JP2001264232A

JP2001264232A - 微粒子測定方法およびその装置

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Publication number: JP2001264232A
Application number: JP2000077516A
Authority: JP
Inventors: Isao Shimizu; 勲清水
Original assignee: Japan Science and Technology Corp
Current assignee: Japan Science and Technology Agency
Priority date: 2000-03-21
Filing date: 2000-03-21
Publication date: 2001-09-26
Anticipated expiration: 2020-03-21
Also published as: JP3771417B2

Abstract

(57)【要約】【課題】大容量の流体（媒質）中に混在するサイズが数
ミクロン（μｍ）からサブミクロン（μｍ）あるいは数
ナノメートル（ｎｍ）の微量の微粒子の検出に好適な微
粒子測定方法およびその装置を提供する。【解決手段】可干渉多波長光が混合されたレーザ光束
を、平行走査して広いレーザ光照射領域と二つの凸レン
ズで広い測定視野をつくり、そのレーザ光照射領域内に
被検査流体を流し、その流体の広い測定視野中の粒子の
光散乱や光回折パターンから粒子の複数の形状や寸法の
識別を、光熱偏向分光から組成ごとの粒子サイズと存在
位置の計測を同時に行うことを特徴とする微粒子測定方
法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は大容量の流体（媒
質）中に混在する、サイズが数ミクロン（μｍ）からサ
ブミクロン（μｍ）あるいはサイズが数十ナノメートル
（ｎｍ）以下の微量の微粒子の検出に好適な微粒子測定
方法およびその装置に関するものであり、特に可干渉多
波長光が混合された通常に射出される細いレーザ光束
を、またはレーザスポット径が数１００μｍ以下の微細
で光強度の強い光束を、平行走査して広いレーザ光照射
領域をつくり、粒子による光散乱の検出部とあわせて広
い測定視界を形成し、これを利用して微粒子の複数の形
状や寸法の識別、組成毎の粒子サイズ、さらには各形状
・寸法粒子ごとの存在位置の計測を、同時に瞬時に行う
ことができる微粒子測定方法およびその装置に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、微細粒子などの形状、サイズ
等を観察する手法として顕微鏡観察が良く知られてい
る。例えば、数リットルの水道中に数個混在するサイズ
が数μｍのクリプトスポリジウム原虫などを検出するた
めに、従来は多量の水道水をフィルタで濾して異物を捕
らえ、これらの異物に着色して顕微鏡観察しながら原虫
を検出していた。しかし、顕微鏡などを用いて人間の眼
で粒子の形状・サイズを検出する方法は長時間識別が困
難であり、ひとの習熟度によっては客観的識別が困難で
あり、測定に膨大な時間と労力を要した。

【０００３】また、光散乱等の粒子径測定法で原虫や生
体細胞を検出しようとする場合には、通常、Ｍ１Ｅ散乱
粒子カウント法で（数百μｍ）³程度の微細な測定体積
中に入る細胞粒子などの散乱光強度から粒子径を推定し
ているが、このような通常の光散乱法では粒子の形状の
識別ができない。

【０００４】さらに、本発明者らが開発してきた粒子の
形状識別法である多重マッチトフィルタ法では測定視界
が小さく、空間で三次元的に広く分布する微細な被測定
粒子をその測定視界に導くために測定器自体を動かす
か、粒子を微細な測定視界に吸引せねばならず測定に多
くの時間が必要である。

【０００５】また極微細粒子の組成別サイズ測定法であ
る２光束光熱偏向分光法ではレーザ光をレンズで絞って
測定視界としているため、その微細な測定視界中の粒子
しか測定できず、更に粒子サイズ識別のための偏向位置
検出をフーリエ変換面で行えば簡便に偏向位置が測定さ
れるということがわからず、プローブ光偏向位置測定に
光検出の適切な方法が無く、複雑な光電測定システムを
用いなければならず粒子サイズ測定が困難であるという
欠点があった。

【０００６】このようなことから、生体細胞などの微粒
子の組成別サイズや形状を従来の方法で測定するために
は小さな視野で微弱な光散乱強度の検出や、粒子画像処
理法が行われなければならず、大容量媒体中に存在する
微量の微粒子の形状、サイズ、組成の１項目ごとの測定
にも膨大な測定時間と労力を要し、実際上では組成ごと
の粒子のサイズや形状の大視野識別はほとんど不可能で
あった。

【０００７】一方、近年においてｎｍオーダの生体細胞
や薬剤粒子などの組成別粒子サイズの測定は極微小視界
での測定法の開発研究が始まったばかりである。特に、
水道水の源流中にクリプトスポリジウム原虫などが存在
するか否かを大量の水の中から迅速に検出する技術、大
気中に懸濁する杉花粉などの粒子を大量の空気中から非
接触で迅速に測定する技術、掃除機で吸引した空気中に
入ったアレルゲン粒子としての家ダニの非接触迅速自動
測定技術など、大量の媒質中に存在する数μｍ程度以上
の形状・サイズ別粒子群の非接触迅速測定は，従来の技
術では解決が不可能であり、社会的に緊急にその技術の
開発が望まれている。また、高度医療技術として薬剤や
遺伝子を細胞のレセプタに運ぶ数ｎｍから数百ｎｍのリ
ポゾームの測定や，抗体や薬剤の細胞レセプタとの相互
作用の観測などを可能にする技術開発が医学、薬学、生
物学などで学術的にも社会的にも緊急に必要とされてい
る。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記のような
緊急な医学的・社会的な問題を解決するためになされた
ものであり、その特徴は可干渉多波長光が混合された通
常に射出される細いレーザ光束を、またはレーザスポッ
ト径が数１００μｍ以下の微細で光強度の強い光束を、
平行走査して広いレーザ光照射領域をつくり、粒子によ
る光散乱の検出部とあわせて広い測定視界を形成し、測
定視野中の微粒子の光散乱や光回折パターンから粒子の
複数の形状や寸法の識別を、また光熱偏向分光から組成
ごとの粒子サイズおよび各形状・寸法粒子ごとの存在位
置の計測を、同時に瞬時に行うものである。

【０００９】粒子形状と粒子径寸法の同時識別は粒子に
よる光回折パターンの形状と拡がりから識別することが
できる。粒子群の形状・サイズの識別は具体的には一枚
のホログラムである多重マッチトフィルタを用いた多重
マッチトフィルタ法で行われる。多重マッチトフィルタ
は識別したい粒子群の形状・サイズを持つ複数の参照粒
子群からの光回折パターンを一枚のホログラムに搭載し
たものである。従来の多重マッチトフィルタ法では通常
のあるいは拡大した１本のレーザの平行光束中の凸レン
ズの前焦点面に入った粒子が識別されるが、その測定視
野は必ずしも広くない。本発明では被測定粒子がレンズ
の前焦点面に限らず測定容器内の焦点面を外れた何処に
あっても平行走査の照射レーザ光中にあれば、粒子形状
・粒子サイズが測定できる。その理由は粒子からの光回
折パターンはフーリエ変換レンズの後焦点面では同一形
状・同一サイズの粒子が何処にあっても全く同じ形状・
同じ拡がりをするからフーリエ変換レンズの後焦点面に
多重マッチトフィルタを設置すれば、マッチトフィルタ
の後に設置した像形成レンズの後焦点面の点対称の位置
に識別自己相関光が出現することを利用すればよい。な
お、被測定粒子が測定容器内の焦点面の前または後にあ
れば、自己相関光の出現位置（焦点位置）はＦａ３の前
または後となる。

【００１０】また、粒子組成ごとの粒子サイズおよび各
形状・寸法粒子ごとの存在位置の計測は、光強度は弱い
が光強度の時間的変動がなく一定の強さであるプローブ
光と強くて粒子に共鳴吸収され易いポンプ光を光軸を合
わせて照射すればポンプ光は粒子に共鳴吸収されて粒子
は熱せられ、同軸で粒子に照射されていたプローブ光が
熱による屈折率変化で粒子サイズに応じて曲げられる。
この光熱偏向分光法を用いることで、粒子からの光熱偏
向を凸レンズの後焦点面でその拡がりを自動的に検出す
るか、または光強度変換して、偏向角から粒子径サイ
ズ、存在位置の自動測定を可能にする。

【００１１】本発明は上述の二つの方法を同時に三次元
的に大視野で行う手段を提供するものである。即ち、コ
ヒーレントなポンプ光とプローブ光の可干渉多波長光
（少なくとも２波長レーザ光）を同軸で混合し平行走査
して意図的に大視野を作り被識別粒子に照射するという
大視野測定法を行う。レーザ光を平行照射する理由は光
束の扇型走査等を行うと、光束走査領域が重なったり走
査しない領域ができたり、また扇型走査は空間での光線
の時間的存在密度が異なり、同種同一径粒子であっても
散乱光の単位時間当たりの強度が空間によって異なり、
それらによって正確な粒子測定が困難になるためであ
る。さらに平行走査する理由は受光光学系の構成を容易
にするためである。

【００１２】なお、照射レーザ光は走査光の代わりにシ
ート状平行光などの強い拡大平行光束を用いてもよい。
さらに発明は、大視野中での粒子群を同時に識別するた
めに、形状・サイズは広い測定視野中での粒子による光
散乱や光回折パターンを、また組成別粒子サイズはポン
プ光の組み合わせによる広い視野を有する独自の受光光
学系により１点に集めて、それを１枚の多重マッチトフ
ィルタまたは位置傾斜光強度フィルタで識別しＣＣＤア
レイセンサで同時実時間で判別する。

【００１３】粒子形状の識別を主眼とするときには、被
識別粒子は剪断流路を流れて姿勢制御する方法をとって
もよい。即ち、透明ガラス流路の上下幅を狭く上下を平
行平面ガラスで構成して水平に広い流路をつくり下から
流れに対して垂直に一次元走査されるレーザ光（または
拡大平行レーザ光束）を照射して流れる媒質中に存在す
る微粒子が必ず走査レーザ光束を横切るようにする。流
路は平行平面ガラスで流れる媒質に剪断力をかけ媒質中
の流路の姿勢制御を行うようになっている。走査レーザ
光束中を姿勢制御された粒子が通過する時ポンプ光に光
回折パターンが現れる。そのポンプ光の光回折パターン
を流路中心を前焦点として設置された開口の大きな凸レ
ンズで構成されるフーリエ変換光学系で受ければ、凸レ
ンズの後焦点面にそれぞれの流路からのポンプ光の光回
折パターンが凸レンズの光軸中心を中心として重なって
現れる。これを１枚の多重マッチトフィルタで識別すれ
ば粒子群のサイズや形状が実時間で自己相関光の輝点と
してそれぞれの粒子形状識別領域に粒子存在位置と点対
称に現れる。これらの相関光群をイメージインテンシフ
ァイア付き高速度ＣＣＤカメラで撮りこみディスプレイ
上に表示すればそれぞれの形状・サイズ毎の粒子の存在
位置がｉｎ−ｓｉｔｅに測定される。なお、高速度ＣＣ
Ｄカメラからの信号をデジタル処理して各形状・サイズ
の粒子がどこに存在するかをコンピュータ画面上に表示
することもできる。なお、フーリエ変換光学系の前に短
焦点のレンズアレイまたは短焦点の凸レンズと比較的焦
点の長い凸レンズを組み合わせたリレーレンズ系を置い
てもよい。

【００１４】被測定粒子がｎｍオーダで非常に小さいと
きには、光回折パターンを識別に使えないから、粒子の
組成別サイズ識別に多光束光熱偏向分光法を用いる。粒
子の測定容器は比較的広くて深い透明ガラス製であって
もよい。可干渉性の多波長同軸レーザ光を容器中に平行
走査し、走査光を前方光散乱測定光学システムと同じ光
学系で観測する。走査平行光束中に微粒子が入ったとき
ポンプ光は共鳴吸収され光熱効果によりプローブ光は偏
向を受ける。プローブ光のその偏向を凸レンズで構成す
るフーリエ変換光学系で集光し、凸レンズの後焦点面に
設置された位置傾斜光強度フィルタを通してさらに凸レ
ンズで集光すれば最後尾凸レンズの後焦点面に粒子のサ
イズに比例した光度で粒子位置と点対称の位置に識別信
号光の光点が現れる。なお、粒子サイズ識別には、粒子
の大きさに対応して光軸の外側に偏向するプローブ光
を、光軸より外側に行くに従って光透過度が高くなるよ
うに設定された位置傾斜光強度フィルタを信号光のフー
リエ変換面に設置する。それは、粒子が測定視界のどこ
にあっても同サイズの粒子からの偏向光はフーリエ変換
面では必ず同じ位置を通るという理由による。位置傾斜
光強度フィルタを通った偏向光はさらにフーリエ変換面
を前焦点とする凸レンズで集光されてレンズの後焦点面
に被測定粒子があった位置と点対称の位置に粒子像がサ
イズに比例した光強度で現れる。このようにして本発明
は、組成毎の粒子のサイズと位置を同時に識別すること
ができるという独創的なシステムを構築している。

【００１５】

【課題を解決するための手段】このため、本発明が採用
した技術解決手段は、レーザ光束を、平行走査して広い
レーザ光照射領域をつくり、そのレーザ光照射領域内に
被検査流体を流し、その流体の測定視野中の粒子の光散
乱や光回折パターンから粒子の複数の形状や寸法の識別
を測定する微粒子測定方法であり、コヒーレントなポン
プ光とプローブ光のレーザ光を同軸で混合して光レール
上に射出されるレーザ光束と、このレーザ光束を平行走
査する走査手段と、前記走査手段の後方に配置される被
測定流体と、被測定流体を透過した光束を吸収する遮光
板と、前記被測定流体中の粒子の光散乱や光回折パター
ンから粒子の複数の形状や寸法を識別する多重マッチト
フィルタを備えてなることを特徴とする微粒子測定装置
であり、可干渉多波長光が混合されたレーザ光束を、平
行走査して広いレーザ光照射領域をつくり、そのレーザ
光照射領域内に被検査流体を流し、その流体の測定視野
中の粒子の光熱偏向分光から粒子の組成、サイズと組成
・サイズ別の存在位置の計測を行うことを特徴とする微
粒子測定方法であり、コヒーレントなポンプ光とプロー
ブ光のレーザ光を同軸で混合して光レール上に射出され
るレーザ光束と、このレーザ光束を平行走査する走査手
段と、前記走査手段の後方に配置される被測定流体と、
被測定流体を透過した光束を吸収する遮光板と、前記被
測定流体の粒子の光熱偏向分光から粒子の組成、サイズ
と組成・サイズ別の存在位置の計測を行う位置傾斜強度
フィルタとを備えてなることを特徴とする微粒子測定装
置であり、可干渉多波長光が混合されたレーザ光束を、
平行走査して広いレーザ光照射領域をつくり、そのレー
ザ光照射領域内に被検査流体を流し、その流体の測定視
野中の粒子の光散乱や光回折パターンから粒子の複数の
形状や寸法の識別を、光熱偏向分光から組成別粒子のサ
イズと存在位置の計測を同時に行うことを特徴とする微
粒子測定方法であり、前記レーザ光束はレーザスポット
径が数１００μｍ以下の微細で光強度の強いレーザ光束
であることを特徴とする微粒子測定方法であり、前記粒
子の光散乱や回折パターンは多重マッチトフィルタによ
って計測することを特徴とする微粒子測定方法であり、
前記粒子の光熱偏向分光は位置傾斜強度フィルタによっ
て計測することを特徴とする微粒子測定方法であり、コ
ヒーレントなポンプ光とプローブ光のレーザ光を同軸で
混合して光レール上に射出されるレーザ光束と、このレ
ーザ光束を平行走査する走査手段と、前記走査手段の後
方に配置される被測定流体と、被測定流体を透過した光
束を吸収する遮光板と、前記被測定流体の粒子からの光
散乱や光回折パターンと被測定流体中の粒子の光熱偏向
分光とを分離するハーフミラーと、被測定流体中の粒子
の光散乱や光回折パターンから粒子の複数の形状や寸法
を識別する多重マッチトフィルタと、被測定流体中の粒
子の光熱偏向分光から粒子サイズと存在位置の計測を行
う位置傾斜強度フィルタとを備えてなることを特徴とす
る微粒子測定装置であり、前記ハーフミラーは特定波長
だけを透過または反射するダイクロイックミラーである
ことを特徴とする微粒子測定装置であり、前記走査手段
はガルバノミラー、シリコンマイクロ光スキャナーまた
はポリゴンミラーであることを特徴とする微粒子測定装
置であり、コヒーレントなポンプ光とプローブ光のレー
ザ光を同軸で混合して光レール上に射出されるレーザ光
束と、このレーザ光束を平行走査する走査手段と、前記
走査手段の後方に配置される被測定流体と、被測定流体
を透過した光束を吸収する遮光板と、前記被測定流体の
粒子からの光散乱や光回折パターンと被測定流体中の粒
子の光熱偏向分光とを分離するハーフミラーと、被測定
流体中の粒子の光散乱や光回折パターンから粒子の複数
の形状や寸法を識別する多重マッチトフィルタと、被測
定流体中の粒子の光熱偏向分光から粒子サイズと存在位
置の計測を行う位置傾斜強度フィルタと、前記多重マッ
チトフィルタ上に前焦点がある凸レンズと、前記傾斜光
強度フィルタ上に前焦点のある凸レンズと、前記多重マ
ッチトフィルタ上に前焦点がある凸レンズに隣接して前
側に配置した変形回折格子フィルタと、前記傾斜光強度
フィルタ上に前焦点のある凸レンズに隣接して前側に配
置した変形回折格子フィルタとを備え、さらに各凸レン
ズの後焦点面に撮像装置を設けたことを特徴とする微粒
子測定装置である。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下図面を参照して本発明の実施
形態について説明すると、図１は粒子の組成、形状、粒
度、空間分布、挙動などの計測を行う第１実施形態に係
る微粒子測定装置の光学系構成図である。

【００１７】図において、１は一本の光学レール、２は
光学台上に載せられたポンプ光源、３は光学台上にのせ
られたプローブ光源３であり、ポンプ光源２およびプロ
ーブ光源３からは強いシングルモードのレーザ光が射出
される。また光学レール上には光走査用ミラー（例えば
ガルバノミラー）５、凸レンズ６が、さらに、凸レンズ
６の後方には被測定流体が流れる流路７、平行光束を吸
収する遮光板８が配置される。遮光板８の後方にはプロ
ーブ光とポンプ光とを分離するハーフミラー９が配置さ
れており、さらにハーフミラー９の透過光軸上には、流
路７内に前焦点Ｆ１を持ち、後焦点がＦａ２である凸レ
ンズ１０が配置される。そして前記凸レンズ１０の後焦
点Ｆａ２位置に、粒子の形状・サイズを識別する多重マ
ッチトフィルタ１２が配置され、さらにハーフミラー９
の反射光軸上には凸レンズ１１、粒子サイズに対応した
偏向角に比例した光強度を抽出する傾斜光強度フィルタ
１３、凸レンズ１５が配置される。なお、多重マッチト
フィルタ１２は光導電プラスチックホログラム（ＰＰ
Ｈ）自動現像装置の感光面を凸レンズ１０の後焦点面に
置いて、参照光と流路中の被識別粒子測定位置に置いた
参照形状粒子からでる光散乱や光回折パターンとで作成
されるホログラムとすることができ、このときホログラ
ム作成用の参照光はハーフミラー１６、ミラー２４、２
５、凸レンズ１７、ミラー１８、凸レンズ１９、ミラー
２０等を用いて作成された拡大平行光として照射される
ようにする。また、凸レンズ１４、１５の後焦点Ｆａ
３、Ｆｂ3面を中心に出現する被識別信号光群はそれぞ
れＣＣＤカメラ等で取り込まれ、データ処理・表示器上
に測定結果が表示することができる。

【００１８】以上の構成からなる微粒子測定装置の作動
を説明すると、光学台に載せられたそれぞれのレーザ
２、３から射出される強いシングルモードのポンプ光と
プローブ光はハーフミラー１６やミラー２１、２２、２
３を用いて光軸を合わせて混合された１本のレーザ光線
となり、焦点距離の比較的長い凸レンズ４を通ってガル
バノミラー５に照射される。ガルバノミラー５で反射さ
れたレーザ光線は凸レンズ６を通って、扇形に広がらず
平行で被識別物体よりも大きく、凸レンズ４と凸レンズ
６の焦点距離の比によって決定される直径を持った強い
光束として一次元的に平行に走査される。なお、凸レン
ズ４の後焦点面および凸レンズ６の前焦点はいずれも光
走査ミラー５上にある。

【００１９】走査光束は鉛直に流れる（図面の紙面に対
して垂直方向へ流れる）流路７の側面から流れに直交す
る断面で２次元的に照射される。即ち、流路７に流れ方
向と垂直に走査される。流路７は平行平面ガラスで形作
られており、流路７は、幅広くとってもよく、また、左
右の幅を狭くしたせん断流路であってもよい。左右の幅
を狭くするのは流体中に懸濁している粒子がせん断流中
を流れて姿勢制御されるように作られるためである。な
お走査光束は、流れに直交方向とある角度を持たせるこ
ともできる。この角度は流路中を流路方向に長い被識別
物体が通過するとき、これによる光回折パターンの拡が
りが流路と直交する方向に伸びるから、光回折パターン
が後述する遮光板８に妨げられないような配慮による。
走査される一次元平行光束は流路７のガラス側壁を通り
反対側面ガラス壁を通り抜けて遮光板８で吸収される。

【００２０】平行平板ガラスで形作られた流路を流れる
粒子が走査平行光束中に入ると、粒子によって光回折パ
ターンまたは光熱偏向光が生ずる。即ちサブミクロン以
上のサイズの粒子からは光回折パターンが観測され、サ
ブミクロン以下の極微細粒子ではポンプ光が粒子の共鳴
吸収光である場合にはプローブ光が光熱偏向を受ける。
その光回折パターンまたは光熱偏向光はハーフミラー９
を通り、流路を横切る走査光の流路中心部を前焦点とし
て設置された凸レンズ１０または凸レンズ１１あるいは
その両方によって集光される。

【００２１】具体的にはハーフミラー９を特定波長だけ
反射するダイクロイックミラーとして構成し、これによ
って粒子からの散乱光または光熱偏向分光光のうち、プ
ローブ光分を反射させ、ポンプ光分を透過させてそれぞ
れの波長光を凸レンズ１０または凸レンズ１１によって
ポンプ光の回折光とプローブ光の偏向光または回折光と
をそれぞれレンズの後焦点面Ｆａ２、Ｆｂ２に投射す
る。組成が同じで形状とサイズが同じ粒子は図２に示す
ように測定視野中のどこにあっても、それぞれの焦点面
Ｆａ２、Ｆｂ２上では回折光は同じ形状や拡がり角で同
じ位置に、光熱偏向光は同じ偏向角で同じ位置に、それ
ぞれの光軸を中心に現れる。このことから、Ｆａ２面上
に多重マッチトフィルタ１２を、Ｆｂ２面上に傾斜光強
度フィルタ１３を、設置すれば、回折光は多重マッチト
フィルタによって識別され、識別信号である相関光が凸
レンズ１４によって集光されて粒子の形状・サイズの識
別領域毎に現れる。なお、図２中で測定容器内の焦点面
Ｆ１の前または後に入った被測定粒子による自己相関光
の出現位置（焦点位置）はＦａ３の前または後になる。
また、光熱偏向分光は傾斜光強度フィルタを通って、粒
子サイズに対応した偏向角に比例した光強度が得られ、
それが凸レンズ１５で集光され、後焦点面を中心に粒子
サイズに比例した強度の光点が粒子位置と点対称に現れ
る。なお、凸レンズ１４、１５の前焦点はそれぞれＦａ
２、Ｆｂ２上にある。従って、自己相関光輝点の出現位
置によって粒子の形状・サイズ毎の位置がわかり、偏向
光像の強さと位置によって組成別の粒子サイズが分かれ
る。

【００２２】なお、多重マッチトフィルタは光導電プラ
スチックホログラム（ＰＰＨ）自動現像装置の感光面を
凸レンズ１０の後焦点面に置いて、参照光と流路中の被
識別粒子測定位置に置いた参照形状粒子からでる光散乱
や光回折パターンとで作成されるホログラムであっても
よい。このときホログラム作成用の参照光はハーフミラ
ー１６、凸レンズ１７、ミラー１８、凸レンズ１９、ミ
ラー２０等を用いて作成された拡大平行光を図のように
照射してもよい。また、レンズ１４、１５の後焦点Ｆａ
３、Ｆｂ3 面を中心に出現する被識別信号光群はそれぞ
れＣＣＤカメラ等で取り込まれ、データ処理・表示器上
に測定結果が表示される。

【００２３】また光軸中心に小さな遮光膜を置き、零次
光を遮光すれば走査平行光束と凸レンズとで形成される
測定視界に入った粒子による光散乱や光回折パターンま
たは光熱偏向光はより明瞭に観測される。粒子からの情
報光がそれぞれの光フィルタに当たれば、粒子形状と粒
度の情報や特定の組成を持つ粒子サイズごとの情報は実
時間で自動的に並列識別され，指定された形状・組成・
粒度ごとの識別番号が自己相関光と偏向信号光としてそ
れぞれの識別領域ごとに現れる。それらの信号光を見れ
ばいつどんな形状，粒度の粒子がまた、特定の組成を持
つ粒子がサイズごとにどこを通過したかが実時間で測定
される。

【００２４】つづいて、本発明の他の実施形態を説明す
ると、図３は第２実施形態、図４は第３実施形態の光学
系の構成図であり、第２実施形態は、第１実施形態中の
光回折パターンから粒子の複数の形状や寸法を識別する
測定方法および装置を、また第３実施形態は第１実施形
態中の光熱偏向分光から粒子サイズと存在位置の計測を
行う方法および装置を夫々独立させた光学系としたもの
であり、図中、第１実施形態と同じ部材には同一符号を
使用する。

【００２５】第２実施形態では、光学台に載せられたそ
れぞれのレーザ２、３から射出される強いシングルモー
ドのポンプ光とプローブ光は第１実施形態と同様に１本
のレーザ光線となり、焦点距離の比較的長い凸レンズ４
を通って光走査ミラー（ガルバノミラー）５に照射され
る。ガルバノミラー５で反射されたレーザ光線は凸レン
ズ６を通って、凸レンズ４と凸レンズ６の焦点距離の比
によって決定される直径を持った強い光束として一次元
的に平行に走査される。走査光束は鉛直に流れる流路７
の側面から流れに直交する断面で２次元的に照射され、
流路７のガラス側壁を通り反対側面ガラス壁を通り抜け
て遮光板８で吸収される。

【００２６】また、平行平板ガラスで形作られた流路を
流れる粒子が走査平行光束中に入ると、粒子によって光
回折パターンが生ずる。この光回折パターンを流路を横
切る走査光の流路中心部を前焦点として設置された凸レ
ンズ１０によって集光し後焦点面Ｆａ２に投射する。こ
のＦａ２面上に多重マッチトフィルタ１２を設置すれ
ば、多重マッチトフィルタに照射された回折光によって
生じた相関光が粒子の形状・サイズの識別領域毎に現
れ、これにより光散乱や光回折パターンから粒子の複数
の形状や寸法の識別することができる。

【００２７】第３実施形態では、レーザ２、３から射出
される強いシングルモードのポンプ光とプローブ光は１
本のレーザ光線となり、光走査ミラー（ガルバノミラ
ー）５に照射される。ガルバノミラー５で反射されたレ
ーザ光線は凸レンズ６を通って、凸レンズ４と凸レンズ
６の焦点距離の比によって決定される直径を持った強い
光束として一次元的に平行に走査される。走査光束は鉛
直に流れる流路７の側面から流れに直交する断面で２次
元的に照射され、流路７のガラス側壁を通り反対側面ガ
ラス壁を通り抜けて遮光板８で吸収される。

【００２８】平行平板ガラスで形作られた流路を流れる
粒子が走査平行光束中に入ると、粒子によって光回折パ
ターンまたは光熱偏向光が生ずる。サブミクロン以下の
極微細粒子ではポンプ光が粒子の共鳴吸収光である場合
にはプローブ光が光熱偏向を受ける。その光熱偏向光を
流路を横切る走査光の流路中心部を前焦点として設置さ
れた凸レンズ１０によって集光し、後焦点面Ｆｂ２に投
射する。Ｆｂ２面上に傾斜光強度フィルタ１３を設置す
ると光熱偏向分光は傾斜光強度フィルタ１３を通って、
粒子サイズに対応した偏向角に比例した光強度となり、
それが凸レンズ１５で集光され、同レンズ１５の後焦点
面を中心に粒子サイズに比例した強度の光点が粒子位置
と点対称に後焦点Ｆｂ3 面上あるいはその前後面上に出
現する。その被識別信号光群をそれぞれＣＣＤカメラ等
で取り込み、データ処理することで表示器上に測定結果
が表示される。

【００２９】また、識別結果を表示する相関信号光群の
三次元位置の測定は、走査ミラーで行うかまたは光収束
の前後位置を横方向にずらす機能を持つ変形回折格子フ
ィルタによって行う。この例（第４実施形態）を図５に
示す。図５において、符号３４、３５は凸レンズ１４、
１５に隣接して前側に配置した変形回折格子フィルタで
あり、他の構成は第１実施形態と同様である。この光学
系では、識別信号光の焦点深度方向のずれは凸レンズ１
４または凸レンズ１５の前に隣接して設置した変形回折
格子フィルタによって相関光スポットあるいは光熱偏向
光は走査光方向と垂直方向にずれてＦａ３、Ｆｂ３面上
に焦点を結ぶように設定されている。従って、同一径粒
子を大視野測定領域で測定した場合に粒子検出信号光の
位置は、照射光走査方向の位置の違いはＦａ３、または
Ｆｂ３面の光軸中心に照射光走査方向に粒子位置と点対
称にずれ、焦点深度方向の粒子位置の違いは光照射方向
と直交方向の位置のずれとして現れ、こうして識別結果
を表示する相関信号光群の三次元位置の測定を行うこと
ができる。

【００３０】以上本発明に係わる実施形態では、測定視
野中の微粒子の光散乱や光回折パターンから粒子の複数
の形状や寸法の識別方法と、多光束光熱偏向分光から組
成ごとの粒子サイズおよび各形状・寸法粒子ごとの存在
位置の計測を行う識別方法とを同時または別々に測定す
る形態について説明したが、図１に示す光散乱や光回折
パターン光学系Ｆａ２、多光束光熱偏向分光識別光学系
Ｆｂ２の位置を入れ替えることも可能である。なお、上
記各実施形態では、光走査ミラーに向けて照射されるレ
ーザ光は２波長光のものについて説明してあるが、この
レーザ光は可干渉多波長光とすることもでき、多波長と
することにより、被識別粒子の限界を広げることが可能
である。また、本発明はその精神または主要な特徴から
逸脱することなく、他のいかなる形でも実施できる。そ
のため、前述の実施形態はあらゆる点で単なる例示にす
ぎず限定的に解釈してはならない。

【００３１】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明によ
れば、微小粒子の空間分布やその粒子群の挙動を二次元
的大視野で定量測定することができ、二次元的視野を走
査することにより三次元的大視野で粒子群の空間分布や
挙動の定量測定ができる。また、粒子の形状測定、形状
・サイズごとの空間分布・数密度の測定、粒子の形状・
粒度ごとの挙動の測定あるいは粒子の組成ごとの粒度の
測定ができる。さらに、それぞれの粒子の屈折率に無関
係に粒子の形状・サイズの正確な測定ができる。具体的
には、たとえば水道水の源流中にクリプトスポリジウム
原虫などが存在するか否かを大量の水の中から迅速に検
出したり、大気中に懸濁する杉花粉などの粒子を大量の
空気中から非接触で迅速に測定したり、掃除機で吸引し
た空気中に入ったアレルゲン粒子としての家ダニを非接
触で迅速に測定することができる。このように本発明は
緊急な医学的・社会的な問題解決のために有効であり、
産業技術としても需要が多く、広く活用でき、本発明の
波及効果は非常に大である等々の優れた効果を奏するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態に係る粒子の組成、形
状、粒度、空間分布、挙動などの計測を行う微粒子測定
装置の光学系構成図である。

【図２】同じで形状とサイズが同じ粒子は測定視野中の
どこにあっても、それぞれの焦点面Ｆａ２、Ｆｂ２上で
は回折光は同じ形状や拡がり角で同じ位置に、光熱偏向
光は同じ偏向角で同じ位置に、それぞれの光軸を中心に
現れることを説明する図である。

【図３】第２実施形態の光学系の構成図である。

【図４】第３実施形態の光学系の構成図である。

【図５】第４実施形態の光学系の構成図である。

【符号の説明】

１光学レール２ポンプ光源３プローブ光源４凸レンズ５ガルバノミラー６凸レンズ７流路８遮光板９ハーフミラー１０凸レンズ１１凸レンズ１２多重マッチトフィルタ１３傾斜光強度フィルタ１４凸レンズ１５凸レンズ１６ハーフミラー１７凸レンズ１８ミラー１９凸レンズ２０ミラー３４、３５変形回折格子フィルタ

フロントページの続きＦターム(参考） 2F065 AA04 AA23 AA53 BB21 BB29 CC00 DD06 FF42 FF48 GG04 HH03 JJ03 JJ26 LL00 LL04 LL13 LL20 LL21 LL51 LL62 MM15 QQ21 QQ28 QQ32 QQ41 UU07 2G040 AB07 AB12 BA29 CA12 CA23 CB02 EA06 EB02 GA05 GA07 HA16 ZA05

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】レーザ光束を、平行走査して広いレーザ光
照射領域をつくり、そのレーザ光照射領域内に被検査流
体を流し、その流体の測定視野中の粒子の光散乱や光回
折パターンから粒子の複数の形状や寸法の識別を測定す
る微粒子測定方法。
【請求項２】コヒーレントなポンプ光とプローブ光から
なるレーザ光を同軸で混合して光レール上に射出される
レーザ光束と、このレーザ光束を平行走査する走査手段
と、前記走査手段の後方に配置される被測定流体と、被
測定流体を透過した光束を吸収する遮光板と、前記被測
定流体中の粒子の光散乱や光回折パターンから粒子の複
数の形状や寸法を識別する多重マッチトフィルタを備え
てなることを特徴とする微粒子測定装置。
【請求項３】可干渉多波長光が混合されたレーザ光束
を、平行走査して広いレーザ光照射領域をつくり、その
レーザ光照射領域内に被検査流体を流し、その流体の測
定視野中の粒子の光熱偏向分光から粒子の組成、サイズ
と組成・サイズ別の存在位置の計測を行うことを特徴と
する微粒子測定方法。
【請求項４】コヒーレントなポンプ光とプローブ光のレ
ーザ光を同軸で混合して光レール上に射出されるレーザ
光束と、このレーザ光束を平行走査する走査手段と、前
記走査手段の後方に配置される被測定流体と、被測定流
体を透過した光束を吸収する遮光板と、前記被測定流体
の粒子の光熱偏向分光から粒子の組成、サイズと組成・
サイズ別の存在位置の計測を行う位置傾斜強度フィルタ
とを備えてなることを特徴とする微粒子測定装置。
【請求項５】可干渉多波長光が混合されたレーザ光束
を、平行走査して広いレーザ光照射領域をつくり、その
レーザ光照射領域内に被検査流体を流し、その流体の測
定視野中の粒子の光散乱や光回折パターンから粒子の複
数の形状や寸法の識別を、光熱偏向分光から組成別粒子
のサイズと存在位置の計測を同時に行うことを特徴とす
る微粒子測定方法。
【請求項６】前記レーザ光束はレーザスポット径が数１
００μｍ以下の微細で光強度の強いレーザ光束であるこ
とを特徴とする請求項１、請求項３、請求項５のいずれ
か記載の微粒子測定方法。
【請求項７】前記粒子の光散乱や回折パターンは多重マ
ッチトフィルタによって計測することを特徴とする請求
項１または請求項５に記載の微粒子測定方法。
【請求項８】前記粒子の光熱偏向分光は位置傾斜強度フ
ィルタによって計測することを特徴とする請求項３また
は請求項５に記載の微粒子測定方法。
【請求項９】コヒーレントなポンプ光とプローブ光のレ
ーザ光を同軸で混合して光レール上に射出されるレーザ
光束と、このレーザ光束を平行走査する走査手段と、前
記走査手段の後方に配置される被測定流体と、被測定流
体を透過した光束を吸収する遮光板と、前記被測定流体
の粒子からの光散乱や光回折パターンと被測定流体中の
粒子の光熱偏向分光とを分離するハーフミラーと、被測
定流体中の粒子の光散乱や光回折パターンから粒子の複
数の形状や寸法を識別する多重マッチトフィルタと、被
測定流体中の粒子の光熱偏向分光から粒子サイズと存在
位置の計測を行う位置傾斜強度フィルタとを備えてなる
ことを特徴とする微粒子測定装置。
【請求項１０】前記ハーフミラーは特定波長だけを透過
または反射するダイクロイックミラーであることを特徴
とする請求項９に記載の微粒子測定装置。
【請求項１１】前記走査手段はガルバノミラー、シリコ
ンマイクロ光スキャナーまたはポリゴンミラーであるこ
とを特徴とする請求項２、請求項４、請求項９のいずれ
かに記載の微粒子測定装置。
【請求項１２】コヒーレントなポンプ光とプローブ光の
レーザ光を同軸で混合して光レール上に射出されるレー
ザ光束と、このレーザ光束を平行走査する走査手段と、
前記走査手段の後方に配置される被測定流体と、被測定
流体を透過した光束を吸収する遮光板と、前記被測定流
体の粒子からの光散乱や光回折パターンと被測定流体中
の粒子の光熱偏向分光とを分離するハーフミラーと、被
測定流体中の粒子の光散乱や光回折パターンから粒子の
複数の形状や寸法を識別する多重マッチトフィルタと、
被測定流体中の粒子の光熱偏向分光から粒子サイズと存
在位置の計測を行う位置傾斜強度フィルタと、前記多重
マッチトフィルタ上に前焦点がある凸レンズ１４と、前
記傾斜光強度フィルタ上に前焦点のある凸レンズ１５
と、前記多重マッチトフィルタ上に前焦点がある凸レン
ズ１４に隣接して前側に配置した変形回折格子フィルタ
３４と、前記傾斜光強度フィルタ１３上に前焦点のある
凸レンズ１５に隣接して前側に配置した変形回折格子フ
ィルタ３５とを備え、さらに各凸レンズ１４、１５の後
焦点面に撮像装置を設けたことを特徴とする微粒子測定
装置。