JP7056627B2 - 分光分析装置及び分光分析方法 - Google Patents

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Description

本開示は、分光分析装置及び分光分析方法に関する。
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つの発光部と、２つの発光部にそれぞれ対応する２つの受光部とを用いて、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では、２つの受光部の配置によっては、２つの発光部から互いに同一のタイミングでそれぞれ照射された２つの照射光に基づく２つの被測定光が各受光部により同時に受光されることも考えられる。このとき、各受光部を構成する光検出器の波長帯域が互いに重なると、各受光部の受光信号は、対応する一方の照射光と異なる他方の照射光に基づく分光スペクトルに関する情報も含んでしまう。これにより、分析精度が低下していた。
本開示は、２つの照射光に基づいて分光分析を行うような場合でも分析精度が向上する分光分析装置及び分光分析方法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、制御部と、被測定ガスに対して第１照射光を照射する第１発光部と、前記被測定ガスに対して第２照射光を照射する第２発光部と、前記被測定ガス中の第１分析対象成分の第１分光スペクトルに関する情報を含み、前記第１照射光に基づいて得られる第１受光信号を出力する第１受光部と、前記被測定ガス中の第２分析対象成分の第２分光スペクトルに関する情報を含み、前記第２照射光に基づいて得られる第２受光信号を出力する第２受光部と、前記第１受光信号に関する情報及び前記第２受光信号に関する情報を記憶する記憶部と、を備え、前記制御部は、前記第１発光部及び前記第２発光部から前記第１照射光及び前記第２照射光を互いに異なるタイミングで照射させ、前記第１受光信号に関する情報及び前記第２受光信号に関する情報を前記第１照射光及び前記第２照射光の照射のタイミングに同期して互いに異なるタイミングで前記記憶部に格納し、第１時間の間に前記記憶部に格納された前記第１受光信号に関する情報に基づいて、前記第１分光スペクトルに関する情報を取得し、第２時間の間に前記記憶部に格納された前記第２受光信号に関する情報に基づいて、前記第２分光スペクトルに関する情報を取得する。このような分光分析装置によれば、２つの第１照射光及び第２照射光に基づいて分光分析を行うような場合でも分析精度が向上する。例えば、分光分析装置は、第１発光部及び第２発光部から第１照射光及び第２照射光を互いに異なるタイミングで照射させることで、第１発光部及び第１受光部の組み合わせで測定を実行している間、対応しない第２照射光に基づく被測定光を第１受光部に入射させずに、干渉が抑制された測定データに基づき分光分析を行うことができる。同様に、分光分析装置は、第２発光部及び第２受光部の組み合わせで測定を実行している間、対応しない第１照射光に基づく被測定光を第２受光部に入射させずに、干渉が抑制された測定データに基づき分光分析を行うことができる。
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時間の間に連続して複数の前記第１受光信号に関する情報を前記記憶部に格納し、前記第１時間に続く前記第２時間の間に連続して複数の前記第２受光信号に関する情報を前記記憶部に格納してもよい。これにより、従来技術のように回路上でのクロストーク及びノイズを考慮する必要がないため、第１分析対象成分及び第２分析対象成分のそれぞれの分析に最適な波長掃引時間及び波長掃引回数で各構成部を制御することが可能である。したがって、記憶部の記憶容量が効率的に利用され、記憶容量の浪費が抑制される。
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受光信号に関する情報及び前記第２受光信号に関する情報を１周期ごとに交互に前記記憶部に格納してもよい。これにより、第１発光部及び第２発光部が１周期ごとに交互に発光し、それぞれに含まれる半導体レーザのレーザ素子に生じる温度変動が低減する。第１発光部及び第２発光部のいずれにおいても、発光が停止している時間が短く、時間領域において一様であるため、レーザ素子の温度変動が低減し、各周期におけるレーザ素子の温度変動が一様となる。したがって、高精度な分析が実現可能である。
一実施形態に係る分光分析装置において、前記第１発光部及び前記第２発光部は、前記被測定ガスを挟んで前記第１受光部及び前記第２受光部とそれぞれ対向するように配置されていてもよい。これにより、分光分析装置は、例えば、光源と光検出器とが被測定ガスを挟んで分離した対向型として構成され得る。
一実施形態に係る分光分析装置は、前記第１照射光及び前記第２照射光の光軸に沿って前記被測定ガスと重畳するように延在するプローブ部と、前記被測定ガスを挟んで前記第１発光部及び前記第２発光部と対向するように前記プローブ部の先端に位置する反射部と、をさらに備え、前記第１受光部及び前記第２受光部は、前記被測定ガスを挟んで前記反射部と対向するように、前記第１発光部及び前記第２発光部と同一側に配置されていてもよい。これにより、分光分析装置は、例えば、光源、反射構造、及び光検出器を一体的に内蔵したプローブ型として構成され得る。
幾つかの実施形態に係る分光分析方法は、被測定ガスに対して第１照射光を照射するステップと、前記被測定ガス中の第１分析対象成分の第１分光スペクトルに関する情報を含み、前記第１照射光に基づいて得られる第１受光信号を出力するステップと、前記第１受光信号に関する情報を前記第１照射光の照射のタイミングに同期して記憶するステップと、前記第１照射光と異なるタイミングで、前記被測定ガスに対して第２照射光を照射するステップと、前記被測定ガス中の第２分析対象成分の第２分光スペクトルに関する情報を含み、前記第２照射光に基づいて得られる第２受光信号を出力するステップと、前記第２受光信号に関する情報を前記第２照射光の照射のタイミングに同期して、前記第１受光信号に関する情報の記憶のタイミングと異なるタイミングで記憶するステップと、第１時間の間に記憶された前記第１受光信号に関する情報に基づいて、前記第１分光スペクトルに関する情報を取得するステップと、第２時間の間に記憶された前記第２受光信号に関する情報に基づいて、前記第２分光スペクトルに関する情報を取得するステップと、を含む。このような分光分析方法によれば、２つの第１照射光及び第２照射光に基づいて分光分析を行うような場合でも分析精度が向上する。例えば、第１照射光及び第２照射光を互いに異なるタイミングで照射させることで、第１照射光に基づく測定を実行している間、対応しない第２照射光に基づく被測定光を検出することなく、干渉が抑制された測定データに基づき分光分析を行うことができる。同様に、第２照射光に基づく測定を実行している間、対応しない第１照射光に基づく被測定光を検出することなく、干渉が抑制された測定データに基づき分光分析を行うことができる。
本開示によれば、２つの照射光に基づいて分光分析を行うような場合でも分析精度が向上する分光分析装置及び分光分析方法を提供可能である。
第１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。 第１実施形態に係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。 第１実施形態に係る分光分析装置を用いた分光分析方法の一例を示すフローチャートである。 第１実施形態に係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。 第２実施形態に係る制御部によって実行される制御及び処理の一例を示す模式図である。 第２実施形態に係る分光分析装置を用いた分光分析方法の一例を示すフローチャートである。 第１実施形態及び第２実施形態に係る分光分析装置の構成の変形例を示すブロック図である。 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主に説明する。
例えば、プロセスガス等の被測定ガスが流れる流路に分光分析装置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。
このような分光分析装置は、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８Ａ乃至図８Ｃ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８Ａ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は、測定したい光吸収スペクトルの波長帯域に一致し、当該波長帯域において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８Ｂ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８Ｂ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。
図８Ｂ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８Ｃ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９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、波長帯域の異なる２つの半導体レーザが用いられる。各半導体レーザから照射されたレーザ光に基づく被測定光を受光部で検出して受光信号を得ることで、２つの分析対象成分を分析可能である。
レーザ電流コントローラは、レーザタイミングコントローラにより制御されたタイミングに基づいて波長掃引信号を生成する。レーザ電流コントローラにおいて生成された波長掃引信号は半導体レーザ１及び半導体レーザ２に出力される。半導体レーザ１及び半導体レーザ２は、同一のタイミングでレーザ光１及びレーザ光２をそれぞれ繰り返し照射する。
光検出器１及び光検出器２は、被測定ガスを通過したレーザ光１及びレーザ光２をそれぞれ受光し、電気信号へ変換する。ＡＤＣ（アナログデジタルコンバータ）１及びＡＤＣ２は、光検出器１及び光検出器２から出力されたアナログ信号をそれぞれデジタル信号に変換する。メモリコントローラは、変換された各デジタル信号を集約して、メモリ１及びメモリ２に対応する測定データを格納する。ＣＰＵ（Central Processing Unit：中央処理装置）は、メモリ１及びメモリ２に格納された測定データに基づいて規定掃引数だけ平均化処理を実行し、光吸収スペクトルをそれぞれ算出することで、２種類の分析対象成分に対して分光分析を実行する。ここで、規定掃引数は、分光分析の演算に必要となる掃引数を意味する。
レーザ電流コントローラは、ｍＡオーダで半導体レーザの注入電流を掃引することで半導体レーザの発振波長を掃引する。ＴＤＬＡＳでは、例えばＣＰＵは、成分濃度を算出する過程で、半導体レーザをオフにしたときに出力される光検出器からの暗電流値を取得する必要がある。ＴＤＬＡＳでは、暗電流値を取得するときに半導体レーザがオフになっている状態と所望の発振波長を得るために対応する電流値で半導体レーザがオンになっている状態との間で注入電流が急激に変化する。したがって、回路上でクロストーク及びノイズが発生する。
例えば、一方の注入電流に基づいて発生したノイズが他方の注入電流に干渉すると、発振波長がドリフトする。加えて、光検出器からの出力もμＡオーダの電流である。このような光検出器からの出力に対して注入電流に基づく干渉があると、取得した受光信号の波形が歪んで、正しい光吸収スペクトルが得られない恐れもある。したがって、暗電流値を取得するときに半導体レーザがオフになっている状態と所望の発振波長を得るために対応する電流値で半導体レーザがオンになっている状態との間で注入電流が大きく変化する過渡応答による影響を無視するために、光吸収スペクトルを測定しないデッドタイムが設けられている。当該デッドタイムを半導体レーザ１と半導体レーザ２との間で共通化するために、半導体レーザ１及び半導体レーザ２は、互いに完全に同期して同一のタイミングで発光を行う。
ＴＤＬＡＳにおいて半導体レーザから光検出器までの光路長が大きい場合、例えば図９に示すとおり、レンズ等によりレーザ光が意図的に拡散されることがある。このとき、２つの半導体レーザから互いに同一のタイミングでそれぞれ照射された２つのレーザ光に基づく２つの被測定光が各光検出器により同時に受光される。光検出器１と光検出器２との間で受光感度を有する波長帯域が互いに重なると、各光検出器から出力される受光信号は、対応する一方のレーザ光と異なる他方のレーザ光に基づく光吸収スペクトルに関する情報も含んでしまう。これにより、分析精度が低下していた。
加えて、半導体レーザ１と半導体レーザ２とは、互いに同時発光を行う場合、完全に同期して発光を行うため、それぞれの波長掃引時間を一致させる必要がある。通常は、それぞれの波長掃引に対して分光分析に最低限必要な波長掃引時間は一致していないことも多く、最低限必要な波長掃引時間が長い方にタイミングを一致させる必要がある。これにより、最低限必要な波長掃引時間が短くてよい方の半導体レーザに基づく測定データが冗長となり、メモリの浪費等の課題が生じていた。
本開示は、２つの光検出器の間で受光感度を有する波長帯域が互いに重なっている場合であっても、２つの照射光に基づいて行われる分光分析の分析精度が向上する分光分析装置及び分光分析方法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。
（第１実施形態）
図１は、第１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、例えば波長帯域の異なる２種類の照射光を被測定ガスＧに照射し、異なる受光部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分析することも可能である。分光分析装置１は、例えばＴＤＬＡＳ式レーザガス分析計を含む。
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。被測定ガスＧは、分光分析装置１による分析の対象となる第１分析対象成分Ｃ１と第２分析対象成分Ｃ２とを含む。第１分析対象成分Ｃ１と第２分析対象成分Ｃ２とは、互いに異なるガス成分を含む。これに限定されず、第１分析対象成分Ｃ１と第２分析対象成分Ｃ２とは、互いに同一のガス成分を含んでもよい。
図１に示すとおり、分光分析装置１は、発光側及び受光側の２つの構成部を有する。より具体的には、分光分析装置１は、発光側を構成する、タイミングコントローラ１０と、電流コントローラ２０と、第１切替部３１及び第２切替部３２と、第１発光部４１及び第２発光部４２と、を有する。分光分析装置１は、受光側を構成する、第１受光部５１及び第２受光部５２と、第１変換部６１及び第２変換部６２と、メモリコントローラ７０と、第１記憶部８１及び第２記憶部８２と、ＣＰＵ９０と、を有する。タイミングコントローラ１０、電流コントローラ２０、メモリコントローラ７０、及びＣＰＵ９０は、制御部１００を構成する。第１記憶部８１及び第２記憶部８２は、記憶部８０を構成する。例えば、分光分析装置１では、第１発光部４１及び第２発光部４２は、被測定ガスＧ、より具体的には被測定ガスＧが存在し得る測定領域を挟んで第１受光部５１及び第２受光部５２とそれぞれ対向するように配置されている。
タイミングコントローラ１０は、電流コントローラ２０と、第１切替部３１及び第２切替部３２と、メモリコントローラ７０と、に接続されている。例えば、タイミングコントローラ１０は、第１発光部４１及び第２発光部４２を動作させるための波長掃引信号を互いに同一のタイミングで繰り返し出力するように電流コントローラ２０を制御する。例えば、タイミングコントローラ１０は、電流コントローラ２０から互いに同一のタイミングで繰り返し出力されている第１発光部４１及び第２発光部４２に対する波長掃引信号のうち、互いに異なるタイミングでいずれか一方の波長掃引信号のみが出力されるように、第１切替部３１及び第２切替部３２のオン又はオフを切り替える。例えば、タイミングコントローラ１０は、第１切替部３１及び第２切替部３２を制御するための制御信号をメモリコントローラ７０にも出力する。
電流コントローラ２０は、第１切替部３１及び第２切替部３２をそれぞれ介して第１発光部４１及び第２発光部４２に接続され、第１発光部４１及び第２発光部４２の動作を制御する。例えば、電流コントローラ２０は、タイミングコントローラ１０により制御されたタイミングに基づいて、第１発光部４１及び第２発光部４２を動作させるための波長掃引信号を互いに同一のタイミングで繰り返し出力する。
第１切替部３１は、例えばＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）等の任意の信号切替回路を含む。第１切替部３１は、タイミングコントローラ１０から取得した制御信号に基づいて、電流コントローラ２０から繰り返し出力されている第１発光部４１に対する波長掃引信号のオン又はオフを切り替える。第１切替部３１は、第２発光部４２に対する波長掃引信号の第２切替部３２からの出力タイミングと異なるように、第１発光部４１に対する波長掃引信号を出力する。例えば、第１切替部３１は、第１切替部３１に含まれるＤＡＣ（デジタルアナログコンバータ）によりデジタル信号からアナログ信号に変換された波長掃引信号を第１発光部４１に出力する。
第２切替部３２は、例えばＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）等の任意の信号切替回路を含む。第２切替部３２は、タイミングコントローラ１０から取得した制御信号に基づいて、電流コントローラ２０から繰り返し出力されている第２発光部４２に対する波長掃引信号のオン又はオフを切り替える。第２切替部３２は、第１発光部４１に対する波長掃引信号の第１切替部３１からの出力タイミングと異なるように、第２発光部４２に対する波長掃引信号を出力する。例えば、第２切替部３２は、第２切替部３２に含まれるＤＡＣによりデジタル信号からアナログ信号に変換された波長掃引信号を第２発光部４２に出力する。
第１発光部４１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含む。第１発光部４１は、例えば、半導体レーザを含む。第１発光部４１は、第１切替部３１から出力される波長掃引信号としての注入電流に基づいて、発振波長が掃引された第１照射光Ｌ１を被測定ガスＧに対して照射する。第１発光部４１は、第１切替部３１がオンになって波長掃引信号を取得したタイミングで第１照射光Ｌ１を被測定ガスＧに対して照射する。
第２発光部４２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含む。第２発光部４２は、例えば、半導体レーザを含む。第２発光部４２は、第２切替部３２から出力される波長掃引信号としての注入電流に基づいて、発振波長が掃引された第２照射光Ｌ２を被測定ガスＧに対して照射する。第２発光部４２は、第２切替部３２がオンになって波長掃引信号を取得したタイミングで第２照射光Ｌ２を被測定ガスＧに対して照射する。
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照射光を照射してもよい。ここで、１周期は、１回の波長掃引にかかる時間であり、複数周期は、繰り返し波長掃引するときの隙間時間を含めた、複数回の波長掃引にかかる時間である。第１分析対象成分Ｃ１と第２分析対象成分Ｃ２とが互いに異なるガス成分を含む場合、第１発光部４１の発振波長と第２発光部４２の発振波長とは、第１分析対象成分Ｃ１及び第２分析対象成分Ｃ２の分析波長にそれぞれ対応して互いに異なる。これに限定されず、第１分析対象成分Ｃ１と第２分析対象成分Ｃ２とが互いに同一のガス成分を含む場合、第１発光部４１の発振波長と第２発光部４２の発振波長とは、第１分析対象成分Ｃ１及び第２分析対象成分Ｃ２の分析波長にそれぞれ対応して互いに同一であってもよい。
第１受光部５１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含む。第１受光部５１は、例えば、フォトダイオードを含む。第１受光部５１は、被測定ガスＧ中の第１分析対象成分Ｃ１の第１分光スペクトルＯ１に関する情報を含み、第１照射光Ｌ１に基づいて得られる第１受光信号Ｓ１を出力する。第１分光スペクトルＯ１は、例えば第１光吸収スペクトルを含む。このとき、第１受光信号Ｓ１は、第１分析対象成分Ｃ１の第１光吸収スペクトルに関する情報を含む。
第２受光部５２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含む。第２受光部５２は、例えば、フォトダイオードを含む。第２受光部５２は、被測定ガスＧ中の第２分析対象成分Ｃ２の第２分光スペクトルＯ２に関する情報を含み、第２照射光Ｌ２に基づいて得られる第２受光信号Ｓ２を出力する。第２分光スペクトルＯ２は、例えば第２光吸収スペクトルを含む。このとき、第２受光信号Ｓ２は、第２分析対象成分Ｃ２の第２光吸収スペクトルに関する情報を含む。
第１変換部６１は、例えばＡＤＣを含む。第１変換部６１は、第１受光部５１に接続されている。第１変換部６１は、第１受光部５１から出力される第１受光信号Ｓ１をアナログ信号からデジタル信号に変換する。
第２変換部６２は、例えばＡＤＣを含む。第２変換部６２は、第２受光部５２に接続されている。第２変換部６２は、第２受光部５２から出力される第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。
メモリコントローラ７０は、第１変換部６１、第２変換部６２、及びタイミングコントローラ１０に接続されている。メモリコントローラ７０は、第１変換部６１から出力される第１受光信号Ｓ１に関する情報及び第２変換部６２から出力される第２受光信号Ｓ２に関する情報を、タイミングコントローラ１０から取得した制御信号に基づく所定のタイミングで第１記憶部８１及び第２記憶部８２にそれぞれ格納する。
第１記憶部８１及び第２記憶部８２のそれぞれは、メモリコントローラ７０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含む。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８１は、第１変換部６１でデジタル化された第１受光信号Ｓ１に関する情報を記憶する。第２記憶部８２は、第２変換部６２でデジタル化された第２受光信号Ｓ２に関する情報を記憶する。
ＣＰＵ９０は、メモリコントローラ７０を介して第１記憶部８１及び第２記憶部８２に接続されている。ＣＰＵ９０は、例えばメモリコントローラ７０における第１受光信号Ｓ１の取得時間が、規定掃引数を含む第１時間に到達したか否かを判定する。ＣＰＵ９０は、取得時間が第１時間に到達したと判定すると、第１記憶部８１から第１受光信号Ｓ１に関する情報を取得して、第１分光スペクトルＯ１を算出する。同様に、ＣＰＵ９０は、例えばメモリコントローラ７０における第２受光信号Ｓ２の取得時間が、規定掃引数を含む第２時間に到達したか否かを判定する。ＣＰＵ９０は、取得時間が第２時間に到達したと判定すると、第２記憶部８２から第２受光信号Ｓ２に関する情報を取得して、第２分光スペクトルＯ２を算出する。
ＣＰＵ９０は、取得した第１受光信号Ｓ１及び第２受光信号Ｓ２に対して任意の信号処理を施す。例えば、ＣＰＵ９０は、取得した第１受光信号Ｓ１を複数周期にわたって平均化してもよい。例えば、ＣＰＵ９０は、取得した第２受光信号Ｓ２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。ＣＰＵ９０は、このような平均化処理によって、取得した第１受光信号Ｓ１及び第２受光信号Ｓ２から第１分光スペクトルＯ１及び第２分光スペクトルＯ２をそれぞれ算出してもよい。
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、上述したタイミングコントローラ１０、電流コントローラ２０、メモリコントローラ７０、及びＣＰＵ９０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、各構成部を制御及び管理する。
図２は、第１実施形態に係る制御部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を参照しながら、制御部１００によって実行される制御及び処理の内容について主に説明する。
図２において、横軸は時間を示す。図２の最上段のグラフは、第１発光部４１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４１からの第１照射光Ｌ１の発振波長が複数周期にわたって繰り返し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の上から２段目のグラフは、メモリコントローラ７０が取得する第１受光信号Ｓ１の時間変化を示す。図２の上から３段目のグラフは、第２発光部４２からの光出力の時間変化を示す。当該グラフは、第２発光部４２からの第２照射光Ｌ２の発振波長が複数周期にわたって繰り返し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の最下段のグラフは、メモリコントローラ７０が取得する第２受光信号Ｓ２の時間変化を示す。
図２の上から２段目及び最下段のグラフでは、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、実際のグラフは、図８Ｂ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。
図２の最上段及び上から３段目のグラフに示すとおり、制御部１００、例えばタイミングコントローラ１０は、第１切替部３１及び第２切替部３２を制御して、第１発光部４１及び第２発光部４２から第１照射光Ｌ１及び第２照射光Ｌ２を互いに異なるタイミングで照射させる。より具体的には、タイミングコントローラ１０は、第１切替部３１をオンにする一方で第２切替部３２をオフにして、第１時間Ｔ１の間に連続して複数の第１照射光Ｌ１の光パルスを第１発光部４１から照射させる。タイミングコントローラ１０は、第２切替部３２をオンにする一方で第１切替部３１をオフにして、第１時間Ｔ１に続く第２時間Ｔ２の間に連続して複数の第２照射光Ｌ２の光パルスを第２発光部４２から照射させる。図２に示すとおり、例えば第１時間Ｔ１と第２時間Ｔ２とは互いに同一であってもよい。加えて、第１照射光Ｌ１の波長掃引時間と第２照射光Ｌ２の波長掃引時間とは互いに同一であってもよい。
図２の上から２段目及び最下段のグラフに示すとおり、制御部１００、例えばメモリコントローラ７０は、第１受光信号Ｓ１に関する情報及び第２受光信号Ｓ２に関する情報を第１照射光Ｌ１及び第２照射光Ｌ２の照射のタイミングに同期して互いに異なるタイミングで第１記憶部８１及び第２記憶部８２にそれぞれ格納する。より具体的には、メモリコントローラ７０は、第１時間Ｔ１の間に連続して複数の第１受光信号Ｓ１に関する情報を第１記憶部８１に格納する。このとき、メモリコントローラ７０は、発光していない第２発光部４２側の測定データを第２記憶部８２に格納しない。メモリコントローラ７０は、第１時間Ｔ１に続く第２時間Ｔ２の間に連続して複数の第２受光信号Ｓ２に関する情報を第２記憶部８２に格納する。このとき、メモリコントローラ７０は、発光していない第１発光部４１側の測定データを第１記憶部８１に格納しない。
ＣＰＵ９０は、例えば、第１発光部４１による発光の制御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記憶部８１に格納された第１受光信号Ｓ１に関する情報に基づいて、第１分光スペクトルＯ１に関する情報を取得する。同様に、ＣＰＵ９０は、例えば、第２発光部４２による発光の制御に切り替わってから経過した時間が第２時間Ｔ２に到達すると、第２時間Ｔ２の間に第２記憶部８２に格納された第２受光信号Ｓ２に関する情報に基づいて、第２分光スペクトルＯ２に関する情報を取得する。
例えば、ＣＰＵ９０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に基づいて第１分析対象成分Ｃ１の第１光吸収スペクトルを分析する。例えば、ＣＰＵ９０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に基づいて第２分析対象成分Ｃ２の第２光吸収スペクトルを分析する。
タイミングコントローラ１０は、第２時間Ｔ２が経過した後、第１発光部４１から第１照射光Ｌ１のみを照射するように、第１切替部３１及び第２切替部３２を再度制御する。その後、タイミングコントローラ１０、メモリコントローラ７０、及びＣＰＵ９０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、第１分析対象成分Ｃ１の第１光吸収スペクトルを分析する分析周期及び第２分析対象成分Ｃ２の第２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。
図３は、第１実施形態に係る分光分析装置１を用いた分光分析方法の一例を示すフローチャートである。図３を参照しながら、第１実施形態に係る分光分析装置１が実行する被測定ガスＧに対する分光分析のフローの一例について主に説明する。
ステップＳ１０１では、制御部１００、例えばタイミングコントローラ１０は、第１発光部４１から被測定ガスＧに対して第１照射光Ｌ１を照射させる。
ステップＳ１０２では、第１受光部５１は、被測定ガスＧを透過した被測定光としての第１照射光Ｌ１を受光する。第１受光部５１は、被測定ガスＧ中の第１分析対象成分Ｃ１の第１分光スペクトルＯ１に関する情報を含み、ステップＳ１０１において照射された第１照射光Ｌ１に基づき得られる第１受光信号Ｓ１を出力する。
ステップＳ１０３では、第１記憶部８１は、制御部１００、例えばメモリコントローラ７０による制御に基づいて、第１受光信号Ｓ１に関する情報を第１照射光Ｌ１の照射のタイミングに同期して記憶する。
ステップＳ１０４では、制御部１００は、第１切替部３１をオンに、及び第２切替部３２をオフに切り替えて第１発光部４１のみが発光するように制御してから経過した時間が第１時間Ｔ１に到達したか否かを判定する。制御部１００は、第１時間Ｔ１に到達したと判定すると、ステップＳ１０５の処理を実行する。制御部１００は、第１時間Ｔ１に到達していないと判定すると、ステップＳ１０１の処理を実行する。
ステップＳ１０５では、制御部１００、例えばＣＰＵ９０は、ステップＳ１０４において第１時間Ｔ１に到達したと判定すると、第１時間Ｔ１の間に第１記憶部８１に記憶された第１受光信号Ｓ１に関する情報に基づいて、第１分光スペクトルＯ１に関する情報を取得する。
ステップＳ１０６では、制御部１００、例えばタイミングコントローラ１０は、第１切替部３１をオフに、及び第２切替部３２をオンに切り替えて、第１照射光Ｌ１と異なるタイミングで、第２発光部４２から被測定ガスＧに対して第２照射光Ｌ２を照射させる。
ステップＳ１０７では、第２受光部５２は、被測定ガスＧを透過した被測定光としての第２照射光Ｌ２を受光する。第２受光部５２は、被測定ガスＧ中の第２分析対象成分Ｃ２の第２分光スペクトルＯ２に関する情報を含み、ステップＳ１０６において照射された第２照射光Ｌ２に基づき得られる第２受光信号Ｓ２を出力する。
ステップＳ１０８では、第２記憶部８２は、制御部１００、例えばメモリコントローラ７０による制御に基づいて、第２受光信号Ｓ２に関する情報を第２照射光Ｌ２の照射のタイミングに同期して、第１受光信号Ｓ１に関する情報の記憶のタイミングと異なるタイミングで記憶する。
ステップＳ１０９では、制御部１００は、第２切替部３２をオンに、及び第１切替部３１をオフに切り替えて第２発光部４２のみが発光するように制御してから経過した時間が第２時間Ｔ２に到達したか否かを判定する。制御部１００は、第２時間Ｔ２に到達したと判定すると、ステップＳ１１０の処理を実行する。制御部１００は、第２時間Ｔ２に到達していないと判定すると、ステップＳ１０６の処理を実行する。
ステップＳ１１０では、制御部１００、例えばＣＰＵ９０は、ステップＳ１０９において第２時間Ｔ２に到達したと判定すると、第２時間Ｔ２の間に第２記憶部８２に記憶された第２受光信号Ｓ２に関する情報に基づいて、第２分光スペクトルＯ２に関する情報を取得する。
以上のような第１実施形態に係る分光分析装置１によれば、２つの第１照射光Ｌ１及び第２照射光Ｌ２に基づいて分光分析を行うような場合でも分析精度が向上する。例えば、分光分析装置１は、第１発光部４１及び第２発光部４２から第１照射光Ｌ１及び第２照射光Ｌ２を互いに異なるタイミングで照射させることで、第１発光部４１及び第１受光部５１の組み合わせで測定を実行している間、対応しない第２照射光Ｌ２に基づく被測定光を第１受光部５１に入射させずに、干渉が抑制された測定データに基づき分光分析を行うことができる。同様に、分光分析装置１は、第２発光部４２及び第２受光部５２の組み合わせで測定を実行している間、対応しない第１照射光Ｌ１に基づく被測定光を第２受光部５２に入射させずに、干渉が抑制された測定データに基づき分光分析を行うことができる。
例えば、ＴＤＬＡＳにおいて各発光部から対応する受光部までの光路長が大きい場合に、照射光が意図的に拡散されながら出射するときであっても、第１発光部４１及び第２発光部４２から第１照射光Ｌ１及び第２照射光Ｌ２が互いに異なるタイミングでそれぞれ照射される。したがって、第１照射光Ｌ１及び第２照射光Ｌ２に基づく２つの被測定光が第１受光部５１及び第２受光部５２により同時に受光されない。これにより、例えば、第１受光部５１が受光する被測定光は、第１照射光Ｌ１及び第２照射光Ｌ２を同時に含まない。同様に、第２受光部５２が受光する被測定光は、第１照射光Ｌ１及び第２照射光Ｌ２を同時に含まない。したがって、各受光部から出力される受光信号は、対応する一方の照射光と異なる他方の照射光に基づく光吸収スペクトルに関する情報を含まない。結果、分析精度が向上する。
メモリコントローラ７０が、タイミングコントローラ１０から出力される制御信号に基づいて、第１受光信号Ｓ１に関する情報及び第２受光信号Ｓ２に関する情報を第１照射光Ｌ１及び第２照射光Ｌ２の照射のタイミングに同期して互いに異なるタイミングで記憶部８０に格納することで、ＣＰＵ９０は、平均化処理を正確に実行できる。より具体的には、上記のような制御信号によって、メモリコントローラ７０が各時点でいずれの発光部が発光しているかを識別することが可能となり、発光動作を行っている発光部からの照射光に基づく受光信号に関する情報のみを対応する記憶部８０に正確に格納することができる。これにより、ＣＰＵ９０は、平均化処理にあたって、発光していない発光部に対応する受光部からの測定データを積算することなく、正確な平均波形の絶対値を算出することが可能となる。
メモリコントローラ７０は、発光していない発光部に対応する受光部からの測定データを不必要に記憶部８０に格納することがない。したがって、記憶部８０の記憶容量が効率的に利用され、記憶容量の浪費が抑制される。
第１時間Ｔ１と第２時間Ｔ２とが互いに同一であることで、分光分析装置１は、第１分析対象成分Ｃ１及び第２分析対象成分Ｃ２のそれぞれを分析するタイミングを単純化することができる。したがって、分光分析装置１によって実行される分析処理が簡素化する。
第１分析対象成分Ｃ１と第２分析対象成分Ｃ２とが互いに異なるガス成分を含むことで、被測定ガスＧ中に含まれる異なるガス成分の分光分析が１つの装置によって可能となる。
第１受光信号Ｓ１が第１分析対象成分Ｃ１の第１光吸収スペクトルに関する情報を含み、第２受光信号Ｓ２が第２分析対象成分Ｃ２の第２光吸収スペクトルに関する情報を含むことで、分光分析装置１は、分光スペクトルを容易に算出可能である。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被測定光の強度は弱く、被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被測定光の強度が増大し、被測定光の検出が容易になる。
図４は、第１実施形態に係る制御部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４は、図２に対応する。上述の第１実施形態に係る分光分析装置１では、第１時間Ｔ１と第２時間Ｔ２とは互いに同一であると説明したが、これに限定されない。第１時間Ｔ１と第２時間Ｔ２とは互いに異なっていてもよい。同様に、第１照射光Ｌ１の波長掃引時間と第２照射光Ｌ２の波長掃引時間とは、互いに異なっていてもよい。第１照射光Ｌ１の波長掃引回数と第２照射光Ｌ２の波長掃引回数とは、互いに同一であってもよいし、互いに異なっていてもよい。
例えば、図４に示すとおり、第２時間Ｔ２が第１時間Ｔ１よりも短くてもよい。このとき、例えば、第２時間Ｔ２の中に含まれる第２照射光Ｌ２の波長掃引時間が短縮され、第２照射光Ｌ２の光パルス幅が短縮されてもよい。これに限定されず、波長掃引時間に代えて、又は加えて、第２時間Ｔ２の中に含まれる第２照射光Ｌ２の波長掃引回数、すなわち第２照射光Ｌ２の光パルスの数が低減されてもよい。このとき、第１分析対象成分Ｃ１の第１光吸収スペクトルを分析する分析周期及び第２分析対象成分Ｃ２の第２光吸収スペクトルを分析する分析周期はそれぞれＴ１＋Ｔ２となり互いに同一である。
以上のように、第１実施形態に係る分光分析装置１は、従来技術のように回路上でのクロストーク及びノイズを考慮する必要がないため、第１分析対象成分Ｃ１及び第２分析対象成分Ｃ２のそれぞれの分析に最適な波長掃引時間及び波長掃引回数で各構成部を制御することも可能である。これにより、記憶部８０の記憶容量がさらに効率的に利用され、記憶容量の浪費がさらに抑制される。
（第２実施形態）
図５は、第２実施形態に係る制御部１００によって実行される制御及び処理の一例を示す模式図である。図５は、図２に対応する。図５を参照しながら、第２実施形態に係る分光分析装置１による制御及び処理の一例について主に説明する。
第２実施形態に係る分光分析装置１では、制御部１００による制御及び処理の内容が第１実施形態と相違する。その他の構成、機能、効果、及び変形例等については、第１実施形態と同様であり、対応する説明が、第２実施形態に係る分光分析装置１においても当てはまる。以下では、第１実施形態と同様の構成部については同一の符号を付し、その説明を省略する。第１実施形態と異なる点について主に説明する。
図５の最上段及び上から３段目のグラフに示すとおり、制御部１００、例えばタイミングコントローラ１０は、第１切替部３１及び第２切替部３２を制御して、第１発光部４１及び第２発光部４２から第１照射光Ｌ１及び第２照射光Ｌ２を１周期ごと（１回の波長掃引ごと）に交互に照射させる。より具体的には、タイミングコントローラ１０は、第１切替部３１をオンにする一方で第２切替部３２をオフにして、第１照射光Ｌ１を１周期だけ第１発光部４１から照射させる。続いて、タイミングコントローラ１０は、第２切替部３２をオンにする一方で第１切替部３１をオフにして、第２照射光Ｌ２を１周期だけ第２発光部４２から照射させる。第１照射光Ｌ１の波長掃引時間と第２照射光Ｌ２の波長掃引時間とは互いに同一であってもよいし、互いに異なっていてもよい。
図５の上から２段目及び最下段のグラフに示すとおり、制御部１００、例えばメモリコントローラ７０は、第１受光信号Ｓ１に関する情報及び第２受光信号Ｓ２に関する情報を第１照射光Ｌ１及び第２照射光Ｌ２の照射のタイミングに同期して１周期ごと（１回の波長掃引に基づくデータごと）に交互に第１記憶部８１及び第２記憶部８２にそれぞれ格納する。メモリコントローラ７０は、発光していない発光部側の測定データを記憶部８０に格納しない。
ＣＰＵ９０は、第１受光信号Ｓ１に関する情報に基づく分析を前回実行し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記憶部８１に格納された第１受光信号Ｓ１に関する情報に基づいて、第１分光スペクトルＯ１に関する情報を取得する。同様に、ＣＰＵ９０は、第２受光信号Ｓ２に関する情報に基づく分析を前回実行してから経過した時間が第２時間Ｔ２に到達すると、第２時間Ｔ２の間に第２記憶部８２に格納された第２受光信号Ｓ２に関する情報に基づいて、第２分光スペクトルＯ２に関する情報を取得する。第１時間Ｔ１と第２時間Ｔ２とは互いに同一であってもよいし、互いに異なっていてもよい。図５に示す一例では、第１時間Ｔ１と第２時間Ｔ２とが同一である。このとき、第１分析対象成分Ｃ１の第１光吸収スペクトルを分析する分析周期及び第２分析対象成分Ｃ２の第２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６は、第２実施形態に係る分光分析装置１を用いた分光分析方法の一例を示すフローチャートである。図６を参照しながら、第２実施形態に係る分光分析装置１が実行する被測定ガスＧに対する分光分析のフローの一例について主に説明する。
ステップＳ２０１では、制御部１００、例えばタイミングコントローラ１０は、第１発光部４１から被測定ガスＧに対して第１照射光Ｌ１を照射させる。
ステップＳ２０２では、第１受光部５１は、被測定ガスＧを透過した被測定光としての第１照射光Ｌ１を受光する。第１受光部５１は、被測定ガスＧ中の第１分析対象成分Ｃ１の第１分光スペクトルＯ１に関する情報を含み、ステップＳ２０１において照射された第１照射光Ｌ１に基づき得られる第１受光信号Ｓ１を出力する。
ステップＳ２０３では、第１記憶部８１は、制御部１００、例えばメモリコントローラ７０による制御に基づいて、第１受光信号Ｓ１に関する情報を第１照射光Ｌ１の照射のタイミングに同期して記憶する。
ステップＳ２０４では、制御部１００、例えばタイミングコントローラ１０は、第１切替部３１をオフに、及び第２切替部３２をオンに切り替えて、第１照射光Ｌ１と異なるタイミングで、第２発光部４２から被測定ガスＧに対して第２照射光Ｌ２を照射させる。
ステップＳ２０５では、第２受光部５２は、被測定ガスＧを透過した被測定光としての第２照射光Ｌ２を受光する。第２受光部５２は、被測定ガスＧ中の第２分析対象成分Ｃ２の第２分光スペクトルＯ２に関する情報を含み、ステップＳ２０４において照射された第２照射光Ｌ２に基づき得られる第２受光信号Ｓ２を出力する。
ステップＳ２０６では、第２記憶部８２は、制御部１００、例えばメモリコントローラ７０による制御に基づいて、第２受光信号Ｓ２に関する情報を第２照射光Ｌ２の照射のタイミングに同期して、第１受光信号Ｓ１に関する情報の記憶のタイミングと異なるタイミングで記憶する。
ステップＳ２０７では、制御部１００、例えばＣＰＵ９０は、第１受光信号Ｓ１に関する情報及び第２受光信号Ｓ２に関する情報に基づく分析を前回実行してから経過した時間が第１時間Ｔ１（＝第２時間Ｔ２）に到達したか否かを判定する。制御部１００は、第１時間Ｔ１に到達したと判定すると、ステップＳ２０８の処理を実行する。制御部１００は、第１時間Ｔ１に到達していないと判定すると、ステップＳ２０１の処理を実行する。
ステップＳ２０８では、制御部１００、例えばＣＰＵ９０は、ステップＳ２０７において第１時間Ｔ１に到達したと判定すると、第１時間Ｔ１の間に第１記憶部８１に記憶された第１受光信号Ｓ１に関する情報に基づいて、第１分光スペクトルＯ１に関する情報を取得する。
ステップＳ２０９では、制御部１００、例えばＣＰＵ９０は、ステップＳ２０７において第１時間Ｔ１に到達したと判定すると、第１時間Ｔ１の間に第２記憶部８２に記憶された第２受光信号Ｓ２に関する情報に基づいて、第２分光スペクトルＯ２に関する情報を取得する。
以上のような第２実施形態に係る分光分析装置１によれば、第１発光部４１及び第２発光部４２を１周期ごとに交互に発光させることで、それぞれに含まれる半導体レーザのレーザ素子に生じる温度変動が低減する。例えば、半導体レーザでは、発光中に自己発熱が生じるが、注入電流が停止している時間領域では自己発熱が生じないため、徐々にレーザ素子の温度が低下する。発光が再開されるとレーザ素子の温度は上昇し始める。注入電流が停止している時間が長いほど、レーザ素子の温度変化量も大きくなる。レーザ素子の温度は発光波長と密接に関係しているため、レーザ素子の温度変化は分光分析の性能に影響する。第２実施形態に係る分光分析装置１によれば、第１発光部４１及び第２発光部４２のいずれにおいても、発光が停止している時間が短いので、レーザ素子の温度変動が低減する。また、第２実施形態に係る分光分析装置１によれば、第１発光部４１及び第２発光部４２のいずれにおいても、発光が停止している時間が時間領域において一様であるので、各発光周期におけるレーザ素子の温度変動が一様となる。したがって、高精度な分析が実現可能である。上述した問題は、第１発光部４１及び第２発光部４２のそれぞれがレーザ素子の温度制御機構を有する場合であっても発生する恐れがあり、温度制御機構を有する分光分析装置１においても上述の効果が得られる。
第１発光部４１及び第２発光部４２を１周期ごとに交互に発光させることで、各発光部による発光が時間領域において互いに一様になる。加えて、第１分析対象成分Ｃ１を分析する分析周期及び第２分析対象成分Ｃ２を分析する分析周期をＴ１で同一とすることで、第１受光信号Ｓ１に関する情報と第２受光信号Ｓ２に関する情報との間でプロセスの変動による影響を抑制して分析が可能となる。例えば、分光分析装置１は、被測定ガスＧの成分濃度が変動している場合であっても同様の測定条件で、第１受光信号Ｓ１に関する情報及び第２受光信号Ｓ２に関する情報を取得可能である。
上述した第２実施形態では、タイミングコントローラ１０は、第１照射光Ｌ１及び第２照射光Ｌ２を１周期ごとに交互に照射させるとして説明したが、これに限定されない。第１発光部４１及び第２発光部４２の発光タイミングは、タイミングコントローラ１０によって任意の方法で制御されてもよい。例えば、タイミングコントローラ１０は、第１照射光Ｌ１及び第２照射光Ｌ２を複数周期ごとに交互に照射させてもよい。例えば、タイミングコントローラ１０は、第１照射光Ｌ１及び第２照射光Ｌ２を互いに同一の波長掃引回数ごとに交互に照射させてもよいし、互いに異なる波長掃引回数ごとに交互に照射させてもよい。
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。
例えば、上述した分光分析装置１を用いた分光分析方法における各ステップ及び各ステップに含まれる機能等は、論理的に矛盾しないように再配置可能であり、ステップの順序を変更したり、複数のステップを１つに組み合わせたり、又は分割したりすることが可能である。
例えば、本開示は、上述した分光分析装置１の各機能を実現する処理内容を記述したプログラム又はプログラムを記録した記憶媒体としても実現し得る。本開示の範囲には、これらも包含されると理解されたい。
図７は、第１実施形態及び第２実施形態に係る分光分析装置１の構成の変形例を示すブロック図である。上記の第１実施形態及び第２実施形態に係る分光分析装置１では、第１発光部４１及び第２発光部４２は、被測定ガスＧを挟んで第１受光部５１及び第２受光部５２とそれぞれ対向するように配置されているとして説明した。これに限定されず、第１発光部４１及び第２発光部４２は、第１受光部５１及び第２受光部５２と同一側に配置されていてもよい。
より具体的には、分光分析装置１は、第１照射光Ｌ１及び第２照射光Ｌ２の光軸に沿って被測定ガスＧと重畳するように延在するプローブ部１１０と、被測定ガスＧを挟んで第１発光部４１及び第２発光部４２と対向するようにプローブ部１１０の先端に位置する反射部１２０と、をさらに有してもよい。このとき、第１受光部５１及び第２受光部５２は、被測定ガスＧを挟んで反射部１２０と対向するように、第１発光部４１及び第２発光部４２と同一側に配置されている。
図７に示すような分光分析装置１では、例えばプローブ部１１０の振動等の撓みによる測定への影響を低減するために、第１照射光Ｌ１及び第２照射光Ｌ２のビーム径を拡大して出射させることも考えられる。分光分析装置１は、このような場合であっても第１受光部５１及び第２受光部５２による各照射光に基づく被測定光の同時受光を抑制してより顕著に分析精度を向上させることができる。すなわち、分光分析装置１は、上述した効果をより顕著に奏する。
図７に示すような分光分析装置１は、例えば、プローブ部１１０を介して一体的に反射部１２０を有してもよいし、プローブ部１１０を有さずに別体として反射部１２０を有してもよい。
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。
１ 分光分析装置
１０ タイミングコントローラ
２０ 電流コントローラ
３１ 第１切替部
３２ 第２切替部
４１ 第１発光部
４２ 第２発光部
５１ 第１受光部
５２ 第２受光部
６１ 第１変換部
６２ 第２変換部
７０ メモリコントローラ
８０ 記憶部
８１ 第１記憶部
８２ 第２記憶部
９０ ＣＰＵ
１００ 制御部
１１０ プローブ部
１２０ 反射部
Ｃ１ 第１分析対象成分
Ｃ２ 第２分析対象成分
Ｇ 被測定ガス
Ｌ１ 第１照射光
Ｌ２ 第２照射光
Ｏ１ 第１分光スペクトル
Ｏ２ 第２分光スペクトル
Ｓ１ 第１受光信号
Ｓ２ 第２受光信号
Ｔ１ 第１時間
Ｔ２ 第２時間

Claims (6)

  1. 制御部と、
    被測定ガスに対して第１照射光を照射する第１発光部と、
    前記被測定ガスに対して第２照射光を照射する第２発光部と、
    前記被測定ガス中の第１分析対象成分の第１光吸収スペクトルを情報として含み、前記第１照射光に基づいて得られる第１受光信号を出力する第１受光部と、
    前記被測定ガス中の第２分析対象成分の第２光吸収スペクトルを情報として含み、前記第２照射光に基づいて得られる第２受光信号を出力する第２受光部と、
    前記第１受光信号に関する情報及び前記第２受光信号に関する情報を記憶する記憶部と、
    を備え、
    前記制御部は、
    前記第１発光部及び前記第２発光部から、一の光パルスのうちに前記第１光吸収スペクトルの波長範囲で発振波長が掃引された前記第１照射光及び一の光パルスのうちに前記第２光吸収スペクトルの波長範囲で発振波長が掃引された前記第２照射光を互いに異なるタイミングでそれぞれ複数回照射させ、
    前記第１受光信号に関する情報及び前記第２受光信号に関する情報を前記第１照射光及び前記第２照射光の照射のタイミングに同期して互いに異なるタイミングで前記記憶部に格納し、
    分光分析の演算に必要となる規定掃引数を含む第１時間の間に前記記憶部に格納された前記第１受光信号に関する情報に基づいて、前記第１光吸収スペクトルを取得し、
    前記規定掃引数を含む第２時間の間に前記記憶部に格納された前記第２受光信号に関する情報に基づいて、前記第２光吸収スペクトルを取得する、
    分光分析装置。
  2. 前記制御部は、
    前記第１時間の間に連続して複数の前記第１受光信号に関する情報を前記記憶部に格納し、
    前記第１時間に続く前記第２時間の間に連続して複数の前記第２受光信号に関する情報を前記記憶部に格納する、
    請求項１に記載の分光分析装置。
  3. 前記制御部は、前記第１受光信号に関する情報及び前記第２受光信号に関する情報を１周期ごとに交互に前記記憶部に格納する、
    請求項１に記載の分光分析装置。
  4. 前記第１発光部及び前記第２発光部は、前記被測定ガスを挟んで前記第１受光部及び前記第２受光部とそれぞれ対向するように配置されている、
    請求項１乃至３のいずれか１項に記載の分光分析装置。
  5. 前記第１照射光及び前記第２照射光の光軸に沿って前記被測定ガスと重畳するように延在するプローブ部と、
    前記被測定ガスを挟んで前記第１発光部及び前記第２発光部と対向するように前記プローブ部の先端に位置する反射部と、
    をさらに備え、
    前記第１受光部及び前記第２受光部は、前記被測定ガスを挟んで前記反射部と対向するように、前記第１発光部及び前記第２発光部と同一側に配置されている、
    請求項１乃至３のいずれか１項に記載の分光分析装置。
  6. 被測定ガスに対して第１照射光を複数回照射するステップと、
    前記被測定ガス中の第１分析対象成分の第１光吸収スペクトルを情報として含み、一の光パルスのうちに前記第１光吸収スペクトルの波長範囲で発振波長が掃引された前記第１照射光に基づいて得られる第１受光信号を出力するステップと、
    前記第１受光信号に関する情報を前記第１照射光の照射のタイミングに同期して記憶するステップと、
    前記第１照射光と異なるタイミングで、前記被測定ガスに対して第２照射光を複数回照射するステップと、
    前記被測定ガス中の第２分析対象成分の第２光吸収スペクトルを情報として含み、一の光パルスのうちに前記第２光吸収スペクトルの波長範囲で発振波長が掃引された前記第２照射光に基づいて得られる第２受光信号を出力するステップと、
    前記第２受光信号に関する情報を前記第２照射光の照射のタイミングに同期して、前記第１受光信号に関する情報の記憶のタイミングと異なるタイミングで記憶するステップと、
    分光分析の演算に必要となる規定掃引数を含む第１時間の間に記憶された前記第１受光信号に関する情報に基づいて、前記第１光吸収スペクトルを取得するステップと、
    前記規定掃引数を含む第２時間の間に記憶された前記第２受光信号に関する情報に基づいて、前記第２光吸収スペクトルを取得するステップと、
    を含む、
    分光分析方法。
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