(57)【要約】【課題】被計測分子の濃度偏差が大きな計測場においても濃度分布を高精度に計測できるレーザを用いた２次元計測装置を提供する。【解決手段】シート状のレーザ光を出力し計測場の被計測分子に照射するビームエキスパンダと、上記ビームエキスパンダと計測場の間に設けられ内部に蛍光物質が封入され上記レーザ光を通過させるセルと、前記セル内の蛍光物質が発する蛍光の蛍光強度及び計測場の被計測分子が発する蛍光の蛍光強度を測定する蛍光測定手段と、前記セルの位置情報と前記計測場の位置情報を用いて、前記計測場の蛍光強度を前記セル内の蛍光強度で正規化して濃度分布を高精度に計測する。【選択図】図１
2010019562.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザビームを出力するレーザ装置と、レーザビームをレーザシート光に変換するビームエキスパンダと、被計測分子を有する計測場と、前記計測場の被計測分子に照射されたレーザシート光による被計測分子の蛍光強度を測定する蛍光測定手段と、前記レーザ装置のレーザシート光照射時間と前記蛍光測定手段の測定時間のタイミングを調整する制御装置とを有する２次元分布計測装置において、
前記レーザ装置と計測場の間に、内部に蛍光物質が封入されレーザシート光が照射されるセルを設け、前記計測場の被計測分子および前記セルの内部に封入した蛍光物質が発する蛍光を蛍光測定手段によって同時に計測する同時計測手段と、セルの蛍光強度および位置情報と前記計測場の蛍光強度および位置情報を用いて計測場における被計測分子の蛍光強度を正規化する正規化手段とを設けたことを特徴とするレーザ光を用いた２次元分布計測装置。
【請求項２】
請求項１記載のレーザ光を用いた２次元分布計測装置において、
前記正規化手段は、レーザシート光によるセルの蛍光強度により被計測分子の特性を求めて計測場におけるレーザシート光の強度を計算し、計測された被計測分子の蛍光強度を前記計測場におけるレーザ光の強度で正規化して計測場における被計測分子の特性分布を計算することを特徴とするレーザ光を用いた２次元分布計測装置。
【請求項３】
請求項２記載のレーザ光を用いた２次元分布計測装置において、
前記正規化手段における被計測分子の特性は、被計測分子の吸光係数と、蛍光強度とレーザシート光強度に関する比例定数を含むことを特徴とするレーザ光を用いた２次元分布計測装置。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載のレーザ光を用いた２次元分布計測装置において、
前記同時計測手段は、前記計測場の被計測分子および前記セルの内部に封入した蛍光物質が発する蛍光を単一の蛍光測定手段によって同時に計測することを特徴とするレーザ光を用いた２次元分布計測装置。
【請求項５】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載のレーザ光を用いた２次元分布計測装置において、
前記ビームエキスパンダと計測場の間に設けられ前記シートレーザ光を分岐するビームスプリッタと、前記ビームスプリッタを透過し前記計測場に照射するレーザシート光と平行になるように前記ビームスプリッタにより分岐したレーザシート光を反射させるミラーと、ビームスプリッタによって分岐したレーザ光を通過させる前記セルと、前記計測場の被計測分子および前記セルの内部に封入した蛍光物質が発する蛍光を単一の蛍光測定手段によって同時に計測する同時計測手段を備えたことを特徴とするレーザ光を用いた２次元分布計測装置。
【請求項６】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載のレーザ光を用いた２次元分布計測装置において、
前記ビームエキスパンダと計測場の間に設けられ前記シート状のレーザ光を分岐するビームスプリッタと、前記ビームスプリッタを透過し前記計測場に照射するレーザ光と平行になるように前記ビームスプリッタによって分岐したレーザ光を反射させるミラーと、前記ビームスプリッタによって分岐したレーザ光を通過させる前記セルと、前記セルの蛍光強度を測定するセル蛍光測定手段と、前記計測場の被計測分子および前記セルの内部に封入した蛍光物質が発する蛍光を前記蛍光測定手段およびセル蛍光測定手段によって同時に計測する同時計測手段を備えたことを特徴とするレーザ光を用いた２次元分布計測装置。
【請求項７】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載のレーザ光を用いた２次元分布計測装置において、
前記レーザ装置と前記ビームエキスパンダとの間に設置され前記ビーム状のレーザ光を分岐するビームスプリッタと、前記ビームスプリッタを透過し前記計測場に照射するレーザ光と平行になるように前記ビームスプリッタによって分岐したレーザ光を反射させるミラーと、前記ミラーによって反射したレーザ光をレーザシート光に変換して前記セルに照射するビームエキスパンダと、前記セルの蛍光強度を測定するセル蛍光測定手段と、前記計測場の被計測分子および前記セルの内部に封入した蛍光物質が発する蛍光を前記蛍光測定手段およびセル蛍光測定手段によって同時に計測する同時計測手段を備えたことを特徴とするレーザ光を用いた２次元分布計測装置。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれか１項に記載のレーザ光を用いた２次元分布計測装置において、前記セルに封入する蛍光物質を前記計測場の被計測分子と同一物質にしたことを特徴とするレーザ光を用いた２次元分布計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ誘起蛍光法を用いた被計測分子の濃度、温度などの特性に関する２次元分布を計測するレーザ光を用いた計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
被計測分子の濃度や温度の２次元分布を計測する方法として、２次元のシート状のレーザ光を用いたレーザシート法とレーザ誘起蛍光法（LIF：Laser Induced Fluorescence）を組み合わせた計測手法、Planer− LIF（以下Ｐ−ＬＩＦと略す）が従来用いられている。
【０００３】
図６に、一般的なＰ−ＬＩＦを用いた２次元濃度計測装置の概略構成を示す。本計測装置において、励起用パルスレーザ装置1から発振したレーザは波長可変色素レーザ装置２に入力され、被計測分子の電子励起エネルギーに対応した波長に変換されたビーム状のレーザ光１１を発振する。レーザ光１１はビームエキスパンダ１３で厚さ１ｍｍ前後のシート状に広げられ、凸面レンズ２０で射出方向に平行な幅を持つレーザシート光１２に整形されて、被計測分子を含む計測場１０に照射される。図のレーザシート光の拡がりは紙面とほぼ平行である。
【０００４】
計測場１０の被計測分子はレーザシート光１２の一部を吸収して励起状態になり、基底状態に戻るときに特定の波長を持った蛍光を発する。この蛍光をレーザシート光に対しほぼ直交する方向あるいは斜め方向からレンズ５で集光してＣＣＤカメラ４で蛍光強度の２次元分布データとして計測する。計測場１０とレンズ５の間には光学フィルタ６を設置し、光学フィルタ６によってレーザシート光１２の散乱光などの迷光を低減し被計測分子の蛍光を選択的にレンズ５に導く。計測したデータはライン８で制御装置である制御コンピュータ３に取り込む。また制御コンピュータ３に設けた同時計測手段により同期ライン９で励起用パルスレーザ装置１の発振とＣＣＤカメラ４の露光タイミングを調整する。
【０００５】
Ｐ−ＬＩＦでは、蛍光強度は被計測分子の濃度とレーザシート光の強度の積に比例する。レーザシート光は一般に不均質な強度分布を持っており、計測する全領域において一様な強度分布のレーザシート光１２を照射することは困難である。したがって被計測分子の濃度すなわち蛍光強度を正確に計測するためには、ＣＣＤカメラ４で計測した蛍光強度からレーザシート光１２の強度分布の変化による影響を除去する必要がある。
【０００６】
レーザシート光１２の強度を計測する方法として、計測場１０での測定前に、均一な所定濃度の蛍光物質を封入したセル７を計測場１０に挿入してレーザシート光によるセル７の蛍光強度を計測する方法が知られている。セル７に封入した蛍光物質の濃度は均一でありセル７の蛍光強度はレーザシート光１２の強度に比例する。上記のようにあらかじめ計測したレーザシート光の蛍光強度を用いて計測場１０の蛍光強度を除算することにより計測値を正規化し、レーザシート光の強度分布の影響を除去し計測場１０の被計測分子濃度を正確に計測する。
【０００７】
また、特許文献１には、計測場とビームエキスパンダの間に蛍光物質を封入したセルを設置し、計測場の蛍光を計測するＣＣＤカメラとは別に、セル中の蛍光物質が発する蛍光を計測するＣＣＤカメラを設置し、２つのＣＣＤカメラで計測場とセルの蛍光強度分布を同時に計測し、セルの蛍光強度分布で計測場の蛍光強度分布を除算して計測値を正規化する計測装置が示されている。
【０００８】
特許文献２には、ビームエキスパンダと計測場の間にレーザ光の一部を分岐するビームスプリッタを設け、ビームスプリッタによって分岐したレーザ光を蛍光物質を塗布したガラス板に照射し、ガラス板の蛍光物質から発する蛍光強度を測定し、この蛍光強度分布で計測場の蛍光強度分布を除算することで正規化する計測装置が示されている。
【０００９】
【特許文献１】特開平7-198611号公報
【特許文献２】特開平9-210909号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、上記の被計測分子の計測前にレーザシート光の強度をあらかじめ計測しておく方法では計測場１０の蛍光強度とレーザシート光１２の強度とを同時に計測できなかった。レーザシート光出力は時間的変動が大きく、そのため、時間的に同期のとれない複数の計測データについて蛍光強度を比較することが困難であった。
【００１１】
また、Ｐ−ＬＩＦでは、レーリー散乱や被計測分子を励起するための吸収により、レーザシート光の強度はレーザ装置から離れるに従って減衰し、その減衰量は被計測分子の濃度に比例する。したがって、特許文献１に記載の装置のように、計測場の蛍光強度を均一濃度の蛍光物質を封入したセルの一様な蛍光強度で除算すると、計測場とセル内部の蛍光物質の濃度分布が異なることに起因する計測誤差が生じる。また、特許文献１には、レーザシート光の減衰に対する補正は開示されていない。
【００１２】
特許文献２に記載の装置では、レーザシート光の幅方向の強度分布を補正することはできるが、レーザシート光の照射方向のレーザシート光の減衰については記載されていない。
【００１３】
また、特許文献１および特許文献２に記載の装置はいずれもレーザシート光が完全な平行光である必要があり、レーザシート光を平行にできないときや調整が不十分なときには、濃度を計測できなかったり計測誤差が生じたりする。さらに、上記のいずれの方法においても濃度の絶対値を計測することはできなかった。
【００１４】
本発明の目的は、計測場における被計測分子の濃度偏差が大きな計測場においても濃度分布を高精度に計測できるレーザを用いた２次元分布計測装置を提供することである。また、あわせて濃度の絶対値を計測できるレーザを用いた２次元分布計測装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明は、レーザビームを出力するレーザ装置と、レーザビームをレーザシート光に変換するビームエキスパンダと、被計測分子を有する計測場と、前記計測場の被計測分子に照射されたレーザシート光による被計測分子の蛍光強度を測定する蛍光測定手段と、前記レーザ装置のレーザシート光照射時間と前記蛍光測定手段の測定時間のタイミングを調整する制御装置とを有する２次元分布計測装置において、前記レーザ装置と計測場の間に、内部に蛍光物質が封入されレーザシート光が照射されるセルを設け、前記計測場の被計測分子および前記セルの内部に封入した蛍光物質が発する蛍光を蛍光測定手段によって同時に計測する同時計測手段と、セルの蛍光強度および位置情報と前記計測場の蛍光強度および位置情報を用いて計測場における被計測分子の蛍光強度を正規化する正規化手段とを設けたことを特徴とする。
【００１６】
また、前記正規化手段は、レーザシート光によるセルの蛍光強度により被計測分子の特性を求めて計測場におけるレーザシート光の強度を計算し、計測された被計測分子の蛍光強度を前記計測場におけるレーザ光の強度で正規化して計測場における被計測分子の特性分布を計算することを特徴とする。
【００１７】
また、前記正規化手段における被計測分子の特性は、被計測分子の吸光係数と、蛍光強度とレーザシート光強度に関する比例定数を含むことを特徴とする。
【００１８】
さらに、前記同時計測手段は、前記計測場の被計測分子および前記セルの内部に封入した蛍光物質が発する蛍光を単一の蛍光測定手段によって同時に計測することを特徴とする。
【００１９】
さらに、上記ビームエキスパンダと計測場の間に設けられ前記シートレーザ光を分岐するビームスプリッタと、前記ビームスプリッタを透過し前記計測場に照射するレーザシート光と平行になるように前記ビームスプリッタにより分岐したレーザシート光を反射させるミラーと、ビームスプリッタによって分岐したレーザ光を通過させる前記セルと、前記計測場の被計測分子および前記セルの内部に封入した蛍光物質が発する蛍光を単一の蛍光測定手段によって同時に計測する同時計測手段を備えたことを特徴とする。
【００２０】
さらに、上記ビームエキスパンダと計測場の間に設けられ前記シート状のレーザ光を分岐するビームスプリッタと、前記ビームスプリッタを透過し前記計測場に照射するレーザ光と平行になるように前記ビームスプリッタによって分岐したレーザ光を反射させるミラーと、前記ビームスプリッタによって分岐したレーザ光を通過させる前記セルと、前記セルの蛍光強度を測定するセル蛍光測定手段と、前記計測場の被計測分子および前記セルの内部に封入した蛍光物質が発する蛍光を前記蛍光測定手段およびセル蛍光測定手段によって同時に計測する同時計測手段を備えたことを特徴とする。
【００２１】
さらに、前記レーザ装置と上記ビームエキスパンダとの間に設置され前記ビーム状のレーザ光を分岐するビームスプリッタと、前記ビームスプリッタを透過し前記計測場に照射するレーザ光と平行になるように前記ビームスプリッタによって分岐したレーザ光を反射させるミラーと、前記ミラーによって反射したレーザ光をレーザシート光に変換して前記セルに照射するビームエキスパンダと、前記セルの蛍光強度を測定するセル蛍光測定手段と、前記計測場の被計測分子および前記セルの内部に封入した蛍光物質が発する蛍光を前記蛍光測定手段およびセル蛍光測定手段によって同時に計測する同時計測手段を備えたことを特徴とする。
【００２２】
さらに、前記セルに封入する蛍光物質を前記計測場の被計測分子と同一物質にしたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、被計測分子の濃度偏差が激しい計測場における蛍光強度を高精度に計測可能なレーザ光を用いた計測装置を実現できる。さらに２次元濃度分布などの複数の計測データの平均値や変動成分を高精度に統計処理できるレーザ光を用いた計測装置を実現できる。
【００２４】
また、上記の計測装置において、計測対象と同一物質をセルに封入することで計測場の絶対濃度を計測できる計測装置を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下に、本発明によるレーザ光を用いた計測装置について図を参照して説明する。
〔第１の実施形態〕
本発明の第１の実施形態について、全体の概略構成を図１に示す。本計測装置は、励起用パルスレーザ装置１と波長可変色素レーザ装置２からなるレーザ装置、ビームエキスパンダ１３、蛍光測定手段であるＣＣＤカメラ４、制御装置である制御コンピュータ３、セル７、計測場１０で構成される。
【００２６】
励起用パルスレーザ装置１が発振したレーザは波長可変色素レーザ装置２にて被計測分子の電子励起エネルギーに対応した波長に変換されたビーム状のレーザ光１１として発振される。レーザ光１１はビームエキスパンダ１３で紙面と平行に拡散するシート状のレーザシート光１２に拡げられ、被計測分子と同一種類の分子からなる所定濃度の蛍光物質を封入したセル７を透過して被計測分子を含む計測場１０に照射される。
【００２７】
セル７と計測場１０で発光した蛍光をレンズ５で集光し、ＣＣＤカメラ４で蛍光強度の２次元分布を計測する。蛍光強度の２次元分布は、ＣＣＤカメラ４を構成するＣＣＤ画素数に対応した２次元のデジタルデータである。計測した蛍光強度の２次元分布データはライン８で制御コンピュータ３に取り込まれ処理される。また制御コンピュータ３は、同期ライン９で励起用パルスレーザ装置１の発振とＣＣＤカメラ４の露光のタイミングを調整する。ＣＣＤカメラ４によって計測した蛍光強度の２次元分布データには、レーザ装置側にセル７の蛍光強度、レーザ装置から離れた領域に計測場１０の蛍光強度が各々連続的に記録される。
【００２８】
計測場１０とレンズ５との間には光学フィルタ６が設置され、レーザシート光１２やその散乱光、そのほかの迷光を低減している。レーザ装置は励起用パルスレーザ装置１と波長可変色素レーザ装置２に替えてエキシマレーザなどの波長可変レーザを用いてもよい。また、レーザシート光１２は図５と同様にビームエキスパンダと凸レンズを組み合わせて平行な幅を持つレーザシート光にしてもよい。
【００２９】
励起用パルスレーザ装置１のレーザ光のパルス幅は数ナノ秒であり、蛍光の発光持続時間は１マイクロ秒程度である。蛍光強度は励起レーザ光の照射後に指数関数的に減衰する。従ってＣＣＤカメラ４の露光時間は数ナノから数百ナノ秒に設定するとよい。
〔被計測分子濃度の計算〕
上記により計測した計測場１０の蛍光強度Ｉｆの２次元分布データは、計測場１０の被計測分子の濃度Ｃとレーザシート光１２の強度Ｉの積に比例している。すなわち、蛍光強度Ｉｆとレーザ光の強度Ｉとの間には次の関係がある。
Ｉｆ  ＝  ａＣＩ                                      ……（式１）
ここでａはＣＣＤカメラ４や光学フィルタ６など計測装置の特性によって決まる比例定数である。したがって、被計測分子の濃度Ｃは、計測した蛍光強度Ｉｆをレーザシート光１２の強度Ｉで除算することで求められる。被計測分子の２次元濃度分布を得るためには、ＣＣＤカメラ４の画素１点１点について、計測した各画素の蛍光強度Ｉｆを、各画素におけるレーザシート光の強度Ｉで除算する。各画素のレーザシート光の強度Ｉは、射出されるレーザシート光１２の不均一性と被計測分子によるレーザシート光の吸収減衰の２つを考慮して計算する。
【００３０】
以下に各画素のレーザシート光強度Ｉの計算方法について図６により説明する。図２（ａ）にレーザシート光の拡がり方向に対し直交する方向から見た、ＣＣＤカメラ４の計測領域とレーザシート光１２の照射方向の関係を示す。図２（ｂ）にはレーザシート光１２のある光線について、図２（ａ）のＸ方向に対応したレーザシート光の強度Ｉと蛍光強度Ｉｆの分布を示す。図２（ｃ）に図２（ａ）のＡ−Ａ断面におけるレーザシート光の強度Ｉと蛍光強度Ｉｆの分布を示す。
〔レーザ光の不均一性の補正〕
まず、レーザシート光１２が平行光でない場合について不均一性を補正する計算について説明する。図２（ａ）において、ＣＣＤカメラ４の計測領域３０には、セル７の蛍光強度３１および計測場１０の蛍光強度３２が計測されている。図１におけるレーザシート光１２は、ビームエキスパンダ１３の焦点に相当する、仮想的な光源３３から拡がり角θで拡がりながら、計測領域３０を照射しているとみなせる。以下、本図のＹ方向をレーザシート光１２の幅方向、Ｘ方向をレーザシート光１２の照射方向と呼ぶ。
【００３１】
レーザシート光１２は、図１の波長可変色素レーザ装置２から発振したビーム状のレーザ光１１をビームエキスパンダ１３でシート状に広げて形成しているため、レーザシート光１２の幅方向について強度は均一でない。ＣＣＤカメラ４の計測領域３０において、セル７の蛍光強度３１のレーザシート光１２の幅方向Ａ−Ａ断面について図２（ｃ）の実線に示すような蛍光強度Ｉｆの分布が得られる。セル７の蛍光物質の濃度Ｃは幅方向に一様であり、蛍光強度Ｉｆはレーザシート光１２の強度Ｉに比例するため、蛍光強度Ｉｆの分布からレーザシート光１２の幅方向Ａ−Ａ断面における強度Ｉの分布が得られる。
【００３２】
次に、セル７の蛍光強度３１の分布から、レーザシート光１２の拡がり角θとレーザシート光１２の光源３３の位置を計算する。レーザシート光１２は光源３３から光線３４のように照射している。ＣＣＤカメラ４の計測領域３０の任意の点におけるレーザシート光１２の強度Ｉは、セル７の蛍光強度３１と、シート光１２の拡がり角θと光源３３の位置、および光源３３から計算する任意の点までの距離Ｌから計算する。
【００３３】
なお、セル７の蛍光強度３１の分布データが不十分でレーザシート光１２の光源３３を計算できない場合には、ビームエキスパンダ１３とセル７の位置関係、及びレーザシート光１２の拡がり角から光源３３を決めてもよい。また、レーザシート光１２が完全な平行光である場合は、次に示すレーザの減衰補正のみを計算するとよい。
〔レーザ光の吸収減衰の補正〕
さらに、被計測分子によるレーザシート光１２の吸収減衰を補正する計算について説明する。計測場１０の蛍光強度３２について、光源３３から照射する一本の光線３４について説明する。光線３４の照射方向についてレーザシート光の強度Ｉと蛍光強度Ｉｆの分布を図２（ｂ）に示す。実線はＣＣＤカメラ４によって計測した蛍光強度Ｉｆの分布であり、一点鎖線は上記のレーザシート光１２の拡がりのみを考慮して計算したレーザシート光１２の強度分布であり、点線はさらに被計測分子による光の吸収のファクタを加えて計算したレーザシート光１２の強度Ｉａｂｓの分布を示す。
【００３４】
被計測分子の光の吸収に関する吸光計数εは、セル７に入射する前の光の強度Ｉ０が幅Ｌｃｅｌｌのセル７中を透過したときの光の強度をＩＬｃｅｌｌとしたとき、セル７中の被計測分子の濃度Ｃを用いて以下の式で示される。
Ｌｏｇ  （  ＩＬｃｅｌｌ  ／Ｉ０  ）  ＝  εＣＬｃｅｌｌ                      ……（式２）
本計測装置では、セル７の大きさＬｃｅｌｌ、被計測分子の濃度Ｃは既知であるから、セル７の蛍光強度３１を用いて吸光係数εを計算する。なお、被計測分子の吸光係数εが既知である場合はその値を用いてもよい。
【００３５】
セル７の蛍光強度３１から、レーザシート光１２の強度Ｉと被計測分子の濃度Ｃに対する蛍光強度Ｉｆの関係式（１）により、比例定数ａを計算する。
【００３６】
上記式（１）（２）によって計算した比例定数ａおよび吸光係数εを用いて、計測場１０の蛍光強度３２について、ＣＣＤの画素ごとに光源３３側から順に光源３３から離れる照射方向に順に被計測分子による光の吸収を考慮したレーザシート光１２の強度Ｉａｂｓを計算する。レーザシート光１２の強度Ｉａｂｓと各画素の蛍光強度Ｉｆから濃度Ｃが計算できる。
【００３７】
上記の方法で得られた光源３３に近い領域から離れる照射方向にしたがって被計測分子による光の吸収を考慮したレーザシート光１２の強度Ｉａｂｓの分布を用いることで、レーザシート光１２の拡散による強度低下と被計測分子によるレーザシート光１２の吸収による影響を低減した、高精度な被計測分子の濃度分布を得ることができる。上記の計算は制御コンピュータにおいて、所定のソフトウェアを用いて行われる。すなわち正規化手段、計算手段はこれらハードウェア、ソフトウェア上に構成される。
【００３８】
Ｐ−ＬＩＦでは高感度なＣＣＤカメラで計測するが、ノイズを低減したり非定常な計測場における濃度の時間平均分布を計測するために、連続して計測した２次元蛍光強度分布データを平均化することが多い。しかしすでに述べたように、蛍光強度はレーザ光照射からの経過時間に強く依存し、レーザ光照射とＣＣＤカメラの露光タイミングが僅かにずれるだけで計測する蛍光強度は大きく異なる。したがって、レーザパワーメータ等によるレーザ強度と計測された蛍光強度が比例しないことがある。
【００３９】
本実施形態では、計測場の計測と同時に同一計測場に設けた均一濃度のセルの蛍光を同時計測手段として用いる単一のＣＣＤカメラで計測することで、照射するレーザ光の強度を高精度に補正することができる。ＣＣＤカメラ４で計測した蛍光強度の２次元分布データを単純に平均化するのではなく、上記の方法で正確に求めたレーザ光強度で被計測分子の蛍光強度を正規化して計算することにより高精度に２次元濃度分布データを得ることができる。
【００４０】
セル７には被計測分子と同一物質を用いると被計測分子濃度の絶対値を得ることができる。また同一物質に代えて別の蛍光物質を封入してもよい。この場合には、別途封入する蛍光物質と被計測分子が発する蛍光強度の比と、照射するレーザシート光の強度Ｉと蛍光Ｉｆとの比例定数を求めておくとよい。
〔第２の実施形態〕
本発明の第２の実施形態について、全体の概略構成を図３に示す。図においてレーザシート光は紙面に垂直な方向に拡がっている。基本的な動作は第１の実施形態と同様であり以下に異なる点を説明する。
【００４１】
ビームエキスパンダ１３と計測場１０との間にビームスプリッタ１４を設置する。ビームスプリッタ１４を透過したレーザシート光１２と分岐したレーザシート光１２’とが平行になるようにミラー１５で調整する。ＣＣＤカメラ１４の計測領域において光源側にセル７を配置する。レーザシート光１２によって発光した被計測分子の蛍光をＣＣＤカメラ４で計測しないように、レーザシート光１２とセル７の間に遮光板１６を設置してマスキングする。ビームエキスパンダ１３と図示しない凸レンズを組み合わせてレーザシート光１２およびレーザシート光１２’は平行な幅を持つ平行光にするのが望ましい。
【００４２】
ビームスプリッタ１４と計測場１０との距離Ｌと、ビームスプリッタ１４とセル７との距離Ｌ’およびセル７の蛍光強度を用いて、計測場１０を照射するレーザシート光１２の強度Ｉの分布を計算する。また、レーザシート光１２の強度とレーザシート光１２’の強度の比をあらかじめ計測しておくことで、第１の実施形態と同様にＣＣＤカメラ４によって計測した蛍光強度分布から計測場１０の濃度分布を計測できる。シート１２および１２’が平行光でない場合には、ビームエキスパンダ１３からの距離を用いて、計測場１０とセル７を照射するレーザシート光１２の強度Ｉを補正するとよい。
【００４３】
本実施形態では、計測場１０の近傍にセル７を設置できない場合においても、測定場１０の蛍光強度とセル７の蛍光強度を、同時計測手段としての単一のＣＣＤカメラで同時に計測できるため、被計測分子によるレーザシート光の吸収によるレーザシート光の減衰を考慮した高精度な２次元濃度分布データを得ることができる。
〔第３の実施形態〕
本発明の第３の実施形態について、全体の概略構成を図４に示す。基本的な動作は第２の実施形態と同様であり以下に異なる点を説明する。
【００４４】
第２の実施形態と異なるのは、ＣＣＤカメラ４で計測場１０を計測し、加えてセル蛍光測定手段としてセル専用のＣＣＤカメラ４’、集光レンズ５’、光学フィルタ６’を別に設けてセル７を計測する点である。レーザ装置１とＣＣＤカメラ４および４’は同期ライン９を介して制御コンピュータ３に設けた同時計測手段により発振と露光のタイミングを調整している。ＣＣＤカメラ４’で計測した蛍光強度分布データもライン８により制御コンピュータ３に取り込む。
【００４５】
ＣＣＤカメラ４と４’の露光時間を数ナノ秒以下の誤差で同期化することは難しいため絶対値の比較はできなくなるものの、本実施形態により、単一のＣＣＤカメラ４の撮影範囲内にセル７を設置できない場合でも、被計測分子によるレーザシート光の吸収によるレーザシート光の減衰を考慮した、従来例に比較して高精度な相対濃度分布を計測できる。
〔第４の実施形態〕
本発明の第４の実施形態について、全体の概略構成を図５に示す。基本的な動作は第３の実施形態と同様であり以下に異なる点を説明する。
【００４６】
第３の実施形態と異なるのは、ビームスプリッタ１４をビームエキスパンダ１３よりも可変長色素レーザ装置２側に設置した点と、ビームスプリッタ１４によって分岐したレーザ光１１’をシート状に広げるビームエキスパンダ１３’を設置した点である。計測場１０とビームエキスパンダ１３との距離とセル７とビームエキスパンダ１３’との距離を等しくする。ビームエキスパンダ１３’の焦点距離はビームエキスパンダ１３の焦点距離と等しくする。
【００４７】
上記の構成にすることで、計測場１０と計測場１０を照射するレーザシート光１２と仮想的な光源３３との相対的な位置関係を、セル７とセル７を照射するレーザシート光１２’の光源３３との相対的な位置関係と等しくすることができる。
【００４８】
したがって、ＣＣＤカメラ４’で計測したセル７の蛍光強度の分布から、第１の実施形態と同様にして求めたレーザシート光１２’の強度を用いて、計測場１０の蛍光強度から濃度分布を計算することができる。
【００４９】
ＣＣＤカメラ４と４’の露光時間を数ナノ秒以下の誤差で同期化することは難しいため絶対値の比較はできなくなるものの、測定場１０の近くにセル７を設置できない場合でも、本実施形態により、被計測分子によるレーザシート光の吸収によるレーザシート光の減衰を考慮した高精度な相対濃度分布を計測できる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の第１の実施形態を示す模式図である。
【図２】本発明の第１の実施形態の蛍光強度分布を示す模式図である。
【図３】本発明の第２の実施形態を示す模式図である。
【図４】本発明の第３の実施形態を示す模式図である。
【図５】本発明の第４の実施形態を示す模式図である。
【図６】従来のレーザ光を用いた２次元分布計測装置を示す模式図である。
【符号の説明】
【００５１】
１…励起用パルスレーザ装置、２…波長可変色素レーザ装置、３…制御コンピュータ、４…ＣＣＤカメラ、５…集光レンズ、６…光学フィルタ、７…セル、８…データ取り込みライン、９…同期ライン、１０…計測場、１１…レーザ光、１２…レーザシート光、１３…ビームエキスパンダ、１４…ビームスプリッタ、１５…ミラー、１６…遮光板、２０…凸レンズ
【図１】
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【図２】
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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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