ガスセンサーのための光空洞
本発明は、非分散赤外線方式を利用したガスセンサーの光空洞に関する。本発明の光空洞は、異なる焦点距離を有する２つの２次放物線形態の鏡を互いに焦点と光軸とを共有するように対向して配置し、光軸を２次放物線の焦点と頂点とを経る直線にしてその光軸に平面鏡を配置することを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非分散赤外線（ＮＤＩＲ：Ｎｏｎ Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ Ｉｎｆｒａｒｅｄ）方式を利用したガスセンサーの光空洞に関する。
【背景技術】
【０００２】
非分散赤外線方式は、ガスの光学的吸収特性を利用してガスが特定の波長の光を吸収する程度を測定してガスの濃度で逆算する方式であって、この非分散赤外線方式を利用したガスセンサーは、通常、光源、光検出器及び光空洞を備えるガスチャンバーと、ガスチャンバーの光検出器から出る電気信号を分析してガス濃度で逆算する回路部分とから構成される。
【０００３】
一般的に優秀な特性を有するＮＤＩＲ方式のガスセンサーは、光空洞での光路を大きくして光が光空洞の内部を進める過程でガスにより吸収を多く起こして精密度及び正確度を向上させることが主要関鍵である。
【０００４】
しかしながら、光路を大きくするために光空洞のサイズを大きくする場合、ガスセンサーの体積が大きくなり、コスト上昇の要因として作用するので、製品としての競争力を低下させる。したがって、制限されたサイズの光空洞を利用しつつ光路を大きくするためには、光空洞の内部を鏡やレンズを幾何学的に効果的に配置することが効果的な方法のうち１つである。
【０００５】
このような理由により、光学シミュレーション技法を利用して多くの試行錯誤を経て適切な光空洞の鏡とレンズとの配置を見付けることが最も平凡な従来の光空洞の設計及び分析方法であるが、この方法の場合、光空洞の性能に影響を与える因子があまり多いので、光空洞の設計及び製作過程で発生する小さい誤差要因の累積によって製品の性能の偏差が大きく、したがって、このような誤差の補正に長時間及び高コストがかかる。また、シミュレーション技法による光空洞の設計では、光空洞のサイズを同一に維持しつつ光路をより大きくするか、または小さくしようとする場合、新たに光空洞を設計しなければならないので、多くの試行錯誤を経なければならず、既存のガスセンサーの回路に適用させられない非実用的な光空洞が導出されるという問題点がある。
【０００６】
また、一般的に小さいサイズに大きい光路を有する効率的な光空洞を設計するためには、光空洞の内部の空間を十分に活用しなければならない。すなわち、光源から放出された光が光空洞の内部を十分に進めた後、光検出器に検出されなければならない。しかし、この場合、ガスの流出入のための換気口を配置可能な空間は相対的に減少するので、結果的に、光路は大きいが、換気口が小さいため、ガスセンサーの応答時間（すなわち、１回の測定にかかる時間）が過度に長くなるという問題点がある。すなわち、従来のガスセンサーは、含めている光空洞の光路を大きくするのに主眼点を置くことによって、ガスセンサーの正確度及び精密度は向上させたとしても、狭い換気口によりガスの流入速度が遅くて１回の測定に最大数分ほどの時間がかかり、速い応答速度（または、応答時間）が要求される測定環境に適切に対応できないという問題点がある。
【０００７】
また、非分散赤外線方式でいわゆる熱赤外線に対して非常に良好な吸収特性を有するガスを測定する場合（例えば、約４．２μmの熱赤外線を吸収する二酸化炭素ガスを測定する場合）、熱赤外線は、光空洞を構成する物質の熱振動を誘発させて、結局、光空洞の温度を上昇させるが、例えば光源から放出された光のエネルギーが１００とすれば、温度の上昇により１００以上のエネルギーが形成されるので、これにより測定誤差が発生する。この測定誤差を最小化するために、光源から放出される光をパルス形態にするが、パルス幅が狭ければ、光エネルギーが小さくて光検出器に検出される光量が少ないので、効果的にガスを測定できず、逆にパルス幅を広くする場合、光エネルギーが多いので、効果的な測定は可能であるが、光空洞の内部の温度上昇に影響を与え、この光空洞の内部の温度上昇は、ガスセンサーの測定誤差として作用するという問題点がある。
【０００８】
また、通常的に光路の長さ及びその他の光空洞の特性が非常に多様な多数の因子により影響を受けるため、光空洞を設計した後、反復実験を通じて設計値を修正するか、または新たな適用環境などに合わせて光空洞の設計を修正する必要がある場合に、光路の長さを変更するか、または光路の長さ変更による光空洞の特性変化を予測して設計に反映するのは非常に困難な問題である。
【０００９】
また、光源から放出された光は、光源の特性によって所定の光幅または光のサイズを有するので、光源から放出されたあらゆる光が焦点を通過する理想的な光路を有するようにするのが不可能であり、これにより、光空洞の内部で発生する多様な光路を考慮して光空洞を設計するのも容易でない。
【００１０】
このような問題点は、ＮＤＩＲガスセンサーが既存の他の方式のガスセンサーに比べて多くの長所を有しているにもかかわらず、実際の適用に制約を受ける要因として作用する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、非分散赤外線方式を利用したガスセンサーにおいて、より大きい光路及び効率的な換気特性を有する光空洞を提供することを目的とする。
【００１２】
また、本発明は、非分散赤外線方式のガスセンサーの核心部分といえる光空洞を効果的に設計して光路を大きくすることによって、ガス濃度の測定の正確度及び精密度を改善すると共に、換気口の面積を十分に大きくして測定しようとするガスの流出入を容易にすることによって、ガス濃度の１回測定時間、すなわち応答時間を短縮させることを目的とする。
【００１３】
また、本発明は、幾何学的に効率的な鏡の配置を通じて、大きい光路及び大きい換気口という通常的に相反する目標を同時に達成する光空洞を提供することを目的とする。
【００１４】
また、本発明は、換気口を大きく形成して換気口を通じた熱発散を促進することによって、光空洞の内部の温度上昇による測定誤差を防止する光空洞を提供することを目的とする。
【００１５】
また、本発明は、光空洞の設計時、光路中で不要に多くの反射を起こしつつも光検出器には検出されない光路を排除し、光空洞を構成する平面鏡の特定の部分でのみ重点的に反射が行われるようにする一方、反射が起きない平面鏡の一部に換気口を設置することによって、ガスの流出入を円滑にし、不要な光路による光空洞内部の温度上昇を抑制できる光空洞を提供することを目的とする。
【００１６】
また、本発明は、光空洞を構成する鏡の図形形態を収斂系に構成し、光検出器を収斂される部分に配置することによって、効果的な光検出特性を有する光空洞を提供することを目的とする。
【００１７】
また、本発明は、光空洞の設計時、可能な限り簡単かつ分析しやすい図形の鏡とレンズとを配置可能にし、最小数の光空洞設計因子のみを変更して光路を効率的に変更し、それを容易に分析することによって、新たな光空洞の設計における多くの試行錯誤とコストを低減できる光空洞を提供することを目的とする。
【００１８】
また、本発明は、２つの２次放物線の焦点距離の比を異ならせることによって、光路を容易に調節できる特徴を有するので、適用ガス別の光空洞の設計が非常に容易な光空洞を提供することを目的とする。
【００１９】
また、本発明は、一定な光幅または光のサイズを有して光源から放出されたが、光路上で光幅が変化したか、または最初から多様な角度偏差を有して光源から放射された光を所定の焦点を通過させることによって収斂させる光空洞を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
上記目的を達成するための本発明の光空洞は、異なる焦点距離を有する２つの２次放物線形態の鏡を互いに焦点と光軸とを共有するように対向して配置し、光軸を２次放物線の焦点と頂点とを経る直線にして、その光軸に平面鏡を配置することを特徴とする。
【００２１】
上記構造の光空洞の場合、焦点距離が長い２次関数放物線鏡上の任意の点から焦点に向かって放出された光は、光空洞の内部を循環していて、結局、光軸近辺で（＋）と（−）方向に往復して光軸に収斂する光路を有する。これにより、光軸と平行に光検出器を配置すれば、光源から放出された光は、いずれも光検出器で検出される。
【００２２】
上記構造の光空洞は、理想的な平面鏡では焦点でのみ光の反射が起きるという特徴を利用するものである。すなわち、焦点に限定された領域でのみ光の反射が起きるので、平面鏡の残りの部分（反射が起きない部分）には光路が形成されないので、自由に換気口を配置できる。また、あらゆる光が光軸に配置された光検出器に収斂するため、光軸の反対側に位置した光源近辺の領域にも光路が形成されないので、自由に換気口を配置できる。
【００２３】
本発明によれば、前述したように、異なる焦点距離を有する２つの２次放物線鏡と１つの平面鏡とを利用して収斂系の十分に大きい光路を有し、かつ十分に大きい換気口を有する光空洞を設計できる。
【００２４】
また、本発明による上記構造の光空洞は、２つの２次放物線の焦点距離の比を異ならせることによって、光路を調節できるという特徴を有する。すなわち、２つの焦点距離の比が１：１であれば、放物線の原理上、無限光路を形成するので、２つの焦点距離の比を１：ｎに設定し、ｎ値を１と０との間で調節して、吸収度の高いガスの場合には、ｎ値を小さくして光路を短く設計し、吸収度の低いガスの場合には、ｎ値を１に近くすることによって、光路を十分に大きくすることができるので、適用ガス別の光空洞の設計が非常に容易である。
【００２５】
上記は、光源から放出された光が正確に焦点に向かって放出された場合であって、非常に理想的な場合といえる。しかし、一般的に光源から放出された光は、一定な光幅または光のサイズを有するので、あらゆる光が焦点を通過する理想的な光路を有させられない。これにより、光源から放出された光が可能な限り焦点を通過可能にして所定の角度を有して放射されるか、または光路上で光幅が増大した光が所定の焦点近辺を通過するように光空洞を設計すれば、理想的な光路を外れる上記光が所定の位置に配置された光検出器に収斂することができる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、非分散赤外線方式を利用したガスセンサーにおいて、より大きい光路及び効率的な換気特性を有する光空洞が提供される。
【００２７】
本発明によれば、２つの放物鏡と１つの平面鏡とを利用して光路に対する収斂系を構成し、それを利用して特定の部分でのみ反射を行い、光が反射されない部分には、ガスの換気口を生成してガスの換気を円滑にすることによって、結論的に、光路が大きくて収斂系であるので、光の集束機能があり、ガスの換気特性が良好であるので、応答速度が速い光空洞が提供される。
【００２８】
また、本発明によれば、非分散赤外線方式のガスセンサーの核心部分といえる光空洞を効果的に設計して光路を大きくすることによって、ガス濃度の測定の正確度及び精密度を改善すると共に、換気口の面積を十分に大きくして測定しようとするガスの流出入を容易にすることによって、ガス濃度の１回測定時間、すなわち応答時間を短縮させることができる。
【００２９】
また、本発明によれば、幾何学的に効率的な鏡の配置を通じて、大きい光路及び大きい換気口という通常的に相反する目標を同時に達成する光空洞が提供される。
【００３０】
また、本発明によれば、換気口を大きく形成して換気口を通じた熱発散を促進することによって、光空洞の内部の温度上昇による測定誤差を防止する光空洞が提供される。
【００３１】
また、本発明によれば、光空洞の設計時、光路中で不要に多くの反射を起こしつつも光検出器には検出されない光路を排除し、光空洞を構成する平面鏡の特定の部分でのみ重点的に反射を行う一方、反射が起きない平面鏡の一部に換気口を設置することによって、ガスの流出入を円滑にし、不要な光路による光空洞の内部の温度上昇を抑制できる光空洞が提供される。
【００３２】
また、本発明によれば、光空洞を構成する鏡の図形形態を収斂系で構成し、光検出器を収斂される部分に配置することによって、効果的な光検出特性を有する光空洞が提供される。
【００３３】
また、本発明によれば、光空洞の設計時、可能な限り簡単かつ分析しやすい図形の鏡とレンズとを配置可能にし、最小数の光空洞の設計因子のみを変更して光路を効率的に変更し、それを容易に分析することによって、新たな光空洞の設計における多くの試行錯誤とコストを低減できる光空洞が提供される。
【００３４】
また、本発明によれば、２つの２次放物線の焦点距離の比を異ならせることによって、光路を容易に調節できる特徴を有するので、適用ガス別の光空洞の設計が非常に容易な光空洞が提供される。
【００３５】
また、本発明によれば、一定な光幅または光のサイズを有して光源から放出されたが、光路上で光幅が変化したか、または最初から多様な角度偏差を有して光源から放射された光を所定の焦点を通過させることによって収斂させる光空洞が提供される。
【００３６】
また、本発明によれば、光空洞の構造に関する数式を導出して光空洞に関する分析方法を提供することによって、光空洞の設計において光学的模擬試験によるコストを低減し、時間を短縮させるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
以下では、本発明の光空洞の構造的特徴を、添付図面を参照して提示する。
【００３８】
１．理想的な光源に対する光空洞の内部での光の進行
図１は、本発明による光空洞の原理に関する構造図である。
【００３９】
本発明の光空洞は、図１に示したように、基本的に２つの２次放物線鏡Ｍ１，Ｍ２及び１つの平面鏡Ｍ３を備える構造である。
【００４０】
２つの２次放物線鏡（すなわち、放物鏡）Ｍ１，Ｍ２は、それぞれ焦点距離がｐ，ｑであり、Ｍ１，Ｍ２は＜数１＞、＜数２＞の関数を有する。
【００４１】
【数１】
【００４２】
【数２】
【００４３】
＜数１＞、＜数２＞は、座標の原点を焦点として共有し、ｘ軸が光軸となる。ここで、光軸は、光学的分析の基準となる軸であって、ｘ軸を選択してｘ軸を光軸とする。
【００４４】
一般的に、ｙ２／＝４ｐ（ｘ−ｐ）の形態を有する２次関数の放物鏡は、（ｐ，０）に焦点が位置し、ｘ軸に対して対称である。この場合、ｘ軸を光軸として光が光軸（ｘ軸）に平行に入射すれば、２次関数の放物鏡で反射されて焦点（ｐ，０）を通過し、焦点（ｐ，０）を通過した光は、２次関数の放物鏡で反射されて光軸（ｘ軸）と平行に進める。これは、２次関数の放物鏡の反射特性に起因したものである。
【００４５】
図１において、このような特性を利用して、焦点距離がそれぞれｐ，ｑ（ｐ＞ｑ）である異なる２つの２次放物鏡Ｍ１，Ｍ２を焦点Ｆと光軸（ｘ軸）とを共有させて対向するように配置し、光軸（ｘ軸）に平面鏡Ｍ３を配置し、光軸（ｘ軸）の一端部に光検出器Ｄを配置すれば、位置Ａ０の光源Ｓから焦点Ｆに向かって放出された光は、平面鏡の焦点Ｆで反射されてＢ０→Ａ１→Ｆ→Ｂ１→Ａ２…→Ｄの経路を有する。このとき、ｐ＞ｑの条件を満足しなければならず、もしｐ＝ｑであれば、光は、光検出器Ｄに収斂せずに無限循環する。また、光が収斂するためには、光源Ｓは、焦点距離がｐ（ｐ＞ｑ）である放物鏡Ｍ１に位置しなければならず、このとき、光源Ｓが放物鏡Ｍ１上の任意の点に位置しても、光は光軸（ｘ軸）に収斂する。
【００４６】
このような光の進行において、Ａ０＝（α０，β０），Ａｎ＝（αｎ，βｎ），Ｂ０＝（α０’，β０’），Ｂｎ＝（αｎ’，βｎ’）とすれば、＜数１＞、＜数２＞及びβ０’＝β１の条件からＡｎ及びＢｎは次のように表現される。
【００４７】
【数３】
【００４８】
＜数３＞から、ｎ→∞であれば、αｎ→ｐ，αｎ’→−ｑ，βｎ＝βｎ’→Ｏであるので、光は、光空洞の内部で循環回数が増加するほど、光軸に収斂するということが分かる。すなわち、循環した光は、光軸に位置した光検出器Ｄに検出されることが分かる。
【００４９】
光軸に光検出器Ｄを位置させた場合、光源Ｓから放出された光は、光空洞の内部を一定な回数循環した後で光検出器Ｄに検出されるが、もし、光検出器Ｄの直径（すなわち、ｙ軸に対するサイズ）がｐに対してｍ（ｍ＜１）の比率であれば（すなわち、光検出器のサイズ＝ｍｐ）、光源から放出された光がＮ回循環した後、（−ｑ，０）に位置した光検出器Ｄに検出されるとする時、循環回数Ｎは、＜数４＞から求められる。
【００５０】
＜数３＞及びＢＮ＜ｍｐの条件から、光がＮ回循環した後で光検出器に達する条件に関する＜数４＞が誘導される。
【００５１】
【数４】
【００５２】
例えば、ｐ＝２０ｍｍ、ｑ＝１６ｍｍ、光検出器のサイズ＝０．２ｐ（ｍ＝０．２）＝４ｍｍ、β０＝２０ｍｍとすれば、＜数４＞によりＮ＞６．２１となるので、光源Ｓから放出された光は、光空洞の内部で６回循環した後、７回循環で光検出器Ｄに検出される。
【００５３】
一方、光源Ｓから放出された光が光検出器Ｄに達するまでの総光路は、ｎ回目の循環長さを求めて、それを一般化して求めることができる。光がｎ回目循環する場合、ｎ回目の循環長さをＬｎとすれば、図１を参照して＜数３＞からＬｎが次のように求められる。
【００５４】
【数５】
【００５５】
したがって、光源Ｓから放出された光が光空洞を総Ｎ回循環して光検出器Ｄに検出されれば、Ｎ回循環に対する総光路の長さＬは次の通りである。
【００５６】
【数６】
【００５７】
例えば、前述した例から、ｐ＝２０ｍｍ、ｑ＝１６ｍｍ、光検出器のサイズ＝０．２ｐ（ｍ＝０．２）＝４ｍｍ、β０＝２０ｍｍ（α０＝１５）とすれば、＜数４＞からＮ＝７であるが、７回では循環が完全に行われず、αＮ−αＮ−１’ほど少なく循環したので、＜数６＞から総光路は、次のように求められる。
【００５８】
【数７】
【００５９】
＜数７＞に上記の条件を代入すれば、光路Ｌは、約４７３ｍｍが導出される。
【００６０】
一方、本発明のガスセンサーの光空洞は、放物鏡Ｍ１と放物鏡Ｍ２との焦点距離ｐ，ｑを調節することによって、光路を調節できる。すなわち、適用先によって必要な光路を＜数７＞によりｐ値とｑ値との比率を調節することによって、光路の長さを調節できる。例えば、二酸化炭素の場合、光吸収度が非常に良好であるので、光路を短く設計でき、また、一酸化炭素のように光吸収度の低いガスの場合、光路を長くｐ，ｑ値を調節して設計できる。
【００６１】
２．拡散特性のある光源を考慮した光空洞の設計
一般的な光源から放出された光は、直線でない拡散特性を有している。すなわち、光源は、点光源でなく、一定な光幅及び拡散を有して放射されるので、本発明で提案する光空洞に適用したとき、図１のような光の進行を見せずに図２のように進める。
【００６２】
図２は、光源から広がって放射された光の進行に関する図である。
【００６３】
図２のように、焦点Ｆを原点としたとき、光源Ｓから放出された光がいずれも焦点Ｆに集束されるものではなく、光の拡散特性により焦点Ｆを基準として＋ｘ方向及び−ｘ方向の所定区間ほど光が広がる。このとき、＋ｘ方向及び−ｘ方向に進める光路は異なり、そのうち一部は光検出器に検出されない。本発明では、このような放射された光を焦点Ｆに集めるために楕円鏡を利用する。
【００６４】
図３は、楕円鏡での光の反射特性に関する図である。
【００６５】
図３は、楕円鏡の反射特性を示す。楕円の原理によれば、楕円の１つの焦点に位置した光源から放出された光は、楕円鏡に反射されて他の焦点に収斂する。この楕円鏡を適用した本発明の一実施形態による光空洞の構造が図４に示されている。
【００６６】
図４は、楕円鏡が適用された光空洞に関する図である。
【００６７】
図４において、光源Ｓは、楕円鏡Ｅの１つの焦点ｆに位置する。また、この楕円鏡Ｅは、２つの放物鏡Ｍ１，Ｍ２の共通の焦点Ｆを他の焦点とする。この場合、楕円Ｅの１つの焦点ｆから放射されたあらゆる光は、楕円鏡Ｅで反射されて放物鏡Ｍ１，Ｍ２と楕円鏡Ｅとの共通の焦点Ｆに収斂し、このように収斂された光は、２次放物鏡Ｍ１、Ｍ２の反射特性によって光検出器Ｄに収斂する。
【００６８】
３．外れた光路に対する光空洞の特性
図４の場合は、光源Ｓから放出されつつ広がる光源を楕円鏡Ｅを利用して焦点Ｆに集めることによって、光空洞内での光のほとんどを光検出器Ｄに検出可能に設計したものである。しかし、あらゆる設計で理想的なものはありえないので、たとえ楕円鏡Ｅを利用して光を焦点Ｆに集めるように設計したとしても、焦点と外れる光路がありうる。したがって、この場合にも、あらゆる光が光検出器Ｄに収斂する光路を有するように光空洞を設計する必要がある。
【００６９】
図５は、微小に外れて焦点に入射された光の経路に関する図である。
【００７０】
図５において、点線で表示された光路は、放出光が外れずに焦点Ｆに正確に入射される理想的な場合であり、実線で表示された光路は、放出光の全部または一部が焦点Ｆから外れて入射される場合を示している。
【００７１】
図５の場合のように、光源Ｓから放出された光が焦点Ｆの付近に達するとき、焦点Ｆから外れた程度をε０とし、ε０／ｐ、ε０／ｑ、ε０／α０、ε０／β０≪１であり、それぞれの自乗を０に近似する。
【００７２】
理想的な光路をＡ０→Ｆ→Ｂ０→Ａ１とし、光軸の焦点Ｆに対してε０ほど外れた光路をＡ０→Ｆ０→Ｂ０’→Ａ１’とし、外れた光路でのそれぞれの座標を前述した＜数３＞を参照して次のように表示する。
【００７３】
【数８】
【００７４】
＜数８＞のμ０、ν０、γ１、δ１は、ε０と同様にｐに比べて非常に小さい値であって、μ０／ｐ、ν０／ｐ、γ１／ｐ、δ１／ｐそれぞれの自乗及び互いの積は、０に近似する。これにより、＜数８＞から外れた光路からＡ１を導出し、それを一般化しようとする。Ａ０から放出された光は、焦点から外れた点Ｆ０で反射されてＢ０’に達する。Ｂ０’は、放物鏡Ｍ２上の点であり、
の勾配は、
と符号が逆であるので、それを利用して、Ｂ０’は、次の＜数９＞及び＜数１０＞を利用して導出される。
【００７５】
【数９】
【００７６】
【数１０】
【００７７】
＜数９＞と＜数１０＞とを連立してμ０及びν０に対して求めれば、次の＜数１１＞及び＜数１２＞が導出される。
【００７８】
【数１１】
【００７９】
【数１２】
【００８０】
ここで、Ｔ＝ｑ／ｐ，（０＜Ｔ＜１）と定義する。
【００８１】
Ａ１’の座標は、同様に光の反射法則を利用し、光の進行勾配で三角関数の引き算法則を利用する。すなわち、Ｂ０’での法線を中心に入射角
と反射角
とが同じであるという条件から
の勾配
は、＜数１３＞のように求めることができる。
【００８２】
【数１３】
【００８３】
Ａ１’の座標は、＜数１３＞及び反射法則を利用して求めれば、＜数１４＞の通りである。
【００８４】
【数１４】
【００８５】
同様に、Ａ１で反射された光は、光軸で再び合うが、合う座標をＦ１＝（ε１，０）とすれば、ε１は、Ａ１での反射法則及びこれによる三角関数の引き算法則を利用すれば、＜数１５＞で導出される。
【００８６】
【数１５】
【００８７】
＜数１５＞から分かるように、ε１は、ε０と符号が同じである。
【００８８】
これは、広がった光の経路が光軸の−ｘ軸に達する場合には、以後に光が１回循環した後にも光軸の−ｘ軸に達し、逆に広がった光の経路が光軸の＋ｘ軸に達する場合には、１回循環した後にも光軸の＋ｘ軸に達することを意味する。すなわち、広がった光は、光軸上の焦点Ｆ（０，０）を基準として（＋）方向の光と（−）方向の光とに分けられるが、（−）方向の光は、図６に示したように、光軸上の各反射点が焦点Ｆから（−）方向に発生する光路を有し、（＋）方向の光は、図７に示したように、光軸上の各反射点が焦点Ｆから（＋）方向に発生する光路を有する。
【００８９】
結局、図６に示したように（−）に外れた光は、光検出器Ｄに達するが、図７に示したように（＋）に外れた光の場合は、光検出器Ｄに達しない。
【００９０】
４．外れた光路の補正
図６及び図７に示すように、焦点Ｆに外れる入射光は、光軸に対して（＋）と（−）とに分けられてそれぞれ異なる方向に光路が形成される。
【００９１】
図８は、２つの光検出器を利用した光空洞に関する図である。
【００９２】
図８に示したように、（−ｑ，０），（ｐ，０）である点にそれぞれ光検出器Ｄ１，Ｄ２を位置させれば、光源から放出された光のほとんどを検出できるので、ガスセンサーの効率を極大化することができる。すなわち、光源Ｓから放出された光のうち、焦点Ｆを中心に−ｘ光軸に達した光は、実線で表示された光路を有し、左側の光検出器Ｄ１に検出される。逆に、焦点Ｆを中心に＋ｘ光軸に達した光は、点線で表示された光路を有し、右側の光検出器Ｄ２に検出される。したがって、２つの光検出器を通じて光源から放出されたほとんどの光を検出できるので、光の効率性が極大化される。
【００９３】
しかしながら、図８に示した光空洞は、光の効率を極大化させることによって、ガスセンサーの正確度及び精密度を向上させるが、光軸上には換気口を配置できないので、換気口の配置に一定な制限がある。
【００９４】
上記したように、あらゆる光が正確に焦点Ｆに向かうように光源Ｓから光を放出できない。すなわち、図５のように、楕円鏡Ｅを利用して放出された光を焦点Ｆに集めても、実際の場合、完壁に１つの点Ｆに集めるのは不可能であるので、結果的に、光は、焦点Ｆを中心に（＋），（−）に分けられ、したがって、光検出器Ｄが光軸上で（−ｑ，０）または（＋ｑ，０）のうち１つの点にのみ位置する場合には、光の半分に該当する光損失が発生する。この損失は、光源Ｓ及び／または楕円鏡Ｅを図９のように配置することによって最小化することができる。
【００９５】
図９は、楕円鏡の焦点を−ｘ軸に移動させた光空洞に関する図である。
【００９６】
図９は、楕円鏡Ｅの焦点Ｆ’が２つの放物鏡Ｍ１，Ｍ２の共通の焦点Ｆより−ｘ軸に若干移動した光空洞の構造を示している。
【００９７】
図９のように、楕円Ｅの２つの焦点ｆ，Ｆ’のうち１つは、光源Ｓに位置し、他の１つは、光軸上の放物鏡の共通の焦点Ｆに対して−ｘ軸にε０ほど若干移動した点Ｆ’に位置する。放物鏡の焦点Ｆと楕円Ｅの焦点Ｆ’との間隔ε０は、楕円鏡Ｅが光をどんなに効果的に集めるかによって変わる。
【００９８】
図９において、もし、光源Ｓから放出されたほとんどの光が平面鏡Ｍ３上の焦点Ｆに対して−ｘ軸に入射されれば、このほとんどの光は、光検出器Ｄに検出される。すなわち、平面鏡Ｍ３上の焦点Ｆに対して＋ｘ軸方向の光軸では光が反射されないので、この部分を換気口として活用できる。これにより、換気口を配置した光空洞の構造は、図１０の通りである。
【００９９】
図１０は、換気口が配置された光空洞に関する図であって、換気口が配置された光空洞の構造及び光空洞の内部での光路を示している。
【０１００】
図１０は、光路で光が進めない部分を換気口として配置した光空洞を示す。すなわち、光源Ｓから放出された光は、光軸に位置した光検出器Ｄが位置した方向に次第に収斂するので、光源Ｓと楕円鏡Ｅとに連接した上部平面鏡、すなわち換気口（１）Ｖ１を配置できる。また、楕円鏡Ｅの焦点の位置を放物鏡Ｍ１，Ｍ２の共通の焦点Ｆから若干離隔された位置Ｆに置くことによって、光源から放出された光の反射位置を共通の焦点Ｆに対して−ｘ方向にのみ限定し、これにより、反射が起きない光軸の＋ｘ軸に換気口（２）Ｖ２を配置できる。
【０１０１】
ただし、このような効果は、楕円鏡Ｅの存在により発生するものではなく、光源Ｓから放出された光の平面鏡Ｍ３上での入射点の位置を共通の焦点Ｆから若干離隔された位置Ｆ’に設定することによって発生するので、楕円鏡Ｅのない場合にも、光源Ｓの光放出角が上記条件を満足するように設計されることにより同じ効果が達成される。
【０１０２】
一方、換気口Ｖ１，Ｖ２は、図１０のように平面鏡上に穿孔された多数の換気穴で形成されることもあるが、これと異なり、平面鏡の一部領域が切開された構造で形成されることもあり、測定対象であるガスを流出入する機能を有する以上、換気口の形態には大きい制限がない。また、換気口Ｖ１，Ｖ２には、換気時に異質物、ホコリなどのフィルタリングのためのフィルタ（図示せず）が付着される。
【０１０３】
換気口（１）Ｖ１及び換気口（２）Ｖ２は、光が経るか、または反射されない領域であるため、換気口による光損失は発生しない。また、換気口を最大限大きくすることによって、測定しようとするガスの流出入を効果的に行うことによってガスセンサーの応答時間を短縮させることができる。すなわち、換気口の位置設定で重要なものは、換気口（１，２）Ｖ１，Ｖ２の具体的位置でなく、光反射が起きない光空洞の内部領域に換気口を設置するというものである。したがって、換気口が、光反射が起きない光空洞の上面及び下面に設置されてもよい。
【０１０４】
以上、本発明の望ましい実施形態によって本発明を説明したが、本発明の権利範囲は、上記実施形態や添付された図面により限定されず、特許請求の範囲に記載された本発明の権利範囲を逸脱しない範囲で多様な変形が可能である。
【産業上の利用可能性】
【０１０５】
非分散赤外線方式のガスセンサーは、室内空気質の制御、自動車排気ガスの測定などを含めて空気調和分野に広く利用されている。
【図面の簡単な説明】
【０１０６】
【図１】本発明による光空洞の原理に関する構造図である。
【図２】光源から広がって放射された光の進行に関する図である。
【図３】楕円鏡での光の反射特性に関する図である。
【図４】楕円鏡が適用された光空洞に関する図である。
【図５】微小に外れて焦点に入射された光の経路に関する図である。
【図６】焦点に対して−方向に外れて入射された光の経路に関する図である。
【図７】焦点に対して＋方向に外れて入射された光の経路に関する図である。
【図８】２つの光検出器を利用した光空洞に関する図である。
【図９】楕円鏡の焦点を−ｘ軸に移動させた光空洞に関する図である。
【図１０】換気口が配置された光空洞に関する図である。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非分散赤外線（ＮＤＩＲ：Ｎｏｎ Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ Ｉｎｆｒａｒｅｄ）方式を利用したガスセンサーの光空洞に関する。
【背景技術】
【０００２】
非分散赤外線方式は、ガスの光学的吸収特性を利用してガスが特定の波長の光を吸収する程度を測定してガスの濃度で逆算する方式であって、この非分散赤外線方式を利用したガスセンサーは、通常、光源、光検出器及び光空洞を備えるガスチャンバーと、ガスチャンバーの光検出器から出る電気信号を分析してガス濃度で逆算する回路部分とから構成される。
【０００３】
一般的に優秀な特性を有するＮＤＩＲ方式のガスセンサーは、光空洞での光路を大きくして光が光空洞の内部を進める過程でガスにより吸収を多く起こして精密度及び正確度を向上させることが主要関鍵である。
【０００４】
しかしながら、光路を大きくするために光空洞のサイズを大きくする場合、ガスセンサーの体積が大きくなり、コスト上昇の要因として作用するので、製品としての競争力を低下させる。したがって、制限されたサイズの光空洞を利用しつつ光路を大きくするためには、光空洞の内部を鏡やレンズを幾何学的に効果的に配置することが効果的な方法のうち１つである。
【０００５】
このような理由により、光学シミュレーション技法を利用して多くの試行錯誤を経て適切な光空洞の鏡とレンズとの配置を見付けることが最も平凡な従来の光空洞の設計及び分析方法であるが、この方法の場合、光空洞の性能に影響を与える因子があまり多いので、光空洞の設計及び製作過程で発生する小さい誤差要因の累積によって製品の性能の偏差が大きく、したがって、このような誤差の補正に長時間及び高コストがかかる。また、シミュレーション技法による光空洞の設計では、光空洞のサイズを同一に維持しつつ光路をより大きくするか、または小さくしようとする場合、新たに光空洞を設計しなければならないので、多くの試行錯誤を経なければならず、既存のガスセンサーの回路に適用させられない非実用的な光空洞が導出されるという問題点がある。
【０００６】
また、一般的に小さいサイズに大きい光路を有する効率的な光空洞を設計するためには、光空洞の内部の空間を十分に活用しなければならない。すなわち、光源から放出された光が光空洞の内部を十分に進めた後、光検出器に検出されなければならない。しかし、この場合、ガスの流出入のための換気口を配置可能な空間は相対的に減少するので、結果的に、光路は大きいが、換気口が小さいため、ガスセンサーの応答時間（すなわち、１回の測定にかかる時間）が過度に長くなるという問題点がある。すなわち、従来のガスセンサーは、含めている光空洞の光路を大きくするのに主眼点を置くことによって、ガスセンサーの正確度及び精密度は向上させたとしても、狭い換気口によりガスの流入速度が遅くて１回の測定に最大数分ほどの時間がかかり、速い応答速度（または、応答時間）が要求される測定環境に適切に対応できないという問題点がある。
【０００７】
また、非分散赤外線方式でいわゆる熱赤外線に対して非常に良好な吸収特性を有するガスを測定する場合（例えば、約４．２μmの熱赤外線を吸収する二酸化炭素ガスを測定する場合）、熱赤外線は、光空洞を構成する物質の熱振動を誘発させて、結局、光空洞の温度を上昇させるが、例えば光源から放出された光のエネルギーが１００とすれば、温度の上昇により１００以上のエネルギーが形成されるので、これにより測定誤差が発生する。この測定誤差を最小化するために、光源から放出される光をパルス形態にするが、パルス幅が狭ければ、光エネルギーが小さくて光検出器に検出される光量が少ないので、効果的にガスを測定できず、逆にパルス幅を広くする場合、光エネルギーが多いので、効果的な測定は可能であるが、光空洞の内部の温度上昇に影響を与え、この光空洞の内部の温度上昇は、ガスセンサーの測定誤差として作用するという問題点がある。
【０００８】
また、通常的に光路の長さ及びその他の光空洞の特性が非常に多様な多数の因子により影響を受けるため、光空洞を設計した後、反復実験を通じて設計値を修正するか、または新たな適用環境などに合わせて光空洞の設計を修正する必要がある場合に、光路の長さを変更するか、または光路の長さ変更による光空洞の特性変化を予測して設計に反映するのは非常に困難な問題である。
【０００９】
また、光源から放出された光は、光源の特性によって所定の光幅または光のサイズを有するので、光源から放出されたあらゆる光が焦点を通過する理想的な光路を有するようにするのが不可能であり、これにより、光空洞の内部で発生する多様な光路を考慮して光空洞を設計するのも容易でない。
【００１０】
このような問題点は、ＮＤＩＲガスセンサーが既存の他の方式のガスセンサーに比べて多くの長所を有しているにもかかわらず、実際の適用に制約を受ける要因として作用する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、非分散赤外線方式を利用したガスセンサーにおいて、より大きい光路及び効率的な換気特性を有する光空洞を提供することを目的とする。
【００１２】
また、本発明は、非分散赤外線方式のガスセンサーの核心部分といえる光空洞を効果的に設計して光路を大きくすることによって、ガス濃度の測定の正確度及び精密度を改善すると共に、換気口の面積を十分に大きくして測定しようとするガスの流出入を容易にすることによって、ガス濃度の１回測定時間、すなわち応答時間を短縮させることを目的とする。
【００１３】
また、本発明は、幾何学的に効率的な鏡の配置を通じて、大きい光路及び大きい換気口という通常的に相反する目標を同時に達成する光空洞を提供することを目的とする。
【００１４】
また、本発明は、換気口を大きく形成して換気口を通じた熱発散を促進することによって、光空洞の内部の温度上昇による測定誤差を防止する光空洞を提供することを目的とする。
【００１５】
また、本発明は、光空洞の設計時、光路中で不要に多くの反射を起こしつつも光検出器には検出されない光路を排除し、光空洞を構成する平面鏡の特定の部分でのみ重点的に反射が行われるようにする一方、反射が起きない平面鏡の一部に換気口を設置することによって、ガスの流出入を円滑にし、不要な光路による光空洞内部の温度上昇を抑制できる光空洞を提供することを目的とする。
【００１６】
また、本発明は、光空洞を構成する鏡の図形形態を収斂系に構成し、光検出器を収斂される部分に配置することによって、効果的な光検出特性を有する光空洞を提供することを目的とする。
【００１７】
また、本発明は、光空洞の設計時、可能な限り簡単かつ分析しやすい図形の鏡とレンズとを配置可能にし、最小数の光空洞設計因子のみを変更して光路を効率的に変更し、それを容易に分析することによって、新たな光空洞の設計における多くの試行錯誤とコストを低減できる光空洞を提供することを目的とする。
【００１８】
また、本発明は、２つの２次放物線の焦点距離の比を異ならせることによって、光路を容易に調節できる特徴を有するので、適用ガス別の光空洞の設計が非常に容易な光空洞を提供することを目的とする。
【００１９】
また、本発明は、一定な光幅または光のサイズを有して光源から放出されたが、光路上で光幅が変化したか、または最初から多様な角度偏差を有して光源から放射された光を所定の焦点を通過させることによって収斂させる光空洞を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
上記目的を達成するための本発明の光空洞は、異なる焦点距離を有する２つの２次放物線形態の鏡を互いに焦点と光軸とを共有するように対向して配置し、光軸を２次放物線の焦点と頂点とを経る直線にして、その光軸に平面鏡を配置することを特徴とする。
【００２１】
上記構造の光空洞の場合、焦点距離が長い２次関数放物線鏡上の任意の点から焦点に向かって放出された光は、光空洞の内部を循環していて、結局、光軸近辺で（＋）と（−）方向に往復して光軸に収斂する光路を有する。これにより、光軸と平行に光検出器を配置すれば、光源から放出された光は、いずれも光検出器で検出される。
【００２２】
上記構造の光空洞は、理想的な平面鏡では焦点でのみ光の反射が起きるという特徴を利用するものである。すなわち、焦点に限定された領域でのみ光の反射が起きるので、平面鏡の残りの部分（反射が起きない部分）には光路が形成されないので、自由に換気口を配置できる。また、あらゆる光が光軸に配置された光検出器に収斂するため、光軸の反対側に位置した光源近辺の領域にも光路が形成されないので、自由に換気口を配置できる。
【００２３】
本発明によれば、前述したように、異なる焦点距離を有する２つの２次放物線鏡と１つの平面鏡とを利用して収斂系の十分に大きい光路を有し、かつ十分に大きい換気口を有する光空洞を設計できる。
【００２４】
また、本発明による上記構造の光空洞は、２つの２次放物線の焦点距離の比を異ならせることによって、光路を調節できるという特徴を有する。すなわち、２つの焦点距離の比が１：１であれば、放物線の原理上、無限光路を形成するので、２つの焦点距離の比を１：ｎに設定し、ｎ値を１と０との間で調節して、吸収度の高いガスの場合には、ｎ値を小さくして光路を短く設計し、吸収度の低いガスの場合には、ｎ値を１に近くすることによって、光路を十分に大きくすることができるので、適用ガス別の光空洞の設計が非常に容易である。
【００２５】
上記は、光源から放出された光が正確に焦点に向かって放出された場合であって、非常に理想的な場合といえる。しかし、一般的に光源から放出された光は、一定な光幅または光のサイズを有するので、あらゆる光が焦点を通過する理想的な光路を有させられない。これにより、光源から放出された光が可能な限り焦点を通過可能にして所定の角度を有して放射されるか、または光路上で光幅が増大した光が所定の焦点近辺を通過するように光空洞を設計すれば、理想的な光路を外れる上記光が所定の位置に配置された光検出器に収斂することができる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、非分散赤外線方式を利用したガスセンサーにおいて、より大きい光路及び効率的な換気特性を有する光空洞が提供される。
【００２７】
本発明によれば、２つの放物鏡と１つの平面鏡とを利用して光路に対する収斂系を構成し、それを利用して特定の部分でのみ反射を行い、光が反射されない部分には、ガスの換気口を生成してガスの換気を円滑にすることによって、結論的に、光路が大きくて収斂系であるので、光の集束機能があり、ガスの換気特性が良好であるので、応答速度が速い光空洞が提供される。
【００２８】
また、本発明によれば、非分散赤外線方式のガスセンサーの核心部分といえる光空洞を効果的に設計して光路を大きくすることによって、ガス濃度の測定の正確度及び精密度を改善すると共に、換気口の面積を十分に大きくして測定しようとするガスの流出入を容易にすることによって、ガス濃度の１回測定時間、すなわち応答時間を短縮させることができる。
【００２９】
また、本発明によれば、幾何学的に効率的な鏡の配置を通じて、大きい光路及び大きい換気口という通常的に相反する目標を同時に達成する光空洞が提供される。
【００３０】
また、本発明によれば、換気口を大きく形成して換気口を通じた熱発散を促進することによって、光空洞の内部の温度上昇による測定誤差を防止する光空洞が提供される。
【００３１】
また、本発明によれば、光空洞の設計時、光路中で不要に多くの反射を起こしつつも光検出器には検出されない光路を排除し、光空洞を構成する平面鏡の特定の部分でのみ重点的に反射を行う一方、反射が起きない平面鏡の一部に換気口を設置することによって、ガスの流出入を円滑にし、不要な光路による光空洞の内部の温度上昇を抑制できる光空洞が提供される。
【００３２】
また、本発明によれば、光空洞を構成する鏡の図形形態を収斂系で構成し、光検出器を収斂される部分に配置することによって、効果的な光検出特性を有する光空洞が提供される。
【００３３】
また、本発明によれば、光空洞の設計時、可能な限り簡単かつ分析しやすい図形の鏡とレンズとを配置可能にし、最小数の光空洞の設計因子のみを変更して光路を効率的に変更し、それを容易に分析することによって、新たな光空洞の設計における多くの試行錯誤とコストを低減できる光空洞が提供される。
【００３４】
また、本発明によれば、２つの２次放物線の焦点距離の比を異ならせることによって、光路を容易に調節できる特徴を有するので、適用ガス別の光空洞の設計が非常に容易な光空洞が提供される。
【００３５】
また、本発明によれば、一定な光幅または光のサイズを有して光源から放出されたが、光路上で光幅が変化したか、または最初から多様な角度偏差を有して光源から放射された光を所定の焦点を通過させることによって収斂させる光空洞が提供される。
【００３６】
また、本発明によれば、光空洞の構造に関する数式を導出して光空洞に関する分析方法を提供することによって、光空洞の設計において光学的模擬試験によるコストを低減し、時間を短縮させるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
以下では、本発明の光空洞の構造的特徴を、添付図面を参照して提示する。
【００３８】
１．理想的な光源に対する光空洞の内部での光の進行
図１は、本発明による光空洞の原理に関する構造図である。
【００３９】
本発明の光空洞は、図１に示したように、基本的に２つの２次放物線鏡Ｍ１，Ｍ２及び１つの平面鏡Ｍ３を備える構造である。
【００４０】
２つの２次放物線鏡（すなわち、放物鏡）Ｍ１，Ｍ２は、それぞれ焦点距離がｐ，ｑであり、Ｍ１，Ｍ２は＜数１＞、＜数２＞の関数を有する。
【００４１】
【数１】
【００４２】
【数２】
【００４３】
＜数１＞、＜数２＞は、座標の原点を焦点として共有し、ｘ軸が光軸となる。ここで、光軸は、光学的分析の基準となる軸であって、ｘ軸を選択してｘ軸を光軸とする。
【００４４】
一般的に、ｙ２／＝４ｐ（ｘ−ｐ）の形態を有する２次関数の放物鏡は、（ｐ，０）に焦点が位置し、ｘ軸に対して対称である。この場合、ｘ軸を光軸として光が光軸（ｘ軸）に平行に入射すれば、２次関数の放物鏡で反射されて焦点（ｐ，０）を通過し、焦点（ｐ，０）を通過した光は、２次関数の放物鏡で反射されて光軸（ｘ軸）と平行に進める。これは、２次関数の放物鏡の反射特性に起因したものである。
【００４５】
図１において、このような特性を利用して、焦点距離がそれぞれｐ，ｑ（ｐ＞ｑ）である異なる２つの２次放物鏡Ｍ１，Ｍ２を焦点Ｆと光軸（ｘ軸）とを共有させて対向するように配置し、光軸（ｘ軸）に平面鏡Ｍ３を配置し、光軸（ｘ軸）の一端部に光検出器Ｄを配置すれば、位置Ａ０の光源Ｓから焦点Ｆに向かって放出された光は、平面鏡の焦点Ｆで反射されてＢ０→Ａ１→Ｆ→Ｂ１→Ａ２…→Ｄの経路を有する。このとき、ｐ＞ｑの条件を満足しなければならず、もしｐ＝ｑであれば、光は、光検出器Ｄに収斂せずに無限循環する。また、光が収斂するためには、光源Ｓは、焦点距離がｐ（ｐ＞ｑ）である放物鏡Ｍ１に位置しなければならず、このとき、光源Ｓが放物鏡Ｍ１上の任意の点に位置しても、光は光軸（ｘ軸）に収斂する。
【００４６】
このような光の進行において、Ａ０＝（α０，β０），Ａｎ＝（αｎ，βｎ），Ｂ０＝（α０’，β０’），Ｂｎ＝（αｎ’，βｎ’）とすれば、＜数１＞、＜数２＞及びβ０’＝β１の条件からＡｎ及びＢｎは次のように表現される。
【００４７】
【数３】
【００４８】
＜数３＞から、ｎ→∞であれば、αｎ→ｐ，αｎ’→−ｑ，βｎ＝βｎ’→Ｏであるので、光は、光空洞の内部で循環回数が増加するほど、光軸に収斂するということが分かる。すなわち、循環した光は、光軸に位置した光検出器Ｄに検出されることが分かる。
【００４９】
光軸に光検出器Ｄを位置させた場合、光源Ｓから放出された光は、光空洞の内部を一定な回数循環した後で光検出器Ｄに検出されるが、もし、光検出器Ｄの直径（すなわち、ｙ軸に対するサイズ）がｐに対してｍ（ｍ＜１）の比率であれば（すなわち、光検出器のサイズ＝ｍｐ）、光源から放出された光がＮ回循環した後、（−ｑ，０）に位置した光検出器Ｄに検出されるとする時、循環回数Ｎは、＜数４＞から求められる。
【００５０】
＜数３＞及びＢＮ＜ｍｐの条件から、光がＮ回循環した後で光検出器に達する条件に関する＜数４＞が誘導される。
【００５１】
【数４】
【００５２】
例えば、ｐ＝２０ｍｍ、ｑ＝１６ｍｍ、光検出器のサイズ＝０．２ｐ（ｍ＝０．２）＝４ｍｍ、β０＝２０ｍｍとすれば、＜数４＞によりＮ＞６．２１となるので、光源Ｓから放出された光は、光空洞の内部で６回循環した後、７回循環で光検出器Ｄに検出される。
【００５３】
一方、光源Ｓから放出された光が光検出器Ｄに達するまでの総光路は、ｎ回目の循環長さを求めて、それを一般化して求めることができる。光がｎ回目循環する場合、ｎ回目の循環長さをＬｎとすれば、図１を参照して＜数３＞からＬｎが次のように求められる。
【００５４】
【数５】
【００５５】
したがって、光源Ｓから放出された光が光空洞を総Ｎ回循環して光検出器Ｄに検出されれば、Ｎ回循環に対する総光路の長さＬは次の通りである。
【００５６】
【数６】
【００５７】
例えば、前述した例から、ｐ＝２０ｍｍ、ｑ＝１６ｍｍ、光検出器のサイズ＝０．２ｐ（ｍ＝０．２）＝４ｍｍ、β０＝２０ｍｍ（α０＝１５）とすれば、＜数４＞からＮ＝７であるが、７回では循環が完全に行われず、αＮ−αＮ−１’ほど少なく循環したので、＜数６＞から総光路は、次のように求められる。
【００５８】
【数７】
【００５９】
＜数７＞に上記の条件を代入すれば、光路Ｌは、約４７３ｍｍが導出される。
【００６０】
一方、本発明のガスセンサーの光空洞は、放物鏡Ｍ１と放物鏡Ｍ２との焦点距離ｐ，ｑを調節することによって、光路を調節できる。すなわち、適用先によって必要な光路を＜数７＞によりｐ値とｑ値との比率を調節することによって、光路の長さを調節できる。例えば、二酸化炭素の場合、光吸収度が非常に良好であるので、光路を短く設計でき、また、一酸化炭素のように光吸収度の低いガスの場合、光路を長くｐ，ｑ値を調節して設計できる。
【００６１】
２．拡散特性のある光源を考慮した光空洞の設計
一般的な光源から放出された光は、直線でない拡散特性を有している。すなわち、光源は、点光源でなく、一定な光幅及び拡散を有して放射されるので、本発明で提案する光空洞に適用したとき、図１のような光の進行を見せずに図２のように進める。
【００６２】
図２は、光源から広がって放射された光の進行に関する図である。
【００６３】
図２のように、焦点Ｆを原点としたとき、光源Ｓから放出された光がいずれも焦点Ｆに集束されるものではなく、光の拡散特性により焦点Ｆを基準として＋ｘ方向及び−ｘ方向の所定区間ほど光が広がる。このとき、＋ｘ方向及び−ｘ方向に進める光路は異なり、そのうち一部は光検出器に検出されない。本発明では、このような放射された光を焦点Ｆに集めるために楕円鏡を利用する。
【００６４】
図３は、楕円鏡での光の反射特性に関する図である。
【００６５】
図３は、楕円鏡の反射特性を示す。楕円の原理によれば、楕円の１つの焦点に位置した光源から放出された光は、楕円鏡に反射されて他の焦点に収斂する。この楕円鏡を適用した本発明の一実施形態による光空洞の構造が図４に示されている。
【００６６】
図４は、楕円鏡が適用された光空洞に関する図である。
【００６７】
図４において、光源Ｓは、楕円鏡Ｅの１つの焦点ｆに位置する。また、この楕円鏡Ｅは、２つの放物鏡Ｍ１，Ｍ２の共通の焦点Ｆを他の焦点とする。この場合、楕円Ｅの１つの焦点ｆから放射されたあらゆる光は、楕円鏡Ｅで反射されて放物鏡Ｍ１，Ｍ２と楕円鏡Ｅとの共通の焦点Ｆに収斂し、このように収斂された光は、２次放物鏡Ｍ１、Ｍ２の反射特性によって光検出器Ｄに収斂する。
【００６８】
３．外れた光路に対する光空洞の特性
図４の場合は、光源Ｓから放出されつつ広がる光源を楕円鏡Ｅを利用して焦点Ｆに集めることによって、光空洞内での光のほとんどを光検出器Ｄに検出可能に設計したものである。しかし、あらゆる設計で理想的なものはありえないので、たとえ楕円鏡Ｅを利用して光を焦点Ｆに集めるように設計したとしても、焦点と外れる光路がありうる。したがって、この場合にも、あらゆる光が光検出器Ｄに収斂する光路を有するように光空洞を設計する必要がある。
【００６９】
図５は、微小に外れて焦点に入射された光の経路に関する図である。
【００７０】
図５において、点線で表示された光路は、放出光が外れずに焦点Ｆに正確に入射される理想的な場合であり、実線で表示された光路は、放出光の全部または一部が焦点Ｆから外れて入射される場合を示している。
【００７１】
図５の場合のように、光源Ｓから放出された光が焦点Ｆの付近に達するとき、焦点Ｆから外れた程度をε０とし、ε０／ｐ、ε０／ｑ、ε０／α０、ε０／β０≪１であり、それぞれの自乗を０に近似する。
【００７２】
理想的な光路をＡ０→Ｆ→Ｂ０→Ａ１とし、光軸の焦点Ｆに対してε０ほど外れた光路をＡ０→Ｆ０→Ｂ０’→Ａ１’とし、外れた光路でのそれぞれの座標を前述した＜数３＞を参照して次のように表示する。
【００７３】
【数８】
【００７４】
＜数８＞のμ０、ν０、γ１、δ１は、ε０と同様にｐに比べて非常に小さい値であって、μ０／ｐ、ν０／ｐ、γ１／ｐ、δ１／ｐそれぞれの自乗及び互いの積は、０に近似する。これにより、＜数８＞から外れた光路からＡ１を導出し、それを一般化しようとする。Ａ０から放出された光は、焦点から外れた点Ｆ０で反射されてＢ０’に達する。Ｂ０’は、放物鏡Ｍ２上の点であり、
の勾配は、
と符号が逆であるので、それを利用して、Ｂ０’は、次の＜数９＞及び＜数１０＞を利用して導出される。
【００７５】
【数９】
【００７６】
【数１０】
【００７７】
＜数９＞と＜数１０＞とを連立してμ０及びν０に対して求めれば、次の＜数１１＞及び＜数１２＞が導出される。
【００７８】
【数１１】
【００７９】
【数１２】
【００８０】
ここで、Ｔ＝ｑ／ｐ，（０＜Ｔ＜１）と定義する。
【００８１】
Ａ１’の座標は、同様に光の反射法則を利用し、光の進行勾配で三角関数の引き算法則を利用する。すなわち、Ｂ０’での法線を中心に入射角
と反射角
とが同じであるという条件から
の勾配
は、＜数１３＞のように求めることができる。
【００８２】
【数１３】
【００８３】
Ａ１’の座標は、＜数１３＞及び反射法則を利用して求めれば、＜数１４＞の通りである。
【００８４】
【数１４】
【００８５】
同様に、Ａ１で反射された光は、光軸で再び合うが、合う座標をＦ１＝（ε１，０）とすれば、ε１は、Ａ１での反射法則及びこれによる三角関数の引き算法則を利用すれば、＜数１５＞で導出される。
【００８６】
【数１５】
【００８７】
＜数１５＞から分かるように、ε１は、ε０と符号が同じである。
【００８８】
これは、広がった光の経路が光軸の−ｘ軸に達する場合には、以後に光が１回循環した後にも光軸の−ｘ軸に達し、逆に広がった光の経路が光軸の＋ｘ軸に達する場合には、１回循環した後にも光軸の＋ｘ軸に達することを意味する。すなわち、広がった光は、光軸上の焦点Ｆ（０，０）を基準として（＋）方向の光と（−）方向の光とに分けられるが、（−）方向の光は、図６に示したように、光軸上の各反射点が焦点Ｆから（−）方向に発生する光路を有し、（＋）方向の光は、図７に示したように、光軸上の各反射点が焦点Ｆから（＋）方向に発生する光路を有する。
【００８９】
結局、図６に示したように（−）に外れた光は、光検出器Ｄに達するが、図７に示したように（＋）に外れた光の場合は、光検出器Ｄに達しない。
【００９０】
４．外れた光路の補正
図６及び図７に示すように、焦点Ｆに外れる入射光は、光軸に対して（＋）と（−）とに分けられてそれぞれ異なる方向に光路が形成される。
【００９１】
図８は、２つの光検出器を利用した光空洞に関する図である。
【００９２】
図８に示したように、（−ｑ，０），（ｐ，０）である点にそれぞれ光検出器Ｄ１，Ｄ２を位置させれば、光源から放出された光のほとんどを検出できるので、ガスセンサーの効率を極大化することができる。すなわち、光源Ｓから放出された光のうち、焦点Ｆを中心に−ｘ光軸に達した光は、実線で表示された光路を有し、左側の光検出器Ｄ１に検出される。逆に、焦点Ｆを中心に＋ｘ光軸に達した光は、点線で表示された光路を有し、右側の光検出器Ｄ２に検出される。したがって、２つの光検出器を通じて光源から放出されたほとんどの光を検出できるので、光の効率性が極大化される。
【００９３】
しかしながら、図８に示した光空洞は、光の効率を極大化させることによって、ガスセンサーの正確度及び精密度を向上させるが、光軸上には換気口を配置できないので、換気口の配置に一定な制限がある。
【００９４】
上記したように、あらゆる光が正確に焦点Ｆに向かうように光源Ｓから光を放出できない。すなわち、図５のように、楕円鏡Ｅを利用して放出された光を焦点Ｆに集めても、実際の場合、完壁に１つの点Ｆに集めるのは不可能であるので、結果的に、光は、焦点Ｆを中心に（＋），（−）に分けられ、したがって、光検出器Ｄが光軸上で（−ｑ，０）または（＋ｑ，０）のうち１つの点にのみ位置する場合には、光の半分に該当する光損失が発生する。この損失は、光源Ｓ及び／または楕円鏡Ｅを図９のように配置することによって最小化することができる。
【００９５】
図９は、楕円鏡の焦点を−ｘ軸に移動させた光空洞に関する図である。
【００９６】
図９は、楕円鏡Ｅの焦点Ｆ’が２つの放物鏡Ｍ１，Ｍ２の共通の焦点Ｆより−ｘ軸に若干移動した光空洞の構造を示している。
【００９７】
図９のように、楕円Ｅの２つの焦点ｆ，Ｆ’のうち１つは、光源Ｓに位置し、他の１つは、光軸上の放物鏡の共通の焦点Ｆに対して−ｘ軸にε０ほど若干移動した点Ｆ’に位置する。放物鏡の焦点Ｆと楕円Ｅの焦点Ｆ’との間隔ε０は、楕円鏡Ｅが光をどんなに効果的に集めるかによって変わる。
【００９８】
図９において、もし、光源Ｓから放出されたほとんどの光が平面鏡Ｍ３上の焦点Ｆに対して−ｘ軸に入射されれば、このほとんどの光は、光検出器Ｄに検出される。すなわち、平面鏡Ｍ３上の焦点Ｆに対して＋ｘ軸方向の光軸では光が反射されないので、この部分を換気口として活用できる。これにより、換気口を配置した光空洞の構造は、図１０の通りである。
【００９９】
図１０は、換気口が配置された光空洞に関する図であって、換気口が配置された光空洞の構造及び光空洞の内部での光路を示している。
【０１００】
図１０は、光路で光が進めない部分を換気口として配置した光空洞を示す。すなわち、光源Ｓから放出された光は、光軸に位置した光検出器Ｄが位置した方向に次第に収斂するので、光源Ｓと楕円鏡Ｅとに連接した上部平面鏡、すなわち換気口（１）Ｖ１を配置できる。また、楕円鏡Ｅの焦点の位置を放物鏡Ｍ１，Ｍ２の共通の焦点Ｆから若干離隔された位置Ｆに置くことによって、光源から放出された光の反射位置を共通の焦点Ｆに対して−ｘ方向にのみ限定し、これにより、反射が起きない光軸の＋ｘ軸に換気口（２）Ｖ２を配置できる。
【０１０１】
ただし、このような効果は、楕円鏡Ｅの存在により発生するものではなく、光源Ｓから放出された光の平面鏡Ｍ３上での入射点の位置を共通の焦点Ｆから若干離隔された位置Ｆ’に設定することによって発生するので、楕円鏡Ｅのない場合にも、光源Ｓの光放出角が上記条件を満足するように設計されることにより同じ効果が達成される。
【０１０２】
一方、換気口Ｖ１，Ｖ２は、図１０のように平面鏡上に穿孔された多数の換気穴で形成されることもあるが、これと異なり、平面鏡の一部領域が切開された構造で形成されることもあり、測定対象であるガスを流出入する機能を有する以上、換気口の形態には大きい制限がない。また、換気口Ｖ１，Ｖ２には、換気時に異質物、ホコリなどのフィルタリングのためのフィルタ（図示せず）が付着される。
【０１０３】
換気口（１）Ｖ１及び換気口（２）Ｖ２は、光が経るか、または反射されない領域であるため、換気口による光損失は発生しない。また、換気口を最大限大きくすることによって、測定しようとするガスの流出入を効果的に行うことによってガスセンサーの応答時間を短縮させることができる。すなわち、換気口の位置設定で重要なものは、換気口（１，２）Ｖ１，Ｖ２の具体的位置でなく、光反射が起きない光空洞の内部領域に換気口を設置するというものである。したがって、換気口が、光反射が起きない光空洞の上面及び下面に設置されてもよい。
【０１０４】
以上、本発明の望ましい実施形態によって本発明を説明したが、本発明の権利範囲は、上記実施形態や添付された図面により限定されず、特許請求の範囲に記載された本発明の権利範囲を逸脱しない範囲で多様な変形が可能である。
【産業上の利用可能性】
【０１０５】
非分散赤外線方式のガスセンサーは、室内空気質の制御、自動車排気ガスの測定などを含めて空気調和分野に広く利用されている。
【図面の簡単な説明】
【０１０６】
【図１】本発明による光空洞の原理に関する構造図である。
【図２】光源から広がって放射された光の進行に関する図である。
【図３】楕円鏡での光の反射特性に関する図である。
【図４】楕円鏡が適用された光空洞に関する図である。
【図５】微小に外れて焦点に入射された光の経路に関する図である。
【図６】焦点に対して−方向に外れて入射された光の経路に関する図である。
【図７】焦点に対して＋方向に外れて入射された光の経路に関する図である。
【図８】２つの光検出器を利用した光空洞に関する図である。
【図９】楕円鏡の焦点を−ｘ軸に移動させた光空洞に関する図である。
【図１０】換気口が配置された光空洞に関する図である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスセンサーのための光空洞において、
第１焦点距離を有する第１放物鏡と、
前記第１焦点距離より長い第２焦点距離を有し、前記第１放物鏡と対向するように配置される第２放物鏡と、
前記第１放物鏡の一端部と前記第２放物鏡の一端部との間に配置される平面鏡と、を備え、
前記第１放物鏡と前記第２放物鏡とは、同じ光軸及び同じ焦点を有し、
前記平面鏡は、前記光軸上に配置され、前記同じ焦点は、前記平面鏡上に形成されることを特徴とするガスセンサーのための光空洞。
【請求項２】
前記光軸上に置かれた平面鏡に光を入射させるために、前記第２放物鏡側に配置される光源と、
前記光空洞の内部で前記第１放物鏡、第２放物鏡及び平面鏡に順次に少なくとも１回以上反射された光を検出するために、前記第１放物鏡と前記平面鏡との連結部に配置される光検出器と、をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のガスセンサーのための光空洞。
【請求項３】
前記光源からの光が前記焦点と前記光検出器との間の前記平面鏡部分に入射されるように、前記光源の光放出角が設定されることを特徴とする請求項２に記載のガスセンサーのための光空洞。
【請求項４】
前記光源の光放出角の設定によって前記光の入射点の位置が前記焦点と前記光検出器との間で調節されて、前記光空洞内での光路の長さが調節されることを特徴とする請求項３に記載のガスセンサーのための光空洞。
【請求項５】
前記光の反射が起きない前記光空洞の領域に形成される換気口をさらに備えることを特徴とする請求項１ないし４のうちいずれか一項に記載のガスセンサーのための光空洞。
【請求項６】
前記換気口は、前記第１放物鏡の他端部と前記第２放物鏡の他端部との間に形成されることを特徴とする請求項５に記載のガスセンサーのための光空洞。
【請求項７】
前記換気口は、前記焦点と前記第２放物鏡の前記一端部との間に形成されることを特徴とする請求項５に記載のガスセンサーのための光空洞。
【請求項８】
ガスセンサーのための光空洞において、
前記光空洞は、上面、下面及び時計回り方向に第１，２，３，４側面を含み、第１焦点距離を有する第１放物鏡が前記第１側面を形成し、
前記第１焦点距離より長い第２焦点距離を有し、前記第１放物鏡と対向するように配置される第２放物鏡が前記第３側面を形成し、
前記第１放物鏡の下端部と前記第２放物鏡の下端部との間に連接して配置される第１平面鏡が前記第４側面を形成し、
前記第１放物鏡の上端部に連接して配置される第２平面鏡、及び前記第２平面鏡と前記第２放物鏡の上端部との間に連接して配置される楕円鏡が前記第２側面を形成することを特徴とするガスセンサーのための光空洞。
【請求項９】
前記第１放物鏡と前記第２放物鏡とは、同じ光軸及び同じ焦点を有し、
前記第１平面鏡は、前記光軸上に配置され、前記同じ焦点は、前記第１平面鏡上に形成されることを特徴とする請求項８に記載のガスセンサーのための光空洞。
【請求項１０】
前記光軸上に置かれた前記平面鏡に光を入射させるために、前記第２放物鏡側に配置される光源と、
前記光空洞の内部で前記第１放物鏡、第２放物鏡及び平面鏡に順次に少なくとも１回以上反射された光を検出するために、前記第１放物鏡と前記平面鏡との連結部に配置される光検出器と、
をさらに備えることを特徴とする請求項９に記載のガスセンサーのための光空洞。
【請求項１１】
前記第１放物鏡、第２放物鏡及び前記第１平面鏡の配置は、前記光空洞内の光路が収斂系を構成するようになされ、
前記光検出器は、前記収斂系の光収斂点に配置されることを特徴とする請求項９に記載のガスセンサーのための光空洞。
【請求項１２】
前記楕円鏡の焦点は、前記同じ焦点の近辺に形成されることを特徴とする請求項９ないし１１のうちいずれか一項に記載のガスセンサーのための光空洞。
【請求項１３】
前記光空洞内で前記光の反射が起きない位置にガス換気口が形成されることを特徴とする請求項９ないし１１のうちいずれか一項に記載のガスセンサーのための光空洞。
【請求項１４】
前記光空洞の上面または下面に前記ガス換気口が形成されることを特徴とする請求項１３に記載のガスセンサーのための光空洞。
【請求項１】
ガスセンサーのための光空洞において、
第１焦点距離を有する第１放物鏡と、
前記第１焦点距離より長い第２焦点距離を有し、前記第１放物鏡と対向するように配置される第２放物鏡と、
前記第１放物鏡の一端部と前記第２放物鏡の一端部との間に配置される平面鏡と、を備え、
前記第１放物鏡と前記第２放物鏡とは、同じ光軸及び同じ焦点を有し、
前記平面鏡は、前記光軸上に配置され、前記同じ焦点は、前記平面鏡上に形成されることを特徴とするガスセンサーのための光空洞。
【請求項２】
前記光軸上に置かれた平面鏡に光を入射させるために、前記第２放物鏡側に配置される光源と、
前記光空洞の内部で前記第１放物鏡、第２放物鏡及び平面鏡に順次に少なくとも１回以上反射された光を検出するために、前記第１放物鏡と前記平面鏡との連結部に配置される光検出器と、をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のガスセンサーのための光空洞。
【請求項３】
前記光源からの光が前記焦点と前記光検出器との間の前記平面鏡部分に入射されるように、前記光源の光放出角が設定されることを特徴とする請求項２に記載のガスセンサーのための光空洞。
【請求項４】
前記光源の光放出角の設定によって前記光の入射点の位置が前記焦点と前記光検出器との間で調節されて、前記光空洞内での光路の長さが調節されることを特徴とする請求項３に記載のガスセンサーのための光空洞。
【請求項５】
前記光の反射が起きない前記光空洞の領域に形成される換気口をさらに備えることを特徴とする請求項１ないし４のうちいずれか一項に記載のガスセンサーのための光空洞。
【請求項６】
前記換気口は、前記第１放物鏡の他端部と前記第２放物鏡の他端部との間に形成されることを特徴とする請求項５に記載のガスセンサーのための光空洞。
【請求項７】
前記換気口は、前記焦点と前記第２放物鏡の前記一端部との間に形成されることを特徴とする請求項５に記載のガスセンサーのための光空洞。
【請求項８】
ガスセンサーのための光空洞において、
前記光空洞は、上面、下面及び時計回り方向に第１，２，３，４側面を含み、第１焦点距離を有する第１放物鏡が前記第１側面を形成し、
前記第１焦点距離より長い第２焦点距離を有し、前記第１放物鏡と対向するように配置される第２放物鏡が前記第３側面を形成し、
前記第１放物鏡の下端部と前記第２放物鏡の下端部との間に連接して配置される第１平面鏡が前記第４側面を形成し、
前記第１放物鏡の上端部に連接して配置される第２平面鏡、及び前記第２平面鏡と前記第２放物鏡の上端部との間に連接して配置される楕円鏡が前記第２側面を形成することを特徴とするガスセンサーのための光空洞。
【請求項９】
前記第１放物鏡と前記第２放物鏡とは、同じ光軸及び同じ焦点を有し、
前記第１平面鏡は、前記光軸上に配置され、前記同じ焦点は、前記第１平面鏡上に形成されることを特徴とする請求項８に記載のガスセンサーのための光空洞。
【請求項１０】
前記光軸上に置かれた前記平面鏡に光を入射させるために、前記第２放物鏡側に配置される光源と、
前記光空洞の内部で前記第１放物鏡、第２放物鏡及び平面鏡に順次に少なくとも１回以上反射された光を検出するために、前記第１放物鏡と前記平面鏡との連結部に配置される光検出器と、
をさらに備えることを特徴とする請求項９に記載のガスセンサーのための光空洞。
【請求項１１】
前記第１放物鏡、第２放物鏡及び前記第１平面鏡の配置は、前記光空洞内の光路が収斂系を構成するようになされ、
前記光検出器は、前記収斂系の光収斂点に配置されることを特徴とする請求項９に記載のガスセンサーのための光空洞。
【請求項１２】
前記楕円鏡の焦点は、前記同じ焦点の近辺に形成されることを特徴とする請求項９ないし１１のうちいずれか一項に記載のガスセンサーのための光空洞。
【請求項１３】
前記光空洞内で前記光の反射が起きない位置にガス換気口が形成されることを特徴とする請求項９ないし１１のうちいずれか一項に記載のガスセンサーのための光空洞。
【請求項１４】
前記光空洞の上面または下面に前記ガス換気口が形成されることを特徴とする請求項１３に記載のガスセンサーのための光空洞。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公表番号】特表２００８−５４４２４７（Ｐ２００８−５４４２４７Ａ）
【公表日】平成２０年１２月４日（２００８．１２．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−５１６７５８（Ｐ２００８−５１６７５８）
【出願日】平成１８年６月１６日（２００６．６．１６）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＫＲ２００６／００２３１５
【国際公開番号】ＷＯ２００６／１３５２１２
【国際公開日】平成１８年１２月２１日（２００６．１２．２１）
【出願人】（５０７４０９０３６）イーエルティー インコーポレイテッド (1)
【氏名又は名称原語表記】ＥＬＴ ＩＮＣ．
【住所又は居所原語表記】Ａ−６０１，Ｗｏｏｒｉｍ Ｌｉｏｎｓ Ｖａｌｌｅｙ， ３７１−２８，Ｇａｓａｎ−ｄｏｎｇ，Ｇｅｕｍｃｈｏｎ−ｇｕ，Ｓｅｏｕｌ １５３−７８６，ＫＯＲＥＡ
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２０年１２月４日（２００８．１２．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年６月１６日（２００６．６．１６）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＫＲ２００６／００２３１５
【国際公開番号】ＷＯ２００６／１３５２１２
【国際公開日】平成１８年１２月２１日（２００６．１２．２１）
【出願人】（５０７４０９０３６）イーエルティー インコーポレイテッド (1)
【氏名又は名称原語表記】ＥＬＴ ＩＮＣ．
【住所又は居所原語表記】Ａ−６０１，Ｗｏｏｒｉｍ Ｌｉｏｎｓ Ｖａｌｌｅｙ， ３７１−２８，Ｇａｓａｎ−ｄｏｎｇ，Ｇｅｕｍｃｈｏｎ−ｇｕ，Ｓｅｏｕｌ １５３−７８６，ＫＯＲＥＡ
【Ｆターム（参考）】
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