(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
検出対象ガスによる吸収率が高い波長のレーザ光を出射する光源と、前記光源から出射された前記レーザ光を変調する空間光変調器とを含む投射器と、
前記光源から前記レーザ光を出射させるとともに、再帰反射器の位置を特定し、特定された前記再帰反射器の位置に応じて前記空間光変調器の変調部のパターンを設定することによって、前記再帰反射器に向けて投射光が投射されるように制御する投射制御部と、
前記再帰反射器によって反射された前記投射光の反射光を受光し、受光した前記反射光の強度を計測する受光器と、
前記受光器から前記反射光の強度を取得し、前記反射光の強度に基づいて、前記再帰反射器との間の検出空間における前記検出対象ガスの漏洩を判定する漏洩判定部と、を備え
前記投射制御部は、
前記再帰反射器の位置が特定できていない場合、前記投射光の投射方向を走査し、前記受光器によって受光される光の強度が極大となる方向に前記再帰反射器があると特定する、
ガス検出装置。
【請求項２】
前記漏洩判定部は、
前記反射光の強度が閾値を下回った場合、前記検出空間において前記検出対象ガスが漏洩していると判定する、
請求項１に記載のガス検出装置。
【請求項３】
前記漏洩判定部は、
前記投射光の強度と前記反射光の強度とを用いて、前記検出空間における前記検出対象ガスの濃度を計測する、
請求項１または２に記載のガス検出装置。
【請求項４】
前記投射制御部は、
前記投射器から投射される前記投射光の投射方向を変更し、前記受光器によって受光された前記反射光の強度が最大または極大になる投射方向を前記投射光の投射方向に設定するキャリブレーションを実行する、
請求項１乃至３のいずれか一項に記載のガス検出装置。
【請求項５】
前記漏洩判定部は、
前記投射光の強度と前記反射光の強度とを用いて、前記再帰反射器との間の距離を計測し、
前記投射制御部は、
前記漏洩判定部によって計測された距離に応じて前記投射器を制御する、
請求項１乃至４のいずれか一項に記載のガス検出装置。
【請求項６】
前記漏洩判定部は、
前記検出空間における前記検出対象ガスの漏洩に関する判定結果を表示装置に表示させる、
請求項１乃至５のいずれか一項に記載のガス検出装置。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか一項に記載のガス検出装置と、
前記ガス検出装置から投射されたレーザ光を再帰的に反射する少なくとも一つの再帰反射器と、によって構成される、
ガス検出システム。
【請求項８】
前記ガス検出装置から出射される前記レーザ光を前記少なくとも一つの再帰反射器に向けて反射する少なくとも一つの反射鏡を含む、
請求項７に記載のガス検出システム。
【請求項９】
前記ガス検出装置および前記少なくとも一つの再帰反射器のうち、少なくともいずれかが移動体に搭載される、
請求項７または８に記載のガス検出システム。
【請求項１０】
検出対象ガスによる吸収率が高い波長のレーザ光を出射する光源と、前記光源から出射された前記レーザ光を変調する空間光変調器とを含む投射器を制御することによって、前記光源から前記レーザ光を出射させるとともに、再帰反射器の位置を特定し、特定された前記再帰反射器の位置に応じて前記空間光変調器の変調部のパターンを設定することによって、前記再帰反射器に向けて投射光を投射し、
前記再帰反射器によって反射された前記投射光の反射光を受光する受光器によって受光された前記反射光の強度を取得し、
前記反射光の強度に基づいて、前記再帰反射器との間の検出空間における前記検出対象ガスの漏洩を判定し、
前記再帰反射器の位置が特定できていない場合、前記投射光の投射方向を走査し、前記受光器によって受光される光の強度が極大となる方向に前記再帰反射器があると特定する、
ガス検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ光を用いてガスを検出するガス検出装置等に関する。
【背景技術】
【０００２】
石油精製や、石油化学、化学工場、製鉄所などのプラント、土木建設現場などでは、現場で発生しうるガスを検出するために、たくさんの据え置き型のガスセンサが配置されている。そのような据え置き型のガスセンサは、局所的な空間におけるガスしか検出できない。例えば、ガスの発生源を事前に特定できない場合や、ガスの発生する可能性のある空間が広すぎる場合がある。そのような場合、据え置き型のガスセンサでは、カバーしきれない空間が発生する。特許文献１および２には、赤外光レーザを用いて、広い検出空間でガスを検出する技術が開示されている。
【０００３】
特許文献１には、赤外光を用いて、検出空間内において被検出ガスを検出するガス検出光学装置について開示されている。特許文献２の装置は、赤外光レーザにより検出空間を２次元的に走査する光源側ユニットと、その光源側ユニットから出射された赤外光レーザを受光する受光側ユニットと、を有する。
【０００４】
特許文献２には、被検出空間内において、赤外光領域に吸収波長がある被検出ガスを可視化して検出するガス検出方法について開示されている。特許文献２の方法では、検出空間内に配置された再帰反射性の反射面部材に向けてレーザ光を照射し、レーザ光の照射方向へ再帰的に反射されたレーザ光の反射光をレーザ光源の近傍で受光して吸収波長の強度を検出する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１８−０８７７４８号公報
【特許文献２】特開２０１８−１８５１９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１の装置によれば、光源側ユニットと受光側ユニットとの間の検出空間において被検出ガスを検出できる。しかしながら、特許文献１の装置は、光源側ユニットと受光側ユニットとの間の検出空間でしか被検出ガスを検出できないため、検出空間が制限される。
【０００７】
特許文献２の方法によれば、ポールを回転軸として光学ユニットを回転させたり、ポールの長手方向に光学ユニットを併進移動させたりすることによって、検出空間を広げることができる。特許文献２の方法は、光学ユニットの回転角度や、ポールの長手方向の長さによって検出空間が決まるため、プラントの構内のような広い空間におけるガスの検出に適用することは難しい。
【０００８】
本発明の目的は、機械的に動作する機構を用いずに、広範囲に亘って検出対象ガスを検出できるガス検出装置等を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一態様のガス検出装置は、検出対象ガスによる吸収率が高い波長のレーザ光を出射する光源と、光源から出射されたレーザ光を変調する空間光変調器とを含む投射器と、光源からレーザ光を出射させるとともに、空間光変調器の変調部のパターンを設定することによって、再帰反射器に向けて投射光が投射されるように制御する投射制御部と、再帰反射器によって反射された投射光の反射光を受光し、受光した反射光の強度を計測する受光器と、受光器から反射光の強度を取得し、反射光の強度に基づいて、再帰反射器との間の検出空間における検出対象ガスの漏洩を判定する漏洩判定部と、を備える。
【００１０】
本発明の一態様のガス検出方法においては、検出対象ガスによる吸収率が高い波長のレーザ光を出射する光源と、光源から出射されたレーザ光を変調する空間光変調器とを含む投射器を制御することによって、光源からレーザ光を出射させるとともに、空間光変調器の変調部のパターンを設定することによって、再帰反射器に向けて投射光を投射し、再帰反射器によって反射された投射光の反射光を受光する受光器によって受光された反射光の強度を取得し、反射光の強度に基づいて、再帰反射器との間の検出空間における検出対象ガスの漏洩を判定する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、機械的に動作する機構を用いずに、広範囲に亘って検出対象ガスを検出できるガス検出装置等を提供することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施形態にかかるガス検出システムの構成の一例について説明するための概念図である。
【図２】実施形態に係るガス検出システムが備える再帰反射器の一例の断面図である。
【図３】実施形態に係るガス検出システムが備える再帰反射器の別の一例の概念図である。
【図４】実施形態に係るガス検出システムが備えるガス検出装置の構成の一例について説明するための概念図である。
【図５】実施形態に係るガス検出システムが備えるガス検出装置による判定結果を表示装置に表示させる一例を示す概念図である。
【図６】実施形態に係るガス検出システムが備えるガス検出装置に含まれる投射器の構成の一例を示す概念図である。
【図７】実施形態に係るガス検出システムが備えるガス検出装置に含まれる投射器の空間光変調器を実現する２次元ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）について説明するための概念図である。
【図８】実施形態に係るガス検出システムが備えるガス検出装置に含まれる投射器の空間光変調器を実現する１次元ＭＥＭＳについて説明するための概念図である。
【図９】実施形態に係るガス検出システムが備えるガス検出装置に含まれる投射器の構成の変形例を示す概念図である。
【図１０】実施形態に係るガス検出システムが備えるガス検出装置に含まれる投射制御部の構成の一例を示すブロック図である。
【図１１】実施形態に係るガス検出システムが備えるガス検出装置に含まれる漏洩判定部の構成の一例を示すブロック図である。
【図１２】実施形態に係るガス検出システムが備えるガス検出装置におけるキャリブレーションについて説明するためのフローチャートである。
【図１３】実施形態に係るガス検出システムの適用例１について説明するための概念図である。
【図１４】実施形態に係るガス検出システムの適用例２について説明するための概念図である。
【図１５】実施形態に係るガス検出システムの適用例３について説明するための概念図である。
【図１６】実施形態に係るガス検出システムの適用例３の別の一例について説明するための概念図である。
【図１７】実施形態に係るガス検出システムの適用例４について説明するための概念図である。
【図１８】実施形態に係るガス検出システムの適用例５について説明するための概念図である。
【図１９】実施形態に係るガス検出システムの適用例６について説明するための概念図である。
【図２０】実施形態に係るガス検出システムの適用例６の別の一例について説明するための概念図である。
【図２１】実施形態に係るガス検出システムの適用例６のさらに別の一例について説明するための概念図である。
【図２２】実施形態に係るガス検出システムの制御装置を実現するハードウェア構成の一例を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下に、本発明を実施するための形態について図面を用いて説明する。ただし、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい限定がされているが、発明の範囲を以下に限定するものではない。なお、以下の実施形態の説明に用いる全図においては、特に理由がない限り、同様箇所には同一符号を付す。また、以下の実施形態において、同様の構成・動作に関しては繰り返しの説明を省略する場合がある。また、図面中の矢印の向きは、一例を示すものであり、ブロック間の信号の向きを限定するものではない。
【００１４】
（実施形態）
まず、実施形態に係るガス検出システムについて図面を参照しながら説明する。本実施形態のガス検出システムは、検出対象のガス（以下、検出対象ガスと呼ぶ）によって吸収されやすい波長領域の光を再帰反射器に向けて照射する。本実施形態のガス検出システムは、再帰反射器によって反射されたレーザ光（以下、再帰レーザ光と呼ぶ）の強度を計測することによって検出対象ガスを検出する。
【００１５】
（構成）
図１は、本実施形態のガス検出システム１の構成の概略について説明するための概念図である。ガス検出システム１は、ガス検出装置１０と、少なくとも一つの再帰反射器１００とによって構成される。ガス検出装置１０と再帰反射器１００との間におけるレーザ光および再帰レーザ光の光路上の空間が、検出対象ガスを検出可能な検出空間１７０である。なお、図１には、ガス検出システム１が複数の再帰反射器１００によって構成される例を示すが、ガス検出システム１は一つの再帰反射器１００で構成されてもよい。以下においては、再帰反射器１００が複数の場合であっても、単数として扱うことがある。
【００１６】
ガス検出装置１０は、再帰反射器１００に向けて、検出対象ガスによって吸収されやすい波長領域のレーザ光を出射する。例えば、ガス検出装置１０は、ガスを構成する分子の振動や回転運動に基づいて吸収される赤外領域の波長のレーザ光を出射する。例えば、ガス検出装置１０は、ガスを構成する分子の電子遷移に基づいて吸収される紫外領域や可視領域の波長のレーザ光を出射する。なお、ガス検出装置１０が出射するレーザ光の波長は、検出対象ガスに応じて、任意に選択される。
【００１７】
ここで、ガス検出装置１０が、赤外領域の波長（１〜１１マイクロメートル）のレーザ光を用いて検出できるガス（物質）の一例を列挙する。
【００１８】
例えば、ガス検出装置１０は、１〜３マイクロメートル帯（短波長域）の波長のレーザ光を用いて検出対象ガスを検出する。例えば、短波長域の波長のレーザ光を用いれば、ガス検出装置１０は、メタンや、水、一酸化炭素、二酸化炭素、アンモニア、アセチレン、硫化水素、亜酸化窒素、一酸化窒素、塩化水素等の物質のガスを検出できる。
【００１９】
例えば、ガス検出装置１０は、３〜５マイクロメートル帯（中波長域）の波長のレーザ光を用いて検出対象ガスを検出する。例えば、中波長域の波長のレーザ光を用いれば、ガス検出装置１０は、ベンゼンや、ブタンガス、エタン、エチルベンゼン、エチレン、ヘプタン、ヘキサン、イソプレン、メチルエチルケトン、メタン等の物質のガスを検出できる。例えば、中波長域の波長のレーザ光を用いれば、ガス検出装置１０は、メタノール、メチルイソブチルケトン、オクタン、ペンタン、ペンタン、プロパン、プロピレン、トルエン、キシレン等の物質を検出できる。
【００２０】
例えば、ガス検出装置１０は、１０〜１１マイクロメートル帯（長波長域）の波長のレーザ光を用いて検出対象ガスを検出する。例えば、長波長域の波長のレーザ光を用いれば、ガス検出装置１０は、六フッ化硫黄、無水アンモニア、エチルシアノアクリレート、二酸化塩素、酢酸、フロン−１２、エチレン、メチルエチルケトン等の物質のガスを検出できる。例えば、長波長域の波長のレーザ光を用いれば、ガス検出装置１０は、塩化アセチルや、臭化アリル、塩化アリル、フッ化アリル、臭化メチル、フロン−１１、フラン、ヒドラジン、メチルシアノール、メチルビニルケトン等の物質のガスを検出できる。例えば、長波長域の波長のレーザ光を用いれば、ガス検出装置１０は、プロペナール、プロピレン、テトラヒドロフラン、トロクロロエチレン、フッ化ウラニル、塩化ビニル、シアン化ビニル、ビニルエーテル等の物質を検出できる。
【００２１】
上記のガス（物質）は一例であって、ガス検出装置１０の検出対象ガスを上記の例に限定するわけではない。また、物質が吸収しやすい光の波長は、その物質を構成する官能基の特性吸収帯に依存する。そのため、複数の波長帯の光を特徴的に吸収する物質もあり、上記の物質が吸収しやすい光の波長領域が、上記の波長領域に限定されるわけではない。また、検出対象ガスが紫外領域や可視領域の波長の光を特徴的に吸収する場合、紫外領域や可視領域の波長のレーザ光を用いてもよい。
【００２２】
ガス検出装置１０は、位相変調型の空間光変調器を含む投射器を有する。ガス検出装置１０は、空間光変調器の変調部にレーザ光を投射し、その変調部で反射されたレーザ光を出射する。例えば、ガス検出装置１０は、点状や線状、面状のレーザ光を投射する。ガス検出装置１０は、空間光変調器の変調部のパターンを変更することによって、レーザ光の出射方向を制御できる。そのため、ガス検出装置１０は、機械的な機構を設けなくても、レーザ光の出射方向を変更できる。
【００２３】
ガス検出装置１０は、再帰反射器１００が配置されていれば、レーザ光の出射方向を切り替えることによって、複数の検出空間１７０において検出対象ガスを検出できる。すなわち、ガス検出装置１０は、レーザ光を照射する再帰反射器１００を切り替えることによって実質的な検出空間１７０を広げることができる。
【００２４】
再帰反射器１００の位置が特定できていない場合、ガス検出装置１０は、キャリブレーションを実行する。レーザ光の出射方向を走査し、再帰反射器１００によって反射された再帰レーザ光の強度が最大となる方向に再帰反射器１００がある可能性が高い。そのため、ガス検出装置１０は、レーザ光の出射方向を走査した際に、再帰レーザ光が最大または極大となる方向に再帰反射器１００があると特定する。ガス検出装置１０の詳細な構成については後述する。
【００２５】
ガス検出装置１０は、再帰反射器１００によって反射された再帰レーザ光を受光する。例えば、ガス検出装置１０は、フォトダイオードやフォトトランジスタ、アバランシェフォトダイオード、光導電セル、イメージセンサ、光電管、光電子倍増管、放射用熱電対、サーモパイル、焦電検出器などの受光素子を含む受光器を有する。ガス検出装置１０に含まれる受光器は、レーザ光の出射部に近接して配置される。なお、ここで挙げた受光素子は一例であって、ガス検出装置１０が有する受光器をこれらに限定するものではない。
【００２６】
ガス検出装置１０は、出射したレーザ光の強度と、そのレーザ光が再帰反射器１００によって反射された再帰レーザ光の強度に基づいて、検出空間１７０における検出対象ガスの濃度を計測する。すなわち、ガス検出装置１０は、レーザ光の強度の減衰の度合いに応じて、検出空間１７０における検出対象ガスの濃度を計測する。例えば、検出空間１７０における検出対象ガスの濃度は、ランベルトの法則やベールの法則を用いて求められる。
【００２７】
例えば、ガス検出装置１０は、ガス検出装置１０と再帰反射器１００との間の距離に基づいて、検出空間１７０における検出対象ガスの濃度を計測できる。ガス検出装置１０と再帰反射器１００との間の距離Ｌの２倍の距離２Ｌがレーザ光の行程に相当する（Ｌは正の実数）。ガス検出装置１０から出射されるレーザ光の強度をＩL、ガス検出装置１０が受光する再帰レーザ光の強度をＩRとすると、検出空間１７０における検出対象ガスの濃度ｃgは、以下の式１によって計算できる（ＩL、ＩR、ｃgは正の実数）。
0006985359.tif 000002
なお、上記の式１において、εは、検出対象ガスのモル吸光係数である（εは実数）。上記の式１は、媒質の表面における反射や、媒質の内部および表面における散乱がないと仮定した場合に成り立つ計算式である。
【００２８】
実際には、検出空間１７０には、検出対象ガス以外の成分も含まれるため、検出対象ガス以外の成分による減衰も考慮する必要がある。そのため、ガス検出システム１の出荷前に、実使用条件に近い検出空間１７０において検出対象ガスの濃度を変化させ、検出対象ガスの濃度に応じてレーザ光がどのように減衰するのかを検証しておくことが望ましい。また、レーザ光の減衰は、ガス検出装置１０と再帰反射器１００との距離の影響を受けるため、ガス検出装置１０と再帰反射器１００との距離を何通りかに設定し、検出空間１７０における検出対象ガスの濃度の変化を検証しておくことが望ましい。
【００２９】
例えば、検出空間１７０における検出対象ガスの濃度ｃgを求める実験式は、以下の式２のように設定される。
0006985359.tif 000003
なお、上記の式２において、ｋは、実験的に求められる係数である（ｋは実数）。上記の式２は、一例であって、検出空間１７０における検出対象ガスの濃度ｃgを計算する際にガス検出装置１０が用いる式として限定するわけではない。
【００３０】
実際には、使用環境によって、ガス検出装置１０と再帰反射器１００との距離や、検出空間１７０の状態が異なるため、ガス検出装置１０を設置する際にはキャリブレーションが必要である。例えば、ガス検出装置１０と再帰反射器１００との距離が予め分かっている場合には、距離に応じて用いる実験式を再帰反射器１００ごとに設定し、再帰反射器１００ごとにキャリブレーションを実行すればよい。キャリブレーションの際には、再帰反射器１００の設置環境に応じて、検出空間１７０における検出対象ガスの濃度をゼロとみなし、予め設定された実験式を設定すればよい。また、ガス検出装置１０と再帰反射器１００との距離が変動する場合は、ガス検出装置１０に測距計を設けておき、ガス検出装置１０と再帰反射器１００との距離に応じた実験式を選択し、選択された実験式を用いてキャリブレーションを実行してもよい。
【００３１】
また、ガス検出装置１０にカメラ（図示しない）を搭載してもよい。カメラによって撮影された画像から再帰反射器１００を検出し、検出された再帰反射器１００に向けて投射光を投射するように構成すれば、レーザ光を用いたキャリブレーションや測距を省略できる場合がある。カメラによって再帰反射器１００を検出する場合、再帰反射器１００があることを分かりやすくするための工夫をすれば、再帰反射器１００を検出しやすくなる。例えば、再帰反射器１００を枠で囲ったり、再帰反射器１００やその周囲などに模様を描いたりして目印を付けておけば、再帰反射器１００を検出しやすくなる。
【００３２】
ガス検出装置１０は、検出空間１７０において検出された検出対象ガスの濃度ｃgに基づいて、検出対象ガスの漏洩判定を行う。ガス検出装置１０は、検出空間１７０における検出対象ガスの濃度ｃgが予め設定された検出閾値ＤTを超えた場合に、検出対象ガスの漏洩があったと判定する。また、レーザ光の減衰は、検出空間１７０の温度や湿度によって影響を受ける。そのため、ガス検出装置１０は、予め設定された所定期間Ｐ、検出空間１７０における検出対象ガスの濃度ｃgが検出閾値ＤTを超えた場合に、検出対象ガスの漏洩があったと判定してもよい。ガス検出装置１０は、検出空間１７０における検出対象ガスの漏洩に関する判定結果を出力する。
【００３３】
再帰反射器１００は、ある方向から入射した光を、その光の入射方向に沿って再帰的に反射する反射面を有する。再帰反射器１００には、ガス検出装置１０から照射されたレーザ光が照射される。再帰反射器１００は、照射されたレーザ光をガス検出装置１０に向けて再帰的に反射する。実際には、再帰反射器１００は、照射されたレーザ光をガス検出装置１０に向けて再帰的に反射するわけではなく、ある程度の角度範囲に指向性を持たせて反射する。再帰反射器１００の反射面は、平面であってもよいし、曲面であってもよい。再帰反射器１００の反射面を曲面にすれば、反射面全体において、ある程度の角度範囲の再帰性を得ることができる。
【００３４】
図２は、再帰反射器１００の一例（再帰反射器１００−１）を概念的に示す断面図である。再帰反射器１００−１の基材１０１の一方の面（以下、入射面と呼ぶ）には、複数の高屈折率の球状ビーズ１０２が配置される。例えば、球状ビーズ１０２は、一般的なガラスよりも屈折率が大きいガラス製のビーズである。再帰反射器１００−１の入射面に配置された複数の球状ビーズ１０２の裏側には、入射面側から入射した光が焦点を結ぶ焦点層１０３が配置される。焦点層１０３の裏側には、焦点層１０３において焦点を結んだ光を反射するための反射層１０４が配置される。例えば、反射層１０４は、アルミニウムなどの金属を基材１０１の入射面側に蒸着することによって形成できる。
【００３５】
再帰反射器１００の入射面から入射したレーザ光は、球状ビーズ１０２の表面（入射面側）で屈折され、その球状ビーズ１０２の内部を進行する。球状ビーズ１０２の裏面（焦点層１０３側）に到達した光は、その球状ビーズ１０２の裏面で屈折され、焦点層１０３において焦点を結ぶ。焦点層１０３において焦点を結んだ光は、反射層１０４で反射され、球状ビーズ１０２の裏面に到達すると、その裏面で屈折されて球状ビーズ１０２の内部を進行する。球状ビーズ１０２の表面（入射面側）に到達した光は、その表面で屈折され、再帰レーザ光としてレーザの出射方向に向けて出射される。
【００３６】
図３は、再帰反射器１００の別の一例（再帰反射器１００−２）を示す概念図である。再帰反射器１００−２は、３枚の平面鏡が、それらの反射面を内側にして１つの直角を共有するように組み合わされた構造を有する。図３の例では、再帰反射器１００−２は、反射鏡１０５−１、反射鏡１０５−２、および反射鏡１０５−３が、それらの反射面を内側にして１つの直角を共有する構造を有する。図３には、反射鏡１０５−１の反射面で反射された光が反射鏡１０５−２の反射面で反射されて反射鏡１０５−３の反射面に到達し、さらに反射鏡１０５−３の反射面で反射されて入射方向に、向けて反射される例を示す。例えば、再帰反射器１００−２は、マイクロメートルオーダーの微小なコーナーキューブ状の凹凸構造を複数敷き詰めた構造を有する。
【００３７】
以上が、実施形態のガス検出システム１の構成の概略についての説明である。なお、図１〜図３は、一例であって、実施形態のガス検出システム１の構成を限定するものではない。
【００３８】
〔ガス検出装置〕
次に、ガス検出システム１が備えるガス検出装置１０の構成について図面を参照しながら説明する。図４は、ガス検出装置１０の構成について説明するためのブロック図である。ガス検出装置１０は、投射器１１、投射制御部１５、受光器１７、および漏洩判定部１９を有する。なお、投射制御部１５および漏洩判定部１９は、単一の構成（制御装置２０）で実現されてもよい。
【００３９】
投射器１１は、投射制御部１５に接続される。投射器１１は、位相変調型の空間光変調器を含むプロジェクタである。投射器１１は、投射制御部１５の制御に応じて、再帰反射器１００に向けてレーザ光（投射光とも呼ぶ）を投射する。
【００４０】
投射制御部１５は、投射器１１と漏洩判定部１９に接続される。投射制御部１５は、漏洩判定部１９から再帰反射器１００の位置を取得する。投射制御部１５は、投射器１１を制御し、再帰反射器１００に向けて投射光を投射させる。
【００４１】
また、投射制御部１５は、漏洩判定部１９からキャリブレーション指示を受信すると、投射器１１を制御し、投射方向を変更させながら投射光を投射させる。投射制御部１５は、反射光の強度が最大または極小になった時刻を漏洩判定部１９から取得する。投射制御部１５は、反射光の強度が最大または極小になった時刻にレーザ光を投射していた投射方向に向けてレーザ光を投射するように投射器１１を制御する。
【００４２】
また、投射制御部１５は、漏洩判定部１９から距離測定指示を受信すると、投射器１１を制御し、測距用の投射光を投射させる。投射制御部１５は、ガス検出装置１０と再帰反射器１００との距離を漏洩判定部１９から取得する。投射制御部１５は、ガス検出装置１０と再帰反射器１００との距離に応じた強度や、投射方向、投射角のレーザ光が投射されるように投射器１１を制御する。
【００４３】
受光器１７は、漏洩判定部１９に接続される。受光器１７は、再帰反射器１００によって反射された再帰レーザ光（反射光とも呼ぶ）を受光する。受光器１７は、受光した反射光の強度を計測し、計測した反射光の強度に応じた信号（以下、反射光強度信号とも呼ぶ）を漏洩判定部１９に送信する。
【００４４】
漏洩判定部１９は、受光器１７に接続される。漏洩判定部１９は、反射光強度信号を受光器１７から受信する。漏洩判定部１９は、受信した反射光強度信号に基づいて、検出空間１７０における検出対象ガスの濃度を計算する。漏洩判定部１９は、算出した検出対象ガスの濃度に基づいて、検出空間１７０においてガス漏れが発生しているか判定する。
【００４５】
キャリブレーションの際には、漏洩判定部１９は、投射制御部１５の制御に応じて投射器１１から投射された投射光が再帰反射器１００によって反射されてきた反射光の強度が最大または極大となる投射方向を特定する。漏洩判定部１９は、特定された投射方向を投射制御部１５に出力する。
【００４６】
距離測定の際には、漏洩判定部１９は、投射制御部１５の制御に応じて投射器１１から投射光が投射された時刻と、その投射光の反射光が受光器１７に受光された時刻とに基づいて、ガス検出装置１０と再帰反射器１００との距離を計算する。漏洩判定部１９は、算出した距離を投射制御部１５に出力する。
【００４７】
例えば、漏洩判定部１９は、算出された距離に応じて、投射制御部１５から投射されるレーザ光の強度を変更する。ガス検出装置１０と再帰反射器１００との距離が大きい場合、ガス検出装置１０と再帰反射器１００との間の検出空間１７０においてレーザ光が減衰しやすくなる。そのため、ガス検出装置１０と再帰反射器１００との距離が大きいほど、レーザ光の強度を大きくすれば、検出空間１７０におけるレーザ光の減衰を一定にしやすくなる。
【００４８】
また、例えば、漏洩判定部１９は、算出された距離に応じて、投射制御部１５から投射されるレーザ光の投射方向や投射角を変更する。ガス検出装置１０と再帰反射器１００との距離が大きい場合、ガス検出装置１０から投射されたレーザ光が再帰反射器１００に当たりにくくなる。そのため、レーザ光の投射方向を再帰反射器１００に追従させたり、レーザ光の投射角を大きくしたりすると、再帰反射器１００にレーザ光が当たりやすくなる。
【００４９】
ガス検出装置１０と再帰反射器１００との相対的な位置関係が変動する場合、ガス検出装置１０と再帰反射器１００との距離の変化に応じて検出空間１７０におけるレーザ光の減衰率が変動する。例えば、検出対象ガスがない状況における減衰率をレーザ光の行程距離に対応させて漏洩判定部１９に予め記憶させておく。そうすれば、漏洩判定部１９は、計測された距離に対応する減衰率で補正することによって、検出空間１７０における検出対象ガスの濃度をより正確に計算できる。
【００５０】
漏洩判定部１９は、判定結果を出力する。例えば、漏洩判定部１９は、判定結果を使用するシステム（図示しない）に判定結果を出力する。また、例えば、漏洩判定部１９は、判定結果を表示する表示装置（図示しない）に判定結果を出力し、その判定結果を表示装置に表示させる。
【００５１】
図５は、漏洩判定部１９が表示装置１９０に表示させる判定結果の一例を示す概念図である。図５の例では、漏洩判定部１９が、検出対象ガスのガス漏れを検出した際に、「ガス漏れが発生しました。」という判定結果を表示装置１９０に表示させる。また、図５の例では、ガス漏れしているガスの種類や、ガス漏れ箇所、ガス濃度、危険度、対応策などの判定結果に付随する付随情報を表示装置１９０に表示させる。また、ガス漏れが発生し得る現場では、判定結果のみならず、判定結果に基づいた警報を出し、作業者に避難を促してもよい。なお、図５の例は、一例であって、漏洩判定部１９が表示装置１９０に表示させる判定結果や付随を限定するものではない。
【００５２】
以上が、ガス検出装置１０の構成についての説明である。なお、図４は、一例であって、ガス検出装置１０の構成を限定するものではない。
【００５３】
〔投射器〕
次に、ガス検出装置１０に含まれる投射器１１の構成について図面を参照しながら説明する。図６は、投射器１１の構成の一例を示す概念図である。図６のように、投射器１１は、光源１２、空間光変調器１３、および投射光学系１４を有する。なお、図６は概念的なものであり、各構成要素間の位置関係や、光の照射方向などを正確に表したものではない。
【００５４】
図６のように、光源１２は、投射制御部１５に接続される。光源１２は、特定波長のレーザ光１１０を出射するレーザ出射器１２１と、レーザ出射器１２１から出射されたレーザ光１１０を平行光１２０に変換するコリメータ１２３とを有する。レーザ出射器１２１は、投射制御部１５の制御に応じて、検出対象ガスを検出するための特定波長のレーザ光１１０を出射する。レーザ出射器１２１から出射されたレーザ光１１０は、コリメータ１２３によって平行光１２０に変換されて、空間光変調器１３の変調部の面内に入射される。例えば、レーザ出射器１２１は、可視領域の波長の光を出射するように構成してもよいし、赤外領域や紫外領域などの可視領域以外の波長の光を出射するように構成してもよい。また、レーザ出射器１２１は、波面の揃った光を出射できれば、発光ダイオードや、スーパールミネッセンスダイオードなどのレーザ光以外の光を出射するもので代替してもよい。
【００５５】
図６のように、実施形態においては、空間光変調器１３の変調部に対して平行光１２０の入射角を非垂直にする。すなわち、実施形態においては、光源１２から出射される平行光１２０の出射軸を空間光変調器１３の変調部に対して斜めにする。空間光変調器１３の変調部に対して平行光１２０の出射軸を斜めに設定すれば、ビームスプリッタを用いなくても空間光変調器１３の変調部に平行光１２０を入射できるため、光の利用効率を向上させることができる。また、空間光変調器１３の変調部に対して平行光１２０の出射軸を斜めに設定すれば、投射器１１の光学系のサイズをコンパクトにできる。
【００５６】
空間光変調器１３は、投射制御部１５に接続される。空間光変調器１３は、変調部を有する。空間光変調器１３の変調部には、被投射面に所望の画像を表示させるためのパターンが設定される
空間光変調器１３は、投射制御部１５の制御に応じて、被投射面に所望の画像を表示させるためのパターンを変調部に設定する。空間光変調器１３の変調部には、所望の画像を表示させるためのパターンが設定された状態で平行光１２０が照射される。空間光変調器１３の変調部に照射された平行光１２０の反射光（変調光１３０）は、投射光学系１４に向けて進行する。
【００５７】
空間光変調器１３の変調部には、屈折率などの光学的特性を変更可能な複数の反射領域（画素に対応）がアレイ状に配列される。空間光変調器１３は、変調部の各画素の光学的特性を制御することによって、被投射面に所望の画像を表示させるためのパターンを変調部に設定できる。空間光変調器１３の変調部にパターンを設定させた状態で光を照射すると、反射部の光学的特性に応じて空間分布が変調された変調光が出射される。例えば、空間光変調器１３には、光の位相や振幅、強度、偏波状態、伝搬方向などといった空間分布を変調する変調器を用いることができる。
【００５８】
例えば、空間光変調器１３は、入射された平行光１２０の位相を変調する位相変調型の空間光変調器によって実現できる。以下においては、位相変調型の空間光変調器１３を用いる例について説明する。
【００５９】
位相変調型の空間光変調器１３の変調部には、被投射面に表示させる画像に対応する位相画像が設定される。位相画像は、被投射面に表示させる画像に対応する位相分布をタイル状に配置したパターンである。この場合、空間光変調器１３の変調部で反射された変調光１３０は、一種の回折格子が集合体を形成したような画像になり、回折格子で回折された光が集まるように画像が形成される。
【００６０】
例えば、空間光変調器１３は、強誘電性液晶やホモジーニアス液晶、垂直配向液晶などを用いた空間光変調器によって実現される。具体的には、空間光変調器１３は、ＬＣＯＳ（Liquid Crystal on Silicon）によって実現できる。
【００６１】
例えば、空間光変調器１３は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）によって実現されてもよい。空間光変調器１３を実現するＭＥＭＳとしては、２次元ＭＥＭＳや１次元ＭＥＭＳが挙げられる。紫外領域や赤外領域のレーザ光を出射する場合は、ＬＣＯＳよりもＭＥＭＳの方が適している場合がある。
【００６２】
図７は、２次元ＭＥＭＳの一例（ＭＥＭＳ１３１）を示す概念図である。ＭＥＭＳ１３１は、レーザ光を変調する面に、複数の小型ミラー３１０が１画素ごとに格子状に配置された構造を有する。ＭＥＭＳ１３１では、複数の小型ミラー３１０の各々の高さをＺ方向に変位させる。
【００６３】
図８は、１次元ＭＥＭＳの一例（ＭＥＭＳ１３２）を示す概念図である。ＭＥＭＳ１３２は、接地されたグランド面３２１と、グランド面３２１を跨いで並行する複数のリボン状の電極３２２とを含む。ＭＥＭＳ１３２では、複数のリボン状の電極３２２の各々に印加する電圧を制御することによって、複数のリボン状の電極３２２の各々とグランド面３２１との間隔をＺ方向に変位させる。ＭＥＭＳ１３２を用いる場合、投射光の投射方向を変更するために、反射面（ＸＹ面）の傾きを変更させる機械的な機構が必要である。
【００６４】
位相変調型の空間光変調器１３を用いれば、投射光が投射される領域を順次切り替えることによって、画像の部分にエネルギーを集中させることができる。そのため、位相変調型の空間光変調器１３を用いれば、光源の出力が同じであれば、表示領域全面に光を投射する方式よりも画像を明るく表示させることができる。
【００６５】
投射光学系１４は、空間光変調器１３で変調された変調光１３０を投射光１４０として投射する光学系である。変調光１３０は、投射光学系１４によって投射光１４０として投射される。図６のように、投射光学系１４は、フーリエ変換レンズ１４１、アパーチャ１４２、および投射レンズ１４３を有する。
【００６６】
フーリエ変換レンズ１４１は、空間光変調器１３の変調部によって反射された反射光（変調光１３０）を無限遠に投射した際に形成される像を、近傍の焦点位置に結像させる光学レンズである。図６の例では、アパーチャ１４２の位置に焦点が形成される。
【００６７】
アパーチャ１４２は、フーリエ変換レンズ１４１によって集束された光に含まれる高次光を遮蔽し、表示領域を特定する機能を有する。アパーチャ１４２の開口部は、アパーチャ１４２の位置における表示領域の外周よりも小さく開口され、アパーチャ１４２の位置における画像の周辺領域を遮るように設置される。例えば、アパーチャ１４２の開口部は、矩形状や円形状に形成される。アパーチャ１４２は、フーリエ変換レンズ１４１の焦点位置に設置されることが好ましい。なお、高次光を遮蔽でき、表示領域を特定できれば、アパーチャ１４２は、焦点位置からずれていても構わない。
【００６８】
投射レンズ１４３は、フーリエ変換レンズ１４１によって集束された光を拡大して投射する光学レンズである。投射レンズ１４３は、空間光変調器１３の変調部に設定された位相分布に対応する画像が被投射面において形成されるように投射光１４０を投射する。
【００６９】
また、ガス検出システム１は、複数の波長のレーザ光を出射するようにも構成できる。図９は、複数の波長のレーザ光を出射するガス検出装置１０−２の構成の一例を示す概念図である。ガス検出装置１０−２は、複数の波長領域のレーザ光を出射する光源１２−２を含む投射装置１１−２と、複数の波長領域のレーザ光を受光可能な受光器１７−２を有する。なお、ガス検出装置１０−２の投射制御部１５および漏洩判定部１９は、複数の波長領域のレーザ光に対応すること以外はガス検出装置１０と同様であるため、ガス検出装置１０と同じ符号を付し、詳細な説明を省略する。
【００７０】
光源１２−２は、レーザ出射器１２１−１、コリメータ１２３−１、ミラー１２４−１、レーザ出射器１２１−２、コリメータ１２３−２、およびダイクロイックミラー１２４−２を有する。図９には、２つのレーザ光源（レーザ出射器１２１−１、レーザ出射器１２１−２）を用いて２色の光を出射する例を示す。光源１２−２は、３つ以上のレーザ光源を用いて３色以上の光を出射するように構成してもよい。
【００７１】
レーザ出射器１２１−１は、第１の波長領域のレーザ光１１０−１を発する。レーザ出射器１２１−１から発せられたレーザ光１１０−１は、コリメータ１２３−１を通過してコヒーレントな光になる。コリメータ１２３−１を通過した光は、ミラー１２４−１の反射面で反射され、ダイクロイックミラー１２４−２に向けて進行する。ダイクロイックミラー１２４−２に到達した平行光１２０は、そのダイクロイックミラー１２４−２を通過し、空間光変調器１３の変調部に向けて進行する。
【００７２】
レーザ出射器１２１−２は、第２の波長領域のレーザ光１１０−２を発する。レーザ出射器１２１−２から発せられたレーザ光１１０−２は、コリメータ１２３−２を通過してコヒーレントな光になる。コリメータ１２３−２を通過した光は、ダイクロイックミラー１２４−２の反射面で反射される。ダイクロイックミラー１２４−２の反射面で反射された平行光１２０は、空間光変調器１３の変調部に向けて進行する。
【００７３】
光源１２−２は、レーザ出射器１２１−１およびレーザ出射器１２１−２のうち少なくとも一方から発せられる平行光１２０を空間光変調器１３の変調部に向けて出射する。例えば、光源１２−２は、投射制御部１５の制御に応じて、レーザ出射器１２１−１からの第１の波長領域の光と、レーザ出射器１２１−２からの第２の波長領域の光とを切り替えて照射する。なお、光源１２−２は、レーザ出射器１２１−１からの第１の波長領域の光と、レーザ出射器１２１−２からの第２の波長領域の光とを同時に出射するように構成してもよい。
【００７４】
受光器１７−２は、複数の波長領域の反射光を受光する。受光器１７−２は、複数の波長領域のレーザ光の各々を選択的に吸収する検出対象ガスに対応させるため、広い波長領域をカバーすることが好ましい。また、受光器１７−２は、複数の波長領域に対応可能であることが好ましい。また、受光器１７−２は、検出可能な波長領域が異なる受光器を組み合わせてもよい。受光器１７−２は、複数の波長領域の反射光の各々を受光し、受光した各々の波長領域の反射光の強度を計測する。
【００７５】
図９のガス検出装置１０−２によれば、異なる波長のレーザ光を出射できるため、吸収波長が異なる複数のガスを検出できる。
【００７６】
以上が、ガス検出装置１０に含まれる投射器１１の構成についての説明である。なお、図６〜図９は、一例であって、投射器１１の構成を限定するものではない。
【００７７】
〔投射制御部〕
次に、ガス検出装置１０に含まれる投射制御部１５の構成について図面を参照しながら説明する。図１０は、投射制御部１５の構成の一例を示すブロック図である。投射制御部１５は、投射条件記憶部１５１、投射条件設定部１５３、変調器制御部１５５、および光源制御部１５７を有する。
【００７８】
投射条件記憶部１５１は、投射条件設定部１５３に接続される。投射条件記憶部１５１には、投射光１４０に対応するパターンが記憶される。本実施形態の場合、投射器１１が位相変調型の空間光変調器１３を含むので、投射光１４０に対応する位相分布が投射条件記憶部１５１に記憶される。また、投射条件記憶部１５１には、光源１２を制御するための光源制御条件や、空間光変調器１３を制御するための変調素子制御条件を含む投射条件が記憶される。
【００７９】
投射条件設定部１５３は、漏洩判定部１９、投射条件記憶部１５１、変調器制御部１５５、および光源制御部１５７に接続される。投射条件設定部１５３は、投射光を投射するための投射条件を設定する。具体的には、投射条件設定部１５３は、投射光１４０に対応するパターンを空間光変調器１３の変調部に設定するための変調素子制御条件を変調器制御部１５５に設定する。また、投射条件設定部１５３は、レーザ出射器１２１からレーザ光１１０を出射させるための光源制御条件を光源制御部１５７に設定する。投射条件設定部１５３は、変調素子制御条件を変調器制御部１５５に設定するタイミングと、光源制御条件を光源制御部１５７に設定するタイミングとを同期させることによって、所望の画像を表示領域に表示させる。
【００８０】
投射条件設定部１５３は、投射光１４０に対応するパターンと、そのパターンを空間光変調器１３の変調部に設定するための条件である変調素子制御条件とを投射条件記憶部１５１から取得する。投射光１４０に対応するパターンは、位相分布である。変調素子制御条件は、投射光１４０に対応するパターンを空間光変調器１３の変調部に設定する条件である。
【００８１】
投射条件設定部１５３は、投射器１１から光を出射させるタイミングや、出射させる光の出力を制御するための光源制御条件を投射条件記憶部１５１から取得する。光源制御条件は、レーザ出射器１２１がレーザ光１１０を出射するタイミングや、レーザ出射器１２１から出射されるレーザ光１１０の出力を制御するための条件である。
【００８２】
投射条件設定部１５３は、投射光１４０に対応するパターンと変調素子制御条件を変調器制御部１５５に送信し、光源制御条件を光源制御部１５７に送信する。投射条件設定部１５３は、投射光１４０に対応するパターンと変調素子制御条件とを変調器制御部１５５に送信するタイミングと、光源制御条件を光源制御部１５７に送信するタイミングとを同期させる。
【００８３】
変調器制御部１５５は、投射条件設定部１５３および空間光変調器１３に接続される。変調器制御部１５５は、投射光１４０に対応するパターンと変調素子制御条件を投射条件設定部２１から受信する。変調器制御部１５５は、投射条件設定部２１から受信した変調素子制御条件に応じて、空間光変調器１３の変調部に設定されるパターンを変更するドライバ（図示しない）を駆動させ、空間光変調器１３の変調部に設定されるパターンを変更する。
【００８４】
光源制御部１５７は、投射条件設定部１５３および光源１２に接続される。光源制御部１５７は、投射条件設定部２１から受信した光源制御条件に応じて、レーザ出射器１２１の駆動部（図示しない）を駆動させ、レーザ出射器１２１からレーザ光１１０を出射させる。
【００８５】
空間光変調器１３の変調部にパターンが設定されるタイミングと、そのパターンが設定された変調部にレーザ光１１０が出射されるタイミングは同期される。すなわち、空間光変調器１３の変調部にパターンが設定されたタイミングに合わせてレーザ光１１０が出射され、そのレーザ光１１０から変換された平行光１２０が空間光変調器１３の変調部に照射されるため、そのパターンに対応する投射光１４０が投射される。
【００８６】
以上が、ガス検出装置１０に含まれる投射制御部１５の構成についての説明である。なお、図１０は、一例であって、投射制御部１５の構成を限定するものではない。
【００８７】
〔漏洩判定部〕
次に、ガス検出装置１０に含まれる漏洩判定部１９の構成について図面を参照しながら説明する。図１１は、漏洩判定部１９の構成の一例を示すブロック図である。漏洩判定部１９は、判定基準記憶部１９１、判定部１９３、および判定結果出力部１９５を有する。
【００８８】
判定基準記憶部１９１は、判定部１９３に接続される。判定基準記憶部１９１には、検出対象ガスの濃度の判定基準になる閾値が記憶される。
【００８９】
判定部１９３は、投射制御部１５、受光器１７、判定基準記憶部１９１、および判定結果出力部１９５に接続される。判定部１９３は、受光器１７から反射光の強度を取得する。判定部１９３は、受光器１７から取得した反射光の強度を用いて検出対象ガスの濃度を計算する。判定部１９３は、算出した濃度と、判定基準記憶部１９１に記憶された閾値とを比較し、検出空間１７０における検出対象ガスが漏れているか判定する。例えば、判定部１９３は、算出した濃度が閾値よりも大きい場合、検出空間１７０において検出対象ガスが漏れていると判定する。判定部１９３は、判定結果出力部１９５に判定結果を出力する。
【００９０】
キャリブレーションの際には、判定部１９３は、キャリブレーション指示を投射制御部１５に送信する。キャリブレーション指示に応じて投射された投射光の反射光は、受光器１７によって受光される。判定部１９３は、受光器１７によって受光された反射光の強度を受光器１７から受信する。判定部１９３は、反射光の強度が最大または極大となるタイミングを検出する。例えば、キャリブレーションの際に、投射制御部１５が投射光１４０の投射方向を変更するタイミングが予め設定されていれば、反射光の強度が最大または極大となるタイミングを検出することによって、再帰反射器１００の方向を推定できる。判定部１９３は、推定した再帰反射器１００の方向に投射光１４０を投射する指示を投射制御部１５に送信する。なお、キャリブレーションの際にキャリブレーション指示を送信する処理や、反射光の強度に基づいて再帰反射器１００の方向を推定する処理を判定部１９３に負わせず、それらの処理の各々を実行する構成要素を漏洩判定部１９に追加してもよい。
【００９１】
また、ガス検出装置１０と再帰反射器１００との間の距離を計測する際には、判定部１９３は、距離計測指示を投射制御部１５に送信する。距離計測指示に応じて投射された投射光の反射光は、受光器１７によって受光される。判定部１９３は、投射制御部１５から投射光を投射した時刻ｔ1と、受光器１７によって反射光が受光された時刻ｔ2とに基づいて、ガス検出装置１０と再帰反射器１００との間の距離を計算する。例えば、以下の式３を用いて、ガス検出装置１０と再帰反射器１００との間の距離Ｌを計算する。
Ｌ＝（ｔ2−ｔ1）×ｃ／２・・・（３）
なお、上記の式３において、ｃは光速である。上記の式３は、真空中における光速ｃを用いた理想的な条件において成り立つため、実際には何らかの補正が必要な場合がある。例えば、ガス検出装置１０と再帰反射器１００との間の距離を計測するために、三角測距を用いた距離センサや、ＴＯＦ（Time of Flight）カメラ、超音波センサ、変位センサなどをガス検出装置１０に搭載してもよい。
【００９２】
判定結果出力部１９５は、判定部１９３に接続される。判定結果出力部１９５は、判定部１９３から判定結果を受信する。判定結果出力部１９５は、受信した判定結果を出力する。
【００９３】
以上が、ガス検出装置１０に含まれる漏洩判定部１９の構成についての説明である。なお、図１１は一例であって、漏洩判定部１９の構成を図１１の構成に限定するものではない。
【００９４】
〔キャリブレーション〕
次に、再帰反射器１００に向けて投射光を投射するために、ガス検出装置１０が実行するキャリブレーションについて図面を参照しながら説明する。図１２は、ガス検出装置１０におけるキャリブレーションについて説明するためのフローチャートである。以下においては、図６の構成を参照しながら、ガス検出装置１０を主体として説明する。
【００９５】
図１２において、まず、ガス検出装置１０は、光源１２のレーザ出射器１２１を制御してレーザ光１１０を出射させる（ステップＳ１１）。このとき、光源１２は、コリメータ１２３によって変換された平行光１２０を、空間光変調器１３の変調部に向けて出射する。
【００９６】
次に、ガス検出装置１０は、キャリブレーションを行う際の初めの投射方向（初期方向とも呼ぶ）に投射光１４０が投射するためのパターンを空間光変調器１３の変調部に設定する（ステップＳ１２）。なお、キャリブレーションの際に空間光変調器１３の変調部に設定するパターンは、キャリブレーションで検証する投射方向ごとに予め設定されているものとする。
【００９７】
次に、ガス検出装置１０は、受光器１７によって受光された光の強度を計測し、計測した光の強度を投射方向に紐付けて記録する（ステップＳ１３）。
【００９８】
ここで、キャリブレーションを行う際の最後の投射方向（最終方向とも呼ぶ）ではない場合（ステップＳ１４でＮｏ）、ガス検出装置１０は、空間光変調器１３の変調部に設定するパターンを次の投射方向のパターンに変更する（ステップＳ１５）。その結果、投射光１４０の投射方向が変更される。ステップＳ１５の後は、ステップＳ１３に戻る。
【００９９】
一方、キャリブレーションを行う際の最後の投射方向（最終方向とも呼ぶ）である場合（ステップＳ１４でＹｅｓ）、ガス検出装置１０は、受光された光の強度が最大または極大となる方向を特定する（ステップＳ１６）。
【０１００】
そして、ガス検出装置１０は、空間光変調器１３の変調部に設定するパターンを、特定された投射方向に投射光を投射するパターンに変更する（ステップＳ１５）。その結果、投射光１４０の投射方向は、受光された光の強度が最大または極大となる方向に変更される。再帰反射器１００が一つの場合、ガス検出装置１０は、投射光１４０の投射方向を一つの方向に設定する。再帰反射器１００が複数の場合、ガス検出装置１０は、投射光１４０の投射方向は複数の方向に切り替えるように設定する。また、再帰反射器１００の反射面に広がりがある場合、ガス検出装置１０は、再帰反射器１００の反射面を走査するように投射光１４０の投射方向を設定する。
【０１０１】
以上が、ガス検出装置１０によるキャリブレーションについての説明である。なお、図１２のフローチャートに沿った処理は一例であって、実施形態のガス検出装置１０によるキャリブレーションを図１２の処理に限定するものではない。
【０１０２】
以上のように、本実施形態のガス検出システムは、ガス検出装置と、ガス検出装置から投射されたレーザ光を再帰的に反射する少なくとも一つの再帰反射器と、によって構成される。
【０１０３】
本実施形態の一態様において、ガス検出装置は、投射器、投射制御部、受光器、および漏洩判定部を備える。投射器は、検出対象ガスによる吸収率が高い波長のレーザ光を出射する光源と、光源から出射されたレーザ光を変調する空間光変調器とを含む。投射制御部は、光源からレーザ光を出射させるとともに、空間光変調器の変調部のパターンを設定することによって、投射器から再帰反射器に向けて投射光が投射されるように制御する。受光器は、再帰反射器によって反射された投射光の反射光を受光し、受光した反射光の強度を計測する。漏洩判定部は、受光器から反射光の強度を取得し、反射光の強度に基づいて、再帰反射器との間の検出空間における検出対象ガスの漏洩を判定する。
【０１０４】
本実施形態では、機械的に動作する機構を用いずに、空間光変調器の変調部のパターンを変更することによって投射光の投射方向を制御する。そのため、本実施形態によれば、機械的に動作する機構を用いずに、広範囲に亘って検出対象ガスを検出できる。また、本実施形態によれば、再帰反射器の反射面を広くしたり、再帰反射器の数を増やしたりすることによって、検出空間を拡大できる。
【０１０５】
本実施形態の一態様において、漏洩判定部は、反射光の強度が閾値を下回った場合、検出空間において検出対象ガスが漏洩していると判定する。本態様によれば、閾値に基づいて漏洩判定できるため、検出空間における検出対象ガスの検出が容易になる。
【０１０６】
本実施形態の一態様において、漏洩判定部は、投射光の強度と反射光の強度とを用いて、検出空間における検出対象ガスの濃度を計測する。本態様によれば、検出空間が広い場合であっても、ガス検出装置の数を増やさずに、再帰反射器の反射面の面積や数を増やすことによって、検出空間における検出対象ガスの濃度の計測を容易に行うことができる。
【０１０７】
本実施形態の一態様において、投射制御部は、投射器から投射される投射光の投射方向を変更し、受光器によって受光された反射光の強度が最大または極大になる投射方向を投射光の投射方向に設定するキャリブレーションを実行する。本態様によれば、投射光の投射方向を自動的に設定できるため、手動によるキャリブレーションやメンテナンスの頻度を減らすことができる。
【０１０８】
本実施形態の一態様において、漏洩判定部は、投射光の強度と反射光の強度とを用いて、再帰反射器との間の距離を計測する。投射制御部は、漏洩判定部によって計測された距離に応じて投射器を制御する。本態様によれば、ガス検出装置と再帰反射器との距離に応じて投射器を制御するため、検出空間における検出対象ガスの検出や濃度計測の精度を向上することができる。
【０１０９】
本実施形態の一態様において、漏洩判定部は、検出空間における検出対象ガスの漏洩に関する判定結果を表示装置に表示させる。本態様によれば、検出空間における検出対象ガスの漏洩に関する判定結果が表示装置に表示されるため、検出対象ガスが発生し得る現場にいる作業者や管理者の安全を確保しやすくなる。
【０１１０】
本実施形態の一態様において、ガス検出システムは、ガス検出装置から出射されるレーザ光を少なくとも一つの再帰反射器に向けて反射する少なくとも一つの反射鏡を含む。本態様によれば、ガス検出装置が投射する投射光の投射方向と、再帰反射器の反射面とが正対できない場合であっても、再帰反射器の反射面に向けてガス検出装置から投射光を投射できるので、ガス検出装置と再帰反射器の配置の自由度が増す。複数の反射鏡を組み合わせて、ガス検出装置から再帰反射器の反射面に向けて投射光が到達するように配置すれば、検出空間を実質的に拡大でき、投射光が届かない死角を減らすことができる。
【０１１１】
本実施形態の一態様のガス検出システムにおいて、ガス検出装置および少なくとも一つの再帰反射器のうち、少なくともいずれかが移動体に搭載される。本態様によれば、ガス検出装置または再帰反射器を移動体に搭載することによって、屋外のような広い検出空間であっても検出対象ガスを検出できる。例えば、地上を走行する自動車に搭載されたガス検出装置によって、空中を飛行するドローンに搭載された再帰反射器の位置を特定し、特定された位置に向けて投射光を投射すれば、広い検出空間であっても対応可能である。また、例えば、空中を飛行するドローンに搭載されたガス検出装置によって、空中を飛行する別のドローンに搭載された再帰反射器の位置を特定し、特定された位置に向けて投射光を投射すれば、より広い検出空間であっても対応可能である。
【０１１２】
（適用例）
次に、実施形態のガス検出システム１の適用例について図面を参照しながら説明する。図１３〜図１７は、ガス検出システム１の適用例について説明するための概念図である。
【０１１３】
〔適用例１〕
図１３は、ガス検出装置１０と再帰反射器１００との間に形成される検出空間を複数の反射鏡を用いて拡張する例（適用例１）である。図１３は、ガス検出装置１０と再帰反射器１００を設置した屋内を上方から見下ろした概念図である。屋内には、ガス検出装置１０からの投射光と、再帰反射器１００によって反射された反射光とを反射する複数の反射鏡が配置される。
【０１１４】
適用例１では、ガス検出装置１０から投射する投射光の投射方向を２方向に切り替える。複数の反射鏡は、第１方向に投射された投射光を再帰反射器１００に向けて反射するための複数の第１反射鏡１８０−１と、第２方向に投射された投射光を再帰反射器１００に向けて反射するための複数の第２反射鏡１８０−２とによって構成される。なお、投射光の投射方向は３方向以上に設定されてもよい。
【０１１５】
ガス検出装置１０が第１方向に投射光を投射すると、投射光は、複数の第１反射鏡１８０−１によって順次反射されて再帰反射器１００に到達する。再帰反射器１００に到達した投射光は、再帰反射器１００の反射面で再帰的に反射され、複数の第１反射鏡１８０−１によって順次反射されてガス検出装置１０によって受光される。ガス検出装置１０が第１方向に投射光を投射する場合、検出空間１７０−１（破線の範囲内）において検出対象ガスを検出できる。
【０１１６】
ガス検出装置１０が第２方向に投射光を投射すると、投射光は、複数の第２反射鏡１８０−２によって順次反射されて再帰反射器１００に到達する。再帰反射器１００に到達した投射光は、再帰反射器１００の反射面で再帰的に反射され、複数の第２反射鏡１８０−２によって順次反射されてガス検出装置１０によって受光される。ガス検出装置１０が第２方向に投射光を投射する場合、検出空間１７０−２（一点鎖線の範囲内）において検出対象ガスを検出できる。
【０１１７】
適用例１によれば、複数の反射鏡を用いることによって、ガス検出装置１０から再帰反射器１００に向けて直接投射光を投射するよりも、検出空間１７０を拡大できる。さらに、ガス検出装置１０から投射する投射光の投射方向を切り替えることによって、検出空間１７０をより拡大できる。また、光源に含まれるレーザ出射器の出力が十分に大きければ、異なる投射方向に向けて同時に投射光を投射することによって、検出空間１７０を拡大できる。
【０１１８】
〔適用例２〕
図１４は、帯状の再帰反射器１００−２を部屋の一部に貼り付け、ガス検出装置１０から投射する投射光の投射方向を走査することによって検出空間１７０を拡大する例（適用例２）である。図１４は、ガス検出装置１０と再帰反射器１００−２を設置した屋内を上方から見下ろした概念図である。図１４の例では、部屋の角を挟んだ２つの壁面に帯状の再帰反射器１００−２を貼り付け、その角に対向する角の位置にガス検出装置１０を設置する。例えば、再帰反射器１００−２は、検出対象ガスが空気よりも軽ければ壁の上方に貼り付けられ、検出対象ガスが空気よりも重ければ壁の下方に貼り付けられる。なお、再帰反射器１００−２は、部屋の天井や床に貼り付けられてもよい。また、再帰反射器１００−２は、広範囲に貼り付けることができればよいので、帯状に限らず、任意の形状の面を有すればよい。
【０１１９】
適用例２では、ガス検出装置１０から投射する投射光の投射方向を再帰反射器１００−２に沿って走査することによって、検出対象ガスの検出空間１７０を拡大できる。例えば、ガス検出装置１０は、短い線分のレーザ光を投射して、帯状の再帰反射器１００−２の全体を複数の領域に分けて投射してもよい。このようにすれば、走査時間を短縮できる。また、ガス検出装置１０は、検出対象ガスが検出されるまでは粗い精度で走査し、検出対象ガスが検出された際に、検出対象ガスが検出された辺りを精密に走査することによって漏洩箇所の位置を特定するように構成することもできる。
【０１２０】
ガス検出装置１０から投射する投射光の投射方向は、空間光変調器の変調部に設定するパターンを変更することによって変更できる。すなわち、適用例２では、機械的な機構を用いなくても投射光の投射方向を変更できる。また、適用例１と適用例２とを組み合わせれば、検出対象ガスが検出されない死角を減らすことができる。また、光源に含まれるレーザ出射器の出力が十分に大きければ、異なる投射方向に向けて同時に投射光を投射することによって、検出空間１７０を拡大できる。
【０１２１】
〔適用例３〕
図１５および図１６は、ガス検出装置１０を用いて、配管１５５−１〜３からの検出対象ガスの漏洩を検出する例（適用例３）である。図１５および図１６には、一番下方に配置された配管１５５−３の漏洩箇所１６０から、空気よりも軽い検出対象ガス１６１が漏洩する例を示す。そのため、再帰反射器１００−３は、配管１５５−１〜３の上方に配置する。なお、空気よりも重い検出対象ガスを検出する場合は、配管１５５−１〜３の下方に再帰反射器１００−３を配置すればよい。また、再帰反射器１００−３は、配管１５５−１〜３の各々の間に配置してもよい。
【０１２２】
図１５は、ガス検出装置１０と再帰反射器１００−３を配管１５５−１〜３の上方に配置し、配管１５５−１〜３の延伸方向に沿って投射光を投射する例である。検出空間１７０は、ガス検出装置１０と再帰反射器１００−３の間に形成される。配管１５５−３から漏洩した検出対象ガス１６１は、検出空間１７０を通過するため、ガス検出装置１０によって投射光の減衰が検出される。
【０１２３】
図１６は、配管１５５−１〜３の上方に、配管１５５−１〜３の延伸方向に沿って帯状の再帰反射器１００−４を配置し、帯状の再帰反射器１００−４の反射面に投射光を投射できる位置にガス検出装置１０を配置する。そして、ガス検出装置１０が、配管１５５−１〜３の延伸方向に沿って、再帰反射器１００−４に向けて投射光を走査させる例である。図１６の例では、投射光の投射方向を３通りしか図示していないが、実際には連続的に投射光を走査させる。検出空間１７０は、ガス検出装置１０と再帰反射器１００−４の間に形成される。配管１５５−３から漏洩した検出対象ガス１６１は、検出空間１７０を通過するため、ガス検出装置１０によって投射光の減衰が検出される。
【０１２４】
図１６の例では、図１５の場合と比較して、広範囲を走査するため、検出対象ガス１６１が漏洩している箇所を迅速に検出できる。また、図１６の例では、配管１５５−１〜３の直上のみならず、配管１５５−１〜３の周辺に亘って検出対象ガスの漏洩を検出できる。また、図１６の例では、配管１５５−１〜３の延伸方向に沿って検出対象ガス１６１の漏洩位置を検出できる。なお、再帰反射器１００−４は、配管１５５−１〜３の上方ではなく、配管１５５−１〜３の側面に配置してもよい。配管１５５−１〜３の側面に再帰反射器１００−４を配置し、その再帰反射器１００−４をスキャンすれば、検出対象ガスが漏洩している位置をより正確に特定できる。
【０１２５】
〔適用例４〕
図１７は、投射方向を上方に向けて複数のガス検出装置１０を円柱状の構造物の側面の下方に配置し、反射面を下方に向けて複数の再帰反射器１００を円柱状の構造物の側面の上方に配置する例（適用例４）である。例えば、円柱状の構造物は、ガスタンクや煙突、配管、排熱管などである。
【０１２６】
適用例４では、円柱状の構造物の側面から漏洩した検出対象ガスを検出できる。適用例１のように、ガス検出装置１０と再帰反射器１００の間にミラーを配置すれば、ガス検出装置１０や再帰反射器１００の設置数を減らすことができる。
【０１２７】
円柱状の構造物が配管や煙突の場合、ガス検出装置１０は、それらの構造物から漏洩した検出対象ガスを検出できる。また、ガス検出装置１０が遠赤外線を検出できれば、ガス検出装置１０は円柱状の構造物から漏洩した熱を検出することもできる。
【０１２８】
〔適用例５〕
図１８は、井戸などの穴の中に再帰反射器１００−５を落とし、作業者が持ち運べる携帯型のガス検出装置１０−５から再帰反射器１００−５に向けて投射光を投射し、その投射光の反射光を受光して検出対象ガスを検出する例（適用例５）である。再帰反射器１００−５は、球状であり、その表面には再帰反射面が形成される。再帰反射器１００−５は、球状であるため、どのように配置されても、携帯型のガス検出装置１０−５からの投射光を反射できる。例えば、再帰反射器１００−５をゴム製のボールの周囲に貼り付ければ、穴の中に投げ入れても、穴の中の物品に損傷を与えにくく、再帰反射器１００−５自体も損傷を受けにくい。なお、再帰反射面が上方に向く形状であれば、再帰反射器１００−５の形状は球状でなくてもよい。
【０１２９】
適用例５では、ガス検出装置１０−５と再帰反射器１００−５との間に検出空間１７０が形成される。適用例５によれば、井戸などの窪みの中に充満した検出対象ガスを検出できる。また、適用例１のように、ガス検出装置１０と再帰反射器１００−５との間にミラーを配置すれば、検出空間１７０を拡大できる。
【０１３０】
〔適用例６〕
図１９〜図２１は、ガス検出装置１０や再帰反射器１００を、自動車やドローンなどの移動体に搭載する例（適用例６）である。
【０１３１】
図１９は、自動車１８１の天井の上に搭載されたガス検出装置１０から、上方に向けて投射光を投射する例である。図１９のような利用シーンとしては、大規模なプラントの屋外に配置された配管からのガスの漏洩の検出などが想定される。例えば、検出対象ガスが空気よりも軽い場合、反射面を下方に向けた再帰反射器１００を配管の上方に配置しておけばよい。また、例えば、検出対象ガスが空気よりも重い場合、配管を支える支柱の側面に、反射面を側方に向けた再帰反射器１００を配置しておけばよい。自動車１８１の天井の上に搭載されたガス検出装置１０から再帰反射器１００の反射面に向けて投射光を投射し、その投射光の反射光を受光すれば、大規模な空間において検出対象ガスを検出できる。
【０１３２】
図２０は、ドローン１８２に搭載されたガス検出装置（図示しない）から、再帰反射器１００に向けて投射光を投射する例である。図２０のような利用シーンとしては、図１９と同様に、大規模なプラントの屋外に配置された配管からのガスの漏洩の検出などが想定される。ドローン１８２に搭載されたガス検出装置から再帰反射器１００の反射面に向けて投射光を投射し、その投射光の反射光を受光すれば、より大規模な空間において検出対象ガスを検出できる。また、ドローン１８２を用いれば、通常では計測できないような空間において検出対象ガスを検出できる。
【０１３３】
図２１は、ドローン１８２にガス検出装置（図示しない）を搭載し、自動車１８５やドローン１８６に再帰反射器１００を搭載する例である。例えば、自動車１８５に搭載された再帰反射器１００に向けてドローン１８２から投射光を投射したり、ドローン１８６に搭載された再帰反射器に向けてドローン１８２から投射光を投射したりすれば、移動体間においてフレキシブルに検出空間を拡大できる。
【０１３４】
以上が、実施形態のガス検出システム１の適用例についての説明である。なお、図１３〜図２１の例は一例であって、実施形態のガス検出システム１の利用シーンを図１３〜図２１の例に限定するものではない。
【０１３５】
（ハードウェア）
ここで、実施形態に係るガス検出装置に含まれる投射制御部や漏洩判定部（以下、制御装置と呼ぶ）を実現するハードウェア構成について、図２２の情報処理装置９０を一例として挙げて説明する。なお、図２２の情報処理装置９０は、実施形態の制御装置の処理を実行するための構成例であって、本発明の範囲を限定するものではない。
【０１３６】
図２２のように、情報処理装置９０は、プロセッサ９１、主記憶装置９２、補助記憶装置９３、入出力インターフェース９５、および通信インターフェース９６を備える。図２２においては、インターフェースをＩ／Ｆ（Interface）と略して表記する。プロセッサ９１、主記憶装置９２、補助記憶装置９３、入出力インターフェース９５、および通信インターフェース９６は、バス９８を介して互いにデータ通信可能に接続される。また、プロセッサ９１、主記憶装置９２、補助記憶装置９３および入出力インターフェース９５は、通信インターフェース９６を介して、インターネットやイントラネットなどのネットワークに接続される。
【０１３７】
プロセッサ９１は、補助記憶装置９３等に格納されたプログラムを主記憶装置９２に展開し、展開されたプログラムを実行する。実施形態においては、情報処理装置９０にインストールされたソフトウェアプログラムを用いる構成とすればよい。プロセッサ９１は、実施形態に係る制御装置による処理を実行する。
【０１３８】
主記憶装置９２は、プログラムが展開される領域を有する。主記憶装置９２は、例えばＤＲＡＭ（Dynamic Random Access Memory）などの揮発性メモリとすればよい。また、ＭＲＡＭ（Magnetoresistive Random Access Memory）などの不揮発性メモリを主記憶装置９２として構成・追加してもよい。
【０１３９】
補助記憶装置９３は、種々のデータを記憶する。補助記憶装置９３は、ハードディスクやフラッシュメモリなどのローカルディスクによって構成される。なお、種々のデータを主記憶装置９２に記憶させる構成とし、補助記憶装置９３を省略することも可能である。
【０１４０】
入出力インターフェース９５は、情報処理装置９０と周辺機器とを接続するためのインターフェースである。通信インターフェース９６は、規格や仕様に基づいて、インターネットやイントラネットなどのネットワークを通じて、外部のシステムや装置に接続するためのインターフェースである。入出力インターフェース９５および通信インターフェース９６は、外部機器と接続するインターフェースとして共通化してもよい。
【０１４１】
情報処理装置９０には、必要に応じて、キーボードやマウス、タッチパネルなどの入力機器を接続するように構成してもよい。それらの入力機器は、情報や設定の入力に使用される。なお、タッチパネルを入力機器として用いる場合は、表示機器の表示画面が入力機器のインターフェースを兼ねる構成とすればよい。プロセッサ９１と入力機器との間のデータ通信は、入出力インターフェース９５に仲介させればよい。
【０１４２】
また、情報処理装置９０には、情報を表示するための表示機器を備え付けてもよい。表示機器を備え付ける場合、情報処理装置９０には、表示機器の表示を制御するための表示制御装置（図示しない）が備えられていることが好ましい。表示機器は、入出力インターフェース９５を介して情報処理装置９０に接続すればよい。
【０１４３】
以上が、実施形態に係る制御装置を可能とするためのハードウェア構成の一例である。なお、図２２のハードウェア構成は、実施形態に係る制御装置の演算処理を実行するためのハードウェア構成の一例であって、本発明の範囲を限定するものではない。
【０１４４】
実施形態に係る制御装置に関する処理をコンピュータに実行させるプログラムも本発明の範囲に含まれる。さらに、実施形態に係るプログラムを記録したプログラム記録媒体も本発明の範囲に含まれる。記録媒体は、例えば、ＣＤ（Compact Disc）やＤＶＤ（Digital Versatile Disc）などの光学記録媒体で実現できる。また、記録媒体は、ＵＳＢ（Universal Serial Bus）メモリやＳＤ（Secure Digital）カードなどの半導体記録媒体や、フレキシブルディスクなどの磁気記録媒体、その他の記録媒体によって実現してもよい。プロセッサが実行するプログラムが記録媒体に記録されている場合、その記録媒体はプログラム記録媒体に相当する。
【０１４５】
実施形態の制御装置の構成要素は、任意に組み合わせることができる。また、実施形態の制御装置の構成要素は、ソフトウェアによって実現してもよいし、回路によって実現してもよい。
【０１４６】
以上、実施形態を参照して本発明を説明してきたが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。
【符号の説明】
【０１４７】
１    ガス検出システム
１０    ガス検出装置
１１    投射器
１２    光源
１３    空間光変調器
１４    投射光学系
１５    投射制御部
１７    受光器
１９    漏洩判定部
２０    制御装置
１００    再帰反射器
１０１    基材
１０２    球状ビーズ
１０３    焦点層
１０４    反射層
１０５−１〜３    反射鏡
１５１    投射条件記憶部
１５３    投射条件設定部
１５５    変調器制御部
１５７    光源制御部
１９０    表示装置
１９１    判定基準記憶部
１９３    判定部
１９５    判定結果出力部
【図１】
0006985359.tif 000004
【図２】
0006985359.tif 000005
【図３】
0006985359.tif 000006
【図４】
0006985359.tif 000007
【図５】
0006985359.tif 000008
【図６】
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【図７】
0006985359.tif 000010
【図８】
0006985359.tif 000011
【図９】
0006985359.tif 000012
【図１０】
0006985359.tif 000013
【図１１】
0006985359.tif 000014
【図１２】
0006985359.tif 000015
【図１３】
0006985359.tif 000016
【図１４】
0006985359.tif 000017
【図１５】
0006985359.tif 000018
【図１６】
0006985359.tif 000019
【図１７】
0006985359.tif 000020
【図１８】
0006985359.tif 000021
【図１９】
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【図２０】
0006985359.tif 000023
【図２１】
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【図２２】
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