(57)【要約】【課題】入射光の偏光状態が変化しても分岐比に大きな影響を与えない参照光分岐用光学系を提供する。【解決手段】光出射部から出射され測定対象物に照射する光の一部をビームスプリッタを用いて参照光として分岐する参照光分岐用光学系であって、ビームスプリッタは、光出射部から出射された光が、入射角１０度未満で入射するように配置されている。入射角は３度以上５度以下が好ましい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光出射部から出射され測定対象物に照射する光の一部をビームスプリッタを用いて参照光として分岐する参照光分岐用光学系であって、
前記ビームスプリッタは、光出射部から出射された光が、入射角１０度未満で入射するように配置されていることを特徴とする参照光分岐用光学系。
【請求項２】
前記入射角は、３度以上５度以下であることを特徴とする請求項１に記載の参照光分岐用光学系。
【請求項３】
前記光出射部は、光ファイバの出力端であることを特徴とする請求項１または２に記載の参照光分岐用光学系。
【請求項４】
前記ビームスプリッタは、ウェッジ基板型であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の参照光分岐用光学系。
【請求項５】
前記ビームスプリッタは、測定対象物を収容するセルの窓を兼ねることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の参照光分岐用光学系。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光源から出射された測定光を測定対象物に照射して透過光や反射光を検出する装置における参照光分岐用光学系に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ分光法ガス分析装置等の測定装置では、光源から出射された測定光を測定対象物に照射して透過光や反射光を検出する光学系を備えている。このような測定装置の光学系では、測定対象物に照射する光の一部を分岐して参照光として用いる場合がある。参照光は、光源の光量を測定したり、波長校正等の種々の目的に利用される。
【０００３】
図５は、参照光分岐用光学系を有する従来のレーザ分光法ガス分析装置の一般的な構成例を模式的に示すブロック図である。本図において、レーザ分光法ガス分析装置３００は、測定用レーザ光を発生させる波長可変型半導体レーザ光源３１０と、試料ガスが導入されるサンプルセル３１１と、サンプルセル３１１を通過したレーザ光の光強度を測定する第１光検出器３１２と、レーザ光源３１０からのレーザ光の一部を参照光として分岐する２個のビームスプリッタ３１３、３１４と、第１ビームスプリッタ３１３で分岐（反射）したレーザ光の光強度を測定する第２光検出器３１５と、測定対象物を減圧状態で封入したリファレンスセル３１６と、第２ビームスプリッタ３１４で分岐してリファレンスセル３１６を通過したレーザ光の光強度を測定する第３光検出器３１７とを備えた光学系を有している。
【０００４】
通常、この光学系は、パージボックス３１８内に収納された状態となっている。また、レーザ光源３１０には、駆動電流や駆動温度を制御するための駆動部３１０ａ、３１０ｂが設けられ、各光検出器３１２、３１５、３１７には、検出光量を電圧信号に変換するとともに増幅してロックインアンプ３１９に出力するプリアンプ３２０がそれぞれ設けられている。
【０００５】
図６は、参照光分岐用光学系を有する測定装置の別例である光学測定システムを模式的に示すブロック図である。本図において、光学測定システム４００は、波長可変のレーザ光源４１０、参照セル４１４、試料セル４１２および前希釈セルセル４１６が含まれる。参照セル４１４には、それぞれその入口および出口に設けた１対の光学検出器４４２および４４４があり、試料セル４１２には光学検出器４５２および４５４があり、前希釈セル４１６には光学検出器４６２および４６４がある。
【０００６】
レーザ光源４１０から試料セル４１２に照射されるビームは、ビームスプリッタ４３２およびビームスプリッタ３４４で参照光として分岐して、参照セル４１４および前希釈セル４１６に入射する。また、本例では、各ガスセル４１２、４１４、４１６の入力基板からの反射光も参照光として用いている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００１−２１４９３号公報
【特許文献２】特開２００５−６９８８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
図５、図６に示すように、光源からの光を参照光として分岐する場合にはビームスプリッタが用いられる。ビームスプリッタとしては、光学ガラス基板が広く使用されており、参照光をほぼ直角に分岐させるために、入射角度が４５度程度となるように配置されている。
【０００９】
ところで、光学ガラス基板に光が入射する際には、図７に示すように、入射角度と偏光方向によって反射率が大きく異なることが知られている。本図は、無反射膜を施していない一般的な光学ガラス基板の入射角による反射率特性を示した図である。なお、Ｐ偏光は、ガラス面の法線と入射光を含む面内で振動する光波で、Ｓ偏光はＰ偏光に直交して振動する光波である。これ以外の偏光状態はＰ偏光とＳ偏光の配分比を変えて合成したものとして考えることができる。
【００１０】
Ｐ偏光とＳ偏光の反射率は入射角度とガラスの屈折率とによって決められるが、それぞれ異なる法則にしたがっているため、本図に示すように、入射角度によってＰ偏光とＳ偏光の反射率に違いが生じる。特に、従来のビームスプリッタの配置状態である入射角度４５度付近では、Ｐ偏光とＳ偏光の反射率は大きく異なっている。なお、Ｐ偏光の反射率が０％となる入射角度は、ブリュースタ角と呼ばれている。
【００１１】
Ｐ偏光とＳ偏光の反射率が異なっていると、光源が出力する光の偏光状態が変化した場合に、Ｐ偏光とＳ偏光の配分比が変化することにより反射光の強度が変化する。この結果、測定光と参照光との分岐比が変化して、測定結果に影響を与えることになる。
【００１２】
このため、従来の参照光分岐用光学系を有する測定装置では、レーザ光源の出力光を光ファイバ等の導波路を使用せず直接空間光で出射させ、平行光にしてビームスプリッタに導くようにしている。これにより、ビームスプリッタに入射する偏光状態が常に一定になり、結果として、測定光と参照光との分岐比が一定となる。
【００１３】
一方で、レーザ光源の出力光を、光ファイバを介してビームスプリッタに導くことができれば、レーザ光源の配置の自由度が高まることになり、メンテナンスも容易となる。特に、防爆仕様の測定装置の場合、危険場所に配置する測定用セル等から離れた安全場所にレーザ光源を配置することができるようになるため、運用上の利便性も高まることになる。
【００１４】
しかしながら、光ファイバを通すと、各種の外部要因により透過光の偏光状態が変化してしまう。このため、従来の参照光分起用光学系に光ファイバの出力光を入射すると、反射光の強度が安定せず、測定光と参照光との分岐比が変化して、測定結果に影響を与えることになる。
【００１５】
偏光状態による分岐比の変動を無くした無偏光ビームスプリッタが実用化されているが、特定波長にしか対応しないため、波長掃引を行なう測定装置の光学系では十分な効果が得られない。
【００１６】
そこで、本発明は、入射光の偏光状態が変化しても分岐比に大きな影響を与えない参照光分岐用光学系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】
【００１７】
上記課題を解決するため、本発明の参照光分岐用光学系は、光出射部から出射され測定対象物に照射する光の一部をビームスプリッタを用いて参照光として分岐する参照光分岐用光学系であって、前記ビームスプリッタは、光出射部から出射された光が、入射角１０度未満で入射するように配置されていることを特徴とする。
ここで、前記入射角は、３度以上５度以下であることが好ましい。
また、前記光出射部は、光ファイバの出力端とすることができる。
また、前記ビームスプリッタは、ウェッジ基板型とすることができる。
また、前記ビームスプリッタは、測定対象物を収容するセルの窓を兼ねてもよい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、入射光の偏光状態が変化しても分岐比に大きな影響を与えない参照光分岐用光学系が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本実施形態の参照光分岐用光学系を模式的に示すブロック図である。
【図２】レーザ光源の出力光を光ファイバを介して入射させる構成を模式的に示すブロック図である。
【図３】被測定ガスフローセルの入力光学窓をビームスプリッタとして称した場合の構成を模式的に示すブロック図である。
【図４】波長校正用ガスセルのウェッジ窓をビームスプリッタとして称した場合の構成を模式的に示すブロック図である。
【図５】参照光分岐用光学系を有する従来のレーザ分光法ガス分析装置の一般的な構成例を模式的に示すブロック図である。
【図６】参照光分岐用光学系を有する測定装置の別例である光学測定システムを模式的に示すブロック図である。
【図７】Ｐ偏光とＳ偏光の入射角度と反射率との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、本実施形態の参照光分岐用光学系を模式的に示すブロック図である。本実施形態では、参照光分岐用光学系をレーザ分光法ガス分析装置に適用した場合を例に説明する。
【００２１】
本図に示すように、レーザ分光法ガス分析装置の参照光分岐用光学系１００は、レーザ光源１１０、平行光用レンズ１２０、ウェッジ基板型ビームスプリッタ１３０、被測定ガスフローセル１４０、測定光用光検出器１５０、参照光用光検出器１６０、ミラー１７０、波長校正用ガスセル１８０、波長校正用光検出器１９０を備えている。
【００２２】
レーザ光源１１０は、光出射部として機能する波長可変レーザ光源であり、図示していない光出力制御部からの出力信号で光が出射され、図示していない波長可変制御部からの出力信号で波長掃引が行なわれる。
【００２３】
平行光用レンズ１２０は、レーザ光源１１０の出射光軸上に配置され、出射光を平行光に変換してウェッジ基板型ビームスプリッタ１３０に入射する。
【００２４】
本実施形態において、ウェッジ基板型ビームスプリッタ１３０は、レーザ光源１１０からの入射光に対して入射角αが１０度未満となるように配置されている。ここでは、ウェッジ面が入射側となるようにしているが、逆向きであってもよい。
【００２５】
ウェッジ基板型ビームスプリッタ１３０を透過した光ビームの光軸上には、被測定ガスフローセル１４０が配置され、さらに、被測定ガスフローセル１４０を透過した光ビームの光軸上に測定光用光検出器１５０が配置されている。
【００２６】
被測定ガスフローセル１４０は、光ビームが透過する入出力光学窓と、被測定ガスが入出力するガス導入口とが形成されており、被測定ガスフローセル１４０内を被測定ガスが流れるとともに、光ビームが通過する構造となっている。光ビームが被測定ガスを透過する際に、ガス特有の波長で光が吸収される。
【００２７】
ウェッジ基板型ビームスプリッタ１３０のウェッジ面（前面）での反射光の光軸上には参照光強度測定の光検出器１６０が配置され、後面での反射光の光軸上には波長校正用ガスセル１８０と波長校正用の光検出器１９０とが配置されている。波長校正用ガスセル１８０は、測定する波長帯に吸収線が存在するガスが封印される。なお、前面反射光と後面反射光との分離角が小さい場合には、本図のように、一方の反射光軸上にミラー１７０を配置して分離距離を確保する。
【００２８】
ここで、ウェッジ基板型ビームスプリッタ１３０としているのは、ウェッジ基板の前面反射光と後面反射光との干渉、およびウェッジ基板の後面と前面で２回反射しての透過光と１回も反射しないで直接透過した透過光との干渉を防ぐためであり、他のタイプのビームスプリッタを用いるようにしてもよい。ただし、ウェッジ基板型ビームスプリッタ１３０を用いることにより、前面反射光と後面反射光とが得られ、２個のビームスプリッタを用いる必要がなくなるため、部品点数の削減、サイズの小型化を実現することができる。
【００２９】
各光検出器１５０、１６０、１９０は、受光した光ビームの光強度に対応した受光信号を図示していない受光回路に出力する。多重反射による干渉を無くすために、窓ガラスが無い構成が好ましい。各光検出器１５０、１６０、１９０の前段に集光用レンズを配置してもよい。各受光回路の出力は図示していないデータ処理部で検出され、演算を施されて被測定ガスの濃度が算出される。
【００３０】
上述のように、本実施形態では、ウェッジ基板型ビームスプリッタ１３０は、光出射部から出射される光に対して入射角αが１０度未満となるように配置されている。図７の入射角度反射率特性図に示すように、入射角１０度未満では、Ｓ偏光の反射率とＰ偏光の反射率との差が小さい。このため、入射光の偏光状態が変化しても分岐比に大きな影響を与えないことになる。
【００３１】
なお、入射角が５度以下であれば、Ｓ偏光の反射率とＰ偏光の反射率とがほぼ一致するため、分岐比は、より一層偏光状態の変化の影響を受けなくなる。一方で、入射角が小さすぎると、反射光と入射光とが近接し、反射光の検出スペースの確保が困難となるため、入射角は、３度以上５度以下が好ましい。
【００３２】
このように、本実施形態の参照光分岐用光学系では、入射光の偏光状態が変化しても分岐比に大きな影響を与えないため、図２に示すように、レーザ光源１１０の出力光を、光ファイバ２００を介して入射させることができるようになる。この場合、光ファイバ２００の出力端が光出射部として機能することになる。
【００３３】
これにより、レーザ光源１１０の配置の自由度が高まり、レーザ光源１１０を被測定ガスフローセル１４０や光検出器１５０等の測定ブロックから分離することができるようになる。このため、光源の変更等のメンテナンスが容易となり、また、防爆仕様の設計も容易となり、運用上の利便性も高まることになる。
【００３４】
上述の例では、ウェッジ基板型ビームスプリッタ１３０を用いて参照光を分岐させていたが、図３に示すように、被測定ガスフローセル１４０の入力光学窓１４２をビームスプリッタとして用いるようにしてもよい。一般に、入力光学窓１４２は、干渉を防ぐためにウェッジ窓となっているため、上述の例と同様に前面反射光と後面反射光等を得ることができ、それぞれを参照光強度測定と波長校正用として用いることができる。
【００３５】
本例においても、ビームスプリッタとして用いる入力光学窓１４２への入射角αが１０度未満となるように配置し、好ましくは３度以上５度以下となるようにする。本例では、独立したウェッジ基板型ビームスプリッタ１３０を用いないため、部品点数を削減することができる。
【００３６】
あるいは、図４に示すように、波長校正用ガスセル１８０の入力光学窓１８２および出力光学窓１８４をビームスプリッタとして用いるようにしてもよい。この場合、波長校正用ガスセル１８０の後段の光軸上に、被測定ガスフローセル１４０および測定光用光検出器１５０を配置する。
【００３７】
本図の例では、波長校正用ガスセル１８０の入力光学窓１８２における反射光は参照光強度測定の光検出器１６０に導かれる。また、波長校正用ガスセル１８０の出力光学窓１８４における反射光は波長校正用の光検出器１９０に導かれる。出力光学窓１８４における反射光は、波長校正用ガスセル１８０を２回透過することになるため、封入ガスの吸収線波長については２倍の吸収量となり、波長校正用信号の強度が２倍となる。なお、波長校正用ガスセル１８０、参照光強度測定の光検出器１６０、波長校正用の光検出器１９０は一体化したモジュール構造としてもよい。この場合、任意の被測定ガスフローセル１４０と組み合わせることができる。
【００３８】
本例においても、ビームスプリッタとして用いる入力光学窓１８２への入射角αが１０度未満となるように配置し、好ましくは３度以上５度以下となるようにする。本例では、光源の出力部から波長校正用ガスセル１８０、被測定ガスフローセル１４０、測定光用光検出器１５０までが同一光軸上に配置されるため、装置の小型化が可能となる。
【符号の説明】
【００３９】
１００…参照光分岐用光学系、１１０…レーザ光源、１２０…平行光用レンズ、１３０…ウェッジ基板型ビームスプリッタ、１４０…被測定ガスフローセル、１４２…入力光学窓、１５０…光検出器、１５０…測定光用光検出器、１６０…参照光用光検出器、１７０…ミラー、１８０…波長校正用ガスセル、１８２…入力光学窓、１８４…出力光学窓、１９０…波長校正用光検出器、２００…光ファイバ
【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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