JP2024158564A - ガス測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】多重反射を利用したレーザ吸収分光法における各種特性を改善する。
【解決手段】本開示に係るガス測定装置１は、レーザ吸収分光法によってガスの濃度を測定する。ガス測定装置１は、第１のコーナーキューブ１０と、第１のコーナーキューブ１０に対向して配置された第２のコーナーキューブ２０と、第１のコーナーキューブ１０にレーザ光を出射するレーザ光源３０と、第１のコーナーキューブ１０と第２のコーナーキューブ２０との間で被測定ガスを通過して複数回反射されたレーザ光を受光する受光素子４０と、を備える。第２のコーナーキューブ２０は、第１のコーナーキューブ１０の入射位置と出射位置を中心とする入出射光に平行な中心線と第２のコーナーキューブ２０の入射位置と出射位置を中心とする入出射光に平行な中心線とがずれるように配置されている。
【選択図】図３

Description

本開示は、ガス測定装置に関する。

従来、ガスの濃度を測定する方法として、レーザ吸収分光法が知られている。レーザ吸収分光法は、ガス中の分子が特定波長の光を吸収するという特性を利用して、ガス中を通過したレーザの吸光度を測定することによって、ガスの濃度を測定する方法である。

レーザ吸収分光法は、ガスを通過するレーザの光路長が長いほど測定精度が高くなる。配管、タンクなどの中のガスの濃度を測定する場合、配管、タンクなどの大きさには限りがあるため、レーザ光を複数回往復させることによって光路長を長くしてガスの濃度を測定する多重反射の方法が知られている。

例えば、特許文献１は、多重反射の方法としてヘリオットセルを用いた構成を開示している。

特開２０１９－２１５２１１号公報

多重反射を利用したレーザ吸収分光法の課題として、測定に用いられる部品の位置が変動した際の測定の安定性、レーザ光が反射される際の光量の減衰などの各種特性を改善させることが挙げられる。

そこで、本開示は、多重反射を利用したレーザ吸収分光法における各種特性を改善することができるガス測定装置を提供することを目的とする。

幾つかの実施形態に係るガス測定装置は、レーザ吸収分光法によってガスの濃度を測定するガス測定装置であって、第１のコーナーキューブ又は第１の直角プリズムと、前記第１のコーナーキューブ又は前記第１の直角プリズムに対向して配置された第２のコーナーキューブ又は第２の直角プリズムと、前記第１のコーナーキューブ又は前記第１の直角プリズムにレーザ光を出射するレーザ光源と、前記第１のコーナーキューブ又は前記第１の直角プリズムと前記第２のコーナーキューブ又は前記第２の直角プリズムとの間で被測定ガスを通過して複数回反射された前記レーザ光を受光する受光素子とを備え、前記第２のコーナーキューブ又は前記第２の直角プリズムは、前記第１のコーナーキューブ又は前記第１の直角プリズムの入射位置と出射位置を中心とする入出射光に平行な中心線と前記第２のコーナーキューブ又は前記第２の直角プリズムの入射位置と出射位置を中心とする入出射光に平行な中心線とがずれるように配置されている。このようなガス測定装置によれば、多重反射を利用したレーザ吸収分光法における各種特性を改善することが可能である。

一実施形態に係るガス測定装置において、前記第１のコーナーキューブ又は前記第１の直角プリズムの前記中心線と前記第２のコーナーキューブ又は前記第２の直角プリズムの前記中心線とがずれている距離によって、前記第１のコーナーキューブ又は前記第１の直角プリズムと前記第２のコーナーキューブ又は前記第２の直角プリズムとの間で前記レーザ光が反射される回数を調整可能であってもよい。これにより、レーザ光が反射される回数を容易に調整することができる。

一実施形態に係るガス測定装置において、前記第１のコーナーキューブ又は前記第１の直角プリズムの入射面、及び、前記第２のコーナーキューブ又は前記第２の直角プリズムの入射面は、前記レーザ光源が前記第１のコーナーキューブ又は前記第１の直角プリズムに前記レーザ光を出射する方向に垂直な平面に対して傾いていてもよい。これにより、入射面からの不要反射による影響を低減することができる。

一実施形態に係るガス測定装置において、前記第１のコーナーキューブ又は前記第１の直角プリズムの入射面、及び、前記第２のコーナーキューブ又は前記第２の直角プリズムの入射面は、内部に前記被測定ガスを有する配管に設けられた窓ガラスに密着していてもよい。これにより、第１のコーナーキューブ又は第１の直角プリズムの入射面、及び、第２のコーナーキューブ又は第２の直角プリズムの入射面と、配管に設けられた窓ガラスとの間に間隙ができることを防ぐことができる。

一実施形態に係るガス測定装置において、前記第１のコーナーキューブ又は前記第１の直角プリズムの前記中心線と前記第２のコーナーキューブ又は前記第２の直角プリズムの前記中心線とをずらしている方向を第１の方向、前記第１のコーナーキューブ又は前記第１の直角プリズムに前記レーザ光が入射される方向を第３の方向、前記第１の方向及び前記第３の方向に直交する方向を第２の方向とすると、前記レーザ光源は、前記第２の方向に中心から所定の距離だけずらした位置に配置されていてもよい。これにより、ガス測定装置は、ガス分布の広い範囲のガス濃度を測定することが可能となる。

一実施形態に係るガス測定装置において、前記レーザ光源は、前記第１のコーナーキューブ又は前記第１の直角プリズムの入射面に対して斜めに前記レーザ光を出射してもよい。これにより、レーザ光源から出射するレーザ光のプリズムへの入射角度を変更することで、反射回数を調整することができ、またプリズム入出射面で発生する不要反射による光学干渉の影響が低減できる。

本開示によれば、多重反射を利用したレーザ吸収分光法における各種特性を改善することができるガス測定装置を提供することができる。

従来のヘリオットセルを用いたガス測定装置の概略構成を示す図である。 従来のヘリオットセルを用いて配管内の被測定ガスの濃度を測定するガス測定装置の概略構成を示す図である。 一実施形態に係るガス測定装置の概略構成を示す図である。 図３の第１のコーナーキューブを入射面から見た図である。 図３の第２のコーナーキューブを入射面から見た図である。 第１のコーナーキューブが入射光を反射する様子を示す図である。 一実施形態に係るガス測定装置の反射回数を変更した場合の概略構成を示す図である。 図６の第１のコーナーキューブを入射面から見た図である。 図６の第２のコーナーキューブを入射面から見た図である。 一実施形態に係るガス測定装置が角度変動に対して安定していることを示す図である。 一実施形態に係るガス測定装置のコーナーキューブが配管に設けられた窓ガラスに密着して配置されている様子を示す図である。 第１の変形例に係るガス測定装置の概略構成を示す図である。 第２の変形例に係るガス測定装置の概略構成を示す図である。 第３の変形例に係るガス測定装置の概略構成を示す図である。 図１２の第１のコーナーキューブを入射面から見た図である。 図１２の第２のコーナーキューブを入射面から見た図である。 第４の変形例に係るガス測定装置の概略構成を示す図である。

（ヘリオットセル）
最初に、従来のヘリオットセルを用いたガス測定装置について説明する。図１は、従来のヘリオットセルを用いたガス測定装置の概略構成を示す図である。

図１に示すヘリオットセルを用いたガス測定装置は、第１の凹面鏡１０１と、第２の凹面鏡１０２と、レーザ光源１０３と、受光素子１０４とを備える。

第１の凹面鏡１０１と第２の凹面鏡１０２とは対向して配置される。第１の凹面鏡１０１と第２の凹面鏡１０２との間には、測定対象である被測定ガスがある。

レーザ光源１０３は、第２の凹面鏡１０２に設けられた穴を通過するようにレーザ光を出射する。レーザ光は、第１の凹面鏡１０１及び第２の凹面鏡１０２によって複数回反射され、第２の凹面鏡１０２に設けられた穴から外に出る。

受光素子１０４は、第２の凹面鏡１０２に設けられた穴から外に出できたレーザ光を受光する。

ヘリオットセルを用いたガス測定装置において、レーザ光が被測定ガスを通過する光路長は、第１の凹面鏡１０１及び第２の凹面鏡１０２によって複数回反射されることによって長い距離となる。

図１に示すように、被測定ガスの端から端までの距離である測定距離が短い場合であっても、レーザ光を複数回反射させることにより、ヘリオットセルを用いたガス測定装置は、被測定ガスを通過するレーザ光の光路長を長くすることができる。以後、「測定距離」との用語を、被測定ガスの端から端までの距離という意味で用いる場合がある。

このように、第１の凹面鏡１０１及び第２の凹面鏡１０２によってレーザ光を複数回反射させて光路長を長くすることで、ヘリオットセルを用いたガス測定装置は、ガスの濃度を精度良く測定することができる。

図２は、従来のヘリオットセルを用いたガス測定装置によって、配管２００内の被測定ガスの濃度を測定する場合の概略構成を示す図である。

図２に示す例においては、内部に被測定ガスがある配管２００に窓ガラス２１０が設けられている。窓ガラス２１０は、被測定ガスを測定するための測定用の窓として、配管２００に設けられている。

図２に示す例においては、第１の凹面鏡１０１及び第２の凹面鏡１０２は、窓ガラス２１０に接するように配置されている。

図１及び図２に示したような、従来のヘリオットセルを用いたガス測定装置には、以下のような課題がある。

＜課題１＞
ヘリオットセルにおいて、レーザ光源１０３が出射するレーザ光の光路は、レーザ光の入射角、レーザ光源１０３の位置、測定距離、反射回数、第１の凹面鏡１０１及び第２の凹面鏡１０２の位置、第１の凹面鏡１０１及び第２の凹面鏡１０２の曲面率などのようなパラメータに依存する。振動、温度などに起因して歪みなどの物理的な変動があると、上記パラメータは変動するが、そうすると光路も変動してしまう。特に、第１の凹面鏡１０１及び第２の凹面鏡１０２の角度が変動すると、反射の度に影響が累積するため、反射回数に比例して光路の変動が大きくなる。光路の変動は、光路長、光量の変動及び受光素子１０４の受光位置の変動となり、測定ノイズの増加、測定値の変動などをもたらす。

＜課題２＞
第１の凹面鏡１０１及び第２の凹面鏡１０２の反射面にはミラーコーティングが施されている。このミラーコーティングの材料は、すべてを反射させることが困難であるため、第１の凹面鏡１０１及び第２の凹面鏡１０２に入射されたレーザ光の一部は透過する。したがって、第１の凹面鏡１０１及び第２の凹面鏡１０２によって反射される度に、レーザ光の光量は減衰し、その分、受光素子１０４が受光するレーザ光の光量は低減する。レーザ光の透過によるレーザ光の光量の低減は、ＳＮ比が悪化するため、測定ノイズの増加、測定値の変動などをもたらす。

＜課題３＞
課題１において示した各パラメータは、測定距離に応じた値に調整する必要がある。そのため、大きさの異なる配管、タンクにおいて内部のガス濃度を測定する場合、その都度、各パラメータを調整することが必要となる。特に、第１の凹面鏡１０１及び第２の凹面鏡１０２の曲面率を変えるためには、別の第１の凹面鏡１０１及び別の第２の凹面鏡１０２を用意することが必要となるため、汎用的に部品を使用して測定することが困難である。

＜課題４＞
反射回数を増やしてレーザ光の光路長を長くすると、基本的にはガスの濃度を精度良く測定することができる。しかしながら、光路長を長くし過ぎると、被測定ガス中に含まれるダストの影響及びレーザ光のビーム径の形状悪化などによるレーザ光の光量低下により、測定ノイズの増加、測定値の変動をもたらす。そのため、反射回数を適切な回数に調整することが望ましいが、その場合、課題１において示した各パラメータを調整する必要がある。しかしながら、ヘリオットセルを用いた構成は各パラメータの調整が容易でないため、反射回数の調整が容易ではない。

＜課題５＞
レーザ光源１０３のレーザ光の入射角、レーザ光の入射位置の調整は、反射の度に反射角度及び反射位置の変化量が累積し調整感度が増加する。このため、反射回数を増やすと、光軸の調整に対する調整感度が大きくなり、レーザ光源１０３の光軸の微調整が困難となる。

＜課題６＞
ヘリオットセルは、第１の凹面鏡１０１及び第２の凹面鏡１０２を使用しているため、レーザ光の光路長を算出する際、凹面を考慮して算出する必要がある。そのため、光路長を算出するために複雑な計算が必要となる。

＜課題７＞
図２に示したように、ヘリオットセルにおいて第１の凹面鏡１０１及び第２の凹面鏡１０２を使用する場合、配管２００の測定用の窓ガラス２１０に第１の凹面鏡１０１及び第２の凹面鏡１０２を設置する場合がある。この場合、第１の凹面鏡１０１及び第２の凹面鏡１０２は凹面形状であるため、第１の凹面鏡１０１及び第２の凹面鏡１０２と窓ガラス２１０との間に間隙２２０ができてしまう。間隙２２０に存在する気体は測定対象である被測定ガスとは異なる気体であるため、間隙２２０を通過する光路長の分が誤差要因となってしまう。特に、被測定ガスの濃度が小さい場合、測定距離が短い場合などは、間隙２２０による誤差の影響が大きくなる。

＜課題８＞
図１に示すように、第２の凹面鏡１０２には、レーザ光源１０３が出射するレーザ光が通過することを可能とし、また、受光素子１０４が受光するレーザ光を通過させることを可能とする穴を設けることが必要である。そのため、第２の凹面鏡１０２には、穴加工を追加する必要があり、加工費が高価となる。

＜課題９＞
課題２において記載したように、第１の凹面鏡１０１及び第２の凹面鏡１０２の反射面にはミラーコーティングを施すことが必要である。レーザ光が第１の凹面鏡１０１及び第２の凹面鏡１０２によって反射される際の光量の減衰を抑制するためには、ミラーコーティングの材料として、高反射率の材料を用いることが必要となり、加工費が高価となる。

（本開示のガス測定装置）
図３は、一実施形態に係るガス測定装置１の概略構成を示す図である。ガス測定装置１は、ヘリオットセルにおける上述の課題１～９を解消することを目的とするガス測定装置である。図３を参照して、一実施形態に係るガス測定装置１の構成及び機能について説明する。

ガス測定装置１は、レーザ吸収分光法によってガスの濃度を測定する装置である。図１においては、測定対象のガスを被測定ガスとして示している。また、本実施形態においても、「測定距離」との用語を、被測定ガスの端から端までの距離という意味で用いる場合がある。

ガス測定装置１は、第１のコーナーキューブ１０と、第２のコーナーキューブ２０と、レーザ光源３０と、受光素子４０とを備える。

第１のコーナーキューブ１０及び第２のコーナーキューブ２０は、先端部分が３つの平面でカットされたプリズムである。第１のコーナーキューブ１０及び第２のコーナーキューブ２０は、再帰反射の特性を有する。再帰反射の特性とは、光がどのような方向から入射されても、入射された方向に対して１８０度の方向に光を反射する特性である。第１のコーナーキューブ１０及び第２のコーナーキューブ２０は、ガラスで構成されていてよい。

第１のコーナーキューブ１０と第２のコーナーキューブ２０との間に測定対象である被測定ガスがある。第２のコーナーキューブ２０は、第１のコーナーキューブ１０に対向して配置されている。図３に示す例においては、第１のコーナーキューブ１０の入射面はＸＹ平面と平行である。また、第２のコーナーキューブ２０の入射面もＸＹ平面と平行である。第１のコーナーキューブ１０の入射面及び第２のコーナーキューブ２０の入射面は、被測定ガスに接している。

レーザ光源３０は、第１のコーナーキューブ１０にレーザ光を出射する。レーザ光源３０は、被測定ガス成分の吸光スペクトルを測定可能な波長を有するレーザ光を出射する。レーザ光源３０は、例えば、ランプ光源、ＬＥＤ（Light-Emitting Diode）光源などであってよい。

受光素子４０は、第１のコーナーキューブ１０と第２のコーナーキューブ２０との間で被測定ガスを通過して複数回反射されたレーザ光を受光する。受光素子４０は、例えばフォトダイオードであってよい。

受光素子４０が受光したレーザ光の強度からレーザ光の吸光度を算出することができる。また、レーザ光の吸光度から被測定ガスの濃度を算出することができる。受光素子４０は、演算装置に接続されていてよい。演算装置は、受光素子４０が測定したレーザ光の強度を受光素子４０から取得し、レーザ光の吸光度及び被測定ガスの濃度を算出することができる。演算装置は、専用のコンピュータであってもよいし、汎用のＰＣ（Personal Computer）、サーバなどであってもよい。

図３に示すように、第１のコーナーキューブ１０及び第２のコーナーキューブ２０は、第１のコーナーキューブ１０の中心線Ｌ１と第２のコーナーキューブ２０の中心線Ｌ２とがずれるように配置されている。

第１のコーナーキューブ１０の中心線とは、第１のコーナーキューブ１０の入射面に入射するレーザの入射位置と反射され出射位置の中心点を通る入射レーザ光と平行な線である。第２のコーナーキューブ２０の中心線とは、第２のコーナーキューブ２０の入射面のに入射するレーザの入射位置と反射された出射位置の中心点を通る入射レーザ光と平行な線である。

第１のコーナーキューブ１０と第２のコーナーキューブ２０とは、Ｘ方向にずらして配置される。この際、レーザ光の光路が第１のコーナーキューブ１０又は第２のコーナーキューブ２０の中心点を通らないように、ずらし量は調整されている。図３に示す例においては、第１のコーナーキューブ１０の中心線Ｌ１と、第２のコーナーキューブ２０の中心線Ｌ２とがＸ方向に距離Ｂだけ離れるように、第１のコーナーキューブ１０及び第２のコーナーキューブ２０が配置されている。中心線Ｌ１と中心線Ｌ２との間の距離Ｂは、第１のコーナーキューブ１０及び第２のコーナーキューブ２０によってレーザ光が反射される回数に関連づけられる。

例えば、中心線Ｌ１と中心線Ｌ２との間の距離Ｂと、反射回数とは、下記の式（１）のように関連づけられる。
Ｂ＝φ／（ｎ－１） （１）
ここで、φは第１のコーナーキューブ１０及び第２のコーナーキューブ２０の直径であり、ｎは、第１のコーナーキューブ１０と第２のコーナーキューブ２０との間の多重反射で得られる光路の本数であり、（ｎ―１）が反射回数である。

例えば、第１のコーナーキューブ１０及び第２のコーナーキューブ２０の直径が５０ｍｍであり、光路の本数を５本とする場合、Ｂ＝１２．５ｍｍとなるように、中心線Ｌ１と中心線Ｌ２との間の距離Ｂを調整すればよい。

レーザ光源３０のＸ方向の位置は、第１のコーナーキューブ１０のＸ軸正方向側のエッジから、距離ＡだけＸ軸の負方向側の位置であってよい。距離Ａは、例えば、距離Ｂの１／２の距離であってよい。

続いて、図３、図４Ａ、図４Ｂ及び図５を参照して、レーザ光源３０から出射されたレーザ光の光路について説明する。図４Ａは、図３の第１のコーナーキューブ１０をＺ軸負方向側から見た図である。図４Ｂは、図３の第２のコーナーキューブ２０を、Ｚ軸正方向側から見た図である。図５は、第１のコーナーキューブ１０が入射光を反射する様子を示す図である。

なお、図４Ａにおいて、Ｒ１～Ｒ３は、第１のコーナーキューブ１０の３つの平面の境界、すなわち稜線を示す。また、図４Ｂにおいても同様に、Ｒ１～Ｒ３は、第２のコーナーキューブ２０の３つの平面の境界、すなわち稜線を示す。

第１のコーナーキューブ１０は、上述したように、再帰反射の特性を有する。そのため、図５に示すように、第１のコーナーキューブ１０に入射された入射光は、入射光の方向に対して１８０度の方向に出射光として出射される。

図３、図４Ａ及び図４Ｂを参照すると、レーザ光源３０から出射されたレーザ光は、被測定ガス中の光路Ｐ１を通って第１のコーナーキューブ１０に入射される。

被測定ガス中の光路Ｐ１を通って第１のコーナーキューブ１０に入射されたレーザ光は、第１のコーナーキューブ１０の中心点に対して点対称の位置で反射されて、第２のコーナーキューブ２０に向けて出射される。第２のコーナーキューブ２０に向けて出射されたレーザ光は、被測定ガス中の光路Ｐ２を通る。

被測定ガス中の光路Ｐ２を通ったレーザ光は、第２のコーナーキューブ２０に入射される。この際、第２のコーナーキューブ２０は、第１のコーナーキューブ１０よりも距離ＢだけＸ軸負方向にずれた位置に配置されているため、光路Ｐ２を通ったレーザ光は、第２のコーナーキューブ２０の中心に近い位置に入射される。

被測定ガス中の光路Ｐ２を通って第２のコーナーキューブ２０に入射されたレーザ光は、第２のコーナーキューブ２０の中心点に対して点対称の位置で反射されて、第１のコーナーキューブ１０に向けて出射される。第１のコーナーキューブ１０に向けて出射されたレーザ光は、被測定ガス中の光路Ｐ３を通る。

被測定ガス中の光路Ｐ３を通ったレーザ光は、第１のコーナーキューブ１０に入射される。この際、Ｐ３を通ったレーザ光は、第１のコーナーキューブ１０の中心点よりもＸ軸負方向側の位置に入射される。

被測定ガス中の光路Ｐ３を通って第１のコーナーキューブ１０に入射されたレーザ光は、第１のコーナーキューブ１０の中心点に対して点対称の位置で反射されて、第２のコーナーキューブ２０に向けて出射される。第２のコーナーキューブ２０に向けて出射されたレーザ光は、被測定ガス中の光路Ｐ４を通る。

被測定ガス中の光路Ｐ４を通ったレーザ光は、第２のコーナーキューブ２０に入射される。この際、第２のコーナーキューブ２０は、第１のコーナーキューブ１０よりも距離ＢだけＸ軸負方向にずれた位置に配置されているため、光路Ｐ４を通ったレーザ光は、第２のコーナーキューブ２０の中心から遠い位置に入射される。

被測定ガス中の光路Ｐ４を通って第２のコーナーキューブ２０に入射されたレーザ光は、第２のコーナーキューブ２０の中心点に対して点対称の位置で反射されて、受光素子４０に向けて出射される。受光素子４０に向けて出射されたレーザ光は、被測定ガス中の光路Ｐ５を通る。

被測定ガス中の光路Ｐ５を通ったレーザ光は、受光素子４０に入射される。

図３に示すように、レーザ光源３０から出射されたレーザ光は、光路Ｐ１～光路Ｐ３までは、時計回りで反射されることを繰り返し、光路Ｐ４～光路Ｐ５までは、反時計回りで反射されることを繰り返す。また、レーザ光源３０から出射されたレーザ光は、被測定ガス中を５回通過するので、被測定ガス中を通過するレーザ光の光路長は、測定距離の５倍となる。

なお、第１のコーナーキューブ１０及び第２のコーナーキューブ２０の稜線Ｒ１～Ｒ３は、稜線エッジ部で不要な散乱を発生させる原因となるため、図４Ａ及び図４Ｂに示すように、光路Ｐ１～光路Ｐ５は、稜線Ｒ１～Ｒ３によって反射されない経路を通ることが望ましい。還元すれば、Ｚ軸を中心として第１のコーナーキューブ１０を回転させた角度は、光路Ｐ１～Ｐ４が稜線Ｒ１～Ｒ３を通らないような角度に調整されている。また、Ｚ軸を中心として第２のコーナーキューブ２０を回転させた角度は、光路Ｐ２～Ｐ５が稜線Ｒ１～Ｒ３を通らないような角度に調整されている。

図６、図７Ａ及び図７Ｂに、一実施形態に係るガス測定装置１を光路の本数が１１本になるように調整した場合の概略構成を示す。図７Ａは、図６の第１のコーナーキューブ１０をＺ軸負方向側から見た図である。図７Ｂは、図６の第２のコーナーキューブ２０を、Ｚ軸正方向側から見た図である。

上述の式（１）を用いて計算すると、第１のコーナーキューブ１０及び第２のコーナーキューブ２０の直径が５０ｍｍであり、光路の本数を１１本とする場合、距離Ｂは５ｍｍと算出される。この場合、距離Ａは、Ａ＝５／２＝２．５ｍｍであってよい。

上述の計算に基づいて、第１のコーナーキューブ１０の中心線Ｌ１と、第２のコーナーキューブ２０の中心線Ｌ２とがＸ方向に距離Ｂ、すなわち５ｍｍ離れるように調整すると、レーザ光源３０が出射したレーザ光は、光路の本数が１１本になるように反射されて受光素子４０に入射される。

この際、図６に示すように、レーザ光源３０から出射されたレーザ光は、光路Ｐ１～光路Ｐ６までは、時計回りで反射されることを繰り返し、光路Ｐ７～光路Ｐ１１までは、反時計回りで反射されることを繰り返す。また、レーザ光源３０から出射されたレーザ光は、被測定ガス中を１１回通過するので、被測定ガス中を通過するレーザ光の光路長は、測定距離の１１倍となる。

このように、一実施形態に係るガス測定装置１は、第１のコーナーキューブ１０及び第２のコーナーキューブ２０によってレーザ光源３０が出射したレーザ光を複数回反射するため、被測定ガスを通過するレーザ光の光路長を長くすることができる。

また、一実施形態に係るガス測定装置１は、第１のコーナーキューブ１０の中心線Ｌ１と、第２のコーナーキューブ２０の中心線Ｌ２とのＸ方向のずれである距離Ｂを調整するだけで、容易に光路の本数を調整することができる。

ここで、一実施形態に係るガス測定装置１の効果について、上述したヘリオットセルの課題１～９に対応させて、効果１～９として説明する。

＜効果１＞
図８に、一実施形態に係るガス測定装置１において、第１のコーナーキューブ１０及び第２のコーナーキューブ２０に角度変動があった場合の様子を示す。図８に示す例においては、第１のコーナーキューブ１０及び第２のコーナーキューブ２０の双方が、ＸＹ平面に対して傾いている。このような場合であっても、第１のコーナーキューブ１０及び第２のコーナーキューブ２０は再帰反射の特性を有するため、第１のコーナーキューブ１０及び第２のコーナーキューブ２０によって反射されるレーザ光はＺ軸に対して平行を保つ。すなわち、第１のコーナーキューブ１０及び第２のコーナーキューブ２０に角度変動があっても光軸が変動しない。したがって、レーザ光が複数回反射されても光路変動が累積しない。このように、一実施形態に係るガス測定装置１は、振動、温度などに起因する歪みなどの物理的な変動からの影響を受けにくく安定性が高い。また、一実施形態に係るガス測定装置１は、振動、温度などに起因する歪みなどの物理的な変動からの影響を受けにくいため、調整が容易であり、特別な加工をして調整するといったことが不要である。

＜効果２＞
第１のコーナーキューブ１０及び第２のコーナーキューブ２０においては、レーザ光が反射面を透過することによる光量の減衰は発生しない。第１のコーナーキューブ１０及び第２のコーナーキューブ２０は、ガラスで構成されており、３つの平面においてレーザ光を反射する。この際、３つの平面へのレーザ光の入射角は臨界角より大きい角度であるため、３つの平面における反射は全反射となるからである。

＜効果３＞
一実施形態に係るガス測定装置１において、第１のコーナーキューブ１０、第２のコーナーキューブ２０、レーザ光源３０及び受光素子４０は、測定距離によって交換する必要が無く同じものを用いることができる。なぜなら、第１のコーナーキューブ１０及び第２のコーナーキューブ２０が再帰反射の特性を有するため、被測定ガス中を通過するレーザ光は測定距離に関わらず平行を保ち、各部品のパラメータを測定距離に応じて調整する必要がないためである。

＜効果４＞
一実施形態に係るガス測定装置１は、第１のコーナーキューブ１０の中心線Ｌ１と、第２のコーナーキューブ２０の中心線Ｌ２とのＸ方向のずれである距離Ｂを調整するだけで、容易に光路の本数を調整することができる。

＜効果５＞
レーザ光源３０の入射角度の調整は、ＸＹ平面に対して垂直になるように調整するだけでよいため容易である。また、反射回数による角度累積による感度増大も小さいため、レーザ光源３０の入射角度の調整が容易である。また、レーザ光源３０のＸ方向の位置がずれても、そのずれ量がそのまま受光素子４０におけるＸ方向の位置のずれとなるため、レーザ光が受光素子４０で受光できるようにするための調整が容易である。

＜効果６＞
第１のコーナーキューブ１０及び第２のコーナーキューブ２０の入射面は平面であるため、光路長を容易に算出することができる。

＜効果７＞
図９に、一実施形態に係るガス測定装置１の第１のコーナーキューブ１０及び第２のコーナーキューブ２０を、内部に被測定ガスを有する配管２００に設けられた測定用の窓ガラス２１０に接するように配置している様子を示す。第１のコーナーキューブ１０及び第２のコーナーキューブ２０の入射面は平面であるため、第１のコーナーキューブ１０の入射面及び第２のコーナーキューブ２０の入射面は、窓ガラス２１０に密着することが可能である。そのため、図２に示したような間隙２２０ができることはない。したがって、レーザ光が被測定ガスとは異なる気体を通過することを防ぐことができ、被測定ガスとは異なる気体を通過することによる誤差を低減することができる。

＜効果８＞
図６に示すように、レーザ光源３０が出射するレーザ光は、第１のコーナーキューブ１０に直接入射される。また、第２のコーナーキューブ２０が出射するレーザ光は、受光素子４０に直接入射される。したがって、一実施形態に係るガス測定装置１の第１のコーナーキューブ１０及び第２のコーナーキューブ２０に、レーザ光を通過させるための穴を追加で設けることは不要である。

＜効果９＞
第１のコーナーキューブ１０及び第２のコーナーキューブ２０は、３つの平面においてレーザ光を全反射する。この全反射は、第１のコーナーキューブ１０及び第２のコーナーキューブ２０の材料であるガラスの屈折率と、第１のコーナーキューブ１０及び第２のコーナーキューブ２０の周辺の大気などの気体の屈折率で決まる臨界角が、３つの平面へのレーザ光の入射角より大きい角度になるように調整されていることによるものである。したがって、第１のコーナーキューブ１０及び第２のコーナーキューブ２０にミラーコーティングを施すことは不要である。

以上のような一実施形態に係るガス測定装置１によれば、多重反射を利用したレーザ吸収分光法における各種特性を改善することができる。より具体的には、ガス測定装置１は、第１のコーナーキューブ１０と、第１のコーナーキューブ１０に対向して配置された第２のコーナーキューブ２０と、第１のコーナーキューブ１０にレーザ光を出射するレーザ光源３０と、第１のコーナーキューブ１０と第２のコーナーキューブ２０との間で被測定ガスを通過して複数回反射されたレーザ光を受光する受光素子４０と、を備え、第２のコーナーキューブ２０は、第１のコーナーキューブ１０の中心線と第２のコーナーキューブ２０の中心線とがずれるように配置されている。このような構成となっていることで、一実施形態に係るガス測定装置１は、上述の効果１～９のような効果を有することができ、多重反射を利用したレーザ吸収分光法における各種特性を改善することができる。

（第１の変形例）
図１０は、第１の変形例に係るガス測定装置２の概略構成を示す図である。第１の変形例に係るガス測定装置２は、第１のコーナーキューブ１０と、第２のコーナーキューブ２０と、レーザ光源３０と、受光素子４０とを備える。第１の変形例に係るガス測定装置２については、図３に示したガス測定装置１との相違点について主に説明し、図３に示したガス測定装置１と共通する内容については適宜説明を省略する。

第１の変形例に係るガス測定装置２は、第１のコーナーキューブ１０の入射面及び第２のコーナーキューブ２０の入射面が、ＸＹ平面に対して傾いているという点で、図３に示したガス測定装置１と相違する。ここで、ＸＹ平面は、レーザ光源３０が第１のコーナーキューブ１０にレーザ光を出射する方向に垂直な平面である。

図１０において、破線矢印は、第１のコーナーキューブ１０の入射面及び第２のコーナーキューブ２０の入射面において不要反射によって発生する反射光を示す。この不要反射による反射光は、第１のコーナーキューブ１０の入射面及び第２のコーナーキューブ２０の入射面において単純に反射される反射光である。そのため、この不要反射による反射光は再帰反射ではなく、Ｚ軸に対して平行ではない。

図３に示したガス測定装置１において、上述のような不要反射が発生し、不要反射によるレーザ光が受光素子４０に入射されると、本来のレーザ光と干渉して測定ノイズの増加及び誤差要因となる。

これに対し、第１の変形例に係るガス測定装置２は、第１のコーナーキューブ１０の入射面及び第２のコーナーキューブ２０の入射面が、ＸＹ平面に対して傾いていることによって、不要反射によるレーザ光を本来のレーザ光から分離することができる。したがって、第１の変形例に係るガス測定装置２は、不要反射による影響を低減することによって測定精度及び安定性を改善することができる。

（第２の変形例）
図１１は、第２の変形例に係るガス測定装置３の概略構成を示す図である。第２の変形例に係るガス測定装置３は、第１の直角プリズム５０と、第２の直角プリズム６０と、レーザ光源３０と、受光素子４０とを備える。第２の変形例に係るガス測定装置３については、図３に示したガス測定装置１との相違点について主に説明し、図３に示したガス測定装置１と共通する内容については適宜説明を省略する。

第２の変形例に係るガス測定装置３は、第１のコーナーキューブ１０及び第２のコーナーキューブ２０の代わりに、第１の直角プリズム５０及び第２の直角プリズム６０を備えるという点で、図３に示したガス測定装置１と相違する。

第１の直角プリズム５０及び第２の直角プリズム６０は、直交する２つの平面を有するプリズムである。第１の直角プリズム５０及び第２の直角プリズム６０は、ガラスで構成されていてよい。

図１１は、反射回数が１０回になるように、第１の直角プリズム５０及び第２の直角プリズム６０のＸ軸方向の位置が調整されている場合の概略構成を示している。

第１の直角プリズム５０及び第２の直角プリズム６０は、入射面がY軸方向を軸とした回転をしていても、ＹＺ平面に平行に入射された入射光を、ＹＺ平面に平行な方向に反射する。したがって、振動、温度などに起因する歪みなどによって、第１の直角プリズム５０及び第２の直角プリズム６０の入射面がY軸方向を軸とした回転方向に変動しても、その影響を受けにくいという効果を有する。

このように、第１のコーナーキューブ１０及び第２のコーナーキューブ２０に比べて単純な部品であり、安価で入手性が良い部品である第１の直角プリズム５０及び第２の直角プリズム６０を備えるガス測定装置３であっても、振動、温度などに起因する歪みなどの物理的な変動からの影響を受けにくいという効果を有する。

なお、第１の直角プリズム５０及び第２の直角プリズム６０は、完全な再帰反射の特性を有さないため、様々な位置変動に対しては、図３に示したガス測定装置１の方が位置変動の影響を受けにくい。例えば、入射面がＸ軸方向を軸として傾いた場合、第２の変形例に係るガス測定装置３は、入射光を１８０度の方向に反射しないが、図３に示したガス測定装置１は、入射光を１８０度の方向に反射する。

（第３の変形例）
図１２、図１３Ａ及び図１３Ｂは、第３の変形例に係るガス測定装置４の概略構成を示す図である。第３の変形例に係るガス測定装置４は、第１のコーナーキューブ１０と、第２のコーナーキューブ２０と、レーザ光源３０と、受光素子４０とを備える。

図１３Ａは、図１２の第１のコーナーキューブ１０をＺ軸負方向側から見た図である。図１３Ｂは、図１２の第２のコーナーキューブ２０を、Ｚ軸正方向側から見た図である。

第３の変形例に係るガス測定装置４については、図３に示したガス測定装置１との相違点について主に説明し、図３に示したガス測定装置１と共通する内容については適宜説明を省略する。

第３の変形例に係るガス測定装置４は、レーザ光源３０がＹ軸方向に所定の距離Ｃだけ中心からずらした位置に配置されているという点で、図３に示したガス測定装置１と相違する。

図１３Ａを参照すると、レーザ光源３０の位置がＹ軸方向に中心から距離Ｃだけずれているため、第１のコーナーキューブ１０の入射面における光路Ｐ１の位置は、Ｙ軸方向に距離Ｃだけずれている。

Ｘ軸方向を第１の方向、Ｙ軸方向を第２の方向、Ｚ軸方向を第３の方向とすると、レーザ光源３０は、第２の方向に中心から所定の距離だけずらした位置に配置されている。

被測定ガス中の光路Ｐ１を通って第１のコーナーキューブ１０に入射されたレーザ光は、図１３Ａに示すように、第１のコーナーキューブ１０の中心点に対して点対称の位置で反射されて、第２のコーナーキューブ２０に向けて出射される。第２のコーナーキューブ２０に向けて出射されたレーザ光は、被測定ガス中の光路Ｐ２を通る。

このように、レーザ光源３０の位置をＹ軸方向に所定の距離Ｃだけずらすと、被測定ガス中を通過するレーザ光の光路が２列となる。これにより、被測定ガス中の広い範囲をレーザ光が通過することができるため、広い範囲のガス濃度を測定することが可能となる。

第３の変形例に係るガス測定装置４は、所定の距離Ｃを調整することによって、ガス濃度を測定する範囲を調整することができる。広い範囲のガス濃度を測定したい場合は、所定の距離Ｃを大きくすればよい。狭い範囲のガス濃度を測定したい場合は、所定の距離Ｃを小さくすればよい。

（第４の変形例）
図１４は、第４の変形例に係るガス測定装置５の概略構成を示す図である。第４の変形例に係るガス測定装置５は、第１のコーナーキューブ１０と、第２のコーナーキューブ２０と、レーザ光源３０と、受光素子４０とを備える。第４の変形例に係るガス測定装置５については、図３に示したガス測定装置１との相違点について主に説明し、図３に示したガス測定装置１と共通する内容については適宜説明を省略する。

第４の変形例に係るガス測定装置５は、レーザ光源３０が第１のコーナーキューブ１０の入射面に対して斜めにレーザ光を出射するという点で、図３に示したガス測定装置１と相違する。

第４の変形例に係るガス測定装置５は、レーザ光源３０が第１のコーナーキューブ１０の入射面に対して出射するレーザ光の角度を変えることによって、反射回数を調整することができる。

これにより、第４の変形例に係るガス測定装置５は、第１のコーナーキューブ１０及び第２のコーナーキューブ２０のＸ軸方向の位置を変えずに、第１のコーナーキューブ１０及び第２のコーナーキューブ２０の位置を固定した状態で、反射回数を調整することができる。

図１４において、破線矢印は、第１のコーナーキューブ１０の入射面及び第２のコーナーキューブ２０の入射面において不要反射によって発生する反射光を示す。レーザ光源３０が第１のコーナーキューブ１０の入射面に対して斜めにレーザ光を出射すると、図１４に示すように、不要反射によるレーザ光を本来のレーザ光から分離することができる。したがって、第４の変形例に係るガス測定装置５は、不要反射による影響を低減することによって測定精度を改善することができる。

本開示は、その精神又はその本質的な特徴から離れることなく、上述した実施形態以外の他の所定の形態で実現できることは当業者にとって明白である。従って、先の記述は例示的であり、これに限定されない。開示の範囲は、先の記述によってではなく、付加した請求項によって定義される。あらゆる変更のうちその均等の範囲内にあるいくつかの変更は、その中に包含される。

例えば、上述した各構成部の配置及び個数等は、上記の説明及び図面における図示の内容に限定されない。各構成部の配置及び個数等は、その機能を実現できるのであれば、任意に構成されてもよい。

例えば、上述した第１の変形例～第４の変形例に示された構成は、適宜組み合わされてもよい。

例えば、上述した実施形態において、ガス測定装置１が第１のコーナーキューブ１０及び第２のコーナーキューブ２０を備える構成を示したが、ガス測定装置１がレーザ光を反射するために備える光学素子はコーナーキューブに限定されない。ガス測定装置１は、再帰反射の特性を有する光学素子であれば、任意の光学素子を第１のコーナーキューブ１０及び第２のコーナーキューブ２０の代わりに備えていてよい。

例えば、上述した実施形態において、第１のコーナーキューブ１０及び第２のコーナーキューブ２０の大きさが同じ場合を示したが、第１のコーナーキューブ１０と第２のコーナーキューブ２０とは異なる大きさであってよい。

例えば、上述した実施形態において、ガス測定装置１が第１のコーナーキューブ１０及び第２のコーナーキューブ２０という２つのコーナーキューブを備える構成を示したが、ガス測定装置１は、３つ以上のコーナーキューブを備えていてもよい。

例えば、上述した実施形態において、レーザ光源３０と受光素子４０とは、被測定ガスを挟んで反対側に配置されていたが、レーザ光源３０と受光素子４０とが、被測定ガスの同じ側に配置されていてもよい。レーザ光源３０と受光素子４０とが被測定ガスの同じ側に配置されるようにすることは、例えば、ガス測定装置１が３つのコーナーキューブを備える構成とすれば可能である。

１、２、３、４、５ ガス測定装置
１０ 第１のコーナーキューブ
２０ 第２のコーナーキューブ
３０ レーザ光源
４０ 受光素子
５０ 第１の直角プリズム
６０ 第２の直角プリズム
１０１ 第１の凹面鏡
１０２ 第２の凹面鏡
１０３ レーザ光源
１０４ 受光素子
２００ 配管
２１０ 窓ガラス
２２０ 間隙

Claims (6)

1. レーザ吸収分光法によってガスの濃度を測定するガス測定装置であって、
   第１のコーナーキューブ又は第１の直角プリズムと、
   前記第１のコーナーキューブ又は前記第１の直角プリズムに対向して配置された第２のコーナーキューブ又は第２の直角プリズムと、
   前記第１のコーナーキューブ又は前記第１の直角プリズムにレーザ光を出射するレーザ光源と、
   前記第１のコーナーキューブ又は前記第１の直角プリズムと前記第２のコーナーキューブ又は前記第２の直角プリズムとの間で被測定ガスを通過して複数回反射された前記レーザ光を受光する受光素子と、
   を備え、
   前記第２のコーナーキューブ又は前記第２の直角プリズムは、前記第１のコーナーキューブ又は前記第１の直角プリズムの入射位置と出射位置を中心とする入出射光に平行な中心線と前記第２のコーナーキューブ又は前記第２の直角プリズムの入射位置と出射位置を中心とする入出射光に平行な中心線とがずれるように配置されている、ガス測定装置。
2. 請求項１に記載のガス測定装置において、
   前記第１のコーナーキューブ又は前記第１の直角プリズムの前記中心線と前記第２のコーナーキューブ又は前記第２の直角プリズムの前記中心線とがずれている距離によって、前記第１のコーナーキューブ又は前記第１の直角プリズムと前記第２のコーナーキューブ又は前記第２の直角プリズムとの間で前記レーザ光が反射される回数を調整可能である、ガス測定装置。
3. 請求項１に記載のガス測定装置において、
   前記第１のコーナーキューブ又は前記第１の直角プリズムの入射面、及び、前記第２のコーナーキューブ又は前記第２の直角プリズムの入射面は、前記レーザ光源が前記第１のコーナーキューブ又は前記第１の直角プリズムに前記レーザ光を出射する方向に垂直な平面に対して傾いている、ガス測定装置。
4. 請求項１に記載のガス測定装置において、
   前記第１のコーナーキューブ又は前記第１の直角プリズムの入射面、及び、前記第２のコーナーキューブ又は前記第２の直角プリズムの入射面は、内部に前記被測定ガスを有する配管に設けられた窓ガラスに密着している、ガス測定装置。
5. 請求項１に記載のガス測定装置において、
   前記第１のコーナーキューブ又は前記第１の直角プリズムの前記中心線と前記第２のコーナーキューブ又は前記第２の直角プリズムの前記中心線とをずらしている方向を第１の方向、前記第１のコーナーキューブ又は前記第１の直角プリズムに前記レーザ光が入射される方向を第３の方向、前記第１の方向及び前記第３の方向に直交する方向を第２の方向とすると、
   前記レーザ光源は、前記第２の方向に中心から所定の距離だけずらした位置に配置されている、ガス測定装置。
6. 請求項１に記載のガス装置において、
   前記レーザ光源は、前記第１のコーナーキューブ又は前記第１の直角プリズムの入射面に対して斜めに前記レーザ光を出射する、ガス測定装置。

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