JP2007147476A

JP2007147476A - 光散乱式粒子計数装置

Info

Publication number: JP2007147476A
Application number: JP2005343221A
Authority: JP
Inventors: Kenichi Hayashi; 賢一林; Tetsuo Momose; 哲夫百瀬
Original assignee: Nidec Sankyo Corp
Current assignee: Nidec Instruments Corp
Priority date: 2005-11-29
Filing date: 2005-11-29
Publication date: 2007-06-14

Abstract

【課題】小型化を図ることができる光散乱式粒子計数装置を提供する。
【解決手段】レーザ光８ａを射出する光源８と、レーザ光８ａを試料流体６に集光させる投光レンズ系９と、試料流体６中の粒子４にレーザ光８ａが照射されて発生する散乱光５を集光する受光レンズ系１０と、集光した散乱光５を検出する光検出器１１とを備え、受光レンズ系１０は、開口数（ＮＡ）が０．４５以上のレンズ１０Ａ、１０Ｂを２枚で構成している。
【選択図】図１

Description

本発明は、光散乱特性を利用して気体中の粒子の数を測定する光散乱式粒子計数装置に関する。

例えば、図４に示すように、光散乱式粒子計数装置１００は、レーザ光１０８ａを測定領域１０３に照射し、この測定領域１０３に存在する粒子（ダスト）１０４が発生する散乱光１０５に基づいて粒子１０４を計数するものである。測定領域１０３に粒子１０４が含まれていると、測定領域１０３から散乱光１０５が発せられる。この散乱光１０５は受光レンズ１１０を介して受光素子１１１に入射されるようになっている。

図４において、レーザダイオード１０８から射出されたレーザ光１０８ａは楕円形状しているが、シリンドリカルレンズ１１３を通すことで、楕円形状のレーザ光１０８ａを更に扁平な帯状レーザビーム１０２を形成している。このように、レーザ光１０８ａを帯状レーザビーム１０２に形成することで、点状に集光されるレーザ光１０８ａに比べて検出エリアを広くしている。

特開２００５−７００２７号

しかしながら、上述した光散乱式粒子計数装置１００において、感度を上げるために、受光量を多くしなければならず、帯状レーザビーム１０２としたことで、受光レンズ１１０は外形の大きいレンズを用いて、粒子１０４からの散乱光１０５をできるだけ多く受光素子１１１に入射させている。そのため、レンズ外形が大きく、焦点距離も長いため、光散乱式粒子計数装置１００の光学系自体が大きくなり、重くなるという問題がある。

そこで、本発明は、小型化を図ることができる光散乱式粒子計数装置を提供することを目的とする。

かかる目的を達成するため、本発明は、レーザ光を射出する光源と、前記レーザ光を試料流体に集光させる投光レンズ系と、前記試料流体中の粒子に前記レーザ光が照射されて発生する散乱光を集光する受光レンズ系と、集光した散乱光を検出する光検出器とを備え、前記受光レンズ系は、開口数（以下、「ＮＡ」とする）が０．４５以上のレンズを２枚で構成したことを特徴とする。

本発明によれば、光源から照射されるレーザ光の光量を有効に活用でき、Ｓ／Ｎ比を高くすることができる。

また、本発明は、前記受光レンズ系は樹脂製であることが好ましい。これにより、光散乱式粒子計数装置の軽量化が図ることができる。また、高い生産性を上げることができ、かつ安価に生産することができる。

さらに、本発明は、前記投光レンズ系は前記レーザ光を前記試料流体に集光する集光レンズを有し、該集光レンズは前記受光レンズ系を構成するレンズと同一であることが好ましい。ここで、「同一である」とは集光レンズと受光レンズ系を構成するレンズの設計仕様が共通同一であることを言う。

本発明によれば、受光レンズ系を構成する２枚のレンズと、集光レンズとが同じものであるので、部品の共通化が図れ、品質の管理が楽になる。また、光散乱式粒子計数装置の生産コストを下げることができる。

また、本発明は、前記集光レンズは樹脂製であることが好ましい。本発明によれば、光散乱式粒子計数装置の軽量化が図ることができる。また、高い生産性を上げることができ、かつ安価に生産することができる。

さらに、本発明は、前記光源は波長８００ｎｍ以下のレーザダイオードであり、前記受光レンズ系および前記集光レンズは波長８００ｎｍ以下仕様に設計されていることが好ましい。本発明によれば、光検出器が比較的低価格のものが使用できる。さらに、０．０５μｍ〜０．３μｍ以下の粒子径を検出する場合、レイリー散乱の原理が使用できる光源の波長を選択することができる。

また、本発明は、前記レーザビームの偏向方向は、前記レーザダイオードの光軸と、前記散乱光が前記光検出器に入射する方向とを含む面に垂直な方向であることが好ましい。
本発明によれば、光検出器が検出する方向に散乱する光量を上げることができ、高感度となる。

前記レーザ光は、帯状レーザビームに形成されてなるとともに、前記試料流体の太さより幅広であると共に、上記帯状レーザビームの進行方向に対し直角かつ上記帯状レーザビームの幅広な方向において前記試料流体の全幅に亘って横切ることが好ましい。

本発明によれば、レーザ光が帯状レーザビームに形成されるので、点状に集光されるレーザ光に比べて検出エリアを広くすることができる。このため、単位時間当たりにより多くの試料流体を通過させることができる。

本発明は、レーザ光を射出する光源と、前記レーザ光を試料流体に集光させる投光レンズ系と、前記試料流体中の粒子に前記レーザ光が照射されて発生する散乱光を集光する受光レンズ系と、集光した散乱光を検出する光検出器とを備え、前記受光レンズ系は、ＮＡが０．４５以上のレンズを２枚で構成したことを特徴とする。

以下、本発明の構成を図面に示す最良の形態に基づいて詳細に説明する。

（全体構成）
図１（Ａ）は、本発明に係る光散乱式粒子計数装置を示す概略平面図であり、（Ｂ）は概略側面図である。
光散乱式粒子計数装置１は、レーザ光８ａを射出する光源８と、レーザ光８ａを試料流体６に集光させる投光レンズ系９と、試料流体９中の粒子４にレーザ光８ａが照射されて発生する散乱光５を集光する受光レンズ系１０と、集光した散乱光５を検出する光検出器１１とを備えており、レーザ光２を測定領域３に照射し、この測定領域３に存在する粒子（ダスト）４が発生する散乱光５に基づいて粒子４を計数するものである。

光源８はレーザダイオードであり、レーザダイオード８から射出されるレーザ光８ａは、図４に示す従来例と同様に、楕円形状している。

また、レーザダイオード８の偏光方向は、レーザダイオード８の光軸と、粒子４から散乱光５が光検出器としての受光素子１１に入射する方向とを含む面（図１（Ｂ）では紙面）に垂直である。これにより、レイリー散乱の原理が使用でき、受光素子１１方向に散乱する光強度を強くすることができるようになっている。

投光レンズ系９は、レーザ光８ａを試料流体６に集光させるものであり、本実施の形態では、集光レンズとしてのコリメータレンズ１２と、２枚組のシリンドリカルレンズ１３、１３とを備えている。
なお、本実施の形態において、コリメータレンズ１２は、受光レンズ系１０を構成するレンズ（１０Ａあるいは１０Ｂ）の設計仕様と共通同一のレンズである。

コリメータレンズ１２は光源８から射出されたレーザ光８ａを平行光にしている。
２枚のシリンドリカルレンズ１３は、図１（Ｂ）において紙面に垂直な方向に圧縮されて帯状になるようにしており、これにより、楕円形状のレーザ光８ａを更に扁平な帯状レーザビーム２にしている。このように帯状レーザビーム２にすることにより、レーザ光８ａのエネルギ密度が高められている。

具体的には、帯状レーザビーム２は流路手段７により流通される試料流体６の太さより幅広であると共に、帯状レーザビーム２の進行方向に対し直角かつ帯状レーザビーム２の幅広な方向において試料流体６の全幅に亘って横切るようになっている。
本実施の形態では、帯状レーザビーム２は例えば幅（図１（Ａ）の紙面に垂直な方向の幅）４ｍｍ、厚さ（図１（Ａ）における上下方向の厚さ）５０μｍ程度になっている。

投光レンズ系９の下流側にはビームポケット１４が配置されている。ビームポケット１４は投光された帯状レーザビーム２をトラップするものである。これにより、帯状レーザビーム２の装置１内部での反射による迷光を減少し、光検出器としての受光素子１１に入射するバックグラウンドノイズを減少させることができる。よって、Ｓ／Ｎ比を高めて、信号の増幅度を高めることができる。

流路手段７は、粒子４を含む試料流体６を一定の方向に流すものであり、投光レンズ系９の下流側に配置された気密部１５と、この気密部１５に資料流体６を供給する供給管１６と、気密部１５を負圧にする吸引ポンプ１７とを備えている。また、帯状レーザビーム２と試料流体６との交わる部分が測定領域３となっている。

受光レンズ系１０は測定領域３に向き合っていると共に、光軸を帯状レーザビーム２の光軸と直交させている。光検出器１１は、集光した散乱光５を光電変換する受光素子であり、本実施の形態では、受光素子１１は、微量な光も検出できるＡＰＤ（アパランシェフォトダイオード）を使用している。これにより、感度とＳＮ比とを高めることができる。

（受光レンズ系の構成）
図２は、本発明の光散乱式粒子計数装置に適用される受光レンズ系の断面図である。

受光レンズ系１０は、２枚の平凸レンズ１０Ａ、１０Ｂで構成されており、図２に示すように、凸面と凸面とを当接するように配置している。また、各平凸レンズ１０Ａ、１０Ｂは樹脂成形で形成され、同一のレンズである。なお、同一のレンズに限定されるものではなく、ＮＡが異なる２つのレンズを組み合わせてもよい。また、２枚のレンズ１０Ａ、１０Ｂは、凸面と凸面とを当接しなくてもよい。
さらに、本実施の形態では、レンズ外形がφ４．７であり、ＮＡが０．４７に設計されている。これにより、光散乱式粒子計数装置１の光学系を小型化することができるようになっている。

さらに、受光レンズ系１０は、一般のＣＤピックアップ用対物レンズとして適用可能なものである。そのため、光源としてのレーザダイオード８の波長は６００ｎｍ〜８００ｎｍの波長を使用することが好ましく、本実施の形態では、レーザダイオード８の波長は７８５ｎｍとなっている。また、できる限り感度をあげるために、レーザダイオード８は、高出力のＣＤ記録用を使用することが好ましい。

レーザダイオード８の波長７８５ｎｍを使用した場合、この波長に対して感度が高い受光素子１１となっている。このため、粒子４からの散乱光５を高感度で検出することが可能となっている。
本実施の形態では、受光素子１１は比較的低価格の普及版のＡＰＤ（アパランシェフォトダイオード）が使用できる。
さらに、光散乱式粒子計数装置１において、粒子径が０．００５μｍ〜０．３μｍの粒子４を検出する場合、このような粒子サイズに対して、レイリー散乱の原理がしようできるレーザダイオード８の波長を選択することができるようになっている。

つぎに、他の受光レンズ系２０について、図３に基づき説明する。図３は、本発明の光散乱式粒子計数装置に適用される他の受光レンズ系の断面図である。

上述した受光レンズ系１０は、一般のＣＤピックアップ用対物レンズとして適用可能なものであったが、これ以外のものでもよい。具体的には、ＤＶＤピックアップ用対物レンズとして適用可能なものである。

本実施の形態では、図３に示すように、受光レンズ２０は、２枚の平凸レンズ２０Ａ、２０Ｂで構成されており、凸面と凸面とを当接するように配置している。また、各平凸レンズ２０Ａ、２０Ｂは樹脂成形で形成され、同一のレンズである。なお、同一のレンズに限定されるものではなく、ＮＡが異なる２つのレンズを組み合わせてもよい。また、２枚のレンズ１０Ａ、１０Ｂは、凸面と凸面とを当接しなくてもよい。
さらに、本実施の形態では、レンズ外形がφ５．０であり、ＮＡが０．６に設計されている。これにより、光散乱式粒子計数装置１の光学系を小型化することができるようになっている。

さらに、受光レンズ系２０は、ＤＶＤピックアップ用対物レンズとして適用可能なものである。そのため、光源としてのレーザダイオード８の波長は６００ｎｍ〜８００ｎｍの波長を使用することが好ましく、本実施の形態では、レーザダイオード８の波長は６６０ｎｍとなっている。また、できる限り感度をあげるために、レーザダイオード８は、高出力のＤＶＤ記録用を使用することが好ましい。

レーザダイオード８の波長６６０ｎｍを使用した場合、この波長に対して感度が高い受光素子１１となっている。このため、粒子４からの散乱光５を高感度で検出することが可能となっている。
本実施の形態では、受光素子１１は比較的低価格の普及版のＡＰＤ（アパランシェフォトダイオード）が使用できる。
さらに、光散乱式粒子計数装置１において、粒子径が０．００５μｍ〜０．３μｍの粒子４を検出する場合、このような粒子サイズに対して、レイリー散乱の原理がしようできるレーザダイオード８の波長を選択することができるようになっている。

受光レンズ系２０を使用した実施の形態において、投光レンズ系９としてのコリメータレンズ１２は、受光レンズ系２０を構成するレンズ２０Ａ（あるいは２０Ｂ）の設計仕様と共通同一のレンズである。

上述した光散乱式粒子計数装置１の作用を以下に説明する。

光源としてのレーザダイオード８から発せられた楕円形状のレーザ光８ａは、投光レンズ系９を透過して帯状レーザビーム８ａに形成される。
具体的には、レーザ光８ａは、コンデンサーレンズ１２により平行光となり、さらに、シリンドリカルレンズ１３を通過することにより、更に偏向した帯状レーザビーム２に成形される。

帯状レーザビーム２は、流路手段７の気密部１５に投光される。一方、吸引ポンプ１７の作動により気密部１５では試料流体６が流通されている。そして、帯状レーザビーム２が試料流体６を通過する。ここで、投光された帯状レーザビーム２は、流路手段７により流通される試料流体６の太さより幅広であると共に、進行方向に対し直角かつ帯状レーザビーム２の幅広な方向において試料流体６の全幅に亘って横切っている。すなわち、帯状レーザビーム２は、図１（Ａ）の紙面に垂直な方向におけるその幅が試料流体６の最外層の流れよりも幅広に形成されており、紙面に垂直な方向において試料流体６の最外層の流れ部分を横切っている。

試料流体６に粒子４が含まれていると、測定領域３から散乱光５が発せられる。この散乱光５は受光レンズ系１０を介して光検出器としての受光素子１１に入射される。そして、受光素子１１から得られた電気出力のパルスの大きさと粒子４の粒子径とが相関関係を有するので、電気出力のパルスの大きさから粒径を求めることができる。また、粒子４が通過したときにパルスが発生するので、パルスの回数から粒子数を求めることができる。

（本実施の形態の主な効果）
光散乱式粒子計数装置１は、レーザダイオード８から射出されたレーザ光８ａを試料流体６に集光させる投光レンズ系９と、試料流体６中の粒子４に帯状レーザビーム２が照射されて発生する散乱光５を集光する受光レンズ系１０と、集光した散乱光５を検出する受光素子１１とを備え、受光レンズ系１０は、ＮＡが０．４７のレンズ１０Ａ、１０Ｂを２枚で構成している。なお、レーザダイオード８の波長は７８５ｎｍが好ましい。

本実施の形態によれば、レーザダイオード８から照射されるレーザ光８ａの光量を有効に活用でき、Ｓ／Ｎ比を高くすることができる。
受光レンズ系１０は、2枚の平凸レンズ１０Ａ、１０Ｂで構成されており、図２に示すように、凸面と凸面とを当接するように配置している。また、各平凸レンズ１０Ａ、１０Ｂは樹脂成形で形成され、同一のレンズである。

また、本実施の形態では、受光レンズ系２０は、ＮＡが０．６のレンズ２０Ａ、２０Ｂを２枚で構成してもよい。なお、レーザダイオード８の波長は６６０ｎｍが好ましい。

このように、本実施の形態では、受光レンズ系１０は一般のＣＤピックアップ用対物レンズとして適用可能のものであり、または、受光レンズ系２０がＤＶＤピックアップ用対物レンズとして適用可能なものである。このように、受光レンズ系１０、２０がレーザ光学系用に設計されたものであるので、レーザ光８ａの収差を小さく抑えることができ、レーザダイオード８から射出されるレーザ光８ａの光量を有効に使用することができる。このため、光散乱式粒子計数装置１は高感度で検出することができる。

さらに、受光レンズ系１０、２０が、レーザダイオード８の波長が８００ｎｍ以下の仕様に設計されているので、比較的低価格の普及版の受光素子１１（ＡＰＤ）が使用できる。そして、粒子４の径が０．０５μｍ〜０．３μｍの粒子を検出する場合、レイリー散乱の原理が使用できるレーザダイオード８の波長を選択することができる。

なお、上述の形態は本発明の好適な形態の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。
例えば、受光レンズ１０Ａ、１０Ｂおよび集光レンズ１２は樹脂成形しているがこれに限定されるものではなく、ＮＡが０．４５以上で小型化できればガラスレンズを使用してもよい。
また、集光レンズ１２は、受光レンズ系１０、２０を構成するレンズ１０Ａ（１０Ｂ、２０Ａ、２０Ｂ）の設計仕様と共通同一のレンズでなくても良い。さらに、散乱光５側に配置された受光レンズ１０Ａ（２０Ａ）と受光素子１１側に配置された受光レンズ１０Ｂ（２０Ｂ）とは、同じものでなくてもよい。なお、散乱光５側に配置された受光レンズ１０Ａ（２０Ａ）のＮＡが、受光素子１１側に配置された受光レンズ１０Ｂ（２０Ｂ）のＮＡよりも大きい方がよく、より多くの光量を集光させることができ、感度を上げることができる。
上記の受光レンズ系はピックアップ用では比較的外形が大きいハーフハイト向けであるが，スリムやウルトラスリム向けの小型レンズを使用することも可能である．これにより，
検出感度はそのままで，さらなる装置の小型化，軽量化が可能になる．

さらに、本実施の形態では試料流体６の流れが帯状レーザビーム２の幅広面に対して９０度をなすようにしているが、これには限られず、例えば、４５度であっても良いし、これ以外の角度にしても良い。

また、上述した各実施の形態では楕円形状のレーザ光８ａをシリンドリカルレンズ１３を使用して更に扁平な形状にしているが、これには限られず楕円形状のレーザ光８ａをそのまま試料流体６に照射するようにしても良い。この場合もレーザ光８ａは幅広の帯状であるので、試料流体６を幅広く照射することができる。

また、上述した各実施形態では供給管１６と吸引ポンプ１７との間を流れる試料流体６に帯状レーザビーム２を直接照射しているが、これには限られず帯状レーザビーム２を透過する透明体から成る管路に試料流体６を流してその外部から帯状レーザビーム２を照射するようにしても良い。

さらに、上述した各実施の形態では、光源８から発せられたレーザ光８ａは２枚のシリンドリカルレンズ１３を透過して、紙面に垂直な方向（図１（Ｂ））に圧縮されて帯状レーザビーム２になるようにしているが、これには限られず、投光レンズ系９をコリメータレンズ１２と１枚だけのシリンドリカルレンズ１３とから構成し、帯状レーザビーム２が試料流体６を通過するようにしても良い。これによればシリンドリカルレンズ１３を通過した帯状レーザビーム２は完全な平行光ではないが、測定領域３が狭いので、平行光としてみることができ、上述した各実施の形態と同様に粒子の量を求めることができる。
また、光散乱式粒子計測装置において、受光素子や受光レンズ系と反対側に反射ミラーを配置してもよい。これにより、受光素子とは反対側に散乱した散乱光を反射ミラーで反射させ受光素子に集光させることができ、より効率良く粒子数を求めることができる。

本実施の形態では、受光素子１１はＡＰＤ（アパランシェフォトダイオード）を使用したが、これに限定されるものではない。

（Ａ）、（Ｂ）それぞれ本発明に係る光散乱式粒子計数装置を示す概略平面図および概略側面図である。本発明の光散乱式粒子計数装置に適用される受光レンズ系の断面図である。本発明の光散乱式粒子計数装置に適用される他の受光レンズ系の断面図である。従来の光散乱式粒子計数装置を示す概略斜視図である。

符号の説明

１光散乱式粒子計数装置
２帯状レーザビーム
３測定領域
４粒子
５散乱光
６試料流体
７流路手段
８光源（レーザダイオード）
８ａレーザ光
９投光レンズ系
１０受光レンズ系
１１光検出器
１２集光レンズ

Claims

レーザ光を射出する光源と、前記レーザ光を試料流体に集光させる投光レンズ系と、前記試料流体中の粒子に前記レーザ光が照射されて発生する散乱光を集光する受光レンズ系と、集光した散乱光を検出する光検出器とを備え、前記受光レンズ系は、開口数が０．４５以上のレンズを２枚で構成したことを特徴とする光散乱式粒子計数装置
前記受光レンズ系は、樹脂製であることを特徴とする請求項１記載の光散乱式粒子計数装置
前記投光レンズ系は前記レーザ光を前記試料流体に集光する集光レンズを有し、該集光レンズは前記受光レンズ系を構成するレンズと同一であることを特徴とする請求項１または２記載の光散乱式粒子計数装置
前記集光レンズは樹脂製である請求項３記載の光散乱式粒子計数装置
前記光源は波長８００ｎｍ以下のレーザダイオードであり、前記受光レンズ系および前記集光レンズは波長８００ｎｍ以下仕様に設計されていることを特徴する請求項１から４のいずれかに記載の光散乱式粒子計数装置
前記レーザビームの偏向方向は、前記レーザダイオードの光軸と、前記散乱光が前記光検出器に入射する方向とを含む面に垂直な方向であることを特徴とする請求項５記載の光散乱式粒子計数装置
前記レーザビームは、帯状レーザビームに形成されてなるとともに、前記試料流体の太さより幅広であると共に、上記帯状レーザビームの進行方向に対し直角かつ上記帯状レーザビームの幅広な方向において前記試料流体の全幅に亘って横切ることを特徴とする請求項６記載の光散乱式粒子計数装置