JP2018115985A - ガス分布検出光学装置およびガス分布検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】３次元的な検出空間内における被検出ガスの空間的分布を２次元的な画像として可視化可能とする、新規なガス分布検出光学装置の実現を課題とする。【解決手段】ガス分布検出光学装置は、光源側ユニットＬＳＵと、受光側ユニットＬＲＵと、赤外光走査手段２４と、集光手段１２、２２と、を有し、光源側ユニットは赤外光を放射する赤外光光源１０を有し、受光側ユニットは、受光手段２０を有し、集光手段１２、２２は、赤外光光源１０の発光部と受光手段２０の受光部とを共役な関係とするように配置され、赤外光走査手段２４は、第１および第２のスリット手段２４１、２４２と駆動手段２４３を有し、第１及び第２のスリット手段は、長手方向が互いに交差するスリットを有し、駆動手段により２つのスリットが互いに異なる方向へ移動することにより、２つのスリットの交差部により、受光手段２０に入射するべき赤外光を２次元的に走査して入射赤外光とするものである。【選択図】 図１

Description

この発明は、ガス分布検出光学装置およびガス分布検出装置に関する。

周知の如く、赤外光領域には、ＣＯやＣＯ_２、Ｈ_２Ｓや水蒸気、エチルアルコールガス等の種々のガスの吸収波長があり、この吸収波長の光強度を検知することにより、各種ガスの有無の検出、あるいは測定を行うことが知られている（特許文献１〜３等）。
ＣＯ_２等のガスは一般に目視では捕らえられないので、空間内におけるガスの分布を可視化する技術が種々知られている。
ＣＯガスやＣＯ_２ガス等の毒性のあるガス（以下「毒性ガス」ともいう。）が空間内に存在している場合における毒性ガスの分布状態や、毒性ガスが漏出している場合における漏出状況や、漏出箇所の特定にも「赤外光を用いて検出されるガスの分布の可視化」が有効である。

この発明は、３次元的な検出空間内における被検出ガスの空間的分布を２次元的な画像として可視化可能とする、新規なガス分布検出光学装置の実現を課題とする。

この発明のガス分布検出光学装置は、検出空間内における１種以上の被検出ガスのガス分布を検出するガス分布検出光学装置であって、前記検出空間を、前記被検出ガスの吸収波長を波長領域内に含む赤外光束により照射する光源側ユニットと、前記検出空間を透過した透過赤外光を受光する受光側ユニットと、赤外光走査手段と、集光手段と、を有し、前記光源側ユニットは、前記赤外光束となるべき赤外光を放射する赤外光光源を少なくとも有し、前記受光側ユニットは、受光手段を有し、前記集光手段は、前記光源側ユニットおよび前記受光側ユニットのうちの少なくとも一方に、前記赤外光光源の発光部と前記受光手段の受光部とを共役な関係とするように配置され、前記赤外光走査手段は、第１および第２のスリット手段および該第１及び第２のスリット手段を駆動する駆動手段を有し、前記第１及び第２のスリット手段は、長手方向が互いに交差するスリットを有し、前記駆動手段により２つの前記スリットが互いに異なる方向へ移動することにより、互いに交差する２つの前記スリットの交差部により、前記受光手段に入射するべき赤外光を２次元的に走査して入射赤外光とするものである。

この発明によれば、３次元的な検出空間内における被検出ガスの空間的分布を２次元的な画像として可視化可能とする新規なガス分布検出光学装置を実現できる。

ガス分布検出装置の実施の１形態を説明する図である。 図１の実施の形態のガス分布検出光学装置を説明する図である。 図１に示すガス分布検出光学装置部分の変形例を示す図である。 集光光学系の変形例を３例示す図である。 ガス分布検出装置の実施の別形態を説明する図である。

以下、実施の形態を説明する。
図１は、ガス分布検出装置の実施の１形態を説明図として示している。
図１において、符号ＳＤは検出空間、符号ＬＳＵは光源側ユニット、符号ＬＲＵは受光側ユニットを示す。光源側ユニットＬＳＵと受光側ユニットＬＲＵとは「ガス分布検出光学装置の要部」を構成する。符号３０は信号処理装置、符号４０は画像処理手段、符号５０はディスプレイ装置、符号６０は制御手段を示す。
図１の実施の形態において、光源側ユニットＬＳＵは赤外光光源１０とレンズ１２とを有している。また、受光側ユニットＬＲＵは受光手段２０とレンズ２２と赤外光走査手段２４とを有する。
ガス分布検出装置は、検出空間ＳＤ内に１種以上の被検出ガスが存在するか否か、また、被検出ガスが存在する場合に、検出空間ＳＤ内における被検出ガスのガス分布を検出し、検出されたガス分布を２次元画像化し、ディスプレイ手段５０に「２次元的な画像」として表示する。

赤外光光源１０は「ガス分布を検出するべき被検出ガスの吸収波長を波長領域内に含む赤外光」を放射する。例えば、被検出ガスがＣＯ_２ガスであれば、ＣＯ_２ガスの吸収波長：４．２６μｍを波長領域に含む赤外光を放射する。
被検出ガスは１種類に限らず２種以上であることもできる。例えば、ＣＯ_２ガス以外にＨ_２Ｓガスも検出対象とすることもでき、この場合には、赤外光光源１０は、上記吸収波長：４．２６μｍの他にＨ_２Ｓガスの吸収波長：３．８１μｍを吸収領域に含む赤外光を放射するものが用いられる。
赤外光光源１０としては、このような条件を満たすもの、例えば、赤外線ランプ、レーザダイオード（ＬＤ）、ＬＥＤ等の公知のものから適宜選択して用いることができる。
また、赤外光光源１０が放射する赤外光の波長領域を「被検出ガスの吸収波長に応じて、適宜に制限する」こともできる。例えば、ＣＯ_２ガスを被検出ガスとする場合、赤外光の波長領域を、吸収波長：４．２６μｍ近傍の波長範囲（例えば、４．００μｍ〜４．５０μｍ）の中赤外光を選択的に透過させるバンドパスフィルタを、赤外光光源１０に含めてもよい。
以下の説明では、説明の具体性のため、被検出ガスとして「ＣＯ_２ガス」を想定する。

図１に示す実施の形態において、赤外光光源１０はＬＤであり、微小な発光部から発散性の赤外光を放射する。レンズ１２は正レンズであり、赤外光光源１０からの発散性の赤外光を平行光束とする。
検出空間ＳＤは、レンズ１２から射出する平行光束状の赤外光により照射される。検出空間に照射される赤外光を「赤外光束」と称する。説明中の例では、赤外光光源１０から放射される赤外光が、レンズ１２の作用により赤外光束とされる。従って、この場合、赤外光光源１０から放射される発散性の赤外光は「赤外光束となるべき赤外光」である。

赤外光束は検出空間ＳＤに照射され、検出空間ＳＤを透過して「透過赤外光」となり、受光側ユニットＬＲＵのレンズ２２に入射する。
レンズ２２は正レンズであり、レンズ１２と光軸を合致させて配置され、検出空間ＳＤを透過した透過赤外光束を「収束性の赤外光」に変換する。
受光手段２０は、その微小な受光部を、レンズ２２により変換された収束性の赤外光の集光位置に合致させて配置されている。即ち、赤外光光源１０の発光部から放射された発散性の赤外光はレンズ１２により平行光束状の赤外光束となって検出空間ＳＤに照射され、検出空間ＳＤを透過すると透過赤外光となってレンズ２２に入射し、レンズ２２の集光作用により収束性の赤外光となり、受光手段２０の受光部位置に集光する。
換言すれば、赤外光光源１０の発光部から放射された赤外光は、レンズ１２とレンズ２２の作用により、受光手段２０の受光部に「発光部の像」を結像する。従って、赤外光光源の発光部と受光手段２０の受光部とは「互いに共役な関係」となっている。即ち、図１の実施の形態において、レンズ１２とレンズ２２とは「集光手段」を構成する。
そこで、以下の説明において、赤外光光源１０の発光部から放射され、受光手段２０の受光部に結像する赤外光の光束を「結像赤外光束」と称することにする。
図１に示す例に即して言えば、この結像赤外光束のうち、赤外光光源１０からレンズ１２までの間の部分が「赤外光束となるべき赤外光」で発散性であり、レンズ１２を透過したあとの部分が「赤外光束」であって、検出空間ＳＤを照射し、検出空間ＳＤを透過すると「透過赤外光」となってレンズ２２に入射して「収束性の赤外光」に変換され、受光手段２０の受光部に向かって収束する。

受光手段２０としては、被検出ガス（説明中の例ではＣＯ_２）の吸収波長：４．２６μｍに対して受光感度を有する適宜の受光素子、例えば、フォトダイオード（ＰＤ）やＣＭＯＳセンサ、焦電センサ等を用いることができる。
図１において符合２４で示す赤外光走査手段２４は、受光側ユニットＬＲＵ内においてレンズ２２と受光手段２０との間に配置されている。
赤外光走査手段２４は、第１のスリット手段２４１と第２のスリット手段２４２を有し、さらに、第１及び第２のスリット手段２４１及び２４２を駆動する駆動手段２４３を有する。

第１、第２のスリット手段２４１、２４２は、夫々スリットを有するが、各スリット手段の有するスリットは「長手方向が互いに交差」している。駆動手段２４３は、スリット手段２４１、２４２を駆動する。この「駆動」は、各スリット手段におけるスリットを、その長手方向に交わる方向に移動させるように行われる。この駆動により２つのスリットは互いに異なる方向へ移動する。
スリット手段２４１、２４２の各スリットは長手方向が互いに交差するので、２つのスリットの交差部は「赤外光に対して透光性の領域」となり、他の部分は赤外光を遮断する。以下、上記「赤外光に対して透光性の領域」を「窓領域」と呼ぶ。
駆動手段２４３により、スリット手段２４１、２４２を駆動すると、２つのスリットが互いに異なる方向に移動し、２つのスリットの交差部である「窓領域」は、受光手段２０に入射するべき赤外光に対して「２次元的に」変位するので、この２次元的な変位により「受光手段２０に入射するべき赤外光」を２次元的に走査することができる。この走査において、窓領域を通って受光手段２０に入射する赤外光を「入射赤外光」と称する。
「受光手段２０に入射するべき赤外光」については後述する。
赤外光走査手段に用いられるスリット手段２４１、２４２は、種々の構成のものが可能であるが、具体的な１例と、この具体例による走査の１例を、図２を参照して説明する。

図２（ａ）は図１における「検出空間ＳＤとガス分布検出光学装置」の部分とを示している。図１（ｂ）ないし（ｄ）はスリット手段を説明するための図であり、（ｅ）は上述の「窓領域」と窓領域による２次元的な走査を説明するための図である。
説明の便宜上、互いに直交するＸ、Ｙ、Ｚ方向を図２（ａ）の如く定める。Ｘ方向は図面に直交する方向であり、Ｚ方向はレンズ１２、２２の光軸方向に平行な方向である。
図２に即して説明する例では、スリット手段２４１、２４２はともに「円筒形状」である。スリット手段２４１は、図２（ｃ）に示すように、薄い中空シリンダ状の透明体２４０の外周面に遮光フィルムＳＴを設け、こられ遮光フィルムＳＴの間隙部をスリットＳＬＹとしたものである。スリットＳＬＹはその長手方向がＹ方向に平行となるように定められている。

スリット手段２４２は、構造的にはスリット手段２４１と同様であるが、スリットＳＬＸの長手方向がＸ方向となるように用いられる。図２（ａ）においてはスリット手段２４２を「長方形」として描いてあるが図示の便宜のためであり、図２（ｄ）に示す如きスリット手段２４２の場合には「円形状の側面」が見られるはずである。

スリット手段２４１、２４２は、図１に示した駆動手段２４３からの動力により、スリットＳＬＹ、ＳＬＸに平行な軸（互いに直交している。）の周りに回転駆動される。
図２（ｅ）は、図２（ａ）の状態において、Ｚ方向からスリット手段２４１、２４２のスリットＳＬＸ、ＳＬＹを見た状態である。
Ｚ方向から見ると、互いに直交するスリットＳＬＸ、ＳＬＹの交差部に矩形形状の交差部ＣＲＳが見られる。この交差部ＣＲＳは「赤外光」を透過させる。即ち、交差部ＣＲＳが前述の「窓領域」である。
駆動手段によりスリット手段２４１、２４２を回転駆動すると、図２（ｅ）においてスリットＳＬＸはスリット長手方向であるＸ方向に直交するＹ方向に変位し、スリットＳＬＹはスリット長手方向であるＹ方向に直交するＸ方向に変位する。スリット手段２４１、２４２が回転するに従い、スリットＳＬＸ、ＳＬＹは上記変位を繰り返し、窓領域ＣＲＳはＸＹの２方向において変位する。

図２（ａ）において、符号ＦＬＸは前述の「赤外結像光束」の一部を示す。この光束部分を「走査結像光束」と呼ぶ。走査結像光束ＦＬＸは、スリットＳＬＸ、ＳＬＹの窓領域ＣＲＳが「ある位置」に位置しているとき、窓領域を通って受光手段２０の受光部に入射する光束である。即ち、走査結像光束ＦＬＸが前述の「受光手段２０に入射するべき赤外光」である。
このとき、受光手段２０が受光する赤外光の強度は、検出空間ＳＤ内の走査結像光束ＦＬＸが透過した部分に存在する被検出ガスによる吸収に応じて減衰する。
そこで、赤外光走査手段２４によるスリット手段２４１、２４２の駆動により、前記窓領域を２次元的に変位させて走査すれば、窓領域の位置に応じた受光手段２０の出力と「窓領域の位置」との関係が時系列で得られる。
換言すれば、窓領域ＣＲＳの２次元的な変位により、検出空間ＳＤは「受光手段２０に対して走査結像光束ＦＬＸにより」２次元的に走査されることになる。
走査結像光束ＦＬＸによる検出空間ＳＤの２次元的な走査は「繰り返して」行われる。

検出空間ＳＤ内のガス分布を２次元的な画像として表示する場合の、表示される２次元的な画像に対応する領域を「２次元走査領域」と呼ぶ。
２次元走査領域の走査の繰り返しにおける１単位を便宜上「１フレーム」と呼ぶことにする。
窓領域の２次元的な変位に応じて、２次元走査領域を漏れなく窓領域でカバーする場合の「窓領域の各位置」を便宜上「窓画素」と呼ぶ。

まず、検出空間ＳＤ内にＣＯ_２ガスが存在しない場合の受光手段２０の受光量を基準受光量として窓画素ごとに特定する。
走査結像光束ＦＬＸの２次元的な走査に従って受光手段２０から出力される時系列の出力信号を信号処理手段３０により「窓画素の配列」に応じたサンプリング時間でサンプリングし、受光信号の「２次元的な強度分布」を１フレーム毎、もしくは適当な複数フレームごと（複数フレームに１度の割合でもよいし、各フレームの２次元的な強度分布を、複数フレームわたって、和をとったり平均したりしてもよい。）に作成し、この強度分布を画像処理手段４０により「２次元の濃淡画像」として画像処理し、この２次元の濃淡画像をディスプレイ手段５０に表示させる。このようにして、検出空間ＳＤ内における被検出ガス（ＣＯ_２ガス）のガス分布を２次元の画像（ガス分布を２次元画像化した画像）として表示できる。

走査結像光束ＦＬＸによる上記２次元的な走査を連続的に行いつつ、ディスプレイ手段５０に表示される２次元画像を適当な時間ごとに更新することにより、検出空間ＳＤ内における被検出ガスのガス分布の変化を時系列で得ることができる。例えば、検出空間ＳＤ内にＣＯ_２ガスが漏れ出しているような場合「被検出ガスが漏れ出る様子」を２次元の可視画像としてリアルタイムで観察でき、漏出個所の特定に供することもできる。

図１に戻ると、上記ガス分布検出は、制御手段６０の制御のもとに行われる。
即ち、制御手段６０は、光源側ユニットＬＳＵにおける赤外光光源１０を制御して「赤外光束となるべき赤外光」を放射させ、赤外光走査手段２４を制御して「窓領域の移動」により、走査結像光束ＦＬＸによる検出空間ＳＤの２次元的な走査を行い、受光手段２０を制御して受光信号を出力させる。

また、信号処理手段３０の制御により「受光信号の２次元的な強度分布」を１フレーム毎、もしくは適当な複数フレームごとに作成し、画像処理手段４０を制御して上記強度分布を「２次元の濃淡画像」とし、ディスプレイ手段５０を制御して、検出空間ＳＤ内における被検出ガス（ＣＯ_２ガス）の空間的な分布を２次元的な画像として表示する。

画像処理手段４０はまた、信号処理手段３０から入力される情報（窓画素配列に応じた受光信号の２次元的な強度分布）に対して閾値を設け、閾値以上の情報が入力した場合に例えば「危険 炭酸ガス中毒の恐れあり。」等のメッセージを生成し、ＣＯ_２ガス濃度と共にディスプレイ手段５０に表示するようにすることもできる。
空気中に自然に存在するＣＯ_２ガスの濃度は０．０３８％程度であることが知られており、前述した「ＣＯ_２ガス中毒」を引き起こす濃度は３％〜５％以上とされている。

そこで、例えば、予め、ＣＯ_２濃度のレベル：ＬＶ１、ＬＶ２、ＬＶ３を、
ＬＶ１ １％未満 安全
ＬＶ２ １％以上２％未満 注意
ＬＶ３ ３％以上 危険
の如く定め、レベル：ＬＶ１に対して緑色、レベル：ＬＶ２に対してオレンジ色、レベル：ＬＶ３に対して赤色を用意する。
そして、画像処理手段４０は、信号処理手段３０からの入力に応じて「濃度レベルＬＶ１ １％未満 安全」、「濃度レベルＬＶ２ １％以上２％未満 注意」、「濃度レベルＬＶ３ ３％以上 危険」の３種のメッセージを用意し、これらのメッセージの何れかと各レベルに対応する色を判定結果に応じて出力する。

１例を挙げれば、信号処理手段３０の最大出力が「濃度レベルＬＶ１ １％未満 安全」である場合には、ディスプレイ手段５０に前記「濃度レベルＬＶ１ １％未満 安全」の文字によるメッセージを緑色で表示する。
同様に、信号処理手段３０の最大出力が「濃度レベルＬＶ２ １％以上２％未満 注意」である場合には、ディスプレイ手段５０に「濃度レベルＬＶ２ １％以上２％未満 注意」の文字によるメッセージをオレンジ色で表示する。また、信号処理手段３０の最大出力が「濃度レベルＬＶ３ ３％以上 危険」である場合には、ディスプレイ手段５０に「濃度レベルＬＶ３ ３％以上 危険」の文字によるメッセージを赤色で表示する。
なお、ディスプレイ手段５０に表示される画像の「コントラストや輝度、生成された画像の表示形態（ポジやネガの画像表示等）」は、図示を省略された操作パネルの操作により制御手段６０を介して画像処理手段４０を制御することにより適宜に調整できる。
また、図１に示すガス分布検出装置に「送信手段」を組み込み、画像処理手段４０により生成される画像を、外部機器に送信して「外部機器のディスプレイ手段」に表示するように構成することもできる。
制御手段６０はまた、外部のコンピュータ等の上位装置による指令を受けるように構成することもできる。

補足すると、この発明においてガス分布を２次元画像化される「検出空間内の被検出ガス」は走査結像光束ＦＬＸにより２次元的に走査されるが、走査結像光束ＦＬＸは、窓領域ＣＲＸにより赤外結像光束中に特定され、窓領域の移動により検出空間ＳＤ内で変位する。
このように、窓領域ＣＲＸは「走査結像光束ＦＬＸを特定する機能」を持ち、窓領域は、第１及び第２のスリット手段の各々が有するスリットの交差部として定まる。

即ち、窓領域は「２つのスリット手段のそれぞれが持つスリット」により定まるものであるから、２つのスリット手段は、窓領域を決定できるものである限り、赤外光光源１０と受光手段２０との間の適宜の位置に配置することができる。
このような場合の例を、図１に示す例の変形例として、図３に３例示す。繁雑を避けるため、図１と符号を共通化する。
図３（ａ）は、赤外光走査手段の第１のスリット手段２４１を、光源側ユニットＬＳＵの、赤外光光源１０とレンズ１２との間に配置した例である。
図３（ｂ）は、第１のスリット手段２４１を検出空間ＳＤ内に配置した例であり、図３（ｃ）は、第１及び第２のスリット手段２４１及び２４２を共に検出空間ＳＤ内に配置した例である。
第１および第２のスリット手段の配置は、これらの場合に限らず、第１及び第２のスリット手段２４１、２４２を共に光源側ユニットＬＳＵ内に設けることも、第１のスリット手段を光源側ユニットＬＳＵ内に設け、第２のスリット手段２４２を検出空間ＳＤ内に設けることもできる。いずれの場合も、２つのスリット手段が持つスリットの交差部として窓領域を形成でき、この窓領域により「走査結像光束」を特定することができる。

「集光光学系」は、前述の如く「赤外光光源の発光部と受光手段の受光部とを共役な関係とする機能」を有するものであり、このような機能を持つ集光光学系は、種々の構成が可能である。この場合の変形例を図４に３例示す。
繁雑を避けるため、図４においても図１等と符号を共通化する。
図４（ａ）は、集光光学系を受光側ユニットＬＲＵ内のレンズ２２により構成した例であり、赤外光光源１０から放射される発散性の赤外光を「赤外光束」として直接的に検出空間ＳＤに照射するように構成した例である。
このようにすると、検出空間ＳＤ内の「狭い領域」のガス分布を高い解像度で２次元画像化することが可能となる。
図４（ｂ）に示す例では、集光光学系は光源側ユニットＬＳＵ内のレンズ１２により構成され、赤外光光源１０から放射される「発散角の大きい赤外光」を集光光学系としてのレンズ１２により「収束性の赤外光束」として検出空間ＳＤに照射するように構成した例である。このようにすると、検出空間ＳＤ内の「広い領域」のガス濃度の分布を２次元画像化することが可能となる。
集光光学系として、上には正の屈折力を持つレンズ１２、２２を組み合わせた例を説明したが、集光光学系は「赤外光光源の発光部と受光手段の受光部とを共役な関係とする機能」を実現できれば適宜に種々のものを構成できる。
１例として、集光光学系を２枚の凹面鏡１２Ａ、１２Ｂにより「赤外光光源１０の発光部と受光手段２０の受光部とを共役な関係」とするように構成した例を図４（ｃ）に示す。

集光光学系は、このように、レンズやミラーにより構成できるが、レンズとしても負レンズを含めることもできるし、「凹レンズと凹面鏡の組み合わせ」や「凸面鏡と正レンズの組み合わせ」、「凸面鏡と凹面鏡の組み合わせ」等、種々の光学素子の組み合わせが可能である。

また、ミラーやレンズは「光軸対称」なものに限らず「アナモルフィック」な光学素子を用いて、集光光学系を構成することもできる。

赤外光走査手段を構成する第１及び第２のスリット手段の配置には、図３に即して説明した種々の配置が可能であることは言うまでもない。

上に説明した実施の各形態では、検出空間ＳＤ内における特定の１種の被検出ガス（上の説明例ではＣＯ_２ガス）のガス分布を検出する場合を説明した。この発明のガス分布検出装置は、２種以上の被検出ガスのガス分布を検出し、２次元の画像として表示することもできる。
このような場合の実施の１形態として、検出空間内の２種の被検出ガスのガス分布を検出する場合に用いられるガス分布検出光学装置の実施の１形態を説明する。
図５に示す実施の形態は、図１に即して説明した実施の形態を変形して、２種の被検出ガスの検出を可能にした例である。繁雑を避けるため、図１と符号を共通化している。
説明の具体性のために、上の実施の各形態において想定した吸収波長：４．２６μｍのＣＯ_２ガスの他に、吸収波長：３．８１μｍのＨ_２Ｓガスを２種の被検出ガスとして想定する。

この場合には、光源側ユニットＬＳＵの赤外光光源１０は、これら２種の吸収波長を含む赤外光を放射するものが用いられる。例えば、赤外光光源１０から放射される中赤外光を「図示を省略されているバンドパスフィルタにより３．７μｍないし４．３μｍの波長領域に制限した赤外光」として用いることができる。

図５において、赤外光光源１０から放射される赤外光は、上記の如く２種の被検出ガスの吸収波長：３．８１μｍ、４．２６μｍを含む波長領域に波長制限されている。

赤外光はレンズ１２により平行光束状の「赤外光束」となって検出空間ＳＤに照射され、レンズ２２により収束光束となり、赤外光走査手段２４を通過する。収束光束となった赤外光はダイクロイックミラーＤＭに入射する。ダイクロイックミラーＤＭは、波長：４μｍ以上の赤外光成分を透過させ、４μｍ未満の赤外光成分を反射する。ダイクロイックミラーＤＭを透過した赤外光成分は、その収束位置に受光部を配置された受光手段２０により受光し、ダイクロイックミラーＤＭにより反射された赤外光成分は、その集束位置に受光部を配置された第２の受光手段２０Ａで受光する。
これら受光手段２０、２Ａからの出力を、図１に即して説明した場合と同様に信号処理手段３０により処理して検出信号として出力し、画像処理手段４０により２種の被検出ガス（ＣＯ_２ガス、Ｈ_２Ｓガス）のガス分布を２次元画像化し、ディスプレイ手段５０に表示できる。
このようにすると、受光手段２０の出力によりＣＯ_２ガスのガス分布を検出でき、受光手段２０Ａの出力によりＨ_２Ｓガスのガス分布を検出できる。
画像処理手段４０により２次元画像化された２種の被検出ガスのガス分布は、例えば、互いに色違いの画像として、ディスプレイ手段５０に同時に表示することもできるし、時間的にずらして交互に表示することもでき、あるいは制御手段６０を通じて任意の一方を選択的に表示することもでき、表示する２次元的な画像も、前述したＣＯ_２ガスの場合と同様、適宜である。勿論、ディスプレイ手段５０として２つのディスプレイを用い、２種の被検出ガスのガス分布を異なるディスプレイに個別的に表示することもできる。

上の説明において、集光手段として用いられたレンズ１２、２２等は、赤外光に対してレンズ作用を及ぼすものであるが、このようなレンズとしては、従来から知られたＧｅ（ゲルマニウム）やＺｎＳｅ（セルシウム化亜鉛）、ＭｇＦ_２（２フッ化マグネシウム）を材料とするレンズを適宜に用いることができる。

また、第１および第２のスリット手段２４１、２４２の駆動は、前述の如く回転駆動であり、このような回転駆動を行う駆動手段２４３としては、例えば「ステッピングモータを用いるもの」を用いればよい。第１および第２のスリット手段２４１、２４２の回転駆動は、これらが有するスリットにより形成される窓領域による２次元的な走査が適切に行われるように「スリット手段ごとに適切な回転速度を設定」する。

また、図２（ｃ）〜（ｄ）に示すような円筒形状のスリット手段の場合、スリットと逆の側は、遮光フィルムＳＴの無い「透明領域」であるが、円筒形状のスリット手段の回転で、この透明領域の側がレンズ２２側となる時間領域では、信号処理手段３０が、受光手段２０や２０Ａからの信号を処理しないように、制御手段６０により信号処理手段３０を制御する。
「集光光学系」は、前述の如く「赤外光光源の発光部と受光手段の受光部とを共役な関係とする機能」を有するものであるが、ここに言う「共役な関係」は、厳密なものである必要はなく、実質的に共役な関係、あるいは略共役な関係であれば足りる。

以上に説明したように、この発明によれば、以下の如き新規なガス分布検出光学装置およびガス分布検出装置を実現できる。

［１］
検出空間内における１種以上の被検出ガスのガス分布を検出するガス分布検出光学装置であって、前記検出空間（ＳＤ）を、前記被検出ガスの吸収波長を波長領域内に含む赤外光束により照射する光源側ユニット（ＬＳＵ）と、前記検出空間を透過した透過赤外光を受光する受光側ユニット（ＬＲＵ）と、赤外光走査手段（２４）と、集光手段（１２、２２，１２Ａ、２２Ａ）と、を有し、前記光源側ユニットは、前記赤外光束となるべき赤外光を放射する赤外光光源（１０）を少なくとも有し、前記受光側ユニット（ＬＲＵ）は、受光手段（２０、２０Ａ）を有し、前記集光手段は、前記光源側ユニットおよび前記受光側ユニットのうちの少なくとも一方に、前記赤外光光源（１０）の発光部と前記受光手段（２０）の受光部とを共役な関係とするように配置され、前記赤外光走査手段（２４）は、第１および第２のスリット手段（２４１、２４２）および該第１及び第２のスリット手段を駆動する駆動手段（２４３）を有し、前記第１及び第２のスリット手段は、長手方向が互いに交差するスリット（ＳＬＹ、ＳＬＸ）を有し、前記駆動手段により２つの前記スリットが互いに異なる方向へ移動することにより、互いに交差する２つの前記スリットの交差部（ＣＲＳ）により、前記受光手段に入射するべき赤外光を２次元的に走査して入射赤外光とするものであるガス分布検出光学装置（図１〜図５）。

［２］
［１］記載のガス分布検出光学装置であって、前記赤外光走査手段の前記第１及び第２のスリット手段（２４）は、長手方向が互いに直交するスリット（ＳＬＹ、ＳＬＸ）を有し、前記駆動手段（２４）により各前記スリットが、その長手方向に直交する方向へ移動させられるガス分布検出光学装置（図２）。

［３］
［２］記載のガス分布検出光学装置であって、第１および第２のスリット手段（２４１，２４２）は共に、回転軸が互いに直交する回転部材であるガス分布検出光学装置（図２（ｂ）〜（ｅ））。

［４］
［１］ないし［３］の何れか１に記載のガス分布検出光学装置であって、前記集光手段が、レンズおよび曲面ミラーの少なくとも一方を含むガス分布検出光学装置（図１ないし図５）。

［５］
［１］ないし［４］の何れか１に記載のガス分布検出光学装置であって、前記赤外光光源（１０）は、２以上の被検出ガスに対応する２種以上の吸収波長を波長領域内に含む赤外光を放射するものであり、受光側ユニット（ＬＲＵ）は、前記集光手段により集光されて前記受光手段に向かう前記赤外光束を、前記２種以上の吸収波長に応じて分光して受光する機能を有するガス分布検出光学装置（図５）。

［６］
［１］ないし［５］の何れか１に記載のガス分布検出光学装置の前記受光手段（２０、２０Ａ）の出力を処理して検出信号として出力する信号処理手段（３０）と、該信号処理手段から出力される検出信号に基づき、前記１種以上の被検出ガスの空間分布を２次元画像化する画像処理手段（４０）と、前記ガス分布検出光学装置および前記信号処理手段および画像処理手段を制御する制御手段（６０）と、を有するガス分布検出装置（図１、図５）。

［７］
［６］記載のガス分布検出装置であって、前記制御手段（６０）により制御されて、前記画像処理手段（４０）により２次元画像化された画像を２次元的な画像として表示するディスプレイ手段（５０）を有するガス分布検出装置（図１、図５）。

以上、発明の好ましい実施の形態について説明したが、この発明は上述した特定の実施形態に限定されるものではなく、上述の説明で特に限定していない限り、特許請求の範囲に記載された発明の趣旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
例えば、スリット手段として上には、図２（ｂ）〜（ｄ）に即して「薄い中空シリンダ状の透明体２４０の外周面に遮光フィルムＳＴを設け、こられ遮光フィルムＳＴの間隙部をスリットＳＬＹとしたもの」を例示したが、スリット部分は透明体２４０を「スリット状に切り欠いた貫通孔」でもよい。
また、図２（ｂ）〜（ｄ）に示したスリット手段の「ＹＺ平面による断面形状」は円形状であるが、これに限らず、断面形状が「半円形形状や扇形状」等でもよく、スリット手段の駆動も、回転に限らず、揺動のような振動的な変位を起こさせる駆動も可能である。

スリット手段はまた、例えば「回転可能あるいは揺動可能な無端ベルト」を用いることもできる。
スリットの形状も、短冊形に限らず、長孔形状や、短軸の短い楕円形等、種々の形状が可能である。

この発明の実施の形態に記載された効果は、発明から生じる好適な効果を列挙したに過ぎず、発明による効果は「実施の形態に記載されたもの」に限定されるものではない。

ＬＳＵ 光源側ユニット
ＬＲＵ 受光側ユニット
１０ 赤外光光源
１２、２２ レンズ（集光手段を構成する）
ＳＤ 検出空間
２４ 赤外光走査手段
２４１ 第１のスリット手段
２４２ 第２のスリット手段
１０、２０Ａ 受光手段
ＤＭ ダイクロイックミラー

特開２０１３-１２７４１４号公報 特開２００２−２２６５２号公報 特許第５０９６１２６号公報

Claims (7)

1. 検出空間内における１種以上の被検出ガスのガス分布を検出するガス分布検出光学装置であって、
   前記検出空間を、前記被検出ガスの吸収波長を波長領域内に含む赤外光束により照射する光源側ユニットと、前記検出空間を透過した透過赤外光を受光する受光側ユニットと、赤外光走査手段と、集光手段と、を有し、
   前記光源側ユニットは、前記赤外光束となるべき赤外光を放射する赤外光光源を少なくとも有し、
   前記受光側ユニットは、受光手段を有し、
   前記集光手段は、前記光源側ユニットおよび前記受光側ユニットのうちの少なくとも一方に、前記赤外光光源の発光部と前記受光手段の受光部とを共役な関係とするように配置され、
   前記赤外光走査手段は、第１および第２のスリット手段および該第１及び第２のスリット手段を駆動する駆動手段を有し、前記第１及び第２のスリット手段は、長手方向が互いに交差するスリットを有し、前記駆動手段により２つの前記スリットが互いに異なる方向へ移動することにより、互いに交差する２つの前記スリットの交差部により、前記受光手段に入射するべき赤外光を２次元的に走査して入射赤外光とするものであるガス分布検出光学装置。
2. 請求項１記載のガス分布検出光学装置であって、
   前記赤外光走査手段の前記第１及び第２のスリット手段は、長手方向が互いに直交するスリットを有し、前記駆動手段により各前記スリットが、その長手方向に直交する方向へ移動させられるガス分布検出光学装置。
3. 請求項２記載のガス分布検出光学装置であって、
   第１および第２のスリット手段は共に、回転軸が互いに直交する回転部材であるガス分布検出光学装置。
4. 請求項１ないし３の何れか１項に記載のガス分布検出光学装置であって、
   前記集光手段が、レンズおよび曲面ミラーの少なくとも一方を含むガス分布検出光学装置。
5. 請求項１ないし４の何れか１項に記載のガス分布検出光学装置であって、
   前記赤外光光源は、２以上の被検出ガスに対応する２種以上の吸収波長を波長領域内に含む赤外光を放射するものであり、
   受光側ユニットは、前記集光手段により集光されて前記受光手段に向かう前記赤外光束を、前記２種以上の吸収波長に応じて分光して受光する機能を有するガス分布検出光学装置。
6. 請求項１ないし５の何れか１項に記載のガス分布検出光学装置の前記受光手段の出力を処理して検出信号として出力する信号処理手段と、該信号処理手段から出力される検出信号に基づき、前記１種以上の被検出ガスの空間分布を２次元画像化する画像処理手段と、
   前記ガス分布検出光学装置および前記信号処理手段および画像処理手段を制御する制御手段と、を有するガス分布検出装置。
7. 請求項６記載のガス分布検出装置であって、
   前記制御手段により制御されて、前記画像処理手段により２次元画像化された画像を２次元的な画像として表示するディスプレイ手段を有するガス分布検出装置。

Images