(57)【要約】【課題】赤外光領域に吸収波長がある被検出ガスを被検出空間内において可視化して検出する新規なガス検出方法を実現する。【解決手段】ガス検出方法は、再帰反射性の反射面部材２０を、被検出空間内に配置し、被検出ガスの吸収波長を波長領域に含む検出用の赤外光レーザビームＳＬをレーザ光源１５から、検出空間を介して反射面部材２０に照射し、赤外光レーザビームの照射方向へ再帰的に反射された反射レーザ光束ＲＬを、レーザ光源の近傍に配置された集光光学系１６により集光して受光手段１７により受光して吸収波長の強度を検出し、レーザ光源１５と集光光学系１６と受光手段１７とを一体として、回転変位および併進変位させて、反射面部材２０に向かう赤外光レーザビームＳＬを２次元的に走査し、検出された吸収波長の強度を、ディスプレイ５０に２次元的な画像として表示する。【選択図】                  図１
2018185190.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
赤外光領域に吸収波長がある被検出ガスを被検出空間において検出する方法であって、
再帰反射性の反射面部材を、前記被検出空間内に配置し、前記被検出ガスの吸収波長を波長領域に含む検出用の赤外光レーザビームをレーザ光源から、前記検出空間を介して前記反射面部材に照射し、前記赤外光レーザビームの照射方向へ再帰的に反射された反射レーザ光束を、前記レーザ光源の近傍に配置された集光光学系により集光して受光手段により受光して前記吸収波長の強度を検出し、前記レーザ光源と前記集光光学系と前記受光手段とを一体として、回転変位および併進変位させて、前記反射面部材に向かう前記赤外光レーザビームを２次元的に走査し、前記検出された前記吸収波長の強度を、ディスプレイ手段に２次元的な画像として表示するガス検出方法。
【請求項２】
請求項１記載のガス検出方法を実施するガス検出システムであって、  
反射面部材と、光学ユニットと、光学ユニット変位手段と、ディスプレイ手段とを有し、前記反射面部材は、再帰反射性を有して、前記被検出ガスを検出する被検出空間に配置されるものであり、前記光学ユニットは、前記被検出ガスの吸収波長を波長領域に含む赤外光レーザビームを前記反射面部材に向けて放射するレーザ光源と、該レーザ光源の近傍に配置され、前記反射面部材により前記赤外光レーザビームの照射方向へ再帰的に反射された反射レーザ光束を集光する集光光学系と、該集光光学系により集光されたレーザ光を受光して吸収波長の強度を検出する受光手段と、を一体的に有し、前記光学ユニット変位手段は、前記光学ユニットを、ユニット軸の回りに回転させる回転変位と、前記ユニット軸方向に変位させる併進変位とを行なわせるものであり、前記ディスプレイ手段は、前記受光手段による検出結果をディスプレイ上に２次元的な画像として表示するものである、ガス検出システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ガス検出方法およびガス検出システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
周知の如く、赤外光領域には、ＣＯやＣＯ２、Ｈ２Ｓや水蒸気、エチルアルコールガス等の種々のガスの吸収波長があり、この吸収波長の光強度を検知することにより、各種ガスの有無の検出、あるいは測定を行うことが知られている（特許文献１〜３等）。  
ＣＯ２等のガスは一般に目視では捕らえられないので、空間内におけるガスの分布を可視化する技術が種々知られている。  
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
この発明は、赤外光領域に吸収波長がある被検出ガスを被検出空間内において可視化して検出する新規なガス検出方法の実現を課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
この発明のガス検出方法は、赤外光領域に吸収波長がある被検出ガスを被検出空間において検出する方法であって、再帰反射性の反射面部材を、前記被検出空間内に配置し、前記被検出ガスの吸収波長を波長領域に含む検出用の赤外光レーザビームをレーザ光源から、前記検出空間を介して前記反射面部材に照射し、前記赤外光レーザビームの照射方向へ再帰的に反射された反射レーザ光束を、前記レーザ光源の近傍に配置された集光光学系により集光して受光手段により受光して前記吸収波長の強度を検出し、前記レーザ光源と前記集光光学系と前記受光手段とを一体として、回転変位および併進変位させて、前記反射面部材に向かう前記赤外光レーザビームを２次元的に走査し、前記検出された前記吸収波長の強度を、ディスプレイ手段に２次元的な画像として表示する。
【発明の効果】
【０００５】
この発明によれば、赤外光領域に吸収波長がある被検出ガスを被検出空間内において可視化して検出する新規なガス検出方法を実現できる。  
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】ガス検出システムの実施の１形態を説明するための図である。
【図２】ガス検出システムの実施の１形態を説明するための図である。
【図３】ガス検出システムにおける光学ユニットと反射面部材の配置の１例を示す図である。
【図４】ガス検出システムにおける光学ユニットと反射面部材の配置の別例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下、実施の形態を説明する。  
図１は、ガス検出システムの実施の１形態を説明するための図である。  
図１（ａ）および（ｂ）において、符号１０は「光学ユニット」、符号２０は「反射面部材」、符号３１は「ポール」を示している。  
光学ユニット１０は、図１（ａ）、（ｂ）に示す如く、高さの低い円筒状で中空であり、内部には、図１（ｃ）、（ｄ）に示す如く、レーザ光源１５、集光光学系１６、受光手段１７が固定的に配置され、さらに、第１制御部１２と第２制御部１３とを有する。  
図１（ａ）に示すように、光学ユニット１０は、ポール３１の回りに時計回りに回転可能であり、図１（ｂ）に示すようにポール３１の長手方向へ併進移動可能となっている。
【０００８】
図１（ａ）、（ｂ）はガス検出を行う状態を示しており、図１（ｂ）の上下方向は被検出空間における上下方向で、図１（ａ）は同図（ｂ）の状態を上方からポール３１の長手方向に見た状態を示している。
【０００９】
反射面部材２０は、この実施の形態においてシート状で「再帰反射性」を有する。  
「再帰反射性」は、反射面に入射する光を入射方向に戻すように反射する性質である。再帰反射性を有するシートは、微小な透明ビーズの内部反射を利用するタイプと、微小なコーナーキューブプリズムをアレイ配列させたタイプのものが知られており、種々のものが市販されている。  
反射面部材２０の再帰反射性は、完全な再帰反射ではなく、例えば「平行光束」を入射させた場合、入射方向へ再帰的に反射される反射光束は若干「発散性」になる。  
図１（ｃ）に説明図的に示すように、光学ユニット１０が有するレーザ光源１５からは、赤外光レーザビームＳＬが、光学ユニット１０の半径方向へ放射される。赤外光レーザビームＳＬは、検出すべき被検出ガスの吸収波長を波長領域に含む。  
例えば、被検出ガスがＣＯ２ガスであれば、ＣＯ２ガスの吸収波長：４．２６μｍが波長領域に含まれている。
【００１０】
被検出ガスは１種類に限らず２種以上であることもできる。例えば、ＣＯ２ガス以外にＨ２Ｓガスも検出対象とすることもでき、この場合には、レーザ光源１５の放射する赤外光レーザビームＳＬは、上記吸収波長：４．２６μｍの他にＨ２Ｓガスの吸収波長：３．８１μｍも波長領域に含むものが用いられる。  
説明中の実施の形態においては、レーザ光源１５が放射する赤外光レーザビームＳＬの波長領域は「被検出ガスの吸収波長に応じて適宜に制限」されている。  
説明の具体性のため、以下においては被検出ガスは「ＣＯ２ガス」であるとする。  
説明中の実施の形態においては、レーザ光源１５は、赤外光レーザビームＳＬの波長領域を、吸収波長：４．２６μｍ近傍の波長範囲（例えば、４．２６μｍ±２０μｍ）の中赤外光を選択的に透過させるバンドパスフィルタを有している。  
シート状の反射面部材２０は被検出空間内に配置されるが、説明中の例では、図１（ａ）に示すように、光学ユニット１０を円形状に囲繞するように配置される。これは反射面部材２０の配置の説明的な１例であり、配置が円形状である必要はない。説明中の例では、反射面部材２０に囲繞された空間内の被検出ガス（ＣＯ２ガス）が「検出の対象」となる。
【００１１】
図１（ｂ）に示すように、レーザ光源１５から赤外光レーザビームＳＬを放射すると、赤外光レーザビームＳＬは反射面部材２０の「再帰反射性を有する反射面」を照射し、再帰的に反射されると弱い発散性の反射レーザ光束ＲＬとなって光学ユニット１０の側面部を照射する。  
反射レーザ光束ＲＬは、光学ユニット１０の円筒状の側面の、レーザ光源１５のすぐ下部に開口された開口部を通って光学ユニット１０の内部に入射し、集光光学系１６（この実施の形態において正レンズである。）により受光手段１７の受光面に集光される。  
受光手段１７は「適宜のフォトセンサ」であり、受光した反射レーザ光束ＲＬの強度に応じた受光信号を発生する。発生した受光信号は、図１（ｅ）に示す第１制御部１２に入力する。  
被検出空間に存在する被検出ガスがＣＯ２ガスのみであるとすれば、受光手段１７の出力（受光信号）は、ＣＯ２ガスの濃度に応じて変化する。
【００１２】
第１制御部１２はＣＰＵ等により構成され、第２制御部１３の制御を行うほか、受光手段１７から入力される受光信号を、光学ユニット１０とは別体のディスプレイ制御手段４０に無線で送信する。  
ディスプレイ制御手段４０は、第１制御部１２から送信された信号を受信すると、ディスプレイ用信号としてディスプレイ５０に出力する。  
ＣＯ２ガスが存在しない状態において、反射レーザ光束ＲＬにおける吸収波長の強度を予め測定して基準値として設定しておく。
【００１３】
レーザ光源１５から放射された赤外光レーザビームＳＬは、光学ユニット１０と反射面部材２０の反射面との間の空間を往復するから、レーザ光源１５と反射面との間にＣＯ２ガスが存在すれば、吸収波長の強度が減少し、その減少の程度はＣＯ２ガスの濃度に比例する。  
従って、上記吸収波長の強度を測定すれば、赤外光レーザビームＳＬと反射レーザ光束ＲＬの光路上におけるＣＯ２ガスの濃度を検出することができる。吸収波長の強度の測定は、第１制御手段１２において行うことができる。
【００１４】
上述の如く、図１（ｅ）に示す第１制御部１２は第２制御部１３の制御を行う。  
第２制御部１３はＣＰＵ等として構成され、レーザ光源１５の点滅や受光手段１７の駆動等の電気的な制御を行うほか、後述する「光学ユニット１０の回転変位と併進変位と」を駆動制御する。  
光学ユニット１０の回転変位は、光学ユニット１０を「ユニット軸の回りに回転」させる変位であり、併進変位は、光学ユニット１０を「ユニット軸方向に変位」させる変位である。説明中の実施の形態では「ユニット軸」は、ポール３１の中心軸である。  
図１（ｃ）、（ｅ）において、符号３２で示す部分は「併進変位用の構造部分」である。
【００１５】
併進変位用の構造部分３２を、図１（ｅ）を参照して説明する。ポール３１には、その長手方向に溝が形成され、この溝にラック３１１が敷設されており、このラック３１１に構造部分３２の側に設けられたピニオン３１２が噛み合っている。ピニオン３１２は正逆方向に回転可能で、図示を省略された駆動機構（この駆動機構は第２制御部１３により制御される。）により回転駆動される。  
ピニオン３１２の回転駆動により、光学ユニット１０は、ポール３１の長手方向（ユニット軸方向）へ変位する。  
次に「回転変位」について説明する。  
図１（ｅ）に示すように、構造部分３２とベアリング３３を介して光学ユニット１０の外側部分３４が係合し、構造部分３２に対して回転可能となっている。図示を省略された歯車が、構造部分３２と「外側部分３４の内壁部分に形成された歯車」に噛み合っており、第２制御部１３により制御される回転駆動機構（図示を省略されている。）により駆動されて、外側部分３４を構造部分３２に対して回転変位させる。即ち、この回転変位は「ユニット軸の回りの回転変位」である。  
このようにして、光学ユニット１０は、ユニット軸方向の併進変位とユニット軸の回りの回転変位とが可能である。  
そこで、この回転変位と併進変位とを組み合わせると、光学ユニット１０をユニット軸の回りに「螺旋状」に変位させることができ、この螺旋状の変位を、レーザ光源１５から赤外光レーザビームＳＬを放射しつつ行えば、赤外光レーザビームＳＬを２次元的に走査でき、この２次元的な走査により得られる受光手段１７の出力から「吸収波長の強度」を検出し、その結果を、ディスプレイ制御手段４０を介してディスプレイ５０に２次元的な画像として表示すれば、反射面部材２０に囲繞された被検出空間内における被検出ガスの濃度を「２次元的な画像」として可視化できる。  
ディスプレイ制御手段４０とディスプレイ５０とは「ディスプレイ手段」を構成する。
【００１６】
図２を参照して、ガス検出システムの実施の別形態を説明する。  
図１を参照して上に説明した実施の形態は、反射面部材２０を設置できる場所であれば
任意に実施が可能であるが、図２に示す実施の形態は、例えば、特定の室内のように閉じた空間内でのガス検出に適している。
【００１７】
勿論「閉じた空間」は、反射面部材の設定が可能である必要があることは言うまでもない。図２には、反射面部材は図示を省略されているが、反射面部材の設置は、図１の場合と同様に適宜である。  
図２の形態は、光学ユニットの構造と、その併進変位と回転変位に特徴がある。  
図２（ａ）において、符号１０Ａは「光学ユニット」、符号３１Ａ、３１Ｂは「ワイヤ」、符号３００は「併進駆動部」、符号３１１Ａは「滑車」、符号３１１Ｂは「ウエイト」、符号４００は「回転防止ロッド」を示している。
【００１８】
図２（ａ）における上下方向は、被検出ガスを検出すべき室内の上下方向であり、この室内の天井部分に、図示を省略された保持手段により滑車３１１Ａが保持されている。滑車３１１にはワイヤ３１Ａが巻きかけられ、ワイヤ３１Ａの一端は、併進駆動部３００に引き込まれて「巻き取り機構」に巻き付けられている。ワイヤ３１Ａの他端は、光学ユニット１０Ａの上部に固定されている。併進駆動部３００は、適宜の保持手段により固定的に保持されている。  
ワイヤ３１Ｂは、その一端を光学ユニット１０Ａの底部に固定され、他端はウエイト３１１Ｂに固定されている。  
ウエイト３１１Ｂの重みにより、ワイヤ３１Ａ、３１Ｂが張られ、ワイヤ３１Ａ、３１Ｂの長手方向が鉛直方向になる。  
併進駆動部３００内の巻き取り機構によりワイヤ３１Ａを「巻き込んだり、緩めたり」することにより、光学ユニット１０Ａを鉛直方向の上下に併進変位させることができる。
【００１９】
光学ユニット１０Ａは、図２（ｂ）に示すように、鉛直方向から見ると円形状で、外部材１０ＡＯと内部材１０ＡＩとを組み合わせて構成されている。外部材１０ＡＯ、内部材１０ＡＩは共に「円筒形状」である。
【００２０】
図２（ｃ）に示すように、外部材１０ＡＯは、上側部材１０ＡＵと下側部材１０ＡＤを有し、これらの間は、透明な外窓部ＷＯにより連結されて一体となっている。  
また、内部材１０ＡＩは、上側部１０ＡＩＵと下側部１０ＡＩＤを有し、これらの間は透明な内窓部ＷＩにより連結されて一体となっている。
【００２１】
内部材１０ＡＩの内部には、図示の如く、レーザ光源１５、集光光学系である正レンズ１６、受光手段１７が固定的に配置されている。また、図２において図示を省略されているが、図１の実施の形態と同様、第１制御部と第２制御部も内部材１０ＡＩ内に配置されている。  
外部材の下側部材１０ＡＤの円筒面部分には、回転防止用のストッパＳＴが突設されている、ストッパＳＴには「係合穴ＳＴＨ」が穿設され、この係合穴ＳＴＨに回転防止ロッド４００が鉛直方向に貫通している。  
回転防止ロッド４００は一端を室内の床部に固定されている。  
下側部材１０ＡＤの円筒状の内周面部分には「円形状のラック」が内周面に亘って形成され、内部材の下側部に設けられたピニオンＧＩが噛み合っている。ピニオンＧＩは、第２制御部により制御される駆動手段（図示を省略されている。）により回転駆動される。
【００２２】
駆動手段によりピニオンＧＩを回転駆動すると、外部材１０ＡＯに対して内部材１０ＡＩが回転する。このとき、外部材１０ＡＯはストッパＳＴの係合穴ＳＴＨに係合した回転防止ロッド４００により回転を阻止されるので、内部材１０ＡＩのみが回転変位する。
【００２３】
図１の実施の形態と同様に反射面部材を設置して、上記内部材１０ＡＩを回転変位させつつ、外部材１０ＡＯとともに上下方向へ併進変位させながら、レーザ光源１５から赤外光レーザビームを放射させれば、赤外光レーザビームを２次元的に走査することができ、この２次元的な走査により得られる受光手段１７の出力に対して、図１の実施の形態と同様にして、反射面部材に囲繞された空間内における被検出ガスの濃度を「２次元的な画像」としてディスプレイ上に２次元的な画像として可視化できる。
【００２４】
上に説明した実施の形態において用いるレーザ光源は、例えば、波長：２μｍ〜２０μｍの中赤外光の赤外光レーザビーム（波長領域は被検出ガスの吸収波長を含んで適宜の範囲に制限できる。）を放射できるものが好適であり、レーザ光源１５のサイズとしては、赤外光レーザビーム放射方向（図１（ｃ）で左右方向）の長さ：１２０ｍｍ、図１（Ｃ）で上下方向の長さ：２５ｍｍ、図１（ｃ）において図面に直交する方向の長さ：７０ｍｍのものを用いることができる。  
集光光学系１６としては、光軸方向の長さ：５０ｍｍ、光軸直交方向のサイズ：３０ｍｍのレンズ系を用いることができる。  
受光手段１７としては、受光方向に６５ｍｍ、受光直交方向に４０ｍｍのものを用いることができる。
【００２５】
このようなサイズのレーザ光源１５、集光光学系１６、受光手段１７を用いる場合、図２に示す光学ユニット１０Ａは、例えば、図面直交方向の長さ（半径）：１５０ｍｍ、上下方向の高さ：１００ｍｍ程度に構成できる。  
図２に示す光学ユニット１０Ａは、図１に示す光学ユニット１０よりも「半径方向に小さいサイズ」で実現できる。  
光学ユニット１０や１０Ａの回転変位は、例えば、毎秒１〜２回転でよい。  
また、反射面部材は、高さ方向のサイズ：３ｍｍ、横方向のサイズ：３０ｍｍ程度のサイズのものを用いれば、図１（ａ）の如き設置形態で、光学ユニット１０から５ｍｍ程度離れた位置で、光学ユニット１０を囲繞して設置できる。
【００２６】
光学ユニット１０、１０Ａの併進変位・回転変位の駆動源としては乾電池を光学ユニット内に配置して用いることができる。
【００２７】
以上のように、この発明によれば、以下の如きガス検出方法およびガス検出システムを実現できる。  
［１］
赤外光領域に吸収波長がある被検出ガスを被検出空間において検出する方法であって、再帰反射性の反射面部材（２０）を、前記被検出空間内に配置し、前記被検出ガスの吸収波長を波長領域に含む検出用の赤外光レーザビーム（ＳＬ）をレーザ光源（１５）から、前記検出空間を介して前記反射面部材（２０）に照射し、前記赤外光レーザビームの照射方向へ再帰的に反射された反射レーザ光束（ＲＬ）を、前記レーザ光源の近傍に配置された集光光学系（１６）により集光して受光手段（１７）により受光して前記吸収波長の強度を検出し、前記レーザ光源（１５）と前記集光光学系（１６）と前記受光手段（１７）とを一体として、回転変位および併進変位させて、前記反射面部材に向かう前記赤外光レーザビーム（ＳＬ）を２次元的に走査し、前記検出された前記吸収波長の強度を、ディスプレイ手段（４０、５０）に２次元的な画像として表示する（図１および図２）。
【００２８】
［２］
［１］記載のガス検出方法を実施するガス検出システムであって、反射面部材（２０）と、光学ユニット（１０、１０Ａ）と、光学ユニット変位手段と、ディスプレイ手段とを有し、前記反射面部材は、再帰反射性を有して、前記被検出ガスを検出する被検出空間に配置されるものであり、前記光学ユニットは、前記被検出ガスの吸収波長を波長領域に含む赤外光レーザビーム（ＳＬ）を前記反射面部材に向けて放射するレーザ光源（１５）と、該レーザ光源の近傍に配置され、前記反射面部材により前記赤外光レーザビームの照射方向へ再帰的に反射された反射レーザ光束（ＲＬ）を集光する集光光学系（１６）と、該集光光学系により集光されたレーザ光を受光して吸収波長の強度を検出する受光手段（１７）と、を一体的に有し、前記光学ユニット変位手段は、前記光学ユニットを、ユニット軸の回りに回転させる回転変位と、前記ユニット軸方向に変位させる併進変位とを行なわせるものであり、前記ディスプレイ手段（４０、５０）は、前記受光手段による検出結果をディスプレイ（５０）上に２次元的な画像として表示するものである、ガス検出システム（図１、図２）。
【００２９】
この発明のガス検出システムでは、赤外光レーザビームの２次元的な走査により、被検出ガスの濃度を「２次元的に可視画像化」できるので、集光光学系として広画角で収差補正したものを必要とせず、従って、集光光学系を低コストで実現できる。
【００３０】
以上、発明の好ましい実施の形態について説明したが、この発明は上述した特定の実施形態に限定されるものではなく、上述の説明で特に限定していない限り、特許請求の範囲に記載された発明の趣旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。  
例えば、反射面部材２０は、図１に示したように光学ユニット１０や１０Ａを完全に囲繞する必要は必ずしもなく、例えば、図３（ａ）のように、半円形状に設置させて、光学ユニット１０、１０Ａと対向させてもよい。反射面部材は再帰反射性を有しているので、図３（ｂ）に示すように、平面形状に設置して光学ユニット１０、１０Ａに対向させてもよい。  
また、被検出ガスが例えば、例えば、ＣＯ２ガス以外にＨ２Ｓガスも検出対象とする場合には、レーザ光源１５の放射する赤外光レーザビームＳＬとして、上記吸収波長：４．２６μｍの他にＨ２Ｓガスの吸収波長：３．８１μｍも波長領域に含むものを用い、反射レーザ光束ＲＬを、ダイクロイックフィルタ等により、例えば、４μｍよりも大きい波長領域の光と、４μｍ以下の波長領域の光を分離し、分離された光を別個の受光素子で受光するようにすればよい。
【００３１】
この発明の実施の形態に記載された効果は、発明から生じる好適な効果を列挙したに過ぎず、発明による効果は「実施の形態に記載されたもの」に限定されるものではない。
【符号の説明】
【００３２】
１０        光学ユニット  
１５        レーザ光源  
１６        集光手段  
１７        受光手段  
ＳＬ        赤外レーザビーム  
ＲＬ        反射レーザビーム  
２０        反射面部材  
３１        ポール  
５０        ディスプレイ  
【先行技術文献】
【特許文献】
【００３３】
【特許文献１】特開２０１３-１２７４１４号公報
【特許文献２】特開２００２−２２６５２号公報
【特許文献３】特許第５０９６１２６号公報
【図１】
2018185190.tif 000003
【図２】
2018185190.tif 000004
【図３】
2018185190.tif 000005
【図４】
2018185190.tif 000006