JP2008026127A - 分光ユニット、気象観測ライダーシステム - Google Patents

Abstract

【課題】ラマンライダーシステムの計測精度の向上を図ること。
【解決手段】本発明に係る分光ユニットは、対象光に基づいて回折光を生じさせる回折格子(32)と、相互間に間隙を設け、当該間隙を前記回折光の光路上に配置される２つのウェッジミラー(35,36)と、前記２つのウェッジミラーの前記間隙を通る通過光の光路上に配置される第１の干渉フィルタ(44,45)と、前記２つのウェッジミラーの少なくとも一方によって生じる反射光の光路上に配置される第２の干渉フィルタ(38,39)と、を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、大気成分の反射・吸収・散乱等の光学的現象に応じた測定に用いる計測技術の改良に関する。

ライダー（LIDAR; Light Detection and Ranging）は、観測領域の大気中の短いパルスのレーザ光を照射し、その散乱光をライダー信号として測定し、解析することにより、大気の状態を観測する技術である。ライダー観測のためのレーザ光には、通例、Ｎｄ：ＹＡＧレーザが用いられる。レーザ光の照射による散乱の種類には、エアロゾル（浮遊粒子状物質）によるミー散乱、大気構成分子によるレイリー散乱やラマン散乱などがあり、これらを利用して大気温度やエアロゾルの空間分布、大気密度、大気成分の濃度分布などの観測要素を解析することができる。具体的には、かかる解析は、ライダー信号を表現した、いわゆるライダー方程式と呼ばれる式を解くことにより行われる（たとえば、特許文献１参照）。

ライダーにおける計測では、測定対象となる大気成分の反射・吸収・散乱等の光学的現象に応じた測定を行う必要がある。例えば、窒素分子、酸素分子などから構成される“空気”の回転ラマン散乱を利用した気温計測の場合には、少なくとも二つの近接した中心波長における狭帯域の応答信号を検知することにより、気温計測を実現することができる。こうした気温用ライダーの他、大気ガス物質(H₂O,SOx,NOx,CH₄等)の濃度を検出する目的のラマンライダーにおいても、このような固有の中心波長における狭帯域の応答信号を少なくとも一つ以上検知する必要がある。

従来のラマンライダーに関する技術では，光学系全体の効率や対象とする波長以外の光の遮断率が課題となっており、それを克服する手段として複数枚の高性能な干渉フィルタを多用する方法が用いられてきた。しかしながら、高性能な干渉フィルタは高コストであり、測定システム全体としてのコストも高かった。さらに、可視域のレーザを使用しているため目に対する安全性(アイセーフ性能)が低いため、レーザの出力が制限されることとなるため、このレーザ出力の低下に起因してライダー計測の精度が低下するという不都合があった。

国際公開番号 ＷＯ ０３/０７３１２７ Ａ１

そこで本発明は、近接した二つの中心波長の入射光を検出器に導くまでに、ラマン散乱光をより高い受信効率で導くと共に、ミー散乱やレイリー散乱光からのラマン散乱光のより高い遮断率を得ることにより、計測精度を向上させることを目的とする。
また、本発明は、ラマンライダーシステムの低コスト化を図ることを目的とする。

本発明の第１の態様にかかる分光ユニットは、
対象光に基づいて回折光を生じさせる回折格子と、
相互間に間隙が設けられ、当該間隙を前記回折光の光路が通るように配置される２つのウェッジミラーと、
前記２つのウェッジミラーの前記間隙を通る通過光の光路上に配置される第１の干渉フィルタと、
前記２つのウェッジミラーの少なくとも一方によって生じる反射光の光路上に配置される第２の干渉フィルタと、
を備えることを特徴とする。
ここで、「ウェッジミラー（くさび型のミラー）」とは、入射光を反射する作用を有する部材（例えば板状のもの）であって、当該部材の端部が鋭角に形成されているものをいう。

上記構成では、２枚のウェッジミラーを相互間（各々の端部の相互間）に微小な間隙を設けつつ配置し、スリットのようにして用いることにより、空間的に近接している波長を高い遮断率で分光している。このようなウェッジミラーによる近接波長の高い遮断率と、回折格子による高い効率および干渉フィルタによる高い効率と遮断率を有効に活用し、計測精度の向上を図ることができる。また、比較的に安価な回折格子とウェッジミラーを活用することにより、より高価な干渉フィルタの使用枚数を従来よりも減らすことができるので、測定システムの簡素化、低コスト化を図ることができる。

好ましくは、前記２つのウェッジミラーは、互いの延長方向が斜めに交わるように配置される。より詳細には、前記２つのウェッジミラーは、両者の反射面が全体として前記回折光の入射方向に対して凹状となるように配置されることが好ましい。また、前記２つのウェッジミラーは、両者の反射面が全体として前記回折光の入射方向に対して凸状となるように配置されることも好ましい。

それにより、各ウェッジミラーにより生じる反射光の受光がより容易になる。

好ましくは、上記分光ユニットは、前記回折光の光路上であって前記回折格子と前記２つのウェッジミラーの相互間に配置され、前記回折光を前記２つのウェッジミラーの前記間隙付近に集光させる第１のレンズを更に備える。

それにより、分光精度（分解能）をより高めることができる。

好ましくは、上記分光ユニットは、前記対象光の光路上であって、前記対象光の入射位置と前記回折格子の相互間に配置され、前記対象光を平行光に変換する第２のレンズを更に備える。

それにより、対象光の光利用効率を高め、測定精度をより向上させることができる。

好ましくは、上記分光ユニットは、
前記通過光の光路上であって前記第１の干渉フィルタの後段に配置される第１の受光器と、
前記反射光の光路上であって前記第２の干渉フィルタの後段に配置される第２の受光器と、
を更に備える。

本発明の第２の態様にかかる気象観測ライダーシステムは、
パルスレーザ光を発生させ、観測対象である大気中に向けてこれを発射する送信ユニットと、
前記送信ユニットから発射されたレーザ光の前記大気による反射光を観測対象光として受信する受信ユニットと、
前記受信ユニットにより受信された前記観測対象光を分光して複数の信号光を生成し、当該複数の信号光をそれぞれ電気信号に変換する分光ユニットと、
前記送信ユニット、前記受信ユニット及び前記分光ユニットの動作を制御するとともに、前記分光ユニットから出力される前記電気信号に基づいて信号処理を行う制御／処理ユニットと、
を含み、
前記分光ユニットとして、上記の分光ユニットを用いることを特徴とする。

上記構成によれば、計測精度が高く、尚かつシステムが簡素で低コストなライダーシステムが得られる。

本発明によれば、ライダーシステムの計測精度の向上を図るとともに、測定システムの簡素化、低コスト化を図ることができる。

本発明の実施の形態について図面を参照しつつ説明する。

図１は、気象観測ライダーシステムの基本構成を示す概略図である。気象観測ライダーシステム１００は、ライダー観測に適した単一のパルスレーザ光を発生させ、観測対象である大気中に向けてこれを発射する送信ユニット１と、その送信ユニット１から発射されたレーザ光の大気による反射光（散乱光）を応答信号（ライダー信号）として受信する受信ユニット２と、その受信ユニット２により受信された応答信号を各種のライダー観測に必要な応答信号（観測対象光）にそれぞれ分光して複数の信号光を生成し、各信号光をそれぞれ電気信号に変換する分光ユニット３と、これらの各ユニットを構成する機器を制御するとともに、分光ユニット３から出力される電気信号に基づいて観測領域の各観測要素についての解析処理を行う制御／処理ユニット５と、を含んで構成される。

送信ユニット１の中核をなすレーザ装置１１は、ＱスイッチＮｄ・ＹＡＧレーザを含んで構成される。レーザ装置１１は、生成した高周波パルスのレーザ光の第三高調波成分（λ＝３５５ｎｍ）を不図示の非線形光学素子により取り出して、適切な出力エネルギーを外部に出射する。

レーザ装置１１から射出されるレーザ光は、ビームエクスパンダ１４を介して適宜の径に調整された後、所定の位置から大気に向けて発射される。ビームエクスパンダ１４を用いてビーム径を大きくすることにより、上空大気に射出されるビーム拡がりを低減させ、最終的に得られる集光効率を向上させることができる。

受信ユニット２は、大気に向けて発射されたレーザ光の反射光（後方散乱光）を集光する反射望遠鏡である。この反射望遠鏡により集光された観測光（応答信号）は、光ファイバーを介して分光ユニット３に誘導される。

分光ユニット３は、受信ユニット２から光ファイバー６を介して導入される応答信号をライダー観測に必要な信号にそれぞれ分光し、検出可能に構成されている。分光ユニット３の各光検出手段（不図示）によりそれぞれ検出された応答信号（電気信号）は、アナログ／デジタル器（Ａ／Ｄ変換器）４によってデジタル信号に変換されて制御／処理ユニット５に送出され、解析処理される。これにより、大気温度、水蒸気量およびエアロゾルの分布等が得られることになる。

制御／処理ユニット５は、コンピュータ１６を中心にして、ディスプレイ１７、キーボード１８およびプリンタ１９などを備える。このコンピュータ１６には入出力ポートが配設されており、コンピュータ１６は、この入出力ポートを介して、各ユニットを構成する機器から送出される信号をそれぞれ受け取り、また、機器に対して信号をそれぞれ出力する。コンピュータ１６の基本的な役割は、本実施形態の気象観測ライダーシステムに対する総括的な制御の下、分光ユニット３の各光検出手段からの応答信号に基づいて、大気の気温や水蒸気等の状態を解析することである。

図２は、分光ユニット３の構成を説明するための図である。受信ユニット２から光ファイバー６を介して誘導された観測光（対象光）は、上空大気からの後方散乱光である。かかる散乱光は、その光路上であって当該散乱光の入射位置（本例では光ファイバー６の一端部）と回折格子３２との相互間に配置されるレンズ３１に入射する。そして、この散乱光はレンズ３１を通過することによって平行光に変換された後、回折格子３２に入射する。この入射光は回折格子３２により波長毎の光（回折光）として反射され、レンズ３３を通ってウェッジミラー部３４に導かれる。ウェッジミラー部３４は、２つのウェッジミラー３５、３６から構成される。ここで、「ウェッジミラー」とは、入射光を反射する作用を有する楔状の部材（例えば板状のもの）であって、当該部材の端部が鋭角に形成されているものをいう。これらのウェッジミラー３５、３６は、互いの端部間に僅かな間隙（例えば、数百μｍ程度）が設けられており、この間隙が回折光の光路上に位置するように配置される。そして、これらのウェッジミラー３５、３６は、互いの延長方向が斜めに交わるように配置されている。ウェッジミラー部３４の配置の詳細については更に後述する。

レンズ３７、２つの干渉フィルタ３８、３９、レンズ４０は、一方のウェッジミラー３５で反射した光（反射光）の光路上にこの順で配置される。ウェッジミラー３５からの反射光は、レンズ３７を通ることにより平行光とされた後、２枚の干渉フィルタ３８、３９を透過し、更にレンズ４０によって集光される。なお、干渉フィルタはその特性等によっては１枚だけ使用するように構成してもよい。レンズ４０によって集光された光は検出器４１によって受光され、その強度に応じた電気信号に変換される。検出器４１から出力される電気信号（アナログ信号）は上述のＡ／Ｄ変換器４によってデジタル信号に変換され、コンピュータ１６に転送される。また、他方のウェッジミラー３６で反射した光（反射光）は、当該反射光の光路上に配置されたダンパー４２によって吸収される。

レンズ４３、２つの干渉フィルタ４４、４５、レンズ４６は、２つのウェッジミラー３５、３６の相互間の間隙を通過した光（通過光）の光路上にこの順で配置される。この通過光は、レンズ４３を通ることにより平行光となった後、２枚の干渉フィルタ４４、４５を透過し、更にレンズ４６により集光される。なお、干渉フィルタはその特性等によっては１枚だけ使用するように構成してもよい。レンズ４６によって集光された光は検出器４７によって受光され、その強度に応じた電気信号に変換される。検出器４７から出力される電気信号（アナログ信号）は上述のＡ／Ｄ変換器４によってデジタル信号に変換され、コンピュータ１６に転送される。

図３は、回折格子３２の詳細について説明するための図である。本実施形態では回折格子３２として反射型ブレーズド回折格子を用いており、図３ではそれが模式的に示されている。光ファイバ４から出射し、回折格子３２へ入射するするレーザ光（レーザビーム）の波長をλ₀、レーザ光の入射角（すなわち、回折格子３２の主面の垂線とレーザ光と交差角）θ_in、回折格子３２の格子定数をＮ、とすると、レーザ光の入射角θ_inは次式のように表される。

また、回折格子３２によって生じる回折光の回折角θ_out（λ）は、回折次数をｍとすると次式のように表される。

よって、設計によりθ_out（λ₀）の角度を定義する。例えば、＋１次回折光を用いるとするとｍ＝＋１となるので、レーザ光の入射角θ_inを適宜設定することにより、θ_out（λ₀）の値が求められる。この求められたθ_out（λ₀）の値に基づき、＋１次回折光の進行方向（光路）が分かるので、当該進行方向に対応してレンズ３３及びウェッジミラー部３４を配置する。

図４は、ウェッジミラー部３４の配置の詳細について説明するための図である。図４では、ウェッジミラー３５、３６の相互間の間隙部分が拡大して示されている。まず、各ウェッジミラー３５、３６は、両者の反射面が全体として光の入射方向（図中では左上側）に対して凹状となる状態に配置される。より詳細には、図示のように各ウェッジミラー３５、３６の互いの延長方向がなす交差角度をφとすると、このφが概ね９０°以上１８０°以下の範囲内で適宜設定される。本実施形態では、ウェッジミラー３５とウェッジミラー３６との交差角度をφ＝１３５°に設定している。また、各ウェッジミラー３５、３６は、エッジ面（端部）３５ａ、３６ａのそれぞれが光入射方向と向かい合わないように配置される。別言すれば、各ウェッジミラー３５、３６は、これらの上面（長辺側）３５ｂ、３６ｂのそれぞれが光入射方向に向き合うように配置される。それにより、エッジ部分で不要な反射光（迷光）を生じないようにすることができる。また、各ウェッジミラー３５、３６は、相互間にある程度の隙間を設けて離間して配置される。より詳細には、波長λ₀の光はウェッジミラー３６によって反射され、それより短い波長λ_-1の光が各ウェッジミラー３５、３６の相互間の隙間を通過し、更に短い波長λ_-2の光はウェッジミラー３５によって反射されるように、各ウェッジミラー３５、３６の配置状態が設定される。それにより、各ウェッジミラー３５、３６の相互間の隙間を通過した波長λ_-1の光は、各レンズ４３、４６及び各干渉フィルタ４４、４５を通過し、検出器４７によって検出される。ウェッジミラー３５によって反射された波長λ_-2の光は、各レンズ３７、４０及び各干渉フィルタ３８、３９を通過し、検出器４１によって検出される。ウェッジミラー３６によって反射された波長λ₀の光はダンパー４２に吸収される。各ウェッジミラー３５、３６の交差角度φは、これらの波長λ₀の光および波長λ_-2の光の反射効率が最大となるように配置されることが望ましい。また、ウェッジミラー３５、３６の相互間の隙間については、使用する光の波長（例えば本例では、波長λ₀、波長λ_-1、波長λ_-2はそれぞれ354.67nm、354.10nm、353.10nm）や、回折格子３２およびレンズ３３の特性などに応じて適宜設定されるものであり、例えば数百μｍ程度の間隔が設けられる。これについて更に説明する。

図５は、ウェッジミラー３５、３６の相互間の間隔について詳細に説明するための図である。図５では、レンズ３３への入射光とレンズ３３からの出射光のスポット位置との関係が示されている。スポット位置に関する基本式は以下のように表される。なお、下記（３）式では、θ_outが微小であるためtanθ_out≒θ_outと近似している。

ここで、ｆはレンズ３３の焦点距離、ｄはスポット位置（像高）である。また、短波長側の回折光の波長をλ_-1、λ_-2、・・・、λ_-n、長波長側の回折光の波長をλ₁、λ₂、・・・、λ_n、と表現する。このとき、中心波長λ₀、短波長側の波長λ_-1、長波長側の波長λ₁、のそれぞれに対するスポット位置ｄ（λ₀）、ｄ（λ_-1）、ｄ（λ₁）は図示のように、レンズ３３の光軸と直交する面（像面）において微小距離だけ離間する。本実施形態の気象観測ライダーシステム１００では、中心波長λ₀、短波長側波長λ_-1の光を受信する。このとき、短波長側の光の受信スペクトル幅をΔλ_-1とすると、ウェッジミラー３５、３６の相互間の間隔ｄ１は次式によって表される。

よって、この（４）式に基づいて、各ウェッジミラー３５、３６の相互間距離を設定することができる。このように、２枚のウェッジミラーを相互間に微小な間隙を設けつつ配置し、スリットのようにして用いることにより、空間的に近接している波長を高い遮断率で分光することが可能となる。

本実施形態の気象観測ライダーシステム１００は以上のような構成を有している。次に、上記した分光ユニット３の他の構成例について説明する。以下に説明する分光ユニット３ａを用いて本実施形態の気象観測ライダーシステム１００を構成することもできる。

図６は、分光ユニットの他の構成例について説明する図である。図６に示す分光ユニット３ａの基本的な構成は上述した図２に示した分光ユニット３と同様である。なお、上述した分光ユニット３と本例の分光ユニット３ａとで共通している構成要素については同符号を付し、それらについての詳細な説明は省略する。本例の分光ユニット３ａは、上述の分光ユニット３と比較して、ウェッジミラー部３４に含まれる各ウェッジミラー３５、３６の配置状態が異なっている。また、このウェッジミラー部３４の配置状態の変更に伴って、レンズ３７、４０、干渉フィルタ３８、３９及び検出器４１からなる光学系の配置とダンパー４２の配置とが入れ替わっている。

図７は、図６に示す分光ユニットにおけるウェッジミラー部３４の配置状態について詳細に説明する図である。図７では、ウェッジミラー３５、３６の相互間の隙間部分が拡大して示されている。まず、本例では、各ウェッジミラー３５、３６は、両者の反射面が全体として回折光の入射方向（図中では左上側）に対して凸状となる状態に配置される。より詳細には、図示のように各ウェッジミラー３５、３６の互いの延長方向がなす交差角度をφとすると、このφが概ね９０°以上１８０°以下の範囲内で適宜設定される。本実施形態では、ウェッジミラー３５とウェッジミラー３６との交差角度をφ＝１３５°に設定している。すなわち、上述の図４に示した配置を反転した状態となっている。また、各ウェッジミラー３５、３６は、エッジ面３５ａ及び３６ａのそれぞれが光入射方向と向かい合わないように配置される。別言すれば、各ウェッジミラー３５、３６は、これらの上面（長辺側）３５ｂ、３６ｂのそれぞれが光入射方向に向き合うように配置される。別言すれば、上記図４に示した例では上面３５ｂ、３６ｂのなす角度が９０°〜１８０°となっていたが、本例では上面３５ｂ、３６ｂのなす角度（φの対頂角）が１８０°〜２７０°の範囲となる。それにより、エッジ部分で不要な反射光（迷光）を生じないようにすることができる。また、各ウェッジミラー３５、３６は、相互間にある程度の隙間を設けて離間して配置される。当該隙間の設定方法については上述した通りであるため、ここでは説明を省略する（図５参照）。本例においても、波長λ₀の光はウェッジミラー３６によって反射され、それより短い波長λ_-1の光が各ウェッジミラー３５、３６の相互間の隙間を通過し、更に短い波長λ_-2の光はウェッジミラー３５によって反射されるように、各ウェッジミラー３５、３６の配置状態が設定される。各ウェッジミラー３５、３６の相互間の隙間を通過した波長λ_-1の光は、各レンズ４３、４６及び各干渉フィルタ４４、４５を通過し、検出器４７によって検出される。ウェッジミラー３５によって反射された波長λ_-2の光は、各レンズ３７、４０及び各干渉フィルタ３８、３９を通過し、検出器４１によって検出される。ウェッジミラー３６によって反射された波長λ₀の光はダンパー４２に吸収される。

以上のように本実施形態では、２枚のウェッジミラーを相互間に微小な間隙を設けつつ配置し、スリットのようにして用いることにより、空間的に近接している波長を高い遮断率で分光している。このようなウェッジミラーによる近接波長の高い遮断率と、回折格子による高い効率および干渉フィルタによる高い効率と遮断率を有効に活用し、計測精度の向上を図ることができる。また、比較的に安価な回折格子とウェッジミラーを活用することにより、より高価な干渉フィルタの使用枚数を従来よりも減らすことができるので、測定システムの簡素化、低コスト化を図ることができる。

なお、本発明は上述した実施形態の内容に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において更に種々変形して実施することが可能である。例えば、上述した実施形態では回折格子３２として反射型ブレーズド回折格子を用いていたが、回折格子３２として透過型の回折格子を用いてもよい。この場合には、図２等に示した光学系において、レーザ光の入射方向が図示の例と反対側に設定すればよいことは当業者にとって周知である。

また、回折格子３２は必ずしもブレーズ型である必要はなく、他の形態であってもよい。また、各ウェッジミラー３５、３６の配置を傾けることにより、各ウェッジミラーによる反射光の進行方向を上下方向に制御してもよい。それにより、検出器に至る光学系の配置やダンパーの配置に自由度が増すので、分光ユニット全体の形状や構成を種々の要望に合わせてカスタマイズすることが容易となる。

また、上記実施形態では、光路中に１つの回折格子を配置していたが、２つ又はそれ以上の回折格子を適宜配置してもよい。それにより、更に分光効率を向上させることができる。

また、上記実施形態を通して説明した本発明の分光ユニットは、気象観測ライダーシステムに用いて好適なものであるが、これ以外にも光を利用する多様な技術分野において用いることが可能である。

気象観測ライダーシステムの基本構成を示す概略図である。 分光ユニットの構成を説明するための図である。 回折格子の詳細について説明するための図である。 ウェッジミラー部の配置の詳細について説明するための図である。 ウェッジミラーの相互間の間隔について詳細に説明するための図である。 分光ユニットの他の構成例について説明する図である。 図６に示す分光ユニットにおけるウェッジミラー部の配置状態について詳細に説明する図である。

符号の説明

１…送信ユニット
２…送信ユニット
３…分光ユニット
４…アナログ／デジタル器
５…制御／処理ユニット
６…光ファイバー
１１…レーザ装置
１２…シーダ
１４…ビームエクスパンダ
１６…コンピュータ
１７…ディスプレイ
１８…キーボード
１９…プリンタ
３１…レンズ
３２…回折格子
３３…レンズ
３４…ウェッジミラー部
３５、３６…ウェッジミラー
３５ａ、３６ａ…エッジ面
３５ｂ、３６ｂ…上面
３７、４０、４３、４６…レンズ
３８、３９、４４、４５…干渉フィルタ
４１、４７…検出器
４２…ダンパー
１００…気象観測ライダーシステム

Claims (2)

1. 対象光に基づいて回折光を生じさせる回折格子と、
   相互間に間隙が設けられ、当該間隙を前記回折光の光路が通るように配置される２つのウェッジミラーと、
   前記２つのウェッジミラーの前記間隙を通る通過光の光路上に配置される第１の干渉フィルタと、
   前記２つのウェッジミラーの少なくとも一方によって生じる反射光の光路上に配置される第２の干渉フィルタと、
   を備える、分光ユニット。
2. パルスレーザ光を発生させ、観測対象である大気中に向けてこれを発射する送信ユニットと、
   前記送信ユニットから発射されたレーザ光の前記大気による反射光を観測対象光として受信する受信ユニットと、
   前記受信ユニットにより受信された前記観測対象光を分光して複数の信号光を生成し、当該複数の信号光をそれぞれ電気信号に変換する分光ユニットと、
   前記送信ユニット、前記受信ユニット及び前記分光ユニットの動作を制御するとともに、前記分光ユニットから出力される前記電気信号に基づいて信号処理を行う制御／処理ユニットと、
   を含み、
   前記分光ユニットとして、請求項１に記載の分光ユニットを用いることを特徴とする、気象観測ライダーシステム。

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