(57)【要約】課題：ガス濃度および空間分布を遠隔計測する方法並びに装置の提供。解決手段：対象空間にレーザー光を照射し、窒素ガスからの散乱光を集光機構で集光し、第一の受光機構でラマン散乱光信号強度を測定する第一工程、第一工程と同期して、対象空間にレーザー光を照射し、対象ガスの散乱光を集光機構で集光し、第二の受光機構でラマン散乱光信号強度を測定する第二工程、窒素ガスと対象ガスのラマン散乱光強度の強度比に基づいて対象空間における対象ガスの濃度を計算する第三工程、とを含むガス濃度遠隔計測方法および当該方法を実施するための装置。
2009101659.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象空間にレーザー光を照射し、窒素ガスからの散乱光を集光機構で集光し、第一の受光機構でラマン散乱光信号強度を測定する第一工程、
第一工程と同期して、対象空間にレーザー光を照射し、対象ガスの散乱光を集光機構で集光し、第二の受光機構でラマン散乱光信号強度を測定する第二工程、
窒素ガスと対象ガスのラマン散乱光強度の強度比に基づいて対象空間における対象ガスの濃度を計算する第三工程、とを含むガス濃度遠隔計測方法。
【請求項２】
前記集光機構は、対物レンズと、対物レンズで集光したラマン散乱光を平行光線とするレンズ光学系と、レンズ光学系からの平行光線を分割する光分配器とを含んで構成し、
前記対象ガスの特性に応じて、前記対象ガスおよび窒素ガスのそれぞれについて、透過率および反射率を改善させるよう前記光分配器を選択することを特徴とする請求項１に記載のガス濃度遠隔計測方法。
【請求項３】
前記対物レンズが、フレネルレンズ、グレーティングレンズまたはホログラムレンズであることを特徴とする請求項２に記載のガス濃度遠隔計測方法。
【請求項４】
前記第一の受光機構は、窒素ガスのラマン散乱波長を透過中心波長に持つバンドパスフィルタと、受光素子とを備え、
前記第二の受光機構は、対象ガスのラマン散乱波長を透過中心波長に持つバンドパスフィルタと、受光素子とを備えることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載のガス濃度遠隔計測方法。
【請求項５】
前記第一の受光機構のバンドパスフィルタの透過波長域にあるスペクトルの波長における積分値および前記第二の受光機構のバンドパスフィルタの透過波長にあるスペクトルの波長における積分値を算出し、それらの値から窒素ガスと対象ガスのラマン散乱断面積の比を算出し、当該ラマン散乱断面積の比を用いて対象ガスの濃度を算出することを特徴とする請求項４に記載のガス濃度遠隔計測方法。
【請求項６】
監視対象にレーザー光を走査し、対象空間における３次元のガス濃度分布を計測することを特徴とする請求項１ないし５のいずれか一項に記載のガス濃度遠隔計測方法。
【請求項７】
前記対象ガスが、水素ガスであることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか一項に記載のガス濃度遠隔計測方法。
【請求項８】
対象空間にレーザー光を照射するレーザー光照射装置と、
対象空間における窒素ガスからのラマン散乱光を検出する第一の受光機構と、
対象空間における対象ガスからのラマン散乱光を検出する第二の受光機構と、
対象空間からの散乱光を第一および第二の受光機構へ導く集光機構と、
窒素ガスと対象ガスのラマン散乱光強度の強度比に基づいて対象空間における対象ガスの濃度を演算する演算部と、を備えるガス濃度遠隔計測装置。
【請求項９】
前記集光機構は、対物レンズと、対物レンズで集光したラマン散乱光を平行光線とするレンズ光学系と、レンズ光学系からの平行光線を分割する光分配器とを備えることを特徴とする請求項８に記載のガス濃度遠隔計測装置。
【請求項１０】
前記光分配器が、ビームスプリッタ、波長選択ミラーまたはエッジフィルタであることを特徴とする請求項９に記載のガス濃度遠隔計測装置。
【請求項１１】
前記対物レンズが、フレネルレンズ、グレーティングレンズまたはホログラムレンズであることを特徴とする請求項９または１０に記載のガス濃度遠隔計測装置。
【請求項１２】
前記第一の受光機構は、窒素ガスのラマン散乱波長を透過中心波長に持つバンドパスフィルタと、受光素子とを備え、
前記第二の受光機構は、対象ガスのラマン散乱波長を透過中心波長に持つバンドパスフィルタと、受光素子とを備えることを特徴とする請求項８ないし１１のいずれか一項に記載のガス濃度遠隔計測装置。
【請求項１３】
前記集光機構または前記受光機構が、ピンホールを備えることを特徴とする請求項８ないし１２のいずれか一項に記載のガス濃度遠隔計測装置。
【請求項１４】
前記集光機構および／または前記受光機構が、外乱光を排除する光学フィルタを備えることを特徴とする請求項８ないし１３のいずれか一項に記載のガス濃度遠隔計測装置。
【請求項１５】
前記レーザー光照射装置は、監視対象にレーザー光を走査するための駆動機構を備え、
前記演算部は、対象空間における３次元のガス濃度分布を演算可能であることを特徴とする請求項８ないし１４のいずれか一項に記載のガス濃度遠隔計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、対象空間のガスの濃度および空間分布を遠隔計測する方法並びに装置に関し、例えば、肉眼でとらえることのできない水素ガスの濃度および空間分布を室内外で遠隔計測でき、且つ、携帯可能なガスの濃度遠隔計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、遠隔よりガス漏れの存在を監視するガス監視技術として、例えば、測定対象ガスの吸収波長をもつ赤外線レーザーを照射するレーザー光源を用いて、背景から反射される赤外線の漏洩ガスによる吸収をイメージセンサーで撮像し、２次元可視画像化して表示するものがある（特許文献１）。
しかしながら、近紫外線波長領域から赤外線波長領域において吸収を示さないガス（例えば、水素ガス）については、光の吸収を利用する従来のガス可視化装置では検知することはできなかった。【０００３】
ところで、単色光を分子に照射したときに、散乱光の周波数が分子の振動周波数だけ変位するラマン散乱現象が知られている。この散乱光の周波数変位量は、照射した単色光の周波数に無関係で、物質に固有の量である。特定波長のレーザー光を対象ガスに照射すると、レーザー光が当たった物質から、レーザー光の波長と異なる波長のラマン散乱光が発生し、また、その散乱光の強度はその物質の濃度に依存する。
非特許文献１には、公知の分子におけるラマンシフトの値が記載されている。表１に公知の分子におけるラマンシフトの値の一例を示す。
【表１】
2009101659.tif 000003
【０００４】
出願人は、監視対象空間にレーザー光を照射し、レーザー光の波長をガスの種別に応じて所定の数値だけラマンシフトした波長のラマン散乱光を集光し、電子画像に変換し、増幅し、再度光学像に変換することで特定波長の空間強度分布を画像化し、監視対象空間の背景画像上に漏洩ガスを表示することで、水素ガス等のガスを可視化する技術を提言し（特許文献２）、監視対象空間に照射した２以上の異なるレーザー光に起因する波長概ね３０９ｎｍの被検出光を集光し、電子画像に変換し、増幅し、再度光学像に変換することで特定波長の空間強度分布を画像化することを特徴とする水素ガスおよび水素火炎監視方法並びにその装置を提言した（特許文献３）。【０００５】
また、出願人は、レーザー光により監視対象空間を走査し、当該レーザー光の波長をラマンシフトした波長に透過波長中心を有する第１の光学バンドパスフィルタによりラマン散乱光を集光し、１素子の受光素子により電気信号に変換し、第１の時間波形を測定すると共に、前記第１の光学バンドパスフィルタの透過光と波長域が異なる光を透過する第２の光学バンドパスフィルタにより特定波長の光を集光し、１素子の受光素子により電気信号に変換し、時間波形を測定し、続いて第１の時間波形と第２の時間波形との差分をとり、レーザー光の走査位置情報に基づいて監視対象空間の対応する位置座標を着色したラマン散乱光信号画像を作成し、それを監視対象空間の背景画像上に重畳表示することで水素ガスを可視化することを特徴とする水素ガス可視化方法およびそのシステムを提言した（特許文献４）。【０００６】
【特許文献１】特開平６−２８８８５８号公報
【特許文献２】特許第３７８３０１９号公報
【特許文献３】特許第３８３００５０号公報
【特許文献４】特開２００７−２３２３７４号公報
【非特許文献１】"LASER REMOTE SENSING: Fundamentals and Applications" [Reprint Edition 1992] by Raymond M. Measures
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
出願人は、特許文献２ないし４に記載の技術により、対象ガスの漏洩を遠隔”監視”することを可能としたが、対象空間における対象ガスの濃度を高精度に遠隔”計測”することはできなかった。より具体的には、例えば、水素ガス等の可燃性ガスの存在を検知したとしても、爆発の危険性を判断するにはその濃度を高精度に把握する必要があった。
また、微弱なラマン散乱光を捉えるためには、大がかりな受光機構を設ける必要があり、計測装置の小型・軽量化の点で改良の余地があった。【０００８】
そこで、本発明は、上記課題を解決することのできる、ガス濃度および空間分布を遠隔計測する方法並びに装置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】
【０００９】
対象空間にレーザー光を照射すると、対象ガスからのラマン散乱光を計測できる。しかし、計測されるラマン散乱光強度は測定条件に左右され一様でない。度重なる実験の結果、発明者はラマン散乱光強度の測定値が下記の要素に左右されることの知見を得た。
（Ａ）対象ガスの濃度
（Ｂ）ラマン散乱効率
（Ｃ）受光系感度
（Ｄ）大気による減衰（レーザー光およびラマン散乱光）
（Ｅ）レーザー光照射強度の変動
（Ｆ）レーザー光と受光系の重なり具合【００１０】
上記（Ｂ）ラマン散乱効率は、非特許文献１にも記載されるように既知であり、上記（Ｃ）受光系感度も事前に補正することが可能である（ただし、対象ガスのラマン散乱光を選択する手段の構成（例えば図１５のフィルターを用いる構成）によっては、後述するように、スペクトル強度分布をより正確に算出する必要がある。）。
他方、上記（Ｄ）大気による減衰は測定状況によって異なり、上記（Ｅ）レーザー光照射強度の変動、および上記（Ｆ）レーザー光と受光系の重なり具合は、機器の経年変化によって異なるものとなる。このため、対象ガスのラマン散乱光強度の測定値を得るだけでは、対象ガスの濃度を高精度に求めることができなかった。特に、対象ガスの濃度が低い場合にこの問題は顕著となる。
ところで、大気中には窒素ガスが約80%の濃度で均一に存在し、レーザー光の照射によって窒素ガスもラマン散乱光を発する。この窒素ガスのラマン散乱光強度の測定値も、上記の（Ｄ）大気による減衰、（Ｅ）レーザー光照射強度の変動、および（Ｆ）レーザー光と受光系の重なり具合、が反映される。そこで、発明者は、窒素ガスのラマン散乱光強度の測定値を取得し、この測定値に基づいて対象ガスにおける、（Ｄ）大気による減衰、（Ｅ）レーザー光照射強度の変動、および（Ｆ）光源と受光系の重なり具合、を補正することができないかと考えた。そして、発明者は鋭意検討の結果、大気中の窒素ガスのラマン散乱光強度と対象ガスのラマン散乱光強度を同時に測定し、これらのラマン散乱光強度の比から対象ガスの濃度および空間分布を求めることを可能とした。すなわち、本発明は、レーザー光を対象空間に照射し、大気中窒素ガスのラマン散乱光強度と対象ガスのラマン散乱光強度の比から、対象ガスの濃度と空間分布（存在位置）を計測する方法および装置に関する。【００１１】
第１の発明は、対象空間にレーザー光を照射し、窒素ガスからの散乱光を集光機構で集光し、第一の受光機構でラマン散乱光信号強度を測定する第一工程、第一工程と同期して、対象空間にレーザー光を照射し、対象ガスの散乱光を集光機構で集光し、第二の受光機構でラマン散乱光信号強度を測定する第二工程、窒素ガスと対象ガスのラマン散乱光強度の強度比に基づいて対象空間における対象ガスの濃度を計算する第三工程、とを含むガス濃度遠隔計測方法である。
第２の発明は、第１の発明において、前記集光機構は、対物レンズと、対物レンズで集光したラマン散乱光を平行光線とするレンズ光学系と、レンズ光学系からの平行光線を分割する光分配器とを含んで構成し、前記対象ガスの特性に応じて、前記対象ガスおよび窒素ガスのそれぞれについて、透過率および反射率を改善させるよう前記光分配器を選択することを特徴とする。
第３の発明は、第２の発明において、前記対物レンズが、フレネルレンズ、グレーティングレンズまたはホログラムレンズであることを特徴とする。
第４の発明は、第１ないし３のいずれかの発明において、前記第一の受光機構は、窒素ガスのラマン散乱波長を透過中心波長に持つバンドパスフィルタと、受光素子とを備え、前記第二の受光機構は、対象ガスのラマン散乱波長を透過中心波長に持つバンドパスフィルタと、受光素子とを備えることを特徴とする。
第５の発明は、第４の発明において、前記第一の受光機構のバンドパスフィルタの透過波長域にあるスペクトルの波長における積分値および前記第二の受光機構のバンドパスフィルタの透過波長にあるスペクトルの波長における積分値を算出し、それらの値から窒素ガスと対象ガスのラマン散乱断面積の比を算出し、当該ラマン散乱断面積の比を用いて対象ガスの濃度を算出することを特徴とする。
第６の発明は、第１ないし５のいずれかの発明において、監視対象にレーザー光を走査し、対象空間における３次元のガス濃度分布を計測することを特徴とする。
第７の発明は、第１ないし６のいずれかの発明において、前記対象ガスが、水素ガスであることを特徴とする。【００１２】
第８の発明は、対象空間にレーザー光を照射するレーザー光照射装置と、対象空間における窒素ガスからのラマン散乱光を検出する第一の受光機構と、対象空間における対象ガスからのラマン散乱光を検出する第二の受光機構と、対象空間からの散乱光を第一および第二の受光機構へ導く集光機構と、窒素ガスと対象ガスのラマン散乱光強度の強度比に基づいて対象空間における対象ガスの濃度を演算する演算部と、を備えるガス濃度遠隔計測装置である。
第９の発明は、第８の発明において、前記集光機構は、対物レンズと、対物レンズで集光したラマン散乱光を平行光線とするレンズ光学系と、レンズ光学系からの平行光線を分割する光分配器とを備えることを特徴とする。
第１０の発明は、第９の発明において、前記光分配器が、ビームスプリッタ、波長選択ミラーまたはエッジフィルタであることを特徴とする。
第１１の発明は、第９または１０の発明において、前記対物レンズが、フレネルレンズ、グレーティングレンズまたはホログラムレンズであることを特徴とする。
第１２の発明は、第８ないし１１のいずれかの発明において、前記第一の受光機構は、窒素ガスのラマン散乱波長を透過中心波長に持つバンドパスフィルタと、受光素子とを備え、前記第二の受光機構は、対象ガスのラマン散乱波長を透過中心波長に持つバンドパスフィルタと、受光素子とを備えることを特徴とする。
第１３の発明は、第８ないし１２のいずれかの発明において、前記集光機構または前記受光機構が、ピンホールを備えることを特徴とする。
第１４の発明は、第８ないし１３のいずれかの発明において、前記集光機構および／または前記受光機構が、外乱光を排除する光学フィルタを備えることを特徴とする。
第１５の発明は、第８ないし１４のいずれかの発明において、前記レーザー光照射装置は、監視対象にレーザー光を走査するための駆動機構を備え、前記演算部は、対象空間における３次元のガス濃度分布を演算可能であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、室内・室外を問わずガス濃度を高精度に遠隔計測することが可能となる。
また、携帯可能なガス濃度遠隔計測装置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】(a)実施例１の受光装置本体の構成図、（b)(a)の写真である。
【図２】(a)実施例１のレーザー光照射装置の構成図、（b)(a)の要部拡大図、（c)(a)の写真である。
【図３】実施例１で用いた集光系を説明するための図面である。
【図４】実施例１におけるレーザー光軸と受光光軸の関係を説明するための図面である。
【図５】ラマン散乱光の検知感度(β)と受光系の検知感度(Ｇ)の関係を示すグラフである。
【図６】レーザー光軸と受光光軸との交叉位置による大気中窒素ガスのラマン散乱光受光信号強度を示すグラフである。
【図７】実施例１の装置による窒素ガスおよび水素ガス（濃度９%）の測定値である。
【図８】平均化処理を行った水素ガスのラマン散乱光信号波形（水素濃度４%、光軸交叉位置５m、増幅率32倍、平均処理64回）である。
【図９】実施例１の装置による水素ガスの濃度別測定値である。
【図１０】高濃度水素ガス（濃度20%）のラマン散乱光受光信号強度を示すグラフである。
【図１１】半値幅が８nsのレーザーパルスが受光光軸上を伝播する場合の受光光量（規格値）と距離の関係を示すグラフである。
【図１２】実施例１の装置において、半値幅が４nsのレーザーパルスが受光光軸上を伝播する場合の受光光量と距離の関係を示すグラフである。
【図１３】実施例１の装置において、半値幅が0.5nsのレーザーパルスが受光光軸上を伝播する場合の受光光量と距離の関係を示すグラフである。
【図１４】実施例２の受光装置本体の構成図である。
【図１５】(a)窒素ガスのラマン散乱光のスペクトル分布とフィルタの透過波長を示すグラフと、(b)水素ガスのラマン散乱光のスペクトル分布とフィルタの透過波長を示すグラフである。
【図１６】窒素ガスのラマン散乱光強度と水素ガスのラマン散乱光強度の強度比を説明するためのグラフである。
【図１７】実施例１のデータ処理装置の構成図である。
【図１８】実施例３の波長選択ミラーの透過率と反射率を示すグラフである。
【符号の説明】
【００１５】
図面に用いた主な凡例を以下に示す。
１：受光系本体／２：ポイント用レーザー装置／３：可視光レーザー光源／４：アルミニウム蒸着直角プリズム／５：直角プリズム／10：集光機構／11：対物レンズ／12：熱線カットフィルタ／13：凹レンズ／14：ビームスプリッタ（BS）／15：カバー部材／16：凸レンズ／20：受光機構／21：ラマンエッジフィルタ／22：干渉フィルタ／23：集光レンズ（凸レンズ）／24：ピンホール／25：受光素子／30：レーザー光照射装置／31：レーザー光源／32：偏光ビームスプリッタ（PBS）／33：エキスパンダー／34：増幅器／35：A/Dコンバータ／36：トリガー信号送信部／40：データ処理装置
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
最良の形態の本発明は、次の手順により対象ガスの濃度を遠隔計測する。
［１］レーザービームを対象空間に照射し、レーザー光に起因する大気中の窒素ガスと対象ガスからのラマン散乱光を同時に集光する。
［２］集光した光を２分し、それぞれの光を狭帯域の干渉フィルタを通過させて窒素ガスと対象ガスのラマン散乱光を選別して、それぞれのガスに起因するラマン散乱光を同時に取得し、受光素子で電気信号に変換し、レーザー光の照射信号を基準にして時間波形を測定する。
［３］窒素ガスのラマン散乱光強度と対象ガスのラマン散乱光強度の比から対象ガス濃度を算出する。【００１７】
上記の手順で対象ガスの濃度を計測する際には、次の点に留意するのが好ましい。
（i）対象ガスが存在しない場所で予備測定を行い、受光感度を補正し、次に対象空間を観測する。
（ii）受光系にピンホールを用いて視野角を制限する。
（iii）レーザー光を対象空間に走査することで、対象ガスの空間濃度分布を求める。この際、レーザー光の走査位置情報は、画像処理のために記憶しておく。
（iv）レーザーを短パルス状に照射することで、レーザー光照射とラマン散乱光の検知時間から測定器とガスまでの距離を求める。
（v）レーザービーム径を拡大して照射し、ビームの拡散を抑制して対象箇所に照射する。
（vi）集光系を屈折型とし、対物レンズを樹脂製のフレネルレンズを用いることにより軽量化を図る。
（vii）背景画像を取得し、背景画像上に対象ガスの情報を表示する。すなわち、対象ガス濃度に応じて背景画像を異なる色に着色し、または、対象ガス濃度や距離を文字情報として背景画像上に若しくは別個に表示する。【００１８】
上記の（i）について、補足の説明をする。
本発明のガス濃度遠隔計測方法は、窒素ガスが通常の大気中における濃度で均一分布していることを前提としている。そのため、明らかに対象ガスが存在しない場所で計器を調整した後に測定を行うのが好ましい。
また、本発明のガス濃度遠隔計測方法は、計測箇所における対象ガスの濃度が一定以上で均一に存在し、かつ、窒素ガスの濃度が一定以下である場合には、対象ガスの濃度を高精度に測定することができない。例えば、濃度100%の対象ガスが計測箇所全域に存在する場合は窒素ガスのラマン散乱光信号は得られず、窒素ガスと対象ガスのラマン散乱光信号強度比からは対象ガスの濃度は求まらない。
対象ガスが水素ガスの場合、爆発下限である４%前後の水素ガス濃度を精度良く計測するためには本発明の方法が有効であるが、水素ガスの濃度が20%を超えると、測定誤差は20%となり本発明の方法によっては水素ガスの濃度を高精度に測定することができなくなる。ちなみに、水素ガスの濃度が20%を超えるのは、水素ガスが建物の中で溜まっているなど限定された場合であり、室外における測定において漏洩した水素ガスが20%を超える濃度で滞留することはおよそないといえる。【００１９】
他方、対象ガスが所定の濃度（例えば20%）を超える場合にはラマン散乱光信号が強いため、窒素ガスと対象ガスの同時測定は不要である。すなわち、明らかに対象ガスが存在しない場所で計器を調整した後、対象ガスのラマン散乱光信号強度から直接対象ガス濃度を求めることができる。このように対象ガスが高濃度で計測箇所全域に存在する場合においては、明らかに対象ガスが存在しない場所で測定した窒素ガスのラマン散乱光信号波形を基準にして対象ガス濃度を測定することができる。水素ガスでの実験によると、窒素ガスと水素ガスの同時測定を行わずに水素ガスの濃度を正確に求められるのは水素ガスが20%を超える場合であり、水素ガスの濃度が20%以下である場合には窒素ガスと水素ガスのラマン散乱光強度の同時観測が必要であった。図10は、高濃度（濃度20%）の水素ガスにおけるラマン散乱光強度信号を測定したグラフである。また、窒素ラマン信号は事前（調整時）に測定したものである。
なお、高濃度の対象ガスの存在が部分的である場合（屋外で対象ガスの漏洩がある場合等）には、本発明の方法によって対象ガスを計測可能である。例えば、20%以上の水素ガスが部分的に存在する場合は、図10に示した窒素ガスと水素ガスのラマン散乱光強度信号が同時に得られるため、高濃度の水素ガスの濃度を高精度に測定することができる。【００２０】
上記の（v）について、補足の説明をする。
上記（Ｆ）に記載したとおり、ラマン散乱光信号強度は、対象ガスとレーザービームの重なり具合によって観測されるラマン散乱光強度は異なるものとなる。このため、対象空間に照射するレーザービーム径を一定にすることが望ましい。しかしながら、レーザー光はビーム広がり角を持つため、進行距離と共にレーザービーム径が広がってくる。他方、ビーム広がり角は、レーザービーム径に反比例する。そこで、好ましい態様の本発明の方法では、ビームエキスパンダーでレーザービーム径を拡大して照射し、ビームの拡散を抑制して対象箇所に照射することで、精度の高い計測を行うことを可能としている。【００２１】
［対象ガスの濃度算出］
対象ガスの濃度は下記の計算式により算出される。
エネルギーＰ0のレーザー光を照射したときの、ラマン散乱光の受光量Ｐは次式で与えられる。
【数１】
2009101659.tif 000004
ここで、Ｐ0はレーザーエネルギー、ｋは受光系の光学的効率（透過率や反射率）、Ｇはレーザー光と受光系の光学的重なり関数、Ｓは受光面積（対物レンズの有効面積）、Ｌは離隔距離、Ｎは分子密度、σはラマン散乱効率（後方ラマン散乱断面積）、ΔＬは距離分解能（観測時間分解能を距離に換算した値）、αLはレーザー波長消散係数（吸収や散乱による）、αrはラマン散乱波長消散係数 （吸収や散乱による）である。【００２２】
続いて、対象ガスが水素ガスである場合におけるガス濃度の算出例を説明する。
窒素ガスラマン散乱光の受光量Ｐ(N2)と、水素ガスラマン散乱光の受光量Ｐ(H2)は、それぞれ次式で与えられる。
【数２】
2009101659.tif 000005
【数３】
2009101659.tif 000006
【００２３】
窒素ガスと水素ガスのラマン散乱光波長の差は約30nmである。大気中においては、この波長帯域で特異な吸収を示す物質が無いため、窒素ガスと水素ガスの散乱波長消散係数は同じ値として扱え、αrn＝αrhとなる。【００２４】
受光素子でラマン散乱光を電気信号(S)に変換するには、受光量(Ｐ)と受光感度(γ)の積を求めることになる。窒素ガスのラマン信号強度S(N2)と水素ガスのラマン信号強度S(H2)は、それぞれ次式で与えられる。
【数４】
2009101659.tif 000007
【数５】
2009101659.tif 000008
【００２５】
これらの信号強度の比を求めると、S(H2)／S(N2)＝Ｃとして、次式が得られる。
【数６】
2009101659.tif 000009
【数７】
2009101659.tif 000010
【００２６】
ここで、σｈとσｎは、非特許文献１によれば定数であり、σｈは7.098×10−３０(cm2・sr−1)であり、σｎは2.855×10−３０(cm2・sr−1)である。
σｈとσｎの比は全スペクトル強度の比であり、実測値によればその強度比は3.7となる（非特許文献１の値を用いた場合、その強度比は3.1となる。）。
また、(γh・kｈ)と(γn・kn)は構成部品の仕様から求めることができる。
これらの値を用いると、窒素ガスと水素ガスの濃度比（Nh/Nn）は、次式から求められる。
【数８】
2009101659.tif 000011
【００２７】
ちなみに、後述の実施例１の装置における(γh・kｈ)は3.04×108(mV/W) であり、(γn・kn)は2.10×108(mV/W)である。したがって、実施例１の装置においては、水素濃度Nhは、ラマン散乱断面積の比率（σｈ/σｎ）の値を3.1（非特許文献１の値）とした場合、下記式９により求められる。また、ラマン散乱断面積の比率の値を実測値（σｈ/σｎ=3.7）とした場合、水素濃度Nhは下記式10により求められる。なお、後述する図15のフィルタを用いる構成とする場合には式10を用いることが好ましく、フィルタを交換する場合には既知濃度のガスの測定値で補正する必要がある。
【数９】
2009101659.tif 000012
【数１０】
2009101659.tif 000013
【００２８】
［振動ラマン散乱光と回転ラマン散乱光］
ラマン散乱光には振動ラマン散乱光および回転ラマン散乱光があるが、本発明ではいずれを利用してもよい。前者の方が、レーリー散乱から波長的に遠く、乱反射により妨害されにくい点で後者に対して優位性がある。他方、ラマンシフトが約587cm−１附近での回転ラマン散乱光のスペクトルは、振動ラマン散乱光比べ強いことが知られている。
例えば、対象ガスが水素ガスの場合、照射するレーザー波長別のラマンシフトは表２のとおりとなる。表２に示すとおり、回転ラマン散乱光のシフト量は少ないため、照射レーザーの反射光をシャープにカットするフィルタが必要であることが分かる。近年開発された照射レーザー光の波長を遮断する遮断急峻度（透過率10−６から透過率50%までの急峻度）3nm以下の長波長透過フィルタ（エッジフィルタ）を用いるか、透過長幅が±２nm以下の狭帯域光学バンドパスフィルタを用いること（好ましくは両者を併用すること）により、回転ラマン散乱光の抽出が可能となる。
例えば、照射するレーザー光の波長が355nmの場合、エッジフィルタは355nmを10−６に減衰させ362nmの光を90%以上透過する性能を有するものを、光学バンドパスフィルタはラマンシフトした波長である362.2nmの波長の近傍に透過波長中心を有するものを、差分算出用光を集光するための光学バンドパスフィルタは、ラマン散乱光を集光するための光学バンドパスフィルタと波長が近く且つラマン散乱光を含まない波長に透過波長中心を有するものを選択し、両光学バンドパスフィルタの透過波長幅は少なくとも±２nm以下（好ましくは±0.8nm以下）である必要がある。
回転ラマン散乱光は、レーザー光の照射に対して蛍光の谷間に発生するため、蛍光の影響が少ないという特徴がある。出願人が特許文献４の図12で開示したように、レーザー光に起因する蛍光は照射レーザー光の直近には発生しないため、照射レーザー光の直近には発生する回転ラマン散乱光が蛍光の影響を受け難いことが分かる。【００２９】
【表２】
2009101659.tif 000014
【００３０】
以下では、本発明を実施するための実施例を説明するが、本発明は実施例により何ら限定されるものではない。  
【実施例１】
【００３１】
本実施例の装置は、対象空間に存在する水素ガスの濃度を計測するものであり、対象空間に存在する窒素ガスおよび水素ガスからのラマン散乱光強度を電気信号に変換する受光系本体１、対象空間にレーザー光を照射するレーザー光照射装置30、およびデータ処理装置40を主たる構成要素とする。以下、これらの構成要素について説明する。【００３２】
［受光系本体１］
受光系本体１は、集光機構10と、受光機構20と、ポイント用レーザー装置２とから構成される。
ポイント用レーザー装置２は、受光系本体１に取り付けられた光軸確認用の可視光レーザー光源３と、プリズム４，５とを備え、レーザービームをプリズム４，５で反射して、対物レンズ11の中心から対象エリアに照射することができる。
受光系本体１は筐体がカバー部材15により遮蔽されており、外乱光を遮断することで周辺の外乱光が受光装置本体１に入射することを防止している。【００３３】
［集光機構10］
集光機構10は、図１に示す如く、対物レンズ11と、熱線カットフィルタ12と、凹レンズ13と、ビームスプリッタ14とから構成される。
本実施例の装置では鮮明な映像を捉える必要がなく光強度を測定する機能だけが要求されるため、対物レンズ11のフレネルレンズ（アクリライト000［三菱レイヨン社製］）を採用した。本実施例のフレネルレンズ(Fresnel lens)は、アクリル樹脂の片面に凹凸加工を施したものであり、口径は200mm、焦点距離は230mmである。本実施例では対物レンズ11にフレネルレンズを用いることにより、集光機構10の大幅な軽量化および小型化を実現可能としている。また、対物レンズ11にグレーティングレンズまたはホログラムレンズなどを用いることも可能である。
熱線カットフィルタ12は、外乱光となる赤外光をカットする。ただし、後述の受光機構20で赤外光に不感の受光素子を用いる場合には必須の構成とはならない。
凹レンズ13は、受光機構20に平行光を導くために必要とされる。受光機構20の備える各フィルタは、面と直交する光が入射した場合にのみカタログ値の性能が発揮されるため、集光したラマン散乱光を平行光にするためである。ちなみに、凹レンズを用いた構成の場合、後述の実施例２の構成と比べ凹レンズとフレネルレンズの間隔を短くすることができるという効果もある。
ビームスプリッタ14は、集光したラマン散乱光を分割し、直交して配置された受光素子25a，25bに入射する。なお、本実施例では窒素ガスからのラマン散乱光を透過し、水素ガスからのラマン散乱光を反射する構成としているが、水素ガスからのラマン散乱光を透過し、窒素ガスからのラマン散乱光を反射する構成としてもよい（後述の実施例３参照）。【００３４】
［受光機構20］
受光機構20は、図１に示す如く、ラマンエッジフィルタ21a，21b、干渉フィルタ22a，22b、集光レンズ23a，23b、ピンホール24a，24b、受光素子25a，25bとから構成される
ラマンエッジフィルタ21a，21bは、外乱光となるレーザー散乱（レーリー散乱とミー散乱）光をカットする。ただし、後述の干渉フィルタ22a、22bでレーザー光が遮断できる場合には必須の構成とはならない。
干渉フィルタ22a，22bは、特定波長の光を選択透過するバンドパスフィルタであり、ラマン散乱光のみを集光するためのものである。
ビームスプリッタ14と集光レンズ23aの間には、上述のラマンエッジフィルタ21aと386.7nm±１nmの光を選択する干渉フィルタ22aとを配置し、窒素ガスラマン散乱光を選択透過して受光素子25aに入射する。
ビームスプリッタ14と集光レンズ23bの間には、上述のラマンエッジフィルタ21bと416.1nm±１nmの光を選択する干渉フィルタ22bとを配置し、水素ガスラマン散乱光を選択透過して受光素子25bに入射する。
受光素子25a，25bは小型のメタルパッケージ光電子増倍管（R7400U-03［浜松ホトニクス社製］）を使用し、雑音対策のために管本体とソケット外周および配線をシールドした。受光素子25a，25bにはCCDやアバランシェフォトダイオード(avalanche photodiode)などの公知の素子を用いることもできるが、その場合熱線カットフィルタが必須となる。本実施例では、受光素子で画像を取得しない仕様であるため、安価な光電子増倍管を選択した。
ピンホール24a，24bは集光レンズ23a，23bの焦点位置に置かれ、ピンホールの開口径を変えることで視野角を調整可能とする。このように、集光レンズ23a，23bの焦点位置にピンホールを設けることで、ラマン散乱光以外の外乱光の入射到を抑制することを可能としている。
以上の構成により、集光機構10の対物レンズ11で集められ、凹レンズ13によって平行光にされた光はビームスプリッタ14によって２分され、集光レンズ23a，23bによって集光され、ピンホール24a，24bを通過して、受光素子25a，25bに入る。受光素子25aで窒素ガスのラマン散乱光を、受光素子25bで水素ガスのラマン散乱光を、それぞれ電気信号に変換する。【００３５】
干渉フィルタ22a，22bによる透過波長の選択について補足の説明をする。
振動ラマン散乱光を光学バンドパスフィルタを介して観測する場合、その強度はフィルタ透過波長範囲にあるラマン散乱光強度を測定することとなるため、フィルタ透過波長内のラマン散乱光強度のスペクトル分布を知る必要がある。そこで、本実施例では窒素ガスと水素ガスを容器に充填し、355nmのレーザ光を照射して窒素ガスと水素ガスのラマン散乱光強度のスペクトルを測定した。ここで、分光測定で用いた分光器の焦点距離は50cm、格子定は1800L/mm、波長分解能は0.03nmであり、窒素ラマン光の観測で用いたフィルタは中心波長386.8nm、半値全幅2.0nmであり、水素ラマン光の観測で用いたフィルタは中心波長416.3nm、半値全幅1.8nmである。
図15および16に示すように、窒素ガスのラマン散乱光スペクトルは１つのピークを持つのに対し、水素ガスのラマン散乱光スペクトルには回転遷移に起因するピークが現れることが確認できる。これらのピークは水素濃度１〜100%において同様の形状を示すことが確認された。水素ガスの最大ピーク値と窒素ガスの最大ピーク値の比は3.1:1であり、非特許文献１の値と一致する。フィルタの透過波長範囲内にある全スペクトル強度についてみると、水素ガスのスペクトル強度分布の積分値と窒素ガスの積分値の比は3.7:1であり、上記式７におけるσh/σnの値は3.7となる。【００３６】
ピンホール24a，24bによる視野角の調整について補足の説明をする。
視野角を大きくすると広範囲の光を検知することができ、レーザービームを走査して広範囲を観測する場合に有効である。他方、視野角を小さくすると対象箇所を特定して観測する場合に有効となる。
また、視野角を大きくすると広範囲からの外乱光がピンホールを通過するために外乱光の影響が大きくなる。他方、視野角を小さくすると外乱光の影響を受けにくく、微弱な信号（低濃度ガスからのラマン散乱光）を精度良く測定することができる（すなわち、S/N比が高くなる）。
本実施例の構成では、直径0.5mmのピンホールで5mradの視野角となり、ピンホールをはずすと54mradとなる。本実施例では、直径が0.5mmのピンホールを用いることで10m先の直径30cmのエリアを監視対象とし、ピンホールをはずすことで10m先の直径1.3mのエリアを監視対象としている。【００３７】
本実施例の受光系は屈折型の集光系となっており、図３の模式図に示すとおりの構成である。
対象物からの光は集光レンズ23によって結像面に集光される。例えば、対象物上の〇点の像が結像面の中心に結像するようにレンズと結像面を配置すると、Ｑ点の方向から入射する光はピンホールの開口から外れ、受光素子では観測されない。このＱ点からの光が外乱光である場合は、ピンホールによって外乱を排除されたことになり、受光系の視野角を小さくすることで、外乱光を抑制する効果が大きくなる。
また、対象物上のＰ点からの光は結像面の中心からずれることになり、Ｒ点からの光は結像面ではぼやけてくる。このように対象物の中心（フォーカス位置）から外れた光の結像面上の強度（単位面積当たりの強度）は異なるものとなる。このズレはレーザーの光軸と受光素子の光軸の位置関係で発生することになり、レーザーと受光素子の配置と光軸の角度によって検知信号強度が異なってくる。
本実施例ではレーザーの照射位置を受光素子の光軸から20cm（対物レンズ11の端から10cm）とした。この時のレーザー光と受光系の重なり具合は図４に示すとおりである。受光素子の視野内にレーザー光が入ることでラマン散乱光信号が観測され、重なりが受光系のフォーカス位置に近づくにつれて信号強度は強くなるが、同時に受光素子からの距離が離れるにつれて受光光量は距離の自乗に反比例して減少する。このため、均一な濃度のガスにおいても、受光されるラマン散乱信号強度は距離によって異なってくる。【００３８】
図３に示した光軸（Ｏ−Ｏ’線）上をレーザー光が通過すると仮定すると、ラマン散乱光の検知感度（β）と受光系の検知感度（Ｇ）は図５に示す関係となる。受光系のフォーカスを無限遠に調整（結像面を焦点位置仮定）すると、近距離では像はぼやけて受光効率は低く、対象物が遠ざかると受光効率が高くなる（図５の重なり関数Ｇ参照）。これに対して、対象物からの光は距離の自乗に反比例して弱くなり、総合の光検知量は離隔距離が大きくなるほど小さくなってくる（図５の検知感度β参照）。
レーザー光軸と受光光軸を重ねることを前提とした構成においては、交叉位置の測定限界遠距離と測定限界近距離がある。すなわち、前者はラマン散乱光強度が弱くなるための測定限界距離であり、後者はレンズの焦点が合わないための測定限界距離である。前者（測定限界遠距離）に関し、本実施例の装置では、約20mの距離まで計測可能であることが確認できた（図６参照）。【００３９】
後者（測定限界近距離）に関しては、照射するレーザー光のパルス幅に依存する。図11は、半値幅が８nsのレーザーパルスが受光光軸上を伝播する際の受光光量の規格値を示すグラフであり、図12は、実施例１の装置において、半値幅が４nsのレーザーパルスを照射した場合の受光光量を示すグラフである。図11および図12から、半値幅が８nsの場合は５m以内の信号のピークは不鮮明となり、半値幅が４nsの場合は２m以内の信号のピークは不鮮明となり、ガスの位置特定が不可能であることが分かる。
この問題は、半値幅の短いレーザー光を照射することにより改善することが可能である。図13は、実施例１の装置において、半値幅が0.5nsのレーザーパルスを照射した場合の受光光量を示すグラフである。図13から、半値幅が0.5nsのレーザーパルスを用いれば、0.5mの距離までガス位置の特定が可能となることが分かる。
以上により、レーザー光のパルス幅を狭くする（照射時間を短くする）と、空間分解能が向上し（図11参照）、近距離のガスも検知できることが分かった（図12および図13参照）。但し、パルス発振レーザーのパルス幅を任意に調整することは難しいため、発振機構を変えたレーザーを用いることが好ましい。【００４０】
［レーザー光照射装置30］
レーザー光照射装置30は、図２に示す如く、レーザー光源31と、偏光ビームスプリッタ（PBS）32と、エキスパンダー33とから構成される。
レーザー光源31は、ラマン散乱光を発生させるためのものであり、355nmのパルスＹＡＧレーザーを使用した。レーザー照射強度は偏光ビームスプリッタ（PBS）32で調整され、ビーム径はエキスパンダー33により調整される。エキスパンダー33は、凹レンズ（材質：合成石英、焦点距離：−25mm）と凸レンズ（材質：合成石英、焦点距離：70mm）とで構成され、ビーム径を12mmとしており、30m先でのビーム径は13.5mmである（図２(b)参照）。【００４１】
なお、ラマン散乱光波長は、照射するレーザー光の波長と対象ガスの種類によって決定されるものであり、355nmの波長に限定されない。例えば、YAGレーザーの第４高調波である266nmのレーザー光を照射すると、窒素ガスは283.6nmのラマン散乱光を、水素ガスは299.1nmのラマン散乱光を発する。これらの光を同時に観測して信号強度比を求めることで水素ガスの濃度を算出することが可能である。この場合は、実施例に示したエッジフィルタを266nm用に、窒素ガスのラマン散乱光検知用に透過波長中心が283.6nmの干渉フィルタを用い、水素ガスのマン散乱光検知用に透過波長中心が299.1nmの干渉フィルタを用いる。【００４２】
［データ処理装置40］
図17は、データ処理装置40の構成図である。受光素子25a，25bで検出した電気信号はA/Dコンバータ35でデジタル化され、レーザー光の照射開始時間を時間基準として電気信号強度の時間変化（受光光量の時間変化）が演算部に出力される。
トリガー信号送信部36は、照射レーザー光の一部を取り出して、ホトダイオード（PD）で電気信号に変換し、信号発生器でパルス信号化して、A/Dコンバータ35のトリガー信号とする。受光素子25a,25bの電気信号は、増幅器34a，34bでA/Dコンバータ35の必要電圧に増幅して、A/Dコンバータ35に入力される。
本実施例では、A/Dコンバータ35のサンプリングレートは１GS/sであり、電圧分解能は８ビット（256分割）である。
デジタル化されたデータは、事前に指定したデータ取込回数だけ、CPUを介してRAMに記録され、指定回数のデータの記録が終了すると、平均化処理を行い、ラマン散乱光の時間波形、濃度の空間分布波形、最大濃度と最大濃度位置をディスプレイに表示する。表示内容は選択可能としている。必要なデータは外部メモリー（例えば、メモリーチップ）に保存することが可能であり、必要に応じて保存データをディスプレイに表示できる。
データ取込回数（平均化処理回数）、ディスプレイの表示内容、濃度測定のための係数、外部メモリへの保存の要否はキーボード等の情報入力器具から入力される。
CPUには外部通信機能を持たせ、インターフェースを介してパーソナルコンピュータ（PC）に接続可能である。
本実施例では、受光機構20からの信号は、時間の経過と共に変化する電気信号の波形に過ぎないため、データ処理プログラムにより、レーザー光照射系の走査制御情報（レーザー光照射方向位置情報）と、対象空間の空間位置座標をマッチングして、対象ガスの濃度および存在位置を算出する。【００４３】
［水素ガス濃度の算出］
図６にレーザー光軸と受光光軸を5mから20mで交叉させた場合の大気中窒素ガスのラマン散乱光受光信号強度を示す。横軸は時間であるが15cm/nsで距離に換算できる。図６を見ると交叉距離が5mの場合に最も信号強度が強く、8m、10mと交叉距離が遠くなるに伴い山の高さが低くなり、裾野が広くなることが分かる。換言すれば、レーザー光軸と受光光軸を近距離（5m）で交叉させると信号強度は強いが、信号を観測できる距離が限られてくる。長距離(20m)で交叉させると近距離の信号は観測できず、また信号強度も弱くなるが、広範囲の距離を観測することができる。図６の波形は、上述の（Ｄ）ないし（Ｆ）までの要素により異なるものとなる。しかし、同一装置で同一時間帯に水素ガスのラマン散乱光を測定すれば、上述の（Ｄ）ないし（Ｆ）の要素は窒素ガスにおけるそれと同じものとなる。すなわち、装置の重なり具合と光の消散係数(α)に加えて、レーザー強度(Ｐ0)の変動は窒素と水素のラマン散乱光強度に同様に反映されるため、これらの影響を相殺することで正確な水素のラマン散乱光強度が求められる。【００４４】
実施例１の装置における受光系の光学的効率は表３のとおりであり、受光素子の受光感度は表４のとおりである。上述のとおり、実施例１の装置における(γh・kｈ)は3.04×108(mV/W) であり、(γn・kn)は2.10×108(mV/W)である。
【表３】
2009101659.tif 000015
【００４５】
【表４】
2009101659.tif 000016
【００４６】
大気中に水素ガスを放出した時の、窒素ガスと水素ガスのラマン散乱光の同時観測例を図７に示す。図７では100nsのあたりに水素ガスのラマン散乱光信号強度のピークがあることから、約15m（光速×時間／２）先に水素ガスが存在することが分かる。
図７の計測データに基づき、上述の式１ないし式８および式10で規定される測定方法により、窒素ガスのラマン散乱光受光信号強度を基準にして、水素ガスのラマン散乱光強度から水素濃度を算出したところ、その濃度は９%となり、吸引式水素濃度計の測定値とほぼ同じ値を得ることができた。なお、本実施例では、σｈ/σｎの値として水素ガスのスペクトル強度分布の積分値と窒素ガスのスペクトル強度分布の積分値の比（＝3.7）を、kｈとkｎおよびγｈとγｎとしてカタログ値を、それぞれ代入したが、既知濃度の水素ガスを用いて検量線を求めてもよい（すなわち、ラマン散乱断面積σ、受光効率ｋ、受光感度γを一括して、既知濃度の水素ガスの測定値で補正することもできる）。【００４７】
図７に示したように、濃度14%の水素ガスのラマン信号強度は数mVのオーダーであるが、S/N比（信号対雑音比）は良好であるため、この信号を増幅器で増幅することでより大きな信号を得ることができる。また、平均化処理を施すことでS/N比を改善できる。平均化処理の時間を短縮するためには、専用のA/Dボードを用いることが好ましい。
図８は、濃度４%の水素ガスのラマン散乱光信号を増幅して64回の平均化処理を行った波形（５回のデータを重ね書きしたもの）である。なお、信号強度にマイナスの出力があるのは、増幅に用いたアンプの特性による。【００４８】
本実施例の装置を用いて、水素ガス濃度の計測能力を検証した。図９に離隔距離13mにおける水素ガスの濃度別測定結果を示す。図９を見ると分かるように、本実施例の装置によれば、１%未満のガス濃度も測定できることが確認できた。実験では、13mの距離から0.6%（誤差±10%）の水素濃度が測定可能であることが確認できた。
水素ガスの場合、爆発限界の下限は濃度４%であり、その４分の１である１%以下の検知精度が要求されるが、本実施例の装置によればそれを達成することが可能である。【００４９】
以上に説明した本実施例の装置は、次の特徴を有する。
［a］小型・軽量
プラスチックのフレネルレンズを使用することで小型軽量化が可能である。本実施例の受光装置本体１（ポイント用レーザー装置２を除く）の重量は900gであり、寸法は220×220×340mmである。
［b］装置関数の自動補正
大気中窒素ガスのラマン散乱光強度と対象ガスのラマン散乱光強度を同時測定することで、上述の（Ｄ）大気による減衰、（Ｅ）レーザー光照射強度の変動、（Ｆ）レーザー光と受光系の重なり具合、の補正が可能である。
［c］外乱の抑制
受光系にピンホールを用いて視野角を制限することで、太陽光等の外乱を抑制することが可能である。
［d］濃度分布分解能の向上
レーザービームが広がると対象ガスの存在位置ではレーザー照射密度が異なるため、レーザービーム径を拡大してビームの拡散を抑制することで照射密度を一定にすることができる。
［e］距離分解能の向上
レーザーを短パルス状に照射することで、レーザー光照射とラマン散乱光の検知時間から測定器とガスまでの距離を高分解能で求めることができる。
［f］濃度空間分布の計測
ビームの拡散を抑制した短パルス状のレーザー光を対象空間に走査することで、対象ガスの空間濃度分布を精度良く求めることができる。
【実施例２】
【００５０】
実施例２の装置は、実施例１の装置の受光系の構成を変えたものである。すなわち、実施例２の装置は、凹レンズの代わりに凸レンズ16を備える点、ピンホール24とラマンエッジフィルタ21が１枚に減っている点で実施例１の装置と相違する。集光レンズ11、干渉フィルタ22a，22b、集光レンズ23a，23b、受光素子25a，25b等の部品については、実施例１の装置と同様の部品を用いて構成することができる。実施例２の装置の構成を図14に示す。
実施例２の装置によれば、必要な部品数が少ないため、実施例１の装置に比べ部品コストを抑えることが可能である。
【実施例３】
【００５１】
実施例１の装置は、表３に示すように、光分配器であるビームスプリッタ14により窒素ラマン散乱光を透過させて、水素ラマン散乱光を反射させる構成であった。これとは反対に、本実施例の装置は、光分配器を用いて窒素ガスからのラマン散乱光を透過させて、水素ガスからのラマン散乱光を反射させる構成である。本実施例の装置においては、ビームスプリッタの代わりに多層膜の波長選択ミラー（ダイクロイックミラー）を用いる。
窒素ガスからのラマン散乱光波長が386.7nm、水素ガスからのラマン散乱光波長が416.5nmであるところ、例えば400nmよりも短波長の光を反射し、400nmよりも長波長の光を透過する波長選択ミラーがあれば、反射および透過の効率を改善することができる。図18のグラフが本実施例のフィルタの透過率と反射率の測定値である。この波長選択ミラーによれば、波長416.5nmでの透過率は90%となり、水素ラマン散乱光の受光率が2.00倍（45%から90%）に改善される。また、波長386.7nmでの反射率は93%となり、窒素ラマン散乱光の受光効率は1.55倍（60%から93%）に改善される。本実施例の受光系の光学的効率を表５に示す。
【表５】
2009101659.tif 000017
【産業上の利用可能性】
【００５２】
本発明によれば、保安距離外から水素ガス、メタンガス、天然ガスなどの可燃性ガスのガス製造設備におけるガスの漏洩を検知することが可能となる。例えば、一般高圧ガス保安法によれば、高圧ガス設備は敷地境界に対し８ｍ以上の距離（敷地境界距離）を有することが規定されるが、本発明によれば、敷地境界距離外からガスの漏洩を遠隔監視することが可能となる。
また、可燃性ガスや有毒ガスの存在位置と濃度が遠隔計測できることは、爆発や有毒ガスの吸飲などの危険性が回避できる。さらに酸素ガスの濃度が遠隔計測できることは、酸欠等の災害を事前に防止することができる。
【図１】
2009101659.tif 000018
【図２】
2009101659.tif 000019
【図３】
2009101659.tif 000020
【図４】
2009101659.tif 000021
【図５】
2009101659.tif 000022
【図６】
2009101659.tif 000023
【図７】
2009101659.tif 000024
【図８】
2009101659.tif 000025
【図９】
2009101659.tif 000026
【図１０】
2009101659.tif 000027
【図１１】
2009101659.tif 000028
【図１２】
2009101659.tif 000029
【図１３】
2009101659.tif 000030
【図１４】
2009101659.tif 000031
【図１５】
2009101659.tif 000032
【図１６】
2009101659.tif 000033
【図１７】
2009101659.tif 000034
【図１８】
2009101659.tif 000035
【手続補正書】
【提出日】平成21年11月30日(2009.11.30)
【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】
室内および室外で大気中に存在する対象ガスの濃度および位置を計測可能なガス濃度遠隔計測方法であって、
対象空間にレーザー光照射装置からパルス状にレーザー光を照射し、窒素ガスからの散乱光を集光機構で集光し、第一の受光機構でラマン散乱光信号強度の時間変化を測定する第一工程、
第一工程と同期して、対象ガスの散乱光を集光機構で集光し、第二の受光機構でラマン散乱光信号強度の時間変化を測定する第二工程、
特定の時間における窒素ガスと対象ガスのラマン散乱光強度の強度比に基づいてレーザー光照射装置からの特定の距離における対象ガスの濃度を計算する第三工程、
第三工程を繰り返し実行することによりレーザー光軸上におけるガス濃度分布を計測する第四工程、
対象空間にレーザー光を走査しながら第一ないし第四工程を実行することにより３次元のガス濃度分布を計測する第五工程、とを含むガス濃度遠隔計測方法。
【請求項２】
前記集光機構は、対物レンズと、対物レンズで集光したラマン散乱光を平行光線とするレンズ光学系と、レンズ光学系からの平行光線を分割する光分配器とを含んで構成し、
前記対象ガスの特性に応じて、前記対象ガスおよび窒素ガスのそれぞれについて、透過率および反射率を改善させるよう前記光分配器を選択することを特徴とする請求項１に記載のガス濃度遠隔計測方法。
【請求項３】
前記対物レンズが、フレネルレンズ、グレーティングレンズまたはホログラムレンズであることを特徴とする請求項２に記載のガス濃度遠隔計測方法。
【請求項４】
前記第一の受光機構は、窒素ガスのラマン散乱波長を透過中心波長に持つバンドパスフィルタと、受光素子とを備え、
前記第二の受光機構は、対象ガスのラマン散乱波長を透過中心波長に持つバンドパスフィルタと、受光素子とを備えることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載のガス濃度遠隔計測方法。
【請求項５】
前記第一の受光機構のバンドパスフィルタの透過波長域にあるスペクトルの波長における積分値および前記第二の受光機構のバンドパスフィルタの透過波長にあるスペクトルの波長における積分値を算出し、それらの値から窒素ガスと対象ガスのラマン散乱断面積の比を算出し、当該ラマン散乱断面積の比を用いて対象ガスの濃度を算出することを特徴とする請求項４に記載のガス濃度遠隔計測方法。
【請求項６】
８ｍ以上の距離にある対象ガスの濃度および位置を計測可能であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか一項に記載のガス濃度遠隔計測方法。
【請求項７】
濃度４％以下の水素ガスを計測可能であることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか一項に記載のガス濃度遠隔計測方法。
【請求項８】
レーザー光を走査するための駆動機構を有し、対象空間にレーザー光をパルス状に照射するレーザー光照射装置と、
対象空間における窒素ガスからのラマン散乱光を検出する第一の受光機構と、
対象空間における対象ガスからのラマン散乱光を検出する第二の受光機構と、
対象空間からの散乱光を第一および第二の受光機構へ導く集光機構と、
窒素ガスと対象ガスのラマン散乱光強度の強度比に基づいて対象空間における対象ガスの３次元の濃度分布を演算するデータ処理装置と、を備えるガス濃度遠隔計測装置であって、
前記データ処理装置が、対象空間にレーザー光照射装置からパルス状にレーザー光を照射し、第一の受光機構で窒素ガスからのラマン散乱光信号強度の時間変化を測定する第一工程、第一工程と同期して第二の受光機構で対象ガスからのラマン散乱光信号強度の時間変化を測定する第二工程、特定の時間における窒素ガスと対象ガスのラマン散乱光強度の強度比に基づいてレーザー光照射装置からの特定の距離における対象ガスの濃度を計算する第三工程、第三工程を繰り返し実行することによりレーザー光軸上におけるガス濃度分布を計測する第四工程、対象空間にレーザー光を走査しながら第一ないし第四工程を実行することにより３次元のガス濃度分布を計測する第五工程を実行することを特徴とするガス濃度遠隔計測装置。
【請求項９】
前記集光機構は、対物レンズと、対物レンズで集光したラマン散乱光を平行光線とするレンズ光学系と、レンズ光学系からの平行光線を分割する光分配器とを備えることを特徴とする請求項８に記載のガス濃度遠隔計測装置。
【請求項１０】
前記光分配器が、ビームスプリッタ、波長選択ミラーまたはエッジフィルタであることを特徴とする請求項９に記載のガス濃度遠隔計測装置。
【請求項１１】
前記対物レンズが、フレネルレンズ、グレーティングレンズまたはホログラムレンズであることを特徴とする請求項９または１０に記載のガス濃度遠隔計測装置。
【請求項１２】
前記第一の受光機構は、窒素ガスのラマン散乱波長を透過中心波長に持つバンドパスフィルタと、受光素子とを備え、
前記第二の受光機構は、対象ガスのラマン散乱波長を透過中心波長に持つバンドパスフィルタと、受光素子とを備えることを特徴とする請求項８ないし１１のいずれか一項に記載のガス濃度遠隔計測装置。
【請求項１３】
前記集光機構または前記受光機構が、ピンホールを備えることを特徴とする請求項８ないし１２のいずれか一項に記載のガス濃度遠隔計測装置。
【請求項１４】
前記集光機構および／または前記受光機構が、外乱光を排除する光学フィルタを備えることを特徴とする請求項８ないし１３のいずれか一項に記載のガス濃度遠隔計測装置。
【請求項１５】
８ｍ以上の距離にある濃度４％以下の水素ガスを計測可能であることを特徴とする請求項８ないし１４のいずれか一項に記載のガス濃度遠隔計測装置。
【国際調査報告】
2009101659.tif 000036
2009101659.tif 000037
2009101659.tif 000038
2009101659.tif 000039