JP2018048825A - ラマン散乱光検出装置及びラマン散乱光検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光干渉フィルタの光軸調整の精度を緩和することが可能なラマン散乱光検出装置等を提供する。【解決手段】ラマン散乱光検出装置は、光干渉フィルタ５１を用いて気体分子から放出されたラマン散乱光を検知する。透過波長掃引部は、気体分子からラマン散乱光が放出された状態で、例えば光干渉フィルタを回転させて光干渉フィルタの透過中心波長を連続的に変化させ、制御部は、光干渉フィルタを透過するラマン散乱光を検出して、ラマン散乱光の波長を算出する。通常は、静止して固定して使用される光干渉フィルタを回転させることにより、シンプルな光干渉系制御法で信頼性を高め、小型軽量化を実現でき、さらに低コストの検出装置を実現することができる。【選択図】図２

Description

本願発明は、ラマン散乱光検出装置及びラマン散乱光検出方法に関し、特に、光干渉フィルタを用いて気体分子から放出されたラマン散乱光を検知するラマン散乱光検出装置等に関する。

レーザー光を混合気体に照射すると、各ガス分子の内部エネルギーに変換された相当分のラマン散乱現象が生じる。表１は、レーザー光の波長が３５５ｎｍの場合の各気体のラマンシフト、ラマン散乱波長、Ｎ２に対する相対強度、短波長隣接線との差、長波長隣接線との差を示す。図７は、レーザー光の波長が３５５ｎｍの場合に、（ａ）各気体の波長とＮ２を基準としたラマン散乱光の相対強度、（ｂ）ラマン散乱光の測定値（横軸は波長、縦軸は強さ）、（ｃ）〜（ｆ）各気体の（ｂ）の拡大図を示す。

ラマン散乱光波長は、ガス種毎に異なる。また、実験室レベルでは、気体分子のラマン散乱光により、遠隔で分子種特定や濃度測定をすることが実現している。例えば、狭帯域干渉フィルタを用いて特定波長のみを透過させることにより、ラマン散乱光を分離することが行われている（特許文献１参照）。また、図７にあるように、個々のラマンバンド幅は狭いので、様々な混合ガス分子のラマンバンドが互いに重なり合うことは少ない。分光により特定波長光だけを透すことで、特定の分子種のラマン散乱光を分離する手法などである。

特許第５１５９７９９号公報

しかしながら、光学精密機器の分光器を用いる背景技術では、実験室レベルでは実現できていても、これを屋外に持ち出すについては、機械的剛性で重いなど、多くの問題があった。例えば、分光系の小型・軽量化には光干渉フィルタを用いるが、対象ガスのラマン波長範囲は３６０ｎｍ〜４２０ｎｍで隣接するガスとの波長差は最小で０．７９ｎｍであり、透過半値幅は２ｎｍ以下（外乱光ノイズとのＳＮ比を高める）と狭い。そのため、ラマン散乱光の入射角精度は重要となる。例えば垂直入射角±０．３度以下で、さらに平行光で入射させる必要がある。光軸角がずれると透過率が低下するなどして測定不能となる。このため、受光系の構造設計・微動機構の製作及び芯出し調整など高度で複雑な作業が必要になる。背景技術によっては、装置の信頼性を保ち、小型軽量化を目指した携帯形検知器を実現することは困難であった。

そこで、本願発明は、受光機構が簡易で、光軸調整の精密さを緩和することが可能なラマン散乱光検出装置等を提案することを目的とする。

本願発明の第１の観点は、光干渉フィルタを用いて気体分子から放出されたラマン散乱光を検知するラマン散乱光検出装置であって、前記気体分子から前記ラマン散乱光が放出された状態で前記光干渉フィルタを回転して前記光干渉フィルタの透過中心波長を変更する透過波長掃引部と、前記光干渉フィルタを透過した光を受光する受光部と、前記受光部が前記ラマン散乱光を受光していることを検知して前記受光部が受光しているときの前記光干渉フィルタの回転角度値を検知する検知部と、前記検知部が検知した前記回転角度値を用いて前記受光部が受光した前記ラマン散乱光の波長を算出する演算部を備える。

本願発明の第２の観点は、第１の観点のラマン散乱光検出装置であって、前記透過波長掃引部は、前記光干渉フィルタを回転させて前記光干渉フィルタの透過中心波長を連続的に増加及び減少することにより掃引方向を変えて掃引し、前記演算部は、掃引方向を変えて掃引して検出された前記ラマン散乱光の立上りと立下りの波長を用いて前記ラマン散乱光の波長を算出する。

本願発明の第３の観点は、第１又は第２の観点のラマン散乱光検出装置であって、前記気体分子にパルスレーザーを照射する照射部と、Ｎ２のラマン散乱光の基準波長を記憶するラマン散乱光基準波長記憶部を備え、前記光干渉フィルタが回転して変化する透過中心波長にはＮ２のラマン散乱光の波長が含まれており、前記演算部は、検出されたＮ２のラマン散乱光の波長と前記ラマン散乱光基準波長記憶部に記憶されたＮ２の基準波長とを比較して誤差を求め、誤差を利用して演算して得られた他の気体分子の前記ラマン散乱光の波長を修正する。

本願発明の第４の観点は、第１から第３のいずれかの観点のラマン散乱光検出装置であって、前記受光部が受光した光が基準条件を満たすか否かを判定する制御部を備え、前記透過波長掃引部は、前記気体分子から前記ラマン散乱光が放出された状態で又は放出されていない状態で前記光干渉フィルタを回転させ、前記制御部は、前記受光部が受光した光が、前記基準条件を満たすならば、前記ラマン散乱光の波長を検出し、前記基準条件を満たさないならば、前記ラマン散乱光の波長を検出しない。

本願発明の第５の観点は、光干渉フィルタを用いて気体分子から放出されたラマン散乱光を検知するラマン散乱光検出方法であって、前記透過波長掃引部が、前記気体分子から前記ラマン散乱光が放出された状態で前記光干渉フィルタを回転する回転ステップと、受光部が、前記光干渉フィルタを透過した光を受光する受光ステップと、検知部が、前記受光部が前記ラマン散乱光を受光していることを検知して前記受光部が受光しているときの前記光干渉フィルタの回転角度値を検知し、演算部が、前記検知部が検知した前記回転角度値を用いて前記受光部が受光した前記ラマン散乱光の波長を算出する波長算出ステップを含む。

なお、本願発明の各観点において、各気体分子に対応してラマン散乱光の基準波長を記憶するラマン散乱光基準波長記憶部を備え、演算部は、算出したラマン散乱光の波長と前記ラマン散乱光基準波長記憶部に記憶された基準波長とを比較することにより、前記ラマン散乱光を放出した気体分子を特定するものであってもよい。

また、光干渉フィルタは、バンドパスフィルタでもよく、また、ハイパスフィルタとローパスフィルタを組み合わせたものでもよい。ハイパスフィルタとローパスフィルタの組み合わせを使用することにより、比較的安価で、高精度なバンドパスフィルタとすることが可能になる。

本願発明の各観点によれば、例えばパルスレーザー照射部によって気体分子にパルスレーザーを照射し、これにより気体分子がラマン散乱光を放出したときに、透過波長掃引部が光干渉フィルタを回転させて、このラマン散乱光が入光部（例えば図１のピンホール２５参照）より入射する入射方向に対して光干渉フィルタの角度を連続的に変えて透過中心波長を連続的に掃引させることにより、検知部がラマン散乱光を検知して、演算部がラマン散乱光の波長を算出することができる。このとき、波長の特定には、光干渉フィルタの回転角度を利用することができる。このように、機械的構造がシンプルであるために大幅なコストダウンを実現できる。

さらに、この連続的な掃引を利用して、１つの光干渉フィルタで、大気中の混合気体（例えばラマン測定ガスの７種類など）のリアルタイム測定が可能になる。ここで、「マルチガス測定」として、計測対象ガスをＯ２、ＣＯ２などの大気環境監視と可燃性ガス、有毒性ガスなど、計測対象別に事前に分類して登録することで、操作が容易になる。また、「特定ガス測定」として対象ガスを特定することで、波長帯域を限定し（例えば、掃引範囲は中心波長の±５ｎｍ）、計測時間の短縮とリアルタイム測定が可能となる。

さらに、本願発明の第２の観点によれば、透過波長掃引部が光干渉フィルタを回転させるために透過中心波長は増加及び減少することを利用して、掃引方向を変えてラマン散乱光を検出することにより、ラマン散乱光の立上りと立下りを検出して、これを利用してラマン散乱光の（中心）波長を検出することができる。例えば、後に説明するように、光干渉フィルタを１２０度回転して透過中心波長を１往復させ、透過エッジ部の４点を検出し演算処理することで、汎用の光干渉フィルタでありながら（半値幅４〜１０ｎｍ）分解能は１ｎｍオーダーを確保することができる。

さらに、本願発明の第３の観点によれば、大気中に安定して存在するＮ２ガス波長を用いて、波長軸のセルフチェックをすることができる。登録されたＮ２値（ステージ角および波長）との相対誤差を自己補正することで、ステージ角度を校正して、メンテナンスフリーを実現することができる。

さらに、本願発明の第４の観点によれば、透過波長掃引部が光干渉フィルタの透過中心波長を連続的に掃引させることで、外乱光ノイズおよび微粒子や水蒸気が原因の散乱ノイズなど、測定環境を自動的にチェックする機能を実現して、信頼性を高めることができる。

本願発明の実施の形態に係るラマン散乱光検出装置の構成の一例を示す図である。 図１の波長掃引ステージ３５の構成の一例を示す図である。 図１及び図２のラマン散乱光検出装置１の動作の一例を示すフロー図である。 図２の光干渉フィルタ５１の動作の一例を説明するための図である。 図１及び図２のラマン散乱光検出装置１の動作の一例を示すタイムチャートである。 図１及び図２のラマン散乱光検出装置１によるラマン散乱光の立上りの波長及び立下りの波長の検出の一例を示す。 レーザー光の波長が３５５ｎｍの場合の各気体のラマン散乱光を説明するための図である。

以下では、図面を参照して、本願発明の実施例について説明する。なお、本願発明は、実施例に限定されるものではない。

図１は、本願発明の実施の形態に係るラマン散乱光検出装置の構成の一例を示す図である。対象ガス３にパルスレーザーが照射されると、対象ガス３に含まれる気体分子からラマン散乱光が放出される。ラマン散乱光検出装置１は、このラマン散乱光を検知する。表示部５は、ラマン散乱光検出装置１の検知結果を表示したり、ユーザがラマン散乱光検出装置１に入力したりするものである。

図１（ａ）を参照して、ラマン散乱光検出装置１は、パルスレーザー照射部１１と、マーカーレーザー照射部１３と、ハーフミラー１５と、ミラー１７と、第１直角プリズム１９と、第２直角プリズム２１と、集光レンズ２３と、ピンホール２５と、凸レンズ２７と、ハイパスフィルタ２９と、受光器３１と、パワーモニタ３３と、波長掃引ステージ３５と、制御部３７を備える。

図１（ｂ）を参照して、制御部３７は、メインＣＰＵ４１と、ステージドライバ４３と、多段並列高速ＡＤ回路４５と、高速遅延回路４７と、レーザードライバ４９を備える。

図２は、図１の波長掃引ステージ３５の構成の一例を示す図である。（ａ）は側面図であり、（ｂ）は平面図である。波長掃引ステージ３５は、光干渉フィルタ５１と、固定部５３と、軸５５と、パルスモータ５７と、エンコーダ５９を備える。パルスモータ５７は、軸５５を回転させる。軸５５と光干渉フィルタ５１は、固定部５３により固定されている。エンコーダ５９は、光干渉フィルタ５１の回転角度を特定する。光干渉フィルタ５１は、ローパスフィルタとハイパスフィルタを組み合わせたバンドパスフィルタである。ローパスフィルタとハイパスフィルタの平行角度を微調整（固定部５３のフィルタ取付けホルダーの左右の平行角微調ネジ）することで、原理的には狭帯域の透過幅を得ることが可能となり、１〜２ｎｍ（１〜２度）の分解能で対象ガス３からのラマン散乱光の重なりなどの詳細な分析とＳ／Ｎ比が向上する。

図２にあるように、波長掃引ステージ３５は、光干渉フィルタ５１を回転させる機構を用いている。光干渉フィルタ５１は、例えば、光軸との角度のズレ（違い）が生じたとき、透過波長が１度あたり１ｎｍの変化量で短波長側にシフトする特性で製作されたものである。光軸に対し、６０度で透過中心波長３６０ｎｍ、０度で透過中心波長４２０ｎｍの特性である。そのため、光干渉フィルタ５１を１２０度回転させるとフィルタの透過中心波長は３６０ｎｍ→４２０ｎｍ→３６０ｎｍと連続的に掃引（移動）する。これにより光干渉フィルタ５１を回転させることによりフィルタの透過中心波長を増減させて、図７の各気体のラマン散乱光の波長を、増加時と減少時の両方で検出することができる。

従来、狭帯域干渉フィルタを用いてラマン光を分離していた。この場合、フィルタと光軸とのズレが生じたならば、フィルタの透過中心波長がシフトしてしまい、ラマン散乱光の波長の検出ができなくなっていた。特に、複数のラマン散乱光の波長を検出するならば、それぞれの波長に対応する狭帯域干渉フィルタを用意し、切り替える必要があった。そのため、狭帯域干渉フィルタを何枚も用意し、それぞれに高精度な光軸調整が必要で、さらに高額なフィルタ切替機構も必要となった。それに対し、本願発明によれば、連続的に掃引（移動）させるため、光干渉フィルタ５１の調整の精度を緩和させることができる。さらに、光干渉フィルタ５１を変えずに、複数の気体分子のラマン散乱光の波長を検出することができる。そのため、ハードウエアは比較的シンプルで、フィルタ切替機構も必要なく、調整の精度を緩和でき、大幅な小型軽量化が可能であり、コストダウンと長期的な耐久精度を実現することができる。

図３及び図５は、それぞれ、図１及び図２に記載されたラマン散乱光検出装置１の動作の一例を示すフロー図及びタイムチャートである。図４は、図２の光干渉フィルタ５１の動作の一例を説明するための図である。図３乃至図５を参照して、図１及び図２に記載されたラマン散乱光検出装置１の動作の一例を説明する。

本願発明の特徴は、外乱光ノイズ判別機能を用意している点にもある。ラマン光強度は微弱であり、さらに大気中に浮遊する微粒子によって散乱・吸収され、ラマン散乱光は減衰する。大気中には自然光（太陽）・人工光（照明）・浮遊物などからの散乱光、蛍光・燐光などの背景光など、強い光量を有する。これに対し、ラマン散乱光は微弱であるため、大気中に浮遊している微粒子の散乱・吸収による光ノイズが測定に影響を及ぼし誤動作の要因となる。そのため、本願発明は、測定環境をモニターする外乱光ノイズ判別機能により、これらの外乱光ノイズを分別、除去、認知等し、外乱ノイズの状況を常時監視してラマン散乱光検出装置１の信頼性を高める。

図３を参照して、まず、利用者は、表示部５を操作してマーカー光を照射し、ラマン散乱光検出装置１の方向を調整して、測定したい箇所にマーカー光の照準をあわせる。具体的には、マーカーレーザー照射部１３から照射されたマーカー光は、ミラー１７で反射してハーフミラー１５に至る。パワーモニタ３３は、ハーフミラー１５で直進したマーカー光をモニターする。ハーフミラー１５で反射したマーカー光は、第１直角プリズム１９及び第２直角プリズム２１で方向を変える。第２直角プリズム２１は、集光レンズ２３の中心の背後に位置する。そのため、第２直角プリズム２１で方向を変えたマーカー光は、集光レンズ２３を通過しても直進する。ユーザは、測定したい箇所にマーカー光の照準を合わせる。

続いて、制御部３７は、初期設定を行う（ステップＳＴ１）。具体的には、電源ＯＮにより温度を制御する。そして、図４のＰ１にあるように、波長掃引ステージ３５のパルスモータ５７により、光干渉フィルタ５１と光軸の角度差が６０度である状態にする。図５のθ軸ステージの（始動）原点は、この状態である。これにより、光干渉フィルタ５１の透過中心波長は、３６０ｎｍである。

図４において、外部からの光は上部より入射する。円はパルスモータ５７を示し、円上の線分は光干渉フィルタ５１を示す。ステージ角（ラマン散乱光が入射する向きを０°としたパルスモータ５７による回転の角度）が３０°のとき、ラマン散乱光はＦ面に入射してフィルタ入射角が＋６０°であり、中心透過波長は３６０ｎｍである。ステージ角が９０°のとき、ラマン散乱光はＦ面に入射してフィルタ入射角が＋０°であり、中心透過波長は４２０ｎｍである。ステージ角が１５０°のとき、光干渉フィルタ５１はＰ２にあり、ラマン散乱光はＦ面に入射してフィルタ入射角が−６０°であり、中心透過波長は３６０ｎｍである。ステージ角が２１０°のとき、ラマン散乱光はＲ面に入射してフィルタ入射角が＋６０°であり、中心透過波長は３６０ｎｍである。ステージ角が２７０°のとき、ラマン散乱光はＲ面に入射してフィルタ入射角が＋０°であり、中心透過波長は４２０ｎｍである。ステージ角が３３０°のとき、光干渉フィルタ５１はＰ２にあり、ラマン散乱光はＲ面に入射してフィルタ入射角が−６０°であり、中心透過波長は３６０ｎｍである。光干渉フィルタ５１の３０°から１５０°の回転時にＦ面を使ってデータを得、１５０°から２１０°までの回転時にデータの転送処理を行う。光干渉フィルタ５１の２１０°から３３０°の回転時にＲ面を使ってデータを得、１５０°から２１０°までの回転時にデータの転送処理を行う。光干渉フィルタ５１を通過したラマン散乱光は、ハイパスフィルタ２９を経て、受光器３１が受光する。

波長掃引ステージ３５で、パルスモータ５７にＳｔｅｐパルスを与えて光干渉フィルタ５１を回転させる（ステップＳＴ２）。光干渉フィルタ５１を透過した光は、ハイパスフィルタ２９を経由して受光器３１に至る。ハイパスフィルタ２９は、レーザーの波長を透過させず、各物質のラマン散乱光の波長を通過させるハイパスフィルタであり、レーザーの影響を排除する。

制御部３７は、受光器３１により受光した光を分析し、外乱光チェックを行う（ステップＳＴ３）。そして、外乱光ノイズの影響が十分に小さいか否かの判定を行う（ステップＳＴ４）。外乱光ノイズの影響が十分に小さいのであればステップＳＴ６に進む。外乱光ノイズの影響が大きいのであればステップＳＴ５の後、ユーザから指示に従いステップＳＴ３に戻る。

ステップＳＴ６において、制御部３７は、レーザーの照射を開始する。具体的には、パルスレーザー照射部１１にレーザーを照射させる。レーザーは、ハーフミラー１５に至る。パワーモニタ３３は、ハーフミラー１５で反射したレーザーをモニターする。ハーフミラー１５を直進したレーザーは、第１直角プリズム１９及び第２直角プリズム２１で方向を変え、レーザーが照射される。大気中の浮遊物や微粒子などによるレーリー散乱光や壁面から発生する蛍光等の反射ノイズは、集光レンズ２３により集光され、ピンホール２５及び凸レンズ２７を経由して波長掃引ステージ３５に至る。

制御部３７は、受光器３１により受光した光を分析し、散乱光チェックを行う（ステップＳＴ７）。そして、散乱光ノイズの影響が十分に小さいか否かの判定を行う（ステップＳＴ８）。散乱光ノイズの影響が十分に小さいのであればステップＳＴ１０に進む。散乱光ノイズの影響が大きいのであればステップＳＴ９の後、ユーザから指示に従いステップＳＴ７に戻る。

外乱光チェック（自然光（太陽）、人工光（照明）など）（ステップＳＴ３）について具体的に説明する。始動原点（ステージ角：３０度）から１２０度回転する間、Ｆ面により計測され、光干渉フィルタ５１の透過中心波長が３６０ｎｍ→４２０ｎｍ→３６０ｎｍと連続的に移動して受光する。所要時間１．２秒である。さらに６０度回転する間に、外乱光ノイズのチェックを行う。図５では、計測点は４点であり、平均化回数は６４回とする。外乱光は３６０ｎｍから４２０ｎｍの高光量の連続したスペクトルを照射するため、４点の測光で可能である。

外乱光量が第１基準値よりも低い場合は、外乱光ノイズの影響は小さい。そのため、ステップＳＴ４では、概論光量が第１基準値よりも小さいか否かを判断し、小さければ、ステップＳＴ６以降の散乱光チェックへ進む。ここで、外乱光強度に合わせ、受光器である光電子増倍管の感度制御によって出力飽和を防止する。外乱光量が第１基準値より高い場合は、基準条件を満たさないとし、制御部３７のメインＣＰＵ４１は、登録されている太陽光、室内照明光、蛍光などの外乱光ノイズのスペクトルを用いて外乱光スペクトル分布及び光量値を分析し、表示部５に自然光か人工照明光かを表示しメッセージ出力する（ステップＳＴ５）。外乱光チェック動作を繰り返し、ステップＳＴ３に戻り、ユーザの指示により停止する。

散乱光チェック（粉塵、排ガスなどの浮遊物及び微粒子などによるもの）（ステップＳＴ７）について説明する。散乱光チェックは、外乱光チェックから連続して行われる。外乱光チェック後、２１０度から３３０度回転する間、Ｒ面により計測され、光干渉フィルタ５１の透過中心波長が３６０ｎｍ→４２０ｎｍ→３６０ｎｍと連続的に移動して受光する。所要時間１．２秒である。さらに６０度回転する間に、散乱光ノイズのチェックを行う。図５では、計測点は４点であり、平均化回数は６４回とする。散乱光は高光量である。

散乱光ノイズの発生源は、パルスレーザーによるレーリー散乱で、データ処理による平均化処理での完全除去は難しい。そのため、散乱光ノイズが第２基準値よりも低い場合は、散乱光ノイズの影響は小さいとし、ステップＳＴ１０以降の処理を行う。ここで、微粒子の吸収・散乱による減衰量を検知する。散乱光第２基準値よりも高い場合は、散乱光ノイズを分析して、表示部５にメッセージ出力する（ステップＳＴ９）。散乱光チェック動作を繰り返し、ステップＳＴ７に戻り、ユーザの指示により停止する。

また、ステップＳＴ７では、壁面などから発生する蛍光、燐光など反射ノイズの判定をする。観測窓ガラス、障害物や壁面からの反射光ノイズはレーザーの光軸上で発生するために光干渉系受光部での除去は難しいが、測定エリアの前方又は後方の背景による反射光ノイズは制御部３７によるデータ集録での処置（除去）が可能である。除去可能であれば基準を満たすとする。除去が難しいならば分析結果を出力する。

よって、ステップＳＴ１０では、外乱光ノイズ及び散乱光ノイズが十分に小さく、その影響が無いと判断でき、さらに、反射光ノイズが無く又は仮にあっても除去可能であるときに、基準条件を満たし、測定環境が確保されており、ステップＳＴ１１以降のガス測定の処理ができることが確認されている。

ラマン散乱光の放出について説明する。制御部３７がパルスレーザー照射部１１にレーザーを照射させると、レーザーが照射された対象ガス３に含まれる気体分子において、エネルギー相当分のラマン散乱現象が生じる。図７に示すように、ラマン散乱光の波長は、ガス種ごとに異なる。ラマン散乱光は、集光レンズ２３により集光され、ピンホール２５及び凸レンズ２７を経由して波長掃引ステージ３５に至る。

図６を参照して、ラマン散乱光の立上りの波長及び立下りの波長の検出の一例を説明する。本願発明では、光干渉フィルタ５１の回転に伴い、透過中心波長は増加と減少を繰り返す。これを利用して立上り及び立下りの波長を検出する。ここで、干渉フィルタ５１の半値幅をλｔとする。

ラマン散乱光の中心波長λ₀は、λ₀＝（λ_1f＋λ_2r）／２により計算することができる。ここで、λ_1rは、短波長→長波長掃引時のフィルタ立上りカーブ値でラマン散乱光立下がりカーブ値を検知開始した波長値である。λ_1fは、短波長→長波長掃引時のフィルタ立下りカーブ値でラマン散乱光立上がりカーブ値を検知開始した波長値である。λ_2rは、長波長→短波長掃引時のフィルタ立上りカーブ値でラマン散乱光立下がりカーブ値を検知開始した波長値である。λ_2fは、長波長→短波長掃引時のフィルタ立下りカーブ値でラマン散乱光立上がりカーブ値を検知開始した波長値である。

図６（ａ）を参照して、水素ガスＨ２の場合の処理を説明する。横軸は波長λ（nm）で、縦軸は光干渉フィルタの透過率である。Ｈ２のラマン散乱スペクトルは、中心波長λ₀で、Δλ１は短波長側で、Δλ２は長波長側である。始動原点から右回りで回転し、まず波長値λ_1f（受光値=Ｈｉ）を検出し、次に波長値λ_1r（受光値=Ｌｏ）を検出する。さらに９０度角を通過し、波長値λ_2r（受光値=Ｈｉ）検出し、波長値λ_2f（受光値=Ｌｏ）を検出する。掃引方向（３６０→４２０／４２０→３６０ｎｍ）の立上り、立下りの各検出波長値からラマン光の中心波長λ₀を計算できる。算出したラマン光の中心波長λoとラマン登録値とから測定ガスの特定とフィルタ半値幅内の重なりを確認する。

図６（ｂ）を参照して、水素ガスＨ２の周辺に複数ガス（Ｈ２０）が混在する場合の処理を説明する。横軸は波長λ（ｎｍ）で、縦軸は光干渉フィルタの透過光量である。Ｈ２のラマン散乱スペクトルは、中心波長λ₀で、Δλ１は短波長側で、Δλ２は長波長側である。Ｈ２０のラマン散乱スペクトルは、中心波長λ₀’である。λ₀とλ₀’は近く、光干渉フィルタを同時に透過し得る。そのため、光干渉フィルタの立下りカーブ値でラマン散乱光の立上りカーブ値を検出する。同様に、光干渉フィルタの立上りカーブ値でラマン散乱光の立下りカーブ値を検出する。そして、演算によって立上り／立下りを導出し、対象ガスの正確な測定をすることができ、中心波長λ₀を特定できる。

ステップＳＴ１１において、測定モードを選択する（ステップＳＴ１１）測定モードには、マルチモードと特定ガスモードがある。マルチモードを指示したならば、各計測点での計測を行う（ステップＳＴ１２）。そして、ステップＳＴ１５に進む。

特定ガスを計測するならばステップＳＴ１３に進む。ステップＳＴ１３において、制御部３７は、光干渉フィルタ５１を回転して、指定された特定波長に対応する角度にする。そして、パルスレーザーを照射して、透過中心波長を増加させてラマン散乱光の立下り又は立上りの波長を計測する。再度、指定された特定波長に対応する角度にし、反対に回転させて透過中心波長を減少させて、ラマン散乱光の立上り又は立下りの波長を計測する。このように、ラマン登録波長を中心に±５ｎｍの増減を繰り返す。また、特定ラマン波長周辺の外乱（チェック）を確認する。すべての特定波長について、この処理が行われたか否かを判断する（ステップＳＴ１４）。処理が行われていないものがあればステップＳＴ１３に戻る。すべての特定波長で処理が行われていれば、ステップＳＴ１５に進む。

制御部３７では、メインＣＰＵ４１は、レーザードライバ４９を用いてパルスレーザー照射の制御等を行う。本願発明の測定器は、光速のため、例えば1GS/s＝30cmや2GS/s＝15cmの空間分解能が得られる。高い空間分解能が要求される場合は、1秒あたり数GS（ギガサンプル）の高速AD回路が必要であるが、それらの回路は非常に高価で技術的にも困難である。そこで、図１（ｂ）の多段並列高速ＡＤ回路４５と高速遅延回路４７では、数百MS/s程度のAD回路を並列に複数実装し、各AD回路に時間差を与えて信号を入力することで、低コストで同等の性能を得る例を示す。例えば、1段目は遅延なし、2段目はΔt1、3段目はΔt1+Δt2、…、n段目はΔt1+Δtnの時間差を各々与える。AD回路の個数を増やすことで数cmオーダーの空間分解能を得ることが可能である。また、ステージドライバ４３を用いてラマン散乱光を分析する。例えば水素ガスであれば、レーザー光を受けた水素ガスが発する水素分子固有のラマン散乱光を検知し、信号強度と時間差から濃度、距離を測定する。ガス濃度は、例えば数１により計算することができる。

別にメモリ保存されている外乱光ノイズ値およびラマン光値を比較演算処理することで定性、定量値を算出する。例えば、波長掃引ステージ３５を用いて計測された立上りの波長と立下りの波長の中央の波長を用いて、図７の各物質の波長と比較し、物質を特定するとともに、濃度や距離を分析する。なお、温度変化や長期の振動などによる光干渉フィルタの角度ズレの発生時は、ステージ原点・補正数値と登録ガス波長値から±２ｎｍ以上のズレを検知した場合、メインＣＰＵで登録されたラマン値と比較補正（ソフトウェア補正）が可能で、測定精度に影響はない。

ステップＳＴ１５では、データ転送をし、メインＣＰＵで処理や演算や判定を行う。まず、ステップＳＴ１６で、ステップＳＴ４及びステップＳＴ８と同様の基準条件を満たすか否かの判断を行う。満たすならばステップＳＴ１８に進む。満たさないならばステップＳＴ１７に進み、ステップＳＴ５及びステップＳＴ９と同様の処理を行い、ステップＳＴ７に戻る。（なお、ステップＳＴ５と同様の処理を行ったときにはステップＳＴ３に戻り、ステップＳＴ９と同様の処理を行ったときにはステップＳＴ７に戻ってもよい。）

ステップＳＴ１８で、ラマン散乱光の波長を利用してガスが検知されたか否かの判定を行う。検出されたのであれば、ステップＳＴ１９に進み、警報を表示したり、その旨を示す信号を出力したりし、ステップＳＴ２１に進む。検知されなかったのであればステップＳＴ２０に進む。

ステップＳＴ２０において、測定結果を表示（更新）し、測定が終了したかの判断を行う（ステップＳＴ２１）。測定が終了していないならば、ステップＳＴ１１に戻る。測定が終了したならば、ステップＳＴ２２に進み、ステージ角を始動原点にして停止し、パルスレーザーを停止し、測定結果を保存して（ステップＳＴ２３）、終了する。

１ ラマン散乱光検出装置、３ 対象ガス、５ 表示部、１１ パルスレーザー照射部、１３ マーカーレーザー照射部、１５ ハーフミラー、１７ ミラー、１９ 第１直角プリズム、２１ 第２直角プリズム、２３ 集光レンズ、２５ ピンホール、２７ 凸レンズ、２９ ハイパスフィルタ、３１ 受光器、３３ パワーモニタ、３５ 波長掃引ステージ、３７ 制御部、４１ メインＣＰＵ、４３ ステージドライバ、４５ 多段並列高速ＡＤ回路、４７ 高速遅延回路、４９ レーザードライバ、５１ 光干渉フィルタ、５３ 固定部、５５ 軸、５７ パルスモータ、５９ エンコーダ

Claims (5)

1. 光干渉フィルタを用いて気体分子から放出されたラマン散乱光を検知するラマン散乱光検出装置であって、
   前記気体分子から前記ラマン散乱光が放出された状態で前記光干渉フィルタを回転して前記光干渉フィルタの透過中心波長を変更する透過波長掃引部と、
   前記光干渉フィルタを透過した光を受光する受光部と、
   前記受光部が前記ラマン散乱光を受光していることを検知して前記受光部が受光しているときの前記光干渉フィルタの回転角度値を検知する検知部と、
   前記検知部が検知した前記回転角度値を用いて前記受光部が受光した前記ラマン散乱光の波長を算出する演算部を備えるラマン散乱光検出装置。
2. 前記透過波長掃引部は、前記光干渉フィルタを回転させて前記光干渉フィルタの透過中心波長を連続的に増加及び減少することにより掃引方向を変えて掃引し、
   前記演算部は、掃引方向を変えて掃引して検出された前記ラマン散乱光の立上りと立下りの波長を用いて前記ラマン散乱光の波長を算出する、請求項１記載のラマン散乱光検出装置。
3. 前記気体分子にパルスレーザーを照射する照射部と、
   Ｎ２のラマン散乱光の基準波長を記憶するラマン散乱光基準波長記憶部を備え、
   前記光干渉フィルタが回転して変化する透過中心波長にはＮ２のラマン散乱光の波長が含まれており、
   前記演算部は、検出されたＮ２のラマン散乱光の波長と前記ラマン散乱光基準波長記憶部に記憶されたＮ２の基準波長とを比較して誤差を求め、誤差を利用して演算して得られた他の気体分子の前記ラマン散乱光の波長を修正する、請求項１又は２に記載のラマン散乱光検出装置。
4. 前記受光部が受光した光が基準条件を満たすか否かを判定する制御部を備え、
   前記透過波長掃引部は、前記気体分子から前記ラマン散乱光が放出された状態で又は放出されていない状態で前記光干渉フィルタを回転させ、
   前記制御部は、前記受光部が受光した光が、
   前記基準条件を満たすならば、前記ラマン散乱光の波長を検出し、
   前記基準条件を満たさないならば、前記ラマン散乱光の波長を検出しない、請求項１から３のいずれかに記載のラマン散乱光検出装置。
5. 光干渉フィルタを用いて気体分子から放出されたラマン散乱光を検知するラマン散乱光検出方法であって、
   前記透過波長掃引部が、前記気体分子から前記ラマン散乱光が放出された状態で前記光干渉フィルタを回転する回転ステップと、
   受光部が、前記光干渉フィルタを透過した光を受光する受光ステップと、
   検知部が、前記受光部が前記ラマン散乱光を受光していることを検知して前記受光部が受光しているときの前記光干渉フィルタの回転角度値を検知し、演算部が、前記検知部が検知した前記回転角度値を用いて前記受光部が受光した前記ラマン散乱光の波長を算出する波長算出ステップを含むラマン散乱光検出方法。