JPS59125042A - デイジタルロツクイン型光吸収測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、ディジタルロックイン型光吸収？！１１定装
置に関し、詳しくは、光吸収の弱いあるいｔｉ強い光源
が存在しない波長領域に吸収帯を持つ様な地球大気成分
や大気汚染物質の定量を行う場合に、高い８／Ｎ比で気
体密度を定量する為の分光測光技術に関する。更に詳し
くは、本発明は、光吸収を用いた大気微量成分、大気汚
染気体（Ｈ２０，０３，、ＮＯ２等）及び種々の化学物
質（Ｃｌ−１ａ　、Ｌ（ＣＩ笠）の数密度測定用に、測
定の高精度化をはかる意味で微弱光検出の為のディジタ
ルロンフィン法を手段として組合せた新しい型のディジ
タルロンフィン型光吸収測定装置に関するものである。

従来のこの神の装置は、原理的に窪光束式のものと複光
采式のものに大別される。単光束式のものは、第１図（
ａ）の様に、光ｉ＝　ｉからの光を吸収試料２の適当な
長さの層を通して分１牧糸３内におりるモノクロメータ
の入口スリット上に焦点を結し」せるか、あるいは（ｂ
）の様に、モノクロメータを出た単色光源の光を試料２
にあてる方式である。吸収を決定する為には、試料なし
の状態でもう一度同じ操作を行う。この場合には、勿論
、この２つの操作の間で光源及び検出器の安定性を確か
める必要がある。この様にして得られた第２図（ａ）の
様なスペクトルから各波長毎に吸収とバンクグラウンド
とを比較して吸収スペクトルを出す。

複光束式ｎ二、第３図の様に、連続光源１からの光を２
つの光束に分け、各波長における光景を比較することに
よシ、迅速に、かつ正確に行う。図の様に、光束の１つ
は試料２を通り、もう−力は変化しうる補正済の減衰器
６を通シ、チョッパ７によって２つの光束を交互に分散
系３のモノクロメータに送シ込む。モノクロメータが波
長範囲をスキャンすると、検出器及び増幅器から成る検
出系４は２つの信号を認識して弁別する。試料による吸
収がある場合には、この２つの信号に差ができ、サーボ
増幅器８により、モータが回転して、比較光束中の減衰
器すが働く。比較光束のエネルギーは、この様にして、
２つの光束間に差がなくなるまで減らされ、サーボ機構
は常に２つの光束間の差を減少して、バランスを保つ様
に働く。試料による吸収は各波長におりる減衰器の位１
？【によシ与えられる。減衰器６と記録計９のペンとは
機械的、電気的に接続しておシ、波長が駕わると動く様
になっている記録紙の上に、第２図（ｂ）の様な吸収ス
ペクトルを描く。

原理的には、以上の様なものが、従来用いられてきた光
吸収測定装置であるが、このｆｍの梠成では以下に示す
如き欠点があった。

（１）、機械的にも操作的にも又温度環境という観点か
らも、室内実験用のものであり、野外、宇宙観測用には
むかない。

（２）、光吸収測定とは言っても、吸収が比較的強い（
全光量の％程度）場合に限られ、対象物質の吸収スペク
トルを求めるという点に主眼が置かれたものである。

（３）、光学装置と検出系の問題は完全に分離ネれてお
シ、各々独立な問題として扱わ７するから、検出精度が
よくないし、また、機構的にも、原理的にも弱い吸収帯
を持つ物質の定量という用途にはむかない。

本発明は従来の技術に内在する上記欠点を除去する為に
なされたものであシ、従って本発明の目的は、野外又は
宇宙環境等、測定環ばか大きく変化する条件のもとて時
間的ドｊ７）、４度ドリフト等の影響を受けずに、微弱
な光を用いて高精度に大気微量成分、汚染物質を的確に
定量することができ、大気微量成分、大気汚染物質等の
定量及びその日変化、季節変化、経年変化等の調査を可
能にした新規な光吸収測定装置を提供することにある。

上記目的を達成する為に、本発明に係る装置には、光源
から発生する光を直接的に光検知器へ進む第１の光と光
吸収体を介してｍＩ記検知器へ進む第２の光とに分け、
他力ディジタルロックイン力式における第１及び第２の
単安定回路から出力される第１及び第２のパルス信号を
、水晶発振回路、バイナリカウンタ、レジスフ、アッグ
ダウンカウンク、フリップフロップを含むゲートパルス
発生回路に入力せしめ、該ゲートパルス発生回路から出
力されるゲートパルスと前記光検知器の出力をＶＦ変換
した出力信号とを前記デイジタルロツクイン力式におけ
るゲート回路に入力せしめ、該ゲート回路からそれぞれ
出力される前ｄピ第１の光に苅Ｍ＞した第１の信号と前
記＠２の光に対応する第２の信号によシ前記光吸収体の
定量を行っている。

光吸収を用いて、種々の気体種を定量する場合に、光源
及び検知器共に十分な光量ヲ与える場合は極めて稀であ
り、特に、対流圏、成層圏等での野外観測においては、
電力制限、重量制限等とのかね合いからどうしても取り
扱う光量が微弱とならざるを得ない。しかも測定環境が
測定中に大きく変化する事も測定を困難にする安置であ
る。この様な場合、小さな光の吸収量を出す為には、観
測時間を長く取る事によってＳ／Ｎを向上させ、（７か
も、背景光電流や暗電流の時間的ドリフト、湯度ドソフ
トに影響されないシステムとする小が一？４求され、本
発明では光吸収法に、ディジタルロックイン法を組合せ
てＳ／Ｎを向上させ、かつ高イｒ’、度化な計る為に、
ディジタルロックインフラ式のゲ・−トパルスを高精度
化する事によって、微弱吸収量の定；９．全可能にする
ものである。

次に本発明をその好ましい一実施例について図面を参照
しながら具体的に説明する。

第４図は本発明に係る装置の光学系の一実施例を示す概
略構成図である。図において、参照番号１１け光源、１
２は反射鏡、１３は集光レンズ、１４はビームスプリン
タ、１５ａ１１５ｂは窓、１６は多重反射型吸収セル、
１７は集光レンズ、１８は減光器、１９はチョッパモー
タ、２０はフォトインクラック、２１は蝶形チョンバ、
２２は狭帯域干渉フィルタ又は分光器、２３は光電子増
倍管（光検知器）をそれぞれ示す。

光源１１から出た光は、反射鏡１２で反射させられ森形
チョッパ２１が１２−１３−１４−１８を通る光に対し
てｎ０ｐｅｎＩＴとなるフェーズにおいて、光検知器２
３上に焦点を結ぶ様な集光レンズ１３を通る。集光しン
ズ１３を通った光はビームスプリンター４で窓１５ａ方
向の光■と減光器１８７ｊ向の光重０にほぼ１：１に分
けられる。窓１５ａ力向の光Ｉは多重反射型吸収セル１
６中に入９、相対する球面鏡（間隔３５））間を２７回
多重反射させられて、窓１５ｂから集光レンズ１７に入
る。この集光レンズ１７は、チョッパ２１カ、１２−１
３−１４−１８力向の光を遮光し、（４５光レンズ１７
方向からの光を反射するフェーズにある（回転している
）時に、ちょうど検知器２３上に焦点を結ぶ様な焦点距
離を持つレンズである。従って、光僚１１から出た光は
蝶形チョッパ２１が回転するにつれて約３秒間１２−１
３−１４−１８　を通った光が干渉フィルタ２２を通っ
て検知器２３に入り、その後、約３秒間、１６−１５ｂ
　−１７を通った光が、！、＋４１ξ形テヨンバ２１で
反射させられ、干渉フィルタ２２′ｆ：通って検知器ｎ
に入力される。このように、光源１１から出た光■０、
■は、蝶形チョッパ２１で適当な繰返し周期（例えば０
．１６Ｈｚ）で交互に検知器２３に４びかれる。９１−
って、検知器２３で得られる光の信号波形は第５図の（
ａ）の様なものとなる。

従って、「光学系部分」（第１図の左側部分２４）を真
空又は乾燥窒素で封じておき、吸収セル１６に測定対象
気体を入れれば、Ｂｅｅｒの法則により気体による吸収
量が小さければ、その吸収量に比例して光１ｉＩは減る
事になる。光量差ｌ０−Ｉ（＝△■とおく）を精度良く
求める為に、以下の様に、デイジタルロツクイン力式を
用いる。

第６図、第７図にディジタルロックイン型光吸収測定装
置の原理を示す。以下、これらの図を参照しながら説明
して行く。

一般に、チョッパの開閉には若干の時間を要し、この間
において、しばしば光の強度に乱れが生じる（第５図（
ａ））。従って、この過渡的な時間帯では信号パルス（
光検出器２３の出力をＶ／Ｆ変換したパルス）の言ｉ数
を避ける必要がある。そこで、フォトインクラブタ２０
によって作らｉする参照信号（第５図の（１））、第７
図の１０１）を利用し、単安定回路Ｍ１と高精度ゲート
パルス発生回路Ｍ３によってイご号の立上９より時間ｔ
ｌだけ遅れた所から正確な時間幅ｔ２の矩形信号１０５
を形成し、これを加３１用の制御信号とする。同様に、
単安定回路Ｍ２と高精度ゲートパルス発生回路Ｍ！Ｉに
よシ１０６の様な矩形１１１号（時間幅１１）を形成し
、これを減算用の制御信号とする。但し、信号１０５．
１０６においてパルス幅ｔ２、ｔ４は各々チョッパが完
全に開いた期間、完全に閉じた期間に含まれるようにす
る。

今までのディジタルロックイン法では、ゲートパルス１
０４を作るのに、即ち高精度ゲートパルス発生回路Ｍ３
の部分に、単安定回路（＝几Ｃ）を用いていたが、この
種のものではパルス幅の精度が１０−３が限度であシ、
しかも、温度変化にも弱いという欠点があった。

本発明では、ゲートパルス幅ｔ２、ｔ４を正確（△ｔ＜
１０−’　の精度）に一致させる為に、第８図の様な水
晶発振子、シフトレジスタ及びアップダウンカウンタを
用いて計数精度を１０−６以下とした。即ち、Ｖ／Ｆ変
換器のフルスケール周波数をＩ　Ｍ　Ｈｚとして実際の
光信号のＶ／Ｆ変換変換及パル２周波数００ＫＨｚ程度
、ゲート幅ｔ２、ｔ４を２秒とすれば、計数精度は士−
Ｌ−＝±６．２５刈０−″の計数Ｉ？ｉ殿が得ら扛る。

２Ｘ８Ｘ１０” 従って、この結果、Ｉｏ＝＝ｌＱカウントに対する△■
＝数カウントの計数値は、少なくとも計数精度という観
点からは十分意味のあるものと言う“事ができ、非常に
弱い吸収ｈ１：△１をも測定する事が出来るといえる。

以上に見たように、光量差△■を求める際に、光ｉ１：
：　ｉ　（’　、Ｉの相方に含まれる背景光電流や光電
子増倍管暗電流の時間的ドリフト、温度ドリフト等に起
因する雑音成分は、２〜３秒という繰返し周期の間では
殆んど変化しないので、アップダウンカウンタでΔＩ＝
Ｉｏ−Ｉを求める小によってかなシ除かれ、光計差△■
の純粋な対象気体による吸収量、に近い値が求められる
事になる。即ち、対象気体による吸収量を求める過程で
、同時に雑音成分をも取り除いてＶＮ比を実効的に高め
るという一石二鳥の効果をもたらすわけである。残りの
雑音成分、ｆ、！ｆｌち光電変換時の繰り返し周期より
長い周波数成分の雑音、ショット雑音、光電子放出が確
、　率分布を持つ事に起因する雑音等については、観測
時間を長く取る事によって、原理的に、いくらでもＳ／
Ｎ比を上げる噂ができ、この方式の大きなｑ！ｆ徴と言
える。

第８図は第６図で説明した本発明に係る高精度ゲートパ
ルス発生回路〜■３の一実施例を示すブロック構成図で
ある。図において、参照番号３１は例えば、４．１９４
３０４Ｍ）（ｚ　（Ｄ水晶発振回路、３２は４ピントバ
イナリカウンタ、３３は第１図のフォトインクジゲタ２
０で作られる例えばＱ、１５１（ｚ（周期（１２５秒）
Ｕ）＠開信号の立上シと立下りに作られる１パルス（第
７図の１０２．１０３）イｈ号の和、３４は例えば８ビ
ツトシフトレジスタ、３５は例えば６１１６１の４ピン
トアンプダウンカウンタ、３６は３人力ＮＯＲゲート、
３７は単安定回路、３８はＪＫ−７リツグフロンプ、３
９　ｉｃｊ高Ｂｒ度ゲートパルスの出力をそｆｔそれボ
丁。

入力信号３３（第６図の単安定回路Ｉ心、へ・１２から
出力される信号１０２．１０３）は例えば８．１２５秒
１ｒｊに１パルス（パルス幅０．３μＳ）スつシフトレ
ジスタ３４に入力され、このシフトレジスタ３４の出力
ＱＨによって、高精度ゲートパルス作成用のＪ　Ｋ−ノ
リング７０ツブ３８を立ち上げる。それと同時にシフト
レジスタ３４の出力Ｑ〃によって、６個のアップダウン
カウンタ３５の最上桁（第８図の一番右側のカウンタ）
のデータ（図では、Ｊ）ＣＢＡ＝０１０１より　５Ｘｌ
　６’＝　５２４２８８０力ウント分）をプリセットし
て水晶発振回路３１、バイナリカウンタ３２で作成され
た２、０９７１５２〜ｌＨｚパルスを■端に入力させて
、それにより、上記５２４２８８０力ウント分を減算し
始める。そして、アンプダウンカウンタ３５の最上桁の
カウンタの下（”＋’１．３ピントの出力（図〕ＱＡ１
ＱＢ１ＱＣ）が全てゼロ、Ｒ（Ｊち４　Ｘ　１６’＝４
１９４３０４カウント減算した＆でＮＯ比ゲート３６、
単安定回路３７により高精度ゲートパルスを閉じる１パ
ルスヲ作ってＪＫ−７リンプフロング３８を閉じる。こ
の結果、出力３９には第７図１０４の如きパルス信号が
発生する。ゲートノ（ルス１０４のパルス幅は、上記４
　Ｘ　１６５力ウント分＝２．００００００秒の高希′
度なゲートノくルスとなる。この高精度なゲートパルス
信号１０４は第６図のゲート回路ＯＡに人力され、それ
によって、第４図の光検出器２３の出力をＶ／ｋ“変換
した出力信号ＳＩＧがゲート処理さｉする。該ゲート回
路Ｇ１から第７図に示される出力信号１０７．１０８が
発生し、これらのイｉ（号１０７．１０８により光−１
，１，差が求められる。

本発明の上記考”４成によれば、紫外域から赤外域にか
けての広い波長域での各種大気成分、大気汚染物質等の
弱い光吸収を用いた物質の定置及び環境条件が厳しい野
外、宇宙環境での物質定置、測定が可能となシ、データ
処理系に適当な処理装置（ミニコンピユータ、マイクロ
コンピュータ等）を付加する事によって常時、大気成分
、汚染気体等のモニタリングが出来るという利点がある
。

更に、前記実施例で述べた高精度化されたディジタルロ
ンフィン法を用いれば、本発す」におりる光吸収法とし
てだけでなく、地球超高ｊ暗大気からの夜光観測や種々
の化学物質からの螢光、燐光スペクトル測定等微弱光の
検出という意味においても大いに威力を発輝するものと
思われる。

以上本発明をその良好な一実施例について説明したが、
それは単なる例示的なものであり、ここで説明された実
施例によってのみ本願発明が限定されるものではなく、
その範囲内におけるすべての変形、変更を含むものであ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）、（ｂ）は従来におけるこの棹の装置６０
例（単光束式）を示すブロック図、第２図（ａ）、（ｂ
）は従来の装置ト°ｔの動作特性図、；３３図は従来に
おけるこの種の装置の他側（複光束式）を示すブロック
図、第４図は本発明に係る装置ｋ−の光学系の一実施例
を示す概略（７４成図、第５図はチョッパの開閉による
光の強度を説明する為の図、第６図は本発明に使用され
るデイジタルロックインカ式の概略構成図、第７図は本
発明の１ｉＩＩＩ作タイムチャート、第８図Ｃ：本発明
に係るゲートパルス発生回路の一実施例を示すブロック
構成図である。 １・・・連続光源、２・・・試着、３・・・分散系、４
・・・検出系、５−・・記録紙、６・・・減衰器、７＠
・−チョッパ、８・・６サーボ増Ｉ１９：Ａ器、９・・
・記録計、Ｍｌｓ　Ｍ２　拳・・単安定回路、Ｍ３・・
・高精度ゲートパルス発生回路、Ｑｌ　拳−・ゲート回
路、１１・・争光諒、１２・・・反射鏡、１３・・・集
光レンズ、１４・・命ビームスプリッタ、１５ａ％１５
ｂ・・・窓、１６・−や−測定に必猥とされる光路長を
もった多重反射型吸収セル、１７・・・集光レンズ、１
８・・・減光器、１９・・・チョッパモータ、２０會・
・フォトインタラプタ、２１・・・蝶形チョンパ、２２
・・・狭帯域干渉フィルタ又は分光器、２３・・・光検
知器（光電子増倍管）、２４・・９光学系部分、３１嗜
・・水晶発振回路、３２・・・バイナリカウンタ、３３
・・・参照信号の繰返し周期０．１６Ｈｚ（＝６．２５
秒）の場合、８．１２５秒ＩＤ　ニ第３図の単安定回路
Ｍ１、Ｍ２で作られるパルス１０２、・１０３の和、３
４＠−・シフトレジスタ　３５　＠ψ・アンプダウンカ
ウンタ、３６０・・ＮＯｌ（、ゲート、３７・・の単安
定回路、３８−−−　ＪＫ−フリップフロッグ、３９・
・・出力 特許出願人　　　日本電気株式会社 代　理　人　　　弁理士　熊谷雄太部 ａｌ ［ｂｌ 第１　図 第２図 第３　図 ２０９− 第４図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 光源から発生する光を直接的に光検知器へ進む第１の光
   と光吸収体を介して前記検知器へ進む第２の光とに分け
   、他力デイジタルロツクイン力式における第１及び第２
   の単安定回路から出力される第１及び第２のパルス化け
   を、水晶発振回路、バイナリカウンタ、レジスタ、アッ
   プダウンカウンタ、７リツプ７０ツブを含むゲートパル
   ス発生回路に人力せしめ、該ゲートパルス発生回路から
   出力されるゲートパルスとＯｉｌ記光検光検知器力を■
   ／Ｆ変」外しだ出力信号とを前記ディジタルロック１７
   カ式におけるゲート回路に入力せしめ、該ゲート回路か
   らそれぞれ出力される前記第１の光に対１．し、した第
   １の信号と１１１記第２の光に対応する第２の信号によ
   Ｖ）　Ａｉ’ｌ記光吸収光吸収体を行うことを特徴とし
   たディジタルロンフィン型光吸収測定装置１°ｉ、。