(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定ガスが導入される容器と、測定ガスによって吸収される第１の波長と第１の波長以外の波長とを含む赤外線を放射する赤外線光源と、赤外線光源が放射する赤外線から第１の波長の赤外線のみを選択的に反射して容器に入射させる第１の波長フィルタと、容器を通過した第１の波長の赤外線の強度を検出する第１の赤外線検出器とを備え、第１の波長フィルタは、基板の入射面側に屈折率の異なる部位が格子状に形成されているサブ波長光学素子からなり、前記格子状の部位は、シリコン酸化膜で形成された格子状の部位とシリコン窒化膜で形成された格子状の部位とが一定のピッチで交互に並ぶように形成されていることを特徴とするガス濃度測定装置。
【請求項２】
測定ガスが導入される容器と、測定ガスによって吸収される第１の波長と第１の波長以外の波長とを含む赤外線を放射する赤外線光源と、赤外線光源が放射し且つ容器を通過した赤外線から第１の波長の赤外線のみを選択的に反射する第１の波長フィルタと、第１の波長フィルタで反射された第１の波長の赤外線の強度を検出する第１の赤外線検出器とを備え、第１の波長フィルタは、基板の入射面側に屈折率の異なる部位が格子状に形成されているサブ波長光学素子からなり、前記格子状の部位は、シリコン酸化膜で形成された格子状の部位とシリコン窒化膜で形成された格子状の部位とが一定のピッチで交互に並ぶように形成されていることを特徴とするガス濃度測定装置。
【請求項３】
赤外線光源が放射する赤外線から第１の波長と異なり且つ測定ガスによって吸収されない第２の波長の赤外線のみを選択的に反射して容器に入射させる第２の波長フィルタと、容器を通過した第２の波長の赤外線の強度を検出する第２の赤外線検出器とを備え、第２の波長フィルタは、基板の入射面側に屈折率の異なる部位が格子状に形成されているサブ波長光学素子からなることを特徴とする請求項１記載のガス濃度測定装置。
【請求項４】
赤外線光源が放射し且つ容器を通過した赤外線から第１の波長と異なり且つ測定ガスによって吸収されない第２の波長の赤外線のみを選択的に反射する第２の波長フィルタと、第２の波長フィルタで反射された第２の波長の赤外線の強度を検出する第２の赤外線検出器とを備え、第２の波長フィルタは、基板の入射面側に屈折率の異なる部位が格子状に形成されているサブ波長光学素子からなることを特徴とする請求項２記載のガス濃度測定装置。
【請求項５】
第１及び第２の波長フィルタは、屈折率の異なる格子状の部位が一次元周期のサブ波長格子を形成する共振モード格子フィルタからなることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載のガス濃度測定装置。
【請求項６】
第１及び第２の波長フィルタは、屈折率の異なる格子状の部位が二次元周期のサブ波長格子を形成する共振モード格子フィルタからなることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載のガス濃度測定装置。
【請求項７】
測定ガスが導入される容器と、測定ガスによって吸収される第１の波長と第１の波長と異なり且つ測定ガスによって吸収されない第２の波長とを含む赤外線を放射する赤外線光源と、赤外線光源が放射する赤外線から第１の波長及び第２の波長の赤外線のみを互いの向きが直交する直線偏光に変換して選択的に反射する第３の波長フィルタと、第３の波長フィルタで反射された後に容器を通過した第１の波長の赤外線のみを通過させる第１の偏光フィルタと、第３の波長フィルタで反射された後に容器を通過した第２の波長の赤外線のみを通過させる第２の偏光フィルタと、第１の偏光フィルタを通過した第１の波長の赤外線の強度を検出する第１の赤外線検出器と、第２の偏光フィルタを通過した第２の波長の赤外線の強度を検出する第２の赤外線検出器とを備え、第３の波長フィルタは、基板の入射面側に屈折率の異なる部位が格子状に形成されているサブ波長光学素子からなり、前記格子状の部位は、シリコン酸化膜で形成された格子状の部位とシリコン窒化膜で形成された格子状の部位とが一定のピッチで交互に並ぶように形成されていることを特徴とするガス濃度測定装置。
【請求項８】
測定ガスが導入される容器と、測定ガスによって吸収される第１の波長と第１の波長と異なり且つ測定ガスによって吸収されない第２の波長とを含む赤外線を放射する赤外線光源と、赤外線光源が放射する赤外線から第１の波長及び第２の波長の赤外線のみを互いの向きが直交する直線偏光に変換して選択的に反射する第３の波長フィルタと、第３の波長フィルタで反射された後に容器を通過した第１の波長の赤外線と第２の波長の赤外線とを分離する偏光ビームスプリッタと、偏光ビームスプリッタで分離された第１の波長の赤外線の強度を検出する第１の赤外線検出器と、偏光ビームスプリッタで分離された第２の波長の赤外線の強度を検出する第２の赤外線検出器とを備え、第３の波長フィルタは、基板の入射面側に屈折率の異なる部位が格子状に形成されているサブ波長光学素子からなり、前記格子状の部位は、シリコン酸化膜で形成された格子状の部位とシリコン窒化膜で形成された格子状の部位とが一定のピッチで交互に並ぶように形成されていることを特徴とするガス濃度測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一酸化炭素や二酸化炭素のように赤外線を吸収する特性を持つガスの濃度を測定するガス濃度測定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一酸化炭素や二酸化炭素などの気体（ガス）は、図１０に示すように特定の波長（吸収波長）の光（主に赤外線）を吸収する性質を有しており、かかる性質を利用してガスの濃度を測定するガス濃度測定装置が提供されている（例えば、特許文献１参照）。従来のガス濃度測定装置としては、図９に示すようなものがある。
【０００３】
この従来装置は、測定ガスが導入される容器（ガスセル）２０と、赤外線を放射する赤外線光源（例えば、半導体レーザ）２１と、赤外線光源２１から放射される赤外線を集光して容器２０の一端側より入射させるレンズ２２と、容器２０を通過した赤外線から測定ガスの吸収波長に一致する波長の赤外線のみを選択的に通過させる光学フィルタ２３と、光学フィルタ２３を通過した吸収波長の赤外線を集光するレンズ２４と、レンズ２４で集光された吸収波長の赤外線の強度を検出する赤外線検出器（サーモパイルや焦電素子など）２５とを備えている。例えば、測定ガスを一酸化炭素とする場合、一酸化炭素を含む気体が導入された容器２０に赤外線を入射すると、一酸化炭素の吸収波長（＝４．７μｍ）の赤外線が容器２０内の測定ガス（一酸化炭素）によって吸収されるから、光学フィルタ２３を通過した赤外線の強度を赤外線検出器２５によって検出することで容器２０内の測定ガス（一酸化炭素）の濃度を測定することができる。尚、光学フィルタ２３は、図１１に示すように測定ガスの吸収波長（図示例では一酸化炭素の吸収波長である４．７μｍ）のみを通過させるバンドパスフィルタからなる。
【０００４】
また、図９に示す従来装置では、赤外線光源２１の発光強度が変化した場合や、測定ガスと吸収帯（吸収波長領域）が部分的に重なる雑ガスが容器２０内に混入した場合に、測定ガスの濃度を正確に測定できなくなる虞がある。そこで、測定ガスの吸収波長と異なる波長の赤外線（参照光）を容器２０に入射させ、容器２０を通過した参照光の強度と、測定ガスの吸収波長の赤外線の強度との差分を求めることで赤外線光源２１の発光強度の変化や雑ガスの影響による測定誤差を補正するものも提案されている。
【０００５】
例えば、図１２に示す従来装置は、赤外線光源２１、レンズ２２，２４、光学フィルタ２３、赤外線検出器２５をそれぞれ２つずつ備え、一方の光学フィルタ２３Ａを通過した測定ガスの吸収波長（例えば、４．７μｍ）の赤外線の強度を赤外線検出器２５Ａで検出し、他方の光学フィルタ２３Ｂを通過した測定ガスと異なる吸収波長（例えば、４．０μｍ）の赤外線の強度を赤外線検出器２５Ｂで検出し、２つの赤外線検出器２５Ａ，２５Ｂで検出される赤外線強度の差分を求めて測定誤差を補正するものである。
【特許文献１】特開平７−２１８４３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、上述のような赤外線吸収方式のガス濃度測定装置では、測定ガスの吸収波長のみを選択的に通過させる光学フィルタ２３のフィルタ特性が測定精度に大きく影響することになる。すなわち、光学フィルタ２３の通過域（バンド幅）が狭いほど（狭帯域であるほど）、測定ガス以外の雑ガスの影響が少なくなるために高精度の測定が可能になる。しかしながら、この種の光学フィルタ２３は、通常、母材の表面に蒸着やスパッタリングによって多数（５０層〜２００層程度）の薄膜をコーティングして形成されているため、薄膜の張力で母材が変形あるいは破壊されたり、薄膜の密着性を確保することが困難であったり、製造コストが高くなるといった問題があった。しかも、蒸着によるコーティングでは膜厚の管理が非常に難しいため、通過域の中心波長を所望の波長（測定ガスの吸収波長）に一致させることが困難であって光学フィルタの歩留まりが悪く、製造コストが高くなってしまう。また、薄膜材料には赤外線を透過する材料を用いなければならないが、コーティング可能な薄膜材料の種類が限られており（例えば、SiO2,ZnO,Geなど）、それらを使用することで製造コストが高くなってしまう。
【０００７】
本発明は上記事情に鑑みて為されたものであり、その目的は、製造コストを抑えつつ測定精度の向上が図れるガス濃度測定装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項１の発明は、上記目的を達成するために、測定ガスが導入される容器と、測定ガスによって吸収される第１の波長と第１の波長以外の波長とを含む赤外線を放射する赤外線光源と、赤外線光源が放射する赤外線から第１の波長の赤外線のみを選択的に反射して容器に入射させる第１の波長フィルタと、容器を通過した第１の波長の赤外線の強度を検出する第１の赤外線検出器とを備え、第１の波長フィルタは、基板の入射面側に屈折率の異なる部位が格子状に形成されているサブ波長光学素子からなり、前記格子状の部位は、シリコン酸化膜で形成された格子状の部位とシリコン窒化膜で形成された格子状の部位とが一定のピッチで交互に並ぶように形成されていることを特徴とする。
【０００９】
請求項１の発明によれば、第１の波長フィルタが、基板の入射面側に屈折率の異なる部位が格子状に形成されているサブ波長光学素子からなるので、薄膜を多層にコーティングしてなる波長フィルタと比較して、製造コストを抑えながらも狭帯域のフィルタ特性を実現することができる。その結果、製造コストを抑えつつ測定精度の向上が図れる。
【００１０】
請求項２の発明は、上記目的を達成するために、測定ガスが導入される容器と、測定ガスによって吸収される第１の波長と第１の波長以外の波長とを含む赤外線を放射する赤外線光源と、赤外線光源が放射し且つ容器を通過した赤外線から第１の波長の赤外線のみを選択的に反射する第１の波長フィルタと、第１の波長フィルタで反射された第１の波長の赤外線の強度を検出する第１の赤外線検出器とを備え、第１の波長フィルタは、基板の入射面側に屈折率の異なる部位が格子状に形成されているサブ波長光学素子からなり、前記格子状の部位は、シリコン酸化膜で形成された格子状の部位とシリコン窒化膜で形成された格子状の部位とが一定のピッチで交互に並ぶように形成されていることを特徴とする。
【００１１】
請求項２の発明によれば、第１の波長フィルタが、基板の入射面側に屈折率の異なる部位が格子状に形成されているサブ波長光学素子からなるので、薄膜を多層にコーティングしてなる波長フィルタと比較して、製造コストを抑えながらも狭帯域のフィルタ特性を実現することができる。その結果、製造コストを抑えつつ測定精度の向上が図れる。
【００１２】
請求項３の発明は、請求項１の発明において、赤外線光源が放射する赤外線から第１の波長と異なり且つ測定ガスによって吸収されない第２の波長の赤外線のみを選択的に反射して容器に入射させる第２の波長フィルタと、容器を通過した第２の波長の赤外線の強度を検出する第２の赤外線検出器とを備え、第２の波長フィルタは、基板の入射面側に屈折率の異なる部位が格子状に形成されているサブ波長光学素子からなることを特徴とする。
【００１３】
請求項３の発明によれば、第１の赤外線検出器で検出する赤外線強度と第２の赤外線検出器で検出する赤外線強度との差分を取るなどして、赤外線光源から放射される赤外線の強度変動や測定ガス以外の雑ガスによる影響を抑えて測定精度の向上が図れる。
【００１４】
請求項４の発明は、請求項２の発明において、赤外線光源が放射し且つ容器を通過した赤外線から第１の波長と異なり且つ測定ガスによって吸収されない第２の波長の赤外線のみを選択的に反射する第２の波長フィルタと、第２の波長フィルタで反射された第２の波長の赤外線の強度を検出する第２の赤外線検出器とを備え、第２の波長フィルタは、基板の入射面側に屈折率の異なる部位が格子状に形成されているサブ波長光学素子からなることを特徴とする。
【００１５】
請求項４の発明によれば、第１の赤外線検出器で検出する赤外線強度と第２の赤外線検出器で検出する赤外線強度との差分を取るなどして、赤外線光源から放射される赤外線の強度変動や測定ガス以外の雑ガスによる影響を抑えて測定精度の向上が図れる。
【００１６】
請求項５の発明は、請求項１〜４の何れか１項の発明において、第１及び第２の波長フィルタは、屈折率の異なる格子状の部位が一次元周期のサブ波長格子を形成する共振モード格子フィルタからなることを特徴とする。
【００１７】
請求項６の発明は、請求項１〜４の何れか１項の発明において、第１及び第２の波長フィルタは、屈折率の異なる格子状の部位が二次元周期のサブ波長格子を形成する共振モード格子フィルタからなることを特徴とする。
【００１８】
請求項７の発明は、上記目的を達成するために、測定ガスが導入される容器と、測定ガスによって吸収される第１の波長と第１の波長と異なり且つ測定ガスによって吸収されない第２の波長とを含む赤外線を放射する赤外線光源と、赤外線光源が放射する赤外線から第１の波長及び第２の波長の赤外線のみを互いの向きが直交する直線偏光に変換して選択的に反射する第３の波長フィルタと、第３の波長フィルタで反射された後に容器を通過した第１の波長の赤外線のみを通過させる第１の偏光フィルタと、第３の波長フィルタで反射された後に容器を通過した第２の波長の赤外線のみを通過させる第２の偏光フィルタと、第１の偏光フィルタを通過した第１の波長の赤外線の強度を検出する第１の赤外線検出器と、第２の偏光フィルタを通過した第２の波長の赤外線の強度を検出する第２の赤外線検出器とを備え、第３の波長フィルタは、基板の入射面側に屈折率の異なる部位が格子状に形成されているサブ波長光学素子からなり、前記格子状の部位は、シリコン酸化膜で形成された格子状の部位とシリコン窒化膜で形成された格子状の部位とが一定のピッチで交互に並ぶように形成されていることを特徴とする。
【００１９】
請求項７の発明によれば、第３の波長フィルタが、基板の入射面側に屈折率の異なる部位が格子状に形成されているサブ波長光学素子からなるので、薄膜を多層にコーティングしてなる波長フィルタと比較して、製造コストを抑えながらも狭帯域のフィルタ特性を実現することができ、その結果、製造コストを抑えつつ測定精度の向上が図れる。また、第１の赤外線検出器で検出する赤外線強度と第２の赤外線検出器で検出する赤外線強度との差分を取るなどして、赤外線光源から放射される赤外線の強度変動や測定ガス以外の雑ガスによる影響を抑えて測定精度の向上が図れ、しかも、請求項３の発明と比較して波長フィルタの数を減らすことができるから安価であり、さらに、第１及び第２の波長の赤外線が同一の光路を通ることから測定精度の向上が図れる。
【００２０】
請求項８の発明は、上記目的を達成するために、測定ガスが導入される容器と、測定ガスによって吸収される第１の波長と第１の波長と異なり且つ測定ガスによって吸収されない第２の波長とを含む赤外線を放射する赤外線光源と、赤外線光源が放射する赤外線から第１の波長及び第２の波長の赤外線のみを互いの向きが直交する直線偏光に変換して選択的に反射する第３の波長フィルタと、第３の波長フィルタで反射された後に容器を通過した第１の波長の赤外線と第２の波長の赤外線とを分離する偏光ビームスプリッタと、偏光ビームスプリッタで分離された第１の波長の赤外線の強度を検出する第１の赤外線検出器と、偏光ビームスプリッタで分離された第２の波長の赤外線の強度を検出する第２の赤外線検出器とを備え、第３の波長フィルタは、基板の入射面側に屈折率の異なる部位が格子状に形成されているサブ波長光学素子からなり、前記格子状の部位は、シリコン酸化膜で形成された格子状の部位とシリコン窒化膜で形成された格子状の部位とが一定のピッチで交互に並ぶように形成されていることを特徴とする。
【００２１】
請求項８の発明によれば、第３の波長フィルタが、基板の入射面側に屈折率の異なる部位が格子状に形成されているサブ波長光学素子からなるので、薄膜を多層にコーティングしてなる波長フィルタと比較して、製造コストを抑えながらも狭帯域のフィルタ特性を実現することができ、その結果、製造コストを抑えつつ測定精度の向上が図れる。また、第１の赤外線検出器で検出する赤外線強度と第２の赤外線検出器で検出する赤外線強度との差分を取るなどして、赤外線光源から放射される赤外線の強度変動や測定ガス以外の雑ガスによる影響を抑えて測定精度の向上が図れ、しかも、請求項７の発明と比較して２つの偏光フィルタの代わりに１つの偏光ビームスプリッタを用いているから安価であり、さらに、第１及び第２の波長の赤外線が同一の光路を通ることから測定精度の向上が図れる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、製造コストを抑えつつ測定精度の向上が図れる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、二酸化炭素を測定ガスとするガス濃度測定装置に本発明の技術思想を適用した実施形態について説明する。但し、測定ガスは二酸化炭素に限定されるものではなく、吸収帯が赤外線の波長領域に重なるガス、例えば、図１０に示すように一酸化炭素や酸化窒素、硫化窒素などであっても構わない。
【００２４】
（実施形態１）
本実施形態は、図１に示すように測定ガス（二酸化炭素）が導入される容器（ガスセル）１と、測定ガスによって吸収される第１の波長λ１（＝４．３〜４．４μｍ）と第１の波長λ１以外の波長とを含む赤外線を放射する赤外線光源２と、赤外線光源２が放射する赤外線を集光するレンズ３と、レンズ３で集光された赤外線から第１の波長λ１の赤外線のみを選択的に反射して容器１に入射させる第１の波長フィルタ４と、容器１を通過した第１の波長λ１の赤外線を集光するレンズ５と、レンズ５で集光された第１の波長λ１の赤外線の強度を検出する第１の赤外線検出器６と、第１の波長フィルタ４を透過した第１の波長以外の赤外線を吸収する赤外線吸収体７とを備えている。赤外線光源２は、フィラメントを有する電球や、いわゆるＭＥＭＳ技術によって形成された微少な発熱体を有する光源、あるいは半導体レーザなどからなる。また第１の赤外線検出器６は、サーモパイルや焦電素子などの熱型の検出素子の他、InSbやPbSeなどの量子型の検出素子、あるいは熱音響型の検出素子などで構成される。赤外線吸収体７は、第１の波長フィルタ４で反射されなかった赤外線が迷光となってノイズの原因となることを防ぐためのものであって、筒型の光トラップや赤外線吸収膜などで構成される。
【００２５】
第１の波長フィルタ４は、図２（ａ）に示すように図示しないシリコン基板上にSiO2の薄膜（膜厚：２〜３ｍｍ）４ａが成膜され、当該SiO2膜４ａの上に互いに屈折率が異なる２種類の格子４ｂ，４ｃが一定のピッチで並ぶように形成されたサブ波長光学素子（回折格子）からなる。一方の格子４ｂは、ＣＶＤ（化学気相成長法）によって成膜されたシリコン窒化膜をエッチングすることで形成され、他方の格子４ｃは、ゾルゲル法又はＣＶＤによって格子４ｂの間にシリコン酸化膜を成膜することで形成される。但し、格子４ｂ，４ｃの表面（入射面）は、エッチバック若しくは研磨によって所望の厚み（例えば、１．０７２μｍ）にされるとともに平滑化される。ここで、SiO2膜４ａの屈折率が１．５２、格子４ｂの屈折率が２．０、格子４ｃの屈折率が２．１であるから、格子４ｂ，４ｃのピッチを２．５１２μｍに設定すれば、図２（ｂ）に示すように二酸化炭素の吸収波長である４．４μｍの赤外線をＳ偏光に変換して反射するサブ波長光学素子を形成することができる。但し、このサブ波長光学素子では、図２（ｂ）に示すように４．０μｍの赤外線もＰ偏光に変換して反射しているので、偏光フィルタを用いてＰ偏光を遮蔽（吸収）させることが望ましい。
【００２６】
而して、赤外線光源２から放射される赤外線がレンズ２で集光されて第１の波長フィルタ４の入射面に入射すると、測定ガス（二酸化炭素）の吸収帯に含まれる第１の波長λ１の赤外線（Ｓ偏光）のみが反射されて容器１を通過し、容器１内で測定ガスに吸収されずに通過した第１の波長λ１の赤外線が第１の赤外線検出器６に入射するから、第１の赤外線検出器６の出力に基づいて容器１内の測定ガス（二酸化炭素）の濃度を測定することができる。
【００２７】
ここで、第１の波長フィルタ４をサブ波長光学素子で構成していることで、以下のような利点がある。つまり、従来例のように母材の表面に蒸着やスパッタリングによって多数（５０層〜２００層程度）の薄膜をコーティングして形成される光学フィルタ２３に比較して反射域（バンド幅）を狭くすることが可能である。また、材料として赤外線を透過するシリコン基板が使用できるためにゲルマニウムなどに比べて材料費が安価である。さらに、通常の半導体プロセスを利用して格子４ｂ，４ｃを高い精度で形成できるため、反射域の中心波長を所望の波長（測定ガスの吸収波長）に一致させることが容易となって歩留まりがよく、製造コストを下げることができる。
【００２８】
尚、第１の波長フィルタ４で反射された第１の波長λ１の赤外線を容器１に入射させる代わりに、図３に示すように容器１を通過した赤外線から第１の波長λ１の赤外線のみを第１の波長フィルタ４で反射させて第１の赤外線検出器６に入射させる構成としても構わない。図１の構成では、容器１の前段に第１の波長フィルタ４を配置することで容器１内に不要な赤外線が入射しないため、例えば、容器１内に混在している測定ガス以外のガスが第１の波長λ１以外の波長の赤外線を吸収して容器１内の温度が上昇することがない。また、サブ波長光学素子からなる第１の波長フィルタ４は入射面に対する赤外線の入射角度に対する波長依存性が大きいため、僅かな角度の違いで反射する波長が大きく変化してしまうが、図３の構成では、図１の構成と比較して第１の波長フィルタ４から第１の赤外線検出器６までの光路長が短いので、第１の波長フィルタ４の角度を変化させたときに第１の赤外線検出器６に入射する赤外線の移動量が少なくなり、その結果、角度調整が容易になるという利点がある。
【００２９】
ところで、第１の波長フィルタ４を構成するサブ波長光学素子としては、図４（ａ）に示す１次元の共振モード格子３０や、図４（ｂ）に示す２次元の共振モード格子４０であっても構わない。１次元の共振モード格子３０は、基板（サブストレート）３１上に導波層３２が形成されるとともに、導波層３２上にサブ波長の回折格子３３が形成されている。回折格子３３の周期は、屈折率の高い導波層３２に対しては回折波が発生する程度に長く、基板３１や入射空間には回折波が発生しない程度に短く設定される。回折格子３３で回折された光（赤外線）が導波層３２の伝搬条件を満たしている場合、光波は一旦導波層３２内に入り、少しの距離を伝搬した後、回折格子３３の影響によって再び外部に放射される。このとき、基板３０側に放射される光は、直接透過する光波に対して位相が反転しており、互いに打ち消し合って透過光の強度はほぼゼロになる。一方、回折格子３３上部の入射空間側に放射される光波は、直接反射された光波と同位相になるために強め合う（これを「共鳴反射」と呼ぶ。）。また、回折波が導波層３２の伝搬条件を満たさない場合は、導波層３２に光が入らないので薄膜の透過光と同じになる。共鳴反射が生じる条件は狭く、狭帯域の波長フィルタが容易に実現できる。
【００３０】
図４（ｂ）に示す２次元の共振モード格子４０は特開２０００−２７５４１５号公報に記載されているものであって、基板４１と、基板４１上に形成された導波層４２と、導波層４２上に形成された格子層４３とで構成される。格子層４３には、矩形の凹部４４が等ピッチで格子状に配設されており、凹部４４、例えば空気と、凹部４４以外の部分の低屈折率の媒質とから格子層４３が構成され、高屈折率の導波層４２が導波路となる。格子層４３に入射する光は、格子層４３によって共振を起こし、特定波長の反射光のみが反射される。さらに、この共振モード格子４０においては、入射光が格子層４３表面の法線方向に対して斜め方向から入射した場合の偏光依存性を無くすことができるので、図２に示したサブ波長光学素子のようにＰ偏光とＳ偏光の２種類の反射光が発生せず、不要な反射光を除去するために偏光フィルタを用いて不要な反射光（偏光）を除去する必要がない。
【００３１】
（実施形態２）
本実施形態は、図５に示すように赤外線光源２が放射する赤外線から第１の波長λ１と異なり且つ測定ガスによって吸収されない第２の波長λ２の赤外線のみを選択的に反射して容器１に入射させる第２の波長フィルタ８と、容器１を通過した第２の波長λ２の赤外線を集光するレンズ９と、レンズ９で集光された第２の波長λ２の赤外線の強度を検出する第２の赤外線検出器１０とを備えている点に特徴がある。但し、かかる特徴点を除く本実施形態の基本構成は実施形態１と共通であるから、共通の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。
【００３２】
従来技術で説明したように、赤外線光源２の発光強度が変化した場合や、測定ガスと吸収帯（吸収波長領域）が部分的に重なる雑ガスが容器１内に混入した場合に、測定ガスの濃度を正確に測定できなくなる虞があることに鑑み、本実施形態では、測定ガスの吸収波長λ１と異なる波長λ２の赤外線（参照光）を容器１に入射させ、容器１を通過した参照光（第２の波長λ２の赤外線）の強度と、測定ガスの吸収波長（第１の波長λ１）の赤外線の強度との差分を求めることで赤外線光源２の発光強度の変化や雑ガスの影響による測定誤差を補正できるようにしている。
【００３３】
すなわち、第１の波長フィルタ４を透過した赤外線を第２の波長フィルタ８の反射面に入射すれば、第２の波長フィルタ８の反射面において第２の波長λ２（例えば、λ２＝４．０μｍ）の赤外線（参照光）のみを選択的に反射させて容器１に入射させることができる。例えば、測定ガスが二酸化炭素であれば、第１の波長λ１＝４．４μｍ、第２の波長λ２＝４．０μｍとし、測定ガスが一酸化炭素であれば、第１の波長λ１＝４．７μｍ、第２の波長λ２＝４．０μｍとすればよい。尚、第２の波長フィルタ８には第１の波長フィルタ４と共通の構成を有するサブ波長光学素子を用いる。
【００３４】
而して本実施形態によれば、測定ガスの吸収波長（第１の波長λ１）と異なる波長（第２の波長λ２）の赤外線（参照光）を容器１に入射させ、容器１を通過した参照光の強度と、測定ガスの吸収波長（第１の波長λ１）の赤外線の強度との差分を求めることで赤外線光源２の発光強度の変化や雑ガスの影響による測定誤差を補正することにより測定精度を向上することができる。しかも、第２の波長λ２のみを選択的に反射する第２の波長フィルタ８をサブ波長光学素子で構成しているので、従来例のように母材の表面に蒸着やスパッタリングによって多数（５０層〜２００層程度）の薄膜をコーティングして形成される光学フィルタ２３に比較して反射域（バンド幅）を狭くすることが可能である。また、材料として赤外線を透過するシリコン基板が使用できるためにゲルマニウムなどに比べて材料費が安価であり、さらに、通常の半導体プロセスを利用して格子４ｂ，４ｃを高い精度で形成できるため、反射域の中心波長を所望の波長（測定ガスの吸収波長）に一致させることが容易とな歩留まりがよく、製造コストを下げることができるという利点がある。
【００３５】
尚、第１及び第２の波長フィルタ４，８で反射された第１及び第２の波長λ１，λ２の赤外線を容器１に入射させる代わりに、図６に示すように容器１を通過した赤外線から第１の波長λ１の赤外線のみを第１の波長フィルタ４で反射させて第１の赤外線検出器６に入射させるとともに、第１の波長フィルタ４を透過した赤外線から第２の波長λ２の赤外線のみを第２の波長フィルタ８で反射させて第２の赤外線検出器１０に入射させる構成としても構わない。図５の構成では、容器１の前段に第１及び第２の波長フィルタ４，８を配置することで容器１内に第１及び第２の波長λ１，λ２の赤外線以外の不要な赤外線が入射しないため、例えば、容器１内に混在している測定ガス以外のガスが第１及び第２の波長λ１，λ２以外の波長の赤外線を吸収して容器１内の温度が上昇することがない。また、サブ波長光学素子からなる第１及び第２の波長フィルタ４，８は入射面に対する赤外線の入射角度に対する波長依存性が大きいため、僅かな角度の違いで反射する波長が大きく変化してしまうが、図６の構成では、図５の構成と比較して第１及び第２の波長フィルタ４，８から第１及び第２の赤外線検出器６，１０までの光路長がそれぞれ短いので、第１及び第２の波長フィルタ４，８の角度を変化させたときに第１及び第２の赤外線検出器６，１０に入射する赤外線の移動量が少なくなり、その結果、角度調整が容易になるという利点がある。さらに、図５の構成では第１の波長λ１の赤外線と第２の波長λ２の赤外線を容器１に対して平行に入射及び通過させているのに対し、図６の構成では容器１に対して第１及び第２の波長λ１，λ２を含む赤外線を入射及び通過させているため、相対的に容器１の寸法を小さくできるという利点もある。
【００３６】
（実施形態３）
本実施形態の基本構成は実施形態２と共通であるから、共通の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。本実施形態は、図７に示すように赤外線光源２が放射する赤外線から第１の波長λ１及び第２の波長λ２の赤外線のみを互いの向きが直交する直線偏光に変換して選択的に反射する第３の波長フィルタ１３と、第３の波長フィルタ１３で反射された後に容器１を通過した第１の波長λ１の赤外線のみを通過させる第１の偏光フィルタ１１と、第３の波長フィルタ１３で反射された後に容器１を通過した第２の波長λ２の赤外線のみを通過させる第２の偏光フィルタ１２とを備えた点に特徴がある。
【００３７】
第３の波長フィルタ１３は、実施形態１で説明したサブ波長光学素子（図２（ａ）参照）からなり、第１の波長λ１（＝４．４μｍ）の赤外線をＳ偏光に変換して反射するとともに、第２の波長λ２（＝４．０μｍ）の赤外線もＰ偏光に変換して反射している（図２（ｂ）参照）。また、第１及び第２の偏光フィルタ１１，１２は、従来周知のワイヤグリッド偏光板やサブ波長光学素子（回折格子）などで構成される。
【００３８】
すなわち、第３の波長フィルタ１３で反射された第１及び第２の波長λ１，λ２の赤外線（Ｓ偏光及びＰ偏光）を容器１に入射し、容器１を通過した第１の波長λ１の赤外線（Ｓ偏光）と第２の波長λ２の赤外線（Ｐ偏光）を第１及び第２の偏光フィルタ１１，１２によって弁別するとともに、弁別した第１及び第２の波長λ１，λ２の赤外線の強度を第１の赤外線検出器６と第２の赤外線検出器１０とで各別に検出することができる。
【００３９】
而して本実施形態によれば、実施形態２と同様に、測定ガスの吸収波長（第１の波長λ１）と異なる波長（第２の波長λ２）の赤外線（参照光）を容器１に入射させ、容器１を通過した参照光の強度と、測定ガスの吸収波長（第１の波長λ１）の赤外線の強度との差分を求めることで赤外線光源２の発光強度の変化や雑ガスの影響による測定誤差を補正することにより測定精度を向上することができる。しかも、第１及び第２の波長λ１，λ２のみを選択的に反射する第３の波長フィルタ１３をサブ波長光学素子で構成しているので、従来例のように母材の表面に蒸着やスパッタリングによって多数（５０層〜２００層程度）の薄膜をコーティングして形成される光学フィルタ２３に比較して反射域（バンド幅）を狭くすることが可能である。また、材料として赤外線を透過するシリコン基板が使用できるためにゲルマニウムなどに比べて材料費が安価であり、さらに、通常の半導体プロセスを利用して格子４１，４２を高い精度で形成できるため、反射域の中心波長を所望の波長（測定ガスの吸収波長）に一致させることが容易となって歩留まりがよく、製造コストを下げることができるという利点がある。しかも、実施形態２では第１及び第２の波長フィルタ４，８を用いて第１及び第２の波長λ１，λ２の赤外線を選択的に反射しているのに対し、本実施形態では、第３の波長フィルタ１３のみで第１及び第２の波長λ１，λ２の赤外線を反射しているから、構成を簡素化して安価にできるとともに、第１及び第２の波長λ１，λ２の赤外線が同一の光路を通ることになるから、赤外線強度の差分を利用した補正の精度、すなわち、測定精度が向上できるという利点もある。
【００４０】
（実施形態４）
本実施形態の基本構成は実施形態３と共通であるから、共通の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。本実施形態は、図８に示すように第１及び第２の偏光フィルタ１１，１２に代えて、第３の波長フィルタ１３で反射された後に容器１を通過した第１の波長λ１の赤外線と第２の波長λ２の赤外線とを分離する偏光ビームスプリッタ１４を備えた点に特徴がある。
【００４１】
偏光ビームスプリッタ１４は、光透過性を有する基板１４ａの一方の面にＳ偏光の赤外線を直進させるとともにＰ偏光の赤外線を屈折（反射）させる偏光格子１４ｂが形成されたサブ波長光学素子からなる（例えば、特開２００２−９０５３４号公報参照）。このような構成の偏光ビームスプリッタ１４は、基板１４ａや偏光格子１４ｂを金型による樹脂成形若しくは半導体プロセスによって製造することができる。
【００４２】
而して本実施形態によれば、実施形態３と比較して、２つの偏光フィルタ１１，１２の代わりに１つの偏光ビームスプリッタ１４で済むことから安価であり、さらに、偏光フィルタ１１，１２では通過しない光（赤外線）が失われてしまうのに対して、偏光ビームスプリッタ１４ではＳ偏光とＰ偏光を完全に分離することができるので、光のロスがないという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の実施形態１を示す概略構成図である。
【図２】同上における第１の波長フィルタを示し、（ａ）は斜視図、（ｂ）はフィルタ特性図である。
【図３】同上の他の構成を示す概略構成図である。
【図４】（ａ），（ｂ）は同上における第１の波長フィルタの他の構成を示す斜視図である。
【図５】本発明の実施形態２を示す概略構成図である。
【図６】同上の他の構成を示す概略構成図である。
【図７】本発明の実施形態３を示す概略構成図である。
【図８】本発明の実施形態４を示す概略構成図である。
【図９】従来例を示す概略構成図である。
【図１０】種々のガスの吸収波長を説明するための説明図である。
【図１１】光学フィルタの特性を示すフィルタ特性図である。
【図１２】他の従来例を示す概略構成図である。
【符号の説明】
【００４４】
１  容器
２  赤外線光源
４  第１の波長フィルタ
６  第１の赤外線検出器
【図１】
0005443701.tif 000002
【図２】
0005443701.tif 000003
【図３】
0005443701.tif 000004
【図４】
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【図５】
0005443701.tif 000006
【図６】
0005443701.tif 000007
【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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