JP6430402B2 - 微量ガス検出用小型チューナブルレーザ分光計 - Google Patents

微量ガス検出用小型チューナブルレーザ分光計 Download PDF

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Description

本発明は、分光計（スペクトロメータ）、特に微量ガス（トレースガス）を検出するためのチューナブルレーザ分光計及び微量ガス検出方法に関するものである。
本発明は、ＮＡＳＡ（アメリカ航空宇宙局）との契約の下で遂行したものであり、契約者が権原を保有することを選択する合衆国法典９６−５１７（Ｕ．Ｓ．Ｃ．２０２）の規定に従うものである。
分子状汚染物質を測定するための既知で有望な技術はレーザ分光である。調整可能で線幅が狭いレーザ光源を用いるこの技術は、赤外線（ＩＲ）スペクトル領域における微量ガスの高感度で選択的な検出を提供する。
レーザ分光計は、微量ガスを検出するために、放射をある体積のガスに通す。放射がこのガスを通過すると、この放射のエネルギーの幾らかがある波長でこのガスにより吸収される。微量ガスが特性吸収を呈する波長範囲は、この微量ガスの特性に依存する。例えば、メタン（ＣＨ４）は約４．２μｍ〜約４．５μｍの波長を強く吸収し、一酸化炭素は約３．２μｍ〜約３．５μｍの波長を吸収する。吸収波長におけるエネルギー吸収レベルを用いて微量ガスの濃度を決定することができる。
３μｍ〜１０μｍの波長範囲で放射するＩＲレーザ光源の最近の進展に大きな期待がよせられている。その理由は、微量ガスのほぼ全ての分子がこの波長範囲内で特性吸収を有している為である。
レーザ分光計は、炭化水素や、水蒸気や、フッ化カルシウムをも含む多量のガスを検出するのにも用いることができる。レーザ分光器は従来では、汚水処理施設や、製油所や、ガスタービンや、化学プラントや、鉱山や、ガス送給ラインや、引火性又は可燃性のガスが存在するおそれのあるその他の個所で用いたり、大気の研究で用いたりしている。
しかし、現在の解決策には多くの欠点がある。従来のレーザ分光計はしばしば、例えば、変換効率が低く（従って、電力消費量が高く）なる欠点があり、重く高価な冷却機構を必要とする量子カスケード（ＱＣ）レーザを用いている。更に、電力消費量が低いダイオードレーザを使用している市販のレーザ分光計はしばしば、微量ガス分子がＩＲ波長領域に比べて低い吸収レベルを呈するおそれのある近ＩＲ波長領域で動作するものである。更に、従来の解決策は、密閉された複雑な光学的なチャンバ（例えば、密閉されたガスセル）を採用しており、これには、外気をチャンバ内に取入れるとともに駆動し、このチャンバを周囲の温度及び圧力よりも低くしうるほぼ一定な温度及び圧力に維持する複雑な機構が設けられている。これにより、レーザ分光計に対する複雑性、寸法及び重量が更に大きくなり、電力使用量及び価格を高めるものである。
従って、望まれることは、微量ガスの濃度の検出及び測定の双方又は何れか一方を行うための廉価で、低電力で、軽量で、ポータブルなレーザ分光計を提供すること、及び微量ガスを検出するためにこのレーザ分光計を用いる方法を提供することである。
本発明の実施態様は、メタンのような微量ガスを検出するための低電力で、小型で、ポータブルなチューナブルレーザ分光計と、この分光計を用いて微量ガスを検出する方法とに向けられるものである。
本発明の実施態様は、周囲の雰囲気（大気）に曝されるも、温度及び圧力の双方又は何れか一方の制御を必要としないオープン（開放）光路領域（例えば、オープンパス分析領域）を有するオープンパスレーザ分光計（ＯＰＬＳ）を提供することに向けられるものである。
本発明の一例によれば、微量ガスの濃度を測定するオープンパスレーザ分光計であって、このオープンパスレーザ分光計が、第１ミラーと、この第１ミラーからある距離及びある方向にした第２ミラーと、これら第１及び第２ミラーを配置するための支持構造体とを有するオープンパスで多重パスの分析領域と；このオープンパスで多重パスの分析領域に結合され、ある波長範囲の光を放出し、この放出光を前記第１及び第２ミラー間で複数回反射させうるように構成したレーザと；前記オープンパスで多重パスの分析領域に結合された検出器であって、この検出器に当る前記放出光の一部分を検出するとともに、前記光放出のこの検出された一部分の特性に対応する信号を発生させるように構成された当該検出器と；前記レーザ及び前記検出器に結合されている電子システムであって、発生された前記信号のスペクトル中の波長のシフトを決定し、前記レーザからの前記放出光の波長範囲をこの決定されたシフトに基づいて調整し且つこの信号に基づいて微量ガスの濃度を測定するように構成された当該電子システムとを具えるオープンパスレーザ分光計を提供する。
前記微量ガスは前記放出光の波長範囲内で共振周波数応答を呈しうるようになっており、雰囲気内の他のガスは前記波長範囲内で共振周波数応答を呈さないようにする。この微量ガスはメタンとすることができる。
前記レーザは赤外線範囲内で動作する半導体レーザダイオードを有するようにしうる。前記波長範囲は約３．２μｍから約３．５μｍまでとしうる。
前記オープンパスで多重パスの分析領域は周囲の雰囲気に曝されるようにしうる。例えば、前記オープンパスで多重パスの分析領域における光路がほぼ周囲温度及びほぼ周囲圧力にあるようにしうる。
前記オープンパスで多重パスの分析領域はヘリオットセルを有するようにでき、前記第１及び第２ミラーは対向凹面ミラーにでき、前記第１ミラーには、前記オープンパスで多重パスの分析領域に対する光の入射及び出射の双方又は何れか一方を達成させるように構成された第１の孔を設けることができる。
前記第１の孔は、前記放出光を前記オープンパスで多重パスの分析領域に入射させるように構成でき、前記第２ミラーは、反射された前記光を前記オープンパスで多重パスの分析領域から出射させるように構成された第２の孔を有するようにする。
前記オープンパスレーザ分光計は、直接吸収技術と、２ｆ変調／復調技術との双方又は何れか一方を用いるように構成することができる。
前記電子システムは、前記オープンパスレーザ分光計の位置を追尾し、この位置を前記検出器の発生された前記信号と同期させるように構成されたグローバル・ポジショニング・システム（ＧＰＳ）を有するようにしうる。
前記電子システムは更に、前記オープンパスレーザ分光計と外部装置との間の通信を可能にするように構成された無線トランシーバを有するようにしうる。
前記オープンパスレーザ分光計は、約１０パーツパービリオン（ｐｐｂ）／秒の微量ガス検出感度を有するようにしうる。
前記オープンパスレーザ分光計は、ポータブルで手持ち式としうる。
前記第１ミラー及び前記第２ミラー間の距離を約８cmと約２０cmとの間とし、前記オープンパスで多重パスの分析領域の全光路長は４ｍよりも長くなるようにしうる。
前記オープンパスレーザ分光計は更に、前記レーザの発光源の温度を制御するように構成された熱電冷却器（ＴＥＣ）を具えるようにでき、前記電子システムは、前記レーザの発光源の温度を制御して、発生された前記信号のスペクトル中の波長のシフトを補償することを前記ＴＥＣに信号伝達することにより、前記レーザからの前記放出光の波長範囲を調整するように構成する。
本発明の一例によれば、第１ミラー及びこの第１ミラーからある距離にある第２ミラーを有する分析領域と、レーザと、検出器と、電子システムとを具えるオープンパスレーザ分光計であって、前記レーザは、ある波長範囲の光を前記第２ミラーに向けて放出させるように構成され、この放出光は前記検出器に当る前に前記第１ミラー及び第２ミラーから複数回反射されるようにする当該オープンパスレーザ分光計を準備するステップと；このオープンパスレーザ分光計の前記分析領域を周囲の雰囲気に曝すステップと；前記検出器によりこれに当る光の特性を検出し、この検出器によりこの光の検出特性に対応する信号を発生させるステップと；この発生信号のスペクトル中の波長のシフトを決定するステップと；この決定されたシフトに基づいて、前記レーザからの前記放出光の波長範囲を、前記電子システムにより調整するステップと；前記微量ガスの濃度を、前記検出器により発生された前記信号に基づいて前記電子システムにより測定するステップとを有する微量ガス濃度測定方法を提供する。
前記分析領域を周囲の雰囲気に曝す前記ステップが、前記第１ミラー及び第２ミラー間の領域における光路を周囲の温度及び周囲の圧力に曝すステップを有するようにしうる。
前記微量ガスは前記放出光の波長範囲内で共振周波数応答を呈し、前記雰囲気内の他のガスはこの波長範囲内で共振周波数応答を呈さないようにする。
前記オープンパスレーザ分光計が更に、前記レーザの発光源の温度を制御するように構成された熱電冷却器（ＴＥＣ）を具えるようにすることができ、前記レーザからの前記放出光の波長範囲を調整する前記ステップは、前記レーザの発光源の温度を制御して前記検出器により発生された前記信号のスペクトル中の波長のシフトを補償することを前記電子システムにより前記ＴＥＣに信号伝達するステップを有しているようにする。
本発明をより充分に理解するのを容易にするために、以下で添付図面を参照するも、添付図面では同様の素子に同じ符号を付してある。これらの図面は本発明を限定するものではなく、本発明の説明のためだけのものである。
図１は、オープンパス分析領域を用いて微量ガスを検出するための、本発明の一実施例によるオープンパスレーザ分光計（ＯＰＬＳ）を示すブロック線図である。 図２は、本発明の一実施例による図１のＯＰＬＳを示す線図的斜視図である。 図３Ａは、本発明の実施例による図１のＯＰＬＳのレーザ、分析領域及び凹レンズを示す線図的上面図である。 図３Ｂは、本発明の実施例による図１のＯＰＬＳのレーザ、分析領域及び凹レンズを示す線図的側面図である。 図３Ｃは、本発明の実施例による図１のＯＰＬＳのレーザ、分析領域及び凹レンズを示す線図的正面図である。 図３Ｄは、本発明の実施例による図１のＯＰＬＳの第１ミラーを示す線図的側面図である。 図３Ｅは、本発明の実施例による図１のＯＰＬＳの第１ミラーを示す線図的正面図である。 図４は、本発明の一実施例による図１のＯＰＬＳの電子システムを示すブロック線図である。 図５は、本発明の一実施例による、微量ガスを検出するための処理を示す流れ図である。
添付図面と関連して以下に開示する詳細な説明は、本発明により微量ガスを検出するためのシステム及び方法を説明するためのものであり、本発明を実施又は用いる唯一の形態を表すものではない。この説明は、図示の実施例に関連する本発明の特徴を開示するものである。しかし、本発明と同じ又は等価な機能及び構造を、本発明の精神及び範囲内に含まれる種々の異なる実施例により達成しうることを理解すべきである。他の個所で示すように、同様な素子の符号は同様な素子又は特徴事項を表すものである。
本発明は、オープンパスで多重パスの分析領域（例えば、オープンパスで多重パスの光学セル）を有するコンパクトで、廉価で、低電力なチューナブルレーザ分光計を用いて微量ガスを検出するシステム及び方法に関するものである。レーザ光源は、微量ガスが特性吸収（例えば、メタン検出の場合約３．２μｍ〜約３．５μｍ）を有する電磁スペクトルの赤外線範囲の狭帯域内で発光する低電力半導体レーザダイオードとすることができる。一実施例では、オープンパスで多重パスの分析領域を周囲の雰囲気に曝すことができ、この領域を例えば、壁で囲まれたハウジング内に収容しないようにしうる。オープンパスのチューナブルレーザ分光計はコンパクトで軽量にするとともに、機械的な障害及び温度変動がある場合でも高検出感度を呈するようにしうる。
図１は、オープンパス分析領域（例えば、オープンパス光学セル）１０６を用いて微量ガスを検出するための本発明の一実施例によるオープンパスレーザ分光計（ＯＰＬＳ）１００を示すブロック線図である。一例では、このＯＰＬＳ１００は電子システム１０２と、熱電冷却器（ＴＥＣ）１０５を有するレーザ１０４と、第１ミラー１０８及び第２ミラー１０９を有する分析領域１０６と、検出器１１０とを具えている。
一例では、電子システム１０２は、例えば、レーザ１０４の駆動／励起とレーザ温度の制御との双方又は何れか一方を行うことによりこのレーザ１０４を制御するとともに、検出器１１０を制御し且つこの検出器１１０により発生された信号を処理することにより、雰囲気１１４中の微量ガス（例えば、メタン）１１２の濃度を決定するようにしうる。電子システム１０２は更に、検出器１１０から収集された情報と処理された情報との双方又は何れか一方を外部装置に送信しうる。
一例では、レーザ１０４が半導体レーザ（例えば、半導体レーザダイオード、垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）、インターバンドカスケード（ＩＣ）レーザ等の何れか又はこれらの任意の組合せ）のような発光源を有し、微量ガス１１２が雰囲気１１４内の他のガスに比べて相対的に高い光吸収を呈する波長範囲内の狭帯域の光をこの発光源が放出するようにする。従って、波長範囲は、対応の微量ガス１１２の周波数応答が周囲の雰囲気１１４内の他のガス分子の周波数応答とは相違する共振を呈するように選択する。例えば、微量ガス１１２がメタンである場合には、波長範囲は約３．１μｍ〜約３．６μｍから選択し、発光狭帯域の中心を約３．２５μｍ及び約３．３８μｍ間の波長（例えば、約３．２７μｍ）にすることができる。レーザ１０４はチューナブルとすることができ、メタン検出の例では、約０．６cm-1のスペクトル同調範囲（例えば、メタンが強く吸収するも、水及び二酸化炭素のような他の分子はこのようにならない約３０５７．４cm-1〜約３０５８cm-1）を有するようにしうる。
一例では、レーザ１０４が、発光出力レベル及び波長の整合性を維持（又は改善）するために温度制御用のＴＥＣ１０５を有するようにする。電子システム１０２は、注入ＤＣ電流を制御するとともに、ＴＥＣ１０５を駆動して発光源の温度を調整することにより、レーザ１０４を微量ガス１１２の吸収ライン付近に同調させるようにすることができる。
一例では、レーザ１０４の駆動電流を電子システム１０２により変調してＯＰＬＳ１００の吸収感度及び精度を改善するようにしうる。電子システム１０２は、周波数ｆ（例えば、１０ＭHz）を有する正弦波状の変調電流をＤＣ駆動電流の上に導入し、これにより検出帯域を、１／ｆのレーザノイズを低減させる（例えば、最小化させる）高周波領域にシフトさせることができる。ある例では、周波数ｆを、例えば、微量ガス１１２の吸収線幅と、検出器１１０の検出帯域幅と、ＯＰＬＳ１００の所望の検出感度との何れか又はこれらの任意の組合せに応じてＫHz範囲にするか、又はＭHzの範囲にするか、又はＧHzの範囲にもすることができる。
発光源は電力を殆ど消費しないようにすることができ、例えば、半導体レーザダイオードは２００ｍＡよりも少ない電流及び２．５Ｖよりも低い電圧で動作させることができ、従って、オープンパスレーザ分光計（ＯＰＬＳ）１００を、ＯＰＬＳ１００の携帯性を優れたものとしうるＡＡ（単三）又はＡＡＡ（単四）バッテリのような市販のバッテリにより附勢することができる。
レーザ１０４には更に、レーザ光（例えば、光ビーム）を分析領域１０６内に向けるように構成された光学系を有する機械的なハウジングを設けることができる。
一例では、分析領域１０６をヘリオット（Herriott）セルのようなオープンパスで多重パスの吸収セルとして構成し、これには、距離Ｄだけ互いに離間した第１ミラー１０８及び第２ミラー１０９を維持する（例えば、定着させる）ための支持構造体を設ける。この距離Ｄは約８cmと約２０cmとの間にすることができる（例えば、Ｄを約１５．４cmとすることができる）。支持構造体には、２つのミラーホルダと２つ以上の連結棒とを含めることができる。一例では、オープンパスで多重パスの吸収セルに、２つよりも多いミラー（例えば、白血球の場合のように３つのミラー）を設ける。
一例では、分析領域１０６を筐体内に収容せず、この分析領域１０６が周囲の雰囲気に自由にアクセスされるようにする。従って、分析領域１０６と、第１ミラー１０８及び第２ミラー１０９間の容積部とが周囲温度及び周囲圧力にある（例えば、周囲温度及び周囲圧力に曝される）。分析領域１０６のオープンパス構造によれば、ある種の従来のレーザ分光計では必要な構成素子となりうるポンプが必要とならないようになる。
第１ミラー１０８及び第２ミラー１０９は、対向凹面ミラー（例えば、対向球面共焦点ミラー）とすることができる。一例では、対向ミラー１０８及び１０９が、約１cmから約７．５cmの間（例えば、約２．５cmのような、約２cmから約５cmの間）の直径と、１cmから約７０cmの間（例えば、約３４cmのような、約１０cmから約５０cmの間）の曲率半径とを有するようにしうる。一例では、対向ミラー１０８及び１０９が、リチウムアルミノケイ酸塩ガラスセラミック材料のように熱膨張係数が低い（例えば、極めて低い）基板材料を有し、周囲温度が変化する場合でもこれらミラー１０８及び１０９の形状が維持されるようにする。しかし、一例では、温度感応に関する手段として重量を考慮することができ、基板材料はアルミニウムのような軽量材料の群から選択しうる。
ミラー１０８及び１０９には、金、銀、アルミニウム、研磨金属等の何れか又はこれらの任意の組合せのような反射性材料の被膜を設けることができる。反射性被膜は約３．３μｍの波長で９５％よりも高い反射を呈することができる。被膜は、調整を容易とするために光波長スペクトルの可視範囲内で反射性となるようにもできる。
一例では、レーザ１０４から放出された光ビームを分析領域１０６に入射させたり、分析領域１０６から出射させたりしうるようにするためにミラー１０８及び１０９の１つ以上に孔を開けることができる。一例では、光ビームが分析領域１０６の一方の側から入射し、分析領域１０６の他方の側から出射するようにする。或いはまた、光ビームが分析領域１０６から入射するのと、分析領域１０６から出射するのとを同じ側にすることができる。孔は、例えば、ミラー１０８及び１０９の１つ以上を貫通する物理的な孔を機械加工するか、又はミラー基板材料がレーザ波長範囲に対し透過性である場合にミラー１０８及び１０９の１つ以上の上にある反射性被膜の一部を除去することにより形成しうる。
オープンパス分析領域１０６（例えば、オープンパスで多重パスの吸収セル）は、放出された光ビームが最終的に検出器１１０に当る前に第１ミラー１０８及び第２ミラー１０９間で複数回反射（例えば、複数回横断）し、従って、距離Ｄよりもかなり長い有効光路長が得られるように構成することができる。横断回数、従って、有効光路長は、第１ミラー１０８及び第２ミラー１０９間の分離距離と、互いに対向するこれらミラー１０８及び１０９の直径との双方又は何れか一方を調整することにより制御しうる。一例では、オープンパス分析領域１０６が２７回の横断を可能にして、４ｍよりも長い全光路長が得られるようにする。光路長が長くなるにつれ、微量ガス１１２の分子がオープンパスセルを横切る際に反射光ビームと接触する（及び反射光ビームのエネルギーの一部を吸収する）可能性が高くなり、従って、検出感度が改善（例えば、増大）されるようにしうる。
分析領域１０６が互いに接近して離間された２つのみのミラーを有している例は、機械的な障害に影響されるおそれを少なくすることができ、従って、２つよりも多いミラーを用いている又はミラーが更に離間されている例に比べて検出感度及び携帯性を優れたものとすることができる。
検出器１１０には、レーザ１０４の側とは反対側の第２ミラー１０９における孔、又はレーザ１０４に隣接する第１ミラー１０８における同一の又は異なる孔を通過する反射光を受けることができる光検出器（例えば、半導体検出器又は光電池式の光検出器）を設けることができる。光検出器は小型に、例えば、約１mmの寸法にすることができ、且つレンズ（例えば、半球状レンズ又はハイパー半球状レンズ）と、向上された（例えば、増大された）受光角及び飽和レベルに対する光学フィルタとの双方又は何れか一方と一体化させることができる。反射光ビームが光検出器に当ると、検出器１１０は、この光検出器に当る光の特性に対応する信号を発生し（例えば、この光検出器に当る光の強度に比例する電流信号を発生し）、検出器１１０はこの信号を更なる処理のために電子システム１０２に送信する。検出器１１０には、発生された信号を電子システム１０２に送信する前にこの信号を変換及び増幅する（例えば、発生された電流信号を増幅された電圧信号に変換する）ために、調整可能な遮断周波数を有するトランスインピーダンス前置増幅器のような前置増幅器を設けることができる。光検出器と前置増幅器とを互いに接近させることにより、検出器１１０の信号対ノイズ比（ＳＮ比）を改善（例えば、増大）させることができる。
一例では、検出器１１０は、ｆがレーザ１０４における変調周波数を表している場合の２ｆ、４ｆ等の何れか又はこれらの任意の組合せのような変調検出と、直接吸収との双方又は何れか一方の方法を採用するようにする。一例では、前置増幅器が、変調された信号（例えば、２ｆ信号）及び（直接吸収を採用した場合の）無変調信号の双方又は何れか一方を表す１つ以上の信号を発生し、その後に、この信号を電子システム１０２に送信するようにしうる。
一例では、ＯＰＬＳ１００が更に、バッテリのような直流（ＤＣ）電源から電力を入力し、このＯＰＬＳ１００の種々の構成素子の動作電圧に対応する１つ以上の出力電圧を発生させるパワーレギュレータを有するようにする。このパワーレギュレータは電子システム１０２及び検出器１１０から物理的に分離（例えば、絶縁）させて、ノイズを低減させる（例えば、最小にする）とともにＯＰＬＳ１００の検出感度を改善させる（例えば、増大させる）ようにすることができる。
従って、本発明の一例では、ＯＰＬＳ１００をコンパクトにし（例えば、長さを１８cmよりも短くし）、軽量にし（例えば、３００グラムよりも軽くし）、その電力消費量を低く（例えば、２Ｗよりも低く）し、その検出感度を高くし（例えば、約１０ｐｐｂ／秒にし）、一方このＯＰＬＳ１００が機械的な堅牢性を呈し、その温度変化に対する影響を少なくする。ある例では、ＯＰＬＳ１００を、ユーザにより運ぶことができる手持ち式分光計として構成するか、又は無人航空機（ＵＡＶ）のようなビークルのプラットフォームに装着するように構成するか、又はこれらの双方の構成とすることができる。
上述した数値例は主としてメタンガスを検出する場合に関するものであったが、レーザ１０４の中心波長を変えることにより、且つ、例えば、互いに対向するミラー１０８及び１０９間の距離Ｄを再調整することと、これらミラー１０８及び１０９の直径を変えることと、これらミラー１０８及び１０９の被膜材料を変えることとの何れか又はこれらの任意の組合せを行うことにより、ＯＰＬＳ１００を雰囲気１１４内で二酸化炭素（ＣＯ2 ）又は水蒸気（Ｈ2 Ｏ）のような他の微量ガスを検出するように適合させることができる。
図２は、本発明の一実施例による図１のＯＰＬＳ１００ａの斜視図を示す線図である。
一例では、ＯＰＬＳ１００ａが、電子システム１０２の実施例、すなわち、マイクロコントローラボード２０２と、レーザ１０４ａの発光源を収容するレーザハウジング２０４と、光ビームを発光源から第１ミラー１０８ａ及び第２ミラー１０９ａに向ける光学素子２０５と、分析領域１０６ａをレーザハウジング２０４に結合する装着ボード２０６と、第１ミラー１０８ａ及び第２ミラー１０９ａを互いに且つ装着ボード２０６に結合する連結ロッド２０８と、マイクロコントローラボード２０２を装着ボード２０６及び分析領域１０６ａに結合する連結台（スカフォード）２１０と、を具えている。一例によれば、レーザハウジング２０４を第１ミラー１０８ａに結合し、検出器１１０ａを第２ミラー１０９ａに結合する。第１ミラー１０８ａ及び第２ミラー１０９ａ間のオープンパス容積部はハウジング内にカプセル封止せず（例えば、被覆せず）、周囲雰囲気１１４に自由に曝されるようにする。
一例では、レーザ１０４ａから放出された光ビームが第１ミラー１０８ａに開けた孔を経て第２ミラー１０９ａに向けて指向されるように光学素子２０５を構成する。他の例では、光ビームを第２ミラー２０９ａに向けるのに光学素子２０５を必要としないように、レーザ１０４の発光源を第１ミラー１０８ａに結合する（例えば、直接結合する）ようにしうる。光学素子２０５を利用しないこのような例では、レーザの光ビームの光路を指向させるのに光学素子２０５を利用する例に比べて堅牢性をより高めるとともに機械的な障害に対する影響を少なくしうる。
図３Ａ〜３Ｅは、本発明の実施例による、図１のＯＰＬＳのレーザ、分析領域及び凹レンズを示す線図である。
図３Ａ、３Ｂ及び３Ｃはそれぞれ、本発明の一例による、レーザハウジング２０４、光学素子２０５、装着ボード２０６及び連結ロッド２０８を示す上面図、側面図及び正面図である。光学素子２０５には、例えば、焦点を調整しうる非点収差平行光学系と、レーザビームを分析領域１０６ａ内に指向させるために約９０°回転するミラーとを設けることができる。
図３Ｄ及び３Ｅはそれぞれ、本発明による、第１ミラー１０８ａの側面図及び正面図である。一例では、第１ミラー１０８ａが、光ビームをレーザ１０４からこの第１ミラー１０８ａを通過して第２ミラー１０９ａに指向させるようにする孔２１２を有するようにする。この第１ミラー１０８ａは１０cmと５０cmとの間の曲率半径を有するようにしうる。一例では、孔２１２は、第１ミラー１０８ａの中心から８．９mmの位置に配置するとともに約２．７mmから約３．２mmの間の平均直径を有するようにしうる。第２ミラー１０９ａには、反射したレーザビームが第２ミラー１０９ａを通過して検出器１１０ａに当るようにする同様な孔を設けることができる。
図４は、本発明の一実施例による、ＯＰＬＳ１００の電子システム１０２を示すブロック線図である。一例では、電子システム１０２に、プロセッサ（例えば、中央処理装置（ＣＰＵ））４００と、１つ以上のアナログ‐デジタルコンバータ（Ａ／Ｄ）４０２と、レーザドライバ４０４と、グローバル・ポジショニング・システム（ＧＰＳ）４０６と、補助センサ４０８と、トランシーバ４１０と、入出力（Ｉ／Ｏ）ポート４１２とを設ける。
検出器１１０に結合されたＡ／Ｄ４０２は、プロセッサ４００により処理（例えば、実時間処理）するために検出器１１０からの信号をデジタル化しうる。
プロセッサ４００は検出器１１０からのデジタル信号を用いて、微量ガスの濃度を決定する。レーザ駆動信号が周波数ｆで変調されている例では、プロセッサ４００が、例えばロックイン増幅器を用いることによりデジタル信号を２ｆ、４ｆ及び６ｆの何れか又はこれらの任意の組合せで復調しうる。（直接吸収を用いた場合のように）変調を用いていない例では、プロセッサ４００が検出器信号の復調を実行せず、その代り検出器１１０により得られた生のデータを処理する。これに続いて、プロセッサ４００は、生の／復調されたデータから得られたスペクトルデータをある期間（例えば、１秒）に亘って平均化し、その結果を基準のスペクトルデータ（例えば、微量ガス１１２が存在しない場合に収集された変調されたデータ又はスペクトルデータ）と比較して微量ガス１１２の濃度を決定することができる。このようにすることにより、プロセッサ４００により、処理されたデータのスペクトル特性を基準データ（例えば、変調されたデータ）のスペクトル特性と比較することができる。スペクトル特性には例えば、平均化されたスペクトルデータのピーク振幅、線幅及び中心波長を含めることができる。更に、プロセッサ４００により、電子システム１０２の上述した構成ブロック間の通信を制御及び促進することができる。
レーザドライバ４０４は予め設定した電流をレーザ１０４に送給し、レーザ１０４を励起するとともに予め設定した波長の光を生ぜしめるようにすることができる。一例では、電子システム１０２に更に、レーザ駆動電流を変調（例えば、２ｆ変調）しうるレーザ電流変調回路を設けることができる。
プロセッサ４００は、ＯＰＬＳ１００が直接吸収方式の下で又は変調方式の下で動作しているかに応じてレーザ１０４の駆動電流を変調するか又は変調しないかの命令をレーザドライバ４０４に与えるようにしうる。一例では、ＯＰＬＳ１００が変調モードと直接吸収モードとを交互に（例えば、定期的に交互に）行うようにすることができる。このようにすることにより、ＯＰＬＳ１００が、直接吸収モードの下での測定結果を用いて変調モードによる測定結果を校正するようにしうる。例えば、直接吸収による濃度値を変調による濃度値と交互に得るようにし、変調による濃度値を、これらの間に得られた直接吸収による結果に適合するようにスケーリングすることができ、このことはより正確にすることも、あまり正確にしないようにもすることができる。
一例では、レーザ１０４内のＴＥＣ１０５を動作させてその温度を調整するとともにレーザ１０４の発光源（例えば、半導体レーザ）を適切に調整させるための熱電冷却器（ＴＥＣ）ドライバ４０５をもレーザドライバ４０４が有するようにする。温度制御が不適切であると、発光源の温度を変化させ、その為、放出された光ビームのスペクトルが（例えば、その中心波長がシフトされることにより）悪影響を受け、従って、吸収感度及び測定精度の双方又は何れか一方を減少させるおそれがある。一例では、プロセッサ４００が発光源上の（しかしその外部の）温度センサからの温度の読みを監視し、如何なる温度ドリフトをも補償することをＴＥＣドライバ４０５に命令するようにする。
本発明の一例によれば、プロセッサ４００は、発光源における温度を監視することに加えて又はそれに代えて、検出光のスペクトル中の波長のシフト（例えば、スペクトルの中心波長のシフト）を監視することにより発光源の内側の温度変化を検出するようにする。予め決定したノイズのしきい値を超えるシフトにより、スペクトル中のシフトを補償する（例えば、レーザの放出波長対電流を元の状態に戻すようにシフトさせる）のに充分な量だけレーザ１０４の発光源の温度を調整する信号をＴＥＣ１０５に供給することをプロセッサ４００に指令することができる。一例では、レーザの放出波長対電流を、レーザ電流に関する微量ガスの共振の線中心を判断するデータの実時間処理により決定しうるようにする。一例によれば、実時間処理が遮光のようなデータ異常により改悪化された場合に、レーザ温度制御に対する急激な変化を阻止するアルゴリズムにより温度制御帰還を弱めるようにすることができる。
一例では、ＯＰＬＳ１００に、このＯＰＬＳ１００の状況を理解しうるようにする多数のセンサを設ける。例えば、ＧＰＳ４０６により、ＯＰＬＳ１００の地理的な位置を追跡するとともに、この位置情報をＯＰＬＳ１００により収集／処理される他の如何なるデータとも自動的に同期させるようにしうる。従って、ＯＰＬＳ１００を用いて微量ガスの濃度の空間地図を作成することができる。更に、補助センサ４０８には、雰囲気１１４の周囲圧力及び温度の双方又は何れか一方を測定するための一体化された圧力センサ及び温度センサの双方又は何れか一方を含めることができる。検出器１１０から受けたデータに基づいて微量ガス１１２の濃度を決定する場合に、補助センサ４０８から生じる温度及び圧力の読取値をプロセッサ４００により用いることができる。
例えば、微量ガス濃度の変化を極めて僅か（例えば、数秒間で１０億分の１の数十倍程度）としうる遠隔の地理的な位置における濃度の変化を測定するのにＯＰＬＳ１００を用いる場合のように、測定精度を高くすることを望む例では、プロセッサ４００が、（例えば、ミラー１０８及び１０９を保持する連結ロッドに固定された）分析領域１０６における温度センサ（例えば、サーミスタ）からの周囲温度の読取値に依存するようにしうる。このようなセンサの温度読取値は、レーザの光ビームにより調査された分子の温度を、補助センサ４０８の温度センサの読取値よりも一層正確に表すことができる。
ＯＰＬＳ１００はトランシーバ４１０を介して外部装置と通信することができる。トランシーバ４１０には例えば、ジオロケーション（Geolocation）及び検出データを携帯電話、ラップトップコンピュータ及び中央サーバの何れか又はこれらの任意の組合せに無線送信しうるブルートゥース（登録商標）トランシーバを含めることができる。更に、トランシーバ４１０は、例えば、勧告基準２３２（ＲＳ‐２３２）とトランジスタ-トランジスタ論理（ＴＴＬ）シリアス通信プロトコルとの双方又は何れか一方を用いることにより、外部装置と有線のシリアル通信を行うことができる。Ｉ／Ｏポート４１２は、ＯＰＬＳ１００がセキュアデジタル（ＳＤ）カード（例えば、マイクロＳＤディスク）のようなポータブルメディアに対しデータの読書きを行うようにしうる。
電子システム１０２の他の例も本発明の範囲及び精神に含まれるものである。例えば、電子システム１０２につき上述した機能性は、ソフトウェア、ハードウェア、ファームウェア、ハードワイヤ配線又はこれらの任意の組合せを用いて達成しうる。指令に応じて動作する１つ以上のコンピュータプロセッサにより上述した本発明による電子システム１０２の機能を達成しうる。このような指令を１つ以上の非一時的なプロセッサ読取式記録媒体（例えば、磁気ディスク、不揮発性ランダムアクセスメモリ、相変化メモリ又はその他の記憶媒体）に記憶させることができる。更に、機能を実施するモジュールを、機能の一部が種々の異なる物理的位置で実施されるように分布されることを含む種々の位置に物理的に配置することもできる。
図５は、本発明の一実施例による、微量ガス１１２を検出するプロセス５００を示す流れ図である。
ステップ（アクト）５０２では、互いに距離Ｄだけ離間させた第１ミラー１０８及び第２ミラー１０９を有する分析領域１０６と、発光源及びこの発光源の温度を制御する熱電冷却器（ＴＥＣ）１０５を有するレーザ１０４と、検出器１１０と、電子システム１０２とを具える図１に示すオープンパスレーザ分光計（ＯＰＬＳ）１００を準備する。第１ミラー１０８に隣接するレーザ１０４は、ある波長範囲（例えば、ほぼ固定の線幅）の光を第２ミラー１０９に向けて放出する。放出された光ビームは、第２ミラー１０９に隣接させることのできる検出器１０に当る前に、第１ミラー１０８及び第２ミラー１０９間で複数回反射させることができる。
ステップ５０４では、ＯＰＬＳ１００の分析領域１０６を周囲雰囲気に曝す。従って、分析領域１０６と第１ミラー１０８及び第２ミラー１０９間の容積とが周囲の温度及び圧力にある（例えば、曝される）。
ステップ５０６では、検出器１１０がこれに当る光ビームの特性（例えば、強度）を検出し、この光ビームの検出特性に対応する電気信号を発生する。
ステップ５０８では、電子システム１０２が、レーザ１０４から放出される光ビームの波長範囲を、発生された信号に基づいて調整（例えば、チューニング）する。電子システム１０２は、発生された信号のスペクトルにおける波長ドリフトを検出し、この波長ドリフトを補償するようにレーザ１０４の発光源の温度を制御することをＴＥＣ１０５に信号伝達（シグナリング）することにより、波長範囲を調整する（例えば、波長範囲の中心周波数をシフトさせる）ことができる。一例によれば、電子システム１０２は、更にレーザ１０４の発光源に関する（しかしその外部に対する）温度センサからの読取値に基づいて温度変化を検出することにより、放出される光ビームの波長範囲を調整（例えば、チューニング）するようにする。
ステップ５１０では、発生された信号に基づいて微量ガス１１２の濃度が測定される。電子システム１０２は、ピーク振幅、線幅及び中心波長のような、発生された信号の１つ以上のスペクトル特性を計算し、その結果を基準データ（例えば、模範データ）と比較して微量ガス１１２の濃度を決定する。
本発明の範囲は、上述した特定例により制限されるものではない。実際に、上述した種々の例に加えて、本発明の他の種々の例及びその変形例が、上述した説明及び添付図面から当業者にとって明らかとなるものである。従って、このような他の例及び変形例は本発明の範囲に入るものである。更に、本発明は、特定の目的のための特定の環境における特定の実施状況で上述したが、当業者にとって明らかなように、本発明の有効性は上述したものに限定されず、本発明は如何なる目的に対する如何なる環境においても有効に実施しうるものである。従って、本発明の特許請求の範囲は上述した本発明の全範囲及び精神を考慮して解釈すべきである。

Claims (20)

  1. 微量ガスの濃度を測定するオープンパスレーザ分光計であって、このオープンパスレーザ分光計が、
    第１ミラーと、この第１ミラーからある距離及びある方向にした第２ミラーと、これら第１及び第２ミラーを配置するための支持構造体とを有するオープンパスで多重パスの分析領域と、
    このオープンパスで多重パスの分析領域に結合され、ある波長範囲の光を放出し、この放出光を前記第１及び第２ミラー間で複数回反射させうるように構成したレーザと、
    前記オープンパスで多重パスの分析領域に結合された検出器であって、前記微量ガスと相互作用しこの検出器に当る前記放出光の一部分を検出するとともに、前記放出光のこの検出された一部分の特性に対応する信号を発生させるように構成された当該検出器と、
    前記レーザ及び前記検出器に結合されている電子システムであって、前記信号に基づいて、レーザ電流に関して前記微量ガスの共振の中心波長のシフトを監視し、前記中央波長のシフトを決定し、この決定されたシフトに基づいて、レーザの電流対中心波長を元の状態に戻すようにシフトさせるのに充分な量だけ、前記レーザの温度を調整し、且つ、前記信号に基づいて微量ガスの濃度を測定するように構成された当該電子システムと
    を具えるオープンパスレーザ分光計。
  2. 請求項１に記載のオープンパスレーザ分光計において、前記微量ガスがメタンであるオープンパスレーザ分光計。
  3. 請求項１に記載のオープンパスレーザ分光計において、
    前記微量ガスは前記放出光の波長範囲内で共振周波数応答を呈するようになっており、
    雰囲気内の他のガスは前記波長範囲内で共振周波数応答を呈さないようになっている
    オープンパスレーザ分光計。
  4. 請求項１に記載のオープンパスレーザ分光計において、前記レーザは赤外線範囲内で動作する半導体レーザダイオードを有しているオープンパスレーザ分光計。
  5. 請求項１に記載のオープンパスレーザ分光計において、前記波長範囲は約３．２μｍ〜約３．５μｍであるオープンパスレーザ分光計。
  6. 請求項１に記載のオープンパスレーザ分光計において、前記オープンパスで多重パスの分析領域は周囲の雰囲気に曝されるようになっているオープンパスレーザ分光計。
  7. 請求項１に記載のオープンパスレーザ分光計において、前記オープンパスで多重パスの分析領域における光路がほぼ周囲温度及びほぼ周囲圧力にあるようにしたオープンパスレーザ分光計。
  8. 請求項１に記載のオープンパスレーザ分光計において、
    前記オープンパスで多重パスの分析領域がヘリオットセルを有し、
    前記第１及び第２ミラーが対向凹面ミラーであり、
    前記第１ミラーは、前記オープンパスで多重パスの分析領域に対する光の入射及び出射の双方又は何れか一方を達成させるように構成された第１の孔を有している
    オープンパスレーザ分光計。
  9. 請求項８に記載のオープンパスレーザ分光計において、
    前記第１の孔は前記放出光を前記オープンパスで多重パスの分析領域に入射させるように構成され、
    前記第２ミラーは、反射された前記光を前記オープンパスで多重パスの分析領域から出射させるように構成された第２の孔を有しているようにした
    オープンパスレーザ分光計。
  10. 請求項１に記載のオープンパスレーザ分光計において、前記オープンパスレーザ分光計は、直接吸収技術と、２ｆ変調／復調技術との双方又は何れか一方を用いるように構成されているオープンパスレーザ分光計。
  11. 請求項１に記載のオープンパスレーザ分光計において、前記電子システムは、このオープンパスレーザ分光計の位置を追尾し、この位置を前記検出器の発生された前記信号と同期させるように構成されたグローバル・ポジショニング・システム（ＧＰＳ）を有しているオープンパスレーザ分光計。
  12. 請求項１に記載のオープンパスレーザ分光計において、前記電子システムは更に、このオープンパスレーザ分光計と外部装置との間の通信を可能にするように構成された無線トランシーバを有しているオープンパスレーザ分光計。
  13. 請求項１に記載のオープンパスレーザ分光計において、このオープンパスレーザ分光計は、約１０パーツパービリオン（ｐｐｂ）／秒の微量ガス検出感度を有しているオープンパスレーザ分光計。
  14. 請求項１に記載のオープンパスレーザ分光計において、このオープンパスレーザ分光計は、ポータブルで手持ち式であるオープンパスレーザ分光計。
  15. 請求項１に記載のオープンパスレーザ分光計において、前記第１ミラー及び前記第２ミラー間の距離を約８cmと約２０cmとの間とし、前記オープンパスで多重パスの分析領域の全光路長は４ｍよりも長くなっているオープンパスレーザ分光計。
  16. 請求項１に記載のオープンパスレーザ分光計において、このオープンパスレーザ分光計は更に、前記レーザの発光源の温度を制御するように構成された熱電冷却器（ＴＥＣ）を具えており、
    前記電子システムは、前記レーザの発光源の温度を制御して、発生された前記信号のスペクトル中の波長のシフトを補償することを前記ＴＥＣに信号伝達することにより、前記レーザからの前記放出光の波長範囲を調整するように構成されている
    オープンパスレーザ分光計。
  17. 第１ミラー及びこの第１ミラーからある距離にある第２ミラーを有する分析領域と、
    レーザと、
    検出器と、
    電子システムと
    を具えるオープンパスレーザ分光計であって、
    前記レーザは、ある波長範囲の光を前記第２ミラーに向けて放出させるように構成され、この放出光は前記検出器に当る前に前記第１ミラー及び第２ミラーから複数回反射されるようにする当該オープンパスレーザ分光計を準備するステップと、
    このオープンパスレーザ分光計の前記分析領域を周囲の雰囲気に曝すステップと、
    前記検出器により微量ガスと相互作用し前記検出器に当る前記放射光の一部分の特性を検出し、この検出器によりこの光の検出特性に対応する信号を発生させるステップと、
    この発生信号に基づいて中心波長のシフトを決定するために、レーザ電流に関して前記微量ガスの共振の中心波長のシフトを、前記電子システムにより監視するステップと、
    この決定されたシフトに基づいて、レーザの電流対中心波長を元の状態に戻すようにシフトさせるのに充分な量だけ、前記レーザの温度を、前記電子システムにより調整するステップと、
    前記微量ガスの濃度を、前記検出器により発生された前記信号に基づいて前記電子システムにより測定するステップと
    を有する微量ガス濃度測定方法。
  18. 請求項１７に記載の微量ガス濃度測定方法において、前記分析領域を周囲の雰囲気に曝す前記ステップが、前記第１ミラー及び第２ミラー間の領域における光路を周囲の温度及び周囲の圧力に曝すステップを有する微量ガス濃度測定方法。
  19. 請求項１７に記載の微量ガス濃度測定方法において、
    前記微量ガスは前記放出光の波長範囲内で共振周波数応答を呈し、
    前記雰囲気内の他のガスはこの波長範囲内で共振周波数応答を呈さないようにする
    微量ガス濃度測定方法。
  20. 請求項１７に記載の微量ガス濃度測定方法において、前記オープンパスレーザ分光計が更に、前記レーザの発光源の温度を制御するように構成された熱電冷却器（ＴＥＣ）を具えるようにし、
    前記レーザからの前記放出光の波長範囲を調整するステップが、
    前記レーザの発光源の温度を制御して、発生された前記信号のスペクトル中の波長のシフトを補償することを前記電子システムにより前記ＴＥＣに信号伝達するステップ
    を有している
    微量ガス濃度測定方法。
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