JPH058980B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は粒子測定装置、さらに詳しくは流体液
中にレーザ光を照射し、液中に浮遊する微粒子か
らの散乱光を検出して粒径や粒子数等、粒子の特
性を測定する粒子測定装置に関するものである。

［従来の技術］ 従来より、測定領域内に光を入射させ、その透
過光量や散乱特性を測定することにより同領域内
における粒子の粒径、数等の特性を測定する技術
が知られている。

例えば、純水中の不純物粒子の測定にも、この
技術が用いられているが、純水中の微粒子は径が
小さく、またまばらにしか存在しないため、測定
には困難が伴なう。そのため、従来から微粒子か
らの散乱強度を増加させるためにレーザ光源等か
らの入射光束を小さな領域に集中させ、高輝度の
測定領域を設け、この領域を通過する粒子からの
散乱光を受光する方法が用いられている。

粒子にレーザ光を照射し、その粒子から散乱光
を解析する粒子測定器においては、粒子を通過さ
せる測定部分をいかに設定するかが重要である。

特に粒子検出領域を構成する入射レーザ光束の
形状、粒子の通過方向及び粒子からの散乱光を受
光する部分に設けたマスクの設定方法は、検出す
る粒子の散乱光から粒径を求める場合の粒径分解
能に直接依存するため、種々の工夫がなされてい
る。

［発明が解決しようとする問題点］ 従来、測定対象粒子は0.2μｍまでと比較的大き
いので、粒子からの散乱光は強く、純水中の粒子
の計測であつても純水からの散乱光等からなる背
景光との区別をするために、レーザ光束の集光度
を上げる必要がなく、そのために粒子検出領域を
構成する光束の有効径を半値全幅に設定するマス
クのサイズを小さくする必要がない。

しかし、0.1μｍ以下の粒子を背景光と区別して
検出するためには、レーザ光束を10μｍ程度に集
光させて粒子検出領域を形成し、検出領域の光軸
方向の長さも同程度に制限することによつて、背
景光強度を抑えることが必要になる。これを実現
するには、散乱光を捉える受光レンズの結像位置
に10μｍ程度のスリツト開口をもつマスクを設置
することになるが、このような微小な開口をもつ
マスクを振動や温度変動のある環境において恒常
的に最適位置に保持し続けることは、機械的精度
を上げたとしても容易ではない。特に、オンライ
ンの常時計測システムとして考えた場合には、
日々の周囲雰囲気温度呑変化や、内蔵しているレ
ーザ光源等の発熱源による熱的歪や振動によつ
て、散乱光の結像位置がマスク面上を動くことが
考えられる。

従つて本発明の目的は、温度変化や振動などの
外乱の作用がある場合でもマスク位置を最適位置
に設定し、安定した散乱光測定を行うことが可能
な粒子測定装置を提供することである。

［問題点を解決するための手段］ 本発明は上述した問題点を解決するために、受
光レンズの結像面内に開口を構成するスリツトを
備えたマスクの位置を、スリツトを介して光電検
出器から出力される散乱光中の背景光の強度信号
が最大となるように移動制御する構成を採用し
た。

［作用］ このような構成では、レーザ光束の集光点に形
成した粒子検出領域の検出範囲を設定する受光レ
ンズの結像面上のマスクを自動的に制御して、マ
スクが集光点のレーザ光束の半値全幅を検出領域
として捉えるように調整でき、散乱光受光系にあ
るマスクの位置を常に自動的に最適位置に設定で
きる。

［実施例］ 以下、図面に示す実施例に従い本発明を詳細に
説明する。

第１図において符号１０で示すものは四角柱状
の測定セルであり、この測定セル１０に微粒子２
３を含んだ純水等の試料液２２を流入させる流入
管１２、並びに試料液２２を測定セル１０内から
排出させる流出管１３が設けられている。レーザ
光源（図示せず）から楕円形の入射レーザ光束２
１を発生させ、その集光点２１ａをレーザ光軸に
垂直に粒子が通過するように矢印Ａで示す一様な
流れを形成する。この一様な流れは、流入管１２
から測定セル１０に流れ込む流速を安定させるこ
とによつて実現できる。

この流れに乗つて集光点２１ａを通過する微粒
子からの散乱光２４は、受光レンズ２５でマスク
２６上に結像され、スリツト２６ａによつて制限
された散乱光が光電検出器２７に達して測定が行
われる。後述するように、マスクを移動させるた
めにアクチユエータ２８が設けられる。

通常、レーザ光束はガウス型の光強度分布を有
しており、本発明で用いる楕円光束２１において
も同様である。すなわち、第２図に図示したよう
に、光束の強度２１′は中心から外れるにしたが
つて減衰する。例えば、図中の大円を光強度が中
心強度の１／e²になる位置とすると、小円は中心
強度の1/2になる位置となるような強度変化をす
る。いま、この小円の径を半値全幅と呼ぶ。

このような光束では、粒子の検出領域３５を制
限しなければ、光束の強度が弱い裾野を通過する
粒子をも検出する可能性が出てきて、粒子の粒径
分解能が悪くなる。

そこで、Ａ方向からみた半値全幅Ｅに光束の視
野を限定するために、第１図、第２図に示すよう
な光学配置をとつている。また、粒子検出領域３
５を粒子を通過させる方向は、通過方向に垂直な
面内の断面積が大きくなるように、すなわち第１
図、第２図でＡ方向に設定する。

第２図において、光軸調整が適正に行われた場
合には、スリツト２６ａによつて設定される粒子
検出領域３５は、図中の斜線部の範囲となり、視
野幅Ｅは楕円光束２１の中心に位置することにな
る。

このように、調整したマスクとレーザ光束との
位置関係が外力の作用で崩れた場合には、以下に
説明する制御系によりアクチユエータ２８を駆動
して、ずれを回復させる。

光電検出器２７から出力される散乱光に対応し
た光電パルスは、サンプリングユニツト２９によ
り単位サンプリング時間ごとに積算され、各サン
プリングごとの計数値が時系列データとなつて、
時系列データ書込みユニツト３２を介してマイク
ロコンピユータ（CPU）３０の時系列データ用
メモリ３３に記憶される。この記憶されたデータ
は、用いる光電検出器が微弱光の検出に適する光
子計数用光電子増倍管である場合には、光子の検
出過程の確率法則に基づくゆらぎをもつ。このた
め、マスク２６が受けた平均光強度を求めるため
に、メモリ内のデータに対して移動平均処理を行
つて、駆動回路３１の制御データとする。上記マ
イクロコンピユータ３０には、プログラムを格納
したメモリ（ROM）並びにデータを処理するワ
ークエリア用メモリ（RAM）３４が接続され
る。

次に、このように構成された装置の動作を、第
４図〜第６図のフローチヤートを用いて説明す
る。

第１図において、楕円レーザー光束２１を集光
点２１ａに集光させ、第２図に図示したような粒
子検出領域３５を形成し、微粒子２３を含む試料
液２２をＡ方向に流す。レーザ光により微粒子２
３から散乱された散乱光２４が、受光レンズ２
５、スリツト２６ａを介して光電検出器２７によ
り受光される。光電検出器２７から出力される散
乱光に対応した光電パルスは、サンプリングユニ
ツト２９を介して単位サンプリング時間ごとに積
算され、上述したように時系列データメモリ３３
に記憶される。この場合、マスク２６が受けた平
均光強度を求めるために、移動平均処理を行う。
この方法が第４図に図示されている。ステツプ
S1〜S3において、メモリ番地ｎをインクリメン
トし、メモリ３３からｎ番目のデータからｋ個の
データを転送してｋ個のデータを取り込み、これ
に対して平均操作を行う。この平均操作したデー
タをステツプS5において、再びメモリ３３のｎ
番目のデータのところに戻す。データの総数をＭ
としてｎ＞Ｍ−ｋ＋１になるまでこれを繰り返し
（ステツプS6）、時系列データの移動平均処理を
する。

このような粒子計測中、入射レーザ光束２１の
光軸とスリツト２６ａの中心が共に受光レンズ２
５の光軸と交差する位置に調整されていても、温
度の変化や光源の発熱、または振動などの外力に
よつてこの調整がずれてしまうことがある。ここ
で、第３図ａは調整があつている状態を示し、同
図ｂは調整がずれてしまつた状態を示したもので
ある。同図ｂのように、調整がずれてしまうと、
スリツト２６で制限される視野幅Ｅはレーザ光束
の中心よりずれて粒子検出領域はＤの部分とな
り、レーザ光束の裾野の光密度の低い部分を使用
することとなり、粒子からの散乱光強度が弱くな
つて小さな粒子を検出したと確認されることにな
る。また、検出限界の粒子径も大きくなり、検出
能力が低下する。

ここで、ずれの検知に用いる粒子検出領域から
の散乱光は、純水中の水分子などからの粒子検出
領域の体積に比例する連続的な成分が適してお
り、時々粒子検出領域を通過する微粒子からの散
乱光は強いパルス状の信号となるために、ずれの
検知信号としては適さない。しかし、超純水中の
粒子測定の場合のように、存在する粒子がまばら
である例では、粒子の散乱光をも含んだ時系列デ
ータの平均計測値を制御データとしても良い。

そこで、マスク２６をアクチユエータ２８によ
り移動させては、そのマスク位置での背景光の強
度出力とその位置をメモリに記憶しておき、背景
光の出力が最大となるマスク位置を見い出し、そ
の位置へマスクを移動させる。このマスク位置の
自動調整動作を一定時間間隔で行うことにより、
常にマスクのスリツトの位置によつて制限される
粒子検出領域３５がレーザ光束の中心と一致する
状態を保つことができる。これにより、粒径分解
能及び粒子検出能力を一定水準に保つことが可能
になる。

この方法を実現する制御の流れが、第５図及び
第６図に図示されている。

まず、第５図に図示したような方法で背景光デ
ータの抽出を行う。ステツプT1でそれぞれ初期
値を設定し、ステツプT2、T3においてｎをイン
クリメントし、メモリ３３のｎ番地のデータを読
み、その値をＬとする。このデータ値Ｌと背景光
を抽出するしきい値L2をマイクロコンピユータ
３０内のコンパレータ３０ａにおいて比較する
（ステツプT4）。L2より小さなデータを背景光と
し、ステツプT5において背景光データ数Ｐ、並
びに背景光データ値の総和Ｓを求める。これをｎ
＞Ｍ−ｋ＋１となるまで繰り返し（ステツプ
T6）、ステツプT7で計算値の平均値＝Ｓ／Ｐ
を求める。

続いて、第６図に図示したようなアルゴリズム
に基づき、マスク自動補正を行う。

まず、ステツプR1においてマスク２６の基準
位置ｘを初期化し（ｘ＝０）、マスク２６の位置
番号（最大値Ｍ）ｍを初期化する（Ｍ＝０）。続
いてステツプＲ２において駆動回路３１を介し、
アクチユエータ２８を駆動することによりマスク
位置を移動させる。マスクの移動ステツプをΔx
とすると、マスク位置ｘはｘ＝Δx・ｍとなる。
次に、ステツプR3においてマスクｘにおける背
景光に平均計数値を求める。これは、第４図、第
５図に図示した流れの中で求められ、＝Ｓ／Ｐ
を求めることになり、この値がステツプR4、
R13においてｍ番目のメモリに格納される。この
処理は、マスク位置が最大値Ｍになるまで行われ
る（ステツプR5）。

マスク位置が最大値Ｍ以上になるとｄに移動
し、マスク最適位置Ｐを求める制御を行なう。ス
テツプR6において、最適位置Ｐ、マスク位置番
号ｍ、並びに定数L3をそれぞれ０に設定する。
マスク位置ｍをインクリメントし（ステツプ
R7）、ステツプR8において背景光メモリを介し、
ｍ番目の背景光の平均計数値を読む。続いてス
テツプR9において、マイクロコピユータのコン
パレータ３０ｂにより、の値とL3の値を比較
する。L3により大きい場合には、最適位置と判
断され、ステツプR10においてL3＝、Ｐ＝ｍと
し、一方、Ｌ３より小さい場合にはステツプR11
に移り、マスク位置が最大値Ｍになるまで以上の
工程を繰り返す。マスク位置が最大値に達した場
合には、ステツプR12においてアクチユエータ２
８を作動し、ｘ＝Δx・Ｐで決まる位置にマスク
２６を移動させる。この位置では、散乱光中の背
景光の強度が最大となつており、第３図ａに図示
した、調整された状態になつている。

上記で問題としたレーザ光束の光軸ずれは、第
２図にＦとして示している深度方向や（紙面に垂
直な）照射レーザの光軸方向においても予想され
るが、スリツトによつて決まる深度方向の広がり
が大きいことと、レーザ光束の集光点近傍の光束
径変化が急激ではないことのために、視野幅方向
のいずれに比べて寛容に取り扱うことができる。
従つて、ずれ補正方向は視野幅方向に限つてのみ
論じた。

また上述した実施例において、アクチユエータ
２８は必ずしもマスク２６に取り付ける必要はな
く、受光レンズ２５あるいは照射光学系や光源部
に設けても目的は達成できる。この場合には、照
射光の像か結像面内でマスクのスリツト方向と直
角な方向に移動するようにアクチユエータを設け
ればよい。

［結果］ 以上説明したように、本発明によれば、粒子検
出領域を通過する粒子の粒径分解能を高める目的
で設置している、散乱光受光系にあるマスクの位
置を常に最適位置に設定でき、湿度変化や振動等
外乱があつた場合でも、安定した散乱光測定が可
能になる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明装置の概略構成を示す斜視図、
第２図は粒子測定方法を示す構成図、第３図ａは
マスクが最適位置にあるときの状態を示す説明
図、第３図ｂは最適位置からずれた場合の説明
図、第４図は時系列データの移動平均処理を示す
流れ図、第５図は背景光データの抽出を示す流
れ、第６図はマスク位置の自動補正アルゴリズム
の流れを示す流れ図である。 １０……測定セル、２１……レーザ光束、２３
……微粒子、２４……散乱光、２５……受光レン
ズ、２６……マスク、２７……光電検出器、２８
……アクチユエータ、３５……粒子検出領域。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 流体中の粒子検出領域にレーザ光を照射し、
   液中粒子からのレーザ散乱光を受光レンズを介し
   て光電検出器で受光し、光電検出器からの出力信
   号を処理して粒子特性を測定する粒子測定装置に
   おいて、 前記受光レンズの結像面内に開口を構成するス
   リツトを備えたマスクと、 前記スリツトとほぼ直角な方向にマスクを駆動
   する駆動手段と、 前記駆動手段によりマスクを順次移動させ、各
   マスク位置において光電検出器から出力される散
   乱光中の背景光の強度出力と、そのマスク位置を
   格納する格納手段と、 前記強度出力が最大となるマスク位置を見い出
   し、前記駆動手段を介してそのマスク位置へマス
   クを移動させる手段とからなることを特徴とする
   粒子測定装置。