JP2006003233A - 光学セル測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ガスセル１内部に配置された球面ミラー６，７の収差を補償し、ガスセル１の光透過率を低下させることのない光学セル測定装置を提供する。
【解決手段】ある波長範囲に広がった光を照射する光源Ｓと、前記光源Ｓから照射された光を反射させる第１のミラーＭ１と、前記第１のミラーＭ１で反射された光が導かれる長光路ガスセル１と、前記長光路ガスセル１から出射される光を反射させる第２のミラーＭ２と、前記第２のミラーＭ２で反射された光を検出するセンサＤとを備え、前記光源Ｓから前記センサＤまでの光路間に、光路に直交する２方向（Ｘ，Ｙ）間で焦点距離の異なるバイフォーカル特性を有するレンズ２１，２２を配置している。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ガスセル内に存在する物質のスペクトルを測定する光学セル測定装置に関するものである。

ガスセル内に複数の球面ミラーを対向した状態で設置して、セル内に斜め方向から光を入射させ、その光を球面ミラーで複数回（２回〜２０回）反射させて、光を取り出すことによって、光路長を実質的に延長して、スペクトル測定を行うことが行われている。このように光路長を実質的に延長させることのできるガスセルを「長光路長ガスセル」という。この長光路長ガスセルを用いた測定方法によれば、通常微弱で測定が困難なスペクトルを、比較的強い信号に変換して測定することができる。
特表2003-507703号公報

ところが、前記長光路長ガスセルは、球面ミラーを用い、かつ、光をガスセル内に入射するのに、球面ミラーの真正面からでなく、やや斜めから光を当てる必要がある。このため、球面ミラーの収差により、偏光方向が縦方向の光の焦点と、偏光方向が横方向の光の焦点とが一致しなくなる。この傾向は、斜めから当てる光の角度が大きくなればなるほど、すなわち、ガスセルの光入射位置と光出射位置との距離が大きくなるほど、顕著になる。

このため、ガスセルに入射した光を取り出そうとして、いずれかの方向の光に焦点をあわせると、他の方向の光の焦点があわなくなる。このため、すべての光を取り出すことができなくなり、結果的にガスセルの透過率が低下してしまうという問題がある。
そこで本発明は、ガスセル内部に配置された球面ミラーの収差を補償する機能を備え、ガスセルの透過率を低下させることのない光学セル測定装置を提供することを目的とする。

本発明の光学セル測定装置は、ある波長範囲に広がった光を照射する光源と、前記光源から照射された光を反射させる第１のミラーと、前記第１のミラーで反射された光が導かれる長光路ガスセルと、前記長光路ガスセルから出射される光を反射させる第２のミラーと、前記第２のミラーで反射された光を検出するセンサとを備え、前記光源から前記センサまでの光路間に、光路に直交する２方向間で焦点距離の異なるバイフォーカル特性を有する光学素子を配置していることを特徴とする。

前記第１のミラー及び前記第２のミラーは、ミラー自体が前記バイフォーカル特性を有する素子でもよく、前記バイフォーカル特性を有する光学素子がミラーに装着されていてもよい。
このような本発明の構成によれば、前記光源から前記センサまでの光路間に、バイフォーカル特性を有する素子を挿入することにより、前記長光路ガスセルに入射する光の焦点位置を、光路に直交する２方向間でほぼ同一位置にすることができ、かつ、前記長光路ガスセルから出射する光の焦点位置を、光路に直交する２方向間でほぼ同一位置にすることができる。したがって、偏光方向に関係なくすべての光を長光路ガスセルに入射し、かつ、偏光方向に関係なくすべての光を長光路ガスセルから取り出すことができる。この結果、結果的にガスセルの透過率の低下がなくなり、感度のよいスペクトル測定を行うことができる。

また、前記収差を補償することにより、ガスセルの光入射位置と光出射位置との距離を大きくすることができるので、この間に短光路ガスセルを配置することが容易にできる。すなわち、本発明の光学セル測定装置は、前記集光手段から前記センサまでの、前記第１のミラー及び前記第２のミラーを取り除いた光路中に配置された短光路ガスセルをさらに備え、前記第１のミラー及び前記第２のミラーを、前記集光手段から前記センサまでの光路中から移動させる移動手段をさらに備えるものであってもよい。この構成では、前記移動手段を用いて、長光路ガスセルの測定と、短光路ガスセルの測定とのいずれかを任意に選択して測定することができる。

以下、本発明の実施の形態を、添付図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、長光路ガスセル１と、短光路ガスセル２との２つのガスセルを備えた本発明の光学セル測定装置の断面図である。
光学セル測定装置は、光源Ｓと、スリット１７と、光源Ｓの光を集光するレンズ３と、レンズ３で絞られた光を、ガスセル窓４を通して長光路ガスセルに照射する移動式ミラーＭ１とを備えている。

前記光源Ｓは、例えばＳｉＣランプなどである。このＳｉＣランプは、400cm^-1から7000cm^-1という広い赤外線スペクトルを持っている。換算式
１０⁷／Ｘ(nm)＝Ｙ(cm^-1)
に従って波長に換算すると、波長の範囲は1429nmから25000nmになる。
ガスセル窓４を通して長光路ガスセル１に照射された光は、長光路ガスセル１内部に備えられた対物ミラー７と集光ミラー６との間を複数回反射され、ガスセル窓５を通して出射される。前記対物ミラー７と集光ミラー６とは、例えばステンレス凹面鏡に金を蒸着したものを用いる。

ガスセル窓５を通して出射された光は、移動式ミラーＭ２で反射され、集光レンズ８を通して検出器Ｄに入射される。ガスセル窓４，５は、例えばＺｎＳｅからなるものである
前記長光路ガスセル１には、波長スペクトルを測定する被測定ガスを導入するためのガス入口１１と、導入した被測定ガスをガスセル外に排出するためのガス出口１２とを備えている。また、長光路ガスセル１には、長光路ガスセル１内の圧力を測定する圧力トランスデューサ１３が取り付けられている。１０は、長光路ガスセル１の周囲に設けられた断熱材を表す。

短光路ガスセル２は、光源Ｓ、レンズ３，８、検出器Ｄを直接結ぶ光路Ｌに配置されている。ガスセル窓９を通して短光路ガスセル２に照射された光は、短光路ガスセル２の内部をそのまま通過して、ガスセル窓９を通して出射される。ガスセル窓９は、例えばＺｎＳｅからなる。
前記短光路ガスセル２には、波長スペクトルを測定する被測定ガスを導入するためのガス入口１４と、導入した被測定ガスをガスセル外に排出するためのガス出口１５とを備えている。また、短光路ガスセル２には、短光路ガスセル２内の圧力を測定する圧力トランスデューサ１６が取り付けられている。

図１において、光路Ｌに沿って光の伝播する方向をＺ、それに直交する２方向をＸ，Ｙであらわす。
本発明では、前記移動式ミラーＭ１，Ｍ２の表面に、光路に直交する２方向Ｘ，Ｙ間で焦点距離の異なるバイフォーカルレンズ２１，２２をそれぞれ装着している。このバイフォーカルレンズ２１，２２の形状を、図２に示す。このバイフォーカルレンズ２１，２２は、例えば石英に金を蒸着したものである。

バイフォーカルレンズ２１，２２の曲面は、ＹＺ面内の曲率と、ＸＺ面内での曲率を持っている。ＹＺ面内の曲率中心をＣ１、ＸＺ面内での曲率中心をＣ２で示す。曲率半径は、それぞれＲ１，Ｒ２である。
このバイフォーカルレンズの曲率半径Ｒ１，Ｒ２をそれぞれ調整することにより、偏光方向がＸの光の焦点位置と、偏光方向がＹの光の焦点位置とを一致させる。この縮退された焦点位置を、図１の長光路ガスセル１の光入射側において"Ｆ１"、 光出射側において"Ｆ２"で示す。

図２では、Ｒ１＞０，Ｒ２＞０である両凸レンズを示しているが、必ずしもこれに限定されるものではない。Ｆ１，Ｆ２の位置をどこに設定するかに応じて、Ｒ１＜０，Ｒ２＞０又はＲ１＞０，Ｒ２＜０である凹凸レンズタイプを選択してもよく、Ｒ１＜０，Ｒ２＜０である両凹レンズタイプを選択してもよい。
図３は、バイフォーカルレンズ２１，２２を光路中に挿入した光路図である。図３の右端が光源Ｓの位置になる。光源Ｓから発する光は、レンズ３で集光され、移動式ミラーＭ１によりほぼ直角に反射される。次に、前記反射され光は、ガスセル窓４を通してガスセル内に入る。このときに、移動式ミラーＭ１に装着されたバイフォーカルレンズ２１によって、非点収差が補正されるので、光は、偏光方向にかかわりなく焦点位置Ｆ１に集められる。光はガスセル内で対物ミラー７と集光ミラー６とによって複数回反射し、前記焦点位置Ｆ１と共役関係になる焦点位置Ｆ２に集められる。焦点位置Ｆ２に集められた光は、ガスセル窓５を通してガスセルから出射され、移動式ミラーＭ２でほぼ直角に反射される。このときに、移動式ミラーＭ２に装着されたバイフォーカルレンズ２２によって、非点収差が補正される。移動式ミラーＭ２でほぼ直角に反射された光は、レンズ８を通ってセンサＤの受光面に集められる。

以上のように、移動式ミラーＭ１，Ｍ２に装着されたバイフォーカルレンズ２１，２２の機能によって、光は、偏光方向にかかわりなく焦点Ｆ１，Ｆ２に結ばれるようになり、ガスセル内への光の入射、ガスセルからの光の取出しが、効率よく行える。したがって、ガスセルの透過率を多い値に維持でき、感度のよいスペクトル測定を行うことができる。
図４は、前記本発明の光学セル測定装置において、移動式ミラーＭ１，Ｍ２を光路から移動させた状態を示す断面図である。

このように移動式ミラーＭ１，Ｍ２を移動させることにより、短光路ガスセル２中の被測定ガスを測定することができる。
移動式ミラーＭ１，Ｍ２の移動手段は、いろいろな形態をとり得る。例えば（１）リニアガイドを用いて、図４に示すように垂直方向（図４のＹ方向）に移動させてもよい。また水平方向（図４のＸ方向）に移動させてもよい。移動させる動力は、駆動軸とアクチュエータの組み合わせ、あるいはボールねじとモータとの組み合わせなどがあり、自動あるいは手動にて機械的に移動させる。また（２）移動式ミラーＭ１，Ｍ２を一軸（例えばＺ軸）の回りに回転可能にして、この回転により移動させてもよい。移動させる動力は、回転アクチュエータ、回転ソレノイドなどを用いることができる。

以上で、本発明の実施の形態を説明したが、本発明の実施は、前記の形態に限定されるものではない。例えば、今までの説明では、バイフォーカルレンズを、移動式ミラーに装着していた。しかし、移動式ミラーを平面ミラーのみで構成し、バイフォーカルレンズを、移動式ミラーと離して配置してもよい。例えば、図５に示すように、バイフォーカルレンズ２１，２２を移動式ミラーＭ１，Ｍ２とガスセル窓４，５との間の空間に配置してもよい。また、図示しないが、バイフォーカルレンズを光源Ｓと移動式ミラーＭ１との間、及び移動式ミラーＭ２とセンサＤとの間に配置してもよい。

また、バイフォーカルレンズを設置せず、移動式ミラーＭ１，Ｍ２の曲面を加工して、バイフォーカル特性を持たせてもよい。この場合、移動式ミラーＭ１，Ｍ２の２方向の曲率半径を、方向別に変えるような加工をすればよい。真空蒸着などによりバイフォーカルレンズに反射性の薄膜を形成して、バイフォーカルレンズ自体をミラーにしてしまうという実施も可能である。その他、本発明の範囲内で種々の変更を施すことが可能である。

長光路ガスセルと、短光路ガスセルとの２つのガスセルを備えた本発明の光学セル測定装置の断面図である。 バイフォーカルレンズの形状例を示す斜視図である。 バイフォーカルレンズを光路中に挿入した本発明の光学セル測定装置の光路図である。 本発明の光学セル測定装置において、移動式ミラーＭ１，Ｍ２を光路から移動させた状態を示す断面図である。 バイフォーカルレンズを、移動式ミラーＭ１，Ｍ２とガスセル窓との間に配置した本発明の他の実施形態を示す光学セル測定装置の断面図である。

符号の説明

１ 長光路ガスセル
２ 短光路ガスセル
３ レンズ
４ ガスセル窓
５ ガスセル窓
６ 集光ミラー
７ 対物ミラー
８ 集光レンズ
９ ガスセル窓
１０ 断熱材
１７ スリット
Ｄ 検出器
Ｌ 光路
Ｍ１．Ｍ２ 移動式ミラー
Ｓ 光源

Claims (4)

1. ガスセル内に存在する物質のスペクトルを測定する光学セル測定装置であって、
   ある波長範囲に広がった光を照射する光源と、前記光源から照射された光を反射させる第１のミラーと、前記第１のミラーで反射された光が導かれる長光路ガスセルと、前記長光路ガスセルから出射される光を反射させる第２のミラーと、前記第２のミラーで反射された光を検出するセンサとを備え、
   前記光源から前記センサまでの光路間に、光路に直交する２方向間で焦点距離の異なるバイフォーカル特性を有する光学素子を配置していることを特徴とする光学セル測定装置。
2. 前記バイフォーカル特性を有する光学素子は、前記第１のミラー及び前記第２のミラーに装着されている請求項１記載の光学セル測定装置。
3. 前記バイフォーカル特性を有する光学素子は、前記第１のミラー及び前記第２のミラーであり、前記第１のミラー及び前記第２のミラーがバイフォーカル特性を有する請求項１記載の光学セル測定装置。
4. 前記集光手段から前記センサまでの、前記第１のミラー及び前記第２のミラーを取り除いた光路中に配置された短光路ガスセルをさらに備え、
   前記第１のミラー及び前記第２のミラーを、前記集光手段から前記センサまでの光路中から移動させる移動手段をさらに備える請求項１記載の光学セル測定装置。

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