WO2010010684A1 - 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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Definitions

  • the present invention relates to an apparatus and method for inspecting absorption of light by a measurement object by irradiating the measurement object with pulsed laser light having a wavelength in the infrared region and measuring the pulse laser light transmitted through the measurement object.
  • the present invention belongs to a technical field in which the concentration of a trace gas, which is one of measurement objects, is detected at high speed and with high sensitivity from infrared absorption at a specific wavelength.
  • gas analyzers are used to measure the concentration of gas contained in the air on the order of about ppm.
  • any one of a potentiostatic electrolysis method, a chemiluminescence method, and an advanced method (Salzmann reagent method) is used.
  • the air containing the gas to be inspected is stored once in a special cell and the measurement is performed, the air containing the flowing gas to be inspected cannot be inspected in real time. is there.
  • Non-Patent Document 1 a multiple reflection cell method
  • Non-Patent Document 2 a cavity ring-down method
  • a cell having a long and narrow space for accommodating a measurement object and having reflection surfaces on both end faces thereof is used, and laser light is irradiated along the longitudinal direction of the space.
  • a cell having an elongated space is used when the measurement object has a low concentration of gas in the measurement object contained in the air, such as about ppm. This is because a small amount of gas having a low concentration can be inspected with high accuracy by setting the distance to 1 to 15 m.
  • FIG. 7 shows an outline of an apparatus 50 that uses a multiple reflection cell method.
  • a cell 51 having an elongated space is used, and mirrors 52 having high reflectivity are provided on both end faces.
  • the optical path of the laser light can be lengthened by reflecting the laser light incident on the cell 51 many times at both end faces where the mirrors 52 are arranged. In this way, the laser light after being reflected by the mirror 52 a plurality of times is detected by the detector 53, and the reference light obtained by separation immediately before the laser light is incident on the cell 51 is detected by the detector 54.
  • the gas is inspected by obtaining the difference between the signal intensity obtained in step 1 and the signal intensity obtained by the detector 54.
  • the length of the optical path is increased by reflecting the laser beam with a mirror, and the amount of absorption of the laser beam by the gas to be measured increases, so the amount of absorption of the laser beam can be inspected even with a small amount of gas. Can do.
  • FIG. 8 schematically shows an apparatus 60 for the cavity ring-down method.
  • concave mirrors 62 and 63 are provided on both end faces of an elongated space 61, and the laser light is confined in the space 61 to lengthen the optical path of the laser light.
  • Laser beams p 0 , p 1 ..., P M are extracted from the concave mirror 63 according to the number of reflections, detected by the detector 64, and the amount of gas absorption is calculated by the computer 65.
  • the concave mirrors 62 and 63 the optical path of the laser beam can be lengthened, the amount of absorption by the gas to be measured increases, and the amount of absorption of the laser beam is inspected even with a small amount of gas. Can do.
  • the present invention does not require a special cell, and does not require a long optical path of the laser beam, so that light absorption by a measurement object can be accurately in real time, and light using a laser absorption method can be inspected.
  • An object of the present invention is to provide an absorption inspection apparatus and a light absorption inspection method.
  • the present invention is an apparatus for irradiating a measurement object with pulsed laser light and inspecting absorption of the pulsed laser light when transmitted through the measurement object,
  • a laser light source that emits a pulsed laser beam in accordance with a supplied drive pulse;
  • a measurement unit that holds a measurement object and irradiates and transmits the pulsed laser light to the measurement object;
  • a light receiving unit that receives the pulsed laser light transmitted through the measurement object and outputs a light reception signal;
  • a pulse generator that generates a single rectangular pulse at a timing at which the signal level of the received light signal output from the light receiving unit crosses a set threshold; The generated rectangular pulse is supplied to the laser light source as the drive pulse for emission of pulse laser light from the laser light source, and a single pulse laser beam is supplied from the laser light source each time the drive pulse is supplied.
  • a laser driver that emits light The laser driver is supplied with a driving pulse for start-up for starting emission of pulsed laser light, and after the laser light source emits pulsed laser light, the rectangular pulse is supplied from the pulse generator a plurality of times.
  • the number of generations of the rectangular pulses is Accumulation of the generation timing of the rectangular pulse caused by the decrease in light intensity due to absorption of the pulsed laser light within the time between the rectangular pulse generated when the predetermined number is reached and the drive pulse for startup
  • a control / processing unit that obtains a delay time and inspects the absorption of the pulsed laser light by the measurement object using the obtained accumulated delay time. To provide an absorbent inspection equipment.
  • the measurement object is a gas contained in a gas
  • the control / processing unit is configured to delay the generation timing of the rectangular pulse and the concentration of the gas when there is light absorption of the gas.
  • a reference table showing the correspondence relationship between the gas and the gas concentration is calculated in advance from the obtained accumulated delay time using the reference table.
  • the wavelength of the laser beam emitted from the laser light source is variably controlled by the control / processing unit, and the control / processing unit includes a first wavelength at which the cumulative delay time is maximized and a minimum at the first wavelength.
  • the wavelength of 2 is set in the laser light source, and the difference between the accumulated delay time obtained at the first wavelength and the accumulated delay time obtained at the second wavelength is used. It is preferred to test for absorption.
  • a beam splitter that separates the pulsed laser light emitted from the laser light source before entering the measurement unit; an intensity sensor that receives the separated pulsed laser light and detects the light intensity of the pulsed laser light; In order to compensate for fluctuations in the light intensity of the pulsed laser light, it is also preferable to include a threshold adjustment unit that adjusts the threshold based on the light intensity obtained by the intensity sensor. In that case, it is preferable that the said threshold value adjustment part sets the said threshold value so that it may be proportional to the said light intensity obtained with the said intensity sensor.
  • the pulse laser beam is, for example, a laser beam having a wavelength in the infrared region.
  • the present invention is a method for inspecting absorption of pulse laser light when the measurement object is irradiated with pulse laser light and transmitted through the measurement object, First pulse light is emitted from a laser light source by using a drive pulse supplied to emit pulsed laser light, and a light receiving signal is obtained by receiving pulsed laser light that has passed through a measurement object to be measured.
  • Steps A second step of generating a single rectangular pulse at a timing at which the signal level of the obtained light reception signal crosses a set threshold; A third step of supplying the generated rectangular pulse to the laser light source as the drive pulse for emission of a single pulse laser beam; Repeatedly performing the first step, the second step and the third step; Within the time between the rectangular pulse when the number of generations of the generated rectangular pulse reaches a predetermined number and the drive pulse for start-up generated for the start of emission of the pulse laser beam, the pulse A fourth step of obtaining an accumulated delay time of the generation timing of the rectangular pulse caused by a decrease in light intensity due to absorption of laser light, and inspecting absorption of the pulse laser light by the measurement object using the accumulated delay time; A light absorption inspection method is provided.
  • the first wavelength at which the accumulated delay time becomes maximum and the second wavelength at which the accumulated delay time becomes minimum are set in the laser light source, and in the fourth step, the first wavelength It is preferable to inspect infrared absorption of the measurement object using a difference between the accumulated delay time obtained at the wavelength and the accumulated delay time obtained at the second wavelength.
  • the pulse laser beam emitted from the laser light source is separated before irradiating the measurement object, the separated pulse laser beam is received, and the light intensity of the pulse laser beam is detected.
  • the method further includes a fifth step of adjusting the threshold based on the detected light intensity in order to compensate for fluctuations in the light intensity of the pulsed laser light.
  • the pulse laser beam is, for example, a laser beam having a wavelength in the infrared region.
  • the light intensity due to absorption of the pulsed laser beam is within the time between the rectangular pulse and the startup drive pulse when the number of rectangular pulses generated by the pulse generator reaches a predetermined number.
  • the accumulated delay time of the generation timing of the rectangular pulse caused by the decrease in the frequency is obtained, and the absorption of light by the measurement object is inspected using this accumulated delay time. Therefore, it is possible to perform a highly accurate inspection as compared with the conventional case where it is obtained by changing the amplitude of the received light signal.
  • a part of the pulsed laser beam is separated by a beam splitter, and the separated pulsed laser beam is measured by an intensity sensor. Based on the light intensity obtained by the intensity sensor. Since the threshold value used in the pulse generator is adjusted, an accurate delay time can be obtained and a highly accurate inspection can be performed even if there is a variation in the light intensity of the pulse laser beam every time it is emitted.
  • FIG. 1 It is a schematic block diagram of one Embodiment of the light absorption inspection apparatus of this invention. It is a figure explaining the delay time obtained with the light absorption inspection apparatus of this invention.
  • (A) to (e) are timing charts of signals generated by the apparatus shown in FIG. It is a figure explaining the delay time of the rectangular pulse in the apparatus shown in FIG.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a trace gas inspection apparatus 10 by an infrared absorption method, which is an embodiment of a light absorption inspection apparatus of the present invention.
  • the inspection apparatus 10 includes a laser light source 12, a measurement unit 14, an optical receiver 16, a received light signal amplifier 18, a comparator / signal generator (hereinafter simply referred to as a comparator) 20, a first coupler 22, a second coupler 24, and a drive signal.
  • Amplifier 26 and control / processing unit 28 The laser light source 12, the measurement unit 14, the optical receiver 16, the light reception signal amplifier 18, the comparator 20, the first coupler 22, the second coupler 24, and the drive signal amplifier 26 are provided in a loop.
  • the laser light source 12 is a light source that emits a single pulse laser beam having a wavelength in the infrared region in accordance with a single drive pulse supplied.
  • a quantum cascade laser (QCL) light source that emits laser light of an arbitrary wavelength region from the infrared region to the terahertz region is used, and a laser oscillator set in a preset infrared region is preferably used. It is done. In the infrared region, there are many absorption lines of gas molecules to be inspected, and the absorption of various gas molecules can be measured.
  • the laser light source 12 is configured such that the wavelength of the emitted laser light is variably controlled by the control / processing unit 28.
  • the emission time of the pulse laser beam from the laser light source 12 is set to about 1 n to several tens of n seconds, for example.
  • the measuring unit 14 is configured by a cylindrical container having a space for storing a gas containing a gas component to be inspected, and the pulse laser beam emitted from the laser light source 12 is transferred from one end of the cylindrical container to the other end. Light transmissive windows are provided at both ends so as to pass through.
  • the cylindrical container does not need to be a sealed container, and is provided with a gas inlet 14a and a gas outlet 14b so that inspection can be performed in a state where a gas containing a gas component to be inspected flows.
  • the reason why the flowing gas can be the inspection target is that the concentration of the gas component of the inspection target contained in the gas can be measured in substantially real time as will be described later.
  • the length of the cylindrical container along the traveling direction of the laser light need not be as long as 1 to 15 m as in the conventional case, and may be several cm to 1 m.
  • the optical receiver 16 is a portion that receives pulsed laser light transmitted through a gas containing a gas component to be inspected in a cylindrical container, and outputs a light reception signal.
  • a photoconductive element having HgCdTe as a light receiving surface. (MCT element) is preferably used.
  • the pulse laser beam that has been received by the optical receiver 16 and has passed through the measurement unit 14 has received light absorption of a gas component, and has a reduced light intensity.
  • the light reception signal amplifier 18 amplifies the light reception signal output from the optical receiver 16.
  • a known amplifier is used as the light receiving signal amplifier 18.
  • the comparator 20 compares the amplified light reception signal output from the optical receiver 16 with a preset threshold value. When the signal level of the light reception signal crosses the set threshold value, the comparator 20 generates a rectangular pulse at the timing of the crossing. It corresponds to the pulse generator in the present invention.
  • the first coupler 22 functions as a divider that distributes the rectangular pulse generated by the comparator 20, and a 3 dB coupler, a 6 dB coupler, or the like is used.
  • One rectangular pulse distributed by the first coupler 22 is supplied to the control / processing unit 28.
  • the other distributed rectangular pulse is supplied to the second coupler 24.
  • the second coupler 24 passes through the rectangular pulse supplied from the first coupler 22 and supplies it to the drive signal amplifier 26. Further, the second coupler 24 connects the signal line from the control / processing unit 28 to the second coupler 24 in order to supply the drive pulse for rising supplied from the control / processing unit 28 to the drive signal amplifier 26.
  • the first coupler 22 and the drive signal amplifier 26 are coupled to a signal line.
  • the drive signal amplifier 26 amplifies the rectangular pulse and the startup drive pulse supplied from the second coupler 24 to a predetermined level, and supplies the amplified pulse to the laser light source 12 as a drive pulse of the laser light source 12.
  • the drive signal amplifier 26 corresponds to the laser driver of the laser light source 12.
  • the laser light source 12 emits a pulse laser beam in response to the drive pulse every time the drive pulse is supplied.
  • the control / processing unit 28 is a part that controls the start and end of the gas component inspection and performs the light absorption inspection of the gas component, and is configured by a computer, for example.
  • An RF switch (not shown) is provided in a part of the circuit shown in FIG. 1 forming the loop, and the control / processing unit 28 controls the RF switch to be turned OFF when the inspection is completed.
  • the control / processing unit 28 generates a drive pulse for startup so that the pulsed laser beam starts to be emitted from the laser light source 12.
  • control / processing unit 28 obtains the rectangular pulse supplied from the first coupler 22, and the rectangular pulse when the number of generations of the rectangular pulse generated by the comparator 20 reaches a predetermined number and the startup pulse
  • the accumulated delay time due to light absorption that occurs within the elapsed time from the drive pulse is measured, and the infrared absorption of the gas component to be inspected is inspected using the measured accumulated delay time.
  • the cumulative delay time is a time difference when the elapsed time when there is no light absorption is subtracted from the elapsed time when there is light absorption.
  • the light intensity of the received light signal supplied to the comparator 20 is lower than that of the received light signal f a (t) when there is no infrared absorption.
  • FIG. 2 shows a light reception signal when there is no infrared absorption (solid line) and a light reception signal when there is infrared absorption (dotted line).
  • the comparator 20 When the amplified light reception signal crosses a preset threshold value, the comparator 20 generates a rectangular pulse at the timing of crossing, so that the light reception signal ⁇ ⁇ f a (t) (in which the light intensity has decreased due to infrared absorption.
  • the generation timing of the rectangular pulse in ⁇ ⁇ 1) is delayed by ⁇ t.
  • a startup drive pulse is generated by the control / processing unit 28 and a pulse laser beam is emitted from the laser light source 12
  • a rectangular pulse is generated by the comparator 20 via a light reception signal generated by the optical receiver 16.
  • the emission of the pulse laser light from the laser light source 12 and the rectangular pulse Is repeatedly generated.
  • the number of rectangular pulse generation repetitions is N
  • the timing of generating the rectangular pulse is when there is no light absorption. Compared to the total, N ⁇ t is delayed.
  • This N ⁇ t is the accumulated delay time.
  • the number of generated pulses is counted using a counter circuit (not shown).
  • the Nth rectangular pulse is supplied to the control / processing unit 28.
  • the first coupler 22 is set so that the rectangular pulse is sent to the second coupler 24 when the count result does not reach the Nth time.
  • the control / processing unit 28 measures the accumulated delay time of the timing at which the Nth rectangular pulse is generated, which is generated within the elapsed time between the Nth rectangular pulse and the drive pulse for start-up. One delay time is obtained from the delay time, the infrared absorption of the gas component is inspected, and the concentration of the gas component is further obtained.
  • the elapsed time T ′ when it is assumed that there is no infrared absorption includes the transmission time of the received light signal and the rectangular pulse on the signal line in addition to the time during which the pulse laser beam passes through the light receiving unit 14.
  • control / processing unit 28 can perform the following processing instead of the above processing.
  • the control / processing unit 28 measures the wavelength of the laser light at the first wavelength at which the accumulated delay time is maximized and the second wavelength at which the accumulated delay time is minimized, and at the first wavelength at this time
  • the difference between the accumulated delay time (maximum accumulated delay time) and the accumulated delay time at the second wavelength (minimum accumulated delay time) is the original accumulated delay time, and one rectangular pulse generated from this accumulated delay time is generated. From the timing delay time ⁇ t, it is also possible to inspect the infrared absorption of the gas component by using the above-described reference table.
  • the accumulated delay time when absorbing infrared rays and the accumulated delay time when not absorbing infrared rays are obtained by using the change in the wavelength of the pulse laser beam.
  • the wavelength at which the cumulative delay time is maximized and the wavelength at which the accumulated delay time is minimized are known wavelengths when the gas component to be measured is known.
  • FIG. 3 is a timing chart according to examples of various signals obtained by the inspection apparatus 10.
  • FIG. 3A shows a frequency-divided signal of the clock signal used in the control / processing unit 28, and
  • FIG. 3B shows a drive pulse for start-up generated by the control / processing unit 28.
  • the drive pulse for start-up is generated in synchronization with the frequency-divided signal of the clock signal shown in FIG.
  • FIG. 3C shows the amplified light reception signal output from the optical receiver 16
  • FIG. 3D shows the rectangular pulse generated by the comparator 20 when there is no light absorption
  • FIG. A rectangular pulse generated by the comparator 20 when there is light absorption is shown.
  • the period of the frequency-divided signal is T c, and one period when there is no light absorption is T p .
  • the control / processing unit 26 calculates a time ⁇ t from the rising edge of the N′th pulse to the rising edge of the first rectangular pulse (Nth rectangular pulse) generated thereafter. Measure using clock signal pulses.
  • the elapsed time T is obtained by adding the time (N′ ⁇ 1) ⁇ T c between the rising drive pulse shown in FIG. 3B and the rising edge of the N′th pulse to the time ⁇ t.
  • the accumulated delay time N ⁇ ⁇ t is obtained by subtracting the elapsed time T ′ when there is no light absorption from the elapsed time T.
  • a delay time ⁇ t is obtained, and using this delay time ⁇ t, the infrared absorption of the gas component is inspected to obtain the concentration of the gas component.
  • the concentration of the gas component to be inspected is obtained using the delay time ⁇ t and a reference table representing the relationship between the delay time stored in advance and the concentration of the gas component.
  • FIG. 4 is a diagram explaining the above contents in an easy-to-understand manner.
  • the pulse laser beam, the light reception signal, and the rectangular pulse move on the torus surface 29 shown in FIG. 4, when the circular cross section of the torus surface 29 makes one round, it moves spirally so that a delay time ⁇ t occurs. . In this way, the cumulative delay time N ⁇ ⁇ t when N rounds the circular section is obtained.
  • the control / processing unit 28 inspects the light absorption of the gas component using the information on the delay in the generation timing of the rectangular pulse generated by the decrease in the amplitude of the received light signal. This is because measuring the accumulated delay time N ⁇ t is more accurate than measuring the decrease in the light intensity of the pulsed laser beam due to absorption. For example, by setting N to several 10000 times or more, it is possible to inspect extremely highly accurate infrared absorption. By increasing the number of N, even if there is a variation in the timing at which rectangular pulses are generated, the average value of this variation approaches 0 as the number of N increases, so a single delay with high accuracy The time ⁇ t can be obtained.
  • a signal passes through the same optical path many times via an electric circuit.
  • one pulsed laser beam passes through the cylindrical container in the measurement unit 14 only once.
  • the light beam of the laser beam does not expand due to the increase in the optical path length, and the desired position can be passed by the laser beam narrowed down.
  • the length of the laser beam in the measuring unit 14 in the traveling direction is several centimeters, the amount of light absorbed by one pulsed laser beam by a light gas component (concentration of about ppm) is small. It is.
  • the difference between the light reception signal output from the optical receiver 16 at this time and the light reception signal when there is no light absorption cannot be detected by a 12 to 16-bit AD converter. Even if the averaging process is performed, the difference cannot be obtained. This is because the change in the received light signal due to light absorption is so small that it cannot be captured within the effective digit range of the AD converter.
  • the present invention is greatly different from the conventional method in that the amount of light absorption can be accurately measured by using time measurement with high accuracy without using the measurement of the amplitude of the received light signal as in the prior art.
  • the control / processing unit 28 measures the time ⁇ t by using an accurate clock signal pulse in the control / processing unit 28.
  • the time ⁇ t can also be measured as follows. . That is, the triangular wave signal is started at the rise timing of the N′th pulse shown in FIG. 3A, and the signal level of the triangular wave signal when the Nth rectangular pulse rises is used, and FIG. The indicated time ⁇ t is measured.
  • the elapsed time T may be obtained by adding the time (N′ ⁇ 1) ⁇ T c to the measured time ⁇ t.
  • the apparatus configuration as shown in FIG. By adding, variations in light intensity can be compensated. That is, a beam splitter 30 that separates the pulsed laser light emitted from the laser light source 12 before entering the measuring unit 14, and an intensity sensor 32 that receives the separated pulsed laser light and detects the light intensity of the pulsed laser light. In order to compensate for fluctuations in the light intensity of the pulsed laser light, a gain adjuster (threshold adjustment unit) 34 that adjusts the threshold used in the comparator 20 based on the light intensity obtained by the intensity sensor 32 is provided. Good.
  • the pulse laser beam is separated using the beam splitter 30, the light intensity of one of the separated pulse laser lights is monitored by the intensity sensor 32, and the light intensity information obtained by the intensity sensor 32 is used for the comparator 20. Adjust the threshold.
  • the gain adjuster 34 sets a threshold value so as to be proportional to the light intensity obtained by the intensity sensor 32. Thereby, even if the light intensity of the pulsed laser light changes with each emission, the comparator 20 can keep the delay time constant.
  • the noise component included in the pulse laser beam emitted from the laser light source 12 is larger than the noise component included in the light receiving signal amplifier 18 and the drive signal amplifier 26, the noise component included in the pulse laser beam.
  • the comparator 20 can keep the delay time constant.
  • the light intensity of the pulsed laser light is the same as the first wavelength. It may also change at the second wavelength. In this case, as described above, it is preferable to adjust the threshold value used for the comparator 20 by using the light intensity information of the pulsed laser light.
  • a single pulse laser beam is converted into a laser light source 12 using a drive pulse for start-up (see FIG. 3B) generated for starting emission of the pulse laser beam. And receiving a pulsed laser beam that has passed through a gas containing a gas component to be measured, and obtains a light reception signal.
  • a single rectangular pulse (see FIG. 3D) is generated at a timing when the signal level of the obtained light reception signal crosses the set threshold value. Thereafter, the generated rectangular pulse is amplified by the drive signal amplifier 26 and then supplied to the laser light source 12 as a drive pulse for emitting pulsed laser light.
  • the pulse laser beam is repeatedly emitted from the laser light source 12, and a rectangular pulse when the number of generated rectangular pulses reaches N times and a drive pulse for start-up shown in FIG.
  • the accumulated delay time N ⁇ t of the timing of generating the rectangular pulse occurring within the interval is obtained, and the infrared absorption of the gas component is inspected using this accumulated delay time.
  • the emission time of the pulse laser beam is 1 ns
  • the period for which the signal goes around the inspection apparatus 10 is 10 ns
  • N is 10 6 times
  • the accumulated delay time N • 10 ms is required to measure ⁇ t.
  • the pulse laser beam has a total optical path of 1 km, and passes through an optical path length equal to or longer than that of the conventional measuring method. Become. That is, since the light absorption amount at the optical path length of 1 km can be known from the measurement time of 10 milliseconds, the infrared absorption amount of the gas component contained in the gas can be inspected in substantially real time.
  • the present invention in addition to being applied to an inspection apparatus for trace gases by the infrared absorption method, by examining the absorption of infrared rays, it is possible to detect molecular species, radical species, and solid surfaces in the cross section of plasma or combustion flame that absorbs infrared rays. It is also possible to obtain the distribution of specific molecular species and molecular groups that absorb infrared rays.
  • the present invention can be suitably applied to local infrared absorption measurement such as a scanning near-field microscope shown in FIG.
  • FIG. 6 is a schematic configuration diagram of a scanning near-field microscope (hereinafter referred to as a microscope) 40.
  • the microscope 40 includes a laser light source 42, a prism 44, an optical fiber 45, a PZT scanning mechanism 46, a photodetector 47, a loop circuit 48, and a control / processing unit 49.
  • the laser light source 42 is a light source that emits pulsed laser light in the infrared region.
  • the prism 44 is configured to completely reflect the laser light from the laser light source 12 on the bottom surface on which the measurement object M is placed.
  • the optical fiber 45 collects the light that has passed through the measurement object M out of the evanescent light leaking from the bottom surface of the prism 44 and sends it to the photodetector 47.
  • the PZT scanning mechanism 46 moves the tip of the optical fiber 45 along the bottom surface of the prism 44 so that the optical fiber 45 collects the transmitted light of the evanescent light at each position of the measurement object M placed on the bottom surface of the prism 44. It is a moving mechanism that moves and scans.
  • the photodetector 47 is a sensor that converts light transmitted from the optical fiber 45 into a light reception signal. The obtained light reception signal is sent to the loop circuit 48.
  • the loop circuit 48 includes circuits similar to the received light signal amplifier 18, the comparator 20, the first coupler 22, the second coupler 24, and the drive signal amplifier 26 shown in FIG. 1, and the received light signal obtained by the photodetector 47. However, a rectangular pulse is generated at a timing that crosses a set threshold value, and the rectangular pulse is amplified and supplied to the laser light source 42.
  • the control / processing unit 49 exhibits the same function as the control / processing unit 28 shown in FIG. Therefore, the control / processing unit 49 can obtain the delay time ⁇ t of the rectangular pulse, and can obtain the infrared absorption amount of the measuring object M.
  • the infrared absorption distribution can be obtained by obtaining the infrared absorption while scanning with the PZT scanning mechanism 46. Thereby, the control / processing unit 49 can obtain the distribution (image) of the specific substance that absorbs infrared rays contained in the measurement object M, and functions as the microscope 40. Thus, it is possible to know the distribution of a specific substance that absorbs infrared rays.

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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

赤外線吸収検査装置および赤外線吸収検査方法
　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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