JP5660545B2 - Optical gas sensor - Google Patents
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Description
本発明は、光学式ガスセンサに関する。さらに詳しくは、ラマン散乱法や吸光測定法を用いた光学式ガスセンサに関する。 The present invention relates to an optical gas sensor. More specifically, the present invention relates to an optical gas sensor using a Raman scattering method or an absorption measurement method.
ガスセンサとして、接触燃焼式や半導体式などの接触型のガスセンサと、光学式の非接触型のガスセンサが知られている。 As a gas sensor, a contact-type gas sensor such as a contact combustion type or a semiconductor type and an optical non-contact type gas sensor are known.
このうち接触型のガスセンサは、小型・軽量であり、安価であるので、広範囲に利用されている。しかし、接触型のガスセンサは以下の課題を有している。
(1)応答速度が遅い
接触型のガスセンサは、検出部に測定対象ガスを直接接触させて、電気抵抗や電流などの変化を測定することによりガス濃度を測定する。そのため、正確なガス濃度を測定するためには電気抵抗値や電流値が安定するまで数十秒の時間が必要であり、応答速度が遅いという課題がある。
(2)1つのセンサにつき1種類のガス測定
接触型のガスセンサは、1つのセンサにつき1種類のガスしか測定できない。そのため、複数種類のガスを測定するためには、測定対象のガス種ごとに複数のセンサを用意する必要がある。
(3)誤報要因が多い
接触型のガスセンサは、反応触媒や発熱を用いてガス濃度を測定するため、測定対象以外のガスの干渉が起こる場合があり、誤報を引き起こす恐れがある。また、測定対象ガスが検出部に接触しない限り検出不可能であるため、風向きや設置位置などによっては、電気抵抗値や電流値が安定するまでの接触時間が不十分で、誤報を引き起こす恐れがある。
(4)可燃ガスの発火や爆発の危険性
接触型のガスセンサは、検出部に測定対象ガスを直接接触させて測定するため、電極や電線などの電気系に可燃ガスが接触すると発火や爆発の恐れがある。また、携帯したガスセンサが測定対象ガスを検知した時には、既に身を危険に曝した状態となる。
Of these, contact-type gas sensors are widely used because they are small, light, and inexpensive. However, the contact type gas sensor has the following problems.
(1) The response speed is slow The contact-type gas sensor measures the gas concentration by directly contacting the measurement target gas with the detection unit and measuring changes in electrical resistance, current, and the like. Therefore, in order to measure an accurate gas concentration, it takes several tens of seconds until the electric resistance value and current value are stabilized, and there is a problem that the response speed is slow.
(2) One type of gas measurement per sensor The contact-type gas sensor can measure only one type of gas per sensor. Therefore, in order to measure a plurality of types of gases, it is necessary to prepare a plurality of sensors for each type of gas to be measured.
(3) Many false alarming factors Since the contact-type gas sensor measures the gas concentration using a reaction catalyst or heat generation, there is a possibility that interference with gases other than the measurement target may occur, which may cause false alarms. In addition, since the gas to be measured cannot be detected unless it contacts the detector, depending on the wind direction and installation position, the contact time until the electrical resistance value and current value become stable is insufficient, which may cause false alarms. is there.
(4) Risk of ignition and explosion of combustible gas Contact type gas sensors measure the gas to be measured directly in contact with the detection unit. Therefore, if combustible gas comes in contact with electrical systems such as electrodes and electric wires, it will ignite or explode. There is a fear. Moreover, when the portable gas sensor detects the measurement target gas, it is already in a state of exposing itself to danger.
一方、非接触型の光学式ガスセンサは、ラマン散乱法や吸光測定法を用いることから、原理的に応答速度が速く、ラマン散乱光のスペクトルや光吸収スペクトルを分析することにより1つのセンサで複数種類のガスを測定でき、誤報要因が少なく、検出部に電気系を設ける必要がないため可燃性ガスによる発火や爆発の恐れがないという利点を有している。 On the other hand, since the non-contact optical gas sensor uses a Raman scattering method or an absorption measurement method, in principle, the response speed is fast, and a plurality of sensors can be used with one sensor by analyzing the spectrum of the Raman scattered light and the light absorption spectrum. It has the advantage that it can measure various types of gases, has few false alarms, and does not need to be equipped with an electric system in the detection section, so there is no risk of ignition or explosion by combustible gas.
しかるに、従来の光学式ガスセンサは、ミラーやレンズなどの光学部品が大型であり、環境温度などの測定状況に合わせて光学系を調整するために調整機構が必要であることから、大型で、高価なものであった(例えば、特許文献1、特許文献2、非特許文献1)。 However, conventional optical gas sensors are large and expensive because optical parts such as mirrors and lenses are large and an adjustment mechanism is required to adjust the optical system according to the measurement conditions such as environmental temperature. (For example, Patent Document 1, Patent Document 2, Non-Patent Document 1).
本発明は上記事情に鑑み、小型で安価な光学式ガスセンサを提供することを目的とする。 In view of the above circumstances, an object of the present invention is to provide a small and inexpensive optical gas sensor.
第1発明の光学式ガスセンサは、一端が光源に接続される入射側光ファイバと、一端が光検出器に接続される受光側光ファイバと、前記入射側光ファイバの他端から出射される光を測定対象ガスに入射し、該測定対象ガスとの相互作用により出射される光を前記受光側光ファイバの他端に入射する光学系が構成されたガス検出部と、を備え、前記ガス検出部は、小型光学ベンチを備え、該小型光学ベンチには、前記入射側光ファイバの他端を固定する入射側光ファイバ固定部と、前記受光側光ファイバの他端を固定する受光側光ファイバ固定部と、光を反射する光反射体と、が一体形成されており、前記ガス検出部には、前記測定対象ガスに光を入射する前記入射側光ファイバと、前記入射側光ファイバの光軸上に配置され、該入射側光ファイバから出射された光を前記受光側光ファイバに直接入射しない角度に反射する前記光反射体と、前記入射側光ファイバから出射された光と前記測定対象ガスとの相互作用により出射される前方ラマン散乱光、および、前記光反射体により反射された光と前記測定対象ガスとの相互作用により出射される後方ラマン散乱光が、反射を介さずに入射する位置に配置された前記受光側光ファイバと、からラマン散乱光学系が構成されていることを特徴とする。
第2発明の光学式ガスセンサは、一端が光源に接続される入射側光ファイバと、一端が光検出器に接続される受光側光ファイバと、前記入射側光ファイバの他端から出射される光を測定対象ガスに入射し、該測定対象ガスとの相互作用により出射される光を前記受光側光ファイバの他端に入射する光学系が構成されたガス検出部と、を備え、前記ガス検出部は、小型光学ベンチを備え、該小型光学ベンチには、前記入射側光ファイバの他端を固定する入射側光ファイバ固定部と、前記受光側光ファイバの他端を固定する受光側光ファイバ固定部と、光を反射する光反射体と、が一体形成されており、前記ガス検出部には、前記測定対象ガスに光を入射する前記入射側光ファイバと、前記入射側光ファイバの光軸上に配置され、該入射側光ファイバから出射された光を前記受光側光ファイバに直接入射しない角度に反射する前記光反射体と、前記入射側光ファイバから出射された光と前記測定対象ガスとの相互作用により出射される後方ラマン散乱光、および、前記光反射体により反射された光と前記測定対象ガスとの相互作用により出射される前方ラマン散乱光が、反射を介さずに入射する位置に配置された前記受光側光ファイバと、からラマン散乱光学系が構成されていることを特徴とする。
第3発明の光学式ガスセンサは、一端が光源に接続される入射側光ファイバと、一端が光検出器に接続される受光側光ファイバと、前記入射側光ファイバの他端から出射される光を測定対象ガスに入射し、該測定対象ガスとの相互作用により出射される光を前記受光側光ファイバの他端に入射する光学系が構成されたガス検出部と、を備え、前記ガス検出部は、小型光学ベンチを備え、該小型光学ベンチには、前記入射側光ファイバの他端を固定する入射側光ファイバ固定部と、前記受光側光ファイバの他端を固定する受光側光ファイバ固定部と、光を反射する光反射体と、が一体形成されており、前記ガス検出部には、前記測定対象ガスに光を入射する前記入射側光ファイバと、前記入射側光ファイバの光軸を挟んで所定間隔を空けて配置され、該入射側光ファイバから出射された光と前記測定対象ガスとの相互作用により出射される前方ラマン散乱光を反射する一対の前記光反射体と、前記一対の光反射体により反射された前方ラマン散乱光が入射する位置に配置された前記受光側光ファイバと、からラマン散乱光学系が構成されていることを特徴とする。
第4発明の光学式ガスセンサは、第1、第2または第3発明において、前記小型光学ベンチは、フォトリソグラフィ、フォトファブリケーション、ナノインプリント、射出成形、金型成形のいずれか一の手段により形成されたものであることを特徴とする。
An optical gas sensor according to a first aspect of the present invention includes an incident side optical fiber having one end connected to a light source, a light receiving side optical fiber having one end connected to a photodetector, and light emitted from the other end of the incident side optical fiber. And a gas detection unit configured with an optical system that makes light emitted by interaction with the measurement target gas incident on the other end of the light receiving side optical fiber. The unit includes a small optical bench, and the small optical bench includes an incident side optical fiber fixing unit that fixes the other end of the incident side optical fiber, and a light receiving side optical fiber that fixes the other end of the light receiving side optical fiber. A fixed portion and a light reflector that reflects light are integrally formed, and the gas detection portion includes the incident-side optical fiber that enters light into the measurement target gas, and the light from the incident-side optical fiber. Arranged on the axis, and Said light reflector that reflects light emitted from the bar at an angle which is not directly incident on the light receiving side optical fiber, the forward emitted by interaction with the measurement target gas with light emitted from the incident-side optical fiber The light receiving side light arranged at a position where the Raman scattered light and the backward Raman scattered light emitted by the interaction between the light reflected by the light reflector and the gas to be measured enter without passing through the reflection. A Raman scattering optical system is constituted by the fiber.
An optical gas sensor according to a second aspect of the present invention includes an incident side optical fiber having one end connected to a light source, a light receiving side optical fiber having one end connected to a photodetector, and light emitted from the other end of the incident side optical fiber. And a gas detection unit configured with an optical system that makes light emitted by interaction with the measurement target gas incident on the other end of the light receiving side optical fiber. The unit includes a small optical bench, and the small optical bench includes an incident side optical fiber fixing unit that fixes the other end of the incident side optical fiber, and a light receiving side optical fiber that fixes the other end of the light receiving side optical fiber. A fixed portion and a light reflector that reflects light are integrally formed, and the gas detection portion includes the incident-side optical fiber that enters light into the measurement target gas, and the light from the incident-side optical fiber. Arranged on the axis, and Said light reflector that reflects light emitted from the bar at an angle which is not directly incident on the light receiving side optical fiber, backward emitted by interaction with the measurement target gas with light emitted from the incident-side optical fiber The light receiving side light arranged at a position where the Raman scattered light and the forward Raman scattered light emitted by the interaction between the light reflected by the light reflector and the measurement target gas enter without passing through the reflection. A Raman scattering optical system is constituted by the fiber.
An optical gas sensor according to a third aspect of the invention includes an incident side optical fiber having one end connected to a light source, a light receiving side optical fiber having one end connected to a photodetector, and light emitted from the other end of the incident side optical fiber. And a gas detection unit configured with an optical system that makes light emitted by interaction with the measurement target gas incident on the other end of the light receiving side optical fiber. The unit includes a small optical bench, and the small optical bench includes an incident side optical fiber fixing unit that fixes the other end of the incident side optical fiber, and a light receiving side optical fiber that fixes the other end of the light receiving side optical fiber. A fixed portion and a light reflector that reflects light are integrally formed, and the gas detection portion includes the incident-side optical fiber that enters light into the measurement target gas, and the light from the incident-side optical fiber. Arranged at predetermined intervals across the shaft The pair of light reflectors that reflect forward Raman scattered light emitted by the interaction between the light emitted from the incident side optical fiber and the measurement target gas, and the pair of light reflectors are reflected. A Raman scattering optical system is constituted by the light receiving side optical fiber disposed at a position where forward Raman scattered light is incident .
An optical gas sensor according to a fourth aspect of the present invention is the optical gas sensor according to the first, second, or third aspect , wherein the small optical bench is formed by any one of photolithography, photofabrication, nanoimprint, injection molding, and mold molding. It is characterized by that.
第1発明によれば、以下の効果を奏する。
a)小型光学ベンチに、入射側光ファイバ固定部、受光側光ファイバ固定部が一体形成されているので、入射側光ファイバを入射側光ファイバ固定部に、受光側光ファイバを受光側光ファイバ固定部に、それぞれ固定するだけで調整不要で光学系を構成できる。そのため、光学系の調整機構が不要であり、ガス検出部を小型化できる。
b)小型光学ベンチに、光反射体が一体形成されているので、調整不要で光学系を構成できる。そのため、光学系の調整機構が不要であり、ガス検出部を小型化できる。
c)ガス検出部にはラマン散乱光学系が構成されているので、ラマン散乱法により測定対象ガスを測定できる。そのため、応答速度が速く、ラマン散乱光のスペクトルを分析することにより1つのセンサで複数種類のガスを測定でき、誤報要因が少なく、可燃性ガスによる発火や爆発の恐れがない。
d)受光側光ファイバには、前方ラマン散乱光と後方ラマン散乱光とが入射されるので、光強度が強くなり、高感度で測定対象ガスを測定できる。
第2発明によれば、受光側光ファイバには、前方ラマン散乱光と後方ラマン散乱光とが入射されるので、光強度が強くなり、高感度で測定対象ガスを測定できる。
第3発明によれば、受光側光ファイバには、入射側光ファイバの光軸を挟んで両側に出射された前方ラマン散乱光が入射されるので、光強度が強くなり、高感度で測定対象ガスを測定できる。また、入射側光ファイバから出射された光は一対の光反射体の間を透過して受光側光ファイバに入射しないので、外乱成分が少なくなり測定精度が向上する。
第4発明によれば、入射側光ファイバ固定部、受光側光ファイバ固定部、光学部品固定部および/または光学部品を、高い位置精度、寸法精度で形成できる。また、小型光学ベンチを数mm〜数十mm四方に形成できるので、小型のガス検出部の製造が可能である。また、小型光学ベンチを大量生産できるので、光学式ガスセンサを安価に製造できる。
According to the first invention, the following effects can be obtained.
a) Since the incident side optical fiber fixing part and the light receiving side optical fiber fixing part are integrally formed on the small optical bench, the incident side optical fiber is used as the incident side optical fiber fixing part, and the light receiving side optical fiber is used as the light receiving side optical fiber. The optical system can be configured without adjustment by simply fixing each to the fixing portion. Therefore, an adjustment mechanism for the optical system is unnecessary, and the gas detection unit can be downsized.
b) Since the light reflector is integrally formed on the small optical bench, the optical system can be configured without adjustment. Therefore, an adjustment mechanism for the optical system is unnecessary, and the gas detection unit can be downsized.
c) Since a Raman scattering optical system is configured in the gas detector, the measurement target gas can be measured by the Raman scattering method. Therefore, the response speed is fast, and a plurality of types of gases can be measured with one sensor by analyzing the spectrum of the Raman scattered light, there are few false alarm factors, and there is no fear of ignition or explosion due to combustible gas.
d) Since the forward Raman scattered light and the backward Raman scattered light are incident on the light receiving side optical fiber, the light intensity is increased, and the measurement target gas can be measured with high sensitivity.
According to the second aspect of the invention, since the forward Raman scattered light and the backward Raman scattered light are incident on the light receiving side optical fiber, the light intensity is increased, and the measurement target gas can be measured with high sensitivity.
According to the third aspect of the invention, since the forward Raman scattered light emitted to both sides of the optical fiber of the incident side optical fiber is incident on the light receiving side optical fiber, the light intensity is increased, and the measurement object is highly sensitive. Gas can be measured. In addition, since the light emitted from the incident side optical fiber is transmitted between the pair of light reflectors and does not enter the light receiving side optical fiber, the disturbance component is reduced and the measurement accuracy is improved .
According to the fourth invention, the incident side optical fiber fixing portion, the light receiving side optical fiber fixing portion, the optical component fixing portion and / or the optical component can be formed with high positional accuracy and dimensional accuracy. In addition, since the small optical bench can be formed in several mm to several tens mm square, a small gas detection unit can be manufactured. Moreover, since a small optical bench can be mass-produced, an optical gas sensor can be manufactured at low cost.
つぎに、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。
(第1実施形態)
本発明の第1実施形態に係る光学式ガスセンサ1は、ラマン散乱法を用いた光学式ガスセンサである。図1に示すように、光学式ガスセンサ1は、ガス検出部10と、そのガス検出部10に接続された入射側光ファイバ20および受光側光ファイバ30とを備えている。
Next, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
(First embodiment)
The optical gas sensor 1 according to the first embodiment of the present invention is an optical gas sensor using a Raman scattering method. As shown in FIG. 1, the optical gas sensor 1 includes a gas detection unit 10, and an incident side optical fiber 20 and a light reception side optical fiber 30 connected to the gas detection unit 10.
入射側光ファイバ20は、その一端が、単色光源であるレーザ、高輝度のLEDなどの光源に接続されており、その光源からの光をガス検出部10に導いている。また、受光側光ファイバ30は、その一端が光電子増倍管、アバランシェホトダイオード、ホトトランジスタ、CCDなどの光検出器に接続されており、ガス検出部10で発生したラマン散乱光を光検出器まで導いている。なお、光検出器には、ADC(アナログ‐デジタル変換回路)や、コンピュータなどが接続されている。そして、公知の方法で、光検出器の検出信号から、ガス検出部10に存在するガスの種類や濃度を算出できるようになっている。例えば、受光側光ファイバ30と光検出器の間に干渉フィルタを挿入し、その干渉フィルタにより測定対象ガスに対応するラマン散乱光を選択することにより、その測定対象ガスの濃度を測定できる。また、干渉フィルタを交換することで、ガス検出部10に存在するガスの種類を特定できる。 One end of the incident-side optical fiber 20 is connected to a light source such as a laser that is a monochromatic light source or a high-brightness LED, and guides light from the light source to the gas detection unit 10. One end of the light receiving side optical fiber 30 is connected to a photodetector such as a photomultiplier tube, an avalanche photodiode, a phototransistor, or a CCD, and the Raman scattered light generated by the gas detector 10 is transmitted to the photodetector. Guided. Note that an ADC (analog-digital conversion circuit), a computer, and the like are connected to the photodetector. And the kind and density | concentration of the gas which exist in the gas detection part 10 are computable from the detection signal of a photodetector with a well-known method. For example, the concentration of the measurement target gas can be measured by inserting an interference filter between the light receiving side optical fiber 30 and the photodetector and selecting the Raman scattered light corresponding to the measurement target gas by the interference filter. Further, the type of gas present in the gas detection unit 10 can be specified by exchanging the interference filter.
ガス検出部10は、測定対象ガスに直接曝される部分であり、例えば配管の内部など、ガスを測定したい場所(測定位置)に固定される、いわゆるプローブに相当するものである。なお、ガス検出部10と、光源および光検出器とは、入射側光ファイバ20および受光側光ファイバ30で接続されているので、ガス検出部10のみを測定位置に固定し、光源や光検出器など、その他の機器は測定位置から離れた場所に設置することができる。 The gas detection unit 10 is a part that is directly exposed to the measurement target gas, and corresponds to a so-called probe that is fixed at a place (measurement position) where the gas is to be measured, for example, inside a pipe. Since the gas detector 10 is connected to the light source and the light detector by the incident side optical fiber 20 and the light receiving side optical fiber 30, only the gas detector 10 is fixed at the measurement position, and the light source and the light detector are detected. Other devices, such as instruments, can be installed away from the measurement location.
ガス検出部10は、小型光学ベンチ11と、入射側マイクロレンズ12と、受光側マイクロレンズ13とから構成されている。小型光学ベンチ11は、数mm〜数十mm四方の寸法を有する平板部材である。
また、小型光学ベンチ11には、入射側光ファイバ20の先端に設けられたフェルール21を固定する入射側光ファイバ固定溝14と、受光側光ファイバ30の先端に設けられたフェルール31を固定する受光側光ファイバ固定溝15と、入射側マイクロレンズ12を固定する入射側マイクロレンズ固定溝16と、受光側マイクロレンズ13を固定する受光側マイクロレンズ固定溝17と、マイクロミラー18とが一体形成されている。
The gas detection unit 10 includes a small optical bench 11, an incident side microlens 12, and a light receiving side microlens 13. The small optical bench 11 is a flat plate member having dimensions of several mm to several tens mm square.
Further, the small optical bench 11 is fixed with an incident side optical fiber fixing groove 14 for fixing a ferrule 21 provided at the tip of the incident side optical fiber 20 and a ferrule 31 provided at the tip of the light receiving side optical fiber 30. The light receiving side optical fiber fixing groove 15, the incident side micro lens fixing groove 16 for fixing the incident side micro lens 12, the light receiving side micro lens fixing groove 17 for fixing the light receiving side micro lens 13, and the micro mirror 18 are integrally formed. Has been.
そして、入射側光ファイバ20のフェルール21が入射側光ファイバ固定溝14に、受光側光ファイバ30のフェルール31が受光側光ファイバ固定溝15に、入射側マイクロレンズ12が入射側マイクロレンズ固定溝16に、受光側マイクロレンズ13が受光側マイクロレンズ固定溝17に、それぞれ嵌め込まれることにより、ラマン散乱光学系が構成されている。
なお、マイクロミラー18は、特許請求の範囲に記載の光反射体に相当する。
The ferrule 21 of the incident side optical fiber 20 is in the incident side optical fiber fixing groove 14, the ferrule 31 of the light receiving side optical fiber 30 is in the light receiving side optical fiber fixing groove 15, and the incident side microlens 12 is in the incident side microlens fixing groove. 16, the light-receiving side microlens 13 is fitted in the light-receiving side microlens fixing groove 17 to constitute a Raman scattering optical system.
The micromirror 18 corresponds to the light reflector described in the claims.
ラマン散乱現象とは、気体などの物質に光を照射したときに、その物質の分子振動や回転により一部の散乱光の波長が変化する現象である。そして、このような散乱光はラマン散乱光と称される。また、分子種(気体ではガス種、液体では結合分子種)ごとにラマン散乱光の波長が異なり、気体の濃度とラマン散乱光の強度には相関があることが知られている。そのため、ラマン散乱光波長からガス種を特定でき、ラマン散乱光強度からガス濃度を特定できる。 The Raman scattering phenomenon is a phenomenon in which when a substance such as a gas is irradiated with light, the wavelength of some scattered light changes due to molecular vibration or rotation of the substance. Such scattered light is called Raman scattered light. Further, it is known that the wavelength of Raman scattered light differs for each molecular species (gas species for gas and bonded molecular species for liquid), and there is a correlation between the concentration of gas and the intensity of Raman scattered light. Therefore, the gas type can be specified from the Raman scattered light wavelength, and the gas concentration can be specified from the Raman scattered light intensity.
本実施形態におけるガス検出部10には、入射側光ファイバ20の先端から出射されるレーザ光を測定対象ガスに入射し、そのレーザ光と測定対象ガスとの相互作用により出射されるラマン散乱光を受光側光ファイバ30の先端に入射するラマン散乱光学系が構成されている。 In the gas detector 10 according to the present embodiment, the laser light emitted from the tip of the incident side optical fiber 20 is incident on the measurement target gas, and the Raman scattered light emitted by the interaction between the laser light and the measurement target gas. The Raman scattering optical system which injects into the front-end | tip of the light reception side optical fiber 30 is comprised.
より詳細には、図2に示すように、ガス検出部10の一端(図2における左端)には、入射側光ファイバ20の先端が、その端面がガス検出部10の他端(図2における右端)に向くように固定されている。また、入射側光ファイバ20の光軸上には反射面が平面であるマイクロミラー18が形成されている。マイクロミラー18の反射面は入射側光ファイバ20の端面にほぼ対向しており、その角度は、入射側光ファイバ20から出射されたレーザ光L1が、入射側光ファイバ20またはその近傍に向かって反射されるように設定されている。また、マイクロミラー18の反射面の角度は、反射したレーザ光L2が受光側光ファイバ30に直接入射しない角度に設定されている。例えば、入射側光ファイバ20の光軸と反射面の法線とのなす角(入射側光ファイバ20から出射されたレーザ光L1のマイクロミラー18への入射角)αが、0°〜30°に設定されている。 More specifically, as shown in FIG. 2, one end of the gas detection unit 10 (left end in FIG. 2) is at the tip of the incident-side optical fiber 20 and the end surface is the other end of the gas detection unit 10 (in FIG. 2). It is fixed so that it faces the right end. A micromirror 18 having a flat reflecting surface is formed on the optical axis of the incident side optical fiber 20. The reflection surface of the micromirror 18 is substantially opposed to the end surface of the incident side optical fiber 20, and the angle thereof is such that the laser light L <b> 1 emitted from the incident side optical fiber 20 is directed toward or near the incident side optical fiber 20. It is set to be reflected. The angle of the reflection surface of the micromirror 18 is set to an angle at which the reflected laser light L2 does not directly enter the light receiving side optical fiber 30. For example, the angle formed by the optical axis of the incident side optical fiber 20 and the normal of the reflecting surface (incident angle of the laser light L1 emitted from the incident side optical fiber 20 to the micromirror 18) α is 0 ° to 30 °. Is set to
また、ガス検出部10の他端(図2における右端)には受光側光ファイバ30の先端が固定されている。受光側光ファイバ30の位置および角度は、入射側光ファイバ20から出射されたレーザ光L1とガス検出部10に存在する測定対象ガスとの相互作用により出射される前方ラマン散乱光Rf、および、マイクロミラー18により反射されたレーザ光L2と測定対象ガスとの相互作用により出射される後方ラマン散乱光Rbが受光側光ファイバ30に入射するように設定されている。また、受光側光ファイバ30の位置および角度は、入射側光ファイバ20から出射されたレーザ光L1、および、マイクロミラー18により反射されたレーザ光L2が受光側光ファイバ30に直接入射しない位置および角度に設定されている。例えば、入射側光ファイバ20の光軸と受光側光ファイバ30の光軸とのなす角βが、150°〜175°に設定されている。 Further, the tip of the light receiving side optical fiber 30 is fixed to the other end (the right end in FIG. 2) of the gas detection unit 10. The position and angle of the light receiving side optical fiber 30 are determined by the forward Raman scattered light Rf emitted by the interaction between the laser light L1 emitted from the incident side optical fiber 20 and the measurement target gas present in the gas detection unit 10, and The backward Raman scattered light Rb emitted by the interaction between the laser light L <b> 2 reflected by the micromirror 18 and the measurement target gas is set to enter the light receiving side optical fiber 30. The position and angle of the light receiving side optical fiber 30 are such that the laser light L1 emitted from the incident side optical fiber 20 and the laser light L2 reflected by the micromirror 18 are not directly incident on the light receiving side optical fiber 30 and It is set to an angle. For example, the angle β formed by the optical axis of the incident side optical fiber 20 and the optical axis of the light receiving side optical fiber 30 is set to 150 ° to 175 °.
図3に示すように、入射側マイクロレンズ12は、入射側光ファイバ20の端面の前方に配置されており、その光軸aが入射側光ファイバ20の光軸aと一致するように配置されている。また、入射側マイクロレンズ12は、凸レンズであり、その焦点に入射側光ファイバ20の端面が位置するように配置されているので、入射側光ファイバ20の先端から出射されるレーザ光を平行光線にすることができる。 As shown in FIG. 3, the incident-side microlens 12 is disposed in front of the end face of the incident-side optical fiber 20, and the optical axis a thereof is disposed so as to coincide with the optical axis a of the incident-side optical fiber 20. ing. The incident-side microlens 12 is a convex lens, and is arranged so that the end surface of the incident-side optical fiber 20 is located at the focal point thereof. Therefore, the laser light emitted from the tip of the incident-side optical fiber 20 is converted into parallel rays. Can be.
一方、受光側マイクロレンズ13も、受光側光ファイバ30の端面の前方に配置されており、その光軸が受光側光ファイバ30の光軸と一致するように配置されている。また、受光側マイクロレンズ13は、凸レンズであり、その焦点に受光側光ファイバ30の端面が位置するように配置されているので、レーザ光と測定対象ガスとの相互作用により出射されるラマン散乱光を集光して受光側光ファイバ30に入射することができる。 On the other hand, the light-receiving side microlens 13 is also arranged in front of the end face of the light-receiving side optical fiber 30 and is arranged so that its optical axis coincides with the optical axis of the light-receiving side optical fiber 30. The light-receiving side microlens 13 is a convex lens, and is arranged so that the end face of the light-receiving side optical fiber 30 is located at the focal point thereof. Therefore, Raman scattering emitted by the interaction between the laser light and the measurement target gas is used. The light can be collected and incident on the light receiving side optical fiber 30.
上記の光学系とすれば、入射側光ファイバ20の先端から出射されるレーザ光L1は、ガス検出部10に存在する測定対象ガスに入射し、その測定対象ガスとの相互作用により出射される前方ラマン散乱光Rfが受光側光ファイバ30の先端に入射する。また、測定対象ガスを通過したレーザ光L1はマイクロミラー18で反射されて再度測定対象ガスに入射する。そして、反射されたレーザ光L2と測定対象ガスとの相互作用により出射される後方ラマン散乱光Rbが受光側光ファイバ30の先端に入射することができる。
このように、受光側光ファイバ30には、前方ラマン散乱光Rfと後方ラマン散乱光Rbとが入射されるので、いずれか一方のみ入射される場合に比べて光強度が強くなり、高感度で測定対象ガスを測定できる。そのため、ガス検出部10を小型化したとしても十分な感度を維持できる。
With the above optical system, the laser light L1 emitted from the tip of the incident side optical fiber 20 is incident on the measurement target gas existing in the gas detection unit 10 and is emitted by the interaction with the measurement target gas. The forward Raman scattered light Rf is incident on the tip of the light receiving side optical fiber 30. Further, the laser beam L1 that has passed through the measurement target gas is reflected by the micromirror 18 and is incident on the measurement target gas again. Then, the backward Raman scattered light Rb emitted by the interaction between the reflected laser light L <b> 2 and the measurement target gas can enter the tip of the light receiving side optical fiber 30.
As described above, since the forward Raman scattered light Rf and the backward Raman scattered light Rb are incident on the light receiving side optical fiber 30, the light intensity is increased compared to the case where only one of them is incident, and the sensitivity is high. Measurement target gas can be measured. Therefore, sufficient sensitivity can be maintained even if the gas detection unit 10 is downsized.
また、光学式ガスセンサ1は、ガス検出部10にラマン散乱光学系が構成されているので、ラマン散乱法により測定対象ガスを測定できる。そのため、光学式ガスセンサ1は、原理的に応答速度が速く、ラマン散乱光のスペクトルを分析することにより1つのセンサで複数種類のガスを測定でき、誤報要因が少ない。 In addition, since the optical gas sensor 1 includes a Raman scattering optical system in the gas detection unit 10, the measurement target gas can be measured by the Raman scattering method. Therefore, the optical gas sensor 1 has a high response speed in principle, and can measure a plurality of types of gases with one sensor by analyzing the spectrum of Raman scattered light, and there are few false alarm factors.
また、一般に、電極や電線などの電気系に可燃ガスが接触すると発火や爆発の恐れがある。しかし、本実施形態において、測定対象ガスに曝されるガス検出部10には電気系が存在しないので、発火や爆発の恐れがなく安全である。そのため、光学式ガスセンサ1は、電力設備や石油化学プラントといった可燃性ガスの検知が必要な現場にも取り付けることができる。 In general, when a combustible gas comes in contact with an electric system such as an electrode or an electric wire, there is a risk of ignition or explosion. However, in the present embodiment, the gas detection unit 10 exposed to the measurement target gas does not have an electrical system, and thus is safe without the risk of ignition or explosion. Therefore, the optical gas sensor 1 can be attached to a site that requires detection of combustible gas, such as electric power equipment or a petrochemical plant.
ところで、図3および図4に示すように、小型光学ベンチ11には、一対の壁体から構成される入射側光ファイバ固定溝14が一体形成されている。そして、この入射側光ファイバ固定溝14に入射側光ファイバ20のフェルール21が嵌め込まれている。 Incidentally, as shown in FIGS. 3 and 4, the small optical bench 11 is integrally formed with an incident side optical fiber fixing groove 14 constituted by a pair of wall bodies. The ferrule 21 of the incident side optical fiber 20 is fitted in the incident side optical fiber fixing groove 14.
一般に光ファイバのフェルールの外形寸法は、μmオーダーの寸法精度を有している。そのため、入射側光ファイバ固定溝14をμmオーダーの位置精度、寸法精度で形成すれば、フェルール21をμmオーダーの精度で位置決めし、配置できる。また、一般的なフェルールの外形は、内部に挿入された光ファイバと同心の円筒形である。そのため、フェルール21の側面を小型光学ベンチ11の表面に接触させることで、入射側光ファイバ20の光軸aを小型光学ベンチ11の表面と平行にできる。
なお、フェルール21と入射側光ファイバ固定溝14とは、摩擦で固定されるように構成してもよいし、接着剤で固定してもよい。
Generally, the outer dimension of an optical fiber ferrule has a dimensional accuracy on the order of μm. Therefore, if the incident side optical fiber fixing groove 14 is formed with a positional accuracy and dimensional accuracy of the order of μm, the ferrule 21 can be positioned and arranged with an accuracy of the order of μm. Further, the general ferrule has a cylindrical shape concentric with an optical fiber inserted therein. Therefore, by bringing the side surface of the ferrule 21 into contact with the surface of the small optical bench 11, the optical axis a of the incident side optical fiber 20 can be made parallel to the surface of the small optical bench 11.
The ferrule 21 and the incident side optical fiber fixing groove 14 may be configured to be fixed by friction or may be fixed by an adhesive.
また、図3および図5に示すように、小型光学ベンチ11には、一対の壁体から構成される入射側マイクロレンズ固定溝16が一体形成されている。入射側マイクロレンズ固定溝16には平面視略菱形の空間が形成されており、この空間内に入射側マイクロレンズ12が嵌め込まれている(図1参照)。 As shown in FIGS. 3 and 5, the small optical bench 11 is integrally formed with an incident-side microlens fixing groove 16 composed of a pair of wall bodies. The entrance-side microlens fixing groove 16 has a substantially rhombic space in plan view, and the entrance-side microlens 12 is fitted in this space (see FIG. 1).
ここで、マイクロレンズとは、直径が数mmのレンズであり、一般にμmオーダーの寸法精度を有している。そのため、入射側マイクロレンズ固定溝16をμmオーダーの位置精度、寸法精度で形成すれば、入射側マイクロレンズ12をμmオーダーの精度で位置決めし、配置できる。また、入射側マイクロレンズ12として、直径がフェルール21の直径と同一のものを採用すれば、入射側マイクロレンズ12の外周縁を小型光学ベンチ11の表面に接触させることで、入射側光ファイバ20の光軸aと入射側マイクロレンズ12の光軸aの高さを一致させることができる。
なお、入射側マイクロレンズ12と入射側マイクロレンズ固定溝16とは、摩擦で固定されるように構成してもよいし、接着剤で固定してもよい。
Here, the microlens is a lens having a diameter of several millimeters and generally has a dimensional accuracy on the order of μm. Therefore, if the incident-side microlens fixing groove 16 is formed with a positional accuracy and dimensional accuracy on the order of μm, the incident-side microlens 12 can be positioned and arranged with an accuracy on the order of μm. Further, when the incident-side microlens 12 having the same diameter as the ferrule 21 is employed, the incident-side optical fiber 20 can be obtained by bringing the outer peripheral edge of the incident-side microlens 12 into contact with the surface of the small optical bench 11. And the height of the optical axis a of the incident side microlens 12 can be matched.
The incident side microlens 12 and the incident side microlens fixing groove 16 may be configured to be fixed by friction or may be fixed by an adhesive.
受光側光ファイバ固定溝15および受光側マイクロレンズ固定溝17も、入射側光ファイバ固定溝14および入射側マイクロレンズ固定溝16と同様の形状、位置精度、寸法精度で、小型光学ベンチ11に一体形成されている。そのため、受光側光ファイバ30のフェルール31および受光側マイクロレンズ13もμmオーダーの精度で配置できる。 The light receiving side optical fiber fixing groove 15 and the light receiving side micro lens fixing groove 17 are also integrated with the small optical bench 11 with the same shape, position accuracy and dimensional accuracy as the incident side optical fiber fixing groove 14 and the incident side micro lens fixing groove 16. Is formed. Therefore, the ferrule 31 and the light receiving side microlens 13 of the light receiving side optical fiber 30 can also be arranged with an accuracy of the order of μm.
なお、各固定溝14〜17の形状は、本実施形態に記載の形状に限られず、マイクロレンズ12、13および光ファイバ20、30を固定するのに適した形状であればどのような形状でもよい。また、マイクロレンズ12、13および光ファイバ20、30を固定できれば、溝状でない形状の固定部を採用してもよい。 The shape of each of the fixing grooves 14 to 17 is not limited to the shape described in the present embodiment, and any shape may be used as long as it is suitable for fixing the microlenses 12 and 13 and the optical fibers 20 and 30. Good. In addition, as long as the microlenses 12 and 13 and the optical fibers 20 and 30 can be fixed, a fixing portion having a non-groove shape may be employed.
図6に示すように、小型光学ベンチ11には、小型光学ベンチ11の表面に対して垂直な壁体であるマイクロミラー18が一体形成されている。このマイクロミラー18の表面は、メッキ処理や真空蒸着、スパッタ蒸着などの方法により、光の反射率が高められている。
マイクロミラー18も、μmオーダーの位置精度、寸法精度で形成される。
As shown in FIG. 6, a micro mirror 18 that is a wall body perpendicular to the surface of the small optical bench 11 is integrally formed on the small optical bench 11. The light reflectance of the surface of the micromirror 18 is increased by a method such as plating, vacuum vapor deposition, or sputter vapor deposition.
The micromirror 18 is also formed with a positional accuracy and dimensional accuracy on the order of μm.
以上のように、小型光学ベンチ11には、入射側光ファイバ固定溝14、受光側光ファイバ固定溝15、入射側マイクロレンズ固定溝16、受光側マイクロレンズ固定溝17、マイクロミラー18が、μmオーダーの位置精度、寸法精度で一体形成されている。
このような小型光学ベンチ11は、例えば、フォトリソグラフィ、フォトファブリケーション、ナノインプリント、射出成形、金型成形などの方法により形成することができる。
As described above, the small optical bench 11 includes the incident side optical fiber fixing groove 14, the light receiving side optical fiber fixing groove 15, the incident side microlens fixing groove 16, the light receiving side microlens fixing groove 17, and the micromirror 18. It is integrally formed with the positional accuracy and dimensional accuracy of the order.
Such a small optical bench 11 can be formed by, for example, a method such as photolithography, photofabrication, nanoimprinting, injection molding, or mold molding.
例えば、フォトリソグラフィにより小型光学ベンチ11を形成する場合には、シリコン基板やガラス基板上にSU-8やポリイミドなどの感光性樹脂を100μm〜2mm厚に塗布し、露光、現像することで入射側光ファイバ固定溝14、受光側光ファイバ固定溝15、入射側マイクロレンズ固定溝16、受光側マイクロレンズ固定溝17を構成する壁体、およびマイクロミラー18(図1おけるハッチング部分)を小型光学ベンチ11に一体形成することができる。なお、ネガ特性の感光性樹脂を用いる場合は構造として残す部分を露光し、ポジ特性の感光性樹脂を用いる場合は構造として残さない部分を露光する。また、フォトリソグラフィにより形成された後の小型光学ベンチ11の全体にメッキ処理や真空蒸着、スパッタ蒸着などを施すことで、マイクロミラー18の表面の光の反射率を高めることができる。 For example, when the small optical bench 11 is formed by photolithography, a photosensitive resin such as SU-8 or polyimide is applied on a silicon substrate or a glass substrate to a thickness of 100 μm to 2 mm, and is exposed and developed. The optical fiber fixing groove 14, the light receiving side optical fiber fixing groove 15, the incident side microlens fixing groove 16, the wall constituting the light receiving side microlens fixing groove 17, and the micromirror 18 (hatched portion in FIG. 1) are made into a small optical bench. 11 can be integrally formed. In the case of using a negative photosensitive resin, a portion left as a structure is exposed, and in a case of using a positive photosensitive resin, a portion not left as a structure is exposed. Further, the light reflectance on the surface of the micromirror 18 can be increased by performing plating, vacuum deposition, sputter deposition, or the like on the entire small optical bench 11 after being formed by photolithography.
上記の形成方法であれば、各固定溝14〜17およびマイクロミラー18を高い位置精度、寸法精度で小型光学ベンチ11に一体形成できる。そのため、入射側光ファイバ20のフェルール21を入射側光ファイバ固定溝14に、受光側光ファイバ30のフェルール31を受光側光ファイバ固定溝15に、入射側マイクロレンズ12を入射側マイクロレンズ固定溝16に、受光側マイクロレンズ13を受光側マイクロレンズ固定溝17に、それぞれ嵌め込むだけで、調整不要で最適なラマン散乱光学系を構成できる。このように、光学系の調整機構が不要であるため、ガス検出部10を小型化できる。そして、光学式ガスセンサ1は、ガス検出部10が小型であるので、配管の内部など狭い場所にも設置することができ、様々な場所でのガス測定をすることができる。 If it is said formation method, each fixed groove 14-17 and the micromirror 18 can be integrally formed in the small optical bench 11 with high position accuracy and dimensional accuracy. Therefore, the ferrule 21 of the incident side optical fiber 20 is in the incident side optical fiber fixing groove 14, the ferrule 31 of the light receiving side optical fiber 30 is in the light receiving side optical fiber fixing groove 15, and the incident side microlens 12 is in the incident side microlens fixing groove. 16, the optimum Raman scattering optical system can be configured without adjustment by simply fitting the light receiving side microlens 13 into the light receiving side microlens fixing groove 17. As described above, since the adjustment mechanism of the optical system is unnecessary, the gas detection unit 10 can be reduced in size. And since the gas detection part 10 is small, the optical gas sensor 1 can be installed also in narrow places, such as the inside of piping, and can measure gas in various places.
また、上記の形成方法であれば、小型光学ベンチ11を数mm〜数十mm四方に形成できるので、小型のガス検出部10の製造が実現可能である。
さらに、小型光学ベンチ11はフォトリソグラフィ、フォトファブリケーション、ナノインプリント、射出成形、金型成形などの方法により大量生産できるので、光学式ガスセンサ1を安価に製造できる。そのため、多地点にガス検出部10を設置することができるので、プラントなどの設備をリアルタイムでネットワーク監視することができる。
In addition, since the small optical bench 11 can be formed in several mm to several tens mm square by the above-described formation method, the small gas detection unit 10 can be manufactured.
Furthermore, since the small optical bench 11 can be mass-produced by a method such as photolithography, photofabrication, nanoimprint, injection molding, mold molding, etc., the optical gas sensor 1 can be manufactured at low cost. Therefore, since the gas detection part 10 can be installed in many points, facilities, such as a plant, can be network-monitored in real time.
また、予め光学シミュレーションなどにより最適光学系の設計を行い、その設計に基づいて小型光学ベンチ11が形成される。そのため、小型光学ベンチ11に光ファイバ20、30、およびマイクロレンズ12、13を固定するだけで、調整不要で最適な光学系を構成できる。 In addition, the optimal optical system is designed in advance by optical simulation or the like, and the small optical bench 11 is formed based on the design. Therefore, by simply fixing the optical fibers 20 and 30 and the microlenses 12 and 13 to the small optical bench 11, an optimum optical system can be configured without adjustment.
さらに、各固定溝14〜17およびマイクロミラー18が小型光学ベンチ11に一体形成されているので、光学式ガスセンサ1は部品点数が少ない。そのため、故障の頻度が低く、耐久性に優れている。 Furthermore, since each fixed groove 14-17 and the micromirror 18 are integrally formed in the small optical bench 11, the optical gas sensor 1 has few parts. Therefore, the frequency of failures is low and the durability is excellent.
(第2実施形態)
本発明の第2実施形態に係る光学式ガスセンサ2は、ラマン散乱法を用いた光学式ガスセンサである。図7に示すように、本実施形態に係る光学式ガスセンサ2のガス検出部10には、第1実施形態に係る光学式ガスセンサ1のガス検出部10に構成されたラマン散乱光学系とは異なるラマン散乱光学系が構成されている。
(Second Embodiment)
The optical gas sensor 2 according to the second embodiment of the present invention is an optical gas sensor using a Raman scattering method. As shown in FIG. 7, the gas detection unit 10 of the optical gas sensor 2 according to the present embodiment is different from the Raman scattering optical system configured in the gas detection unit 10 of the optical gas sensor 1 according to the first embodiment. A Raman scattering optical system is configured.
より詳細には、ガス検出部10の一端(図7における左端)には、入射側光ファイバ20の先端が、その端面がガス検出部10の他端(図7における右端)に向くように固定されている。また、入射側光ファイバ20の光軸上には反射面が平面であるマイクロミラー18が形成されている。マイクロミラー18の反射面は入射側光ファイバ20の端面にほぼ対向しており、その角度は、入射側光ファイバ20から出射されたレーザ光L1が、入射側光ファイバ20から少し離れた位置に向かって反射されるように設定されている。また、マイクロミラー18の反射面の角度は、反射したレーザ光L2が受光側光ファイバ30に直接入射しない角度に設定されている。例えば、入射側光ファイバ20の光軸と反射面の法線とのなす角(入射側光ファイバ20から出射されたレーザ光L1のマイクロミラー18への入射角)αが、5°〜30°に設定されている。 More specifically, the tip of the incident side optical fiber 20 is fixed to one end (the left end in FIG. 7) of the gas detection unit 10 so that the end surface thereof faces the other end (the right end in FIG. 7) of the gas detection unit 10. Has been. A micromirror 18 having a flat reflecting surface is formed on the optical axis of the incident side optical fiber 20. The reflection surface of the micromirror 18 is substantially opposed to the end surface of the incident side optical fiber 20, and the angle thereof is such that the laser light L <b> 1 emitted from the incident side optical fiber 20 is slightly away from the incident side optical fiber 20. It is set to be reflected toward. The angle of the reflection surface of the micromirror 18 is set to an angle at which the reflected laser light L2 does not directly enter the light receiving side optical fiber 30. For example, the angle formed by the optical axis of the incident side optical fiber 20 and the normal of the reflecting surface (incident angle of the laser light L1 emitted from the incident side optical fiber 20 to the micromirror 18) α is 5 ° to 30 °. Is set to
また、ガス検出部10の一端(図7における左端)には、入射側光ファイバ20に並んで受光側光ファイバ30の先端が固定されている。受光側光ファイバ30の位置および角度は、入射側光ファイバ20から出射されたレーザ光L1とガス検出部10に存在する測定対象ガスとの相互作用により出射される後方ラマン散乱光Rb、および、マイクロミラー18により反射されたレーザ光L2と測定対象ガスとの相互作用により出射される前方ラマン散乱光Rfが受光側光ファイバ30に入射するように設定されている。また、受光側光ファイバ30の位置および角度は、入射側光ファイバ20から出射されたレーザ光L1、および、マイクロミラー18により反射されたレーザ光L2が受光側光ファイバ30に直接入射しない位置および角度に設定されている。例えば、受光側光ファイバ30の光軸と反射面の法線とが一致するように設定され、入射側光ファイバ20の光軸と受光側光ファイバ30の光軸とのなす角βが、5°〜30°に設定されている。
その余の構成は、第1実施形態に係る光学式ガスセンサ1と同様であるので、同一部材に同一符号を付して説明を省略する。
In addition, the tip of the light receiving side optical fiber 30 is fixed to one end of the gas detection unit 10 (left end in FIG. 7) along with the incident side optical fiber 20. The position and angle of the light receiving side optical fiber 30 are determined by the backward Raman scattered light Rb emitted by the interaction between the laser light L1 emitted from the incident side optical fiber 20 and the measurement target gas present in the gas detection unit 10, and The forward Raman scattered light Rf emitted by the interaction between the laser beam L2 reflected by the micromirror 18 and the measurement target gas is set to enter the light receiving side optical fiber 30. The position and angle of the light receiving side optical fiber 30 are such that the laser light L1 emitted from the incident side optical fiber 20 and the laser light L2 reflected by the micromirror 18 are not directly incident on the light receiving side optical fiber 30 and It is set to an angle. For example, the optical axis of the light receiving side optical fiber 30 and the normal of the reflecting surface are set to coincide with each other, and the angle β between the optical axis of the incident side optical fiber 20 and the optical axis of the light receiving side optical fiber 30 is 5 It is set to ° ~ 30 °.
Since the remaining configuration is the same as that of the optical gas sensor 1 according to the first embodiment, the same members are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
上記の光学系とすれば、入射側光ファイバ20の先端から出射されるレーザ光L1は、ガス検出部10に存在する測定対象ガスに入射し、その測定対象ガスとの相互作用により出射される後方ラマン散乱光Rbが受光側光ファイバ30の先端に入射する。また、測定対象ガスを通過したレーザ光L1はマイクロミラー18で反射されて再度測定対象ガスに入射する。そして、反射されたレーザ光L2と測定対象ガスとの相互作用により出射される前方ラマン散乱光Rfが受光側光ファイバ30の先端に入射することができる。
このように、受光側光ファイバ30には、前方ラマン散乱光Rfと後方ラマン散乱光Rbとが入射されるので、いずれか一方のみ入射される場合に比べて光強度が強くなり、高感度で測定対象ガスを測定できる。そのため、ガス検出部10を小型化したとしても十分な感度を維持できる。
With the above optical system, the laser light L1 emitted from the tip of the incident side optical fiber 20 is incident on the measurement target gas existing in the gas detection unit 10 and is emitted by the interaction with the measurement target gas. The back Raman scattered light Rb is incident on the tip of the light receiving side optical fiber 30. Further, the laser beam L1 that has passed through the measurement target gas is reflected by the micromirror 18 and is incident on the measurement target gas again. Then, the forward Raman scattered light Rf emitted by the interaction between the reflected laser light L 2 and the measurement target gas can be incident on the tip of the light receiving side optical fiber 30.
As described above, since the forward Raman scattered light Rf and the backward Raman scattered light Rb are incident on the light receiving side optical fiber 30, the light intensity is increased compared to the case where only one of them is incident, and the sensitivity is high. Measurement target gas can be measured. Therefore, sufficient sensitivity can be maintained even if the gas detection unit 10 is downsized.
前述のごとく、ガス検出部10は、いわゆるプローブとして配管の内部などに固定される。そのため、ガス検出部10は、配管などに設けられたガス検出用の孔から配管の内部に挿入されることが想定される。また、ガス検出部10は、複数の配管が密に配置された場所に挿入されたり、配管内部の狭窄部に固定されたりすることも想定される。
本実施形態に係る光学式ガスセンサ2は、入射側光ファイバ20および受光側光ファイバ30の先端が、ガス検出部10の同一端に固定されているため、それらのケーブルが一方向に延びている。そのため、ガス検出器10を上記のような狭い場所に挿入する際の作業性が良い。
As described above, the gas detection unit 10 is fixed as a so-called probe inside a pipe or the like. Therefore, it is assumed that the gas detection unit 10 is inserted into the pipe from a gas detection hole provided in the pipe or the like. Further, it is assumed that the gas detection unit 10 is inserted into a place where a plurality of pipes are densely arranged or fixed to a narrowed part inside the pipes.
In the optical gas sensor 2 according to the present embodiment, since the distal ends of the incident side optical fiber 20 and the light receiving side optical fiber 30 are fixed to the same end of the gas detection unit 10, those cables extend in one direction. . Therefore, workability when inserting the gas detector 10 into the narrow space as described above is good.
(第3実施形態)
本発明の第3実施形態に係る光学式ガスセンサ3は、ラマン散乱法を用いた光学式ガスセンサである。図8に示すように、本実施形態に係る光学式ガスセンサ3のガス検出部10には、第1、第2実施形態に係る光学式ガスセンサ1、2のガス検出部10に構成されたラマン散乱光学系とは異なるラマン散乱光学系が構成されている。
(Third embodiment)
The optical gas sensor 3 according to the third embodiment of the present invention is an optical gas sensor using a Raman scattering method. As shown in FIG. 8, the gas detector 10 of the optical gas sensor 3 according to this embodiment includes a Raman scattering configured in the gas detector 10 of the optical gas sensors 1 and 2 according to the first and second embodiments. A Raman scattering optical system different from the optical system is configured.
より詳細には、ガス検出部10の一端(図8における左端)には、入射側光ファイバ20の先端が、その端面がガス検出部10の他端(図8における右端)に向くように固定されている。また、ガス検出部10の他端(図8における右端)には、入射側光ファイバ20の光軸を挟んで所定間隔を空けて配置された一対のマイクロミラー18a、18bが形成されている。すなわち、一対のマイクロミラー18a、18bの間には、入射側光ファイバ20の光軸上に位置するスリットsが形成されている。マイクロミラー18a、18bの反射面は凹面であり、入射側光ファイバ20の端面にほぼ対向している。そして、入射側光ファイバ20から出射されたレーザ光Lと測定対象ガスとの相互作用により出射される前方ラマン散乱光Rf1を反射して、入射側光ファイバ20から少し離れた位置に集光できるようになっている。 More specifically, the distal end of the incident side optical fiber 20 is fixed to one end (the left end in FIG. 8) of the gas detection unit 10 such that the end surface faces the other end (the right end in FIG. 8) of the gas detection unit 10. Has been. In addition, a pair of micromirrors 18 a and 18 b are formed at the other end (the right end in FIG. 8) of the gas detection unit 10 and spaced apart from each other with the optical axis of the incident side optical fiber 20 interposed therebetween. That is, a slit s located on the optical axis of the incident side optical fiber 20 is formed between the pair of micromirrors 18a and 18b. The reflecting surfaces of the micromirrors 18a and 18b are concave and substantially face the end surface of the incident side optical fiber 20. Then, the forward Raman scattered light Rf1 emitted by the interaction between the laser light L emitted from the incident side optical fiber 20 and the measurement target gas can be reflected and condensed at a position slightly away from the incident side optical fiber 20. It is like that.
また、ガス検出部10の一端(図8における左端)には、入射側光ファイバ20を挟んで2本の受光側光ファイバ30a、30bの先端が固定されている。そのうちの一方の第1受光側光ファイバ30aの位置および角度は、一方のマイクロミラー18aにより反射、集光された前方ラマン散乱光Rf2が第1受光側光ファイバ30aに入射するように設定されている。また、他方の第2受光側光ファイバ30bの位置および角度は、他方のマイクロミラー18bにより反射、集光された前方ラマン散乱光Rf2が第2受光側光ファイバ30bに入射するように設定されている。これら2本の受光側光ファイバ30a、30bの他端は、共通の光検出器に接続されるか、別々の光検出器に接続され、それらの光検出器が接続されたコンピュータなどで光強度を加算できるようになっている。 Further, the ends of the two light receiving side optical fibers 30a and 30b are fixed to one end (the left end in FIG. 8) of the gas detection unit 10 with the incident side optical fiber 20 interposed therebetween. The position and angle of one of the first light receiving side optical fibers 30a are set so that the forward Raman scattered light Rf2 reflected and collected by one micromirror 18a is incident on the first light receiving side optical fiber 30a. Yes. The position and angle of the other second light receiving side optical fiber 30b are set so that the forward Raman scattered light Rf2 reflected and collected by the other micromirror 18b is incident on the second light receiving side optical fiber 30b. Yes. The other ends of the two light receiving side optical fibers 30a and 30b are connected to a common photodetector or to different photodetectors, and the light intensity is measured by a computer or the like to which the photodetectors are connected. Can be added.
その余の構成は、第1実施形態に係る光学式ガスセンサ1と同様であるので、同一部材に同一符号を付して説明を省略する。
なお、符号31a、31bは、それぞれ第1受光側光ファイバ30a、第2受光側光ファイバ30bのフェルール、符号13a、13bは、それぞれ第1受光側光ファイバ30a、第2受光側光ファイバ30bの端面の前方に配置された入射側マイクロレンズ、符号15a、15bは、それぞれフェルール31a、31bを固定する受光側光ファイバ固定溝、符号17a、17bは、それぞれ入射側マイクロレンズ13a、13bを固定する受光側マイクロレンズ固定溝である。
Since the remaining configuration is the same as that of the optical gas sensor 1 according to the first embodiment, the same members are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
Reference numerals 31a and 31b are ferrules of the first light receiving side optical fiber 30a and the second light receiving side optical fiber 30b, respectively. Reference numerals 13a and 13b are respectively the first light receiving side optical fiber 30a and the second light receiving side optical fiber 30b. The incident side microlens arranged at the front of the end face, reference numerals 15a and 15b are light receiving side optical fiber fixing grooves for fixing the ferrules 31a and 31b, and reference numerals 17a and 17b are respectively fixed to the incident side microlenses 13a and 13b. This is a light receiving side microlens fixing groove.
上記の光学系とすれば、入射側光ファイバ20の先端から出射されるレーザ光Lは、ガス検出部10に存在する測定対象ガスに入射し、その測定対象ガスとの相互作用により出射される前方ラマン散乱光Ra1がマイクロミラー18a、18bで反射、集光されて受光側光ファイバ30a、30bの先端に入射することができる。
このように、受光側光ファイバ30a、30bには、入射側光ファイバ20の光軸を挟んで両側に出射された前方ラマン散乱光Rf1が入射されるので、片側のみに出射された前方ラマン散乱光Rf1が入射される場合よりも光強度が強くなり、高感度で測定対象ガスを測定できる。そのため、ガス検出部10を小型化したとしても十分な感度を維持できる。
If it is said optical system, the laser beam L radiate | emitted from the front-end | tip of the incident side optical fiber 20 will inject into the measuring object gas which exists in the gas detection part 10, and will be radiate | emitted by the interaction with the measuring object gas. The forward Raman scattered light Ra1 is reflected and condensed by the micromirrors 18a and 18b, and can enter the front ends of the light receiving side optical fibers 30a and 30b.
Thus, since the forward Raman scattered light Rf1 emitted on both sides of the optical fiber of the incident side optical fiber 20 is incident on the light receiving side optical fibers 30a and 30b, the forward Raman scattering emitted only on one side is entered. The light intensity is stronger than when the light Rf1 is incident, and the measurement target gas can be measured with high sensitivity. Therefore, sufficient sensitivity can be maintained even if the gas detection unit 10 is downsized.
また、入射側光ファイバ20から出射されたレーザ光Lは一対のマイクロミラー18a、18bの間のスリットsを透過するので、受光側光ファイバ30a、30bに入射しない。ラマン散乱光は、入射光の前方および後方に分布する指向性を有するが、入射光に比べて光強度が弱いことが知られている。そのため、本実施形態のように、レーザ光Lを受光側光ファイバ30a、30bに入射させないことにより、外乱成分が少なくなり測定精度が向上する。 Further, since the laser light L emitted from the incident side optical fiber 20 passes through the slit s between the pair of micromirrors 18a and 18b, it does not enter the light receiving side optical fibers 30a and 30b. Raman scattered light has directivity distributed in front and rear of incident light, but is known to have lower light intensity than incident light. Therefore, as in this embodiment, by not allowing the laser light L to enter the light receiving side optical fibers 30a and 30b, disturbance components are reduced and measurement accuracy is improved.
さらに、入射側光ファイバ20および受光側光ファイバ30a、30bの先端が、ガス検出部10の同一端に固定されているため、それらのケーブルが一方向に延びている。そのため、ガス検出器10を狭い場所に挿入する際の作業性が良い。 Furthermore, since the tips of the incident side optical fiber 20 and the light receiving side optical fibers 30a and 30b are fixed to the same end of the gas detection unit 10, these cables extend in one direction. Therefore, workability when inserting the gas detector 10 in a narrow place is good.
(第4実施形態)
本発明の第4実施形態に係る光学式ガスセンサ4は、吸光測定法を用いた光学式ガスセンサである。図9に示すように、光学式ガスセンサ4は、第1、第2、第3実施形態に係る光学式ガスセンサ1、2、3と同様に、ガス検出部10と、そのガス検出部10に接続された入射側光ファイバ20および受光側光ファイバ30とを備えている。
(Fourth embodiment)
The optical gas sensor 4 according to the fourth embodiment of the present invention is an optical gas sensor using an absorption measurement method. As shown in FIG. 9, the optical gas sensor 4 is connected to the gas detection unit 10 and the gas detection unit 10 in the same manner as the optical gas sensors 1, 2, and 3 according to the first, second, and third embodiments. The incident side optical fiber 20 and the light receiving side optical fiber 30 are provided.
ガス検出部10は、小型光学ベンチ11と、入射側マイクロレンズ12と、受光側マイクロレンズ13とから構成されている。小型光学ベンチ11は、数mm〜数十mm四方の寸法を有する平板部材である。
また、小型光学ベンチ11には、入射側光ファイバ20の先端に設けられたフェルール21を固定する入射側光ファイバ固定溝14と、受光側光ファイバ30の先端に設けられたフェルール31を固定する受光側光ファイバ固定溝15と、入射側マイクロレンズ12を固定する入射側マイクロレンズ固定溝16と、受光側マイクロレンズ13を固定する受光側マイクロレンズ固定溝17とが、μmオーダーの位置精度、寸法精度で一体形成されている。
The gas detection unit 10 includes a small optical bench 11, an incident side microlens 12, and a light receiving side microlens 13. The small optical bench 11 is a flat plate member having dimensions of several mm to several tens mm square.
Further, the small optical bench 11 is fixed with an incident side optical fiber fixing groove 14 for fixing a ferrule 21 provided at the tip of the incident side optical fiber 20 and a ferrule 31 provided at the tip of the light receiving side optical fiber 30. The light receiving side optical fiber fixing groove 15, the incident side micro lens fixing groove 16 for fixing the incident side micro lens 12, and the light receiving side micro lens fixing groove 17 for fixing the light receiving side micro lens 13 have a positional accuracy of μm order, It is integrally formed with dimensional accuracy.
小型光学ベンチ11は、例えば、フォトリソグラフィ、フォトファブリケーション、ナノインプリント、射出成形、金型成形などにより形成することができる。
上記の形成方法であれば、各固定溝14〜17を高い位置精度、寸法精度で小型光学ベンチ11に一体形成できる。そのため、入射側光ファイバ20のフェルール21を入射側光ファイバ固定溝14に、受光側光ファイバ30のフェルール31を受光側光ファイバ固定溝15に、入射側マイクロレンズ12を入射側マイクロレンズ固定溝16に、受光側マイクロレンズ13を受光側マイクロレンズ固定溝17に、それぞれ嵌め込むだけで、調整不要で最適な吸光光学系を構成できる。このように、光学系の調整機構が不要であるため、ガス検出部10を小型化できる。
The small optical bench 11 can be formed by, for example, photolithography, photofabrication, nanoimprint, injection molding, mold molding, or the like.
If it is said formation method, each fixed groove 14-17 can be integrally formed in the small optical bench 11 with high position accuracy and dimensional accuracy. Therefore, the ferrule 21 of the incident side optical fiber 20 is in the incident side optical fiber fixing groove 14, the ferrule 31 of the light receiving side optical fiber 30 is in the light receiving side optical fiber fixing groove 15, and the incident side microlens 12 is in the incident side microlens fixing groove. 16 and the light receiving side microlens 13 is fitted into the light receiving side microlens fixing groove 17, respectively, and an optimum light absorbing optical system can be configured without any adjustment. As described above, since the adjustment mechanism of the optical system is unnecessary, the gas detection unit 10 can be reduced in size.
また、上記の形成方法であれば、小型光学ベンチ11を数mm〜数十mm四方に形成できるので、小型のガス検出部10の製造が実現可能である。
さらに、小型光学ベンチ11を大量生産できるので、光学式ガスセンサ4を安価に製造できる。
In addition, since the small optical bench 11 can be formed in several mm to several tens mm square by the above-described formation method, the small gas detection unit 10 can be manufactured.
Furthermore, since the small optical bench 11 can be mass-produced, the optical gas sensor 4 can be manufactured at low cost.
つぎに、ガス検出部10に構成された吸光光学系について説明する。
吸光測定法とは、測定対象ガスに光を入射し、その入射光が測定対象ガスを通過する際の吸光度から、測定対象ガスの濃度を定量的に分析する方法である。また、光吸収スペクトルのピーク波長からガス種も特定できる。
Next, the absorption optical system configured in the gas detection unit 10 will be described.
The absorption measurement method is a method for quantitatively analyzing the concentration of the measurement target gas from the absorbance when the light enters the measurement target gas and the incident light passes through the measurement target gas. Moreover, the gas species can also be specified from the peak wavelength of the light absorption spectrum.
本実施形態におけるガス検出部10には、入射側光ファイバ20の先端から出射される光を測定対象ガスに入射し、その測定対象ガスを通過した出射光を受光側光ファイバ30の先端に入射する、光吸収光学系が構成されている
より詳細には、図9に示すように、ガス検出部10の一端(図9における左端)には、入射側光ファイバ20の先端が、その端面がガス検出部10の他端(図9における右端)に向くように固定されている。また、ガス検出部10の他端(図9における左端)には、受光側光ファイバ30の先端が、その端面が入射側光ファイバ20の端面に対向するように固定されている。すなわち、入射側光ファイバ20および受光側光ファイバ30は、同一光軸上に対向して固定されている。
In the gas detection unit 10 according to the present embodiment, light emitted from the tip of the incident side optical fiber 20 is incident on the measurement target gas, and light emitted through the measurement target gas is incident on the tip of the light receiving side optical fiber 30. More specifically, as shown in FIG. 9, at one end of the gas detection unit 10 (left end in FIG. 9), the tip of the incident-side optical fiber 20 and its end face are formed. The gas detector 10 is fixed so as to face the other end (the right end in FIG. 9). Further, the other end (the left end in FIG. 9) of the gas detection unit 10 is fixed such that the tip of the light receiving side optical fiber 30 faces the end surface of the incident side optical fiber 20. That is, the incident side optical fiber 20 and the light receiving side optical fiber 30 are fixed to face each other on the same optical axis.
上記の光学系とすれば、入射側光ファイバ20の先端から出射されるレーザ光をガス検出部10に存在する測定対象ガスに入射し、測定対象ガスを通過した出射光を受光側光ファイバ30の先端に入射することができる。 With the optical system described above, the laser beam emitted from the tip of the incident side optical fiber 20 is incident on the measurement target gas existing in the gas detection unit 10, and the emission light that has passed through the measurement target gas is converted into the light reception side optical fiber 30. Can be incident on the tip.
このように、光学式ガスセンサ4は、ガス検出部10に光吸収光学系が構成されているので、吸光測定法により測定対象ガスを測定できる。光学式ガスセンサ4は、吸光測定法により測定対象ガスを測定することから、原理的に応答速度が速く、光吸収スペクトルを分析することにより1つのセンサで複数種類のガスを測定でき、誤報要因が少ない。 As described above, since the optical gas sensor 4 includes the light absorption optical system in the gas detection unit 10, the measurement target gas can be measured by the absorption measurement method. Since the optical gas sensor 4 measures the gas to be measured by the absorption measurement method, in principle, the response speed is fast, and by analyzing the light absorption spectrum, one type of gas can be measured by one sensor, and there is a false alarming factor. Few.
また、測定対象ガスに曝されるガス検出部10には電気系が存在しないので、発火や爆発の恐れがなく安全である。
さらに、各固定溝14〜17が小型光学ベンチ11に一体形成されているので、光学式ガスセンサ4は部品点数が少ない。そのため、故障の頻度が低く、耐久性に優れている。
Further, since there is no electrical system in the gas detection unit 10 exposed to the measurement target gas, there is no risk of ignition or explosion and it is safe.
Furthermore, since each fixed groove 14-17 is integrally formed in the small optical bench 11, the optical gas sensor 4 has few parts. Therefore, the frequency of failures is low and the durability is excellent.
(第5実施形態)
本発明の第5実施形態に係る光学式ガスセンサ5は、吸光測定法を用いた光学式ガスセンサである。図10に示すように、本実施形態に係る光学式ガスセンサ5のガス検出部10には、第4実施形態に係る光学式ガスセンサ4のガス検出部10に構成された吸光光学系とは異なる吸光光学系が構成されている。
(Fifth embodiment)
The optical gas sensor 5 according to the fifth embodiment of the present invention is an optical gas sensor using an absorption measurement method. As shown in FIG. 10, the gas detection unit 10 of the optical gas sensor 5 according to the present embodiment has an absorbance different from that of the absorption optical system configured in the gas detection unit 10 of the optical gas sensor 4 according to the fourth embodiment. An optical system is configured.
より詳細には、図10に示すように、入射側光ファイバ20および受光側光ファイバ30は、それぞれの光軸が平行になるように、小型光学ベンチ11の一端(図10における左端)に固定されている。また、小型光学ベンチ11には、3つのマイクロミラー18a、18b、18cがμmオーダーの位置精度、寸法精度で一体形成されている。このうち、マイクロミラー18aは、入射側光ファイバ20の光軸上に配置されており、マイクロミラー18cは、受光側光ファイバ30の光軸上に配置されている。また、マイクロミラー18bは、入射側光ファイバ20および受光側光ファイバ30の間に配置されている。そして、マイクロミラー18aの角度は、入射側光ファイバ20から出射される光をマイクロミラー18bに向かって反射するように設定されており、マイクロミラー18bの角度は、マイクロミラー18aからの光をマイクロミラー18cに向かって反射するように設定されており、マイクロミラー18cの角度は、マイクロミラー18bからの光を受光側光ファイバ30に向かって反射するように設定されている。
その余の構成は、第4実施形態に係る光学式ガスセンサ4と同様であるので、同一部材に同一符号を付して説明を省略する。
More specifically, as shown in FIG. 10, the incident side optical fiber 20 and the light receiving side optical fiber 30 are fixed to one end (left end in FIG. 10) of the small optical bench 11 so that the respective optical axes are parallel. Has been. In addition, three micromirrors 18a, 18b, and 18c are integrally formed on the small optical bench 11 with a positional accuracy and dimensional accuracy on the order of μm. Among these, the micromirror 18 a is disposed on the optical axis of the incident side optical fiber 20, and the micromirror 18 c is disposed on the optical axis of the light receiving side optical fiber 30. In addition, the micromirror 18 b is disposed between the incident side optical fiber 20 and the light receiving side optical fiber 30. The angle of the micromirror 18a is set so as to reflect the light emitted from the incident side optical fiber 20 toward the micromirror 18b, and the angle of the micromirror 18b allows the light from the micromirror 18a to be microscopically reflected. The angle of the micromirror 18c is set so as to reflect the light from the micromirror 18b toward the light receiving side optical fiber 30.
Since the remaining structure is the same as that of the optical gas sensor 4 according to the fourth embodiment, the same members are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
上記の光学系とすれば、入射側光ファイバ20の先端から出射される光を3つのマイクロミラー18a、18b、18cにより測定対象ガス中において3回反射させ、測定対象ガスを通過した出射光を受光側光ファイバ30の先端に入射することができる。
このように、入射側光ファイバ20の先端から出射される光を測定対象ガス中において多数回反射させるので、光路長が長くなり、高感度で測定対象ガスを測定できる。そのため、ガス検出部10を小型化したとしても十分な感度を維持できる。
If it is said optical system, the light radiate | emitted from the front-end | tip of the incident side optical fiber 20 will be reflected in measurement object gas 3 times by three micromirrors 18a, 18b, 18c, and the emitted light which passed the measurement object gas will be reflected. The light can enter the front end of the light receiving side optical fiber 30.
Thus, since the light emitted from the tip of the incident side optical fiber 20 is reflected many times in the measurement target gas, the optical path length becomes long, and the measurement target gas can be measured with high sensitivity. Therefore, sufficient sensitivity can be maintained even if the gas detection unit 10 is downsized.
さらに、入射側光ファイバ20および受光側光ファイバ30の先端が、ガス検出部10の同一端に固定されているため、それらのケーブルが一方向に延びている。そのため、ガス検出器10を狭い場所に挿入する際の作業性が良い。 Furthermore, since the tips of the incident side optical fiber 20 and the light receiving side optical fiber 30 are fixed to the same end of the gas detection unit 10, these cables extend in one direction. Therefore, workability when inserting the gas detector 10 in a narrow place is good.
(その他の実施形態)
上記実施形態においてガス検出部10に構成された光学系は一例であり、他の種々の光学系をガス検出部10に構成してもよい。
例えば、第1実施形態において、マイクロミラー18を設けず、測定対象ガスとの相互作用により出射される前方ラマン散乱光を直接受光側光ファイバ30の先端に入射するように構成してもよい。
また、第2実施形態において、マイクロミラー18を設けず、測定対象ガスとの相互作用により出射される後方ラマン散乱光を直接受光側光ファイバ30の先端に入射するように構成してもよい。
これらの場合に、受光側光ファイバ30を複数本設ければ、ラマン散乱光を効率よく受光できるので測定精度が向上する。なお、複数本の受光側光ファイバ30を設ける場合に、全ての受光側光ファイバが前方ラマン散乱光または後方ラマン散乱光を受光するように構成してもよいし、一部の受光側光ファイバ30が前方ラマン散乱光を受光し、残りの受光側光ファイバ30が後方ラマン散乱光を受光するように構成してもよい。
(Other embodiments)
The optical system configured in the gas detection unit 10 in the above embodiment is an example, and other various optical systems may be configured in the gas detection unit 10.
For example, in the first embodiment, the micromirror 18 may not be provided, and the forward Raman scattered light emitted by the interaction with the measurement target gas may be directly incident on the tip of the light receiving side optical fiber 30.
Further, in the second embodiment, the micromirror 18 may not be provided, and the backward Raman scattered light emitted by the interaction with the measurement target gas may be directly incident on the tip of the light receiving side optical fiber 30.
In these cases, if a plurality of light receiving side optical fibers 30 are provided, the Raman scattered light can be received efficiently, so that the measurement accuracy is improved. When a plurality of light receiving side optical fibers 30 are provided, all the light receiving side optical fibers may be configured to receive forward Raman scattered light or backward Raman scattered light, or a part of the light receiving side optical fibers. 30 may receive forward Raman scattered light, and the remaining light receiving side optical fiber 30 may receive backward Raman scattered light.
また、第5実施形態において、マイクロミラー18a、18b、18cの数は3つより少なくても、多くてもよい。より多数のマイクロミラーを設ければ光路長を長くできるが、反射回数が多いとマイクロミラーの光の反射率により受光側光ファイバ30に入射される出射光の光強度が弱くなる。そのため、光路長と反射率とを考慮して、最適な光学系を採用することが好ましい。 In the fifth embodiment, the number of micromirrors 18a, 18b, 18c may be less than or greater than three. If a larger number of micromirrors are provided, the optical path length can be increased. However, if the number of reflections is large, the light intensity of the outgoing light incident on the light receiving side optical fiber 30 becomes weak due to the reflectance of the light of the micromirrors. Therefore, it is preferable to adopt an optimum optical system in consideration of the optical path length and the reflectance.
また、マイクロミラーとして、平面鏡の他に、凹面鏡、凸面鏡などの表面が曲面の鏡を採用してもよい。また、マイクロミラーに代えて、特定の波長の光を反射するグレーティングなど、他の光反射体を設けても良い。グレーティングなど、小型光学ベンチ11とは別部材として形成される光反射体を採用する場合には、小型光学ベンチ11に固定部を一体形成し、その固定部に光反射体を固定してもよい。さらに、レンズやミラーに限られず、他の種々の光学部品を採用してもよい。この場合には、小型光学ベンチ11に固定部を一体形成し、その固定部に光学部品を固定すればよい。 In addition to a plane mirror, a mirror having a curved surface such as a concave mirror or a convex mirror may be employed as the micromirror. Further, instead of the micromirror, other light reflectors such as a grating that reflects light of a specific wavelength may be provided. When a light reflector formed as a separate member from the small optical bench 11 such as a grating is employed, a fixed portion may be integrally formed on the small optical bench 11 and the light reflector may be fixed to the fixed portion. . Furthermore, the present invention is not limited to lenses and mirrors, and various other optical components may be employed. In this case, a fixed portion may be integrally formed on the small optical bench 11 and the optical component may be fixed to the fixed portion.
[光強度試験]
(実施例1)
上記第1実施形態に係る光学式ガスセンサ1(図1、図2参照)を用いて、受光側光ファイバ30に入射されるラマン散乱光の光強度を測定した。
試験に用いた光学式ガスセンサ1のガス検出部10に構成されたラマン散乱光学系は、入射側光ファイバ20の光軸とマイクロミラー18の反射面の法線とのなす角αは8.6°、入射側光ファイバ20の光軸と受光側光ファイバ30の光軸とのなす角βは151.9°、入射側光ファイバ20の光軸上における入射側マイクロレンズ12とマイクロミラー18との間の距離は20.0mm、受光側光ファイバ30の光軸上における受光側マイクロレンズ13と入射側光ファイバ20の光軸との間の距離は9.55mmに設定されている。また、入射側光ファイバ20に接続する光源として発振波長532nmのNd:YAGレーザ(スペクトラフィジックス社製エクスプローラ)の第2高調波レーザ光、受光側光ファイバ30に接続する光検出器として光電子増倍管(浜松ホトニクス社製R3896)を用いた。そして、ガス検出部10に濃度100%の水素ガスを導入して、光検出器で得られる信号強度を測定した。
その結果、光検出器から、図11のグラフの黒の線で示す信号が得られた。
[Light intensity test]
Example 1
Using the optical gas sensor 1 according to the first embodiment (see FIGS. 1 and 2), the light intensity of the Raman scattered light incident on the light receiving side optical fiber 30 was measured.
In the Raman scattering optical system configured in the gas detection unit 10 of the optical gas sensor 1 used for the test, the angle α formed by the optical axis of the incident side optical fiber 20 and the normal line of the reflection surface of the micromirror 18 is 8.6 °, The angle β formed by the optical axis of the incident side optical fiber 20 and the optical axis of the light receiving side optical fiber 30 is 151.9 °, and the distance between the incident side microlens 12 and the micromirror 18 on the optical axis of the incident side optical fiber 20. Is 20.0 mm, and the distance between the light receiving side microlens 13 and the optical axis of the incident side optical fiber 20 on the optical axis of the light receiving side optical fiber 30 is set to 9.55 mm. Further, a second harmonic laser beam of an Nd: YAG laser (Explorer made by SpectraPhysics Co., Ltd.) having an oscillation wavelength of 532 nm as a light source connected to the incident side optical fiber 20, and a photomultiplier as a photodetector connected to the light receiving side optical fiber 30. A tube (R3896 manufactured by Hamamatsu Photonics) was used. Then, hydrogen gas having a concentration of 100% was introduced into the gas detector 10 and the signal intensity obtained by the photodetector was measured.
As a result, a signal indicated by a black line in the graph of FIG. 11 was obtained from the photodetector.
(比較例1)
上記実施例1の光学式ガスセンサ1において、マイクロミラー18を設けない形態の光学式ガスセンサを用い、実施例1と同様の条件で試験を行った。
その結果、光検出器から、図11のグラフのグレーの線で示す信号が得られた。
(Comparative Example 1)
In the optical gas sensor 1 of Example 1 described above, a test was performed under the same conditions as in Example 1 using an optical gas sensor in which the micromirror 18 was not provided.
As a result, a signal indicated by a gray line in the graph of FIG. 11 was obtained from the photodetector.
図11に示すように、実施例1の信号強度は、比較例1の信号強度に比べて2倍以上強いことが確認された。これは、実施例1では受光側光ファイバ30に前方ラマン散乱光と後方ラマン散乱光の両方が入射されるのに対し、比較例では受光側光ファイバ30に前方ラマン散乱光のみが入射されるためである。
以上より、第1実施形態おけるラマン散乱光学系を構成すれば、受光側光ファイバ30に入射されるラマン散乱光の光強度が強くなり、高感度で測定対象ガスを測定できることが確認された。
As shown in FIG. 11, it was confirmed that the signal intensity of Example 1 was twice or more stronger than the signal intensity of Comparative Example 1. This is because both forward Raman scattered light and backward Raman scattered light are incident on the light receiving side optical fiber 30 in the first embodiment, whereas only forward Raman scattered light is incident on the light receiving side optical fiber 30 in the comparative example. Because.
From the above, it has been confirmed that if the Raman scattering optical system in the first embodiment is configured, the light intensity of the Raman scattered light incident on the light receiving side optical fiber 30 is increased, and the measurement target gas can be measured with high sensitivity.
[感度試験]
(実施例2)
上記第4実施形態に係る光学式ガスセンサ4(図9参照)を用いて、ガス濃度に対する感度を測定した。
試験に用いた光学式ガスセンサ4のガス検出部10に構成された吸光光学系は、入射側マイクロレンズ12と受光側マイクロレンズ13との間の距離は10mmに設定されている。また、入射側光ファイバ20に接続する光源として重水素ランプ(浜松ホトニクス社製L10671)、受光側光ファイバ30に接続する光検出器としてCCDアレイ付き分光器(オーシャンオプティクス社製USB2000+)を用いた。そして、ガス検出部10に種々の濃度のアンモニアガス(NH3)を導入して、各濃度における吸光度を測定した。
その結果、図12のグラフが得られた。
[Sensitivity test]
(Example 2)
The sensitivity to the gas concentration was measured using the optical gas sensor 4 (see FIG. 9) according to the fourth embodiment.
In the light absorption optical system configured in the gas detector 10 of the optical gas sensor 4 used for the test, the distance between the incident side microlens 12 and the light receiving side microlens 13 is set to 10 mm. Also, a deuterium lamp (L10671 manufactured by Hamamatsu Photonics) was used as the light source connected to the incident side optical fiber 20, and a spectrometer with a CCD array (USB2000 + manufactured by Ocean Optics) was used as the photodetector connected to the light receiving side optical fiber 30. . Then, various concentrations of ammonia gas (NH 3 ) were introduced into the gas detector 10 and the absorbance at each concentration was measured.
As a result, the graph of FIG. 12 was obtained.
図12に示すように、実施例2の光学式ガスセンサ4を用いれば、アンモニアガスの毒性許容濃度である25ppmまでを十分に検出可能であることが確認された。 As shown in FIG. 12, it was confirmed that when the optical gas sensor 4 of Example 2 was used, it was possible to sufficiently detect up to 25 ppm, which is the allowable toxicity concentration of ammonia gas.
1、2 光学式ガスセンサ、
10 ガス検出部、
11 小型光学ベンチ、
12 入射側マイクロレンズ、
13 受光側マイクロレンズ、
14 入射側光ファイバ固定溝、
15 受光側光ファイバ固定溝、
16 入射側マイクロレンズ固定溝、
17 受光側マイクロレンズ固定溝、
18 マイクロミラー、
20 入射側光ファイバ、
30 受光側光ファイバ、
1, 2 Optical gas sensor,
10 gas detector,
11 Small optical bench,
12 Incident side microlens,
13 Light receiving side microlens,
14 Incident side optical fiber fixing groove,
15 Receiving side optical fiber fixing groove,
16 Incident side microlens fixing groove,
17 Light receiving side microlens fixing groove,
18 Micromirror,
20 incident side optical fiber,
30 receiving side optical fiber,
Claims (4)
一端が光検出器に接続される受光側光ファイバと、
前記入射側光ファイバの他端から出射される光を測定対象ガスに入射し、該測定対象ガスとの相互作用により出射される光を前記受光側光ファイバの他端に入射する光学系が構成されたガス検出部と、を備え、
前記ガス検出部は、
小型光学ベンチを備え、
該小型光学ベンチには、
前記入射側光ファイバの他端を固定する入射側光ファイバ固定部と、
前記受光側光ファイバの他端を固定する受光側光ファイバ固定部と、
光を反射する光反射体と、が一体形成されており、
前記ガス検出部には、
前記測定対象ガスに光を入射する前記入射側光ファイバと、
前記入射側光ファイバの光軸上に配置され、該入射側光ファイバから出射された光を前記受光側光ファイバに直接入射しない角度に反射する前記光反射体と、
前記入射側光ファイバから出射された光と前記測定対象ガスとの相互作用により出射される前方ラマン散乱光、および、前記光反射体により反射された光と前記測定対象ガスとの相互作用により出射される後方ラマン散乱光が、反射を介さずに入射する位置に配置された前記受光側光ファイバと、からラマン散乱光学系が構成されている
ことを特徴とする光学式ガスセンサ。 An incident-side optical fiber having one end connected to the light source;
A light receiving side optical fiber having one end connected to the photodetector;
An optical system is configured in which light emitted from the other end of the incident side optical fiber is incident on the measurement target gas and light emitted by interaction with the measurement target gas is incident on the other end of the light receiving side optical fiber. A gas detection unit,
The gas detection unit
With a small optical bench,
The small optical bench includes
An incident side optical fiber fixing portion for fixing the other end of the incident side optical fiber;
A light receiving side optical fiber fixing portion for fixing the other end of the light receiving side optical fiber;
And a light reflector that reflects light are integrally formed,
In the gas detector,
The incident-side optical fiber that makes light incident on the measurement object gas; and
The light reflector disposed on the optical axis of the incident side optical fiber and reflecting the light emitted from the incident side optical fiber at an angle not directly incident on the light receiving side optical fiber ;
Forward Raman scattered light emitted by the interaction between the light emitted from the incident side optical fiber and the measurement object gas, and the interaction between the light reflected by the light reflector and the measurement object gas backward Raman scattered light, optical and gas sensor you characterized in that the arranged light receiving side optical fiber at a position that is incident without passing through the reflection, Raman scattering optical system from being configured to be.
一端が光検出器に接続される受光側光ファイバと、
前記入射側光ファイバの他端から出射される光を測定対象ガスに入射し、該測定対象ガスとの相互作用により出射される光を前記受光側光ファイバの他端に入射する光学系が構成されたガス検出部と、を備え、
前記ガス検出部は、
小型光学ベンチを備え、
該小型光学ベンチには、
前記入射側光ファイバの他端を固定する入射側光ファイバ固定部と、
前記受光側光ファイバの他端を固定する受光側光ファイバ固定部と、
光を反射する光反射体と、が一体形成されており、
前記ガス検出部には、
前記測定対象ガスに光を入射する前記入射側光ファイバと、
前記入射側光ファイバの光軸上に配置され、該入射側光ファイバから出射された光を前記受光側光ファイバに直接入射しない角度に反射する前記光反射体と、
前記入射側光ファイバから出射された光と前記測定対象ガスとの相互作用により出射される後方ラマン散乱光、および、前記光反射体により反射された光と前記測定対象ガスとの相互作用により出射される前方ラマン散乱光が、反射を介さずに入射する位置に配置された前記受光側光ファイバと、からラマン散乱光学系が構成されている
ことを特徴とする光学式ガスセンサ。 An incident-side optical fiber having one end connected to the light source;
A light receiving side optical fiber having one end connected to the photodetector;
An optical system is configured in which light emitted from the other end of the incident side optical fiber is incident on the measurement target gas and light emitted by interaction with the measurement target gas is incident on the other end of the light receiving side optical fiber. A gas detection unit,
The gas detection unit
With a small optical bench,
The small optical bench includes
An incident side optical fiber fixing portion for fixing the other end of the incident side optical fiber;
A light receiving side optical fiber fixing portion for fixing the other end of the light receiving side optical fiber;
And a light reflector that reflects light are integrally formed,
In the gas detector,
The incident-side optical fiber that makes light incident on the measurement object gas; and
The light reflector disposed on the optical axis of the incident side optical fiber and reflecting the light emitted from the incident side optical fiber at an angle not directly incident on the light receiving side optical fiber ;
Back Raman scattered light emitted by the interaction between the light emitted from the incident side optical fiber and the measurement object gas, and the interaction between the light reflected by the light reflector and the measurement object gas forward Raman scattered light, is disposed at a position that is incident without passing through the reflection was the light receiving side optical fiber and, optical and gas sensor you characterized by Raman scattering optical system is composed of being.
一端が光検出器に接続される受光側光ファイバと、
前記入射側光ファイバの他端から出射される光を測定対象ガスに入射し、該測定対象ガスとの相互作用により出射される光を前記受光側光ファイバの他端に入射する光学系が構成されたガス検出部と、を備え、
前記ガス検出部は、
小型光学ベンチを備え、
該小型光学ベンチには、
前記入射側光ファイバの他端を固定する入射側光ファイバ固定部と、
前記受光側光ファイバの他端を固定する受光側光ファイバ固定部と、
光を反射する光反射体と、が一体形成されており、
前記ガス検出部には、
前記測定対象ガスに光を入射する前記入射側光ファイバと、
前記入射側光ファイバの光軸を挟んで所定間隔を空けて配置され、該入射側光ファイバから出射された光と前記測定対象ガスとの相互作用により出射される前方ラマン散乱光を反射する一対の前記光反射体と、
前記一対の光反射体により反射された前方ラマン散乱光が入射する位置に配置された前記受光側光ファイバと、からラマン散乱光学系が構成されている
ことを特徴とする光学式ガスセンサ。 An incident-side optical fiber having one end connected to the light source;
A light receiving side optical fiber having one end connected to the photodetector;
An optical system is configured in which light emitted from the other end of the incident side optical fiber is incident on the measurement target gas and light emitted by interaction with the measurement target gas is incident on the other end of the light receiving side optical fiber. A gas detection unit,
The gas detection unit
With a small optical bench,
The small optical bench includes
An incident side optical fiber fixing portion for fixing the other end of the incident side optical fiber;
A light receiving side optical fiber fixing portion for fixing the other end of the light receiving side optical fiber;
And a light reflector that reflects light are integrally formed,
In the gas detector,
The incident-side optical fiber that makes light incident on the measurement object gas; and
A pair that is arranged at a predetermined interval across the optical axis of the incident side optical fiber and reflects forward Raman scattered light emitted by the interaction between the light emitted from the incident side optical fiber and the measurement object gas. Said light reflector,
It said pair of optical and gas sensor you characterized by Raman scattering optical system from said light receiving side optical fiber disposed at a position forward Raman scattered light reflected incident, the light reflector is formed.
ことを特徴とする請求項1、2または3記載の光学式ガスセンサ。 The miniature optical bench, photolithography, photo-fabrication, nanoimprint, injection molding, according to claim 1, 2 or 3 optical type, wherein the is one formed by any one of means of molding Gas sensor.
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