(57)【要約】【課題】リファレンス計測を行うことなく、単純な方法で、遠隔・非接触かつリアルタイムに、電磁波吸収の波長幅が幅広な吸収スペクトルを示す物質の濃度又は厚みを計測する。【解決手段】計測領域にレーザ光を投光し計測領域を透過するレーザ光の受光強度を用いて、気体の濃度、若しくは、液体又は固体の厚みを計測する計測装置において、所定の波長のレーザ光を出力する光源部と、光源部と計測領域間に設けられ、光源部からのレーザ光をモニタ光と計測光とに分離し、計測光を計測領域に投光するビームスプリッタと、モニタ光の受光強度を計測する投光モニタ部と、計測領域を透過する計測光の受光強度を計測する受光モニタ部と、光源部からのレーザ光の波長を近接する波長に合わせて変更する光源制御部と、モニタ光の受光強度と計測光の受光強度の比率を波長毎に求め、各比率に基づき濃度又は厚みを計測する計測部と、を備えて構成する。【選択図】図１
2013003038.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光が透過可能な物質の存する計測領域にレーザ光を投光し、前記計測領域を透過するレーザ光を受光しその受光強度を用いて、前記物質の濃度又は厚みを計測するレーザ計測装置において、
所定の波長のレーザ光を出力する光源部と、
前記光源部と前記計測領域の間に設けられ、前記光源部から出力されるレーザ光をモニタ光と計測光とに分離して、該計測光を前記計測領域に投光するレーザ光分離部と、
前記モニタ光を受光して、その受光強度を計測するモニタ部と、
前記計測領域を透過する前記計測光を受光して、その受光強度を計測する受光部と、
予め定めた波長幅の範囲内で少なくとも２種類の波長を設定し、それぞれの波長のレーザ光を順次出力するように前記光源部を駆動する光源制御部と、
前記モニタ光の受光強度と前記計測光の受光強度の比率を前記順次出力されたレーザ光の前記波長毎に求め、求めた各比率に基づき前記物質の前記濃度又は厚みを計測する計測部と、
を備えて構成することを特徴とするレーザ計測装置。
【請求項２】
前記光源部は、赤外域の波長のレーザ光を出力することを特徴とする請求項１に記載のレーザ計測装置。
【請求項３】
前記赤外域の波長は、中間赤外域の波長であることを特徴とする請求項２に記載のレーザ計測装置。
【請求項４】
前記光源制御部は、前記予め定めた波長幅の範囲内で３種類以上の波長を設定し、それぞれの波長のレーザ光を順次出力するように前記光源部を駆動し、
前記計測部は、前記３種類以上の波長の中からの２種類の波長の組合せ毎に前記物質の前記濃度又は厚みを計測し、各計測値に基づき最終的な前記濃度又は厚みを計測することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載のレーザ計測装置。
【請求項５】
前記物質が、気体のとき、
前記計測部は、前記気体の濃度を計測することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載のレーザ計測装置。
【請求項６】
前記物質が、液体又は固体のとき、
前記計測部は、前記液体又は固体のレーザ光透過方向の厚みを計測することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載のレーザ計測装置。
【請求項７】
レーザ光が透過可能な物質の存する計測領域にレーザ光を投光し、前記計測領域を透過するレーザ光を受光しその受光強度を用いて、前記物質の濃度又は厚みを計測するレーザ計測方法において、
光源から予め定めた波長幅の範囲内で少なくとも２種類の波長を設定し、それぞれの波長のレーザ光を順次出力する工程と、
前記光源から順次出力されるレーザ光を、前記光源と前記計測領域の間に設けるレーザ光分離部により、モニタ光と計測光とに順次分離して、該計測光を前記計測領域に順次投光する工程と、
前記モニタ光を受光して、その受光強度を前記順次出力されたレーザ光の前記波長毎に計測する工程と、
前記計測領域を透過する前記計測光を受光して、その受光強度を前記順次出力されたレーザ光の前記波長毎に計測する工程と、
前記モニタ光の受光強度と前記計測光の受光強度の比率を前記順次出力されたレーザ光の前記波長毎に求め、求めた各比率に基づき前記物質の前記濃度又は前記厚みを計測する工程と、
を備えることを特徴とするレーザ計測方法。
【請求項８】
前記光源は、赤外域の波長のレーザ光を出力することを特徴とする請求項７に記載のレーザ計測方法。
【請求項９】
前記赤外域の波長は、中間赤外域の波長であることを特徴とする請求項８に記載のレーザ計測方法。
【請求項１０】
前記レーザ光を順次出力する工程は、前記予め定めた波長幅の範囲内で３種類以上の波長を設定し、それぞれの波長のレーザ光を順次出力し、
前記計測工程は、前記３種類以上の波長の中からの２種類の波長の組合せ毎に前記物質の前記濃度又は厚みを計測し、各計測値に基づき最終的な前記濃度又は厚みを計測することを特徴とする請求項７〜９のいずれか１つに記載のレーザ計測方法。
【請求項１１】
前記物質が、気体のとき、
前記計測工程は、前記気体の濃度を計測することを特徴とする請求項７〜１０のいずれか１つに記載のレーザ計測方法。
【請求項１２】
前記物質が、液体又は固体のとき、
前記計測工程は、前記液体又は固体のレーザ光透過方向の厚みを計測することを特徴とする請求項７〜１０のいずれか１つに記載のレーザ計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ光が透過可能な物質の濃度又は厚みを計測するレーザ計測装置及びレーザ計測方法に関し、特に、単純な方法で、遠隔・非接触かつリアルタイムに計測する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ光を用いて、遠隔、かつ、その計測対象物をサンプリングすることなく非接触に、レーザ光が透過可能なガス分子の濃度（以下において、単に「ガス濃度」と言う）を計測するレーザ計測方法として、２ｆ検波法やＤＩＡＬ（Differential Absorption Lidar：差分吸収ライダー)法が一般的によく知られている。この２ｆ検波法は、レーザダイオードの波長掃引範囲を超える幅広な吸収スペクトルを示すガス、例えば、有機溶剤や可燃ガスを含むＶＯＣ(Volatile Organic Compounds；揮発性有機化合物)の揮発成分の濃度等を計測することはできない。
一方、ＤＩＡＬ法は、ガスの吸収スペクトルがある波長(オン波長)とない波長(オフ波長)の差分や比率を用いてガス濃度を計測することにより、幅広な吸収スペクトルを示すガスの濃度を計測することができるが、２つの光源（例えば、レーザダイオード）及び受光部が必要となり、計測コストが高くなる。
【０００３】
また、レーザ光を用いて幅広な吸収スペクトルを示すガス濃度を計測可能な別の方法として、計測対象のガスを吸引してサンプリングしガス濃度を計測する吸引型の様々なレーザ計測方法（ＦＴ−ＩＲやＮＤＩＲ等）が知られている。しかしながら、ガスのサンプリングが必要なため、手間とコストがかかり、また、リアルタイムに計測できない。
【０００４】
そこで、上記の問題を解決するレーザ計測装置及びレーザ計測方法が、本出願人によって提案されている（特許文献１参照）。この特許文献１に記載されたレーザ計測装置及びレーザ計測方法は、レーザ光が透過可能な物質の存する計測領域に、光源からレーザ光を投光し、計測領域を透過するレーザ光を受光し、その受光強度と光源から投光されるレーザ光の投光強度の比である透過率に基づき、ガス濃度を計測する構成であるため、単純な方法で、遠隔・非接触かつリアルタイムに、光源（例えば、レーザダイオード）の波長掃引範囲を超える幅広な吸収スペクトルを示すガスの濃度を計測することを可能にしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−２７１２１３
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述の特許文献１に記載された従来のレーザ計測方法においては、計測領域にガスがない状態での受光強度を基準にしてガス濃度の計測（演算）を行う構成であるため、実際のガス濃度の計測前に、計測領域にガスがない状態での受光強度を計測（リファレンス計測）する必要がある。したがって、例えば、工場の製造ライン等のように連続運転されており、ガスがない状態を準備することが難しい計測領域においては、上記リファレンス計測を行うことが難しい場合があり、改良の余地があった。
【０００７】
本発明は上記問題点に着目してなされたもので、計測領域にガスがない状態での受光強度の計測（リファレンス計測）を行うことなく、単純な方法で、遠隔・非接触かつリアルタイムに、幅広な吸収スペクトルを示す物質の濃度又は厚みを計測可能なレーザ計測装置及びレーザ計測方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明によるレーザ計測装置は、レーザ光が透過可能な物質の存する計測領域にレーザ光を投光し、前記計測領域を透過するレーザ光を受光しその受光強度を用いて、前記物質の濃度又は厚みを計測するレーザ計測装置において、所定の波長のレーザ光を出力する光源部と、前記光源部と前記計測領域の間に設けられ、前記光源部から出力されるレーザ光をモニタ光と計測光とに分離して、該計測光を前記計測領域に投光するレーザ光分離部と、前記モニタ光を受光して、その受光強度を計測するモニタ部と、前記計測領域を透過する前記計測光を受光して、その受光強度を計測する受光部と、予め定めた波長幅の範囲内で少なくとも２種類の波長を設定し、それぞれの波長のレーザ光を順次出力するように前記光源部を駆動する光源制御部と、前記モニタ光の受光強度と前記計測光の受光強度の比率を前記順次出力されたレーザ光の前記波長毎に求め、求めた各比率に基づき前記物質の前記濃度又は厚みを計測する計測部と、を備えて構成する。
【０００９】
また、上記目的を達成するために、本発明によるレーザ計測方法は、レーザ光が透過可能な物質の存する計測領域にレーザ光を投光し、前記計測領域を透過するレーザ光を受光しその受光強度を用いて、前記物質の濃度又は厚みを計測するレーザ計測方法において、光源から予め定めた波長幅の範囲内で少なくとも２種類の波長を設定し、それぞれの波長のレーザ光を順次出力する工程と、前記光源から順次出力されるレーザ光を、前記光源と前記計測領域の間に設けるレーザ光分離部により、モニタ光と計測光とに順次分離して、該計測光を前記計測領域に順次投光する工程と、前記モニタ光を受光して、その受光強度を前記順次出力されたレーザ光の前記波長毎に計測する工程と、前記計測領域を透過する前記計測光を受光して、その受光強度を前記順次出力されたレーザ光の前記波長毎に計測する工程と、前記モニタ光の受光強度と前記計測光の受光強度の比率を前記順次出力されたレーザ光の前記波長毎に求め、求めた各比率に基づき前記物質の前記濃度又は厚みを計測する工程と、を備える構成とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明のレーザ計測装置によれば、光源部から出力される所定の波長のレーザ光をレーザ光分離部によりモニタ光と計測光とに分離すると共に計測光を計測領域に投光し、モニタ部によりモニタ光の受光強度を計測し、受光部により計測領域を透過する計測光の受光強度を計測し、光源制御部により予め定めた波長幅の範囲内で少なくとも２種類の波長を設定し、それぞれの波長のレーザ光を順次出力するように光源部を駆動し、計測部によりモニタ光の受光強度と計測光の受光強度の比率を順次出力されたレーザ光の波長毎に求め、単に求めた各比率に基づき物質の濃度又は厚みを計測する構成であるため、計測前の準備として、計測領域にガスがない状態での受光強度の計測（リファレンス計測）を行うことなく、物質の濃度又は厚みを計測することができる。
【００１１】
また、本発明のレーザ計測方法によれば、光源から予め定めた波長幅の範囲内で少なくとも２種類の波長を設定し、それぞれの波長のレーザ光を順次出力し、順次出力されるレーザ光をレーザ光分離部でモニタ光と計測光とに順次分離すると共に計測光を計測領域に順次投光し、モニタ光を受光しその受光強度を順次出力されたレーザ光の波長毎に計測し、計測領域を透過する計測光を受光しその受光強度を順次出力されたレーザ光の波長毎に計測し、モニタ光の受光強度と計測光の受光強度の比率を順次出力されたレーザ光の波長毎に求め、単に求めた各比率に基づき物質の濃度又は厚みを計測する構成であるため、計測前の準備としてリファレンス計測を行うことなく物質の濃度又は厚みを計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明に係るレーザ計測装置の一実施形態を示す概略構成図である。
【図２】上記実施形態のレーザ計測装置の動作を示すフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明に係るレーザ計測装置の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、上記レーザ計測装置の一実施形態を示す概略構成図である。
図１において、本実施形態のレーザ計測装置１は、レーザ光が透過可能な物質１０の存する計測領域にレーザ光を投光し、計測領域を透過するレーザ光を受光しその受光強度を用いて、物質１０の濃度又は厚みを計測するものであり、光源部２と、レーザ光分離部３と、モニタ部４と、受光部５と、光源制御部６と、計測部７とを備えて構成されている。
【００１４】
前記物質１０は、レーザ光が透過可能なものであり、計測対象となるものである。この計測対象となる物質１０は、気体や液体等様々な場合がある。本実施形態においては、物質１０は気体であり、計測領域に存するガス分子の濃度を計測する場合で説明する。この物質１０は、光源部２（例えば、レーザダイオード）から出力されるレーザ光の波長掃引範囲を超える幅広な吸収スペクトルを示すガスであり、例えば、有機溶剤や可燃ガスを含むＶＯＣ(Volatile Organic Compounds；揮発性有機化合物)の揮発成分である。
【００１５】
前記光源部２は、図１に示す様に、光源制御部６から指令を受け、所定の波長λ及び出力のレーザ光を発生するものであり、本実施形態においては、２種類の波長のレーザ光を順次出力する構成である。光源部２には、例えば、光源制御部６から矩形波状に電流値の大きさが変化する電流が入力され、その電流の大きさによって波長が順次変更（波長掃引）されるように構成されている。光源部２は、光源制御部６から入力される矩形波状の電流の変化タイミングに合わせて波長を変更する。
【００１６】
前記レーザ光分離部３は、光源部２と計測領域の間に設けられ、光源部２から出力されるレーザ光をモニタ光と計測光とに分離し、計測光を計測領域に投光するものであり、例えば、ビームスプリッタである。レーザ光分離部３は、光源部２から出力されるレーザ光の一部を反射させ一部を透過させ、反射成分をモニタ光としてモニタ部４に入力し、透過成分を計測光として投光する。この計測光は、図１に示すように、装置の筐体に設けられたガラス等で形成された窓部を透過後、計測領域を透過し、例えば、計測領域の構造物（鏡など）で反射した後に再び計測領域を透過し、窓部を透過後、レーザ光分離部３で反射して受光部５に入力される。
【００１７】
前記モニタ部４は、モニタ光を受光しその受光強度Ｐｔ（λ）を計測するものであり、例えば、フォトダイオード等の受光素子を備えて構成される。そして、この受光素子は、例えば、中間赤外域の波長のレーザ光に対して感度良好な素子であり、レーザ光分離部３におけるレーザ光の反射成分であるモニタ光を受光してその受光強度Ｐｔ（λ）の計測結果を計測部７に入力する。
【００１８】
前記受光部５は、計測領域を透過する計測光を受光しその受光強度Ｐｒ（λ）を計測するものであり、例えば、モニタ部４と同様に、中間赤外域の波長のレーザ光に対して感度良好な受光素子を備えて構成される。この受光素子は、計測領域の構造物で反射した後に再び計測領域を透過し、窓部を透過後にレーザ光分離部３で反射した計測光を受光しその受光強度Ｐｒ（λ）の計測結果を計測部７に入力する。
【００１９】
本実施形態においては、計測領域の外方からレーザ光（計測光）を投光し、計測領域の外方において計測領域を透過したレーザ光（計測光）を受光し、受光強度の計測結果を計測部７に入力し、後述する計測原理によりガス濃度を計測する構成である。このように、装置の各構成部品（受光部５等）とＶＯＣ等が接することがないため、各構成部品への溶剤付着を防止することができると共に、遠隔から計測をすることができる。また、ガスをサンプリングする必要がないためリアルタイムに計測することができる。
【００２０】
前記光源制御部６は、光源部２を駆動するものであり、予め定めた波長幅の範囲内で２種類の波長を設定し、それぞれの波長のレーザ光を順次出力するように光源部２を駆動するものである。本実施形態において、光源制御部６は、中間赤外域の２種類の波長（λｉ、λｊ）を設定するように構成されている。光源制御部６は、例えば、矩形波状に電流値の大きさが変化する電流を光源部２に入力することで、光源部２から出力するレーザ光の波長を順次変更するように構成されている。上記予め定めた波長幅（差）Δλは、例えば、サブｎｍ〜３００ｎｍ程度（望ましくは、３０ｎｍ〜５０ｎｍ程度）であり、この波長幅において後述する受光効率Ｔ１（λ）及びＴ２（λ）がそれぞれ略定数とみなすことができるように適宜設定されている。また、この波長幅は、光源部２の波長掃引可能な範囲である。
【００２１】
前記計測部７は、モニタ光の受光強度Ｐｔ（λ）と計測光の受光強度Ｐｒ（λ）の比率Ｔ’（λ）を順次出力されたレーザ光の波長毎に求め、求めた各比率に基づきガス濃度を計測する。本実施形態において、計測部７は、例えば、光源制御部６から光源部２に入力される矩形波状の電流に応じて順次出力される波長（λｉ、λｊ）毎に、比率Ｔ’（λ）を求め、求めた２種類の比率Ｔ’（λｉ）及びＴ’（λｊ）に基づき、ガス濃度を計測する。ここで、計測部７におけるガス濃度の計測原理を以下に説明する。
【００２２】
まず、計測領域にガスがない場合、受光部５で計測される受光強度Ｐｒ（λ）は、下記の（１）式のように表せる。
Ｐｒ（λ）＝Ｐ（λ）×Ｔ１（λ）                 ・・・（１）
ここで、Ｐ（λ）は光源部２から出力されたレーザ光の投光強度であり、Ｔ１（λ）は計測領域にガスがないときに光源部２から受光部５までのレーザパス上で影響を受けるレーザ光の受光効率（エネルギー減衰率）である。Ｔ１（λ）は、具体的には、図１の場合、レーザ光分離部３の透過率、窓部の透過率の２乗、構造物の反射率、レーザ光分離部３の反射率、受光部５(受光素子)の受光効率の積で表されるものである。
【００２３】
一方、計測領域にガスがある場合、受光部５で計測される受光強度Ｐｒ（λ）は、下記の（２）式のように表せる。
Ｐｒ（λ）＝Ｐ（λ）×Ｔ１（λ）×Ｔｇ（λ）    ・・・（２）
ここで、Ｔｇ（λ）は、レーザ光が計測領域（ガス）を透過したときの、計測対象（ガス）の透過率である。図１ではレーザ光は計測領域（ガス）を往復で２回透過しており、そのときの透過率がＴｇ（λ）で表される。
【００２４】
また、モニタ部４で計測される受光強度Ｐｔ（λ）は、下記の（３）式のように表せる。
Ｐｔ（λ）＝Ｐ（λ）×Ｔ２（λ）                 ・・・（３）
ここで、Ｔ２（λ）は光源部２からモニタ部４までのレーザパス上で影響を受けるレーザ光の受光効率（エネルギー減衰率）である。Ｔ２（λ）は、具体的には、図１の場合、レーザ光分離部３の透過率とモニタ部４（受光素子）の受光効率の積で表されるものである。
【００２５】
そして、Ｐｒ（λ）とＰｔ（λ）の比率Ｔ’（λ）を、下記の（４）式で定義すると、比率Ｔ’（λ）は、上記（２）式及び（３）式より、計測領域にガスがあるときについて、下記の（５）式のように表せる。
Ｔ’（λ）＝Ｐｒ（λ）/Ｐｔ（λ）                 ・・・（４）
＝Ｔ１（λ）/Ｔ２（λ）×Ｔｇ（λ）    ・・・（５）
ここで、受光効率Ｔ１（λ）及びＴ２（λ）は、レーザ光の波長λに応じて変化するが、光源部２から出力される２波長（λｉ、λｊ）の波長幅（差）Δλを、受光効率Ｔ１（λ）及びＴ２（λ）がそれぞれ略定数（Ｔ１，Ｔ２）とみなすことができるように適宜設定（例えば、波長幅Δλ＝サブｎｍ〜３００ｎｍ程度）すれば、上記（５）式は、下記の（６）式のように表せる。
Ｔ’（λ）＝Ｔ１/Ｔ２×Ｔｇ（λ）                ・・・（６）
したがって、計測部７により求められる２種類の比率Ｔ’（λｉ）及びＴ’（λｊ）は、下記の（７）式及び（８）式のように表せる。
Ｔ’（λｉ）＝Ｔ１/Ｔ２×Ｔｇ（λ）              ・・・（７）
Ｔ’（λｊ）＝Ｔ１/Ｔ２×Ｔｇ（λ）              ・・・（８）
【００２６】
さて、計測領域を透過したレーザ光のエネルギーは、計測領域のガスによるエネルギー吸収を受け減衰する。そのガスによる光の透過率Ｔｇ(λ)は、一般的によく知られているランバート・ベール(Beer-Lambert)の法則により、下記の（９）式で定義される。
Ｔｇ(λ)＝ｅｘｐ[−ａ（λ）×Ｃ×Ｌ]                ・・・（９）
ここで、ａ(λ)はガスのモル吸光係数であり、光をガスに入射したときにそのガスがどれくらいの光を吸収するかを示す波長毎の係数である。Ｃは物質（ガス分子）のモル濃度であり、Ｌはガスのレーザ光透過方向の厚さ（パス長）である。
【００２７】
ここで、Ｔ’（λｊ）とＴ’（λｉ）の比率は、上記（７）式〜（９）式より、下記の（１０）式のように表せる。
Ｔ’（λｊ）/Ｔ’（λｉ）＝ｅｘｐ[{ａ（λｉ）−ａ（λｊ）}×Ｃ×Ｌ]  ・・・（１０）
したがって、モル濃度Ｃは、下記の（１１）式のように表せる。
Ｃ＝ｌｎ{Ｔ’（λｊ）/Ｔ’（λｉ）} / [{ a(λｉ)-a(λｊ) }×Ｌ]        ・・・（１１）
以下の説明において、上記（１１）式により求めたモル濃度Ｃを２種類の波長を用いて計測したものであることを示すため便宜上、モル濃度Ｃｉｊと表す。
【００２８】
上記（１１）式において、モル吸光係数a(λj)及びa(λｉ)は、事前の物性計測により既知である。また、計測領域内におけるレーザ光（計測光）の全パスにわたってガスが存在していると仮定すると、ガスのレーザ透過方向の厚さＬは、レーザ光のパス長と一致するとみなすことができるため、既知の値とすることができる。したがって、上記（１１）式より、２種類の比率Ｔ’（λｉ）及びＴ’（λｊ）に基づき、モル濃度Ｃｉｊをガス濃度として計測することができる。また、カラム濃度ＣｉｊＬ（モル濃度Ｃｉｊとガスのレーザ透過方向の厚さＬとの積）をガス濃度として計測してもよい。
【００２９】
次に、本実施形態に係るレーザ計測装置１の計測動作について、図１，２に基づいて説明する。なお、以下においては、光源制御部６から光源部２に入力される矩形波状に変化する電流の一周期における計測動作を説明する。
【００３０】
まず、ステップＳ１において、光源部２は、光源制御部４の指令に基づき、所定の出力で、中間赤外域の波長λｉのレーザ光を出力する。
【００３１】
ステップＳ２において、レーザ光分離部３は、光源部２から出力されるレーザ光の一部を反射させ一部を透過させ、反射成分をモニタ光としてモニタ部４に入力し、透過成分を計測光として投光する。この計測光は、筐体の窓部を透過後、計測領域を透過し、計測領域の構造物で反射した後に再び計測領域を透過し、窓部を透過後、レーザ光分離部３で反射して受光部５に入力される。
【００３２】
ステップＳ３において、モニタ部４は、レーザ光分離部３におけるレーザ光の反射成分であるモニタ光を受光してその受光強度Ｐｔ（λｉ）の計測結果を計測部７に入力する。
【００３３】
ステップＳ４において、受光部５は、計測領域の構造物で反射した後に再び計測領域を透過し、窓部を透過後にレーザ光分離部３で反射した計測光を受光しその受光強度Ｐｒ（λｉ）の計測結果を計測部７に入力する。
【００３４】
ステップＳ５において、光源制御部６は、光源部２に入力する電流値を変化させ、光源部２から出力されるレーザ光の波長λをλｉからλｊに変更させる。
【００３５】
ステップＳ６において、ステップＳ１と同様にして、波長λｊのレーザ光を投光し、ステップＳ７でそのレーザ光をモニタ光と計測光とに分離すると共に計測光を計測領域に投光し、ステップＳ８において、モニタ光の受光強度Ｐｔ（λｊ）を計測しその計測結果を計測部７に入力し、ステップＳ９において、計測光の受光強度Ｐｔ（λｊ）を計測しその計測結果を計測部７に入力する。
【００３６】
ステップＳ１０において、計測部７は、波長λｉのレーザ光についてのモニタ光の受光強度Ｐｔ（λｉ）と計測光の受光強度Ｐｒ（λｉ）を用いて比率Ｔ’（λｉ）を求め、同様に、波長λｊのレーザ光についてのモニタ光の受光強度Ｐｔ（λｊ）と計測光の受光強度Ｐｒ（λｊ）を用いて比率Ｔ’（λｊ）を求め、求めた２つの比率Ｔ’（λｉ）及びＴ’（λｊ）に基づき、モル濃度Ｃｉｊをガス濃度として計測する。なお、ステップＳ１〜Ｓ１０の動作は、光源制御部６から光源部２に入力される矩形波状に変化する電流の一周期における計測動作であり、この一周期で、モル濃度Ｃｉｊの計測結果を１つ得ることができるが、これに限らず、この動作を複数周期繰り返し、各周期で得た計測結果の平均値や中央値を最終的な計測結果として得るようにしてもよい。これにより、計測誤差を小さくすることができる。
【００３７】
このような構成により、本実施形態に係るレーザ計測装置１は、光源部２から出力される所定の波長のレーザ光をレーザ光分離部３によりモニタ光と計測光とに分離し、モニタ部４によりモニタ光の受光強度Ｐｔ（λ）を計測し、受光部５により計測領域を透過する計測光の受光強度Ｐｒ（λ）を計測し、光源制御部６により予め定めた波長幅の範囲内で２種類の波長を設定し、それぞれの波長のレーザ光を順次出力するように光源部２を制御し、計測部７によりモニタ光の受光強度Ｐｔ（λ）と計測光の受光強度Ｐｒ（λ）の比率Ｔ’（λ）を順次出力されたレーザ光の波長毎に求め、単に求めた各比率に基づきガス濃度を計測する構成であるため、計測前の準備として、計測領域にガスがない状態での受光強度の計測（リファレンス計測）を行うことなく、実際の計測を行うことができる。また、投光するレーザ光の波長は近接する波長であり、かつ、モニタ光と計測光の比率によって濃度を計測する構成であるため、計測対象の物質が幅広な吸収スペクトルを示す物質であっても、複数の光源部２を設ける必要がない。このようにして、リファレンス計測を行うことなく、単純な方法で、遠隔・非接触かつリアルタイムに、幅広な吸収スペクトルを示すガス濃度を計測可能な計測装置を提供することができる。
【００３８】
また、本実施形態において、光源部２は中間赤外域の波長のレーザ光を出力する構成である。この中間赤外域の波長域は、ＶＯＣのモル吸光係数ａ（λ）がピークを示す波長域（光吸収波長帯）を含むため、例えば、印刷工程で使用されるインキに含まれるＶＯＣや、樹脂や金属や紙等を積層接着してレトルトパックやフィルムコンデンサ等の機能性材料を製造する工程で使用される接着剤等に含まれるＶＯＣの揮発成分濃度を効率的に計測することができる。また、ＶＯＣを含んだもの（印刷物、機能性材料、クリーニング時の衣類等）を乾燥させる乾燥炉内のＶＯＣの揮発成分濃度を計測しその品質管理や爆発安全監視などに活用できる。また、ＶＯＣの脱臭処理プロセスにおいて脱臭後のクリーンになっているはずの排気計測を行い、環境モニタリングなどにも活用できる。
【００３９】
なお、本実施形態においては、光源制御部６は、予め定めた波長幅の範囲内で２種類の波長を設定し、それぞれの波長のレーザ光を順次出力するように光源部２を駆動する場合で説明したが、これに限らず、予め定めた波長幅の範囲内で３種類以上の波長を設定し、それぞれの波長のレーザ光を順次出力するように光源部２を駆動するように構成してもよい。このように、光源制御部６は、予め定めた波長幅の範囲内で少なくとも２種類の波長を設定し、それぞれの波長のレーザ光を順次出力するように光源部２を駆動するように構成すればよい。３種類以上の波長を設定する場合、光源部２は、３種類以上の波長のレーザ光を順次出力し、計測部７は、３種類以上の波長の中からの２種類の波長の組合せ毎に物質（気化分子）１０の濃度を計測し、各計測値に基づき最終的な濃度を計測するように構成する。例えば、３種類の波長を用いる場合、モル濃度Ｃｉｊは、３種類（Ｃ１２、Ｃ１３、Ｃ２３）計測することができる。すなわち、ｎ種類の波長を用いる場合、モル濃度Ｃｉｊは、ｎ/（ｎ−１）/２の組み合わせ個数だけ計測することができ、これらの平均値や中央値などの統計値を用いることで計測誤差をより小さくすることができる。
【００４０】
また、本実施形態においては、中間赤外域の波長を用いてＶＯＣの揮発成分濃度を計測する場合で説明したが、これに限らず、中間赤外域以外の赤外域の波長を用いてその波長域に光吸収波長帯があるガスの濃度を計測してもよい。赤外域の波長については、他の波長域と比較して、ガスの種類毎の吸収スペクトルのデータベースがよく整備されているため、従来のＦＴ−ＩＲやＮＤＩＲ等を用いた計測器でサンプリングして計測する必要があった計測対象のガスに対しても、遠隔・非接触かつリアルタイムにガス濃度の計測を行うことができる。また、赤外域の波長に限らず、そのガスの種類に応じて、紫外域や可視域の波長を用いてもよい。さらには、Ｘ線領域からテラヘルツ領域の波長を用いてもよく、この場合は、光源部２として、自由電子レーザを用いればよい。
【００４１】
さらに、本実施形態の計測原理は、計測対象としての物質１０が気体（ガス）で有る場合に限らず、レーザ光が透過可能なものであれば、液体や固体であっても適用できる。物質が液体や固体の場合、この物質を透過するレーザ光の透過方向の物質の厚みを計測することができる。例えば、特定の種類の液体（油等）の漏洩度合い等を検出したい場合、その液体の濃度（密度）及びモル吸光係数は計測前に既知であるため、計測器７によって２種類の比率Ｔ’（λｉ）及びＴ’（λｊ）を求めれば、上記（１１）式より、液体を透過したレーザ光のパス長Ｌを液体のレーザ光透過方向の厚みとして計測することができる。この液体の厚みにより漏洩度合い等を検出することができる。また、液体に限らず、レーザ光が透過可能なものであれば固体であっても、同様に、その固体のレーザ光透過方向の厚みを計測することができる。
【００４２】
次に、本発明に係るレーザ計測方法の実施形態を図面について説明する。
【００４３】
本実施形態のレーザ計測方法は、図２のフロー図に示すように、レーザ光が透過可能な物質１０の存する計測領域にレーザ光を投光し、計測領域を透過するレーザ光を受光しその受光強度を用いて、物質１０の濃度又は厚みを計測する方法である。本実施形態においては、物質１０は気体であり、計測領域に存するガス分子の濃度を計測する場合で説明する。
【００４４】
本実施形態のレーザ計測方法は、ステップＳ１において、光源から中間赤外域の波長λｉのレーザ光を出力し、ステップＳ２において、光源から出力されるレーザ光を、光源と計測領域の間に設けるレーザ光分離部３で反射するモニタ光とレーザ光分離部３を透過して計測領域に投光される計測光とに分離し、ステップＳ３において、モニタ光を受光して、その受光強度Ｐｔ（λｉ）を計測し、ステップＳ４において、計測領域を透過する計測光を受光して、その受光強度Ｐｒ（λｉ）を計測し、ステップＳ５において、光源から出力するレーザ光の波長を近接する波長λｊに合わせて変更し、ステップＳ６において、波長λｊのレーザ光を出力し、ステップＳ７において、レーザ光分離部３でレーザ光をモニタ光と計測光とに分離し、ステップＳ８において、モニタ光を受光しその受光強度Ｐｔ（λｊ）を計測し、ステップＳ９において、計測光を受光しその受光強度Ｐｒ（λｊ）を計測し、ステップＳ１０において、モニタ光の受光強度Ｐｒ（λ）と計測光の受光強度Ｐｒ（λ）の比率Ｔ’（λ）を近接波長（λｉ、λｊ）毎に求め、求めた２種類の比率Ｔ’（λｉ）及びＴ’（λｊ）に基づき、前述した（１１）式を用いてモル濃度Ｃｉｊをガス濃度として計測する。
【００４５】
なお、上記ステップＳ１及びＳ６が、本願発明の光源から予め定めた波長幅の範囲内で２種類の波長を設定し、それぞれの波長のレーザ光を順次出力する工程に相当する。そして、上記ステップＳ２及びＳ７が、本願発明の光源から順次出力されるレーザ光を、光源と計測領域の間に設けるレーザ光分離部により、モニタ光と計測光とに順次分離して、計測光を計測領域に順次投光する工程に相当する。また、上記ステップＳ３及びＳ８が、本願発明のモニタ光を受光して、その受光強度を順次出力されたレーザ光の波長毎に計測する工程に相当する。さらに、上記ステップＳ４及びＳ９が、本願発明の計測領域を透過する計測光を受光して、その受光強度を順次出力されたレーザ光の波長毎に計測する工程に相当する。そして、上記ステップＳ１０が、本願発明のモニタ光の受光強度と計測光の受光強度の比率を順次出力されたレーザ光の波長毎に求め、求めた各比率に基づき物質の濃度を計測する工程に相当する。
【００４６】
このような構成により、本実施形態に係る計測方法は、光源から予め定めた波長幅Δλの範囲内で２種類の波長（λｉ，λｊ）を設定し、それぞれの波長のレーザ光を順次出力し、順次出力されるレーザ光をレーザ光分離部３でモニタ光と計測光とに順次分離すると共に計測光を計測領域に順次投光し、モニタ光を受光しその受光強度Ｐｔ（λｉ）を順次出力されたレーザ光の波長毎に計測し、計測領域を透過する計測光を受光しその受光強度Ｐｒ（λｉ）を順次出力されたレーザ光の波長毎に計測し、モニタ光の受光強度Ｐｔ（λ）と計測光の受光強度Ｐｒ（λ）の比率Ｔ’（λ）を順次出力されたレーザ光の波長（λｉ、λｊ）毎に求め、単に求めた２種類の比率Ｔ’（λｉ）及びＴ’（λｊ）に基づき物質の濃度を計測する構成であるため、計測前の準備としてリファレンス計測を行うことなく物質の濃度を計測することができる。また、幅広な吸収スペクトルを示す物質の場合でも複数の光源は不要となる。このようにして、リファレンス計測を行うことなく、単純な方法で、遠隔・非接触かつリアルタイムに、幅広な吸収スペクトルを示すガス濃度を計測可能な計測方法を提供することができる。
【００４７】
また、本実施形態において、光源は中間赤外域の波長のレーザ光を出力し、この中間赤外域の波長のレーザ光を用いて計測する構成であるため、インキや接着剤等に含まれるＶＯＣの揮発成分濃度を効率的に計測することができる。また、中間赤外域の波長を用いてＶＯＣの揮発成分濃度を計測する場合で説明したが、これに限らず、中間赤外域以外の赤外域の波長を用いてその波長域に光吸収波長帯があるガスの濃度を計測してもよい。また、赤外域の波長に限らず、そのガスの種類に応じて、紫外域や可視域の波長を用いてもよい。さらには、Ｘ線領域からテラヘルツ領域の波長を用いてもよい。
【００４８】
なお、本実施形態においては、予め定めた波長幅の範囲内で２種類の波長を設定し、それぞれの波長のレーザ光を順次出力するように光源部２に指令する場合で説明したが、これに限らず、予め定めた波長幅の範囲内で３種類以上の波長を設定し、それぞれの波長のレーザ光を光源から順次出力するように構成してもよい。この場合、モル濃度Ｃｉｊはｎ/（ｎ−１）/２の組み合わせ個数だけ計測することができ、この各計測値に基づき最終的な濃度を計測するように構成してもよい。
【００４９】
また、本実施形態の計測原理は、気体（ガス）に限らず、レーザ光が可能なものであれば、液体や固体であっても適用できる。この場合、計測対象とする液体や固体の密度及びモル吸光係数は既知であるため、２種類の比率Ｔ’（λｉ）及びＴ’（λｊ）を求めれば、上記（１１）式より、液体や固体のレーザ光透過方向の厚みを計測することができる。
【符号の説明】
【００５０】
１    計測装置
２    光源部
３    レーザ光分離部
４    モニタ部
５    受光部
６    光源制御部
７    計測部
１０  物質
【図１】
2013003038.tif 000003
【図２】
2013003038.tif 000004