JPS61250543A - ガス検出用干渉計装置 - 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】 発明の分野 本発明はガスの存在を検出するための干渉計装置に係わ
り、特定的には数種のガスの分析が可能な高感度装置に
係わる。

従来の技術 ガスの分析及び／又は定量、又はこれらガスの識別に用
いられる干渉計装置は既に知られている。

公知装置では通常干渉フィルタに連結された２つの偏光
素子の間の複屈折板が干渉計手段として使用され、この
複屈折板によって生じる光路差を調整すべくこの板の厚
みを調整する手段が具備される。例えばこの複屈折板の
調節温度を操作するのである。

前記偏光素子の一方は、分析時に信号を送出する検出器
を出力に備えた当該システムの変調を行なうぺ〈回転す
るようＫなっている。

例えば成る先行技術装置では、紫外領域内で発光する光
源の像が、分析すべきガスの入ったセルと前述の如き干
渉計及び変調手段とを介して検出器上に形成される。

偏光素子として例えば「ポラロイド（Ｐｏ１ａｒｏｉｄ
■）」の如き偏光フィルムを使用し且つこれら素子の一
方が回転するような前述タイプの装置は、発光時の測定
の場合には完壁に作動するが、更に大きな感度を有し且
つ複数種のガスの検出に変調なしで使用できるような装
置の実現が望まれる。

例えば前述の先行技術装置では、成る種の構成素子の性
能が比較的低い。特に偏光子は偏光フィルムからなる場
合には比較的高い吸収率を有し、消光率が低い。

また、前記先行技術装置で使用される干渉フィルタは、
紫外領域内でｌＯ〜１５−程度の極めて低い透過率を示
し、且つ弱い信号を消失せしめ得るノイズを発生させる
大量の迷光を通すという欠点を有する。

本発明の目的は、干渉計によυガスを検出する高感度の
装置を提供することにある。

後述の如く本発明の装置は、数種のガスの分析を簡単に
実施せしめる。

本発明の干渉計装置は、ガス混合物中のガスの検出及び
／又は分析に使用され、応答信号を送出する検出器の感
応素子上に光源の儂を形成する光学アセンブリを備え、
前記像は分析すべきガス混合物を収容するセルを介して
形成され、このセルに続いて干渉計アセンブリが配置さ
れ、このアセンブリは干渉フィルタと、偏光子及び分析
器相互間の複屈折板と、変調手段とで構成され、前記偏
光子及び分析器が２つの偏光プリズムからなり、これら
のプリズムの光軸が該装置の軸線と直交し、各プリズム
が測光的には互いに同等であるが直線且つ直角的に偏光
した２つの儂を形成せしめることを特徴とする。

信号の変調に前記プリズムの一方を回転させることは余
シ有利ではない。この変調には装置の光軸を中心に回転
する半波板を使用し得る。しかし壜から周知の如く、光
線束中で光学素子を回転させると必ず寄生変ｖ４（５ｔ
ｒａｙ　ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ　）が生じる。この寄生
変調は特に極めて弱い信号を検出したい−には極めて厄
介な問題Ｋｌ）得る。

本発明ではシリカ又は畳方のプレートからなる光弾性変
調器によって変調手段を構成する。前記プレートは圧縮
によって可変複屈折が与えられるように圧電セラミック
によって励起される。このようＫすれば寄生変調が完全
に回避される。

先行技術装置の欠点としては、紫外領域における干渉フ
ィルタの極めて低い透過率、即ち１０〜ｉｓｓ程度の透
過率も挙げられる。このフィルタは大量の迷光を通過さ
せるスペクトル帯「フィー）（ｆｅｅｔ）Ｊも有する。

この迷光は弱い信号を消失せしめ得るノイズを発生させ
る。

本発明では先行技術装置の干渉フィルタに代えて、ホロ
グラフィ又はエツチングによる格子を用いることＫする
。例えば１８０〜１，０００　ｎｍの紫外領域の場合に
は曲率半径の小さｂ凹面ホログラフィ格子を用い、光源
に対応する光源スリットの儂である入口スリットと、こ
の入口スリットと対をなし且つ検出器と対面して配置さ
れる出口スリットとを設ける。

曲率半径を約１０ｏｔｎｍａ度に小さくすると、約４０
１）の大きな透過率が得られ、当該システムの遮断周波
数と通過周波数帯とが完壁に規定され、従って該システ
ムをフィルタとして使用し得る条件が十分に満たされる
。

更に、遮断周波数及び通過周波数帯が前記スリットの幅
を変えることによって調整可能であり、本発明の装置を
用いればスリットを固定したまま格子を可転させるか、
又は所定スペクトル領域に対応する複数の出口スリット
を配置し且つ種々の領域を順次閉塞することＫよシこれ
らスリットを選択することＫよって、複数のスペクトル
領域に固定することができる。

後述の如く平面格子、よシ一般的には任意の格子形ディ
スマルチプレクサ装置も使用し得る。

本発明の目的、特徴及び利点は、添付図面に基づく以下
の非限定的寥−具体例の説明から明らかＫされよう。

（以下余白） 第１図に示した特定具体例では、本発明の干渉計装置は
光源Ｓ（例えば２８０　ｎｍよシ大きい波長用のヨード
石英２ンプ、又は２８０ｎｍよシ小さい波長用のジュー
チリウムランプ）と、光源スリットＦｏ　と、互に合致
し且つスリットＦ６　と−直線番こ配置される光軸を有
する２つの対物レンズ０１及び０鵞（各々の焦点距離は
例えば１００龍）と、これらレンズの間でレンズＯ！の
方から順次配置されるガスセルＣ１後で詳述する干渉計
アセンブリＩ及びアセンブリの出口側のスリットＦ１と
で構成される。スリットＦｌ上にはレンズ０１と、セル
Ｃと、干渉計アセンブリＩと、レンズ０！とを介してス
リットＦｏの像が形成される。スリットＦｌは曲率半径
の小さい凹面ホログラフィ格子Ｈの入口スリットを構成
し、出口スリットＦ！と協働する。このスリットＦ、は
照射されると信号３を送出する検出器ＰＭの感応素子の
前に配置される。

干渉計アセンブリエは２つの同種のダブルイメージ形偏
光プリズムＷ１及びＷ雪と、これらプリズムの間の複屈
折板り及び光弾性変調器Ｍとで構成される。２つのプリ
ズムＷ！及びＷ、は同種のダブルイメージ形偏光プリズ
ム、例えば２つのウオーラストン（Ｗｏｌｌａｓｔｏｎ
）プリズム、又は２つのロション（Ｒｏｃｈｏｎ　）プ
リズム等からなる。これらのプリズムは例えば７フ化マ
グネシウムで形成し得、これらプリズムのエレメントは
密着し合う（接着はしない）。第１図のＷ！及びＷりは
ウオーラストンプリズムである。

複屈折板りは、この板によって生じる光路差を調整すべ
く温度調節される。

光弾性変調器Ｍはシリカ又は壁面のプレートであシ、圧
電気セラミック番こよって励起される。その結果このプ
レートには圧縮による可変複屈折が与えられる。変調器
Ｍの光軸は複屈折板りのそれらなる前記干渉計アセンブ
リＩの動作を示している。

プリズムＷ１は自然光の平面波から％Ｐｌ及びＰ、に従
って互に直交方向に偏光される２つの非干渉性波を送出
する。光弾性変調器Ｍ及び複屈折板りは互に平行でＰＬ
及びＰｔから４５°の軸線を有し、２対の平行偏光波（
Ｖｌ、Ｖ’ｌ）及び（Ｖｌ。

Ｖ’ｓ）を送出する。各対の偏光波は干渉性であシ、角
度φだけ変位し、且つ直角に（Ｐｒ又はＰａから４５°
）偏光されている。プリズムＷ！は各先行偏光波対から
、互いに平行で平行偏光された２つの波からなる新しい
対を２組発生させる。

従って出口には偏光波対’１，２，３．４が得られる。

２つの波ｌは干渉性であ、９．１＋ｃｏｓφに比例する
強さでレンズ０りによシ点ｌに集束する。２つの波４も
同様ｌこして１　＋　ｃｏｓφ　の強さで点４に集束す
る。対２及び３は互いに平行であシ、０鵞　の焦点−こ
集束し、且つ２　（１−ｃｏｓφ）の強さを有する。

本発明を使用するには３つの焦点のうちから１つを切離
さなければならない。好ましくはレンズ０雪の焦点を選
択する。この焦点の儂は他の２つの像の２倍の強さを有
するからである。この２倍の強さはスリン）Ｆｌを適切
に配置することによって得られる（第１図参照）。

以上説明してきた装置は、後述の如く複数種のガスの同
時処理に使用し得る。

但し目的の種々のガスは、同一光源、同一検出器、同一
ホログラフィ格子を使用できるように同一スペクトル範
囲、例えば１８０　ｎｍ　＝　１０００　ｎｍの可視〜
紫外領域に吸収バンドを有する必要があることに留意さ
れたい。

理論的には、ガスの各微細構造毎に複屈折板にとって最
適の厚みが対応するが、この厚みの公差は余シ厳密では
ない。実際、周期δσ（σは１／スに等しい波の数）の
微細構造に対応するフリンジの再成長は光路差 Δ　＝□ δσ で生起するが、数十のフリンジが明確なコントラストを
もって再出現する。

Ｓ　Ｏｓガスの場合にはΔ＝ｅΔｎ　＝＝　１００λ±
１０λである。ｅは厚み、Δｎは複屈折である。

ｅに関してはΔｅ＝１０λ／Δｎに等しい公差がある。

従って、Δｎ　＝１０−’＋λ＝　３００　ｎｍ　（紫
外）の場合、即ちΔ６＝＝Ｑ、３Ｍでは厚みＣは２．７
〜３．３鱈であってよい。

この公差はスペクトルの周期性が低下すればする程大き
くなる。実験の結果、同一の屈折板を用いてＳｏｎ　、
ＮＯｘ　、Ｎｏ及び０３を同時番と処理し得ることが判
明した。これは環境測定と発光時測定とに上って極めて
有利なことである。

複数種のガスの同時処理に同一複屈折板を用いるのが不
都合な場合には、適切に選択した厚みの板を数個並置す
ることができる。

例えば第３図のように２つの複屈折板を配置してもよい
。これら２つの複屈折板Ｌｔ（厚みｅｌ）及びＬｓ　（
厚みｅりは光弾性変調器Ｍの軸から４５°　の互いに平
行な軸を有する。

このアセンブリでは厚みを同時にｅｌ　＋　ｅ鵞及びｅ
ｌ−ｅｆｉにすることができる。

第４図は本発明の干渉計装置の一変形例を示す。

この変形例では凹面ホログラフィ格子Ｈに代えて、エツ
チング又はホログラフィによる平面格子）１／を第２ウ
オーラストンプリズムＷ２の直ぐ後に、この格子Ｈ′の
２インが水平になるようｉこ、即ち第４図（装置の平面
図）の平面と平行になるように配置する。プリズムＷ雪
とスリットＦ１との間に配置された第１図及び第２図の
集束レンズｏ２に代えて、ζこではレンズＱ／、を格子
Ｈ’の次に配置する。このレンズは信号Δを送出する検
出器ＰＭの感応素子上ζこ光源スリン）Ｆｏの像Ｆ′を
形成せしめる。

この場合も２つの側方儂の２倍の強さをもつ中央像が得
られ、好ましくはこの中央像を使用する。

本発明は勿論ここで説明した具体例には限定されず、本
発明の精神と範囲とを逸脱することなく当業者によって
様々ｉこ変形し得る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のガス分析用干渉計装置の一具体例を示
す簡略説明図、第２図は第１図の装置の細部簡略説明図
、第３図は複数のガスを同時に処理すべく２つの複屈折
板を備えた装置の一具体例を示す細部簡略説明図、第４
図は平面格子を用いる本発明の干渉計装置の一変形例の
出口を下側から見た簡略説ＢＡｒＩ！Ｊである。 Ｓ・・・光　源ｓ　　　ＦＯ・・・光源スリット、Ｏｔ
、Ｏｔ・・・対物レンズ、　　Ｃ・・・ガス収容セル、
Ｗｌ、　Ｗ、・・・偏光プリズム、　Ｍ・・・光弾性変
調器、Ｌ　、Ｌｔ　−Ｌｔ・・・複屈折板、Ｆｌ・・・
入口スリット、Ｆ宜・・・出口スリット、　Ｈ，Ｈ／・
・・格子、ＰＭ・・・検出器、　　■・・・干渉計アセ
ンブリ。 マ −５戸 〜も Ｅヨグ　−

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）検出器の感応素子上に光源の像を形成せしめる光
   学アセンブリを有するタイプのガス検出及び／又は分析
   用干渉計装置であつて、前記像は分析すベきガス混合物
   を収容するセルを介して形成され、このセルには干渉計
   アセンブリが続き、このアセンブリは干渉フィルタと、
   分析器及び偏光子相互間で変調手段に対応する複屈折板
   とからなり前記分析器と偏光子とが２つの偏光プリズム
   で構成され、これらプリズムの光軸が該装置の光軸と直
   交し、各プリズムが測光的には互いに同じであるが直線
   且つ直角的に偏光された２つの像を形成せしめ、前記変
   調手段がシリカ又は螢石のプレートからなる光弾性変調
   器で構成され、このプレートが圧縮によつて該プレート
   に可変複屈折を与えるべく振動する圧電気セラミックに
   連結され、このプレートの軸が複屈折板の軸と平行であ
   り、前記干渉フィルタが格子形マルチプレクサ装置で構
   成される干渉計装置。
2. （２）干渉フィルタが曲率半径の小さい凹面ホログラフ
   イ格子で構成され、光源に対応する光源スリットの像で
   ある入口スリットと、この入口スリットと対をなして前
   記検出器に関し対面して配置される出口スリットとを有
   する特許請求の範囲第１項に記載の装置。
3. （３）入口スリットと出口スリットとが固定され、格子
   が選択されたスペクトル領域の関数として回転する特許
   請求の範囲第２項に記載の装置。
4. （４）所望のスペクトル領域の関数として選択され且つ
   必要に応じて閉鎖し得る複数の出口スリットが単一の入
   口スリットに対応する特許請求の範囲第２項に記載の装
   置。
5. （５）干渉フィルタがエッチング又はホログラフイの平
   面格子からなり、第２プリズムの直ぐ後に配置され、こ
   の格子の後には光源に対応する光源スリットの集束レン
   ズが続き、更に出口スリットが前記検出器と対面して配
   置される特許請求の範囲第１項に記載の装置。
6. （６）少なくとも２つの複屈折板を有する特許請求の範
   囲第１項から第４項のいずれかに記載の装置。