(57)【要約】【課題】レーザの波長と分光素子のスペクトルとを同調させる必要なく、簡易な方法でミー散乱を分離検出する。【解決手段】本開示の一態様に係る計測装置１００は、互いに等しい周波数間隔で離れた複数の発振周波数を有するレーザ光を大気中の散乱体へ出射するマルチレーザ光源１と、レーザ光が散乱体で散乱することにより生じた散乱光を干渉させる干渉計１０と、干渉された散乱光中に含まれるミー散乱光を受光する受光器６と、受光器６の信号からミー散乱光の量を検出する信号処理部７と、を備え、周波数間隔は、大気を構成する分子によって生じるレイリー散乱光の周波数スペクトルにおけるピークの半値全幅以下の周波数間隔未満である。【選択図】図１
2020042017.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに等しい周波数間隔で離れた複数の発振周波数を有するレーザ光を大気中の散乱体へ出射する光源と、
前記レーザ光が前記散乱体で散乱することにより生じた散乱光を干渉させる干渉計と、
前記干渉計により干渉された散乱光中に含まれるミー散乱光を受光する受光器と、
前記受光器の信号から前記ミー散乱光の量を検出する信号処理部と、を備え、
前記周波数間隔は、前記大気を構成する分子によって生じるレイリー散乱光の周波数スペクトルにおけるピークの半値全幅未満である、
計測装置。
【請求項２】
前記干渉計は、前記散乱光を、第１の散乱光と、前記第１の散乱光と光路が異なる第２の散乱光とに分岐し、前記第１の散乱光と前記第２の散乱光との光路差を変化させ、かつ前記第１の散乱光と前記第２の散乱光とを干渉させることにより干渉光を生成する、
請求項１に記載の計測装置。
【請求項３】
前記周波数間隔は、３．９ＧＨｚ以下である、
請求項１又は２に記載の計測装置。
【請求項４】
互いに等しい周波数間隔で離れた複数の発振周波数を有するレーザ光を大気中の散乱体へ出射する光源と、
前記レーザ光が前記散乱体で散乱することにより生じた散乱光を、第１の散乱光と、前記第１の散乱光と光路が異なる第２の散乱光とに分岐し、前記第１の散乱光と前記第２の散乱光とを干渉させることによりインターフェログラムを取得する干渉計と、
前記インターフェログラムを信号に変換する受光器と、
前記受光器によって得られた前記信号を信号処理する信号処理部と、
前記干渉計に、前記第１の散乱光と前記第２の散乱光との光路差を掃引させる制御部と、を備え、
前記信号処理部は、
前記インターフェログラムの信号成分から、前記光路差が前記周波数間隔に対応する波長間隔であるときに生じる第１の干渉フリンジを含む信号成分を抽出することにより、前記散乱光に含まれるミー散乱光に相当する信号成分を取得する、
計測装置。
【請求項５】
前記インターフェログラムは、複数の干渉フリンジを含み、
前記制御部は、前記レーザ光の中心波長の１／４より大きく、前記複数の干渉フリンジ間の間隔の１／２より小さい範囲の光路差を掃引する、
請求項４に記載の計測装置。
【請求項６】
前記信号処理部は、前記第１の干渉フリンジを含む前記信号成分を基に、フーリエ変換を行う、
請求項４又は５に記載の計測装置。
【請求項７】
前記干渉計は、第１の可動ミラーと第２の可動ミラーとを含む、
請求項４から６のいずれか１項に記載の計測装置。
【請求項８】
前記複数のピークの周波数間隔は、５ＧＨｚ以下である、
請求項４から７のいずれか１項に記載の計測装置。
【請求項９】
前記複数のピークの周波数間隔は、３．９ＧＨｚ以下である、
請求項４から７のいずれか１項に記載の計測装置。
【請求項１０】
前記散乱体と前記干渉計との間の光路上に、前記散乱光を集光する集光部をさらに備える、
請求項１から９のいずれか１項に記載の計測装置。
【請求項１１】
互いに等しい周波数間隔で離れた複数の発振周波数を有するレーザ光を大気中の散乱体へ出射することと、
前記レーザ光が前記散乱体で散乱することにより生じた散乱光を干渉させることと、
前記干渉計により干渉された散乱光中に含まれるミー散乱光を受光することと、
前記受光により得られた信号から前記ミー散乱光の量を検出することと、を含み、
前記周波数間隔は、前記大気を構成する分子によって生じるレイリー散乱光の周波数スペクトルにおけるピークの半値全幅未満である、
計測方法。
【請求項１２】
互いに等しい周波数間隔で離れた複数の発振周波数を有するレーザ光を大気中の散乱体へ出射することと、
前記レーザ光が前記散乱体で散乱することにより生じた散乱光を、第１の散乱光と、前記第１の散乱光と光路が異なる第２の散乱光とに分岐し、前記第１の散乱光と前記第２の散乱光とを干渉させることによりインターフェログラムを取得することと、
前記インターフェログラムを信号に変換することと、
前記信号を信号処理することと、
前記第１の散乱光と前記第２の散乱光との光路差を掃引させることと、を含み、
前記信号処理することでは、
前記インターフェログラムの信号成分から、前記光路差が前記周波数間隔に対応する波長間隔であるときに生じる第１の干渉フリンジを含む信号成分を抽出することにより、前記散乱光に含まれるミー散乱光に相当する信号成分を取得する、
計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、例えば大気中のエアロゾルの分布の観測を行う計測装置及び計測方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
計測装置の一例として、ライダー（ＬＩＤＡＲ：Light Detection and Ranging）技術を用いたライダー装置が知られている。ライダーは、観測領域の大気中に短パルスのレーザ光を照射し、その散乱光を信号として測定し、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計測対象物、すなわち、エアロゾルの状態を観測する技術である。散乱光にはミー散乱光成分とレイリー散乱光成分とが含まれる。ミー散乱は、計測対象物による散乱現象であり、レーザ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。レイリー散乱は、レーザ光の波長よりも小さな微粒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成分を分離することでミー散乱光成分を得ることができる。
【０００３】
従来、単一縦モードのレーザ光を用いたエアロゾルによるミー散乱と、大気構成分子によるレイリー散乱とが含まれる散乱光をフィルタで分光分離する方法が知られている（例えば、特許文献１を参照）。
【０００４】
エアロゾルによるミー散乱の半値全幅は、照射されたレーザ光の半値全幅にほぼ等しい。大気構成分子によるレイリー散乱の半値全幅は、大気構成分子の熱運動によるドップラー効果で、半値全幅は広がる。特許文献１に記載された方法は、これらのことを利用して分光分離する方法である。
【０００５】
この方法においては、レーザの狭帯域化及びその波長と分光素子の吸収スペクトル又はバンドパススペクトルとを合わせる必要があり、その制御は容易ではなく、長期間の連続観測を困難とすることが考えられる。
【０００６】
また、マルチ縦モードレーザを用いて、エアロゾルによるミー散乱と大気構成分子によるレイリー散乱とが含まれる散乱光を分光により検出し、これらを分離する方法が知られている（例えば、特許文献２を参照）。
【０００７】
特許文献２に記載された技術では、マルチ縦モードレーザのスペクトルモード間隔が一定であることを利用し、これ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分光する。レイリー散乱光成分は、レーザ光のスペクトルモード間隔の間を埋めるようなスペクトルを持つ。特許文献２に記載された技術では、ミー散乱光成分を干渉計により除去し、レイリー散乱信号を得る。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】国際公開第２００３／０７３１２７号
【特許文献２】特許第６２４３０８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、これらの上記従来技術では、レーザ光のピークの位置が変化した場合に、光路差をレーザ光の１波長分掃引させながら同調する必要がある。
【００１０】
そこで、本開示は、レーザの波長と分光素子のスペクトルとを同調させる必要なく、簡易な方法でミー散乱を分離検出することができる計測装置及び計測方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本開示の一態様に係る計測装置は、互いに等しい周波数間隔で離れた複数の発振周波数を有するレーザ光を大気中の散乱体へ出射する光源と、前記レーザ光が前記散乱体で散乱することにより生じた散乱光を干渉させる干渉計と、前記干渉計により干渉された散乱光中に含まれるミー散乱光を受光する受光器と、前記受光器の信号から前記ミー散乱光の量を検出する信号処理部と、を備え、前記周波数間隔は、前記大気を構成する分子によって生じるレイリー散乱光の周波数スペクトルにおけるピークの半値全幅未満である。
【００１２】
また、本開示の別の一態様に係る計測装置は、互いに等しい周波数間隔で離れた複数の発振周波数を有するレーザ光を大気中の散乱体へ出射する光源と、前記レーザ光が前記散乱体で散乱することにより生じた散乱光を、第１の散乱光と、前記第１の散乱光と光路が異なる第２の散乱光とに分岐し、前記第１の散乱光と前記第２の散乱光とを干渉させることによりインターフェログラムを取得する干渉計と、前記インターフェログラムを信号に変換する受光器と、前記受光器によって得られた前記信号を信号処理する信号処理部と、前記干渉計に、前記第１の散乱光と前記第２の散乱光との光路差を掃引させる制御部と、を備え、前記信号処理部は、前記インターフェログラムの信号成分から、前記光路差が前記周波数間隔に対応する波長間隔であるときに生じる第１の干渉フリンジを含む信号成分を抽出することにより、前記散乱光に含まれるミー散乱光に相当する信号成分を取得する。
【００１３】
また、本開示の一態様に係る計測方法は、互いに等しい周波数間隔で離れた複数の発振周波数を有するレーザ光を大気中の散乱体へ出射することと、前記レーザ光が前記散乱体で散乱することにより生じた散乱光を干渉させることと、前記干渉計により干渉された散乱光中に含まれるミー散乱光を受光することと、前記受光により得られた信号から前記ミー散乱光の量を検出することと、を含み、前記周波数間隔は、前記大気を構成する分子によって生じるレイリー散乱光の周波数スペクトルにおけるピークの半値全幅未満である。
【００１４】
また、本開示の別の一態様に係る計測方法は、互いに等しい周波数間隔で離れた複数の発振周波数を有するレーザ光を大気中の散乱体へ出射することと、前記レーザ光が前記散乱体で散乱することにより生じた散乱光を、第１の散乱光と、前記第１の散乱光と光路が異なる第２の散乱光とに分岐し、前記第１の散乱光と前記第２の散乱光とを干渉させることによりインターフェログラムを取得することと、前記インターフェログラムを信号に変換することと、前記信号を信号処理することと、前記第１の散乱光と前記第２の散乱光との光路差を掃引させることと、を含み、前記信号処理することでは、前記インターフェログラムの信号成分から、前記光路差が前記周波数間隔に対応する波長間隔であるときに生じる第１の干渉フリンジを含む信号成分を抽出することにより、前記散乱光に含まれるミー散乱光に相当する信号成分を取得する。
【００１５】
また、本開示の一態様は、上記計測方法をコンピュータに実行させるプログラムとして実現することができる。あるいは、本開示の一態様は、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。
【発明の効果】
【００１６】
本開示によれば、マルチレーザの波長と分光素子のスペクトルとを同調させる必要なく、簡易な方法でミー散乱を分離検出することができる計測装置及び計測方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は、本開示の実施の形態に係る計測装置の概略構成を示す図である。
【図２Ａ】図２Ａは、本開示の計測処理の一例を示すフローチャートである。
【図２Ｂ】図２Ｂは、本開示の計測処理の別の一例を示すフローチャートである。
【図３】図３は、本開示の実施の形態に係るマルチレーザ光のスペクトルの一例及びその拡大を示す図である。
【図４】図４は、本開示の実施の形態に係るマルチレーザ光が照射された場合に大気及びエアロゾルから散乱した散乱光のスペクトルの一例及びその拡大を示す図である。
【図５】図５は、本開示の実施の形態に係るマルチレーザ光による大気及びエアロゾルから散乱した散乱光のスペクトルを干渉計で分光した際に生じるインターフェログラムの計算結果の一例を示す図である。
【図６】図６は、本開示の実施の形態に係るマルチレーザ光による大気及びエアロゾルから散乱した散乱光のスペクトルを干渉計で分光した際に生じるインターフェログラムの計算結果の一例及びその拡大を示す図である。
【図７】図７は、本開示の実施の形態に係る計測装置が生成するインターフェログラムの、大気及びエアロゾルによる散乱光強度Ｉに対する依存性の計算結果の一例を示す図である。
【図８】図８は、本開示の実施の形態に係る信号強度の、第２の可動ミラー板の駆動量に対する依存性を示す図である。
【図９】図９は、本開示の実施の形態に係る計測装置が生成するインターフェログラムの、マルチレーザ光の波長スペクトルのずれ量に対する依存性の計算結果の一例を示す図である。
【図１０】図１０は、本開示の実施の形態に係る計測装置が生成するインターフェログラムの、測定箇所数に対する依存性の計算結果の一例を示す図である。
【図１１】図１１は、本開示の実施の形態に係る計測装置が生成するインターフェログラムの、マルチレーザ光源のモード間隔ＬＷ２に対する依存性の計算結果の一例を示す図である。
【図１２】図１２は、本開示の実施の形態に係るフーリエ変換後の信号比の、マルチレーザ光源のモード間隔ＬＷ２に対する依存性の計算結果の一例を示す図である。
【図１３】図１３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１４】図１４は、本開示の実施の形態の変形例に係る計測装置の概略構成を示す図である。
【図１５Ａ】図１５Ａは、本開示の実施の形態又は変形例に係る計測装置を備える浄化システムを示す図である。
【図１５Ｂ】図１５Ｂは、本開示の実施の形態又は変形例に係る計測装置を備える浄化システムを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
（本開示の概要）
本開示に係る計測装置と計測方法の態様は、以下である。
【００１９】
本開示の一態様の計測装置は、互いに等しい周波数間隔で離れた複数の発振周波数を有するレーザ光を大気中の散乱体へ出射する光源と、前記レーザ光が前記散乱体で散乱することにより生じた散乱光を干渉させる干渉計と、前記干渉計により干渉された散乱光中に含まれるミー散乱光を受光する受光器と、前記受光器の信号から前記ミー散乱光の量を検出する信号処理部と、を備え、前記周波数間隔は、前記大気を構成する分子によって生じるレイリー散乱光の周波数スペクトルにおけるピークの半値全幅未満である。
【００２０】
これにより、大気構成分子によるレイリー散乱光と、エアロゾルによるミー散乱光との周波数スペクトルの差を利用することができるので、マルチレーザの波長と分光素子のスペクトルとを同調させる必要なく、簡易な方法でミー散乱を分離検出することができる。
【００２１】
また、本開示の一態様の計測装置において、前記干渉計は、前記散乱光を、第１の散乱光と、前記第１の散乱光と光路が異なる第２の散乱光とに分岐し、前記第１の散乱光と前記第２の散乱光との光路差を変化させ、かつ前記第１の散乱光と前記第２の散乱光とを干渉させることにより干渉光を生成してもよい。
【００２２】
これにより、大気構成分子によるレイリー散乱光と、エアロゾルによるミー散乱光との周波数スペクトルの差を利用することができるので、マルチレーザの波長と分光素子のスペクトルとを同調させる必要なく、簡易な方法でミー散乱を分離検出することができる。
【００２３】
また、本開示の別の一態様の計測装置では、前記周波数間隔は、３．９ＧＨｚ以下であってもよい。
【００２４】
これにより、散乱光に含まれるミー散乱光成分をより高い精度で検出することができる。
【００２５】
また、本開示の別の一態様の計測装置は、互いに等しい周波数間隔で離れた複数の発振周波数を有するレーザ光を大気中の散乱体へ出射する光源と、前記レーザ光が前記散乱体で散乱することにより生じた散乱光を、第１の散乱光と、前記第１の散乱光と光路が異なる第２の散乱光とに分岐し、前記第１の散乱光と前記第２の散乱光とを干渉させることによりインターフェログラムを取得する干渉計と、前記インターフェログラムを信号に変換する受光器と、前記受光器によって得られた前記信号を信号処理する信号処理部と、前記干渉計に、前記第１の散乱光と前記第２の散乱光との光路差を掃引させる制御部と、を備え、前記信号処理部は、前記インターフェログラムの信号成分から、前記光路差が前記周波数間隔に対応する波長間隔であるときに生じる第１の干渉フリンジを含む信号成分を抽出することにより、前記散乱光に含まれるミー散乱光に相当する信号成分を取得する。
【００２６】
これにより、大気構成分子によるレイリー散乱光と、エアロゾルによるミー散乱光との周波数スペクトルの差を利用することができるので、マルチレーザの波長と分光素子のスペクトルとを同調させる必要なく、簡易な方法でミー散乱を分離検出することができる。
【００２７】
また、本開示の別の一態様の計測装置では、前記インターフェログラムは、複数の干渉フリンジを含み、前記制御部は、前記レーザ光の中心波長の１／４より大きく、前記複数の干渉フリンジ間の間隔の１／２より小さい範囲の光路差を掃引してもよい。
【００２８】
これにより、散乱光に含まれるミー散乱光成分を高い精度で検出することができる。
【００２９】
また、本開示の別の一態様の計測装置では、前記信号処理部は、前記第１の干渉フリンジを含む前記信号成分を基に、フーリエ変換を行ってもよい。
【００３０】
これにより、受信信号の強度の大きさを一意に決めることができ、ミー散乱光の強度に基づいてエアロゾルを精度良く検出することができる。
【００３１】
また、本開示の別の一態様の計測装置では、前記干渉計は、第１の可動ミラーと第２の可動ミラーとを含んでもよい。
【００３２】
これにより、分岐させた２つの散乱光の光路差を簡単な構成で変化させることができる。
【００３３】
また、本開示の別の一態様の計測装置では、前記複数のピークの周波数間隔は、５ＧＨｚ以下であってもよい。
【００３４】
これにより、散乱光に含まれるレイリー散乱光を有効に除去することができ、ミー散乱光成分を精度良く検出することができる。
【００３５】
また、本開示の別の一態様の計測装置では、前記複数のピークの周波数間隔は、３．９ＧＨｚ以下であってもよい。
【００３６】
これにより、散乱光に含まれるミー散乱光成分をより高い精度で検出することができる。
【００３７】
また、本開示の別の一態様の計測装置は、前記散乱体と前記干渉計との間の光路上に、前記散乱光を集光する集光部をさらに備えてもよい。
【００３８】
これにより、散乱光の強度が弱い場合であっても、集光部が散乱光を集光することで、ミー散乱光の分離検出を精度良く行うことができる。
【００３９】
本開示の一態様の計測方法は、互いに等しい周波数間隔で離れた複数の発振周波数を有するレーザ光を大気中の散乱体へ出射することと、前記レーザ光が前記散乱体で散乱することにより生じた散乱光を干渉させることと、前記干渉計により干渉された散乱光中に含まれるミー散乱光を受光することと、前記受光により得られた信号から前記ミー散乱光の量を検出することと、を含み、前記周波数間隔は、前記大気を構成する分子によって生じるレイリー散乱光の周波数スペクトルにおけるピークの半値全幅未満である。
【００４０】
これにより、大気構成分子によるレイリー散乱光と、エアロゾルによるミー散乱光との周波数スペクトルの差を利用することができるので、マルチレーザの波長と分光素子のスペクトルとを同調させる必要なく、簡易な方法でミー散乱を分離検出することができる。
【００４１】
また、本開示の別の一態様の計測方法は、互いに等しい周波数間隔で離れた複数の発振周波数を有するレーザ光を大気中の散乱体へ出射することと、前記レーザ光が前記散乱体で散乱することにより生じた散乱光を、第１の散乱光と、前記第１の散乱光と光路が異なる第２の散乱光とに分岐し、前記第１の散乱光と前記第２の散乱光とを干渉させることによりインターフェログラムを取得することと、前記インターフェログラムを信号に変換することと、前記信号を信号処理することと、前記第１の散乱光と前記第２の散乱光との光路差を掃引させることと、を含み、前記信号処理することでは、前記インターフェログラムの信号成分から、前記光路差が前記周波数間隔に対応する波長間隔であるときに生じる第１の干渉フリンジを含む信号成分を抽出することにより、前記散乱光に含まれるミー散乱光に相当する信号成分を取得する。
【００４２】
これにより、大気構成分子によるレイリー散乱光と、エアロゾルによるミー散乱光との周波数スペクトルの差を利用することができるので、マルチレーザの波長と分光素子のスペクトルとを同調させる必要なく、簡易な方法でミー散乱を分離検出することができる。
【００４３】
また、本開示の別の態様の計測方法では、前記干渉計は、前記レーザ光源の中心波長の１／４より大きく、干渉フリンジ間隔Δｘの１／２より小さい前記光路差を掃引してもよい。
【００４４】
また、本開示の一態様は、上記計測方法をコンピュータに実行させるプログラムとして実現することができる。あるいは、本開示の一態様は、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。
【００４５】
本開示において、回路、ユニット、装置、部材又は部の全部又は一部、あるいはブロック図における機能ブロックの全部又は一部は、例えば、半導体装置、半導体集積回路（ＩＣ）、又はＬＳＩ（ｌａｒｇｅ  ｓｃａｌｅ  ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）を含む１つ又は複数の電子回路によって実行され得る。ＬＳＩ又は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又は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）、又は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）、又はＬＳＩ内部の接合関係の再構成若しくは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。
【００４６】
さらに、回路、ユニット、装置、部材又は部の全部又は一部の機能又は操作は、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つ又は複数の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）及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）、及び必要とされるハードウェアデバイス、例えばインタフェースを備えていてもよい。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
（実施の形態）
［１．概要］
まず、本実施の形態に係る計測装置１００について、図１を用いて説明する。図１は、本開示の実施の形態に係る計測装置１００の概略構成を示す図である。
【００５０】
本実施の形態に係る計測装置１００は、空間に対し所定の方向に向けてレーザ光線を照射し、測定対象物である計測対象物２から反射された後方散乱光を受光し、受光信号を光学的処理及び数値処理することでノイズを削減し、エアロゾルの濃度、及び、空間内のエアロゾル分布情報を検出する。
【００５１】
図１に示されるように、本実施の形態に係る計測装置１００は、マルチレーザ光源１と、ミラー板３と、集光部５０と、干渉計１０と、受光器６と、信号処理部７とを備える。干渉計１０は、第１の可動ミラー板１１、ハーフミラー板１２、及び、第２の可動ミラー板１３を備える。
【００５２】
干渉計１０では、ハーフミラー板１２により散乱光は２つの光路に分岐される。干渉計１０は、第１の可動ミラー板１１、及び、第２の可動ミラー板１３を備えている。２つの光路の光路差は、第１の可動ミラー板１１及び第２の可動ミラー板１３により形成される。
【００５３】
次に、本実施の形態に係る計測装置１００が適用される計測空間及び対象物について説明する。
【００５４】
計測空間は、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。計測空間は、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。計測空間は、屋外の開放された空間であってもよい。また、計測空間は、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。
【００５５】
計測装置１００による検出の対象となる計測対象物２は、計測空間内に存在している。計測対象物２はエアロゾル等であり、具体的には、計測空間内を浮遊している塵若しくは埃などの粉塵、ＰＭ２．５などの浮遊粒子状物質、花粉などの生物系粒子、又は、微小水滴が含まれる。生物系粒子には、空中に浮遊するカビ又はダニなども含まれる。また、計測対象物２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、及び微小水滴が含まれてもよい。
【００５６】
［２．動作］
まず、本開示に係る計測装置１００が行う計測処理の一例について、図２Ａを用いて説明する。
【００５７】
図２Ａは、本開示の計測処理の一例を示すフローチャートである。図２Ａに示されるように、まず、マルチレーザ光源１が、レーザ光を大気中の散乱体へ出射する（Ｓ１）。散乱体は、計測対象物２に含まれる。次に、干渉計１０が、レーザ光が散乱体で散乱することにより生じた散乱光を干渉させる（Ｓ２）。次に、干渉計１０により干渉された散乱光中に含まれるミー散乱光を、受光器６が受光する（Ｓ３）。受光器６は、ミー散乱光の強度に応じた信号を出力する。次に、信号処理部７が、受光器６の信号からミー散乱光の量を検出する（Ｓ４）。
【００５８】
次に、本開示の計測装置１００が行う計測処理のより具体的な動作について、図２Ｂを用いて説明する。
【００５９】
図２Ｂは、本開示の計測処理の別の一例を示すフローチャートである。図２Ｂに示されるように、まず、第１の可動ミラー板１１の位置を設定する（Ｓ１０）。具体的には、第１の可動ミラー板１１を所定の位置に配置する。その後、マルチレーザ光源１から、モード間隔ＬＷ２のマルチレーザ光を照射する（Ｓ２０）。モード間隔ＬＷ２は、マルチレーザ光が有する複数本のピークの周波数間隔、すなわちマルチレーザ光の複数の発振周波数の周波数間隔に相当する。照射したレーザ光は計測対象物２により散乱される。散乱光には、計測対象物２及び大気構成分子によるものが含まれる。これらの散乱光をレンズ等の集光部５０で集光する（Ｓ２１）。図１に示されるように、集光部５０は、計測対象物２とミラー板３との間に配置される。なお、集光部５０は、ミラー板３とハーフミラー板１２との間に配置されていてもよい。
【００６０】
次に、干渉計１０において、集光された散乱光を、光路が異なる２つの光に分岐させて、当該２つの光を干渉させる（Ｓ２２）。具体的には、集光された散乱光は、干渉計１０にて２つの光路に分岐される。具体的には、散乱光は、ハーフミラー板１２によって、第１の散乱光と、当該第１の散乱光とは光路が異なる第２の散乱光とに分岐される。第１の散乱光は、第１の可動ミラー板１１で反射され、第１の反射光としてハーフミラー板１２に戻る。第２の散乱光は、第２の可動ミラー板１３で反射され、第２の反射光としてハーフミラー板１２に戻る。第１の可動ミラー板１１からの第１の反射光と第２の可動ミラー板１３からの第２の反射光とにより生じた干渉光を生成する。
【００６１】
生成した干渉光は、受光器６にて受光され、信号処理部７に送信される（Ｓ２３）。信号処理部７にて、第２の可動ミラー板１３の駆動量を確認する。第２の可動ミラー板１３の駆動量が所定値に達して、第２の可動ミラー板１３の駆動が完了の場合（Ｓ２４でＹｅｓ）はステップＳ２５に進む。第２の可動ミラー板１３の駆動が未完了の場合（Ｓ２４でＮｏ）は、制御部３０は、干渉計１０の第２の可動ミラー板１３の位置を変更する（Ｓ３０）。具体的には、制御部３０は、アクチュエータ３１を制御することで、第２の可動ミラー板１３を所定量動かし、ステップＳ２０に戻る。
【００６２】
第２の可動ミラー板１３の駆動が完了した場合（Ｓ２４でＹｅｓ）は、信号処理部７にて受光器６で得られた信号より、インターフェログラムが形成される。インターフェログラムとは２つの光路に分岐した光がその光路差により干渉を起こし、生成される干渉フリンジのことである。信号処理部７は、インターフェログラムを用いてミー散乱光成分を算出する（Ｓ２５）。
【００６３】
ここで、第２の可動ミラー板１３の駆動量について図１を用いて説明する。なお、第２の可動ミラー板１３の駆動量とは、第２の可動ミラー板１３の移動量ｄｘ２に相当する。
【００６４】
光路Ｌ２は、第２の散乱光の光路である。光路Ｌ２は、具体的には、ハーフミラー板１２と第２の可動ミラー板１３との距離の２倍である。光路Ｌ１は、第１の散乱光の光路である。光路Ｌ１は、具体的には、ハーフミラー板１２と第１の可動ミラー板１１との距離の２倍である。
【００６５】
受光器６は、光路Ｌ１を通る第１の散乱光と光路Ｌ２を通る第２の散乱光との両方の散乱光を受光する。第２の可動ミラー板１３を移動させた場合、光路Ｌ２が変化し、光路Ｌ１と光路Ｌ２との光路差の散乱光を受光できる。第２の可動ミラー板１３を移動（具体的には、掃引）させるのは、第２の可動ミラー板１３に接続されたアクチュエータ３１で行う。制御部３０は、アクチュエータ３１を動かし光路差を掃引させて、インターフェログラムを生成する。受光器６により、生成したインターフェログラムを信号に変換し、変換された信号を信号処理部７で取得する。
【００６６】
信号処理部７は、上記光路差を掃引させて得られるインターフェログラムの信号成分から、マルチレーザ光源１が出射するレーザ光の波長間隔に対応した第１の干渉フリンジ近傍の信号成分を抽出し、信号成分を用いてミー散乱光に相当する信号成分を取得する。
【００６７】
なお、本実施の形態では、制御部３０と信号処理部７と別々に構成したが、制御部３０と信号処理部７とを１つのＬＳＩなどの電子回路で構成してもよい。
【００６８】
その結果、生成される干渉フリンジにより、ミー散乱光成分が強調され、レイリー散乱光成分が除去される。
【００６９】
従って、ミー散乱光成分のみ、高精度で検出することができる。
【００７０】
以下、詳細に説明する。
【００７１】
図３は、本開示の実施の形態に係るマルチレーザ光のスペクトル及びその拡大図の一例である。図３では、横軸はスペクトル差、縦軸は各スペクトルでのレーザ光の信号の強度を図示している。図３の部分（ａ）では、例えば、マルチレーザ光の複数の波長スペクトルの中心値λが４００ｎｍ、モード間隔ＬＷ２が６ＧＨｚである。モード間隔ＬＷ２は、マルチレーザ光に含まれる複数本のピークの周波数間隔である。
【００７２】
図３の部分（ｂ）は、図３の部分（ａ）のマルチレーザ光に含まれる複数のピークの１つの拡大図である。マルチレーザ光の１つのピークの半値全幅ＬＷ１は、例えば、３６０ＭＨｚである。マルチレーザ光源１は、例えば、半値全幅ＬＷ１が３６０ＭＨｚのピークを４１本含むマルチレーザ光を出射する。
【００７３】
一般に干渉計１０で２つの波面の差を計測するとき、干渉フリンジは波長の差に対応する。マルチレーザ光では、レーザ光のモード間隔ＬＷ２に対応した干渉フリンジによるインターフェログラムが生成され、図６に示すように干渉フリンジの間隔Δｘは以下の式１にて、求められる。ここで、Ｃは、光速（３×１０８ｍ／ｓ）である。
【００７４】
Δｘ＝Ｃ／ＬＷ２  （式１）
【００７５】
干渉フリンジの間隔Δｘについて説明すると、例えば、複数の波長スペクトルの中心値λが４００ｎｍ、スペクトルの間隔ＬＷ２が６ＧＨｚの時、式１により計算し、干渉フリンジの間隔Δｘは５０ｍｍとなる。
【００７６】
また、マルチレーザ光の複数の波長スペクトルの中心値λが４００ｎｍ、スペクトルの間隔ＬＷ２が３ＧＨｚの時、式１により計算し、干渉フリンジの間隔Δｘは１００ｍｍとなる。
【００７７】
図４は、本開示の実施の形態に係るマルチレーザ光が照射された場合に大気及びエアロゾルから散乱した散乱光のスペクトルの一例及びその拡大図である。図４では、横軸はスペクトル差、縦軸は各スペクトルでの大気及びエアロゾルから散乱した散乱光の信号の強度を図示している。図４の部分（ｂ）は、図４の部分（ａ）の拡大を図示している。以下、図４から図６は、大気散乱の信号強度Ｉｍとエアロゾルの信号強度Ｉの比率を３：１として計算を行っている。ここで、散乱光のスペクトル間隔ＭＷ２は、レーザモード間隔ＬＷ２に等しい。また、エアロゾルによるミー散乱光の周波数スペクトルにおけるピークの半値全幅ＭＷ１は、マルチレーザ光の周波数スペクトルにおけるピークの半値全幅ＬＷ１に等しい。
【００７８】
一方、大気構成分子によるレイリー散乱光のピークの半値全幅ＲＷは熱運動により広がる。実測でのレイリー散乱光のピークの半値全幅ＲＷは３．４ＧＨｚから３．９ＧＨｚ程度であることが知られている。半値全幅ＲＷはこれを考慮し３．６ＧＨｚ（１．９ｐｍ）として計算している。
【００７９】
本開示の一態様は、この半値全幅の違いからエアロゾル信号を抽出する技術を提供する。
【００８０】
図５は、本開示の実施の形態に係るマルチレーザ光による大気及びエアロゾルから散乱した散乱光のスペクトルを干渉計１０で分光した際に生じるインターフェログラムの計算結果の一例である。図５では、横軸は干渉計１０の光路差、縦軸は干渉計１０からの出力信号の強度を図示している。周波数スペクトルの間隔ＬＷ２を６ＧＨｚとして計算した一例である。なお、周波数スペクトルの間隔ＬＷ２を波長間隔に換算すると、周波数間隔ＬＷ２に相当する波長間隔は、３．２ｐｍになる。
【００８１】
図６は、図５を拡大したものである。図６では、横軸は干渉計１０の光路差ｄｘ、縦軸は干渉計１０からの出力信号の強度を図示している。
【００８２】
以下、ｄｘ＝０での干渉フリンジを第０の干渉フリンジ、ｄｘ＝Δｘでの干渉フリンジを第１の干渉フリンジ、ｄｘ＝ｎ×Δｘでの干渉フリンジを第ｎの干渉フリンジと定義する。本開示の一態様は、干渉計１０において第２の可動ミラー板１３を掃引することで波長間隔に対応した第１の干渉フリンジ近傍の信号を取得し、レイリー散乱光を除去し、ミー散乱光を選択的に得ることを特徴とする。
【００８３】
測定は、例えば以下の条件で行われる。具体的には、第１の可動ミラー板１１の位置（１／２×ｄｘ１）に対して、ｄｘ１を５０ｍｍに設定する。第２の可動ミラー板１３の位置（１／２×ｄｘ２）に対して、ｄｘ２を−０．１ｍｍ、０ｍｍ、０．１ｍｍの各々に設定する。すなわち、一例として、測定箇所数Ｎを３とする。この条件において、インターフェログラムを生成する。測定範囲ｓｘは、以下のように表せる。
【００８４】
測定範囲ｓｘ＝０．１×（Ｎ−１）
【００８５】
測定範囲ｓｘは、マルチレーザ光の中心波長λの１／４波長より大きく、干渉フリンジ間隔Δｘの１／２より小さく設定する。
【００８６】
図７は、本開示の実施の形態に係る干渉計１０で分光した際に生じるインターフェログラムの、大気及びエアロゾルによる散乱光強度Ｉに対する依存性の計算結果の一例である。
【００８７】
図７では、横軸は干渉計１０の光路差ｄｘ、縦軸は干渉計１０からの出力信号の強度を図示している。インターフェログラムに現れる干渉フリンジの内、第１の干渉フリンジに対応して、第１の可動ミラー板１１の位置（１／２×ｄｘ１）に対して、ｄｘ１を５０ｍｍに設定し、第２の可動ミラー板１３の位置（１／２×ｄｘ２）に対して、ｄｘ２を−１、−０．９、・・・、１ｍｍと測定箇所数Ｎを２１として、インターフェログラムを生成する。インターフェログラムは、計算した第１の干渉フリンジ周辺信号以外の部分をゼロで補間して図示している。図７の部分（ａ）から（ｄ）はそれぞれ、大気構成分子による散乱光強度Ｉｍを一定とし、エアロゾルによる散乱光強度Ｉを散乱光強度Ｉｍの０倍、１倍、２倍、４倍にそれぞれ変えて計算した場合の計算結果を表している。
【００８８】
図７の部分（ａ）に示すように、エアロゾルによる散乱光の信号がゼロの場合、インターフェログラムの信号強度は、ほぼゼロであり、大気構成分子による散乱光が本開示の一態様によりほぼ除去できていることがわかる。また、図７の部分（ｂ）から（ｄ）を比較して分かるように、エアロゾルの散乱光強度に比例して、インターフェログラムの信号強度が増加していることがわかる。
【００８９】
第２の可動ミラー板１３の駆動量は、マルチレーザ光の中心波長λの１／４波長より大きく、干渉フリンジ間隔Δｘの１／２より小さく設定する。
【００９０】
図８は、本開示の実施の形態に係る信号強度の、第２の可動ミラー板１３の駆動量に対する依存性を示す図である。図８では、横軸は駆動量、縦軸は信号強度を図示している。
【００９１】
図８では、複数の波長スペクトルの中心値λが４００ｎｍ、モード間隔ＬＷ２が３ＧＨｚ、測定箇所数Ｎが１１の条件での計算結果を図示している。また、中心値λを０ＧＨｚ、１０ＧＨｚ、２０ＧＨｚとずらしたときの、信号強度ばらつきの駆動量依存性の計算結果を図示している。
【００９２】
図８では、波長λの１／４以下にあたる駆動量が１０−４ｍｍ（＝１００ｎｍ）以下で急激にばらつきが大きくなる。これは波長λの１／４以下では、中心値のわずかなズレの情報を得ることができないためである。
【００９３】
図８では、フリンジ間隔Δｘの１／２以上にあたる駆動量が５０ｍｍ以上では、信号強度が低下する。これはフリンジ間隔Δｘの１／２近傍では、干渉フリンジの情報がなくなるためである。従って、第２の可動ミラー板１３の駆動量は、マルチレーザ光の中心波長λの１／４波長より大きく、フリンジ間隔Δｘの１／２より小さく設定することで、中心値のズレに対応でき、さらに信号強度が大きい結果が得られる。
【００９４】
すなわち、第１の干渉フリンジは、大気分子による散乱の影響はエアロゾルと比較して、きわめて小さい。よって、エアロゾルによる散乱光強度が増加すると、第１の干渉フリンジが単調に増加し、これを計測することで、エアロゾルによる散乱光強度を測定できることがわかる。
【００９５】
従って、干渉計１０を掃引することで波長間隔に対応した第１の干渉フリンジ近傍の信号を取得し、それによりレイリー散乱光を除去し、ミー散乱光を選択的に得ることができる。
【００９６】
第１の干渉フリンジの大きさは、インターフェログラム信号の最大値と最小値との差を用いて、表すことができる。
【００９７】
また、測定した第１の干渉フリンジ周辺信号以外の部分をゼロで補間したインターフェログラムを用いて、フーリエ変換することにより、波長スペクトルデータを求め、その最大値を用いて表してもよい。
【００９８】
これにより、受信信号の強度の大きさを一意に決めることができる。
【００９９】
以下、図９から図１３は、大気散乱の後方散乱係数とエアロゾルの後方散乱係数との比率を１：１として計算を行っている。
【０１００】
図９は、本実施の形態に係る計測装置１００が生成するインターフェログラムの、マルチレーザ光の波長スペクトルのずれ量に対する依存性の計算結果の一例を示す図である。図９では、複数の波長スペクトルの中心値λ（＝４００ｎｍ）が、ずれ量（ｓｈｉｆｔ）０ＧＨｚ、２ＧＨｚ、４ＧＨｚの各々に対応する波長分ずれた場合をそれぞれ図９の部分（ａ）、図９の部分（ｂ）、図９の部分（ｃ）に示している。
【０１０１】
また、図９の部分（ａ）から（ｃ）の各々において、上段のグラフが散乱光スペクトル、中段のグラフが生成されたインターフェログラム、下段のグラフが、インターフェログラムをフーリエ変換後のスペクトルを表している。また、散乱光スペクトル及びフーリエ変換後のスペクトルについては、横軸が周波数差ｄｆで、縦軸が強度を表している。なお、周波数差ｄｆは、波長スペクトルの差ｄλに対応している。インターフェログラムについては、横軸が干渉計１０の光路差ｄｘで、縦軸が強度を表している。これらは、後述する図１０及び図１１についても同様である。
【０１０２】
それぞれのずれ量に対して、ｄｘ２を−０．１ｍｍ、０ｍｍ、０．１ｍｍと測定箇所数Ｎを３として、インターフェログラムを生成する。取得したインターフェログラムをもとにフーリエ変換後の信号はどのずれ量でも、信号強度は変わらず、またずれ量に対応した信号変化が得られる。
【０１０３】
それぞれのずれ量に対して、ｄｘ２を−０．１ｍｍ、０ｍｍ、０．１ｍｍと測定箇所数Ｎを３として、インターフェログラムを生成する。取得したインターフェログラムをもとにフーリエ変換後の信号はどのずれ量でも、信号強度は変わらず、またずれ量に対応した信号変化が得られる。
【０１０４】
このことより、本開示の実施の形態ではマルチレーザ光の波長スペクトルがずれても、マルチレーザ光源１と干渉計１０を同調することなく信号を受信できる。
【０１０５】
図１０は、本開示の実施の形態に係る干渉計１０で分光した際に生じるインターフェログラムの、測定箇所数に対する依存性の計算結果の一例である。具体的には、図１０の部分（ａ）から（ｅ）はそれぞれ、測定箇所数Ｎが１、２、３、９、２１の場合を示している。なお、図１０の部分（ａ）におけるフーリエ変換後のスペクトルは、図１０の部分（ｂ）から（ｅ）のフーリエ変換後のスペクトルと比較して、縦軸を１０倍に拡大して示している。また、図１０では、複数の波長スペクトルの中心値λ（＝４００ｎｍ）のずれ量を４ＧＨｚと固定して計算を行っている。
【０１０６】
図１０に示されるように、測定箇所数Ｎが増えた場合、フーリエ変換後の信号の信号強度が増加する。
【０１０７】
図１１は、本開示の実施の形態に係る計測装置が生成するインターフェログラムの、マルチレーザ光源１のモード間隔ＬＷ２に対する依存性の計算結果の一例を示す図である。具体的には、図１１では、マルチレーザ光源１のモード間隔ＬＷ２が１．５ＧＨｚ、３ＧＨｚ、４ＧＨｚ、５ＧＨｚ、６ＧＨｚ、１２ＧＨｚと変えた場合をそれぞれ図１１の部分（ａ）、図１１の部分（ｂ）、図１１の部分（ｃ）、図１１の部分（ｄ）、図１１の部分（ｅ）、図１１の部分（ｆ）に示している。
【０１０８】
また、図１１の部分（ａ）から（ｆ）の上段のグラフに示すように、モード間隔ＬＷ２、すなわち、散乱光のスペクトル間隔ＭＷ２が、大気構成分子によるレイリー散乱の半値全幅ＲＷ（３．４ＧＨｚから３．９ＧＨｚ程度）に近づいた場合、レイリー散乱による反射強度の波長スペクトルは、平坦に近づく。これにより、レイリー散乱による光成分は、第０の干渉フリンジ近傍に集中し、第１の干渉フリンジは、ミー散乱による光成分のみに近づく。本開示の一態様は、このレイリー散乱とミー散乱との半値全幅の違いからエアロゾル信号を抽出する技術を提供する。
【０１０９】
つまり、マルチレーザ光源１の出射光を、等しい周波数間隔で、かつ、大気構成分子のレイリー散乱光の周波数スペクトルにおけるピークの半値全幅未満の周波数間隔の複数本のピークを有する光とする。そのことにより、散乱体の散乱光で生成される干渉フリンジにおいて、レイリー散乱による光成分の強度により、ミー散乱による光成分の強度が増加するので、ミー散乱光成分が強調され、レイリー散乱光成分が除去される。従って、ミー散乱光成分のみ、高精度で検出することができる。
【０１１０】
図１２は、本開示の実施の形態に係る干渉計１０で分光した際に生じるインターフェログラムのフーリエ変換後の信号比の、マルチレーザ光源１のモード間隔ＬＷ２に対する依存性の計算結果の一例を示す図である。
【０１１１】
図１２では、横軸はモード間隔ＬＷ２、縦軸は各モード間隔でのフーリエ変換後の信号比を図示している。信号比は、エアロゾルによる散乱光強度Ｉが０の場合と、大気構成分子による散乱光強度Ｉｍの６倍の場合との比率を図示している。図１２では信号比が１０００を超えた場合は図示を省略している。また、測定箇所数Ｎが２、３、１１と変えたときのそれぞれの依存性を図示している。測定箇所数Ｎの依存性がないのに対して、モード間隔ＬＷ２が大きくなるほど、信号比は低下する。
【０１１２】
一般に、大気散乱信号を無視できるのは、有効数字１桁が必要であり、信号比が１０以上である必要がある。
【０１１３】
図１２では、本開示の実施の形態に係るモード間隔ＬＷ２が５ＧＨｚ以下で大気散乱信号を除去する効果があることがわかる。
【０１１４】
図１３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１３の部分（ａ）から（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１３の部分（ａ）から（ｌ）はそれぞれ、出射光の周波数間隔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。
【０１１５】
図１３に示されるように、モード間隔ＬＷ２（すなわち、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１３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。
【０１１６】
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、干渉計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。
【０１１７】
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が５ＧＨｚの場合の第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、レイリー散乱光が干渉計１０を透過するのを抑制することができる。
【０１１８】
以上のことから、周波数間隔ＬＷ２は３．９ＧＨｚ以下であることで、散乱光からレイリー散乱光を効率良く除去することができる。
【０１１９】
このように、マルチレーザ光源１の周波数間隔が５ＧＨｚ以下の場合には、大気散乱に基づくレイリー散乱光成分を有効に除去することができ、ミー散乱光成分に基づきエアロゾルを精度良く検出することができる。さらに、マルチレーザ光源１の周波数間隔が３．９ＧＨｚ以下の場合には、ミー散乱光成分をより高い精度で検出することができるので、エアロゾルの検出精度をさらに高めることができる。
【０１２０】
［３．構成］
以下では、計測装置１００の構成要素の詳細について、図１を適宜参照しながら説明する。
【０１２１】
［３−１．マルチレーザ光源］
マルチレーザ光源１は、互いに等しい周波数間隔で離れた複数本のピークを含む周波数スペクトルを示すレーザ光を大気中の散乱体へ出射する光源の一例である。言い換えると、マルチレーザ光源１は、等しい波長間隔で互いに波長が異なる複数の発振周波数を有するレーザ光を大気中の散乱体へ出射する光源の一例である。
【０１２２】
周波数間隔は、大気構成分子のレイリー散乱光の周波数スペクトルにおけるピークの半値全幅未満である。具体的には、図３及び図４に示されるように、周波数間隔ＬＷ２が、大気構成分子によるレイリー散乱光成分のピークの半値全幅ＲＷ未満である。
【０１２３】
本実施の形態に係るシステムにおいてマルチレーザ光源１は例えば、マルチモードレーザによって実現される。また、レーザ光源の前方にエタロン等の多重干渉フィルタを用いてもよい。どちらも波長領域において、周期的なスペクトルピークを持つことができ、半値全幅の狭い鋭い波形が得られる。また、周期的なスペクトルピークを持つように準備された複数のレーザを用いてもよい。
【０１２４】
［３−２．干渉計］
干渉計１０は、マルチレーザ光源１が出射したレーザ光が散乱体で散乱することにより生じた散乱光を干渉させる。具体的には、干渉計１０は、散乱光を、第１の散乱光と、当該第１の散乱光と光路が異なる第２の散乱光とに分岐し、第１の散乱光と第２の散乱光との光路差を変化させ、かつ、第１の散乱光と第２の散乱光とを干渉させることにより干渉光を生成する。干渉計１０は、第１の散乱光と第２の散乱光とを干渉させることによりインターフェログラムを取得する。
【０１２５】
本実施の形態では、図１に示すように、干渉計１０がマイケルソン干渉計である場合について説明したが、これに限らない。干渉計１０は、例えばマッハツェンダー干渉計、ファブリペロー干渉計、等であってもよい。
【０１２６】
干渉計１０は、第１の可動ミラー板１１と、ハーフミラー板１２と、第２の可動ミラー板１３とを備える。
【０１２７】
第２の可動ミラー板１３とハーフミラー板１２との初期の距離を１／２×Ｌとする。第１の可動ミラー板１１とハーフミラー板１２との距離は、当該初期の距離に、干渉フリンジの間隔Δｘに対応した距離ｄｘ１（＝Δｘ）の半分を加えた距離（すなわち、１／２×Ｌ＋１／２×ｄｘ１）に、第１の可動ミラー板１１を動かして設定する。第２の可動ミラー板１３を、１／２×Ｌ±ｄｘ２の範囲で掃引して計測を行う。これにより、第１の可動ミラー板１１で反射される第１散乱光と、第２の可動ミラー板で反射される第２散乱光との光路差は、以下のように算出される。
【０１２８】
光路差＝２×（１／２×Ｌ＋１／２×ｄｘ１）−２×（１／２×Ｌ±１／２×ｄｘ２）
＝ｄｘ１±ｄｘ２
【０１２９】
２つの可動ミラー板を用いることで、可動長が長く、測定中は固定となる第１の可動ミラー板１１と、可動長が短く、測定中も可動する第２の可動ミラー板１３とで可動域を分担させることができる。これにより、小型で精度が高い分光を行うことができる。
【０１３０】
ここでは、移動距離別に２種類の可動ミラー板を用いたが、例えば可動ミラー板と固定ミラー板を用いて実現することもできる。また、第２の可動ミラー板１３が測定中は固定であり、第１の可動ミラー板１１が測定中に可動させてもよい。
【０１３１】
［３−３．受光器］
受光器６は、干渉された散乱光中に含まれるミー散乱光を受光する。具体的には、受光器６は、干渉計１０から出力される干渉光を受光し、干渉光の強度に対応する信号を出力する。つまり、受光器６は、干渉計１０が取得したインターフェログラムを信号に変換する。
【０１３２】
受光器６は、例えば、ＰＭＴ（PhotoMultiplier Tube）を用いるがこれに限らない。受光器６は、ＰＭＴとフォトンカウンタとを有した構成であってもよい。また、受光器６は、ＡＰＤ（Avalanche PhotoDiode）を有する構成であってもよい。
【０１３３】
［３−４．信号処理部］
信号処理部７は、受光器６によって得られた信号を信号処理する。具体的には、信号処理部７は、受光器６が出力する信号からミー散乱光の量を検出する。例えば、信号処理部７は、信号から干渉光のインターフェログラムを生成することにより、散乱光に含まれるミー散乱光に相当する信号成分を検出する。
【０１３４】
信号処理部７の構成要素は、コンピュータ、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。
【０１３５】
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。
【０１３６】
［３−５．集光部］
集光部５０は、計測対象物２である散乱体からの散乱光を集光する光学部品である。集光部５０は、例えば、少なくとも１つの集光レンズ、若しくは、少なくとも１つの反射鏡、又は、これらの組み合わせである。例えば、集光部５０は、集光レンズと、コリメートレンズとを含むレンズ群を含んでもよい。集光レンズで集光された光が、コリメートレンズによって平行光に変換されて出射される。これにより、集光部５０によって集光された散乱光は、ミラー板３に入射される。集光部５０は、ピンホールを含んでもよい。
【０１３７】
集光部５０は、散乱体と干渉計１０との間の光路上に配置されている。例えば、図１に示す例では、集光部５０は、散乱体とミラー板３との間に配置されている。
【０１３８】
なお、散乱光の強度が強い場合には、集光部５０が配置されなくてもよい。つまり、図１４に示されるように、計測装置は、集光部５０を備えなくてもよい。なお、図１４に示される計測装置２００は、計測装置１００の変形例であり、集光部５０を備えない点を除いて、計測装置１００と同じである。
【０１３９】
［４．計測装置の適用例］
続いて、本実施の形態に係る計測装置１００の適用例について、図１５Ａ及び図１５Ｂを用いて説明する。図１５Ａ及び図１５Ｂは、本実施の形態に係る計測装置１００を備える浄化システム３００を示す図である。
【０１４０】
図１５Ａ及び図１５Ｂに示されるように、浄化システム３００は、計測装置１００と、浄化装置３１０とを備える。なお、浄化システム３００は、計測装置１００の代わりに、図１４に示される計測装置２００を備えてもよい。
【０１４１】
浄化装置３１０は、エアロゾルを浄化する装置である。なお、本実施の形態において、エアロゾルの浄化とは、検知領域内で検出されるエアロゾルを減らすことを意味する。これにより、エアロゾルによる健康被害の発生を抑制することができる。また、エアロゾルの浄化とは、エアロゾルに含まれるウイルスを無害化すること、及び／又は、エアロゾルを対象空間から単に排出することも意味する。
【０１４２】
浄化装置３１０は、例えば、エアロゾルを無害化する薬液３１１を噴霧する噴霧装置である。薬液３１１は、例えば、次亜塩素酸水又はオゾン水である。あるいは、薬液３１１は、アルコール溶液であってもよい。薬液３１１は、菌又はウイルスを除菌する機能を有する。浄化装置３１０は、例えば、薬液３１１をミスト化して噴霧する。このとき、浄化装置３１０は、ミスト化した薬液３１１を、渦輪状にして噴霧してもよい。
【０１４３】
また、浄化装置３１０は、気流を生成する気流生成装置であってもよい。気流は、例えば、浄化装置３１０から離れる方向に押し出す気流、及び／又は、浄化装置３１０に近づく方向に吸い込む気流である。
【０１４４】
浄化装置３１０は、計測装置１００による計測結果に基づいてエアロゾルを浄化する。具体的には、図１５Ａに示されるように、計測装置１００は、レーザ光３２０を散乱体に向けて出射し、散乱体からの散乱光を受光することにより、散乱体に含まれるエアロゾルを検出する。例えば、レーザ光の出射方向を空間内で走査することにより、計測装置１００は、空間内におけるエアロゾルの有無及び／又は濃度を示す分布を生成することができる。図１５Ｂに示すように、浄化装置３１０は、計測装置１００が生成した分布に基づいて、エアロゾルが存在する位置、及び／又は、エアロゾルの濃度が所定の閾値を超えている位置に向けて、薬液３１１を噴霧する。
【０１４５】
このように、浄化システム３００では、計測装置１００の計測結果を用いることで、エアロゾルに向けて薬液３１１を放出することができる。これにより、浄化システム３００では、薬液３１１がエアロゾルの無害化に有効に利用されるので、エアロゾルを効率良く浄化させることができる。
【０１４６】
また、浄化装置３１０が気流生成装置である場合は、エアロゾルに向けて押し出す方向に気流を生成することで、エアロゾルを検知領域から押し出すことができ、エアロゾルを浄化することができる。あるいは、浄化装置３１０は、エアロゾルを吸い込むことで、エアロゾルを浄化してもよい。浄化システム３００では、エアロゾルの位置を利用することで、エアロゾルが気流によって拡散されるのを抑制することができるので、エアロゾルを効率良く浄化することができる。
【０１４７】
（他の実施の形態）
以上、１つ又は複数の態様に係る計測装置及び計測方法について説明したが、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。
【０１４８】
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。
【産業上の利用可能性】
【０１４９】
本開示は、大気中のエアロゾルの分布の観測を行う計測装置及び計測方法などとして利用でき、例えば、屋外での気象観測、及び屋内での有害微粒子計測に利用できる。
【符号の説明】
【０１５０】
１  マルチレーザ光源
２  計測対象物
３  ミラー板
６  受光器
７  信号処理部
１０  干渉計
１１  第１の可動ミラー板
１２  ハーフミラー板
１３  第２の可動ミラー板
３０  制御部
３１  アクチュエータ
５０  集光部
１００、２００  計測装置
３００  浄化システム
３１０  浄化装置
３１１  薬液
３２０  レーザ光
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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