(57)【要約】【課題】測定対象物を透過した電磁波を測定し、測定対象物の特性を求める装置及び方法を提供する。【解決手段】測定対象物に対する電磁波の透過率が異なる２つの波長の間で、電磁波の波長を第１周波数で切り替える変調信号を生成する。電磁波発生部が変調信号に対応する波長のパルス状の電磁波を照射するように、入力されるパルス信号のタイミングで駆動回路が電磁波発生部を駆動する。測定対象物を透過した電磁波を測定する。測定した電磁波の信号が予め定めた閾値を上回るタイミングで、波形整形回路が単一のパルス信号を生成して駆動回路に出力する。第１工程、第２工程、及び第３工程を繰り返し、波形整形回路が所定の数のパルス信号を生成するまでの時間を求める。波形整形回路が所定の数のパルス信号を生成するまでの時間を信号値とする時系列データをフーリエ変換し、第１周波数におけるスペクトル強度から測定対象物の特性を求める。【選択図】図１
2011017622.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁波を測定対象物に照射し、前記測定対象物を透過した電磁波を測定する電磁波測定装置であって、
前記測定対象物に電磁波を照射する電磁波発生部と、
前記測定対象物に対する電磁波の透過率が異なる２つの波長の間で、前記電磁波発生部が照射する電磁波の波長を、第１周波数で切り替える変調信号を生成する変調回路と、
前記電磁波発生部が前記変調信号に対応する波長のパルス状の電磁波を照射するように、入力されるパルス信号のタイミングで前記電磁波発生部を駆動する駆動回路と、
前記測定対象物を透過した電磁波を測定する測定部と、
前記測定部が測定した電磁波の信号が予め定めた閾値を上回るタイミングで、単一のパルス信号を生成して前記駆動回路に出力する波形整形回路と、
前記波形整形回路が所定の数のパルス信号を生成するまでの時間を求める制御部と、
前記制御部が求めた時間を信号値とする時系列データをフーリエ変換し、第１周波数におけるスペクトル強度から前記測定対象物の特性を求める演算部と、
を有する電磁波測定装置。
【請求項２】
第２周波数でスタートパルス信号を生成して前記駆動回路に出力するパルス生成回路を備え、
前記制御部は、前記パルス生成回路が前記スタートパルス信号を生成するタイミングを基準とし、前記波形整形回路が所定の数のパルス信号を生成するまでの時間を求める、請求項１に記載の電磁波測定装置。
【請求項３】
第２周波数は、第１周波数の２倍以上の周波数である、請求項２に記載の電磁波測定装置。
【請求項４】
前記制御部は、前記波形整形回路が所定の数のパルス信号を生成した後に、前記閾値を前記測定部が測定した電磁波の信号の最大値より大きい値に設定する、請求項１乃至３のいずれかに記載の電磁波測定装置。
【請求項５】
前記測定対象物は気体であり、
前記演算部は、前記スペクトル強度から前記気体の濃度を求める、請求項１乃至４のいずれかに記載の電磁波測定装置。
【請求項６】
前記電磁波発生部は、赤外領域の波長のレーザ光を照射する、請求項１乃至５のいずれかに記載の電磁波測定装置。
【請求項７】
電磁波を測定対象物に照射し、前記測定対象物を透過した電磁波を測定する電磁波測定方法であって、
前記測定対象物に対する電磁波の透過率が異なる２つの波長の間で、電磁波の波長を第１周波数で切り替える変調信号を生成する工程と、
電磁波発生部が前記変調信号に対応する波長のパルス状の電磁波を照射するように、入力されるパルス信号のタイミングで駆動回路が前記電磁波発生部を駆動する第１工程と、
前記測定対象物を透過した電磁波を測定する第２工程と、
測定した電磁波の信号が予め定めた閾値を上回るタイミングで、波形整形回路が単一のパルス信号を生成して前記駆動回路に出力する第３工程と、
第１工程、第２工程、及び第３工程を繰り返し、前記波形整形回路が所定の数のパルス信号を生成するまでの時間を求める第４工程と、
前記波形整形回路が所定の数のパルス信号を生成するまでの時間を信号値とする時系列データをフーリエ変換し、第１周波数におけるスペクトル強度から前記測定対象物の特性を求める工程と、
を有する電磁波測定方法。
【請求項８】
第２周波数でスタートパルス信号を生成する工程を有し、
前記第４工程は、前記スタートパルス信号が生成されるタイミングを基準とし、前記波形整形回路が所定の数のパルス信号を生成するまでの時間を求める、請求項７に記載の電磁波測定方法。
【請求項９】
前記波形整形回路が所定の数のパルス信号を生成した後に、前記測定した電磁波の信号の最大値より大きい値に、前記閾値を設定する工程を有する、請求項７又は８に記載の電磁波吸収測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、赤外光やマイクロ波などの電磁波を測定対象物に照射し、測定対象物を透過した電磁波を測定し、測定対象物の特性を求める装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
希薄な気体に光を透過させたときの光の吸収に関する法則として、ランバート・ベールの法則が知られている。ランバート・ベールの法則は、入射光の強度をＩ０、透過光の強度をＩ１、気体の吸収係数をε、気体の濃度をｃ、光が気体を通過する長さ（光路長）をＬとすると、以下の式（１）のように表される。
【数１】
2011017622.tif 000003
【０００３】
気体の吸収係数εは、気体の種類により定まる。また、光路長Ｌは、測定対象物となる気体を入れるガスセルの形状などにより定まる。そのため、ランバート・ベールの法則によれば、原理的には、希薄な気体の吸収係数εと光路長Ｌが予め分かっていれば、入射光の強度Ｉ０と透過光の強度Ｉ１から、希薄な気体の濃度ｃを求めることができる。
しかし、気体の濃度ｃが小さくなるにつれ、入射光の強度Ｉ０と透過光の強度Ｉ１との差ΔＩも小さくなり、十分な精度で気体の濃度ｃを測定することが困難になる。
【０００４】
そこで、希薄な気体による光の吸収を測定するために、２つの凹面鏡を含む多重反射光学系を用いて、光路長Ｌを長くするマルチパスセル法が知られている。図８は、マルチパスセル法を用いる装置５０の概略を示す。装置５０は、細長い空間を有するセル５１を用い、両端面に反射率の高い鏡５２を備えている。セル５１に入射したレーザ光を鏡５２を配した両端面で何度も反射させることで、レーザ光の光路を長くすることができる。検出器５３は、鏡５２で複数回反射した後のレーザ光を検出する。また、検出器５４は、セル５１にレーザ光が入射する直前に分離して得られた参照光を検出する。検出器５３が検出した信号強度と、検出器５４が検出した信号強度との差分を求めることにより、ガスの濃度を測定することができる。
【０００５】
また、互いに対向する２枚のミラーにより構成される光学キャビティ内で光を往復させながら、光強度が減衰する寿命を測定するキャビティリングダウン法が知られている。図９は、キャビティリングダウン法の装置６０の概略を示す。装置６０は、細長い空間６１の両端面に凹面鏡６２，６３を備えており、この空間６１内にレーザ光を閉じ込めて、レーザ光の光路を長くする。凹面鏡６３からの反射回数に応じて取り出されたレーザ光ｐ０，ｐ１，…ｐＭを、検出器６４が検出する。コンピュータ６５は、検出器６４が検出した結果を用いて、ガスの吸収量を算出する。このように、凹面鏡６２，６３を用いることにより、レーザ光の光路を長くすることができる。そのため、測定対象のガスによる吸収量が大きくなり、微量なガスであってもレーザ光の吸収量を測定することができる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Laser Spectroscopy, Springer出版，Wolfgang Demtroder, P370
【非特許文献２】Laser Spectroscopy, Springer出版，Wolfgang Demtroder, P383
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上述したマルチパスセル法やキャビティリングダウン法では、いずれも特別な光学系が必要となる。そのため、光路長が比較的短い測定空間において、局所的な気体の濃度を測定することが困難であった。
【０００８】
本発明は、従来よりも高い精度で、測定対象物を透過した電磁波を測定し、測定対象物の特性を求める装置及び方法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】
本発明の電磁波測定装置は、電磁波を測定対象物に照射し、前記測定対象物を透過した電磁波を測定する電磁波測定装置であって、前記測定対象物に電磁波を照射する電磁波発生部と、前記測定対象物に対する電磁波の透過率が異なる２つの波長の間で、前記電磁波発生部が照射する電磁波の波長を、第１周波数で切り替える変調信号を生成する変調回路と、前記電磁波発生部が前記変調信号に対応する波長のパルス状の電磁波を照射するように、入力されるパルス信号のタイミングで前記電磁波発生部を駆動する駆動回路と、前記測定対象物を透過した電磁波を測定する測定部と、前記測定部が測定した電磁波の信号が予め定めた閾値を上回るタイミングで、単一のパルス信号を生成して前記駆動回路に出力する波形整形回路と、前記波形整形回路が所定の数のパルス信号を生成するまでの時間を求める制御部と、前記制御部が求めた時間を信号値とする時系列データをフーリエ変換し、第１周波数におけるスペクトル強度から前記測定対象物の特性を求める演算部と、を有する。
【００１０】
また、本発明の電磁波測定方法は、電磁波を測定対象物に照射し、前記測定対象物を透過した電磁波を測定する電磁波測定方法であって、前記測定対象物に対する電磁波の透過率が異なる２つの波長の間で、電磁波の波長を第１周波数で切り替える変調信号を生成する工程と、電磁波発生部が前記変調信号に対応する波長のパルス状の電磁波を照射するように、入力されるパルス信号のタイミングで駆動回路が前記電磁波発生部を駆動する第１工程と、前記測定対象物を透過した電磁波を測定する第２工程と、測定した電磁波の信号が予め定めた閾値を上回るタイミングで、波形整形回路が単一のパルス信号を生成して前記駆動回路に出力する第３工程と、第１工程、第２工程、及び第３工程を繰り返し、前記波形整形回路が所定の数のパルス信号を生成するまでの時間を求める第４工程と、前記波形整形回路が所定の数のパルス信号を生成するまでの時間を信号値とする時系列データをフーリエ変換し、第１周波数におけるスペクトル強度から前記測定対象物の特性を求める工程と、を有する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、従来よりも高い精度で、測定対象物を透過した電磁波を測定し、測定対象物の特性を求めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施形態である赤外線測定装置の概略構成を示す図である。
【図２】図１に示す赤外線測定装置の変調回路が生成する変調信号の一例を示す図である。
【図３】図１に示す赤外線測定装置の波形整形回路の構成の一例を示す図である。
【図４】赤外線測定装置の動作の一例を示すタイミングチャートである。
【図５】（ａ）と（ｃ）は、図３に示す波形整形回路に入力される測定信号と参照信号を示す図であり、（ｂ）と（ｄ）は、図３に示す波形整形回路が生成するパルス信号を示す図である。
【図６】図１に示す赤外線測定装置の測定データの一例を示す図である。
【図７】図１に示す赤外線測定装置の測定データのフーリエスペクトルの一例を示す図である。
【図８】従来のマルチパスセル法を用いる装置の概略を示す図である。
【図９】従来のキャビティリングダウン法を用いる装置の概略を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の測定対象物を透過した電磁波を測定する装置及び方法について、実施形態に基づいて説明する。
＜実施形態＞
本実施形態では、パルス状の赤外線レーザ光を希薄な気体に照射し、その透過光を測定することにより、希薄な気体の濃度を測定する方法について説明する。
【００１４】
（赤外線測定装置の概略構成）
まず、図１を参照して、本実施形態の赤外線測定装置の概略構成を説明する。本実施形態の赤外線測定装置は、測定対象物となる気体に赤外線レーザ光を照射し、さらに、気体を透過したレーザ光に基づいて、レーザ光を照射するためのパルス信号を生成することにより、気体にレーザ光を繰り返し照射する。気体の濃度が希薄でありレーザ光の吸収がわずかな場合であっても、レーザ光の照射を繰り返すことで、気体の濃度を測定することが可能となる。図１に示すように、本実施形態の赤外線測定装置は、レーザ光源１００と、駆動回路１０２と、変調回路１０４と、パルス生成回路１０６と、ガスセル１１０と、測定部１２０と、波形整形回路１３０と、制御部１４０と、演算部１５０と、を備える。
【００１５】
レーザ光源１００は、駆動回路１０２から供給される駆動パルス信号に応じて、赤外領域の波長のレーザ光をパルス状に出射する。本実施形態では、レーザ光源１００は、赤外領域の波長領域のレーザ光を出射する量子カスケードレーザ（ＱＣＬ）光源である。レーザ光源１００の波長は、駆動回路１０２によって可変に制御される。
【００１６】
駆動回路１０２は、パルス信号（後述するスタートパルス信号を含む）が入力されると、この入力に応じてレーザ光源１００に駆動パルス信号を供給し、レーザ光源１００を駆動する。また、駆動回路１０２は、変調回路１０４により生成される変調信号に応じて、レーザ光源１００が出射するレーザ光の波長を制御する。
【００１７】
変調回路１０４は、レーザ光源１００の波長を制御するための変調信号を生成する。生成された変調信号は、駆動回路１０２に供給される。図２を参照して、変調回路１０４が生成する変調信号について説明する。図２に示すグラフの横軸は、レーザ光の波長を示す。図２に示す上方向に向く縦軸は、ガスセル１１０を透過するレーザ光の透過率を示す。一般に、ある気体に対するレーザ光の透過率は、レーザ光の波長により異なる。これは、上述したランバート・ベールの法則における気体の吸収係数εがレーザ光の波長λの関数で表されることを意味する。以下、気体の吸収係数εがレーザ光の波長λの関数であることを明確にするため、気体の吸収係数εをε（λ）と表す。
図２に示す例は、波長λ１のレーザ光は気体に吸収されにくく、透過率が高くなり、波長λ２のレーザ光は、気体に吸収されやすく、透過率が低くなることを示す。波長に対する透過率の変化を示すグラフは、吸収スペクトルと呼ばれる。吸収スペクトルは、気体の種類によって異なるため、予め測定対象となる気体の吸収スペクトルを参照することにより、レーザ光の透過率が異なる２つの波長λ１、λ２が選択される。
【００１８】
図２に示す下方向に向く縦軸は、時刻を示す。図２に示すように、変調回路１０４は、レーザ光源１００が出射するレーザ光の波長を、所定の変調周波数ｆ１（第１周波数）で、波長λ１とλ２との２値に切り替えるための変調信号を生成する。変調周波数ｆ１は、制御部１４０により制御される。変調周波数ｆ１は、例えば、５Ｈｚである。
【００１９】
図１に戻り、パルス生成回路１０６はパルス信号を生成し、生成したパルス信号を駆動回路１０２に供給する。このパルス信号は、駆動回路１０２が駆動パルス信号を作成するために用いられる。パルス生成回路１０６がパルス信号を生成するタイミングは、制御部１４０により制御される。以下、パルス生成回路１０６が生成するパルス信号を「スタートパルス信号」と呼ぶ。
【００２０】
ガスセル１１０は、測定対象の気体を収納する容器である。本実施形態において、測定対象の気体は、メタンである。ガスセル１１０は、密閉された容器であってもよいし、密閉されていない容器であってもよい。例えば、ガスセル１１０に気体導入口と気体排出口を設け、ガスセル１１０に測定対象となる気体を流しながら、気体の濃度を測定することもできる。レーザ光の進行方向に沿ったガスセル１１０の長さは、例えば、数ｃｍ〜１ｍである。
【００２１】
測定部１２０は、ガスセル１１０を透過したレーザ光を測定する。測定部１２０は、例えば、ＰＩＮダイオード（p-intrinsic-n diode）、ＨｇＣｄＴｅを受光面とする光導電素子（ＭＣＴ素子：Mercury Cadmium Telluride素子）である。測定部１２０が測定した信号（測定信号）は、波形整形回路１３０に供給される。
【００２２】
波形整形回路１３０は、測定部１２０から出力された測定信号が予め定めた閾値を横切って上回るタイミングにおいて、単一のパルス信号を生成し、生成したパルス信号を駆動回路１０２と制御部１４０に出力する。図３を参照して、波形整形回路１３０の構成を説明する。図３に示すように、波形整形回路１３０は、コンパレータ１３２と、パルス生成部１３４と、を備える。コンパレータ１３２には、測定部１２０から出力される測定信号と、制御部１４０から出力される参照信号とが入力される。コンパレータ１３２は、入力された測定信号と参照信号との比較を行う。参照信号は、後述するように、Ｒ１とＲ２の信号強度を持ち、Ｒ１の値は閾値として用いられる。また、コンパレータ１３２は、入力された測定信号が参照信号を上回るタイミングにおいて、パルス生成部１３４に信号を出力する。
パルス生成部１３４は、コンパレータ１３２が出力した信号の入力を受けると、単一のパルス信号を生成し、生成したパルス信号を駆動回路１０２と制御部１４０に出力する。
【００２３】
制御部１４０は、各信号が生成されるタイミングを制御する。制御部１４０は、例えば、タイミングコントローラを備える。具体的には、制御部１４０は、変調回路１０４が生成する変調信号の変調周波数ｆ１を制御する。また、制御部１４０は、パルス生成回路１０６がスタートパルス信号を生成するタイミングを制御する。また、制御部１４０は、波形整形回路１３０に入力される参照信号を制御する。
また、制御部１４０は、波形整形回路１３０が生成したパルス信号の入力を受け、波形整形回路１３０が生成したパルス信号を計数する。制御部１４０は、例えば、ビットカウンタを備える。また、制御部１４０は、波形整形回路１３０が所定の数のパルス信号を生成するまでの時間を求める。
【００２４】
演算部１５０は、制御部１４０が求めた、波形整形回路１３０が所定の数のパルス信号を生成するまでの時間を信号値とする時系列データを用いて、測定対象となる気体の濃度を求める。演算部１５０が気体の濃度を求める具体的な方法は、後述する。
以上が、本実施形態の赤外線測定装置の概略構成である。
【００２５】
（赤外線測定方法の概要）
次に、本実施形態の赤外線測定方法の概要を説明する。レーザ光源１００が出射するレーザ光の強度をＩ０とし、レーザ光の波長をλ１とすると、ランバート・ベールの法則より、透過光の強度Ｉ１（λ１）は、以下の式（２）のように表される。
【数２】
2011017622.tif 000004
また、レーザ光源１００が出射するレーザ光の強度をＩ０とし、レーザ光の波長をλ２とすると、ランバート・ベールの法則より、透過光の強度Ｉ１（λ２）は、以下の式（３）のように表される。なお、λ１，λ２は、図２に示される波長である。
【数３】
2011017622.tif 000005
【００２６】
また、式（２）と式（３）より、以下の式（４）が得られる。
【数４】
2011017622.tif 000006
ここで、ε（λ１）とε（λ２）は、気体の種類により定まる定数である。また、光路長Ｌもガスセル１１０の形状により定まる定数である。そのため、式（４）は、異なる２つの波長λ１とλ２における透過光の強度の比Ｉ１（λ１）／Ｉ１（λ２）を測定することにより、気体の濃度ｃが求まることを意味する。
【００２７】
以下、本実施形態の赤外線測定方法について、より詳細に説明する。図４は、上述した赤外線測定装置の動作を示すタイミングチャートの一例である。図４（ａ）は、変調回路１０４が生成する変調信号を示す。変調回路１０４は、図２を参照して説明した波長λ１、λ２のレーザ光をレーザ光源１００が出射するように、変調周波数ｆ１の変調信号を生成する。本実施形態において、変調周波数ｆ１は５Ｈｚである。
【００２８】
（変調信号がλ１の場合）
まず、変調回路１０４で生成される変調信号がλ２からλ１に変化した後、変調信号がλ１からλ２に変化するまでのタイミングチャートについて説明する。
図４（ｂ）は、パルス生成回路１０６が生成するスタートパルス信号を示す。図４に示す例では、パルス生成回路１０６は、変調回路１０４の出力の変化と同期して、スタートパルス信号の矩形パルスの生成を開始する。また、パルス生成回路１０６は、変調周波数ｆ１の２倍の周波数よりも高い所定の周波数ｆ２（第２周波数）で、矩形パルスを生成する（２ｆ１＜ｆ２）。パルス生成回路１０６が生成する矩形パルスのパルス幅は、例えば、１ｎ秒程度である。また、本実施形態において、周波数ｆ２は６０Ｈｚである。
次に、駆動回路１０２は、パルス生成回路１０６により生成されたスタートパルス信号の入力を受け、レーザ光源１００に駆動パルス信号を供給し、レーザ光源１００を駆動する。次に、測定部１２０は、ガスセル１１０を透過したレーザ光を測定する。次に、測定部１２０は、測定信号を波形整形回路１３０に供給する。
【００２９】
ここで、図５を参照して、波形整形回路１３０がパルス信号を生成するタイミングについて説明する。図５（ａ）は、レーザ光の波長をλ１とした際に波形整形回路１３０に入力される測定信号（以下、「第１測定信号」と呼ぶ。）と、参照信号を示す。図５（ａ）の横軸は、駆動回路１０２が駆動パルス信号を生成するタイミングを基準とした時刻を示し、縦軸は信号強度を示す。ｔ１は、第１測定信号が、信号強度Ｒ１の参照信号を上回る時刻である。図５（ｂ）は、図５（ａ）に示す第１測定信号が入力された際に、波形整形回路１３０が生成するパルス信号を示す。図５（ｂ）に示すように、波形整形回路１３０は、第１測定信号が参照信号を上回るタイミング（時刻ｔ１）において、所定のパルス幅ｔｗのパルス信号を生成する。
【００３０】
図４に戻り、図４（ｃ）は、波形整形回路１３０が生成するパルス信号を示す。上述した図５（ｂ）に示すパルス信号は、図４（ｃ）に示すパルス信号Ａに対応する。
次に、波形整形回路１３０は、生成したパルス信号を駆動回路１０２と制御部１４０に供給する。次に、駆動回路１０２は、波形整形回路１３０により生成されたパルス信号の入力を受け、レーザ光源１００に駆動パルス信号を供給し、レーザ光源１００を駆動する。以後、同様に、波形整形回路１３０によるパルス信号の生成と、駆動回路１０２による駆動パルス信号の供給を、所定の回数（Ｎ回）だけ繰り返す。図４（ｃ）は、波形整形回路１３０によるパルス信号の生成を８回繰り返す例である。繰り返し回数Ｎは、任意の回数に設定することができる。繰り返し回数Ｎは、例えば、制御部１４０が備えるビットカウンタによりカウントされる。
【００３１】
次に、制御部１４０は、パルス生成回路１０６がスタートパルス信号を生成するタイミングを基準とし、波形整形回路１３０が所定の数Ｎ（本実施形態では、Ｎ＝８）のパルス信号の生成を開始するまでの時間Ｔ１を求める。また、制御部１４０は、求めた時間Ｔ１のデータを演算部１５０に供給する。
次に、制御部１４０は、波形整形回路１３０が所定の数Ｎ個のパルス信号を生成した後に、信号強度Ｒ２の参照信号を波形整形回路１３０に供給する。図５（ａ）に示すように、参照信号の信号強度Ｒ２は、第１測定信号の信号強度の最大値よりも大きな信号強度である。そのため、第１測定信号は、信号強度Ｒ２の参照信号を上回らないため、波形整形回路１３０はパルス信号を発生しない。これにより、上述した繰り返し動作が終了する。
【００３２】
その後、再びパルス生成回路１０６がスタートパルス信号を生成し、上述した処理が行われる。本実施形態では、ｆ１＝５Ｈｚ、ｆ２＝６０Ｈｚであるため、変調信号がλ１である期間において、時間Ｔ１のデータを６点取得することができる。
【００３３】
（変調信号がλ２の場合）
次に、変調回路１０４で生成される変調信号がλ１からλ２に変化した後、変調信号がλ２からλ１に変化するまでのタイミングチャートについて説明する。
図４（ｂ）に示すように、パルス生成回路１０６は、変調回路１０４の出力の変化と同期して、矩形パルスの生成を開始する。また、パルス生成回路１０６は、所定の周波数ｆ２で、スタートパルス信号の矩形パルスを生成する。次に、駆動回路１０２は、パルス生成回路１０６により生成されたスタートパルス信号の入力を受け、レーザ光源１００に駆動パルス信号を供給し、レーザ光源１００を駆動する。次に、測定部１２０は、ガスセル１１０を透過したレーザ光を測定する。次に、測定部１２０は、測定信号を波形整形回路１３０に供給する。
【００３４】
ここで、図５を参照して、波形整形回路１３０がパルス信号を生成するタイミングについて説明する。図５（ｃ）は、レーザ光の波長をλ２とした際に波形整形回路１３０に入力される測定信号（以下、「第２測定信号」と呼ぶ。）と、参照信号を示す。図５（ｃ）の横軸は、駆動回路１０２が駆動パルス信号を生成するタイミングを基準とした時刻を示し、縦軸は信号強度を示す。ｔ２は、第２測定信号が、信号強度Ｒ１の参照信号を上回る時刻である。図５（ｄ）は、図５（ｃ）に示す第２測定信号が入力された際に、波形整形回路１３０が生成するパルス信号を示す。図５（ｄ）に示すように、波形整形回路１３０は、第２測定信号が参照信号を上回るタイミング（時刻ｔ２）において、所定のパルス幅ｔｗのパルス信号を生成する。
【００３５】
本実施形態では、図２を参照して説明したように、波長λ１のレーザ光は気体に吸収されにくく、波長λ２のレーザ光は、気体に吸収されやすい。そのため、図５（ｃ）に示すように、第２測定信号の信号強度は、第１測定信号の信号強度よりも小さくなる。これに伴って、図５（ｃ）に示すように、第２測定信号が信号強度Ｒ１の参照信号を上回る時刻ｔ２は、第１測定信号が信号強度Ｒ１の参照信号を上回る時刻ｔ１よりも遅くなる（ｔ１＜ｔ２）。なお、信号強度Ｒ１は、第２測定信号の信号強度の最大値よりも小さい信号強度である。
【００３６】
図５（ｄ）に示すパルス信号は、図４（ｃ）に示すパルス信号Ｂに対応する。以下、レーザ光の波長をλ１として説明した場合と同様に、波形整形回路１３０によるパルス信号の生成と、駆動回路１０２による駆動パルス信号の供給を、所定の回数Ｎだけ繰り返す。
次に、制御部１４０は、パルス生成回路１０６がスタートパルス信号を生成するタイミングを基準とし、波形整形回路１３０が所定の数Ｎ（本実施形態では、Ｎ＝８）個のパルス信号を生成するまでの時間Ｔ２を求める。また、制御部１４０は、求めた時間Ｔ２のデータを演算部１５０に供給する。上述したように、ｔ１＜ｔ２であるため、Ｔ１＜Ｔ２となる。
【００３７】
次に、制御部１４０は、波形整形回路１３０が所定の数Ｎ個のパルス信号を生成した後に、信号強度Ｒ２の参照信号を波形整形回路１３０に供給する。これにより、上述した繰り返し動作が終了する。
その後、再びパルス生成回路１０６がスタートパルス信号を生成し、上述した処理が行われる。本実施形態では、ｆ１＝５Ｈｚ、ｆ２＝６０Ｈｚであるため、変調信号がλ２である期間において、期間Ｔ２のデータを６点取得することができる。
以後、変調周波数ｆ１で、上述した変調信号がλ１の場合の動作と、変調信号がλ２の場合の動作が繰り返される。
【００３８】
図５（ｃ）では、説明の便宜上、第１測定信号の最大値と第２測定信号の最大値との差が明確となるように図示したが、希薄な気体の濃度を測定する場合、第１測定信号の最大値と第２測定信号の最大値との差を精度よく測定することは困難である。同様に、希薄な気体の濃度を測定する場合、時刻ｔ１と時刻ｔ２との差Δｔが、例えば、フェムト秒オーダーとなることがあり、これを精度よく測定することは困難である。
本実施形態では、波形整形回路１３０が生成するパルス信号を駆動回路１０２に供給し、以後、駆動回路１０２による駆動パルス信号の供給と、波形整形回路１３０によるパルス信号の生成とを所定の回数（Ｎ回）繰り返す。これにより、例えば、Ｎ＝１０６のように十分多い回数の繰り返しを行うことで、時間Ｔ１と時間Ｔ２との差ΔＴが、例えば、ナノ秒オーダーとなり、ΔＴを精度よく測定することが可能となる。
【００３９】
（演算部の演算方法）
上述した方法により、演算部１５０は、時間Ｔ１，Ｔ２の測定データを多数取得する。図６を参照して、測定データの一例について説明する。図６は、時間Ｔ１，Ｔ２の測定データの一例を模式的に示す図である。図６の横軸は時刻を示す。図６の右縦軸は、変調回路１０４が出力する変調信号を示す。図６の左縦軸は、演算部１５０が取得した測定データの時間Ｔを示す。上述したように、本実施形態では、変調信号の大きさが一定となっている期間内に、演算部１５０が時間Ｔ１又は時間Ｔ２の測定データを６つ取得する。
【００４０】
次に、演算部１５０は、取得した測定データの時間Ｔ１，Ｔ２を信号値とする時系列データをフーリエ変換する。図７は、図６に示す時系列の測定データをフーリエ変換したスペクトルの一例を模式的に示す図である。図７において、横軸は周波数を示し、縦軸はスペクトル強度を示す。図６に示すように、時系列の測定データは方形波に近い波形となるため、測定データをフーリエ変換すると、図７に示すように、ｆ１、３ｆ１、５ｆ１、…にスペクトルが現れる。変調周波数と等しい周波数ｆ１におけるスペクトル強度をＳとすると、時間Ｔ１と時間Ｔ２の差ΔＴが大きくなるほど、スペクトル強度Ｓも大きくなる。演算部１５０は、スペクトル強度Ｓを用いて、式（４）に示した波長λ１とλ２における透過光の強度の比Ｉ１（λ１）／Ｉ１（λ２）を、予め設定された参照テーブルを用いて求める。これにより、演算部１５０は、気体の濃度ｃを求めることができる。
【００４１】
なお、図６を参照して説明した測定データの一例は、測定装置などに起因する測定データの揺らぎがない理想的な測定データを示すものであるが、現実には測定データには揺らぎが含まれる。この場合、変調信号がλ１である期間における測定データ、変調信号がλ２である期間における測定データも変動する。そのため、測定データから一意にＴ１やＴ２の値を定めることが困難となる場合も生じ得る。
本実施形態の赤外線測定装置は、一定の時間間隔で取得される測定データＴ１，Ｔ２の時系列データをフーリエ変換し、変調周波数ｆ１におけるスペクトル強度Ｓを用いて、波長λ１とλ２における透過光の強度の比Ｉ１（λ１）／Ｉ１（λ２）を求める。そのため、例えば、変調周波数ｆ１よりも低い周波数成分の揺らぎが測定データに含まれる場合であっても、本実施形態の赤外線測定装置は、気体の濃度ｃを求めることができる。
【００４２】
また、気体の吸収係数ε（λ）は、気体の種類とレーザ光の波長により定まるものである。しかし、より精度の高い測定を行うために、濃度が既知の気体に対して波長λ１とλ２のレーザ光を照射し、その透過光の強度Ｉ１（λ１）とＩ１（λ２）を測定することにより、ε（λ１）−ε（λ２）の値を求めておくことが好ましい。濃度が既知の気体からε（λ１）−ε（λ２）の値を求めることにより、レーザ光源１００や測定部１２０の装置に起因する誤差を低減することができる。
【００４３】
また、本実施形態においては、制御部１４０が、パルス生成回路１０６がパルス信号を生成するタイミングを基準とし、波形整形回路１３０が所定の数Ｎのパルス信号の生成を開始するまでの時間を測定する例を説明した。しかし、波形整形回路１３０が所定の数Ｎのパルス信号の生成を開始するまでの時間を測定する基準は、必ずしもパルス生成回路１０６がスタートパルス信号を生成するタイミングとする必要はない。例えば、波形整形回路１３０が所定の数ｎ（ｎ＜Ｎ）のパルス信号の生成を開始するタイミングを基準とし、波形整形回路１３０が所定の数Ｎのパルス信号の生成を開始するまでの時間を測定してもよい。
【００４４】
（変形例）
上述した実施形態では、電磁波を測定対象物に照射し、測定対象物を透過した電磁波を測定する一例として、赤外線レーザ光を希薄な気体に照射し、その透過光を測定することにより、希薄な気体の濃度を測定する方法を説明した。しかし、本発明は、赤外線レーザ光以外の電磁波を測定対象物に照射し、測定対象物を透過した電磁波を測定する方法にも適用することができる。
例えば、マイクロ波を測定対象物に照射し、測定対象物を透過したマイクロ波を測定する核磁気共鳴装置（ＮＭＲ：Nuclear Magnetic Resonance）や電子スピン共鳴装置（ＥＳＲ：Electron Spin Resonance）に本発明を適用することもできる。
【符号の説明】
【００４５】
５０，６０  装置
５１  セル
５２  鏡
５３，５４，６４  検出器
６１  空間
６２，６３  凹面鏡
１００  レーザ光源
１０２  駆動回路
１０４  変調回路
１０６  パルス生成回路
１１０  ガスセル
１２０  測定部
１３０  波形整形回路
１３２  コンパレータ
１３４  パルス生成部
１４０  制御部
１５０  演算部
【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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【図９】
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