JP7422316B2 - 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、大気中に出射し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、出射し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、エアロゾルを簡単に計測することができる小型のエアロゾル計測装置、及び、エアロゾルを簡単に計測することができる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、大気中にある散乱体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、（ｉ）前記光源から出射された出射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散乱体に照射し、かつ（ｉｉ）前記散乱体で発生した散乱光を前記内部で干渉させることによりミー散乱光を出射する光学素子と、前記ミー散乱光を受光し、受光強度に応じた信号を出力する受光器と、を備える。
また、本開示の他の一態様に係るエアロゾル計測装置は、大気中にある散乱体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出射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散乱体に照射する第１の光学素子と、前記散乱体で発生した散乱光を前記内部で干渉させることによりミー散乱光を出射する第２の光学素子と、前記ミー散乱光を受光し、受光強度に応じた信号を出力する受光器と、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、大気中にある散乱体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方法であって、光源から入射する光を光学素子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本のピークを有する干渉光を、前記散乱体に照射することと、前記散乱体で発生した散乱光を前記光学素子の前記内部で干渉させることにより、前記光学素子からミー散乱光を出射させることと、前記ミー散乱光を受光し、受光強度に応じた信号を取得することと、を含む。
また、本開示の他の一態様に係るエアロゾル計測方法は、大気中にある散乱体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方法であって、光源から入射する光を第１の光学素子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本のピークを有する干渉光を、前記散乱体に照射することと、前記散乱体で発生した散乱光を第２の光学素子の内部で干渉させることにより、前記第２の光学素子からミー散乱光を出射させることと、前記ミー散乱光を受光し、受光強度に応じた信号を取得することと、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、エアロゾルを簡単に計測することができる小型のエアロゾル計測装置などを提供することができる。
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３Ａ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３Ｂ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６Ａ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６Ｂ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、実施の形態１の変形例に係るエアロゾル計測装置の構成を示す図である。 図１１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１２は、実施の形態２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。 図１３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。
（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、大気中にある散乱体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、（ｉ）前記光源から出射された出射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散乱体に照射し、かつ（ｉｉ）前記散乱体で発生した散乱光を前記内部で干渉させることによりミー散乱光を出射する光学素子と、前記ミー散乱光を受光し、受光強度に応じた信号を出力する受光器と、を備える。
これにより、光路長を可変にする構成を必要としないので、エアロゾル計測装置の大型化を抑制することができる。また、光学素子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。このように、本態様によれば、エアロゾルを簡単に計測することができる小型のエアロゾル計測装置を実現することができる。
また、例えば、本開示の一態様に係るエアロゾル計測装置において、前記光学素子は、エタロンであってもよい。
これにより、光学素子がエタロンであるので、エアロゾル計測装置の大型化を抑制することができる。
また、例えば、本開示の一態様に係るエアロゾル計測装置において、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光学素子が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において、前記光学素子は、単一の光学素子であり、前記光源は、前記単一の光学素子を介して、前記複数本のピークを有する光を出射し、前記受光器は、前記単一の光学素子を通過した前記ミー散乱光を受光してもよい。
例えば、エタロンなどの光学素子は、熱の影響を受けて膨張した場合に光学特性も変化する。本態様によれば、光学素子の光学特性が変化したとしても、出射光と散乱光とが同じ単一の光学素子を通過するので、光学素子の特性の変化による影響を十分に抑えることができる。したがって、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装置において、前記光学素子は、前記出射光が通過する経路を含む第１部分と、前記散乱光が通過する経路を含む、前記第１部分とは異なる第２部分とを有してもよい。
これにより、出射光の経路と散乱光の経路とを容易に分離させることができるので、例えば、受光器と光源とを離して配置することができる。受光器と光源とを離して配置することによって、光源から出射された出射光の光学素子による反射光などが受光器に受光されるのを抑制することができる。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、受光器が検出できる限界強度を超えて受光器の故障の要因にもなりうる。このため、本態様によれば、反射光が受光器に受光されるのを抑制することができるので、エアロゾルの誤検知及び受光器の故障などを抑制することができる。
また、例えば、本開示の一態様に係るエアロゾル計測装置において、前記光学素子は、第１面と、前記第１面の反対側の第２面と、を有し、前記出射光及び前記散乱光は、前記第１面から前記光学素子に入射してもよい。
これにより、出射光と散乱光とを同じ面から光学素子に入射させることができるので、光源から出射された出射光のうち、光学素子で反射された光が受光器に入射されにくくすることができる。したがって、反射光によるエアロゾルの誤検知及び受光器の故障などを抑制することができる。
また、例えば、本開示の一態様に係るエアロゾル計測装置において、前記光学素子は、第１面と、前記第１面の反対側の第２面と、を有し、前記出射光は、前記第１面から前記光学素子に入射し、前記散乱光は、前記第２面から前記光学素子に入射してもよい。
これにより、エアロゾル計測装置内で光の経路を曲げる回数が少なくて済む。このため、ミラーなどの構成部品の個数及び配置スペースを削減することができ、軽量で小型のエアロゾル計測装置を実現することができる。
また、例えば、本開示の一態様に係るエアロゾル計測装置において、前記出射光は、パルス光であり、前記受光器は、前記パルス光が出射されてから、前記パルス光の時間幅より長い期間が経過するまで、受光を遮断した後、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、本開示の一態様に係るエアロゾル計測装置において、前記散乱光は、前記光学素子に対して斜めに入射してもよい。
これにより、入射角度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、本開示の一態様に係るエアロゾル計測装置において、前記光源は、レーザ素子又は発光ダイオード（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ：ＬＥＤ）であってもよい。
これにより、光学素子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散乱体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、前記散乱光を集光する集光部をさらに備え、前記集光部は、前記散乱光が前記光学素子の前記内部で干渉する前に、前記散乱光を集光してもよい。
これにより、光学素子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、エアロゾル粒子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装置は、前記信号を処理する信号処理回路をさらに備えてもよい。
また、本開示の他の一態様に係るエアロゾル計測装置は、大気中にある散乱体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出射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散乱体に照射する第１の光学素子と、前記散乱体で発生した散乱光を前記内部で干渉させることによりミー散乱光を出射する第２の光学素子と、前記ミー散乱光を受光し、受光強度に応じた信号を出力する受光器と、を備える。
これにより、出射光の経路と散乱光の経路とを容易に分離させることができるので、例えば、受光器と光源とを離して配置することができる。よって、光源から出射された出射光が受光器に受光されるのを抑制することができるので、エアロゾルの誤検知及び受光器の故障などを抑制することができる。また、エアロゾル計測装置の各素子の配置および光の経路の設計の自由度を高めることができる。
また、例えば、本開示の他の一態様に係るエアロゾル計測装置において、前記第１の光学素子及び前記第２の光学素子は、エタロンであってもよい。
これにより、光学素子がエタロンであるので、エアロゾル計測装置の大型化を抑制することができる。
また、例えば、本開示の他の一態様に係るエアロゾル計測装置において、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光学素子が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、本開示の他の一態様に係るエアロゾル計測装置において、前記出射光は、パルス光であり、前記受光器は、前記パルス光が出射されてから、前記パルス光の時間幅より長い期間が経過するまで、受光を遮断した後、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、本開示の他の一態様に係るエアロゾル計測装置において、前記散乱光は、前記第２の光学素子に対して斜めに入射してもよい。
これにより、入射角度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、本開示の他の一態様に係るエアロゾル計測装置において、前記光源は、レーザ素子又は発光ダイオードであってもよい。
これにより、光学素子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散乱体に向けて出射させることができる。
また、例えば、本開示の他の一態様に係るエアロゾル計測装置は、前記散乱光を集光する集光部をさらに備え、前記集光部は、前記散乱光が前記第２の光学素子の前記内部で干渉する前に、前記散乱光を集光してもよい。
これにより、光学素子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、エアロゾル粒子の計測精度を高めることができる。
また、例えば、本開示の他の一態様に係るエアロゾル計測装置は、前記信号を処理する信号処理回路をさらに備えてもよい。
また、本開示の一態様に係るエアロゾル計測方法は、大気中にある散乱体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方法であって、光源から入射する光を光学素子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本のピークを有する干渉光を、前記散乱体に照射することと、前記散乱体で発生した散乱光を前記光学素子の前記内部で干渉させることにより、前記光学素子からミー散乱光を出射させることと、前記ミー散乱光を受光し、受光強度に応じた信号を取得することと、を含む。
また、本開示の他の一態様に係るエアロゾル計測方法は、大気中にある散乱体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方法であって、光源から入射する光を第１の光学素子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本のピークを有する干渉光を、前記散乱体に照射することと、前記散乱体で発生した散乱光を第２の光学素子の内部で干渉させることにより、前記第２の光学素子からミー散乱光を出射させることと、前記ミー散乱光を受光し、受光強度に応じた信号を取得することと、を含む。
これにより、光学素子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。
本開示において、回路、ユニット、装置、部材または部の全部または一部、またはブロック図における機能ブロックの全部または一部は、例えば、半導体装置、半導体集積回路（ＩＣ）、またはＬＳＩ（ｌａｒｇｅ ｓｃａｌｅ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）を含む１つまたは複数の電子回路によって実行され得る。ＬＳＩまたはＩＣは、１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、１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）、もしくは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）、またはＬＳＩ内部の接合関係の再構成または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、部材または部の全部または一部の機能または動作は、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１つまたは複数の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。システムまたは装置は、ソフトウェアが記録されている１つまたは複数の非一時的記録媒体、処理装置（ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）、および必要とされるハードウェアデバイス、例えばインター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、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／または濃度を計測する。
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、光学素子１０と、光源２０と、ミラー２２と、集光部の一例である集光レンズ３０と、集光レンズ４０と、受光器５０と、信号処理回路の一例である分析部６０とを備える。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。
光学素子１０は、入射する光を内部で干渉させて、等しい周波数間隔の複数本のピークを有する光である干渉光として出射する。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、光学素子１０は、単一の光学素子である。つまり、光学素子１０は、分離できない１つの部材である。光学素子１０の形状は、例えば、円柱体又は角柱体などである。光学素子１０は、具体的にはエタロンである。
図１に示されるように、光学素子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す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。
光学素子１０は、光源２０から出射された出射光Ｌ１が入射されて、出射光Ｌ１を内部で干渉させることにより、等しい周波数間隔の複数本のピークを有する光である出射光Ｌ２を出射する。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は光学素子１０の多層膜１２から入射し、出射光Ｌ２は多層膜１３から出射する。多層膜１２の出射光Ｌ１が入射する面は、光学素子１０の第１面の一例である。多層膜１３の出射光Ｌ２が出射する面は、光学素子１０の第２面の一例であり、第１面とは反対側の面である。
また、光学素子１０には、集光レンズ３０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、光学素子１０の多層膜１３から入射する。つまり、出射光Ｌ１の入射面と散乱光Ｌ３の入射面とは異なっている。
また、図１に示されるように、光学素子１０は、出射光Ｌ１が通過する経路を含む第１部分１０ａと、散乱光Ｌ３が通過する経路を含む第２部分１０ｂとを有する。図１では、第１部分１０ａと第２部分１０ｂとの境界を破線で模式的に表している。第１部分１０ａと第２部分１０ｂとは、互いに異なる部分である。例えば、光学素子１０が円柱状のエタロンである場合、第１部分１０ａと第２部分１０ｂとは、中心軸を含む面で仮想的にエタロンを分割したときの半円柱状の部分に相当する。なお、円柱状のエタロンの円形の上面及び底面が光の入射面及び出射面に相当する。出射光Ｌ１の経路と散乱光Ｌ３の経路とは、例えば平行である。
散乱光Ｌ３には、等しい周波数間隔の複数本のピークを有する光が含まれるので、光学素子１０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、光学素子１０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、光学素子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。具体的には、光学素子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、光学素子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。さらに、光学素子１０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、光学素子１０は、集光レンズ３０と集光レンズ４０との間に位置している。
光源２０は、光学素子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、光学素子１０の内部で干渉することにより、等しい周波数間隔の複数のピークを有する光である出射光Ｌ２として大気中に出射する。
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（Light Emitting Diode：ＬＥＤ）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を反射して光学素子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を集光するものである。集光部の一例として、例えば、凸状の集光レンズ３０、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３０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３０によって集光された散乱光Ｌ３は、光学素子１０に入射する。散乱光Ｌ３の信号強度が強い場合は、特に、集光部が配置されていなくてもよい。
集光レンズ３０によって集光された散乱光Ｌ３は、光学素子１０に入射する。
集光レンズ４０は、集光レンズ３０によって集光された散乱光Ｌ３のうち、光学素子１０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３０によって集光された散乱光Ｌ３のうち、光学素子１０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。分析部６０は、信号処理回路の一例である。
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。
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３０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、光源２０が出射光Ｌ１を出射する（Ｓ１０）。出射光Ｌ１は、光学素子１０を通過することによって、等しい周波数間隔の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、光学素子１０は、入射する光を内部で干渉させて、等しい周波数間隔の複数本のピークを有する光として出射する（Ｓ１２）。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３０は、散乱体９０から発生する散乱光Ｌ３を集光する（Ｓ１４）。集光レンズ３０によって集光された散乱光Ｌ３は、光学素子１０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光学素子１０の内部で干渉させて、光学素子１０を通過させる。（Ｓ１６）。言い換えると、光学素子１０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（Ｓ１８）。
分析部６０は、受光器５０から出力された信号を処理することで、散乱体９０に含まれるエアロゾルを分析する（Ｓ２０）。
エアロゾル計測装置１は、以上のステップＳ１０からステップＳ２０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。
［３．光学素子の機能］
続いて、光学素子１０の具体的な機能について説明する。
上述したように、光学素子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、等しい周波数間隔の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３Ａ及び図３Ｂを用いて説明する。
図３Ａ及び図３Ｂ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３Ａ及び図３Ｂ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３Ａは、光学素子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３Ｂは、図３Ａ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が光学素子１０を通過することで、光学素子１０内で干渉されて、干渉光である出射光Ｌ２として出射する。光学素子１０であるエタロンは、入射する光と、エタロン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、エタロン内で光が増強されて透過する。エタロンの多層膜１３は、光を透過したり、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の光学素子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。
光学素子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、光学素子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、光が多層膜１３において多層膜１２の方向に反射され、エタロン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、光学素子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。
周波数間隔ＬＷ２を実現するためのエタロンの長さ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 0007422316000001
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。Ｎ１は、エタロンの透光部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 0007422316000002
例えば、Δｘ＝３４ｍｍの場合、光路差ｄｘは１００ｍｍになる。
次に、図３Ａ及び図３Ｂ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６Ａ及び図６Ｂを用いて説明する。
図６Ａ及び図６Ｂ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６Ａ及び図６Ｂ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６Ａ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、等しい周波数間隔ＭＷ２の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６Ｂは、図６Ａ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６Ｂに示されるように、散乱光Ｌ３のスペクトルは、図３Ｂ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６Ｂ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 0007422316000003
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、光学素子１０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ＶＩ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、光学素子１０であるエタロンの長さ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９の部分（ａ）から部分（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）から部分（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、光学素子１０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。したがって、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、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、レイリー散乱光が光学素子１０を透過するのを抑制することができる。
以上のことから、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。周波数間隔ＬＷ２が３．９ＧＨｚである場合、式（１）により、石英で作られたエタロンの長さΔｘは、約２６ｍｍとなる。つまり、長さΔｘが２６ｍｍ以上のエタロンを光学素子１０として用いることで、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．変形例］
次に、実施の形態１の変形例について説明する。
実施の形態１では、出射光Ｌ１と散乱光Ｌ３とで光学素子１０に対する入射面が相違している。これに対して、本変形例では、出射光Ｌ１と散乱光Ｌ３との光学素子１０に対する入射面が同じである。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１０は、本変形例に係るエアロゾル計測装置１０１の構成を示す図である。図１０に示されるように、エアロゾル計測装置１０１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１０に示されるように、ミラー３２及び３４は、集光レンズ３０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を反射して光学素子１０に入射させる。
これにより、出射光Ｌ１と散乱光Ｌ３とはいずれも、多層膜１２から光学素子１０に入射する。つまり、出射光Ｌ１と散乱光Ｌ３とは、光学素子１０の第１面から入射し、第１面とは反対側の第２面から出射する。出射光Ｌ１及び散乱光Ｌ３の入射面を同じにすることで、光学素子１０内での光の経路を分離させやすくすることができる。
ミラー３６は、光学素子１０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１０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、光学素子１０で反射された反射光が受光器５０に入射され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、本変形例によれば、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、本変形例では、ミラー３４によって反射された散乱光Ｌ３は、光学素子１０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が光学素子１０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（４）で表される。
Figure 0007422316000004
このとき、θ＝０の場合からの変化量Δｄｘは、式（５）で表される。
Figure 0007422316000005
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、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１１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１１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、新たに遮光部２５１を備える。
遮光部２５１は、光源２０が出射する出射光Ｌ１を遮断する。遮光部２５１は、例えば、可動式の遮光シャッターである。図１１の白抜きの両矢印で示されるように、遮光部２５１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１１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２５１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２５１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２５１の位置は、受光器５０によって制御される。
図１２は、本実施の形態に係るエアロゾル計測装置２０１の遮光部２５１の動作を説明するための図である。図１２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１２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１２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が光学素子１０に入射された場合、図１１に示されるように、一部の光は、光学素子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１２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。
光学素子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、光学素子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２５１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が経過するまでの間、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２０１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２０１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。
（実施の形態３）
次に、実施の形態３について説明する。
実施の形態１では、出射光Ｌ１と散乱光Ｌ３とが単一の光学素子１０に入射する例について示した。これに対して、実施の形態３では、出射光Ｌ１と散乱光Ｌ３とがそれぞれ、互いに異なる光学素子に入射する。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３０１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３０１は、図１に示されるエアロゾル計測装置１と比較して、光学素子１０の代わりに２つの光学素子３１０及び３１５を備える。
光学素子３１０及び３１５はそれぞれ、互いに同じ光学特性を有する第１の光学素子及び第２の光学素子の一例である。例えば、光学素子３１０及び３１５はそれぞれ、実施の形態１に係る光学素子１０と同じ光学特性を有し、入射する光を内部で干渉させて、等しい周波数間隔の複数本のピークを有する光として出射する。光学素子３１０及び３１５の各々に同じ光を入射した場合、光学素子３１０から出射される光の周波数間隔と、光学素子３１５から出射される光の周波数間隔とは同じである。光学素子３１０および３１５はそれぞれ、同じ光学特性を有するエタロンである。
また、実施の形態１と同様に、上記の光の周波数間隔は、３．９ＧＨｚ以下であってもよい。
本実施の形態では、光学素子３１０は、出射光Ｌ１の光路上に位置する。光学素子３１０は、入射した出射光Ｌ１を内部で干渉させて、マルチ光である出射光Ｌ２として大気中に出射する。光学素子３１０は、実施の形態１に係る光学素子１０の第１部分１０ａに相当する。
光学素子３１５は、散乱光Ｌ３の光路上に位置する。光学素子３１５は、集光レンズ３０によって集光された散乱光Ｌ３を内部で干渉させて、ミー散乱光Ｌ４を通過させる。つまり、光学素子３１５は、入射した散乱光Ｌ３からレイリー散乱光を除去し、ミー散乱光Ｌ４を透過させる。光学素子３１５は、実施の形態１に係る光学素子１０の第２部分１０ｂに相当する。
このように、本実施の形態に係るエアロゾル計測装置３０１では、２つの光学素子３１０及び３１５を備えるので、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３０１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。
（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、光学素子は、エタロンでなくてもよい。光学素子は、エタロンと同様に、ファブリペロー干渉を起こさせる素子であればよい。
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（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、エアロゾルを簡単に計測することができる小型の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、３１０、３１５ 光学素子
１０ａ 第１部分
１０ｂ 第２部分
１１ 透光部
１２、１３ 多層膜
２０ 光源
２２、３２、３４、３６ ミラー
３０、４０ 集光レンズ
５０ 受光器
６０ 分析部
９０ 散乱体
２５１ 遮光部
Ｌ１、Ｌ２ 出射光
Ｌ３ 散乱光
Ｌ４ ミー散乱光
Ｌ５ 反射光

Claims (21)

  1. 大気中にある散乱体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、
    （ｉ）前記光源から出射された出射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散乱体に照射し、かつ（ｉｉ）前記散乱体で発生した散乱光を前記内部で干渉させることによりミー散乱光を出射する光学素子と、
    前記ミー散乱光を受光し、受光強度に応じた信号を出力する受光器と、を備える、
    エアロゾル計測装置。
  2. 前記光学素子は、エタロンである、
    請求項１に記載のエアロゾル計測装置。
  3. 前記周波数間隔は、３．９ＧＨｚ以下である、
    請求項１又は２に記載のエアロゾル計測装置。
  4. 前記光学素子は、
    前記出射光が通過する経路を含む第１部分と、
    前記散乱光が通過する経路を含む、前記第１部分とは異なる第２部分と、を有する、
    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. 前記光学素子は、第１面と、前記第１面の反対側の第２面と、を有し、
    前記出射光及び前記散乱光は、前記第１面から前記光学素子に入射する、
    請求項４に記載のエアロゾル計測装置。
  6. 前記光学素子は、第１面と、前記第１面の反対側の第２面と、を有し、
    前記出射光は、前記第１面から前記光学素子に入射し、
    前記散乱光は、前記第２面から前記光学素子に入射する、
    請求項４に記載のエアロゾル計測装置。
  7. 前記出射光は、パルス光であり、
    前記受光器は、前記パルス光が出射されてから、前記パルス光の時間幅より長い期間が経過するまで、受光を遮断した後、前記ミー散乱光を受光する、
    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. 前記散乱光は、前記光学素子に対して斜めに入射する、
    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８のいずれか１項に記載のエアロゾル計測装置。
  10. 前記散乱光を集光する集光部をさらに備え、
    前記集光部は、前記散乱光が前記光学素子の前記内部で干渉する前に、前記散乱光を集光する、
    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. 前記信号を処理する信号処理回路をさらに備える、
    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. 大気中にある散乱体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出射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散乱体に照射する第１の光学素子と、
    前記散乱体で発生した散乱光を前記内部で干渉させることによりミー散乱光を出射する第２の光学素子と、
    前記ミー散乱光を受光し、受光強度に応じた信号を出力する受光器と、を備える、
    エアロゾル計測装置。
  13. 前記第１の光学素子及び前記第２の光学素子は、エタロンである、
    請求項１２に記載のエアロゾル計測装置。
  14. 前記周波数間隔は、３．９ＧＨｚ以下である、
    請求項１２又は１３に記載のエアロゾル計測装置。
  15. 前記出射光は、パルス光であり、
    前記受光器は、前記パルス光が出射されてから、前記パルス光の時間幅より長い期間が経過するまで、受光を遮断した後、前記ミー散乱光を受光する、
    請求項１２から１４のいずれか１項に記載のエアロゾル計測装置。
  16. 前記散乱光は、前記第２の光学素子に対して斜めに入射する、
    請求項１２から１５のいずれか１項に記載のエアロゾル計測装置。
  17. 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１２から１６のいずれか１項に記載のエアロゾル計測装置。
  18. 前記散乱光を集光する集光部をさらに備え、
    前記集光部は、前記散乱光が前記第２の光学素子の前記内部で干渉する前に、前記散乱光を集光する、
    請求項１２から１７のいずれか１項に記載のエアロゾル計測装置。
  19. 前記信号を処理する信号処理回路をさらに備える、
    請求項１２から１８のいずれか１項に記載のエアロゾル計測装置。
  20. 大気中にある散乱体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方法であって、
    光源から入射する光を光学素子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本のピークを有する干渉光を、前記散乱体に照射することと、
    前記散乱体で発生した散乱光を前記光学素子の前記内部で干渉させることにより、前記光学素子からミー散乱光を出射させることと、
    前記ミー散乱光を受光し、受光強度に応じた信号を取得することと、を含む、
    エアロゾル計測方法。
  21. 大気中にある散乱体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方法であって、
    光源から入射する光を第１の光学素子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本のピークを有する干渉光を、前記散乱体に照射することと、
    前記散乱体で発生した散乱光を第２の光学素子の内部で干渉させることにより、前記第２の光学素子からミー散乱光を出射させることと、
    前記ミー散乱光を受光し、受光強度に応じた信号を取得することと、を含む、
    エアロゾル計測方法。
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