JPS649564B2

JPS649564B2 -

Info

Publication number: JPS649564B2
Application number: JP9704179A
Authority: JP
Inventors: Keigo Nakamura; Takusuke Izumi; Shozo Sekino; Asaji Shimizu; Nobuaki Takeda
Original assignee: Agency of Industrial Science and Technology; Anritsu Corp
Current assignee: Anritsu Corp; National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 1979-07-30
Filing date: 1979-07-30
Publication date: 1989-02-17
Also published as: JPS57141539A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕この発明は、気体または液体の微量分析を行う
ための分光計で、従来の分光計の感度、精度、安
定度を改良すると同時に、製造価格を大幅に低減
した分光計に関するものである。特に煙道排ガス
中の汚染ガスである亜硫酸ガス（SO₂）、一酸化
窒素（NO）および二酸化窒素（NO₂）の３成分
測定用自動計測器の応用が非常に有効である。

本発明の分光計と技術的に良く似たものに、特
公昭第62−11295号（特許第1404332号）および特
開昭第52−117178号の分光計がある。

特公昭第62−11295号の分光計では、一つの成
分ガスの測定のことのみが記載されており、同時
に多成分を測定するための特色ある技術について
の記載はない。

また、特開昭第52−117178号の分光計では、繰
返し反射光学装置を内蔵したセルが用いられてお
り、環境大気中の低濃度ガス物質の測定に有効で
ある。煙道中の汚染物質の濃度は、環境大気に比
べると非常に高いので吸収光路長は短くても十分
感度があり、単一光路セルで良い。この分光装置
のセルを単一光路のセルに置換した分光装置で煙
道中の汚染ガス３成分（SO₂、NO、NO₂）の自
動計測を行つたところ非常に良好であつた。

すなわち、感度、精度および安定度が良く、ゼ
ロ校正およびスパン校正を含む種々の保守頻度が
従来の濃度自動計測器に比べ格段と低減されるこ
とが実証できた。この技術は、複数波長における
微細構造スペクトルの２次微分値を同時に測定す
るものであり、ガス状物質の多成分同時測定を高
感度に行ない、他成分の干渉が少ない分析計を提
供するものである。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、特開昭第52−117178号の分光計
では、波長変調器が出口スリツト振動方式であり
３本の出口スリツトを同時に振動させるため２個
の波長変調器を使用したので波長変調器の価格が
高い。また、１枚のスリツト板に２本以上の出口
スリツトをあらかじめ刻設する必要があることか
ら、分光装置の波長の拡がりが、前記の刻設され
たスリツトピツチに適合しなければならない。こ
のため、分光器の製造精度の高いものが要求され
価格が高くなる。また、分光装置内の球面鏡や回
折格子等の寸法精度も高いものが要求されるため
価格が高くなる。このように製造しても、さらに
出口スリツトは横方向に微動させて波長調整を行
う必要があり、このため波長変調器全体を微動さ
せる微動機構を必要とし、これが高価なものとな
る。また、出口スリツトを振動させているため光
電変換器として頭部窓形光電子増倍管を使用する
必要があり、低価格のサイドオン形光電子増倍管
が使用できない。

以上のように、性能が良く、保守コストが低減
されることが実証されながら、商品価格が高いた
め実用化されていない。

従来技術の問題点は、光軸調整を多成分測定に
向いたように簡単にすることができない点にあつ
たから、本発明では、この従来技術の欠点を解消
し、価格を大幅に低減した分光装置を提供するこ
とを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

この発明の分光装置は、上記目的を達成するた
め、とくに光軸調整を容易にするために、波長変
調器を分光装置内へ配置し、出口スリツトを固定
式または調整後固定式にしてサイドオン形光電子
増倍管の使用を可能にし、被測定物、煙道排ガス
中の汚染ガスに含まれる各成分に対応する出口ス
リツトをそれぞれ別のスリツト板に刻設し、個々
の出口スリツト位置を微調整できるようにした出
口スリツト群を構成した。加えて、光軸調整のた
めの専用出口スリツトを置いた。すなわち、分光
装置内に光軸調整用の出口スリツト板に光軸調整
用出口スリツトを備えることにより、また、必要
により光軸調整用マーカを備えることにより、分
光装置の光軸調整を容易にすると同時に、分光装
置の微調整機構を出口スリツトの微調整機構だけ
に低減した。

〔作用〕

とくに、この発明によつて光軸調整の問題がど
のように解決されるかの点について説明する。

第１図は従来の分光器の光軸調整方法を説明す
るための図で、この図に沿つて従来の分光器の光
軸調整方法を説明する。

一般に分光器１０の光軸調整は、光源１から入
口スリツト１１を介してインコヒーレント可視光
線２をコメリータ鏡１２に入射し、該入射された
該可視光線２がコリメータ鏡に全体を均一に照射
するように該光源１を配置する。また、このコリ
メータ鏡１２は、その反射光束が回折格子１３を
均一に照射するように微調整する。この微調整は
３点調整で行うのが一般的である。つぎに回折格
子１３からのゼロ次回折光がコレクタ鏡１４全体
を均一に照射するように回折格子の格子面の向き
をαまたはβ方向に回転させて調整する。一般の
走査形分光器ではこの微調整機構があるから容易
に行える。つぎにコレクタ鏡１４からの反射光束
が出口スリツト１５に結像するようにコレクタ鏡
１４を微調整して終了する。しかるに、非走査形
分光装置では、回折格子の微調整機構がないため
回折格子以後の光軸調整が従来の方法では行えな
い。

第２図は本発明に係る分光装置の一実施例の光
軸調整方法を示す図であり、同図に沿つて光軸調
整方法を説明する。

輝線を放射する光源３からの放射光を入口スリ
ツト２１から分光装置２０内へ入射させる。２９
は屈折板捩れ振動形の波長変調器であるが、この
波長変調器２９は取りはずしておく。光源３から
の入射光束がコリメータ鏡２２の鏡面全体を均一
に照射するように光源３を配置し、該コリメータ
鏡２２の反射光束を回折格子２３の格子面全体を
均一に照射するようにコリメータ鏡２２を調整す
る。

この調整は、製造精度をある程度維持し、バカ
穴を少し大きくしておくことにより、バカ穴の中
でコリメータ鏡２２のマウントを動かすことによ
り調整できる。

つぎに、回折格子２３の調整をするために、あ
らかじめゼロ次回折光４が照射する位置に光軸調
整用マーカ５７（以下、「マーカ」という）を配
置しておき、このマーカ５７全体を均一に照射す
るように回折格子２３の調整を行う。この回折格
子２３の調整も前記コリメータ鏡２２の調整と同
様にバカ穴の中で移動させることにより行える。

さらに、光源３から放射される輝線８が出射す
べき位置に固定された光軸調整用出口スリツト２
６から、前記輝線が出射するようにコレクタ鏡２
５の光軸調整を行う。この調整もコリメータ鏡２
２の調整と同様に行える。調整終了後波長変調器
２９を組入れる。

以上の調整を分光装置内の光軸調整が容易に行
える。さらに、各成分の測定用出口スリツト２
７，２７′，２７″の位置調整を行う必要が残つて
いるが、これら測定用出口スリツトの調整は、分
光計全体を組上げた後に行う。

〔第１の実施例〕第３図は本発明の実施例であり、この図に沿つ
て説明する。光源５から放射された光束を吸収セ
ル６を通して分光装置２０の入口スリツト２１よ
り入射させる。この分光装置２０の光軸調整は前
述のようにして住んでいる。分光装置２０の測定
用出口スリツト２７，２７′，２７″を出射した光
束はそれぞれ光電変換器４０，４０′，４０″によ
り受光され電気信号に変換される。

この電気信号は、電気信号処理装置１００で受
信され、光強度変調信号の変調度に比例した直流
電圧が出力され表示される。

この出力された直流電圧を見ながら、吸収セル
６に被測定成分ガスを流入しておき、出力の直流
電圧が最大になるように測定用出口スリツト２７
をｙ軸方向へ微動させ固定する。

つぎに、別の被測定成分ガスを吸収セル６に流
入し、測定用出口スリツト２７′を調整する。さ
らに測定用出口スリツト２７″も同様に調整して
終了する。

第３図では、入口スリツト２１とコリメータ鏡
２２との間に波長変調器２９があるが、この波長
変調器２９は出口スリツト側にあるものでも同じ
効果があることは言うまでもない。

〔第２の実施例〕第４図は、本発明の他の実施例であり、この実
施例では波長変調器２９′は、図示するようにＵ
字形音叉を利用した反射鏡振動形の波長変調器で
ある。このＵ字形音叉３０の具体的実施例を述べ
れば直径が１〜２mm、それぞれの足の長さが15〜
30mm、足と足との間隔が４〜10mmで、足の材質は
ピアノ線が好ましい。

このそれぞれの足の自由端に、厚さ１mm以下で
面積が20〜50mm²の平板ガラスをガラスの裏面と足
の中心線とが垂直になるように接着し、一方の平
板ガラスの表面はAl蒸着のような金属蒸着膜を
付けて鏡になつている。それぞれの足の自由端に
平板ガラスを接着する際、２本の足の中間線に対
し左右対称に接着することが音叉のＱを低下させ
ないために重要である。

この場合、光軸調整は波長変調器２９′を取り
付けた後、波長変調器２９′のＵ字形音叉３０の
一方の脚の自由端を装着した反射鏡（ミラー）３
１を入口スリツト２１から光を入射させ照射し、
この反射鏡３１の反射光束がコリメータ鏡２２全
体を均一に照射するように調整する。この調整に
おいてもバカ穴の中を動かすことで調整できる。

この後のコリメータ鏡２２、回折格子２３、コ
レクタ鏡２５、測定用出口スリツト２７，２７′，
２７″等の調整は前述した方法で行えば良い。

従来、入口スリツトとコリメータ鏡との間の光
路上にガルバノメータ式の振動鏡を用いる例はあ
つたが、ガルバノメータは振動のＱが高くとれな
いために駆動回路（発振器）の周波数安定性の高
いものを使用する必要があること、ガルバノメー
タは軸受を使用しているので、高い周波数で長時
間連続して動作させると破損してしまうなどの欠
点があつた。

また、音叉の一方の足の自由端に透明ガラス板
を付け、このガラス板を透過する際に光の屈折を
利用して出射光束を振動させるものもあるが、こ
のタイプでは20Å程度の波長変調幅を得るのに音
叉振動振幅は100ｍrad以上にもなり実用用上無
理があること。

また、一方の足の自由端にのみ透明板を付けた
のでは音叉のバライスがくずれＱが悪化すること
などの欠点があつた。

これに対し、Ｕ字形音叉の足の自由端にミラー
を付けた本発明の波長変調形を用いると、 (1) ２ｍrad程度の振動振幅で良いから3KHzもの
高い周波数の振動鏡を構成することができる。

(2) また、この程度の振幅は、疲労限界以内であ
るから寿命が半永久的であること。

(3) Ｑの値が200を越えるような振動鏡を構成す
ることができ、同期検波の際、Ｑの高いバンド
パスフイルタを介した後に同期検波をすること
ができるから雑音除去効率を上げることがで
き、Ｓ／Ｎ比の良い測定ができる。

(4) 音叉は回転機構等を持たないから、一度固定
した光軸がズレることもなく、長期的に非常に
安定した分光計を構成することができる。

(5) また、連続運転しても何ら問題は生じない。

などの優れた特徴を持つた分光計を構成すること
ができる。

また、光軸調整を行うのに、第５図のようにし
て行つてもよい。第５図では、レーザ光源１０か
ら放射された光束を入口スリツト２１から入射さ
せ、マーカ５１を照射するようにレーザ光源の位
置を調整する。次に、このレーザ光束が反射鏡３
１の中央に照射し、さらにこの反射光束が次のマ
ーカ５２を照射するように波長変調器２９′を取
り付け、調整し、固定する。調整を終えた光路上
のマーカ５１，５２を取りはずし、次にコリメー
タ鏡２２の反射光束がマーカ５３を照射するよう
に調整する。

マーカ５３は取りはずし、次に回折格子２３か
らのゼロ次回折光がマーカ５４を照射するように
回折格子２３を調整する。

また、コレクタ鏡２５の調整を行うために、レ
ーザ光源１０′からの放射光束を測定用出口スリ
ツト２７′から入射させ、マーカ５５を照射する
ようにレーザ光源１０′の位置を調整する。次に
このマーカ５５を取りはずし、コレクタ鏡２５の
反射光束がマーカ５６を照射するようにコレクタ
鏡２５の調整を行いマーカ５６を取りはずす。こ
れで分光器内の光軸調整を終了する。出口スリツ
トの調整は前述した通りの方法で行えば良い。

以上、説明してきた分光装置の光学設計は、全
てシユミレーシヨンにより行い、各光学部品の位
置座標や光路は正確に計算されている。したがつ
て、マーカの位置座標もあらかじめ計算されてお
り、その座標位置にマーカを取り付けられるよう
にしておけば良い。また、分光装置の製造を安価
にするため、各光学部品の寸法や、取り付け穴位
置等は一般公差で行うから、各部品配置位置がど
うしても設計値とはずれてくる。このズレの分だ
け、多少大きめのバカ穴範囲で補正するというの
が、前述した調整方法である。また、この様に調
整してあつても、シユミレーシヨン結果とは若干
のズレがあるから、分散スペクトル結像位置（出
口スリツト板上）の波長の拡がりは計算通りとは
ならない。そのため、１本の出口スリツト以外
は、微調整して完成した分光装置の波長の拡がり
に適用させる。

〔実施例中の特徴ある構成〕

第６図は光軸調整用マーカ５０の例である。１
５はレーザ光束、５８はピンで分光装置底板にあ
けられた穴にこのピン５８を挿入する。

〔効果〕

以上、説明したように、本発明によれば、出口スリツトを測定用の出口スリツト群と光軸
調整専用のスリツトとに分け、また波長変調器の
位置を特定した。

さらに、測定用の出口スリツト群は、各測定物
質対応スペクトルの出射位置に配置される少なく
とも１本のスリツト（被測定物質により形状の異
なるあるいは同一形状の２本以上のスリツトの方
がよいことがある。）からなる出口スリツト（複
数）で構成され、それぞれが横方向に位置調整で
きるようにした。加えて、光軸調整用マーカを採
用したことから、多成分測定用分光計の光軸調整
を実用化できた。

細部にわたつて効果を述べれば、 (1) 波長変調器を入口スリツトとコリメータ鏡と
の間に配置したので、波長変調器が１個で良い
（駆動部分の単一性による無干渉の実現）。

(2) 出口スリツトを固定したため、１枚のスリツ
ト板には１成分のスリツトを刻設して各スリツ
ト板位置を微調整できるようにした。このため
分光器の光学配置及び光軸の設計値との誤差が
かなり大きく許容され、製造精度が一般公差で
良い。同様に光学部品の寸法精度も一般公差が
許される。

(3) 出口スリツトを固定したため、サイドオンタ
イプの安価な分光装置となる。

(4) 分光器光軸調整に、マーカを用いることによ
り容易に行えるようにした。そのために出口ス
リツトを複数本備えた、製造精度の甘い多成分
測定用分光装置を作ることが可能となつた。

(5) 既知波長の輝線８が出射すべき位置に光軸調
整用出口スリツト２６が設けられ、これを利用
してコレクタ鏡２５の向きを調整するようにし
たから、波長の拡がりを光学設計にほぼ近い状
態で分光器の光軸調整を完了することができ
る。したがつて、後の調整は測定用出口スリツ
ト２７，２７′，２７″の横方向微動調整によつ
て行えるようになつた。そのため、高い波長調
整精度が要求される複数波長における多波長微
分値測定が可能となつた。

上記の効果が得られ、安価な公害自動計測器を
提供することができる。

本発明の分光計を煙道中の汚染ガス（SO₂、
NO、NO₂）３成分自動計測器として応用すれ
ば、測定原理が純物理的な方法であるので正確な
測定が可能である。また、保守頻度も低減でき
る。さらに、本考案の分光計は高安定であるか
ら、ゼロ校正及びスパン校正を行う頻度も非常に
低減できる。従来の自動計測器ではSO₂、NO、
NO₂の測定には２台の自動計測器を必要とし、
それぞれの保守が必要であつた。しかしながら、
本考案の分光計を用いれば、保守に関しては従来
の自動計測器１台の保守をさらに半減する程であ
る。また、装置の価格にしても従来の自動計測器
２台分より安価な自動計測器を提供することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の分光器の調整方法を示す図、第
２図、第３図、第４図及び第５図は本発明に係る
多成分測定用分光計の一実施例を示す図、第６図
は本発明に係る多成分測定用分光計の一実施例で
用いたマーカの例を示す図である。図において、５は光源、６は吸収セル、２１は
入口スリツト、２２はコリメータ鏡、２３は回折
格子、２５はコレクタ鏡、２９，２９′は波長変
調器、３０は反射鏡、２６は光軸調整用出口スリ
ツト、２７，２７′，２７″は測定用出口スリツ
ト、４０，４０′，４０″は光電変換器、５０，５
１，５２，５３，５４，５５，５６，５７は光軸
調整用マーカ、１００は電気信号処理装置を示
す。

Claims

【特許請求の範囲】１光源から放射された光束を複数種類の被測定
物質を含む吸収セルに導き、該光束に該複数種類
の被測定物質の吸収スペクトルを発生せしめたの
ち、該光束を入口スリツトと、出口スリツトと、
該出口スリツトに対して光軸を相対的に振らせて
該光束に波長変調をかける波長変調器２９とを備
えた分光装置２０に導き、前記出口スリツトから
出力された光出力信号を電気信号に変換する光電
変換器４０と、該光電変換器の出力信号を受領し
て光強度変調信号の変調度に対応した出力表示を
得るようにされた電気信号処理装置１００とを備
えた多成分測定用分光計において；前記分光装置の入口スリツト２１は固定された
１本のスリツトで成り、前記分光装置にはコリメータ鏡２２があり、前記波長変調器２９は該固定された１本のスリ
ツトで成る入口スリツトと、該コリメータ鏡２２
との間に配置され、前記出口スリツトは、前記複数種類の被測定物
質に対応して前記吸収セルで発生されたそれぞれ
異なる所定の吸収スペクトルを結像する位置にそ
れぞれ配置され、それぞれが横方向に微調整可能
な測定用出口スリツト群２７，２７′，２７″と、
前記分光装置の光軸を調整するための光軸調整用
出口スリツト２６とから構成され、前記光電変換器は前記測定用出口スリツト群を
構成するそれぞれのスリツトに対応して備えられ
た複数個の光電変換器４０，４０′，４０″で成る
ことを特徴とする多成分測定用分光計。２光源から放射された光束を複数種類の被測定
物質を含む吸収セルに導き、該光束に該複数種類
の被測定物質の吸収スペクトルを発生せしめたの
ち、該光束を入口スリツトと、出口スリツトと、
該出口スリツトに対して光軸を相対的に振らせて
該光束に波長変調をかける波長変調器２９とを備
えた分光装置２０に導き、前記出口スリツトから
出力された光出力信号を電気信号に変換する光電
変換器４０と、該光電変換器の出力信号を受領し
て光強度変調信号の変調度に対応した出力表示を
得るようにされた電気信号処理装置１００とを備
えた多成分測定用分光計において；前記分光装置の入口スリツト２１は固定された
１本のスリツトで成り、前記分光装置にはコリメータ鏡２２があり、前記波長変調器２９は該固定された１本のスリ
ツトで成る入口スリツトと、該コリメータ鏡２２
との間に配置され、前記出口スリツトは、前記複数種類の被測定物
質に対応して前記吸収セルで発生されたそれぞれ
異なる所定の吸収スペクトルを結像する位置にそ
れぞれ配置され、それぞれが横方向に微調整可能
な測定用出口スリツト群２７，２７′，２７″と、
前記分光装置の光軸を調整するための光軸調整用
出口スリツト２６とから構成され、前記分光装置には固定もしくは着脱可能に備え
られる光軸調整用マーカ５７を含み、前記光電変換器は前記測定用出口スリツト群を
構成するそれぞれのスリツトに対応して備えられ
た複数個の光電変換器４０，４０′，４０″で成る
ことを特徴とする多成分測定用分光計。