JP4446314B2 - ガス・セル - Google Patents

Description

本発明は一般にガス・セルに関し、特に、１つ以上の異なる吸収周波数を有する光波をスペクトル解析することによって、ガスおよび／または混合ガスの存在、および／またはこのようなガスおよび／または混合ガスの濃度を決定するように適合され、ガス・センサに含まれたガス・セルに関する。

それぞれのガスが１つ以上の吸収周波数に関連する混合ガスの複数のガスの存在を決定することも発明の範囲に入る。
発明のガス・セルはユニットとして電子回路と協力するよう適合されるが、前記回路によりガス・セルの光源が駆動され、また１つ以上の受光器に生じる信号が検知される。

各受光器は、１つ以上の選択された波長に関して生じた瞬時の光強度の評価するため、およびそれに基づいて１つ以上の選択されたガスの存在および／または前記ガスの濃度を評価するよう適合される。

１つ以上のこれらの受光器は基準信号として簡便に使用できる。
ガスの存在および／またはその濃度を視覚表示するため電子回路に表示ユニットが接続される。

この種のガス・セルは、分析あるいは測定のために前記ガスあるいは混合ガスの一定容積を閉じ込める壁部分で規定されたキャビティを含む。
また、この種のガス・セルは光源を含むか、光源と協力する。光源は可視周波数領域内の光を、適用によっては赤外線領域の光を発生あるいは放射して、前記キャビティの互いに対向する壁部分の間で反射するように向けられた光線束を放射するよう適合される。

必要な反射要素部品によって、光線束は、凹曲壁部分により１つ以上の受光器に収束できるように、凹曲壁部分に向かい反射する発散光ビームあるいは光線で構成される。
このような受光器は、スペクトル解析に関して有意義な与えられたガス有効波長の減少を利用することで、前記ガスに対応する光スペクトル内の選択された光吸収波長に関し光強度を検知するため電子回路の手段を通して適合される。

この種の受光器は光スペクトルの波長強度を評価するため、また光源に関する光強度に対する基準波長の強度を検知するため電子回路に接続される。

前述の特性をもついくつかの異なる種類の方法および装置は当分野で知られている。
特許文献１による赤外線（ＩＲ）分光計技術を使用するガス・センサが発明の背景技術および発明が属する技術分野の第１の例として言及される。

この先行文献には、原則として、ＩＲ分光計を使用して、ガスの特定の吸収波長を確定して赤外線スペクトル領域内のガス有効波長のガス強度を評価することにより、ガスおよび／またはガスの濃度を選択的に検知する可能性を利用する装置が説明され記載されている。

前記先行文献に記載されたガス・センサは特にガス流あるいはガスを満たしたキャビティの連続制御のために適合されるが、センサあるいはセル本体は単一の部分で構成され、小型構造体として製造される。

ガス・セルのキャビティには赤外線光線の入口と出口開口の間に配置された壁関連の鏡格子が含まれる。
図１Ｂに示した実施形態によると、発散光線の光線束が光源（７）から隙間あるいは開口（３）を通して第１の凹曲鏡面（５）上に照射され、そこから斜めに反射して平面格子あるいは格子面（２）に至り、そこで光波として斜めに反射あるいは回折して隣接する第２の凹曲鏡面（８）に達し、収束する光線束として出口開口（４）を通過できるようになる。

本体あるいはガス・セルの基板（１）はＬＩＧＡ工程により、Ｘ線のリトグラフィー・エッチング、電界メッキおよびモールディング工程によって製造できることが示される。
特許文献２に記載されたガス・センサは本発明に適用できる背景技術および技術分野の別の例である。

特許文献２にはキャビティ（２）あるいはガス・セルに閉じ込められたガス試料の組成を評価するため適合されたガス・センサが示される。
ガス・セルは箱型で示され、キャビティ壁およびキャビティ壁部は非常に高い光反射特性を備えて鏡面（１１Ａ，１２Ａ）と呼ばれる。

キャビティ（２）には、出口開口（６）から出て行く前に、必要な測定光路あるいは手段を規定するようにキャビティ内で所定回数反射する入射光線用の開口（２ａ）が含まれる。

特に、この先行技術はガス・セル内で互いに対向する３つの凹曲した光反射壁部分（１１、１２，１３）が使用される。
第１の壁部分（１１）の形状は半楕円あるいは半楕円体である。

前記壁部分の第２（１２）および第３（１３）は半楕円あるいは半楕円体となる類似の形状である。
ＵＳ−Ａ−５５５０３７５ ＷＯ−Ａ１−９８／０９１５２

この分野の専門家が遭遇する１つ以上の技術的課題を解決するためになすべき技術的検討を考慮するとき、このために着手しなければならない対策および／または一連の対策を最初に実現し、また１つ以上の前記課題を解決するために要求される手段を実現する必要があると考えられる。これに基づき、次に挙げる技術的課題は本発明の展開に非常に関連することは明白である。

技術の現状を考慮するとき、上述のように、技術的課題は序文で与えられるように、非常にコンパクトな形状ではあるが、電子回路を使用して、与えられたガスあるいは選択されたガスに関する１つ以上の関連吸収波長によって正確なスペクトル解析を実施するようにガス・セルのキャビティ内で十分に長い測定光路あるいは手段を与え、要求を含むガス・センサに含まれ、あるいは結合されるガス・セルをつくることに関連する意義および有利性を実現する可能性に存在する。

また、技術的課題は、高度の分析と高度の効率で、１つ以上のガスおよび／または１つ以上のガス濃度を所望のように評価できる簡単な手段および簡単な手段の条件をつくることにある。

また、技術的課題は、測定距離の長さあるいは光路長を有効に増加し、このために使用される光源用に主に反射構造を使用するよう要求される対策にある。
追加の技術的課題は、ガス試料のキャビティ内に生じる測定光路を主に使用し、それによって光が回折反射し前記反射構造に生じる別の測定光路を次に使用することによる意義および有利性を実現する可能性にある。

技術的課題は、ガス・セルの形状を、ガス試料を含む幾何学的形状にして、全方向に放射する光源の前方の横側に、あるいは前方の少し横側に、一方側に、反射の虚像あるいは虚光源の少し後方ではあるが、１つ以上の受光器が配置できる光反射キャビティにする意義および有利性を実現できることにある。

また、技術的課題は、反射体構造の外部で隣接し、光源反射体を介して収束および／または発散光線束の外部で隣接する少なくとも２つの受光器などの選択された数の受光器を配置することによる意義および有利性を実現する可能性にある。

また、技術的課題は、光源から受光した斜めで少し発散する入射光線束を平面格子に割り当てたキャビティ壁部分に反射するキャビティを形成する凹曲壁部分を適合させることによる意義および有利性を実現する可能性にある。

さらに、技術的課題は平面壁部分とその回折反射面に公知の「リトロー」配置を含めるか、あるいはそのような構造にするかにより意義および有利性を実現する可能性を実現することにある。

別の技術的課題は、凹曲光反射面に放物線の一部の形状と曲率を与える形状にし、さらに光が反射する格子に割り当てた平面壁部分が回折波面を反射する条件をつくる角度を規定することを実現することで意義および有利性を実現する可能性にある。

さらに別の技術的課題は、光線束あるいは波面は選択された角度で、すなわち格子に付与された「ブレーズ」角に近い角度で前記平面壁部分上に当たるような前記キャビティ条件にすることにより意義および有利性を実現する可能性にある。

また技術的課題は、選択されたガスに対応して光線束に存在する１つ以上の波長を前記平面壁部分で「ストレート」に反対方向に回折反射させ、それで光線は回折した波面として前記曲面で再度反射し、選択された波長が前記光源の方向に、少し一方側ではあるが、反射することで意義および有利性を実現する可能性にある。

また技術的課題は、前記凹曲壁部分を放物線あるいは放物線弧で形成された曲がり形状の一部にすることで意義および有利性を実現する可能性にある。
この点、技術的課題は前記曲がり形状の一部を放物線の頂点の近く、かつ前記放物線の焦点の近くに配置することで意義および有利性を実現する可能性にあると考えられる。

また技術的課題は、実光源の像を、反射体構造を介して放物線形状の焦点あるいはこれに隣接して虚像で現わすことで意義および有利性を実現する可能性にある。
また技術的課題は、前記キャビティの曲壁部分を放物線形状の軸の一方側のみに存在する放物線弧の部分の形状にすることで意義および有利性を実現する可能性にあると考えられる。

また技術的課題は、平面格子に割り当てたキャビティの壁部分に、ほぼストレートに反対方向に回折反射するブレーズ角を有する格子構造を含めることで意義および有利性を実現する１つである。

また技術的課題は、格子構造および他の手段に１次の回折格子のみを与えるよう適合させることで意義および有利性を実現する可能性にある。
さらに別の技術的課題は、ブレーズ角を５０°および６０°の間に選択することで意義および有利性を実現する可能性にある。

また技術的課題は、回折波長に適合された１つ以上の受光器を実光源および／または虚光源の近くに配置し、その受光ローブを放物線曲面内の関連面部の方向に向けることで意義および有利性を実現する可能性にある。

別の技術的課題は、複数の受光器を前記放物線形状の焦点に隣接して配置する条件をつくることで意義および有利性を実現する可能性にある。
別の技術的課題は、選択された壁部分に光反射特性を与えるよう処理された２つのポリマーをベースとする複製品で前記キャビティを形成することで意義および有利性を実現する可能性にある。

また技術的課題は、波長スペクトルを赤外線領域内で発生させるため使用される光源をインコヒーレント光源で構成することで意義および有利性を実現する可能性にある。
さらに別の技術的課題は、実光源または虚光源を放物線凹曲面に関連した焦点に、またはこれに隣接して配置することで意義および有利性を実現する可能性にある。

また技術的課題は、１つ以上の受光器を放物線凹曲面の焦点に、またはこれにごく接近して配置することで意義および有利性を実現する可能性にある。
また技術的課題は、実光源を楕円形状の１つの焦点に配置し、検知システムに適合された光フィルタを第２の焦点に現れる虚光源に、またはその近くに配置することで意義および有利性を実現する可能性にある。

また技術的課題は、光関連の波長を検知システムに適用可能な自由スペクトル領域内で
通過させるよう光フィルタを適合することで意義および有利性を実現する可能性にある。
また別の技術的課題は、選択された検知システムに適用できる自由スペクトル領域内にある波長よりも短い波長をカットあるいは阻止するよう前記光フィルタを適合させることで意義および有利性を実現する可能性にある。

本発明は、ガス・センサが１つ以上のガスの存在を決定するよう構成され、および／または前記ガスの濃度を決定するよう構成された前述の公知の技術を出発点とする。
ガス・センサはキャビティを含むガス・セルの使用を必要とする。ガス・セルは光反射特性のある壁部分で規定され、測定される前記ガスの第１の容積を閉じ込めるように計画され、光線束を前記キャビティの反対側の壁部分に向けて反射させるために放射するよう適合された光源を含む。前記光線束は発散光線で形成され、凹曲壁部分で反射して１つ以上の受光器の方向に向かい、前記ガスに対応して発生する１つ以上の有義吸収波長の光強度が電子回路の手段によって検知される。

１つ以上の前記技術的課題を解決するために、本発明によると、光源から受光した斜めの光線束を前記凹曲壁部分で、平面格子に割り当てた前記キャビティの壁部分に反射させるよう適合させることで従来の技術を修正することを提供する。

平面壁部分はリトロー配置として構成され、あるいはこれを含む反射面を含み、光線束は格子のブレーズ角付近の角度で前記平面壁部分に当たるようにされている。
このことで、選択されたガスに対応する光線束の１つ以上の吸収波長を前記平面壁部分で「ストレート」に反対方向に回折反射させ、それによって、回折した吸収波長が再び前記曲壁部分で１つ以上の反射波長として反射して前記受光器の方向に向かうことになる条件が作られる。

発明のコンセプトの範囲内である実施形態として、曲壁部分を放物線形状に適用できる曲形状にすることが提案される。
これで、実光源は反射体あるいは反射体構造を介して放物線形状の焦点に、またはその近くに虚像として出現させることが可能になる。

曲壁部分は放物線形状の軸の一方側に位置する放物線弧の一部として構成することができる。
特に、平面格子に割り当てたキャビティ壁部分は「ストレート」に反対方向に反射および／または回折するブレーズ角の格子構造を含み、格子構造および他の手段は１次および可能的に２次の回折格子に簡便に適合されることを提案する。

またブレーズ角は５０°と６０°の間にすることを提案する。
また発明により、１つ以上の受光器を光源の近くに、および／または虚光源の近くに配置し、かつ使用する受光器の受光ローブを曲面の方向に向けることを提案する。

特に、キャビティは選択された壁部分に光反射特性を与えるよう処理された２つのポリマーをベースとする複製品で構成することを提案する。
また発明により、光源は赤外線領域の波長スペクトルを発生するインコヒーレント光源で構成することを提案する。

また発明により、実光源を楕円形状あるいは楕円体形状の１つの焦点に配置し、光フィルタを第２の焦点あるいは前記第２の焦点に現れる虚光源に配置することを提案する。
光フィルタは検知システムに適用可能な自由スペクトル領域内の光関連の波長を通過させるよう構成し、特に、前記光フィルタは自由スペクトル範囲にある波長よりも短い波長をカットあるいは阻止するよう適合する。

本発明の有利な主要な特徴および特に重要な特徴は、ガスに適合したガス・セルを簡単な方法で製造でき、かつ、キャビティ、光源および１つ以上の受光器をコンパクトなユニットに形成するよう調整して、選択された１つ以上のガスおよび／または混合ガスを評価するため互いに直接適合する条件が作れることにある。

キャビティの放物線状に曲がった光反射壁部分で入射する発散光線束を、平面格子に割り当てた壁部分に波面で反射させるよう機能させ、続いて平面格子に割り当てた壁部分で選択された波長の回折した波面をもとの方向に反射させ、続いて回折した波長を１つ以上の受光器上に反射させることによって、選択された１つまたは複数の吸収波長内の評価された光強度によって１つ以上のガス濃度が評価できる。

本発明の主な特徴は特許請求の範囲の請求項１に記載された特徴部に規定される。

本発明の好ましい、重要な特徴を含み、かつ付帯する図面で示される実施形態に関する下記説明において、発明のコンセプトを説明する意図で特別の用語および技術をより明確に使用するように選んだことを最初に説明する。

しかし、留意すべきことは、ここで選択した表現は明細書で使用された選択用語のみに限定されるものではなく、選択された各用語は、少なくとも、同一あるいはほぼ同一の発明および／または技術的効果を達成するほぼ同一の方法で機能する同等のすべての技術も含むように解釈されるべきであることである。

このように、図１は本発明の基本条件を概略的に原理的に示すが、発明の重要な特徴は以下により詳しく説明する好ましい実施形態に具体化される。
図１に示すガス・センサ１の原理的な構造は当分野では公知である。

発明は主として、実光源３の特異な方向と多くの受光器の特異な座標で使用されるガス・セル２を含み、実施形態では側面関連の２つの受光器４および５が示される。
当該技術分野に詳しい者が理解するように、受光器４，５の数は選択されたガスあるいはガス混合物およびガス・セル２のキャビティの形状によって、実際の場所とともに、変化する。

したがって、提案する実施形態では、単に簡単のために、側面関連の２つ受光器に関して説明記載する。１方の受光器４は選択されたガスに対応する吸収波長に関して配置、適合され、他方の受光器５は基準波長として供給するため配置、適合される。

結果として、受光器４の信号は光源３の光強度のいかなる変動（このような変動は少なくとも光源３の使用年数で生じる）にも影響されないように、一般に標準化することができる。

図１のガス・セル２はこのために、光反射特性を有し互いに対向するキャビティ規定壁部分を含む。概略的に示したキャビティ２’を規定する壁部分は第１の側面関連の壁部分２ａ，第２の側面関連の壁部分２ｂ、第３の側面関連の壁部分２ｃ、および第４の側面関連の壁部分２ｄを含む。

側面関連の壁部分２ａ，２ｂ，２ｃおよび２ｄと平坦な底部分２ｅと平坦な天井部分２ｆは互いに平行に配置されて共同で作用する。
このように、光反射特性を備えるように処理された引用符号２ａ，２ｂ等で示されるすべての面は引用符号２ａ’，２ｂ’等を付され、また鏡面２ａ’，２ｂ’等として以下の説明に引用される。

光源３から照射された光線”Ｌ”がキャビティ２’を通過し、そこで壁面あるいは鏡面２ｂ’で容易に反射し、そして受光器４（または５）の方向に向って、ここで受光される必要がある原理は公知である。光線”Ｌ”は閉じ込められたガス試料（Ｇ）を通過する、閉じ込められたキャビティ測定光路を規定する。

異なるガスおよび異なるガス混合物は互いに異なる長さあるいは手段の測定光路が要求される。この要求はキャビティ２’の寸法を拡大するか、または光源３と受光器４および５との間に複数の反射光路を形成する条件を作るかによって満たされる。

図１にガス・セル２を箱形状で概略的に示すが、このガス・セル２を通ってガス”Ｇ”が流れ、また電子評価用のガス試料（Ｇ）はガス・セル２で囲まれる。
図１および２に示す発明のガス・セル２はユニットとして統合された電子回路６と協力して適合されるので、ガス・セル関連の光源３が前記電子回路６によって作動可能になり、１つ以上の受光器４，５に生じる信号が検出され、それで、選択された１つまたは複数の吸収波長、あるいは選択された１つまたは複数の基準波長に関する瞬間の光強度を評価すし、それで選択されたガス”Ｇ”の存在および／またはこのようなガスの濃度を評価することができる。

表示ユニット７は表示面あるいは表示スクリーン７’にガスの存在あるいはその濃度だけを視覚表示するため電子回路６に接続される。
図２は本発明による詳細なガス・セル２を示す上面図であるが、ガス・セルの形状および構造を以下に詳細に記述する。

図２に示すガス・セル２はかなり複雑な形状をしているが、主に、被測定ガス試料（Ｇ）を閉じ込める以下に詳細に記載するキャビティ２’あるいは空所を規定する。
第１の実施形態では、実際の測定光路は第２の空所”Ｋ２”と呼ばれる空所内に展開される。

キャビティ２’の（壁部分３ｄ、３ｅを除く）すべての内壁部分は、関連の底部分および天井部分とともに、強い光反射特性を付与するため公知の方法で表面処理を施される。
ガス・セル２およびそのキャビティ２’は薄い構造として考慮され、壁部分２ａ，２ｂ，２ｃおよび２ｄは極度に狭く、かつ底部分２ｅおよび天井部分２ｆは互いに接近して配置される。

図２の実施形態では、最大高さ寸法は光源３の必要高さの３〜５ｍｍに対応するように選択される。
キャビティ２’は互いに分離した２つの空所で構成されるように考慮され、第１の空所”Ｋ１”には実光源３および反射体あるいは反射構造が含まれ、また第２の空所”Ｋ２”の主な機能はガス試料（Ｇ）の測定チャンバを規定することである。

この場合、キャビティ２’およびその第２の空所”Ｋ２”には被測定ガスＧの入口として第１の開口２１が、さらに被測定ガスＧの出口として第２の開口２２が含まれる。
第１の空所”Ｋ１”は、収束光線束３ａを反射構造３ｃの手段によって開口３ｂに向けて照射し、開口３ｂを通すよう適合された全方向に放射する実光源３を閉じ込めるような構造にされている。

第１の空所”Ｋ１”および反射体３ｃは部分的な楕円あるいは楕円体部（Ｋ１’）と先細形状の連結部（Ｋ１”）で構成される。
全方向に放射する実光源３は楕円キャビティ（Ｋ１’）の焦点Ｆ１に配置され、光源３からの放射光線は反射体３ｃで反射されて第２の焦点Ｆ２に向かい、そこで実光源の虚像（３’）を形成する。

図示の場合は、第２あるいは連結部（Ｋ１”）は２つの収束壁部３ｄおよび３ｅによって形成される。
光源３からの光線の一部は反射体３ｃに属する楕円曲面の鏡面で反射して焦点Ｆ２に向かい、また一部は光源３から直接に焦点Ｆ２に照射される。

壁部分３ｄおよび３ｅは第１の空所”Ｋ１”の開き角度”ａ”を規定するように互いに収束する形状にされ、光の反射を避けるように、または不完全な光反射特性にするように形成あるいは処理される。

後者の場合、壁部分３ｄ、３ｅは「鋸歯状」あるいは「黒色」にすることができる。
発散角度”ａ”の光線束３ａ’は前記焦点Ｆ２となる厳密な形の虚光源（３’）から照射されると考えられるので、第２の空所”Ｋ２”内に発散光線が形成される。この発散光線は処理壁面あるいは鏡面２ｂ’を含む凹面壁部分２ｂで斜めに反射する。発散光線束３ａ’はすべて凹面鏡面２ｂ’で反射し、「波面」として反対側の第２の平面壁部分２ｇ上に向かうように適合される。この壁部分２ｇは受光された光線および波長の回折用に処理された壁鏡面２ｇ’を含むが、この壁鏡面２ｇ’の構造について次にその詳細を述べる。

選択された１つ以上の波長を含む波面を有する回折光は平面壁鏡面２ｇ’で反射して凹面壁面あるいは鏡面２ｂ’上に向かい、そこから虚光源（３’）に向かうもとの方向に向くが、１つ以上の関連吸収波長は受光器４および５などの１つ以上の受光器に当たるように向かう。この方法については図５，６および７を参照して次に詳細に述べる。

受光器４および使用されるその他の受光器（受光器５および図示しない他の受光器など）はガス試料（Ｇ）に対応する回折吸収波長の光を受光してその光強度を検出するが、残りの受光器は類似の方法で割り当てた吸収波長に関する瞬時の光強度を検出する。

平面格子に割り当てたキャビティ関連の壁鏡面２ｇ’は光を反射しかつ光を回折あるいは波長を回折する面を提供するが、この面は処理されて引用符号２ｇ”を付され、リトロー配置の構造にされる。

壁鏡面２ｂ’で反射した平行光線を含む全光波３ａ”は格子のブレーズ角に近い入射角で前記壁部分２ｇおよび前記壁鏡面２ｇ’および２ｇ”上に当たる。
「リトロー」配置にして「ブレーズ」角を配置する条件は出版物（物理化学のスプリンガシリーズの第５巻、１３２および１３４頁、レーザー分光学）に規定される。

空所”Ｋ２”およびそこに閉じ込められたガス試料（Ｇ）に関し、光線束３ａ’の光路長、反射波面３ａ”の光路長、回折波面（３ａ”），凹面鏡面２ｂ’から特に受光器４に回折反射した光線は閉じ込められたガス試料（Ｇ）を通る全体として有効な測定光路あるいは手段を構成する。

発明によるガス・セル２の第２の実施形態によると、ガスＧを開口２１’からも流入させて開口２２’から流出させることで第１の空所”Ｋ１”の測定光路も含めることによって、測定光路長は増加できる。

光線束３ａ’および波面３ａ”の選択された各波長は前記平面壁鏡面２ｇ’および２ｇ”で、離散波長を有する回折光波面（３ａ”）として「ストレートに」反対方向に回折反射し、その後、互いに分離した波長で曲面鏡面２ｂ’で反射して、吸収波長関連の光線束３ｆとして前記受光器４に到達することができる。

「ストレートに」反対方向とは重要でない方向の差および反射角が「ゼロ」からわずかしか離れていないことを意味する。
この点、重要なことは、測定される選択された吸収波長は虚光源（３’）に接近して現れないということである。

図２の曲面壁鏡面２ｂ’の形状は数学的放物線機能を適用できる曲面形状に適合する。
反射体あるいは反射面３ｃに対する光線は収束光線束３ａを通して焦点Ｆ２上に収束して虚光源（３’）として現れるが、この虚光源（３’）の位置は放物線面壁鏡面２ｂ’の焦点Ｆ３に、または好ましくはこの点に極めて接近して配置することができる。

このように曲面壁鏡面２ｂ’は放物線形の軸２ｂ”の片側に放物線弧を配置した壁部分（２ｂ’）（図５参照）で構成される。
壁面２ｇ’上の格子構造面２ｇ”は、他の手段と同様に、１次の回折格子として適合される。

ブレーズ角は選択された吸収波長に依存するが、実用的には５０°と６０°の間の値にする。
図２の実施形態の場合、少ししか離れていない２つの受光器４，５が第１の空所”Ｋ１”の外部で、かつ虚光源（３’）の極く近くに配置され、それぞれの受光器の受光ローブ３ｆおよび３ｈはガスの異なる代表的吸収波長が受光できるように曲面鏡面２ｂ’および指示された壁部分（２ｂ’）の方向に向けられる。

特に、発明によると、キャビティ２’は壁部分および鏡面に良好な光反射特性を付与するため分離したプロセスで処理した２つのポリマーをベースとする複製品で形成することが提案される。

また光源３は赤外線領域の波長スペクトルを発生させるためインコヒーレント光源で構成され、シリカ・ガラス３１で囲まれた白熱灯フィラメント３０の形状にすることができる。

図２の反射体３ｃは焦点Ｆ１と頂点”Ｖ１”の間の選択された値に相当する距離だけ焦点Ｆ１をわずかに越えて延びるフラットな楕円曲面としての楕円線３ｃ’に沿って形成される。

楕円曲線３ｃ’は曲線３ｃ’と第２の焦点Ｆ２を接続する２つの収束する平面壁部分３ｄおよび３ｅの末端点において終了するが、前記第２の焦点Ｆ２において小さな開口３ｇ、（３ｂ）、例えば約１．２−０．３ｍｍ、例えば０．６ｍｍの開口を残すようにする。

壁部分３ｄおよび３ｅはぎざぎざ面あるいは鋸歯状面とすることで、光源３で発生して向かってくる光線束３ａ’のための所望の開き角”ａ”の外側に向かう好ましくない妨害光線を吸収あるいは反射できるようにするか、および／または入射光の反射によって楕円鏡曲線３ｃ’あるいは曲面３ｃに戻す。

楕円曲面の平坦面３ｃおよび前述した配置の収束壁部分３ｄおよび３ｅは互いに、光フィルタ３ｇ’付きの開口３ｇを通って出て行く発散光線束３ａ’の発散角”ａ”が約４０°などの、３０°と４５°の間の角度となるような寸法にされる。

開口３ｇを離れる光線束３ａ’は光線１３ａ’，２３ａ’で縁取られて発散する。
曲面２ｂおよび鏡面２ｂ’は頂点”Ｖ２”に原点を有し、かつそこを通るか、または少なくとも開口３ｒおよび焦点Ｆ２に接近する軸２ｂ”を有する放物線として適合される。

曲面２ｂおよび鏡面２ｂ’は焦点Ｆ３を有する放物線の半分の選択された部あるいは部分（２ｂ’）を形成する。
焦点Ｆ２と焦点Ｆ３とは図示する実施形態では軸２ｂ”に沿って互いにわずかに離れて示されるが、次に詳細に述べるように、発明の一実施形態ではこれらを一致させると便利になる。

鏡面２ｂ’で反射した波面３ａ”は格子面２ｇ”の方向に反射して、そこで回折波面（３ａ”）として鏡面２ｂ’に戻るように回折し、そして特に吸収波長を有する２つの回折光線束３ｆおよび３ｈとしてそれぞれの受光器４および５上に反射される。

光線束３ａ’の第１の縁関連の光線１３ａ’の反射角”ｂ”は好ましくは２０°と４０°の間に、さらに好ましくは約３０°など、２５°と３５°の間にされる。
光線束３ａ’の第２の縁関連の光線２３ａ’の反射角”Ｃ”は好ましくは４０°と８０°の間に、さらに好ましくは約６０°など、５０°と７０°の間にされる。

特に、焦点Ｆ２および開口３ｇは、焦点Ｆ３から頂点”Ｖ２”の方向に、しかも焦点Ｆ３の近くの位置に配置され、一方、受光ローブ３ｆ内の光線束を受光する受光器４の開口４ａは、焦点Ｆ３から頂点”Ｖ２”と反対側の方向に配置される。

開口５ａのある受光器５は受光ローブ３ｈ内の選択された周波数の選択された光線を受光するよう適合されるが、これらの選択された光線は電子回路６の基準信号に使用される。

前述した図２の実施形態から明らかなように、他の選択されたガスに関し、重要な異なる吸収波長あるいは対応する吸収周波数の検出が可能になる方法で、受光器４に類似する他の複数の受光器を実際に分離して分散することができる。

受光器４および５は第１の空所”Ｋ１”の下方に配置されているが、前記受光器は空所
”Ｋ１”の上方に配置してもよい。
図３および４から明らかなように、平面格子に割り当てたキャビティ関連の壁面２ｇ”は、５４．７°の自然ブレーズ角”ｄ”を有する回折格子を作るのに使用できる、７０．６°の相互角を有する２つの異なった結晶面を形成する結晶線シリカの格子構造とするように作られている。

このことで、器具製造業者に本来要求される安価で容易に製造できる方法での製造が可能になり、またポリマーをベースとする複製品を供給することが可能になる。
図３の符号Ｘはレジスト／酸化物の開口を表し、また符合Ｙはレジスト／酸化物のブリッジを表す。

符号Ｕはエッチング工程の間でＹ／２に等しく、また符号Ｄは格子定数を表す。
図４にリトロー配置の詳細を示すが、この図は格子構造２ｇ”を含む平面２ｇ’の一部の拡大図である。

リトロー配置において、入射光波３ａ”は格子のブレーズ角に近い角度で入射することになる。
選択されたガス試料（Ｇ）により決められた所定の吸収波長を有し、かつ発明に重要な光波３ａ”の光線はほぼ「ストレートに」反対方向に非常に小さい反射角で回折反射するので、図６に示すように最大効率を達成する条件が作り出される。

１次の回折格子の場合、高次の回折次数がないので、波長は関数「２Ｄsin５５°」に等しくなり、その結果、本実施形態の場合では１００％に近い回折効率となる。
入射角がこのように大きい場合、いかなる負の回折次数も存在しない。

このように、所定の吸収波長を有するすべての光を所望の方向に反射（３ａ”）させて、それぞれの受光器４および５の方向に導くことのできる条件が作りだされる。
楕円形の焦点Ｆ２と吸収波長関連の受光器４および５の受光口との関係について、受光器は焦点Ｆ２に一致させることはできず、それらの間にわずかな間隔が必要となる。図示する実施形態では、焦点Ｆ２は焦点Ｆ３の一方側に置き、受光器４および５は焦点Ｆ３の反対側に置くことでわずかな間隔を調整することが可能となる。

焦点Ｆ２と焦点Ｆ３とが一致する場合は、回折光線束（３ａ”）が鏡面２ｂ’で斜めに反射し、それぞれの吸収波長が受光器４または受光器５の方向に向かうように、平面格子面２ｇ”あるいは格子定数Ｄをある程度傾斜させる必要がある。

受光器４または受光器５が焦点Ｆ３に置かれる場合は、焦点Ｆ２は焦点３の前記一方側に置く必要がある。
このように、発明によると光源３あるいは光学上の光源（３’）は凹曲面２ｂ’で定まった焦点Ｆ３に、またはその付近に都合よく置くことができる。

または、１つ以上の受光器４，５は凹曲鏡面２ｂ’の焦点Ｆ３に、またはその付近に置くことができる。
光フィルタ３ｇ’は検出システムに適用可能な自由スペクトル領域内の光関連の波長を通過させるよう適合されており、フィルタ２ｇ’は自由スペクトル領域の波長よりも短い波長を阻止するよう適合されている。

自由スペクトル領域とは、計算点において１つのスペクトル次数のみによって照明され、別の次数の、より短かい重複する波長がないスペクトル領域を意味する。
詳細には、光フィルタ２ｇ’は選択された最小の波長よりも短い波長をカットする。

基本周波数より高次の周波数が受光器４，５で受光されたときは、これらの周波数はノイズと判定される。したがって、各高次の周波数の発生を防止する対策が必要となる。
本発明の適用に関して、図５に基づき詳細に説明する。特別に構成され適合されたガス・セル２およびガス・センサで通常の混合ガスである空気の二酸化炭素含有量が検出される。他のガスの検出および分析のためには、他の適合および別の構成のガス・セル２およびそのキャビティ２’が必要となる。

ガス”Ｇ”は入口２１を通過し、キャビティ２’の空所”Ｋ２”を通過し、そして出口２２を通過する。
光源３には、ＣＯ_２の吸収波長特性を有する波長が主に含まれる白色光源が選択される。

白熱灯あるいは他の熱光源３が提案されたが、発明のコンセプトにより光放射ダイオードが使用される。
二酸化炭素は４．２５μｍの吸収波長の特性を有する。この波長は回折して受光器４で受光され、一方、これより短い波長、例えば３．９μｍは受光器５で受光され、基準信号として使用される。

２次の波長は２．１２μｍとなるので、フィルタ３ｇ’でこの波長およびこれより短い波長はカットするように計画される。
電子回路６で受光器４および５の光強度が評価されて、ＣＯ_２の存在およびガス濃度が比較回路６ａによって確立され、それが表示面７’に表示される。

図５はキャビティあるいは空所”Ｋ２”に存在する混合ガスのＣＯ_２ガスの評価に適用できる光スペクトルおよび測定光路を示す。
また図５は問題にしている波長の現在値を示す。

白熱灯フィラメント３０は上限が５．０μｍに規定される水晶ガラス３１に囲まれる。
下限、例えば３．０μｍは光フィルタ３ｇ’で規定される。
波面３ａ”は反射して、リトロー配置面２ｇ”を含む平面２ｇ’に向かい、そこで４．０−４．５μｍおよび３．９μｍの波長が回折（３ａ”）して，それぞれ鏡面２ｂ’による反射に続いて受光器４および５で受光される。

図６はリトロー配置に対する波長に関する効率の変化を示すグラフであり、このグラフから関連する波長については効率が高いことが分かる。
図７は受光器４および５のための波長関連の検出器の受光量を光源放射量に対するパーセンテージで表したグラフであり、このグラフは４．０μｍおよび４．５μｍ付近の波長に対して受光率が高いことを示す。

図５で分かるように、曲面２ｂの有効部分（２ｂ’）あるいは光線１３ａ’と２３ａ’の間の前記放物線形は放物線の頂点”Ｖ２”から離れて前記放物線の焦点Ｆ３の近辺に配置される。

前記有効部分（２ｂ’）は放物線あるいは放物線関数の焦点Ｆ３を通り、放物線あるいは放物線関数の軸２ｂ”に対して直角あるいはほぼ直角に向かう点あるいは部分に制限される。

発明は前述の具体的な実施形態に限定されるものではないこと、また特許請求の範囲で示した発明のコンセプトの範囲内での修正が可能であることが理解される。

本発明の重要な特徴を含み、現在好ましい実施形態を次の図面を参照して例として説明する。
本発明による構造で作られ、ガスが流れるガス・セルが含まれるガス・センサを原理的にブロック・ダイアグラムの形で示すが、ガス・セルには、表示ユニットを含む電子回路に接続された光源および２つの受光器が含まれる。 光源を駆動し、選択されたガスに関する関連の吸収波長の光強度を受光評価する電子回路は含まないが、キャビティ構造、光源および２つの受光器を示すガス・セルの拡大像の上面図である。 結晶線シリカに存在する格子構造のために選択されたシステム構成およびブレーズ角を示す。 光を反射し波長を回折する平面壁部分に割り当てたリトロー配置を使用した実施形態を正確に示す。 図２に示したガス・セルの上面図であって、二酸化炭素ガスの存在およびその現在濃度を決定するよう適合されたガス・セル用に光反射および波長または光回折を示す。 リトロー配置用の波長に関する効率の変化を示すグラフである。 光源放射量に対する検出器の波長関連の受光量をパーセンテージで示すグラフである。

Claims (27)

1. １つ以上のガスの存在を確認し、および／またはそのガスの濃度を決定するよう適合されガス・センサに含まれたガス・セルであって、
   ガス・セルは、光反射特性を有する壁部分で規定され前記ガス（（Ｇ））の容積を閉囲するキャビティ（２’）を含み、
   キャビティ関連の壁部分と対向する壁部分の間で反射する光線束（３ａ’）を放射するよう適合された光源（３）が含まれ、
   光線束は、凹曲壁部分（２ｂ）で反射し、ガスに対応する１つ以上の吸収波長に生じる光強度を検出するよう適合された１つ以上の受光器（４，５）の方向に向けられた光線で構成された
   ガス・セルにおいて、
   凹曲壁部分（２ｂ）は、光源（（３’））から斜めに受光した光線束（３ａ’）を、平面格子を構成したキャビティの壁部分（２ｇ’）に反射するよう適合され、ここで前記壁部分（２ｇ’）の反射面（２ｇ”）はリトロー配置あるいはリトロー配置が構成され、
   光線束（３ａ’）は格子のブレーズ角付近の角度で前記壁部分に当たるよう適合され、
   選択されたガスに対応する光線束（３ａ”）の１つ以上の吸収波長が前記壁部分（２ｇ’）で回折反射し、回折波長は前記凹曲壁部分（２ｂ）で反射して前記受光器（４，５）の方向に向かう
   ことを特徴とするガス・セル。
2. 前記凹曲壁部分（２ｂ）は放物線を表す曲がり形状の一部（（２ｂ’））であることを特徴とする請求項１に記載のガス・セル。
3. 光源（３）は放物線形状の焦点Ｆ３またはその近くに虚像（（３’））として現れることを特徴とする請求項２に記載のガス・セル。
4. 前記凹曲壁部分（２ｂ）は放物線形状の軸（２ｂ”）の一方側に放物線弧の形状をなすことを特徴とする請求項２または３に記載のガス・セル。
5. 平面格子を構成したキャビティの壁部分（２ｇ’）は光線を反対方向に反射するブレーズ角を有する格子構造を含むことを特徴とする請求項１に記載のガス・セル。
6. 格子構造は１次および／または２次のみの回折格子を作るよう適合されたことを特徴とする請求項５に記載のガス・セル。
7. ブレーズ角は５０°と６０°の間であることを特徴とする請求項１に記載のガス・セル。
8. １つ以上の受光器は虚光源の近くに配置され、その受光ローブは凹曲壁部分（２ｂ）の方向に向けられたことを特徴とする請求項１に記載のガス・セル。
9. キャビティは壁部分に光反射特性を付与するため、処理されたポリマーをベースとする材料で形成されたことを特徴とする請求項１に記載のガス・セル。
10. 光源は赤外線領域内の波長を発生するインコヒーレント光源で構成されたことを特徴とする請求項１に記載のガス・セル。
11. 光源あるいは虚光源は凹曲壁部分（２ｂ）の焦点（Ｆ３）またはその近くに配置されたことを特徴とする請求項１または８に記載のガス・セル。
12. １つ以上の受光器（４，５）は凹曲壁部分（２ｂ）の焦点（Ｆ３）またはそのごく近くに配置されたことを特徴とする請求項１，８または１１に記載のガス・セル。
13. 実光源は楕円形の１つの焦点に配置され、虚光源（（３’））は第２の焦点（Ｆ２）に現れ、かつ光フィルタ（３ｇ’）を含む開口（３ｇ）に位置することを特徴とする請求項１ないし１２のいずれか１項に記載のガス・セル。
14. 光フィルタは検出システムに適用できる自由スペクトル領域内の光関連の波長が通過できるよう適合されたことを特徴とする請求項１３に記載のガス・セル。
15. 光フィルタは自由スペクトル領域の波長よりも短い波長をカットするよう適合されたことを特徴とする請求項１３または１４に記載のガス・セル。
16. キャビティ（２’）は２つの空所（”Ｋ１”，”Ｋ２”）で形成され、第１の空所（”Ｋ１”）は実光源および反射体を含むことを特徴とする請求項１に記載のガス・セル。
17. 第２の空所（”Ｋ２”）は光を反射させる測定チャンバの機能を果たすことを特徴とする請求項１６に記載のガス・セル。
18. 第１の空所（”Ｋ１”）は部分楕円形状をなす部分（３ｃ）を備えたことを特徴とする請求項１６に記載のガス・セル。
19. 先細形状の連結部（（Ｋ１”））はテーパー形状をなすことを特徴とする請求項１８に記載のガス・セル。
20. 前記先細形状の連結部（（Ｋ１”））の境界は収束する２つの壁部分（３ｄ、３ｅ）で制限されることを特徴とする請求項１９に記載のガス・セル。
21. 前記壁部分（３ｄ、３ｅ）は反射特性を少なくするよう準備あるいは形成されたことを特徴とする請求項２０に記載のガス・セル。
22. 前記収束する壁部分（３ｄ、３ｅ）は光源（３，３’）から放射された光線束（３ａ’）の拡散角あるいは開き角（”ａ”）に相当する角度を規定することを特徴とする請求項２０に記載のガス・セル。
23. キャビティの空所（”Ｋ１”）を構成する１つの側面に複数の受光器（４，５）が配置されたことを特徴とする請求項１に記載のガス・セル。
24. 前記空所を構成する互いに対向する側面に複数の受光器（４，５）が配置されたことを特徴とする請求項２３に記載のガス・セル。
25. 平面格子を構成したキャビティの壁部分（２ｇ）は、壁部分の延長が凹曲壁部分（２ｂ）の頂点（”Ｖ２”）またはそれに隣接した部分を通過する方向に配置されたことを特徴とする請求項１に記載のガス・セル。
26. 測定チャンバの測定光路は第１の空所（”Ｋ１”）内の測定光路の延長上にあることを特徴とする請求項１、１６または１７に記載のガス・セル。
27. 第１の空所（”Ｋ１”）は測定するガス（Ｇ）用の入口（２１’）および出口（２２’）を含むことを特徴とする請求項２６に記載のガス・セル。

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