(57)【要約】      （修正有）【課題】比較的低電力の光源を用いて遠隔の試料を検知することが可能な物質検出装置及び物質検出方法を提供する。【解決手段】物質検出装置１００は、試料を照射する単一または複数の波長の断続光を発する励起光源１０１と、試料を通過するよう検出用レーザ光を照射する検出用レーザ光源１０３と、試料を通過した検出用レーザ光に対して光学的フーリエ変換を施し、微弱回折光成分と基本波成分を集光する光学系１０５と、基本波成分と微弱回折光成分を受光して、その光量に対応する値の電気信号を出力する光検出部１０７と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料を照射する単一または複数の波長の断続光を発する励起光源と、
前記試料を通過するよう検出用レーザ光を照射する検出用レーザ光源と、
前記試料を通過した前記検出用レーザ光に対して光学的フーリエ変換を施し、微弱回折光成分と基本波成分を集光する光学系と、
前記基本波成分と微弱回折光成分を受光して、その光量に対応する値の電気信号を出力する光検出部と、
を備える物質検出装置。
【請求項２】
前記電気信号を受信する分析部をさらに備え、
前記分析部は、
前記電気信号の値と前記試料の濃度との対応関係を示すデータを保持するデータ保持部と、
前記光検出部から出力された電気信号の値と前記データとに基づいて、前記試料の濃度を求める処理部と、
を備える請求項１に記載の物質検出装置。
【請求項３】
励起光を試料に断続的に照射し、
前記試料を通過するよう検出用レーザ光を照射し、
前記試料を通過した前記検出用レーザ光に対して光学的フーリエ変換を施し、微弱回折光成分を基本波から空間的に分離し、
前記基本波から空間的に分離された前記微弱回折光成分を受光して、その光量に対応する値の電気信号に変換すること、
を含む物質検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光音響効果を利用した検出装置及び検出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
試料の定性・定量を行う分析方法としては、吸収分光分析法が知られている。一般的に、吸収分光分析装置は、分析用の光源と内部光電効果や外部光電効果を利用した光検出器で構成される。このような分光分析装置は、照射する電磁波が波長の短い紫外線から可視光線さらには近赤外光線の場合に、感度が高い検出器を用いることができる。しかしながら、赤外や遠赤外線の領域では、検出器が高価になる上、高感度な検出器を容易に得ることは困難である。さらに、赤外線や遠赤外線を光源として用いる場合、光検出器が背景温度の放射から大きく影響を受けるため、信号強度比（Ｓ／Ｎ比）の観点から、照射する光源の照射出力を高める必要がある。そのため、光源装置としては、一般的にＭＷクラスの尖頭出力を有する大型の装置が必要である。
【０００３】
吸収分光分析法の中でも光音響分光（ＰＡＳ：Photo Acoustic Spectroscopy）法は、光（電磁波）を試料に断続的に照射して該試料内に発生する断続光の周波数に対応する周期の熱変化を圧力変化（音波）として観測する吸収分光分析方法の１つである。ＰＡＳ法では、音波を観測するため、検出器として光電効果等を用いた高感度の光検出器は必要とせず、マイクロフォンなど音響検出器を検出器として用いる。ＰＡＳ法においては、試料が電磁波を吸収すれば、音波が発生するため、検出器として用いるマイクロフォンは１種類で良く、波長に応じて検出器を装備する必要がない。
【０００４】
前述の吸収分光分析装置は、光検出器が高感度であるため、比較的低電力の光源を用いて遠隔の試料を検知することが可能である。一方、ＰＡＳ装置では、音波を検出するため、試料の近傍にマイクロフォンなど音響検出器を設ける必要がある。そのため、ＰＡＳ法では、試料から離れた位置（遠隔地）で光音響効果によって生じた音波の検出を行うことは、検出感度の点で技術的に困難である。また、試料が存在する場が高温や高圧下で、あるいは、空間的にマイクロフォンなどの音響検出器が配置できない場合がある。このような場合、ＰＡＳ法を適用することはできない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特表２０１０−５１１８８２号公報
【特許文献２】特開２０１３−１９５１５０号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】レーザ光音響分光法（ＬＰＡＳ）による分析装置の開発、上田泰稔他、三菱重工技報、Ｖｏｌ．３４  Ｎｏ．２  （１９９７−３）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、光音響効果を利用し、比較的低電力の光源を用いて遠隔の試料を検出することが可能な物質検出装置及び物質検出方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一実施形態に係る物質検出装置は、試料を照射する単一または複数の波長の断続光を発する励起光源と、前記試料を通過するよう検出用レーザ光を照射する検出用レーザ光源と、前記試料を通過した前記検出用レーザ光に対して光学的フーリエ変換を施し、微弱回折光成分と基本波成分を集光する光学系と、前記基本波成分と微弱回折光成分を受光して、その光量に対応する値の電気信号を出力する光検出部と、を備える。
【０００９】
前記電気信号を受信する分析部をさらに備え、前記分析部は、前記電気信号の値と前記試料の濃度との対応関係を示すデータを保持するデータ保持部と、前記光検出部から出力された電気信号の値と前記データとに基づいて、前記試料の濃度を求める処理部と、
を備えてもよい。
【００１０】
本発明の一実施形態に係る物質検出方法は、励起光を試料に断続的に照射し、前記試料を通過するよう検出用レーザ光を照射し、前記試料を通過した前記検出用レーザ光に対して光学的フーリエ変換を施し、微弱回折光成分を基本波から空間的に分離し、前記基本波から空間的に分離された前記微弱回折光成分を受光して、その光量に対応する値の電気信号に変換すること、を含む。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の物質検出装置及び物質検出方法によれば、光音響効果を利用し、比較的低電力の光源を用いて遠隔の試料を検出することができる。また、従来の吸収分光分析の検出器に比して、背景温度の放射による影響を低減し、信号強度比（Ｓ／Ｎ比）を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施形態に係る物質検出装置の概略構成図である。
【図２】試料の濃度と光検出部からの電圧信号の強度との関係を示すグラフである。
【図３】本発明の一実施形態の変形例に係る物質検出装置の概略構成図である。
【図４】本発明の一実施形態の変形例に係る物質検出装置の概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の物質検出装置及び物質検出方法について、図面を参照しながら詳細に説明する。但し、以下に示す実施形態は本発明の実施形態の一例であって、本発明はこれらの実施形態に限定して解釈されるものではない。なお、本実施形態で参照する図面において、同一部分または同様な機能を有する部分には同一の符号または類似の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する場合がある。また、図面の寸法比率は説明の都合上実際の比率とは異なる場合や、説明の便宜のために構成の一部を図面から省略している場合がある。
【００１４】
図１は、本発明の一実施形態に係る物質検出装置の概略構成図である。図１において、物質検出装置１００は、励起光源１０１と、検出用レーザ光源１０３と、光学系１０５と、光検出部１０７とを備える。物質検出装置１００を用いて、試料の検出を行う場合、任意で試料を含むセル１１５を用いてもよい。本実施形態では、試料を含むセル１１５を使用した場合について説明する。尚、本実施形態において、セル１１５に含まれる試料は気体であり、セル１１５は後述する励起光及び検出用レーザを透過できるものである。物質検出装置１００は、任意で分析部１１７を備えてもよい。
【００１５】
励起光源１０１は、励起光を照射する光源である。励起光源１０１は、励起光を断続的に照射する（即ち、パルス発振する）。励起光源から照射される励起光は、断続光である。励起光としては、例えば、可視光を含む紫外線帯域から遠赤外帯域までの光である。励起光を発生させる励起光源１０１としては、紫外帯域から遠赤外帯域の任意の波長の光を発振する半導体レーザ素子、ＬＥＤ、白熱電球、蛍光灯であってもよい。励起光は、周波数（波長）が時間的に変化してもよい。また、励起光源１０１の個数は１つに限定されない。物質検出装置１００は、異なる波長の励起光をそれぞれ断続的に照射する複数の励起光源を備えていてもよい。
【００１６】
励起光源１０１は、試料に励起光を照射する。本実施形態において、励起光源１０１から出射された励起光は、反射ミラーを介してセル１１５に含まれる試料に照射される。図１においては、物質検出装置１００が２つの反射ミラー１０９、１１１を備えた例を示している。物質検出装置１００では、励起光が第１の反射ミラー１０９及び第２の反射ミラー１１１によって反射されて試料を含むセル１１５に照射される。尚、物質検出装置１００では、励起光がセル１１５に含まれる試料に照射されるよう構成されるのであれば、反射ミラーの数は２つに限定されるわけではなく、反射ミラーの数は１つでもよく、３つ以上であってもよく、反射ミラーが無くてもよい。また、反射ミラーが無い場合、励起光源１０１から出射された励起光はセル１１５に含まれる試料に直接照射される。励起光は、アパーチャ（図示せず）によってその光束が絞られてもよく、集光レンズ（図示せず）によって集光された上でセル１１５に含まれる試料に照射されてもよい。セル１１５に含まれる試料を通過励起光は、安全のため励起光をブロックする遮蔽部材１１３に照射される。遮蔽部材１１３は、省略されてもよい。また、遮蔽部材１１３の代わりに、励起光の強度を向上させるための反射ミラーを配置してもよい。
【００１７】
検出用レーザ光源１０３は、コヒーレントな検出用レーザ光を連続発振するＣＷレーザである。検出用レーザ光源１０３としては、半導体レーザ素子（レーザダイオード）やＨｅ−Ｎｅレーザを用いることができる。後述する光学系１０５の構成を単純にすべく、レーザ光の断面形状を真円に整形する光学系が組み込まれた真円レーザ装置を用いることが好ましい。検出用レーザ光源１０３の発振波長には制限はない。そのため、紫外帯域から赤外帯域まで、任意の発振波長の光源を用いることができる。
【００１８】
検出用レーザ光源１０３は、試料に向かって検出用レーザ光を照射する。物質検出装置１００においては、検出用レーザ光源１０３から出射された検出用レーザ光は、励起光源１０１から出射された励起光に照射された、セル１１５に含まれる試料に照射される。即ち、検出用レーザ光は、セル１１５に含まれる試料を通過する。尚、検出用レーザ光は、光音響効果が生じる、励起光源１０１から出射された励起光に照射された試料の近傍の領域を通過してもよい。検出用レーザ光の行路は、励起光の行路と交差してもよい。また、検出用レーザ光の行路は、励起光の行路と同軸であってもよい。図１では、検出用レーザ光の行路が、励起光の行路と交差している例を示している。検出用レーザ光が検出用レーザ光は、コリメートレンズ（図示せず）によって平行光に変換されて、試料を含むセル１１５に照射されてもよい。
【００１９】
光学系１０５は、励起光源１０１によって照射された試料を通過した検出用レーザ光に対して光学的フーリエ変換を施し、検出用レーザ光に含まれる基本波成分（０次回折光）と微弱回折光成分（以下、フラウンホーファ回折光ともいう）（１次回折光）とを集光し、これらを後述する光検出部１０７の受光面上に夫々収束させ、且つ干渉させる正レンズである。検出用レーザ光に含まれる基本波成分及び微弱回折光成分については、後述する。光学系１０５を構成するレンズの数は、１つであってもよく、複数であってもよい。図１に示す物質検出装置１００において、光学系１０５は、３つのレンズ１０５ａ、１０５ｂ、１０５ｃから構成される正レンズ群である。物質検出装置１００において、レンズ１０５ａは、フーリエ変換用のレンズである。残り２つのレンズ１０５ｂ、１０５ｃは、回折像を拡大するためのレンズである。尚、レンズ１０５ｂ、１０５ｃは、省略されてもよい。
【００２０】
光検出部１０７は、フォトダイオードなどの光電変換素子である。光検出部１０７は、光学系１０５から出射された基本波成分と微弱回折光成分を受光面で受光し、受光面における微弱回折光成分の入射光量（即ち、フラウンホーファ回折光の光量）に対応する値の電気信号（電圧信号又は電流信号）を出力する。
【００２１】
分析部１１７は、光検出部１０７から出力された電気信号を受信し、受信した電気信号に基づいて試料の定性分析又は定量分析を行う。分析部１１７は、受信した電気信号に対応する励起光の波長に基づいて、試料の定性分析を行ってもよい。また、分析部１１７は、受信した電気信号の強度に基づいて、試料の定量分析を行ってもよい。分析部１１７は、物質検出装置１００に実装されてもよく、外部装置に実装されてもよい。
【００２２】
物質検出装置１００を用いた、試料の検出の詳細について以下に説明する。
【００２３】
物質には、それぞれに固有のエネルギー準位があるため、物質の分子に吸収される光の波長は、該物質によって異なる。したがって、セル１１５に含まれる試料を構成する物質の種類に応じて、吸収される励起光の波長は異なる。試料の定性分析を行う場合は、それぞれ波長の異なる光を発する複数の励起光源１０１を準備し、試料が吸収した励起光の波長を特定することにより、試料に含まれる物質を特定することができる。また、試料の定量分析を行う場合は、光検出部１０７から出力される電気信号の強度に基づいて、試料に含まれる物質の濃度などを求めることができる。
【００２４】
物質検出装置１００において、励起光源１０１から出射された所定の波長を有する励起光がセル１１５に含まれる試料に照射されると、該所定の波長の光を吸収する物質が試料である気体に含まれる場合、該物質の気体分子が励起光を吸収し励起状態となる。励起した気体分子は、励起光のパルスの周期に基づいて基底状態に戻る際に、吸収した励起光の光エネルギーに相当する熱エネルギーを放出する。
【００２５】
放出された熱エネルギーにより、基底状態に戻った気体分子の周囲の気体分子の運動エネルギーが瞬間的に高くなり、セル１１５において、気体の圧力が瞬間的に高くなる部分が発生する。したがって、セル１１５において、励起光のパルスの周期に対応して、気体の圧力が周期的に変化することにより、音波、即ち気体の粗密波が発生する。気体の密度が高い部分（圧力が高い部分）では屈折率が大きくなり、気体の密度が低い部分（圧力が低い部分）では、屈折率が低くなる。屈折率に勾配が生じた光伝導媒質（ここでは、セル１１５に含まれる気体）は、ロッドレンズのような屈折作用を生じる。そのため、検出用レーザ光源１０３から出射された検出用レーザ光に音波が入射すると、音波、即ち気体の粗密波に伴う屈折作用により、検出用レーザ光に圧力の変化量に応じた光量の微弱回折光が生じる。ここで、回折光の周波数ｆ［Ｈｚ］は、音波の周波数ｆａ［Ｈｚ］のドップラー効果により、音波の周波数ｆａ［Ｈｚ］だけシフトしている。つまり、検出用レーザ光の基本波成分である透過光の周波数をｆ０［Ｈｚ］とすると、ｆ＝ｆ０±ｆａである。
【００２６】
音波の入射によって微弱回折光を生じた検出用レーザ光は、光学系１０５に入射する。光学系１０５に入射した検出用レーザ光は、基本波成分である透過光と微弱回折光とを含む。上述したように、光学系１０５は、検出用レーザ光に含まれる基本波成分と微弱回折光成分とを集光し、これらの成分を光検出部１０７の受光面上に夫々収束させ、且つ干渉させる。
【００２７】
光検出部１０７は、光学系１０５から出射された基本波成分と微弱回折光成分を受光面で受光し、両者を検波する。これにより、透過光の周波数成分と微弱回折光の周波数成分の差の周波数成分ｆａが電気信号として出力される。（直流成分は光検出部１０７に含まれる電子回路部でカットされる。）得られる電気信号の強度は、検出用レーザ光の光量に対して正の相関がある。また、得られる電気信号の強度は、受光面における微弱回折光成分の入射光量（即ち、フラウンホーファ回折光の光量）に対応する。換言すると、セル１１５において発生する気体の粗密波の大きさ、即ち、気体の圧力の変化が大きいほど、光検出部１０７の受光面に入射する微弱回折光の光量が増加する。
【００２８】
図２は、試料の濃度と光検出部１０７から出力される電圧信号の強度との関係を示すグラフである。図２に示すグラフでは、試料としてアセチレンを用いている。図２を参照すると、アセチレンの濃度が高いほど、光検出部１０７から出力される電圧信号の強度が高くなっていることが分かる。
【００２９】
光検出部１０７から出力された電気信号は、分析部１１７に入力されてもよい。分析部１１７は、受信した電気信号に対応する励起光の波長に基づいて、試料の定性分析を行ってもよい。上述したように、物質の分子に吸収される光の波長は、該物質によって異なる。そのため、試料の定性分析を行う場合は、分析部１１７は、光検出部１０７において電気信号を得た際に、試料に入射していた励起光の波長を特定することによって、試料である物質の種類を特定することができる。例えば、分析部１１７は、物質と該物質が吸収する光の波長との関係を示したデータを記録しているルックアップテーブルを含むデータ保持部を備えてもよい。分析部１１７において、試料が吸収した励起光の波長を特定し、ルックアップテーブルを参照することにより、試料である物質の種類を特定することができる。
【００３０】
また、分析部１１７は、受信した電気信号の強度に基づいて、試料の定量分析を行ってもよい。試料の定量分析を行う場合は、例えば、検量線法に基づいて、分析部１１７は、既知の物質について、図２に示したような、電気信号の強度と物質の濃度との関係を示した検量線に対応するデータを記録しているルックアップテーブルを含むデータ保持部と、光検出部から出力された電気信号の値と前記データとに基づいて、試料の濃度を求める処理部を備えてもよい。分析部１１７において、受信した電気信号の強度について、ルックアップテーブルを参照することにより、物質の濃度を特定することができる。尚、上述したように分析部１１７は物質検出装置１００に実装されてもよく、外部装置に実装されてもよい。
【００３１】
以上のように、本発明の一実施形態に係る物質検出装置１００では、試料に励起光を照射して試料の分子を励起状態にし、励起状態の該分子が基底状態に戻る際に放出される熱エネルギーによって発生する該分子の周囲の気体の粗密波（圧力の変化）を利用して検出用レーザ光に回折光を生じさせ、その回折光の有無又は回折光量に基づき試料の検出を行う。従来の音波を観測するＰＡＳ装置とは異なり、検出用レーザ光に含まれる回折光を検出するため、検出器には光検出器を用いることができる。そのため、音響検出器が配置できない高温や高圧下に存在する試料を遠隔で且つ高精度で検出することが可能である。また、検出用レーザ光に含まれる回折光を検出するため、試料が高温であり、赤外線を放射している場合でも、背景温度の放射による影響を低減し、信号強度比（Ｓ／Ｎ比）を向上させることができるため、光検出器の検出精度を向上させることができる。さらに、気体の粗密波、即ち音波を利用するため、励起光源として比較的低電力の紫外線帯域から遠赤外線帯域の光源を用いて、試料の検出が可能になる。
【００３２】
＜変形例＞
本発明の実施形態について以上に説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されるわけではなく、他の様々な態様で実施可能である。以下の他の態様の一例を示す。
【００３３】
（変形例１）
図１に示した物質検出装置１００において、検出用レーザ光源１０３から出射される検出用レーザ光の行路は、励起光の行路と同軸であってもよい。図３は、本発明の一実施形態の変形例に係る物質検出装置３００の概略構成図である。図３において、図１の物質検出装置１００と同一又は類似の構成については、同一の参照番号を付した。図３に示す物質検出装置３００の構成は、検出用レーザ光の行路が、励起光の行路と略同軸であることを除いては、物質検出装置１００と略同一である。
【００３４】
図３の物質検出装置３００では、励起光源１０１と、検出用レーザ光源１０３と、光学系１０５と、光検出部１０７、試料を含むセル１１５と、ビームコンバイナ３０１とを備える。物質検出装置１００を用いて、物質検出装置３００は、任意で分析部１１７を備えてもよい。物資検出装置３００では、ビームコンバイナ３０１を用いて、励起光源１０１から出射される励起光と検出用レーザ光源１０３から出射される検出用レーザ光とを略同軸でセル１１５に含まれる試料に照射している。
【００３５】
（変形例２）
図１に示した物質検出装置１００において、試料はセル１１５に含まれている。しかしながら、試料はセル１１５に含まれる必要はない。図４は、本発明の一実施形態の変形例に係る物質検出装置４００の概略構成図である。図４において、図１の物質検出装置１００と同一又は類似の構成については、同一の参照番号を付した。図４に示す物質検出装置４００の構成は、試料を含むセル１１５を用いないことを除いては、物質検出装置１００と略同一である。本発明に係る物質検出装置４００は、実験室以外の屋内に存在する試料又は屋外に存在する試料の検出を行うことができる。
【００３６】
図４に示す物質検出装置４００は、励起光源１０１と、検出用レーザ光源１０３と、光学系１０５と、光検出部１０７とを備える。物質検出装置４００は、任意で分析部１１７を備えてもよい。物質検出装置４００では、実験室以外の屋内に存在する試料を含む領域４０１又は屋外に存在する試料を含む領域４０１に励起光を照射して試料の分子を励起状態にし、励起状態の該分子が基底状態に戻る際に放出される熱エネルギーによって発生する該分子の周囲の気体の粗密波（圧力の変化）を利用して検出用レーザ光に回折光を生じさせ、その回折光の有無又は回折光量に基づき試料を含む領域４０１における試料の検出を行う。尚、図３に示した物質検出装置３００も、セル１１５を省略することができる。
【００３７】
以上の実施形態においては、試料が気体である例を説明したが、試料は気体に限定されない。例えば、試料は、粉体であってもよい。さらに、試料は液体であってもよい。
【００３８】
本発明の実施形態として説明した構成を基にして、当業者が適宜構成要素の追加、削除もしくは設計変更を行ったもの、又は、工程の追加、省略もしくは条件変更を行ったものも、本発明の要旨を備えている限り、本発明の範囲に含まれる。
【００３９】
また、上述した実施形態の態様によりもたらされる作用効果とは異なる他の作用効果であっても、本明細書の記載から明らかなもの、又は、当業者において容易に予測し得るものについては、当然に本発明によりもたらされると解される。
【符号の説明】
【００４０】
１００，３００，４００…物質検出装置、１０１…励起光源、１０３…検出用レーザ光源、１０５…光学系、１０７…光検出部、１０９，１１１…反射ミラー、１１３…遮蔽部材又は反射ミラー、１１５…セル、３０１…ビームコンバイナ、４０１…試料を含む領域
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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