CN103424343A - 光学式粒子检测装置以及粒子的检测方法 - Google Patents

光学式粒子检测装置以及粒子的检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种容易维护的光学式粒子检测装置以及粒子的检测方法。该光学式粒子检测装置具有：发光的光源（1）、对光进行传播的光纤（2）、对从光纤（2）的出射端部射出的光进行聚光的照射侧聚光透镜（12）、使由照射侧聚光透镜（12）聚光的光横穿包含粒子的气流的喷射机构（3）。在此，粒子包含微生物、无害或者有害的化学物质、灰尘、尘土以及尘埃等垃圾等。光纤（2）例如是多模光纤。

Description

光学式粒子检测装置以及粒子的检测方法
技术领域
本发明涉及环境评价技术，尤其涉及光学式粒子检测装置以及粒子的检测方法。
背景技术
在生物洁净室等洁净室中，采用粒子检测装置来对飞散的粒子进行检测和记录（例如，参照非专利文献1。）。光学式的粒子检测装置例如对洁净室中的气体进行吸引，对所吸引的气体照射光。如果气体中包含有粒子的话，由于光被粒子散射，所以能够检测气体中所包含的粒子的浓度、大小等。
【现有技术文献】
【非专利文献】
【非专利文献1】长谷川伦男及其他，「气体中微生物实时检测技术及其应用」，株式会社山武，azbil Technical Review2009年12月号，p.2-7，2009年
发明内容
发明要解决的课题
关于光学式的粒子检测装置，存在发光的光源的寿命比其他部件短的倾向。因此，有时候需要进行更换光源的维护。但是，更换光源的话，有时候还需要对由透镜等构成的光学系统进行复杂的维护。因此，本发明的目的之一在于，提供一种容易维护的光学式粒子检测装置以及粒子的检测方法。
用于解决课题的手段
根据本发明的形态，提供一种光学式粒子检测装置，其具有：（a）发光的光源；（b）对光进行传播的光纤；（c）对从光纤的端部射出的光进行聚光的照射侧聚光透镜；以及（d）使由照射侧聚光透镜聚光的光横穿包含粒子的气流的喷射机构。
又，根据本发明的形态，提供一种粒子的检测方法，其包含：（a）从光源发光的步骤；（b）利用光纤对光进行传播的步骤；（c）对从光纤的端部射出的光进行聚光的步骤；以及（d）使所述被聚光的光横穿包含粒子的气流的步骤。
发明的效果
根据本发明，能够提供一种容易维护的光学式粒子检测装置以及粒子的检测方法。
附图说明
图1是本发明的实施形态所涉及的光学式粒子检测装置的示意图。
图2是本发明的实施形态所涉及的光源的俯视图。
图3是本发明的实施形态所涉及的光源的从图2所示的III-III方向观察到的截面图。
图4是示出本发明的实施形态所涉及的光源的像的摄像方法的示意图。
图5是示出本发明的实施形态所涉及的光源的亮度分布的图表。
图6是示出本发明的实施形态中从光源发出的光的图案由于光纤而变淡的模式图。
图7是示出本发明的实施形态中照射到粒子上的光的光量分布的第一图表。
图8是示出本发明的实施形态中照射到粒子上的光的光量分布的第二图表。
图9是示出本发明的实施形态中照射到粒子上的光的光量分布的第三图表。
图10是示出本发明的实施形态中照射到粒子上的光的光量分布的第四图表。
图11是本发明的其他实施形态所涉及的光学式粒子检测装置的示意图。
具体实施方式
以下对本发明的实施形态进行说明。在以下的附图的记载中，以相同或者类似的符号来表示相同或者类似的部分。但是，附图是示意性的图。因此，具体的尺寸等应该结合以下的说明来进行判断。又，附图相互之间含有相互的尺寸关系、比率不同的部分是当然的。
如图1所示，实施形态所涉及的光学式粒子检测装置具有：发光的光源1、对光进行传播的光纤2、对从光纤2的出射端部射出的光进行聚光的照射侧聚光透镜12、使由照射侧聚光透镜12聚光的光横穿包含粒子的气流的喷射机构3。在此，粒子包含微生物、无害或者有害的化学物质、灰尘、尘土以及尘埃等垃圾等。
光源1包含在光源装置20中。光源装置20还具有：使从光源1发出的光聚光到光纤2的入射端部的光源聚光透镜10、保持光源1以及光源聚光透镜10的框体21、和将光纤2固定于框体21的光纤连接器22。光纤连接器22具有被插入有光纤2的入射端部的套圈。光纤2的入射端部位于光源聚光透镜10的焦点。由此，从光源1发出的光入射至光纤2。
作为光源1，例如可以使用发光二极管（LED）。如作为俯视图的图2以及作为从III-III方向观察到的截面图的图3所示，光源1设有基板101、被配置在基板101上的n-氮化物半导体层102、被配置在n-氮化物半导体层102上的发光层103、被配置在发光层103上的p-氮化物半导体层104、以及被配置在p-氮化物半导体层104上的透明电极105。在透明电极105上配置有不透明的p侧衬垫电极107。在n-氮化物半导体层102上配置有n侧衬垫电极106。n-氮化物半导体层102、p-氮化物半导体层104、以及透明电极105被保护膜108覆盖。另外，光源1的结构并不限定于此。
光源1发出的光可以是可见光，也可以是紫外光。光为可见光的情况下，光的波长在例如400至410nm的范围内，例如为405nm。光为紫外光的情况下，光的波长例如为310至380nm的范围内，例如为355nm。
图1所示的照射侧聚光透镜12以及喷射机构3被包含在检测装置30的框体31中。在框体31上设置有对光纤2进行固定的光纤连接器32。光纤连接器32具有被插入有光纤2的出射端部的套圈。检测装置30还具有使得从光纤2的出射端部出射的光为平行光的照射侧平行光透镜11。照射侧聚光透镜12对通过照射侧平行光透镜11而成为平行光的光进行聚光。
喷射机构3利用风扇等从框体31的外部吸引气体，通过喷嘴等，将所吸引的气体向照射侧聚光透镜12的焦点进行喷射。从喷射机构3喷射的气流的行进方向例如被设定为与由照射侧聚光透镜12聚光了的光的行进方向大致垂直。在此，气流中包含有粒子的话，撞上粒子的光发生散射而产生散射光。又，在粒子为包含细菌的微生物等的情况下，被包含于所照射光的微生物中的色氨酸、烟酰胺腺嘌呤二核苷酸、以及核黄素等发出荧光。
作为细菌的例子，可以列举革兰氏阴性菌、革兰氏阳性菌、以及包含霉孢子的真菌。作为革兰氏阴性菌的例子，列举有大肠菌。作为革兰氏阳性菌的例子，可以列举表皮葡萄球菌、枯草芽孢杆菌孢子、微球菌、以及棒状杆菌。作为包含霉孢子的真菌的例子，列举有曲霉菌。横穿了由照射侧聚光透镜12聚光了的光的气流通过排气机构被排出到框体31的外部。
检测装置30还具有：使得横穿了喷射机构3所喷射的气流的光变为平行光的检测侧平行光透镜13、和对通过检测侧平行光透镜13而成为平行光的光进行聚光的检测侧聚光透镜14。在由于气流中包含的粒子而产生了散射光的情况下，散射光也会通过检测侧平行光透镜而成为平行光，其后由检测侧聚光透镜14进行聚光。
在检测侧聚光透镜14的焦点配置有对由于粒子而散射的光进行检测的散射光检测部16。作为散射光检测部16，可以使用光电二极管以及光电倍增管等。由粒子引起的散射光的强度与粒子的粒径相关。因此，通过利用散射光检测部16对散射光的强度进行检测，可以求得在配置光学式粒子检测装置的环境中飞散的粒子的粒径。
在检测装置30的框体31内部，还配置有例如与从喷射机构3喷射的气流平行的、作为凹面镜的聚光镜15。聚光镜15对气流中包含的粒子所发出的荧光进行聚光。在聚光镜15的焦点配置有对荧光进行检测的荧光检测部17。在散射光检测部16检测到散射光时，且荧光检测部17没有检测到荧光的情况下，就知道气流中包含的粒子为非生物粒子。在散射光检测部16检测到散射光、且荧光检测部17检测到荧光的情况下，就知道气流中包含的粒子为生物粒子。例如，对检测到的光强度以及荧光强度进行统计处理的计算机与散射光检测部16以及荧光检测部17连接。
在此，配置在图2以及图3所示的光源1的发光层103上的不透明的p侧衬垫电极107成为光源1的亮度不均的原因。例如如图4所示，将光源1的像直接形成在屏幕40上时，图2以及图3所示的p侧衬垫电极107的像也被形成。因此，使用图4所示的长焦距镜头42，进行调整使得屏幕40上的光图案的像形成在摄像机41内部的摄像元件上，采用摄像机41对形成在屏幕40上的光源1的像进行摄像。此时，使得光源1与屏幕40之间的距离D变化为第一距离、比第一距离长的第二距离、以及比第二距离长的第三距离。其结果，如图5所示，被摄像的光图案的光强度并没有从中心对称地分布。
图2以及图3所示的p侧衬垫电极107以及与p侧衬垫电极107连接的接合线的大小以及形状因产品而异。又，即便是相同的产品，也存在各批次不同的情形。又，根据光源1的固定方法，还存在p侧衬垫电极107以及接合线的方向变化的情况。因此，将不能调淡p侧衬垫电极107以及接合线的像的光学系统用于粒子检测装置的话，在因维护而更换了光源1时，存在被照射至粒子的光的不均而发生变化，粒子的检测结果也发生变化的情形。
对此，实施形态所涉及的光学式粒子检测装置能够利用图1所示的光纤2调淡p侧衬垫电极107以及接合线的像。即，如图6所示那样，刚入射至光纤2的光的截面的光束图案包含作为p侧衬垫电极107的像的影。但是，随着光在光纤2内部行进，光在光纤2的纤芯和包层的界面反复反射，光束图案从各种角度重合，包含在光束图案中的p侧衬垫电极107的像变淡。而且，从光纤2的出射端部射出的光的光束图案基于光纤2的纤芯的截面形状大致为圆形。又，如图7所示那样，光的截面的光量基本上从中心对称地分布。在此，所谓中心是指例如与光学式粒子检测装置的光学系统的光轴一致。作为从中心对称的分布，虽然可以列举如图7所示那样的正态分布、如图8所示那样的矩形的分布、如图9所示那样的梯形的分布、如图10所示那样的半球状的分布，但并不限定于此。
作为光纤2，可以使用单模光纤以及多模光纤中的任一个。与单模光纤相比较的话，多模光纤具有更有效地使光束图案的截面的光量分布从中心对称的倾向。又，光纤2的纤芯的截面形状为轴对称的话，具有有效地使光束图案的截面的光量分布从中心对称的倾向。光纤2的纤芯直径根据包含粒子的气流所横穿的区域的大小来适当地设定。
光纤2的长度为任意的，但长度短的话，p侧衬垫电极107的像有时会残留在出射光束中。因此，光纤2的长度被设定为，使得在从光纤2的出射端部射出的光中，p侧衬垫电极107的像变淡消失。或者，光纤2的长度被设定为，使得从光纤2的端部射出的光的截面的光量分布从中心对称。
如上所述，将不能调淡p侧衬垫电极107的像的光学系统用于粒子检测装置的话，在因维护而更换了光源1时，存在被照射至粒子的光的不均而发生变化，粒子的检测结果也发生变化的情形。因此，将不能调淡p侧衬垫电极107的像的光学系统用于粒子检测装置的情况下，需要在因维护而更换了光源1之后对透镜系统进行调整，以抑制粒子的检测结果的变化。但是，透镜系统的调整需要专门的知识和技能，并不容易。
对此，在实施形态所涉及的光学式粒子检测装置中，由于p侧衬垫电极107的像通过光纤2而变淡，所以即使因维护而更换光源1，被照射至粒子上的光的强度的面内分布的变化也基本没有发生。因此，即使更换光源1，也能够省去调整照射侧平行光透镜11、照射侧聚光透镜12、检测侧平行光透镜13、以及检测侧聚光透镜14的工夫。
（其他实施形态）
如上所述，通过实施形态对本发明进行了记载，但不应该理解为构成该揭示的一部分的记述以及附图是对本发明的限定。根据该揭示，各种代替实施形态、实施形态以及运用技术对本领域技术人员来说应该是显而易见的。例如，光纤至框体的固定方法是任意的，也可以如图11所示，通过粘接剂33将光纤2固定在框体31上。光纤2的端面也可以被研磨。又，在图1中，作为对荧光进行聚光的手段，示出了作为凹面镜的聚光镜15，但也可以通过球面镜和透镜的组合来对荧光进行聚光。或者，也可以配置椭圆镜，在椭圆镜的第一焦点横穿光和气流，在第二焦点对荧光进行受光。这样，应该理解为本发明包含在此没有记载的各种实施形态等。
符号说明
1 光源
2 光纤
3 喷射机构
10 光源聚光透镜
11 照射侧平行光透镜
12 照射侧聚光透镜
13 检测侧平行光透镜
14 检测侧聚光透镜
15 聚光镜
16 散射光检测部
17 荧光检测部
20 光源装置
21 框体
22 光纤连接器
30 检测装置
31 框体
32 光纤连接器
33 粘接剂
40 屏幕
41 摄像机
42 长焦距镜头
101 基板
102 n-氮化物半导体层
103 发光层
104 p-氮化物半导体层
105 透明电极
106 n侧衬垫电极
107 p 侧衬垫电极
108 保护膜。

Claims (24)

1.一种光学式粒子检测装置，其特征在于，具有：
发光的光源；
对所述光进行传播的光纤；
对从所述光纤的端部射出的所述光进行聚光的照射侧聚光透镜；以及
使由所述照射侧聚光透镜聚光的光横穿包含粒子的气流的喷射机构。
2.如权利要求1所述的光学式粒子检测装置，其特征在于，
所述光纤为多模光纤。
3.如权利要求1或2所述的光学式粒子检测装置，其特征在于，
所述光纤的长度被设定为，使得从所述光纤的端部射出的所述光的截面的光量从中心对称地分布。
4.如权利要求3所述的光学式粒子检测装置，其特征在于，
从所述光纤的端部射出的所述光的截面的光量示出正态分布。
5.如权利要求3所述的光学式粒子检测装置，其特征在于，
从所述光纤的端部射出的所述光的截面的光量示出矩形的分布。
6.如权利要求3所述的光学式粒子检测装置，其特征在于，
从所述光纤的端部射出的所述光的截面的光量示出梯形的分布。
7.如权利要求1或2所述的光学式粒子检测装置，其特征在于，
所述光源为发光二极管。
8.如权利要求7所述的光学式粒子检测装置，其特征在于，
所述发光二极管具有发光层和配置在所述发光层上的衬垫电极，
所述光纤的长度被设定为，使得在从该光纤的端部射出的光中，所述衬垫电极的像消失。
9.如权利要求1或2所述的光学式粒子检测装置，其特征在于，
还具有对由于所述粒子而散射的光进行检测的散射光检测部。
10.如权利要求1或2所述的光学式粒子检测装置，其特征在于，
还具有对被照射了所述光的所述粒子所发出的荧光进行检测的荧光检测部。
11.如权利要求1或2所述的光学式粒子检测装置，其特征在于，
还具有被配置在所述光纤和所述照射侧聚光透镜之间的、使得从所述光纤的端部射出的所述光成为平行光的照射侧平行光透镜。
12.如权利要求1或2所述的光学式粒子检测装置，其特征在于，
还具有使横穿了所述气流的所述光成为平行光的检测侧平行光透镜。
13.如权利要求1或2所述的光学式粒子检测装置，其特征在于，
还具有对横穿了所述气流的所述光进行聚光的检测侧聚光透镜。
14.一种粒子的检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
从光源发光的步骤；
利用光纤对所述光进行传播的步骤；
对从所述光纤的端部射出的所述光进行聚光的步骤；以及
使所述被聚光的光横穿包含粒子的气流的步骤。
15.如权利要求14述的粒子的检测方法，其特征在于，
所述光纤为多模光纤。
16.如权利要求14或15所述的粒子的检测方法，其特征在于，
所述光纤的长度被设定为，使得从所述光纤的端部射出的所述光的截面的光量从中心对称地分布。
17.如权利要求16所述的粒子的检测方法，其特征在于，
从所述光纤的端部射出的所述光的截面的光量示出正态分布。
18.如权利要求16所述的粒子的检测方法，其特征在于，
从所述光纤的端部射出的所述光的截面的光量示出矩形的分布。
19.如权利要求16所述的粒子的检测方法，其特征在于，
从所述光纤的端部射出的所述光的截面的光量示出梯形的分布。
20.如权利要求14或15所述的粒子的检测方法，其特征在于，
所述光源为发光二极管。
21.如权利要求20所述的粒子的检测方法，其特征在于，
所述发光二极管具有发光层和配置在所述发光层上的衬垫电极，
所述光纤的长度被设定为，使得在从该光纤的端部射出的光中，所述衬垫电极的像消失。
22.如权利要求14或15所述的粒子的检测方法，其特征在于，
还具有对由于所述粒子而散射的光进行检测的步骤。
23.如权利要求14或15所述的粒子的检测方法，其特征在于，
还具有对被照射了所述光的所述粒子所发出的荧光进行检测的步骤。
24.如权利要求14或15所述的粒子的检测方法，其特征在于，
在对从所述光纤的端部射出的所述光进行聚光的步骤之前，还包含有使从所述光纤的端部射出的所述光成为平行光的步骤。
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