JP2021121787A - 散乱体計測装置及び散乱体計測方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ミー散乱光を簡単に直接抽出する。【解決手段】散乱体計測装置１００は、第１光を出射する光源３０と、第１光を内部で干渉させて第１干渉光を出射するエタロン１０と、第２光を内部で干渉させて第２干渉光を出射するエタロン２０と、第２干渉光を受光し、受光強度に応じた信号を生成する受光器５０と、エタロン１０内での第１光の光路長χ１及びエタロン２０内での第２光の光路長χ２の少なくとも一方の調整を行う制御部７０とを備える。制御部７０は、第１干渉光が連続体で反射されることにより発生する反射光が第２光としてエタロン２０に入射した場合に、反射光の第２干渉光に対応する信号に基づいて調整を行う。制御部７０は、第１干渉光が散乱体で散乱されることにより発生する散乱光が第２光としてエタロン２０に入射した場合に、散乱光の第２干渉光に対応する信号に基づいて散乱体に含まれるエアロゾルの計測を行う。【選択図】図３

Description

本開示は、散乱体計測装置及び散乱体計測方法に関する。

従来、大気中のエアロゾルの分布の観測を行う技術として、ライダー（ＬＩＤＡＲ：Light Detection and Ranging）が知られている。ライダーは、観測領域の大気中に短パルスのレーザ光を照射し、その散乱光を信号として計測して解析することにより、黄砂、花粉、埃又は微小水滴などの空気中を浮遊する計測対象物、すなわち、エアロゾルの状態を観測する技術である。散乱光にはミー散乱光成分とレイリー散乱光成分とが含まれる。ミー散乱は、レーザ光の波長と同等以上の粒径の微粒子によって起こる散乱現象である。レイリー散乱は、レーザ光の波長よりも小さな微粒子によって起こる散乱現象である。散乱光からレイリー散乱光成分を分離除外することでミー散乱光成分を得ることができる。

従来、単一縦モードのレーザ光を照射光として用いて、エアロゾルによるミー散乱と、大気構成分子によるレイリー散乱とが含まれる散乱光をフィルタで分光分離する方法が知られている（例えば、特許文献１を参照）。エアロゾルによるミー散乱の半値全幅は、照射されたレーザ光の半値全幅にほぼ等しい。大気構成分子によるレイリー散乱の半値全幅は、大気構成分子の熱運動によるドップラー効果で広がる。特許文献１に開示された方法は、この半値全幅の違いを利用して分光分離する方法である。

この方法においては、レイリー散乱光を計測するために、レーザの狭帯域化及びその波長と分光素子のスペクトル特性をわずかにずらして合わせる必要がある。このため、その制御は容易ではなく、長期間の連続観測が困難になる。

また、マルチ縦モードレーザを光源として用いて、エアロゾルによるミー散乱と大気構成分子によるレイリー散乱とが含まれる散乱光を、分光により検出し、これらを分離する方法が知られている（例えば、特許文献２を参照）。ここでは、マルチ縦モードレーザのスペクトルモード間隔が一定であることを利用し、これと同じスペクトル間隔の光を選択的に透過させる干渉計を用いて分光する。レイリー散乱光成分は、レーザ光のスペクトルモード間隔の間を埋めるようなスペクトルを持ち、ミー散乱光成分を干渉計により除去し、レイリー散乱信号を得ることができる。

国際公開第２００３／７３１２７号 特許第６２４３０８８号公報

しかしながら、上記従来技術はどちらも、レイリー散乱光を計測するための技術であり、ミー散乱光を抽出するためには、全散乱光からレイリー散乱光を減算する必要がある。また、干渉部の調整が難しいという課題がある。

そこで、本開示は、ミー散乱光を簡単に直接抽出することができる散乱体計測装置及び散乱体計測方法を提供する。

本開示の一態様に係る散乱体計測装置は、第１光を出射する光源と、前記第１光の光路上に配置され、前記第１光を内部で干渉させて第１干渉光を出射する第１エタロンと、第２光の光路上に配置され、前記第２光を内部で干渉させて第２干渉光を出射する第２エタロンと、前記第２干渉光を受光し、受光強度に応じた信号を生成する受光器と、前記第１エタロン内での前記第１光の光路長χ_１、及び、前記第２エタロン内での前記第２光の光路長χ_２の少なくとも一方の調整を行う制御部とを備え、前記制御部は、前記第１干渉光が連続体で反射されることにより発生する反射光が前記第２光として前記第２エタロンに入射した場合に、前記反射光の前記第２干渉光に対応する前記信号に基づいて前記調整を行い、前記第１干渉光が散乱体で散乱されることにより発生する散乱光が前記第２光として前記第２エタロンに入射した場合に、前記散乱光の前記第２干渉光に対応する前記信号に基づいて前記散乱体に含まれるエアロゾルの計測を行う。

本開示の一態様に係る散乱体計測方法は、第１光を出射するステップと、前記第１光の光路上に配置された第１エタロンの内部で前記第１光を干渉させて第１干渉光を出射するステップと、第２光の光路上に配置された第２エタロンの内部で前記第２光を干渉させて第２干渉光を出射するステップと、前記第２干渉光を受光し、受光強度に応じた信号を生成するステップと、前記第１干渉光が連続体で反射されることにより発生する反射光が前記第２光として前記第２エタロンに入射した場合に、前記第１エタロン内での前記第１光の光路長χ_１、及び、前記第２エタロン内での前記第２光の光路長χ_２の少なくとも一方の調整を、前記反射光の前記第２干渉光に対応する前記信号に基づいて行うステップと、前記第１干渉光が散乱体で散乱されることにより発生する散乱光が前記第２光として前記第２エタロンに入射した場合に、前記散乱光の前記第２干渉光に対応する前記信号に基づいて前記散乱体に含まれるエアロゾルの計測を行うステップとを含む。

また、本開示の一態様は、上記散乱体計測方法をコンピュータに実行させるプログラムとして実現することができる。あるいは、当該プログラムを格納したコンピュータ読み取り可能な非一時的な記録媒体として実現することもできる。

本開示によれば、ミー散乱光を簡単に直接抽出することができる。

図１は、実施の形態１に係る散乱体計測装置による散乱体の計測を説明するための図である。 図２は、実施の形態１に係る散乱体計測装置による連続体を利用した光路長の調整を説明するための図である。 図３は、実施の形態１に係る散乱体計測装置の構成を示す図である。 図４は、エタロンの構造を示す図である。 図５は、実施の形態１に係る散乱体計測装置の基本動作を示すフローチャートである。 図６は、実施の形態１に係る散乱体計測装置の動作を示すフローチャートである。 図７は、実施の形態１に係る散乱体計測装置と連続体との間に散乱体が存在する場合の光路長の調整を説明するための図である。 図８は、実施の形態１に係る散乱体計測装置による光路長の調整処理を示すフローチャートである。 図９は、実施の形態１に係る散乱体計測装置による散乱体の計測処理の一例を示すフローチャートである。 図１０は、実施の形態１に係る散乱体計測装置による散乱体の計測処理の別の一例を示すフローチャートである。 図１１は、エタロンから出射される光のスペクトルの一例を示す図である。 図１２は、図１１に示されるマルチ光のピークの１つを拡大して示す図である。 図１３は、散乱光のスペクトルを示す図である。 図１４は、エタロンの光軸の傾きを変化させることによる光路長の変化を説明するための図である。 図１５は、エタロンの光軸の傾きと干渉光の信号強度との関係を示す図である。 図１６は、エタロンの温度を変化させることによる光路長の変化を説明するための図である。 図１７Ａは、実施の形態２に係る散乱体計測装置による光路長の調整を説明するための図である。 図１７Ｂは、実施の形態２に係る散乱体計測装置による散乱体の計測を説明するための図である。 図１８は、実施の形態２に係る散乱体計測装置の動作を示すフローチャートである。 図１９Ａは、実施の形態２の変形例に係る散乱体計測装置による光路長の調整を説明するための図である。 図１９Ｂは、実施の形態２の変形例に係る散乱体計測装置による散乱体の計測を説明するための図である。

（本開示の概要）
本開示の一態様に係る散乱体計測装置は、第１光を出射する光源と、前記第１光の光路上に配置され、前記第１光を内部で干渉させて第１干渉光を出射する第１エタロンと、第２光の光路上に配置され、前記第２光を内部で干渉させて第２干渉光を出射する第２エタロンと、前記第２干渉光を受光し、受光強度に応じた信号を生成する受光器と、前記第１エタロン内での前記第１光の光路長χ_１、及び、前記第２エタロン内での前記第２光の光路長χ_２の少なくとも一方の調整を行う制御部とを備え、前記制御部は、前記第１干渉光が連続体で反射されることにより発生する反射光が前記第２光として前記第２エタロンに入射した場合に、前記反射光の前記第２干渉光に対応する前記信号に基づいて前記調整を行い、前記第１干渉光が散乱体で散乱されることにより発生する散乱光が前記第２光として前記第２エタロンに入射した場合に、前記散乱光の前記第２干渉光に対応する前記信号に基づいて前記散乱体に含まれるエアロゾルの計測を行う。

これにより、連続体からの反射光を受光することで得られる信号に基づいて、第２エタロンを通過する干渉光の信号強度が高くなるように光路長を調整することができる。連続体からの反射光の強度は散乱体からの散乱光の強度よりも高いので、反射光に対応する信号とノイズとの判別が容易になる。このため、ノイズの影響を抑制しながら干渉光の信号強度が高くなるときの光路長に精度良く調整することができる。光路長の調整がされることにより、散乱体からの微弱な散乱光が第２エタロンに入射した場合に第２エタロンから出射される第２干渉光であるミー散乱光の強度も高くすることができる。したがって、ミー散乱光を簡単に直接抽出することができる。

また、例えば、前記制御部は、前記調整を行った後、前記計測を行ってもよい。

これにより、光路長が適切に調整された後に散乱体の計測が行われるので、強度が高いミー散乱光を受光することができ、ミー散乱光を簡単に抽出することができる。

また、例えば、前記計測は、前記第１干渉光の出射方向を変更しながら繰り返し行われ、前記制御部は、前記計測の合間に前記調整を行ってもよい。

これにより、計測中に環境の変化などによって光路長が適切な長さからずれた場合であっても、光路長を再び調整することができる。このため、十分な強度のミー散乱光を受光できる期間が長くなるので、散乱体計測装置による散乱体の計測が可能な期間を長くすることができる。

また、例えば、前記制御部は、前記第２干渉光に対応する前記信号の信号強度が最大になるように前記調整を行ってもよい。

これにより、ミー散乱光の強度が最大になるので、ミー散乱光を簡単に抽出することができる。

また、例えば、前記制御部は、前記第１エタロン及び前記第２エタロンの少なくとも一方の光軸の傾きを変更することで、前記調整を行ってもよい。

これにより、光軸の傾きが変更されたエタロンに対する光の入射角が変更されるので、エタロン内を通過する光の光路長が変化する。このように、エタロンの光軸の傾きを変更することで、光路長を簡単に調整することができる。

また、例えば、前記制御部は、前記第１エタロン及び前記第２エタロンの少なくとも一方の温度を変更することで、前記調整を行ってもよい。

このように、温度が変更されることにより、エタロンが熱膨張又は熱収縮し、エタロンの長さが変化する。これにより、エタロンの温度を変更することで、光路長を簡単に調整することができる。

また、例えば、前記制御部は、前記信号の強度が閾値以上である場合に、前記計測を行ってもよい。

これにより、十分な強度のミー散乱光を受光できる場合に計測が開始されるので、ミー散乱光を簡単に直接抽出することができる。

また、例えば、前記光源は、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）又はレーザ素子であってもよい。

これにより、十分な強度の光を散乱体に向けて出射させることができる。

本開示の一態様に係る散乱体計測方法は、第１光を出射するステップと、前記第１光の光路上に配置された第１エタロンの内部で前記第１光を干渉させて第１干渉光を出射するステップと、第２光の光路上に配置された第２エタロンの内部で前記第２光を干渉させて第２干渉光を出射するステップと、前記第２干渉光を受光し、受光強度に応じた信号を生成するステップと、前記第１干渉光が連続体で反射されることにより発生する反射光が前記第２光として前記第２エタロンに入射した場合に、前記第１エタロン内での前記第１光の光路長χ_１、及び、前記第２エタロン内での前記第２光の光路長χ_２の少なくとも一方の調整を、前記反射光の前記第２干渉光に対応する前記信号に基づいて行うステップと、前記第１干渉光が散乱体で散乱されることにより発生する散乱光が前記第２光として前記第２エタロンに入射した場合に、前記散乱光の前記第２干渉光に対応する前記信号に基づいて前記散乱体に含まれるエアロゾルの計測を行うステップとを含む。

これにより、上記散乱体計測装置の場合と同様に、ミー散乱光を簡単に直接抽出することができる。

以下では、実施の形態について、図面を参照しながら具体的に説明する。

なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも包括的又は具体的な例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、ステップ、ステップの順序などは、一例であり、本開示を限定する主旨ではない。また、以下の実施の形態における構成要素のうち、独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。

また、各図は、模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。したがって、例えば、各図において縮尺などは必ずしも一致しない。また、各図において、実質的に同一の構成については同一の符号を付しており、重複する説明は省略又は簡略化する。

また、本明細書において、平行又は垂直などの要素間の関係性を示す用語、及び、円柱体又は角柱体などの要素の形状を示す用語、並びに、数値範囲は、厳格な意味のみを表す表現ではなく、実質的に同等な範囲、例えば数％程度の差異をも含むことを意味する表現である。

（実施の形態１）
［１．概要］
まず、実施の形態１に係る散乱体計測装置の構成について図１及び図２を用いて説明する。図１は、本実施の形態に係る散乱体計測装置１００による散乱体１０１の計測を説明するための図である。図２は、本実施の形態に係る散乱体計測装置１００による連続体１０２を利用した光路長の調整を説明するための図である。

図１に示されるように、本実施の形態に係る散乱体計測装置１００は、大気中に出射光Ｌ２を出射し、大気中に存在する散乱体１０１が出射光Ｌ２を散乱させることで発生する散乱光Ｌ３を取得し、取得した散乱光Ｌ３を処理することで、散乱体１０１に含まれるエアロゾルの有無及び／又は濃度を計測する。散乱体１０１は、散乱体計測装置１００による計測の対象空間中に浮遊している。

対象空間は、例えば、住居、オフィス、介護施設又は病院などの建物の一部屋である。対象空間は、例えば、壁、窓、ドア、床及び天井などで仕切られた空間であり、閉じられた空間であるが、これに限らない。対象空間は、屋外の開放された空間であってもよい。また、対象空間は、バス又は飛行機などの移動体の内部空間であってもよい。

散乱体１０１は、計測対象物であるエアロゾル、及び、空気を構成する分子を含む。エアロゾルは、具体的には、対象空間内を浮遊している浮遊粒子状物質、生物系粒子又は微小水滴などである。浮遊粒子状物質には、塵埃（dust）、フューム（fume）、煤塵（smoke dust）、煙霧（haze）、スモッグ（smog）又はＰＭ２．５などが含まれる。生物系粒子には、空中に浮遊するカビ若しくはダニ、又は花粉なども含まれる。また、微小水滴には、霧（fog）、ミスト又は靄（mist）などの自然発生的な水滴だけでなく、咳又はくしゃみなどの人体から動的に発生する物質が含まれる。エアロゾルの粒径は、例えば約１ｎｍから約１００μｍの範囲である。また、エアロゾルの濃度は、約１個／ｃｍ^３から約１０^１０個／ｃｍ^３の範囲である。

計測対象物であるエアロゾルは、空気を構成する分子に比べて十分に大きい。本実施の形態では、エアロゾルの粒径が出射光Ｌ２の波長以上であるので、エアロゾルは、出射光Ｌ２を散乱させることでミー散乱光を発生させる。空気を構成する分子は、出射光Ｌ２の波長よりも十分に小さいので、出射光Ｌ２を散乱させることでレイリー散乱光を発生させる。したがって、散乱体計測装置１００が取得する散乱光Ｌ３には、ミー散乱光とレイリー散乱光とが含まれる。ここでのミー散乱光は、ミー散乱による後方散乱光である。散乱体計測装置１００は、散乱光Ｌ３からミー散乱光を抽出し、抽出したミー散乱光に基づいてエアロゾルの有無及び濃度を計測する。

また、散乱体計測装置１００は、図２に示されるように、連続体１０２に向けて出射光Ｌ２を出射し、連続体１０２が出射光Ｌ２を反射させることで発生する反射光Ｌ５を取得し、取得した反射光Ｌ５を処理することで、光路長の調整を行う。光路長の調整の詳細については後で説明するが、光路長が調整されることにより、十分な強度でミー散乱光を抽出することができる。

連続体１０２は、エアロゾルより大きく、空間的な広がりを有する物体である。連続体１０２は、散乱体１０１とは異なり、空間中に浮遊しない。連続体１０２は、固体連続体であり、例えば弾性体である。弾性体とは、与えられている圧力を取り除いた場合に元の状態に復帰する固体である。連続体１０２は、例えば、出射光Ｌ２を反射するための１ｍｍ^２以上の反射面を有する物体である。連続体１０２は、具体的には、壁、柱、天井、床若しくは窓などの建築構造物、カーテン若しくは棚などの家具、又は、家電製品などである。

本実施の形態に係る散乱体計測装置１００は、対象空間内の異なる方向に向けて出射光Ｌ２を出射する。つまり、散乱体計測装置１００は、出射光Ｌ２の出射方向を変更することができる。出射光Ｌ２の出射方向は、例えば、ＭＥＭＳ（Micro-Electro-Mechanical Systems）ミラー（図示せず）などによって変更される。あるいは、散乱体計測装置１００全体の向きを変更することで、出射光Ｌ２の出射方向が変更されてもよい。散乱体計測装置１００は、対象空間内を出射光Ｌ２で走査することにより、対象空間内のエアロゾルの分布を作成することができる。また、光路長の調整が必要な場合に、散乱体計測装置１００は、連続体１０２に向けて出射光Ｌ２を出射することができる。

［２．構成］
次に、散乱体計測装置１００の具体的な構成について、図３を用いて説明する。図３は、本実施の形態に係る散乱体計測装置１００の構成を示す図である。

図３に示されるように、散乱体計測装置１００は、エタロン１０及び２０と、光源３０と、集光部４０及び４１と、受光器５０と、信号処理回路６０と、制御部７０と、軸調整部８０とを備える。

エタロン１０は、第１光の光路上に配置され、第１光を内部で干渉させて第１干渉光を出射する第１のエタロンの一例である。本実施の形態では、第１光は、光源３０から出射される光Ｌ１である。エタロン１０は、光Ｌ１の光路上に配置され、光Ｌ１を内部で干渉させて出射光Ｌ２を出射する。エタロン１０から出射される出射光Ｌ２は、第１干渉光の一例であり、例えば、等しい周波数間隔の複数本のピークを有する光である。複数本のピークを有する光は、マルチ光とも呼称される。

図４は、エタロン１０の構造を示す図である。図４に示されるように、エタロン１０は、透光部１１と、２つの多層膜１２及び１３とを有する。エタロン１０の形状は、例えば、多層膜１２及び１３が並ぶ方向を柱軸方向とする円柱体又は角柱体などである。多層膜１２及び１３が並ぶ方向は、エタロン１０の光軸方向であり、多層膜１２の光入射面及び多層膜１３の光出射面に垂直な方向である。

透光部１１は、例えば石英又は水晶などの透明な材料を用いて形成されている。透光部１１は、２つの多層膜１２及び１３に挟まれており、２つの多層膜１２及び１３の各々に接触している。

２つの多層膜１２及び１３はそれぞれ、複数の誘電体膜の積層構造を有する誘電体多層膜である。例えば、２つの多層膜１２及び１３はそれぞれ、屈折率が低い誘電体膜と屈折率が高い誘電体膜とを交互に積層されることで形成されている。誘電体膜としては、例えば、チタン酸化膜、ハフニウム酸化膜、シリコン酸化膜などが用いられる。なお、透光部１１は、空気層であってもよく、２つの多層膜１２及び１３は、一定距離を保つように枠体などによって固定されていてもよい。

本実施の形態では、図４に示されるように、光Ｌ１は、エタロン１０の多層膜１２から入射し、エタロン１０の内部で多重反射される。多重反射された光が互いに干渉し、等しい周波数間隔の複数本のピークを有するマルチ光が出射光Ｌ２として多層膜１３から出射される。

エタロン２０は、第２光の光路上に配置され、第２光を内部で干渉させて第２干渉光を出射する第２のエタロンの一例である。本実施の形態では、第２光は、出射光Ｌ２が照射される対象物に応じて異なる。具体的には、図１に示されるように出射光Ｌ２が散乱体１０１に照射された場合には、第２光は、出射光Ｌ２が散乱体１０１で散乱されることにより発生する散乱光Ｌ３である。図２に示されるように出射光Ｌ２が連続体１０２に照射された場合には、第２光は、出射光Ｌ２が連続体１０２で反射されることにより発生する反射光Ｌ５である。

図３に示されるように、エタロン２０は、散乱光Ｌ３の光路上に配置され、散乱光Ｌ３を内部で干渉させて、散乱光Ｌ３に含まれるミー散乱光を、干渉光Ｌ４として通過させる。干渉光Ｌ４は、第２干渉光の一例である。なお、散乱体計測装置１００内では、反射光Ｌ５の光路は、散乱光Ｌ３の光路と同じである。つまり、エタロン２０は、反射光Ｌ５の光路上に配置されている。エタロン２０に反射光Ｌ５が入射した場合、エタロン２０は、反射光Ｌ５を内部で干渉させて干渉光Ｌ４を出射する。

エタロン２０は、エタロン１０と同様に、入射する光を内部で干渉させて、等しい周波数間隔の複数本のピークを有する光として出射する。エタロン２０とエタロン１０とは、実質的に同一の光学特性を有する。つまり、エタロン１０及び２０の各々に同じ光を入射した場合に、各々から出射される光の周波数間隔が同じになる。例えば、エタロン２０は、エタロン１０と同じ構成を有する。つまり、エタロン２０は、図４に示されるエタロン１０と同様に、透光部１１と、２つの多層膜１２及び１３とを有する。

本実施の形態では、エタロン１０及びエタロン２０の各々の長さＬが所定の条件を満たすように調整されており、散乱光Ｌ３に含まれるミー散乱光を、干渉光Ｌ４として通過させ、レイリー散乱光の通過を抑制する。これにより、散乱光Ｌ３からレイリー散乱光を適切に削減することができるので、エアロゾルに起因するミー散乱光を受光器５０に受光させることができる。

光源３０は、第１光を出射する光源である。図３に示されるように、光源３０は、光Ｌ１をエタロン１０に向けて出射する。光Ｌ１は、例えばパルス光であるが、連続光であってもよい。光Ｌ１は、特定の波長帯域にピークを有する単色光であってもよく、ブロードな波長帯域を含む光であってもよい。ピークの帯域幅は、例えば、１０ｐｍから１０ｎｍの範囲である。光Ｌ１は、例えば、紫外光、可視光又は赤外光などである。

なお、光源３０とエタロン１０との間には、光Ｌ１を反射するミラーが配置されていてもよい。ミラーによって光Ｌ１の光路を曲げることができるので、散乱体計測装置１００内での光源３０の配置の自由度を高めることができる。

光源３０は、例えば、パルスレーザ光を光Ｌ１として出射する半導体レーザ素子である。光Ｌ１のビームモードは、例えばマルチ縦モードであるが、シングルモードであってもよい。一例として、光源３０は、４０５ｎｍの近傍にピークを有するレーザ光を光Ｌ１として出射する。あるいは、光源３０は、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）素子であってもよい。また、光源３０は、ハロゲンランプなどの放電ランプであってもよい。

集光部４０は、散乱光Ｌ３又は反射光Ｌ５を集光する部材である。集光部４０は、散乱体１０１又は連続体１０２とエタロン２０との間に配置される。集光部４０は、例えば、少なくとも１つの凸レンズを含むが、少なくとも１つの反射鏡を含んでもよい。例えば、集光部４０は、コリメートレンズを含むレンズ群を含んでもよく、集光した散乱光Ｌ３又は反射光Ｌ５を平行光に変換してエタロン２０に向けて出射する。また、集光部４０には、ピンホールが含まれてもよい。散乱光Ｌ３の強度が高い場合は、特に、集光部４０が配置されていなくてもよい。つまり、散乱体計測装置１００は、集光部４０を備えなくてもよい。

集光部４１は、エタロン２０を通過した光を集光する。例えば、集光部４１は、エタロン２０から出射される干渉光Ｌ４を集光する。集光部４１は、受光器５０の受光面に干渉光Ｌ４を集光する。集光部４１は、エタロン２０と受光器５０との間に配置される。集光部４１は、例えば、少なくとも１つの凸レンズを含むが、少なくとも１つの反射鏡を含んでもよい。散乱体計測装置１００は、集光部４１を備えなくてもよい。

受光器５０は、集光部４０によって集光された散乱光Ｌ３又は反射光Ｌ５のうち、エタロン２０から出射される干渉光Ｌ４を受光し、受光強度に応じた信号を生成して出力する。受光強度は、干渉光Ｌ４の強度であり、例えば、受光器５０が生成する信号の信号強度で表される。エタロン２０に散乱光Ｌ３が入射した場合、受光器５０が生成する信号の信号強度は、散乱光Ｌ３に含まれるミー散乱光の強度に相当する。

受光器５０は、光電変換を行う素子であり、例えば、ＰＭＴ（Photomultiplier Tube）である。あるいは、受光器５０は、ＰＭＴとフォトンカウンタとを有してもよい。また、受光器５０は、アバランシェフォトダイオードであってもよい。受光器５０は、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）イメージセンサ又はＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）イメージセンサであってもよい。

信号処理回路６０は、受光器５０から出力された信号を分析することで、散乱体１０１に含まれるエアロゾルを分析する。例えば、信号処理回路６０は、信号の信号強度に基づいてエアロゾルの有無及び濃度を決定する。具体的には、信号処理回路６０は、信号強度とエアロゾルの濃度とを対応付けた対応情報を参照することで、信号強度に対応するエアロゾルの濃度を決定する。対応情報は、例えば、信号処理回路６０が備えるメモリ（図示せず）に予め記憶されている。

また、信号処理回路６０は、出射光Ｌ２が出射されてから干渉光Ｌ４を受光するまでに要する時間に基づいて、ＴＯＦ（Time Of Flight）方式によって散乱体１０１までの距離を算出する。信号処理回路６０は、算出した距離と出射光Ｌ２を出射した方向とに基づいて、対象空間内のエアロゾルの位置を特定する。出射光Ｌ２の出射方向を変更しながらエアロゾルの位置の特定を繰り返すことで、信号処理回路６０は、対象空間内でのエアロゾルの分布を作成する。

信号処理回路６０は、複数の回路部品を含む１つ又は複数の電子回路で構成されている。１つ又は複数の電子回路はそれぞれ、汎用的な回路でもよく、専用の回路でもよい。つまり、信号処理回路６０が実行する機能は、電子回路などのハードウェアで実現される。あるいは、信号処理回路６０は、プログラムが格納された不揮発性メモリ、プログラムを実行するための一時的な記憶領域である揮発性メモリ、入出力ポート、プログラムを実行するプロセッサなどで実現されてもよい。信号処理回路６０が実行する機能は、プロセッサで実行されるソフトウェアで実現されてもよい。

制御部７０は、散乱体計測装置１００が備える各構成要素の動作を制御する。具体的には、制御部７０は、光源３０、受光器５０、信号処理回路６０及び軸調整部８０を制御する。

例えば、制御部７０は、エタロン１０内での光の光路長、及び、エタロン２０内での光の光路長の少なくとも一方の光路長の調整を行う。本実施の形態では、制御部７０は、エタロン２０内での光の光路長の調整を行う。具体的には、制御部７０は、軸調整部８０を制御することにより、エタロン２０内での光の光路長を変化させる。

制御部７０は、反射光Ｌ５がエタロン２０に入射した場合に、受光器５０から出力される信号に基づいて、光路長の調整を行う。この場合の受光器５０から出力される信号は、反射光Ｌ５の干渉光Ｌ４に対応する信号である。なお、反射光Ｌ５の干渉光Ｌ４とは、反射光Ｌ５がエタロン２０に入射した場合に、エタロン２０から出射される干渉光Ｌ４である。

また、制御部７０は、散乱光Ｌ３を受光器５０が受光した場合に、受光器５０から出力される信号に基づいて、散乱体１０１の計測を行う。この場合の受光器５０から出力される信号は、散乱光Ｌ３の干渉光Ｌ４に対応する信号である。なお、散乱光Ｌ３の干渉光Ｌ４とは、散乱光Ｌ３がエタロン２０に入射した場合に、エタロン２０から出射される干渉光Ｌ４である。具体的には、散乱光Ｌ３の干渉光Ｌ４は、散乱光Ｌ３に含まれるミー散乱光である。制御部７０による光路長の調整及び散乱体１０１の計測の具体的な処理については、後で説明する。

制御部７０は、複数の回路部品を含む１つ又は複数の電子回路で構成されている。１つ又は複数の電子回路はそれぞれ、汎用的な回路でもよく、専用の回路でもよい。つまり、制御部７０が実行する機能は、電子回路などのハードウェアで実現される。制御部７０は、例えば、マイクロコントローラであってもよい。具体的には、制御部７０は、プログラムが格納された不揮発性メモリ、プログラムを実行するための一時的な記憶領域である揮発性メモリ、入出力ポート、プログラムを実行するプロセッサなどで実現されてもよい。制御部７０が実行する機能は、プロセッサで実行されるソフトウェアで実現されてもよい。制御部７０と信号処理回路６０とは、メモリなどのハードウェア資源を共用してもよい。

軸調整部８０は、エタロン２０の光軸の傾きを調整する。エタロン２０の光軸の傾きが変更されることで、エタロン２０内での散乱光Ｌ３又は反射光Ｌ５の光路長が変化する。

軸調整部８０は、例えば、エタロン２０を支持する支持部と、当該支持部を回動させるステッピングモータとを含む。ステッピングモータは、例えば、エタロン２０の光軸に平行で、かつ、光軸を含む面内で支持部を回動させる。これにより、エタロン２０の光軸を傾けることができる。なお、軸調整部８０は、ステッピングモータの代わりにアクチュエータを備えてもよく、特に限定されない。

散乱体計測装置１００が備える各構成要素は、例えば、図示しない筐体の内部に収容されている。筐体は、散乱体計測装置１００の外郭筐体であり、遮光性を有する。筐体には、出射光Ｌ２並びに散乱光Ｌ３及び反射光Ｌ５を通過させるための開口が設けられている。開口は、出射光Ｌ２用と散乱光Ｌ３及び反射光Ｌ５用とに対応させて１つずつ設けられていてもよい。集光部４０に含まれる集光レンズの１つは、当該開口に設けられていてもよい。

［３．基本動作］
次に、散乱体計測装置１００の基本動作について、図５を用いて説明する。図５は、本実施の形態に係る散乱体計測装置１００の基本動作を示すフローチャートである。基本動作は、散乱体１０１の計測、及び、光路長の調整に共通する動作である。

図５に示されるように、まず、光源３０が第１光を出射する（Ｓ１）。第１光である光Ｌ１は、図３に示されるように、エタロン１０に入射する。次に、エタロン１０は、第１光を内部で干渉させて第１干渉光を出射する（Ｓ２）。エタロン１０から出射された第１干渉光である出射光Ｌ２は、例えば、図１に示される散乱体１０１で散乱されて、散乱光Ｌ３として散乱体計測装置１００に戻ってくる。あるいは、出射光Ｌ２は、図２に示される連続体１０２で反射されて、反射光Ｌ５として散乱体計測装置１００に戻ってくる。

次に、集光部４０は、第１干渉光が散乱又は反射されることで発生する第２光を集光する（Ｓ３）。具体的には、集光部４０は、第２光である散乱光Ｌ３又は反射光Ｌ５を集光して、エタロン２０に入射させる。次に、エタロン２０は、集光された第２光を内部で干渉させて第２干渉光を出射する（Ｓ４）。エタロン２０から出射された第２干渉光である干渉光Ｌ４は、集光部４１によって受光器５０の受光面に集光される。

次に、受光器５０は、第２干渉光である干渉光Ｌ４を受光する（Ｓ５）。受光器５０は、受光した干渉光Ｌ４を光電変換することで、干渉光Ｌ４の強度に応じた信号強度を有する信号を生成して出力する。次に、信号処理回路６０は、受光器５０から出力される信号を処理する（Ｓ６）。例えば、信号処理回路６０は、散乱光Ｌ３に基づく信号を処理することで、ミー散乱光の強度を取得し、エアロゾルの位置及び濃度を分析する。

［４．動作］
次に、散乱体計測装置１００の動作について説明する。

図６は、本実施の形態に係る散乱体計測装置１００の動作を示すフローチャートである。図６に示されるように、散乱体計測装置１００は、まず、光路長の調整を行う（Ｓ１０）。光路長の調整を行った後、散乱体計測装置１００は、散乱体１０１の計測を行う（Ｓ２０）。

上述したように、光路長の調整は、連続体１０２からの反射光Ｌ５がエタロン２０に入射した場合、すなわち、反射光Ｌ５の干渉光Ｌ４を受光器５０が受光した場合に行われる。散乱体１０１の計測は、散乱体１０１からの散乱光Ｌ３がエタロン２０に入射した場合、すなわち、散乱光Ｌ３の干渉光Ｌ４を受光器５０が受光した場合に行われる。例えば、制御部７０は、反射光Ｌ５の干渉光Ｌ４が受光器５０によって受光されるまで、散乱体１０１の計測の実行を禁止している。

なお、散乱光Ｌ３及び反射光Ｌ５のいずれの干渉光Ｌ４を受光器５０が受光したかの判定は、受光器５０から出力される信号の信号強度に基づいて行われる。通常、散乱体１０１によって散乱された散乱光Ｌ３は、連続体１０２によって反射された反射光Ｌ５よりも弱い光である。つまり、散乱光Ｌ３の信号強度は、反射光Ｌ５の信号強度より低い。したがって、制御部７０は、受光器５０から出力される信号の信号強度が閾値より高い場合に、受光器５０が反射光Ｌ５を受光したと判定し、光路長の調整を行う。制御部７０は、受光器５０から出力される信号の信号強度が閾値より低い場合に、受光器５０が散乱光Ｌ３を受光したと判定し、散乱体１０１の計測を行う。閾値は、散乱光Ｌ３と反射光Ｌ５とを判別できる値であれば、特に限定されない。

あるいは、散乱体計測装置１００から連続体１０２までの距離が判明している場合、出射光Ｌ２を出射してから反射光Ｌ５が戻ってくるまでに要する所要時間が分かる。このため、制御部７０は、出射光Ｌ２を出射してからの時間に基づいて、受光器５０が散乱光Ｌ３及び反射光Ｌ５のいずれを受光したか判定してもよい。具体的には、出射光Ｌ２を出射してからの時間が上記所要時間に実質的に一致する時間に受光された光を反射光Ｌ５と判定し、それ以外の光を出射光Ｌ２として判定してもよい。

これにより、図７に示されるように、散乱体計測装置１００と連続体１０２との間に散乱体１０１が存在する場合であっても、連続体１０２からの反射光Ｌ５を利用して、光路長の調整を行うことができる。図７は、本実施の形態に係る散乱体計測装置１００と連続体１０２との間に散乱体１０１が存在する場合の光路長の調整を説明するための図である。

なお、散乱体１０１の濃度が高すぎる場合、安定した強度の反射光Ｌ５を受光できない場合がある。この場合、散乱体計測装置１００は、散乱体１０１が拡散されて濃度が低くなるまで待機する。あるいは、散乱体計測装置１００は、連続体１０２とは異なる方向に位置する別の連続体に向けて出射光Ｌ２を照射してもよい。

また、制御部７０は、光路長の調整を行う調整モードと、散乱体１０１の計測を行う計測モードとを有し、当該２つの動作モードをユーザからの指示に基づいて切り替えてもよい。例えば、散乱体計測装置１００は、ユーザからの指示を受け付ける入力装置を備える。入力装置は、マイクロフォンなどの音声入力装置又はタッチパネルディスプレイである。あるいは、入力装置は、モードの選択又は切り替えを受け付ける物理的な操作ボタンであってもよい。制御部７０は、調整モードの指示を受け付けた場合に、出射光Ｌ２の出射方向を連続体１０２に向けることで、反射光Ｌ５の干渉光Ｌ４を受光器５０に受光させることができ、光路長の調整を行う。制御部７０は、計測モードの指示を受け付けた場合に、出射光Ｌ３の出射方向を大気中に向けることで、散乱光Ｌ３の干渉光Ｌ４を受光器５０に受光させることができ、散乱体１０１の計測を行う。なお、出射光Ｌ２の出射方向の変更は、ユーザが手動で行ってもよい。

［４−１．光路長の調整（Ｓ１０）］
次に、光路長の調整（Ｓ１０）について、図８を用いて説明する。図８は、本実施の形態に係る散乱体計測装置１００による光路長の調整処理（Ｓ１０）を示すフローチャートである。

図８に示されるように、散乱体計測装置１００は、連続体１０２に向けて出射光Ｌ２を出射する（Ｓ１１）。次に、受光器５０は、出射光Ｌ２が連続体１０２で反射されることにより発生した反射光Ｌ５の干渉光Ｌ４を受光する（Ｓ１２）。なお、出射光Ｌ２の出射（Ｓ１１）及び干渉光Ｌ４の受光（Ｓ１２）は、具体的には図５に示される基本動作に沿って行われる。

制御部７０は、干渉光Ｌ４の信号強度が最大でなければ（Ｓ１３でＮｏ）、光路長を調整する（Ｓ１４）。具体的には、制御部７０は、軸調整部８０を制御することで、エタロン２０の光軸の傾きを変更する。光軸の傾きが変更されることにより、光路長が変化する。光路長が変化した後、ステップＳ１１に戻り、再び出射光Ｌ２を連続体１０２に向けて出射する。以降、干渉光Ｌ４の信号強度が最大になるまで、光路長の調整（Ｓ１４）が繰り返される。

干渉光Ｌ４の信号強度が最大である場合（Ｓ１３でＹｅｓ）、光路長の調整は終了する。

以上のように、光路長は、干渉光Ｌ４の信号強度が最大になるときの値に調整される。このため、調整後に行われる散乱体１０１の計測では、干渉光Ｌ４の信号強度が最大になる。したがって、微弱な散乱光Ｌ３に含まれるミー散乱光成分を最大強度で抽出することができるので、散乱体１０１の計測精度を高めることができる。

なお、光路長の調整は、信号強度が所定の値以上になるまで繰り返してもよい。所定の値は、例えば、信号強度の最大値の５０％以上の値である。所定の値は、信号強度の最大値でなくてもよい。

［４−２．散乱体の計測（Ｓ２０）］
次に、散乱体の計測（Ｓ２０）について、図９を用いて説明する。図９は、本実施の形態に係る散乱体計測装置１００による散乱体１０１の計測処理（Ｓ２０）を示すフローチャートである。

図９に示されるように、散乱体計測装置１００は、散乱体１０１に向けて出射光Ｌ２を出射する（Ｓ２１）。次に、受光器５０は、出射光Ｌ２が散乱体１０１で散乱されることにより発生した散乱光Ｌ３の干渉光Ｌ４を受光する（Ｓ２２）。なお、出射光Ｌ２の出射（Ｓ２１）及び干渉光Ｌ４の受光（Ｓ２２）は、具体的には図５に示される基本動作に沿って行われる。

制御部７０は、干渉光Ｌ４の信号強度が閾値より低下していない場合（Ｓ２３でＮｏ）、出射光Ｌ２の出射方向を変更する（Ｓ２４）。閾値は、例えば、信号強度の最大値の５０％以上の値である。一例として、閾値は、信号強度の最大値の８０％である。

出射方向を変更した後、ステップＳ２１に戻り、再び出射光Ｌ２を散乱体１０１に向けて出射する。以降、干渉光Ｌ４の信号強度が閾値以下になるまで、出射方向の変更（Ｓ２４）が繰り返される。これにより、散乱体計測装置１００は、対象空間内の各位置におけるエアロゾルの有無及び濃度が得られるので、エアロゾルの分布を生成することができる。

干渉光Ｌ４の信号強度が閾値より低下した場合（Ｓ２３でＹｅｓ）、制御部７０は、光路長の調整（Ｓ１０）を再び実行する。例えば、光源３０が発する熱、又は、対象空間の環境変化によって、信号強度が最大になるように調整した光路長が適切な値からずれる場合が起こりうる。光路長が適切な値からずれた場合には、干渉光Ｌ４の信号強度が低下する。散乱体計測装置１００は、干渉光Ｌ４の信号強度が閾値より低下した場合に光路長の調整を再び行うことで、速やかに散乱体１０１の計測が可能な状態に復帰することができる。

なお、ステップＳ２３における干渉光Ｌ４の信号強度は、連続体１０２からの反射光Ｌ５の干渉光の信号強度であってもよい。散乱体１０１からの散乱光Ｌ３に基づく干渉光Ｌ４の信号強度は、エアロゾルの濃度により変わる。このため、反射光Ｌ５の干渉光の信号強度を利用することで、ステップＳ２３における判定の精度を高めることができる。例えば、散乱体計測装置１００が室内空間を対象空間として散乱体１０１の計測を行う場合、出射光Ｌ２の出射方向には、室内空間を形成する壁又は天井などが連続体１０２の一例として存在する。具体的には、図７に示されるように、散乱体１０１の奥側に連続体１０２が存在する。したがって、散乱体１０１の計測を行いながら、連続体１０２からの反射光Ｌ５を利用して、干渉光Ｌ４の信号強度が閾値より低下したか否かを判定してもよい。これにより、反射光Ｌ５の干渉光Ｌ４の信号強度が低下した場合に、速やかに光路長を適切な状態にすることができるので、散乱体１０１の計測を可能な状態に速やかに復帰することができる。このように、散乱体計測装置１００は、散乱体１０１の計測との合間に光路長の調整を行ってもよい。

また、光路長の調整を行うか否かの判定は、干渉光Ｌ４の信号強度と閾値との比較結果に基づく場合に限定されない。例えば、散乱体計測装置１００では、所定の時間が経過する度に、光路長の調整が行われてもよい。

図１０は、本実施の形態に係る散乱体計測装置１００による散乱体１０１の計測処理（Ｓ２０）の別の一例を示すフローチャートである。図１０において、ミー散乱光を受光するまでの処理（Ｓ２１及びＳ２２）は、図９に示す計測処理と同じである。

制御部７０は、所定時間が経過していない場合（Ｓ２３ａでＮｏ）、出射光Ｌ２の出射方向を変更する（Ｓ２４）。所定時間は、例えば、１時間、１０分又は１分などであり、特に限定されない。出射方向を変更した後、ステップＳ２１に戻り、再び出射光Ｌ２を散乱体１０１に向けて出射する。以降、所定時間が経過するまで、出射方向の変更（Ｓ２４）が繰り返される。これにより、散乱体計測装置１００は、対象空間内の各位置におけるエアロゾルの有無及び濃度が得られるので、エアロゾルの分布を生成することができる。

所定時間が経過した場合（Ｓ２３ａでＹｅｓ）、制御部７０は、光路長の調整（Ｓ１０）を再び実行する。例えば、光源３０が発する熱、又は、対象空間の環境変化によって、信号強度が最大になるように調整した光路長が適切な値からずれる場合が起こりうる。このため、所定時間が経過する度に光路長の調整を行うことで、干渉光Ｌ４の信号強度が高くて散乱体１０１の計測が可能な状態を維持することができる。

なお、散乱体計測装置１００は、図１０に示される時間の経過の判定と、図９に示される信号強度の判定との両方を行ってもよい。具体的には、所定時間が経過した場合、及び、信号強度が閾値より低下した場合の少なくとも一方が満たされた場合に、散乱体計測装置１００は、光路長の調整を行ってもよい。

［５．計測の原理と光路長の調整］
散乱体計測装置１００では、出射される光がエタロン１０によって干渉され、受光される光がエタロン２０によって干渉される。具体的には、光源３０から出射される光Ｌ１がエタロン１０に入射され、散乱光Ｌ３又は反射光Ｌ５がエタロン２０に入射される。つまり、光の出射側及び受光側の各々にエタロンが設けられている。

図１１は、エタロン１０から出射される光のスペクトルの一例を示す図である。図１１において、横軸は波長を表し、縦軸は信号強度を表している。

エタロン１０を光が入射した場合、エタロン１０内部で干渉されて出射される干渉光は、図１１に示されるように周期的なスペクトルを持つ光になる。エタロン１０から出射される出射光Ｌ２は、等しい波長間隔の複数のピークを有するマルチ光である。例えば、Ｎ個のピークを有するマルチ光を出射光Ｌ２として利用することで、ピークが１つのみのシングル光よりも全光強度をＮ倍にすることができる。

なお、図１１において横軸は、周波数間隔に置き換えることができる。つまり、図１１に示されるマルチ光は、等しい周波数間隔の複数のピークを有するマルチ光と同義である。

図１２は、図１１に示されるマルチ光のピークの１つを拡大して示す図である。図１２において、横軸は波長を表し、縦軸は信号強度を表している。図１２に示されるスペクトルを有する出射光Ｌ２が大気中に照射された場合、大気中に含まれる散乱体１０１によって散乱されることで、散乱光Ｌ３が発生する。

図１３は、散乱光Ｌ３のスペクトルを示す図である。図１３において、横軸は波長を表し、縦軸は信号強度を表している。

図１３に示されるように、散乱光Ｌ３には、大気構成分子によるレイリー散乱光成分と、エアロゾルによるミー散乱光成分とが含まれる。ミー散乱光成分は、半値全幅の狭いピークを有するのに対して、レイリー散乱光成分は、ミー散乱光成分よりも半値全幅の広いピークを有する。これは、大気構成分子によるレイリー散乱光成分の半値全幅は、大気構成分子の熱運動により広がるためである。実測でのレイリー散乱光成分の半値全幅は、３．４ＧＨｚから３．９ＧＨｚ程度であることが知られている。

一方、エアロゾルによるミー散乱光成分の半値全幅は、図１２に示される出射光Ｌ２の半値全幅と同等である。散乱体計測装置１００では、エタロン２０とエタロン１０とが実質的に同一の光学特性を有するため、エタロン２０の透過スペクトルは、エタロン１０の透過スペクトルと同じになる。したがって、エタロン２０に散乱光Ｌ３が入射した場合、出射光Ｌ２と同じ周波数特性を有するミー散乱光のみが実質的に通過することができる。レイリー散乱光は、エタロン２０を実質的にほとんど通過しない。このように、エタロン１０及びエタロン２０を利用することによって、散乱光Ｌ３からミー散乱光のみを簡単に直接抽出することができる。

ミー散乱光のみを抽出するためには、エタロン１０とエタロン２０との光学特性が実質的に同一でなくてはならない。具体的には、エタロン１０内での光の光路長とエタロン２０内での光の光路長とが同一、又は、後述する所定の条件を満たすことが期待される。しかしながら、エタロン１０及び２０の製造ばらつき、並びに、散乱体計測装置１００の動作時に光源３０などが発生する熱、及び、環境の変化などの影響によって光路長にずれが生じる。

本実施の形態に係る散乱体計測装置１００では、制御部７０が軸調整部８０を制御することにより、エタロン２０の光軸の傾きを変更する。光軸の傾きが変更されることで、エタロン２０に入射する散乱光Ｌ３又は反射光Ｌ５の入射角が変化する。

図１４は、エタロン２０の光軸の傾きを変化させることによる光路長の変化を説明するための図である。図１４に示されるように、エタロン２０に入射角θで散乱光Ｌ３が入射した場合、多層膜１２及び１３と透光部１１との屈折率差によって、透光部１１内には入射角φで散乱光Ｌ３が入射する。このため、入射角０°で散乱光Ｌ３が入射する場合に比べて、透光部１１内での光の光路長が長くなる。光路長が長くなることで、出射される光の周波数間隔が変化する。

エタロン２０から出射される、複数本のピークを有する光の周波数間隔ＦＳＲ（Free Spectral Range）は、以下の式（１）で表される。また、エタロン２０の透過率Ｔ（ν）は、以下の式（２）で表される。

ここで、νは、光の周波数である。Ｒは、エタロン２０の反射率である。Ａは、エタロン２０による損失である。ｎは、エタロン２０内部の屈折率である。エタロン２０内部の屈折率とは、透光部１１の屈折率であり、石英の場合１．４７である。ｃは、光の速度であり、約３×１０^８ｍ／ｓである。Ｌは、図１４にも示されるように、エタロン２０の長さである。また、θは、エタロン２０への光の入射角である。φは、エタロン２０内部での光の入射角である。θとφとは、以下の式（３）で表される関係を満たしている。

また、エタロン２０の光路長χは、以下の式（４）で定義される。なお、光路長χは、エタロン２０を通過する透過光間の光路差に相当する。

なお、受光側のエタロン２０だけでなく、出射側のエタロン１０でも上記式（１）から（３）は成立する。

したがって、エタロン１０の長さＬは、出射光Ｌ２の周波数間隔ＦＳＲが３ＧＨｚで、かつ、入射角θが０°の場合、式（１）から、３４ｍｍになる。光路長χは、式（４）から、９９．９６ｍｍとなる。

エタロン１０又は２０の光路長χは、φが０の場合、式（４）に示されるように、エタロン１０及び２０の長さＬで決まる。一般的には、エタロンの長さＬは、その加工精度により１０μｍ以上異なる場合がある。したがって、制御部７０は、軸調整部８０を制御することで、エタロン１０及び２０の少なくとも一方の光軸を傾けることで、入射角θ及びφを変化させる。これにより、エタロン１０の光路長χ_１とエタロン２０の光路長χ_２との少なくとも一方を調整する。

本実施の形態では、干渉光Ｌ４の信号強度が最大になるように、エタロン２０の光路長χ_２を変化させる。具体的には、干渉光Ｌ４の信号強度は、以下の式（５）を満たす場合に、最大になる。つまり、式（５）が干渉光Ｌ４の信号強度を最大にするための条件である。なお、式（５）のｉは、整数である。

ここで、一例として、エタロン１０の長さＬが４２．８ｍｍであり、エタロン２０の長さＬが４２．８０３ｍｍである場合を想定する。また、光源３０から出射されるレーザ光である光Ｌ１の中心波長が６０７ｎｍである。エタロン１０及び２０の各々の損失Ａは０であり、各々の反射率Ｒは０．７４である。このような条件の下でエタロン２０の光軸の傾きと干渉光Ｌ４の信号強度との関係を算出した結果を図１５に示す。

図１５は、エタロン２０の光軸の傾きと干渉光Ｌ４の信号強度との関係を示す図である。図１５において、横軸は、エタロン２０の光軸の傾きθを表し、縦軸は、エタロン２０から出射される干渉光Ｌ４を表している。図１５に示されるように、干渉光Ｌ４の信号強度は、周期的な極大を繰り返す。信号強度の各極大値は、実質的に同等であり、信号強度の最大値に相当する。このため、エタロン２０の光軸の傾きを増加させ、又は、減少させることにより、信号強度を最大にすることができる。

例えば、図８に示されるステップＳ１４が繰り返される度に、制御部７０は、軸調整部８０を制御することで、エタロン２０の光軸の傾きを０．０１°ずつ一方向に傾ける。これにより、信号強度が最大になる時の傾きを決定することができる。本実施の形態では、信号強度が高い反射光Ｌ５の干渉光Ｌ４を利用して光路長の調整を行うので、ノイズの影響が十分に抑えられ、精度良く光路長の調整を行うことができる。したがって、調整後に行われる散乱体１０１の計測精度も高めることができる。

［６．変形例］
ここで、実施の形態１の変形例について説明する。

実施の形態１では、エタロン２０の光軸の傾きを変更することで光路長の調整を行ったが、光路長の調整を行う手段はこれに限定されない。本変形例では、エタロン２０の温度を調整することで光路長の調整を行う。

例えば、散乱体計測装置１００は、軸調整部８０の代わりに、エタロン２０の温度を調整する温度調整装置を備える。温度調整装置は、例えばヒーターである。

エタロン２０は、温度が変化することにより熱膨張又は熱収縮する。これにより、エタロン２０を通過する散乱光Ｌ３又は反射光Ｌ５の光路長が変化する。

図１６は、エタロン２０の温度を変化させることによる光路長の変化を説明するための図である。図１６に示されるように、エタロン２０の温度を高くすることにより、エタロン２０が膨張した後のエタロン２０の軸方向の長さＬａは、膨張前の長さＬよりも長くなる。エタロン２０の軸方向の長さが膨張によって長くなることにより、光路長が変化する。例えば、エタロン２０の光軸に平行に光が入射する場合、式（４）においてφ＝０であるから、エタロン２０の光路長χは、２ｎＬで表される。したがって、エタロン２０の膨張又は収縮によってエタロン２０の長さＬを変更することにより、光路長χが変化する。このため、実施の形態１と同様に、エタロン１０の光路長χ_１とエタロン２０の光路長χ_２とが上記式（５）を満たすように調整することができる。

なお、式（５）で示したように、干渉光Ｌ４の信号強度は、エタロン１０の光路長χ_１とエタロン２０の光路長χ_２との両方に基づいて決定される。したがって、制御部７０は、エタロン１０内での光の光路長を調整してもよい。具体的には、制御部７０は、エタロン１０の光軸の傾きを変化させてもよく、エタロン１０の温度を変化させてもよい。あるいは、制御部７０は、エタロン１０内での光の光路長、及び、エタロン２０内での光の光路長の両方を調整してもよい。また、制御部７０は、光軸の傾きと温度との両方を変更することで、光路長の調整を行ってもよい。

また、制御部７０は、エタロン１０及びエタロン２０の少なくとも一方の圧力を調整してもよい。例えば、散乱体計測装置１００は、軸調整部８０の代わりに、圧力調整部を備えてもよい。圧力調整部は、エタロン１０又は２０に加圧することで、エタロン１０又は２０の透光部１１を押し縮めて長さＬを短くすることができる。あるいは、圧力調整部は、エタロン１０又は２０に減圧することで、エタロン１０又は２０の透光部１１を引き伸ばして長さＬを短くすることができる。

（実施の形態２）
続いて、実施の形態２について説明する。

実施の形態２では、実施の形態１と比較して、散乱体計測装置が連続体を備える点が相違する。以下では、実施の形態１との相違点を中心に説明し、共通点の説明を省略又は簡略化する。

［１．構成］
まず、本実施の形態に係る散乱体計測装置の構成について、図１７Ａ及び図１７Ｂを用いて説明する。図１７Ａは、本実施の形態に係る散乱体計測装置２００による光路長の調整を説明するための図である。図１７Ｂは、本実施の形態に係る散乱体計測装置２００による散乱体１０１の計測を説明するための図である。

図１７Ａに示されるように、本実施の形態に係る散乱体計測装置２００は、実施の形態１に係る散乱体計測装置１００と比較して、２つのミラー９０及び９１と、連続体２０２とを新たに備える点が相違する。

連続体２０２は、散乱体計測装置１００の外郭筐体の内面である。あるいは、連続体２０２は、散乱体計測装置１００の外郭筐体の内部に配置された光反射性を有する物体である。

ミラー９０は、エタロン１０から出射される出射光Ｌ２を連続体２０２に向けて反射する。ミラー９０によって反射された出射光Ｌ２は、連続体２０２によって反射される。

ミラー９１は、連続体２０２が出射光Ｌ２を反射することで発生する反射光Ｌ５をエタロン２０に向けて反射する。ミラー９１によって反射された反射光Ｌ５は、エタロン２０に入射され、その一部が干渉光Ｌ４としてエタロン２０から出射される。なお、集光部４０は、ミラー９１とエタロン２０との間に配置されていてもよく、ミラー９１で反射された反射光Ｌ５は、集光部４０によって集光された後、エタロン２０に入射してもよい。

ミラー９０及び９１は、例えば、鏡面反射する反射面を有する平板ミラーである。あるいは、ミラー９０及び９１の少なくとも一方は、凹面鏡であってもよい。

ミラー９０及び９１は、いずれも可動式ミラーである。具体的には、ミラー９０は、図１７Ａに示される出射光Ｌ２の光路上の位置と、図１７Ｂに示される出射光Ｌ２の光路上とは異なり、出射光Ｌ２を遮らない位置とに移動可能である。ミラー９１は、図１７Ａに示される反射光Ｌ５の光路上の位置と、図１７Ｂに示される散乱光Ｌ３の光路上とは異なり、散乱光Ｌ３を遮らない位置とに移動可能である。

ミラー９０及び９１は、例えば互いの位置関係及び姿勢が固定された状態で移動可能である。例えば、ミラー９０及び９１は、アクチュエータなどによって移動可能であり、定められた位置で固定される。具体的には、光路長の調整を行う場合には、ミラー９０及び９１は、図１７Ａに示される位置に固定される。散乱体の計測を行う場合には、ミラー９０及び９１は、図１７Ｂに示される位置に固定される。なお、ミラー９０及び９１の移動は、制御部７０によって制御される。

［２．動作］
次に、本実施の形態に係る散乱体計測装置２００の動作について、図１８を用いて説明する。図１８は、本実施の形態に係る散乱体計測装置２００の動作を示すフローチャートである。

図１８に示されるように、まず、制御部７０は、散乱体計測装置２００の内部のミラー９０及び９１をそれぞれ、出射光Ｌ２の光路上の位置、及び、反射光Ｌ５の光路上の位置に移動させる（Ｓ３０）。その後、散乱体計測装置２００は、光路長の調整を行う（Ｓ１０）。光路長の調整は、図８で示した処理と同じである。

光路長の調整が行われた後、制御部７０は、散乱体計測装置２００の内部のミラー９０及び９１をそれぞれ、出射光Ｌ２の光路上、及び、反射光Ｌ５の光路上から移動させる（Ｓ４０）。その後、散乱体計測装置２００は、散乱体１０１の計測を行う（Ｓ２０）。散乱体１０１の計測は、図９又は図１０で示した処理と同じである。

以上のように、光路長の調整を行う前には、図１７Ａに示されるように光路上にミラー９０及び９１が配置される。これにより、光源３０から光Ｌ１が出射された場合に、図１７Ａに示されるように、出射光Ｌ２がミラー９０で反射された後、連続体２０２で反射される。連続体２０２からの反射光Ｌ５は、ミラー９１で反射された後、エタロン２０に入射され、干渉光Ｌ４が受光器５０に受光される。出射光Ｌ２及び反射光Ｌ５の光路はいずれも、散乱体計測装置２００の内部のみであるので、外光に基づくノイズの影響を抑制することができる。

また、散乱体１０１の計測を行う場合には、図１７Ｂに示されるように光路上からミラー９０及び９１が取り除かれる。これにより、実施の形態１に係る散乱体計測装置１００と同様に、散乱体１０１の計測が可能になる。

［３．変形例］
ここで、実施の形態２の変形例について説明する。

図１９Ａは、本変形例に係る散乱体計測装置２００ａによる光路長の調整を説明するための図である。図１９Ｂは、本変形例に係る散乱体計測装置２００ａによる散乱体１０１の計測を説明するための図である。

図１９Ａに示されるように、本変形例に係る散乱体計測装置２００ａは、実施の形態２に係る散乱体計測装置２００と比較して、ミラー９１及び連続体２０２の代わりに、ミラー９１ａを備える点が相違する。

ミラー９１ａは、散乱体計測装置１００の外郭筐体の内部に配置された光反射性を有する物体である。つまり、ミラー９１ａは、実施の形態２に係るミラー９１及び連続体２０２の機能を有する１つの物体である。

ミラー９１ａは、ミラー９０によって反射された出射光Ｌ２を反射することで、反射光Ｌ５をエタロン２０に向けて反射する。ミラー９１ａによって反射された反射光Ｌ５は、エタロン２０に入射され、その一部が干渉光Ｌ４としてエタロン２０から出射される。

ミラー９１ａは、例えば、可動式ミラーである。具体的には、ミラー９１ａは、図１９Ａに示されるように、ミラー９０によって反射された出射光Ｌ２の光路上の位置と、図１９Ｂに示されるように、散乱光Ｌ３の光路上とは異なり、散乱光Ｌ３を遮らない位置とに移動可能である。

ミラー９０及び９１ａは、例えば互いの位置関係及び姿勢が固定された状態で移動可能である。具体的には、光路長の調整を行う場合には、ミラー９０及び９１ａは、図１９Ａに示される位置に固定される。散乱体の計測を行う場合には、ミラー９０及び９１ａは、図１９Ｂに示される位置に固定される。なお、ミラー９０及び９１ａの移動は、制御部７０によって制御される。

このように、１つのミラー９１ａによって、実施の形態２に係るミラー９１及び連続体２０２の２つの機能を実現してもよい。

（他の実施の形態）
以上、１つ又は複数の態様に係る散乱体計測装置及び散乱体計測方法について、実施の形態に基づいて説明したが、本開示は、これらの実施の形態に限定されるものではない。本開示の主旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を本実施の形態に施したもの、及び、異なる実施の形態における構成要素を組み合わせて構築される形態も、本開示の範囲内に含まれる。

例えば、連続体１０２は、液体連続体であってもよい。具体的には、連続体１０２は、水槽に容れられた水であってもよい。散乱体計測装置１００は、連続体１０２である水の水面に向けて出射光Ｌ２を出射し、水面からの反射光Ｌ５を取得してもよい。

また、上記実施の形態において、特定の処理部が実行する処理を別の処理部が実行してもよい。また、複数の処理の順序が変更されてもよく、あるいは、複数の処理が並行して実行されてもよい。また、エアロゾル計測装置が備える構成要素の複数の装置への振り分けは、一例である。例えば、一の装置が備える構成要素を他の装置が備えてもよい。また、エアロゾル計測装置は、単一の装置として実現されてもよい。

例えば、上記実施の形態において説明した処理は、単一の装置（システム）を用いて集中処理することによって実現してもよく、又は、複数の装置を用いて分散処理することによって実現してもよい。また、上記プログラムを実行するプロセッサは、単数であってもよく、複数であってもよい。すなわち、集中処理を行ってもよく、又は分散処理を行ってもよい。

また、上記実施の形態において、信号処理回路、制御部などの構成要素の全部又は一部は、専用のハードウェアで構成されてもよく、あるいは、各構成要素に適したソフトウェアプログラムを実行することによって実現されてもよい。各構成要素は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）又はプロセッサなどのプログラム実行部が、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）又は半導体メモリなどの記録媒体に記録されたソフトウェアプログラムを読み出して実行することによって実現されてもよい。

また、信号処理回路などの構成要素は、１つ又は複数の電子回路で構成されてもよい。１つ又は複数の電子回路は、それぞれ、汎用的な回路でもよいし、専用の回路でもよい。

１つ又は複数の電子回路には、例えば、半導体装置、ＩＣ（Integrated Circuit）又はＬＳＩ（Large Scale Integration）などが含まれてもよい。ＩＣ又はＬＳＩは、１つのチップに集積されてもよく、複数のチップに集積されてもよい。ここでは、ＩＣ又はＬＳＩと呼んでいるが、集積の度合いによって呼び方が変わり、システムＬＳＩ、ＶＬＳＩ（Very Large Scale Integration）、又は、ＵＬＳＩ（Ultra Large Scale Integration）と呼ばれるかもしれない。また、ＬＳＩの製造後にプログラムされるＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）も同じ目的で使うことができる。

また、本開示の全般的又は具体的な態様は、システム、装置、方法、集積回路又はコンピュータプログラムで実現されてもよい。あるいは、当該コンピュータプログラムが記憶された光学ディスク、ＨＤＤ若しくは半導体メモリなどのコンピュータ読み取り可能な非一時的記録媒体で実現されてもよい。また、システム、装置、方法、集積回路、コンピュータプログラム及び記録媒体の任意な組み合わせで実現されてもよい。

また、上記の各実施の形態は、特許請求の範囲又はその均等の範囲において種々の変更、置き換え、付加、省略などを行うことができる。

本開示は、ミー散乱光を簡単に直接抽出することができる散乱体計測装置及び散乱体計測方法などとして利用でき、例えば、屋内での有害な微粒子の計測及び屋外での気象観測などに利用することができる。

１０、２０ エタロン
１１ 透光部
１２、１３ 多層膜
３０ 光源
４０、４１ 集光部
５０ 受光器
６０ 信号処理回路
７０ 制御部
８０ 軸調整部
９０、９１、９１ａ ミラー
１００、２００、２００ａ 散乱体計測装置
１０１ 散乱体
１０２、２０２ 連続体
Ｌ１ 光
Ｌ２ 出射光
Ｌ３ 散乱光
Ｌ４ 干渉光
Ｌ５ 反射光

Claims (9)

1. 第１光を出射する光源と、
   前記第１光の光路上に配置され、前記第１光を内部で干渉させて第１干渉光を出射する第１エタロンと、
   第２光の光路上に配置され、前記第２光を内部で干渉させて第２干渉光を出射する第２エタロンと、
   前記第２干渉光を受光し、受光強度に応じた信号を生成する受光器と、
   前記第１エタロン内での前記第１光の光路長χ_１、及び、前記第２エタロン内での前記第２光の光路長χ_２のいずれか一方の調整を行う制御部とを備え、
   前記制御部は、
   前記第１干渉光が連続体で反射されることにより発生する反射光が前記第２光として前記第２エタロンに入射した場合に、前記反射光の前記第２干渉光に対応する前記信号に基づいて前記調整を行い、
   前記第１干渉光が散乱体で散乱されることにより発生する散乱光が前記第２光として前記第２エタロンに入射した場合に、前記散乱光の前記第２干渉光に対応する前記信号に基づいて前記散乱体に含まれるエアロゾルの計測を行う、
   散乱体計測装置。
2. 前記制御部は、前記調整を行った後、前記計測を行う、
   請求項１に記載の散乱体計測装置。
3. 前記計測は、前記第１干渉光の出射方向を変更しながら繰り返し行われ、
   前記制御部は、前記計測の合間に前記調整を行う、
   請求項１又は２に記載の散乱体計測装置。
4. 前記制御部は、前記第２干渉光に対応する前記信号の信号強度が最大になるように前記調整を行う、
   請求項１から３のいずれか１項に記載の散乱体計測装置。
5. 前記制御部は、前記第１エタロン及び前記第２エタロンの少なくとも一方の光軸の傾きを変更することで、前記調整を行う、
   請求項１から４のいずれか１項に記載の散乱体計測装置。
6. 前記制御部は、前記第１エタロン及び前記第２エタロンの少なくとも一方の温度を変更することで、前記調整を行う、
   請求項１から５のいずれか１項に記載の散乱体計測装置。
7. 前記制御部は、前記信号の強度が閾値以上である場合に、前記計測を行う、
   請求項１から６のいずれか１項に記載の散乱体計測装置。
8. 前記光源は、ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）又はレーザ素子である、
   請求項１から７のいずれか１項に記載の散乱体計測装置。
9. 第１光を出射するステップと、
   前記第１光の光路上に配置された第１エタロンの内部で前記第１光を干渉させて第１干渉光を出射するステップと、
   第２光の光路上に配置された第２エタロンの内部で前記第２光を干渉させて第２干渉光を出射するステップと、
   前記第２干渉光を受光し、受光強度に応じた信号を生成するステップと、
   前記第１干渉光が連続体で反射されることにより発生する反射光が前記第２光として前記第２エタロンに入射した場合に、前記第１エタロン内での前記第１光の光路長χ_１、及び、前記第２エタロン内での前記第２光の光路長χ_２の少なくとも一方の調整を、前記反射光の前記第２干渉光に対応する前記信号に基づいて行うステップと、
   前記第１干渉光が散乱体で散乱されることにより発生する散乱光が前記第２光として前記第２エタロンに入射した場合に、前記散乱光の前記第２干渉光に対応する前記信号に基づいて前記散乱体に含まれるエアロゾルの計測を行うステップとを含む、
   散乱体計測方法。

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