CN109596524B - 多重反射池及其构成方法和气体分析装置 - Google Patents

多重反射池及其构成方法和气体分析装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供多重反射池及其使用的反射镜的制造方法和气体分析装置，能减小供试样气体导入的内部空间(S)的容积。多重反射池(20)具备在内部空间(S)中导入试样气体的池主体(1)，以及在内部空间(S)中相对设置的一对反射镜(2)，从池主体(1)的射入窗(W1)射入的光在一对反射镜(2)之间多重反射并从池主体(1)的射出窗(W1)射出，其中，各所述反射镜(2)使利用光的多重反射而形成在各反射镜(2)的反射面(21)上的光点(P)散布在预定宽度的细长区域(Z)中，且各反射镜(2)沿着细长区域(Z)的长边方向呈细长形状。

Description

多重反射池及其构成方法和气体分析装置
技术领域
本发明涉及多重反射池、具备多重反射池的气体分析装置和多重反射池用反射镜的制造方法。
背景技术
作为利用光吸收的气体分析装置，如专利文献1所示，存在采用被称为多重反射池的装置，所述多重反射池在导入试样气体的池主体内将一对反射镜相对配置，使光在上述的反射镜之间多重反射。
通过采用这种多重反射池，从而光路长度变长，所以能够加长光与试样气体相互作用的距离，可以提高灵敏度。
可是，专利文献1所示的多重反射池是被称为赫里奥特池的类型，采用反射面为俯视呈圆形的球面反射镜作为一对反射镜，池主体的高度和宽度需要大于球面反射镜形状，从而减小池主体的内部空间的容积存在极限。
由此，导入内部空间的试样气体的置换速度的提高也存在极限，例如对应于内燃机的状况来测定各成分的排出量等发生变动的排气等时，出现得不到分析所需的响应速度的问题。
专利文献1：日本专利公开公报特开2010-243270号
发明内容
本发明是为了解决上述问题而提出的，主要目的是提供能减小供试样气体导入的内部空间的容积的多重反射池。
即，本发明的多重反射池，其为赫里奥特池，包括：池主体，在内部空间中导入试样气体；以及一对反射镜，在所述内部空间中相对设置，从所述池主体的射入窗射入的激光在一对所述反射镜之间多重反射并从所述池主体的射出窗射出，其中，一对所述反射镜为球面反射镜，使利用所述激光的多重反射而形成在各所述反射镜的反射面上的光点散布在预定宽度的细长区域，各所述反射镜沿着所述细长区域的长边方向呈细长形状，并设置于所述池主体的扁平形状的内部空间，各所述反射镜的细长形状的厚度薄的方向沿着所述池主体的扁平形状的内部空间的厚度薄的方向，一对所述反射镜安装于基准平面，所述基准平面形成在所述池主体的内表面，一对所述反射镜的光轴与所述基准平面平行。
按照上述构成的多重反射池，由于一对反射镜使反射面中的光点散布在预定宽度的细长区域，且一对反射镜沿着细长区域的长边方向呈细长形状，因此相比于以往可以飞跃性地使上述一对反射镜小型化。
由此，能够将池主体的内部空间所必要的容积设置成极小，其结果，能提高导入内部空间的试样气体的置换速度，可以大幅提高分析的响应速度。
为了在利用多重反射加长光路长度的同时，实现反射镜的小型化，优选沿着所述细长区域的长边方向的各所述反射镜的长度，是沿着与所述长边方向垂直的宽度方向的各所述反射镜的长度的两倍以上，更优选为三倍以上。
顺便提及的是，作为多重反射池，还存在与背景技术中记载的赫里奥特池不同类型的被称为散光(Astigmatic)赫里奥特池的类型。所述类型不是采用球面反射镜，而是采用彼此垂直的两个轴的曲率半径不同的超环面反射镜作为一对反射镜，通过将光点集中到反射面的某个区域，提高反射镜的利用效率，其结果，实现了反射镜的小型化。
可是，为了高精度制作超环面反射镜，需要高度的加工技术，制造成本比球面反射镜大幅增加。
因此，为了在不带来制造成本的大幅增加的情况下，实现内部空间的容积的小型化，优选各所述反射镜采用球面反射镜，并使所述光点散布在所述细长区域。
作为使光点散布在预定宽度的细长区域的实施方式，可以列举所述光点在所述细长区域中散布在直线上、抛物线上或椭圆上的方式。
沿着所述反射镜的长边方向的所述池主体的长度比沿着所述反射镜的宽度方向的所述池主体的长度越长，则池主体越成为扁平形状，越能相比于现有的池主体减小内部空间的容积。
顺便提及的是，在使用多重反射池时，需要以使从池主体的射入窗射入的光在一对反射镜之间多重反射并从池主体的射出窗射出的方式，调整反射镜的位置。作为所述调整方法，可以列举通过采用多个调整螺钉推拉反射镜的多个部位，从而一边改变反射镜的倾斜方向和摆动方向一边调整反射镜的朝向的方法。
可是，在上述的调整方法中，由于重复进行推拉多个调整螺钉的作业来调整反射镜的朝向，所以不仅调整耗时，而且设置多个调整螺钉会增加部件个数，因此成本也会增加。
因此，优选所述池主体具有构成所述池主体的至少两个池部件，一对所述反射镜中的一方固定于两个所述池部件中的一方，并且一对所述反射镜中的另一方固定于两个所述池部件中的另一方，两个所述池部件之间设有滑动机构，所述滑动机构使所述另一方的池部件相对于所述一方的池部件滑动。
按照如此构成的多重反射池，由于构成池主体的至少两个池部件分别固定有反射镜，并且这些池部件之间设有使另一方的池部件相对于一方的池部件滑动的滑动机构，所以只要利用所述滑动机构使另一方的池部件滑动，就可以进行反射镜的位置调整。
由此，不必采用例如改变反射镜的倾斜方向和摆动方向的调整螺钉等，能利用较少的部件个数简单地调整反射镜的位置。
为了更简单地进行反射镜的定位，优选各所述反射镜相对于预定的基准平面被定位在垂直于所述基准平面的方向上，所述滑动机构使所述另一方的池部件相对于所述一方的池部件沿着平行于所述基准平面的面内方向滑动。
按照这种结构，能够在垂直于基准平面的方向上不需要调整反射镜的位置，通过使池部件沿着平行于基准平面的面内方向滑动，来完成反射镜的位置调整。
为了使两个池部件之间不设置其他构件而以较少的部件个数构成滑动机构，优选所述滑动机构包括：第一滑动面，形成于所述一方的池部件；以及第二滑动面，形成于所述另一方的池部件，并且与所述第一滑动面呈面接触，所述滑动机构改变所述面内方向上的一对所述反射镜的位置。
优选所述滑动机构具有引导面，所述引导面与所述另一方的池部件接触，并且限制所述另一方的池部件的滑动方向。
按照这种结构，能够通过使池部件在被引导面限制的滑动方向上滑动，由此完成反射镜的位置调整，可以更简单地进行反射镜的定位。
此外，本发明的气体分析装置包括：上述的多重反射池；光源，向所述射入窗射出激光；光检测器，检测从所述射出窗射出的激光；以及信息处理装置，根据由所述光检测器检测出的光强度信号，分析所述试样气体。
按照这种气体分析装置，能得到与上述的多重反射池同样的作用效果。
而且，本发明的多重反射池的构成方法在导入试样气体的池主体的内部空间中相对设置一对反射镜，且将一对所述反射镜与所述池主体一起构成作为赫里奥特池的多重反射池，其中，一对所述反射镜为球面反射镜，将成为一对所述反射镜的原型的一对原型反射镜切断为细长形状，并且改变一对所述原型反射镜的形状，使利用激光的多重反射而形成在一对所述反射镜的反射面上的光点散布在预定宽度的细长区域，将一对所述反射镜设置于所述池主体的扁平形状的内部空间，使各所述反射镜的细长形状的厚度薄的方向沿着所述池主体的扁平形状的内部空间的厚度薄的方向，将一对所述反射镜安装于基准平面，所述基准平面形成在所述池主体的内表面，使一对所述反射镜的光轴与所述基准平面平行。
按照这种方法制造的细长形状的反射镜，相比于以往可以飞跃性地实现小型化。由此，能够使池主体的内部空间所必要的容积极小，其结果，能提高导入内部空间的试样气体的置换速度，可以大幅提高分析的响应速度。
按照上述构成的本发明，能够减小供试样气体导入的内部空间的容积，提高试样气体的置换速度，可以提高分析的响应速度。
附图说明
图1是本发明一个实施方式的气体分析装置的整体示意图。
图2是表示同一实施方式的多重反射池的结构的断面图。
图3是表示同一实施方式的各反射镜的结构的平面图。
图4是表示同一实施方式的一对反射镜的结构的立体图。
图5是表示同一实施方式的多重反射池的结构的断面图。
图6是表示同一实施方式的多重反射池的结构的平面图。
图7是表示变形实施方式的多重反射池的结构的断面图。
图8是表示变形实施方式的多重反射池的结构的断面图。
图9是表示变形实施方式的反射镜的反射面上形成的光点的图。
图10是变形实施方式的信息处理装置的功能框图。
图11是表示变形实施方式的激光振荡波长的调制方法的示意图。
图12是表示变形实施方式的调制信号、光检测器的输出信号、测定结果的一例的图。
图13是表示变形实施方式的分析装置的要部的示意图。
附图标记说明
100 气体分析装置
20 多重反射池
S 内部空间
1 池主体
2A、2B反射镜
21 反射面
P 光点
Z 细长区域
11 第一池部件
12 第二池部件
5 滑动机构
51 第一滑动面
52 第二滑动面
53 推入构件
54 引导面
具体实施方式
以下参考附图说明本发明的气体分析装置的一个实施方式。
本实施方式的气体分析装置100例如采用NDIR等红外分光法，对例如从内燃机排出的排气等试样气体进行分析，具体而言，如图1所示，气体分析装置100包括：作为光源的半导体激光器10；多重反射池20，导入试样气体并且把来自半导体激光器10的光多重反射；光检测器30，检测从多重反射池20射出的光；以及信息处理装置40，根据光检测器30检测出的光强度信号，分析试样气体所含的成分。
由于本发明的气体分析装置100的特征点在于多重反射池20，所以首先说明除此以外的各部分。
半导体激光器10在此是作为半导体激光器10的一种的量子级联激光器(QCL:Quantum Cascade Laser)，其发出中红外(4μm～10μm)的激光。所述半导体激光器10能根据被施加的电流(或电压)，来调制(改变)振荡波长。另外，只要振荡波长可变，则也可以采用其他类型的激光，并且为了改变振荡波长，也可以改变温度等。
光检测器30在此采用相对廉价的热电堆等热型装置，但是也可以采用其他类型，例如响应性良好的HgCdTe、InGaAs、InAsSb、PbSe等量子型光电元件。
信息处理装置40包括：由缓冲器、放大器等构成的模拟电路；由CPU、存储器等构成的数字电路；以及居于上述模拟/数字电路之间的AD转换器、DA转换器等。通过使CPU及其周边设备按照所述存储器的预定区域中存储的预定程序而协同动作，由此发挥如下功能：接收来自所述光检测器30的输出信号，对所述输出信号的值进行运算处理而算出测定对象成分的浓度。
接下来，具体说明作为本发明的气体分析装置100的特征点的多重反射池20。
如图2所示，多重反射池20具备在内部空间S导入试样气体的池主体1，以及在池主体1内相对设置的一对反射镜2，从池主体1的射入窗W1射入的光在一对反射镜2之间多重反射，并从池主体1的射出窗W2射出。另外，射入窗W1和射出窗W2由在试样气体所含的测定对象成分(在此例如为CO、CO2等)的吸收波段内几乎不吸收光的石英、氟化钙、氟化钡等透明材质形成。
本实施方式的多重反射池20是被称为赫里奥特池(ヘリオットセル、Herriot cell)的类型，采用球面反射镜作为一对反射镜2。这些反射镜2配置成彼此的光轴LA、LB重合，且设计成使穿过一方的反射镜2上形成的光穿过孔h的光在各反射镜2的反射面21之间以预定的通道数和/或预定的光路长度多重反射，并再次穿过光穿过孔h。另外，此处的光穿过孔h为从反射面21朝向背面逐渐扩展的形状，光穿过孔h的形状也可以适当变更。以下在区分一对反射镜2时，将形成有光穿过孔h的反射镜2称为第一反射镜2A，将与第一反射镜2A相对配置的反射镜2称为第二反射镜2B。另外，光穿过孔h的配置和数量可以适当变更。例如，可以是光穿过孔h不仅形成于第一反射镜2A，还形成于第二反射镜2B，也可以是光穿过孔h仅形成于第二反射镜B。而且，只要例如能从第一反射镜2A和第二反射镜2B的周围向各反射镜2A、2B之间导入光或导出光，则第一反射镜2A和第二反射镜2B也可以都未形成光穿过孔h。
而且如图3所示，本实施方式的反射镜2使利用光的多重反射而形成在各反射镜2的反射面21上的光点P散布在预定宽度的细长区域Z中。另外在图3中，图示了第二反射镜2B来代表一对反射镜2，但是如果除掉形成有光穿过孔h这一点，则第一反射镜2A也与第二反射镜2B结构相同。
更具体而言，如图3所示，当俯视反射镜2的反射面21时，细长区域Z是被彼此平行的一对虚拟线X包夹的例如宽度为数mm左右的区域，在此为带状的区域。这些虚拟线X是在反射面21中规定光点P散布的区域的线。本实施方式中的一对虚拟线X是包夹经过反射镜2的中心O的中心线M并从所述中心线M等距离设置的彼此平行的直线。为了便于说明，图3中的虚拟线X图示成比反射镜2的外缘更靠内侧，但是实际上反射镜2的外缘与虚拟线X一致，换句话说，反射面21整体被设定为细长区域Z。但是，也可以将虚拟线X设定成比反射镜2的外缘更靠内侧，换句话说，可以在反射面21的一部分设定细长区域Z。另外，一对虚拟线X并不是必须彼此平行，且不限于直线，例如也可以是曲线和波线。
一对反射镜2设计成使光点P在上述的细长区域Z中例如散布在直线上、抛物线上、椭圆(也包含椭圆的一部分)上等线上。具体而言，一对反射镜2适当设定反射镜直径、反射镜之间距离、光穿过孔h的孔径、反射面21的曲率半径等各种参数，从而使光点P散布在经过反射镜2的中心O的中心线M上。
另外，光点P并不是必须散布在一条线上，例如也可以散布在多条直线上、多条抛物线上和多个椭圆上。
接下来，如果举例说明反射镜2的具体制造方法的一例，则可以例举如下方法：将作为一对反射镜2的原型的原型反射镜(例如平板反射镜)切断为细长形状，并且以利用光的多重反射而形成在一对反射镜2的反射面21上的光点P散布在上述的细长区域Z中的方式，调整各原型反射镜的反射面的曲率。
这样的各反射镜2为反射镜2的长边方向与细长区域Z的长边方向平行的细长形状，具体而言，沿着细长区域Z的长边方向的反射镜2的长度La，是沿着细长区域Z的与长边方向垂直的宽度方向的反射镜2的长度Lb的至少两倍以上，优选三倍以上，本实施方式中约为六倍。
如图4所示，各反射镜2设有在上述的宽度方向贯穿形成于各反射镜2的多个通孔2h，各反射镜2借助这些通孔2h螺纹固定于池主体1。另外，通孔2h也可以形成在反射面21的背面。
接下来，说明池主体1。
如图2、图5、图6所示，池主体1是将上述的一对反射镜2收容于内部空间S的例如大致长方体形状的箱体，一对反射镜2沿着长边方向相对配置。本实施方式中，由于一对反射镜2为细长形状的厚度较小的构件，所以池主体1采用厚度较小的扁平形状的构件。这样，由于池主体1的内部形状也为扁平形状，所以能够使内部空间S为小容量，具体而言，此处的内部空间S的容积例如为数十ml左右。另外，此处所说的扁平形状可以适当变更成俯视时的形状为长方体形状和椭圆形状等。
以下为了便于说明，如图2和图6所示，将池主体1的长边方向称为前后方向，将与池主体1的长边方向垂直的方向称为左右方向，并且如图5所示，将与前后方向和左右方向垂直的方向、即池主体的厚度方向称为上下方向。
如图2、图5所示，池主体1形成有：与内部空间S连通并用于从外部导入试样气体的导入通道L1；以及与内部空间S连通并用于将试样气体向外部导出的导出通道L2。
如图5所示，在池主体1的一个侧壁(以下称为前壁1a)上，设有上述的射入窗W1和射出窗W2，本实施方式中，设置于前壁1a的一枚透光板3兼用作射入窗W1和射出窗W2。能够如此将一枚透光板3兼用作射入窗W1和射出窗W2的原因在于，如上所述的那样，将形成于一方的反射镜2的光穿过孔h兼用作光的入口和出口。利用这种结构能够实现部件数量的削减和制造成本的削减。
另外，射入窗W1和射出窗W2也可以设置于彼此不同的侧壁，还可以由彼此不同的透光板3形成。
本实施方式的透光板3隔着衬垫等弹性构件，嵌入到形成于前壁1a的凹部中，在外侧进一步隔着衬垫等弹性构件设有按压构件4。按压构件4为中心部形成有供光穿过的光穿过孔4a的平板状构件，通过被螺纹固定于前壁1a，从而按压并固定透光板3。
另外，为了降低在透光板3内部的多重反射带来的光的干涉导致的噪声(边缘噪声)，透光板3的内部空间S侧的面相对于来自光源10的光的前进方向倾斜。
如图5和图6所示，本实施方式的池主体1分割为两个池部件(以下称为第一池部件11、第二池部件12)，一对反射镜2中的一方(在此为第一反射镜2A)固定于第一池部件11，并且一对反射镜2中的另一方(在此为第二反射镜2B)固定于第二池部件12。
更具体而言，通过组合第一池部件11和第二池部件12来构成池主体1，换句话说，第一池部件11和第二池部件12是将池主体12分割为两部分后的一方和另一方，且例如形成为将长方体分割为两部分的形状。
第一池部件11至少构成池主体1的底壁1b的一部分，第一反射镜2A隔着密封构件SM螺纹固定于构成所述底壁1b的部分。本实施方式的第一池部件11构成池主体1的底壁1b和侧壁全周(即前壁1a、左壁1c、右壁1d和后壁1e)。
第二池部件12至少构成池主体1的上壁1f的一部分，第二反射镜2B隔着密封构件SM螺纹固定于所述上壁1f。本实施方式的第二池部件12构成池主体1的大致整个上壁1f。
这样，由于第一反射镜2A固定于第一池部件11，并且第二反射镜2B固定于第二池部件12，所以通过组合第一池部件11和第二池部件12，从而将第一反射镜2A和第二反射镜2B在上下方向定位。即，通过组合第一池部件11和第二池部件12，从而各反射镜2A、2B相对于与其光轴LA、LB平行的基准平面B被定位。
例如，在将第一池部件11中的安装有第一反射镜2A的面、即底壁1b的朝内的面作为基准平面B情况下，第一反射镜2A和第二反射镜2B被定位在垂直于基准平面B的方向上。另外，基准平面B只要是与光轴LA、LB平行的平面即可，可以是底壁1b的朝外的面，可以是第二池部件12中的安装有第二反射镜2B的面、即上壁1f的朝内的面，还可以是装载池主体1的面。此外，后述的第一滑动面51和第二滑动面52与各反射镜2A、2B平行时，也可以将所述第一滑动面51和第二滑动面52设为基准平面B。
在第一反射镜2A和第二反射镜2B沿着上下方向被定位的状态下，第一反射镜2A和第二反射镜2B各自的光轴LA、LB从基准平面B沿着上下方向呈预定的高度，具体而言，各自的光轴LA、LB从基准平面B呈相同高度。
而且，如图5和图6所示，本实施方式的池主体1具备滑动机构5，所述滑动机构5设置在第一池部件11与第二池部件12之间，使另一方的池部件12、11相对于一方的池部件11、12滑动。
所述滑动机构5使第一池部件11或第二池部件12沿着平行于基准平面B的面内方向滑移，本实施方式中如图6所示，使第二池部件12在前后方向和左右方向上滑移。
具体而言，滑动机构5具有形成于第一池部件11的第一滑动面51，以及供所述第一滑动面51面接触的第二滑动面52，在此还具有将第二池部件12沿着滑动方向推入的推入构件53。
本实施方式中，第二池部件12一边与第一池部件11面接触一边滑移，第二滑动面52是第二池部件12中的与第一池部件11相对的面，第一滑动面51是第一池部件11中的与第二池部件12相对的面。上述的第一滑动面51和第二滑动面52都是平面。
更具体而言，池主体1的侧壁上表面，即前壁1a、左壁1c、右壁1d和后壁1e各自的上表面形成有比上壁1f略大的台阶部，上壁1f承载于所述台阶部。由此，如图6所示，作为第二池部件12的上壁1f配置成与前壁1a、左壁1c、右壁1d和后壁1e之间隔着间隙G，利用所述间隙G，使第二池部件12能在前后方向和左右方向滑动。另外，图6中表示了将作为第二池部件12的上壁1f推入左壁1c侧的状态，并且是上壁1f与左壁1c之间的间隙G消失的状态。
推入构件53设置成能相对于第二池部件12进退，具体而言，是贯穿侧壁并且例如能由螺丝刀推拉的螺栓等。
本实施方式中，在侧壁的多个部位设有推入构件53。具体而言，推入构件53设置于前壁1a和后壁1e中的至少一方，并且设置于左壁1c和右壁1d中的至少一方。此处的推入构件53设置于前壁1a、后壁1e和右壁1d这三个侧壁，未设置于左壁1c。
此外，前壁1a、左壁1c、右壁1d和后壁1e中的至少一个在多个部位设有推入构件53。此处的推入构件53在前壁1a和右壁1d上设置于两个部位，在后壁1e上设置于一个部位。这样，通过在同一侧壁设置多个推入构件53，本实施方式的滑动机构5不仅可以使第二池部件12在前后方向和左右方向滑移，还可以使第二池部件12一边围绕沿着上下方向的轴进行旋转一边滑动。另外，推入构件53的位置和个数可以适当变更。
而且本实施方式的滑动机构5具有引导面54，所述引导面54与第二池部件12接触并且限制所述第二池部件12的滑动方向。所述引导面54是沿着第二池部件12的滑动方向延伸的面，此处在前后方向延伸来限制左右方向的滑移。具体而言，引导面54是在与第二池部件12接触的状态下限制推入构件53把第二池部件12推入的面，是池主体1的侧壁(在此为左壁1c)中的与第二池部件12的侧壁相对的部分。这样，虽然本实施方式的引导面54设置于第一池部件11，但是也可以在第一池部件11和第二池部件12之间设置其他构件，并且将引导面54设置于所述其他构件。
按照如此构成的多重反射池20，由于一对反射镜2构成为使反射面21中的光点P散布在预定宽度的细长区域Z中，且一对反射镜2沿着细长区域Z的长边方向呈细长形状，因此相比于以往可以飞跃性地使上述一对反射镜2小型化。
由此，能够将池主体1的内部空间S所必要的容积设置成极小，其结果，能提高导入内部空间S的试样气体的置换速度，可以大幅提高分析的响应速度。
具体而言，沿着细长区域Z的长边方向的反射镜2的长度La，是沿着细长区域Z的与长边方向垂直的宽度方向的反射镜2的长度Lb的两倍以上，本实施方式中约为六倍。而且，沿着反射镜2的长边方向的池主体1的长度比沿着反射镜2的宽度方向的池主体1的长度长，池主体1的形状为扁平形状。
由此，能够在利用多重反射加长光路长度的情况下，实现反射镜2的小型化，相比于现有的池主体1，能使内部空间S的容积非常小。
为了实现多重反射池20的反射镜2的小型化，可以列举将反射面21设为超环面的方式，但是为了高精度地制作超环面反射镜，需要高度的加工技术，制造成本高。
对此，本实施方式的多重反射池20由于是采用球面反射镜作为一对反射镜2的赫里奥特池，所以在实现内部空间S的容积的小型化的同时，可以降低制造成本。
此外，由于超环面反射镜具有曲率半径彼此不同的两个轴，所以为了在一对反射镜之间多重反射光，在组装多重反射池时需要严格决定各反射镜的位置和朝向等。
对此，在本实施方式中，由于作为一对反射镜2所使用的球面反射镜的曲率半径确定为一个，因此相比于采用超环面反射镜的情况，多重反射池20的组装性良好。
而且，由于第一反射镜2A固定于第一池部件11，第二反射镜2B固定于第二池部件12，并且第一池部件11和第二池部件12之间设有滑动机构5，所以只要利用所述滑动机构5使第一池部件11或第二池部件12滑动，就能够简单地进行各反射镜2的位置调整。
此外，由于一对反射镜2相对于基准平面B被定位在垂直于所述基准平面B的方向，滑动机构5使另一方的池部件相对一方的池部件沿着平行于基准平面B的面内方向滑动，所以在垂直于基准平面B的方向上不需要调整反射镜2的位置。即，通过使第一池部件11或第二池部件12沿着平行于基准平面B的面内方向滑动，从而能够完成各反射镜2的位置调整，更简单地进行反射镜2的定位。
除此以外，由于滑动机构5具有形成于第一池部件11的第一滑动面51，以及形成于第二池部件12并且与第一滑动面51面接触的第二滑动面52，所以在两个池部件之间不存在其他构件，能以较少的部件个数构成滑动机构5。
此外，滑动机构5具有与第二池部件12接触并且限制第二池部件12的滑动方向的引导面54，所以能够通过使第二池部件12在被引导面54限制的滑动方向上滑动，来完成一对反射镜2的位置调整，使一对反射镜2的定位变得简单。
此外，由于第一池部件11和第二池部件12由大致呈长方体形状的池主体1分割为两部分而形成，所以能尽量减少构成多重反射池20的部件个数。
而且，由于第二池部件12构成池主体1的上壁1f的一部分，所以只要把第二池部件12从第一池部件11取下，就能够诸如对池主体1的内部简单地清扫，可以提高池主体1的维护性。特别是如本实施方式这样分析排气时，可以简单清扫池主体1内部的污垢。而且，清扫等保养结束后，通过组合第一池部件11和第二池部件12就能将一对反射镜2的光轴对准，因此能一举提高维护性和组装性。
另外，本发明不限于上述各实施方式。
例如，上述实施方式中，第二池部件12构成池主体1的上壁1f，但是只要第一池部件11构成池主体1的至少一部分并固定有第一反射镜2A，第二池部件12构成池主体1的至少一部分并固定有第二反射镜2B，则第一池部件11和第二池部件12的形状可以进行各种变更。
具体而言，如图7所示，第二池部件12也可以构成池主体1的上壁1f的一部分，如图8所示，也可以是第一池部件11至少构成底壁1b和后壁1e，第二池部件12至少构成上壁1f和前壁1a。
此外，上述实施方式的滑动机构5使第二池部件在前后方向和左右方向滑动动作，但是也可以使其仅在前后方向和左右方向中的任意一方滑移，还可以使其在上下方向(池主体1的厚度方向)滑移。而且，还可以使第一池部件相对于第二池部件滑移。
池主体1可以分割为三个以上的池部件，也可以由一个池部件构成，池主体1的形状不限于上述实施方式。而且，池主体1也可以不具备滑动机构5。
一对反射镜2的制造方法不限于上述实施方式，例如首先制造作为一对反射镜2的原型的一对原型反射镜。所述原型反射镜是反射面的形状在俯视时为圆形的球面反射镜。
各原型反射镜以光在它们之间多重反射而使形成在各原型反射镜的反射面上的光点散布在上述的细长区域的方式，适当设定反射镜直径、反射镜之间距离、光穿过孔的孔径、反射面的曲率半径等各种参数。
而且，通过切断去除各原型反射镜的细长区域以外的部分，从而将一对反射镜制造成沿着细长区域呈细长形状。另外，只要保留细长区域Z，则并不是必须去除各原型反射镜的细长区域以外的全部。
此外，上述实施方式中说明了反射镜2的长边方向和细长区域Z的长边方向彼此平行的情况，但是例如图9的(a)所示，也可以使细长区域Z的长边方向相对于反射镜2的长边方向倾斜。
而且，光点P不必散布在直线上，例如也可以如图9的(b)所示的那样散布在椭圆上。
在上述实施方式中，滑动机构5使第一池部件11和第二池部件12彼此面接触，但是也可以在第一池部件11和第二池部件12之间设置其他构件，并且通过使所述其他构件与第一池部件11和第二池部件面接触而滑动。另外，其他构件不限于一个，也可以设置多个。
此外，试样气体(试样)不仅可以是排气，也可以是大气等，试样还可以是液体和固体。这意味着测定对象成分也不仅是气体，本发明也适用于液体和固体。此外，不仅可以应用于计算贯穿透过测定对象的光的吸光度，还可以应用于计算反射的吸光度。
上述实施方式中说明了多重反射池20为赫里奥特池的情况，但是多重反射池20也可以是怀特池(ホワイトセル、White Cell)。
上述实施方式中一对反射镜2是球面反射镜，但是一对反射镜2也可以采用超环面反射镜。
上述实施方式中说明了光源是作为半导体激光器的一种的量子级联激光器(QCL:Quantum Cascade Laser)的情况，但是光源也可以是量子级联激光器以外的半导体激光器。此外，光源并不是必须为半导体激光器，例如可以是采用灯丝的灯，还可以是LED光源。而且光源不限于射出中红外光，也可以射出近红外光和远红外光，还可以射出紫外光。
上述实施方式中说明了采用NDIR法的气体分析装置100，本发明的气体分析装置例如也可以采用FTIR法和NDUV法。
而且，分析原理也可以如下所述。
首先，在说明分析原理之前，说明信息处理装置40的功能。
如图10所示，信息处理装置40作为光源控制部41和信号处理部42发挥功能，所述光源控制部41控制所述半导体激光器10的输出，所述信号处理部42接收来自所述光检测器30的输出信号，并对输出信号的值进行运算处理来计算测定对象成分的浓度。
所述光源控制部41通过输出电流(或电压)控制信号来控制半导体激光器10的电流源(或电压源)，由此将所述驱动电流(或驱动电压)改变为预定频率，进而把从半导体激光器10输出的激光的振荡波长用所述预定频率调制。
在上述实施方式中，光源控制部41将驱动电流改变为正弦波状，将所述振荡频率调制为正弦波状(参考图12的调制信号)。此外，如图11所示，所述激光的振荡波长被以测定对象成分的光吸收光谱的峰值为中心进行调制。
所述信号处理部42由第一计算部421、频率成分抽出部422和第二计算部423等构成。
第一计算部421计算封入的试样气体中的测定对象成分产生光吸收状态下透过所述多重反射池20的激光(以下也称为测定对象光)的光强度，与光吸收实质为零状态下透过所述多重反射池20的激光(以下也称为参考光)的光强度之比的对数(以下也称为强度比对数)。
更具体而言，前者、后者的光强度都由所述光检测器30测定，在将测定结果数据存储于存储器的预定区域时，所述第一计算部421参考所述测定结果数据计算出所述强度比对数。
可是，前者的测定(以下也称为试样测定)当然对各试样气体随时进行。后者的测定(以下也称为参考测定)则可以在所述试样测定之前或测定之后随时进行，也可以在适当的时机例如仅进行一次，并将其结果存储于存储器而对各试样测定共通使用。
另外，在该实施方式中，为了达到光吸收实质为零的状态，向多重反射池20封入零点气体，例如N2气体，在被视为所述测定对象成分产生光吸收的波段内，所述零点气体的光吸收实质为零。但是也可以是其他气体，还可以将多重反射池20内设为真空。
所述频率成分抽出部422将所述第一计算部421计算出的强度比对数(以下也称为吸光度信号)用具有所述调制频率的n倍(n是1以上的整数)的频率的参考信号进行锁相检波，从所述强度比对数抽出参考信号所具有的频率成分。另外，可以通过数字运算进行锁相检波，也可以通过模拟电路的运算进行锁相检波。此外，频率成分的抽出不仅可以采用锁相检波，例如也可以采用傅立叶级数展开的方式。
第二计算部423根据所述频率成分抽出部422的检波结果，计算出所述测定对象成分的浓度。
接下来，兼顾上述各部分的具体说明，说明所述气体分析装置100的动作的一例。
首先，如上所述，光源控制部41控制半导体激光器10，用所述调制频率且以测定对象成分的吸收光谱的峰值为中心来调制激光的波长。
接下来，由操作者或自动地向多重反射池20内封入零点气体时，检测出这种情况的所述第一计算部421进行参考测定。
具体而言，接收零点气体封入多重反射池20的状态下来自光检测器30的输出信号，将所述输出信号的值存储于测定结果数据存储部。将所述参考测定中的光检测器30的输出信号的值、即参考光强度以时序坐标图表示时，如图12的(a)所示。即，仅仅是激光器的驱动电流(电压)的调制带来的光输出的变化显现于光检测器30的输出信号。
在此，由操作者或自动地向多重反射池20内封入试样气体时，所述第一计算部421进行试样测定。具体而言，接收试样气体封入多重反射池20的状态下来自光检测器30的输出信号，并将所述输出信号的值存储于存储器的预定区域。将所述试样测定中的光检测器30的输出信号的值、即测定对象光强度以时序坐标图表示时，如图12的(b)所示。可知每隔调制的半个周期会显现出吸收引起的峰值。
接下来，第一计算部421使各测定数据与调制周期同步，计算测定对象光的光强度与参考光的光强度的强度比对数。具体而言，进行与下式(数学式1)相当的运算。
(数学式1)
在此，Dm(t)为测定对象光强度，Dz(t)为参考光强度，A(t)为强度比对数(吸光度信号)。以时间为横轴将所述吸光度信号表示于坐标图时，如图12的(c)所示。
另外，作为求出强度比对数的方法，可以在计算出测定对象光强度与参考光强度之比后，求出其对数，也可以分别求出测定对象光的对数和参考光强度的对数，并将它们相减。
接下来，频率成分抽出部422将所述强度比对数用具有所述调制频率的两倍频率的参考信号进行锁相检波，即抽出所述调制频率的两倍的频率成分，将该数据(以下也称为锁相数据)存储于存储器的预定区域。另外，也可以通过将测定对象光的对数和参考光强度的对数分别锁相检波后相减而得到锁相数据。
所述锁相数据的值为与测定对象成分的浓度成比例的值，第二计算部423根据所述锁相数据的值，计算出表示测定对象成分的浓度的浓度指示值。
按照这种构成，当因某种原因而导致激光强度变化时，只要对前述的强度比对数施加一定的偏置，则波形就不会改变。因此，由于对强度比对数进行锁相检波而计算出的各频率成分的值不变、浓度指示值不变，所以能够期待高精度的测定。
以下具体说明其理由。
通常，对吸光度信号A(t)进行傅立叶级数展开时，表示为下式(数学式2)。
另外，式(数学式2)中的an是与测定对象成分的浓度成比例的值，所述第二计算部423根据所述值an计算出用于表示测定对象成分的浓度的浓度指示值。
(数学式2)
在此，fm为调制频率，n是针对调制频率的倍数。
另一方面，A(t)也表示为前述的数学式(数学式1)。
接下来，测定中因某种原因而导致激光强度改变α倍的情况下，吸光度信号A'(t)由下式(数学式3)表示。
(数学式3)
根据本式(数学式3)可知，A'(t)是在激光强度无变动时的吸光度信号A(t)上加上作为一定值的－ln(α)，即使激光强度变化，各频率成分的值an也不变化。
因此，不影响根据调制频率的两倍频率成分的值决定的浓度指示值。
以上是试样气体中不含测定对象成分以外的干涉成分时的气体分析装置100的动作示例。
接下来，说明试样气体中包含在测定对象成分的峰值光吸收波长中具有光吸收的一个或多个干涉成分(例如H2O)时的本气体分析装置100的动作示例。
首先说明原理。
由于测定对象成分和干涉成分的光吸收光谱的形状不同，所以各个成分单独存在时的吸光度信号的波形不同，各频率成分的比例不同(线性独立)。利用这一点，通过采用测定的吸光度信号的各频率成分的值，以及预先求出的测定对象成分与干涉成分的吸光度信号的各频率成分的关系，求解联立方程式，从而可以得到干涉影响被修正过的测定对象成分的浓度。
将测定对象成分、干涉成分分别单独存在时的每单位浓度的吸光度信号分别设为Am(t)、Ai(t)，各个吸光度信号的各频率成分设为anm、ani时，下式(数学式4、数学式5)成立。
(数学式4)
(数学式5)
测定对象成分、干涉成分的浓度分别以Cm、Ci存在时的吸光度信号值A(t)利用各吸光度的线性，用下式(数学式6)表示。
(数学式6)
在此，将A(t)的fm和2fm的频率成分分别设为a1、a2，则利用上式(数学式6)，以下的联立方程式(数学式7)成立。
(数学式7)
a1mCm+a1iCi＝a1
a2mCm+a2iCi＝a2
由于测定对象成分、干涉成分分别单独存在时的各频率成分anm、ani(n为自然数，在此n＝1，2)，可以预先通过流通各校准用气体而求出，所以通过求解上式(数学式7)的联立方程式这种简单且可靠的运算，可以决定去除了干涉影响的测定对象气体的浓度Cm。
气体分析装置100根据上述的原理进行动作。
即，此时的气体分析装置100例如事前流通校准用气体而预先测定等，在存储器的预定区域存储所述测定对象成分和干涉成分单独存在时的各个吸光度信号的频率成分a1m、a2m、a1i、a2i。具体而言，与前例相同，在测定对象成分和干涉成分中分别对测定对象光强度和参考光强度进行测定，计算它们的强度比对数(吸光度信号)，并进行锁相检波等而从所述强度比对数求出所述频率成分a1m、a2m、a1i、a2i，并且将它们存储。另外，也可以不存储所述频率成分，而是存储每单位浓度的吸光度信号Am(t)、Ai(t)，并从上式(数学式4)计算出频率成分a1m、a2m、a1i、a2i。
而且，所述气体分析装置100根据操作者的输入等，确定测定对象成分和干涉成分。
接下来，所述第一计算部421根据上式(数学式1)计算出强度比对数A(t)。
随后，所述频率成分抽出部422将所述强度比对数用所述调制频率fm及具有两倍的频率2fm的参考信号进行锁相检波，抽出各频率成分a1、a2(锁相数据)，并存储于存储器的预定区域。
而后，第二计算部423将所述锁相数据的值a1、a2和存储器中存储的频率成分a1m、a2m、a1i、a2i的值代入上式(数学式7)，或者进行与此相当的计算，计算出浓度(或浓度指示值)Cm，所述浓度(或浓度指示值)Cm表示去除了干涉影响的测定对象气体的浓度。此时，也可以计算出各干涉成分的浓度(或浓度指示值)Ci。
另外，当存在两个以上的干涉成分时，只要按照干涉成分的数量追加更高次的频率成分，求解与成分种类数相同元数的联立方程式，就同样可以决定去除了干涉影响的测定对象成分的浓度。
即，通常将测定对象成分和干涉成分合计存在n种气体时的第k号气体种类的i×fm的频率成分设为aik，第k号气体种类的浓度设为Ck时，下式(数学式8)成立。
(数学式8)
通过求解由上式(数学式8)表示的n元联立方程式，可以决定测定对象成分和干涉成分的各气体的浓度。
此外，可以通过再追加大于n的次数的高频成分，列出元数大于气体种类数量的联立方程式，利用最小二乗法决定各气体浓度，由此，能决定针对测定噪声的误差更小的浓度。
在上述实施方式中，利用一个光检测器进行试样测定和参考测定，但是如图13所示，也可以采用两个光检测器31、32，将一方的光检测器31用于试样测定，将另一方的光检测器32用于参考测定。在这种情况下，利用半反射镜33使来自作为光源的半导体激光器10的光分路。此外，也可以在参考测定的光路上配置参考池。另外，可以考虑在参考池中封入零点气体或浓度已知的基准气体。
此外，本发明不限于上述实施方式，当然可以在不脱离发明思想的范围内进行各种变形。

Claims (11)

1.一种多重反射池，其为赫里奥特池，包括：
池主体，在内部空间中导入试样气体；以及
一对反射镜，在所述内部空间中相对设置，
从所述池主体的射入窗射入的激光在一对所述反射镜之间多重反射并从所述池主体的射出窗射出，
所述多重反射池的特征在于，
一对所述反射镜为球面反射镜，使利用所述激光的多重反射而形成在各所述反射镜的反射面上的光点散布在预定宽度的细长区域，
各所述反射镜沿着所述细长区域的长边方向呈细长形状，并设置于所述池主体的扁平形状的内部空间，
各所述反射镜的细长形状的厚度薄的方向沿着所述池主体的扁平形状的内部空间的厚度薄的方向，
一对所述反射镜安装于基准平面，所述基准平面形成在所述池主体的内表面，
一对所述反射镜的光轴与所述基准平面平行。
2.根据权利要求1所述的多重反射池，其特征在于，沿着所述细长区域的长边方向的各所述反射镜的长度，是沿着所述细长区域的与长边方向垂直的宽度方向的各所述反射镜的长度的两倍以上。
3.根据权利要求2所述的多重反射池，其特征在于，沿着所述长边方向的各所述反射镜的长度，是沿着所述宽度方向的各所述反射镜的长度的三倍以上。
4.根据权利要求1所述的多重反射池，其特征在于，所述光点在所述细长区域中散布在直线上、抛物线上或椭圆上。
5.根据权利要求1所述的多重反射池，其特征在于，沿着所述反射镜的长边方向的所述池主体的长度，比沿着所述反射镜的宽度方向的所述池主体的长度长。
6.根据权利要求1所述的多重反射池，其特征在于，
所述池主体具有构成所述池主体的至少两个池部件，
一对所述反射镜中的一方固定于两个所述池部件中的一方，并且一对所述反射镜中的另一方固定于两个所述池部件中的另一方，
两个所述池部件之间设有滑动机构，所述滑动机构使所述另一方的池部件相对于所述一方的池部件滑动。
7.根据权利要求6所述的多重反射池，其特征在于，
各所述反射镜相对于所述基准平面被定位在垂直于所述基准平面的方向上，
所述滑动机构使所述另一方的池部件相对于所述一方的池部件沿着平行于所述基准平面的面内方向滑动。
8.根据权利要求6所述的多重反射池，其特征在于，
所述滑动机构包括：
第一滑动面，形成于所述一方的池部件；以及
第二滑动面，形成于所述另一方的池部件，并且与所述第一滑动面呈面接触。
9.根据权利要求6所述的多重反射池，其特征在于，所述滑动机构具有引导面，所述引导面与所述另一方的池部件接触，并且限制所述另一方的池部件的滑动方向。
10.一种气体分析装置，其特征在于，包括：
权利要求1所述的多重反射池；
光源，向所述射入窗射出激光；
光检测器，检测从所述射出窗射出的激光；以及
信息处理装置，根据由所述光检测器检测出的光强度信号，分析所述试样气体。
11.一种多重反射池的构成方法，在导入试样气体的池主体的内部空间中相对设置一对反射镜，且将一对所述反射镜与所述池主体一起构成作为赫里奥特池的多重反射池，所述多重反射池的构成方法的特征在于，
一对所述反射镜为球面反射镜，
将成为一对所述反射镜的原型的一对原型反射镜切断为细长形状，并且改变一对所述原型反射镜的形状，使利用激光的多重反射而形成在一对所述反射镜的反射面上的光点散布在预定宽度的细长区域，
将一对所述反射镜设置于所述池主体的扁平形状的内部空间，
使各所述反射镜的细长形状的厚度薄的方向沿着所述池主体的扁平形状的内部空间的厚度薄的方向，
将一对所述反射镜安装于基准平面，所述基准平面形成在所述池主体的内表面，
使一对所述反射镜的光轴与所述基准平面平行。
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