(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料気体が導入される空間を含むガスセルと、
前記空間に導入された前記試料気体に測定光を入射する光源部と、
前記空間から出射した前記測定光を検出する検出部と、
第１反射部と、
第２反射部と、
を備え、
前記第１反射部の前記第２反射部に対向する面、及び、前記第２反射部の前記第１反射部に対向する面は、前記第１反射部から前記第２反射部に向かう方向を軸とした周りで連続的な凹状であり、
前記空間は、前記第１反射部と前記第２反射部との間に配置され、
第１状態において前記空間に入射して前記空間から出射するまでの前記測定光の第１光路長は、第２状態において前記空間に入射して前記空間から出射するまでの前記測定光の第２光路長とは異なり、
前記第１状態における前記測定光の波長は、前記第２状態における前記測定光の波長とは異なる、ガス分析装置。
【請求項２】
前記第１光路長と前記第２光路長との差に応じた値を導出する導出部をさらに備えた請求項１記載のガス分析装置。
【請求項３】
前記検出部で検出された前記測定光の検出結果と、前記導出部で推定された前記値と、に基づいて、前記試料気体中に含まれる物質の濃度を算出する演算部をさらに備えた請求項２記載のガス分析装置。
【請求項４】
前記第１反射部は、光反射性の第１反射領域と光透過性の第１透過領域とを含み、
前記第２反射部は、光反射性の第２反射領域と光透過性の第２透過領域とを含み、
前記測定光は、前記第１透過領域から前記空間に入射し、前記第１反射領域と前記第２反射領域とで反射し、前記第２透過領域から出射し、
前記第１状態における前記第２透過領域の前記第１透過領域に対する相対的な位置は、前記第２状態における前記第２透過領域の前記第１透過領域に対する相対的な位置とは異なり、
前記第１光路長は、前記第１状態において前記第１透過領域に入射して前記第２透過領域から出射するまでの距離であり、
前記第２光路長は、前記第２状態において前記第１透過領域に入射して前記第２透過領域から出射するまでの距離である、請求項１〜３のいずれか１つに記載のガス分析装置。
【請求項５】
前記第１反射部及び前記第２反射部の少なくもいずれかは、前記第１反射部から前記第２反射部に向かう方向を軸として回転する、請求項４記載のガス分析装置。
【請求項６】
前記第１反射部から前記第２反射部に向かう方向を軸として前記第２反射部を回転させる回転駆動部をさらに備えた請求項４または５に記載のガス分析装置。
【請求項７】
前記導出部は、前記第２反射部の回転角をモニタし、前記回転駆動部の動作を制御する回転制御部を備えた請求項６記載のガス分析装置。
【請求項８】
前記回転駆動部は、前記第２反射部の回転に連動して前記検出部を回転させる、請求項６または７に記載のガス分析装置。
【請求項９】
前記第２透過領域と前記検出部との間に設けられ断面がくさび状のウェッジ基板をさらに備え、
前記ウェッジ基板は、前記方向を軸として回転し、
前記第２透過領域から出射した前記測定光は、前記ウェッジ基板を透過して前記検出部に入射する請求項６または７に記載のガス分析装置。
【請求項１０】
前記第２透過領域と前記検出部との間の光路上に設けられた受光側ガルバノミラー部をさらに備え、
前記第２透過領域から出射した前記測定光は、前記受光側ガルバノミラー部で反射して前記検出部に入射する請求項６または７に記載のガス分析装置。
【請求項１１】
前記第２透過領域と前記検出部との間の光路上に設けられたレンズをさらに備え、
前記第２透過領域から出射した前記測定光は、前記レンズを透過して前記検出部に入射する請求項６または７に記載のガス分析装置。
【請求項１２】
前記検出部の受光面の面積は、前記第２透過領域の前記回転に伴う可動領域の面積以上である請求項６または７に記載のガス分析装置。
【請求項１３】
前記検出部は、
前記第１状態において前記第２透過領域から出射した前記測定光の強度を検出する第１検出器と、
前記第２状態において前記第２透過領域から出射した前記測定光の強度を検出する第２検出器と、
を含む、請求項６または７に記載のガス分析装置。
【請求項１４】
前記第１状態において前記空間に入射する前記測定光の第１入射角は、前記第２状態において前記空間に入射する前記測定光の第２入射角とは異なる、請求項１〜３のいずれか１つに記載のガス分析装置。
【請求項１５】
前記第１反射部は、光反射性の第１反射領域と光透過性の第１透過領域とを含み、
前記第２反射部は、光反射性の第２反射領域と光透過性の第２透過領域とを含み、
前記測定光は、前記第１透過領域から前記空間に入射し、前記第１反射領域と前記第２反射領域とで反射し、前記第２透過領域から出射し、
前記第１光路長は、前記第１入射角で前記第１透過領域に入射して前記第２透過領域から出射するまでの距離であり、
前記第２光路長は、前記第２入射角で前記第１透過領域に入射して前記第２透過領域から出射するまでの距離である、請求項１４記載のガス分析装置。
【請求項１６】
前記第１反射部は、光反射性の反射領域と光透過性の透過領域とを含み、
前記第１光路長は、前記第１入射角で前記透過領域に入射して前記第２反射部で反射して前記透過領域から出射するまでの距離であり、
前記第２光路長は、前記第２入射角で前記透過領域に入射して前記第２反射部で反射して前記透過領域から出射するまでの距離である、請求項１４記載のガス分析装置。
【請求項１７】
前記第１反射部は、光反射性の反射領域と、光透過性の複数の透過領域とを含み、
前記第１光路長は、前記第１入射角で前記複数の透過領域の１つに入射して前記第１反射部及び前記第２反射部で反射して前記複数の透過領域のいずれかから出射するまでの距離であり、
前記第２光路長は、前記第２入射角で前記複数の透過領域の前記１つに入射して前記第１反射部及び前記第２反射部で反射して前記複数の透過領域の別のいずれかから出射するまでの距離である、請求項１４記載のガス分析装置。
【請求項１８】
前記光源部から出射される前記測定光の方向を変更して前記第１反射部に入射させて前記空間に入射する前記測定光の入射角を変更する光源側ガルバノミラー部をさらに備えた、請求項１４〜１７のいずれか１つに記載のガス分析装置。
【請求項１９】
試料気体が導入される空間を含む容器と、
光反射性の第１反射領域と光透過性の第１透過領域とを含む第１反射部と、
光反射性の第２反射領域と光透過性の第２透過領域とを含む第２反射部と、
を備え、
前記第１反射部の前記第２反射部に対向する面、及び、前記第２反射部の前記第１反射部に対向する面は、前記第１反射部から前記第２反射部に向かう方向を軸とした周りで連続的な凹状であり、
前記空間は、前記第１反射部と前記第２反射部との間に配置され、
測定光が、前記第１透過領域から前記空間に入射し、前記第１反射領域と前記第２反射領域とで反射し、前記第２透過領域から出射し、
第１状態における前記第２透過領域の前記第１透過領域に対する相対的な位置が、第２状態における前記第２透過領域の前記第１透過領域に対する相対的な位置とは異なり、
前記第１状態において前記第１透過領域に入射して前記第２透過領域から出射するまでの前記測定光の第１光路長は、前記第２状態において前記第１透過領域に入射して前記第２透過領域から出射するまでの前記測定光の第２光路長とは異なる、ガスセル。
【請求項２０】
前記第１反射部及び前記第２反射部の少なくもいずれかは、前記第１反射部から前記第２反射部に向かう方向を軸として回転する、請求項１９記載のガスセル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、ガス分析装置及びガスセルに関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスセルを用いたガス分析装置が、呼気診断、環境測定、及び、排気分析などの種々の用途に用いられる。高精度の分析が求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−２４３２６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の実施形態は、高精度のガス分析装置及びガスセルを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の実施形態によれば、ガス分析装置は、ガスセルと、光源部と、検出部と、第１反射部と、第２反射部と、を含む。前記ガスセルは、試料気体が導入される空間を含む。前記光源部は、前記空間に導入された前記試料気体に測定光を入射する。前記検出部は、前記空間から出射した前記測定光を検出する。前記第１反射部の前記第２反射部に対向する面、及び、前記第２反射部の前記第１反射部に対向する面は、前記第１反射部から前記第２反射部に向かう方向を軸とした周りで連続的な凹状である。前記空間は、前記第１反射部と前記第２反射部との間に配置される。前記第１状態において前記空間に入射して前記空間から出射するまでの前記測定光の第１光路長は、前記第２状態において前記空間に入射して前記空間から出射するまでの前記測定光の第２光路長とは異なる。前記第１状態における前記測定光の波長は、前記第２状態における前記測定光の波長とは異なる。
本発明の別の実施形態によれば、ガスセルは、試料気体が導入される空間を含む容器と、光反射性の第１反射領域と光透過性の第１透過領域とを含む第１反射部と、光反射性の第２反射領域と光透過性の第２透過領域とを含む第２反射部と、を含む。前記第１反射部の前記第２反射部に対向する面、及び、前記第２反射部の前記第１反射部に対向する面は、前記第１反射部から前記第２反射部に向かう方向を軸とした周りで連続的な凹状である。前記空間は、前記第１反射部と前記第２反射部との間に配置される。測定光が、前記第１透過領域から前記空間に入射し、前記第１反射領域と前記第２反射領域とで反射し、前記第２透過領域から出射する。第１状態における前記第２透過領域の前記第１透過領域に対する相対的な位置が、第２状態における前記第２透過領域の前記第１透過領域に対する相対的な位置とは異なる。前記第１状態において前記第１透過領域に入射して前記第２透過領域から出射するまでの前記測定光の第１光路長は、前記第２状態において前記第１透過領域に入射して前記第２透過領域から出射するまでの前記測定光の第２光路長とは異なる。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】図１（ａ）及び図１（ｂ）は、第１の実施形態に係るガス分析装置を例示する模式図である。
【図２】図２（ａ）及び図２（ｂ）は、第１の実施形態に係るガス分析装置の特性を例示する模式図である。
【図３】図３（ａ）及び図３（ｂ）は、第１の実施形態に係るガス分析装置の特性を例示する模式図である。
【図４】図４（ａ）及び図４（ｂ）は、第１の実施形態に係るガス分析装置の特性を例示する模式図である。
【図５】第１の実施形態に係る別のガス分析装置を例示する模式図である。
【図６】第１の実施形態に係る別のガス分析装置を例示する模式図である。
【図７】第１の実施形態に係る別のガス分析装置を例示する模式図である。
【図８】第１の実施形態に係る別のガス分析装置を例示する模式図である。
【図９】第１の実施形態に係る別のガス分析装置を例示する模式図である。
【図１０】第２の実施形態に係るガス分析装置を例示する模式図である。
【図１１】第３の実施形態に係るガス分析装置を例示する模式図である。
【図１２】図１２（ａ）および図１２（ｂ）は、実施形態に係るガス分析装置の特性を例示する模式図である。
【図１３】実施形態に係るガス分析装置の一部を例示する模式図である。
【図１４】実施形態に係るガス分析装置の一部を例示する模式図である。
【図１５】図１５（ａ）及び図１５（ｂ）は、実施形態に係るガス分析装置の一部を例示する模式図である。
【図１６】図１６（ａ）〜図１６（ｃ）は、実施形態に係るガス分析装置の一部を例示する模式図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下に、本発明の各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。  
なお、開示はあくまで一例にすぎず、当業者において、発明の主旨を保っての適宜変更について容易に相当し得るものについては、当然に本発明の範囲に含有されるものである。また、図面は説明をより明確にするため、実際の態様に比べ、各部の幅、厚さ、形状等について模式的に表される場合があるが、あくまで一例であって、本発明の解釈を限定するものではない。  
また、本明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には、同一の符号を付して、詳細な説明を適宜省略することがある。
【０００８】
（第１の実施形態）  
図１（ａ）及び図１（ｂ）は、第１の実施形態に係るガス分析装置を例示する模式図である。  
図１（ａ）に示すように、本実施形態に係るガス分析装置１１０は、ガスセル２０と、光源部３０と、検出部４０と、演算部４５と、回転駆動部５３と、を含む。
【０００９】
ガスセル２０には、試料気体５０が導入される。ガスセル２０は、容器２３を含む。容器２３により、空間２３ｓが形成される。この空間２３ｓに試料気体５０が導入される。ガスセル２０には、第１反射部２１と、第２反射部２２と、がさらに設けられている。試料気体５０が導入される空間２３ｓは、第１反射部２１と第２反射部２２との間に配置される。この例では、第１反射部２１及び第２反射部２２は、容器２３の中に配置されている。実施形態において、第１反射部２１及び第２反射部２２は、容器２３の外に配置されても良い。第１反射部２１と第２反射部２２との間に、空間２３ｓの少なくとも一部が配置される。第１反射部２１の第２反射部２２に対向する面、及び、第２反射部２２の第１反射部２１に対向する面は、凹状である。これらの面のそれぞれは、例えば、球面または非球面である。第１反射部２１及び第２反射部２２は、ガスセル２０に含まれても良く、ガスセル２０とは別としても良い。
【００１０】
光源部３０は、空間２３ｓに光（測定光３０Ｌ)を入射させる。この例では、光源部３０は、発光部３０ａと、駆動部３０ｂと、を含む。駆動部３０ｂは、発光部３０ａに電気的に接続される。駆動部３０ｂは、発光部３０ａに、発光のための電力を供給する。後述するように、発光部３０ａとして、例えば、外部共振器（ＥＣ）型量子カスケードレーザ（ＱＣＬ）などが用いられる。発光部３０ａの例については、後述する。
【００１１】
測定光３０Ｌは、空間２３ｓに試料気体５０が導入された状態において、空間２３ｓを通過する。測定光３０Ｌの一部が、試料気体５０に含まれる物質により吸収される。測定光３０Ｌのうちの、試料気体５０に含まれる物質に特有の波長の成分が吸収される。吸収の程度は、物質の濃度と光路長とに依存する。物質の例については、後述する。
【００１２】
検出部４０は、空間２３ｓに試料気体５０が導入された状態において空間２３ｓを通過した測定光３０Ｌを検出する。検出部４０は、空間２３ｓを通過した光（測定光３０Ｌ）の強度を検出する。検出部４０には、例えば、赤外領域に感度を有する素子が用いられる。検出部４０には、例えばサーモパイルまたは半導体センサ素子（例えばＭＣＴ（ＨｇＣｄＴｅ））などが用いられる。
【００１３】
検出部４０は、試料気体５０を透過した光の強度を測定する。この例では、測定された光の強度は、信号として、演算部４５に入力される。この信号に基づいて、演算部４５において、試料気体５０に含まれる物質の分圧が算出される。物質の分圧に基づいて、物質の量（濃度）が求められる。試料気体５０含まれる物質の濃度の算出の方法の例については、後述する。
【００１４】
上述したように、物質の吸収の程度は、物質の濃度と光路長とに依存する。物質の濃度及び物質の吸収率（吸光度）によっては、光路長が短いと、物質の濃度の結果が不正確になる場合がある。実施形態においては、第１反射部２１及び第２反射部２２を用いて、測定光３０Ｌを反射させて、光路長を長くする。
【００１５】
ガスセル２０は、例えば、マルチパスセルである。第１反射部２１は、第１反射領域２１ａと、第１透過領域２１ｂと、を含む。第２反射部２２は、第２反射領域２２ａと、第２透過領域２２ｂと、を含む。第１反射領域２１ａ及び第２反射領域２２ａは、測定光３０Ｌに対して反射性である。第１透過領域２１ｂ及び第２透過領域２２ｂは、測定光３０Ｌに対して透過性である。これらの透過領域は、例えば、反射部に設けられた孔の領域である。
【００１６】
ガスセル２０において、測定光３０Ｌは、第１透過領域２１ｂから入射する。入射した測定光３０Ｌは、第２反射領域２２ａにおいて反射され、第１反射領域２１ａにおいて反射される。入射した測定光３０Ｌは、第１反射部２１と第２反射部２２との間（空間２３ｓ）を繰り返して往復し、第２透過領域２２ｂから出射する。入射した測定光３０Ｌの空間２３ｓの通過回数（パス数）は、第１透過領域２１ｂと第２透過領域２２ｂとの間の相対位置によって決まる。
【００１７】
入射した測定光３０Ｌの光路長は、「第１反射部２１と第２反射部２２との距離」×パス数で算出される。例えば、第１反射部２１と第２反射部２２との距離が３７ｃｍであり、パス数が２５である場合、光路長は、９２５ｃｍ（＝３７ｃｍ×２５）である。
【００１８】
物質の種類に応じて、適正な検出感度が得られるように、光路長が設定されることが好ましい。例えば、光路長が過度に短いと、吸収が小さく、物質の濃度の算出が困難になる。光路長が過度に長いと、過度に吸収され、物質の濃度の算出が困難になる。このため、光路長が一定のガスセルを用いて複数の物質の濃度を検出しようとする参考例においては、物質の種類によっては、その物質に適した光路長ではない場合がある。この参考例では、複数の物質の濃度の算出が困難になる場合がある。
【００１９】
実施形態においては、対象とする複数の物質のそれぞれに応じて、適正な光路長を用いる。１つのガスセルにおいて、複数の光路長を形成する。複数の物質のそれぞれについて、測定光の吸収の程度を適正にできる。これにより、複数の物質のそれぞれについて、高精度で濃度を求めることができる。
【００２０】
図１（ｂ）に示すように、ガス分析装置１１０には、回転駆動部５３が設けられる。回転駆動部５３は、第１反射部２１から第２反射部２２に向かう方向を軸（回転軸５３ａ）として、第２反射部２２を回転させるこれにより、第２透過領域２２ｂは、移動する。第１透過領域２１ｂと第２透過領域２２ｂとの相対位置が変化する。すなわち、第１状態ＳＴ１における第２透過領域２２ｂの位置は、第２状態ＳＴ２における第２透過領域２２ｂの位置とは異なる。これによりパス数、すなわち光路長が変化する。
【００２１】
第１状態ＳＴ１と第２状態ＳＴ２とにおいて、例えば、試料気体５０に、互いに異なる物質が含まれ、その複数の物質の吸収係数が互いに異なる。例えば、第１状態ＳＴ１においては、試料気体５０に第１物質が含まれ、第２状態ＳＴ２においては、試料気体５０に第２物質が含まれる。第１物質の吸収係数は、第２物質の吸収係数とは、異なる。
【００２２】
第１状態ＳＴ１と第２状態ＳＴ２とにおいて、例えば、試料気体５０に含まれる物質の濃度が互いに異なる。例えば、第１状態ＳＴ１における試料気体５０中の第１物質の濃度は、第１濃度である。第２状態ＳＴ２における試料気体５０中の第１物質の濃度は、第２濃度である。第１濃度は、第２濃度とは、異なる。
【００２３】
この例では、回転角センサ５４がさらに設けられている。第２反射部２２の回転角θが、回転角センサ５４によって計測される。計測された回転角θに関する信号は、演算部４５に入力される。演算部４５では、回転角θに基づいてパス数が算出される。
【００２４】
このように、実施形態において、第１光路長と第２光路長との差に応じた値（例えば回転角θ）を導出する導出部（この例では回転角センサ５４）が設けられる。導出部により導出された光路長の差に対応する値（例えば回転角θ）に基づいて、物質の濃度を算出しても良い。
【００２５】
すなわち、演算部４５においては、例えば、検出部４０で検出された測定光３０Ｌの検出結果と、導出部（この例では、回転角センサ５４）で推定された上記の値と、に基づいて、試料気体５０中に含まれる物質の濃度を算出する。
【００２６】
実施形態において、回転駆動部５３の動作を制御する回転制御部５４ａを設けても良い。回転制御部５４ａは、第２反射部２２の回転角をモニタし、回転駆動部５３の動作を制御する。これにより、第２反射部２２の回転角θが制御される。回転制御部５４ａは、回転角センサ５４を含んでも良い。
【００２７】
この例では、回転駆動部５３は、検出部４０も回転軸５３ａを中心に回転させる。すなわち、回転駆動部５３は、第２反射部２２の回転に連動して検出部４０を回転させる。検出部４０が、第２反射部２２とともに回転する。これにより、第２反射部２２が回転して第２透過領域２２ｂが移動したときに、検出部４０は、第２透過領域２２ｂから出射した測定光３０Ｌの光路上に位置する。
【００２８】
このように、ガス分析装置１１０においては、試料気体５０が導入される空間２３ｓを含む容器２３を含むガスセル２０と、空間２３ｓに導入された試料気体５０に測定光３０Ｌを入射する光源部３０と、ガスセル２０から出射した測定光３０Ｌを検出する検出部４０と、が設けられる。測定光３０Ｌは、第１透過領域２１ｂから空間２３ｓに入射し、第１反射領域２１ａと第２反射領域２２ａとで反射し、第２透過領域２２ｂから出射する。
【００２９】
第１状態ＳＴ１における第２透過領域２２ｂの第１透過領域２１ｂに対する相対的な位置は、第２状態ＳＴ２における第２透過領域２２ｂの第１透過領域２１ｂに対する相対的な位置とは異なる。第１状態ＳＴ１において第１透過領域２１ｂに入射して第２透過領域２２ｂから出射するまでの測定光３０Ｌの第１光路長は、第２状態ＳＴ２において第１透過領域２１ｂに入射して第２透過領域２２ｂから出射するまでの測定光Ｌの第２光路長とは異なる。光路長を変更することで、複数の物質について、高精度のガス分析が可能になる。
【００３０】
図２（ａ）及び図２（ｂ）は、第１の実施形態に係るガス分析装置の特性を例示する模式図である。  
これらの図は、試料気体５０中に複数の物質（例えば第１物質Ｇ１及び第２物質Ｇ２）が含まれる場合について、例示している。これらの図は、第１状態ＳＴ１に対応する。
【００３１】
図２（ａ）は、第１透過領域２１ｂと第２透過領域２２ｂとの相対位置とパス数との関係を例示する模式図である。図２（ｂ）は、透過率と波長の関係を例示するグラフ図である。図２（ｂ）の縦軸は、透過率Ｔｒである。横軸は、波長λである。
【００３２】
図２（ａ）に示すように、この例において、第１透過領域２１ｂの位置は、所定位置Ｐ０である。第２透過領域２２ｂの位置は、第１位置Ｐ１である。測定光３０Ｌが、第１透過領域２１ｂから入射する。入射した測定光３０Ｌが第２透過領域２２ｂから出射するときのパス数は、２５である。
【００３３】
図２（ｂ）に示すように、第１物質Ｇ１により、第１波長範囲λＲ１の範囲の波長の光の透過率が、中程度で低下している。第１物質Ｇ１の分圧ＰＰ１（濃度）が精度よく算出される。このときの光路長は、第１物質Ｇ１の濃度の検出において適正である。一方、第２物質Ｇ２においては、第２波長範囲λＲ２の波長の光が過度に吸収される。このため、分圧ＰＰ２の算出の精度が低い。
【００３４】
図３（ａ）及び図３（ｂ）は、第１の実施形態に係るガス分析装置の特性を例示する模式図である。  
これらの図は、第２状態ＳＴ２に対応する。
【００３５】
図３（ａ）は、第１透過領域２１ｂと第２透過領域２２ｂとの相対位置とパス数との関係を例示する模式図である。図３（ｂ）は、透過率と波長の関係を例示するグラフ図である。
【００３６】
図３（ａ）に示すように、この例において、第１透過領域２１ｂの位置は、所定位置Ｐ０である。第２透過領域２２ｂの位置は、第２位置Ｐ２である。測定光３０Ｌが、第１透過領域２１ｂから入射する。入射した測定光３０Ｌが第２透過領域２２ｂから出射するときのパス数は、１１である。
【００３７】
図３（ｂ）に示すように、第２物質Ｇ２により第２波長範囲λＲ２の範囲の波長の光の透過率が、中程度で低下する。例えば、第２物質Ｇ２の分圧ＰＰ２が精度よく算出される。このときの光路長は、第２物質Ｇ２の濃度の検出において適正である。一方、第１物質Ｇ１の吸収の程度は過度に低く、分圧ＰＰ１の算出の精度が低い。
【００３８】
第１物質Ｇ１の吸収率は、第２物質Ｇ２の吸収率とは大きく異なる。このため、第１物質Ｇ１を検出するためのセルと、第２物質Ｇ２を検出するためのセルと、を別に設ける参考例がある。この参考例においては、異なるセルを用いて検出を行うため、検出の安定性が十分に高くできず、精度が低い。さらに、ガス分析装置のサイズが大きくなる。サイズが大きくなると、コストが上昇する。
【００３９】
これに対して、実施形態においては、１つの空間２３ｓ（１つの容器２３）において、第１物質Ｇ１及び第２物質Ｇ２の両方の吸収が検出される。これにより、安定した検出ができ、精度が高い。そして、光路長を変更することにより、複数の物質のそれぞれに適合する適正な吸収を得ることにより、分析の精度が高い。
【００４０】
図４（ａ）及び図４（ｂ）は、第１の実施形態に係るガス分析装置の特性を例示する模式図である。  
これらの図は、ガス分析に関する特性を例示するグラフ図である。図４（ａ）及び図４（ｂ）の縦軸は、透過率Ｔｒである。横軸は、波長λ（ｎｍ）である。
【００４１】
この例では、ガスセル２０内に、ＣＨ４とＮＨ３とが存在する。ＣＨ４の濃度は、１５０ｐｐｍである。ＮＨ３の濃度は、１０ｐｐｍである。図４（ａ）に示す例では、光路長は３６ｍであり、図４（ｂ）に示す例では、光路長は５．３４ｍである。ＣＨ４は、例えば、測定光３０Ｌのうちの第３波長範囲λＲ３の範囲の波長の光を吸収する。
【００４２】
図４（ａ）に示すように、ＮＨ３によって第４波長範囲λＲ４の範囲の波長の強度が低下し、ＮＨ３の分圧が高精度で算出できる。図４（ｂ）に示すように、ＣＨ４によって第３波長範囲λＲ３の範囲の波長の強度が低下し、ＣＨ４の分圧が高精度で算出できる。
【００４３】
図５は、第１の実施形態に係る別のガス分析装置を例示する模式図である。  
図５に示すように、ガス分析装置１１１においては、光源部３０、ガスセル２０、回転駆動部５３及び検出部４０に加えて、ウェッジ基板５５が設けられる。ウェッジ基板５５は、第２透過領域２２ｂと検出部４０との間に設けられる。ウェッジ基板の断面はくさび状である。ウェッジ基板５５は、第１反射部２１から第２反射部２２に向かう方向を軸として回転する。この例では、ウェッジ基板５５は、第１基板５５ａ及び第２基板５５ｂを含む。これらの基板の断面は、くさび状である。すなわち、厚さが変化している。これらの基板が回転する。
【００４４】
第２透過領域２２ｂから出射した測定光３０Ｌは、第１基板５５ａ及び第２基板５５ｂに入射する。測定光３０Ｌは、屈折して進行方向を変える。測定光３０Ｌは、検出部４０に入射する。第１基板５５ａ及び第２基板５５ｂが、回転することで、第２透過領域２２ｂの位置が回転して変化したときにも、測定光３０Ｌは、検出部４０に入射できる。検出部４０が固定されていても、または、検出部４０の移動距離が小さくても良い。移動部が少なくできるため、検出の安定性を高くできる。
【００４５】
図６は、第１の実施形態に係る別のガス分析装置を例示する模式図である。  
図６に示すように、ガス分析装置１１２には、光源部３０、ガスセル２０、回転駆動部５３及び検出部４０に加えて、受光側ガルバノミラー部５６が設けられる。受光側ガルバノミラー部５６は、第２透過領域２２ｂと検出部４０との間の光路上に設けられる。
【００４６】
この例では、受光側ガルバノミラー部５６は、ミラー部５６ａと、ミラー部５６ｂと、を含む。第２透過領域２２ｂから出射した測定光３０Ｌは、ミラー部５６ａ及びミラー部５６ｂによって、反射して進行方向を変える。進行方向が変えられることにより、測定光３０Ｌが、検出部４０に入射できる。可動部が少なくできるため、検出の安定性を高くできる。
【００４７】
図７は、第１の実施形態に係る別のガス分析装置を例示する模式図である。  
図７に示すように、ガス分析装置１１３には、光源部３０、ガスセル２０、回転駆動部５３及び検出部４０に加えて、レンズ５７が設けられる。レンズ５７は、第２透過領域２２ｂと検出部４０との間に設けられる。第２透過領域２２ｂから出射した測定光３０Ｌは、屈折して進行方向を変え、検出部４０に入射する。レンズ５７の直径は、例えば、第２反射部２２のサイズ以上である。第２透過領域２２ｂの位置が回転により変化したときにも、測定光３０Ｌは検出部４０に入射する。
【００４８】
図８は、第１の実施形態に係る別のガス分析装置を例示する模式図である。  
図８に示すように、ガス分析装置１１４には、光源部３０、ガスセル２０、回転駆動部５３及び検出部４０が設けられる。検出部４０は、受光面４０ａを有する。受光面４０ａの面積は、第２透過領域２２ｂの回転に伴う可動領域の面積以上である。例えば、受光面４０ａの面積は、第２透過領域２２ｂの回転の半径を有する円の面積以上である。受光面４０ａの面積は、例えば、第２反射部２２の面積以上である。これにより、第２透過領域２２ｂの位置が回転により変化したときにも、測定光３０Ｌは、受光面４０ａに入射できる。
【００４９】
図９は、第１の実施形態に係る別のガス分析装置を例示する模式図である。  
図９に示すように、ガス分析装置１１５には、光源部３０、ガスセル２０、回転駆動部５３及び検出部４０が設けられる。検出部４０は、複数の検出器（第１検出器４２ａ及び第２検出器４２ｂなど）を含む。第１検出器４２ａは、例えば、第１位置Ｐ１に対応する。第２検出器４２ｂは、例えば、第２位置Ｐ２に対応する。第１検出器４２ａは、例えば、第１状態ＳＴ１において、第２透過領域２２ｂから出射した測定光３０Ｌの強度を検出する。第２検出器４２ｂは、第２状態ＳＴ２において、第２透過領域２２ｂから出射した測定光３０Ｌの強度を検出する。
【００５０】
実施形態によれば、例えば、第２反射部２２の第２透過領域２２ｂを回転移動させることで、パス数が変更される。すなわち、光路長を変更する。本実施形態において、第２反射部２２を回転せずに、第１反射部２１を回転させても良い。これに連動して、光源部３０を回転する。すなわち、本実施形態においては、第１反射部２１及び第２反射部２２の少なくもいずれかが、第１反射部２１から第２反射部２２に向かう方向を軸として回転する。これにより、光路長を変更する。
【００５１】
（第２の実施形態）  
図１０は、第２の実施形態に係るガス分析装置を例示する模式図である。  
図１０に示すように、ガス分析装置１２０は、光源部３０と、ガスセル２０と、光源側ガルバノミラー部５８と、受光側ガルバノミラー部５６と、を含む。光源側ガルバノミラー部５８は、ミラー部５８ａとミラー部５８ｂとを含む。受光側ガルバノミラー部５６は、ミラー部５６ａとミラー部５６ｂとを含む。
【００５２】
光源側ガルバノミラー部５８は、光源部３０から出射される測定光３０Ｌの方向を変更して、第１反射部２１に入射させ、空間２３ｓに入射する測定光３０Ｌの入射角を変更する。光源側ガルバノミラー部５８は、測定光３０Ｌの方向を制御して、第１透過領域２１ｂからガスセル２０内に入射させる。
【００５３】
ミラー部５８ａ及びミラー部５８ｂの傾きは、変更可能である。光源側ガルバノミラー部５８の傾斜角度が変化し、測定光３０Ｌの方向（角度）が変化する。
【００５４】
光源部３０から出射した測定光３０Ｌは、光源側ガルバノミラー部５８を介して、ガスセル２０内（空間２３ｓ）に入射する。第１透過領域２１ｂに入射する測定光３０Ｌの入射角は、変更される。例えば、第１状態において空間２３ｓに入射する測定光３０Ｌの第１入射角は、第２状態において空間２３ｓに入射する測定光Ｌ３０の第２入射角とは異なる。入射角が変更されることにより、パス数が変化する。これにより、光路長が変化する。すなわち、例えば、第１状態において、第１入射角で第１透過領域２１ｂに入射して第２透過領域２２ｂから出射するまでの距離（第１光路長）は、第２状態において、第２入射角で第１透過領域２１ｂに入射して第２透過領域２２ｂから出射するまでの距離（第２光路長）とは、異なる。
【００５５】
一方、受光側ガルバノミラー部５６のミラー部５６ａ及びミラー部５６ｂの傾きは、変更可能である。受光側ガルバノミラー部５６の傾斜角度が変化し、第２透過領域２２ｂから出射された測定光３０Ｌが、受光側ガルバノミラー部５６を介して、検出部４０に入射される。
【００５６】
本実施形態においては、光源側ガルバノミラー部５８の傾きを変更することで、パス数を変更する。すなわち、光路長を変更する。これにより、種々の物質において、適正な光路長が適用できる。実施形態によれば、種々の物質において、高精度の検出ができる。
【００５７】
実施形態に係るガス分析装置において、第１反射部２１または第２反射部２２を撮像するパス数モニタ６８を設けても良い。パス数が確認できる。
【００５８】
（第３の実施形態）
図１１は、第３の実施形態に係るガス分析装置を例示する模式図である。  
図１１に示すように、ガス分析装置１２１は、光源部３０と、ガスセル２０と、光源側ガルバノミラー部５８と、受光側ガルバノミラー部５６と、を含む。
【００５９】
光源部３０から出射された測定光３０Ｌは、光源側ガルバノミラー部５８を介して第１透過領域２１ｂからガスセル２０（空間２３ｓ）に入射する。第１透過領域２１ｂから入射した測定光３０Ｌは、第１反射部２１と第２反射部２２との間（空間２３ｓ）を繰り返して往復し、第１透過領域２１ｂから出射する。第１透過領域２１ｂから出射した測定光３０Ｌは、受光側ガルバノミラー部５６を介して検出部４０に入射する。
【００６０】
光源側ガルバノミラー部５８の傾斜角度が変化することで、測定光３０Ｌの方向（角度）が変化する。これにより、光路長が変化する。すなわち、第１反射部２１は、光反射性の反射領域（第１反射領域２１ａ）と光透過性の透過領域（第１透過領域２１ｂ）とを含む。この例においては、第１光路長は、第１入射角でこの透過領域に入射して、第２反射部２２で反射して、この透過領域から出射するまでの距離である。第２光路長は、第２入射角でこの透過領域に入射して、第２反射部２２で反射してこの透過領域から出射するまでの距離である。第１光路長は、第２光路長とは異なる。
【００６１】
実施形態においては、種々の物質において、適正な光路長が適用でき、種々の物質において高精度の検出ができる。
【００６２】
第１反射部２１に、複数の透過領域を設けても良い。光源側ガルバノミラー部５８の傾斜角度が変化することで、傾斜角度に応じて測定光３０Ｌの出射する透過領域が異なる。これにより、光路長を変化させることができる。  
すなわち、第１反射部２１は、光反射性の反射領域（第１反射領域２１ａ）と、光透過性の複数の透過領域と、を含む。第１光路長は、第１入射角で複数の透過領域の１つに入射して第１反射部２１及び第２反射部２２で反射して複数の透過領域のいずれかから出射するまでの距離である。第２光路長は、第２入射角で複数の透過領域の１つに入射して第１反射部及び第２反射部２２で反射して複数の透過領域の別のいずれかから出射するまでの距離である。第１光路長は、第２光路長とは異なる。このように、複数の光路長が設けられる。これにより、種々の物質において適正な光路長が適用でき、種々の物質において高精度の検出ができる。
【００６３】
図１２（ａ）および図１２（ｂ）は、実施形態に係るガス分析装置の特性を例示する模式図である。  
これらの図は、パス数モニタ６８によって撮像された第１反射部２１の像を例示している。図１２（ａ）においては、パス数が１８２である。図１２（ｂ）においては、パス数が２８である。このように、撮像することでパス数（反射回数）を知ることができる。
【００６４】
実施形態において、測定の対象となる物質の例について説明する。  
ガス分析装置は、例えば、呼気の診断に用いられる。物質は、例えば、二酸化炭素同位体である。この場合、例えば、ピロリ菌に関する情報が得られる。物質は、例えば、メタンである。この場合、例えば、腸内嫌気性菌に関する情報が得られる。物質は、例えば、エタノールである。この場合、例えば、飲酒に関する情報が得られる。物質は、例えば、アセトアルデヒドである。この場合、例えば、飲酒代謝産物及び肺がんに関する情報が得られる。物質は、例えば、アセトンである。この場合、例えば、糖尿病に関する情報が得られる。物質は、例えば、一酸化窒素である。この場合、例えば、ぜんそくに関する情報が得られる。物質は、例えば、アンモニアである。この場合、例えば、肝炎に関する情報が得られる。物質は、例えば、ノナナールである。この場合、例えば、肺がんに関する情報が得られる。実施形態において、呼気に含まれる測定対象の物質は任意である。ガス分析装置は、例えば、産業用ガスの分析に用いても良い。例えば、半導体工場などの処理装置の排気ガスの処理システムの監視に用いることができる。例えば、エッチング処理の排気ガスの場合、物質は、例えば、フッ化物である。フッ化物としては、例えば、ＣＦ４、Ｃ２Ｆ６、Ｃ３Ｆ８、ｃ−Ｃ４Ｆ８、ＣＨＦ３、ＮＦ３、ＳＦ６等が挙げられる。
【００６５】
実施形態において、物質の分圧の算出方法の例について説明する。  
この例は、ガス分析装置を呼気診断装置として用いる場合についての例である。  
ガス分析装置においては、例えば、呼気を空間２３ｓに導入した状態での第１動作が行われる。そして、呼気を空間２３ｓに導入しない（空気が導入される）状態での第２第２動作が行われる。第１動作は、例えば、呼気（試料気体５０）に含まれる目的の物質の濃度を検出する検出動作である。第２動作は、例えば、基準となる信号を得るためのキャリブレーション動作（準備動作）である。
【００６６】
第１動作における信号Ｖｓと第２動作における信号Ｖｓとの差異ΔＶｓが、検出部４０の検出の結果の値として用いられる。
【００６７】
差異ΔＶｓとして、例えば、比を用いる。例えば、第１動作において得られた信号Ｖｓを第１信号Ｖｓ１とする。第２動作で得られた信号Ｖｓを基準信号Ｖｓ０とする。例えば、第１信号Ｖｓ１の基準信号Ｖｓ０に対する比（すなわち、Ｖｓ１／Ｖｓ０）が、空間２３ｓにおける測定光３０Ｌの吸収の程度に対応する。吸収の程度は、第１動作における光強度（Ｉ１）の、第２動作における光強度（Ｉ０）に対する比である。このとき、Ｉ１／Ｉ０＝ｅ（−αＬＰ）で表される。「ｅ」は、自然対数の底である。「α」は、定数（吸収係数）である。「Ｌ」は、空間２３ｓを通過する測定光３０Ｌの光路長である。「Ｐ」は、対象とする物質の分圧である。検出された信号Ｖｓから吸収の程度が得られる。この結果から、対象とする物質の分圧Ｐが分かる。分圧Ｐから濃度が求められる。
【００６８】
光源部３０には、例えば、外部共振器型波長可変量子カスケードレーザが用いられる。光源部３０に、互いに同軸で結合された複数の分布帰還型（ＤＦＢ型）量子カスケードレーザを用いてもよい。
【００６９】
さらに、光源部３０に、分布帰還型（ＤＦＢ型）量子カスケードレーザを用いる場合に、光源部３０は、制御信号によって測定光３０Ｌの波長を変調する。そして、検出部４０で検出された信号を、この制御信号に対応して周波数検波しても良い。この場合に、第２透過領域２２ｂと検出部４０との間に、バンドパスフィルタを設けてもよい。これにより、所望の波長の光を選択的に観測できる。
【００７０】
以下、光源部３０の発光部３０ａの例について説明する。  
図１３は、実施形態に係るガス分析装置の一部を例示する模式図である。  
図１３に表したように、光源部３０（発光部３０ａ）は、半導体発光素子３０ａＬと、波長制御部３０ａＣと、を有する。後述するように、半導体発光素子３０ａＬは、例えば、複数の量子井戸のサブバンドにおける電子のエネルギー緩和により発光光を放射する。波長制御部３０ａＣは、例えば、発光光の波長を調整して第１光Ｌ１と、第２光Ｌ２と、を生成する。
【００７１】
例えば、波長制御部３０ａＣは、第１調整機構を含む。第１調整機構は、半導体発光素子３０ａＬから出射する赤外線レーザ光の波長を、呼気に含まれる複数のガスのうちの一種類のガスの吸収スペクトル内にシフトする。波長制御部３０ａＣは、第２調整機構をさらに含んでも良い。第２調整機構は、例えば、一種類のガスの吸収スペクトル内において波長をシフトさせて波長を調整する。
【００７２】
例えば、第１調整機構は、回折格子７１を含む。回折格子７１は、半導体発光素子３０ａＬの光軸３１Ｌｘと交差するように設けられる。回折格子７１は、外部共振器を形成する。試料気体５０に含まれる複数の物質のそれぞれの吸収スペクトルに応じて、赤外線レーザ光の回折格子７１への入射角を変化させる。入射角は、例えば、角度β１〜β４などに変更される。これにより、赤外線レーザ光の波長を変化させる。
【００７３】
例えば、ステッピングモータ９９と、駆動制御部９８と、が設けられる。駆動制御部９８は、ステッピングモータ９９を制御（駆動）する。ステッピングモータ９９及び駆動制御部９８により、回折格子７１は、光軸３１Ｌｘと交差する軸を中心に回転制御される。
【００７４】
半導体発光素子３０ａＬの回折格子７１の側の端面には、反射防止コート膜ＡＲを設けることが好ましい。部分反射コート膜ＰＲ(Ｐｅｒｔｉａｌ  Ｒｅｆｌｅｃｔｉoｎ）を設けても良い。部分反射コート膜ＰＲと反射防止コート膜ＡＲとの間に半導体発光素子３０ａＬが配置される。部分反射コート膜ＰＲと回折格子７１との間において、外部共振器が形成される。
【００７５】
実施形態において、第２調整機構によってさらに波長を精度良く調整してもよい。例えば、第２調整機構として、駆動部３０ｂ（図１参照）を用いることができる。駆動部３０ｂは、半導体発光素子３０ａＬの動作電流値及びデューティの少なくともいずれかを変更する。第２調整機構として、温度制御部９０を用いても良い。温度制御部９０は、半導体発光素子３０ａＬの温度を変更する。温度制御部９０として、例えば、ペルチェ素子などが用いられる。第２調整機構として、例えば、応力生成素子などを用いても良い。応力生成素子は、外部共振器長を変化させる。応力生成素子として、例えば、ピエゾ素子などを用いることができる。
【００７６】
図１４は、実施形態に係るガス分析装置の一部を例示する模式図である。  
図１４は、発光部３０ａの別の例を示している。  
この例においては、第１調整機構として、回折格子７１ａが用いられる。回折格子７１ａは、半導体発光素子３０ａＬの光軸３１Ｌｘに対して所定の入射角γで交差するＸＹ面内で移動する。回折格子７１ａは、例えば、ステッピングモータ９９及び駆動制御部９８により、移動する。回折格子７１ａと、半導体発光素子３０ａＬの部分反射コート膜ＰＲと、により、外部共振器（ＥＣ）が形成される。部分反射コート膜ＰＲから放出された測定光３０Ｌは、ガスセル２０に入射する。
【００７７】
図１５（ａ）及び図１５（ｂ）は、実施形態に係るガス分析装置の一部を例示する模式図である。  
これらの図は、回折格子７１ａの例を示す模式的平面図である。  
図１５（ａ）及び図１５（ｂ）に例示したように、回折格子７１は、複数の領域を有する。複数の領域において、格子のピッチが異なる。
【００７８】
図１５（ａ）に示した例においては、格子のピッチが、Ｘ方向に沿って異なる。異なるピッチを有する複数の領域が設けられる。共振波長は、領域ｒｇ２＞領域ｒｇ１＞領域ｒｇ３である。例えば、Ｘ方向に移動することにより、波長を調整できる。
【００７９】
図１５（ｂ）に示した例において、共振波長は、領域ｒｇ５＞領域ｒｇ６＞領域ｒｇ７＞領域ｒｇ４である。例えば、図１５（ｂ）に例示された矢印方向ＳＤに沿って回折格子７１ａを移動させる。これにより、波長を調整できる。回折格子７１ａの断面形状は、非対称でもよい。
【００８０】
図１６（ａ）〜図１６（ｃ）は、実施形態に係るガス分析装置の一部を例示する模式図である。  
図１６（ａ）は、模式的斜視図である。図１６（ｂ）は、図１６（ａ）のＡ１−Ａ２線断面図である。図１６（ｃ）は、光源部３０の動作を例示する模式図である。  
この例では、光源部３０として、半導体発光素子３０ａＬが用いられる。半導体発光素子３０ａＬとして、レーザが用いられる。この例では、量子カスケードレーザが用いられる。
【００８１】
図１６（ａ）に表したように、半導体発光素子３０ａＬは、基板３５と、積層体３１と、第１電極３４ａと、第２電極３４ｂと、誘電体層３２（第１誘電体層）と、絶縁層３３（第２誘電体層）と、を含む。
【００８２】
第１電極３４ａと、第２電極３４ｂと、の間に基板３５が設けられる。基板３５は、第１部分３５ａと、第２部分３５ｂと、第３部分３５ｃと、を含む。これらの部分は、１つの面内に配置される。この面は、第１電極３４ａから第２電極３４ｂに向かう方向に対して交差する（例えば平行）である。第１部分３５ａと第２部分３５ｂとの間に、第３部分３５ｃが配置される。
【００８３】
第３部分３５ｃと第１電極３４ａとの間に積層体３１が設けられる。第１部分３５ａと第１電極３４ａとの間、及び、第２部分３５ｂと第１電極３４ａとの間に、誘電体層３２が設けられる。誘電体層３２と第１電極３４ａとの間に絶縁層３３が設けられる。
【００８４】
積層体３１は、ストライプの形状を有している。積層体３１は、リッジ導波路ＲＧとして機能する。リッジ導波路ＲＧの２つの端面がミラー面となる。積層体３１において放出された光３１Ｌは、端面（光出射面）から出射する。光３１Ｌは、赤外線レーザ光である。光３１Ｌの光軸３１Ｌｘは、リッジ導波路ＲＧの延在方向に沿う。
【００８５】
図１６（ｂ）に表したように、積層体３１は、例えば、第１クラッド層３１ａと、第１ガイド層３１ｂと、活性層３１ｃと、第２ガイド層３１ｄと、第２クラッド層３１ｅと、を含む。これらの層は、基板３５から第１電極３４ａに向かう方向に沿って、この順で並ぶ。第１クラッド層３１ａの屈折率及び第２クラッド層３１ｅの屈折率のそれぞれは、第１ガイド層３１ｂの屈折率、活性層３１ｃの屈折率、及び、第２ガイド層３１ｄの屈折率のそれぞれよりも低い。活性層３１ｃで生じた光３１Ｌは、積層体３１内に閉じ込められる。第１ガイド層３１ｂと第１クラッド層３１ａとを合わせて、クラッド層と呼ぶ場合がある。第２ガイド層３１ｄと第２クラッド層３１ｅとを合わせて、クラッド層と呼ぶ場合がある。
【００８６】
積層体３１は、光軸３１Ｌｘに対して垂直な第１側面３１ｓａ及び第２側面３１ｓｂを有する。第１側面３１ｓａと第２側面３１ｓｂとの間の距離３１ｗ（幅）は、例えば５μｍ（マイクロメートル）以上２０μｍ以下である。これにより、例えば、水平横方向モードの制御が容易となり、出力の向上が容易になる。距離３１ｗが過度に長いと、水平横方向モードにおいて高次モードを生じ易くなり、出力を高めにくい。
【００８７】
誘電体層３２の屈折率は、活性層３１ｃの屈折率よりも低い。これにより、誘電体層３２により、光軸３１Ｌｘに沿ってリッジ導波路ＲＧが形成される。
【００８８】
図１６（ｃ）に表したように、活性層３１ｃは、例えば、カスケード構造を有する、カスケード構造においては、例えば、第１領域ｒ１と、第２領域ｒ２と、が交互に積層される。単位構造ｒ３は、第１領域ｒ１及び第２領域ｒ２を含む。複数の単位構造ｒ３が設けられる。
【００８９】
例えば、第１領域ｒ１には、第１障壁層ＢＬ１と、第１量子井戸層ＷＬ１と、が設けられる。第２領域ｒ２には、第２障壁層ＢＬ２が設けられる。例えば、別の第１領域ｒ１ａには、第３障壁層ＢＬ３と、第２量子井戸層ＷＬ２と、が設けられる。別の第２領域ｒ２ａに、第４障壁層ＢＬ４が設けられる。
【００９０】
第１領域ｒ１においては、第１量子井戸層ＷＬ１のサブバンド間光学遷移が生じる。これにより、例えば、３μｍ以上１８μｍ以下の波長の光３１Ｌａが放出される。
【００９１】
第２領域ｒ２においては、第１領域ｒ１から注入されたキャリアｃ１（例えば電子）のエネルギーは、緩和可能である。
【００９２】
量子井戸層（例えば第１量子井戸層ＷＬ１）において、井戸幅ＷＬｔは、例えば、５ｎｍ以下である。井戸幅ＷＬｔがこのように狭いとき、エネルギー準位が離散して、例えば、第１サブバンドＷＬａ（高準位Ｌｕ）及び第２サブバンドＷＬｂ（低準位Ｌｌ）などを生じる。第１障壁層ＢＬ１から注入されたキャリアｃ１は、第１量子井戸層ＷＬ１に効果的に閉じ込められる。
【００９３】
高準位Ｌｕから低準位Ｌｌへキャリアｃ１が遷移するときに、エネルギー差（高準位Ｌｕと低準位Ｌｌとの差）に対応する光３１Ｌａが放出される。すなわち、光学遷移が生じる。
【００９４】
同様に、別の第１領域ｒ１ａの第２量子井戸層ＷＬ２において、光３１Ｌｂが放出される。
【００９５】
実施形態において量子井戸層は、波動関数が重なり合う複数の井戸を含んでも良い。複数の量子井戸層のそれぞれの高準位Ｌｕが、互いに同じでも良い。複数の量子井戸層のそれぞれの低準位Ｌｌが、互いに同じでも良い。
【００９６】
例えば、サブバンド間光学遷移は、伝導帯及び価電子帯のいずれかにおいて生じる。例えば、ｐｎ接合によるホールと電子との再結合は必要ではない。例えば、ホール及び電子のいずれかのキャリアｃ１により光学遷移が生じて、光が放出される。
【００９７】
活性層３１ｃにおいて、例えば、第１電極３４ａと、第２電極３４ｂと、の間に印加される電圧により、障壁層（例えば第１障壁層ＢＬ１）を介して、キャリアｃ１（例えば電子）が量子井戸層（例えば第１量子井戸層ＷＬ１）へ注入される。これにより、サブバンド間光学遷移を生じる。
【００９８】
第２領域ｒ２は、例えば、複数のサブバンドを有する。サブバンドは、例えば、ミニバンドである。サブバンドにおけるエネルギー差は、小さい。サブバンドにおいて、連続エネルギーバンドに近いことが好ましい。この結果、キャリアｃ１（電子）のエネルギーが緩和される。
【００９９】
第２領域ｒ２では、例えば、光（例えば３μｍ以上１８μｍ以下の波長の赤外線）は、実質的に放出されない。第１領域ｒ１の低準位Ｌｌのキャリアｃ１（電子）は、第２障壁層ＢＬ２を通過して、第２領域ｒ２へ注入され、緩和される。キャリアｃ１は、カスケード接続された別の第１領域ｒ１ａへ注入される。この第１領域ｒ１ａにおいて、光学遷移が生じる。
【０１００】
カスケード構造では、複数の単位構造ｒ３のそれぞれにおいて光学遷移が生じる。これにより、活性層３１ｃの全体において、高い光出力を得ることが容易になる。
【０１０１】
このように、光源部３０は、半導体発光素子３０ａＬを含む。半導体発光素子３０ａＬは、複数の量子井戸（例えば、第１量子井戸層ＷＬ１及び第２量子井戸層ＷＬ２など）のサブバンドにおける電子のエネルギー緩和により、測定光３０Ｌを放射する。
【０１０２】
量子井戸層（例えば第１量子井戸層ＷＬ１及び第２量子井戸層ＷＬ２など）には、例えば、ＧａＡｓが用いられる。例えば、障壁層（例えば、第１〜第４障壁層ＢＬ１〜ＢＬ４など）には、例えば、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０＜ｘ＜１）が用いられる。このとき、例えば、基板３５としてＧａＡｓを用いると、量子井戸層及び障壁層において、良好な格子整合が得られる。
【０１０３】
第１クラッド層３１ａ及び第２クラッド層３１ｅは、例えば、ｎ形不純物として、Ｓｉを含む。これらの層における不純物濃度は、例えば、１×１０１８ｃｍ−３以上１×１０２０ｃｍ−３以下（例えば、約６×１０１８ｃｍ−３）である。これらの層のそれぞれの厚さは、例えば、０．５μｍ以上２μｍ以下（例えば約１μｍ）である。
【０１０４】
第１ガイド層３１ｂ及び第２ガイド層３１ｄは、例えば、ｎ形不純物として、Ｓｉを含む。これらの層における不純物濃度は、例えば１×１０１６ｃｍ−３以上１×１０１７ｃｍ−３以下（例えば、約４×１０１６ｃｍ−３）である。これらの層のそれぞれの厚さは、例えば２μｍ以上５μｍ以下（例えば、３．５μｍ）である。
【０１０５】
距離３１ｗ（積層体３１の幅、すなわち、活性層３１ｃの幅）は、例えば、５μｍ以上２０μｍ以下（例えば、約１４μｍ）である。
【０１０６】
リッジ導波路ＲＧの長さは、例えば、１ｍｍ以上５ｍｍ以下（例えば約３ｍｍ）である。半導体発光素子３０ａＬは、例えば、１０Ｖ以下の動作電圧で動作する。消費電流は、炭酸ガスレーザ装置などに比べて低い。これにより、低消費電力の動作が可能である。
【０１０７】
（第３の実施形態）  
本実施形態は、ガスセルに係る。上記の実施形態に関して説明したガスセル及びそれらの変形のガスセルが用いられる。
【０１０８】
すなわち、本実施形態に係るガスセル（例えば図１（ａ）及び図１（ｂ）参照）は、試料気体５０が導入される空間２３ｓを含む容器２３と、光反射性の第１反射領域２１ａと光透過性の第１透過領域２１ｂとを含む第１反射部２１と、光反射性の第２反射領域２２ａと光透過性の第２透過領域２２ｂとを含む第２反射部２２と、を含む。この空間２３ｓは、第１反射部２１と第２反射部２２との間に配置される。
【０１０９】
測定光３０Ｌが、第１透過領域２１ｂから空間２３ｓに入射し、第１反射領域２１ａと第２反射領域２２ａとで反射し、第２透過領域２２ｂから出射する。
【０１１０】
第１状態ＳＴ１における第２透過領域２２ｂの第１透過領域２１ｂに対する相対的な位置は、第２状態ＳＴ２における第２透過領域２２ｂの第１透過領域２１ｂに対する相対的な位置とは異なる。
【０１１１】
第１状態ＳＴ１において第１透過領域２１ｂに入射して第２透過領域２２ｂから出射するまでの測定光３０Ｌの第１光路長は、第２状態ＳＴ１において第１透過領域２１ｂ入射して第２透過領域２２ｂから出射するまでの測定光３０Ｌの第２光路長とは異なる。  
複数の物質に対応でき、高精度の分析が可能なガスセルが提供できる。
【０１１２】
本実施形態において、例えば、第１反射部２１及び第２反射部２２の少なくともいずれかは、第１反射部２１から第２反射部２２に向かう方向を軸として回転する。
【０１１３】
実施形態によれば、高精度のガス分析装置及びガスセルが提供できる。
【０１１４】
以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、光源部、ガスセル、検出部、回転駆動部、回転角センサ、演算部、ウェッジ基板、ガルバノミラー及びレンズなどの各要素の具体的な構成に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。  
また、各具体例のいずれか２つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。
【０１１５】
本発明の実施の形態として上述したガスセル及びガス分析装置を基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全てのガスセル及びガス分析装置も、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。
【０１１６】
本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。  
例えば、前述の各実施形態に対して、当業者が適宜、構成要素の追加、削除若しくは設計変更を行ったもの、又は、工程の追加、省略若しくは条件変更を行ったものも、本発明の要旨を備えている限り、本発明の範囲に含まれる。
【０１１７】
また、本実施形態において述べた態様によりもたらされる他の作用効果について本明細書記載から明らかなもの、又は当業者において適宜想到し得るものについては、当然に本発明によりもたらされるものと解される。
【０１１８】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【０１１９】
２０…ガスセル、  ２１、２２…第１、第２反射部、  ２１ａ…第１反射領域、  ２１ｂ…第１透過領域、  ２２ａ…第２反射領域、  ２２ｂ…第２透過領域、  ２３…容器、  ２３ｓ…空間、  ３０…光源部、  ３０Ｌ…測定光、  ３０ａ…発光部、  ３０ａＣ…波長制御部、  ３０ａＬ…半導体発光素子、  ３０ｂ…駆動部、  ３１…積層体、  ３１Ｌ、３１Ｌａ、３１Ｌｂ…光、  ３１Ｌｘ…光軸、  ３１ａ…第１クラッド層、  ３１ｂ…第１ガイド層、  ３１ｃ…活性層、  ３１ｄ…第２ガイド層、  ３１ｅ…第２クラッド層、  ３１ｓａ…第１側面、  ３１ｓｂ…第２側面、  ３１ｗ…距離、  ３２…誘電体層、  ３３…絶縁層、  ３４ａ…第１電極、  ３４ｂ…第２電極、  ３５…基板、  ３５ａ〜３５ｃ…第１〜第３部分、  ４０…検出部、  ４０ａ…受光面、  ４２ａ、４２ｂ…第１、第２検出器、  ４５…演算部、  ５０…試料気体、  ５３…回転駆動部、  ５３ａ…回転軸、  ５４…回転角センサ（導出部）、  ５４ａ…回転制御部、  ５５…ウェッジ基板、  ５５ａ、５５ｂ…第１、第２基板、  ５６…受光側ガルバノミラー部、  ５６ａ、５６ｂ…ミラー部、  ５７…レンズ、  ５８…光源側ガルバノミラー部、  ５８ａ、５８ｂ…ミラー部、  ６８…パス数モニタ、  ７１…回折格子、  ７１ａ…回折格子、  ９０…温度制御部、  ９８…駆動制御部、  ９９…ステッピングモータ、  ΔＶｓ…差異、  β１〜β４…角度、  γ…入射角、  θ…回転角、  λ…波長、  λＲ１〜λＲ４…第１〜第４波長範囲、  １１０〜１１５、１２０、１２１…ガス分析装置、  ＡＲ…反射防止コート膜、  ＢＬ１〜ＢＬ４…第１〜第４障壁層、  Ｃｘ…濃度、  Ｇ１、Ｇ２…第１、第２物質、  Ｌ１、Ｌ２…第１、第２光、  Ｌｌ…低準位、  Ｌｕ…高準位、  Ｐ０…所定位置、  Ｐ１…第１位置、  Ｐ２…第２位置、  ＰＲ…部分反射コート膜、  ＲＧ…リッジ導波路、  ＳＤ…矢印方向、  ＳＴ１、ＳＴ２…第１、第２状態、  Ｔｒ…透過率、  ＷＬ１、ＷＬ２…第１、第２量子井戸層、  ＷＬａ…第１サブバンド、  ＷＬｂ…第２サブバンド、  ＷＬｔ…井戸幅、  ｃ１…キャリア、  ｒ１、ｒ１ａ…第１反射領域、  ｒ２、ｒ２ａ…第１透過領域、  ｒ３…単位構造、  ｒｇ１〜ｒｇ７…領域
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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