JPWO2010010684A1 - 赤外線吸収検査装置および赤外線吸収検査方法 - Google Patents

赤外線吸収検査装置および赤外線吸収検査方法 Download PDF

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Abstract

測定対象物を透過したときの光の吸収を検査するとき、まず、パルスレーザ光をレーザ光源から出射させ、測定対象物を透過したパルスレーザ光を受光して受光信号を得る。次に、得られた受光信号の信号レベルが設定された閾値を横切るタイミングで、矩形パルスを生成し、この矩形パルスを、パルスレーザ光の出射のための駆動パルスとしてレーザ光源に供給する。これにより、パルスレーザ光の出射が繰り返し行われ、パルスレーザ光の吸収による光強度の低下によって生じる矩形パルスの生成のタイミングの累積遅延時間を求め、この累積遅延時間を用いて、光の吸収を検査する。

Description

本発明は、波長が赤外領域にあるパルスレーザ光を測定対象物に照射し、測定対象物を透過したパルスレーザ光を計測することにより測定対象物による光の吸収を検査する装置および方法に関する。特に、特定の波長における赤外線の吸収から、測定対象物の１つである微量ガス等の濃度を高速かつ高感度に検出する技術分野に属する。
現在、空気中にｐｐｍ程度のオーダで含まれるガスの濃度を測定するために、ガス分析計が用いられている。ガス分析計には、定電位電解法、化学発光法、及び高度方式（ザルツマン試薬方式）のいずれかの方式が用いられる。しかし、これらの方法では、いずれも、検査対象のガスを含む空気を特別なセルに一度収納して測定を行うため、流れる検査対象のガスを含む空気をリアルタイムで検査することができないといった問題がある。
また、波長が赤外領域にあるレーザ光を用いてガス濃度を測定する方法として、マルチプルレフレクションセル法（非特許文献１）やキャビティリングダウン法（非特許文献２）等が挙げられる。このとき、測定対象物を収納する細長い空間を有し、その両端面に反射面を備えるセルが用いられ、この空間の長手方向に沿ってレーザ光を照射する。細長い空間を有するセルを用いるのは、測定対象物が、空気中に含まれる測定対象物のガスの濃度がｐｐｍ程度と低いとき、レーザ光のセル内の光路を長くすることにより、例えば、光路を１〜１５ｍとすることにより、濃度の低い微量なガスを精度良く検査するためである。
図７には、マルチプルレフレクションセル法を用いる装置５０の概略が示されている。この装置５０では、細長い空間を有するセル５１を用い、両端面に反射率の高い鏡５２を設ける。セル５１に入射したレーザ光を、鏡５２を配した両端面で何度も反射させることでレーザ光の光路を長くすることができる。こうして鏡５２で複数回反射した後のレーザ光を検出器５３で検出するとともに、セル５１にレーザ光が入射する直前に分離して得られた参照光を検出器５４で検出し、検出器５３で得られた信号強度と検出器５４で得られた信号強度との差分を求めることにより、ガスを検査する。このように、レーザ光を鏡で反射させることにより光路長を長くし、測定対象のガスによるレーザ光の吸収量が大きくなるので、微量なガスであってもレーザ光の吸収量を検査することができる。
図８には、キャビティリングダウン法の装置６０の概略が示されている。この装置６０では、細長い空間６１の両端面に凹面鏡６２，６３を設け、この空間６１内にレーザ光を閉じ込めて、レーザ光の光路を長くする。凹面鏡６３から反射回数に応じてレーザ光ｐ0，ｐ1・・・，ｐMが取り出され検出器６４で検出され、コンピュータ６５でガスの吸収量を算出する。このように、凹面鏡６２，６３を用いることによりレーザ光の光路を長くすることができ、測定対象のガスによる吸収量が大きくなり、微量なガスであってもレーザ光の吸収量を検査することができる。
しかし、図７に示す装置５０では、反射率の高い鏡を作製することは難しく、さらに、レーザ光の光束の広がりを長い光路で一定に維持することも難しい。
図８に示す装置６０でも、図７に示す装置５０と同様に、反射率の高い凹面鏡を作製することは難しい。さらに、反射率の高い凹面鏡を用いるので、レーザ光を端面から細長い空間内に導入するには、出力の大きなレーザ発生装置が必要となる等の課題がある。
このように、ガスの濃度を測定するには測定用の特別なセルが必要である。また、赤外線のレーザ光を用いるマルチプルレフレクションセル法やキャビティリングダウン法を実施する装置では、高い反射率の鏡を作製することやレーザ光の導入方法に難点がある他、測定したいガスをセルに導入する必要があるので、化学反応生成物等をその場でリアルタイムで計測することが難しい。
Laser Spectroscopy, Springer出版, Wolfgang Demtroder,P370 Laser Spectroscopy, Springer出版, Wolfgang Demtroder,P383
このような状況下、本発明は、特別なセルを必要とせず、レーザ光の光路を長くすることなく、リアルタイムで測定対象物による光の吸収を正確に検査できる、レーザ吸収法を用いた光吸収検査装置および光吸収検査方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明は、パルスレーザ光を測定対象物に照射し、測定対象物を透過したときのパルスレーザ光の吸収を検査する装置であって、
供給される駆動パルスに応じて、パルスレーザ光を出射するレーザ光源と、
測定対象物を保持し、前記パルスレーザ光を測定対象物に照射し透過させる測定部と、
前記測定対象物を透過したパルスレーザ光を受光し、受光信号を出力する受光部と、
前記受光部から出力された受光信号の信号レベルが、設定された閾値を横切るタイミングで、単一の矩形パルスを生成するパルス生成器と、
生成された前記矩形パルスを、前記レーザ光源におけるパルスレーザ光の出射のための前記駆動パルスとして前記レーザ光源に供給し、該駆動パルスの供給のたびに、前記レーザ光源から単一のパルスレーザ光を出射させるレーザドライバと、
前記レーザドライバに、パルスレーザ光の出射開始のための立ち上げ用の駆動パルスが供給されて前記レーザ光源がパルスレーザ光を出射した後、前記パルス生成器から前記矩形パルスが複数回供給されることにより、前記レーザ光源が単一のパルスレーザ光を複数回出射し、前記パルス生成器で生成される前記矩形パルスの生成回数が所定の数に達したとき、前記矩形パルスの生成回数が前記所定の数に達したときに生成された矩形パルスと前記立ち上げ用の駆動パルスとの間の時間内に、パルスレーザ光の吸収による光強度の低下によって生じる前記矩形パルスの生成のタイミングの累積遅延時間を求め、求めた前記累積遅延時間を用いて、測定対象物によるパルスレーザ光の吸収を検査する制御・処理部と、を有することを特徴とする光吸収検査装置を提供する。
その際、前記測定対象物は、気体に含まれるガスであり、前記制御・処理部は、前記ガスの光吸収があるときの、前記矩形パルスの生成のタイミングの遅延時間と、前記ガスの濃度との対応関係を表した参照テーブルを予め備え、この参照テーブルを用いて、求めた前記累積遅延時間から前記ガスの濃度を算出することが好ましい。
また、前記レーザ光源が出射するレーザ光の波長は、前記制御・処理部によって可変に制御され、前記制御・処理部は、前記累積遅延時間が最大となる第１の波長と、最小となる第２の波長を前記レーザ光源に設定し、前記第１の波長において求められる前記累積遅延時間と、前記第２の波長において求められる前記累積遅延時間との差分を用いて、測定対象物による赤外線の吸収を検査することが好ましい。
また、前記レーザ光源から出射したパルスレーザ光を、前記測定部に入射する前に分離させるビームスプリッタと、分離したパルスレーザ光を受光し、パルスレーザ光の光強度を検知する強度センサと、前記パルスレーザ光の光強度の揺らぎを補償するために、前記強度センサで得られた光強度に基づいて、前記閾値を調整する閾値調整部と、を有することも好ましい。その際、前記閾値調整部は、前記強度センサで得られる前記光強度に比例するように、前記閾値を設定することが好ましい。
前記パルスレーザ光は、例えば、波長が赤外領域にあるレーザ光である。
また、本発明は、パルスレーザ光を測定対象物に照射し、測定対象物を透過したときのパルスレーザ光の吸収を検査する方法であって、
パルスレーザ光の出射ために供給される駆動パルスを用いて、前記パルスレーザ光をレーザ光源から出射させ、測定対象の測定対象物を透過したパルスレーザ光を受光して受光信号を得る第１のステップと、
得られた受光信号の信号レベルが設定された閾値を横切るタイミングで、単一の矩形パルスを生成させる第２のステップと、
生成された前記矩形パルスを、単一のパルスレーザ光の出射のための前記駆動パルスとして前記レーザ光源に供給する第３のステップと、
前記第１のステップ、前記第２のステップおよび前記第３のステップを繰り返し行い、
前記生成される矩形パルスの生成回数が所定の数に達したときの矩形パルスと、前記パルスレーザ光の出射開始のために生成された立ち上げ用の駆動パルスとの間の時間内に、パルスレーザ光の吸収による光強度の低下によって生じる前記矩形パルスの生成のタイミングの累積遅延時間を求め、この累積遅延時間を用いて、測定対象物によるパルスレーザ光の吸収を検査する第４のステップと、を有することを特徴とする光吸収検査方法を提供する。
その際、前記第１のステップにおいて、前記累積遅延時間が最大となる第１の波長と、最小となる第２の波長を前記レーザ光源に設定し、前記第４のステップにおいて、前記第１の波長において求められる前記累積遅延時間と、前記第２の波長において求められる前記累積遅延時間との差分を用いて、測定対象物の赤外線の吸収を検査することが好ましい。
また、前記第１のステップにおいて、前記レーザ光源から出射したパルスレーザ光を、測定対象物に照射する前に分離し、分離した前記パルスレーザ光を受光し、パルスレーザ光の光強度を検知し、前記パルスレーザ光の光強度の揺らぎを補償するために、前記検知した光強度に基づいて、前記閾値を調整する第５のステップをさらに有することが好ましい。
前記パルスレーザ光は、例えば、波長が赤外領域にあるレーザ光である。
本発明では、パルス生成器で生成される矩形パルスの生成回数が所定の数に達したときの矩形パルスと立ち上げ用の駆動パルスとの間の時間内に、パルスレーザ光の吸収による光強度の低下によって生じる矩形パルスの生成のタイミングの累積遅延時間を求め、この累積遅延時間を用いて、測定対象物による光の吸収を検査する。したがって、従来のように、受光信号の振幅の変化によって求める場合に比べて、精度の高い検査を行うことができる。
また、パルスレーザ光が、測定部に入射する前に、その一部分をビームスプリッタで分離させることにより、分離したパルスレーザ光を強度センサで測定し、この強度センサで得られた光強度に基づいて、パルス生成器で用いる閾値を調整するので、パルスレーザ光の光強度に出射の度にばらつきがあっても、正確な遅延時間を求めることができ、精度の高い検査を行うことができる。
本発明の光吸収検査装置の一実施形態の概略構成図である。 本発明の光吸収検査装置で得られる遅延時間を説明する図である。 （ａ）〜（ｅ）は、図１に示す装置で生成される信号のタイミングチャートである。 図１に示す装置における矩形パルスの遅延時間を説明する図である。 図１に示す装置に組み込まれる装置の概略構成図である。 本発明の光吸収検査装置の他の実施形態の概略構成図である。 従来のマルチプルレフレクションセル法を用いる装置の概略構成図である。 従来のキャビティリングダウン法を用いる装置の概略構成図である。
以下、本発明の光吸収検査装置および光吸収検査方法について説明する。
図１は、本発明の光吸収検査装置の一実施形態である、赤外線吸収法による微量ガスの検査装置１０の概略構成図である。
検査装置１０は、レーザ光源１２、測定部１４、光受信器１６、受光信号用増幅器１８、コンパレータ・信号生成器（以降、単にコンパレータという）２０、第１カプラー２２、第２カプラー２４、駆動信号用増幅器２６、および制御・処理部２８を有する。レーザ光源１２、測定部１４、光受信器１６、受光信号用増幅器１８、コンパレータ２０、第１カプラー２２、第２カプラー２４、駆動信号用増幅器２６の構成部品がループ状に設けられている。
レーザ光源１２は、波長が赤外領域にある単一のパルスレーザ光を、供給される単一の駆動パルスに応じて出射する光源である。例えば、赤外領域からテラヘルツ領域において任意の波長領域のレーザ光を出射する量子カスケードレーザ（ＱＣＬ）光源が用いられ、予め設定された赤外領域の範囲にレーザ発振器を設定したものが好適に用いられる。赤外領域には、検査対象とするガス分子の吸収線が多数存在し、各種のガス分子の吸収を測定することができる。レーザ光源１２は、制御・処理部２８によって、出射するレーザ光の波長が可変に制御されるように構成されている。レーザ光源１２からのパルスレーザ光の出射時間は例えば１ｎ〜数１０ｎ秒程度に設定されている。
測定部１４は、検査対象とするガス成分を含んだ気体を収納する空間を有する筒状容器で構成され、レーザ光源１２から出射したパルスレーザ光が筒状容器の一方の端から他方の端に向かって通過するように、両端に光透過窓が設けられている。筒状容器は、密閉された容器である必要はなく、検査対象とするガス成分を含んだ気体が流れる状態で検査できるように、気体導入口１４ａおよび気体排出口１４ｂが設けられている。このように、流れる気体を検査対象とできるのは、気体に含まれる検査対象のガス成分の濃度を、後述するように略リアルタイムで計測することができるからである。
また、筒状容器の、レーザ光の進行方向に沿った長さも、従来のように１〜１５ｍと長い必要はなく、数ｃｍ〜１ｍであってもよい。
光受信器１６は、筒状容器内の、検査対象とするガス成分を含む気体を透過したパルスレーザ光を受光し、受光信号を出力する部分で、例えば、ＨｇＣｄＴｅを受光面とする光導電素子（ＭＣＴ素子）が好適に用いられる。光受信器１６にて受光される、測定部１４の透過後のパルスレーザ光は、ガス成分の光吸収を受けて光強度が低下している。
受光信号用増幅器１８は、光受信器１６から出力された受光信号を増幅する。受光信号用増幅器１８として公知の増幅器が用いられる。
コンパレータ２０は、光受信器１６から出力され増幅された受光信号を、予め設定された閾値と比較し、この受光信号の信号レベルが設定された閾値を横切るとき、この横切るタイミングで、矩形パルスを生成するもので、本発明におけるパルス生成器に対応する。
第１カプラー２２は、コンパレータ２０で生成された矩形パルスを分配するデバイダーとして機能し、３ｄＢカプラー、６ｄＢカプラー等が用いられる。第１カプラー２２で分配された一方の矩形パルスは、制御・処理部２８に供給される。一方、分配された他方の矩形パルスは第２カプラー２４に供給される。
第２カプラー２４は、第１カプラー２２から供給された矩形パルスをスルーして、駆動信号用増幅器２６に供給する。さらに、第２カプラー２４は、制御・処理部２８から供給される立ち上がり用の駆動パルスを駆動信号用増幅器２６に供給するために、制御・処理部２８からの信号線路を、第２カプラー２４を介して、第１カプラー２２と駆動信号用増幅器２６とを接続する信号線路に結合させる。
駆動信号用増幅器２６は、第２カプラー２４から供給された矩形パルスおよび立ち上げ用駆動パルスを所定のレベルに増幅して、レーザ光源１２の駆動パルスとして、レーザ光源１２に供給する。駆動信号用増幅器２６は、レーザ光源１２のレーザドライバに対応する。レーザ光源１２は、駆動パルスが供給されるたびに、この駆動パルスに応じてパルスレーザ光を出射する。
制御・処理部２８は、ガス成分の検査の開始と終了を制御するとともに、ガス成分の光吸収の検査を実施する部分であり、例えばコンピュータにより構成される。なお、ループを形成する図１に示す回路の一部に図示されないＲＦスイッチが設けられており、制御・処理部２８は、検査が終了するとＲＦスイッチをＯＦＦにするように制御する。
制御・処理部２８は、レーザ光源１２からパルスレーザ光が出射を開始するように、立ち上げ用の駆動パルスを生成する。また、制御・処理部２８は、第１カプラー２２から供給された矩形パルスを得て、コンパレータ２０で生成される矩形パルスの生成回数が所定の数に達したときの矩形パルスと立ち上げ用の駆動パルスとの間の経過時間内に発生する、光吸収による累積遅延時間を計測し、この計測した累積遅延時間を用いて、検査対象のガス成分の赤外線の吸収を検査する。累積遅延時間は、光吸収があるときの上記経過時間から、光吸収がないときの上記経過時間を差し引いた時の時間差をいう。
具体的には、図２に示すように、コンパレータ２０に供給される受光信号は、赤外吸収がないときの受光信号ｆa（ｔ）に比べて、光強度が低下している。図２には、赤外吸収のない時の受光信号（実線）と赤外吸収のあるときの受光信号（点線）とが示されている。コンパレータ２０は、増幅された受光信号が予め設定された閾値を横切るとき、この横切るタイミングで、矩形パルスを生成するので、赤外吸収により光強度が低下した受光信号γ・ｆa（ｔ）（γ＜１）における矩形パルスの生成のタイミングはΔｔ遅延する。一方、制御・処理部２８で立ち上げ用の駆動パルスが生成され、レーザ光源１２からパルスレーザ光が出射されると、光受信器１６で生成される受光信号を介してコンパレータ２０で矩形パルスが生成される。これが、第１カプラー２２、第２カプラー２４、駆動信号用増幅器２６を介してレーザ光源１２の駆動パルスとしてレーザ光源１２に供給されるので、レーザ光源１２からのパルスレーザ光の出射と、矩形パルスの生成が繰り返し行われる。このとき、測定部１４の容器を透過したレーザ光の光強度は低下しているので、矩形パルスの生成の繰り返し回数をＮとしたとき、矩形パルスを生成するタイミングは、光吸収がない場合に比べてトータルでＮΔｔ遅延する。このＮΔｔが累積遅延時間である。パルスの生成回数は、図示されないカウンタ回路等を用いて計数され、この計数結果がＮのとき、Ｎ回目の矩形パルスが制御・処理部２８に供給されるように構成する。計数結果が、Ｎ回目に達しないとき、矩形パルスは第２カプラー２４に送られるように、第１カプラー２２は設定されている。
制御・処理部２８は、Ｎ回目の矩形パルスと立ち上げ用の駆動パルスとの間の経過時間内に発生する、Ｎ回目の矩形パルスが生成されるタイミングの累積遅延時間を計測し、この累積遅延時間から１回の遅延時間を求め、ガス成分の赤外線の吸収を検査し、さらに、ガス成分の濃度を求める。具体的には、ガスの赤外吸収があるときのＮ回目の矩形パルスと立ち上げ用の駆動パルスとの間の経過時間Ｔとガス成分の赤外吸収がないと想定されるときの経過時間Ｔ’との差異から得られる１回の矩形パルスの生成時に生じる遅延時間Δｔ＝（Ｔ−Ｔ’）／Ｎと、ガスの濃度との対応関係を表した参照テーブルを予め備え、この参照テーブルを用いて、１回の矩形パルスの生成のタイミングの遅延時間Δｔからガス成分の濃度を算出する。赤外吸収がないと想定されるときの経過時間Ｔ’には、パルスレーザ光が受光部１４を通過する時間の他に、受光信号や矩形パルスの信号線路上の伝送時間も含まれる。
また、制御・処理部２８は、上記処理の替わりに、以下のように行うこともできる。制御・処理部２８は、レーザ光の波長を、上記累積遅延時間が最大となる第１の波長と、最小となる第２の波長において累積遅延時間を計測し、このときの第１の波長における累積遅延時間（最大累積遅延時間）と第２の波長における累積遅延時間（最小累積遅延時間）との差分を本来の累積遅延時間とし、この累積遅延時間から得られる１回の矩形パルスの生成のタイミングの遅延時間Δｔから、上述の参照テーブルを用いてガス成分の赤外線の吸収を検査するように構成することもできる。このように、赤外線を吸収する場合の累積遅延時間と赤外線を吸収しない場合の累積遅延時間とを、パルスレーザ光の波長の変化を利用して求める。これにより、高い精度の処理結果を得ることができる。なお、上記累積遅延時間が最大となる波長と最小となる波長は、測定対象とするガス成分が判っている場合、既知の波長である。
図３は、検査装置１０で得られる各種信号の例によるタイミングチャートである。
図３（ａ）は、制御・処理部２８で用いられるクロック信号の分周信号を、図３（ｂ）は、制御・処理部２８で生成される立ち上げ用の駆動パルスを示している。立ち上げ用の駆動パルスは、図３（ａ）に示すクロック信号の分周信号に同期して生成されている。図３（ｃ）は、光受信器１６から出力され増幅された受光信号を、図３（ｄ）は、光吸収がないときのコンパレータ２０で生成される矩形パルスを、図３（ｅ）は、光吸収があるときのコンパレータ２０で生成される矩形パルスを、示している。
図３（ａ）〜（ｅ）では、分周信号の周期をＴcとし、光吸収がないときの１周期をＴpとしている。
制御・処理部２６は、図３（ｅ）に示すように、Ｎ’回目のパルスの立ち上がりから、それ以降において発生する最初の矩形パルス（Ｎ回目の矩形パルス）の立ち上がりまでの時間δｔを、クロック信号のパルスを用いて計測する。この時間δｔに、図３（ｂ）に示す立ち上げ用の駆動パルスとＮ’回目のパルスの立ち上がりとの間の時間（Ｎ’−１）・Ｔcを加算して経過時間Ｔを求める。この経過時間Ｔから光吸収がないときの経過時間Ｔ’を差し引いて累積遅延時間Ｎ・Δｔを求める。この累積遅延時間Ｎ・Δｔから、遅延時間Δｔを求め、この遅延時間Δｔを用いて、ガス成分の赤外線の吸収を検査し、ガス成分の濃度を求める。このとき、遅延時間Δｔと、予め記憶している遅延時間とガス成分の濃度との関係を表した参照テーブルを用いて、検査対象とするガス成分の濃度を求める。
図４には、上記内容をわかりやすく説明した図である。図４に示すトーラス面２９上をパルスレーザ光、受光信号、および矩形パルスが移動するとき、トーラス面２９の円断面を１周したとき、遅延時間Δｔが発生するように、らせん状に移動する。このようにして、Ｎ回円断面を周回したときの累積の遅延時間Ｎ・Δｔが求められる。
なお、制御・処理部２８が、受光信号の振幅の低下により発生する、矩形パルスの生成のタイミングの遅れの情報を用いてガス成分の光吸収を検査するのは、ガス成分の赤外光の吸収によりパルスレーザ光の光強度の低下を計測するよりも、累積遅延時間ＮΔｔを計測する方が精度が高いからである。例えば、上記Ｎを数１００００回以上とすることにより、極めて精度の高い赤外線吸収を検査することができる。Ｎの数を大きくすることにより、矩形パルスが生成されるタイミングにばらつきがあっても、このばらつきの平均値は、Ｎの回数の増加に伴って０に近づくため、精度の高い１回の遅延時間Δｔを求めることができる。
図７，８に示す従来の方法で行われるガス成分の濃度測定を行うには、複数回の反射を利用して光路を長くする必要がある。これに対して、本発明では、電気回路を経由して信号が何回も同一の光路を通過する。そのとき、本発明では、１つのパルスレーザ光は、測定部１４中の筒状容器を１回しか通過しない。そのため、光路長の増大によってレーザ光の光束が拡がることがなく、細く光束を絞ったレーザ光で所望の位置を通過させることができる。測定部１４の筒状容器におけるレーザ光の進行方向の長さを数ｃｍとした場合、１つのパルスレーザ光が、濃度の薄いガス成分（ｐｐｍ程度の濃度）により吸収される光吸収量は僅かである。このときの光受信器１６から出力される受光信号と、光吸収がないとしたときの受光信号との間の差分は、１２〜１６ビットのＡＤ変換器では検出できない。平均化処理を行っても上記差分を得ることはできない。これは、光吸収による受光信号の変化が、ＡＤ変換器の有効桁の範囲内で捉えることができない程度に微小であるためである。本発明では、従来のように、受光信号の振幅の計測を用いず、精度の高い時間計測を用いることにより、光吸収量を正確に計測することができる点で、従来の方法と大きく異なる。
なお、上記実施形態では、制御・処理部２８において、時間δｔを制御・処理部２８における正確なクロック信号のパルスを用いて計測するが、時間δｔの計測は、以下のように行うこともできる。すなわち、図３（ａ）に示すＮ’回目のパルスの立ち上がりのタイミングで、三角波信号をスタートさせ、Ｎ回目の矩形パルスが立ち上る時の三角波信号の信号レベルを用いて、図３（ｅ）に示す時間δｔを計測する。計測された時間δｔに時間（Ｎ’−１）・Ｔcを加算することにより、経過時間Ｔを求めるように構成してもよい。
なお、レーザ光源１２からパルスレーザ光が出射するたびに、パルスレーザ光の光強度がばらつく場合、あるいは、パルスレーザ光の波長を設定された範囲内で変える場合、図５に示すような装置構成を追加することにより、光強度のばらつきを補償することができる。
すなわち、レーザ光源１２から出射したパルスレーザ光を、測定部１４に入射する前に分離させるビームスプリッタ３０と、分離したパルスレーザ光を受光し、パルスレーザ光の光強度を検知する強度センサ３２と、パルスレーザ光の光強度の揺らぎを補償するために、強度センサ３２で得られた光強度に基づいて、コンパレータ２０に用いる閾値を調整するゲイン調整器（閾値調整部）３４と、を設けるとよい。
ビームスプリッタ３０を用いてパルスレーザ光を分離させ、分離した一方のパルスレーザ光の光強度を強度センサ３２でモニタリングし、強度センサ３２で得られた光強度の情報を用いて、コンパレータ２０に用いる閾値を調整する。ゲイン調整器３４では、強度センサ３２で得られる光強度に比例するように閾値を設定する。これにより、パルスレーザ光の光強度が１回ごとの出射で変化しても、コンパレータ２０では遅延時間を一定に保つことができる。
実際、レーザ光源１２から出射されるパルスレーザ光に含まれるノイズ成分が、受光信号用増幅器１８、駆動信号用増幅器２６にて含まれるノイズ成分に比べて大きいため、パルスレーザ光に含まれるノイズ成分により、パルスレーザ光の光強度が変化しても、コンパレータ２０では遅延時間を一定に保つことができる。
また、上述したように、第１の波長における累積遅延時間と第２の波長における累積遅延時間との差分を本来の累積遅延時間として用いるとき、パルスレーザ光の光強度が、第１の波長と第２の波長において変化する場合もある。この場合、上記のように、パルスレーザ光の光強度の情報を用いて、コンパレータ２０に用いる閾値を調整することが好ましい。
このような検査装置１０では、まず、パルスレーザ光の出射開始のために生成された立ち上げ用の駆動パルス（図３（ｂ）参照）を用いて、単一のパルスレーザ光をレーザ光源１２から出射させ、測定対象のガス成分を含む気体を透過したパルスレーザ光を受光して受光信号を得る。
次に、得られた受光信号の信号レベルが、設定された閾値を横切るタイミングで、単一の矩形パルス（図３（ｄ）参照）を生成させる。
この後、生成された矩形パルスを駆動用信号増幅器２６で増幅した後、パルスレーザ光の出射のための駆動パルスとしレーザ光源１２に供給する。
このレーザ光源１２からのパルスレーザ光の出射を繰り返し行い、生成される矩形パルスの生成回数がＮ回に達したときの矩形パルスと、図３（ｂ）に示す立ち上げ用の駆動パルスとの間の時間内で生じる矩形パルスの生成のタイミングの累積遅延時間ＮΔｔを求め、この累積遅延時間を用いて、ガス成分の赤外線の吸収を検査する。
このような検査装置１０および検査方法では、パルスレーザ光の出射時間を１ｎ秒とし、信号が検査装置１０を１周する周期を１０ｎ秒とし、Ｎを１０６回としたとき、累積遅延時間Ｎ・Δｔを計測するのに、１０ｍ秒が必要となる。このとき、パルスレーザ光は、測定部１４の筒状容器の光路を１ｍｍとしたとき、測定部１４の光路の合計は１ｋｍとなり、従来の測定方法と同程度以上の光路長を通過することとなる。すなわち、１０ｍ秒の計測時間により、１ｋｍの光路長における光吸収量を知ることができるので、略リアルタイムで気体中に含まれるガス成分の赤外線の吸収量を検査することができる。
なお、本発明では、赤外線吸収法による微量ガスの検査装置に適用する他に、赤外線の吸収を検査することにより、赤外線を吸収するプラズマや燃焼火炎の断面における分子種やラジカル種、固体表面での、赤外線を吸収する特定の分子種や分子集団の分布を求めることもできる。例えば、図６に示す走査型近接場顕微鏡のような、局所的な赤外吸収測定に好適に適用できる。
図６は、走査型近接場顕微鏡（以降、顕微鏡という）４０の概略構成図である。
顕微鏡４０は、レーザ光源４２、プリズム４４と、光ファイバ４５と、ＰＺＴ走査機構４６と、光検出器４７と、ループ回路４８と、制御・処理部４９とを有して構成される。
レーザ光源４２は、赤外領域のパルスレーザ光を出射する光源である。
プリズム４４は、レーザ光源１２からのレーザ光を、測定対象物Ｍを載置する底面で完全反射するように構成されている。
光ファイバ４５は、プリズム４４の底面から漏れ出るエバネッセント光のうち測定対象物Ｍを透過した光を収集し、光検出器４７に送る。
ＰＺＴ走査機構４６は、プリズム４４の底面に載置した測定対象物Ｍの各位置におけるエバネッセント光の透過光を光ファイバ４５が収集するように、プリズム４４の底面に沿って光ファイバ４５の先端を移動し走査する移動機構である。
光検出器４７は、光ファイバ４５から送られる光を受光信号に変換するセンサである。得られた受光信号は、ループ回路４８に送られる。
ループ回路４８は、図１に示す受光信号用増幅器１８、コンパレータ２０、第１カプラー２２、第２カプラー２４および駆動信号用増幅器２６と同様の回路を備え、光検出器４７で得られた受光信号が、設定された閾値を横切るタイミングで矩形パルスを生成し、この矩形パルスを増幅してレーザ光源４２に供給するように構成されている。
制御・処理部４９は、図１に示す制御・処理部２８と同様の機能を発揮する。したがって、制御・処理部４９は、矩形パルスの遅延時間Δｔを求め、測定対象物Ｍの赤外線の吸収量を求めることができる。ＰＺＴ走査機構４６で走査しながら、赤外線の吸収量を求めることにより、赤外線の吸収分布を求めることができる。これにより、制御・処理部４９は、測定対象物Ｍ中に含まれる、赤外線を吸収する特定物質の分布（画像）を得ることができ、顕微鏡４０として機能する。このように、赤外線を吸収する特定の物質の分布を知ることができる。
以上、本発明の光吸収検査装置、検査方法について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々の改良や変更をしてもよいのはもちろんである。
１０ 検査装置
１２，４２ レーザ光源
１４ 測定部
１６ 光受信器
１８ 受光信号用増幅器
２０ コンパレータ・信号生成器
２２ 第１カプラー
２４ 第２カプラー
２６ 駆動信号用増幅器
２８，４９ 制御・処理部
２９ トーラス面
３０ ビームスプリッタ
３２ 強度センサ
３４ ゲイン調整器
４０ 走査型近接場顕微鏡
４４ プリズム
４５ 充ファイバ
４６ ＰＺＴ走査機構
４７ 光検出器
４８ ループ回路
５０，６０ 装置
５１ セル
５２ 鏡
５３，５４ 検出器
６１ 空間
６２，６３ 凹面鏡
６４ 検出器

Claims (10)

  1. パルスレーザ光を測定対象物に照射し、測定対象物を透過したときのパルスレーザ光の吸収を検査する装置であって、
    供給される駆動パルスに応じて、パルスレーザ光を出射するレーザ光源と、
    測定対象物を保持し、前記パルスレーザ光を測定対象物に照射し透過させる測定部と、
    前記測定対象物を透過したパルスレーザ光を受光し、受光信号を出力する受光部と、
    前記受光部から出力された受光信号の信号レベルが、設定された閾値を横切るタイミングで、単一の矩形パルスを生成するパルス生成器と、
    生成された前記矩形パルスを、前記レーザ光源におけるパルスレーザ光の出射のための前記駆動パルスとして前記レーザ光源に供給し、該駆動パルスの供給のたびに、前記レーザ光源から単一のパルスレーザ光を出射させるレーザドライバと、
    前記レーザドライバに、パルスレーザ光の出射開始のための立ち上げ用の駆動パルスが供給されて前記レーザ光源がパルスレーザ光を出射した後、前記パルス生成器から前記矩形パルスが複数回供給されることにより、前記レーザ光源が単一のパルスレーザ光を複数回出射し、前記パルス生成器で生成される前記矩形パルスの生成回数が所定の数に達したとき、前記矩形パルスの生成回数が前記所定の数に達したときに生成された矩形パルスと前記立ち上げ用の駆動パルスとの間の時間内に、パルスレーザ光の吸収による光強度の低下によって生じる前記矩形パルスの生成のタイミングの累積遅延時間を求め、求めた前記累積遅延時間を用いて、測定対象物によるパルスレーザ光の吸収を検査する制御・処理部と、を有することを特徴とする光吸収検査装置。
  2. 前記測定対象物は、気体に含まれるガスであり、
    前記制御・処理部は、前記ガスの光吸収があるときの、前記矩形パルスの生成のタイミングの遅延時間と、前記ガスの濃度との対応関係を表した参照テーブルを予め備え、この参照テーブルを用いて、求めた前記累積遅延時間から前記ガスの濃度を算出する請求項１に記載の光吸収検査装置。
  3. 前記レーザ光源が出射するレーザ光の波長は、前記制御・処理部によって可変に制御され、
    前記制御・処理部は、前記累積遅延時間が最大となる第１の波長と、最小となる第２の波長を前記レーザ光源に設定し、前記第１の波長において求められる前記累積遅延時間と、前記第２の波長において求められる前記累積遅延時間との差分を用いて、測定対象物による赤外線の吸収を検査する請求項１または２に記載の光吸収検査装置。
  4. 前記レーザ光源から出射したパルスレーザ光を、前記測定部に入射する前に分離させるビームスプリッタと、
    分離したパルスレーザ光を受光し、パルスレーザ光の光強度を検知する強度センサと、
    前記パルスレーザ光の光強度の揺らぎを補償するために、前記強度センサで得られた光強度に基づいて、前記閾値を調整する閾値調整部と、を有する請求項１〜３のいずれか１項に記載の光吸収検査装置。
  5. 前記閾値調整部は、前記強度センサで得られる前記光強度に比例するように、前記閾値を設定する請求項４に記載の光吸収検査装置。
  6. 前記パルスレーザ光は、波長が赤外領域にあるレーザ光である請求項１〜５のいずれか１項に記載の光吸収検査装置。
  7. パルスレーザ光を測定対象物に照射し、測定対象物を透過したときのパルスレーザ光の吸収を検査する方法であって、
    パルスレーザ光の出射ために供給される駆動パルスを用いて、前記パルスレーザ光をレーザ光源から出射させ、測定対象の測定対象物を透過したパルスレーザ光を受光して受光信号を得る第１のステップと、
    得られた受光信号の信号レベルが設定された閾値を横切るタイミングで、単一の矩形パルスを生成させる第２のステップと、
    生成された前記矩形パルスを、単一のパルスレーザ光の出射のための前記駆動パルスとして前記レーザ光源に供給する第３のステップと、
    前記第１のステップ、前記第２のステップおよび前記第３のステップを繰り返し行い、
    前記生成される矩形パルスの生成回数が所定の数に達したときの矩形パルスと、前記パルスレーザ光の出射開始のために生成された立ち上げ用の駆動パルスとの間の時間内に、パルスレーザ光の吸収による光強度の低下によって生じる前記矩形パルスの生成のタイミングの累積遅延時間を求め、この累積遅延時間を用いて、測定対象物によるパルスレーザ光の吸収を検査する第４のステップと、を有することを特徴とする光吸収検査方法。
  8. 前記第１のステップにおいて、前記累積遅延時間が最大となる第１の波長と、最小となる第２の波長を前記レーザ光源に設定し、
    前記第４のステップにおいて、前記第１の波長において求められる前記累積遅延時間と、前記第２の波長において求められる前記累積遅延時間との差分を用いて、測定対象物の赤外線の吸収を検査する請求項７に記載の光吸収検査方法。
  9. 前記第１のステップにおいて、前記レーザ光源から出射したパルスレーザ光を、測定対象物に照射する前に分離し、
    分離した前記パルスレーザ光を受光し、パルスレーザ光の光強度を検知し、前記パルスレーザ光の光強度の揺らぎを補償するために、前記検知した光強度に基づいて、前記閾値を調整する第５のステップをさらに有する請求項７または８に記載の光吸収検査方法。
  10. 前記パルスレーザ光は、波長が赤外領域にあるレーザ光である請求項７〜９のいずれか１項に記載の光吸収検査方法。
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