JP3990733B2 - ガスセンサ - Google Patents

Description

発明の技術分野
本発明は、ガスセンサに関し、特に、限定的ではないが、ガスセルまたは空洞の内部に閉じ込められたガスサンプルの成分がそれによって測定され、または分析され得るガスセンサに関するものである。この場合、ガスセンサはブロックの形態を有し、その内部において、空洞壁または前記壁の部分は、高い光反射性（鏡面）を有しており、空洞は、入射光線から光束を形成するように機能する開口または幾つかのそれに類する手段を備え、光束は、少なくとも３つの対置された凹面光反射壁部分の助けにより、光線が互いに対置された壁部分によって反射せしめられ、光束出射用の開口またはそれに類する手段を通過するような方向に向けられる前に、予め決定された回数だけ前記空洞を通過し、光学的分析経路を規定するように意図されている。
“開口またはそれに類する手段”という表現は、一方において、空洞および鏡面が、入射光を受光するための少なくとも１つの孔と、光がそれを通って出射する少なくとも１つの孔とを含んでいるということ、また、他方において、光は、鏡面の一方の側から出射し、鏡面の一方の側から入射するということを意味し、この場合、本出願において、これらの鏡面は、完全なものである。光が、鏡面の一方の側から入射し、１つまたはそれ以上の孔を通して出射しうること、またはそれと逆のことを妨げるものは何も存在しない。
前述の３つの対置された凹面光反射壁部分に加えて、空洞は、さらに、別の対置された光反射壁部分によって制限され得る。しかしながら、これらの別の壁部分から反射された光は、本発明のよりよい理解には寄与しないので、前記壁部分によってもたらされる効果は、この文献では説明されない。
本発明の原理は、分析されるべきガスが空洞内に拡散され、または空洞外に拡散され得るようなときにも適用され得るが、この種のガスセルは、分析されるべきガス流に結合せしめられ、そして、この目的のために、好ましくは、チューブまたはホース接続部の形態を有する入口開口および／または出口開口を有している。
分析されるべき一種類または多種類のガスの成分を測定すべく適合せしめられた周波数範囲をもつ光源、好ましくは、赤外線の光源が、出射する反射光線を通過させるべく意図され、セルの壁部分内に配置された開口またはそれに類する手段は、光の強度の周波数依存性を評価し、それによって問題のガスの成分および／または前記成分の濃度を決定するための波長選別フィルタ、スペクトル解析装置またはそれに類する装置を備えている。
背景技術の説明
この文脈における従前の技術的観点に関して、（スウェーデン王国特許出願Ｎｏ．９５ ０４０２０−０に対応する）国際出願ＰＣＴ／ＳＥ９６／００００の要旨が参照される。
上記文献は、また、この文献中で使用される用語の定義に関しても参照される。
本発明の特徴に関して、ヨーロッパ特許文献０ ６４７ ８４５の教示がまた、現在の技術的観点に関して重要である。なぜなら、この特許文献は、同心的に向けられた円形-凹面鏡面に対向して配置された円形の凹面鏡面と、これらの鏡面の互いに一致する中心の一方の側にわずかに向けらる光源と、を備えたガスセルを有するガスセンサが記載され、説明されているからである。
凹面鏡面内のギャップは、発散光線を伴ったわずかに半径方向外向きに向けられた光束を凹面鏡部分および凸面鏡部分において交互に反射させ、その後、光線は、外側凹面鏡内に設けられたギャップを通して外に出ていることができ、その後、予め決定された回数の反射がなされ、それに伴って予め決定された長さの予め決定された光学的光分析経路を通って伝播がなされる。
この特許文献の図６には、分離した光線出射ギャップの助けによって、そして両方の分析経路に対して共通の光線入射開口を通して、ガスセル内部の２つの異なる光学的分析経路のうちの一方を選択することを可能とすべく設計された装置が記載されている。
記載されたガスセンサは、その受光手段がガスセル中の凹面鏡部分内に反射された光束を形成し、それによって発散光束を形成すべく順序づけて並べられた光線を検知するように構成されているということが仮定され得る。
さらに、従前の技術的観点の一部を構成するものとして、“白色”鏡として呼ばれる３つの部分球面状の凹面鏡面からなる構成が挙げられる。
これらの鏡は、通常、互いに相対的に大きな距離をあけて配置され、使用される光源は、通常、レーザ光源からなっている。
幾分平行な光線を含む光束は、３つの対置された球面状凹面鏡面の間を数回にわたって反射せしめられ、最終的に、反射せしめられた光束が、鏡面を越えて（鏡の端縁に隣接して）通過することができるとき、この光束中の光線は、スペクトル解析装置に受け取られ、そして、周知の方法で評価される。
さらに、従前の技術的観点の一部を構成するものとして特許文献ＵＳ−Ａ−５ ００９ ４９３の教示が挙げられる。この文献は、測定ガス中の光の吸収を測定するための多重反射セル中における光経路に対する構成を記載している。この測定装置において、入射アパーチャは、入射アパーチャ鏡、フィールド鏡および出射アパーチャを経て出射アパーチャ上に結像される。
この装置は、改良され、結像鏡の非点収差はかなり減じられている。この目的のために、アパーチャ鏡の形状は、近似的に楕円面によって規定され、この場合、焦点距離は、近似的に入射アパーチャおよび出射アパーチャの間の距離の半分に等しくなる。
発明の要約
技術的課題
ガスおよびガス混合物の分析に関係する技術的課題のうちの１つまたはそれ以上に対する１つの解決手段を見出すために、この技術的分野における当業者がなさねばならない技術的熟考は、一方において、実行されるべき測定および／または一連の測定の実現、他方において、これらの測定が効果を奏する際に要請される手段または複数の手段の選択を含んでいるという事実に鑑みると、次のような技術的課題が、本発明の展開に関して重要になる。
上述した公知技術を研究するとき、１つの技術的課題は、ガス入口および／またはガス出口またはそれに類する手段を有し、光束をガスセンサの空洞またはガスセル内に照射する光源を用いるときに、相対的に小さな外寸をもつガスセルの助けにより、そして“白色”鏡であるが本発明によって変更された対置鏡面の形状を備えた鏡に適用可能な原理を適用するときに、光線が、空洞の全体またはその一部を形成する対置された凹面壁部分の間において繰り返し反射せしめられるようにし、さらに、予め決定された回数の反射をもたらすとともに、ガスセルの空洞内に予め決定された距離の光学的分析経路を形成するガスセルを提供することにある。
別の技術的課題は、光束が空洞中に入射するときに最初は明らかに発散するような場合でさえ、簡単な測定の助けにより、光源によって照射された光線が、出口開口またはそれに類する手段に向かって収束し、および／または焦点を結ぶことができるようにする凹面壁部分の鏡面の形状に関する条件を生成することにある。
さらに、別の技術的課題は、使用される３つの対置された鏡面のそれそれが、完全に楕円面の半分より小さいドームと、楕円の選ばれた回転軸に平行に配置されたドームの分割面とを備えたドーム形状を有しているときに得られる効果を実現することにある。
１つの技術的課題は、ドーム形状の部分の分割面が、楕円の長軸に平行になるときに得られる効果を実現することにある、ということがわかるだろう。
さらに、別の技術的課題は、２つのほとんど同一の楕円部分を用い、これらの部分をその凹面鏡面が互いに向き合うように配置し、それによってガスセル中において前記鏡面の間に必要な空洞を形成することができるようにするために必要とされる条件を実現することにある。
より限定された技術的課題は、これらの楕円部分の１つが、２つの小さな部分に分割されるときに得られる効果を実現し、さらに、これに関して必要な条件を実現し、その後、前記部分を互いに向かう方向に動かし、あるいは互いに遠ざかる方向に動かすことによって、空洞内に、反射された迷光性光束と、複数の焦点とを伴った３つの対置された鏡面を形成する、ということを実現することにある。
１つの技術的課題は、光線が発散光線からなる単一の光源の助けにより、そして、それぞれスペクトル解析装置またはそれに類するものを備えたガスセル中における２つまたはそれ以上の光出射開口またはそれに類する手段の助けにより、ガスセンサが、複数の種類のガスまたはガス混合物の成分および／またはそのガス成分の濃度を同時に、同一構成のガスセルおよび空洞中において測定することができるような条件を、簡単な手段の助けによって生成することにあるということが、またわかるだろう。
１つの技術的課題は、１種類のガスまたはガス混合物の濃度を広い分析範囲において測定することができる相対的に小さな外寸をもつガスセンサを提供することにあるということが、またわかるだろう。
この点に関し、さらに別の技術的課題は、分析範囲を分割して、それが互いに異なる長さの光学的分析経路によって表され、それによってガスセル中の同一の空洞の内部において異なる光学的分析経路を容易に用いることができるようにすることによって望まれた広い分析範囲をもたらす条件を同一のガスセルおよび同一の空洞に対して与えることにある。
１つの技術的課題は、２つまたはそれ以上の光線出射開口またはそれに類する手段が、空洞内またはガスセル内に備えられることを可能にする条件を実現し、さらに、このような開口を、それぞれが予め決定された回数の光線反射をもたらすとともに、光源からの予め決定された光学的分析経路をもたらすように配置せしめることを可能とする趣旨を実現することにある、ということがわかるだろう。
ガスセルがいくつかの光線出射開口を有しているとき、１つの技術的課題は、１つの開口が、各開口によってもたらされる経路からそれる光学的分析経路をもたらすことを可能にするという趣旨を実現し、そのために要求される条件を実現することにある。
さらに別の技術的課題は、鏡面が容易に順序付けて並べられ得るようにし、それに伴って、光照射装置と大きな凹面鏡部分またはそれに類するものにおける間隙との間に、予め決定された光学的分析経路をもたらすような対置された凹面鏡面に関する内部構造を提供することにある。
さらに別の技術的課題は、鏡面が容易に順序づけて並べられることを可能にし、それによって、光照射装置と関係する鏡部分またはそれに類するものにおける間隙との間に、同一の光照射装置からの同一のまたは異なる長さの２つの独立な光学的分析経路を提供することができる対置された凹面鏡面に関する内部構造を提供することにある。
さらに別の技術的課題は、１つまたはそれ以上の開口またはそれに類する手段を有し、これらの開口または多数の前記開口のそれぞれに対し、干渉フィルタおよび／またはスペクトル解析装置のような波長選別フィルタを付与するという趣旨を実現することにある。
さらに別の技術的課題は、対置された凹面光反射壁部分のそれぞれが、楕円面の半分より小さい部分を構成するようなガスセルを提供し、前記壁部分のうちの第１の壁部分に対し、第２の壁部分の２つの順序づけて並べられた部分に対置され得るようにする長さを付与することにある。
さらに、別の技術的課題は、２つの互いに対置された同一の楕円部分から出発して、第２の部分、および中央領域内の予め決定された部分を短くし、さらにこれらを寄せ集め、または、第２の部分を分割して前記部分から分離することにより、対応する長い光学的分析経路をもたらし、それによって、より短い部分に伴うより長い分析経路および／または前記部分のより小さな独立した移動、またはその逆のことが可能になるという趣旨を実現することにある。
さらに、別の技術的課題は、光源および／または光線入口開口を第１の壁部分の中央に配置し、一方、光線出口開口またはそれに類する手段を前記第１の壁部分において横方向に配置するという趣旨、並びにそれによってもたらされる効果を実現することにある。
１つの技術的課題は、また、光源を２つの互いに向き合って配置された第２の壁部分をカバーする照射角に適合せしめることによって、前記２つの第２の壁部分のそれが、２本の順序づけて配置された光束の各一方を反射することができ、それによって、前記光束が、それぞれ対置された壁部分と共通の壁部分との間において反射されるという趣旨を実現することにある。
さらに、別の技術的課題は、第１の光束が、第１の開口を通って出射し、第２の光束が、第２の開口を通って出射するように配置し、前記２つの開口が、光源から均一にまたは不均一に配置されるようにするという趣旨を実現することにある。
さらに、別の技術的課題は、光源から反射された発散する光線が、収束するように反射され、その後、発散するように反射され、その後、収束するように反射される等々のようにし、その光線が、最後の反射のときに楕円部分の一部において収束し、光源の像が第１の光反射壁部分における光線出口開口またはそれに類する手段の位置に形成されるようにするという趣旨を実現することにある。
１つの技術的課題は、１つまたはそれ以上の光源を中央平面から横方向に動かすことによって、第１の光反射壁部分における交互反射位置のそれぞれが前記中央平面のそれぞれの側に配置され、その結果、光線出口開口またはそれに類する手段が、前記中央平面の側部に配置されるという可能性を実現し、並びにそれによってもたらされる効果を実現することにある。
解決手段
上述した技術的課題の１つまたはそれ以上を解決することを意図して、本発明は、その発端として導入部で説明した種類のガスセンサを採用し、そして、特に空洞またはガスセルが、第１の光反射壁部分は楕円面の一部の形態を有し、第２および第３の光反射壁部分も同様に楕円面の一部に一致する共通の形状を有するように構成されるということを提案する。
好ましい実施例によれば、これらの楕円部分は、同一の基本形状を有している。
第１の光反射壁部分または鏡面の焦点は、第２および第３の壁部分の壁部分または鏡面内またはそれに近接して配置され、第２の壁部分の焦点および第３の壁部分の焦点が、第１の壁部分の壁部分または鏡面内またはそれに近接して配置されるということが、また提案される。
第２および第３の壁部分は、楕円部分の一部から形成され、前記楕円部分を２つの部分に分割することによって得られるということが、とりわけ提案される。
この点に関し、分割された部分は取り除かれ、残りの部分が互いに対して回転軸の方向に動かされるということ、あるいは分割された部分が互いに残りの部分から離され、これらの部分が回転軸の方向に与えられた距離だけ間隔をあけて配置されるということが提案される。
本発明によれば、空洞は、光線を光源から出射せしめるための２つまたはそれ以上の開口またはそれに類する手段を有し、各開口は、予め決定された長さの光学的分析経路をもたらすように配置される。
本発明の技術的思想の範囲内にある好ましい実施例によれば、開口は、別の開口によってもたらされる経路から反れる光源からの光学的分析経路をもたらし得る。
好ましくは、１つまたはそれ以上の開口は、干渉フィルタおよび／またはスペクトル解析装置のような波長選別フィルタを備えている。
本発明の好ましい１つの実施例によれば、空洞の互いに対置された光反射壁部分は、楕円面の一部と同一形状のまたはほとんど同一形状の部分からなっており、前記壁部分のうちの第１の部分は、２つの第２の壁部分に向き合って配置されるように適合せしめられている。
光源および／または光線入口開口は、第１の壁部分の中央に配置され、光線出口開口またはそれに類する手段は、その側部において第１の壁部分と関係している。
本発明の一実施例によれば、光源は、反射角が２つの第２の壁部分および第３の壁部分をカバーすることによって、２本の順序づけて配置された光束が、対置された壁部分の間において前記２つの壁部分を通じて予め決定された回数だけ反射せしめられるように適合せしめられている。
第１の光束に属する光線は、第１の開口を通って出射するように配置され、第２の光束に属する光線は、第２の開口またはそれに類する手段を通って出射するように配置されている。
１つの特に好ましい実施例によれば、光源から発散的に照射される光線は、最終的に反射によって収束せしめられ、そして、光線出口開口またはそれに類する手段の位置で光源の像を形成する。
別の実施例によれば、空洞中の光源収容開口が、中央平面を横切って配置され、それによって、第１の光反射壁部分における交互反射点はそれぞれ中央平面の各側部に配置され、それによって光出口開口が、前記中央平面の側部に配置され得るようになっている。
効果
本発明によるガスセンサによって主としてもたらされ得る効果は、小さな外寸をもった同一のガスセル中に、そのうちの１つが２つの部分に分割される２つの対置されたドーム形状の楕円面凹面鏡部分を配置することによって、相対的に長い光学的分析経路をもたらす条件を与えることによってもたらされる。
この種のガスセルは、単一の光源と、それぞれ波長選別フィルタおよび／またはスペクトル解析装置を備えた２つまたはそれ以上の出口開口またはそれに類する手段との間において、ガスセル中の同一のまたは異なる長さをもつ２つの光学的分析経路を用いることによって、複数の異なる種類のガスまたはガス混合物の成分の存在および／または濃度を同時に測定することができる。
あるいは、同一のガスに関する分析範囲および／または分析感度は、第１の分析範囲に対して第１の長さの光学的分析経路を選択し、さらに、第２の分析範囲に対して第２の長さの光学的分析経路を選択することによって拡張され得る。
加えて、複数の光源のうちの１つから照射された光束を反射せしめ、光線が収束し、前記光源に関する光線出口開口またはそれに類する手段の位置において光源の像を形成するようなやり方でその光線を発散させ続けることができる。
本発明によるガスセンサに属するガスセルの主要な特徴が、以下の請求項１の特徴部分に規定されている。
【図面の簡単な説明】
今説明され、本発明の重要な特徴を備えた実施例によるガスセンサおよびそれに関係するガスセルの実施態様が、次に添付図面を参照してより詳細に説明される。
図１は、本発明によるガスセルを備えたガスセンサと、スペクトル解析装置内において光の強度の周波数依存性を評価するのに必要なエレクトロニクスと、を示した非常に簡略化された図面である。
図２は、ガスセルの外部の構成を示した第１の斜視図である。
図３は、図２に示したガスセルの第２の斜視図である。
図４は、選ばれた空洞の第１の凹面壁部分または鏡面の形状を示した図である。
図５は、選ばれた空洞の前記第１の鏡面に対置された第２および第３の凹面壁部分または鏡面の形状を示した図である。
図６は、図２および図３によるガスセル中に含まれた３つの対置された鏡面を幾何学的に示した、中央平面（ｘ−ｚ平面）に沿って上方から見た図である。
図７は、中央平面を備えているが、ガスセル中の鏡面を形成する少し拡大された対置された空洞形成壁部分を備えた図６に類似した図であって、関係する楕円中心の向きを示した断面図である。
図８は、中央平面内における光源から第１の出口開口に至る光学的分析経路に対応する（中央光線に対する）第１の選ばれた光路を簡単に示した図であって、発散光束を生成し、（破線で表された光路に示されたように）互いに分離した２本の光学的分析経路が同一の空洞の内部においてかつ同一の光源から生成され得ることを可能にする中央に配置された光源を示した図である。
図９は、横に配置された光源の位置における（中央光線に対する）光路であって、まず最初に、第２の鏡部分を照射し、５つの反射点を備えた光学的分析経路を形成する光路を示した図である。
図１０は、図９と同様の横切って配置された光源の位置における（中央光線のための）光路であって、まず最初に、３つの反射点を有するより短い光学的分析経路をもたらす第３の鏡部分を照射する光路を示した図である。
図１１は、図８のＸＩ−ＸＩ線に沿ってとられたガスセル内の空洞の断面図である。
好ましい実施例の詳細な説明
図１は、ガスセル１と、スペクトル解析装置１１内において光の強度の周波数依存性を評価するための必要なエレクトロニクス１０と、を有するガスセンサ“Ａ”の極めて簡略化された図面である。
エレクトロニクス１０は、出口開口６および／または７を通過する光束または光線の光の強度の周波数依存性を評価し、この評価の結果を用いられた光源２ａの光の強度の周波数依存性と比較し、そして、確立された不一致に応答してガスセル１の空洞２の内部に閉じ込められたガスまたはガス混合物を分析し、さらに、必要な場合、その成分濃度を測定するように設計されている。
装置１０、１１に対して必要とされる変更は、当業者の通常の専門的知識の範囲内にある。
ガスまたはガス混合物は、パイプ状の接続部１ａを通過し、ガスセル１の空洞２の内部に入り、その後、出ロパイプ状接続部１ｂを通って外へ出て行く。
ガスセル１は、光源２ａと協同して光線の束を空洞２中に向ける。ガスセル１はさらに、２本の互いに分離した光束に対する出口開口６、７、好ましくは、互いに分離した光学的分析経路に対する出口開口を有している（図９および図１０参照）。
光源２ａから照射された光束中の光線は、非常に発散的であり、空洞を制限する鏡面を形成するように処理された互いに対置された凹面壁部分の間において、予め決定された回数だけ反射せしめられる。予め決定された回数だけ反射せしめられ、それによって予め決定された光学的分析経路を伝播した後、光線は出口開口（６または７）を収束的に通過し得る。
光学的分析経路が反射の回数に直接比例するということは、これに関して許容され得る近似となる。
最後の反射によって収束した光束が生じ、その結果、光源２ａは、像を形成することができ、その像は、対置された鏡面の近傍であって、受け取られた周波数スペクトルのより正確な評価のための開口（６または７）に結像する。
図２および３は、鏡面を与えるべく処理された対置された光反射壁部分に関して、本発明の主要な特徴を備えたガスセルの外部の構成を示した２つの異なった斜視図であり、これらの図面において、ガスセルには参照番号１が付してある。
ガスセンサＡは、ガスセル１の空洞２の内部に閉じ込められたガスサンプルが分析され得るように適合せしめられている。ガスサンプルは、入口３（１ａ）および出口４（１ｂ）を経て、空洞２を通過せしめられる。
この実施例のガスセル２はまた、分析されるべきガスまたはガス混合物が拡散によって通過し得る１つまたはそれ以上の開口１ｃ、１ｄを有している。
図示されたガスセル１は、その内部に、空洞２の壁または壁部分がよく知られた方法で、光線に関する非常に高い反射性を有する壁部分を与えるように処理されたブロックの形態を有しており、空洞２は、ガスセル中に光源２ａを収容するための開口５を有し、光源２ａは、エレクトロニクス１０によって励起され、必要な入射光束を照射するようになっている。
開口５内に取り付けられた光源２ａは、光束を照射するように適合せしめられ、この光束中において、光線は、例えば赤外線の範囲内にあるような、関係する周波数範囲内にある周波数を有している。図示の場合には、光線は、約１２０°の角度で発散する。
明確にするため、いかなる光照射ユニット２ａおよび光源２ａも、図２および３には示されていない。
次に、光線は、対置された鏡部分の間において予め決定された回数だけ反射せしめられた後、開口６を通っておよび／または開口７を通って出射される。このような開口はいずれも上述のような理由から図２および３には示されていないが、かかる開口は、いずれもその内部に波長選別フィルタ、またはこの種の光感知手段を備えている。
さらに、開口を通って出射される光線の中には、ここでは説明しないけれども、この技術分野では典型的な鏡面の端縁を通過し得るような光線が含まれている。
図４は、空洞の第１の光反射凹面壁部分１１の選ばれた形状を示した図である。
図５は、空洞の第２および第３の光反射凹面壁部分１２および１３の選ばれた形状を示した図である。
壁部分１１、１２および１３は、基本的には同一の形状、すなわち楕円をその長軸（ｘ）（また、１１ｃ）のまわりに回転させることによって生成された楕円面の形状を有している。
楕円面のドーム形状の部分は、楕円面を、長軸（ｘ）から距離“ａ”だけ離れた位置において、ｘ軸に平行な平面で切断することによって形成される。
楕円面部分１１における凹面は、ｘ軸上に配置される焦点１１ａおよび１１ｂを備えた鏡面１１Ａを形成する。
図５に示したように、ｘ軸上に配置された焦点１２ａおよび１３ａを備え、鏡面１２Ａおよび１３Ａを形成する凹面を備えた壁部分１２および１３は、同様にして形成される。
空洞２の内部における壁部分１２および１３は、（ｚ−ｙ平面における）部分１５を取り除いて、さらに、壁部分１２および１３をｘ軸の方向において寄せ集めることによって形成され、それによって、壁部分１２および１３は、ｘ軸方向に細長い延長部分を備え、この延長部分は、壁部分１１の細長い延長部分よりわずかに短い長さを有している。
この実施例は、以下においてより詳細に説明される。
別の実施例では、切欠１５’が、平面“Ｂ”（ｚ−ｙ平面）内に導入され、壁部分１２および１３を分離するようになっている。
この実施例は、詳細に説明されない、なぜなら、最初に述べた実施例を理解すれば、この構成は、おのずと明らかになるからである。
図６は、壁部分１１、１２、１３が、どのように配置されて空洞２を形成しているかを示した図である。この図から以下のことが明らかになる。すなわち、光源２ａから到達し、発散光束を形成する入射光線２ａ’が、まず最初、それぞれの鏡面１２ａ、１３ａによってそれぞれの分析経路に沿って収束的に反射せしめられ、その後、それぞれの鏡面１１Ａによって発散的に反射せしめられ、さらにその後、鏡面１２Ａおよび１３Ａによって収束的に反射せしめられる等々して、光束は、空洞２を通って予め決定された回数だけ伝播し、それによって、光線が、壁部分１２および１３によって反射せしめられて、開口６を通して、そして、それらの光線に対する開口７を通って、さらに、それぞれの開口内に配置されたフィルタまたは幾つかの対応する装置を通って、収束的に方向付けられる前に、うまく規定された光学的分析経路を形成するということ（図９および１０参照）。
本発明によれば、空洞２の光反射機能は、３つの対置された凹面光反射壁部分１１、１２、１３または鏡面１１Ａ、１２Ａ、１３Ａの助けによって実現される。これらの壁部分および鏡面の性質および配置は、これ以降、図７〜１０を参照してより詳細に説明される。
より多くの入口開口と、この入口開口と協同するための１つまたはそれ以上の出口開口とを用いることができるにもかかわらず、簡単のために、以下の説明は、入射光束２ａ”に対する１つの入口開口５および出射発散光束に対する１つまたは２つの出口開口６および７を説明することに限定される。
すなわち、次のことは、本発明の構成の範囲内にある。すなわち、複数の入口開口５がもたらされ、ただ２つのこのような開口の代わりに発散出射光束に対する３つ、４つまたはそれ以上の出口開口を空洞２に付与することができる条件を生成し、各開口が、予め決定された光学的分析経路を提供し、すなわち、光線または光束の一部が、対置された凹面鏡部分１１Ａ、１２Ａおよび１３Ａの間において、予め決定された回数だけ反射することに対応する経路を提供すべく配置されうるようにすること。
これらの測定手段並びに鏡面１１Ａ上に生じる各焦点において光線を取り出すために必要とされる手段は、当業者にとって明らかなものであるから、以下の説明は、簡単にために２つの出口開口６および７にのみ限定するものとする。
本発明は、相対的に小さな外寸を有するガスセル１を備えた１つまたはそれ以上の相対的に長い光学的分析経路を獲得するというコンセプトに基づいている。
図８に示した実施例は、（ｘ平面１３内において）中央に配置された光源２およびこの光源から等間隔をあけて配置された２つの出口開口６および７を有しており、２本の同一の光学的分析経路が鏡面１２Ａおよび１３Ａの“対称的な”向きを伴って得られ得ることを可能にする。互いに異なる長さをもつ分析経路は、鏡面１２および１３の位置を互いに対して変化させることによって得られる。異なる光学的分析経路はまた、ｘ−ｚ平面内における光源５の位置だけを変化させることによって得られ得る。
２種類の異なるガスまたはガス混合物の成分は、２つの同一の分析経路を用いることによって測定され、または決定され得る。２種類の異なるガスまたはガス混合物の成分、あるいは同一のガスに対する２つの異なる分析範囲は、２本の互いに異なる分析経路を用いることによって測定され得る。
好ましくは、１つの開口（６）は、（７のような）別の開口からそれる光学的分析経路を伴った位置を表している。
干渉フィルタまたは幾つかの対応する装置が、前記開口のうちの１つまたはそれ以上の開口に設けられ得る。
本発明によれば、入射光線に対する開口５および／または別の開口の近傍に配置された光源２ａは、図８の実施例で示したように、第１の壁部分１１の中央に配置されるが、あるいは図９および１０の実施例によれば、第１の壁部分の一方の側に配置され、あるいはその逆の構成となる。本発明は、図１１においてより明確に示したように、ｘ−ｙ平面における数値等を許容するということに留意されなけばならないが、これは、ｘ−ｚ平面における向きと呼ばれる。
本発明によれば、光源２ａは、ガスセル内において、光出口開口６および７が配置されるのと同一の鏡面１１Ａの凹部５内に配置される。
再び図６、とりわけ図７および８を参照すると、次のことが明らかである。すなわち、（この平面内において）、第１の壁部分１１は、完全な回転楕円体の一部に一致し、仮想線で示した回転軸１１ｃ（ｘ軸）上に配置された焦点１１Ａおよび１１Ｂを備えた形状を有しているということ。
すなわち、壁部分１１は、その寸法が楕円体の半分よりわずかに小さいようなドーム形状を有していると見なされ得る。光源２ａを収容するための孔５が、壁部分の中央に配置され、光出口開口６が孔５の一方の側に設けられる。鏡面には、番号１１Ａが付してある。
壁部分１１は、壁部分１２および１３に向き合って配置され、壁部分１２および１３は、順序付けられて配置されて、実質上壁部分１１と同一の形状を有している。
壁部分１２および１３は、壁部分を回転軸１１ｃに垂直な平面“Ｂ”において、２つの部分１２、１３に分割することによって形成される。
そのとき、第２の壁部分１２は、壁部分１１と同様にして回転楕円体の一部をなす。しかし、楕円の１／４よりわずかに小さく、焦点１１ａ内に配置されるその鏡面１２Ａを備えた回転軸に沿った長さを与えられている。
したがって、第３の壁部分１３は、楕円形状を有するが、楕円の１／４よりわずかに小さく、焦点１１ｂ内に配置されたその鏡面１３Ａを備えた長さを有している。
壁部分１１および壁部分１２および１３の楕円形状は、したがって、実質上同一である。しかし、その差異が、上で図５を参照して詳細に説明してある。
焦点１２ａおよび焦点１３ａは、鏡面１１Ａ中に配置されている。
本発明は、同一の対置された部分楕円形の鏡面の場合、光線は、後方および前方にだけ反射され、“対称性”が反射像およびとりわけ結像された像点がそれるために必要とされるというコンセプトに基づいている。選ばれた対称性が小さければ小さいほど、それる傾向は小さくなり、それによって、反射の回数は増大し、かつ光学的分析経路はより長くなる。
別の変形例は、楕円部分１２、１３を平面“Ｂ”（ｚ平面）内に分割して、形成された部分１２および１３を互いに離し、それによって、楕円１６’および１７’が、壁部分１１の外側に置かれるようにすることである。
この変形例に対する光路は示されないが、それは当業者にとって明らかである。
光源２ａは、光束２ａ’によって規定される角度が少なくとも図３における前記２つの第２の壁部分１２、１３を覆うように適合せしめられている。
図８は、光源２ａから鏡面１２Ａ上に向けられた光束２ａ’の中央光線５０を伴った光束経路を示した図である。
光束（２ａ’）は、図示した場合には、非常に発散的であり、鏡面１２Ａ上に向けられた中央光線５０だけが明確にするために示されている。
光束は、光線５０を有しており、鏡面１２Ａから鏡面１１Ａ上に収束的に反射せしめられ、光線５１を含んでいて、前記鏡面１１Ａは、光源２ａのすぐ右側に焦点２ａ”を有している。第１の短い光学的分析経路は、開口がこの点に向けられるとき、焦点２ａ”の位置に生成され得る。
そして、光束は、中央光線５２とともに発散的に鏡面１３Ａ上に反射せしめられ、そしてそこから、光線５３として鏡面１１Ａ上に収束的に反射せしめられる。鏡面１１Ａは、光源２ａの左側に焦点（２ａ”）を有している。
こうしてこの焦点２ａ”は、開口がこの焦点に向けられるとき、より長い第２の光学的分析経路によってもたらされ得る。
以下のことに留意されなければならない。すなわち、焦点（２ａ’、（２ａ”））は、各反射に伴って光源２ａから次第に遠ざかるように配置され、それに伴って、鏡装置によってより大きくなるということ。
開口６は、焦点２ａ”に向かう非常に短い分析経路上において、光源２ａのすぐ右側に配置され、あるいは幾分長い分析経路上において焦点（２ａ”）の位置で、光源２ａのわずかに左側に置かれる。
しかしながら、図８の実施例は、光線５３が、光線５４として鏡面１２Ａ上に反射せしめられ、そこから、光線５５の形態で鏡面１１Ａ上に反射せしめられ、そこで、適合せしめられた光学的分析経路にもたらされる程度に、依然としてより長い光学的分析経路を示している。
しかしながら、この実施例は、光線５５がさらに、発散光束（中央光線５６）として鏡面１３Ａ上に反射せしめられた後、前記鏡面１３Ａによって収束光束（中央光線５７）として開口６に向けて反射せしめられるということを示すために選ばれたものである。
この点に関し、次のことがわかる。すなわち、光源２ａの位置２ａ”、（２ａ）に対する結像は、鏡面１１Ａにおける光源２ａの中央位置から次第に遠ざかるようにそれ、開口６は、依然として端縁１７ａに向くように配置されることによって、より長い光学的分析経路が得られるということ。
開口（６、７）は、形成された焦点内に配置され、鏡面１２Ａおよび１３Ａの向きの変化は、形成された焦点の位置を変化させ、それに伴って、開口の位置から変化せしめる。
このことから以下のことが明らかである。すなわち、もし、鏡装置１１、１２および１３が、わずかに変化せしめられるならば、焦点の位置はまた変化するが、これらの焦点は常に鏡面１１Ａ上に位置しているということ。
図８に示した実施例から、以下のことが明らかである。すなわち、開口６を光源２ａの右側または左側に置くことは、本発明の構成の範囲内にあるということ。これは、次のことを意味する。すなわち、説明された開口６に対して、１つの開口が光源２ａの左側に配置され（図８では中央に配置されている）、かつ図示された位置のわずかに右側に置かれ、それに伴って、光学的分析経路（５０〜５３）は、もし、変化が含まれるならば、開口を（図示したように）光学的分析経路（５０〜５７）に対して、左側に動かすよりもより短くなるということ。
すなわち、この場合、光源２ａの結像２ａ”は、光源２ａの一方の側から他方の側にそれ、常に光源２ａから外向きにそれる。
第１の実施例において、鏡面１１Ａ内に収束的に焦点を結ぶすべての光は、評価のための開口６を通過し得る。しかしながら、開口中に（図示されない）光学的フィルタを取り付けることによって、与えられた周波数範囲だけが開口６を通過しうるようにする一方、光の残りの部分がさらなる回数反射せしめられ（５８、５９）、その後、別の開口７を通して取り出され、別の周波数範囲が評価され得るようにすることは、本発明の構成の範囲内にある。これによって、単一のガスセル中に単一の光源を配置することによって、異なる種類のガスを分析することができるようになる。
図８はまた、空洞２の内部にある光路（中央光線）は、“８”の字を形成すること、そして、鏡面１１Ａ上に結像された像は、測定された分析経路および焦点が生じる位置において取り出され得るということを意味している。
光源２ａの結像は、中央（５）に向かって小さくなり、前記中央から遠ざかる方向に大きくなる。
図８に示したように、もし、２本の同一の光学的分析経路が望まれるなら、光線５０’は、鏡面１３Ａにおいて反射せしめられることができ、この場合、光線は、選択された分析経路に適合せしめられた開口を用いるとき、上で説明したのと同一の方法で反射せしめられる。
こうして、２本の異なる光学的分析経路（５０、５０’）は、同一のガスセル中において選ばれ、このガスセルは、図８による構成を有しており、各経路は、同一のまたは異なる光学的分析経路を提供する可能性をもたらす。
中央（５）により近接する出射光線を検出することによって、光源の起こり得る動きおよび位置どりには、より無関係なより正確な分析値を得るようにすることが望まれる。
図９および１０は、側部に配置された光源２ａからの別の光路（中央光線）が示してあり、それによって、図９における光源２ａおよび選択された開口６と、図１０における選択された開口７との間に異なる光学的分析経路がもたらされる。
この点に関し、次のことに留意されなければならない。すなわち、さらに別の開口が、開口６よりも光源２ａから異なる距離だけ離れて配置され、それによって、同一のガスまたガス混合物が、２つの異なる分析範囲内において、光源２ａおよび開口６（図９）の間の光学的分析経路に対する１つの分析領域と、光源２ａおよび開口７（図１０）の間のより短い光学的分析経路を備えたもう一方の分析領域の範囲内で評価され、あるいは分析され得る。
図９の実施例の場合、像２ａ”（開口６が欠けている）は、光源２ａから左側に外側に向かってそれ、一方、図１０の実施例の場合、像２ａ”は光源２ａから右側にそれる。像２ａ”は、中央または光源２ａが通過されるとき、再び外側に向かってそれる。
図１１は、ｘ−ｚ平面および図８のＸＩ−ＸＩ線に沿ってとられた断面における空洞２を示した図である。
前に説明した実施例では、光源（２ａ）は、ｘ−ｚ平面内に配置される。しかしながら、この図面は、もし光源が平面（２ａ）の左側に配置されるなら、第１の結像２ａ”が、中央平面（ｘ−ｚ平面）の右側に配置され、第２の像が前記中央平面の左側に配置される等々ということによって、用いられる開口が中央線に関して互いにずらされ得るということを示している。
このことから、次のことが明らかである。すなわち、１つまたはそれ以上の光源は、１つまたはそれ以上の光源関連開口を備えた同一の空洞に対して用いられ得るということ。
本発明は、上で述べた実施例に限定されるものではなく、本発明の構成の範囲内での変更がまた、可能であるということに留意されなければならない。

Claims (16)

1. 空洞内に閉じ込められたガスサンプルの成分を評価するためのガスセンサであって、
   ３つの楕円凹面状の壁部分を含むブロック状の形態を有し、内部に空洞が形成され、前記壁部分の内側は高い光反射性を有する鏡面を形成し、前記空洞は入口開口および出口開口を備え、前記入口開口からの入射光線が、前記３つの壁部分によって所定の回数だけ反射せしめられた後、前記出口開口を通って出て行くような光学的分析経路を形成するようになっているガスセンサにおいて、
   第１、第２および第３の壁部分は、それぞれ、同一の回転楕円体の一部分からなり、
   前記第１の壁部分は、前記回転楕円体を、長軸に平行な面で切り取って形成した前記回転楕円体の半分よりも幾分小さい部分からなり、
   前記第２および第３の壁部分は、前記第１の壁部分よりも幾分小さい壁部分から、それを２分割する分割線に沿って一部を取り除いた残りの２つの部分からなり、
   前記第２および第３の壁部分は、前記第１の壁部分に対置して配置されるとともに、互いに近づく方向に動かされ得るようになっていることを特徴とするガスセンサ。
2. 空洞内に閉じ込められたガスサンプルの成分を評価するためのガスセンサであって、
   ３つの楕円凹面状の壁部分を含むブロック状の形態を有し、内部に空洞が形成され、前記壁部分の内側は高い光反射性を有する鏡面を形成し、前記空洞は入口開口および出口開口を備え、前記入口開口からの入射光線が、前記３つの壁部分によって所定の回数だけ反射せしめられた後、前記出口開口を通って出て行くような光学的分析経路を形成するようになっているガスセンサにおいて、
   第１、第２および第３の壁部分は、それぞれ、同一の回転楕円体の一部分からなり、
   前記第１の壁部分は、前記回転楕円体を、長軸に平行な面で切り取って形成した前記回転楕円体の半分よりも幾分小さい部分からなり、
   前記第２および第３の壁部分は、それぞれ、前記第１の壁部分よりも幾分小さい壁部分を２分割した部分からなり、
   前記第２および第３の壁部分は、前記第１の壁部分に対置して配置されるとともに、互いに遠ざかる方向に動かされ得るようになっていることを特徴とするガスセンサ。
3. 前記第１の壁部分に対する焦点は、前記第２および第３の壁部分の鏡面上、または前記鏡面の近傍に配置されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のガスセンサ。
4. 前記第２の壁部分に対する焦点および前記第３の壁部分に対する焦点は、前記第１の壁部分の鏡面上、または前記鏡面の近傍に配置されていることを特徴とする請求項３に記載のガスセンサ。
5. 前記空洞は、２つ以上の出口開口を有し、前記出口開口は、それぞれ、所定の光学的分析経路が形成されるように配置されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のガスセンサ。
6. 他の出口開口によって形成された経路からそれた光学的分析経路を形成するように配置された出口開口を備えていることを特徴とする請求項５に記載のガスセンサ。
7. １つ以上の前記出口開口が、干渉フィルタのような波長選別フィルタを備えていることを特徴とする請求項５または請求項６に記載のガスセンサ。
8. 光源および／または入射光線に対する入口開口が、前記第１の壁部分内に配置されていることを特徴とする請求項５に記載のガスセンサ。
9. 前記出口開口が、前記第１の壁部分内に設けられていることを特徴とする請求項８に記載のガスセンサ。
10. 光源が、２つの他の壁部分を含む角度に光を照射するように適合されていることを特徴とする請求項５または請求項８に記載のガスセンサ。
11. 前記他の２つの壁部分が、対置した壁部分との間で、統合された２つの光束を反射させることを特徴とする請求項１０に記載のガスセンサ。
12. 第１の光束からの光線は、第１の出口開口を通って出射し、第２の光束からの光線は、第２の出口開口を通って出射するようになっていることを特徴とする請求項１１に記載のガスセンサ。
13. 光源によって照射された発散光線が、前記反射によって収束せしめられることにより、各光線の出口開口において前記光源の像が形成されることを特徴とする請求項１、請求項２または請求項５のいずれかに記載のガスセンサ。
14. 前記第１の壁部分は、前記回転楕円体の半分より幾分小さくなるように形成されているが、ほぼ前記回転楕円体の一部に一致する形状を有し、前記第２および第３の壁部分は、それぞれ、ほぼ前記回転楕円体の１／４に一致するか、またはそれより幾分小さい形状を有するように形成されていることを特徴とする請求項１、請求項２または請求項１３のいずれかに記載のガスセンサ。
15. 入口開口および／または出口開口は、中央平面の側部に配置されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のガスセンサ。
16. ２つ以上の入口開口が、互いに関係する側部に配置されていることを特徴とする請求項１、請求項２または請求項１５のいずれかに記載のガスセンサ。

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