WO2018135590A1 - 物質検出装置 - Google Patents

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WO2018135590A1
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light emitting
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unit
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久一郎 今出
亮太 石川
義憲 井手
久典 川島
達雄 椎名
Original Assignee
コニカミノルタ株式会社
国立大学法人 千葉大学
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • G01N21/39—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using tunable lasers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/06—Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium
    • H01S5/062—Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium by varying the potential of the electrodes

Definitions

  • the present invention relates to a substance detection apparatus.
  • the conventional gas thickness measurement device for calculating the concentration / thickness product is based on the difference absorption method (DIAL, DOAS) for calculating the concentration / thickness product by taking the difference between the two received light signal intensity of absorption wavelength and non-absorption wavelength. It is possible to use a 2f detection method that modulates with a fundamental wave f centering on a line and obtains a concentration thickness product based on a received light signal ratio with the second harmonic wave 2f. The former is a calculation based on direct difference, and the calculation process itself for calculating the concentration-thickness product is simple and the distance can be measured. However, in order to emit two wavelengths, two laser diodes are used that slow the light emission period. Such complicated processing and device configuration are required.
  • the latter is a technique that can measure a very small signal change by taking out an output of a specific frequency and calculating it with high sensitivity and enabling a very compact design.
  • concentration / thickness product and to control the driving of the light emitting unit.
  • it is very difficult to keep the wavelength constant at the absorption wavelength position of the measurement object, and the wavelength changes depending on the output of the laser diode, so it is difficult to keep the laser power during measurement constant. Since the wavelength is determined by the temperature and the input current, there is a limit to outputting a desired wavelength with high power.
  • Patent Document 1 irradiates laser light of two wavelengths, gas absorption wavelength and non-absorption wavelength, using a single laser light source, OPO (Optical Parametric Oscillation), and etalon plate, and the reflected light is dichroic.
  • OPO Optical Parametric Oscillation
  • etalon plate etalon plate
  • the present invention has been made in view of the above-described problems in the prior art, and can emit and receive light with a relatively simple configuration. In the state where the output of light emission is kept constant, the absorption wavelength and the non-absorption wavelength are set. It is an object of the present invention to provide a substance detection device that can easily detect substances with high accuracy by changing the wavelength.
  • the invention according to claim 1 for solving the above-described problems includes a light emitting unit that emits light for detecting a detection target substance; A control unit for controlling light emission of the light emitting unit; A light receiving portion for receiving light emitted from the light emitting portion and passing through the space; A substance detecting device for detecting a substance to be detected in the space, comprising a calculation part for processing a signal received by the light receiving part.
  • the control unit inputs a current that changes sharply to the light emitting unit, thereby changing the wavelength of light emitted by the light emitting unit over the absorption wavelength and non-absorption wavelength of the detection target substance, and Control to a predetermined frequency
  • the calculation unit is a substance detection device that detects the detection target substance based on a harmonic component of a signal received by the light receiving unit.
  • control unit is configured such that the wavelength of light emitted by the light emitting unit in the section before the falling after the rising of the signal received by the receiving unit according to the rising and falling of the current is the absorption.
  • the control unit has a wavelength of light emitted by the light emitting unit in the latter half of a section before the falling after the rising of the signal received by the receiving unit according to the rising and falling of the current.
  • the invention according to claim 4 is the substance detection device according to any one of claims 1 to 3, wherein the control unit sets the current to a rectangular wave having a constant amplitude.
  • the arithmetic unit is configured to determine a concentration thickness of the substance based on a signal component ratio between the odd-numbered harmonic signal component and the even-numbered harmonic signal component of the predetermined frequency of the signal received by the light receiving unit.
  • the invention according to claim 6 is the substance detection device according to any one of claims 1 to 5, wherein the control unit sets the current to a rectangular wave with a duty ratio of 50%.
  • the invention according to claim 7 includes a phase detector that synchronously detects the harmonic component with reference to the predetermined frequency,
  • a response of a light emitting element such as a distributed feedback laser diode (DFB-LD) is input to the light emitting unit by inputting a current that changes sharply between two values having a drop such as a rectangular wave current.
  • a current that changes sharply between two values having a drop such as a rectangular wave current.
  • the wavelength of the light emitted from the light emitting part is changed over the absorption wavelength and non-absorption wavelength of the gas to be measured, so that it can emit and receive light with a relatively simple configuration, and it is based on a predetermined frequency. It is possible to detect the substance easily and accurately based on the harmonic component, and to keep the light emission output constant by keeping the input current constant, so that the light emission output is kept constant.
  • the substance can be detected by changing the wavelength over the absorption wavelength and the non-absorption wavelength.
  • FIG. 6 is a waveform diagram of a rectangular wave current input to a DFB-LD in an embodiment of the present invention. It is a graph of an example which shows the time change of the wavelength with respect to the input of the square wave current of DFB-LD, and shows the time of the frequency of an input current signal being 10 kHz. It is a graph of an example which shows the time change of the wavelength with respect to the input of the square wave current of DFB-LD, and shows the time of the frequency of an input current signal being 30 kHz. It is a graph of an example which shows the time change of the wavelength with respect to the input of the square wave current of DFB-LD, and shows the time of the frequency of an input current signal being 50 kHz.
  • the graph showing a light reception signal in one embodiment of the present invention shows an example at the time of non-detection.
  • the graph showing a light reception signal in one embodiment of the present invention shows an example at the time of detection.
  • 1 is a configuration block diagram of a gas measuring device according to an embodiment of the present invention. It is a flowchart which shows the processing flow in the gas measuring device of FIG.
  • the detection target substance is assumed to be gas, and the measurement value of the concentration thickness product is obtained.
  • the refractive index of the active layer rises with an increase in the amount of heat generation, and the wavelength becomes nonlinear on the long wavelength side from ⁇ s to ms order. It is known to change.
  • the present invention gives a change over the absorption wavelength and the non-absorption wavelength of the detection target gas by the wavelength change.
  • a rectangular wave current as shown in FIG. 1 is input. Note that the light emission output can be kept constant by making the amplitude of the rectangular wave current constant. This rectangular wave current is controlled to a predetermined frequency f.
  • the rectangular wave current of FIG. 1 is input to the DFB-LD, the wavelength of the emitted light of the DFB-LD changes as shown in FIGS. 2A-2D.
  • the absorption wavelength ⁇ 1 of the detection target gas is set within this wavelength change range.
  • FIGS. 3A and 3B When the emission light of the DFB-LD whose wavelength changes in this way is received through the detection target space, a light reception signal as shown in FIGS. 3A and 3B is obtained.
  • FIG. 3A shows a case where there is no detection target gas in the detection target space, and the waveform is substantially rectangular. However, when the detection target gas exists in the detection target space, light having an absorption wavelength is absorbed according to the concentration thickness product. Therefore, as shown in FIG. 3B, a negative peak a1 occurs on each top surface of one rectangular portion a.
  • the concentration thickness product of the detection target gas is determined by the relativity between the negative peak a1 and the positive peak a2 or a3. It can be calculated. In the present embodiment, the concentration / thickness product of the detection target gas is calculated based on the signal component ratio 2f / f of the odd harmonic signal component 1f and the even harmonic signal component 2f of the received light signal.
  • the response characteristic of the wavelength change when a steep current change is added to the input current of the light emitting element as described above also depends on the temperature as shown in FIG. As shown in FIG. 4, since the timing of crossing the absorption wavelength ⁇ 1 varies depending on the temperature, it is preferable to keep the temperature of the light emitting element constant.
  • FIG. 5 shows a configuration diagram of an example of the substance detection apparatus according to the present invention.
  • the substance detection apparatus 100A includes a light emitting unit 102 that emits light (measurement light 101) for detecting the detection target gas G1, a control unit 103 that controls light emission of the light emitting unit 102, and a light emitting unit.
  • a light receiving unit 104 that receives light (reflected by the reflector R1) that has emitted light 102 and passed through the detection target space S1 and a calculation unit 105 that processes the signal V1 received by the light receiving unit 104 are provided.
  • the substance detection apparatus 100A includes an amplifier 110 that amplifies the detection value of the light receiving unit 104, an AD converter 112 that performs AD conversion on the output signal of the amplifier 110, and the like.
  • a distributed feedback laser diode (DFB-LD) is provided as a light emitting element of the light emitting unit 102.
  • the calculation unit 105 obtains light reception signal time-series data from the AD converter 112 over the absorption wavelength and non-absorption wavelength of the gas G1 received by the light receiving unit 104.
  • the control unit 103 controls the current control unit 113 to input a rectangular wave current having a frequency f to the light emitting unit 102, whereby the absorption wavelength and non-absorption wavelength of the detection target gas G1 are added to the wavelength of light emitted by the light emitting unit 102. Changes over time. Further, the control unit 103 controls the duty ratio of the rectangular wave current having the frequency f to 50%. By setting the duty ratio of the rectangular wave current to 50%, a waveform having only the odd-numbered wave component of the driving cycle f as a signal component is theoretically obtained, and the waveform change due to gas absorption has a total wave component, so that the change can be easily detected.
  • the control unit 103 controls the temperature control unit 114 to keep the temperature of the light emitting unit 102 constant.
  • the temperature control unit 114 includes a temperature control element such as a Peltier element.
  • the control unit 103 and the calculation unit 105 are realized by a processor such as a CPU executing a program stored in a storage medium such as a hard disk.
  • the arithmetic unit 105 obtains a predetermined number of received light signal time-series data from the AD converter 112 at a predetermined sampling rate. (S11).
  • the calculation unit 105 performs fast Fourier transform processing on the received light signal time-series data (S12) to obtain a 1f signal component and a 2f signal component (S13), and the density thickness based on the signal component ratio 2f / f.
  • the product is calculated (S14).
  • the acquisition of the 1f signal component and the 2f signal component is performed by the phase detector 111. That is, as shown in the flowchart of FIG. 8, the phase detector 111 synchronously detects the harmonic components (1f, 2f) with reference to the frequency f (S21), and the harmonic detector (1f 2f) is input (S22), and based on the signal component ratio 2f / f, the calculation unit 105 calculates a concentration-thickness product (S23).
  • the concentration thickness product is calculated (S14, S23), for example, as follows.
  • the characteristic of the concentration / thickness product of the detection target gas with respect to the signal component ratio 2f / f is obtained by experiments or the like as shown in FIG. A linear change is shown as shown in FIG. Therefore, a concentration conversion formula is created, and the signal thickness ratio 2f / f is input to this to calculate the concentration thickness product.
  • FIGS. 10A-10C and FIGS. 11A-11B show the waveform of the input current signal to the light-emitting unit 102 and the waveform of the light-receiving signal in the light-receiving unit 104 according to this.
  • the control unit 103 causes the light emitting unit 102 to emit light in the interval Ta after the rising edge of the signal received by the receiving unit 104 according to the input current to the light emitting unit 102.
  • the current is input so that the wavelength of the light to be transmitted changes through the absorption wavelength ⁇ 1 of the detection target gas.
  • the time point t ( ⁇ 1) when the wavelength of the light emitted from the light emitting unit 102 becomes the absorption wavelength ⁇ 1 is set in the section Ta. If the time t ( ⁇ 1) when the wavelength of the light emitted from the light emitting unit 102 becomes equal to the absorption wavelength ⁇ 1 is in the section Ta, a bottom peak occurs on the top surface of the rectangular part a, and the light receiving signal is greatly influenced by the detection target gas. This is because it can be detected with high sensitivity. In addition, since the change of the light reception signal can be obtained depending on the presence or absence of the detection target gas in the state where the power of the measurement light 101 is constant (the top surface portion of the rectangular portion a), detection can be performed with high accuracy.
  • the emission wavelength of DFB-LD shifts to the longer wavelength side as the temperature (LD temperature) increases. Therefore, the timing at which the emission wavelength becomes equal to the absorption wavelength ⁇ 1 is earlier as the temperature is higher.
  • T1, T2 and T3 T1>T2> T3
  • T1>T2> T3 the earliest when the LD temperature is T1
  • the corresponding received light signal waveform is as shown in FIG. Since the time t ( ⁇ 1) when becomes equal to the absorption wavelength ⁇ 1 is an early stage in the section Ta, the influence of the detection target gas on the light reception signal is small. That is, chipping with respect to the waveform when there is no detection target gas shown in FIG. 3A is small.
  • the control unit 103 controls the LD temperature to be low to T2 via the temperature control unit 114, as shown in FIG. 10B, the lack of the waveform when there is no detection target gas shown in FIG. 3A is large.
  • the detection target gas can be detected with high sensitivity.
  • the time t ( ⁇ 1) at which the light emission wavelength of the light emitting unit 102 becomes equal to the absorption wavelength ⁇ 1 is in the first half of the interval Ta as shown in FIG. 10B, the return of the received light signal after the time t ( ⁇ 1) is large.
  • the control unit 103 controls the LD temperature to be further lowered to T3 via the temperature control unit 114, as shown in FIG. 10C, the lack of the waveform when the detection target gas shown in FIG. Therefore, the detection target gas can be detected with high sensitivity.
  • the control unit 103 makes the time t ( ⁇ 1) in the second half of the section Ta, that is, changes the wavelength of the measurement light 101 to pass the absorption wavelength in the second half of the section Ta. Input current. As a result, the influence of the detection target gas is further reflected in the light reception signal and can be detected with high sensitivity.
  • the wavelength of the measurement light 101 can be changed in a state where the power of the measurement light 101 is constant (the top surface portion of the rectangular part a), that is, even if the wavelength is changed, Since the intensity change is suppressed and the emission intensity is constant between the absorption wavelength and the non-absorption wavelength, the detection target gas can be detected with high accuracy.
  • the apparatus configuration is as simple as or better than the conventional 2f detection method.
  • the distance to the background can be measured by the time of flight of the measuring light 101, and the density (average density) can be calculated from the distance and the density thickness product.
  • the principle of distance measurement is based on the TOF method (Time OfFlight).
  • the absorption wavelength and non-absorption wavelength can be oscillated only by driving control of the laser light source, and the measurement can be performed with a single detector. Concentration calculation can be realized. As described above, according to this embodiment, it is possible to emit and receive light with a relatively simple configuration, and easily change the wavelength between the absorption wavelength and the non-absorption wavelength while keeping the output of light emission constant. Can be detected with high accuracy.
  • the present invention can be used for detection of substances such as gas.

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Abstract

比較的簡単な構成で発光、受光が可能であり、発光の出力を一定に保った状態で吸収波長及び非吸収波長に亘り波長を変えて物質を容易に精度よく検出する。物質検出装置は、検出対象物質を検出するための光を発光する発光部１０２と、発光部の発光を制御する制御部１０３と、発光部が発光し空間Ｓ１を経た光を受光する受光部１０４と、受光部が受光した信号を処理する位相検波器１１１、演算部１０５とを備える。制御部は、発光部に急峻に変化する電流を入力することで、発光部が発光する光の波長に検出対象物質の吸収波長及び非吸収波長に亘る変化を与え、電流を所定周波数に制御する。演算部は、受光部が受光した信号の高調波成分に基づき検出対象物質を検出する。

Description

物質検出装置
　本発明は、物質検出装置に関する。
　従来の濃度厚み積を算出するガス測定装置としては、吸収波長と非吸収波長の２波長の受光信号強度の差分を取り濃度厚み積を求める差分吸収法（DIAL,DOAS)によるものと、ガス吸収線を中心に基本波fで変調し、２倍波２ｆとの受光信号比により濃度厚み積を求める２ｆ検波方式によるものとが挙げられる。
　前者は、直接差分による演算で、濃度厚み積を算出する演算処理自体は簡易であり、距離の測定も可能だが、２波長を出射するために、発光周期を遅くする、レーザーダイオードを２個用いるなど複雑な処理、装置構成が必要である。
　後者は、微小な信号変化を特定周波数の出力を取り出し演算することにより、高感度に測定が可能で、非常にコンパクトな設計が可能な技術である。しかし濃度厚み積の演算、発光部の駆動制御が難しくなる。
　また、両者とも波長を測定対象の吸収波長位置に一定に保つことが非常に難しいほか、レーザーダイオードの出力に依存し、波長が変わるため、測定中のレーザーパワーを一定にすることも難しい。波長は温度と入力電流により決まるため、ハイパワーで所望の波長を出力することにも制限が生じる。
　特許文献１には、一つのレーザー光源と、ＯＰＯ(光パラメトリック発振）と、エタロン板とを用いてガスの吸収波長、非吸収波長の２波長のレーザー光を外部へ照射し、反射光をダイクロイックミラーで分光し、それぞれの波長に対応した検出器の出力より測定対象の濃度厚み積を算出する発明が記載さている。
特開２００１－１５９６０４号公報
　しかし、特許文献１に記載の発明にあっては、レーザー光源が一つで済むものの、ＯＰＯ、さらにはダイクロイックミラー、エタロンフィルタ、２種類の検出器を用いるなど、全体としては必要な構成部品も多く複雑化する。
　本発明は以上の従来技術における問題に鑑みてなされたものであって、比較的簡単な構成で発光、受光が可能であり、発光の出力を一定に保った状態で吸収波長及び非吸収波長に亘り波長を変えて物質を容易に精度よく検出することができる物質検出装置を提供することを課題とする。
　以上の課題を解決するための請求項１記載の発明は、検出対象物質を検出するための光を発光する発光部と、
前記発光部の発光を制御する制御部と、
前記発光部が発光し空間を経た光を受光する受光部と、
前記受光部が受光した信号を処理する演算部と、を備えて前記空間における検出対象物質を検出する物質検出装置であって、
前記制御部は、前記発光部に急峻に変化する電流を入力することで、前記発光部が発光する光の波長に前記検出対象物質の吸収波長及び非吸収波長に亘る変化を与え、前記電流を所定周波数に制御し、
前記演算部は、前記受光部が受光した信号の高調波成分に基づき、前記検出対象物質を検出する物質検出装置である。
　請求項２記載の発明は、前記制御部は、前記電流の立ち上がり立下りに応じた前記受信部が受信する信号の立ち上がり後立下り前の区間に前記発光部が発光する光の波長が前記吸収波長を通過する変化をするように前記電流を入力する請求項１に記載の物質検出装置である。
　請求項３記載の発明は、前記制御部は、前記電流の立ち上がり立下りに応じた前記受信部が受信する信号の立ち上がり後立下り前の区間の後半に前記発光部が発光する光の波長が前記吸収波長を通過する変化をするように前記電流を入力する請求項１に記載の物質検出装置である。
　請求項４記載の発明は、前記制御部は、前記電流を一定の振幅の矩形波とする請求項１から請求項３のうちいずれか一に記載の物質検出装置である。
　請求項５記載の発明は、前記演算部は、前記受光部が受光した信号の、前記所定周波数の奇数倍波信号成分と偶数倍波信号成分との信号成分比に基づき、前記物質の濃度厚み積を算出する請求項１から請求項４のうちいずれか一に記載の物質検出装置である。
　請求項６記載の発明は、前記制御部は、前記電流をデューティ比５０％の矩形波とする請求項１から請求項５のうちいずれか一に記載の物質検出装置である。
　請求項７記載の発明は、前記所定周波数を基準に前記高調波成分を同期検出する位相検波器を備え、
前記位相検波器から前記演算部に前記高調波成分の信号が入力される請求項１から請求項６のうちいずれか一に記載の物質検出装置である。
　本発明によれば、発光部に、矩形波電流等の落差のある２つの値の間で急峻に変化する電流を入力することで、分布帰還型レーザーダイオード（ＤＦＢ－ＬＤ）など発光素子の応答特性を利用して、発光部が発光する光の波長に測定対象ガスの吸収波長及び非吸収波長に亘る変化を与えるので、比較的簡単な構成で発光、受光が可能であり、所定周波数を基準とした高調波成分に基づき物質を容易に精度よく検出することができ、入力電流を一定にすることで発光の出力を一定に保つことができ、これにより発光の出力を一定に保った状態で吸収波長及び非吸収波長に亘り波長を変えて物質を検出することができる。
本発明の一実施形態においてＤＦＢ－ＬＤに入力する矩形波電流の波形図である。 ＤＦＢ－ＬＤの矩形波電流の入力に対する波長の時間変化を示す一例のグラフであり、入力電流信号の周波数が１０ｋＨｚのときを示す。 ＤＦＢ－ＬＤの矩形波電流の入力に対する波長の時間変化を示す一例のグラフであり、入力電流信号の周波数が３０ｋＨｚのときを示す。 ＤＦＢ－ＬＤの矩形波電流の入力に対する波長の時間変化を示す一例のグラフであり、入力電流信号の周波数が５０ｋＨｚのときを示す。 ＤＦＢ－ＬＤの矩形波電流の入力に対する波長の時間変化を示す一例のグラフであり、入力電流信号の周波数が１００ｋＨｚのときを示す。 本発明の一実施形態において受光信号を表すグラフで、非検出時の例を示す。 本発明の一実施形態において受光信号を表すグラフで、検出時の例を示す。 発光素子の入力電流の変化に対する波長の変化の温度特性を示すグラフである。 本発明の一実施形態に係るガス測定装置の構成ブロック図である。 図５のガス測定装置における処理フローを示すフローチャートである。 本発明の他の一実施形態に係るガス測定装置の構成ブロック図である。 図７のガス測定装置における処理フローを示すフローチャートである。 本発明の一実施形態において検出対象ガスの濃度厚み積の信号成分比２ｆ／ｆに対する特性を示すグラフである。 本発明の一実施形態における入力電流信号の波形と、これに応じた受光部での受光信号の波形を示すグラフであり、温度Ｔ１のときを示す。 本発明の一実施形態における入力電流信号の波形と、これに応じた受光部での受光信号の波形を示すグラフであり、温度Ｔ２のときを示す。 本発明の一実施形態における入力電流信号の波形と、これに応じた受光部での受光信号の波形を示すグラフであり、温度Ｔ３のときを示す。 本発明の一実施形態における入力電流信号の波形と、これに応じた受光部での受光信号の波形を示すグラフであり、入力電流信号の周波数が１０ｋＨｚのときを示す。 本発明の一実施形態における入力電流信号の波形と、これに応じた受光部での受光信号の波形を示すグラフであり、入力電流信号の周波数が１００ｋＨｚのときを示す。
　以下に本発明の一実施形態につき図面を参照して説明する。以下は本発明の一実施形態であって本発明を限定するものではない。本実施形態では、検出対象物質をガスと想定し、濃度厚み積の測定値まで得る。
　分布帰還型レーザーダイオード（ＤＦＢ－ＬＤ）に急峻な電流変化を加えた際に、発熱量の増加に伴い活性層の屈折率が上昇し、波長が長波長側にμsからｍｓオーダーで非線形的に変化することが知られている。本発明はその波長変化により、検出対象ガスの吸収波長及び非吸収波長に亘る変化を与える。ＤＦＢ－ＬＤに急峻な電流変化を加えるため、図１に示すような矩形波電流を入力する。なお、この矩形波電流の振幅を一定にすることで、発光の出力を一定に保つことができる。この矩形波電流を所定周波数ｆに制御する。
　ＤＦＢ－ＬＤに図１の矩形波電流を入力すると、図２Ａ－２Ｄに示すようにＤＦＢ－ＬＤの出射光の波長が変化する。この波長変化範囲に検出対象ガスの吸収波長λ１があるようにする。
　このように波長変化するＤＦＢ－ＬＤの出射光を、検出対象空間を経て受光すると、図３Ａ，図３Ｂに示すような受光信号が得られる。図３Ａは、検出対象空間に検出対象ガスが無かった場合であり略矩形状の波形となるが、検出対象空間に検出対象ガスがあるとその濃度厚み積に応じて吸収波長の光が吸収されるので図３Ｂに示すように１つの矩形部ａの天面のそれぞれに負のピークａ１が生じる。
　負のピークａ１に隣接する正のピークａ２，ａ３は、非吸収波長の受光信号であるので、負のピークａ１と、正のピークａ２又はａ３との相対性により検出対象ガスの濃度厚み積を算出可能である。本実施形態では、受光信号の奇数倍波信号成分１ｆと偶数倍波信号成分２ｆとの信号成分比２ｆ／ｆに基づき検出対象ガスの濃度厚み積を算出する。
　以上のような発光素子の入力電流に急峻な電流変化を加えたときの波長変化の応答特性は、図４に示すように温度にも依存する。図４に示すように吸収波長λ１を横切るタイミングが温度によって異なってしまうため、発光素子の温度を一定に保つことが好ましい。
　図５に本発明による物質検出装置の一例の構成図を示す。
　図５に示すように物質検出装置１００Ａは、検出対象ガスＧ１を検出するための光（測定光１０１）を発光する発光部１０２と、発光部１０２の発光を制御する制御部１０３と、発光部１０２が発光し検出対象空間Ｓ１を経た光（反射物Ｒ１で反射）を受光する受光部１０４と、受光部１０４が受光した信号Ｖ１を処理する演算部１０５と、を備える。
　また、物質検出装置１００Ａは、受光部１０４の検出値を増幅する増幅器１１０、増幅器１１０の出力信号をＡＤ変換するＡＤ変換器１１２等を備える。
　発光部１０２の発光素子として分布帰還型レーザーダイオード（ＤＦＢ－ＬＤ）を備える。
　演算部１０５は、ＡＤ変換器１１２から、受光部１０４が受光したガスＧ１の吸収波長及び非吸収波長に亘る受光信号時系列データを得る。
　制御部１０３は、電流制御部１１３を制御して発光部１０２に周波数ｆの矩形波電流を入力することで、発光部１０２が発光する光の波長に検出対象ガスＧ１の吸収波長及び非吸収波長に亘る変化を与える。また制御部１０３は、周波数ｆの矩形波電流のデューティ比を５０％に制御する。矩形波電流のデューティ比を５０％にすることで、理論上駆動周期ｆの奇数波成分のみを信号成分として持つ波形となり、ガス吸収による波形変化は全数波成分を持つため、変化を捉えやすい。
　その間、制御部１０３は温度制御部１１４を制御して発光部１０２の温度を一定に保つ。温度制御部１１４にペルチェ素子などの温調素子が含まれる。制御部１０３および演算部１０５は、ハードディスク等の記憶媒体に記憶されたプログラムをＣＰＵ等のプロセッサーが実行することによって実現される。
　図６のフローチャートに示すように物質検出装置１００Ａにおいて演算部１０５は、ＡＤ変換器１１２から所定サンプリングレートで所定数の受光信号時系列データを得る。（Ｓ１１）。
　次に、演算部１０５は、受光信号時系列データを高速フーリエ変換処理して（Ｓ１２）、１ｆ信号成分と、２ｆ信号成分を得て（Ｓ１３）、その信号成分比２ｆ／ｆに基づき濃度厚み積を算出する（Ｓ１４）。
　また、図７に示す物質検出装置１００Ｂにあっては、１ｆ信号成分と、２ｆ信号成分の取得は、位相検波器１１１によって行われる。すなわち、図８のフローチャートに示すように位相検波器１１１が周波数ｆを基準に高調波成分（１ｆ、２ｆ）を同期検出し（Ｓ２１）、位相検波器１１１から演算部１０５に高調波成分（１ｆ、２ｆ）の信号が入力され（Ｓ２２）、その信号成分比２ｆ／ｆに基づき演算部１０５が濃度厚み積を算出する（Ｓ２３）。
　濃度厚み積の算出（Ｓ１４，Ｓ２３）は、例えば次のように行う。
　検出対象ガスの濃度厚み積の信号成分比２ｆ／ｆに対する特性は、実験等により図９に示すように得られる。図９に示すように線形的な変化を示す。そこで、濃度換算式を作成し、これに信号成分比２ｆ／ｆを入力して濃度厚み積を算出する。
　ここでは、図９のグラフ（実線）を一次関数（破線）で近似する。図７の一次関数（破線）の傾きａ、縦軸のオフセットｂとして、（濃度厚み積）＝（２ｆ／ｆ）×ａ＋ｂ　を濃度換算式とする。
　図１０Ａ－１０Ｃ及び図１１Ａ－１１Ｂに、発光部１０２への入力電流信号の波形と、これに応じた受光部１０４での受光信号の波形を示す。
　図１０Ａ－１０Ｃ及び図１１Ａ－１１Ｂに示すように制御部１０３は、発光部１０２への入力電流に応じて受信部１０４が受信する信号の立ち上がり後立下り前の区間Ｔａに発光部１０２が発光する光の波長が検出対象ガスの吸収波長λ１を通過する変化をするように電流を入力する。すなわち、発光部１０２が発光する光の波長が吸収波長λ１となった時点ｔ（λ１）が区間Ｔａにあるようにする。発光部１０２が発光する光の波長が吸収波長λ１と等しくなった時点ｔ（λ１）が区間Ｔａにあれば、矩形部ａの天面にボトムピークが生じ、検出対象ガスの影響が大きく受光信号に反映され、高感度に検出することができるからである。また、測定光１０１のパワー一定の状態（矩形部ａの天面の部分）で検出対象ガスの有無により受光信号の変化を得ることができるため、高精度に検出することができる。
　図４に示したようにＤＦＢ－ＬＤは温度（ＬＤ温度）が高いほど、発光波長が長波長側にシフトする。そのため、発光波長が吸収波長λ１と等しくなるタイミングは、温度が高いほど早くなる。図４のＬＤ温度Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３（Ｔ１＞Ｔ２＞Ｔ３）の場合、ＬＤ温度がＴ１のときに最も早く、対応する受光信号波形は図１０Ａに示すようになり、発光部１０２の発光波長が吸収波長λ１と等しくなる時点ｔ（λ１）が区間Ｔａ内で序盤であるため受光信号に対する検出対象ガスの影響が少ない。すなわち、図３Ａに示す検出対象ガスが無い場合の波形に対する欠けが小さい。
　これに対し、制御部１０３が温度制御部１１４を介してＬＤ温度をＴ２へと低く制御することで、図１０Ｂに示すように、図３Ａに示す検出対象ガスが無い場合の波形に対する欠けが大きくなり、検出対象ガスを高感度に検出することができる。
　しかし、発光部１０２の発光波長が吸収波長λ１と等しくなる時点ｔ（λ１）が図１０Ｂに示すように区間Ｔａの前半にあると、時点ｔ（λ１）後の受光信号の盛り返しが大きい。
　そこで、制御部１０３が温度制御部１１４を介してＬＤ温度をＴ３へとさらに低く制御することで、図１０Ｃに示すように、図３Ａに示す検出対象ガスが無い場合の波形に対するさらに欠けが大きくなり、検出対象ガスを高感度に検出できる。
　図１０Ｃに示すように、制御部１０３は、区間Ｔａの後半に時点ｔ（λ１）があるように、すなわち、区間Ｔａの後半に測定光１０１の波長が吸収波長を通過する変化をするように電流を入力する。これにより、検出対象ガスの影響がさらに大きく受光信号に反映され、高感度に検出することができる。
　また、発光部１０２に入力する電流の周波数ｆの設定により、高感度化が可能である。
　図２Ａ－２Ｄに示したように周波数ｆが変わっても、測定光１０１の波長の時間変化特性は変わらない。ただ、短波長ほど時間的に短く終了する。
　そこで、図１１Ａに示すように、ｆ＝１０ｋHzで、時点ｔ（λ１）が区間Ｔａ内で早期過ぎる場合は、図１１Ｂに示すようにｆ＝１００ｋHzと、周波数を高く設定し、図３Ａに示す検出対象ガスが無い場合の波形に対する欠けを相対的に大きくすることで、高感度に検出することができる。
　以上の説明した本発明の実施形態によれば、矩形波による入力電流の急峻な変化に対する発光波長のシフト現象を利用し、検出対象物質を検知し、濃度測定などを行うことができる。
　測定光１０１のパワー一定の状態（矩形部ａの天面の部分）で図２Ａ－２Ｄに示すように測定光１０１の波長を変化させることができる、すなわち、波長変化させても測定光１０１の強度変化が抑えられており、吸収波長の時と非吸収波長の時とで発光強度が一定しているから高精度に検出対象ガスを検出することができる。
　図５や図７に示すように装置構成も従来の２f検波方式と同等以上に簡易である。
　さらに測定光１０１の飛行時間により背景までの距離も測定でき、距離と濃度厚み積から濃度（平均濃度）を算出することができる。なお、距離測定原理は、ＴＯＦ法(Time OfFlight:飛行時間測定法)による。
　また本実施形態によれば、従来技術に対してレーザー光源の駆動制御のみで吸収波長と非吸収波長とが発振可能、検出器も一つで測定ができるため、非常に簡易な構成で、ガス濃度演算が実現できる。
　以上のように本実施形態によれば、比較的簡単な構成で発光、受光が可能であり、発光の出力を一定に保った状態で吸収波長及び非吸収波長に亘り波長を変えて物質を容易に精度よく検出することができる。
　本発明は、ガス等の物質の検出に利用することができる。
１００Ａ 物質検出装置
１００Ｂ 物質検出装置
１０１ 測定光
１０２ 発光部
１０３ 制御部１０４ 受光部
１０５ 演算部
１１０ 増幅器
１１１ 位相検波器
１１２ ＡＤ変換器
１１３ 電流制御部
１１４ 温度制御部
Ｇ１ 検出対象ガス
Ｒ１ 反射物
Ｓ１ 検出対象空間
Ｖ１ 受信信号
λ１ 吸収波長

Claims (7)

  1. 検出対象物質を検出するための光を発光する発光部と、
    前記発光部の発光を制御する制御部と、
    前記発光部が発光し空間を経た光を受光する受光部と、
    前記受光部が受光した信号を処理する演算部と、を備えて前記空間における検出対象物質を検出する物質検出装置であって、
    前記制御部は、前記発光部に急峻に変化する電流を入力することで、前記発光部が発光する光の波長に前記検出対象物質の吸収波長及び非吸収波長に亘る変化を与え、前記電流を所定周波数に制御し、
    前記演算部は、前記受光部が受光した信号の高調波成分に基づき、前記検出対象物質を検出する物質検出装置。
  2. 前記制御部は、前記発光部への入力電流に応じた前記受信部が受信する信号の立ち上がり後立下り前の区間に前記発光部が発光する光の波長が前記吸収波長を通過する変化をするように前記電流を前記発光部へ入力する請求項１に記載の物質検出装置。
  3. 前記制御部は、前記発光部への入力電流に応じた前記受信部が受信する信号の立ち上がり後立下り前の区間の後半に前記発光部が発光する光の波長が前記吸収波長を通過する変化をするように前記電流を前記発光部へ入力する請求項１に記載の物質検出装置。
  4. 前記制御部は、前記電流を一定の振幅の矩形波とする請求項１から請求項３のうちいずれか一に記載の物質検出装置。
  5. 前記演算部は、前記受光部が受光した信号の、前記所定周波数の奇数倍波信号成分と偶数倍波信号成分との信号成分比に基づき、前記物質の濃度厚み積を算出する請求項１から請求項４のうちいずれか一に記載の物質検出装置。
  6. 前記制御部は、前記電流をデューティ比５０％の矩形波とする請求項１から請求項５のうちいずれか一に記載の物質検出装置。
  7. 前記所定周波数を基準に前記高調波成分を同期検出する位相検波器を備え、
    前記位相検波器から前記演算部に前記高調波成分の信号が入力される請求項１から請求項６のうちいずれか一に記載の物質検出装置。
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