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+…+Enn21/2 (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+…+Enn21/2 (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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