JP7473546B2 - 分析装置 - Google Patents

Description

本発明は、３つ以上の光源を用いた分析装置に関するものである。

従来、レーザ等の光源を用いた分析装置では、サンプルに含まれる複数の成分を測定するために、サンプルが収容される測定セルと、当該測定セルにレーザ光を照射する波長の異なる複数のレーザと、測定セルを透過した光を検出する光検出器とを備えている。

このとき、複数のレーザからのレーザ光を共通の光路にして測定セルに照射するためには、ダイクロイックミラー等の結合光学素子が用いられている。具体的には、３つ以上のレーザを用いる構成の場合には、光学系を小型化するために、光射出方向が同じ向きを向くように複数のレーザを横並びに直線状に配置し、それらの光射出側に複数のレーザと同様に結合光学素子を直線上に配置する構成としている。このような光学配置では、１つのレーザから出たレーザ光は、別のレーザに対応して設けられた２つ以上の結合光学素子を透過して測定セルに照射される構成となる。

しかしながら、上記の透過型の光学系では、結合光学素子を透過するごとにレーザ光の光量が低下してしまうという問題がある。また、結合光学素子の透過率を広帯域に亘って高くすることが難しいため、レーザの数が増えると、光量低下の問題が顕著になる。また、結合光学素子内での多重反射による迷光の干渉の影響を防ぐために、ウェッジ付きの結合光学素子を用いる場合、結合光学素子を透過する度にレーザ光が屈折するため、結合光学素子の数が増すと光軸調整が非常に困難となる。

特許第６２５５０２２号公報

そこで本発明は上記問題点を解決すべくなされたものであり、３つ以上の光源からセルに光を照射する分析装置において、各光源の光量低下を防止することをその主たる課題とするものである。

すなわち本発明に係る分析装置は、サンプルが導入されたセルに光を照射し、当該セルを透過した光を検出して、前記サンプル中に含まれる測定対象成分を分析する分析装置であって、少なくとも第１光源、第２光源及び第３光源を含む複数の光源と、前記各光源の光を前記セルに導く光学系とを備え、前記光学系は、前記第１光源の光を反射するとともに、前記第２光源の光を透過する第２光源用光学素子と、前記第２光源用光学素子を反射した前記第１光源の光及び透過した前記第２光源の光を反射するとともに、前記第３光源の光を透過する第３光源用光学素子とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、第１光源の光は、第２光源用光学素子及び第３光源用光学素子を透過することなく反射して測定セルに導かれるので、第１光源の光の光量低下を防ぐことができる。また、第２光源の光は、第２光源用光学素子を透過するだけで、それ以降は第３光源用光学素子を透過することなく反射して測定セルに導かれるので、第２光源の光の光量低下を防ぐことができる。さらに、第３光源の光は、第３光源用光学素子を透過するだけで測定セルに導かれるので、第３光源の光の光量低下を防ぐことができる。このように本発明は、１つのレーザから出たレーザ光が別のレーザに対応して設けられた２つ以上の光学素子を透過して測定セルに照射される透過型の光学系ではなく、１つのレーザから出たレーザ光が別のレーザに対応して設けられた光学素子を反射して測定セルに照射される反射型の光学系であり、各光源からの光量低下を防止することができる。

また、各光学素子内での多重反射による迷光の干渉の影響を防ぐために、ウェッジの付いた光学素子を用いることが望ましく、この場合、反射型の光学系にすることで各光源は光学素子を１度しか透過しないため、光の屈折による光軸調整の困難さが緩和される。

光源の配置の自由度を増して分析装置を小型化するためには、前記第２光源用光学素子を反射した前記第１光源の光及び透過した前記第２光源の光を反射する第２光源用反射ミラーをさらに備え、前記第３光源用光学素子は、前記第２光源用反射ミラーを反射した前記第１光源の光及び前記第２光源の光を反射するものであることが望ましい。

また、光源の配置の自由度を増して分析装置を小型化するためには、前記光学系は、前記第１光源の光を反射する第１光源用反射ミラーをさらに備え、前記第２光源用光学素子は、前記第１光源用反射ミラーを反射した前記第１光源の光を反射するものであることが望ましい。

分析装置における光源、各反射ミラー及び各光学素子の配置の自由度を増して、所望の方向に各光源の光を照射できるようにするためには、前記光学系は、前記第３光源用光学素子を反射した前記第１光源の光及び前記第２光源の光並びに透過した前記第３光源の光を反射する第３光源用反射ミラーをさらに備えることが望ましい。

光学系を小型化するためには、前記各反射ミラー及び前記各光学素子は、反射する光の入射角度が４５度未満となるように配置されていることが望ましい。

具体的には、前記第１光源、前記第２光源及び前記第３光源は、射出する光の波長が互いに異なることが望ましい。

各光源及び各光学素子の具体的な実施の態様としては、前記第１光源、前記第２光源及び前記第３光源は、射出する光の波長が短い順に配置され、前記第２光源用光学素子は、前記第２光源の波長以上の光を透過させるものであり、前記第３光源用光学素子は、前記第３光源の波長以上の光を透過させるものであることが望ましい。
この構成であれば、第２光源用光学素子及び第３光源用光学素子を、対応する光源からの光の波長よりも短い波長を遮断するロングパスフィルタ（短波長カットフィルタ）とすることができ、光学素子の設計が容易となる。

また、各光源及び各光学素子の具体的な実施の態様としては、前記第１光源、前記第２光源及び前記第３光源は、射出する光の波長が長い順に配置され、前記第２光源用光学素子は、前記第２光源の波長以下の光を透過させるものであり、前記第３光源用光学素子は、前記第３光源の波長以下の光を透過させるものであることが望ましい。
この構成であれば、第２光源用光学素子及び第３光源用光学素子を、対応する光源からの光の波長よりも長い波長を遮断するショートパスフィルタ（長波長カットフィルタ）とすることができ、光学素子の設計が容易となる。

また、前記各光源は、レーザ光源であり、所定の変調周波数で波長が変調された変調光を射出するものであることが考えられる。
この構成であれば、所定の変調周波数で波長が変調された変調光を射出して得られた強度関連信号を用いることにより測定対象成分を分析することができる。その結果、測定対象成分の濃度に与える干渉成分の影響を低減することができる。

本発明の分析装置は、前記セルを透過した光の強度を検出する光検出器と、前記光検出器により検出された光の強度に関連する強度関連信号と、当該強度関連信号に対して所定の相関が得られる特徴信号との相関値であるサンプル相関値を算出する相関値算出部と、前記サンプル相関値を用いて前記測定対象成分の濃度を算出する濃度算出部とを備えることが望ましい。
この構成であれば、セルを透過した光の強度に関連する強度関連信号と特徴信号とのサンプル相関値を算出し、算出されたサンプル相関値を用いて測定対象成分の濃度を算出するので、吸収信号を吸収スペクトルへ変換することなく、吸収信号の特徴を劇的に少ない変数で捉えることができ、複雑なスペクトル演算処理をすることなく、測定対象成分の濃度を簡単な演算で測定できる。例えば一般的なスペクトルフィッティングで用いるデータ点数は数百点必要だが、本発明ではせいぜい数個から数十個程度の相関値を使えば同等の精度で濃度の算出が可能となる。その結果、演算処理の負荷を劇的に小さくすることができ、高度な演算処理装置が不要となり、分析装置のコストを削減することができるとともに、小型化が可能となる。

そして、本発明の分析装置は、前記セルを透過した光の強度を検出する光検出器と、前記光検出器により検出された光の強度に関連する強度関連信号から、前記変調周波数のｎ倍（ｎは１以上の整数）の周波数成分を抽出する周波数成分抽出部と、前記周波数成分抽出部による周波数成分抽出結果に基づいて、前記測定対象成分の濃度又は吸光度を算出する第２算出部とをさらに備えることが望ましい。
この構成であれば、周波数成分抽出部によって得られた値が直接、測定対象成分の濃度に比例した値となるため、従来の波長変調方式で必要であった濃度定量のためのスペクトル演算処理も不要となり、かつ、変調周波数も単一でよいので、システムがより簡便、低コストになる。

以上に述べた本発明によれば、３つ以上の光源からセルに光を照射する分析装置において、各光源からの光量低下を防止することができる。

本発明の一実施形態に係る分析装置の全体模式図である。 同実施形態の光学系の詳細を示す模式図である。 同実施形態における変形例の光学系の詳細を示す模式図である。 同実施形態における信号処理装置の機能ブロック図である。 同実施形態におけるレーザ発振波長の変調方法を示す模式図である。 同実施形態における発振波長、光強度Ｉ（ｔ）、対数強度Ｌ（ｔ）、特徴信号Ｆ_ｉ（ｔ）、相関値Ｓ_ｉの一例を示す時系列グラフである。 同実施形態の単独相関値及びサンプル相関値を用いた濃度算出の概念図を示す図である。 第２実施形態における信号処理装置の機能ブロック図である。 第２実施形態における変調信号、光検出器の出力信号、測定結果の一例を示す時系列グラフである。 光学系の変形例を示す模式図である。 光学系の変形例を示す模式図である。 光学系の変形例を示す模式図である。 疑似連続発振における駆動電流（電圧）及び変調信号を示す図である。 疑似連続発振による測定原理を示す模式図である。 変形実施形態における複数の半導体レーザのパルス発振タイミング及び光強度信号の一例を示す模式図である。 変形実施形態における信号処理装置の機能ブロック図である。

１００・・・分析装置
１１ ・・・セル
１２１・・・第１光源
１２２・・・第２光源
１２３・・・第３光源
１３ ・・・光学系
Ｍ１ ・・・第１光源用反射ミラー
Ｅ２ ・・・第２光源用光学素子
Ｍ２ ・・・第２光源用反射ミラー
Ｅ３ ・・・第３光源用光学素子
Ｍ３ ・・・第３光源用反射ミラー
１４ ・・・光検出器
１７２・・・相関値算出部
１７４・・・濃度算出部
１７６・・・周波数成分抽出部
１７７・・・濃度算出部

＜第１実施形態＞
以下、本発明の第１実施形態に係る分析装置１００について、図面を参照しながら説明する。

本実施形態の分析装置１００は、例えば内燃機関からの排ガスなどのサンプルガス中に含まれる測定対象成分（ここでは、例えばＣＯ、ＣＯ_２、Ｎ_２Ｏ、ＮＯ、ＮＯ_２、Ｈ_２Ｏ、ＳＯ_２、ＣＨ_４、ＮＨ_３など）の濃度を測定する濃度測定装置である。

具体的に分析装置１００は、図１に示すように、サンプルガスが導入されるセル１１と、セル１１に照射されるレーザ光を射出する複数のレーザ光源１２と、複数のレーザ光源１２からの光をセル１１に導く光学系１３と、セル１１を透過したレーザ光であるサンプル光の光路上に設けられてサンプル光を受光する光検出器１４と、光検出器１４の出力信号を受信し、その値に基づいて測定対象成分の濃度を算出する信号処理装置１５とを備えている。

各部１１～１５を説明する。
セル１１は、測定対象成分の吸収波長帯域において光の吸収がほとんどない石英、フッ化カルシウム、フッ化バリウム等の透明材質で光の入射口及び出射口が形成されたものである。このセル１１には、図示しないが、サンプルガスを内部に導入するためのインレットポートと、内部のサンプルガスを排出するためのアウトレットポートとが設けられており、サンプルガスは、このインレットポートからセル１１内に導入されて封入される。

複数のレーザ光源１２は、ここでは半導体レーザ１２の一種である量子カスケードレーザ（ＱＣＬ：Quantum Cascade Laser）であり、中赤外（４～１２μｍ）のレーザ光を発振する。このレーザ光源１２は、与えられた電流（又は電圧）によって、発振波長を変調（変える）ことが可能なものである。なお、発振波長が可変でさえあれば、他のタイプのレーザを用いても良く、発振波長を変化させるために、温度を変化させる等しても構わない。本実施形態では４つの半導体レーザ１２１～１２４を有する構成を例示しているが、３つ以上であれば、これに限られない。

光学系１３は、図２Ａに示すように、複数の半導体レーザ１２１～１２４から射出されるレーザ光の光路を共通にしてセル１１に照射するものである。なお、以下において、複数の半導体レーザ１２１～１２４を、図２Ａにおいて左から、第１レーザ１２１、第２レーザ１２２、第２レーザ１２３、及び第４レーザ１２４という。

具体的に光学系１３は、第１レーザ１２１に対応して設けられた第１光源用反射ミラーＭ１（以下、第１反射ミラーＭ１）と、第２レーザ１２２に対応して設けられた第２光源用光学素子Ｅ２（以下、第２光学素子Ｅ２）及び第２光源用反射ミラーＭ２（以下、第２反射ミラーＭ２）と、第３レーザ１２３に対応して設けられた第３光源用光学素子Ｅ３（以下、第３光学素子Ｅ３）及び第３光源用反射ミラーＭ３（以下、第３反射ミラーＭ３）と、第４レーザ１２４に対応して設けられた第４光源用光学素子Ｅ４（以下、第４光学素子Ｅ４）及び第４光源用反射ミラーＭ４（以下、第４反射ミラーＭ４）と、を備えている。なお、各光学素子Ｅ２～Ｅ４は、光学素子内の多重反射による迷光の干渉の影響を防ぐため、図２Ｂに示すように、ウェッジ付きのものを用いても良い。ここで、ウェッジの角度としては、例えば０．３～０．５度程度とすることが考えられる。

第１反射ミラーＭ１は、第１レーザ１２１の光（以下、第１レーザ光）を反射するものである。第１反射ミラーＭ１により反射された第１レーザ光は、第２光学素子Ｅ２に向かう。

第２光学素子Ｅ２は、第１レーザ光を反射するとともに、第２光源の光（以下、第２レーザ光）を透過するものである。第２光学素子Ｅ２により反射された第１レーザ光と、第２光学素子Ｅ２を透過した第２レーザ光とは、互いに同じ光路上を通って、第２反射ミラーＭ２に向かう。

第２反射ミラーＭ２は、第２光学素子Ｅ２を反射した第１レーザ光、及び、第２光学素子Ｅ２を透過した第２レーザ光を反射するものである。そして、第２反射ミラーＭ２により反射された第１レーザ光及び第２レーザ光は、互いに同じ光路上を通って、第３光学素子Ｅ３に向かう。

第３光学素子Ｅ３は、第１レーザ光及び第２レーザ光を反射するとともに、第３光源の光（以下、第３レーザ光）を透過するものである。第３光学素子Ｅ３により反射された第１レーザ光及び第２レーザ光と、第３光学素子Ｅ３を透過した第３レーザ光とは、互いに同じ光路上を通って、第３反射ミラーＭ３に向かう。

第３反射ミラーＭ３は、第３光学素子Ｅ３を反射した第１レーザ光及び第２レーザ光、並びに、第３光学素子Ｅ３を透過した第３レーザ光を反射するものである。そして、第３反射ミラーＭ３により反射された第１～第３レーザ光は、互いに同じ光路上を通って、第４光学素子Ｅ４に向かう。

第４光学素子Ｅ４は、第１～第３レーザ光を反射するとともに、第４光源の光（以下、第４レーザ光）を透過するものである。第４光学素子Ｅ４により反射された第１～第３レーザ光と、第４光学素子Ｅ４を透過した第４レーザ光とは、互いに同じ光路上を通って、第４反射ミラーＭ４に向かう。

第４反射ミラーＭ４は、第４光学素子Ｅ４を反射した第１～第３レーザ光、及び第４光学素子Ｅ４を透過した第４レーザ光を反射するものである。そして、第４反射ミラーＭ４により反射された第１～第４レーザ光は、互いに同じ光路上を通って、セル１１に向かう。

この光学系１３により、第１レーザ光は、第１反射ミラーＭ１、第２光学素子Ｅ２、第２反射ミラーＭ２、第３光学素子Ｅ３、第３反射ミラーＭ３、第４光学素子Ｅ４、第４反射ミラーＭ４をこの順で反射してセル１１に照射される。第２レーザ光は、第２光学素子Ｅ２を透過した後、第２反射ミラーＭ２、第３光学素子Ｅ３、第３反射ミラーＭ３、第４光学素子Ｅ４、第４反射ミラーＭ４をこの順で反射してセル１１に照射される。第３レーザ光は、第３光学素子Ｅ３を透過した後、第３反射ミラーＭ３、第４光学素子Ｅ４、第４反射ミラーＭ４をこの順で反射してセル１１に照射される。第４レーザ光は、第４光学素子Ｅ４を透過した後、第４反射ミラーＭ４で反射してセル１１に照射される。

本実施形態では、第１レーザ１２１、第２レーザ１２２、第３レーザ１２３及び第４レーザ１２４は、セル１１からの光路が長くなる側（図２Ａの紙面左側）から、射出するレーザ光の波長が短い順に配置されている。そして、第２光学素子Ｅ２は、第２レーザ１２２の波長以上のレーザ光を透過させるとともに、第１レーザ光を反射するロングパスフィルタ（短波長カットフィルタ）である。また、第３光学素子Ｅ３は、第３レーザ１２３の波長以上のレーザ光を透過させるとともに、第１レーザ光及び第２レーザ光を反射するロングパスフィルタ（短波長カットフィルタ）である。さらに、第４光学素子Ｅ４は、第４レーザ１２４の波長以上のレーザ光を透過させるとともに、第１～第３レーザ光を反射するロングパスフィルタ（短波長カットフィルタ）である。

また、本実施形態では、図２Ａに示すように、第１レーザ１２１、第２レーザ１２２、第３レーザ１２３及び第４レーザ１２４は、光射出方向が同じ向きを向くように横並びに直線上に配置されている。そして、少なくとも第１～第３反射ミラーＭ１～Ｍ３は、対応するレーザ１２１、１２２、１２３と同様に、それらの光射出側に横並びに直線上に配置されている。なお、第４反射ミラーＭ４は、反射したレーザ光をセル１１に向かわせるものであり、その位置は適宜設定される。

さらに、本実施形態では、少なくとも第１～第３反射ミラーＭ１～Ｍ３及び各光学素子Ｅ２～Ｅ４は、反射するレーザ光の入射角度が４５度未満となるように配置されている。つまり、少なくとも第１～第３反射ミラーＭ１～Ｍ３及び各光学素子Ｅ２～Ｅ４において入射光と反射光とのなす角度が９０度未満となるように配置されている。このように各反射ミラーＭ１～Ｍ３及び各光学素子Ｅ２～Ｅ４を配置することによって、光学系１３を小型化することができる。

再び、図１に戻り、光検出器１４及び信号処理装置１５について説明する。

光検出器１４は、ここでは、比較的安価なサーモパイル等の熱型のものを用いているが、その他のタイプのもの、例えば、応答性がよいＨｇＣｄＴｅ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＡｓＳｂ、ＰｂＳｅ等の量子型光電素子を用いても構わない。

信号処理装置１５は、バッファ、増幅器等からなるアナログ電気回路と、ＣＰＵ、メモリ等からなるデジタル電気回路と、それらアナログ／デジタル電気回路間を仲立ちするＡＤコンバータ、ＤＡコンバータ等とを具備したものであり、前記メモリの所定領域に格納した所定のプログラムに従ってＣＰＵやその周辺機器が協働することによって、図３に示すように、半導体レーザ１２の出力を制御する光源制御部１６や、光検出器１４からの出力信号を受信し、その値を演算処理して測定対象成分の濃度を算出する信号処理部１７としての機能を発揮する。

以下に各部を詳述する。
光源制御部１６は、電流（又は電圧）制御信号を出力することによって各半導体レーザ１２の電流源（又は電圧源）を制御するものである。具体的に光源制御部１６は、各半導体レーザ１２の駆動電流（又は駆動電圧）を所定周波数で変化させ、半導体レーザ１２から出力されるレーザ光の発振波長を中心波長に対して所定周波数で変調させる。また、光源制御部１６は、複数の半導体レーザ１２１～１２４がそれぞれ異なる測定対象成分に対応した発振波長となるように制御する。さらに、光源制御部１６は、複数の半導体レーザ１２１～１２４がそれぞれ異なるタイミングでレーザ光を出力するように制御する。

この実施形態においては、光源制御部１６は駆動電流を三角波状に変化させ、発振周波数を三角波状に変調する（図５の「発振波長」参照）。実際には、発振周波数が三角波状になるように、駆動電流の変調を別の関数で行う。また、レーザ光の発振波長は、図４に示すように、測定対象成分の光吸収スペクトルのピークを中心波長として変調されるようにしてある。その他、光源制御部１６は、駆動電流を正弦波状や鋸波状、または任意の関数状に変化させ、発振周波数を正弦波状や鋸波状、または任意の関数状に変調してもよい。

図３を参照して、信号処理部１７は、対数演算部１７１、相関値算出部１７２、格納部１７３、濃度算出部１７４等からなる。

対数演算部１７１は、光検出器１４の出力信号である光強度信号に対数演算を施すものである。光検出器１４により得られる光強度信号の継時変化を示す関数Ｉ（ｔ）は、図５の「光強度Ｉ（ｔ）」のようになり、対数演算を施すことにより、図５の「対数強度Ｌ（ｔ）」のようになる。

相関値算出部１７２は、サンプル光の強度に関連する強度関連信号と複数の所定の特徴信号とのそれぞれの相関値を算出するものである。特徴信号とは、強度関連信号と相関を取ることで、強度関連信号の波形特徴を抽出するための信号である。特徴信号としては、例えば正弦波信号や、それ以外の強度関連信号から抽出したい波形特徴に合わせた様々な信号を用いることができる。

以下では、特徴信号に正弦波信号以外のものを用いた場合の例を説明する。相関値算出部１７２は、サンプル光の強度に関連する強度関連信号と、当該強度関連信号に対して正弦波信号（正弦関数）とは異なる相関が得られる複数の特徴信号とのそれぞれの相関値を算出する。ここでは、相関値算出部１７２は、対数演算された光強度信号（対数強度Ｌ（ｔ））を強度関連信号として用いる。

また、相関値算出部１７２は、測定対象成分の種類数及び干渉成分の種類数を合わせた数以上の数の特徴信号Ｆ_ｉ（ｔ）（ｉ＝１，２，・・・，ｎ）を用いて、下式（数１）により、複数のサンプル相関値Ｓ_ｉ（ｔ）を算出するものである。なお、数１におけるＴは、変調の周期である。

相関値算出部１６２は、サンプル相関値を算出する時、上式（数１）のように、サンプル光の強度関連信号Ｌ（ｔ）と複数の特徴信号Ｆ_ｉ（ｔ）との相関値Ｓ_ｉを求める。また、相関値算出部１６２は、上式（数１）のように、リファレンス光の強度関連信号Ｌ_０（ｔ）と複数の特徴信号Ｆ_ｉ（ｔ）との相関値であるリファレンス相関値Ｒ_ｉを求める。そして、相関値算出部１６２は、上式（数１）のように、相関値Ｓ_ｉからリファレンス相関値Ｒ_ｉを差し引いたサンプル相関値Ｓ_ｉ’を算出する。これにより、サンプル相関値に含まれるオフセットを除去し、測定対象成分及び干渉成分の濃度に比例した相関値となり、測定誤差を低減できる。なお、リファレンス相関値を差し引かない構成であっても良い。

ここで、リファレンス光の取得タイミングは、サンプル光と同時、測定の前後又は任意のタイミングである。リファレンス光の強度関連信号又はリファレンス相関値は、予め取得して格納部１７３に記憶させておいても良い。また、リファレンス光を同時に取得する方法は、例えば、光検出器１４を２つ設けて、半導体レーザ１２からの変調光をビームスプリッタなどにより分岐させて、一方をサンプル光測定用とし、他方をリファレンス光測定用とすることが考えられる。

本実施形態では、相関値算出部１７２は、複数の特徴信号Ｆ_ｉ（ｔ）として、正弦関数よりも対数強度Ｌ（ｔ）の波形特徴を捉えやすい関数を用いている。測定対象成分（例えばＳＯ_２）及び１つの干渉成分（例えばＨ_２Ｏ）を含むサンプルガスの場合には、２つ以上の特徴信号Ｆ_１（ｔ）、Ｆ_２（ｔ）を用いることが考えられ、２つの特徴信号Ｆ_１（ｔ）、Ｆ_２（ｔ）としては、例えば、吸収スペクトルの形に近いローレンツ関数に基づいた関数と、当該ローレンツ関数に基づいた関数の微分関数とを用いることが考えられる。また、特徴信号としては、ローレンツ関数に基づいた関数の代わりに、フォークト関数に基づいた関数、又はガウス関数に基づいた関数等を用いることもできる。このような関数を特徴信号に用いることで、正弦関数を用いた時よりもより大きな相関値を得ることができ、測定精度を向上させることができる。

ここで、特徴信号は、直流成分を除去、すなわち変調周期で積分した時にゼロになるようにオフセットを調整することが望ましい。こうすることで、光強度の変動による強度関連信号にオフセットが乗った時の影響を除去することができる。なお、特徴信号の直流成分を除去する代わりに、強度関連信号の直流成分を除去してもよいし、特徴信号と強度関連信号の両方とも直流成分を除去してもよい。その他、特徴信号として、測定対象成分及び／又は干渉成分の吸収信号の実測値、またはそれらを模したものをそれぞれ用いてもよい。

なお、２つの特徴信号Ｆ_１（ｔ）、Ｆ_２（ｔ）を互いに直交する直交関数列又は直交関数列に近い関数列とすることにより、対数強度Ｌ（ｔ）の特徴をより効率的に抽出することができ、後述する連立方程式により得られる濃度を精度良くすることができる。

格納部１７３は、測定対象成分及び各干渉成分が単独で存在する場合のそれぞれの強度関連信号と複数の特徴信号Ｆ_ｉ（ｔ）とから求められた測定対象成分及び各干渉成分それぞれの単位濃度当たりの相関値である単独相関値を格納するものである。この単独相関値を求めるのに用いる複数の特徴信号Ｆ_ｉ（ｔ）は、相関値算出部１７２で用いる複数の特徴信号Ｆ_ｉ（ｔ）と同一である。

ここで、格納部１７３は、単独相関値を格納する時、測定対象成分及び各干渉成分が単独で存在する場合の相関値からリファレンス相関値を差し引いた上で、単位濃度当たりに換算する補正をした単独相関値を格納することが望ましい。これにより、単独相関値に含まれるオフセットを除去し、測定対象成分及び干渉成分の濃度に比例した相関値となり、測定誤差を低減できる。なお、リファレンス相関値を差し引かない構成であっても良い。

濃度算出部１７４は、相関値算出部１７２により得られた複数のサンプル相関値を用いて測定対象成分の濃度を算出するものである。

具体的に濃度算出部１７４は、相関値算出部１７２により得られた複数のサンプル相関値と、格納部１７３に格納された複数の単独相関値とに基づいて、測定対象成分の濃度を算出するものである。より詳細には、濃度算出部１７４は、相関値算出部１７２により得られた複数のサンプル相関値と、格納部１７３に格納された複数の単独相関値と、測定対象成分及び各干渉成分それぞれの濃度とからなる連立方程式を解くことにより、測定対象成分の濃度を算出するものである。

次に、前記各部の詳細説明を兼ねて、この分析装置１００の動作の一例を説明する。以下では、サンプルガス中に１つの測定対象成分（例えばＳＯ_２）と１つの干渉成分（例えばＨ_２Ｏ）とが含まれる場合を想定している。

＜リファレンス測定＞
まず、光源制御部１６が、各半導体レーザ１２１～１２４を制御し、変調周波数で且つ測定対象成分の吸収スペクトルのピークを中心に、レーザ光の波長を変調する。なお、スパンガスを用いたリファレンス測定の前に、ゼロガスを用いたリファレンス測定を行い、リファレンス相関値の測定を行ってもよい。

次に、オペレータにより又は自動的に、セル１１内にスパンガス（成分濃度既知のガス）が導入されて、リファレンス測定が行われる。このリファレンス測定は、測定対象成分が単独で存在するスパンガスと、干渉成分が単独で存在するスパンガスとのそれぞれにおいて行われる。

具体的には、リファレンス測定において、対数演算部１７１が光検出器１４の出力信号を受信して対数強度Ｌ（ｔ）を算出する。そして、相関値算出部１７２は、その対数強度Ｌ（ｔ）と２つの特徴信号Ｆ_１（ｔ）、Ｆ_２（ｔ）との相関値を算出し、その相関値からリファレンス相関値を差し引いたものをスパンガスの濃度で割ることにより、単位濃度当たりの各スパンガスの相関値である単独相関値を算出する。なお、単位濃度あたりの単独相関値を算出する代わりに、スパンガス濃度と当該スパンガスの単独相関値との関係を記憶させておいても良い。

具体的には以下の通りである。
測定対象成分が単独で存在するスパンガスをセル１内に導入することにより、相関値算出部１７２により測定対象成分の相関値Ｓ_１ｔ、Ｓ_２ｔを算出する（図６参照）。ここで、Ｓ_１ｔは、第１の特徴信号との相関値であり、Ｓ_２ｔは、第２の特徴信号との相関値である。そして、相関値算出部１６２は、それら相関値Ｓ_１ｔ、Ｓ_２ｔからリファレンス相関値Ｒ_ｉを差し引いたものを測定対象成分のスパンガス濃度ｃ_ｔで割ることにより、単独相関値ｓ_１ｔ、ｓ_２ｔを算出する。なお、測定対象成分のスパンガス濃度ｃ_ｔは、予めユーザ等により信号処理部１７に入力される。

また、干渉成分が単独で存在するスパンガスをセル１内に導入することにより、相関値算出部１７２により干渉成分の相関値Ｓ_１ｉ、Ｓ_２ｉを算出する（図６参照）。ここで、Ｓ_１ｉは、第１の特徴信号との相関値であり、Ｓ_２ｉは、第２の特徴信号との相関値である。そして、相関値算出部１７２は、それら相関値Ｓ_１ｉ、Ｓ_２ｉからリファレンス相関値を差し引いたものを干渉成分のスパンガス濃度ｃ_ｉで割ることにより、単独相関値ｓ_１ｉ、ｓ_２ｉを算出する。なお、干渉成分のスパンガス濃度ｃ_ｉは、予めユーザ等により信号処理部１７に入力される。

上記により算出された単独相関値ｓ_１ｔ、ｓ_２ｔ、ｓ_１ｉ、ｓ_２ｉは、格納部１７３に格納される。なお、このリファレンス測定は、製品出荷前に行うようにしても良いし、定期的に行うようにしてもよい。

＜サンプル測定＞
光源制御部１６が、各半導体レーザ１２１～１２４を制御し、変調周波数で且つ測定対象成分の吸収スペクトルのピークを中心に、レーザ光の波長を変調する。

次に、オペレータにより又は自動的に、セル１１内にサンプルガスが導入されて、サンプル測定が行われる。

具体的には、サンプル測定において、対数演算部１７１が光検出器１４の出力信号を受信して対数強度Ｌ（ｔ）を算出する。そして、相関値算出部１７２は、その対数強度Ｌ（ｔ）と複数の特徴信号Ｆ_１（ｔ）、Ｆ_２（ｔ）とのサンプル相関値を算出し、その相関値からリファレンス相関値Ｒ_ｉを差し引いたサンプル相関値Ｓ_１’、Ｓ_２’を算出する（図６参照）。

そして、濃度算出部１７４は、相関値算出部１７２が算出したサンプル相関値Ｓ_１’、Ｓ_２’と、格納部１７３の単独相関値ｓ_１ｔ、ｓ_２ｔ、ｓ_１ｉ、ｓ_２ｉと、測定対象成分及び各干渉成分それぞれの濃度Ｃ_ｔａｒ、Ｃ_ｉｎｔとからなる以下の二元連立方程式を解く。

これにより、上式（数２）の連立方程式を解くという簡単かつ確実な演算により、干渉影響が取り除かれた測定対象成分の濃度Ｃ_ｔａｒを決定することができる。

なお、干渉成分が２以上存在すると想定し得る場合でも、干渉成分の数だけ、単独相関値を追加して、成分種の数と同じ元数の連立方程式を解くことで、同様に干渉影響が取り除かれた測定対象成分の濃度を決定することができる。

すなわち、一般に測定対象成分と干渉成分を合わせてｎ種のガスが存在する場合、ｍ番目の特徴信号におけるｋ番目のガス種の単独相関値をｓ_ｍｋ、ｋ番目のガス種の濃度をＣ_ｋ、ｍ番目の特徴信号Ｆ_ｍ（ｔ）におけるサンプル相関値をＳ_ｍ’とすると、以下の式（数３）が成り立つ。

この式（数３）で表されるｎ元連立方程式を解くことで、測定対象成分及び干渉成分の各ガスの濃度を決定することができる。

＜第１実施形態の効果＞
このように構成した本実施形態の分析装置１００であれば、各レーザ１２１～１２４から射出されたレーザ光は最大でも１つの光学素子Ｅ２～Ｅ４しか通過しないので、各レーザ１２１～１２４から射出されたレーザ光の光量低下を防ぐことができる。その結果、光学素子Ｅ２～Ｅ４を通過することにより生じる各レーザ１２１～１２４の光量のばらつきを抑えることができ、分析装置１００における各測定対象成分の測定精度を向上させることができる。またウェッジ付きの光学素子を用いた場合でも各レーザ光は光学素子を１度しか通過しないため、光の屈折による光軸調整の困難さが緩和されている。

＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態に係る分析装置１００について説明する。第２実施形態の分析装置１００は、前記第１実施形態とは信号処理部１７の構成が異なる。

第２実施形態の信号処理部１７は、図７に示すように、強度比対数算出部１７５、周波数成分抽出部１７６、濃度算出部１７７等からなる。

強度比対数算出部１７５は、サンプルガスが封入され、その中の測定対象成分による光吸収が生じる状態でのセル１１を透過したレーザ光（以下、透過光ともいう。）の光強度と、光吸収が実質的にゼロ状態でのセル１１を透過したレーザ光（以下、リファレンス光ともいう。）の光強度との比の対数（以下、強度比対数ともいう。）を算出するものである。

より詳細に説明すると、透過光の光強度及びリファレンス光の光強度のいずれも光検出器１４により測定され、その測定結果データはメモリの所定領域に格納されるところ、強度比対数算出部１７５は、この測定結果データを参照して強度比対数（以下、強度関連信号ともいう。）を算出する。このように本実施形態では、強度関連信号として吸光度信号を用いてもよい。

しかして、前者の測定（以下、サンプル測定ともいう。）は、当然のことながら、サンプルガスごとに都度行われる。後者の測定（以下、リファレンス測定ともいう。）は、サンプル測定の前後にいずれかに都度行ってもよいし、適宜のタイミングで、例えば１回だけ行い、その結果をメモリに記憶させて各サンプル測定に共通に用いてもよい。

なお、この実施形態においては、光吸収が実質的にゼロとなる状態とするために、測定対象成分の光吸収がみられる波長帯域において、光吸収が実質的にゼロとなるゼロガス、例えばＮ_２ガスをセル１１に封入しているが、その他のガスでもよいし、セル１１内を真空にしても構わない。また、サンプル測定を行うセル１１とは別に参照測定を行うセルを設けて、半導体レーザ１２からの変調光をハーフミラーなどにより分岐させて、２つのセルに導入してもよい。

周波数成分抽出部１７６は、強度比対数算出部１７５が算出した強度関連信号を、変調周波数のｎ倍（ｎは１以上の整数）の周波数を有する正弦波信号（リファレンス信号）でロックイン検波して、当該強度関連信号からリファレンス信号の有する周波数成分を抽出して、同期検波信号を生成するものである。なお、ロックイン検波は、デジタル演算で行ってもよいし、アナログ回路による演算で行ってもよい。また、周波数成分の抽出は、ロックイン検波のみならず、例えばフーリエ級数展開といった方式を用いても構わない。

濃度算出部１７７は、周波数成分抽出部１７６による同期検波結果に基づいて、測定対象成分の濃度を算出するものである。

次に、上記各部の詳細説明を兼ねて、この分析装置１００の動作の一例を説明する。

まず、光源制御部１６が、各半導体レーザ１２１～１２４を制御し、前記変調周波数で、かつ測定対象成分の吸収スペクトルのピークを中心に、レーザ光の波長を変調する。

次に、オペレータにより又は自動的に、セル１１内にゼロガスが封入されると、これを検知した強度比対数算出部１７５は、リファレンス測定を行う。

具体的には、ゼロガスがセル１１に封入された状態での光検出器１４からの出力信号を受信し、その値を測定結果データ格納部に格納する。このリファレンス測定における光検出器１４の出力信号の値、すなわちリファレンス光強度を時系列グラフで表すと、図８（ａ）のようになる。すなわち、レーザの駆動電流（電圧）の変調による光出力の変化のみが光検出器１３の出力信号に表れている。

そこで、オペレータにより又は自動的にセル１１内にサンプルガスが封入されると、強度比対数算出部１７５は、サンプル測定を行う。具体的には、サンプルガスがセル１１に封入された状態での光検出器１４からの出力信号を受信し、その値をメモリの所定領域に格納する。このサンプル測定における光検出器１４の出力信号の値、すなわち透過光強度を時系列グラフで表すと、図８（ｂ）のようになる。変調の半周期ごとに吸収によるピークが現れることがわかる。

次に、強度比対数算出部１７５は、各測定データを変調周期に同期させ、透過光の光強度と、リファレンス光の光強度との強度比対数（強度関連信号）を算出する。具体的には、以下の式（数４）と均等な演算を行う。

ここで、Ｄ_ｍ（ｔ）は透過光強度、Ｄ_ｚ（ｔ）はリファレンス光強度、Ａ（ｔ）は強度比対数（強度関連信号）である。この強度関連信号を時間を横軸にとってグラフに表すと図８（ｃ）のようになる。

このとき、透過光強度とリファレンス光強度との比を算出してからその対数を求めてもよいし、透過光強度の対数及びリファレンス光強度の対数をそれぞれ求め、それらを差し引いても構わない。

次に、周波数成分抽出部１７６が、強度関連信号を変調周波数の２倍の周波数を有するリファレンス信号でロックイン検波、すなわち、変調周波数の２倍の周波数成分を抽出し、その同期検波信号（以下、ロックインデータともいう。）を、メモリの所定領域に格納する。

このロックインデータの値が、測定対象成分の濃度に比例した値となり、濃度算出部１７７が、このロックインデータの値に基づいて、測定対象成分の濃度を示す濃度指示値を算出する。

しかして、このような構成によれば、何らかの要因でレーザ光強度が変動したとしても前述した強度比対数には、一定のオフセットが加わるだけで、波形は変化しない。したがって、これをロックイン検波して算出された各周波数成分の値は変化せず、濃度指示値は変化しないため、精度のよい測定が期待できる。

その理由を詳細に説明すると以下のとおりである。
一般的に、強度関連信号Ａ（ｔ）をフーリエ級数展開すると、次式（数５）で表される。
なお、式（数５）におけるａ_ｎが測定対象成分の濃度に比例する値であり、この値ａ_ｎに基づいて濃度算出部１７７が測定対象成分の濃度を示す濃度指示値を算出する。

ここで、ｆ_ｍは変調周波数であり、ｎは変調周波数に対する倍数である。

一方、Ａ（ｔ）は、前記式（数１）とも表される。

次に、測定中に何らかの要因でレーザ光強度がα倍変動した場合の、強度関連信号Ａ’（ｔ）は、以下の式（数６）のように表される。

この式（数６）から明らかなように、Ａ’（ｔ）は、レーザ光強度の変動のない場合の強度関連信号Ａ（ｔ）に一定値である－ｌｎ（α）が加わるだけとなり、レーザ光強度が変化しても各周波数成分の値ａ_ｎは変化しないことがわかる。

よって、変調周波数の２倍の周波数成分の値に基づいて決定している濃度指示値には影響はでない。
以上が、サンプルガスに測定対象成分以外の干渉成分が含まれていない場合の試料分析装置１００の動作例である。

次に、測定対象成分のピーク光吸収波長に光吸収を有する１又は複数の干渉成分（例えばＨ_２Ｏ）がサンプルガスに含まれている場合の試料分析装置１００の動作例について説明する。

まず、原理を説明する。
測定対象成分と干渉成分の光吸収スペクトルは形状が違うため、それぞれの成分が単独で存在する場合の強度関連信号は波形が異なり、各周波数成分の割合が異なる（線形独立）。このことを利用し、測定された強度関連信号の各周波数成分の値と、あらかじめ求めた測定対象成分と干渉成分の強度関連信号の各周波数成分との関係を用いて、連立方程式を解くことにより、干渉影響が補正された測定対象成分の濃度を得ることができる。

測定対象成分、干渉成分のそれぞれが単独で存在する場合の単位濃度当たりの強度関連信号をそれぞれＡ_ｍ（ｔ）、Ａ_ｉ（ｔ）とし、それぞれの強度関連信号の各周波数成分をａ_ｎｍ、ａ_ｎｉとすると、以下の式（数７、数８）が成り立つ。

測定対象成分、干渉成分の濃度がそれぞれＣ_ｍ、Ｃ_ｉで存在する場合の強度関連信号値Ａ（ｔ）は、各吸光度の線形性により、以下の式（数９）で表される。

ここで、Ａ（ｔ）のｆ_ｍと２ｆ_ｍの周波数成分をそれぞれａ_１、ａ_２とすれば、上式（数９）より、以下の連立方程式（数１０）が成り立つ。

測定対象成分、干渉成分のそれぞれが単独で存在する場合の各周波数成分ａ_ｎｍ、ａ_ｎｉ（ｎは自然数、ここではｎ＝１，２）は、あらかじめ、各スパンガスを流して求めておくことができるので、上式（数１０）の連立方程式を解くという簡単かつ確実な演算により、干渉影響が取り除かれた測定対象ガスの濃度Ｃ_ｍを決定することができる。

上述した原理に基づいて分析装置１００は動作する。
すなわち、この場合の分析装置１００は、メモリの所定領域に、例えば事前にスパンガスを流して予め測定するなどして、測定対象成分及び干渉成分が単独で存在する場合のそれぞれの強度関連信号の周波数成分ａ_１ｍ、ａ_２ｍ、ａ_１ｉ、ａ_２ｉを記憶している。具体的には、前例同様、測定対象成分及び干渉成分それぞれにおいて、測定対象光強度とリファレンス光強度とを測定して、それらの強度比対数（強度関連信号）を算出し、この強度比対数からロックイン検波するなどして周波数成分ａ_１ｍ、ａ_２ｍ、ａ_１ｉ、ａ_２ｉを求め、これらを記憶する。なお、前記周波数成分ではなく、単位濃度当たりの強度関連信号Ａ_ｍ（ｔ）、Ａ_ｉ（ｔ）を記憶して、前記式（数７、数８）から周波数成分ａ_１ｍ、ａ_２ｍ、ａ_１ｉ、ａ_２ｉを算出するようにしてもよい。

そして、該分析装置１００は、オペレータからの入力などによって、測定対象成分及び干渉成分を特定する。

次に、強度比対数算出部１７５が、式（数４）に従って強度比対数Ａ（ｔ）を算出する。
その後、周波数成分抽出部１７６が、強度比対数を変調周波数ｆ_ｍ及びその２倍の周波数２ｆ_ｍを有するリファレンス信号でロックイン検波して、各周波数成分ａ_１、ａ_２（ロックインデータ）を抽出し、メモリの所定領域に格納する。

そして、濃度算出部１７７が、ロックインデータの値ａ_１、ａ_２及びメモリに記憶された周波数成分ａ_１ｍ、ａ_２ｍ、ａ_１ｉ、ａ_２ｉの値を前記式（数１０）に当てはめ、あるいはこれと均等な演算を行って、干渉影響が取り除かれた測定対象ガスの濃度を示す濃度（又は濃度指示値）Ｃ_ｍを算出する。このとき、各干渉成分の濃度（又は濃度指示値）Ｃ_ｉを算出してもよい。

なお、干渉成分が２以上存在すると想定し得る場合でも、干渉成分の数だけ、より高次の周波数成分を追加して、成分種の数と同じ元数の連立方程式を解くことで、同様に干渉影響が取り除かれた測定対象成分の濃度を決定することができる。

すなわち、一般に測定対象成分と干渉成分を合わせてｎ種のガスが存在する場合、ｋ番目のガス種のｉ×ｆ_ｍの周波数成分を、ａ_ｉｋ、ｋ番目のガス種の濃度をＣ_ｋとすると、以下の式（数１１）が成り立つ。

この式（数１１）で表されるｎ元連立方程式を解くことで、測定対象成分及び干渉成分の各ガスの濃度を決定することができる。

またｎより大きい次数の高調波成分も追加して、ガス種の数より大きい元数の連立方程式を作り、最小二乗法で、各ガス濃度を決定してもよく、こうすることで、より測定ノイズに対しても誤差の小さい濃度決定が可能となる。

＜その他の実施形態＞
なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。

例えば、光学系１３に関して言えば、第１反射ミラーを用いることなく、図９に示すように、第１光源１２１の光を第２光学素子Ｅ２に直接照射するようにしてもよいし、２つ以上の反射ミラーを用いて第２光学素子Ｅ２に照射するようにしても良い。

また、光学系１３において、図１０に示すように、セル１１までの光路が最も短い光源（前記実施形態では第４光源１２４）に対応する第４反射ミラーＭ４を用いない構成としても良い。この場合、第４光学素子Ｅ４により反射された第１～第３光源１２１～１２３の光及び第４光学素子Ｅ４を透過した第４光源１２４の光を直接セル１１に照射する構成となる。

前記実施形態では、４つの光源を有する構成であったが、３つ以上の光源を有するものであれば良い。

３つの光源を有する構成において光学系１３を最も簡単にする構成としては、図１１に示すものが考えられる。この光学系１３は、第１光源１２１の光を反射するとともに、第２光源１２２の光を透過する第２光学素子Ｅ２と、第２光学素子Ｅ２を反射した第１光源１２１の光及び透過した第２光源１２２の光を反射するとともに、第３光源１２３の光を透過する第３光学素子Ｅ３とを有する。そして、第３光学素子Ｅ３を反射した第１光源１２１の光及び第２光源１２２の光並びに第３光学素子を透過した第２光源１２２の光は、セル１１に照射される。

前記実施形態の測定原理の他に、分析装置１００は例えばＮＤＩＲ法、ＦＴＩＲ法やＮＤＵＶ法を用いたものであっても良い。

例えば、前記第１実施形態の対数演算部１６１は、光検出器１３の光強度信号を対数演算するものであったが、光検出器１３の光強度信号を用いて、サンプル光の強度とリファレンス光である変調光の強度との比の対数（いわゆる吸光度）を算出するものであってもよい。このとき、対数演算部１６１は、サンプル光の強度の対数を演算し、リファレンス光の強度の対数を演算した後にそれらを差し引くことで吸光度を算出しても良いし、サンプル光の強度とリファレンス光の強度との比を求めた後にその比の対数を取ることで吸光度を算出してもよい。

また、前記第１実施形態の相関値算出部６２は、強度関連信号と特徴信号との相関値を算出するものであったが、強度関連信号と特徴信号との内積値を算出するものであってもよい。

また、前記第１実施形態では、格納部１７３はリファレンス相関値を用いて補正した単独相関値を格納するものであったが、格納部１７３に補正前の単独相関値を格納しておき、濃度算出部１７４が、補正前の単独相関値からリファレンス相関値を差し引いた上で、単位濃度当たりに換算する補正をした単独相関値を求める構成としても良い。

複数の特徴信号は、前記第１実施形態に限られず、互いに異なる関数であれば良い。また、特徴信号として、例えば濃度既知のスパンガスを流して得られた光強度や対数強度又は吸光度の波形（実測スペクトル）を示す関数を用いてもよい。また、１つの測定対象成分の濃度を測定する場合には、特徴信号は少なくとも１つあれば良い。

前記実施形態の光源制御部１６は半導体レーザを連続発振（ＣＷ）させるものであったが、図１２に示すように、疑似連続発振（疑似ＣＷ）させるものであってもよい。この場合、光源制御部１６は、電流（又は電圧）制御信号を出力することによって各半導体レーザ１２１～１２４の電流源（又は電圧源）を制御して、電流源（又は電圧源）の駆動電流（駆動電圧）をパルス発振させるための所定のしきい値以上とする。具体的に光源制御部１６は、所定の周期（例えば１～５ＭＨｚ）で繰り返される所定のパルス幅（例えば１０～５０ｎｓ、Ｄｕｔｙ比５％）のパルス発振で疑似連続発振させるものである。そして、光源制御部１６は、電流源（又は電圧源）の駆動電流（駆動電圧）を前記パルス発振用のしきい値未満である波長掃引用の値で、所定周波数で変化させることにより温度変化を発生させてレーザ光の発振波長の掃引を行うものである。駆動電流を変調させる変調信号としては、三角波状、鋸波状又は正弦波状で変化するとともに、その周波数は例えば１～１００Ｈｚである。

このように半導体レーザ１２１～１２４を疑似連続発振させて光検出器１４により得られる光強度信号は、図１３のようになる。このようにパルス列全体で吸収スペクトルを取得することができる。疑似連続発振は連続発振に比べて光源の消費電力が小さく排熱処理も容易となり、さらに光源の長寿命化もできる。

このとき、光源制御部１６は、複数の半導体レーザ１２１～１２４がそれぞれ異なる測定対象成分に対応した発振波長となるように制御するとともに、互いに同じ発振周期で且つそれらの発振タイミングが互いに異なるようにパルス発振する。

具体的に光源制御部１６は、電流（又は電圧）制御信号を出力することによって各半導体レーザ１２１～１２４の電流源（又は電圧源）を制御する。本実施形態の光源制御部１６は、図４に示すように、各半導体レーザ１２１～１２４を、所定の周期（例えば１～５ＭＨｚ）で繰り返される所定のパルス幅（例えば１０～１００ｎｓ、Ｄｕｔｙ比５％）のパルス発振で疑似連続発振（疑似ＣＷ）させるものである。

また、光源制御部１６は、図１２に示すように、電流源（又は電圧源）の駆動電流（駆動電圧）を所定周波数で変化させることにより温度変化を発生させてレーザ光の発振波長の掃引を行うものである。各半導体レーザにおけるレーザ光の発振波長は、図４に示すように、測定対象成分の光吸収スペクトルのピークを中心にして変調される。駆動電流を変化させる変調信号としては、三角波状、鋸波状又は正弦波状で変化するとともに、その周波数が例えば１～１００Ｈｚの信号である。なお、図１２には、変調信号が三角波状で変化する例を示している。

このように１つの半導体レーザ２を疑似連続発振させて光検出器３により得られる光強度信号は、図１３のようになる。このようにパルス列全体で吸収スペクトルを取得することができる。

また、光源制御部５は、複数の半導体レーザ２を互いに異なるタイミングでパルス発振する。具体的には、図１４に示すように、複数の半導体レーザ２が順次パルス発振し、１つの半導体レーザ２におけるパルス発振の１周期内にその他の半導体レーザ２それぞれの１パルスが含まれる。つまり、１つの半導体レーザ２の互いに隣り合うパルス内にその他の半導体レーザ２それぞれの１パルスが含まれる。このとき、複数の半導体レーザ２のパルスは、互いに重複しないように発振される。

そして、この信号処理装置１５は、図１５に示すように、光検出器１４により得られた光強度信号から半導体レーザ１２１～１２４毎の信号を分離する信号分離部１８を更に備えている。
信号分離部１８は、光検出器１４により得られた光強度信号から、複数の半導体レーザ１２１～１２４それぞれの信号を分離するものである。本実施形態の信号分離部１８は、複数の半導体レーザ１２１～１２４それぞれに対応して設けられた複数のサンプルホールド回路と当該サンプルホールド回路により分離された光強度信号をデジタル変換するＡＤ変換器とを有している。なお、サンプルホールド回路及びＡＤ変換器は、複数の半導体レーザ１２１～１２４に共通の１つのものとしても良い。

サンプルホールド回路は、図１４に示すように、対応する半導体レーザ１２１～１２４の電流（又は電圧）制御信号と同期されたサンプリング信号により、半導体レーザ１２１～１２４のパルス発振のタイミングと同期したタイミングで、光検出器１４の光強度信号から、対応する半導体レーザ１２１～１２４の信号を分離して保持する。サンプルホールド回路は、半導体レーザ１２１～１２４のパルス発振の後半部分に対応する信号を分離して保持するように構成されている。この信号分離部１８により分離された各半導体レーザ１２１～１２４の複数の信号を集めることにより１つの光吸収信号となり、１つの半導体レーザ１２１～１２４を疑似連続発振させた場合に得られる光吸収信号よりも波長分解能の良い光吸収信号を得ることができる。ここで、パルス内の吸収変化位置が変調信号により変化するので、パルス発振に対して同じタイミングで信号を採取することで、波形を再現できる。また、サンプルホールド回路によりパルス発振の一部分に対応する信号を分離しているので、ＡＤ変換器は処理速度の遅いものであってもよい。各半導体レーザ１２１～１２４毎に得られた複数の光吸収信号を時間平均して用いても良い。

このように信号分離部１８により分離された各半導体レーザ１２１～１２４の吸収信号を用いて信号処理部１７は、各半導体レーザ１２１～１２４に対応する測定対象成分の濃度を算出する。なお、信号処理部１７による測定対象成分の濃度の算出は前記実施形態と同様である。

また、サンプルガスは、排ガスのみならず大気などでもよいし、液体や固体でも構わない。その意味では、測定対象成分もガスのみならず液体や固体でも本発明を適用可能である。

光源も、半導体レーザに関わらず、他のタイプのレーザでもよいし、測定精度を担保するに十分な半値幅をもつ単波長光源であって、波長変調さえできるものなら、どのような光源を用いてもよい。また、測定対象を貫通透過した光の吸光度のみならず、反射による吸光度算出にも用いることができる。

その他、本発明の趣旨に反しない限りにおいて様々な実施形態の変形や組み合わせを行っても構わない。

本発明によれば、３つ以上の光源からセルに光を照射する分析装置において、各光源の光量低下を防止することができる。

Claims (7)

1. サンプル中に含まれる測定対象成分を分析する分析装置であって、
   前記サンプルが導入されるセルと、
   少なくとも第１光源、第２光源及び第３光源を含む複数の光源と、
   前記各光源の光を前記セルに導いて照射する光学系と、
   前記セルを透過した光の強度を検出する光検出器と、
   前記光検出器により検出された光の強度に関連する強度関連信号に基づいて前記測定対象成分の濃度を算出する信号処理装置とを備え、
   前記複数の光源は、それぞれ異なるタイミングで光を照射するものであり、
   前記光学系は、
   前記第１光源の光を反射する第１光源用反射ミラーと、
   前記第１光源用反射ミラーを反射した前記第１光源の光を反射するとともに、前記第２光源の光を透過する第２光源用光学素子と、
   前記第２光源用光学素子を反射した前記第１光源の光及び透過した前記第２光源の光を反射する第２光源用反射ミラーと、
   前記第２光源用反射ミラーを反射した前記第１光源の光及び前記第２光源の光を反射するとともに、前記第３光源の光を透過する第３光源用光学素子とを備え、
   前記第２光源用光学素子及び前記第３光源用光学素子がウェッジ付きの光学素子である、分析装置。
2. 前記光学系は、前記第３光源用光学素子を反射した前記第１光源の光及び前記第２光源の光並びに透過した前記第３光源の光を反射する第３光源用反射ミラーをさらに備える、請求項１に記載の分析装置。
3. 前記第１光源用反射ミラー、前記第２光源用反射ミラー、前記第３光源用反射ミラー、前記第２光源用光学素子及び前記第３光源用光学素子は、反射する光の入射角度が４５度未満となるように配置されている、請求項２に記載の分析装置。
4. 前記第１光源、前記第２光源及び前記第３光源は、射出する光の波長が互いに異なり、前記セルからの光路が長くなる側から波長順に配置されている、請求項１乃至３の何れか一項に記載の分析装置。
5. 前記第１光源、前記第２光源及び前記第３光源は、前記セルからの光路が長くなる側から、射出する光の波長が短い順に配置され、
   前記第２光源用光学素子は、前記第２光源の波長以上の光を透過させるロングパスフィルタであり、
   前記第３光源用光学素子は、前記第３光源の波長以上の光を透過させるロングパスフィルタである、請求項１乃至４の何れか一項に記載の分析装置。
6. 前記第１光源、前記第２光源及び前記第３光源は、前記セルからの光路が長くなる側から、射出する光の波長が長い順に配置され、
   前記第２光源用光学素子は、前記第２光源の波長以下の光を透過させるショートパスフィルタであり、
   前記第３光源用光学素子は、前記第３光源の波長以下の光を透過させるショートパスフィルタである、請求項１乃至５の何れか一項に記載の分析装置。
7. １又は複数の干渉成分が含まれるサンプル中に含まれる測定対象成分を分析する分析装置であって、
   前記サンプルが導入されるセルと、
   少なくとも第１光源、第２光源及び第３光源を含む複数の光源と、
   前記各光源の光を前記セルに導いて照射する光学系と、
   前記サンプルを透過したサンプル光の強度を検出する光検出器と、
   前記光検出器により検出されたサンプル光の強度に関連する強度関連信号に基づいて前記測定対象成分の濃度を算出する信号処理装置とを備え、
   前記複数の光源は、それぞれ異なるタイミングで光を照射するものであり、
   前記光学系は、
   前記第１光源の光を反射する第１光源用反射ミラーと、
   前記第１光源用反射ミラーを反射した前記第１光源の光を反射するとともに、前記第２光源の光を透過する第２光源用光学素子と、
   前記第２光源用光学素子を反射した前記第１光源の光及び透過した前記第２光源の光を反射する第２光源用反射ミラーと、
   前記第２光源用反射ミラーを反射した前記第１光源の光及び前記第２光源の光を反射するとともに、前記第３光源の光を透過する第３光源用光学素子とを備え、
   前記信号処理装置は、
   前記サンプル光の強度に関連する強度関連信号と所定の特徴信号との相関値であるサンプル相関値を算出する相関値算出部と、
   前記相関値算出部により得られた前記サンプル相関値を用いて前記測定対象成分の濃度を算出する濃度算出部と、
   前記測定対象成分及び各干渉成分が単独で存在する場合のそれぞれの前記強度関連信号と複数の前記特徴信号とから求められた前記測定対象成分及び各干渉成分それぞれの単位濃度当たりの相関値である単独相関値を格納する格納部とを備え、
   前記濃度算出部は、前記相関値算出部により得られた複数のサンプル相関値と、前記複数の単独相関値とに基づいて、前記測定対象成分の濃度を算出するものである、分析装置。

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