(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ誘起ブレイクダウン分光法による光計測装置であって、
物点及び像点のいずれか一方からの光が入射されたときに、この光を他方において集光させる光学素子と、
前記光学素子の像点からこの光学素子に光を入射させ、この光学素子の物点に存在する計測対象物質のブレイクダウン閾値以上のエネルギ密度の光を該光学素子を介して該物点に集光させる光出射手段と、
前記光学素子の像点に集光された光を分光測定し、この分光測定の結果を信号として出力する分光測定手段と
を有し、
前記光学素子は、物点から入射した光を反射させて像点に集光させ、像点から入射した光を反射させて物点に集光させる反射光学素子であり、
前記反射光学素子は、物点側より順に第１面及び第２面を有して一体的に形成され、前記第１面及び前記第２面がそれぞれ第１領域と第２領域とを有し、前記第１面の第１領域が物点側に対する凹面の透過面となされ、第２面の第１領域が物点側に対する凹面反射面となされ、前記第１面の第２領域が反射面となされ、前記第２面の第２領域が透過面となされ、物点から入射した光を前記第２面の第１領域及び前記第１面の第２領域において反射して像点に集光させ、像点から入射した光を前記第１面の第２領域及び前記第２面の第１領域において反射して物点に集光させ、
前記分光測定手段は、前記計測対象物質に合わせて、前記像点に集光された光のうち特定の波長成分のみを抽出して分光測定する
ことを特徴とする光計測装置。
【請求項２】
前記光出射手段は、前記光学素子の物点に存在する計測対象物質の最小着火エネルギ密度未満のエネルギ密度の光を該光学素子を介して該物点に集光させる
ことを特徴とする請求項１に記載の光計測装置。
【請求項３】
前記分光測定手段からの分光測定の結果に基づいて、前記光出射手段の出射光を制御する制御手段を有し、
前記制御手段は、光出射手段を制御して、前記光学素子の物点に存在する計測対象物質の最小着火エネルギ密度以上の光を該光学素子を介して該物点に集光させる
ことを特徴とする請求項１に記載の光計測装置。
【請求項４】
前記光出射手段は、前記光学素子の像点を通る予め定められた光軸に沿って前記光を入射させる
ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の光計測装置。
【請求項５】
前記光出射手段は、複数の出射位置を有し、前記光学素子の複数の物点において出射光を集光させる
ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の光計測装置。
【請求項６】
前記分光測定手段は、前記複数の物点に対応する複数の像点から選択した複数の集光点における光のそれぞれを分光測定し、これら各分光測定の結果をそれぞれ信号として出力する
ことを特徴とする請求項５に記載の光計測装置。
【請求項７】
前記光出射手段は、予め定められた回数だけ前記光学素子に光を入射させる
ことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の光計測装置。
【請求項８】
前記分光測定手段は、逐次的に分光測定を行い、各分光測定の結果を時系列信号として出力する
ことを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の光計測装置。
【請求項９】
前記光出射手段が前記光学素子に入射させる光は、レーザ光束である
ことを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の光計測装置。
【請求項１０】
前記光出射手段が前記光学素子に入射させる光は、ＴＥＭ０１＊モードのレーザ光束である
ことを特徴とする請求項９に記載の光計測装置。
【請求項１１】
請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の光計測装置と、
前記光計測装置の光計測装置から出力される信号に基づいて、前記計測対象物質に関する所定の情報を生成する信号処理手段と
を有することを特徴とする計測システム。
【請求項１２】
前記信号処理手段は、前記分光測定手段による分光測定の結果におけるピーク検出を行い、検出したピークの所定の特徴量に基づいて、前記計測対象物質の所定の特徴に関する情報を生成する情報生成手段を備える
ことを特徴とする請求項１１に記載の計測システム。
【請求項１３】
前記情報生成手段は、検出したピークの所定の特徴量として、検出したピークの高さ、スペクトル線幅、ラインシェイプ及びシフト量の少なくとも一の特徴量に基づいて、前記計測対象物質の所定の特徴に関する情報を生成する
ことを特徴とする請求項１２に記載の計測システム。
【請求項１４】
前記情報生成手段は、検出したピークの所定の特徴量として、検出したピークの所定の特徴に関する統計量に基づいて、前記計測対象物質の所定の特徴に関する情報を生成する
ことを特徴とする請求項１２に記載の計測システム。
【請求項１５】
前記情報生成手段は、前記計測対象物質に関する所定の情報として、前記計測対象物質の量に関する情報を生成する
ことを特徴とする請求項１２から請求項１４のいずれか１項に記載の計測システム。
【請求項１６】
前記情報生成手段は、前記計測対象物質に関する所定の情報として、前記計測対象物質の濃度に関する情報を生成する
ことを特徴とする請求項１２から請求項１４のいずれか１項に記載の計測システム。
【請求項１７】
前記情報生成手段は、前記計測対象物質に関する所定の情報として、前記計測対象物質の温度に関する情報を生成する
ことを特徴とする請求項１２から請求項１４のいずれか１項に記載の計測システム。
【請求項１８】
前記情報生成手段は、前記計測対象物質に関する所定の情報として、前記計測対象物質の圧力に関する情報を生成する
ことを特徴とする請求項１２から請求項１４のいずれか１項に記載の計測システム。
【請求項１９】
前記情報生成手段は、前記計測対象物質に関する所定の情報として、前記計測対象物質のプラズマ特性評価値を生成する
ことを特徴とする請求項１２から請求項１４のいずれか１項に記載の計測システム。
【請求項２０】
請求項６に記載の光計測装置と、
前記光計測装置の分光測定手段から出力される複数の集光点における光の分光測定の結果に基づいて、前記計測対象物質の位置と該計測対象物質の所定の特徴との関係に関する情報を生成する信号処理手段と
を有することを特徴とする計測システム。
【請求項２１】
請求項８に記載の光計測装置と、
前記光計測装置から出力される時系列信号に基づいて、時間経過と前記計測対象物質の所定の特徴との関係に関する情報を生成する信号処理手段と
を有することを特徴とする計測システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、分光分析を行うための光計測装置及び計測システムに関し、特に、レーザ誘起ブレイクダウン分光法（Laser-Induced  Breakdown  Spectroscopy：ＬＩＢＳ）による分光分析を行うための光計測装置及び計測システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、物質の組成等について情報を得るための手法として、特許文献１に記載されているように、レーザ誘起ブレイクダウン分光法（Laser-Induced  Breakdown  Spectroscopy：以下「ＬＩＢＳ」という。）が知られている。ＬＩＢＳは、計測対象物質に対してレーザ光を集光させて照射し、集光位置において計測対象物質にレーザ誘起ブレイクダウンを起こさせてプラズマ化させ、発生したプラズマから生じる光を検出し分光することによって、計測対象物質についての種々の情報を得るものである。
【０００３】
この手法は、主として固体表面の成分分析等に用いられてきた。例えば、火星表面の成分分析や、ボブスレー競技会において、ボブスレーエッジの表面塗料について規定違反の有無の判別検査などに利用されている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−２２６２５２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、計測対象物質にレーザ誘起ブレイクダウンを起こさせるためには、計測対象物質にブレイクダウン閾値以上の高いエネルギ密度の光を照射する必要がある。したがって、従来、ＬＩＢＳによる計測においては、光源として高出力のガスレーザが使用されてきた。そのためＬＩＢＳによる計測を実行するための計測装置は、装置全体が大掛かりなものとなっており、可搬性に欠けていた。
【０００６】
また、このような計測装置においては、レーザ光源の出力があまりにも高すぎるため、可燃性のガス、液体、プラズマ、生体及びその組織、生体に由来するタンパク質、糖、核酸などを対象にすると、計測対象物質を変化させてしまって所望の計測が行えず、さらには計測対象物質を破損してしまう虞もある。また、レーザ光源の出力があまりに高いため、計測装置に用いる光学素子などの部品の損耗も激しかった。
【０００７】
さらに、このような計測装置においては、高エネルギのレーザ光束によってレーザ誘起ブレイクダウンを起こさせるため、計測対象物質の広い範囲が長時間に亘ってブレイクダウンされてしまう事態が発生し、ごく局所的な計測範囲での計測が困難であった。すなわち、従来の計測装置においては、空間的にも時間的にも高分解能化することが困難であった。
【０００８】
また、この計測装置は、レーザ光を計測対象物質に照射するための光学系と、プラズマから生じる光を集光するための光学系との２つの光学系を備えて構成されている。そのため、従来の計測装置においては、これら２つの光学系の相対位置を高精度に調整しなければならず、利便性に欠けていた。
【０００９】
そこで、本発明は、前述の実情に鑑みて提案されるものであって、様々な計測対象物質に対して高い分解能でＬＩＢＳによる計測を行うことができ、さらに、小型で可搬性に優れ、簡便かつ安全に計測を行うことができる光計測装置及び計測システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前述の課題を解決し、前記目的を達成するため、本発明に係る計測装置は、以下のいずれか一の構成を有するものである。
【００１１】
〔構成１〕
物点及び像点のいずれか一方からの光が入射されたときにこの光を他方において集光させる光学素子と、光学素子の像点からこの光学素子に光を入射させこの光学素子の物点に存在する計測対象物質のブレイクダウン閾値以上のエネルギ密度の光を該光学素子を介して該物点に集光させる光出射手段と、光学素子の像点に集光された光を分光測定しこの分光測定の結果を信号として出力する分光測定手段とを有することを特徴とするものである。
【００１２】
〔構成２〕
構成１を有する光計測装置において、光出射手段は、光学素子の物点に存在する計測対象物質の最小着火エネルギ密度未満のエネルギ密度の光を該光学素子を介して該物点に集光させることを特徴とするものである。
【００１３】
〔構成３〕
構成１を有する光計測装置において、分光測定手段からの分光測定の結果に基づいて光出射手段の出射光を制御する制御手段を有し、光出射手段は、光学素子の物点に存在する計測対象物質の最小着火エネルギ密度以上のエネルギ密度の光を該光学素子を介して該物点に集光させることを特徴とするものである。
【００１４】
〔構成４〕
構成１乃至構成３のいずれか一を有する光計測装置において、光出射手段は、光学素子の像点を通る予め定められた光軸に沿って光を入射させることを特徴とするものである。
【００１５】
〔構成５〕
構成１乃至構成３のいずれか一を有する光計測装置において、光出射手段は、複数の出射位置を有し、光学素子の複数の物点において出射光を集光させることを特徴とするものである。
【００１６】
〔構成６〕
構成５を有する光計測装置において、分光測定手段は、複数の物点に対応する複数の像点から選択した複数の集光点における光のそれぞれを分光測定し、これら各分光測定の結果をそれぞれ信号として出力することを特徴とするものである。
【００１７】
〔構成７〕
構成１乃至構成６のいずれか一を有する光計測装置において、光出射手段は、予め定められた回数だけ光学素子に光を入射させることを特徴とするものである。
【００１８】
〔構成８〕
構成１乃至構成７のいずれか一を有する光計測装置において、分光測定手段は、逐次的に分光測定を行い、各分光測定の結果を時系列信号として出力することを特徴とするものである。
【００１９】
〔構成９〕
構成１乃至構成８のいずれか一を有する光計測装置において、光学素子は、物点から入射した光を反射させて像点に集光させ、像点から入射した光を反射させて物点に集光させる反射光学素子であることを特徴とするものである。
【００２０】
〔構成１０〕
構成９を有する光計測装置において、反射光学素子は、物点側より順に第１面及び第２面を有して一体的に形成され、第１面及び第２面がそれぞれ第１領域と第２領域とを有し、第１面の第１領域が物点側に対する凹面の透過面となされ、第２面の第１領域が物点側に対する凹面反射面となされ、第１面の第２領域が反射面となされ、第２面の第２領域が透過面となされ、物点から入射した光を第２面の第１領域及び第１面の第２領域において反射して像点に集光させ、像点から入射した光を第１面の第２領域及び第２面の第１領域において反射して物点に集光させることを特徴とするものである。
【００２１】
〔構成１１〕
構成１乃至構成１０のいずれか一を有する光計測装置において、光出射手段が光学素子に入射させる光は、レーザ光束であることを特徴とするものである。
【００２２】
〔構成１２〕
構成１０を有する光計測装置において、光出射手段が光学素子に入射させる光は、ＴＥＭ０１＊モードのレーザ光束であることを特徴とするものである。
【００２３】
〔構成１３〕
構成１乃至構成８のいずれか一を有する光計測装置において、光学素子は、物点から入射した光を屈折させて像点に集光させ、像点から入射した光を屈折させて物点に集光させる屈折光学素子であることを特徴とするものである。
【００２４】
〔構成１４〕
構成１３を有する光計測装置において、光出射手段が光学素子に入射させる光は、予め定められた波長成分の光であることを特徴とするものである。
【００２５】
また、本発明に係る計測システムは、以下のいずれか一の構成を有するものである。
【００２６】
〔構成１５〕
構成１乃至構成１４のいずれか一を有する光計測装置と、光計測装置の光計測装置から出力される信号に基づいて、計測対象物質に関する所定の情報を生成する信号処理手段とを有することを特徴とするものである。
【００２７】
〔構成１６〕
構成１５を有する計測システムにおいて、信号処理手段は、分光測定手段による分光測定の結果におけるピーク検出を行い、検出したピークの所定の特徴量に基づいて、計測対象物質の所定の特徴に関する情報を生成することを特徴とするものである。
【００２８】
〔構成１７〕
構成１６を有する計測システムにおいて、情報生成手段は、検出したピークの所定の特徴量として、検出したピークの高さ、スペクトル線幅、ラインシェイプ及びシフト量の少なくとも一の特徴量に基づいて、計測対象物質の所定の特徴に関する情報を生成することを特徴とするものである。
【００２９】
〔構成１８〕
構成１６を有する計測システムにおいて、情報生成手段は、検出したピークの所定の特徴量として、検出したピークの所定の特徴に関する統計量に基づいて、計測対象物質の所定の特徴に関する情報を生成することを特徴とするものである。
【００３０】
〔構成１９〕
構成１５乃至構成１８のいずれか一を有する計測システムにおいて、情報生成手段は、計測対象物質に関する所定の情報として、計測対象物質の量に関する情報を生成することを特徴とするものである。
【００３１】
〔構成２０〕
構成１５乃至構成１８のいずれか一を有する計測システムにおいて、情報生成手段は、計測対象物質に関する所定の情報として、計測対象物質の濃度に関する情報を生成することを特徴とするものである。
【００３２】
〔構成２１〕
構成１５乃至構成１８のいずれか一を有する計測システムにおいて、情報生成手段は、計測対象物質に関する所定の情報として、計測対象物質の温度に関する情報を生成することを特徴とするものである。
【００３３】
〔構成２２〕
構成１５乃至構成１８のいずれか一を有する計測システムにおいて、情報生成手段は、計測対象物質に関する所定の情報として、計測対象物質の圧力に関する情報を生成することを特徴とするものである。
【００３４】
〔構成２３〕
構成１５乃至構成１８のいずれか一を有する計測システムにおいて、情報生成手段は、計測対象物質に関する所定の情報として、計測対象物質のプラズマ特性評価値を生成することを特徴とするものである。
【００３５】
〔構成２４〕
構成６を有する光計測装置と、光計測装置の分光測定手段から出力される複数の集光点における光の分光測定の結果に基づいて計測対象物質の位置と該計測対象物質の所定の特徴との関係に関する情報を生成する信号処理手段とを有することを特徴とするものである。
【００３６】
〔構成２５〕
構成８を有する光計測装置と、光計測装置から出力される時系列信号に基づいて時間経過と計測対象物質の所定の特徴との関係に関する情報を生成する信号処理手段とを有することを特徴とするものである。
【００３７】
〔構成２６〕
構成１４を有する光計測装置と、光計測装置において光計測装置から出力される信号及び光出射手段が光学素子に入射させる光の波長特性に基づいて該計測対象物質に関する所定の情報を生成する信号処理手段とを有することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００３８】
本発明に係る光計測装置においては、計測対象物質のブレイクダウンを生じさせる光の計測対象物質への集光と、ブレイクダウンにより生じたプラズマからの光の集光とが、一の光学素子によって行われる。そのため、２つの光学系を備えていた従来の計測装置に比較して小型化が可能であり、また、２つの光学系の相対位置を高精度に調整する必要がないため計測が容易であり、利便性が向上されている。
【００３９】
本発明に係る光計測装置においては、ブレイクダウンが生じるまさにその位置について、その時刻にプラズマから生じた光を分光測定することが可能である。したがって、より高精度の計測が可能になる。
【００４０】
本発明に係る光計測装置においては、計測対象物質のブレイクダウン閾値以上最小着火エネルギ密度未満となる光を光学素子により計測対象物質に集光させるので、計測対象物質を発火させることなくブレイクダウンを生じさせることができる。したがって、計測対象物質を発火させてしまって所望の計測目的を果せなくなること、または、計測対象物質を破損してしまうことを回避でき、安全かつ的確な計測が可能になる。
【００４１】
また、本発明に係る光計測装置においては、光計測装置によって計測対象物質に化学的反応を生じさせたり、組成変化を生じさせたり、着火させたりすることも可能である。さらに、分光測定手段の出力信号に基づいて出射光を制御することにより、効率よく計測対象物質に化学反応、組成変化、または、着火を生じさせることが可能になる。
【００４２】
本発明に係る光計測装置においては、計測対象物質の複数の位置でブレイクダウンを生じさせることができる。複数の位置でのブレイクダウンにより生じた光を光学素子によって集光させ、分光測定手段によって分光測定することにより、計測対象物質に関するより多くの情報を得ることが可能になる。
【００４３】
本発明に係る光計測装置においては、計測対象物質に対し段階的にエネルギを与えたり、複数回連続でブレイクダウンを生じさせたりすることが可能になる。このようにしてブレイクダウンにより生じた光を光学素子によって集光させ、分光測定手段によって分光測定することにより、計測対象物質に関するより多くの情報を得ることが可能になる。
【００４４】
本発明に係る光計測装置においては、光学素子が反射光学素子である場合において、反射によって集光を行う構成となっているため、色収差等、屈折光学系に特有の収差が発生せず、光出射手段が出射させる光をごく狭い領域に集光させ、その領域のみにブレイクダウンを生じさせることができる。したがって、空間的にも時間的にも高い分解能での計測が可能となる。加えて、低エネルギの光でブレイクダウンを生じさせることが可能となるため、光計測装置の小型化が可能になり可搬性が向上するだけでなく、計測の際の安全性を向上させることも可能になる。
【００４５】
本発明に係る光計測装置においては、レーザ光束は、指向性、収束性に優れているため、また、波長を一定に保つことができるため、レーザ光束を光学素子に入射させ光学素子を介してこのレーザ光束を計測対象物点に集光させることにより、高効率で計測対象物質におけるブレイクダウンを生じさせることができる。
【００４６】
本発明に係る光計測装置においては、光学素子が反射光学素子である場合において、ＴＥＭ０１＊モードのレーザ光束を光学素子に入射させることにより、光学素子の構造上光が物点に到達しうる光路に、レーザ光束のエネルギを集中させることができる。したがって、高効率にブレイクダウンを生じさせることが可能になる。
【００４７】
本発明に係る光計測装置においては、光学素子が屈折光学素子である場合において、光学素子は、屈折によって集光を行う構成となっているため、色収差等、屈折光学系に特有の収差を利用したブレイクダウンの誘起、または、プラズマから生じた光の分光測定が可能になる。この場合においては、光出射手段が光学素子に入射させる光は、予め定められた波長成分の光であることが好ましい。
【００４８】
本発明に係る光計測装置においては、屈折光学素子の収差を利用して、入射させた光の波長に応じて定められる所定の位置においてブレイクダウンを生じさせることができる。
【００４９】
本発明に係る光計測装置においては、ブレイクダウンによって結像面上の複数の点に対し共役な複数の位置でプラズマから生じた光を分光測定することができる。
【００５０】
本発明に係る光計測装置においては、最適なタイミングの測定結果を得ることが可能である。また、計測対象物質の時間変化についても情報を得ることが可能である。
【００５１】
本発明に係る計測システムにおいては、計測対象物質への集光とプラズマから生じる光の集光とを一の光学素子によって行い、集光された光の分光測定の結果に基づいて、計測対象物質に関する情報を生成する構成となっている。そのため、２つの光学系を有する従来の計測装置を用いて計測を行うよりも可搬性に優れ、空間的にも時間的にも高い分解能で簡便かつ安全に計測対象物質の所定の特徴に関する情報を得ることが可能である。
【００５２】
本発明に係る計測システムにおいては、分光測定手段による分光測定の結果におけるピークの所定の特徴量に基づいて、可搬性に優れ、空間的にも時間的にも高い分解能で簡便かつ安全に計測対象物質の所定の特徴に関する情報を得ることが可能である。
【００５３】
本発明に係る計測システムにおいては、ピークの高さ、スペクトル線幅、ラインシェイプ及びシフト量の少なくとも一の特徴量に基づいて、可搬性に優れ、空間的にも時間的にも高い分解能で簡便かつ安全に計測対象物質の所定の特徴に関する情報を得ることが可能である。
【００５４】
本発明に係る計測システムにおいては、ピークの所定の特徴に関する統計量に基づいて、可搬性に優れ、空間的にも時間的にも高い分解能で簡便かつ安全に計測対象物質の所定の特徴に関する情報を得ることが可能である。
【００５５】
本発明に係る計測システムにおいては、可搬性に優れ、空間的にも時間的にも高い分解能で簡便かつ安全に計測対象物質の量、濃度、温度、または、圧力に関する情報を得ることが可能である。
【００５６】
本発明に係る計測システムにおいては、可搬性に優れ、空間的にも時間的にも高い分解能で簡便かつ安全に、計測対象物質のプラズマ特性評価値を得ることが可能である。
【００５７】
本発明に係る計測システムにおいては、可搬性に優れ、空間的にも時間的にも高い分解能で簡便かつ安全に計測対象物質に関するより多くの情報を得ることが可能である。
【００５８】
本発明に係る計測システムにおいては、屈折光学素子の収差を利用して、可搬性に優れ、空間的にも時間的にも高い分解能で簡便かつ安全に、入射させた光の波長に応じて定められる所定の位置における計測対象物質の所定の特徴に関する情報を得ることが可能である。
【００５９】
本発明に係る計測システムにおいては、可搬性に優れ、空間的にも時間的にも高い分解能で簡便かつ安全に、複数の位置と計測対象物質の所定の特徴との関係に関する情報を得ることが可能である。
【００６０】
本発明に係る計測システムにおいては、可搬性に優れ、空間的にも時間的にも高い分解能で簡便かつ安全に時間と計測対象物質の所定の特徴との関係に関する情報を得ることが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００６１】
以下、本発明を実施するための最良の形態を図面を参照しながら説明する。
【００６２】
なお、以下の説明に用いる図面では、同一の部品に同一の符号を付してある。それらの名称及び機能も同一である。したがって、同一の部品についての詳細な説明は繰返さないこととする。
【００６３】
〔第１の実施形態〕
図１に、本発明の第１の実施形態に係る計測システムの概略構成を示す。この計測システム１００は、図１に示すように、所定の計測位置１０２に存在する固体、液体、または、気体（以下、「計測対象物質」という。）に対し、ＬＩＢＳによる分光測定を行う装置である。すなわち、計測位置１０２に存在する計測対象物質がプラズマ化して生じる光の強度に応じた電気信号１０４を出力する光計測装置１０６と、光計測装置１０６により出力された電気信号１０４に対し種々の信号処理を実行することにより計測位置１０２に存在するプラズマ等及び計測対象物質（以下、「計測対象」という。）の物理・化学状態等に関する解析を行いその解析結果１０８を出力する信号処理装置１１０とを有する。
【００６４】
光計測装置１０６は、計測位置１０２に存在する計測対象物質にブレイクダウンを生じさせるレーザ光束を発生するレーザ光源１２０と、一端がレーザ光源１２０に接続され、該一端から入射されたレーザ光を他端より出射する第１の光ファイバ１１２と、第１の光ファイバ１１２の他端と計測位置１０２との間に配置され、第１の光ファイバ１１２から出射されたレーザを計測位置１０２に集光させるとともに、計測位置１０２で発したプラズマから生じる光を第１の光ファイバ１１２側の所定位置で集光させる光学素子１１４と、プラズマから生じた光の光学素子１１４による集光位置に一端が配置され、該一端に入射した光を他端より出射させる第２の光ファイバ１１６と、第２の光ファイバ１１６の他端に接続され、該他端から出射された光を分光し、分光された各成分の強度に応じた信号を電気信号１０４として出力する分光測定部１１８とを有する。レーザ光源１２０は、具体的にはＮｄ−ＹＡＧ(Neodymium-Yttrium  Aluminum  Garnet)レーザ光源である。
【００６５】
図２に、本実施形態に係る光学素子１１４の断面図を示す。光学素子１１４は、図２に示すように、第１面１３０及び第２面１３２を有する一体的な光学素子である。これら第１面１３０及び第２面１３２間は、透光性のある一様な媒質となっている。媒質は、具体的にはいわゆる光学ガラス、または、合成石英等である。
【００６６】
第１面１３０及び第２面１３２は、それぞれ外周側の第１領域１３０Ａ、１３２Ａと、中央部の第２領域１３０Ｂ、１３２Ｂとを有する。第１面１３０の第１領域１３０Ａは、所定の点１０２Ａを曲率中心とする球面の透過面となっている。第１面１３０の第２領域１３０Ｂには、金属材料等の反射材料（例えば、アルミニウム）からなる第１の反射膜１３４が被着形成されている。そのため、第１面１３０の第２領域１３０Ｂは、媒質側からの入射光の反射面となっている。さらに、反射膜１３４の計測位置１０２側には、計測対象から反射膜１３４を保護するための保護膜１３６が形成されている。第２面１３２の第１領域１３２Ａには、第１の反射膜１３４のものと同様の反射材料からなる第２の反射膜１３８が被着形成されている。すなわち第２面１３２の第１領域１３２Ａは、媒質側からの光の凹面反射面となっている。第２面１３２の第２領域１３２Ｂは、所定の点１４０を曲率中心とする球面の透過面となっている。以下、点１０２Ａを「物点」といい、点１４０を「像点」という。
【００６７】
像点１４０からの光は、第２面１３２の第２領域１３２Ｂに入射し、第２面１３２の第２領域１３２Ｂを透過する。この際、像点１４０からの光は、屈折されることがなく直進する。第２面１３２の第２領域１３２Ｂを透過した光は、第１面１３０と第２面１３２との間の媒質中を進行して、第１面１３０の第２領域１３０Ｂにおいて反射される。そして、第１面１３０の第２領域１３０Ｂにおいて反射された光は、第２面１３２の第１領域１３２Ａにおいて反射され、第１面１３０の第１領域１３０Ａを通して出射され、物点１０２Ａに集光する。この際、物点１０２Ａへ向かう光は、第１面１３０の第１領域１３０Ａを透過するときには、屈折されることがなく、直進する。
【００６８】
逆に、物点１０２Ａからの光は、第１面１３０の第１領域１３０Ａに入射し、第１面１３０と第２面１３２との間の媒質中を進行して、第２面１３２の第１領域１３２Ａにおいて反射される。そして、第２面１３２の第１領域１３２Ａにおいて反射された光は、第１面１３０の第２領域１３０Ｂにおいて反射され、第２面１３２の第２領域１３２Ｂを通して出射され、像点１４０に集光される。
【００６９】
したがって、この光学素子１１４においては、物点１０２Ａからの光及び像点１４０からの光のいずれに対しても、それらの光路に寄与する面が反射面のみであるため、色収差の発生がない。
【００７０】
第１の光ファイバ１１２の出射端面１１２Ａは、像点１４０の近傍に、第１面１３０の第２領域１３０Ｂに向けて配置される。そのため第１の光ファイバ１１２を介して出射されるレーザ光束は、光学素子１１４により、点１０２Ｂで集光される。また、第２の光ファイバ１１６の入射端面１１６Ａもまた、像点１４０の近傍に、第１面１３０の第２領域１３０Ｂに向けて配置される。そのため点１０２Ｃで生じた光が、光学素子１１４により第２の光ファイバ１１６に集光される。
【００７１】
したがって、図１に示すように、レーザ光源１２０がレーザ光束を出射すると、点１０２Ｂにある計測対象物質がブレイクダウンされ、プラズマ化することになる。この反応が生じた領域（以下、この領域を「反応帯」という。）が点１０２Ｃにまで到ると、点１０２Ｃにおいてプラズマから光が発生する。この光は第２の光ファイバ１１６の入射端面１１６Ａにおいて集光され、第２の光ファイバ１１６に入射される。入射されたこの光は、第２の光ファイバ１１６を介して分光測定部１１８側の端面に入射されることになる。
【００７２】
図３に、分光測定部１１８（図１参照）の構成を示す。分光測定部１１８は、図３に示すように、第２の光ファイバ１１６から出射される光の光軸上に配置され、第２の光ファイバ１１６から出射される光を平行光に変換するコリメータ１５０と、コリメータ１５０により平行光に変換された光の光軸上に配置された第１のミラー１５２と、プラズマから生じた光の第１のミラー１５２による反射光の光軸上に配置された第２のミラー１５４と、プラズマから生じた光の第２のミラー１５４による反射光の光軸上に配置され第２のミラー１５４により反射された前述の光を分光して出射する分光素子１５６と、分光素子１５６により分光されたスペクトル光の光路上に配置された第３のミラー１５８と、第３のミラー１５８により反射されたスペクトル光の光路上に配置され、入射されたスペクトル光を逐次的に光電変換し、その結果得られる時系列電気信号を前述の電気信号１０４として出力する受光素子１６０とを有する。
【００７３】
分光素子１５６は、具体的には回折格子やプリズム等である。受光素子１６０は、具体的には、電荷結合素子（ＣＣＤ）等がマトリクス状に多数配置された、いわゆるＣＣＤイメージセンサ等である。ミラー１５２、１５４及び１５８は、プラズマから生じた光が入射されてから分光素子１５６により分光され受光素子１６０により受光されるまでの過程において光が輻輳しないよう、それぞれ入射光に対し所定の角度をなすよう配置される。
【００７４】
分光素子１５６に到達した光は、分光素子１５６によりスペクトル光に分光されてミラー１５８を介して受光素子１６０に到達する。そのため、スペクトル光の各成分の受光素子１６０上での受光位置は、その波長により異なる。これに対し受光素子１６０は、各受光位置において受光した光を順次光電変換し、その時刻における受光位置と該受光位置での光の強度とを表す情報を含む電気信号１０４を出力する。したがって、受光素子１６０の出力する電気信号１０４は、プラズマから生じた光に含まれる各波長成分の各時刻における強度を表す情報を含むものとなる。
【００７５】
〔信号処理装置１１０のコンピュータによる実現及びその動作〕
本実施形態の信号処理装置１１０の機能は、コンピュータハードウェアと、そのコンピュータハードウェアにより実行されるプログラムと、コンピュータハードウェアに格納されるデータとにより実現可能である。図４に、この信号処理装置１１０の機能を実現するコンピュータシステム１８０の構成を示す。
【００７６】
このコンピュータシステム１８０は、図４に示すように、電気信号１０４の入力及び解析結果１０８の出力を受け持つインタフェース１８２を有するコンピュータ１８４と、コンピュータ１８４にそれぞれ接続されたキーボード等の入力装置１９８及びディスプレイ装置等の出力装置２００とを有する。
【００７７】
コンピュータ１８４は、インタフェース１８２に加えて、インタフェース１８２に接続されたバス１８６と、中央処理装置（ＣＰＵ）１８８とを有する。コンピュータ１８４はさらに、ブートアッププログラム等を記憶する読出専用メモリ（ＲＯＭ）１９０と、プログラム命令、システムプログラム及び作業データ等を記憶するランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）１９２と、ハードディスク１９４と、リムーバブルメディアドライブ１９６とを有する。ＣＰＵ１８８、ＲＯＭ１９０、ＲＡＭ１９２、ハードディスク１９４及びリムーバブルメディアドライブ１９６はいずれもバス１８６に接続される。ここでは示さないが、コンピュータ１８４はさらに、ローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）への接続を提供するネットワークアダプタボードを有していてもよい。
【００７８】
コンピュータシステム１８０を信号処理装置１１０として動作させるプログラムは、リムーバブルメディアドライブ１９６に挿入されるリムーバブルメディアに記憶されており、その記憶内容はハードディスク１９４に転送される。プログラムは図示しないネットワークを通じてコンピュータ１８４に送信されハードディスク１９４に記憶されてもよい。プログラムは実行の際にＲＡＭ１９２にロードされる。なお、プログラムはハードディスク１９４を経由することなく前述のリムーバブルメディア、または、ネットワークから、直接にＲＡＭ１９２にロードされてもよい。
【００７９】
このプログラムは、コンピュータ１８４に信号処理装置１１０としての動作を実行させる複数の命令を含む。これら動作の実行命令に必要な基本的機能のいくつかは、コンピュータ１８４にインストールされコンピュータ１８４上で動作するオペレーティングシステム（ＯＳ）、サードパーティのプログラム、または、各種ツールキットのモジュールにより提供される。したがってこのプログラムは、必ずしも信号処理装置１１０の動作を実現するのに必要な機能全てを有していなくともよい。このプログラムは、命令のうち、所望の結果が得られるように制御された手法で適切な機能、ツール等を呼出すことにより、信号処理装置１１０の各機能を実現する命令のみを有していればよい。コンピュータ自体の動作は周知であるので、ここでは説明を繰返さない。
【００８０】
〔信号処理装置１１０の機能的構成〕
図５に、信号処理装置１１０の機能的構成をブロック図形式で示す。信号処理装置１１０は、図５に示すように、電気信号１０４を受けてプラズマから生じた光の各時刻における各波長成分の強度を表す時系列データ（以下、「分光データ」という。）に変換する信号変換部２２０と、信号変換部２２０により生成された分光データを保持する分光データ記憶部２２２とを有する。
【００８１】
信号処理装置１１０は、さらに、分光データ記憶部２２２に保持された分光データを波長方向及び時間方向にスキャンして、プラズマから生じた光の強度が急峻に立ち上がっている部分（以下、「ピーク」という。）を検出するピーク検出部２２４と、分光データをもとに、ピーク検出部２２４により検出されたピークの特徴量を抽出するピーク特徴量抽出部２２６と、ピーク特徴量抽出部２２６により抽出された各ピークの特徴量について統計処理を行って解析し、解析結果として、プラズマから生じた光の特徴を表す情報を生成するピーク特徴量解析部２２８とを有する。
【００８２】
ピークの特徴量は、具体的にはピークの出現時刻、波長、ピークの高さすなわちピークの頂点の波長成分の強度（以下、「ピーク強度」という。）、スペクトル線幅、シフト量及びラインシェイプである。プラズマから生じた光の特徴を表す情報は、具体的には、ピークの特徴量及びピーク同士でのピークの特徴量の比、並びにそれらの平均、２乗平均、分散及び時間変動特性等である。
【００８３】
信号処理装置１１０はさらに、プラズマから生じた光の特徴と計測対象の特徴との関係を表す較正情報を保持する較正情報記憶部２３０と、較正情報に基づき、ピーク特徴量解析部２２８による解析結果を、計測対象の特徴に関する情報（以下、「計測対象情報」という。）に変換して出力する解析結果変換部２３２と、解析結果変換部２３２により出力された計測対象情報を保持する計測対象情報記憶部２３４とを有する。計測対象の特徴は、例えば計測対象の質量、流量、濃度、圧力、温度及びプラズマ特性評価値等、並びにそれらの時間変動、並びに反応帯の厚さ及び反応の到達速度等である。較正情報は、プラズマから生じた光の前述した特徴と、前述した計測対象の特徴との関係を表す関数、相関曲線、または、対応表等である。
【００８４】
信号処理装置１１０はさらに、計測対象情報の出力を命じる操作をユーザより受付けるユーザインタフェース２３８と、ユーザインタフェース２３８が受付けた操作に基づき、計測対象情報記憶部２３４に保持された計測対象情報を読出し出力する出力部２３６とを有する。
【００８５】
〔動作〕
以下、本実施形態に係る計測システム１００の動作例を説明する。図１に示すように、レーザ光源１２０が、レーザ光束を出射させる。このレーザ光束の出力は、光学素子１１４により集光されると物点におけるエネルギ密度が物点に存在する計測対象物質のブレイクダウン閾値以上となるよう予め調整されている。レーザ光源１２０により出射されたこのレーザ光束は、第１の光ファイバ１１２を介して図２に示す出射端面１１２Ａから光学素子１１４に向けて出射される。出射端面１１２Ａから出射されたレーザ光束は、図２に示すように、第２面１３２の第２領域１３２Ｂを通過し、第１面１３０の第２領域１３０Ｂ及び第２面１３２の第１領域１３２Ａで反射され、第１面１３０の第１領域１３０Ａを通過して点１０２Ｂに集光される。集光されたレーザ光束によって点１０２Ｂにおけるエネルギ密度が計測対象物質のブレイクダウン閾値以上になると、計測対象物質がブレイクダウンされ、プラズマ化する。なお、計測対象物質が可燃物、または、生体等の場合、点１０２Ｂにおけるレーザ光束のエネルギ密度が計測対象物質のブレイクダウン閾値以上、最小着火エネルギ未満になるようにレーザ光束の出力を調整しておけば、安全かつ的確に計測対象物質にブレイクダウンを生じさせることができる。
【００８６】
このブレイクダウンの反応帯が点１０２Ｃにまで達すると、点１０２Ｃにおいてプラズマに起因する光が発生する。この光はレーザ光束と同様の経路を逆にたどりつつ、第２の光ファイバ１１６の入射端面１１６Ａにおいて集光され、第２の光ファイバ１１６に入射される。
【００８７】
入射された光は、図３に示すように、第２の光ファイバ１１６を介して、第２の光ファイバ１１６の分光測定部１１８側の端面より出射される。分光測定部１１８に入射された光は、コリメータ１５０により平行光に変換された後、第１のミラー１５２及び第２のミラー１５４により反射され、分光素子１５６に到達する。分光素子１５６に到達した光は、分光素子１５６によりスペクトル光に分光されてミラー１５８を介して受光素子１６０に到達する。受光素子１６０は、各受光位置において受光した光を順次光電変換し、その時刻における受光位置と該受光位置での光の強度とを表す情報に対応した電気信号１０４を出力する。電気信号１０４は、図４及び図５に示すように、信号処理装置１１０に与えられる。
【００８８】
信号変換部２２０は、信号処理装置１１０が電気信号１０４を受けると、図５に示すように、電気信号１０４における受光位置の情報を光の波長の情報に、信号強度を光の強度の情報にそれぞれ順次変換して、分光データを生成する。信号変換部２２０は、この分光データを分光データ記憶部２２２に格納する。ピーク検出部２２４は、分光データ記憶部２２２に分光データが格納されたことに応答して、波長方向及び時間方向に該分光データをスキャンし、各時刻においてその時刻にピークが存在するか否かを判定する。ピーク検出部２２４は、分光データにこの判定の結果を付与して出力する。なお、ＬＩＢＳにおいては、レーザ光束が出射されてブレイクダウンが生じた直後には計測対象のプラズマ特性等に対応するピークと無関係のピークが多数出現し、レーザが出射された時刻から一定の時間が経過した後になって、計測対象のプラズマ特性等に対応するピークが出現する。そのため、ピーク検出部２２４は、スキャンを実行する際に、前者のピークが出現する時間帯に対してはピークであるとの判定を行わないようにする。例えば、スキャンに先立ち、分光データに対し予め準備した時間方向の窓関数を用いて、前者の時間帯において強度の値が０で初期化されるようにしてもよい。
【００８９】
ピーク特徴量抽出部２２６は、各ピークの出現時刻、波長及びピーク強度を同定する。ピーク特徴量抽出部２２６はさらに、各ピークの頂点周辺のデータをスキャンして、該ピークのスペクトル線幅、シフト量及びラインシェイプをピークごとに同定する。そして、これら同定した情報を、各ピークの特徴量としてピーク特徴量解析部２２８に与える。ピーク特徴量解析部２２８は、各ピークの特徴量からピーク同士でのピークの各特徴量の比等を算出する。ピーク特徴量解析部２２８はさらに、各特徴量及びその比について統計処理を行い、それらの平均、２乗平均、分散及び時間変動特性を算出する。ピーク特徴量解析部２２８は、各ピークの特徴量、各特徴量の比及びそれらについての統計処理の結果を、プラズマから生じた光の特徴を表す情報として、解析結果変換部２３２に与える。
【００９０】
解析結果変換部２３２は、ピーク特徴量解析部２２８からプラズマから生じた光の特徴を表す情報が与えられたことに応答して、この情報を較正情報記憶部２３０に保持されている較正情報に基づいて計測対象情報に変換する。
【００９１】
例えば、ピークの波長は、プラズマ特性評価値を表す情報に変換される。また、例えば、単一のピークのピーク強度は、そのピークの出現時刻におけるプラズマの数量、質量及び流量等、量を表す情報に変換される。ピーク強度の平均は、計測が実行された時間帯におけるプラズマの平均数量、平均質量及び平均流量等を表す情報に変換される。ピーク強度の時間変動特性は、プラズマの量の時間変動特性を表す情報に変換される。
【００９２】
また、例えば、ピークのスペクトル線幅は、そのピークの出現時刻における計測位置の圧力を表す情報に変換される。スペクトル線幅の平均は、計測が実行された時間帯における計測位置の平均圧力を表す情報に変換される。スペクトル線幅の時間変動特性は、計測位置における圧力の時間変動特性を表す情報に変換される。
【００９３】
また、例えば、あるプラズマから生じる光が複数の波長成分を含む性質を有するならば、それらの波長同士でのピーク強度の比、または、その平均は、そのプラズマの温度を表す情報に変換される。該ピーク強度の比の時間変動特性は、温度の時間変動特性を表す情報に変換される。
【００９４】
また、例えば、計測対象が複数の成分を含むものであれば、各成分に対応する波長同士のピーク強度の比は、ピークの出現時刻における計測対象の濃度を表す情報に変換される。このピーク強度の比の平均は、計測が実行された時間帯における計測対象の平均濃度を表す情報に変換される。また、このピーク強度の比の時間変動特性は、計測対象の濃度の時間変動特性を表す情報に変換される。
【００９５】
このようにして得られた各種の情報は、計測対象情報として計測対象情報記憶部２３４に格納される。ユーザインタフェース２３８がユーザより所望の計測対象情報の出力を要求する操作を受付けると、ユーザインタフェース２３８は、この操作に対応する命令を出力部２３６に与える。出力部２３６は、与えられた命令に従い、ユーザの要求に対応する情報を計測対象情報記憶部２３４から読出し、解析結果１０８として出力する。
【００９６】
以上のように、本実施形態の計測システム１００は、レーザ光束の計測対象物質への集光とプラズマから生じる光の集光との両方を光学素子１１４によって行う構成となっている。そのため、２つの光学系を要する従来の装置より計測が容易になり、利便性が向上する。
【００９７】
また、光学素子１１４は反射によって集光を行う構成となっており、色収差等、屈折光学系に特有の収差が発生しない。そのため、レーザ光束をごく狭い領域に集光させ、その領域のみにブレイクダウンを生じさせることができる。したがって、空間的にも時間的にも高い分解能での計測が可能となる。加えて、従来の装置のように高出力のレーザ光源を使用しなくてもブレイクダウンを生じさせることが可能となるため、システムの小型化が可能になり可搬性が向上するだけでなく、低出力のレーザ光源を使用することによって計測の際の安全性も向上させることも可能になる。また、低出力のレーザ光源を使用することによって、タンパク質、糖、核酸など、分子構造が複雑で熱に弱い生体分子などを計測対象とした場合に、その分子構造の変化などの影響を低減させることが可能となる。
【００９８】
さらに、本実施形態の計測システム１００は、分光測定を逐次的に行い、その結果を時系列信号として得る構成であるため、最適なタイミングの測定結果を用いて、計測対象に関する情報を得ることができるばかりでなく、計測対象の時間変化についても情報を得ることが可能になる。
【００９９】
〔第２の実施形態〕
前述の第１の実施形態では、光学素子１１４へのレーザ光束の出射位置がプラズマから生じる光の集光位置に並べて配置されていた。しかし、本発明はこのような実施形態には限定されない。以下に示す第２の実施形態では、レーザ光束の光軸をプラズマから生じる光の光軸と一致させている。
【０１００】
図６に、本実施形態に係る計測システムの概略構成を示す。本実施形態に係る計測システム３００は、図６に示すように、計測位置１０２に存在する物質に対しＬＩＢＳによる分光測定を行う装置であって、計測位置１０２に存在する物質の発光強度に応じた電気信号１０４を出力する光計測装置３０２と、電気信号を受けるように光計測装置３０２に接続された、第１の実施形態に係る計測システム１００のものと同様の信号処理装置１１０とを有する。
【０１０１】
光計測装置３０２は、第１の実施形態のものとそれぞれ同一のレーザ光源１２０と、光学素子１１４とを有する。光計測装置３０２はさらに、一端がレーザ光源１２０に接続された第３の光ファイバ３０４と、第３の光ファイバ３０４の他端及び信号処理装置１１０に接続された分光測定部３０６と、分光測定部３０６の第３の光ファイバ３０４とは反対側に一端が接続され、他端が光学素子１１４に向けて配置された第４の光ファイバ３０８とを有する。すなわち本実施形態では、レーザ光源１２０、分光測定部３０６及び光学素子１１４が、第３の光ファイバ３０４及び第４の光ファイバ３０８を介して直列に配置された構成となっている。本実施形態において、第４の光ファイバ３０８の光学素子１１４側の端面は、例えば、図２に示す像点１４０の位置に配置される。なお、光学素子１１４は、像点１４０から第１面１３０の第２領域１３０Ｂの中心に出射された光を物点に到達させることなく、第２面１３２の第２領域１３２Ｂから像点１４０に向けて出射してしまう。そこで、レーザ光源１２０がＴＥＭ０１＊モードのレーザ光束を出射するようにしておくと、該レーザ光束のエネルギが像点１４０の周辺に集中するため、高効率にブレイクダウンを生じさせることができる。
【０１０２】
図７に、分光測定部３０６の構成を示す。分光測定部３０６は、図７に示すように、第１の実施形態に係る分光測定部１１８のものとそれぞれ同一のコリメータ１５０、第１のミラー１５２、第２のミラー１５４、分光素子１５６、第３のミラー１５８及び受光素子１６０を有する。分光測定部３０６は、第１の実施形態に係る分光測定部１１８における第１の光ファイバ１１６の接続位置に相当する位置で第４の光ファイバ３０８と接続される。
【０１０３】
分光測定部３０６は、さらに、コリメータ１５０と第１のミラー１５２との間にプラズマから生じた光の光軸に対し所定の角度をなすよう配置され、プラズマから生じた光の入射方向からの光に対し透過特性を有するハーフミラー３２０を有する。分光測定部３０６と第３の光ファイバ３０４とは、第３の光ファイバ３０４より出射されたレーザ光束のハーフミラー３２０による反射光の光軸と、コリメータ１５０を介して第１のミラー１５２に向けて出射される光の光軸とが一致する配置で接続される。
【０１０４】
本実施形態に係る光計測装置３０２は、以下のように動作する。レーザ光源１２０がレーザ光束を出射すると、図６に示すように、レーザ光束は、第３の光ファイバ３０４を介して、図７に示す分光測定部３０６内に出射される。第３の光ファイバ３０４より出射されたレーザ光束は、図７に示すように、ハーフミラー３２０により反射され、コリメータ１５０を介して第４の光ファイバ３０８に入射される。入射されたレーザ光束は、第４の光ファイバ３０８の光学素子１１４側の端面から光学素子１１４に向けて出射される。出射されたレーザ光束は、光学素子１１４により計測位置１０２に集光される。これにより、計測位置１０２にある物質がブレイクダウンされ、プラズマ化する。計測位置１０２においてプラズマから光が生じると、この光はレーザ光束と同一の経路を逆にたどりつつ、第４の光ファイバ３０８の光学素子１１４側の端面において集光され、第４の光ファイバ３０８に入射される。
【０１０５】
第４の光ファイバ３０８に入射された光は、第４の光ファイバ３０８の分光測定部３０６側の端面より出射される。分光測定部３０６に入射されたこの光は、図７に示すように、コリメータ１５０及びハーフミラー３２０を透過して第１のミラー１５２に到達する。第１のミラー１５２に到達した光は、第１の実施形態に係る分光測定部１１８における光の経路と同様の経路をたどって分光素子１５６により分光され、受光素子１６０により電気信号１０４に変換されて出力される。信号処理装置１１０は、この出力信号１０４を、第１の実施形態と同様の動作で処理し解析して、解析結果１０８を出力する。
【０１０６】
以上のように、本実施形態に係る光計測装置３０２は、レーザ光束の光軸とプラズマから生じる光の光軸とが一致する構成となっているため、ブレイクダウンが生じるまさにその位置で、その時刻にプラズマから生じた光を測定できる。したがって、より高精度の計測が可能になる。
【０１０７】
〔その他変形例等〕
前述の第２の実施形態に係る分光測定部３０６は、レーザ光束の光軸とプラズマから生じる光の光束とをハーフミラー３２０によって一致させる構成となっていた。しかし、本発明は、このような実施形態に限定されない。例えば、次のようにして光軸を一致させることも可能である。すなわち、まず第３の光ファイバ３０４及び第４の光ファイバ３０８を、互いに他の出射光の光軸が一致するように分光測定部に接続しておく。そしてこの光軸上第１のミラー１５２の位置に、第１のミラー１５２に代えてハーフミラーを配置する。さらに、この光軸を横断しないよう分光素子１５６を配置し、第２のミラー１５４及び第３のミラー１５８の光路に対する角度を選択する。第１のミラー１５２に代えて配置されたハーフミラーの光軸に対する角度は、該ハーフミラーがコリメータ１５０からの光を第２のミラー１５４に向けて反射し、かつ、レーザ光束をそのまま透過する光学特性を備えるような角度とする。このような構成及び配置の分光測定部は、第２の実施形態に係る分光測定部３０６と同様の作用を奏する。
【０１０８】
前述の各実施形態では、レーザ光束は、光ファイバを介して光学素子１１４に出射された。しかし、レーザ光源から直接に、または、プリズム若しくはミラー等を介して光学素子１１４に出射されるようにしてもよい。
【０１０９】
前述の各実施形態では、分光測定部１１８及び３０６は、いずれもプラズマから生じる光をスペクトル分光し、その結果得られるスペクトル光を受光素子１６０によって電気信号に変換して出力するものであった。しかし、本発明は、このような実施形態に限定されない。計測位置１０２に存在しうる物質及びプラズマ等の種類が既知であるならば、または、所定のプラズマ特性を有する計測対象のみについて情報を得ることが計測の目標であるならば、分光測定部は、プラズマから生じる光のうち特定の波長成分のみを抽出して電気信号に変換するものであってもよい。
【０１１０】
例えば、分光されたスペクトル光のうち特定の波長成分のみが通過する位置に、受光素子１６０を配置するようにしてもよい。所望の波長成分が複数存在するならば、複数の受光素子を、それぞれ所望の波長成分に対応する位置に配置すればよい。
【０１１１】
また、例えば、光の波長に対し選択的な透過、反射、または、吸収特性を有する光学素子、または、それら光学素子からなる光学系の組合せによって、特定の波長成分のみを抽出するようにしてもよい。図８に、第２の実施形態に係る分光測定部３０６に代えて使用される、このような構成の分光測定部４００の一例を示す。この分光測定部４００には、図８に示すように、第３の光ファイバ３０４及び第４の光ファイバ３０８が、互いの光ファイバの出射光の光軸が一致するように接続される。分光測定部４００は、計測対象に応じて予め選択された波長（以下、単に「選択波長」という。）の光の強度を測定するための複数系統の分光測定ユニット４１０Ａ、４１０Ｂ、４１０Ｃ、…、４１０Ｎを有する。例えば、計測対象物質がガソリンと空気との混合気であれば、選択波長には、ＯＨ＊から生じる光、ＣＨ＊から生じる光、ＣＮ＊から生じる光及びＣ２＊から生じる光の波長等がそれぞれ選択される。なお、この分光測定部４００を適用する場合、レーザ光束の波長には、選択波長以外の波長が選択される。
【０１１２】
分光測定ユニット４１０Ａは、第３の光ファイバ３０４及び第４の光ファイバ３０８から出射される光の光軸上にこの光軸に対し所定の角度をなすよう配置され、分光測定ユニット４１０Ａの選択波長を有する所定帯域の光成分に対し反射特性を有し、かつレーザ光束の波長及び分光測定ユニット４１０Ａ以外の選択波長を有するその他の波長帯域の光成分に対して透過特性を有するダイクロイックミラー４１２Ａと、ダイクロイックミラー４１２Ａにより反射される光の光軸上に配置され分光測定ユニット４１０Ａの選択波長の光成分に対して透過特性を有するフィルタ４１４Ａと、ダイクロイックミラー４１２Ａにより反射される光の光軸上にフィルタ４１４Ａを挟んでダイクロイックミラー４１２Ａの反対側に配置された受光素子４１６Ａとを有する。
【０１１３】
分光測定ユニット４１０Ｂ、４１０Ｃ、…、４１０Ｎの構成もまた、分光測定ユニット４１０Ａのものと同様である。ただし、それらの選択波長に応じてそれらのダイクロイックミラー及びフィルタの波長特性が選択される。
【０１１４】
この分光測定部４００は、次のように動作する。すなわち、第３の光ファイバ３０４からレーザ光束が分光測定部４００内に出射されると、レーザ光束は、ダイクロイックミラー４１０Ｎからダイクロイックミラー４１２Ａまでの各ダイクロイックミラーをこの順で透過して第４の光ファイバ３０８に入射される。逆に第４の光ファイバ３０８から光が入射されると、その光は、ダイクロイックミラー４１２Ａ、４１２Ｂ、４１２Ｃ、…、４１２Ｎにより分光される。分光された光成分のうち選択波長近辺の波長帯域の成分は、それぞれフィルタ４１４Ａ、４１４Ｂ、４１４Ｃ、…、４１４Ｎを通過して受光素子４１６Ａ、４１６Ｂ、４１６Ｃ、…、４１６Ｎに到達する。受光素子４１６Ａ、４１６Ｂ、４１６Ｃ、…、４１６Ｎはそれぞれ、到達した光成分を逐次的に電気信号１０４に変換して出力する。
【０１１５】
このようにして出力された電気信号１０４をもとに、信号処理装置１１０が計測対象情報１０８を生成するための信号処理を実行すると、選択波長の近傍以外の波長帯域についてピーク検出その他の処理を実行する必要がなくなる。処理すべき情報量が減少するため、信号処理が効率化し、高速処理が可能になる。
【０１１６】
なお、波長方向でのスペクトル線幅、シフト量及びラインシェイプに基づく解析の結果が計測対象情報として必要なければ、受光素子４１６Ａ、４１６Ｂ、４１６Ｃ、…、４１６Ｎの出力信号は、受光位置の情報を必ずしも含まなくてよい。また、このような場合、受光素子４１６Ａ、４１６Ｂ、４１６Ｃ、…、４１６Ｎとして、光電子増倍管等を適用してもよい。光電子増倍管はＣＣＤ等のイメージセンサより時間応答性が高いため、高時間分解能での計測が可能になる。
【０１１７】
また、前述の例に限らず、光学フィルタを利用した分光器、または、回折格子、エッシェル型回折格子、ローランド円等の回折素子、プリズム、レンズ等の屈折素子、若しくは多重反射素子等を利用した分散型分光器、または、光干渉計を利用したフーリエ変換型分光器など、いずれの方式の分光器を用いて分光計測を行ってもよい。  前述した実施形態では、いずれも１つのレーザ光源と１つの分光測定部との組により単点計測を行う構成を例示した。しかし、レーザ光束の出射位置及びプラズマから生じた光の集光位置は、光学素子１１４の結像面上の任意の位置から選択可能である。このような場合、レーザ光束の集光位置、または、プラズマから光が生じる位置は、光学素子１１４の焦点面の選択された位置に対応する位置となる。したがって、例えば、図６に示すレーザ光源１２０、第３の光ファイバ３０４、分光測定部３０６及び第４の光ファイバ３０８を予め複数用意しておき、それら複数の第４の光ファイバ３０８の光学素子１１４側の端面を決像面上に配置すれば、光学素子１１４の焦点面上の複数の位置においてＬＩＢＳによる計測が可能になる。さらに、複数の位置で分光測定の結果を総合することによって、計測対象の質量、流量、濃度、温度、圧力、ブラズマ特性等の平面的な分布を把握することが可能になる。
【０１１８】
光学素子１１４は、図２に示す形状のものに限らず、第１面１３０と第２面１３２との間をテーパ状に拡径したものであってもよい。また、第１面と第２面との間の媒質の側面付近に切欠きを設け、この切欠きによって不要光を遮断するようにしてもよい。また、保護膜１３６を、媒質と同一材料からなるものとし、この保護膜を十分な厚さを有して第１面１３０全面に渡って形成するようにしてもよい。この場合には、保護膜となる媒質を第１面１３０に対して溶着などによって接合してもよい。
【０１１９】
また、第２面１３２の第１領域１３２Ａを、互いに異なる曲率中心、または、焦点を有する複数の部分に分割された凹面からなる面として構成してもよい。この場合には、第２面１３２の第１領域１３２Ａの各部分がそれぞれ異なる焦点を結ぶので、一つの光学素子によって複数の像点を形成することができる。
【０１２０】
また、光学素子１１４に代えて、パラボラ鏡などの単面の反射光学素子を用いてもよい。
【０１２１】
また、前述した実施形態において光学素子１１４は、反射により光を集光させる光学系であったが、この光学素子１１４に代えて凸レンズ等の光学系を用いてもよい。ただしこの場合、種々の手法で光の波長に起因する収差を軽減させることが望ましい。
【０１２２】
屈折光学系を用いた場合、屈折光学系の色収差を利用してもよい。例えば、レーザ光束の波長を適宜選択することによって、屈折光学素子とレーザ光束の集光位置との距離を調整することも可能である。さらに、前述のようにレーザ光束の出射位置、または、プラズマから生じる光の集光位置を複数用意しておけば、複数の位置で分光測定の結果を総合することによって、計測対象の質量、流量、濃度、温度、圧力、ブラズマ特性等の空間的な分布を把握することが可能になる。  なお、前述の各実施形態の光計測装置において、計測対象物質の最小着火エネルギ以上のエネルギをレーザ光源が出射するようにすれば、該光計測装置によって計測対象物質に化学的反応を生じさせたり、組成変化を生じさせたりすることも可能である。計測対象物質が可燃性物質であれば、プラズマ化の後に着火という現象が生じることもある。さらに、予めＬＩＢＳによる物質の解析を行い、その解析結果をもとにレーザ光源の出力及び出射タイミングを制御するようにすれば、効率よく計測位置に存在する物質に化学反応、組成変化、または、着火を生じさせることができる。
【０１２３】
また、レーザ光束を複数回に亘って計測対象物質に対し照射するようにしてもよい。このようにすることにより、計測対象物質に対し段階的にエネルギを与えたり、複数回連続でブレイクダウンを生じさせたりすることができる。さらには、レーザ光束を出射するたびにレーザ光源の出力を調整するようにしておいてもよい。
【０１２４】
前述の各実施形態では、計測対象物質にブレイクダウンを生じさせるための光源として、Ｎｄ−ＹＡＧレーザ光源を用いたが、光源としては、ガスレーザを用いてもよい。また、種々の固体レーザ光源、レーザダイオード（ＬＤ）、または、高輝度発光ダイオード（ＬＥＤ）等の光源をレーザ光源に代えて用いることもできる。特に、光学素子１１４は、集光性能に優れるため、発光強度の低い光源であってもブレイクダウンを生じさせることが可能である。それ以外にグロー、コロナ、アーク、スパーク等の放電により光を発生させる光源、放射光源、火炎等もまた、計測対象物質にブレイクダウンを生じさせるための光源として利用可能である。
【０１２５】
なお、今回開示した実施形態は単なる例示であって、本発明の範囲が前述の各実施形態のみに制限されるわけではない。本発明の範囲は、明細書及び図面の記載を参酌した上で、特許請求の範囲の各請求項によって示され、そこに記載された文言と均等の意味及び範囲内でのすべての変更を含むものである。
【０１２６】
〔産業上の利用可能性〕
前述のように、本発明は、自動車用エンジンの燃焼室等の狭い空間内、または、核反応炉内等におけるガス、液体、プラズマ、または、それらの混合物等についての精密分析に利用可能である。また、小型で可搬性に優れ簡便に計測を行うことができるため、屋外等での環境分析、または、毒ガス検知にも利用可能である。さらに、安全に計測を行うことができるため、医療分野等にも利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１２７】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る計測システムの概略構成図である。
【図２】前記計測システムにおける光学素子の構成を示す断面図である。
【図３】前記計測システムにおける分光測定部の構成を示す側面図である。
【図４】前記計測システムにおける信号処理装置として動作するコンピュータシステムのハードウェアブロック図である。
【図５】前記計測システムにおける信号処理装置の機能的構成を示すブロック図である。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る計測システムの概略構成図である。
【図７】前記計測システムにおける分光測定部の構成を示す側面図である。
【図８】前記計測システムにおける分光測定部に代えて使用できる分光測定部の構成を示す側面図である。
【符号の説明】
【０１２８】
１００、３００  計測システム
１０２、３０２  計測位置
１０６  光計測装置
１１０  信号処理装置
１１２、１１６、３０４、３０８  光ファイバ
１１４  光学素子
１１８、３０６、４００  分光測定部
１２０  レーザ光源
１３０  第１面
１３０Ａ、１３２Ａ  第１領域
１３０Ｂ、１３２Ｂ  第２領域
１３２  第２面
１３４、１３８  反射膜
１３６  保護膜
１５０  コリメータ
１５２、１５４、１５８  ミラー
１５６  分光素子
１６０、４１６Ａ、４１６Ｂ、４１６Ｃ、…、４１６Ｎ  受光素子
１８０  コンピュータシステム
２２０  信号変換部
２２２  分光データ記憶部
２２４  ピーク検出部
２２６  ピーク特徴量抽出部
２２８  ピーク特徴量解析部
２３０  較正情報記憶部
２３２  解析結果変換部
２３４  計測対象情報記憶部
２３６  出力部
２３８  ユーザインタフェース
３２０  ハーフミラー
４１０Ａ、４１０Ｂ、４１０Ｃ、…、４１０Ｎ  分光測定ユニット
４１２Ａ、４１２Ｂ、４１２Ｃ、…、４１２Ｎ  ダイクロイックミラー
４１４Ａ、４１４Ｂ、４１４Ｃ、…、４１４Ｎ  フィルタ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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