JP6791214B2 - 分光分析装置 - Google Patents

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Description

本開示は、分光分析装置に関する。
従来、分析対象に関する情報を光吸収スペクトル等の分光スペクトルに基づいて分光学的に取得する技術が知られている。
例えば、特許文献１には、２つの光源と、２つの光源にそれぞれ対応する２つの光検出器とを用いて、分析波長の異なる２種類のガス成分を１つの装置で同時に分析可能な挿入型ガス濃度測定装置が開示されている。
特開２０１５−１３７９１０号公報
このような分光分析装置は、分析対象成分の光吸収スペクトルピークの波長位置を検出するための参照セルをさらに有し、参照セルを透過した参照光用の光検出器をさらに有する場合がある。すなわち、２種類のガス成分それぞれに対して、測定光用及び参照光用の一対の光検出器が配置され、分光分析装置は、合計で４つの光検出器を有する。
このとき、各光検出器から出力される受光信号に対してアナログ信号からデジタル信号に変換する変換部を各光検出器に接続すると、製品コストが増大し、受光信号を処理する回路系が複雑になる。
本開示は、２つの発光部それぞれに対して複数の受光部が配置されている場合であっても製品コストが低減可能な分光分析装置を提供することを目的とする。
幾つかの実施形態に係る分光分析装置は、第１発光部から照射された照射光に基づく受光信号を処理する第１変換部と、第２発光部から照射された照射光に基づく受光信号を処理する第２変換部と、受光側において前記第１変換部及び前記第２変換部の入力側に配置されている切替部と、前記第１発光部及び前記第２発光部の動作を制御する制御部と、を備え、前記第１発光部から照射された照射光に基づく前記受光信号は、空間的に２つに分岐された前記照射光に基づき、かつ分光スペクトルに関する情報をそれぞれ含む第１受光信号及び第２受光信号を含み、前記切替部は、前記制御部が前記第２発光部の動作を停止させると、前記第１変換部が前記第１受光信号をデジタル信号に変換し、前記第２変換部が前記第２受光信号をデジタル信号に変換するように回路を切り替える。このような分光分析装置によれば、２つの発光部それぞれに対して複数の受光部が配置されている場合であっても製品コストが低減可能である。より具体的には、分光分析装置では、第１変換部及び第２変換部のみを用いて受光信号を処理可能であるので、４つの変換部が必要とされる従来技術と比較して、変換部関連の回路部品の数が低減する。
一実施形態に係る分光分析装置において、前記制御部は、前記第１変換部が前記第１受光信号を第１時間だけデジタル信号に変換すると、前記第１時間の間に変換された前記第１受光信号に基づいて分光スペクトルを分析してもよい。これにより、第１時間の間に繰り返し含まれる分光スペクトルに関する情報を用いて、第１受光信号に基づく分光スペクトルの分析が可能となる。したがって、例えば平均化等の信号処理を実行することで、分光スペクトルを用いた分析の精度が向上する。
一実施形態に係る分光分析装置において、前記制御部は、前記第２変換部が前記第２受光信号を第２時間だけデジタル信号に変換すると、前記第２時間の間に変換された前記第２受光信号に基づいて分光スペクトルを分析してもよい。これにより、第２時間の間に繰り返し含まれる分光スペクトルに関する情報を用いて、第２受光信号に基づく分光スペクトルの分析が可能となる。したがって、例えば平均化等の信号処理を実行することで、分光スペクトルを用いた分析の精度が向上する。
一実施形態に係る分光分析装置において、前記第１時間と前記第２時間とは互いに同一であってもよい。これにより、分光分析装置は、第１受光信号及び第２受光信号に基づく分光スペクトルの分析を互いに同一のタイミングで並行して行うことができる。したがって、分光スペクトルの分析を互いに異なるタイミングで行う場合と比較して、これらの受光信号の処理が容易である。
一実施形態に係る分光分析装置において、前記切替部は、前記制御部が前記第２発光部の動作を開始させると、前記第１変換部が前記第１受光信号及び前記第２受光信号を交互にデジタル信号に変換するように回路を切り替えてもよい。これにより、第１発光部及び第２発光部が共に動作している場合と、第１発光部及び第２発光部のうちの一方が動作を停止している場合との間で受光側の回路を切り替えることが可能である。したがって、それぞれの場合において受光側の各構成部が使用されない状況が回避され、各構成部が有効に活用される。
一実施形態に係る分光分析装置において、前記第１受光信号は、被測定ガス中の分析対象成分の光吸収スペクトルに関する情報を含み、前記第２受光信号は、前記被測定ガス中の前記分析対象成分と同一で、かつ既知濃度のガスの光吸収スペクトルに関する情報を含んでもよい。例えば、蛍光分光法及びラマン分光法等の他の分光法では、蛍光及びラマン光等の測定光の強度は弱く、測定光の検出は容易でない。これに対して、吸収分光法を用いることで測定光の強度が増大し、測定光の検出が容易になる。したがって、分光分析装置は、分光スペクトルを容易に算出可能である。
本開示によれば、２つの発光部それぞれに対して複数の受光部が配置されている場合であっても製品コストが低減可能な分光分析装置を提供可能である。
一実施形態に係る分光分析装置の構成の一例を示すブロック図である。 制御部によって実行される制御及び処理の第１例を示す模式図である。 制御部によって実行される制御及び処理の第２例を示す模式図である 繰り返し掃引された半導体レーザの注入電流を示す模式図である。 被測定ガスを透過した半導体レーザ光の光強度の変化を示す模式図である。 算出された被測定ガスの光吸収スペクトルを示す模式図である。 分析波長の異なる２種類の分析対象成分の分光分析に用いられる従来の分光分析装置を示すブロック図である。
初めに、従来技術の背景及び問題点について説明する。
例えば、プロセスガス等の被測定ガスが流れる流路にレーザガス分析計が直接取り付けられ、分析対象成分の濃度分析が行われる。被測定ガスは、例えばＣＯ（一酸化炭素）、ＣＯ2（二酸化炭素）、Ｈ2Ｏ（水）、ＣnＨm（炭化水素）、ＮＨ3（アンモニア）、及びＯ2（酸素）等のガス分子を含む。流路は、配管、煙道、及び燃焼炉等を含む。
このようなレーザガス分析計は、例えばＴＤＬＡＳ（Ｔｕｎａｂｌｅ Ｄｉｏｄｅ Ｌａｓｅｒ Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：波長可変ダイオードレーザ吸収分光)式レーザガス分析計を含む。ＴＤＬＡＳ式レーザガス分析計は、例えば被測定ガス中にレーザ光を照射することで分析対象成分の濃度を分析する。
被測定ガスに含まれるガス分子は、赤外から近赤外域において、分子の振動及び回転エネルギー遷移に基づく光吸収スペクトルを示す。光吸収スペクトルは、成分分子に固有である。Ｌａｍｂｅｒｔ−Ｂｅｅｒの法則により、レーザ光に関するガス分子の吸光度がその成分濃度及び光路長に比例する。したがって、光吸収スペクトルの強度を測定することで分析対象成分の濃度が分析可能である。
ＴＤＬＡＳでは、ガス分子が有するエネルギー遷移の吸収線幅よりも十分に狭い線幅の半導体レーザ光を被測定ガスに照射する。半導体レーザの注入電流を高速変調することで、その発振波長を掃引する。被測定ガスを透過した半導体レーザ光の光強度を測定して、１本の独立した光吸収スペクトルを測定する。
半導体レーザ光の掃引範囲は用途によって異なる。分析対象成分がＯ2の場合、半導体レーザ光の線幅は例えば０．０００２ｎｍであり、掃引幅は例えば０．１〜０．２ｎｍである。０．１〜０．２ｎｍの掃引幅を掃引することで、光吸収スペクトルの測定を行う。取得した１本の光吸収スペクトルから濃度換算を行うことにより、分析対象成分の濃度が求められる。濃度換算の方法は、ピーク高さ法、スペクトル面積法、及び２ｆ法等の既知の方法を含む。
一般的に、半導体レーザの発振波長は、半導体レーザの注入電流及び温度に依存する。例えば、発振波長は、注入電流が大きくなるほど長くなる。例えば、発振波長は、温度が上昇するほど長くなる。
ＴＤＬＡＳの測定の際に、測定したい光吸収スペクトルの波長帯域に半導体レーザの発振波長が大まかに一致するように半導体レーザの温度が調整される。半導体レーザの温度は、調整された値に維持される。その後、半導体レーザの注入電流を変化させて、発振波長の微調整が行われる。
ここで、図４Ａ乃至図４Ｃを参照しながら、半導体レーザの発振波長を繰り返し掃引して被測定ガスの光吸収スペクトルを測定する従来の方法について説明する。
図４Ａは、繰り返し掃引された半導体レーザの注入電流を示す模式図である。半導体レーザの発振波長が測定したい光吸収スペクトルの波長帯域に一致すると、当該波長帯域において半導体レーザの発振波長が繰り返し掃引される。このとき、半導体レーザの注入電流が繰り返し掃引される。例えば、半導体レーザの注入電流は、のこぎり波を示す。
図４Ｂは、被測定ガスを透過した半導体レーザ光の光強度の変化を示す模式図である。発振波長が繰り返し掃引された半導体レーザ光は、被測定ガスを透過して受光部に集光される。受光部は、被測定ガスによる半導体レーザ光の波長ごとの光吸収量を反映した、図４Ｂに示すような受光信号を出力する。このとき、半導体レーザの注入電流の掃引に伴って半導体レーザ光の照射強度も変化する。例えば、照射強度は、注入電流が大きくなるほど高くなる。したがって、注入電流の掃引に伴う照射強度の変化と被測定ガスによる波長ごとの光吸収量の変化とに基づいて、受光部から出力される受光信号は、のこぎり波にディップが重畳したような波形を示す。
そして、図４Ｂに示すような受光信号に基づいて、被測定ガスの光吸収スペクトルが算出される。図４Ｃは、算出された被測定ガスの光吸収スペクトルを示す模式図である。例えば、半導体レーザ光が被測定ガスを透過した場合の受光信号から、被測定ガスを透過しない場合の受光信号を差し引いて、かつ縦軸を対数とすることで、光吸収スペクトルが算出される。このような光吸収スペクトルが示す吸光度は、被測定ガスの成分濃度に比例する。例えば、光吸収スペクトルの面積が被測定ガスの成分濃度に比例する。したがって、吸光度に基づいて被測定ガスの成分濃度が算出可能である。
図５は、分析波長の異なる２種類の分析対象成分の分光分析に用いられる従来の分光分析装置を示すブロック図である。
従来、分析波長の異なる２種類の分析対象成分に対して分光分析を行うために、２つの半導体レーザが用いられる。１つの半導体レーザから照射された照射光は、２つに分岐する。分岐した一方の照射光は、被測定ガスを透過して測定光として測定用フォトディテクタにより検出される。分岐した他方の照射光は、参照セルを透過して参照光として参照用フォトディテクタにより検出される。
受光側を構成する回路系は、１つの半導体レーザに対して、測定用フォトディテクタ、測定用ＡＤＣ（アナログデジタルコンバータ）、及び測定用メモリと、参照用フォトディテクタ、参照用ＡＤＣ、及び参照用メモリとを有する。このように、各フォトディテクタから出力される受光信号に対してアナログ信号からデジタル信号に変換するＡＤＣが各フォトディテクタに接続されている。４つのフォトディテクタに対して４つのＡＤＣを要する従来の分光分析装置では、製品コストが増大し、受光信号を処理する回路系が複雑になる。
本開示は、２つの発光部それぞれに対して複数の受光部が配置されている場合であっても製品コストが低減可能な分光分析装置１を提供することを目的とする。以下では、添付図面を参照しながら本開示の一実施形態について主に説明する。
図１は、一実施形態に係る分光分析装置１の構成の一例を示すブロック図である。分光分析装置１は、波長帯の異なる２種類の照射光を被測定ガスＧに並行して照射し、異なる受光回路で処理された受光信号に基づいて、被測定ガスＧ中の異なる分析対象成分を並行して分析できる。初めに、異なる分析対象成分を並行して分析する場合の分光分析装置１の構成及び機能について主に説明する。
図１に示すとおり、分光分析装置１は、発光側を構成するレーザコントローラ１０と、第１発光部１１と、第２発光部１２とを有する。
レーザコントローラ１０は、後述する分光分析装置１の制御部１００の一部を構成する。レーザコントローラ１０は、第１発光部１１及び第２発光部１２に接続され、これらの動作を制御する。例えば、レーザコントローラ１０は、発振波長制御信号を生成し、第１発光部１１及び第２発光部１２それぞれから照射される照射光の発振波長を制御する。その他にも、例えば、レーザコントローラ１０は、第１発光部１１及び第２発光部１２それぞれによる照射のオン又はオフ、及び照射強度等を制御する。
第１発光部１１及び第２発光部１２それぞれは、例えば、被測定ガスＧに対してＴＤＬＡＳによる測定が可能な任意の光源を有する。被測定ガスＧは、例えばＣＯ、ＣＯ2、Ｈ2Ｏ、ＣnＨm、ＮＨ3、及びＯ2等のガス分子を含む。各発光部は、例えば、半導体レーザを有する。各発光部は、レーザコントローラ１０から出力される注入電流に基づいて、発振波長が掃引された光を被測定ガスＧに対して照射する。このとき、各発光部は、複数周期にわたり同一の波長範囲で発振波長が掃引された光を照射してもよい。第１発光部１１の発振波長と第２発光部１２の発振波長とは、被測定ガスＧに含まれる異なる２種類の分析対象成分Ｃ１及びＣ２の分析波長にそれぞれ対応しており、互いに異なる。
分光分析装置１は、第１参照セル２１をさらに有する。第１発光部１１から照射された照射光は２つに分岐する。分岐した一方の照射光は被測定ガスＧを透過する。分岐した他方の照射光は、第１参照セル２１中に封入された、被測定ガスＧ中の分析対象成分Ｃ１と同一で、かつ既知濃度のガスＧ１を透過する。
分光分析装置１は、第２参照セル２２をさらに有する。第２発光部１２から照射された照射光は２つに分岐する。分岐した一方の照射光は被測定ガスＧを透過する。分岐した他方の照射光は、第２参照セル２２中に封入された、被測定ガスＧ中の分析対象成分Ｃ２と同一で、かつ既知濃度のガスＧ２を透過する。
分光分析装置１は、受光側を構成する各構成部を有する。より具体的には、分光分析装置１は、第１受光部３１、第２受光部３２、第３受光部３３、及び第４受光部３４と、第１切替部４１及び第２切替部４２と、第１変換部５１及び第２変換部５２とを有する。分光分析装置１は、さらに、タイミング調整コントローラ６０と、第１記憶部７１、第２記憶部７２、第３記憶部７３、及び第４記憶部７４と、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ：中央処理装置）８０とを有する。タイミング調整コントローラ６０とＣＰＵ８０とは、上述したレーザコントローラ１０と共に分光分析装置１の制御部１００を構成する。
第１受光部３１及び第３受光部３３それぞれは、例えば、被測定ガスＧに対してＴＤＬＡＳによる測定が可能な任意の光検出器を有する。各受光部は、例えば、フォトダイオードを有する。各受光部は、被測定ガスＧの分光スペクトルに関する情報を含む測定光を検出し、電気的な測定信号に変換する。分光スペクトルは、例えば光吸収スペクトルを含む。
第２受光部３２及び第４受光部３４は、例えば、第１参照セル２１及び第２参照セル２２に封入されたガスＧ１及びガスＧ２に対してそれぞれＴＤＬＡＳによる測定が可能な任意の光検出器を有する。各受光部は、例えば、フォトダイオードを有する。各受光部は、各参照セルに封入された各ガスの分光スペクトルに関する情報を含む参照光を検出し、電気的な参照信号に変換する。分光スペクトルは、例えば光吸収スペクトルを含む。
第１受光部３１は、第１発光部１１から照射され、被測定ガスＧを透過した照射光の一部を、測定光として検出する。第１受光部３１は、測定光を検出すると、分析対象成分Ｃ１の分光スペクトルに関する情報を含む第１受光信号Ｓ１を出力する。第２受光部３２は、第１発光部１１から照射され、第１参照セル２１を透過した照射光の一部を、参照光として検出する。第２受光部３２は、参照光を検出すると、ガスＧ１の分光スペクトルに関する情報を含む第２受光信号Ｓ２を出力する。
同様に、第３受光部３３は、第２発光部１２から照射され、被測定ガスＧを透過した照射光の一部を、測定光として検出する。第３受光部３３は、測定光を検出すると、分析対象成分Ｃ２の分光スペクトルに関する情報を含む第３受光信号Ｓ３を出力する。第４受光部３４は、第２発光部１２から照射され、第２参照セル２２を透過した照射光の一部を、参照光として検出する。第４受光部３４は、参照光を検出すると、ガスＧ２の分光スペクトルに関する情報を含む第４受光信号Ｓ４を出力する。
第１切替部４１は、例えばスイッチ等の任意の信号切替回路を有する。第１切替部４１は、第１受光部３１及び第２受光部３２に接続されている。第１切替部４１は、第１受光部３１及び第２受光部３２からそれぞれ出力される第１受光信号Ｓ１及び第２受光信号Ｓ２を取得する。第１切替部４１は、制御部１００のタイミング調整コントローラ６０による制御に基づき第１受光信号Ｓ１又は第２受光信号Ｓ２を切り替えて出力する。
同様に、第２切替部４２は、例えばスイッチ等の任意の信号切替回路を有する。第２切替部４２は、第３受光部３３及び第４受光部３４に接続されている。第２切替部４２は、第３受光部３３及び第４受光部３４からそれぞれ出力される第３受光信号Ｓ３及び第４受光信号Ｓ４を取得する。第２切替部４２は、制御部１００のタイミング調整コントローラ６０による制御に基づき第３受光信号Ｓ３又は第４受光信号Ｓ４を切り替えて出力する。
第１変換部５１は、例えばＡＤＣを有する。第１変換部５１は、第１切替部４１に接続されている。第１変換部５１は、第１切替部４１から出力される第１受光信号Ｓ１又は第２受光信号Ｓ２をアナログ信号からデジタル信号に変換する。
同様に、第２変換部５２は、例えばＡＤＣを有する。第２変換部５２は、第２切替部４２に接続されている。第２変換部５２は、第２切替部４２から出力される第３受光信号Ｓ３又は第４受光信号Ｓ４をアナログ信号からデジタル信号に変換する。
タイミング調整コントローラ６０は、第１変換部５１及び第２変換部５２に接続されている。タイミング調整コントローラ６０は、第１変換部５１から出力される第１受光信号Ｓ１又は第２受光信号Ｓ２を取得する。同様に、タイミング調整コントローラ６０は、第２変換部５２から出力される第３受光信号Ｓ３又は第４受光信号Ｓ４を取得する。
タイミング調整コントローラ６０は、第１切替部４１にも接続されている。タイミング調整コントローラ６０は、第１切替部４１から第１変換部５１へ出力される第１受光信号Ｓ１又は第２受光信号Ｓ２の出力時間及びタイミング等を制御して、時分割した状態で第１受光信号Ｓ１又は第２受光信号Ｓ２を第１変換部５１へ出力させる。
同様に、タイミング調整コントローラ６０は、第２切替部４２にも接続されている。タイミング調整コントローラ６０は、第２切替部４２から第２変換部５２へ出力される第３受光信号Ｓ３又は第４受光信号Ｓ４の出力時間及びタイミング等を制御して、時分割した状態で第３受光信号Ｓ３又は第４受光信号Ｓ４を第２変換部５２へ出力させる。
第１記憶部７１、第２記憶部７２、第３記憶部７３、及び第４記憶部７４は、タイミング調整コントローラ６０に接続されている。各記憶部は、例えば、ＨＤＤ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ）、ＳＳＤ（Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｄｒｉｖｅ）、ＥＥＰＲＯＭ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ Ｅｒａｓａｂｌｅ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｒｅａｄ-Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ-Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、及びＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）等の任意の記憶装置を有する。各記憶部は、例えば主記憶装置、補助記憶装置、又はキャッシュメモリとして機能してもよい。各記憶部は、分光分析装置１に内蔵されるものに限定されず、ＵＳＢ等のデジタル入出力ポート等によって接続された外付け型の記憶装置であってもよい。
第１記憶部７１は、第１変換部５１でデジタル化された第１受光信号Ｓ１に基づくデータを必要に応じて格納する。第２記憶部７２は、第１変換部５１でデジタル化された第２受光信号Ｓ２に基づくデータを必要に応じて格納する。第３記憶部７３は、第２変換部５２でデジタル化された第３受光信号Ｓ３に基づくデータを必要に応じて格納する。第４記憶部７４は、第２変換部５２でデジタル化された第４受光信号Ｓ４に基づくデータを必要に応じて格納する。
ＣＰＵ８０は、タイミング調整コントローラ６０を介して第１記憶部７１、第２記憶部７２、第３記憶部７３、及び第４記憶部７４に接続されている。ＣＰＵ８０は、例えばタイミング調整コントローラ６０における各受光信号に基づくデータ取得時間が、規定の掃引回数を含む所定時間に到達したか否かを判定する。ＣＰＵ８０は、データ取得時間が所定時間に到達したと判定すると、対応する記憶部からデータを取得して、対応する受光信号に基づいて分光スペクトルを分析する。
ＣＰＵ８０は、取得した受光信号に対して任意の信号処理を施す。例えば、ＣＰＵ８０は、取得した受光信号を複数周期にわたって平均化してもよい。平均化は、例えば、掃引波形の同一波長部分の信号強度を周期ごとに積算して、全掃引回数で除算することを意味する。これにより、ＣＰＵ８０は、取得した受光信号から光吸収スペクトルを算出してもよい。
レーザコントローラ１０、タイミング調整コントローラ６０、及びＣＰＵ８０を含む制御部１００は、１つ以上のプロセッサを含む。より具体的には、制御部１００は、上述したレーザコントローラ１０、タイミング調整コントローラ６０、及びＣＰＵ８０による各種の制御、及び処理等を実現可能な専用のプロセッサ等の任意のプロセッサを含む。制御部１００では、レーザコントローラ１０及びタイミング調整コントローラ６０が同一のデバイスとして構成され、ＣＰＵ８０が異なるデバイスとして構成される。これに限定されず、制御部１００は、任意の数のデバイスによって任意に構成されてもよい。
制御部１００は、分光分析装置１の制御対象となる各構成部に接続され、これらの各構成部を制御及び管理する。例えば、レーザコントローラ１０は、第１発光部１１及び第２発光部１２に接続され、これらを制御及び管理する。例えば、タイミング調整コントローラ６０は、第１切替部４１及び第２切替部４２と、第１記憶部７１、第２記憶部７２、第３記憶部７３、及び第４記憶部７４とに接続され、これらを制御及び管理する。
制御部１００は、取得したデータに基づいて必要に応じて信号処理を実行し、分光スペクトルを分析する。例えば、ＣＰＵ８０は、タイミング調整コントローラ６０を介して各記憶部に接続され、対応する記憶部からデータを取得し、対応する受光信号を処理して、算出された光吸収スペクトルを分析する。
次に、図２を参照しながら、異なる分析対象成分Ｃ１及びＣ２を並行して分析する場合に、制御部１００、例えばタイミング調整コントローラ６０及びＣＰＵ８０によって実行される制御及び処理について主に説明する。
図２は、制御部１００によって実行される制御及び処理の第１例を示す模式図である。図２において、横軸は時間を示す。図２において、第２変換部５２へ入力される第３受光信号Ｓ３及び第４受光信号Ｓ４の図示を省略し、第１変換部５１へ入力される第１受光信号Ｓ１及び第２受光信号Ｓ２を主に図示しているが、図２を用いた以下の説明と同様の説明が第３受光信号Ｓ３及び第４受光信号Ｓ４に対しても適用される。
図２の上段のグラフは、第１発光部１１からの光出力の時間変化を示す。当該グラフは、第１発光部１１からの照射光の発振波長が複数周期にわたって一定の波長範囲で掃引され、このような波長掃引によって発光強度が周期ごとに単調に変化している様子を示す。図２の中央のグラフは、第１受光信号Ｓ１の第１変換部５１への入力の時間変化を示す。図２の下段のグラフは、第２受光信号Ｓ２の第１変換部５１への入力の時間変化を示す。図２の中央及び下段のグラフでは、図示の簡便のために光吸収スペクトルに基づく受光強度の変化を省略して周期ごとに直線的に受光強度が増加している様子が示されているが、実際は、図４Ｂに示すような光吸収スペクトルに基づくディップが重畳した波形を示す。
ここで、発光強度は、上述したとおり、例えば半導体レーザの注入電流の掃引に伴って変化する。すなわち、図２における発光強度の変化は、注入電流の変化に対応してもよい。これに限定されず、発光強度の変化は、電圧によって制御される任意の波長掃引機構に入力される掃引電圧の変化に対応してもよい。同様に、受光強度の変化は、各受光部における信号の出力形態に合わせて、電流の変化に対応してもよいし、電圧の変化に対応してもよい。
制御部１００、例えばタイミング調整コントローラ６０は、第１受光信号Ｓ１が第１時間Ｔ１の間だけ第１変換部５１へ繰り返し入力されるように第１切替部４１を制御する。ＣＰＵ８０は、第１切替部４１からの出力が第１受光信号Ｓ１に切り替わってから経過した時間が第１時間Ｔ１に到達すると、第１時間Ｔ１の間に第１変換部５１によって変換された第１受光信号Ｓ１に基づいて分光スペクトルを分析する。より具体的には、第１変換部５１によってデジタル信号に変換された第１受光信号Ｓ１を第１時間Ｔ１の間だけタイミング調整コントローラ６０が取得すると、ＣＰＵ８０は、図２に黒塗りの逆三角形で示すタイミングで、取得した第１受光信号Ｓ１に基づいて分析対象成分Ｃ１の光吸収スペクトルを分析する。
タイミング調整コントローラ６０は、第１受光信号Ｓ１から第２受光信号Ｓ２に出力を切り替えるように第１切替部４１を制御する。
タイミング調整コントローラ６０は、第２受光信号Ｓ２が第２時間Ｔ２の間だけ第１変換部５１へ繰り返し入力されるように第１切替部４１を制御する。第１変換部５１によってデジタル信号に変換された第２受光信号Ｓ２を第２時間Ｔ２の間だけタイミング調整コントローラ６０が取得すると、ＣＰＵ８０は、図２に白抜きの逆三角形で示すタイミングで、取得した第２受光信号Ｓ２に基づいてガスＧ１の光吸収スペクトルを分析する。
図２に示す第１例では、タイミング調整コントローラ６０は、第１時間Ｔ１と第２時間Ｔ２とが同一になるように第１切替部４１を制御する。
タイミング調整コントローラ６０は、第２受光信号Ｓ２から第１受光信号Ｓ１に出力を再度切り替えるように第１切替部４１を制御する。その後、タイミング調整コントローラ６０とＣＰＵ８０とは、上述した制御及び処理を繰り返す。図２に示す第１例では、第１時間Ｔ１と第２時間Ｔ２とが同一であるので、分析対象成分Ｃ１の光吸収スペクトルを分析する分析周期及びガスＧ１の光吸収スペクトルを分析する分析周期はそれぞれ２Ｔ１となり互いに同一である。
ここで、掃引の周期ごとの一般的な受光信号では信号強度が非常に低く、ＳＮ比が低いため、掃引を数千回繰り返す必要がある。上述した測定信号及び参照信号それぞれに対して同等のＳＮ比が分光スペクトルにて得られるように、光学系の設計に応じて掃引回数、すなわち第１時間Ｔ１及び第２時間Ｔ２がそれぞれ調整される。測定信号及び参照信号の間で光学系に起因するＳＮ比が異なる場合、第１時間Ｔ１及び第２時間Ｔ２が互いに同一であっても、測定信号及び参照信号それぞれに対する分光スペクトルのＳＮ比は互いに異なる。一方で、測定信号及び参照信号の間で光学系に起因するＳＮ比が同等である場合、測定信号及び参照信号それぞれに対して同等の掃引回数に調整されると、測定信号及び参照信号それぞれに対する分光スペクトルのＳＮ比は互いに同等となる。このとき、第１時間Ｔ１及び第２時間Ｔ２を図２に示す第１例のように互いに同一とすると、分光分析装置１の主要な分析対象である分析対象成分Ｃ１の光吸収スペクトルの分析周期が２Ｔ１となり、分析の高速化が妨げられる。
異なる２種類の分析対象成分Ｃ１及びＣ２のうちの一方のみを分析すれば十分であるような場合においても上記のような時分割の制御を行うと、分光分析装置１の主要な分析対象である分析対象成分の光吸収スペクトルの分析周期は依然として２Ｔ１のままである。加えて、分析が行われない他方の分析対象成分に対して用いられていた発光側及び受光側の各構成部が使用されないまま分光分析装置１の内部に配置されており、これらの各構成部が有効に活用されない。
そこで、単一の分析対象成分を分析する場合に、各構成部を有効に活用して分光分析装置１として重要な分析対象成分の分析周期を短縮化するために、制御部１００は、図１に示す第３切替部９０ａ及び第４切替部９０ｂを用いる。さらに、制御部１００は、図３に示すような制御及び処理を行う。以下では、単一の分析対象成分Ｃ１を分析する場合の分光分析装置１の構成及び機能について主に説明する。単一の分析対象成分Ｃ２を分析する場合にも同様の制御及び処理が実行される。
図１を再度参照すると、分光分析装置１は、第３切替部９０ａ及び第４切替部９０ｂをさらに有する。第３切替部９０ａ及び第４切替部９０ｂそれぞれは、例えばスイッチ等の任意の信号切替回路を有する。第３切替部９０ａの入力側は、第２受光部３２に接続されている。第３切替部９０ａの出力側は、第２切替部４２に接続されている。第４切替部９０ｂの入力側は、第４受光部３４に接続されている。第４切替部９０ｂの出力側は、第２切替部４２に接続されている。第３切替部９０ａ及び第４切替部９０ｂは、制御部１００のタイミング調整コントローラ６０による制御に基づき、第２発光部１２が動作しているか否かに応じて回路を切り替える。
より具体的には、タイミング調整コントローラ６０は、レーザコントローラ１０が第２発光部１２の動作を開始させると、第３切替部９０ａをオフにして第２受光部３２と第２切替部４２とを切り離す。加えて、タイミング調整コントローラ６０は、第４切替部９０ｂをオンにして第４受光部３４と第２切替部４２とを接続させる。このとき、タイミング調整コントローラ６０は、例えば図２を参照しながら説明した上述の制御内容に基づいて第１切替部４１及び第２切替部４２それぞれを制御する。すなわち、第１変換部５１が第１受光信号Ｓ１及び第２受光信号Ｓ２を交互にデジタル信号に変換し、第２変換部５２が第３受光信号Ｓ３及び第４受光信号Ｓ４を交互にデジタル信号に変換する。
一方で、タイミング調整コントローラ６０は、レーザコントローラ１０が第２発光部１２の動作を停止させると、第３切替部９０ａをオンにして第２受光部３２と第２切替部４２とを接続させる。加えて、タイミング調整コントローラ６０は、第４切替部９０ｂをオフにして第４受光部３４と第２切替部４２とを切り離す。このとき、タイミング調整コントローラ６０は、第１切替部４１の入力側を常時第１受光部３１と接続させる。同様に、タイミング調整コントローラ６０は、第２切替部４２の入力側を常時第３切替部９０ａと接続させる。したがって、第１受光部３１から出力された第１受光信号Ｓ１は、第１切替部４１を通過して第１変換部５１に入力される。第２受光部３２から出力された第２受光信号Ｓ２は、第３切替部９０ａ及び第２切替部４２を通過して第２変換部５２に入力される。すなわち、第１変換部５１が第１受光信号Ｓ１をデジタル信号に変換し、第２変換部５２が第２受光信号Ｓ２をデジタル信号に変換する。
図３は、制御部１００によって実行される制御及び処理の第２例を示す模式図である。図３の３つのグラフは、下段のグラフが第２受光信号Ｓ２の第２変換部５２への入力の時間変化を示す点を除いて、図２の３つのグラフとそれぞれ対応する。
図２における第１例と異なり、処理の対象である第１受光信号Ｓ１及び第２受光信号Ｓ２に対して第１変換部５１及び第２変換部５２がそれぞれ使用可能であるので、タイミング調整コントローラ６０は、時分割を行う必要がない。すなわち、タイミング調整コントローラ６０は、第２発光部１２が動作を停止している間、第１切替部４１及び第２切替部４２それぞれの受光信号の切り替えを制御することなく、第１変換部５１及び第２変換部５２に第１受光信号Ｓ１及び第２受光信号Ｓ２をそれぞれ連続的に出力させる。
ＣＰＵ８０は、第１変換部５１が第１受光信号Ｓ１を第１時間Ｔ１だけデジタル信号に変換すると、第１時間Ｔ１の間に変換された第１受光信号Ｓ１に基づいて分光スペクトルを分析する。より具体的には、第１変換部５１によってデジタル信号に変換された第１受光信号Ｓ１を第１時間Ｔ１の間だけタイミング調整コントローラ６０が取得すると、ＣＰＵ８０は、図３に黒塗りの逆三角形で示すタイミングで、取得した第１受光信号Ｓ１に基づいて分析対象成分Ｃ１の光吸収スペクトルを分析する。
ＣＰＵ８０は、第２変換部５２が第２受光信号Ｓ２を第２時間Ｔ２だけデジタル信号に変換すると、第２時間Ｔ２の間に変換された第２受光信号Ｓ２に基づいて分光スペクトルを分析する。より具体的には、第２変換部５２によってデジタル信号に変換された第２受光信号Ｓ２を第２時間Ｔ２の間だけタイミング調整コントローラ６０が取得すると、ＣＰＵ８０は、図３に白抜きの逆三角形で示すタイミングで、取得した第２受光信号Ｓ２に基づいてガスＧ１の光吸収スペクトルを分析する。
図３に示す第２例では、第１時間Ｔ１と第２時間Ｔ２とは互いに同一である。このように、分析対象成分Ｃ１の光吸収スペクトルを分析する分析周期及びガスＧ１の光吸収スペクトルを分析する分析周期はそれぞれＴ１となり互いに同一である。
図２に示す第１例と比較すると、ＣＰＵ８０は、分析周期がＴ１短縮した状態で分析対象成分Ｃ１の光吸収スペクトルを分析可能である。したがって、分析対象成分Ｃ１に対して第１受光信号Ｓ１及び第２受光信号Ｓ２をそれぞれ処理する場合であっても、分光分析装置１として重要な分析対象成分Ｃ１の分析周期が短縮化される。これにより、分光分析装置１による分析対象成分Ｃ１の分析効率が向上する。
同様に、ＣＰＵ８０は、分析周期がＴ１短縮した状態でガスＧ１の光吸収スペクトルも分析可能である。これにより、分光分析装置１によるガスＧ１の分析効率が向上する。
以上のような一実施形態に係る分光分析装置１によれば、２つの発光部それぞれに対して複数の受光部が配置されている場合であっても製品コストが低減可能である。より具体的には、分光分析装置１では、第１発光部１１及び第２発光部１２に対して第１受光部３１乃至第４受光部３４が配置されている場合であっても、第１変換部５１及び第２変換部５２のみを用いて受光信号を処理可能であるので、４つのＡＤＣが必要とされる従来技術と比較して、ＡＤＣ関連の回路部品の数が低減する。
第１発光部１１及び第２発光部１２のうちの一方が動作を停止している場合に第１変換部５１及び第２変換部５２を用いて測定信号及び参照信号を独立して処理することで、分光分析装置１は、分析の高速化に寄与できる。分光分析装置１は、連続して取得される各受光信号に基づいて複数の分析を並行して行うことができる。分光分析装置１は、測定信号及び参照信号それぞれに対して、光学系の設計に応じて同等のＳＮ比が得られる適正な分析周期により、互いに干渉することなくリアルタイムに分析を行うことができる。
本開示は、その精神又はその本質的な特徴から離れることなく、上述した実施形態以外の他の所定の形態で実現できることは当業者にとって明白である。したがって、先の記述は例示的であり、これに限定されない。開示の範囲は、先の記述によってではなく、付加した請求項によって定義される。あらゆる変更のうちその均等の範囲内にあるいくつかの変更は、その中に包含される。
例えば、上述した各構成部の配置及び個数等は、上記の説明及び図面における図示の内容に限定されない。各構成部の配置及び個数等は、その機能を実現できるのであれば、任意に構成されてもよい。
上記実施形態では、第１時間Ｔ１と第２時間Ｔ２とが互いに同一であるとして説明したが、これに限定的されない。第１時間Ｔ１と第２時間Ｔ２とは、測定信号及び参照信号に含まれる掃引の回数が分析対象成分及びガスの分析にそれぞれ必要とされる規定の回数に到達しているのであれば、互いに異なっていてもよい。
上記実施形態では、ＴＤＬＡＳに限定して説明したが、分光分析装置１は、繰り返しの掃引信号に基づいて任意の分析対象の分光分析を行う任意の分析計に対して応用可能である。
上記実施形態では、分光スペクトルは光吸収スペクトルを含むとして説明したが、これに限定されない。分光分析装置１は、このような吸収分光法以外にも任意の分光法を用いて分析対象成分を分析してもよい。分光法は、例えば、蛍光分光法及びラマン分光法等を含んでもよい。例えば、蛍光分光法では、分光スペクトルは蛍光スペクトルを含む。例えば、ラマン分光法では、分光スペクトルはラマンスペクトルを含む。
上記実施形態では、第１受光信号Ｓ１及び第３受光信号Ｓ３が分析対象成分Ｃ１及びＣ２に関する分光スペクトル情報をそれぞれ含み、第２受光信号Ｓ２及び第４受光信号Ｓ４が参照用のガスＧ１及びＧ２に関する分光スペクトル情報をそれぞれ含むとして説明したがこれに限定されない。各受光信号は、任意の対象に関する分光スペクトル情報を含んでもよい。例えば、参照用のガスＧ１及びＧ２に代えて新たな分析対象成分がそれぞれ封入され、第２受光信号Ｓ２及び第４受光信号Ｓ４も、第１受光信号Ｓ１及び第３受光信号Ｓ３同様に分析対象成分に関する分光スペクトル情報をそれぞれ含んでもよい。
１ 分光分析装置
１０ レーザコントローラ
１１ 第１発光部
１２ 第２発光部
２１ 第１参照セル
２２ 第２参照セル
３１ 第１受光部
３２ 第２受光部
３３ 第３受光部
３４ 第４受光部
４１ 第１切替部
４２ 第２切替部
５１ 第１変換部
５２ 第２変換部
６０ タイミング調整コントローラ
７１ 第１記憶部
７２ 第２記憶部
７３ 第３記憶部
７４ 第４記憶部
８０ ＣＰＵ
９０ａ 第３切替部（切替部）
９０ｂ 第４切替部（切替部）
１００ 制御部
Ｃ１、Ｃ２ 分析対象成分
Ｇ 被測定ガス
Ｇ１、Ｇ２ ガス
Ｓ１ 第１受光信号
Ｓ２ 第２受光信号
Ｓ３ 第３受光信号
Ｓ４ 第４受光信号
Ｔ１ 第１時間
Ｔ２ 第２時間
Ｔ３ 第３時間
Ｔ４ 第４時間

Claims (6)

  1. 第１発光部から照射された照射光に基づく受光信号を処理する第１変換部と、
    第２発光部から照射された照射光に基づく受光信号を処理する第２変換部と、
    受光側において前記第１変換部及び前記第２変換部の入力側に配置されている切替部と、
    前記第１発光部及び前記第２発光部の動作を制御する制御部と、
    を備え、
    前記第１発光部から照射された照射光に基づく前記受光信号は、空間的に２つに分岐された前記照射光に基づき、かつ分光スペクトルに関する情報をそれぞれ含む第１受光信号及び第２受光信号を含み、
    前記切替部は、前記制御部が前記第２発光部の動作を停止させると、前記第１変換部が前記第１受光信号をデジタル信号に変換し、前記第２変換部が前記第２受光信号をデジタル信号に変換するように回路を切り替える、
    分光分析装置。
  2. 前記制御部は、前記第１変換部が前記第１受光信号を第１時間だけデジタル信号に変換すると、前記第１時間の間に変換された前記第１受光信号に基づいて分光スペクトルを分析する、
    請求項１に記載の分光分析装置。
  3. 前記制御部は、前記第２変換部が前記第２受光信号を第２時間だけデジタル信号に変換すると、前記第２時間の間に変換された前記第２受光信号に基づいて分光スペクトルを分析する、
    請求項２に記載の分光分析装置。
  4. 前記第１時間と前記第２時間とは互いに同一である、
    請求項３に記載の分光分析装置。
  5. 前記切替部は、前記制御部が前記第２発光部の動作を開始させると、前記第１変換部が前記第１受光信号及び前記第２受光信号を交互にデジタル信号に変換するように回路を切り替える、
    請求項１乃至４のいずれか１項に記載の分光分析装置。
  6. 前記第１受光信号は、被測定ガス中の分析対象成分の光吸収スペクトルに関する情報を含み、
    前記第２受光信号は、前記被測定ガス中の前記分析対象成分と同一で、かつ既知濃度のガスの光吸収スペクトルに関する情報を含む、
    請求項１乃至５のいずれか１項に記載の分光分析装置。
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