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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2023-07-04
(45)【発行日】2023-07-12
(54)【発明の名称】粒子群計測装置
(51)【国際特許分類】
G01N 15/02 20060101AFI20230705BHJP
【ＦＩ】
G01N15/02 A
【請求項の数】
4
(21)【出願番号】P 2020555622
(86)(22)【出願日】2019-11-08
(86)【国際出願番号】 JP2019043850
(87)【国際公開番号】W WO2020096038
(87)【国際公開日】2020-05-14
【審査請求日】2022-09-01
(31)【優先権主張番号】P 2018210238
(32)【優先日】2018-11-08
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２６年度～平成３０年度、独立行政法人科学技術振興機構、戦略的イノベーション創造プログラム事業「ガソリンエンジンにおける燃料噴霧流動モデル化およびサブミクロン粒径計測手法構築とプール燃焼場ＰＭ生成機構モデリングのためのデータベース構築」委託研究、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願
(73)【特許権者】
【識別番号】504145364
【氏名又は名称】国立大学法人群馬大学
(74)【代理人】
【識別番号】110000925
【氏名又は名称】弁理士法人信友国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】荒木 幹也
(72)【発明者】
【氏名】小泉 優一
(72)【発明者】
【氏名】桐林 生武
(72)【発明者】
【氏名】小田 祥太郎
(72)【発明者】
【氏名】程 龍
(72)【発明者】
【氏名】池田 知貴
【審査官】萩田 裕介
(56)【参考文献】
【文献】特許第５５１７０００（ＪＰ，Ｂ２）
【文献】特公昭５７－０２１０４２（ＪＰ，Ｂ２）
【文献】特開平０３－１６３３３２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平０９－２５７６８３（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１１／００２６０２３（ＵＳ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０１Ｎ １５／００ － １５／１４
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
計測対象を通過する光路に第一の波長を有する第一の光を照射する第一光源と、前記光路に、前記第一の波長と異なる第二の波長を有する第二の光を照射する第二光源と、
前記光路から、前記計測対象を中心として、前記光路を含む観測面に平行な方向に予め定められた散乱角度＋θの位置に配置される、前記第一光源の光を受光して第一の散乱光強度データを出力する出力する第一偏光カメラと、
前記光路から、前記計測対象を中心として、前記観測面に平行な方向に予め定められた散乱角度－θの位置に配置される、前記第二光源の光を受光して、第二の散乱光強度データを出力する第二偏光カメラと、
想定される粒子群における、散乱光強度理論値が格納される光強度フィールドと、屈折率が格納される屈折率フィールドと、標準偏差が格納される標準偏差フィールドと、平均粒径が格納される平均粒径フィールドと、粒子数が格納される粒子数フィールドとを有する散乱光強度理論値テーブルと、
前記散乱光強度データと散乱光強度理論値とを比較して、最も類似度が高いレコードから屈折率、標準偏差、平均粒径、粒子数を出力する距離極小値演算部と
を具備する、粒子群計測装置。
【請求項2】
前記第一偏光カメラが出力する前記第一の散乱光強度データは、前記第一の光に由来する縦偏光強度値である計測第一波長第一散乱光強度データと、前記第一の光に由来する横偏光強度値である計測第一波長第二散乱光強度データであり、前記第二偏光カメラが出力する前記第二の散乱光強度データは、前記第二の光に由来する縦偏光強度値である計測第二波長第一散乱光強度データと、前記第二の光に由来する横偏光強度値である計測第二波長第二散乱光強度データである、
請求項１に記載の粒子群計測装置。
【請求項3】
前記光強度フィールドは、前記計測第一波長第一散乱光強度データに対応する第一波長第一散乱光強度理論値が格納される第一波長第一散乱光強度フィールドと、
前記計測第一波長第二散乱光強度データに対応する第一波長第二散乱光強度理論値が格納される第一波長第二散乱光強度フィールドと、
前記計測第二波長第一散乱光強度データに対応する第二波長第一散乱光強度理論値が格納される第二波長第一散乱光強度フィールドと、
前記計測第二波長第二散乱光強度データに対応する第二波長第二散乱光強度理論値が格納される第二波長第二散乱光強度フィールドと
を有し、
前記距離極小値演算部は、前記計測第一波長第一散乱光強度データ、前記計測第一波長第二散乱光強度データ、前記計測第二波長第一散乱光強度データ及び前記計測第二波長第二散乱光強度データの入力を受けて、前記散乱光強度理論値テーブルの、前記第一波長第一散乱光強度理論値、前記第一波長第二散乱光強度理論値、前記第二波長第一散乱光強度理論値及び第二波長第二散乱光強度理論値と最も類似度が高いレコードを特定して、特定された前記レコードから前記屈折率、前記標準偏差、前記平均粒径、前記粒子数を出力する、
請求項２に記載の粒子群計測装置。
【請求項4】
更に、前記第一光源及び前記第二光源と前記計測対象との間に配置され、前記第一の光と前記第二の光を、前記観測面に対して４５°の偏光を通過する偏光フィルタと
を具備する、請求項３に記載の粒子群計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、粒子群計測装置に関する。
【背景技術】
【0002】
自動車の排気ガスに含まれる微粒子や、大陸から飛来する黄砂のようなエアロゾルは、粒径が１μｍを下回るサブミクロン粒子を多く含むことが知られている。また、近年の液体微粒化技術の発展と共に、算術平均粒径が数μｍオーダの微細噴霧生成が可能となってきており、その粒径分布の下限は、もはや１μｍ以下の領域にあると推定される。このようなサブミクロン粒子の振る舞いを把握するためには、その粒径計測法の確立が必須の課題である。
【0003】
本発明の技術分野に近い先行技術文献を特許文献１及び非特許文献１に示す。
特許文献１には、本願発明者による本願発明の基礎技術である、粒径計測装置及び粒径計測方法が開示されている。
非特許文献１には、１ｎｍ～１０μｍオーダのサブミクロン領域を含む粒径範囲を対象とした粒径計測法について記載されており、それぞれの粒径範囲に応じた計測法の特性についての記載がある。なお、粒径計測法は、主に非接触式と採取式に大別される。
特許文献１には、本願発明者による本願発明の基礎技術である、粒径計測装置及び粒径計測方法が開示されている。
非特許文献１には、１ｎｍ～１０μｍオーダのサブミクロン領域を含む粒径範囲を対象とした粒径計測法について記載されており、それぞれの粒径範囲に応じた計測法の特性についての記載がある。なお、粒径計測法は、主に非接触式と採取式に大別される。
【0004】
非接触式粒径計測法は、主にレーザ光を用いたものであり、散乱パターンを用いたレーザ回折法、散乱光強度を用いた光散乱法、粒子運動による散乱光の周波数変動を用いた動的光散乱法などが知られている。これらは、プローブとしてレーザ光を用いるため、非接触計測が可能であり、手法によっては２次元計測が可能という大きな利点を有する。
【0005】
レーザ回折法及び光散乱法は、１００ｎｍ～１００μｍオーダの粒径計測範囲を有し、燃料噴霧、粉体などの粒径計測に幅広く用いられている。しかしながら現状では、平均粒径が１μｍ以下の粒子にそのまま適用するには多くの困難を伴う。
【0006】
動的光散乱法は、１ｎｍ～１μｍオーダと極めて微小な粒径計測が可能であり、火炎中の微粒子生成過程の観察に適用されて大きな成果を挙げている。しかしながら、強力なレーザ光源と複雑な信号処理が必要なため、また点計測を基本とするため２次元データ取得には、数多くの実験を必要とするため、その実用に至るまでには、多くの困難があった。
【0007】
粒子を採取して分析する採取式粒径計測法としては、光学・電子顕微鏡を用いた計測法、慣性衝突法、重力沈降・遠心沈降法、電気的検知帯法、静電分級法など数多くの手法が知られている。このような採取式粒径計測法では、手法によっては１ｎｍオーダと極めて微小な粒径計測が可能である。しかしながら、粒子を採取して分析する必要があるため、粒径の空間分布や時間変化といった貴重な情報が失われてしまうという問題がある。
【0008】
一方、レーザ光を用いたサブミクロン粒径計測法として、偏光比法が知られている。偏光比法は、エアロゾルの粒径計測法として発展してきた手法であり、火炎中の微粒子生成過程の観察に適用され、大きな成果をあげている。偏光比法は、粒子からの散乱光に含まれる２つの偏光成分の強度比がその粒径に依存する性質を利用したものである。
【0009】
偏光比法を用いた粒径計測方法は、レーザ波長よりも小さい粒子でも計測が可能であり、非接触での粒径計測が可能であるという大きな利点を有する。しかしながら、計測可能な粒径範囲が狭く、現状では１ｎｍ～１００ｎｍに限定される。
【0010】
このため、偏光比法は先述のレーザ回折法や散乱光法などと粒径計測範囲が重複しておらず、両者の間を埋める粒径計測法の開発が求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0011】
【文献】特許第５５１７０００号公報
【非特許文献】
【0012】
【文献】櫻井博、粒子の気中個数濃度と粒径分布の計測技術と標準、産総研計量標準報告、産業技術総合研究所、Vol.4、No.1、53-63。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0013】
特許文献１に示す特許では、発明者は、被計測粒子に非接触で粒径を計測でき、かつ、計測可能な粒径範囲の拡大を可能とする粒径計測装置及び粒径計測方法を実現した。但し、特許文献１で計測可能な粒径範囲は、数百ｎｍ～１０μｍ程度であり、１０ｎｍを下回る数ｎｍ程度までの、極めて極小な粒径を有する粒子には、特許文献１に記載の技術も適用できていない。
【0014】
乗用車等のエンジンのシリンダ内で燃料が燃焼する際、ピストン内部では瞬間的にすすが発生し、極僅かな時間の間にすすが成長する。これらのすす粒子は、数ｎｍから数１０ｎｍ程度の極めて極小な粒径を持つ。このような、極めて短時間の間に発生し成長する極小微粒子の粒径を計測することは、当然に非接触でないと不可能であり、これまで実現できる手法が存在しなかった。
【0015】
また、炎の内部で発生するすすは、単一の粒径で構成されない。概ね対数正規分布に従い、平均値と分散を有する。また、粒子の構成元素とその結合構造から決まる特有の光学定数である屈折率を呈する。すす粒子の計測には、単に粒径を求めるだけでなく、粒径の平均値、粒径の分散、粒子の数、屈折率等を併せて把握する必要がある。
【0016】
本発明は係る状況に鑑みてなされたものであり、非接触かつ極短時間で、被計測粒子の粒径と、粒径の平均値、粒径の分散、粒子の数、屈折率を推定することが可能な、粒子群計測装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0017】
上記課題を解決するために、本発明の粒子群計測装置は、計測対象を通過する光路に第一の波長を有する第一の光を照射する第一光源と、光路に、第一の波長と異なる第二の波長を有する第二の光を照射する第二光源と、光路から、計測対象を中心として、光路を含む観測面に平行な方向に予め定められた散乱角度＋θの位置に配置される、第一光源の光を受光して第一の散乱光強度データを出力する出力する第一偏光カメラと、光路から、計測対象を中心として、観測面に平行な方向に予め定められた散乱角度－θの位置に配置される、第二光源の光を受光して、第二の散乱光強度データを出力する第二偏光カメラとを具備する。
【0018】
更に、想定される粒子群における、散乱光強度理論値が格納される光強度フィールドと、屈折率が格納される屈折率フィールドと、標準偏差が格納される標準偏差フィールドと、平均粒径が格納される平均粒径フィールドと、粒子数が格納される粒子数フィールドとを有する散乱光強度理論値テーブルと、散乱光強度データと散乱光強度理論値とを比較して、最も類似度が高いレコードから屈折率、標準偏差、平均粒径、粒子数を出力する距離極小値演算部とを具備する。
【発明の効果】
【0019】
本発明によれば、非接触かつ極短時間で、被計測粒子の粒径と、粒径の平均値、粒径の分散、粒子の数、屈折率を推定することが可能な、粒子群計測装置を提供することができる。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【0020】
【図1】本発明の実施形態に係る粒子群計測装置の全体構成を示す概略図である。
【図2】粒子群計測装置にて使用される偏光カメラの内部構成と、使用する測定値を示す概略図である。
【図3】粒子群計測装置のハードウェア構成を示すブロック図である。
【図4】粒子群計測装置のソフトウェア機能を示すブロック図である。
【図5】散乱値強度理論値テーブルのフィールド構成を示す表である。
【図6】散乱値強度理論値テーブルに記録されるレコードによって表現される粒子群のモデルを示すグラフである。
【図7】ある波長の光における、粒子群の粒径と偏光比の関係を示すグラフである。
【図8】２種類の波長の光における、粒子群の粒径と偏光比の関係を示すグラフである。
【図9】従来技術であるＰＡＭＳ法と本発明の実施形態に係る粒子群計測装置とで、炎のすすを計測する実験を行った実験結果のグラフである。
【発明を実施するための形態】
【0021】
［粒子群計測装置：全体構成］
図１は、本発明の実施形態に係る粒子群計測装置１０１の全体構成を示す概略図である。
図１において、炎１０２が粒子群計測装置１０１の計測対象である。
計測対象である炎１０２に対し、計測対象を通過する、概ね水平の面を観測面Ｄ１０３とする。
この観測面Ｄ１０３に平行な方向に、第一光源１０４と第二光源１０５、プリズム等の光合成体１０６、そして偏光フィルタ１０７と凸レンズ１０８によって、観測面Ｄ１０３に形成される光路Ｄ１１６を直進する直線偏光Ｂ１０９が形成される。
図１は、本発明の実施形態に係る粒子群計測装置１０１の全体構成を示す概略図である。
図１において、炎１０２が粒子群計測装置１０１の計測対象である。
計測対象である炎１０２に対し、計測対象を通過する、概ね水平の面を観測面Ｄ１０３とする。
この観測面Ｄ１０３に平行な方向に、第一光源１０４と第二光源１０５、プリズム等の光合成体１０６、そして偏光フィルタ１０７と凸レンズ１０８によって、観測面Ｄ１０３に形成される光路Ｄ１１６を直進する直線偏光Ｂ１０９が形成される。
【0022】
第一光源１０４は第一の波長の光（第一の光）を出力するレーザ光源である。レーザの波長は例えば４０５ｎｍの、紫色のレーザである。
第二光源１０５は第二の波長の光（第二の光）を出力するレーザ光源である。レーザの波長は例えば４８８ｎｍの、青色のレーザである。
これら紫色及び青色は、計測対象である炎１０２が発するオレンジ色の光に由来するノイズをできる限り除去するために選択される色である。
第二光源１０５は第二の波長の光（第二の光）を出力するレーザ光源である。レーザの波長は例えば４８８ｎｍの、青色のレーザである。
これら紫色及び青色は、計測対象である炎１０２が発するオレンジ色の光に由来するノイズをできる限り除去するために選択される色である。
【0023】
光合成体１０６は、第一光源１０４が発する紫色レーザと、第二光源１０５が発する青色レーザの、２個のレーザ光の光軸を揃えて一方向に出力する。
偏光フィルタ１０７は、斜め４５°の偏光を透過させるべく設けられている。これは、縦方向と横方向に均等な出力の偏光を得るためである。
凸レンズ１０８は、レーザ光の光束を収束させるために設けられている。
偏光フィルタ１０７は、斜め４５°の偏光を透過させるべく設けられている。これは、縦方向と横方向に均等な出力の偏光を得るためである。
凸レンズ１０８は、レーザ光の光束を収束させるために設けられている。
【0024】
直線偏光Ｂ１０９は計測対象である炎１０２を通過し、ビームトラップあるいはビームブロックとも呼ばれるビームストップ１１０に照射される。ビームストップ１１０は安全のために設けられているので、レーザ光が拡散しない構成であれば何を使用してもよい。
直線偏光Ｂ１０９が計測対象である炎１０２を通過する際、直線偏光Ｂ１０９は観測面Ｄ１０３に平行な方向に所定の散乱角度±θで拡散される。
直線偏光Ｂ１０９が計測対象である炎１０２を通過する際、直線偏光Ｂ１０９は観測面Ｄ１０３に平行な方向に所定の散乱角度±θで拡散される。
【0025】
散乱角度±θの一方の側＋θには、第一偏光カメラ１１１が設置される。第一偏光カメラ１１１は、第一光源１０４の光の波長４０５ｎｍのみを透過する第一色フィルタ１１２を通じて、第一光源１０４の光の強度を検出する。
また、散乱角度±θの他方の側－θには、第二偏光カメラ１１３が設置される。第二偏光カメラ１１３は、第二光源１０５の光の波長４８８ｎｍのみを透過する第二色フィルタ１１４を通じて、第二光源１０５の光の強度を検出する。
なお、散乱角度±θの絶対値｜θ｜は、概ね３０°～８０°および１００°～１５０°程度で設定が可能である。理想的には、６０°～８０°および１００°～１２０°の範囲が好ましい。
なお、１０ｎｍ程度の粒子の場合、９０°は特異点である。９０°にすると、第二散乱光強度がゼロとなり計測できなくなる。よって、９０°を避け、かつ０°と１８０°に近すぎない位置が好適である。
また、散乱角度±θの他方の側－θには、第二偏光カメラ１１３が設置される。第二偏光カメラ１１３は、第二光源１０５の光の波長４８８ｎｍのみを透過する第二色フィルタ１１４を通じて、第二光源１０５の光の強度を検出する。
なお、散乱角度±θの絶対値｜θ｜は、概ね３０°～８０°および１００°～１５０°程度で設定が可能である。理想的には、６０°～８０°および１００°～１２０°の範囲が好ましい。
なお、１０ｎｍ程度の粒子の場合、９０°は特異点である。９０°にすると、第二散乱光強度がゼロとなり計測できなくなる。よって、９０°を避け、かつ０°と１８０°に近すぎない位置が好適である。
【0026】
［偏光カメラ］
図２を参照して、偏光カメラ２０１の構成と、後述する情報処理装置１１５にて使用するデータの種類を説明する。
図２は、粒子群計測装置１０１にて使用される偏光カメラ２０１の内部構成と、使用する測定値を示す概略図である。
偏光カメラ２０１は例えば６４８×４８８ピクセルの画素の撮像素子を有する。そして、この撮像素子には、各々の撮像ピクセルに微小偏光板２０２が設けられている。
図２を参照して、偏光カメラ２０１の構成と、後述する情報処理装置１１５にて使用するデータの種類を説明する。
図２は、粒子群計測装置１０１にて使用される偏光カメラ２０１の内部構成と、使用する測定値を示す概略図である。
偏光カメラ２０１は例えば６４８×４８８ピクセルの画素の撮像素子を有する。そして、この撮像素子には、各々の撮像ピクセルに微小偏光板２０２が設けられている。
【0027】
微小偏光板２０２には、横方向の偏光、右斜め方向の偏光、縦方向の偏光、左斜め方向の偏光の、４種類の偏光フィルタが各々の撮像ピクセルに整列して設けられている。そして、偏光カメラ２０１は、各々の偏光に対応した画像データを出力する。
本発明の粒子群計測装置１０１は、縦方向の偏光の画像データＤ２０３及び横方向の偏光の画像データＤ２０４（３２４×２４４ピクセル）を使用し、右斜め方向の偏光の画像データＤ２０５及び左斜め方向の偏光の画像データＤ２０６は使用しない。
本発明の粒子群計測装置１０１は、縦方向の偏光の画像データＤ２０３及び横方向の偏光の画像データＤ２０４（３２４×２４４ピクセル）を使用し、右斜め方向の偏光の画像データＤ２０５及び左斜め方向の偏光の画像データＤ２０６は使用しない。
【0028】
図１に戻って、粒子群計測装置１０１の説明を続ける。
第一偏光カメラ１１１と第二偏光カメラ１１３は、パソコン等よりなる情報処理装置１１５に接続される。情報処理装置１１５は、後述する演算処理を行うことで、所定の瞬間における炎１０２に含まれるすす、すなわち粒子群の、屈折率、標準偏差、平均粒径及び粒子数を推定演算する。
第一偏光カメラ１１１と第二偏光カメラ１１３は、パソコン等よりなる情報処理装置１１５に接続される。情報処理装置１１５は、後述する演算処理を行うことで、所定の瞬間における炎１０２に含まれるすす、すなわち粒子群の、屈折率、標準偏差、平均粒径及び粒子数を推定演算する。
【0029】
［情報処理装置１１５］
図３は、情報処理装置１１５のハードウェア構成を示すブロック図である。
情報処理装置１１５は、バス３０１に接続された、ＣＰＵ３０２、ＲＯＭ３０３、ＲＡＭ３０４、表示部３０５、操作部３０６、不揮発性ストレージ３０７、ＵＳＢ等のシリアルインターフェース（以下「シリアルＩ／Ｆ」と略）３０８を備える。
シリアルＩ／Ｆ３０８には、第一偏光カメラ１１１と第二偏光カメラ１１３が接続されている。
図３は、情報処理装置１１５のハードウェア構成を示すブロック図である。
情報処理装置１１５は、バス３０１に接続された、ＣＰＵ３０２、ＲＯＭ３０３、ＲＡＭ３０４、表示部３０５、操作部３０６、不揮発性ストレージ３０７、ＵＳＢ等のシリアルインターフェース（以下「シリアルＩ／Ｆ」と略）３０８を備える。
シリアルＩ／Ｆ３０８には、第一偏光カメラ１１１と第二偏光カメラ１１３が接続されている。
【0030】
図４は、情報処理装置１１５のソフトウェア機能を示すブロック図である。
第一偏光カメラ１１１は、第一光源１０４が出力する紫色レーザに由来する縦偏光強度値である計測第一波長第一散乱光強度データ（Ｉ１λ１）と、横偏光強度値である計測第一波長第二散乱光強度データ（Ｉ２λ１）を出力する。
第二偏光カメラ１１３は、第二光源１０５が出力する青色レーザに由来する縦偏光強度値である計測第二波長第一散乱光強度データ（Ｉ１λ２）と、横偏光強度値である計測第二波長第二散乱光強度データ（Ｉ２λ２）を出力する。
第一偏光カメラ１１１は、第一光源１０４が出力する紫色レーザに由来する縦偏光強度値である計測第一波長第一散乱光強度データ（Ｉ１λ１）と、横偏光強度値である計測第一波長第二散乱光強度データ（Ｉ２λ１）を出力する。
第二偏光カメラ１１３は、第二光源１０５が出力する青色レーザに由来する縦偏光強度値である計測第二波長第一散乱光強度データ（Ｉ１λ２）と、横偏光強度値である計測第二波長第二散乱光強度データ（Ｉ２λ２）を出力する。
【0031】
各々がスカラ値である計測第一波長第一散乱光強度データ（Ｉ１λ１）、計測第一波長第二散乱光強度データ（Ｉ２λ１）、計測第二波長第一散乱光強度データ（Ｉ１λ２）及び計測第二波長第二散乱光強度データ（Ｉ２λ２）は、距離極小値演算部４０１に入力される。
距離極小値演算部４０１は、散乱光強度理論値テーブル４０２を読み込み、計測第一波長第一散乱光強度データ（Ｉ１λ１）、計測第一波長第二散乱光強度データ（Ｉ２λ１）、計測第二波長第一散乱光強度データ（Ｉ１λ２）及び計測第二波長第二散乱光強度データ（Ｉ２λ２）に最も近いレコードを探し出す。そして、距離極小値演算部４０１は、最も近いレコードに記憶されている、粒子群の屈折率、標準偏差、平均粒径及び粒子数を出力する。
距離極小値演算部４０１は、散乱光強度理論値テーブル４０２を読み込み、計測第一波長第一散乱光強度データ（Ｉ１λ１）、計測第一波長第二散乱光強度データ（Ｉ２λ１）、計測第二波長第一散乱光強度データ（Ｉ１λ２）及び計測第二波長第二散乱光強度データ（Ｉ２λ２）に最も近いレコードを探し出す。そして、距離極小値演算部４０１は、最も近いレコードに記憶されている、粒子群の屈折率、標準偏差、平均粒径及び粒子数を出力する。
【0032】
露光制御部４０３は、第一偏光カメラ１１１と第二偏光カメラ１１３に対し、同時にシャッターパルスを出力すると共に、撮影に必要な露光時間を設定する。図４では省略しているが、露光制御部４０３は、外部から得られる所定の制御信号を受けて、第一偏光カメラ１１１と第二偏光カメラ１１３に対するシャッターパルスを出力する。
ここで、外部から得られる所定の制御信号とは、例えば、不図示のエンジンモデル等から得られるタイミングパルスである。露光制御部４０３は、制御信号に所定の時間遅延を与えたり、露光時間を厳密に制御することで、エンジンの燃焼サイクルにおける所望の瞬間のすすの状態を計測することを可能とする。
ここで、外部から得られる所定の制御信号とは、例えば、不図示のエンジンモデル等から得られるタイミングパルスである。露光制御部４０３は、制御信号に所定の時間遅延を与えたり、露光時間を厳密に制御することで、エンジンの燃焼サイクルにおける所望の瞬間のすすの状態を計測することを可能とする。
【0033】
［散乱光強度理論値テーブル４０２］
図５は、散乱光強度理論値テーブル４０２のフィールド構成を示す表である。
散乱光強度理論値テーブル４０２は、第一波長第一散乱光強度フィールド、第一波長第二散乱光強度フィールド、第二波長第一散乱光強度フィールド、第二波長第二散乱光強度フィールド、屈折率フィールド、標準偏差フィールド、平均粒径フィールド、粒子数フィールドを有する。
図５は、散乱光強度理論値テーブル４０２のフィールド構成を示す表である。
散乱光強度理論値テーブル４０２は、第一波長第一散乱光強度フィールド、第一波長第二散乱光強度フィールド、第二波長第一散乱光強度フィールド、第二波長第二散乱光強度フィールド、屈折率フィールド、標準偏差フィールド、平均粒径フィールド、粒子数フィールドを有する。
【0034】
第一波長第一散乱光強度フィールドには、第一波長第一散乱光強度（Ｉ１λ１）の理論値が格納される。第一波長第二散乱光強度フィールドには、第一波長第二散乱光強度（Ｉ２λ１）の理論値が格納される。第二波長第一散乱光強度フィールドには、第二波長第一散乱光強度（Ｉ１λ２）の理論値が格納される。第二波長第二散乱光強度フィールドには、第二波長第二散乱光強度（Ｉ２λ２）理論値が格納される。
すなわち、これら散乱光強度理論値のフィールドは、それぞれ第一偏光カメラ１１１及び第二偏光カメラ１１３が出力する同名のデータと同じものであり、後述する予備演算処理によって想定される粒子群の理論値（スカラ値）が格納される。
すなわち、これら散乱光強度理論値のフィールドは、それぞれ第一偏光カメラ１１１及び第二偏光カメラ１１３が出力する同名のデータと同じものであり、後述する予備演算処理によって想定される粒子群の理論値（スカラ値）が格納される。
【0035】
屈折率フィールドには、後述する予備演算処理によって算出された、想定される粒子群の屈折率（スカラ値）が格納される。標準偏差フィールドには、後述する予備演算処理によって算出された、想定される粒子群の標準偏差（スカラ値）が格納される。
平均粒径フィールドには、後述する予備演算処理によって算出された、想定される粒子群の平均粒径（スカラ値）が格納される。粒子数フィールドには、後述する予備演算処理によって算出された、想定される粒子群の粒子数（スカラ値）が格納される。
平均粒径フィールドには、後述する予備演算処理によって算出された、想定される粒子群の平均粒径（スカラ値）が格納される。粒子数フィールドには、後述する予備演算処理によって算出された、想定される粒子群の粒子数（スカラ値）が格納される。
【0036】
［粒子群のモデル］
図６は、散乱光強度理論値テーブル４０２に記録されるレコードによって表現される粒子群のモデルを示すグラフである。
様々な研究等によって、自然現象に由来して発生する、粒径が分散している微粒子の粒子群は、図６に示すように、横軸を対数目盛とするガウス曲線に概ね一致することが知られている。なお、図６において、横軸は対数目盛による粒径であり、縦軸は粒子の数（出現頻度）である。
図６は、散乱光強度理論値テーブル４０２に記録されるレコードによって表現される粒子群のモデルを示すグラフである。
様々な研究等によって、自然現象に由来して発生する、粒径が分散している微粒子の粒子群は、図６に示すように、横軸を対数目盛とするガウス曲線に概ね一致することが知られている。なお、図６において、横軸は対数目盛による粒径であり、縦軸は粒子の数（出現頻度）である。
【0037】
ガウス曲線、つまり正規分布は、平均と標準偏差でグラフの形態が一意に定まる。そこで、平均粒径、標準偏差、個数、屈折率の４パラメータを定めて、第一光源１０４が出力する紫色レーザの波長、第二光源１０５が出力する青色レーザの波長、第一偏光カメラ１１１及び第二偏光カメラ１１３が設置される、光軸に対する角度θを与えて計算を行うことにより、第一波長第一散乱光強度（Ｉ１λ１）、第一波長第二散乱光強度（Ｉ２λ１）、第二波長第一散乱光強度（Ｉ１λ２）及び第二波長第二散乱光強度（Ｉ２λ２）の理論値を算出することができる。
【0038】
つまり、第一波長第一散乱光強度（Ｉ１λ１）、第一波長第二散乱光強度（Ｉ２λ１）、第二波長第一散乱光強度（Ｉ１λ２）及び第二波長第二散乱光強度（Ｉ２λ２）の理論値は、屈折率、標準偏差、平均粒径、粒子数を探索するための検索キーである。これら検索キーとなる理論値と、偏光カメラで実測した値との類似度を計算して、最も類似するレコードを、計測した粒子群のパラメータ群に概ね合致するものとして推定する。
類似度の計算では、理論値と実測値との距離が計算される。すなわち、距離極小値演算部４０１は、以下に示すように、各パラメータ毎に差の二乗を加算して距離ＤＳを算出し、距離ＤＳの値が最も小さいレコードを探す。
類似度の計算では、理論値と実測値との距離が計算される。すなわち、距離極小値演算部４０１は、以下に示すように、各パラメータ毎に差の二乗を加算して距離ＤＳを算出し、距離ＤＳの値が最も小さいレコードを探す。
【0039】
距離ＤＳ＝
（第一波長第一散乱光強度理論値－計測第一波長第一散乱光強度データ）２＋
（第一波長第二散乱光強度理論値－計測第一波長第二散乱光強度データ）２＋
（第二波長第一散乱光強度理論値－計測第二波長第一散乱光強度データ）２＋
（第二波長第二散乱光強度理論値－計測第二波長第二散乱光強度データ）２
（第一波長第一散乱光強度理論値－計測第一波長第一散乱光強度データ）２＋
（第一波長第二散乱光強度理論値－計測第一波長第二散乱光強度データ）２＋
（第二波長第一散乱光強度理論値－計測第二波長第一散乱光強度データ）２＋
（第二波長第二散乱光強度理論値－計測第二波長第二散乱光強度データ）２
【0040】
［粒径と偏光比］
図７は、ある波長の光における、粒子群の平均の粒径と偏光比の関係を示すグラフである。なお、図７及び図８の実線のグラフは青色のレーザ光、すなわち第二の光であり、後述する図８の点線のグラフは紫色のレーザ光、すなわち第一の光である。
標準偏差が異なると、平均粒径が同じ粒子群であっても、全く異なる偏光比を示す。このため、単一の光だけでは、ある偏光比に対して異なる粒径が該当してしまうため、粒子群を特定することができない。
図７は、ある波長の光における、粒子群の平均の粒径と偏光比の関係を示すグラフである。なお、図７及び図８の実線のグラフは青色のレーザ光、すなわち第二の光であり、後述する図８の点線のグラフは紫色のレーザ光、すなわち第一の光である。
標準偏差が異なると、平均粒径が同じ粒子群であっても、全く異なる偏光比を示す。このため、単一の光だけでは、ある偏光比に対して異なる粒径が該当してしまうため、粒子群を特定することができない。
【0041】
図８は、２種類の波長の光における、粒子群の粒径と偏光比の関係を示すグラフである。
そこで、２種類の波長の光について、粒子群の粒径と偏光比の関係をグラフにプロットすると、波長が異なるために、ある偏光比に対して異なる粒径が該当しても、別の波長のグラフと重ね合わせることで、粒径の誤差が最も少ない値が目的の粒径であると推定することができる。
そこで、２種類の波長の光について、粒子群の粒径と偏光比の関係をグラフにプロットすると、波長が異なるために、ある偏光比に対して異なる粒径が該当しても、別の波長のグラフと重ね合わせることで、粒径の誤差が最も少ない値が目的の粒径であると推定することができる。
【0042】
図７及び図８に示すグラフは、以下の式で理論散乱光強度を算出する。なお、以下の式において、ｆはミーの散乱理論の式、λは入射光波長、θは散乱角度、τλは露光時間、ｍは複素屈折率、σｇは幾何標準偏差、Ｄｇは幾何平均粒径、Ｃλは光学定数、ｎは粒子数である。
λ、θ、τλは既定値であり、ｍ、σｇ、Ｄｇ、Ｃλ、ｎは未知数である。
λ１は第一の光であり、λ２は第二の光である。
λ、θ、τλは既定値であり、ｍ、σｇ、Ｄｇ、Ｃλ、ｎは未知数である。
λ１は第一の光であり、λ２は第二の光である。
【0043】
【数1】
【0044】
上式のうち、第２の式を第１の式で除すると、あるいは第４の式を第３の式で除すると、τλ、Ｃλ、ｎは消去される。この比は偏光比とよばれる。上式をそのまま用いるよりも変数の数が減り、かつｍ、σｇ、Ｄｇの算出にも利用できる。しかしながら、すす粒子のような数ｎｍから数十ｎｍ程度の粒子の場合、平均の粒径を変化させたときの偏光比の変化は非常に小さく、計測が困難となる問題がある。
【0045】
ある粒径Ｄを有する１個の粒子は、ある入射光波長λに対し、複素屈折率ｍ、光学定数Ｃλを以て、散乱角度θに所定の強度の散乱光を出力する。粒子は１個だけではないので、粒子の数だけ散乱光の強度が累積加算される。また、粒子の粒径も１個だけではないので、異なる粒径の粒子においても同様に計算する必要がある。その粒子の粒径の出現頻度が、対数目盛による正規分布に概ね従う。
粒径の平均値と粒径の標準偏差、粒子数がわかれば、粒子群が出力する散乱光の強度を算出することができる。
粒径の平均値と粒径の標準偏差、粒子数がわかれば、粒子群が出力する散乱光の強度を算出することができる。
【0046】
そこで、予め入射光波長λと散乱角度θと露光時間τλを固定しておき、複素屈折率ｍ、幾何標準偏差σｇ、幾何平均粒径Ｄｇ、光学定数Ｃλを様々に変化させながら、第一波長第一散乱光強度理論値（Ｉ１λ１）、第一波長第二散乱光強度理論値（Ｉ２λ１）、第二波長第一散乱光強度理論値（Ｉ１λ２）、第二波長第二散乱光強度理論値（Ｉ２λ２）を演算することが、予備演算処理である。そして、予備演算処理の演算結果をテーブルに記録したものが、散乱光強度理論値テーブル４０２である。
【0047】
予備演算処理では、散乱角度θを適切な値に定めている。したがって、粒子群計測装置１０１が実際に計測を行う際には、第一偏光カメラ１１１及び第二偏光カメラ１１３は、計測対象物に対して散乱角度±θを以て配置されていなければならない。
【0048】
［実験］
図９は、従来技術であるＰＡＭＳ法と本発明の実施形態に係る粒子群計測装置１０１とで、炎のすすを計測する実験を行った実験結果のグラフである。グラフの形態は図６とほぼ同じであり、横軸は対数目盛による粒径であり、縦軸は正規化粒子密度（出現頻度）である。
図９は、従来技術であるＰＡＭＳ法と本発明の実施形態に係る粒子群計測装置１０１とで、炎のすすを計測する実験を行った実験結果のグラフである。グラフの形態は図６とほぼ同じであり、横軸は対数目盛による粒径であり、縦軸は正規化粒子密度（出現頻度）である。
【0049】
実験は、ブタンガスの炎１０２を計測対象とした。
従来技術であるＰＡＭＳ法とは、Portable aerosol mobility spectrometerの略で、発生源の粒子をパイプの横に開けた採取口から直接採取して、ふるいをかけるように分級したのち各粒径の粒子数をカウントする方法である。なお、火炎中のすすが計測対象であるため、炎による酸化反応を凍結させるため、またすす粒子同士の凝集を抑制するため、パイプに窒素ガスを流通して、冷却と希釈を行いながらすすを採取した。
図９を見ると、ＰＡＭＳ法による実測結果のグラフの頂点Ｐ９０１と、本発明の実施形態にかかる粒子群計測装置１０１の推定演算結果のグラフの頂点Ｐ９０２における粒径が、概ね近似することがわかる。
従来技術であるＰＡＭＳ法とは、Portable aerosol mobility spectrometerの略で、発生源の粒子をパイプの横に開けた採取口から直接採取して、ふるいをかけるように分級したのち各粒径の粒子数をカウントする方法である。なお、火炎中のすすが計測対象であるため、炎による酸化反応を凍結させるため、またすす粒子同士の凝集を抑制するため、パイプに窒素ガスを流通して、冷却と希釈を行いながらすすを採取した。
図９を見ると、ＰＡＭＳ法による実測結果のグラフの頂点Ｐ９０１と、本発明の実施形態にかかる粒子群計測装置１０１の推定演算結果のグラフの頂点Ｐ９０２における粒径が、概ね近似することがわかる。
【0050】
本発明の実施形態では、粒子群計測装置１０１を開示した。
粒子群計測装置１０１は、予め予備演算処理によって散乱光強度理論値テーブル４０２を作成しておく。そして、予備演算処理の時点で定めた散乱角度±θの位置に、第一偏光カメラ１１１、第二偏光カメラ１１３を設置する。
粒子群計測装置１０１は、予め予備演算処理によって散乱光強度理論値テーブル４０２を作成しておく。そして、予備演算処理の時点で定めた散乱角度±θの位置に、第一偏光カメラ１１１、第二偏光カメラ１１３を設置する。
【0051】
距離極小値演算部４０１は、第一偏光カメラ１１１から出力される計測第一波長第一散乱光強度（Ｉ１λ１）、計測第一波長第二散乱光強度（Ｉ２λ１）と、第二偏光カメラ１１３から出力される計測第二波長第一散乱光強度（Ｉ１λ２）、計測第二波長第二散乱光強度（Ｉ２λ２）に最も類似度が高い、散乱光強度理論値テーブル４０２のレコードを特定し、屈折率ｍ、標準偏差σｇ、平均粒径Ｄｇ、粒子数ｎを出力する。
粒子群計測装置１０１は、非接触かつ極短時間で、粒子群の屈折率ｍ、標準偏差σｇ、平均粒径Ｄｇ、粒子数ｎを推定演算することが可能である。
粒子群計測装置１０１は、非接触かつ極短時間で、粒子群の屈折率ｍ、標準偏差σｇ、平均粒径Ｄｇ、粒子数ｎを推定演算することが可能である。
【0052】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、請求の範囲に記載した本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、他の変形例、応用例を含む。
【符号の説明】
【0053】
１０１…粒子群計測装置、１０２…炎、１０４…第一光源、１０５…第二光源、１０６…光合成体、１０７…偏光フィルタ、１０８…凸レンズ、１１０…ビームストップ、１１１…第一偏光カメラ、１１２…第一色フィルタ、１１３…第二偏光カメラ、１１４…第二色フィルタ、１１５…情報処理装置、２０１…偏光カメラ、２０２…微小偏光板、３０１…バス、３０２…ＣＰＵ、３０３…ＲＯＭ、３０４…ＲＡＭ、３０５…表示部、３０６…操作部、３０７…不揮発性ストレージ、３０８…シリアルインターフェース、４０１…距離極小値演算部、４０２…散乱光強度理論値テーブル、４０３…露光制御部
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】