JP2000171384A

JP2000171384A - 粒子径分布の測定装置および粒子径分布の測定方法

Info

Publication number: JP2000171384A
Application number: JP11266061A
Authority: JP
Inventors: Tetsuji Yamaguchi; 哲司山口; Tatsuo Igushi; 達夫伊串
Original assignee: Horiba Ltd
Current assignee: Horiba Ltd
Priority date: 1998-09-29
Filing date: 1999-09-20
Publication date: 2000-06-23

Abstract

(57)【要約】【課題】演算手法を工夫することにより、粒子径
分布の算出精度を高め、再現性を高める粒子径分布の測
定装置および粒子径分布の測定方法を提供する。【解決手段】溶媒２ａ中に分散しブラウン運動する粒
子２ｂにレーザ光Ｌを照射する光源３と、前記粒子２ｂ
による散乱光Ｌｓのドップラーシフトによって生じた干
渉光Ｌｉを電気的な検出信号Ｄ（ｔ）に変換する検出器
８と、前記検出信号Ｄ（ｔ）を逆演算して粒子径分布Ｏ
を算出するデータ処理装置１２とを有する粒子径分布の
測定装置１において、前記データ処理装置１２が、前記
検出信号の自己相関関数Ｒ（τ）を求める演算部１４
と、この自己相関関数Ｒ（τ）のノイズ成分を除去し
て、この自己相関関数Ｒ（τ）を基に前記粒子の粒子径
分布Ｏを求める処理部１５とを有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、溶媒中に分散され
た粒子の粒子径分布を測定する粒子径分布の測定装置お
よび粒子径分布の測定方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、溶媒中に離散する粒子に対し
てレーザ光を照射し、粒子に当たって散乱した散乱光を
検出器に入射して、検出した散乱光をカウントすること
により、粒子の粒子径分布を測定すること（一般に、単
一光子相関法と呼ばれている）が行われている。また、
近年はブラウン運動する粒子に照射したレーザ光のドッ
プラーシフトにより生じる散乱光の干渉光を検出し、干
渉光の検出信号をフーリエ変換して周波数解析すること
により、粒子径分布の測定を行うことが提案されてい
る。（例えば、特開平３−１７０８４４号公報）

【０００３】図６（Ａ）〜（Ｃ）は、従来の粒子径分布
の測定結果を示す図である。図６（Ａ）は干渉光の検出
信号を示しており、図６（Ｂ）はこの検出信号をフーリ
エ変換して得られた干渉光の周波数分布（パワースペク
トル）を示している。このパワースペクトルは粒子の粒
径に応じたブラウン運動周波数の強度分布を示すローレ
ンツ分布をしており、このパワースペクトルを解析する
ことにより図６（Ｃ）に示すように、粒子サイズや粒子
径サイズ分布を算出することができる。上述のように検
出信号をフーリエ変換してパワースペクトルを算出する
ことにより、溶媒中に存在する粒子の数が多く、散乱光
に重なりが生じている場合であっても測定可能となる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図６
（Ｂ）に示すパワースペクトルには、溶媒全体の振動な
どの影響や、検出器の出力に含まれるノイズやアンプな
どの電気回路に加わるノイズなどのホワイトノイズに加
えて、電源ラインからのノイズなどが重畳する。一般的
に振動ノイズは周波数の逆数にほぼ比例する大きさにな
るものであり、周波数の低い部分においては大きなノイ
ズがパワースペクトルに現れる傾向がある。

【０００５】このため、上述のようなノイズが含まれた
パワースペクトルから粒子径分布を求めると、図６
（Ｃ）に仮想線で示す真の粒子径分布Ｏｔからずれた粒
子サイズの異なる粒子径分布Ｏｓを出力してしまった
り、本来は存在しないはずの実体のない粒子径分布Ｏｇ
が現れることもある。

【０００６】この点を考慮して、従来は求めたパワース
ペクトルや粒子サイズや粒子径サイズ分布を積算した
り、平滑化（スムージング）するなどして、ノイズの影
響をできるだけ除去するようにしている。ところが、ス
ムージングによりノイズを取り去るためには平滑化ルー
チンによる時間のかかる処理を行なう必要があった。こ
のため、リアルタイムの測定を行うことが難しかった。
さらに、このような平滑化処理では特に低周波領域にお
けるノイズの影響を十分に取り除くことは難しく、その
精度に限界があった。

【０００７】本発明は、上述の事柄を考慮に入れてなさ
れたものであって、その目的とするところは、演算手法
を工夫することにより、粒子径分布の算出精度を高め、
再現性を高める粒子径分布の測定装置および粒子径分布
の測定方法を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の粒子径分布の測定装置は、溶媒中に分散し
ブラウン運動する粒子にレーザ光を照射する光源と、前
記粒子による散乱光のドップラーシフトによって生じた
干渉光を電気的な検出信号に変換する検出器と、前記検
出信号を逆演算して粒子径分布を算出するデータ処理装
置とを有する粒子径分布の測定装置において、前記デー
タ処理装置が、前記検出信号の自己相関関数を求める演
算部と、この自己相関関数のノイズ成分を除去して、こ
の自己相関関数を基に前記粒子の粒子径分布を求める処
理部とを有することを特徴としている。これにより、ノ
イズの影響をその周波数に関係なく効果的に削減でき、
高精度の粒子径分布の算出が可能になる。なお、ここで
いう逆演算とは、周波数特性と応答関数と粒子径分布の
関係式である第１種フレドホルム積分方程式から粒子径
分布を求めることをいうのであって、コンボリューショ
ン積分から粒子径分布を求めるデコンボリューションと
は異なるものである。

【０００９】前記演算部が、前記干渉光の検出信号をフ
ーリエ変換してパワースペクトルを求め、更にこれを逆
フーリエ変換して前記検出信号の自己相関関数を求める
高速フーリエ変換器により構成される場合には、自己相
関関数を高速フーリエ変換器によって求めることがで
き、処理速度の向上とプログラムの簡素化を図ることが
できる。また、自己相関関数を求めるための特殊な装置
を設ける必要がなく、それだけ製造コストを削減でき
る。

【００１０】前記演算部が、前記干渉光の検出信号と、
この検出信号を時間的にずらしたものとの掛け算の積分
を計算することにより、時間的なずれに対する検出信号
の相関の程度を演算して自己相関関数を求める演算プロ
グラムである場合には、粒子径分布の測定装置の構成を
簡素化するとともに、前記演算プログラムを実行するＣ
ＰＵの演算速度が向上すると、それだけ処理速度が向上
するので容易に高速化を図ることができる。

【００１１】本発明の粒子径分布の測定方法は、溶媒中
に分散しブラウン運動する粒子にレーザ光を照射して、
前記粒子による散乱光のドップラーシフトによって生じ
た干渉光を電気的な検出信号に変換し、かつ、この検出
信号を逆演算することにより粒子径分布を算出する粒子
径分布の測定方法において、前記検出信号の自己相関関
数を求めて、この自己相関関数のノイズ成分を除去した
のちに、この自己相関関数を基に各粒子の粒子径分布を
求めることを特徴としている。検出信号を自己相関関数
に変換することによりノイズ成分をほぼ確実に除去する
ことができるので、従来のように平均化処理を行う必要
がなくなって処理速度が向上すると共に、高精度の粒子
径分布の算出が可能となる。

【００１２】なお、前記干渉光の検出信号をフーリエ変
換してパワースペクトルを求め、更にこれを逆フーリエ
変換して前記検出信号の自己相関関数を求めてもよい。
あるいは、前記干渉光の検出信号と、この検出信号を時
間的にずらしたものとの掛け算の積分を計算して、時間
的なずれに対する検出信号の相関の程度を演算すること
により自己相関関数を求めてもよい。

【００１３】

【発明の実施の形態】図１は本発明の第１実施例とし
て、粒子径分布の測定装置１の構成を示す図である。図
１において、２は溶媒２ａと測定対象の粒子２ｂを収容
するセル、３は前記粒子２ｂにレーザ光Ｌを照射する光
源、４は前記レーザ光Ｌをセル２内に集光させるレンズ
である。５は前記粒子２ｂによる散乱光のドップラーシ
フトによって生じた干渉光Ｌｉを反射するビームスプリ
ッタ、６は前記干渉光Ｌｉを集光するレンズ、７は偏光
板である。

【００１４】８は前記干渉光Ｌｉを電気的な検出信号に
変換する検出器、９はこの検出信号を増幅するアンプ、
１０はフィルタ、１１は検出信号Ｄ（ｔ）をデジタル信
号に変換するＡＤ変換器、１２は検出信号Ｄ（ｔ）をデ
ータ処理して粒子径分布Ｏを求めるデータ処理装置、１
３は求められた粒子径分布Ｏを表示する表示装置であ
る。

【００１５】前記データ処理装置１２は例えば干渉光の
検出信号をフーリエ変換してパワースペクトルＰ（ｆ）
を求める高速フーリエ変換器（以下、ＦＦＴ）１４と、
更にこれを逆フーリエ変換して前記検出信号の自己相関
関数Ｒ（τ）を求めるＩＦＦＴ１４を有している。ま
た、前記自己相関関数Ｒ（τ）からノイズ成分Ｎ（後述
する）を除去して、この自己相関関数を基に前記粒子の
粒子径分布を求める処理部１５を有している。

【００１６】上記構成により、レーザ光源から出たレー
ザ光Ｌは、ビームスプリッタ５およびレンズ４を通過し
てセル２の入射部壁面に集光する。このとき、図１の拡
大図に示すように、一部のレーザ光Ｌ（非散乱光）はセ
ル２の壁面２ｃで反射散乱し、壁面２ｃを通過したレー
ザ光Ｌｐは、溶媒２ａに分散されたブラウン運動する粒
子２ｂに当たり、このブラウン運動によってドップラー
シフトしたレーザ光Ｌｓ（拡散光）が散乱する。

【００１７】これら両光は互いに干渉し合って干渉光Ｌ
ｉとなり、レンズ３、ビームスプリッタ５、レンズ６お
よび偏光板７を通って検出器８上に集光する。偏光板７
はビームスプリッタ５によって反射された以外の光を偏
光方向を利用してカットする。そして、干渉光Ｌｉは、
検出器８で電気的な検出信号Ｄ（ｔ）に変換され、アン
プ９で増幅され、フィルタ１０によりフィルタリングさ
れた後にＡ／Ｄ変換器１１でデジタル値に変換される。
なお、壁面２ｃで反射拡散したレーザ光Ｌや拡散したレ
ーザ光Ｌｓも検出器８に集光されるが、両光は高周波の
光であるので、フィルタ１０によりそのＤＣ成分はカッ
トされる。

【００１８】図２（Ａ）〜（Ｄ）は例えば、前記粒子２
ｂが１種類の粒子径を有する場合の各部の波形を示すも
のであり、図２（Ａ）は検出信号Ｄ（ｔ）を示してい
る。図２（Ｂ）は前記検出信号Ｄ（ｔ）をＦＦＴ１４に
よってフーリエ変換して求めたパワースペクトルＳ
（ｆ）を示していている。さらに、図２（Ｃ）は前記パ
ワースペクトルＳ（ｆ）をＦＦＴ１４によって逆フーリ
エ変換して求めた自己相関関数Ｒ（τ）を示している。

【００１９】すなわち、自己相関関数Ｒ（τ）とパワー
スペクトルＳ（ｆ）との間には、Wiener-Khintchine の
公式により、下記の式（１）に示す関係があり、自己相
関関数Ｒ（τ）はパワースペクトルＳ（ｆ）の逆フーリ
エ変換によって得ることができる。本例ではこれらのフ
ーリエ変換をＦＦＴ１４によって行うことにより、デー
タ処理装置１２において煩雑な演算処理を行う必要がな
くなると共に、粒子径分布の測定装置１の構成をできる
だけ簡素にしている。

【００２０】図２（Ｃ）に示されるように、検出信号Ｄ
（ｔ）を自己相関関数Ｒ（τ）に変換することにより、
検出信号Ｄ（ｔ）に含まれるノイズ成分Ｎを横軸０の位
置にまとめることができ、横軸０の位置のデータを取り
除くことにより、ノイズＮによる影響をほぼ確実に除去
することができる。図２（Ｃ）において、仮想線で示す
曲線Ｒｍはデータ処理装置１２が記憶しているものであ
り、粒子径がＤμｍの粒子２ｂがｎ個あるときにおける
検出信号の自己相関関数が示す曲線を示している。

【００２１】従って、前記自己相関関数Ｒ（τ）を用い
て、溶媒と粒子のパラメータから算出した応答関数から
測定した粒子のサイズ分布を算出する分布演算処理（逆
演算）を行なうと、図２（Ｄ）に示すように、粒子径Ｄ
μｍの粒子２ｂがＮ個あることを示す粒子径分布Ｏを出
力することができる。

【００２２】図３（Ａ）〜（Ｃ）は例えば、前記粒子２
ｂが１種類の粒子径を有する場合の各部の波形を示すも
のであり、図３（Ａ）は検出器８による検出信号Ｄ
（ｔ）をＦＦＴ１４によってフーリエ変換して求めたパ
ワースペクトルＳ（ｆ）を示していている。さらに、図
３（Ｂ）は前記パワースペクトルＳ（ｆ）をＦＦＴ１４
によって逆フーリエ変換して求めた自己相関関数Ｒ
（τ）を示している。

【００２３】前記各信号の処理方法は図２（Ｂ）〜
（Ｄ）に示したものと同じであり、図３（Ｂ）に示すよ
うに、パワースペクトルＳ（ｆ）を自己相関関数にする
ことにより、検出信号Ｄ（ｔ）に含まれるノイズＮを横
軸０の位置にまとめて、ほぼ確実にノイズＮによる影響
を除去することができる。図３（Ｂ）において、仮想線
で示す曲線Ｒ₁，Ｒ₂はデータ処理装置１２が記憶して
いるものであり、それぞれ粒子径がＤ₁μｍの粒子２ｂ
がｎ₁個、粒子径がＤ₂μｍの粒子２ｂがｎ₂個あると
きにおける検出信号の自己相関関数が示す曲線を示して
いる。

【００２４】従って、前記自己相関関数Ｒ（τ）を用い
て、溶媒と粒子のパラメータから算出した応答関数から
測定した粒子のサイズ分布を算出する分布演算処理（逆
演算）を行なうと、図３（Ｃ）に示すように、粒子径Ｄ
₁μｍの粒子２ｂがｎ₁個，粒子径Ｄ₂μｍの粒子２ｂ
がｎ₂個あることを示す粒子径分布Ｏを出力することが
できる。

【００２５】上記何れの場合においても、検出信号Ｄ
（ｔ）をＦＦＴ１４によってフーリエ変換してパワース
ペクトルＰ（ｆ）を求めた後に、これを再びＦＦＴ１４
によって逆フーリエ変換して自己相関関数Ｒ（τ）を求
めている。したがって、粒子径分布の測定装置１の構成
や処理プログラムを複雑にすることなく、自己相関関数
Ｒ（τ）を高速に求めることができる。また、自己相関
関数Ｒ（τ）に変換された検出信号Ｄ（ｔ）には、溶媒
全体の振動などの影響や検出器の出力に含まれるノイズ
やアンプなどの電気回路に加わるノイズなどのホワイト
ノイズに加えて、電源ラインからのノイズが横軸０の位
置に集中するので、これを簡単に除去でき、粒子径分布
を精度良く求めることができる。

【００２６】なお、本発明は検出信号Ｄ（ｔ）から自己
相関関数Ｒ（τ）を求める処理をＦＦＴ１４によって行
うことに限定するものではない。すなわち、下記の式
（２）に示すように、前記干渉光Ｌｉの検出信号Ｄ
（ｔ）と、この検出信号Ｄ（ｔ）を時間的にτ秒間だけ
ずらしたものＤ（ｔ＋τ）との掛け算の積分を計算する
ことにより、時間的なずれ（τ秒）に対する検出信号Ｄ
（ｔ）の相関の程度を演算して、これを自己相関関数Ｒ
（τ）とする演算プログラムを実行するようにしてもよ
い。

【００２７】図４は図１に示した演算部１４を演算プロ
グラム１６によって構成する例を図示するものである。
なお、本例においてはデータ処理装置１２をマイクロコ
ンピュータの内部処理によって構成しており、処理部１
５の処理も、演算プログラム１６による自己相関関数の
演算も全てマイクロコンピュータのＣＰＵによって処理
されるものである。

【００２８】本例のように構成した場合、測定した検出
信号Ｄ（ｔ）から直接的に自己相関関数Ｒ（τ）を演算
することができ、ＦＦＴ１４などを用いる必要がないの
で、粒子径分布の測定装置１の構成を可及的に簡素にす
ることができる。また、前記演算プログラムによる処理
速度は、これに用いるＣＰＵの演算処理スピードに依存
するので、高速のＣＰＵを用いることによりレスポンス
を容易に向上することも可能である。

【００２９】なお、上述の例においては、検出器８が粒
子２ｂによる散乱光Ｌｓとセル２の壁面２ｃによる反射
光Ｌとの干渉光Ｌｉを検出しているが、本発明はこの干
渉光Ｌｉの検出方法を限定するものではない。すなわ
ち、図４に示すように構成してもよい。

【００３０】図５は第２実施例の粒子径分布の測定装置
１の一部拡大図である。図５において、図１と同じ符号
を付した部材は同一または同等の部材であるので、その
詳細な説明を省略する。すなわち、本例の光源３から照
射されたレーザ光Ｌはレンズ４によってセル２内に集光
し、ブラウン運動する粒子２ｂによって拡散すると共に
ドップラシフトしたレーザ光Ｌｓを拡散する（以下、拡
散光という）。前記拡散光Ｌｓは互いに干渉し合って干
渉光Ｌｉを生じさせ、これがレンズ６偏光板７を介して
検出器８に集光する。

【００３１】すなわち、ドップラーシフトした拡散光同
士で干渉光Ｌｉを発生させることにより、干渉光Ｌｉの
成分が検出器によって検出可能となる。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
検出信号を自己相関関数に変換することにより、検出信
号に含まれるノイズの影響をその周波数に関係なく効果
的に除去できるので、高精度の粒子径分布の算出が可能
となる。また、従来のように平均化処理を行う必要がな
いので、平滑化ルーチンもなくすことにより、積算回数
も低減できることから測定に要する時間が短くでき、粒
子径分布算出制度が向上する。

【００３３】さらに、前記検出信号をフーリエ変換し、
更にこれを逆フーリエ変換して前記検出信号の自己相関
関数を求める高速フーリエ変換器を用いた場合には、自
己相関関数を高速フーリエ変換器によって求めることが
でき、処理速度の向上とプログラムの簡素化を図ること
ができる。加えて、自己相関関数を求めるための特殊な
装置を設ける必要がなく、それだけ製造コストを削減で
きる。

【００３４】一方、前記干渉光の検出信号と、この検出
信号を時間的にずらしたものとの掛け算の積分を計算す
ることにより、時間的なずれに対する検出信号の相関の
程度を演算して自己相関関数を求める演算プログラムを
設けた場合には、粒子径分布の測定装置の構成を簡素化
できる。さらに、演算プログラムを実行するＣＰＵの演
算速度が向上すると、それだけ処理速度が向上するので
容易に高速化を図ることができる利点もある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例である粒子径分布の測定装
置を示すブロック図である。

【図２】前記測定装置の各部の処理内容を説明する図で
あり、（Ａ）は検出信号、（Ｂ）はパワースペクトル、
（Ｃ）は自己相関関数、（Ｄ）は粒子径分布を示してい
る。

【図３】前記測定装置において２成分の粒子２ｂが混在
する場合の処理内容を説明する図であり、（Ａ）はパワ
ースペクトル、（Ｂ）は自己相関関数、（Ｃ）は粒子径
分布を示している。

【図４】前記粒子径分布の測定装置の変形例を示す図で
ある。

【図５】本発明の第２実施例である粒子径分布の測定装
置の一部を示すブロック図である。

【図６】従来の粒子径分布の測定装置における処理内容
を説明する図であり、（Ａ）は検出信号、（Ｂ）はパワ
ースペクトル、（Ｃ）は粒子径分布を示している。

【符号の説明】

１…粒子径分布の測定装置、２ａ…溶媒、２ｂ…粒子、
３…光源、８…検出器、１２…データ処理装置、１４…
高速フーリエ変換器（演算部）、１５…処理部、１６…
演算プログラム（演算部）、Ｄ（ｔ）…検出信号、Ｌ…
レーザ光、Ｌｉ…干渉光、Ｌｓ…散乱光、Ｎ…ノイズ成
分、Ｏ…粒子径分布、Ｐ（ｆ）…パワースペクトル、Ｒ
（τ）…自己相関関数。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】溶媒中に分散しブラウン運動する粒子に
レーザ光を照射する光源と、前記粒子による散乱光のド
ップラーシフトによって生じた干渉光を電気的な検出信
号に変換する検出器と、前記検出信号を逆演算して粒子
径分布を算出するデータ処理装置とを有する粒子径分布
の測定装置において、前記データ処理装置が、前記検出
信号の自己相関関数を求める演算部と、この自己相関関
数のノイズ成分を除去して、この自己相関関数を基に前
記粒子の粒子径分布を求める処理部とを有することを特
徴とする粒子径分布の測定装置。
【請求項２】前記演算部が、前記干渉光の検出信号を
フーリエ変換してパワースペクトルを求め、更にこれを
逆フーリエ変換して前記検出信号の自己相関関数を求め
る高速フーリエ変換器により構成される請求項１に記載
の粒子径分布の測定装置。
【請求項３】前記演算部が、前記干渉光の検出信号
と、この検出信号を時間的にずらしたものとの掛け算の
積分を計算することにより、時間的なずれに対する検出
信号の相関の程度を演算して自己相関関数を求める演算
プログラムである請求項１に記載の粒子径分布の測定装
置。
【請求項４】溶媒中に分散しブラウン運動する粒子に
レーザ光を照射して、前記粒子による散乱光のドップラ
ーシフトによって生じた干渉光を電気的な検出信号に変
換し、かつ、この検出信号を逆演算することにより粒子
径分布を算出する粒子径分布の測定方法において、前記
検出信号の自己相関関数を求めて、この自己相関関数の
ノイズ成分を除去したのちに、この自己相関関数を基に
各粒子の粒子径分布を求めることを特徴とする粒子径分
布の測定方法。
【請求項５】前記干渉光の検出信号をフーリエ変換し
てパワースペクトルを求め、更にこれを逆フーリエ変換
して前記検出信号の自己相関関数を求める請求項４に記
載の粒子径分布の測定方法。
【請求項６】前記干渉光の検出信号と、この検出信号
を時間的にずらしたものとの掛け算の積分を計算して、
時間的なずれに対する検出信号の相関の程度を演算する
ことにより自己相関関数を求める請求項４に記載の粒子
径分布の測定方法。