多波長偏光を用いた非接触2次元サブミクロン粒径・数密度計測

2014 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 25289036
• Research Institution: Gunma University
• Principal Investigator: 荒木 幹也 群馬大学, 大学院理工学府, 准教授 (70344926)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 志賀 聖一 群馬大学, 大学院理工学府, 教授 (00154188)
• Project Period (FY): 2013-04-01 – 2016-03-31
• Keywords: 粒径計測 / 偏光 / 非接触計測 / 微粒子 / サブミクロン

Outline of Annual Research Achievements

本研究課題では，「非接触」かつ「2次元」の「サブミクロン」粒径計測法開発を目論む．電子顕微鏡のような最終計測では，「採取すること」によって微粒子の「粒径・組成」が変わり，さらに「時間履歴・空間分布」の貴重な情報が失われる．そこで，非接触計測法である「偏光比法」に着目する．本研究では，その決定的な弱点であった「計測範囲の狭さ」を，多波長の光源を用いることで解消した．これにより，「非接触」かつ「2次元」でサブミクロン粒子の「粒径」「数密度」を同時計測できる手法となると期待される．
平成25年度は，ポリスチレン標準粒子を用い，本手法の計測原理ならびに計測精度の検証を実施した．粒子群に直線偏光レーザを入射する．CCDカメラを用い，粒子群からの散乱光のうち，偏波面に垂直方法の散乱光強度と，偏波面に平行方向の散乱光強度を取得する．両者の強度比（偏光比）は粒径に依存する．この計測を複数波長について実施することで，連立方程式を解くように粒子群の粒径分布を得る．検証結果は良好であり，計測手法として成立することが確認された．さらにこの技術を実用場に適用するため，「層流拡散火炎中で生成するすす粒子」に着目し，その計測に着手した．
平成26年度は，引き続き「すす粒子」の粒径計測に注力し，初期のデータを得るに至った．しかしながら同時に，計測を妨げる問題も顕在化した．最大の問題は，火炎を「同時計測できない」ことにある．多波長の光源を切り替える必要があるため，同じ時刻の散乱光像を取得することができない．わずかな揺らぎや時間変化が計測結果に影響を及ぼすことが明らかとなった．
平成27年度は，新たな光源（既設設備）とカメラ（既設設備）を導入し，この問題を解決する．本手法を，実用技術に昇華させ完成させることを目論む．

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

本研究課題では，「多波長偏光比法」を「実用技術として完成させる」ことを目論んでいる．平成26年度からは，その実用場として「層流拡散火炎」を選定し，その中で生成する「すす粒子」をターゲットとして計測を実施してきた．「火炎の安定化」，「火炎によるすすの赤熱発光（輝炎）」，「カメラ感度の直線性」，「データ処理アルゴリズムの問題」など，多くの問題が噴出してきた．昨年度までに，燃料／空気供給系の更新，光学系の更新により，少しずつではあるが実用に近づいている．最大の問題である「同時計測」が課題として残されているものの，既設設備の光源・カメラを用いることで十分に改善の可能性があると考えている．このように，問題点の洗い出しはほぼ終わっており，最終年度となる平成27年度中には，満足な計測データが得られると考えている．

Strategy for Future Research Activity

本計測手法を実用技術へと昇華するにあたり，その最大の課題は「同時計測が実施できないこと」にあった．本研究の特色でもある「多波長の光源」を用いるため，光源の交換が必要であったためである．
本年度は，光源に同軸射出の多波長直線偏光レーザ光源（既設設備）を用いる．レーザ光源を45度傾けた状態でシート光を形成し，計測対象に入射する．散乱光撮影に，偏光イメージングカメラ2台（既設設備）を用いる．それぞれのカメラで，入射光偏波面に垂直・平行成分の散乱光を同時取得する．また，それぞれのカメラに異なる波長の干渉フィルターを設置することで，多波長の散乱光を同時取得する．この1セットのデータから，各波長での偏光比空間分布を求め，各点での粒径・数密度を算出する．これにより，被計測対象の時間変化による誤差を完全に排除する．これにより，「非接触」「2次元」「ササブミクロン」粒径計測手法の実用場への適用が完了すると考えている．