、
各発光素子における高周波変調信号の２倍周波数成分を有する参照信号をそれぞれ生成する参照信号発生手段と、前記受光素子の出力信号から前記２倍周波数成分をそれぞれ検出する同期検波手段と、トリガ信号を基準として所定時間経過したときの同期検波手段の出力信号の値に基づいて測定対象ガスの濃度を演算する演算手段と、
を備えたことを特徴とする多成分用レーザ式ガス分析計。
請求項１または請求項２に記載の多成分用レーザ式ガス分析計において、前記発光素子は、ピグテール型の発光素子であり、また、前記光ファイバは、シングルモード型の光ファイバである、ことを特徴とする多成分用レーザ式ガス分析計。