(57)【要約】【課題】従来の装置が使用している分光器やアレイ型光検出器を用いることなく、低コストでメッシュ上に載置された粒子の量を測定することのできる装置を提供する。【解決手段】周期構造が形成されたメッシュ４３に平行な単色光Lを照射し、該周期構造による回折光Ｄ0、Ｄ1、…のみをマスク５６等により進行を阻止する。該メッシュ４３に捕捉された（載置された）粒子は前記平行な単色光Lを様々な方向に散乱させるため、この散乱光Ｓのみを光検出器５８で選択的に検出するようにする。【選択図】図７
2016080571.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
a) 平行な単色光を発する光源と、
b) 前記光源に対向するように配置された面内に、前記単色光を透過する透過部と透過しない非透過部による周期構造が形成された周期構造体と、
c) 前記周期構造体を挟んで前記光源の反対側であって、前記周期構造による回折光の陰の位置に設けられた光検出器と
を備えることを特徴とする粒子量測定装置。
【請求項２】
a) 平行な単色光を発する単色光源と、
b) 前記単色光源に対向するように配置された面内に、前記単色光を透過する透過部と透過しない非透過部による周期構造が形成された周期構造体と、
c) 前記周期構造体を挟んで前記光源の反対側に配置された、前記周期構造による回折光の光路の位置に遮光部を有するマスクと、
d) 前記マスクの後方に設けられた集光レンズと、
e) 前記集光レンズが前記周期構造体からの光を集光する位置に設けられた光検出器と
を備えることを特徴とする粒子量測定装置。
【請求項３】
a) 平行な単色光を発する単色光源と、
b) 前記単色光源に対向するように配置された面内に、前記単色光を透過する透過部と透過しない非透過部による周期構造が形成された周期構造体と、
c) 前記周期構造体を挟んで前記光源の反対側に配置された、前記周期構造体を焦点とする第１レンズと、
d) 前記レンズの後方に配置された、前記周期構造による回折光の焦点の位置に遮光部を有するマスクと、
e) 前記マスクの後方に設けられた第２レンズと、
f) 前記第２レンズの焦点の位置に設けられた光検出器と
を備えることを特徴とする粒子量測定装置。
【請求項４】
前記周期構造体と前記第１レンズ、前記マスク、前記第２レンズ、前記光検出器が吸光性の筒で囲われていることを特徴とする請求項３に記載の粒子量測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、PM2.5等の浮遊微粒子や液滴中の懸濁粒子等の粒子の量を測定する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
空気中の浮遊微粒子や液滴中の懸濁粒子等の量を測定する方法の一つに、特許文献１に記載のような、メッシュにおける電磁波共鳴を用いた方法がある。この方法の概要は次の通りである。まず、図１(a)のような、測定しようとする微粒子の大きさに応じた開口１０２が周期的に配置された周期構造体（メッシュ）１０１を用意し、そのメッシュ１０１に向けて所定波長範囲の電磁波を放射して、メッシュ１０１を透過する電磁波の透過率スペクトルを測定する。この透過率スペクトル（図２の実線）には、開口１０２の周期に応じた周波数（波長）において電磁波共鳴による透過率の谷が生じる。次に、そのメッシュ１０１で空気中や液滴中の微粒子１０３を捕捉し、微粒子１０３が載置されたメッシュ１０１（図１(b)）に同じ電磁波を照射して透過率スペクトル（図２の破線）を測定する。この透過率スペクトルにおける透過率の谷の位置（周波数）は、微粒子１０３が載置されていないメッシュ１０１の場合からシフト（Δf）している。また、谷の深さも変化する（図２）。予め様々な既知の微粒子の載置量とシフト（及び深さの変化）の関係を測定しておき、図３に示すような検量線を作成しておくことにより、未知の微粒子の捕捉量を決定することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】WO2012/132111号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記従来の方法においては、メッシュを通過してきた電磁波のスペクトルを得るため、分光器やアレイ型検出器が必要となる。また、透過率スペクトルに現れる谷の周波数はメッシュの周期によって決まるが、メッシュに流体を通過させる必要がある場合、機械的強度をもたせるために、メッシュの周期は数μm程度となる。これに対応する電磁波は中赤外線〜遠赤外線領域となるが、このような帯域において十分な強度を有する光源や十分な感度を有する検出器は、一般にコストの高いものとなる。
【０００５】
本発明が解決しようとする課題は、より簡単な構造であって、低コストでメッシュ上に載置された粒子の量を測定することのできる装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために成された本発明に係る粒子量測定装置の第１の態様のものは、
a) 平行な単色光を発する光源と、
b) 前記光源に対向するように配置された面内に、前記単色光を透過する透過部と透過しない非透過部による周期構造が形成された周期構造体と、
c) 前記周期構造体を挟んで前記光源の反対側であって、前記周期構造による回折光の陰の位置に設けられた光検出器と
を備えることを特徴とする。
【０００７】
本発明の第１の態様に係る粒子量測定装置の概略構成を示すと図４のようになる。光検出器１３は周期構造体１２に関して光源１１とは反対側の、光源１１からの平行な単色光Ｌが周期構造体１２の周期構造により回折して向かう光路Ｄ0、Ｄ1から外れた位置（「回折光の陰の位置」）に設けられている。なお、図４において周期構造体１２（周期構造が形成された面）は光源１１からの平行な単色光Ｌに垂直に配置されているが、これは斜めであっても構わない。
【０００８】
光源１１からの平行な単色光Ｌが周期構造体１２に照射されると、単色光Ｌは、周期構造をそのまま通過する０次回折光Ｄ0の他に、周期構造により回折した１次回折光Ｄ1、２次回折光、…（いずれも実線）と、所定の角度をもって進んで行く光に分かれる。光検出器１３は、これら回折光Ｄ0、Ｄ1、…の光路ではない位置（「回折光の陰の位置」）に設けられているため、通常の状態では、そこには光は入らない。
【０００９】
一方、周期構造体１２上に図１(b)のように粒子Ｐが存在している場合、光源１１からの平行な単色光Ｌはそれらの粒子Ｐにより散乱される。散乱された光Ｓ（破線）は前記のような回折光Ｄ0、Ｄ1、…とは別に様々な方向に進むため、前記位置にある光検出器１３で検出することができる。この場合、光検出器１３で検出される光の量は、周期構造体１２上に存在する粒子Ｐの量に対応するため、予め検量線を作成しておくことにより、粒子Ｐの量を測定することができる。なお、図４では光検出器１３は2個設けられているが、これはもちろん1個でも構わないし、感度を上げるためにそれ以上設けても良い。
【００１０】
上記課題を解決するために成された本発明に係る粒子量測定装置の第２の態様のものは、
a) 平行な単色光を発する単色光源と、
b) 前記単色光源に対向するように配置された面内に、前記単色光を透過する透過部と透過しない非透過部による周期構造が形成された周期構造体と、
c) 前記周期構造体を挟んで前記光源の反対側に配置された、前記周期構造による回折光の光路の位置に遮光部を有するマスクと、
d) 前記マスクの後方に設けられた集光レンズと、
e) 前記集光レンズが前記周期構造体からの光を集光する位置に設けられた光検出器と
を備えることを特徴とする。
【００１１】
本発明の第２の態様に係る粒子量測定装置の概略構成を示すと図５のようになる。マスク２３は周期構造体２２に関して光源２１とは反対側に設けられ、光源２１からの平行な単色光Ｌが周期構造体２２の周期構造により回折して向かう光路Ｄ0、Ｄ1、…（実線）の位置に遮光部２３ａを有する。その他の箇所の光は透過させる。図４の場合と同様、図５でも周期構造体２２（周期構造が形成された面）は光源２１からの平行な単色光Ｌに垂直に配置されているが、これは斜めであっても構わない。また、マスク２３も、回折光Ｄ0、Ｄ1、…を遮光しさえすれば、周期構造体２２に対して斜めであっても構わない。集光レンズ２４はマスク２３の後方、すなわち、マスク２３に関して周期構造体２２とは反対側に設けられ、光検出器２５はその集光レンズ２４のさらに後方に配置されている。
【００１２】
光源２１からの平行な単色光Ｌが周期構造体２２に照射されると、単色光Ｌは、周期構造をそのまま通過する０次回折光Ｄ0の他に、周期構造により回折した１次回折光Ｄ1、２次回折光、…と、所定の角度をもって進んで行く光に分かれる。マスク２３は、これら回折光Ｄ0、Ｄ1、…の光路の位置に遮光部２３ａを有するため、これら回折光Ｄ0、Ｄ1、…は通過させない。
【００１３】
一方、周期構造体２２上に図１(b)のように粒子Ｐが存在している場合、光源２１からの平行な単色光Ｌはそれらの粒子Ｐにより散乱される。散乱された光Ｓ（破線）は前記のような回折光Ｄ0、Ｄ1、…とは別に様々な方向に進むため、マスク２３の遮光部２３ａ以外の部分を通過し、集光レンズ２４に向かう。それら散乱光Ｓは集光レンズ２４により集光され、光検出器２５に入射する。従って、光検出器２５では、周期構造体２２上の粒子Ｐにより散乱された光Ｓのみを検出することができる。この光の量は、周期構造体２２上に存在する粒子Ｐの量に対応するため、予め検量線を作成しておくことにより、粒子Ｐの量を測定することができる。
【００１４】
上記課題を解決するために成された本発明に係る粒子量測定装置の第３の態様のものは、
a) 平行な単色光を発する単色光源と、
b) 前記単色光源に対向するように配置された面内に、前記単色光を透過する透過部と透過しない非透過部による周期構造が形成された周期構造体と、
c) 前記周期構造体を挟んで前記光源の反対側に配置された、前記周期構造体を焦点とする第１レンズと、
d) 前記第１レンズの後方に配置された、前記周期構造による回折光の焦点の位置に遮光部を有するマスクと、
e) 前記マスクの後方に設けられた第２レンズと、
f) 前記第２レンズの焦点の位置に設けられた光検出器と
を備えることを特徴とする。
【００１５】
本発明の第３の態様に係る粒子量測定装置の概略構成を示すと図６のようになる。本態様では、周期構造体３２の後方にまず第１レンズ３３が設けられ、その後、マスク３４、第２レンズ３５、光検出器３６が配置される。周期構造体３２と第１レンズ３３の間の距離は第１レンズ３３の焦点距離fとされ、第１レンズ３３とマスク３４の間の距離も同じ距離fとされる。第１レンズ３３、マスク３４、第２レンズ３５の傾斜については、前記２つの態様と同様、許容される。
【００１６】
光源３１からの平行な単色光Ｌが周期構造体３２に照射されると、単色光Ｌは、周期構造をそのまま通過する０次回折光Ｄ0の他に、周期構造により回折した１次回折光Ｄ1、２次回折光、…（実線）と、所定の角度をもって進んで行く光に分かれる。これら回折光Ｄ0、Ｄ1、…はそれぞれ平行に各方向に進むため、第１レンズ３３はこれら回折光Ｄ0、Ｄ1、…をマスク３４の遮光部３４ａ上に集光する。従って、回折光Ｄ0、Ｄ1、…は全てこのマスク３４により遮光される。
【００１７】
一方、周期構造体３２上に図１(b)のように粒子Ｐが存在している場合、光源３１からの平行な単色光Ｌはそれらの粒子Ｐにより散乱される。散乱された光Ｓ（破線）は前記のような回折光Ｄ0、Ｄ1、…とは別に様々な方向に進むが、周期構造体３２を出発点とするため、第１レンズ３３により平行光にされ、マスク３４の遮光部３４ａ以外の部分を透過して第２レンズ３５に向かう。これら粒子Ｐからの散乱光は第２レンズ３５で光検出器３６に集光される。光検出器３６で測定される光の量は、周期構造体３２上に存在する粒子Ｐの量に対応するため、予め検量線を作成しておくことにより、粒子Ｐの量を測定することができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明に係る粒子量測定装置では、いずれの態様のものにおいても、従来のような分光器やアレイ型検出器が必要でなく、低コストで粒子量を測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】粒子量測定装置で用いる周期構造体（メッシュ）の一例の平面図(a)及び粒子が付着した状態の平面図(b)。
【図２】周期構造体上への粒子付着による電磁波透過スペクトルのシフトの状態を示す説明図。
【図３】電磁波透過スペクトルの周波数シフトと付着粒子の量の関係を示す検量線の一例の図。
【図４】本発明に係る粒子量測定装置の第１の態様の概略構成図。
【図５】本発明に係る粒子量測定装置の第２の態様の概略構成図。
【図６】本発明に係る粒子量測定装置の第３の態様の概略構成図。
【図７】本発明の一実施例である粒子量測定装置の概略構成図。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明に係る粒子量測定装置の一実施例を図７により説明する。この粒子量測定装置は、本発明の第３の態様に係るものの実施例である。
本実施例の粒子量測定装置４０は、大別すると光源部４１と測定部４２から成り、測定部４２の上部に周期構造体（メッシュ）４３を載置するためのメッシュ載置部４５が設けられている。本実施例の粒子量測定装置４０で用いるメッシュ４３は金属製の網であっても良いし、光を回折しさえすればプラスチック等の他の材料の網であっても良い。このメッシュ４３を流体の流路中に置くことにより、流体中に浮遊する粒子を捕捉することができる。このようにしてメッシュ４３上に捕捉された粒子の量は、空気中や流体中の浮遊粒子量と相関関係を有すると考えられる。
【００２１】
光源部４１には、レーザー光源５１と、そのレーザー光源５１からの光束をメッシュ４３の大きさに応じて拡幅するための光学系５２が備えられている。メッシュ４３が小さい場合には、この拡幅光学系５２は不要である。
【００２２】
測定部４２には、上から順に、第１レンズ５５、マスク５６、第２レンズ５７及び光検出器５８が設けられており、それらは内面が吸光面である筒状の筐体５９に収納されている。第１レンズ５５は、メッシュ載置部４５に載置されたメッシュ４３の面（周期構造が形成されている面）よりも第１レンズ５５の焦点距離fだけ下方に設けられ、マスク５６は、第１レンズ５５よりも同じ距離fだけ下方に設けられている。光検出器５８は第２レンズ５７の下方の焦点位置に設けられている。
【００２３】
本実施例の粒子量測定装置４０の作用は前記本発明の第３態様（図６）について述べた通りであるが、ここで、この光学系の回折光に関する計算を行う。レーザー光源５１が発する光（単色光）Lの波長をλ、メッシュ４３の開口の間隔（ピッチ）をdとすると、メッシュの面に対して単色光Lが入射角αで入射すると、m次（m=0, ±1, ±2, …）の回折光の回折角βは、
d・(sinα±sinβ)＝m・λ    … (1)
なる式から計算することができる。
【００２４】
例えば、PM2.5を測定するためのメッシュとしてd=3μmのメッシュ４３を使用し、レーザー光源５１として波長λ=0.78 μmのものを使用するとすると（この光源はCD用として量産されており、低コストで入手することができる。）、入射角α=0の時、回折角βは
m=0（0次回折光）：β=0°
m=±1（1次回折光）：β=15.1°
m=±2（2次回折光）：β=31.3°
m=±3（3次回折光）：β=51.3°
となる。従って、0次回折光と1次回折光をマスク５６の遮光部５６ａで遮光し、2次以上の回折光を筐体５９の側壁で吸収することにすれば、本実施例の粒子量測定装置４０の本体は比較的コンパクトな筐体で作製することができる。
【符号の説明】
【００２５】
１０１…メッシュ
１０２…開口
１０３…微粒子
１１、２１、３１、５１…光源
１２、２２、３２、４３…周期構造体
１３、２５、３６、５８…光検出器
２３、３４、５６…マスク
２３ａ，３４ａ、５６ａ…遮光部
２４…集光レンズ
３３、５５…第１レンズ
３５、５７…第２レンズ
４０…粒子量測定装置
４１…光源部
４２…測定部
４５…メッシュ載置部
５２…拡幅光学系
５９…筐体
【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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【図７】
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