JPH09229854A - 拡張画像源を有する光学装置 - Google Patents

拡張画像源を有する光学装置

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JPH09229854A
JPH09229854A JP9036727A JP3672797A JPH09229854A JP H09229854 A JPH09229854 A JP H09229854A JP 9036727 A JP9036727 A JP 9036727A JP 3672797 A JP3672797 A JP 3672797A JP H09229854 A JPH09229854 A JP H09229854A
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radiation
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infrared
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Shari Nelson
ネルソン シャーリー
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 従来の装置は、過度に複雑であり、遅く、源
のエネルギーを効率悪く使用する。 【解決手段】 開示した源１２は細長いエミッタープレ
ート１２４と１２６との間に挟まれたヒータ素子１２２
を備える。作動中、源１２を９００°Ｃを超える温度、
好ましくは、少なくとも約１２００°Ｃの温度で作動さ
せ、７〜１０マイクロメーターの波長範囲の放射線を生
じさせる。１つの実施の形態では、源１２は呼吸／麻酔
ガスを分析するためのガス分析器１０の細長い検知器ア
レイ１４と関連して用いられる。球面鏡３６ａ、３６ｂ
及び平面鏡３８ａ、３８ｂが源１２を検知器アレイ１４
に映し出すのに用いられる。線形可変フィルター２６は
検知器アレイ１４が用いる多色分析を考慮に入れる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、一般的には、放射
線源及びこれと関連した光学装置、すなわち、赤外線
（ＩＲ）、可視光線又は紫外線の透過を伴う装置に関す
る。特に、本発明は、拡張検出器に映し出される拡張赤
外線源を有する光学装置に関する。この光学装置は画像
ビームの長手方向寸法に対して効率的な多重分析を容易
にし、特に、多色ガス分析器に使用されるようになって
いる。
【０００２】
【従来の技術】光学装置は問題の多重分析を行うことが
望まれるような種々の情況に用いられる。ガス分析器の
場合を例示する。ガス分析器は気体試料中の選ばれた成
分の存在及び濃度を監視するために、種々の医療及び産
業上の適用に用いられる。医療の情況では、ガス分析器
は選ばれた呼吸及び麻酔成分について呼吸の流れを分析
することによって、麻酔の供給を監視するのに用いられ
る。これに関して、酸素及び二酸化炭素のような呼吸気
体と、亜酸化窒素、ハロタン及びイソフルランのような
１以上の鎮痛剤／麻酔剤を監視することが望まれる。従
って、麻酔を監視することは、１つの成分或いは多数の
成分について呼吸の流れを分析することを伴う。
【０００３】分光ガス分析器は気体試料に透過された放
射線の検出された分光組成にもとづいて、気体試料中の
選ばれた成分の存在及び濃度の表示を行う。関心のある
気体成分は特定の放射線の吸収特性に関して特徴づける
ことができる。例えば、特定の気体成分は特定の波長或
いは波長帯域での吸収バンドを特徴とする。特定の気体
試料について、選ばれた波長の透過した放射線と受けた
放射線の強度とを比較することによって、試料の吸収特
性及び組成に関しての情報を得ることができる。気体試
料の多数の成分を分析するために、気体試料に透過され
た放射線を多波長で別々に分析することができる。いく
つかの在来のガス分析器は異なる波長の透過率の特性を
もった光学的帯域フィルターを分析器のビーム路に連続
して位置決めすることによって、このような多波長を処
理する。他の在来のガス分析器は、すべて広いビームの
領域にある関連したフィルターを有する多数の間隔を隔
てた検出器を用いる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】本発明はビームの横断
面についての多重分析を容易にするための源及び光学装
置に向けられる。フィルターをビーム路に次々に位置決
めした装置は、過度に複雑であり、遅いことが認められ
ている。多数の間隔を隔てた検出器と、これと関連した
フィルターを広いビーム路に位置決めした装置は、かな
りの放射線を検出しないことがあるので、源のエネルギ
ーを効率的に使用しない傾向がある。従って、より高い
エネルギー源が必要とされ、また、これにより、特に高
温の赤外線源を伴う場合には、望ましくない熱を生じ
る。本発明は源のエネルギーを効率的に使用しながら、
ビームの横断面に対する多重分析を容易にする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明の１つの観点によ
れば、新規な赤外線源を提供する。赤外線源は細長いエ
ミッタープレートと熱接触している電気抵抗ヒータ素子
を備える。エミッタープレートは実質的に平らなエミッ
ター表面を有するのが好ましく、２つの光路を照明する
ための、相対して向けられた２つの実質的に平らなエミ
ッター表面を有するのがもっと好ましい。１つの実施の
形態では、エミッター表面は少なくとも約３ｍｍの幅
と、少なくとも約１２ｍｍの長さとを有する。エミッタ
ーは黒色窒化珪素で構成されるのがよい。ヒータ素子に
は実効値１００Ｖの電力を出す外部電源に相互接続可能
なようになっている。赤外線源を９００°Ｃより高い温
度で作動するのが好ましく、赤外線源は７乃至１０マイ
クロメーターの波長範囲の放射線を含む黒体放射線を放
出する。赤外線源を少なくとも約１２００°Ｃの温度で
作動させるのがもっと好ましい。好ましい温度範囲での
作動は、以下で詳細に説明する装置では、改良ＳＮ比
で、非常に正確な分析を容易にすることがわかった。
【０００６】本発明の他の観点によれば、赤外線の画像
源を有する光学装置を提供する。光学装置は赤外線の源
と、検出器表面を有する検出器と、源を検出器表面に映
し出すための、すなわち、源の画像を検出器表面に構成
するように源からの放射線を集光させるための画像光学
素子とを備える。コイル或いはエミッタープレートを備
えるのがよい源は、形態が細長いのが好ましい。この方
法では、多重分析を放射線ビームの長手方向軸線に対し
て行うことができる。例えば、多数のフィルター或いは
可変フィルターを、ビームの長さにわたって多色分析を
可能にするように用いることができる。加えて、源は源
の長手方向軸線にわたって比較的均一な放射線放出の分
布を生じさせるのが好ましい。これに関して、ホットス
ポットがコイルの巻き縁で起こることがあるので、実質
的に平らなエミッターが均一な分布が重要である適用の
コイルエミッターに関して好ましい。多数の検出器素子
を有することができる検出器表面は、高い効率のため
に、ビームの横断面に実質的に合うように寸法決めされ
るのが好ましい。
【０００７】本発明の更なる観点によれば、画像源の光
学装置はガス分析器で用いられる。ガス分析器は、放射
線、好ましくは赤外線の源と、検出器表面を有する検出
器と、源を検出器表面に映し出すための画像光学素子
と、源と検出器との間で光路に配置された気体試料室と
を備える。気体試料室は画像光学素子と検出器との間に
位置するのが好ましい。呼吸及び麻酔ガスの高い分析の
ために、源は７乃至１０マイクロメーターの波長範囲を
含む一次出力帯を有するのが好ましい。そのうえ、源を
９００°Ｃより高い温度で作動させるのが好ましく、少
なくとも約１２００°Ｃの温度で作動させるのがもっと
好ましい。１つの実施の形態では、本発明により構成さ
れたガス分析器は２つの細長い黒色窒化珪素プレートの
間に挟まれたヒータ素子で形成された赤外線源を有す
る。源を実効値１００Ｖの電源によって約１２００°Ｃ
の温度で作動させ、７乃至１０マイクロメーターの波長
範囲を含む放射線を生じさせる。放射線は球面鏡によっ
て集光され、収斂ビームを形成し、この収斂ビームは、
分析されるべき呼吸用及び麻酔ガスを収容した気体試料
室及び線形可変フィルターを経て、検出器表面に差し向
けられる。光学素子及び検出器は源が検出器表面に映し
出されるように配列される。検出器は線形可変フィルタ
ーによって選択的に通されるような波長範囲にわたる帯
の放射線を別々に検出するために、検出器素子の直線状
アレイからなる。この方法では、ビームの正確な多色分
析を多気体成分に関する情報を同時にもたらすように使
用することができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】本発明及びその更なる利点のもっ
と完全な理解のために、今、図面と関連して行われる以
下の詳細な説明を参照する。本発明の源及び光学装置は
気体試料を１以上の気体成分の存在及び又は濃度につい
て分析するための分光ガス分析を含む種々の情況におい
て有用である。これに関連して、分析器の形態、選ばれ
る波長及び種々の他の因子を、スペースの要件、関心の
ある気体成分の透過率／吸収特性などに応じて変えるの
がよい。以下の説明では、本発明を呼吸及び麻酔ガスを
分析するための特定の実施の形態について説明する。図
１から図７を参照すると、ガス分析器１０の折り返し光
路器具を図示する。図１は種々の装置の構成部品を詳細
に図示し、図２及び図３は分析器１０の光学的概略図を
示す。図４及び図５は、ガス分析器１０に用いられる新
規な源１２の側面図及び底面図をそれぞれ示す。図６及
び図７はガス分析器１０のフィルター／検出器組立体４
２の詳細を示す。
【０００９】一般的には、ガス分析器１０は側壁の部分
に少なくとも１つの貫通窓即ちスリット３４を有する同
心の回転可能な円筒形のビームチョッパー３２内に位置
決めされた直立の赤外線源１２と、２つの球面鏡３６
ａ、３６ｂと、平面鏡３８ａ、３８ｂを有する平面鏡ブ
ロック３８と、試料気体室２４及び基準気体室３０を有
する２重気体室部材４０と、多色フィルター２６及び検
出器アレイ１４を有するフィルター／検出器組立体４２
とを備え、これらはすべてフレーム４８内に取付けられ
ている。図２及び図３の光路概略図に示すように、赤外
線源１２は放射線を放出し、この放射線はチョッパー３
２の回転によって、球面鏡３６ａ、３６ｂにそれぞれ交
互に衝突するビーム１６ａ、１８ａとなる。次に、収斂
ビーム１６ｂ、１８ｂはそれぞれ球面鏡３６ａ、３６ｂ
で反射し、平面鏡素子３８ａ、３８ｂに衝突する。次い
で、反射した赤外線ビーム１６ｃ、１８ｃはそれぞれ、
検出器アレイ１４に衝突する前に、試料気体室２４、基
準気体室３０の中を通る。光学素子は、検出器アレイ１
４の陰領域が映し出された源の放射線を表す図６に示す
ように、源１２が検出器アレイ１４に映し出されるよう
に設計されている。すなわち、放射線は光学素子によっ
て合焦され、源１２の画像を検出器アレイ１４に形成す
る。図示するように、それによって、検出器アレイは実
質的に完全に照明され、源のエネルギー損失を最小にす
る。これに関して、図示した実施の形態では、源１２、
フィルター２６及びアレイ１４は整列した直立の向きに
配列されている。
【００１０】図示した源１２は、放射線が関心のある少
なくとも１つの呼吸／麻酔の成分の特有な吸収バンドを
包含して、光路１６及び１８を照明する。赤外線、可視
光線及び紫外線の波長範囲を含む種々の波長又はスペク
トルを用いることができるけれども、図示した源１２
は、例えば、いくつかの呼吸／麻酔の成分の強い吸収を
含む７〜１０マイクロメーターの波長範囲を包含する多
色の赤外線源である。源１２は、図４及び図５に示すよ
うに、細長い実質的に均質なストリップの形態で構成さ
れる。以下で説明するように、図示した装置の検出器は
検出器素子の細長い縦の列、たとえば、１掛けるＮ列か
らなる。検出器アレイはアレイ素子が所望のスペクトル
範囲にわたって多数の波長又は波長帯域の強度の検出を
行うように、多色フィルターと関連して用いられる。図
示した画像光学素子と組み合わせた細長い均質な源１２
により、高い多色分析のために、検出器アレイの完璧な
実質的に一様で強い照明を可能にする。
【００１１】源１２はエミッタープレート１２４と１２
６との間に挟まれたヒータ素子１２２を有する。任意適
当な電気抵抗素子であることができるヒータ素子１２２
は、基板として役立つプレート１２４又は１２６の１つ
にスクリーンされるのが好ましいが、別々の抵抗線を用
いてもよい。図示したプレート１２４及び１２６は黒色
窒化珪素で構成され、ほぼ１２ｍｍの長さで、約３ｍｍ
乃至３．５ｍｍの幅である。図示した加熱素子のリード
線は、基板の窒化珪素プレート１２４又は１２６を介し
て直接電源に接続される。所望の照明を行うために、源
１２は９００°Ｃより高い温度で作動されるのが好まし
い。図示した源１２には実効値１００Ｖの電源１２８に
よって電力が供給され、源１２はおおよそ１２００°Ｃ
の温度に達する。好ましい範囲での作動は、図示した高
周波チョップ式光路ガス分析器１０に関連して、改善さ
れたＳＮ比及び改善された全体性能をもたらすことがわ
かった。
【００１２】図１を参照すると、赤外線源１２は円筒形
ビームチョッパー３２内に取付けられる。回転可能なビ
ームチョッパー３２は源１２から試料光路１６及び基準
光路１８（図２）を経て放射線を交互に透過させ、かつ
また、源１２によって生じた熱をある程度まで含む。図
示したチョッパー３２はその円筒側壁に単一のスリット
３４を有する。更に、図示するように、源１２及び球面
鏡３６ａ及び３６ｂは実質的に直線関係に幾何学的に配
列される。すなわち、鏡３６ａ及び３６ｂは源１２に対
して約１８０°隔てて置かれる。図示した配列は、適当
なチョッパーの作動及び検出器のサイクルによって、都
合のよい可変デューティサイクルの使用法を考慮するこ
とが理解されるであろう。例えば、図示した実施の形態
のチョッパー３２を毎秒２０回転で作動させることがで
きる。これに関して、検出器アレイ１４をチョッパー３
２の回転速度と調和された間隔で読み出すことができ
る。
【００１３】球面鏡３６ａ、３６ｂ、平面鏡３８ａ、３
８ｂ及び室２４、３０の幾何学的な配列は、多色フィル
ター２６へのビーム入射角がほとんど垂直であるように
光路１６、１８を構成する。フィルター／検出器４２の
作動を高めるために、入射角は垂線から３０°〜３５°
をずっと下回る角度、（たとえば、もし、平面鏡３８
ａ、３８ｂを介在させることなしに、放射線が球面鏡３
６ａ、３６ｂから検出器４２に直接反射されるならば得
られたであろう角度）であることが好ましい。入射角は
スペクトルの不鮮明を減ずるために、垂線から約１５°
以下であるのがもっと好ましい。図示した実施の形態で
は、図２及び図３に最も明瞭に示すように、限界入射角
は垂線から約１５°以下であり、たとえば、検出器アレ
イの中心に位置したピクセルについては垂線から約１０
°であり、外側のピクセルについては垂線から１４°で
あり、これらの限界入射角はすべてフィルターの規格値
内にある。
【００１４】図１及び図７を参照すると、室２４及び３
０を照射した後、収斂ビーム１６ｃ、１８ｃは構造フレ
ーム４８の熱隔壁５４の透明な窓５２及びフィルター２
６を通り、検出器アレイ１４に衝突する。帯域フィルタ
ー７４が、関心のある波長範囲の放射線を選択的に通し
かつ干渉を減らすために、多色フィルター２６の前に位
置決めされるのがよい。加えて、（図６に示すが、図１
に示さない）別個のフィルター７５、例えば、サファイ
ア・二酸化炭素（ＣＯ2 ）フィルターが、特定の成分を
分析するときに使用するために、多色フィルター２６と
隣接して、積み重ね関係で位置決めされるのがよい。フ
ィルター２６は、上で説明したように、関心のある多数
の波長又は波長帯域について選択性のある多数の部分を
有する多色フィルターである。これに関して、フィルタ
ー２６はビーム路に並んで配列された帯域フィルターの
列として形成されることができる。フィルター２６はビ
ーム幅にわたって実質的に線形に変化する波長の応答特
性をもたらす線形可変フィルターからなるのがもっと好
ましい。このようなフィルターは高屈折率材料と低屈折
率材料の交互の積み重ねをフィルター基板に堆積させる
ことによって形成されるのがよく、積み重ね層は所望の
波長応答変化を得るために制御された方法でテーパにさ
れる。図示したフィルターは、例えば、おおよそ７乃至
１０マイクロメーターの波長範囲にわたって、実質的に
線形に変化する波長応答を与える。
【００１５】図示した検出器アレイ１４はパイロ電気素
子即ち感熱素子の単一の縦の列を有し、検出器アレイ１
４を読み出すための電気回路、たとえば、シリアルクロ
ック回路を備えている検出器ボード５８によって支持さ
れる。検出器アレイ１４の読み出しクロックをチョッパ
ーの回転速度とたやすく調和させて、試料の読み値及び
基準の読み値を交互に得ることができる。これに関し
て、球面鏡３６ａ及び３６ｂの源１２に対する１８０°
の間隔は、都合のよい間隔のクロックを考慮に入れる。
このような調和は、例えば、読み出しクロックがチョッ
パー３２と関連したエンコーダ又はモータからのパルス
にインデックスをつけることによって行われるのがよ
い。アレイ１４の特定の素子はフィルター２６の特定の
波長帯域と関連することが理解されよう。従って、入射
ビームの多色分析は、特定の素子或いは特定の素子の群
からの出力と、これと関連した波長帯域とを相互に関連
させることによって得ることができる。この情報は多数
の気体成分に関する気体の組成を決定するために、プロ
セッサーによって使用されることができる。
【００１６】図１は又、検出器アレイ１４をプロセッサ
ーに相互接続するための電線６０及びこれと関連したハ
ウジング開口部６２と、試料気体を室２４に供給するた
めの気体入口管６４及びこれと関連したハウジング開口
部６６と、種々の装置の構成部品をフレーム４８内に取
付けるための即ちその構成部品と関連したハウジングへ
の相互連結のための種々のマウント６８及び取付用穴７
０とを示す。図示していないけれども、試料室２４は適
当な流体流量制御装置によって呼吸／麻酔ガスの供給源
と連通することが理解されよう。かくして、図示したガ
ス分析器は、単一の細長い赤外線源と、単一の検出器ア
レイと、折れ曲がった光路によって相互に関連のある多
色フィルターユニットとを用いることによって、呼吸試
料／麻酔試料の多数の気体成分の多色分析を行う。集光
光学素子は、高い効率のために、源を検出器アレイに映
し出すのに役立ち、気体室に存在するビームがフィルタ
ー／検出器によって直接受けられるように気体室から上
流に配置されることができる。チョッパーは対称な基準
光路及び試料光路の交互の照明にとって都合のよいデュ
ーティサイクルの選択を行う。
【００１７】本発明の種々の実施の形態を詳細に説明し
たけれども、発明の更なる変形及び適合が当業者の心に
浮かぶことは明らかである。しかしながら、このような
変形及び適合は本発明の精神及び範囲の中にあることを
はっきりと理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるガス分析器の平面図である。
【図２】図１のガス分析器の光路を図示する概略平面図
である。
【図３】図１のガス分析器の光路を図示する側面図であ
る。
【図４】図１のガス分析器の源の側面図である。
【図５】図１のガス分析器の源の底面図である。
【図６】図１のガス分析器のフィルター／検出器組立体
に映し出された放射線を示す概略正面斜視図である。
【図７】図１のガス分析器のフィルター／検出器組立体
の側面図である。
【符号の説明】
１０ ガス分析器 １２ 源 １４ 検出器アレイ １６ 試料光路 １６ａ ビーム １６ｂ 収斂ビーム １６ｃ 反射された赤外線ビーム １８ 基準光路 １８ａ ビーム １８ｂ 収斂ビーム １８ｃ 反射された赤外線ビーム ２４ 試料気体室 ２６ 多色フィルター ３０ 基準気体室 ３２ ビームチョッパー ３４ スリット ３６ａ、３６ｂ 球面鏡 ３８ 平面鏡ブロック ３８ａ、３８ｂ 平面鏡 ４０ 気体室部材 ４２ フィルター／検出器組立体 ４８ フレーム ５２ 窓 ５４ 熱隔壁 ５８ 検出器ボード ６０ 電線 ６２ ハウジング開口部 ６４ 気体入口管 ６６ ハウジング開口部 ６８ マウント ７０ 取付用穴 ７４ 帯域フィルター ７５ フィルター １２２ ヒータ素子 １２４、１２６ エミッタープレート １２８ 電源

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 赤外線の源と、 検出器表面を有する、放射線を検出するための検出器
    と、 前記検出器表面に衝突する前記源からの赤外線が前記源
    の画像を形成する、前記源を前記検出器の前記検出器表
    面に映し出すための光学的画像手段と、を備えることを
    特徴とする光学装置。
  2. 【請求項２】 ７乃至１０マイクロメーターの波長範
    囲の放射線を放出するための放射線源と、 検出器表面を有する、放射線を検出するための検出器
    と、 前記検出器表面に衝突する前記源からの放射線が前記源
    の画像を形成する、前記源から前記検出器までの光路を
    構成するための光学的画像手段と、 前記光路に配置され、分析されるべき試料気体を含有す
    る気体試料室と、を備えることを特徴とするガス分析
    器。
  3. 【請求項３】 前記源は細長い放射線エミッターを備
    えることを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載の
    装置。
  4. 【請求項４】 前記源は実質的に平らな放射線エミッ
    ター表面を備えることを特徴とする、請求項１又は請求
    項２に記載の装置。
  5. 【請求項５】 前記源は反対側に面する２つの実質的
    に平らな放射線エミッター表面を備えることを特徴とす
    る、請求項１又は請求項２に記載の装置。
  6. 【請求項６】 前記源は７乃至１０マイクロメーター
    の波長範囲を含む一次放射線帯を有することを特徴とす
    る、請求項１又は請求項２に記載の装置。
  7. 【請求項７】 前記源は９００°Ｃより高い温度で作
    動することを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載
    の装置。
  8. 【請求項８】 前記検出器表面は前記源の前記画像に
    実質的に合うように寸法決めされることを特徴とする、
    請求項１又は請求項２に記載の装置。
  9. 【請求項９】 ヒータ素子及び前記ヒータ素子と熱接
    触している実質的に平らなエミッタープレートを有する
    源を準備する段階と、 前記ヒータ素子を電源に相互接続させる段階と、 前記電源を作動させ、前記エミッタープレートを９００
    °Ｃより高い温度に加熱する段階と、を含むことを特徴
    とする、７乃至１０マイクロメーターの波長範囲の放射
    線を生じさせる方法。
  10. 【請求項１０】 第１の長手方向軸線を有する細長い
    赤外線源と、 第２の軸線に対して整列された複数の放射線に感度の高
    い素子を有する、前記放射線源からの前記赤外線を受け
    るための放射線検出器アレイと、 前記検出器アレイに映し出されるとき、前記源の前記第
    １の長手方向軸線が前記検出器アレイの前記第２の軸線
    と整列されるように、前記検出器アレイに衝突する前記
    源からの前記赤外線が前記源の画像を形成する、前記赤
    外線源を前記放射線検出器アレイに映し出すための光学
    的手段と、 異なる波長に依存した放射線透過特性をもった複数のフ
    ィルター部分を有し、前記複数のフィルター部分の各々
    が前記複数の放射線に感度の高い素子と光学的に関連す
    るように向けられた、前記放射線源からの前記赤外線の
    特定の波長範囲を通すための、前記光学的手段と前記検
    出器アレイとの間に配置された多色フィルターと、を備
    えることを特徴とするガス分析器。
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