JP7088494B2 - 物質検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、物質検出装置に関する。

従来の濃度厚み積を算出するガス測定装置としては、吸収波長と非吸収波長の２波長の受光信号強度の差分を取り濃度厚み積を求める差分吸収法（DIAL,DOAS)によるものと、ガス吸収線を中心に基本波fで変調し、２倍波２ｆとの受光信号比により濃度厚み積を求める２ｆ検波方式によるものとが挙げられる。
前者は、直接差分による演算で、濃度厚み積を算出する演算処理自体は簡易であり、距離の測定も可能だが、２波長を出射するために、発光周期を遅くする、レーザーダイオードを２個用いるなど複雑な処理、装置構成が必要である。
後者は、微小な信号変化を特定周波数の出力を取り出し演算することにより、高感度に測定が可能で、非常にコンパクトな設計が可能な技術である。しかし濃度厚み積の演算、発光部の駆動制御が難しくなる。
また、両者とも波長を測定対象の吸収波長位置に一定に保つことが非常に難しいほか、レーザーダイオードの出力に依存し、波長が変わるため、測定中のレーザーパワーを一定にすることも難しい。波長は温度と入力電流により決まるため、ハイパワーで所望の波長を出力することにも制限が生じる。

特許文献１には、一つのレーザー光源と、ＯＰＯ(光パラメトリック発振）と、エタロン板とを用いてガスの吸収波長、非吸収波長の２波長のレーザー光を外部へ照射し、反射光をダイクロイックミラーで分光し、それぞれの波長に対応した検出器の出力より測定対象の濃度厚み積を算出する発明が記載さている。

特開２００１－１５９６０４号公報

しかし、特許文献１に記載の発明にあっては、レーザー光源が一つで済むものの、ＯＰＯ、さらにはダイクロイックミラー、エタロンフィルタ、２種類の検出器を用いるなど、全体としては必要な構成部品も多く複雑化する。

本発明は以上の従来技術における問題に鑑みてなされたものであって、比較的簡単な構成で発光、受光が可能であり、発光の出力を一定に保った状態で吸収波長及び非吸収波長に亘り波長を変えて物質を容易に精度よく検出することができる物質検出装置を提供することを課題とする。

以上の課題を解決するための請求項１記載の発明は、検出対象物質を検出するための光を発光する発光部と、
前記発光部の発光を制御する制御部と、
前記発光部が発光し空間を経た光を受光する受光部と、
前記受光部が受光した信号を処理する演算部と、を備えて前記空間における検出対象物質を検出する物質検出装置であって、
前記制御部は、前記発光部に、急峻に変化する一定の振幅の矩形波である電流を入力することで、前記矩形波の立ち上がり後立下り前の区間において、前記発光部が発光する光の波長に前記検出対象物質の吸収波長及び非吸収波長に亘る変化を与え、前記電流を所定周波数に制御し、
前記演算部は、前記受光部が受光した信号の高調波成分に基づき、前記検出対象物質を検出する物質検出装置である。
請求項２記載の発明は、検出対象物質を検出するための光を発光する発光部と、
前記発光部の発光を制御する制御部と、
前記発光部が発光し空間を経た光を受光する受光部と、
前記受光部が受光した信号を処理する演算部と、を備えて前記空間における検出対象物質を検出する物質検出装置であって、
前記制御部は、前記発光部に急峻に変化する電流を入力することで、前記発光部が発光す
る光の波長に前記検出対象物質の吸収波長及び非吸収波長に亘る変化を与え、前記電流を所定周波数に制御し、
前記演算部は、前記受光部が受光した信号の高調波成分に基づき、前記検出対象物質を検出し、
前記制御部は、前記発光部への入力電流に応じた前記受信部が受信する信号の立ち上がり後立下り前の区間の後半に前記発光部が発光する光の波長が前記吸収波長を通過する変化をするように前記電流を前記発光部へ入力する物質検出装置である。

請求項３記載の発明は、前記制御部は、前記電流の立ち上がり立下りに応じた前記受信部が受信する信号の立ち上がり後立下り前の区間に前記発光部が発光する光の波長が前記吸収波長を通過する変化をするように前記電流を入力する請求項１に記載の物質検出装置である。

請求項４記載の発明は、前記演算部は、前記受光部が受光した信号の、前記所定周波数の奇数倍波信号成分と偶数倍波信号成分との信号成分比に基づき、前記物質の濃度厚み積を算出する請求項１から請求項３のうちいずれか一に記載の物質検出装置である。

請求項５記載の発明は、前記制御部は、前記電流をデューティ比５０％の矩形波とする請求項１から請求項４のうちいずれか一に記載の物質検出装置である。

請求項６記載の発明は、前記所定周波数を基準に前記高調波成分を同期検出する位相検波器を備え、
前記位相検波器から前記演算部に前記高調波成分の信号が入力される請求項１から請求項５のうちいずれか一に記載の物質検出装置である。

本発明によれば、発光部に、矩形波電流等の落差のある２つの値の間で急峻に変化する電流を入力することで、分布帰還型レーザーダイオード（ＤＦＢ－ＬＤ）など発光素子の応答特性を利用して、発光部が発光する光の波長に測定対象ガスの吸収波長及び非吸収波長に亘る変化を与えるので、比較的簡単な構成で発光、受光が可能であり、所定周波数を基準とした高調波成分に基づき物質を容易に精度よく検出することができ、入力電流を一定にすることで発光の出力を一定に保つことができ、これにより発光の出力を一定に保った状態で吸収波長及び非吸収波長に亘り波長を変えて物質を検出することができる。

本発明の一実施形態においてＤＦＢ－ＬＤに入力する矩形波電流の波形図である。 ＤＦＢ－ＬＤの矩形波電流の入力に対する波長の時間変化を示す一例のグラフであり、入力電流信号の周波数が１０ｋＨｚのときを示す。 ＤＦＢ－ＬＤの矩形波電流の入力に対する波長の時間変化を示す一例のグラフであり、入力電流信号の周波数が３０ｋＨｚのときを示す。 ＤＦＢ－ＬＤの矩形波電流の入力に対する波長の時間変化を示す一例のグラフであり、入力電流信号の周波数が５０ｋＨｚのときを示す。 ＤＦＢ－ＬＤの矩形波電流の入力に対する波長の時間変化を示す一例のグラフであり、入力電流信号の周波数が１００ｋＨｚのときを示す。 本発明の一実施形態において受光信号を表すグラフで、非検出時の例を示す。 本発明の一実施形態において受光信号を表すグラフで、検出時の例を示す。 発光素子の入力電流の変化に対する波長の変化の温度特性を示すグラフである。 本発明の一実施形態に係るガス測定装置の構成ブロック図である。 図５のガス測定装置における処理フローを示すフローチャートである。 本発明の他の一実施形態に係るガス測定装置の構成ブロック図である。 図７のガス測定装置における処理フローを示すフローチャートである。 本発明の一実施形態において検出対象ガスの濃度厚み積の信号成分比２ｆ／ｆに対する特性を示すグラフである。 本発明の一実施形態における入力電流信号の波形と、これに応じた受光部での受光信号の波形を示すグラフであり、温度Ｔ１のときを示す。 本発明の一実施形態における入力電流信号の波形と、これに応じた受光部での受光信号の波形を示すグラフであり、温度Ｔ２のときを示す。 本発明の一実施形態における入力電流信号の波形と、これに応じた受光部での受光信号の波形を示すグラフであり、温度Ｔ３のときを示す。 本発明の一実施形態における入力電流信号の波形と、これに応じた受光部での受光信号の波形を示すグラフであり、入力電流信号の周波数が１０ｋＨｚのときを示す。 本発明の一実施形態における入力電流信号の波形と、これに応じた受光部での受光信号の波形を示すグラフであり、入力電流信号の周波数が１００ｋＨｚのときを示す。

以下に本発明の一実施形態につき図面を参照して説明する。以下は本発明の一実施形態であって本発明を限定するものではない。本実施形態では、検出対象物質をガスと想定し、濃度厚み積の測定値まで得る。

分布帰還型レーザーダイオード（ＤＦＢ－ＬＤ）に急峻な電流変化を加えた際に、発熱量の増加に伴い活性層の屈折率が上昇し、波長が長波長側にμsからｍｓオーダーで非線形的に変化することが知られている。本発明はその波長変化により、検出対象ガスの吸収波長及び非吸収波長に亘る変化を与える。ＤＦＢ－ＬＤに急峻な電流変化を加えるため、図１に示すような矩形波電流を入力する。なお、この矩形波電流の振幅を一定にすることで、発光の出力を一定に保つことができる。この矩形波電流を所定周波数ｆに制御する。
ＤＦＢ－ＬＤに図１の矩形波電流を入力すると、図２Ａ－２Ｄに示すようにＤＦＢ－ＬＤの出射光の波長が変化する。この波長変化範囲に検出対象ガスの吸収波長λ１があるようにする。

このように波長変化するＤＦＢ－ＬＤの出射光を、検出対象空間を経て受光すると、図３Ａ，図３Ｂに示すような受光信号が得られる。図３Ａは、検出対象空間に検出対象ガスが無かった場合であり略矩形状の波形となるが、検出対象空間に検出対象ガスがあるとその濃度厚み積に応じて吸収波長の光が吸収されるので図３Ｂに示すように１つの矩形部ａの天面のそれぞれに負のピークａ１が生じる。
負のピークａ１に隣接する正のピークａ２，ａ３は、非吸収波長の受光信号であるので、負のピークａ１と、正のピークａ２又はａ３との相対性により検出対象ガスの濃度厚み積を算出可能である。本実施形態では、受光信号の奇数倍波信号成分１ｆと偶数倍波信号成分２ｆとの信号成分比２ｆ／ｆに基づき検出対象ガスの濃度厚み積を算出する。

以上のような発光素子の入力電流に急峻な電流変化を加えたときの波長変化の応答特性は、図４に示すように温度にも依存する。図４に示すように吸収波長λ１を横切るタイミングが温度によって異なってしまうため、発光素子の温度を一定に保つことが好ましい。

図５に本発明による物質検出装置の一例の構成図を示す。
図５に示すように物質検出装置１００Ａは、検出対象ガスＧ１を検出するための光（測定光１０１）を発光する発光部１０２と、発光部１０２の発光を制御する制御部１０３と、発光部１０２が発光し検出対象空間Ｓ１を経た光（反射物Ｒ１で反射）を受光する受光部１０４と、受光部１０４が受光した信号Ｖ１を処理する演算部１０５と、を備える。
また、物質検出装置１００Ａは、受光部１０４の検出値を増幅する増幅器１１０、増幅器１１０の出力信号をＡＤ変換するＡＤ変換器１１２等を備える。
発光部１０２の発光素子として分布帰還型レーザーダイオード（ＤＦＢ－ＬＤ）を備える。
演算部１０５は、ＡＤ変換器１１２から、受光部１０４が受光したガスＧ１の吸収波長及び非吸収波長に亘る受光信号時系列データを得る。

制御部１０３は、電流制御部１１３を制御して発光部１０２に周波数ｆの矩形波電流を入力することで、発光部１０２が発光する光の波長に検出対象ガスＧ１の吸収波長及び非吸収波長に亘る変化を与える。また制御部１０３は、周波数ｆの矩形波電流のデューティ比を５０％に制御する。矩形波電流のデューティ比を５０％にすることで、理論上駆動周期ｆの奇数波成分のみを信号成分として持つ波形となり、ガス吸収による波形変化は全数波成分を持つため、変化を捉えやすい。
その間、制御部１０３は温度制御部１１４を制御して発光部１０２の温度を一定に保つ。温度制御部１１４にペルチェ素子などの温調素子が含まれる。制御部１０３および演算部１０５は、ハードディスク等の記憶媒体に記憶されたプログラムをＣＰＵ等のプロセッサーが実行することによって実現される。

図６のフローチャートに示すように物質検出装置１００Ａにおいて演算部１０５は、ＡＤ変換器１１２から所定サンプリングレートで所定数の受光信号時系列データを得る。（Ｓ１１）。
次に、演算部１０５は、受光信号時系列データを高速フーリエ変換処理して（Ｓ１２）、１ｆ信号成分と、２ｆ信号成分を得て（Ｓ１３）、その信号成分比２ｆ／ｆに基づき濃度厚み積を算出する（Ｓ１４）。

また、図７に示す物質検出装置１００Ｂにあっては、１ｆ信号成分と、２ｆ信号成分の取得は、位相検波器１１１によって行われる。すなわち、図８のフローチャートに示すように位相検波器１１１が周波数ｆを基準に高調波成分（１ｆ、２ｆ）を同期検出し（Ｓ２１）、位相検波器１１１から演算部１０５に高調波成分（１ｆ、２ｆ）の信号が入力され（Ｓ２２）、その信号成分比２ｆ／ｆに基づき演算部１０５が濃度厚み積を算出する（Ｓ２３）。

濃度厚み積の算出（Ｓ１４，Ｓ２３）は、例えば次のように行う。
検出対象ガスの濃度厚み積の信号成分比２ｆ／ｆに対する特性は、実験等により図９に示すように得られる。図９に示すように線形的な変化を示す。そこで、濃度換算式を作成し、これに信号成分比２ｆ／ｆを入力して濃度厚み積を算出する。
ここでは、図９のグラフ（実線）を一次関数（破線）で近似する。図７の一次関数（破線）の傾きａ、縦軸のオフセットｂとして、（濃度厚み積）＝（２ｆ／ｆ）×ａ＋ｂ を濃度換算式とする。

図１０Ａ－１０Ｃ及び図１１Ａ－１１Ｂに、発光部１０２への入力電流信号の波形と、これに応じた受光部１０４での受光信号の波形を示す。
図１０Ａ－１０Ｃ及び図１１Ａ－１１Ｂに示すように制御部１０３は、発光部１０２への入力電流に応じて受信部１０４が受信する信号の立ち上がり後立下り前の区間Ｔａに発光部１０２が発光する光の波長が検出対象ガスの吸収波長λ１を通過する変化をするように電流を入力する。すなわち、発光部１０２が発光する光の波長が吸収波長λ１となった時点ｔ（λ１）が区間Ｔａにあるようにする。発光部１０２が発光する光の波長が吸収波長λ１と等しくなった時点ｔ（λ１）が区間Ｔａにあれば、矩形部ａの天面にボトムピークが生じ、検出対象ガスの影響が大きく受光信号に反映され、高感度に検出することができるからである。また、測定光１０１のパワー一定の状態（矩形部ａの天面の部分）で検出対象ガスの有無により受光信号の変化を得ることができるため、高精度に検出することができる。

図４に示したようにＤＦＢ－ＬＤは温度（ＬＤ温度）が高いほど、発光波長が長波長側にシフトする。そのため、発光波長が吸収波長λ１と等しくなるタイミングは、温度が高いほど早くなる。図４のＬＤ温度Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３（Ｔ１＞Ｔ２＞Ｔ３）の場合、ＬＤ温度がＴ１のときに最も早く、対応する受光信号波形は図１０Ａに示すようになり、発光部１０２の発光波長が吸収波長λ１と等しくなる時点ｔ（λ１）が区間Ｔａ内で序盤であるため受光信号に対する検出対象ガスの影響が少ない。すなわち、図３Ａに示す検出対象ガスが無い場合の波形に対する欠けが小さい。
これに対し、制御部１０３が温度制御部１１４を介してＬＤ温度をＴ２へと低く制御することで、図１０Ｂに示すように、図３Ａに示す検出対象ガスが無い場合の波形に対する欠けが大きくなり、検出対象ガスを高感度に検出することができる。
しかし、発光部１０２の発光波長が吸収波長λ１と等しくなる時点ｔ（λ１）が図１０Ｂに示すように区間Ｔａの前半にあると、時点ｔ（λ１）後の受光信号の盛り返しが大きい。

そこで、制御部１０３が温度制御部１１４を介してＬＤ温度をＴ３へとさらに低く制御することで、図１０Ｃに示すように、図３Ａに示す検出対象ガスが無い場合の波形に対するさらに欠けが大きくなり、検出対象ガスを高感度に検出できる。
図１０Ｃに示すように、制御部１０３は、区間Ｔａの後半に時点ｔ（λ１）があるように、すなわち、区間Ｔａの後半に測定光１０１の波長が吸収波長を通過する変化をするように電流を入力する。これにより、検出対象ガスの影響がさらに大きく受光信号に反映され、高感度に検出することができる。

また、発光部１０２に入力する電流の周波数ｆの設定により、高感度化が可能である。
図２Ａ－２Ｄに示したように周波数ｆが変わっても、測定光１０１の波長の時間変化特性は変わらない。ただ、短波長ほど時間的に短く終了する。
そこで、図１１Ａに示すように、ｆ＝１０ｋHzで、時点ｔ（λ１）が区間Ｔａ内で早期過ぎる場合は、図１１Ｂに示すようにｆ＝１００ｋHzと、周波数を高く設定し、図３Ａに示す検出対象ガスが無い場合の波形に対する欠けを相対的に大きくすることで、高感度に検出することができる。

以上の説明した本発明の実施形態によれば、矩形波による入力電流の急峻な変化に対する発光波長のシフト現象を利用し、検出対象物質を検知し、濃度測定などを行うことができる。
測定光１０１のパワー一定の状態（矩形部ａの天面の部分）で図２Ａ－２Ｄに示すように測定光１０１の波長を変化させることができる、すなわち、波長変化させても測定光１０１の強度変化が抑えられており、吸収波長の時と非吸収波長の時とで発光強度が一定しているから高精度に検出対象ガスを検出することができる。
図５や図７に示すように装置構成も従来の２f検波方式と同等以上に簡易である。
さらに測定光１０１の飛行時間により背景までの距離も測定でき、距離と濃度厚み積から濃度（平均濃度）を算出することができる。なお、距離測定原理は、ＴＯＦ法(Time OfFlight:飛行時間測定法)による。

また本実施形態によれば、従来技術に対してレーザー光源の駆動制御のみで吸収波長と非吸収波長とが発振可能、検出器も一つで測定ができるため、非常に簡易な構成で、ガス濃度演算が実現できる。
以上のように本実施形態によれば、比較的簡単な構成で発光、受光が可能であり、発光の出力を一定に保った状態で吸収波長及び非吸収波長に亘り波長を変えて物質を容易に精度よく検出することができる。

本発明は、ガス等の物質の検出に利用することができる。

１００Ａ 物質検出装置
１００Ｂ 物質検出装置
１０１ 測定光
１０２ 発光部
１０３ 制御部１０４ 受光部
１０５ 演算部
１１０ 増幅器
１１１ 位相検波器
１１２ ＡＤ変換器
１１３ 電流制御部
１１４ 温度制御部
Ｇ１ 検出対象ガス
Ｒ１ 反射物
Ｓ１ 検出対象空間
Ｖ１ 受信信号
λ１ 吸収波長

Claims (6)

1. 検出対象物質を検出するための光を発光する発光部と、
   前記発光部の発光を制御する制御部と、
   前記発光部が発光し空間を経た光を受光する受光部と、
   前記受光部が受光した信号を処理する演算部と、を備えて前記空間における検出対象物質を検出する物質検出装置であって、
   前記制御部は、前記発光部に、急峻に変化する一定の振幅の矩形波である電流を入力することで、前記矩形波の立ち上がり後立下り前の区間において、前記発光部が発光する光の波長に前記検出対象物質の吸収波長及び非吸収波長に亘る変化を与え、前記電流を所定周波数に制御し、
   前記演算部は、前記受光部が受光した信号の高調波成分に基づき、前記検出対象物質を検出する物質検出装置。
2. 検出対象物質を検出するための光を発光する発光部と、
   前記発光部の発光を制御する制御部と、
   前記発光部が発光し空間を経た光を受光する受光部と、
   前記受光部が受光した信号を処理する演算部と、を備えて前記空間における検出対象物質を検出する物質検出装置であって、
   前記制御部は、前記発光部に急峻に変化する電流を入力することで、前記発光部が発光する光の波長に前記検出対象物質の吸収波長及び非吸収波長に亘る変化を与え、前記電流を所定周波数に制御し、
   前記演算部は、前記受光部が受光した信号の高調波成分に基づき、前記検出対象物質を検出し、
   前記制御部は、前記発光部への入力電流に応じた前記受信部が受信する信号の立ち上がり後立下り前の区間の後半に前記発光部が発光する光の波長が前記吸収波長を通過する変化をするように前記電流を前記発光部へ入力する物質検出装置。
3. 前記制御部は、前記発光部への入力電流に応じた前記受信部が受信する信号の立ち上がり後立下り前の区間に前記発光部が発光する光の波長が前記吸収波長を通過する変化をするように前記電流を前記発光部へ入力する請求項１に記載の物質検出装置。
4. 前記演算部は、前記受光部が受光した信号の、前記所定周波数の奇数倍波信号成分と偶数倍波信号成分との信号成分比に基づき、前記物質の濃度厚み積を算出する請求項１から請求項３のうちいずれか一に記載の物質検出装置。
5. 前記制御部は、前記電流をデューティ比５０％の矩形波とする請求項１から請求項４のうちいずれか一に記載の物質検出装置。
6. 前記所定周波数を基準に前記高調波成分を同期検出する位相検波器を備え、
   前記位相検波器から前記演算部に前記高調波成分の信号が入力される請求項１から請求項５のうちいずれか一に記載の物質検出装置。

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