JPH0510880A - ガス検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 光学系の簡素化と測定の実時間化を実現する
ガス検出装置を提供する。 【構成】 ガスの吸光波長を含む幅広いスペクトルをも
つ光源１からでた光を波長分離素子３を通してガス検出
用と参照用の光を同時に発生させるとともに、ガス検出
光の波長を吸光波長に同調させ、空間中に投射する。集
光鏡１６によって受光した光をダイクロイックミラー１
９によってガス検出用・参照用の各波長に分離し、わり
算器２４によって、それぞれの受光強度の比を演算す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明はガスによる光の吸収現
象を利用してガス検出を行うもので、特に遠隔測定を対
象としたガス検出装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ガスに赤外線を照射した場合、そのガス
特有の波長に吸光スペクトルが存在する。従来より、こ
のような吸光現象を利用したガス検出装置の開発が進め
られてきており、最近では、光源として半導体光源を利
用し、検査空間に投射する遠隔型のガス検出装置が開発
されつつある。図７は、例えば先に同一出願人にによっ
て提案された特願平２ー２６２５７０号明細書に示され
た従来のガス検出装置を示す構成図であり、図におい
て、３７は半導体レーザ（ＬＤ）、３８はＬＤの駆動回
路、３９は出射ビームを平行ビームに変換するビームコ
リメート系、４０はエタロン、４１はエタロン４０に取
り付けられた回転機構、４２は回転機構４１を駆動制御
するコントローラ、４３はＬＤビームを分離するビーム
スプリッタ、４４はＬＤビームを外部へ投光するための
光路偏向用の鏡、４５はビームスプリッタ４３を透過し
た光を受光する検出器、４６は検出器４５からの出力を
増幅するアンプ、４７は検査空間内にある構造体等の表
面、４８は構造体表面４７からの散乱光を集光する集光
鏡、４９は集光した散乱光を受光する検出器、５０は検
出器４９からの出力を増幅するアンプ、５１はアンプ５
０からの出力の比をとる割算器、５２はコントローラ４
２から出力されるエタロン回転制御信号に同期して割算
器５１の出力を、測定モードに応じて記憶する機能を持
つメモリ、５３は記憶していた両モデルの測定結果を比
較し、その比率の変化の検知によって、ガス検出の有無
を判断する判定回路である。また、第８図の（ａ）、
（ｂ）、（ｃ）は各々、ガスの吸光スペクトルとＬＤの
発振スペクトルの関係を示す特性図であり、図におい
て、５４は測定対象ガスの吸光スペクトル、５４１は吸
光スペクトルの中心波長、５５はＬＤの発振スペクト
ル、５６及び５７はエタロンを回転させたときに得られ
る透過率分光分布、５８はエタロンの透過率分光分布が
分布５６のときにエタロンを透過したＬＤ光の透過スペ
クトル、５９はエタロンの透過率分光分布が分布５７の
ときにエタロンを透過したＬＤ光の透過スペクトルを示
す。

【０００３】次に動作について説明する。ＬＤ３７は複
数の縦モードを持って発振する。このときＬＤ３７はＬ
Ｄ駆動回路３８で温度、電流をコントロールすることに
より、発振スペクトルが持っている縦モードの一つをガ
スの吸光波長に同調させる。このようにコントロールさ
れたＬＤ３７から出た光は、ビームコリメートレンズ３
９により平行ビームに変換され、エタロン４０に入射さ
せられる。エタロン４０は回転機構４１によって回転さ
せられ、回転によるエタロン内の光路長を変化させるこ
とにより、透過スペクトルの中心波長を任意に変化させ
る。例えば、エタロンの回転角を所定の値に設定する
と、透過率分光分布の中心波長を吸光波長に合わすこと
ができ、ガスの吸収波長に同調した縦モード光のみを抽
出することができる。この縦モード光を選択したときの
測定モードを検出モードと呼ぶ。さらに、エタロンの回
転角を別の所定角度回転させると、ガスの吸収波長に同
調した縦モード光の隣接する縦モード光のみを選択的に
抽出することが可能となる。この縦モード光を選択した
ときの測定モードを参照モードと呼ぶ。このように、エ
タロンを回転させることにより、検出モードと参照モー
ドを任意に切り替えることが可能となる。エタロン４０
を透過した光は、一部ビームスプリッタ４３を透過し、
モニタ強度として検出器４５で受光、光電変換され、ア
ンプ４６によって増幅される。一方、ビームスプリッタ
４３で反射された光は鏡４４によって偏向させられ、検
出空間へ投射される。投射された光は検出空間内にある
構造体表面４７に照射される。照射された表面で発生し
た散乱光は集光鏡４８によって検出器４９に集められ、
光電変換された後、アンプ５０によって増幅される。検
出器４９によって得られた受光強度信号と、検出器４５
によって得られたモニタ強度信号はともに割算器５１へ
入力され、強度比が演算される。検出モードではガスの
有無によって測定値が変化するが、参照モードではガス
の有無に関わらず測定値は変化しない。測定において
は、検出モード，参照モードを交互に繰り返し、得られ
た強度比の両モード間の比または差の変化を検知するこ
とにより、ガス検出を行う。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来のガス検出装置は
上記のように構成されていたので、半導体レーザの波長
及び強度をコントロールするための精密な駆動回路が必
要となり装置コストが高くなる。さらに、参照モードと
検出モードを時系列で交互に繰り返して測定しなければ
ならず、実質的な測定時間は長くなるという実用上の問
題点があった。また、モニター強度と散乱光強度との比
を測定量とし、両モード間の比をとることから、原理的
には反射率変化による受光強度変化の影響を受けずに測
定が可能ではあるが使用する検出素子及びアンプのダイ
ナミックレンジに制限があることから、対応可能な受光
強度変化には限界があった。

【０００５】本発明は、上記のような問題点を解消する
ためになされたもので、光学系の簡素化及び測定の実時
間化を実現するとともに、広範囲な受光強度変化にも対
応可能なガス検出装置を得ることを目的としたものであ
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明に係るガス検出装
置は、対象となるガスの吸収波長付近の波長を有するＬ
ＥＤ光を空間内に投射する投光手段と、ＬＥＤから出た
光からスペクトル幅が狭く中心波長が異なる複数の光を
同時に抽出する波長抽出手段、上記波長抽出手段から出
射された光の一部を分岐し各中心波長毎に分離する波長
分離手段、分離されたそれぞれの波長の強度を受光する
第１の光学系、波長分離手段によって分離した一つの光
をガスの吸収波長に同調させる波長同調手段、空間内に
投射した光によって構造体から発生した散乱光を集光
し、集光した光を上記波長抽出手段で得た複数の光に分
離し受光する第２の光学系、第１の光学系の受光強度と
第２の光学系の受光強度との比を同一波長毎に算出する
演算手段、上記演算手段によって得られた強度比の異な
る波長間における比または差の変化を検出することによ
ってガスの存在の有無を判定する判定手段を備えたもの
である。

【０００７】また第２の発明は、集光した光の強度を受
光し常にモニターする手段と、モニターした強度が常に
一定レベルとなるようＬＥＤから出射する光強度を制御
する強度可変手段を備えたものである。

【０００８】

【作用】この発明におけるガス検出装置は、光源として
１台のＬＥＤを用いているが、光源となるＬＥＤはガス
の吸収波長を含む幅広い波長範囲の光を放射するため、
波長抽出素子を透過させることにより複数のスペクトル
幅の狭い光を同時に抽出することが可能となる。この抽
出した複数の光のうち一つをガスの吸収波長に同調させ
ることにより、ガス検出用の光と参照用の光を同時に一
本のビームとして得ることができる。このビームを一部
分岐した後、各波長毎に光を分離し、それぞれの強度を
モニターする。ガス検出にあたっては、空間内に投射し
た光によって発生した散乱光を受光し、ガス検出用と参
照用の光に分離した後、それぞれ強度検出を行い、モニ
ター強度と散乱光の受光強度との比を測定量とし、ガス
検出・参照用の各波長について求める。ガスが存在しな
い場合、検出用の光と参照用の光の間で測定量の比に変
化は現れない。一方、ガスが検査空間内に存在する場
合、検出用の光はガスによって吸収されるが、参照用の
光は吸収されず、両者の測定量の比に変化が現れる。本
装置はこの変化を検知することにより、ガスの検出を行
う。

【０００９】また、第２の発明におけるガス検出装置
は、散乱光の受光強度を常にモニターし、受光強度レベ
ルが常に所定のレベル範囲内に収まるよう、光源である
ＬＥＤからの出射強度を制御する。

【００１０】

【実施例】

実施例１．以下この発明の一実施例を図について説明す
る。図１はこの発明の一実施例によるガス検出装置を示
す構成図である。図において、１は光源であるＬＥＤ、
２はＬＥＤからの出射ビームを平行ビームに変換するコ
リメートレンズ、３はエタロン、４はエタロンを回転す
る回転機構、５はハーフミラー、６は波長を分離するダ
イクロイックミラー、７はハーフミラー、８は光検出
器、９は光検出器、１０は検出対象となるガスを封入し
たセル、１１は光検出器、１２は光検出器からの出力を
もとに回転機構４を制御する回転機構制御回路、１３、
１４はＬＥＤのビームを空間に投射するためのミラー、
１５は検査空間内に存在する構造体、１６は集光鏡、１
７は光ファイバー、１８は光ファイバーからの出射ビー
ムをコリメートするレンズ、１９は波長を分離するダイ
クロイックミラー、２０、２１はそれぞれ分離された光
を受光する光検出器、２２、２３、２４はわり算器、２
５はわり算器２４からの出力値の変化からガスの有無を
判定する判定回路である。また、図２、３、４は本装置
の各箇所における光のスペクトル特性を示している。図
２において、２６は光源であるＬＥＤの発光スペクト
ル、２７はエタロンがもつ透過率分光分布である。図３
において、２８はガスの吸光スペクトル、２９はエタロ
ンからの出射光がもつスペクトル、３０は波長がλ１の
スペクトル、３１は波長がλ２のスペクトルを示す。ま
た、図４において、３２はガスセルに入射する光のスペ
クトルを示す。図５は、本装置の測定結果の一例を示し
たもので、３３は得られたデータから求められた演算曲
線であり、３４はガスの発生した時点である。

【００１１】以下に第１の発明の一実施例に関する動作
を説明する。ＬＥＤ１から出射された光は、コリメート
レンズ２によって平行ビームに変換され、エタロン３に
入射される。ＬＥＤ１から出た光は、図２に示すように
検出対象とするガスの吸収波長を含む幅広いスペクトル
２６をもっている。また、エタロンは図２に示すよう
に、スペクトル幅が狭く急峻度の鋭いスペクトルを一定
の波長おきに複数個有する透過特性２７をもつ。これら
ＬＥＤの発光スペクトル２６及びエタロンの透過特性２
６から、ＬＥＤから出た光をエタロンに入射させると、
エタロンからは２つの急峻なスペクトル３０，３１をそ
れぞれもつ２つの光が同時に出射される。これら２つの
スペクトルは波長的に十分離れており、ダイクロイック
ミラー等の汎用的な光学部品により、分離可能である。
エタロンからの出射光はハーフミラー５によって一部が
分岐され、ダイクロイックミラー６によって二つのスペ
クトル３０、３１にそれぞれ分離される。このうちスペ
クトル３１をもつ光は光検出器８によって受光され、モ
ニター強度として測定される。一方、ダイクロイックミ
ラー６を透過したスペクトル３０の光はハーフミラー７
によって一部が分岐され光検出器９によってモニター強
度として測定される。また、ハーフミラー７を透過した
光はガスセル１０を透過し、光検出器１１によって受光
される。このときガスセルの中には検出対象となるガス
が封入されており、ガスセルを透過する光の強度は図４
に示すようにガスの吸光スペクトル２８の中心波長とス
ペクトル３０の波長λ１が一致した場合最小となり、両
波長のずれが大きくなるに従い透過光強度は増加する。
波長分離素子であるエタロンは両端面間のギャップ長を
変化させることによって、透過率分光分布の中心波長を
ずらすことが可能となる。ここでは、透過率分光分布の
中心波長をずらせるため、エタロンを回転させ、等価的
にギャップ長を変化させている。回転機構制御回路１２
は光検出器１１からの出力が最小となるようエタロン回
転機構の回転角度をコントロールしている。ここでエタ
ロンを透過した２つのスペクトル３０，３１のうち、１
つのスペクトル３０の波長λ１がガスの吸収波長２８に
同調するよう常にコントロールしている。この結果、ガ
スの吸収波長に同調したスペクトルと吸収波長からずれ
たスペクトルを持つ光を同時に出射させることが可能と
なる。

【００１２】ハーフミラー５を透過した光ビームは２つ
のミラー１３、１４を介して空間内に投射される。検査
空間内に存在する構造体の表面１５上で発生した散乱光
を集光鏡１６によって集め、光ファイバー１７の入射端
面上に集光する。光ファイバーを透過した光はコリメー
トレンズ１８によって平行ビームに変換され、ダイクロ
イックミラー１９によって、２つのスペクトル３０、３
１の各成分に分離され、それぞれ光検出器２０、２１に
よって受光される。わり算器２２は光検出器２０からの
出力信号と光検出器９からのモニター強度信号との比を
演算し、演算器２４に出力する。一方、わり算器２３は
光検出器２１からの出力信号と、光検出器８からのモニ
ター強度信号との比を演算し、演算器２４へ出力する。
演算器２４は散乱光受光強度とモニター光強度との比を
２つスペクトル３０、３１の成分のあいだで比を算出し
判定回路２５へ出力する。演算回路の出力は図５の曲線
３３に示すように、ガスの発生がない場合は一定値を保
つが、ガスの発生した時点３４からガスによる吸収の影
響を受け、測定値が変化する。判定回路２５ではこの変
化を検知し、ガスが発生したと判断する。

【００１３】実施例２．次に、第２の発明の一実施例を
図について説明する。図６はこの発明の一実施例の構成
図である。本発明は、光を空間内に投射し、照射空間中
にある構造体表面からの散乱光強度の変化により、空間
中に存在するガスの検出を行う装置全般に関するもので
あり、その投光手段及び受光手段を特定するものではな
い。ここでは、第１の発明の一実施例の投受光系を引用
して本発明の説明を行う。図において３５は散乱光の受
光強度を予め設定した値と比較する比較回路、３６はＬ
ＥＤの駆動電流を制御する駆動回路である。また図中の
１から３４までの構成要素は図１中の同一符号と同じも
のである。

【００１４】以下に、第２の発明の一実施例について動
作を説明する。ガス検出原理そのものは、第１の発明と
同様であり、ガスの吸収波長に同調させた第１の光とガ
スの吸収波長をずれた第２の波長の光を用い、各波長に
おけるモニター強度と散乱光受光強度との比を２波長間
で比較し、その変化を検知することによりガス検出を行
う。ここでは、比較回路３５により、波長３０の光によ
る散乱光の受光強度を予め設定したレベルと比較し、そ
の差を駆動回路３６に出力する。駆動回路３６は差が０
となるようＬＥＤへの駆動電流を制御する。

【００１５】

【発明の効果】第１の発明においては、ＬＥＤを光源と
し、この光から、波長分離素子を用いてスペクトル幅が
せまく中心波長の離れた２つの光を同時に発生させて空
間中に投射させるとともに、光を一部分岐しそれぞれの
光の強度のモニターを行うと同時に、波長分離素子をコ
ントロールし、このうちの１つの光の中心波長をガスの
吸収波長に同調させるよう投光系を構成している。さら
に投射した光が構造体表面で発生させた散乱光を受光す
るにあたって、それぞれ２つの波長の光に分離し各々の
強度を同時に検出できるよう受光系を構成している。ま
た信号処理系において、散乱光受光強度とモニター強度
との比を２つの光の間で比較し、ガスの有無を検出をで
きるような構成をとっている。この結果、従来必要であ
ったＬＤを制御するための高性能な駆動系が不要となり
装置コストの低減が図れるとともに、ガス検出用及び参
照用の光による測定結果が同時に得られることから、実
時間でのガス検出を実現することができた。

【００１６】第２の発明においては、散乱光の受光強度
をモニターし、これが設定したレベル範囲内になるよう
光源強度を制御するよう光学系を構成したことから、実
際の使用において、受光素子，アンプ等のダイナミック
レンジの制限を受けず、構造体表面の反射率変化による
散乱光受光強度の変動に強いガス検出を可能とする。

【図面の簡単な説明】

【図１】第一の発明の実施例の装置構成図である。

【図２】ＬＥＤとエタロン透過率の分光分布である。

【図３】メタンの吸光スペクトルとエタロンの透過光ス
ペクトルの特性図である。

【図４】メタン吸光スペクトルとガス検出用の光のスペ
クトルの特性図である。

【図５】図１の装置における測定結果の一例である。

【図６】第２の発明に関する一実施例の装置構成図であ
る。

【図７】従来のガス検出装置の構成図である。

【図８】従来のガス検出装置におけるガスの吸収スペク
トルとＬＤの発振スペクトルを示す図である。

【符号の説明】

１ ＬＥＤ光源 ２ コリメートレンズ ３ エタロン ４ 回転機構 ５ ハーフミラー ６ ダイクロイックミラー ７ ハーフミラー ８ 光検出器 ９ 光検出器 １０ ガスセル １１ 光検出器 １２ 回転制御回路 １３ ミラー １４ ミラー １６ 集光鏡 １７ 光ファイバー １８ コリメートレンズ １９ ダイクロイックミラー ２０ 光検出器 ２１ 光検出器 ２２ わり算器 ２３ わり算器 ２４ 演算器 ２５ 判定回路 ３５ 比較回路 ３６ 駆動回路

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 対象となるガスの吸収波長付近の波長を
   含む光源から出た光を空間内に投射する投光手段と、光
   源より出射した光からスペクトル幅が狭く中心波長が離
   散的に離れた光を複数同時に抽出する波長抽出手段、上
   記分離手段から出射された光の一部を分岐し各中心波長
   毎に分離する波長分離手段、分離したそれぞれの波長の
   光の強度を受光する第１の光学系、分離手段によって分
   離した一つの光をガスの吸収波長に同調させる波長同調
   手段、空間内に投射した光によって構造体から発生する
   散乱光を集光し、集光した光を上記波長抽出手段で得た
   同一波長の複数光に分離し受光する第２の光学系、第１
   の光学系の受光強度と第２の光学系の受光強度との比を
   同一波長毎に算出する演算手段、上記演算手段によって
   得られた強度比の異なる波長間における比または差の変
   化を検出することによってガスの存在の有無を判定する
   判定手段を備えたことを特徴とするガス検出装置。
2. 【請求項２】 光を空間内に投射し、光の照射した面か
   ら発生する散乱光の受光強度の変化によりガス検出を行
   うにあたって、散乱光の受光強度を検出し得られる受光
   強度レベルと予め設定した強度レベルとの比較を行う比
   較手段と比較回路の出力を基に光源から出射する光の強
   度を制御する光源制御回路を備えたことを特徴とするガ
   ス検出装置。