(57)【要約】成分分析装置は、試料の成分を分析する装置であって、レーザ光源、成分分析手段及び収容部を含む本体と、試料に対向するように配置される光学系ヘッドと、レーザ光源から出射されたレーザ光を光学系ヘッドに導くために、収容部から光学系ヘッドにまで延設された貫通耐圧機構付ファイバとを有する。収容部は、耐圧機能を有すると共にレーザ光源及び成分分析手段が収められる。光学系ヘッドは、貫通耐圧機構付ファイバから出射されるレーザ光を試料に照射すると共にレーザ光の照射により試料において発生したプラズマ発光光を貫通耐圧機構付ファイバに再入射させるミラー系を含む。成分分析手段は、貫通耐圧機構付ファイバに再入射したプラズマ発光光を分光分析する。
2014042221.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料の成分を分析する成分分析装置であって、
レーザ光源、成分分析手段、並びに、耐圧機能を有すると共に前記レーザ光源及び前記成分分析手段が収められる収容部、を含む本体と、
前記試料に対向するように配置される光学系ヘッドと、
前記レーザ光源から出射されたレーザ光を前記光学系ヘッドに導くために、前記収容部から前記光学系ヘッドにまで延設された貫通耐圧機構付ファイバとを備え、
前記光学系ヘッドは、前記貫通耐圧機構付ファイバから出射されるレーザ光を前記試料に照射すると共に前記レーザ光の照射により前記試料において発生したプラズマ発光光を前記貫通耐圧機構付ファイバに再入射させるミラー系を含み、
前記成分分析手段は、前記貫通耐圧機構付ファイバに再入射した前記プラズマ発光光を分光分析する、
成分分析装置。
【請求項２】
前記貫通耐圧機構付ファイバは、単芯の光ファイバと、前記単芯の光ファイバの周囲に配置されたバンドルファイバとを有する、請求項１に記載の成分分析装置。
【請求項３】
前記レーザ光源は、発光時間が２００から４００ｎｓｅｃであるロングパルスレーザ光を発する、請求項１又は２に記載の成分分析装置。
【請求項４】
前記光学系ヘッドは、前記レーザ光を通過させると共に前記プラズマ発光光からなるＬＩＢＳ信号光を通過させる窓を有し、
前記窓は、光の入射面及び出射面として、二つの同心球の球面または同心球に近い中心を持つ二つの面の、それぞれの一部を有する、
請求項１から３のいずれかに記載の成分分析装置。
【請求項５】
前記光学系ヘッドは、前記試料の近傍を清浄化するための液体を放出する手段を更に含む、請求項１から４の何れかに記載の成分分析装置。
【請求項６】
前記液体を放出する手段は、前記光学系ヘッドの外部の液体を汲み上げるポンプと、前記ポンプによって汲み上げられた液体から不純物を除去して濾過水を生成するフィルタと、前記フィルタによって生成された濾過水を前記試料の近傍に放出する放出部とを有する、請求項５に記載の成分分析装置。
【請求項７】
前記レーザ光の焦点を前記試料に合わせるために、前記光学系ヘッドを前記移動させる制御機構を更に備える、請求項１から６の何れかに記載の成分分析装置。
【請求項８】
前記光学系ヘッドは、カセグレン光学系を有する、請求項１から７のいずれかに記載の成分分析装置。
【請求項９】
試料の成分を分析する成分分析装置であって、
耐圧機能を有すると共に成分分析手段が収められる収容部と、
レーザ光源を有し、前記レーザ光源から出射されたレーザ光を前記試料に照射してプラズマ発光を生じさせるために、前記試料に対向するように配置される光学系ヘッドと、
前記収容部から前記光学系ヘッドにまで延設されたレーザコントロール用ケーブルと、
前記プラズマ発光によるプラズマ発光光を入射させて前記成分分析手段に導くために、前記光学系ヘッドから前記収容部にまで延設された光ファイバとを備え、
前記成分分析手段は、前記光ファイバからの前記プラズマ発光光を分光分析する、
成分分析装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特に海底、湖底又は川底等の水中環境において試料の成分分析をより効率的に行える成分分析装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
地球表層の７割以上は水に覆われており、水中環境は私たちの生活と密接な関わりをもっている。我々が利用できるエネルギー資源や鉱物資源、及び環境汚染などの問題を把握する上で、海底、湖底及び川底の調査を実施することが重要である。【０００３】
多くの分野では水及び水中の固体物質の成分分析が必要とされており、現状では調査域からサンプルを取得し、陸上で分析を行う事によってサンプルの成分分析が実施されている。しかし、このような手法では時間及びコストがかかり、リアルタイムに分析の結果が得られないうえ、サンプルを水中から陸上に引き揚げる際に不純物がサンプルに混合するおそれも懸念される。【０００４】
そこで、水中で探査を行うことが必要となるが、この水中探査は以下の理由による困難性を伴なう。【０００５】
困難性１：深い水中環境では水圧が高いので、防水及び耐圧性が要求される。また、深い水中環境における物理条件は、高い水圧がかかっているので地上とは異なる物理条件となるため、深い水中環境における測定方法や装置の仕様を地上のそれらと変えなければならない場合が発生する。【０００６】
困難性２：水中では、人間が直接探査できる範囲が限られるため、多くの場合は、潜水艇を用いて探査を行うことになる。装置や機器の操作や情報収集を、遠隔操作により行うことができたり、ロボットの直接操作によりできたりしなければならない。【０００７】
困難性３：海底等の水中環境では電波は伝達しにくいので通信手段がケーブルや音波になるため、ある程度、探査装置内で自律的に動作、測定、及びデータの収集ができなければならない。【０００８】
従来は、水や、水中の堆積物又は岩石等をサンプルとして陸上に持ち帰り、陸上において質量分析器等を用いてサンプルの成分を分析するのが一般的であった。陸上では、ＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma）発光分光分析及び質量分析等の高精度の成分分析を行うことができるため、サンプルの成分分析を詳細に行うことが可能である。【０００９】
しかし、サンプルを陸に上げるため、調査域が限られ、時間と費用も掛かる。また、採取時にはサンプルの成分が未知のため、調査計画への情報のフィードバックができないので、効率的に調査を行う事が困難となる。さらに、サンプルを陸上に引き揚げる際に不純物がサンプルに混合するおそれも懸念される。【００１０】
そこで、サンプリング手法に代替する分析技術として、ＬＩＢＳ（Laser Induced Breakdown Spectroscopy）の手法を用い、水等の液体及び液体中の固体物に含まれる複数の元素成分を  Ｉｎ  ｓｉｔｕで測定可能な装置が提起されている。【００１１】
ＬＩＢＳを用いた成分分析には、以下のような利点がある。発光分光分析に基づいているため、複数の元素を同時に検出することが可能であり、液体及び固体物質を直接分析することが可能であるため、サンプルの前処理が不要である。また、分析測定機器そのものもコンパクトにできる。よって、水中での探査でもその場で成分分析ができるのがＬＩＢＳの大きな利点である。しかしながら、海底、湖底又は川底などの水中環境では、水中探査の困難性の要因を克服しないと、実測できない問題が多々存在する。【００１２】
図１に従来の典型的なＬＩＢＳ分析装置（後記の非特許文献１に基づく装置）を示す。【００１３】
パルスレーザ１から出たパルスのレーザビーム（パルスレーザのビーム発光時間は凡そ１０ｎｓｅｃ）は、ハーフミラー７を通り、集光レンズ８によって集められ、窓９を通過して試料１０に照射され、試料１０においてプラズマ状の発光が起きる。その発光した光は窓９を通り、集光レンズ８でほぼ平行になり、ハーフミラー７で一部反射され、入射レンズ１１で集められて分光器４に入る。分光器４でスペクトル分解が行われ、スペクトル分解された光は分光器４に取り付けられているＩＣＣＤカメラ５に入り、コンピュータ６でＩＣＣＤカメラ５から信号の読み出しが行われ、試料１０のプラズマ発光に伴うスペクトル情報が得られる。【００１４】
本明細書では、ＬＩＢＳ分析装置（成分分析装置）によって、試料へのレーザ光照射によるプラズマ発光に伴い得られるスペクトル情報のことをＬＩＢＳ信号と呼ぶ。【００１５】
パルスレーザの発光時間は１０ｎｓｅｃと非常に短いので、通常、タイミング信号発生器３はＱスイッチＯＮの信号をパルスレーザ１に出し、その後、コンピュータ６はある時間遅延させてから、ＩＣＣＤカメラ５から信号を読み出す。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１６】
【非特許文献１】“Development of a portableLIBS-device for quality assurance in concrete repair”, A. Taffe et al., Pages547-549, Concrete Repair, Rehabilitation and Retrofitting ll-Alexander etal.(eds) 2009 Taylor & Francis Group, London, ISBN 978-0-415-46850-3(http://dicata.ing.unibs.it/plizzari/CD/Pdf/075.pdf)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
しかしながら、これまで知られているＬＩＢＳ分析装置には、次のような問題点がある。【００１８】
問題点１：水中環境、特に深海では水圧が高く、ＬＩＢＳ分析装置を耐圧容器に入れる必要がある。また、ケーブル及び窓部には耐圧機構を付与する必要がある。従来のＬＩＢＳ装置ではそのような対策が採られていなかった。【００１９】
問題点２：図１のような従来のＬＩＢＳ分析装置では、試料にＬＩＢＳ分析装置を近づけてレーザ光の焦点距離で静止させ、レーザを発光させねばならなかった。しかし、図１のようなＬＩＢＳ分析装置を海底又は、深海における垂直の岩等に向けるのは容易でない。また、従来のＬＩＢＳ分析装置は深海における穴の中の試料の探査にも向いていない。潜水艇等によって掴まれた試料にレーザ光を向けられるような機構が必要だが、従来のＬＩＢＳ分析装置はその機構を有していない。【００２０】
問題点３：ＬＩＢＳ信号を得るには、海底等の試料にレーザ光の焦点を合わせる必要があるが、図１のような従来のＬＩＢＳ分析装置は、潜水艇のマニピュレータなどで焦点を合わせる機構を有していない。【００２１】
問題点４：海底では、プランクトンやヘドロ等の堆積物がサンプルに積もっていてレーザ光がサンプルに届きにくい場合が多く、その場合、良好なＬＩＢＳ信号が得られない。図１のような従来のＬＩＢＳ分析装置では、それらへの対策が採られていない。【００２２】
問題点５：岩石や堆積物に含まれる金属のＬＩＢＳ信号は、例えばＡｕでは２８６ｎｍ、Ａｇでは３２８ｎｍ、Ｓｉでは１９９ｎｍ、Ａｌでは３９６ｎｍ、及びＣｕでは３２４ｎｍなどであって、紫外光領域に多い。一方、励起レーザはＹＡＧレーザ波長１０６４ｎｍのように、近赤外光なので、図１のような従来のＬＩＢＳ分析装置ではレンズを使用しているために、レンズ系では色収差が大き過ぎて、収差を補正しきれない。【００２３】
問題点６：図１のような従来のＬＩＢＳ分析装置ではシングルパルスレーザを使用しており、レーザ発光のパルス幅は１０ｎｓｅｃ程度である。このようなパルス幅のレーザ１台を使用している場合では、高圧下で元素特有のスペクトルは取得できるが、ＬＩＢＳ信号のバックグラウンド光（迷光になる）が強く、ＬＩＢＳ信号の発光強度は弱い。また、水中の液体試料に対しては、比較的安定したＬＩＢＳ信号が得られるが、固体試料に対しては、信号は弱く、ばらつきが大きく、不安定である。【００２４】
本発明の目的は、サンプルを取得しなくても、特に水中環境において、その場で成分を分析することによって、水中環境での調査の困難さを克服し、海底、湖底又は川底の調査をより効率的に実施する装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２５】
本発明のある態様の成分分析装置は、試料の成分を分析する装置であって、レーザ光源、成分分析手段及び収容部を含む本体と、試料に対向するように配置される光学系ヘッドと、レーザ光源から出射されたレーザ光を光学系ヘッドに導くために、収容部から光学系ヘッドにまで延設された貫通耐圧機構付ファイバとを有する。収容部は、耐圧機能を有すると共にレーザ光源及び成分分析手段が収められる。光学系ヘッドは、貫通耐圧機構付ファイバから出射されるレーザ光を試料に照射すると共にレーザ光の照射により試料において発生したプラズマ発光光を貫通耐圧機構付ファイバに再入射させるミラー系を含む。成分分析手段は、貫通耐圧機構付ファイバに再入射したプラズマ発光光を分光分析する。【００２６】
貫通耐圧機構付ファイバは、単芯の光ファイバと、単芯の光ファイバの周囲に配置されたバンドルファイバとを有してもよい。レーザ光源は、発光時間が２００から４００ｎｓｅｃであるロングパルスレーザ光を発してもよい。光学系ヘッドは、レーザ光を通過させると共にプラズマ発光光からなるＬＩＢＳ信号光を通過させる窓を有し、窓は、光の入射面及び出射面として、二つの同心球の球面のそれぞれの一部を有してもよい。光学系ヘッドは、試料の近傍を清浄化するための液体を放出する手段を更に含んでもよい。上記液体を放出する手段は、光学系ヘッドの外部の液体を汲み上げるポンプと、ポンプによって汲み上げられた液体から不純物を除去して濾過水を生成するフィルタと、フィルタによって生成された濾過水を試料の近傍に放出する放出部とを有してもよい。成分分析装置は、レーザ光の焦点を試料に合わせるために、光学系ヘッドを移動させる制御機構を更に有してもよい。光学系ヘッドは、カセグレン光学系を有してもよい。【００２７】
本発明の別のある態様の成分分析装置は、試料の成分を分析する装置であって、耐圧機能を持つと共に成分分析手段が収められる収容部と、レーザ光源を有しかつレーザ光源から出射されたレーザ光を試料に照射してプラズマ発光を生じさせるために試料に対向するように配置される光学系ヘッドと、収容部から光学系ヘッドにまで延設されたレーザコントロール用ケーブルと、プラズマ発光によるプラズマ発光光を入射させて成分分析手段に導くために光学系ヘッドから収容部にまで延設された光ファイバとを有する。成分分析手段は、光ファイバからのプラズマ発光光を分光分析する。【００２８】
本発明の更に別のある態様の成分分析装置は、試料（特に液体中に存在する試料）の成分分析を行うための装置であって、
レーザ光源及びレーザコントローラと成分分析手段とを収容した収容部（以下、収容部本体と呼ぶ（特に、耐圧容器。但し、液体中に設置しない場合は、耐圧容器でなくてよい））と、
前記レーザ光源から出射されたレーザ光を入射させ、前記試料に対向する光学系ヘッドに導くために、特に液体中を前記収容部本体から前記光学系ヘッドにまで延設された光ファイバと、
前記光ファイバから出射されるレーザ光を前記試料に照射してプラズマ発光を生じさせ、このプラズマ発光光を前記光ファイバに再入射させる前記光学系ヘッドと、
前記光ファイバからの前記プラズマ発光光を分光分析する前記成分分析手段と
を有する、成分分析装置である。【００２９】
本発明の更に別のある態様の成分分析装置は、試料（特に液体中に存在する試料）の成分分析を行うための装置であって、
レーザ光源及びレーザコントローラと成分分析手段とを収容した収容部本体（特に、耐圧容器）と、
前記レーザ光源から出射されたレーザ光を入射させ、前記試料に対向する光学系ヘッドに導くために、特に前記液体中を前記収容部本体から前記光学系ヘッドにまで延設された第１の光ファイバと、
前記第１の光ファイバから出射されるレーザ光を前記試料に照射してプラズマ発光を生じさせる前記光学系ヘッドと、
前記プラズマ発光によるプラズマ発光光を入射させて前記成分分析手段に導くために、特に前記液体中を前記光学系ヘッドから前記収容部本体にまで延設された第２の光ファイバと、
前記第２の光ファイバからの前記プラズマ発光光を分光分析する前記成分分析手段と
を有する、成分分析装置である。【００３０】
本発明の更に別のある態様の成分分析装置は、試料（特に液体中に存在する試料）の成分分析を行うための装置であって、
レーザコントローラと成分分析手段とを収容した収容部本体（特に、耐圧容器）と、
レーザ光源を収容し、このレーザ光源から出射されたレーザ光を前記試料に照射してプラズマ発光を生じさせるために、前記試料に対向配置される光学系ヘッドと、
特に液体中を前記収容部本体から前記光学系ヘッドにまで延設されたレーザコントロール用ケーブルと、
前記プラズマ発光によるプラズマ発光光を入射させて前記成分分析手段に導くために、特に前記液体中を前記光学系ヘッドから前記収容部本体にまで延設された光ファイバと、
前記光ファイバからの前記プラズマ発光光を分光分析する前記成分分析手段と
を有する、成分分析装置である。
【発明の効果】
【００３１】
本発明の成分分析装置によれば、水中等の液体中の環境における調査について既述した困難さを克服し、液体中の環境において、その場で試料の成分を分析することができ、ひいては海底、湖底又は川底（更には海中、湖中又は川中）の調査をより効率的に実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】従来のＬＩＢＳ分析装置の概略図である。
【図２】１００〜４００ｎｓｅｃのパルス幅のロングパルスレーザーを、銅、亜鉛の混合物に照射した時の、測定したＬＩＢＳ信号の誤差のグラフである。
【図３】１００〜４００ｎｓｅｃのパルス幅のロングパルスレーザーを、試料に照射した時の、測定したプラズマ温度のグラフである。
【図４】ロングパルスレーザによるＬＩＢＳ分析で得られたＬＩＢＳ信号のスペクトル図である。
【図５Ａ】ダブルパルスレーザによるＬＩＢＳ分析で得られた各種ＬＩＢＳ信号のスペクトル図である。
【図５Ｂ】ダブルパルスレーザによるＬＩＢＳ分析で得られた各種ＬＩＢＳ信号のスペクトル図である。
【図５Ｃ】ダブルパルスレーザによるＬＩＢＳ分析で得られた各種ＬＩＢＳ信号のスペクトル図である。
【図６Ａ】第１の成分分析装置としてのＬＩＢＳ分析装置の構成例の概略図である。
【図６Ｂ】第１の成分分析装置としてのＬＩＢＳ分析装置の構成例の概略図である。
【図７Ａ】第１貫通耐圧機構付ファイバを説明するための図である。
【図７Ｂ】第２貫通耐圧機構付ファイバを説明するための図である。
【図８Ａ】従来の光学系ヘッドの窓の概略図である。
【図８Ｂ】実施の形態の光学系ヘッドの球形窓の概略図である。
【図９】光学系ヘッドの構成例の断面図である。
【図１０Ａ】光学系ヘッドの他の構成例の断面図である。
【図１０Ｂ】光学系ヘッドの他の構成例の断面図である。
【図１１】第２の成分分析装置としてのＬＩＢＳ分析装置の構成例の概略図である。
【図１２】貫通耐圧機構付ファイババンドルの構成図である。
【図１３Ａ】ＬＩＢＳ分析装置に使用可能な光学系ヘッドの構成例の断面図である。
【図１３Ｂ】ＬＩＢＳ分析装置に使用可能な光学系ヘッドの構成例の断面図である。
【図１４】他の光学系ヘッドの構成例の断面図である。
【図１５】レーザ光源の構成図である。
【図１６】他の光学系ヘッドの構成例の断面図である。
【図１７】第３の成分分析装置としてのＬＩＢＳ分析装置の構成例の概略図である。
【図１８Ａ】液中の溶存Ｃａの０．１ＭＰａ、１０ＭＰａ、２０ＭＰａ及び３０ＭＰａにおけるＬＩＢＳ信号を示す図である。
【図１８Ｂ】液中の溶存Ｍｇの０．１ＭＰａ、１０ＭＰａ、２０ＭＰａ及び３０ＭＰａにおけるＬＩＢＳ信号を示す図である。
【図１８Ｃ】液中の溶存Ｋの０．１ＭＰａ、１０ＭＰａ、２０ＭＰａ及び３０ＭＰａにおけるＬＩＢＳ信号を示す図である。
【図１８Ｄ】液中の溶存Ｌｉの０．１ＭＰａ、１０ＭＰａ、２０ＭＰａ及び３０ＭＰａにおけるＬＩＢＳ信号を示す図である。
【図１８Ｅ】液中に沈めた固体物Ｚｎの０．１ＭＰａ、１０ＭＰａ、２０ＭＰａ及び３０ＭＰａにおけるＬＩＢＳ信号を示す図である。
【図１８Ｆ】液中に沈めた固体物Ｃｕの０．１ＭＰａ、１０ＭＰａ、２０ＭＰａ及び３０ＭＰａにおけるＬＩＢＳ信号を示す図である。
【図１８Ｇ】液中に沈めた固体物真ちゅうの０．１ＭＰａ、１０ＭＰａ、２０ＭＰａ及び３０ＭＰａにおけるＬＩＢＳ信号を示す図である。
【図１９Ａ】ＬＩＢＳ分析装置の光学系を示す写真である。
【図１９Ｂ】ＬＩＢＳ分析装置の光学系を示す写真である。
【図１９Ｃ】ＬＩＢＳ分析装置の装置内部を示す写真である。
【図２０Ａ】他のＬＩＢＳ分析装置による海水の分析の状況を示す写真である。
【図２０Ｂ】他のＬＩＢＳ分析装置による岩石の分析の状況を示す写真である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
本発明の成分分析装置は、次に示す具体的な複数の解決手段の全部又は一部により課題を解決する。
【００３４】
解決手段１：水圧が高いので、耐圧容器に測定器等が収容されている。また、光学系ヘッドにおいてレーザ光が出る窓は耐圧を考慮した厚さを有し、窓は平板状のものではなく、二つの同心球の球面のそれぞれの一部からなる。同心球は、同心球に類似する物を含む。耐圧容器におけるケーブルや光ファイバの出入り口には、ファイバが通せると共に水圧に耐えられる耐圧機能を有し、更に耐水機能を有する機構が設けられる。
【００３５】
解決手段２：潜水艇のマニピュレータで操作するため、ロボットなどがレーザ光を試料に向けられる構造になっている必要がある。本発明のある態様の成分分析装置では、光ファイバを用いて、レーザ光の伝送や、ＬＩＢＳ信号光の伝送を好ましくは同軸にて行う。これにより、光投受光部をコンパクトに構成でき、海底等の試料にレーザ光を当てやすくなる。
【００３６】
解決手段３：光学系ヘッドは潜水艇のマニピュレータで操作して、ロボットなどがレーザ光を試料に向けるが、良好なＬＩＢＳ信号を得るには、レーザ光を、試料に焦点が合うように照射しなければならない。これには焦点合わせの機構が必要になる。本発明のある態様の成分分析装置は、レーザ投光部を試料に向かって前後移動など移動できる機構を有し、焦点を合せることができる。また、本発明のある態様の成分分析装置は、励起レーザ光の戻り光を測定し、焦点を合せられる、オートフォーカス機能を有する。これにより、レーザ光を試料に焦点を合せて集めることができる。
【００３７】
解決手段４：本発明のある態様の成分分析装置は、ポンプ及びフィルタを有し、試料に直接又は試料の上部に綺麗な海水を放出し、海中又は海底のプランクトン又はヘドロ等の堆積物等がレーザ光及び／又はＬＩＢＳ信号を遮らないように試料の周囲の環境を清浄化する。清浄化は、タンクに水等をいれて、放出することにより行ってもよい。
【００３８】
解決手段５：ＬＩＢＳ信号の測定には、レンズ系ではなく、ミラー系を使用してレーザ光及びＬＩＢＳ信号光を導く。それにより、色収差による信号のボケや光の拡散を防ぐことができる。励起レーザ波長が近赤外で、ＬＩＢＳ光が紫外光でも測定できる。
【００３９】
解決手段６：レーザの発光が１０ｎｓｅｃ程度と短いシングルパルスレーザの替りに、発光時間が２００〜４００ｎｓｅｃ程度（特に２５０ｎｓｅｃ付近）と長いロングパルスレーザを使用すると、海中の液体及び固体の両方の試料から、発光強度が強く、安定したＬＩＢＳ信号が得られる。特にパルス幅が２５０ｎｓｅｃ付近のロングパルスレーザを使用した場合、図２及び３に示すように、測定誤差が小さく、プラズマ温度が高いので、安定したＬＩＢＳ信号が得られる。図４のように圧力によらず（深海及び浅海に拘わらず）、液体及び固体の試料を測定できる。又、深度５００ｍ以下の浅海又は水中では、レーザの発光が１０ｎｓｅｃ程度と短いシングルパルスレーザを２台同期して用いる、ダブルパルスレーザが有効である。このダブルパルスレーザを使用すると、液体及び固体の両方の試料でシングルパルスレーザに比べ、図５Ａ、５Ｂ及び５Ｃに示すように安定した、綺麗な（迷光となるバックグラウンド信号が少ない）信号が得られる。なお、得られる信号は圧力によって強く影響される。図４、並びに図５Ａ、５Ｂ及び５Ｃのそれぞれの内容については後にも説明する。
【００４０】
（実施の形態）
以下、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００４１】
まず、図６Ａ及び６Ｂを用いて、第１の実施の形態の成分分析装置を説明する。
【００４２】
第１の実施の形態の成分分析装置は、図１に示したパルスレーザ１に代わって、ロングパルスレーザ２１を有し、光ファイバにて集光及びＬＩＢＳ信号の収集を行うのが特徴である。
【００４３】
図６Ａの成分分析装置は、本体８０と、第１貫通耐圧機構付ファイバ１３と、光学系ヘッド６０とを有している。本体８０は、海水中に設置される耐圧容器１２ａを有している。耐圧容器１２ａの内部のロングパルスレーザ２１から出たレーザ光は集光レンズ８で集められ、孔が形成されている楕円ミラー１８の孔を通り、第１貫通耐圧機構付ファイバ１３に入射し、海水中では、第１貫通耐圧機構付ファイバ１３を通過して光学系ヘッド６０に伝送される。
【００４４】
光学系ヘッド６０は筐体として耐圧容器１２ｂを有しており、第１貫通耐圧機構付ファイバ１３より出たレーザ光はコリメートミラー１５にてほぼ平行になる。その後、レーザ光は、集光ミラー１６にて集められ、球形窓１７を通り、更に海水中を通り試料１０に照射される。よいＬＩＢＳ信号を得るには、目的の試料１０にレーザ光の焦点を合せる必要がある。ロボットアーム２４に載せられている光学系ヘッド６０は、フォーカス用ステージ２２にて焦点合わせ方向Ｘにおいて移動され、それにより試料１０にレーザ光の焦点を合せることができる。
【００４５】
図６Ａと図６Ｂとで異なる点は、図６Ａの成分分析装置が第１貫通耐圧機構付ファイバ１３を有しているのに対し、図６Ｂの成分分析装置が第２貫通耐圧機構付ファイバ７２を有している点である。第１貫通耐圧機構付ファイバ１３については、図７Ａを用いて後に詳述する。第２貫通耐圧機構付ファイバ７２については、図７Ｂを用いて後に説明する。なお、図６Ａの成分分析装置は、第１貫通耐圧機構付ファイバ１３に代えて第２貫通耐圧機構付ファイバ７２を有してもよい。図６Ｂの成分分析装置は、第２貫通耐圧機構付ファイバ７２に代えて第１貫通耐圧機構付ファイバ１３を有してもよい。
【００４６】
加えて、図６Ａと図６Ｂとで異なる点は、図６Ｂの成分分析装置における光学系ヘッド６０がカセグレン光学系を有する点である。第１貫通耐圧機構付ファイバ１３及び第２貫通耐圧機構付ファイバ７２はいずれも、耐圧ファイバを有すると共に、深海などの水圧に耐える構造を有し、光学系ヘッド６０はミラー系で構成されている。そのため、図６Ａ及び６Ｂの成分分析装置はいずれも、紫外から赤外の、波長に依存しない広い範囲のスペクトル測定を行うことが出来る。
【００４７】
また、試料１０にはプランクトン又はヘドロ等の堆積物が積って試料１０が堆積物により覆われている場合が多いので、濾過水供給部２３は、試料１０の近傍に濾過水ＷＡまたはタンクにためている濾過水ＷＡを放出する。それにより、レーザ光を試料１０に効率的に照射することができ、かつ良好なＬＩＢＳ信号を得ることができる。濾過水供給部２３は、例えばポンプ２３ａ、フィルタ２３ｂ及び放出部２３ｃを有しており、ポンプ２３ａにより海水を汲み上げ、フィルタ２３ｂにより汲み上げた海水から不純物を除去して濾過水ＷＡを生成し、生成した濾過水ＷＡを放出部２３ｃから試料１０の近傍に放出する。一例としての放出部２３ｃはノズルを有する。
【００４８】
試料１０がレーザ光に照射されることにより、試料１０でプラズマ発光が起き、プラズマ発光による信号光は逆のルートを通り、第１貫通耐圧機構付ファイバ１３又は第２貫通耐圧機構付ファイバ７２に入射する。第１貫通耐圧機構付ファイバ１３又は第２貫通耐圧機構付ファイバ７２を出た光はファイバ固有のＮＡ値で拡がり、本体８０において、楕円ミラー１８で反射され、ダイクロイックミラー１９にて更に反射されて、分光器用光ファイバ２０に集められる。
【００４９】
なお、楕円ミラー１８の替りに、孔が形成された球面ミラーを用いてもよい。孔が形成された球面ミラーを僅かに傾けると、収差はそれ程大きくないので、楕円ミラー１８を用いなくとも、第１貫通耐圧機構付ファイバ１３又は第２貫通耐圧機構付ファイバ７２から出た光を分光器用光ファイバ２０に集めることができる。
【００５０】
図７Ａは、第１貫通耐圧機構付ファイバ１３を説明するための図である。図７Ａに示すように、第１貫通耐圧機構付ファイバ１３は、本体８０側のファイバ貫通耐圧機構７１ａと、光学系ヘッド６０側のファイバ貫通耐圧機構７１ｂと、耐圧光ファイバ１３ａとを有している。本体８０側のファイバ貫通耐圧機構７１ａ及び光学系ヘッド６０側のファイバ貫通耐圧機構７１ｂにはいずれも、貫通孔が形成されている。本体８０側のファイバ貫通耐圧機構７１ａ及び光学系ヘッド６０側のファイバ貫通耐圧機構７１ｂはいずれも、それぞれの側の耐圧容器１２ａ，１２ｂの貫通孔が形成されている部位に取り付けられており、耐圧光ファイバ１３ａが各貫通孔を貫いている。
【００５１】
本体８０側のファイバ貫通耐圧機構７１ａ及び光学系ヘッド６０側のファイバ貫通耐圧機構７１ｂはいずれも、深海における水圧に耐えることができる機構であり、かつ深海における海水が耐圧容器１２ａ，１２ｂの内部に侵入しないように耐圧容器１２ａ，１２ｂに取り付けられている。耐圧光ファイバ１３ａは、図７Ａのａ矢視図及びｂ矢視図が示すように、単芯の光ファイバである。本体８０側のファイバ貫通耐圧機構７１ａと光学系ヘッド６０側のファイバ貫通耐圧機構７１ｂとの間の耐圧光ファイバ１３ａは、深海における水圧に耐えることができる機能を有すると共に、深海における海水を耐圧容器１２ａ，１２ｂの内部に侵入させない防水機能を有するスリーブで覆われている。耐圧光ファイバ１３ａは、本体８０側においては分光器側スリーブ３４の内部に挿入され、光学系ヘッド６０側においては光学系ヘッド側スリーブ３５の内部に挿入されている。
【００５２】
図７Ｂは、第２貫通耐圧機構付ファイバ７２を説明するための図である。図７Ｂに示すように、第２貫通耐圧機構付ファイバ７２は、本体側のファイバ貫通耐圧機構７１ａと、光学系ヘッド６０側のファイバ貫通耐圧機構７１ｂと、耐圧光ファイバ７２ａとを有している。図７Ｂの第２貫通耐圧機構付ファイバ７２と図７Ａの第１貫通耐圧機構付ファイバ１３との相違点は、第１貫通耐圧機構付ファイバ１３が耐圧光ファイバ１３ａを有しているのに対し、第２貫通耐圧機構付ファイバ７２が耐圧光ファイバ７２ａを有している点である。
【００５３】
耐圧光ファイバ７２ａは、図７Ｂのｂ矢視図が示すように、単芯の光ファイバ７２ｂと、単芯の光ファイバ７２ｂの周囲に配置されたバンドルファイバ７２ｃとを有する。単芯の光ファイバ７２ｂは、レーザ光が通過すると共に、試料１０からのプラズマ光が通過するファイバである。バンドルファイバ７２ｃは、試料１０からのプラズマ光のうちの単芯の光ファイバ７２ｂを通過しない光が通過するファイバである。すなわち、耐圧光ファイバ７２ａは、試料１０からのプラズマ光（ＬＩＢＳ信号光）が拡がりを持っている場合であっても、バンドルファイバ７２ｃにより、ＬＩＢＳ信号光のうちの単芯の光ファイバ７２ｂで伝送することができない光を本体８０の分光器４に伝送することができる。
【００５４】
本体８０側のファイバ貫通耐圧機構７１ａと光学系ヘッド６０側のファイバ貫通耐圧機構７１ｂとの間の耐圧光ファイバ７２ａは、深海における水圧に耐えることができる機能を有すると共に、深海における海水を耐圧容器１２ａ，１２ｂの内部に侵入させない防水機能を有するスリーブで覆われている。
【００５５】
上述した実施の形態では、ロングパルスレーザ２１が用いられているので、水の深度によらず、液体及び固体の両方の試料で強度の強い、安定したＬＩＢＳ信号が得られる。なお、ロングパルスレーザ２１は、発光時間が２００から４００ｎｓｅｃであるロングパルスレーザ光を発する。
【００５６】
第１貫通耐圧機構付ファイバ１３又は第２貫通耐圧機構付ファイバ７２が使用されているので、海底に又は海底近傍の穴内の側面の試料に容易にレーザ光を照射できる。
【００５７】
また、投光系及び受光系にミラーが用いられているので、波長による色収差がなく、紫外光の測定もできる。
【００５８】
フォーカス用ステージ２２が用いられているので、潜水艇のマニピュレータでもレーザ光の焦点合わせが容易にできる。また、濾過水供給部２３が用いられているので、濁った水中でも良好なＬＩＢＳ信号を得ることができる。
【００５９】
また、球形窓１７が用いられているので、投光レーザ光の反射光が窓内で集光し、窓を破壊することが無い。更に、球形窓１７は球形なので、集光光が屈折せず、集光及び受光時に収差の問題が発生しない利点を持つ。
【００６０】
図８Ａに従来の平板状の窓９を示し、図８Ｂに本実施の形態の球形窓１７を示す。図８Ａ及び８Ｂを用いて、従来の平板状の窓９と本実施の形態の球形窓１７とを比較する。図８Ａに示す従来の平板状の窓９ではレーザ光Ｌは屈折する。このため収差が発生し、焦点がぼける等の弊害がでる。また、形状が平板状なので、窓９の表面からの反射光２５が発生し、反射光２５が焦点Ｆに集中することにより窓９は加熱され、窓９は熱によって破壊される可能性がある。図８Ｂに示すように、本実施の形態の球形窓１７は、長さｒ１の第１の半径２６を持つ第１の面２６ａと、長さｒ１より長い長さｒ２の第２の半径２７を持つ第２の面２７ａとを有する。第１の面２６ａ及び第２の面２７ａは、同心球の一部であるか、または必ずしも中心は一致しないが、同心球に近い面で構成されている。第２の面２７ａは、面２７ａからの戻り光が手前にあるミラーやレンズ系内に焦点を結ばないような曲率半径を持つ面である。これにより、面２７ａからの戻り光によりにミラーやレンズ系が損傷するのを防ぐと同時に集光するレーザ光が大きく屈折するのを防ぐ役目を持っている。球形窓１７は、球形窓１７を通過したレーザ光が試料１０の一点に集められるように配置される。その場合、集光光には収差が発生しないか、発生しても収差は小さく、近赤外のレーザ励起光と紫外波長のプラズマ光のＬＩＢＳ信号は同軸にて同じ光路を通る。
【００６１】
図９を用いて、光学系ヘッドがレンズ系で構成されている例を説明する。
【００６２】
第１貫通耐圧機構付ファイバ１３又は第２貫通耐圧機構付ファイバ７２は、図６Ａ及び６Ｂに示されるロングパルスレーザ２１、分光器４、ＩＣＣＤカメラ５及びコンピュータ６等が設置されている耐圧容器１２ａから延設されている。図６Ａ及び６Ｂでは光学系ヘッド６０はミラー系で構成されているが、図９の例では光学系ヘッド６０はレンズ系で構成されている。
【００６３】
ＬＩＢＳ信号の波長帯が紫外光でなく、収差補正しやすい場合は、光学系ヘッドにおける光学系をレンズ系で構成できる場合がある。レンズ系では波長による色収差が発生するが、色収差を小さくできる場合はレンズ系を利用できる。なによりも、レンズはミラーに比べ、ポピュラーで入手し易く、かつ系をコンパクトにできる利点がある。
【００６４】
第１貫通耐圧機構付ファイバ１３又は第２貫通耐圧機構付ファイバ７２から出たレーザ光はレンズ系２８及び耐圧窓兼レンズ２９を通して試料１０に集められ、ＬＩＢＳ信号光は逆の経路を通り、第１貫通耐圧機構付ファイバ１３又は第２貫通耐圧機構付ファイバ７２に入射する。この時、ＬＩＢＳ信号光は波長によっては、色収差のため、第１貫通耐圧機構付ファイバ１３に全ては入らないかもしれないが、ＬＩＢＳ信号光が強い場合や、収差が小さく、第１貫通耐圧機構付ファイバ１３のコアのまわりに光が集まっている場合は図９の光学系ヘッド６０も利用できる。
【００６５】
図９の光学系ヘッド６０では、耐圧窓兼レンズ２９は耐圧窓と集光レンズを兼ねている。
【００６６】
図１０Ａ及び１０Ｂは、光学系ヘッド６０がカセグレン光学系で構成されている例を示す。
【００６７】
図９の光学系ヘッド６０と同様に、図１０Ａ及び１０Ｂの光学系ヘッド６０でも、第１貫通耐圧機構付ファイバ１３又は第２貫通耐圧機構付ファイバ７２は、図６Ａ及び６Ｂに示される、ロングパルスレーザ２１、分光器４、ＩＣＣＤカメラ５及びコンピュータ６等が設置されている耐圧容器１２ａから延設されている。光学系ヘッド６０がカセグレン光学系で構成されている例では、第１貫通耐圧機構付ファイバ１３又は第２貫通耐圧機構付ファイバ７２から出たレーザ光は、図１０Ａの光学系ヘッド６０ではコリメートレンズ３０でほぼ平行になり、カセグレン光学系３１に入り、球形窓１７を通り、試料１０に照射される。ＬＩＢＳ光は逆光路で第１貫通耐圧機構付ファイバ１３又は第２貫通耐圧機構付ファイバ７２に戻る。図１０Ｂの光学系ヘッド６０では、第１貫通耐圧機構付ファイバ１３又は第２貫通耐圧機構付ファイバ７２から出たレーザ光は、カセグレン光学系３１に直接入り、球形窓１７を通り、試料１０に照射される。ＬＩＢＳ光は逆光路で第１貫通耐圧機構付ファイバ１３又は第２貫通耐圧機構付ファイバ７２に戻る。
【００６８】
図１１は、第２の実施に形態の成分分析装置を示す図である。
【００６９】
レーザ光は、第１貫通耐圧機構付ファイバ１３を通り光学系ヘッド６０の内部のコリメートレンズ３０でほぼ平行光になり、反射ミラー３８で反射された後、集光ミラー１６で集められ、球形窓１７を通り、試料１０に照射される。ＬＩＢＳ信号光は逆光路を通り、ダイクロイックミラー１９でＬＩＢＳ信号光の波長帯の光のみが反射され、集光ミラー３３にて貫通耐圧機構付ファイババンドル３２に入射する。貫通耐圧機構付ファイババンドル３２は、本体８０の分光器４のスリットへ導かれている。
【００７０】
貫通耐圧機構付ファイババンドル３２は、図１２のように構成されている。
【００７１】
貫通耐圧機構付ファイババンドル３２は何本かの光ファイバ素線を束ねたものである。光学系ヘッド側スリーブ３５の構造は、ｂ矢視図に示されるように複数の光ファイバ素線３２ｂが中心付近に並べられていて、図１１の集光ミラー３３で集められたＬＩＢＳ信号光が貫通耐圧機構付ファイババンドル３２に入りやすい構造になっている。一方、分光器側スリーブ３４では、ａ矢視図に示されているように、複数本の光ファイバ素線３２ｃは一列に整列されている。これは、分光器４のスリットが細長く開いているためである。
【００７２】
図１３Ａは、ミラー系を使用した細長い光学系ヘッドの例を示す。
【００７３】
第１貫通耐圧機構付ファイバ１３のつながっている先は図１１と同様にレーザ光が入射する部分であり、貫通耐圧機構付ファイババンドル３２の先は図１１と同様に分光器４につながっている。第１貫通耐圧機構付ファイバ１３から出た光はコリメートレンズ３０で平行になり、細長い耐圧容器内を進み、集光ミラー１６で集められつつ、球形窓１７を通り、試料１０に焦点を合せられる。光学系ヘッドがこのように細長いのは、海底等に掘削穴３９を形成し、堆積物４０等を除去して、目的の岩石層等の試料１０のＬＩＢＳ信号を得やすくする為である。図１３Ａの光学系ヘッドにより、掘削穴の側面の試料を測定できる。図１３Ｂはミラー系とコリメートレンズを使用した細長い光学系ヘッドの例を示す。図１３Ｂの光学系ヘッドでは、第１貫通耐圧機構付ファイバ１３又は第２貫通耐圧機構付ファイバ７２が用いられる。
【００７４】
図１４は光学系ヘッドがカセグレン光学系で構成されている例を示す。
【００７５】
図１０Ａ及び１０Ｂのように光学系ヘッドがカセグレン光学系で構成されている例と同様に、図１４では光学系ヘッドがカセグレン光学系で構成されているが、途中にダイクロイックミラー１９が挿入されており、反射されたＬＩＢＳ信号光が集光ミラー３３で貫通耐圧機構付ファイババンドル３２に集められて、伝送される。
【００７６】
一般にレーザ光はＹＡＧレーザの基本波（１０６４ｎｍ）のように、近赤外光であり、ＬＩＢＳ信号光の波長帯は紫外光の場合、図１０Ａ及び１０Ｂのような場合では、第１貫通耐圧機構付ファイバ１３がＬＩＢＳ信号光を伝送する役目も担っているので、コリメートレンズ３０だけでは色収差を取りきれず、ＬＩＢＳ信号光は第１貫通耐圧機構付ファイバ１３に入っていかない。他方、図１４のように、ダイクロイックミラー１９でＬＩＢＳ信号光を分離すれば、ＬＩＢＳ信号光はミラー系のみを通るので、色収差の影響を受けない。もちろん、集光には球形窓１７を用いているので色収差の影響を受けない。
【００７７】
図１５は、ダブルパルスレーザを用いた例を示す。
【００７８】
第１パルスレーザ４１と第２パルスレーザ４２の２台のパルスレーザが使用される。各々のレーザから出た光はλ／２波長板４３で互いに直交する偏光を持つように調整される。第１パルスレーザ４１からのレーザ光はその後反射ミラー４４で反射され、偏光ビームスプリッタ４５で合成される。偏光ビームスプリッタ４５は、第１パルスレーザ４１のレーザ光を反射し、それに直交する偏光を持つ第２パルスレーザ４２のレーザ光を透過する性質を持つ。よって、２台のレーザ光のエネルギーを殆ど減衰させる事なしに、光軸を一致させることができる。このダブルパルスレーザを、上述したシングルパルスレーザやロングパルスレーザに置き換えてもよい。
【００７９】
ダブルパルスレーザが用いられる場合、第１パルスレーザ４１はレーザ光を発射し、ある適当な遅延時間後に第２パルスレーザ４２もレーザ光を発射する。すると、深度が５００ｍ以下の大陸棚などの浅海中、川の底や湖の底に於いては、シングルのレーザのみよりも、液体試料及び固体試料を問わず、安定した、良好なＬＩＢＳ信号光が得られる。
【００８０】
図１６は、焦点合わせにカメラを用いた例を示す。
【００８１】
図１６の例では、光学系ヘッド６０の内部に一部反射ミラー４６が配置されており、試料１０に集められたレーザ光の一部は戻ってきて、一部反射ミラー４６で反射してカメラ４７に入る。カメラ４７による検出をフォーカス用ステージ２２と連動すれば、レーザ光の自動焦点合わせ（オートフォーカス）に利用できる。すなわち、レーザ光の焦点が試料１０に合うとレーザ光の試料上での像がスポットになり、輝度も高くなるので、カメラ４７による検出とフォーカス用ステージ２２とを連動させることにより、焦点合わせを行うことができる。この構成は他の光学系ヘッドに対しても設置して、利用できる。
【００８２】
次に、図１７を用いて、第３の実施の形態の成分分析装置を説明する。第３の実施の形態の成分分析装置では、レーザが光学系ヘッドに実装されている。
【００８３】
小型レーザ４９が光学系ヘッド７０に実装され、小型レーザ４９は、耐圧容器１２ａから延びるレーザコントロール用ケーブル４８を通してコントロールされる。小型レーザ４９を出たレーザ光はレーザビームエキスパンダ５０でビーム径を拡大されて、反射ミラー３８で反射された後、集光ミラー１６で集められつつ、球形窓１７を通り、試料１０に照射される。
【００８４】
ＬＩＢＳ信号光は逆光路を通り、ダイクロイックミラー１９で反射され、集光ミラー３３で集められ、貫通耐圧機構付ファイババンドル３２に入り、本体８０の分光器４に送られる。この場合、レーザが小型化され、光学系ヘッド７０がコンパクトに構成できる場合は、試料１０上の集光点のビーム径を、ファイバを用いる場合に比較して、小さくできる等の利点がある。
【００８５】
なお、以上の各例において、図６Ａで説明した濾過水供給部２３やフォーカス用ステージ２２などの焦点合わせ機構は省かれている例があるが、必要な場合は実装できる。また、ロングパルスレーザ２１はシングルパルス又はダブルパルスレーザで置き換えて用いることができる。
【００８６】
次に、上述した例による液中ＬＩＢＳ分析の結果を述べる。
【００８７】
図１８Ａから１８Ｅに、シングルパルスレーザを使った、高圧の液体と高圧液中の固体物質のＬＩＢＳ信号を示す。図１８Ａは、液中の溶存Ｃａの０．１ＭＰａ、１０ＭＰａ、２０ＭＰａ及び３０ＭＰａにおけるＬＩＢＳ信号を示す。図１８Ｂは、液中の溶存Ｍｇの０．１ＭＰａ、１０ＭＰａ、２０ＭＰａ及び３０ＭＰａにおけるＬＩＢＳ信号を示す。図１８Ｃは、液中の溶存Ｋの０．１ＭＰａ、１０ＭＰａ、２０ＭＰａ及び３０ＭＰａにおけるＬＩＢＳ信号を示す。図１８Ｄは、液中の溶存Ｌｉの０．１ＭＰａ、１０ＭＰａ、２０ＭＰａ及び３０ＭＰａにおけるＬＩＢＳ信号を示す。図１８Ｅは、液中に沈めた固体物Ｚｎの０．１ＭＰａ、１０ＭＰａ、２０ＭＰａ及び３０ＭＰａにおけるＬＩＢＳ信号を示す。図１８Ｆは、液中に沈めた固体物Ｃｕの０．１ＭＰａ、１０ＭＰａ、２０ＭＰａ及び３０ＭＰａにおけるＬＩＢＳ信号を示す。図１８Ｇは、液中に沈めた固体物真ちゅう（Ｚｎ（３５％），Ｃｕ（６５％））の０．１ＭＰａ、１０ＭＰａ、２０ＭＰａ及び３０ＭＰａにおけるＬＩＢＳ信号を示す。外圧によって大きな信号の変化が無い事がシングルパルスの特徴である。
【００８８】
上述した図４は、ロングパルスレーザを使った、高圧液中の真ちゅうの０．１ＭＰａと３０ＭＰａでのＬＩＢＳ信号を示す。ロングパルスは、外圧によって大きな信号の変化が無い事と、特に液中の固体物に関してはシングルパルスと比較してＬＩＢＳ信号のピークが細いのが特徴である。
【００８９】
上述した図５Ａ、５Ｂ及び５Ｃは、ダブルパルスレーザを使った、高圧液中の真ちゅうの０．１ＭＰａ、２ＭＰａ及び５ＭＰａでのＬＩＢＳ信号を示す。低い圧力では、シングルパルスと比較してＬＩＢＳ信号が強く、ピークが細いのが特徴である。圧力が高くなると信号の強度が低下するが、５ＭＰａまではシングルパルスより良好な信号が得られる。
【００９０】
図１９Ａ、１９Ｂ及び１９Ｃに、３０００ｍの高圧水中環境で適応可能な現場型ＬＩＢＳ分析装置を示す。図１９Ａは、図１に示したシステム（直接光学系）のようにレーザを直接水中に集光し、液体の成分を計測する装置を示す。図１９Ｂは、図６Ａに示すシステム（ファイバ光学系）のようにレーザの光を光ファイバに入れて、ロボットのマニピュレータなどを使って固体物に焦点を合わせる装置を示す。図１９Ｃは、図１９Ａと図１９Ｂの装置の本体の耐圧容器の内部構成を示す。
【００９１】
図２０Ａは、図１９Ａ、１９Ｂ及び１９Ｃに示す装置を用いて、遠隔操縦式の潜水艇を用いて実海域において２００ｍの深さにおける直接光学系を用いた海水の成分分析を行っている様子を示す。図２０Ｂは、図１９Ａ、１９Ｂ及び１９Ｃに示す装置を用いて、ファイバ光学系を用いた海底の岩石の成分分析を行っている様子を示す。
【００９２】
以上に説明した各例は、本発明の技術的思想に基づいて種々に変形可能である。
【産業上の利用可能性】
【００９３】
本発明は、すでに実用試作機を開発し、実海域でその有効性を実証している。海底鉱物資源調査、学術調査など、水中環境における調査の大幅な効率化が期待できる。また、水中及び濡れている固体物質の元素レベルの分析を可能とするため、大気中の環境汚染調査、液体を伝送するパイプラインの内壁の状態の検査、坑内観測、また工場の生産ラインでの材料の検定への応用が考えられる。さらに、ファイバを通して信号を伝達するため、装置本体をターゲットに近づけないでも計測できるため、原子炉内部などの極限環境での応用も考えられ、具体的な検討も進められている。
【符号の説明】
【００９４】
１．パルスレーザ
２．レーザコントローラ
３．タイミング信号発生器
４．分光器
５．ＩＣＣＤカメラ
６．コンピュータ
７．ハーフミラー
８．集光レンズ
９．窓
１０．試料
１１．入射レンズ
１２ａ，１２ｂ．耐圧容器
１３．第１貫通耐圧機構付ファイバ
１５．コリメートミラー
１６．集光ミラー
１７．球形窓
１８．楕円ミラー
１９．ダイクロイックミラー
２０．分光器用光ファイバ
２１．ロングパルスレーザ
２２．フォーカス用ステージ
２３．濾過水供給部
２４．ロボットアーム
２５．反射光
２６．半径ｒ１
２７．半径ｒ２
２８．レンズ系
２９．耐圧窓兼レンズ
３０．コリメートレンズ
３１．カセグレン光学系
３２．貫通耐圧機構付ファイババンドル
３３．集光ミラー
３４．分光器側スリーブ
３５．光学系ヘッド側スリーブ
３８．反射ミラー
３９．掘削穴
４０．堆積物
４１．第１パルスレーザ
４２．第２パルスレーザ
４３．λ／２波長板
４４．反射ミラー
４５．偏光ビームスプリッタ
４６．一部反射ミラー
４７．カメラ
４８．レーザコントロール用ケーブル
４９．小型レーザ
５０．レーザビームエキスパンダ
６０．光学系ヘッド
７０．光学系ヘッド
７１ａ，７１ｂ．ファイバ貫通耐圧機構
７２．第２貫通耐圧機構付ファイバ
【図１】
2014042221.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
2014042221.tif 000011
【図９】
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【図１０Ａ】
2014042221.tif 000013
【図１０Ｂ】
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【図１１】
2014042221.tif 000015
【図１２】
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【図１３Ａ】
2014042221.tif 000017
【図１３Ｂ】
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【図１４】
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【図１５】
2014042221.tif 000020
【図１６】
2014042221.tif 000021
【図１７】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図１８Ａ】
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【図１８Ｂ】
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【図１８Ｃ】
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【図１８Ｄ】
2014042221.tif 000030
【図１８Ｅ】
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【図１８Ｆ】
2014042221.tif 000032
【図１８Ｇ】
2014042221.tif 000033
【図１９Ａ】
2014042221.tif 000034
【図１９Ｂ】
2014042221.tif 000035
【図１９Ｃ】
2014042221.tif 000036
【図２０Ａ】
2014042221.tif 000037
【図２０Ｂ】
2014042221.tif 000038
【手続補正書】
【提出日】平成26年7月10日(2014.7.10)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料の成分を分析する成分分析装置であって、
レーザ光源、成分分析手段、並びに、耐圧機能を有すると共に前記レーザ光源及び前記成分分析手段が収められる収容部、を含む本体と、
前記試料に対向するように配置される光学系ヘッドと、
前記レーザ光源から出射されたレーザ光を前記光学系ヘッドに導くために、前記収容部から前記光学系ヘッドにまで延設された貫通耐圧機構付ファイバとを備え、
前記光学系ヘッドは、前記貫通耐圧機構付ファイバから出射されるレーザ光を前記試料に照射すると共に前記レーザ光の照射により前記試料において発生したプラズマ発光光を前記貫通耐圧機構付ファイバに再入射させるミラー系を含み、
前記成分分析手段は、前記貫通耐圧機構付ファイバに再入射した前記プラズマ発光光を分光分析し、
前記光学系ヘッドは、前記試料の近傍を清浄化するための液体を放出する手段を更に含み、
前記液体を放出する手段は、前記光学系ヘッドの外部の液体を汲み上げるポンプと、前記ポンプによって汲み上げられた液体から不純物を除去して濾過水を生成するフィルタと、前記フィルタによって生成された濾過水を前記試料の近傍に放出する放出部とを有する、
成分分析装置。
【請求項２】
前記貫通耐圧機構付ファイバは、単芯の光ファイバと、前記単芯の光ファイバの周囲に配置されたバンドルファイバとを有する、請求項１に記載の成分分析装置。
【請求項３】
前記レーザ光源は、発光時間が２００から４００ｎｓｅｃであるロングパルスレーザ光を発する、請求項１又は２に記載の成分分析装置。
【請求項４】
前記光学系ヘッドは、前記レーザ光を通過させると共に前記プラズマ発光光からなるＬＩＢＳ信号光を通過させる窓を有し、
前記窓は、光の入射面及び出射面として、二つの同心球の球面または同心球に近い中心を持つ二つの面の、それぞれの一部を有する、
請求項１から３のいずれかに記載の成分分析装置。
【請求項５】
（削除）
【請求項６】
（削除）
【請求項７】
前記レーザ光の焦点を前記試料に合わせるために、前記光学系ヘッドを前記移動させる制御機構を更に備える、請求項１から４の何れかに記載の成分分析装置。
【請求項８】
前記光学系ヘッドは、カセグレン光学系を有する、請求項１から４及び７のいずれかに記載の成分分析装置。
【国際調査報告】
2014042221.tif 000039
2014042221.tif 000040
2014042221.tif 000041
2014042221.tif 000042