(57)【要約】  本発明は、目標ガスを検出するガス検出システム及び方法を提供する。このシステムでは、送光装置（２６）が１次光通路に沿うように目標ガスにより吸収される波長のコヒーレントな１次放射ビーム（３２）を方向付け、光学装置（４４）は、別の光通路に沿うようにコヒーレントな２次放射ビーム（４６）を方向付ける。受光装置（２８）は、このコヒーレントな１次放射ビームと２次放射ビームを受光し、光ビーム結合器（５２）は、組み合わせビームを形成するためにその２つの放射ビームを結合する。１次放射ビームと２次放射ビームは、その組み合わせビーム内で干渉を発生させるように制御され、この受光装置の測定検出器（３５）は、その干渉により発生した干渉縞を検出するように構成されている。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
１次光通路に沿って目標ガスにより吸収される波長のコヒーレントな１次放射ビームを方向付けることが可能な送光装置と、
別の光通路に沿ってコヒーレントな２次放射ビームを方向付ける光装置と、
測定検出器を備えていて、前記のコヒーレントな１次放射ビーム及び２次放射ビームを受光する受光装置と、
結合ビームを形成するために前記の２つの放射ビームを組み合わせる光ビーム結合器とを有し、
前記１次放射ビーム及び２次放射ビームは、前記結合ビーム内において干渉を生じさせるように制御され、
前記受光装置の測定検出器は、この干渉により発生された干渉縞を検出するように構成されていることを特徴とする目標ガス検出用のガス検出システム。
【請求項２】
前記送光装置は、レーザを有することを特徴とする請求項１に記載のガス検出システム。
【請求項３】
前記光学装置は、前記２次放射ビームを発生するために前記１次放射ビームを分割するビーム分割装置を有することを特徴とする請求項１又は２に記載のガス検出システム。
【請求項４】
前記別の光通路は、前記２次放射ビームを前記光ビーム結合器に送るために光ファイバ光ガイドにより少なくとも一部画定されていることを特徴とする請求項１、２又は３のいずれかに記載のガス検出システム。
【請求項５】
検出されるガス吸収範囲にわたり前記１次放射ビームの波長を走査させるための走査装置を更に有することを特徴とする請求項１から４までのいずれかに記載のガス検出システム。
【請求項６】
前記１次光通路内に光遅延装置が含まれていることを特徴とする前記請求項のいずれかに記載のガス検出システム。
【請求項７】
前記光遅延装置は、ある長さの光ファイバを有することを特徴とする請求項６に記載のガス検出システム。
【請求項８】
前記２次放射ビームから得られた基準信号を検出するための基準検出器を更に有することを特徴とする前記請求項のいずれかに記載のガス検出システム。
【請求項９】
前記測定検出器において、前記１次放射ビーム及び前記２次放射ビームの重なりを調整する制御装置を更に有することを特徴とする前記請求項のいずれかに記載のガス検出システム。
【請求項１０】
前記制御装置は、前記測定検出器で前記１次放射ビーム及び前記２次放射ビームの少なくとも１方の焦点を調整するように構成されていることを特徴とする請求項９に記載のガス検出システム。
【請求項１１】
前記制御装置は、前記別の光通路の光要素の位置を調整するように構成されていることを特徴とする請求項９に記載のガス検出システム。
【請求項１２】
前記制御装置は、前記測定検出器の位置を調整するように構成されていることを特徴とする請求項９に記載のガス検出システム。
【請求項１３】
１次光通路に沿って目標ガスにより吸収される波長のコヒーレントな１次放射ビームを方向付け、
別の光通路に沿ってコヒーレントな２次放射ビームを方向付け、
結合ビームを形成するために前記の２つの放射ビームを組み合わせ、
前記結合ビーム内において干渉が生じるように前記１次放射ビーム及び２次放射ビームを制御し、
その干渉により発生された干渉縞を検出すること、
を特徴とする目標ガス検出用のガス検出方法。
【請求項１４】
前記２次放射ビームを発生するために前記１次放射ビームを分割することを特徴とする請求項１３に記載のガス検出方法。
【請求項１５】
前記別の光通路を介して前記２次放射ビームを前記光ビーム結合器に送るために光ファイバ光ガイドを更に使用することを特徴とする請求項１３又は１４に記載のガス検出方法。
【請求項１６】
検出されるガス吸収範囲にわたり前記１次放射ビームの波長を走査させることを更に特徴とする請求項１３から１５までのいずれかに記載のガス検出方法。
【請求項１７】
前記１次光通路内に光遅延を導入することを更に特徴とする前記請求項１３から１６までのいずれかに記載のガス検出方法。
【請求項１８】
前記２次放射ビームから得られた基準信号を検出することを更に特徴とする請求項１３から１７までのいずれかに記載のガス検出方法。
【請求項１９】
前記干渉縞を検出するために測定検出器において前記１次放射ビーム及び前記２次放射ビームの重なりを制御することを更に特徴とする請求項１３から１８までのいずれかに記載のガス検出方法。
【請求項２０】
前記１次放射ビーム及び前記２次放射ビームの少なくとも１方の焦点を調整することにより前記重なりを制御することを特徴とする請求項１９に記載のガス検出方法。
【請求項２１】
前記別の光通路の光要素の位置を調整することにより前記重なりを制御することを特徴とする請求項１９に記載のガス検出方法。
【請求項２２】
前記測定検出器の位置を調整することにより前記重なりを制御することを特徴とする請求項１９に記載のガス検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガス検出方法及び装置に関し、更に、ガスの赤外光検出に利用されるものであり、このガスなる用語には蒸気も含む。本発明は、監視される空間内の通路を横切って放射ビームを送光する送光装置と、この空間を横切って送光された放射ビームを検出する検出器を含む受光装置とを備えた開放通路ガス検出器に利用されるものである。「開放通路ガス検出器」なる用語は、通路の長さに関係なく、そして、通路が大気に開放されているか、及び／又は包囲されているか否かに関係なく検出装置を包含する意味で使用される。
【背景技術】
【０００２】
炭化水素ガスの検出のために非分散赤外線分光学を利用することは、既に充分に確証されている。この非分散赤外光分光学の本質は、監視される領域における通路に沿って赤外放射光を送光することであり、この赤外放射光の波長は、問題のガス（今後、「目標ガス」と称する）により吸収されるが監視される領域の大気内における他のガスによってはほとんど吸収されないように選択される。戸外監視の場合、理想としては、この選択波長は、（例えば、湿度、凝結、霧、雨又はしぶきの形をした）液体又は水蒸気により吸収されないものとする。監視領域における通路に沿って送られた放射赤外光の強度は、測定されるが、この放射赤外光の強度の減衰は、その監視区域における目標ガスの量の程度を示す。
【０００３】
しかし、この目標ガスによる吸収以外のファクタも、検出ビームを不明瞭にし、放射赤外光の大気分散を生じさせ、例えば、埃又は凝結物により検出器表面を汚染し、検出器の構成要素を老朽化させることを含めて放射赤外光を減衰させる。赤外光ガス検出器の信頼性は、ある基準を使用することにより大いに改善される。このような基準とは、通常は、別の波長、理想的には、目標ガスが大きな吸収を示さない波長の赤外放射光である。使用される放射光は、１つ以上の基準波長を有するものであってもよく、同様に、１つ以上の検出波長も使用してよい。目標ガスが吸収する波長（「サンプル」波長）で得られた信号と、目標ガスが実質的に吸収しない波長（「参照」波長）で得られた信号との比は、環境条件により生じる減衰を補償する。これは、参照波長の信号とサンプル波長の信号は、両方とも放射赤外光を減衰させる（目標ガスの存在以外の）どのような影響物によっても同じ程度の影響を受けるからである。
【０００４】
ポイント・ガス検出器を使用して大気中の毒ガスの存在を監視することは公知である。この場合、ポイント・ガス検出器は、自体近くの領域のガスを検出するものである。（本明細書の文脈中における用語「毒」ガスは、硫化水素、硫化フッ素、アンモニア、亜硫酸ガス、二酸化炭素及び一酸化炭素のような酸素、窒素及び炭化水素以外のガス又は蒸気を意味する）。このポイント・ガス検出器は、電気化学的又は光学的なものとすることができる。しかし、大領域を監視する時にポイント・ガス検出器を使用すると問題が生じる。それは、その監視領域のいたるところに数多くの検出器を配置すると費用がかさむからである。更に、目標ガスの形成が検出器間に存在する領域で起こる場合、この目標ガスは、検出されない。
【０００５】
１メートル、一般的には少なくとも１０メートルを超える通路長を持つ開放通路ガス検出器も知られており、この１つの測定器により更に大きな領域の監視が可能となっている。
【０００６】
開放通路ガス検出器の使用は、目標の毒ガスの特徴吸着波長を検出するために非常に短い波長に同調することができる同調可能なレーザ・ダイオードが適正価格で容易に入手可能となっていることにより一層魅力的なものとなっている。しかし、検出すべき毒ガスのレベルは、一般的には低く、典型的には５ｐｐｍ（ｐａｒｔｓ  ｐｅｒ  ｍｉｌｌｉｏｎ）及びそれ以下、例えば１ｐｐｍである。この低レベルでは、開放通路ガス検出器の雑音は、目標ガスを示す信号より大きくなって、この低レベルの有毒な目標ガスの検出を非常に困難にする場合がある。更に、その検出信号は、時間に対する電子的又は光学的な要素のドリフト、温度及び／又は大気条件などの変化のために識別不能となる場合がある。更に、同調可能なレーザ・ダイオードからのコヒーレントなレーザ放射光を使用することにより、干渉縞が生じることがあるが、これは、明暗の縞の間における放射光の強度の変化が目標ガスの低レベルの存在から生じる信号よりも大きくなるので問題となっている。
【０００７】
従って、１０ｐｐｍ程の低い目標ガス・レベルを測定するための毒ガス用の低価格で信頼性のある開放通路ガス検出器は、これまで製造が困難であった。
ＧＢ−２３５３５９１は、通路内の目標ガスを検出するために放射検出器に対し測定通路を横切るビームを向けるための放射源として同調可能なレーザ・ダイオードを使用する開放通路ガス検出器を記載している。このレーザ・ダイオードは、目標ガスの吸収ピークよりも一層非常に狭い帯域の放射光を送光する。
【０００８】
このような公知のシステムでは、レーザ・ダイオードの波長は、走査周波数ｆで目標ガスの吸収帯域を横切って走査される。この走査過程では、送光された放射光の強度も、走査周波数ｆと共に変化する。大気が目標ガスを含まない場合は、検出器からの信号は、走査周波数ｆと同じ周波数を有する。しかし、大気中に目標ガスが存在する場合、この目標ガスは、放射光を吸収し、それにより、時間に対する強度のプロットが２ｆの付加周波数成分を持つように検出器に達する放射光を減衰させる。
【０００９】
その測定通路における目標ガスの量が大きくなると、２ｆ成分の振幅は、大きくなる。信号の２ｆ成分（及び高調波成分）は、位相感知測定増幅器（ロックイン増幅器）を使用して決定することができる。２ｆ成分と１ｆ成分から形成された商は、測定路における目標ガスの量の大きさを与えることができる。１ｆと２ｆの成分は、双方とも同じように数多くの減衰条件、例えば、測定路の長さ、検出ビームの不明瞭性、大気散乱などに応答して影響され、従って、２ｆ：１ｆの商は、測定通路における目標ガスの量以外の減衰ファクタによって相対的に余り影響は受けない。
【００１０】
目標ガスのガス吸収帯にわたり走査するに必要な波長変化を得るために、レーザの電流は変化し、従って、光出力も変化する。レーザ・ダイオードの特性のために１ｆ成分の大きさは、必然的に大きい。２ｆ成分の大きさは、ガス吸収分の関数であり、低レベルの毒ガスの場合は小さい。従って、２ｆ：１ｆの商は、非常に小さく一般的には１０−４ないし１０−６であり、この商の小さい値は、この技術の大きな欠点である。それは、正確な測定が困難だからである。更に、レーザを駆動して位相感知測定増幅器を形成するために使用される電子装置により信号の高調波ひずみが生じ、２ｆの成分を含む１ｆ成分の高調波が生じる可能性がある。この付加的な２ｆ成分は、目標ガスによる吸収から生じる２ｆ成分と加えられ測定された目標ガス濃度は不正確となる。
【００１１】
ＧＢ−２３５３５９１では、走査される波長の中間値は、次の如く、フィードバック回路により制御される。レーザ・ダイオード・ビーム中には、ビーム分割器が設けられており、そのビームの一部は測定通路に沿って方向づけられ、一部は追加検出装置に向けられる。目標ガス（又は、適当な公知の吸収特性を持つ何らかの他の物質）のサンプルを保持するセルは、追加検出装置の正面に配置され、従って目標ガスの波長の放射光を吸収する。追加検出装置からの信号は、ダイオードにより放射された放射光の波長が、上記のように、検出ビームの場合と同じ方法でこのフィードバック・ビームの場合の２ｆ：１ｆの商を決定することにより、目標ガスの吸収帯を走査するか否かを示す。レーザ・ダイオードの波長がドリフトしている場合、このことは、検出器の信号から明らかであるが、そのことにより、正しい波長に戻すためにはレーザ・ダイオードに修正を加えることが可能となる。しかし、このような構成の１つの欠点は、上記のように、目標ガスが測定通路に低濃度で存在する時に、この目標ガスの信号を台無しにし得る干渉縞を与えるということである。
【００１２】
開放通路ガス検出器の他の問題は、測定通路に関わる距離に鑑みて送光器と受光器との精密な光学的整列が必要だということである。この問題を扱おうとして、ＧＢ−２３５３５９１は、測定通路の両端の送光器と受光器との間で最適な整列を行おうとするもので、このために、受光器と送光器との間に受光器に送光されるビームの方向を制御する双方向通信リンクの使用を提案している。送光器は、送光ビームの方向を変更するための操縦ミラーを有しており、送光ビームは、ある角度範囲にわたり周期的に走査され、このビームの最適方向は、受光装置により測定された強度が最大になる方向として決定される。次に、受光装置と送光装置との間の通信リンクは、この整列状態を達成するために操縦ミラーの最適位置に関するフィードバックを提供する。しかし、その結果は、操縦ミラーの制御及び操縦のためにかなりの数の付加要素を必要とする複雑なシステムとなる。
【００１３】
他の開放通路ガス検出器は、我々の係属中のヨーロッパ特許出願第０４２５７８９５．５に記載されている。この出願によれば、開放通路ガス検出器における検出器と送光された放射ビームとを整列させる方法は、周波数ｆ’で検出器を中心にして所定のループ・パターンでビームを操縦し、放射光が、対応する検出信号を発生するために通路を横断した後にこの放射光の強度を検出器で検出することを含む。ループ・ビームに対する検出器の位置は、ｆ’の周波数又はｆ’の高調波（例えば、２ｆ’、４ｆ’など）の検出器信号により示される強度変化から決定されてもよい。
【００１４】
従って、ビームは、検出器を中心とする通路で操縦され、検出器からの信号は、通路内における検出器の位置を発見してビームが検出器と整列することができるように解析される。この処理は、整列が達成されるまで、繰り返し、例えば、連続的により狭いループ通路を使用することによりなされてもよい。
【００１５】
検出器からの周波数ｆ’又は周波数ｆ’の高調波（ここでｆ’は、ビームが所定のループ・パターンを中心に移動される周波数である）の信号の振幅は、ループ内の中央領域と検出器との間の角度距離、例えば、丸いループの中心と検出器との間の角度距離の大きさを提供するために使用することができる。ビームは、円形又は非円形、例えば楕円、の通路で操縦されてもよい。非円形パターンで操縦されると、基本周波数ｆ’又はその高調波、例えば、２ｆ’の信号の振幅に対する別の高調波、例えば、４ｆ’の信号の振幅比は、ループ内の中央領域と検出器との間の距離の大きさを提供することができる。周波数ｆ’又は周波数ｆ’の高調波の検出器からの信号の強度変化の状態は、ループ内の中心領域、例えば、円形ループの中心に対する検出器の向きの大きさを提供することができる。
【００１６】
ＧＢ−２３５３５９１と我々の係属出願に記載のシステムは、複雑で両者とも送光装置及び受光装置を整列させるためのかなりの数の追加要素を必要とし、それら追加要素の全ては、測定器の製造及び保全の費用並びに信頼性に影響する可能性がある。
従って、効率的で信頼性が高く目標ガスのレベルを測定するために低価格の開放通路ガス検出器が依然として必要とされている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
本発明は、上記の問題を克服し、低価格製造が可能で信頼性があり効率的に動作することができるガス検出システムを提供しようとするものである。
又、本発明は、少なくとも以下に記載する好適な形状で複雑なビーム操縦システム及び他の可動部品を必要としないガス検出システムを提供しようとするものである。
更に、本発明は、目標ガス、例えば、毒ガスを検出するための開放通路ガス検出器に適用するに適したガス検出システムを提供しようとするものである。
【００１８】
本発明は、信号分離及び検出のために無線受信で一般に使用されているスーパーへテロダイン技術が、直接的な信号検出に比較して選択性及び雑音減少の点でかなりの性能の改善を提供するという事実から得られる。
本発明を理解するために、無線通信で使用されているヘテロダイン混合及びスーパーへテロダイン受信の技術をまず簡述する。へテロダイン混合とは、和／差の周波数を形成するために非線形応答を持つ増幅段のような電子装置において無線信号を加算（混合）することを必要とする。
【００１９】
その電子装置への２つの入力信号は、次の如く定義されるとする：
Ｓ１＝ｓｉｎ（ω１ｔ）．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．１
Ｓ２＝ｓｉｎ（ω２ｔ）．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．２
ここで：
Ｓ１とＳ２は、入力信号を表し、
ω１とω２は、信号周波数を表し、
ｔは、時間を表す。
【００２０】
次に、電子装置で生じる混合は、次の如く非線形伝達関数により表してもよい：
Ｒ＝ａ・Ｄ＋ｂ・Ｄ２＋ｃ・Ｄ３など．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．３
ここで：
Ｒは、この処理の応答であり、
Ｄは、入力信号又は駆動信号であり、
ａ、ｂ、ｃは、定数である。
３乗よりも高い定数は存在してもよい。しかし、本目的のためには、２乗の項のみが次の解析で考慮される。
【００２１】
従って、電子装置からの出力信号Ｓは、次のように表してもよい：
Ｓ＝ａ・（Ｓ１＋Ｓ２）＋ｂ・（Ｓ１＋Ｓ２）２．．．．．．．．．．．．．．．．４
線形変数を無視して２乗項を展開すると、
Ｓ＝ｂ・（ｓｉｎ（ω１ｔ）＋ｓｉｎ（ω２ｔ））・（ｓｉｎ（ω１ｔ）＋ｓｉｎ（ω２ｔ））
＝ｂ・（ｓｉｎ２（ω１ｔ）＋ｓｉｎ２（ω２ｔ）＋２（ｓｉｎ（ω１ｔ）・ｓｉｎ（ω２ｔ））．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．５
標準の三角関数の関係式：
２・ｓｉｎ（Ａ）・ｓｉｎ（Ｂ）＝ｃｏｓ（Ａ−Ｂ）−ｃｏｓ（Ａ＋Ｂ）．．．．．６
は、次の式を発生させるために式５に適用してもよい：
Ｓ＝ｂ・（ｃｏｓ（２ω１ｔ−π）／２＋ｃｏｓ（２ω２ｔ−π）／２＋１＋ｃｏｓ（（ω１−ω２）・ｔ））−ｃｏｓ（（ω１＋ω２）・ｔ）．．．．．．．．．．．．．７
【００２２】
式７は、出力信号Ｓが、周波数値ω１とω２の２倍の周波数及び和の周波数ω１＋ω２と差の周波数ω１−ω２を含むということを示す。スーパーへテロダイン検波においては、差の周波数ω１−ω２は、使用されて、いずれかの元の周波数の値よりも低い値のビート周波数を効果的に発生する。
スーパーへテロダイン受信を実際に利用する時、第１の入力信号Ｓ１は、無線搬送波信号であり、第２の入力信号Ｓ２の周波数ω２は、同調を達成し差の周波数ω１−ω２が確実に一定値に留まることを保証するために、通常は変化される。結果として、無線受信器における後続のフィルタ・増幅段は、公知の周波数を中心に設計することができ、これにより、大いに回路設計が簡略化され性能が高められる。更に、差の周波数ω１−ω２の使用は、無線搬送波信号の比較的高い周波数ω１と比較すると大幅に減少された周波数でフィルタ・増幅段が動作できるということを意味する。
【００２３】
同様な計算は、透明な媒体を介する２つの光ビームの送光に適用することができる。透明な媒体内では、光ビームは、分子の局部分極によって伝播する（分極とは、媒体内の原子又は分子に関する外部電子波関数の非局在化である）。この分極は、光信号の電界成分の強度に比例するので次のように表現してもよい：
Ｐ＝ｋ・Ｅ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．８
ここで：
Ｐは、分極、
Ｅは、電界強度
ｋは、定数である。
【００２４】
しかし、ある材料の場合は、分極は、電界に対し線形関係はないが、次の如く表現してもよい：
Ｐ＝ｋ・Ｅ＋ｋ２Ｅ２等．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．９
この状態では、光ビームが上記とほぼ同じ方法で媒体を通過する時に和と差の信号が発生される。
本発明によれば、この和及び／又は差の信号は、目標ガスの存在を監視し、この存在するガスのレベルを測定するためにガス検出システム及び方法で使用してもよい。
【００２５】
本発明の第１の態様によれば、
１次光通路に沿って目標ガスにより吸収される波長のコヒーレントな１次放射ビームを方向付けることが可能な送光装置と、
別の光通路に沿ってコヒーレントな２次放射ビームを方向付ける光装置と、
測定検出器を備えていて、前記のコヒーレントな１次放射ビーム及び２次放射ビームを受光する受光装置と、
結合ビームを形成するために前記の２つの放射ビームを組み合わせる光ビーム組み合わせ器とを有し、
前記１次放射ビーム及び２次放射ビームは、前記結合ビーム内において干渉を生じさせるように制御され、
前記受光装置の測定検出器は、この干渉により発生された干渉縞を検出するように構成されていることを特徴とする目標ガス検出用のガス検出システムが提供される。
【００２６】
本発明の第２の態様によれば、
１次光通路に沿って目標ガスにより吸収される波長のコヒーレントな１次放射ビームを方向付け、
別の光通路に沿ってコヒーレントな２次放射ビームを方向付け、
結合ビームを形成するために前記の２つの放射ビームを組み合わせ、
前記結合ビーム内において干渉を生じさせるように前記１次放射ビーム及び２次放射ビームを制御し、
その干渉により発生された干渉縞を検出すること、
を特徴とする目標ガス検出用のガス検出方法が提供される。
【００２７】
従って、本発明は、これまでガス検出器において問題があり望ましくないと考えられてきた特徴を利用する、すなわち、測定のために干渉縞を特に生成して検出する。
本発明は、多数の重要な利点を有している。特に、可動部品に関わる複雑な整列及び／又は操縦システムの必要は回避され、従って、製造コストは、大幅に減少されるはずである。むしろ、送光装置からの光ビームを駆動し整列させるための可動部品及びフィードバック回路に関わる構成を必要とせずに干渉縞は、発生されて満足に測定することができる。
【００２８】
以下に記載する本発明の好適な形態では、コヒーレントな１次及び２次放射ビームは、両者ともレーザのような単一光源から得られ、１次ビームは、２次ビームを発生するためにビーム分割装置により分割される。
２次ビームは、光ファイバの光ガイドにより上記の更なる光通路に沿って送光されてもよい。
好都合にも、光学的遅延は、その２つの光学通路の内の１つで提供される。その２つの光学通路の１つで光学的遅延を提供することにより、１次及び２次放射ビームが組み合わされる時に、これら両者の間の周波数差を精密に制御してもよい。
【００２９】
この組み合わせビームの更なる制御は、受光装置の測定検出器での１次ビーム及び２次ビームの重なりを調整するための制御装置を設けることにより達成してもよい。この調整は、例えば、測定検出器での１次ビームと２次ビームの少なくとも一方の焦点を変えることにより、又は、測定検出器の位置を調整することにより達成してもよい。
本発明を、一例により添付図面について更に記載する。
【実施例】
【００３０】
スーパーヘテロダイン受信に類似の技術がガス検出システムで如何に使用されるかを理解するために、ヤングのスリット実験を図１と図２に関してまず記載する。図１に示すように、レーザ１０のようなコヒーレントな光源は、発散ビームの周囲の内側に配置された２つのスリット１６を有する仕切り１４の方へ発散レンズ１２を介して光ビームを送光するようにされている。２つのスリット１６を通る光は、スクリーン１８に向けられた２つの照明通路を形成する。この２つの照明通路がスクリーン１８で重なる領域２０では、強度のピークと凹みを持つ照明パターンが図２に示すように形成される。これらの強度のピークと凹みは、干渉縞として知られていて、コヒーレントな光源から得られた多重の照明路が重なる時に発生される。
【００３１】
図１の構成は、本発明により図３に示した装置を提供するように変更してもよい。図３は、送光装置２６と受光装置２８とを備えた本発明による開放通路ガス検出器を示す。送光装置２６は、レーザ３０の形をしたコヒーレントな光源を有していて、この光源は、目標ガス監視空間３４を横切って受光装置２８にコヒーレントな検出ビーム３２を送る。レーザ３０により放射された検出ビーム３２は、１対のレンズ４０、４２からなるビーム拡張器３８を通過して監視空間３４に入る。監視空間３４の遠い側の受光装置２８は、検出スクリーン３６を持つ測定検出器３５を有しており、検出スクリーン３６は、検出ビーム３２にほぼ直角に配置されている。
【００３２】
第１のビーム分割器４４は、検出ビームを分割してコヒーレントな２次放射ビーム４６を発生するためにビーム拡張器３８と監視空間３４との間の検出ビーム３２の通路に配置されている。そのコヒーレントな２次光ビーム４６は、１対のミラー４８、５０及び更なるビーム分割器５２により受光装置２８の検出スクリーン３６の方へ更なる光通路に沿って反射される。ビーム分割器５２は、検出スクリーン３６を照明する前に検出ビームと２次ビームが再度組み合わされるように検出ビーム３２の光通路に配置されている。図示の場合では、検出ビーム３２と２次ビーム４６は、再度の組み合わせ時に精密には整列されず、以下に述べる理由で角度αで発散する。
【００３３】
この例では、検出スクリーン３６上の照明は、次の如く与えられる：
Ｅｙ＝Ｅｇｓｉｎ（ωｔ）＋Ｅｓｓｉｎ（ωｔ＋２π・ｙ・ｓｉｎ（α）／λ）．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．１０
ここで：
Ｅｙは、検出スクリーン３６上の基点からある距離ｙだけ離れた位置での検出スクリーン３６上の照明に関する電界ベクトルであり、
Ｅｇは、検出スクリーン３６における検出ビーム３２の直接放射光に関する電界ベクトルであり、
Ｅｓは、検出スクリーン３６上の２次放射ビーム４６の間接放射光に関する電界ベクトルであり、
αは、再度の組み合わせ時に検出ビーム３２に対する２次ビーム４６の角度であり、
ωは、レーザ３０からのコヒーレント光の周波数であり、
λは、レーザ３０からのコヒーレント光の波長である。
【００３４】
検出スクリーン３６の位置ｙにおける照明の強度は、Ｅｙ２により与えられる。式１０から、Ｅｙ２の式は、検出スクリーン３６上の方向ｙにおける交互の明暗の照明帯を表わす和と差の周波数項、すなわち、干渉縞を有するということが明らかである。この明暗の領域は、次の式で与えられる距離ｙｆだけ分離されている：
ｙｆ＝λ／ｓｉｎ（α）．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．１１
【００３５】
一例を示すと、開放通路ガス検出器で一般に使用されている１６００ナノメータの波長を仮定すると、変化角度αの場合の干渉縞間の間隙は、以下の表１で与えられる：
【表１】
2008537138.tif 000003
【００３６】
表１から明らかに、例えば、０．３ｍｍの直径の比較的小さな検出器により検出可能なかなりの間隙の干渉縞は、検出ビームと２次ビームが再度結合される角度αが比較的小さく、例えば、０．２度より小さく又はこれに等しく保持される場合に発生することができる。
【００３７】
今述べた例では、レーザ３０により放射された光の波長は、一定であり、従って、検出スクリーン３６上の縞パターンは、静的なものであるということを想定している。しかし、実際には目標ガスに関する問題の吸収帯を走査するために送光装置２６から放射されたレーザ光の波長が時間に対し変化することは開放通路ガス検出器において通常のことである。２次放射ビーム４６は、検出ビーム３２よりも検出スクリーン３６まで更なる迂回通路により移動するので、このことは、２次放射ビームは、検出スクリーン３６に当る時に検出ビーム３２に比較して遅延されるということを意味する。結果として、２次放射ビームは、検出ビーム３２に比較して幾分波長（従って、周波数）が異なることになる。これにより、式１０は次の如く変形される：
Ｅｙ＝Ｅｇｓｉｎ（ω１ｔ）＋Ｅｓｓｉｎ（ω２ｔ＋２π・ｙ・ｓｉｎ（α）／λ）．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．１２
ここで：
ω１とω２は、検出ビームと２次放射ビームのそれぞれの周波数である。
【００３８】
この状況下では、縞パターンは、依然として検出スクリーン３６上に発生される。しかし、交互の明暗の帯のパターンは、検出ビームと２次放射ビームの相対位相が時間に対し変化するに従って、時間の関数としてｙ方向に移動する。任意の一定の場所ｙにおいて、この効果的な移動速度は、ω１−ω２により与えられる。
この様な状況は、上記のスーパーヘテロダインの概念に類似するとみなすことができる。しかし、この処理では、スーパーヘテロダイン受信の場合のように実際の独立した和／差の周波数を実際には発生しないということを知ることが重要である。無線信号あるいは、高パワー・レーザでしばしば使用される波長２倍処理又は波長混合処理の場合のような光信号のスーパーヘテロダイン受信においては、和及び／又は差の周波数は、実際には実際に測定可能な放射場として発生される。
【００３９】
混合処理は、例えば、ネオジウム・イットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＮｄＹＡＧ）レーザの出力を混合する時に、必要な非線形分極特性を持つ適切な光学的結晶中で行われる。レーザからの１０６４ｎｍの不可視赤外（ＩＲ）光波長の光ビームは、その結晶内で５３２ｎｍの非常に見やすい緑の波長の光に変換される。この緑の光は、結晶内の欠陥又は結晶の表面の埃などによるわずかな散乱のために通常は明確に見ることができる。更に、この緑の光ビームは、（高パワー・レーザの場合）放射光の一部を同様に散乱する埃粒子のために結晶の向こう側の空気中で見ることもできる。従って、レーザからの不可視ＩＲ光は、結晶内に向けられ、そして、残りのＩＲ光ばかりでなく２倍波長の明確に見ることができる放射光を含む組み合わせビームが結晶から発生される。この可視ビームは、例えば、適切な波長依存フィルタを使用することにより残りのＩＲ放射光から分離することができる。この可視ビームは、元のＩＲ放射光から完全に分離される、このＩＲ放射光とは無関係の電磁放射の実際のビームである。
【００４０】
しかし、本処理においては、非線形混合段は存在しない。むしろ、２つの入射ビームは、両方とも、各ビームの放射に対して感応はするが和／差の周波数には特に感応しない検出器に対し照射される。この検出器が存在しないならば、和又は差の放射光は発生されないであろう。更に、和又は差の周波数に感応するのみの検出器を単に置換することは無益である。それは、如何なる信号も検出することはないからである。
【００４１】
特に、本願の場合、約１６００ｎｍの波長（従って、約２×１０１４Ｈｚ周波数）の放射光が使用される。これは、一般的に１５００ｎｍ付近にピーク応答を有するインジウム・ガリウム・ヒ素化合物（ＩｎＧａＡｓ）検出器の使用により容易に検出されるが、より低い波長に対してもなんらかの応答がなされる。しかし、発生されるその差の周波数は、１０１４Ｈｚより一層低く一般的には約数ＭＨｚである。このような周波数は、約数１０メートルの波長を有していて、それ自体ＩｎＧａＡｓ検出器によっては検出されない。むしろ、適当な検出器は、ワイヤ（アンテナ）であろう。しかし、１本の単純なワイヤが、２つのビームが重なる領域に配置されるならば、ＭＨｚ周波数の実際の放射光はまったく存在しないので、検出される差の周波数は存在しない。ここでの問題は、検出器は、光信号（２×１０１４Ｈｚ）を検出できなければならず、差の周波数（ＭＨｚ）は、縞パターン又は２つの光信号の間に生じるビートが原因で発生するだけであるということである。
【００４２】
従って、検出器スクリーン３６における検出器３５は、移動速度がω１−ω２である移動縞パターンを検出する。検出ビーム３２と２次放射ビーム４６の組み合わせの角度を確実に小さくすることによって、縞間隙は充分大きくなり比較的小さい検出器により検出することができる。
干渉縞の検出により、検出ビーム３２のみの直接測定と比較して多数の利点が得られることが分かった。特に、検出器３５により出力された測定信号は、このビームの直接測定の場合よりも検出ビーム３２を減衰させる大気ファクタの影響を受けにくいということが確証されている。従って、検出器３５内又は続く電子増幅段内で発生された雑音の影響の問題は減少する。
【００４３】
この改良の理由は、次の如くである。Ｅｇが、レーザ３０から直接監視空間３４を介して検出スクリーン３６に送光されて潜在的なガス吸収を受ける検出ビームに関する電界ベクトルとして理解され、Ｅｓが、レーザ３０から検出スクリーン３６に送光された２次又は間接放射ビームに関する電界ベクトルとして理解される場合、電界ベクトルＥｇは、ガス吸収に原因する減衰のために電界ベクトルＥｓよりかなり小さくなる。干渉縞パターンの明るいバンド（又はピーク）で測定された組み合わせの電界ベクトルの大きさは、Ｅｓ＋Ｅｇにより与えられ、一方、暗いバンド（又は溝）でのその大きさは、Ｅｓ−Ｅｇにより与えられる。検出スクリーン３６で検出器３５により測定された光の強度は、次の如く評価することができる：
Ｐｍａｘ＝（（Ｅｓ＋Ｅｇ）／ｋ）２．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．１３
Ｐｍｉｎ＝（（Ｅｓ−Ｅｇ）／ｋ）２．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．１４
ここで：
Ｐｍａｘは、明るいバンドの光の強度であり、
Ｐｍｉｎは、暗いバンドの光の強度であり、
ｋは、定数である。
【００４４】
従って、縞の強度範囲は次の如く表現してもよい：
Ｐｍａｘ−Ｐｍｉｎ＝４・√（Ｐｓ・Ｐｇ）．．．．．．．．．．．．．．．．．１５
基準も使用される場合は、別の検出器によってＰｓを更に測定し、レーザ３０とその光学要素に関連した系統的変化のない規格化された縞信号を発生することによって、測定信号は次の如くなる：
Ｓ＝４・√（Ｐｇ／Ｐｓ）．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．１６
本発明による式１５と１６の両方における測定信号の平方根の項の存在により、この測定信号は、従来技術による検出ビームの直接測定と比較して劇的な影響を受ける。それは、直接検出ビームのみから測定信号を得る場合よりも測定信号は、益々増大する大気の減衰に応答して更に遅い速度で減衰するということを意味するからである。結果として、大気による減衰及び検出器又は処理回路における雑音レベルにより発生される問題は、大いに減少される。
【００４５】
ガス検出能力は、Ｐｇ自体よりもむしろＰｇの変化に基づくので更に幾分変形を行う必要がある。ＰｇがδＰｇだけ変化すると、縞の強度範囲は次の如く変化する：
Ｆ２≒Ｆ１×（１＋０．５δＰｇ／Ｐｇ）．．．．．．．．．．．．．．．．．．１７
ここで：
Ｆ１は、変化δＰｇの前における縞の強度範囲であり、
Ｆ２は、変化δＰｇの後における縞の強度範囲である。
δＰｇ＜＜Ｐｇということは、仮定してもよい。
【００４６】
式１７は、認められた変化が２分の１になるということを示すが、これは、平方根の項の存在により提供される大なる利点と比較して払うべき代償が非常に小さいということを示す。
上記の利点は、特定例で示すことができる。この特定例では、検出器３５は、インジウム・ガリウム・ヒ素化合物（ＩｎＧａＡｓ）装置であり、この装置は、良好なノイズ性能を提供し、１ＭＨｚの典型的な信号帯域幅に対し約２×１０−１１の一般的な雑音等価パワー（ＮＥＰ）を有していると仮定する。又、測定路は、５０メータであり、レーザ・ビームは、１度の発散があると仮定もする。レーザのパワー出力は、一般的には面発光レーザ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ  ｃａｖｉｔｙ  ｓｕｒｆａｃｅ  ｅｍｉｔｔｉｎｇ  ｌａｓｅｒ：ＶＣＳＥＬ）の場合に０．５ｍｗであり、分布帰還型・レーザ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  ｆｅｅｄｂａｃｋ  ｌａｓｅｒ：ＤＦＢ）が代わりに使用された場合は、その１０倍となる可能性がある。
【００４７】
この例の場合の直接検出ビームに関する一般的な値は、以下の表２で与えられる：
【表２】
2008537138.tif 000004
【００４８】
光効率は、検出ビームに基づく送光装置と受光装置の両方の全ての種々の光学的要素を通して送光されたパワー全体の実際的な評価を示すが、実際の効率はこれよりもわずか大きいであろう。幾何学的効率は、ポインティング・エラー及び振動に対する許容度を提供するためにレーザ・ビームを適正な発散へと拡大する必要条件に関するものである。表２に与えられたファクタは、送光装置において可能性あるポインティング・エラーを補償するために検出ビームの１度のビーム発散と、３ｃｍの直径の収集光学要素とを想定している。最後に、大気中の伝播は、測定装置により許容される必要のある予期された「最悪の場合」である。これらの値での検出ビームの集合パワーは、検出器のＮＥＰレベルの約１０倍である。
【００４９】
この例では、間接的な２次放射ビームのパワー・レベルは、およそ０．０５ｍＷであると仮定してもよい。このパワー・レベルでは、検出器の雑音下限の約２．５×１０６倍である基本信号が検出スクリーン３６に発生される。これらの値に基づいて、式１５から得られた干渉縞パターンの明暗帯間のパワー差は、次の如く与えられる：
Ｐｍａｘ−Ｐｍｉｎ＝４・√（Ｐｇ・ＰＳ）
＝４・√（２×１０−１０×５×１０−５）
＝４×１０−７．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．１８
検出器からの出力信号は、（Ｐｍａｘ−Ｐｍｉｎ）／ＮＥＰにより与えられる信号対雑音（Ｓ／Ｎ）比を有する。このＳ／Ｎ比は、２０、０００であり、直接検出ビームのみの場合の２０００倍であるということがわかる。
【００５０】
実際、達成される可能性のある実際の雑音レベルは、検出信号がサンプリングされる平均時間とレーザの走査速度に依存する。更に、検出システムの性能を制限するものは、検出器の雑音レベルではなく、むしろ、検出器３５からの出力信号に対し行われる信号の第１の増幅段により発生される雑音である。一般的には、この増幅は、トランスインピーダンス増幅器により行われるが、この増幅器は約２０倍の雑音のために性能減少が生じる可能性がある。この性能減少を考慮すると、Ｓ／Ｎ比が１、０００に減少される。その上平均化も考慮すると、約５５０、０００の最終Ｓ／Ｎ比が生じるが、これは、明らかに許容可能と考えられる１００、０００の最終Ｓ／Ｎ比を十分達成するに余りあるものである。
【００５１】
次に図４と図５で、本発明の第２の実施例を説明する。この実施例は、図３に示したものと同一原理で動作する。図３の実施例の場合のように、本発明の第２の実施例は、レーザ６２を備えた送光装置６０と、検出スクリーン６８を持つ測定検出器６６を備えた受光装置６４とを有している。
レーザ６２からの出力は、光ファイバ・ガイド７０内に供給され、そこからビーム分割器７２に送られる。このビーム分割器７２では、光ビームは、検出ビーム７４と２次放射ビーム７６に分割される。検出ビーム７４は、別の光ファイバ・ガイド７８により提供される光遅延要素を介してビーム拡張器８０に送光されて、そこから監視すべき領域８２を横切って収束器８４に送られ測定検出器６６の検出スクリーン６８に検出ビームを合焦させる。
【００５２】
一方、２次放射ビーム７６は、別の光ファイバー・ガイド８６を介してビーム拡張器８８に送られ、このビーム拡張器８８は、２次放射ビーム７６のほぼ９０％に達するかなりの部分を方向付けるためのビーム分割器９０において２次放射ビーム７６を収束器８４に方向付け、そこから検出スクリーン６８まで送る。２次放射ビーム７６のほぼ１０％の残りの部分は、レーザ６２の出力中の系統的変化を補償するための規格化基準として使用されるためビーム分割器９０を介して他の収束器９２と、基準検出器９４とに送られる。
上記のように、一部が監視領域８２におけるわずかなガスにより吸収される検出ビーム７４と、第２のビーム７６は、ビーム分割器９０の下流で結合されて測定検出器６６の検出スクリーン６８上に干渉縞を発生する。この組み合わせの信号は、上記のように出力として測定信号を提供するために測定検出器６６により検出される。
【００５３】
上記説明のように、レーザ出力は、監視される目標ガスの吸収帯にわたり走査され、検出ビーム７４と２次放射ビーム７６の間の通路長の差により、通常、再結合時に２次放射ビーム７６内に時間遅延が導入される。光学的遅延７８を調整することにより、この遅延は、制御することができ、そして、任意の選択値となるように選択することができる。
上記でも説明したように、重要なことは、検出ビーム７４と２次放射ビーム７６は、大きな縞間隙を有する縞パターンが検出スクリーン６８の大きさとの比較により確実に発生されるように再結合時に充分整列されるということである。上記の表１は、再結合時の上記２つのビームの相対角は、約０．１度となることが好ましいということを示す。この角度は、送光装置６０における振動の程度がレーザ・ビームの発散角よりも小さい（すなわち、この例では、＋又は−０．５度よりも小さい）場合、送光装置６０におけるポインティング・エラー又は振動により比較的受ける影響は少ない。
【００５４】
それにも関わらず、受光装置６４におけるポインティング・エラー又は振動は、検出スクリーン６８における検出ビーム７４と検出器ビーム７６との重なりに対し影響を与える。特に、図５を参照すると、ビーム分割器９０と収束レンズ８４は、受光装置６４内で互いに固定され、ビーム分割器９０により反射されて収束レンズ８４を通して方向付けられた２次放射ビーム７６からの光は、点ｘ１において検出器スクリーン６８の上に合焦される。受光装置６４が送光装置６０に対して整列されている場合、検出ビーム７４は、実線により示された通路に沿って受光装置６４内で受光され、そして、再結合時に２次放射ビーム７６と一致し、同一点ｘ１において検出スクリーン６８上に合焦される。しかし、受光装置６４が、図５に示すように、角度βだけ送光装置６０に対してわずかに不整列の場合、検出ビーム７４は、破線で示した方向に移動するように現れ、そして点ｘ２において検出スクリーン上に合焦される。この例では、この２つのビームの光通路は、検出スクリーン６８上では重ならず、従って、干渉縞は生じないということを知ることができる。
【００５５】
この状況を改良すべき可能性ある方法は、測定検出器６６を収束レンズ８４、例えば、その平面ｆ−ｆ’の方へ移動させることである。検出ビーム７４と２次放射ビーム７６は、再び重なるが、干渉縞の相対間隙は減少される。換言すれば、検出スクリーン６８上の縞の数は増大する。従って、縞パターンの明暗の帯を分離する縞の強度範囲も減少され、検出感度を、増加させる必要があるということになる。
【００５６】
この問題を解決する別の試みは、１方のビームが測定検出器６６の検出スクリーン６８において厳密に合焦され、他方のビームが検出スクリーン６８の全領域を満たすように不完全に合焦されることを確実にするために、検出ビーム７４と２次放射ビーム７６の一方又は両方内に合焦装置を導入することである。例えば、これは、光ガイド８６の終端の移動及び／又はビーム拡張器８８の移動を可能にする装置により達成してもよい。
種々の可能な変形例を本発明の上記の実施例に導入してもよいことは明らかである。
特に、元のレーザ出力を１次検出ビームと２次ビームに分割し、そして、検出用の干渉縞を発生するために、これら２つのビームをその後再度結合するための別の手段を考慮してもよい。
【００５７】
同様に、２次放射ビーム７６から基準信号を得るための基準検出器９４は、完全に省略してもよい。或いは、基準信号は、別の場所、例えば、図示のように下流よりもむしろビーム分割器９６の上流で２次放射ビーム７６から取り出してもよい。
上記の方法及び装置は、開放通路ガス検出器を使用してガスを検出する感応手段を提供し、かつ、霧の立ちこめた状況及び不透明な大気に対する許容誤差に鑑みて大なる利点を提供するものである。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明の原理を説明するためにヤングのスリット実験で使用した従来の光学装置の略図である。
【図２】図１の光学装置から生じる照明のパターンの図である。
【図３】本発明による装置の第１の実施例の略図である。
【図４】本発明による装置の第２の実施例の略図である。
【図５】図４の装置の詳細である。
【図１】
2008537138.tif 000005
【図２】
2008537138.tif 000006
【図３】
2008537138.tif 000007
【図４】
2008537138.tif 000008
【図５】
2008537138.tif 000009
【手続補正書】
【提出日】平成19年10月23日(2007.10.23)
【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】
１次光通路に沿って目標ガスにより吸収される波長のコヒーレントな１次放射ビームを方向付けることが可能な送光装置と、
別の光通路に沿ってコヒーレントな２次放射ビームを方向付ける光装置と、
測定検出器を備えていて、前記のコヒーレントな１次放射ビーム及び２次放射ビームを受光する受光装置と、
結合ビームを形成するために前記の２つの放射ビームを組み合わせる光ビーム結合器とを有し、
前記１次放射ビーム及び２次放射ビームは、前記結合ビーム内において干渉を生じさせるように制御され、
前記受光装置の測定検出器は、この干渉により発生された干渉縞を検出するように構成されていることを特徴とする目標ガス検出用のガス検出システム。
【請求項２】
前記送光装置は、レーザを有し、前記光学装置は、前記２次放射ビームを発生するために前記１次放射ビームを分割するビーム分割装置を有することを特徴とする請求項１に記載のガス検出システム。
【請求項３】
１次光通路に沿って目標ガスにより吸収される波長のコヒーレントな１次放射ビームを方向付け、
別の光通路に沿ってコヒーレントな２次放射ビームを方向付け、
結合ビームを形成するために前記の２つの放射ビームを組み合わせ、
前記結合ビーム内において干渉が生じるように前記１次放射ビーム及び２次放射ビームを制御し、
その干渉により発生された干渉縞を検出すること、
を特徴とする目標ガス検出用のガス検出方法。
【請求項４】
前記２次放射ビームを発生するために前記１次放射ビームを分割し、検出されるガス吸収範囲にわたり前記１次放射ビームの波長を走査させることを更に特徴とする請求項３に記載のガス検出方法。
【国際調査報告】
2008537138.tif 000010
2008537138.tif 000011
2008537138.tif 000012
2008537138.tif 000013