JPH0640071B2 - 水蒸気光吸収線の2次微分曲線を利用した高精度湿度測定方法 - Google Patents

水蒸気光吸収線の2次微分曲線を利用した高精度湿度測定方法

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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は半導体製造など、環境条件に多くの制約が課せ
られている分野において、大気中の湿度を正確に計測す
るために、有効な高精度湿度測定方法に関するものであ
る。
〔従来の技術〕
湿度計として現在もっとも広く用いられているものは乾
湿球の温度計であるが、これは、精度や使いやすさが十
分なものとは言いがたい。これ以外にも様々な湿度計が
開発、使用されているが、測定の分解能、或は絶対精度
などに於て充分ではないのが現状である。
光学的な手法は、湿度の絶対測定が可能な数少ない方法
の一つと考えられるが、これまでに使用されたことは殆
ど無い。一方、公害物質等の気体濃度測定用としては二
つの光学的方法が既に開発されている。第一は、分子の
光吸収スペクトルから光吸収の強度により、分子の濃度
を求める方法である。この方法を用いた場合、混合気体
のばあいであってもスペクトルから特定の気体を同定す
ることが容易である反面、濃度は光の強度から求めるこ
とになるため、光源の光強度の変動や、光の散乱等の影
響を避けることが難しく、高精度の測定は困難であり、
また、様々な補正を必要とする。もう一つは気体の屈折
率から濃度を計算する方法である。この方法は干渉計と
いう高感度測定器を用いることにより、極めて高い分解
能での測定が可能であるが、湿度測定のように空気のよ
うな混合気体を扱う場合に、水蒸気以外の分子による屈
折率をどのように見積るかが問題となる。
〔発明が解決しようとする問題点〕
本発明は、湿度の光学的な測定において、水蒸気の光吸
収スペクトルを利用することで空気中の水蒸気成分のみ
を検出することを容易にし、併せて干渉計を利用するこ
とにより光強度の変動による湿度の測定精度の低下を防
ぐと共に、より高い精度において湿度の絶対測定を可能
にするものである。
〔問題点を解決するための手段〕
本発明の高精度湿度測定方法は、水蒸気の光吸収スペク
トルの2次微分値が零となる二つの波長へ安定化した半
導体レーザを光源として既知の長さを干渉計によって測
定し、上記二つの波長を用いたときの光路長差から空気
中の水蒸気の密度、即ち湿度を求めることを特徴とする
ものである。さらに具体的に説明すると、一般に気体分
子の光吸収スペクトル線は、その近傍の波長域におい
て、光を吸収すると共に、その位相を大きく変化させ
る。即ち、吸収線近傍の波長域では、光の屈折率が大き
く変化する。光吸収スペクトルの形を第1図1に、屈折
率の波長による変化、則ち分散特性を第1図2に、また
光吸収強度の光周波数、即ち波長の逆数による1次微分
曲線を第1図3に示す。図から明らかなように、屈折率
の波長による変化は、光吸収強度の1次微分曲線と殆ど
同じ形をしている。従って、波長を、第1図4に示した
光吸収強度の2次微分曲線が零となる二つの波長λ1
λ2へ安定化すると、屈折率は極大値または極小値にな
る。
水蒸気分子の吸収線を利用して、このような波長の安定
化をおこない、この二つの波長における空気屈折率の測
定値をn1、n2とすると、空気屈折率は乾燥空気の屈折
率ndと水蒸気による屈折率nwの和として以下のように
表すことができる。
1-1=(nd1-1)+(nw1-1)=(d/d0)(nd10-1)+(w/w0)(nw10-1)
(1) n2-1=(nd2-1)+(nw2-1)=(d/d0)(nd20-1)+(w/w0)(nw20-1)
(2) 上式において、dは乾燥空気の、wは水蒸気の密度を示
し、添え字1、2は各々の波長における価であること
を、また添え字0は基準値であることを示す。この場
合、波長λ1及びλ2において、水蒸気屈折率nw1とnw2
はそれぞれ極小値と極大値であるからその差は大きく、
一方nd1とnd2は極めて近接した波長での乾燥空気の屈
折率であることから、その差は小さい。(1)、(2)式よ
り、水蒸気密度wは、 と計算することができる。ここでnd10とnd20との差n
d10-nd20はnw10-nw20に比べて極めて小さいことから w≒w0・(n1-n2)/(nw10-nw20) (4) と近似することもできる。特に高い精度が要求される場
合には(3)式を、その他の場合には(4)式を用いれば良
い。
この為の装置の概略を第2図に示す。水蒸気の2次微分
曲線により安定化された半導体レーザ10を光源として、
屈折率測定用干渉計30により空気の屈折率n1およびn2
を交互に測定すれば式(3)、または(4)により、水蒸気の
密度wを計算することができる。屈折率を干渉計で測定
する場合は、光吸収線の強度を利用する場合に比べて、
光源の強度揺らぎの影響を受け難く、また干渉計が極め
て高感度の測定器であることから、湿度測定においても
高い分解能が期待できる。
〔発明の実施例〕
水蒸気2次微分曲線への波長安定化装置の一例を第3図
に示す。現在0.8〜0.85μmの波長域では安価な半導
体レーザが容易に入手できるが、この波長域には多くの
水蒸気分子の光吸収線が存在する。従って半導体レーザ
の波長を、適当な水蒸気の光吸収線の2次微分が零とな
る位置に安定化することは容易にできる。実際に、1次
微分曲線、あるいは3次微分曲線を用いた波長の安定化
は、既に広く行われているところであり、2次微分曲線
を用いることによる制御技術上の困難は特に存在しな
い。半導体レーザ11を駆動する回路12の出力電流を、基
準発振器13からの周波数fの信号により変調すると、半
導体レーザからの光ビームの波長が変調される。この波
長変調された光ビームをコリメータ14によりほぼ平行ビ
ームとした後、水蒸気を封入してあるガラスセル15を透
過させ、光検出器16で電気信号に変換する。この時吸収
線近傍の波長域では、水蒸気による光の吸収量が波長に
依存するため、検出される光の強度は、周波数fで変調
されている。そしてこの信号を周波数ダブラ17によって
得られた周波数2fの参照信号を用いて、同期検出回路
18により同期検出すれば、第1図4で示したような吸収
線の2次微分信号を得ることができる。これをPID制
御回路19で処理して、2次微分信号値が0となるように
直流供給電圧を制御する。第1図4から明らかなように
2次微分曲線が零となる波長の位置は二箇所存在する
が、制御信号の極性を切り替える事により、二つの位置
へ交互に安定化することが可能である。このPID制御
回路19の出力信号を、半導体レーザ駆動回路12において
周波数fの基準信号を重ね合わせ、適当に電流増幅して
半導体レーザ11へ供給する。この結果、2次微分曲線が
0となる何れかの位置で波長を安定化された光ビーム
が、コリメータ20により平行ビームとされて、屈折率測
定用干渉計30へ入射する。
一方、気体の屈折率は、幾何学的長さの判っている光路
長を干渉計により測定することで求めることができる。
しかし一般に、幾何学的長さを干渉測定の基準として用
いるほど正確に測定することは簡単ではないので、内部
を真空にしたセル35を利用し、真空との屈折率差を測定
する干渉計を構成すれば良い。このための干渉計の一例
を第4図に示す。上記の水蒸気吸収線の2次微分曲線を
用いて波長を安定化した半導体レーザ10を光源として用
いる。この半導体レーザからの光を、偏光性半透過膜32
をコートした平行平面基板31へ入射させる。偏光性半透
過膜32により二分された光ビームのうち透過したp偏光
ビームはそのままもとのビームと平行な方向へ直進し、
反射したs偏光ビームは平行平面基板31の裏側にコート
された全反射膜33により再び反射されて、やはりもとの
ビームと同じ方向へ進む。各々のビームは、真空セル35
の窓板である平行平面基板34を透過して、一方は空気中
を、他方は真空セル35中を進む。そして平行平面基板36
を透過した後レンズ37と反射鏡38によって構成されるキ
ャッツアイリフレクターで反射され、再び、一方のビー
ムはセル中を、他方は空気中を平行平面基板31にまで戻
る。そして一方のビームが全反射膜39で反射され、二つ
のビームが偏光性半透過膜40により重ね合わされる。こ
の重ね合わされたビームを1/4波長板41を透過させる
と、二つのビームの位相差εに対応した偏光方向を持つ
直線偏光となる。この偏光方向を、偏光角検出装置42で
測定することにより二つのビームの位相差εが求められ
る。位相差εは、二つのビームの光路長差ΔLによって
決定されるが、二つのビームは殆ど同じ光路を通過して
おり、平行平面基板34及び36の間の長さLの部分を一方
が空気中を、他方が真空中を往復する部分のみで位相差
が生じる。真空中での屈折率は1であるから、 ΔL=2・(n-1)・L=(N+ε)・λ (5) となり、屈折率nが求められる。上式においてNは未定
常数であるが、真空セルに一度外気をいれ、これを真空
にする間の位相変化を記録すれば容易に知ることができ
る。そして二つの波長において屈折率を求めれば、すで
に(3),(4)式に示したように、湿度が計算できる。
〔発明の効果〕
本発明は、極めて高い精度、分解能で水蒸気圧を測定す
ることを可能にするものである。従って、湿度を正確に
知る必要があるほとんどの場合、あるいは極微量の水蒸
気を検出したい場合に極めて有効なものである。さら
に、一度標準湿度に対する二つの波長での屈折率測定を
行えば、高い精度での絶対測定も可能となり、また同じ
波長で動作する装置を量産することも容易である。従っ
て湿度計の標準器として用いることも可能である。
【図面の簡単な説明】
第1図は、水蒸気の光吸収スペクトルと屈折率の分散関
係を示したグラフであり、第2図はこれを利用した湿度
計の原理的な構成を表すブロック図である。第3図は湿
度計の光源部分である水蒸気光吸収スペクトルの2次微
分曲線に波長を安定化された半導体レーザの構成を示す
ブロック図であり、第4図は、屈折率測定用干渉計の一
例を示す説明図である。 1……水蒸気の光吸収スペクトル強度 2……水蒸気屈折率の分散特性 3……水蒸気光吸収スペクトルの1次微分曲線 4……水蒸気光吸収スペクトルの2次微分曲線 10……水蒸気光吸収スペクトル2次微分曲線安定化半導
体レーザ 30……屈折率測定用干渉計

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】水蒸気の光吸収スペクトルの2次微分値が
    零となる二つの波長へ安定化した半導体レーザを光源と
    して既知の長さを干渉計によって測定し、上記二つの波
    長を用いたときの光路長差から空気中の水蒸気の密度、
    即ち湿度を求めることを特徴とする水蒸気光吸収線の2
    次微分曲線を利用した高精度湿度測定方法
JP10796687A 1987-05-02 1987-05-02 水蒸気光吸収線の2次微分曲線を利用した高精度湿度測定方法 Expired - Lifetime JPH0640071B2 (ja)

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