JPWO2018055771A1

JPWO2018055771A1 - 計測装置

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Publication number: JPWO2018055771A1
Application number: JP2018540599A
Authority: JP
Inventors: 智夫五明; 尚也藤本; 廉士澤田; 大史野上; 伸友森田; 文弥中島
Original assignee: Kyushu University NUC; Aichi Tokei Denki Co Ltd
Current assignee: Kyushu University NUC; Aichi Tokei Denki Co Ltd
Priority date: 2016-09-26
Filing date: 2016-09-26
Publication date: 2019-07-04
Anticipated expiration: 2036-09-26
Also published as: WO2018055771A1; JP6908245B2

Abstract

計測装置１は、レーザー光照射装置２と受光装置３を備えている。レーザー光照射装置２は、流路６０内の計測点１０に向かって進行する第１のレーザー光Ｌ１と、第１のレーザー光Ｌ１と異なる方向から流路６０内の計測点１０に向かって進行する第２のレーザー光Ｌ２を照射する。受光装置３は、レーザー光照射装置２から照射された第１のレーザー光Ｌ１と第２のレーザー光Ｌ２が計測点１０を通過する粒子Ｒに当たったときに生じる第１の散乱光Ｐ１と第２の散乱光Ｐ２を受光する。受光装置３は、受光素子３１と、受光素子３１と計測点１０の間に形成されている中空の光通過孔３５を備えている。光通過孔３５は、計測点１０から受光素子３１に向かう方向に延びており、計測点１０を通過する粒子Ｒによって生じた第１の散乱光Ｐ１と第２の散乱光Ｐ２が光通過孔３５を通過して受光素子３１に入射する。

Description

本明細書に開示する技術は、計測装置に関する。

従来から、計測対象物の速度を計測するレーザードップラー式の計測装置が知られている。レーザードップラー式の計測装置は、レーザー光照射装置と受光装置と処理装置を備えている。レーザー光照射装置は、移動する計測対象物に向かってレーザー光を照射する。レーザー光照射装置から照射されたレーザー光は、移動する計測対象物に当たったときに散乱して散乱光が生じる。そのときに生じた散乱光を受光装置が受光する。受光装置が散乱光を受光すると、処理装置がその散乱光の周波数に基づいて計測対象物の速度を演算する。処理装置は、公知のドップラーシフトに基づく演算方法によって計測対象物の速度を演算する。

特許文献１（日本国特開平５−６６２２６号公報）には、移動する計測対象物に向かって異なる２方向からレーザー光を照射するレーザー光照射装置を備えている計測装置が開示されている。特許文献１の計測装置は、レーザー光照射装置と受光装置と処理装置を備えている。レーザー光照射装置は、移動する計測対象物に向かって第１のレーザー光と第２のレーザー光を照射する。第１のレーザー光と第２のレーザー光は、計測対象物に向かって互いに異なる方向から照射される。レーザー光照射装置から照射された第１のレーザー光と第２のレーザー光は、移動する計測対象物に当たったときに散乱し、それぞれの散乱光が生じる。そのときに生じたそれぞれの散乱光を受光装置が受光する。また、特許文献１の計測装置では、受光装置が集光レンズを備えており、この集光レンズによって様々な散乱光を集光して受光する。受光装置が第１のレーザー光と第２のレーザー光の散乱光を受光すると、処理装置がそれぞれの散乱光の周波数に基づいて計測対象物の速度を演算する。処理装置は、公知のドップラーシフトに基づく演算方法によって計測対象物の速度を演算する。

計測対象物の速度を計測する計測装置では、流路を流れる流体中の粒子の速度を計測することがある。つまり、計測対象物が流体中の粒子であることがある。流体中の粒子としては、例えば、血液中の赤血球等が考えられる。計測装置が流路を流れる血液中の赤血球の速度を計測することになる。これによって、血液の流速を知ることができる。

一般的に流路を流れる流体中には無数の粒子が存在している。例えば、血液中には無数の赤血球が存在している。無数の粒子は流体中に拡散して存在している。そのため、無数の粒子の中には、例えば、流路の中心部を通過する粒子もあれば、流路の周縁部を通過する粒子もある。また、流体中の無数の粒子の速度は様々である。速度が速い粒子もあれば、速度が遅い粒子もある。

特許文献１の計測装置を用いて流路を流れる流体中の粒子の速度を計測する場合は、レーザー光照射装置から流路内の任意の計測点に向かって第１のレーザー光と第２のレーザー光を照射する。第１のレーザー光と第２のレーザー光は、流路内の計測点に向かって互いに異なる方向から照射される。レーザー光照射装置から照射された第１のレーザー光と第２のレーザー光は、計測点を通過する粒子に当たったときに散乱し、それぞれの散乱光が生じる。そのときに生じたそれぞれの散乱光を受光装置が受光する。受光装置は、集光レンズによって様々な散乱光を集光して受光する。そして、受光装置が受光したそれぞれの散乱光の周波数に基づいて、処理装置が計測点を通過する粒子の速度を演算する。

計測点を通過する粒子の速度を計測するためには、レーザー光照射装置から計測点に向かって第１のレーザー光と第２のレーザー光を照射する際に、各レーザー光を計測点のみに照射すればよい。そうすれば、計測点を通過する粒子のみに第１のレーザー光と第２のレーザー光が当たり、各レーザー光がその粒子に当たったときに生じる散乱光のみを取り出すことができる。したがって理想的には、第１のレーザー光と第２のレーザー光を照射する際に、第１のレーザー光と第２のレーザー光が計測点のみで重なり合うように照射することが好ましい。しかしながら現実的には、第１のレーザー光と第２のレーザー光を計測点のみに照射することは困難であり、光の拡散等によって計測点の周辺にも第１のレーザー光と第２のレーザー光が照射されてしまう。つまり、第１のレーザー光と第２のレーザー光が、光の拡散等によって計測点及びその周辺で重なり合うように照射されてしまう。そうすると、レーザー光照射装置から照射された第１のレーザー光と第２のレーザー光が粒子に当たって散乱するときに、計測点を通過する粒子に当たって散乱するだけでなく、計測点の周辺を通過する粒子にも第１のレーザー光と第２のレーザー光が当たって散乱してしまう。そのため、計測点を通過する粒子によって生じた散乱光だけでなく、計測点の周辺を通過する粒子によって生じた散乱光も取り出してしまうことになる。そうすると、流体中の無数の粒子の速度が様々であるので、様々な速度の粒子によって生じた様々な散乱光を受光装置が受光することになる。その結果、処理装置が様々な散乱光の周波数に基づいて粒子の速度を演算することになってしまい、流路を流れる流体中の粒子の速度を正確に計測することが困難になる。また、特許文献１の計測装置では、受光装置が集光レンズによって様々な散乱光を集光して受光しているので、処理装置が様々な散乱光の周波数に基づいて粒子の速度を演算することになる。その結果、流路を流れる流体中の粒子の速度を正確に計測することが困難になる。このように、特許文献１の計測装置では、計測点を通過する粒子によって生じた散乱光だけでなく、余分な散乱光も受光してしまうので、粒子の速度を正確に計測することが困難になる。特許文献１の計測装置は、計測対象物の速度が均一である場合は問題無いが、流体中の粒子のように速度が様々である場合は問題が生じてしまう。そこで本明細書は、余分な散乱光を受光することを抑制できる技術を提供する。

本明細書に開示する計測装置は、流路を流れる流体中の粒子の速度を計測するための装置である。この計測装置は、レーザー光照射装置と受光装置を備えている。レーザー光照射装置は、流路内の計測点に向かって進行する第１のレーザー光と、第１のレーザー光と異なる方向から流路内の計測点に向かって進行する第２のレーザー光を照射する。受光装置は、レーザー光照射装置から照射された第１のレーザー光と第２のレーザー光が計測点を通過する粒子に当たったときにそれぞれ生じる散乱光を受光する。受光装置は、受光素子と、受光素子と計測点の間に形成されている中空の光通過孔を備えている。光通過孔は、計測点から受光素子に向かう方向に延びており、計測点を通過する粒子によって生じた散乱光が光通過孔を通過して受光素子に入射する。

このような構成によれば、計測点を通過する粒子によって生じた散乱光のみが光通過孔を通過して受光素子に入射する。レーザー光照射装置から第１のレーザー光と第２のレーザー光が照射されたときに、計測点だけでなく、計測点の周辺にも第１のレーザー光と第２のレーザー光が照射されてしまうことがある。そうすると、計測点を通過する粒子だけでなく、計測点の周辺を通過する粒子によっても散乱光が生じてしまう。しかしながら、上記の構成によれば、光通過孔を備えているので、計測点の周辺を通過する粒子によって生じた散乱光が受光素子に入射することを抑制できる。すなわち、上記の構成によれば、計測点と受光素子の間で光通過孔が計測点から受光素子に向かう方向に延びているので、計測点を通過する粒子によって生じた散乱光は光通過孔を通過して受光素子に入射するが、計測点の周辺を通過する粒子によって生じた散乱光は、光通過孔の存在によって受光素子に入射しにくくなる。これによって、余分な散乱光を受光することを抑制できる。そのため、流路を流れる流体中の粒子の速度を正確に計測することができる。

実施例に係る計測装置の概略構成を示す図である。図１の要部ＩＩの拡大図である。実施例に係る受光装置の概略構成を示す図である。実施例に係る計測装置のブロック図である。他の実施例に係る計測装置の概略構成を示す図である。光通過孔の一例を示す断面図である。光通過孔の他の一例を示す断面図である。光通過孔の更に他の一例を示す断面図である。他の実施例に係る受光装置の概略構成を示す図である。

以下に説明する実施例の主要な特徴を列記する。なお、以下に記載する技術要素は、それぞれ独立した技術要素であって、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものである。

（特徴１）レーザー光照射装置は、レーザー光を発光する発光素子と、発光素子が発光したレーザー光を第１のレーザー光と、第１のレーザー光と異なる方向に進行する第２のレーザー光に分ける回折格子を備えていてもよい。また、レーザー光照射装置は、回折格子によって分けられた第１のレーザー光が入射する第１の透過反射面であって、入射した第１のレーザー光の一部が透過し、他の一部が反射し、反射した第１のレーザー光が計測点に向かって進行する第１の透過反射面を備えていてもよい。また、レーザー光照射装置は、回折格子によって分けられた第２のレーザー光が入射する第２の透過反射面であって、入射した第２のレーザー光の一部を透過し、他の一部を反射し、反射された第２のレーザー光が計測点に向かって進行する第２の透過反射面を備えていてもよい。

このような構成によれば、第１のレーザー光の一部（第１の透過反射面で透過する成分）を除去することができ、他の一部（第１の透過反射面で反射する成分）のみが計測点に向かって進行するので、計測点に向かって進行する第１のレーザー光の強度の強い光の広がりを絞ることができる。同様に、第２のレーザー光の一部（第２の透過反射面で透過する成分）を除去することができ、他の一部（第２の透過反射面で反射する成分）のみが計測点に向かって進行するので、計測点に向かって進行する第２のレーザー光の強度の強い光の広がりを絞ることができる。強度を弱くすることによって、計測点に向かって第１のレーザー光と第２のレーザー光が照射されたときに、第１のレーザー光と第２のレーザー光が計測点の周辺に広がることを抑制することができる。そのため、計測点の周辺を通過する粒子によって散乱光が生じることを抑制することができる。したがって、余分な散乱光を受光することを抑制できる。

（特徴２）第１の透過反射面に入射する第１のレーザー光の光軸の入射角が、第１の透過反射面における臨界角より小さくてもよい。第２の透過反射面に入射する第２のレーザー光の光軸の入射角が、第２の透過反射面における臨界角より小さくてもよい。

このような構成によれば、第１の透過反射面に入射する第１のレーザー光のうち、透過する成分を多くすることができる（反射する成分を少なくすることができる）。同様に、第２の透過反射面に入射する第２のレーザー光のうち、透過する成分を多くすることができる（反射する成分を少なくすることができる）。これによって、第１の透過反射面で反射して計測点に向かって進行する第１のレーザー光の強度と、第２の透過反射面で反射して計測点に向かって進行する第２のレーザー光の強度を弱くすることができる。強度を弱くすることによって、計測点に向かって第１のレーザー光と第２のレーザー光が照射されたときに、第１のレーザー光と第２のレーザー光が計測点の周辺に広がることを抑制することができる。

（特徴３）計測装置は、回折格子と第１の透過反射面及び第２の透過反射面の間の距離を変える移動装置を更に備えていてもよい。

このような構成によれば、回折格子によって分けられた第１のレーザー光と第２のレーザー光が第１の透過反射面と第２の透過反射面に入射する位置を変えることができる。これによって、第１のレーザー光と第２のレーザー光が照射される位置を変えることができ、流路内の計測点の位置を変えることができる。

（特徴４）回折格子が、反射型の回折格子であってもよい。発光素子が、回折格子と第１の透過反射面と第２の透過反射面の間に配置されていてもよい。発光素子が発光したレーザー光が回折格子で反射することによって第１のレーザー光と第２のレーザー光に分かれる構成であってもよい。

このような構成によれば、計測装置をコンパクトにすることができる。なお、回折格子が透過型の回折格子であると、発光素子を回折格子に対して第１の透過反射面と第２の透過反射面の反対側に配置しなければならず、計測装置が大型化してしまう。

以下に実施例について添付図面を参照して説明する。図１に示すように、実施例に係る計測装置１は、固定具６２によって管６１に固定されて使用される。管６１内に流路６０が形成されている。計測装置１は、流路６０を流れる流体Ｆ中の粒子Ｒの速度ｖを計測する装置である。これによって、流体Ｆの流速を知ることができる。

流路６０を流れる流体Ｆ中には無数の粒子Ｒが存在している。無数の粒子Ｒは流体Ｆ中に拡散して存在している。したがって、無数の粒子Ｒの中には、例えば、流路６０の中心部を通過する粒子Ｒもあれば、流路６０の周縁部を通過する粒子Ｒもある。また、無数の粒子Ｒの速度は様々である。速度が速い粒子Ｒもあれば、速度が遅い粒子Ｒもある。流路６０を流れる流体Ｆ中の粒子Ｒの速度ｖを計測する際に、流路６０内の特定の計測点１０に絞って粒子Ｒの速度ｖを計測することがある。流路６０内の計測点１０の位置は特に限定されるものではないが、例えば、流路６０の中心部を計測点１０として、流路６０の中心部を通過する粒子Ｒの速度ｖを計測することができる。一般的に、流路６０の中心部を流れる流体Ｆの流速は、流路６０の全体を流れる流体Ｆの平均流速の２倍に相当することが知られている。

流路６０を流れる流体Ｆとしては、例えば血液が挙げられる。流体Ｆ中の粒子Ｒとしては、例えば赤血球が挙げられる。計測装置１によって血液中の赤血球の速度を計測することができる。これによって、血液の流速を知ることができる。医療現場では、患者の体内を流れる血液を体外に送り出し、体外に送り出した血液を再び体内に送り戻す体外循環が行われることがある。この体外循環では、体外循環用の管が患者の血管に接続され、患者の血管を流れる血液が体外循環用の管に流入し、体外循環用の管を流れた血液が再び患者の血管に戻される。図１に示す計測装置１によって体外循環用の管６１を流れる血液（流体Ｆ）中の赤血球（粒子Ｒ）の速度ｖを計測することができる。

図１に示すように、計測装置１は、レーザー光照射装置２と、受光装置３と、処理装置９を備えている。レーザー光照射装置２は、発光素子２１と、コリメーターレンズ２２と、回折格子２３と、導光体２４を備えている。発光素子２１は、例えばレーザーダイオード（ＬＤ）である。発光素子２１は、コリメーターレンズ２２と対向するように配置されている。発光素子２１は、コリメーターレンズ２２に向けてレーザー光を発光する。発光素子２１が発光したレーザー光がコリメーターレンズ２２に入射する。発光素子２１は、導光体２４とは反対側にレーザー光を発光する。発光素子２１は、回折格子２３と導光体２４の間に配置されている。

コリメーターレンズ２２は、発光素子２１と回折格子２３の間に配置されている。コリメーターレンズ２２は、発光素子２１が発光したレーザー光Ｌを平行光にして出射する。コリメーターレンズ２２から出射したレーザー光Ｌ（平行光）は、回折格子２３に入射する。

回折格子２３は、コリメーターレンズ２２と対向するように配置されている。回折格子２３は、可動式になっており、移動装置２５によって回折格子２３を移動させることができる。移動装置２５は、回折格子２３と導光体２４の間の距離を変えることができる。移動装置２５は、例えば機械式の装置であり、ボルトを回すことによって回折格子２３を上下動させることができる。回折格子２３の位置を変えることによって、流路６０内の計測点１０の位置を変えることができる。回折格子２３は、光の回折を利用して回折格子２３に入射したレーザー光Ｌを第１のレーザー光Ｌ１と第２のレーザー光Ｌ２に分ける。回折格子２３は、反射型の回折格子である。回折格子２３に入射したレーザー光Ｌが回折格子２３で反射するときに第１のレーザー光Ｌ１と第２のレーザー光Ｌ２に分かれる。発光素子２１が発光したレーザー光Ｌが回折格子２３で反射することによって第１のレーザー光Ｌ１と第２のレーザー光Ｌ２に分かれる。

回折格子２３によって生じた第１のレーザー光Ｌ１と第２のレーザー光Ｌ２は、異なる方向に進行する。第１のレーザー光Ｌ１と第２のレーザー光Ｌ２は、共に導光体２４に向かって進行するが、発光素子２１とコリメーターレンズ２２を結ぶ線に関して線対称になるように進行する。図１に示す例では、第１のレーザー光Ｌ１が右斜め上方に向かって進行し、第２のレーザー光Ｌ２が左斜め上方に向かって進行する。第１のレーザー光Ｌ１の波長と第２のレーザー光Ｌ２の波長は同じ波長である。また、第１のレーザー光Ｌ１の周波数と第２のレーザー光Ｌ２の周波数は同じ周波数である。

導光体２４は、回折格子２３と管６１の間に配置されている。回折格子２３によって生じた第１のレーザー光Ｌ１と第２のレーザー光Ｌ２が導光体２４に入射する。導光体２４は、例えば直方体形状の透明なガラスブロックによって形成されている。導光体２４は、入射面４１、出射面４２、第１の側面４３および第２の側面４４を備えている。入射面４１は、回折格子２３と対向するように配置されている。入射面４１から第１のレーザー光Ｌ１と第２のレーザー光Ｌ２が入射する。入射面４１から入射した第１のレーザー光Ｌ１は、第１の側面４３に向かって進行する。第１の側面４３に第１のレーザー光Ｌ１が入射する。また、入射面４１から入射した第２のレーザー光Ｌ２は、第２の側面４４に向かって進行する。第２の側面４４に第２のレーザー光Ｌ２が入射する。

第１の側面４３と第２の側面４４は、入射面４１と出射面４２の間に配置されている。第１の側面４３では、入射した第１のレーザー光Ｌ１の一部が透過し、他の一部が反射する。すなわち、第１の側面４３は、第１のレーザー光Ｌ１を透過及び反射する透過反射面になっている。以下では、第１の側面を第１の透過反射面と呼ぶ場合がある。あるいは、第１の側面を第１のハーフミラーと呼ぶ場合もある。第１の透過反射面４３（第１の側面４３あるいは第１のハーフミラー４３）で反射した第１のレーザー光Ｌ１は、出射面４２に向かって進行して出射面４２から出射する。同様に、第２の側面４４では、入射した第２のレーザー光Ｌ２の一部が透過し、他の一部が反射する。すなわち、第２の側面４４は、第２のレーザー光Ｌ２を透過及び反射する透過反射面になっている。以下では、第２の側面を第２の透過反射面と呼ぶ場合がある。あるいは、第２の側面を第２のハーフミラーと呼ぶ場合もある。第２の透過反射面４４（第２の側面４４あるいは第２のハーフミラー４４）で反射した第２のレーザー光Ｌ２は、出射面４２に向かって進行して出射面４２から出射する。

出射面４２は、管６１と対向するように配置されている。出射面４２から第１のレーザー光Ｌ１と第２のレーザー光Ｌ２が出射する。出射面４２から出射した第１のレーザー光Ｌ１と第２のレーザー光Ｌ２は、管６１内に入射する。第１のレーザー光Ｌ１と第２のレーザー光Ｌ２は、流路６０内の計測点１０に向かって進行する。

第１のレーザー光Ｌ１は、平行光であることが好ましいが、現実的には図２に示すようにある程度の広がりを有している。そのため、第１の透過反射面４３に入射する第１のレーザー光Ｌ１では、α１で示すように第１の透過反射面４３への入射角が大きい成分もあれば、β１で示すように第１の透過反射面４３への入射角が小さい成分もある。第１のレーザー光Ｌ１の光軸Ｘ１は、第１の透過反射面４３に入射角θｉで入射する。第１のレーザー光Ｌ１の光軸Ｘ１の入射角θｉは、第１の透過反射面４３における臨界角θｒより小さい。第１の透過反射面４３に入射する第１のレーザー光Ｌ１のうち、入射角が臨界角θｒより小さい成分が第１の透過反射面４３を透過する。一方、第１の透過反射面４３に入射する第１のレーザー光Ｌ１のうち、入射角が臨界角θｒより大きい成分が第１の透過反射面４３で反射する。第１のレーザー光Ｌ１の光軸Ｘ１の入射角θｉを小さくすると、入射角が臨界角θｒより小さい成分が多くなり、第１の透過反射面４３を透過する成分が多くなる（反射する成分が少なくなる。）。第１のレーザー光Ｌ１の光軸Ｘ１の入射角θｉを大きくすると、入射角が臨界角θｒより大きい成分が多くなり、第１の透過反射面４３で反射する成分が多くなる（透過する成分が少なくなる。）。

第２のレーザー光Ｌ２についても第１のレーザー光Ｌ１と同様である。第２のレーザー光Ｌ２は、平行光であることが好ましいが、現実的には図２に示すようにある程度の広がりを有している。そのため、第２の透過反射面４４に入射する第２のレーザー光Ｌ２では、α２で示すように第２の透過反射面４４への入射角が大きい成分もあれば、β２で示すように第２の透過反射面４４への入射角が小さい成分もある。第２のレーザー光Ｌ２の光軸Ｘ２は、第２の透過反射面４４に入射角θｉで入射する。第２のレーザー光Ｌ２の光軸Ｘ２の入射角θｉは、第２の透過反射面４４における臨界角θｒより小さい。本実施例では、第２のレーザー光Ｌ２の光軸Ｘ２の入射角θｉは、第１のレーザー光Ｌ１の光軸Ｘ１の入射角θｉと同じ入射角である。また、第２の透過反射面４４における臨界角θｒは、第１の透過反射面４３における臨界角θｒと同じ臨界角である。第２の透過反射面４４に入射する第２のレーザー光Ｌ２のうち、入射角が臨界角θｒより小さい成分が第２の透過反射面４４を透過する。一方、第２の透過反射面４４に入射する第２のレーザー光Ｌ２のうち、入射角が臨界角θｒより大きい成分が第２の透過反射面４４で反射する。第２のレーザー光Ｌ２の光軸Ｘ２の入射角θｉを小さくすると、入射角が臨界角θｒより小さい成分が多くなり、第２の透過反射面４４を透過する成分が多くなる（反射する成分が少なくなる。）。第２のレーザー光Ｌ２の光軸Ｘ２の入射角θｉを大きくすると、入射角が臨界角θｒより大きい成分が多くなり、第２の透過反射面４４で反射する成分が多くなる（透過する成分が少なくなる。）。

図１に示すように、導光体２４の出射面４２から出射した第１のレーザー光Ｌ１と第２のレーザー光Ｌ２は、流路６０内の計測点１０に向かって進行する。第１のレーザー光Ｌ１と第２のレーザー光Ｌ２は、互いに異なる方向から計測点１０に向かって進行する。すなわち、レーザー光照射装置２から流路６０内の計測点１０に向かって第１のレーザー光Ｌ１と第２のレーザー光Ｌ２が互いに異なる方向から照射される。第１のレーザー光Ｌ１は、流路６０の下流側から計測点１０に向かって進行する。第２のレーザー光Ｌ２は、流路６０の上流側から計測点１０に向かって進行する。第１のレーザー光Ｌ１と第２のレーザー光Ｌ２は、流路６０内の計測点１０で干渉して重なり合う。

流路６０には流体Ｆ（例えば血液）が流れており、流体Ｆ中には無数の粒子Ｒ（例えば赤血球）が存在している。無数の粒子Ｒのうち、流路６０内の計測点１０を通過する粒子Ｒが存在する。計測点１０を通過する粒子Ｒに第１のレーザー光Ｌ１と第２のレーザー光Ｌ２が当たると、第１のレーザー光Ｌ１と第２のレーザー光Ｌ２が散乱する。第１のレーザー光Ｌ１と第２のレーザー光Ｌ２は、異なる方向から粒子Ｒに当たる。第１のレーザー光Ｌ１は、流路６０の下流側から粒子Ｒに当たる。すなわち、第１のレーザー光Ｌ１は、粒子Ｒの進行方向側から粒子Ｒに当たる。一方、第２のレーザー光Ｌ２は、流路６０の上流側から粒子Ｒに当たる。すなわち、第２のレーザー光Ｌ２は、粒子Ｒの進行方向と反対側から粒子Ｒに当たる。第１のレーザー光Ｌ１と第２のレーザー光Ｌ２が粒子Ｒに当たって散乱したときに散乱光が生じる。第１のレーザー光Ｌ１が粒子Ｒに当たって散乱することによって第１の散乱光Ｐ１が生じる。また、第２のレーザー光Ｌ２が粒子Ｒに当たって散乱することによって第２の散乱光Ｐ２が生じる。散乱によって生じた第１の散乱光Ｐ１と第２の散乱光Ｐ２は計測点１０の周囲の様々な方向に向かって進行する。そのうち、計測点１０から受光装置３に向かって進行する第１の散乱光Ｐ１と第２の散乱光Ｐ２が存在する。受光装置３が第１の散乱光Ｐ１と第２の散乱光Ｐ２を受光する。

第１のレーザー光Ｌ１と第２のレーザー光Ｌ２が粒子Ｒに当たって散乱するときにそれぞれの周波数が変化する。ドップラーシフトによって周波数が変化する。第１のレーザー光Ｌ１の散乱によって生じた第１の散乱光Ｐ１の周波数ｆ１は、第１のレーザー光Ｌ１の周波数と異なる周波数である。また、第２のレーザー光Ｌ２の散乱によって生じた第２の散乱光Ｐ２の周波数ｆ２は、第２のレーザー光Ｌ２の周波数と異なる周波数である。また、第１の散乱光Ｐ１の周波数ｆ１と第２の散乱光Ｐ２の周波数ｆ２は、互いに異なる周波数である。

受光装置３は、管６１とレーザー光照射装置２の間に配置されている。受光装置３は、流路６０と対向するように配置されている。受光装置３は、レーザー光照射装置２の導光体２４に固定されている。受光装置３は、受光素子３１と筒体３２を備えている。

筒体３２は、管６１と受光素子３１の間に配置されている。筒体３２は、受光素子３１に固定されている。筒体３２は、円筒状である。図３に示すように、筒体３２内は中空である。筒体３２内には光通過孔３５が形成されている。光通過孔３５は、入射口３６と出射口３７を備えている。光通過孔３５は、計測点１０から受光素子３１に向かう方向に延びている。光通過孔３５は、計測点１０と受光素子３１の間に形成されている。計測点１０を通過する粒子Ｒによって生じた第１の散乱光Ｐ１と第２の散乱光Ｐ２が入射口３６から光通過孔３５に入射する。計測点１０から受光素子３１に向かって進行する第１の散乱光Ｐ１と第２の散乱光Ｐ２が光通過孔３５を通過する。光通過孔３５を通過した第１の散乱光Ｐ１と第２の散乱光Ｐ２が出射口３７から出射して受光素子３１に入射する。筒体３２の外周面は、遮光性のカバー３１２に覆われている。筒体３２の外周面から光通過孔３５には光が入射しない。筒体３２の側方から光通過孔３５の軸方向と交差する方向に進行する光Ｐ３は、カバー３１２によって遮断されて光通過孔３５に入射しない。光通過孔３５の軸方向に進行する散乱光Ｐ１、Ｐ２が光通過孔３５に入射する。光通過孔３５の軸方向の長さは、入射口３６の直径の２倍以上である。

受光素子３１は、光通過孔３５を通過した第１の散乱光Ｐ１と第２の散乱光Ｐ２を受光する。受光素子３１は、例えばフォトダイオード（ＰＤ）である。受光素子３１は、光通過孔３５の出射口３７と対向している。それ以外の部分は、カバー３１２に覆われている。出射口３７から出射した散乱光Ｐ１、Ｐ２が受光素子３１に入射する。受光素子３１の側方から受光素子３１に向かって進行する光Ｐ４は、カバー３１２によって遮断されて受光素子３１に入射しない。

図４に示すように、処理装置９は、発光素子２１と受光素子３１に電気的に接続されている。処理装置９は、発光素子２１が発光するレーザー光Ｌと、受光素子３１が受光する第１の散乱光Ｐ１と第２の散乱光Ｐ２に基づいて、計測点１０を通過する粒子Ｒの速度ｖを演算する。処理装置９は、ドップラーシフトに基づく演算方法によって粒子Ｒの速度ｖを演算する。計測点１０を通過する粒子Ｒの速度ｖは、下記の式（１）によって演算することができる。式（１）において、Ｆは、受光装置３が受光する光（第１の散乱光Ｐ１と第２の散乱光Ｐ２が干渉した光）のドップラー周波数である。θは、計測点１０に向かって進行する第１のレーザー光Ｌ１と、計測点１０と受光装置３を結んだ線とのなす角度（あるいは、計測点１０に向かって進行する第２のレーザー光Ｌ２と、計測点１０と受光装置３を結んだ線とのなす角度）である。λは、レーザー光（第１のレーザー光Ｌ１と第２のレーザー光Ｌ２）の波長である。粒子Ｒの速度ｖを演算する方法については公知であるので詳細な説明を省略する。

以上の説明から明らかなように、実施例の計測装置１は、流路６０を流れる流体Ｆ中の粒子Ｒの速度ｖを計測する装置であって、第１のレーザー光Ｌ１と第２のレーザー光Ｌ２を照射するレーザー光照射装置２と、第１の散乱光Ｐ１と第２の散乱光Ｐ２を受光する受光装置３を備えている。第１のレーザー光Ｌ１と第２のレーザー光Ｌ２は、互いに異なる方向から流路６０内の計測点１０に向かって進行する。第１のレーザー光Ｌ１が計測点１０を通過する粒子Ｒに当たったときに第１の散乱光Ｐ１が生じる。第２のレーザー光Ｌ２が計測点１０を通過する粒子Ｒに当たったときに第２の散乱光Ｐ２が生じる。第１の散乱光Ｐ１と第２の散乱光Ｐ２を受光装置３が受光する。受光装置３は、受光素子３１と、受光素子３１と計測点１０の間に形成されている中空の光通過孔３５を備えている。光通過孔３５は、計測点１０から受光素子３１に向かう方向に延びている。計測点１０を通過する粒子Ｒによって生じた第１の散乱光Ｐ１と第２の散乱光Ｐ２が光通過孔３５を通過して受光素子３１に入射する。

上記の構成によれば、計測点１０を通過する粒子Ｒによって生じた第１の散乱光Ｐ１と第２の散乱光Ｐ２を受光装置３が受光する。受光装置３が受光した第１の散乱光Ｐ１の周波数ｆ１と第２の散乱光Ｐ２の周波数ｆ２に基づいて、計測点１０を通過する粒子Ｒの速度ｖを演算することができる。計測点１０を通過する粒子Ｒの速度ｖを計測するためには、レーザー光照射装置２から第１のレーザー光Ｌ１と第２のレーザー光Ｌ２を照射する際に、計測点１０のみに第１のレーザー光Ｌ１と第２のレーザー光Ｌ２を照射することが好ましい。しかしながら現実的には、計測点１０のみに第１のレーザー光Ｌ１と第２のレーザー光Ｌ２を照射することは困難であり、光の拡散等によって、計測点１０の周辺にも第１のレーザー光Ｌ１と第２のレーザー光Ｌ２が照射されてしまう。そうすると、レーザー光照射装置２から照射された第１のレーザー光Ｌ１と第２のレーザー光Ｌ２が流体Ｆ中の粒子Ｒに当たって散乱するときに、計測点１０を通過する粒子Ｒに当たって散乱するだけでなく、計測点１０の周辺を通過する粒子Ｒにも当たって散乱してしまう。その結果、計測点１０を通過する粒子Ｒによって散乱光が生じるだけでなく、計測点１０の周辺を通過する粒子Ｒによっても散乱光が生じてしまう。しかしながら上記の構成では、光通過孔３５を備えているので、計測点１０を通過する粒子Ｒによって生じた散乱光のみを受光することができ、計測点１０の周辺を通過する粒子Ｒによって生じた散乱光を受光することを抑制できる。すなわち、上記の構成によれば、計測点１０と受光素子３１の間で光通過孔３５が計測点１０から受光素子３１に向かう方向に延びているので、計測点１０を通過する粒子Ｒによって生じた散乱光は光通過孔３５を通過して受光素子３１に入射するが、計測点１０の周辺を通過する粒子Ｒによって生じた散乱光は、光通過孔３５の存在によって受光素子３１に入射しにくくなる。これによって、余分な散乱光を受光することを抑制できる。

流路６０を流れる流体Ｆ中には無数の粒子Ｒが存在しており、無数の粒子Ｒの速度は様々である。そのため、様々な速度の粒子Ｒによって生じた散乱光を受光装置３が受光すると、処理装置９が粒子Ｒの速度を正確に演算することができなくなる。しかしながら、上記の構成によれば、余分な散乱光を受光することを抑制できるので、粒子Ｒの速度を正確に演算することができる。

また、上記の計測装置１では、レーザー光照射装置２が、レーザー光Ｌを発光する発光素子２１と、発光素子２１が発光したレーザー光Ｌを第１のレーザー光Ｌ１と第２のレーザー光Ｌ２に分ける回折格子２３を備えている。回折格子２３によって分けられた第１のレーザー光Ｌ１と第２のレーザー光Ｌ２は、異なる方向に進行する。また、レーザー光照射装置２は、回折格子２３によって分けられた第１のレーザー光Ｌ１が入射する第１の透過反射面４３と、第２のレーザー光Ｌ２が入射する第２の透過反射面４４を備えている。第１の透過反射面４３では、入射した第１のレーザー光Ｌ１の一部が透過し、他の一部が反射し、反射した第１のレーザー光Ｌ１が計測点１０に向かって進行する。第２の透過反射面４４では、入射した第２のレーザー光Ｌ２の一部を透過し、他の一部を反射し、反射された第２のレーザー光Ｌ２が計測点１０に向かって進行する。第１の透過反射面４３は、導光体２４の第１の側面４３によって構成されており、第１のレーザー光Ｌ１を透過および反射する第１のハーフミラー４３と呼ぶ場合もある。また、第２の透過反射面４４は、導光体２４の第２の側面４４によって構成されており、第２のレーザー光Ｌ２を透過および反射する第２のハーフミラー４４と呼ぶ場合もある。

このような構成によれば、第１の透過反射面４３に入射する第１のレーザー光Ｌ１のうち、透過する成分を除去することができ、反射する成分のみが計測点１０に向かって進行するので、計測点１０に向かって進行する第１のレーザー光Ｌ１の強度を弱くすることができる。同様に、第２の透過反射面４４に入射する第２のレーザー光Ｌ２のうち、透過する成分を除去することができ、反射する成分のみが計測点１０に向かって進行するので、計測点１０に向かって進行する第２のレーザー光Ｌ２の強度を弱くすることができる。強度を弱くすることによって、計測点１０に向かって第１のレーザー光Ｌ１と第２のレーザー光Ｌ２が照射されたときに、第１のレーザー光Ｌ１と第２のレーザー光Ｌ２が計測点１０の周辺に広がることを抑制することができる。そのため、計測点１０の周辺を通過する粒子によって散乱光が生じることを抑制することができる。したがって、余分な散乱光を受光することを抑制できる。なお、特許文献１に開示されている計測装置では、導光体の側面に入射するレーザー光が全反射するので、透過する成分が存在しない。そのため、レーザー光の強度を弱くすることができない。

また、上記の計測装置１では、第１の透過反射面４３に入射する第１のレーザー光Ｌ１の光軸Ｘ１の入射角θｉが、第１の透過反射面４３における臨界角θｒより小さい。また、第２の透過反射面４４に入射する第２のレーザー光Ｌ２の光軸Ｘ２の入射角θｉが、第２の透過反射面４４における臨界角θｒより小さい。このような構成によれば、第１の透過反射面４３に入射する第１のレーザー光Ｌ１のうち、透過する成分を多くすることができる（反射する成分を少なくすることができる）。同様に、第２の透過反射面４４に入射する第２のレーザー光Ｌ２のうち、透過する成分を多くすることができる（反射する成分を少なくすることができる）。これによって、計測点１０に向かって進行する第１のレーザー光Ｌ１と第２のレーザー光Ｌ２の強度を弱くすることができる。そのため、計測点１０に向かって第１のレーザー光Ｌ１と第２のレーザー光Ｌ２が照射されたときに、第１のレーザー光Ｌ１と第２のレーザー光Ｌ２が計測点１０の周辺に広がることを抑制することができる。

また、上記の計測装置１は、回折格子２３と第１の透過反射面４３及び第２の透過反射面４４の間の距離を変える移動装置２５を備えている。このような構成によれば、回折格子２３によって分けられた第１のレーザー光Ｌ１と第２のレーザー光Ｌ２が第１の透過反射面４３と第２の透過反射面４４に入射する位置を変えることができる。これによって、第１のレーザー光Ｌ１と第２のレーザー光Ｌ２が照射される位置を変えることができ、流路６０内の計測点１０の位置を変えることができる。

また、上記の計測装置１では、回折格子２３が、反射型の回折格子である。また、発光素子２１が、回折格子２３と第１の透過反射面４３と第２の透過反射面４４の間に配置されており、発光素子２１が発光したレーザー光Ｌが回折格子２３で反射することによって第１のレーザー光Ｌ１と第２のレーザー光Ｌ２に分かれる。このような構成によれば、発光素子２１を回折格子２３と導光体２４の間に収めることができるので、計測装置１をコンパクトにすることができる。

以上、一実施例について説明したが、具体的な態様は上記実施例に限定されるものではない。以下の説明において、上述の説明における構成と同様の構成については同一の符号を付して説明を省略する。

上記の実施例では、単一の導光体２４に第１の透過反射面４３と第２の透過反射面４４が形成されていたが、この構成に限定されるものでない。他の実施例では、図５に示すように、レーザー光照射装置２が、分離されている第１の導光体２４１と第２の導光体２４２を備えていてもよい。第１の導光体２４１に第１の透過反射面４３が形成されており、第２の導光体２４２に第２の透過反射面４４が形成されている。このような構成でも、第１の透過反射面４３に入射した第１のレーザー光Ｌ１の一部が透過し、他の一部が反射する。また、第２の透過反射面４４に入射した第２のレーザー光Ｌ２の一部が透過し、他の一部が反射する。

また、光通過孔３５の形状は特に限定されるものではない。例えば、図６に示すように、光通過孔３５の断面形状が円形状であってもよい。または、図７に示すように、光通過孔３５の断面形状が多角形状であってもよい。また、図８に示すように、複数の光通過孔３５がスリット状に形成されていてもよい。

また、受光装置３の構成は上記の実施例に限定されるものではない。他の実施例では、図９に示すように、受光装置３が、受光素子３１と、遮光性の箱体３８を備えていてもよい。箱体３８内に受光素子３１が配置されている。箱体３８は、前壁３８ａと、後壁３８ｂと、一対の側壁３８ｃ、３８ｃを備えている。前壁３８ａは、管６１と受光素子３１の間に配置されている。後壁３８ｂは、受光素子３１とレーザー光照射装置２の間に配置されている。一対の側壁３８ｃ、３８ｃは、前壁３８ａと後壁３８ｂの間に配置されている。箱体３８の後壁３８ｂに受光素子３１が固定されている。箱体３８の前壁３８ａは受光素子３１から離れた位置に配置されている。前壁３８ａには光通過孔３５が形成されている。光通過孔３５は、入射口３６と出射口３７を備えている。光通過孔３５は、計測点１０から受光素子３１に向かう方向に延びている。計測点１０を通過する粒子Ｒによって生じた第１の散乱光Ｐ１と第２の散乱光Ｐ２が光通過孔３５を通過して受光素子３１に入射する。箱体３８の側方から受光素子３１に向かって進行する光Ｐ４は、箱体３８によって遮断されて受光素子３１に入射しない。また、光通過孔３５に向かって光通過孔３５の軸方向と交差する方向に進行する光Ｐ５は、光通過孔３５を通過して箱体３８内に入射したとしても、箱体３８の側壁３８ｃに向かって進行するので、受光素子３１に入射しにくい。そのため、受光素子３１が余分な光を受光することを抑制できる。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

１：計測装置
２：レーザー光照射装置
３：受光装置
９：処理装置
１０：計測点
２１：発光素子
２２：コリメーターレンズ
２３：回折格子
２４：導光体
２５：移動装置
３１：受光素子
３２：筒体
３５：光通過孔
３６：入射口
３７：出射口
３８：箱体
４１：入射面
４２：出射面
４３：第１の側面（第１の透過反射面）
４４：第２の側面（第２の透過反射面）
６０：流路
６１：管
６２：固定具
２４１：第１の導光体
２４２：第２の導光体
３１２：カバー
Ｆ：流体
Ｌ：レーザー光
Ｌ１：第１のレーザー光
Ｌ２：第２のレーザー光
Ｐ１：第１の散乱光
Ｐ２：第２の散乱光
Ｒ：粒子
Ｘ１：第１のレーザー光の光軸
Ｘ２：第２のレーザー光の光軸

Claims

流路を流れる流体中の粒子の速度を計測するための計測装置であって、
前記流路内の計測点に向かって進行する第１のレーザー光と、第１のレーザー光と異なる方向から前記流路内の前記計測点に向かって進行する第２のレーザー光を照射するレーザー光照射装置と、
前記レーザー光照射装置から照射された第１のレーザー光と第２のレーザー光が前記計測点を通過する粒子に当たったときにそれぞれ生じる散乱光を受光する受光装置を備えており、
前記受光装置が、受光素子と、前記受光素子と前記計測点の間に形成されている中空の光通過孔を備えており、
前記光通過孔が、前記計測点から前記受光素子に向かう方向に延びており、前記計測点を通過する粒子によって生じた散乱光が前記光通過孔を通過して前記受光素子に入射する、計測装置。
前記レーザー光照射装置は、
レーザー光を発光する発光素子と、
前記発光素子が発光したレーザー光を第１のレーザー光と、第１のレーザー光と異なる方向に進行する第２のレーザー光に分ける回折格子と、
前記回折格子によって分けられた第１のレーザー光が入射する第１の透過反射面であって、入射した第１のレーザー光の一部が透過し、他の一部が反射し、反射した第１のレーザー光が前記計測点に向かって進行する前記第１の透過反射面と、
前記回折格子によって分けられた第２のレーザー光が入射する第２の透過反射面であって、入射した第２のレーザー光の一部を透過し、他の一部を反射し、反射された第２のレーザー光が前記計測点に向かって進行する前記第２の透過反射面を備えている、請求項１に記載の計測装置。
前記第１の透過反射面に入射する第１のレーザー光の光軸の入射角が、前記第１の透過反射面における臨界角より小さく、
前記第２の透過反射面に入射する第２のレーザー光の光軸の入射角が、前記第２の透過反射面における臨界角より小さい、請求項２に記載の計測装置。
前記回折格子と前記第１の透過反射面及び前記第２の透過反射面との間の距離を変える移動装置を更に備えている、請求項２から３のいずれか一項に記載の計測装置。
前記回折格子が、反射型の回折格子であり、
前記発光素子が、前記回折格子と第１の透過反射面及び第２の透過反射面との間に配置されており、前記発光素子が発光したレーザー光が前記回折格子で反射することによって第１のレーザー光と第２のレーザー光に分かれる、請求項２から４のいずれか一項に記載の計測装置。