JPH03214038A - 空気中に散布されたエアロゾルと粉麈などの測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、空気中に散布されたエアロゾルと粉塵などの
測定装置に関するものである。この装置は、測定すべき
媒体に一次光束を入射することによって細長く伸びた散
乱空間を発生させるための光源と、散乱光コレクターと
、散乱光コレクターの後ろに接続された少なくとも１つ
の光受容器とによって構成されている。

〔従来の技術〕

この種の装置は、例えば液体懸濁物質と乳濁液の研究に
役立つもので、散乱空間から生ずる散乱光をこの装置に
まず集中し、次に検出する。

散乱光光度測定法は、空気中に散布されたエアロゾルと
粉塵の測定方法として、また液体懸濁物質と乳濁液の研
究方法として、立証された方法である。散乱光の強さと
散乱角上での散乱光の分布は、粒子の大きさ（粒度）と
粒子の濃度によって定まり、粒子の大きさおよび濃度の
決定に用いられる。

特に粒子の大きさが知られている場合、粒子濃度を決定
するにあたって、角分解能は散乱光測定には必要でない
。反対に、一定の散乱角の範囲内で信号／ノイズ比率を
上げるためには、散乱光のできるだけ大きな立体角を検
出する必要がある。

この目的のために、検出器表面を大きくするか、または
それに相当する光学集中装置が必要である。

〔発明が解決しようとする課題〕

例えばＰＩＮ光ダイオード配列や光電子倍増管（ＵＳ−
ＰＳ　４．５９７，６６８を参照せよ）のような広面積
検出器を用いることが考えられるが、この場合は極めて
費用がかかるだけでなく、検出器表面を大きくすると必
然的に、検出器全体の電気容量を大きくしなくてはなら
ず、その大きな電気容量によってこの検出器のノイズが
増加することになる。

他方、散乱光が画像光学装置によって検出器に焦点を合
わせられるような散乱光光度計が知られている。この方
法では、たとえ広面積フレネルレンズを用いた場合でも
、限られた立体角だけが検出される。

特に室内空気や排気または大きい煙突内での粉塵濃度を
現場でＭｊ定する場合に、散乱空間が大きくなる。そう
いう場合、画像光学装置は、その焦点深度が限られてい
るという単純な理由から、もはや使用できない。結局、
散乱空間を囲む完全な立体角を検出することは、画像光
学装置によっては、根本的に不可能である。

本発明の目的は、最初に述べたような装置を開発し、も
っと広い散乱空間から生ずる散乱光でも、実際上できる
だけ大きい立体角上で、かつきわめて簡単な手段によっ
て、測定できるようにすることにある。

〔課題を解決するための手段および作用〕このような目
的は、本発明によれば、散乱光コレクターが透明な蛍光
物質を含むことにより、また光受容器が散乱光コレクタ
ーの光出口部分に光学的に連結されていることにより、
達成され、このコレクターは蛍光の誘導装置として働き
、検出されるべき特定の散乱角は、その角度に応じた散
乱光コレクターの形によって、決定される。

本発明では、いくつかの光受容器が有利な仕方で設けら
れ、散乱光コレクターの光出口部分の上に一様に配置さ
れている。

空気中に散布されたエアロゾルと粉塵その他の測定に関
する本発明に従って蛍光コレクターを用いた結果、その
コレクターは特定の散乱角をもった形状に問題なく適合
できた。さらに大きい散乱空間、例えば室内空気、排気
、または大きい煙突内の粉塵濃度を現場で測定するとき
に現われるような量の場合でさえ、散乱光は、実際上で
きるだけ大きい立体角上でこのコレクターによって検出
できる。このように立体角がより大きい場合には、散乱
光検出の信号／ノイズ比率は増加し、従って一般にさら
に正確な測定が可能となる。

それゆえ本発明は、空気中に散布されたエアロゾルまた
は粉塵の測定に関して、検出すべき散乱光のコレクター
として透明蛍光素子を使用すると同時に、それを光集中
器としても用いるという考え方に特に基づ〈発明であり
、検出されるべき角度に応じた形をした透明蛍光素子の
特性、すなわち透明蛍光素子が光誘導体として残りの光
出口部分に蛍光の少なくとも大部分を集中させるという
特性を利用した発明である。

最後に、透明蛍光コレクターに粉塵が沈着するが、これ
は画像光学装置のレンズ上の粉塵沈着に比較して、何ら
問題はない。なぜなら粉塵粒子への入射光は少なくとも
その大部分がコレクター内部へと散乱するからである。

従ってコレクターの方向上の６主性によって特に測定の
精度と感度が確実なものとなり、測定の精度と感度はた
とえ粉塵沈着物がそのコレクターに含まれているときで
もきわめて高い。

散乱媒体の質量濃度および／または散乱媒体中での可視
範囲は、例えば散乱光の測定された強さから決定できる
。さらに散乱媒体中に存在する粒子の大きさを、散乱光
の測定された強さとその光の波長との関係から決定する
こともできる。

特に媒体質量濃度を決定するには、測定対象は、もっば
ら前方散乱の強さであることが望ましいが、特に低めの
質量濃度を決定するには、少なくとも実質的に全立体角
上で散乱光の強さを測定することが有利である。

蛍光誘導体として働く散乱光コレクターの光出口部分の
一部は、鏡面反射するように作るか、または反射器表面
にする。この場合光受容器は、光出口部分の残りの非鏡
面反射の部分に光学的に連結される。

鏡面化された表面または反射器表面は、起こる可能性の
ある光損失を防ぐのみでなく、光素子を配置すべき光出
口部分を縮小する。そのようにして、必要な光素子の数
を極めて少なくすることができる。

例えば前方または後方への散乱だけを検出したいときは
、散乱光のコレクターを平板状の形に作るのがよく、そ
の平板の縁に１つまたは複数の光受容器を配置するとよ
い。

前方または後方への散乱を検出するには、平板状の散乱
光コレクターを、光源から発するなるべく細い光束に対
して少なくとも実質的に直角に配置するとよい。このよ
うな配置にすると、光源から発する細い光束が通過する
中央開口部を、散乱光コレクターに設けることができる
。

しかし別の実施例では、光源から発する一次光がｆｆ’
ｋＮＬ光コレクターの横を通過するように、一次光を誘
導することもできる。いくつかの光源を設ける場合には
、光源から発する相互に平行であることが望ましい光束
の間に、散乱光コレクターを配置するのかよい。この種
の配置は例えば背面放射の測定に使われる。

特に比較的高い質量濃度を測定するときには、この背面
散乱の強さのみを測定することが望ましい。例えば１つ
または複数の光源（例えば発光ダイオード）を、平板状
蛍光コレクターの中央に配置したり、または散乱する媒
体への放射を伴った平板状蛍光コレクターの周りに配置
することによって、そのコレクターは散乱媒体が後方に
放射する散乱光を収集する。

散乱光コレクターと光源との間に間隔をおき、そのコレ
クター表面が光源に対面して前方散乱光の放射を受ける
ように配置すれば、極めて中線な配置によって前方散乱
を検出することができる。

更に別の実施例では、散乱光コレクターが光源領域内に
配置され、後方散乱を検出するコレクター表面を備えて
いることを特徴とする。

測定結果に関連しないコレクター表面は、例えば外側を
鏡面反射するようにすることができる。

更に平板状の散乱光コレクターを用いた場合にはコレク
ターを円形にするのがよい。

特に媒体内の散乱光を測定することによって可視範囲を
決定するには、できるだけ全立体角上の散乱光の強さを
測定するか、またはこれに比例する一部を検出するかし
なくてはならない。特に非分極入射光によって、散乱光
の強さが、一定の方位開口部の角度上のＯａから１８０
’までの散乱角の少なくとも実質的な全範囲にわたって
、測定される。こうした種類の配置は例えば筒によって
、または一次光束を取り巻く半円筒によって、または一
次光束に平行な細長いコレクター帯によって、作り出さ
れる入射光束（例えばレーザー光）内の細長い散乱空間
によって、実現できる。

従って、もし前方散乱および後方散乱だけをハ１定する
のでなく、できるだけ大きな立体角上の散乱をも測定し
ようとするときは、またはこれに比例する散乱光の一部
を検出しようとするときは、散乱光コレクターを筒形に
するか、または筒部分を備えるように作るのが有利であ
り、そして光受容器をその筒の末端に設けるか、または
少なくとも１つの筒末端にかつ／または筒部分の２つの
細長い側面の縁のうちの１つに、設けるように作るのが
有利である。もし光受容器が一方の筒末端に設けられる
だけであれば、もう一方の筒末端には、光の損失を避け
るために、反射面を設けるのがやはり望ましい。また反
射器表面もそれに応じて、細長い側面の縁に設けること
ができる。

筒形散乱光コレクターを用いるか、または筒の断面の形
をした散乱光コレクターを用いるときには、光源から発
する細い光束の筒の軸線に沿って進むようにするのか好
ましい。

散乱光コレクターは、蛍光プレキシガラスまたは蛍光染
料で処理された他の６機ガラスないし無機ガラスから、
製造するのが望ましい。例としてプレキシガラスで作ら
れたコレクターの平板では、蛍光の約７４％が全反射の
結果として平板面から出てこない。反対にこれに相当す
る光は光誘導体内を通ってこの平板の縁へ向かう。

もし光源が単色光を発し、散乱光コレクターの蛍光染料
をその単色光の波長に適合させれば、比較的高い程度の
効率が特に達成できる。蛍光の波長もまた光受容器の最
大スペクトル感度に適合させるのが望ましい。

更に別の実施例では、いくつかの散乱光コレクターが、
特に互いに上下に配置された散乱光コレクターが、異な
った吸収波長を備え、また多波長光を発する少なくとも
１つの光源を備えていて、この光源はこれらの透明蛍光
散乱光コレクターと連結されている。この場合その散乱
光をいくつかの波長で同時に測定できる。従って特に、
散乱媒体内の粒子の大きさに関して、散乱光の強さと波
長との関係から結論を引き出すことができる。

本発明のその他有利な実施例については従属請求項に述
べる。

〔実　施　例〕

以下に本発明をその例および図面についてさらに詳細に
述べる。

第１図から第４図までに示された測定装置は、散乱空間
から生ずる散乱光の強さの測定に用いられる。散乱空間
内部では、散乱媒体２２が、それぞれ光源１２と１２′
　と１２′とによって照射される。

第１図から第３図の装置では、散乱空間は、細い光束３
０によって生しる。光束３０は、光源によって発せられ
、散乱媒体２２へと向けられる。第４図に示した測定装
置では、２つの光源１２′　と１２’が２筋の細い光束
３０を発するよう設けられている。

散乱光はそれぞれの場合において、透明蛍光コレクター
＋４．　１６．　１８．２０によって検出される。ここ
では、蛍光誘導体として働く透明蛍光検出器は、それぞ
れ、検出器１４．１６．１８．２０において生ずる蛍光
を集中するために設けられている。

用いられている散乱光集中器またはコレクター１４、１
６．１８．２０は、特に蛍光プレキシガラス、または蛍
光染料で処理された他の有機ガラスないし無機ガラスか
ら製造する。

関連散乱光成分を検出する散乱光コレクター１４〜２０
は、同時に、蛍光に対して光伝導の特質を持つため、集
光器の働きをする。すなわち蛍光のわすかな部分だけが
全内部反射の結果とｊ−でコレクター表面から出てくる
。この光の小部分は光誘導体内のように、限定された光
出口２６へと大幅に移行する。集中された蛍光が、この
先出口において光受容器２４によって最終的に検出され
る。

光素子２４には例えばＰＩＮ光ダイオードを使うことが
でき、これは蛍光検出のために蛍光誘導体または散乱光
コレクター１４．１Ｂ、　１８．２０の光出口２６へと
光学的に連結されている。反射表面が光の損失を避ける
ために光受容器のない光出口の部分に設けられている。

エアロゾルの質量濃度の測定のために設けられた第１図
のａｈ定装置では、散乱媒体２２に向けられる細い光束
３０を発生させるために、ただ１つの光源１２シか設け
られていない。透明蛍光物質でてきた散乱光コレクター
１４は、光源１２から間に何も挟まずに配置され、この
場合には広面積の円盤に作られている。平板状散乱光コ
レクター１４は、細長く伸びた散乱空間を一次光として
発生させる細い入射光束３０に対して、直角に立ってい
る。

平板状散乱光コレクター１４には中央開口部２８があり
、ここを光源１２から発する細い光束３０か通過する。

光源１２に対面する散乱光コレクター１４の表面は、散
乱空間から生ずる前方散乱を検出する。散乱光コレクタ
ー１４の反対側の表面は、後方散乱か少しでも発生する
ような場合に、それが蛍光の発生に影響しないようにな
っている。

光受容器２４は生板状散乱光コレクター１４の縁の上に
、−様に配置される。光の損失を避けるために、光受容
器の間にある平板の縁に反射表面をつける。このような
平板状散乱光コレクターの太きさを適切に合わせること
によ−〕て、１８！乱拉ｒ−＜波長の１倍から１００倍
）の一定範囲の大きさ内で捕えられる散乱光は、粒子の
大きさとは関係なく、散乱する粒子の全質量に比例する
。

第２図の測定装置は、例えばエアロゾルまたは粉塵の極
めて低い濃度を測定する場合のように、散乱光のできる
たけ多くの部分を検出すべきである場合に適している。

この目的のために、散乱光の透明蛍光コレクター１６は
光源１２から来る細い光束３０を取り囲む筒の形に作ら
れている。一次光または細い光束３０は散乱媒体２２を
通り、筒の軸に沿って延びる。

光受容器２４は筒の２つの終端に（筒の末端面に）光学
的に連結され、縁上に、順に−様な仕方で適当に配置さ
れている。しかしまた、そのような光受容器２４を筒の
一端だけに設け、光受容器のないほうの端に反射器表面
を置くことも、基本的に可能である。更に２つの光受容
器２４に挟まれた部分は、鏡面化するか、またはその部
分に反射表面を設けることもてきる。

この測定装置では、筒内の粒子によって散乱吟れる光の
大部分は、筒の壁によって吸収され、メ部分は蛍光とな
って、光を伝導するというその口の特性の結果として、
その筒末端へと通過する。

粒度分布が一定の場合、筒末端の終縁に現われる蛍光の
強さは、筒内の粉塵またはエアロゾルの濃度に比例する
。

第３図は、第２図の装置に似た測定装置であるか、ここ
では、透明蛍光散乱′光コレクター１８が、単に半筒に
よって形成されている。光源１２がら発する細い光束は
この場合もまた、散乱する媒体２２の中を、その軸にそ
って延びる。光素子２４は、この場合もまた、筒末端の
縁（端面）に、つまり、蛍光誘導体として働く散乱光コ
レクターの出口部分２６に、光学的に連結されている。

縦側面の縁もまた光出口部分２６を形成するので、光の
損失を避けるために、反射器表面がそこに設けられてい
乞しかしこれらの縦の縁に、光受容器を配置してもよい
。

この装置は媒体内の可視範囲の決定に適している。とい
うのもこの目的のためには、散乱光の強さをできるだけ
全立体角にわたって検出するか、またはこれに比例する
部分を検出しなければならないからである。非分極的な
入射光の場合には、このことは分散光が、０″から１８
０’までの分散角度の全範囲にわたる一定の方位開口角
をもって検出されるべきであるということを意味する。

しかしこのような配置は、一次光を取り囲む筒または半
筒を通過する、または一次光に平行な細い検出器の帯を
通過する、入射光束（例えばレーザー先）内の細長い散
乱空間によって実現される。

第４図に示された測定装置には、少なくとも実質的に相
互に平行な２本の細い光束３０を放つ２つの光源１２′
　と１２′がある。面積の広い円盤が、第１図の装置の
場合のように、ここでもまた透明蛍光散乱光コレクター
２０として設けられている。

しかし、散乱光コレクターは光源１２′　と１２″の近
くに直接配置されており、かつ細い光束３０の間に配置
されている。この測定装置は極めて高い粉塵′ａ度を持
った媒体２２の後方散乱を検出するのに特に有用であっ
て、粉塵濃度のＩＩ定に適している。

後方散乱は、この場合、平板状散乱光コレクターの光源
１２’　と１２′から反対の方向を向いている表面によ
って検出される。散乱光コレクターの光源の方を向いて
いる表面の方は、前方散乱が蛍光発生になんら影響しな
いようにすることができる。

いくつかの光素子２４はこの場合もまた円盤の終縁また
は側面上に、すなわち散乱光のための平板状円形コレク
ター２０の光出口部分２６の上に、−様に配置される。

そして集められた蛍光はこれらの光素子を通して検出さ
れる。

図示された外側の光源１２’　と１２’のがわりに、円
盤状の散乱光コレクター２０の中央部分に、１つ以上の
光源を置くこともできる。

〔発明の効果〕

本発明による測定装置の使用は、高価な広面積受信器と
大きな開口部が必要とされる場合に、特に有利である。

重要なことは、蛍光染料が測定波長を最大限に吸収する
ために採用されているだけでなく、蛍光の波長が特定の
光受容器（例えばシリコン）の最大分光感度に適合する
ことである。

次のような応用領域が特に考えられる。すなわち排気ガ
ス中の粉塵検出器、仕事場での粉塵モニタリング、また
はホール、空気清浄装置、可視性測定装置などにおける
、粉塵モニタリング。本発明では、透明蛍光散乱光コレ
クターの形がそれぞれ必要な散乱角の配置に問題なく適
合できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は散乱光のための平板状透明蛍光コレクターを用
いて、前方散乱の強さを測定するための装置を示す図、
第２図は透明蛍光筒を用いて、はぼ全立体角にわたって
散乱光の強さを測定するための装置を示す図、第３図は
第２図の装置に類似するが、蛍光半円筒を散乱光検出に
用いた点が異なる測定装置を示す図、第４図は散乱光検
出のための平板状透明蛍光コレクターを用いて、後方散
乱の強さを測定するための装置を示す図である。 １２、１２’　、　！２’・・・光源、１４〜２０・・
・散乱光のコレクター、２２・・・媒体、２４・・・受
信器、２６・・・光出口部分、２８・・中央開口部、 ３０・・・光束。 アンドレアス シュライヒヤー エルヴイン　シック　ゲゼル シャフト　ミツト　ベシュレン フタ　ハツトラング　オプ ティックエレクトロニック

Claims (15)

【特許請求の範囲】
1. （１）測定すべき媒体（２２）に一次光束を入射するこ
   とによって細長く伸びた散乱空間を発生させるための光
   源（１２、１２′、１２″）と、散乱光のコレクター（
   １４〜２０）と、散乱光コレクターの後ろに接続された
   少なくとも１つの光受容器（２４）とによって構成され
   、散乱光のコレクター（１４〜２０）が透明蛍光物質を
   含んでおり、蛍光誘導器として働く散乱光コレクターの
   光出口部分（２６）に光受容器が光学的に連結されてお
   り、またその検出されるべき特定の散乱角が散乱光コレ
   クター（１４〜２０）の対応する形によって決定される
   ことを特徴とする、空気中に散布されたエアロゾル、粉
   塵、その他のための、測定装置。
2. （２）いくつかの光受容器（２４）が、散乱光コレクタ
   ー（１４〜２０）の光出口（２６）上に一様に分布する
   ように設けられていることを特徴とする、請求項１記載
   の装置。
3. （３）蛍光誘導器として働く散乱光コレクター（１４〜
   ２０）の光出口部分（２６）が、部分的に鏡面反射する
   ように作られており、光受容器または受信器（２４）が
   、光出口部分（２６）の残りの非鏡面反射部分に、光学
   的に連結されていることを特徴とする、請求項１または
   ２記載の装置。
4. （４）散乱光コレクター（１４、２０）が平板状構造で
   あり、光受容器または受信器（２４）がその平板の終縁
   に配置されており、平板状散乱光コレクター（１４、２
   ０）が光源（１２、１２′、１２″）から発生する細い
   光束（３０）に対して少なくとも実質的に直角に配置さ
   れていることを特徴とする、前記各請求項の一つに記載
   の装置。
5. （５）平板状散乱光コレクター（１４）に中央開口部（
   ２８）があり、光源（１２）から発生する細い光束（３
   ０）がこの開口部を通過することを特徴とする、請求項
   ４記載の装置。
6. （６）いくつかの光源（１２′、１２″）が設けられて
   おり、光源から発生する相互に平行であることが望まし
   い光束（３０）の間に散乱光コレクター（２０）が配置
   されていることを特徴とする、前記各請求項の一つに記
   載の装置。
7. （７）散乱光コレクター（１４）が光源（１２）から離
   れており、前方散乱を検出するためにその光源に対面す
   るコレクター表面を含んでいることを特徴とする、前記
   各請求項の一つに記載の装置。
8. （８）散乱光コレクター（２０）が光源の領域に配置さ
   れ、後方散乱を検出するコレクター表面を持つことを特
   徴とする、前記各請求項の一つに記載の装置。
9. （９）散乱光コレクター（１６、１８）が、筒状である
   か、または筒断面の形をしており、光受容器（２４）が
   、筒の末端、または少なくとも１つの筒末端、かつ／ま
   たは、筒部分の２つの縦側終縁の１つに、配置されてお
   り、光源（１２）から発生する細い光束（３０）が、筒
   の軸にそって進むのが望ましいということを特徴とする
   、前記各請求項の一つに記載の装置。
10. （１０）散乱光コレクター（１４〜２０）が蛍光プレキ
    シガラスでできていることを特徴とする、前記各請求項
    の一つに記載の装置。
11. （１１）散乱光コレクター（１４〜２０）が、蛍光染料
    によって処理された有機または無機ガラスでできている
    ことを特徴とする、前記各請求項の一つに記載の装置。
12. （１２）光源（１２、１２′、１２″）が単色光を発し
    、散乱光コレクター（１４〜２０）の蛍光染料が単色光
    の波長に適合していることを特徴とする、前記各請求項
    の一つに記載の装置。
13. （１３）いくつかの散乱光コレクターが、特に互いに上
    下になるように配置された散乱光コレクターが、異なっ
    た吸収波長を備え、多色光を発する光源が散乱光コレク
    ターに関連付けられていることを特徴とする、前記各請
    求項の一つに記載の装置。
14. （１４）光受容器（２４）がＰＩＮ光ダイオードである
    ことを特徴とする、前記各請求項の一つに記載の装置。
15. （１５）蛍光の波長が光受容器（２４）の最大分光感度
    に適合することを特徴とする、前記各請求項の一つに記
    載の装置。