(57)【要約】【課題】

従来のレーザーレーダー方式では、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、微粒子個々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。
【解決手段】

レーザー光をシート状に大気中に出射し、そのシート面内の微粒子個々から側方散乱光を発生させ、レーザー光のシート面の垂直方向に備え付けられた
高感度２次元光検出器で微粒子個々からの側方散乱光を計測することにより気中の個々の微粒子を斑点状の画像として計測し、この画像中の斑点の数、及び斑点の輝度を解析することにより、遠方の限られた空間に存在する微粒子の数、密度、粒径分布及び空間分布等を同時に算出する、側方散乱光を用いた遠隔レーザーレーダー微粒子計数装置。

−1−

(2)

特開２００５−６２０５５12【特許請求の範囲】【技術分野】【請求項１】【０００１】

レーザーレーダー装置において、レーザー出射地点よ

本発明は、レーザー光をシート状に大気中に出射し、り遠方にある大気または室内中に浮遊する微粒子(エアそのシート面内の微粒子個々から側方散乱光を発生さロゾル)群に向けてレーザー光をシート状に拡大して照せ、レーザー光のシート面の垂直方向に備え付けられた射し、レーザー光との相互作用によって微粒子個々から高感度２次元光検出器で微粒子個々からの側方散乱光を生じる側方散乱光を画像として検出することにより、大計測することにより気中の個々の微粒子を斑点状の画像

気中に浮遊する微粒子等の数、密度、粒径分布等を遠隔として計測し、この画像中の斑点の数、及び斑点の輝度で同時に計測することを可能とする、側方散乱光を用いを解析することにより、遠方の限られた空間に存在するた遠隔レーザーレーダー微粒子計数装置。

10【請求項２】

微粒子の数、密度、粒径分布及び空間分布等を同時に算出する、側方散乱光を用いた遠隔レーザーレーダー微粒

前記装置は、レーザー装置、レーザー拡大出射光学子計数装置に関するものである。

系、側方散乱光の集光光学系（望遠レンズ等）、側方散【背景技術】

乱光を検出する高感度2次元光検出器（CCDカメラ等）及【０００２】

び計測制御システムから構成され、レーザーの出射方向

従来の技術では、地上及び室内においてレーザー光散に対して横方向、かつレーザー光のシート面の主に垂直乱方式のパーティクルカウンター装置またはインパクタ

方向からレーザー照射領域によって微粒子個々から発すー装置等を用いて大気中の微粒子を空気を吸引することる側方散乱光を画像として計測することが可能であるこによって装置内に取り込み、微粒子の数、密度及びそのとを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項３】

粒径分布を求めものである。しかし、これら装置では地20上または観測地点から数ｍ、数十ｍ或いは数百ｍ離れた集光光学系の観測視野を出射拡大されたレーザー光シ気中の空気を吸引することによって浮遊する微粒子の数ート面内に設置し、かつ高感度2次元光検出器のシャッ及びその粒径分布を直接計測することは不可能である。

ター機能を用いてシャッター時間内にその観測視野内を【０００３】

レーザー光が通過するように設定することにより、この従来のレーザーレーダー方式なら遠方大気中の微粒子

視野内のレーザー光シート面から発する微粒子個々の側の濃淡等の相対的なデータ、情報を後方散乱光から得る

方散乱光を高感度2次元光検出器で画像として検出し、ことは可能であるが、微粒子個数、密度或いは粒径分布

側方散乱光の数及び強度から微粒子の数、粒径を同時にを直接且つ同時に計測することは不可能である。

測定することが可能な請求項１記載の装置。

【０００４】【請求項４】
高感度2次元光検出器で計測される大気中の微粒子個

又、その他の従来技術として、下記の特許文献
30（１）、（２）及び（３）に公開されたものがある。

々からの側方散乱光画像は、斑点状の小さな点が集合し（１）真空装置の排気管内の排気流とともに流れる一たものである。この斑点をカウントし、かつ斑点の輝度つの微粒子に着目し、パーティクルの速度、粒子の大きを計測することにより、シート状のレーザー照射領域内さを、レーザー光を照射して微粒子から発生する散乱光の限られた空間の微粒子の数、密度、かつその斑点の輝をＣＣＤ受光素子で撮像受光して測定する方法である

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（特許文献１）。この発明は、基本的に配管等の流れの請求項１記載の装置。

ある流体の中をＣＣＤ受光素子で捕らえた連続的な微粒【請求項５】

子の画像の動きから微粒子の速度、粒径を求める方法でレーザー光の出射方向、または計測するレーザー光のある。しかし、この方法は、本発明のように空気中を対シート面からの側方散乱光の計測位置を変化させることにより、大気中の微粒子の数量、粒径分布等の空間３次象とした気中の粒子数、粒径分布を同時に計測すること
40

元分布情報を同時に得ることができる請求項１記載の装を可能とする方法とは異なる。
【０００５】

置。

（２）バックグランドとして流体の散乱の影響を取り【請求項６】

除き、Ｓ／Ｎ比を高く、且つ精度良く微粒子（粒子径乃高感度2次元光検出器のシャッター時間を変化させる至粒子数）を検出できる微粒子計測装置である（特許文ことにより計測される画像内の気中微粒子の画面内での献２）。この特許文献２の特徴は、微粒子を取り巻く流空間及び時間的な変化を捕捉し、これを解析することに体中からのバックグランド光を微粒子の散乱光と分離すより、微粒子の運動速度、大気及び室内の風速、風向情る手法である。微粒子を計測する手段は、本発明と異な報等を同時に得ることを可能とする請求項１記載の装り、微粒子からの散乱光を画像としてではなく、一つ一置。

つフォトダイオードで個別にカウントする従来の方式を【発明の詳細な説明】

50−2−採用している。

(3)特開２００５−６２０５５

34【０００６】

斑点状の画像として計測する。最後に、この画像中の斑（３）検出対象領域に光を照射し、その検出対象領域点の数、及び斑点の輝度を解析することにより、遠方のに微粒子が存在する際に生じる散乱光を撮像管カメラで限られた空間に存在する微粒子の数、密度、粒径分布及撮影し、微粒子を可視化する手法であり、そのカメラにび空間分布等を同時に算出する。

よる散乱光撮影画像に基づいて散乱光数から微粒子の粒【０００９】

子数を自動計数する方法（特許文献３）である。この特即ち、本発明においては、レーザー光をまず測定対象

許文献３の発明では、微粒子の可視化より粒子数を求めとなる大気中または室内のある空間に向かって扇状またることはできるが、本発明とは異なり微粒子の粒子数とはシート状に広げて大気中に照射する。このときレーザ粒径分布を同時に求めることは不可能である。

ー光の照射領域に存在する微粒子個々から側方散乱光が【特許文献１】特開平５−２０６２３５号公報

10

レーザー光のシート面からレーザーの伝播方向と垂直方【特許文献２】特開平６−１２３６９４号公報

向である側方に発せられる。レーザー光と微粒子の相互【特許文献３】特開２０００−１９１１２号公報

作用において微粒子によって散乱されるレーザー光の強【発明の開示】

度Is は、下の（１）式*によって決まり、側方散乱光は【発明が解決しようとする課題】（１）式のθが約９０度付近の場合に相当する散乱光強【０００７】度を有する。
【００１０】

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この側方散乱光をレーザー光のシート面の垂直方向か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

ら望遠鏡レンズ等の集光光学系を通してシャッター機能を有するCCDカメラ等の高感度２次元光検出器で観測す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。しかしながら、空20る。このとき、カメラの観測視野は、このレーザー光の気を吸引することなしに非接触で遠方の微粒子の直接計シート面内に設置することにより観測領域がレーザー光測は不可能である。レーザーレーダー方式でこれを実現通過シート領域内に限定される。よって、この２次元光するには、大気中遠方の限られた空間にある微粒子にレ検出器の観測視野にある微粒子個々から発せられた多数ーザー光を照射して、微粒子個々からの散乱光を一つずの側方散乱光が、２次元光検出器において斑点状の画像つ検出しなければならないという問題点がある。

として検出される。

【課題を解決するための手段】【００１１】
この画像で観測される斑点状の点一つ一つは、レーザ【０００８】
本発明では、レーザーレーダー方式を用いて、まずレー照射領域でありかつ２次元光検出器の観測視野内の限ーザー光をシート状に大気中に出射し、大気中をシートられた空間にある微粒子個々からの側方散乱光である。

状または扇状に拡がりながら伝播するレーザー光の照射30

これら斑点の数を計測することによりその空間に存在すによって伝播領域にあるシート面内の微粒子個々から側る微粒子の数、密度または濃度の計測が可能となる。ま

方散乱光を発生させる。次に、レーザー光のシート面のた（１）式で表されているように側方散乱光の輝度は微垂直方向に備え付けられたシャッター機能付のCCDカメ粒子の粒径Ｄpを得ることができる。

ラ素子等の高感度２次元光検出器で微粒子個々からの側【００１２】

方散乱光を計測することにより、気中の個々の微粒子を【数１】

−3−

(4)

特開２００５−６２０５５56【発明の効果】

は、上方図の下側から見た場合の装置一式の側面図であ【００１３】る。

本発明により、従来方法では不可能とされる非接触か【００１６】

つ遠隔での気中に浮遊する微粒子、エアロゾルの数量及まずレーザー光をシリンドリカルレンズ等の出射光学び粒径分布の直接且つ同時に測定が可能となるため、こ系を用いてレーザー光をシート状に広げて気中に照射すれまで測定が困難であった場所でも微粒子の計測が容易る。上方図に示すように(3)レーザー光のシートの厚みとなる。また、同時にそれらの空間分布を精度良くかつは、レーザー径と同等の長さである。一方、扇状に広が瞬時に短時間で測定することができる。

る方向の角度は出射光学系のレンズの焦点距離によって【００１４】

30

決まり、レーザー光は伝播距離とともに照射領域が広が

本発明を用いれば、エアロゾルの計測能力が大幅に向る。このレーザー光が通過するシート状の空間領域から上することから、今まで複数台の高価な微粒子測定器をそこに浮遊する(5)微粒子個々から図のように(8)側方散必要とした広範囲の場所での計測時の測定器の台数削乱光が発生する。

減、及び微粒子計測に費やす費用と時間を大幅に削減す【００１７】

ることができる。さらに、特に厳密な微粒子数量及びそこのレーザー光のシート面から発せられる微粒子個々の時間変化の計測が求められている大規模なクリーンルからの側方散乱光は、シート面に対して垂直方向からーム内の微粒子計測に大きな効果を発揮すると考えられ(7)集光光学系である望遠レンズ等の集光器により、レる。

ーザーパルス光と同期をとった(6)高感度２次元光検出【発明を実施するための最良の形態】【００１５】

器に斑点状の画像として(9)計測制御システムで観測さ40れる。ここで得られる(8)側方散乱光の画像は、(4)望遠

本発明を図面に基づいて説明する。図１に本発明を用レンズの視野内にあり、かつ(3)レーザー光のシート領いた遠隔レーザーレーダー微粒子計数装置の概略図を示域内にある(5)微粒子からのものである。(3)レーザー光

す。装置は、主に(1)パルス発振のレーザー装置、レーが(6)高感度２次元光検出器のシャッター時間内にシーザー光をシート状または扇状に広げて照射するためのト領域内の(4)望遠レンズの視野内を通過したときに個(2)出射光学系、側方散乱光を高感度２次元光検出器に々の微粒子から発せられた(8)側方散乱光が画面に多数集光する望遠レンズ等の(7)集光光学系、(6)高感度２次の斑点となって検出される。

元光検出器、及びレーザー装置を制御しかつ検出器で得【００１８】られたデータを解析する(9)計測制御システムから構成

図2は、本発明を実施した微粒子計数装置において取される。図1に示す上方図はレーザーレーダー微粒子計得された側方散乱光画像であり、図２には、図1の微粒数装置を上方から見たものである。それに対して側方図50−4−子計数装置において直径約0.5ｃｍのYAGレーザー光（波(5)特開２００５−６２０５５78長532nm、パルス幅1 ns及びパルスエネルギー60ｍＪ）ては、そこに浮遊する微粒子個々から図のように側方散を出射光学系であるシリンドリカルレンズで全角約１5乱光が発生する。このレーザーの伝播方向と垂直方向で°の角度で扇型のシート状に広げて室内の気中に照射あるシート面から発せられる微粒子個々からの側方散乱し、高感度2次元光検出器であるイメージインテンシフ

光は、シート面に対して垂直方向から集光光学系である

ァイヤー付きCCDカメラの測定視野(縦約23ｃｍ、横30cm

望遠レンズ等の集光器により、レーザーパルス光と同期のフレーム)をそのレーザーシート面内に合わせて計測をとった高感度２次元光検出器に斑点状の画像として検した側方散乱光の画像データである。

出される。

【００１９】

レンズの視野内にあり、かつシート領域内にある微粒子

このときのCCDカメラはシート面より５ｍほど離れたところに設置され、CCDカメラのシャッター時間は約５nここで得られる側方散乱光の画像は、望遠からのものである。レーザー光が高感度２次元光検出器
10のシャッター時間内にシート領域内の望遠レンズの視野sである。この画像内にある白い斑点状の一つ一つは、内を通過したときに個々の微粒子から発せられた側方散シャッター時間内にパルスレーザーがCCDカメラの視野乱光が検出器に斑点状の画像として観測される。

内(出射光学系から約2.7ｍ付近)を通過したときにレー【００２４】

ザー光通過領域のシート内にある微粒子個々から発生し図２には、上述の微粒子計数装置において直径約0.5た側方散乱光を捕らえたものである。

ｃｍのYAGレーザー光（波長532nm、パルス幅1 ns及びパ【００２０】

ルスエネルギー60ｍＪ）を出射光学系であるシリンドリ

図3は、本発明実施例で得られた室内気中の微粒子粒カルレンズで全角約１5°の角度で扇型にシート状に広径分布（ヒストグラム）である。図２の画像にある微粒げて室内の気中に照射し、高感度2次元光検出器である子個々からの側方散乱光である斑点状の斑点の数を計測し、かつ斑点の輝度を計測することにより得られた微粒イメージインテンシファイヤー付きCCDカメラの測定視20野(縦約23ｃｍ、横30cmのフレーム)をそのレーザー光シ子の粒径分布グラフである。横軸は、側方散乱光強度でート面内に合わせて計測した画像データである。このと表されているが、これを粒径に変換すれば粒径分布が得

きのCCDカメラはシート面より５ｍほど離れたところにられる。このときに計測された微粒子の数量は、容積約設置され、CCDカメラのシャッター時間は約５nsであ350ccあたり約18,000個であった。

る。この画像内にある白い斑点状の一つ一つは、このシ【実施例】

ャッター時間内にパルスレーザーがCCDカメラの視野内【００２１】(出射光学系から約2.7ｍ付近)を通過したときにレーザ

図１に本発明を用いたレーザーレーダー方式による微ー光のシート内にある微粒子個々から発生した側方散乱粒子計数装置の概略図を示す。装置は、パルス発振のレ光を捕らえたものである。この白い斑点の数を計測する

ーザー装置、レーザー光をシート状または扇状に広げてことにより微粒子の数を計測することができる。さら照射するための出射光学系、側方散乱光を高感度２次元30に、斑点の強度は側方散乱光の輝度を表すので、式

光検出器に集光する望遠レンズ等の集光光学系、高感度（１）により微粒子の粒径を推定することができる。こ２次元光検出器、及びレーザー装置を制御し、かつ検出れによって図３に示す微粒子の粒径分布グラフを得るこ器で得られたデータを解析する計測制御システムから構とが可能となる。このようにして気中にある微粒子の成される。

数、密度及び粒径分布を同時に求めることができる。

【００２２】【００２５】

図1に示す上方図はレーザーレーダー微粒子計数装置

計測の結果、カメラの測定視野内でかつレーザーシーを上から見たものである。それに対して側方図は、上方ト内の容積(約350cc)にある微粒子数は約18,000個であ図の下側から見た場合の側面図である。上方図及び側方

り、１リットル当たりの粒子数は従来型のパーティクルカウンター装置から得られた結果とほぼ同等の値が得ら

図に示すように、レーザー光をシリンドリカルレンズ等の出射光学系を用いてレーザー光の進行方向に対して垂40れた。またこのときの検出可能な最小粒子径は、従来型直な一方向にのみ拡げ、結果としてレーザー光をシートのパーティクルカウンター装置と同等の0.3μｍ程度で状のように広げて観測対象の領域に向けて照射する。上あることがわかった。レーザー強度及び高感度2次元光

方図からわかるようにレーザー光のシートの厚みは、レ検出器の感度をより向上させれば、さらに小さな微粒子ーザーの空間伝播中レーザー光固有の広がりによって広からの側方散乱光をも検出することが可能となる。

がるが、ほぼレーザー装置より出射されたレーザー径と【産業上の利用可能性】同等の長さである。一方、その反対方向は出射光学系の【００２６】
本発明は、計測機器等を用いて大気中または室内の微レンズ系の焦点距離によって決まる広がり角で広がり、レーザー光は伝播距離とともに照射領域が広がる。

粒子の計測を必要としている分野、特に大気中の空気汚【００２３】

染の原因となるエアロゾル、微粒子等を同時に観測またこのレーザー光が通過するシート状の空間領域におい50−5−は検出する大気環境分析産業で利用できる。また、クリ(6)特開２００５−６２０５５910

ーンルーム等の室内の微粒子、エアロゾル等の発生を管射されるレーザー光、(4) 高感度２次元光検出器カメラ

理し、厳格な空気洗浄管理を必要とする空気清浄産業、視野、(5) 伝播するレーザー光シート領域かつカメラ視学術分野で利用できる。

野内に存在する気中の微粒子、 (6) 高感度２次元光検【図面の簡単な説明】

出器（CCDカメラ）、(7) 側方散乱光集光学系(望遠鏡レ【００２７】

ンズ)、(8)微粒子から発生する側方散乱光、(9)計測制【図１】本発明方式を実施した遠隔レーザーレーダー微御システム、(10) 計測制御システムとレーザー装置及粒子計数装置概略図を示す図である。

び高感度２次元光検出器間の信号ケーブル【００２８】【図２】本発明を実施した微粒子計数装置において取得（符号の説明）された側方散乱光画像を示す図である。

(1) パルスレーザー発生装置、(2) レーザー拡大出射10

光学系(シリンドリカルレンズ)、(3)シート状に拡大出【図３】本発明実施例で得られた室内気中の微粒子粒径分布（ヒストグラム）を示す図である。
【図２】

【図１】

【図３】─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き(72)発明者

大図章

茨城県那珂郡東海村白方字白根２番地の４ 日本原子力研究所−6−

東海研究所内