JP5256136B2 - 電磁波測定装置、及び電磁波測定方法 - Google Patents
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Description
しかし、気体の濃度cが小さくなるにつれ、入射光の強度I0と透過光の強度I1との差ΔIも小さくなり、十分な精度で気体の濃度cを測定することが困難になる。
<実施形態>
本実施形態では、パルス状の赤外線レーザ光を希薄な気体に照射し、その透過光を測定することにより、希薄な気体の濃度を測定する方法について説明する。
まず、図1を参照して、本実施形態の赤外線測定装置の概略構成を説明する。本実施形態の赤外線測定装置は、測定対象物となる気体に赤外線レーザ光を照射し、さらに、気体を透過したレーザ光に基づいて、レーザ光を照射するためのパルス信号を生成することにより、気体にレーザ光を繰り返し照射する。気体の濃度が希薄でありレーザ光の吸収がわずかな場合であっても、レーザ光の照射を繰り返すことで、気体の濃度を測定することが可能となる。図1に示すように、本実施形態の赤外線測定装置は、レーザ光源100と、駆動回路102と、変調回路104と、パルス生成回路106と、ガスセル110と、測定部120と、波形整形回路130と、制御部140と、演算部150と、を備える。
図2に示す例は、波長λ1のレーザ光は気体に吸収されにくく、透過率が高くなり、波長λ2のレーザ光は、気体に吸収されやすく、透過率が低くなることを示す。波長に対する透過率の変化を示すグラフは、吸収スペクトルと呼ばれる。吸収スペクトルは、気体の種類によって異なるため、予め測定対象となる気体の吸収スペクトルを参照することにより、レーザ光の透過率が異なる2つの波長λ1、λ2が選択される。
パルス生成部134は、コンパレータ132が出力した信号の入力を受けると、単一のパルス信号を生成し、生成したパルス信号を駆動回路102と制御部140に出力する。
また、制御部140は、波形整形回路130が生成したパルス信号の入力を受け、波形整形回路130が生成したパルス信号を計数する。制御部140は、例えば、ビットカウンタを備える。また、制御部140は、波形整形回路130が所定の数のパルス信号を生成するまでの時間を求める。
以上が、本実施形態の赤外線測定装置の概略構成である。
次に、本実施形態の赤外線測定方法の概要を説明する。レーザ光源100が出射するレーザ光の強度をI0とし、レーザ光の波長をλ1とすると、ランバート・ベールの法則より、透過光の強度I1(λ1)は、以下の式(2)のように表される。
また、レーザ光源100が出射するレーザ光の強度をI0とし、レーザ光の波長をλ2とすると、ランバート・ベールの法則より、透過光の強度I1(λ2)は、以下の式(3)のように表される。なお、λ1,λ2は、図2に示される波長である。
ここで、ε(λ1)とε(λ2)は、気体の種類により定まる定数である。また、光路長Lもガスセル110の形状により定まる定数である。そのため、式(4)は、異なる2つの波長λ1とλ2における透過光の強度の比I1(λ1)/I1(λ2)を測定することにより、気体の濃度cが求まることを意味する。
まず、変調回路104で生成される変調信号がλ2からλ1に変化した後、変調信号がλ1からλ2に変化するまでのタイミングチャートについて説明する。
図4(b)は、パルス生成回路106が生成するスタートパルス信号を示す。図4に示す例では、パルス生成回路106は、変調回路104の出力の変化と同期して、スタートパルス信号の矩形パルスの生成を開始する。また、パルス生成回路106は、変調周波数f1の2倍の周波数よりも高い所定の周波数f2(第2周波数)で、矩形パルスを生成する(2f1<f2)。パルス生成回路106が生成する矩形パルスのパルス幅は、例えば、1n秒程度である。また、本実施形態において、周波数f2は60Hzである。
次に、駆動回路102は、パルス生成回路106により生成されたスタートパルス信号の入力を受け、レーザ光源100に駆動パルス信号を供給し、レーザ光源100を駆動する。次に、測定部120は、ガスセル110を透過したレーザ光を測定する。次に、測定部120は、測定信号を波形整形回路130に供給する。
次に、波形整形回路130は、生成したパルス信号を駆動回路102と制御部140に供給する。次に、駆動回路102は、波形整形回路130により生成されたパルス信号の入力を受け、レーザ光源100に駆動パルス信号を供給し、レーザ光源100を駆動する。以後、同様に、波形整形回路130によるパルス信号の生成と、駆動回路102による駆動パルス信号の供給を、所定の回数(N回)だけ繰り返す。図4(c)は、波形整形回路130によるパルス信号の生成を8回繰り返す例である。繰り返し回数Nは、任意の回数に設定することができる。繰り返し回数Nは、例えば、制御部140が備えるビットカウンタによりカウントされる。
次に、制御部140は、波形整形回路130が所定の数N個のパルス信号を生成した後に、信号強度R2の参照信号を波形整形回路130に供給する。図5(a)に示すように、参照信号の信号強度R2は、第1測定信号の信号強度の最大値よりも大きな信号強度である。そのため、第1測定信号は、信号強度R2の参照信号を上回らないため、波形整形回路130はパルス信号を発生しない。これにより、上述した繰り返し動作が終了する。
次に、変調回路104で生成される変調信号がλ1からλ2に変化した後、変調信号がλ2からλ1に変化するまでのタイミングチャートについて説明する。
図4(b)に示すように、パルス生成回路106は、変調回路104の出力の変化と同期して、矩形パルスの生成を開始する。また、パルス生成回路106は、所定の周波数f2で、スタートパルス信号の矩形パルスを生成する。次に、駆動回路102は、パルス生成回路106により生成されたスタートパルス信号の入力を受け、レーザ光源100に駆動パルス信号を供給し、レーザ光源100を駆動する。次に、測定部120は、ガスセル110を透過したレーザ光を測定する。次に、測定部120は、測定信号を波形整形回路130に供給する。
次に、制御部140は、パルス生成回路106がスタートパルス信号を生成するタイミングを基準とし、波形整形回路130が所定の数N(本実施形態では、N=8)個のパルス信号を生成するまでの時間T2を求める。また、制御部140は、求めた時間T2のデータを演算部150に供給する。上述したように、t1<t2であるため、T1<T2となる。
その後、再びパルス生成回路106がスタートパルス信号を生成し、上述した処理が行われる。本実施形態では、f1=5Hz、f2=60Hzであるため、変調信号がλ2である期間において、期間T2のデータを6点取得することができる。
以後、変調周波数f1で、上述した変調信号がλ1の場合の動作と、変調信号がλ2の場合の動作が繰り返される。
本実施形態では、波形整形回路130が生成するパルス信号を駆動回路102に供給し、以後、駆動回路102による駆動パルス信号の供給と、波形整形回路130によるパルス信号の生成とを所定の回数(N回)繰り返す。これにより、例えば、N=106のように十分多い回数の繰り返しを行うことで、時間T1と時間T2との差ΔTが、例えば、ナノ秒オーダーとなり、ΔTを精度よく測定することが可能となる。
上述した方法により、演算部150は、時間T1,T2の測定データを多数取得する。図6を参照して、測定データの一例について説明する。図6は、時間T1,T2の測定データの一例を模式的に示す図である。図6の横軸は時刻を示す。図6の右縦軸は、変調回路104が出力する変調信号を示す。図6の左縦軸は、演算部150が取得した測定データの時間Tを示す。上述したように、本実施形態では、変調信号の大きさが一定となっている期間内に、演算部150が時間T1又は時間T2の測定データを6つ取得する。
本実施形態の赤外線測定装置は、一定の時間間隔で取得される測定データT1,T2の時系列データをフーリエ変換し、変調周波数f1におけるスペクトル強度Sを用いて、波長λ1とλ2における透過光の強度の比I1(λ1)/I1(λ2)を求める。そのため、例えば、変調周波数f1よりも低い周波数成分の揺らぎが測定データに含まれる場合であっても、本実施形態の赤外線測定装置は、気体の濃度cを求めることができる。
上述した実施形態では、電磁波を測定対象物に照射し、測定対象物を透過した電磁波を測定する一例として、赤外線レーザ光を希薄な気体に照射し、その透過光を測定することにより、希薄な気体の濃度を測定する方法を説明した。しかし、本発明は、赤外線レーザ光以外の電磁波を測定対象物に照射し、測定対象物を透過した電磁波を測定する方法にも適用することができる。
例えば、マイクロ波を測定対象物に照射し、測定対象物を透過したマイクロ波を測定する核磁気共鳴装置(NMR:Nuclear Magnetic Resonance)や電子スピン共鳴装置(ESR:Electron Spin Resonance)に本発明を適用することもできる。
51 セル
52 鏡
53,54,64 検出器
61 空間
62,63 凹面鏡
100 レーザ光源
102 駆動回路
104 変調回路
106 パルス生成回路
110 ガスセル
120 測定部
130 波形整形回路
132 コンパレータ
134 パルス生成部
140 制御部
150 演算部
Claims (9)
- 電磁波を測定対象物に照射し、前記測定対象物を透過した電磁波を測定する電磁波測定装置であって、
前記測定対象物に電磁波を照射する電磁波発生部と、
前記測定対象物に対する電磁波の透過率が異なる2つの波長の間で、前記電磁波発生部が照射する電磁波の波長を、第1周波数で切り替える変調信号を生成する変調回路と、
前記電磁波発生部が前記変調信号に対応する波長のパルス状の電磁波を照射するように、入力されるパルス信号のタイミングで前記電磁波発生部を駆動する駆動回路と、
前記測定対象物を透過した電磁波を測定する測定部と、
前記測定部が測定した電磁波の信号が予め定めた閾値を上回るタイミングで、単一のパルス信号を生成して前記駆動回路に出力する波形整形回路と、
前記波形整形回路が所定の数のパルス信号を生成するまでの時間を求める制御部と、
前記制御部が求めた時間を信号値とする時系列データをフーリエ変換し、第1周波数におけるスペクトル強度から前記測定対象物の特性を求める演算部と、
を有する電磁波測定装置。 - 第2周波数でスタートパルス信号を生成して前記駆動回路に出力するパルス生成回路を備え、
前記制御部は、前記パルス生成回路が前記スタートパルス信号を生成するタイミングを基準とし、前記波形整形回路が所定の数のパルス信号を生成するまでの時間を求める、請求項1に記載の電磁波測定装置。 - 第2周波数は、第1周波数の2倍以上の周波数である、請求項2に記載の電磁波測定装置。
- 前記制御部は、前記波形整形回路が所定の数のパルス信号を生成した後に、前記閾値を前記測定部が測定した電磁波の信号の最大値より大きい値に設定する、請求項1乃至3のいずれかに記載の電磁波測定装置。
- 前記測定対象物は気体であり、
前記演算部は、前記スペクトル強度から前記気体の濃度を求める、請求項1乃至4のいずれかに記載の電磁波測定装置。 - 前記電磁波発生部は、赤外領域の波長のレーザ光を照射する、請求項1乃至5のいずれかに記載の電磁波測定装置。
- 電磁波を測定対象物に照射し、前記測定対象物を透過した電磁波を測定する電磁波測定方法であって、
前記測定対象物に対する電磁波の透過率が異なる2つの波長の間で、電磁波の波長を第1周波数で切り替える変調信号を生成する工程と、
電磁波発生部が前記変調信号に対応する波長のパルス状の電磁波を照射するように、入力されるパルス信号のタイミングで駆動回路が前記電磁波発生部を駆動する第1工程と、
前記測定対象物を透過した電磁波を測定する第2工程と、
測定した電磁波の信号が予め定めた閾値を上回るタイミングで、波形整形回路が単一のパルス信号を生成して前記駆動回路に出力する第3工程と、
第1工程、第2工程、及び第3工程を繰り返し、前記波形整形回路が所定の数のパルス信号を生成するまでの時間を求める第4工程と、
前記波形整形回路が所定の数のパルス信号を生成するまでの時間を信号値とする時系列データをフーリエ変換し、第1周波数におけるスペクトル強度から前記測定対象物の特性を求める工程と、
を有する電磁波測定方法。 - 第2周波数でスタートパルス信号を生成する工程を有し、
前記第4工程は、前記スタートパルス信号が生成されるタイミングを基準とし、前記波形整形回路が所定の数のパルス信号を生成するまでの時間を求める、請求項7に記載の電磁波測定方法。 - 前記波形整形回路が所定の数のパルス信号を生成した後に、前記測定した電磁波の信号の最大値より大きい値に、前記閾値を設定する工程を有する、請求項7又は8に記載の電磁波吸収測定方法。
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