JP7426612B2 - エアロゾル計測装置及びエアロゾル計測方法 - Google Patents

エアロゾル計測装置及びエアロゾル計測方法 Download PDF

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Description

本開示は、エアロゾル計測装置及びエアロゾル計測方法に関する。
従来、ライダー（ＬＩＤＡＲ：Light Detection and Ranging）を用いて大気中のエアロゾルを計測する技術が知られている。ライダーは、大気中に出射されたパルス状の光の散乱光を測定し、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エアロゾルを観測する技術である。
散乱光には、通常、ミー散乱光とレイリー散乱光とが含まれる。ミー散乱光は、出射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ミー散乱により発生する散乱光である。ミー散乱光は、例えば、計測対象物であるエアロゾルからの散乱光である。レイリー散乱は、出射光の波長よりも小さな微粒子及び大気分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を除外することで、ミー散乱光を得ることができる。
例えば、特許文献１には、単一のレーザ光による散乱光をミー散乱光とレイリー散乱光とにフィルタを用いて分光分離する技術が開示されている。また、例えば、特許文献２には、マルチ縦モードのレーザ光のスペクトルのモード間隔が一定であることを利用して、出射されたレーザ光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散乱光を分光する技術が開示されている。
国際公開第２００３／０７３１２７号 特許第６２４３０８８号公報
しかしながら、上記の従来技術では、温度変化などによってレーザ光のピーク波長が変化した場合に、光路差をレーザ光の１波長分掃引させながら同調させる必要がある。このため、光路差を可変にする構造を必要とし、装置が大型化し、測定方法が複雑化するという問題がある。
そこで、本開示は、エアロゾルを簡単かつ精度良く計測することができるエアロゾル計測装置及びエアロゾル計測方法を提供する。
本開示の一態様に係るエアロゾル計測装置は、大気中に含まれるエアロゾルを計測するための装置である。本開示の一態様に係るエアロゾル計測装置は、光源と、前記光源から出射された第１の光が通過する第１のエタロンと、前記エアロゾルで散乱された第２の光が通過する第２のエタロンと、前記第１のエタロンにおける前記第１の光の光路長及び前記第２のエタロンにおける前記第２の光の光路長からなる群から選択される少なくとも１つの光路長を変化させる制御部と、を備える。
また、本開示の一態様に係るエアロゾル計測方法は、光源から出射された第１の光を第１のエタロンに入射させることと、前記第１のエタロンから出射された光を、大気中に含まれるエアロゾルに照射することと、前記エアロゾルで散乱された第２の光を第２のエタロンに入射させることと、前記第１のエタロンにおける前記第１の光の光路長及び前記第２のエタロンにおける前記第２の光の光路長からなる群から選択される少なくとも１つの光路長を変化させることと、を含む。
また、本開示の一態様は、上記エアロゾル計測方法をコンピュータに実行させるための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、エアロゾルを簡単かつ精度良く計測することができる。
図１は、実施の形態１に係るエアロゾル計測装置の構成を示す図である。 図２は、実施の形態１に係るエアロゾル計測装置の動作を示すフローチャートである。 図３は、実施の形態１に係るエアロゾル計測装置が出射するマルチレーザ光のスペクトルの一例を示す図である。 図４は、実施の形態１に係るエアロゾル計測装置の光学素子を通過する第０の透過光及び第１の透過光を説明するための図である。 図５は、実施の形態１に係るエアロゾル計測装置の光学素子を通過する第０の透過光及び第２の透過光を説明するための図である。 図６は、実施の形態１に係るエアロゾル計測装置が出射したマルチレーザ光を散乱させることで発生する散乱光のスペクトルの一例を示す図である。 図７は、ミー散乱光とレイリー散乱光とを含む散乱光をマイケルソン干渉計で干渉させた場合のインターフェログラムの計算結果を表す図である。 図８は、図７の一部を拡大して示す図である。 図９は、エアロゾルによる散乱がなく、大気散乱だけを考慮した場合のマイケルソン干渉計による干渉フリンジの周波数間隔の依存性を説明するための図である。 図１０は、光路長が異なる２つのエタロンの透過率の周波数特性を示す図である。 図１１は、実施の形態１に係るエアロゾル計測装置によるエタロンの光路長の変化例を示す図である。 図１２は、エタロンの温度差と出射光の強度との関係を示す図である。 図１３は、実施の形態２に係るエアロゾル計測装置の構成を示す図である。 図１４は、実施の形態２に係るエアロゾル計測装置によるエタロンの光路長の変化例を示す図である。 図１５は、エタロンの光軸の傾きと出射光の強度との関係を示す図である。 図１６は、実施の形態３に係るエアロゾル計測装置の構成を示す図である。 図１７は、実施の形態４に係るエアロゾル計測装置の構成を示す図である。 図１８は、実施の形態４に係るエアロゾル計測装置の遮光部の動作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エアロゾル計測装置は、大気中に含まれるエアロゾルを計測するための装置である。本開示の一態様に係るエアロゾル計測装置は、光源と、前記光源から出射された第１の光が通過する第１のエタロンと、前記エアロゾルで散乱された第２の光が通過する第２のエタロンと、前記第１のエタロンにおける前記第１の光の光路長及び前記第２のエタロンにおける前記第２の光の光路長からなる群から選択される少なくとも１つの光路長を変化させる制御部と、を備える。
前記第１のエタロンは、前記第１の光を内部で干渉させることにより生じた、互いに等しい周波数間隔で離れた複数本のピークを有する干渉光を前記エアロゾルに照射し、前記第２のエタロンは、前記第２の光を内部で干渉させることによりミー散乱光を出射してもよい。
本開示の一態様に係るエアロゾル計測装置は、前記ミー散乱光を受光する受光器をさらに備えていてもよい。
これにより、第１のエタロン及び第２のエタロンによってそれぞれ、光を干渉させることができるので、マイケルソン干渉計を用いる場合に比べて部品点数を削減することができ、エアロゾル計測装置の構成を簡単にすることができる。また、第２のエタロンによってレイリー散乱光を除去することができるので、複雑な信号処理を必要とせず、受光器による受光強度に基づいてエアロゾルを簡単に計測することができる。
さらに、製造ばらつき又は動作ばらつきに基づいて第１のエタロンと第２のエタロンとの光学特性に差が生じたとしても、第１のエタロンにおける第１の光の光路長及び第２のエタロンにおける第２の光の光路長からなる群から選択される少なくとも１つの光路長を変化させることができるので、第１のエタロン及び第２のエタロンの各々の透過率の周波数特性におけるピーク位置を同調させることができる。なお、同調とは、ピーク位置を一致させることである。ピーク位置が同調することで、レイリー散乱光の透過を充分に抑制しながら、充分な強度のミー散乱光を受光器に受光させることができる。これにより、エアロゾルの計測精度を高めることができる。
また、例えば、前記制御部は、前記第２のエタロンにおける前記第２の光の光路長を変化させてもよい。
これにより、第１のエタロンにおける前記第１の光の光路長を一定にしておくことができるので、光路長を変化させる構成及び制御を簡単にすることができる。
また、例えば、前記制御部は、前記少なくとも１つの光路長を所定の範囲内で周期的に変化させてもよい。
これにより、光路長を所定の範囲内で周期的に変化させることにより、ピーク位置を同調させる適切な光路長でエアロゾルの測定を容易に行うことができる。また、動作ばらつきによって２つのエタロンの光路長が変化した場合であっても、ピーク位置を同調させる適切な光路長でエアロゾルの測定を容易に行うことができる。
また、例えば、前記周波数間隔は、３．９ＧＨｚ以下であってもよい。
これにより、レイリー散乱光の透過をエタロンが充分に抑制することができるので、受光器には、エアロゾルに基づくミー散乱光を受光させることができる。したがって、受光器による受光強度に基づいてエアロゾルの有無及び濃度を容易に計測することができる。
また、例えば、本開示の一態様に係るエアロゾル計測装置は、さらに、前記第１のエタロンの温度及び前記第２のエタロンの温度からなる群から選択される少なくとも１つを調整する温度調整装置を備え、前記制御部は、前記温度調整装置を制御することにより、前記少なくとも１つの光路長を変化させてもよい。
これにより、エタロンの熱膨張及び収縮を利用して光路長を容易に変化させることができる。
また、例えば、本開示の一態様に係るエアロゾル計測装置は、さらに、前記第１のエタロンの光軸の傾き及び前記第２のエタロンの光軸の傾きからなる群から選択される少なくとも１つを調整する軸調整装置を備え、前記制御部は、前記軸調整装置を制御することにより、前記少なくとも１つの光路長を変化させてもよい。
これにより、光の入射方向に対してエタロンの光軸を傾けることにより、エタロンの光路長を容易に変化させることができる。
また、例えば、前記第１の光は、パルス光であり、前記受光器は、前記パルス光が前記光源から出射されてから、前記パルス光の時間幅より長い所定期間が終了するまで、前記ミー散乱光の受光を停止し、前記所定期間が終了した後に、前記ミー散乱光を受光してもよい。
これにより、反射光によるエアロゾルの誤検知及び受光器の飽和による故障などを抑制することができる。
また、例えば、前記第２の光は、前記第２のエタロンの光軸に対して斜めの方向から前記第２のエタロンに入射してもよい。
これにより、散乱光である前記第２の光の入射角を調整することにより、光路長を変化させることができる。
また、例えば、前記光源は、レーザ素子又は発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emitting
Diode）であってもよい。
これにより、エタロンによって強度が減衰したとしても、十分な強度の出射光をエアロゾルに向けて出射させることができる。
また、例えば、本開示の一態様に係るエアロゾル計測装置は、さらに、前記第２の光を集光して、前記第２のエタロンに入射させる集光部を備えてもよい。
これにより、エタロン内での干渉効率を高めることができる。また、光の受光感度を高めることができるので、エアロゾルの計測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エアロゾル計測方法は、光源から出射された第１の光を第１のエタロンに入射させることと、前記第１のエタロンから出射された光を、大気中に含まれるエアロゾルに照射することと、前記エアロゾルで散乱された第２の光を第２のエタロンに入射させることと、前記第１のエタロンにおける前記第１の光の光路長及び前記第２のエタロンにおける前記第２の光の光路長からなる群から選択される少なくとも１つの光路長を変化させることと、を含む。
これにより、上述したエアロゾル計測装置と同様に、エアロゾルを簡単かつ精度良く計測することができる。
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、例えばインタフェース、を備えていてもよい。
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、円柱又は角柱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．構成］
まず、実施の形態１に係るエアロゾル計測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エアロゾル計測装置１の構成を示す図である。
図１に示されるように、本実施の形態に係るエアロゾル計測装置１は、大気中に出射光Ｌ２を出射し、大気中に存在する散乱体９０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９０に含まれるエアロゾルの有無及び濃度を計測する。散乱体９０は、エアロゾル計測装置１による計測の対象空間中に存在する。
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９０は、計測対象物であるエアロゾル、機械加工による粉塵、粗大粒子、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塵埃、ＰＭ２．５などの浮遊粒子状物質、生物系粒子、又は、微小水滴などである。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、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。
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、エアロゾル計測装置１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。本実施の形態に係るエアロゾル計測装置１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。
本実施の形態に係るエアロゾル計測装置１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。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、エアロゾル計測装置１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。エアロゾル計測装置１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。
図１に示されるように、エアロゾル計測装置１は、エタロン１０及び１５と、光源２０と、ミラー２２と、集光部３０と、集光レンズ４０と、受光器５０と、分析部６０と、制御部７０と、ヒーター８０とを備える。なお、集光部３０の一例が集光レンズ３０ａである。以下では、エアロゾル計測装置１が備える各構成要素について説明する。
エタロン１０は、入射する光を内部で干渉させて、互いに等しい周波数間隔で離れた複数本のピークを有する光として出射する第１のエタロンである。複数本のピークを有する光は、マルチ光とも呼称される。本実施の形態では、エタロン１０は、単一のエタロンである。つまり、エタロン１０は、一体的に構成された１つの部材である。エタロン１０の形状は、例えば、円柱体又は角柱体などである。
図１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。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。
エタロン１０には、光源２０から出射された出射光Ｌ１が入射する。エタロン１０は、出射光Ｌ１を内部で干渉させて、互いに等しい周波数間隔で離れた複数本のピークを有する光である出射光Ｌ２として出射する。出射光Ｌ２は、マルチレーザ光である。本実施の形態では、出射光Ｌ１は、エタロン１０の多層膜１２から入射し、多層膜１３から出射される。多層膜１２の、透光部１１と接する面と反対側の面は、出射光Ｌ１が入射する入射面である。多層膜１３の、透光部１１と接する面と反対側の面は、出射光Ｌ２が出射される出射面である。
エタロン１５は、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Ｌ４を通過させる第２のエタロンの一例である。エタロン１５は、エタロン１０と同様に、入射する光を内部で干渉させて、互いに等しい周波数間隔で離れた複数本のピークを有する光として出射する。エタロン１５とエタロン１０とは、同じ光学特性を有する。つまり、エタロン１０及び１５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。本実施の形態では、エタロン１５は、単一のエタロンである。つまり、エタロン１５は、一体的に構成された１つの部材である。エタロン１５の形状は、例えば、円柱体又は角柱体などである。
図１に示されるように、エタロン１５は、透光部１６と、２つの多層膜１７及び１８を有する。透光部１６、多層膜１７及び１８はそれぞれ、エタロン１０の透光部１１、多層膜１２及び１３に対応しており、同様の構成を有する。
エタロン１５には、集光レンズ３０ａによって集光された散乱光Ｌ３が入射する。本実施の形態では、散乱光Ｌ３は、エタロン１５の多層膜１７から入射し、散乱光Ｌ３の一部であるミー散乱光Ｌ４が、多層膜１８から出射される。多層膜１７の、透光部１６と接する面と反対側の面は、散乱光Ｌ３が入射する入射面である。多層膜１８の、透光部１６と接する面と反対側の面は、ミー散乱光Ｌ４が出射される出射面である。
散乱光Ｌ３には、互いに等しい周波数間隔で離れた複数本のピークを有する光が含まれるので、エタロン１５を通過する際に、それぞれの光が干渉を起こす。本実施の形態では、エタロン１５の厚みが調整されており、散乱光Ｌ３に含まれるミー散乱光Ｌ４を通過させ、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除去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Ｌ４を受光器５０に受光させることができる。
本実施の形態では、エタロン１０とエタロン１５とは、間を空けて配置されている。具体的には、エタロン１０は、光源２０から出射された出射光Ｌ１の光路上に位置している。より具体的には、エタロン１０は、ミラー２２と、エアロゾル計測装置１の外郭筐体に設けられた開口との間に位置している。当該開口は、エタロン１０から出射される出射光Ｌ２が通過するために設けられている。
エタロン１５は、散乱体９０から発生する散乱光Ｌ３の光路上に位置している。具体的には、エタロン１５は、集光レンズ３０ａと集光レンズ４０との間に位置している。
光源２０は、エタロン１０を介して、出射光Ｌ２を大気中に出射する。具体的には、光源２０は、出射光Ｌ１を出射する。出射光Ｌ１は、例えばパルス光であるが、連続光であってもよい。出射光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の成分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。出射光Ｌ１は、例えば、紫外光、青色光又は赤外光などである。出射光Ｌ１は、ミラー２２で反射された後、エタロン１０に入射する。エタロン１０に入射した出射光Ｌ１をエタロン１０の内部で干渉させることにより生じた、互いに等しい周波数間隔で離れた複数のピークを有する干渉光は、出射光Ｌ２として大気中に出射される。
光源２０は、例えば、パルスレーザ光を出射光Ｌ１として出射する半導体レーザ素子である。出射光Ｌ１のビームモードは、例えばマルチモードであるが、シングルモードであってもよい。一例として、光源２０は、４０５ｎｍの近傍にピークを有するレーザ光を出射光Ｌ１として出射する。あるいは、光源２０は、発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）であってもよい。また、光源２０は、ハロゲンランプなどの放電ランプであってもよい。
ミラー２２は、出射光Ｌ１を反射する。出射光Ｌ１に対してミラー２２を適切な角度で配置することにより、出射光Ｌ１の進路を所望の方向に曲げることができる。本実施の形態では、ミラー２２は、出射光Ｌ１を反射してエタロン１０に入射させる。なお、エアロゾル計測装置１は、ミラー２２を備えなくてもよい。
集光部３０は、大気中に含まれる散乱体９０が出射光Ｌ２を散乱させることで発生する散乱光Ｌ３を集光する部材である。集光部３０は、散乱体９０とエタロン１５との間に配置される。集光部３０の一例として、例えば、図１に示される凸状の集光レンズ３０ａ、又は、少なくとも１つの反射鏡などがある。例えば、集光レンズ３０ａで集光された光は、コリメートレンズを含むレンズ群により、平行光に変換して出射される。よって、集光レンズ３０ａによって集光された散乱光Ｌ３は、エタロン１５に入射される。また、集光部３０には、コリメートレンズ又はピンホールなどの光学素子が含まれる。散乱光Ｌ３の信号強度が強い場合は、特に、集光部３０が配置されていなくてもよい。つまり、エアロゾル計測装置１は、集光部３０を備えなくてもよい。
集光レンズ４０は、集光レンズ３０ａによって集光された散乱光Ｌ３のうち、エタロン１５を通過したミー散乱光Ｌ４を集光する。集光レンズ４０は、例えば凸レンズである。集光レンズ４０は、受光器５０の受光面にミー散乱光Ｌ４を集光する。
受光器５０は、集光レンズ３０ａによって集光された散乱光Ｌ３のうち、エタロン１５を通過したミー散乱光Ｌ４を受光し、受光強度に応じた信号を出力する。受光強度は、ミー散乱光Ｌ４の強度であり、例えば、受光器５０が出力する信号の信号レベルで表される。
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。
分析部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９０に含まれるエアロゾルを分析する。例えば、分析部６０は、信号の信号レベル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、分析部６０は、信号レベル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、信号レベル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、分析部６０が備えるメモリ（図示せず）に予め記憶されている。
また、分析部６０は、出射光Ｌ２が出射されてからミー散乱光Ｌ４を受光するまでに要する時間に基づいて、ＴＯＦ（Time Of Flight）方式によってエアロゾルまでの距離を算出する。分析部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、分析部６０は、対象空間内でのエアロゾルの分布を作成する。
分析部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、分析部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、分析部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。分析部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、エタロン１０における出射光Ｌ１の光路長及びエタロン１５における散乱光Ｌ３の光路長からなる群から選択される少なくとも１つの光路長を変化させる。本実施の形態では、制御部７０は、エタロン１５における散乱光Ｌ３の光路長を変化させる。具体的には、制御部７０は、ヒーター８０を制御することにより、エタロン１５における散乱光Ｌ３の光路長を変化させる。
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と分析部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。
ヒーター８０は、エタロン１０及び１５の少なくとも一方の温度を調整する温度調整装置の一例である。本実施の形態では、ヒーター８０は、エタロン１５の温度を調整する。エタロン１５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１５を通過する散乱光Ｌ３の光路長が変化する。光路長を変化させる目的及び具体的な処理の詳細については、後で説明する。
エアロゾル計測装置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、エアロゾル計測装置１の外郭筐体であり、遮光性を有する。筐体には、出射光Ｌ２及び散乱光Ｌ３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と散乱光Ｌ３との各々に対応させて１つずつ設けられていてもよい。集光レンズ３０ａは、当該開口に設けられていてもよい。
［２．動作］
次に、エアロゾル計測装置１の動作について、図２を用いて説明する。図２は、本実施の形態に係るエアロゾル計測装置１の動作を示すフローチャートである。
図２に示されるように、まず、制御部７０がヒーター８０を制御することで、光路長を調整する（Ｓ１０）。次に、光源２０が出射光Ｌ１を出射する（Ｓ１２）。出射光Ｌ１は、エタロン１０を通過することによって、互いに等しい周波数間隔で離れた複数本のピークを有する光であるマルチ光に変換される。つまり、エタロン１０は、入射する光を、内部で干渉させて、互いに等しい周波数間隔で離れた複数本のピークを有する光として出射する（Ｓ１４）。マルチ光である出射光Ｌ２は、大気中に出射されて散乱体９０によって散乱される。
次に、集光レンズ３０ａは、散乱体９０から発生する散乱光Ｌ３を集光する（Ｓ１６）。集光レンズ３０ａによって集光された散乱光Ｌ３は、エタロン１５を通過することによって、ミー散乱光Ｌ４が抽出される。つまり、集光部によって集光された散乱光をエタロン１５の内部で干渉させて、エタロン１５を通過させる。（Ｓ１８）。言い換えると、エタロン１５は、散乱光Ｌ３のうち、レイリー散乱光を実質的に除去し、ミー散乱光Ｌ４のみを通過させる。
次に、受光器５０は、ミー散乱光Ｌ４を受光し、受光強度に応じた信号を出力する（Ｓ２０）。
分析部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９０に含まれるエアロゾルを分析する（Ｓ２２）。
エアロゾル計測装置１は、以上のステップＳ１２からステップＳ２２までの処理を、出射光Ｌ２の出射方向を変えながら繰り返し行う。例えば、対象空間内の所定の方向に向かって出射光Ｌ２を出射し、散乱光Ｌ３が取得できた場合に、散乱光Ｌ３の発生源となった散乱体９０に含まれるエアロゾルの位置及び濃度を特定する。これにより、エアロゾル計測装置１は、例えば、対象空間内のエアロゾルの位置及び濃度を示す分布図を生成することができる。なお、エアロゾル計測装置１は、エアロゾルの位置のみを示す分布図を生成してもよい。
なお、図２では、最初に光路長の調整を行う例を示しているが、エアロゾルの計測を行いながら繰り返し光路長の調整を行ってもよい。具体的には後述するが、制御部７０は、エタロン１０又は１５の光路長を所定の範囲内で周期的に変化させてもよい。光路長を周期的に変化させながら、出射光Ｌ２の出射及びミー散乱光Ｌ４の受光が行われてもよい。
［３．エタロンの機能］
続いて、エタロン１０及び１５の具体的な機能について説明する。
上述したように、エタロン１０は、光源２０から出射されたレーザ光である出射光Ｌ１を内部で干渉させて、互いに等しい周波数間隔で離れた複数本のピークを有する光からなるマルチレーザ光である出射光Ｌ２として出射する。以下ではまず、マルチレーザ光について図３を用いて説明する。
図３は、本実施の形態に係るエアロゾル計測装置１が出射するマルチレーザ光のスペクトルの一例を示す図である。図３の部分（ａ）及び（ｂ）の各々において横軸は周波数を表し、縦軸は信号強度を表している。
図３の部分（ａ）は、エタロン１０を通過した後のマルチレーザ光である出射光Ｌ２のスペクトルを示している。スペクトルに含まれる複数のピークがそれぞれ、出射光Ｌ２に含まれる複数本のピークに対応している。複数本のピークの周波数間隔ＬＷ２が互いに等しく、例えば３ＧＨｚである。ここでは、複数本のピークの信号強度が互いに等しい例を示しているが、互いに異なっていてもよい。出射光Ｌ２の中心波長λは、例えば４０５ｎｍである。
図３の部分（ｂ）は、図３の部分（ａ）の拡大図であり、スペクトルの１つのピーク、すなわち、出射光Ｌ２に含まれる１つの光のみを拡大して示している。１つの光の半値全幅ＬＷ１は、例えば３６０ＭＨｚである。ＬＷ１は、ＬＷ２の１／２０以上１／５以下であるが、１／８以上１／１０以下であってもよい。
本実施の形態では、出射光Ｌ１がエタロン１０を通過することで、エタロン１０内で干渉されて、出射光Ｌ２として出射される。エタロン１０は、入射する光と、エタロン１０内で反射を繰り返す光との干渉を利用する。入射する光の位相と、エタロン１０内の反射を繰り返す光の位相とが一致した場合、光を強め合う干渉が起こり、エタロン１０内で光が増強されて透過する。エタロン１０の多層膜１３は、光を透過させたり、反射したりすることができる。多層膜１３の透過率は、例えば７５％であるが、これに限らない。
ここで、図４及び図５はそれぞれ、本実施の形態に係るエアロゾル計測装置１のエタロン１０を通過する光を説明するための図である。具体的には、図４は、第０の透過光及び第１の透過光を模式的に表している。図５は、第０の透過光及び第２の透過光を模式的に表している。なお、エタロン１５を通過する光についても同様である。
エタロン１０は、入射する光の一部をそのまま透過させる。図４及び図５に示されるように、エタロン１０の多層膜１２及び１３で反射されずにそのまま透過する光が第０の透過光である。
第１の透過光は、図４に示されるように、入射した光が多層膜１３で１回反射された後、多層膜１２で１回反射された光である。第０の透過光と第１の透過光との位相が一致することによって干渉が起こり、第１の干渉フリンジに対応する光が出射される。干渉フリンジについては、図７及び図８を用いて後で説明する。
第２の透過光は、図５に示されるように、入射した光が多層膜１３及び多層膜１２でそれぞれ２回ずつ反射された光である。第０の透過光と第２の透過光との位相が一致することによって干渉が起こり、第２の干渉フリンジに対応する光が出射される。
入射する光の位相と、反射を繰り返す光の位相とが一致しない場合、光入射側に反射され、エタロン１０を通過する光が弱くなる。この結果、透過光は、周期的なスペクトルを有する。つまり、エタロン１０は、出射光Ｌ１が入射された場合に、等しい周波数間隔ＬＷ２を有する出射光Ｌ２を出射することができる。
なお、図４及び図５では、光が反射される様子を分かりやすくするため、光の経路を斜めで表しているが、エタロン１０に対して光が正面から入射する場合も同様である。ここでは、エタロン１０に光が正面から入射する場合、すなわち、エタロン１０に対する光の入射角が０°の場合について説明する。エタロン１０に対して光が斜めに入射した場合のエタロン１０の透過率の周波数特性については、後で説明する。
周波数間隔ＬＷ２を実現するためのエタロン１０の長さΔｘは、以下の式（１）に基づいて定められる。なお、エタロン１０の長さΔｘは、図４及び図５に示されるように、多層膜１２と多層膜１３との距離、すなわち、透光部１１の厚さである。
Figure 0007426612000001
式（１）において、ｎ０は、真空中の屈折率であり、例えば１．０である。ｎは、エタロン１０の透光部１１の屈折率であり、石英の場合１．４７である。ｃは、光速であり、３×１０８ｍ／ｓである。ＬＷ２＝３ＧＨｚである場合、上記式（１）より、エタロンの長さΔｘが３４ｍｍになる。また、エタロン１０の長さΔｘは、製造上、８０ｍｍ程度が限界である。このため、ＬＷ２の下限値は、１．３ＧＨｚ程度になる。
エタロン１０によって、ファブリペロー干渉を起こす場合の光路差ｄｘは、以下の式（２）で表される。
Figure 0007426612000002
例えば、Δｘ＝３４ｍｍの場合、光路差ｄｘは１００ｍｍになる。
次に、図３に示される出射光Ｌ２を散乱体９０が散乱させることで発生する散乱光Ｌ３について、図６を用いて説明する。
図６は、本実施の形態に係るエアロゾル計測装置１が出射したマルチレーザ光を散乱させることで発生する散乱光Ｌ３のスペクトルの一例を示す図である。図６の部分（ａ）及び（ｂ）の各々において、横軸は周波数を表し、縦軸は信号強度を表している。
図６の部分（ａ）は、散乱光Ｌ３のスペクトルを示している。散乱光Ｌ３は、出射光Ｌ２と同様に、互いに等しい周波数間隔ＭＷ２で離れた複数本のピークを有する光からなる。スペクトルに含まれる複数のピークがそれぞれ、出射光Ｌ２に含まれる複数本のピークに対応している。散乱光Ｌ３の周波数間隔ＭＷ２は、出射光Ｌ２の周波数間隔ＬＷ２に等しい。ここでは、複数本のピークの信号強度が互いに等しい例を示しているが、互いに異なっていてもよい。
図６の部分（ｂ）は、図６の部分（ａ）の拡大図であり、スペクトルの１つのピーク、すなわち、散乱光Ｌ３に含まれる１つの光のみを拡大して示している。
上述したように、散乱光Ｌ３は、ミー散乱光とレイリー散乱光とを含んでいる。ミー散乱光のスペクトルは、散乱前の出射光Ｌ２のスペクトルと実質的に同じである。一方で、レイリー散乱光は、大気を構成する分子の熱運動によって周波数幅が広がる。また、レイリー散乱光の強度は、通常、ミー散乱光の強度よりも低い。
このため、図６の部分（ｂ）に示されるように、散乱光Ｌ３のスペクトルは、図３に示される出射光Ｌ２のスペクトルと比較して、ピークの裾野が広がった形状を有する。中心の高いピークがミー散乱光に相当し、裾野部分がレイリー散乱光に相当する。なお、図６の部分（ｂ）では、大気を構成する分子によるレイリー散乱光の信号強度と、エアロゾルによるミー散乱光の信号強度とを３：１としている。なお、ここでの信号強度は、ピークの面積で表される。また、ミー散乱光を表すピークの半値全幅ＭＷ１は、出射光Ｌ２の半値全幅ＬＷ１に等しい。
レイリー散乱光を表す裾野部分の半値全幅ＲＷは、一般的な実測によれば、３．４ＧＨｚから３．９ＧＨｚ程度であることが知られている。一例として、レイリー散乱光の半値全幅ＲＷは、３．６ＧＨｚ（Δλ＝１．９ｐｍ）とすることができる。
なお、Δλは、以下の式（３）に基づいて算出される。
Figure 0007426612000003
式（３）において、Δｆ＝ＲＷである。ｃは、光速であり、３×１０８ｍ／ｓである。λは、中心波長であり、ここでは４０５ｎｍである。
本実施の形態では、エタロン１５に散乱光Ｌ３を通過させることによって、３ＧＨｚの周波数間隔で現れる複数本のピークを有する光、すなわち、ミー散乱光を透過させ、他の周波数成分の光、すなわち、レイリー散乱光を除去することができる。
図７は、エアロゾルによるミー散乱光と大気を構成する分子によるレイリー散乱光とを含む散乱光を、マイケルソン干渉計で干渉させた場合のインターフェログラムの計算結果を表す図である。図７において、横軸は干渉を起こす光路差ｄｘを表し、縦軸は干渉光の強度を表している。図８は、図７の破線で囲まれた領域ＶＩＩＩを拡大した図である。
図７及び図８に示されるように、光路差ｄｘがΔｘの整数倍になる度に、干渉フリンジが現れる。ｄｘ＝０の干渉フリンジを第０の干渉フリンジと定義し、ｄｘ＝ｎ×Δｘの干渉フリンジを第ｎの干渉フリンジと定義する。ｎは自然数である。図８は、第０の干渉フリンジ、第１の干渉フリンジ、第２の干渉フリンジを表している。第１の干渉フリンジは、図４に示される第０の透過光と第１の透過光との干渉によって生じる光である。第２の干渉フリンジは、図５に示される第０の透過光と第２の透過光との干渉によって生じる光である。
受光器５０では、第０の干渉フリンジから第ｎの干渉フリンジまでを合わせた干渉光がミー散乱光Ｌ４として受光される。本実施の形態では、エタロン１５の長さΔｘを調整することにより、大気散乱に起因するレイリー散乱光に基づく干渉フリンジを除去することができる。レイリー散乱光を除去するのに適した長さΔｘの決定方法について説明する。
図９は、エアロゾルによる散乱がなく、大気散乱だけを考慮した場合における、マイケルソン干渉計による干渉フリンジの、出射光Ｌ２の周波数間隔に対する依存性を説明するための図である。図９の部分（ａ）から（ｌ）ではそれぞれ、横軸がｄｘを表し、縦軸が信号強度を表している。図９の部分（ａ）から（ｌ）はそれぞれ、出射光Ｌ２の周波数間隔ＬＷ２が２．４ＧＨｚ、３．０ＧＨｚ、３．６ＧＨｚ、３．７ＧＨｚ、３．８ＧＨｚ、３．９ＧＨｚ、４ＧＨｚ、５ＧＨｚ、６ＧＨｚ、１０ＧＨｚ、１５ＧＨｚ、３０ＧＨｚの場合のインターフェログラムの計算結果を表している。
図９に示されるように、周波数間隔ＬＷ２が大きくなるにつれて、出現する干渉フリンジの個数が増加し、かつ、出現する干渉フリンジの信号強度が大きくなっている。例えば、周波数間隔ＬＷ２が２．４ＧＨｚの場合は、実質的に第０の干渉フリンジのみが出現しており、第１以上の干渉フリンジが出現していない。周波数間隔ＬＷ２が３．０ＧＨｚから４ＧＨｚの範囲では、第０の干渉フリンジと第１の干渉フリンジとが出現しており、第２以上の干渉フリンジが出現していない。周波数間隔ＬＷ２が５ＧＨｚの場合には、第０の干渉フリンジ及び第１の干渉フリンジに加えて、第２の干渉フリンジが出現している。図９では、第１の干渉フリンジ以上が現れている範囲を破線の枠で表している。
大気散乱だけを考慮に入れた場合に第２以上の干渉フリンジが現れているということは、レイリー散乱光のみによる干渉が起きていることを意味する。すなわち、エタロン１５にレイリー散乱光を入射させた場合に、レイリー散乱光が透過することを意味する。出射光Ｌ２の周波数間隔ＬＷ２は３．９ＧＨｚ以下であれば、第１の干渉フリンジが小さくなるので、レイリー散乱光の透過が抑制される。
すなわち、出射光Ｌ２の周波数間隔ＬＷ２が３．９ＧＨｚの場合の第１の干渉フリンジの大きさは、周波数間隔ＬＷ２の第１の干渉フリンジの大きさの５０％以下になっている。このため、第１の干渉フリンジが小さくなっているので、レイリー散乱光がエタロン１５を透過するのを抑制することができる。
以上のことから、出射光Ｌ２の周波数間隔ＬＷ２は３．９ＧＨｚ以下であることで、散乱光Ｌ３からレイリー散乱光を効率良く除去することができる。出射光Ｌ２の周波数間隔ＬＷ２が３．９ＧＨｚである場合、式（１）により、石英で作られた透光部１６を含むエタロン１５の長さΔｘは、約２６ｍｍとなる。つまり、長さΔｘが２６ｍｍ以上のエタロン１５を用いることで、レイリー散乱光を効率良く除去することができ、エアロゾルの計測精度を高めることができる。
［４．２つのエタロンの特性差に対する光路長の調整］
上述したように、本実施の形態に係るエアロゾル計測装置１は、２つのエタロン１０及び１５を備える。このため、出射光Ｌ１の経路と散乱光Ｌ３の経路とを容易に分離することができる。また、エアロゾル計測装置１内での各素子の配置及び光の経路の設計の自由度を高めることができる。
エタロン１０及び１５としては、互いに同じ光学特性を有するエタロンが用いられる。しかしながら、エタロンの製造ばらつきによって、エタロン１０及び１５の光学特性が完全に同一にすることが困難である。具体的には、エタロン１０の長さとエタロン１５の長さとが異なる場合が起こりうる。例えば、製造ばらつきによって、エタロン１０の長さとエタロン１５の長さとには、約１０μｍ異なりうる。この場合、エタロン１０を通過する光の周波数特性と、エタロン１５を通過する光の周波数特性とが一致しない。
エタロン１０又は１５の透過率、及び、エタロン１０又は１５を通過した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（４）及び式（５）で表される。
Figure 0007426612000004
式（４）において、Ｒは、エタロン１０又は１５の端面の反射率である。Ａは、エタロン１０又は１５による損失である。ｎは、エタロン１０又は１５の透光部１１又は１６の屈折率である。Δｘは、エタロン１０又は１５の長さである。λは、エタロン１０又は１５に入射する出射光Ｌ１又は散乱光Ｌ３の中心周波数である。ｃは、光速であり、３×１０８ｍ／ｓである。θは、エタロン１０又は１５に対する出射光Ｌ１又は散乱光Ｌ３の入射角である。φは、エタロン１０又は１５の透光部１１又は１６に対する出射光Ｌ１又は散乱光Ｌ３の入射角である。θとφとは、ｓｉｎθ＝ｎｓｉｎφの関係を有する。なお、周波数間隔ＦＳＲは、図３に示される周波数間隔ＬＷ２又は図６に示される周波数間隔ＭＷ２と同じである。
エタロン１０又は１５の反射率Ｒは、例えば７０％以上９５％以下であり、一例として、７４％である。このとき、ピークの半値全幅ＬＷ１又はＭＷ１に対する周波数間隔ＦＳＲの比率、すなわち、ＦＳＲ／ＬＷ１又はＦＳＲ／ＭＷ１は、約１０である。反射率Ｒが大きくなった場合、ピークの半値全幅ＬＷ１又はＭＷ１が小さくなる。このため、複数本のピークを有する光、具体的には、出射光Ｌ２又はミー散乱光Ｌ４の全強度が低下する。また、反射率Ｒが小さくなった場合、ピークの半値全幅ＬＷ１又はＭＷ１が大きくなる。このため、レイリー散乱光の分離能力が低下し、エアロゾルの検出精度が低下する。
ここで、２つのエタロン１０及び１５の長さΔｘの差による透過率の周波数特性の違いについて、図１０を用いて説明する。
図１０は、光路長が異なる２つのエタロンの透過率の周波数特性を示す図である。図１０の部分（ａ）は、エタロンの長さΔｘが３４．０１ｍｍの場合を表している。図１０の部分（ｂ）は、エタロンの長さΔｘが３４ｍｍの場合を表している。図１０の部分（ａ）と部分（ｂ）とを比較して明らかなように、透過率のピークの位置が大きくずれていることが分かる。なお、周波数間隔ＦＳＲは、実質的に同じである。
本実施の形態に係るエアロゾル計測装置１では、制御部７０がエタロン１０又は１５における光路長を調整することで、エタロン１０の透過率のピークの位置とエタロン１５の透過率のピークの位置とを同調させる。これにより、ミー散乱光Ｌ４の受光強度が高められるので、エアロゾルの検出精度が高まる。なお、同調とは、エタロン１０の透過率のピークの周波数位置と、エタロン１５の透過率のピークの周波数位置とを実質的に等しくすることである。具体的には、制御部７０がエタロン１０又は１５の光路長を調整することにより、エタロン１０における光路長とエタロン１５における光路長とを同じにする。
図１１は、本実施の形態に係るエアロゾル計測装置１によるエタロン１５における光路長の変化例を示す図である。図１１の部分（ａ）は、エタロン１５の加熱前又は冷却後を表している。図１１の部分（ｂ）は、エタロン１５の加熱後又は冷却前を表している。
図１１に示されるように、エタロン１５には、主に透光部１６の側面を部分的に又は全面的に接触して覆うヒーター８０が取り付けられている。ヒーター８０は、例えば、シート状のシリコンラバーヒーターである。なお、ヒーター８０は、電熱線であってもよい。ヒーター８０は、制御部７０によって加熱及びその停止、並びに、加熱の目標温度及び温度上昇の割合などが制御される。
ヒーター８０とエタロン１５との間には、温度センサ７１が設けられている。温度センサ７１は、例えばサーミスタ又は熱電対などであるが、これに限らない。温度センサ７１は、エタロン１５の温度を測定し、測定結果を制御部７０に出力する。制御部７０は、温度センサ７１による測定結果に基づいてヒーター８０を制御する。温度センサ７１は、例えば、エタロン１５の表面温度を測定するが、エタロン１５の内部の温度を測定してもよい。
図１１に示されるように、ヒーター８０がエタロン１５を加熱することにより、エタロン１５の長さΔｘが変化する。例えば、図１１の部分（ａ）では、エタロン１５の長さΔｘがΔｘ１である場合を示している。エタロン１５を加熱することにより、石英を用いて形成された透光部１６が熱膨張する。これにより、図１１の部分（ｂ）に示されるように、エタロン１５の長さΔｘが、Δｘ１よりも長いΔｘ２になる。よって、エタロン１５に対して入射する散乱光Ｌ３の光路長が長くなる。
一方、エタロン１５を冷却した場合、透光部１６が収縮する。これにより、エタロン１５の長さΔｘが短くなる。このように、制御部７０は、ヒーター８０を制御することで、エタロン１５を加熱又は冷却し、エタロン１５の光学長を変化させることができる。
本実施の形態では、制御部７０は、エタロン１５における散乱光Ｌ３の光路長を所定の範囲内で周期的に変化させる。具体的には、制御部７０は、エタロン１５の温度を所定の範囲内で周期的に変化させることで、光路長を周期的に変化させる。
図１２は、エタロンの温度差と出射光の強度との関係を示す図である。図１２において、横軸がエタロン１０とエタロン１５との温度差を表し、縦軸が出射光の強度を表している。
図１２に示されるように、温度差が５℃以上７℃以下の範囲において、出射光の強度のピークが現れている。強度のピークは、エタロン１０のピークの位置とエタロン１５のピークの位置とが同調した場合に現れる。図１２に示される例では、温度差が約５．８℃の場合に、出射光の強度が最大になっている。例えば、制御部７０は、温度差を５℃以上７℃以下の範囲で周期的に変化させる。これにより、エタロン１５における光路長も周期的に変化する。周期的な変化の範囲内に、エタロン１０のピークの位置とエタロン１５のピークの位置とが同調するタイミングが含まれるので、充分な強度のミー散乱光Ｌ４が受光器５０によって受光される。
なお、エタロン１０における光路長とエタロン１５における光路長との差は、製造ばらつきだけでなく、動作時にも発生しうる。例えば、エタロン１０は、光源２０に近いため、光源２０の発する熱による影響を受けて、動作中にはエタロン１５よりも熱膨張されやすい。本実施の形態に係るエアロゾル計測装置１によれば、エタロン１０の長さが変化したとしても、エタロン１５の温度を変化させることで、エタロン１０のピークの位置とエタロン１５のピークの位置とを同調させることができる。したがって、動作ばらつきによる検出精度の低下を抑制することができる。
（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、エタロン１０又は１５における光路長を変化させる手段が実施の形態１とは相違している。具体的には、実施の形態２では、エタロン１０又は１５の光軸の傾きを調整する。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１３は、本実施の形態に係るエアロゾル計測装置１０１の構成を示す図である。図１３に示されるように、エアロゾル計測装置１０１は、実施の形態１に係るエアロゾル計測装置１と比較して、制御部７０及びヒーター８０の代わりに、制御部１７０及び軸調整装置１８０を備える点が相違する。
制御部１７０は、エタロン１０における出射光Ｌ１の光路長及びエタロン１５における散乱光Ｌ３の光路長からなる群から選択される少なくとも一方の光路長を変化させる。本実施の形態では、制御部１７０は、エタロンにおける散乱光Ｌ３の光路長を変化させる。具体的には、制御部１７０は、軸調整装置１８０を制御することにより、エタロン１５における散乱光Ｌ３の光路長を変化させる。制御部１７０は、例えばマイクロコントローラである。
軸調整装置１８０は、エタロン１０及び１５の少なくとも一方の光軸の傾きを調整する。本実施の形態では、軸調整装置１８０は、エタロン１５の光軸の傾きを調整する。エタロン１５の光軸の傾きが変更されることで、エタロン１５を通過する散乱光Ｌ３の光路長が変化する。
軸調整装置１８０は、例えば、エタロン１５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備える。ステッピングモータは、例えば、エタロン１５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１５の光軸を傾けることができる。なお、軸調整装置１８０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。ここで、エタロンの光軸とは、エタロンの多層膜面に垂直な軸を意味する。
図１４は、本実施の形態に係るエアロゾル計測装置１０１によるエタロン１５における散乱光Ｌ３の光路長の変化例を示す図である。図１４の部分（ａ）は、エタロン１５の光軸Ｐが散乱光Ｌ３の入射方向に一致する場合、すなわち、散乱光Ｌ３の入射角θが０°である場合を示している。図１４の部分（ｂ）は、エタロン１５の光軸Ｐが散乱光Ｌ３の入射方向に対して、角度αで傾いている場合、すなわち、散乱光Ｌ３の入射角θがαである場合を示している。
図１４に示されるように、軸調整装置１８０がエタロン１５の光軸Ｐを傾けることにより、エタロン１５に入射する散乱光Ｌ３の入射角が変化する。入射角が変化することで、散乱光Ｌ３の進行方向が屈折によって変化するので、散乱光Ｌ３が透光部１６内を通過する距離が変化する。例えば、図１４の部分（ａ）では、エタロン１５に対して散乱光Ｌ３が正面から入射している。軸調整装置１８０がエタロン１５の光軸Ｐを傾けることにより、図１４の部分（ｂ）に示されるように、エタロン１５の透光部１６を通過する散乱光Ｌ３の光路長が長くなる。なお、図１４の部分（ｂ）では、透光部１６と多層膜１７及び１８の各々との界面における散乱光Ｌ３の屈折による進行方向の変更の図示が省略されている。
一方、光軸Ｐの傾きを小さくすることで、エタロン１５における散乱光Ｌ３の光路長は短くなる。このように、制御部１７０は、軸調整装置１８０を制御することで、エタロン１５の光軸Ｐの傾きを変化させ、エタロン１５における散乱光Ｌ３の光路長を変化させることができる。
本実施の形態では、制御部１７０は、エタロン１５における散乱光Ｌ３の光路長を所定の範囲内で周期的に変化させる。具体的には、制御部１７０は、エタロン１５の光軸Ｐの傾きを所定の範囲内で周期的に変化させることで、光路長を周期的に変化させる。
図１５は、エタロン１５の光軸Ｐの傾きを出射光の強度との関係を示す図である。図１５において、横軸がエタロン１５の光軸Ｐの傾きの角度を表し、縦軸が出射光の強度を表している。
図１５に示されるように、光軸Ｐの角度αが０．１２５°以上０．１７５°以下の範囲において、出射光の強度のピークが現れている。図１５に示される例では、光軸Ｐの角度αが約０．１４４°の場合に、出射光の強度が最大になっている。例えば、制御部１７０は、角度αを０．１２５°以上０．１７５°以下の範囲で周期的に変化させる。これにより、エタロン１５における散乱光Ｌ３の光路長も周期的に変化する。周期的な変化の範囲内に、エタロン１０のピークの位置とエタロン１５のピークの位置とが同調するタイミングが含まれるので、充分な強度のミー散乱光Ｌ４が受光器５０によって受光される。
なお、制御部１７０は、エタロン１０又は１５の光軸Ｐの傾きの調整に加えて、実施の形態１と同様に、エタロン１０又は１５の温度を調整してもよい。すなわち、エアロゾル計測装置１０１は、ヒーター８０を備えてもよい。
（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１及び２では、出射光Ｌ１のエタロン１０に対する入射面と散乱光Ｌ３のエタロン１５に対する入射面とが互いに反対側に位置している。これに対して、本変形例では、出射光Ｌ１のエタロン１０に対する入射面と散乱光Ｌ３のエタロン１５に対する入射面とが同じ側に位置している。以下では、実施の形態１又は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。
図１６は、本実施の形態に係るエアロゾル計測装置２０１の構成を示す図である。図１６に示されるように、エアロゾル計測装置２０１は、図１に示されるエアロゾル計測装置１と比較して、ミラー２２の代わりに、ミラー３２、３４及び３６を備える。また、光源２０、集光レンズ４０、受光器５０及び分析部６０の配置が実施の形態１とは相違している。
図１６に示されるように、ミラー３２及び３４は、集光レンズ３０ａによって集光された散乱光Ｌ３を反射する。散乱光Ｌ３に対してミラー３２及び３４を適切な角度で配置することにより、散乱光Ｌ３の進路を所望の方向に曲げることができる。本実施の形態では、ミラー３２及び３４は、散乱光Ｌ３を反射してエタロン１５に入射させる。
ミラー３６は、エタロン１５を通過したミー散乱光Ｌ４を反射する。ミー散乱光Ｌ４に対してミラー３６を適切な角度で配置することにより、ミー散乱光Ｌ４の進路を所望の方向に曲げることができる。本実施の形態では、ミー散乱光Ｌ４を反射して集光レンズ４０を介して受光器５０に入射させる。
これにより、図１６に示されるように、光源２０と受光器５０とを離して配置することができる。具体的には、光源２０から出射された出射光Ｌ１のうち、エタロン１０で反射された反射光が受光器５０に入射しにくくすることができる。反射光は、エアロゾルの誤検知の要因になる。また、反射光は、散乱光に比べて強度が強いので、受光器５０が検出できる限界強度を超えて受光器５０の故障の要因にもなりうる。このため、本実施の形態によれば、反射光によるエアロゾルの誤検知及び受光器５０の故障などを抑制することができる。
また、本実施の形態では、ミラー３４によって反射された散乱光Ｌ３は、エタロン１５に対して斜めに入射する。散乱光Ｌ３の入射角θは、例えば５°以下である。これにより、散乱光Ｌ３がエタロン１５内を通過する際に、ファブリペロー干渉を起こす光路差ｄｘは、以下の式（６）で表される。
Figure 0007426612000005
このとき、θ＝０の場合からの変化量Δｄｘは、式（７）で表される。
Figure 0007426612000006
光路差の変化量Δｄｘが、光源２０が出射する光の波長λの整数倍になるように調整することで、干渉フリンジ内の波長による干渉の明点に調整することができる。
（実施の形態４）
続いて、実施の形態４について説明する。
実施の形態４では、受光器５０が、所定期間に入射する光を遮断する機能を有する。以下では、実施の形態１、２又は３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１７は、本実施の形態に係るエアロゾル計測装置３０１の構成を示す図である。図１７に示されるように、エアロゾル計測装置３０１は、図１に示されるエアロゾル計測装置１と比較して、新たに遮光部３５１を備える。
遮光部３５１は、光源２０が出射する出射光Ｌ１を遮断する。遮光部３５１は、例えば、可動式の遮光シャッターである。図１７の白抜きの両矢印で示されるように、遮光部３５１は、受光器５０の受光面を覆う位置と覆わない位置との間で移動可能である。図１７の破線で示される位置が、受光面を覆う位置であり、遮光部３５１が受光面を覆うことで、受光器５０への光の入射を遮断することができる。また、遮光部３５１が受光面を覆わない場合には、受光器５０に光を入射させることができる。遮光部３５１の位置は、受光器５０によって制御される。
図１８は、本実施の形態に係るエアロゾル計測装置３０１の遮光部３５１の動作を説明するための図である。図１８の部分（ａ）では、横軸が時間を表し、縦軸が出射光Ｌ１の強度を表している。図１８の部分（ｂ）では、横軸が時間を表し、縦軸が受光器５０による受光強度を表している。
図１８の部分（ａ）に示されるように、光源２０は、パルス状の出射光Ｌ１を出射する。出射光Ｌ１の時間幅ｔｐは、例えば１０ナノ秒である。例えば、光源２０は、時間幅ｔｐのパルス状の出射光Ｌ１を定期的に出射する。出射光Ｌ１の出射間隔、すなわち、パルスの時間間隔は、特に限定されないが、例えば、エアロゾルを検出可能な最大距離の２倍を光が進むのに要する時間より長い。
出射光Ｌ１がエタロン１０に入射した場合、図１７に示されるように、一部の光は、エタロン１０を透過せずに、入射側に反射光Ｌ５として反射される。このときの反射光Ｌ５が受光器５０によって受光された場合に、図１８の部分（ｂ）に示されるように、反射光Ｌ５の強度に応じた信号が出力される。
エタロン１０と受光器５０との距離は、散乱体９０と受光器５０との距離よりも十分に短いため、エタロン１０による反射光Ｌ５は、出射光Ｌ１が出射されてからミー散乱光Ｌ４が受光されるまでの期間内に受光器５０に受光される。
このため、本実施の形態では、受光器５０は、遮光部３５１を制御することで、出射光Ｌ１が出射されてから所定の期間ｔｍの受光を遮断する。期間ｔｍは、パルス状の出射光Ｌ１の時間幅ｔｐより長い期間である。例えば、期間ｔｍは、１０．１ナノ秒である。期間ｔｍの開始時点は、例えば、出射光Ｌ１の出射と同時である。
以上のように、本実施の形態に係るエアロゾル計測装置３０１によれば、反射光によるエアロゾルの誤検知及び受光器５０の飽和による故障などを抑制することができる。
なお、本実施の形態では、受光器５０に入射する光を物理的に遮断する例を説明したが、これに限らない。例えば、受光器５０から出力される信号のうち、反射光に相当する信号を分析部６０が無視、すなわち、エアロゾルの分析に用いなくてもよい。あるいは、受光器５０は、期間ｔｍの間は信号を出力しなくてもよい。つまり、エアロゾル計測装置３０１は、受光器５０に入射する光を信号処理的に遮断してもよい。
（他の実施の形態）
以上、１つ又は複数の態様に係るエアロゾル計測装置及びエアロゾル計測方法について、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、上記の実施の形態では、エタロン１５における散乱光Ｌ３の光路長を変化させる例を説明したが、エタロン１０における出射光Ｌ１の光路長を変化させてもよい。エタロン１０及び１５の各々における光路長を変化させてもよい。
具体的には、上記の実施の形態で示したように、エタロン１０における出射光Ｌ１の光路長を固定した状態で、エタロンにおける散乱光Ｌ３の光路長を一方向に変化させてもよく、周期的に変化させてもよい。なお、一方向とは、光路長を増やす方向、及び、光路長を減らす方向のいずれか一方である。
あるいは、エタロン１０における出射光Ｌ１の光路長を一方向に変化させながら、エタロン１５における散乱光Ｌ３の光路長を一方向に変化させてもよく、周期的に変化させてもよい。この場合において、エタロン１５における散乱光Ｌ３の光路長が固定であってもよい。
また、エタロン１０における出射光Ｌ１の光路長を周期的に変化させながら、エタロン１５における散乱光Ｌ３の光路長を一方向に変化させてもよく、周期的に変化させてもよい。この場合において、エタロン１５における散乱光Ｌ３の光路長が固定であってもよい。
また、例えば、エアロゾル計測装置１は、エタロン１０又は１５の圧力を調整する圧力調整装置を備えてもよい。この場合、制御部７０は、圧力調整装置を制御する。例えば、圧力調整装置は、エタロン１０又は１５に対して加圧することで、エタロン１０又は１５の透光部１１又は１６を押し縮めて、長さΔｘを短くすることができる。これにより、エタロン１０又は１５を通過する出射光Ｌ１又は散乱光Ｌ３の光路長が短くなる。また、例えば、圧力調整装置は、エタロン１０又は１５に対して減圧することで、エタロン１０又は１５の透光部１１又は１６を引き伸ばして、長さΔｘを長くすることができる。これにより、エタロン１０又は１５を通過する出射光Ｌ１又は散乱光Ｌ３の光路長が長くなる。なお、透光部１１又は１６が空気層である場合、圧力の調整による長さΔｘを容易に変化させることができ、光路長を容易に変化させることができる。
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、単一の装置または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、分析部、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、分析部などの構成要素は、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、エアロゾルを簡単かつ精度良く計測することができるエアロゾル計測装置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。
１、１０１、２０１、３０１ エアロゾル計測装置
１０、１５ エタロン
１１、１６ 透光部
１２、１３、１７、１８ 多層膜
２０ 光源
２２、３２、３４、３６ ミラー
３０ 集光部
３０ａ、４０ 集光レンズ
５０ 受光器
６０ 分析部
７０、１７０ 制御部
７１ 温度センサ
８０ ヒーター
９０ 散乱体
１８０ 軸調整装置
３５１ 遮光部
Ｌ１、Ｌ２ 出射光
Ｌ３ 散乱光
Ｌ４ ミー散乱光
Ｌ５ 反射光

Claims (13)

  1. 大気中に含まれるエアロゾルを計測するためのエアロゾル計測装置であって、
    光源と、
    前記光源から出射された第１の光が通過する第１のエタロンと、
    前記エアロゾルで散乱された第２の光が通過する第２のエタロンと、
    前記第１のエタロンにおける前記第１の光の光路長及び前記第２のエタロンにおける前記第２の光の光路長からなる群から選択される少なくとも１つの光路長を変化させる制御部と、を備える、
    エアロゾル計測装置。
  2. 前記第１のエタロンは、前記第１の光を内部で干渉させることにより生じた、互いに等しい周波数間隔で離れた複数本のピークを有する干渉光を前記エアロゾルに照射し、
    前記第２のエタロンは、前記第２の光を内部で干渉させることによりミー散乱光を出射する、
    請求項１に記載のエアロゾル計測装置。
  3. 前記ミー散乱光を受光する受光器をさらに備える、
    請求項２に記載のエアロゾル計測装置。
  4. 前記制御部は、前記第２のエタロンにおける前記第２の光の光路長を変化させる、
    請求項１から３のいずれか１項に記載のエアロゾル計測装置。
  5. 前記制御部は、前記少なくとも１つの光路長を所定の範囲内で周期的に変化させる、
    請求項１から３のいずれか１項に記載のエアロゾル計測装置。
  6. 前記周波数間隔は、３．９ＧＨｚ以下である、
    請求項２または３に記載のエアロゾル計測装置。
  7. さらに、前記第１のエタロンの温度及び前記第２のエタロンの温度からなる群から選択される少なくとも１つを調整する温度調整装置を備え、
    前記制御部は、前記温度調整装置を制御することにより、前記少なくとも１つの光路長を変化させる、
    請求項１から６のいずれか１項に記載のエアロゾル計測装置。
  8. さらに、前記第１のエタロンの光軸の傾き及び前記第２のエタロンの光軸の傾きからなる群から選択される少なくとも１つを調整する軸調整装置を備え、
    前記制御部は、前記軸調整装置を制御することにより、前記少なくとも１つの光路長を変化させる、
    請求項１から７のいずれか１項に記載のエアロゾル計測装置。
  9. 前記第１の光は、パルス光であり、
    前記受光器は、
    前記パルス光が前記光源から出射されてから、前記パルス光の時間幅より長い所定期間が終了するまで、前記ミー散乱光の受光を停止し、
    前記所定期間が終了した後に、前記ミー散乱光を受光する、
    請求項３に記載のエアロゾル計測装置。
  10. 前記第２の光は、前記第２のエタロンの光軸に対して斜めの方向から前記第２のエタロンに入射する、
    請求項１から９のいずれか１項に記載のエアロゾル計測装置。
  11. 前記光源は、レーザ素子又は発光ダイオードである、
    請求項１から１０のいずれか１項に記載のエアロゾル計測装置。
  12. さらに、前記第２の光を集光して、前記第２のエタロンに入射させる集光部を備える、
    請求項１から１１のいずれか１項に記載のエアロゾル計測装置。
  13. 光源から出射された第１の光を第１のエタロンに入射させることと、
    前記第１のエタロンから出射された光を、大気中に含まれるエアロゾルに照射することと、
    前記エアロゾルで散乱された第２の光を第２のエタロンに入射させることと、
    前記第１のエタロンにおける前記第１の光の光路長及び前記第２のエタロンにおける前記第２の光の光路長からなる群から選択される少なくとも１つの光路長を変化させることと、を含む
    エアロゾル計測方法。
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