JP2010243172A - Multilayer type multi-path cell and gas measuring instrument - Google Patents

Multilayer type multi-path cell and gas measuring instrument Download PDF

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Hiroaki Sugiyama
浩昭 杉山
Kenzo Sasaki
謙三 佐々木
Atsushi Ishizaki
温史 石崎
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Riken Keiki KK
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a multilayer type multi-path cell having a novel structure for detecting a plurality of kinds of gas components at the same time, and a small-sized gas measuring instrument for detecting a plurality of kinds of the gas components at the same time with high precision. <P>SOLUTION: The multilayer type multi-path cell includes a standard optical measuring system forming a multiple reflecting light path wherein laser beam reflecting points are positioned on the respective reflecting surfaces of two reflecting mirrors, which have spherical or parabolic surface shaped reflecting surfaces, arranged in opposed relationship while the optical axes of the reflecting mirrors coincide with each other in a cell body so as to be arranged on the circular or oval track centering around the optical axes of the reflecting mirrors. The multiple reflecting light path is formed in the annular space region extending along the optical axes of the reflecting mirrors and at least another one optical measuring system, which forms a multiple reflecting light path wherein the laser beam reflecting points on the respective reflecting surfaces of the reflecting mirrors are positioned so as to be arranged on the circular or oval track, is positioned in the space region inside the annular space region. The gas measuring instrument includes the multilayer type multi-path cell. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、例えば、レーザ光を用いた多層型マルチパスセルおよび当該多層型マルチパスセルを具えてなるガス測定器に関する。   The present invention relates to, for example, a multilayer multi-pass cell using laser light and a gas measuring device including the multilayer multi-pass cell.

現在、例えばレーザ光源からの赤外線が検知対象ガス（特定ガス成分）によって吸収されることによる赤外線量の減衰の程度に応じて当該検知対象ガスの濃度を検出する、赤外線吸収分光法を利用したガス測定器が多数提案されている。
このようなガス測定器においては、例えば環境雰囲気の空気などの被検査ガスが導入される測定セル内における赤外光の光路長が大きくなるに従って、低濃度域の特定ガス成分に対して高い感度が得られることが知られており、多重反射型の測定セルが用いられた構成のものが提案されている（例えば特許文献１参照）。 Currently, for example, a gas using infrared absorption spectroscopy that detects the concentration of the detection target gas in accordance with the degree of attenuation of the amount of infrared light due to absorption of infrared light from the laser light source by the detection target gas (specific gas component) Many measuring instruments have been proposed.
In such a gas measuring instrument, for example, as the optical path length of infrared light in a measurement cell into which a gas to be inspected such as air in an ambient atmosphere is introduced, the sensitivity to a specific gas component in a low concentration range increases. Is known, and a configuration using a multiple reflection type measurement cell has been proposed (see, for example, Patent Document 1).

図５は、従来における多重反射型の測定セルの一例における要部構成を概略的に示す説明用斜視図である。
この測定セルは、いわゆる『ヘリオットセル』の動作原理を利用したもの（以下、「ヘリオット型測定セル」という。）であって、互いに光軸Ｌが一致する状態で対向して配置された、球面状の反射面を有する２つの反射鏡６１，６５を具えており、一方の反射鏡６１に形成された開口部（図示せず）を介して光源より照射されるレーザ光がセル本体内に入射され、２つの反射鏡６１，６５間において多重反射された後、再び、一方の反射鏡６１における開口部を介してセル本体の外部に出射されて受光センサにより検出される構成（入射位置と出射位置とが一致する構成）とされている（非特許文献１参照）。
このヘリオット型測定セルにおいて形成される多重反射光路ＭＰ０は、反射鏡６１（６５）の光軸Ｌに沿って伸びる円環状空間領域Ａ０内において形成されており、各々の反射鏡６１，６５の反射面６１Ａ，６５Ａ上における反射点は、反射鏡６１，６５の光軸Ｌを中心とする例えば円軌道Ｃ０上に並ぶよう位置される。この例においては、一の反射鏡において、反射点の位置が多重反射に伴って所定間隔毎に周方向に対して一定方向に移動されて、円軌道Ｃ０上を周回するよう構成されている。
そして、多重反射光路ＭＰ０における光路長の大きさは、例えば、反射鏡６１，６５の焦点距離、反射鏡６１，６５間の離間距離、反射回数およびその他の光学条件を適宜に設定することにより、目的に応じて設定することができる。 FIG. 5 is an explanatory perspective view schematically showing a main configuration of an example of a conventional multiple reflection type measurement cell.
This measurement cell uses the principle of operation of a so-called “Heliot cell” (hereinafter referred to as “Heliot type measurement cell”), and is a spherical surface that is arranged to face each other with the optical axes L coincident with each other. Laser beam irradiated from a light source through an opening (not shown) formed in one of the reflecting mirrors 61 enters the cell body. Then, after multiple reflection between the two reflecting mirrors 61 and 65, the light is emitted to the outside of the cell body again through the opening in one of the reflecting mirrors 61 and is detected by the light receiving sensor (incident position and emission). (A configuration in which the positions coincide with each other) (see Non-Patent Document 1).
The multiple reflection optical path MP0 formed in this heliot type measurement cell is formed in an annular space region A0 extending along the optical axis L of the reflection mirror 61 (65), and is reflected by the reflection mirrors 61 and 65. The reflection points on the surfaces 61A and 65A are positioned so as to be aligned on, for example, a circular orbit C0 centered on the optical axis L of the reflecting mirrors 61 and 65. In this example, one reflecting mirror is configured such that the position of the reflection point is moved in a constant direction with respect to the circumferential direction at predetermined intervals along with multiple reflections and circulates on a circular orbit C0.
The magnitude of the optical path length in the multiple reflection optical path MP0 is set by appropriately setting, for example, the focal length of the reflecting mirrors 61 and 65, the separation distance between the reflecting mirrors 61 and 65, the number of reflections, and other optical conditions. It can be set according to the purpose.

Ｏｆｆ−Ａｘｉｓ Ｐａｔｈｓ ｉｎ Ｓｐｈｅｒｉｃａｌ Ｍｉｒｒｏｒ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒｓ Ｄ．Ｈｅｒｒｉｏｔｔ，Ｈ．Ｋｏｇｅｌｎｉｋ，ａｎｄ Ｒ．Ｋｏｍｐｆｎｅｒ（Ａｐｒｉｌ １９６４／Ｖｏｌ．３，Ｎｏ．４／ＡＰＰＬＩＥＤ ＯＰＴＩＣＳ）Off-Axis Paths in Spiral Mirror Interferometers Herriot, H.C. Kogelnik, and R.K. Kompner (April 1964 / Vol. 3, No. 4 / APPLIED OPTICS)

特開２００６−５８００９号公報JP 2006-58009 A

而して、ヘリオット型測定セルにおいては、反射鏡間において形成される多重反射光路（光学測定系）は一系統であり、一のガス成分を測定対象とするものであるのが実情であり、例えば、装置それ自体の大型化を伴うことなく、複数種のガス成分を同時に検出することができるものであることが望まれている。   Thus, in the Heliot type measurement cell, the multiple reflection optical path (optical measurement system) formed between the reflecting mirrors is one system, and the fact is that one gas component is the measurement target, For example, it is desired that a plurality of types of gas components can be simultaneously detected without increasing the size of the apparatus itself.

本発明は、以上のような事情に基づいてなされたものであって、複数種のガス成分を同時に検出することのできる新規な構造を有する多層型マルチパスセルを提供することを目的とする。
また、本発明の他の目的は、複数種のガス成分を同時にかつ高い精度で検出することができ、しかも、小型化のものとして構成することのできるガス測定器を提供することにある。 The present invention has been made based on the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a multi-layer multipass cell having a novel structure capable of simultaneously detecting a plurality of types of gas components.
Another object of the present invention is to provide a gas measuring instrument that can detect a plurality of types of gas components simultaneously and with high accuracy and can be configured as a miniaturized one.

本発明の多層型マルチパスセルは、セル本体と、このセル本体内において、互いに光軸が一致する状態で対向配置された、球面状または放物面状の反射面を有する２つの反射鏡と、各々の反射鏡の反射面上においてレーザ光の反射点が反射鏡の光軸を中心とする円軌道または楕円軌道上に並ぶよう位置される多重反射光路を形成する基準光学測定系とを具えてなり、
前記基準光学測定系の多重反射光路は、反射鏡の光軸に沿って伸びる円環状空間領域内において形成されており、当該円環状空間領域の内側の円柱状空間領域内において、前記反射鏡の各々の反射面上に形成されるレーザ光の反射点が反射鏡の光軸を中心とする円軌道または楕円軌道上に並ぶよう位置される多重反射光路を形成する他の光学測定系が少なくとも一つ位置されていることを特徴とする。 The multilayer multipath cell of the present invention includes a cell main body, and two reflecting mirrors having a spherical or parabolic reflecting surface disposed opposite to each other in a state where the optical axes coincide with each other in the cell main body. A reference optical measurement system for forming a multiple reflection optical path in which a reflection point of the laser beam is arranged on a circular or elliptical orbit centering on the optical axis of the reflecting mirror on the reflecting surface of each reflecting mirror; Yeah,
The multiple reflection optical path of the reference optical measurement system is formed in an annular space region extending along the optical axis of the reflection mirror, and in the cylindrical space region inside the annular space region, There is at least one other optical measurement system that forms a multiple reflection optical path in which the reflection point of the laser beam formed on each reflection surface is positioned so as to be aligned on a circular or elliptical orbit centering on the optical axis of the reflecting mirror. It is characterized by being located.

本発明の多層型マルチパスセルにおいては、基準光学測定系および他の光学測定系の各々は、多重反射光路の光路長の大きさが互いに同一であって、互いに異なる波長の光を照射する光源を具えた構成とされていることが好ましい。   In the multilayer multipath cell of the present invention, each of the reference optical measurement system and the other optical measurement systems has a light path length that is the same for the multiple reflection optical paths and irradiates light of different wavelengths. It is preferable that it is set as the structure provided.

さらにまた、本発明の多層型マルチパスセルにおいては、基準光学測定系および一つの他の光学測定系の二つの光学測定系を具えてなり、
基準光学測定系を構成する光源および受光センサと、他の光学測定系を構成する光源および受光センサとは、互いに異なる反射鏡側の外方位置に配置された構成とされていることが好ましい。 Furthermore, the multilayer multipass cell of the present invention comprises two optical measurement systems, a reference optical measurement system and one other optical measurement system,
It is preferable that the light source and the light receiving sensor constituting the reference optical measurement system and the light source and the light receiving sensor constituting the other optical measurement system are arranged at different positions on the reflecting mirror side.

本発明のガス測定器は、上記多層型マルチパスセルを具えてなることを特徴とする。   The gas measuring instrument of the present invention is characterized by comprising the multi-layered multi-pass cell.

本発明の多層型マルチパスセルによれば、一のセル本体内において互いに独立した複数系統の多重反射光路が形成されているので、例えば複数種のガス成分を同時に検出することができる。
そして、複数の光学測定系の各々における光源からのレーザ光の波長が互いに異なることにより、高いガス選択性を得ることができて、例えば特定ガス成分とその干渉ガス成分の検出、あるいは、同位体測定などを行うことができる。 According to the multilayer multipath cell of the present invention, a plurality of independent multiple reflection optical paths are formed in one cell body, so that, for example, a plurality of types of gas components can be detected simultaneously.
In addition, since the wavelengths of the laser beams from the light sources in each of the plurality of optical measurement systems are different from each other, high gas selectivity can be obtained, for example, detection of a specific gas component and its interference gas component, or isotope Measurement can be performed.

また、２系統の光学測定系を具えたものにおいて、基準光学測定系を構成する光源および受光センサと、他の光学測定系を構成する光源および受光センサとが、互いに異なる反射鏡側の外方位置に配置された構成とされていることにより、２つの光学測定系の相互の物理的な（構成上の）干渉あるいは光学的な干渉が生ずることを確実に防止することができる。   Further, in the case of two optical measurement systems, the light source and the light receiving sensor constituting the reference optical measurement system and the light source and the light receiving sensor constituting the other optical measurement system are different from each other on the reflecting mirror side. By being arranged at the position, it is possible to reliably prevent mutual physical (configuration) interference or optical interference between the two optical measurement systems.

本発明のガス測定器によれば、上記多層型マルチパスセルを具えていることにより、複数種のガス成分を同時に検出することができる構成のものでありながら、ガス測定器それ自体を小型のものとして構成することができ、しかも、所期のガス検知を高い精度で行うことができる。   According to the gas measuring instrument of the present invention, since the multi-pass cell is provided, the gas measuring instrument itself can be reduced in size while being configured to detect a plurality of types of gas components simultaneously. In addition, the gas detection can be performed with high accuracy.

本発明の多層型マルチパスセルの一例における構成の概略を示す説明図であって、（ａ）反射鏡の光軸に沿った断面を示す断面図、（ｂ）左側面図、（ｃ）右側面図である。It is explanatory drawing which shows the outline of a structure in an example of the multilayer type multipass cell of this invention, Comprising: (a) Sectional drawing which shows the cross section along the optical axis of a reflecting mirror, (b) Left side view, (c) Right side FIG. 図１に示す多層型マルチパスセルにおいて形成される多重反射光路を、一方の反射鏡の反射面上に、他方の反射鏡の反射面上における反射点を投影した状態で示す、説明図である。It is explanatory drawing which shows the multiple reflection optical path formed in the multilayer type multipass cell shown in FIG. 1 in the state which projected the reflective point on the reflective surface of the other reflective mirror on the reflective surface of one reflective mirror. . 図１に示す多層型マルチパスセルにおいて形成される多重反射光路を説明するための斜視図である。It is a perspective view for demonstrating the multiple reflection optical path formed in the multilayer type multipass cell shown in FIG. 本発明のガス測定器の一例における構成の概略を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the outline of a structure in an example of the gas measuring device of this invention. ヘリオット型測定セルの一例における要部構成を概略的に示す説明用斜視図である。It is an explanatory perspective view showing roughly the principal part composition in an example of a Heriot type measurement cell.

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図１は、本発明の多層型マルチパスセルの一例における構成の概略を示す説明図であって、（ａ）反射鏡の光軸に沿った断面を示す断面図、（ｂ）左側面図、（ｃ）右側面図であり、図２は、図１に示す多層型マルチパスセルにおいて形成される多重反射光路を、一方の反射鏡の反射面上に、他方の反射鏡の反射面上における反射点を投影した状態で示す、説明図、図３は、図１に示す多層型マルチパスセルにおいて形成される多重反射光路を説明するための斜視図である。
この多層型マルチパスセルは、被検査ガス（サンプルガス）が導入される円筒状のセル本体１１と、その軸方向における両端位置の各々に、各々、互いに焦点距離（曲率半径）が同一の大きさの球面状の反射面２１Ａ，３１Ａを有する第１の反射鏡２１および第２の反射鏡３１が反射鏡保持部材４０によって保持固定された状態で設けられており、第１の反射鏡２１および第２の反射鏡３１の両者は、互いに光軸Ｌ１，Ｌ２が一致する状態で対向して配置されている。図１における符号４１Ａ，４１Ｂは、セル本体の内部空間に連通する開口部であって、一方が被検ガス導入用開口部、他方が被検ガス排出用開口部とされる。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.
FIG. 1 is an explanatory diagram showing an outline of the configuration of an example of a multilayer multipath cell of the present invention, where (a) a sectional view showing a section along the optical axis of a reflecting mirror, (b) a left side view, FIG. 2C is a right side view, and FIG. 2 shows the multiple reflection optical path formed in the multilayer multipass cell shown in FIG. 1 on the reflection surface of one reflection mirror and on the reflection surface of the other reflection mirror. FIG. 3 is a perspective view for explaining a multiple reflection optical path formed in the multi-layer multipath cell shown in FIG.
This multi-layer multi-pass cell has the same focal length (curvature radius) at the cylindrical cell body 11 into which the gas to be inspected (sample gas) is introduced and at both end positions in the axial direction. The first reflecting mirror 21 and the second reflecting mirror 31 having spherical reflecting surfaces 21A, 31A are provided in a state of being held and fixed by the reflecting mirror holding member 40, and the first reflecting mirror 21 and Both of the second reflecting mirrors 31 are arranged to face each other with the optical axes L1 and L2 being coincident with each other. Reference numerals 41 </ b> A and 41 </ b> B in FIG. 1 are openings that communicate with the internal space of the cell body, one being a test gas introduction opening and the other being a test gas discharge opening.

セル本体１１の、第１の反射鏡２１側の外方位置には、第１の光源２６および適宜の反射ミラー２７を介してセル本体１１から出射された光を検出する受光センサ２８が配置されており、第１の光源２６から照射されるレーザ光が第１の反射鏡２１に形成された開口部２２を介してセル本体１１内に入射され、２つの反射鏡２１，３１によって多重反射された後、再び、当該開口部２２を介してセル本体１１の外部に出射され、反射ミラー２７を介して受光センサ２８によって受光される、基準光学測定系としての第１の光学測定系２５が構成されている。
第１の反射鏡２１における開口部２２は、反射鏡２１の背面側から透光性を有する窓板部材４５によって気密に閉塞されている。 A light receiving sensor 28 that detects light emitted from the cell body 11 via the first light source 26 and an appropriate reflection mirror 27 is disposed outside the cell body 11 on the first reflecting mirror 21 side. The laser light emitted from the first light source 26 enters the cell body 11 through the opening 22 formed in the first reflecting mirror 21 and is multiple-reflected by the two reflecting mirrors 21 and 31. After that, the first optical measurement system 25 serving as a reference optical measurement system that is emitted to the outside of the cell body 11 through the opening 22 and received by the light receiving sensor 28 through the reflection mirror 27 is configured. Has been.
The opening 22 in the first reflecting mirror 21 is airtightly closed by a window plate member 45 having translucency from the back side of the reflecting mirror 21.

第１の光学測定系２５に係る多重反射光路ＭＰ１において、第１の反射鏡２１の反射面２１Ａ上における反射点（図２においては（Ａ）が付された符号で示されており、図３においては、便宜上、丸数字で示されており、数字は反射順序を示している。）は、セル本体１１内に対する光の入射位置（開口部２２の形成位置）０（Ａ）を含む、反射鏡２１の光軸Ｌ１を中心とする半径Ｒ１の円軌道Ｃ１上に並び、出射位置３２（Ａ）が入射位置０（Ａ）と一致するよう、位置されている。
また、第２の反射鏡３１の反射面３１Ａ上における反射点（図２においては（Ｂ）が付された符号で示されており、図３においては、便宜上、丸数字で示されており、数字は反射順序を示している。）は、第２の反射鏡３１の光軸Ｌ２を中心とする半径Ｒ１の円軌道Ｃ１上に並ぶよう、位置されている。
そして、この実施例における多重反射光路ＭＰ１は、例えば、一の反射鏡２１（３１）において、反射点の位置が多重反射に伴って所定間隔毎に周方向の一定方向（図２において反時計方向）に移動されて、円軌道Ｃ１上を周回、例えば５周すると共に、第１の反射鏡２１の反射面２１Ａ上に、第２の反射鏡３１における反射点を軸方向に投影したとき、第１の反射鏡２１における互いに隣接する２つの反射点、例えば２（Ａ）および２８（Ａ）の間の位置に、第２の反射鏡３１における１つの反射点、例えば１５（Ｂ）が位置されるよう構成されている。 In the multiple reflection optical path MP1 related to the first optical measurement system 25, the reflection point on the reflection surface 21A of the first reflection mirror 21 (in FIG. 2, a reference numeral (A) is attached, and FIG. In FIG. 2, for convenience, the numbers are indicated by round numerals, and the numbers indicate the reflection order.) Is a reflection including the incident position of light (formation position of the opening 22) 0 (A) in the cell body 11. The mirrors 21 are arranged on a circular orbit C1 having a radius R1 centered on the optical axis L1 of the mirror 21 so that the emission position 32 (A) coincides with the incident position 0 (A).
In addition, the reflection point on the reflection surface 31A of the second reflecting mirror 31 (indicated by reference numeral with (B) in FIG. 2, and in FIG. The numbers indicate the order of reflection.) Are positioned so as to be arranged on a circular orbit C1 having a radius R1 centered on the optical axis L2 of the second reflecting mirror 31.
The multiple reflection optical path MP1 in this embodiment is such that, for example, in one reflecting mirror 21 (31), the position of the reflection point is constant in the circumferential direction (counterclockwise in FIG. ), Orbits, for example, 5 times on the circular orbit C1, and when the reflection point of the second reflecting mirror 31 is projected on the reflecting surface 21A of the first reflecting mirror 21 in the axial direction, One reflection point, for example, 15 (B) in the second reflection mirror 31 is positioned at a position between two reflection points, for example, 2 (A) and 28 (A), adjacent to each other in one reflection mirror 21. It is comprised so that.

多重反射光路ＭＰ１の光路長は、特に制限されるものではなく、例えば、反射鏡２１，３１の焦点距離（曲率半径）、反射鏡２１，３１間の離間距離（中心位置間距離）、反射回数およびその他の光学条件を適宜に選定することにより、目的に応じて適宜に設定することができ、また、第１の反射鏡２１におけるレーザ光の入出射用の開口部２２は、目的に応じて設定される円軌道Ｃ１上の位置に形成すればよい。   The optical path length of the multiple reflection optical path MP1 is not particularly limited. For example, the focal length (curvature radius) of the reflection mirrors 21 and 31, the separation distance between the reflection mirrors 21 and 31 (distance between center positions), and the number of reflections. And other optical conditions can be appropriately set according to the purpose, and the opening 22 for entering and exiting the laser beam in the first reflecting mirror 21 can be set according to the purpose. What is necessary is just to form in the position on the circular track | orbit C1 to be set.

而して、この多層型マルチパスセルにおいては、互いに独立した、いわゆる『ヘリオットセル』の動作原理を利用した複数系統の多重反射光路が一のセル本体内において形成されている。
すなわち、第１の光学測定系２５における多重反射光路ＭＰ１は、反射鏡２１（３１）の光軸Ｌ１（Ｌ２）に沿って伸びる円環状空間領域（円筒状空間領域）Ａ１内において形成されており、当該円環状空間領域Ａ１の内側の円柱状空間領域すなわち第１の光学測定系２５の多重反射光路において使用されない空間領域において、一つの他の光学測定系（以下、「第２の光学測定系」という。）が位置されている。 Thus, in this multi-layered multipath cell, a plurality of multiple reflection optical paths using the operation principle of so-called “Heliot cells” independent from each other are formed in one cell body.
That is, the multiple reflection optical path MP1 in the first optical measurement system 25 is formed in an annular space region (cylindrical space region) A1 extending along the optical axis L1 (L2) of the reflecting mirror 21 (31). In the cylindrical space region inside the annular space region A1, that is, the space region not used in the multiple reflection optical path of the first optical measurement system 25, one other optical measurement system (hereinafter referred to as “second optical measurement system”). ") Is located.

第２の光学測定系３５は、例えば、セル本体１１の、第２の反射鏡３１側の外方位置に配置された、第２の光源３６および適宜の反射ミラー３７を介してセル本体１１から出射された光を検出する受光センサ３８を具えており、第２の光源３６から照射されるレーザ光が第２の反射鏡３１に形成された開口部３２を介してセル本体１１内に入射され、２つの反射鏡２１，３１における、第１の光学測定系２５で使用される反射面領域より光軸側に位置される反射面領域によって多重反射された後、再び、当該開口部３２を介してセル本体１１の外部に出射され、反射ミラー３７を介して受光センサ３８によって受光される構成とされている。
第２の反射鏡３１における開口部３２は、反射鏡３１の背面側から透光性を有する窓板部材４５によって気密に閉塞されている。 The second optical measurement system 35 is, for example, from the cell main body 11 via the second light source 36 and an appropriate reflection mirror 37 disposed at the outer position of the cell main body 11 on the second reflecting mirror 31 side. A light receiving sensor 38 for detecting the emitted light is provided, and laser light emitted from the second light source 36 enters the cell body 11 through the opening 32 formed in the second reflecting mirror 31. The two reflecting mirrors 21 and 31 are subjected to multiple reflections by the reflecting surface region located on the optical axis side with respect to the reflecting surface region used in the first optical measurement system 25, and then again through the opening 32. The light is emitted to the outside of the cell body 11 and received by the light receiving sensor 38 via the reflection mirror 37.
The opening 32 in the second reflecting mirror 31 is airtightly closed by a window plate member 45 having translucency from the back side of the reflecting mirror 31.

第２の光学測定系３５における多重反射光路ＭＰ２は、反射鏡２１（３１）の光軸Ｌ１（Ｌ２）に沿って伸びる円環状空間領域（円筒状空間領域）Ａ２内において形成されており、第２の反射鏡３１の反射面３１Ａ上における反射点（図２においては（Ｃ）が付された符号で示されており、図３においては、便宜上、四角で囲まれた数字で示されており、数字は反射順序を示している。）は、セル本体１１内に対する光の入射位置（開口部３２の形成位置）０（Ｃ）を含む、第２の反射鏡３１の光軸Ｌ２を中心とする半径Ｒ２の円軌道Ｃ２上に並び、出射位置３２（Ｃ）が入射位置０（Ｃ）と一致するよう、位置されている。
また、第１の反射鏡２１の反射面２１Ａ上における反射点（図２においては（Ｄ）が付された符号で示されており、図３においては、便宜上、四角で囲まれた数字で示されており、数字は反射順序を示している。）は、第１の反射鏡２１の光軸Ｌ１を中心とする半径Ｒ２の円軌道Ｃ２上に並ぶよう、位置されている。
そして、この実施例における多重反射光路ＭＰ２は、例えば、一の反射鏡２１（３１）において、反射点が多重反射に伴って所定間隔毎に周方向の一定方向（図２において反時計方向）に移動されて、円軌道Ｃ２上を周回、例えば５周すると共に、第１の反射鏡２１の反射面２１Ａ上に、第２の反射鏡３１における反射点を軸方向に投影したとき、第２の反射鏡３１における互いに隣接する２つの反射点、例えば２（Ｃ）および２８（Ｃ）の間の位置に、第１の反射鏡２１における１つの反射点、例えば１５（Ｄ）が位置されるよう構成されている。 The multiple reflection optical path MP2 in the second optical measurement system 35 is formed in an annular space region (cylindrical space region) A2 extending along the optical axis L1 (L2) of the reflecting mirror 21 (31). The reflection point on the reflection surface 31A of the second reflecting mirror 31 (indicated by reference numeral with (C) in FIG. 2, and in FIG. 3, for convenience, it is indicated by a number surrounded by a square. , The numbers indicate the reflection order.) Is centered on the optical axis L2 of the second reflecting mirror 31 including the incident position of light (formation position of the opening 32) 0 (C) in the cell body 11. Are arranged on a circular orbit C2 having a radius R2 and positioned so that the emission position 32 (C) coincides with the incident position 0 (C).
Further, the reflection points on the reflection surface 21A of the first reflecting mirror 21 (indicated by reference numerals with (D) in FIG. 2), in FIG. The numbers indicate the order of reflection.) Are positioned so as to be aligned on a circular orbit C2 having a radius R2 centered on the optical axis L1 of the first reflecting mirror 21.
The multiple reflection optical path MP2 in this embodiment is such that, for example, in one reflecting mirror 21 (31), the reflection point is in a constant direction in the circumferential direction (counterclockwise in FIG. 2) at predetermined intervals due to multiple reflection. When it is moved and circulates on the circular orbit C2, for example, 5 laps, and the reflection point of the second reflecting mirror 31 is projected on the reflecting surface 21A of the first reflecting mirror 21 in the axial direction, the second One reflection point, for example, 15 (D) in the first reflection mirror 21 is positioned at a position between two reflection points adjacent to each other in the reflection mirror 31, for example, 2 (C) and 28 (C). It is configured.

第２の光学測定系３５における多重反射光路ＭＰ２は、２つの反射鏡２１，３１による反射回数が第１の光学測定系２５における多重反射光路ＭＰ１と同一であって、第１の光学測定系２５に係る多重反射光路ＭＰ１と実質的に同一の長さの光路長を有している。   The multiple reflection optical path MP2 in the second optical measurement system 35 has the same number of reflections by the two reflecting mirrors 21 and 31 as the multiple reflection optical path MP1 in the first optical measurement system 25, and the first optical measurement system 25. The optical path length is substantially the same as that of the multiple reflection optical path MP1.

第１の光学測定系２５における第１の光源２６および第２の光学測定系３５における第２の光源３６は、例えば近赤外線半導体レーザよりなり、互いに波長が異なるものが用いられている。
第１の光学測定系２５および第２の光学測定系３５を構成する光源２６，３６によるレーザ光の波長の一例を検知対象ガスとの関係において示すと、例えば、12ＣＯ2 （質量数が１２の炭素）の検知に用いられるレーザ光の波長は２．０１４または２．００４〔μｍ〕、13ＣＯ2 （質量数が１３の炭素）の検知に用いられるレーザ光の波長は２．０４０〔μｍ〕であり、ＣＨ4 の検知においては１．６５１または１．６５４〔μｍ〕、ＣＯの検知においては１．５６８〔μｍ〕、Ｃ2 Ｈ2 の検知においては１．５２０または１．５３０〔μｍ〕、ＮＨ3 の検知においては１．５１７〔μｍ〕、Ｎ2 Ｏの検知においては１．５１６〔μｍ〕，Ｈ2 Ｏである場合には１．３６４または１．８４７〔μｍ〕、ＨＣｌの検知においては１．７４７または１．７４３〔μｍ〕である。 The first light source 26 in the first optical measurement system 25 and the second light source 36 in the second optical measurement system 35 are made of, for example, a near-infrared semiconductor laser and have different wavelengths.
An example of the wavelength of laser light from the light sources 26 and 36 constituting the first optical measurement system 25 and the second optical measurement system 35 in relation to the detection target gas is 12 CO 2 (mass number is 12). The wavelength of the laser beam used for detection of carbon is 2.014 or 2.004 [μm], and the wavelength of the laser beam used for detection of 13 CO 2 (carbon having a mass number of 13) is 2.040 [μm]. In the detection of CH 4 , 1.651 or 1.654 [μm], in the detection of CO 1.568 [μm], in the detection of C 2 H 2 , 1.520 or 1.530 [μm] ] 1.517 [μm] for detection of NH 3 , 1.516 [μm] for detection of N 2 O, 1.364 or 1.847 [μm] for H 2 O, HCl In detection, 1.747 or 1. Is 43 [μm].

上記構成の多層型マルチパスセルの一構成例について示すと、第１の反射鏡２１および第２の反射鏡３１は、焦点距離が３６０ｍｍ、曲率半径が７２０ｍｍ、反射面２１Ａ（３１Ａ）の外周縁の径（有効反射面の径）がφ４５ｍｍ、反射鏡２１，３１間の離間距離（中心位置間距離）が３２０ｍｍであり、第１の光学測定系２５における多重反射光路ＭＰ１は、反射回数が３１回（１６往復）、各々の反射鏡２１，３１の反射面２１Ａ，３１Ａ上において反射点が位置される円軌道Ｃ１の半径Ｒ１が３０ｍｍ，光路長が約１０．２４ｍであり、第２の光学測定系３５における多重反射光路ＭＰ２は、反射回数が３１回（１６往復），各々の反射鏡２１，３１の反射面２１Ａ，３１Ａ上において反射点が位置される円軌道Ｃ２の半径Ｒ２が１５ｍｍ，光路長が約１０．２４ｍである。
また、第１の光学測定系２５における多重反射光路ＭＰ１が形成される円環状空間領域Ａ１の最内側位置は、反射鏡２１（３１）の光軸Ｌ１（Ｌ２）から２６．４ｍｍ程度の位置であり、レーザ光のビーム径が約φ３ｍｍ程度であり、従って、第１の光学測定系２５および第２の測定光学系３５は、光学的な干渉を生ずることなく、互いに独立したものとして構成される。 A configuration example of the multilayer multi-pass cell having the above configuration will be described. The first reflecting mirror 21 and the second reflecting mirror 31 have a focal length of 360 mm, a radius of curvature of 720 mm, and an outer peripheral edge of the reflecting surface 21A (31A). (The effective reflection surface diameter) is 45 mm, the separation distance between the reflecting mirrors 21 and 31 (the distance between the center positions) is 320 mm, and the multiple reflection optical path MP1 in the first optical measurement system 25 has 31 reflections. Rotation (16 reciprocations), the radius R1 of the circular orbit C1 where the reflection point is located on the reflecting surfaces 21A and 31A of the reflecting mirrors 21 and 31 is 30 mm, the optical path length is about 10.24 m, and the second optical The multiple reflection optical path MP2 in the measurement system 35 has 31 reflections (16 reciprocations), and the radius R2 of the circular orbit C2 where the reflection point is located on the reflection surfaces 21A and 31A of the respective reflection mirrors 21 and 31 is 15. m, the optical path length of about 10.24M.
The innermost position of the annular space region A1 where the multiple reflection optical path MP1 is formed in the first optical measurement system 25 is a position about 26.4 mm from the optical axis L1 (L2) of the reflecting mirror 21 (31). The laser beam has a beam diameter of about φ3 mm. Therefore, the first optical measurement system 25 and the second measurement optical system 35 are configured as independent from each other without causing optical interference. .

以上のような多層型マルチパスセルは、上述したように、例えば、赤外線吸収分光法によるガス測定器に好適に用いられる。
本発明のガス測定器は、図４に示すように、上記マルチパスセルにより構成されたガス検知部５０と、マルチパスセルにおける第１の光学測定系２５を構成する第１の光源２６および第２の光学測定系３５を構成する第２の光源３６の各々の動作制御を行う機能を有すると共に受光センサ２８，３８の各々からの検出信号に基づいてガス濃度を算出する機能を有する制御手段５５とを具えてなる。
そして、ガス検知においては、制御手段５５における光源制御部５６によって、例えば第１の光源２６および第２の光源３６に対する供給電流の大きさが制御されることにより、第１の光学測定系２５における第１の光源２６および第２の測定光学系３５における第２の光源３６の各々から、例えば周波数変調されたレーザ光がセル本体１１内に入射され、これにより多重反射光路ＭＰ１，ＭＰ２が形成された状態において、被検査ガスがセル本体１１内に供給されることにより、第１の光学測定系２５に係るレーザ光がその波長付近に吸収特性を有する第１の検知対象ガスに吸収されることによって受光センサ２８により検出される赤外線光量が低下し、この赤外線光量の減衰の程度に応じたガス濃度が制御手段５５における信号処理部５７によって検出されると共に、第２の光学測定系３５に係るレーザ光がその波長付近に吸収特性を有する、第１の検知対象ガスとは異なる種類の第２の検知対象ガスに吸収されることによって受光センサ３８により検出される赤外線光量が低下し、この赤外線光量の減衰の程度に応じたガス濃度が制御手段５５における信号処理部５７によって検出される。 As described above, the multilayer multi-pass cell as described above is suitably used for a gas measuring device by infrared absorption spectroscopy, for example.
As shown in FIG. 4, the gas measuring instrument of the present invention includes a gas detector 50 constituted by the multipass cell, a first light source 26 constituting a first optical measurement system 25 in the multipass cell, and a first light source 26. Control means 55 having a function of controlling the operation of each of the second light sources 36 constituting the second optical measurement system 35 and a function of calculating a gas concentration based on detection signals from the light receiving sensors 28 and 38. And with.
In the gas detection, the light source control unit 56 in the control unit 55 controls the magnitude of the current supplied to the first light source 26 and the second light source 36, for example, so that the first optical measurement system 25 From each of the first light source 26 and the second light source 36 in the second measurement optical system 35, for example, frequency-modulated laser light is incident into the cell body 11, thereby forming multiple reflection optical paths MP1 and MP2. In this state, when the gas to be inspected is supplied into the cell body 11, the laser light related to the first optical measurement system 25 is absorbed by the first detection target gas having absorption characteristics near the wavelength. As a result, the amount of infrared light detected by the light receiving sensor 28 decreases, and the gas concentration corresponding to the degree of attenuation of the amount of infrared light is reduced by the signal processing unit 5 in the control means 55. And the laser beam related to the second optical measurement system 35 has absorption characteristics in the vicinity of the wavelength, and is absorbed by the second detection target gas different from the first detection target gas. The amount of infrared light detected by the light receiving sensor 38 decreases, and the gas concentration corresponding to the degree of attenuation of the amount of infrared light is detected by the signal processing unit 57 in the control means 55.

而して、上記構成の多層型マルチパスセルによれば、一のセル本体１１内において、互いに独立した２系統の多重反射光路ＭＰ１，ＭＰ２が形成されており、第１の光学測定系２５および第２の光学測定系３５における各々の光源２６，３６として、互いに異なる波長のレーザ光が照射されるものが用いられることにより、高いガス選択性を得ることができて被検査ガスに含まれる２種類のガス成分を同時に検出することができ、各々の多重反射光路ＭＰ１，ＭＰ２を、互いに干渉することなく、必要な大きさの光路長が確保されたものとして構成することができる。
例えば、第１の光学測定系２５における第１の光源２６として、例えば中心波長が１．６５１μｍ付近である赤外線光源を用い、第２の光学測定系３５における第２の光源３６として、例えば中心波長が１．３６４μｍ付近である赤外線光源を用いた場合には、第１の光学測定系２５においてＣＨ4 の検出を行うことができると共に第２の光学測定系３５においてＨ2 Ｏの検出を行うことができる。第１の光学測定系２５に係る検知対象ガスと第２の光学測定系３５に係る検知対象ガスとの組み合わせとしては、例えばＣＨ4 の検出（中心波長１．６５１μｍ付近）とＮＨ3 の検出（中心波長１．５１７μｍ付近）、あるいは、ＣＨ4 の検出（中心波長１．６５１μｍ付近）とＣＯの検出（中心波長１．５６８μｍ付近）等を例示することができるが、特に限定されるものではなく、また、例えばＣＯの検出においては、中心波長が４．７μｍ付近の中赤外域のレーザ光を用いることもできる。さらにまた、例えばある特定ガス成分とその干渉ガス成分の検出、あるいは、12ＣＯ2 および13ＣＯ2 などの同位体測定などを行うこともできる。
また、第１の光学測定系２５を構成する光源２６および受光センサ２８と、第２の光学測定系３５を構成する光源３６および受光センサ３８とが、互いに異なる反射鏡側の外方位置に配置された構成とされていることにより、第１の光学測定系２５および第２の光学測定系３５の相互の物理的な（構成上の）干渉あるいは光学的な干渉が生ずることを確実に防止することができる。 Thus, according to the multilayer multipath cell having the above-described structure, two independent multiple reflection optical paths MP1 and MP2 are formed in one cell body 11, and the first optical measurement system 25 and As each of the light sources 26 and 36 in the second optical measurement system 35, one that is irradiated with laser beams having different wavelengths can be used, so that high gas selectivity can be obtained and 2 contained in the gas to be inspected. Various types of gas components can be detected at the same time, and each of the multiple reflection optical paths MP1 and MP2 can be configured such that a required optical path length is ensured without interfering with each other.
For example, as the first light source 26 in the first optical measurement system 25, for example, an infrared light source having a center wavelength of about 1.651 μm is used, and as the second light source 36 in the second optical measurement system 35, for example, the center wavelength. In the case where an infrared light source having a wavelength of about 1.364 μm is used, CH 4 can be detected by the first optical measurement system 25 and H 2 O can be detected by the second optical measurement system 35. Can do. As a combination of the detection target gas related to the first optical measurement system 25 and the detection target gas related to the second optical measurement system 35, for example, detection of CH 4 (center wavelength near 1.651 μm) and detection of NH 3 ( Examples include detection of CH 4 (around a central wavelength of 1.651 μm) and detection of CO (around a central wavelength of 1.568 μm), but are not particularly limited. For example, in detecting CO, a mid-infrared laser beam having a center wavelength of about 4.7 μm can be used. Furthermore, for example, a specific gas component and its interference gas component can be detected, or isotopes such as 12 CO 2 and 13 CO 2 can be measured.
In addition, the light source 26 and the light receiving sensor 28 constituting the first optical measurement system 25 and the light source 36 and the light receiving sensor 38 constituting the second optical measurement system 35 are arranged at different outer positions on the reflecting mirror side. By being configured as described above, it is possible to reliably prevent the occurrence of mutual physical (constitutive) interference or optical interference between the first optical measurement system 25 and the second optical measurement system 35. be able to.

従って、上記多層型マルチパスセルを具えてなるガス測定器によれば、当該多層型マルチパスセルが、互いに独立した２系統の光学測定系２５，３５（多重反射光路ＭＰ１，ＭＰ２）が形成されて２種類のガス成分を同時に検知することができるよう構成されているので、複数種のガス成分を同時に検出することができる構成のものでありながら、ガス測定器それ自体を小型のものとして構成することができ、しかも、各々の多重反射光路ＭＰ１，ＭＰ２において、互いに干渉することなく、必要な大きさの光路長を確保することができるので、２種類のガス成分を同時にかつ高い精度で検出することができる。   Therefore, according to the gas measuring instrument comprising the multilayer multipath cell, the multilayer multipath cell is formed with two optical measurement systems 25 and 35 (multiple reflection optical paths MP1 and MP2) independent of each other. Because it is configured to detect two types of gas components at the same time, the gas measuring instrument itself is configured as a small one while being configured to detect multiple types of gas components simultaneously. In addition, in each of the multiple reflection optical paths MP1 and MP2, the required optical path length can be secured without interfering with each other, so that two types of gas components can be detected simultaneously and with high accuracy. can do.

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、種々の変更を加えることができる。
例えば、セル本体内に形成される多重反射光路の数は、２系統に限定されるものではなく、例えば３系統以上であってもよく、このような構成のものにおいても、各々の多重反射光路における光路長は互いに実質的に同一の大きさとされる。
また、上記実施例において、第１の光学測定系における第１の光源および受光センサと、第２の光学測定系における第２の光源および受光センサとが、一方の反射鏡側の外方位置に形成された構成であってもよい。
さらにまた、各々の光学測定系における多重反射光路は、反射鏡の反射面上における反射点の位置が多重反射に伴って周回するよう構成されている必要はなく、例えば、反射点が周方向に対して所定の方向に順次に並び、適正に設定された回数の反射が行われた後、最終的に、入射位置をなす開口部から出射されるよう構成されていてもよい。
さらにまた、反射鏡の構成、２つの反射鏡の離間距離の大きさ、反射回数、多重反射光路における光路長の大きさおよびその他の具体的構成は、上記実施例に限定されるものではなく、目的に応じて適宜に設定することができる。 As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention is not limited to said embodiment, A various change can be added.
For example, the number of multiple reflection optical paths formed in the cell body is not limited to two systems, and may be, for example, three or more systems. The optical path lengths in are substantially the same.
Moreover, in the said Example, the 1st light source and light receiving sensor in a 1st optical measurement system, and the 2nd light source and light receiving sensor in a 2nd optical measurement system are in the outward position by the side of one reflector. The formed structure may be sufficient.
Furthermore, the multiple reflection optical path in each optical measurement system does not need to be configured such that the position of the reflection point on the reflection surface of the reflecting mirror circulates along with the multiple reflection. For example, the reflection point is in the circumferential direction. On the other hand, it may be configured so that the light is sequentially arranged in a predetermined direction, and after being appropriately reflected a number of times, the light is finally emitted from the opening that forms the incident position.
Furthermore, the configuration of the reflecting mirror, the size of the separation distance between the two reflecting mirrors, the number of reflections, the size of the optical path length in the multiple reflection optical path, and other specific configurations are not limited to the above embodiments. It can be set appropriately according to the purpose.

１１ セル本体
２１ 第１の反射鏡
２１Ａ 反射面
２２ 開口部
２５ 第１の光学測定系
２６ 第１の光源
２７ 反射ミラー
２８ 受光センサ
３１ 第２の反射鏡
３１Ａ 反射面
３２ 開口部
３５ 第２の光学測定系
３６ 第２の光源
３７ 反射ミラー
３８ 受光センサ
４０ 反射鏡保持部材
４１Ａ，４１Ｂ 開口部
４５ 窓板部材
５０ 検知部
５５ 制御手段
５６ 光源制御部
５７ 信号処理部
６１，６５ 反射鏡
６１Ａ，６５Ａ 反射面
Ｌ１ 第１の反射鏡の光軸
Ｌ２ 第２の反射鏡の光軸
Ｃ０ 多重反射光路において反射点が位置される円軌道
Ｃ１ 第１の光学測定系の多重反射光路において反射点が位置される円軌道
Ｃ２ 第２の光学測定系の多重反射光路において反射点が位置される円軌道
ＭＰ１ 第１の光学測定系に係る多重反射光路
ＭＰ２ 第２の光学測定系に係る多重反射光路
Ａ０ 円環状空間領域
Ａ１ 円環状空間領域（円筒状空間領域）
Ａ２ 円環状空間領域（円筒状空間領域） DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Cell main body 21 1st reflective mirror 21A Reflective surface 22 Opening part 25 1st optical measurement system 26 1st light source 27 Reflective mirror 28 Light reception sensor 31 2nd reflective mirror 31A Reflective surface 32 Opening part 35 2nd optical Measurement system 36 Second light source 37 Reflecting mirror 38 Light receiving sensor 40 Reflecting mirror holding member 41A, 41B Opening 45 Window plate member 50 Detection unit 55 Control means 56 Light source control unit 57 Signal processing unit 61, 65 Reflecting mirror 61A, 65A Reflection Surface L1 Optical axis of the first reflecting mirror L2 Optical axis of the second reflecting mirror C0 Circular orbit where the reflection point is located in the multiple reflection optical path C1 The reflection point is located in the multiple reflection optical path of the first optical measurement system Circular orbit C2 Circular orbit where the reflection point is located in the multiple reflection optical path of the second optical measurement system MP1 Multiple reflection optical path MP2 of the first optical measurement system MP2 Second light Multiple reflection optical path related to optical measurement system A0 annular space region A1 annular space region (cylindrical space region)
A2 annular space area (cylindrical space area)

Claims (4)

セル本体と、このセル本体内において、互いに光軸が一致する状態で対向配置された、球面状または放物面状の反射面を有する２つの反射鏡と、各々の反射鏡の反射面上においてレーザ光の反射点が反射鏡の光軸を中心とする円軌道または楕円軌道上に並ぶよう位置される多重反射光路を形成する基準光学測定系とを具えてなり、
前記基準光学測定系の多重反射光路は、反射鏡の光軸に沿って伸びる円環状空間領域内において形成されており、当該円環状空間領域の内側の円柱状空間領域内において、前記反射鏡の各々の反射面上に形成されるレーザ光の反射点が反射鏡の光軸を中心とする円軌道または楕円軌道上に並ぶよう位置される多重反射光路を形成する他の光学測定系が少なくとも一つ位置されていることを特徴とする多層型マルチパスセル。 A cell body, two reflecting mirrors having a spherical or parabolic reflecting surface arranged in a state in which the optical axes coincide with each other in the cell body, and on the reflecting surface of each reflecting mirror A reference optical measurement system that forms a multiple reflection optical path positioned so that the reflection point of the laser beam is aligned on a circular or elliptical orbit centering on the optical axis of the reflector,
The multiple reflection optical path of the reference optical measurement system is formed in an annular space region extending along the optical axis of the reflection mirror, and in the cylindrical space region inside the annular space region, There is at least one other optical measurement system that forms a multiple reflection optical path in which the reflection point of the laser beam formed on each reflection surface is positioned so as to be aligned on a circular or elliptical orbit centering on the optical axis of the reflecting mirror. A multi-layered multi-pass cell, characterized in that it is located two. 基準光学測定系および他の光学測定系の各々は、多重反射光路の光路長の大きさが互いに同一であって、互いに異なる波長の光を照射する光源を具えていることを特徴とする請求項１に記載の多層型マルチパスセル。   The reference optical measurement system and each of the other optical measurement systems each include a light source that irradiates light having different wavelengths, the optical path lengths of the multiple reflection optical paths being the same. 2. A multilayer multipass cell according to 1. 基準光学測定系および一つの他の光学測定系の二つの光学測定系を具えてなり、
基準光学測定系を構成する光源および受光センサと、他の光学測定系を構成する光源および受光センサとは、互いに異なる反射鏡側の外方位置に配置されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の多層型マルチパスセル。 Comprising two optical measurement systems, a reference optical measurement system and one other optical measurement system,
2. The light source and the light receiving sensor constituting the reference optical measurement system and the light source and the light receiving sensor constituting the other optical measurement system are disposed at different outer positions on the reflecting mirror side. Or the multilayer multipass cell according to claim 2. 請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の多層型マルチパスセルを具えてなることを特徴とするガス測定器。   A gas measuring instrument comprising the multilayer multipass cell according to any one of claims 1 to 3.
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