JP2010019562A - Two-dimensional distribution measuring instrument using laser beam - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、レーザ誘起蛍光法を用いた被計測分子の濃度、温度などの特性に関する2次元分布を計測するレーザ光を用いた計測装置に関する。 The present invention relates to a measuring apparatus using a laser beam that measures a two-dimensional distribution related to characteristics such as concentration and temperature of a molecule to be measured using a laser-induced fluorescence method.
被計測分子の濃度や温度の2次元分布を計測する方法として、2次元のシート状のレーザ光を用いたレーザシート法とレーザ誘起蛍光法(LIF:Laser Induced Fluorescence)を組み合わせた計測手法、Planer− LIF(以下P−LIFと略す)が従来用いられている。 As a method to measure the two-dimensional distribution of the concentration and temperature of the molecule to be measured, a measurement method combining the laser sheet method using a two-dimensional sheet-like laser beam and the laser induced fluorescence (LIF), Planer -LIF (hereinafter abbreviated as P-LIF) is conventionally used.
図6に、一般的なP−LIFを用いた2次元濃度計測装置の概略構成を示す。本計測装置において、励起用パルスレーザ装置1から発振したレーザは波長可変色素レーザ装置2に入力され、被計測分子の電子励起エネルギーに対応した波長に変換されたビーム状のレーザ光11を発振する。レーザ光11はビームエキスパンダ13で厚さ1mm前後のシート状に広げられ、凸面レンズ20で射出方向に平行な幅を持つレーザシート光12に整形されて、被計測分子を含む計測場10に照射される。図のレーザシート光の拡がりは紙面とほぼ平行である。
FIG. 6 shows a schematic configuration of a two-dimensional concentration measuring apparatus using a general P-LIF. In this measurement apparatus, the laser oscillated from the excitation
計測場10の被計測分子はレーザシート光12の一部を吸収して励起状態になり、基底状態に戻るときに特定の波長を持った蛍光を発する。この蛍光をレーザシート光に対しほぼ直交する方向あるいは斜め方向からレンズ5で集光してCCDカメラ4で蛍光強度の2次元分布データとして計測する。計測場10とレンズ5の間には光学フィルタ6を設置し、光学フィルタ6によってレーザシート光12の散乱光などの迷光を低減し被計測分子の蛍光を選択的にレンズ5に導く。計測したデータはライン8で制御装置である制御コンピュータ3に取り込む。また制御コンピュータ3に設けた同時計測手段により同期ライン9で励起用パルスレーザ装置1の発振とCCDカメラ4の露光タイミングを調整する。
A molecule to be measured in the
P−LIFでは、蛍光強度は被計測分子の濃度とレーザシート光の強度の積に比例する。レーザシート光は一般に不均質な強度分布を持っており、計測する全領域において一様な強度分布のレーザシート光12を照射することは困難である。したがって被計測分子の濃度すなわち蛍光強度を正確に計測するためには、CCDカメラ4で計測した蛍光強度からレーザシート光12の強度分布の変化による影響を除去する必要がある。
In P-LIF, the fluorescence intensity is proportional to the product of the concentration of the molecule to be measured and the intensity of the laser sheet light. The laser sheet light generally has an inhomogeneous intensity distribution, and it is difficult to irradiate the
レーザシート光12の強度を計測する方法として、計測場10での測定前に、均一な所定濃度の蛍光物質を封入したセル7を計測場10に挿入してレーザシート光によるセル7の蛍光強度を計測する方法が知られている。セル7に封入した蛍光物質の濃度は均一でありセル7の蛍光強度はレーザシート光12の強度に比例する。上記のようにあらかじめ計測したレーザシート光の蛍光強度を用いて計測場10の蛍光強度を除算することにより計測値を正規化し、レーザシート光の強度分布の影響を除去し計測場10の被計測分子濃度を正確に計測する。
As a method of measuring the intensity of the
また、特許文献1には、計測場とビームエキスパンダの間に蛍光物質を封入したセルを設置し、計測場の蛍光を計測するCCDカメラとは別に、セル中の蛍光物質が発する蛍光を計測するCCDカメラを設置し、2つのCCDカメラで計測場とセルの蛍光強度分布を同時に計測し、セルの蛍光強度分布で計測場の蛍光強度分布を除算して計測値を正規化する計測装置が示されている。
In
特許文献2には、ビームエキスパンダと計測場の間にレーザ光の一部を分岐するビームスプリッタを設け、ビームスプリッタによって分岐したレーザ光を蛍光物質を塗布したガラス板に照射し、ガラス板の蛍光物質から発する蛍光強度を測定し、この蛍光強度分布で計測場の蛍光強度分布を除算することで正規化する計測装置が示されている。
In
しかしながら、上記の被計測分子の計測前にレーザシート光の強度をあらかじめ計測しておく方法では計測場10の蛍光強度とレーザシート光12の強度とを同時に計測できなかった。レーザシート光出力は時間的変動が大きく、そのため、時間的に同期のとれない複数の計測データについて蛍光強度を比較することが困難であった。
However, in the method of measuring the intensity of the laser sheet light in advance before the measurement of the molecule to be measured, the fluorescence intensity of the
また、P−LIFでは、レーリー散乱や被計測分子を励起するための吸収により、レーザシート光の強度はレーザ装置から離れるに従って減衰し、その減衰量は被計測分子の濃度に比例する。したがって、特許文献1に記載の装置のように、計測場の蛍光強度を均一濃度の蛍光物質を封入したセルの一様な蛍光強度で除算すると、計測場とセル内部の蛍光物質の濃度分布が異なることに起因する計測誤差が生じる。また、特許文献1には、レーザシート光の減衰に対する補正は開示されていない。
In P-LIF, the intensity of the laser sheet light attenuates as the distance from the laser device increases due to Rayleigh scattering or absorption for exciting the molecule to be measured, and the amount of attenuation is proportional to the concentration of the molecule to be measured. Therefore, as in the apparatus described in
特許文献2に記載の装置では、レーザシート光の幅方向の強度分布を補正することはできるが、レーザシート光の照射方向のレーザシート光の減衰については記載されていない。
In the apparatus described in
また、特許文献1および特許文献2に記載の装置はいずれもレーザシート光が完全な平行光である必要があり、レーザシート光を平行にできないときや調整が不十分なときには、濃度を計測できなかったり計測誤差が生じたりする。さらに、上記のいずれの方法においても濃度の絶対値を計測することはできなかった。
In addition, both of the apparatuses described in
本発明の目的は、計測場における被計測分子の濃度偏差が大きな計測場においても濃度分布を高精度に計測できるレーザを用いた2次元分布計測装置を提供することである。また、あわせて濃度の絶対値を計測できるレーザを用いた2次元分布計測装置を提供することである。 An object of the present invention is to provide a two-dimensional distribution measurement apparatus using a laser capable of measuring a concentration distribution with high accuracy even in a measurement field where the concentration deviation of molecules to be measured in the measurement field is large. Another object of the present invention is to provide a two-dimensional distribution measuring apparatus using a laser capable of measuring the absolute value of concentration.
本発明は、レーザビームを出力するレーザ装置と、レーザビームをレーザシート光に変換するビームエキスパンダと、被計測分子を有する計測場と、前記計測場の被計測分子に照射されたレーザシート光による被計測分子の蛍光強度を測定する蛍光測定手段と、前記レーザ装置のレーザシート光照射時間と前記蛍光測定手段の測定時間のタイミングを調整する制御装置とを有する2次元分布計測装置において、前記レーザ装置と計測場の間に、内部に蛍光物質が封入されレーザシート光が照射されるセルを設け、前記計測場の被計測分子および前記セルの内部に封入した蛍光物質が発する蛍光を蛍光測定手段によって同時に計測する同時計測手段と、セルの蛍光強度および位置情報と前記計測場の蛍光強度および位置情報を用いて計測場における被計測分子の蛍光強度を正規化する正規化手段とを設けたことを特徴とする。 The present invention relates to a laser device that outputs a laser beam, a beam expander that converts a laser beam into laser sheet light, a measurement field having a molecule to be measured, and laser sheet light irradiated to the molecule to be measured in the measurement field In the two-dimensional distribution measuring apparatus, comprising: a fluorescence measuring means for measuring the fluorescence intensity of the molecule to be measured by: a control device for adjusting the timing of the laser sheet light irradiation time of the laser apparatus and the measuring time of the fluorescence measuring means; Between the laser device and the measurement field, a cell is provided in which a fluorescent material is sealed and irradiated with laser sheet light, and the fluorescence emitted by the molecule to be measured in the measurement field and the fluorescent material sealed in the cell is measured. Means for simultaneous measurement by means of means, and the fluorescence intensity and position information of the cell and the fluorescence intensity and position information of the measurement field. Characterized in that the fluorescence intensity of the measured molecular that provided a normalization means for normalizing.
また、前記正規化手段は、レーザシート光によるセルの蛍光強度により被計測分子の特性を求めて計測場におけるレーザシート光の強度を計算し、計測された被計測分子の蛍光強度を前記計測場におけるレーザ光の強度で正規化して計測場における被計測分子の特性分布を計算することを特徴とする。 Further, the normalizing means calculates the intensity of the laser sheet light in the measurement field by obtaining the characteristic of the molecule to be measured from the fluorescence intensity of the cell by the laser sheet light, and calculates the fluorescence intensity of the measured molecule in the measurement field. The characteristic distribution of the molecule to be measured in the measurement field is calculated by normalizing with the intensity of the laser beam at.
また、前記正規化手段における被計測分子の特性は、被計測分子の吸光係数と、蛍光強度とレーザシート光強度に関する比例定数を含むことを特徴とする。 Further, the characteristic of the molecule to be measured in the normalizing means includes an absorption coefficient of the molecule to be measured, and a proportional constant relating to the fluorescence intensity and the laser sheet light intensity.
さらに、前記同時計測手段は、前記計測場の被計測分子および前記セルの内部に封入した蛍光物質が発する蛍光を単一の蛍光測定手段によって同時に計測することを特徴とする。 Further, the simultaneous measurement means is characterized in that the fluorescence emitted from the molecule to be measured in the measurement field and the fluorescent substance enclosed in the cell is simultaneously measured by a single fluorescence measurement means.
さらに、上記ビームエキスパンダと計測場の間に設けられ前記シートレーザ光を分岐するビームスプリッタと、前記ビームスプリッタを透過し前記計測場に照射するレーザシート光と平行になるように前記ビームスプリッタにより分岐したレーザシート光を反射させるミラーと、ビームスプリッタによって分岐したレーザ光を通過させる前記セルと、前記計測場の被計測分子および前記セルの内部に封入した蛍光物質が発する蛍光を単一の蛍光測定手段によって同時に計測する同時計測手段を備えたことを特徴とする。 Furthermore, a beam splitter provided between the beam expander and the measurement field and for branching the sheet laser beam, and a beam splitter that passes through the beam splitter and is parallel to the laser sheet beam that irradiates the measurement field. Fluorescence emitted from the mirror that reflects the branched laser sheet light, the cell that passes the laser light branched by the beam splitter, the molecule to be measured in the measurement field, and the fluorescent material enclosed in the cell is a single fluorescence. It is characterized by comprising simultaneous measuring means for simultaneously measuring by the measuring means.
さらに、上記ビームエキスパンダと計測場の間に設けられ前記シート状のレーザ光を分岐するビームスプリッタと、前記ビームスプリッタを透過し前記計測場に照射するレーザ光と平行になるように前記ビームスプリッタによって分岐したレーザ光を反射させるミラーと、前記ビームスプリッタによって分岐したレーザ光を通過させる前記セルと、前記セルの蛍光強度を測定するセル蛍光測定手段と、前記計測場の被計測分子および前記セルの内部に封入した蛍光物質が発する蛍光を前記蛍光測定手段およびセル蛍光測定手段によって同時に計測する同時計測手段を備えたことを特徴とする。 Further, a beam splitter provided between the beam expander and the measurement field and for branching the sheet-like laser beam, and the beam splitter so as to be parallel to the laser beam that passes through the beam splitter and irradiates the measurement field. A mirror that reflects the laser beam branched by the beam splitter, the cell that allows the laser beam branched by the beam splitter to pass through, a cell fluorescence measurement means that measures the fluorescence intensity of the cell, a molecule to be measured in the measurement field, and the cell And a simultaneous measurement means for simultaneously measuring the fluorescence emitted from the fluorescent material enclosed in the cell by the fluorescence measurement means and the cell fluorescence measurement means.
さらに、前記レーザ装置と上記ビームエキスパンダとの間に設置され前記ビーム状のレーザ光を分岐するビームスプリッタと、前記ビームスプリッタを透過し前記計測場に照射するレーザ光と平行になるように前記ビームスプリッタによって分岐したレーザ光を反射させるミラーと、前記ミラーによって反射したレーザ光をレーザシート光に変換して前記セルに照射するビームエキスパンダと、前記セルの蛍光強度を測定するセル蛍光測定手段と、前記計測場の被計測分子および前記セルの内部に封入した蛍光物質が発する蛍光を前記蛍光測定手段およびセル蛍光測定手段によって同時に計測する同時計測手段を備えたことを特徴とする。 Further, a beam splitter installed between the laser device and the beam expander and for branching the beam-shaped laser beam, and the laser beam that passes through the beam splitter and irradiates the measurement field so as to be parallel to the laser beam. A mirror that reflects the laser light branched by the beam splitter, a beam expander that converts the laser light reflected by the mirror into laser sheet light and irradiates the cell, and a cell fluorescence measuring means that measures the fluorescence intensity of the cell And a simultaneous measurement means for simultaneously measuring fluorescence emitted from a molecule to be measured in the measurement field and a fluorescent substance enclosed in the cell by the fluorescence measurement means and the cell fluorescence measurement means.
さらに、前記セルに封入する蛍光物質を前記計測場の被計測分子と同一物質にしたことを特徴とする。 Furthermore, the fluorescent substance sealed in the cell is the same substance as the molecule to be measured in the measurement field.
本発明によれば、被計測分子の濃度偏差が激しい計測場における蛍光強度を高精度に計測可能なレーザ光を用いた計測装置を実現できる。さらに2次元濃度分布などの複数の計測データの平均値や変動成分を高精度に統計処理できるレーザ光を用いた計測装置を実現できる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the measuring device using the laser beam which can measure the fluorescence intensity in the measurement field where the density | concentration deviation of a molecule | numerator to be measured is severe with high precision is realizable. Furthermore, it is possible to realize a measuring apparatus using laser light that can statistically process an average value and fluctuation components of a plurality of measurement data such as a two-dimensional concentration distribution with high accuracy.
また、上記の計測装置において、計測対象と同一物質をセルに封入することで計測場の絶対濃度を計測できる計測装置を実現できる。 Moreover, in said measuring apparatus, the measuring apparatus which can measure the absolute density | concentration of a measurement field is realizable by enclosing the same substance as a measuring object in a cell.
以下に、本発明によるレーザ光を用いた計測装置について図を参照して説明する。
〔第1の実施形態〕
本発明の第1の実施形態について、全体の概略構成を図1に示す。本計測装置は、励起用パルスレーザ装置1と波長可変色素レーザ装置2からなるレーザ装置、ビームエキスパンダ13、蛍光測定手段であるCCDカメラ4、制御装置である制御コンピュータ3、セル7、計測場10で構成される。
Hereinafter, a measuring apparatus using laser light according to the present invention will be described with reference to the drawings.
[First Embodiment]
The overall schematic configuration of the first embodiment of the present invention is shown in FIG. This measuring apparatus includes a laser apparatus composed of an excitation
励起用パルスレーザ装置1が発振したレーザは波長可変色素レーザ装置2にて被計測分子の電子励起エネルギーに対応した波長に変換されたビーム状のレーザ光11として発振される。レーザ光11はビームエキスパンダ13で紙面と平行に拡散するシート状のレーザシート光12に拡げられ、被計測分子と同一種類の分子からなる所定濃度の蛍光物質を封入したセル7を透過して被計測分子を含む計測場10に照射される。
The laser oscillated by the excitation
セル7と計測場10で発光した蛍光をレンズ5で集光し、CCDカメラ4で蛍光強度の2次元分布を計測する。蛍光強度の2次元分布は、CCDカメラ4を構成するCCD画素数に対応した2次元のデジタルデータである。計測した蛍光強度の2次元分布データはライン8で制御コンピュータ3に取り込まれ処理される。また制御コンピュータ3は、同期ライン9で励起用パルスレーザ装置1の発振とCCDカメラ4の露光のタイミングを調整する。CCDカメラ4によって計測した蛍光強度の2次元分布データには、レーザ装置側にセル7の蛍光強度、レーザ装置から離れた領域に計測場10の蛍光強度が各々連続的に記録される。
The fluorescence emitted from the
計測場10とレンズ5との間には光学フィルタ6が設置され、レーザシート光12やその散乱光、そのほかの迷光を低減している。レーザ装置は励起用パルスレーザ装置1と波長可変色素レーザ装置2に替えてエキシマレーザなどの波長可変レーザを用いてもよい。また、レーザシート光12は図5と同様にビームエキスパンダと凸レンズを組み合わせて平行な幅を持つレーザシート光にしてもよい。
An
励起用パルスレーザ装置1のレーザ光のパルス幅は数ナノ秒であり、蛍光の発光持続時間は1マイクロ秒程度である。蛍光強度は励起レーザ光の照射後に指数関数的に減衰する。従ってCCDカメラ4の露光時間は数ナノから数百ナノ秒に設定するとよい。
〔被計測分子濃度の計算〕
上記により計測した計測場10の蛍光強度Ifの2次元分布データは、計測場10の被計測分子の濃度Cとレーザシート光12の強度Iの積に比例している。すなわち、蛍光強度Ifとレーザ光の強度Iとの間には次の関係がある。
If = aCI ……(式1)
ここでaはCCDカメラ4や光学フィルタ6など計測装置の特性によって決まる比例定数である。したがって、被計測分子の濃度Cは、計測した蛍光強度Ifをレーザシート光12の強度Iで除算することで求められる。被計測分子の2次元濃度分布を得るためには、CCDカメラ4の画素1点1点について、計測した各画素の蛍光強度Ifを、各画素におけるレーザシート光の強度Iで除算する。各画素のレーザシート光の強度Iは、射出されるレーザシート光12の不均一性と被計測分子によるレーザシート光の吸収減衰の2つを考慮して計算する。
The pulse width of the laser light of the excitation
[Calculation of measured molecule concentration]
The two-dimensional distribution data of the fluorescence intensity If of the
If = aCI (Formula 1)
Here, a is a proportionality constant determined by the characteristics of the measuring device such as the
以下に各画素のレーザシート光強度Iの計算方法について図6により説明する。図2(a)にレーザシート光の拡がり方向に対し直交する方向から見た、CCDカメラ4の計測領域とレーザシート光12の照射方向の関係を示す。図2(b)にはレーザシート光12のある光線について、図2(a)のX方向に対応したレーザシート光の強度Iと蛍光強度Ifの分布を示す。図2(c)に図2(a)のA−A断面におけるレーザシート光の強度Iと蛍光強度Ifの分布を示す。
〔レーザ光の不均一性の補正〕
まず、レーザシート光12が平行光でない場合について不均一性を補正する計算について説明する。図2(a)において、CCDカメラ4の計測領域30には、セル7の蛍光強度31および計測場10の蛍光強度32が計測されている。図1におけるレーザシート光12は、ビームエキスパンダ13の焦点に相当する、仮想的な光源33から拡がり角θで拡がりながら、計測領域30を照射しているとみなせる。以下、本図のY方向をレーザシート光12の幅方向、X方向をレーザシート光12の照射方向と呼ぶ。
Hereinafter, a method of calculating the laser sheet light intensity I of each pixel will be described with reference to FIG. FIG. 2A shows the relationship between the measurement area of the
[Correction of non-uniformity of laser light]
First, calculation for correcting nonuniformity when the
レーザシート光12は、図1の波長可変色素レーザ装置2から発振したビーム状のレーザ光11をビームエキスパンダ13でシート状に広げて形成しているため、レーザシート光12の幅方向について強度は均一でない。CCDカメラ4の計測領域30において、セル7の蛍光強度31のレーザシート光12の幅方向A−A断面について図2(c)の実線に示すような蛍光強度Ifの分布が得られる。セル7の蛍光物質の濃度Cは幅方向に一様であり、蛍光強度Ifはレーザシート光12の強度Iに比例するため、蛍光強度Ifの分布からレーザシート光12の幅方向A−A断面における強度Iの分布が得られる。
The
次に、セル7の蛍光強度31の分布から、レーザシート光12の拡がり角θとレーザシート光12の光源33の位置を計算する。レーザシート光12は光源33から光線34のように照射している。CCDカメラ4の計測領域30の任意の点におけるレーザシート光12の強度Iは、セル7の蛍光強度31と、シート光12の拡がり角θと光源33の位置、および光源33から計算する任意の点までの距離Lから計算する。
Next, from the distribution of the
なお、セル7の蛍光強度31の分布データが不十分でレーザシート光12の光源33を計算できない場合には、ビームエキスパンダ13とセル7の位置関係、及びレーザシート光12の拡がり角から光源33を決めてもよい。また、レーザシート光12が完全な平行光である場合は、次に示すレーザの減衰補正のみを計算するとよい。
〔レーザ光の吸収減衰の補正〕
さらに、被計測分子によるレーザシート光12の吸収減衰を補正する計算について説明する。計測場10の蛍光強度32について、光源33から照射する一本の光線34について説明する。光線34の照射方向についてレーザシート光の強度Iと蛍光強度Ifの分布を図2(b)に示す。実線はCCDカメラ4によって計測した蛍光強度Ifの分布であり、一点鎖線は上記のレーザシート光12の拡がりのみを考慮して計算したレーザシート光12の強度分布であり、点線はさらに被計測分子による光の吸収のファクタを加えて計算したレーザシート光12の強度Iabsの分布を示す。
When the distribution data of the
[Correction of laser beam absorption attenuation]
Further, calculation for correcting the absorption attenuation of the
被計測分子の光の吸収に関する吸光計数εは、セル7に入射する前の光の強度I0が幅Lcellのセル7中を透過したときの光の強度をILcellとしたとき、セル7中の被計測分子の濃度Cを用いて以下の式で示される。
Log ( ILcell /I0 ) = εCLcell ……(式2)
本計測装置では、セル7の大きさLcell、被計測分子の濃度Cは既知であるから、セル7の蛍光強度31を用いて吸光係数εを計算する。なお、被計測分子の吸光係数εが既知である場合はその値を用いてもよい。
The absorption coefficient ε relating to the absorption of the light of the molecule to be measured is given by the
Log (I Lcell / I 0 ) = εCL cell (Expression 2)
In this measuring apparatus, since the size L cell of the
セル7の蛍光強度31から、レーザシート光12の強度Iと被計測分子の濃度Cに対する蛍光強度Ifの関係式(1)により、比例定数aを計算する。
From the
上記式(1)(2)によって計算した比例定数aおよび吸光係数εを用いて、計測場10の蛍光強度32について、CCDの画素ごとに光源33側から順に光源33から離れる照射方向に順に被計測分子による光の吸収を考慮したレーザシート光12の強度Iabsを計算する。レーザシート光12の強度Iabsと各画素の蛍光強度Ifから濃度Cが計算できる。
Using the proportionality constant a and the extinction coefficient ε calculated by the above formulas (1) and (2), the
上記の方法で得られた光源33に近い領域から離れる照射方向にしたがって被計測分子による光の吸収を考慮したレーザシート光12の強度Iabsの分布を用いることで、レーザシート光12の拡散による強度低下と被計測分子によるレーザシート光12の吸収による影響を低減した、高精度な被計測分子の濃度分布を得ることができる。上記の計算は制御コンピュータにおいて、所定のソフトウェアを用いて行われる。すなわち正規化手段、計算手段はこれらハードウェア、ソフトウェア上に構成される。
By using the distribution of the intensity I abs of the
P−LIFでは高感度なCCDカメラで計測するが、ノイズを低減したり非定常な計測場における濃度の時間平均分布を計測するために、連続して計測した2次元蛍光強度分布データを平均化することが多い。しかしすでに述べたように、蛍光強度はレーザ光照射からの経過時間に強く依存し、レーザ光照射とCCDカメラの露光タイミングが僅かにずれるだけで計測する蛍光強度は大きく異なる。したがって、レーザパワーメータ等によるレーザ強度と計測された蛍光強度が比例しないことがある。 P-LIF measures with a highly sensitive CCD camera, but averages the two-dimensional fluorescence intensity distribution data measured continuously in order to reduce noise or measure the time average distribution of concentration in an unsteady measurement field. Often to do. However, as already described, the fluorescence intensity strongly depends on the elapsed time from the laser light irradiation, and the measured fluorescence intensity differs greatly only when the laser light irradiation and the exposure timing of the CCD camera are slightly shifted. Therefore, the laser intensity measured by a laser power meter or the like and the measured fluorescence intensity may not be proportional.
本実施形態では、計測場の計測と同時に同一計測場に設けた均一濃度のセルの蛍光を同時計測手段として用いる単一のCCDカメラで計測することで、照射するレーザ光の強度を高精度に補正することができる。CCDカメラ4で計測した蛍光強度の2次元分布データを単純に平均化するのではなく、上記の方法で正確に求めたレーザ光強度で被計測分子の蛍光強度を正規化して計算することにより高精度に2次元濃度分布データを得ることができる。
In this embodiment, the intensity of the laser beam to be irradiated is highly accurate by measuring with a single CCD camera that uses the fluorescence of a uniform concentration cell provided in the same measurement field as the simultaneous measurement means simultaneously with measurement of the measurement field. It can be corrected. Rather than simply averaging the two-dimensional distribution data of the fluorescence intensity measured by the
セル7には被計測分子と同一物質を用いると被計測分子濃度の絶対値を得ることができる。また同一物質に代えて別の蛍光物質を封入してもよい。この場合には、別途封入する蛍光物質と被計測分子が発する蛍光強度の比と、照射するレーザシート光の強度Iと蛍光Ifとの比例定数を求めておくとよい。
〔第2の実施形態〕
本発明の第2の実施形態について、全体の概略構成を図3に示す。図においてレーザシート光は紙面に垂直な方向に拡がっている。基本的な動作は第1の実施形態と同様であり以下に異なる点を説明する。
When the same substance as the molecule to be measured is used for the
[Second Embodiment]
FIG. 3 shows an overall schematic configuration of the second embodiment of the present invention. In the figure, the laser sheet light spreads in a direction perpendicular to the paper surface. The basic operation is the same as that of the first embodiment, and different points will be described below.
ビームエキスパンダ13と計測場10との間にビームスプリッタ14を設置する。ビームスプリッタ14を透過したレーザシート光12と分岐したレーザシート光12’とが平行になるようにミラー15で調整する。CCDカメラ14の計測領域において光源側にセル7を配置する。レーザシート光12によって発光した被計測分子の蛍光をCCDカメラ4で計測しないように、レーザシート光12とセル7の間に遮光板16を設置してマスキングする。ビームエキスパンダ13と図示しない凸レンズを組み合わせてレーザシート光12およびレーザシート光12’は平行な幅を持つ平行光にするのが望ましい。
A
ビームスプリッタ14と計測場10との距離Lと、ビームスプリッタ14とセル7との距離L’およびセル7の蛍光強度を用いて、計測場10を照射するレーザシート光12の強度Iの分布を計算する。また、レーザシート光12の強度とレーザシート光12’の強度の比をあらかじめ計測しておくことで、第1の実施形態と同様にCCDカメラ4によって計測した蛍光強度分布から計測場10の濃度分布を計測できる。シート12および12’が平行光でない場合には、ビームエキスパンダ13からの距離を用いて、計測場10とセル7を照射するレーザシート光12の強度Iを補正するとよい。
Using the distance L between the
本実施形態では、計測場10の近傍にセル7を設置できない場合においても、測定場10の蛍光強度とセル7の蛍光強度を、同時計測手段としての単一のCCDカメラで同時に計測できるため、被計測分子によるレーザシート光の吸収によるレーザシート光の減衰を考慮した高精度な2次元濃度分布データを得ることができる。
〔第3の実施形態〕
本発明の第3の実施形態について、全体の概略構成を図4に示す。基本的な動作は第2の実施形態と同様であり以下に異なる点を説明する。
In the present embodiment, even when the
[Third Embodiment]
FIG. 4 shows the overall schematic configuration of the third embodiment of the present invention. The basic operation is the same as that of the second embodiment, and different points will be described below.
第2の実施形態と異なるのは、CCDカメラ4で計測場10を計測し、加えてセル蛍光測定手段としてセル専用のCCDカメラ4’、集光レンズ5’、光学フィルタ6’を別に設けてセル7を計測する点である。レーザ装置1とCCDカメラ4および4’は同期ライン9を介して制御コンピュータ3に設けた同時計測手段により発振と露光のタイミングを調整している。CCDカメラ4’で計測した蛍光強度分布データもライン8により制御コンピュータ3に取り込む。
The difference from the second embodiment is that the
CCDカメラ4と4’の露光時間を数ナノ秒以下の誤差で同期化することは難しいため絶対値の比較はできなくなるものの、本実施形態により、単一のCCDカメラ4の撮影範囲内にセル7を設置できない場合でも、被計測分子によるレーザシート光の吸収によるレーザシート光の減衰を考慮した、従来例に比較して高精度な相対濃度分布を計測できる。
〔第4の実施形態〕
本発明の第4の実施形態について、全体の概略構成を図5に示す。基本的な動作は第3の実施形態と同様であり以下に異なる点を説明する。
Although it is difficult to synchronize the exposure times of the
[Fourth Embodiment]
FIG. 5 shows an overall schematic configuration of the fourth embodiment of the present invention. The basic operation is the same as that of the third embodiment, and different points will be described below.
第3の実施形態と異なるのは、ビームスプリッタ14をビームエキスパンダ13よりも可変長色素レーザ装置2側に設置した点と、ビームスプリッタ14によって分岐したレーザ光11’をシート状に広げるビームエキスパンダ13’を設置した点である。計測場10とビームエキスパンダ13との距離とセル7とビームエキスパンダ13’との距離を等しくする。ビームエキスパンダ13’の焦点距離はビームエキスパンダ13の焦点距離と等しくする。
The difference from the third embodiment is that the
上記の構成にすることで、計測場10と計測場10を照射するレーザシート光12と仮想的な光源33との相対的な位置関係を、セル7とセル7を照射するレーザシート光12’の光源33との相対的な位置関係と等しくすることができる。
With the above-described configuration, the relative positional relationship between the
したがって、CCDカメラ4’で計測したセル7の蛍光強度の分布から、第1の実施形態と同様にして求めたレーザシート光12’の強度を用いて、計測場10の蛍光強度から濃度分布を計算することができる。
Therefore, using the intensity of the laser sheet light 12 ′ obtained in the same manner as in the first embodiment from the distribution of the fluorescence intensity of the
CCDカメラ4と4’の露光時間を数ナノ秒以下の誤差で同期化することは難しいため絶対値の比較はできなくなるものの、測定場10の近くにセル7を設置できない場合でも、本実施形態により、被計測分子によるレーザシート光の吸収によるレーザシート光の減衰を考慮した高精度な相対濃度分布を計測できる。
Although it is difficult to synchronize the exposure times of the
1…励起用パルスレーザ装置、2…波長可変色素レーザ装置、3…制御コンピュータ、4…CCDカメラ、5…集光レンズ、6…光学フィルタ、7…セル、8…データ取り込みライン、9…同期ライン、10…計測場、11…レーザ光、12…レーザシート光、13…ビームエキスパンダ、14…ビームスプリッタ、15…ミラー、16…遮光板、20…凸レンズ
DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記レーザ装置と計測場の間に、内部に蛍光物質が封入されレーザシート光が照射されるセルを設け、前記計測場の被計測分子および前記セルの内部に封入した蛍光物質が発する蛍光を蛍光測定手段によって同時に計測する同時計測手段と、セルの蛍光強度および位置情報と前記計測場の蛍光強度および位置情報を用いて計測場における被計測分子の蛍光強度を正規化する正規化手段とを設けたことを特徴とするレーザ光を用いた2次元分布計測装置。 Laser apparatus for outputting laser beam, beam expander for converting laser beam into laser sheet light, measurement field having molecule to be measured, molecule to be measured by laser sheet light irradiated to molecule to be measured in the measurement field A two-dimensional distribution measuring apparatus having a fluorescence measuring means for measuring the fluorescence intensity of the laser, and a control device for adjusting the timing of the laser sheet light irradiation time of the laser apparatus and the measuring time of the fluorescence measuring means,
Provided between the laser device and the measurement field is a cell in which a fluorescent material is sealed and irradiated with laser sheet light, and the fluorescence emitted from the molecule to be measured in the measurement field and the fluorescent material sealed in the cell is fluorescent. Simultaneous measurement means for simultaneous measurement by the measurement means, and normalization means for normalizing the fluorescence intensity of the molecule to be measured in the measurement field using the fluorescence intensity and position information of the cell and the fluorescence intensity and position information of the measurement field A two-dimensional distribution measuring apparatus using a laser beam characterized by the above.
前記正規化手段は、レーザシート光によるセルの蛍光強度により被計測分子の特性を求めて計測場におけるレーザシート光の強度を計算し、計測された被計測分子の蛍光強度を前記計測場におけるレーザ光の強度で正規化して計測場における被計測分子の特性分布を計算することを特徴とするレーザ光を用いた2次元分布計測装置。 In the two-dimensional distribution measuring apparatus using the laser beam according to claim 1,
The normalizing means obtains the characteristics of the molecule to be measured from the fluorescence intensity of the cell by the laser sheet light, calculates the intensity of the laser sheet light in the measurement field, and calculates the fluorescence intensity of the measured molecule in the laser in the measurement field. A two-dimensional distribution measuring apparatus using laser light, wherein the characteristic distribution of molecules to be measured in a measurement field is calculated by normalizing with light intensity.
前記正規化手段における被計測分子の特性は、被計測分子の吸光係数と、蛍光強度とレーザシート光強度に関する比例定数を含むことを特徴とするレーザ光を用いた2次元分布計測装置。 In the two-dimensional distribution measuring apparatus using the laser beam according to claim 2,
2. The two-dimensional distribution measuring apparatus using laser light, wherein the characteristic of the molecule to be measured in the normalizing means includes an absorption coefficient of the molecule to be measured and a proportionality constant relating to fluorescence intensity and laser sheet light intensity.
前記同時計測手段は、前記計測場の被計測分子および前記セルの内部に封入した蛍光物質が発する蛍光を単一の蛍光測定手段によって同時に計測することを特徴とするレーザ光を用いた2次元分布計測装置。 In the two-dimensional distribution measuring apparatus using the laser beam according to any one of claims 1 to 3,
The two-dimensional distribution using laser light, wherein the simultaneous measurement means simultaneously measures fluorescence emitted from a molecule to be measured in the measurement field and a fluorescent substance enclosed in the cell by a single fluorescence measurement means Measuring device.
前記ビームエキスパンダと計測場の間に設けられ前記シートレーザ光を分岐するビームスプリッタと、前記ビームスプリッタを透過し前記計測場に照射するレーザシート光と平行になるように前記ビームスプリッタにより分岐したレーザシート光を反射させるミラーと、ビームスプリッタによって分岐したレーザ光を通過させる前記セルと、前記計測場の被計測分子および前記セルの内部に封入した蛍光物質が発する蛍光を単一の蛍光測定手段によって同時に計測する同時計測手段を備えたことを特徴とするレーザ光を用いた2次元分布計測装置。 In the two-dimensional distribution measuring apparatus using the laser beam according to any one of claims 1 to 3,
A beam splitter provided between the beam expander and the measurement field and for branching the sheet laser light, and branched by the beam splitter so as to be parallel to the laser sheet light that passes through the beam splitter and irradiates the measurement field. Fluorescence emitted from a mirror that reflects the laser sheet light, the cell that allows the laser light branched by the beam splitter to pass through, a molecule to be measured in the measurement field, and a fluorescent material enclosed inside the cell is a single fluorescence measurement means A two-dimensional distribution measuring apparatus using a laser beam, characterized by comprising simultaneous measuring means for simultaneously measuring by means of.
前記ビームエキスパンダと計測場の間に設けられ前記シート状のレーザ光を分岐するビームスプリッタと、前記ビームスプリッタを透過し前記計測場に照射するレーザ光と平行になるように前記ビームスプリッタによって分岐したレーザ光を反射させるミラーと、前記ビームスプリッタによって分岐したレーザ光を通過させる前記セルと、前記セルの蛍光強度を測定するセル蛍光測定手段と、前記計測場の被計測分子および前記セルの内部に封入した蛍光物質が発する蛍光を前記蛍光測定手段およびセル蛍光測定手段によって同時に計測する同時計測手段を備えたことを特徴とするレーザ光を用いた2次元分布計測装置。 In the two-dimensional distribution measuring apparatus using the laser beam according to any one of claims 1 to 3,
A beam splitter provided between the beam expander and the measurement field and for branching the sheet-like laser beam, and branched by the beam splitter so as to be parallel to the laser beam that passes through the beam splitter and irradiates the measurement field. A mirror for reflecting the laser beam, the cell through which the laser beam branched by the beam splitter passes, cell fluorescence measurement means for measuring the fluorescence intensity of the cell, the molecule to be measured in the measurement field, and the inside of the cell A two-dimensional distribution measuring apparatus using laser light, comprising: simultaneous measurement means for simultaneously measuring fluorescence emitted from the fluorescent substance enclosed in the cell by the fluorescence measurement means and the cell fluorescence measurement means.
前記レーザ装置と前記ビームエキスパンダとの間に設置され前記ビーム状のレーザ光を分岐するビームスプリッタと、前記ビームスプリッタを透過し前記計測場に照射するレーザ光と平行になるように前記ビームスプリッタによって分岐したレーザ光を反射させるミラーと、前記ミラーによって反射したレーザ光をレーザシート光に変換して前記セルに照射するビームエキスパンダと、前記セルの蛍光強度を測定するセル蛍光測定手段と、前記計測場の被計測分子および前記セルの内部に封入した蛍光物質が発する蛍光を前記蛍光測定手段およびセル蛍光測定手段によって同時に計測する同時計測手段を備えたことを特徴とするレーザ光を用いた2次元分布計測装置。 In the two-dimensional distribution measuring apparatus using the laser beam according to any one of claims 1 to 3,
A beam splitter installed between the laser device and the beam expander and branching the beam-shaped laser beam; and the beam splitter so as to be parallel to the laser beam passing through the beam splitter and irradiating the measurement field A mirror that reflects the laser light branched by the beam, a beam expander that converts the laser light reflected by the mirror into laser sheet light and irradiates the cell, and a cell fluorescence measurement means that measures the fluorescence intensity of the cell; Using a laser beam characterized by comprising simultaneous measurement means for simultaneously measuring fluorescence to be measured by a molecule to be measured in the measurement field and a fluorescent substance enclosed in the cell by the fluorescence measurement means and the cell fluorescence measurement means Two-dimensional distribution measuring device.
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JP2019002698A (en) * | 2017-06-12 | 2019-01-10 | 株式会社ジェイテクト | Temperature measurement device and temperature measurement method |
CN113008367A (en) * | 2021-02-18 | 2021-06-22 | 上海交通大学 | Laser light intensity three-dimensional distribution measuring system and measuring method |
JP2021121794A (en) * | 2020-01-31 | 2021-08-26 | ダイハツ工業株式会社 | Method of analyzing mixture state of mixed gas in engine |
-
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---|---|---|---|---|
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JP2021121794A (en) * | 2020-01-31 | 2021-08-26 | ダイハツ工業株式会社 | Method of analyzing mixture state of mixed gas in engine |
JP7328912B2 (en) | 2020-01-31 | 2023-08-17 | ダイハツ工業株式会社 | Mixed state analysis method of mixed gas in engine |
CN113008367A (en) * | 2021-02-18 | 2021-06-22 | 上海交通大学 | Laser light intensity three-dimensional distribution measuring system and measuring method |
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