JP2020501161A - 気体監視装置 - Google Patents

Abstract

調整可能なダイオードレーザ分光法に基づく気体監視装置は、少なくとも１つの対象気体（５０００）および少なくとも１つの光感知検出器（３０００）にマッチングされた少なくとも１つの光源（１０００）と、光源（１０００）からの光ビーム（４１００）を分析する対象気体（５０００）を通させる中央ミラー（２１００）および対象気体（５０００）を通して出射された光を少なくとも１つの検出器（３０００）に向ける中央ミラー（２１００）の周りの周囲ミラー（２３００）から形成されるミラー機構（２０００）とを備える。また、気体監視装置は、光源（１０００，１１００，１２００）を制御し、アナログ信号をディジタル化し、および気体（５０００）の特性を判定する制御システムも備えている。さらに、気体監視装置は、微細な芯合わせのための内部芯合わせ手段を備えている。気体監視装置は、２つ以上の波長範囲で吸収線を有する気体を対象とする２つ以上の光源（１０００，１１００，１２００）を備えることができる。気体監視装置は、特定の実施形態において、機器の性能を確認するために光路に挿入することができる１つ以上の気体セル（２９１０，２９２０）を備えることができる。

Description

本発明は、概して、光学的手段による気体の監視に関する。より具体的には、本発明は、気体監視装置、および気体のサンプルに光を通すことにより、対象気体の特性を判定する方法に関する。

プロセス型製造業、エネルギー産業および他の工業的環境では、例えば、プロセス制御のためにおよび安全上の理由から、種々の気体の濃度または圧力を監視する必要がある。調整可能なダイオードレーザに基づく気体監視装置は、他の気体からの干渉を受け難い安定した測定技術を実行できるため、および高温高圧の現場で測定する能力により、近年、市場シェアを得ている。

典型的な光学気体監視装置においては、限定された波長調整範囲のためおよび互いに近接した適当な吸収線がないため、通常、単一のレーザセンサは、一種類かまたは二種類の気体、せいぜい三種類の気体のみを測定することが可能である。このことは、二種類以上の気体を測定するには、少なくとも２つのレーザ、実際には、少なくとも２つの気体監視機器が必要であることを意味し、そして、このことは、ダクトまたはスタック内に多数組の孔を形成する原因となる。加えて、光路は、芯合わせするのが一般に難しく、特に長い開経路用途においては困難な可能性がある。長い開経路用途の典型的な気体監視機器においては、ニュートン式望遠鏡が、レーザ光をレトロリフレクタに照射するように用いられ、その後、反射光を検出器に集光するように用いられる。このような気体監視機器の芯合わせは、望遠鏡全体を、レトロリフレクタに正確に向ける必要があり、そのことは、一般に、煩雑で時間がかかる。加えてこの構成では、光学要素の位置決めに関する選択肢が制限されるのと同様に、多軸レーザや多軸検出器を設けて、ビーム経路に沿わせることが現実的に制限される。単一の機器における多軸レーザおよび多軸検出器の利用は、光ファイバおよび光カプラの利用によって実現可能であるが、そのような構成要素は、通常、著しい量の光学的ノイズを生じさせる結果、測定能力の低下を招く。

特許文献１は、レトロリフレクタを利用して、レーザ／検出器と、レトロリフレクタとの間の気体を測定することができる調整可能なレーザに基づく気体監視装置について記載している。

特許文献２は、ハイブリッドニュートンカセグレン式望遠鏡に基づく赤外線吸収測定用装置について記載しており、同装置は、メインミラーの中心に開口が存在するとともに、ビームスプリッタミラーが、ニュートン式望遠鏡の通常の傾斜した（サブ）ミラーと置き換わっている。この装置は、レーザビームを検出経路と同軸に芯合わせすることを可能にするが、該装置は、依然として、望遠鏡全体、レーザおよび検出器をレトロリフレクタに向けて芯合わせする必要性によって制限される。

特許文献３は、レーザ式距離測定用装置について記載しており、同装置には、後方散乱光を集光する大きな凹面鏡からなるミラーアセンブリが用いられており、狭い平坦部が大きなミラーの中心に配置され、この狭い平坦部がレーザビームを大きなミラーと同軸に照射するのに用いられる。しかし、特許文献３の装置は、レーザおよび検出器を別々の光軸上に配置できるようになっておらず、また、その装置は、気体測定を対象としていない。

特許文献４は、２つの凹面鏡が用いられ、第１のミラーが、光ファイバからの光をレトロリフレクタへ向け、第２のミラーが、反射光を集光して、それを検出器に接続された第２の光ファイバへ向ける装置について記載している。特許文献４の装置は、２つの凹面鏡の使用を必要とし、構成には光源ファイバおよび検出器ファイバを含む装置全体が、レトロリフレクタに向かって芯合わせされる必要がある。また、その装置は、光学的ノイズを生じさせる可能性がある光ファイバも用いている。

従来技術において記載されている技術に関するこれらの制限により、気体を監視するための改良された新たな装置および方法が有利になるであろう。

国際公開第２００６／０２２５５０（Ａ２）号パンフレット 旧東ドイツ特許第２８４５２７（Ａ５）号明細書 欧州特許出願公開第２０５８６７１（Ａ２）号明細書 米国特許出願公開第２００５／１６２６５５（Ａ１）号明細書

すなわち、本発明の主な目的は、上述した問題を克服するシステムおよび方法を提供することである。
したがって、本発明の実施形態は、添付特許クレームによる、光学的手段に基づいて気体を監視する装置、システム、または方法を提供することにより、上記のように同定した従来技術の１つ以上の欠陥、欠点もしくは問題を単独でもしくは何らかの組み合わせで好適に軽減し、緩和し、または除去するものである。

本発明は、調整可能なダイオードレーザ分光法に基づく気体監視における二つの共通する問題を解決する。第１の問題、すなわち、センサの芯合わせは、内部部材のみを動かすことによって芯合わせを可能にすることによって解決される。第２の問題、すなわち、一種類以上の気体の監視は、光学的ノイズの発生源である光ファイバおよび光カプラを用いることなく、１つの共通する光路内で、単一の機器内に複数の調整可能なダイオードレーザを用いることによって解決される。

上記目的は、本発明に従って、請求項１の特徴部分の機能を有する、請求項１の前提部で定義されている対象気体の少なくとも１つの特性を判定する気体監視システムと、請求項２５の特徴部分の機能を有する、請求項２５の前提部で定義されている対象気体の少なくとも１つの特性を判定する方法とによって実現される。

本発明の第１の目的は、対象気体の少なくとも１つの特性を判定する気体監視システムを提供することである。
本発明のさらなる目的は、最適化された数の構成要素と、それらの相対位置とを備えた気体監視システムを提供することである。

これらの目的のうちの１つ以上は、添付のクレームによって定義されている本発明によって解決される。
本発明の第１の態様によれば、対象気体の少なくとも１つの特性を判定する気体監視システムであって、前記気体監視システムは、少なくとも１つの光源を備え、前記光源は、対象気体が少なくとも１つの吸収線を有する波長範囲内で光を照射するものであり、前記気体監視システムはさらに、レトロリフレクタおよび制御ユニットを備え、前記気体監視システムは、対象気体に光を透過させてレトロリフレクタに照射し、且つ前記光を受光系に戻すものであり、前記気体監視システムはさらに、前記光を検出する少なくとも１つの光感知検出器を有する検出システムを備え、前記光感知検出器は、制御ユニットによって受信される信号を生成するものであり、前記制御ユニットは、気体監視システムを制御し且つ対象気体の少なくとも１つの特性を演算する、前記気体監視システムにおいて、前記気体監視システムは、ミラー機構を備え、前記ミラー機構は、それぞれが面および光軸を備えた中央ミラーおよび周囲ミラーを備え、前記中央ミラーおよび前記周囲ミラーは、当該中央ミラーおよび当該周囲ミラーの光軸間に偏倚角度をなすように配置され、前記中央ミラーおよび前記周囲ミラーの光軸は、前記中央ミラーの面の幾何学的中心近傍の交点で交差し、前記ミラー機構は、揺動点を中心に３次元立体角内で任意の方向に傾動可能であり、前記揺動点は、前記交点の近傍に位置付けられ、前記中央ミラーは、前記光源からの光を受光するとともに当該光を前記レトロリフレクタへ反射するものであり、前記レトロリフレクタは、反射された光を周囲ミラーへ戻すものであり、前記周囲ミラーは、当該光を検出システム内へ反射させるものであることを特徴とする。

前記光軸の交点は、前記中央ミラーの面の幾何学的中心から１０ｍｍ未満に位置付けられることが好ましい。
前記揺動点は、前記光軸の交点から２０ｍｍ未満に位置付けられることが好ましい。

前記光軸と前記揺動点との交点は、前記中央ミラーの面の幾何学的中心に位置付けられることが好ましい。
前記気体監視システムは、複数のビームを形成するものであってもよく、各ビームは軸を有し、光源系からのビームは、光源から前記中央ミラーへのビームと、前記中央ミラーから前記レトロリフレクタへのビームと、前記レトロリフレクタから前記周囲ミラーへのビームと、前記周囲ミラーから前記検出システムへのビームとを備え、前記気体監視システムは、前記レトロリフレクタへのビームと前記レトロリフレクタからのビームとが概ね同軸であるように配置され、前記光源系から前記中央ミラーへのビームの軸と前記周囲ミラーから前記検出システムへのビームの軸とが非同軸とされている。

前記中央ミラーの光軸と前記周囲ミラーの光軸とがなす角度の２倍の角度は、前記光源系の光軸と前記検出システムとがなす角度に概ね対応していてもよい。
前記光源系と、前記検出システムは、異なる光軸上に位置決めされている。

前記中央ミラーと前記周囲ミラーとは、それぞれが光を反射させる面を備え、前記ミラー機構は、前記周囲ミラーの面が、当該中央ミラーの面を囲繞するように構成され、前記周囲ミラーの面は、前記中央ミラーの面よりも大きい。前記中央ミラーの面および前記周囲ミラーの面はさらに、前記光軸の交点が前記中央ミラーの光学的中心に位置付けられるように配置されてもよい。前記中央ミラーは、典型的には次の形態、すなわち、平板状、放物線状、軸外し放物線状、および球状のうちの１つとすることができ、また、前記周囲ミラーは、平板状、放物線状、軸外し放物線状、および球状のうちの１つとすることができる。

前記検出システムは、前記ミラー機構と前記レトロリフレクタとの間のビームの外側に配置することができる。前記光源は、典型的には次の種類、すなわち、アレイ式レーザとは異なるタイプのものと同様に、垂直共振器面発光レーザ、分布帰還型レーザ、量子カスケードレーザ、インターバンドカスケードレーザ、およびファブリ・ペロー・レーザのうちの１つのレーザである。

前記レトロリフレクタは、次のタイプ、すなわち、キューブコーナー、反射テープ、または、前記機器に幾ばくかの光を反射可能な他の何らかの装置もしくは面のうちの１つとすることができる。

前記ミラー機構は、当該中央ミラーからのビームを、概ねレトロリフレクタに向かう指向方向に向けることができ、また、気体監視システムは、前記ミラー機構の指向方向を調整する芯合わせ手段を備えている。

前記芯合わせ手段は、概ね揺動点を中心に前記ミラー機構を傾動させることができる。さらに、前記揺動点は、当該中央ミラーの面の中心近傍に配置してもよく、あるいは、前記中央ミラーの光軸の延長線の近傍において、前記中心の背後に配置してもよい。

前記芯合わせ手段は、信号を監視し、かつ、最適な信号を検出しつつ、ミラーアセンブリを駆動することによって、前記ミラーアセンブリを前記レトロリフレクタに向けて自動的に芯合わせする手段を備えていてもよい。

前記気体監視システムは、該システムの芯合わせを容易にするために、少なくとも１つの光源からのビームと概ね同軸に、可視光から成るコリメートビームを送出する可視光源を備えていてもよい。

さらに、前記気体監視システムは、異なる波長で機能する複数の光源を備えていてもよく、各光源は、当該光源からの光ビームを共通の経路に合流させるビームスプリッタを有し、それぞれのビームスプリッタは、各ビームスプリッタに対応する光源からの光を概ね反射する一方、他の光源からの波長における光を概ね透過させるスペクトル特性を有する。

前記気体監視システムは、複数の光感知検出器と、各光源からの波長を個々の光感知検出器へ分離する複数のビームスプリッタとを備えてもよく、前記気体監視システムは、各光源からの波長を分離するように時分割多重化または周波数分割多重化することができる。

前記気体監視システムは、前記ビームスプリッタからの余剰光を、複数の前記光源ごとに設けた少なくとも１つの気体セルに透過させ、次いで、複数の前記光源ごとに設けた少なくとも１つの追加的な光感知検出器に通すものであってもよく、前記少なくとも１つの気体セルは、自己較正用に適しているとともに、スペクトル動作点に関して機器の完全性を監視するのに適している吸収特性を有する気体を収容している。

さらに、前記レトロリフレクタは、当該レトロリフレクタの中心軸周りに概ね対称的に配置され、かつ、当該レトロリフレクタによって反射された光が前記中央ミラーを介して光源に戻るのを防ぐビーム遮蔽板を備えていてもよく、前記ビーム遮蔽板は、さまざまな光路長およびビーム発散度に対して最適化された直径を有する円盤状に概ね形成してもよい。

さらに、前記レトロリフレクタは、レーザ光が前記中央ミラーを用いて前記光源に反射されて戻ることを防ぐために実質的に反射手段が除去された中央部分を含んでもよい。
さらにまた、前記反射手段が除去された前記レトロリフレクタの中央部分には、拡散要素が配置される。前記拡散要素は、光学ノイズおよび前記レトロリフレクタの背後の面からの反射を低減する。前記中央部分の反射面は、当該反射面を実質的に除去して拡散要素を形成するためにサンドブラストまたはエッチングが実行された反射面を含む。

本発明のさらなる態様は、上述したような気体監視システムを用いて、対象気体の少なくとも１つの特性を判定する方法である。
本発明のまた別の態様は、対象気体の少なくとも１つの特性を判定する方法であって、以下のステップ、すなわち、
対象気体が光源からのビーム中に少なくとも１つの吸収線を有する範囲で光を照射するステップと、
中央ミラーが、光を対象気体のサンプルに透過させてレトロリフレクタに向けて反射するステップと、
前記レトロリフレクタが、光を、中央ミラーを囲繞する周囲ミラーに向けて戻すステップと、
周囲ミラーが、光を検出システムに向けて反射するステップと、
検出システムに設けられた少なくとも１つの検出器が、光を検出するステップと、
制御システムが、検出システムからの信号を受け取り、気体の少なくとも１つの特性を判定するステップと、
を備える方法である。

気体監視システムは、典型的には、調整可能なダイオードレーザ分光法に基づいており、典型的には、少なくとも１つの対象気体にマッチングされた調整可能なレーザである少なくとも１つの光源および少なくとも１つの光感知検出器と、光ビームを形成して、光ビームを、分析する対象気体に透過させるとともに、透過した光を前記少なくとも１つの光検知検出器に向ける光学的手段とを備えている。また、気体監視装置は、光源を制御し、アナログ信号をディジタル化するとともに気体の特性を判定する制御システムも備える。さらに、気体監視装置は、微細な芯合わせのための内部芯合わせ手段を備えている。気体監視装置は、２つ以上の波長範囲で吸収線を有する気体を対象とする２つ以上の光源を備えることができる。気体監視装置は、特定の態様において、機器の機能を確認するために光路内に挿入することができる１つ以上の気体セルを備えることができる。

本発明は、レーザビームを出射するミラーと、反射光を集光するより大きなミラーとの組合せを備える。図１は、可動ミラーアセンブリ（２０００）が用いられるシステムの態様であり、凹鏡面（２３００）を備え、前記凹鏡面は孔を有し、孔の中には、概ね平らなミラー（２１００）が装着されている。可動ミラーアセンブリは、機構およびモータまたは何らかの他の利用可能なアクチュエータを用いて、全方向に傾斜することができる。前記ミラーアセンブリは、レーザ（１０００）が光（４１００）を照射したときに、この光がミラーアセンブリ内の平らなミラーに到達し、平らなミラーから反射された光（４２００）がレトロリフレクタ（２２００）に到達し、その後、レトロリフレクタから反射された光（４３００）が凹状ミラー（２３００）に当たり、凹状ミラーが、最終的に検出器（３０００）に到達するように光（４４００）を合焦させるように設計されている。機器が大まかに芯合わせされて調整可能な範囲内である限り、内部芯合わせ手段は、機器を芯合わせすることができる。

機器の内部芯合わせを実行できることに加えて、本発明は、図２の態様に図示されているように、多軸レーザを、同じ光路を辿り、および同じ芯合わせ手段を用いる構造に含めることができるようにもなっており、そこでは追加的なレーザ（１１００）が、２つのビームスプリッタ（２７２０，２７４０）およびミラー（２６００）とともに追加されている。このようにして、２つのレーザビームが合流して、同じ経路を辿る。追加的な検出器（３１００）が追加されて、ビームスプリッタ（２７００）を追加してもよい。

本発明の中心的態様は、レーザビームを戻すためにキューブコーナー（２２００）を用いることができる点であり、次いで、光源を典型的にはレーザとすることができる光源系に対して非同軸構造とされた１つ以上の検出器（３０００，３１００）に戻った光を合焦させることができることである。これを実現するために、ミラーアセンブリ（２０００）が設計されている。ミラーアセンブリは、２つのミラー、すなわち、中央部の第１のミラー（２１００）と、第１のミラーを囲繞する第２のより大きなミラー（２３００）とを備える。これらのミラーは、角度をなすように装着される。この角度は、光学系の形態に適合するように、すなわち、ミラーアセンブリまでのレーザ系と検出システムとの距離に関し、当該レーザ系と当該検出システムとの間の距離に適合するように選択される。検出システムは、１つのレーザを備えている機器内に、単一の光感知検出器（３０００）を備える。２つのレーザを備えている機器では、検出システムは、２つの検出器（３０００，３１００）と、ビームスプリッタ（２７００）とを備える。１つのレーザと、１つの平らな周囲ミラー（２３１０）とを備えている機器では、検出システムは、１つの光検知検出器（３０００）と、１つの集束レンズ（６０００）とを備えている。

中央ミラー（２１００）は、レーザビーム発散度が選択された構成での使用に適している場合には、平らとなる。中央ミラーは、レーザビーム発散度を減らすかまたは増やしたい場合に、それぞれ、凸面または凹面となる。より大きな周囲ミラーは、平板状（２３１０）、または、球状もしくは放物線状（２３００）にすることができる。１つの態様において、周囲ミラーは放物線状である。より大きなミラー（２３００）は、ビームを検出システム（３０００）に合焦させる。別の第２の態様では、より大きなミラー（２３１０）は、図５ａに示すように平板状になる。この実施形態は、光を感知検出器（３０００）に合焦させるレンズ（６０００）を備えている。

図５ａおよび図５ｂに示すような２つの平らなミラー（２１００，２３１０）を備えるシステムは、レーザビームすなわち光線と、集束レンズ（６０００）および検出器（３０００）に到達する光線とがなす角度に関して理解するのがより容易である。２つのミラー（２１００，２３１０）間の角度と、光源（１０００）を備える光源系の光軸と、検出システム（６０００，３０００）とがなす角度との間には、直接的な対応がある。

本発明の中心的な態様を説明として、ミラーアセンブリ（２０００）の傾斜が図５ａに示すような状況になるように、検出器が最大の光強度を得るように既に調整されていると仮定する。レトロリフレクタが動かされ、すなわち回わされると、レーザ、ミラーアセンブリ、検出システム等を備える完全な機器がレトロリフレクタに対して相対的に動き、その芯合わせは失われて、検出器上での光強度が低下することになる。ある例として、図５ａに示す構成を利用して、レトロリフレクタを幾分上方へ動かすと、検出器上での光強度は、大幅に低下することになる。その場合、ミラーアセンブリは、検出器上で最大の光強度を実現するように調整される。その結果、図５ｂに示すような状況になる。図５ｂにおいては、レトロリフレクタが上方に動かされていること、およびミラーアセンブリの角度αが量δだけ小さくなっていることが図を見て分かる。しかし、光は、依然として検出器上の同じスポットに合焦されている。これが本発明の中心的着想である。

典型的な実施形態において、平らな周囲ミラー（２３１０）が、軸外し放物線ミラー（２３００）と置き換えられることになる。しかし、同じ原理が、大きなミラーと中央の小さなミラーとがなす角度、および各ミラーの光源系の光軸と検出システムの光軸とがなす角度との対応に対して適合する。放物線ミラーを用いると、集束レンズ（６０００）は、光を検出器に合焦させる必要はない。放物線ミラーを用いるシステムは、図１、図２および図３に図示されている。

十分な光が検出システムに収束されるように、レトロリフレクタからの戻りビームが、小さな中央ミラーのサイズよりも大きな直径または断面を有することが必須要件である。
理想的には、ミラーアセンブリは、小さな中央ミラーの中心の面のある箇所の周りで動く、すなわち傾動する。このことは、ミラーアセンブリを保持するように設計されたジンバル状機構を用いて具体化することが可能である。しかし、移動点が、図１、図２、および図３に示すように、中央ミラーの面背後に離間して置かれている光学機械的解決手段を具体化する方がより容易である。このような解決策は、幾分きめ細かな調整範囲をもたらす。

「備える／備えている」という用語は、この明細書で用いる場合、記載した機能、整数、ステップまたは構成要素の存在を明確にするが、１つ以上の他の機能、内在品（ｉｎｔｅｇｅｒｓ）、ステップ、構成要素またはこれらの群の存在または追加を排除しないように解釈されることを強調すべきである。

本発明の上記のおよびさらなる特徴は、添付クレームに具体的に記載されており、また、添付図面を参照して示された本発明の［例示的な］実施形態に関する以下の詳細な説明を考慮すれば、本発明の利点とともに明らかになるであろう。

以下、本発明を、図面に概略的に示されている例示的な実施形態とともにさらに説明する。
図面は縮尺通りではないことに留意されたい。

レーザ（１０００）と、ミラーアセンブリ（２０００）と、外部レトロリフレクタ（２２００）と、検出器（３０００）とを備えた本発明の基本的な部分を示す図。 第２のレーザ（１１００）が、ビームスプリッタ（２７２０，２７４０）およびミラー（２７００）と第２の検出器（３１００）とともに導入された場合の発明を示す図。 通常の動作中の機器の完全性をチェックする手段の追加を示す図。 ホルダ（２２３０）内に装着され、シェード、すなわちビーム遮蔽板（２２１０，２２１１）を備えたレトロリフレクタ（２２００）を示す図。 ホルダ（２２３０）内に装着され、シェード、すなわちビーム遮蔽板（２２１０，２２１１）を備えたレトロリフレクタ（２２００）を示す図。 ホルダ（２２３０）内に装着され、シェード、すなわちビーム遮蔽板（２２１０，２２１１）を備えたレトロリフレクタ（２２００）を示す図。 ビームステアリングに用いられる２つの平らなミラー（２１００，２３１０）から成るミラーアセンブリを示す図。 ビームステアリングに用いられる２つの平らなミラー（２１００，２３１０）から成るミラーアセンブリを示す図。 ミラーアセンブリ（２０００）の指向方向を変えることにより、気体監視装置を芯合わせするのに用いることができる芯合わせシステムの１つの可能性のある実施態様を示す図であって芯合わせ機構の断面を示す図６ｂのＡ−Ａ断面図。 ミラーアセンブリ（２０００）の指向方向を変えることにより、気体監視装置を芯合わせするのに用いることができる芯合わせシステムの１つの可能性のある実施態様を示す図であってミラー側からのミラーアセンブリを示す図。 一方の側からの芯合わせシステムを示す図。 後方側からの芯合わせシステムを示す図。 中央ミラーの穴のない周囲ミラーの面（２３００）およびその光軸（２３５０）を示す。 中央ミラー、典型的には平らなミラー（２１００）およびその光軸（２１５０）を示す。 中央ミラー、典型的には平らなミラー（２１００）が配置されている中央穴を有する周囲ミラー（２３００）を示す。 レトロリフレクタ（２２００）を示しており、レトロリフレクタ（２２００）の反射面の実質的に中央部分（２２４０）が除去されて拡散要素（２２５０）に置き換えられる。

本発明のさまざまな態様は、以下において添付図面を参照して十分に説明されている。しかし、この開示は、多くの異なる形態で具体化することができ、およびこの開示を通して提示されている何らかの特定の構造または機能に限定されるものと解釈すべきではない。むしろ、それらの態様は、この開示が緻密で完全になるように、および本発明の範囲を当業者に十分に伝えるように記載されている。本願明細書における開示に基づいて、当業者は、本発明の他の何らかの態様とは無関係に実施されるか、または、他の何らかの態様と組合せて実施されるかに拘わらず、本発明の範囲が、本願明細書に開示されている本発明の何らかの態様を含むことが意図されていることを正しく認識すべきである。例えば、装置は、本願明細書に記載されている任意の数の態様を用いて実施することができ、または、方法は、任意の数の態様を用いて実行することができる。さらに、本発明の範囲は、他の構造、機能を用いて、または、本願明細書に記載されている本発明のさまざまな態様に加えてまたはそれらの態様以外の構造および機能を用いて実施されるそのような装置または方法を含むことが意図されている。本願明細書に開示されている開示の何らかの態様が、クレームの１つ以上の要素によって具体化することができることを理解すべきである。

以下の開示は、光学的手段による気体監視（gas monitoring）に適用可能な本発明の実施例に重点を置いている。例えば、これは、気体監視の長い開経路用途に対して有利である。しかし、説明は、この用途に限定されるものではないが、光学気体検出が実行される多くの他のシステムに適用できることは正しく認識されるであろう。

図１に示す第１の実施例においては、放物線鏡面（２３００）を備える可動ミラーアセンブリを有する気体監視システムが示され、前記放物線鏡面は孔を有し、その中には、概ね平らなミラー（２１００）が装着されている。前記ミラーアセンブリは、機構およびモータまたは他の何らかの利用可能なアクチュエータを用いて、全方向に傾斜することができる。アクチュエータ制御は、処理ユニットによって制御される電子部品によって行われる。レーザ変調および検出器信号の測定に基づいて、マイクロプロセッサは、最大値「煙（smoke）」、すなわち、最大値信号を得るための調整用に、機器の最適な芯合わせを判定することができる。

ミラーアセンブリ（２０００）は、レーザ（１０００）が光（４１００）を照射した場合に、この光がミラーアセンブリの概ね平らなミラー（２１００）に到達し、前記概ね平らなミラーから反射された光（４２００）がレトロリフレクタ（２２００）に到達し、レトロリフレクタから反射された光（４３００）が放物線ミラー（２３００）に照射され、放物線ミラーが光（４４００）を合焦させて、当該光が最終的に検出器（３０００）に到達するように設計されている。機器は、機器が大まかに芯合わせされて調整可能な範囲内である限り、内部芯合わせ手段は、当該機器を芯合わせすることができるであろう。また、ミラーアセンブリ機構は、中心位置から外れて芯合わせすることが必要な場合にも、当該レーザ光が意図した経路を辿ることを確実にする。

別の実施例では、図２に示すように、本発明はまた、多軸レーザがその構造内に含まれることをも可能にし、同じ光路を辿って、同じ芯合わせ手段を用いることを可能にしている。追加的なレーザ（１１００）が、２つのビームスプリッタ（２７２０，２７４０）およびミラー（２６００）とともに追加されている。このようにして、２つのレーザビームが合流して、同じ光路を辿る。追加的な検出器（３１００）およびビームスプリッタ（２７００）も追加されている。このビームスプリッタは、第１のレーザ（１０００）からの光を透過する一方、第２のレーザ（１１００）からの光を反射して第２の検出器（３１００）に到達させる。２組のレーザおよび検出器からの信号は、２つの異なる波長範囲における測定値を得るために独立して処理することができる。

光源系（１０００，１１００）は、レーザとビーム形成光学系を含む。光源系は、この出願においては、「レーザ」と呼ぶ。ビーム形成光学系は、レーザビーム（４１００）が実際の設置および光路長に対して適当な発散を有するように設計および調整される。

図示されている実施例においては、機器の操作者が、機器が現在、指し示している箇所を目視できるように、コリメートビームを有する可視光レーザ（１２００）も追加されている。

図２は、第２のレーザ（１１００）が、ミラー（２７００）および第２の検出器（３１００）と同様に、ビームスプリッタ（２７２０，２７４０）とともに導入されている場合の発明を示している。図１で説明した光学的構造は、両ビームを合流して、同じ光学系を通過させることができ、またこの光学系を機器のハウジングの内部で自動的に芯合わせすることができるため、２つ以上のレーザが、図２のように１つのシステム内に存在している場合に理想的である。また、芯合わせのための可視光レーザ（１２００）も導入して、機器が指し示している箇所を見ることを可能にすることができる。このレーザはコリメートビームを有している一方、調整可能なレーザは発散ビームを有している。

別の実施例では、図３に示すように、本発明は、各レーザを、波長ドリフト等に関して継続的にチェックできるように、確認手段を同じ光学構造内に含めることを可能にしている。ビームスプリッタ（２７２０，２７４０）からの余剰光は、気体セル（gas cells）（２９１０，２９２０）を通して、検出器（３２００，３３００）に送ることができる。レーザの状態は、セル内の気体のスペクトル特性を用いてチェックすることができる。

図３は、通常動作中の機器の完全性をチェックする手段の追加を示している。これは、レーザ波長が正しい範囲内にあることをチェックするため、すなわち内部光路を用いて較正をチェックするために用いることができる。図においては、レーザごとに１つのセル、すなわちモジュールがあり、各セルは、典型的には、異なる気体、または、両レーザの波長範囲内に吸収線を有する気体を含有する同じ気体混合物を含む。レーザからの余剰光は、ビームスプリッタ（２７２０，２７４０）を介して照射されて、レンズ（２８１０，２８２０）によって合焦され、合焦された光は、気体セル（２９１０，２９２０）を通過して検出器（３２００，３３００）に到達する。測定すべき気体が常態的に存在していない場合でも、対象気体をセル内に存在させておくことが可能であるため、レーザが依然として正しい波長範囲内で作動しているか、をチェックすることが可能である。また、較正変更は、典型的には、長期間のドリフトまたは変化によるレーザ出力の変化によるため、スパンチェックを行うこともできる。

いくつかの実施例では、前記概ね平らなミラー（２１００）は、正確には平らではないが、その代わり、いくつかの実施例では、より良好なレーザビームの合焦を可能にする曲率を有している。

いくつかの実施例では、前記凹鏡面（２３００）は放物線状ではなく、代わりに、別の曲率を有している。
いくつかの実施例では、ビームスプリッタを使用するのではなく、異なる波長に対して感度のある結合型またはサンドイッチ型検出器を用いることにより、または、いくつかの実施例では、スペクトル分離の他の手段によって、複数の検出器が利用される。

いくつかの実施例では、単一の検出器が用いられて、異なるレーザ波長が時分割多重化または周波数分割多重化方法を用いて分離される。
いくつかのレーザは、他のレーザよりも光学的なフィードバックに対してより感度がある。この発明の基本的構造は、レトロリフレクタからの光の一部を小さな中央ミラーへ戻し、該中央ミラーが光を光源系に戻す。このフィードバックは、より多くの光学的ノイズが生じるように、および最悪の場合には、レーザを非作動にするようにレーザを妨害する可能性がある。このことは、シェード（shade）、すなわちビーム遮蔽板（２２１０，２２１１）を、レトロリフレクタ（２２００）の中央部分（２２４０）に挿入することによって解決することができる。シェードの直径は、光路長およびビーム発散度に合わせて調整することができる。直径は、所定のビーム発散度および平行光学系の形状寸法に対する特定の範囲の光路長に対して最適化することができる。理想的には、光は、検出器の信号には寄与しないが、レーザを妨害する可能性があるため、シェードは、光が中央ミラーに達するのを阻止しなければならない。

図４ａ、図４ｂ、および図４ｃは、ホルダ（２２３０）に取り付けられ、およびシェード、すなわちビーム遮蔽板（２２１０，２２１１）を備えたレトロリフレクタ（２２００）を示す。図４ｂは、図４ａおよび図４ｃに示すシェード（２２１０）よりも幾分大きなシェード（２２１１）を示す。図４ｃから明らかなように、シェード、すなわちビーム遮蔽板（２２１０）は、反射光ビームが光路から出て送られて、レーザにまたは最終的に検出器に到達しないように傾斜している。

光源（１０００）に反射して戻る光を低減させるためのさらなる実施形態では、レトロリフレクタ（２２００）が反射面のキューブコーナーとして具体化されている場合に、レトロリフレクタ（２２００）の中央部分（２２４０）が除去される。これにより、光学的な面の清掃が必要な場合にビーム遮断板（２２１０）よりもメンテナンスが容易となる。追加の特徴では、レトロリフレクタ（２２００）の中央部分（２２４０）に拡散要素（diffusor element）が配置されて、光学ノイズを低減させかつレトロリフレクタ（２２１０）の背後の面からの反射を低減させる。このことは、図８に示されている。

反射面が除去されている中央領域（２２４０）の寸法は、光源（１０００）への反射を防ぐが、同時に気体監視の最良の可能な測定値を提供するように、異なる構成要素の実際の距離および寸法に適合される。

レトロリフレクタ（２２００）の中央部分（２２４０）を除去し、同時に拡散要素を形成する一例では、レトロリフレクタ（２２００）の中央部分をサンドブラストまたはエッチングして艶消しおよび拡散面を提供する。

図５ａおよび図５ｂは、ビーム誘導に用いられる２つの平らなミラー（２１００，２３１０）から成るミラーアセンブリを示す。中央ミラー（２１００）は、レーザ（１０００）からのわずかに拡散したビーム（４２００）（図５ａ）およびビーム（４２１０）（図５ｂ）をキューブコーナー（２２００）へ向ける。キューブコーナー（２２００）は、両図面において、ビーム（４２００）（図５ａ）およびビーム（４２１０）（図５ｂ）の中心にある。キューブコーナー（２２００）は、ビーム（４３００）（図５ａ）およびビーム（４３１０）（図５ｂ）を、ミラーアセンブリに向かって戻すように反射させる。わずかな拡散により、反射ビーム（４３００）（図５ａ）および（４３１０）（図５ｂ）の一部は、大きな平坦ミラー（２３１０）を目標にする。反射ビーム（４４５０）は、ビーム（４４６０）をフォトダイオード（３０００）に合焦させる集束レンズ（６０００）の方に向けられる。図５ａでは、ミラーアセンブリは、角度αだけ傾斜している。図５ｂでは、ミラーアセンブリは、角度α−δだけ傾斜している。中央ミラー（２１００）からの反射ビーム（４３００）（図５ａ）および反射ビーム（４３１０）（図５ｂ）の方向は、図５ａから図５ｂへ、２δ変更されている。キューブコーナー（２２００）から大きな平坦ミラー（２３１０）への反射ビーム（４３００）（図５ａ）および反射ビーム（４３１０）（図５ｂ）の方向も、図５ａから図５ｂへ、２δだけ変更されている。大きな平坦ミラー（２３１０）の傾斜角度は、図５ａから図５ｂへ、−δだけ変更されているので、大きな平坦ミラー（２３１０）からの反射ビーム（４４５０）の方向は、図５ａから図５ｂにおいて変更されない。したがって、レンズ（６０００）からの集束ビーム（４４６０）は、フォトダイオード（３０００）で同じスポットを目標にすることになる。

本発明に係る機器は、光ビームが、レーザ（１０００）から中央ミラー（２１００）へ進み、中央ミラー（２１００）からウィンドウ（２５００）を通過し、対象気体（５０００）を透過した後、レトロリフレクタ（２２００）に到達し、その後、レトロリフレクタから反射されてウィンドウを透過し、周囲ミラー（２３００）まで戻り、最終的に検出器（３０００）に合焦されるように芯合わせされなければならない。上記のことが実現されるように光学部品を調整することを、この出願においては「芯合わせ（alignment）」と呼ぶ。

典型的には、機器の製造中の芯合わせが、レーザ（１０００，１１００）、ビームスプリッタ（２７２０，２７４０）、ミラー（２６００）、検出器部分のビームスプリッタ（２７００）および検出器（３０００，３１００）に対して必要になる。ミラー構成の実際の具体化によっては、検出器の前方のレンズ構成が追加的に必要になる可能性がある。このレンズ構成も芯合わせを必要とする可能性がある。

最終使用者による通常の用途における芯合わせは、典型的には、完全に設置された機器の粗い芯合わせによって行われ、その後、最終的な微調整のために、ミラーアセンブリ（２０００）のみを用いることによって行われる。通常の用途における芯合わせは、図６に示すような調整ねじ（２０６０，２０７０）を用いることで行われる。

図６は、ミラーアセンブリ（２０００）の指向方向を変えることによって気体監視装置を芯合わせするのに用いることができる芯合わせシステムの１つの可能性のある具体例を示す。図６ａ）は、ミラー側からのミラーアセンブリを示す図６ｂ）のＡ−Ａ断面である芯合わせ機構の断面である。図６ｃ）は、一方の側からの芯合わせシステムを示す。図６ｄ）は、後方側からの芯合わせシステムを示す。ミラーアセンブリ（２０００）は、鋼球（２０５０）の周りを動く。調整は、押しねじ（２０６０）によって行われるとともに、他の方向における動きは、ねじと鋼ばねとから成る引きねじを有することによって構成されている。

機器が現場に設置されたときの芯合わせは、手動芯合わせ手段を用いることにより、または、自動または半自動の手段を用いることにより行うことができる。全手動システムは、揺動点（２０５０）周りにミラーアセンブリ（２０００）を傾斜させるかまたは動かす調整ねじに基づくことができる。１つの可能性のある実施態様を図６に示す。

図７ａは、中央ミラーの穴のない周囲ミラーの面（２３００）およびその光軸（２３５０）を示す。図７ｂは、中央ミラー、典型的には平らなミラー（２１００）およびその光軸（２１５０）を示す。図７ｃは、中央ミラー、典型的には平らなミラー（２１００）が配置される中央穴を有する周囲ミラー（２３００）を示す。両方の面（２１００、２３００）の光軸（２１５０、２３５０）は、システムの最良の性能のための揺動点として用いられる同じ点で交差する。

またこの交点は、中央ミラー（２１００）の面に配置されることが好ましい。さらに、交点は、このミラーの中心に穴がなかった場合に、周囲ミラー（２３００）の光軸が周囲ミラー（２３００）の面と交差する理論上の点（theoretical point）である。

中央ミラー（２１００）および周囲ミラー（２３００）の光軸（２１５０、２３５０）は、中央ミラー（２１００）の面の近傍の（幾何学的中心の）交点で交差する。好ましくは、交点と面との間の距離は１０ｍｍ未満であり、より好ましくは、交点は中央ミラー（２１００）の表面に位置付けられる。ミラー機構（２０００）は、揺動点（２０５０）を中心に３次元立体角内で任意の方向に傾動されることができ、揺動点（２０５０）は、交点の近傍に位置付けられる。揺動点（２０５０）と交点との間の距離は、好ましくは２０ｍｍ未満であり、より好ましくは、揺動点（２０５０）は交点に位置付けられる。さらに、揺動点および交点が同じ位置に配置されていない場合、揺動点（２０５０）は、中央ミラー（２１００）の面の背後に位置付けられることが好ましい。

ミラー機構は、３次元立体角内の任意の方向に、気体監視システムの他の部分に対して１つの一体的なユニットとして傾動されて、ミラー機構を傾動させるだけでシステムの芯合わせを提供する。

自動または半自動の芯合わせシステムは、ロックねじが必要ないことを除いて、調整ねじと同様の機能を有するアクチュエータに基づくことになる。アクチュエータは、少なくとも１つのレーザと、電子装置およびディジタル化ユニットを含む検出器の少なくとも１つとを用いることにより、可能性のある範囲にわたって走査操作するとともに最大信号強度を検出するのに用いられる。１つの可能性のある走査方法は、中心から始めて、通常の渦巻き状または矩形状の渦巻き状の渦巻きパターンで外側へ辿ることである。可能性のあるアプローチは、十分に高い極大値で停止すること、または、全範囲にわたって走査して、全体の最大値を見つけることである。半自動モードでは、芯合わせ処理手順は、手動介入によって始められ、一方、自動モードでは、芯合わせ処理手順は、信号強度が、指定時間、特定の閾値以下になった場合に始まる。芯合わせ処理手段を始める他の多くのより複雑な判断基準も可能である。

具体化される態様によっては、受光光学系は、湾曲したまたは典型的には放物線状のいずれかの、光を検出システムに合焦させるミラー（２３００）である。周囲ミラーが平坦（２３１０）である場合、受光光学系は、集束レンズ（６０００）をさらに備えることになる。

本発明に係る機器は、対象気体の特性であるデータを取得する。また、該機器は、機器の内部の光路内に存在する気体すなわち空気の特性、および対象気体中ではない、機器の外部の光路内の気体すなわち空気の特性であるデータを取得することもできる。完全な機器は、機器の内部の空気中の酸素からの寄与を避けるために、窒素で浄化することができる。

また、機器は、温度、圧力、流速および他のセンサからデータを取得することもできる。
制御ユニットは、取得したデータおよび既知の情報およびデータに基づいて、一種類以上の気体の濃度を計算し、場合により、分光分析データに基づいて、温度（Ｔ）および圧力（ｐ）の少なくともいずれか一方を演算する。

制御ユニットは、機器を制御して、温度を制御し、レーザを走査および変調し、検出器および他の入力（Ｔ，ｐ等）からデータを取得する。また、制御ユニットは、機器のための他の必要な「留守番（housekeeping）」タスクも行う。既に述べたように、制御ユニットは、気体濃度および他のパラメータを演算する。制御ユニットは、Ｔやｐのような他の信号を入力することに用いられ、および気体濃度のような結果を出力することに用いられる異なる入力ユニットおよび出力ユニット（Ｉ／Ｏ）を有し、それらのユニットを制御する。制御ユニットは、機器の設定および較正および故障診断のためにもＩ／Ｏを用いる。

本出願において、ミラーアセンブリ（２０００）は、中央ミラーおよび周囲ミラーが、特定の角度をなして構成されているため、ミラー構成とも呼ばれている。ミラーアセンブリは、周囲ミラーの光軸または中央ミラーの光軸の少なくともいずれか一方に対して設定される指向方向を有している。芯合わせの間に、ミラーアセンブリの指向方向が調整される。

平らなミラーの光軸は、ミラー面の法線になる。他の要素の光軸と一致する法線が光軸として選択され、妥当な場合には、別の方法として、平らなミラーの中心の法線が選択される。

本発明において、「レトロリフレクタ」という用語は、少なくとも一部の光を検出システムによって検出できるように、該光を反射して機器に戻すすべての装置または面に対して用いられる。その場合、レトロリフレクタは、キューブコーナー、反射テープ、または、一部の光を機器へ戻すことが可能な他の何らかの装置または面とすることができる。屋内または屋外の物体または面であってもレトロリフレクタとして機能することが可能であり、壁、岩、地面を利用してもよい。

レーザは、中央ミラーに到達するように構成され、中央ミラーに到達した光がレトロリフレクタの方向に送られた後、周囲ミラーに送り戻され、その後、検出システムまで送られるように、検出システムが構成されているのと同様に、中央ミラーおよび周囲ミラーが構成される。角度および位置は、図５に示す実施例に対応して構成することができる。

ミラーアセンブリは、揺動点すなわちボール２０５０の周りを動く。ミラーアセンブリが、より大きな直径の湾曲面の上面で滑動する構成も可能である。このことは、恐らく、中央ミラーの面と動作点との間に、より大きな距離をもたらし、また、よりきめ細かな調整範囲をもたらすであろう。

図２および図３に示すようなデュアルレーザシステムの最適な具体化は、角度をなしている２つの反射面を備えた中央ミラーを用いて実現することができる。第１の面は、７６０ｎｍ域を反射させるコーティングで被覆されている一方、他の波長を透過させることができる。次の面は、場合によっては、異なる角度を有する後方面であり、すべての光を反射させる。この構成は、図２および図３に示す実施形態とは異なって設けられたレーザおよび検出システムを有することを可能にするであろう。その場合、レーザおよび検出システムは、中央ミラーの異なる面間の角度のみに依存して、より独立して設けることができるであろう。

発明の１つの実施形態は、約７６０ｎｍの垂直共振器面発光レーザ（１１００）を有し、ビームスプリッタ（２７４０）に入射するビームは、典型的には、レーザからの光の９０％を反射するとともに、芯合わせレーザ（１２００）からの一部の可視光を透過させる。約２．３マイクロメーターの分布帰還型レーザ（１０００）は、２．３ミクロン域の光の約９０％を反射させるビームスプリッタ（２７２０）に光を照射し、このビームスプリッタは、第１のレーザ（１１００）からの光が透過されるように、７６０ｎｍ域用の反射防止コーティングも備えている。ミラー（２６００）は、光を中央ミラー（２１００）の方向に向ける。ビームスプリッタ（２７２０）は、芯合わせレーザ（１２００）の一部の可視光も透過させる。

検出システムへの入射光はビームスプリッタ（２７００）に到達し、該ビームスプリッタは、７６０ｎｍ域の光を検出器（３１００）へ反射させる。同じビームスプリッタは、２．３ミクロン域に対して最適化された反射防止コーティングを有し、レーザ（１０００）を起源とする光は、最終的に検出器（３０００）に到達する。

ビームスプリッタ（２７００）と検出器（３０００）との間のセル内にＣＯ気体を収容するセルを挿入することが可能である。これは、ライントラッキングおよびスパンまたは確認チェックに用いることができる。

気体セル（２９１０，２９２０）は、ライントラッキングもしくはパンの少なくともいずれか一方、または確認チェックに用いられる検出器（３２００，３３００）と組合せることができる。上述したすべてのセルは、アクチュエータシステムを用いて永続的に取付けまたは挿入することができる。セルなしで、ゼロ調整をチェックすることができる。セルは、フロースルー式または密封式のいずれかとすることができる。

本発明は、１つ以上のレーザを同じ光路内に含めることができ、そのため、単一のレーザを用いて走査することができないほど相当乖離した吸収線を有する複数の気体であっても、当該複数の気体の成分を１つの気体監視機器で測定することが可能になるという利点を有する。異なる波長範囲内で作動する２つの異なるレーザを備える実施形態の群は、この発明の活用について典型的である。

この１つの実施例は、酸素（Ｏ_２）の測定の場合の７６０ｎｍ領域で作動する第１のレーザを備え、および一酸化炭素（ＣＯ）の測定の場合の２３２７ｎｍ領域の第２のレーザを備える、燃焼分析用機器になる。７６０ｎｍ領域で作動するレーザは、１つ以上の酸素ラインを走査することもでき、分光手段を用いた気体温度の測定を可能にする。また、該レーザは、ＮＯ_２ライン近傍にわたって走査することもでき、その結果、第１のレーザを用いて、Ｏ_２、ＮＯ_２および温度を測定することが可能になる。第２のレーザがＣＯライン、メタン（ＣＨ_４）ラインおよび２つの水蒸気ラインをも走査できるように、第２のレーザの波長範囲を選択することにより、第２のレーザは、同じ気体監視機器によって、３種類以上の気体を、および２つの水吸収線を用いて温度を測定することが可能になる。その結果、６つの成分、５種類の気体および温度を、現場での動作の場合にスタックまたはダクト内に孔を１つだけ要する１つの機器で測定することが可能である。

プロセスの温度が高く、および分析器をプロセスダクトに直接接続することは避けたいガラス炉のような特定の用途においては、酸素ラインを用いる温度測定は、レーザビームが、分析器とプロセスダクトとの間で、プロセスおよび空気の両方を通過するため、適用可能ではない。このような用途の場合、２３００ｎｍ領域の水蒸気ラインを用いた温度の測定を、７６０ｎｍ領域での酸素ラインの代わりに用いることができるであろう。

本発明に係る機器は、幅広いレーザタイプに適応させることができ、いくつかのサンプルは、限定するものではないが、垂直共振器面発光レーザ、分布帰還型レーザ、量子カスケードレーザおよびインターバンドカスケードレーザ、ファブリ・ペロー・レーザおよび異なるアレイタイプのレーザである。これらのレーザは、レーザが利用可能であり、および気体吸収線が一致している全波長範囲内で作動することができるであろう。レーザと波長範囲の任意の組合せは、光学ウィンドウ、レンズおよびビームスプリッタ基板の通過が動作に十分である限り可能である。

本発明の気体監視機器は、限定するものではないが、開経路、レトロリフレクタを用いるクロススタックのような異なる構成、または、内蔵レトロリフレクタを備えたプローブを用いる１フランジ解決策で用いることができる。１フランジプローブ解決策は、光路またはビームに粒子が侵入するのを阻止する手段を備えることもできる。このことは、光学系の動作にはダスト負荷が高すぎる環境中での動作を可能にする。

１０００ 光源、典型的にはレーザ
１１００ 第１のレーザとは異なる波長を有する第２のレーザ
１２００ 芯合わせ用レーザ、典型的には可視光、場合により赤色
２０００ 放物線状ミラーアセンブリ
２０５０ 放物線状ミラーアセンブリの揺動点すなわち回転軸
２０６０ 芯合わせシステムの押しねじ
２０７０ 芯合わせシステムの押しねじ
２１００ レーザからの発散ビームを反射する平らなミラー
２１５０ 周辺ミラーの光軸
２２００ レトロリフレクタ、キューブコーナー
２２１０ シェードすなわちビーム遮蔽板
２２１１ 幾分大きなシェードすなわちビーム遮蔽板
２２３０ レトロリフレクタ用ホルダ
２２４０ レトロリフレクタの中央部分
２２５０ 拡散要素
２３００ 戻り光を検出器に合焦させる放物線鏡面
２３１０ 放物線ミラーと等価な平らなミラー
２３５０ 中央ミラーの光軸
２５００ 傾斜した楔状の装置のウィンドウ
２６００ 結合レーザ光を平らなミラー２１００へ反射させるミラー
２７００ ２つのレーザからの光を２つの検出器に対して分割するビームスプリッタ
２７２０ 第１のレーザを含むビームスプリッタ
２７４０ 第２のレーザを含むビームスプリッタ
２８１０ 第１のレーザからの基準信号を合焦させるレンズ
２８２０ 第２のレーザからの基準信号を合焦させるレンズ
２９１０ 第１のレーザのチェック用のスパンまたは基準セル
２９２０ 第２のレーザのチェック用のスパンまたは基準セル
３０００ 光感知検出器
３１００ 第２のレーザ波長からの光を検出する第２の検出器
３２００ 第１のレーザのチェック用検出器
３３００ 第２のレーザのチェック用検出器
４１００ レーザからの発散ビーム
４２００ 平らなミラーによって反射されたレーザからのビーム
４２１０ 角度が２δ変えられた、平らなミラーによって反射されたレーザからのビーム
４３００ 放物線ミラーへの途中のキューブコーナーから反射されたビーム
４３１０ 角度が２δ変えられた、放物線状の等価物である平らなミラーへの途中のキューブコーナーから反射されたビーム
４４００ 放物線ミラーから検出器への集束ビーム
４４１０ 第１の検出器に合焦されたビーム
４４２０ 第２の検出器に合焦されたビーム
４４５０ 放物線状の等価物である平らなミラーから集束レンズへ反射されたビーム
４４６０ 検出器への途中の集束ビーム
５０００ 分析する対象気体
６０００ 光を検出器に合焦させるレンズ

Claims (29)

1. 対象気体（５０００）の少なくとも１つの特性を判定する気体監視システムであって、前記気体監視システムは、少なくとも１つの光源（１０００）を備え、前記少なくとも１つの光源（１０００）は、前記対象気体（５０００）が少なくとも１つの吸収線を有する波長範囲内で光を照射するように構成され、前記気体監視システムはさらに、反射手段を有するレトロリフレクタ（２２００）および制御ユニットを備え、前記気体監視システムは、光を前記対象気体（５０００）に透過させて前記レトロリフレクタ（２２００）に案内し、当該光を受光系に戻すように構成され、前記気体監視システムはさらに、前記光を検出する少なくとも１つの光感知検出器を有する検出システムを備え、前記少なくとも１つの光感知検出器は、前記制御ユニットによって受信される信号を供給するように構成され、前記制御ユニットは、前記気体監視システムを制御し、前記対象気体の少なくとも１つの特性を演算するように構成される、前記気体監視システムにおいて、
   前記気体監視システムは、ミラー機構（２０００）を備え、
   前記ミラー機構（２０００）は、中央ミラー（２１００）および周囲ミラー（２３００）を含み、該中央ミラー（２１００）および周囲ミラー（２３００）の各々は、面、幾何学的中心、および光軸を有し、
   前記中央ミラー（２１００）および前記周囲ミラー（２３００）は、当該中央ミラー（２１００）および当該周囲ミラー（２３００）の光軸（２１５０，２３５０）間に偏倚角度をなすように配置され、
   前記中央ミラー（２１００）および前記周囲ミラー（２３００）の光軸（２１５０、２３５０）は、前記中央ミラー（２１００）の面の幾何学的中心近傍の交点で交差し、
   前記ミラー機構は、揺動点（２０５０）を中心に３次元立体角内で任意の方向に傾動可能であり、前記揺動点（２０５０）は、前記交点の近傍で位置付けられ、
   前記中央ミラー（２１００）は、前記光源（１０００）からの光を受光して当該光を前記レトロリフレクタ（２２００）に向けるように配置され、前記レトロリフレクタ（２２００）は、向けられた光を前記周囲ミラー（２３００）へ戻すように配置され、前記周囲ミラー（２３００）は、当該光を検出システム内へ反射させるように配置されることを特徴とする気体監視システム。
2. 前記光軸（２１５０，２３５０）の交点は、前記中央ミラー（２１００）の面の幾何学的中心から１０ｍｍ未満に位置付けられる、請求項１に記載の気体監視システム。
3. 前記揺動点（２０５０）は、前記光軸（２１５０，２３５０）の交点から２０ｍｍ未満に位置付けられる、請求項１または２に記載の気体監視システム。
4. 前記光軸（２１５０，２３５０）と前記揺動点（２０５０）との交点は、前記中央ミラー（２１００）の面の幾何学的中心に位置付けられる、請求項１から３のいずれか１項に記載の気体監視システム。
5. 前記気体監視システムは、複数のビームを形成するように構成され、各ビームは軸を有し、該複数のビームは、前記少なくとも１つの光源（１０００）を備える光源系から前記中央ミラー（２１００）へのビーム（４１００）と、前記中央ミラー（２１００）から前記レトロリフレクタ（２２００）へのビーム（４２００）と、前記レトロリフレクタ（２２００）から前記周囲ミラー（２３００）へのビーム（４３００）と、前記周囲ミラー（２３００）から前記検出システムへのビーム（４４００）とを含み、
   前記気体監視システムは、前記レトロリフレクタ（２２００）へのビームと前記レトロリフレクタ（２２００）からのビームとが概ね同軸であるように構成され、前記光源系から前記中央ミラー（２１００）へのビームの軸と前記周囲ミラー（２３００）から前記検出システムへのビームの軸とが非同軸とされている、請求項１から４のいずれか１項に記載の気体監視システム。
6. 前記中央ミラー（２１００）の光軸と前記周囲ミラー（２３００）の光軸とがなす角度の２倍の角度は、前記光源系の光軸と前記検出システム（３０００）とがなす角度に概ね対応している、請求項５の記載の気体監視システム。
7. 前記中央ミラー（２１００）および前記周囲ミラー（２３００）の各々は、光を反射させる面を含み、前記ミラー機構（２０００）は、前記周囲ミラー（２３００）の面が前記中央ミラー（２１００）の面を囲繞するように構成される、請求項１から６のいずれか一項に記載の気体監視システム。
8. 前記中央ミラー（２１００）および前記周囲ミラー（２３００）の面は、前記光軸（２１５０，２３５０）の交点が前記中央ミラー（２１００）の光学的中心に位置付けられるように配置されている、請求項７に記載の気体監視システム。
9. 前記中央ミラー（２１００）は、平板状、放物線状、軸外し放物線状、および球状のうちの１つの形態であり、前記周囲ミラー（２３００）は、平板状、放物線状、軸外し放物線状、および球状のうちの１つの形態である、請求項１から８のいずれか一項に記載の気体監視システム。
10. 前記検出システムは、前記ミラー機構（２０００）と前記レトロリフレクタ（２２００）との間のビーム（４２００，４３００）の外側に配置される、請求項１から９のいずれか一項に記載の気体監視システム。
11. 前記光源（１０００）は、垂直共振器面発光レーザ、分布帰還型レーザ、量子カスケードレーザ、インターバンドカスケードレーザ、およびファブリ・ペロー・レーザ、ならびに異なるアレイ式のレーザのうちの１つのレーザである、請求項１から１０のいずれか一項に記載の気体監視システム。
12. 前記レトロリフレクタ（２２００）は、キューブコーナー、または反射テープである、請求項１から１１のいずれか一項に記載の気体監視システム。
13. 前記ミラー機構（２０００）は、前記中央ミラー（２１００）からのビームを、概ねレトロリフレクタ（２２００）に向かう指向方向に向けるように構成され、前記気体監視システムは、前記ミラー機構（２０００）の指向方向を調整する芯合わせ手段を備えている、請求項１から１２のいずれか一項に記載の気体監視システム。
14. 前記芯合わせ手段は、概ね前記揺動点（２０５０）を中心に前記ミラー機構（２０００）を傾動させるように構成される、請求項１３に記載の気体監視システム。
15. 前記揺動点（２０５０）は、前記中央ミラー（２１００）の幾何学的中心の近傍に位置付けられる、請求項１３または１４に記載の気体監視システム。
16. 前記揺動点（２０５０）は、前記中央ミラー（２１００）の軸線（２１５０）の近傍において、前記中央ミラー（２１００）の幾何学的中心の背後に位置付けられる、請求項１３または１４に記載の気体監視システム。
17. 前記芯合わせ手段は、
    信号を監視し、かつ、最適な信号を検出しつつ、ミラーアセンブリを駆動することによって、前記ミラーアセンブリを前記レトロリフレクタ（２２００）に向けて自動的に芯合わせする手段を含む、請求項１３から１６のいずれか一項に記載の気体監視システム。
18. 前記気体監視システムの芯合わせを可能にするために、少なくとも１つの光源（１０００）からのビームと概ね同軸に、可視光から成るコリメートビームを送出するように構成された可視光源（１２００）を備える請求項１から１７のいずれか一項に記載の気体監視システム。
19. 異なる波長で機能する複数の光源（１０００，１１００）を備え、
    各光源（１０００，１１００）は、当該光源（１０００，１１００）からの光ビームを共通の経路に合流させるビームスプリッタを有し、それぞれのビームスプリッタは、各ビームスプリッタに対応する光源（１０００，１１００）からの光を概ね反射する一方、他の光源（１０００，１１００）からの波長における光を概ね透過させるスペクトル特性を有する、請求項１から１８のいずれか一項に記載の気体監視システム。
20. 複数の光感知検出器と、各光源（１０００）からの波長を個々の光感知検出器へ分離する複数のビームスプリッタとを備える、請求項１から１９のいずれか一項に記載の気体監視システム。
21. 時分割多重化または周波数分割多重化して各光源（１０００）からの波長を分離するように構成された請求項１９または２０に記載の気体監視システム。
22. 前記気体監視システムは、前記ビームスプリッタからの余剰光を、前記複数の光源（１０００，１１００）ごとに設けた少なくとも１つの気体セルに透過させ、次いで、前記複数の光源（１０００，１１００）ごとに設けた少なくとも１つの追加的な光感知検出器に到達させるように構成され、
    前記少なくとも１つの気体セルは、自己較正用に用いられ、且つスペクトル動作点に関して機器の完全性を監視するのに適した吸収特性を有する気体を収容している、請求項１９から２１のいずれか一項に記載の気体監視システム。
23. 前記レトロリフレクタ（２２００）は、
    当該レトロリフレクタ（２２００）の中心軸周りに概ね対称的に配置されて、当該レトロリフレクタ（２２００）によって反射された光が前記中央ミラー（２１００）を介して光源（１０００）に戻るのを防ぐように構成されたビーム遮蔽板（２２１１）を含む、請求項１から２２のいずれか一項に記載の気体監視システム。
24. 前記ビーム遮蔽板（２２１１）は、光路長の範囲およびビーム発散度に対して最適化された直径を有する円盤状に概ね形成される、請求項２３に記載の気体監視システム。
25. 前記ビーム遮蔽板（２２１１）は、前記レトロリフレクタ（２２００）の光軸に対して傾斜した角度をなして配置される、請求項２３または２４に記載の気体監視システム。
26. 前記レトロリフレクタ（２２００）は、レーザ光が前記中央ミラー（２１００）を介して前記光源（１０００）に反射して戻ることを防ぐために実質的に前記反射手段が取り除かれた中央部分（２２４０）を含む、請求項１から２５のいずれか１項に記載の気体監視システム。
27. 前記反射手段が取り除かれた前記レトロリフレクタ（２２００）の中央部分（２２４０）には、拡散要素（２２５０）が配置され、前記拡散要素（２２５０）は、光学ノイズおよび前記レトロリフレクタ（２２００）の背後の面からの反射を低減させる、請求項２６に記載の気体監視システム。
28. 前記中央部分（２２４０）の反射手段は、反射面を含み、
    前記反射面には、該反射面を実質的に取り除いて前記拡散要素（２２５０）を形成するためにサンドブラストまたはエッチングが実行されている、請求項２７に記載の気体監視システム。
29. 対象気体（５０００）の少なくとも１つの特性を判定する方法であって、
    対象気体（５０００）が光源（１０００）からのビーム内に少なくとも１つの吸収線を有する範囲で光を照射するステップと、
    中央ミラー（２１００）が、光を対象気体（５０００）のサンプルを透過させてレトロリフレクタ（２２００）に向けて反射するステップと、
    前記レトロリフレクタ（２２００）が、光を、中央ミラー（２１００）を囲繞する周囲ミラー（２３００）に向けて戻すステップと、
    周囲ミラー（２３００）が、光を検出システムに向けて反射するステップと、
    検出システムに設けられた少なくとも１つの検出器が、光を検出するステップと、
    制御システムが、検出システムからの信号を受け取り、気体の少なくとも１つの特性を判定するステップと、を備える方法。

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