特許 6791211 掃引信号発生装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6791211

(24)【登録日】2020年11月9日

(45)【発行日】2020年11月25日

(54)【発明の名称】掃引信号発生装置

(51)【国際特許分類】

   G01N 21/01 20060101AFI20201116BHJP

   H01S 5/062 20060101ALI20201116BHJP

   G01N 21/39 20060101ALI20201116BHJP

【ＦＩ】

   G01N21/01 D

   H01S5/062

   G01N21/39

【請求項の数】5

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2018-123373(P2018-123373)

(22)【出願日】2018年6月28日

(65)【公開番号】特開2020-3355(P2020-3355A)

(43)【公開日】2020年1月9日

【審査請求日】2019年6月18日

(73)【特許権者】

【識別番号】000006507

【氏名又は名称】横河電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100147485

【弁理士】

【氏名又は名称】杉村 憲司

(74)【代理人】

【識別番号】230118913

【弁護士】

【氏名又は名称】杉村 光嗣

(74)【代理人】

【識別番号】100188307

【弁理士】

【氏名又は名称】太田 昌宏

(74)【代理人】

【識別番号】100202326

【弁理士】

【氏名又は名称】橋本 大佑

(72)【発明者】

【氏名】岡田 昌典

【審査官】 大河原 綾乃

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００９−０４７６７７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０１−３０８０９０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭５７−０９９０４６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 中国特許出願公開第１０７９９１２６７（ＣＮ，Ａ）

【文献】 特開２００５−１３６１５５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｎ ２１／００ − ２１／０１

Ｇ０１Ｎ ２１／１７ − ２１／６１

Ｈ０１Ｓ ３／００ − ３／３０

Ｈ０１Ｓ ５／００ − ５／５０

Ｈ０３Ｍ １／００ − １／８８

Ｈ０４Ｂ １０／００ − １０／９０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

掃引の基準レベルから第１オフセット値だけ加算又は減算された掃引信号であって、周期ごとに前記第１オフセット値が異なる前記掃引信号を複数周期にわたって出力する第１出力部と、
前記第１オフセット値と足し合わせると前記基準レベルに一致するような第２オフセット値を前記周期ごとに有するオフセット信号を前記複数周期にわたって出力する第２出力部と、
前記第１出力部から出力された前記掃引信号と、前記第２出力部から出力された前記オフセット信号とを加算する加算部と、
を備える、
掃引信号発生装置。

【請求項2】

一の周期における前記第１オフセット値と、前記一の周期に続く周期における前記第１オフセット値との差分は、前記複数周期にわたり一定である、
請求項１に記載の掃引信号発生装置。

【請求項3】

掃引信号に重畳する非線形ノイズに起因した前記掃引信号の非線形性が、掃引の基準レベルにあるときの前記非線形性よりも小さくなるように前記基準レベルからの第１オフセット値及び第２オフセット値を決定する制御部と、
前記制御部によって決定された前記第１オフセット値だけ加算又は減算された掃引信号を一以上の周期にわたって出力する第１出力部と、
前記制御部によって決定された前記第２オフセット値を有するオフセット信号を前記一以上の周期にわたって出力する第２出力部と、
前記第１出力部から出力された前記掃引信号と、前記第２出力部から出力された前記オフセット信号とを加算する加算部と、
を備える、
掃引信号発生装置。

【請求項4】

前記掃引信号は、掃引電圧を含み、
前記オフセット信号は、定電圧を含み、
前記加算部から出力された、前記掃引電圧と前記定電圧との加算電圧は、光源の波長の掃引に用いられる、
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の掃引信号発生装置。

【請求項5】

前記加算電圧を、レーザの発振波長を掃引する注入電流に変換する変換部をさらに備える、
請求項４に記載の掃引信号発生装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、掃引信号発生装置に関する。

【背景技術】

【0002】

例えば、測定対象に関する情報を光吸収スペクトル等の分光スペクトルに基づいて分光学的に取得するために、光源となるレーザの発振波長を掃引する技術が従来知られている。

【0003】

例えば、特許文献１には、リトマン方式の外部共振器型半導体レーザを用いて、モードホップなしの状態で所定波長範囲を連続的に掃引できる波長掃引光源が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１０−１７７３２８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

このような繰り返しの掃引信号を用いる場合、掃引信号を生成するために、例えばレーザコントローラ等の制御部から、固定されたパターンのデジタル信号が出力され、Ｄ／Ａコンバータ等の変換部によって変換される。このとき、生成された掃引信号に固定化された非線形ノイズが重畳し、このような非線形ノイズに起因するノイズが測定対象に関する情報にも重畳することで、測定精度が低下するという問題点があった。特許文献１に記載の波長掃引光源は、このような問題点を考慮したものではなかった。

【0006】

本開示は、掃引信号に重畳する非線形ノイズを変化させることができる掃引信号発生装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

幾つかの実施形態に係る掃引信号発生装置は、掃引の基準レベルから第１オフセット値だけ加算又は減算された掃引信号を出力する第１出力部と、前記第１オフセット値に対応する第２オフセット値を有するオフセット信号を出力する第２出力部と、前記第１出力部から出力された前記掃引信号と、前記第２出力部から出力された前記オフセット信号とを加算する加算部と、を備える。このような掃引信号発生装置によれば、掃引の基準レベルから掃引信号を第１オフセット値だけずらすことで、第１出力部において掃引信号に重畳する非線形ノイズを変化させることができる。したがって、掃引信号発生装置は、例えば分光スペクトル等の測定対象に関する情報に重畳するノイズの低減に寄与できる掃引信号を発生可能である。

【0008】

一実施形態に係る掃引信号発生装置において、前記第１出力部は、周期ごとに前記第１オフセット値が異なる前記掃引信号を複数周期にわたって出力し、前記第２出力部は、前記第１オフセット値と足し合わせると前記基準レベルに一致するような前記第２オフセット値を前記周期ごとに有する前記オフセット信号を前記複数周期にわたって出力してもよい。これにより、掃引信号に重畳する非線形ノイズを複数周期にわたって変化させることができる。すなわち、周期ごとに非線形ノイズのパターンが異なる。したがって、非線形ノイズがランダムノイズのように振る舞うので、これらの非線形ノイズを複数周期にわたって平均化した場合、各周期における非線形ノイズが互いに打ち消される。掃引信号発生装置は、例えば分光スペクトル等の測定対象に関する情報に重畳するノイズのさらなる低減に寄与できる掃引信号を発生可能である。

【0009】

一実施形態に係る掃引信号発生装置において、一の周期における前記第１オフセット値と、前記一の周期に続く周期における前記第１オフセット値との差分は、前記複数周期にわたり一定であってもよい。これにより、掃引信号発生装置は、第１オフセット値を一定の差分に基づいて単調に変化させることが可能であるので、第１出力部をシンプルかつ容易に制御できる。

【0010】

一実施形態に係る掃引信号発生装置において、前記掃引信号に重畳する非線形ノイズに起因した前記掃引信号の非線形性が、前記基準レベルにあるときの前記非線形性よりも小さくなるように前記第１オフセット値及び前記第２オフセット値を決定する制御部をさらに備え、前記第１出力部は、前記制御部によって決定された前記第１オフセット値を有する前記掃引信号を一以上の周期にわたって出力し、前記第２出力部は、前記制御部によって決定された前記第２オフセット値を有する前記オフセット信号を前記一以上の周期にわたって出力してもよい。これにより、掃引信号発生装置は、基準レベルにおける掃引信号よりも非線形ノイズを低減した状態で掃引信号を発生可能である。したがって、掃引信号発生装置は、例えば分光スペクトル等の測定対象に関する情報に重畳するノイズの低減に寄与できる掃引信号を発生可能である。

【0011】

一実施形態に係る掃引信号発生装置において、前記掃引信号は、掃引電圧を含み、前記オフセット信号は、定電圧を含み、前記加算部から出力された、前記掃引電圧と前記定電圧との加算電圧は、光源の波長の掃引に用いられてもよい。これにより、掃引信号発生装置は、任意の光源に対してその波長を掃引させることが可能である。

【0012】

一実施形態に係る掃引信号発生装置において、前記加算電圧を、レーザの発振波長を掃引する注入電流に変換する変換部をさらに備えてもよい。これにより、掃引信号発生装置は、レーザの注入電流を変化させることによりその発振波長を掃引させることが可能である。したがって、掃引信号発生装置は、分光スペクトルに重畳するノイズの低減に寄与できる掃引信号を発生可能である。

【発明の効果】

【0013】

本開示によれば、掃引信号に重畳する非線形ノイズを変化させることができる掃引信号発生装置を提供可能である。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】第１実施形態に係る掃引信号発生装置を含む光学測定系の一例を示す模式図である。

【図2A】図１の第１出力部及び第２出力部からの出力信号を加算部によって加算する様子を示す模式図である。

【図2B】図２Ａの出力信号に基づいて加算部から出力される加算信号を示す模式図である。

【図2C】複数周期にわたって平均化された図２Ｂの加算信号を示す模式図である。

【図3】第２実施形態に係る掃引信号発生装置を含む光学測定系の一例を示す模式図である。

【図4】半導体レーザの注入電流と発振波長との関係の一例を示す模式図である。

【図5A】掃引された半導体レーザの注入電流を示す模式図である。

【図5B】被測定ガスを透過した半導体レーザ光の光強度の変化を示す模式図である。

【図5C】被測定ガスの光吸収スペクトルを示す模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

初めに、従来技術の背景及び問題点について説明する。

【0016】

例えば、プロセスガス等の被測定ガスが流れる流路にレーザガス分析計が直接取り付けられ、測定対象の成分濃度分析が行われる。被測定ガスは、例えばＣＯ（一酸化炭素）、ＣＯ₂（二酸化炭素）、Ｈ₂Ｏ（水）、Ｃ_nＨ_m（炭化水素）、ＮＨ₃（アンモニア）、及びＯ₂（酸素）等のガス分子を含む。流路は、配管、煙道、及び燃焼炉等を含む。

【0017】

このようなレーザガス分析計は、例えばＴＤＬＡＳ（Ｔｕｎａｂｌｅ Ｄｉｏｄｅ Ｌａｓｅｒ Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：波長可変ダイオードレーザ吸収分光)式レーザガス分析計を含む。ＴＤＬＡＳ式レーザガス分析計は、例えば被測定ガス中にレーザ光を照射することで測定対象の成分濃度を分析する。

【0018】

被測定ガスに含まれるガス分子は、赤外から近赤外域において、分子の振動及び回転エネルギー遷移に基づく光吸収スペクトルを示す。光吸収スペクトルは、成分分子に固有である。Ｌａｍｂｅｒｔ−Ｂｅｅｒの法則により、レーザ光に関するガス分子の吸光度がその成分濃度及び光路長に比例する。したがって、光吸収スペクトルの強度を測定することで測定対象の成分濃度が分析可能である。

【0019】

ＴＤＬＡＳでは、ガス分子が有するエネルギー遷移の吸収線幅よりも十分に狭い線幅の半導体レーザ光を被測定ガスに照射する。半導体レーザの注入電流を高速変調することで、その発振波長を掃引する。被測定ガスを透過した半導体レーザ光の光強度を測定して、１本の独立した光吸収スペクトルを測定する。

【0020】

半導体レーザ光の掃引範囲は用途によって異なる。測定対象がＯ₂の場合、半導体レーザ光の線幅は例えば０．０００２ｎｍであり、掃引幅は例えば０．１〜０．２ｎｍである。０．１〜０．２ｎｍの掃引幅を掃引することで、光吸収スペクトルの測定を行う。取得した１本の光吸収スペクトルから濃度換算を行うことにより、測定対象の成分濃度が求められる。濃度換算の方法は、ピーク高さ法、スペクトル面積法、及び２ｆ法等の既知の方法を含む。

【0021】

図４は、半導体レーザの注入電流と発振波長との関係の一例を示す模式図である。図５Ａは、掃引された半導体レーザの注入電流を示す模式図である。図５Ｂは、被測定ガスを透過した半導体レーザ光の光強度の変化を示す模式図である。図５Ｃは、被測定ガスの光吸収スペクトルを示す模式図である。図４、図５Ａ乃至図５Ｃを参照しながら、半導体レーザの発振波長を掃引して被測定ガスの光吸収スペクトルを測定する従来の方法について説明する。

【0022】

図４に示すとおり、一般的に、半導体レーザの発振波長は、半導体レーザの注入電流及び温度に依存する。例えば、発振波長は、注入電流が大きくなるほど長くなる。例えば、発振波長は、温度が上昇するほど長くなる。

【0023】

ＴＤＬＡＳの測定の際に、測定したい光吸収スペクトルの波長帯域に半導体レーザの発振波長が大まかに一致するように半導体レーザの温度が調整される。半導体レーザの温度は、調整された値に維持される。その後、半導体レーザの注入電流を変化させて、発振波長の微調整が行われる。

【0024】

半導体レーザの発振波長が測定したい光吸収スペクトルの波長帯域に一致すると、当該波長帯域において半導体レーザの発振波長が掃引される。このとき、図５Ａに示すとおり、半導体レーザの注入電流が掃引される。例えば、半導体レーザの注入電流は、のこぎり波を示す。

【0025】

発振波長が掃引された半導体レーザ光は、被測定ガスを透過して受光部に集光される。受光部は、被測定ガスによる半導体レーザ光の波長ごとの光吸収量を反映した、図５Ｂに示すような電気信号を出力する。このとき、半導体レーザの注入電流の掃引に伴って半導体レーザ光の出射強度も変化する。例えば、出射強度は、注入電流が大きくなるほど高くなる。したがって、注入電流の掃引に伴う出射強度の変化と被測定ガスによる波長ごとの光吸収量の変化とに基づいて、受光部から出力される電気信号は、のこぎり波にディップが重畳したような波形を示す。

【0026】

図５Ｂに示すような電気信号に基づいて被測定ガスの光吸収スペクトルが算出される。図５Ｃは、算出の結果の光吸収スペクトルを示す模式図である。例えば、半導体レーザ光が被測定ガスを透過した場合の電気信号から、被測定ガスを透過しない場合の電気信号を差し引いて、かつ縦軸を対数とすることで、光吸収スペクトルが算出される。このような光吸収スペクトルが示す吸光度は、被測定ガスの成分濃度に比例する。例えば、光吸収スペクトルの面積が被測定ガスの成分濃度に比例する。したがって、吸光度に基づいて被測定ガスの成分濃度が算出可能である。

【0027】

レーザガス分析計では、半導体レーザの発振波長が複数周期にわたって掃引され、得られたデータに対して平均化が行われる。半導体レーザの発振波長を掃引する掃引信号はＤ／Ａコンバータを用いて生成される。全周期にわたって同一の波長範囲で発振波長が繰り返し掃引されるように、Ｄ／Ａコンバータには固定の掃引パターンが入力される。

【0028】

ここで、Ｄ／Ａコンバータには固有の非線形ノイズが存在する。非線形ノイズは、例えばＤＮＬ（Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｎｏｎ−Ｌｉｎｅａｒｉｔｙ：微分非直線性誤差）、及びＩＮＬ（Ｉｎｔｅｇｒａｌ Ｎｏｎ−Ｌｉｎｅａｒｔｉｙ：積分非直線性誤差）等に起因する。したがって、線形のコードパターンを有するデジタル信号をＤ／Ａコンバータに入力しても、非線形の掃引信号がＤ／Ａコンバータから出力される。

【0029】

例えば、全周期にわたって掃引信号に同一の非線形ノイズが重畳する。掃引パターンは固定であり、かつ同一の非線形ノイズが重畳するため、光吸収スペクトルに関するデータに対して複数周期にわたり平均化を行ってもこのような非線形ノイズに起因するノイズは低減しなかった。

【0030】

ＴＤＬＡＳの測定において、発振波長が完全な線形で掃引されることを想定したアルゴリズムを形成しているため、Ｄ／Ａコンバータからの非線形ノイズが、得られた光吸収スペクトルでもノイズとして判定され、又は光吸収ピークとして誤判定される恐れがあった。したがって、Ｄ／Ａコンバータの非線形性を製造工程の際に個別に把握して校正する必要があった。

【0031】

本開示の実施形態に係る掃引信号発生装置１０によれば、掃引信号に重畳する非線形ノイズを変化させることができる。これにより、上記のような問題点を解決して、光吸収スペクトルに重畳するノイズの低減に寄与できる掃引信号が発生可能である。以下では、添付図面を参照しながら本開示の実施形態について主に説明する。

【0032】

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る掃引信号発生装置１０を含む光学測定系１の一例を示す模式図である。図１に示すとおり、光学測定系１は、発光側を構成する発光装置２と、受光側を構成する受光装置３とを含む。発光装置２は、掃引信号発生装置１０と、掃引信号発生装置１０に接続されている発光部２０とを有する。光学測定系１は、測定対象となる被測定ガスＧを含む。発光装置２から照射された光は被測定ガスＧを透過して受光装置３に集光される。

【0033】

発光部２０は、例えば、被測定ガスＧに対してＴＤＬＡＳによる測定が可能な任意の光源を有する。発光部２０は、例えば、半導体レーザを有する。発光部２０は、掃引信号発生装置１０から出力される注入電流に基づいて、発振波長が掃引された光を被測定ガスＧに対して照射する。このとき、発光部２０は、複数周期にわたり同一の波長範囲で発振波長が掃引された光を照射してもよい。

【0034】

被測定ガスＧは、例えばＣＯ、ＣＯ₂、Ｈ₂Ｏ、Ｃ_nＨ_m、ＮＨ₃、及びＯ₂等のガス分子を含む。

【0035】

受光装置３は、例えば、被測定ガスＧに対してＴＤＬＡＳによる測定が可能な任意の光検出器を有する。受光装置３は、例えば、フォトダイオードを有する。受光装置３は、被測定ガスＧの光吸収スペクトルに関する情報を含む透過光を検出し、電気信号に変換する。受光装置３は、得られた電気信号に対して任意の処理を施してもよい。例えば、受光装置３は、得られた電気信号を複数周期にわたって平均化してもよい。例えば、受光装置３は、得られた電気信号から光吸収スペクトルを算出してもよい。

【0036】

掃引信号発生装置１０は、制御部１１と、第１出力部１２と、第２出力部１３と、加算部１４と、変換部１５とを有する。掃引信号発生装置１０は、発光部２０と接続され、発振波長を掃引する注入電流を発光部２０に対して出力する。

【0037】

制御部１１は、１つ以上のプロセッサを含む。より具体的には、制御部１１は、掃引信号発生装置１０の処理に特化した専用のプロセッサ等の任意のプロセッサを含む。制御部１１は、第１出力部１２及び第２出力部１３それぞれと接続され、これらを制御及び管理する。例えば、制御部１１は、後述する掃引信号を第１出力部１２が出力するように、制御信号を第１出力部１２に出力する。例えば、制御部１１は、後述するオフセット信号を第２出力部１３が出力するように、制御信号を第２出力部１３に出力する。

【0038】

第１出力部１２は、制御部１１から出力されるデジタル信号をアナログ信号に変換するＤ／Ａコンバータを含む。例えば、第１出力部１２は、制御部１１から出力される制御信号を取得して、掃引信号を出力する。ここで、掃引信号は、例えば掃引電圧を含む。第１出力部１２は、例えば、このような掃引電圧の周波数帯域に対応した、十分に高いサンプリングレートを有するＤ／Ａコンバータを含む。

【0039】

第２出力部１３は、制御部１１から出力されるデジタル信号をアナログ信号に変換するＤ／Ａコンバータを含む。例えば、第２出力部１３は、制御部１１から出力される制御信号を取得して、オフセット信号を出力する。ここで、オフセット信号は、例えば定電圧を含む。第２出力部１３は、例えば、このようなオフセット信号の出力に対応できる程度のサンプリングレートを有するＤ／Ａコンバータを含む。

【0040】

例えば、複数周期にわたって半導体レーザの発振波長が同様に掃引されるように、第１出力部１２を構成するＤ／Ａコンバータと第２出力部１３を構成するＤ／Ａコンバータとの間で互いの仕様の一部が同等であってもよい。このような仕様の一部は、例えば、分解能及び出力電圧の可変範囲等を含む。逆に、第１出力部１２を構成するＤ／Ａコンバータと第２出力部１３を構成するＤ／Ａコンバータとの間で互いの仕様の一部が異なっていてもよい。このような仕様の一部は、例えば、サンプリングレート等を含む。より具体的には、第２出力部１３を構成するＤ／Ａコンバータのサンプリングレートは、第１出力部１２を構成するＤ／Ａコンバータのサンプリングレートよりも低くてもよい。これにより、第２出力部１３として安価なＤ／Ａコンバータを利用可能であり、コストが低減する。

【0041】

加算部１４は、任意の加算回路を含む。加算部１４は、第１出力部１２から出力された掃引信号と、第２出力部１３から出力されたオフセット信号とを加算した加算信号を出力する。例えば、加算部１４は、第１出力部１２から出力された掃引電圧と第２出力部１３から出力された定電圧とを加算した加算電圧を出力する。

【0042】

変換部１５は、任意の電圧電流変換回路を含む。変換部１５は、加算部１４から出力された加算信号の電圧電流状態を変換する。例えば、変換部１５は、加算部１４から出力された、第１出力部１２からの掃引電圧と第２出力部１３からの定電圧との加算電圧を、半導体レーザの発振波長を掃引する注入電流に変換する。

【0043】

図２Ａは、図１の第１出力部１２及び第２出力部１３からの出力信号を加算部１４によって加算する様子を示す模式図である。

【0044】

例えば、制御部１１は、互いに同一の周期で複数周期にわたり掃引信号及びオフセット信号をそれぞれ出力するように第１出力部１２及び第２出力部１３を制御する。このとき、第１出力部１２から出力される掃引信号には、全周期にわたって非線形ノイズが重畳する。一方で、例えば、第２出力部１３を構成するＤ／Ａコンバータのサンプリングレートが第１出力部１２を構成するＤ／Ａコンバータのサンプリングレートよりも十分に低い場合、第２出力部１３から出力されるオフセット信号に重畳する非線形ノイズは、掃引信号に重畳する上記の非線形ノイズに比べて十分に小さい。したがって、以下では、第２出力部１３から出力されるオフセット信号に重畳する非線形ノイズは無視する。

【0045】

このとき、第１出力部１２は、制御部１１からの制御信号に基づいて、掃引の基準レベルＳから第１オフセット値だけ加算された掃引信号を出力する。より具体的には、第１出力部１２は、周期ごとに第１オフセット値が異なる掃引信号を複数周期にわたって出力する。このとき、一の周期における第１オフセット値と、当該一の周期に続く周期における第１オフセット値との差分は、複数周期にわたり一定であってもよい。

【0046】

より具体的には、１回目の掃引では、第１出力部１２は、第１オフセット値が０Ｖとなるような通常の掃引信号を出力する。２回目の掃引では、第１出力部１２は、第１オフセット値がｎＶとなるような掃引信号を出力する。ここで、ｎは任意の正数を含む。３回目の掃引では、第１出力部１２は、第１オフセット値が２ｎＶとなるような掃引信号を出力する。４回目の掃引では、第１出力部１２は、第１オフセット値が３ｎＶとなるような掃引信号を出力する。５回目の掃引では、第１出力部１２は、第１オフセット値が４ｎＶとなるような掃引信号を出力する。以下同様に、第１出力部１２は、直前の周期の第１オフセット値にｎＶを足し合わせた状態で、掃引信号を続けて出力する。

【0047】

一方で、第２出力部１３は、制御部１１からの制御信号に基づいて、第１オフセット値に対応する第２オフセット値を有するオフセット信号を出力する。より具体的には、第２出力部１３は、第１オフセット値と足し合わせると基準レベルＳに一致するような第２オフセット値を周期ごとに有するオフセット信号を複数周期にわたって出力する。このとき、一の周期における第２オフセット値と、当該一の周期に続く周期における第２オフセット値との差分は、複数周期にわたり一定であってもよい。

【0048】

より具体的には、１回目の掃引では、第２出力部１３は、第２オフセット値が０Ｖとなるようなオフセット信号を出力する。２回目の掃引では、第２出力部１３は、第２オフセット値が−ｎＶとなるようなオフセット信号を出力する。３回目の掃引では、第２出力部１３は、第２オフセット値が−２ｎＶとなるようなオフセット信号を出力する。４回目の掃引では、第２出力部１３は、第２オフセット値が−３ｎＶとなるようなオフセット信号を出力する。５回目の掃引では、第２出力部１３は、第２オフセット値が−４ｎＶとなるようなオフセット信号を出力する。以下同様に、第２出力部１３は、直前の周期の第２オフセット値に−ｎＶを足し合わせた状態で、オフセット信号を続けて出力する。

【0049】

一般的に、第１出力部１２を構成するＤ／Ａコンバータの出力電圧及び第２出力部１３を構成するＤ／Ａコンバータの出力電圧それぞれは有限であり上限値を有する。したがって、制御部１１は、各Ｄ／Ａコンバータの出力電圧が飽和しそうな場合、飽和する前に第１オフセット値及び第２オフセット値を０Ｖに戻して、掃引信号の始点を再度基準レベルＳと一致させ、かつオフセット信号の始点を再度０Ｖと一致させてもよい。その後、制御部１１は、第１オフセット値及び第２オフセット値に関する上述の制御を継続してもよい。

【0050】

加算部１４は、一の周期において第１出力部１２から出力された掃引信号と、同一の周期において第２出力部１３から出力されたオフセット信号とを加算した加算信号を、複数周期にわたって出力する。

【0051】

図２Ｂは、図２Ａの出力信号に基づいて加算部１４から出力される加算信号を示す模式図である。

【0052】

掃引の基準レベルＳから第１オフセット値だけずれた掃引信号を出力するように制御部１１が第１出力部１２を制御することで、第１出力部１２に入力されるコードパターンが周期ごとに異なる。Ｄ／Ａコンバータの非線形性に基づく、出力信号の理想的な直線性と実際の直線性とのずれは、コードパターンによって異なる。したがって、第１出力部１２から出力される掃引信号に重畳する非線形ノイズのパターンは、周期ごとに異なる。すなわち、各周期において加算信号に重畳する非線形ノイズの位相パターンは互いに異なる。

【0053】

第２オフセット値を有するオフセット信号を出力するように制御部１１が第２出力部１３を制御し、かつ加算部１４において掃引信号とオフセット信号とが加算されることで、第１オフセット値だけずれた掃引信号の各周期における始点が、基準レベルＳと一致する。したがって、加算部１４は、各周期において同一の掃引範囲で掃引される加算信号を出力することができる。

【0054】

図２Ｃは、複数周期にわたって平均化された図２Ｂの加算信号を示す模式図である。

【0055】

上述したとおり、加算部１４は、各周期において同一の掃引範囲を有する一方で、非線形ノイズのパターンが周期ごとに異なる加算信号を出力する。したがって、非線形ノイズがランダムノイズのように振る舞うので、仮に複数周期にわたって加算信号を平均化すると各周期における非線形ノイズが互いに打ち消され、加算信号における非線形ノイズが低減する。

【0056】

掃引信号発生装置１０は、図２Ｂのような加算信号に基づいて発光部２０に対して注入電流を出力し、その発振波長を掃引させる。発光部２０から照射された光は、被測定ガスＧを透過した透過光として受光装置３で検出され、電気信号に変換される。得られた電気信号は、光吸収スペクトルに関する情報に加えて、上述した非線形ノイズに基づくノイズを周期ごとに含む。しかしながら、非線形ノイズのパターンが周期ごとに異なることで、受光装置３で得られた電気信号に重畳するノイズのパターンも周期ごとに異なる。したがって、受光装置３において得られた電気信号に対して複数周期にわたり平均化を行うことで、光吸収スペクトルに重畳するノイズが低減する。

【0057】

このように、第１実施形態に係る掃引信号発生装置１０によれば、掃引信号に重畳する非線形ノイズを変化させることができる。これにより、掃引信号発生装置１０は、光吸収スペクトルに重畳するノイズの低減に寄与できる掃引信号を発生可能である。光吸収スペクトルに重畳するノイズが低減することで、分光測定の精度が向上する。加えて、受光装置３で得られた電気信号に重畳するこのようなノイズのレベルが所定の閾値以下であるか否かを検査して掃引信号発生装置１０又は発光装置２を製品として出荷する場合、このような検査条件が容易に満たされる。したがって、製品の製造効率が向上する。

【0058】

第１実施形態では、第１出力部１２は、制御部１１からの制御信号に基づいて、掃引の基準レベルＳから第１オフセット値だけ加算された掃引信号を出力するとして説明したがこれに限定されない。第１出力部１２は、掃引の基準レベルＳから第１オフセット値だけ減算された掃引信号を出力してもよい。

【0059】

第１実施形態では、第１出力部１２から出力される掃引信号の第１オフセット値が複数周期にわたって単調に変化していくように制御される場合の例について説明したが、第１オフセット値の制御方法はこれに限定されない。例えば、制御部１１は、第１オフセット値が複数周期にわたってランダムに異なるように第１出力部１２を制御してもよい。

【0060】

第１実施形態では、第１出力部１２から出力される掃引信号の第１オフセット値が複数周期にわたって単調に増加していくように制御される場合の例について説明したが、第１オフセット値の制御方法はこれに限定されない。例えば、制御部１１は、第１オフセット値が単調に減少していくように第１出力部１２を制御してもよい。このとき、制御部１１は、第２オフセット値が単調に増大していくように第２出力部１３を制御してもよい。

【0061】

（第２実施形態）
図３は、第２実施形態に係る掃引信号発生装置１０を含む光学測定系１の一例を示す模式図である。以下、図３を参照しながら、第２実施形態に係る掃引信号発生装置１０の構成及び機能について主に説明する。第１実施形態と同様の構成部については同一の符号を付し、その説明を省略する。第１実施形態と異なる点について主に説明する。

【0062】

例えば、第２実施形態に係る掃引信号発生装置１０の制御部１１は、掃引信号に重畳する非線形ノイズに起因した掃引信号の非線形性を決定する。より具体的には、制御部１１は、掃引信号の非線形性の程度を決定する。例えば、制御部１１は、任意の第１オフセット値及び第２オフセット値に基づいて発光装置２から照射された光が被測定ガスＧを透過しない状態で受光装置３によって検出されたときの検出情報を受光装置３から取得する。例えば、発光装置２から照射された光は、測定対象となる被測定ガスＧを一切含まない校正用のガスセルを通過して、受光装置３により検出される。制御部１１は、このような条件に基づいて光吸収スペクトルの算出と同様の処理が行われた電気信号を受光装置３から取得する。このときの電気信号は、例えば図５Ｂに示すようなディップを含まずに、のこぎり波にノイズが重畳したような波形を示してもよいし、図５Ｃに示すようなディップを含まずに、定電圧にノイズが重畳したような波形を示してもよい。制御部１１は、取得した電気信号に重畳しているノイズに関する情報を算出する。ノイズに関する情報は、例えばノイズレベルの最大値、ノイズレベルの平均値、ＤＮＬ、及びＩＮＬ等の任意の情報を含む。制御部１１は、このようなノイズに関する情報を算出することで、掃引信号の非線形性の程度を決定する。例えば、制御部１１は、ノイズに関する情報が小さい程、掃引信号の非線形性が小さいと決定する。

【0063】

例えば、制御部１１は、第１オフセット値及び第２オフセット値を変化させて、掃引信号の非線形性が最も小さいか否かを判定する。制御部１１は、非線形性が最も小さくなるように第１オフセット値及び第２オフセット値を決定する。例えば、制御部１１は、上述したノイズに関する情報が最も小さくなるように第１オフセット値及び第２オフセット値を決定する。このとき、制御部１１は、決定された第１オフセット値を有する掃引信号を一以上の周期にわたって出力するように第１出力部１２を制御する。制御部１１は、決定された第２オフセット値を有するオフセット信号を一以上の周期にわたって出力するように第２出力部１３を制御する。

【0064】

このように、第２実施形態に係る掃引信号発生装置１０では、第１実施形態と異なり、第１出力部１２は、一以上の周期にわたって同一の第１オフセット値を有する掃引信号を出力する。同様に、第２出力部１３は、一以上の周期にわたって同一の第２オフセット値を有するオフセット信号を出力する。

【0065】

以上のような第２実施形態に係る掃引信号発生装置１０によれば、第１実施形態同様、掃引信号に重畳する非線形ノイズを変化させることができ、光吸収スペクトルに重畳するノイズの低減に寄与できる掃引信号を発生可能である。加えて、第２実施形態に係る掃引信号発生装置１０によれば、掃引の繰り返し性が容易に維持される。例えば、第１オフセット値及び第２オフセット値が周期ごとに異なり、かつ第１出力部１２及び第２出力部１３それぞれを構成するＤ／Ａコンバータの特性等が異なる場合、周期によっては第１オフセット値の絶対値と第２オフセット値の絶対値とがずれて、加算信号が基準レベルＳからずれる恐れがある。このとき、発振波長の掃引範囲が周期ごとにずれて、掃引の繰り返し性が維持されなくなる。第２実施形態に係る掃引信号発生装置１０によれば、第１オフセット値及び第２オフセット値それぞれが周期ごとに同一であるので、掃引の繰り返し性が容易に維持される。

【0066】

第２実施形態では、制御部１１は、第１オフセット値及び第２オフセット値を変化させて、掃引信号の非線形性が最も小さいか否かを判定する場合の例について説明したが、判定方法はこれに限定されない。例えば、制御部１１は、第１オフセット値及び第２オフセット値を変化させて、掃引信号の非線形性が基準レベルＳにあるときの非線形性よりも小さいか否かを判定してもよい。このとき、制御部１１は、掃引信号の非線形性が基準レベルＳにあるときの非線形性よりも小さくなるように任意の第１オフセット値及び第２オフセット値を決定してもよい。

【0067】

第２実施形態では、掃引信号に重畳する非線形ノイズに起因した掃引信号の非線形性を制御部１１が決定し、かつ掃引信号の非線形性が最も小さいか否かを制御部１１が判定するとして説明したが、決定及び判定を行う構成部はこれに限定されない。例えば、受光装置３が同様の決定及び判定を行ってもよい。このとき、制御部１１は、受光装置３で行われた決定及び判定に関する情報を、受光装置３から取得する。

【0068】

本開示は、その精神又はその本質的な特徴から離れることなく、上述した実施形態以外の他の所定の形態で実現できることは当業者にとって明白である。したがって、先の記述は例示的であり、これに限定されない。開示の範囲は、先の記述によってではなく、付加した請求項によって定義される。あらゆる変更のうちその均等の範囲内にあるいくつかの変更は、その中に包含されるとする。

【0069】

例えば、上述した各構成部の配置及び個数等は、上記の説明及び図面における図示の内容に限定されない。各構成部の配置及び個数等は、その機能を実現できるのであれば、任意に構成されてもよい。

【0070】

第１実施形態及び第２実施形態では、掃引信号発生装置１０は、発光部２０と共に１つの発光装置２を構成するとして説明したが、構成方法はこれに限定されない。掃引信号発生装置１０と発光部２０とは、互いに異なる装置として構成されてもよい。

【0071】

第１実施形態及び第２実施形態では、発光部２０の発振波長を掃引するために注入電流を変化させるとして説明したが、発振波長の掃引方法はこれに限定されない。例えば、外部共振器型半導体レーザにおいて回折格子及び共振器等に取り付けられた圧電素子を制御して発振波長が掃引されてもよい。このとき、掃引信号発生装置１０は、変換部１５を省略して、電流ではなく電圧を直接出力してもよい。

【0072】

第１実施形態及び第２実施形態では、加算部１４から出力された加算電圧は、レーザの発振波長の掃引に用いられるとして説明したが、これに限定されない。加算電圧は、任意の光源の波長の掃引に用いられてもよい。このような光源から照射される光は、例えば広帯域の光スペクトルを有するインコヒーレントな光を含んでもよい。このとき、加算電圧は、このような光が有する光スペクトルの一部の波長領域だけを抽出する波長可変フィルタの中心波長を掃引するために用いられてもよい。

【0073】

第１実施形態及び第２実施形態では、ＴＤＬＡＳに限定して説明したが、掃引信号発生装置１０は、繰り返しの掃引信号に基づいて任意の測定対象の分析を行う任意の分析計、及び繰り返しの掃引信号を用いる他の任意の装置に対して応用可能である。

【符号の説明】

【0074】

１ 光学測定系
２ 発光装置
３ 受光装置
１０ 掃引信号発生装置
１１ 制御部
１２ 第１出力部
１３ 第２出力部
１４ 加算部
１５ 変換部
２０ 発光部
Ｇ 被測定ガス
Ｓ 基準レベル

【図1】

【図2A】

【図2B】

【図2C】

【図3】

【図4】

【図5A】

【図5B】

【図5C】