(57)【要約】  ガス検出装置は少なくとも１つの面発光レーザ（３４、３６）及び検出すべきガスを収納している検出域（４８）を通過した光線（５０、５２）を検出するために少なくとも１つの光センサ（５４、５６）を含んで構成されている。第一の実施例ではこの光センサはホトダイオードであり、検出信号は電子微分演算器（６４）より時間に関して微分され、その値を２つのロックイン増幅器（８４、８６）に送りＦ−検出及び２Ｆ−検出が生成される。Ｆはレーザ源の波長変調の周波数であり、得られた２つの測定信号を除した商は正確なガス濃度値を提供する。第二の実施例では、光センサは入射光を時間により微分した値に比例する検出信号を直接に提供する焦電センサである。このように第二の実施例では微分演算器を必要としない。
2007504449.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
波長変調したレーザ源（２、３４、３６）及び検出域（４８）周辺に配置した少なくとも第一のガスの存在又はその濃度を決定するための光センサ（９４、９６）を含んで構成したガス検出装置であって、
前記レーザ源は前記第一のガスの吸収線近辺の第一周波数（Ｆ）において波長変調した初期光信号（Ｓ０）を提供し、
前記センサは前記初期光が前記検出域を通過した後の光信号（ＳＧ）を受信し、
前記光センサは、検出域を通過後の前期光信号を時間により微分した値にほぼ比例する検出信号を提供する形式であり、通過後の前期光信号を時間により微分した値にほぼ比例する電子信号を生成し、
前記装置は更に、前記第一周波数において第一の変調基準信号（２０）を生成する第一の手段（８０）及び前記第一周波数の２倍の周波数において第二の変調基準信号（２４）を生成する第二の手段（８２）を含んで構成され、
前記電子信号と前記第一の変調基準信号との積を算出し、前記初期光信号の強度の関数であり且つ前記第一のガス濃度には依存しない第一の測定信号（ＳＭＦ）を得るようにその積を時間によって積分し、
前記電子信号と前記第二の変調基準信号との積を算出し、前記第一のガス吸収の関数であり且つ前記第一の周波数においては前記初期光信号の強度変調には依存しない第二の測定信号（ＳＭ２Ｆ）を得るようにその積を時間によって積分することを特徴とするガス検出装置。
【請求項２】
波長変調したレーザ源（２、３４、３６）及び検出域（４８）周辺に配置した少なくとも第一のガスの存在又はその濃度を決定するための光センサ（５４、５６）を含んで構成したガス検出装置であって、
前記レーザ源は前記第一のガスの吸収線近辺の第一周波数（Ｆ）において波長変調した初期光信号（Ｓ０）を提供し、
前記センサは前記初期光が前記検出域を通過した後の光信号（ＳＧ）を受信し、
前記光センサは、検出域を通過後の前記光信号にほぼ比例する検出信号を提供する形式であり、
前記装置は更に、検出信号を時間で微分する微分演算器（６４）を含んで構成し、この微分演算器は検出域を通過後の前記光信号の時間による微分値にほぼ比例する電子信号を提供し、
前記装置は更に、前記第一周波数において第一の変調基準信号（２０）を生成する第一の手段（８０）及び前記第一周波数の２倍の周波数において第二の変調基準信号（２４）を生成する第二の手段（８２）を含んで構成され、
前記電子信号と前記第一の変調基準信号との積を算出し、前記初期光信号の強度の関数であり且つ前記第一のガス濃度には依存しない第一の測定信号（ＳＭＦ）を得るようにその積を時間によって積分し、
前記電子信号と前記第二の変調基準信号との積を算出し、前記第一のガス吸収の関数であり且つ前記第一の周波数においては前記初期光信号の強度変調には依存しない第二の測定信号（ＳＭ２Ｆ）を得るようにその積を時間によって積分することを特徴とするガス検出装置。
【請求項３】
前記第一及び第二の測定信号を受信し、第一のガス濃度に関する情報を提供するデータ処理手段（９０）をも含んで構成したことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のガス検出装置。
【請求項４】
前記光センサは焦電センサにより形成されていることを特徴とする請求項１に記載のガス検出装置。
【請求項５】
前記光センサは少なくとも１つのホトダイオード、１つの熱電素子又は１つのボロメータにより形成されていることを特徴とする請求項１に記載のガス検出装置。
【請求項６】
前記レーザ源が面発光レーザであることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載のガス検出装置。
【請求項７】
前記レーザ源が分布帰還レーザであることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載のガス検出装置。
【請求項８】
前記レーザ源及び前記光センサを検出域の同じ側に構成し、反射構造を逆の側に構成したことを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載のガス検出装置。
【請求項９】
前記レーザ源及び光センサの双方が共通の基板内又は基板上に集積されていることを特徴とする請求項８に記載のガス検出装置。
【請求項１０】
少なくとも２つの異なったガスを検出するため、少なくとも２つのレーザ源及び、前記ガスに関する情報を得るため前記レーザ源からの光線が交互に指向する１つの光センサを含んで構成したことを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載のガス検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特に低コストの赤外線（ＩＲ）によるガス検出に関する。
【背景技術】
【０００２】
この分野の標準的な技術は、熱赤外線光源、干渉ラインフィルタ、検出域及び赤外線検出器により構成されている。ラインフィルタは検出すべきガスの特徴的な吸収波長に相当するので、この特定の波長の光のみが検出器に入射することになる。検出すべきガスが検出域に存在すると、光の一部がガスに吸収されて検出信号が弱められる。老朽化、湿気又はほこりによる光源の強度変化を考慮して、発光した光の一部が検出域を回避して基準検出器へと指向する方法（いわゆる２ビーム又は基準−ビーム法）もある。
【０００３】
このような非回折赤外線（ＮＤＩＲ）ガス検出器には２つの問題がある。第一に、熱赤外線光源の電力消費が大きく、効率が低いので電池による駆動は難しく、冷却が必要と思われる。第二に、干渉ラインフィルタの中心波長は温度に依存するので、周囲の温度が変わると、それに対応して位置が変化したガス吸収ピークを検出することになり、校正が難しい。
【０００４】
最近の面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）の発展にともない、低コストの単一ガス検出器を改良する方策が明らかになった。面発光レーザの波長は正確に規定され、駆動電流を変えることにより数ナノメータまで調整できる。波長１．３−２．０５μｍの近赤外線（ＮＩＲ）はこのような面発光レーザダイオードにより得られる。赤外線吸収によるガス検出の多くは、その波長範囲に吸収ピークの第一又は第二上音を有している。この上音は基本のピークより弱いが、面発光レーザが熱光源よりも約１０００倍の強度の光を発するので、ガスの検出の感度は極めて良好である。面発光レーザの重要な長所の一つは、熱光源が数ワットであるのに対し数ミリワットと電力消費が少ないことである。
【０００５】
標準の非回折赤外線（ＮＤＩＲ）による検出と面発光レーザによる検出の主な差異は、ＮＤＩＲ法ではスペクトルの解像度が低く、通常は数百ｎｍ幅のガス吸収ピークを測定することになる。この広い吸収ピークは、実際には多数の極めて鮮明な吸収線から成り立っている。面発光レーザは数ｎｍの範囲内で変調可能な極めて鮮明な波長ピークを有する光を発する。このため、面発光レーザに基づくガス検出器は広い吸収ピークの代わりに単一の吸収線を測定することができる。
【０００６】
数人の著者が、図２に示すようなガスの吸収線を横切って面発光レーザの波長を走査した面発光レーザを用いたガス検出の構成について記載している。この走査は所定の変調周波数Ｆを用いて行われた。この変調は、周波数Ｆの微小交流電流（一般には１００μＡ）をレーザ発光閾値（通常は数ｍＡ）より高い定電流に付加することにより達成される。測定によっては、吸収線を検出するために、面発光レーザの操作範囲全体に渉って、定電流が緩やかに掃引されることもある。このような構成を用いると、ラインフィルタは不要となり、低価格製品の重要なコスト低減要因である。
【０００７】
本発明は波長変調した面発光レーザによる光源に基づいており、波長変調が面発光レーザの出力強度の変調に直接に結びついている。従って、ガス吸収線を横切って波長を走査するにしたがって、ガスを通過して検出器に入射する光の強度は面発光レーザに関連する第一の変調及びガス吸収に関連する第二の変調を示す。
【０００８】
入射光に比例する信号を生じる標準の赤外線検出器では、信号処理は、２倍の周波数変調へのロックイン法による検出器信号を測定することにある（２Ｆ検出法）。これにより、直流信号成分−変調範囲を通じて検出されるオフセット光に由来−が抑制される。しかし、ガス濃度の正確な値を得るため、光源からの初期光線の全体光強度に関する情報を得ようとして、いまだに基準光線が用いられている。この基準光線は、通常は第二の特定した検出器により検出される。このような基準光線の生成及び検出のため複雑な装置が必要となりその製造経費が増加する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、効率的なガス濃度測定装置又は検出器を低コストで提供することを目的としている。特に、本発明の目標は基準光線に関連する上記問題を解決することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の第一の実施例は、波長変調したレーザ源及び検出域周辺に配置した少なくとも第一のガスの存在又はその濃度を決定するための光センサを含んで構成したガス検出装置であって、前記レーザ源は前記第一のガスの吸収線近辺の第一周波数において波長変調した初期光信号を提供し、前記センサは前記初期光が前記検出域を通過した後の光信号を受信し、前記光センサは、検出域を通過後の前期光信号を時間により微分した値にほぼ比例する検出信号を提供する形式であり、通過後の前期光信号を時間により微分した値にほぼ比例する電子信号を生成し、前記装置は更に、前記第一周波数において第一の変調基準信号を生成する第一の手段及び前記第一周波数の２倍の周波数において第二の変調基準信号を生成する第二の手段を含んで構成され、前記電子信号と前記第一の変調基準信号との積を算出し、前記初期光信号の強度の関数であり且つ前記第一のガス濃度には依存しない第一の測定信号を得るようにその積を時間によって積分し、前記電子信号と前記第二の変調基準信号との積を算出し、前記第一のガス吸収の関数であり且つ前記第一の周波数においては前記初期光信号の強度変調には依存しない第二の測定信号を得るようにその積を時間によって積分することを特徴とするガス検出装置に関するものである。
【００１１】
本発明による第二の実施例は、波長変調したレーザ源及び検出域周辺に配置した少なくとも第一のガスの存在又はその濃度を決定するための光センサを含んで構成したガス検出装置であって、前記レーザ源は前記第一のガスの吸収線近辺の第一周波数において波長変調した初期光信号を提供し、前記センサは前記初期光が前記検出域を通過した後の光信号を受信し、前記光センサは、検出域を通過後の前記光信号にほぼ比例する検出信号を提供する形式であり、前記装置は更に、検出信号を時間で微分する微分演算器を含んで構成し、この微分演算器は検出域を通過後の前記光信号の時間による微分値にほぼ比例する電子信号を提供し、前記装置は更に、前記第一周波数において第一の変調基準信号を生成する第一の手段及び前記第一周波数の２倍の周波数において第二の変調基準信号を生成する第二の手段を含んで構成され、前記電子信号と前記第一の変調基準信号との積を算出し、前記初期光信号の強度の関数であり且つ前記第一のガス濃度には依存しない第一の測定信号を得るようにその積を時間によって積分し、前記電子信号と前記第二の変調基準信号との積を算出し、前記第一のガス吸収の関数であり且つ前記第一の周波数においては前記初期光信号の強度変調には依存しない第二の測定信号を得るようにその積を時間によって積分することを特徴とするガス検出装置に関するものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、図面を用いて本発明の特徴及び長所を説明する。
【００１３】
図１〜図９に基づいてガス濃度の検出法について説明する。
【００１４】
図１に模式的に示すように、本発明によるガス検出装置は面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）２による光源、検出すべきガスを導入する試料室又は検出域４、光検出器６及びガス濃度を定める２つの測定信号ＳＭＦ及びＳＭ２Ｆを提供するデータ処理手段８を含んで構成されている。面発光レーザ２は波長を調整した初期光線Ｓ０を生成する。光線は検出域４を通過する。検出域４を通過すると、ガスの吸収により初期光の信号は強度が変化し、検出器６はその結果である信号ＳＧを受信する。
【００１５】
図２に示すように、面発光レーザの波長λ（光強度ピーク１０の中心）のガス吸収線１２近辺の小さな領域が変調される。図２に異なった高さのピークで示すように、波長の変調は、初期の光強度の振幅変調に直接関係している。図３にはガス吸収線近辺を交互に走査した場合の初期光信号Ｓ０の時間に対する強度変化が示されている。
【００１６】
吸収室又は検出域４のガスの信号ＳＧの強度の時間に対する変化を図４に示す。この信号ＳＧは２つの要因により決まる。
【００１７】
（１）第一の要因は面発光レーザの強度が波長と共に（ほぼ直線的な）変化するのに起因する。この要因はガスの吸収には依存せず、ガスが無くても存在する。
【００１８】
（２）第二の要因はガスの吸収線と交差する波長のガスの吸収に起因する。この要因は面発光レーザの発する光の強度に比例し、ガス吸収域ではガス濃度に依存する。
【００１９】
この２つの要因を分離するため、本発明の基本原則は、結果の信号ＳＧの時間による微分値を求め、次いで以下に詳細を述べるいわゆる「ロックイン増幅器」を用いて図５に示す時間よって微分した信号１８を処理することである。
【００２０】
ロックイン増幅器において、変調された信号と変調信号に関係する明確に定義した位相を有する対称な方形信号（変調基準）との積が算出される。その結果の電気信号は、数変調周期に渉って積分され、ロックイン増幅器の出力端に測定信号が出力される。
【００２１】
図６には、面発光レーザ光源による走査の周波数、すなわち初期光信号Ｓ０の強度変調信号２２の周波数に相当する周波数Ｆにおける第一の変調基準信号２０を示す。図６は強度変調信号２２とこの信号２２から生成した第一の変調基準信号２０との位相の関係も示している。図７は上記周波数Ｆの２倍の周波数における第二の変調基準信号２４を示す。図７は強度変調信号２２とこの信号２２から生成した第二の変調基準信号２４との位相の関係も示している。
【００２２】
本発明によれば、受光した光強度の変化に比例する信号を生成する焦電センサを用いて光信号ＳＧの時間による微分値を直接に得るか、又は用いるセンサが入力光ＳＧに比例する検出信号ＳＤを生成する場合（すなわちホトダイオード、熱電素子、ボロメータ）には電子的な微分演算器により微分値を得ることができる。
【００２３】
図８には、強度信号１８（図５）の時間による微分値と面発光レーザ変調周波数Ｆにおける第一の変調基準信号２０との積により得られる曲線２６を示す。Ｆ−検出と呼ばれる曲線２６を時間で積分するとガスの吸収の正と負の要因により相殺されることは明らかである。面発光レーザ強度の変調の関数であり且つ面発光レーザ全体の強度に関係する第一の測定信号ＳＭＦはこのように時間で積分した結果であるが、その結果は検出域のガスの存否とは関係がない。
【００２４】
図９には、強度信号１８（図５）の時間による微分値と面発光レーザ変調周波数Ｆの２倍の周波数における第二の変調基準信号との積により得られる曲線２８を示す。ここでは、２Ｆ−検出と呼ばれる曲線２８を時間による積分値は面発光レーザ強度の変調による要因に消去されるが、ガス吸収の個々の要因は加算される。この積分の結果である第二の測定信号ＳＭ２Ｆはガス吸収、すなわちガス濃度の関数である。この積分はガス吸収に依存しない要因を撤回する。
【００２５】
事実、第二の測定信号ＳＭ２Ｆは面発光レーザからの光の全体強度にほぼ比例している。第二の測定信号ＳＭ２Ｆを第一の測定信号ＳＭＦで割るとガス濃度の関数であるが、検出器への入射する光の強度には依存しない値が得られる。
【００２６】
従って、面発光レーザ及び２−チャネルのロックイン増幅器に基づいた本発明によるガスセンサによって、ガス吸収信号及び単一検出器による面発光レーザ基準強度が与えられ、従来の非回折赤外センサで用いている別の基準チャネルが必要なくなる。更に、検出器への入射光から直接に強度基準値を得ることができる。一方、二光線式の非回折センサでは、別の光線からそのような基準値を得るが、その光線からは測定光線の変化の情報（すなわち温度変化による光学部品の老朽化又は配置のずれ）を得られないおそれがある。
【００２７】
測定信号ＳＭＦ及びＳＭ２Ｆの解析により、面発光レーザの強度変調信号と図６及び図７に示す変調基準信号２０及び２４の間の位相の関係が測定原理に重要であることがわかる。与えられた位相の関係からのずれが、ガス吸収信号（ＳＭ２Ｆ）の強度基準信号（ＳＭＦ）への要因を決定し、また逆も成り立つ。
【００２８】
信号のより詳細な解析により、上記の信号処理はＡＣ変調した面発光レーザの形状には依存せず、すなわち図３に示す三角変調の代わりに正弦波、鋸刃状又は他の形状でもよい。
【００２９】
面発光レーザ源は数ヘルツから数メガヘルツの広い周波数域において波長を変調できる。その結果、所望の仕様に応じて数秒から数マイクロ秒の応答時間を生じるように本発明によるガスセンサを構成できる。
【００３０】
図１０、１１は、（面発光レーザの直流電流で調整した）面発光レーザ中心波長の位置がどのようにガス吸収線の中心の２つの測定信号へ影響するかを示している。図中の曲線は０．１５ｎｍの波長変調に相当する僅かな交流変調を印加して面発光レーザの直流電流を増加させることにより得られたものである。面発光レーザの波長がガス吸収線と正確に中心が合った時のみに上記のガス測定原理が保たれ、交流変調曲線はガス吸収線に対して対称であることが明瞭である。この中心位置からずれると吸収信号が小さくなり且つ基準信号に誤差が生じる。しかし、この誤差はガス濃度が低くなると小さくなる。
【００３１】
図１２に示すように、交流変調した面発光レーザの振幅は第一及び第二の双方の測定信号に影響することがわかる。信号の解析により、ガス吸収信号ＳＭ２Ｆの変調振幅はガス吸収線の幅（０．１−０．１５ｎｍ）と同等の桁の極大値を有することがわかる。変調基準信号ＳＭＦの誤差は変調振幅の増大に伴い減少する。従って、変調振幅はガスセンサの仕様に応じて最適化される。
【００３２】
面発光レーザの波長は周囲の温度に依存するので、面発光レーザの中心波長をガス吸収線の中心に正確に固定する必要がある（図１０、１１参照）。検出すべきガスを封入した透明なセルを光路に配置することにより、この心合わせが達成できる。ガスセンサは、交流周波数Ｆで走査する間ガス吸収線が交流変調域内に達するまで、面発光レーザの直流電流は初期値から徐々に増大する。この点からガス吸収信号はゼロではなくなり直流電源へのフィードバック回路が、ガス吸収線の中心に固定すべき面発光レーザの中心波長に相当する吸収信号の極大値を保持する。しかし、面発光レーザの波長の変動は限られているので、面発光レーザ源を予め設定した温度近辺に保持しておく必要がある。大気用の炭酸ガス検出器の場合には、大気の炭酸ガス濃度３５０−４００ｐｐｍが心合わせに十分濃度なので、封入したセルを省略してもよい。
【００３３】
面発光レーザによる発光は指向性が高いので、光学系を追加しなくても、複数のガスを測定するセンサを設計できる。そのような測定機器では、（ガスに対応した個々の波長を有する）数個の面発光レーザをレーザヘッドに配置し、検出器はレーザヘッドの面発光レーザと同数の光センサのアレイにより構成する。各々の面発光レーザがそれぞれのセンサに向くように配置し、２、３又はそれ以上のガス用の小型のガス検出器を構成することができる。
【００３４】
この発明の範囲において、分布帰還レーザ（ＤＦＢレーザ）もレーザ源として用いてもよい。面発光レーザ及び分布帰還レーザは好ましい光源である。
【実施例】
【００３５】
図１３には本発明による第一の実施例を示す。この装置は、２つの面発光レーザ３４、３６を配置したレーザ発光ヘッド３２を含んで構成されている。この装置は、２つの光源をそれぞれのガスの吸収線に対応するように選択した２つの異なったガスの検出器である。このヘッド３２は、各々の光源３４、３６に対して正確に電流値を決定するように２つの異なったガスを封入したセルも含んで構成されているので、上述したように光源の中心波長は２つのガスの吸収線の中心に一致する。また、ヘッド３２は、光源域に配置した加熱手段４４の電源４２に電気的に連結している温度センサ４０も含んで構成されている。
【００３６】
ガス検出器は２つのレーザ源よりのレーザ光線５０、５２が通過する試料室又は検出域４８を有している。２つのレーザ光線は共通台座５８に配置したそれぞれの光センサ５４、５６に受信される。第一の実施例では、２つのセンサは入射光信号にほぼ比例する電気的検出信号を出力する熱伝素子、ボロメータ、好ましくはホトダイオードのような方式のセンサである。本発明では２つのセンサ５４、５６はセレクタ６２を通して時間の微分演算器６４に連結されている。この微分演算器は入射光の時間の微分値にほぼ比例する電気信号を前置増幅手段（プレアンプ）６６へと供給する。
【００３７】
ガス検出装置は、更に電気的セレクタ７４を通して光源３４、３６に電流を供給する電力供給手段７２に連結した電力供給制御手段７０も含んで構成されている。電力供給制御手段７０は、上述したように、ガス吸収線近傍に生成する所定の規準周波数Ｆにおいて、直流電流信号を規定する第一の制御部７６及び交流電量信号を規定する第二の制御部７８を有している。ガス検出装置の変調基準信号発生手段は第一の変調基準信号を基準周波数Ｆに生成する第一の信号生成手段８０及び第二の変調基準信号を基準周波数Ｆの２倍の周波数に生成する第二の信号生成手段８２を含んで構成されている。前述した本発明の方法に従って、この第一及び第二の変調基準信号は２つのロックイン増幅器８４、８６へと供給される一方、時間の微分演算器６４よりの信号は前置増幅手段を通してそれぞれロックイン増幅器へ与えられ、その基準信号と掛け合わせられてから第一の変調信号の持続時間の数倍の時間に渉って積分される。前述したように、第一のロックイン増幅器８４はガス吸収線には依存しない第一の測定信号を供給する。第二のロックイン増幅器８６は各々の光源で生成した初期光信号の変調には依存せず、ガス吸収、従って検出域４８のガス濃度に関連する第二の測定信号を供給する。
【００３８】
準備段階において、直流電流を直線的に変化させた際に検出した第二の測定信号の極大値により、直流電流信号を規定する。装置が、レーザ光源を制御する精密な温度制御を備えている場合には、この準備段階は省略してもよい。
【００３９】
最後に、処理装置９０において、第二の測定信号は第一の測定信号により除せられ、ガス又はその濃度に関する有用な信号又は情報を得るため、上記の結果の商が更に処理される。
【００４０】
図１４には本発明によるガス検出装置の第二の実施例を示す。第一の実施例で説明した符号についてはその説明を省略する。第二の実施例においては、２つの光センサ９４、９６は特別な方式であり、このセンサへの入力光信号の時間の微分値にほぼ比例する電気信号を直接に供給する点が第一の実施例と異なっている。センサ９４、９６は焦電センサが好ましい。従って、第二の実施例では時間の微分演算器を必要としない。電気的な検出信号は前置増幅器６６を通して２つのロックイン増幅器８４、８６に供給される。
【００４１】
本発明による装置の好適な実施例では、光源及び光センサをガス検出域の同じ側に設置し、逆の側に反射構造を配置してもよい。従って、ガス試料を通る光路は図１３、１４に示す第一及び第二の実施例の所定のガス検出域の長さの２倍である。更に、光源、センサ及び電子素子は、利便性及びコスト削減のため、共通の基板内又は基板上に集積してもよい。反射構造は、特にその開口数が比較的大きい場合には、光線を集光するのに用いてもよい。
【００４２】
２つのガスを検出する実施例によっては、２つのレーザ光源と１つの光センサを含んで装置を構成し、生成した２つの光線がこの光センサに入射するようにしてもよい。図１３、１４に示す実施例のように、２つのガス濃度を測定するために２つの光源の制御に時間多重化を行ってもよい。このようにして、２つの光線は交互に単一の光センサに向かうことになる。
【００４３】
異なったガスの吸収線が極めて狭い場合には、これらのガスを検出するのに単一のレーザ源を用いることも可能である。
【００４４】
本発明によるガス検出器は以下の利点を有する。
・複数のガスの測定において特に重要であった基準光線を省略できる。
・光学部品又は面発光レーザ強度の劣化の影響がない。
・低電力消費で無線化も可能である。
・低熱放出で冷却の必要がない。
・マイクロ秒オーダの瞬時の解析。
・面発光レーザの動作不良を自動的に検出。
・自発的な温度補償。
・スペクトルの自動ロック。
・小型化した多重ガス検出器。
・面発光レーザ、検出器及び読取り電子装置をまとめて製造できるので、低製造コストとなる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明によるガス検出装置の模式図
【図２】ガス濃度検出に用いるガス吸収線近傍の面発光レーザの波長変調を示す図
【図３】図２の波長変調の結果である面発光レーザからの初期光線の光強度変調を示す図
【図４】ガス試料を通過した光線の強度を示すグラフ
【図５】図４の光線強度を時間によって微分した結果の信号を示すグラフ
【図６】図２の波長変調の周波数Ｆにおける第一の変調基準信号を示すグラフ
【図７】図２の波長変調の2倍の周波数２Ｆにおける第二の変調基準信号を示すグラフ
【図８】図５に示す信号と図６に示す第一の変調基準信号との積の結果を示すグラフ
【図９】図５に示す信号と図７に示す第二の変調基準信号との積の結果を示すグラフ
【図１０】吸収線に対する面発光レーザの変調した中心波長の関数である本発明によるガス検出装置により得られた第一の測定信号の変化を示すグラフ
【図１１】吸収線に対する面発光レーザの変調した中心波長の関数である本発明によるガス検出装置により得られた第二の測定信号の変化を示すグラフ
【図１２】変調した面発光レーザ振幅の関数である第二の測定信号の変化を示すグラフ
【図１３】本発明によるガス検出装置の第一の実施例を示す模式図
【図１４】本発明によるガス検出装置の第二の実施例を示す模式図
【符号の説明】
【００４６】
２    面発光レーザ
４    検出域
６    検出器
８    データ処理手段
１０  光強度ピーク
１２  ガス吸収線
１８  微分信号
２０  変調基準信号
２２  強度変調信号
２４  変調基準信号
２６  Ｆ−検出曲線
２８  ２Ｆ−検出曲線
３２  レーザ発光ヘッド
３４、３６  面発光レーザ
４０  温度センサ
４２  電源
４４  加熱手段
４８  検出域
５０、５２  レーザ光線
５４、５６  光センサ
５８  共通台座
６２  セレクタ
６４  微分演算器
６６  前置増幅手段（プレアンプ）
７０  電力供給制御手段
７２  電力供給手段
７４  セレクタ
７６、７８  制御部
８０、８２  信号生成手段
８４、８６  ロックイン増幅器
９０  処理装置
９４、９６  光センサ
Ｓ０  初期光信号
ＳＧ  ガス吸収信号
ＳＤ  検出信号
ＳＭＦ、ＳＭ２Ｆ  測定信号
【図１】
2007504449.tif 000003
【図２】
2007504449.tif 000004
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【手続補正書】
【提出日】平成18年3月6日(2006.3.6)
【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】
レーザ源（２、３４、３６）よりの初期光信号（Ｓ０）を第一周波数（Ｆ）において濃度又はその存在を決定すべきガスの吸収線の近辺を対称的に波長変調する工程、
ガス吸収線の近辺を交互に走査して時間と共に強度の変化する初期光信号（Ｓ０）をガスに吸収させるようにガス検出域（４、４８）を通過させる工程、
ガス検出域（４、４８）に存在するガスの吸収による初期光信号（Ｓ０）の変化の結果を反映した該域を通過した光信号（ＳＧ）を検出手段（６；５４、５６）により受信する工程、
検出域通過後の光信号（ＳＧ）の時間による微分値にほぼ比例する検出信号（ＳＤ）を検出手段（６；５４、５６）により生成する工程、
初期光信号（Ｓ０）の関数である第一の測定信号（ＳＭＦ）を検出信号（ＳＤ）より生成する工程、
ガス濃度の関数であり且つ第一の周波数（Ｆ）における前記初期光信号の強度変調には殆ど依存しない第二の測定信号（ＳＭ２Ｆ）を検出信号（ＳＤ）より生成する工程、及び
第二の測定信号（ＳＭ２Ｆ）を第一の測定信号（ＳＭＦ）によって除することにより、検出手段（６；５４、５６）への入射光強度には依存せず、ガスの存在又は濃度に関する最終的な測定信号を提供する工程を含んで構成したガス検出方法。
【請求項２】
第一の測定信号（ＳＭＦ）は検出信号（ＳＤ）と第一の周波数（Ｆ）における第一変調基準信号（２０）との積を時間によって積分することにより生成され、
第二の測定信号（ＳＭ２Ｆ）は検出信号（ＳＤ）と第一の周波数の２倍の周波数における第二変調基準信号（２４）との積を時間によって積分することにより生成され、
第一変調基準信号（２０）と第二変調基準信号（２４）は初期光信号（Ｓ０）の強度変化と正確に位相が同じであることを特徴とする請求項１に記載のガス検出方法。
【請求項３】
初期光信号（Ｓ０）を提供する波長変調したレーザ源（２、３４、３６）、
存在又はその濃度を決定すべき少なくとも１つのガスを収容する検出域（４８）、
ガスの吸収線近辺の第一周波数（Ｆ）において初期光信号（Ｓ０）の波長を変調し且つ時間によって強度の変化した前記初期光信号を提供するための電力供給制御装置（７０）、
前記検出域を通過した初期光信号（Ｓ０）の変化を反映した光信号（ＳＧ）を受信し且つ光信号（ＳＧ）の強度変化に比例した検出信号（ＳＤ）を提供する前記検出域の周辺に配置した光センサ（９４、９６）、及び
検出信号（ＳＤ）から前記検出域内の所定のガスの存在又は濃度に関する信号を提供するための処理手段（８；６４、６６；８０、８２、８４、８６、９０）を含んで構成したガス検出装置であって、
前記光センサ（９４、９６）又は前記処理手段は、前記検出域を通過後の光信号（ＳＧ）の時間による微分値にほぼ比例する検出信号を提供する処理手段（９０）を含んで構成され、且つ
前記処理手段は、更に、第一周波数（Ｆ）において第一の変調基準信号（２０）を生成する第一の信号生成手段（８０）及び前記第一周波数の２倍の周波数において第二の変調基準信号（２４）を生成する第二の信号生成手段（８２）、
第一の変調基準信号（２０）と前記検出信号との積を生成し、次いで初期光信号（Ｓ０）の強度の関数であり且つ前記第一のガス濃度には依存しない第一の測定信号（ＳＭＦ）を得るようにその積を時間によって積分する第一の手段（８４）、
第二の変調基準信号（２４）と前記検出信号との積を生成し、次いでガス吸収の関数であり且つ前記第一の周波数（Ｆ）においては前記初期光信号（Ｓ０）の強度変調には依存しない第二の測定信号（ＳＭ２Ｆ）を得るようにその積を時間によって積分する第二の手段（８６）、及び
第二の測定信号（ＳＭ２Ｆ）を第一の測定信号（ＳＭＦ）により除し、ガスの存在又はガス濃度に関する信号を提供する処理装置（９０）を含んで構成したことを特徴とするガス検出装置。
【請求項４】
基準周波数（Ｆ）においてガス吸収線の近辺の初期光信号（Ｓ０）を交互に走査して光強度の変化を生成させるための電力供給制御手段（７０）は直流信号を規定する第一の制御部（７６）及び交流信号を規定する第二の制御部（７８）を含んで構成していることを特徴とする請求項３に記載のガス検出装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００８】
入射光に比例する信号を生じる標準の赤外線検出器では、信号処理は、２倍の周波数変調へのロックイン法による検出器信号を測定することにある（２Ｆ検出法）。これにより、直流信号成分−変調範囲を通じて検出されるオフセット光に由来−が抑制される。しかし、ガス濃度の正確な値を得るため、光源からの初期光線の全体光強度に関する情報を得ようとして、いまだに基準光線が用いられている。この基準光線は、通常は第二の特定した検出器により検出される。このような基準光線の生成及び検出のため複雑な装置が必要となりその製造経費が増加する。
米国特許第６３５６３５０Ｂ１号明細書には、波長変調分光システムにおける光検出器からの複数の周波数の出力を復調し、その復調データから吸収線の形状を決定する方法及び装置について記載されている。この方法により吸収線の形状及び幅に関する情報が得られ、ある圧力、温度及び濃度範囲においてガスの濃度測定ができる。このために、波長変調周波数Ｆの少なくとも２つの偶数倍音又は複数の倍音が必要である。一般に、先行技術では偶数の倍音変調周波数を他の周波数成分よりも多用している。米国特許第６３５６３５０Ｂ１号明細書に開示の方法では、ガス濃度の測定又はガスの検出を効率的に行う低コストのガス検出器を大量に提供するには適切ではない。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的は独立請求項１に記載の方法及び独立請求項３に記載の装置により解決される。さらに従属請求項には本発明の有効な特徴を記載している。
本発明によるガス検出方法は、レーザ源よりの初期光信号を第一周波数において濃度又はその存在を決定すべきガスの吸収線の近辺を対称的に波長変調する工程；ガス吸収線の近辺を交互に走査して時間と共に強度の変化する前記初期光信号をガスに吸収させるようにガス検出域を通過させる工程；前記ガス検出域に存在するガスの吸収による前記初期光信号の変化の結果を反映した該域を通過した光信号を検出手段により受信する工程；前記検出域通過後の前期光信号の時間による微分値にほぼ比例する検出信号を前記検出手段により生成する工程；前記初期光信号の関数である第一の測定信号を前記検出信号より生成する工程；ガス濃度の関数であり且つ前記第一の周波数における前記初期光信号の強度変調には殆ど依存しない第二の測定信号を前記検出信号より生成する工程；及び前記第二の測定信号を前記第一の測定信号によって除することにより、前記検出手段への入射光強度には依存せず、ガスの存在又は濃度に関する最終的な測定信号を提供する工程を含んで構成されている。
本発明によるガス測定方法において、前記第一の測定信号は前記検出信号と前記第一の周波数おける第一変調基準信号との積を時間によって積分することにより生成され、前記第二の測定信号は前記検出信号と前記第一の周波数の２倍の周波数における第二変調基準信号との積を時間によって積分することにより生成され、更に前記第一変調基準信号と前記第二変調基準信号は前記初期光信号の強度変化と正確に位相が同じであることを特徴としている。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】
本発明によるガス検出装置は、初期光信号を提供する波長変調したレーザ源；存在又はその濃度を決定すべき少なくとも１つのガスを収容する検出域；ガスの吸収線近辺の第一周波数において前記初期光信号の波長を変調し且つ時間によって強度の変化した前記初期光信号を提供するための電力供給制御装置；前記検出域を通過した前記初期光信号の変化を反映した光信号を受信し且つ前期光信号の強度変化に比例した検出信号を提供する前記検出域の周辺に配置した光センサ；及び前記検出信号から前記検出域内の所定のガスの存在又は濃度に関する信号を提供するための処理手段を含んで構成され；前記光センサ又は前記処理手段は、前記検出域を通過後の前期光信号の時間による微分値にほぼ比例する検出信号を提供する処理手段を含んで構成され、且つ前記処理手段は、更に、前記第一周波数において第一の変調基準信号を生成する第一の信号生成手段及び前記第一周波数の２倍の周波数において第二の変調基準信号を生成する第二の信号生成手段；前記第一の変調基準信号と前記検出信号との積を生成し、次いで前記初期光信号の強度の関数であり且つ前記第一のガス濃度には依存しない第一の測定信号を得るようにその積を時間によって積分する第一の手段；前記第二の変調基準信号と前記検出信号との積を生成し、次いでガス吸収の関数であり且つ前記第一の周波数においては前記初期光信号の強度変調には依存しない第二の測定信号を得るようにその積を時間によって積分する第二の手段；、及び前記第二の測定信号を前記第一の測定信号により除し、ガスの存在又はガス濃度に関する信号を提供する処理装置を含んで構成されている。
本発明によるガス検出装置は、前記基準周波数によりガス吸収線の近辺において前記初期光信号を交互に走査して光強度の変化を生成させるための前記電力供給制御手段は、直流信号を規定する第一の制御部及び交流信号を規定する第二の制御部を含んで構成していることを特徴としている。
【国際調査報告】
2007504449.tif 000017
2007504449.tif 000018
2007504449.tif 000019