JP5046076B2 - Remotely selected image measurement method for aerosols containing specific substances - Google Patents
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Description
本発明は、レーザーレーダー装置または他のエアロゾル分析装置等を用いて大気中のエアロゾルの分析または計測を必要としている分野、特に大気中のエアロゾル、微粒子等を観測または分析する大気環境分析分野で利用できる。また、本発明は、自然現象及び様々な産業活動、交通車両などにより大気中に放出され、大気中を浮遊するSPM、アスベスト、ディーゼル粉塵等の有害環境汚染物質、火山などによる火山灰、スギ花粉の飛散状況等を追跡調査する環境計測産業、学術分野で利用できる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention is used in fields that require analysis or measurement of aerosols in the atmosphere using laser radar devices or other aerosol analyzers, and in particular in the field of atmospheric environment analysis that observes or analyzes aerosols, fine particles, etc. in the atmosphere. it can. In addition, the present invention relates to harmful environmental pollutants such as SPM, asbestos and diesel dust that are released into the atmosphere by natural phenomena and various industrial activities, transportation vehicles, etc., volcanic ash and cedar pollen. It can be used in the environmental measurement industry and the academic field to follow up the scattering situation.
大気中に浮遊するエアロゾルに付着している、またはエアロゾルが含んでいる特定の物質を従来の技術で調べる場合には、エアロゾルを含む空気を吸引してフィルター上に捕集して、対象となる物質を物理または化学処理などによって選別、濃縮してその物質を特定する既存の分析装置で調査する方法等が一般的に用いられている。また、エアロゾルの組成元素を調べるために捕集したエアロゾルをプラズマ化して分光する原子吸光法やICP発光分析法、エアロゾルの組成元素をイオンとして検出するスパークイオン源質量分析法、二次イオン質量分析器（SIMS）による分析、或いはX線またはγ線等の放射線を利用する蛍光X線分析や放射化分析法などがある。さらに、エアロゾルの組成物質を形状または色彩等の画像情報から判別する電子顕微鏡または光学顕微鏡を用いる方法がある（非特許文献１）。 When investigating specific substances that are attached to or contained in aerosols suspended in the atmosphere using conventional technology, the air containing the aerosol is aspirated and collected on a filter. A method is generally used in which a substance is selected by physical or chemical treatment and investigated by an existing analyzer that identifies and concentrates the substance. In addition, the atomic absorption method and ICP emission analysis method that converts the collected aerosol into plasma for spectroscopic analysis to investigate the composition elements of the aerosol, spark ion source mass spectrometry that detects the composition elements of the aerosol as ions, and secondary ion mass spectrometry There are analysis with a detector (SIMS), fluorescent X-ray analysis or activation analysis using radiation such as X-rays or γ-rays. Furthermore, there is a method using an electron microscope or an optical microscope that discriminates an aerosol composition material from image information such as shape or color (Non-Patent Document 1).
一方、大気中の遠隔計測分野では、レーザーレーダー(別名ライダー)装置においては、差分吸収法ライダー、蛍光散乱ライダーやラマン散乱ライダーなどの手法で大気中に浮遊するエアロゾルの化学物質の量を特定する技術が従来用いられている（非特許文献２）。差分吸収法ライダーは、主にガス状の特定の物質が吸収する光波長と同等の波長を有するレーザー光と波長の違うレーザー光を同時に大気中に伝播させて、伝播中での特定の物質によるレーザー光またはレーザー散乱光の特定の物質による光吸収を計測して解析してその量を特定するものである。蛍光散乱ライダーやラマン散乱ライダーは、大気中にレーザー照射して対象とする特定の物質からなる蛍光またはラマン散乱光を計測してその特定の物質からなるエアロゾルの総量を求めるものである。これらライダー技術を用いる方法は、特定の物質によるレーザー光の総吸収量や蛍光、ラマン散乱光の総量という一つの信号の強弱から特定の物質の総量を求めるものである。さらに、ライダー技術として公開されている特許技術(特許文献１)では、特定空間に浮遊するエアロゾルからの照射するレーザー光の照射するレーザー光と波長が同一な後方散乱光を可視化画像計測して画像処理によりエアロゾル数量や粒径を特定することは可能であるが、特定の物質からなるエアロゾルまたはそれを含むか、または特定の物質が付着しているエアロゾルを選別して計測することは不可能である。
従来の空気中に浮遊するエアロゾルを捕集して分析する方法は、長い計測時間と煩雑な手間を必要とする。また、この方法では、捕集が困難な遠隔の場所では計測が不可能である。さらに、吸引した空気の容積によりその空気に含まれる特定の物質の平均濃度等は計測できるが、特定の物質を含有するか（付着する場合も含む）か、または特定の物質からのみなるエアロゾルの個数及び粒径等の情報を非接触で直接(リアルタイム)計測することはできない。さらに、組成元素を分析する方法では、同様に長い計測時間と煩雑な手間を必要とするが組成元素の分析によりエアロゾルが含む特定の物質を間接的に推定することができるが、直接分析することできない。 Conventional methods for collecting and analyzing aerosols floating in the air require a long measurement time and complicated labor. Also, with this method, measurement is impossible at remote locations where collection is difficult. In addition, the average concentration of a specific substance contained in the air can be measured by the volume of the sucked air, but it contains a specific substance (including cases where it adheres) or an aerosol consisting only of a specific substance. Information such as number and particle size cannot be measured directly (in real time) without contact. Furthermore, in the method of analyzing composition elements, a long measurement time and troublesome work are required as well, but specific substances contained in aerosols can be estimated indirectly by analyzing composition elements, but direct analysis is required. Can not.
電子或いは光学顕微鏡による方法でも長い計測時間と煩雑な手間を必要とし、大気中に浮遊している特定の物質を含んだエアロゾルを非接触かつ遠隔で選別して計測することは不可能である。大気中の遠隔計測が可能である従来のライダー技術でも、検出できる特定物質の総量または濃度等は測定できるが、上記の捕集する方法と同様には特定の物質を含有するか（付着する場合も含む）か、または特定の物質から形成されるエアロゾルの個数等を計測することは不可能である。特許開示技術(前記公開公報)においては、大気中に浮遊する多種雑多なエアロゾルの計測を目的とするもので、エアロゾルの種類に関係なく多種雑多のエアロゾルの個数、濃度、粒径等を計測できるが、特定の物質からなるエアロゾルまたはそれを含むエアロゾルの個数、濃度等のみを選別して計測することは不可能である。 Even a method using an electron or optical microscope requires a long measurement time and a troublesome work, and it is impossible to perform contactless and remote selection and measurement of an aerosol containing a specific substance suspended in the atmosphere. Even with conventional lidar technology that allows remote measurement in the atmosphere, the total amount or concentration of a specific substance that can be detected can be measured. It is impossible to measure the number of aerosols formed from a specific substance. In the patent disclosure technology (the above-mentioned publication), the purpose is to measure various types of aerosols floating in the atmosphere, and the number, concentration, particle size, etc. of various types of aerosols can be measured regardless of the type of aerosol. However, it is impossible to select and measure only the number, concentration, etc. of aerosols composed of specific substances or aerosols containing them.
従来技術では、長い計測時間と煩雑な手間をかけて大気中に浮遊する特定の物質を含むエアロゾルを捕集計測及び分析して特定の物質の量を計測、又は推定することは可能であるが、特定の物質を含むエアロゾルの個数またはそのエアロゾルに含まれる量を非接触で遠隔かつリアルタイムで計測することは不可能であるという問題点がある。 In the prior art, it is possible to measure or estimate the amount of a specific substance by collecting and measuring an aerosol containing a specific substance floating in the atmosphere over a long measurement time and complicated labor. However, there is a problem that it is impossible to measure the number of aerosols containing a specific substance or the amount contained in the aerosols in a non-contact manner remotely and in real time.
本発明では、大気中の限られた空間に浮遊する特定の物質からなるエアロゾルまたは特定の物質を含むエアロゾルの個数またはそのエアロゾルに含まれる量を遠隔かつリアルタイムで計測するために、エアロゾルにレーザー照射を施し、その結果、レーザー光と特定の物質による相互作用により、その特定の物質が照射するレーザー光と波長が異なるレーザー光励起で発光する蛍光、りん光、またはフォトルミネッセンス等の特定の物質が発生する特有の光を可視化して画像計測し、画像処理により計数する方法を用いる。 In the present invention, in order to remotely and in real time measure the number of aerosols comprising a specific substance floating in a limited space in the atmosphere or the number of aerosols containing a specific substance or the amount contained in the aerosol, the aerosol is irradiated to the aerosol. As a result, a specific substance such as fluorescence, phosphorescence, or photoluminescence emitted by laser light excitation that has a wavelength different from that of the laser light irradiated by the specific substance is generated by the interaction between the laser light and the specific substance. A method of measuring the image by visualizing the specific light to be measured and counting by image processing is used.
即ち、本発明では、限られた空間に浮遊する特定の物質からなるエアロゾルまたは特定の物質を含むエアロゾル群から発せられる特定の物質に起因する光のみを検出することができる。これらの光は、計測した画像上で斑点として観測され、その輝度はそのエアロゾルに含まれるエアロゾルの量に依存する。その画像中の斑点の数量とそれぞれの輝度を画像処理、ないし画像解析することによって、大気中の限られた空間に浮遊する特定の物質からなるエアロゾルまたは特定の物質を含むエアロゾルの個数またはそのエアロゾルに含まれる量を遠隔かつリアルタイムで計測することが可能となる。 That is, in the present invention, only light originating from a specific substance emitted from an aerosol made of a specific substance floating in a limited space or an aerosol group containing the specific substance can be detected. These lights are observed as spots on the measured image, and the luminance thereof depends on the amount of aerosol contained in the aerosol. By performing image processing or image analysis on the number of spots in the image and the brightness of each, the number of aerosols containing a specific substance or aerosol containing a specific substance, or the aerosol, is suspended in a limited space in the atmosphere. It is possible to remotely and in real time measure the amount contained in.
本発明により、従来の方法で不可能あった大気中に浮遊する特定の物質を含んだエアロゾル等の数、大きさ等を測定することが可能となる。そのエアロゾルの空間分布を広範囲、精度良くかつ瞬時にリアルタイム計測することができる。このため、気象、大気環境分野で、例えばエアロゾル中の火山灰、黄砂等の物質の特定、または自動車排気ガスによる大気汚染、及びアスベストなどの環境公害等での特定物質の飛散情報を瞬時に正確に得られる。これら計測データが必要な環境対策に役立てることによって環境保護、保全に貢献することができる。またある工場施設等より有害な物質が大気中に誤って放出されエアロゾルとして大気環境中に浮遊しているような不測の事態に本発明を用いれば、施設周囲の住民及び通行者等に時々刻々変動し浮遊する有害エアロゾルの大気空間分布及び時間的変動等の正確な情報を提供できる。 According to the present invention, it is possible to measure the number, size, etc., of aerosols and the like containing specific substances floating in the atmosphere, which was impossible with the conventional method. The spatial distribution of the aerosol can be measured in real time over a wide range with high accuracy. For this reason, in the field of weather and atmospheric environment, for example, identification of substances such as volcanic ash and yellow sand in aerosols, or air pollution caused by automobile exhaust gas, and environmental pollution such as asbestos, etc. will be instantaneously accurate. can get. These measurement data can contribute to environmental protection and conservation by using them for necessary environmental measures. In addition, if the present invention is used in an unforeseen situation where a harmful substance is accidentally released from the factory facility into the atmosphere and suspended as an aerosol in the atmospheric environment, the residents and passers-by around the facility will be given moment by moment. It can provide accurate information such as atmospheric spatial distribution and temporal variation of fluctuating and floating harmful aerosols.
図１に示すように、天然または人為的に生成された化学物質、有機物、無機物等の物質に電磁波の一種である 1.光または光の一種であるレーザー光が照射されると、光は物質表面で反射或いは散乱されて、その物質表面から照射した光と同一の波長を有する 2.散乱光(弾性散乱光)を発する。この他に、物質表面で光屈折して物質による吸収を受けながら物質内を伝播し 3.透過する光がある。この透過する光の波長も照射する光の波長と同じである。さらに、物質表面及び物質内部から照射した光の波長とは異なる波長を有する4.と5.の物質固有の光が発生する（濱口宏夫、尾崎幸洋、寺島紀夫、尾鍋研太郎、堀田和明編集：「レーザー分光計測の基礎と応用」、アイピーシー出版、1992年発行）。それらは、照射された光とその物質との相互作用または吸光作用の結果生じる物質の光励起に基づく発光現象である4.蛍光、りん光及びフォトルミネッセンス光等、または光の非弾性散乱現象により5.ストークスラマン光、アンチストークラマン光などのラマン散乱光等である。 As shown in Fig. 1, natural or artificially generated chemical substances, organic substances, inorganic substances, etc. are a kind of electromagnetic wave. 1. When light or laser light, which is a kind of light, is irradiated, light is a substance. 2. Reflected or scattered on the surface and has the same wavelength as the light irradiated from the material surface 2. Emits scattered light (elastically scattered light). In addition to this, there is 3. Light that propagates through the material while being refracted by the material surface and absorbed by the material. The wavelength of the transmitted light is also the same as the wavelength of the irradiated light. In addition, material-specific light of 4. and 5. which has a wavelength different from the wavelength of light irradiated from the surface and inside of the material is generated (Hiroo Higuchi, Yukihiro Ozaki, Norio Terashima, Kentaro Onabe, Kazuaki Hotta: “Basics and Applications of Laser Spectroscopy”, published by IPC Publishing, 1992). These are light emission phenomena based on photoexcitation of a substance resulting from the interaction or absorption action of the irradiated light and its substance 4. Fluorescence, phosphorescence and photoluminescence light, etc. .Raman scattered light such as Stokes Raman light and anti-stocraman light.
これらの照射する光と波長が異なる光は、一般的に良く知られているものであり、それらを利用した分光技術により物質の特定や物質分析が実用技術として広く用いられている。それら照射する光の波長と異なる物質から発生する特有の光の強度は、一般的に照射した光と同一の波長を有する散乱光(弾性散乱光)の強度よりも小さいという特徴がある。この特定の物質から発生する照射した光の波長と異なる特有の光のみを計測することにより限られた空間に浮遊する特定の物質を含むエアロゾルを特定の物質を含まない他のエアロゾルと区別して計測することが可能となる。 Such light having a wavelength different from that of the irradiating light is generally well known, and identification of a substance and substance analysis are widely used as a practical technique by a spectroscopic technique using them. The intensity of the specific light generated from a substance different from the wavelength of the irradiated light is generally characterized by being smaller than the intensity of scattered light (elastically scattered light) having the same wavelength as the irradiated light. By measuring only the specific light that is different from the wavelength of the emitted light generated from this specific substance, the aerosol containing the specific substance floating in the limited space is distinguished from other aerosols that do not contain the specific substance. It becomes possible to do.
その具体的な方法を以下に示す。パルスレーザー光を計測対象となる大気のエアロゾル群に向けて広げて大気中に出射する。レーザー光の伝播中、大気中に存在するエアロゾル群からレーザー光の出射方向に向けて、レーザー光とエアロゾルの相互作用によりレーザー光の波長と同一の波長を有する後方散乱光とエアロゾルを形成する物質に起因する照射するレーザー光の波長と異なる波長を有する上述の光が発せられる。このレーザーの伝播方向とは逆方向にエアロゾルから発生する光をレーザーの出射地点付近より照射するレーザー光と同一の波長の光を遮断しかつ照射するレーザー光の波長と異なる特定の波長の光のみを透過させる光波長選別器または光学フィルター等を装備した望遠鏡等の集光光学素子に高速ゲート機能を有するCCDカメラ、MCP等の２次元光検出器で観測する。 The specific method is shown below. A pulse laser beam is spread toward the aerosol group to be measured and emitted into the atmosphere. A substance that forms an aerosol with backscattered light having the same wavelength as that of the laser beam by the interaction of the laser beam and the aerosol from the aerosol group existing in the atmosphere toward the laser beam emission direction during the propagation of the laser beam The above-mentioned light having a wavelength different from the wavelength of the laser beam to be emitted due to the above is emitted. Only light of a specific wavelength that blocks the light of the same wavelength as the laser light that irradiates the light emitted from the aerosol in the direction opposite to the propagation direction of the laser from the vicinity of the laser emission point and is different from the wavelength of the irradiated laser light. Observation using a two-dimensional photodetector such as a CCD camera or MCP with a high-speed gate function on a condensing optical element such as a telescope equipped with an optical wavelength selector or optical filter that transmits light.
このとき、２次元光検出器の高速ゲート機能により、２次元光検出素子のシャッター時間及びレーザー出射からの遅延時間であるシャッタータイミングを制御すると観測地点より任意の距離にある大気中の限られた空間に浮遊するエアロゾル個々より発せられる特定の波長を有する光のみを画像として計測することが可能となる。 At this time, if the shutter timing, which is the delay time from the laser emission, and the shutter time of the two-dimensional photodetector are controlled by the high-speed gate function of the two-dimensional photodetector, it is limited in the atmosphere at an arbitrary distance from the observation point. Only light having a specific wavelength emitted from each aerosol floating in the space can be measured as an image.
光波長選別器または光学フィルター等で透過する光の波長を特定の物質がレーザー照射によって発する固有の波長に設定すれば、計測対象とするエアロゾルにその特定の物質が付着しているかまたは構成物質として含有されているかを計測することができる。その特定の物質の固有の光が検出されれば、計測対象となる限られた空間に浮遊するエアロゾルにその特定の物質が含まれていることが分かる。 If the wavelength of the light transmitted through the optical wavelength selector or optical filter is set to a specific wavelength emitted by a specific substance by laser irradiation, the specific substance is attached to the aerosol to be measured, or as a constituent substance Whether it is contained can be measured. If the specific light of the specific substance is detected, it is understood that the specific substance is contained in the aerosol floating in the limited space to be measured.
計測した画像は、エアロゾル個々からの光が点として写しだされ、それら点の集まった星雲状或いは斑点状のものとなる。それら点の数及び点の輝度は、パルスレーザー光が照射された任意の空間に浮遊し、特定の物質からなるエアロゾルまたは特定の物質が付着しているか、含有するエアロゾルの数及び特定の物質の大きさや量を表すので、それらを画像処理または画像解析により計測することによって任意の限られた大気空間に浮遊するそれら特定の物質を含むエアロゾルの数、大きさ及び特定の物質の量を計測することができる。 In the measured image, light from each aerosol is projected as a point, and it becomes a nebula-like or spot-like one in which these points are gathered. The number of points and the brightness of the points are floating in an arbitrary space irradiated with pulsed laser light, and an aerosol made of a specific substance or a specific substance is attached, or the number of contained aerosols and the specific substance Because it represents the size and quantity, it measures the number, size, and quantity of specific substances that contain those specific substances suspended in any limited atmospheric space by measuring them by image processing or image analysis. be able to.
（測定例または実験データ）
図２に本発明を用いたレーザーレーダー方式による特定物質を含むエアロゾルの遠隔選別画像計測装置の概略図を示す。装置は、1)パルスレーザー装置、2) 高速ゲートシャッター付高感度CCD(Charge Coupled Devices)カメラ、3)出射レーザービーム光学系(凹レンズ等)、4) 集光光学系（望遠レンズ等）、5)装置計測制御解析部、及び6)光学フィルターまたは回折格子等の光を波長によって選別する光学機器から構成される。本発明の実施例では、あらかじめレーザー照射により照射するレーザー光の波長と異なる波長の光（蛍光）を発生する物質（色素）を含むエアロゾルミスト(粒径：数ミクロン〜数十ミクロン)を測定空間内に発生させて、その物質を含むエアロゾルのみを他の特定の物質を含まないエアロゾルと区別して計測する試験を実施した。
(Measurement example or experimental data)
FIG. 2 is a schematic view of an aerosol remote sorting image measuring apparatus containing a specific substance by a laser radar system using the present invention. The equipment is 1) pulse laser device, 2) high sensitivity CCD (Charge Coupled Devices) camera with high-speed gate shutter, 3) outgoing laser beam optical system (concave lens, etc.), 4) condensing optical system (telephoto lens, etc.), 5 ) Device measurement control analysis unit, and 6) Optical equipment such as an optical filter or a diffraction grating that sorts light according to wavelength. In an embodiment of the present invention, an aerosol mist (particle size: several microns to several tens of microns) containing a substance (pigment) that generates light (fluorescence) having a wavelength (fluorescence) different from the wavelength of laser light irradiated by laser irradiation in advance is measured. A test was conducted in which only the aerosol containing the substance was measured separately from the aerosol containing no other specific substance.
まず、7)パルスレーザー光を3)出射レーザービーム光学系を用いて図２に示すようにレーザービーム径を拡げて測定対象となる大気空間に向けて照射する。7)パルスレーザー光は、3) 出射レーザービーム光学系から出射された後、そのビーム径を広げつつ大気中を伝播する。このパルスレーザー光が通過する大気の8)レーザー伝播領域からは、9)大気中に浮遊する多種雑多のエアロゾル群から図のようにレーザー出射地点に向けて10)レーザー照射による大気中に浮遊する多種雑多のエアロゾル群からの照射レーザー光の波長と同一波長の後方散乱光が発せられる。これらの光は、8)レーザー伝播領域にある全てのエアロゾルからレーザーの伝播に合わせて次々に発生する。また、これらの光は、図２の4)集光光学系である望遠鏡等の集光器の前または後に設置、または4)集光光学系の中に組み込まれた6)光学フィルターまたは回折格子等の光を波長によって選別する機器により特定の波長を有する光のみが選別され、2)高速ゲート機能を有する高感度２次元光検出器の光検出面上に画像として検出することができる。 First, 7) pulse laser light is irradiated 3) toward the atmospheric space to be measured with the laser beam diameter expanded as shown in FIG. 2 using the outgoing laser beam optical system. 7) The pulsed laser light is emitted from the 3) outgoing laser beam optical system, and then propagates in the atmosphere while expanding its beam diameter. 8) From the laser propagation area of the atmosphere through which this pulsed laser beam passes, 9) From various types of aerosols floating in the atmosphere toward the laser emission point as shown in the figure 10) Floating in the atmosphere by laser irradiation Backscattered light having the same wavelength as that of the irradiation laser light from various aerosol groups is emitted. These lights are generated one after another in accordance with the laser propagation from all aerosols in the laser propagation region. In addition, these lights are placed in front of or after the concentrator of a telescope or the like as 4) the condensing optical system in FIG. 2, or 4) incorporated in the condensing optical system 6) optical filter or diffraction grating Only light having a specific wavelength is sorted by a device that sorts the light according to wavelength, and 2) it can be detected as an image on the light detection surface of a high-sensitivity two-dimensional photodetector having a high-speed gate function.
この２次元光検出器のゲート(シャッター)を長い時間開放した場合、近距離から遠方にあるエアロゾルまでの光がレーザーの伝播に合わせて続々と集光されてしまい、どの画像がどの空間にあるエアロゾルから発せられた光かが見分けがつかなくなる。そこで高速ゲート機能を用いて２次元光検出器に集光される光を区切るために高速ゲート(短い時間幅5ナノ秒、ナノ＝10-9)のシャッターをかけると、図２のように8)レーザー伝播領域の2)高速ゲートシャッター付高感度CCD(Charge Coupled Devices)カメラで観測される11)特定の空間にあるエアロゾル群から発せられた光のみを波長によって選別し画像として写しだすことが可能となる。 When the gate (shutter) of this two-dimensional photodetector is opened for a long time, the light from the short-distance to the far-away aerosol is continuously collected according to the propagation of the laser, and which image is in which space The light emitted from the aerosol is indistinguishable. Therefore, when the shutter of the high-speed gate (short time width 5 nanoseconds, nano = 10 -9 ) is used to separate the light collected on the two-dimensional photodetector using the high-speed gate function, as shown in FIG. 2) In the laser propagation region 2) Observed by a high-sensitivity CCD (Charge Coupled Devices) camera with a high-speed gate shutter 11) Only light emitted from aerosols in a specific space can be selected and copied as an image. It becomes possible.
さらに、5)装置計測制御解析部を用いてカメラのシャッターを施すタイミングをパルスレーザーの出射時間よりある遅延時間に設定すると、図２のようにレーザー出射地点より任意の距離はなれた8)レーザーの伝播領域の限られた空間にあるエアロゾル群からの特定の波長を有する光のみを画像として取り出すことが可能となる。得られた画像は、レーザー照射により照射したレーザー光と波長の異なる光を発するエアロゾルからの光が点として、それらが集まった斑点状或いは星雲状のものとなる。 Furthermore, 5) If the timing of applying the camera shutter is set to a certain delay time from the pulse laser emission time using the device measurement control analysis unit, the arbitrary distance from the laser emission point is 8) as shown in Fig. 2 Only light having a specific wavelength from the aerosol group in a limited space of the propagation region can be extracted as an image. The obtained image has a spot-like or nebula-like shape in which light from an aerosol emitting light having a wavelength different from that of the laser light irradiated by laser irradiation is a spot.
図３には、上述の計測装置において、直径約0.5ｃｍのYAGレーザー光（波長532nm、パルス幅1 ns及びパルスエネルギー〜30ｍＪ）を3)出射レーザービーム光学系に焦点距離-30ｃｍの凹レンズを用いて室内大気中に照射し、約5ｍ遠方の限られた室内大気の特定空間（縦約18ｃｍ、横24ｃｍ、奥行き１ｍ）に浮遊する9)多種雑多なエアロゾル等より光の弾性散乱であるミー散乱あるいはレイリー散乱に起因する照射レーザー光の波長と同一波長の10)散乱光を画像として計測したものである。この画像を5)装置計測制御解析部で解析
処理して11)特定空間内の多種雑多なエアロゾルの個数及び粒径を計測するのが開示特許技術(公開番号：特開2004-233078)の方法である。本発明では、この方法とは違い、特定の物質がレーザー照射により照射レーザー光の波長と異なる光を発生する現象を利用するために6)光学フィルターまたは回折格子等の光を波長によって選別する光学機器を新たに設置して照射するレーザー光の波長と違う波長の光を計測して特定の物質を含むかまたは特定の物質により形成される特定のエアロゾルのみを点の画像として計測し、その点の数からその特定の物質を含むエアロゾルの個数、粒径等を計測するものである。これにより、特定の限られた空間内に特定の物質を含むエアロゾルの濃度がわかり、その点の輝度により特定物質の量、大きさを推測することができる。
3 shows a YAG laser beam (wavelength of 532 nm, pulse width of 1 ns and pulse energy of up to 30 mJ) having a diameter of about 0.5 cm in the above-described measuring apparatus. 3) A concave lens having a focal length of -30 cm is used for the outgoing laser beam optical system. 9) Mie scattering, which is elastic scattering of light from various types of aerosols, etc. Alternatively, 10) scattered light having the same wavelength as the irradiation laser light caused by Rayleigh scattering is measured as an image. The method of the disclosed patented technology (publication number: Japanese Patent Laid-Open No. 2004-233078) is that this image is analyzed and processed by 5) an apparatus measurement control analysis unit and 11) the number and particle size of various aerosols in a specific space are measured. It is. In the present invention, unlike this method, in order to use a phenomenon in which a specific substance generates light different from the wavelength of irradiated laser light by laser irradiation, 6) an optical filter or optical filter for selecting light such as a diffraction grating by wavelength. Measure the light with a wavelength different from the wavelength of the laser light to be radiated by installing a new device, and measure only a specific aerosol that contains a specific substance or formed by a specific substance as a point image. The number of aerosols containing the specific substance, the particle size, etc. are measured from the number of particles. Thereby, the density | concentration of the aerosol containing a specific substance in a specific limited space is known, and the quantity and magnitude | size of a specific substance can be estimated from the brightness | luminance of the point.
図４は、照射するレーザー光の波長（532nm）の光を遮断して透過させず、光波長670nm近傍の光のみを透過させる光学フィルターを6)光学フィルターまたは回折格子等の光を波長によって選別する機器に用いた場合に図３と同様の光感度で観測した画像である。図４には図３のような斑点が現れないことから、レーザー光の波長（532nm）と同じ波長を有するエアロゾルからの10)散乱光は検出されず、多種雑多の特定の空間中のエアロゾルからの照射レーザー光と波長が異なり、この光学フィルターを通過する光は極端に小さいことがわかる。 Figure 4 shows an optical filter that blocks only the light with a wavelength of about 670 nm and does not transmit the light with the wavelength of the laser beam to be irradiated (532 nm). It is the image observed with the same light sensitivity as FIG. In FIG. 4, since the spots as shown in FIG. 3 do not appear, 10) scattered light from the aerosol having the same wavelength as the laser light (532 nm) is not detected, and from various aerosols in a specific space. It can be seen that the wavelength of the laser beam is different from that of, and the light passing through the optical filter is extremely small.
この状態で、使用する照射レーザー光の光励起により波長670nm近傍に最も強く蛍光を発する色素(オキサジン170、Oxazine170：K. Kato, Opt. Commun. 19(1) p.18, 1976)が溶かされたアルコール(メタノール)溶液（0.08g/l）の13)色素を含むエアロゾルミストを12)噴霧器を用いて、その11)特定空間内に噴霧して発生させた。その結果、図５のようなミストに溶解された色素から発する14)特有の光(~670nm)のみを検出し、そのミストの噴霧状態が観測された。図５の画像中、黒い部分はミストが希薄またはその空間に存在しないため白く斑点が写らない所である。この画像の濃淡によりその特定空間内の色素を含んだエアロゾルの空間分布が観測できる。また、この画像を連続的に検出することにより特定空間内でも13)エアロゾルミストの空間分布の時間変動を容易に観測することが可能となる。そのミストの空間分布は、噴霧された初期状態から拡散及び室内空調の空気の流れにより変動し、図６のように斑点が希薄になる。 In this state, the most fluorescent dye (Oxazine 170, Oxazine 170: K. Kato, Opt. Commun. 19 (1) p.18, 1976) was dissolved by the excitation of the irradiation laser light used. An aerosol mist containing 13) pigment in an alcohol (methanol) solution (0.08 g / l) was generated by spraying in a specific space 11) using a 12) nebulizer. As a result, only peculiar light (˜670 nm) emitted from the dye dissolved in the mist as shown in FIG. 5 was detected, and the spray state of the mist was observed. In the image of FIG. 5, the black part is a place where white spots are not reflected because the mist is thin or does not exist in the space. The spatial distribution of the aerosol containing the pigment in the specific space can be observed by the shading of this image. Further, by continuously detecting this image, it is possible to easily observe the temporal variation of the spatial distribution of the aerosol mist 13) even in a specific space. The spatial distribution of the mist fluctuates from the initial sprayed state due to diffusion and the flow of air in the room air conditioning, and the spots become dilute as shown in FIG.
図６の上部の黒い部分は、室内空調によりミストを含まない空気が特定空間の上部より流れ込んだためミストが希薄な領域である。図６中の白い点一つは、レーザー照射による光励起により6)光学フィルターまたは回折格子等の光を波長によって選別する機器の光学フィルターを透過することの可能な特有の波長の蛍光を発する色素を含んだエアロゾルである13)アルコールミスト一つに相当するものである。また、その点の輝度は、ミストの大きさまたは色素の量に依存し、輝度が高ければ、そのミストに含まれる色素の量は多くなる。 The black portion in the upper part of FIG. 6 is an area where the mist is lean because air that does not contain mist flows from the upper part of the specific space due to room air conditioning. One white point in FIG. 6 is a dye that emits fluorescence of a specific wavelength that can be transmitted through an optical filter of an apparatus that sorts light such as an optical filter or a diffraction grating by wavelength by light excitation by laser irradiation. It is equivalent to one alcohol mist which is an aerosol containing 13). In addition, the luminance at that point depends on the size of the mist or the amount of the dye. If the luminance is high, the amount of the dye contained in the mist increases.
これら図６中の白い点の数及び輝度を開示特許技術(公開番号：特開2005-221241)のような画像処理解析技術で計数すれば、斑点の輝度が色素の量またはミストの大きさに依存するので、その輝度を基にして色素を含むエアロゾルであるミストの数を表した図７のようなヒストグラムを得ることができる。その結果、限られた特定空間内に浮遊する色素を含む大小のミストのエアロゾル総数16,813個を計測することができた。本実施例により、レーザー照射により特定の物質を含むエアロゾルの個数、濃度、大きさ、粒径、及びエアロゾルが含む特定の物質の量等の計測が、レーザー照射によるエアロゾルが含む特定の物質からの固有の光画像計測により可能であることがわかる。 If the number and brightness of the white dots in FIG. 6 are counted by an image processing analysis technique such as a disclosed patent technology (publication number: JP-A-2005-221241), the brightness of the spots becomes the amount of pigment or the size of mist. Therefore, it is possible to obtain a histogram as shown in FIG. 7 showing the number of mists that are aerosols containing pigments based on the luminance. As a result, it was possible to measure a total of 16,813 aerosols of large and small mists containing pigment floating in a limited space. According to this embodiment, the number of aerosols containing a specific substance by laser irradiation, concentration, size, particle size, and the amount of the specific substance contained in the aerosol can be measured from the specific substance contained in the aerosol by laser irradiation. It can be seen that this is possible by the unique optical image measurement.
Claims (7)
レーザー出射地点より離れた屋外または室内大気中に浮遊するエアロゾル（大気中に浮遊する固体、液体、ミスト状の微粒子群の総称）にレーザー照射を施す手段と、
エアロゾルに付着しているか、またはエアロゾルに含まれる特定の物質からレーザー照射による光励起によって発生する特有の波長の光のみを画像として検出する手段であって、前記特有の波長はいずれも照射されたレーザーの波長とは異なり、前記画像には、前記特定の物質を含む個々のエアロゾルからの光が斑点として形成される、前記検出手段と、
前記画像に形成された斑点の個数及び輝度に基づいて、限られた特定の空間に前記特定の物質を含むエアロゾルのみの、個数、粒径または物質の量、あるいは、濃度の情報を特定の物質を含まない他の浮遊するエアロゾルと区別して遠隔において計測する手段と、
を備える、エアロゾル選別計測装置。 In laser radar equipment,
Means for irradiating an aerosol (a general term for solids, liquids, and mist-like microparticles floating in the atmosphere) floating in the outdoor or indoor atmosphere away from the laser emission point;
A means for detecting only light having a specific wavelength generated by photoexcitation by laser irradiation from a specific substance contained in the aerosol or contained in the aerosol as an image , both of which have been irradiated Unlike the wavelength of the detection means, the image is formed with light from individual aerosols containing the specific substance as spots.
Based on the number and brightness of the spots formed on the image, information on the number, particle size, amount of substance, or concentration of only the aerosol containing the specific substance in a limited specific space is specified. Means for remote measurement in distinction from other floating aerosols that do not contain
An aerosol sorting and measuring device.
前記レーザー照射を施す手段は、レーザー光発生装置とレーザー出射光学系とを備え、
前記特有の波長の光のみを画像として検出する手段は、光の集光光学系と、検出する光を波長によって選別する光学フィルターまたは回折格子である光学機器と、光の検出部である高速ゲート機能を有する高感度2次元光検出器とを備え、
前記計測する手段は、制御計測系からなり、ある任意の距離はなれた大気中の限られた空間からのエアロゾル個々に含まれる特定の物質から発する照射するレーザー光とは波長が異なるレーザー照射による特有の光を画像として計測することが可能であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のエアロゾル選別計測装置。 As the device configuration,
The laser irradiation means comprises a laser light generator and a laser emission optical system,
The means for detecting only the light of the specific wavelength as an image includes: a light condensing optical system; an optical device that is an optical filter or a diffraction grating that sorts the light to be detected according to the wavelength; With a highly sensitive two-dimensional photodetector
The measuring means consists of a control measurement system, and is unique to laser irradiation that has a wavelength different from that of the laser beam emitted from a specific substance contained in each aerosol contained from a limited space in the atmosphere at a certain arbitrary distance. The aerosol sorting and measuring apparatus according to any one of claims 1 to 3, wherein the light can be measured as an image .
By continuously changing and controlling the delay time of the shutter time and the laser emission direction by the high-speed gate function of the high-sensitivity two-dimensional photodetector, the number of aerosols containing specific substances floating in the atmosphere, the particle size, The aerosol sorting and measuring device according to any one of claims 4 to 6, wherein the spatial three-dimensional distribution information of the amount and the concentration can be measured.
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