(57)【要約】【課題】本発明は、赤外光の検知感度を高めると共に装置をコンパクト化することが可能なガス検知装置を提供することを目的とするものである。【解決手段】ガス検知装置１は、赤外光照射部１０、和周波変換器１６及び光検知器１７を備えており、赤外光照射部１０は、シードレーザ光源１１、励起レーザ光源１２、光パラメトリック変換器１３、送受信鏡１４及び走査機構１５を備えている。光パラメトリック変換器１３から出射された赤外光は送受信鏡１４からターゲットＷに照射されて反射光が送受信鏡１４に受光される。受光された赤外光は、和周波変換器１６により近赤外光又は可視光に変換されて光検知器１７に入射する。光検知器１７は、検知感度の高い近赤外光又は可視光用の光検知器を用いることができ、装置自体の熱ノイズの影響を受けることがないため、高い検知感度の測定を行うことができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
検知対象ガスを検知するための赤外光を検知対象領域に照射する照射手段と、検知対象領域から散乱又は反射された赤外光を受光する受光手段と、受光された赤外光を和周波変換により近赤外光又は可視光に変換する変換手段と、変換手段により変換された近赤外光又は可視光に基づいて検知対象ガスを検知する検知手段とを備えていることを特徴とするガス検知装置。
【請求項２】
前記変換手段に用いられる励起光源を、前記照射手段における赤外光の発生のための励起光源として用いていることを特徴とする請求項１に記載のガス検知装置。
【請求項３】
前記変換手段は、和周波変換を行う擬似位相整合非線形光学結晶を備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載のガス検知装置。
【請求項４】
前記照射手段は、所定の赤外光を発生させるための擬似位相整合非線形光学結晶を備えていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のガス検知装置。
【請求項５】
前記照射手段は、異なる波長の赤外光を発生させるドメイン周期構造が異なる複数の光伝搬部を有する擬似位相整合非線形光学結晶を備えており、前記変換手段は、異なる波長の赤外光の和周波変換を行うドメイン周期構造が異なる複数の光伝搬部を有する擬似位相整合非線形光学結晶を備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載のガス検知装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、赤外光により都市ガス等の燃料ガス又は大気汚染ガスや排気ガス等の有害ガスを検知するガス検知装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、都市ガス等の燃料ガスが漏洩しているのを検知するために赤外線を用いた検知方法が提案されている。例えば、特許文献１では、ガス配管などからガスが漏洩している領域に、ガスに吸収される吸収波長と非吸収波長との２波長の赤外線を含む可視化用赤外線を照射し、その反射光を受光素子で受光して、画像処理回路による受光強度の比較からガスの濃度分布を可視化した点が記載されている。また、特許文献２においても、ガスに吸収される吸収波長と非吸収波長との２波長を含むレーザ光を照射して照射領域をビデオカメラにより撮影して漏洩ガスの画像を表示するようにした点が記載されている。
【特許文献１】特開２００３−２９４５６７号公報
【特許文献２】米国特許第６６９０４７２号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
都市ガスに含まれるメタンガスを検知する場合には、一般に吸収強度が大きい赤外域の波長のレーザ光が選択されるが、この波長域を検知する検知器は、検知感度が低く、また検知対象が赤外光となることから、検知器自体から発生する熱によるノイズや装置に組込まれたプリアンプ等から発生する熱ノイズによって影響を受けやすい欠点がある。そのため、最小検知パワーが制限されてショットノイズ限界での計測が難しいため、高精度でメタンガスの濃度検知を行うためには高出力のレーザ光源が必要となり、装置が大型化して高価なものとならざるを得ない。
【０００４】
都市ガスの漏洩検知作業は、ガス配管に沿って検知する必要があるが、ガス配管の配設場所が地下や天井裏といった狭い空間であることを考えると、大型化した装置ではこうした作業に使用することは制限されてしまうのが現状である。
【０００５】
そこで、本発明は、赤外光の検知感度を高めると共に装置をコンパクト化することが可能なガス検知装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係るガス検知装置は、検知対象ガスを検知するための赤外光を検知対象領域に照射する照射手段と、検知対象領域から散乱又は反射された赤外光を受光する受光手段と、受光された赤外光を和周波変換により近赤外光又は可視光に変換する変換手段と、変換手段により変換された近赤外光又は可視光に基づいて検知対象ガスを検知する検知手段とを備えていることを特徴とする。さらに、前記変換手段に用いられる励起光源を、前記照射手段における赤外光の発生のための励起光源として用いていることを特徴とする。さらに、前記変換手段は、和周波変換を行う擬似位相整合非線形光学結晶を備えていることを特徴とする。さらに、前記照射手段は、所定の赤外光を発生させるための擬似位相整合非線形光学結晶を備えていることを特徴とする。さらに、前記照射手段は、異なる波長の赤外光を発生させるドメイン周期構造が異なる複数の光伝搬部を有する擬似位相整合非線形光学結晶を備えており、前記変換手段は、異なる波長の赤外光の和周波変換を行うドメイン周期構造が異なる複数の光伝搬部を有する擬似位相整合非線形光学結晶を備えていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
上記のような構成を備えることで、検知する赤外光を近赤外光又は可視光に変換して検知するようにしているので、高感度で検知可能な近赤外光又は可視光用の検知手段を用いることが可能となり、近赤外光又は可視光で検知することから、装置自体のプリアンプ等から発生する熱ノイズの影響を受けることがなくなり、より検知感度を高めることができる。
【０００８】
すなわち、近赤外光又は可視光用の検知手段としては、例えば、光電子増倍管のように、従来の赤外線検知器であるＩｎ−Ａｓ検知器に比べて検知感度が１００倍程度向上するものが実用化されており、受光可能な最小検知パワーが向上してわずかなガス濃度でも高精度で検知することができる。そのため、高出力の赤外光を発生させて照射する必要がなくなって装置をコンパクトなものとすることが可能となり、装置の製造コストの低減を図ることができる。そして、装置をコンパクト化できれば、地下や天井裏といった狭い場所へも装置を携行していくことができ、特に漏洩ガスの検知装置として好適なものとなる。
【０００９】
また、変換手段に用いられる励起光源を、照射手段における赤外光の発生のための励起光源として用いていることで、励起光源を共通化することが可能となり、装置のコンパクト化及び軽量化をさらに進めることができる。
【００１０】
また、変換手段に和周波変換を行う擬似位相整合非線形光学結晶を備えることで、さらに最小検知能力を向上させて検知感度を高めることができる。
【００１１】
また、照射手段に所定の赤外光を発生させるための擬似位相整合非線形光学結晶を備えることで、低出力で小型の光源を用いることが可能となり、さらに装置全体のコンパクト化及びコストの低減を図ることができる。
【００１２】
また、照射手段として、異なる波長の赤外光を発生させるドメイン周期構造が異なる複数の光伝搬部を有する擬似位相整合非線形光学結晶を用い、変換手段として、異なる波長の赤外光の和周波変換を行うドメイン周期構造が異なる複数の光伝搬部を有する擬似位相整合非線形光学結晶を用いることで、検知対象ガスの吸収波長に対応する赤外光に切り換えて出力するとともに受光された赤外光を近赤外光又は可視光に和周波変換することができるようになり、大気汚染ガスや自動車の排気ガスのように複数種類の有害ガスが含まれている場合でもそれぞれの有害ガスに対応して赤外光を発生させて検知することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明に係る実施形態について詳しく説明する。なお、以下に説明する実施形態は、本発明を実施するにあたって好ましい具体例であるから、技術的に種々の限定がなされているが、本発明は、以下の説明において特に本発明を限定する旨明記されていない限り、これらの形態に限定されるものではない。
【００１４】
図１は、本発明に係る実施形態に関する概略構成図である。ガス検知装置１は、赤外光照射部１０、和周波変換器１６及び光検知器１７を備えており、赤外光照射部１０は、シードレーザ光源１１、励起レーザ光源１２、光パラメトリック変換器１３、送受信鏡１４及び走査機構１５を備えている。
【００１５】
シードレーザ光源１１及び励起レーザ光源１２からのレーザ光が光パラメトリック変換器１３に導入されて所定周波数の赤外光が出射される。光パラメトリック変換器１３では、導入されたシードレーザ光源１１のレーザ光を励起レーザ光源１２からのレーザ光とともに同時に非線形光学結晶に入射することで、光パラメトリック相互作用により単一周波数化された高出力の赤外光を得ることができる。そのため、検知対象ガスの吸収波長に一致させた赤外光を出射することが可能となって微量のガスでも高精度で検知することが可能となる。
【００１６】
上述した光パラメトリック変換器１３は、差周波変換器によるもので単一周波数を発生させる場合に好適であるが、こうした変換器以外に、励起レーザ光源を非線形光学結晶に入射して複数の異なる波長のレーザ光を発生させる光パラメトリック発生器を用いてもよい。光パラメトリック発生器の場合には、所望の赤外光以外にレーザ光が発生するが、出射する光を干渉フィルタに通して赤外光のみ出力することができる。光パラメトリック発生器と同様に光パラメトリック発振器を用いてもよい。光パラメトリック発振器は、共振ミラーを用いて入射する励起レーザ光源のレーザ光を共振させながら非線形光学結晶に入射して複数の異なる波長のレーザ光を発生させ、出射する光を干渉フィルタに通して赤外光のみ出力することができる。
【００１７】
出射された赤外光は、反射ミラー等により送受信鏡１４に導かれ、送受信鏡１４により反射されて構造物の壁面等のターゲットＷに向かって照射される。送受信鏡１４には、走査機構１５が取り付けられており、送受信鏡１４を回転させて赤外光の入射角度を変化させることで、ターゲットＷの表面の照射位置を所定方向に走査移動させるようになっている。ターゲットＷに向かって照射された赤外光は、ターゲットＷの表面で散乱又は反射して送受信鏡１４に受光されて検知装置１内に導かれる。
【００１８】
送受信鏡１４から出射した赤外光の光路にガス導管Ｐから漏出したガスＧが滞留している場合、出射した赤外光の波長がガスＧの吸収波長と同じであると、ガスＧを透過する間に赤外光が吸収されるようになる。したがって、送受信鏡１４には、出射した赤外光の反射光及び散乱光が、ガスＧに対して透過する間に吸収されて減衰した状態で入射することになる。
【００１９】
和周波変換器１６は、励起レーザ光源１２からのレーザ光と送受信鏡１４から導かれた反射光及び散乱光が導入されて近赤外光又は可視光に和周波変換される。和周波変換では、位相整合条件を満たす非線形光学結晶を用いて、入射した２つの光の周波数の和の周波数を有する光が出射されるようになる。
【００２０】
和周波変換は差周波変換の逆過程であることから、和周波変換において差周波変換器で用いた励起レーザ光源１２からのレーザ光を兼用することで、効率の高い変換を行うことができ、装置の小型化及びコスト節減を図ることも可能となる。
【００２１】
光検知器１７には、和周波変換器１６から出射された近赤外光又は可視光がバンドパスフィルタを通して入射され、吸収波長の赤外光に対応して変換された波長の光が検知されて検知出力が信号処理回路２に入力される。光検知器１７は、近赤外光又は可視光を検知するため、赤外光を検知する検知器よりも格段に検知性能が向上し、例えば従来使用されている赤外光の検知器（Ｉｎ−Ａｓ検知器）の最小検知パワー（Ｗ）が１０-8レベルであるのに対し、近赤外光又は可視光の検知器（光電子増倍管）では１０-10レベルであり、検知感度が約１００倍向上する。また、近赤外光又は可視光の検知器は、従来の赤外光の検知器ではノイズレベルが高いために困難であったショットノイズ限界での検知が可能であり、さらに従来の赤外光の検知器では必要であった冷却設備も不要となる。
【００２２】
信号処理回路２は、光検知器１７からの検知出力に基づいて画像処理を行い、モニタ３に検知結果を画像表示させる。また、信号処理回路２は、温度制御回路４、電流制御回路５及び走査駆動回路６とともに検知装置１の制御を行う。温度制御回路４は、シードレーザ光源１１、励起レーザ光源１２、光パラメトリック変換器１３や和周波変換器１６に用いられる非線形光学結晶の温度が所定の温度に保たれるようにヒータ等の加熱手段の加熱制御を行う。
【００２３】
電流制御回路５は、シードレーザ光源１１に供給される電流を切換制御して２種類の異なる周波数を有するレーザ光が発生するように制御し、それぞれのレーザ光に基づいて光パラメトリック変換器１３から検知対象となるガスの吸収波長（λon）及び非吸収波長（λoff）を有する２種類の赤外光が同レベルの出力で交互に出射するようになる。シードレーザ光源として半導体レーザを使用すると、半導体レーザに供給する電流値を変化させることで発振波長を変化させることができ、電流値を高レベル及び低レベルの２つのレベルに交互にに切換制御することで、その電流値レベルに対応した２つの異なる波長の赤外光を交互に発生させることが可能となる。
【００２４】
図２は、シードレーザ光源１１から出射されるレーザ光の波長λs及び出力Ｐsを示す下のグラフ及び光パラメトリック変換器１３から出射されるレーザ光の波長λ及び出力Ｐを示す上のグラフである。これらのグラフからわかるように、シードレーザ光源１１から出射される波長λ0及びλ1の２種類のレーザ光に対応して、光パラメトリック変換器１３から、ガスの吸収強度Ｓの強い吸収波長λon及び吸収強度の弱い非吸収波長λoffの赤外光が高出力で出力される。
【００２５】
一般に、検知対象ガスの吸収波長は複数存在し、例えばメタンガスでは、１．５μｍ帯、２．５μｍ帯、３．５μｍ帯のように吸収波長が存在する。そして、他のガス（例えば、水蒸気）の吸収波長と関連性の低い波長帯を選択して検知に用いる。メタンガスでは、一般に３．５μｍ帯が吸収波長として選択され、吸収波長付近において吸収が大幅に低い波長を非吸収波長として選択する。
【００２６】
メタンガス（ＣＨ4）以外にも、ＣＯ2、ＣＯ、ＮＯ、ＨＦ、ＨＣｌ、ＳＯ2、Ｈ2Ｓ、ＮＨ3、ＨＣＨＯといった大気汚染ガスや排気ガスに含まれる物質についても赤外光吸収領域を有しており、こうした物質の吸収波長及びその波長付近の非吸収波長を選択して検知することができる。
【００２７】
吸収波長λon及び非吸収波長λoffの赤外光が交互に出力されて送受信鏡１４からターゲットＷに照射されるようになるが、吸収波長λonの赤外光に対応するターゲットからの散乱光は、上述したようにガスＧを透過する間に吸収され、受信パワーが減衰される。非吸収波長λoffの赤外光に対応するターゲットからの散乱光は、ガスＧによる影響をほとんど受けない。
【００２８】
こうして受光された各走査位置における２種類の赤外光を和周波変換器１６により近赤外光又は可視光に変換して光検知器１７により検知する。吸収波長λon及び非吸収波長λoffの赤外光に対応して変換された近赤外光又は可視光は、ほぼ同じ波長の光に変換されるが、吸収波長λon及び非吸収波長λoffの赤外光が交互に出射されているためその波長の光の時間的な変動を検知することで、吸収波長λonの赤外光に対応する検知出力が非吸収波長λoffの赤外光に対応する検知出力に対してどの程度低下したか検知することができる。そして、検知出力の低下した比率に基づいて各走査位置におけるガスＧの濃度を算出し、算出データに基づいてモニタ３に画像表示を行う。
【００２９】
走査駆動回路６は、電流制御回路５の切換制御と同期して走査機構１５を駆動制御し、送受信鏡１４から照射される２種類の赤外光がターゲットＷの表面に設定された各走査ラインに沿って照射されるように動作させる。この場合、送受信鏡１４からターゲットＷまでの間の領域において赤外光が走査した領域全体が検知対象領域となり、上述のように算出されたガスＧの濃度は、検知対象領域での平均的な濃度を示すことになる。
【００３０】
図３は、和周波変換器１６として導波路型の擬似位相整合非線形光学結晶１６’を用いた例を示しており、送受信鏡１４及び励起レーザ光源１２からの光は光ファイバ内を伝搬してファイバカプラ１８を介して導波路型の擬似位相整合非線形光学結晶１６’に入射される。導波路型の擬似位相整合非線形光学結晶１６’は、光パラメトリック相互作用により入射した光の波長を所定の波長に変換させることができ、そのドメイン反転周期を変化させることで変換する波長を変化させることができる。代表的なものとして、ＭｇＯドープ周期反転ニオブ酸リチウム結晶が挙げられる。こうした導波路型の擬似位相整合非線形光学結晶を用いることで、送受信鏡１４に受光された赤外光を近赤外光又は可視光に変換する変換効率を向上させることができる。また、こうした非線形光学結晶は、長さが３ｃｍ以下の小さいサイズのものでよいため、検知装置の部品の小型化を図ることができ、装置の携帯性及び利便性が向上する。
【００３１】
また、図４は、光パラメトリック変換器１３として導波路型の擬似位相整合非線形光学結晶１３’を用いた例を示しており、シードレーザ光源１１及び励起レーザ光源１２からの光は光ファイバ内を伝搬してファイバカプラ１９を介して導波路型の擬似位相整合非線形光学結晶１３’に入射される。この場合にも、発生する赤外線の変換効率を向上させることができ、励起レーザ光源やシードレーザ光源として価格の高い高出力のものではなく低価格のものを使用することができる。そして、こうした導波路型の非線形光学結晶を用いることで、検知装置の部品の小型化を図ることができ、装置の携帯性及び利便性がさらに向上する。
【００３２】
図５は、光パラメトリック変換器１３及び和周波変換器１６として、ドメイン周期構造が異なる複数の光伝搬部を有する擬似位相整合非線形光学結晶を用いた例を示している。擬似位相整合非線形光学結晶１３”は、ドメイン反転周期Λ１〜Λ３が異なるように設定された周期構造を有する３つの光伝搬部が並列して設けられている。そして、各光伝搬部のドメイン反転周期は、励起レーザ光源１２’から入射したレーザ光を、上述した大気汚染ガスや排気ガスに含まれる複数種類の物質の吸収波長にそれぞれ対応した波長に変換するように設定されている。なお、こうした擬似位相整合非線形光学結晶以外にも導波路型の非線形光学結晶を用いることで同様の機能を実現することができる。
【００３３】
赤外光を発生させる場合には、励起レーザ光源１２’からのレーザ光を各光伝搬部に順次入射するように擬似位相整合非線形光学結晶１３”の位置をシフトするようにすればよい。また、ミラー等の光学的な手段を用いて励起レーザ光源１２’からのレーザ光が各光伝搬部に選択的に入射するように制御するようにしてもよい。そして、励起レーザ光源１２’に供給される電流を制御して各物質の吸収波長及び非吸収波長の赤外光が出射されるように制御する。
【００３４】
こうして出射された赤外光は、上述したようにターゲットＷに照射されその散乱光又は反射光が受光されて擬似位相整合非線形光学結晶１６”に入射され、それと同時に励起レーザ光源１２’からのレーザ光が入射される。擬似位相整合非線形光学結晶１６”は、擬似位相整合非線形光学結晶１３”と同様に、ドメイン反転周期Λ１’〜Λ３’が異なるように設定された周期構造を有する３つの光伝搬部が並列して設けられている。そして、各光伝搬部のドメイン反転周期は、擬似位相整合非線形光学結晶１３”から出射された赤外光に対応してそれぞれの赤外光を近赤外光又は可視光に和周波変換するように設定されている。そのため、擬似位相整合非線形光学結晶１３”が位置をシフトして入射するドメイン周期構造の光伝搬部を変更させたのに同期して、擬似位相整合非線形光学結晶１６”の位置をシフトさせて対応するドメイン周期構造の光伝搬部に、受光した赤外光及び励起レーザ光源１２’からのレーザ光が入射するようにすれば、変更した赤外光に合せて和周波変換を行い近赤外光又は可視光に変換することができる。
【００３５】
このように複数種類の物質の吸収波長に対応した赤外光を出射するとともにそれぞれの赤外光に合せて和周波変換により近赤外光又は可視光に変換して複数種類の物質の有無及び濃度を検知することが可能となる。したがって、例えば、自動車の排気口や工場の排気塔に対して検知対象となるガスの吸収波長の赤外光を選択して照射すれば、排気口や排気塔からの排気ガスをリアルタイムで検知することができる。
【実施例】
【００３６】
図１に示す検知装置を構成するシードレーザ光源として半導体レーザ（注入同期法で発振；発振波長１．５５μｍ）を用い、励起レーザ光源としてＮｄ：ＹＡＧレーザ（発振波長１．０６μｍ）を用い、光パラメトリック変換器として、ＭｇＯドープ周期反転ニオブ酸リチウム結晶（長さ３０ｍｍ厚さ０．５ｍｍ；ドメイン反転周期３０．５μｍ）を用いた。シードレーザ光源に供給する電流を切換制御することで、光パラメトリック変換器から吸収波長として３３９１．６ｎｍ及び非吸収波長として３３９０．２ｎｍの赤外光を交互に出射し、５ｍ離れた位置に滞留するメタンガスに照射した。和周波変換器として、ＭｇＯドープ周期反転ニオブ酸リチウム結晶（長さ３０ｍｍ厚さ０．５ｍｍ；ドメイン反転周期２２．４μｍ）を用い、受光した赤外光を励起レーザ光源からのレーザ光とともに入射させた。この場合、受光された赤外光は、８０８ｎｍ付近の近赤外光に変換された。光検知器として、光電子増倍管を用い、変換された８０８ｎｍ付近の近赤外光を検知した。近赤外光の検知結果に基づいてその時間的な変動から検知出力の低下率を算出した。その結果メタンガスを１０ｐｐｍ・ｍのレベルまで検知できることがわかった。
【００３７】
なお、励起レーザ光源として発振波長が９８０ｎｍのレーザ光源を用いれば、和周波変換器により吸収波長３．４μｍの赤外光は７６０ｎｍの可視光に変換されることから、光検知器として光電子増倍管を用いることで、同様にメタンガスを１０ｐｐｍ・ｍのレベルまで検知できると考えられる。
【００３８】
また、炭酸ガス（吸収波長２．１μｍ）を検知する場合には、励起レーザ光源としてＮｄ：ＹＡＧレーザ（発振波長１．０６μｍ）を用いた場合、和周波変換器により吸収波長２．１μｍの赤外光が７０４ｎｍの可視光に変換されることから、光検知器として光電子増倍管を用いることで、炭酸ガスを数１０ｐｐｍ・ｍのレベルまで検知できると考えられる。同様に、励起レーザ光源として発振波長が９８０ｎｍのレーザ光源を用いれば、和周波変換器により吸収波長２．１μｍの赤外光は６６０ｎｍの可視光に変換されることから、光検知器として光電子増倍管を用いることで、同様に炭酸ガスを数１０ｐｐｍ・ｍのレベルまで検知できると考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明に係る実施形態に関する概略構成図である。
【図２】シードレーザ光源から出射されるレーザ光の波長λs及び出力Ｐsを示すグラフ及び光パラメトリック変換器から出射されるレーザ光の波長λ及び出力Ｐを示すグラフである。
【図３】和周波変換器として擬似位相整合非線形光学結晶を用いた場合を示す構成図である。
【図４】光パラメトリック変換器として擬似位相整合非線形光学結晶を用いた場合を示す構成図である。
【図５】光パラメトリック変換器及び和周波変換器として多重ドメイン型の擬似位相整合非線形光学結晶を用いた場合を示す構成図である。
【符号の説明】
【００４０】
１    ガス検知装置
２    信号処理回路
３    モニタ
４    温度制御回路
５    電流制御回路
６    走査駆動回路
10    赤外光照射部
11    シードレーザ光源
12    励起レーザ光源
13    光パラメトリック変換器
14    送受信鏡
15    走査機構
16    和周波変換器
17    光検知器
【図１】
2008026190.tif 000003
【図２】
2008026190.tif 000004
【図３】
2008026190.tif 000005
【図４】
2008026190.tif 000006
【図５】
2008026190.tif 000007