JP4216110B2 - 多重反射式セルおよび赤外線式ガス検知装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、低濃度域の検知対象ガス（特定ガス成分）を検出するに際して好適に用いられる、多重反射式セルおよび多重反射式セルを備えたガス検知部を有する赤外線式ガス検知装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、赤外線が検知対象ガス（特定ガス成分）によって吸収されることによる赤外線量の減衰の程度に応じてガス濃度を検出する、非分散型赤外線吸収法を利用した赤外線式ガス検知装置が多数提案されている。
このような赤外線式ガス検知装置においては、ガス検知が行われる対象となる、例えば環境雰囲気の空気などの被検ガスが導入されるガスセル内における赤外光の光路長が大きくなるに従って、低濃度域の特定ガス成分に対して高い感度が得られることが知られている。
【０００３】
従来より、ガスセルの容積を大幅に増大させることなしに、限られた空間内で必要とされる十分な大きさの光路長を得るための手段として、いわゆる『ホワイトセル』の動作原理を利用した多重反射式のガスセルが広く利用されている（例えば特許文献１参照）。
ホワイトセルの構成および原理について具体的に説明すると、図４に示されているように、ガスセル本体４０Ａ内において、球面状の反射面４２を有する第１の凹面反射鏡４１と、各々、第１の凹面反射鏡４１における反射面４２と同等の大きさの曲率半径を有する２つの球面状の反射面５１、５２を有する第２の凹面反射鏡５０とが、第２の凹面反射鏡５０における反射面の曲率中心位置Ｏ２、Ｏ３の各々が第１の凹面反射鏡４１の反射面４２上に位置されるよう、互いに対向して配置されると共に、第１の凹面反射鏡４１の左右両側に光入射部５５および光出射部５６がそれぞれ対向する反射面からその曲率半径と同等の距離離間して位置されるよう形成されて、これにより、ガスセル４０が構成されている。図４におけるＯ１は、第１の凹面反射鏡４１の反射面４２の曲率中心位置を示す。
上記のように凹面反射鏡が配置されたガスセル４０においては、ガスセル本体４０Ａ内に入射される赤外光が第２の凹面反射鏡５０における第１反射面５１によって第１の凹面反射鏡４１の反射面４２上に集光され、第１の凹面反射鏡４１上に集光された反射光は、第２の凹面反射鏡５０における第２反射面５２によって再び第１の凹面反射鏡４１における反射面４２上に集光される。
このような過程を繰り返して、ガスセル本体４０Ａ内に導入された光は、第２の凹面反射鏡５０における第１反射面５１および第２反射面５２の曲率中心位置Ｏ２、Ｏ３の配置間隔に依存して配列される複数個の像を第１の凹面反射鏡４１の反射面４２上に形成した後、光出射部５６よりガスセル本体４０Ａの外部に出射されることになる。図４においては、便宜上、赤外光Ｉ１〜Ｉ８の中心光軸のみが示されている。
そして、このようなホワイトセルの原理を利用した多重反射式ガスセルにおいては、ガスセル本体４０Ａ内におけるパス回数を４の倍数回（図４に示す例では８回）に設定することが必要とされる。
【０００４】
【特許文献１】
特開平０８−１１０４７２号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
而して、上記のような多重反射式のガスセルを用い、第１の凹面反射鏡および第２の凹面反射鏡による反射回数を目的に応じて適宜に設定することにより、必要とされる十分な大きさの光路長を得ることができるが、上記の特定の光学条件を満足する凹面反射鏡をガスセル本体内に配置することが必要とされるため、ガスセルは大寸法で容積が大きなのものとなってしまう。
一方、赤外線式ガス検知装置においては、ガスセル本体内に導入される被検ガスの置換を速やかに行い、ガス検知動作に対して高い応答性を得るためには、ガスセルは容積が小さいものであることが必要とされる。
【０００６】
本発明は、以上のような事情に基づいてなされたものであって、その目的は、必要とされる十分な大きさの光路長を得ることができ、しかも装置全体を大幅に小型化されたものとして構成することができる多重反射式セルおよび赤外線式ガス検知装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の多重反射式セルは、光源からの光をセル本体内において多重反射させてセル本体の外部に出射する多重反射式セルであって、
セル本体内において、球面状の反射面を有する第１の凹面反射鏡と、この第１の凹面反射鏡における反射面と同等の大きさの曲率半径を有する球面状の反射面を有する第２の凹面反射鏡とが、第２の凹面反射鏡における反射面の曲率中心位置が第１の凹面反射鏡における反射面上に位置されるよう、互いに対向して配置されていると共に、平面反射鏡が、その反射面が第１の凹面反射鏡および第２の凹面反射鏡の離間方向に沿って伸び、第１の凹面反射鏡における反射面の曲率中心位置が当該反射面上に位置されるように配置されており、
第１の凹面反射鏡が位置されるセル本体の一端側には、光源よりの光がセル本体内に入射される光入射部と、セル本体内において多重反射された光がセル本体の外部に出射される光出射部とが、平面反射鏡における反射面に垂直な平面に対して垂直な方向に離間して並ぶよう形成されており、セル本体内に入射される光が第２の凹面反射鏡によって２ｎ＋１（ｎは自然数）回反射されてセル本体の外部に出射されることを特徴とする。
【０００８】
本発明の多重反射式セルにおいては、第１の凹面反射鏡の反射面においては、第２の凹面反射鏡による反射光が、２つの凹面反射鏡の曲率中心位置の各々を含む、平面反射鏡の反射面に垂直な平面に対して、互いに異なるレベル位置に集光される。
【０００９】
本発明の赤外線式ガス検知装置は、上記のような特定の多重反射式セルを備えたガス検知部を有してなることを特徴とする。
【００１０】
【作用】
上記構成の多重反射式セルによれば、平面反射鏡の作用により、平面反射鏡を有さない従来のホワイトセルの原理を利用したものにおいて形成されるべきものと同等の大きさの光路が第１の凹面反射鏡および第２の凹面反射鏡の各々の反射面間に形成されるので、セル本体の容積が大幅に小型化されたものでありながら、必要とされる十分な大きさの光路長が得られる。
従って、このような多重反射式セルを備えたガス検知部を有するガス検知装置によれば、セル本体がその容積が小さいものであるので、導入される被検ガスの置換が速やかに行われてガス検知動作について高い応答性が得られる。
【００１１】
また、セル本体内に入射される光が第２の凹面反射鏡によって２ｎ＋１（ｎは自然数）回反射されてセル本体の外部に出射される構成とされていることにより、セル本体内において多重反射された反射光が最終的に集光される光出射部を、平面反射鏡における反射面に垂直な平面に対して垂直な方向に光入射部と互いに離間して並んだ位置に形成することができ、これにより、光源および光検出部（例えば光センサーや赤外線センサー等）をその占有容積が可及的に小さくなる状態で合理的に配置することができるので、装置全体を小型のものとして構成することができる。
【００１２】
さらに、セル本体の他端側に形成される単一の（一つの）反射面と、平面反射鏡の反射面に映し出される虚像の反射面とによって、必要とされる十分な大きさの光路が得られる多重反射構造が形成されるので、光源よりの光を多重反射させるために必要とされる光学調整を極めて容易に行うことができ、所期の機能を有する多重反射式セルおよびガス検知装置を有利に製造することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について詳細に説明する。
本発明の赤外線式ガス検知装置は、赤外線光源からの赤外光を被検ガスが導入されるガスセル内において多重反射させてガスセルの外部に出射し、赤外線センサにより受光される赤外線量に応じたガス検知信号を出力するガス検知部を備えている。
【００１４】
図１は、本発明の赤外線式ガス検知装置におけるガス検知部を構成する多重反射式ガスセルの一構成例を示す説明用上面図、図２は、図１に示す多重反射式ガスセルの説明用側面図である。本明細書においては、図１における上下方向を 「幅方向」、図１における左右方向を「長さ方向」、図２における上下方向を 「高さ方向」というものとする。
この多重反射式ガスセル（以下、単に「ガスセル」という。）１０は、被検ガスが導入されるガスセル本体１０Ａ内において、球面状の反射面１２を有する第１の凹面反射鏡１１と、この第１の凹面反射鏡１１における反射面１２と同等の大きさの曲率半径を有する球面状の反射面２２を有する、結像鏡として機能する第２の凹面反射鏡２１とが、第２の凹面反射鏡２１における反射面２２の曲率中心位置Ｃ２が第１の凹面反射鏡１１における反射面１２上に位置されるよう、互いに対向して配置されていると共に、平面反射鏡２５がその反射面２６が第１の凹面反射鏡１１および第２の凹面反射鏡２１の離間方向（長さ方向）に沿って伸び、第１の凹面反射鏡１１における反射面１２の曲率中心位置Ｃ１が当該反射面２６上に位置されるよう配置されて構成されている。
この例においては、例えば平面反射鏡２５が第１の凹面反射鏡１１および第２の凹面反射鏡１２に当接された状態で設けられており、平面反射鏡２５、第１の凹面反射鏡１１および第２の平面反射鏡１２の三者が一体に構成されている。これにより、平面反射鏡２５、第１の凹面反射鏡１１および第２の平面反射鏡１２の煩雑な光学調整が不要となり、極めて容易に所期の多重反射構造を得ることができる。
【００１５】
第１の凹面反射鏡１１が位置されるガスセル本体１０Ａの一端側には、赤外線光源（図示せず）よりの赤外光がガスセル本体１０Ａ内に入射される光入射部３０と、第１の凹面反射鏡１１および第２の凹面反射鏡２１により多重反射された赤外光がセル本体１０Ａの外部に出射される光出射部３１とが、第１の凹面反射鏡における反射面の曲率中心位置Ｃ１および第２の凹面反射鏡における反射面の曲率中心位置Ｃ２を含む、平面反射鏡２５における反射面２６に垂直な平面（以下においては、「曲率中心位置配置面」という。）Ｘに対して垂直な方向（高さ方向）に離間して並ぶよう形成されている。
【００１６】
このガスセル１０においては、次のようにして各構成部材の諸元が設定される。すなわち、検知対象ガス（特定ガス成分）と測定濃度範囲とに基づいて所期のガス検知動作を行うために必要とされる、第１の凹面反射鏡１１と第２の凹面反射鏡２１との離間距離および第２の凹面反射鏡２１における反射回数が設定されると共に、第１の凹面反射鏡１１および第２の凹面反射鏡２１の曲率半径の大きさが第１の凹面反射鏡１１と第２の凹面反射鏡２１との離間距離に基づいて設定される。
そして、例えば赤外線光源よりの赤外光の入射位置（光入射部３０の形成位置）や赤外光のガスセル本体１０Ａ内への入射方向などの条件が適宜に設定され、これにより、ガスセル本体１０Ａ内に入射される赤外光が第２の凹面反射鏡２１によって２ｎ＋１（ｎは自然数）回反射されてガスセル本体１０Ａの外部に出射されるよう構成される。また、光出射部３１の形成位置は、曲率中心位置配置面Ｘに対して光入射部３０と対称の位置に構成される。
また、第１の凹面反射鏡１１の口径（開口縁の内径寸法）の大きさは、第２の凹面反射鏡２１による像点のすべてが第１の凹面反射鏡１１の反射面１２上に形成されるよう設定され、第２の凹面反射鏡２１の口径の大きさは、ガスセル本体１０Ａ内に導入される光および第１の凹面反射鏡１１により反射される反射光の実質的に全部が受光されるよう構成される。
【００１７】
この実施例のガスセル１０においては、ガスセル本体１０Ａ内に導入される赤外線光源からの赤外光が第２の凹面反射鏡２１により３回反射されてガスセル本体１０Ａの外部に出射される。
具体的に説明すると、所定の条件で光入射部３０を介してガスセル本体１０Ａ内に入射される赤外線光源からの赤外光Ｉ１が、第２の凹面反射鏡２１の反射面２２により反射され、その反射光Ｉ２が平面反射鏡２５により反射されて第１の凹面反射鏡１１の反射面１２上に集光されて光入射部３０における開口の第１の像点が形成される。ここに、第１の凹面反射鏡１１の反射面１２上に形成される第１の像点の位置Ｒ１は、第２の凹面反射鏡２２に係る曲率中心位置Ｃ２と同一の幅方向の位置であって、曲率中心位置配置面Ｘより下方の高さレベル位置とされる。
【００１８】
そして、第１の凹面反射鏡１１の反射面１２上に集光された赤外光Ｉ３が第２の凹面反射鏡２１の反射面２２により反射され、その反射光Ｉ４が第１の凹面反射鏡１１の反射面１２上に集光されて第２の像点が形成される。ここに、第１の凹面反射鏡１１の反射面１２上に形成される第２の像点の位置Ｒ２は、第２の凹面反射鏡２２に係る曲率中心位置Ｃ２と同一の幅方向の位置であって、曲率中心位置配置面Ｘに対して第１の像点と対称な位置（曲率中心位置配置面Ｘより上方の高さレベル位置）とされる。
【００１９】
そして、第１の凹面反射鏡１１の反射面１２上に集光された赤外光Ｉ５が平面反射鏡２５および第２の凹面反射鏡２１により反射されて、その反射光Ｉ６が光出射部３１に向かって集束されて光出射部３１を介してガスセル本体１０Ａの外部に出射される。
【００２０】
而して、上記構成のガスセル１０によれば、ガスセル本体１０Ａの他端側において第２の凹面反射鏡２１によって形成される一つの反射面と、平面反射鏡２５の反射面に映し出される虚像の反射面とによって、必要とされる十分な大きさの光路が得られる多重反射構造が形成される。すなわち、平面反射鏡２５を有さない従来のホワイトセルの原理を利用したものにおいて形成されるべきものと同等の大きさの光路が第１の凹面反射鏡１１の反射面１２および第２の凹面反射鏡２１の反射面２２の間に形成されるので、従来のものに比してガスセル本体１０Ａの容積が大幅に小型化されたものでありながら、必要とされる十分な大きさの光路長を確実に得ることができる。
従って、このようなガスセル１０を備えたガス検知部を有する赤外線式ガス検知装置によれば、ガス検知部におけるガスセル本体１０Ａの容積が小さいので、導入される被検ガスの置換が速やかに行われてガス検知動作について高い応答性が得られる。
【００２１】
また、ガスセル本体１０Ａ内に入射される光が第２の凹面反射鏡２２によって２ｎ＋１（ｎは自然数）回反射されてガスセル本体１０Ａの外部に出射される構成とされていることにより、ガスセル本体１０Ａ内において多重反射された反射光が最終的に集光される光出射部３１を、平面反射鏡２５における反射面２６に垂直な平面に対して垂直な方向に、ガスセル本体１０Ａに対する光入射部３０と互いに離間して並んだ位置に形成することができ、これにより、赤外線光源および光検出部（赤外線センサー）をその占有面積が可及的に小さくなる状態で合理的に配置することができるので、装置全体を小型のものとして構成することができる。
【００２２】
さらに、上記構成のガスセル１０によれば、従来におけるホワイトセルの原理を利用した多重反射式セルのように、一端側から光源よりの光が入射されるガスセル本体の他端側において、二つの反射面が形成されるよう、例えば２つの凹面反射鏡が並列して配置された構造、あるいは、各々、互いに独立した２つの凹面反射鏡が適正な状態に調整された取り付け角度で配置された構造のものであれば、所期の多重反射を行うために必要とされる煩雑な光学調整を行うことが不要であり、第１の凹面反射鏡１１、第２の凹面反射鏡２１および平面反射鏡２５の３者を上述したような関係を満足する状態に配置する、という極めて簡単な調整で所期の多重反射構造を得ることができ、所期の機能を有する多重反射式セルを極めて容易に製造することができる。
また、第１の凹面反射鏡１１が実質上従来のものに比して１／２の大きさであればよく、また、第１の凹面反射鏡１１に対する結像機能を有する反射面が一面（第２の凹面反射鏡）あればよい構成であるので、所期の機能を有するガスセルをコスト的にも有利に製造することができる。
【００２３】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記の態様に限定されるものではなく、種々の変更を加えることができる。
例えば、ガスセル本体内における光路長の大きさ、第２の凹面反射鏡による反射回数の設定およびその他の構成は、目的に応じて適宜に変更することができる。例えば、第２の凹面反射鏡２１の曲率半径の中心位置を適宜に設定することにより第２の凹面反射鏡２１における反射回数を調整することができ、例えば、図３には、第２の凹面反射鏡２１における反射回数が５回に設定された構成の多重反射式ガスセル１０が示されている。この多重反射式ガスセル１０においては、光入射部３０の開口の像点の、第１の凹面反射鏡１１の反射面１２上における形成位置は、反射光Ｉ２およびＩ６に係る第１の像点および第３の像点が、互いに幅方向に対して同一の位置において高さ方向に対して異なる高さレベル位置に形成されると共に、反射光Ｉ４およびＩ８に係る第２の像点および第４の像点が、互いに幅方向に対して同一の位置において高さ方向に対して異なる高さレベル位置に形成される。
【００２４】
光入射部は、赤外線光源が配置される光源配置部をガスセルと一体的に形成して、赤外線光源よりの赤外光をガスセル本体内に直接的に入射させる構成であっても、あるいは、赤外線光源をガスセルの外部に配置して、赤外線光源よりの赤外光を適宜の光学反射系を介してガスセル本体内に入射させる構成であっても、いずれの構成であってもよい。
また、光出射部についても、同様に、例えば赤外線センサーなどが配置されるセンサ配置部をガスセルと一体的に形成して、ガスセル本体から出射される赤外光を直接的に受光する構成であっても、赤外線センサーをガスセルの外部に配置して、ガスセル本体から出射される赤外光を適宜の光学反射系を介して受光する構成であっても、いずれの構成であってもよい。
【００２５】
【発明の効果】
本発明の多重反射式セルによれば、平面反射鏡の作用により、平面反射鏡を有さない従来のホワイトセルの原理を利用したものにおいて形成されるべきものと同等の大きさの光路が第１反射鏡および第２反射鏡の各々の反射面間に形成されるので、従来のホワイトセルの原理を利用したものに比してセル本体の容積が大幅に小型化されたものでありながら、必要とされる十分な大きさの光路長を得ることができる。
【００２６】
また、セル本体内に入射される光が第２の凹面反射鏡によって２ｎ＋１（ｎは自然数）回反射されてセル本体の外部に出射される構成とされていることにより、セル本体内において多重反射された光が最終的に集光される光出射部を、平面反射鏡における反射面に垂直な平面に対して垂直な方向に光入射部と互いに離間して並んだ位置に形成することができ、これにより、光源および光検出部をその占有容積が可及的に小さくなる状態で合理的に配置することができるので、装置全体を小型のものとして構成することができる。
【００２７】
さらに、セル本体の他端側に形成される一つの反射面と、平面反射鏡の反射面に映し出される虚像の反射面とによって、必要とされる十分な大きさの光路が得られる多重反射構造が形成されるので、光源よりの光を多重反射させるために必要とされる光学調整を極めて容易に行うことができ、所期の機能を有するガスセルを有利に製造することができる。
【００２８】
本発明の赤外線式ガス検知装置によれば、上記の特定の構成の多重反射式セルを備えたガス検知部を有することにより、ガスセル本体が容積が小さいものであるので、導入される被検ガスの置換が速やかに行われてガス検知動作について高い応答性を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の赤外線式ガス検知装置におけるガス検知部を構成する多重反射式ガスセルの一構成例を概略的に示す説明用上面図である。
【図２】図１に示す多重反射式ガスセルの説明用側面図である。
【図３】本発明の赤外線式ガス検知装置におけるガス検知部を構成する多重反射式ガスセルの他の構成例を概略的に示す説明用上面図である。
【図４】従来におけるホワイトセルの原理を利用した多重反射式ガスセルの一構成例を概略的に示す説明用上面図である。
【符号の説明】
１０ 多重反射式ガスセル（ガスセル）
１０Ａ ガスセル本体
１１ 第１の凹面反射鏡
１２ 反射面
２１ 第２の凹面反射鏡
２２ 反射面
２５ 平面反射鏡
２６ 反射面
Ｃ１ 第１の凹面反射鏡の反射面の曲率中心位置
Ｃ２ 第２の凹面反射鏡の反射面の曲率中心位置
３０ 光入射部
３１ 光出射部
Ｘ 曲率中心位置配置面
４０ ガスセル
４０Ａ ガスセル本体
４１ 第１の凹面反射鏡
４２ 反射面
５０ 第２の凹面反射鏡
５１ 第１反射面
５２ 第２反射面
５５ 光入射部
５６ 光出射部
Ｏ１ 第１の凹面反射鏡の反射面の曲率中心位置
Ｏ２ 第１反射面の曲率中心位置
Ｏ３ 第２反射面の曲率中心位置
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、低濃度域の検知対象ガス（特定ガス成分）を検出するに際して好適に用いられる、多重反射式セルおよび多重反射式セルを備えたガス検知部を有する赤外線式ガス検知装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、赤外線が検知対象ガス（特定ガス成分）によって吸収されることによる赤外線量の減衰の程度に応じてガス濃度を検出する、非分散型赤外線吸収法を利用した赤外線式ガス検知装置が多数提案されている。
このような赤外線式ガス検知装置においては、ガス検知が行われる対象となる、例えば環境雰囲気の空気などの被検ガスが導入されるガスセル内における赤外光の光路長が大きくなるに従って、低濃度域の特定ガス成分に対して高い感度が得られることが知られている。
【０００３】
従来より、ガスセルの容積を大幅に増大させることなしに、限られた空間内で必要とされる十分な大きさの光路長を得るための手段として、いわゆる『ホワイトセル』の動作原理を利用した多重反射式のガスセルが広く利用されている（例えば特許文献１参照）。
ホワイトセルの構成および原理について具体的に説明すると、図４に示されているように、ガスセル本体４０Ａ内において、球面状の反射面４２を有する第１の凹面反射鏡４１と、各々、第１の凹面反射鏡４１における反射面４２と同等の大きさの曲率半径を有する２つの球面状の反射面５１、５２を有する第２の凹面反射鏡５０とが、第２の凹面反射鏡５０における反射面の曲率中心位置Ｏ２、Ｏ３の各々が第１の凹面反射鏡４１の反射面４２上に位置されるよう、互いに対向して配置されると共に、第１の凹面反射鏡４１の左右両側に光入射部５５および光出射部５６がそれぞれ対向する反射面からその曲率半径と同等の距離離間して位置されるよう形成されて、これにより、ガスセル４０が構成されている。図４におけるＯ１は、第１の凹面反射鏡４１の反射面４２の曲率中心位置を示す。
上記のように凹面反射鏡が配置されたガスセル４０においては、ガスセル本体４０Ａ内に入射される赤外光が第２の凹面反射鏡５０における第１反射面５１によって第１の凹面反射鏡４１の反射面４２上に集光され、第１の凹面反射鏡４１上に集光された反射光は、第２の凹面反射鏡５０における第２反射面５２によって再び第１の凹面反射鏡４１における反射面４２上に集光される。
このような過程を繰り返して、ガスセル本体４０Ａ内に導入された光は、第２の凹面反射鏡５０における第１反射面５１および第２反射面５２の曲率中心位置Ｏ２、Ｏ３の配置間隔に依存して配列される複数個の像を第１の凹面反射鏡４１の反射面４２上に形成した後、光出射部５６よりガスセル本体４０Ａの外部に出射されることになる。図４においては、便宜上、赤外光Ｉ１〜Ｉ８の中心光軸のみが示されている。
そして、このようなホワイトセルの原理を利用した多重反射式ガスセルにおいては、ガスセル本体４０Ａ内におけるパス回数を４の倍数回（図４に示す例では８回）に設定することが必要とされる。
【０００４】
【特許文献１】
特開平０８−１１０４７２号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
而して、上記のような多重反射式のガスセルを用い、第１の凹面反射鏡および第２の凹面反射鏡による反射回数を目的に応じて適宜に設定することにより、必要とされる十分な大きさの光路長を得ることができるが、上記の特定の光学条件を満足する凹面反射鏡をガスセル本体内に配置することが必要とされるため、ガスセルは大寸法で容積が大きなのものとなってしまう。
一方、赤外線式ガス検知装置においては、ガスセル本体内に導入される被検ガスの置換を速やかに行い、ガス検知動作に対して高い応答性を得るためには、ガスセルは容積が小さいものであることが必要とされる。
【０００６】
本発明は、以上のような事情に基づいてなされたものであって、その目的は、必要とされる十分な大きさの光路長を得ることができ、しかも装置全体を大幅に小型化されたものとして構成することができる多重反射式セルおよび赤外線式ガス検知装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の多重反射式セルは、光源からの光をセル本体内において多重反射させてセル本体の外部に出射する多重反射式セルであって、
セル本体内において、球面状の反射面を有する第１の凹面反射鏡と、この第１の凹面反射鏡における反射面と同等の大きさの曲率半径を有する球面状の反射面を有する第２の凹面反射鏡とが、第２の凹面反射鏡における反射面の曲率中心位置が第１の凹面反射鏡における反射面上に位置されるよう、互いに対向して配置されていると共に、平面反射鏡が、その反射面が第１の凹面反射鏡および第２の凹面反射鏡の離間方向に沿って伸び、第１の凹面反射鏡における反射面の曲率中心位置が当該反射面上に位置されるように配置されており、
第１の凹面反射鏡が位置されるセル本体の一端側には、光源よりの光がセル本体内に入射される光入射部と、セル本体内において多重反射された光がセル本体の外部に出射される光出射部とが、平面反射鏡における反射面に垂直な平面に対して垂直な方向に離間して並ぶよう形成されており、セル本体内に入射される光が第２の凹面反射鏡によって２ｎ＋１（ｎは自然数）回反射されてセル本体の外部に出射されることを特徴とする。
【０００８】
本発明の多重反射式セルにおいては、第１の凹面反射鏡の反射面においては、第２の凹面反射鏡による反射光が、２つの凹面反射鏡の曲率中心位置の各々を含む、平面反射鏡の反射面に垂直な平面に対して、互いに異なるレベル位置に集光される。
【０００９】
本発明の赤外線式ガス検知装置は、上記のような特定の多重反射式セルを備えたガス検知部を有してなることを特徴とする。
【００１０】
【作用】
上記構成の多重反射式セルによれば、平面反射鏡の作用により、平面反射鏡を有さない従来のホワイトセルの原理を利用したものにおいて形成されるべきものと同等の大きさの光路が第１の凹面反射鏡および第２の凹面反射鏡の各々の反射面間に形成されるので、セル本体の容積が大幅に小型化されたものでありながら、必要とされる十分な大きさの光路長が得られる。
従って、このような多重反射式セルを備えたガス検知部を有するガス検知装置によれば、セル本体がその容積が小さいものであるので、導入される被検ガスの置換が速やかに行われてガス検知動作について高い応答性が得られる。
【００１１】
また、セル本体内に入射される光が第２の凹面反射鏡によって２ｎ＋１（ｎは自然数）回反射されてセル本体の外部に出射される構成とされていることにより、セル本体内において多重反射された反射光が最終的に集光される光出射部を、平面反射鏡における反射面に垂直な平面に対して垂直な方向に光入射部と互いに離間して並んだ位置に形成することができ、これにより、光源および光検出部（例えば光センサーや赤外線センサー等）をその占有容積が可及的に小さくなる状態で合理的に配置することができるので、装置全体を小型のものとして構成することができる。
【００１２】
さらに、セル本体の他端側に形成される単一の（一つの）反射面と、平面反射鏡の反射面に映し出される虚像の反射面とによって、必要とされる十分な大きさの光路が得られる多重反射構造が形成されるので、光源よりの光を多重反射させるために必要とされる光学調整を極めて容易に行うことができ、所期の機能を有する多重反射式セルおよびガス検知装置を有利に製造することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について詳細に説明する。
本発明の赤外線式ガス検知装置は、赤外線光源からの赤外光を被検ガスが導入されるガスセル内において多重反射させてガスセルの外部に出射し、赤外線センサにより受光される赤外線量に応じたガス検知信号を出力するガス検知部を備えている。
【００１４】
図１は、本発明の赤外線式ガス検知装置におけるガス検知部を構成する多重反射式ガスセルの一構成例を示す説明用上面図、図２は、図１に示す多重反射式ガスセルの説明用側面図である。本明細書においては、図１における上下方向を 「幅方向」、図１における左右方向を「長さ方向」、図２における上下方向を 「高さ方向」というものとする。
この多重反射式ガスセル（以下、単に「ガスセル」という。）１０は、被検ガスが導入されるガスセル本体１０Ａ内において、球面状の反射面１２を有する第１の凹面反射鏡１１と、この第１の凹面反射鏡１１における反射面１２と同等の大きさの曲率半径を有する球面状の反射面２２を有する、結像鏡として機能する第２の凹面反射鏡２１とが、第２の凹面反射鏡２１における反射面２２の曲率中心位置Ｃ２が第１の凹面反射鏡１１における反射面１２上に位置されるよう、互いに対向して配置されていると共に、平面反射鏡２５がその反射面２６が第１の凹面反射鏡１１および第２の凹面反射鏡２１の離間方向（長さ方向）に沿って伸び、第１の凹面反射鏡１１における反射面１２の曲率中心位置Ｃ１が当該反射面２６上に位置されるよう配置されて構成されている。
この例においては、例えば平面反射鏡２５が第１の凹面反射鏡１１および第２の凹面反射鏡１２に当接された状態で設けられており、平面反射鏡２５、第１の凹面反射鏡１１および第２の平面反射鏡１２の三者が一体に構成されている。これにより、平面反射鏡２５、第１の凹面反射鏡１１および第２の平面反射鏡１２の煩雑な光学調整が不要となり、極めて容易に所期の多重反射構造を得ることができる。
【００１５】
第１の凹面反射鏡１１が位置されるガスセル本体１０Ａの一端側には、赤外線光源（図示せず）よりの赤外光がガスセル本体１０Ａ内に入射される光入射部３０と、第１の凹面反射鏡１１および第２の凹面反射鏡２１により多重反射された赤外光がセル本体１０Ａの外部に出射される光出射部３１とが、第１の凹面反射鏡における反射面の曲率中心位置Ｃ１および第２の凹面反射鏡における反射面の曲率中心位置Ｃ２を含む、平面反射鏡２５における反射面２６に垂直な平面（以下においては、「曲率中心位置配置面」という。）Ｘに対して垂直な方向（高さ方向）に離間して並ぶよう形成されている。
【００１６】
このガスセル１０においては、次のようにして各構成部材の諸元が設定される。すなわち、検知対象ガス（特定ガス成分）と測定濃度範囲とに基づいて所期のガス検知動作を行うために必要とされる、第１の凹面反射鏡１１と第２の凹面反射鏡２１との離間距離および第２の凹面反射鏡２１における反射回数が設定されると共に、第１の凹面反射鏡１１および第２の凹面反射鏡２１の曲率半径の大きさが第１の凹面反射鏡１１と第２の凹面反射鏡２１との離間距離に基づいて設定される。
そして、例えば赤外線光源よりの赤外光の入射位置（光入射部３０の形成位置）や赤外光のガスセル本体１０Ａ内への入射方向などの条件が適宜に設定され、これにより、ガスセル本体１０Ａ内に入射される赤外光が第２の凹面反射鏡２１によって２ｎ＋１（ｎは自然数）回反射されてガスセル本体１０Ａの外部に出射されるよう構成される。また、光出射部３１の形成位置は、曲率中心位置配置面Ｘに対して光入射部３０と対称の位置に構成される。
また、第１の凹面反射鏡１１の口径（開口縁の内径寸法）の大きさは、第２の凹面反射鏡２１による像点のすべてが第１の凹面反射鏡１１の反射面１２上に形成されるよう設定され、第２の凹面反射鏡２１の口径の大きさは、ガスセル本体１０Ａ内に導入される光および第１の凹面反射鏡１１により反射される反射光の実質的に全部が受光されるよう構成される。
【００１７】
この実施例のガスセル１０においては、ガスセル本体１０Ａ内に導入される赤外線光源からの赤外光が第２の凹面反射鏡２１により３回反射されてガスセル本体１０Ａの外部に出射される。
具体的に説明すると、所定の条件で光入射部３０を介してガスセル本体１０Ａ内に入射される赤外線光源からの赤外光Ｉ１が、第２の凹面反射鏡２１の反射面２２により反射され、その反射光Ｉ２が平面反射鏡２５により反射されて第１の凹面反射鏡１１の反射面１２上に集光されて光入射部３０における開口の第１の像点が形成される。ここに、第１の凹面反射鏡１１の反射面１２上に形成される第１の像点の位置Ｒ１は、第２の凹面反射鏡２２に係る曲率中心位置Ｃ２と同一の幅方向の位置であって、曲率中心位置配置面Ｘより下方の高さレベル位置とされる。
【００１８】
そして、第１の凹面反射鏡１１の反射面１２上に集光された赤外光Ｉ３が第２の凹面反射鏡２１の反射面２２により反射され、その反射光Ｉ４が第１の凹面反射鏡１１の反射面１２上に集光されて第２の像点が形成される。ここに、第１の凹面反射鏡１１の反射面１２上に形成される第２の像点の位置Ｒ２は、第２の凹面反射鏡２２に係る曲率中心位置Ｃ２と同一の幅方向の位置であって、曲率中心位置配置面Ｘに対して第１の像点と対称な位置（曲率中心位置配置面Ｘより上方の高さレベル位置）とされる。
【００１９】
そして、第１の凹面反射鏡１１の反射面１２上に集光された赤外光Ｉ５が平面反射鏡２５および第２の凹面反射鏡２１により反射されて、その反射光Ｉ６が光出射部３１に向かって集束されて光出射部３１を介してガスセル本体１０Ａの外部に出射される。
【００２０】
而して、上記構成のガスセル１０によれば、ガスセル本体１０Ａの他端側において第２の凹面反射鏡２１によって形成される一つの反射面と、平面反射鏡２５の反射面に映し出される虚像の反射面とによって、必要とされる十分な大きさの光路が得られる多重反射構造が形成される。すなわち、平面反射鏡２５を有さない従来のホワイトセルの原理を利用したものにおいて形成されるべきものと同等の大きさの光路が第１の凹面反射鏡１１の反射面１２および第２の凹面反射鏡２１の反射面２２の間に形成されるので、従来のものに比してガスセル本体１０Ａの容積が大幅に小型化されたものでありながら、必要とされる十分な大きさの光路長を確実に得ることができる。
従って、このようなガスセル１０を備えたガス検知部を有する赤外線式ガス検知装置によれば、ガス検知部におけるガスセル本体１０Ａの容積が小さいので、導入される被検ガスの置換が速やかに行われてガス検知動作について高い応答性が得られる。
【００２１】
また、ガスセル本体１０Ａ内に入射される光が第２の凹面反射鏡２２によって２ｎ＋１（ｎは自然数）回反射されてガスセル本体１０Ａの外部に出射される構成とされていることにより、ガスセル本体１０Ａ内において多重反射された反射光が最終的に集光される光出射部３１を、平面反射鏡２５における反射面２６に垂直な平面に対して垂直な方向に、ガスセル本体１０Ａに対する光入射部３０と互いに離間して並んだ位置に形成することができ、これにより、赤外線光源および光検出部（赤外線センサー）をその占有面積が可及的に小さくなる状態で合理的に配置することができるので、装置全体を小型のものとして構成することができる。
【００２２】
さらに、上記構成のガスセル１０によれば、従来におけるホワイトセルの原理を利用した多重反射式セルのように、一端側から光源よりの光が入射されるガスセル本体の他端側において、二つの反射面が形成されるよう、例えば２つの凹面反射鏡が並列して配置された構造、あるいは、各々、互いに独立した２つの凹面反射鏡が適正な状態に調整された取り付け角度で配置された構造のものであれば、所期の多重反射を行うために必要とされる煩雑な光学調整を行うことが不要であり、第１の凹面反射鏡１１、第２の凹面反射鏡２１および平面反射鏡２５の３者を上述したような関係を満足する状態に配置する、という極めて簡単な調整で所期の多重反射構造を得ることができ、所期の機能を有する多重反射式セルを極めて容易に製造することができる。
また、第１の凹面反射鏡１１が実質上従来のものに比して１／２の大きさであればよく、また、第１の凹面反射鏡１１に対する結像機能を有する反射面が一面（第２の凹面反射鏡）あればよい構成であるので、所期の機能を有するガスセルをコスト的にも有利に製造することができる。
【００２３】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記の態様に限定されるものではなく、種々の変更を加えることができる。
例えば、ガスセル本体内における光路長の大きさ、第２の凹面反射鏡による反射回数の設定およびその他の構成は、目的に応じて適宜に変更することができる。例えば、第２の凹面反射鏡２１の曲率半径の中心位置を適宜に設定することにより第２の凹面反射鏡２１における反射回数を調整することができ、例えば、図３には、第２の凹面反射鏡２１における反射回数が５回に設定された構成の多重反射式ガスセル１０が示されている。この多重反射式ガスセル１０においては、光入射部３０の開口の像点の、第１の凹面反射鏡１１の反射面１２上における形成位置は、反射光Ｉ２およびＩ６に係る第１の像点および第３の像点が、互いに幅方向に対して同一の位置において高さ方向に対して異なる高さレベル位置に形成されると共に、反射光Ｉ４およびＩ８に係る第２の像点および第４の像点が、互いに幅方向に対して同一の位置において高さ方向に対して異なる高さレベル位置に形成される。
【００２４】
光入射部は、赤外線光源が配置される光源配置部をガスセルと一体的に形成して、赤外線光源よりの赤外光をガスセル本体内に直接的に入射させる構成であっても、あるいは、赤外線光源をガスセルの外部に配置して、赤外線光源よりの赤外光を適宜の光学反射系を介してガスセル本体内に入射させる構成であっても、いずれの構成であってもよい。
また、光出射部についても、同様に、例えば赤外線センサーなどが配置されるセンサ配置部をガスセルと一体的に形成して、ガスセル本体から出射される赤外光を直接的に受光する構成であっても、赤外線センサーをガスセルの外部に配置して、ガスセル本体から出射される赤外光を適宜の光学反射系を介して受光する構成であっても、いずれの構成であってもよい。
【００２５】
【発明の効果】
本発明の多重反射式セルによれば、平面反射鏡の作用により、平面反射鏡を有さない従来のホワイトセルの原理を利用したものにおいて形成されるべきものと同等の大きさの光路が第１反射鏡および第２反射鏡の各々の反射面間に形成されるので、従来のホワイトセルの原理を利用したものに比してセル本体の容積が大幅に小型化されたものでありながら、必要とされる十分な大きさの光路長を得ることができる。
【００２６】
また、セル本体内に入射される光が第２の凹面反射鏡によって２ｎ＋１（ｎは自然数）回反射されてセル本体の外部に出射される構成とされていることにより、セル本体内において多重反射された光が最終的に集光される光出射部を、平面反射鏡における反射面に垂直な平面に対して垂直な方向に光入射部と互いに離間して並んだ位置に形成することができ、これにより、光源および光検出部をその占有容積が可及的に小さくなる状態で合理的に配置することができるので、装置全体を小型のものとして構成することができる。
【００２７】
さらに、セル本体の他端側に形成される一つの反射面と、平面反射鏡の反射面に映し出される虚像の反射面とによって、必要とされる十分な大きさの光路が得られる多重反射構造が形成されるので、光源よりの光を多重反射させるために必要とされる光学調整を極めて容易に行うことができ、所期の機能を有するガスセルを有利に製造することができる。
【００２８】
本発明の赤外線式ガス検知装置によれば、上記の特定の構成の多重反射式セルを備えたガス検知部を有することにより、ガスセル本体が容積が小さいものであるので、導入される被検ガスの置換が速やかに行われてガス検知動作について高い応答性を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の赤外線式ガス検知装置におけるガス検知部を構成する多重反射式ガスセルの一構成例を概略的に示す説明用上面図である。
【図２】図１に示す多重反射式ガスセルの説明用側面図である。
【図３】本発明の赤外線式ガス検知装置におけるガス検知部を構成する多重反射式ガスセルの他の構成例を概略的に示す説明用上面図である。
【図４】従来におけるホワイトセルの原理を利用した多重反射式ガスセルの一構成例を概略的に示す説明用上面図である。
【符号の説明】
１０ 多重反射式ガスセル（ガスセル）
１０Ａ ガスセル本体
１１ 第１の凹面反射鏡
１２ 反射面
２１ 第２の凹面反射鏡
２２ 反射面
２５ 平面反射鏡
２６ 反射面
Ｃ１ 第１の凹面反射鏡の反射面の曲率中心位置
Ｃ２ 第２の凹面反射鏡の反射面の曲率中心位置
３０ 光入射部
３１ 光出射部
Ｘ 曲率中心位置配置面
４０ ガスセル
４０Ａ ガスセル本体
４１ 第１の凹面反射鏡
４２ 反射面
５０ 第２の凹面反射鏡
５１ 第１反射面
５２ 第２反射面
５５ 光入射部
５６ 光出射部
Ｏ１ 第１の凹面反射鏡の反射面の曲率中心位置
Ｏ２ 第１反射面の曲率中心位置
Ｏ３ 第２反射面の曲率中心位置
Claims (3)
- 光源からの光をセル本体内において多重反射させてセル本体の外部に出射する多重反射式セルであって、
セル本体内において、球面状の反射面を有する第１の凹面反射鏡と、この第１の凹面反射鏡における反射面と同等の大きさの曲率半径を有する球面状の反射面を有する第２の凹面反射鏡とが、第２の凹面反射鏡における反射面の曲率中心位置が第１の凹面反射鏡における反射面上に位置されるよう、互いに対向して配置されていると共に、平面反射鏡が、その反射面が第１の凹面反射鏡および第２の凹面反射鏡の離間方向に沿って伸び、第１の凹面反射鏡における反射面の曲率中心位置が当該反射面上に位置されるように配置されており、
第１の凹面反射鏡が位置されるセル本体の一端側には、光源よりの光がセル本体内に入射される光入射部と、セル本体内において多重反射された光がセル本体の外部に出射される光出射部とが、平面反射鏡における反射面に垂直な平面に対して垂直な方向に離間して並ぶよう形成されており、セル本体内に入射される光が第２の凹面反射鏡によって２ｎ＋１（ｎは自然数）回反射されてセル本体の外部に出射されることを特徴とする多重反射式セル。 - 第１の凹面反射鏡の反射面においては、第２の凹面反射鏡による反射光が、２つの凹面反射鏡の曲率中心位置の各々を含む、平面反射鏡の反射面に垂直な平面に対して、互いに異なるレベル位置に集光されることを特徴とする請求項１に記載の多重反射式セル。
- 請求項２に記載の多重反射式セルを備えたガス検知部を有してなることを特徴とする赤外線式ガス検知装置。
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