JP7411935B2 - 散乱体測定方法及び散乱体測定装置 - Google Patents

散乱体測定方法及び散乱体測定装置 Download PDF

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Description

本開示は、散乱体測定方法及び散乱体測定装置に関する。
インフルエンザなどの感染症の主な感染経路には、飛沫感染と接触感染とがある。飛沫感染は、感染した人の咳又はくしゃみにより呼出された飛沫に含まれるウイルスを直接、他人が口又は鼻から吸入して体内に取り込むことである。また、接触感染は、飛沫が付着している机又は床などの場所に他人が触れることにより、ウイルスを体内に取り込むことである。このような飛沫を起点とする感染を抑制するには、部屋の中で適切に飛沫の存在を検出し、浄化をすることが期待される。
これに対し、例えば、特許文献１及び２には、飛沫の発生源である人の咳を検出する方法として、咳の動作を加速度センサ又はマイクロフォンなどの音センサで検出する技術が開示されている。
特開２０１７－１１７４１６号公報 特開２０１５－１４３５９２号公報 特開２０１４－２０６２９１号公報 国際公開第２０１６／１８１８５４号
A. Kobayashi, et al., "Consideration of Depolarization Ratio Measurements by Lidar", Journal of the Meteorological Society of Japan, 1987,Vol.65, No.2, p. 303-307 T. Murayama, et al., "Application of lidar depolarization measurement in the atmospheric boundary layer: Effects of dust and sea-salt particles", Journal of Geophysical Research, 1999, Vol.104, No. D24, p. 31781-31792 酒井哲、外２名、「室内実験によるエアロゾル偏光解消度の測定」、第２７回レーザセンシングシンポジウム予稿集、2009、p. 94-95 加藤信介、「咳飛沫の室内輸送性状の検討」、ながれ26巻、2007、p. 331-339
しかしながら、上記従来技術では、咳の発生した場所しか特定できず、実際の飛沫が飛散した方向及び範囲が分からない。このため、適切に感染源リスクを提示し、又は、飛沫に含まれるウイルスなどを除去することができない。また、飛沫以外の散乱体であって、花粉又はＰＭ２．５などの人の健康を害する恐れのある散乱体を検出することができない。
そこで、本開示は、散乱体の位置を精度良く検出することができ、かつ、散乱体の種別の判別を支援することができる散乱体測定方法及び散乱体測定装置を提供する。
本開示の一態様に係る散乱体測定方法は、散乱体が存在する第１空間を通過する第１照射光を照射することと、前記第１照射光が前記散乱体で散乱されることにより生じる第１散乱光を受光することと、前記散乱体が前記第１空間から、前記第１空間とは少なくとも一部が異なる第２空間に移動した後に、前記第２空間を通過する第２照射光を照射することと、前記第２照射光が前記散乱体で散乱されることにより生じる第２散乱光を受光することと、前記第１散乱光を受光した第１時刻と前記第２散乱光を受光した第２時刻との差、及び、前記第１時刻から前記第２時刻までに前記散乱体が移動した距離に基づいて、前記散乱体の速度を算出することとを含む。
また、本開示の一態様に係る散乱体測定装置は、散乱体が存在する第１空間を通過する第１照射光を照射する光源と、前記第１照射光が前記散乱体で散乱されることにより生じる第１散乱光を受光する受光素子と、信号処理回路と、を備え、前記光源は、さらに、前記散乱体が前記第１空間から、前記第１空間とは少なくとも一部が異なる第２空間に移動した後に、前記第２空間を通過する第２照射光を照射し、前記受光素子は、さらに、前記第２照射光が前記散乱体で散乱されることにより生じる第２散乱光を受光し、前記信号処理回路は、前記第１散乱光を受光した第１時刻と前記第２散乱光を受光した第２時刻との差、及び、前記第１時刻から前記第２時刻までに前記散乱体が移動した距離に基づいて、前記散乱体の速度を算出する。
また、本開示の一態様は、上記散乱体測定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、散乱体の位置を精度良く検出することができ、かつ、散乱体の種別の判別を支援することができる。
図１は、実施の形態１に係る散乱体測定装置の概略構成の一例を示す図である。 図２は、実施の形態１に係る散乱体測定装置によるエアロゾル粒子の検出の様子を模式的に示す図である。 図３Ａは、対象空間の一例を示す図である。 図３Ｂは、対象空間を仮想的に分割することで得られる単位空間の一例を示す図である。 図４Ａは、実施の形態１に係る散乱体測定装置によるエアロゾル粒子の速度の算出方法を説明するための図である。 図４Ｂは、実施の形態１に係る散乱体測定装置によるエアロゾル粒子の速度の算出方法を説明するための図である。 図５は、実施の形態１に係る散乱体測定装置の動作の一例を示すフローチャートである。 図６は、実施の形態２に係る散乱体測定装置の概略構成の一例を示す図である。 図７は、実施の形態２に係る散乱体測定装置によるエアロゾル粒子の検出の様子を模式的に示す図である。 図８は、実施の形態２に係る散乱体測定装置の動作の一例を示すフローチャートである。 図９は、実施の形態３に係る散乱体測定装置によるエアロゾル粒子の検出の様子を模式的に示す図である。 図１０は、実施の形態３に係る散乱体測定装置の動作の一例を示すフローチャートである。 図１１は、実施の形態４に係る散乱体測定装置の概略構成の一例を示す図である。 図１２は、実施の形態５に係る散乱体測定装置の概略構成を示す図である。 図１３Ａは、実施の形態５に係る散乱体測定装置による第１照射光の照射時のエアロゾル粒子を示す図である。 図１３Ｂは、実施の形態５に係る散乱体測定装置による第２照射光の照射時のエアロゾル粒子を示す図である。 図１４は、エアロゾル粒子の粒径と落下速度との関係を示す図である。 図１５は、実施の形態５に係る散乱体測定装置の動作を示すフローチャートである。 図１６は、実施の形態６に係る散乱体測定装置の概略構成を示す図である。 図１７は、唾液の三次元蛍光スペクトルの一例である。 図１８は、スギ花粉の三次元蛍光スペクトルの一例である。 図１９は、実施の形態６に係る散乱体測定装置の動作を示すフローチャートである。 図２０は、実施の形態７に係る散乱体測定装置の概略構成を示す図である。
（本開示の概要）
本開示の一態様に係る散乱体測定方法は、散乱体が存在する第１空間を通過する第１照射光を照射することと、前記第１照射光が前記散乱体で散乱されることにより生じる第１散乱光を受光することと、前記散乱体が前記第１空間から、前記第１空間とは少なくとも一部が異なる第２空間に移動した後に、前記第２空間を通過する第２照射光を照射することと、前記第２照射光が前記散乱体で散乱されることにより生じる第２散乱光を受光することと、前記第１散乱光を受光した第１時刻と前記第２散乱光を受光した第２時刻との差、及び、前記第１時刻から前記第２時刻までに前記散乱体が移動した距離に基づいて、前記散乱体の速度を算出することとを含む。
これにより、照射光を照射した方向と散乱光が戻ってくるまでの時間とに基づいて、散乱体の位置及び速度を精度良く算出することができる。また、算出した速度を用いて散乱体の種別の判定又は散乱体の拡散範囲の推定なども行うことができる。このように、散乱体の位置を精度良く検出することができ、かつ、散乱体の種別の判定を支援することができる。
また、例えば、本開示の一態様に係る散乱体測定方法では、前記第１空間及び前記第２空間はそれぞれ、前記散乱体測定方法による測定の対象となる対象空間を仮想的に分割することにより得られた、各々が所定形状の複数の単位空間の１つであってもよい。
これにより、第１空間及び第２空間の大きさを同じにすることができるので、第１空間及び第２空間の各々から戻ってくる第１散乱光及び第２散乱光の強度の比較が容易になる。このため、第２空間に存在する散乱体が、第１空間から移動してきた散乱体であることを精度良く判定することができるので、散乱体の速度の算出精度を高めることができる。
また、例えば、本開示の一態様に係る散乱体測定方法では、前記第２空間は、前記複数の単位空間のうちの、前記第１空間に隣接する単位空間であってもよい。
これにより、隣接する２つの単位空間を利用して散乱体の移動を検出するので、散乱体が広く拡散する前に散乱体の速度を精度良く算出することができる。
また、例えば、本開示の一態様に係る散乱体測定方法では、前記第１空間は、人の頭の少なくとも一部が存在する空間、又は、人の頭の少なくとも一部に最も近い空間であってもよい。
これにより、人の口から呼出された直後の飛沫を検出することができるので、算出される速度が飛沫の速度と同等になる。したがって、速度と閾値との比較による飛沫の判定精度を高めることができる。
また、例えば、本開示の一態様に係る散乱体測定方法は、さらに、前記第１照射光を照射する前に、前記頭の少なくとも一部が存在する空間、又は、前記頭の少なくとも一部に最も近い空間を前記第１空間として特定することを含んでもよい。
これにより、第１照射光を照射する前に、人の頭の位置を特定することができるので、人の口から呼出される飛沫を速やかに検出することができる。
また、例えば、本開示の一態様に係る散乱体測定方法は、さらに、前記速度と閾値とを比較し、前記速度が前記閾値以上である場合に、前記散乱体が人の口から呼出される飛沫であると判定することを含んでもよい。
これにより、散乱体が飛沫であるか否かが判定されるので、飛沫の飛散方向及び飛散範囲を精度良く検出することができる。
また、例えば、本開示の一態様に係る散乱体測定方法では、前記閾値は、５ｍ／ｓであってもよい。
人の口から呼出される飛沫の初速度は約８ｍ／ｓ以上である。また、飛沫以外のエアロゾル粒子は、通常、飛沫よりも十分に低い速度で空中を浮遊している。したがって、閾値が５ｍ／ｓであることで、散乱体が飛沫であるか否かを精度良く判別することができる。
また、例えば、本開示の一態様に係る散乱体測定方法では、前記第１照射光及び前記第２照射光はそれぞれ、等しい周波数間隔の光であり、前記第１散乱光を受光することでは、光路差を変更可能な干渉部を通過した後の前記第１散乱光を受光し、前記第２散乱光を受光することでは、前記干渉部を通過した後の前記第２散乱光を受光し、前記算出することでは、前記光路差を掃引させて得られる前記第１散乱光及び前記第２散乱光の各々の第１の干渉フリンジに対応する信号成分を抽出し、前記信号成分に基づいて前記速度を算出してもよい。
散乱光には、エアロゾル粒子からのミー散乱光だけでなく、空気を構成する分子によるレイリー散乱光がノイズ成分として含まれる。これに対して、本態様によれば、レイリー散乱光を信号処理によって除去することができるので、エアロゾル粒子の検出精度を高めることができる。
また、例えば、本開示の一態様に係る散乱体測定方法では、前記干渉部が掃引する前記光路差は、前記第１照射光及び前記第２照射光の各々の中心波長の１／４より長く、かつ、前記第１散乱光及び前記第２散乱光の各々の干渉フリンジの間隔の１／２より短くてもよい。
これにより、レイリー散乱光を信号処理によって精度良く除去することができるので、エアロゾル粒子の検出精度を更に高めることができる。
また、例えば、本開示の一態様に係る散乱体測定方法では、前記第１照射光及び前記第２照射光からなる群から選択される少なくとも一方は、偏光された光であり、前記速度は、前記散乱体の落下速度であり、さらに、前記第１散乱光及び前記第２散乱光からなる群から選択される少なくとも一方であって、前記偏光された光に対応する散乱光の偏光解消度を計測することを含んでもよい。
これにより、偏光解消度及び落下速度を用いることで、検出された散乱体の種別を判別することができる。
また、例えば、本開示の一態様に係る散乱体測定方法は、さらに、前記偏光解消度に基づいて、前記散乱体が非球形粒子であるか否かの第１の判定を行うことと、前記散乱体が非球形粒子ではないと判定された場合に、前記落下速度に基づいて、前記散乱体がＰＭ２．５であるか否かの第２の判定を行うこととを含んでもよい。
これにより、偏光解消度及び落下速度を用いることで、検出された散乱体がハウスダストなどの非球形粒子及びＰＭ２．５のいずれであるかを判別することができる。
また、例えば、本開示の一態様に係る散乱体測定方法では、前記第１の判定では、前記偏光解消度が１０％以上である場合に、前記散乱体が非球形粒子であると判定し、前記偏光解消度が１０％未満である場合に、前記散乱体が非球形粒子ではないと判定してもよい。
これにより、ハウスダストなどの非球形粒子をより精度良く判別することができる。
また、例えば、本開示の一態様に係る散乱体測定方法では、前記第２の判定では、前記落下速度が０．００１ｍ／ｓ未満である場合に、前記散乱体がＰＭ２．５であると判定してもよい。
これにより、呼吸器に影響を与える恐れがあるＰＭ２．５を、より精度良く判別することができる。
また、例えば、本開示の一態様に係る散乱体測定方法では、前記第１照射光及び前記第２照射光はそれぞれ、飛沫の蛍光波長成分を含まない光であり、前記第２の判定では、（ａ）前記落下速度が０．００１ｍ／ｓ以上であり、かつ、前記散乱光に含まれる４００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の波長成分の受光強度が閾値より大きい場合、前記散乱体が花粉であると判定し、（ｂ）前記落下速度が０．００１ｍ／ｓ以上であり、かつ、前記散乱光に含まれる４００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の前記波長成分の受光強度が前記閾値以下である場合、前記散乱体が飛沫であると判定してもよい。
これにより、アレルギー症状を引き起こす恐れがある花粉と、病気の感染リスクがある飛沫とを、より精度良く判別することができる。
また、例えば、本開示の一態様に係る散乱体測定方法では、前記第２の判定では、前記落下速度が０．１ｍ／ｓ以上である場合に、前記散乱体が飛沫であると判定してもよい。
これにより、飛沫を精度良く判別することができる。
また、例えば、本開示の一態様に係る散乱体測定方法では、前記第２の判定では、前記落下速度が０．００１ｍ／ｓ以上０．１ｍ／ｓ未満である場合に、前記散乱体が花粉であると判定してもよい。
これにより、花粉を精度良く判別することができる。
また、例えば、本開示の一態様に係る散乱体測定方法では、前記第２空間は、前記第１空間の鉛直下方に位置してもよい。
これにより、落下した散乱体からの散乱光が受光されやすくなるので、落下速度を容易、かつ、精度良く算出することができる。落下速度の算出精度が高まることで、散乱体の種別の判別精度も高めることができる。
また、本開示の一態様に係るプログラムは、上記散乱体測定方法をコンピュータに実行させるプログラムである。
これにより、散乱体の位置を精度良く検出することができ、かつ、散乱体の種別の判定を支援することができる。
また、本開示の一態様に係るコンピュータ読み取り可能な記録媒体は、散乱体を測定するためのプログラムを格納したコンピュータ読み取り可能な記録媒体であって、前記プログラムが前記コンピュータによって実行されるときに、前記散乱体が存在する第１空間を通過する第１照射光を照射することと、前記第１照射光が前記散乱体で散乱されることにより生じる第１散乱光を受光することと、前記散乱体が前記第１空間から、前記第１空間とは少なくとも一部が異なる第２空間に移動した後に、前記第２空間を通過する第２照射光を照射することと、前記第２照射光が前記散乱体で散乱されることにより生じる第２散乱光を受光することと、前記第１散乱光を受光した第１時刻と前記第２散乱光を受光した第２時刻との差、及び、前記第１時刻から前記第２時刻までに前記散乱体が移動した距離に基づいて、前記散乱体の速度を算出することと、が実行される。
また、本開示の一態様に係る散乱体測定装置は、散乱体が存在する第１空間を通過する第１照射光を照射する光源と、前記第１照射光が前記散乱体で散乱されることにより生じる第１散乱光を受光する受光素子と、信号処理回路と、を備え、前記光源は、さらに、前記散乱体が前記第１空間から、前記第１空間とは少なくとも一部が異なる第２空間に移動した後に、前記第２空間を通過する第２照射光を照射し、前記受光素子は、さらに、前記第２照射光が前記散乱体で散乱されることにより生じる第２散乱光を受光し、前記信号処理回路は、前記第１散乱光を受光した第１時刻と前記第２散乱光を受光した第２時刻との差、及び、前記第１時刻から前記第２時刻までに前記散乱体が移動した距離に基づいて、前記散乱体の速度を算出する。
これにより、散乱体の位置を精度良く検出することができ、かつ、散乱体の種別の判定を支援することができる。
また、例えば、本開示の一態様に係る散乱体測定装置では、さらに、前記光源から照射された第１照射光及び第２照射光からなる群から選択される少なくとも一方を偏光する第１偏光フィルタと、前記第１散乱光及び前記第２散乱光からなる群から選択される少なくとも一方であって、前記第１偏光フィルタによって偏光された光に対応する散乱光を第３散乱光と第４散乱光とに分岐させるビームスプリッタと、前記第３散乱光の光路上に配置され、前記偏光された光の偏光面に平行な偏光成分を透過させる第２偏光フィルタと、前記第４散乱光の光路上に配置され、前記偏光された光の偏光面に垂直な偏光成分を透過させる第３偏光フィルタとを備え、前記受光素子は、前記第２偏光フィルタを通過した後の前記第３散乱光を受光する第１受光素子と、前記第３偏光フィルタを通過した後の前記第４散乱光を受光する第２受光素子とを含み、前記速度は、前記散乱体の落下速度であり、前記信号処理回路は、さらに、前記第１受光素子による前記第３散乱光の受光強度と前記第２受光素子による前記第４散乱光の受光強度とに基づいて、偏光解消度を取得し、前記偏光解消度に基づいて、前記散乱体が非球形粒子であるか否かを判定し、前記散乱体が非球形粒子ではないと判定された場合に、前記落下速度に基づいて、前記散乱体がＰＭ２．５であるか否かを判定してもよい。
これにより、２つの偏光フィルタと２つの受光素子とを用いて、偏光解消度を容易に算出することができる。また、偏光解消度及び落下速度を用いることで、検出された散乱体の種別を判別することができる。
また、例えば、本開示の一態様に係る散乱体測定装置の一例であるエアロゾル分析装置は、エアロゾル粒子に向けて照射光を照射する光源と、前記エアロゾル粒子が前記照射光を散乱させることで発生する散乱光を受光し、受光強度に応じた信号を出力する受光部と、前記受光部から出力される信号を処理する信号処理回路とを備え、前記信号処理回路は、前記信号に基づいて前記エアロゾル粒子の速度を算出する。
これにより、照射光をエアロゾル粒子に照射し、エアロゾル粒子による散乱光を受光するので、照射光の照射方向と散乱光を受光するまでの時間とに基づいたＴＯＦ（Time Of Flight）方式により、エアロゾル粒子の位置を精度良く検出することができる。また、エアロゾル粒子の速度を算出するので、算出した速度を用いてエアロゾル粒子の種別の判定又は拡散範囲の推定なども行うことができる。このように、本態様に係るエアロゾル分析装置によれば、エアロゾル粒子の位置を精度良く検出することができ、かつ、エアロゾル粒子の種別の判定を支援することができる。
また、例えば、本開示の一態様に係るエアロゾル分析装置では、前記受光部は、前記複数の単位空間の１つである第１空間に前記照射光が照射された場合に発生する第１光と、前記複数の単位空間の１つであり、前記第１空間とは異なる第２空間に前記照射光が照射された場合に発生する前記散乱光である第２光とを受光し、前記第１光の受光強度に応じた第１信号及び前記第２光の受光強度に応じた第２信号を出力し、前記信号処理回路は、前記第１信号と前記第２信号とに基づいて、前記第１光と前記第２光との受光時刻の差、及び、前記第１空間と前記第２空間との距離を決定し、決定した受光時刻の差及び距離に基づいて前記速度を算出してもよい。
これにより、少なくとも２回の照射光の照射によってエアロゾル粒子の速度を速やかに算出することができる。
また、例えば、本開示の一態様に係るエアロゾル分析装置では、前記制御部は、前記対象空間に人が存在するか否かを判定し、人が存在すると判定された場合に当該人の頭の一部を含む単位空間、又は、人の頭の一部に最も近い単位空間と、当該単位空間に隣接する１つ以上の単位空間とに向けて前記照射光を照射させてもよい。
これにより、人の口から呼出された直後の飛沫を検出することができるので、算出される速度が飛沫の初速度と同等になる。したがって、速度と閾値との比較による飛沫の判定精度を高めることができる。
また、本開示の一態様に係る散乱体測定方法の一例であるエアロゾル分析方法は、エアロゾル粒子に向けて照射光を照射し、前記エアロゾル粒子が前記照射光を散乱させることで発生する散乱光を受光し、受光強度に応じた信号に基づいて前記エアロゾル粒子の速度を算出する。
これにより、エアロゾル粒子の位置を精度良く検出することができ、かつ、エアロゾル粒子の種別の判定を支援することができる。
ところで、一般的には、室内には、人の健康に影響を及ぼす恐れのあるエアロゾルが存在している。例えば、エアロゾルには、ウイルス若しくは細菌を含む飛沫、又は、ハウスダスト、花粉、ＰＭ２．５などが含まれる。エアロゾルを接触又は呼吸によって人体に取り込んだ場合、感染症、アレルギー性鼻炎又は気管支喘息などを発症するリスクがある。
従来、花粉センサ又はＰＭ２．５センサが内蔵された空気清浄機が知られている。空気清浄機は、吸引した空気中に花粉又はＰＭ２．５が検出された場合に、アラートを表示する機能、又は、運転モードを変更する機能を有する。
しかしながら、空気清浄機は、設置された場所で空気を吸引して測定するため、室内にどのように何のエアロゾルが分布するのかを把握することができない。これに対して、例えば、特許文献３及び４に開示されているように、エアロゾルを可視化して表示する端末装置が知られている。
しかしながら、特許文献３及び４に記載された技術では、エアロゾル粒子の位置及び種別を精度良く判別することができないという問題がある。
これに対して、本開示の一態様に係る散乱体測定方法の一例であるエアロゾル分析方法は、偏光された照射光をエアロゾル粒子に照射し、前記エアロゾル粒子が前記照射光を散乱させることで発生する散乱光を受光し、受光した散乱光の偏光解消度に基づいて、前記エアロゾル粒子が非球形粒子であるか否かの第１の判定を行い、前記エアロゾル粒子が非球形粒子ではないと判定された場合に、前記エアロゾル粒子の落下速度に基づいて、前記エアロゾル粒子がＰＭ２．５であるか否かの第２の判定を行う。
これにより、照射光をエアロゾル粒子に照射し、エアロゾル粒子による散乱光を受光するので、照射光の照射方向と散乱光を受光するまでの時間とに基づいたＴＯＦ方式により、エアロゾル粒子の位置を算出することができる。また、偏光解消度及び落下速度を用いることで、検出されたエアロゾル粒子がハウスダストなどの非球形粒子及びＰＭ２．５のいずれであるかを判別することができる。このように、本態様に係るエアロゾル分析方法によれば、エアロゾル粒子の位置及び種別を精度良く判別することができる。
また、例えば、本開示の一態様に係るエアロゾル分析方法において、前記照射では、前記照射光を前記エアロゾル粒子に２回照射し、前記受光では、前記散乱光を２回受光し、前記第２の判定では、１回目の前記照射光を散乱させた時点での前記エアロゾル粒子の第１位置と、２回目の前記照射光を散乱させた時点での前記エアロゾル粒子の第２位置との鉛直方向における距離、及び、２回の前記散乱光の受光の時間間隔に基づいて前記落下速度を算出してもよい。
これにより、演算によって簡単に落下速度を算出することができる。また、落下速度を得るための専用の構成を必要としないので、エアロゾル分析装置の構成を簡素化することができる。
また、例えば、本開示の一態様に係るエアロゾル分析方法において、前記照射では、１回目の前記照射光を第１空間に向けて照射した後、前記照射光に基づく前記散乱光が受光された場合に、前記第１空間の鉛直下方に位置する第２空間に向けて２回目の前記照射光を照射してもよい。
これにより、落下したエアロゾル粒子からの散乱光が受光されやすくなるので、落下速度を容易、かつ、精度良く算出することができる。落下速度の算出精度が高まることで、エアロゾル粒子の種別の判別の精度も高めることができる。
また、本開示の一態様に係るエアロゾル分析装置は、照射光をエアロゾル粒子に照射する光源と、前記光源から照射された照射光を偏光する第１偏光フィルタと、前記第１偏光フィルタを通過した照射光を前記エアロゾル粒子が散乱させることで発生する散乱光を第１散乱光と第２散乱光とに分岐させるビームスプリッタと、前記第１散乱光の光路上に配置され、前記照射光の偏光面に平行な偏光成分を透過させる第２偏光フィルタと、前記第２偏光フィルタを通過した後の前記第１散乱光を受光する第１受光素子と、前記第２散乱光の光路上に配置され、前記照射光の偏光面に垂直な偏光成分を透過させる第３偏光フィルタと、前記第３偏光フィルタを通過した後の前記第２散乱光を受光する第２受光素子と、前記第１受光素子による受光強度と前記第２受光素子による受光強度とに基づいて、偏光解消度を取得する信号処理回路とを備え、前記信号処理回路は、さらに、前記偏光解消度に基づいて、前記エアロゾル粒子が非球形粒子であるか否かを判定し、前記エアロゾル粒子が非球形粒子ではないと判定された場合に、前記エアロゾル粒子の落下速度に基づいて、前記エアロゾル粒子がＰＭ２．５であるか否かを判定する。
これにより、照射光の照射方向と散乱光を受光するまでの時間とに基づいたＴＯＦ方式により、エアロゾル粒子の位置を算出することができる。また、偏光解消度及び落下速度を用いることで、検出されたエアロゾル粒子がハウスダストなどの非球形粒子及びＰＭ２．５のいずれであるかを判別することができる。このとき、互いに直交する偏光成分を透過させる２つの偏光フィルタと２つの受光素子とを用いて、偏光解消度を容易に算出することができる。このように、本態様に係るエアロゾル分析装置によれば、エアロゾル粒子の位置及び種別を精度良く判別することができる。
本開示において、回路、ユニット、装置、部材又は部の全部又は一部、又はブロック図の機能ブロックの全部又は一部は、半導体装置、半導体集積回路（ＩＣ）、又はＬＳＩ（ｌａｒｇｅ ｓｃａｌｅ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）を含む一つ又は複数の電子回路によって実行されてもよい。ＬＳＩ又はＩＣは、一つのチップに集積されてもよいし、複数のチップを組み合わせて構成されてもよい。例えば、記憶素子以外の機能ブロックは、一つのチップに集積されてもよい。ここでは、ＬＳＩまたはＩＣ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）、若しくはＵＬＳＩ（ｕｌｔｒａ ｌａｒｇｅ ｓｃａｌｅ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）と呼ばれるものであってもよい。ＬＳＩの製造後にプログラムされる、Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ（ＦＰＧＡ）、又はＬＳＩ内部の接合関係の再構成又はＬＳＩ内部の回路区画のセットアップができるｒｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅ ｌｏｇｉｃ ｄｅｖｉｃｅも同じ目的で使うことができる。
さらに、回路、ユニット、装置、部材又は部の全部又は一部の機能又は操作は、ソフトウェア処理によって実行することが可能である。この場合、ソフトウェアは一つ又は複数のＲＯＭ、光学ディスク、ハードディスクドライブなどの非一時的記録媒体に記録され、ソフトウェアが処理装置（ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）によって実行されたときに、そのソフトウェアで特定された機能が処理装置（ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）および周辺装置によって実行される。システム又は装置は、ソフトウェアが記録されている一つ又は複数の非一時的記録媒体、処理装置（ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）、及び必要とされるハードウェアデバイス、例えばインターフェース、を備えていても良い。
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、立方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に係る散乱体測定装置の概要について、図１を用いて説明する。図１は、本実施の形態に係る散乱体測定装置の構成を示す図である。
本実施の形態に係る散乱体測定装置１は、照射光Ｌ１を照射し、空間内に存在するエアロゾル粒子９０が照射光Ｌ１を散乱させることで発生する散乱光Ｌ２を取得し、取得した散乱光Ｌ２を処理することで、エアロゾル粒子９０の有無、位置、種別及び濃度などを判別する。なお、エアロゾル粒子９０は、照射光Ｌ１を散乱させる散乱体の一例である。また、エアロゾル粒子９０が存在する空間は、照射光Ｌ１が照射される照射空間であり、散乱体測定装置１による測定の対象となる対象空間の一部である。
具体的には、散乱体測定装置１は、エアロゾル粒子９０が存在する第１空間に照射光Ｌ１を第１照射光として照射し、所定期間経過後に、エアロゾル粒子９０が存在する第２空間に照射光Ｌ１を第２照射光として照射する。第１照射光に対応する散乱光Ｌ２を第１散乱光として受光した第１時刻と、第２照射光に対応する散乱光Ｌ２を第２散乱光として受光した第２時刻との差、及び、第１時刻から第２時刻までにエアロゾル粒子９０が移動した距離に基づいて、エアロゾル粒子９０の移動速度を算出する。散乱体測定装置１は、例えば、算出した移動速度に基づいてエアロゾル粒子９０が飛沫であるか否かを判別する。
図１に示されるように、散乱体測定装置１は、光源１０と、ミラー２０と、受光部３０と、信号処理回路４０と、制御部５０とを備える。
光源１０は、エアロゾル粒子９０が存在する空間を通過する照射光Ｌ１を照射する。照射光Ｌ１は、例えばパルス光であるが、連続光であってもよい。照射光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。照射光Ｌ１は、例えば、紫外光、青色光、白色光又は赤外光などである。
光源１０は、例えば、レーザ光を照射光Ｌ１として出射する半導体レーザ素子である。あるいは、光源１０は、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）であってもよく、ハロゲンランプなどの放電ランプであってもよい。
照射光Ｌ１は、エアロゾル粒子９０によって散乱され、その一部である散乱光Ｌ２が散乱体測定装置１に戻ってくる。散乱光Ｌ２は、エアロゾル粒子９０が照射光Ｌ１を散乱させることで発生する後方散乱光である。散乱光Ｌ２は、エアロゾル粒子９０によるミー散乱に基づく光である。
ミラー２０は、散乱光Ｌ２を反射する。散乱光Ｌ２に対してミラー２０を適切な角度で配置することにより、散乱光Ｌ２の進路を所望の方向に曲げることができる。
受光部３０は、散乱光Ｌ２を受光し、受光強度に応じた信号を出力する。受光強度は、散乱光Ｌ２の強度であり、例えば、受光部３０が出力する信号の信号レベルで表される。
受光部３０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、受光部３０は、ＰＭＴとフォトンカウンタとを有してもよい。また、受光部３０は、アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）であってもよい。
信号処理回路４０は、受光部３０から出力される信号に基づいてエアロゾル粒子９０の速度を算出する。本実施の形態では、信号処理回路４０は、さらに、算出した速度と閾値とを比較する。信号処理回路４０は、算出した速度が閾値以上である場合に、エアロゾル粒子９０が人の口から呼出される飛沫であると判定する。信号処理回路４０は、算出した速度が閾値未満である場合に、エアロゾル粒子９０が飛沫ではないと判定する。例えば、信号処理回路４０は、算出した速度が閾値未満である場合に、エアロゾル粒子９０が花粉又はＰＭ２．５であると判定してもよい。
飛沫は、エアロゾル粒子の一種である。飛沫は、人の口から呼出される。飛沫は、人の咳、くしゃみ又は発話によって動的に発生する微小液滴である。飛沫には、ウイルス又は細菌などが含まれている場合がある。飛沫は、人の動作によって発生するので、発生した時点で大きい初速度を有する。
一般的には、エアロゾル粒子には、飛沫だけでなく、塵埃などのハウスダスト、黄砂、大気汚染エアロゾル、ＰＭ２．５などの浮遊粒子状物質、花粉などの生物系粒子などが含まれる。飛沫以外のエアロゾル粒子は、通常、飛沫よりも十分に低い速度で空中を浮遊している。
飛沫の判定に用いる閾値は、人がくしゃみ又は咳を行った場合に人の口から呼出される飛沫の初速度よりも低い値である。一般的な人のくしゃみ又は咳による飛沫の初速度は、水平方向に約８ｍ／ｓである。口から離れる程、飛沫の水平方向における速度は低下する。本実施の形態では、口の直近でエアロゾル粒子９０を検出できないことも考慮に入れて、閾値は、例えば、５ｍ／ｓである。
なお、閾値は、５ｍ／ｓより小さくてもよい。この場合に、閾値は、例えば、飛沫以外のエアロゾル粒子の水平方向における移動速度よりも大きい値である。室内が無風状態である場合、飛沫以外のエアロゾル粒子は、主に人の移動などに基づいて発生する空気の流れによって移動する。人の歩行速度は、一般的に２ｍ／ｓより遅い。このため、例えば、閾値は、２ｍ／ｓ以上であってもよい。
また、エアロゾル粒子９０が存在する空間内に、空調機器などによって気流が生成されている場合、閾値は、気流速度より大きく、飛沫の初速度よりも低い値であってもよい。
また、信号処理回路４０は、照射光Ｌ１が照射されてから散乱光Ｌ２を受光するまでに要する時間に基づいて、ＴＯＦ方式によってエアロゾル粒子９０までの距離を算出する。さらに、信号処理回路４０は、算出した距離と照射光Ｌ１を照射した方向とに基づいてエアロゾル粒子９０の位置を特定する。照射光Ｌ１の照射方向が変更されながらエアロゾル粒子９０の位置の特定を繰り返すことで、信号処理回路４０は、対象空間内のエアロゾル粒子９０の分布を作成する。
信号処理回路４０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４０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４０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４０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５０は、光源１０を制御する。具体的には、制御部５０は、照射光Ｌ１の照射方向を変更する。照射光Ｌ１の照射方向は、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。本実施の形態では、エアロゾル粒子９０が存在する対象空間は、各々が所定形状を有する複数の単位空間に仮想的に分割される。単位空間の所定形状の大きさは、照射光Ｌ１が単位時間に進む距離及び光源１０の走査距離、あるいは、照射光Ｌ１が単位時間に進む距離及び受光部３０の受光可能な範囲などで規定することができる。したがって、単位時間によって、単位空間の大きさを変更することが可能となる。制御部５０は、光源１０を制御することで、複数の単位空間の各々に向けて照射光Ｌ１を照射させる。具体的な動作については、後で説明する。
制御部５０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５０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、制御部５０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５０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５０と信号処理回路４０とは、メモリなどのハードウェア資源を共用してもよい。
散乱体測定装置１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、散乱体測定装置１の外郭筐体であり、遮光性を有する。筐体には、照射光Ｌ１及び散乱光Ｌ２を通過させるための開口が設けられている。開口は、照射光Ｌ１と散乱光Ｌ２との各々に対応させて１つずつ設けられていてもよい。
また、散乱体測定装置１は、散乱光Ｌ２を集光する集光部を備えてもよい。例えば、散乱光Ｌ２が通過する開口には、集光部の一例である集光レンズが設けられていてもよい。集光レンズは、筐体の内部に設けられていてもよい。例えば、集光レンズは、散乱光Ｌ２が通過する開口とミラー２０との間に設けられていてもよく、ミラー２０と受光部３０との間に設けられていてもよい。なお、集光レンズの代わりに集光ミラーが設けられていてもよい。
［２．エアロゾル粒子の検出］
次に、散乱体測定装置１によるエアロゾル粒子９０の検出方法について説明する。まず、図２を用いて、エアロゾル粒子９０の位置を検出する方法について説明する。図２は、本実施の形態に係る散乱体測定装置１によるエアロゾル粒子９０の検出の様子を模式的に示す図である。
図２に示されるように、散乱体測定装置１は、照射光Ｌ１を対象空間の所定方向に向けて照射する。具体的には、散乱体測定装置１は、対象空間の一部である第１空間を通過する照射光Ｌ１を照射する。照射光Ｌ１が照射された方向に、具体的には、第１空間内にエアロゾル粒子９０が存在する場合、エアロゾル粒子９０によって照射光Ｌ１が散乱されて散乱光Ｌ２が発生する。散乱体測定装置１は、散乱光Ｌ２を取得し、取得した散乱光Ｌ２に基づいてエアロゾル粒子９０の位置を特定する。
ここで、対象空間について、図３Ａを用いて説明する。図３Ａは、対象空間の一例を示す図である。対象空間１００は、図３Ａに示すように、散乱体測定装置１による測定の対象となる空間である。なお、図３Ａには、互いに直交するｘ軸、ｙ軸及びｚ軸を示している。
対象空間１００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１００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。例えば、対象空間１００は、屋外の開放された空間であってもよい。また、対象空間１００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。
通常、散乱体が移動する状況を考慮して、散乱体の移動する範囲と等しい空間か、あるいは、散乱体の移動する範囲より広い空間が、対象空間１００として設定される。
本実施の形態に係る散乱体測定装置１は、図３Ａに示すように、照射光Ｌ１の照射方向を対象空間１００内で走査する。図３Ａに示す例の場合、左上から右上にかけて走査し、その後、１段下方向に下げて、左から右に走査する。これを繰り返し、対象空間全体を走査する。なお、図３Ａでは、走査方向を白抜きの矢印で表している。
対象空間１００は、図３Ａに示すように、各々が所定形状を有する複数の単位空間９５に仮想的に分割される。一例として、分割された単位空間について、図３Ｂを用いて詳細に説明する。図３Ｂは、対象空間を仮想的に分割することで得られる単位空間の一例を示す図である。具体的には、図３Ｂは、図３Ａの左上の４つの単位空間を示している。単位空間９５は、例えば、一辺の長さが３０ｃｍの立方体である。
一例として、照射光Ｌ１は、レーザ光であり、レーザ光の直径は５ｍｍである。例えば、レーザ光は、単位空間９５の重心を通る。レーザ光の照射周期は、１μｓｅｃで、パルス幅は２ｎｓｅｃである。一例として、対象空間１００の大きさは、大凡１０ｍ×１０ｍ×１０ｍである。
ここで、対象空間１００を１秒で走査して、散乱体の速度の測定を行うことを考える。まず、図３Ａのｘｚ平面である１０ｍ×１０ｍを走査することを考える。
図３Ｂの１つの単位空間９５のｘｚ平面の大きさを３０ｃｍ×３０ｃｍと仮定すると、１０ｍ×１０ｍを走査するレーザ光の点は、３３点×３３点＝１０８９点となる。例えば、１点で１μｓｅｃの照射を１０００回行って測定を行うので、１点の測定時間は１ｍｓである。得られた測定値を平均化して、１つの単位空間９５の測定値とする。
全ての１０８９点における測定を行うと、１ｍｓ×１０８９点でトータル約１秒となる。つまり、約１秒で１０ｍ×１０ｍの範囲を測定することが可能である。
一方、奥行き１０ｍまで測定可能とすると、１点でのパルス幅は２ｎｓｅｃであるので、奥行きの距離の分解能は３０ｃｍとなる。よって、１０ｍ×１０ｍ×１０ｍの範囲の対象空間１００の測定点は、３３×３３×３３＝３５９３７個分の単位空間９５での測定を約１秒で行うことができる。
本開示では、散乱体が移動する状況を考慮して、散乱体の移動する範囲と等しい範囲か、あるいは、散乱体が移動する範囲より広い空間が、対象空間１００として設定される。設定した対象空間１００から散乱体の動きを抽出できるように、単位空間９５の大きさを決定し、決定した大きさの単位空間９５で対象空間１００を仮想的に分割する。このことにより、対象空間１００の全体に渡って、散乱体の動きを精度良く捉え、高速で散乱体の速度を測定することが可能となる。なお、受光部３０は、単位空間９５に含まれる散乱体の散乱光を受光できればよい。
散乱体測定装置１は、単位空間９５毎に照射光Ｌ１を照射する。照射方向は、連続的に変更されてもよく、離散的に変更されてもよい。例えば、連続光又はパルス光である照射光を、その照射方向を順次変更しながら照射してもよい。
図２には、２つの単位空間９５及び９６が示されている。単位空間９５には、人９９から呼出された飛沫であるエアロゾル粒子９０が存在している。単位空間９５に照射光Ｌ１が照射された場合、エアロゾル粒子９０が照射光Ｌ１を散乱させることで、散乱光Ｌ２を発生させる。
なお、単位空間の形状は、立方体に限らず、直方体であってもよい。あるいは、単位空間の形状は、球体でもよい。隣り合う２つの単位空間は、互いに接していてもよく、一部が重なっていてもよく、あるいは、離れていてもよい。単位空間の一辺の長さは、例えば、単位空間が立方体である場合、０．３ｍ（３０ｃｍ）である。単位空間の一辺の長さが長い程、受光される散乱光の信号強度が強くなる。よって、単位空間の一辺の長さは、受光される散乱光の信号強度が検知できるように決定されてもよい。
信号処理回路４０は、ＴＯＦ方式により、散乱光Ｌ２が発生した位置、すなわち、エアロゾル粒子９０を含む単位空間９５までの距離を算出する。本実施の形態では、図２に示されるように、照射光Ｌ１はパルス光であるので、照射した照射光Ｌ１に基づく散乱光Ｌ２が受光されるまでの時間を容易に判別することができる。信号処理回路４０は、照射光Ｌ１を照射してから散乱光Ｌ２が受光されるまでの時間に基づいて、散乱光Ｌ２を発生させたエアロゾル粒子９０を含む単位空間までの距離を算出する。
［３．エアロゾル粒子の移動速度の算出］
次に、エアロゾル粒子９０が飛沫であるか否かを判別するのに用いるエアロゾル粒子９０の移動速度の算出方法について説明する。
図４Ａ及び図４Ｂはそれぞれ、本実施の形態に係る散乱体測定装置１によるエアロゾル粒子の速度の算出方法を説明するための図である。図４Ａ及び図４Ｂでは、エアロゾル粒子９０が単位空間９５から単位空間９６に移動した場合が示されている。図４Ａでは、単位空間９５と単位空間９６とが、１つの面を共有して水平方向に隣接している。図４Ｂでは、単位空間９５と単位空間９６とは、１つの辺を共有して斜めに隣接している。
単位空間９５は、複数の単位空間の１つである第１空間の一例である。単位空間９６は、複数の単位空間の１つであり、第１空間とは異なる第２空間の一例である。単位空間９５にエアロゾル粒子９０が存在する場合に、照射光Ｌ１が第１照射光として単位空間９５に照射されたとき、単位空間９５で散乱光Ｌ２が第１散乱光として発生する。単位空間９６にエアロゾル粒子９０が存在する場合に、照射光Ｌ１が第２照射光として単位空間９６に照射されたとき、単位空間９６で散乱光Ｌ２が第２散乱光として発生する。
本実施の形態では、制御部５０が光源１０を制御することで、単位空間９５と単位空間９６とにそれぞれ、異なるタイミングで照射光Ｌ１を照射する。受光部３０は、単位空間９５で発生した第１散乱光を受光し、受光した第１散乱光の受光強度に応じた第１信号を出力する。また、受光部３０は、単位空間９６で発生した第２散乱光を受光し、受光した第２散乱光の強度に応じた第２信号を出力する。
信号処理回路４０は、第１信号と第２信号とに基づいて、第１散乱光を受光した第１時刻と第２散乱光を受光した第２時刻との差、及び、第１時刻から第２時刻までにエアロゾル粒子９０が移動した距離を決定する。第１時刻から第２時刻までにエアロゾル粒子９０が移動した距離は、単位空間９５と単位空間９６との距離と同じであるとみなすことができる。信号処理回路４０は、決定した受光時刻の差及び距離に基づいてエアロゾル粒子９０の速度を算出する。具体的には、信号処理回路４０は、以下の式（１）に基づいてエアロゾル粒子９０の速度ｖを算出する。
Figure 0007411935000001
式（１）において、ｐｉは、第１空間の位置であり、例えば、単位空間９５の位置であるｐ１である。ｐｉ＋１は、第２空間の位置であり、例えば、単位空間９６の位置であるｐ２である。ｔｉは、第１散乱光の受光時刻であり、例えば、単位空間９５からの散乱光を受光した第１時刻であるｔ１である。ｔｉ＋１は、第２散乱光の受光時刻であり、例えば、単位空間９６からの散乱光を受光した第２時刻であるｔ２である。
単位空間９５の位置ｐ１及び単位空間９６の位置ｐ２はいずれも、対象空間中の三次元位置を示す座標である。具体的には、ｐ１及びｐ２はそれぞれ、単位空間の中心位置を示している。
例えば、単位空間９５の位置ｐ１は、ｘ軸、ｙ軸及びｚ軸を三軸とする三次元直交座標系において（ｘ１，ｙ１，ｚ１）と表すことができる。同様に、単位空間９６の位置ｐ２は、（ｘ２，ｙ２，ｚ２）と表すことができる。例えば、ｘｙ平面が水平面を表し、ｚ軸が鉛直方向を表す。
図４Ａに示される例では、単位空間９５と単位空間９６とが水平方向に隣接している。このため、単位空間９５と単位空間９６との距離は、単位空間の一辺の長さである。つまり、時刻ｔ１から時刻ｔ２にかけてのエアロゾル粒子９０の移動距離は、単位空間の一辺の長さで表される。
図４Ｂに示される例では、単位空間９５と単位空間９６とは、斜め方向に隣接している。このため、単位空間９５と単位空間９６との距離は、単位空間の対角線の長さである。つまり、時刻ｔ１から時刻ｔ２にかけてのエアロゾル粒子９０の移動距離は、単位空間の対角線の長さで表される。
なお、図４Ａ及び図４Ｂでは、単位空間が全て同じ形状及び同じ大きさである場合を想定している。単位空間の大きさ及び形状が異なっている場合には、各単位空間の中心位置間の距離を算出することで、エアロゾル粒子９０の移動距離を得ることができる。図４Ａ及び図４Ｂのいずれの場合も、単位空間９５及び単位空間９６の各々からの散乱光の受光時刻の差に基づいて、式（１）によりエアロゾル粒子９０の速度ｖを算出することができる。
［４．動作］
続いて、本実施の形態に係る散乱体測定装置１の動作について、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測定装置１の動作を示すフローチャートである。
図５に示されるように、まず、散乱体測定装置１は、対象空間の走査を開始する（Ｓ１０）。具体的には、制御部５０は、照射光Ｌ１を単位空間毎に照射する。例えば、制御部５０は、複数の単位空間の１つに向けて照射光Ｌ１を照射し、受光部３０によって散乱光Ｌ２が受光されない場合には、別の単位空間に向けて照射光Ｌ１を照射することを繰り返す。
次に、受光部３０が散乱光Ｓｉを検出する（Ｓ１２）。なお、散乱光Ｓｉは、照射光Ｌ１の照射によって得られたｉ番目の散乱光Ｌ２であることを意味する。ｉは自然数である。受光部３０は、散乱光Ｓｉの強度に応じた第１信号を出力する。
次に、信号処理回路４０は、第１信号に基づいて、検出された散乱光Ｓｉの発生源であるエアロゾル粒子９０が存在する単位空間、すなわち、照射光Ｌ１を照射した単位空間の位置ｐｉと、散乱光Ｓｉの受光時刻ｔｉとをメモリに記憶する（Ｓ１４）。位置ｐｉは、例えばＴＯＦ方式によって算出されてもよい。
次に、制御部５０は、光源１０を制御することで、散乱光Ｓｉを発生させた単位空間の周辺を走査する（Ｓ１６）。例えば、図２に示される単位空間９５からの散乱光Ｌ２が散乱光Ｓｉとして受光された場合、制御部５０は、単位空間９５に隣接する単位空間９６を通過する照射光Ｌ１を光源１０に照射させる。これにより、単位空間９５に存在するエアロゾル粒子９０の移動先を探索する。
なお、人９９が咳又はくしゃみを行うことで、飛沫が呼出される方向は、あらゆる方向が想定される。水平方向に飛沫を呼出する場合は、図４Ａに示されるように、単位空間９５の水平方向に隣接する単位空間９６に飛沫が移動する。また、斜め下方向に飛沫を呼出する場合は、図４Ｂに示されるように、単位空間９５の斜め下方に隣接する単位空間９６に飛沫が移動する。図には示されていないが、真下に向けて飛沫を呼出する場合、及び、人９９の姿勢によっては真上に向けて飛沫を呼出する場合も起こりうる。
このため、本実施の形態では、制御部５０は、エアロゾル粒子９０が検出された場合に、検出された単位空間に隣接する１つ以上の単位空間に向けて照射光Ｌ１を照射させる。制御部５０は、人９９の顔の位置及び向きが判別できる場合、顔の正面方向に位置する単位空間に向けて優先的に照射光Ｌ１を照射させてもよい。
次に、受光部３０が散乱光Ｓｉ＋１を検出し（Ｓ１８）、散乱光Ｓｉ＋１の強度に応じた第２信号を出力する。信号処理回路４０は、第２信号に基づいて、検出された散乱光Ｓｉ＋１の発生源であるエアロゾル粒子９０が存在する単位空間の位置ｐｉ＋１と、散乱光Ｓｉ＋１の受光時刻ｔｉ＋１とをメモリに記憶する（Ｓ２０）。
次に、信号処理回路４０は、メモリに記憶された位置ｐｉ及び時刻ｔｉと位置ｐｉ＋１及び時刻ｔｉ＋１とに基づいて、式（１）によりエアロゾル粒子９０の速度ｖを算出する（Ｓ２２）。次に、信号処理回路４０は、算出した速度ｖと閾値ｖ０とを比較する（Ｓ２４）。算出した速度ｖが閾値ｖ０以上である場合（Ｓ２４でＹｅｓ）、信号処理回路４０は、エアロゾル粒子９０が飛沫であると判定する（Ｓ２６）。算出した速度ｖが閾値ｖ０未満である場合（Ｓ２４でＮｏ）、信号処理回路４０は、エアロゾル粒子９０が飛沫ではないと判定し、ステップＳ１０に戻って対象空間の走査を繰り返す。
以上のように、本実施の形態によれば、エアロゾル粒子９０の速度ｖと閾値ｖ０とを比較することで、エアロゾル粒子９０が飛沫であるか否かを判別することができる。このため、照射光Ｌ１を照射する方向を単位空間毎に変更することで、対象空間内において飛沫が存在する範囲を検出することができる。これにより、飛沫の飛散範囲及び飛散方向を精度良く判別することができるので、例えば、飛沫の分布図などを作成してユーザに提示することができる。また、飛沫の位置が判別されるので、次亜塩素酸などの浄化物質を飛沫に向けて適切に供給し、飛沫に含まれるウイルスの除去を効果的に行うこともできる。
（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１では、照射光Ｌ１が照射対象の単位空間にまで到達する場合を想定しており、対象空間内に障害物が少ない場合に有用である。一方で、障害物が多い場合には、照射光Ｌ１が照射対象の単位空間にまで到達しないことが起こりうる。実施の形態２では、対象空間内に障害物が存在する場合の処理について説明する。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］
図６は、本実施の形態に係る散乱体測定装置１０１の概略構成の一例を示す図である。図６に示されるように、本実施の形態に係る散乱体測定装置１０１は、実施の形態１に係る散乱体測定装置１と比較して、制御部５０の代わりに制御部１５０を備える点と、新たに音検出部１６０を備える点とが相違する。
音検出部１６０は、例えば、人９９の咳又はくしゃみと同時に発せられる声を検出し、その発生源、すなわち、人９９の口の位置を特定する。音検出部１６０は、例えば、複数の方向に対して指向性を有するマイクロフォンであり、音の発生源の位置を検出する。音検出部１６０は、音の発生源の位置を示す位置情報を制御部１５０に出力する。
制御部１５０は、対象空間に人９９が存在するか否かを判定する。制御部１５０は、人９９が存在すると判定された場合に人９９の口を含む単位空間、又は、人９９の口に最も近い単位空間と、当該単位空間とに隣接する１つ以上の単位空間とに向けて照射光Ｌ１を照射させる。例えば、音検出部１６０によって咳又はくしゃみと同時に発せされる声が検出できた場合に、制御部１５０は、人９９が存在すると判定する。つまり、音検出部１６０から出力された位置情報を取得した場合に、制御部１５０は、人９９が存在すると判定する。
制御部１５０は、音検出部１６０から出力される位置情報を取得し、取得した位置情報に基づいて光源１０を制御する。具体的には、制御部１５０は、位置情報が示す位置を含む単位空間と、当該単位空間に隣接する１つ以上の単位空間とに向けて照射光Ｌ１を照射する。位置情報が示す位置を含む単位空間は、人９９の口を含む単位空間、又は、人９９の口に最も近い単位空間である。
また、制御部１５０は、単位空間に向けて照射光Ｌ１を照射した場合において、受光部３０による受光強度と閾値との比較結果に基づいて光源１０を制御する。具体的には、制御部１５０は、受光部３０による受光強度が閾値より大きい場合、閾値より受光強度が大きい光を発生させた単位空間の周囲の単位空間に向けて照射光Ｌ１を照射する。受光部３０による受光強度が閾値以下である場合、制御部１５０は、実施の形態１と同様に、エアロゾル粒子９０が飛沫であるか否かを判定するための処理を行う。
閾値は、例えば、散乱光Ｌ２として想定される強度の最大値よりも大きく、照射光Ｌ１の強度以下の値である。例えば、障害物に照射光Ｌ１が当たって反射された反射光を受光部３０が受光した場合に、その受光強度が閾値より大きくなるように、閾値が設定される。
図７は、本実施の形態に係る散乱体測定装置１０１によるエアロゾル粒子９０の検出の様子を模式的に示す図である。図７に示されるように、散乱体測定装置１０１と人９９との位置関係によっては、単位空間９５に向けて照射光Ｌ１を照射したとしても、人９９に照射光Ｌ１が当たり、散乱体測定装置１０１は、エアロゾル粒子９０が発生させる散乱光Ｌ２を取得することができない。散乱体測定装置１０１は、散乱光Ｌ２の代わりに、人９９によって反射された反射光を取得する。
人９９などの障害物は、エアロゾル粒子９０に比べて十分に大きいので、強い光を反射させる。例えば、人９９からの反射光とエアロゾル粒子９０からの散乱光とでは、相対強度比で６桁程度の差がある。このため、上述したように、受光部３０によって受光された光がエアロゾル粒子９０からの散乱光であるか、障害物からの反射光であるかを、受光強度と閾値とを比較することで判別することができる。
制御部１５０は、単位空間９５に向けて照射光Ｌ１を照射した場合に、受光部３０が散乱光Ｌ２を受光できなかったとき、単位空間９５の周囲に位置する単位空間９６及び単位空間９７に照射光Ｌ１を出射する。これにより、散乱体測定装置１０１は、人９９の口に最も近い単位空間９５でエアロゾル粒子９０が検出できなかったとしても、エアロゾル粒子９０が単位空間９６又は９７に移動したタイミングで、各単位空間においてエアロゾル粒子９０を検出することが可能になり、エアロゾル粒子９０の速度を算出することができる。
なお、対象空間が屋内空間である場合には、人９９以外の障害物として、壁、床、天井、梁、柱及び家具などが存在する。これらの障害物は通常動きがないので、対象空間内を予め走査をしておくことで、障害物を含む単位空間及び障害物からの反射光の強度を検出することができる。例えば、散乱体測定装置１０１は、検出した障害物を含む単位空間と反射光の強度とを対応付けて記憶するメモリ（図示せず）を備える。
これにより、メモリに記憶された情報に一致しない単位空間から強度が強い光が検出された場合に、散乱体測定装置１０１は、当該単位空間に人９９の一部が存在すると判別することができる。また、人９９の一部が存在すると判別できる単位空間が複数箇所、高さ方向に連続して検出された場合、散乱体測定装置１０１は、複数の単位空間のうち最も高い位置の単位空間を、人９９の頭の位置として決定することができる。
［２．動作］
続いて、本実施の形態に係る散乱体測定装置１０１の動作について、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測定装置１０１の動作を示すフローチャートである。
図８に示されるように、まず、音検出部１６０が人９９の咳又はくしゃみを検出する（Ｓ３０）。制御部１５０は、光源１０を制御することで、咳又はくしゃみが発生した単位空間に向けて照射光Ｌ１を照射させる。これにより、受光部３０が散乱光Ｓｉを検出し、散乱光Ｓｉの強度ｓｉに応じた信号を出力する（Ｓ１２）。
信号処理回路４０は、散乱光Ｓｉの強度ｓｉと閾値ｓ０とを比較する（Ｓ３２）。散乱光Ｓｉの強度ｓｉが閾値ｓ０以下である場合（Ｓ３２でＹｅｓ）、信号処理回路４０は、検出された散乱光Ｓｉの発生源であるエアロゾル粒子９０が存在する単位空間の位置ｐｉと、散乱光Ｓｉの受光時刻ｔｉとをメモリに記憶する（Ｓ１４）。以降、実施の形態１と同様に、散乱体測定装置１０１は、ステップＳ１６からステップＳ２６までの処理を行うことで、エアロゾル粒子９０が飛沫であるか否かを判定する。
散乱光Ｓｉの強度ｓｉが閾値ｓ０より大きい場合（Ｓ３２でＮｏ）、信号処理回路４０は、検出された散乱光Ｓｉの受光時刻ｔｉをメモリに記憶する（Ｓ３４）。次に、制御部１５０は、光源１０を制御することで、散乱光Ｓｉを発生させた単位空間の周辺を走査する（Ｓ３６）。例えば、図７に示される単位空間９５からの散乱光の強度ｓｉが閾値ｓ０より大きい場合、制御部１５０は、単位空間９５に隣接する単位空間９６に向けて照射光Ｌ１を光源１０に照射させる。これにより、単位空間９５で検出できなかったエアロゾル粒子９０の移動先を探索する。
次に、受光部３０が散乱光Ｓｉ＋１を検出し（Ｓ３８）、散乱光Ｓｉ＋１の強度ｓｉ＋１に応じた第１信号を出力する。信号処理回路４０は、第１信号に基づいて、検出された散乱光Ｓｉ＋１の発生源であるエアロゾル粒子９０が存在する単位空間の位置ｐｉ＋１と、散乱光Ｓｉ＋１の受光時刻ｔｉ＋１とをメモリに記憶する（Ｓ４０）。
次に、制御部１５０は、光源１０を制御することで、散乱光Ｓｉ＋１を発生させた単位空間の周辺を走査する（Ｓ４２）。例えば、図７に示される単位空間９６からの散乱光Ｌ２が散乱光Ｓｉ＋１として受光された場合、制御部１５０は、単位空間９６に隣接する単位空間９７に向けて照射光Ｌ１を光源１０に照射させる。これにより、単位空間９６に存在するエアロゾル粒子９０の移動先を探索する。
次に、受光部３０が散乱光Ｓｉ＋２を検出し（Ｓ４４）、散乱光Ｓｉ＋２の強度ｓｉ＋２に応じた第２信号を出力する。信号処理回路４０は、第２信号に基づいて、検出された散乱光Ｓｉ＋２の発生源であるエアロゾル粒子９０が存在する単位空間の位置ｐｉ＋２と、散乱光Ｓｉ＋２の受光時刻ｔｉ＋２とをメモリに記憶する（Ｓ４６）。
次に、信号処理回路４０は、メモリに記憶された位置ｐｉ＋１及び時刻ｔｉ＋１と位置ｐｉ＋２及び時刻ｔｉ＋２とに基づいて、エアロゾル粒子９０の速度ｖを予測する（Ｓ４８）。具体的には、信号処理回路４０は、以下の式（２）に基づいてエアロゾル粒子９０の速度ｖｉを算出する。
Figure 0007411935000002
信号処理回路４０は、式（２）に基づいて算出された速度ｖｉと時刻ｔｉとに基づいて、エアロゾル粒子９０の初速度ｖを予測する。例えば、時刻ｔｉと時刻ｔｉ＋１との差が、例えば１秒以下などの十分に小さい場合には、初速度ｖ＝速度ｖｉとしてもよい。
次に、信号処理回路４０は、予測した速度ｖと閾値ｖ０とを比較する（Ｓ２４）。予測した速度ｖが閾値ｖ０以上である場合（Ｓ２４でＹｅｓ）、信号処理回路４０は、エアロゾル粒子９０が飛沫であると判定する（Ｓ２６）。算出した速度ｖが閾値ｖ０未満である場合（Ｓ２４でＮｏ）、信号処理回路４０は、エアロゾル粒子９０が飛沫ではないと判定し、ステップＳ１０に戻って対象空間の走査を繰り返す。
以上のように、本実施の形態によれば、人９９などの障害物によってエアロゾル粒子９０からの散乱光Ｌ２を取得できない場合であっても、周囲を探索することにより、エアロゾル粒子９０の速度を算出することができる。これにより、実施の形態１と同様に、飛沫の飛散範囲及び飛散方向を精度良く判別することができるので、例えば、飛沫の分布図などを作成してユーザに提示することができる。また、飛沫の位置が判別されるので、次亜塩素酸などの浄化物質を飛沫に向けて適切に供給し、飛沫に含まれるウイルスの除去を効果的に行うこともできる。
なお、本実施の形態では、散乱体測定装置１０１が、咳又はくしゃみの検出を行う音検出部１６０を備える例を示したが、これに限らない。例えば、散乱体測定装置１０１は、人９９が行う咳又はくしゃみの動作を検出する赤外線センサ又はカメラなどを有してもよい。
また、音検出部１６０は、咳又はくしゃみの発生源の位置を特定しなくてもよい。散乱体測定装置１０１は、咳又はくしゃみが検出された場合に、実施の形態１と同様に制御部１５０が、光源１０を制御することで、対象空間の走査を開始してもよい。つまり、最初に照射光Ｌ１が照射される単位空間は、人９９の口を含む単位空間又は口に最も近い単位空間でなくてもよい。
また、散乱体測定装置１０１は、音検出部１６０を備えなくてもよく、実施の形態１と同様に、対象空間を常時走査していてもよい。この場合、散乱体測定装置１０１は、散乱光Ｓｉが検出された場合に、図８に示されるステップＳ１２以降の処理を行ってもよい。
また、散乱体測定装置１０１は、散乱光Ｓｉの強度ｓｉが閾値ｓ０より大きい場合に（図８のＳ３２でＮｏ）、エアロゾル粒子９０の検出を行わずに、対象空間の走査を継続して行ってもよい。あるいは、散乱光Ｓｉの強度ｓｉが閾値ｓ０より大きい場合に（図８のＳ３２でＮｏ）、ステップＳ３０に戻って、再び咳が検出されるまで待機してもよい。
なお、閾値ｖ０は、音検出部１６０で咳が検出された場合と、くしゃみが検出された場合とで異なる値であってもよい。例えば、信号処理回路４０は、音検出部１６０で咳が検出された場合には、閾値ｖ０を５ｍ／ｓに設定し、音検出部１６０でくしゃみが検出された場合には、閾値ｖ０を７ｍ／ｓに設定してもよい。
（実施の形態３）
続いて、実施の形態３について説明する。
実施の形態２で説明した通り、受光される光の強度に基づいて人９９の頭の位置を判別することができる。実施の形態３では、人９９の頭の位置と、その周辺で検出されるエアロゾル粒子９０の位置とに基づいてエアロゾル粒子９０の速度を算出する。以下では、実施の形態２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。
本実施の形態に係る散乱体測定装置の構成は、実施の形態２に係る散乱体測定装置１０１の構成を同じである。このため、以下では、実施の形態２に係る散乱体測定装置１０１の構成を用いて説明する。
［１．エアロゾル粒子の検出］
図９は、本実施の形態に係る散乱体測定装置１０１によるエアロゾル粒子９０の検出の様子を模式的に示す図である。上述したように、対象空間内の人９９以外の障害物を予め検出し記憶しておくことで、記憶された単位空間以外で強い光を発する単位空間を、人９９の頭の一部を含む単位空間として特定することができる。散乱体測定装置１０１は、人９９の頭の一部を含む単位空間９５を特定した後、単位空間９５の周辺を重点的に走査する。具体的には、散乱体測定装置１０１は、単位空間９５に隣接する複数の単位空間の各々に向けて照射光Ｌ１を照射し、エアロゾル粒子９０からの散乱光Ｌ２が発生する単位空間を探索する。
例えば、図９に示される例では、単位空間９５に隣接する単位空間９６に照射した照射光Ｌ１をエアロゾル粒子９０が散乱させることで、散乱光Ｌ２を発生させる。1散乱体測定装置１０１は、エアロゾル粒子９０が発生した時刻と、散乱光Ｌ２を受光した時刻と、単位空間９５及び単位空間９６間の距離とに基づいてエアロゾル粒子９０の速度を算出する。
エアロゾル粒子９０が発生した時刻は、例えば、音検出部１６０が咳又はくしゃみを検出した時刻である。あるいは、赤外線センサ又はカメラによって人９９の咳又はくしゃみの動作を検出した時刻であってもよい。
［２．動作］
続いて、本実施の形態に係る散乱体測定装置１０１の動作について、図１０を用いて説明する。図１０は、本実施の形態に係る散乱体測定装置１０１の動作を示すフローチャートである。
図１０に示されるように、まず、音検出部１６０が人９９の咳又はくしゃみを検出する（Ｓ３０）。制御部１５０は、音検出部１６０が人９９の咳又はくしゃみを検出した時刻ｔｉを記憶する（Ｓ６２）。次に、制御部１５０は、光源１０を制御することで、咳又はくしゃみが発生した位置の周辺に向けて照射光Ｌ１を照射させることで、人９９の頭の一部を含む単位空間を探索する（Ｓ６４）。具体的には、受光部３０が光Ｓｉを検出し、検出した光Ｓｉの強度ｓｉに応じた第１信号を生成する（Ｓ６６）。信号処理回路は、第１信号に基づいて、強度ｓｉが閾値ｓ０より大きいか否かを判定する（Ｓ６８）。
強度ｓｉが閾値ｓ０より大きい場合に（Ｓ６８でＹｅｓ）、信号処理回路４０は、検出された単位空間の位置ｐｉ＋１をメモリに記憶する（Ｓ５０）。強度ｓｉが閾値ｓ０以下である場合に（Ｓ６８でＮｏ）、ステップＳ４４に戻り、異なる単位空間に対して照射光Ｌ１を照射する。なお、信号処理回路４０は、強度ｓｉが閾値ｓ０よりも大きい光を発生させる複数の単位空間のうち、最も高い位置に位置する単位空間を、人９９の頭の一部を含む単位空間として決定してもよい。
次に、制御部１５０は、光源１０を制御することで、人９９の頭の一部を含む単位空間の周辺を走査する（Ｓ５２）。これにより、人９９の近傍に発生したはずのエアロゾル粒子９０を探索する。例えば、制御部１５０は、図９に示される単位空間９５に隣接する単位空間９６を通過する照射光Ｌ１を光源１０に照射させる。
次に、受光部３０が散乱光Ｓｉ＋１を検出し（Ｓ５４）、散乱光Ｓｉ＋１の強度ｓｉ＋１に応じた第２信号を出力する。信号処理回路４０は、第２信号に基づいて、検出された散乱光Ｓｉ＋１の発生源であるエアロゾル粒子９０が存在する単位空間の位置ｐｉ＋１と、散乱光Ｓｉ＋１の受光時刻ｔｉ＋１とをメモリに記憶する（Ｓ５６）。
次に、信号処理回路４０は、メモリに記憶された位置ｐｉ及び時刻ｔｉと位置ｐｉ＋１及び時刻ｔｉ＋１とに基づいて、式（１）によりエアロゾル粒子９０の速度ｖを算出する（Ｓ５８）。次に、信号処理回路４０は、算出した速度ｖと閾値ｖ０とを比較する（Ｓ２４）。算出した速度ｖが閾値ｖ０以上である場合（Ｓ２４でＹｅｓ）、信号処理回路４０は、エアロゾル粒子９０が飛沫であると判定する（Ｓ２６）。算出した速度ｖが閾値ｖ０未満である場合（Ｓ２４でＮｏ）、信号処理回路４０は、エアロゾル粒子９０が飛沫ではないと判定し、ステップＳ３０に戻って音検出部１６０が人９９の咳又はくしゃみを検出するのを待つ。
以上のように、本実施の形態によれば、頭の一部を含む単位空間９５を基準の位置として、単位空間９５の周辺の単位空間からの散乱光Ｌ２を受光する。散乱光Ｌ２の受光時刻ｔｉ＋１及び位置ｐｉ＋１と、頭の位置ｐｉと、咳又はくしゃみが検出された時刻ｔｉとに基づいて、式（１）により、エアロゾル粒子９０の速度が算出される。これにより、エアロゾル粒子９０が飛沫であるか否かを精度良く判別することができる。
（実施の形態４）
続いて、実施の形態４について説明する。
散乱光には、ノイズ成分として、空気を構成する分子によるレイリー散乱光が含まれる場合がある。実施の形態４では、散乱光を干渉させることで、散乱光に含まれるノイズ成分を除去する。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。
図１１は、本実施の形態に係る散乱体測定装置２０１の概略構成を示すブロック図である。図１１に示されるように、散乱体測定装置２０１は、実施の形態１に係る散乱体測定装置１と比較して、光源１０及び信号処理回路４０の代わりに、光源２１０及び信号処理回路２４０を備える点が相違する。また、散乱体測定装置２０１は、新たに、干渉部２７０を備える。
光源２１０は、等しい周波数間隔ＬＷ２の複数本のピークを有するレーザ光を含むマルチレーザ光を、照射光Ｌ１として出射する。照射光Ｌ１の中心波長λは、例えば４００ｎｍである。複数本のピークの周波数間隔ＬＷ２は、例えば１０ＧＨｚ以下であり、一例として６ＧＨｚである。複数本のピークの各々の半値全幅ＬＷ１は、例えば、周波数間隔ＬＷ２の１／１０以下の値であり、一例として３６０ＭＨｚである。
上述したマルチレーザ光の周波数間隔は、例えば、５ＧＨｚ以下とすることができる。これにより、効率良く大気散乱信号を除去することができる。
照射光Ｌ１がエアロゾル粒子９０に照射されることで発生する散乱光Ｌ２は、等しい周波数間隔ＭＷ２の複数本のピークを有するミー散乱光を含む。周波数間隔ＭＷ２は、照射光Ｌ１の周波数間隔ＬＷ２に等しい。複数本のピークの各々の半値全幅ＭＷ１は、照射光Ｌ１の各ピークの半値全幅ＬＷ１に等しい。
また、散乱光Ｌ２は、空気中を通過するので、空気を構成する分子によるレイリー散乱光を含む。レイリー散乱光の半値全幅ＲＷは、分子の熱運動により広がる。実測でのレイリー散乱光の半値全幅ＲＷは、３．４ＧＨｚから３．９ＧＨｚ程度である。一例として、レイリー散乱光の半値全幅ＲＷは、３．６ＧＨｚである。
干渉部２７０は、光路差を変更可能な干渉計である。干渉部２７０は、散乱光Ｌ２の光路上に設けられており、散乱光Ｌ２が入射する。干渉部２７０を通過した後の散乱光Ｌ２が受光部３０に受光される。
干渉部２７０は、互いに光路長が異なる複数の散乱光に散乱光Ｌ２を分離し、複数の散乱光を干渉させる。干渉光を受光することで、インターフェログラムを形成することができる。インターフェログラムは、干渉によって生じる干渉フリンジのことである。干渉部２７０は、例えば、マイケルソン干渉計、マッハツェンダー干渉計、ファブリペロー干渉計などである。
ここで、散乱光Ｌ２に干渉部２７０を通過させた場合に生成されるインターフェログラムにおける干渉フリンジの間隔をΔｘとする。Δｘは、光速Ｃ（＝３×１０８ｍ／ｓ）を周波数間隔ＭＷ２で割った値である。例えば、周波数間隔ＭＷ２が６ＧＨｚであり、波長λが４００ｎｍである場合、Δｘは５０ｍｍになる。
本実施の形態では、干渉部２７０は、照射光Ｌ１の中心波長の１／４より大きく、かつ、干渉フリンジの間隔Δｘの１／２より小さい範囲で光路差を掃引する。干渉部２７０によって生成される光路差をｄｘとし、ｄｘ＝０での干渉フリンジを第０の干渉フリンジ、ｄｘ＝Δｘでの干渉フリンジを第１の干渉フリンジ、ｄｘ＝ｎ×Δｘでの干渉フリンジを第ｎの干渉フリンジと定義する。本実施の形態では、干渉部２７０における光路差ｄｘを調整することで、周波数間隔に対応した第１の干渉フリンジの近傍の信号を取得し、取得した信号からレイリー散乱光成分を除去することで、ミー散乱光を選択的に取得する。第１の干渉フリンジでは、空気を構成する分子によるレイリー散乱の影響が極めて小さく、エアロゾル粒子９０からのミー散乱光の強度に対する依存性が高い。具体的には、エアロゾル粒子９０からのミー散乱光の強度に応じて、第１の干渉フリンジの信号強度が単調に増加する。このため、第１の干渉フリンジの信号強度を測定することにより、エアロゾル粒子９０からのミー散乱光の強度を精度良く取得することができる。
信号処理回路２４０は、光路差ｄｘを掃引させて得られる散乱光Ｌ２のインターフェログラムから、第１の干渉フリンジに対応する信号成分を抽出し、抽出した信号成分に基づいて速度を算出する。具体的には、信号処理回路２４０は、干渉部２７０を通過した散乱光Ｌ２に基づいてインターフェログラムを生成する。信号処理回路２４０は、生成したインターフェログラムに基づいて第１の干渉フリンジの信号強度を取得し、当該信号強度に基づいてエアロゾル粒子９０からのミー散乱光の受光強度を取得することができる。これにより、信号処理回路２４０は、エアロゾル粒子９０の速度を精度良く算出することができる。
なお、信号処理回路２４０は、第１の干渉フリンジの近傍の信号に基づいてフーリエ変換を行ってもよい。信号処理回路２４０は、フーリエ変換によって波長スペクトルデータを生成し、その最大値をミー散乱光の強度として取得することができる。
以上のように、本実施の形態に係る散乱体測定装置２０１によれば、散乱光Ｌ２からレイリー散乱光を除去することができる。したがって、エアロゾル粒子９０からのミー散乱光に基づいて精度良くエアロゾル粒子９０の速度を算出することができる。
なお、散乱体測定装置２０１は、散乱光Ｌ２の経路上に設けられた、散乱光Ｌ２を集光する集光部を備えてもよい。例えば、散乱光Ｌ２を透過させる開口（図示せず）とミラー２０との間、ミラー２０と干渉部２７０との間、干渉部２７０と受光部３０との間の少なくとも１ヶ所に、１つ以上の集光部が設けられていてもよい。
集光部は、例えば、集光レンズ及びコリメートレンズの少なくとも１つを含むレンズ群である。集光部は、エアロゾル粒子９０からの散乱光Ｌ２を集光し、平行光に変換して出射する。集光部が設けられていることにより、散乱光Ｌ２の検出精度を高めることができる。また、干渉部２７０による干渉効果を高めることができる。
（実施の形態５）
続いて、実施の形態５について説明する。
実施の形態５では、散乱光の偏光解消度に基づいて散乱体の種別を判別する。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測定装置の概要について、図１２を用いて説明する。図１２は、本実施の形態に係る散乱体測定装置３０１の構成を示す図である。
本実施の形態に係る散乱体測定装置３０１は、空間に対して照射光を照射し、空間内に存在するエアロゾル粒子９０が照射光を散乱させることで発生する散乱光を受光し、受光した散乱光を処理することで、エアロゾル粒子９０の位置及び種別を判別する。
図１２に示されるように、散乱体測定装置３０１は、光源１０と、偏光フィルタ３１２と、ミラー２０と、ビームスプリッタ３３０と、偏光フィルタ３４０と、偏光フィルタ３４２と、受光素子３５０と、受光素子３５２と、信号処理回路３６０とを備える。光源１０及びミラー２０は、実施の形態１と同じである。
偏光フィルタ３１２は、光源１０から出射された照射光Ｌ１の光路上に配置されている。偏光フィルタ３１２は、照射光Ｌ１を偏光する第１偏光フィルタの一例である。具体的には、偏光フィルタ３１２は、光源１０から出射された照射光Ｌ１を直線偏光する。偏光フィルタ３１２を通過した照射光Ｌ１１は、直線偏光されており、特定の偏光面を有する光になる。
本実施の形態では、光源１０と偏光フィルタ３１２とが、偏光された照射光Ｌ１１をエアロゾル粒子９０に照射する光源を構成している。図１２に示されるように、偏光フィルタ３１２を通過し、偏光された照射光Ｌ１１がエアロゾル粒子９０に照射される。照射光Ｌ１１は、エアロゾル粒子９０によって散乱され、その一部である散乱光Ｌ１２が散乱体測定装置３０１に戻ってくる。散乱光Ｌ１２は、エアロゾル粒子９０が照射光Ｌ１１を散乱させることで発生する後方散乱光である。散乱光Ｌ１２は、エアロゾル粒子９０によるミー散乱に基づく光である。
ビームスプリッタ３３０は、散乱光Ｌ１２を第３散乱光Ｌ１２ａと第４散乱光Ｌ１２ｂとに分岐させる。ビームスプリッタ３３０は、ミラー２０で反射された散乱光Ｌ１２の進行方向に対して４５°の角度で配置されており、散乱光Ｌ１２の一部を透過して第３散乱光Ｌ１２ａとして出射させ、散乱光Ｌ１２の残りを反射して第４散乱光Ｌ１２ｂとして出射させる。ビームスプリッタ３３０は、例えば、透過率と反射率とが等しいハーフミラーであり、第３散乱光Ｌ１２ａと第４散乱光Ｌ１２ｂとは、光強度が実質的に等しい。なお、ビームスプリッタ３３０の透過率と反射率とは異なっていてもよい。
偏光フィルタ３４０は、第３散乱光Ｌ１２ａの光路上に配置され、照射光Ｌ１１の偏光面に平行な偏光成分（以下、単に平行成分と記載する）を透過させる第２偏光フィルタの一例である。偏光フィルタ３４０は、照射光Ｌ１１の偏光面に平行ではない成分を実質的に遮断して透過させない。このため、偏光フィルタ３４０を透過した後の第３散乱光Ｌ１２ａは、透過前の第３散乱光Ｌ１２ａのうち、平行成分のみを有する光になる。
偏光フィルタ３４２は、第４散乱光Ｌ１２ｂの光路上に配置され、照射光Ｌ１１の偏光面に垂直な偏光成分（以下、単に、垂直成分と記載する）を透過させる第３偏光フィルタの一例である。偏光フィルタ３４２は、照射光Ｌ１１の偏光面に垂直ではない成分を実質的に遮断して透過させない。このため、偏光フィルタ３４２を透過した後の第４散乱光Ｌ１２ｂは、透過前の第４散乱光Ｌ１２ｂのうち、垂直成分のみを有する光になる。
受光素子３５０は、偏光フィルタ３４０を透過した後の第３散乱光Ｌ１２ａを受光する第１受光素子の一例である。受光素子３５０は、受光強度に応じた電気信号を出力する。受光素子３５０による受光強度は、散乱光Ｌ１２に含まれる、照射光Ｌ１１の偏光面に平行な偏光成分の強度に対応しており、受光素子３５０が出力する電気信号の信号レベルに相当する。
受光素子３５０は、例えば、ＰＭＴ（Photomultiplier Tube）である。あるいは、受光素子３５０は、ＰＭＴとフォトンカウンタとを有してもよい。また、受光素子３５０は、アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）であってもよい。
受光素子３５２は、偏光フィルタ３４２を透過した後の第４散乱光Ｌ１２ｂを受光する第２受光素子の一例である。受光素子３５２は、受光強度に応じた電気信号を出力する。受光素子３５２による受光強度は、散乱光Ｌ１２に含まれる、照射光Ｌ１１の偏光面に垂直な偏光成分の強度に対応しており、受光素子３５２が出力する電気信号の信号レベルに相当する。受光素子３５２は、受光素子３５０と同じ構成を有する。
信号処理回路３６０は、照射光Ｌ１１の照射方向と、照射光Ｌ１１を照射してから散乱光Ｌ１２を受光するまでの時間とに基づいてエアロゾル粒子９０の位置を算出する。信号処理回路３６０は、エアロゾル粒子９０による散乱光Ｌ１２の偏光解消度と、エアロゾル粒子９０の落下速度とに基づいて、エアロゾル粒子９０の種別を判別する。具体的には、信号処理回路３６０は、散乱光Ｌ１２の偏光解消度に基づいて、エアロゾル粒子９０が非球形粒子であるか否かの第１の判定を行う。さらに、信号処理回路３６０は、エアロゾル粒子９０が非球形粒子ではないと判定された場合に、エアロゾル粒子９０の落下速度に基づいて、エアロゾル粒子９０がＰＭ２．５であるか否かの第２の判定を行う。信号処理回路３６０の具体的な処理については、後で説明する。
信号処理回路３６０は、実施の形態１に係る信号処理回路４０と同様に、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。
散乱体測定装置３０１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、散乱体測定装置３０１の外郭筐体であり、遮光性を有する。筐体には、照射光Ｌ１１及び散乱光Ｌ１２を通過させるための開口が設けられている。開口は、照射光Ｌ１１と散乱光Ｌ１２とのそれぞれに対応させて１つずつ設けられていてもよい。散乱体測定装置３０１は、ミラー２０の光入射側に配置された、散乱光Ｌ１２を集光するレンズなどの光学素子を備えてもよい。
筐体の内部における各構成要素の配置は、特に限定されない。各構成要素は、照射光Ｌ１１、散乱光Ｌ１２、第３散乱光Ｌ１２ａ及び第４散乱光Ｌ１２ｂの光路に応じて適切な位置に配置される。例えば、散乱体測定装置３０１は、ミラー２０を備えなくてもよく、散乱光Ｌ１２が直接ビームスプリッタ３３０に入射してもよい。また、散乱体測定装置３０１は、複数のミラー２０を備えてもよい。
また、受光素子３５０と受光素子３５２とは、互いに異なる構成を有してもよい。例えば、受光素子３５２の感度は、受光素子３５０の感度より高くてもよい。例えば、信号処理回路３６０が、感度の差を補正してもよい。また、ビームスプリッタ３３０による透過率と反射率とが異なる場合に、信号処理回路３６０は、透過率と反射率との差を補正してもよい。
［２．エアロゾル粒子の種別の判別］
次に、エアロゾル粒子の種別の判別方法について説明する。
エアロゾル粒子９０は、例えば、図２に示されるように、人９９の口から放出される飛沫である。飛沫は、人９９の咳、くしゃみ又は発話によって動的に発生する微小液滴である。飛沫には、ウイルス又は細菌などが含まれている場合がある。
一般的には、エアロゾル粒子には、飛沫だけでなく、塵埃などのハウスダスト、黄砂、大気汚染エアロゾル、ＰＭ２．５などの浮遊粒子状物質、花粉などの生物系粒子などが含まれる。エアロゾル粒子は、その形状及び大きさに基づいて分類が可能である。
具体的には、エアロゾル粒子は、球形粒子と非球形粒子とに分類可能である。球形粒子には、ＰＭ２．５、花粉、飛沫などが含まれる。非球形粒子には、ハウスダスト、黄砂、大気汚染エアロゾルなどが含まれる。
［２－１．偏光解消度に基づく第１の判定］
信号処理回路３６０は、散乱光Ｌ１２の偏光解消度δに基づいて球形粒子と非球形粒子とを判定する。偏光解消度δは、以下の式（３）で表される。
Figure 0007411935000003
式（３）において、Ｐ∥は、照射光Ｌ１１の偏光面に平行な偏光成分の強度である。Ｐ⊥は、照射光Ｌ１１の偏光面に垂直な偏光成分の強度である。Ｐ∥は、受光素子３５０による受光強度に相当する。Ｐ⊥は、受光素子３５２による受光強度に相当する。本実施の形態では、信号処理回路３６０は、受光素子３５０による受光強度Ｐ∥と受光素子３５２による受光強度Ｐ⊥とに基づいて、偏光解消度δを取得する。具体的には、信号処理回路３６０は、式（３）に基づいて偏光解消度δを算出する。さらに、信号処理回路３６０は、偏光解消度δに基づいて、エアロゾル粒子９０が非球形粒子であるか否かを判定する。
偏光された照射光Ｌ１１を球形粒子が散乱させることで発生する散乱光Ｌ１２は、偏光面が維持される。このため、散乱光Ｌ１２には、垂直成分がほとんど含まれないので、受光強度Ｐ⊥が小さくなる。したがって、球形粒子の場合、偏光解消度δが小さくなる。
これに対して、偏光された照射光Ｌ１１を非球形粒子が散乱させることで発生する散乱光Ｌ１２は、偏光面が維持されない。このため、散乱光Ｌ１２には、垂直成分が含まれるので、受光強度Ｐ⊥が大きくなる。したがって、非球形粒子の場合、偏光解消度δが大きくなる。
本実施の形態では、信号処理回路３６０は、偏光解消度δと閾値とを比較することで、エアロゾル粒子９０の種別を判別する。信号処理回路３６０は、偏光解消度δが閾値以上である場合に、エアロゾル粒子９０が非球形粒子であると判定する。信号処理回路３６０は、偏光解消度δが閾値未満である場合に、エアロゾル粒子９０が非球形粒子ではない、すなわち、球形粒子であると判定する。偏光解消度δは、一般的にパーセントで表されるため、閾値は、例えば１０％である。
なお、非特許文献１及び非特許文献２に示されるように、偏光解消度δは、後方散乱係数及びライダー比を利用することで、理論的に算出することが可能である。例えば、非球形粒子の一例である塩化ナトリウムの微小結晶の偏光解消度δは、１８％である。球形粒子の一例である液滴の偏光解消度δは、０％になる。
また、非特許文献３には、室内のモデル環境で偏光解消度δを実測した例が開示されている。非球形粒子の一例である黄砂の偏光解消度δは、１６％から２１％の範囲である。塩化ナトリウム又は硫酸アンモニウムなどの液滴の偏光解消度δはいずれも、５％未満である。
したがって、閾値を１０％とすることで、非球形粒子と球形粒子とを精度良く判別することができる。なお、閾値は、１０％でなくてもよい。閾値は、例えば５％以上１６％未満の値であってもよい。
［２－２．落下速度に基づく第２の判定］
信号処理回路３６０は、第１の判定によってエアロゾル粒子９０が非球形粒子ではないと判定された場合に、エアロゾル粒子９０の落下速度に基づいて第２の判定を行う。具体的には、信号処理回路３６０は、エアロゾル粒子９０がＰＭ２．５、花粉及び飛沫のいずれであるかを判定する。
図１３Ａは、本実施の形態に係る散乱体測定装置３０１による第１照射光の照射時のエアロゾル粒子９０を示す図である。図１３Ｂは、本実施の形態に係る散乱体測定装置３０１による第２照射光の照射時のエアロゾル粒子９０を示す図である。
本実施の形態では、散乱体測定装置３０１は、照射光Ｌ１１をエアロゾル粒子９０に２回照射する。つまり、散乱体測定装置３０１は、１回目に照射される第１照射光と、２回目に照射される第２照射光とを照射する。このため、散乱体測定装置３０１は、２回の照射光Ｌ１１の照射によって発生する散乱光Ｌ１２を２回受光する。つまり、散乱体測定装置３０１は、第１照射光がエアロゾル粒子９０によって散乱されることによって生じる第１散乱光と、第２照射光がエアロゾル粒子９０によって散乱されることによって生じる第２散乱光とを受光する。
例えば、図１３Ａに示されるように、エアロゾル粒子９０は、第１空間の一例である単位空間９５内に位置している。このため、散乱体測定装置３０１は、単位空間９５に向けて１回目の照射光Ｌ１１を第１照射光として照射することで、エアロゾル粒子９０からの１回目の散乱光Ｌ１２を第１散乱光として取得することができる。
エアロゾル粒子９０は、重力を受けて自由落下する。したがって、一定の期間が経過した後、図１３Ｂに示されるように、エアロゾル粒子９０は、第２空間の一例である単位空間９６に位置している。このため、散乱体測定装置３０１は、単位空間９６に向けて２回目の照射光Ｌ１１を第２照射光として照射することで、エアロゾル粒子９０からの２回目の散乱光Ｌ１２を第２散乱光として取得することができる。なお、単位空間９６は、単位空間９５の鉛直下方に位置する空間である。
信号処理回路３６０は、１回目の照射光Ｌ１１を散乱させた時点でのエアロゾル粒子９０の第１位置と、２回目の照射光Ｌ１１を散乱させた時点でのエアロゾル粒子９０の第２位置との鉛直方向における距離、及び、２回の散乱光Ｌ１２の受光の時間間隔に基づいて、エアロゾル粒子９０の落下速度Ｕｔ（単位：ｍ／ｓ）を算出する。第１位置と第２位置との鉛直方向における距離は、エアロゾル粒子９０の落下距離である。信号処理回路３６０は、落下距離（単位：ｍ）を受光の時間間隔（単位：秒）で割ることにより、落下速度Ｕｔを算出する。
なお、エアロゾル粒子９０は、空間中に１つのみが単独で存在する場合は少なく、通常、一定の範囲に複数のエアロゾル粒子９０がまとまって存在する。つまり、散乱体測定装置３０１は、複数のエアロゾル粒子９０の集合体からの散乱光Ｌ１２を取得する。この場合において、エアロゾル粒子９０の第１位置及び第２位置は、例えば、集合体の中心位置とすることができる。なお、第１位置及び第２位置は、エアロゾル粒子９０が存在する単位空間毎に規定されてもよい。例えば、図１３Ａ及び図１３Ｂに示される例では、２回の照射の間にエアロゾル粒子９０が単位空間９５から単位空間９６に移動しているので、エアロゾル粒子９０は、鉛直方向に１つの単位空間分、移動したことになる。つまり、エアロゾル粒子９０の落下距離は、１つの単位空間の鉛直方向の長さに相当する。
信号処理回路３６０は、算出した落下速度Ｕｔと閾値とを比較することで、エアロゾル粒子９０の種別を判別する。本実施の形態では、信号処理回路３６０は、落下速度Ｕｔと、互いに異なる複数の閾値の各々とを比較する。例えば、信号処理回路３６０は、落下速度Ｕｔが第１閾値未満である場合に、エアロゾル粒子９０がＰＭ２．５であると判定する。信号処理回路３６０は、落下速度Ｕｔが第１閾値以上第２閾値未満である場合に、エアロゾル粒子９０が花粉であると判定する。信号処理回路３６０は、落下速度Ｕｔが第２閾値以上である場合に、エアロゾル粒子９０が飛沫であると判定する。
第１閾値は、例えば、０．００１ｍ／ｓである。第２閾値は、第１閾値より大きい値である。第２閾値は、例えば、０．１ｍ／ｓである。第１閾値及び第２閾値は、エアロゾル粒子９０の粒径に基づいて定められる。
図１４は、エアロゾル粒子の粒径と落下速度との関係を示す図である。図１４において、横軸はエアロゾル粒子の粒径Ｄｐ（単位：μｍ）を表し、縦軸はエアロゾル粒子の落下速度Ｕｔ（単位：ｍ／ｓ）を表している。
図１４に示されるように、通常、粒径Ｄｐが大きくなる程、落下速度Ｕｔは速くなる。エアロゾル粒子の種別毎の落下速度Ｕｔ（単位：ｍ／ｓ）は、ストークスの重力沈降速度式と呼ばれる式（４）に基づいて算出される。
Figure 0007411935000004
式（４）において、μは粘性係数（単位：Ｐａ・ｓ）である。ρｐは、粒子の密度（単位：ｋｇ／ｍ３）である。Ｄｐは、粒子の直径（単位：ｍ）である。ｇは、重力加速度（単位：ｍ／ｓ２）である。
エアロゾル粒子のように小さい粒子は、静止空気中で重力によって自由落下した場合に、速やかに一定速度に達する。このときの一定速度は、終末沈降速度と呼ばれ、式（４）で表される落下速度Ｕｔである。なお、式（４）は、一定速度で自由落下するエアロゾル粒子に働く流体抵抗力と重力とが釣り合うことから求められる。
球形粒子に含まれるＰＭ２．５、花粉及び飛沫の中では、ＰＭ２．５の粒径Ｄｐが最も小さい。ＰＭ２．５の粒径Ｄｐは、例えば、２．５μｍ以下である。一例として、１μｍの粒子が１ｍ落下するのに要する時間は、無風状態を想定した場合に、約９時間とされている。式（４）を用いて算出した場合、粒径が１μｍの粒子の落下速度Ｕｔは、３．０×１０－５ｍ／ｓである。粒径が２．５μｍの粒子の落下速度Ｕｔは、１．９×１０－４ｍ／ｓである。
花粉の粒径Ｄｐは、１０μｍから５０μｍの範囲である。一例として、スギ花粉の粒径Ｄｐの平均値は、２７μｍである。この花粉が１ｍを落下するのに要する時間は、１分程度である。式（４）を用いて算出した場合、粒径が１５μｍの花粉の落下速度Ｕｔは、５．９×１０－３ｍ／ｓである。粒径が５０μｍの花粉の落下速度Ｕｔは、６．５×１０－２ｍ／ｓである。
飛沫の粒径Ｄｐは、５μｍから１００μｍの範囲である。例えば、１００μｍの飛沫が１ｍを落下するのに要する時間は、約３０秒である。式（４）を用いて算出した場合、粒径が１００μｍの飛沫の落下速度Ｕｔは、０．３０ｍ／ｓである。通常、人９９の口から飛沫が放出された場合、粒径Ｄｐが１００μｍ程度の大きいサイズの飛沫が一定量含まれる。このため、エアロゾル粒子９０の集合体の中に、落下速度Ｕｔが速いエアロゾル粒子９０が含まれる場合には、当該集合体に含まれるエアロゾル粒子９０を飛沫であると判定することができる。なお、非特許文献４には、飛沫の粒径と落下速度との関係を実測した例が開示されている。
したがって、ＰＭ２．５を判別するための第１閾値は、例えば０．００１ｍ／ｓになる。なお、第１閾値は、２×１０－４ｍ／ｓ以上、５×１０－３ｍ／ｓ以下の範囲の値であってもよい。飛沫を判別するための第２閾値は、例えば０．１ｍ／ｓになる。なお、第２閾値は、０．０７ｍ／ｓ以上、０．２９ｍ／ｓ以下の範囲の値であってもよい。
なお、ここでは、散乱体測定装置３０１が、２回目の照射光Ｌ１１の照射によって、落下後のエアロゾル粒子９０からの散乱光Ｌ１２を取得できた例を説明したが、これに限らない。散乱体測定装置３０１は、３回以上の照射光Ｌ１１を照射してもよい。信号処理回路３６０は、散乱光Ｌ１２が取得できたときの照射光Ｌ１１を「２回目の照射光Ｌ１１」とみなすことで、上述した処理と同様にして落下速度を算出することができる。
また、エアロゾル粒子９０がＰＭ２．５である場合、ＰＭ２．５はほとんど落下しないので、単位空間９６に照射光Ｌ１１を照射したとしても散乱光Ｌ１２を取得できない場合が起こりうる。この場合、３回目以降の照射光Ｌ１１は、単位空間９５に一部が重なる空間に向けて照射されてもよい。例えば、図１３Ａに示される単位空間９５の下半分と単位空間９６の上半分とを含む空間に照射光Ｌ１１が照射されてもよい。言い換えると、２回目以降に照射光Ｌ１１が照射される第２空間は、第１空間の鉛直下方に位置し、かつ、第１空間と一部が重複していてもよい。
また、一定期間が経過した後も、エアロゾル粒子９０の落下が検出されない場合に、信号処理回路３６０は、エアロゾル粒子９０がＰＭ２．５であると判別してもよい。例えば、散乱体測定装置３０１は、単位空間９５においてエアロゾル粒子９０が検出された後、一定期間において、単位空間９６においてエアロゾル粒子９０が検出されない場合、当該一定期間の経過後に単位空間９５に向けて照射光Ｌ１１を照射する。このときに、エアロゾル粒子９０が検出された場合に、信号処理回路３６０は、エアロゾル粒子９０が落下していないと判定し、エアロゾル粒子９０がＰＭ２．５であると判定してもよい。
［３．動作］
続いて、本実施の形態に係る散乱体測定装置３０１の動作、すなわち、散乱体測定方法について、図１５を用いて説明する。図１５は、本実施の形態に係る散乱体測定装置３０１の動作を示すフローチャートである。
図１５に示されるように、まず、光源１０が、照射光Ｌ１を出射する（Ｓ１１０）。次に、偏光フィルタ３１２が、照射光Ｌ１を偏光する（Ｓ１１２）。偏光された照射光Ｌ１１は、散乱体測定装置３０１の外部に出射される。照射光Ｌ１１の照射方向にエアロゾル粒子９０が存在する場合には、エアロゾル粒子９０が照射光Ｌ１１を散乱することで、散乱光を発生させる。発生させた散乱光のうち、後方散乱光である散乱光Ｌ１２が散乱体測定装置３０１に戻ってくる。
次に、散乱体測定装置３０１では、偏光フィルタ３４０及び偏光フィルタ３４２が、散乱光Ｌ１２を偏光する（Ｓ１１４）。具体的には、ビームスプリッタ３３０が散乱光Ｌ１２を第３散乱光Ｌ１２ａと第４散乱光Ｌ１２ｂとに分岐させた後、偏光フィルタ３４０が第３散乱光Ｌ１２ａのうち、照射光Ｌ１１の偏光面に平行な偏光成分を透過させ、偏光フィルタ３４２が第４散乱光Ｌ１２ｂのうち、照射光Ｌ１１の偏光面に垂直な偏光成分を透過させる。
次に、受光素子３５０が、偏光フィルタ３４０を透過した後の第３散乱光Ｌ１２ａを受光し、受光素子３５２が、偏光フィルタ３４２を透過した後の第４散乱光Ｌ１２ｂを受光する（Ｓ１１６）。受光素子３５０では、散乱光Ｌ１２に含まれる平行成分の受光強度Ｐ∥に応じた電気信号が生成され、信号処理回路３６０に出力される。受光素子３５２では、散乱光Ｌ１２に含まれる垂直成分の受光強度Ｐ⊥に応じた電気信号が生成され、信号処理回路３６０に出力される。
次に、信号処理回路３６０は、受光素子３５０による受光強度Ｐ∥と受光素子３５２による受光強度Ｐ⊥とに基づいて、式（３）により偏光解消度δを算出する（Ｓ１１８）。次に、信号処理回路３６０は、算出した偏光解消度δと閾値とを比較する（Ｓ１２０）。ここでの閾値は、例えば１０％である。
偏光解消度δが１０％以上である場合（Ｓ１２０でＹｅｓ）、信号処理回路３６０は、エアロゾル粒子９０が非球形粒子であると判定する（Ｓ１２２）。具体的には、信号処理回路３６０は、エアロゾル粒子９０が黄砂又はハウスダストであると判定する。
偏光解消度δが１０％未満である場合（Ｓ１２０でＮｏ）、信号処理回路３６０は、エアロゾル粒子９０が非球形粒子ではないと判定し、エアロゾル粒子９０の落下速度の判定を行う（Ｓ１２４）。具体的には、信号処理回路３６０は、２回の散乱光Ｌ１２の受光の時間間隔と、エアロゾル粒子９０の落下距離とに基づいて、エアロゾル粒子９０の落下速度Ｕｔを算出する。信号処理回路３６０は、算出した落下速度Ｕｔと、ＰＭ２．５を判別するための第１閾値とを比較する。ここでの第１閾値は、例えば０．００１ｍ／ｓである。
落下速度Ｕｔが０．００１ｍ／ｓ未満である場合（Ｓ１２４でＮｏ）、すなわち、エアロゾル粒子９０が実質的に落下していないとみなせる場合、信号処理回路３６０は、エアロゾル粒子９０がＰＭ２．５であると判定する（Ｓ１２６）。落下速度Ｕｔが０．００１ｍ／ｓ以上である場合（Ｓ１２４でＹｅｓ）、信号処理回路３６０は、エアロゾル粒子９０がＰＭ２．５ではないと判定し、落下速度Ｕｔと第２閾値とを比較する（Ｓ１２８）。ここでの第２閾値は、例えば０．１ｍ／ｓである。
落下速度Ｕｔが０．１ｍ／ｓ未満である場合（Ｓ１２８でＮｏ）、信号処理回路３６０は、エアロゾル粒子９０が花粉であると判定する（Ｓ１３０）。落下速度Ｕｔが０．１ｍ／ｓ以上である場合（Ｓ１２８でＹｅｓ）、信号処理回路３６０は、エアロゾル粒子９０が飛沫であると判定する（Ｓ１３２）。
散乱体測定装置３０１は、以上のステップＳ１１０からステップＳ１３２までの処理を、照射光Ｌ１１の照射方向を変えながら繰り返し行う。例えば、対象空間内の複数の単位空間の各々に対して照射光Ｌ１１を照射し、散乱光Ｌ１２が受光できた場合に、散乱光Ｌ１２の発生源となったエアロゾル粒子９０の位置及び種別を判別する。これにより、散乱体測定装置３０１は、例えば、対象空間内のエアロゾル粒子９０の位置及び種別を示す分布図を生成することができる。このように、本実施の形態によれば、エアロゾル粒子９０の位置及び種別を精度良く判別することができる。
（実施の形態６）
続いて、実施の形態６について説明する。
実施の形態５では、落下速度と第２閾値とを比較することで、花粉と飛沫とを判別する例について説明した。これに対して、実施の形態６では、検出対象のエアロゾル粒子が発する蛍光を利用することで、飛沫と花粉とを判別する。以下では、実施の形態５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］
図１６は、本実施の形態に係る散乱体測定装置４０１の概略構成を示すブロック図である。図１６に示されるように、散乱体測定装置４０１は、実施の形態５に係る散乱体測定装置３０１と比較して、信号処理回路３６０の代わりに信号処理回路４６０を備える点が相違する。また、散乱体測定装置４０１は、新たに、ビームスプリッタ４３０と、受光素子４５０と、分光部４７０と、分光部４７２とを備える。以下では、新たに追加された構成要素を光の経路の順に沿って説明する。
分光部４７０は、光源１０が出射する光を分光することで、特定の波長成分の光を照射光Ｌ１として出射させる。分光部４７０から出射される照射光Ｌ１は、偏光フィルタ３１２によって偏光され、偏光された照射光Ｌ１１として空間に向けて照射される。偏光された照射光Ｌ１１は、偏光前の照射光Ｌ１と同じ波長成分を有する。
本実施の形態では、照射光Ｌ１１は、飛沫の蛍光波長成分を含まない光である。詳細については後で説明するが、飛沫の蛍光波長成分は、約３００ｎｍ以上約４１０ｎｍ以下の波長帯域の光である。
照射光Ｌ１１は、例えば、花粉を構成するアミノ酸などの有機物を励起する励起光である。具体的には、照射光Ｌ１１は、３００ｎｍ以上５００ｎｍ以下の波長帯域にピークを有する光である。一例として、照射光Ｌ１１は、３５５ｎｍにピークを有する光である。つまり、特定の波長成分は、例えば３５５ｎｍである。
詳細については後で説明するが、３５５ｎｍにピークを有する照射光Ｌ１１は、花粉を強く励起するのに対して、飛沫をほとんど励起しない。つまり、３５５ｎｍにピークを有する照射光Ｌ１１は、花粉に照射された場合に花粉から強い蛍光が発せられるのに対して、飛沫に照射された場合に飛沫からは蛍光がほとんど発せられない。このため、蛍光の受光強度に基づいて、花粉と飛沫とを判別することができる。
分光部４７０は、例えば、回折格子又はプリズムであるが、これに限らない。分光部４７０は、特定の波長帯域のみを透過するバンドパスフィルタであってもよい。
ビームスプリッタ４３０は、偏光フィルタ３４０を透過した後の第３散乱光Ｌ１２ａを２つの第３散乱光Ｌ１２ｃ及びＬ１２ｄに分岐させる。ビームスプリッタ４３０は、偏光フィルタ３４０を透過した後の第３散乱光Ｌ１２ａの進行方向に対して４５°の角度で配置されており、第３散乱光Ｌ１２ａの一部を反射して第３散乱光Ｌ１２ｃして出射させ、第３散乱光Ｌ１２ａの残りを透過して第３散乱光Ｌ１２ｄとして出射させる。
ビームスプリッタ４３０は、例えば、透過率と反射率とが等しいハーフミラーであり、第３散乱光Ｌ１２ｃと第３散乱光Ｌ１２ｄとは、光強度が実質的に等しい。この場合、受光素子３５０に入力される第３散乱光Ｌ１２ｃは、第３散乱光Ｌ１２ａの半分の強度になる。このため、信号処理回路４６０は、受光素子３５０から出力される電気信号の信号レベルを２倍に補正する。これにより、実施の形態５と同様に、信号処理回路４６０は、式（３）を用いて偏光解消度δを算出することができる。あるいは、受光素子３５０から出力される電気信号を増幅する増幅器が設けられてもよい。
あるいは、ビームスプリッタ３３０の透過率及び反射率を異ならせてもよい。例えば、ビームスプリッタ３３０の透過率を２／３とし、反射率を１／３にする。この場合、ビームスプリッタ３３０による反射光である第４散乱光Ｌ１２ｂの強度は、透過光である第３散乱光Ｌ１２ａの強度の半分になる。これにより、第３散乱光Ｌ１２ｃと第４散乱光Ｌ１２ｂとの強度比率が同じになるので、信号処理回路４６０は、実施の形態５と同様にして、偏光解消度δを算出することができる。なお、ビームスプリッタ４３０の透過率と反射率とが異なっていてもよい。
分光部４７２は、第３散乱光Ｌ１２ｄを分光することで、特定の波長成分の光を受光素子４５０に入射させる。本実施の形態では、分光後の第３散乱光Ｌ１２ｄは、４００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の波長成分の光である。
具体的には、分光部４７２は、励起光が照射された場合に花粉が発する蛍光の波長成分の光を透過させ、それ以外の波長成分の光の透過を遮断する。例えば、分光部４７２は、励起光が照射された場合に飛沫が発する蛍光の波長成分の光を遮断する。また、分光部４７２は、照射光Ｌ１１の波長成分の光を遮断する。これにより、受光素子４５０には、花粉が発する蛍光のみが入射されるので、受光素子４５０の受光強度に基づいて花粉の判別を容易に行うことができる。
分光部４７２は、例えば、回折格子又はプリズムであるが、これに限らない。分光部４７２は、特定の波長帯域のみを透過するバンドパスフィルタであってもよい。
受光素子４５０は、分光部４７２によって分光された第３散乱光Ｌ１２ｄを受光する第３受光素子の一例である。受光素子４５０は、受光強度に応じた電気信号を出力する。受光素子４５０による受光強度は、散乱光Ｌ１２に含まれる、特定波長の蛍光成分の強度に対応しており、受光素子４５０が出力する電気信号の信号レベルに相当する。受光素子４５０は、例えば、受光素子３５０と同じ構成を有する。
信号処理回路４６０は、実施の形態５に係る信号処理回路３６０と同様に、偏光解消度δ及び落下速度Ｕｔの算出を行う。さらに、信号処理回路４６０は、偏光解消度δに基づく第１の判定と、落下速度Ｕｔに基づく第２の判定とを行う。本実施の形態では、信号処理回路４６０は、第２の判定において、落下速度Ｕｔが第１閾値以上である場合に行う処理が信号処理回路３６０とは異なる。具体的には、信号処理回路４６０は、落下速度Ｕｔが第１閾値以上である場合に、蛍光強度に基づいてエアロゾル粒子９０が花粉であるか飛沫であるかを判定する。信号処理回路４６０の具体的な処理については、以下で説明する。
［２．蛍光強度に基づく判定］
ここで、蛍光強度に基づくエアロゾル粒子９０の種別の判定方法について説明する。
本実施の形態に係る散乱体測定装置４０１は、花粉と飛沫との蛍光波長の差異を利用してエアロゾル粒子９０の種別を判定する。以下ではまず、花粉と飛沫との三次元蛍光スペクトルについて説明する。三次元蛍光スペクトルは、励起蛍光マトリクス（ＥＥＭ：Excitation-Emission Matrix）、あるいは、蛍光指紋とも呼ばれ、励起波長と受光波長との組み合わせに対する受光強度を示す情報である。
図１７は、唾液の三次元蛍光スペクトルの一例である。図１８は、スギ花粉の三次元蛍光スペクトルの一例である。図１７及び図１８のいずれも、横軸が受光波長（単位：ｎｍ）を表し、縦軸が励起波長（単位：ｎｍ）を表している。縦軸及び横軸で定義されるグラフ領域に描かれている実線は、受光強度の等強度線である。
図１７に示される例では、唾液は、約２５０ｎｍから約３１０ｎｍの波長帯域の励起光が照射された場合に、約３００ｎｍから約４１０ｎｍの波長帯域の蛍光を発する。唾液は、約２６０ｎｍから約２８０ｎｍの波長帯域の励起光が照射された場合に、約３２０ｎｍから約３７０ｎｍの波長帯域に強い強度の蛍光を発する。唾液に対する励起光のピーク波長は約２６０ｎｍであり、当該ピーク波長の励起光が唾液に照射された場合に発する蛍光のピーク波長は約３５０ｎｍである。飛沫は、唾液が口から放出される際に微粒子化されたものである。したがって、飛沫の三次元蛍光マトリクスは、唾液の三次元蛍光マトリクスと同じである。
図１８に示される例では、スギ花粉は、約３２０ｎｍから約３７０ｎｍの波長帯域の励起光が照射された場合に、約４３０ｎｍから約４９０ｎｍの波長帯域の強い蛍光を発する。スギ花粉に対する励起光のピーク波長の１つは約３５０ｎｍであり、当該ピーク波長の励起光が照射された場合にスギ花粉が発する蛍光のピーク波長は、約４６０ｎｍである。また、スギ花粉は、約４２０ｎｍから約４７０ｎｍの波長帯域の励起光が照射された場合に、約４７０ｎｍから約５２０ｎｍの波長帯域の強い蛍光を発する。スギ花粉に対する励起光のピーク波長の１つは約４５０ｎｍであり、当該ピーク波長の励起光が照射された場合にスギ花粉が発する蛍光のピーク波長は、約５００ｎｍである。
図１７と図１８とに示されるように、唾液、すなわち、飛沫と花粉とでは、特定の波長の励起光を照射した場合に発せられる蛍光の強度が異なっている。本実施の形態では、励起光として照射する照射光Ｌ１１の波長と、蛍光である散乱光Ｌ１２の受光波長と、散乱光Ｌ１２の受光強度とに基づいて、飛沫と花粉とを判別することができる。
例えば、分光部４７０によって分光された後の照射光Ｌ１１の波長が３５５ｎｍである場合、図１７に示されるように、飛沫は蛍光を発しない。これに対して、図１８に示されるように、照射光Ｌ１１の波長が３５５ｎｍである場合、花粉は、約４６０ｎｍの波長の蛍光を発する。
ここで、分光部４７２は、４００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の波長帯域を通過させるバンドパスフィルタである場合を想定する。エアロゾル粒子９０が花粉である場合、所定の強度の第３散乱光Ｌ１２ｄが受光素子４５０に入射される。このとき、第３散乱光Ｌ１２ｄに含まれる照射光Ｌ１１の波長成分は、分光部４７２によって遮断される。したがって、受光素子４５０には、花粉による蛍光成分のみが入射される。
一方で、エアロゾル粒子９０が飛沫である場合、飛沫が蛍光を発しないので、第３散乱光Ｌ１２ｄの強度は十分に小さい。また、第３散乱光Ｌ１２ｄに照射光Ｌ１１の波長成分が含まれる場合であっても分光部４７２によって遮断される。したがって、受光素子４５０では第３散乱光Ｌ１２ｄがほとんど検出されない。
したがって、信号処理回路４６０は、受光素子４５０による受光強度と閾値とを比較することにより、エアロゾル粒子９０が花粉であるか飛沫であるかを判定することができる。具体的には、信号処理回路４６０は、受光素子４５０による受光強度が閾値より大きい場合に、エアロゾル粒子９０が花粉であると判定する。信号処理回路４６０は、受光素子４５０による受光強度が閾値以下である場合に、エアロゾル粒子９０が飛沫であると判定する。なお、閾値は、例えば０であるが、これに限らない。
［３．動作］
続いて、本実施の形態に係る散乱体測定装置４０１の動作、すなわち、散乱体測定方法について、図１９を用いて説明する。図１９は、本実施の形態に係る散乱体測定装置４０１の動作を示すフローチャートである。
図１９に示されるように、信号処理回路４６０が落下速度Ｕｔと第１閾値との比較を行う工程（Ｓ１２４）までの処理は、実施の形態５において図１５を用いて説明した処理と同じである。本実施の形態に係る散乱体測定装置４０１では、落下速度Ｕｔが第１閾値以上である場合（Ｓ１２４でＹｅｓ）、信号処理回路４６０は、蛍光強度と閾値Ｔｈとの比較を行う（Ｓ１４０）。閾値Ｔｈは、例えば０である。
具体的には、分光部４７２が第３散乱光Ｌ１２ｄを分光することで、４００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の波長成分のみを受光素子４５０に入射させる。これにより、受光素子４５０による受光強度は、エアロゾル粒子９０からの散乱光Ｌ１２に含まれる４００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の波長成分の強度に相当する。４００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の波長成分の受光強度が閾値Ｔｈより大きい場合（Ｓ１４０でＮｏ）、信号処理回路４６０は、エアロゾル粒子９０が花粉であると判定する。４００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の波長成分の受光強度が閾値Ｔｈ以下である場合（Ｓ１４０でＹｅｓ）、信号処理回路４６０は、エアロゾル粒子９０が飛沫であると判定する。
本実施の形態によれば、花粉及び飛沫の判定に落下速度を用いないので、飛沫の粒径のサイズによらずに飛沫と花粉とを精度良く判別することができる。具体的には、花粉より小さいサイズの飛沫であっても判別することができる。
また、信号処理回路４６０は、受光素子４５０による受光強度と照射光Ｌ１１の波長とに基づいて三次元蛍光マトリクスを生成し、生成した三次元蛍光マトリクスに基づいて花粉と飛沫とを判別してもよい。具体的には、互いに異なる波長成分を含む複数の照射光Ｌ１１をエアロゾル粒子９０に照射し、第３散乱光Ｌ１２ａを、互いに異なる複数の受光波長に分光することで、受光波長毎の受光強度を取得してもよい。これにより、信号処理回路４６０は、励起波長と受光波長と受光強度とに基づく三次元蛍光マトリクスを生成する。
図１７及び図１８に示される花粉及び飛沫の各々の三次元蛍光スペクトルは、信号処理回路４６０が有するメモリに予め記憶されている。信号処理回路４６０は、生成した三次元蛍光マトリクスと、メモリに記憶された三次元蛍光マトリクスとを比較することで、より精度良く飛沫及び花粉を判別することができる。
また、例えば、偏光解消度δが閾値以上である場合であっても、受光素子４５０による受光強度が閾値より大きい場合には、信号処理回路４６０は、エアロゾル粒子９０が花粉であると判定してもよい。具体的には、図１９において、ステップＳ１２０で偏光解消度δが１０％以上であると判定された場合（Ｓ１２０でＹｅｓ）、信号処理回路４６０は、ステップＳ１４０の処理である蛍光強度の判定処理を行ってもよい。これにより、花粉が完全な形ではなく、崩れた形状を有する場合であっても、エアロゾル粒子９０が花粉であるか否かを判定することができる。
（実施の形態７）
続いて、実施の形態７について説明する。
散乱光には、ノイズ成分として、空気を構成する分子によるレイリー散乱光が含まれる場合がある。実施の形態７では、散乱光を干渉させることで、散乱光に含まれるノイズ成分を除去する。以下では、実施の形態５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。
図２０は、本実施の形態に係る散乱体測定装置５０１の概略構成を示すブロック図である。図２０に示されるように、散乱体測定装置５０１は、実施の形態５に係る散乱体測定装置５０１と比較して、光源１０及び信号処理回路３６０の代わりに、光源２１０及び信号処理回路５６０を備える点が相違する。また、散乱体測定装置５０１は、新たに、干渉部２７０を備える。光源２１０及び干渉部２７０は、実施の形態４に係る散乱体測定装置２０１が備える光源２１０及び干渉部２７０と同じである。
信号処理回路５６０は、実施の形態５と同様の処理に加えて、干渉部２７０を通過した散乱光Ｌ１２に基づいてインターフェログラムを生成する。本実施の形態では、信号処理回路５６０は、第３散乱光Ｌ１２ａ及び第４散乱光Ｌ１２ｂの各々についてのインターフェログラムを生成する。信号処理回路５６０は、生成したインターフェログラムに基づいて第１の干渉フリンジの信号強度を取得し、当該信号強度に基づいてエアロゾル粒子９０からのミー散乱光の平行成分の受光強度及び垂直成分の受光強度の各々を取得することができる。これにより、信号処理回路５６０は、偏光解消度δを精度良く算出することができる。
なお、信号処理回路５６０は、第１の干渉フリンジの近傍の信号に基づいてフーリエ変換を行ってもよい。信号処理回路５６０は、フーリエ変換によって波長スペクトルデータを生成し、その最大値をミー散乱光の強度として取得することができる。
以上のように、本実施の形態に係る散乱体測定装置５０１によれば、散乱光Ｌ１２からレイリー散乱光を除去することができる。したがって、エアロゾル粒子９０からのミー散乱光に基づいて精度良くエアロゾル粒子９０の位置及び種別を判別することができる。
なお、本実施の形態では、干渉部２７０がミラー２０とエアロゾル粒子９０との間に配置される例を示したが、これに限らない。例えば、散乱体測定装置５０１は、２つの干渉部２７０を備えてもよい。２つの干渉部２７０は、ビームスプリッタ３３０と、偏光フィルタ３４０及び３４２の各々との間に配置されてもよい。あるいは、２つの干渉部２７０は、偏光フィルタ３４０と受光素子３５０との間、及び、偏光フィルタ３４２と受光素子３５２との間に配置されてもよい。
（他の実施の形態）
以上、１つ又は複数の態様に係る散乱体測定装置及び散乱体測定方法について、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、エアロゾル粒子９０からの散乱光Ｌ２の強度は、エアロゾル粒子９０の濃度が高い程、強くなる。このため、信号処理回路４０は、散乱光Ｌ２の強度に基づいて単位空間中のエアロゾル粒子９０の濃度の増減を判定することができる。信号処理回路４０は、飛沫が発生した後の散乱光Ｌ２の強度から、飛沫の発生前の散乱光の強度をノイズ成分として除去する。信号処理回路４０は、除去後の強度が同等になる２つの単位空間を、エアロゾル粒子９０の移動前の第１空間及び移動後の第２空間として、エアロゾル粒子９０の速度を判定する。なお、飛沫の発生タイミングは、例えば、音検出部１６０による咳又はくしゃみの発生した時刻である。
例えば、花粉などの他のエアロゾル粒子が存在する単位空間に向けて、人が咳又はくしゃみを行った場合、当該単位空間に飛沫が発生し、当該単位空間からの散乱光Ｌ２の強度は、飛沫が発生する前の強度よりも大きくなる。このため、信号処理回路４０は、飛沫の発生前の単位空間９５からの散乱光の強度と、飛沫の発生後の単位空間９５からの散乱光の強度とに基づいて、その差分が飛沫に相当する散乱光の強度とみなすことができる。
説明を簡単にするため、飛沫の発生前の単位空間９５からの散乱光Ｓｉの強度を５とし、飛沫の発生後の単位空間９５からの散乱光Ｓｉの強度を１５とすると、飛沫に相当する散乱光の強度は、１０（＝１５－５）になる。したがって、当該単位空間の周辺を探索した場合に、単位空間からの散乱光Ｓｉ＋１の強度が１０になる単位空間が、飛沫の移動先であると判別することができる。例えば、散乱光Ｓｉ＋１の強度が５になる単位空間が存在したとしても、飛沫の移動先の単位空間ではないと判別することができる。これにより、飛沫の移動速度を精度良く算出することができる。
また、飛沫の移動先に、花粉などの他のエアロゾル粒子が存在する場合も同様である。例えば、他のエアロゾル粒子が存在しない単位空間９５に飛沫が発生し、その後、他のエアロゾル粒子が存在する単位空間９６に飛沫が移動した場合を想定する。この場合、単位空間９５からの散乱光は、飛沫に基づく散乱光であり、その強度は１０になる。単位空間９６からの散乱光は、飛沫と他のエアロゾル粒子とに基づく散乱光であり、その強度は１５になる。飛沫の発生前の単位空間９６からの散乱光は、他のエアロゾル粒子に基づく散乱光であり、その強度は５である。したがって、飛沫が発生した後の単位空間９６からの散乱光の強度は、発生前の強度を除外することで、１０（＝１５－５）になり、飛沫が移動したことを精度良く検出することができる。
また、例えば、照射光Ｌ１を照射する光源１０の光出射側には、分光器が設けられていてもよい。これにより、特定の波長成分の光のみを照射光Ｌ１として出射してもよい。
同様に、受光部３０の光入射側には、分光器が設けられていてもよい。これにより、特定の波長成分の光のみを受光部３０に受光させてもよい。
また、例えば、人９９の咳又はくしゃみの検出には、赤外線又は可視光イメージセンサが用いられてもよい。人９９の動作を撮影することにより、咳又はくしゃみを検出することができる。あるいは、人９９に取り付けられた加速度センサなどに基づいて、咳又はくしゃみを検出してもよい。
例えば、散乱体測定装置３０１は、非球形粒子とＰＭ２．５とを判別し、花粉及び飛沫の少なくとも一方を判別しなくてもよい。例えば、信号処理回路３６０は、落下速度と第２閾値との比較を行わなくてもよい。信号処理回路３６０は、落下速度が第１閾値未満である場合にエアロゾル粒子９０がＰＭ２．５であると判定し、落下速度が第１閾値以上である場合にエアロゾル粒子９０がＰＭ２．５ではないと判定してもよい。つまり、散乱体測定装置３０１は、エアロゾル粒子９０が花粉であるか飛沫であるかを特定しなくてもよい。
また、例えば、偏光解消度の算出には、偏光された照射光Ｌ１１が少なくとも１回、エアロゾル粒子９０に照射されればよい。つまり、エアロゾル粒子９０に複数回、照射光を照射する場合に、偏光された照射光Ｌ１１を１回のみ照射し、残りの回数は、偏光される前の照射光Ｌ１を照射してもよい。例えば、偏光フィルタ３１２は可動式であってもよく、照射光Ｌ１の光路上と光路外とで移動可能であってもよい。あるいは、散乱体測定装置３０１は、複数の光源１０を備えてもよく、１つの光源１０から出射される照射光Ｌ１の光路上には偏光フィルタ３１２が配置されていなくてもよい。
また、例えば、エアロゾル粒子９０を検出する前、すなわち、エアロゾル粒子９０からの散乱光を受光する前は、対象空間を粗く走査し、エアロゾル粒子９０からの散乱光を受光した後、対象空間を細かく走査してもよい。具体的には、エアロゾル粒子９０からの散乱光を受光する前は、大きなサイズの単位空間毎に照射光を照射し、エアロゾル粒子９０からの散乱光を受光した後は、小さいサイズの単位空間毎に照射光を照射してもよい。このように、対象空間を走査中に、所定のタイミングにおいて単位空間の大きさ又は形状を変更してもよい。
なお、所定のタイミングは、エアロゾル粒子９０の検出ではなく、人の検出であってもよい。例えば、人の頭部の少なくとも一部が検出された場合に、単位空間のサイズを小さくし、当該人の頭部の近傍を中心に単位空間毎に照射光を照射してもよい。これにより、対象空間が広い場合であっても、対象空間を粗く走査することで、速やかに人の頭の位置を検出することができる。人の頭の位置を検出しておくことで、人の口から放出される飛沫を放出直後に検出しやすくすることができる。
また、例えば、飛沫、花粉又は非球形粒子などであるエアロゾル粒子９０が散乱体の一例である例を示したが、これに限らない。散乱体には、大気を構成する分子が含まれてもよい。
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、散乱体測定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、散乱体測定装置は、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、散乱体の位置を精度良く検出することができる散乱体測定方法及び散乱体測定装置などに利用することができ、例えば、空気清浄機又は空調機器などに利用することができる。
１、１０１、２０１、３０１、４０１、５０１ 散乱体測定装置
１０、２１０ 光源
２０ ミラー
３０ 受光部
４０、２４０、３６０、４６０、５６０ 信号処理回路
５０、１５０ 制御部
９０ エアロゾル粒子
９５、９６、９７ 単位空間
９９ 人
１００ 対象空間
１６０ 音検出部
２７０ 干渉部
３１２、３４０、３４２ 偏光フィルタ
３３０、４３０ ビームスプリッタ
３５０、３５２、４５０ 受光素子
４７０、４７２ 分光部
Ｌ１、Ｌ１１ 照射光
Ｌ２、Ｌ１２ 散乱光
Ｌ１２ａ、Ｌ１２ｃ、Ｌ１２ｄ 第３散乱光
Ｌ１２ｂ 第４散乱光

Claims (19)

  1. 散乱体測定方法であって、
    散乱体が存在する第１空間を通過する第１照射光を照射することと、
    前記第１照射光が前記散乱体で散乱されることにより生じる第１散乱光を受光することと、
    前記散乱体が前記第１空間から、前記第１空間とは少なくとも一部が異なる第２空間に移動した後に、前記第２空間を通過する第２照射光を照射することと、
    前記第２照射光が前記散乱体で散乱されることにより生じる第２散乱光を受光することと、
    前記第１散乱光を受光した第１時刻と前記第２散乱光を受光した第２時刻との差、及び、前記第１時刻から前記第２時刻までに前記散乱体が移動した距離に基づいて、前記散乱体の速度を算出することとを含み、
    前記第１空間は、人の頭の少なくとも一部が存在する空間、又は、人の頭の少なくとも一部に最も近い空間であり、
    前記散乱体測定方法は、
    さらに、前記第１照射光を照射する前に、前記頭の少なくとも一部が存在する空間、又は、前記頭の少なくとも一部に最も近い空間を前記第１空間として特定することを含む、
    散乱体測定方法。
  2. 散乱体が存在する第１空間を通過する第１照射光を照射することと、
    前記第１照射光が前記散乱体で散乱されることにより生じる第１散乱光を受光することと、
    前記散乱体が前記第１空間から、前記第１空間とは少なくとも一部が異なる第２空間に移動した後に、前記第２空間を通過する第２照射光を照射することと、
    前記第２照射光が前記散乱体で散乱されることにより生じる第２散乱光を受光することと、
    前記第１散乱光を受光した第１時刻と前記第２散乱光を受光した第２時刻との差、及び、前記第１時刻から前記第２時刻までに前記散乱体が移動した距離に基づいて、前記散乱体の速度を算出することと、
    前記速度と閾値とを比較し、前記速度が前記閾値以上である場合に、前記散乱体が人の口から呼出される飛沫であると判定することとを含む、
    散乱体測定方法。
  3. 前記閾値は、５ｍ／ｓである、
    請求項２に記載の散乱体測定方法。
  4. 散乱体測定方法であって、
    散乱体が存在する第１空間を通過する第１照射光を照射することと、
    前記第１照射光が前記散乱体で散乱されることにより生じる第１散乱光を受光することと、
    前記散乱体が前記第１空間から、前記第１空間とは少なくとも一部が異なる第２空間に移動した後に、前記第２空間を通過する第２照射光を照射することと、
    前記第２照射光が前記散乱体で散乱されることにより生じる第２散乱光を受光することと、
    前記第１散乱光を受光した第１時刻と前記第２散乱光を受光した第２時刻との差、及び、前記第１時刻から前記第２時刻までに前記散乱体が移動した距離に基づいて、前記散乱体の速度を算出することとを含み、
    前記第１照射光及び前記第２照射光からなる群から選択される少なくとも一方は、偏光された光であり、
    前記速度は、前記散乱体の落下速度であり、
    前記散乱体測定方法は、
    さらに、前記第１散乱光及び前記第２散乱光からなる群から選択される少なくとも一方であって、前記偏光された光に対応する散乱光の偏光解消度を計測することを含む、
    散乱体測定方法。
  5. さらに、
    前記偏光解消度に基づいて、前記散乱体が非球形粒子であるか否かの第１の判定を行うことと、
    前記散乱体が非球形粒子ではないと判定された場合に、前記落下速度に基づいて、前記散乱体がＰＭ２．５であるか否かの第２の判定を行うこととを含む、
    請求項４に記載の散乱体測定方法。
  6. 前記第１の判定では、前記偏光解消度が１０％以上である場合に、前記散乱体が非球形粒子であると判定し、前記偏光解消度が１０％未満である場合に、前記散乱体が非球形粒子ではないと判定する、
    請求項５に記載の散乱体測定方法。
  7. 前記第２の判定では、前記落下速度が０．００１ｍ／ｓ未満である場合に、前記散乱体がＰＭ２．５であると判定する、
    請求項５又は６に記載の散乱体測定方法。
  8. 前記第１照射光及び前記第２照射光はそれぞれ、飛沫の蛍光波長成分を含まない光であり、
    前記第２の判定では、
    （ａ）前記落下速度が０．００１ｍ／ｓ以上であり、かつ、前記散乱光に含まれる４００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の波長成分の受光強度が閾値より大きい場合、前記散乱体が花粉であると判定し、
    （ｂ）前記落下速度が０．００１ｍ／ｓ以上であり、かつ、前記散乱光に含まれる４００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の前記波長成分の受光強度が前記閾値以下である場合、前記散乱体が飛沫であると判定する、
    請求項７に記載の散乱体測定方法。
  9. 前記第２の判定では、前記落下速度が０．１ｍ／ｓ以上である場合に、前記散乱体が飛沫であると判定する、
    請求項５から７のいずれか１項に記載の散乱体測定方法。
  10. 前記第２の判定では、前記落下速度が０．００１ｍ／ｓ以上０．１ｍ／ｓ未満である場合に、前記散乱体が花粉であると判定する、
    請求項５から７及び９のいずれか１項に記載の散乱体測定方法。
  11. 前記第１空間及び前記第２空間はそれぞれ、前記散乱体測定方法による測定の対象となる対象空間を仮想的に分割することにより得られた、各々が所定形状の複数の単位空間の１つである、
    請求項１から１０のいずれか１項に記載の散乱体測定方法。
  12. 前記第２空間は、前記複数の単位空間のうちの、前記第１空間に隣接する単位空間である、
    請求項１１に記載の散乱体測定方法。
  13. 前記第１照射光及び前記第２照射光はそれぞれ、等しい周波数間隔の光であり、
    前記第１散乱光を受光することでは、光路差を変更可能な干渉部を通過した後の前記第１散乱光を受光し、
    前記第２散乱光を受光することでは、前記干渉部を通過した後の前記第２散乱光を受光し、
    前記算出することでは、前記光路差を掃引させて得られる前記第１散乱光及び前記第２散乱光の各々の第１の干渉フリンジに対応する信号成分を抽出し、前記信号成分に基づいて前記速度を算出する、
    請求項１から１２のいずれか１項に記載の散乱体測定方法。
  14. 前記干渉部が掃引する前記光路差は、前記第１照射光及び前記第２照射光の各々の中心波長の１／４より長く、かつ、前記第１散乱光及び前記第２散乱光の各々の干渉フリンジ
    の間隔の１／２より短い、
    請求項１３に記載の散乱体測定方法。
  15. 前記第２空間は、前記第１空間の鉛直下方に位置する、
    請求項１から１４のいずれか１項に記載の散乱体測定方法。
  16. 請求項１から１５のいずれか１項に記載の散乱体測定方法をコンピュータに実行させるプログラム。
  17. 散乱体が存在する第１空間を通過する第１照射光を照射する光源と、
    前記第１照射光が前記散乱体で散乱されることにより生じる第１散乱光を受光する受光素子と、
    信号処理回路と、を備え、
    前記光源は、さらに、前記散乱体が前記第１空間から、前記第１空間とは少なくとも一部が異なる第２空間に移動した後に、前記第２空間を通過する第２照射光を照射し、
    前記受光素子は、さらに、前記第２照射光が前記散乱体で散乱されることにより生じる第２散乱光を受光し、
    前記信号処理回路は、前記第１散乱光を受光した第１時刻と前記第２散乱光を受光した第２時刻との差、及び、前記第１時刻から前記第２時刻までに前記散乱体が移動した距離に基づいて、前記散乱体の速度を算出し、
    前記信号処理回路は、さらに、前記速度と閾値とを比較し、前記速度が前記閾値以上である場合に、前記散乱体が人の口から呼出される飛沫であると判定する、
    散乱体測定装置。
  18. 散乱体測定装置であって、
    散乱体が存在する第１空間を通過する第１照射光を照射する光源と、
    前記第１照射光が前記散乱体で散乱されることにより生じる第１散乱光を受光する受光素子と、
    信号処理回路と、を備え、
    前記光源は、さらに、前記散乱体が前記第１空間から、前記第１空間とは少なくとも一部が異なる第２空間に移動した後に、前記第２空間を通過する第２照射光を照射し、
    前記受光素子は、さらに、前記第２照射光が前記散乱体で散乱されることにより生じる第２散乱光を受光し、
    前記信号処理回路は、前記第１散乱光を受光した第１時刻と前記第２散乱光を受光した第２時刻との差、及び、前記第１時刻から前記第２時刻までに前記散乱体が移動した距離に基づいて、前記散乱体の速度を算出し、
    前記散乱体測定装置は、さらに、
    前記光源から照射された第１照射光及び第２照射光からなる群から選択される少なくとも一方を偏光する第１偏光フィルタと、
    前記第１散乱光及び前記第２散乱光からなる群から選択される少なくとも一方であって、前記第１偏光フィルタによって偏光された光に対応する散乱光を第３散乱光と第４散乱光とに分岐させるビームスプリッタと、
    前記第３散乱光の光路上に配置され、前記偏光された光の偏光面に平行な偏光成分を透過させる第２偏光フィルタと、
    前記第４散乱光の光路上に配置され、前記偏光された光の偏光面に垂直な偏光成分を透過させる第３偏光フィルタとを備え、
    前記受光素子は、
    前記第２偏光フィルタを通過した後の前記第３散乱光を受光する第１受光素子と、
    前記第３偏光フィルタを通過した後の前記第４散乱光を受光する第２受光素子とを含み、
    前記速度は、前記散乱体の落下速度であり、
    前記信号処理回路は、さらに、
    前記第１受光素子による前記第３散乱光の受光強度と前記第２受光素子による前記第４散乱光の受光強度とに基づいて、偏光解消度を取得し、
    前記偏光解消度に基づいて、前記散乱体が非球形粒子であるか否かを判定し、
    前記散乱体が非球形粒子ではないと判定された場合に、前記落下速度に基づいて、前記散乱体がＰＭ２．５であるか否かを判定する
    散乱体測定装置。
  19. 散乱体を測定するためのプログラムを格納したコンピュータ読み取り可能な記録媒体であって、
    前記プログラムが前記コンピュータによって実行されるときに、
    前記散乱体が存在する第１空間を通過する第１照射光を照射することと、
    前記第１照射光が前記散乱体で散乱されることにより生じる第１散乱光を受光することと、
    前記散乱体が前記第１空間から、前記第１空間とは少なくとも一部が異なる第２空間に移動した後に、前記第２空間を通過する第２照射光を照射することと、
    前記第２照射光が前記散乱体で散乱されることにより生じる第２散乱光を受光することと、
    前記第１散乱光を受光した第１時刻と前記第２散乱光を受光した第２時刻との差、及び、前記第１時刻から前記第２時刻までに前記散乱体が移動した距離に基づいて、前記散乱体の速度を算出することと、
    前記速度と閾値とを比較し、前記速度が前記閾値以上である場合に、前記散乱体が人の口から呼出される飛沫であると判定することと、が実行される、
    コンピュータ読み取り可能な記録媒体。
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