JP2018141732A - 粒子密度測定装置およびウエアラブル機器 - Google Patents

Abstract

【課題】小型化を図ることができ、かつ、検出精度の低下を低減することができる粒子密度測定装置、および、かかる粒子密度測定装置を備えるウエアラブル機器を提供すること。【解決手段】移動している粒子を含む被測定物に対して光を出射する発光素子と、前記光の前記被測定物に対する照射領域を拡大するための光学部品と、前記光の一部が前記粒子に衝突してドップラーシフトを受けることにより生じたドップラーシフト光と残りの前記光との干渉光を受光する受光素子と、前記受光素子で受光した前記干渉光の前記光に対する周波数の変化に基づいて前記被測定物中の前記粒子の密度を検出する検出部と、を有することを特徴とする粒子密度測定装置。【選択図】図１

Description

本発明は、粒子密度測定装置およびウエアラブル機器に関するものである。

従来から、空気中の花粉を検出する光学式センサーが知られている。このような光学式センサーの一例として、特許文献１には、空気中に浮遊する花粉粒子に照射光を照射する半導体レーザーと、花粉粒子による散乱光を検出するフォトダイオードとを備える花粉センサーが開示されている。

特開２００５−２８３１５２号公報

しかし、特許文献１に記載の花粉センサーでは、半導体レーザーからの光が直接的にフォトダイオードに入らないように、フォトダイオードは半導体レーザーの光軸上からずれた位置に配置されている。そのため、組み上げ精度を上げるためにフォトダイオードと半導体レーザーとの配置関係が制限されてしまい、その結果、花粉センサー全体が大型化してしまうという問題があった。

また、特許文献１に記載の花粉センサーにおいて、小型化を図るために、例えば、半導体レーザーとフォトダイオードとの距離を短くすると、光に当たる花粉粒子の数が少なくなってしまう。そのため、散乱光の強度が低下し、花粉粒子を高精度に検出することが難しいという問題があった。

本発明の目的は、小型化を図ることができ、かつ、検出精度の低下を低減することができる粒子密度測定装置、および、かかる粒子密度測定装置を備えるウエアラブル機器を提供することにある。

上記目的は、下記の本発明により達成される。
本発明の粒子密度測定装置は、移動している粒子を含む被測定物に対して光を出射する発光素子と、
前記光の前記被測定物に対する照射領域を拡大するための光学部品と、
前記光の一部が前記粒子に衝突してドップラーシフトを受けることにより生じたドップラーシフト光と残りの前記光との干渉光を受光する受光素子と、
前記受光素子で受光した前記干渉光の前記光に対する周波数の変化に基づいて前記被測定物中の前記粒子の密度を検出する検出部と、を有することを特徴とする。

このような本発明の粒子密度測定装置は、干渉光の周波数の変化（ドップラーシフト量）に基づいて粒子の密度を測定する構成である。そのため、構造の簡素化を図ることができ、よって、粒子密度測定装置の小型化を図ることができる。また、本発明の粒子密度測定装置によれば、光の照射領域を拡大するための光学部品を備えているため、受光素子で受光する干渉光の強度を効果的に高くすることができる。そのため、検出精度の向上を図ることができる。このようなことから、本発明の粒子密度測定装置によれば、小型化を図ることができ、かつ、小型にすることによる検出精度の低下を低減することができる。

本発明の粒子密度測定装置では、前記受光素子は、受光した前記干渉光の強度に応じた電流信号を出力する機能を有し、
前記検出部は、前記受光素子から出力された前記電流信号を電圧信号に変換する電流電圧変換部と、
前記電流電圧変換部から出力された前記電圧信号を用いて周波数解析を施す信号解析部と、を有することが好ましい。

これにより、干渉光に応じた電流信号を電圧信号に変換し、その電圧信号を周波数解析することにより、干渉光の光に対する周波数の変化を高精度に求めることができる。そのため、検出精度をより効果的に高くすることができる。

本発明の粒子密度測定装置では、少なくとも２つの前記受光素子を有し、
１つの前記受光素子のアノード端子と他の前記受光素子のカソード端子とが互いに接続され、かつ、前記１つの受光素子のカソード端子と前記他の受光素子のアノード端子とが互いに接続されていることが好ましい。

これにより、粒子に衝突せずにドップラーシフトを受けていない残りの光、すなわち非ドップラーシフト光に基づく信号（直流成分）を低減または除去することができる。そのため、ドップラーシフト光に基づく信号（交流成分）をより高感度に検出することができる。その結果、検出精度をより効果的に高くすることができる。

本発明の粒子密度測定装置では、前記光学部品は、凹レンズであることが好ましい。
これにより、光の拡がり角を拡大することができる。そのため、光の照射領域を簡単に拡大することができるので、光と衝突する粒子の量を増加させることができる。その結果、検出精度をより効果的に高くすることができる。

本発明の粒子密度測定装置では、前記光学部品は、光拡散ミラーであることが好ましい。

これにより、発光素子と受光素子との間の光路の長さを長くし、かつ、光路の幅を拡大することができる。そのため、光の照射領域を簡単に拡大することができるので、光と衝突する粒子の量を増加させることができる。その結果、検出精度をより効果的に高くすることができる。

本発明の粒子密度測定装置では、前記光学部品は、前記光を少なくとも１回反射させる機能を有することが好ましい。

これにより、発光素子と受光素子との間の光路の長さを長くすることができる。そのため、光の照射領域を簡単に拡大することができるので、光と衝突する粒子の量を増加させることができる。その結果、検出精度をより効果的に高くすることができる。

本発明の粒子密度測定装置では、前記発光素子と前記受光素子との間の前記光の光路上に設けられた偏光子を有することが好ましい。

これにより、例えば、発光素子が直線偏光した光を出射する場合、干渉光は粒子に衝突して散乱光（自然光）となるが、偏光子を用いることで、干渉光のうち光の直線偏光の方向に沿った成分を遮断することができる。そのため、粒子に衝突せずにドップラーシフトを受けていない残りの光、すなわち非ドップラーシフト光に基づく信号（直流成分）を低減または除去することができる。その結果、ドップラーシフト光に基づく信号（交流成分）をより高感度に検出することができる。それゆえ、検出精度をより効果的に高くすることができる。

本発明のウエアラブル機器は、本発明の粒子密度測定装置を備えることを特徴とする。
このようなウエアラブル機器によれば、小型であり、かつ、小型にすることによる検出精度の低下が低減された粒子密度測定装置を備えているため、持ち運びが容易であるとともに、リアルタイムで使用者の環境下における被対象物中の粒子の密度を測定することができる。

本発明の第１実施形態に係る粒子密度測定装置を示す概略図である。 図１に示す粒子密度測定装置におけるドップラー現象について説明するための図である。 図１に示す粒子密度測定装置が備える光学系ユニットを示す図である。 図１に示す粒子密度測定装置の電流電圧変換部が有する電流電圧変換回路を示す図である。 図１に示す粒子密度測定装置の増幅部が有する回路を示す図である。 図３に示す光学系ユニットの第１変形例を示す図である。 図３に示す光学系ユニットの第２変形例を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る粒子密度測定装置が備える光学系ユニットを示す図である。 本発明の第３実施形態に係る粒子密度測定装置が備える光学系ユニットを示す図である。 本発明の第４実施形態に係る粒子密度測定装置が備える光学系ユニットを示す図である。 本発明の第５実施形態に係る粒子密度測定装置が備える偏光子を示す図である。 本発明の第６実施形態に係る粒子密度測定装置が備える受光部を示す図である。 本発明のウエアラブル機器の一例である腕時計を示す図である。

以下、本発明の粒子密度測定装置およびウエアラブル機器を添付図面に示す実施形態に基づいて詳細に説明する。

１．粒子密度測定装置
まず、本発明の粒子密度測定装置について説明する。

＜第１実施形態＞
図１は、本発明の第１実施形態に係る粒子密度測定装置を示す概略図である。

図１に示す粒子密度測定装置１は、被測定物９０中を移動（浮遊）している粒子９１の密度を測定する光学式センサーである。

図１に示すように、粒子密度測定装置１は、被測定物９０に対して光ＬＬ１を照射し、光ＬＬ１が被測定物９０中の粒子９１に衝突して例えば散乱、反射または透過された干渉光ＬＬ２を検出する測定ユニット１０（光検出装置）と、測定ユニット１０からの出力に基づいて被測定物９０中の粒子９１の密度を求める検出部１１と、を備える。測定ユニット１０は、光ＬＬ１を出射する発光素子２１を有する発光部２（発光部）と、受光素子３１を有する受光部３（光検出部）と、これらの間に位置する光学系ユニット４と、を有する。検出部１１は、電流電圧変換部５１と、増幅部５２と、信号解析部６とを有する。なお、測定ユニット１０と電流電圧変換部５１とで「光検出装置」を構成していると捉えてもよい。また、測定ユニット１０と電流電圧変換部５１と増幅部５２とで「光検出装置」を構成していると捉えてもよい。

また、図示はしないが、図１に示す測定ユニット１０および検出部１１は、任意の筐体に収納された構成とすることができる。

本実施形態では、粒子密度測定装置１は、発光部２と受光部３との間にある被測定物９０中の粒子９１の密度を測定する。なお、被測定物９０に対して光ＬＬ１が照射される領域が照射領域２００である。

被測定物９０（測定対象）は、粒子９１を含む流体、すなわち固体を除く気体や液体状の物質である。被測定物９０は、具体的には、例えば、粒子９１を含む空気（大気）、水、血液等である。

粒子９１とは、その径（平均幅）が１ｍｍ以下の固形状または液状（気体を除く状態）の微粒子のことを言う。粒子９１は、例えば、埃、塵、花粉、ＰＭ２．５（大気中に浮遊している２．５μｍ以下の微小粒子状物質）等の大気中に浮遊している粒子状物質、水中に浮遊している浮遊物質、血液中の赤血球等である。

したがって、粒子密度測定装置１は、例えば、花粉センサー、ガスセンサー、水質検査器、血流計測器として用いることができる。

以下、粒子密度測定装置１の測定原理について簡単に説明する。
図２は、図１に示す粒子密度測定装置におけるドップラー現象について説明するための図である。

粒子密度測定装置１は、ドップラーシフトを利用している。ドップラーシフトとは、ドップラー現象による光ＬＬ１の周波数が変化（周波数シフト）することを示す。発光素子２１から出射された光ＬＬ１は、粒子９１に光ＬＬ１が衝突して散乱等する。この際、粒子９１に衝突した光ＬＬ１の一部は、粒子９１の速度に応じたドップラーシフトを受ける。図２に示すように、例えば、周波数ｆ_０の光ＬＬ１がドップラーシフトを受けると周波数ｆ_０＋Δｆのドップラーシフト光ＬＬ２１を生じる。このドップラーシフト光ＬＬ２１とドップラーシフトを受けていない残りの光ＬＬ１（非ドップラーシフト光）とが干渉して干渉光ＬＬ２を生じる。干渉光ＬＬ２は、ドップラーシフト光ＬＬ２１と光ＬＬ１との周波数の差であるドップラーシフト量Δｆに応じたうなり（ビート信号）を生じている。粒子密度測定装置１では、このうなりを生じている干渉光ＬＬ２を検出している。これにより、微小な周波数シフトであってもドップラーシフト量Δｆを検出することができ、被測定物９０中の粒子９１の密度が比較的低い場合であっても密度を高精度に求めることができる。そのため、ドップラーシフトを利用した粒子密度測定装置１によれば、例えば、周波数シフトが比較的小さい空気中の粒子状物質や水中の浮遊物質の検出を行うことができる。

次に、前述した粒子密度測定装置１を構成する各部を説明する。
［測定ユニット］
測定ユニット１０は、前述したように、発光素子２１を有する発光部２と、受光素子３１を有する受光部３と、これらの間に位置する光学系ユニット４と、を有する（図１参照）。

〈発光部〉
発光部２は、被測定物９０に対して光ＬＬ１を照射する発光素子２１を有する（図１参照）。発光素子２１としては、例えば、端面発光レーザー、垂直共振器面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting Laser）等の半導体レーザー、発光ダイオード（ＬＥＤ）、有機エレクトロルミネッセンス（有機ＥＬ）素子等が挙げられる。これらの中でも、発光素子２１としては、半導体レーザーであることが好ましく、垂直共振器面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）であることがより好ましい。これにより、小型で、かつ、指向性の高い光を出射することができる。また、垂直共振器面発光レーザーを用いることで、例えば、所望方向に直線偏光した光を安定して出力することができる。

また、発光素子２１から出射された光ＬＬ１は、光軸ａを中心として拡がり角θ１をもって拡がりながら出射される（図３参照）。また、光ＬＬ１は、所定の周波数を有する。光ＬＬ１の周波数は、例えば、粒子９１の種類に応じて設定する。また、光ＬＬ１は、近赤外線または可視光であることが好ましく、光ＬＬ１の波長は、３８０〜２０００ｎｍ程度であるのが好ましい。このような波長の光ＬＬ１は、波長と粒子９１のサイズとの関係から、被測定物９０中の粒子９１によって効率よく散乱される。その結果、粒子９１を、より高い感度で検出することができる。

なお、本実施形態では、発光部２は、１つの発光素子２１を有しているが、複数の発光素子２１を有していてもよい。

〈受光部〉
受光部３は、干渉光ＬＬ２を検出する機能を有する（図１参照）。本実施形態では、受光部３は、光ＬＬ１の光軸ａ上に配置された受光素子３１を有する。

受光素子３１としては、干渉光ＬＬ２の強度に応じた電流信号を出力する光電変換素子であることが好ましい。具体的には、受光素子３１としては、例えば、ＰＩＮダイオード等のフォトダイオード、フォトトランジスタ等を用いることができ、これらの中でも、フォトダイオードであることが好ましく、ＰＩＮダイオードであることがより好ましい。これにより、受光素子３１の高感度化を図ることができ、その結果、受光部３の検出感度をより高めることができる。

〈光学系ユニット〉
図３は、図１に示す粒子密度測定装置が備える光学系ユニットを示す図である。

光学系ユニット４は、光ＬＬ１の被測定物９０に対する照射領域２００を拡大する機能を有する（図１参照）。図３に示すように、本実施形態では、光学系ユニット４は、凹レンズ４１１と、２つの平凸レンズ４１２、４１３と、を有する。なお、凹レンズ４１１は、図示の例では、両メニスカスレンズ（凹）レンズで構成されているが、これに限定されず、例えば、入射面または出射面のいずれか一方が平面の平メニスカスレンズであってもよい。

凹レンズ４１１および平凸レンズ４１２、４１３は、それぞれ、発光素子２１と受光素子３１との間に設けられている。また、凹レンズ４１１と平凸レンズ４１３との間に、平凸レンズ４１２が配置されている。また、凹レンズ４１１および平凸レンズ４１２は、発光素子２１寄りに設けられ、平凸レンズ４１３は、受光素子３１寄りに設けられている。平凸レンズ４１２は、その凸曲面が発光素子２１側を向くように配置され、平凸レンズ４１３は、その凸曲面が受光素子３１側を向くように配置されている。

ここで、前述したように、発光素子２１から出射された光ＬＬ１は、所定の拡がり角θ１で拡がって出射される。光学系ユニット４が凹レンズ４１１を備えることで、光ＬＬ１は、拡がり角θ１より大きい拡がり角θ２に拡大される。また、拡がり角θ２に拡大された光ＬＬ１は、平凸レンズ４１２によって平行光となる。そして、平行光となった光ＬＬ１は、平凸レンズ４１３によって受光素子３１に向かう収束光となる。

このような光学系ユニット４によれば、凹レンズ４１１を備えているため、発光素子２１と受光素子３１との間の距離が比較的短い場合であっても、被測定物９０に対する照射領域２００を大きくすることができる。また、凹レンズ４１１を設けるという比較的簡単な構成の追加で、光ＬＬ１の拡がり角θ１をそれより大きい拡がり角θ２に拡大することができる。また、平凸レンズ４１２、４１３を備えていることで、受光素子３１の大きさを過剰に大きくする必要がない。そのため、測定ユニット１０の小型化を図ることができる。

また、凹レンズ４１１を用いることで、例えば発光素子２１が指向性の高い光ＬＬ１を出射する半導体レーザー等で構成されている場合、その指向性を保ちつつ拡がり角θ１を拡大することができる。

［検出部］
図４は、図１に示す粒子密度測定装置の電流電圧変換部が有する電流電圧変換回路を示す図である。図５は、図１に示す粒子密度測定装置の増幅部が有する回路を示す図である。

前述したように、検出部１１は、電流電圧変換部５１と、増幅部５２と、信号解析部６と、を備えている（図１参照）。

ここで、受光素子３１から出力された電流信号は、粒子９１に衝突せずにドップラーシフトを受けていない残りの光ＬＬ１、すなわち非ドップラーシフト光に基づく直流成分（ＤＣ成分）と、ドップラーシフト光ＬＬ２１を含む干渉光ＬＬ２のうなりのドップラーシフト量Δｆ（差周波）に基づく交流成分（ＡＣ成分）とを有する。

電流電圧変換部５１は、受光素子３１から出力された電流信号を電圧信号に変換する電流電圧変換回路５１０を有する。電圧は、ＤＣ成分とＡＣ成分とが合成された時間信号（時間軸波形）として出力される。

図４に示すように、電流電圧変換回路５１０は、入力端子Ｉｉｎと、オペアンプ５１１と、帰還抵抗５１２と、出力端子Ｖｏｕｔとを有する。この電流電圧変換回路５１０は、トランスインピーダンスアンプ（ＴＩＡ）である。入力端子Ｉｉｎは、受光素子３１の端子（図示せず）に接続されている。オペアンプ５１１の反転入力端子（−）は、入力端子Ｉｉｎに接続されている。オペアンプ５１１の非反転入力端子（＋）は、例えば、接地されている。オペアンプ５１１の反転入力端子（−）と出力端子Ｖｏｕｔとの間には、帰還抵抗５１２が接続されている。このような電流電圧変換回路５１０によれば、入力端子Ｉｉｎに入力された電流信号を電圧信号に変換し、出力端子Ｖｏｕｔから電圧信号を出力することができる。

図５に示すように、増幅部５２は、ＤＣ成分とＡＣ成分とを分離して増幅する。増幅部５２は、ＤＣ成分を増幅する回路５２１と、ＡＣ成分を増幅する回路５２２とを有する。電流電圧変換回路５１０から出力された電圧信号は、回路５２１、５２２のそれぞれに入力される。

回路５２１は、入力端子Ｖｉｎとオペアンプ５２１１と抵抗５２１２と帰還抵抗５２１３と出力端子Ｖｏｕｔ−ＤＣとを有する。入力端子Ｖｉｎは、電流電圧変換回路５１０の出力端子Ｖｏｕｔに接続されている。オペアンプ５２１１の非反転入力端子（＋）は、入力端子Ｖｉｎに接続されている。オペアンプ５２１１の反転入力端子（−）は、抵抗５２１２を介して接地されている。オペアンプ５２１１の反転入力端子と出力端子Ｖｏｕｔ−ＤＣとの間には、帰還抵抗５２１３が接続されている。

回路５２２は、入力端子Ｖｉｎとコンデンサー５２２４とオペアンプ５２２１と抵抗５２２２と帰還抵抗５２２３と出力端子Ｖｏｕｔ−ＡＣとを有する。入力端子Ｖｉｎは、電流電圧変換回路５１０の出力端子Ｖｏｕｔに接続されている。オペアンプ５２１１の非反転入力端子（＋）は、コンデンサー５２２４を介して入力端子Ｖｉｎに接続されている。コンデンサー５２２４に入力された電圧信号はＤＣ成分が除去され、オペアンプ５２２１にはＡＣ成分が入力される。オペアンプ５２２１の反転入力端子（−）は、抵抗５２２２を介して接地されている。オペアンプ５２２１の反転入力端子と出力端子Ｖｏｕｔ−ＡＣとの間には、帰還抵抗５２２３が接続されている。

このような回路５２１、５２２を有する増幅部５２によれば、入力端子Ｖｉｎに入力された電圧信号からＤＣ成分とＡＣ成分とを分離して増幅し、ＤＣ成分の電気信号を出力端子Ｖｏｕｔ−ＤＣから出力し、ＡＣ成分の電気信号を出力端子Ｖｏｕｔ−ＡＣから出力することができる。

信号解析部６は、フーリエ変換回路（図示せず）を有しており、電圧信号を基にして周波数解析を行う機能を有する。信号解析部６は、電圧信号に高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を施し、得られたパワースペクトル特性を基に、ＡＣ成分に基づくパワー成分から粒子９１の量を算出することができる。また、信号解析部６は、ＡＣ成分に基づくパワー成分と、ＤＣ成分に基づく周波数とを用いて、粒子９１の密度を算出する。ＡＣ成分の電圧信号に高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を施し、得られたパワースペクトル特性（パワー成分）を基にして粒子９１の量を算出することができる。また、信号解析部６は、得られた粒子９１の量と、ＤＣ成分の電気信号に基づくパワースペクトル特性（パワー成分）とを基にして、粒子９１の密度を算出する。

なお、検出部１１は、図示はしないが、電流電圧変換部５１、増幅部５２および信号解析部６以外の機能部を備えた構成とすることができる。検出部１１は、例えば、発光素子２１の駆動を制御する発光素子駆動部を備えている。また、検出部１１は、例えば、アナログ電圧信号を量子化した電圧値に変換するＡ／Ｄ変換回路を備えた構成とすることもできる。また、検出部１１は、例えば、コンピューター等の外部装置（図示せず）に対し、周波数解析の結果および粒子９１の密度を無線送信する無線通信部を備えた構成とすることもできる。無線通信部は、例えば、アンテナおよび通信回路を有する。また、検出部１１は、例えば、周波数解析の結果および粒子９１の密度を、ディスプレイを備える表示装置（図示せず）に表示させる表示部を備えた構成とすることができる。表示部は、例えば、インターフェイス回路を有する。また、検出部１１は、例えば、使用者に所定条件である旨を報知する報知部や、バッテリーや電源回路を備えた構成とすることができる。無線通信部は、例えば、アンテナおよび通信回路を有する。報知部は、例えば、粒子密度測定装置１外に視認可能な光を発生する発光ダイオードや、使用者が聴取可能な音声を発生させるオーディオ回路およびスピーカー等で構成することができる。

以上説明したように、粒子密度測定装置１は、移動している粒子９１を含む被測定物９０に対して光ＬＬ１を出射する発光素子２１と、光ＬＬ１の被測定物９０に対する照射領域２００を拡大するための「光学部品」としての凹レンズ４１１と、を有する。また、粒子密度測定装置１は、光ＬＬ１の一部が粒子９１に衝突してドップラーシフトを受けることにより生じたドップラーシフト光ＬＬ２１と残りの光ＬＬ１との干渉光ＬＬ２を受光する受光素子３１を有する。さらに、粒子密度測定装置１は、受光素子３１で受光した干渉光ＬＬ２の光ＬＬ１に対する周波数の変化に基づいて被測定物９０中の粒子９１の密度を検出する検出部１１と、を有する。

このような粒子密度測定装置１は、干渉光ＬＬ２の周波数の変化（ドップラーシフト量）に基づいて粒子９１の密度を測定する構成であるため、発光素子２１と、凹レンズ４１１等を備える光学系ユニット４と、受光素子３１とを並べるという比較的簡単な光学配置とすることができる。そのため、粒子密度測定装置１の構造の簡素化を図ることができ、よって、粒子密度測定装置の小型化を図ることができる。また、ドップラーシフト量Δｆを検出する構成であるため、被測定物９０中の粒子９１の密度が比較的低い場合であっても密度を高精度に求めることができる。さらに、粒子密度測定装置１によれば、凹レンズ４１１を備えているため、光ＬＬ１の照射領域２００を拡大することができる。そのため、より広範囲にわたって被測定物９０に対して光ＬＬ１を照射することができ、光ＬＬ１と衝突する粒子９１の量を増加させることができる。その結果、受光素子３１で受光する干渉光ＬＬ２の強度を効果的に高くすることができ、よって、検出精度の向上を図ることができる。このようなことから、粒子密度測定装置１によれば、小型化を図ることができ、かつ、小型にすることによる検出精度の低下を低減することができる。

また、前述したように、粒子密度測定装置１では、受光素子３１は、受光した干渉光ＬＬ２の強度に応じた電流信号を出力する機能を有する。また、検出部１１は、受光素子３１から出力された電流信号を電圧信号（特に、増幅部５２で増幅された信号）に変換する電流電圧変換部５１と、電流電圧変換部５１から出力された電圧信号を用いて周波数解析を施す信号解析部６と、を有する。これにより、干渉光ＬＬ２に応じた電流信号を電圧信号に変換し、その電圧信号を周波数解析することにより、干渉光ＬＬ２の光に対する周波数の変化を高精度に求めることができる。そのため、検出精度をより効果的に高くすることができる。

さらに、前述したように、検出部１１は、ＤＣ成分とＡＣ成分とを分離して増幅する増幅部５２を有する。そのため、被測定物９０中の粒子９１の密度が比較的低い場合であっても、ＡＣ成分の電圧信号を基にして粒子９１の密度をより高精度に求めることができる。

また、前述したように、光学系ユニット４は、凹レンズ４１１を有する。すなわち、本実施形態では、照射領域２００を拡大するための「光学部品」は、凹レンズ４１１（光ＬＬ１の入射面および出射面の少なくとも一方が凹面であるレンズ）である。これにより、光ＬＬ１の拡がり角θ１をそれより大きい拡がり角θ２に拡大することができる。そのため、光ＬＬ１の照射領域２００を簡単に拡大することができ、よって、光ＬＬ１と衝突する粒子９１の量を増加させることができる。その結果、検出精度をより効果的に高くすることができる。また、特に凹レンズ４１１を発光素子２１と受光素子３１との間に凹レンズ４１１を設けるという比較的簡単な構成で光ＬＬ１の拡がり角θ１を拡大することができるため、粒子密度測定装置１の簡素化を容易に図ることができる。

図６は、図３に示す光学系ユニットの第１変形例を示す図である。
図６に示す光学系ユニット４ａは、凹レンズ４１１と、平凸レンズ４１２とを有する。すなわち、光学系ユニット４ａでは、平凸レンズ４１３が省略されている（図３参照）。このような構成であっても、被測定物９０に対する照射領域２００を大きくすることができる。なお、光学系ユニット４ａを備える測定ユニット１０ａでは、前述した測定ユニット１０が有する受光素子３１よりも受光面の面積が大きい受光素子３１ａを用いることが好ましい。これにより、測定ユニット１０と同程度の干渉光ＬＬ２の強度を得ることができる。また、光学系ユニット４ａでは、平凸レンズ４１３を省略しているため、測定ユニット１０ａの部品点数をより削減することができる。

図７は、図３に示す光学系ユニットの第２変形例を示す図である。
図７に示す光学系ユニット４ｂは、凹レンズ４１１を有する。すなわち、光学系ユニット４ｂでは、平凸レンズ４１２、４１３が省略されている（図３参照）。このような構成であっても、被測定物９０に対する照射領域２００を大きくすることができる。なお、光学系ユニット４ｂを備える測定ユニット１０ｂでは、前述した測定ユニット１０が有する受光素子３１よりも受光面の面積が大きい受光素子３１ｂを用いることが好ましい。これにより、測定ユニット１０と同程度の干渉光ＬＬ２の強度を得ることができる。また、光学系ユニット４ｂでは、平凸レンズ４１２、４１３を省略しているため、測定ユニット１０ｂの部品点数をより削減することができる。また、測定ユニット１０ｂは、特に小型化に優れている。

なお、本実施形態では、照射領域２００を拡大するための「光学部品」は、凹レンズ４１１であったが、例えば、レンズ拡散板（ＬＳＤ：Light Shaping Diffuser）等の光拡散板等を用いてもよい。

＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態について説明する。

図８は、本発明の第２実施形態に係る粒子密度測定装置が備える光学系ユニットを示す図である。

本実施形態は、光学系ユニットの構成が異なる以外は、上述した実施形態と同様である。なお、以下の説明では、第２実施形態に関し、上述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項に関してはその説明を省略する。

図８に示す測定ユニット１０Ａが備える光学系ユニット４Ａは、２つのミラー４１４（全反射部材）を有する。２つのミラー４１４は、互いに向かい合うようにして、発光素子２１と受光素子３１との間の領域に配置されている。また、一方のミラー４１４（図８中右側のミラー４１４）は、発光素子２１から出射された光ＬＬ１を受ける位置で、かつ、受光素子３１の受光面と重ならない位置に配置されている。他方のミラー４１４（図８中左側のミラー４１４）は、光ＬＬ１を受光素子３１に入射させることができる位置で、かつ、発光素子２１の光ＬＬ１の出射部と重ならない位置に配置されている。

このような光学系ユニット４Ａによれば、２つのミラー４１４によって、光ＬＬ１を多重反射させることができる。そのため、照射領域２００を拡大することができる。

以上説明したように、本実施形態では、照射領域２００を拡大するための「光学部品」は、ミラー４１４であり、光学系ユニット４は、ミラー４１４を複数（本実施形態では２つ）有する。本実施形態では、２つの「光学部品」であるミラー４１４は、光ＬＬ１を少なくとも１回（本実施形態では複数回）反射させる機能を有する。これにより、光ＬＬ１を多重反射させることで、発光素子２１と受光素子３１との間の光路の長さを長くすることができる。そのため、２つのミラー４１４によれば、光ＬＬ１の照射領域２００を簡単に拡大することができる。それゆえ、光ＬＬ１と衝突する粒子９１の量を増加させることができる。その結果、検出精度をより効果的に高くすることができる。

なお、２つのミラー４１４の反射面は、いずれも平面であるが、これに限定されない。２つのミラー４１４のうちの少なくとも一方を、湾曲凹面または凸面としてパワーを持たせ、光ＬＬ１を進行に伴って適宜拡大させるようにしてもよい。

以上説明したような第２実施形態の粒子密度測定装置１Ａによっても、小型化を図ることができ、かつ、小型にすることによる検出精度の低下を低減することができる。

＜第３実施形態＞
次に、本発明の第３実施形態について説明する。

図９は、本発明の第３実施形態に係る粒子密度測定装置が備える光学系ユニットを示す図である。

本実施形態は、光学系ユニットの構成が異なる以外は、上述した実施形態と同様である。なお、以下の説明では、第３実施形態に関し、上述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項に関してはその説明を省略する。

図９に示す測定ユニット１０Ｂが備える光学系ユニット４Ｂは、光拡散ミラー４１５（拡大ミラー）を有する。具体的には、本実施形態では、光拡散ミラー４１５は、凸面鏡である。

また、受光素子３１Ｂ上に発光素子２１Ｂが配置されている。また、受光素子３１Ｂおよび発光素子２１Ｂの上方に光拡散ミラー４１５が配置されている。受光素子３１Ｂの受光面および発光素子２１Ｂの光ＬＬ１の出射部は図９中上側を向いている。また、光拡散ミラー４１５は、その凸曲面が受光素子３１Ｂおよび発光素子２１Ｂ側を向いている。

このような光学系ユニット４Ｂによれば、発光素子２１Ｂから出射された光ＬＬ１は光拡散ミラー４１５によって拡散される。そして、干渉光ＬＬ２は受光素子３１Ｂに向かう。換言すると、光ＬＬ１の光拡散ミラー４１５の反射前後の拡がり角θ１、θ２の関係は、前記第１実施形態で述べたものと同様とすることができる。

このような光学系ユニット４Ｂでは、光拡散ミラー４１５を用いることで、光ＬＬ１を拡散させることができ、よって、照射領域２００を拡大することができる。すなわち、本実施形態では、照射領域２００を拡大するための「光学部品」は、光拡散ミラー４１５である。これにより、光拡散ミラー４１５によって、発光素子２１Ｂと受光素子３１Ｂとの間の光路の長さを長くし、かつ、光路の幅を拡大することができる。そのため、光拡散ミラー４１５によれば、光ＬＬ１の照射領域２００を簡単に拡大することができる。また、光ＬＬ１と衝突する粒子９１の量を増加させることができる。その結果、検出精度をより効果的に高くすることができる。また、光拡散ミラー４１５を用いることで、受光素子３１Ｂと発光素子２１Ｂとを重ねた構成とすることができるので、受光素子３１Ｂと発光素子２１Ｂとの光学配置の精度を高くすることができ、また、測定ユニット１０の小型化を容易に図ることができる。

なお、本実施形態では、光拡散ミラー４１５は、凸面鏡であったが、光拡散ミラー４１５は、光ＬＬ１を全反射しつつ拡散する機能を有すればよく、例えば、凹面鏡を用いてもよい。

以上説明したような第３実施形態の粒子密度測定装置１Ｂによっても、小型化を図ることができ、かつ、小型にすることによる検出精度の低下を低減することができる。

＜第４実施形態＞
次に、本発明の第４実施形態について説明する。

図１０は、本発明の第４実施形態に係る粒子密度測定装置が備える光学系ユニットを示す図である。

本実施形態は、光学系ユニットの構成が異なる以外は、上述した実施形態と同様である。なお、以下の説明では、第４実施形態に関し、上述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項に関してはその説明を省略する。

図１０に示す測定ユニット１０Ｃが備える光学系ユニット４Ｃは、２つのハーフミラー４１６と、２つのミラー４１７（全反射部材）とを有する。２つのハーフミラー４１６および２つのミラー４１７は、発光素子２１から出射された光ＬＬ１が周回するように配置されている。２つのハーフミラー４１６は、発光素子２１と受光素子３１との間に設けられている。

本実施形態では、「光学部品」は、複数（本実施形態では４つ）である。そして、２つのハーフミラー４１６（光学部品）および２つのミラー４１７（光学部品）は、それぞれ、光ＬＬ１を少なくとも１回（本実施形態では複数回）反射させる機能を有する。なお、２つのハーフミラー４１６は、光ＬＬ１を透過させる機能も有する。このような２つのハーフミラー４１６および２つのミラー４１７を有することにより、光ＬＬ１を周回（特に複数回周回）させることで、発光素子２１と受光素子３１との間の光路の長さを長くすることができる。そのため、２つのハーフミラー４１６および２つのミラー４１７によれば、光ＬＬ１の照射領域２００を簡単に拡大することができる。それゆえ、光ＬＬ１と衝突する粒子９１の量を増加させることができる。その結果、検出精度をより効果的に高くすることができる。

なお、本実施形態では、ハーフミラー４１６およびミラー４１７の数は、それぞれ２つであったが、これらの数は、それぞれ、２つに限定されない。ハーフミラー４１６およびミラー４１７の数は任意である。

以上説明したような第４実施形態の粒子密度測定装置１Ｃによっても、小型化を図ることができ、かつ、小型にすることによる検出精度の低下を低減することができる。

＜第５実施形態＞
次に、本発明の第５実施形態について説明する。

図１１は、本発明の第５実施形態に係る粒子密度測定装置が備える偏光子を示す図である。

本実施形態は、光学系ユニットの構成が異なる以外は、上述した実施形態と同様である。なお、以下の説明では、第５実施形態に関し、上述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項に関してはその説明を省略する。

図１１に示す測定ユニット１０Ｄは、特定の偏光方向のみ透過する偏光子７を有する。また、偏光子７は、発光素子２１と受光素子３１との間で、光ＬＬ１の光路上に設けられている。また、偏光子７は、受光素子３１寄りに配置されていて、光学系ユニット４と受光素子３１との間に位置している。

本実施形態における発光素子２１は、直線偏光した光ＬＬ１を出射する半導体レーザーを用いている。例えば、図１１に示すように、発光素子２１から出射される光ＬＬ１は、図中のＤ１に示す方向に偏光している。この光ＬＬ１は、被測定物９０中の粒子９１に衝突すると旋光する。すなわち、干渉光ＬＬ２は、図中のＤ２に示すように円偏光となる。そして、Ｄ１と対向する向きの偏光成分を透過するように設置された偏光子７によって、干渉光ＬＬ２のうち光ＬＬ１の直線偏光の方向に沿った成分（Ｄ１に示す方向に沿った成分）は遮断され、それとは異なる方向に沿った成分が透過される。これにより、偏光子７によって、図中のＤ３に示す方向の偏光成分のみ有する干渉光ＬＬ２が作り出される。このように、偏光子７は、干渉光ＬＬ２のうち発光素子２１から出射された光ＬＬ１の偏光成分を遮断し、それと対向する偏光成分のみを透過させる。

このように、測定ユニット１０Ｄでは、発光素子２１と受光素子３１との間の光ＬＬ１の光路上に設けられた偏光子７を有する。これにより、偏光子７によって、干渉光ＬＬ２のうち発光素子２１から出射された光ＬＬ１の直線偏光の方向に沿った成分を遮断させることができるため、粒子９１に衝突せずにドップラーシフトを受けていない残りの光ＬＬ１に基づく信号（ＤＣ成分）を除去または低減することができる。その結果、ＡＣ成分をより精度よく検出することができる。その結果、被測定物９０中の粒子９１の密度が比較的低い場合であっても、検出精度をより高くすることができる。

以上説明したような第５実施形態の粒子密度測定装置１Ｄによっても、小型化を図ることができ、かつ、小型にすることによる検出精度の低下を低減することができる。

＜第６実施形態＞
次に、本発明の第６実施形態について説明する。

図１２は、本発明の第６実施形態に係る粒子密度測定装置が備える受光部を示す図である。

本実施形態は、受光部の構成が異なる以外は、上述した実施形態と同様である。なお、以下の説明では、第６実施形態に関し、上述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項に関してはその説明を省略する。

図１２に示す受光部３Ｅは、２つの受光素子３２、３３を有する。受光素子３２、３３の構成は、同様であり、それぞれ、フォトダイオードで構成されている。

受光素子３２、３３は、並列接続されている。受光素子３２のアノード端子と受光素子３３のカソード端子とが互いに接続され、かつ、受光素子３２のカソード端子と受光素子３３のアノード端子とが互いに接続されている。また、受光素子３２のアノード端子と受光素子３３のカソード端子とは、端子Ｔ１に接続されている。受光素子３２のカソード端子と受光素子３３のアノード端子とは、端子Ｔ２に接続されている。また、図示はしないが、本実施形態では、受光素子３２、３３の各受光面の面積は、等しい。

このような受光部３Ｅは、受光素子３２が出力する電流Ｉ１と受光素子３３が出力する電流Ｉ２との差分電流Ｉ３を端子Ｔ１から出力する。なお、端子Ｔ１は、電流電圧変換部５１が有する入力端子Ｉｉｎ１に接続され、端子Ｔ２は、電流電圧変換部５１が有する入力端子Ｉｉｎ２に接続されている。

このように、受光部３Ｅでは、複数の受光素子３２、３３を有する。すなわち、受光部３Ｅは、少なくとも１つ（本実施形態では２つ）の受光素子３２、３３を有する。そして、１つの受光素子３２のアノード端子と他の受光素子３３のカソード端子とが互いに接続され、かつ、１つの受光素子３２のカソード端子と他の受光素子３３のアノード端子とが互いに接続されている。そして、本実施形態では、受光素子３２、３３の各受光面の面積は、等しい。このような受光部３Ｅによれば、電流Ｉ１、Ｉ２はそれぞれＤＣ成分とＡＣ成分とを含むが、ＡＣ成分はＤＣ成分よりも強度が非常に小さいが、電流Ｉ１と電流Ｉ２との差分電流Ｉ３のＤＣ成分を低減または除去することができ、ＡＣ成分を増幅することができる。

なお、受光素子３２と受光素子３３とでは、その設置位置の違いによって、受光する干渉光ＬＬ２の散乱の経路が異なる。そのため、電流Ｉ１および電流Ｉ２のそれぞれのＤＣ成分は、同相成分であることに対し、電流Ｉ１および電流Ｉ２のそれぞれのＡＣ成分は、非同相成分を多く含み、無相関となる。それゆえ、受光部３Ｅから出力される差分電流Ｉ３では、ＤＣ成分が打ち消され、ＡＣ成分は打ち消されずに合算される。そのため、前述したように、電流Ｉ１と電流Ｉ２との差分電流Ｉ３を出力する受光部３Ｅによれば、ＤＣ成分を低減することができ、ＡＣ成分を増幅することができる。その結果、ＡＣ成分を精度よく検出することができ、よって、被測定物９０中の粒子９１の密度が比較的低い場合であっても、その検出精度をより高くすることができる。

なお、本実施形態では、受光素子３２、３３の各受光面の面積は等しいが、ＤＣ成分を低減することができれば、これらの面積は異なっていてもよい。

以上説明したような第６実施形態の粒子密度測定装置１Ｅによっても、小型化を図ることができ、かつ、小型にすることによる検出精度の低下を低減することができる。

２．ウエアラブル機器
以上説明したよう本発明の粒子密度測定装置は、各種ウエアラブル機器に組み込むことができる。以下、本発明の粒子密度測定装置を備えるウエアラブル機器を適用した腕時計について説明する。

図１３は、本発明のウエアラブル機器の一例である腕時計を示す図である。
図１３に示す時計８０は、腕時計であり、使用者の手首に装着することができる。この時計８０は、例えば、大気環境下または水中環境下で用いることができる。

図１３に示すように、時計８０は、各種電子部品等を収納している筐体８１と、筐体８１に接続され、使用者が装着する際に用いるバンド８２と、時刻等の情報を表示する表示部８３と、を有する。

このような時計８０の筐体８１内には、前述した粒子密度測定装置１（または粒子密度測定装置１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅ）が搭載されている。また、時計８０は、粒子密度測定装置１から出力される粒子９１の密度に関する情報を表示部８３に表示することができる。

また、時計８０の側面には、筐体８１内に空気等の流体を侵入させるための筐体８１の内外を連通する貫通孔８４が形成されている。粒子密度測定装置１は、貫通孔８４を介して侵入した空気等の流体を被測定物９０として、被測定物９０中の粒子９１（例えば花粉等）の密度を計測する。

このようなウエアラブル機器の一例である時計８０は、前述したように、粒子密度測定装置１を備える。このような時計８０によれば、小型であり、かつ、小型にすることによる検出精度の低下が低減された粒子密度測定装置１を備えているため、持ち運びが容易であるとともに、リアルタイムで使用者の環境下における被測定物９０中の粒子９１の密度を測定することができる。

なお、本発明のウエアラブル機器は、前述したものに限定されず、例えば、スマートフォン、タブレット端末、携帯電話機、ヘッドマウントディスプレイ、医療機器等に適用することができる。

以上、本発明の粒子密度測定装置およびウエアラブル機器について、図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明は、これらに限定されるものではない。また、本発明の各部の構成は、前述した実施形態の同様の機能を発揮する任意の構成のものに置換することができ、また、任意の構成を付加することもできる。また、本発明は、前述した各実施形態の任意の構成同士を組み合わせるようにしてもよい。

１…粒子密度測定装置、１Ａ…粒子密度測定装置、１Ｂ…粒子密度測定装置、１Ｃ…粒子密度測定装置、１Ｄ…粒子密度測定装置、１Ｅ…粒子密度測定装置、２…発光部、３…受光部、３Ｅ…受光部、４…光学系ユニット、４Ａ…光学系ユニット、４Ｂ…光学系ユニット、４Ｃ…光学系ユニット、４ａ…光学系ユニット、４ｂ…光学系ユニット、６…信号解析部、７…偏光子、１０…測定ユニット、１０Ａ…測定ユニット、１０Ｂ…測定ユニット、１０Ｃ…測定ユニット、１０Ｄ…測定ユニット、１０ａ…測定ユニット、１０ｂ…測定ユニット、１１…検出部、２１…発光素子、２１Ｂ…発光素子、３１…受光素子、３１Ｂ…受光素子、３１ａ…受光素子、３２…受光素子、３３…受光素子、５１…電流電圧変換部、５２…増幅部、８０…時計、８１…筐体、８２…バンド、８３…表示部、８４…貫通孔、９０…被測定物、９１…粒子、２００…照射領域、４１１…凹レンズ、４１２…平凸レンズ、４１３…平凸レンズ、４１４…ミラー、４１５…光拡散ミラー、４１６…ハーフミラー、４１７…ミラー、５１０…電流電圧変換回路、５１１…オペアンプ、５１２…帰還抵抗、５２１…回路、５２２…回路、５２１１…オペアンプ、５２１２…抵抗、５２１３…帰還抵抗、５２２１…オペアンプ、５２２２…抵抗、５２２３…帰還抵抗、５２２４…コンデンサー、Ｉ１…電流、Ｉ２…電流、Ｉ３…差分電流、Ｉｉｎ…入力端子、Ｉｉｎ１…入力端子、Ｉｉｎ２…入力端子、ＬＬ１…光、ＬＬ２…干渉光、ＬＬ２１…ドップラーシフト光、Ｔ１…端子、Ｔ２…端子、Ｖｉｎ…入力端子、Ｖｏｕｔ…出力端子、Ｖｏｕｔ−ＡＣ…出力端子、Ｖｏｕｔ−ＤＣ…出力端子、ａ…光軸、ｆ_０…周波数、ｆ_０＋Δｆ…周波数、Δｆ…ドップラーシフト量、θ１…拡がり角、θ２…拡がり角

Claims (8)

1. 移動している粒子を含む被測定物に対して光を出射する発光素子と、
   前記光の前記被測定物に対する照射領域を拡大するための光学部品と、
   前記光の一部が前記粒子に衝突してドップラーシフトを受けることにより生じたドップラーシフト光と残りの前記光との干渉光を受光する受光素子と、
   前記受光素子で受光した前記干渉光の前記光に対する周波数の変化に基づいて前記被測定物中の前記粒子の密度を検出する検出部と、を有することを特徴とする粒子密度測定装置。
2. 前記受光素子は、受光した前記干渉光の強度に応じた電流信号を出力する機能を有し、
   前記検出部は、前記受光素子から出力された前記電流信号を電圧信号に変換する電流電圧変換部と、
   前記電流電圧変換部から出力された前記電圧信号を用いて周波数解析を施す信号解析部と、を有する請求項１に記載の粒子密度測定装置。
3. 少なくとも２つの前記受光素子を有し、
   １つの前記受光素子のアノード端子と他の前記受光素子のカソード端子とが互いに接続され、かつ、前記１つの受光素子のカソード端子と前記他の受光素子のアノード端子とが互いに接続されている請求項１または２に記載の粒子密度測定装置。
4. 前記光学部品は、凹レンズである請求項１ないし３のいずれか１項に記載の粒子密度測定装置。
5. 前記光学部品は、光拡散ミラーである請求項１ないし３のいずれか１項に記載の粒子密度測定装置。
6. 前記光学部品は、前記光を少なくとも１回反射させる機能を有する請求項１ないし５のいずれか１項に記載の粒子密度測定装置。
7. 前記発光素子と前記受光素子との間の前記光の光路上に設けられた偏光子を有する請求項１ないし６のいずれか１項に記載の粒子密度測定装置。
8. 請求項１ないし７のいずれか１項に記載の粒子密度測定装置を備えることを特徴とするウエアラブル機器。

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