WO2023095326A1 - ガス分析計および多重反射セル - Google Patents

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WO2023095326A1
WO2023095326A1 PCT/JP2021/043609 JP2021043609W WO2023095326A1 WO 2023095326 A1 WO2023095326 A1 WO 2023095326A1 JP 2021043609 W JP2021043609 W JP 2021043609W WO 2023095326 A1 WO2023095326 A1 WO 2023095326A1
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WO
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mirror
light
window
central
fiber
Prior art date
Application number
PCT/JP2021/043609
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English (en)
French (fr)
Inventor
直希 武田
亮一 東
波 李
正敬 大登
Original Assignee
富士電機株式会社
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Filing date
Publication date
Application filed by 富士電機株式会社 filed Critical 富士電機株式会社
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Priority to JP2023563474A priority patent/JP7485237B2/ja
Priority to PCT/JP2021/043609 priority patent/WO2023095326A1/ja
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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/01—Arrangements or apparatus for facilitating the optical investigation
    • G01N21/03—Cuvette constructions

Definitions

  • the present invention relates to gas analyzers and multi-reflection cells.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-49793 Patent Document 2 Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-374106
  • the gas analyzer it is preferable to miniaturize the multi-reflection cell.
  • a gas analyzer may comprise an entrance window. Light may enter the entrance window.
  • a gas analyzer may comprise a central mirror.
  • a gas analyzer may comprise more than one reflecting mirror.
  • a reflective mirror may be placed opposite the central mirror.
  • the gas analyzer may be equipped with folding mirrors. The folding mirror may be positioned opposite the entrance window with respect to the central mirror.
  • a gas analyzer may comprise an exit window. The exit window may be located on the same side of the central mirror as the entrance window. The folding mirror may fold light incident on the entrance window back to the exit window.
  • the entrance window and the exit window may be a common member.
  • the folding mirror may be provided in a range separated from the reflecting mirror by 85% or more and 115% or less of the radius of curvature of the reflecting mirror.
  • the folding mirror may be arranged farther from the reflecting mirror than the central mirror.
  • the length of the mirror surface of the folding mirror on the side opposite to the entrance window may be greater than the length of the mirror surface of the folding mirror on the side of the entrance window from the reference line.
  • the folding mirror may be a concave mirror.
  • the radius of curvature of the folding mirror may be the same as the radius of curvature of the reflecting mirror or central mirror.
  • the radius of curvature of the folding mirror may be different than the radius of curvature of the reflecting mirror or the central mirror.
  • the reflective properties of the folding mirrors may differ from those of the reflective mirrors or the central mirror.
  • the gas analyzer may be equipped with an optical filter.
  • An optical filter may be placed between the fold mirror and the reflective mirror to modify the reflective properties of the fold mirror.
  • the reflective properties of the reflective mirrors may differ from the reflective properties of the central mirror.
  • the gas analyzer may be equipped with a fiber.
  • the fiber may inject light into the entrance window.
  • the entrance window may be placed at an angle to the light emitted by the fiber.
  • the entrance window may be arranged to have an angle of 70° or more and 75° or less with respect to the light emitted by the fiber.
  • the fiber may have an exit surface for emitting light and a light receiving surface for receiving light.
  • a fiber may have multiple paths through which light passes.
  • the fiber may control the number of paths through which the light emitted from the fiber passes and the number of paths through which the light incident on the fiber passes, among the plurality of paths, according to the concentration of the component to be measured.
  • the distance between the exit surface of the fiber and the reflecting mirror may be shifted by a predetermined defocus distance with respect to the radius of curvature of the reflecting mirror.
  • the defocus distance may be less than or equal to the width of the receiving surface of the fiber.
  • a second aspect of the present invention provides a multi-reflection cell that multi-reflects and emits incident light.
  • a multi-reflection cell may have an entrance window. Light may enter the entrance window.
  • a multi-reflection cell may have a central mirror.
  • a multi-reflection cell may have more than one reflective mirror.
  • a reflective mirror may be placed opposite the central mirror.
  • the multi-reflection cell may have folding mirrors. The folding mirror may be positioned opposite the entrance window with respect to the central mirror.
  • a multi-reflection cell may have an exit window. The exit window may be located on the same side of the central mirror as the entrance window. The folding mirror may fold light incident on the entrance window back to the exit window.
  • FIG. 3 is a diagram showing an example of a gas analyzer 100 according to a comparative example
  • FIG. 4 is a diagram showing an example of a multiple reflection cell 13 according to a comparative example
  • FIG. 5 is a diagram for explaining an optical relational expression established in a multiple reflection cell 13 according to a comparative example
  • 1 is a diagram showing an example of a gas analyzer 200 according to an embodiment
  • FIG. FIG. 4 is a diagram showing an example of a multi-reflection cell 113 according to an embodiment
  • 4 is a diagram showing the positional relationship between a fiber 52 and a reflecting mirror 47
  • FIG. 8 is a diagram showing an example of arrangement of a light receiving surface 85 and an exit surface 86 in the first portion 54;
  • FIG. 4 is a diagram explaining the fiber 52 in detail;
  • FIG. 10 is a diagram showing an example of arrangement of a light receiving surface 87 in the second portion 56;
  • FIG. 10 is a diagram showing an example of the arrangement of the output surface 88 in the third portion 58;
  • 4 is a diagram showing the positional relationship between a fiber 52 and a window 49;
  • FIG. 4 is a diagram showing a positional relationship between a folding mirror 42 and a reflecting mirror 48;
  • FIG. FIG. 4 is a diagram showing another example of the multi-reflection cell 113 according to the embodiment;
  • 4 is a diagram showing an example of reflection characteristics of a folding mirror 42;
  • FIG. FIG. 4 is a diagram showing another example of the multi-reflection cell 113 according to the embodiment;
  • FIG. 10 is a diagram showing another example of reflection characteristics of a folding mirror 42;
  • 1 is a diagram showing an example of a gas analyzer 300 according to an embodiment;
  • the Cartesian coordinate axes only specify the relative positions of the components and do not limit any particular orientation.
  • the Z axis does not limit the height direction with respect to the ground.
  • the +Z-axis direction and the ⁇ Z-axis direction are directions opposite to each other.
  • the Z-axis direction is described without indicating positive or negative, it means a direction parallel to the +Z-axis and -Z-axis.
  • FIG. 1 is a diagram showing an example of a gas analyzer 100 according to a comparative example.
  • the gas analyzer 100 includes a flue 10, a gas suction pipe 11, a gas discharge pipe 12, a multi-reflection cell 13, a gas filter 14, a preheater 15, a preheat temperature controller 16, a pump 17, a heater 18, and a cell temperature controller 19. , a light source unit 20 , a spectroscope 22 , a detection element 26 , an arithmetic device 27 and a communication line 51 .
  • the gas analyzer 100 measures the concentration of the measurement target component contained in the sample gas 30 .
  • the gas analyzer 100 measures the concentration of the component to be measured by differential absorption spectroscopy (DOAS), which can eliminate fluctuations in the light source unit 20 .
  • DOAS differential absorption spectroscopy
  • the sample gas 30 is a gas sample containing the component to be measured.
  • sample gas 30 is exhaust gas flowing in flue 10 .
  • the component to be measured is an object to be measured by the gas analyzer 100, such as NO and NO2 .
  • the component to be measured may be SO2 , SO3, SOx , NO3 , NH3 or NOx .
  • the flue 10 connects with the gas intake pipe 11 and the gas discharge pipe 12 .
  • the multi-reflection cell 13 is connected to the gas intake pipe 11 and the gas exhaust pipe 12 .
  • a gas inlet tube 11 introduces a sample gas 30 from the flue 10 into the multi-reflection cell 13 .
  • the gas exhaust pipe 12 After measuring the concentration of the sample gas 30 in the multi-reflection cell 13 , the gas exhaust pipe 12 exhausts the sample gas 30 from the multi-reflection cell 13 into the flue 10 .
  • the gas suction pipe 11 may be connected to a gas filter 14 that removes dust in the sample gas 30.
  • the gas inlet tube 11 may be connected to a preheater 15 that preheats the sample gas 30 .
  • the preheater 15 may have its temperature adjusted by a preheating temperature adjuster 16 .
  • Gas exhaust pipe 12 may be connected to pump 17 . By connecting the gas exhaust pipe 12 with a pump 17, it is possible to introduce the sample gas 30 into the multi-reflection cell 13 via the gas intake pipe 11 and to discharge the sample gas 30 from the multi-reflection cell 13 into the flue 10. can.
  • the light source unit 20 emits light 43.
  • the light source unit 20 emits light 43 including the absorption wavelength of the component to be measured.
  • the light source unit 20 is, for example, a flash lamp that can control the light emission time to be extremely short.
  • the light source unit 20 may be a Xe flash lamp. By using a Xe flash lamp as the light source unit 20, the light 43 can be stably emitted. It is preferable that the light source unit 20 of this example emit light at a constant light emission cycle.
  • the light 43 is light in the ultraviolet region (wavelength range: 200 nm to 400 nm).
  • the multi-reflection cell 13 seals the sample gas 30 .
  • the sample gas 30 may be introduced into the multi-reflection cell 13 through the gas suction pipe 11 .
  • the sample gas 30 may be discharged from the multi-reflection cell 13 through the gas discharge pipe 12 .
  • Light 43 incident on the multi-reflection cell 13 is repeatedly reflected inside the multi-reflection cell 13 and emitted outside the multi-reflection cell 13 .
  • the multiple reflection cell 13 multiple-reflects the incident light 43 and emits it. The details of the multiple reflection cell 13 will be described later.
  • a heater 18 may be provided in the multi-reflection cell 13 to keep the temperature of the sample gas 30 at a predetermined temperature.
  • Multi-reflection cell 13 may be in contact with heater 18 .
  • Heater 18 may be controlled by cell temperature controller 19 .
  • the spectroscope 22 disperses the light 43 with a wavelength within a predetermined range in ultraviolet rays.
  • the predetermined range is, for example, a wavelength range of 200 nm or more and 500 nm or less.
  • the wavelength range is not limited to these.
  • the spectroscope 22 causes the split light 43 to enter the detection element 26 .
  • the spectroscope 22 may split the light 43 into multiple wavelength bands. In this case, the detection element 26 can acquire the intensity of the light 43 for each wavelength band.
  • the detection element 26 acquires the radiation spectrum of the light 43 that has passed through the multi-reflection cell 13. Detector element 26 acquires the intensity of the radiation spectrum of light 43 for each wavelength.
  • the detection element 26 is, for example, a CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) line sensor.
  • a radiation spectrum of the light 43 acquired by the detection element 26 is transmitted to the arithmetic device 27 as a received light signal.
  • the computing device 27 processes the received light signal of the detection element 26 .
  • the computing device 27 measures the concentration of the measurement target component of the sample gas 30 based on the light reception signal of the detection element 26 .
  • the computing device 27 acquires the change in the intensity of the light 43 at the absorption wavelength of the component to be measured (that is, the change in the intensity of the light 43 passing through the multi-reflection cell 13 with respect to the intensity of the light 43 emitted from the light source unit 20). Thereby, the concentration of the component to be measured may be measured.
  • the computing device 27 is connected to the detecting element 26 via a communication line 51, but may be connected wirelessly.
  • FIG. 2 is a diagram showing an example of a multiple reflection cell 13 according to a comparative example.
  • Multi-reflection cell 13 has entrance window 44 , exit window 45 , central mirror 46 , reflective mirror 47 and reflective mirror 48 .
  • the longitudinal direction of the multiple reflection cell 13 is defined as the X-axis direction
  • the lateral direction of the multiple reflection cell 13 is defined as the Y-axis direction.
  • the entrance window 44 is a window that introduces the light 43 into the multi-reflection cell 13 .
  • the entrance window 44 may be made of glass or the like.
  • Entrance window 44 has an entrance surface 71 and an exit surface 72 .
  • the light source unit 20 emits the light 43 to the incident surface 71 of the incident window 44 .
  • the entrance window 44 emits the light 43 from the exit surface 72 of the entrance window 44 to the reflecting mirror 47 .
  • the exit window 45 is a window through which the light 43 is emitted from the multi-reflection cell 13.
  • the exit window 45 may be made of glass or the like.
  • Exit window 45 has an entrance surface 73 and an exit surface 74 .
  • Reflecting mirror 48 emits light 43 to incident surface 73 of exit window 45 .
  • the exit window 45 emits the light 43 to the spectroscope 22 from the exit surface 74 of the exit window 45 .
  • a mirror is provided in the multiple reflection cell 13 to multiple-reflect the light 43 .
  • a multi-reflection cell 13 may be provided with a plurality of mirrors.
  • the multi-reflection cell 13 has a central mirror 46 and a plurality of reflection mirrors (reflection mirror 47, reflection mirror 48).
  • the central mirror 46 is arranged to face the reflecting mirrors 47 and 48 . Being arranged to face each other may mean that the mirror surface 75 of the central mirror 46 is arranged to face the mirror surface of the reflecting mirror. A specular surface of a mirror is a surface on which light 43 is reflected. Being arranged to face each other may mean that at least part of the mirror surface 75 of the central mirror 46 and at least part of the mirror surface of the reflecting mirror face each other. Note that the central mirror 46 may have a mirror surface only on a part thereof, or may have a mirror surface on all surfaces. The central mirror 46 may be arranged so as not to face the entrance window 44 and the exit window 45 .
  • the mirror surface 75 of the central mirror 46 may be arranged so as not to face the exit surface of the entrance window 44 and the entrance surface of the exit window 45 .
  • the central mirror 46 may be arranged between the entrance window 44 and the exit window 45 in the Y-axis direction.
  • the central mirror 46, the entrance window 44 and the exit window 45 may be arranged side by side in the Y-axis direction.
  • the reflecting mirror 47 is arranged facing the central mirror 46 .
  • the specular surface 76 of the reflecting mirror 47 may be arranged to face the specular surface 75 of the central mirror 46 .
  • a reflecting mirror 47 is arranged to face the entrance window 44 .
  • a mirror surface 76 of the reflecting mirror 47 may be arranged to face the exit surface 72 of the entrance window 44 .
  • the reflecting mirror 47 may have a mirror surface only on some surfaces, or may have a mirror surface on all surfaces.
  • the reflecting mirror 47 may be provided on the positive side in the X-axis direction with respect to the central mirror 46 .
  • the reflective mirror 48 is arranged to face the central mirror 46 .
  • the specular surface 77 of the reflecting mirror 48 may be arranged opposite the specular surface 75 of the central mirror 46 .
  • Reflecting mirror 48 is arranged to face exit window 45 .
  • the mirror surface 77 of the reflecting mirror 48 may be arranged facing the entrance surface 73 of the exit window 45 .
  • the reflecting mirror 48 may have a mirror surface only on a part thereof, or may have a mirror surface on all surfaces.
  • the reflecting mirror 48 may be provided on the positive side in the X-axis direction with respect to the central mirror 46 .
  • the central mirror 46, the reflecting mirror 47 and the reflecting mirror 48 may each be concave mirrors. That is, central mirror 46, reflecting mirror 47 and reflecting mirror 48 each have a radius of curvature. Central mirror 46, reflecting mirror 47 and reflecting mirror 48 may have the same radius of curvature. The radius of curvature of the mirror may be the radius of curvature of the mirror surface. Since the central mirror 46, the reflecting mirror 47 and the reflecting mirror 48 have the same radius of curvature, the light 43 can be reflected multiple times. That is, the multi-reflection cell 13 may be a white cell. By using a white cell, it is possible to increase the optical path length and accurately measure the concentration even if the amount of the component to be measured is very small.
  • Reflecting mirror 47 images the image of entrance window 44 directly onto central mirror 46 .
  • the center mirror 46 forms the image of the entrance window 44 formed on the reflection mirror 47 onto the reflection mirror 48 .
  • the reflection mirror 48 causes the image of the entrance window 44 formed on the central mirror 46 to be imaged again on the central mirror 46 .
  • the central mirror 46 forms the image of the entrance window 44 formed on the reflecting mirror 48 onto the reflecting mirror 47 .
  • the reflection mirror 47 re-images the image of the entrance window 44 formed on the central mirror 46 on the central mirror 46 .
  • a similar procedure is repeated, and the reflection mirror 48 finally forms the image of the entrance window 44 formed on the central mirror 46 onto the exit window 45 .
  • the central mirror 46 is arranged such that the light 43 is reflected seven times. Also, in the example of FIG. 2, each of the reflecting mirrors 47 and 48 is arranged so that the light 43 is reflected four times. Examples of the number of reflections are not limited to these.
  • FIG. 3 is a diagram for explaining optical relational expressions established in the multiple reflection cell 13 according to the comparative example.
  • the dimensions of FIG. 3 do not necessarily match the dimensions of FIG.
  • the longitudinal direction of the multiple reflection cell 13 is defined as the X-axis direction
  • the lateral direction of the multiple reflection cell 13 is defined as the Y-axis direction.
  • R be the radius of curvature of the central mirror 46, the reflecting mirror 47 and the reflecting mirror 48.
  • a is the distance from the center of the concave mirror to the object point
  • b is the distance from the center of the concave mirror to the image point
  • R is the radius of curvature of the concave mirror
  • f is the focal length of the concave mirror.
  • the distance b from the center of the concave mirror to the image point will also be R from Equation 1, and the object will be positioned symmetrically to the object point with respect to the optical axis of the concave mirror.
  • the entrance window 44 is located at a distance equal to the radius of curvature R of the reflection mirror 47 from the mirror surface 76 of the reflection mirror 47 arranged opposite to it.
  • An image is formed on the mirror surface 75 of the central mirror 46 at a distance equal to the curvature radius R of the reflecting mirror 47 from 47 .
  • the distance between mirrors may be, for example, the distance between the centers of the mirror surfaces of the mirrors.
  • the image formed on the mirror surface 75 of the central mirror 46 is formed again by the reflecting mirror 48 at a position determined by the arrangement of the reflecting mirror 48 on the mirror surface 75 of the central mirror 46 .
  • a similar procedure is repeated to form a plurality of images of the entrance window 44 on the mirror surface 75 of the central mirror 46 .
  • the images of the plurality of entrance windows 44 formed on the mirror surface 75 of the central mirror 46 are arranged depending on the arrangement interval d between the center of curvature C31 of the reflecting mirror 47 and the center of curvature C32 of the reflecting mirror 48 . Also, the center of curvature of the central mirror 46 is assumed to be C23. The center of curvature of the reflecting mirror is the center of the circle of curvature of the reflecting mirror.
  • the number of passes of the light 43 may be, for example, the number of times the light 43 crosses the center line O of the multi-reflection cell 13 in the X-axis direction.
  • L be the required optical path length
  • h be the distance between the center of the central mirror 46 and the center of the entrance window 44 .
  • n/2-1 images of the entrance window 44 are arranged on the central mirror 46 with an arrangement interval of d.
  • the number of passes n should be set to a multiple of 4, and the exit window 45 should be arranged at a position symmetrical to the entrance window 44 with the central mirror 46 interposed therebetween.
  • the number of passes n since the number of passes n is set to 16, the light 43 emitted from the entrance window 44 repeats reflection 15 times and forms 7 images on the central mirror 46. . The light 43 is then emitted outside the multi-reflection cell 13 through the exit window 45 .
  • the advantage of the white cell is that it is possible to secure the required optical path length even with a small-sized, small-volume structure with little dead space. Therefore, by providing the white cell type multi-reflection cell 13, the concentration can be measured with high accuracy even if the amount of the component to be measured is very small.
  • the components to be measured are NO and NO2 , and the absorption of light in the ultraviolet region is smaller than the absorption of light in the infrared region (wavelength range: 5 ⁇ m to 8 ⁇ m), and low concentration measurement is required. , the required optical path length tends to be long.
  • the general optical path length is about 1 m, but when using light in the ultraviolet region, an optical path length of 2 to 5 m is required.
  • the sampling flow rate of the gas analyzer is 1-2 L per minute, and it takes 30 seconds to 1 minute to replace the gas sample.
  • the comparative example may take 60 seconds or more to respond to gas analysis. Therefore, it is preferable to miniaturize the multi-reflection cell 13 in order to shorten the response time.
  • FIG. 4 is a diagram showing an example of the gas analyzer 200 according to the embodiment.
  • a gas analyzer 200 includes a gas intake pipe 11 , a gas discharge pipe 12 , a light source section 20 , a spectroscope 22 , a detection element 26 , an arithmetic device 27 , a communication line 51 , a fiber 52 and a multi-reflection cell 113 .
  • description of the same reference numerals as in FIG. 1 is omitted.
  • connection of the gas suction pipe 11 and connection of the gas discharge pipe 12 are partially omitted.
  • the gas intake pipe 11 and the gas exhaust pipe 12 may be connected with the flue.
  • the gas analyzer 200 may also include heaters and cell temperature controllers.
  • the multi-reflection cell 113 seals the sample gas 30 .
  • the sample gas 30 may be introduced into the multi-reflection cell 113 via the gas suction pipe 11 . Also, after the analysis is completed, the sample gas 30 may be discharged from the multi-reflection cell 113 through the gas discharge pipe 12 .
  • the light 43 incident on the multiple reflection cell 113 is repeatedly reflected and emitted to the outside of the multiple reflection cell 113 . In this example, the light 43 incident on the multi-reflection cell 113 is emitted to the outside of the multi-reflection cell 113 through the same exit window as the entrance window.
  • the fiber 52 is means for branching light.
  • Fiber 52 has a receiving surface and an output surface.
  • Fiber 52 injects light 43-1 into the entrance window.
  • Light 43 - 1 emitted from the exit surface of fiber 52 enters the entrance window of multi-reflection cell 113 .
  • Light 43 - 2 emitted from the exit window of the multi-reflection cell 113 is received by the light receiving surface of the fiber 52 .
  • the received light 43 is split by the spectroscope 22 .
  • a beam splitter or the like may be arranged instead of the fiber 52 .
  • FIG. 5 is a diagram showing an example of the multiple reflection cell 113 according to the embodiment.
  • Multi-reflection cell 113 has fold mirror 42 , central mirror 46 , reflective mirror 47 and reflective mirror 48 and window 49 .
  • the longitudinal direction of the multiple reflection cell 113 is defined as the X-axis direction
  • the lateral direction of the multiple reflection cell 113 is defined as the Y-axis direction.
  • description of the same reference numerals as in FIGS. 2 and 3 is omitted.
  • the light 43 before reaching the reflecting mirror 42 is designated as light 43-1 and indicated by a thick dotted line.
  • the light 43 after reaching the reflecting mirror 42 is designated as light 43-2 and is indicated by a thick line.
  • the number of passes of the light 43-1 and the number of passes of the light 43-2 are four.
  • a window 49 is a window that introduces light 43 into the multi-reflection cell 113 .
  • the window 49 may be made of glass or the like.
  • Window 49 has faces 81 and 82 .
  • the light source unit 20 (fiber 52 ) emits light 43 - 1 to the surface 81 of the window 49 . That is, light enters the window 49 .
  • the window 49 emits the light 43 - 1 from the surface 82 of the window 49 to the reflecting mirror 47 .
  • a window 49 is a window through which the light 43 is emitted from the multi-reflection cell 113 .
  • Reflecting mirror 47 emits light 43 - 2 to surface 82 of window 49 .
  • the window 49 emits the light 43-2 from the surface 81 of the window 49 to the spectroscope 22 (fiber 52). That is, window 49 functions as an entrance window and an exit window.
  • the entrance window and the exit window are common members.
  • the exit window is located on the same side of the central mirror 46 as the entrance window.
  • the folding mirror 42 is arranged to face the reflecting mirror 48 .
  • the mirror surface 83 of the folding mirror 42 may be arranged to face the mirror surface 77 of the reflecting mirror 48 . Note that only a part of the reflecting mirror 42 may be mirror-finished, or all the surfaces may be mirror-finished.
  • the folding mirror 42 is arranged on the opposite side of the window 49 with respect to the central mirror 46 . In this example, the folding mirror 42 is arranged on the Y-axis negative side with respect to the central mirror 46 .
  • the folding mirror 42 folds the light 43-1 incident on the entrance window so as to return to the exit window.
  • the folding mirror 42 folds the light 43-1 incident on the window 49 back to the window 49 as the light 43-2.
  • the folding mirror 42 of this example folds the light 43-1 incident from the reflecting mirror 48 back to the reflecting mirror 48 as light 43-2.
  • the path through which the light 43-1 incident on the folding mirror 42 passes and the path through which the light 43-2 emitted from the folding mirror 42 passes may be the same.
  • the folding mirror 42 of this example emits the light 43-2 so that the light 43-2 travels in the opposite direction to the path through which the light 43-1 has passed.
  • Light 43 - 2 is reflected by reflecting mirror 48 , central mirror 46 and reflecting mirror 47 and reaches window 49 .
  • the number of passes of the light 43-1 is four, the number of passes of the light 43-2 is also four. Therefore, the light 43 is emitted from the window 49 in eight passes.
  • the folding mirror 42 is provided in a range separated from at least one reflecting mirror by 85% or more and 115% or less of the radius of curvature of the reflecting mirror.
  • the folding mirror 42 is provided in a range separated from the reflecting surface of the reflecting mirror 48 by a distance of 85% or more and 115% or less of the radius of curvature of the reflecting mirror 48 .
  • the distance between the centers of the mirror surfaces of the mirrors may be used as the distance between the mirrors.
  • the folding mirror 42 is arranged farther from the reflecting mirror 48 than the central mirror 46 is. That is, the distance between the folding mirror 42 and the reflecting mirror 48 is greater than the distance between the central mirror 46 and the reflecting mirror 48 .
  • the folding mirror 42 is provided in a range larger than 100% and 115% or less of the radius of curvature of the reflecting mirror 48 from the reflecting mirror 48 . Since the folding mirror 42 is arranged farther from the reflecting mirror 48 than the central mirror 46, the length is twice the difference between the distance between the folding mirror 42 and the reflecting mirror 48 and the distance between the central mirror 46 and the reflecting mirror 48.
  • the optical path length of the light 43 can be lengthened by only .
  • the folding mirror 42 may be a concave mirror. That is, the folding mirror 42 has a radius of curvature.
  • the radius of curvature of folding mirror 42 may be the same as the radius of curvature of central mirror 46 , reflecting mirror 47 or reflecting mirror 48 . Making the radius of curvature the same makes it easier to manufacture the multi-reflection cell 113 .
  • the term "same" as used herein may include an error of ⁇ 10% or less.
  • the radius of curvature of folding mirror 42 may differ from the radius of curvature of central mirror 46 , reflecting mirror 47 or reflecting mirror 48 . Different radii of curvature can be adjusted to efficiently return light 43 - 2 to reflecting mirror 48 .
  • FIG. 6 is a diagram showing the positional relationship between the fiber 52 and the reflecting mirror 47.
  • FIG. A portion where the light receiving surface 85 and the output surface 86 of the fiber 52 are provided is referred to as a first portion 54 .
  • the plane on which the light receiving surface 85 and the output surface 86 of the fiber 52 are provided is the YZ plane.
  • FIG. 7 is a diagram showing an example of arrangement of the light receiving surface 85 and the output surface 86 in the first portion 54. As shown in FIG. FIG. 7 shows the arrangement of the light receiving surface 85 and the emitting surface 86 when the first portion 54 of FIG. 6 is viewed from the positive side of the X axis.
  • the light receiving surface 85 of the fiber 52 is provided outside the output surface 86 .
  • a plurality of light receiving surfaces 85 of the fiber 52 are provided.
  • the output surface 86 of the fiber 52 may be provided outside the light receiving surface 85 .
  • a plurality of output surfaces 86 of the fiber 52 may be provided.
  • the light receiving range ⁇ may be the range in which the light receiving surface 85 of the fiber 52 is provided.
  • the light receiving range ⁇ may be the diameter of a circle circumscribing the plurality of light receiving surfaces 85 as shown in FIG.
  • the distance between the output surface 86 of the fiber 52 and the reflecting mirror 47 is shifted from the radius of curvature R of the reflecting mirror 47 by a predetermined defocus distance Df.
  • the distance between the exit surface 86 of the fiber 52 and the reflecting mirror 47 is a predetermined defocus distance Df with respect to the radius of curvature R of the reflecting mirror 47 . Since it is displaced by the predetermined defocus distance Df with respect to the radius of curvature R of the reflecting mirror 47, variations in light receiving efficiency can be reduced.
  • the defocus distance Df may be less than or equal to the light receiving range ⁇ of the fiber 52. By setting the defocus distance Df to be equal to or less than the light receiving range ⁇ of the fiber 52, it is possible to increase the light receiving efficiency while reducing variations in the light receiving efficiency.
  • the defocus distance Df may be half or more of the light receiving range ⁇ of the fiber 52 . Also, the defocus distance Df may be less than or equal to twice the light receiving range ⁇ of the fiber 52 .
  • the diameter of the irradiation range a can be expressed by Equation 5 below, where Df is the defocus distance, R is the radius of curvature of the reflecting mirror 47, and ⁇ is the effective diameter of the reflecting mirror 47.
  • the irradiation range a is preferably set to a range obtained by adding, to the light receiving range .phi. By setting the irradiation range a to such a range, stable measurement is possible without being affected by temperature. In summary, providing a defocus distance increases manufacturing tolerances, thereby facilitating manufacturing. In addition, since variations in temperature characteristics and light-receiving efficiency are also improved, it can be expected that temporal changes due to temperature characteristics and vibrations of the gas analyzer 200 will be alleviated, and stable measurement performance can be realized over a long period of time.
  • FIG. 8 is a diagram explaining the fiber 52 in detail.
  • Fiber 52 has first portion 54 , second portion 56 and third portion 58 .
  • Fiber 52 in this example has multiple paths through which light 43 travels.
  • the plane on which the light receiving surface 85 and the output surface 86 of the fiber 52 are provided is the YZ plane.
  • FIG. 9 is a diagram showing an example of the arrangement of the light receiving surface 87 in the second portion 56.
  • FIG. 9 shows the arrangement of the light receiving surface 87 when the second portion 56 of FIG. 8 is viewed from the X-axis negative side.
  • a light receiving surface 87 is provided on the second portion 56 .
  • the light emitting surface 86 of the first portion 54 and the light receiving surface 87 of the second portion 56 are connected to each other. Therefore, the light 43 emitted from the light source section 20 is received by the light receiving surface 87 of the second portion 56 and emitted to the multi-reflection cell 113 (window 49) by the emitting surface 86 .
  • the number of paths through which the light 43 emitted from the fiber 52 passes is one.
  • FIG. 10 is a diagram showing an example of the arrangement of the exit surface 88 in the third portion 58.
  • FIG. 10 shows the arrangement of the output surface 88 when the third portion 58 of FIG. 8 is viewed from the negative side of the X axis.
  • An output surface 88 is provided on the third portion 58 .
  • the light receiving surface 85 of the first portion 54 and the emission surface 88 of the third portion 58 are connected. Therefore, the light 43 emitted from the multi-reflection cell 113 (window 49) is received by the light receiving surface 85 of the first portion 54 and emitted to the spectroscope 22 by the exit surface 88.
  • the number of paths through which the light 43 emitted from the fiber 52 passes is one, and the number of paths through which the light 43 incident on the fiber 52 passes is six.
  • the number of paths through which light 43 enters fiber 52 may be controlled.
  • the number of paths through which the light 43 emitted from the fiber 52 passes and the number of paths through which the light 43 incident on the fiber 52 passes are controlled according to the concentration of the component to be measured. good.
  • the concentration of the component to be measured is low, the number of paths through which the light 43 emitted from the fiber 52 passes is set to one, and the number of paths through which the light 43 incident on the fiber 52 passes is set to six.
  • the number of paths through which the light 43 incident on the fiber 52 passes may be increased in order to increase the amount of light received by the fiber 52 .
  • the concentration of the component to be measured is high, the number of paths through which the light 43 emitted from the fiber 52 passes may be six, and the number of paths through which the light 43 incident on the fiber 52 passes may be one.
  • FIG. 11 is a diagram showing the positional relationship between the fiber 52 and the window 49.
  • FIG. 11 only the first portion 54 of the fiber 52 is shown.
  • the window 49 is arranged at an angle to the light 43-1 emitted by the fiber 52.
  • the fact that the window 49 is arranged at an angle to the light 43-1 emitted by the fiber 52 means that the angle ⁇ (90° below) is greater than 0° and less than 90°. That is, the window 49 is arranged at an angle to the light 43-1 emitted by the fiber 52 even if the surface 81 of the window 49 is parallel to the light 43-1 emitted by the fiber 52. It may not be vertical.
  • 49 is arranged at an angle with respect to the light 43-1 emitted by the fiber 52 means that the light 43-1 emitted by the fiber 52 forms an angle ⁇ (90 ° or less) is greater than 0° and less than 90°.
  • the window 49 is arranged at an angle to the light 43-1 emitted by the fiber 52, the emitted light 43-1 is aligned with the optical axis of the reflected light reflected by the surfaces 81 and 82.
  • the optical axis of the light (light 43-2) can be shifted. Therefore, it is possible to prevent the reflected light of the emitted light 43-1 from being reflected by the surfaces 81 and 82 from being mixed with the returning light.
  • the window 49 is arranged to have an angle ⁇ of 70° or more and 75° or less with respect to the light 43 emitted from the fiber 52 . If the angle .theta. is too small, the distance through the window 49 increases, so it is preferable that the angle .theta.
  • FIG. 12 is a diagram showing the positional relationship between the folding mirror 42 and the reflecting mirror 48.
  • the center of the mirror surface 83 of the folding mirror 42 is C41
  • the center of the mirror surface 77 of the reflecting mirror 48 is C42.
  • the distance L1 between the folding mirror 42 and the reflecting mirror 48 may be the distance between the center C41 of the mirror surface 83 of the folding mirror 42 and the center C42 of the mirror surface 77 of the reflecting mirror 48 . Therefore, the distance L1 between the folding mirror 42 and the reflection mirror 48 may be 85% or more and 115% or less of the radius of curvature of the reflection mirror 48 .
  • FIG. 13 is a diagram showing another example of the multiple reflection cell 113 according to the embodiment.
  • the multi-reflection cell 113 of FIG. 13 differs from the multi-reflection cell 113 of FIG. 5 in the configuration of the folding mirror 42 . Otherwise, the configuration of FIG. 13 may be the same as the multi-reflection cell 113 of FIG. Note that the light 43 is omitted in FIG.
  • the center line of the mirror surface 75 of the central mirror 46 is D1
  • the center point of the surface 82 of the window 49 is C43
  • a reference point C44 is a point obtained by symmetrically arranging the central point C43 with respect to the center line D1.
  • a line passing through the reference point C44 and parallel to the center line D1 is defined as a reference line D2.
  • the length L2 of the mirror surface 83 of the folding mirror 42 on the side opposite to the window 49 from the reference line D2 may be longer than the length L3 of the mirror surface 83 of the folding mirror 42 on the window 49 side from the reference line D2.
  • the length of the mirror surface 83 of the folding mirror 42 may be the length of the mirror surface 83 in the Y-axis direction.
  • the length of the mirror surface 83 of the folding mirror 42 may be the length along the mirror surface 83 .
  • the length L2 of the mirror surface 83 of the folding mirror 42 may be twice or more the length L3 of the mirror surface 83 of the folding mirror 42 .
  • FIG. 14 is a diagram showing an example of reflection characteristics of the folding mirror 42.
  • FIG. FIG. 14 shows the reflectance of the folding mirror 42 for each wavelength.
  • the reflectance of light in the ultraviolet region (wavelength range: 200 nm to 400 nm) in the folding mirror 42 is constant regardless of the wavelength.
  • the mirror surfaces of central mirror 46, reflecting mirror 47 and reflecting mirror 48 may similarly have the reflection properties of FIG.
  • FIG. 15 is a diagram showing another example of the multiple reflection cell 113 according to the embodiment.
  • the multi-reflection cell 113 in FIG. 15 differs from the multi-reflection cell 113 in FIG. 5 in that the optical filter 60 is provided. Otherwise, the configuration of FIG. 15 may be the same as the multi-reflection cell 113 of FIG. Note that the light 43 is omitted in FIG.
  • the optical filter 60 is arranged between the folding mirror 42 and the reflecting mirror 48 .
  • the optical filter 60 may be provided closer to the folding mirror 42 than the reflecting mirror 48 in the X-axis direction.
  • an optical filter 60 is provided on the mirror surface 83 of the folding mirror 42 .
  • the optical filter 60 changes the reflection characteristics of the folding mirror 42 .
  • the optical filter 60 is, for example, a dielectric multilayer film.
  • the reflection characteristics of the folding mirror 42 can be adjusted by forming a dielectric multilayer film on the folding mirror 42 .
  • the dielectric multilayer film may be partially provided on the mirror surface 83 of the folding mirror 42 .
  • FIG. 16 is a diagram showing another example of reflection characteristics of the folding mirror 42.
  • FIG. FIG. 16 shows the reflectance of the folding mirror 42 for each wavelength.
  • the reflection mirror 42 has a lower reflectance for the specific wavelength ⁇ 1 than the average reflectance in the predetermined wavelength range.
  • the reflection properties of the folding mirror 42 may differ from the reflection properties of the central mirror 46 , the reflection mirror 47 or the reflection mirror 48 .
  • folding mirror 42 has the reflective properties of FIG. 16, and central mirror 46, reflective mirror 47 and reflective mirror 48 have the reflective properties of FIG.
  • the folding mirror 42 reflects the light 43 less times than the central mirror 46 , the reflecting mirrors 47 and the reflecting mirrors 48 . Therefore, it is possible to easily adjust the reflectance of a specific wavelength.
  • the reflection characteristics of the reflection mirror 47 or the reflection mirror 48 may differ from the reflection characteristics of the central mirror 46 .
  • reflective mirror 47 and reflective mirror 48 have the reflective properties of FIG. 16, and central mirror 46 has the reflective properties of FIG. Reflecting mirror 47 and reflecting mirror 48 reflect less light 43 than central mirror 46 . Therefore, it is possible to easily adjust the reflectance of a specific wavelength.
  • FIG. 17 is a diagram showing an example of the gas analyzer 300 according to the embodiment.
  • Gas analyzer 300 of FIG. 17 differs from gas analyzer 200 of FIG. 4 in that it has collimating means 70 instead of fiber 52 .
  • Other configurations in FIG. 17 may be the same as those of the gas analyzer 200 in FIG.
  • the collimating means 70 may convert the light 43-1 from the light source section 20 into parallel light.
  • the parallel light converted by the collimating means 70 propagates through the multi-reflection cell 113 and converges on the collimating means 70 again.
  • the light 43 - 2 condensed on the collimating means 70 again is emitted to the spectroscope 22 .
  • the light 43-1 emitted from the light source unit 20 is diffused light. vignetting can be reduced.
  • the collimating means 70 is preferably a parabolic mirror with little effect on aberrations.
  • the collimating means 70 is not limited to a parabolic mirror.
  • the collimating means 70 may be a lens or the like.

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Abstract

サンプルガスに含まれる測定対象成分の濃度を測定するガス分析計であって、光が入射される入射窓と、中央ミラーと、中央ミラーと向かい合って配置された２つ以上の反射ミラーと、中央ミラーに対して、入射窓と逆側に配置された折り返しミラーと、中央ミラーに対して、入射窓と同じ側に配置された出射窓とを有し、折り返しミラーは、入射窓に入射された光を出射窓に戻るように折り返すガス分析計を提供する。

Description

ガス分析計および多重反射セル
　本発明は、ガス分析計および多重反射セルに関する。
　従来、試料セルとして多重反射セルを備えるガス分析計が知られている（例えば、特許文献１参照）。また紫外線（波長範囲：２００ｎｍ～４００ｎｍ）領域の光を用いたガス分析計が知られている（例えば、特許文献２参照）。
　特許文献１　特開平９－４９７９３号公報
　特許文献２　特開平１１－３７４１０６号公報
解決しようとする課題
　ガス分析計において、多重反射セルを小型化することが好ましい。
一般的開示
　上記課題を解決するために、本発明の第１の態様においては、サンプルガスに含まれる測定対象成分の濃度を測定するガス分析計を提供する。ガス分析計は、入射窓を備えてよい。入射窓は、光が入射されてよい。ガス分析計は、中央ミラーを備えてよい。ガス分析計は、２つ以上の反射ミラーを備えてよい。反射ミラーは、中央ミラーと向かい合って配置されてよい。ガス分析計は、折り返しミラーを備えてよい。折り返しミラーは、中央ミラーに対して、入射窓と逆側に配置されてよい。ガス分析計は、出射窓を備えてよい。出射窓は、中央ミラーに対して、入射窓と同じ側に配置されてよい。折り返しミラーは、入射窓に入射された光を出射窓に戻るように折り返してよい。
　入射窓と出射窓は、共通の部材であってよい。
　折り返しミラーは、反射ミラーから当該反射ミラーの曲率半径の８５％以上１１５％以下離れた範囲に設けられてよい。
　折り返しミラーは、中央ミラーより反射ミラーと離れて配置されていてよい。
　入射窓の出射面の中央点を中央ミラーの鏡面の中心線を基準として線対称に配置した点を基準点とし、中心線と平行で基準点を通る線を基準線とした場合、基準線より入射窓と逆側の折り返しミラーの鏡面の長さは、基準線より入射窓側の折り返しミラーの鏡面の長さより大きくてよい。
　折り返しミラーは、凹面鏡であってよい。
　折り返しミラーの曲率半径は、反射ミラーまたは中央ミラーの曲率半径と同じであってよい。折り返しミラーの曲率半径は、反射ミラーまたは中央ミラーの曲率半径と異なってよい。
　折り返しミラーの反射特性は、反射ミラーまたは中央ミラーの反射特性と異なってよい。
　ガス分析計は、光学フィルタを備えてよい。光学フィルタは、折り返しミラーと、反射ミラーの間に配置され、折り返しミラーの反射特性を変更してよい。
　反射ミラーの反射特性は、中央ミラーの反射特性と異なってよい。
　ガス分析計は、ファイバを備えてよい。ファイバは、入射窓に光を入射してよい。入射窓は、ファイバが出射した光に対して角度を有して配置されてよい。入射窓は、ファイバが出射した光に対して７０°以上７５°以下の角度を有するように配置されてよい。
　ファイバは、光を出射する出射面および光を受光する受光面を有してよい。
　ファイバは、光が通過する複数の経路を有してよい。ファイバは、測定対象成分の濃度に応じて、複数の経路のうち、ファイバから出射する光が通過する経路の本数と、ファイバに入射した光が通過する経路の本数とを制御してよい。
　ファイバの出射面と反射ミラーの距離は、反射ミラーの曲率半径に対して予め定められたデフォーカス距離ずれて配置されてよい。デフォーカス距離は、ファイバの受光面の幅以下であってよい。
　本発明の第２の態様においては、入射される光を多重反射して出射する多重反射セルを提供する。多重反射セルは、入射窓を有してよい。入射窓は、光が入射されてよい。多重反射セルは、中央ミラーを有してよい。多重反射セルは、２つ以上の反射ミラーを有してよい。反射ミラーは、中央ミラーと向かい合って配置されてよい。多重反射セルは、折り返しミラーを有してよい。折り返しミラーは、中央ミラーに対して、入射窓と逆側に配置されてよい。多重反射セルは、出射窓を有してよい。出射窓は、中央ミラーに対して、入射窓と同じ側に配置されてよい。折り返しミラーは、入射窓に入射された光を出射窓に戻るように折り返してよい。
　なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。
比較例に係るガス分析計１００の一例を示す図である。 比較例に係る多重反射セル１３の一例を示す図である。 比較例に係る多重反射セル１３において成立する光学関係式を説明する図である。 実施例に係るガス分析計２００の一例を示す図である。 実施例に係る多重反射セル１１３の一例を示す図である。 ファイバ５２と反射ミラー４７の位置関係を示す図である。 第１部分５４における受光面８５および出射面８６の配置の一例を示す図である。 ファイバ５２を詳細に説明する図である。 第２部分５６における受光面８７の配置の一例を示す図である。 第３部分５８における出射面８８の配置の一例を示す図である。 ファイバ５２と窓４９の位置関係を示す図である。 折り返しミラー４２と反射ミラー４８の位置関係を示す図である。 実施例に係る多重反射セル１１３の他の例を示す図である。 折り返しミラー４２の反射特性の一例を示す図である。 実施例に係る多重反射セル１１３の他の例を示す図である。 折り返しミラー４２の反射特性の他の例を示す図である。 実施例に係るガス分析計３００の一例を示す図である。
　以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
　本明細書では、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸の直交座標軸を用いて技術的事項を説明する場合がある。直交座標軸は、構成要素の相対位置を特定するに過ぎず、特定の方向を限定するものではない。例えば、Ｚ軸は地面に対する高さ方向を限定して示すものではない。なお、＋Ｚ軸方向と－Ｚ軸方向とは互いに逆向きの方向である。正負を記載せず、Ｚ軸方向と記載した場合、＋Ｚ軸および－Ｚ軸に平行な方向を意味する。
　図１は、比較例に係るガス分析計１００の一例を示す図である。ガス分析計１００は、煙道１０、ガス吸入管１１、ガス排出管１２、多重反射セル１３、ガスフィルタ１４、予熱器１５、予熱温度調節器１６、ポンプ１７、ヒータ１８、セル温度調節器１９、光源部２０、分光器２２、検出素子２６、演算装置２７および通信線５１を備える。ガス分析計１００は、サンプルガス３０に含まれる測定対象成分の濃度を測定する。本例において、ガス分析計１００は、光源部２０の変動を除去できる差分吸光光度法（ＤＯＡＳ）により、測定対象成分の濃度を測定する。差分吸光光度法を用いることにより、吸光スペクトルの細かな変動成分のみで測定対象成分の濃度を測定でき、安定した測定が可能である。
　サンプルガス３０は、測定対象成分が含まれるガス試料である。本例において、サンプルガス３０は、煙道１０中を流れる排気ガスである。測定対象成分は、ガス分析計１００の測定の対象であり、例えば、ＮＯ、ＮＯ２である。測定対象成分は、ＳＯ２、ＳＯ３、ＳＯＸ、ＮＯ３、ＮＨ３またはＮＯＸであってもよい。
　煙道１０は、ガス吸入管１１およびガス排出管１２と接続する。また、多重反射セル１３は、ガス吸入管１１およびガス排出管１２と接続する。ガス吸入管１１は、煙道１０からサンプルガス３０を多重反射セル１３に導入する。多重反射セル１３においてサンプルガス３０の濃度を測定した後、ガス排出管１２は、多重反射セル１３からサンプルガス３０を煙道１０に排出する。
　ガス吸入管１１は、サンプルガス３０中のダストを除去するガスフィルタ１４と接続してよい。ガス吸入管１１は、サンプルガス３０を予熱する予熱器１５と接続してよい。予熱器１５は、予熱温度調節器１６によって温度が調整されてよい。ガス排出管１２は、ポンプ１７と接続してよい。ガス排出管１２をポンプ１７と接続することによって、ガス吸入管１１を介して多重反射セル１３にサンプルガス３０を導入し、また多重反射セル１３からサンプルガス３０を煙道１０に排出することができる。
　光源部２０は、光４３を出射する。本例において、光源部２０は、測定対象成分の吸収波長を含む光４３を出射する。光源部２０は、一例として、発光時間を極短時間に制御できるフラッシュランプである。光源部２０は、Ｘｅフラッシュランプであってよい。光源部２０としてＸｅフラッシュランプを用いることで、安定して光４３を出射することができる。本例の光源部２０は、一定の発光周期で発光することが好ましい。本例において、光４３は、紫外線（波長範囲：２００ｎｍ～４００ｎｍ）領域の光である。
　多重反射セル１３は、サンプルガス３０を封止する。サンプルガス３０に含まれる測定対象成分の濃度を分析する場合、ガス吸入管１１を介して、サンプルガス３０を多重反射セル１３に導入してよい。また分析終了後、ガス排出管１２を介して、サンプルガス３０を多重反射セル１３から排出してよい。多重反射セル１３に入射された光４３は、多重反射セル１３の内部で反射を繰り返し、多重反射セル１３の外部に射出される。多重反射セル１３は、入射される光４３を多重反射して出射する。多重反射セル１３の詳細は、後述する。
　多重反射セル１３には、サンプルガス３０の温度を所定の温度に保つためヒータ１８が設けられてもよい。多重反射セル１３は、ヒータ１８と接していてもよい。ヒータ１８は、セル温度調節器１９によって制御されてよい。
　分光器２２は、紫外線中の所定の範囲の波長の光４３を分光する。所定の範囲とは、例えば、２００ｎｍ以上５００ｎｍ以下の波長範囲である。波長範囲は、これらに限定されない。分光器２２は、分光した光４３を検出素子２６に入射する。分光器２２は、光４３を複数の波長帯域に分光してもよい。この場合、検出素子２６は、光４３の強度を波長帯域毎に取得できる。
　検出素子２６は、多重反射セル１３を通過した光４３の放射スペクトルを取得する。検出素子２６は、波長ごとに光４３の放射スペクトルの強度を取得する。検出素子２６は、一例として、ＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ　Ｍｅｔａｌ　Ｏｘｉｄｅ　Ｓｅｍｉｃｏｎｃｕｃｔｏｒ）ラインセンサである。検出素子２６が取得した光４３の放射スペクトルは、受光信号として演算装置２７に送信される。
　演算装置２７は、検出素子２６の受光信号を処理する。演算装置２７は、検出素子２６の受光信号に基づいて、サンプルガス３０の測定対象成分の濃度を測定する。演算装置２７は、測定対象成分の吸収波長における光４３の強度の変化（すなわち、光源部２０が出射した光４３の強度に対する、多重反射セル１３を通過した光４３の強度の変化）を取得することにより、測定対象成分の濃度を測定してよい。本例において演算装置２７は検出素子２６と通信線５１を介して有線接続しているが、無線接続であってもよい。
　図２は、比較例に係る多重反射セル１３の一例を示す図である。多重反射セル１３は、入射窓４４、出射窓４５、中央ミラー４６、反射ミラー４７および反射ミラー４８を有する。なお説明のため図２において、多重反射セル１３の長手方向をＸ軸方向、多重反射セル１３の短手方向をＹ軸方向とする。
　入射窓４４は、多重反射セル１３に光４３を導入する窓である。入射窓４４は、ガラス等で形成されてよい。入射窓４４は、入射面７１および出射面７２を有する。光源部２０は、光４３を入射窓４４の入射面７１に出射する。入射窓４４は、入射窓４４の出射面７２から光４３を反射ミラー４７に出射する。
　出射窓４５は、多重反射セル１３から光４３を出射する窓である。出射窓４５は、ガラス等で形成されてよい。出射窓４５は、入射面７３および出射面７４を有する。反射ミラー４８は、光４３を出射窓４５の入射面７３に出射する。出射窓４５は、出射窓４５の出射面７４から光４３を分光器２２に出射する。
　多重反射セル１３には、光４３を多重反射するためにミラーが設けられている。多重反射セル１３には、複数のミラーが設けられてよい。本例では、多重反射セル１３は、中央ミラー４６および複数の反射ミラー（反射ミラー４７、反射ミラー４８）を有する。
　中央ミラー４６は、反射ミラー４７および反射ミラー４８と向かい合って配置される。向かい合って配置されるとは、中央ミラー４６の鏡面７５が反射ミラーの鏡面と向かい合って配置されることであってよい。ミラーの鏡面とは、光４３が反射される面である。向かい合って配置されるとは、中央ミラー４６の鏡面７５の少なくとも一部と反射ミラーの鏡面の少なくとも一部が向かい合っていることであってよい。なお中央ミラー４６は、一部の面のみが鏡面であってよく、全ての面が鏡面であってもよい。中央ミラー４６は、入射窓４４および出射窓４５と向かい合わず配置されてよい。中央ミラー４６の鏡面７５は、入射窓４４の出射面および出射窓４５の入射面と向かい合わず配置されてよい。中央ミラー４６は、Ｙ軸方向において入射窓４４と出射窓４５に挟まれて配置されてよい。中央ミラー４６、入射窓４４および出射窓４５は、Ｙ軸方向に並んで配置されてよい。
　反射ミラー４７は、中央ミラー４６と向かい合って配置される。反射ミラー４７の鏡面７６は、中央ミラー４６の鏡面７５と向かい合って配置されてよい。反射ミラー４７は、入射窓４４と向かい合って配置される。反射ミラー４７の鏡面７６は、入射窓４４の出射面７２と向かいあって配置されてよい。なお反射ミラー４７は、一部の面のみが鏡面であってよく、全ての面が鏡面であってもよい。反射ミラー４７は、中央ミラー４６に対して、Ｘ軸方向正側に設けられてよい。
　反射ミラー４８は、中央ミラー４６と向かい合って配置される。反射ミラー４８の鏡面７７は、中央ミラー４６の鏡面７５と向かい合って配置されてよい。反射ミラー４８は、出射窓４５と向かい合って配置される。反射ミラー４８の鏡面７７は、出射窓４５の入射面７３と向かいあって配置されてよい。なお反射ミラー４８は、一部の面のみが鏡面であってよく、全ての面が鏡面であってもよい。反射ミラー４８は、中央ミラー４６に対して、Ｘ軸方向正側に設けられてよい。
　中央ミラー４６、反射ミラー４７および反射ミラー４８は、それぞれ凹面鏡であってよい。つまり、中央ミラー４６、反射ミラー４７および反射ミラー４８は、それぞれ曲率半径を有する。中央ミラー４６、反射ミラー４７および反射ミラー４８は、同一の曲率半径を有していてよい。ミラーの曲率半径とは、鏡面の曲率半径であってよい。中央ミラー４６、反射ミラー４７および反射ミラー４８が同一の曲率半径を有することにより、光４３を多重反射させることができる。つまり多重反射セル１３は、ホワイトセルであってよい。ホワイトセルを使用することにより、光路長を大きくすることができ、測定対象成分が微量であっても精度良く濃度を測定することができる。
　光４３の結像について順に説明する。反射ミラー４７は、入射窓４４の像を直接中央ミラー４６上に結像する。次に中央ミラー４６は、反射ミラー４７上に結像した入射窓４４の像を反射ミラー４８上に結像する。そして反射ミラー４８は、中央ミラー４６上に結像した入射窓４４の像を再度中央ミラー４６上に結像させる。さらに中央ミラー４６は、反射ミラー４８上に結像した入射窓４４の像を反射ミラー４７上に結像する。次に反射ミラー４７は、中央ミラー４６上に結像された入射窓４４の像を再度中央ミラー４６上に結像する。同様の手順を繰り返し、反射ミラー４８は、最後に中央ミラー４６上に結像された入射窓４４の像を出射窓４５に結像する。図２の例では、中央ミラー４６は、光４３が７回反射されるように配置されている。また図２の例では、反射ミラー４７および反射ミラー４８のそれぞれは、光４３が４回反射されるように配置されている。反射回数の例は、これらに限定されない。
　図３は、比較例に係る多重反射セル１３において成立する光学関係式を説明する図である。図３の寸法は、図２の寸法と必ずしも一致しない。なお説明のため図３において、多重反射セル１３の長手方向をＸ軸方向、多重反射セル１３の短手方向をＹ軸方向とする。図３において、中央ミラー４６、反射ミラー４７および反射ミラー４８の曲率半径をＲとする。
　一般的に，曲率半径がＲである凹面鏡の収差が無視しうる光軸付近に置かれた物体とその像の間には、幾何光学原理に基づく下記数１の結像公式が成立している。ここで、ａを凹面鏡の中心から物点までの距離、ｂを凹面鏡の中心から像点までの距離、Ｒを凹面鏡の曲率半径、ｆを凹面鏡の焦点距離とする。凹面鏡の中心から物点までの距離ａを凹面鏡の曲率半径Ｒと等しくすると、数１より凹面鏡の中心から像点までの距離ｂもＲとなり、凹面鏡の光軸に関し物点と対称の位置に物点の像が結像されることとなる。
　（数１）
　１／ａ＋１／ｂ＝２／Ｒ＝１／ｆ
　多重反射セル１３では、入射窓４４は、向かい合って配置される反射ミラー４７の鏡面７６から反射ミラー４７の曲率半径Ｒに等しい距離離れた位置に配置されるため、入射窓４４の像は反射ミラー４７から反射ミラー４７の曲率半径Ｒに等しい距離離れた位置、つまり中央ミラー４６の鏡面７５上に結像する。ミラー間の距離とは、例えば、ミラーの鏡面の中心間の距離であってよい。そして、中央ミラー４６の鏡面７５上に結像された像は、反射ミラー４８によって再度中央ミラー４６の鏡面７５上の反射ミラー４８の配置によって定まる位置に結像される。同様の手順を繰り返し、入射窓４４の像は、中央ミラー４６の鏡面７５上に複数結像される。中央ミラー４６の鏡面７５上に結像される複数の入射窓４４の像は、反射ミラー４７の曲率中心Ｃ３１と反射ミラー４８の曲率中心Ｃ３２の配置間隔ｄに依存して配列される。また中央ミラー４６の曲率中心を、Ｃ２３とする。反射ミラーの曲率中心とは、反射ミラーの曲率円の中心である。中央ミラー４６の鏡面７５上に複数の入射窓４４の像が結像された後、出射窓４５から入射窓４４の像が多重反射セル１３の外部に射出される。この時光４３のパス回数をｎ、ミラーの反射回数をｎ－１とすると、下記数２、数３が成り立つ。光４３のパス回数とは、例えば、多重反射セル１３のＸ軸方向における中心線Ｏを横切った回数であってよい。また必要光路長をＬ、中央ミラー４６の中心と入射窓４４の中心間の距離をｈとする。
　（数２）
　Ｒ≒Ｌ／ｎ
　（数３）
　ｈ＝ｎｄ／４
　また中央ミラー４６上には、入射窓４４の像がｎ／２－１個、配置間隔ｄ離れて配置される。入射窓４４と出射窓４５の配置間隔ｗは、下記の数４が成り立つ。
　（数４）
　ｗ＝ｎｄ／２
　以上の関係式が成り立つので、パス回数ｎを４の倍数に設定し、出射窓４５は中央ミラー４６を挟んで入射窓４４と対称の位置に配置すればよい。図２、図３では、パス回数ｎを１６に設定しているので、入射窓４４から射出された光４３は、１５回の反射を繰り返して、中央ミラー４６に７個の像を結像する。その後光４３は、出射窓４５を介して多重反射セル１３の外部に射出される。
　以上のように、小型小寸法でデッドスペースの少ない小容積な構造であっても必要な光路長を確保することができることがホワイトセルの利点である。したがって、ホワイトセル形式である多重反射セル１３を備えることで測定対象成分が微量であっても精度良く濃度を測定することができる。
　しかし、本例において測定対象成分はＮＯ、ＮＯ２であり、紫外線領域の光の吸収は赤外線（波長範囲：５μｍ～８μｍ）領域の光の吸収より小さくなり、また低濃度の測定が求められるため、必要な光路長が長くなる傾向になる。赤外線領域の光を用いる場合、一般的な光路長は１ｍほどであるが、紫外線領域の光を用いる場合、２～５ｍの光路長が必要となる。従来の赤外線領域の光を用いるガス分析計と同等の筐体（１９インチラックサイズ、内寸奥行約４００ｍｍ）に収まる多重反射セル１３を設計する場合、光路長５ｍでは数２よりｎ＝５０００／４００となり、パス回数は１２回または１６回となる。配置間隔ｄは最低でも入射窓４４の幅以上に設定する必要があるため、例えば光源部２０に用いられる光学素子の直径を１０ｍｍとすると、数４より入射窓４４と出射窓４５の配置間隔ｗは、１６×１０／２＝８０ｍｍ（従来配置間隔とする）となる。したがって、多重反射セル１３の大きさは概ね１００ｍｍ×４００ｍｍとなる。ここで高さを従来の赤外線領域の光を用いるガス分析計と同等にした場合、容積は１００ｍｍ×４００ｍｍ×２５ｍｍ＝１０００ｍｌ（従来容積とする）で１Ｌ程度となる。ガス分析計のサンプリング流量は１～２Ｌ毎分であり、ガス試料の置換に３０秒～１分かかることになる。信号処理時間や内部のガス吸着などの影響を考慮すると、比較例ではガス分析の応答時間が６０秒以上かかる可能性がある。そのため、応答時間を短くするために多重反射セル１３を小型化することが好ましい。
　図４は、実施例に係るガス分析計２００の一例を示す図である。ガス分析計２００は、ガス吸入管１１、ガス排出管１２、光源部２０、分光器２２、検出素子２６、演算装置２７、通信線５１、ファイバ５２および多重反射セル１１３を備える。図４において、図１と同一の符号は説明を省略する。なお図４において、ガス吸入管１１の接続およびガス排出管１２の接続を一部省略している。ガス吸入管１１およびガス排出管１２は、煙道と接続してよい。ガス分析計２００は、ヒータやセル温度調節器を備えてもよい。
　多重反射セル１１３は、サンプルガス３０を封止する。サンプルガス３０に含まれる測定対象成分の濃度を分析する場合、ガス吸入管１１を介して、サンプルガス３０を多重反射セル１１３に導入してよい。また分析終了後、ガス排出管１２を介して、サンプルガス３０を多重反射セル１１３から排出してよい。多重反射セル１１３に入射された光４３は、反射を繰り返し、多重反射セル１１３の外部に射出される。本例において、多重反射セル１１３に入射された光４３は、入射窓と同一の出射窓を介して多重反射セル１１３の外部に射出される。
　ファイバ５２は、光を分岐する手段である。ファイバ５２は、受光面および出射面を有する。ファイバ５２は、入射窓に光４３－１を入射する。ファイバ５２の出射面から出射された光４３－１は、多重反射セル１１３の入射窓に入射される。多重反射セル１１３の出射窓から出射された光４３－２は、ファイバ５２の受光面で受光される。受光された光４３は、分光器２２において分光される。ファイバ５２の代わりに、ビームスプリッタ等が配置されていてもよい。
　図５は、実施例に係る多重反射セル１１３の一例を示す図である。多重反射セル１１３は、折り返しミラー４２、中央ミラー４６、反射ミラー４７および反射ミラー４８および窓４９を有する。なお説明のため図５において、多重反射セル１１３の長手方向をＸ軸方向、多重反射セル１１３の短手方向をＹ軸方向とする。図５において、図２、図３と同一の符号は説明を省略する。図２において折り返しミラー４２に到達する前の光４３を光４３－１とし、太い点線で示している。また折り返しミラー４２に到達した後の光４３を光４３－２とし、太線で示している。本例において光４３－１のパス回数および光４３－２のパス回数を４とする。
　窓４９は、多重反射セル１１３に光４３を導入する窓である。窓４９は、ガラス等で形成されてよい。窓４９は、面８１および面８２を有する。光源部２０（ファイバ５２）は、光４３－１を窓４９の面８１に出射する。つまり、窓４９に光が入射される。窓４９は、窓４９の面８２から光４３－１を反射ミラー４７に出射する。また窓４９は、多重反射セル１１３から光４３を出射する窓である。反射ミラー４７は、光４３－２を窓４９の面８２に出射する。窓４９は、窓４９の面８１から光４３－２を分光器２２（ファイバ５２）に出射する。つまり、窓４９は入射窓および出射窓として機能する。本例において、入射窓および出射窓は、共通の部材である。本例において、出射窓は、中央ミラー４６に対して、入射窓と同じ側に配置されている。
　折り返しミラー４２は、反射ミラー４８と向かい合って配置される。折り返しミラー４２の鏡面８３は、反射ミラー４８の鏡面７７と向かい合って配置されてよい。なお折り返しミラー４２は、一部の面のみが鏡面であってよく、全ての面が鏡面であってもよい。折り返しミラー４２は、中央ミラー４６に対して、窓４９と逆側に配置される。本例において折り返しミラー４２は、中央ミラー４６に対して、Ｙ軸負側に配置される。
　折り返しミラー４２は、入射窓に入射された光４３－１を出射窓に戻るように折り返す。本例において折り返しミラー４２は、窓４９に入射された光４３－１を光４３－２として窓４９に戻るように折り返す。本例の折り返しミラー４２は、反射ミラー４８から入射した光４３－１を、光４３－２として反射ミラー４８に折り返す。折り返しミラー４２に入射する光４３－１が通過する経路と、折り返しミラー４２から出射する光４３－２が通過する経路とは同一であってよい。本例の折り返しミラー４２は、光４３－１が通過してきた経路を光４３－２が逆向きに進むように、光４３－２を出射する。光４３－２は、反射ミラー４８、中央ミラー４６および反射ミラー４７により反射されて窓４９に到達する。本例において、光４３－１のパス回数は４であるため、光４３－２のパス回数は同様に４となる。したがって、光４３はパス回数８で窓４９から射出される。折り返しミラー４２を設けることにより、光４３のパス回数を２倍にすることができる。したがって、数４のパス回数を半分にすることができ、光学素子の直径を１０ｍｍとすると、数４と同様に計算することにより、折り返しミラー４２と窓４９の配置間隔は８×１０／２＝４０ｍｍとなり、従来配置間隔に比べ配置間隔を小さくできる。この場合、容積は６０ｍｍ×４００ｍｍ×２５ｍｍ＝６００ｍｌで従来例と比べ容積を削減することができる。したがって、多重反射セル１１３を小型化することができ、更に応答時間を短くすることができる。
　折り返しミラー４２は、少なくとも１つの反射ミラーから、当該反射ミラーの曲率半径の８５％以上１１５％以下離れた範囲に設けられる。本例では、折り返しミラー４２は、反射ミラー４８の曲率半径の８５％以上１１５％以下の距離だけ反射ミラー４８の反射面から離れた範囲に設けられる。なお、ミラーどうしの距離として、ミラーの鏡面の中心間の距離を用いてよい。折り返しミラー４２が、反射ミラー４８に対して、反射ミラー４８の曲率半径の８５％以上１１５％以下離れた範囲に設けられることにより、光４３－２を反射ミラー４８に効率よく戻すことができる。折り返しミラー４２と反射ミラー４８の配置に関しては、図１２で説明する。
　本例では折り返しミラー４２は、中央ミラー４６より反射ミラー４８と離れて配置されている。つまり、折り返しミラー４２と反射ミラー４８との距離が、中央ミラー４６と反射ミラー４８との距離より大きい。本例では折り返しミラー４２は、反射ミラー４８から、反射ミラー４８の曲率半径の１００％より大きくかつ１１５％以下離れた範囲に設けられる。折り返しミラー４２が中央ミラー４６より反射ミラー４８と離れて配置されているため、折り返しミラー４２と反射ミラー４８との距離と、中央ミラー４６と反射ミラー４８との距離との差分の倍の長さだけ光４３の光路長を長くすることができる。
　折り返しミラー４２は、凹面鏡であってよい。つまり、折り返しミラー４２は、曲率半径を有する。折り返しミラー４２の曲率半径は、中央ミラー４６、反射ミラー４７または反射ミラー４８の曲率半径と同一であってよい。曲率半径を同一にすることで、多重反射セル１１３を製造しやすくなる。本明細書で「同一」と称した場合、±１０％以下の誤差を含んでよい。折り返しミラー４２の曲率半径は、中央ミラー４６、反射ミラー４７または反射ミラー４８の曲率半径と異なってもよい。曲率半径を異ならせることにより、光４３－２を反射ミラー４８に効率よく戻すように調整可能である。
　図６は、ファイバ５２と反射ミラー４７の位置関係を示す図である。ファイバ５２の受光面８５および出射面８６が設けられ部分を第１部分５４とする。図６において、ファイバ５２の受光面８５および出射面８６が設けられる面を、ＹＺ面とする。
　図７は、第１部分５４における受光面８５および出射面８６の配置の一例を示す図である。図７において、図６の第１部分５４をＸ軸正側から見た受光面８５および出射面８６の配置を示している。ファイバ５２の受光面８５は、出射面８６より外側に設けられる。またファイバ５２の受光面８５は、複数設けられる。ファイバ５２の出射面８６は、受光面８５より外側に設けられてもよい。ファイバ５２の出射面８６は、複数設けられてもよい。受光範囲φは、ファイバ５２の受光面８５が設けられる範囲であってよい。受光範囲φは、図７に示すように複数の受光面８５と外接する円の直径であってよい。
　本例では、ファイバ５２の出射面８６と反射ミラー４７の距離は、反射ミラー４７の曲率半径Ｒに対して予め定められたデフォーカス距離Ｄｆずれて配置される。図６では、ファイバ５２の出射面８６と反射ミラー４７の距離は、反射ミラー４７の曲率半径Ｒに対して予め定められたデフォーカス距離Ｄｆ離れて配置される。反射ミラー４７の曲率半径Ｒに対して予め定められたデフォーカス距離Ｄｆずれて配置されるため、受光効率のばらつきを低減することができる。
　デフォーカス距離Ｄｆは、ファイバ５２の受光範囲φ以下であってよい。デフォーカス距離Ｄｆをファイバ５２の受光範囲φ以下に設定することにより、受光効率のばらつきを低減しつつ、受光効率を上げることができる。デフォーカス距離Ｄｆは、ファイバ５２の受光範囲φの半分以上であってよい。またデフォーカス距離Ｄｆは、ファイバ５２の受光範囲φの２倍以下であってもよい。
　戻り光（光４３－２）の受光面８５における照射範囲をａとする。照射範囲ａの直径は、デフォーカス距離をＤｆ、反射ミラー４７の曲率半径をＲ、反射ミラー４７の有効径をαとすると、下記数５で表せる。照射範囲ａは、ファイバ５２の受光範囲φに、製造公差により考えられるズレ量と、温度による照射範囲のズレ分を足した範囲に設定することが好ましい。照射範囲ａをこのような範囲に設定することにより、温度の影響を受けず安定した測定が可能である。まとめると、デフォーカス距離を設けることで製造の許容公差が大きくなるため、製造が容易になる。また温度特性や受光効率のばらつきも改善されるため、ガス分析計２００の温度特性や振動等による経時変化も緩和されることが期待でき、長期間にわたって安定した測定性能を実現できる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　図８は、ファイバ５２を詳細に説明する図である。ファイバ５２は、第１部分５４、第２部分５６および第３部分５８を有する。本例においてファイバ５２は、光４３が通過する複数の経路を有する。図８において、ファイバ５２の受光面８５および出射面８６が設けられる面を、ＹＺ面とする。
　図９は、第２部分５６における受光面８７の配置の一例を示す図である。図９において、図８の第２部分５６をＸ軸負側から見た受光面８７の配置を示している。第２部分５６には、受光面８７が設けられる。第１部分５４の出射面８６と第２部分５６の受光面８７はそれぞれ接続している。したがって、光源部２０から出射された光４３は、第２部分５６の受光面８７で受光され、出射面８６で多重反射セル１１３（窓４９）に出射される。図９においてファイバ５２から出射する光４３が通過する経路の本数は、１本である。
　図１０は、第３部分５８における出射面８８の配置の一例を示す図である。図１０において、図８の第３部分５８をＸ軸負側から見た出射面８８の配置を示している。第３部分５８には、出射面８８が設けられる。第１部分５４の受光面８５と第３部分５８の出射面８８は接続している。したがって、多重反射セル１１３（窓４９）から出射された光４３は、第１部分５４の受光面８５で受光され、出射面８８で分光器２２に出射される。図１０においてファイバ５２に入射した光４３が通過する経路の本数は、６本である。
　本例においてファイバ５２から出射する光４３が通過する経路の本数が１本で、ファイバ５２に入射した光４３が通過する経路の本数が６本であるが、ファイバ５２から出射する光４３が通過する経路の本数やファイバ５２に入射した光４３が通過する経路の本数は制御されてよい。例えば、測定対象成分の濃度に応じて、複数の経路のうち、ファイバ５２から出射する光４３が通過する経路の本数と、ファイバ５２に入射した光４３が通過する経路の本数とを制御してよい。一例として、測定対象成分の濃度が低い場合、ファイバ５２から出射する光４３が通過する経路の本数が１本にし、ファイバ５２に入射した光４３が通過する経路の本数を６本にする。測定対象成分の濃度が低い場合、ファイバ５２への受光量を増やすため、ファイバ５２に入射した光４３が通過する経路の本数を増やしてよい。また反対に測定対象成分の濃度が高い場合、ファイバ５２から出射する光４３が通過する経路の本数が６本にし、ファイバ５２に入射した光４３が通過する経路の本数を１本にしてよい。
　図１１は、ファイバ５２と窓４９の位置関係を示す図である。図１１では、ファイバ５２の第１部分５４のみを示している。
　本例では、窓４９はファイバ５２が出射した光４３－１に対して角度を有して配置される。窓４９がファイバ５２によって出射された光４３－１に対して角度を有して配置されるとは、ファイバ５２によって出射された光４３－１と窓４９の面８１と成す角度θ（９０°以下）が０°より大きく９０°より小さいことであってよい。つまり、窓４９がファイバ５２によって出射された光４３－１に対して角度を有して配置されるとは、窓４９の面８１がファイバ５２によって出射された光４３－１に対して平行でも垂直でもないことであってよい。同様に４９がファイバ５２によって出射された光４３－１に対して角度を有して配置されるとは、ファイバ５２によって出射された光４３－１と窓４９の面８２と成す角度θ（９０°以下）が０°より大きく９０°より小さいことであってよい。窓４９がファイバ５２によって出射された光４３－１に対して角度を有して配置されるため、出射された光４３－１が面８１や面８２によって反射された反射光の光軸と戻り光（光４３－２）の光軸をずらすことができる。したがって、出射された光４３－１が面８１や面８２によって反射された反射光が戻り光と混入することを防ぐことができる。
　本例において窓４９は、ファイバ５２が出射した光４３に対して７０°以上７５°以下の角度θを有するように配置される。角度θが小さすぎると窓４９を通過する距離が大きくなるため、角度θは小さすぎないことが好ましい。
　図１２は、折り返しミラー４２と反射ミラー４８の位置関係を示す図である。折り返しミラー４２の鏡面８３の中心をＣ４１とし、反射ミラー４８の鏡面７７の中心をＣ４２とする。折り返しミラー４２と反射ミラー４８の距離Ｌ１は、折り返しミラー４２の鏡面８３の中心Ｃ４１と反射ミラー４８の鏡面７７の中心Ｃ４２の距離であってよい。したがって、折り返しミラー４２と反射ミラー４８の距離Ｌ１は、反射ミラー４８の曲率半径の８５％以上１１５％以下であってよい。
　図１３は、実施例に係る多重反射セル１１３の他の例を示す図である。図１３の多重反射セル１１３は折り返しミラー４２の構成が、図５の多重反射セル１１３と異なる。図１３のそれ以外の構成は、図５の多重反射セル１１３と同一であってよい。なお図１３において光４３を省略している。
　本例において、中央ミラー４６の鏡面７５の中心線をＤ１とし、窓４９の面８２の中央点をＣ４３とする。中心線Ｄ１を基準として、中央点Ｃ４３を線対称に配置した点を基準点Ｃ４４とする。基準点Ｃ４４を通り、中心線Ｄ１と平行な線を基準線Ｄ２とする。この場合、基準線Ｄ２より窓４９と逆側の折り返しミラー４２の鏡面８３の長さＬ２は、基準線Ｄ２より窓４９側の折り返しミラー４２の鏡面８３の長さＬ３より大きくてよい。折り返しミラー４２の鏡面８３の長さとは、Ｙ軸方向の鏡面８３の長さであってよい。折り返しミラー４２の鏡面８３の長さとは、鏡面８３に沿った長さであってもよい。折り返しミラー４２の鏡面８３の長さＬ２は、折り返しミラー４２の鏡面８３の長さＬ３の２倍以上であってもよい。折り返しミラー４２の鏡面８３の長さＬ２を折り返しミラー４２の鏡面８３の長さＬ３より大きくすることで、反射ミラー４８からの光４３をより多く反射することができる。
　図１４は、折り返しミラー４２の反射特性の一例を示す図である。図１４において、折り返しミラー４２の波長毎の反射率を示している。本例では折り返しミラー４２において紫外線（波長範囲：２００ｎｍ～４００ｎｍ）領域の光の反射率は、波長に依存せず一定である。中央ミラー４６、反射ミラー４７および反射ミラー４８の鏡面も同様に、図１４の反射特性を有してよい。
　図１５は、実施例に係る多重反射セル１１３の他の例を示す図である。図１５の多重反射セル１１３は光学フィルタ６０を備える点で、図５の多重反射セル１１３と異なる。図１５のそれ以外の構成は、図５の多重反射セル１１３と同一であってよい。なお図１５において光４３を省略している。
　光学フィルタ６０は、折り返しミラー４２と反射ミラー４８の間に配置される。光学フィルタ６０は、Ｘ軸方向において反射ミラー４８より折り返しミラー４２側に設けられてよい。本例では、折り返しミラー４２の鏡面８３上に光学フィルタ６０が設けられる。
　光学フィルタ６０は、折り返しミラー４２の反射特性を変更する。光学フィルタ６０は、一例として誘電体多層膜である。折り返しミラー４２の反射特性は、折り返しミラー４２に誘電体多層膜を成膜することによって調整することができる。誘電体多層膜の膜厚、材料、層構造等を調整し、特定波長の反射率以外の反射率を向上させることにより、特定波長の反射率を相対的に低くすることができる。誘電体多層膜は、折り返しミラー４２の鏡面８３に部分的に設けられてもよい。
　図１６は、折り返しミラー４２の反射特性の他の例を示す図である。図１６において、折り返しミラー４２の波長毎の反射率を示している。図１６に示す通り本例では、折り返しミラー４２は、特定波長λ１の反射率が、所定の波長範囲における平均反射率より低い。
　折り返しミラー４２の反射特性は、中央ミラー４６、反射ミラー４７または反射ミラー４８の反射特性と異なってよい。例えば、折り返しミラー４２は図１６の反射特性を有し、中央ミラー４６、反射ミラー４７および反射ミラー４８は図１４の反射特性を有する。折り返しミラー４２は、中央ミラー４６、反射ミラー４７および反射ミラー４８と比較して、光４３の反射回数が少ない。したがって、特定波長の反射率を容易に調整することができる。
　また反射ミラー４７または反射ミラー４８の反射特性は、中央ミラー４６の反射特性と異なってよい。例えば、反射ミラー４７および反射ミラー４８は図１６の反射特性を有し、中央ミラー４６は図１４の反射特性を有する。反射ミラー４７および反射ミラー４８は、中央ミラー４６と比較して、光４３の反射回数が少ない。したがって、特定波長の反射率を容易に調整することができる。
　図１７は、実施例に係るガス分析計３００の一例を示す図である。図１７のガス分析計３００はファイバ５２の代わりにコリメート手段７０を有する点で、図４のガス分析計２００と異なる。図１７のそれ以外の構成は、図４のガス分析計２００と同一であってよい。
　コリメート手段７０は、光源部２０からの光４３－１を平行光に変換してよい。コリメート手段７０によって変換された平行光は多重反射セル１１３内を伝搬し、再びコリメート手段７０に集光する。再びコリメート手段７０に集光した光４３－２は、分光器２２に射出される。光源部２０から射出される光４３－１は拡散光であり、図４のガス分析計２００のように拡散光のまま多重反射セル１１３に射出する場合と比べ、多重反射セル１１３の壁面やミラー等のケラレを減らすことができる。
　コリメート手段７０は、収差影響の少ない放物面鏡が好ましい。コリメート手段７０は、放物面鏡に限られない。コリメート手段７０は、レンズ等であってもよい。
　以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、請求の範囲の記載から明らかである。
１０・・煙道、１１・・ガス吸入管、１２・・ガス排出管、１３・・多重反射セル、１４・・ガスフィルタ、１５・・予熱器、１６・・予熱温度調節器、１７・・ポンプ、１８・・ヒータ、１９・・セル温度調節器、２０・・光源部、２２・・分光器、２６・・検出素子、２７・・演算装置、３０・・サンプルガス、４２・・折り返しミラー、４３・・光、４４・・入射窓、４５・・出射窓、４６・・中央ミラー、４７・・反射ミラー、４８・・反射ミラー、４９・・窓、５１・・通信線、５２・・ファイバ、５４・・第１部分、５６・・第２部分、５８・・第３部分、６０・・光学フィルタ、７０・・コリメート手段、７１・・入射面、７２・・出射面、７３・・入射面、７４・・出射面、７５・・鏡面、７６・・鏡面、７７・・鏡面、８１・・面、８２・・面、８３・・鏡面、８５・・受光面、８６・・出射面、８７・・受光面、８８・・出射面、１００・・ガス分析計、１１３・・多重反射セル、２００・・ガス分析計、３００・・ガス分析計

Claims (18)

  1. 　サンプルガスに含まれる測定対象成分の濃度を測定するガス分析計であって、
    　光が入射される入射窓と、
    　中央ミラーと、
    　前記中央ミラーと向かい合って配置された２つ以上の反射ミラーと、
    　前記中央ミラーに対して、前記入射窓と逆側に配置された折り返しミラーと、
    　前記中央ミラーに対して、前記入射窓と同じ側に配置された出射窓と
    　を有し、
    　前記折り返しミラーは、前記入射窓に入射された光を前記出射窓に戻るように折り返す
    ガス分析計。
  2. 　前記入射窓と前記出射窓は、共通の部材である
    　請求項１に記載のガス分析計。
  3. 　前記折り返しミラーは、前記反射ミラーから当該前記反射ミラーの曲率半径の８５％以上１１５％以下離れた範囲に設けられる
    　請求項１または２に記載のガス分析計。
  4. 　前記折り返しミラーは、前記中央ミラーより前記反射ミラーと離れて配置されている
    　請求項１から３のいずれか一項に記載のガス分析計。
  5. 　前記入射窓の出射面の中央点を前記中央ミラーの鏡面の中心線を基準として線対称に配置した点を基準点とし、前記中心線と平行で前記基準点を通る線を基準線とした場合、
    　前記基準線より前記入射窓と逆側の前記折り返しミラーの鏡面の長さは、前記基準線より前記入射窓側の前記折り返しミラーの鏡面の長さより大きい
    　請求項１から４のいずれか一項に記載のガス分析計。
  6. 　前記折り返しミラーは、凹面鏡である
    　請求項１から５のいずれか一項に記載のガス分析計。
  7. 　前記折り返しミラーの曲率半径は、前記反射ミラーまたは前記中央ミラーの曲率半径と同じである
    　請求項６に記載のガス分析計。
  8. 　前記折り返しミラーの曲率半径は、前記反射ミラーまたは前記中央ミラーの曲率半径と異なる
    　請求項６に記載のガス分析計。
  9. 　前記折り返しミラーの反射特性は、前記反射ミラーまたは前記中央ミラーの反射特性と異なる
    　請求項１から８のいずれか一項に記載のガス分析計。
  10. 　前記折り返しミラーと、前記反射ミラーの間に配置され、前記折り返しミラーの反射特性を変更する光学フィルタを備える
    　請求項９に記載のガス分析計。
  11. 　前記反射ミラーの反射特性は、前記中央ミラーの反射特性と異なる
    　請求項９または１０に記載のガス分析計。
  12. 　前記入射窓に光を入射するファイバを備え、
    　前記入射窓は、前記ファイバが出射した光に対して角度を有して配置される
    　請求項１から１１のいずれか一項に記載のガス分析計。
  13. 　前記入射窓は、前記ファイバが出射した光に対して７０°以上７５°以下の角度を有するように配置される
    　請求項１２に記載のガス分析計。
  14. 　光を出射する出射面および光を受光する受光面を有するファイバを更に備える
    　請求項１から１３のいずれか一項に記載のガス分析計。
  15. 　前記ファイバは、
    　光が通過する複数の経路を有し、
    　前記測定対象成分の濃度に応じて、前記複数の経路のうち、前記ファイバから出射する光が通過する経路の本数と、前記ファイバに入射した光が通過する経路の本数とを制御する
    　請求項１４に記載のガス分析計。
  16. 　前記ファイバの前記出射面と前記反射ミラーの距離は、前記反射ミラーの曲率半径に対して予め定められたデフォーカス距離ずれて配置される
    　請求項１４または１５に記載のガス分析計。
  17. 　前記デフォーカス距離は、前記ファイバの前記受光面の幅以下である
    　請求項１６に記載のガス分析計。
  18. 　入射される光を多重反射して出射する多重反射セルであって、
    　光が入射される入射窓と、
    　中央ミラーと、
    　前記中央ミラーと向かい合って配置された２つ以上の反射ミラーと、
    　前記中央ミラーに対して、前記入射窓と逆側に配置された折り返しミラーと、
    　前記中央ミラーに対して、前記入射窓と同じ側に配置された出射窓と
    　を有し、
    　前記折り返しミラーは、前記入射窓に入射された光を前記出射窓に戻るように折り返す多重反射セル。
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