JP2023082344A - 測定装置及び測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高濃度測定を可能にする。【解決手段】測定装置は、波長変調幅を設定する設定部と、設定部によって設定された波長変調幅を有するとともに変調周波数ｆで変調された変調光を対象物に照射し、対象物を透過した後の変調光の１ｆ成分及び２ｆ成分を測定する光源測定系と、光源測定系によって測定された１ｆ成分及び２ｆ成分に基づいて、対象物の濃度を算出する算出部と、を備え、設定部は、波長変調幅に対する１ｆ成分の線形性が維持される範囲内の最小の波長変調幅を設定する。【選択図】図１

Description

本発明は、測定装置及び測定方法に関する。

例えば特許文献１は、レーザ光を用いたガス濃度測定において得られる信号強度を最大化するために、波長変調幅をガスの吸収スペクトルの半値全幅の２．２倍（変調電流振幅を半値半幅の２．２倍）に設定する手法を開示する。

特許第２８６６２３０号公報

波長変調幅を半値全幅の２．２倍に設定するだけでは、ガスの濃度が高い場合にその濃度を適切に測定できないことがある。本発明は、高濃度測定を可能にする。

一側面に係る測定装置は、波長変調幅を設定する設定部と、設定部によって設定された波長変調幅を有するとともに変調周波数ｆで変調された変調光を対象物に照射し、対象物を透過した後の変調光の１ｆ成分及び２ｆ成分を測定する光源測定系と、光源測定系によって測定された１ｆ成分及び２ｆ成分に基づいて、対象物の濃度を算出する算出部と、を備え、設定部は、波長変調幅に対する１ｆ成分の線形性が維持される範囲内の最小の波長変調幅を設定する。

一側面に係る測定方法は、波長変調幅を設定することと、設定した波長変調幅を有するとともに変調周波数ｆで変調された変調光を対象物に照射し、対象物を透過した後の変調光の１ｆ成分及び２ｆ成分を測定することと、測定した１ｆ成分及び２ｆ成分に基づいて、対象物の濃度を算出することと、を含み、設定することでは、波長変調幅に対する１ｆ成分の線形性が維持される範囲内の最小の波長変調幅を設定する。

本発明によれば、高濃度測定が可能になる。

実施形態に係る測定装置１００の概略構成の例を示す図である。 実験結果の例を示す図である。 実験結果の例を示す図である。 実験結果の例を示す図である。 実験結果の例を示す図である。 参照データ４１の例を示す図である。 測定データ４２の例を示す図である。 参照データ４１と測定データ４２との比較の例を示す図である。 測定装置１００において実行される処理（測定方法）の例を示すフローチャートである。 変形例に係る測定装置１００の概略構成の例を示す図である。 別の変形例に係る測定装置１００の概略構成の例を示す図である。

以下、図面を参照しつつ実施形態について説明する。同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は適宜省略する。

図１は、実施形態に係る測定装置１００の概略構成の例を示す図である。測定装置１００は、波長変調分光法（ＷＭＳ：Wavelength Modulation Spectroscopy）を用いて、対象物の濃度を測定する。「測定」は、「検出」、「検知」等を含む意味に解されてよい。例示される対象物は、ガスＧである。ガス濃度の例は、カラム濃度である。カラム濃度は、ガスＧを透過した光路長とガス濃度との積で与えられる値であり、単位はｐｐｍ・ｍである。以後、「濃度」は、矛盾の無い範囲において、「カラム濃度」に適宜読み替えられてよい。

測定装置１００は、設定部１と、光源測定系２と、算出部３と、記憶部４とを含む。記憶部４に記憶される情報の例として、後述の参照データ４１及び測定データ４２が例示される。

設定部１は、波長変調幅ΔλＬを含むパラメータを設定する。波長変調幅ΔλＬの設定に必要な制御や演算も、設定部１によって行われる。詳細は後述する。

光源測定系２は、光源系及び測定系の総称である。光源系は、設定部１によって設定されたパラメータによって特徴づけられる変調光ＭＬを生成し、ガスＧに照射する。測定系は、ガスＧを透過した後の変調光ＭＬを測定する。

光源系の構成要素として、光源測定系２は、ＦＧ２１、レーザドライバ２２、レーザ２３及び投光光学系２４を含む。ＦＧ２１、レーザドライバ２２及びレーザ２３によって生成、出力された変調光ＭＬが、投光光学系２４を介してガスＧに照射される。

ＦＧ２１は、ファンクションジェネレータであり、設定部１によって設定されたパラメータに応じた入力信号Ｓｉｎを生成する。レーザドライバ２２は、ＦＧ２１からの入力信号Ｓｉｎによって制御され、レーザ２３を駆動する。この例では、レーザドライバ２２は、レーザ２３を駆動するための駆動電流Ｉｄを生成する。レーザ２３は、レーザドライバ２２からの駆動電流Ｉｄに応じて（すなわち設定されたパラメータに応じて）動作し、変調光ＭＬを出力する。投光光学系２４は、レーザ２３からの変調光ＭＬを、ガスＧに導く。投光光学系１４は、例えばレンズ、ミラー等の光学素子を含んで構成される。

パラメータについて説明する。パラメータは、レーザ２３の動作を規定する。レーザ２３が出力する変調光ＭＬは、パラメータによって特徴づけられる。パラメータの例は、変調光ＭＬの中心波長λｃ、変調周波数ｆ及び波長変調幅ΔλＬである。なお、温度、圧力等もパラメータとなり得るが、理解を容易にするためそれらは一定であるものとする。

中心波長λｃは、レーザ１３の駆動電流の直流成分Ｉｄの値（ＤＣ値）によって与えられる。中心波長λｃは、ガスＧの吸収波長に設定される。ガスＧの吸収スペクトルがローレンツ型であると仮定した場合、例えば吸収スペクトルの中心波長が、中心波長λｃとして設定される。

変調周波数ｆは、変調光ＭＬの変調周波数であり、レーザ２３の駆動電流Ｉｄの交流成分の周波数によって与えられる。変調光ＭＬは、変調周波数ｆの正弦波（一定の周波数と振幅）で波長変調された光であり、変調周波数ｆと同じ周波数の成分を含む。この成分の大きさを、「１ｆ成分」と称する。

波長変調幅ΔλＬは、変調光ＭＬの波長変調幅であり、レーザ２３の駆動電流Ｉｄの交流成分によって与えられる。とくに説明がある場合を除き、波長変調幅ΔλＬは、半値全幅ΔλＧによって規格化された値（＝ΔλＬ／ΔλＧ）で表されるものとする。半値全幅ΔλＧは、ガスＧの吸収スペクトルの半値全幅（ＦＷＨＭ：Full Width at Half Maximum）である。

投光光学系２４からの変調光ＭＬは、ガスＧを透過（通過）し、散乱体Ｓに到達する。ガスＧを透過した後の変調光ＭＬを、透過光ＴＬと称し図示する。散乱体Ｓは、透過光ＴＬを受光光学系２５に向けて反射させる。散乱体Ｓの例は、壁、地面等である。反射鏡が用いられてもよい。散乱体Ｓで反射した透過光ＴＬは、再びガスＧを通過し、後述の受光光学系２５に到達する。なお、図１では、便宜上、透過光ＴＬの散乱体Ｓでの入射位置及び反射位置が異なるように描かれているが、入射位置及び反射位置は同じであってよい。

ガスＧがある場合、透過光ＴＬは、変調周波数ｆの２倍の周波数の成分も含む。この成分の大きさを、「２ｆ成分」と称する。２ｆ成分は、ガスＧの濃度に比例する。

測定系の構成要素として、光源測定系２は、受光光学系２５と、変換部２６と、ロックインアンプ２７とを含む。受光光学系２５を介して取り出された透過光ＴＬが、変換部２６によって電気信号に変換される。１ｆ成分及び２ｆ成分が、ロックインアンプ２７によって検出され、測定される。

受光光学系２５は、透過光ＴＬを、変換部２６に導く。受光光学系２５は、例えばレンズ、ミラー等の光学素子を含んで構成される。

変換部２６は、透過光ＴＬを、電気信号に変換する。例えば、変換部２６はフォトダイオード（ＰＤ：Photo Diode）、周辺回路等を含んで構成される。透過光ＴＬは、フォトダイオードによって光電流に変換され、周辺回路によって電圧信号に変換される。この信号を、測定信号Ｓｍと称し図示する。

ロックインアンプ２７は、１ｆ成分及び２ｆ成分を検出する。ロックインアンプ２７は、位相敏感検波器であり、ＦＧ２１からの参照信号Ｓｒｅｆと、変換部２６からの測定信号Ｓｍとに基づいて、１ｆ成分に対応する電気信号及び２ｆ成分に対応する電気信号を出力する。参照信号Ｓｒｅｆは、変調周波数ｆと同じ周波数の正弦波信号である。ロックインアンプ２７の動作原理は公知であるので、詳細な説明は省略する。１ｆ成分及び２ｆ成分の両方を検出する単一のロックインアンプが用いられてもよいし、１ｆ成分を検出するロックインアンプ及び２ｆ成分を検出するロックインアンプの２つのロックインアンプが用いられてもよい。

算出部３は、ロックインアンプ２７によって検出された１ｆ成分及び２ｆ成分に基づいて、ガスＧの濃度を算出する。算出部３は、２ｆ成分を１ｆ成分で除算した値２ｆ／１ｆを算出する。

２ｆ成分を１ｆ成分で除算するのは、透過光ＴＬの強度に依存することなくガスＧの濃度に比例する値を得るためである。２ｆ成分は、先に述べたようにガスＧの濃度に比例するものの、透過光ＴＬの強度に応じて変動もする。透過光ＴＬの強度は、投光光学系２４や受光光学系２５から散乱体Ｓまでの距離、散乱体Ｓの表面の状態等によってさまざまに変化する。１ｆ成分も、２ｆ成分と同様に、透過光ＴＬの強度に応じて変動する。２ｆ成分を１ｆ成分で除算することにより、透過光ＴＬの強度の影響が取り除かれる（キャンセルされる）。

算出部３は、ガスＧの濃度に比例する値２ｆ／１ｆに基づいて、ガスＧの濃度を算出する。値２ｆ／１ｆを濃度に変換するためのアルゴリズム、テーブルデータ等が用いられてよい。

例えば以上のようにして、ガスＧの濃度が測定される。なお、測定装置１００の上記の構成は一例に過ぎず、ＷＭＳによる濃度測定が可能なあらゆる構成が採用されてよい。

波長変調幅ΔλＬの設定について述べる。波長変調幅ΔλＬを半値全幅ΔλＧの２．２倍に設定することで、信号対雑音比（ＳＮＲ：Signal to Noise Ratio）を最大化できることが知られている。従って、従来は、波長変調幅ΔλＬ＝２．２ΔλＧに設定していた。

上記のように２ｆ成分を１ｆ成分で除算するという手法は、１ｆ成分の濃度依存性が無いことを前提としている。しかしながら、実際には、ガスＧの濃度が高くなると、１ｆ成分が濃度に依存性し始める。ガスＧの濃度が高くなるにつれて、１ｆ成分の濃度依存性が顕在化する。これは、ガスＧの吸収スペクトルが、完全なローレンツ型ではなく、非対称であることに起因すると考えられる。１ｆ成分の濃度依存性が顕在化するにつれて、２ｆ／１ｆが濃度に比例しなくなり、ガスＧの濃度を適切に測定できなくなる。開示される技術は、適切な波長変調幅ΔλＬを設定することにより、その問題に対処する。

先に述べたように、波長変調幅ΔλＬは、設定部１によって設定される。設定部１による波長変調幅ΔλＬの設定は、２．２ΔλＧよりも大きい波長変調幅ΔλＬを設定することを含む。波長変調幅ΔλＬを大きくすることで、この後で説明するように、１ｆ成分の濃度依存性が抑制され、高濃度測定が可能になる。広い濃度測定範囲、すなわち広ダイナミックレンジ（ＤＲ：Dynamic Range）が得られる。図２～図４を参照して説明する。

図２～図４は、実験結果の例を示す図である。実験に用いたガスは、メタン（ＣＨ４）ガスである。濃度が５００ｐｐｍ・ｍ、２５００ｐｐｍ・ｍ、５０００ｐｐｍ・ｍ、１２５００ｐｐｍ・ｍ及び２５０００ｐｐｍ・ｍの５種類のガスセルを用いた。中心波長λｃは、１６５３．７３ｎｍに設定した。波長変調幅ΔλＬは、２．２ΔλＧ、３．３ΔλＧ、４．４ΔλＧ及び６．４ΔλＧの４通りに設定した。

図２には、１ｆ成分の濃度依存性の例が示される。グラフの横軸は濃度を示し、グラフの縦軸は１ｆ成分を示す。グラフ中のプロットは１ｆ成分の測定値を示し、グラフ線は各プロットを結ぶ。

低濃度では、いずれの波長変調幅ΔλＬにおいても、グラフ線はほぼフラットであり、１ｆ成分の濃度依存性が抑制される（濃度依存性がほとんど無い）。高濃度では、グラフ線がフラットでなくなる。例えば、波長変調幅ΔλＬ＝２．２ΔλＧの場合には、濃度＝１０^４ｐｐｍ・ｐ付近において極小値が現れ、濃度依存性が顕在化する。波長変調幅ΔλＬ＝３．３ΔλＧの場合には、もう少し高い濃度に極小値が存在すると考えられる。波長変調幅ΔλＬが小さくなる（２．２ΔλＧに近づく）につれて、極小値が低濃度側にシフトし、その影響により、１ｆ成分の濃度依存性が顕在化すると考えられる。反対に、波長変調幅ΔλＬを大きくすることで、極小値を高濃度側にシフトさせ、１ｆ成分の濃度依存性を抑制できることが分かる。

図３には、２ｆ成分の濃度依存性の例が示される。グラフの横軸は濃度を示し、グラフの縦軸は２ｆ成分を示す。グラフ中のプロットは、２ｆ成分の測定値を示し、グラフ線は各プロットを結ぶ。これまでも説明したように、２ｆ成分は濃度に比例し、このことは、いずれの波長変調幅ΔλＬについても同様である。

図４には、２ｆ／１ｆの濃度依存性の例が示される。グラフの横軸は濃度を示し、グラフの縦軸は２ｆ／１ｆを示す。グラフ中のプロットは、２ｆ／１ｆの算出値を示し、グラフ線は各プロットを結ぶ。１ｆ成分の濃度依存性が抑制されたところでは、２ｆ／１ｆは、２ｆ成分と同様に、濃度に比例する。１ｆ成分の濃度依存性が顕在化しているところでは、比例関係が失われる。理解されるように、波長変調幅ΔλＬが２．２ΔλＧに近づくにつれて、比例関係が失われ易くなる。反対に、波長変調幅ΔλＬを大きくすることで、比例関係を維持し易くなる。

上記の知見に基づけば、波長変調幅ΔλＬを２．２ΔλＧよりも大きい値に設定することで、波長変調幅ΔλＬ＝２．２ΔλＧの場合よりも、高濃度における１ｆ成分の濃度依存性を抑制することができる。１ｆ成分の濃度依存性を抑制する波長変調幅ΔλＬを選択することで、高濃度測定が可能になる。

一方で、波長変調幅ΔλＬを２．２ΔλＧよりも大きい値に設定すると、ＳＮＲが最適値からは外れる。波長変調幅ΔλＬが２．２ΔλＧから離れるにつれて、ＳＮＲが低下する。ＳＮＲの観点からは、波長変調幅ΔλＬは、なるべく小さい値に設定することが望ましい。１ｆ成分の濃度依存性を抑制する最小の波長変調幅ΔλＬを選択することで、ＳＮＲの低下を最小化することができる。図５も参照して説明する。

図５は、実験結果の例を示す図である。例示される実験結果は、上述の図２の実験結果を、横軸を波長変調幅ΔλＬにして書き改めたものである。グラフの横軸は波長変調幅ΔλＬを示し、グラフの縦軸は１ｆ成分（この例では測定の単位はｍＶ）を示す。

濃度が低いほど、波長変調幅ΔλＬに対する１ｆ成分の線形性が維持され易い。線形性が維持される波長変調幅ΔλＬの範囲を、「線形範囲」とも称する。濃度が高くなるにつれて、波長変調幅ΔλＬが低いところから徐々に線形性が失われ、線形範囲が狭くなる。図５に示される例では、５０００ｐｐｍ・ｍ、１２５００ｐｐｍ・ｍ及び２５０００ｐｐｍ・ｍといった高濃度での線形範囲は、５００ｐｐｍ・ｍ及び２５００ｐｐｍ・ｍといった低濃度での線形範囲よりもかなり狭くなる。線形範囲内の波長変調幅ΔλＬは、１ｆ成分の濃度依存性が顕在化する前の波長変調幅ΔλＬ、すなわち１ｆ成分の濃度依存性を抑制することができる波長変調幅ΔλＬである。

線形範囲内の最小の波長変調幅ΔλＬを選択することで、ＳＮＲの抑制を最小化することができる。図５に示される例であれば、濃度が２５００ｐｐｍ・ｍ以下の場合には、波長変調幅ΔλＬ＝２．２ΔλＧを選択することが考えられる。濃度が２５００ｐｐｍ・ｍよりも高く１２５００ｐｐｍ・ｍ以下の場合には、波長変調幅ΔλＬ＝４．４ΔλＧを選択することが考えられる。

本実施形態では、設定部１は、線形範囲内の最小の波長変調幅ΔλＬを設定する。一実施形態において、設定部１は、記憶部４が記憶する参照データ４１を参照して、波長変調幅ΔλＬを設定する。参照データ４１は、上述の線形性の基準を示すデータであり、例えば波長変調幅ΔλＬに対する１ｆ成分の傾きの基準（参照傾き）を示すデータである。図６も参照して説明する。

図６は、参照データ４１の例を示す図である。グラフの横軸は波長変調幅ΔλＬを示し、グラフの縦軸は１ｆ成分を示す。参照データ４１に対応するグラフ線が模式的に示される。参照データ４１は、例えば５００ｐｐｍ・ｍ以下のような十分低濃度なガスについて、波長変調幅ΔλＬごとの１ｆ成分を測定することによって得られる。

測定対象のガスＧの濃度を実際に測定する前に、設定部１は、波長変調幅ΔλＬごとの１ｆ成分の測定値を含む測定データ４２が得られるように、波長変調幅ΔλＬを掃引する。１ｆ成分は、先に説明したようにロックインアンプ２７によって測定される。なお、掃引方向はとくに限定されない。波長変調幅ΔλＬは、大きい値から小さい値に向かって掃引されてもよいし、小さい値から大きい値に向かって掃引されてもよい。掃引範囲は、２．２ΔλＧよりも大きい波長変調幅ΔλＬを含む。

図７は、測定データ４２の例を示す図である。１ｆ成分の測定値が、プロットで示される。理解を容易にするために、プロット間を直線で結ぶ破線も図示される。波長変調幅ΔλＬが大きくなるにつれて、波長変調幅ΔλＬに対する１ｆ成分の線形性が維持され易くなる。波長変調幅ΔλＬが小さくなるにつれて、波長変調幅ΔλＬに対する１ｆ成分の線形性が失われ易くなる。

設定部１は、参照データ４１と測定データ４２との比較結果に基づいて、測定データ４２中の線形範囲を特定する。設定部１は、特定した線形範囲内の最小の波長変調幅ΔλＬを設定する。図８を参照して説明する。

図８は、参照データ４１と測定データ４２との比較の例を示す図である。設定部１は、測定データ４２に示される１ｆ成分の傾きと参照データ４１の傾き（参照傾き）とが一致する波長変調幅ΔλＬの範囲を、測定データ４２中の線形範囲として特定する。例えばそれら２つの傾きどうしの差が閾値未満である範囲が、線形範囲として特定される。設定部１は、特定した線形範囲内の最小の波長変調幅ΔλＬを設定する。図８には、最小の波長変調幅ΔλＬが、最小波長変調幅ΔλＬｍｉｎとして示される。

設定部１によって設定された波長変調幅ΔλＬを含むパラメータに応じた入力信号Ｓｉｎが、ＦＧ２１によって生成される。先に説明したように、パラメータによって特徴づけられた変調光ＭＬがガスＧに照射され、透過光ＴＬ中の１ｆ成分及び２ｆ成分に基づいて、ガスＧの濃度が測定される。線形範囲内の波長変調幅ΔλＬを用いることで１ｆ成分の濃度依存性が抑制されるので、ガスＧの濃度が高濃度であっても、その濃度を適切に測定できる。線形範囲内の最小の波長変調幅ΔλＬを用いることで、ＳＮＲの低下を最小化することもできる。

図９は、測定装置１００において実行される処理（測定方法）の例を示すフローチャートである。このフローチャートの処理は、例えばユーザ操作に応じて開始される。なお、参照データ４１は準備済みであるものとする。これまでと重複する内容については、説明を適宜省略する。

ステップＳ１において、パラメータが設定される。設定部１は、中心波長λｃ、変調周波数ｆ及び波長変調幅ΔλＬ等のパラメータを設定する。パラメータは、例えばユーザ操作によって与えられる。ここでの波長変調幅ΔλＬは任意の値（初期値）であってよく、例えば波長変調幅ΔλＬ＝２．２ΔλＧである。

ステップＳ２～ステップＳ４において、測定データ４２を得るために、波長変調幅ΔλＬが掃引される。例えば波長変調幅ΔλＬの初期値が２．２ΔλＧであれば、波長変調幅ΔλＬが徐々に大きくなるように、波長変調幅ΔλＬが掃引される。掃引に応じて波長変調幅ΔλＬが変更され、各波長変調幅ΔλＬでの１ｆ成分が測定される。

ステップＳ２において、変調光ＭＬが照射され、１ｆ成分が測定される。光源測定系２は、先のステップＳ１で設定された波長変調幅ΔλＬを含むパラメータによって特徴づけられた変調光ＭＬを生成し、ガスＧに照射する。また、光源測定系２は、ガスＧを透過した変調光ＭＬ（すなわち透過光ＴＬ）の１ｆ成分を測定する。

ステップＳ３において、波長変調幅ΔλＬの掃引を終了するか否かが判断される。設定部１は、例えば掃引範囲内にわたる波長変調幅ΔλＬの変更が終了した場合に、掃引を終了すると判断する。掃引を終了する場合（ステップＳ３：Ｙｅｓ）、掃引によって得られた測定データ４２が記憶部４に記憶され、ステップＳ５に処理が進められる。そうでない場合（ステップＳ３：Ｎｏ）、ステップＳ４に処理が進められる。

ステップＳ４において、波長変調幅ΔλＬが変更される。設定部１は、波長変調幅ΔλＬを変更する。その後、ステップＳ２に処理が戻される。

ステップＳ５において、線形範囲内の最小の波長変調幅ΔλＬが設定される。設定部１は、参照データ４１と測定データ４２との比較結果に基づいて、測定データ４２中の線形範囲を特定する。設定部１は、特定した線形範囲内の最小の波長変調幅ΔλＬを設定する。

ステップＳ６において、変調光ＭＬが照射され、１ｆ成分及び２ｆ成分が測定される。光源測定系２は、先のステップＳ５で設定された波長変調幅ΔλＬを含むパラメータによって特徴づけられた変調光ＭＬを生成し、ガスＧに照射する。また、光源測定系２は、ガスＧを透過した変調光ＭＬ（すなわち透過光ＴＬ）の１ｆ成分及び２ｆ成分を測定する。

ステップＳ７において、濃度が算出される。算出部３は、測定された１ｆ成分及び２ｆ成分に基づいて、ガスＧの濃度を算出する。

ステップＳ８において、測定を終了するか否かが判断される。この判断は、例えば設定部１が行う。測定を終了する場合（ステップＳ８：Ｙｅｓ）、フローチャートの処理は終了する。そうでない場合（ステップＳ８：Ｎｏ）、ステップＳ１に処理が戻され、フローチャートの処理が繰り返される。例えば、パン、チルトのように空間的な測定箇所を変更する場合や、時刻とともに状態が変化するガスＧの濃度を時系列測定する場合等に、測定は終了せず、フローチャートの処理が繰り返される。

例えば以上のようにして、ガスＧの濃度が測定される。なお、上記のフローでは、測定ごとに波長変調幅ΔλＬを掃引し、最適な波長変調幅ΔλＬが設定される。ただし、２回目以降の測定において、測定対象のガスＧの濃度変化が無い等の事情があれば、波長変調幅ΔλＬの掃引に関する処理（例えばステップＳ２～ステップＳ４）が省略されてもよいい。例えば特定の測定回数ごとに、或いは前回の１ｆ成分の測定結果と今回の１ｆ成分の測定結果とが大きく異なる場合等についてのみ、改めて波長変調幅ΔλＬの掃引に関する処理が実行されてよい。その分、測定に要する時間を短くすることができる。

開示される技術は、上記の実施形態に限定されない。いくつかの変形例について述べる。

図１０は、変形例に係る測定装置１００の概略構成の例を示す図である。この例では、測定装置１００の光源測定系２は、ＦＧ２１及びレーザドライバ２２（図１）に代えて、変調機能付レーザドライバ２８を含む。変調機能付レーザドライバ２８は、ＦＧ２１及びレーザドライバ２２の機能を兼ね備える。

図１１は、別の変形例に係る測定装置１００の概略構成の例を示す図である。この例では、測定装置１００は、オープンパス型の測定装置である。投光光学系２４及び受光光学系２５は、ガスＧを挟んで互いに反対側に配置される。他の構成要素は、投光光学系２４及び受光光学系２５の配置に合わせて適宜配置される。散乱体Ｓ（図１）が無くてもガスＧの濃度を測定することができる。

上記実施形態では、ガスＧとしてメタンガスを例に挙げて説明した。ただし、ガスＧは、メタンガス以外のガスであってもよい。

以上で説明した技術は、例えば次のように特定される。開示される技術の１つは、測定装置１００である。図１及び図８等を参照して説明したように、測定装置１００は、設定部１と、光源測定系２と、算出部３と、を備える。設定部１は、波長変調幅ΔλＬを設定する。光源測定系２は、設定部１によって設定された波長変調幅ΔλＬを有するとともに変調周波数ｆで変調された変調光ＭＬを対象物（例えばガスＧ）に照射し、対象物を透過した後の変調光ＭＬ（透過光ＴＬ）の１ｆ成分及び２ｆ成分を測定する。算出部３は、光源測定系２によって測定された１ｆ成分及び２ｆ成分に基づいて、対象物の濃度を算出する。設定部１は、波長変調幅ΔλＬに対する１ｆ成分の線形性が維持される範囲（線形範囲）内の最小の波長変調幅ΔλＬ（最小波長変調幅ΔλＬｍｉｎ）を設定する。

上記の測定装置１００によれば、線形範囲内の最小の波長変調幅ΔλＬが設定される。線形範囲内の波長変調幅ΔλＬは、１ｆ成分の濃度依存性を抑制する波長変調幅ΔλＬである。このような波長変調幅ΔλＬを用いることで、対象物の濃度が高濃度であっても、その濃度を適切に測定することができる。加えて、線形範囲内の最小の波長変調幅ΔλＬを用いることにより、ＳＮＲの低下を最小化することもできる。

図１及び図８等を参照して説明したように、設定部１による設定は、対象物の吸収スペクトルの半値全幅ΔλＧの２．２倍よりも大きい波長変調幅ΔλＬを設定することを含んでよい。波長変調幅ΔλＬ＝２．２ΔλＧに設定する場合よりも、１ｆ成分の濃度依存性を抑制することができる。その分、高濃度測定が可能になる。

図１、図７及び図８等を参照して説明したように、設定部１は、波長変調幅ΔλＬごとの１ｆ成分の測定値を含む測定データ４２が得られるように、波長変調幅ΔλＬを掃引し、得られた測定データ４２中の線形性が維持される範囲を特定し、特定した範囲内の最小の波長変調幅ΔλＬを設定してよい。例えばこのような手順によって、適切な波長変調幅ΔλＬを設定することができる。

図１及び図６～図８等を参照して説明したように、測定装置１００は、線形性の基準を示す参照データ４１を記憶する記憶部４をさらに備え、設定部１は、記憶部４に記憶された参照データ４１と、測定データ４２との比較結果に基づいて、測定データ４２中の線形性が維持される範囲を特定してよい。例えばこのようにして、線形範囲を特定することができる。

図９等を参照して説明した測定方法も、開示される技術の１つである。測定方法は、波長変調幅ΔλＬを設定すること（ステップＳ５）と、設定した波長変調幅ΔλＬを有するとともに変調周波数ｆで変調された変調光ＭＬを対象物（例えばガスＧ）に照射し、対象物を透過した後の変調光ＭＬ（透過光ＴＬ）の１ｆ成分及び２ｆ成分を測定すること（ステップＳ６）と、測定した１ｆ成分及び２ｆ成分に基づいて、対象物の濃度を算出すること（ステップＳ７）と、を含む。設定することでは、波長変調幅ΔλＬに対する１ｆ成分の線形性が維持される範囲内の最小の波長変調幅ΔλＬを設定する（ステップＳ５）。このような測定方法によっても、これまで説明したように、高濃度測定が可能になる。また、ＳＮＲの低下を最小化することもできる。

１ 設定部
２ 光源測定系
２１ ＦＧ
２２ レーザドライバ
２３ レーザ
２４ 投光光学系
２５ 受光光学系
２６ 変換部
２７ ロックインアンプ
２８ 変調機能付レーザドライバ
３ 算出部
４ 記憶部
４１ 参照データ
４２ 測定データ
１００ 測定装置
Ｇ ガス（対象物）
Ｓ 散乱体

Claims (5)

1. 波長変調幅を設定する設定部と、
   前記設定部によって設定された波長変調幅を有するとともに変調周波数ｆで変調された変調光を対象物に照射し、前記対象物を透過した後の前記変調光の１ｆ成分及び２ｆ成分を測定する光源測定系と、
   前記光源測定系によって測定された１ｆ成分及び２ｆ成分に基づいて、前記対象物の濃度を算出する算出部と、
   を備え、
   前記設定部は、波長変調幅に対する１ｆ成分の線形性が維持される範囲内の最小の波長変調幅を設定する、
   測定装置。
2. 前記設定部による前記設定は、前記対象物の吸収スペクトルの半値全幅の２．２倍よりも大きい波長変調幅を設定することを含む、
   請求項１に記載の測定装置。
3. 前記設定部は、
   波長変調幅ごとの１ｆ成分の測定値を含む測定データが得られるように、波長変調幅を掃引し、
   得られた前記測定データ中の前記線形性が維持される範囲を特定し、
   特定した範囲内の最小の波長変調幅を設定する、
   請求項１又は２に記載の測定装置。
4. 前記線形性の基準を示す参照データを記憶する記憶部をさらに備え、
   前記設定部は、前記記憶部に記憶された参照データと、前記測定データとの比較結果に基づいて、前記測定データ中の前記線形性が維持される範囲を特定する、
   請求項３に記載の測定装置。
5. 波長変調幅を設定することと、
   設定した波長変調幅を有するとともに変調周波数ｆで変調された変調光を対象物に照射し、前記対象物を透過した後の前記変調光の１ｆ成分及び２ｆ成分を測定することと、
   測定した１ｆ成分及び２ｆ成分に基づいて、前記対象物の濃度を算出することと、
   を含み、
   前記設定することでは、波長変調幅に対する１ｆ成分の線形性が維持される範囲内の最小の波長変調幅を設定する、
   測定方法。

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