JP5641301B2 - 多成分用レーザ式ガス分析計 - Google Patents

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２００９−２６４８１４号公報、発明の名称「多成分用レーザ式ガス分析計」）に記載の発明が知られている。この多成分用レーザ式ガス分析計は、発光側では４個の発光素子本体を有している。これら４個の発光素子本体それぞれに対し、例えば１０ｋＨｚ，１２．５ｋＨｚ，１５ｋＨｚ，１７．５ｋＨｚというそれぞれ異なる変調波周波数を設定する。そして、それぞれ２０ｋＨｚ，２５ｋＨｚ，３０ｋＨｚ，３５ｋＨｚという２倍周波数成分を変調信号に発生させる。また、受光側では、参照信号発生回路がこれらの周波数の参照信号を出力する。すると、同期検波回路がそれぞれの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ＮＨ_３，ＨＣｌ，Ｈ_２Ｓ，ＣＨ_４という測定対象ガスの吸光特性をそれぞれ検出して出力する。

また、多成分用レーザ式ガス分析計の他の従来技術として、例えば、特許文献２（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。この計測システムは、分布帰還型（ＤＦＢ）半導体レーザを２個備え、互いに異なる波長λ_１（例えば１．９９６μｍ）、λ_２（例えば２．０５０μｍ）のレーザ光を発して、これらレーザ光を合波し、この合成したレーザ光を、ＣＯ_２と空気とを適宜の割合で混合してなる被測定ガス内に通過させて温度・濃度・化学種を求める。

また、光ファイバ式多成分計の他の従来技術として、例えば、図１７で示すような装置が知られている。半導体レーザ５０１ａはメタンガス吸収線（１．６６５９μｍ帯）の光を発振する。半導体レーザ５０１ｂはアセチレンガス吸収線（１．５３２８μｍ帯）の光を発振する。特に、半導体レーザ５０１ａ，５０１ｂから出射されるレーザ光は、コリメートレンズ５０２ａ，５０２ｂにより平行レーザ光になる。この平行レーザ光は、アイソレータ５０３ａ，５０３ｂの通過後、集光レンズ５０４ａ，５０４ｂにより光ファイバ５０５ａ，５０５ｂに入射される。

これら光ファイバ５０５ａ，５０５ｂ中を伝送された入射レーザ光は、互いに分岐結合器５０６により合成され、１本の往路用光ファイバ５０７中を伝送されてテストセル５０８へ送られる。これら光ファイバ５０５ａ，５０５ｂ，５０７は、遠隔地での測定を行うために光伝送路として石英系光ファイバを用いており、その光ファイバは０．８μｍ〜１．７μｍ付近で低損失特性を示す。そのため、検出対象とするガスとしては、吸収線がこの帯域内にあるメタンガスとアセチレンガスとが対象となる。

テストセル５０８内では合成レーザ光が空中伝搬される。これら合成レーザ光のうち半導体レーザ５０１ａからのレーザ光がメタンガスに吸収される。また、半導体レーザ５０１ｂからのレーザ光がアセチレンガスにそれぞれ吸収される。これら吸収後のレーザ光は、対向する復路用ファイバ５０９に受光される。そして、図１８で示すように、受光側で可視および近赤外光に対する二個のフォトダイオードにより受光される。

特開２００９−２６４８１４号公報 特開２０００−７４８３０号公報

半導体レーザを用いた吸収分光法に基づく従来技術の多成分用レーザ式ガス分析計は、使用可能な半導体レーザ光の波長範囲が狭いため、測定対象ガスが限定されるという問題があった。

先に説明した特許文献１に記載の多成分用レーザ式ガス分析計では、（Ｏ_２）酸素ガスの検出を行うことが困難であった。ＮＨ_３，ＨＣｌ，Ｈ_２Ｓ，ＣＨ_４の吸収波長は、１６００ｎｍ〜２０００ｎｍである。一方、（Ｏ_２）酸素ガスの吸収波長は７６０〜７６８ｎｍであって波長が大きく離れており、従来技術の光学系では（Ｏ_２）酸素ガスを検出することが困難であった。
また、図１９にも示すように、従来技術の受光素子は７６０ｎｍ〜７６８ｎｍの領域では感度が殆どないため（Ｏ_２）酸素ガスが検出できず、これらガスを全て検出することが困難であった。
さらにまた、光ファイバとして、例えば、通信用途に用いられるシングルモード光ファイバを長距離伝送に用いるとき、１３００ｎｍ〜１８００ｎｍの波長の光は低損失であるが、（Ｏ_２）酸素ガスの検出に必要な７６０〜７６８ｎｍ付近の波長の光は損失が大きいという問題があった。
そのため、特許文献１の多成分用レーザ式ガス分析計は、ガス分析に必要な複数のガス成分を検出できないという問題があった。

そして、先に説明した特許文献２に記載の計測システムでも、波長が１９００ｎｍ〜２０００ｎｍのレーザ光を合成し、多波長検出の例が示されている。しかしながら、波長が大きく離れたレーザ光の合成については記載ない。
また、空間光への変換において、コリメートレンズは波長による屈折率の違いによって、収差の影響がある。特許文献２には、その問題について言及されておらず、この収差の影響を受けない範囲でしか多波長検出はできないと考えられる。このように収差について考慮されたものではなかった。
そのため、特許文献２の計測システムは、ガス分析に必要な複数のガス成分を検出できないという問題があった。

また、図１７で示した従来技術のシステムでは、多数のレーザ光を含む検出光にてガス検出し、受光側で可視光および近赤外光に対してフォトダイオードを使い分ける例が記載されている。しかしながら、波長が８００ｎｍ〜１７００ｎｍ付近で低損失特性の石英系光ファイバを用いるものであり、換言すると吸収が８００ｎｍ以下のガスの検出が困難であり、（Ｏ_２）酸素ガスの検出が容易ではなかった。
さらに、空間光への変換において、コリメートレンズとなるレンズ５０２ａ，５０２ｂは波長による屈折率の違いによって収差の影響があるにもかかわらず、図１７で示した従来技術のシステムでは、その問題について言及されておらず、この収差の影響を受けない範囲でしか多波長検出はできないと考えられる。このように収差について考慮されたものではなかった。

一般に煙道や排ガス測定などで使用されるガス分析計は、排出される複数のガス濃度を同時に計測する必要がある。従来技術では、複数のガス成分について計測するために、単成分計を複数台設置するというものであり、一台で複数のガス成分について計測することは容易ではなかった。この理由は、１つのレーザダイオード素子で可変できる波長範囲が狭く、１成分もしくは特定の２成分を検出する程度しかできないためである。この原因の根本は、レーザダイオード素子の波長可変範囲が狭いことにあるが、光学系においても収差の影響が大きく、装置の校正が困難であるという問題があった。

また、単成分計であるレーザ式ガス分析計を複数台設置するため、設置面積や、設置工事・光軸調整費用など装置台数に比例し増加するため、システムの大型化、コストの増加などの問題があった。
また、石油・科学分野などの本質安全防爆が必要なところには多数のレーザ式ガス分析計を設置できないという問題があった。そこで、一台の分析装置で必要な多数の測定対象ガスの測定を可能にしたいという要請があった。

さらに、先行技術で波長の対応範囲を広く記載しているものもあるが、実際には空間光への変換において、コリメートレンズは、波長・屈折率の違いによる収差を有するものであり、この収差の影響により一の光学系において波長が大幅に異なる多数の検出光を使用することは容易ではなかった。収差の影響を排除して広波長帯域で波長が異なる検出光を使用可能とし、検出対象ガスを増加させたいという要請があった。

そこで、本発明は上記した問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、収差の影響の排除および伝播可能な光周波数の広帯域化を共に実現する光学系を採用することで、可視光および近赤外光に渉って吸光する複数の測定対象ガスに対して、ガス成分を正確に検出す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では、
発光部は、ピグテール型発光素子の出射光を結合するマルチモード型の結合手段と、この結合手段から出射される結合光をマルチモード光として伝播させるコア径を有するマルチモード型の光ファイバと、この光ファイバ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発光用光学系と、を備えるようにした。
また、受光部は、空間を透過した検出光を収差の影響を低減しつつ受光する受光用光学系と、この受光用光学系により出力された集光を等光量で分波するマルチモード型の分波手段と、分波手段により分波された分波光のうちの可視波長域に感度を有し可視光についての検出信号を出力する可視光用受光素子と、分波手段により分波された分波光のうちの近赤外波長域に感度を有し近赤外光についての検出信号を出力する近赤外光用受光素子と、を備えるようにした。
したがって、発光用光学系および受光用光学系により収差の影響の排除を実現し、また、マルチモード型の光ファイバ、結合手段、分波手段により光周波数の広帯域化を実現し、ガス成分を正確に検出する多成分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では、
発光部は、ピグテール型発光素子の出射光を結合するマルチモード型の結合手段と、この結合手段から出射される結合光をマルチモード光として伝播させるコア径を有するマルチモード型の光ファイバと、この光ファイバ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発光用光学系と、を備えるようにした。
また、受光部は、空間を透過した検出光を収差の影響を低減しつつ受光する受光用光学系と、可視波長域に感度を有する可視光用受光素子および近赤外波長域に感度を有する近赤外光用受光素子が一体化されており受光用光学系により出力された集光について、可視光用受光素子が可視光についての検出信号を出力するとともに近赤外光用受光素子が近赤外光についての検出信号を出力する受光素子と、を備えるようにした。
したがって、発光用光学系および受光用光学系により収差の影響の排除を実現し、また、マルチモード型の光ファイバ、結合手段により光周波数の広帯域化を実現し、ガス成分を正確に検出する多成分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、
レンズと光ファイバの端部との間の距離を調整して結合効率を高くし、可視波長域の検出光や近赤外波長域の検出光に対して収差の影響を低減して検出精度を向上させた多成分レーザ式ガス分析計とした。

また、本発明の請求項４に係る多成分レーザ式ガス分析計は、
発光側光学系および受光側光学系は、複数のレーザを透過する材料による回折型のレンズを用いて、可視波長域の検出光や近赤外波長域の検出光に対して収差の影響を低減して検出精度を向上させた多成分レーザ式ガス分析計とした。

また、本発明の請求項５に係る多成分レーザ式ガス分析計は、
発光側光学系および受光側光学系は、複数のレーザを透過する材料により平凸レンズの平面側に回折面を形成したレンズを用いて、可視波長域の検出光や近赤外波長域の検出光に対して収差の影響を低減して検出精度を向上させた多成分レーザ式ガス分析計とした。

また、本発明の請求項６に係る多成分レーザ式ガス分析計は、
光ファイバは、その端面が斜め研磨端であり、戻り光の入射側への浸入を防止して検出精度を向上させた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７に係る多成分レーザ式ガス分析計は、
ピグテール型発光素子を時分割で発光させて、単成分計と同様に動作させて、誤検出の防止を図るような多成分レーザ式ガス分析計とした。

本発明によれば、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、従来技術の光ファイバ式ガス分析計と比較してより広帯域の光周波数に適用可能となるため、複数成分を同時に計測可能となり、かつ収差の影響を低減しているので安定性を向上できるという効果がある。
また、本発明によれば、平行光以外の光路では全て光ファイバで構成しているので本質安全防爆になるという効果がある。

総じて、収差の影響の排除および伝播可能な光周波数の広帯域化を共に実現する光学系を採用することで、可視光および近赤外光に渉って吸光する複数の測定対象ガスに対して、ガス成分を正確に検出す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。 発光部および受光部による光学系を説明するブロック図である。 ピグテール型発光素子の内部構成図である。 ドライブ電流及び温度による半導体レーザの発光波長の変化を示す図である。 波長−損失特性を示す特性図である。 離間距離−結合効率特性を示す特性図である。 可視光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。 近赤外光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。 受光部および信号処理部の構成図である。 Ｏ_２ガスの吸収スペクトラム例を示す特性図である。 レーザ素子の波長走査駆動信号波形、Ｏ_２ガスの吸収波形、同期検波回路のガス吸収波形を示す図である。 受光信号と同期検波回路の出力信号を示す波形図である。 ＮＨ_３ガス、ＨＣｌガス、Ｈ_２Ｓガス、ＣＨ_４ガスの吸収スペクトラム例を示す特性図である。 可視光・近赤外光受光素子の構造図である。 他の形態の受光部による光学系を説明するブロック図である。 回折型収差補正レンズの説明図である。 従来技術の多成分ガス分析計の説明図である。 従来技術の多成分ガス分析計の受光部の説明図である。 従来技術の受光素子の波長−受光感度特性を示す特性図である。

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、発光部１０と、受光部２０と、信号処理部３０と、を備えている。

発光部１０は、変調光発生部１１、コリメートレンズ１２を備える。変調光発生部１１が測定対象ガスの吸光特性に応じて周波数変調された複数のレーザ光を合成して出射し、コリメートレンズ１２で平行光である検出光として出射する。
そして、受光部２０は、集光レンズ２１、検出部２２を備える。受光部２０は、この発光部１０から出射される検出光４０を受光する。集光レンズ２１が平行光である検出光４０を集光して検出部２２が受光し、検出信号を出力する。
信号処理部３０は、受光部２０から出力された検出信号に基づいて、後述するようなガス分析を行う。

発光部１０及び受光部２０は、複数の測定対象ガスからなるガスが流通する配管等の壁５１ａ，５１ｂに、溶接等により固定されたフランジ５２ａ，５２ｂ及び光軸調整フランジ５３ａ，５３ｂを介して取り付けられる。ここで、光軸調整フランジ５３ａ，５３ｂは、発光部１０からの検出光４０が受光部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、フランジ５２ａ，５２ｂまたは光軸調整フランジ５３ａ，５３ｂの光路内に樹脂やガラス製の透明な窓を設けて複数の測定対象ガスを含むガスからコリメートレンズ１２や集光レンズ２１が直接ガスに触れないよう保護しても良い。

次に、発光部１０、および、受光部３０の詳細構成について図２〜図９を参照しつつ詳細に説明する。
発光部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結合した検出光４０を出射するユニットである。

この発光部１０のうち変調光生成部１１は、図２で示すように、さらに波長走査駆動信号発生回路１１１、測定対象ガスの種類の数に等しいｎ個のピグテール型発光素子１１２ａ，１１２ｂ，・・・，１１２ｎ、ｎ本のピグテール１１３ａ，１１３ｂ，・・・，１１３ｎ、光結合器１１４、光ファイバ１１５を備えている。なお、ピグテール型発光素子１とピグテールとは予め光学的に接続された状態で市販されており、光学的な調整を不要としている。

ピグテール型発光素子１１２ａ，１１２ｂ，・・・，１１２ｎは、詳しくは、図３で示すような構成としている。なお、図３ではｎ個のピグテール型発光素子１１２ａ，１１２ｂ，・・・，１１２ｎを図示している。
ピグテール型発光素子１１２ａ，１１２ｂ，・・・，１１２ｎは、それぞれ発光素子本体１２１ａ，１２１ｂ，・・・，１２１ｎを内蔵している。これら発光素子本体１２１ａ，１２１ｂ，・・・，１２１ｎ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）といわれるレーザダイオードである。

このレーザダイオードは、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、レーザダイオードの発光波長を可変可能である。可視領域として、例えば、酸素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１１２ａとし、近赤外領域として、例えば、二酸化炭素を検出するために波長２００４ｎｍ発光するピグテール型発光素子１１２ｂとする。

これら発光素子本体１２１ａ，１２１ｂ，・・・，，１２１ｎ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４（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４（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、レーザダイオード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。

図３において、発光素子本体１２１ａ，１２１ｂ，・・・，１２１ｎの温度は、サーミスタ等の温度検出素子１２２ａ，１２２ｂ，・・・，１２２ｎを用いて検出される。これらの温度検出素子１２２ａ，１２２ｂ，・・・，１２２ｎは温度制御回路１２３ａ，１２３ｂ，・・・，１２３ｎに接続されている。これら、温度制御回路１２３ａ，１２３ｂ，・・・，１２３ｎは、発光素子本体１２１ａ，１２１ｂ，・・・，１２１ｎの発光波長を安定化させるため、温度検出素子１２２ａ，１２２ｂ，・・・，１２２ｎ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１２４ａ，１２４ｂ，・・・，１２４ｎの温度制御を行い、発光素子本体１２１ａ，１２１ｂ，・・・，１２１ｎ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１１１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１２５ａ，１２５ｂ，・・・，１２５ｎの出力信号とを、駆動信号発生回路１２６ａ，１２６ｂ，・・・，１２６ｎ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１２１ａ，１２１ｂ，・・・，１２１ｎに供給する。これにより、発光素子本体１２１ａ，１２１ｂ，・・・，１２１ｎ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１１２ａ，１１２ｂ，・・・，１１２ｎから所定波長のレーザ光が出射される。

なお、複数のピグテール型発光素子を備えたレーザ光源としては、例えば、ＮＴＴエレクトロニクス株式会社製のバタフライ型パッケージのレーザ光源を用いることができる。しかしながら、温度調節機能と光ファイバへの接続ができればよく、外形形状はバタフライ型に限定するものではない。

図２に戻るが、ピグテール型発光素子１１２ａ，１１２ｂ，・・・，・・・，１１２ｎから出射したレーザ光は、それぞれピグテール（光ファイバ）１１３ａ，１１３ｂ，１１３ｃ，・・・，１１３ｎ内を伝播する。ピグテール（光ファイバ）１１３ａ，１１３ｂ，１１３ｃ，・・・，１１３ｎの出力側は光結合器１１４に接続されている。光結合器１１４は、光ファイバカプラ、もしくは、光ファイバスイッチなどであり、マルチモード型の装置である（理由は後述する）。ピグテール（光ファイバ）１１３ａ，１１３ｂ，１１３ｃ，・・・，１１３ｎを伝播したこれらレーザ光を、光結合器１１４は重ね合わせ、結合光として出射する。光結合器１１４からの結合光は、光ファイバ１１５へ入力される。この光ファイバ１１５もマルチモード型のファイバである。

ここで光結合器１１４および光ファイバ１１５がマルチモード型を採用している点について説明する。
この光ファイバ１１５は複数のレーザ光からなり広い帯域に渉る結合光を伝播させる必要がある。一般的にシングルモード光ファイバのコア径は、伝搬する波長によって異なる。波長が長い方がコア径が大きくなる。そのため、波長が長い、例えば２０００ｎｍの光でシングルモードとなるような光ファイバを選択すると、例えば７００ｎｍの光はマルチモードで伝搬が可能となる。そこで、結合器や全ての光ファイバをマルチモード型とし、複数のレーザ光からなり広い帯域に渉る結合光を、結合器や全ての光ファイバで確実に伝播させるようにする。

本形態では光結合器１１４としてマルチモード型の光ファイバカプラ、もしくは、光ファイバスイッチを選択し、また、光ファイバ１１５としてマルチモード型の光ファイバを選択した。マルチモード型の光ファイバカプラやマルチモード光ファイバを適用すれば図５（ａ），（ｂ）からも明らかなように、波長が５００ｎｍ〜２５００ｎｍのレーザ光については低損失で伝搬可能である。
加えて、他の光ファイバ２２１，２２３ａ，２２３ｂも、光ファイバ１１５と同様にマルチモード型の光ファイバとして、５００ｎｍ〜２５００ｎｍのレーザ光について低損失で伝搬可能とする。
また、分波器２２２も同様にマルチモード型の光ファイバカプラ、もしくは、光ファイバスイッチとして、５００ｎｍ〜２５００ｎｍのレーザ光について低損失で伝搬可能とする。

話を戻すが、図２で示すように、光結合器１１４からの結合光は、マルチモード型の光ファイバ１１５へ入射され、この光ファイバ１１５の端部から出射した結合光１３をコリメートレンズ１２により平行な検出光４０に変換し、発光部１０から出射する。
ここに、光ファイバから空間へ出射するコリメート光学系において、収差の影響を低減する必要がある。図６は石英ガラスの平凸レンズであるコリメートレンズ１２の平面側と光ファイバ１１５の端面の距離Ｌによる結合効率を計算したものである。

ここに波長により焦点位置にズレが生じるために、図６に示すように、両方の波長で充分な受光光量が得られるように焦点位置を決める。マルチモード型の光ファイバ１１５とコリメートレンズ１２との間の距離Ｌは、波長が異なるレーザが入射されても検出光の光量が十分に大きくなるように決定される。例えば、可視領域として、例えば、酸素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１１２ａとし、近赤外領域として、例えば、二酸化炭素を検出するために波長２００４ｎｍ発光するピグテール型発光素子１１２ｂとしたとき、距離Ｌは図６に示すように１２．５ｍｍである。同様に、集光レンズ２１と光ファイバ２２１の端部との距離も上記手法にて決定される。
加えて、コリメートレンズ１２や集光レンズ２１の素材も二種のレーザ光が伝搬される材料を選ぶ。なお、レンズは今回１枚の例であるが、複数枚用いてもよい。

このような発光側光学系を経て検出光４０が出射される。図２に示すように、発光部１０から出力された平行光である検出光４０は、壁５１ａ，５１ｂ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、受光部２０により受光される。

受光部２０は、検出光を受光し、測定対象ガスの吸光特性により吸収された変調光について調査するユニットである。すなわち、受光部２０では、集光レンズ２１により集めた集光２３を光ファイバ２２１の端部へ入射させる。光ファイバ２２１を通過する集光を分波器２２２が１：１の光量となるように分波する。この分波器２２２は、分波機能を有しているものであれば良く、具体的には、マルチモード型の光ファイバカプラであったり、または、マルチモード型の光ファイバスイッチを採用することができる。

これら分波光は光ファイバ２２３ａ，２２３ｂを介してそれぞれ可視光受光素子２２４ａ、近赤外光受光素子２２４ｂにて分波光が受光される。可視光受光素子２２４ａは、例えば、図７に示すように可視波長域に感度をもつＳｉフォトダイオードであり、また、近赤外光受光素子２２４ｂは、図８に示すように近赤外波長域に感度をもつＩｎＧａＡｓフォトダイオードである。

分波器２２２により分波された分波光は、全ての波長のレーザ光が含まれているが、可視光受光素子２２４ａ、近赤外光受光素子２２４ｂは、波長に対して感度をもつ波長領域がそれぞれ決まっているため、それぞれ異なる領域の受光が可能となる。例えば、検出光のうち波長が７６３ｎｍの光は可視光受光素子２２４ａでのみ検出される。また、検出光のうち波長が２００４ｎｍの光は近赤外光受光素子２２４ｂでのみ検出される。
これら可視光受光素子２２４ａ、近赤外光受光素子２２４ｂは、受光量に応じて、電気信号による検出信号に変換して可視光用処理回路２２５ａ，近赤外光用処理回路２２５ｂに送る。これら可視光用処理回路２２５ａ，近赤外光用処理回路２２５ｂ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、この検出信号を信号処理部３０に送出する。

図９は、信号処理部３０の内部構成図である。可視光用処理回路２２５ａ，近赤外光用処理回路２２５ｂから出力された検出信号は、Ｉ−Ｖ変換回路３０１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）３０２ａ，３０２ｂ，・・・，３０２ｎは、前記高周波変調信号発生回路１２５ａ，１２５ｂ，・・・，１２５ｎ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３０１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３０３ａ，３０３ｂ，・・・，３０３ｎ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。これらの信号はフィルタ３０４ａ，３０４ｂ，・・・，３０４ｎ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３０５に入力されると共に、この演算回路３０５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、２種類の測定対象ガスの濃度を検出する原理について説明する。ｎ＝２であり、例えば、発光素子本体１２１ａ，１２１ｂのみ設けられている。２種類の測定対象ガスは、説明の具体化のため、酸素および二酸化炭素であるものとして説明する。酸素は、図１０で示すように７６０ｎｍ〜７６８ｎｍで吸光特性を有する。酸素検出するために波長７６３ｎｍを発光するピグテール型発光素子１１２ａとし、二酸化炭素検出するために波長２００４ｎｍ発光するピグテール型発光素子１１２ｂとする。本発明では５００〜２５００ｎｍまでの光が光ファイバ、結合器、分波器を伝播されるようにしたため、検出は可能である。

まず、発光部１０から出射した検出光４０は、測定対象ガスが流通する壁５１ａ，５１ｂ内の空間を透過し、吸光されたものとする。これらの検出光は同軸上で受光部３０に入射する。

そして、可視光に感度を持つ可視光受光素子（Ｓｉフォトダイオード）２２４ａでは、７６３ｎｍの発光素子本体１２１ａからの光のみを受光し、また、近赤外波長域に感度を持つ近赤外光受光素子（ＩｎＧａＡｓフォトダイオード）２２４ｂは、２００４ｎｍの発光素子本体１２１ｂからの光のみを受光する。

図１１（ａ）は、例えば発光素子本体１２１ａの駆動電流波形の一例を示している。
図３の波長走査駆動信号発生回路１１１において、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、発光素子本体１２１ａの駆動電流値を直線的に変化させて発光素子本体１２１ａ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、駆動電流値を発光素子本体１２１ａ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。更に、信号Ｓ_３では、駆動電流値を０ｍＡにしておく。

図１１（ｂ）は、図３の高周波変調信号発生回路１２５ａ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１１（ｃ）は、図２の駆動信号発生回路１２６ａから出力される駆動信号（波長走査駆動信号発生回路１１１の出力信号と高周波変調信号発生回路１２５ａ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１２１ａに供給すると、発光素子本体１２１ａ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１２１ｂも、上記と同様にして、測定対象ガスの吸光特性に応じて駆動される。

２個の発光素子本体１２１ａ，１２１ｂの変調波周波数を、例えば１０ｋＨｚ，１２．５ｋＨｚとすると、変調信号の２倍周波数成分はそれぞれ２０ｋＨｚ，２５ｋＨｚとなり、参照信号発生回路３０２ａ，３０２ｂ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５０３ａ，５０３ｂは上記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やＣＯ_２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やＣＯ_２に吸光特性がある場合、同期検波回路３０３ａからは図１２に示すような吸光特性が得られる。なお、検出光４０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５０３ａ，５０３ｂの出力に図１２のような吸光特性は現れない。

この吸光特性はその波形のピーク値がそのままガス濃度を表すため、例えば、図９の演算回路３０５によって上記ピーク値を測定したり、信号変化を積分したりすればＯ_２やＣＯ_２の濃度を測定することが可能である。他の測定対象ガスの濃度検出動作についても、同様に行えばよい。

また、図１３で示すＮＨ_３，ＨＣｌ，Ｈ_２Ｓ，ＣＨ_４の吸収波長は、１６００ｎｍ〜２０００ｎｍであるが、近赤外光受光素子（ＩｎＧａＡｓフォトダイオード）２２４ｂが検出可能であるため分析することができる。本発明では５００〜２５００ｎｍまで伝播されるため検出は可能である

例えば、４個の発光素子本体１２１ｃ，１２１ｄ，１２１ｅ，１２１ｆを更に備えるものとし、これら４個の発光素子本体１２１ｃ，１２１ｄ，１２１ｅ，１２１ｆの変調波周波数を、例えば１５ｋＨｚ，１７．５ｋＨｚ，２０ｋＨｚ，２２．５ｋＨｚとすると、変調信号の２倍周波数成分はそれぞれ３０ｋＨｚ，３５ｋＨｚ，４０ｋＨｚ，４５ｋＨｚとなり、参照信号発生回路３０２ｃ，３０２ｄ，３０２ｅ，３０２ｆ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３０３ｃ，３０３ｄ，３０３ｅ，３０３ｆは上記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ＮＨ_３，ＨＣｌ，Ｈ_２Ｓ，ＣＨ_４の吸光特性のみをそれぞれ検出して出力する。以下同様にしてこれら測定対象ガスの濃度検出が可能である。

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を計測可能となる。本発明では特に光ファイバとしてマルチモード光ファイバを用いているので、５００〜２５００ｎｍという広い波長域で計測可能となる。したがって、ピグテール型発光素子を１０１ａ，１０１ｂだけでなく、さらに複数追加した場合でも、変調周波数を変えるか、レーザの発光をシリーズに発光させることで、受光素子の波長領域が同一の場合も分離して計測可能である。

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。先の形態のうち、発光部１０と信号処理部３０とは同じ構成とするが、受光部２０のみを変更するものである。先の形態の受光部２０は、詳しくは、図２で示したように、分波器２２２を用いる構成であったが、本形態では、受光部２０側は、図１４に示すようなＳｉフォトダイオードとＩｎＧａＡｓフォトダイオードが一体化された可視光・近赤外光受光素子２２６を用い、図１５で示すように分波器２２２を用いずに、光ファイバ２２１から直接可視光・近赤外光受光素子２２６が受光し、可視光用処理回路２２５ａ，近赤外光用処理回路２２５ｂで、信号処理の上で、信号処理部３０へ出力するようにしてもよい。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の多成分レーザ式ガス分析計において、さらにコリメートレンズ１２および集光レンズ２１へＡＲコーティングを行うことが好ましい。ＡＲコーティングは、反射防止（ノングレア）処理の一種であり、レンズ表面に例えばフッ化マグネシウムなどを真空蒸着させて透明な薄膜を作り、光の干渉を利用して照明などによる外光を打ち消すというものである。膜の薄さは可視光線の波長の１／４になっている。外光が入射すると、膜の表面で反射する光と、透過して奥で反射する光に分かれるが、両者は１／２波長ずれた逆位相となるため、打ち消しあって反射光が目立たなくなる。特に外乱光が検出光に合成される事態を防止し、正確な光量で検出することが可能となる。

続いて他の形態について説明する。先の三形態では、レンズの平面側と光ファイバの端面の距離を調整することで、収差の影響を低減させていた。本形態では更に、集光レンズ２１は図１６（ａ）のような平凸レンズではなく、図１６（ｂ）のように平凸レンズの平面側に回折格子を形成した回折型収差補正レンズを採用するというものである。回折格子を適切に形成することで、収差の影響をさらに低減し、集光レンズ２１による集光が光ファイバ２２１の端部である受光ポイントで全ての検出光の焦点として入射され、確実に検出光が光ファイバ２２１に入力されるようにすることができる。このような回折型収差補正レンズはコリメートレンズ１９に適用しても良い。
また、平凸レンズに代えて回折を利用した回折型レンズ、非球面レンズを用いても収差の低減に寄与する。

続いて他の形態について説明する。先の四形態では、光ファイバの端面については限定していなかったが、本形態では光ファイバの端部を斜め研磨端とする。このように構成することで、光ファイバの端部への戻り光があったとしても、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。先の五形態では、発光側のマルチモード型の光結合器１１４は、一つしか出力しないというものであった。光結合器１１４は、詳しくは２つの入力に対して、２つの出力を持たせることができ、光結合器１１４の出力側に２本の光ファイバおよびコリメートレンズ１２を設けることで２系統のガス分析が可能となる。

続いて他の形態について説明する。先に説明した六形態では、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、高周波変調の基本波成分と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３の発光素子本体１２１ａ，１２１ｂ，・・・，１２１ｎと、図９の参照信号発生回路３０２ａ，３０２ｂ，・・・，３０２ｎと、をそれぞれ演算回路３０５に接続し、ともに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良い。

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渉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。

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。

１０：発光部
１１：変調光生成部
１１１：波長走査駆動信号発生回路
１１２ａ，１１２ｂ，・・・，１１２ｎ：ピグテール型発光素子
１２１ａ，１２１ｂ，・・・，１２１ｎ：発光素子本体
１２２ａ，１２２ｂ，・・・，１２２ｎ：温度検出素子
１２３ａ，１２３ｂ，・・・，１２３ｎ：温度制御回路
１２４ａ，１２４ｂ，・・・，１２４ｎ：ペルチェ素子
１２５ａ，１２５ｂ，・・・，１２５ｎ：高周波変調信号発生回路
１２６ａ，１２６ｂ，・・・，１２６ｎ：駆動信号発生回路
１１３ａ，１１３ｂ，１１３ｃ，１１３ｄ：ピグテール
１１４：光結合器
１１５：光ファイバ
１２：コリメートレンズ
１３：結合光
２０：受光部
２１：集光レンズ
２２：検出部
２２１：光ファイバ
２２２：分波器
２２３ａ，２２３ｂ：光ファイバ
２２４ａ：可視光受光素子
２２４ｂ：近赤外光受光素子
２２５ａ：可視光用処理回路
２２５ｂ：近赤外光用処理回路
２２６：可視光・近赤外光受光素子
２３：集光
３０：信号処理部
３０２ａ，３０２ｂ，・・・，３０２ｎ：参照信号発生回路
３０３ａ，３０３ｂ，・・・，３０３ｎ：同期検波回路
３０４ａ，３０４ｂ，・・・，３０４ｎ：フィルタ
３０５：演算回路
４０：検出光
５１ａ，５１ｂ：壁
５２ａ．５２ｂ：フランジ
５３ａ，５３ｂ：光軸調整フランジ

Claims (7)

1. 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、この受光部の出力信号を処理する信号処理部と、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ピグテール型発光素子と、これらのピグテール型発光素子の出射光を結合するマルチモード型の結合手段と、この結合手段から出射される結合光をマルチモード光として伝播させるコア径を有するマルチモード型の光ファイバと、この光ファイバ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発光用光学系と、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受光する受光用光学系と、この受光用光学系から出力された集光を等光量で分波するマルチモード型の分波手段と、分波手段により分波された分波光のうちの可視波長域に感度を有し可視光についての検出信号を出力する可視光用受光素子と、分波手段により分波された分波光のうちの近赤外波長域に感度を有し近赤外光についての検出信号を出力する近赤外光用受光素子と、を備え、
   前記ピグテール型発光素子は、
   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、
   前記信号処理部は、各ピグテール型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、前記可視光用受光素子および近赤外光用受光素子の検出信号から前記２倍周波数成分をそれぞれ検出する同期検波手段と、この同期検波手段の出力信号から複数種類の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。
2. 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、この受光部の出力信号を処理する信号処理部と、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ピグテール型発光素子と、これらのピグテール型発光素子の出射光を結合するマルチモード型の結合手段と、この結合手段から出射される結合光をマルチモード光として伝播させるコア径を有するマルチモード型の光ファイバと、この光ファイバ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発光用光学系と、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受光する受光用光学系と、可視波長域に感度を有する可視光用受光素子および近赤外波長域に感度を有する近赤外光用受光素子が一体化されており受光用光学系から出力された集光について、可視光用受光素子が可視光についての検出信号を出力するとともに近赤外光用受光素子が近赤外光についての検出信号を出力する受光素子と、を備え、
   前記ピグテール型発光素子は、
   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、
   前記信号処理部は、各ピグテール型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、前記受光素子の前記可視光用受光素子および近赤外光用受光素子の検出信号から前記２倍周波数成分をそれぞれ検出する同期検波手段と、この同期検波手段の出力信号から複数種類の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。
3. 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、
   前記発光用光学系および前記受光用光学系は、複数のレーザを透過する材料で形成したレンズを用いるものであり、複数の波長に対して、発光側と受光側で所定の結合効率が得られるようにレンズと光ファイバの端部との間の距離を調整して構成したことを特徴とする多成分用レーザ式ガス分析計。
4. 請求項１〜請求項３の何れか一項に記載の多成分用レーザ式ガス分析計において、
   前記発光側光学系および前記受光側光学系は、複数のレーザを透過する材料により平凸レンズの平面側に回折面を形成したレンズを用いるものであり、複数の波長に対して収差の影響を低減した光学系とすることを特徴とする多成分用レーザ式ガス分析計。
5. 請求項１〜請求項３の何れか一項に記載の多成分用レーザ式ガス分析計において、
   前記発光側光学系および前記受光側光学系は、複数のレーザを透過する材料による回折型のレンズを用いるものであり、複数の波長に対して収差の影響を低減した光学系とすることを特徴とする多成分用レーザ式ガス分析計。
6. 請求項１〜請求項５の何れか一項に記載の多成分用レーザ式ガス分析計において、
   前記光ファイバは、その端面が斜め研磨端であることを特徴とする多成分用レーザ式ガス分析計。
7. 請求項１〜請求項６の何れか一項に記載の多成分用レーザ式ガス分析計において、
   前記複数のピグテール型発光素子は、時分割で順次動作し、
   前記参照信号発生手段は、動作しているピグテール型発光素子と同期しながら高周波変調信号の２倍周波数成分を有する参照信号をそれぞれ生成する、
   ことを特徴とする多成分用レーザ式ガス分析計。

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