(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】2024-08-26
(45)【発行日】2024-09-03
(54)【発明の名称】水蒸気分布測定装置
(51)【国際特許分類】
G01N 21/359 20140101AFI20240827BHJP
G01N 21/3504 20140101ALI20240827BHJP
G01N 21/3554 20140101ALI20240827BHJP
G01N 21/27 20060101ALI20240827BHJP
【ＦＩ】
G01N21/359
G01N21/3504
G01N21/3554
G01N21/27 A
【請求項の数】
6
(21)【出願番号】P 2023503854
(86)(22)【出願日】2022-03-01
(86)【国際出願番号】 JP2022008556
(87)【国際公開番号】W WO2022186186
(87)【国際公開日】2022-09-09
【審査請求日】2023-09-01
(31)【優先権主張番号】P 2021032316
(32)【優先日】2021-03-02
(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）令和２年度、国立研究開発法人科学技術振興機構、研究成果展開事業「水蒸気可視化システムの開発」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】305027401
【氏名又は名称】東京都公立大学法人
(74)【代理人】
【識別番号】100137752
【弁理士】
【氏名又は名称】亀井 岳行
(72)【発明者】
【氏名】角田 直人
(72)【発明者】
【氏名】高木 凛太郎
(72)【発明者】
【氏名】小澤 晋太朗
(72)【発明者】
【氏名】金子 尚祥
【審査官】藤田 都志行
(56)【参考文献】
【文献】特開平０８－１５９９６４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特公平０４－０６０２１６（ＪＰ，Ｂ２）
【文献】特開平０７－０７２０７８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１８－０３６２２８（ＪＰ，Ａ）
【文献】中国実用新案第２０４３８９３９３（ＣＮ，Ｕ）
【文献】高木 凛太郎, 角田 直人，「近赤外波長可変レーザーを用いた特定空間内の水蒸気分布の可視化」，日本機械学会 2020年度年次大会 講演論文集，No.20-1，2020年09月07日，page.J05219，ISSN 2424-2667
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０１Ｎ ２１／００－２１／０１
Ｇ０１Ｎ ２１／１７－２１／６１
ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＭＥＤＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
水蒸気が吸収しうる波長の近赤外光を出力する光源と、前記光源に対して測定空間を挟んで配置され、近赤外光を測定する近赤外光測定装置と、
前記光源と前記近赤外光測定装置とを結ぶ方向に垂直な前記測定空間の断面が面積を有する前記測定空間に、前記光源から出力された近赤外光を拡大させて照射させる光学系と、
前記近赤外光測定装置での測定結果に基づいて、前記測定空間の断面における水蒸気の分布を導出する分布導出手段と、
を備えたことを特徴とする水蒸気分布測定装置。
【請求項2】
波長１８００ｎｍ～１９００ｎｍの近赤外光を出力する前記光源、を備えたことを特徴とする請求項１に記載の水蒸気分布測定装置。
【請求項3】
中心波長１８６６ｎｍの近赤外光と、中心波長１８００ｎｍの近赤外光と、を交互に出力する前記光源、を備えたことを特徴とする請求項２に記載の水蒸気分布測定装置。
【請求項4】
水蒸気が吸収しうる波長の近赤外レーザー光を出力するレーザー光源により構成された前記光源と、前記光源からの近赤外レーザー光を内部で多重反射させて非干渉性の近赤外光を出力する積分球と、前記積分球からの近赤外光を前記測定空間に応じて屈折させる凹レンズと、
前記凹レンズを通過した近赤外光を屈折させて前記測定空間に向けて照射する凸レンズと、を有する前記光学系と、
を備えたことを特徴とする請求項１に記載の水蒸気分布測定装置。
【請求項5】
前記測定空間内に配置され、外部の空気と隔離された内部空間を有する隔離部材と、前記内部空間内の水蒸気の測定結果を基準として、前記隔離部材の外部の測定空間における水蒸気の分布を導出する前記分布導出手段と、
を備えたことを特徴とする請求項１に記載の水蒸気分布測定装置。
【請求項6】
前記内部空間内の水蒸気の測定結果を使用して、前記隔離部材の外部の測定空間における水蒸気の測定結果のノイズを除去することを特徴とする請求項５に記載の水蒸気分布測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、空間における水蒸気の分布を測定する水蒸気分布測定装置に関する。
【背景技術】
【0002】
空気中に普遍的に存在している水蒸気は精密電子機器や食品の品質管理・安定稼働に影響を及ぼすため、厳密な湿度管理が重要とされる。湿度計測、すなわち、水蒸気濃度計測のための機器は様々な原理を用いたものが市販されている。
水蒸気を検出する技術に関し、下記の特許文献１，２に記載の技術が公知である。
水蒸気を検出する技術に関し、下記の特許文献１，２に記載の技術が公知である。
【0003】
特許文献１（特開２０００－３５３７１号公報）には、配管（１）の亀裂部（２）から漏洩している水蒸気（３）に対して、波長１．０６４μｍ（＝１０６４ｎｍ）のレーザー光（５）が照射された場合に、水蒸気（３）の発熱部（３１）からの熱線を赤外線カメラ（６）で測定することで、水蒸気の漏洩の有無を検出する技術が記載されている。特許文献１には、レーザー光（５）をスキャンして２次元的に発熱部（３１）を発生させることも記載されている。
【0004】
特許文献２（特開２０１５－４５５４０号公報）には、繊維製品に対して放出／吸収される会合水分子を可視化するために、波長４００ｎｍ～６００ｎｍの青色～緑色の可視光のレーザー光をシート状に広げて、暗室内で照射する技術が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
（従来技術の問題点）
特許文献２に記載の技術では、空気中の水蒸気を測定することはできない。
また、水蒸気を測定する技術としては、電気式の湿度センサや特許文献１のような赤外線レーザーを利用した光学式の水分センサが存在するが、それぞれ空気中の定点における湿度やサンプルガス中の水分量を測定する機器である。したがって、点状（スポット状）の測定領域の測定しかできず、ある程度の広さを有する領域（エリア）の水蒸気分布を測定することは不可能である。
特許文献２に記載の技術では、空気中の水蒸気を測定することはできない。
また、水蒸気を測定する技術としては、電気式の湿度センサや特許文献１のような赤外線レーザーを利用した光学式の水分センサが存在するが、それぞれ空気中の定点における湿度やサンプルガス中の水分量を測定する機器である。したがって、点状（スポット状）の測定領域の測定しかできず、ある程度の広さを有する領域（エリア）の水蒸気分布を測定することは不可能である。
【0007】
従来技術において、エリアの水蒸気分布を測定しようとすると、特許文献１に記載されているように、レーザー光を走査（スキャン）する必要がある。しかし、スキャンする構成では、スキャンの速度に応じて、各点（スポット）の測定結果に時間的なずれが生じる。したがって、拡散、流動していく水蒸気の正確な分布を測定することはできない。
したがって、従来技術では、近年の厳密な湿度管理が要請する水蒸気の空間分布、流れ、発生源を把握することができない。
したがって、従来技術では、近年の厳密な湿度管理が要請する水蒸気の空間分布、流れ、発生源を把握することができない。
【0008】
本発明は、予め定められた広さを有する測定領域の水蒸気を測定することを技術的課題とする。
【課題を解決するための手段】
【0009】
前記技術的課題を解決するために、請求項１に記載の発明の水蒸気分布測定装置は、
水蒸気が吸収しうる波長の近赤外光を出力する光源と、
前記光源に対して測定空間を挟んで配置され、近赤外光を測定する近赤外光測定装置と、
前記光源と前記近赤外光測定装置とを結ぶ方向に垂直な前記測定空間の断面が面積を有する前記測定空間に、前記光源から出力された近赤外光を拡大させて照射させる光学系と、
前記近赤外光測定装置での測定結果に基づいて、前記測定空間の断面における水蒸気の分布を導出する分布導出手段と、
を備えたことを特徴とする。
水蒸気が吸収しうる波長の近赤外光を出力する光源と、
前記光源に対して測定空間を挟んで配置され、近赤外光を測定する近赤外光測定装置と、
前記光源と前記近赤外光測定装置とを結ぶ方向に垂直な前記測定空間の断面が面積を有する前記測定空間に、前記光源から出力された近赤外光を拡大させて照射させる光学系と、
前記近赤外光測定装置での測定結果に基づいて、前記測定空間の断面における水蒸気の分布を導出する分布導出手段と、
を備えたことを特徴とする。
【0010】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の水蒸気分布測定装置において、
波長１８００ｎｍ～１９００ｎｍの近赤外光を出力する前記光源、
を備えたことを特徴とする。
波長１８００ｎｍ～１９００ｎｍの近赤外光を出力する前記光源、
を備えたことを特徴とする。
【0011】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の水蒸気分布測定装置において、
中心波長１８６６ｎｍの近赤外光と、中心波長１８００ｎｍの近赤外光と、を交互に出力する前記光源、
を備えたことを特徴とする。
中心波長１８６６ｎｍの近赤外光と、中心波長１８００ｎｍの近赤外光と、を交互に出力する前記光源、
を備えたことを特徴とする。
【0012】
請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の水蒸気分布測定装置において、
水蒸気が吸収しうる波長の近赤外レーザー光を出力するレーザー光源により構成された前記光源と、
前記光源からの近赤外レーザー光を内部で多重反射させて非干渉性の近赤外光を出力する積分球と、前記積分球からの近赤外光を前記測定空間に応じて屈折させる凹レンズと、
前記凹レンズを通過した近赤外光を屈折させて前記測定空間に向けて照射する凸レンズと、を有する前記光学系と、
を備えたことを特徴とする。
水蒸気が吸収しうる波長の近赤外レーザー光を出力するレーザー光源により構成された前記光源と、
前記光源からの近赤外レーザー光を内部で多重反射させて非干渉性の近赤外光を出力する積分球と、前記積分球からの近赤外光を前記測定空間に応じて屈折させる凹レンズと、
前記凹レンズを通過した近赤外光を屈折させて前記測定空間に向けて照射する凸レンズと、を有する前記光学系と、
を備えたことを特徴とする。
【0013】
請求項５に記載の発明は、請求項１に記載の水蒸気分布測定装置において、
前記測定空間内に配置され、外部の空気と隔離された内部空間を有する隔離部材と、
前記内部空間内の水蒸気の測定結果を基準として、前記隔離部材の外部の測定空間における水蒸気の分布を導出する前記分布導出手段と、
を備えたことを特徴とする。
前記測定空間内に配置され、外部の空気と隔離された内部空間を有する隔離部材と、
前記内部空間内の水蒸気の測定結果を基準として、前記隔離部材の外部の測定空間における水蒸気の分布を導出する前記分布導出手段と、
を備えたことを特徴とする。
【0014】
請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の水蒸気分布測定装置において、
前記内部空間内の水蒸気の測定結果を使用して、前記隔離部材の外部の測定空間における水蒸気の測定結果のノイズを除去する
ことを特徴とする。
前記内部空間内の水蒸気の測定結果を使用して、前記隔離部材の外部の測定空間における水蒸気の測定結果のノイズを除去する
ことを特徴とする。
【発明の効果】
【0015】
請求項１に記載の発明によれば、予め定められた広さを有する測定領域の水蒸気を、スキャンする場合に比べて、時間的な遅延がなく、測定することができる。
請求項２に記載の発明によれば、波長１４００ｎｍ近傍の近赤外光を使用する場合に比べて、精度よく水蒸気の分布を測定することができる。
請求項３に記載の発明によれば、吸光度差の小さな１８００ｎｍの測定結果を基準として、吸光度差の大きな１８６６ｎｍの測定結果から水蒸気の分布を測定できる。
請求項４に記載の発明によれば、レーザー光を使用しない場合に比べて、高強度の光を照射でき、精度よく水蒸気の分布を測定できる。また、積分球を使用しない場合に比べて、干渉縞の悪影響を抑制できる。
請求項５に記載の発明によれば、隔離部材の内部の空気を基準として測定空間の水蒸気の分布を導出できる。
請求項６に記載の発明によれば、内部空間内の水蒸気の測定結果から隔離部材の外部の測定空間の水蒸気の測定結果のノイズを除去することができ、ノイズを除去しない場合に比べて、測定結果の精度を向上させることができる。
請求項２に記載の発明によれば、波長１４００ｎｍ近傍の近赤外光を使用する場合に比べて、精度よく水蒸気の分布を測定することができる。
請求項３に記載の発明によれば、吸光度差の小さな１８００ｎｍの測定結果を基準として、吸光度差の大きな１８６６ｎｍの測定結果から水蒸気の分布を測定できる。
請求項４に記載の発明によれば、レーザー光を使用しない場合に比べて、高強度の光を照射でき、精度よく水蒸気の分布を測定できる。また、積分球を使用しない場合に比べて、干渉縞の悪影響を抑制できる。
請求項５に記載の発明によれば、隔離部材の内部の空気を基準として測定空間の水蒸気の分布を導出できる。
請求項６に記載の発明によれば、内部空間内の水蒸気の測定結果から隔離部材の外部の測定空間の水蒸気の測定結果のノイズを除去することができ、ノイズを除去しない場合に比べて、測定結果の精度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【0016】
【図5】図５は実験結果の説明図であり、図５Ａは実験開始時点の波長１８６６ｎｍでの実験結果の画像、図５Ｂは実験開始から４．４秒後の波長１８６６ｎｍでの実験結果の画像、図５Ｃは実験開始から１０秒後の波長１８６６ｎｍでの実験結果の画像、図５Ｄは実験開始時点の波長１８００ｎｍでの実験結果の画像、図５Ｅは実験開始から４．４秒後の波長１８００ｎｍでの実験結果の画像、図５Ｆは実験開始から１０秒後の波長１８００ｎｍでの実験結果の画像である。
【図7】図７は実験例１の実験結果を画像処理した結果の説明図であり、図７Ａは実験開始から０．０３秒後のΔＡの画像、図７Ｂは実験開始から４．１８秒後のΔＡの画像、図７Ｃは実験開始から４．２７秒後のΔＡの画像、図７Ｄは実験開始から６．６３秒後のΔＡの画像である。
【図8】図８は実験例２の実験結果の説明図であり、図８Ａは実験開始から１秒後のΔＡの画像、図８Ｂは実験開始から１．９６秒後のΔＡの画像、図８Ｃは実験開始から２．１４秒後のΔＡの画像、図８Ｄは図８Ａの位置Ｉと位置ＩＩにおけるΔＡの時間変化のグラフである。
【図9】図９は実験例３のウレタンマスクをした状態での呼吸の実験結果の説明図であり、図９Ａは外観写真、図９Ｂは実験開始から３秒後のΔＡの画像、図９Ｃは実験開始から５．１２秒後のΔＡの画像、図９Ｄは実験開始から５．８２秒後のΔＡの画像である。
【図10】図１０は実験例３の不織布マスクをした状態での呼吸の実験結果の説明図であり、図１０Ａは外観写真、図１０Ｂは実験開始から２．７１秒後のΔＡの画像、図１０Ｃは実験開始から５．６６秒後のΔＡの画像、図１０Ｄは実験開始から６．５４秒後のΔＡの画像である。
【発明を実施するための形態】
【0017】
次に図面を参照しながら、本発明の実施の形態の具体例である実施例を説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
なお、以下の図面を使用した説明において、理解の容易のために説明に必要な部材以外の図示は適宜省略されている。
なお、以下の図面を使用した説明において、理解の容易のために説明に必要な部材以外の図示は適宜省略されている。
【実施例1】
【0018】
図１は本発明の実施例１の水蒸気分布測定装置の全体説明図である。
図１において、本発明の実施例１の水蒸気分布測定装置１は、測定用の近赤外光を出力する出力部２と、近赤外光が入力される入力部３と、入力部３の結果に基づいて情報処理を行う情報処理装置の一例としてのパーソナルコンピュータ４とを有する。
なお、本願明細書および請求の範囲において、「近赤外」とは、波長１２００ｎｍ～２４００ｎｍの波長領域を指す意味で使用している。
入力部３は出力部２に対して、間隔をあけて配置されており、出力部２と入力部３との間には測定空間１１が存在する。測定空間１１は、出力部２から出力される近赤外光の進行方向（光軸）に対して垂直な断面（測定断面１２）が、所定の面積を有する。
図１において、本発明の実施例１の水蒸気分布測定装置１は、測定用の近赤外光を出力する出力部２と、近赤外光が入力される入力部３と、入力部３の結果に基づいて情報処理を行う情報処理装置の一例としてのパーソナルコンピュータ４とを有する。
なお、本願明細書および請求の範囲において、「近赤外」とは、波長１２００ｎｍ～２４００ｎｍの波長領域を指す意味で使用している。
入力部３は出力部２に対して、間隔をあけて配置されており、出力部２と入力部３との間には測定空間１１が存在する。測定空間１１は、出力部２から出力される近赤外光の進行方向（光軸）に対して垂直な断面（測定断面１２）が、所定の面積を有する。
【0019】
（出力部２の説明）
図２は実施例１の水蒸気分布測定装置の概略説明図である。
図２において、出力部２は、近赤外光を出力する光源の一例としての近赤外レーザー２１を有する。近赤外レーザー２１は近赤外領域のレーザー光２２を出力する。実施例１の近赤外レーザー２１は、レーザー光の波長が可変のチューナブルレーザー（波長可変レーザー）により構成されている。実施例１では、波長が近赤外領域の１６５０ｎｍ～２０００ｎｍの範囲で変更可能である。実施例１の近赤外レーザー２１は、本発明者らの研究の結果、水蒸気の吸収（吸光度差）が極大となることが確認された波長１８６６ｎｍと、水蒸気の吸収が極小の波長１８００ｎｍのレーザー光２２を交互に出力する。なお、レーザーが出力する光の波長には現実問題として幅があり、例えば、「波長１８６６ｎｍ」の設定でも、実際には１８６６ｎｍにピークを持ち、半値全幅が１８６１～１８７１ｎｍのような幅をもった光が出力される。よって、本願明細書および請求の範囲において、実際には「中心波長１８６６ｎｍを中心とした幅をもったレーザー光」であっても、単に「波長１８６６ｎｍのレーザー光」と表記して説明を行う場合がある。
近赤外レーザー２１から出力されたレーザー光２２は、光量調整部材の一例としての減光フィルター２３で光量が予め定められた光量に減光される。
図２は実施例１の水蒸気分布測定装置の概略説明図である。
図２において、出力部２は、近赤外光を出力する光源の一例としての近赤外レーザー２１を有する。近赤外レーザー２１は近赤外領域のレーザー光２２を出力する。実施例１の近赤外レーザー２１は、レーザー光の波長が可変のチューナブルレーザー（波長可変レーザー）により構成されている。実施例１では、波長が近赤外領域の１６５０ｎｍ～２０００ｎｍの範囲で変更可能である。実施例１の近赤外レーザー２１は、本発明者らの研究の結果、水蒸気の吸収（吸光度差）が極大となることが確認された波長１８６６ｎｍと、水蒸気の吸収が極小の波長１８００ｎｍのレーザー光２２を交互に出力する。なお、レーザーが出力する光の波長には現実問題として幅があり、例えば、「波長１８６６ｎｍ」の設定でも、実際には１８６６ｎｍにピークを持ち、半値全幅が１８６１～１８７１ｎｍのような幅をもった光が出力される。よって、本願明細書および請求の範囲において、実際には「中心波長１８６６ｎｍを中心とした幅をもったレーザー光」であっても、単に「波長１８６６ｎｍのレーザー光」と表記して説明を行う場合がある。
近赤外レーザー２１から出力されたレーザー光２２は、光量調整部材の一例としての減光フィルター２３で光量が予め定められた光量に減光される。
【0020】
減光フィルター２３を通過したレーザー光２２は、光学系２４に入力される。実施例１の光学系２４は、積分球２４ａと、凹レンズ２４ｂと、凸レンズ２４ｃとを有する。
積分球２４ａは、中空の球状の構成であり、内面に光を反射する反射面が形成されている。積分球２４ａは、内部に導入されたレーザー光２２を内面に多重反射させて、可干渉性の（コヒーレンスな）レーザー光２２の可干渉性を低減または非干渉性にして出力する。
凹レンズ２４ｂは、積分球２４ａからの近赤外光２６を屈折させて、測定空間１１に応じて拡大する。
凸レンズ２４ｃは、凹レンズ２４ｂを通過した近赤外光２６を屈折させて、測定空間１１に向けて平行光にする。
前記符号２１～２４等を付した各部材により、実施例１の出力部２が構成されている。
積分球２４ａは、中空の球状の構成であり、内面に光を反射する反射面が形成されている。積分球２４ａは、内部に導入されたレーザー光２２を内面に多重反射させて、可干渉性の（コヒーレンスな）レーザー光２２の可干渉性を低減または非干渉性にして出力する。
凹レンズ２４ｂは、積分球２４ａからの近赤外光２６を屈折させて、測定空間１１に応じて拡大する。
凸レンズ２４ｃは、凹レンズ２４ｂを通過した近赤外光２６を屈折させて、測定空間１１に向けて平行光にする。
前記符号２１～２４等を付した各部材により、実施例１の出力部２が構成されている。
【0021】
（入力部３の説明）
入力部３は、光学部材の一例としてのテレセントリックレンズ３１と、近赤外光測定装置の一例としての近赤外カメラ３２とを有する。
テレセントリックレンズ３１は、測定空間１１を通過した光が入射して、近赤外カメラ３２の撮像面の面積に応じて集光する。
近赤外カメラ３２は、近赤外光を測定する。
入力部３は、光学部材の一例としてのテレセントリックレンズ３１と、近赤外光測定装置の一例としての近赤外カメラ３２とを有する。
テレセントリックレンズ３１は、測定空間１１を通過した光が入射して、近赤外カメラ３２の撮像面の面積に応じて集光する。
近赤外カメラ３２は、近赤外光を測定する。
【0022】
（パーソナルコンピュータ４の説明）
実施例１のパーソナルコンピュータ４は、外部との信号の入出力および入出力信号レベルの調節等を行うＩ／Ｏ（入出力インターフェース）、必要な起動処理を行うためのプログラムおよびデータ等が記憶されたＲＯＭ（リードオンリーメモリ）、必要なデータ及びプログラムを一時的に記憶するためのＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）、ＲＯＭ等に記憶された起動プログラムに応じた処理を行うＣＰＵ（中央演算処理装置）ならびにクロック発振器等を有するコンピュータ装置により構成されており、前記ＲＯＭ及びＲＡＭ等に記憶されたプログラムを実行することにより種々の機能を実現することができる。
実施例１のパーソナルコンピュータ４は、外部との信号の入出力および入出力信号レベルの調節等を行うＩ／Ｏ（入出力インターフェース）、必要な起動処理を行うためのプログラムおよびデータ等が記憶されたＲＯＭ（リードオンリーメモリ）、必要なデータ及びプログラムを一時的に記憶するためのＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）、ＲＯＭ等に記憶された起動プログラムに応じた処理を行うＣＰＵ（中央演算処理装置）ならびにクロック発振器等を有するコンピュータ装置により構成されており、前記ＲＯＭ及びＲＡＭ等に記憶されたプログラムを実行することにより種々の機能を実現することができる。
【0023】
パーソナルコンピュータ４には、基本動作を制御する基本ソフト、いわゆる、オペレーティングシステムＯＳ、アプリケーションプログラムの一例としての水蒸気分布測定プログラムＡＰ１、その他の図示しないソフトウェアが記憶されている。
パーソナルコンピュータ４には、近赤外カメラ３２から測定結果の情報が入力される。
水蒸気分布測定プログラムＡＰ１の分布導出手段Ｃ１は、近赤外カメラ３２での測定結果に基づいて、測定空間１１の測定断面１２における水蒸気の分布を導出する。実施例１の分布導出手段Ｃ１は、測定空間１１の水蒸気での近赤外光の吸光度差に基づいて、測定断面１２内の水蒸気の分布を導出して、２次元的に表示する。実施例１では、吸光度差が極小、すなわち、水蒸気が存在しても光が殆ど水蒸気に吸収されずに透過する波長１８００ｎｍでの測定結果と、吸光度差が極大すなわち、水蒸気が存在すると光が吸収されやすい波長１８６６ｎｍの測定結果とを対比することで、水蒸気に由来する吸光度の変化を導出する。いわば、波長１８６６ｎｍの測定結果から、波長１８００ｎｍの測定結果を用いて、ノイズの除去や較正が行われる。そして、光路上の水蒸気量の和が、測定断面１２の画素（最小の測定単位）ごとに導出されることで、水蒸気の分布が導出される。すなわち、測定断面１２における水蒸気分布の光路方向の積分画像が導出される。このとき、吸光が多い場合は水蒸気の濃度が高く、吸光が少ない場合は水蒸気の濃度が低い画像として導出される。
パーソナルコンピュータ４には、近赤外カメラ３２から測定結果の情報が入力される。
水蒸気分布測定プログラムＡＰ１の分布導出手段Ｃ１は、近赤外カメラ３２での測定結果に基づいて、測定空間１１の測定断面１２における水蒸気の分布を導出する。実施例１の分布導出手段Ｃ１は、測定空間１１の水蒸気での近赤外光の吸光度差に基づいて、測定断面１２内の水蒸気の分布を導出して、２次元的に表示する。実施例１では、吸光度差が極小、すなわち、水蒸気が存在しても光が殆ど水蒸気に吸収されずに透過する波長１８００ｎｍでの測定結果と、吸光度差が極大すなわち、水蒸気が存在すると光が吸収されやすい波長１８６６ｎｍの測定結果とを対比することで、水蒸気に由来する吸光度の変化を導出する。いわば、波長１８６６ｎｍの測定結果から、波長１８００ｎｍの測定結果を用いて、ノイズの除去や較正が行われる。そして、光路上の水蒸気量の和が、測定断面１２の画素（最小の測定単位）ごとに導出されることで、水蒸気の分布が導出される。すなわち、測定断面１２における水蒸気分布の光路方向の積分画像が導出される。このとき、吸光が多い場合は水蒸気の濃度が高く、吸光が少ない場合は水蒸気の濃度が低い画像として導出される。
【0024】
（実施例１の作用）
前記構成を備えた実施例１の水蒸気分布測定装置１では、近赤外レーザー２１からの光を光学系２４で拡大して、測定空間１１に照射する。そして、測定空間１１を通過した近赤外光２６がテレセントリックレンズ３１で集光されて近赤外カメラ３２で測定される。したがって、レーザー光をスキャンする従来の構成に比べて、断面が面積を有する測定領域（測定断面１２）の水蒸気を、タイムラグ（時間的な遅延）がなく測定することが可能である。また、スキャンする場合は、面積が広くなると１面全体を測定するのに時間がかかるが、実施例１では一度の測定で可能であり、時間を短縮できる。
前記構成を備えた実施例１の水蒸気分布測定装置１では、近赤外レーザー２１からの光を光学系２４で拡大して、測定空間１１に照射する。そして、測定空間１１を通過した近赤外光２６がテレセントリックレンズ３１で集光されて近赤外カメラ３２で測定される。したがって、レーザー光をスキャンする従来の構成に比べて、断面が面積を有する測定領域（測定断面１２）の水蒸気を、タイムラグ（時間的な遅延）がなく測定することが可能である。また、スキャンする場合は、面積が広くなると１面全体を測定するのに時間がかかるが、実施例１では一度の測定で可能であり、時間を短縮できる。
【0025】
また、実施例１では、光源としてレーザー光源が使用されており、光の強度が、ランプのような照明光の場合よりも強い。光の強度が弱いと、吸光の観測の信号が弱くなり、水蒸気の分布の測定が困難な場合がある。これに対して、近赤外レーザー２１を使用する実施例１では、光の強度が弱い場合に比べて、広い面積の水蒸気の分布を観測することができる。
さらに、一般に、レーザー光２２を、積分球２４ａを使用せずにレンズで拡大すると、干渉縞の悪影響が問題となる。これに対して、積分球２４ａを使用する実施例１の構成では、干渉縞の悪影響が抑制され、水蒸気の分布を精度よく観測することが可能である。
さらに、一般に、レーザー光２２を、積分球２４ａを使用せずにレンズで拡大すると、干渉縞の悪影響が問題となる。これに対して、積分球２４ａを使用する実施例１の構成では、干渉縞の悪影響が抑制され、水蒸気の分布を精度よく観測することが可能である。
【0026】
また、実施例１では、近赤外光を使用している。中赤外領域では、波長２５００ｎｍ～２８００ｎｍに水蒸気の吸収帯があり、吸収が近赤外よりも強いため、高感度な水蒸気測定が原理的には可能である。しかし、中赤外領域や遠赤外領域の光を使用する場合には、光学部品として、各波長域に対応した部品を使用する必要があり、コストが高くなる問題がある。これに対して、近赤外光を使用する場合、大量に流通していてコストも安い可視光用の光学部品をそのまま使用することができる場合が多い（特に、波長２０００ｎｍ以下）。したがって、中赤外よりも長波長の光を使用する場合に比べて、実施例１では、コストの上昇も抑制可能である。
さらに、実施例１では、波長が１８００ｎｍと１８６６ｎｍ（以下「１８００ｎｍ近傍」と表記する場合あり）の光を使用している。水蒸気は、１４００ｎｍ近傍にも強い吸収帯があることも学術的に知られており、学術的には１４００ｎｍ近傍の波長のレーザー光を使用して水蒸気を測定する研究が散見される。しかしながら、１４００ｎｍ近傍よりも１８００ｎｍ近傍の方が吸収の強度が強いことが確認された。吸収が弱いと水蒸気を精度よく観測することが困難になるが、波長１８００ｎｍ近傍の光を使用する実施例１では、水蒸気をより正確に観測することが可能である。
なお、水蒸気をレーザーで加熱して熱を検知する特許文献１や、人の目で可視化するために可視光を使用する特許文献２と、吸光に基づいて水蒸気を検知しようとする実施例１の構成とでは、測定のための原理や構成が異なる。
さらに、実施例１では、波長が１８００ｎｍと１８６６ｎｍ（以下「１８００ｎｍ近傍」と表記する場合あり）の光を使用している。水蒸気は、１４００ｎｍ近傍にも強い吸収帯があることも学術的に知られており、学術的には１４００ｎｍ近傍の波長のレーザー光を使用して水蒸気を測定する研究が散見される。しかしながら、１４００ｎｍ近傍よりも１８００ｎｍ近傍の方が吸収の強度が強いことが確認された。吸収が弱いと水蒸気を精度よく観測することが困難になるが、波長１８００ｎｍ近傍の光を使用する実施例１では、水蒸気をより正確に観測することが可能である。
なお、水蒸気をレーザーで加熱して熱を検知する特許文献１や、人の目で可視化するために可視光を使用する特許文献２と、吸光に基づいて水蒸気を検知しようとする実施例１の構成とでは、測定のための原理や構成が異なる。
【0027】
（吸光スペクトルと波長の関係）
本発明は水蒸気の吸収分光特性に基づいている。吸光度については、Lambert-Beer の法則が知られている。この法則は測定試料の吸光度が濃度と試料厚さに比例することを表したもので、入射光強度をＩo、透過光強度をＩとしたとき吸光度Ａは次式（１）で表される。
Ａ＝ｌｏｇ（Ｉo／Ｉ）＝ｌｏｇ（１／Ｔ）＝ｃｄε …式（１）
ここで、濃度ｃ、試料厚さｄ、モル吸光係数εである。
測定試料の濃度や温度により吸光度は異なるため、基準(下添字ｒで表す)を定義して次の式（２）のように差を取ることで吸光度差ΔＡを算出できる。
ΔＡ＝Ａ－Ａr＝－ｌｏｇ（Ｉ／Ｉo）－｛－ｌｏｇ（Ｉr／Ｉo）｝＝－ｌｏｇ（Ｉ／Ｉr） …式（２）
湿り空気のΔＡスペクトルを図３に示す。
本発明は水蒸気の吸収分光特性に基づいている。吸光度については、Lambert-Beer の法則が知られている。この法則は測定試料の吸光度が濃度と試料厚さに比例することを表したもので、入射光強度をＩo、透過光強度をＩとしたとき吸光度Ａは次式（１）で表される。
Ａ＝ｌｏｇ（Ｉo／Ｉ）＝ｌｏｇ（１／Ｔ）＝ｃｄε …式（１）
ここで、濃度ｃ、試料厚さｄ、モル吸光係数εである。
測定試料の濃度や温度により吸光度は異なるため、基準(下添字ｒで表す)を定義して次の式（２）のように差を取ることで吸光度差ΔＡを算出できる。
ΔＡ＝Ａ－Ａr＝－ｌｏｇ（Ｉ／Ｉo）－｛－ｌｏｇ（Ｉr／Ｉo）｝＝－ｌｏｇ（Ｉ／Ｉr） …式（２）
湿り空気のΔＡスペクトルを図３に示す。
【0028】
図３は湿り空気の吸光度差のスペクトルの実験結果の説明であり、図３Ａは波長１８００ｎｍ～２０００ｎｍの範囲の吸光度差のグラフ、図３Ｂは１８００ｎｍ～１９００ｎｍの範囲の拡大図である。
この実験では、長さ１６８ｍｍ、直径５９ｍｍのプラスチック製円筒容器の両側面に石英板を取り付けたガスセルの内部に湿り空気を流し、湿度を記録しながらフーリエ変換赤外分光計(ＦＴ－ＩＲ)によってスペクトルを測定した。気温は１９℃であった。また、実験では、湿り空気の湿度が、５．６２［ｇ／ｍ3］、１０．１２［ｇ／ｍ3］、１５．５１［ｇ／ｍ3］、１９．６９［ｇ／ｍ3］の場合について実験を行った。
図３Ａに示すように、波長がおよそ１８２０～１９３０ｎｍの領域に水蒸気の吸収ピーク群が観察される。今回のイメージング実験では波長可変レーザーを用いているが、出力光のスペクトルは半値全幅１１ｎｍを有しているため、これをガウス関数に近似してＦＴ－ＩＲのスペクトルに乗じることで波長ごとの感度を推定した。図３Ｂにその結果を示す。
この実験では、長さ１６８ｍｍ、直径５９ｍｍのプラスチック製円筒容器の両側面に石英板を取り付けたガスセルの内部に湿り空気を流し、湿度を記録しながらフーリエ変換赤外分光計(ＦＴ－ＩＲ)によってスペクトルを測定した。気温は１９℃であった。また、実験では、湿り空気の湿度が、５．６２［ｇ／ｍ3］、１０．１２［ｇ／ｍ3］、１５．５１［ｇ／ｍ3］、１９．６９［ｇ／ｍ3］の場合について実験を行った。
図３Ａに示すように、波長がおよそ１８２０～１９３０ｎｍの領域に水蒸気の吸収ピーク群が観察される。今回のイメージング実験では波長可変レーザーを用いているが、出力光のスペクトルは半値全幅１１ｎｍを有しているため、これをガウス関数に近似してＦＴ－ＩＲのスペクトルに乗じることで波長ごとの感度を推定した。図３Ｂにその結果を示す。
【0029】
図３Ｂにおいて、湿度がいずれの値であっても、波長１８６０～１８７０ｎｍでは大きな吸収ピークが比較的密に存在するため感度の大きな違いはないが、極大となる１８６６ｎｍをここでは選択することが最も好適であることがわかる。よって、波長１８６６ｎｍを選択した。同時に、水蒸気に対してΔＡが極めて小さい１８００ｎｍも選択し、両波長のΔＡ画像の比較により水蒸気を可視化した。
【0030】
図４は実験装置の説明図である。
図４において、光源として波長可変レーザー２１（浜松ホトニクス）を使用した。実験で使用した波長可変レーザー２１は、波長範囲が１６５０ｎｍ～２０００ｎｍ、出力は１８７０ｎｍで８２ｍＷであった。
波長可変レーザー２１からの射出光（レーザー光）２２は積分球２４ａで乱反射させ、コヒーレンス性を低減させた。積分球から出た光は凹レンズ２４ｂにより拡大させ、２枚の凸レンズ２４ｃによって直径約１００ｍｍの平行光にした。平行光は測定空間１１を通過し、テレセントリックレンズ３１（TS-TitanTL0.093X、エドモンドオプティクス社製）を通して近赤外カメラ３２（CV-N800、住友電工社製）に入る。
図４において、光源として波長可変レーザー２１（浜松ホトニクス）を使用した。実験で使用した波長可変レーザー２１は、波長範囲が１６５０ｎｍ～２０００ｎｍ、出力は１８７０ｎｍで８２ｍＷであった。
波長可変レーザー２１からの射出光（レーザー光）２２は積分球２４ａで乱反射させ、コヒーレンス性を低減させた。積分球から出た光は凹レンズ２４ｂにより拡大させ、２枚の凸レンズ２４ｃによって直径約１００ｍｍの平行光にした。平行光は測定空間１１を通過し、テレセントリックレンズ３１（TS-TitanTL0.093X、エドモンドオプティクス社製）を通して近赤外カメラ３２（CV-N800、住友電工社製）に入る。
【0031】
測定空間１１には水蒸気量の差を生じさせるため、乾燥空気を３０℃の水で満たしたタンク４１内に送り込みバブリングさせることで発生させた湿り空気をノズル４２から放出させた。ノズル４２はタンク４１と内径８ｍｍのチューブ４３で繋がっており、ノズル４２開口部は１２１×３ｍｍの長方形である。ノズル４２の向きは開口部の長軸方向が光軸と平行になるようにした。流量は１３ｍＬ／ｍｉｎとし、開放されている測定空間１１の気温は１５℃、相対湿度は４０％であった。
実験手順としては、選択波長（１８６６ｎｍと１８００ｎｍ）の光を交互に出力し、数秒後に水蒸気を発生させて近赤外カメラによって撮影する。一枚目の画像を基準画像Ｉrとし、それ以降の画像をＩとして式（２）を適用することで２つの吸光度差画像ΔＡ１８６６ｎｍ，ΔＡ１８００ｎｍを取得した。さらに、差(ΔＡ１８６６ｎｍ～ΔＡ１８００ｎｍ) をとることで新たな吸光度差画像ΔＡ′を算出した。カメラの撮影枚数は１０００枚、フレームレートは１００Ｈｚとした。
実験手順としては、選択波長（１８６６ｎｍと１８００ｎｍ）の光を交互に出力し、数秒後に水蒸気を発生させて近赤外カメラによって撮影する。一枚目の画像を基準画像Ｉrとし、それ以降の画像をＩとして式（２）を適用することで２つの吸光度差画像ΔＡ１８６６ｎｍ，ΔＡ１８００ｎｍを取得した。さらに、差(ΔＡ１８６６ｎｍ～ΔＡ１８００ｎｍ) をとることで新たな吸光度差画像ΔＡ′を算出した。カメラの撮影枚数は１０００枚、フレームレートは１００Ｈｚとした。
【0032】
（実験例１）
図５は実験例１の実験結果の説明図であり、図５Ａは実験開始時点の波長１８６６ｎｍでの実験結果の画像、図５Ｂは実験開始から４．４秒後の波長１８６６ｎｍでの実験結果の画像、図５Ｃは実験開始から１０秒後の波長１８６６ｎｍでの実験結果の画像、図５Ｄは実験開始時点の波長１８００ｎｍでの実験結果の画像、図５Ｅは実験開始から４．４秒後の波長１８００ｎｍでの実験結果の画像、図５Ｆは実験開始から１０秒後の波長１８００ｎｍでの実験結果の画像である。
図５は、水蒸気の噴出前（図５Ａ）、直後（図５Ｂ）、噴出中（図５Ｃ）のΔＡ′画像である。波長１８６６ｎｍの光で観察した場合、水蒸気噴出前(図５Ａ)では画像内のΔＡ′は均一であるが、噴出直後(図５Ｂ)にはノズル４２付近のΔＡ′が増加し、下方に向けて帯状に増加領域が形成された。時間が経つとさらにΔＡ′は増加して定常状態となり、安定して噴出している様子が画像から読み取ることができた(図５Ｃ)。
一方、波長１８００ｎｍの光では、図５Ｄ～図５Ｆに示すように、いずれも水蒸気を観察できなかった。
図５は実験例１の実験結果の説明図であり、図５Ａは実験開始時点の波長１８６６ｎｍでの実験結果の画像、図５Ｂは実験開始から４．４秒後の波長１８６６ｎｍでの実験結果の画像、図５Ｃは実験開始から１０秒後の波長１８６６ｎｍでの実験結果の画像、図５Ｄは実験開始時点の波長１８００ｎｍでの実験結果の画像、図５Ｅは実験開始から４．４秒後の波長１８００ｎｍでの実験結果の画像、図５Ｆは実験開始から１０秒後の波長１８００ｎｍでの実験結果の画像である。
図５は、水蒸気の噴出前（図５Ａ）、直後（図５Ｂ）、噴出中（図５Ｃ）のΔＡ′画像である。波長１８６６ｎｍの光で観察した場合、水蒸気噴出前(図５Ａ)では画像内のΔＡ′は均一であるが、噴出直後(図５Ｂ)にはノズル４２付近のΔＡ′が増加し、下方に向けて帯状に増加領域が形成された。時間が経つとさらにΔＡ′は増加して定常状態となり、安定して噴出している様子が画像から読み取ることができた(図５Ｃ)。
一方、波長１８００ｎｍの光では、図５Ｄ～図５Ｆに示すように、いずれも水蒸気を観察できなかった。
【0033】
図６は１８６６ｎｍと１８００ｎｍのノズル付近の領域の吸光度差の実験結果のグラフである。
図６は１８６６ｎｍと１８００ｎｍのそれぞれの波長におけるノズル４２付近の領域Ｒの吸光度差ΔＡをプロットしたグラフである（図５Ａで示した矩形領域Ｒの平均）。水蒸気の光吸収のない波長１８００ｎｍでは変化がなく一定であるが、光吸収のある波長１８６６ｎｍではステップ的に吸光度差ΔＡが増加しており、噴出開始時刻とも一致していた。この事実は図５の結果が水蒸気の吸収に由来することを示している。これらの実験結果から、本発明はノズル４２からの水蒸気の噴出を画像として捉えられることが実証された。
図６は１８６６ｎｍと１８００ｎｍのそれぞれの波長におけるノズル４２付近の領域Ｒの吸光度差ΔＡをプロットしたグラフである（図５Ａで示した矩形領域Ｒの平均）。水蒸気の光吸収のない波長１８００ｎｍでは変化がなく一定であるが、光吸収のある波長１８６６ｎｍではステップ的に吸光度差ΔＡが増加しており、噴出開始時刻とも一致していた。この事実は図５の結果が水蒸気の吸収に由来することを示している。これらの実験結果から、本発明はノズル４２からの水蒸気の噴出を画像として捉えられることが実証された。
【0034】
図７は実験例１の実験結果を画像処理した結果の説明図であり、図７Ａは実験開始から０．０３秒後のΔＡの画像、図７Ｂは実験開始から４．１８秒後のΔＡの画像、図７Ｃは実験開始から４．２７秒後のΔＡの画像、図７Ｄは実験開始から６．６３秒後のΔＡの画像である。
実験例１の実験結果から式（２）を使用して吸光度差ΔＡを計算し、公知の画像処理技術であるバイラテラルフィルターを使用して平滑化すると、図７に示すように鮮明化することが可能である。
実験例１の実験結果から式（２）を使用して吸光度差ΔＡを計算し、公知の画像処理技術であるバイラテラルフィルターを使用して平滑化すると、図７に示すように鮮明化することが可能である。
【0035】
（実験例２）
図８は実験例２の実験結果の説明図であり、図８Ａは実験開始から１秒後のΔＡの画像、図８Ｂは実験開始から１．９６秒後のΔＡの画像、図８Ｃは実験開始から２．１４秒後のΔＡの画像、図８Ｄは図８Ａの位置Ｉと位置ＩＩにおけるΔＡの時間変化のグラフである。
図８において、実験例２では、人が呼吸を行う際の水蒸気量の変化を測定する実験を行った。図８Ａ～図８Ｃに示すように、呼吸に伴う水蒸気（飛沫やしぶきではない目視できないガス水分子）の拡散および拡散時の水蒸気の分布を可視化して観測することができた。また、図８Ｄに示すように、鼻の下方の位置Ｉと、鼻の前方の位置ＩＩでの吸光度差ΔＡの時間変化の履歴を導出することも可能であり、水蒸気の時間的な変化も観測することが可能であった。
図８は実験例２の実験結果の説明図であり、図８Ａは実験開始から１秒後のΔＡの画像、図８Ｂは実験開始から１．９６秒後のΔＡの画像、図８Ｃは実験開始から２．１４秒後のΔＡの画像、図８Ｄは図８Ａの位置Ｉと位置ＩＩにおけるΔＡの時間変化のグラフである。
図８において、実験例２では、人が呼吸を行う際の水蒸気量の変化を測定する実験を行った。図８Ａ～図８Ｃに示すように、呼吸に伴う水蒸気（飛沫やしぶきではない目視できないガス水分子）の拡散および拡散時の水蒸気の分布を可視化して観測することができた。また、図８Ｄに示すように、鼻の下方の位置Ｉと、鼻の前方の位置ＩＩでの吸光度差ΔＡの時間変化の履歴を導出することも可能であり、水蒸気の時間的な変化も観測することが可能であった。
【0036】
(実験例３)
図９は実験例３のウレタンマスクをした状態での呼吸の実験結果の説明図であり、図９Ａは外観写真、図９Ｂは実験開始から３秒後のΔＡの画像、図９Ｃは実験開始から５．１２秒後のΔＡの画像、図９Ｄは実験開始から５．８２秒後のΔＡの画像である。
図１０は実験例３の不織布マスクをした状態での呼吸の実験結果の説明図であり、図１０Ａは外観写真、図１０Ｂは実験開始から２．７１秒後のΔＡの画像、図１０Ｃは実験開始から５．６６秒後のΔＡの画像、図１０Ｄは実験開始から６．５４秒後のΔＡの画像である。
図９、図１０において、実験例３では、人が呼吸を行う場合に、ポリウレタン製のマスクと不織布製のマスクとで、呼気がどのように拡散していくのかを観測する実験を行った。図９Ｂ～図９Ｄに示すように、ウレタンマスクでは、呼吸に伴って、比較的マスクの前方まで水蒸気が分布することが観測された。すなわち、呼気がウレタンマスクでほとんど妨げられずに透過して、前方まで拡散することが確認された。一方、図１０Ｂ～図１０Ｄに示すように、不織布マスクでは、呼吸があっても、比較的マスクの近傍～下方にしか水分が分布せず、ウレタンマスクに比べて前方に水蒸気が分布しないことが観測された。すなわち、呼気中の水蒸気が不織布マスクではウレタンマスクよりも透過しにくいことが確認された。
図９は実験例３のウレタンマスクをした状態での呼吸の実験結果の説明図であり、図９Ａは外観写真、図９Ｂは実験開始から３秒後のΔＡの画像、図９Ｃは実験開始から５．１２秒後のΔＡの画像、図９Ｄは実験開始から５．８２秒後のΔＡの画像である。
図１０は実験例３の不織布マスクをした状態での呼吸の実験結果の説明図であり、図１０Ａは外観写真、図１０Ｂは実験開始から２．７１秒後のΔＡの画像、図１０Ｃは実験開始から５．６６秒後のΔＡの画像、図１０Ｄは実験開始から６．５４秒後のΔＡの画像である。
図９、図１０において、実験例３では、人が呼吸を行う場合に、ポリウレタン製のマスクと不織布製のマスクとで、呼気がどのように拡散していくのかを観測する実験を行った。図９Ｂ～図９Ｄに示すように、ウレタンマスクでは、呼吸に伴って、比較的マスクの前方まで水蒸気が分布することが観測された。すなわち、呼気がウレタンマスクでほとんど妨げられずに透過して、前方まで拡散することが確認された。一方、図１０Ｂ～図１０Ｄに示すように、不織布マスクでは、呼吸があっても、比較的マスクの近傍～下方にしか水分が分布せず、ウレタンマスクに比べて前方に水蒸気が分布しないことが観測された。すなわち、呼気中の水蒸気が不織布マスクではウレタンマスクよりも透過しにくいことが確認された。
【0037】
（実験例４）
図１１は実験例４の実験結果の波長と吸光度差の関係の説明図であり、図１１Ａは１３３０ｎｍ～１４４０ｎｍの波長帯のグラフ、図１１Ｂは波長１８００ｎｍ～１９５０ｎｍの波長帯のグラフである。
実験例４では、水蒸気濃度が４．６ｇ／ｍ3の場合と、１１．７ｇ／ｍ3の場合とで、吸光度差ΔＡに半値全幅（ＦＷＨＭ）が１１ｎｍのガウスフィルタを使用して補正した値ΔＡ′を導出した。図１１において、実験例４の結果、１３８２ｎｍと１８７２ｎｍにピークが観測され、１８７２ｎｍの方がよりピークの高さが大きいことが確認された。なお、図１１の結果は半値全幅が１１ｎｍあるレーザー光源を使用した結果であって、１８７２ｎｍはそのレーザーの中心波長であり、図３Ｂが示すように、波長１８７２ｎｍでなくても、１８７２ｎｍの近傍であれば、十分な測定結果が得られることが期待される。よって、１８７２ｎｍを中心とする１１ｎｍの範囲である１８６６ｎｍでも、十分な結果が得られたものと推定される。言い換えれば、図１１Ｂでも示されるように、鋭いピークが１８６６ｎｍにあるわけではなく、１８７２ｎｍでも感度的にほとんど差がない。よって使用する波長はレーザーなどの光源の仕様に応じて選択可能である。また、実際の光源は波長幅があるため、そのことが図１１Ｂで示されている。
図１１は実験例４の実験結果の波長と吸光度差の関係の説明図であり、図１１Ａは１３３０ｎｍ～１４４０ｎｍの波長帯のグラフ、図１１Ｂは波長１８００ｎｍ～１９５０ｎｍの波長帯のグラフである。
実験例４では、水蒸気濃度が４．６ｇ／ｍ3の場合と、１１．７ｇ／ｍ3の場合とで、吸光度差ΔＡに半値全幅（ＦＷＨＭ）が１１ｎｍのガウスフィルタを使用して補正した値ΔＡ′を導出した。図１１において、実験例４の結果、１３８２ｎｍと１８７２ｎｍにピークが観測され、１８７２ｎｍの方がよりピークの高さが大きいことが確認された。なお、図１１の結果は半値全幅が１１ｎｍあるレーザー光源を使用した結果であって、１８７２ｎｍはそのレーザーの中心波長であり、図３Ｂが示すように、波長１８７２ｎｍでなくても、１８７２ｎｍの近傍であれば、十分な測定結果が得られることが期待される。よって、１８７２ｎｍを中心とする１１ｎｍの範囲である１８６６ｎｍでも、十分な結果が得られたものと推定される。言い換えれば、図１１Ｂでも示されるように、鋭いピークが１８６６ｎｍにあるわけではなく、１８７２ｎｍでも感度的にほとんど差がない。よって使用する波長はレーザーなどの光源の仕様に応じて選択可能である。また、実際の光源は波長幅があるため、そのことが図１１Ｂで示されている。
【0038】
（実験例５）
図１２は実験例５の実験結果の説明図であり、水蒸気濃度と吸光度差の関係のグラフである。
実験例５では、水蒸気濃度が１．６ｇ／ｍ3～１０．２ｇ／ｍ3の複数の湿り空気を使用して、波長１８７２ｎｍでの吸光度差ΔＡ′を正規化した値Δμ′を導出した。なお、Δμ′＝ΔＡ′／ｌ、で定義され、ｌは、ノズルの長さ１６８ｍｍ（＝０．１６８ｍ）である。
図１２に示すように、水蒸気濃度と吸光度との間には、比例関係があることが確認された。したがって、吸光度差を測定、導出することで、水蒸気濃度が導出可能である。
図１２は実験例５の実験結果の説明図であり、水蒸気濃度と吸光度差の関係のグラフである。
実験例５では、水蒸気濃度が１．６ｇ／ｍ3～１０．２ｇ／ｍ3の複数の湿り空気を使用して、波長１８７２ｎｍでの吸光度差ΔＡ′を正規化した値Δμ′を導出した。なお、Δμ′＝ΔＡ′／ｌ、で定義され、ｌは、ノズルの長さ１６８ｍｍ（＝０．１６８ｍ）である。
図１２に示すように、水蒸気濃度と吸光度との間には、比例関係があることが確認された。したがって、吸光度差を測定、導出することで、水蒸気濃度が導出可能である。
【0039】
（実験例６）
図１３は実験例６の実験結果の説明図であり、図１３Ａはノズルと電子湿度センサとの位置関係の説明図、図１３Ｂは水蒸気濃度と時間経過との関係のグラフである。
実験例６では、近赤外光を使用して計測される水蒸気濃度が、電子湿度センサ５１で計測される水蒸気濃度とのずれの検証を行った。
電子湿度センサ５１は、株式会社佐藤商事製のＨＴ３００７ＳＤを使用した。電子湿度センサ５１は、空気中の水蒸気濃度を直接的に計測可能な機器である。ノズル４２の下方で電子湿度センサ５１の近傍の位置Ｒでの実施例１のΔＡの測定結果を図１３Ｂの実線で示し、電子湿度センサ５１の測定結果を図１３Ｂの太線で示した。図１３Ｂの結果から、近赤外光を使用する実施例１の測定結果と、電子湿度センサ５１での測定結果がほぼ一致し、実施例１の測定方法でも水蒸気濃度が測定可能であることが確認された。さらに、電子湿度センサ５１の時間応答は実施例１の測定方法の時間応答よりも遅く、急激な水蒸気濃度変化に追随できていないことが示され、この点で実施例１の測定方法の優位性が分かる。
図１３は実験例６の実験結果の説明図であり、図１３Ａはノズルと電子湿度センサとの位置関係の説明図、図１３Ｂは水蒸気濃度と時間経過との関係のグラフである。
実験例６では、近赤外光を使用して計測される水蒸気濃度が、電子湿度センサ５１で計測される水蒸気濃度とのずれの検証を行った。
電子湿度センサ５１は、株式会社佐藤商事製のＨＴ３００７ＳＤを使用した。電子湿度センサ５１は、空気中の水蒸気濃度を直接的に計測可能な機器である。ノズル４２の下方で電子湿度センサ５１の近傍の位置Ｒでの実施例１のΔＡの測定結果を図１３Ｂの実線で示し、電子湿度センサ５１の測定結果を図１３Ｂの太線で示した。図１３Ｂの結果から、近赤外光を使用する実施例１の測定結果と、電子湿度センサ５１での測定結果がほぼ一致し、実施例１の測定方法でも水蒸気濃度が測定可能であることが確認された。さらに、電子湿度センサ５１の時間応答は実施例１の測定方法の時間応答よりも遅く、急激な水蒸気濃度変化に追随できていないことが示され、この点で実施例１の測定方法の優位性が分かる。
【0040】
（実施例１の変更例）
図１４は実施例１の変更例の説明図であり、図２に対応する図である。
図１４において、変更例では、測定空間１１には、隔離部材の一例としてのプラスチック製の薄肉パイプ６１が配置されている。薄肉パイプ６１は、中空の円筒状に形成されており、内部の空間が外部の空気と隔離されている。薄肉パイプ６１の内部には、湿度が既知の乾燥空気が封入されている。
そして、分布導出手段Ｃ１は、薄肉パイプ６１の内部の空気の湿度が既知であるため、薄肉パイプ６１の内部の測定結果を基準として、薄肉パイプ６１の外部の測定空間１１の水蒸気の分布や湿度を精度よく導出できる。
特に、薄肉パイプ６１に封入された空気の水分量の正確な値が既知である場合、薄肉パイプ６１の測定結果を基準として、測定空間１１の測定結果から、測定空間１１における水蒸気の正確な値を導出すること、すなわち、定量分析が可能である。なお、薄肉パイプ６１に封入された空気の水分量の正確な値が既知でなくても、薄肉パイプ６１内の空気に対する相対的な水分量（水分量の比）、相対湿度は導出が可能である。加えて、薄肉パイプ６１の測定結果を基準として、測定空間１１における測定結果に含まれる光源や光検出器由来のノイズを除去することが可能である。このノイズについては、実験例８で詳述する。
図１４は実施例１の変更例の説明図であり、図２に対応する図である。
図１４において、変更例では、測定空間１１には、隔離部材の一例としてのプラスチック製の薄肉パイプ６１が配置されている。薄肉パイプ６１は、中空の円筒状に形成されており、内部の空間が外部の空気と隔離されている。薄肉パイプ６１の内部には、湿度が既知の乾燥空気が封入されている。
そして、分布導出手段Ｃ１は、薄肉パイプ６１の内部の空気の湿度が既知であるため、薄肉パイプ６１の内部の測定結果を基準として、薄肉パイプ６１の外部の測定空間１１の水蒸気の分布や湿度を精度よく導出できる。
特に、薄肉パイプ６１に封入された空気の水分量の正確な値が既知である場合、薄肉パイプ６１の測定結果を基準として、測定空間１１の測定結果から、測定空間１１における水蒸気の正確な値を導出すること、すなわち、定量分析が可能である。なお、薄肉パイプ６１に封入された空気の水分量の正確な値が既知でなくても、薄肉パイプ６１内の空気に対する相対的な水分量（水分量の比）、相対湿度は導出が可能である。加えて、薄肉パイプ６１の測定結果を基準として、測定空間１１における測定結果に含まれる光源や光検出器由来のノイズを除去することが可能である。このノイズについては、実験例８で詳述する。
【0041】
なお、薄肉パイプ６１の径と位置は、光の強度や測定空間１１の広さ、設計や仕様等に応じて任意に変更可能である。したがって、太いチューブ状等とすることが可能である。さらに、光ファイバーを使用することも可能であり、光ファイバーを使用した場合は、延びる方向（長手方向）は光軸に対して斜めや曲がった配置することも可能である。このとき、光ファイバーの端面を拡大レンズの近傍、もう一方の端面をテレセントリックレンズの近傍に設置する。また、円筒状に限定されず、多角筒状とすることも可能である。設置位置は画像中心に限らず、画像内の任意の位置としてよい。
さらに、薄肉パイプ６１は、内部に空気が封入された構成に限定されない。例えば、薄肉パイプ６１の両端が測定空間１１の外部まで延び、薄肉パイプ６１の内部が測定空間１１の空気とは十分に隔離された状態であれば、薄肉パイプ６１の両端は開放された状態とすることも可能である。
さらに、薄肉パイプ６１は、内部に空気が封入された構成に限定されない。例えば、薄肉パイプ６１の両端が測定空間１１の外部まで延び、薄肉パイプ６１の内部が測定空間１１の空気とは十分に隔離された状態であれば、薄肉パイプ６１の両端は開放された状態とすることも可能である。
【0042】
（実験例７）
図１５は実験例７の実験結果の説明図であり、図１５Ａは実験開始から０．０３秒後のΔＡの画像、図１５Ｂは実験開始から４．３２秒後のΔＡの画像、図１５Ｃは実験開始から４．７０秒後のΔＡの画像、図１５Ｄは実験開始から９．５０秒後のΔＡの画像である。
実験例７では、実施例１の変更例の構成の効果の確認を行った。図１５Ａ～図１５Ｄに示すように、ノズル４２から吐出された湿り空気の分布の時間経過が確認されると共に、中央部の薄肉パイプ６１の内部の測定結果が安定していることも確認された。
図１５は実験例７の実験結果の説明図であり、図１５Ａは実験開始から０．０３秒後のΔＡの画像、図１５Ｂは実験開始から４．３２秒後のΔＡの画像、図１５Ｃは実験開始から４．７０秒後のΔＡの画像、図１５Ｄは実験開始から９．５０秒後のΔＡの画像である。
実験例７では、実施例１の変更例の構成の効果の確認を行った。図１５Ａ～図１５Ｄに示すように、ノズル４２から吐出された湿り空気の分布の時間経過が確認されると共に、中央部の薄肉パイプ６１の内部の測定結果が安定していることも確認された。
【0043】
（実験例８）
図１６は実験例８の実験結果の説明図であり、図１６Ａは測定空間の各位置での測定結果と薄肉パイプ内の測定結果との比ごとに周波数とコヒーレンスとの関係を示したグラフ、図１６Ｂは時間と吸光度差との測定結果のグラフ、図１６Ｃは図１６Ｂの結果からゆらぎの補正を行った後のグラフである。
図１６Ａにおいて、ノズル４２に対して、薄肉パイプ６１の手前の位置Ａと、薄肉パイプ６１の奥の位置Ｂと、位置Ｂよりもさらに奥の位置Ｃについて、薄肉パイプ６１内の位置Ｒの測定結果に対するそれぞれの位置での測定結果（強度）のコヒーレンス（相関）を導出した。すなわち、図１６Ａの縦軸は相関を示したもので１に近いほど相関があるということである。図１６のグラフでは低周波の同じ揺らぎ（ノイズ）が周囲とパイプ内部の両方に含まれることを示している。なお、高周波側は変動が激しく、はっきりした相関が分からない。
図１６は実験例８の実験結果の説明図であり、図１６Ａは測定空間の各位置での測定結果と薄肉パイプ内の測定結果との比ごとに周波数とコヒーレンスとの関係を示したグラフ、図１６Ｂは時間と吸光度差との測定結果のグラフ、図１６Ｃは図１６Ｂの結果からゆらぎの補正を行った後のグラフである。
図１６Ａにおいて、ノズル４２に対して、薄肉パイプ６１の手前の位置Ａと、薄肉パイプ６１の奥の位置Ｂと、位置Ｂよりもさらに奥の位置Ｃについて、薄肉パイプ６１内の位置Ｒの測定結果に対するそれぞれの位置での測定結果（強度）のコヒーレンス（相関）を導出した。すなわち、図１６Ａの縦軸は相関を示したもので１に近いほど相関があるということである。図１６のグラフでは低周波の同じ揺らぎ（ノイズ）が周囲とパイプ内部の両方に含まれることを示している。なお、高周波側は変動が激しく、はっきりした相関が分からない。
【0044】
図１６Ｂにおいて、波長１８７２ｎｍのレーザー光について、位置Ａの測定結果と、位置Ｒの測定結果のグラフにおいて、水蒸気濃度が安定しているはずの位置Ｒの測定結果でも波形に低周波の振動が観測されている。これは、光源やカメラ等の測定機器に起因するいわゆる「ゆらぎ」と呼ばれるノイズである。図１６Ｂの測定結果から、位置Ｒの測定結果を使用して位置Ａの測定結果を補正することで、図１６Ｃに示すような、ノイズが除去されたより精度の高い測定結果を得ることが可能である。
【0045】
（変更例）
以上、本発明の実施例を詳述したが、本発明は、前記実施例に限定されるものではなく、請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内で、種々の変更を行うことが可能である。
例えば、前記実施例において、光源として光の強度が強いレーザーを使用することが望ましいが、これに限定されない。測定空間１１の広さや光源の光量によっては、レーザーよりも指向性、収束性の低い照明光を使用することも可能である。照明光を使用した場合は、減光フィルター２３や積分球２４ａは省略することも可能である。
以上、本発明の実施例を詳述したが、本発明は、前記実施例に限定されるものではなく、請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内で、種々の変更を行うことが可能である。
例えば、前記実施例において、光源として光の強度が強いレーザーを使用することが望ましいが、これに限定されない。測定空間１１の広さや光源の光量によっては、レーザーよりも指向性、収束性の低い照明光を使用することも可能である。照明光を使用した場合は、減光フィルター２３や積分球２４ａは省略することも可能である。
【0046】
前記実施例において、選択した波長は１８６６ｎｍと１８００ｎｍと１８７２ｎｍを例示したがこれに限定されない。要求される強度やレーザーの構成等によっては、別の波長を選択することも可能である。特に、吸光度差が低い波長としての１８００ｎｍの方は、吸光度差が低ければ他の任意の波長に変更可能である。また、波長１８６６ｎｍまたは波長１８７２ｎｍのみで十分な精度の観測が可能であれば、対比のための波長１８００ｎｍの光を使用しない、すなわち、１種類の光で観測を行う構成とすることも可能である。特に、測定に悪影響を及ぼす他のガスがほとんどない状況では、１８６６ｎｍのみでも十分な精度の測定が可能である。１８００ｎｍを基準として用いると他の成分の影響を原理的に排除できるが、実際には影響を及ぼす他のガスはほとんどなく、本発明が最も有効なのは目視できる凝縮水蒸気（湯気）を判別し、その影響を除去できることである。
【0047】
また、前記実施例において、測定空間１１として、大気に対して開放された空間を例示したが、これに限定されない。密閉された空間とすることも可能である。また、密閉の程度も任意の空間とすることも可能であり、容器内や室内、施設内等の任意の空間とすることも可能である。
【符号の説明】
【0048】
１…水蒸気分布測定装置、
１１…測定空間、
１２…測定空間の断面、
２１…光源、レーザー光源、
２２，２６…近赤外光、
２４…光学系、
２４ａ…積分球、
２４ｂ…凹レンズ、
２４ｃ…凸レンズ、
３２…近赤外光測定装置、
６１…隔離部材、
Ｃ１…分布導出手段。
１１…測定空間、
１２…測定空間の断面、
２１…光源、レーザー光源、
２２，２６…近赤外光、
２４…光学系、
２４ａ…積分球、
２４ｂ…凹レンズ、
２４ｃ…凸レンズ、
３２…近赤外光測定装置、
６１…隔離部材、
Ｃ１…分布導出手段。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
