(57)【要約】【課題】容易に製造することができ、かつ干渉縞の空間周波数を容易に調整することのできる光干渉式ガス濃度測定装置の提供。【解決手段】光干渉式ガス濃度測定装置は、測定対象ガス用セルと、標準ガス用セルと、ビームスプリッタと、ビームスプリッタにより分割され、各々、測定対象ガス用セルを通過した光および標準ガス用セルを通過した光を、ビームスプリッタ上において合成し、干渉縞を生じさせるよう反射する三角柱状のプリズムと、合成光を受光する干渉縞検出手段とを備え、前記プリズムが、下底面が上底面に対して傾斜した形態を有し、下底面が測定対象ガス用セルおよび標準ガス用セルの各々から当該プリズムに向かう方向に出射する光に平行となる状態で固設され、前記ビームスプリッタ上において合成された光が干渉縞検出手段に至るまでの光路上に干渉縞空間周波数調整用レンズが、当該光路に沿って移動可能に設けられていることを特徴とする。【選択図】図１
2008203022.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象ガス用セルと、当該測定対象ガス用セルに並設された標準ガス用セルと、光源からの光を分割するビームスプリッタと、ビームスプリッタにより分割され、各々、測定対象ガス用セルを通過した光および標準ガス用セルを通過した光を、当該ビームスプリッタ上において合成し、干渉縞を生じさせるよう反射する、上底面および下底面を有する三角柱状のプリズムと、合成された光を受光する干渉縞検出手段とを備えた光干渉式ガス濃度測定装置であって、
前記上底面および下底面を有する三角柱状のプリズムが、下底面が上底面に対して傾斜した形態を有し、当該下底面が測定対象ガス用セルおよび標準ガス用セルの各々から当該プリズムに向かう方向に出射する光に平行となる状態で固設されており、
前記ビームスプリッタ上において合成された光が干渉縞検出手段に至るまでの光路上に干渉縞空間周波数調整用レンズが、当該光路に沿って移動可能に設けられていることを特徴とする光干渉式ガス濃度測定装置。
【請求項２】
三角柱状のプリズムが、直角二等辺三角柱状のプリズム形成用部材の下底面を研磨することによって得られるものであることを特徴とする請求項１に記載の光干渉式ガス濃度測定装置。
【請求項３】
三角柱状のプリズムにおける上底面に対する下底面の傾斜角度が０．５〜４．５°であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光干渉式ガス濃度測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光干渉式ガス濃度測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガス濃度を測定するための装置の一種として、測定対象ガス（以下、「被測定ガス」ともいう。）と、例えば空気などの標準ガスとの光の屈折率の差異を干渉縞の変位として検出し、この干渉縞の変位量に基づいてガス濃度を測定する光干渉式ガス濃度測定装置が用いられている。
【０００３】
光干渉式ガス濃度測定装置の或る種のものとしては、図４に示すように、被測定ガスを導入するための測定対象ガス用セル部１２および例えば空気などの標準ガスを充填するための標準ガス用セル部１３、１４が区画されてなるチャンバ１１と、光源１５からの光を分割する平行平面鏡１６と、当該平行平面鏡１６によって分割され、チャンバ１１を通過した光を反射することによってその進行方向を変更し、再度チャンバ１１を通過させた後に平行平面鏡１６上において重ね合わせ、干渉縞を生じさせることのできるよう、調整されて配置されたプリズム４１と、平行平面鏡１６上で重ね合わせられた合成光（干渉光）を受光する干渉縞検出手段１７とを備えてなる構成のものがある（例えば、特許文献１参照。）。
図４において、１９は合成光を反射する平面鏡、４２は合成光を集光するための集光レンズであり、この集光レンズ４２の焦点位置に干渉縞検出手段が配置されている。また、一点鎖線矢印は、光源１５からの光が干渉縞検出手段１７に受光されるまでの経路を示す。
【０００４】
従来、このような構成の光干渉式ガス濃度測定装置においては、干渉縞の空間周波数（縞の幅）を調整する方法として、平行平面鏡１６やプリズム４１の取り付け角度を調整する（図４参照）手法が採用されている。
【０００５】
しかしながら、被測定ガスの特性（ガス濃度）の変動に伴って生じる干渉縞の変位量は極めて微小であることから、構成部材の配置位置および配置状態（取り付け角度）のズレが小さなものであってもそれが測定精度に与える影響が大きいため、平行平面鏡やプリズムの取り付け角度によって干渉縞の空間周波数の調整を行う構成の光干渉式ガス濃度測定装置においては、その製造工程において熟練を要する微細な角度調整が必要とされ、しかも振動や衝撃などの外力を受けることなどによって取り付け角度が調整可能な構成部材の配置位置および配置状態にズレが生じやすいことから、その度毎に調整を行うことが必要となる、という問題がある。
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−３１０９０９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は以上のような事情に基づいてなされたものであって、その目的は、容易に製造することができ、かつ干渉縞の空間周波数を容易に調整することのできる光干渉式ガス濃度測定装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の光干渉式ガス濃度測定装置は、測定対象ガス用セルと、当該測定対象ガス用セルに並設された標準ガス用セルと、光源からの光を分割するビームスプリッタと、ビームスプリッタにより分割され、各々、測定対象ガス用セルを通過した光および標準ガス用セルを通過した光を、当該ビームスプリッタ上において合成し、干渉縞を生じさせるよう反射する、上底面および下底面を有する三角柱状のプリズムと、合成された光を受光する干渉縞検出手段とを備えた光干渉式ガス濃度測定装置であって、
前記上底面および下底面を有する三角柱状のプリズムが、下底面が上底面に対して傾斜した形態を有し、当該下底面が測定対象ガス用セルおよび標準ガス用セルの各々から当該プリズムに向かう方向に出射する光に平行となる状態で固設されており、
前記ビームスプリッタ上において合成された光が干渉縞検出手段に至るまでの光路上に干渉縞空間周波数調整用レンズが、当該光路に沿って移動可能に設けられていることを特徴とする。
【０００９】
本発明の光干渉式ガス濃度測定装置においては、三角柱状のプリズムが、直角二等辺三角柱状のプリズム形成用部材の下底面を研磨することによって得られるものであることが好ましい。
【００１０】
本発明の光干渉式ガス濃度測定装置においては、三角柱状のプリズムにおける上底面に対する下底面の傾斜角度が０．５〜４．５°であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の光干渉式ガス濃度測定装置は、プリズムが、下底面が上底面に対して傾斜した形態の三角柱状体であると共に、ビームスプリッタによって分割され当該ビームスプリッタ上で合成された合成光が干渉縞検出手段に至るまでの光路上に干渉縞空間周波数調整用レンズが移動可能に設けられてなる構成を有するものであることから、プリズムおよびビームスプリッタの取り付け角度を調整することなく、プリズムを、下底面が測定対象ガス用セルおよび標準ガス用セルの各々から当該プリズムに向かう方向に出射する光に平行となるよう配置することにより、当該プリズム自体の有する傾きによって干渉縞を生じさせることができると共に、干渉縞空間周波数調整用レンズを移動するという容易な手法により、当該干渉縞空間周波数調整用レンズと干渉縞検出手段との相対位置によって干渉縞検出手段における干渉縞の結像倍率を変更し、これにより、干渉縞の空間周波数を微調整することができるため、容易に製造することができ、かつ干渉縞の空間周波数の調整を容易に行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図１は、本発明の光干渉式ガス濃度測定装置の構成の一例を示す説明図である。
この光干渉式ガス濃度測定装置は、基体（図示せず）内において、被測定ガス（測定対象ガス）を導入するための測定対象ガス用セル部（以下、「被測定ガス用セル部」ともいう。）１２と、例えば空気などの標準ガスを充填するするための標準ガス用セル部１３、１４とが、被測定ガス用セル部１２が中央に位置するよう並列した状態に区画されてなるチャンバ１１と、光源１５と、当該光源１５からの光を受光する干渉縞検出手段１７とを備えており、当該チャンバ１１の一端側（図１において左側）外方には、光源１５からの光を分割する平行平面鏡１６よりなるビームスプリッタが配設され、一方、チャンバ１１の他端側（図１において右側）外方には、三角柱状のプリズム２１が固設されている。
【００１３】
この光干渉式ガス濃度測定装置においては、光源１５からの光が、平行平面鏡１６によって２つに分割され、その状態でチャンバ１１を通過した後、さらにプリブム２１の一面（以下、「光入出射面」ともいう。）２２から入射し、各々、個別にプリズム２１に反射されることによって当該光入出射面２２から出射され、このプリズム２１から出射した２つの出射光が再びチャンバ１１を通過した後、平行平面鏡１６上の点Ｐにおいて重ね合わせられ、この平行平面鏡１６上において合成された合成光（干渉光）が平面鏡１９を介して干渉縞検出手段１７に受光されることとなる。
【００１４】
そして、光干渉式ガス濃度測定装置を構成するプリズム２１は、図２および図３に示すように、下底面（図２において下面）２４が上底面（図２において上面）２３に対して傾斜した形態、すなわち、３つの側面が上底面２３に対してのみ垂直である形態の三角柱状体である。
【００１５】
このプリズム２１は、三角柱状体における３つの側面のうちの互いに垂直な２つの側面以外の側面よりなる光入出射面２２から平行平面鏡１６によって２つに分割された光の各々が入射され、かつ当該光入出射面２２から反射した光が出射されるよう、光入出射面２２がチャンバ１１の他端側の光通過用開口部１１Ａに対向し、かつ下底面２４がチャンバ１１の被測定ガス用セル部１２および標準ガス用セル部１４の各々から当該プリズム２１に向かう方向（図１において右方向）に出射する光と平行となる状態に配置される。
このようにして、プリズム２１は、下底面２４が、チャンバ１１を通過して他端側から、当該プリズム２１に向かう方向に出射する光（以下、これらを単に「プリズム側チャンバ出射光」ともいう。）と平行となる状態に配置されることにより、光入出射面２２を構成する側面以外の２つの側面が、プリズム側チャンバ出射光に平行な面（以下、「出射光平行面」ともいう。）に対して傾斜した状態、すなわち上底面２３に垂直に伸びる当該プリズム２１の軸が出射光平行面に対して傾斜した状態となる。従って、プリズム２１は、それ自体が、光源１５と平行平面鏡１６の位置関係および当該平行平面鏡１６の法線によって定められる基準面（以下、「光学系基準面」ともいう。）に対して傾きを有する状態とされるため、平行平面鏡１６によって２つに分割された光源１５からの光の各々を反射することによってその進行方向を変更し、当該平行平面鏡１６上において重ね合わせることができる。
【００１６】
プリズム２１において、上底面２３に対する下底面２４の傾斜角度θは、必要とされる適宜の角度に設定され、例えば０．５°〜４．５°である。
傾斜角度θが過大である場合には、干渉縞の空間周波数が大きく、すなわち干渉縞の幅が小さくなり、一方、傾斜角度θが過小である場合には、干渉縞の空間周波数が小さく、すなわち干渉縞の幅が大きくなる。
【００１７】
プリズム２１は、例えばその形態が直角二等辺三角柱状のプリズム形成用部材を用意し、当該プリズム形成用部材の下底面を研磨することにより、得ることができる。
【００１８】
また、光干渉式ガス濃度測定装置には、平行平面鏡１６上において重ね合わせられた合成光が干渉縞検出手段１７に至るまでの光路（以下、「干渉光用光路」ともいう。）上に干渉縞空間周波数調整用レンズ（以下、単に「干渉縞調整用レンズ」ともいう。）３１、３２が、各々、当該干渉光用光路に沿って移動可能に設けられている。
この図の例においては、干渉縞調整用レンズ３１、３２は、各々、平面鏡１９と干渉縞検出手段１７との間に形成される光路上において移動可能に設けられており、干渉縞調整用レンズ３１、３２の焦点が干渉縞検出手段１７上に位置するよう調整されている。
【００１９】
干渉縞調整用レンズ３１、３２としては、干渉光用光路上を移動することによって焦点位置を可変することのできるものであればよく、例えば凹レンズ、凸レンズなどを用いることができる。
この図の例においては、干渉縞調整用レンズ３１は凸レンズであり、干渉縞調整用レンズ３２は凹レンズである。
【００２０】
この干渉縞調整用レンズ３１、３２は、各々、位置調整可能に固定されるものであり、例えば基体に形成された、平面鏡１９と干渉縞検出手段１７との間に形成される光路に平行なスリットよりなるレンズ固定部において螺子止めにより、当該スリットの長さ方向に移動可能に固定される。
【００２１】
光源１５としては、例えば白熱電球、ＬＥＤ（発光ダイオード）などを用いることができ、また、干渉縞検出手段１７としては、例えば目盛り付ガラス板、ＣＣＤカメラなどを用いることができる。
ここに、光源１５として白熱電球などを用いることによって干渉縞として白色干渉縞が形成される場合には、干渉縞検出手段１７として目盛り付ガラス板、ＣＣＤカメラなどを用いて干渉縞の変位量を直接的に測定することとなる。また、光源１５としてＬＥＤなどを用いることによって干渉縞として単色干渉縞が形成される場合には、例えば干渉縞検出手段１７として撮像素子として１次元イメージセンサ（リニアイメージセンサ）を用いたＣＣＤカメラを用い、このＣＣＤカメラによって検出された干渉縞に基づいて縞数カウンタおよびフーリエ解析技術による位相解析、さらには合成波長干渉法（光源１５としてＬＥＤを２個使用）を併用することによって干渉縞の変位量が算出されることとなる。
【００２２】
このような構成を有する光干渉式ガス濃度測定装置は、測定動作中において、チャンバ１１に対して、被測定ガス用セル部１２に被測定ガスが導入されると共に、標準ガス用セル部１３、１４の各々に標準ガスが充填された状態で光源１５から光が放射されることにより、この光源１５からの光が光路Ｌ１を経て平行平面鏡１６に入射し、反射されると共に２つに分割され、この分割された光のうちの一方の光がチャンバ１１の標準ガス用セル部１４を通過し、プリズム２１に光入出射面２２から入射し、反射されて当該光入出射面２２から出射した後、チャンバ１１の標準ガス用セル部１３を通過する、すなわち光路Ｌ２、光路Ｌ４および光路Ｌ６をこの順に経ることによって平行平面鏡１６に入射する。また、平行平面鏡１６により分割された他方の光はチャンバ１１の被測定ガス用セル部１２を通過し、プリズム２１に光入出射面２２から入射し、反射されて当該光入出射面２２から出射した後、再度、チャンバ１１の被測定ガス用セル部１２を通過する、すなわち光路Ｌ３、光路Ｌ５および光路Ｌ７をこの順に経ることによって平行平面鏡１６に入射する。  そして、標準ガス用セル部１４および標準ガス用セル部１３をこの順に通過した光と、被測定ガス用セル部１２を２度通過した光とが、平行平面鏡１６上の点Ｐにおいて重ね合わせられ、この合成光が平行平面鏡１６から出射されて平面鏡１９によって反射され、干渉縞調整用レンズ３１、３２を介して、当該干渉縞調整用レンズ３１、３２の焦点が位置する干渉縞検出手段１７上において受光される、すなわち光路Ｌ８および光路Ｌ９をこの順に経ることにより、当該干渉縞検出手段１７において干渉縞が検出されることとなる。  このようにして、光干渉式ガス濃度測定装置においては、干渉縞調整用レンズ３１、３２の焦点において形成され、当該焦点が位置する干渉縞検出手段１７によって検出される干渉縞が、被測定ガスと標準ガスとの光の屈折率差に比例して移動することを利用し、例えば光源１５として白熱電球を用い、干渉縞検出手段１７として目盛り付ガラス板を用いた場合においては、目盛り付ガラス板に映し出される干渉縞の変位量を目視によって測定することにより、ガス濃度が検知される。
【００２３】
以上のような光干渉式ガス濃度測定装置においては、プリズム２１が、下底面２４が上底面２３に対して傾斜した形態の三角柱状体であることから、単にプリズム側チャンバ出射光に対して下底面２４を平行とし、かつ光入出射面２２がチャンバ１１の光通過用開口部１１Ａに対向するよう配置することにより、当該プリズム２１自体の有する、光源１５および平行平面鏡１６によって定められる光学系基準面に対する傾きによって平行平面鏡１６により２つに分割された光の各々を反射することによってその進行方向を変更し、再度チャンバ１１を通過させた後、平行平面鏡１６上において重ね合わせることのできる配置状態とされることとなるため、当該プリズム２１の取り付け角度を調整することなく固設しても、干渉縞を生じさせることができる。
また、干渉光用光路上に位置調整可能な干渉縞調整用レンズ３１、３２が設けられていることから、プリズム２１および平行平面鏡１６の取り付け角度を調整することなく、干渉縞調整用レンズ３１、３２を干渉光用光路上において移動するという容易な手法により、当該干渉縞調整用レンズ３１、３２と干渉縞検出手段１７との相対位置によって当該干渉縞検出手段１７における干渉縞の結像倍率を変更し、これにより、干渉縞の空間周波数を微調整することができる。
【００２４】
従って、この光干渉式ガス濃度測定装置は、その製造工程において、プリズム２１を、取り付け角度の調整をすることなく、光学系基準面に対して傾いた状態に配設することができると共に、当該プリズム２１が研磨によって加工されることにより得られるものであっても、プリズム２１における上底面２３に対する下底面２４の傾斜角度θのバラツキに起因して生じる干渉縞の空間周波数のバラツキを、干渉縞調整用レンズ３１、３２を移動することのみによって調整し、干渉縞検出手段１７において検出される干渉縞を所望の空間周波数を有するものに設定することができるため、プリズム２１および平行平面鏡１６の取り付け角度の微細な調整や、プリズムの研磨に高度な研磨加工技術による微調整が必要とはされないことから、容易に製造することができる。
【００２５】
また、光干渉式ガス濃度測定装置においては、取り付け角度の調整が必要でないことから、プリズム２１および平行平面鏡１６を強固に固定することができるため、当該干渉式ガス濃度測定装置が振動や衝撃などの外力を受けることなどによってプリズム２１および平行平面鏡１６の配置位置および配置状態にズレが生じることを防止することができ、しかも、外力を受けることによって移動可能に設けられている干渉縞調整用レンズ３１、３２に配置位置および配置状態のズレが生じた場合であっても、容易に再調整することができる。
【００２６】
以上、本発明の光干渉式ガス濃度測定装置について具体的に説明したが、本発明は以上の例に限定されるものではなく、種々の変更を加えることができる。
例えば、干渉光用光路上に移動可能に設けられる干渉縞空間周波数調整用レンズは、干渉縞検出手段に受光される干渉縞の結像倍率を変更することができればよく、その個数は２個に限定されず、何個であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の光干渉式ガス濃度測定装置の構成の一例を示す説明図である。
【図２】図１の光干渉式ガス濃度測定装置に用いられているプリズムを示す説明用斜視図である。
【図３】図２のプリズムの上面および一側面を示す説明図である。
【図４】従来の光干渉式ガス濃度測定装置の構成の一例を示す説明図である。
【符号の説明】
【００２８】
１１    チャンバ
１１Ａ    光通過用開口部
１２    測定対象ガス用セル部（被測定ガス用セル部）
１３、１４    標準ガス用セル部（標準ガス用セル部）
１５    光源
１６    平行平面鏡
１７  干渉縞検出手段
１９  平面鏡
２１  プリズム
２２  一面（光入出射面）
２３  上底面
２４  下底面
３１、３２    干渉縞空間周波数調整用レンズ
４１  プリズム
４２  集光レンズ
【図１】
2008203022.tif 000003
【図２】
2008203022.tif 000004
【図３】
2008203022.tif 000005
【図４】
2008203022.tif 000006