JP6461166B2 - 光吸収による気体センサ - Google Patents

Description

本発明は、吸収分光装置に関し、該吸収分光装置は、内壁が少なくとも部分的に光反射的である光キャビティ管と、光検出器と、光源とを有し、前記光源は前記光キャビティ管を通り抜ける光放射を放射でき、前記光キャビティ管は放射された光放射を反射でき、前記光検出器は放射された光の少なくとも一部を検出できる。また、本発明は気体、好ましくはＯ_２の濃度を分光学的に測定する方法にも関し、該方法は、（ａ）前記気体を含む光キャビティ管を通り抜ける光放射を放射するステップであって、前記光放射は前記キャビティ管の内壁により少なくとも部分的に反射されるステップと、（ｂ）放射された光の少なくとも一部を光検出器で検出するステップと、（ｃ）（ｉ）規定量の前記気体で及び（ｉｉ）前記気体無しで、ステップ（ａ）及び（ｂ）により実行された基準測定値との、検出された光の比較により、気道上の前記気体の放射吸収を決定するステップと、を有する。

酸素は、人間のライフサイクルにとって最も重要な気体種の一つとして知られている。その存在と濃度は、健康管理、食品産業、セキュリティなどを含む多くの分野と大きな関連性がある。それゆえ、高精度酸素センサが強く求められている。

異なる分子は、一般的には、放射の周波数に応じて電磁放射を吸収する。このように、分子は、使用放射線周波数に対して一意的な吸収スペクトルを有し、これにより吸収体を具体的に決定でき、分子の濃度を測定できる。酸素分子の場合、分子の基底状態はＸ^３Ｓ_ｇ ⁻であり、これは励起されてａ^１Ｄ_ｇ、ｂ^１Ｓ_ｇ ^＋、ｃ^１Ｓ_ｕ ⁻、Ｃ^３Ｄ_ｕ、Ｂ^３Ｓ_ｕ ⁻などの低レベル励起状態になり得る。基底状態とすべての低レベル励起状態との間の双極子遷移は禁止されており、そのため酸素分子の基底状態は３００−１２００ｎｍの波長範囲で弱い光吸収を示す。

基底状態の酸素分子の濃度の測定方法は、例えば非特許文献１または非特許文献２に記載されている。これらの方法では、一般的に、７６０ｎｍ近辺にあるｂ^１Ｓ_ｇ ^＋−Ｘ^３Ｓ_ｇ ⁻の弱いバンド遷移を光学的吸収分光法に利用して、酸素分子濃度を測定する。吸収の光源として、中心波長が７６０ｎｍであるＩＲレーザーを用いることができ、対応する波長のフォトダイオードを吸収後のレーザー強度の検出に用いることができる。レーザー光が、適宜、酸素分子を含む気体環境に入れられる。レーザー光がその環境を進む間に、レーザー光の光子は、基底状態の酸素分子（Ｘ^３Ｓ_ｇ ⁻）により、弱いバンド遷移ｂ^１Ｓ_ｇ ^＋−Ｘ^３Ｓ_ｇ ⁻により吸収される。この結果レーザー強度が弱くなる。規定状態（Ｘ^３Ｓ_ｇ ⁻）の酸素分子の濃度は、弱くなったレーザー強度を、最初のレーザー強度と、または気体分子が無い場合の等価コントロールレーザ強度と比較することにより、決定できる。レーザー光の強度低下は、かかるレーザー吸収センサで決定できるが、一般的にはレーザー経路の長さ（Ｌ）に比例する。

これらのレーザー吸収センサの実装では、センサデバイスのジオメトリックサイズ（ｇｅｏｍｅｔｒｉｃ ｓｉｚｅ）を小型化すると有利である。しかし、デバイスのサイズを縮小することにより、すくなくとも単一経路レーザー吸収のみを用いる場合、レーザー経路に長さ（Ｌ）も短くなる。この問題に対する解決法としては、多経路（ｍｕｌｔｉ−ｐａｔｈ）レーザー吸収の利用がある。この場合、レーザー光がフォトダイオードにより検出されるまでに、レーザー光がミラーにより複数回反射される。レーザー経路の有効長さ（Ｌｅｆｆ）は、反射回数（ｎ）倍され、

となる。ここで、Ｌ_ｇｅｏはレーザーとミラーとの間の距離のジオメトリックな長さである。

現在知られているレーザー吸収センサは、７６０ｎｍの光源としてのレーザーと、検出用のフォトダイオードとに基づくものである。これらは一般的に、単一経路吸収を用い、センサの大きさが小さくなれば、検出限界が大きくなる。これらの場合、検出限界に対する要求が満たされない場合がある。また、レーザー吸収センサを（例えば、数センチメートルの範囲で）小型化することにより、スペースが制約され、光源とフォトダイオードが分離したものを使うことは困難になることがある。

特許文献１は、紫外光放射ダイオード（ＵＶ ＬＥＤ）ベースのオゾン検出に関する。
特許文献２は、放射源、検出器、及び放射ガイドを含む光学的吸収気体センサーを開示している。
特許文献３は、キャビティエンハンスト分光法を用いた光学キャビティにおける化学サンプルの検知について説明している。
特許文献４は、未知の気体サンプルにおける酸素などの被検物質の濃度を決定するシステムと方法であって、垂直キャビティ面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）が可変波長光源として用いられるものに関する。
特許文献５は、分光用の流入気体セルを通ってサンプル気体を通す流入気体セルを含む非分散的電磁放射検出器を開示している。
結果として、小型版における気体測定アプリケーションのための改良型吸収分光計を開発する必要性がある。
米国特許出願公開第２０１３／０２７０４２９Ａ１号 国際出願公開第２０１１／０８６３９４Ａ１号 国際出願公開第２０１３／１６４６４２Ａ１号 米国特許第６，０９１，５０４号 国際出願公開第２００８／０９２１１４Ａ２号 Ｋｒｏｌｌ ｅｔ ａｌ．， Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． Ｌｅｔｔ．， ５１ （１８） １９８７， １４６５−１４６７ Ｐｈｉｌｉｐｐｅ ａｎｄ Ｈａｎｓｏｎ， Ａｐｐｌ． Ｏｐｔ． ３２ （３０） １９９３， ６０９０−６１０３

本発明は、これらの必要性に応え、小さいジオメトリカルサイズであっても、気体濃度、具体的には酸素濃度を分光測定する手段と方法を提供する。上記の目的は、特に吸収分光デバイスにより達成され、該デバイスは、内壁が少なくとも部分的に光反射的である光キャビティ管と、光検出器と、光源とを有し、前記光源は前記光キャビティ管を通り抜ける光放射を放射でき、前記光キャビティ管は放射された光放射を反射でき、前記光検出器は放射された光の少なくとも一部を検出できる。具体的に、発明者が発見して驚いたことに、具体的に確定されたミラー構成と所定の光経路と無しに光キャビティ管を用いることにより、その光反射内壁により、光を光キャビティ管全体に散乱することができる。すなわち、光源から得られる光子はキャビティの内壁により反射され、反射された光子は反射的内壁に再び当たるなどして、光キャビティ管内で複数回反射される。こうして光はキャビティのジオメトリック空間中を満たし、すなわちジオメトリックに均一な強度で光キャビティ管を満たし、光吸収の無限長経路を提供する。放射された光の一部は、最終的に、光検出器に当たり、測定され得る。このアプローチに基づき、光経路の長さを厳密に決める必要はない。先行技術で知られた単一経路吸収と対照的に、本発明のデバイスにより高い吸収率が実現でき、酸素分子濃度の検出限界を下げる。これにより、気体濃度が低くても又は非常に低くても、又は既存の気体ノードの変化が小さくても検出できる。

本発明の好ましい一実施形態では、本デバイスの光源は発光ダイオードまたはレーザーである。

別の好ましい実施形態では、光キャビティ管の内壁は少なくとも部分的に光反射レイヤでコーティングされている。

好ましい一実施形態において、前記光反射レイヤは分散ブラッグ反射器であるか、またはステンレス鋼またはアルミニウムから構成されている。ある実施形態では、分散ブラッグ反射器は、ＳｉＯ_２及びＴｉＯ_２、ＳｉＯ_２及びＺｒＯ_２、ＳｉＣ及びＭｇＯ、ＳｉＣ及びＳｉｌｉｃａ、ＧａＡｓ及びＡｌＡｓ、ＩＴＯ、又はａ−Ｓｉ及びａ−Ｓｉのレイヤを含む。

他の好ましい一実施形態において、前記分散ブラッグ反射器は、基底電子状態（Ｘ^３Σ_ｇ ⁻）から電子励起状態（ａ^１Δ_ｇ，ｂ^１Σ_ｇ ^＋）への酸素分子の電子遷移に対応する放射に対して反射的であり、前記放射の波長は、±１０ｎｍの波長変位内の中心波長として、３４３．４ｎｍ、３６０．５ｎｍ、３８０．２ｎｍ、４４６．７ｎｍ、４７７．３ｎｍ、５３２．２ｎｍ、６３０．０ｎｍ、６８７．２ｎｍ、６８９．３ｎｍ、７６０．８ｎｍ、７６３．８ｎｍ、又は１０６５．２ｎｍである。

さらに他の好ましい一実施形態において、前記光源はＵＶ−Ａ放射、ＵＶ−Ｂ放射、可視光放射、または赤外放射の発光ダイオードまたはレーザダイオードであってもよい。

好ましい一実施形態において、光源は垂直キャビティ面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）ダイオードである。ある実施形態では、ＶＣＳＥＬダイオードは、±１０ｎｍの波長変動内で約６８７．２ｎｍ、６８９．３ｎｍ、７６０．８ｎｍ、または７６３．８ｎｍの波長のレーザー放射をする。

一実施形態において、前記ＶＣＳＥＬダイオードは、集積素子としてフォトダイオードを付加的に含むレーザパッケージの一部であってもよい。

好ましい一実施形態において、前記デバイスは気体、好ましくはＯ_２を測定するように適応されている。

本発明のさらに別の一態様では、気体、好ましくはＯ_２の濃度を分光測定する方法であり、該方法は、（ａ）前記気体を含む光キャビティ管を通り抜ける光放射を放射するステップであって、前記光放射は前記キャビティ管の内壁により少なくとも部分的に反射されるステップと、
（ｂ）放射された光の少なくとも一部を光検出器で検出するステップと、
（ｃ）（ｉ）規定量の前記気体で及び（ｉｉ）前記気体無しで、ステップ（ａ）及び（ｂ）により実行された基準測定値との、検出された光の比較により、気道上の前記気体の放射吸収を決定するステップと、を有する。

上記の方法の好ましい実施形態では、前記光放射は、波長が約６８７．２ｎｍ、６８９．３ｎｍ、７６０．８ｎｍ、又は７６３．８ｎｍであり、波長の変異が±１０ｎｍ以内である発光ダイオードまたはレーザーからの放射であり、好ましくは、波長が６８７．２ｎｍ、６８９．３ｎｍ、７６０．８ｎｍ、又は７６３．８ｎｍであり、波長の変異が±１０ｎｍ以内であるレーザー放射である。

好ましい一実施形態において、本方法はここに規定したデバイスで実行されてもよい。

本発明の他の好ましい一実施形態では、参照測定は、それが実行されたデバイスにリンクされる。

さらに他の好ましい一実施形態において、参照測定は、任意的に、さらに別のステップ（ａ）と（ｂ）による気体濃度測定のために記憶される。

本発明の一実施形態による循環形式の光キャビティ管を示す図である。

本発明は、吸収分光装置に関し、該吸収分光装置は、内壁が少なくとも部分的に光反射的である光キャビティ管と、光検出器と、光源とを有する。

具体的な実施形態に関して本発明を説明するが、この説明は限定的な意味に取るべきではない。

本発明の実施形態を詳細に説明する前に、本発明の理解にとって重要な定義を説明しておく。

本明細書と特許請求の範囲において、「１つの」との記載は別段の記載がなければ、複数の場合も含む。

本発明のコンテキストにおいて、「約（ａｂｏｕｔ）」及び「近似的に（ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅｌｙ）」との用語は、当業者が、検討中の特徴の技術的効果を確保できると考える正確性の幅を示す。この用語は、一般的には、特段の定義がなければ、示された数値からの±２０％、好ましくは±１５％、より好ましくは±１０％、さらに好ましくは±５％の偏差を示す。

言うまでもなく、「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」との用語は限定的ではない。本発明の目的において、「より構成される（ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ ｏｆ）」との用語は、「よりなる（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ ｏｆ）」との用語の好ましい実施形態であると考えられる。以下、少なくともある数の実施形態を含むグループが定義されたとき、これらの実施形態により構成されるグループも含むことを意味する。

さらに、明細書及び特許請求の範囲において、「第１の」、「第２の」、「第３の」または「（ａ）」、「（ｂ）」、「（ｃ）」、「（ｄ）」などの文言は、同様のエレメントを区別するために用いられ、必ずしも生起や時間的順序を記述するものではない。言うまでもなく、これらの用語は適切な状況では交換可能に用いられ、ここに説明する発明の実施形態はここに説明又は例示するのとは別の順序で動作することができる。

「第１の」、「第２の」、「第３の」、又は「（ａ）」、「（ｂ）」、「（ｃ）」、「（ｄ）」、「（ｉ）」、「（ｉｉ）」などが方法や使用やアッセイ（ａｓｓａｙ）のステップに関する場合、ステップ間には時間的または時間間隔的な一貫性はない。すなわち、本願で特に断らなければ、ステップは同時に行われてもよく、またはステップ間に数秒、数分、数時間、数日、数週間、数ヶ月または数年といった時間間隔があってもよい。

言うまでもなく、ここで説明する特定の方法、プロトコルは変化し得るものであり、本発明はこれに限定されない。また、言うまでもなく、ここで用いる用語は具体的な実施形態を説明することのみを目的としており、本発明の範囲を限定することを意図したものではない。発明の範囲は添付した請求項のみによって限定される。特に異なる定義をしない限り、ここで用いる技術的及び科学的な用語は、当業者が一般的に理解しているのと同じ意味を有する。

上記の通り、本発明は、一態様では、吸収分光デバイスに関する。該デバイスは、 内壁が少なくとも部分的に光反射的である光キャビティ管と、光検出器と、光源とを有し、前記光源は前記光キャビティ管を通り抜ける光放射を放射でき、前記光キャビティ管は放射された光放射を反射でき、前記光検出器は放射された光の少なくとも一部を検出できる。

ここで用いる「光キャビティ管（ｌｉｇｈｔ ｃａｖｉｔｙ ｖｅｓｓｅｌ）」との用語は、円筒形、球形、又は半球形の構成であって、内部のポイントで、例えば内壁において、光を反射できるものを言う。光キャビティ管は凸状の壁を有し、管全体の傾きまたは曲率は同じであっても、基本的に同じであっても、または違っていてもよい。例えば、キャビティ管は別個に形成された曲率から構成されていてもよいし、または異なって形成された球形、楕円球形、または半球形部分から構成されていてもよい。好ましい実施形態では、光キャビティ管は完全な球形である。光キャビティ管の直径または特徴的ジオメトリカルサイズ（ｇｅｏｍｅｔｒｉｃａｌ ｓｉｚｅ）は、約０．１ｃｍ、０．２ｃｍ、０．３ｃｍ、０．４ｃｍ、０．５ｃｍ、０．６ｃｍ、０．７ｃｍ、０．８ｃｍ、０．９ｃｍ、１ｃｍであってもよく、又は１ｃｍより大きくても良く、例えば２ｃｍ、３ｃｍ、４ｃｍ、５ｃｍ、６ｃｍ、７ｃｍ、８ｃｍ、９ｃｍ、１０ｃｍ、１５ｃｍ、２０ｃｍ、３０ｃｍ、４０ｃｍ、５０ｃｍ、６０ｃｍ、７０ｃｍ、８０ｃｍ、９０ｃｍ、１００ｃｍであってもよく、又は１００ｃｍより大きくても良く、またはこれらの値の間の任意の値であってもよい。さらに、光キャビティ管であって直径が１ｃｍより小さいものも想定される。光キャビティ管が全体的には球形でない場合、ここで用いる「直径」との用語は、その管の最長軸を指す。

好ましい実施形態では、光キャビティ管の直径または特徴的ジオメトリカルサイズは１０ｃｍ未満であり、より好ましくは１ｃｍ未満である。特に好ましくは、直径が約０．１ないし２ｃｍである。

キャビティ管は一般的には内壁にエッジや角を有しない。具体的な実施形態において、光キャビティ管は気体状物質、特に酸素（Ｏ_２）を含むように適応される。光キャビティ管には、そのため、気体吸入口が設けられ、任意的に気体排出構造が設けられても良い。さらに、光キャビティ構造は気密的に設けられても良い。例えば、ロック構造を有し、測定する気体状物質を入れるとき、少なくとも吸収分光測定の際、キャビティ管の密閉ができるようにしてもよい。さらに別の実施形態では、光キャビティ管は、例えば、酸素濃度の臨床関し中の患者の吸気と呼気の形式で、連続的な気体の入出の測定に適応していてもよい。あるいは、光キャビティ管は非医療利用に適応されてもよい。例えば、光キャビティ管は、燃焼エンジン制御や燃焼最適化に適応されてもよい。光キャビティ管は、適宜、分析される気体または液体中のラムダセンサの機能に適応し、例えば自動車その他の車両における内燃エンジンの排気ガス酸素濃度を測定してもよい。さらに代替的に、光キャビティ管は、呼吸ガス中の酸素分圧を測定するために、ダイビング機材における測定に適応されてもよい。

光キャビティ管は少なくとも部分的に光反射的である。ここで、「光反射的」との用語は、キャビティ管内の光源から放射された光が、キャビティ管の内壁により反射されることを意味する。反射は、壁に到達する全光ビームまたは光子量の反射であってもよく、光ビームまたは光子の大部分、例えば、９９．９９％、９９．９％、９９％、９８％、９７％、９６％、９５％、９４％、９３％、９２％、９１％、又は約９０％の反射であってもよい。また、これよりも低い程度または効率の反射でもよい。反射効率が低い場合、この効果は、ここに説明するように、光検出器の感度を上げることにより補っても良い。光反射は反射鏡反射であっても、または散乱反射であってもよい。入来光ビームは、一律に反射されても、キャビティ管の形状と光ビームの角度とに応じて、複数の方法で反射されてもよい。キャビティ管の球形または半球形の形状により、キャビティ管の内壁の第１のポイントにおける反射により、キャビティ管の内壁の第２のポイントにおけるさらなる反射が起き、さらにキャビティ管の内壁の第３のポイントにおけるさらなる反射が続いてもよい。これにより潜在的に、反射された放射のあるパーセンテージは光検出器に当たる間に、複数の反射イベントと、キャビティの全ジオメトリック空間のフィリング（ｆｉｌｌｉｎｇ）が起きる。

キャビティ管における光反射のコンテキストで用いるとき、「部分的に」との用語は、キャビティ管に入った光が、ほとんどの内的部分やセクター、例えば壁により反射されるが、必ずしも光キャビティ管のすべての内的部分やセクターではないことを意味する。光キャビティ管の一部のセクターは光反射的でなくてもよく、例えば、光源自体は光反射的でなくてもよく、または反射光を検出できるようにする検出ユニット、例えば光検出器は光反射的でなくてもよい。さらにまた、注入／排出構造、電源、制御素子などは光反射的でなくてもよい。具体的な実施形態では、「部分的反射」は、特定の波長又は波長範囲のみが反射し、他の波長又は波長範囲は反射されず、光キャビティ管の内壁により吸収されることを含み得る。かかる選択的反射を用いて、例えば、非励起的波長、または分光学的に機能しない波長をフィルタ除去してもよい。

具体的実施形態では、ここで説明する光キャビティ管の少なくとも部分的に光反射的な内壁は、光反射レイヤでコーティングされていてもよい。このコーティングは、光キャビティ管の内壁の完全なまたは部分的なコーティングであってもよい。例えば、コーティングは、光源と光検出器のセクターを除く、光キャビティ管のすべてのセクターに設けても良い。さらに別の実施形態では、他のセクター、例えば注入または排出構造、制御素子などは、光反射レイヤでのコーティングから除かれても良い。

光反射レイヤは任意の好適な光反射物質により構成されていてもよい。例えば、光反射レイヤは、ステンレス鋼、アルミニウム、銀、銅、金、プラチナ、アンチモニー、カドミウム、ニッケル、スズ、水銀、またはその他の光輝性物質により構成されていてもよい。

具体的な実施形態では、光反射レイヤは分散ブラッグ反射器（ＤＢＲ）であってもよい。ここで用いる「分散ブラッグ反射器」との用語は、反射係数が違う物質が交互になった、または誘電体導波路の（高さなどの）一部の特性の周期的変化により、その導波路中の有効屈折率が周期的に変化した複数のレイヤから形成された構造を有する反射素子を言う。各レイヤ境界により一般的に、光波の部分的反射を生じてもよい。特に、波長がレイヤの光学的厚さの約４倍である波は、構造的干渉と組み合わされて、多くが反射される。従って、レイヤは高品質の反射器として機能する。好適なＤＢＲレイヤは、ＳｉＯ_２及びＴｉＯ_２、ＳｉＯ_２及びＺｒＯ_２、ＳｉＣ及びＭｇＯ、ＳｉＣ及びＳｉｌｉｃａ、ＧａＡｓ及びＡｌＡｓ、ＩＴＯ、又はａ−Ｓｉ及びａ−Ｓｉのレイヤを含んでいてもよい。レイヤの厚さは、好ましくは、１ｍｍ未満、０．５ｍｍ未満、特に０．２ｍｍ未満であってもよい。さらなる詳細は、当業者には既知であろうし、例えば、Ｈａｎｄｂｏｏｋ ｏｆ Ｏｐｔｉｃｓ ＩＶ， Ｂａｓｓ， Ｌｉ ａｎｄ Ｓｔｒｙｌａｎｄ ｅｄ．， ＭｃＧｒａｗ−Ｈｉｌｌ， ３ｒｄ ｅｄｉｔｉｏｎ， ２００９などの好適な文献から得られる。

好ましい実施形態では、分散ブラッグ反射器は、基底電子状態（Ｘ^３Σ_ｇ ⁻）から電子励起状態（ａ^１Δ_ｇ，ｂ^１Σ_ｇ ^＋）への酸素分子の電子遷移に対応する放射に対して反射的であってもよい。分散ブラッグ反射器は適宜、レーザーまたはＬＥＤからの放射、好ましくは、基底電子状態（Ｘ^３Σ_ｇ ⁻）から電子励起状態（ａ^１Δ_ｇ，ｂ^１Σ_ｇ ^＋）への酸素分子の電子遷移に対応する放射線に適応しても良い。基底電子状態（Ｘ^３Σ_ｇ ⁻）から電子励起状態（ａ^１Δ_ｇ，ｂ^１Σ_ｇ ^＋）への酸素分子の電子遷移に対応する放射の例では、ＤＢＲの好ましい反射波長は、±１０ｎｍの波長変位内の中心波長として、３４３．４ｎｍ、３６０．５ｎｍ、３８０．２ｎｍ、４４６．７ｎｍ、４７７．３ｎｍ、５３２．２ｎｍ、６３０．０ｎｍ、６８７．２ｎｍ、６８９．３ｎｍ、７６０．８ｎｍ、７６３．８ｎｍ、又は１０６５．２ｎｍである。ここで、「中心波長」との用語は、反射波長が、示した値の周りの範囲で変化してもよいことを意味する。ある実施形態では、範囲は±１０ｎｍの範囲であってもよく、３４３．４ｎｍの場合、３３３．４ｎｍと３５３．４ｎｍとの間の範囲である。具体的な実施形態では、波長は例えば約±８ｎｍ、±６ｎｍ、±５ｎｍ、±４ｎｍ、±３ｎｍ、±２ｎｍ、又は±１ｎｍなどの異なる範囲で変化してもよい。特に好ましくは、ＤＢＲの反射波長の範囲は、６８７．２ｎｍ±１０ｎｍ、６８９．３ｎｍ±１０ｎｍ、７６０．８ｎｍ±１０ｎｍ、７６３．８ｎｍ±１０ｎｍである。さらに好ましいのは７６０．８ｎｍ±１０ｎｍの波長範囲の反射である。６８７．２ｎｍ、６８９．３ｎｍ、７６０．８ｎｍ、及び７６３．８ｎｍの周りのより狭い範囲、例えば、約±８ｎｍ、±６ｎｍ、±５ｎｍ、±４ｎｍ、±３ｎｍ、±２ｎｍ、又は±１ｎｍの範囲をさらに想定している。

具体的実施形態では、２以上の異なる物質のＤＢＲは、１つの光キャビティ管に組み合わせてもよい。さらに別の実施形態では、異なるセクターまたは部分に、例えば、球形光キャビティ管の異なる半球に、異なる中心波長のＤＢＲを設けても良い。例えば、一以上の好適な光検出器、例えば２以上の波長を検出できる１つの検出器、又は異なる複数の波長を検出できる２以上の検出器と組み合わせて、かかるＤＢＲを用いても良い。光検出器で検出され、異なるＤＢＲで反射される波長は、さらに互いに適応されてもよい。

ここで「光源」とは、任意の好適な光源であって、分光吸収測定に使える波長と強度で光を供給するものである。光源は光キャビティ管内に置かれ、光放射が前記光キャビティ管に放射されるようになっていてもよい。光放射は特定の方向または角度であっても良く、２以上の方向または２以上の角度の放射であってもよい。２以上の方向または２以上の角度での放射は、ジオメトリックに均一な強度の光で光キャビティ管を満たすことになってもよい。ある実施形態では、ここに定義したように、１つのデバイスに２以上の光源を設けても良い。すなわち、ここに定義したように、１つの光キャビティ管に２以上の光源が接続されてもよい。デバイス中に２以上の光源が設けられる場合、光源は同じ、又は好ましくは異なる波長の放射をしてもよい。異なる波長の放射をすることにより、異なる気体分子の吸収が同時に起こり得る。あるいは、濃度を測定する気体分子の基準または対象群（ｃｏｎｔｒｏｌ）測定のため、第２の又はそれ以上の光源の第２の又はそれ以上の波長を用いても良い。例えば、かかる第２の又はそれ以上の光源は、濃度を決定する気体分子の吸収放射ではない放射を放出しても良い。別の実施形態では、かかる第２の又はそれ以上の放射は、代替的に、単一の光源、例えば調整可能または異なる波長の放射をできる光源により供給されても良い。

ある実施形態では、光源はレーザー、例えば電磁放射の誘導放射に基づく光増幅プロセスにより光を放射するデバイスであってもよい。レーザーは、一般的に、干渉性の光を放射し、レーザビームは長距離にわたり細くできる。本発明との関連で使うレーザビームは、空間的干渉性が高く、例えば時間的または縦方向の干渉性が高い範囲にあり、すなわちビーム方向の干渉性が比較的大きく、キャビティの特徴的ジオメトリカルな長さより長くてもよい。レーザーは複数または単一波長レーザーであってもよい。好ましいのは単一波長レーザーである。レーザーはさらに、単一偏光または多偏光のレーザー放射光であってもよい。好ましいのは、単一偏光のレーザー放射光である。

別の実施形態では、レーザーは連続モードで作動されても、またはパルスモードで作動されてもよい。一般的に、レーザーは連続波、すなわちパワーが時間的に一定なビーム出力を発生してもよい。あるいは、一定の反復率である長さのパルスで光パワーを供給するパルスモードでレーザーが動作してもよい。

本発明に関連して用いられるレーザーは、約５ｍＷ以上、例えば１０ｍＷ、１００ｍＷ、５００ｍＷ、１Ｗまでのエネルギー出力であってもよい。

好適なレーザーの例としては、ヘリウム・ネオンレーザ、炭酸ガスレーザ、一酸化炭素レーザー、アルゴンイオンレーザ、ＴＥＡレーザーなどのガスレーザ、Ｃｕ蒸気レーザー、又はＣｕ−Ｂｒ蒸気レーザーなどの銅レーザー、Ｈｅ−Ａｇレーザー、Ｈｅ−Ｃｄレーザー、又はＮｅ−Ｃｕレーザーなどの金属イオンレーザがある。

さらに別の例として、エキシマレーザ、すなわちＸｅＦなどの２つの原子の励起二量体が寄与する化学反応によりエネルギー供給されるガスレーザがある。

好適なレーザーのさらに別の例には、フッ化水素レーザー、フッ化重水素レーザー、ヨウ化酸素レーザーなどの化学レーザーがある。

レーザーの好ましい例として、必要なエネルギー状態を提供するイオンをドーピングした結晶またはガラスロッドを用いる固体レーザーがある。このレーザーのクラスには、ルビーレーザ、すなわち、クロムドープのコランダムに基づく、イットリウム・オルトバナジウム酸（Ｎｄ：ＹＶＯ_４）レーザー、イットリウム・フッ化リチウム（Ｎｄ：ＹＬＦ）レーザー、及びイットリウム・アルミニウム・ガーネット（Ｎｄ：ＹＡＧ）レーザーが含まれる。さらに想定されるのは、Ｙｂ：ＹＡＧ、Ｙｂ：ＫＧＷ、Ｙｂ：ＫＹＷ、Ｙｂ：ＳＹＳ、Ｙｂ：ＢＯＹＳ、又はＹｂ：ＣａＦ_２などのイットリウムレーザ、又はホルミウムドープＹＡＧレーザー、Ｙｂ：ＹＡＧレーザーがある。特に好ましいのは、アイテニウムドープされたサファイアレーザである。

好適なレーザーのさらに別の例には、エルビウムまたはイッテルビウムファイバーレーザなど、光が単一モード光ファイバにおける全反射によりガイドされるファイバーレーザがある。

干渉性がありハイパワーであり広い範囲で調節できる放射を発生する自由電子レーザ（ＦＥＬ）も含まれる。

好ましい一実施形態では、レーザーは半導体レーザーのタイプであり、アクティブな媒体が、発光ダイオードと同様な半導体ダイオードのｐ−ｎ接合により形成される。一般的に、かかるレーザダイオードは結晶ウェハの表面上に薄いレイヤをドーピングすることにより形成される。結晶がドーピングされ、ｎ型領域とｐ型領域を互い違いに形成し、ｐ−ｎ接合またはダイオードを作ってもよい。好適なレーザダイオードの例としては、二重ヘテロ構造レーザー（例えば、ＧａＡｓやＡｌ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}Ａｓに基づくもの）、量子井戸レーザー（例えば、窒化ガリウム材料に基づくもの）、量子カスケードレーザ（例えば、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ材料、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ材料、ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＡｓＳｂ材料、又はＩｎＡｓ／ＡｌＳｂ材料を用いるレーザー）、分離閉じこめヘテロ構造レーザー、又は分散フィードバックレーザがある。さらに詳細な事項は、当業者には既知であり、Ｒｉｃｈａｒｄ Ｓ． Ｑｕｉｍｂｙ著「Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ ａｎｄ Ｌａｓｅｒｓ： Ａｎ Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ」（Ｊｏｈｎ Ｗｉｌｅｙ ＆ Ｓｏｎｓ， ２００６）、又はＬ．Ａ． Ｃｏｌｄｒｅｎ ａｎｄ Ｓ．Ｗ． Ｃｏｒｚｉｎｅ著「Ｄｉｏｄｅ Ｌａｓｅｒｓ ａｎｄ Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｃｉｒｃｕｉｔｓ」など好適な情報源から得られる。

好ましい一実施形態では、レーザーは、垂直キャビティ面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）である。このレーザタイプは、電流が流れる方向に沿った光キャビティ軸がある。アクティブ領域の長さは、横方向と比較して短く、放射はキャビティのエッジからではなく、その表面から放射される。ＶＣＳＥＬレーザーの共振部は、一般的に、ウェハ面に平行な２つの分散ブラッグ反射器（ＤＢＲ）ミラーを有し、アクティブ領域はその間でレーザー光が発生する一以上の量子井戸により構成されている。プレーナ型ＤＢＲミラーは、屈折率が交互に高低を繰り返すレイヤを有しても良い。各レイヤは材料中におけるレーザー波長の四分の一の厚さであってもよい。通常、ＶＣＳＥＬでは、利得領域の短い軸長とバランスするため、高反射率ミラーが必要である。上部及び下部ミラーはｐ型及びｎ型材料としてドーピングされて、ダイオード接合を形成していてもよい。あるいは、ｐ型とｎ型領域がミラー間に組み込まれていてもよいが、これにはアクティブ領域に電気的接点を形成するためのより複雑な半導体プロセスが必要となる。絶縁体ミラーは、一般的には、屈折率がｎ_１とｎ_２の交替レイヤｄ_１とｄ_２の厚さがｎ_１ｄ_１＋ｎ_２ｄ_２＝λ／２であり、インターフェースにおいて部分的に全反射された波の構造的干渉が生じる場合、必要な自由表面波長λにおいて高い波長選択的反射を提供する。ＶＣＳＥＬは異なる波長範囲を放射してもよい。例えば、放射される波長範囲は約６５０ｎｍから１３００ｎｍであってもよい。これらのＶＣＳＥＬは、一般的には、ＤＢＲがＧａＡｓ及びアルミニウム・ガリウム・ヒ素（Ａｌ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}Ａｓ［ｘ＝０−１］）から形成されたガリウム・ヒ素（ＧａＡｓ）に基づく。ＶＣＳＥＬは、例えば、より長い、１３００ｎｍから２０００ｎｍまでの波長を放射してもよい。これらのＶＣＳＥＬは、一般的には、リン化インジウム、またはシリカベースの光ファイバにより構成されている。

ＶＣＳＥＬは、一般的には、非常に効率的であり、動作するのに３乃至１０ｍＡしか必要としない。これらは、波長の１０乃至５０ｃｍ^−１にわたり調整でき、平行化されたビームと約０．５ｍＷの出力パワーとを有してもよい。ＶＣＳＥＬの調整可能性（ｔｅｎａｂｉｌｉｔｙ）のため、レーザーは異なる吸収ラインの選択に用いることができる。ＶＣＳＥＬは、さらに、単一光源での異なる吸収ラインの検出を可能にする。

別の一実施形態では、レーザーは垂直外部キャビティ面発光レーザ（ＶＥＣＳＥＬ）であってもよい。ＶＥＣＳＥＬも半導体レーザーであり、ＶＣＳＥＬと同様である。ＶＣＳＥＬでは、一般的に２つの光反射ミラーがレーザー構造に組み込まれ、光キャビティを形成すると比較して、ＶＥＣＳＥＬでは、２つのミラーのうち１つがダイオード構造の外にある。キャビティはそれゆえ自由空間領域を含む。ＶＥＣＳＥＬの外部ミラーにより、ダイオードの広いエリアが、単一モードで光を発生するのに使える。これにより一般的には他のレーザモデルで得られるよりも大きなパワーが得られる。

本発明の実施形態では、レーザーは、光をＵＶ Ａ放射またはＵＶ Ｂ放射として、可視光放射または赤外線放射として放射してもよい。放射される波長は、約３８０乃至３１５ｎｍの範囲（ＵＶ−Ａ放射）、約３１５乃至２８０ｎｍの範囲（ＵＶ−Ｂ放射）、約３８０乃至７８０ｎｍの範囲（可視光）、又は７８０ｎｍ乃至１ｍｍの範囲（赤外光）であってもよい。レーザダイオードは、好ましくは、サイズが小さく、本発明によるセットアップ中に実装されてもよい。

ある実施形態では、ここに説明するレーザダイオードは、温度安定化メカニズム（ＴＥＣ）を担うモジュールを付加的に有しても良い。これにより温度ドリフトを補償することができる。

好ましくは、ここに定義したレーザーは、例えば、中心波長が、３４３．４ｎｍ±１０ｎｍ、３６０．５ｎｍ±１０ｎｍ、３８０．２ｎｍ±１０ｎｍ、４４６．７ｎｍ±１０ｎｍ、４７７．３ｎｍ±１０ｎｍ、５３２．２ｎｍ±１０ｎｍ、６３０．０ｎｍ±１０ｎｍ、６８７．２ｎｍ±１０ｎｍ、６８９．３ｎｍ±１０ｎｍ、７６０．８ｎｍ±１０ｎｍ、７６３．８ｎｍ±１０ｎｍ、１０６５．２ｎｍ±１０ｎｍ内にある制限された波長範囲の光を放射する。

一実施形態では、ここに定義したＶＣＳＥＬは、３４３．４ｎｍ±１０ｎｍ、３６０．５ｎｍ±１０ｎｍ、３８０．２ｎｍ±１０ｎｍ、４４６．７ｎｍ±１０ｎｍ、４７７．３ｎｍ±１０ｎｍ、５３２．２ｎｍ±１０ｎｍ、６３０．０ｎｍ±１０ｎｍ、６８７．２ｎｍ±１０ｎｍ、６８９．３ｎｍ±１０ｎｍ、７６０．８ｎｍ±１０ｎｍ、７６３．８ｎｍ±１０ｎｍ、又は１０６５．２ｎｍ±１０ｎｍ内にある制限された波長範囲の光を放射できる。好ましい実施形態では、ここに定義したＶＣＳＥＬは、例えば中心波長が６８７．２ｎｍ±１０ｎｍ、６８９．３ｎｍ±１０ｎｍ、７６０．８ｎｍ±１０ｎｍ、７６３．８ｎｍ±１０ｎｍの範囲内にある、制限された波長範囲の光を放射できる。ＶＣＳＥＬによる光の放射は、より好ましくは、その中心波長が７６０．８ｎｍ±１０ｎｍ内の範囲にある、制限された波長範囲のものである。

さらに別の実施形態では、光源は発光ダイオードまたはＬＥＤであってもよい。ここで用いる「発光ダイオード」との用語は、半導体光源であって、デバイス中で電子がホールと再結合でき、光子の形式でエネルギーを解放するものである。それは、一般的には、ｐ−ｎ接合を生成する不純物がドーピングされた半導体材料のチップにより構成されている。ＬＥＤは、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａｓＰ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＧａＰ、ＩｎＧａＮ、ＧａＮ、ＺｎＳｅ、ＳｉＣ、ダイヤモンド、窒化ホウ素、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、またはＡｌＧａＩｎＮ、またはこれらの好適な組み合わせまたは混合物により構成されていてもよい。ＬＥＤは、例えば、約４６０乃至４９０ｎｍの範囲（青色ＬＥＤ）で、約４９０乃至５２０ｎｍの範囲（シアンＬＥＤ）で、約５２０乃至５５０ｎｍの範囲（緑色ＬＥＤ）で、約６１０乃至６２０ｎｍの範囲（赤橙色ＬＥＤ）、約６２０乃至６４５ｎｍの範囲（赤色ＬＥＤ）で、又は、約４００乃至７００ｎｍ（白色ＬＥＤ）で、異なる波長の光を放射してもよい。本発明に関連して用いられるＬＥＤは、さらに、約３８０乃至３１５ｎｍの範囲（ＵＶ−Ａ放射）で、約３１５乃至２８０ｎｍの範囲（ＵＶ−Ｂ放射）で、又は約７８０ｎｍ乃至１ｍｍの範囲（赤外光）で、光を放射してもよい。さらに詳細は、当業者には知られており、Ｅ． Ｆｒｅｄ Ｓｃｈｕｂｅｒｔ著「Ｌｉｇｈｔ−Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅｓ」（Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｐｒｅｓｓ， ２００６）などの好適な文献から得ることもできる。

好ましくは、ＬＥＤは、例えば、中心波長が、３４３．４ｎｍ±１０ｎｍ、３６０．５ｎｍ±１０ｎｍ、３８０．２ｎｍ±１０ｎｍ、４４６．７ｎｍ±１０ｎｍ、４７７．３ｎｍ±１０ｎｍ、５３２．２ｎｍ±１０ｎｍ、６３０．０ｎｍ±１０ｎｍ、６８７．２ｎｍ±１０ｎｍ、６８９．３ｎｍ±１０ｎｍ、７６０．８ｎｍ±１０ｎｍ、７６３．８ｎｍ±１０ｎｍ、または１０６５．２ｎｍ±１０ｎｍの範囲にある光を放射する。好ましい実施形態では、上で定義したＬＥＤは、中心波長が６８７．２ｎｍ±１０ｎｍ、６８９．３ｎｍ±１０ｎｍ、７６０．８ｎｍ±１０ｎｍ、７６３．８ｎｍ±１０ｎｍの波長範囲内にある光を放射できる。ＬＥＤによる光の放射は、より好ましくは、その中心波長が７６０．８ｎｍ±１０ｎｍ内の波長範囲にある。

好ましい実施形態では、ＬＥＤは０．１ｍＷから１０Ｗまでの、例えば、０．１ｍＷ、０．２ｍＷ、０．５ｍＷ、１ｍＷ、２ｍＷ、３ｍＷ、４ｍＷ、５ｍＷ、又は１０ｍＷのパワーの光を供給する。

本発明では、吸収分光デバイスが２以上の光源、例えば２以上のレーザーまたはＬＥＤ、またはレーザーとＬＥＤの組み合わせ（ｍｉｘｔｕｒｅ）を有することも想定している。かかる複数光源は、例えば、中心波長が、３４３．４ｎｍ±１０ｎｍ、３６０．５ｎｍ±１０ｎｍ、３８０．２ｎｍ±１０ｎｍ、４４６．７ｎｍ±１０ｎｍ、４７７．３ｎｍ±１０ｎｍ、５３２．２ｎｍ±１０ｎｍ、６３０．０ｎｍ±１０ｎｍ、６８７．２ｎｍ±１０ｎｍ、６８９．３ｎｍ±１０ｎｍ、７６０．８ｎｍ±１０ｎｍ、７６３．８ｎｍ±１０ｎｍ、または１０６５．２ｎｍ±１０ｎｍの波長範囲にある光の、異なる波長の光の放射に適応していてもよい。

上記の「光検出器」は、光を検出するデバイスを言う。光検出器は単一の検出器として設けられても良いし、１次元または２次元の光検出器の配列の形式で設けられても良い。光検出器は、広い範囲の光波長に対して、特定の狭い範囲の光波長に対して、又は約±１０ｎｍの変動内の確定された単一の波長に対して敏感であってもよい。ある実施形態では、光検出器は、他の波長範囲においては応答しないように適応されていてもよい。光検出器は、さらに、ある範囲の光パワーに適合していてもよい。例えば、最大検出パワーは、例えば、ダメージ問題により、または非線形応答により制限されることがあり、最小パワーはノイズにより決まり得る。光検出器は、さらに、約１０乃至７０ｄＢのダイナミックレンジ、すなわち最大及び最小検出可能パワーの比率を示しても良い。別の実施形態では、光検出器は高量子効率光検出器であってもよい。光検出器の検出帯域幅は、５Ｈｚ乃至数ｋＨｚの広い範囲にあってもよく、２００Ｈｚ、１００Ｈｚ、５０Ｈｚ、２０Ｈｚなどの狭い周波数範囲にあってもよい。さらなる詳細は、当業者には知られており、またはＬｊｕｂｉｓａ Ｒｉｓｔｉｃ著「Ｓｅｎｓｏｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ＆ Ｄｅｖｉｃｅｓ （Ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｌｉｂｒａｒｙ）」（Ａｒｔｅｃｈ Ｈｏｕｓｅ Ｉｎｃ．， １９９４）やＲｉｃｈａｒｄ Ｓ． Ｑｕｉｍｂｙ著「Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ ａｎｄ Ｌａｓｅｒｓ： Ａｎ Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ」（Ｊｏｈｎ Ｗｉｌｅｙ ＆ Ｓｏｎｓ， ２００６）などの好適な文献から求めることができる。

好適な光検出器の例としては、フォトダイオードがあり、これはｐ−ｎ接合またはｐ−ｉ−ｎ構造（ｉ＝固有の材料）を有する半導体デバイスであり、光が減少領域（ｄｅｐｌｅｔｉｏｎ ｒｅｇｉｏｎ）で吸収され、光電流を発生する。フォトダイオードは、高速かつ線形性が高くてもよく、小型であってもよく、量子効率が高くてもよく（すなわち、入射光子ごとにほぼ１つの電子を発生してもよく）、ダイナミックレンジが大きくてもよい。フォトダイオードは、好ましくは、好適な電子回路であってダイオード動作の制御を可能とするものと組み合わせて動作させてもよい。敏感なフォトダイオードの例には、アバランシェ・フォトダイオードがある。

さらに別の例には、一般的にｐ−ｎ接合ではなく２つのショットキーコンタクトを含む金属・半導体・金属（ＭＳＭ）光検出器がある。これらの光検出器の変形例は、一般的にはフォトダイオードよりも高速であり、帯域幅は数百ギガヘルツになる。

さらに別の例には、フォトトランジスタであって、フォトダイオードと構造的には似ているが、光電流の内部増幅を利用するものが含まれる。光検出器の他の例には、例えば硫化カドミウム（ＣｄＳ）などの半導体材料に基づき得る光抵抗がある。光抵抗はフォトダイオードより低速であり、その感度に及ばないかも知れない。光抵抗は強い非線形応答を示し得る。好適な光検出器のその他の例としては、真空管に基づく光増倍管がある。光倍増管は非常に高感度であり高速であり得る。別の例には、焦電気光検出器がある。これは、結晶上の吸収コーティングにおける光パルスの吸収により加熱された時に、非線形結晶（例えば、ＬｉＴａＯ_３）で発生した焦電気電圧パルスを利用するものである。これらの検出器は、具体的には、マイクロジュールパルスエネルギーの測定に用いられ得る。光検出器はさらに熱検出器であってもよい。この形式は、一般的には、光の吸収により生じる温度上昇を測定するものであり、ロバストであり、非常に強いレーザパワーの測定に用いることができる。

さらに別の実施形態では、２つ以上の光検出器を設けたり用いたりしてもよい。例えば、放射が２以上の波長で放射される場合、各波長または波長範囲について、光検出器を設けても良い。

本発明は、好ましくは、光源と光検出器が、レーザパッケージグループなどの１つの物理的エンティティ内に含まれることを想定している。かかるレーザパッケージグループ（ｌａｓｅｒ ｐａｃｋａｇｅ ｇｒｏｕｐ）は、有利にも、光キャビティ管中の異なる要素の量を低減し、特に、光キャビティ管の反射的でないセクターを低減する。それにより、反射効率及びそれにより検出効率が上昇し得る。上記のレーザパッケージグループは、例えば半導体プラットフォーム上に、特にシリコンベースプラットフォーム上に集積されたレーザー／光検出器デバイスの形式で提供されてもよい。好ましい実施形態では、レーザパッケージグループのサイズまたは寸法は、トランジスタアウトラインパッケージまたはＴＯハウジング（例えば、ＴＯヘッダとＴＯキャップを有する）中に収容できるものである。レーザパッケージはさらに、内部温度コントローラ（ＴＥＣ）及び／又はサーミスタなどの付加要素を含み得る。好適なパッケージは、例えば、ＵＬＭ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ社によりオファーされており、例えば、パラメータはｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｕｌｍ−ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ．ｃｏｍ／ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ／ｃｏｍ＿ｐｒｏｄｕｃｔｓ／ｄａｔａｓｈｅｅｔｓ／ＶＣＳＥＬ−ＵＬＭ７６０−ＳｉｎｇｌｅＭｏｄｅ．ｐｄｆから求められる。

本発明のさらに別の実施形態では、吸収分光デバイスは付加的な機能要素を有しても良い。例えば、圧力及び温度センサを有しても良い。吸収分光デバイスは、さらに温度を所定値に保つ加熱または冷却要素を備えていても良く、または、所定値による圧力を提供するための圧力制御要素を備えていても良い。光キャビティ管中の温度と圧力は、所定値に適宜設定され、その動作中はその値に保たれていても良い。温度及び／又は圧力の変化はセンサにより認識されてもよく、警報を発しても良く、及び／又は上記要素の再調整をして、温度と圧力を所定値に戻してもよい。さらに別の実施形態では、吸収分光デバイスは、光キャビティ管から気体分子を取り除ける気体真空ポンプまたは排気装置を有してもよい。さらに別の実施形態では、デバイスは真空センサを有しても良い。さらに別の実施形態では、デバイスは、光キャビティ管に、基底量の気体分子、例えば規定量の酸素を導入するように適応されたユニットを有しても良い。この規定量は、カートリッジなど、任意の好適な形式で提供されてもよい。

吸収分光デバイスのさらに別の実施形態では、光検出器により収集されたデータを制御、取得、及び処理する手段、またはその他のユニットを含み得る。データを制御、取得、及び処理する手段は電子的またはコンピュータ化されたモジュールであってもよく、これは光検出器に、任意的に、光源に、及び／又は注入／排出要素、及び／又は温度または圧力センサ、及び／又は加熱／冷却要素、及び／又は圧力調整要素に動作可能にリンクしていてもよい。さらにまた、本デバイスは、光源、例えば、ＬＥＤまたはレーザーの動作に好適な制御要素を含み得る。この制御要素は、データ収集モジュール及び／又はここに定義されたその他の任意のモジュールにリンクされていてもよい。制御要素は、デジタル信号処理要素に基づき、対応する好適なアルゴリズム及び機能を実装してもよい。動作信号及び／又はデータは、好適なデータ転送方法、例えばデータケーブル又はＷＬＡＮ接続を介してデバイスに転送されてもよい。幾つかの実施形態では、本デバイスは医療または診断システム、例えば病院システムの一部として設けられても良い。本デバイスは、したがって、例えば、血圧、心拍数、脈拍などのパラメータを測定する医療用検出または診断デバイスに集積されてもよい。本デバイスは、さらに、呼吸システムまたはサブシステム、すなわち呼吸治療システムの一部として用いることもできる。例えば、本デバイスは、呼吸ＣＯ_２検出またはカプノグラフシステムへの拡張またはサブシステムとして用いることもできる。かかるシステムの一例は、ｒｅｓｐｉｒｏｎｉｃｓにより販売されているＣａｐｎｏｓｔａｔ５ ＣＯ_２測定システムまたはその変形であってもよい。

代替的実施形態では、本デバイスはコンシューマライフスタイルシステムの一部として提供され得る。例えば、本デバイスはエアコンディショナの一体化部分または付加モジュールとして提供されてもよい。本デバイスは、したがって、気体濃度、例えば酸素及び／又は窒素及び／又はＣＯ_２濃度をチェックするのに用いられ、及び／又はエアコンディショナの動作制御にリンクされ、例えば検出された気体濃度に特に検出された酸素濃度にかかわりなくエアコンディショニングの調整を可能としてもよい。

さらに別の実施形態では、本デバイスは空気清浄機の一部として提供され得る。本デバイスは、気体濃度、例えば酸素及び／又は窒素及び／又はＣＯ_２濃度をチェックするのに用いることができ、空気清浄機の動作制御にリンクされて、例えば気体濃度例えば酸素濃度が所定閾値を越えた時、または特定の気体が検出されたときに、空気清浄機を動作させてもよい。

さらに別の実施形態では、吸収分光デバイスは、気密環境またはハウジングに設けられても良い。好ましくは、ここで定義した光キャビティ管は、密閉されて設けられ、動作中に気体がキャビティ管から出入りできないようにしてもよい。本デバイスは、さらに、光キャビティ管に気密性があるか、すなわち気体、特に酸素の漏れがないか、検出する技術的手段を有してもよい。

本発明によるデバイスが適応される吸収測定は、ここに規定した光源及び光検出器の利用を含む。この測定は、Ｌａｍｂｅｒｔ−Ｂｅｅｒの法則の実装、すなわち視線法に基づいても良い。この場合、吸収（入射光強度に対する光強度変化の比率）は光経路に沿った空間積分である。一般的に、測定量は、送った光強度に対する入射光強度の比率であり、それゆえ、レーザー強度の変動の測定からは独立となる。測定光強度（Ｉｃａｖｉｔｙ）は次の原理にしたがう：

ここでσは所定波長における気体分子の吸収断面積であり、ｎは気体分子の濃度であり、Ｌは光キャビティ管の有効ジオメトリック長さであり、これは円形の場合、ベッセルの直径とほぼ同じであり、ηはベッセルの内壁の反射レイヤの反射率（０＜η＜１）である。しかし、単一経路吸収（その測定レーザー強度は次の原理に従う：

）と対照的に、本発明による本デバイスにより、より高い吸収率が実現でき、気体分子濃度の検出限界を下げることができる。

測定が例えば、２つの区別できる光源に基づき、または２つの区別できる波長を放射できる調整可能光源に基づき、２つの区別できる波長、すなわち吸収波長と対照波長（ｃｏｎｔｒｏｌ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ）で行われる場合、対照波長の測定は以下に示す式に基づいても良い。特に、対照として用いる非吸収波長の測定レーザー強度は次式：

で決定してもよい。

これらの強度変化を比較することにより、すなわち、Ｉ_{（ｃａｖｉｔｙ）}（１）とＩ_{（ｃａｖｉｔｙ）}（２）とを比較することにより、濃度ｎを決定できる。

測定される気体は、ここに定義した光源により発生される波長範囲における光吸収を示す任意の気体であってもよい。測定される気体は、周囲温度（例えば、５ないし３０°Ｃ）の気体状物質であってもよく、加熱や蒸発したときに気体になる物質であってもよい。好ましい実施形態では、気体状物質は、周囲雰囲気中に見つかる気体状分子、例えばＯ_２、Ｎ_２、ＣＨ_４、ＣＯ_２、ＣＯ、ＮＯを含み得る。測定される気体状物質に関するさらに詳細、例えば、測定が行われるべき具体的な測定条件及び波長は、例えば、Ｊｏｈｎ Ｈ． Ｓｅｉｎｆｅｌｄ ａｎｄ Ｓｐｙｒｏｓ Ｎ． Ｐａｎｄｉｓ著「Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ ａｎｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ： Ｆｒｏｍ Ａｉｒ Ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ ｔｏ Ｃｌｉｍａｔｅ Ｃｈａｎｇｅ」（Ｊｏｈｎ Ｗｉｌｅｙ ＆ Ｓｏｎｓ， ２００６）などの好適な文献から得られる。

図１は、本発明による吸収分光デバイスを示す模式図である。吸収分光デバイスは光キャビティ管１を有する。吸収分光デバイスはさらに反射レイヤ２によりコーティングされた内壁を有する。また、吸収分光デバイスは、ＶＣＳＥＬレーザー３の形式の光源を備えている。この光源は、例えばパッケージ形態で、光検出器を有していてもよい。ＶＣＳＥＬレーザー３は放射線４を放射でき、これはキャビティ管（２）の内壁の反射レイヤにより複数回反射され、最終的に光検出器により検出されてもよい。この原理をキャビティ管（１）中の気体の測定に用いることができる。

さらに別の態様では、本発明は、気体の濃度を分光学的に測定する方法に関し、該方法は、
（ａ） 前記気体を含む光キャビティ管を通り抜ける光放射を放射するステップであって、前記光放射は前記キャビティ管の内壁により少なくとも部分的に反射されるステップと、
（ｂ） 放射された光の少なくとも一部を光検出器で検出するステップと、
（ｃ） 前記検出された光を、ステップ（ａ）と（ｂ）とにより行われる参照測定と比較することにより、エアウェイの（ｏｎ−ａｉｒｗａｙ）前記気体の放射吸収を決定する。

この方法において、使用される光キャビティ管は、好ましくは上記に定義した光キャビティ管である。光キャビティ管の内壁は、例えばここに定義したような、光反射レイヤ、例えば分散Ｂｒａｇｇ反射器または光る金属コーティングで少なくとも部分的にコーティングされていてもよい。

さらに、検出は好ましくは、ここに定義したような光検出器で行われる。光放射は、ＬＥＤまたはレーザーにより、好ましくはレーザーにより、より好ましくは例えばここに定義したようなＶＣＳＥＬにより行われてもよい。

放射吸収の決定は、原理的に、Ｌａｍｂｅｒｔ−Ｂｅｅｒ法則に従う、光源から放射され、光検出器により検出される光の、気体により満たされた光キャビティ管における吸収を、好適な制御条件下で光源により放射され前記光検出器により検出された前記光キャビティ管における光の吸収と比較することにより行われる。

かかる好適な制御条件は、例えば、気体の検出に用いられる同じ光キャビティ管での参照測定であり得る。光キャビティ管は、例えば、測定される気体無しに、特に酸素無しに、提供されてもよい。具体的な実施形態では、キャビティ管は真空で、すなわち気体無しで提供されてもよい。これらの条件下の放射吸収の決定は、気体分子がある将来の測定のために参照吸収として登録及び好適に保存され得る。かかるステップで測定される背景またはノイズ吸収は、好ましくは、光キャビティ管内に気体がある条件下で、例えば酸素がある条件下で、測定された放射吸収から引かれてもよい。

さらに別の実施形態では、対照測定（ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ）は本方法の校正に用いても良い。この目的のため、光キャビティ管は規定量の気体で満たされてもよい。その後、放射吸収は、任意量の気体状物質との、その後の測定のための参照吸収として決定され、登録され、好適に保存されてもよい。測定された吸収は、好ましくは、真空で決定された上記の背景またはノイズ吸収により補正され、すなわち背景またはノイズ吸収度は規定量の気体があるときの測定された吸収とから差し引かれてもよい。この校正ステップは、ある実施形態では、本方法の精度を向上し、測定誤差を最小化するために、１、２、３、４、５、６通りまたはそれ以上の量の気体、例えば酸素で実行されてもよい。

真空での及び／又は規定量の気体存在下での参照測定は、同じ光キャビティ管のその後の測定のために記憶されてもよい。これらの値は、例えば、ここに定義したように、デバイスのデータ収集または動作モジュールにある電子的に保存されたデータのセットの形式で、光キャビティ管とともに提供されてもよいし、外部データベースなどとのデバイスの接続を介して提供されてもよい。

本発明のさらに別の実施形態では、制御は２つの異なる波長測定を比較することにより行われても良い。ある測定は、濃度を決定する分子による吸収がない波長で行われても良く、他の測定は前記分子で行われてもよい。対照（ｃｏｎｔｒｏｌ）として、検出波長と非常に近い波長を用いた場合、その対照吸収は、式（３）により決定される値の、式（２）で決定される値との比較により、決定されてもよい。

本発明による方法の好ましい実施形態では、本発明による方法に用いる光放射は、波長が約６８７．２ｎｍ、６８９．３ｎｍ、７６０．８ｎｍ、又は７６３．８ｎｍであり、波長の変異が±１０ｎｍである発光ダイオードまたはレーザーからの放射である。特に好ましい実施形態では、光放射は、制約された波長範囲が６８７．２ｎｍ±１０ｎｍ、６８９．３ｎｍ±１０ｎｍ、７６０．８ｎｍ±１０ｎｍ、７６３．８ｎｍ±１０ｎｍであるレーザー放射である。制約された波長範囲が７６０．８ｎｍ±１０ｎｍのＶＣＳＥＬによる光の放射が、より好ましい。

本発明の特に好ましい実施形態では、本方法は、ここに説明したデバイスにより実行される。

以下の数値は例示を目的として提供するものである。言うまでもなく、数値は限定であると解釈してはならない。本技術分野の当業者には、ここに開示した原理のさらに別の変形をすることができるだろう。

Claims (12)

1. 吸収分光デバイスであって、
   内壁が少なくとも部分的に光反射的である光キャビティ管であって、前記内壁が光反射レイヤで少なくとも部分的にコーティングされ、前記光キャビティ管は作動中に気体が前記光キャビティ管を出入りできないように密閉された気密管である光キャビティ管と、
   光検出器と、
   光源とを有し、
   前記光源は前記光キャビティ管を通り抜ける光放射を放射でき、前記光キャビティ管は放射された光放射を反射でき、前記光検出器は放射された光の少なくとも一部を検出でき、
   前記光反射レイヤは分散ブラッグ反射器である、
   吸収分光デバイス。
2. 前記光源は発光ダイオードまたはレーザーのうち少なくとも１つである、
   請求項１に記載の吸収分光デバイス。
3. 前記分散ブラッグ反射器は、ＳｉＣ及びＭｇＯ、ＳｉＣ及びＳｉｌｉｃａ、ＧａＡｓ及びＡｌＡｓ、ＩＴＯ、又はａ−Ｓｉ及びａ−Ｓｉのレイヤを含む、
   請求項１に記載の吸収分光デバイス。
4. 前記分散ブラッグ反射器は、基底電子状態（Ｘ^３Σ_ｇ ⁻）から電子励起状態（ａ^１Δ_ｇ，ｂ^１Σ_ｇ ^＋）への酸素分子の電子遷移に対応する放射に対して反射的であり、前記放射の波長は、±１０ｎｍの波長変位内の中心波長として、３４３．４ｎｍ、３６０．５ｎｍ、３８０．２ｎｍ、４４６．７ｎｍ、４７７．３ｎｍ、５３２．２ｎｍ、６３０．０ｎｍ、６８７．２ｎｍ、６８９．３ｎｍ、又は１０６５．２ｎｍである、
   請求項１に記載の吸収分光デバイス。
5. 前記光源はＵＶ−Ａ放射、ＵＶ−Ｂ放射、可視光放射、または赤外放射の発光ダイオードまたはレーザダイオードである、請求項１に記載の吸収分光デバイス。
6. 前記光源は垂直キャビティ面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）ダイオードである、
   請求項１に記載の吸収分光デバイス。
7. 前記ＶＣＳＥＬダイオードは、±１０ｎｍの波長変動内で約６８７．２ｎｍ、６８９．３ｎｍの波長のレーザー放射をする、
   請求項６に記載の吸収分光デバイス。
8. 前記ＶＣＳＥＬダイオードはレーザパッケージの一部であり、前記レーザパッケージは前記ＶＣＳＥＬダイオードと共に集積素子としてフォトダイオードをさらに含む、請求項６に記載の吸収分光デバイス。
9. 前記吸収分光デバイスはＯ_２を測定するように適応されている、
   請求項１に記載の吸収分光デバイス。
10. Ｏ_２の濃度を分光測定する方法であって、
    前記気体を含む光キャビティ管を通り抜ける光放射を放射することであって、前記光放射は前記光キャビティ管の内壁により少なくとも部分的に反射されることと、
    放射された光の少なくとも一部を光検出器で検出することと、
    （ｉ）規定量の前記気体で及び（ｉｉ）前記気体なしで、放射すること及び検出することにより実行された参照測定との、検出された光の比較により、気道上の前記気体の放射吸収を決定することと、を有し、
    前記方法は請求項１に記載の吸収分光デバイスで実施される、
    方法。
11. 前記光放射は、波長が約６８７．２ｎｍまたは６８９．３ｎｍであり、波長の変異が±１０ｎｍ以内である発光ダイオードまたはレーザーからの放射である、請求項１０に記載の方法。
12. 前記参照測定は、実行されたデバイスにリンクされ、任意的にさらに別の放射すること及び検出することによる気体濃度測定のために記憶される、
    請求項１０に記載の方法。

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