特許 5695301 マルチパスセルおよびガス測定器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5695301

(24)【登録日】2015年2月13日

(45)【発行日】2015年4月1日

(54)【発明の名称】マルチパスセルおよびガス測定器

(51)【国際特許分類】

   G01N 21/03 20060101AFI20150312BHJP

   G01N 21/61 20060101ALI20150312BHJP

   G01N 21/39 20060101ALI20150312BHJP

【ＦＩ】

   G01N21/03 B

   G01N21/61

   G01N21/39

【請求項の数】4

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2009-90665(P2009-90665)

(22)【出願日】2009年4月3日

(65)【公開番号】特開2010-243269(P2010-243269A)

(43)【公開日】2010年10月28日

【審査請求日】2012年3月30日

(73)【特許権者】

【識別番号】000250421

【氏名又は名称】理研計器株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100078754

【弁理士】

【氏名又は名称】大井 正彦

(72)【発明者】

【氏名】杉山 浩昭

(72)【発明者】

【氏名】佐々木 謙三

(72)【発明者】

【氏名】石崎 温史

【審査官】 波多江 進

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００７−２４８３８８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−０４０８８７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−２７５１７３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２００７／１２０９３１（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 Engel, G E et al.，Precise multipass Herriott cell design: Derivationof controlling design equations，OPTICS LETTERS，２００７年 ３月１５日，Vol.32, No.6，pp.704-706

【文献】 Herriott D et al.，Off-Axis Paths in Spherical Mirror Interferometers，Applied Optics，１９６４年，Vol.3, No.4，pp.523-526

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｎ ２１／００ − ２１／６１

ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

セル本体と、このセル本体内において、互いに光軸が一致する状態で対向配置された、球面状または放物面状の反射面を有する２つの反射鏡と、各々、反射鏡の光軸に沿って伸びる同一の円環状空間領域内において互いに独立した多重反射光路を形成するよう構成された基準光学測定系および他の光学測定系とを具えてなり、
前記基準光学測定系の多重反射光路は、各々の反射鏡の反射面上における反射点の位置が多重反射に伴って反射鏡の光軸を中心とする円軌道上または楕円軌道上を周回する基準多重反射光路の一部によって構成され、セル本体に対するレーザ光の入射位置とセル本体外部へのレーザ光の出射位置とが、当該基準多重反射光路における互いに異なる反射点の位置に形成されており、
前記他の光学測定系の多重反射光路は、前記基準光学測定系における多重反射光路と異なる当該基準多重反射光路の他の一部によって構成され、セル本体に対するレーザ光の入射位置とセル本体外部へのレーザ光の出射位置とが、前記基準多重反射光路における、前記基準光学測定系における多重反射光路に係る反射点以外の互いに異なる反射点の位置に形成されていることを特徴とするマルチパスセル。

【請求項2】

基準光学測定系および他の光学測定系の各々は、互いに異なる波長の光を照射する光源を具えていることを特徴とする請求項１に記載のマルチパスセル。

【請求項3】

基準光学測定系および他の光学測定系の各々は、形成される多重反射光路の光路長が互いに異なるものであって、互いに同一の波長の光を照射する光源を具えていることを特徴とする請求項１に記載のマルチパスセル。

【請求項4】

請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のマルチパスセルを具えてなることを特徴とするガス測定器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、例えば、レーザ光を用いたマルチパスセルおよび当該マルチパスセルを具えてなるガス測定器に関する。

【背景技術】

【0002】

現在、例えばレーザ光源からの赤外線が検知対象ガス（特定ガス成分）によって吸収されることによる赤外線量の減衰の程度に応じて当該検知対象ガスの濃度を検出する、赤外線吸収分光法を利用したガス測定器が多数提案されている。
このようなガス測定器においては、例えば環境雰囲気の空気などの被検査ガスが導入される測定セル内における赤外光の光路長が大きくなるに従って、低濃度域の特定ガス成分に対して高い感度が得られることが知られており、多重反射型の測定セルが用いられた構成のものが提案されている（例えば特許文献１参照）。

【0003】

図８は、従来における多重反射型の測定セルの一例における要部構成を概略的に示す説明用斜視図である。
この測定セルは、いわゆる『ヘリオットセル』の動作原理を利用したもの（以下、「ヘリオット型測定セル」という。）であって、互いに光軸Ｌが一致する状態で対向して配置された、球面状の反射面６１Ａ，６５Ａを有する２つの反射鏡６１，６５を具えており、一方の反射鏡６１に形成された開口部（図示せず）を介して光源より照射されるレーザ光がセル本体内に入射され、２つの反射鏡６１，６５間において多重反射された後、再び、一方の反射鏡６１における開口部を介してセル本体の外部に出射されて受光センサにより検出される構成（入射位置と出射位置とが一致する構成）とされている（非特許文献１参照）。
このヘリオット型測定セルにおいて形成される多重反射光路ＭＰ０は、反射鏡６１（６５）の光軸Ｌに沿って伸びる円環状空間領域Ａ０内において形成されており、各々の反射鏡６１，６５の反射面６１Ａ，６５Ａ上における反射点は、反射鏡６１，６５の光軸Ｌを中心とする例えば円軌道Ｃ０上に並ぶよう位置される。この例においては、一の反射鏡において、反射点の位置が多重反射に伴って所定間隔毎に周方向に対して一定方向に移動されて、円軌道Ｃ０上を周回するよう構成されている。
そして、多重反射光路ＭＰ０における光路長は、例えば、反射鏡６１，６５の焦点距離、反射鏡６１，６５間の離間距離、反射回数およびその他の光学条件を適宜に設定することにより、目的に応じて設定することができる。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0004】

【非特許文献1】Ｏｆｆ−Ａｘｉｓ Ｐａｔｈｓ ｉｎ Ｓｐｈｅｒｉｃａｌ Ｍｉｒｒｏｒ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒｓ Ｄ．Ｈｅｒｒｉｏｔｔ，Ｈ．Ｋｏｇｅｌｎｉｋ，ａｎｄ Ｒ．Ｋｏｍｐｆｎｅｒ（Ａｐｒｉｌ １９６４／Ｖｏｌ．３，Ｎｏ．４／ＡＰＰＬＩＥＤ ＯＰＴＩＣＳ）

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２００６−５８００９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

而して、ヘリオット型測定セルにおいては、反射鏡間において形成される多重反射光路（光学測定系）は一系統であり、一のガス成分を測定対象とするものであるのが実情であり、例えば、装置それ自体の大型化を伴うことなく、複数種のガス成分を同時に検出することができるものであることが望まれている。

【0007】

本発明は、以上のような事情に基づいてなされたものであって、複数種のガス成分を同時に検出することのできる新規な構造を有するマルチパスセルを提供することを目的とする。
また、本発明の他の目的は、複数種のガス成分を同時にかつ高い精度で検出することができ、しかも、小型化のものとして構成することのできるガス測定器を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明のマルチパスセルは、セル本体と、このセル本体内において、互いに光軸が一致する状態で対向配置された、球面状または放物面状の反射面を有する２つの反射鏡と、各々、反射鏡の光軸に沿って伸びる同一の円環状空間領域内において互いに独立した多重反射光路を形成するよう構成された基準光学測定系および他の光学測定系とを具えてなり、
前記基準光学測定系の多重反射光路は、各々の反射鏡の反射面上における反射点の位置が多重反射に伴って反射鏡の光軸を中心とする円軌道上または楕円軌道上を周回する基準多重反射光路の一部によって構成され、セル本体に対するレーザ光の入射位置とセル本体外部へのレーザ光の出射位置とが、当該基準多重反射光路における互いに異なる反射点の位置に形成されており、
前記他の光学測定系の多重反射光路は、前記基準光学測定系における多重反射光路と異なる当該基準多重反射光路の他の一部によって構成され、セル本体に対するレーザ光の入射位置とセル本体外部へのレーザ光の出射位置とが、前記基準多重反射光路における、前記基準光学測定系における多重反射光路に係る反射点以外の互いに異なる反射点の位置に形成されていることを特徴とする。

【0011】

本発明のマルチパスセルにおいては、基準光学測定系および他の光学測定系の各々は、互いに異なる波長の光を照射する光源を具えた構成とされていても、あるいは、形成される多重反射光路の光路長が互いに異なる場合には、互いに同一の波長の光を照射する光源を具えた構成とされていても、いずれであってもよい。

【0012】

本発明のガス測定器は、上記マルチパスセルを具えてなることを特徴とする。

【発明の効果】

【0013】

本発明のマルチパスセルによれば、レーザ光のセル本体に対する入射位置とセル本体外部への出射位置とが異なる位置とされていることにより、光学測定系を構成する光源および受光センサを物理的な干渉なく容易に配置することができ、しかも、光源および受光センサをセル本体に近接して配置することができて小型化を図ることができる。

【0014】

また、一のセル本体内において、互いに独立した複数系統の光学測定系が形成された構成のものである場合には、基本的には、複数の光学測定系の各々における光源として、互いに異なる波長のレーザ光を照射するものが用いられることにより、高いガス選択性を得ることができて、複数種のガス成分を同時に検出することができ、また、レーザ光のセル本体に対する入射位置とセル本体外部への出射位置が異なる位置とされることにより、各々の光学測定系における多重反射光路の光路長を互いに異なる大きさに設定することができるので、複数の光学測定系の各々における光源として互いに波長が同一のレーザ光を照射するものが用いられることにより、一のガス成分について、広範囲の測定レンジを得ることができる。

【0015】

本発明のガス測定器によれば、上記マルチパスセルを具えていることにより、複数種のガス成分を同時に検出することができる構成のものでありながら、ガス測定器それ自体を小型のものとして構成することができ、しかも、所期のガス検知を高い精度で行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】本発明のマルチパスセルの一例における構成の概略を示す説明図であって、（ａ）反射鏡の光軸に沿った断面を示す断面図、（ｂ）左側面図、（ｃ）右側面図である。

【図2】図１に示すマルチパスセルにおける、基準光学測定系および他の光学測定系の２つの光学測定系の各々において形成される多重反射光路を、一方の反射鏡の反射面上に、他方の反射鏡の反射面上における反射点を投影した状態で示す、説明図である。

【図3】図１に示すマルチパスセルにおいて形成される多重反射光路を説明するための斜視図である。

【図4】本発明のマルチパスセルの他の例における構成の概略を示す説明図であって、（ａ）反射鏡の光軸に沿った断面を示す断面図、（ｂ）左側面図、（ｃ）右側面図である。

【図5】図４に示すマルチパスセルにおける、基準光学測定系および他の光学測定系の２つの光学測定系の各々において形成される多重反射光路を、一方の反射鏡の反射面上に、他方の反射鏡の反射面上における反射点を投影した状態で示す、説明図である。

【図6】図４に示すマルチパスセルにおいて形成される多重反射光路を説明するための斜視図である。

【図7】本発明のガス測定器の一例における構成の概略を示すブロック図である。

【図8】ヘリオットセル型測定セルの一例における要部構成を概略的に示す説明用斜視図である。

【発明を実施するための形態】

【0017】

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
＜第１実施形態＞
図１は、本発明のマルチパスセルの一例における構成の概略を示す説明図であって、（ａ）反射鏡の光軸に沿った断面を示す断面図、（ｂ）左側面図、（ｃ）右側面図であり、図２は、図１に示すマルチパスセルにおける、基準光学測定系および他の光学測定系の２つの光学測定系の各々において形成される多重反射光路を、一方の反射鏡の反射面上に、他方の反射鏡の反射面上における反射点を投影した状態で示す、説明図、図３は、図１に示すマルチパスセルにおいて形成される多重反射光路を説明するための斜視図である。
このマルチパスセルは、被検査ガス（サンプルガス）が導入される円筒状のセル本体１１と、その軸方向における両端位置の各々に、互いに焦点距離（曲率半径）が同一の大きさの球面状の反射面２１Ａ，３１Ａを有する第１の反射鏡２１および第２の反射鏡３１が反射鏡保持部材４０によって保持固定された状態で設けられており、第１の反射鏡２１および第２の反射鏡３１の両者は、互いに光軸Ｌ１，Ｌ２が一致する状態で対向して配置されている。図１における符号４１Ａ，４１Ｂは、セル本体１１の内部空間に連通する開口部であって、一方が被検ガス導入用開口部、他方が被検ガス排出用開口部とされる。

【0018】

セル本体１１の、第１の反射鏡２１側の外方位置には、第１の光源２６および適宜の反射ミラー２７を介してセル本体１１から出射された光を検出する受光センサ２８が配置されており、第１の光源２６から照射されるレーザ光が第１の反射鏡２１に形成された一方の開口部２２Ａを介してセル本体１１内に入射され、２つの反射鏡２１，３１によって多重反射された後、第１の反射鏡２１に形成された他方の開口部２２Ｂを介して、セル本体１１の外部に出射され、反射ミラー２７を介して受光センサ２８によって受光される基準光学測定系としての第１の光学測定系２５が構成されている。
第１の反射鏡２１における開口部２２Ａ，２２Ｂの各々は、反射鏡２１の背面側から透光性を有する窓板部材４５によって気密に閉塞されている。

【0019】

上記マルチパスセルにおける第１の光学測定系２５の多重反射光路ＭＰ１は、セル本体１１内へのレーザ光の入射位置とセル本体１１外部へのレーザ光の出射位置とが一致する状態で構成された、いわゆる『ヘリオット型』の多重反射光路（以下、「基準ヘリオット型光路」という。）の一部を構成するものであって、２つの反射鏡２１，３１による反射が繰り返して行われてレーザ光が第１の反射鏡２１における入射位置に到達する前の位置、この実施例においては、例えば２つの反射鏡２１，３１によって３回反射された後の第１の反射鏡２１における反射面２１Ａ上の位置４（Ａ）からセル本体１１の外部に出射されるよう構成されている。
従って、第１の光学測定系２５の多重反射光路ＭＰ１においては、第１の反射鏡２１の反射面２１Ａ上における反射点（図２および図３において（Ａ）が付された符号で示されており、数字は反射順序を示している。）は、セル本体１１内に対する光の入射位置（開口部２２Ａの形成位置）０（Ａ）を含む、反射鏡２１の光軸Ｌ１を中心とする半径Ｒ１の円Ｃ１の円軌道上に並ぶよう位置されており、また、第２の反射鏡３１の反射面３１Ａ上における反射点（図２および図３においては（Ｂ）が付された符号で示されており、数字は反射順序を示している。）は、第２の反射鏡３１の光軸Ｌ２を中心とする半径Ｒ１の円軌道Ｃ１上に並ぶよう位置されている。
基準ヘリオット型光路は、各々の反射鏡２１，３１の反射面２１Ａ，３１Ａ上における反射点の位置（図２において、[]書きで示されたものを含む（Ａ），（Ｂ）が付された符号）が多重反射に伴って所定間隔毎に周方向の一定方向（図２において反時計方向）に移動されて、円軌道Ｃ１上を周回、例えば５周するよう構成されており、第１の反射鏡２１の反射面２１Ａ上に、第２の反射鏡３１における反射点を軸方向に投影したとき、第１の反射鏡２１における互いに隣接する２つの反射点、例えば２（Ａ）および[ ２８（Ａ）] の間の位置に、第２の反射鏡３１における１つの反射点、例えば[ １５（Ｂ）] が位置されるよう構成されている。

【0020】

第１の光学測定系２５における多重反射光路ＭＰ１の光路長（反射回数）は、特に制限されるものではなく、目的に応じて適宜に設定することができ、また、基準ヘリオット型光路についても、例えば、反射鏡２１，３１の焦点距離（曲率半径）、反射鏡２１，３１間の離間距離（中心位置間距離）、反射回数およびその他の光学条件を適宜に選定することにより、目的に応じて適宜に設定することができ、また、第１の反射鏡２１におけるレーザ光の入射用の開口部２２Ａおよび出射用の開口部２２Ｂの各々は、目的に応じて設定される円軌道Ｃ１上の位置に形成すればよい。

【0021】

而して、このマルチパスセルにおいては、互いに独立した、いわゆる『ヘリオットセル』の動作原理を利用した複数系統の多重反射光路が一のセル本体１１内において形成されている。
すなわち、上記基準ヘリオット型光路の一部を構成する第１の光学測定系２５における多重反射光路ＭＰ１は、反射鏡２１（３１）の光軸Ｌ１（Ｌ２）に沿って伸びる円環状空間領域Ａ１内において形成されており、当該円環状空間領域Ａ１内において、第１の光学測定系２５における多重反射光路ＭＰ１と互いに独立した多重反射光路を形成するよう構成された一つの他の光学測定系（以下、「第２の光学測定系」という。）を具えている。

【0022】

第２の光学測定系３５は、上記基準ヘリオット型光路の、第１の光学測定系２５における多重反射光路ＭＰ１以外の他の一部を構成する多重反射光路ＭＰ２を形成するものであって、例えば、セル本体１１の、第２の反射鏡３１側の外方位置に配置された、第２の光源３６および適宜の反射ミラー３７を介してセル本体１１から出射された光を検出する受光センサ３８を具えており、第２の光源３６から照射されるレーザ光が第２の反射鏡３１に形成された一方の開口部３２Ａ（例えば基準ヘリオット型光路における反射点５（Ｂ）の位置）を介してセル本体１１内に入射され、２つの反射鏡２１，３１によって多重反射された後、第２の反射鏡３１に形成された他方の開口部３２Ｂ（例えば基準ヘリオット型光路における反射点３１（Ｂ）の位置）を介して、セル本体１１の外部に出射され、反射ミラー３７を介して受光センサ３８によって受光される構成とされている。
第２の反射鏡３１における開口部３２Ａ，３２Ｂは、反射鏡３１の背面側から透光性を有する窓板部材４５によって気密に閉塞されている。

【0023】

従って、第２の光学測定系３５の多重反射光路ＭＰ２においては、第２の反射鏡３１の反射面３１Ａ上における反射点（図２および図３において（Ｃ）が付された符号で示されており、数字は反射順序を示している。）は、セル本体１１内に対する光の入射位置（開口部３２Ａの形成位置）０（Ｃ）（基準ヘリオット型光路における〔５（Ｂ）〕）を含む、第２の反射鏡３１の光軸Ｌ２を中心とする半径Ｒ１の円軌道Ｃ１上、すなわち、第１の光学測定系２５における反射点が位置される円軌道上に並ぶよう位置されており、また、第１の反射鏡２１の反射面２１Ａ上における反射点（図２および図３においては（Ｄ）が付された符号で示されており、数字は反射順序を示している。）は、第１の反射鏡２１の光軸Ｌ１を中心とする半径Ｒ１の円軌道Ｃ１（第１の光学測定系２５における反射点が位置される円軌道）上に並ぶよう位置されている。

【0024】

第２の光学測定系３５における多重反射光路ＭＰ２の光路長は、第１の光学測定系２５における多重反射光路ＭＰ１の光路長との関係において、適宜に設定することができる。

【0025】

第１の光学測定系２５における第１の光源２６および第２の光学測定系３５における第２の光源３６は、例えば近赤外線半導体レーザにより構成することができる。
第１の光学測定系２５および第２の光学測定系３５を構成する光源２６，３６によるレーザ光の波長の一例を検知対象ガスとの関係において示すと、例えば、¹²ＣＯ₂ （質量数が１２の炭素）の検知に用いられるレーザ光の波長は２．０１４または２．００４〔μｍ〕、¹³ＣＯ₂ （質量数が１３の炭素）の検知に用いられるレーザ光の波長は２．０４０〔μｍ〕であり、ＣＨ₄ の検知においては１．６５１または１．６５４〔μｍ〕、ＣＯの検知においては１．５６８〔μｍ〕、Ｃ₂ Ｈ₂ の検知においては１．５２０または１．５３０〔μｍ〕、ＮＨ₃ の検知においては１．５１７〔μｍ〕、Ｎ₂ Ｏの検知においては１．５１６〔μｍ〕、Ｈ₂ Ｏである場合には１．３６４または１．８４７〔μｍ〕、ＨＣｌの検知においては１．７４７または１．７４３〔μｍ〕である。

【0026】

第１の光学測定系２５における第１の光源２６と、第２の光学測定系３５における第２の光源３６は、互いに同一波長の光を照射するものであっても、互いに異なる波長の光を照射するものであっても、いずれのものであってもよい。
第１の光学測定系２５における第１の光源２６と、第２の光学測定系３５における第２の光源３６とが、互いに異なる波長のレーザ光を照射するものである場合には、高いガス選択性を得ることができて複数種のガス成分を同時に検出することができ、例えば、特定ガス成分とその干渉ガス成分の検出、あるいは、同位体測定などを行うこともできる。
また、第１の光学測定系２５における第１の光源２６と、第２の光学測定系３５における第２の光源３６とが、互いに同一波長のレーザ光を照射するものである場合には、第１の光学測定系２５における多重反射光路ＭＰ１と第２の光学測定系３５における多重反射光路ＭＰ２との光路長を互いに異なる大きさとすることにより、一のガス成分について、広範囲の測定レンジを得ることができる。

【0027】

上記構成のマルチパスセルの一構成例について示すと、第１の反射鏡２１および第２の反射鏡３１は、焦点距離が３６０ｍｍ、曲率半径が７２０ｍｍ、反射面２１Ａ（３１Ａ）の外周縁の径（有効反射面の径）がφ４５ｍｍ、反射鏡２１，３１間の離間距離（中心位置間距離）が３２０ｍｍであり、第１の光学測定系２５に係る多重反射光路ＭＰ１は、反射回数が３回（２往復）、各々の反射鏡２１，３１の反射面２１Ａ，３１Ａ上において反射点が位置される円軌道Ｃ１の半径Ｒ１が３０ｍｍ、光路長が約１．２８ｍであり、第２の光学測定系３５に係る多重反射光路ＭＰ２は、反射回数が２５回（１３往復）、光路長が約８．３ｍである。

【0028】

而して、上記構成のマルチパスセルによれば、一のセル本体１１内において、互いに独立した２系統の光学測定系２５, ３５が形成されており、例えば、第１の光学測定系２５における第１の光源２６と第２の光学測定系３５における第２の光源３６として、互いに異なる波長のレーザ光を照射するものが用いられることにより、高いガス選択性を得ることができて被検査ガスに含まれる２種類のガス成分を同時に検出することができる。
例えば、第１の光学測定系２５における第１の光源２６として、例えば中心波長が１．６５１μｍ付近である赤外線光源を用い、第２の光学測定系３５における第２の光源３６として、例えば中心波長が１．３６４μｍ付近である赤外線光源を用いた場合には、第１の光学測定系２５においてＣＨ₄ の検出を行うことができると共に第２の光学測定系３５においてＨ₂ Ｏの検出を行うことができる。第１の光学測定系２５に係る検知対象ガスと第２の光学測定系３５に係る検知対象ガスとの組み合わせとしては、例えばＣＨ₄ の検出（中心波長１．６５１μｍ付近）とＮＨ₃ の検出（中心波長１．５１７μｍ付近）、あるいは、ＣＨ₄ の検出（中心波長１．６５１μｍ付近）とＣＯの検出（中心波長１．５６８μｍ付近）等を例示することができるが、特に限定されるものではなく、また、例えばＣＯの検出においては、中心波長が４．７μｍ付近の中赤外域のレーザ光を用いることもできる。さらにまた、例えばある特定ガス成分とその干渉ガス成分の検出、あるいは、¹²ＣＯ₂ および¹³ＣＯ₂ などの同位体測定などを行うこともできる。
しかも、第１の光学測定系２５の多重反射光路ＭＰ１および第２の光学測定系３５の多重反射光路ＭＰ２は、いずれも、共通の基準ヘリオット型光路の互いに異なる一部を構成するものであるので、相互に干渉することなく、必要な大きさの光路長が確保されたものとして構成することができる。
さらにまた、第１の光学測定系２５と第２の光学測定系３５が互いに異なる光路長の多重反射光路ＭＰ１，ＭＰ２を形成するものであり、第１の光学測定系２５における第１の光源２６および第２の光学測定系３５における第２の光源３６として、互いに同一の波長のレーザ光を照射するものが用いられることにより、一のガス成分について、広範囲の測定レンジを得ることができる。

【0029】

＜第２実施形態＞
図４は、本発明のマルチパスセルの他の例における構成の概略を示す説明図であって、（ａ）反射鏡の光軸に沿った断面を示す断面図、（ｂ）左側面図、（ｃ）右側面図であり、図５は、図４に示すマルチパスセルにおける、基準光学測定系および他の光学測定系の２つの光学測定系の各々において形成される多重反射光路を、一方の反射鏡の反射面上に、他方の反射鏡の反射面上における反射点を投影した状態で示す、説明図、図６は、図４に示すマルチパスセルにおいて形成される多重反射光路を説明するための斜視図である。 このマルチパスセルは、被検査ガス（サンプルガス）が導入される円筒状のセル本体１１と、その軸方向における両端位置の各々に、互いに焦点距離（曲率半径）が同一の大きさの球面状の反射面２１Ａ，３１Ａを有する第１の反射鏡２１および第２の反射鏡３１が反射鏡保持部材４０によって保持固定された状態で設けられており、第１の反射鏡２１および第２の反射鏡３１の両者は、互いに光軸Ｌ１，Ｌ２が一致する状態で対向して配置されている。図１における符号４１Ａ，４１Ｂは、セル本体１１の内部空間に連通する開口部であって、一方が被検ガス導入用開口部、他方が被検ガス排出用開口部とされる。

【0030】

セル本体１１の、第１の反射鏡２１側の外方位置には、第１の光源２６および適宜の反射ミラー２７を介してセル本体１１から出射された光を検出する受光センサ２８が配置されており、第１の光源２６から照射されるレーザ光が第１の反射鏡２１に形成された開口部２２を介してセル本体１１内に入射され、２つの反射鏡２１，３１によって多重反射された後、再び、当該開口部２２を介してセル本体１１の外部に出射され、反射ミラー２７を介して受光センサ２８によって受光される基準光学測定系としての第１の光学測定系２５が構成されている。
第１の反射鏡２１における開口部２２は、反射鏡２１の背面側から透光性を有する窓板部材４５によって気密に閉塞されている。

【0031】

第１の光学測定系２５における多重反射光路ＭＰ１において、第１の反射鏡２１の反射面２１Ａ上における反射点（図５においては（Ａ）が付された符号で示されており、図６においては、便宜上、丸数字で示されており、数字は反射順序を示している。）は、セル本体１１内に対する光の入射位置（開口部２２の形成位置）０（Ａ）を含む、反射鏡２１の光軸Ｌ１を中心とする半径Ｒ１の円軌道Ｃ１上に並び、例えば、出射位置３２（Ａ）が入射位置０（Ａ）と一致するよう、位置されている。
また、第２の反射鏡３１の反射面３１Ａ上における反射点（図５においては（Ｂ）が付された符号で示されており、図６においては、便宜上、丸数字で示されており、数字は反射順序を示している。）は、第２の反射鏡３１の光軸Ｌ２を中心とする半径Ｒ１の円軌道Ｃ１上に並ぶよう、位置されている。
そして、この実施例における多重反射光路ＭＰ１は、例えば、一の反射鏡２１（３１）において、反射点の位置が多重反射に伴って所定間隔毎に周方向の一定方向（図５において反時計方向）に移動されて、円軌道Ｃ１上を周回、例えば５周すると共に、第１の反射鏡２１の反射面２１Ａ上に、第２の反射鏡３１における反射点を軸方向に投影したとき、第１の反射鏡２１における互いに隣接する２つの反射点、例えば２（Ａ）および２８（Ａ）の間の位置に、第２の反射鏡３１における１つの反射点、例えば１５（Ｂ）が位置されるよう構成されている。

【0032】

多重反射光路ＭＰ１の光路長は、特に制限されるものではなく、例えば、反射鏡２１，３１の焦点距離（曲率半径）、反射鏡２１，３１間の離間距離（中心位置間距離）、反射回数およびその他の光学条件を適宜に選定することにより、目的に応じて適宜に設定することができ、また、第１の反射鏡２１におけるレーザ光の入出射用の開口部２２は、目的に応じて設定される円軌道Ｃ１上の位置に形成すればよい。

【0033】

而して、このマルチパスセルにおいては、互いに独立した、いわゆる『ヘリオットセル』の動作原理を利用した複数系統の多重反射光路が一のセル本体１１内において形成されている。
すなわち、第１の光学測定系２５における多重反射光路ＭＰ１は、反射鏡２１（３１）の光軸Ｌ１（Ｌ２）に沿って伸びる円環状空間領域（円筒状空間領域）Ａ１内において形成されており、当該円環状空間領域Ａ１の内側の円柱状空間領域すなわち第１の光学測定系２５の多重反射光路ＭＰ１において使用されない空間領域において、少なくとも一つの他の光学測定系、この実施例においては、一つの他の光学測定系（以下、「第２の光学測定系」という。）が位置されている。

【0034】

第２の光学測定系３５は、例えば、セル本体１１の、第２の反射鏡３１側の外方位置に配置された、第２の光源３６および適宜の反射ミラー３７を介してセル本体１１から出射された光を検出する受光センサ３８を具えており、第２の光源３６から照射されるレーザ光が第２の反射鏡３１に形成された一方の開口部３２Ａを介してセル本体１１内に入射され、２つの反射鏡２１，３１によって多重反射された後、第２の反射鏡３１に形成された他方の開口部３２Ｂを介して、セル本体１１の外部に出射され、反射ミラー３７を介して受光センサ３８によって受光される構成とされている。
第２の反射鏡３１における開口部３２Ａ，３２Ｂは、反射鏡３１の背面側から透光性を有する窓板部材４５によって気密に閉塞されている。

【0035】

第２の光学測定系３５の多重反射光路ＭＰ２は、いわゆる『ヘリオット型』の多重反射光路（基準ヘリオット型光路）の一部を構成するものであって、２つの反射鏡２１，３１による反射が繰り返して行われてレーザ光が第２の反射鏡３１の反射面３１Ａ上における入射位置０（Ｃ）に到達する前の位置、この実施例においては、例えば２つの反射鏡２１，３１によって１５回反射された後の第２の反射鏡３１における反射面３１Ａ上の位置１６（Ｃ）からセル本体１１の外部に出射される構成とされている。

【0036】

従って、第２の光学測定系３５の多重反射光路ＭＰ２は、反射鏡２１（３１）の光軸Ｌ１（Ｌ２）に沿って伸びる円環状空間領域（円筒状空間領域）Ａ２内において形成されており、第２の反射鏡３１の反射面３１Ａ上における反射点（図５においては（Ｃ）が付された符号で示されており、図６においては、便宜上、四角で囲まれた数字で示されており、数字は反射順序を示している。）は、セル本体１１内に対する光の入射位置（一方の開口部３２Ａの形成位置）０（Ｃ）を含む、第２の反射鏡３１の光軸Ｌ２を中心とする半径Ｒ２の円軌道Ｃ２上に並ぶよう位置されており、また、第１の反射鏡２１の反射面２１Ａ上における反射点（図５においては（Ｄ）が付された符号で示されており、図６においては、便宜上、四角で囲まれた数字で示されており、数字は反射順序を示している。）は、第１の反射鏡２１の光軸Ｌ１を中心とする半径Ｒ２の円軌道Ｃ２上に並ぶよう位置されている。 第２の光学測定系３５における多重反射光路ＭＰ２についての基準ヘリオット型光路は、各々の反射鏡２１，３１の反射面２１Ａ，３１Ａ上における反射点の位置（図５において、[]書きで示されたものを含む（Ｃ），（Ｄ）が付された符号）が多重反射に伴って所定間隔毎に周方向の一定方向（図５において反時計方向）に移動されて、円軌道Ｃ２上を周回、例えば５周するよう構成されており、第１の反射鏡２１の反射面２１Ａ上に、第２の反射鏡３１における反射点を軸方向に投影したとき、第１の反射鏡２１における互いに隣接する２つの反射点、例えば１５（Ｄ）および〔２１（Ｄ）〕の間の位置に、第２の反射鏡３１における１つの反射点、例えば２（Ｃ）が位置されるよう構成されており、第１の光学測定系２５における多重反射光路ＭＰ１と実質的に互いに同一の光路長を有する。

【0037】

第２の光学測定系３５における多重反射光路ＭＰ２の光路長（反射回数）は、特に制限されるものではなく、目的に応じて適宜に設定することができる。

【0038】

第１の光学測定系２５における第１の光源２６および第２の光学測定系３５における第２の光源３６は、例えば近赤外線半導体レーザにより構成することができ、上記実施形態１において例示した波長のものを用いることができる。

【0039】

第１の光学測定系２５における光源２６と、第２の光学測定系３５における第２の光源３６は、互いに同一波長の光を照射するものであっても、互いに異なる波長の光を照射するものであっても、いずれのものであってもよい。
第１の光学測定系２５における第１の光源２６と、第２の光学測定系３５における第２の光源３６とが、互いに異なる波長のレーザ光を照射するものである場合には、高いガス選択性を得ることができて複数種のガス成分を同時に検出することができ、例えば、特定ガス成分とその干渉ガス成分の検出、あるいは、同位体測定などを行うこともできる。
また、第１の光学測定系２５における第１の光源２６と、第２の光学測定系３５における第２の光源３６とが、互いに同一波長のレーザ光を照射するものである場合には、第１の光学測定系２５における多重反射光路ＭＰ１と第２の光学測定系３５における多重反射光路ＭＰ２との光路長を互いに異なる大きさとすることにより、一のガス成分について、広範囲の測定レンジを得ることができる。

【0040】

上記構成のマルチパスセルの一構成例について示すと、第１の反射鏡２１および第２の反射鏡３１は、焦点距離が３６０ｍｍ、曲率半径が７２０ｍｍ、反射面２１Ａ（３１Ａ）の外周縁の径（有効反射面の径）がφ４５ｍｍ、反射鏡２１，３１間の離間距離（中心位置間距離）が３２０ｍｍであり、第１の光学測定系２５における多重反射光路ＭＰ１は、反射回数が３１回（１６往復）、各々の反射鏡２１，３１の反射面２１Ａ，３１Ａ上において反射点が位置される円軌道Ｃ１の半径Ｒ１が３０ｍｍ，光路長が約１０．２４ｍであり、第２の光学測定系３５における多重反射光路ＭＰ２は、反射回数が１５回（８往復）、各々の反射鏡２１，３１の反射面２１Ａ，３１Ａ上において反射点が位置される円軌道Ｃ２の半径Ｒ２が１５ｍｍ，光路長が約５．１２ｍである。
また、第１の光学測定系２５における多重反射光路ＭＰ１が形成される円環状空間領域Ａ１の最内側位置は、反射鏡２１（３１）の光軸Ｌ１（Ｌ２）から２６．４ｍｍ程度の位置であり、レーザ光のビーム径が約φ３ｍｍ程度であり、従って、第１の光学測定系２５および第２の測定光学系３５は、光学的な干渉を生ずることなく、互いに独立したものとして構成される。

【0041】

而して、上記構成のマルチパスセルにおいても、上記第１実施形態に係るものと同様の効果を得ることができる。すなわち、一のセル本体１１内において、互いに独立した２系統の光学測定系２５, ３５が形成されており、例えば、第１の光学測定系２５における第１の光源２６および第２の光学測定系３５における第２の光源３６として互いに異なる波長のレーザ光を照射するものが用いられることにより、高いガス選択性を得ることができて被検査ガスに含まれる２種類のガス成分を同時に検出することができ、しかも、第１の光学測定系２５の多重反射光路ＭＰ１および第２の光学測定系３５の多重反射光路ＭＰ２を互いに干渉することなく、必要な大きさの光路長が確保されたものとして構成することができる。
例えば、第１の光学測定系２５における第１の光源２６として、例えば中心波長が１．６５１μｍ付近である赤外線光源を用い、第２の光学測定系３５における第２の光源３６として、例えば中心波長が１．３６４μｍ付近である赤外線光源を用いた場合には、第１の光学測定系２５においてＣＨ₄ の検出を行うことができると共に第２の光学測定系３５においてＨ₂ Ｏの検出を行うことができる。第１の光学測定系２５に係る検知対象ガスと第２の光学測定系３５に係る検知対象ガスとの組み合わせとしては、例えばＣＨ₄ の検出（中心波長１．６５１μｍ付近）とＮＨ₃ の検出（中心波長１．５１７μｍ付近）、あるいは、ＣＨ₄ の検出（中心波長１．６５１μｍ付近）とＣＯの検出（中心波長１．５６８μｍ付近）等を例示することができるが、特に限定されるものではなく、また、例えばＣＯの検出においては、中心波長が４．７μｍ付近の中赤外域のレーザ光を用いることもできる。さらにまた、例えばある特定ガス成分とその干渉ガス成分の検出、あるいは、¹²ＣＯ₂ および¹³ＣＯ₂ などの同位体測定などを行うこともできる。
さらにまた、第１の光学測定系２５と第２の光学測定系３５が互いに異なる光路長の多重反射光路ＭＰ１，ＭＰ２を形成するものであり、第１の光学測定系２５における光源２６および第２の光学測定系３５における光源３６として、互いに同一の波長のレーザ光を照射するものが用いられることにより、一のガス成分について、広範囲の測定レンジを得ることができる。

【0042】

以上のようなマルチパスセルは、上述したように、例えば、赤外線吸収分光法によるガス測定器に好適に用いられる。
本発明のガス測定器は、図７に示すように、上記マルチパスセルにより構成されたガス検知部５０と、マルチパスセルにおける第１の光学測定系２５を構成する第１の光源２６および第２の光学測定系３５を構成する第２の光源３６の各々の動作制御を行う機能を有すると共に受光センサ２８，３８の各々からの検出信号に基づいて２種類のガス成分の濃度を算出する機能を有する制御手段５５とを具えてなる。
そして、ガス検知においては、制御手段５５における光源制御部５６によって、例えば第１の光源２６および第２の光源３６の各々に対する供給電流の大きさが制御されることにより、第１の光学測定系２５における第１の光源２６および第２の測定光学系３５における第２の光源３６の各々から、例えば周波数変調されたレーザ光がセル本体１１内に入射され、これにより多重反射光路ＭＰ１，ＭＰ２が形成された状態において、被検査ガスがセル本体１１内に供給されることにより、第１の光学測定系２５に係るレーザ光がその波長付近に吸収特性を有する第１の検知対象ガスに吸収されることによって受光センサ２８により検出される赤外線光量が低下し、この赤外線光量の減衰の程度に応じたガス濃度が制御手段５５における信号処理部５７によって検出されると共に、第２の光学測定系３５に係るレーザ光がその波長付近に吸収特性を有する、第１の検知対象ガスとは異なる種類の第２の検知対象ガスに吸収されることによって受光センサ３８により検出される赤外線光量が低下し、この赤外線光量の減衰の程度に応じたガス濃度が制御手段５５における信号処理部５７によって検出される。

【0043】

而して、上記マルチパスセルを具えてなるガス測定器によれば、マルチパスセルが、互いに独立した２系統の光学測定系２５，３５（多重反射光路ＭＰ１，ＭＰ２）が形成されて２種類のガス成分を同時に検知することができるよう構成されているので、複数種のガス成分を同時に検出することができる構成のものでありながら、ガス測定器それ自体を小型のものとして構成することができ、しかも、各々の多重反射光路ＭＰ１，ＭＰ２において、互いに干渉することなく、必要な大きさの光路長を確保することができるので、２種類のガス成分を同時にかつ高い精度で検出することができる。

【0044】

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、種々の変更を加えることができる。
例えば、セル本体内に形成される多重反射光路の数は、２系統に限定されるものではなく、例えば３系統以上であってもよく、また、１系統のみであってもよい。
また、上記第１実施形態および第２実施形態に係るマルチパスセルの各々においては、第１の光学測定系における光源および受光センサと、第２の光学測定系における光源および受光センサとが、一方の反射鏡側の外方位置に形成された構成であってもよく、また、第２の実施形態に係るマルチパスセルにおいては、基準光学測定系における多重反射光路は入射位置および出射位置が互いに異なる位置とされた構成（基準ヘリオット型光路の一部を構成するもの）とされていてもよい。
さらにまた、各々の光学測定系における多重反射光路（基準ヘリオット型光路）は、反射鏡の反射面上における反射点の位置が多重反射に伴って周回するよう構成されている必要はなく、例えば、反射点が周方向に対して所定の方向に順次に並ぶよう構成されていてもよい。
さらにまた、反射鏡の構成、２つの反射鏡の離間距離の大きさ、反射回数、多重反射光路における光路長の大きさおよびその他の具体的構成は、上記実施例に限定されるものではなく、目的に応じて適宜に設定することができる。

【符号の説明】

【0045】

１１ セル本体
２１ 第１の反射鏡
２１Ａ 反射面
２２ 開口部
２２Ａ 一方の開口部
２２Ｂ 他方の開口部
２５ 第１の光学測定系
２６ 第１の光源
２７ 反射ミラー
２８ 受光センサ
３１ 第２の反射鏡
３１Ａ 反射面
３２Ａ 一方の開口部
３２Ｂ 他方の開口部
３５ 第２の光学測定系
３６ 第２の光源
３７ 反射ミラー
３８ 受光センサ
４０ 反射鏡保持部材
４１Ａ，４１Ｂ 開口部
４５ 窓板部材
５０ 検知部
５５ 制御手段
５６ 光源制御部
５７ 信号処理部
６１，６５ 反射鏡
６１Ａ，６５Ａ 反射面
Ｌ１ 第１の反射鏡の光軸
Ｌ２ 第２の反射鏡の光軸
ＭＰ１ 第１の光学測定系における多重反射光路
ＭＰ２ 第２の光学測定系における多重反射光路
Ａ０ 円環状空間領域
Ａ１ 円環状空間領域（円筒状空間領域）
Ａ２ 円環状空間領域（円筒状空間領域）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】