(57)【要約】【課題】ＴＤＬＡＳ測定法を用いたガス濃度測定装置において、鋸歯状の波長掃引の波長切替え時にデジタル方式の位相敏感検波の出力に現れる高周波のノイズを抑制することで目的成分の吸収によるピーク波形の歪みを防止する。【解決手段】成分検出のための所定周波数の変調電流と波長掃引のための鋸歯状の駆動電流とを重畳して第１ＬＤ１に注入する一方、第２ＬＤ５には上記鋸歯状の波形と同期し波長増減方向が逆である逆鋸歯状の駆動電流を注入する。ＬＤ１、５からそれぞれ出射したレーザ光はＮＤフィルタ３、７で減光（光量調整）され、ハーフミラー４により混合されて測定セル９に照射される。被測定ガス中の目的成分に特有の波長で吸収を受けた光が光検出器１０により検出される。２系統のレーザ光における波長掃引に伴う光量変化は相殺されるため、光検出器１０の出力では波長切替え時の段差が緩和され、その結果、位相敏感検波における高周波ノイズの発生も軽減される。【選択図】図３
2012026949.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
波長可変半導体レーザ吸収分光測定法により被測定ガス中の特定成分の濃度を測定するガス濃度測定装置であって、
a)複数のレーザ光源と、
b)前記複数のレーザ光源の中の１つである波長可変型の第１レーザ光源の発振波長を所定の変調周波数で変調するとともに目的成分の吸収波長を含む所定波長範囲を所定波形形状で繰り返し掃引するように該第１レーザ光源に駆動電流を供給する一方、前記複数のレーザ光源の中の他の少なくとも１つのレーザ光源の発光光量が、前記所定波形形状の波長掃引と同期し且つ該波長掃引に伴う発光光量の変化とは増減方向が逆である逆波形形状で繰り返し変化するように該他の少なくとも１つのレーザ光源に駆動電流を供給するレーザ駆動制御手段と、
c)少なくとも前記第１レーザ光源から発せられたレーザ光が照射される被測定ガスが収容された測定セルと、
d)前記複数のレーザ光源からそれぞれ発せられ前記測定セルに照射されるレーザ光を混合させる、又は、前記複数のレーザ光源からそれぞれ発せられ前記測定セルを通過した後のレーザ光と該測定セルを通過していないレーザ光とを混合させる光混合手段と、
e)前記複数のレーザ光源からそれぞれ発せられた複数のレーザ光の中で少なくとも一部が前記測定セルを通過し、且つ前記光混合手段で混合された状態のレーザ光を受光する光検出手段と、
f)前記光検出手段により得られた検出信号から前記変調周波数の成分又は該変調周波数の高調波成分を位相敏感検波により抽出する復調手段と、
を備え、前記所定波形形状の波長掃引に伴う発光光量の変化及び前記逆波形形状の発光光量の変化が、前記光混合手段によるレーザ光の混合及び前記光検出手段による受光の段階で相殺されることで、前記光検出手段の出力段において波長掃引に対応した出力変化が平滑化されるようにしたことを特徴とするガス濃度測定装置。
【請求項２】
請求項１に記載のガス濃度測定装置であって、
前記第１レーザ光源の発振波長の掃引に伴う発光光量の変化は鋸歯状に行われ、前記他の少なくとも１つのレーザ光源の発光光量の変化はその増減が逆である逆鋸歯状に行われることを特徴とするガス濃度測定装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のガス濃度測定装置であって、
前記光検出手段の出力段において波長掃引に対応した出力変化が平滑化されるように、少なくとも１つのレーザ光源と測定セルの前段に配設された光混合手段との間、又は前記測定セルと該測定セルの後段に配設された光混合手段との間に、光量を減衰する減光手段をさらに備えることを特徴とするガス濃度測定装置。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載のガス濃度測定装置であって、
前記複数のレーザ光源はいずれも波長可変型である第１、第２なる２つのレーザ光源であり、
前記レーザ駆動制御手段は、第２レーザ光源の発振波長を前記所定の変調周波数とは異なる第２の変調周波数で変調するとともに第２の目的成分の吸収波長を含む所定波長範囲を繰り返し掃引するように該第２レーザ光源に駆動電流を供給するようにし、
さらに前記光検出手段により得られた検出信号から第２の変調周波数の成分又は該変調周波数の高調波成分を位相敏感検波により抽出する第２の復調手段を備えることを特徴とするガス濃度測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ光に対する吸収を利用して被測定ガス中の特定成分の濃度を測定するガス濃度測定装置に関し、さらに詳しくは、波長可変半導体レーザ吸収分光測定法を用いたガス濃度測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガス濃度測定法の１つとして、波長可変半導体レーザ吸収分光（Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy、以下「ＴＤＬＡＳ」と略す）測定法が広く知られている（特許文献１、非特許文献１など参照）。一般的なＴＤＬＡＳ測定法では、一定の周波数ｆで変調したレーザ光を被測定ガスが充満した測定セルに照射し、該ガス中を通過した後のレーザ光の強度を光検出器により検出する。様々なガス成分はそれぞれ特有の波長の光を吸収する。そのため、レーザ光の波長を変調周波数ｆよりも十分に低い周波数でもって掃引すると、目的とするガス成分に特有の波長付近でレーザ光は強い吸収を受ける。この吸収は変調周波数ｆの高調波成分として発現する。そこで、光検出器による検出信号から変調周波数ｆの高調波成分（通常は第２高調波成分）を位相敏感検波により抽出し、その高調波成分の信号の大きさから被測定ガス中の目的成分の濃度を算出する。
【０００３】
ＴＤＬＡＳ測定法は被測定ガスに光検出器などの検出部が接触しない非接触式の測定法であるため、測定に際して被測定ガスの場を乱すことがない。また、応答時間がきわめて短くほぼリアルタイムでの濃度測定が可能である、測定感度が高い、といった利点を有している。
【０００４】
ＴＤＬＡＳ測定法における位相敏感検波はアナログ信号処理によって行うことも可能であるが、近年のデジタル信号処理技術の進展により、デジタル信号処理による位相敏感検波が採用されるようになってきている（例えば非特許文献２参照）。デジタル信号処理による位相敏感検波では、検出信号に周波数が変調周波数ｆの２倍である参照信号が乗算され後に、デジタルフィルタを利用して不要な交流成分が除去される。デジタルフィルタには大別してＦＩＲフィルタとＩＩＲフィルタとがあるが、ＩＩＲフィルタは小さい回路規模で高いフィルタ効果を得ることができるという利点をもつ。こうしたことから、非特許文献２に記載の装置でも、ＩＩＲフィルタが位相敏感検波に用いられている。しかしながら、ＩＩＲフィルタは過去のフィルタ演算結果を入力にフィードバックする再帰型のフィルタであるため、計測と無関係な大きなノイズが検出信号に加わった場合に、その演算結果がそれ以降の演算処理に繰り返し利用されることになり、計算結果に大きな誤差を生じるおそれがある。
【０００５】
ＴＤＬＡＳ測定法では目的のガス成分の濃度をほぼリアルタイムで連続的に計測するために、多くの場合、図７に示すように、目的成分による吸収波長λ付近の比較的狭い波長範囲λ１〜λ２でレーザ光の波長が繰り返し掃引される。通常、この波長掃引の繰り返し周波数は計測の応答時間や分解能によって決められ、変調周波数ｆは波長掃引周波数に対して１０００倍以上に設定される。このような波長掃引を行うために波長可変半導体レーザダイオード（Tunable Laser Diode）に供給される駆動電流は鋸歯状に掃引される。しかしながら、波長可変半導体レーザダイオードでは、発振波長のみならず発光強度も駆動電流に依存するため、波長掃引のために駆動電流が鋸歯状に変化するとき、光検出器による検出信号（受光強度）も図８（ａ）に示すように略鋸歯状になる。
【０００６】
このような波長掃引の波長切替え（掃引終了波長から掃引開始波長への切替え）時Ｐに急峻に変化する検出信号に対し、位相敏感検波を実行して変調周波数ｆの高調波成分を取り出すと、図８（ｂ）に示すように、目的成分の吸収によるピーク波形のほかに、波長切替え時に発生したインパルス状のノイズが高周波ノイズとして現れることがある。このような高周波ノイズが位相敏感検波のためのＩＩＲフィルタに繰り返しフィードバックされると、長時間に亘りフィルタ演算処理に影響を与え、目的成分の吸収によるピーク波形の形状を歪めてしまい、濃度誤差を生じる大きな要因となり得る。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平９−３３４３０号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】レイド（J. Reid）、ラブリエ（D. Labrie）、「セカンド-ハーモニック・デテクション・ウィズ・チューナブル・ダイオード・レーザーズ−コンパリソン・オブ・イクスペリメント・アンド・セオリー（Second-Harmonic Detection with Tunable Diode Lasers − Comparison of Experiment and Theory）」、アプライド・フィジックス（Appl. Phys.）、B26、1981年、p. 203-210
【非特許文献２】松田、ほか５名、「レーザ吸光分光法を用いた高速・高感度ガス計測装置の開発」、島津評論、島津評論編集部、2009年9月30日、第66巻、第1・2号、p. 45-51
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は上記課題に鑑みて成されたものであり、その目的とするところは、位相敏感検波の際に生じる波長掃引に伴うインパルス状のノイズを抑制することにより、ガス中の目的成分の濃度を正確に反映したピーク情報を取り出して高い精度でガス濃度を求めることができる、ＴＤＬＡＳ測定法による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】
【００１０】
上記課題を解決するために成された本発明は、波長可変半導体レーザ吸収分光測定法により被測定ガス中の特定成分の濃度を測定するガス濃度測定装置であって、
a)複数のレーザ光源と、
b)前記複数のレーザ光源の中の１つである波長可変型の第１レーザ光源の発振波長を所定の変調周波数で変調するとともに目的成分の吸収波長を含む所定波長範囲を所定波形形状で繰り返し掃引するように該第１レーザ光源に駆動電流を供給する一方、前記複数のレーザ光源の中の他の少なくとも１つのレーザ光源の発光光量が、前記所定波形形状の波長掃引と同期し且つ該波長掃引に伴う発光光量の変化とは増減方向が逆である逆波形形状で繰り返し変化するように該他の少なくとも１つのレーザ光源に駆動電流を供給するレーザ駆動制御手段と、
c)少なくとも前記第１レーザ光源から発せられたレーザ光が照射される被測定ガスが収容された測定セルと、
d)前記複数のレーザ光源からそれぞれ発せられ前記測定セルに照射されるレーザ光を混合させる、又は、前記複数のレーザ光源からそれぞれ発せられ前記測定セルを通過した後のレーザ光と該測定セルを通過していないレーザ光とを混合させる光混合手段と、
e)前記複数のレーザ光源からそれぞれ発せられた複数のレーザ光の中で少なくとも一部が前記測定セルを通過し、且つ前記光混合手段で混合された状態のレーザ光を受光する光検出手段と、
f)前記光検出手段により得られた検出信号から前記変調周波数の成分又は該変調周波数の高調波成分を位相敏感検波により抽出する復調手段と、
を備え、前記所定波形形状の波長掃引に伴う発光光量の変化及び前記逆波形形状の発光光量の変化が、前記光混合手段によるレーザ光の混合及び前記光検出手段による受光の段階で相殺されることで、前記光検出手段の出力段において波長掃引に対応した出力変化が平滑化されるようにしたことを特徴としている。
【００１１】
本発明に係るガス濃度測定装置において、典型的には、第１レーザ光源の発振波長の掃引に伴う発光光量の変化は鋸歯状に行われ、他の少なくとも１つのレーザ光源の発光光量の変化はその増減が逆である逆鋸歯状に行われるものとすることができる。即ち、上記の「所定波形形状」とは鋸歯状であり、上記の「逆波形形状」とは逆鋸歯状とすることができる。
【００１２】
本発明に係るガス濃度測定装置において、或る１つの目的成分の濃度のみを測定する場合には、レーザ光源は２つであってその１つが波長可変型であればよく、上記レーザ駆動制御手段は、可変波長型の第１レーザ光源の発振波長を所定の変調周波数で変調するとともに目的成分の吸収波長を含む所定波長範囲を変調周波数よりも低い周波数でもって例えば鋸歯状に繰り返し掃引するように該第１レーザ光源に駆動電流を供給する一方、第２レーザ光源の発光光量が前記鋸歯状の波長掃引と同期し且つその光量の増減方向が第１レーザ光源の発光光量の変化の増減方向とは逆である逆鋸歯状に繰り返し変化するように該第２レーザ光源に駆動電流を供給すればよい。このとき、第２レーザ光源は波長可変型でなく波長固定型でよい。また、第２レーザ光源が波長可変型である場合でも周波数変調を施さなくてもよいし、波長可変型の第２レーザ光源において逆鋸歯状の波長掃引を行うことで光量を変化させる場合でも、その波長掃引範囲は第１レーザ光源における鋸歯状の波長掃引範囲と相違していてもよい。
【００１３】
第１レーザ光源と第２レーザ光源の発光特性、例えば駆動電流に対する光量（パワー）、電流−光量変換効率（スロープ効率）などが十分に揃っており、光検出手段における波長−受光感度特性が一定であるとみなせれば、第１レーザ光源からのレーザ光と第２レーザ光源からのレーザ光とを光混合手段により混合した段階、及び、その混合されたレーザ光が光検出手段に入射して光電変換された段階で、光量の増減方向が互いに逆である鋸歯状の光量変化に伴う出力変化と逆歯波状の光量変化に伴う出力変化とはほぼ相殺され、特に、波長掃引の波長切替え時点で生じる段差が緩和されて出力の直流レベルはほぼ一定になる。なお、レーザ光源の発振波長の周波数変調に伴う光量変化や被測定ガス中の成分の吸収による光量変化は相殺されないから、目的の信号成分がそのまま残ることは当然である。
【００１４】
ただし、複数のレーザ光源の発光特性を十分に揃えることが難しい場合もあるし、また光検出手段における波長−受光感度特性を波長に依らず一定にすることも難しい。そこで、本発明に係るガス濃度測定装置の好ましい一態様として、光検出手段の出力段において波長掃引に対応した出力変化が平滑化されるように、少なくとも１つのレーザ光源と測定セルの前段に配設された光混合手段との間、又は前記測定セルと該測定セルの後段に配設された光混合手段との間に、光量を減衰する減光手段をさらに備える構成とするとよい。この減光手段としては例えばＮＤフィルタを用いることができる。
【００１５】
即ち、光混合手段で複数系統のレーザ光が混合される前に、少なくとも１つのレーザ光の光量を減光手段により適切に調整することにより、複数のレーザ光源の発光特性の相違や光検出手段の波長−受光感度特性の非一定性の影響を軽減し、光検出手段の出力段において波長掃引の際の波長切替えに伴う出力の直流的な変化を十分に緩和することができる。なお、光混合手段によりレーザ光を混合（加算）したときに、その強度が大きすぎて光検出手段の出力が飽和するおそれがあるような場合にも、減光手段を用いて全体の光量を調整することができる。
【００１６】
また、本発明に係るガス濃度測定装置において、被測定ガスに含まれる第１、第２なる２つの目的成分の濃度を同時に測定したい場合には、複数のレーザ光源をいずれも波長可変型である第１、第２なる２つのレーザ光源とし、前記レーザ駆動制御手段は、第２レーザ光源の発振波長を前記所定の変調周波数とは異なる第２の変調周波数で変調するとともに第２の目的成分の吸収波長を含む所定波長範囲を繰り返し掃引するように該第２レーザ光源に駆動電流を供給するようにし、さらに前記光検出手段により得られた検出信号から第２の変調周波数の成分又は該変調周波数の高調波成分を位相敏感検波により抽出する第２の復調手段を備える構成とするとよい。
【００１７】
また、被測定ガスに含まれる３つ以上の目的成分の濃度を同時に測定したい場合にも、同様に、波長可変型のレーザ光源をその目的成分の数と同数だけ用意し、各レーザ光源について当該レーザ光源の発振波長をそれぞれ異なる変調周波数で変調するとともに各目的成分の吸収波長を含む所定波長範囲を繰り返し掃引するように、且つその掃引の波長増減方向を少なくとも１のレーザ光源について他とは逆となるように、各レーザ光源に駆動電流を供給するようにし、各レーザ光源から発せられたレーザ光の光量を減光手段によりそれぞれ適宜に調整した上で混合して測定セルに照射することにより、光検出手段の出力段において波長掃引の際の波長切替えに伴う出力変化を十分に緩和する構成とすればよい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明に係るガス濃度測定装置によれば、波長掃引の波長切替え時における光検出器の急峻な信号の変化が緩和、平滑化されるため、位相敏感検波の出力に現れるインパルス状の高周波ノイズが抑制される。このため、この位相敏感検波処理にＩＩＲフィルタによるデジタルフィルタを用いる場合でも、目的成分の吸収によるピーク波形が高周波ノイズの影響で歪むことを防止することができ、目的成分の濃度を高い精度でもって算出することができる。
【００１９】
また、本発明に係るガス濃度測定装置では、複数の目的成分の濃度を同時に測定するために多重化（波長分割による多重化）される複数のレーザ光を有効に利用して、波長掃引の際の波長切替え時の検出器出力の急峻な変化を緩和し、平滑化することができる。したがって、比較的簡単な構成及び少ないコスト増加で、多成分同時測定と波長切替え時の高周波ノイズ除去とを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の一実施例であるガス濃度測定装置の概略構成図。
【図２】図１の変形例であるガス濃度測定装置の概略構成図。
【図３】本発明に係るガス濃度測定装置におけるノイズ抑制の原理を説明する図。
【図４】本実施例のガス濃度測定装置における光検出器の出力波形と位相敏感検波出力波形とを示す波形図。
【図５】本発明の他の実施例であるガス濃度測定装置の概略構成図。
【図６】図２の変形例であるガス濃度測定装置の概略構成図。
【図７】波長掃引時の波長可変半導体レーザの発振波長の時間的変化を示す概略図。
【図８】従来のガス濃度測定装置における光検出器の出力波形と位相敏感検波出力波形を示す波形図。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明に係るガス濃度測定装置の一実施例について、添付図面を参照して説明する。図１は本実施例のガス濃度測定装置の要部の構成図である。まず本実施例のガス濃度測定装置において、波長掃引に伴って位相敏感検波出力に現れる高周波ノイズを抑制する方法の原理を図３、図４により説明する。図３は本実施例によるガス濃度測定装置の光学系の概略構成図、図４は光検出器の出力と位相敏感検波出力とを示す波形図である。
【００２２】
従来のＴＤＬＡＳ測定法によるガス濃度測定装置では、図７に示したように、レーザ光の発振波長を所定波長範囲で鋸歯状に掃引すると、１回の波長掃引が終了して次の波長掃引が開始される際に光検出器の出力には大きな段差が生じ、それに伴って位相敏感検波出力には高周波ノイズが現れる。換言すれば、光検出器の出力に生じる上記段差を緩和して平滑化する（直流的な変動を小さくする）ことにより、上記のような高周波ノイズの発生を軽減することができる。なお、ＴＤＬＡＳ測定法では、目的成分による吸光の度合いは変調周波数の高調波成分の大きさ、簡単に言えば変調信号の波形歪みの程度として現れるから、光検出器の出力に生じる上記のような直流的な段差を緩和しても、必要とする情報は何ら失われない。
【００２３】
図３において、破線Ａで囲まれた部分が本実施例の装置において追加される部分であるから、まず、これがない場合、つまり従来の構成について考える。第１波長可変半導体レーザダイオード（以下、単にＬＤと記す）１には、図示しないＬＤ駆動部から、波長増加方向に波長掃引を行うための鋸歯状の駆動電流と周波数ｆの変調電流とが重畳された電流が注入される。これにより、第１ＬＤ１の発振波長は既述の図７に示すように変化する。このレーザ光が、被測定ガスが連続的に導入される測定セル９に照射される。照射されたレーザ光は測定セル９を通過する間に被測定ガスに含まれる成分による吸収を受ける。そうして吸収を受けた後のレーザ光がＩｎＧａＡｓフォトダイオード等の光検出器（ＰＤ）１０に到達し、光検出器１０は受光強度に応じた電流信号を出力する。第１ＬＤ１の発振波長は注入電流に依存するがその発光強度自体も注入電流に依存するため、発光強度も図７に示した形状で変化し、光検出器１０の検出出力は図８（ａ）に示すようになる。
【００２４】
本実施例のガス濃度測定装置では、第１ＬＤ１と測定セル９との間に第１ＮＤフィルタ３とハーフミラー４とが配置されており、第１ＬＤ１から出射したレーザ光は第１ＮＤフィルタ３を経てハーフミラー４を通過し測定セル９に照射される。さらに、別の第２ＬＤ５、第２ＮＤフィルタ７、及びミラー８が設けられ、第２ＬＤ５から出射した光は第２ＮＤフィルタ７を経てミラー８で全反射され、さらにハーフミラー４で反射されることで第１ＬＤ１由来のレーザ光と混合（加算）され測定セル９に照射される。第２ＬＤ５には、図示しないＬＤ駆動部から、第１ＬＤ１に供給される波長掃引のための鋸歯状の駆動電流と同期し、且つ該鋸歯状の駆動電流とは逆に波長減少方向に波長掃引を行うための逆鋸歯状の駆動電流が注入される。この駆動電流には変調電流は重畳されない。ここで言う「同期」とは、波長掃引の周波数が完全に一致し、位相も一致していることを意味する。つまり、波長の増減方向が相違するだけで、掃引の開始点、終了点のタイミングは一致している。なお、第２ＬＤ５における波長掃引の範囲は第１ＬＤ１における波長掃引の範囲と同一であっても異なっていてもよい。
【００２５】
第２ＬＤ５の発光強度も第１ＬＤ１と同様に注入電流に依存するため、第２ＬＤ５の発光強度は図３中の左方に示した逆鋸歯状に変化する。第１ＬＤ１からのレーザ光の鋸歯状の強度変化と第２ＬＤ５からのレーザ光の逆鋸歯状の強度変化とは周期・位相が一致していて増減が逆であるので、ハーフミラー４では両方のレーザ光が加算されると、強度の増減が打ち消し合う。ただし、第１ＬＤ１と第２ＬＤ５の発光特性、具体的には、絶対的な光量や電流−光量変換効率（スロープ効率）に相違があったり、光検出器１０の波長−受光感度特性が波長掃引範囲で一定でなかったりした場合、第１ＬＤ１からのレーザ光と第２ＬＤ５からのレーザ光とを単に混合しただけでは、光検出器１０の出力における波長掃引に伴う信号変化は十分には抑えられない。そこで、第１ＬＤ１と第２ＬＤ５の絶対的な光量や電流−光量変換効率、或いは光検出器１０の波長−受光感度特性などを考慮して、光検出器１０の出力における波長切替え時の信号変化が十分に小さくなるように、第１ＮＤフィルタ３及びＮＤフィルタ７の減光特性を予め定めておくようにする。実際には、ＮＤフィルタ３、７のそれぞれの減光特性は予め実験的に定めておくことができる。
【００２６】
ＮＤフィルタ３、７の減光特性をそれぞれ適切に定めることにより、図４（ａ）に示すように、光検出器１０の出力において波長掃引の際の波長切替え時点における急峻な変化は大幅に緩和される。図４（ａ）に示した例では、波長切替え時点における直流的な出力段差が若干残っているが、図４（ｂ）に示すように、位相敏感検波出力において明瞭なノイズが現れない程度であれば実質的には問題とならない。即ち、光検出器１０の出力において波長切替え点が全く分からないほど出力レベルが平滑化されている必要はなく、直流的な段差が或る程度残っていても、実質的に平滑化されているものとみなすことができる。なお、この例ではＮＤフィルタを２個（ＮＤフィルタ３、７）用いたが、減光の調整範囲に応じてＮＤフィルタの数は適宜変更することができる。即ち、場合によっては減光の必要がない場合もあるし、一方の光路のみに１個のＮＤフィルタを挿入すればよい場合もある。逆に１個のＮＤフィルタでは十分な減光が達成できない場合に、複数のＮＤフィルタを組み合わせてもよい。これは後述の別の実施例でも同様である。
【００２７】
次に、上記原理を利用した図１に示すガス濃度測定装置の構成と動作を説明する。このガス濃度測定装置は、主目的成分としてＣＯの濃度を測定し、そのほかに別の１つの副目的成分（例えばＣＯ2など）の濃度を同時に測定するものである。
【００２８】
この実施例のガス濃度測定装置において、第１ＬＤ１、第２ＬＤ５は近赤外領域〜中赤外領域の発振波長をもつＤＦＢ（Distributed Feedback）型レーザであるが、必ずしもこれに限るものではない。第１変調用発振器２０は第１変調周波数ｆ１の変調電流を生成し、正鋸歯走査用発振器２１はＣＯの吸収波長であるλ０＝２．３３[μm]付近の所定の波長範囲λ１〜λ２を掃引する鋸歯状の駆動電流を生成する。それら電流は加算部２２で重畳され、ＬＤ駆動部２を介して第１ＬＤ１に注入される。一方、第２変調用発振器２３は第１変調周波数ｆ１とは異なる第２変調周波数ｆ２の変調電流を生成し、逆鋸歯走査用発振器２４は上記鋸歯状の駆動電流と掃引のタイミングが同期し、副目的成分の吸収波長λ３付近の所定の波長範囲λ４〜λ５を波長減少方向に掃引する逆鋸歯状の駆動電流を生成する。それら電流は加算部２５で重畳され、ＬＤ駆動部６を介して第２ＬＤ５に注入される。上述したように、ＮＤフィルタ３、７の減光特性は、ＬＤ１、５の発光特性や使用される波長範囲λ１〜λ２、λ４〜λ５における光検出器１０の波長−受光感度特性などを考慮して予めそれぞれ適切に決められる。
【００２９】
上述のように第１ＬＤ１から出射し第１ＮＤフィルタ３を経てハーフミラー４を通過したレーザ光と、第２ＬＤ５から出射し第２ＮＤフィルタ７、ミラー８を経てハーフミラー４で反射されたレーザ光とは混合されて、被測定ガスが流通する測定セル９に照射される。照射されたレーザ光は測定セル９を通過する間に被測定ガスに含まれる成分による吸収を受ける。被測定ガスに主目的成分であるＣＯが含まれる場合にはλ０＝２．３３[μm]付近の光が吸収され、被測定ガスに副目的成分が含まれる場合には波長λ３の光が吸収される。そうしてそれぞれ吸収を受けた後のレーザ光が光検出器１０に到達し、光検出器１０は受光強度に応じた電流信号を出力する。上述したように、タイミングが同期した鋸歯状の駆動電流が供給された第１ＬＤ１からのレーザ光と逆鋸歯状の駆動電流が供給された第２ＬＤ５からのレーザ光がそれぞれ適宜に減光された上で混合されることにより、光検出器１０の出力においてその直流レベルはほぼ平滑化され、波長の切替えに伴う出力の段差は殆どなくなる。もちろん、変調周波数ｆ１、ｆ２の信号や吸収に伴うλ０及びλ３付近の受光強度の低下は、上記の光の混合の影響を受けないのでそのまま光検出器１０の出力に反映される。
【００３０】
光検出器１０による電流信号はアンプ１１に入力され、アンプ１１は電流信号を電圧信号に変換した上で増幅する。増幅された信号はアナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ）１２により所定サンプリング時間間隔でデジタル値（検出データ）に変換され、デジタル方式のロックイン検出器などにより構成される第１位相敏感検波部１３と第２位相敏感検波部１５とに並行に入力される。位相敏感検波部１３、１５はそれぞれＩＩＲフィルタであるデジタルローパスフィルタ（ＤＬＦ）１４、１６を備える。第１位相敏感検波部１３には第１変調用発振器２０から変調周波数ｆ１の２倍の周波数の信号が参照信号として入力されており、検出データからこの参照信号と同じ周波数、即ち、変調周波数ｆ１の２倍の周波数成分を持つ第２高調波成分に応じたピーク信号を取り出し、それ以外の高周波成分をＤＬＦ１４により除去する。他方、第２位相敏感検波部１５には第２変調用発振器２３から変調周波数ｆ２の２倍の周波数の信号が参照信号として入力されており、検出データからこの参照信号と同じ周波数、即ち、変調周波数ｆ２の２倍の周波数成分を持つ第２高調波成分に応じたピーク信号を取り出し、それ以外の高周波成分をＤＬＦ１６により除去する。
【００３１】
データ処理部１７は、ピーク検出部、検量線記憶部、ガス濃度換算部などを含み、位相敏感検波部１３、１５によりそれぞれ抽出された目的成分の吸収によるピーク信号の高さを求め、この高さから主目的成分及び副目的成分の濃度を計算する。そして、得られた濃度値は出力部１８から出力される。
【００３２】
本実施例のガス濃度測定装置では、図４（ａ）に示したように、光検出器１０の出力において波長切替えに伴う大きな段差が生じず、それ故に位相敏感検波部１３、１５の出力では波長切替え時のインパルス状の高周波ノイズが抑制される。したがって、この出力がＤＬＦ１４、１６の入力段にフィードバックされてもフィルタ演算処理には大きな影響を及ぼさず、目的成分の吸収によるピークの波形に歪みが生じない。このため、主目的成分による吸収ピークの高さ、副目的成分による吸収ピークの高さはいずれも、濃度を正確に反映したものとなり、ガス濃度を高い精度で求めることができる。
【００３３】
被測定ガス中の複数成分の濃度測定ではなく、もともと被測定ガス中の或る１つの成分のみの濃度測定を目的とする場合には、図１に示した構成を図２又は図６に示す構成のように変形すればよい。即ち、図１の構成が備える、第２変調用発振器２３、加算部２５、第２位相敏感検波部１５は不要である。このとき第２ＬＤ５には波長掃引のための逆鋸歯状の駆動電流のみが注入され、第２ＬＤ５から発せられるレーザ光は無変調である。この場合、波長掃引範囲は第１ＬＤ１における波長掃引範囲と同じでよく、それによってＮＤフィルタ３、７の減光特性を決める際に光検出器１０の波長−受光感度特性を考慮する必要がない。
【００３４】
また、図２の構成では図１の構成と同様に第２ＬＤ５から発せられたレーザ光も測定セル９中に通過させているが、図６の構成では、第２ＬＤ５から発せられたレーザ光は測定セル９中に通過させずに光検出器１０に導入するようにしている。第２ＬＤ５の発振波長が測定セル９中の被測定ガスによる吸収が殆ど無視できる波長であれば、測定セル９中を通過している場合と通過していない場合とで光量の差は殆どない。したがって、第１ＬＤ１から発せられたレーザ光が測定セル９を通過した後の段階で第２ＬＤ５から発せられたレーザ光と混合して光検出器１０に入射させても、測定セル９の手前でレーザ光を混合する場合と効果は遜色ない。
【００３５】
また、図２、図６の構成の場合、濃度測定に利用されない第２ＬＤ５は波長可変半導体レーザダイオードである必要はなく、例えば駆動電流に応じて発光光量が変化しさえすれば波長は固定であってもよい。第２ＬＤ５から出射するレーザ光の波長が固定であっても、第２ＬＤ５の発光光量の変化が第１ＬＤ１の波長掃引に応じた光量の鋸波状の変化とタイミングが同期し、光量の増減が逆の逆鋸歯状の変化になってさえいれば、光検出器１０の出力において波長切替えに伴う大きな段差を解消できることは明らかである。このように波長固定型の半導体レーザダイオードを用いることによりコストの増加を抑えることができる。
【００３６】
また、図１の構成は２成分同時測定を行うもの、図２及び図６の構成は単一成分測定を行うものであるが、ＬＤの数をさらに増やして３以上の多成分同時測定を行う構成に変形することは容易である。図５は３成分同時測定を行うためのガス濃度測定装置の光学系の構成図である。破線Ａ’で囲まれた部分が従来の装置に対して追加される部分である。この例では、第１ＬＤ１から出射したレーザ光は第１ＮＤフィルタ３を経て、第１ハーフミラー４、第２ハーフミラー３３を通過して測定セル９に照射される。第２ＬＤ５から出射したレーザ光は第２ＮＤフィルタ７を経て、ミラー８及び第１ハーフミラー４で反射され、第２ハーフミラー３３を通過して測定セル９に照射される。さらに、第３ＬＤ３０から出射したレーザ光は第３ＮＤフィルタ３１を経て、ミラー３２及び第２ハーフミラー４で反射されて測定セル９に照射される。
【００３７】
第１ＬＤ１と第３ＬＤ３０には波長掃引のために同期した鋸歯状の駆動電流が注入され、第２ＬＤ５とには波長掃引のために上記鋸歯状波形と同期した逆鋸歯状の駆動電流が注入される。各駆動電流にはそれぞれ異なる周波数の変調電流が重畳される。測定セル９に照射されるレーザ光は３系統のレーザ光が加算されたものであり、そのうちの２系統は鋸歯状に光量が変化し、他の１系統は逆鋸歯状に光量が変化するものであるが、ＮＤフィルタ３、７、３１の減光特性を適切に設定することにより、光検出器１０の出力において直流的なレベルの平滑さを実現できる。
【００３８】
なお、位相敏感検波により得られる目的成分の吸収によるピーク波形を含む信号のＳ／Ｎはその目的成分を測定するためのレーザ光の光量が大きいほど高くなる。そのため、ＮＤフィルタによって光量を調整する際には、高い精度で濃度を求めたい成分に対応したレーザ光の光量を大きくし、濃度の算出精度が低くてもよい成分に対応したレーザ光の光量は相対的に小さくなるようにするとよい。したがって、目的成分の種類と要求精度に応じて、波長掃引における波長増減方向や各ＮＤフィルタの減光特性を適切に定めることが好ましい。
【００３９】
また、上記実施例はいずれも本発明の一例であり、本発明の趣旨の範囲で適宜に変形や修正、追加などを行っても、本願特許請求の範囲に包含されることは明らかである。例えば、上記実施例では、複数系統のレーザ光を混合するためにハーフミラーを用いたが、ファイバカプラなどの他の光学素子を利用してもよいことは明らかである。
【符号の説明】
【００４０】
１、５、３０…波長可変半導体レーザダイオード（ＬＤ）
２、６…ＬＤ駆動部
３、７、３１…ＮＤフィルタ
８、３２…ミラー
４、３３…ハーフミラー
９…測定セル
１０…光検出器
１１…アンプ
１３、１５…位相敏感検波部
１４、１６…デジタルローパスフィルタ（ＤＬＦ）
１５…第２位相敏感検波部
１７…データ処理部
１８…出力部
２０、２３…変調用発振器
２１…正鋸歯走査用発振器
２２、２５…加算部
２４…逆鋸歯走査用発振器
【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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