JP2017215202A - マルチパスセル - Google Patents

Abstract

【課題】マルチパスセルにおいて、入射ビームと出射ビームとが互いに干渉しないようにする場合、ハーフミラーを設置する必要がないマルチパスセルを提供することを目的とする。【解決手段】第１の球面鏡と、上記第１の球面鏡と対向している第２の球面鏡と、上記第１の球面鏡に設けられている入射窓であって、ビームを入射させる入射窓と、上記入射窓から入射されたビームが上記第２の球面鏡、上記第１の球面鏡で反射を繰り返したビームを出射させる出射窓であって、上記第１の球面鏡であって上記入射窓とは異なる位置に設けられている出射窓とを有し、上記第１の球面鏡における入射窓から入射ビームを入射し、上記第２の球面鏡と上記第１の球面鏡とで上記入射ビームが交互に反射し、上記第１の球面鏡の上に存在ししかも光軸に対して対称の位置に存在する共役結像点を、第２共役結像点と呼び、上記出射窓の位置が上記第２共役結像点であることを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、レーザー光等を使用して、所定のガス等を測定する場合、レーザー光の光路長を長くする光学装置に関する。

従来、レーザー光等を使用して、所定のガス等を測定する場合、レーザー光の光路長を長くする装置として、マルチパスセルが知られている（たとえば、特許文献１参照）。

図４は、従来のマルチパスセルＭＰＣ４を示す図である。

図４（１）は、従来のマルチパスセルＭＰＣ４において、マルチパスセルＭＰＣ４を形成する筒の横からビームの軌跡を見た図である。図４（２）は、筒の軸方向からビームの軌跡を見た図である。

このマルチパスセルＭＰＣ４において、ビーム数は１４である。また、第１共役結像点に、入射窓Ｗ１４と出射窓Ｗ２４が設けられている。つまり、入射窓Ｗ１４と出射窓Ｗ２４とが同一の位置に存在している。

特開２００６−３００７６０号公報

上記従来例において、入射ビームＢ１４が入射窓Ｗ１４を通過し、第２の球面鏡Ｍ２４、第１の球面鏡Ｍ１４で反射を繰り返した後に、出射ビームＢ２４が出射窓Ｗ２４を通過する。この場合、入射窓Ｗ１４と出射窓Ｗ２４とが同一の位置に設けられているので、入射ビームＢ１４と出射ビームＢ２４との為す角が小さい。このために、入射ビームＢ１４と出射ビームＢ２４とが互いに干渉し易い。この干渉を防ぐためには、出射窓Ｗ２４の近傍にハーフミラーを設置する必要がある。

すなわち、上記従来例では、入射ビームＢ１４と出射ビームＢ２４とが互いに干渉しないようにするために、ハーフミラーを設置することが煩雑であるという問題がある。

本発明は、マルチパスセルにおいて、入射ビームと出射ビームとが互いに干渉しないようにする場合、ハーフミラーを設置する必要がないマルチパスセルを提供することを目的とする。

本発明のマルチパスセルは、第１の球面鏡と、上記第１の球面鏡と対向している第２の球面鏡と、上記第１の球面鏡に設けられている入射窓であって、ビームを入射させる入射窓と、上記入射窓から入射されたビームが上記第２の球面鏡、上記第１の球面鏡で反射を繰り返したビームを出射させる出射窓であって、上記第１の球面鏡であって上記入射窓とは異なる位置に設けられている出射窓とを有し、上記第１の球面鏡における入射窓から入射ビームを入射し、上記第２の球面鏡と上記第１の球面鏡とで上記入射ビームが交互に反射し、上記第１の球面鏡の上に存在ししかも光軸に対して対称の位置に存在する共役結像点を、第２共役結像点と呼び、上記出射窓の位置が上記第２共役結像点であることを特徴とする。

本発明によれば、マルチパスセルにおいて、入射ビームと出射ビームとが互いに干渉しないようにする場合、ハーフミラーを設置する必要がないという効果を奏する。

本発明の実施例１であるマルチパスセルＭＰＣ１を示す図である。 本発明の実施例２であるマルチパスセルＭＰＣ２を示す図である。 本発明の実施例３であるマルチパスセルＭＰＣ３を示す図である。 従来のマルチパスセルＭＰＣ４を示す図である。

発明を実施するための形態は、以下の実施例である。

図１は、本発明の実施例１であるマルチパスセルＭＰＣ１を示す図である。

マルチパスセルＭＰＣ１は、レーザーＬ１と、第１の球面鏡Ｍ１１と、第２の球面鏡Ｍ２１と、入射窓Ｗ１１と、出射窓Ｗ２１と、受光素子ＳＥ１とを有する。

第１の球面鏡Ｍ１１と第２の球面鏡Ｍ２１とが、互いに対向し、図示しない筒に収容され、上記筒の一端に、第１の球面鏡Ｍ１１が設けられ、上記筒の他端に、第２の球面鏡Ｍ２１が設けられている。図１では、第１の球面鏡Ｍ１１、第２の球面鏡Ｍ２１を、簡略して示し、直線で表示している。他の図においても、図１と同様に、球面鏡を直線で示してある。

図１（１）は、マルチパスセルＭＰＣ１において、上記筒の横からビームの軌跡を見た図であり、図１（２）は、マルチパスセルＭＰＣ１において、上記筒の軸方向からビームの軌跡を見た図である。

第１の球面鏡Ｍ１１に、入射窓Ｗ１１が設けられ、入射窓Ｗ１１は、レーザーＬ１で発生した入射ビームＢ１１を入射させる。図１では、レーザーＬ１と入射窓Ｗ１１とが離れているが、実際は、レーザーＬ１のレーザー光出射部分が、入射窓Ｗ１１に設けられている。

出射窓Ｗ２１は、入射窓Ｗ１１から入射された入射ビームＢ１１が第２の球面鏡Ｍ２１、第１の球面鏡Ｍ１１で反射を繰り返し、この反射したビームを上記筒から出射させる窓である。マルチパスセルＭＰＣ１では、出射窓Ｗ２１が、第１の球面鏡Ｍ１１に設けられている。また、出射窓Ｗ２１は、ビームの第２共役結像点に設けられている。さらに、出射窓Ｗ２１は、入射窓Ｗ１１とは異なる位置に設けられている。

ところで、マルチパスセルにおいて、入射窓の位置と出射窓の位置とが同一である場合（図４に示すような場合）、上記入射窓の位置、出射窓の位置を第１共役結像点と呼ぶ。さらに、入射窓と同じ側の鏡の上に存在ししかも光軸に対して対称の位置に存在する共役結像点を第２共役結像点と呼び、また、入射窓の反対側の鏡の上に存在する共役結像点を、第２共役結像点と呼ぶ。具体的には、入射窓と同じ側の鏡の上に存在ししかも光軸に対して対称の位置に存在する共役結像点である第２共役結像点を、図１に示す。また、入射窓の反対側の鏡の上に存在する共役結像点である第２共役結像点を、図２、図３に示す。

図１、図２、図３における出射窓Ｗ２１、Ｗ２２、Ｗ２３のそれぞれの位置が、第２共役結像点である。また、図４において入射窓Ｗ１４から入射し、同じ窓である出射窓から出射した場合の出射窓Ｗ２４の位置が第１共役結像点である。

なお、マルチパスセルＭＰＣ１において、ビーム数ｎは１４である。このビーム数ｎは、第１の球面鏡Ｍ１１に入射されたビームが第２の球面鏡Ｍ２１で反射するまでのビーム、第１の球面鏡Ｍ１１または第２の球面鏡Ｍ２１で反射したビームが第２の球面鏡Ｍ２１または第１の球面鏡Ｍ１１で反射するまでのビーム、第１の球面鏡Ｍ１１または第２の球面鏡Ｍ２１で反射したビームが出射窓Ｗ２１を通過するまでのビームの合計数である。

また、マルチパスセルＭＰＣ１内の光路長は、従来のマルチパスセルＭＰＣ４内の光路長とほぼ等しい。

次に、マルチパスセルＭＰＣ１の動作について説明する。

レーザーＬ１で発生したレーザー光が入射ビームＢ１１となって、マルチパスセルＭＰＣ１内に進み、第２の球面鏡Ｍ２１、第１の球面鏡Ｍ１１で反射を繰り返し、ビームの第２共役結像点に進む。この第２共役結像点に、出射窓Ｗ２１が設けられ、ここに受光素子ＳＥ１が設けられている。

なお、入射窓Ｗ１１と出射窓Ｗ２１とは、上記筒の軸に対して対称の位置に存在している。また、マルチパスセルＭＰＣ１において、第２共役結像点は、入射窓Ｗ１１が設けられている位置とは異なる位置に設けられているので、入射ビームＢ１１と出射ビームＢ２１とが互いに干渉しないようにする場合、ハーフミラーを設置する必要がない。

図２は、本発明の第２の実施例であるマルチパスセルＭＰＣ２を示す図である。

マルチパスセルＭＰＣ２は、レーザーＬ２と、第１の球面鏡Ｍ１２と、入射窓Ｗ１２と、第２の球面鏡Ｍ２１と、出射窓Ｗ２２と、受光素子ＳＥ２とを有する。

第１の球面鏡Ｍ１２と第２の球面鏡Ｍ２２とが、互いに対向し、図示しない筒に収容され、上記筒の一端に、第１の球面鏡Ｍ１２が設けられ、上記筒の他端に、第２の球面鏡Ｍ２２が設けられている。

図２（１）は、マルチパスセルＭＰＣ２において、上記筒の横からビームの軌跡を見た図であり、図２（２）は、マルチパスセルＭＰＣ２において、上記筒の軸方向からビームの軌跡を見た図である。

レーザーＬ２は、入射ビームＢ１２を発生する。入射窓Ｗ１２は、第１の球面鏡Ｍ１２に設けられ、入射ビームＢ１２を入射させる。

出射窓Ｗ２２は、入射窓Ｗ１２から入射された入射ビームＢ１２を第２の球面鏡Ｍ２２、第１の球面鏡Ｍ１２で反射を繰り返したビームを出射させる窓であり、第２の球面鏡Ｍ２２に設けられ、しかも上記ビームの第２共役結像点に設けられている。

なお、マルチパスセルＭＰＣ２において、上記ビーム数ｎは１３である。

また、マルチパスセルＭＰＣ２内の光路長は、従来のマルチパスセルＭＰＣ４内の光路長とほぼ等しい。

次に、マルチパスセルＭＰＣ２の動作について説明する。

レーザーＬ２で発生したレーザー光が入射ビームＢ１２となって、マルチパスセルＭＰＣ２内に進み、第２の球面鏡Ｍ２２、第１の球面鏡Ｍ１２で反射を繰り返し、ビームの第２共役結像点に進む。この第２共役結像点に、出射窓Ｗ２２が設けられ、ここに受光素子ＳＥ２が設けられている。

また、マルチパスセルＭＰＣ２において、出射窓Ｗ２２が、第２共役結像点に設けられているとともに、第２の球面鏡Ｍ２２に設けられている。一方、入射窓Ｗ１２が第１の球面鏡Ｍ１２に設けられている。したがって、マルチパスセルＭＰＣ２において、入射窓Ｗ１１が設けられている位置と、出射窓Ｗ２２が設けられている位置とが異なるので、入射ビームＢ１２と出射ビームＢ２２とが互いに干渉せず、よって、従来例で必要としたハーフミラーを設置する必要がない。

図３は、本発明の第３の実施例であるマルチパスセルＭＰＣ３を示す図である。

マルチパスセルＭＰＣ３は、レーザーＬ３と、第１の球面鏡Ｍ１３と、入射窓Ｗ１３と、第２の球面鏡Ｍ２３と、出射窓Ｗ２３と、受光素子ＳＥ３とを有する。

第１の球面鏡Ｍ１３と第２の球面鏡Ｍ２３とが、互いに対向し、図示しない筒に収容され、上記筒の一端に、第１の球面鏡Ｍ１３が設けられ、上記筒の他端に、第２の球面鏡Ｍ２３が設けられている。

図３（１）は、マルチパスセルＭＰＣ３において、上記筒の横からビームの軌跡を見た図であり、図３（２）は、マルチパスセルＭＰＣ３において、上記筒の軸方向からビームの軌跡を見た図である。

レーザーＬ３は、入射ビームＢ１３を発生する。第２の球面鏡Ｍ２３は、第１の球面鏡Ｍ１３と対向している。入射窓Ｗ１３は、第１の球面鏡Ｍ１３に設けられ、入射ビームＢ１３を入射させる。

出射窓Ｗ２３は、入射窓Ｗ１３から入射された入射ビームＢ１３を第２の球面鏡Ｍ２３、第１の球面鏡Ｍ１３で反射を繰り返したビームを出射させる窓であり、第２の球面鏡Ｍ２３に設けられ、しかも第２共役結像点に設けられている。

なお、マルチパスセルＭＰＣ３において、上記ビーム数ｎは１３である。また、マルチパスセルＭＰＣ３内の光路長は、従来のマルチパスセルＭＰＣ４内の光路長とほぼ等しい。

次に、マルチパスセルＭＰＣ３の動作について説明する。

レーザーＬ３で発生したレーザー光が入射ビームＢ１３となって、マルチパスセルＭＰＣ３内に進み、第２の球面鏡Ｍ２３、第１の球面鏡Ｍ１３で反射を繰り返し、ビームの第２共役結像点に進む。この第２共役結像点に、出射窓Ｗ２３が設けられ、ここに受光素子ＳＥ３が設けられている。

また、マルチパスセルＭＰＣ３において、第２共役結像点は、出射窓Ｗ２３に設けられ、出射窓Ｗ２３が第２の球面鏡Ｍ２３に設けられ、一方、入射窓Ｗ１３が第１の球面鏡Ｍ１３に設けられている。したがって、マルチパスセルＭＰＣ３において、入射窓Ｗ１３が設けられている位置と、出射窓Ｗ２３が設けられている位置とが異なるので、入射ビームＢ１３と出射ビームＢ２３とが互いに干渉せず、よって、従来例で必要としたハーフミラーを設置する必要がない。

実施例４は、上記各実施例において、レーザーの代わりに、他の光源を使用する実施例である。たとえば、レーザーの代わりに、白色光源からの光を使用して入射し、出射光を分光器で分光するようにしてもよい。このようにして、分光器の出力信号を分析すると、所定のガスが検査領域に多く存在している場合、その所定のガスに対応する（吸収される）波長の光が少ないことが分かる。この少なくなった波長の光量に基づいて、所定のガスの存在およびガス量を検出することができる。

ＭＰＣ１、ＭＰＣ２、ＭＰＣ３…マルチパスセル、
Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３…レーザー、
Ｍ１２、Ｍ１３、Ｍ１４…第１の球面鏡、
Ｍ２１、Ｍ２２、Ｍ２３…第２の球面鏡、
Ｗ１１、Ｗ１２、Ｗ１３…入射窓、
Ｗ２１、Ｗ２２、Ｗ２３…出射窓、
ＳＥ１、ＳＥ２、ＳＥ３…受光素子。

Claims (4)

1. 第１の球面鏡と；
   上記第１の球面鏡と対向している第２の球面鏡と；
   上記第１の球面鏡に設けられている入射窓であって、ビームを入射させる入射窓と；
   上記入射窓から入射されたビームが上記第２の球面鏡、上記第１の球面鏡で反射を繰り返したビームを出射させる出射窓であって、上記第１の球面鏡であって上記入射窓とは異なる位置に設けられている出射窓と；
   を有し、上記第１の球面鏡における入射窓から入射ビームを入射し、上記第２の球面鏡と上記第１の球面鏡とで上記入射ビームが交互に反射し、上記第１の球面鏡の上に存在ししかも光軸に対して対称の位置に存在する共役結像点を、第２共役結像点と呼び、上記出射窓の位置が上記第２共役結像点であることを特徴とするマルチパスセル。
2. 第１の球面鏡と；
   上記第１の球面鏡と対向している第２の球面鏡と；
   上記第１の球面鏡に設けられている入射窓であって、ビームを入射させる入射窓と；
   上記入射窓から入射されたビームが上記第２の球面鏡、上記第１の球面鏡で反射を繰り返したビームを出射させる出射窓であって、上記第２の球面鏡に設けられている出射窓と；
   を有し、上記第１の球面鏡における入射窓から入射ビームを入射し、上記第２の球面鏡と上記第１の球面鏡とで上記入射ビームが交互に反射し、上記第２の球面鏡の上に存在する共役結像点を、第２共役結像点と呼び、上記出射窓の位置が上記第２共役結像点であることを特徴とするマルチパスセル。
3. 請求項１または請求項２において、
   上記入射窓に、上記ビームを発生するレーザーが設けられていることを特徴とするマルチパスセル。
4. 請求項３において、
   上記出射窓に、受光素子が設けられていることを特徴とするマルチパスセル。

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