JP2002031594A - 光散乱式粒子検出器 - Google Patents

光散乱式粒子検出器

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 Ｓ／Ｎ比を向上させた光散乱式粒子検出器を
提供する。 【解決手段】 試料流体にレーザ光Ｌａを照射して粒子
検出領域Ｄを形成し、この粒子検出領域Ｄを通過する粒
子による散乱光Ｌｓを受光アレイ５で受光して粒子を検
出する光散乱式粒子検出器において、受光アレイ５を複
数の光電素子Ｐｄ１〜Ｐｄｎを平面状に配列して円形状
に形成すると共に、これら複数の光電素子Ｐｄ１〜Ｐｄ
ｎの出力を加算処理する加算器６を設けた。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、粒子検出領域を通
過する粒子による散乱光を受光することにより粒子を検
出する光散乱式粒子検出器に関する。
【０００２】
【従来の技術】光散乱式粒子検出器において、散乱光を
受光した光電素子が出力する電気信号のＳ／Ｎ比（信号
対雑音比）は、光電素子のショットノイズの大きさに影
響される。また、ショットノイズの大きさは、光電素子
への入射光量に比例する。従って、背景光（背景分子散
乱光）が大きい場合には、光電素子のショットノイズが
大きくなり、Ｓ／Ｎ比が低下してしまう。
【０００３】ここでいう背景光とは、測定対象とする粒
子が含まれている媒質（例えば、空気や液体などの流
体）を構成する分子による散乱光や流体を流すためのフ
ローセルの壁面による散乱光などをいう。例えば、空気
分子は、大気圧下では１ｍｌ当り２．７×１０19個存在
する。これらによる散乱光の総和は、０．１μｍ粒子１
個による散乱光よりも大きくなる。従って、粒子を検出
する領域が広いほど１個の粒子を検出することが困難に
なる。一方、半導体用クリーンルームなどは、そのクリ
ーン度が向上しており、粒子の個数濃度は低く、より小
さい粒子の管理が必要とされている。
【０００４】このような問題を解決しようとした光散乱
式粒子検出器として、特許２７８６１８７号公報に記載
された粒子寸法検出装置が知られている。この粒子寸法
検出装置は、図５に示すように、受光手段として光電素
子１００を直線状に複数配列した受光アレイ１０１を用
い、集光レンズ１０２で粒子検出領域Ｄを通過する粒子
による散乱光Ｌｓを何れかの光電素子１００に結像させ
ると共に、受光アレイ１０１を形成する光電素子１００
の個数分だけ散乱光Ｌｓを結像した光電素子１００に入
射する背景光を減少させ、散乱光Ｌｓを結像した光電素
子１００のＳ／Ｎ比の低下を抑えようとしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図５に
示す粒子寸法検出装置においては、光電素子１００の個
数分だけ散乱光Ｌｓを結像した光電素子１００に入射す
る背景光を減少させることができるものの以下のような
問題点がある。 （１）限られた大きさの受光面積の中で光電素子１００
の個数を増やすと、Ｓ／Ｎ比が向上するが、光電素子１
００を直線状に配列する一次元配列の場合には個数の増
加に限界がある。また、光電素子間のギャップＧの幅は
小さいほど望ましいが実際にはギャップＧの幅に限界が
あるため、限られた大きさの受光面積の中で光電素子１
００の個数を増やすと、受光面積に占めるギャップＧの
割合が大きくなり正確な測定が困難になる。例えば、図
６に示すように、光電素子１００間に存在するギャップ
Ｇに、粒子による散乱光Ｌｓが像Ｐ１として結像する場
合があり、粒子を検出できない。
【０００６】（２）集光レンズ１０２に僅かでも収差が
あると、図６に示すように、ギャップＧを跨って隣接す
る光電素子１００に粒子による散乱光Ｌｓが像Ｐ２とし
て結像することも起こり得る。この場合、単一の粒子が
２つの粒子として、或いは小さな一つの粒子として検出
されてしまう可能性がある。
【０００７】本発明は、従来の技術が有するこのような
問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とすると
ころは、Ｓ／Ｎ比を向上させた光散乱式粒子検出器を提
供しようとするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決すべく請
求項１に係る発明は、試料流体に光ビームを照射して粒
子検出領域を形成し、この粒子検出領域を通過する粒子
による散乱光を受光手段で受光して粒子を検出する光散
乱式粒子検出器において、前記受光手段を複数の光電素
子で形成すると共に、これら複数の光電素子の出力を加
算処理する加算処理手段を設けたものである。
【０００９】請求項２に係る発明は、請求項１記載の光
散乱式粒子検出器において、粒子検出領域と複数の光電
素子との間に集光レンズを配置し、集光レンズの口径を
粒子検出領域に比べて十分に大きく形成すると共に粒子
検出領域を集光レンズの焦点に位置させ、粒子による散
乱光を集光レンズによって集光して光線束にし、この光
線束を複数の光電素子に入射させるものである。
【００１０】請求項３に係る発明は、請求項１記載の光
散乱式粒子検出器において、粒子検出領域を挟んで複数
の光電素子と対向する位置に凹面鏡を配置し、凹面鏡の
口径を粒子検出領域に比べて十分に大きく形成すると共
に粒子検出領域を凹面鏡の焦点に位置させ、粒子による
散乱光を凹面鏡によって集光して光線束にし、この光線
束を複数の光電素子に入射させるものである。
【００１１】請求項４に係る発明は、請求項１、２又は
３記載の光散乱式粒子検出器において、複数の光電素子
は直線状又は平面状に配列されているものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】以下に本発明の実施の形態を添付
図面に基づいて説明する。ここで、図１は本発明に係る
光散乱式粒子検出器の第１の実施の形態の構成図、図２
は本発明の概念説明図、図３は第１の実施の形態で視野
絞りを設けた場合の構成図、図４は本発明に係る光散乱
式粒子検出器の第２の実施の形態の構成図である。
【００１３】本発明に係る光散乱式粒子検出器の第１の
実施の形態は、図１に示すように、レーザ光Ｌａを出射
する光源としてのレーザ発振器１と、検出対象となる流
体により形成される流路２と、散乱光Ｌｓを受光する受
光部３を備えている。
【００１４】流路２は、検出対象となる粒子を含む流体
をアウトレットの下流に接続した吸引ポンプ（不図示）
が吸引することにより、流体がインレットからアウトレ
ットに流れることで形成される。レーザ光Ｌａと流路２
が交差する箇所が粒子検出領域Ｄとなる。なお、フロー
セル中に流体を流すことによっても流路２を形成するこ
とができる。
【００１５】受光部３は、粒子検出領域Ｄで生じる散乱
光Ｌｓを集光する集光レンズ４と、集光レンズ４が集光
した散乱光Ｌｓを光電変換する受光アレイ５と、受光ア
レイ５の出力を加算する加算器６などを備えている。
【００１６】集光レンズ４は、粒子検出領域Ｄに比べて
口径が十分に大きく形成され、焦点に粒子検出領域Ｄが
位置するように配置されている。従って、粒子検出領域
Ｄにおける粒子による散乱光Ｌｓは集光レンズ４によっ
て集光され、ほぼ平行な光線束にされて受光アレイ５に
入射することになる。
【００１７】受光アレイ５は、図２に示すように、ｎ個
の光電素子Ｐｄ１〜Ｐｄｎを平面状に配列して円形状に
形成したもので、光電素子Ｐｄ１〜Ｐｄｎが粒子検出領
域Ｄにおいて粒子に照射されたレーザ光Ｌａによって生
じる散乱光Ｌｓを集光レンズ４を介して受光し、光電変
換して散乱光Ｌｓの強度に応じた電気信号（電圧）を出
力する。この時、受光アレイ５は、集光レンズ４よって
散乱光Ｌｓをｎ個の光電素子Ｐｄ１〜Ｐｄｎの受光面全
体で受光する。
【００１８】加算器６は、散乱光Ｌｓを受光した各光電
素子Ｐｄ１〜Ｐｄｎが出力する電圧を加算し、出力す
る。光電素子Ｐｄ１〜Ｐｄｎの出力電圧は、散乱光Ｌｓ
に基づく電圧と、ノイズに基づく電圧からなる。散乱光
Ｌｓに基づく光電素子Ｐｄ１〜Ｐｄｎの出力電圧を、夫
々Ｅs1，Ｅs2，…Ｅsnとし、ノイズに基づく光電素子Ｐ
ｄ１〜Ｐｄｎの出力電圧を、夫々Ｅn1，Ｅn2，…Ｅnnと
すると、加算器６の出力電圧Ｅは、次に示す式（１）で
表される。
【００１９】 Ｅ＝（Ｅs1＋Ｅs2＋…＋Ｅsn）＋（Ｅn12＋Ｅn22＋…＋Ｅnn2）1/2 （１）
【００２０】式（１）において、散乱光Ｌｓに基づく電
圧Ｅs1，Ｅs2，…Ｅsnに関する項は単に加算され、これ
に対しノイズに基づく電圧Ｅn1，Ｅn2，…Ｅnnに関する
項は平方して加算した値の平方根となっている。この理
由は、散乱光Ｌｓに基づく電圧Ｅs1，Ｅs2，…Ｅsnは、
時間的に同期しており、一方ノイズに基づく電圧Ｅn1，
Ｅn2，…Ｅnnには、時間的同期性がないことによる。
【００２１】また、加算器６の出力電圧ＥのＳ／Ｎ比
は、次に示す式（２）で表される。
【００２２】 Ｓ／Ｎ＝（Ｅs1＋Ｅs2＋…＋Ｅsn）／（Ｅn12＋Ｅn22＋…＋Ｅnn2）1/2 （２）
【００２３】仮りに、散乱光Ｌｓに基づく電圧Ｅs1，Ｅ
s2，…Ｅsnが夫々１（Ｖ）で、ノイズに基づく電圧Ｅn
1，Ｅn2，…Ｅnnも夫々１（Ｖ）であるとすると、Ｓ／
Ｎ比は次に示す式（３）で表される。
【００２４】Ｓ／Ｎ＝ｎ／ｎ1/2＝ｎ1/2 （３）
【００２５】式（３）は、光電素子の個数ｎが増えれば
増えるほど、光散乱式粒子検出器のＳ／Ｎ比が高くなる
ことを示している。
【００２６】以上説明したように、第１の実施の形態に
よれば、粒子検出領域Ｄで生じる散乱光Ｌｓを、集光レ
ンズ４によってｎ個の光電素子Ｐｄ１〜Ｐｄｎからなる
受光アレイ５の受光面全体に集光させ、各光電素子Ｐｄ
１〜Ｐｄｎの出力電圧を加算器６で加算するので、光電
素子１００間に存在するギャップＧの影響を受けること
なく、高いＳ／Ｎ比が得られる。従って、この光散乱式
粒子検出器を、粒子計数装置や粒径分布測定装置などに
適用すれば、高精度の装置を実現できる。
【００２７】また、図３に示すように、粒子検出領域Ｄ
以外からの背景光が受光アレイ５に入射するのを規制す
るため、集光レンズ４と受光アレイ５の間にスリット
（視野絞り）７と集光レンズ８を配置することもでき
る。
【００２８】次に、本発明に係る光散乱式粒子検出器の
第２の実施の形態は、図４に示すように、レーザ光Ｌａ
を出射する光源としてのレーザ発振器１と、検出対象と
なる流体により形成される流路２と、散乱光Ｌｓを受光
する受光部１３を備えている。
【００２９】受光部１３は、粒子検出領域Ｄで生じる散
乱光Ｌｓを集光する凹面鏡１４と、凹面鏡１４が集光し
た散乱光Ｌｓを光電変換する受光アレイ５と、受光アレ
イ５の出力を加算する加算器６などを備えている。な
お、図１に示す符号と同一符号の要素は、同一要素なの
で説明は省略する。
【００３０】凹面鏡１４は、粒子検出領域Ｄに比べて口
径を十分に大きく回転放物面状に形成され、焦点に粒子
検出領域Ｄが位置するように配置されている。従って、
粒子検出領域Ｄは凹面鏡１４と受光アレイ５の間に位置
し、粒子検出領域Ｄにおける粒子による散乱光Ｌｓは凹
面鏡１４によって集光され、ほぼ平行な光線束にされて
受光アレイ５に入射することになる。
【００３１】受光アレイ５は、散乱光Ｌｓを光電変換
し、その強度に応じた電気信号（電圧）を出力する。こ
の時、受光アレイ５は、凹面鏡１４よって散乱光Ｌｓを
受光面全体で受光する。加算器６は、散乱光Ｌｓを受光
した各光電素子Ｐｄ１〜Ｐｄｎが出力する電圧を加算
し、出力する。その他の信号処理は、第１の実施の形態
と同様である。
【００３２】以上説明したように、第２の実施の形態に
よれば、粒子検出領域Ｄで生じる散乱光Ｌｓを、凹面鏡
１４によってｎ個の光電素子Ｐｄ１〜Ｐｄｎからなる受
光アレイ５の受光面全体に集光させ、各光電素子Ｐｄ１
〜Ｐｄｎの出力電圧を加算器６で加算するので、光電素
子１００間に存在するギャップＧの影響を受けることな
く、高いＳ／Ｎ比が得られる。従って、この光散乱式粒
子検出器を、粒子計数装置や粒径分布測定装置などに適
用すれば、高精度の装置を実現できる。
【００３３】なお、上述の実施の形態では、光電素子Ｐ
ｄ１〜Ｐｄｎを平面状に配列（二次元配列）して円形に
した受光アレイ５を用いた場合について説明したが、光
電素子を直線状に配列（一元配列）したものを用いても
よい。但し、平面状に配列して円形にした受光アレイ５
の方が、直線状に配列した受光アレイ５よりも光電素子
の個数を増やせるので、Ｓ／Ｎ比を高くすることができ
る。
【００３４】
【発明の効果】以上説明したように請求項１に係る発明
によれば、散乱光を複数の光電素子で受光して光電変換
し、これら複数の光電素子の出力を加算処理するので、
光電素子間に存在するギャップの影響を受けることな
く、Ｓ／Ｎ比の向上が図れる。
【００３５】請求項２に係る発明によれば、集光レンズ
によって散乱光が複数の光電素子の全体に入射するよう
に集光させると共に、これら複数の光電素子の出力を加
算処理するので、Ｓ／Ｎ比の向上が図れる。
【００３６】請求項３に係る発明によれば、凹面鏡によ
って散乱光が複数の光電素子の全体に入射するように集
光させると共に、これら複数の光電素子の出力を加算処
理するので、Ｓ／Ｎ比の向上が図れる。
【００３７】請求項４に係る発明によれば、散乱光を直
線状又は平面状に配列された複数の光電素子に入射させ
て光電変換すると共に、これら複数の光電素子の出力を
加算処理するので、Ｓ／Ｎ比の向上が図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る光散乱式粒子検出器の第１の実施
の形態の構成図
【図２】本発明の概念説明図
【図３】第１の実施の形態で視野絞りを設けた場合の構
成図
【図４】本発明に係る光散乱式粒子検出器の第２の実施
の形態の構成図
【図５】従来の光散乱式粒子検出器の構成図
【図６】従来の光散乱式粒子検出器における受光状態を
示す受光アレイの正面図
【符号の説明】
１…レーザ発振器、２…流路、３，１３…受光部、４…
集光レンズ、５…受光アレイ、６…加算器、１４…凹面
鏡、Ｄ…粒子検出領域、Ｌａ…レーザ光、Ｌｓ…散乱
光、Ｐｄ１〜Ｐｄｎ…光電素子。

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 試料流体に光ビームを照射して粒子検出
    領域を形成し、この粒子検出領域を通過する粒子による
    散乱光を受光手段で受光して粒子を検出する光散乱式粒
    子検出器において、前記受光手段を複数の光電素子で形
    成すると共に、これら複数の光電素子の出力を加算処理
    する加算処理手段を設けたことを特徴とする光散乱式粒
    子検出器。
  2. 【請求項２】 請求項１記載の光散乱式粒子検出器にお
    いて、粒子検出領域と複数の光電素子との間に集光レン
    ズを配置し、集光レンズの口径を粒子検出領域に比べて
    十分に大きく形成すると共に粒子検出領域を集光レンズ
    の焦点に位置させ、粒子による散乱光を集光レンズによ
    って集光して光線束にし、この光線束を複数の光電素子
    に入射させることを特徴とする光散乱式粒子検出器。
  3. 【請求項３】 請求項１記載の光散乱式粒子検出器にお
    いて、粒子検出領域を挟んで複数の光電素子と対向する
    位置に凹面鏡を配置し、凹面鏡の口径を粒子検出領域に
    比べて十分に大きく形成すると共に粒子検出領域を凹面
    鏡の焦点に位置させ、粒子による散乱光を凹面鏡によっ
    て集光して光線束にし、この光線束を複数の光電素子に
    入射させることを特徴とする光散乱式粒子検出器。
  4. 【請求項４】 請求項１、２又は３記載の光散乱式粒子
    検出器において、複数の光電素子は直線状又は平面状に
    配列されていることを特徴とする光散乱式粒子検出器。
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