JP2005526987A - 分散汚染物質の光学監視システム - Google Patents

Abstract

ガス試料中の微粒子の検出装置を開示する。該装置は単一の光放射源（１１）、センサーヘッド（１３ａ，１３ｂ，１３ｃ）、及び検出電子工学機器（１４ａ，１４ｂ，１４ｃ）からなる。センサーヘッドは楕円形の断面を有するハウジングからなる。該センサーヘッドは、光ファイバー線を通じ光放射源からの光学放射を第１焦点で受信し、検出器が第２焦点に位置する。該検出器は、第１焦点にある光ビーム中の微粒子が散乱し、発する放射光を受信する。検出電子工学機器は、検出器に入射する放射に基づき微粒子の存在を検出し、１つの具体例では微粒子を同定する。

Description

本発明はガス試料中の微粒子の検出に関する。さらに詳細には、光学的放射を用いた大気中の汚染物質の検出装置及び検出方法に関する。

ガス試料中の微粒子の存在は現在、種々の用途において関心を持たれている問題である。作業場の大気中の微粒子は作業員にとって危険要因となりうる。電子機器製造施設における微粒子は、製造中の製品に被害や損害を与える。核、生物、または化学（ＮＢＣ）兵器材料の微粒子は、それらに接触した人間に被害を与える。従って、これらの問題に対処するために、これら微粒子を検出し同定する方法及び装置が発達してきた。

ガス試料中の微粒子を検出する１つの方法は、大気中の微粒子が光線を散乱させる、という周知の事実を利用している。加えて、ある種の生物学的微粒子は、それらが特定波長の放射により励起されるとき、蛍光を発する。このことが、微粒子に光が当てられたときの散乱光、あるいは発せられた放射光の測定によりガス試料中の微粒子を検出し、同定するシステムを発達させた。しかしながら、それらのシステムは通常、微粒子の検出に長光路光ビームシステムを使用している。微粒子は入射放射光を散乱させ、さらにある場合には全方向に蛍光放射を発する。通常、光源の光路に実質的に直角方向に散乱、放射される光が測定される。既存の検出システムは、試料領域の周囲に単一のまたはいくつかの検出器を置くため、全領域中比較的小部分の散乱光と放射光のみを検出する。このため、測定可能レベルの強い散乱光または放射光を検出機器に到達させるためには、それに比例する大量の放射入力を必要としている。この非効率性により検出システムは、大きな動作電力を必要とする高価なものとなっている。

そのようなシステムの一例が特許文献１に開示されている。この特許は、ガス試料中の微粒子の検出及び同定用の装置を開示する。この装置は測定領域への照射にレーザを使用する。単位領域の比較的小部分内に存在する検出器で散乱光と放射光を受信する。従って、小濃度の物質の検出には、レーザを高い電力レベルで動作させなければならない。さらに、レーザ光源は１つの試料部分のみを照射するので、測定しようとする全試料領域毎に、別のレーザ光源が必要となる。これが検出システムを大型化し価格を上昇させる。
米国特許５９２０３８８（サンドベルグ他）

特許文献２は微粒子数の計測装置を開示する。この装置は、クリーンルームなどの工業施設の空気の状態の判定に通常使用される。この装置は放射光路内にサンプル・ボリウムを有するレーザからなっている。単一の検出器が、検出器に向かう散乱光の強度を測定する。この特許装置は、ノイズレベルを越える散乱光を検出器が識別するのに十分な光が検出器に向かって散乱されるよう、高い電力レベルを必要とする。さらに、ただ１つの試料空間のみを照射するので、試験するそれぞれの試料空間毎に別のレーザを必要とする。
米国特許５６４２１９３（ジルビン他）

特許文献３は、ガス試料中の微粒子の大きさを検出する装置を開示する。開示された装置は、クリーンルームの汚染度の測定に使用される。この装置の構造は、ジルビン他が開示した装置に類似する。そして同じ欠点を有する：即ち、高価格、大容積、そして測定するそれぞれの試料空間について別のレーザ光源が必要であること、である。
米国特許４７９８４６５（クノーレンベルグ）

長光路システムの他の例を、特許文献４が開示する。この特許は対象を照射するレーザと、後方散乱光と放出放射光を受信する望遠鏡からなるライダー（ｌｉｄａｒ）システムを開示する。この装置は、受信した放射光に基づき対象の組成を特定する。この装置は飛行機に搭載され、対象に向かって飛行することができる。対象までの距離は望遠鏡により受信されるパワーを劇的に減少させるため、望遠鏡に測定可能な反射光があるよう、大量の放射光がレーザから発せられる必要がある。その他の装置と同様、それぞれの検出システムはそれぞれの放射源を必要とする。
米国特許５５２７０８５（ウリッヒ他）

従って、明らかに、ガス試料中の微粒子を検出できる、長光路光学的検出システムよりも低コストで小サイズの装置が待望されている。

本発明は、単一の光学的放射源、センサーヘッド、及び検出電子工学機器からなるガス試料中の微粒子の検出装置に関する。該センサーヘッドは楕円形断面を有するハウジングからなっている。該センサーヘッドは、光源からの光放射を光ファイバー線を通じて第１焦点で受信し、第２焦点に検出器が位置する。検出器は第１焦点の光ビーム中の微粒子による散乱光と発せられる蛍光を検出する。検出電子工学機器は、検出器に入射する放射光に基づいて微粒子の存在、そして１つの実施例ではその成分、を検出する。

本発明の一般的目的は、大気中の汚染物質の検出装置を提供することである。
本発明の他の目的は、複数の検出器が単一光源を使用することによりシステムを小型化し、低価格化した装置を提供することである。
さらなる目的は、ＮＢＣ兵器素材をはじめとする環境的及び工業的汚染物質の存在を検出する装置の提供である。
さらなる他の目的は、ＮＢＣ兵器素材をはじめとする環境的及び工業的汚染物質を同定する装置の提供である。
本発明のこれら及びその他の目的、態様及び利益は、図面及び特許請求の範囲を参照しつつ以下の発明の詳細な説明を読むことにより当業者には容易に明らかとなるであろう。

以下の発明の詳細説明において、異なる図面上の同じ参照番号の構成要素は各図において本発明における同一の構成要素を特定していると解釈される。

本発明の好適例が図１に表示され、本発明装置が１０で一般に示される。本発明は、単一光源、１１，少なくとも１つのセンサーヘッド、１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、センサーヘッドのそれぞれに、検出電子工学機器 １４ａ，１４ｂ，１４ｃ、センサーヘッドのそれぞれに、変調器（ｍｏｄｕｌａｔｏｒ） １５ａ，１５ｂ，１５ｃ，モニター １８，及び、光源１１をセンサーヘッドのそれぞれ１３ａ，１３ｂ，１ｃに、次いで変調器のそれぞれ１５ａ，１５ｂ，１５ｃに、そしてモニター１８に接続する光ファイバー線１６からなっている。

単一光源の使用により、本発明では、各検出器毎に異なる光源を使用する他のシステムより低コストと小型化を実現している。光源は発光ダイオード（ＬＥＤ）から波長可変レーザまでいかなる放射光源も使用可能である。好適例では、光源は、５０％の負荷サイクルで１００から１００００ヘルツの周波数の方形波１２を与え、低動作コストで検出効率を最大化する。相違する負荷サイクルと周波数範囲で相違する形状の波も使用可能であると理解すべきである。

センサーヘッド１３ａの正面断面図を図２に示す。図３はセンサーヘッドハウジング１９の楕円形断面を見せているセンサーヘッドの側面断面図である。ハウジング１９の内部は放射光の高反射面となっている。光源１１からの放射光は光ファイバー線１６を通り、センサーヘッド１３ａに至る。この放射光はレンズ２４を通ってセンサーヘッド１３ａに入る。レンズ２４は光ファイバー線１６での断面積よりも大きな断面積となるようビームを拡径する。これにより、微粒子を含む検出可能な容積が拡大される。またレンズ２４は線１６からの光を平行にする。これでセンサーヘッドの楕円形断面の１つの焦点に沿うセンサーヘッド１３ａの内部を横断するビーム２１が形成される。拡径されたビーム光は、センサーヘッド内のガス中の微粒子により散乱され、あるいは吸収される。また微粒子にある種の生物学的物質が含まれている場合には、蛍光放射を発する。従って、散乱され放射された光はセンサーヘッド内部を通過する。検出器２３はセンサーヘッドハウジングの他方の焦点に位置する。ビーム２１内の微粒子から、ビーム方向にほぼ直角のあらゆる角度に散乱されまたは放射された光は、センサーヘッドの楕円形断面の内部で反射して検出器に達する。これにより散乱されまたは放射された光の効率的な検出が可能となる。散乱されなかったり吸収されなかった光はセンサーヘッド内を横断し、レンズ２５に達する。レンズ２５は入射光を平行にし、その断面を光ファイバー線１６の断面積に縮径する。次いで光は線１６を進む。センサーヘッド内の光のロスは小さいので、単一の光放射源による複数センサーヘッドの動作が可能となる。

好適例では、通気口２０からセンサーヘッドの外部の空気を取り込み、センサーヘッド内を循環させる。これにより、センサーヘッドが置かれた場所の空気の状態の連続的監視が可能となる。しかし、センサーヘッドを周囲の環境から隔離してもよく、そうするとセンサーヘッドに導入したガス試料中の微粒子が検出される。かかる変形やその他の変形は当業者には容易に見出され、かかる変形はクレームされた本発明の範囲に含まれる。また好適例において、フィルタ２２は、その短軸に沿ってハウジング１９内に置いても良く、検出器を外部空気から物理的に分離し、検出器に到達する放射の帯域幅を狭めることも可能である。

好適例において、レンズ２４と２５は屈折率分布型（ＧＲＩＮ）レンズである。しかし、ビームを平行にし、拡径し、または縮径するのに他の手段を用いることができることは当業者には容易に理解でき、これらの変形はクレームされた本発明の範囲に含まれる。

検出器２３は検出電子工学機器１４と協同して動作する。好適例において、検出器２３は背面合わせ平面アレー（ｂａｃｋ−ｔｏ−ｂａｃｋ ｐｌａｎａｒ ａｒｒａｙｓ）からなる。検出電子工学機器１４は、検出器２３に入射する放射光に基づき何の物質が存在するかを検出する。全ての微粒子は光を散乱させ、ある種の生物学的微粒子は入射光により励起され、蛍光を発する。光線の散乱や蛍光に基づき微粒子を検出し同定することは公知である。散乱光や蛍光の検出による微粒子サイズの測定は、米国特許４７９８４６５が開示しており、本願に参考として含まれる。散乱光や蛍光の検出による物質の同定は、米国特許５２５７０８５や米国特許５９３８６１７が開示しており、本願に参考として含まれる。従って、本発明装置は、環境上、工業上、及びＮＢＣ兵器の汚染物質の検出、同定に使用することができる。しかし、いかなる生物学的微粒子、あるサイズ範囲の微粒子、その他のあらゆる微粒子の存在の単なる検出、または多くのその他の検出形態用に本発明装置を構成しうることは当業者には容易に理解しうることである。これらの変形はクレームされた本発明の範囲に含まれている。

変調器１５は検出電子工学機器１４と協同して動作する。変調器は、対応するセンサーヘッドからの検出結果を受信する。変調器はその結果をエンコードし、それらを光ファイバー線１６に発信する。光ファイバー線１６は、各センサーヘッドを横断した後、各変調器を横断する。線１６はモニター１８が終点となる。モニター１８は、変調器が線１６で送出した検出情報を受信する。モニター１８は検出情報をデコードし、それを表示する。

図４は他の実施例である。ここでは光ファイバー線１６は光トラップ２８で終点となる。この検出電子工学機器は次いで直接検出結果をモニターに送信する。この変形はクレームされた本発明の範囲に含まれると理解される。
従って、本発明の目的は効率的に達成され、本発明の変更や変形は当業者には容易に明らかであり、これらの変形はクレームされた本発明の範囲に含まれると理解される。

本発明の実施例の透視図である。 図１の平面２−２で切り取った本発明の実施例のセンサーヘッドの正面断面図である。 図２の平面３−３で切り取った本発明の実施例のセンサーヘッドの側面断面図である。 本発明の第２実施例の透視図である。

符号の説明

１０・・・検出装置、１１・・・光放射源、１２・・・方形波、１３ａ，１３ｂ，１３ｃ・・・センサーヘッド、１４ａ，１４ｂ，１４ｃ・・・検出電子工学機器、１５ａ，１５ｂ，１５ｃ・・・変調器、１６・・・光ファイバー線、１８・・・モニター、１９・・・センサーヘッドハウジング、２０・・・通気口、２１・・・ビーム、２２・・・フィルタ、２３・・・検出器、２４，２５・・・レンズ

Claims (25)

1. 単一の光放射源とセンサーヘッドを有するガス試料中の微粒子の検出装置であって、該センサーヘッドが楕円形断面を有し、該楕円形断面が第１の焦点と第２の焦点を有し、該センサーヘッドが該光放射源からの放射光を光ファイバー線を通じて該第１焦点で受けるよう機能的に配置され、該センサーヘッドが該第２焦点に位置する検出器を有し、該検出器が散乱光および発せられた放射光を受信するよう機能的に配置され、該センサーヘッドが該ガス試料を収納することを特徴とするガス試料中の粒子の検出装置。
2. さらに、該センサーヘッドの該検出器と協同し、該ガス試料中の粒子の存在を測定する装置からなる、請求項１に記載の装置。
3. さらに、該センサーヘッドの該検出器と協同し、該ガス試料中の粒子を同定する手段からなる、請求項１に記載の装置。
4. さらに、該センサーヘッド内の該第１焦点と該第２焦点の間に位置するフィルタからなる、請求項１に記載の装置。
5. さらに該センサーヘッドへの入口のＧＲＩＮ（屈折率分布型）レンズからなり、該レンズが該放射源からの放射光を拡径し、平行にするよう機能的に配置されている、請求項１に記載の装置。
6. さらに該センサーヘッドの出口のＧＲＩＮレンズからなり、該レンズが該放射源からの光放射を縮径し、平行にするよう機能的に配置されている、請求項１に記載の装置。
7. さらに該センサーヘッドに収容される該ガス試料が循環するよう該センサーヘッドの外部から空気を取り入れるよう機能的に配置された通気口からなる、請求項１に記載の装置。
8. 該単一の光放射源が発光ダイオード光ファイバー線送信器からなる請求項１に記載の装置。
9. 該単一の光放射源が波長可変レーザからなる請求項１に記載の装置。
10. 単一の光放射源が５０％の負荷サイクルで１００から１００００ヘルツの周波数で放射するよう機能的に配置されている請求項１に記載の装置。
11. 単一の光放射源と複数のセンサーヘッドを有するガス試料中の微粒子の検出装置であって、該複数のセンサーヘッドのそれぞれが楕円形断面を有し、それぞれの該楕円形断面が第１の焦点と第２の焦点を有し、該複数のセンサーヘッドが、複数の光ファイバー線の１つを通じ、該光放射源からの放射光を受けるよう機能的に配置され、ここにそれぞれの該センサーヘッドが、そのそれぞれの第１焦点で該放射光を受け、該複数のセンサーヘッドのそれぞれが、該複数の光ファイバー線の１つへの該センサーヘッドのそれぞれの出口を通じ、該放射光を次のセンサーヘッドへ送るよう機能的に配置され、該複数のセンサーヘッドのそれぞれが、そのそれぞれの第２焦点に位置する検出器を有し、それぞれの該検出器が散乱され発せられた放射光を検出するよう機能的に配置され、該複数のセンサーヘッドのそれぞれが該ガス試料を収納することを特徴とする装置。
12. さらに、該複数のセンサーヘッドのそれぞれの該検出器と協同して該ガス試料中の粒子の存在を解析する複数の手段からなる、請求項１１に記載の装置。
13. さらに、該複数のセンサーヘッドの少なくとも１つの該第１と該第２の焦点の間に位置するフィルタからなる請求項１１に記載の装置。
14. さらに該複数のセンサーヘッドのそれぞれへの入口のＧＲＩＮレンズからなり、該レンズが該光放射源の放射光を拡径し、平行にするよう機能的に配置されている、請求項１１に記載の装置。
15. さらに該複数のセンサーヘッドのそれぞれからの出口のＧＲＩＮレンズからなり、該レンズが該放射源の放射光を縮径し、平行にするよう機能的に配置されている、請求項１１に記載の装置。
16. さらに該複数のセンサーヘッドに収納された該ガス試料が循環するように、該複数のセンサーヘッドの外部から空気を取り入れるよう機能的に配置された通気口からなる、請求項１１に記載の装置。
17. 該単一の光放射源が発光ダイオード光ファイバー送信器からなる請求項１１に記載の装置。
18. 該単一の光放射源が波長可変レーザからなる請求項１１に記載の装置。
19. 該単一の光放射源が、５０％の負荷サイクルで１００から１００００ヘルツの周波数で放射するよう機能的に配置されている請求項１１に記載の装置。
20. さらに、該検出手段のそれぞれと協同する複数の変調器、該複数の変調器が該検出手段からの検出情報を受信するよう機能的に配置され、該複数の変調器が該複数の光ファイバー線の１つから、該光源からの連続する放射光が該複数のセンサーヘッドの全てを通過後、該放射光を受信するよう機能的に配置され、該複数の変調器が受信した該放射光中の該検出情報をエンコードするよう機能的に配置されている； 及びモニター、該モニターは、該放射光が全ての該複数の変調器を通過後、該光源からの該複数の光ファイバー線の連結の１つを通じて放射光を受信するよう機能的に配置され、該モニターが該受信放射光からの該検出情報をデコードするよう機能的に配置され、そして、該モニターが該受信放射光からの該検出情報を表示するよう機能的に配置されていることを特徴とする請求項１２に記載の装置。
21. 単一の光放射源から放射光を提供し；光ファイバー線を通じて楕円形断面を有するセンサーヘッドに該放射光を送り、該楕円形断面は第１と第２の焦点を有し、該センサーヘッドが該ガス試料を収容し；該第１焦点で該放射光を受け；該第２焦点に位置する検出器で放射光を検出し；及び、該検出器により検出した該放射光に基づき、該ガス試料中の微粒子を解析する、各段階からなるガス試料中の粒子の検出方法。
22. さらに該検出器が検出した該放射光に基づいて該粒子を同定する段階からなる請求項２１に記載の方法。
23. さらに複数の光ファイバー線を通じて連続して該放射光を複数のセンサーヘッドに発信する段階からなる請求項２１に記載の方法。
24. さらに、該放射光が該複数のセンサーヘッドのそれぞれを通過した後、該複数の光ファイバー線の１つを通じて複数の変調器に該放射光を連続して発信する段階；該検出結果をエンコードする段階；及び、該検出結果を該複数の光ファイバー線の１つを通じてモニターに送信する段階からなる請求項２３に記載の方法。
25. 該複数の変調器の１つが、該複数のセンサーヘッドのそれぞれと協同して動作する請求項２４に記載の方法。

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