JP2007192835A - 濁度および微粒子の測定方法と測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体レーザを用いた濁度測定装置では、従来にない低濁度を安定して測定できるが、光ビームの強度分布があるため微粒子の光ビーム中の通過位置により、測定値が異なってカウントされることがある。本発明はこの課題を解決した濁度および微粒子の測定方法と装置を提供することにある。
【解決手段】半導体レーザから出力される光ビームを均一な強度分布に変換する光学素子を用いること、またこの光学素子に均一な強度分布に光ビームを整形するホログラムを用いることで解決できる。
【選択図】 図１

Description

本発明は濁度および微粒子の測定方法とその装置に関する。

１９９６年のクリプトスポリジウム流出事故により、「クリプトスポリジウムによって水道原水が汚染されるおそれのある浄水場ではろ過池出口の濁度を０．１度以下に維持すること」という暫定対策指針が厚生省から発表され、濁度０．１度以下を安定に測定できるオンラインの濁度計が必要となった。そして、これまでに半導体レーザを光源に用い、微粒子が光ビームを通過する際に生じる回折縞をカウントし、カウント数を濁度に変換する特許文献１に記載のレーザ濁度計や、微粒子が光ビームを通過する際に、粒径に応じた波高値で観測される散乱光を粒径区分ごとにカウントし、カウントされた一つ一つの信号を微粒子の大きさに応じた濁度に変換する本発明者らが出願した特許文献２に記載の微粒子カウント式高感度濁度計などが開発されている。また、前記事故以降の上水分野では、微粒子監視が普及し始めている。

微粒子カウンタの測定方式には、光ビームを試料水に照射し、光ビームの観測領域を微粒子が通過したときに生ずる散乱光パルス信号をカウントする散乱光方式と、光ビームの観測領域を微粒子が通過したときに生ずる、透過光量の減光パルス信号をカウントする光遮断方式とがある。光遮断方式の最小検出粒径は１〜２μｍであり、この粒径以上が光遮断方式の測定粒径となる。散乱光方式の最小検出粒径はパルス信号を検出する受光光学系の位置によって異なるが、側方散乱光方式で０．１μｍ以下、前方散乱光方式で０．１〜０．２μｍである。側方散乱方式では、前記クリプトスポリジウムなどの生物ように大きさがある程度揃い、屈折率が水に近い物質に対してほとんど感度を持たない場合があることが知られている。前方散乱光方式の場合は、前記生物のように光ビームの波長と比較して同程度以上に大きくなると、ほとんどが前方に向けて光ビームが散乱されるようになるので、側方散乱光方式と比較すると屈折率に対する影響は非常に小さいが、吸収成分を検出していない分だけ光遮断方式より粒径に対する感度が小さくなり、実際の大きさより小さい利粒子としてカウントされる場合がある。

上水分野では、クリプトスポリジウム相当径の４〜６μｍの粒子を監視することと、前記クリプトスポリジウムや浄水中にしばしば含まれる藻類は、校正に用いる標準粒子より屈折率が水に近いので、散乱光方式のパルス信号が小さくなるという理由から、主に光遮断方式が採用されている。
特開平７−４９３０２号公報 特開平１０−３１１７８４号公報

前記半導体レーザを用いた濁度計は、従来にない低濁度を安定して測定できるという利点を持つが、その反面、以下に述べる問題がある。
その問題とは、半導体レーザを用いた濁度計や微粒子カウンタの光ビームは強度分布を持っており、微粒子の光ビーム中を通る位置によって、散乱光パルス、あるいは光遮断パルスの波高値が異なり、同じ大きさの微粒子であっても異なる粒径としてカウントされることである。半導体分野に使用する測定器では、光ビームの強度分布が平坦な部分のみを通過するように流路を絞る工夫がされているが、上水分野に使用する測定器では、流路が目詰まりを起こす可能性があるので、１ｍｍ角程度までにしか小さくできない。そこで、通常は光ビーム強度分布をガウシァン分布などに仮定することにより、カウント値に補正をかけている。この補正は微粒子数が多いときは有効だが、数が少なくなると精度が悪くなる。特に上水分野における１０μｍ以上の微粒子数は非常に少ないので、光ビームの強度分布補正が行なわれた微粒子個数はばらつきが大きくなる。

上記の問題を解決するため、請求項１から５の発明は半導体レーザから出力される光ビームを均一な強度分布に変換する光学素子を用いることとする。
請求項６、７の発明は、請求項１の光学素子において、均一な強度分布に光ビームを整形するための溝を刻んだホログラムを使用することとする。
請求項１の発明は、光源に半導体レーザを用いて光ビームを試料水に向けて照射し、試料水中の微粒子による散乱光または光遮断を光電変換素子で電気信号に変換し、微粒子の散乱光パルス信号または光遮断パルス信号に基づいて、粒径区分ごとに試料水中の微粒子の個数濃度を求め、さらに、前記微粒子の個数濃度に対して粒径区分ごとに個別の係数を乗じて試料水の濁度を求める濁度および微粒子の測定方法において、強度分布が均一でない半導体レーザからの光ビームを、均一な強度分布に変換する光学素子によって半導体レーザからの照射された光ビームの強度分布を均一にする濁度および微粒子の測定方法であることを特徴とする。

請求項２の発明は、光ビームを試料水に向けて照射する半導体レーザを用いた光源と、前記の光ビームにより試料水中の微粒子によって散乱光または光遮断を光電変換素子で電気信号に変換する光電変換手段と、微粒子の散乱光パルス信号または光遮断パルス信号に基づいて、粒径区分ごとに試料水中の微粒子の個数濃度を求める微粒子の計数手段と、さらに、前記微粒子の個数濃度に対して粒径区分ごとに個別の係数を乗じて試料水の濁度を求める手段とを備えた濁度および微粒子の測定装置において、強度分布が均一でない半導体レーザからの光ビームを、均一な強度分布に変換する光学素子によって半導体レーザの照射された光ビームの強度分布を均一にする手段を備えた濁度および微粒子の測定装置であることを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項２記載の濁度および微粒子の測定装置において、前記光学素子は、光強度分布がガウシァン型である平行光を均一な強度分布を有する平行光に変換する光学素子を用い、半導体レーザから照射された発散光を、コリメートレンズで平行光とした後、前記光学素子によって均一強度分布の光ビームに変換することを特徴とする。
請求項４の発明は、請求項２記載の濁度および微粒子の測定装置において、前記光学素子は、光強度分布がガウシァン型である発散光を均一な強度分布を有する平行光に変換する光学素子を用い、半導体レーザから照射された発散光を前記光学素子により、均一強度分布を有する平行光に変換することを特徴とする。

請求項５の発明は、請求項３、または４記載の濁度および微粒子の測定装置において、前記均一強度分布を有する平行光をシリンドリカルレンズによって、フロ─セル内の所定の位置における光軸に垂直な断面形状が長方形、あるいは楕円形状となるように集光し、前記集光された光ビームの長辺あるいは長軸の方向が、流路に垂直となるようにシリンドリカルレンズを設置することを特徴とする。

さらに、請求項６の発明は、請求項２記載の濁度および微粒子の測定装置において、前記光学素子は、光強度分布がガウシァン型である平行光を、光軸に垂直な面の断面形状が所定の位置において長方形、あるいは楕円形状となるように整形し、少なくとも光軸を中心として長い辺の方向、あるいは長軸方向の強度分布が均一である偏平光とするホログラムを用い、半導体レーザから照射された発散光を、コリメートレンズで平行光とした後、前記ホログラムによって均一強度分布の偏平光ビームに変換することを特徴とする。

請求項７の発明は、請求項２記載の濁度および微粒子の測定装置において、前記光学素子は、光強度分布がガウシァン型である発散光を、光軸に垂直な面の断面形状が所定の位置において長方形、あるいは楕円形状となるように整形し、少なくとも光軸を中心として長い辺の方向、あるいは長軸方向の強度分布が均一である偏平光とするホログラムを用い、半導体レーザから照射された発散光を前記ホログラムによって均一強度分布の偏平光ビームに変換することを特徴とする。

本発明は微粒子および濁度の測定方法と、その装置にかかり、請求項１〜７の発明により、光源からの光ビームの強度分布を均一にすることで、流路を必要以上に狭めることなく、微粒子の検出粒径の精度を向上させることを可能とする。

以下に本発明の実施形態について詳細に説明する。
〔実施例１〕
本発明の請求項１〜３、５に関する実施例として、光遮断方式の光学系を図１に示す。図５は従来の光遮断方式の光学系であり、これら図１、５はフローセル８の流路に対して垂直で光軸を含む断面を記載してある。以下に詳細な内容を記述する。

従来の光遮断方式の光学系では、図５（ａ）の半導体レーザ１１から照射された発散光１１Ａはコリメートレンズ１２によって平行光とされ、シリンドリカルレンズ１３によって流路方向に集光される。光ビームの光軸１１Ｂに垂直でかつ、フローセル８の流路中央を含む直線８Ａの上における光ビームの強度分布は図５（ｂ）のようにガウシァン分布となり、同じ粒径の微粒子であっても、光ビームを通過する位置によって、光遮断パルスの波高値が異なってしまうという問題が生じる。通常は光ビームの強度分布がガウシァン分布であることを仮定して粒径区分ごとのカウント値を補正するが、微粒子個数濃度が少ない場合には、必ずしも正確な補正を行うことは出来ない。

そこで、同じ粒径の微粒子であれば、光遮断パルスの波高値が同じ値になるようにすることを目的として、光強度分布がガウシァン型である平行光を均一な強度分布の平行光に変換する光学素子を用いた例が図１（ａ）である。半導体レーザ１１から照射された発散光１１Ａはコリメートレンズ１２によって平行光とされ、さらに光学素子１４によって均一な強度分布に変換された後、シリンドリカルレンズ１３によって流路方向に集光される。ここで、前記直線８Ａの上における光ビームの強度分布は図１（ｂ）のように均一な強度分布となり、同じ粒径の微粒子であれば、光ビームを通過する位置が異なっても、光遮断パルスの波高値は同じ値となる。前記光学素子１４としては、例えば特開平１１−２５８５４４記載の光ビームのスポット径を小さくすることを主な目的として提案された光学素子が適用可能である。

尚、本実施例では光遮断方式の光学系に、光強度分布がガウシァン型である平行光を均一な強度分布の平行光に変換する光学素子を適用したが、前方散乱光方式や側方散乱光方式の光学系に対しても適用可能である。
〔実施例２〕
本発明の請求項１、２、４、５に関する実施例として、光強度分布がガウシァン型である発散光を均一な強度分布の平行光に変換する光学素子を用いた例を図２に示す。

半導体レーザ１１から照射された発散光１１Ａは、光学素子１５によって均一な強度分布に変換され、シリンドリカルレンズ１３によって流路方向に集光される。ここで、前記直線８Ａの上における光ビームの強度分布は図１（ｂ）と同じく、均一な強度分布となる。本実施例の光学素子によれば、前記実施例２の光学素子と比較して、コリメートレンズが不要であり、部品点数が減るという有利な点がある。前記光学素子１５としては、例えば特開２０００−８９１６１号公報に記載の光ビームのスポット径を小さくすることを主な目的として提案された光学素子が適用可能である。

尚、本実施例では光遮断方式の光学系に、光強度分布がガウシァン型である発散光を均一な強度分布の平行光に変換する光学素子を適用したが、前方散乱光方式や側方散乱光方式の光学系に対しても適用可能である。
〔実施例３〕
本発明の請求項１、２、６に関する実施例として、光強度分布がガウシァン型である平行光を、光軸に垂直な面の断面形状が所定の位置において長方形、あるいは楕円形状となるように整形し、少なくとも光軸を中心として長辺の方向、あるいは長軸の方向の強度分布が均一である偏平光とするホログラムを用いた例を図３に示す。

半導体レーザ１１から照射された発散光１１Ａはコリメートレンズ１２によって平行光とされ、さらにホログラム１６によってビームを整形し、前記直線８Ａの上における光ビームの強度分布を図１（ｂ）のように均一な強度分布とする。
尚、本実施例では光遮断方式の光学系に、光強度分布がガウシァン型である平行光を均一な強度分布の平行光に変換する光学素子を適用したが、前方散乱光方式や側方散乱光方式の光学系に対しても適用可能である。
〔実施例４〕
本発明の請求項１、２、７に関する実施例として、光強度分布がガウシァン型である発散光を、光軸に垂直な面の断面形状が所定の位置において長方形、あるいは楕円形状となるように整形し、少なくとも光軸を中心として長い辺の方向、あるいは長軸方向の強度分布が均一である偏平光とするホログラムを用いた例を図４に示す。

半導体レーザ１１から照射された発散光１１Ａは、ホログラム１７によってビームを整形し、直線８Ａ方向の光ビームの強度分布を図１ｂのように均一な強度分布とする。
尚、本実施例では光遮断方式の光学系に、光強度分布がガウシァン型である平行光を均一な強度分布の平行光に変換する光学素子を適用したが、前方散乱光方式や側方散乱光方式の光学系に対しても適用可能である。

実施例１の装置の光学系を示す図で、（ａ）は強度分布がガウシァン型である平行光を均一な強度分布に変換する光学素子を用いた光遮断方式光学系の構成と配置を示す図、（ｂ）は流路に対して垂直で光ビームの光軸を含む断面での光ビームの強度分布例を示す図 実施例２の装置の光学系で、強度分布がガウシァン型である発散光を均一な強度分布に変換する光学素子を用いた光遮断方式光学系の構成と配置を示す図 実施例３の装置の光学系で、強度分布がガウシァン型である平行光を偏平光に変換するホログラムを用いた光遮断方式光学系の構成と配置を示す図 実施例４の装置の光学系で、強度分布がガウシァン型である発散光を偏平光に変換するホログラムを用いた光遮断方式光学系の構成と配置を示す図 従来の光遮断方式光学系の一例を示す図で、（ａ）は光遮断方式光学系の構成と配置を示す図、（ｂ）は光遮断方式光学系で流路に対して垂直で光ビームの光軸を含む断面での光ビームの強度分布例を示す図

符号の説明

８： フローセル
８Ａ： 直線
１１： 半導体レーザ
１１Ａ： 発散光
１１Ｂ： 光ビームの光軸
１２： コリメートレンズ
１３： シリンドリカルレンズ
１４、１５： 光学素子
１６、１７： ホログラム

Claims (7)

1. 光源に半導体レーザを用いて光ビームを試料水に向けて照射し、試料水中の微粒子による散乱光または光遮断を光電変換素子で電気信号に変換し、微粒子の散乱光パルス信号または光遮断パルス信号に基づいて、粒径区分ごとに試料水中の微粒子の個数濃度を求め、さらに、前記微粒子の個数濃度に対して粒径区分ごとに個別の係数を乗じて試料水の濁度を求める濁度および微粒子の測定方法において、
   強度分布が均一でない半導体レーザからの光ビームを、均一な強度分布に変換する光学素子によって半導体レーザからの照射された光ビームの強度分布を均一にすることを特徴とする濁度および微粒子の測定方法。
2. 光ビームを試料水に向けて照射する半導体レーザを用いた光源と、前記の光ビームにより試料水中の微粒子によって散乱光または光遮断を光電変換素子で電気信号に変換する光電変換手段と、微粒子の散乱光パルス信号または光遮断パルス信号に基づいて、粒径区分ごとに試料水中の微粒子の個数濃度を求める微粒子の計数手段と、さらに、前記微粒子の個数濃度に対して粒径区分ごとに個別の係数を乗じて試料水の濁度を求める手段とを備えた濁度および微粒子の測定装置において、
   強度分布が均一でない半導体レーザからの光ビームを、均一な強度分布に変換する光学素子によって半導体レーザの照射された光ビームの強度分布を均一にする手段を備えたことを特徴とする濁度および微粒子の測定装置。
3. 請求項２記載の濁度および微粒子の測定装置において、
   前記光学素子は、光強度分布がガウシァン型である平行光を均一な強度分布を有する平行光に変換する光学素子を用い、半導体レーザから照射された発散光を、コリメートレンズで平行光とした後、前記光学素子によって均一強度分布の光ビームに変換することを特徴とする濁度および微粒子の測定装置。
4. 請求項２記載の濁度および微粒子の測定装置において、
   前記光学素子は、光強度分布がガウシァン型である発散光を均一な強度分布を有する平行光に変換する光学素子を用い、半導体レーザから照射された発散光を前記光学素子により、均一強度分布を有する平行光に変換することを特徴とする濁度および微粒子の測定装置。
5. 請求項３、または４記載の濁度および微粒子の測定装置において、
   前記均一強度分布を有する平行光をシリンドリカルレンズによって、フロ─セル内の所定の位置における光軸に垂直な断面形状が長方形、あるいは楕円形状となるように集光し、前記集光された光ビームの長辺あるいは長軸の方向が、流路に垂直となるようにシリンドリカルレンズを設置することを特徴とする濁度および微粒子の測定装置。
6. 請求項２記載の濁度および微粒子の測定装置において、
   前記光学素子は、光強度分布がガウシァン型である平行光を、光軸に垂直な面の断面形状が所定の位置において長方形、あるいは楕円形状となるように整形し、少なくとも光軸を中心として長い辺の方向、あるいは長軸方向の強度分布が均一である偏平光とするホログラムを用い、半導体レーザから照射された発散光を、コリメートレンズで平行光とした後、前記ホログラムによって均一強度分布の偏平光ビームに変換することを特徴とする濁度および微粒子の測定装置。
7. 請求項２記載の濁度および微粒子の測定装置において、
   前記光学素子は、光強度分布がガウシァン型である発散光を、光軸に垂直な面の断面形状が所定の位置において長方形、あるいは楕円形状となるように整形し、少なくとも光軸を中心として長い辺の方向、あるいは長軸方向の強度分布が均一である偏平光とするホログラムを用い、半導体レーザから照射された発散光を前記ホログラムによって均一強度分布の偏平光ビームに変換することを特徴とする濁度および微粒子の測定装置。