(57)【要約】【課題】  小型化され、熱、ラジカル、プラズマ等によって光学特性が影響を受けることがない光学系を内蔵し、既存の熱機関またはプラズマ装置に用いる点火と交換するだけで、光計測装置等による熱機関またはプラズマ装置における物理・化学反応領域の一または複数の局所における物理・化学反応量及びその状態からの光の計測を可能とする熱機関、プラズマ装置用点火・放電プラグを提供する。【解決手段】  碍子部１と、碍子部１の先端部に設けられた点火（放電）部２と、碍子部１内を通り点火部２に接続された電路３と、碍子部に穿設された透孔４内に配設され先端部を碍子部１の先端面に望ませている少なくとも一の光学センサ用光学系５とを備える。光学センサ用光学系５は、先端面を碍子部の先端面に望ませた一体的に形成されたマイクロカセグレン光学素子である光学素子１０を有している。【選択図】  図１
2006292524.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
碍子部と、
前記碍子部の先端部に設けられた点火・放電部と、
前記碍子部内を通り、前記点火・放電部に接続された電路と、
前記碍子部に穿設された透孔内に配設され、先端部を該碍子部の先端面に望ませている少なくとも一の光学センサ用光学系とを備え、
前記光学センサ用光学系は、先端面を前記碍子部の先端面に望ませている光学素子を有して構成されており、
前記光学素子は、第１面及び第２面を有して一体的に形成され、前記第１面及び前記第２面がそれぞれ第１領域と第２領域とを有し、前記第１面の第１領域が凹面の透過面であり、第２面の第１領域が凹面反射面であり、前記第１面の第２領域が反射面であってこの第１面の物点側表面に反射物質膜が被着されて形成され、この反射物質膜の前記物点側が防護層によって覆われており、前記物点からの光が前記第１面の第１領域に入射され、この光を前記第２面の第１領域において反射し、この反射光を前記第１面の第２領域において反射し、この反射光を像点に集光させる
ことを特徴とする熱機関またはプラズマ装置に用いる点火または放電プラグ。
【請求項２】
前記光学センサ用光学系を複数備えることを特徴とする請求項１記載の熱機関またはプラズマ装置に用いる点火または放電プラグ。
【請求項３】
前記光学素子の防護層は、耐熱性、耐食性、耐蝕性、耐触性の少なくともいずれか一を有するものであることを特徴とする請求項１、または、請求項２記載の熱機関またはプラズマ装置に用いる点火または放電プラグ。
【請求項４】
前記光学素子の防護層は、クロム、フッ化マグネシウム、二酸化珪素、二酸化ジルコニア、酸化チタン、アルミナのいずれかの材料からなる単層膜、または、これらの二以上の材料からなる多層膜によって形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一に記載の熱機関またはプラズマ装置に用いる点火または放電プラグ。
【請求項５】
前記光学素子の防護層は、前記第１面の全面に亘って形成され、前記第１面の第１領域への入射光についての反射防止膜の機能を有していることを特徴とする請求項４記載の熱機関またはプラズマ装置に用いる点火または放電プラグ。
【請求項６】
前記光学素子の防護層は、前記第１面と前記第２面との間の媒質と同一の材料によって、前記第１面の全面に亘って形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一に記載の熱機関またはプラズマ装置に用いる点火または放電プラグ。
【請求項７】
前記光学素子の第１面は、前記第２面よりも小径の面となされており、
前記第１面及び前記第２面の間には、該第１面の外径から該第２面の外径への拡径部が形成されており、
前記拡径部により、不要光が遮断されることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか一に記載の熱機関またはプラズマ装置に用いる点火または放電プラグ。
【請求項８】
前記光学素子の第１面及び前記第２面の間の媒質には、側面部に切欠き部が形成されており、
前記切欠き部により、不要光が遮断されることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか一に記載の熱機関またはプラズマ装置に用いる点火または放電プラグ。
【請求項９】
前記光学素子の第１面の第２領域は、凸面反射面であることを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれか一に記載の熱機関またはプラズマ装置に用いる点火または放電プラグ。
【請求項１０】
前記光学素子の第２面の第１領域には、前記像点側より、金属材料からなる反射膜が被着形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項９のいずれか一に記載の熱機関またはプラズマ装置に用いる点火または放電プラグ。
【請求項１１】
前記光学素子の第２面の第１領域は、特定の波長帯域の光のみを選択的に反射することを特徴とする請求項１乃至請求項９のいずれか一に記載の熱機関またはプラズマ装置に用いる点火または放電プラグ。
【請求項１２】
前記光学素子の第２面の第１領域は、前記物点を焦点とする回転楕円面であることを特徴とする請求項１乃至請求項１１のいずれか一に記載の熱機関またはプラズマ装置に用いる点火または放電プラグ。
【請求項１３】
前記光学素子の第２面の第２領域は、前記像点を曲率中心とした凸球面の透過面となっていることを特徴とする請求項１乃至請求項１２のいずれか一に記載の熱機関またはプラズマ装置に用いる点火または放電プラグ。
【請求項１４】
前記光学素子の像点は、前記第２面の第２領域上、または、前記第２面よりも前記第１面の側にあることを特徴とする請求項１乃至請求項１３のいずれか一に記載の熱機関またはプラズマ装置に用いる点火または放電プラグ。
【請求項１５】
前記光学素子の第１面及び前記第２面がそれぞれ複数の第１領域と第２領域とを有し、
前記第２面の各第１領域は、互いに異なる曲率中心、または、焦点を有する複数の部分に分割された凹面からなる反射面であり、
前記物点からの光は、前記第１面の各第１領域に入射され、前記第２面の各第１領域において対応して反射され、前記第１面の各第２領域において反射され、像点に集光されることを特徴とする請求項１乃至請求項１４のいずれか一に記載の熱機関またはプラズマ装置に用いる点火または放電プラグ。
【請求項１６】
少なくとも一の光ファイバを備え、
前記光ファイバの入射端面は、前記光学素子の単数、または、複数の像点の位置に配置されていることを特徴とする請求項１乃至請求項１５のいずれか一に記載の熱機関またはプラズマ装置に用いる点火または放電プラグ。
【請求項１７】
複数の光ファイバからなる光ファイバアレイを備え、
前記各光ファイバの各入射端面は、前記光学素子の複数の像点の位置に配置されており、光軸に対して所定角度をなす一平面上、または、光軸方向について互いに異なる位置に１次元乃至３次元配列されていることを特徴とする請求項１乃至請求項１５のいずれか一に記載の熱機関またはプラズマ装置に用いる点火または放電プラグ。
【請求項１８】
少なくとも一の光ファイバを備え、
前記光ファイバの入射端面は、前記光学素子の前記第２面の第２領域上、または、前記第２面よりも前記第１面の側の単数、または、複数の像点の位置に配置されていることを特徴とする請求項１４記載の熱機関またはプラズマ装置に用いる点火または放電プラグ。
【請求項１９】
複数の光ファイバからなる光ファイバアレイを備え、
前記各光ファイバの各入射端面は、前記光学素子の前記第２面の第２領域上、または、前記第２面よりも前記第１面の側の複数の像点の位置に配置されており、光軸に対して所定角度をなす一平面上、または、光軸方向について互いに異なる位置に１次元乃至３次元配列されていることを特徴とする請求項１４記載の熱機関またはプラズマ装置に用いる点火または放電プラグ。
【請求項２０】
前記光学素子の像点に複数の受光部を配置させた受光素子を備え、
前記受光素子により、前記光学素子の物点側の複数の計測点における光の前記光学素子による複数の像点からの光を検出することを特徴とする請求項１乃至請求項１５のいずれか一に記載の熱機関またはプラズマ装置に用いる点火または放電プラグ。
【請求項２１】
前記複数の計測点は、１次元配列されており、
前記複数の受光部は、前記複数の計測点に対応する複数の像点の位置に１次元配列されていることを特徴とする請求項２０記載の熱機関またはプラズマ装置に用いる点火または放電プラグ。
【請求項２２】
前記複数の計測点は、マトリクス状に２次元配列されており、
前記複数の受光部は、前記複数の計測点に対応する複数の像点の位置にマトリクス状に２次元配列されていることを特徴とする請求項２０記載の熱機関またはプラズマ装置に用いる点火または放電プラグ。
【請求項２３】
前記複数の計測点は、３次元配列されており、
前記複数の受光部は、前記複数の計測点に対応する複数の像点の位置に３次元配列されていることを特徴とする請求項２０記載の熱機関またはプラズマ装置に用いる点火または放電プラグ。
【請求項２４】
熱機関またはプラズマ装置における物理・化学反応領域の一または複数の局所における物理・化学反応量及びその状態からの光を計測するための光計測装置であって、
請求項１乃至請求項１５のいずれか一に記載の熱機関またはプラズマ装置に用いる点火または放電プラグと、
前記光学素子の像点における光を分光する分光手段と、
前記分光手段により分光された光を受光する受光素子を有する光計測手段と、
前記計測手段により得られた信号を処理する信号処理手段とを備え、
前記物理・化学反応領域の一または複数の局所から発せられる任意の波長の光を検出することを特徴とする光計測装置。
【請求項２５】
熱機関またはプラズマ装置における物理・化学反応領域の一または複数の局所における物理・化学反応量及びその状態からの光を計測するための光計測装置であって、
請求項１６乃至請求項１９のいずれか一に記載の熱機関またはプラズマ装置に用いる点火または放電プラグと、
前記光学素子の像点における光が前記光ファイバを介して入射され、この光を分光する分光手段と、
前記分光手段により分光された光を受光する受光素子を有する光計測手段と、
前記計測手段により得られた信号を処理する信号処理手段とを備え、
前記物理・化学反応領域の一または複数の局所から発せられる任意の波長の光を検出することを特徴とする光計測装置。
【請求項２６】
熱機関またはプラズマ装置における物理・化学反応領域の一または複数の局所における物理・化学反応量及びその状態からの光を計測するための光計測装置であって、
請求項２０乃至請求項２３のいずれか一に記載の熱機関またはプラズマ装置に用いる点火または放電プラグと、
前記受光素子により得られた信号を処理する信号処理手段とを備え、
前記物理・化学反応領域の一または複数の局所から発せられる任意の波長の光を検出することを特徴とする光計測装置。
【請求項２７】
前記信号処理手段は、前記物理・化学反応領域のプラズマ場の一または複数の局所における異なる波長の発光強度を計測することを特徴とする請求項２４乃至請求項２６のいずれか一に記載の光計測装置。
【請求項２８】
前記信号処理手段は、前記物理・化学反応領域のプラズマ場における異なる波長の光強度比、スペクトルの線幅、または、シフト量から、プラズマ特性量を同定することを特徴とする請求項２４乃至請求項２６のいずれか一に記載の光計測装置。
【請求項２９】
前記信号処理手段は、前記物理・化学反応領域の一または複数の局所におけるラジカルの光強度及びその空間的・時間的分布を計測することを特徴とする請求項２４乃至請求項２６のいずれか一に記載の光計測装置。
【請求項３０】
前記信号処理手段は、前記物理・化学反応領域の一または複数の局所におけるラジカルの光強度及びその時間的変化を計測することを特徴とする請求項２４乃至請求項２６のいずれか一に記載の光計測装置。
【請求項３１】
前記信号処理手段は、前記物理・化学反応領域の一または複数の局所におけるラジカルの光強度及びその空間的・時間的分布に基づいて、前記物理・化学反応領域の一または複数の局所における局所空燃比を計測することを特徴とする請求項２４乃至請求項２６のいずれか一に記載の光計測装置。
【請求項３２】
前記信号処理手段は、前記物理・化学反応領域の一または複数の局所における火炎帯もしくは反応帯の厚さを計測することを特徴とする請求項２４乃至請求項２６のいずれか一に記載の光計測装置。
【請求項３３】
前記信号処理手段は、前記物理・化学反応領域の一または複数の局所における火炎帯もしくは反応帯の到達速度を計測することを特徴とする請求項２４乃至請求項２６のいずれか一に記載の光計測装置。
【請求項３４】
前記信号処理手段は、ラジカルの組成ごとに異なる前記火炎帯もしくは反応帯の到達速度を計測することを特徴とする請求項３３記載の光計測装置。
【請求項３５】
前記信号処理手段は、前記物理・化学反応領域の一または複数の局所における火炎帯もしくは反応帯の到達速度の変動を計測することを特徴とする請求項２４乃至請求項２６のいずれか一に記載の光計測装置。
【請求項３６】
前記信号処理手段は、ラジカルの組成ごとに異なる前記火炎帯もしくは反応帯の到達速度の変動を計測することを特徴とする請求項３５記載の光計測装置。
【請求項３７】
前記信号処理手段は、前記物理・化学反応領域の一または複数の局所における火炎帯もしくは反応帯の到達速度の変動周波数を計測することを特徴とする請求項２４乃至請求項２６のいずれか一に記載の光計測装置。
【請求項３８】
前記信号処理手段は、ラジカルの組成ごとに異なる前記火炎帯もしくは反応帯の到達速度の変動周波数を計測することを特徴とする請求項３７記載の光計測装置。
【請求項３９】
前記信号処理手段は、前記物理・化学反応領域の一または複数の局所における火炎帯もしくは反応帯の広がる方向を計測することを特徴とする請求項２４乃至請求項２６のいずれか一に記載の光計測装置。
【請求項４０】
前記信号処理手段は、ラジカルの組成ごとに異なる前記火炎帯もしくは反応帯の広がる方向を計測することを特徴とする請求項３９記載の光計測装置。
【請求項４１】
前記信号処理手段は、前記物理・化学反応領域の一または複数の局所におけるラジカルの光強度及びその空間的・時間的分布に基づいて、前記熱機関またはプラズマ装置の時系列変動を計測することを特徴とする請求項２４乃至請求項２６のいずれか一に記載の光計測装置。
【請求項４２】
前記信号処理手段は、前記物理・化学反応領域の一または複数の局所におけるラジカルの光強度及びその空間的・時間的分布に基づいて、前記熱機関またはプラズマ装置におけるノッキングなどの異常反応を検出することを特徴とする請求項２４乃至請求項２６のいずれか一に記載の光計測装置。
【請求項４３】
前記信号処理手段は、前記物理・化学反応領域の一または複数の局所におけるラジカルの光強度及びその空間的・時間的分布に基づいて、前記物理・化学反応領域の一または複数の局所における火炎もしくは反応の核の形成情報を計測することを特徴とする請求項２４乃至請求項２６のいずれか一に記載の光計測装置。
【請求項４４】
前記信号処理手段は、前記物理・化学反応領域の一または複数の局所におけるラジカルの光強度及びその空間的・時間的分布に基づいて、前記物理・化学反応領域の一または複数の局所における火炎、ガス、または、プラズマの温度情報を計測することを特徴とする請求項２４乃至請求項２６のいずれか一に記載の光計測装置。
【請求項４５】
前記信号処理手段は、前記物理・化学反応領域の一または複数の局所におけるラジカルの光強度及びその空間的・時間的分布に基づいて、前記物理・化学反応領域の一または複数の局所におけるガスの組成・濃度を計測することを特徴とする請求項２４乃至請求項２６のいずれか一に記載の光計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、自動車のエンジンやガスタービンなどの熱機関またはプラズマ装置において用いられる熱機関またはプラズマ装置に用いる点火または放電プラグに関し、この熱機関またはプラズマ装置における物理・化学反応領域（燃焼やプラズマ反応など）からの光を検出する少なくとも一の光学センサ用光学系を内蔵したものに関する。
【０００２】
また、本発明は、前記熱機関またはプラズマ装置に用いる点火または放電プラグを有して構成され、前記光学センサ用光学系を介して熱機関またはプラズマ装置における物理・化学反応領域（燃焼やプラズマ反応など）の一または複数の局所における物理・化学反応量及びその状態からの光を計測する光計測装置に関する。
【背景技術】
【０００３】
自発光、プラズマ発光、蛍光、燐光、散乱光、放射光等の物理・化学反応の諸特性は、この物理・化学反応の微細構造とその時間変化に大きく依存しており、そのような微細構造を計測することによって、物理・化学反応量の特性やそれらの相関を知ることができる。また、計測された物理・化学反応の微細構造と、それらの高時間分解能計測データからの時間変動量等から、構造データのフィードバックによる物理・化学反応の制御や、物理・化学反応を発生する装置の改良のためのデータを得ることが可能となる。このような計測は、例えば、自動車のエンジンやガスタービンなどの熱機関、または、半導体製造装置、医療機器などのプラズマ装置における物理・化学反応、例えば、燃焼やプラズマ反応の解析など、様々な物理・化学反応装置の制御及び改良において非常に重要である。
【０００４】
前述した物理・化学反応の微細構造を計測するためには、まず、局所計測、すなわち、物理・化学反応の構造の空間スケールに比して充分に小さい計測体積に対する計測が必要となる。また、時系列計測、すなわち、物理・化学反応の構造変化の時間スケールに比して充分に短い計測時間について繰り返して連続的に行う計測も必要となる。
【０００５】
このような計測を実現するものとして、「Proceedings of the Thirty-FifthJapanese Symposium on Combustion, p.54-56 (1997)」には、物理・化学反応による自然発光である自発光を計測する光計測装置が記載されている。この光計測装置は、局所点計測用に最適設計された反射光学系を集光光学系として適用し、計測体積を１．６mm×φ０．２mmと小さくし、また、高速処理が可能な受光素子として光電子増倍管を使用して、２５０kHzの高速のサンプリングレートで計測を行うことにより、物理・化学反応についての局所的な時系列計測を実現している。また、この文献には、自発光については、ＯＨ＊、ＣＨ＊、Ｃ２＊の３つの成分からの発光について、各々の対応する波長を計測することによって同時に計測を行うことが記載されている。
【０００６】
また、このような計測装置について、自動車のエンジンに関して複数の計測点について別個に計測を行った例が「Proceedings of the Fourth InternationalSymposium on Diagnostics and Modeling of Combustion in Internal Combustion Engines, p.411-416 (1998)」に記載されている。
【０００７】
さらに、本発明者らは、先に、特許文献１に記載されているように、複数の計測点からの光の局所的な時系列計測を効率的に行うことができるようにした光計測装置を提案している。この光計測装置は、反射光学系を用いて、物理・化学反応領域、例えば、燃焼室内の局所の物理・化学反応（燃焼）による発光計測を行い、局所的な物理・化学反応特性の検出を行うものである。
【０００８】
反射光学系は、図３１に示すように、物点１０１からの光を第１凹面鏡１０２により反射して集光させ、この反射光を第２凸面鏡１０３によって再び反射させ、この反射光を第１凹面鏡１０２の中央部に設けられた透孔１０４を介してこの第１凹面鏡１０２の後方側に出射させて、焦点を結ばせる光学系である。
【０００９】
この光計測装置においては、反射光学系の焦点位置１０５に光ファイバ１０６の入射端面１０７を配置し、この光ファイバ１０６によって導かれた光を分光することにより、この反射光学系の物点１０１にあたる燃焼室内の局所における物理・化学反応による光の計測を行う。反射光学系は、結像に寄与する面が反射面であるため、色収差の発生がなく、物理・化学反応による光の良好な計測を実現することができる。
【００１０】
【特許文献１】特開２０００−１１１３９８公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
ところで、上述のような光計測装置において使用されている反射光学系は、２枚の反射鏡を向かい合わせに配置して構成されるものであるため、各反射鏡間の位置合わせが困難であり、また、小型化が困難である。すなわち、この反射光学系は、例えば、エンジンなどの熱機関またはプラズマ装置に用いる点火または放電プラグに内蔵することができる程度に小型化することは困難である。
【００１２】
また、この反射光学系においては、結像特性が、各反射鏡間の空気の温度変動、密度変動、圧力変動による屈折率の変化や、各反射鏡間の乱気流の影響を受ける虞れがある。また、この反射光学系においては、各反射鏡間に塵挨が侵入して各反射鏡が汚れ、結像特性が劣化する虞れがある。
【００１３】
したがって、この反射光学系は、例えば、エンジンなどの熱機関またはプラズマ装置に用いる点火または放電プラグに内蔵した場合には、熱機関またはプラズマ装置の発する熱、ラジカル、プラズマ、電磁波、気流及び塵挨などにより、光学特性を維持することが困難となる虞れがある。
【００１４】
そこで、本発明は、上述の実情に鑑みて提案されるものであって、小型化され、かつ、熱、ラジカル、プラズマ、電磁波、気流及び塵挨によって光学特性が影響を受けることがない光学センサ用光学系を内蔵し、既存の熱機関またはプラズマ装置に用いる点火または放電プラグと交換するだけで、光計測装置等による熱機関またはプラズマ装置における物理・化学反応領域の一または複数の局所における物理・化学反応量及びその状態からの光の計測を可能とする熱機関またはプラズマ装置に用いる点火または放電プラグを提供しようとするものである。
【００１５】
また、本発明は、このような熱機関またはプラズマ装置に用いる点火または放電プラグを備え、熱機関またはプラズマ装置の発する熱、ラジカル、プラズマ、電磁波、気流及び塵挨などにより計測精度に影響を受けることのない光計測装置を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
前述の課題を解決し、前記目的を達成するため、本発明に係る熱機関またはプラズマ装置に用いる点火または放電プラグは、以下の構成のいずれか一を有するものである。
【００１７】
〔構成１〕
碍子部と、碍子部の先端部に設けられた点火・放電部と、碍子部内を通り点火・放電部に接続された電路と、碍子部に穿設された透孔内に配設され先端部を該碍子部の先端面に望ませている少なくとも一の光学センサ用光学系とを備え、光学センサ用光学系は、先端面を碍子部の先端面に望ませている光学素子を有して構成されており、光学素子は、第１面及び第２面を有して一体的に形成され、第１面及び第２面がそれぞれ第１領域と第２領域とを有し、第１面の第１領域が凹面の透過面であり、第２面の第１領域が凹面反射面であり、第１面の第２領域が反射面であってこの第１面の物点側表面に反射物質膜が被着されて形成され、この反射物質膜の物点側が防護層によって覆われており、物点からの光が第１面の第１領域に入射され、この光を第２面の第１領域において反射し、この反射光を第１面の第２領域において反射し、この反射光を像点に集光させることを特徴とするものである。
【００１８】
〔構成２〕
構成１を有する熱機関またはプラズマ装置に用いる点火または放電プラグにおいて、光学センサ用光学系を複数備えることを特徴とするものである。
【００１９】
〔構成３〕
構成１、または、構成２を有する熱機関またはプラズマ装置に用いる点火または放電プラグにおいて、光学素子の防護層は、耐熱性、耐食性、耐蝕性、耐触性の少なくともいずれか一を有するものであることを特徴とするものである。
【００２０】
〔構成４〕
構成１乃至構成３のいずれか一を有する熱機関またはプラズマ装置に用いる点火または放電プラグにおいて、光学素子の防護層は、クロム、フッ化マグネシウム、二酸化珪素、二酸化ジルコニア、酸化チタン、アルミナのいずれかの材料からなる単層膜、または、これらの二以上の材料からなる多層膜によって形成されていることを特徴とするものである。
【００２１】
〔構成５〕
構成４を有する熱機関またはプラズマ装置に用いる点火または放電プラグにおいて、光学素子の防護層は、第１面の全面に亘って形成され、第１面の第１領域への入射光についての反射防止膜の機能を有していることを特徴とするものである。
【００２２】
〔構成６〕
構成１乃至構成３のいずれか一を有する熱機関またはプラズマ装置に用いる点火または放電プラグにおいて、光学素子の防護層は、第１面と第２面との間の媒質と同一の材料によって、第１面の全面に亘って形成されていることを特徴とするものである。
【００２３】
〔構成７〕
構成１乃至構成６のいずれか一を有する熱機関またはプラズマ装置に用いる点火または放電プラグにおいて、光学素子の第１面は、第２面よりも小径の面となされており、第１面及び第２面の間には、該第１面の外径から該第２面の外径への拡径部が形成されており、拡径部により、不要光が遮断されることを特徴とするものである。
【００２４】
〔構成８〕
構成１乃至構成６のいずれか一を有する熱機関またはプラズマ装置に用いる点火または放電プラグにおいて、光学素子の第１面及び第２面の間の媒質には、側面部に切欠き部が形成されており、切欠き部により、不要光が遮断されることを特徴とするものである。
【００２５】
〔構成９〕
構成１乃至構成８のいずれか一を有する熱機関またはプラズマ装置に用いる点火または放電プラグにおいて、光学素子の第１面の第２領域は、凸面反射面であることを特徴とするものである。
【００２６】
〔構成１０〕
構成１乃至構成９のいずれか一を有する熱機関またはプラズマ装置に用いる点火または放電プラグにおいて、光学素子の第２面の第１領域には、像点側より、金属材料からなる反射膜が被着形成されていることを特徴とするものである。
【００２７】
〔構成１１〕
構成１乃至構成９のいずれか一を有する熱機関またはプラズマ装置に用いる点火または放電プラグにおいて、光学素子の第２面の第１領域は、特定の波長帯域の光のみを選択的に反射することを特徴とするものである。
【００２８】
〔構成１２〕
構成１乃至構成１１のいずれか一を有する熱機関またはプラズマ装置に用いる点火または放電プラグにおいて、光学素子の第２面の第１領域は、物点を焦点とする回転楕円面であることを特徴とするものである。
【００２９】
〔構成１３〕
構成１乃至構成１２のいずれか一を有する熱機関またはプラズマ装置に用いる点火または放電プラグにおいて、光学素子の第２面の第２領域は、像点を曲率中心とした凸球面の透過面となっていることを特徴とするものである。
【００３０】
〔構成１４〕
構成１乃至構成１３のいずれか一を有する熱機関またはプラズマ装置に用いる点火または放電プラグにおいて、光学素子の像点は、第２面の第２領域上、または、第２面よりも第１面の側にあることを特徴とするものである。
【００３１】
〔構成１５〕
構成１乃至構成１４のいずれか一を有する熱機関またはプラズマ装置に用いる点火または放電プラグにおいて、光学素子の第１面及び第２面がそれぞれ複数の第１領域と第２領域とを有し、第２面の各第１領域は、互いに異なる曲率中心、または、焦点を有する複数の部分に分割された凹面からなる反射面であり、物点からの光は、第１面の各第１領域に入射され、第２面の各第１領域において対応して反射され、第１面の各第２領域において反射され、像点に集光されることを特徴とするものである。
【００３２】
〔構成１６〕
構成１乃至構成１５のいずれか一を有する熱機関またはプラズマ装置に用いる点火または放電プラグにおいて、少なくとも一の光ファイバを備え、光ファイバの入射端面は、光学素子の単数、または、複数の像点の位置に配置されていることを特徴とするものである。
【００３３】
〔構成１７〕
構成１乃至構成１５のいずれか一を有する熱機関またはプラズマ装置に用いる点火または放電プラグにおいて、複数の光ファイバからなる光ファイバアレイを備え、各光ファイバの各入射端面は、光学素子の複数の像点の位置に配置されており、光軸に対して所定角度をなす一平面上、または、光軸方向について互いに異なる位置に１次元乃至３次元配列されていることを特徴とするものである。
【００３４】
〔構成１８〕
構成１４を有する熱機関またはプラズマ装置に用いる点火または放電プラグにおいて、少なくとも一の光ファイバを備え、光ファイバの入射端面は、光学素子の第２面の第２領域上、または、第２面よりも第１面の側の単数、または、複数の像点の位置に配置されていることを特徴とするものである。
【００３５】
〔構成１９〕
構成１４を有する熱機関またはプラズマ装置に用いる点火または放電プラグにおいて、複数の光ファイバからなる光ファイバアレイを備え、各光ファイバの各入射端面は、光学素子の第２面の第２領域上、または、第２面よりも第１面の側の複数の像点の位置に配置されており、光軸に対して所定角度をなす一平面上、または、光軸方向について互いに異なる位置に１次元乃至３次元配列されていることを特徴とするものである。
【００３６】
〔構成２０〕
構成１乃至構成１５のいずれか一を有する熱機関またはプラズマ装置に用いる点火または放電プラグにおいて、光学素子の像点に複数の受光部を配置させた受光素子を備え、受光素子により、光学素子の物点側の複数の計測点における光の光学素子による複数の像点からの光を検出することを特徴とするものである。
【００３７】
〔構成２１〕
構成２０を有する熱機関またはプラズマ装置に用いる点火または放電プラグにおいて、複数の計測点は、１次元配列されており、複数の受光部は、複数の計測点に対応する複数の像点の位置に１次元配列されていることを特徴とするものである。
【００３８】
〔構成２２〕
構成２０を有する熱機関またはプラズマ装置に用いる点火または放電プラグにおいて、複数の計測点は、マトリクス状に２次元配列されており、複数の受光部は、複数の計測点に対応する複数の像点の位置にマトリクス状に２次元配列されていることを特徴とするものである。
【００３９】
〔構成２３〕
構成２０を有する熱機関またはプラズマ装置に用いる点火または放電プラグにおいて、複数の計測点は、３次元配列されており、複数の受光部は、複数の計測点に対応する複数の像点の位置に３次元配列されていることを特徴とするものである。
【００４０】
また、本発明に係る光計測装置は、以下の構成のいずれか一を有するものである。
【００４１】
〔構成２４〕
熱機関またはプラズマ装置における物理・化学反応領域の一または複数の局所における物理・化学反応量及びその状態からの光を計測するための光計測装置であって、構成１乃至構成１５のいずれか一を有する熱機関またはプラズマ装置に用いる点火または放電プラグと、光学素子の像点における光を分光する分光手段と、分光手段により分光された光を受光する受光素子を有する光計測手段と、計測手段により得られた信号を処理する信号処理手段とを備え、物理・化学反応領域の一または複数の局所から発せられる任意の波長の光を検出することを特徴とするものである。
【００４２】
〔構成２５〕
熱機関またはプラズマ装置における物理・化学反応領域の一または複数の局所における物理・化学反応量及びその状態からの光を計測するための光計測装置であって、構成１６乃至構成１９のいずれか一を有する熱機関またはプラズマ装置に用いる点火または放電プラグと、光学素子の像点における光が光ファイバを介して入射され、この光を分光する分光手段と、分光手段により分光された光を受光する受光素子を有する光計測手段と、計測手段により得られた信号を処理する信号処理手段とを備え、
物理・化学反応領域の一または複数の局所から発せられる任意の波長の光を検出することを特徴とするものである。
【００４３】
〔構成２６〕
熱機関またはプラズマ装置における物理・化学反応領域の一または複数の局所における物理・化学反応量及びその状態からの光を計測するための光計測装置であって、構成２０乃至構成２３のいずれか一を有する熱機関またはプラズマ装置に用いる点火または放電プラグと、受光素子により得られた信号を処理する信号処理手段とを備え、物理・化学反応領域の一または複数の局所から発せられる任意の波長の光を検出することを特徴とするものである。
【００４４】
〔構成２７〕
構成２４乃至構成２６のいずれか一を有する光計測装置において、信号処理手段は、物理・化学反応領域のプラズマ場の一または複数の局所における異なる波長の発光強度を計測することを特徴とするものである。
【００４５】
〔構成２８〕
構成２４乃至構成２６のいずれか一を有する光計測装置において、信号処理手段は、物理・化学反応領域のプラズマ場における異なる波長の光強度比、スペクトルの線幅、または、シフト量から、プラズマ特性量を同定することを特徴とするものである。
【００４６】
〔構成２９〕
構成２４乃至構成２６のいずれか一を有する光計測装置において、信号処理手段は、物理・化学反応領域の一または複数の局所におけるラジカルの光強度及びその空間的・時間的分布を計測することを特徴とするものである。
【００４７】
〔構成３０〕
構成２４乃至構成２６のいずれか一を有する光計測装置において、信号処理手段は、物理・化学反応領域の一または複数の局所におけるラジカルの光強度及びその時間的変化を計測することを特徴とするものである。
【００４８】
〔構成３１〕
構成２４乃至構成２６のいずれか一を有する光計測装置において、信号処理手段は、物理・化学反応領域の一または複数の局所におけるラジカルの光強度及びその空間的・時間的分布に基づいて、物理・化学反応領域の一または複数の局所における局所空燃比を計測することを特徴とするものである。
【００４９】
〔構成３２〕
構成２４乃至構成２６のいずれか一を有する光計測装置において、信号処理手段は、物理・化学反応領域の一または複数の局所における火炎帯もしくは反応帯の厚さを計測することを特徴とするものである。
【００５０】
〔構成３３〕
構成２４乃至構成２６のいずれか一を有する光計測装置において、信号処理手段は、物理・化学反応領域の一または複数の局所における火炎帯もしくは反応帯の到達速度を計測することを特徴とするものである。
【００５１】
〔構成３４〕
構成３３を有する光計測装置において、信号処理手段は、ラジカルの組成ごとに異なる火炎帯もしくは反応帯の到達速度を計測することを特徴とするものである。
【００５２】
〔構成３５〕
構成２４乃至構成２６のいずれか一を有する光計測装置において、信号処理手段は、物理・化学反応領域の一または複数の局所における火炎帯もしくは反応帯の到達速度の変動を計測することを特徴とするものである。
【００５３】
〔構成３６〕
構成３５を有する光計測装置において、信号処理手段は、ラジカルの組成ごとに異なる火炎帯もしくは反応帯の到達速度の変動を計測することを特徴とするものである。
【００５４】
〔構成３７〕
構成２４乃至構成２６のいずれか一を有する光計測装置において、信号処理手段は、物理・化学反応領域の一または複数の局所における火炎帯もしくは反応帯の到達速度の変動周波数を計測することを特徴とするものである。
【００５５】
〔構成３８〕
構成３７を有する光計測装置において、信号処理手段は、ラジカルの組成ごとに異なる火炎帯もしくは反応帯の到達速度の変動周波数を計測することを特徴とするものである。
【００５６】
〔構成３９〕
構成２４乃至構成２６のいずれか一を有する光計測装置において、信号処理手段は、物理・化学反応領域の一または複数の局所における火炎帯もしくは反応帯の広がる方向を計測することを特徴とするものである。
【００５７】
〔構成４０〕
構成３９を有する光計測装置において、信号処理手段は、ラジカルの組成ごとに異なる火炎帯もしくは反応帯の広がる方向を計測することを特徴とするものである。
【００５８】
〔構成４１〕
構成２４乃至構成２６のいずれか一を有する光計測装置において、信号処理手段は、物理・化学反応領域の一または複数の局所におけるラジカルの光強度及びその空間的・時間的分布に基づいて、熱機関またはプラズマ装置の時系列変動（サイクル変動など）を計測することを特徴とするものである。
【００５９】
〔構成４２〕
構成２４乃至構成２６のいずれか一を有する光計測装置において、信号処理手段は、物理・化学反応領域の一または複数の局所におけるラジカルの光強度及びその空間的・時間的分布に基づいて、熱機関またはプラズマ装置におけるノッキングなどの異常反応を検出することを特徴とするものである。
【００６０】
〔構成４３〕
構成２４乃至構成２６のいずれか一を有する光計測装置において、信号処理手段は、物理・化学反応領域の一または複数の局所におけるラジカルの光強度及びその空間的・時間的分布に基づいて、物理・化学反応領域の一または複数の局所における火炎もしくは反応の核の形成情報を計測することを特徴とするものである。
【００６１】
〔構成４４〕
構成２４乃至構成２６のいずれか一を有する光計測装置において、信号処理手段は、物理・化学反応領域の一または複数の局所におけるラジカルの光強度及びその空間的・時間的分布に基づいて、物理・化学反応領域の一または複数の局所における火炎、ガス、または、プラズマの温度情報を計測することを特徴とするものである。
【００６２】
〔構成４５〕
構成２４乃至構成２６のいずれか一を有する光計測装置において、信号処理手段は、物理・化学反応領域の一または複数の局所におけるラジカルの光強度及びその空間的・時間的分布に基づいて、物理・化学反応領域の一または複数の局所におけるガスの組成・濃度を計測することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００６３】
構成１を有する熱機関またはプラズマ装置に用いる点火または放電プラグにおいては、碍子部に穿設された透孔内に配設され先端部を該碍子部の先端面に望ませている光学センサ用光学系の光学素子は、第１面及び第２面を有する一体的な光学素子であるため、第１面及び第２面間の媒質の温度変動、密度変動、圧力変動による屈折率変化が少なく、各面間には、乱流、ガス種変動が生じたり、塵挨が侵入する虞れがない。また、この光学素子においては、結像に寄与する面が反射面であるため、色収差の発生がなく、良好な結像特性を有する。さらに、この光学素子においては、反射面である第１面の第２領域は、第１面の物点側表面に反射物質膜が被着されて形成されこの反射物質膜の物点側が防護層によって覆われているので、物点側の空間からの熱、ラジカル、プラズマ、電磁波及び塵挨などによって、反射物質膜が損傷を被ることがない。
【００６４】
したがって、この熱機関またはプラズマ装置に用いる点火または放電プラグの光学素子は、製造が容易であり、また、小型化が可能でありながら、良好な結像特性を有するとともに、熱、ラジカル、プラズマ、電磁波、気流及び塵挨の影響による光学特性の劣化を回避することができる。また、この光学素子においては、反射物質膜と光学素子をなす媒質との界面が反射面となるので、反射物質膜の外側表面が汚れても、光学特性が劣化することがない。
【００６５】
構成２を有する熱機関またはプラズマ装置に用いる点火または放電プラグは、構成１を有する熱機関またはプラズマ装置に用いる点火または放電プラグにおいて、光学センサ用光学系を複数備えるので、これら光学センサ用光学系により、単数、または、複数の物点からの光を、同時に複数の像点に集光させることができる。
【００６６】
構成３を有する熱機関またはプラズマ装置に用いる点火または放電プラグは、構成１、または、構成２を有する熱機関またはプラズマ装置に用いる点火または放電プラグにおいて、光学素子の防護層が、耐熱性、耐食性、耐蝕性、耐触性の少なくともいずれか一を有するので、反射物質膜は、物点側からの熱、ラジカル、プラズマ、電磁波及び塵挨などによる腐食、腐蝕、接触から保護される。
【００６７】
構成４を有する熱機関またはプラズマ装置に用いる点火または放電プラグは、構成１乃至構成３のいずれか一を有する熱機関またはプラズマ装置に用いる点火または放電プラグにおいて、光学素子の防護層が、クロム、フッ化マグネシウム、二酸化珪素、二酸化ジルコニア、酸化チタン、アルミナのいずれかの材料からなる単層膜、または、これらの二以上の材料からなる多層膜によって形成されているので、物点側からの熱、ラジカル、プラズマ、電磁波及び塵挨などによる腐食、腐蝕、接触による反射物質膜の損傷を確実に防止することができる。
【００６８】
構成５を有する熱機関またはプラズマ装置に用いる点火または放電プラグは、構成３を有する熱機関またはプラズマ装置に用いる点火または放電プラグにおいて、光学素子の防護層が、第１面の全面に亘って形成され、第１面の第１領域への入射光についての反射防止膜の機能を有しているので、物点側からの熱、ラジカル、プラズマ、電磁波、気流及び塵挨等による反射物質膜の損傷が防止されるとともに、第１面の第１領域における入射光の透過率を向上させることができる。
【００６９】
構成６を有する熱機関またはプラズマ装置に用いる点火または放電プラグは、構成１乃至構成３のいずれか一を有する熱機関またはプラズマ装置に用いる点火または放電プラグにおいて、光学素子の防護層は、第１面と第２面との間の媒質と同一の材料によって、第１面の全面に亘って形成されているので、この防護層と光学素子をなす媒質とを良好に接合させることができる。
【００７０】
構成７を有する熱機関またはプラズマ装置に用いる点火または放電プラグは、構成１乃至構成６のいずれか一を有する熱機関またはプラズマ装置に用いる点火または放電プラグにおいて、光学素子の第１面は、第２面よりも小径の面となされており、第１面及び第２面の間には、該第１面の外径から該第２面の外径への拡径部が形成されており、拡径部により、不要光が遮断されるので、良好な結像特性を実現することができる。
【００７１】
構成８を有する熱機関またはプラズマ装置に用いる点火または放電プラグは、構成１乃至構成６のいずれか一を有する熱機関またはプラズマ装置に用いる点火または放電プラグにおいて、光学素子の第１面及び第２面の間の媒質には、側面部に切欠き部が形成されており、切欠き部により、不要光が遮断されるので、良好な結像特性を実現することができる。
【００７２】
構成９を有する熱機関またはプラズマ装置に用いる点火または放電プラグは、構成１乃至構成８のいずれか一を有する熱機関またはプラズマ装置に用いる点火または放電プラグにおいて、光学素子の第１面の第２領域は、凸面反射面であるので、像点の位置を、第２面の後方に十分に離れた位置とすることができる。
【００７３】
構成１０を有する熱機関またはプラズマ装置に用いる点火または放電プラグは、構成１乃至構成９のいずれか一を有する熱機関またはプラズマ装置に用いる点火または放電プラグにおいて、光学素子の第２面の第１領域には、像点側より、金属材料からなる反射膜が被着形成されているので、この領域における反射率を上げることができるとともに、反射膜と光学素子をなす媒質との界面が反射面となるので、反射膜の外側表面が汚れても、光学特性が劣化することがない。
【００７４】
構成１１を有する熱機関またはプラズマ装置に用いる点火または放電プラグは、構成１乃至構成９のいずれか一を有する熱機関またはプラズマ装置に用いる点火または放電プラグにおいて、光学素子の第２面の第１領域は、特定の波長帯域の光のみを選択的に反射するので、物点における特定の波長帯域の光のみを結像させることができる。
【００７５】
構成１２を有する熱機関またはプラズマ装置に用いる点火または放電プラグは、構成１乃至構成１１のいずれか一を有する熱機関またはプラズマ装置に用いる点火または放電プラグにおいて、光学素子の第２面の第１領域は、物点を焦点とする回転楕円面であるので、無収差の良好な結像特性を実現することができる。
【００７６】
構成１３を有する熱機関またはプラズマ装置に用いる点火または放電プラグは、構成１乃至構成１２のいずれか一を有する熱機関またはプラズマ装置に用いる点火または放電プラグにおいて、光学素子の第２面の第２領域は、像点を曲率中心とした凸球面の透過面となっているので、この光学素子からの出射光が第２面の第２領域において屈折することがなく、この領域において収差が生ずることがない。
【００７７】
構成１４を有する熱機関またはプラズマ装置に用いる点火または放電プラグは、構成１乃至構成１２のいずれか一を有する熱機関またはプラズマ装置に用いる点火または放電プラグにおいて、光学素子の像点は、第２面の第２領域上、または、第２面よりも第１面の側にあるので、この光学素子に光ファイバ等を接合させれば、この光ファイバ等に対して、像点の光を直接導入させることができる。
【００７８】
構成１５を有する熱機関またはプラズマ装置に用いる点火または放電プラグにおいては、光学素子の第２面の第１領域が、互いに異なる曲率中心、または、焦点を有する複数の部分に分割された凹面からなる反射面であるので、単数、または、複数の物点からの光を、同時に複数の像点に集光させることができる。
【００７９】
構成１６を有する熱機関またはプラズマ装置に用いる点火または放電プラグは、構成１乃至構成１５のいずれか一を有する熱機関またはプラズマ装置に用いる点火または放電プラグにおいて、少なくとも一の光ファイバを備え、光ファイバの入射端面は、光学素子の単数、または、複数の像点の位置に配置されているので、この光ファイバの入射端面に対して共役な領域からの光をこの光ファイバを介して検出することができる。
【００８０】
構成１７を有する熱機関またはプラズマ装置に用いる点火または放電プラグは、構成１乃至構成１５のいずれか一を有する熱機関またはプラズマ装置に用いる点火または放電プラグにおいて、複数の光ファイバからなる光ファイバアレイを備え、各光ファイバの各入射端面は、光学素子の複数の像点の位置に配置されており、光軸に対して所定角度をなす一平面上、または、光軸方向について互いに異なる位置に１次元乃至３次元配列されているので、これら光ファイバの入射端面に対して共役な領域からの光をこの光ファイバを介して検出することができる。
【００８１】
構成１８を有する熱機関またはプラズマ装置に用いる点火または放電プラグは、構成１４を有する熱機関またはプラズマ装置に用いる点火または放電プラグにおいて、少なくとも一の光ファイバを備え、光ファイバの入射端面は、光学素子の第２面の第２領域上、または、第２面よりも第１面の側の単数、または、複数の像点の位置に配置されているので、
この光ファイバの入射端面に対して共役な領域からの光を光学素子から光ファイバに直接導入することができる。
【００８２】
構成１９を有する熱機関またはプラズマ装置に用いる点火または放電プラグは、構成１４を有する熱機関またはプラズマ装置に用いる点火または放電プラグにおいて、複数の光ファイバからなる光ファイバアレイを備え、各光ファイバの各入射端面は、光学素子の第２面の第２領域上、または、第２面よりも第１面の側の複数の像点の位置に配置されており、光軸に対して所定角度をなす一平面上、または、光軸方向について互いに異なる位置に１次元乃至３次元配列されているので、これら光ファイバの入射端面に対して共役な１次元乃至３次元配列された領域からの光をこの光ファイバを介して検出することができる。
【００８３】
構成２０を有する熱機関またはプラズマ装置に用いる点火または放電プラグは、構成１乃至構成１５のいずれか一を有する熱機関またはプラズマ装置に用いる点火または放電プラグにおいて、光学素子の像点に複数の受光部を配置させた受光素子を備え、受光素子により、光学素子の物点側の複数の計測点における光の光学素子による複数の像点からの光を検出するので、単一の光学系を用いていることにより装置の小型化が可能であり、かつ、装置の移動や再配置等を行うことなく、複数の計測点について効率的に光の検出を行うことができる。
【００８４】
受光素子としては、例えば、ラインセンサやＣＣＤなどを用いた位置検出型光計測装置を用いることができる。
【００８５】
そして、構成２１を有する熱機関またはプラズマ装置に用いる点火または放電プラグは、構成２０を有する熱機関またはプラズマ装置に用いる点火または放電プラグにおいて、複数の計測点は、１次元配列され、複数の受光部が複数の計測点に対応する複数の像点の位置に１次元配列されており、また、構成２２を有する熱機関またはプラズマ装置に用いる点火または放電プラグは、構成２０を有する熱機関またはプラズマ装置に用いる点火または放電プラグにおいて、複数の計測点は、マトリクス状に２次元配列され、複数の受光部が複数の計測点に対応する複数の像点の位置にマトリクス状に２次元配列されており、さらに、構成２３を有する熱機関またはプラズマ装置に用いる点火または放電プラグは、構成２０を有する熱機関またはプラズマ装置に用いる点火または放電プラグにおいて、複数の計測点は、３次元配列され、複数の受光部が複数の計測点に対応する複数の像点の位置に３次元配列されている。
【００８６】
このように複数の受光部を１次元乃至３次元に配列させることによって、複数の計測点に対応する複数の光を効率的に検出することができる。
【００８７】
すなわち、本発明は、小型化され、かつ、熱、ラジカル、プラズマ、電磁波、気流及び塵挨によって光学特性が影響を受けることがない光学センサ用光学系を内蔵し、既存の熱機関またはプラズマ装置に用いる点火または放電プラグと交換するだけで、光計測装置等による熱機関、または、半導体製造装置、医療機器などのプラズマ装置における物理・化学反応領域（燃焼やプラズマ反応など）の一または複数の局所における物理・化学反応量及びその状態からの光の計測を可能とする熱機関またはプラズマ装置に用いる点火または放電プラグを提供することができるものである。
【００８８】
なお、前述のように、本発明に係る熱機関またはプラズマ装置に用いる点火または放電プラグは、点火または放電プラグとしての機能を有しているが、このような点火または放電プラグとしての機能を使用せずに、排ガス成分分析装置やガス濃度検出装置として使用することもできる。
【００８９】
そして、構成２４を有する光計測装置は、構成１乃至構成１５のいずれか一を有する熱機関またはプラズマ装置に用いる点火または放電プラグと、光学素子の像点における光を分光する分光手段と、分光手段により分光された光を受光する受光素子を有する光計測手段と、計測手段により得られた信号を処理する信号処理手段とを備え、物理・化学反応領域（燃焼やプラズマ反応など）の一または複数の局所から発せられる任意の波長の光を検出するので、単一の光学系を用いていることにより装置の小型化が可能であり、かつ、装置の移動や再配置等を行うことなく、一、または、複数の計測点について効率的な光計測を行うことができる。
【００９０】
火炎が発する任意の波長の光としては、例えば、ＯＨ＊、ＣＨ＊、Ｃ２＊など、プラズマ反応では、Ｈ、Ｏ、Ｎ、Ｎ２、ＯＨなど、特定の成分からの光を選択的に計測することができる。また、計測点における光は、自発光、プラズマ発光、蛍光、燐光、散乱光、放射光であるので、種々の物理・化学反応に対応することができる。
【００９１】
また、この光計測装置においては、光学素子として、第１面及び第２面を有する一体的な光学素子を用いているため、第１面及び第２面間の媒質の温度変動、密度変動、圧力変動による屈折率変化が少なく、各面間には、乱流、ガス種変動が生じたり、塵挨が侵入する虞れがない。この光学素子は、製造が容易であり、また、小型化が可能でありながら、良好な結像特性を有するとともに、熱、ラジカル、プラズマ、電磁波、気流及び塵挨の影響による光学特性の劣化を回避することができる。
【００９２】
さらに、この光計測装置においては、光学素子において結像に寄与する面が反射面であるため、色収差の発生がなく、良好な結像特性を実現することができる。
【００９３】
構成２５を有する光計測装置は、構成１６乃至構成１９のいずれか一を有する熱機関またはプラズマ装置に用いる点火または放電プラグと、光学素子の像点における光が光ファイバを介して入射されこの光を分光する分光手段と、分光手段により分光された光を受光する受光素子を有する光計測手段と、計測手段により得られた信号を処理する信号処理手段とを備え、物理・化学反応領域（燃焼やプラズマ反応など）の一または複数の局所から発せられる任意の波長の光を検出するので、単一の光学系を用いていることにより装置の小型化が可能であり、かつ、装置の移動や再配置等を行うことなく、一、または、複数の計測点について効率的な光計測を行うことができる。
【００９４】
火炎が発する任意の波長の光としては、例えば、ＯＨ＊、ＣＨ＊、Ｃ２＊など、プラズマ反応では、Ｈ、Ｏ、Ｎ、Ｎ２、ＯＨなど、特定の成分からの光を選択的に計測することができる。また、計測点における光は、自発光、プラズマ発光、蛍光、燐光、散乱光、放射光であるので、種々の物理・化学反応に対応することができる。
【００９５】
また、この光計測装置においては、光学素子として、第１面及び第２面を有する一体的な光学素子を用いているため、第１面及び第２面間の媒質の温度変動、密度変動、圧力変動による屈折率変化が少なく、各面間には、乱流、ガス種変動が生じたり、塵挨が侵入する虞れがない。この光学素子は、製造が容易であり、また、小型化が可能でありながら、良好な結像特性を有するとともに、熱、ラジカル、プラズマ、電磁波、気流及び塵挨の影響による光学特性の劣化を回避することができる。
【００９６】
さらに、この光計測装置においては、光学素子において結像に寄与する面が反射面であるため、色収差の発生がなく、良好な結像特性を実現することができる。
【００９７】
構成２６を有する光計測装置は、構成２０乃至構成２３のいずれか一を有する熱機関またはプラズマ装置に用いる点火または放電プラグと、受光素子により得られた信号を処理する信号処理手段とを備え、物理・化学反応領域（燃焼やプラズマ反応など）の一または複数の局所から発せられる任意の波長の光を検出するので、単一の光学系を用いていることにより装置の小型化が可能であり、かつ、装置の移動や再配置等を行うことなく、一、または、複数の計測点について効率的な光計測を行うことができる。
【００９８】
火炎が発する任意の波長の光としては、例えば、ＯＨ＊、ＣＨ＊、Ｃ２＊など、プラズマ反応では、Ｈ、Ｏ、Ｎ、Ｎ２、ＯＨなど、特定の成分からの光を選択的に計測することができる。また、計測点における光は、自発光、プラズマ発光、蛍光、燐光、散乱光、放射光であるので、種々の物理・化学反応に対応することができる。
【００９９】
また、この光計測装置においては、光学素子として、第１面及び第２面を有する一体的な光学素子を用いているため、第１面及び第２面間の媒質の温度変動、密度変動、圧力変動による屈折率変化が少なく、各面間には、乱流、ガス種変動が生じたり、塵挨が侵入する虞れがない。この光学素子は、製造が容易であり、また、小型化が可能でありながら、良好な結像特性を有するとともに、熱、ラジカル、プラズマ、電磁波、気流及び塵挨の影響による光学特性の劣化を回避することができる。
【０１００】
さらに、この光計測装置においては、光学素子において結像に寄与する面が反射面であるため、色収差の発生がなく、良好な結像特性を実現することができる。
【０１０１】
構成２７を有する光計測装置は、構成２４乃至構成２６のいずれか一を有する光計測装置において、信号処理手段は、物理・化学反応領域のプラズマ場の一または複数の局所における異なる波長の発光強度を計測するので、単一の光学系を用いていることにより装置の小型化が可能であり、かつ、装置の移動や再配置等を行うことなく、一、または、複数の計測点について効率的な光計測を行うことができる。
【０１０２】
プラズマが発する任意の波長の光としては、例えば、Ｈ、Ｏ、Ｎ、Ｎ２、ＯＨなど特定の成分からの光を選択的に計測することができる。また、この光計測装置においては、光学素子として、第１面及び第２面を有する一体的な光学素子を用いているため、第１面及び第２面間の媒質の温度変動、密度変動、圧力変動による屈折率変化が少なく、各面間には、乱流、ガス種変動が生じたり、塵挨が侵入する虞れがない。この光学素子は、製造が容易であり、また、小型化が可能でありながら、良好な結像特性を有するとともに、熱、ラジカル、プラズマ、電磁波、気流及び塵挨の影響による光学特性の劣化を回避することができる。
【０１０３】
さらに、この光計測装置においては、光学素子において結像に寄与する面が反射面であるため、色収差の発生がなく、同じ点からの異なる波長の同時計測を実現することができる。
【０１０４】
構成２８を有する光計測装置は、構成２４乃至構成２６のいずれか一を有する光計測装置において、信号処理手段は、物理・化学反応領域のプラズマ場における異なる波長の光強度比、スペクトルの線幅、または、シフト量から、プラズマ特性量を同定するので、単一の光学系を用いていることにより装置の小型化が可能であり、かつ、装置の移動や再配置等を行うことなく、一、または、複数の計測点について効率的な光計測を行うことができる。
【０１０５】
プラズマが発する任意の波長の光としては、例えば、Ｈ、Ｏ、Ｎ、Ｎ２、ＯＨなど特定の成分からの光を選択的に計測することができる。また、この光計測装置においては、光学素子として、第１面及び第２面を有する一体的な光学素子を用いているため、第１面及び第２面間の媒質の温度変動、密度変動、圧力変動による屈折率変化が少なく、各面間には、乱流、ガス種変動が生じたり、塵挨が侵入する虞れがない。この光学素子は、製造が容易であり、また、小型化が可能でありながら、良好な結像特性を有するとともに、熱、ラジカル、プラズマ、電磁波、気流及び塵挨の影響による光学特性の劣化を回避することができる。
【０１０６】
構成２９を有する光計測装置は、構成２４乃至構成２６のいずれか一を有する光計測装置において、信号処理手段は、物理・化学反応領域（燃焼やプラズマ反応など）の一または複数の局所におけるラジカルの光強度及びその空間的・時間的分布を計測するので、熱機関、または、半導体製造装置、医療機器などのプラズマ装置における物理・化学反応領域（燃焼やプラズマ反応など）の状態に関する多くの情報を取得することができる。
【０１０７】
構成３０を有する光計測装置は、構成２４乃至構成２６のいずれか一を有する光計測装置において、信号処理手段は、物理・化学反応領域（燃焼やプラズマ反応など）の一または複数の局所におけるラジカルの光強度及びその時間的変化を計測するので、熱機関、または、半導体製造装置、医療機器などのプラズマ装置における物理・化学反応領域（燃焼やプラズマ反応など）の状態に関する多くの情報を取得することができる。
【０１０８】
構成３１を有する光計測装置は、構成２４乃至構成２６のいずれか一を有する光計測装置において、信号処理手段は、物理・化学反応領域（燃焼やプラズマ反応など）の一または複数の局所におけるラジカルの光強度及びその空間的・時間的分布に基づいて、物理・化学反応領域（燃焼やプラズマ反応など）の一または複数の局所における局所空燃比を計測するので、熱機関、または、半導体製造装置、医療機器などのプラズマ装置における物理・化学反応領域（燃焼やプラズマ反応など）の状態から局所空燃比に関する情報を取得することができる。
【０１０９】
構成３２を有する光計測装置は、構成２４乃至構成２６のいずれか一を有する光計測装置において、信号処理手段は、物理・化学反応領域（燃焼やプラズマ反応など）の一または複数の局所における火炎帯もしくは反応帯の厚さを計測するので、熱機関、または、半導体製造装置、医療機器などのプラズマ装置における物理・化学反応領域（燃焼やプラズマ反応など）の状態から火炎帯もしくは反応帯の厚さに関する情報を取得することができる。
【０１１０】
構成３３を有する光計測装置は、構成２４乃至構成２６のいずれか一を有する光計測装置において、信号処理手段は、物理・化学反応領域（燃焼やプラズマ反応など）の一または複数の局所における火炎帯もしくは反応帯の到達速度を計測するので、熱機関、または、半導体製造装置、医療機器などのプラズマ装置における物理・化学反応領域（燃焼やプラズマ反応など）の状態から火炎帯もしくは反応帯の到達速度に関する情報を取得することができる。
【０１１１】
構成３４を有する光計測装置は、構成３３を有する光計測装置において、信号処理手段は、ラジカルの組成ごとに異なる火炎帯もしくは反応帯の到達速度を計測するので、熱機関、または、半導体製造装置、医療機器などのプラズマ装置における物理・化学反応領域（燃焼やプラズマ反応など）の状態から火炎帯もしくは反応帯の到達速度に関してラジカルの組成ごとの情報を取得することができる。
【０１１２】
構成３５を有する光計測装置は、構成２４乃至構成２６のいずれか一を有する光計測装置において、信号処理手段は、物理・化学反応領域（燃焼やプラズマ反応など）の一または複数の局所における火炎帯もしくは反応帯の到達速度の変動を計測するので、熱機関、または、半導体製造装置、医療機器などのプラズマ装置における物理・化学反応領域（燃焼やプラズマ反応など）の状態から火炎帯もしくは反応帯の到達速度の変動に関する情報を取得することができる。
【０１１３】
構成３６を有する光計測装置は、構成３５を有する光計測装置において、信号処理手段は、ラジカルの組成ごとに異なる火炎帯もしくは反応帯の到達速度の変動を計測するので、熱機関、または、半導体製造装置、医療機器などのプラズマ装置における物理・化学反応領域（燃焼やプラズマ反応など）の状態から火炎帯もしくは反応帯の到達速度に関してラジカルの組成ごとの情報を取得することができる。
【０１１４】
構成３７を有する光計測装置は、構成２４乃至構成２６のいずれか一を有する光計測装置において、信号処理手段は、物理・化学反応領域（燃焼やプラズマ反応など）の一または複数の局所における火炎帯もしくは反応帯の到達速度の変動周波数を計測するので、熱機関、または、半導体製造装置、医療機器などのプラズマ装置における物理・化学反応領域（燃焼やプラズマ反応など）の状態から火炎帯もしくは反応帯の到達速度の変動周波数に関する情報を取得することができる。
【０１１５】
構成３８を有する光計測装置は、構成３７を有する光計測装置において、信号処理手段は、ラジカルの組成ごとに異なる火炎帯もしくは反応帯の到達速度の変動周波数を計測するので、熱機関、または、半導体製造装置、医療機器などのプラズマ装置における物理・化学反応領域（燃焼やプラズマ反応など）の状態から火炎帯もしくは反応帯の到達速度の変動周波数に関してラジカルの組成ごとの情報を取得することができる。
【０１１６】
構成３９を有する光計測装置は、構成２４乃至構成２６のいずれか一を有する光計測装置において、信号処理手段は、物理・化学反応領域（燃焼やプラズマ反応など）の一または複数の局所における火炎帯もしくは反応帯の広がる方向を計測するので、熱機関、または、半導体製造装置、医療機器などのプラズマ装置における物理・化学反応領域（燃焼やプラズマ反応など）の状態から火炎帯もしくは反応帯の広がる方向に関する情報を取得することができる。
【０１１７】
構成４０を有する光計測装置は、構成３９を有する光計測装置において、信号処理手段は、ラジカルの組成ごとに異なる火炎帯もしくは反応帯の広がる方向を計測するので、熱機関、または、半導体製造装置、医療機器などのプラズマ装置における物理・化学反応領域（燃焼やプラズマ反応など）の状態から火炎帯もしくは反応帯の広がる方向に関してラジカルの組成ごとの情報を取得することができる。
【０１１８】
構成４１を有する光計測装置は、構成２４乃至構成２６のいずれか一を有する光計測装置において、信号処理手段は、物理・化学反応領域（燃焼やプラズマ反応など）の一または複数の局所におけるラジカルの光強度及びその空間的・時間的分布に基づいて、熱機関、または、半導体製造装置、医療機器などのプラズマ装置の時系列変動（サイクル変動など）を計測するので、熱機関またはプラズマ装置における物理・化学反応領域（燃焼やプラズマ反応など）の状態から時系列変動（サイクル変動など）に関する情報を取得することができる。
【０１１９】
構成４２を有する光計測装置は、構成２４乃至構成２６のいずれか一を有する光計測装置において、信号処理手段は、物理・化学反応領域（燃焼やプラズマ反応など）の一または複数の局所におけるラジカルの光強度及びその空間的・時間的分布に基づいて、熱機関、または、半導体製造装置、医療機器などのプラズマ装置におけるノッキングなどの異常反応を検出するので、熱機関またはプラズマ装置における物理・化学反応領域（燃焼やプラズマ反応など）の状態からノッキングなどの異常反応に関する情報を取得することができる。
【０１２０】
構成４３を有する光計測装置は、構成２４乃至構成２６のいずれか一を有する光計測装置において、信号処理手段は、物理・化学反応領域（燃焼やプラズマ反応など）の一または複数の局所におけるラジカルの光強度及びその空間的・時間的分布に基づいて、物理・化学反応領域（燃焼やプラズマ反応など）の一または複数の局所における火炎もしくは反応の核の形成情報を計測するので、熱機関、または、半導体製造装置、医療機器などのプラズマ装置における物理・化学反応領域（燃焼やプラズマ反応など）の状態から火炎もしくは反応の核の形成情報を取得することができる。
【０１２１】
構成４４を有する光計測装置は、構成２４乃至構成２６のいずれか一を有する光計測装置において、信号処理手段は、物理・化学反応領域（燃焼やプラズマ反応など）の一または複数の局所におけるラジカルの光強度及びその空間的・時間的分布に基づいて、物理・化学反応領域（燃焼やプラズマ反応など）の一または複数の局所における火炎、ガス、または、プラズマの温度情報を計測するので、熱機関、または、半導体製造装置、医療機器などのプラズマ装置における物理・化学反応領域（燃焼やプラズマ反応など）の状態から火炎、ガス、または、プラズマの温度情報を取得することができる。
【０１２２】
構成４５を有する光計測装置は、構成２４乃至構成２６のいずれか一を有する光計測装置において、信号処理手段は、物理・化学反応領域の一または複数の局所におけるラジカルの光強度及びその空間的・時間的分布に基づいて、物理・化学反応領域の一または複数の局所におけるガスの組成・濃度を計測するので、熱機関、または、半導体製造装置、医療機器などのプラズマ装置における物理・化学反応領域（燃焼やプラズマ反応など）の状態からガスの組成・濃度に関する情報を取得することができる。
【０１２３】
すなわち、本発明は、前記のような熱機関またはプラズマ装置に用いる点火または放電プラグを備え、熱機関、または、半導体製造装置、医療機器などのプラズマ装置の発する熱、ラジカル、プラズマ、電磁波、気流及び塵挨などにより計測精度に影響を受けることのない光計測装置を提供することができるものである。
【０１２４】
なお、前述のように、本発明に係る光計測装置は、点火または放電プラグとしての機能を有する熱機関またはプラズマ装置に用いる点火または放電プラグを備えているが、このような点火または放電プラグとしての機能を使用せずに、排ガス成分分析装置やガス濃度検出装置として使用することもできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０１２５】
以下、本発明を実施するための最良の形態を図面を参照しながら説明する。
【０１２６】
〔熱機関またはプラズマ装置に用いる点火または放電プラグの実施の形態〕
本発明に係る熱機関またはプラズマ装置に用いる点火または放電プラグは、図１に示すように、碍子部１と、この碍子部１の先端部に設けられた点火（放電）部２と、碍子部１内を通り点火（放電）部２に接続された電路３とを備えている。
【０１２７】
そして、この熱機関またはプラズマ装置に用いる点火または放電プラグにおいては、碍子部１に穿設された透孔４内に、少なくとも一の光学センサ用光学系５が配設されている。この光学センサ用光学系５は、先端部を碍子部１の先端面に望ませている。この光学センサ用光学系５は、先端面を碍子部１の先端面に望ませている光学素子１０を有して構成されている。
【０１２８】
この熱機関またはプラズマ装置に用いる点火または放電プラグは、対象となる熱機関、または、半導体製造装置、医療機器などのプラズマ装置に既存の点火プラグと置き換えることができるように、既存の点火プラグと同一の大きさ及び外形形状を有して構成されている。対象となる熱機関またはプラズマ装置は、自動車用その他のガソリンエンジン（レシプロエンジン及びロータリーエンジン）、ディーゼルエンジン、オイルバーナーを用いた噴霧燃焼方式の火炉やボイラー、航空機や火力発電に使用されるガスタービン、ラム、スクラムジェットエンジン燃焼器、給湯器、燃料電池、水素エンジン、除菌・滅菌装置など、様々な熱機関や、半導体製造装置、医療機器などのプラズマ装置のような物理・化学反応装置である。
【０１２９】
本発明に係る熱機関またはプラズマ装置に用いる点火または放電プラグは、これら熱機関、または、半導体製造装置、医療機器などのプラズマ装置におけるスパークプラグやグロープラグと置き換えることができるようになっている。すなわち、点火（放電）部２としては、昇温による点火を行う点火部や、アーク放電やグロー放電などの放電を行う放電部のいずれとして構成されていてもよい。
【０１３０】
なお、本発明に係る熱機関またはプラズマ装置に用いる点火または放電プラグは、光学センサ用光学系５を複数備えていることとしてもよい。
【０１３１】
〔光学素子の構成〕
本発明に係る熱機関またはプラズマ装置に用いる点火または放電プラグにおける光学センサ用光学系５を構成する光学素子１０は、図２に示すように、第１面１１及び第２面１２を有する一体的な光学素子である。これら第１面１１及び第２面１２間は、いわゆる光学ガラスや合成石英等の一様な媒質となっている。
【０１３２】
第１面１１及び第２面１２は、それぞれ外周側の第１領域１１ａ，２ａと、中央部の第２領域１１ｂ，２ｂとを有している。なお、各面１，２における第２領域１１ｂ，２ｂは、各面１，２における中心部である必要はなく、各面１，２に対して偏芯した位置に形成されていてもよい。
【０１３３】
この光学素子においては、物点Ｏからの光は、第１面１１の第１領域１１ａに入射し、第１面１１及び第２面１２間の媒質中を進行して、第２面１２の第１領域１２ａにおいて反射される。そして、第２面１２の第１領域１２ａにおいて反射された光は、第１面１１の第２領域１１ｂにおいて反射され、第２面１２の第２領域１２ｂを通して出射され、像点Ｉに集光する。
【０１３４】
第１面１１の第１領域１１ａは、凹面の透過面である。この第１面１１の第１領域１１ａは、物点Ｏを曲率中心とした凹球面の透過面とすることが望ましい。この場合には、物点Ｏからの光は、第１面１１の第１領域１１ａを透過するときには、屈折されることがなく、直進する。
【０１３５】
第２面１２の第１領域１２ａは、凹面反射面であり、入射光を集光させる特性を有する。第１面１１の第２領域１１ｂは、反射面である。そして、第２面１２の第２領域１２ｂは、（光の入射側から見て）凸面の透過面である。この第２面１２の第２領域１２ｂは、像点を曲率中心とする凸球面の透過面とすることが望ましい。この場合には、像点Ｉへ向かう光は、第２面１２の第２領域１２ｂを透過するときには、屈折されることがなく、直進する。すなわち、この場合には、この光学素子において、結像に寄与する面は反射面のみとなり、色収差の発生がない。
【０１３６】
なお、第２面１２の第２領域１２ｂは、像点を曲率中心とする凸球面とせずに、平面や、第２面１２の第１領域１２ａに連続した（光の入射側から見て）凹球面としてもよい。この場合にも、この第２面１２の第２領域１２ｂに対する入射光の角度は垂直に近いので、実用上問題となるような大きな収差が発生することはない。
【０１３７】
そして、この光学素子においては、第１面１１は、第２面１２よりも小径の面となされている。そして、第１面１１及び第２面１２との間には、これら第１面１１の外径から第２面１２の外径に拡径する段差部１３が形成されている。この段差部１３は、物点Ｏ以外の点から第１面１１を経て第２面１２に入射する不要光の一部を遮断するので、この光学素子の光学特性を向上させる。
【０１３８】
また、この光学素子においては、図３に示すように、第１面１１及び第２面１２との間を、テーパ状に拡径する拡径部１３ａとして形成してもよい。この場合にも、この拡径部１３ａの外面部に遮光物質を塗布したり遮光部材を配置することにより、物点Ｏ以外の点から第１面１１を経て第２面１２に入射する不要光を遮断することができ、この光学素子の光学特性を向上させることができる。
【０１３９】
さらに、この光学素子においては、図４に示すように、第１面１１及び第２面１２の間の媒質の側面部に切欠き部１３ｂを形成し、この切欠き部１３ｂ切欠き部により、不要光が遮断されるようにしてもよい。この場合には、この切欠き部１３ｂ内に遮光物質を塗布したり遮光部材を配置するようにしてもよい。また、この場合には、第１面１１と第２面１２とは、同一の径の面となっていてもよい。
【０１４０】
さらに、この光学素子においては、第２面１２の第１領域１２ａ及び第１面１１の第２領域１１ｂには、金属材料などの反射材料、例えば、アルミニウムからなる反射膜１４，１５が被着形成されている。これら反射膜１４，１５は、第２面１２の第１領域１２ａ及び第１面１１の第２領域１１ｂにおける反射率を向上させる。
【０１４１】
この光学素子においては、これら反射膜１４，１５と光学素子をなす媒質との界面が反射面となるので、これら反射膜１４，１５の外側表面が熱、ラジカル、プラズマ、電磁波、気流及び塵挨などにより損傷し、または、汚れていたとしても、光学特性が劣化することがない。また、この光学素子においては、これら反射膜１４，１５の外側表面の面形状が粗面であったとしても、第２面１２の第１領域１２ａ及び第１面１１の第２領域１１ｂにおける反射特性が劣化することがない。
【０１４２】
また、第１面１１の第２領域１１ｂに形成された反射膜１４は、この反射膜１４の外面側に形成された防護層４ａによって保護されている。この防護層４ａは、反射膜１４の表面部及び外周縁部を保護し得るように、この反射膜１４よりも広い領域に亘って形成され、外周側を光学素子の第１面１１に接合されている。
【０１４３】
この防護層４ａは、耐熱性、耐プラズマ性、耐電磁波性、耐食性、耐蝕性、耐触性の少なくともいずれか一を有するものである。すなわち、この防護層４ａは、反射膜１４を、熱、ラジカル、プラズマ、電磁波及び塵挨などによる腐食、腐蝕、接触などの損傷から防護するものである。
【０１４４】
このような防護層４ａをなす材料としては、耐熱性等の特性と、合成石英などの媒質に対する親和性の点から、例えば、クロム（Ｃｒ）、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ２）、二酸化珪素（ＳｉＯ２）、二酸化ジルコニア（ＺｒＯ２）、酸化チタン（ＴｉＯ２）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）などが好ましい。この防護層４ａは、これらいずれかの材料からなる単層膜としてもよいし、また、これらのうちの二以上の材料からなる多層膜としてもよい。
【０１４５】
なお、この防護層４ａは、第１面１１の全面に亘って形成してもよい。この場合において、防護層４ａは、第１面１１の第１領域１１ａへの入射光についての反射防止膜の機能を有するものとすることができる。このように、防護層４ａに反射防止膜の機能を持たせるには、この防護層４ａの厚さを、入射光の波長λに対する一定の関係、例えば、〔ｎλ／４〕となっているものとする必要がある。
【０１４６】
また、この光学素子は、図５に示すように、防護層４ａを光学素子をなす媒質と同一材料からなるものとするとともに、この防護層４ａを十分な厚さを有して第１面１１の全面に亘って形成されたものとしてもよい。
【０１４７】
この場合には、この防護層４ａは、反射膜１４を挟んで、第１面１１に対して溶着などによって接合されたものとすることができる。なお、この場合には、防護層４ａの物点側の面は、物点Ｏを曲率中心とした凹球面とすることが望ましい。そして、この場合には、防護層４ａと第１面１１との接合面は、物点Ｏを曲率中心とした凹球面とする必要はないので、平面としたり、あるいは、反射膜１４の形状（すなわち、第１面１１の第２領域１１ｂの面形状）が望ましい形状となる面形状とすることができる。
【０１４８】
そして、この光学素子においては、第２面１２の第１領域１２ａは、物点Ｏを焦点とする回転楕円面とすることが好ましい。第２面１２の第１領域１２ａが回転楕円面であることにより、この回転楕円面の第１焦点から発した光は、無収差で第２焦点に集光することとなるので、良好な結像特性を実現することができる。
【０１４９】
また、この光学素子においては、第１面１１の第２領域１１ｂは、凸面反射面とすることが望ましい。第１面１１の第２領域１１ｂが凸面反射面であることにより、像点Ｉの位置を、第２面１２の後方側に十分に離れた位置とすることができ、この像点Ｉにおける光検出等を容易に行うことができるようになる。
【０１５０】
このような光学素子は、一体的な光学素子であるため、第１面及び第２面間の媒質の温度変動、密度変動、圧力変動による屈折率変化が少なく、各面間には、乱流、ガス種変動が生じたり、塵挨が侵入する虞れがない。すなわち、この光学素子は、熱、ラジカル、プラズマ、電磁波、気流及び塵挨の影響による光学特性の劣化が極めて少ないので、温度変化の激しい環境下や、塵挨の多い環境下や、ラジカル、プラズマに接触し得る環境下においても、良好な光学特性を維持することができる。
【０１５１】
また、この光学素子は、第２面１２の直径を１ｍｍ程度としても容易に高精度のものを作成することができ、前述したように、熱機関またはプラズマ装置に用いる点火または放電プラグに組み込むことができる程度に小型化することができる。さらに、この光学素子は、透過面及び反射面における収差が生じないので、容易に高い開口数（ＮＡ）のものを作成することができる。なお、第２面１２の直径を１ｍｍ程度とした場合において、物点Ｏから第１面１１までの距離（ワーキングディスタンス）が０．８ｍｍ程度、第２面１２から像点Ｉまでの距離（バックフォーカス）が０．３ｍｍ程度のものを作成することができる。また、第２面１２の直径を３．６ｍｍとした場合においては、例えば、物点Ｏから第１面１１までの距離（ワーキングディスタンス）が３．０ｍｍ、第２面１２から像点Ｉまでの距離（バックフォーカス）が１．２ｍｍのものを作成することができる。
【０１５２】
また、この光学素子１０においては、多点である計測点からの光は、各面１，２において反射され、第２面１２の第２領域１２ｂを通過して、集光面上の複数の集光点にそれぞれ集光・結像される。
【０１５３】
さらに、この光学素子は、図６に示すように、第２面１２の第１領域１２ａを、互いに異なる曲率中心、または、焦点を有する複数の部分に分割された凹面からなる面として構成してもよい。この場合には、第２面１２の第１領域１２ａの各部分がそれぞれ異なる焦点を結ぶので、一つの光学素子によって複数の像点を形成することができる。
【０１５４】
また、第２面１２の第１領域１２ａの反射膜１５は、例えば、誘電体膜等によって形成することにより、反射率について分光特性を有するものとすることもできる。この場合には、特定の波長帯域の光のみを反射させて結像させる光学素子を構成することができる。
【０１５５】
さらに、第２面１２の第１領域１２ａを、互いに異なる曲率中心、または、焦点を有する複数の部分に分割された凹面からなる面として構成した場合において、これら各部分の分光反射特性を互いに異なるものとすることもできる。
【０１５６】
〔光学センサ用光学系の構成〕
そして、本発明に係る熱機関またはプラズマ装置に用いる点火または放電プラグにおける光学センサ用光学系は、図２に示すように、前述の光学素子と、光ファイバ１６とからなるものとすることができる。
【０１５７】
この光学センサ用光学系は、光学素子の像点Ｉに、光ファイバ１６の入射端面１６ａが配置されて構成されている。光学素子からの出射光は、迷光絞り１７を介して、光ファイバ１６の入射端面１６ａに入射される。
【０１５８】
この光学センサ用光学系においては、光ファイバ１６の入射端面１６ａに対して共役な領域、すなわち、物点Ｏの周囲の光ファイバ１６の径に対応する領域からの光を、この光ファイバ１６を介して検出することできる。
【０１５９】
また、この光学センサ用光学系においては、図７に示すように、複数の光ファイバ１６を、それぞれの入射端面１６ａを像点Ｉを含む領域内に２次元状（マトリクス状）に配列させて配置することにより、検出対象となる領域を、物点Ｏを含む領域内において２次元状に配列された領域とすることができる。すなわち、各光ファイバ１６の各入射端面１６ａには、複数の物点Ｏ１２、Ｏ２、Ｏ３・・・Ｏｎからの光が対応して入射される。
【０１６０】
さらに、このように配置された複数の光ファイバ１６を光学素子に対する接離方向に移動させたり、または、各光ファイバ１６の入射端面１６ａの位置を光学素子までの距離が異なる位置とすることにより、検出対象となる領域を、物点Ｏを含む領域内において三次元状に配列された領域とすることができる。
【０１６１】
また、この光学センサ用光学系は、図８に示すように、光学素子における像点が第２面１２の第２領域１２ａ上に形成されるようにし、あるいは、図９に示すように、光学素子における像点が第２面１２よりも第１面１１の側の位置に形成されるようにし、光ファイバ１６の入射端面１６ａを、光学素子の第２面１２の第２領域１２ａ上、または、第２面１２よりも第１面１１の側の像点の位置に配置して構成してもよい。この場合には、光ファイバ１６の入射端面１６ａに対して共役な領域である物点からの光を、光学素子から光ファイバ１６に直接導入することができる。
【０１６２】
また、複数の光ファイバ１６を用いる場合においては、これら複数の光ファイバ１６の入射端面は、光学素子による複数の集光点位置に、それぞれ対応して配置される。また、これらの計測点に対応する集光点及び光ファイバは、１次元配列、または、マトリクス状の２次元配列、あるいは、３次元配列とすることができ、これによって、より効率的に、物理・化学反応状態の計測及び観測が行える光計測装置を構成することができる。
【０１６３】
これらの光学センサ用光学系及び光ファイバ等の設定・選択については、計測に必要とされる位置分解能・計測体積や、多点間の間隔等に基づいて好適なものを適宜選択することができる。例えば、光学センサ用光学系の作業距離（Working Distance）としては、エンジンや小型バーナーを対象とした短距離焦点（１５０ｍｍ以下）から、中距離焦点（１５０〜６００ｍｍ）、長距離焦点（６００ｍｍ以上）まで、様々に設定可能である。
【０１６４】
さらに、光学センサ用光学系は、前述の説明中において、光ファイバ１６の入射端面１６ａが配置されていた位置、すなわち、光学素子における像点の位置に、複数の受光部が位置するように受光素子を配置することによって構成してもよい。この光学センサ用光学系においては、光ファイバを用いる必要がない。
【０１６５】
この光学センサ用光学系において、受光素子は、光学素子の物点側の複数の計測点における光の光学素子による複数の像点からの光を検出することができる。この受光素子の受光部は、複数の計測点に対応させて、１次元配列としたり、マトリクス状に２次元配列としたり、または、３次元配列とすることができる。
【０１６６】
〔熱機関またはプラズマ装置に用いる点火または放電プラグにおける光学センサ用光学系の構成〕
前述のように構成された光学センサ用光学系は、図１０に示すように、ケース２０内に収納されることにより、本発明に係る熱機関またはプラズマ装置に用いる点火または放電プラグの碍子１内に組込まれる。このケース２０は、ステンレス等の材料により、内径が前述の光学素子の第２面１２の直径に略々等しい円筒状に形成されている。このケース２０の先端部には、光学素子の第１面１１の直径に略々等しい内径の開口部２０ａが形成されている。
【０１６７】
このケース２０内においては、光学素子１０は、先端側に収納されて、第１面１１を開口部２０ａより外方側に臨ませる。そして、この光学素子１０の後面側には、Ｏ−リング２１を介して、光ファイバ１６を保持するフェルール２２が挿入される。そして、このケース２０の後端側は、キャップ２３が螺入されることにより、閉塞される。なお、光ファイバ１６は、フェルール２２及びキャップ２３の中心軸に沿って形成された透孔を介して、後方側に引き出される。
【０１６８】
このケース２０内に収納された光学素子１０及び光ファイバ１６は、図１１に示すように、それぞれがケース２０及びフェルール２２によって保持されることによって、互いに所定の位置関係となされる。また、フェルール２２の先端側の光ファイバ１６の入射端面１６ａが臨む開口部は、その開口径や開口形状を適宜に設定することにより、光ファイバ１６の入射端面１６ａに対する開口絞りとしての機能を有するものとすることができる。
【０１６９】
このようにケース２０内に収納された光学センサ用光学系は、このケース２０ごと熱機関またはプラズマ装置に用いる点火または放電プラグの碍子１内に組込むことができる。熱機関またはプラズマ装置に用いる点火または放電プラグの碍子１内に組込まれた光学センサ用光学系は、熱機関、または、半導体製造装置、医療機器などのプラズマ装置における物理・化学反応、例えば、燃焼やプラズマ反応の所定の局所を物点Ｏとして、この物点Ｏの周囲の領域からの光を、光ファイバ１６を介して、後述する分光器に導くことができ、この分光器によって分光することにより該所定の局所における物理・化学反応（燃焼やプラズマ反応）による光の計測を行うことを可能とする。
【０１７０】
そして、この光学センサ用光学系においては、前述の光学素子１０に対して、光ファイバ１６の入射端面１６ａの位置を移動させることにより、検出対象となる領域（物点）を光学素子１０に対して移動させることができる。この場合には、光の検出対象となる領域から光ファイバ１６の入射端面１６ａに至る光に若干の球面収差やコマ収差が生じ得るが、この収差量が光ファイバ１６の径よりも小さい範囲のものであれば、光の検出結果に対する影響は少ない。
【０１７１】
〔光計測装置の実施の形態〕
本発明に係る光計測装置は、前述のように、多点からの光を検出できるようにした光学センサ用光学系を有する光計測装置である。この光計測装置においては、種々の熱機関、または、半導体製造装置、医療機器などのプラズマ装置における物理・化学反応、例えば、燃焼やプラズマ反応の一または複数の局所における自発光、プラズマ発光、蛍光、燐光、散乱光、放射光等の物理・化学反応による光の計測を、同時に、または、順次的に行うことができる。
【０１７２】
すなわち、この光計測装置は、例えばエンジンなどの熱機関、または、半導体製造装置、医療機器などのプラズマ装置における物理・化学反応領域、例えば、燃焼やプラズマ反応の物理・化学反応の発生箇所の移動（火炎帯もしくは反応の空間的移動）や、移動中の物理・化学反応状態の変化（時間的変化）や、物理・化学反応領域（燃焼やプラズマ反応）における物理化学反応特性の計測などを行うことができる。
【０１７３】
この光計測装置は、前述した本発明に係る熱機関またはプラズマ装置に用いる点火または放電プラグを備えて構成され、この熱機関またはプラズマ装置に用いる点火または放電プラグを、エンジンなどの熱機関、または、半導体製造装置、医療機器などのプラズマ装置に既存の点火プラグまたは放電プラグと置き換えて使用する。前述した本発明に係る熱機関またはプラズマ装置に用いる点火または放電プラグは、熱機関またはプラズマ装置に既存の点火プラグと同一の大きさ及び外形形状を有して構成されているので、熱機関またはプラズマ装置の改造をすることなく、この熱機関またはプラズマ装置に取付けることができる。
【０１７４】
この実施の形態においては、図１２に示すように、本発明に係る光計測装置をガソリンレシプロエンジン２０１に取り付けた状態を示しており、本発明に係る熱機関またはプラズマ装置に用いる点火または放電プラグの光学センサ用光学系の光学素子１０は、第１面１１を物理・化学反応領域２０２、例えば、燃焼室内やプラズマ反応領域に望ませて設置される。そして、この光学センサ用光学系は、物理・化学反応領域（燃焼室やプラズマ反応領域）２０２における物理・化学反応（燃焼やプラズマ反応）により発せられる局所的な計測点における光を集光させて、光ファイバ１６に導くこととなる。
【０１７５】
なお、このガソリンレシプロエンジン２０１においては、エアクリーナ２０３及びフローメータ２０４を経た吸気が、インテークマニホールド２０５を経て、物理・化学反応領域（燃焼室）２０２内に導入される。この吸気には、インテークマニホールド２０５において、燃料（ガソリン）が混合される。この燃料は、燃料タンク２０６より、燃料フィルタ２０７を経て、燃料ポンプ２０８により、レギュレータ２０９を介して、インテークマニホールド２０５に送られる。すなわち、物理・化学反応領域（燃焼室）２０２内には、空気と燃料との混合気が導入される。この物理・化学反応領域（燃焼室）２０２内において、混合気が物理・化学反応（燃焼）を生じ、物理・化学反応（燃焼）後の排ガスは、エキゾーストマニホールド２１０より排出される。
【０１７６】
混合気の物理・化学反応（燃焼）によるエネルギーは、ピストン２１１を移動させる。ピストン２１１の移動は、クランクシャフト２１２を介して回転力として取り出される。物理・化学反応領域（燃焼室）２０２内には、圧力センサ２１３が設置されている。
【０１７７】
なお、この実施の形態においては、ガソリンレシプロエンジン２０１として、排気量２２３ｃｃ（ボア・ストローク：７０ｍｍ×５８ｍｍ）、圧縮比９．５の単気筒エンジンを使用した。
【０１７８】
このようなガソリンレシプロエンジン２０１に取付けられた本発明に係る熱機関またはプラズマ装置に用いる点火または放電プラグにおいては、光学センサ用光学系は、物理・化学反応（燃焼やプラズマ反応）により生じた局所的な計測点における光を、光ファイバ１６を介して、分光手段となる分光器３０、もしくは、分光ユニット３１に入射させる。
【０１７９】
分光器３０は、入射された光を、３種類のラジカル（ＯＨ＊、ＣＨ＊及びＣ２＊）のうちのいずれからの発光かによって分ける装置であり、例えば、図１３に示すように、分光素子として回折格子３０ａを用いて、炭化水素の物理・化学反応（燃焼やプラズマ反応）において特に重要な中間生成物であるＯＨ＊、ＣＨ＊及びＣ２＊（プラズマ反応では、Ｈ、Ｏ、Ｎ、Ｎ２、ＯＨなど）からの光成分を計測するように装置が構成されている。また、Ｃ２＊に関しては、２成分（Ｃ２＊（１）及びＣ２＊（２））について計測を行うようにしてもよい。ＯＨ発光は物理・化学反応（燃焼やプラズマ反応）及び高温ガスに対応して観測され、ＣＨ＊／Ｃ２＊発光は物理・化学反応領域（反応帯）と高い相関があり、さらに、Ｃ２＊発光は反応及びすす生成と強い関係がある。したがって、これらラジカルから発する光を計測することによって、物理・化学反応（燃焼やプラズマ反応）に関する重要な情報を得ることができる。また、同一ラジカル（例えば、Ｃ２＊）についての２波長成分以上の同時計測を行うことによって、温度に関する情報等を得ることができる。
【０１８０】
この分光器３０においては、光による２次元の光像を位置検出型光計測素子によって計測または撮像することができる。高感度・高速の位置検出型光計測素子としては、高速動作可能なＣＣＤ（固体撮像素子）などのイメージセンサ３６を用いることができる。
【０１８１】
また、位置検出型光計測素子としては、イメージセンサ３６を用いたもの、例えば、イメージインテンシファイアなどのイメージ管にＣＣＤを接続したものや、蛍光面に電子打ち込み型ＣＣＤが用いられているイメージ管などを用いることもできる。
【０１８２】
なお、このような位置検出型光計測素子は、前述したように、光センサ用光学系の一部をなすものとして、光ファイバアレイによる導光を行わずに、光学素子の集光面に直接配置するか、または、光ファイバアレイの出射端面に配置することも可能である。また、光ファイバアレイにより導光された複数点からの光を、光学フィルタ（干渉フィルタ等）を配置した上記したような位置検出型光計測素子により、同時に分光・検出することによって、多点についての光計測装置の小型化が可能になる。
【０１８３】
また、この分光器３０においては、図１３に示すように、回折格子３０ａにより分光されたＯＨ＊、ＣＨ＊、Ｃ２＊（１）及びＣ２＊（２）による光に対応して、前述のイメージセンサ３６に代えて、光計測手段、例えば、マルチアノード型光電子増倍管の如き４つの受光素子３６ａ〜３６ｄを配置して、高分解能分光計測を行うようにしてもよい。
【０１８４】
この分光器３０において、光ファイバ１６によって導入された光は、回折格子３０ａによって波長分解され、各光成分の波長帯の光が対応する受光素子３６ａ〜３６ｄに入射される。受光素子３６ａ〜３６ｄは、図１３に示すように、波長分解の方向にアノードの分割の方向が一致されて配置されており、これによって、選択された各波長帯をさらに高分解能に波長分解して計測し、各光成分の強度を計測するたけでなく、その微細構造スペクトルを高速・時系列で計測して、物理・化学反応（燃焼やプラズマ反応）による温度や圧力などについてのさらに詳しい情報を得ることができる。
【０１８５】
干渉フィルタなどの光学フィルタを用いた計測の場合には、選択波長帯が数ｎｍ〜数十ｎｍの広いバンド幅によって計測される。しかし、温度解析や詳細な化学反応解析においては、１ｎｍ以下の波長分解能での光スペクトル計測が必要とされる場合がある。前述したような分光素子（回折格子）及び受光素子（マルチアノード型光電子増倍管）を用いた高分解能分光により、０．１〜０．５ｎｍ程度の高波長分解能での光スペクトル時系列計測が可能となり、これによって、従来困難であった局所温度の時系列計測等を実現することができる。
【０１８６】
なお、受光素子３６ａ〜３６ｄとしてマルチアノード型光電子増倍管を用いることによって、複数の受光素子を配置するなどの構成とした場合に比較して、装置を大幅に小型化することができるが、このようなマルチアノード型光電子増倍管の適用は分光素子（回折格子）を用いた場合に限られるものではなく、例えば、光学フィルタ（干渉フィルタ）と組み合わせて用いることも可能である。
【０１８７】
これらイメージセンサ３６、または、受光素子３６ａ〜３６ｄからの出力は、図１２に示すように、信号処理手段となるコンピュータ４０に送られ、後述する種々の信号処理がなされる。
【０１８８】
そして、分光ユニット３１も、入射された光を、３種類のラジカル（ＯＨ＊、ＣＨ＊及びＣ２＊）（プラズマ反応では、Ｈ、Ｏ、Ｎ、Ｎ２、ＯＨなど）のうちのいずれからの発光かによって分ける装置である。すなわち、この分光ユニット３１は、光ファイバ１６によって導光された光のうち、観測したい物質からの光成分を選択して計測する装置である。この分光ユニット３１は、図１４に示すように、ＯＨ＊、ＣＨ＊及びＣ２＊からの光成分を計測するように装置が構成されている。また、Ｃ２＊に関しては、２成分（Ｃ２＊（１）及びＣ２＊（２））について計測を行うようにしてもよい。
【０１８９】
分光ユニット３１は、それぞれ、ＯＨ＊、ＣＨ＊、Ｃ２＊（１）及びＣ２＊（２）による光に対応している第１乃至第４の分光素子３１ａ〜３１ｄを有して構成される。各分光素子３１ａ〜３１ｄにおける選択波長は、 第１の分光素子３１ａでは、波長３０６．４ｎｍ、半値幅１０〜１５ｎｍ、第２の分光素子３１ｂでは、波長４３１．５ｎｍ、半値幅１〜２ｎｍ、第３の分光素子３１ｃでは、波長４７３．３ｎｍ、半値幅１〜２ｎｍ、第４の分光素子３１ｄでは、波長５１６．５ｎｍ、半値幅１〜２ｎｍと設定されている。
【０１９０】
第１の分光素子３１ａは、ダイクロイックミラー３２ａ、干渉フィルタの如き光学フィルタ３３ａ及び光電子増倍管の如き光計測手段となる受光素子３４ａから構成されている。ダイクロイックミラー３２ａによって入射光から分離された光は、光学フィルタ３３ａに入射され、ＯＨ＊からの光に対応する上述の選択波長の光成分が選択・透過され、受光素子３４ａに入射される。受光素子３４ａに入射した光成分は、この受光素子３４ａによって光電変換されて増倍され、信号増幅手段（アンプ）３５に出力される。第２乃至第４の分光素子３１ｂ〜３１ｄについても、その構成は、第１の分光素子３１ａと同様であるが、それぞれの選択波長が、前述の対応した光成分の波長に設定されている。
【０１９１】
信号増幅手段３５からの出力は、図１２に示すように、信号処理手段となるコンピュータ４１に送られ、後述する種々の信号処理がなされる。
【０１９２】
本実施形態においては、特に、光計測に高速動作が可能な、光電子増倍管の如き受光素子３４ａ〜３４ｄを用いることによって、高速での時系列計測を可能にしている。これに対応して、計測のサンプリングレートも、例えば、１００ｋＨｚ〜数百ＭＨｚ程度に設定することができる。
【０１９３】
なお、このように複数の化学種についての計測を同時に行う場合、従来のレーザを用いた計測法では、化学種毎にレーザ光源が必要であり、装置が大型化・複雑化し、実用上そのような計測は困難であった。これに対して、本発明においては、光計測を利用することによって、容易に複数の化学種についての同時計測を行うことができる。
【０１９４】
このようにして、この光計測装置においては、例えば、燃焼やプラズマ反応などの物理・化学反応領域内の計測点からの光が、光学センサ用光学系５を介して、各受光素子等によって計測される。この光は、燃焼やプラズマ反応などの物理・化学反応において、ＯＨ＊、ＣＨ＊、Ｃ２＊など、プラズマ反応では、Ｈ、Ｏ、Ｎ、Ｎ２、ＯＨなどに起因して自然発光している物理・化学反応発光を言い、物理・化学反応の反応強度、あるいは、熱発生との相関を有し、物理・化学反応状態の直接的な指標となるものである。
【０１９５】
なお、ここで、物理・化学反応発光は紫外線を含んでいるため、光ファイバ１６としては、紫外線透過型の石英ファイバを用いることが望ましい。また、光ファイバ１６のコア径を小さくすることによって計測の位置分解能を高めることができるが、一方で、コア径を小さくすると導光される光量が減少するので、計測において必要とされる条件によって、最適のものを選択する必要がある。
【０１９６】
例えば、コア径２００μｍのものを用いた場合に、計測体積は、１．６ｍｍ×φ０．２ｍｍ程度となる。この計測体積は、レーザ・ドップラー流速計（ＬＤＶ）、または、フェイズ・ドップラー流速計（ＰＤＡ）の計測体積と同じオーダーである。
【０１９７】
なお、複数の光ファイバ１６を用いる場合においては、各光ファイバ１６の出射端面を、それぞれ分光器３０、または、分光ユニット３１に接続し、各計測点からの光を分光器３０、または、分光ユニット３１に入射するようにする。このように構成することによって、多点からの光を、それぞれに対して別個に配置された分光器３０、または、分光ユニット３１を用いて同時に計測することができ、例えば、リアルタイムで２次元の物理・化学反応状態及びその時間変化を観測することが可能となる。
【０１９８】
すなわち、この光計測装置においては、多点についての光の局所・時系列計測が実現され、これによって、プラズマ、蛍光、燃焼やプラズマ反応などの物理・化学反応の微細構造についての情報を得ることが可能となる。
【０１９９】
〔光計測装置における計測手順〕
前述のような計測装置を様々な熱機関や半導体製造装置、医療機器などのプラズマ装置のような物理・化学反応装置における物理・化学反応の解析に用いることによって、多くの重要な情報を得ることができる。例えば、自動車のエンジンにおいては、物理・化学反応（燃焼やプラズマ反応）は、その幅が０．１ｍｍ以下のオーダーの物理・化学反応帯が形成され、所定の移動速度で移動・伝播される。このとき、計測点において光を計測すると、物理・化学反応帯の通過に対応した光の強度の立ち上がり（ピーク）が観測される。このピークの時間から通過時刻、ピーク幅Δｔから通過に要した時間、また、ピーク強度から物理・化学反応の強度についての情報をそれぞれ得ることができる。
【０２００】
ただし、前述したような光計測を行っても、単一の計測点についての計測によっては、幅及び移動速度を求めることはできず、多点計測を行って、各計測点での光変化の相関をみることによって、はじめてそれらの物理・化学反応状態及びその時間変化についての直接的な情報を得ることが可能となる。さらに、例えば、多点をマトリクス状の２次元構成、または、３次元構成とすることによって、物理・化学反応の移動方向など多くの情報を効率的に得ることができる。
【０２０１】
また、高分解能の計測を行うことによって、物理・化学反応帯内部の反応強度分布など、さらに微細な構造を解明することができる。その他にも、各化学種からの光の変化・相関等から、一または複数の局所的な空燃比（Ａ／Ｆ：Air/Fuel）、乱流構造とそれに関する局所ダムケラー数、これらの時系列変動（サイクル変動など）、ノッキングなどの異常反応の状態、一または複数の局所における火炎もしくは反応の核の形成情報、火炎もしくは反応の核の温度情報等、多くの情報を得ることができる。
【０２０２】
すなわち、この光計測装置においては、図１５に示すように、熱機関またはプラズマ装置に用いる点火または放電プラグの光センサ用光学系を介して得られる光情報に基づいて、コンピュータ４０，４１において信号処理を行うことにより、種々の計測を行うことができる。すなわち、光センサ用光学系を介して得られる光情報からは、分光器３０により、ラジカル発光スペクトルの時系列計測を行うことができる（図１６）。また、光センサ用光学系を介して得られる光情報からは、分光ユニット３１により、特徴ラジカル（ＯＨ＊、ＣＨ＊及びＣ２＊）からの発光強度の時系列計測を行うことができる（図１７）。
【０２０３】
また、特徴ラジカル（ＯＨ＊、ＣＨ＊及びＣ２＊）からの発光強度の時系列計測からは、火炎帯もしくは反応帯の到達速度及び火炎帯もしくは反応帯の厚さを計測することができる（図１８）。さらに、各ラジカルからの発光強度のピークの平均値及び時系列変動（サイクル変動など）が求められ（図１９）、各ラジカルからの発光強度のピーク比の平均値及び時系列変動（サイクル変動など）が求められる（図２０）。そして、較正曲線（図２３）を用いることにより、局所空燃比の平均値及び時系列変動（サイクル変動など）が求められる（図２４）。
【０２０４】
一方、火炎帯もしくは反応帯の厚さの平均値及び時系列変動（サイクル変動など）を計測することができ（図２９）、火炎帯もしくは反応帯の到達速度の平均値及び時系列変動（サイクル変動など）を計測することができる（図３０）。
【０２０５】
（１）ラジカル発光スペクトルの時系列計測
ラジカル発光スペクトルの時系列計測結果は、熱機関、または、半導体製造装置、医療機器などのプラズマ装置における物理・化学反応領域における発光スペクトルに基づいて、図１６に示すように、横軸を波長、縦軸を発光強度、奥行きを時間として示すことができる。また、ラジカル発光スペクトルの時系列計測結果は、熱機関またはプラズマ装置における物理・化学反応領域における発光スペクトルに基づいて、図１７に示すように、横軸を時間とし、圧力センサにより計測された物理・化学反応領域における圧力信号と、各ラジカル（ＯＨ＊、ＣＨ＊及びＣ２＊）からの発光強度とを関連させた状態で示すことができる。ここでは、エンジンの物理・化学反応（燃焼やプラズマ反応）サイクルの５サイクル分の結果を示している。
【０２０６】
（２）火炎帯もしくは反応帯の到達速度及び火炎帯もしくは反応帯の厚さの計測
火炎帯もしくは反応帯の到達速度及び火炎帯もしくは反応帯の厚さの計測は、図１８に示すように、点火（放電）部と計測点との間の距離をｄとして、点火時（イグニッションタイミング）から火炎発光スペクトルの立ち上がりまでの時間ｔ１及び火炎発光スペクトルの初期のピーク幅ｔ２に基づいて求めることができる。すなわち、火炎帯の到達速度は、ｄ／ｔ１によって求めることができる。また、火炎帯の厚さは、ｄ・ｔ２／ｔ１によって求めることができる。
【０２０７】
（３）各ラジカルからの発光強度のピークの平均値及び時系列変動（サイクル変動など）
各ラジカルからの発光強度のピークの平均値及び時系列変動（サイクル変動など）は、図１９に示すように、ＯＨ＊、ＣＨ＊及びＣ２＊からの光のピーク強度の時間的変化をトレースすることによって計測することができる。図１９には、発光強度ピークのサイクル変動が示されている。図１９において、横軸はサイクル、縦軸はピーク強度を示しており、ドットは、連続したサイクルのピーク強度、実線はその平均値を示す。右側の棒グラフは、ピーク強度のヒストグラムを示し、図中の数値は、ピーク強度の平均値と標準偏差を示している。
【０２０８】
（４）各ラジカルからの発光強度のピーク比の平均値及び時系列変動（サイクル変動など）
各ラジカルからの発光強度のピーク比の平均値及び時系列変動（サイクル変動など）は、図２０に示すように、ＯＨ＊、ＣＨ＊及びＣ２＊からの光のピーク強度の比（Ｃ２＊／ＣＨ＊、Ｃ２＊／ＯＨ＊、ＯＨ＊／ＣＨ＊）の時間的変化をトレースすることによって計測することができる。図２０には、発光強度ピークの比のサイクル変動が示されている。図２０において、横軸はサイクル、縦軸はピーク強度の比を示しており、ドットは、連続したサイクルのピーク強度の比、実線はその平均値を示す。右側の棒グラフは、ピーク強度の比のヒストグラムを示し、図中の数値は、ピーク強度の比の平均値と標準偏差を示している。
【０２０９】
図２１は、各ラジカルからの光のピーク強度とエンジン回転数との関係を示している。図２１の（ａ）において、横軸はエンジン回転数、縦軸はピーク強度を示し、（ｂ）において、横軸はエンジン回転数、縦軸はピーク強度比を示している。局所空燃比は１４．７である。図２１の（ａ）において、エンジン回転数が上昇すると火炎発光が強くなり、ＯＨ＊、ＣＨ＊及びＣ２＊からの光のピーク強度は増加している。図２１の（ｂ）において、各ラジカルからの光の強度比は、エンジン回転数が変化してもコンスタントに近くなっている。このことから、信号の強度ではなく、相対比を使うと、回転数に関係なく一つのパラメータになりうることがわかる。
【０２１０】
図２２は、局所空燃比が１６．０の場合の各ラジカルからの光のピーク強度とエンジン回転数との関係を示している。  
図２２の（ａ）において、横軸はエンジン回転数、縦軸はピーク強度を示し、（ｂ）において、横軸はエンジン回転数、縦軸はピーク強度比を示している。図２２の（ａ）において、エンジン回転数が上昇すると火炎発光が強くなり、ＯＨ＊、ＣＨ＊及びＣ２＊からの光のピーク強度は増加している。図２２の（ｂ）において、各ラジカルからの光の強度比は、エンジン回転数が変化してもコンスタントに近くなっている。このことから、信号の強度ではなく、相対比を使うと、回転数に関係なく、また、局所空燃比（燃料濃度）が異なる条件でも、一つのパラメータになりうることがわかる。
【０２１１】
（５）較正曲線
図２３は、各ラジカルからの発光強度のピーク比と設定条件としての空燃比（Ａ／Ｆ：Air/Fuel）との関係を、横軸を設定した空燃比（Ａ／Ｆ）、縦軸を各ラジカルからの発光強度のピーク比として示す。エンジン回転数が一定（例えば、７０００ｒｐｍ）の場合には、ラジカルからの光のビーク強度と設定した空燃比（Ａ／Ｆ）との関係が各ラジカル（ＯＨ＊、ＣＨ＊及びＣ２＊）によって異なるため、これらの比をとると、図２３に示すように、３本の曲線が得られる。この図２３においては、縦軸の各ラジカルからの発光強度のピーク比から、空燃比（Ａ／Ｆ）の値が算出できることがわかる。すなわち、この図２３に示す曲線が、局所空燃比（Ａ／Ｆ）を算出するための較正曲線となる。
【０２１２】
（６）局所空燃比の平均値及び時系列変動（サイクル変動など）
局所空燃比の平均値及び時系列変動（サイクル変動など）は、図２４に示すように、横軸をサイクル、縦軸を局所空燃比（Ａ／Ｆ）として、図２３に示した３本の較正曲線を用いて、各ラジカルからの発光強度に基づいて局所空燃比（Ａ／Ｆ）の変動を算出した結果として得られる。
【０２１３】
図２３において、横軸はサイクル、縦軸は算出された局所空燃比（Ａ／Ｆ）を示しており、ドットは、連続した局所空燃比（Ａ／Ｆ）、実線はその平均値を示す。右側の棒グラフは、局所空燃比（Ａ／Ｆ）のヒストグラムを示し、図中の数値は、局所空燃比（Ａ／Ｆ）平均値と標準偏差を示している。すなわち、この図２４は、本発明に係る熱機関またはプラズマ装置に用いる点火または放電プラグに内蔵された光センサ用光学系により求められた局所空燃比（Ａ／Ｆ）のサイクル変動を示している。空燃比（Ａ／Ｆ）の設定値は１４．７であり、較正曲線を用いて得られた局所空燃比（Ａ／Ｆ）の平均値は１４．８乃至１４．９であった。
【０２１４】
なお、図２５は、初期燃焼期間（ΔＣＡ１０％）と平均有効圧力（ＩＭＥＰ）の相関を示している。
【０２１５】
この図２５において、横軸は平均有効圧力（ＩＭＥＰ）を示し、縦軸は各ラジカル（ＯＨ＊、ＣＨ＊及びＣ２＊）からの発光から求めた初期燃焼期間（ΔＣＡ１０％）を示す。初期燃焼期間（ΔＣＡ１０％）は、点火から火炎発光強度がピークの１０％の強度に到達するまでの時間を示している。熱機関またはプラズマ装置に用いる点火または放電プラグに内蔵された光センサ用光学系により計測した初期火炎情報と、圧力センサで計測したＩＭＥＰとの関係を示している。
【０２１６】
図２６は、エンジン回転数による初期燃焼期間の変化を示している。
【０２１７】
この図２６において、横軸はエンジン回転数、縦軸はＣＨ＊からの発光信号から求めた初期燃焼期間を示す。エンジン回転数と、熱機関またはプラズマ装置に用いる点火または放電プラグに内蔵された光センサ用光学系により計測した初期火炎情報との関係を示している。
【０２１８】
図２７は、初期燃焼期間と設定した空燃比（Ａ／Ｆ）との関係を示している。
【０２１９】
この図２７において、横軸は設定した空燃比（Ａ／Ｆ）を示し、縦軸は各ラジカル（ＯＨ＊、ＣＨ＊及びＣ２＊）からの発光信号から求めた初期燃焼期間を示す。設定した空燃比（Ａ／Ｆ）と、熱機関またはプラズマ装置に用いる点火または放電プラグに内蔵された光センサ用光学系により計測した初期火炎情報との関係を示している。
【０２２０】
図２８は、局所空燃比（Ａ／Ｆ）及びと平均有効圧力（ＩＭＥＰ）のサイクル変動を示している。
【０２２１】
この図２８において、横軸はサイクル、縦軸は熱機関またはプラズマ装置に用いる点火または放電プラグに内蔵された光センサ用光学系により計測された局所空燃比（Ａ／Ｆ）及び平均有効圧力（ＩＭＥＰ）を示している。熱機関またはプラズマ装置に用いる点火または放電プラグに内蔵された光センサ用光学系により計測された局所空燃比（Ａ／Ｆ）と及び平均有効圧力（ＩＭＥＰ）のサイクル変動を示している。
【０２２２】
（７）火炎帯もしくは反応帯の厚さの平均値及び時系列変動（サイクル変動など）の計測
火炎帯もしくは反応帯の厚さの平均値及び時系列変動（サイクル変動など）の計測は、図２９に示すように、ＯＨ＊、ＣＨ＊及びＣ２＊からの光に基づいて算出される火炎帯もしくは反応帯の厚さの時間的変化をトレースすることによって計測することができる。図２９には、火炎帯の厚さのサイクル変動が示されている。図２９において、横軸はサイクル、縦軸は各ラジカルについての火炎帯の厚さを示しており、ドットは、連続したサイクルの火炎帯の厚さ、実線はその平均値を示す。右側の棒グラフは、火炎帯の厚さのヒストグラムを示す。
【０２２３】
（８）火炎帯もしくは反応帯の到達速度の平均値及び時系列変動（サイクル変動など）の計測
火炎帯もしくは反応帯の到達速度の平均値及び時系列変動（サイクル変動など）の計測は、図３０に示すように、ＯＨ＊、ＣＨ＊及びＣ２＊からの光に基づいて算出される火炎帯もしくは反応帯の到達速度の時間的変化をトレースすることによって計測することができる。図３０には、火炎帯の到達速度のサイクル変動が示されている。図３０において、横軸はサイクル、縦軸は各ラジカルについての火炎帯の到達速度を示しており、ドットは、連続したサイクルの火炎帯の到達速度、実線はその平均値を示す。右側の棒グラフは、火炎帯の到達速度のヒストグラムを示す。
【０２２４】
（９）ノッキングなどの異常反応検出及び火炎もしくは反応の核の温度情報の計測
さらに、この光計測装置においては、物理・化学反応領域（燃焼やプラズマ反応）の一または複数の局所におけるラジカルの光強度及びその空間的・時間的分布に基づいて、熱機関またはプラズマ装置におけるノッキングなどの異常反応を検出することもできる。
【０２２５】
ノッキングなどの異常反応の検出は、ＯＨ＊（ＯＨラジカル）からの発光を検出した信号に基づいて行う。すなわち、ノッキングなどの異常反応が生じたときには、瞬間的な燃焼やプラズマ反応により、ＯＨ＊からの発光強度が増加するので、ＯＨ＊からの発光強度の急激な上昇、または、その他のラジカル（ＣＨ＊，Ｃ２＊）との強度比、あるいは、ラジカル発生またはピークの位置を比較することにより、ノッキングなどの異常反応を検出することができる。また、複数の局所における計測を行うことにより、各局所でのノッキングなどの異常反応検出のタイムラグにより、ノッキングなどの異常反応の位置の同定を行うことができる。
【０２２６】
また、この光計測装置においては、物理・化学反応領域（燃焼やプラズマ反応）の一または複数の局所におけるラジカルの光強度及びその空間的・時間的分布に基づいて、物理・化学反応領域（燃焼やプラズマ反応）の一または複数の局所における火炎もしくは反応の核、あるいは、火炎、ガス、または、プラズマの温度情報を計測することもできる。
【０２２７】
火炎もしくは反応の核の温度情報は、詳細な分光スペクトルから、ボルツマンプロット、特徴スペクトルの強度比、スペクトル線幅のブロードニングなどから算出をすることができる。
【０２２８】
さらに、本発明に係る光計測装置においては、プラズマ装置に適用した場合には、物理・化学反応領域のプラズマ場の一または複数の局所における異なる波長の発光強度を同一点にて計測することもできる。
【０２２９】
また、本発明に係る光計測装置においては、プラズマ装置に適用した場合には、物理・化学反応領域のプラズマ場における異なる波長の光強度比、スペクトルの線幅、または、シフト量から、プラズマ特性量を同定することができる。
【０２３０】
そして、本発明に係る光計測装置においては、物理・化学反応領域の一または複数の局所におけるラジカルの光強度及びその空間的・時間的分布に基づいて、物理・化学反応領域の一または複数の局所におけるガスの組成・濃度を計測することもできる。
【０２３１】
なお、前述したような種々の計測、検出の適用対象は、自動車のエンジンに限らず、オイルバーナーを用いた噴霧燃焼方式の火炉やボイラー、航空機や火力発電に使用されるガスタービン、ラム、スクラムジェットエンジン燃焼器、給湯器、燃料電池、水素エンジンなど、様々な熱機関や、半導体製造装置、医療機器などのプラズマ装置のような物理・化学反応装置や除菌、滅菌装置に対して適用することができる。
【０２３２】
また、光計測以外の従来の物理・化学反応状態の計測法を併用することによって、さらに多くの情報を得ることが可能になる。特に、本発明に係る光計測装置における光学センサ用光学系は、通常のレンズ系と比較して非常に高い集光率を有しているので、物理・化学反応についてのレーザ計測の集光系としても適用することも可能である。
【０２３３】
例えば、本発明に係る光計測の計測体積は、レーザ・ドップラー流速計（ＬＤＶ）やフェイズ・ドップラー流速計（ＰＤＡ）と同程度またはそれ以下であり、それらの計測と光計測の同時計測を行うことにより、局所的なガス流速速度と物理・化学反応の移動速度から、局所における物理・化学反応（燃焼やプラズマ反応）速度を見積もることができる。また、レーザ・ドップラー流速計（ＬＤＶ）やフェイズ・ドップラー流速計（ＰＤＡ）の計測体積は、一般に光軸方向に数百ｎｍ〜数十ｍｍ程度の長さを持つので、光計測装置を高分解タイプの設定として同時計測を行うことによって、レーザ・ドップラー流速計（ＬＤＶ）やフェイズ・ドップラー流速計（ＰＤＡ）の計測体積内の流速計測値の分布などを計測することが可能になる。また、ＬＩＦ法による計測を併用することによって、化学反応メカニズムについての知見を得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０２３４】
【図１】本発明に係る熱機関またはプラズマ装置に用いる点火または放電プラグの構成を示す側面図である。
【図２】前記熱機関またはプラズマ装置に用いる点火または放電プラグの光学センサ用光学系の構成を示す側断面図である。
【図３】前記光学センサ用光学系の構成の他の例を示す側断面図である。
【図４】前記光学センサ用光学系の構成のさらに他の例を示す側断面図である。
【図５】前記光学センサ用光学系の構成のさらに他の例を示す側断面図である。
【図６】前記光学センサ用光学系の構成のさらに他の例を示す側断面図である。
【図７】前記光学センサ用光学系の構成のさらに他の例を示す側断面図である。
【図８】前記光学センサ用光学系の構成のさらに他の例を示す側断面図である。
【図９】前記光学センサ用光学系の構成のさらに他の例を示す側断面図である。
【図１０】前記熱機関またはプラズマ装置に用いる点火または放電プラグの要部を示す側断面図である。
【図１１】前記熱機関またはプラズマ装置に用いる点火または放電プラグの光学センサ用光学系の要部を示す側断面図である。
【図１２】本発明に係る光計測装置の構成を示すブロック図である。
【図１３】前記光計測装置における分光器の構成を示す斜視図である。
【図１４】前記光計測装置における分光ユニットの構成を示す側面図である。
【図１５】前記光計測装置における計測手順を示すフローチャートである。
【図１６】前記光計測装置におけるラジカル発光スペクトルの時系列計測結果を示すグラフである。
【図１７】前記光計測装置におけるラジカル発光スペクトルの時系列計測結果をサイクルごとに示すグラフである。
【図１８】前記光計測装置における火炎帯の到達速度及び火炎帯の厚さの計測結果を示すグラフである。
【図１９】前記光計測装置における各ラジカルからの発光強度のピークの平均値及びサイクル変動の計測結果を示すグラフである。
【図２０】前記光計測装置における各ラジカルからの発光強度のピーク比の平均値及びサイクル変動の計測結果を示すグラフである。
【図２１】前記光計測装置におけるラジカルピーク強度とエンジン回転数との関係（Ａ／Ｆ＝１４．７）の計測結果を示すグラフである。
【図２２】前記光計測装置におけるラジカルピーク強度とエンジン回転数との関係（Ａ／Ｆ＝１６．０）の計測結果を示すグラフである。
【図２３】前記光計測装置における較正曲線を示すグラフである。
【図２４】前記光計測装置における局所空燃比の平均値及びサイクル変動の計測結果を示すグラフである。
【図２５】前記光計測装置におけるΔＣＡ１０％とＩＭＥＰとの相関の計測結果を示すグラフである。
【図２６】前記光計測装置におけるエンジン回転数における初期燃焼期間の計測結果を示すグラフである。
【図２７】前記光計測装置における初期燃焼期間とＡ／Ｆの関係の計測結果を示すグラフである。
【図２８】前記光計測装置におけるＡ／ＦとＩＭＥＰのサイクル変動の計測結果を示すグラフである。
【図２９】前記光計測装置における火炎帯の厚さの平均値及びサイクル変動の計測結果を示すグラフである。
【図３０】前記光計測装置における火炎帯の到達速度の平均値及びサイクル変動の計測結果を示すグラフである。
【図３１】従来の光計測装置において使用される光学センサ用光学系の構成を示す側面図である。
【符号の説明】
【０２３５】
１    碍子部
２    点火（放電）部
３    電路
４    透孔
５    光学センサ用光学系
１０  光学素子
１１  第１面
１１ａ  第１領域
１１ｂ  第２領域
１２  第２面
１２ａ  第１領域
１２ｂ  第２領域
１３  段差部
１３ａ  拡径部
１３ｂ  切欠き部
１４，１５  反射膜
４，５  反射膜
１６  光ファイバ
３０  分光器
３１  分光ユニット
４０，４１  コンピュータ
【図１】
2006292524.tif 000003
【図２】
2006292524.tif 000004
【図３】
2006292524.tif 000005
【図４】
2006292524.tif 000006
【図５】
2006292524.tif 000007
【図６】
2006292524.tif 000008
【図７】
2006292524.tif 000009
【図８】
2006292524.tif 000010
【図９】
2006292524.tif 000011
【図１０】
2006292524.tif 000012
【図１１】
2006292524.tif 000013
【図１２】
2006292524.tif 000014
【図１４】
2006292524.tif 000015
【図１３】
2006292524.tif 000016
【図１５】
2006292524.tif 000017
【図１６】
2006292524.tif 000018
【図１７】
2006292524.tif 000019
【図１８】
2006292524.tif 000020
【図１９】
2006292524.tif 000021
【図２０】
2006292524.tif 000022
【図２１】
2006292524.tif 000023
【図２２】
2006292524.tif 000024
【図２４】
2006292524.tif 000025
【図２３】
2006292524.tif 000026
【図２５】
2006292524.tif 000027
【図２６】
2006292524.tif 000028
【図２７】
2006292524.tif 000029
【図２８】
2006292524.tif 000030
【図２９】
2006292524.tif 000031
【図３０】
2006292524.tif 000032
【図３１】
2006292524.tif 000033
【手続補正書】
【提出日】平成17年4月11日(2005.4.11)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１３】
2006292524.tif 000034
【手続補正２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１４】
2006292524.tif 000035
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図２３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図２３】
2006292524.tif 000036
【手続補正４】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図２４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図２４】
2006292524.tif 000037