-
HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
-
Gebiet der Erfindung
-
Die
vorliegende Erfindung betrifft eine optische Zellmessvorrichtung
zum Messen eines Spektrums einer in einer Gaszelle befindlichen
Substanz.
-
Zum
Messen eines Spektrums werden eine Vielzahl von sphärischen
Spiegeln in gegenüberliegender
Anordnung in einer Gaszelle angeordnet, und das Licht fällt schräg in die
Zelle ein, wo es an den sphärischen
Spiegeln mehrfach reflektiert (zwei bis 20 Mal) wird, und tritt
anschließend
aus der Zelle aus. Auf diese Weise wird im Wesentlichen der Lichtweg verlängert. Die
Gaszelle mit im Wesentlichen verlängertem Lichtweg wird im Allgemeinen
als eine "Gaszelle
mit großem
Lichtweg" bezeichnet.
Ein Messverfahren, bei dem die Gaszelle mit großem Lichtweg verwendet wird,
ermöglicht
das Umwandeln eines im Allgemeinen schwer zu messenden schwachen Spektrums
in ein relativ starkes Signal zum Messen des Spektrums (WO01/013091).
-
Bei
der Gaszelle mit großem
Lichtweg ist es jedoch notwendig, sphärische Spiegel zu verwenden und
das Licht nicht direkt, sondern schräg in Bezug auf den sphärischen
Spiegel in die Gaszelle einzuleiten. Deshalb stimmt wegen der Aberration
des sphärischen
Spiegels eine Brennpunktposition, an der vertikal polarisierte Lichtstrahlen
zusammenlaufen, nicht mit einer Brennpunktposition überein,
an der horizontal polarisierte Lichtstrahlen zusammenlaufen. Diese
Tendenz nimmt mit zunehmendem Winkel des schräg einfallenden Lichts zu. Das
bedeutet wiederum, dass diese Tendenz mit zunehmendem Abstand zwischen
der Lichteinfallsposition und der Lichtausfallsposition der Gaszelle
deutlicher wird.
-
Falls
die Lichtstrahlen, die in einer der Polarisationsrichtungen polarisiert
sind, zu einem Brennpunkt zum Ausgeben der in die Gaszelle einfallenden Lichtstrahlen
gebracht werden, so befinden sich die Lichtstrahlen, die in der
anderen Polarisationsrichtung polarisiert sind, außerhalb
des Brennpunktes. Dies macht den Austritt sämtlicher Lichtstrahlen unmöglich, was
zu einer Verringerung des, Transmissionsvermögens der Gaszelle führt.
-
Es
ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine optische
Zellmessvorrichtung vorzusehen, die eine Funktion zur Korrektur
der Aberration eines in einer Gaszelle angeordneten sphärischen
Spiegels besitzt, um so die Verringerung der Transmission der Gaszelle
zu vermeiden.
-
ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
-
Eine
optische Zellmessvorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung umfasst eine Lichtquelle, die Licht mit einem vorbestimmten
Wellenlängenbereich
emittiert, einen ersten Spiegel, der das von der Lichtquelle emittierte
Licht reflektiert, eine Gaszelle mit großem optischen Lichtweg, in die
das von dem ersten Spiegel reflektierte Licht eingeführt wird,
einen zweiten Spiegel, der das von der Gaszelle mit großem Lichtweg
ausgegebene Licht reflektiert, einen Sensor, der das von dem zweiten
Spiegel reflektierte Licht detektiert, und ein optisches Element,
das in einem von der Lichtquelle zu dem Sensor verlaufenden Lichtweg
angeordnet ist, und das eine bifokale Eigenschaft mit unterschiedlichen
Brennweiten, gemessen in zwei Richtungen senkrecht zu dem Lichtweg,
besitzt.
-
Der
erste Spiegel und der zweite Spiegel können jeweils als bifokales
optisches Element agieren, oder können jeweils mit dem bifokalen
optischen Element befestigt sein.
-
Bei
dieser erfindungsgemäßen Anordnung wird
das bifokale optische Element in den Lichtweg zwischen der Lichtquelle
und dem Sensor eingeführt, wobei
die Lichtstrahlen, die in die Gaszelle mit großem Lichtweg in den beiden
Richtungen senkrecht zu dem Lichtweg eingeführt werden, an einen Brennpunkt
an im Wesentlichen der gleichen Position gebracht werden. Ferner
werden die Lichtstrahlen, die in den beiden Richtungen senkrecht
zu dem Lichtweg aus der Gaszelle mit großem Lichtweg ausgegeben werden,
zu einem Brennpunkt an im Wesentlichen der gleichen Position gebracht.
Deshalb werden sämtliche
Lichtstrahlen in die Gaszelle mit großem Lichtweg eingeleitet und
aus der Gaszelle mit großem
Lichtweg ausgegeben, unabhängig
von der Polarisationsrichtung. Folglich kann ein Spektrum mit höherer Empfindlichkeit
ohne Verringerung der Transmission der Gaszelle gemessen werden.
-
Da
die Aberration korrigiert ist, kann der Abstand zwischen einer Lichteinlassposition
und einer Lichtauslassposition der Gaszelle vergrößert werden.
Dies erleichtert es, eine Gaszelle mit kurzem Lichtweg zwischen
der Lichteinlassposition und der Lichtauslassposition vorzusehen.
-
Insbesondere
kann die optische Zellmessvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung
ferner ein Bewegungsmittel, das den ersten Spiegel und den zweiten
Spiegel aus dem Lichtweg zwischen der Lichtquelle und dem Sensor
bewegt, und eine Gaszelle mit kurzem Lichtweg aufweisen, die zwischen der
Lichtquelle und dem Sensor in dem Lichtweg angeordnet ist, aus dem
der erste Spiegel und der zweite Spiegel zurückgezogen wurden. Mit dieser
Anordnung ermöglicht
das Vorsehen des Bewegungsmittels, die Gaszelle mit großem Lichtweg
und die Gaszelle mit kurzem Lichtweg für die Messung wahlweise zu
verwenden.
-
Die
voranstehenden und andere Vorteile, Merkmale und Wirkungen der vorliegenden
Erfindung werden anhand der folgenden, detaillierten Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsformen
mit Bezug auf die beigefügten
Zeichnungen deutlich.
-
KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
-
1 ist
eine Querschnittsansicht einer erfindungsgemäßen optischen Zellmessvorrichtung, die
zwei Gaszellen umfasst, d.h. eine Gaszelle mit großem Lichtweg
und eine Gaszelle mit kurzem Lichtweg;
-
2 ist
eine perspektivische Ansicht, die die Form einer beispielhaften
bifokalen Linse darstellt;
-
3 ist
ein optisches Lichtwegdiagramm der erfindungsgemäßen optischen Zellmessvorrichtung,
in die bifokale Linsen in einen Lichtweg eingeführt sind;
-
4 ist
eine Querschnittsansicht, die einen Zustand der erfindungsgemäßen Zellmessvorrichtung
darstellt, in der die beweglichen Spiegel M1, M2 aus dem Lichtweg
zurückgezogen
worden sind; und
-
5 ist
eine Querschnittsansicht einer optischen Zellmessvorrichtung, in
der bifokale Linsen zwischen beweglichen Spiegeln M1, M2 und einem Gaszellenfenster
gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung angeordnet sind.
-
WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER
ERFINDUNG
-
1 ist
eine Querschnittsansicht einer erfindungsgemäßen optischen Zellmessvorrichtung, die
zwei Gaszellen umfasst, d.h. eine Gaszelle mit langem Lichtweg bzw.
optischer Weglänge 1 und eine
Gaszelle mit kurzem Lichtweg bzw. optischer Weglänge 2.
-
Die
optische Zellmessvorrichtung umfasst eine Lichtquelle S, einen Spalt 17,
eine Linse 3, die das von der Lichtquelle S emittierte
Licht konvergiert, und einen beweglichen Spiegel M1, der das von
der Linse 3 konvergierte Licht reflektiert, um das Licht
der Gaszelle mit langem Lichtweg 1 durch ein Gaszellenfenster 4 zuzuführen bzw.
dort einfallen zu lassen.
-
Die
Lichtquelle S ist z.B. eine SiC-Lampe. Die SiC-Lampe besitzt ein
breitbandiges Infrarotspektrum im Bereich von 400 cm–1 bis
7000 cm–1. Dieser
Bereich entspricht einem Wellenlängenbereich
von 1429 Nm bis 25000 Nm aufgrund der folgenden Umrechnungsgleichung: 107/X (Nm) = Y(cm–1), wobei
X die Wellenlänge
und Y die Wellenzahl ist.
-
Das
durch das Gaszellenfenster 4 der Gaszelle mit langem Lichtweg
einfallende Licht wird an Objektivspiegeln 7 und einem
Kondensorspiegel 6, die in der Gaszelle mit langem Lichtweg 1 vorgesehen
sind, mehrfach reflektiert und durch ein Gaszellenfenster 5 ausgelassen.
Die Objektivspiegel 7 und der Kondensorspiegel 6 sind
jeweils z.B. durch Bedampfen mit Gold eines konkaven Spiegels aus
rostfreiem Stahl hergestellt.
-
Das
durch das Gaszellenfenster 5 ausgegebene Licht wird an
einem beweglichen Spiegel M2 reflektiert und einem Detektor D durch
eine Kondensorlinse 8 zugeführt. Die Gaszellenfenster 4, 5 bestehen jeweils
z.B. aus ZnSe.
-
Die
Gaszelle mit langem Lichtweg 1 besitzt einen Gaseinlass 11,
durch das ein Gas, das einer Messung des Wellenlängenspektrums ausgesetzt wird,
in die Gaszelle 1 eingeführt wird, und einen Gasauslass 12,
durch das das eingeführte
Gas aus der Gaszelle 1 ausgelassen wird. Ein Druckaufnehmer 13,
der den Innendruck der Gaszelle mit langem Lichtweg 1 misst,
ist an der Gaszelle 1 angebracht. Ein Bezugszeichen 10 weist
auf ein wärmeisolierendes
Material hin, das um die Gaszelle mit langem Lichtweg 1 vorgesehen
ist.
-
Die
Gaszelle mit kurzem Lichtweg 2 ist in einem Lichtweg L
angeordnet, der linear von der Lichtquelle S zu dem Detektor D durch
die Linsen 3, 8 verläuft. Licht, das in die Gaszelle
mit kurzem Lichtweg 2 durch ein Gaszellenfenster 9 einfällt, verläuft durch das
Innere der Gaszelle mit kurzem Lichtweg 2 und wird durch
ein anderes Gaszellenfenster 9 ausgelassen. Die Gaszellenfenster 9 bestehen
jeweils z.B. aus ZnSe.
-
Die
Gaszelle mit kurzem Lichtweg 2 besitzt einen Gaseinlass 14,
durch das ein Gas, das einer Messung des Wellenlängenspektrums ausgesetzt wird,
in die Gaszelle 2 eingeführt wird, und einen Gasauslass 15,
durch das das eingeführte
Gas aus der Gaszelle 2 ausgelassen wird. Ein Druckaufnehmer 16,
der den Innendruck der Gaszelle mit kurzem Lichtweg 2 misst,
ist an der Gaszelle 2 angebracht.
-
Die
beweglichen Spiegel M1, M2 sind jeweils z.B. durch Bedampfen mit
Gold einer Quarzplatte hergestellt.
-
In 1 verläuft der
Lichtweg L, entlang dem sich das Licht ausbreitet, entlang einer
Z-Achse, und eine X-Achse und eine Y-Achse stehen senkrecht auf der
X-Achse.
-
In
der vorliegenden Erfindung sind bifokale Linsen 21, 22,
von denen jede unterschiedliche Brennweiten besitzt, gemessen entlang
der X-Achse und der Y-Achse senkrecht zu dem Lichtweg L, jeweils
an den Oberflächen
der beweglichen Spiegel M1, M2 angebracht. Die bifokalen Linsen 21, 22 bestehen
vorzugsweise aus einem Material, das das Licht des spektralen Wellenlängenbereichs,
der von der Lichtquelle S emittiert wird, transmittiert. Das Material
für die
bifokalen Linsen 21, 22 ist z.B. Zinkselen (ZnSe),
Bariumfluorid (BaF2) oder Cäsiumjodid
(CsI).
-
Die
Form jeder bifokalen Linse 21, 22 ist in 2 gezeigt.
-
Die
gekrümmten
Oberflächen
der bifokalen Linsen 21, 22 besitzen jeweils eine
Krümmung
in einer YZ-Ebene und eine Krümmung
in einer XZ-Ebene. Der Krümmungsmittelpunkt
in der YZ-Ebene und der Krümmungsmittelpunkt
in der XZ-Ebene sind durch C1 bzw. C2 angedeutet. Ferner sind der
Krümmungsradius
in der YZ-Ebene und der Krümmungsradius
in der XZ-Ebene durch R1 bzw. R2 angedeutet.
-
Die
Krümmungsradien
R1, R2 der bifokalen Linsen 21, 22 sind exakt
so eingestellt, dass eine Brennpunktposition, an der entlang der
X-Achse polarisierte Lichtstrahlen zu einem Brennpunkt verlaufen,
mit einer Brennpunktposition übereinstimmt,
an der entlang der Y-Achse polarisierte Lichtstrahlen zu einem Brennpunkt
verlaufen. Die Brennpunktpositionen, die so an einer Lichteinlassseite
und einer Lichtauslassseite der Gaszelle mit langem Lichtweg 1 entkoppelt
("degenerated") sind, sind durch
die Bezugsbuchstaben F1 bzw. F2 in 1 angedeutet.
-
Bikonvexe
Linsen mit R1>0, R2>0 sind in 2 gezeigt,
die bifokalen Linsen 21, 22 sind aber nicht auf
bikonvexe Linsen beschränkt.
Konkav-konvexe Linsen mit R1<0,
R2>0 oder mit R1>0, R2<0 oder bikonkave
Linsen mit R1<0,
R2<0 können abhängig von
den Positionen F1, F2 verwendet werden.
-
3 ist
ein Lichtwegdiagramm, bei dem die bifokalen Linsen 21, 22 in
den Lichtweg eingeführt sind.
Die Lichtquelle S befindet sich am rechten Ende der 3.
Die von der Lichtquelle S emittierten Lichtstrahlen werden durch
die Linse 3 konvergiert und an dem beweglichen Spiegel
M1 im Allgemeinen senkrecht reflektiert. Anschließend werden
die reflektierten Lichtstrahlen in die Gaszelle 1 durch
das Gaszellenfenster 4 eingeführt. Zu diesem Zeitpunkt wird
der Astigmatismus durch die bifokale Linse 21, die an dem
beweglichen Spiegel M1 angebracht ist, korrigiert, so dass die Lichtstrahlen
an der Brennpunktposition F1 unabhängig von der Polarisationsrichtung konvergiert
werden. In der Gaszelle 1 werden die Lichtstrahlen an den
Objektspiegeln 7 und dem Kondensorspiegel 6 mehrfach
reflektiert und an der Brennpunktposition F2 konvergiert, die zu
der Brennpunktposition F1 konjugiert ist. Die an der Brennpunktposition
F2 konvergierten Lichtstrahlen werden aus der Gaszelle 1 durch
das Gaszellenfenster 5 ausgelassen und im Allgemeinen senkrecht
an dem beweglichen Spiegel M2 reflektiert. Zu diesem Zeitpunkt wird
der Astigmatismus durch die an dem beweglichen Spiegel M2 angebrachte
bifokale Linse 22 korrigiert. Die Lichtstrahlen werden
im Allgemeinen senkrecht an dem beweglichen Spiegel M2 reflektiert und
an einer Lichtaufnahmeoberfläche
des Sensors D durch die Linse 8 konvergiert.
-
Wie
voranstehend beschrieben, werden die Lichtstrahlen an den Brennpunktpositionen
F1, F2 durch die bifokalen Linsen 21 bzw. 22,
die an den beweglichen Spiegeln M1, M2 angebracht sind, unabhängig von
der Polarisationsrichtung konvergiert, so dass die Lichtstrahlen
wirkungsvoll in die Gaszelle 1 eintreten bzw. eingeführt und
aus dieser austreten bzw. ausgelassen werden können. Deshalb kann die Transmission
der Gaszelle auf einem höheren
Pegel gehalten werden, und dabei kann die spektrale Messung mit
einer höheren
Empfindlichkeit erzielt werden.
-
4 ist
eine Querschnittsansicht, die einen Zustand der erfindungsgemäßen optischen
Zellmessvorrichtung darstellt, bei der die beweglichen Spiegel M1,
M2 aus dem Lichtweg L bewegt worden sind.
-
Die
beweglichen Spiegel M1, M2 werden so bewegt und ermöglichen
eine Messung eines Gases, das in der Gaszelle mit kurzem Lichtweg 2 enthalten ist.
-
Bewegungsmittel
zum Bewegen der beweglichen Spiegel M1, M2 können jeden denkbar verschiedenen
Aufbau besitzen. Zum Beispiel (1) können die beweglichen Spiegel
M1, M2 in vertikaler Richtung (entlang der Y-Achse in 4),
wie in 4 gezeigt ist, bewegt werden, oder können in
horizontaler Richtung (entlang der X-Achse in 4)
bewegt werden. In diesem Fall können
eine Kombination einer Antriebswelle und eines Betätigungselements oder
eine Kombination einer Kugelgewindespindel und eines Motors als
ein Antriebsmechanismus zur Bewegung der beweglichen Spiegel M1,
M2 verwendet werden. Die beweglichen Spiegel M1, M2 werden entweder
automatisch oder manuell auf mechanische Weise bewegt. Alternativ
(2) können
die beweglichen Spiegel M1, M2 um eine Achse (z.B. die Z-Achse)
für die
Bewegung gedreht werden. In diesem Fall kann ein Drehbetätigungselement
oder eine Dreh-Magnetspule als ein Antriebsmechanismus für die Bewegung
der beweglichen Spiegel M1, M2 verwendet werden.
-
Während die
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung auf diese Weise beschrieben worden ist,
ist die Erfindung jedoch nicht auf diese Ausführungsform beschränkt. Obwohl
die bifokalen Linsen jeweils an den beweglichen Spiegeln in der
voranstehend beschriebenen Ausführungsform
angebracht sind, können
die bifokalen Linsen getrennt von den beweglichen Spiegeln vorgesehen
werden. Zum Beispiel können
die bifokalen Linsen 21, 22 jeweils in Räumen zwischen
den beweglichen Spiegeln M1, M2 und den Gaszellenfenstern 4, 5,
wie in 5 gezeigt ist, angeordnet sein. Obwohl nicht gezeigt,
können
die bifokalen Linsen jeweils zwischen der Lichtquelle S und dem
beweglichen Spiegel M1 und zwischen dem beweglichen Spiegel M2 und
dem Sensor D vorgesehen sein.
-
Alternativ
können
die Oberflächen
der beweglichen Spiegel M1, M2 gekrümmt sein, wodurch ihnen eine
bifokale Eigenschaft verliehen wird, ohne dass die bifokalen Linsen
vorgesehen werden. In diesem Fall können die Oberflächen der
beweglichen Spiegel M1, M2 derart bearbeitet sein, dass sie unterschiedliche
Krümmungsradien,
gemessen in den beiden Richtungen, besitzen. Ferner können dünne Reflektionsschichten
auf den Oberflächen
der jeweiligen bifokalen Linsen durch Aufdampfen oder dergleichen
gebildet sein, so dass die bifokalen Linsen an sich als Spiegel
dienen können.
Andere Modifikationen können
innerhalb des Bereichs der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden.
-
Die
Offenbarung der japanischen Patentanmeldung Nr. 2004-180256, die am 17.
Juni 2004 eingereicht wurde, ist hier durch Bezugnahme enthalten.