(57)【要約】【課題】従来の技術では、地上及び室内において卓上型レーザー散乱式等のパーティクルカウンター装置またはインパクター装置等を用いて直接的、間接的に気中の微粒子情報である微粒子数及びその粒径分布を求めることは可能である。しかし、地上及び観測地点から数百ｍ、数ｋｍ離れた上空または遠方の大気中にある微粒子の数及びその粒径分布を直接的に計測することは不可能である。【解決手段】パルスレーザー、レーザー出射光学系、散乱光の集光光学系、散乱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（ＣＣＤカメラ等）及び制御計測系からなり、レーザー出射地点より遠方にある大気中の浮遊微粒子（エアロゾル）からのレーザー照射によって生じた微粒子個々からの後方散乱光を画像として検出し、大気中に浮遊する微粒子等の個数、粒径分布等を遠隔において計測するリモートパーティクルカウンター装置。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザーレーダー装置においてレーザー出射地点より遠方にある大気中の浮遊微粒子（エアロゾル）からのレーザー照射によって生じた微粒子個々からの後方散乱光を画像として検出し、大気中に浮遊する微粒子等の個数、粒径分布等を遠隔において計測することを可能とするリモートパーティクルカウンター装置。
【請求項２】
装置構成は、パルスレーザー、レーザー出射光学系、散乱光の集光光学系、散乱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（ＣＣＤカメラ等）及び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微粒子個々の発するレーザー照射による散乱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記載のリモートパーティクルカウンター装置。
【請求項３】
高速ゲート機能は、高感度２次元光検出器においてレーザー出射からの任意の時間遅れ（遅延時間）の後、あるゲート時間幅内の散乱光信号強度を画像として検出するもので、これら遅延時間及びゲート時間を制御することによりレーザー出射地点より任意の距離にある大気中の限られた空間にある微粒子からの散乱光を画像として捕らえることが可能な請求項１記載のリモートパーティクルカウンター装置。
【請求項４】
高速ゲート機能付き高感度２次元光検出器で計測される大気中遠方からの微粒子個々からの散乱光画像は、星雲状または斑点状の小さな点が集合したものであり、これを解析することにより大気中の限られた空間の微粒子の数、かつその点の輝度または強度により微粒子の粒径分布を計測することを可能とする請求項１記載のリモートパーティクルカウンター装置。
【請求項５】
高感度２次元光検出器の高速ゲート機能によるシャッター時間の遅延時間及びレーザーの出射方向を連続的に各々変化、制御させることにより大気中の微粒子の数、粒径分布の広い範囲での空間３次元分布情報を得ることができる請求項１記載のリモートパーティクルカウンター装置。
【請求項６】
遅延時間及びレーザーの出射方向を制御して得られた大気中の微粒子の数、粒径分布の空間分布の時間的な変化を捕捉し、解析することにより大気の風速、風向情報を得ることを可能とする請求項１記載のリモートパーティクルカウンター装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザーレーダー装置または別の装置等を用いて大気中の徽粒子の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検出する大気環境分析産業で利用できる。または、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（ｓｕｓｐｅｎｄｅｄ    ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ  ｍａｔｔｅｒ：浮遊粒子状物質）、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必要のある気象産業、学術分野で利用できる。
【０００２】
【従来の技術】
従来の技術では、地上及び室内において卓上型レーザー散乱式等のパーティクルカウンター装置またはインパクター装置等を用いて直接的、間接的に気中の微粒子情報である微粒子数及びその粒径分布を求めることは可能である（例えば、非特許文献１、非特許文献２、非特許文献３、特許文献１参照）。しかし、これら装置では地上及び観測地点から数百ｍ、数ｋｍ離れた上空または遠方の大気中にある微粒子の数及びその粒径分布を直接的に計測することは不可能である。もし、これらの装置を用いて計測を実現しようとするならば、装置を地上及び観測地点から数百ｍ、数ｋｍ離れた任意の上空または遠方の大気中にまで運び設置して計測しなけれぱならない。しかしながら、これを行うことは現実的に不可能である。
【０００３】
また、遠方の大気中の微粒子情報を得ることのできる従来のレーザーレーダー方式（例えば、非特許文献４、非特許文献５、特許文献２参照）でも、大気中の微粒子個々からの散乱光強度を合計した一つの信号強度としてしか計測できないため直接的に大気中のエアロゾル、微粒子等の数、粒径分布を測定することは不可能である。
【０００４】
【非特許文献１】
ＪＩＳ・Ｂ９９２１・１９８９「光散乱式自動粒子計数器」
【非特許文献２】
レーザ計測ハンドブック編集委員会編「レーザ計測ハンドブック」丸善株式会社、ｐ．２２９―２３４、１９９３
【非特許文献３】
一条和夫著「光センシング技術の最新資料集」オプトロニクス社、ｐ．９０―９１、２００１
【特許文献１】
特開平８―８６７３７号公報
【非特許文献４】
杉本伸夫著「光センシング技術の最新資料集（光モートセンシングによる地球大気環境の可視化）」オプトロニクス社、ｐ．２７０―２７５、２００１
【非特許文献５】
南茂夫、合志陽一編集「分光技術ハンドブック（レーザーリモートセンシング）」朝倉書房、ｐ．５８１―５９１、１９９０
【特許文献２】
特開２００１―３３７０２９号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来技術の卓上型パーティクルカウンターでは、装置内に連続的に吸い込んだ大気中の空気にレーザー光等を照射して空気中に含まれる微粒子からの散乱光を一つずつ計測することによって単位体積中の微粒子の数、粒径分布等を計測することが可能であるが、大気上空の揚所での計測は不可能である。レーザーレーダー方式なら遠方の微粒子の情報を計測することが可能であるが、従来のレーザーレーダー方式では、このような方法で遠方大気中にある微粒子個々からの散乱光を計測し、限られた空間に存在する微粒子の数、その粒径分布を直接算出することは不可能である。レーザーレーダー方式でこれを実現するには、大気中遠方の限られた空間にある微粒子にレーザー光を照射して、微粒子からの散乱光を一つずつ検出しなければならないという問題点がある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の方式では、レーザーレーダー方式を用いて従来のレーザー光の出射方式と大気中の微粒子からの散乱光の受光方式を変えることによって微粒子の数及び粒径分布の計測を同時に達成する。まず、パルスレーザー光をある程度の拡がり角をもって大気中に出射する。
【０００７】
これによって大気中を拡がりながら伝播するパルスレーザー光は、大気中の微粒子に照射され散乱される。このときレーザー光の伝播方向と逆方向に発生する後方散乱光を高速ゲート機能を有するＣＣＤカメラ素子等の高感度２次元光検出器で計測することにより大気中の個々微粒子を画像として計測することができる。この画像を解析することにより大気中遠方の限られた空間に存在する微粒子の数及びその粒径分布を求めることができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
パルスレーザー光を、計測対象となる大気の微粒子群からの散乱光が散乱光集光光学系の２次元光検出部に収まる程度に広げて、大気中に出射する。レーザー光の伝播中、大気中の広範囲に存在する微粒子群から後方散乱光が発生する。このレーザーの伝播方向とは逆方向に微粒子から発生する後方散乱光をレーザーの出射地点付近より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（Ｍｉｃｒｏ    Ｃｈａｎｎｅｌ  Ｐｌａｔｅ：マイクロチャネルプレート）等の２次元光検出器で観測する。
【０００９】
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微粒子個々より発せられる後方散乱光を画像として計測することが可能となる。画像は、点の集まった星雲状或いは斑点状のものとなり、それら点の数及び点の輝度（散乱光の強度）はパルスレーザー光が照射された任意の空間に存在する微粒子の数及び粒径を表すので、それらをカウントすることによって任意の限られた大気空間に浮遊する微粒子の数及び粒径分布を計測することができる。
【００１０】
即ち、図１は、本発明方式を実施したリモートパーティクルカランターシステム概略図である。このシステムは、システム全体の制御及びデータを計測、解析する制御解析部１、パルスレーザー発生装置２、レーザー光を大気に向けて拡大して出射する出射レーザービーム光学系３、レーザー照射によって発生した微粒子からの後方散乱光１０を検出器に集光する散乱光集光系４、高速ゲート機能を有する高感度２次元光検出器５から構成される。
【００１１】
産業用工場からまたは自然に放出され浮遊する微粒子群９がある程度の高さに拡がりを持って大気中に分布する。それに向けて、制御解析システム１によって制御されたレーザー発生装置２より出射レーザービーム光学系３を通してビーム拡がりの広いパルスレーザー光７をその領域に対して広範囲に照射する。大気中に分布する微粒子等から発した後方散乱光１０を散乱光集光系４で高感度２次元受光検出器５に集光し制御解析システム１によって高感度２次元受光検出器を制御して微粒子群９の数及び粒径分布を計測する。さらにレーザーの出射方向６及び高感度２次元光検出器５の高速ゲートのレーザー出射からの遅延時間を制御することにより微粒子の数、粒径分布の大気空間分布を、かつその時間的変動を観測することによって大気の風向、風速データを得ることができる。
【００１２】
図２は、  高速ゲート機能付きイメージインテシファイヤー付き高感度ＣＣＤカメラでの観測データを示す図である。直径約１ｃｍのＹＡＧレーザー光（波長５３２ｎｍ、パルス幅１ｎｓ及びパルスエネルギー３０ｍＪ）を半角約１°の角度で水平より約２０度の角度で大気中に放出し、約１００ｍ遠方の大気中の微粒子等より戻ってくる後方散乱光を当該ＣＣＤカメラで計測したものである。このときのゲート幅（シャッター時間）は約３ｎｓである。図に写る白い斑点状のものは、レーザー発射位置より１００ｍ先で直径約３ｍ、長さ約１ｍの円筒空間に浮遊する微粒子群からの散乱光である。これらの白い点の数、及び輝度を計測することにより大気中に浮遊する微粒子の数、粒径分布を測定することができる。
【００１３】
図３は、本発明の実施例によって得た大気中の微粒子粒径分布（ヒストグラム）であり、図２で得られた画像データから大気中の微粒子個々より発せられる散乱光の斑点の数及びその輝度を解析し、その結果をヒストグラムにしたのもである。散乱光の輝度はその粒径にほぼ比例するとし、かつ通常浮遊する微粒子の最大径を１０μｍ程度であることを考慮すると、下の水平軸である粒径の軸を当てはめることができる。通常地上で用いられる卓上型のパーティクルカウンターで得られるのと同様の微粒子の粒径分布データ（ヒストグラムデータ）が、本発明を用いることによって従来不可能であった大気中遠方の微粒子の粒径分布データを遠隔地点（地上）から計測することが可能となる。
【００１４】
【実施例】
以下、本発明を、その測定例または実験データに基づいて説明する。
（実施例１）（測定例）
図１に本発明を用いたレーザーレーダー方式によるリモートパーティクルカウンターシステムの概略図を示す。装置は、パルス発振のレーザー装置２、大気中に向けて広いビーム拡がりでレーザービームを照射する出射レーザービーム光学系３、大気遠方からの後方散乱光を広範囲に２次元光検出器に集光する光学系４、高速ゲート掃引機能を有する高感度２次元光検出器５、システム全体を制御するシステム及び検出器で得られたデータを解析する解析システム１から構成される。
【００１５】
まず、図１に示すように大気中に向けて、レーザー装置２よリビーム径を拡げてパルスレーザー光７を観測対象となる大気の領域に向けて照射する。パルスレーザー光７は、出射光学系３から出射された後、その径を広げつつそのレーザーパルス時間に相当する長さをもってほぼ円筒状に近い形で大気を伝播する。
【００１６】
このパルスレーザー光７が通過する大気の空間領域からは、そこに浮遊する微粒子群から図のように後方散乱光１０が発せられる。このレーザーの伝播方向６とは逆に発せられる後方散乱光１０は、レーザー光伝播領域にある全ての微粒子からレーザーの伝播に合わせて次々に発生する。この後方散乱光１０は、図１の集光光学系４である望遠鏡等の集光器により、高速ゲート機能を備えた（例えば高速、高感度ＭＣＰとＣＣＤ素子との組み合わせたもの）高感度２次元光検出器５の光検出面上に画像として検出することができる。
【００１７】
この２次元光検出器５のゲート（シャッター）を開放の場合、近距離にある微粒子から遠方にある微粒子までの散乱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微粒子から発せられた散乱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５に集光される散乱光を区切るために高速ゲート（短い時間幅）のシャッターをかけると、図１のようにレーザー通過領域の特定の領域にある微粒子群から発せられた後方散乱光１０のみを選択的に画像として取り出すことが可能となる。
【００１８】
さらに、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１のようにレーザー出射地点より特定の距離はなれたレーザーの通過領域の限られた空間にある微粒子群からの散乱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、図２のような点が集まった斑点状或いは星雲状のものとなる。即ち、パルスレーザー発生装置２からのレーザーパルス光７の出射時間からある遅延時間を持って２次元光検出器５のシャッターの開閉を短時間に行うと、図２に示されるレーザーパルス光の進行方向のレーザー出射地点から遠い位置にある空間の微粒子群の後方散乱光のみを２次元光検出器で検出できる。
【００１９】
（実施例２）（実験データ）
図２には、上述の計測装置において、直径約１ｃｍのＹＡＧレーザー光（波長５３２ｎｍ、パルス幅１ｎｓ及びパルスエネルギー３０ｍＪ）を半角約１°の角度で広角で大気中に放出し、約１００ｍ遠方の大気中の微粒子等より散乱で戻ってくる後方散乱光を高速ゲート機能を有する高感度２次元光検出器であるイメージインテンシファイヤー付きＣＣＤカメラで計測した画像データである。このときのゲート幅であるシャックー時間は約３ｎｓである。
【００２０】
図２に写る白い斑点状のものは、レーザー発射位置より１００ｍ先で直径約３ｍ、長さ約１．０ｍの円筒空間に浮遊する微粒子がらの散乱光である。この画像の点の数と点の輝度はそれぞれ微粒子の数と粒径を表すので、これを解析することによって図３のように粒径分布を求めることができる。
【００２１】
微粒子に照射されるレーザー光強度と散乱光強度との関係は以下の方程式（１）に従い、その式からわかるように同一の地点で観測して、かつ微粒子が同形（球形）、同質の場合には、画像の点の輝度は散乱光強度を表すためほぼ散乱光強度から粒径を推定することが可能となる。よって、その輝度と数を解析することによって図３のような粒径分布を導き出すことができる。検出された微粒子からの散乱光の相対散乱光強度が最も高いものを粒径１０μｍ程度とし、散乱光強度が粒径にほぼ比例すると仮定すると相対散乱光強度軸の下に示したような粒径を表す軸を設定するととができる。このようにして大気遠方にある微粒子群の数、密度及び粒径分布を求めることが可能となる。
【００２２】
【数１】
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【００２３】
（粒径が完全球形の場合）
Ｉｓ：微粒子によるレーザー散乱光強度
Ｉｉ：照射レーザー光強度
λ：レーザー波長
Ｄｐ：微粒子の粒径
ｍ：空気と微粒子の相対屈折率
ωｃ：集光立体角
ｒ：微粒子から観測点までの距離
Ｆ：微粒子の散乱関数
θ：散乱光方向軸とレーザー伝播方向軸の水平角度差
ψ：散乱光方向軸とレーザー伝播方向軸の垂直角度差
（須田匡、塚田一也：「レーザーによる微細粒子計測技術」、センサー技術、７、２、（１９８７））
【００２４】
【発明の効果】
本発明により、従来の方法で不可能あった大気中遠方に浮遊する微粒子またはエアロゾル等の数及び粒径分布を測定することが可能となり、その空間分布を広範囲、精度良くかつ瞬時に測定することができるため火山の噴煙情報、または環境汚染物質による大気汚染、自動車排気ガスによる環境公害等の情報を瞬時に年確に得られる。
【００２５】
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た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する浮遊する有害微粒子の大気空間分布及び速度、方向等の時間的に正確な情報を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明方式を実施したリモートパーティクルカランターシステム概略図である。
【図２】高速ゲート機能付きイメージインテシファイヤー付き高感度ＣＣＤカメラでの観測データを示す図である。
【図３】本発明実施例によって得た大気中の微粒子粒径分布（ヒストグラム）  図２で得られた画像データから大気中の微粒子個々より発せられる散乱光の斑点の数及びその輝度を解析し、その結果をヒストグラムにしたのもである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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