JP2007199012A - 光散乱式粒子計数装置 - Google Patents

Abstract

【課題】製造コストを抑えながら感度を高めることができ、更には小型化に資する光散乱式粒子計数装置を提供する。
【解決手段】光源１１からのレーザ光１２を測定領域に照射し、測定領域に存在する粒子が発生する散乱光１５に基づいて粒子を計数する光散乱式粒子計数装置１において、測定領域を介して配置された一対のシリンダーレンズ２１ａ，２１ｂと、一対のシリンダーレンズ２１ａ，２１ｂの間に透光性流路１３と、を備え、これらのレンズは、それぞれ測定領域側にシリンダー面が形成され、測定領域とは反対側に平面部が形成されており、シリンダーレンズ２１ｂの平面部には、レーザ光を反射するミラーコートが施されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、光散乱特性を利用して流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。

半導体デバイスや液晶表示装置を作製するにあたって、クリーンルームやクリーンブースの環境は、製品の歩留りを決定付ける重要な要素になる。そのため、従来から、クリーンルームやクリーンブースの清浄度を計測するために、光散乱特性を利用した光散乱式のパーティクルカウンターが用いられる場合がある。この種のパーティクルカウンターとしては、例えば図６に示す光散乱式粒子計数装置１００がある（特許文献１参照）。

図６（ａ）に示す光散乱式粒子計数装置１００では、レーザダイオードなどの光源１０１から出射されたレーザ光１０２は、投光レンズ１０３を透過して帯状にされ、気密部１０４に投光される。一方で、吸引ポンプ１０５の作動により、気密部１０４には試料流体１０６が流通される。このような構成において、レーザ光１０２が測定領域１０７に存在する粒子（ダスト）に当たると、散乱光１０８が発生する。そして、この散乱光１０８は、受光レンズ１０９を介して受光素子１１０に入射される。その結果、受光素子１１０から得られる電圧パルスの回数を解析することによって、粒子の数を測定することができる。

ここで、光散乱式粒子計数装置１００の投光レンズ１０３に着目すると、コリメータレンズ１０３１とシリンドリカルレンズ１０３２を有しており、コリメータレンズ１０３１によってレーザ光１０２は平行光束にされ、シリンドリカルレンズ１０３２によってレーザ光１０２は扁平な帯状の扁平光束にされる。これにより、レーザ光１０２のエネルギー密度（照射光強度）を高め、光散乱式粒子計数装置１００の感度を高めている。

なお、投光レンズ１０３の下流側にはビームポケット１１１が配置されており、このビームポケット１１１によって、粒子に当たらなかったレーザ光１０２はトラップされる。これにより、光散乱式粒子計数装置１００内の迷光を減少させ、受光素子１１０に入射するバックグラウンドノイズを減少させ、ＳＮ比を向上させている。

次に、光散乱式粒子計数装置１００の受光レンズ１０９に着目すると、測定領域１０７に向き合わせるとともに、光軸をレーザ光１０２の光軸と直交させた状態で配置している。受光レンズ１０９の構造について、図６（ｂ）を用いて詳細に説明すると、受光レンズ１０９は、ＤＶＤ−ＰＵ用の対物レンズを向かい合わせに当接させた構造となっている。これにより、散乱光１０８は、受光レンズ１０９を介して図６（ｂ）に示す光路を通過して、開口数（以下、「ＮＡ」とする。）０．６で受光素子１１０に入射され、光散乱式粒子計数装置１００の感度を高めている。

このように、図６（ａ）に示す光散乱式粒子計数装置１００では、投光レンズ１０３と受光レンズ１０９によって、照射光強度を高めたり、ＮＡを高めたりして、結果的に光散乱式粒子計数装置１００の感度を高めている。このような光散乱式粒子計数装置１００の最小可測粒径（測定できる一番小さな粒子の大きさ）は、約０．３μｍとなっている。

ところで、近年、例えば半導体デバイスの集積度向上に伴って高い清浄度が要求され、クリーンルームやクリーンブースの環境条件は益々厳しくなっている。このため、近年の光散乱式粒子計数装置には、製造コストを抑えつつ、最小可測粒径を更に小さくして、感度を更に（例えば数倍以上に）高めることが要求されている。

特開２００５−７００２７号公報（段落番号［００２１］，［００２２］）

しかしながら、上述した光散乱式粒子計数装置１００では、製造コストを抑えながら感度を更に高めることが困難である。

光散乱式粒子計数装置の感度を高める方法としては、例えば、照射光強度を高めることが考えられる。光散乱式粒子計数装置１００（図６参照）では、上述したように、シリンドリカルレンズ１０３２を用いてレーザ光を扁平な帯状の扁平光束にして照射光強度を高めているが、更に照射光強度を高めるとなると、このままの構成では困難である。

また、光源１０１に、高エネルギー密度のヘリウム−ネオン（Ｈｅ−Ｎｅ）や液体（色素）レーザなどを用いることによって、照射光強度を高めることも考えられるが、これらは高価なものであるため、製造コストが嵩んでしまう弊害を有している。加えて、光源に例えばＨｅ−Ｎｅレーザを用いた場合には、ガスレーザ管が必要になり、光散乱式粒子計数装置自体が大型化してしまう弊害を併有している。例えば、光散乱式粒子計数装置を、半導体ウェハの搬送時に用いられるアームロボットの先端に設置して、ワークをカセット内にロードする際に、カセット内における気体中の粒子の数を測定しようとする場合、相当小型化した（例えば５００円玉程度の大きさにした）光散乱式粒子計数装置を用いなければならないが、光源として上述した高価なレーザを用いた場合には、かかる要求を満たすことができない。

次に、光散乱式粒子計数装置の感度を高める方法としては、例えば、光を取り込むＮＡを高めることが考えられる。光散乱式粒子計数装置１００では、上述したように、ＤＶＤ−ＰＵ用の対物レンズよりなる受光レンズ１０９を用いてＮＡを高めているが、更にＮＡを高めるとなると、このままの構成では困難である。具体的には、図６（ｂ）において、受光レンズ１０９の半径を大きくして、より多くの散乱光１０８を受光素子１１０に入射させ、ＮＡを更に高めることを考えた場合、散乱光１０８が受光レンズに入射する角度が臨界角に達したとき、全反射が生じて光を透過しなくなってしまうからである。従って、単純に、受光レンズ１０９の半径を大きくするだけでは、ＮＡを更に高めることができない。

その他、光散乱式粒子計数装置の感度を高める方法としては、例えば光源から出射されるレーザ光の波長を短くしたり、高感度の受光素子を用いたりすることが考えられるが、例えば、波長の短い青色ダイオードを光源としたり、紫外線受光素子などの高感度受光素子を用いた光散乱式粒子計数装置では、製造コストが嵩んでしまう。

本発明は、このような点に鑑みてなされたものであり、その目的は、製造コストを抑えながら感度を高めることができ、更には小型化に資する光散乱式粒子計数装置を提供することにある。

以上のような課題を解決するために、本発明は、以下のものを提供する。

（１） 光源からのレーザ光を測定領域に照射し、当該測定領域に存在する粒子が発生する散乱光に基づいて粒子を計数する光散乱式粒子計数装置において、前記測定領域を介して配置された一対のレンズを備え、前記一対のレンズは、それぞれ前記測定領域側に凸又は凹の曲面部が形成され、前記測定領域とは反対側に平面部が形成されており、前記一対のレンズの間には前記粒子が流れる透光性流路が設けられ、前記一対のレンズのうちの前記光源と反対側のレンズの前記平面部には、レーザ光を反射する反射部材が設けられていることを特徴とする光散乱式粒子計数装置。

本発明によれば、レーザ光が照射される測定領域を有する光散乱式粒子計数装置において、測定領域側に凸又は凹の曲面部が形成されるとともに、測定領域とは反対側に平面部が形成された一対のレンズが、測定領域を介して配置される。そして、これら一対のレンズの間には、粒子が流れる透光性の流路が設けられるとともに、これら一対のレンズのうちの光源と反対側のレンズにおける平面部には、レーザ光を反射する反射部材が設けられていることとしたので、測定領域に照射されたが、透光性流路内を流れる粒子に当たらなかったレーザ光は、一対のレンズのうちの光源と反対側のレンズを透過して、上述した反射部材で反射し、その後、再び測定領域に戻ってくる。

従って、初めに光源から測定領域に向かうレーザ光と、一旦測定領域を通過して反射部材で反射した後、再び測定領域に戻ってくるレーザ光との往復レーザ光によって、透光性流路内を流れる粒子を照射することができるので、測定領域における照射光量が約２倍（反射率を考慮すれば２倍弱）となり、ひいては光散乱式粒子計数装置の感度を高めることができる。

また、本発明は、高エネルギー密度の光源を用いたり、波長の短い高価な光源を用いたりしなくても、測定領域における照射光量を約２倍にすることができるものなので、製造コストが嵩む弊害を防ぐことができる。さらに、本発明は、一対のレンズと反射部材とを利用して照射光量を増加させるものであるため、光散乱式粒子計数装置自体が大型化してしまう弊害を防ぐことができる。

特に、本発明では、一対のレンズが、レーザ光が照射される測定領域を介して凸の曲面部が対向するように配置されているので、単に、測定領域に照射されたが粒子に当たらなかったレーザ光をミラー等で反射させて、再び測定領域に戻す光散乱式粒子計数装置とは異なる効果を奏する。より詳細に説明すると、測定領域に照射されたが粒子に当たらなかったレーザ光を、単に、ミラー，コーナーキューブ，キャッツアイなどの光学部品で反射させてしまうと、反射時に光学部品とそれらを取り囲む媒質（たとえば空気）との境界面による散乱光（表面反射等）が生じてしまい（反射板に当たったレーザ光が適切に戻ってこず）、光損失が発生してしまう。ところが、本発明のように、一対のレンズが、測定領域を介して凸の曲面部が対向するように配置されていると、一旦集光点で扁平な帯状の扁平光束になり、その後、集光点から遠ざかるにつれて拡張していくレーザ光は、一対のレンズのうちの光源と反対側のレンズにおける凸の曲面部において屈折し、この凸の曲面部を透過した後、一対のレンズのうちの光源側のレンズからレーザ光が射出する直前と同じ形状（平行光束）になる。そして、この平行光束が反射部材で反射されることになるので、境界面による散乱光がほとんど生じない（反射部材に当たったレーザ光が適切に戻ってくる）。このように、一対のレンズのうちの光源と反対側のレンズにおいて、凸の曲面部で光束の整形を行うとともに、平面部で適切なレーザ光の折り返しを行うことによって、境界面そのものを減らす事ができ、結果として境界面による散乱光を減らして（反射部材に当たったレーザ光をほとんど戻して）、光損失を低減しつつ、測定領域における照射光量を約２倍にすることができる。

ここで、「一対のレンズ」は、全く同一の一対のレンズを含むのは勿論のこと、必ずしも同質・同型でなくても構わない。例えば、材質が異なるものであっても、また、大きさ・形状が異なるものであっても、測定領域側に凸の曲面部が形成され、測定領域とは反対側に平面部が形成されており、凸の曲面部で光束の整形、平面部（に設けられた反射部材）で光の折り返しを適切に行いうるものであれば、如何なるものであっても構わない。また、「一対のレンズ」とあるが、光束を折り返す側のレンズは、一旦集光点で扁平な帯状の扁平光束になり、その後、集光点から遠ざかるにつれて拡張していくレーザ光を反射し、再び光源側のレンズと同一集光点で扁平な帯状の扁平光束にするような反射部材（例えばシリンダーミラーや、トーリックミラーなどの非球面ミラー等）であっても構わない。

また、「一対のレンズ」の種類の如何も問わない。例えば、シリンダーレンズ，トーリックレンズ，ロッドレンズ，ボールレンズ，凸レンズ，アクロマティックレンズなどであっても、測定領域側に凸の曲面部が形成され、測定領域とは反対側に平面部が形成されているレンズであれば、如何なる種類のものであっても構わない。

また、一対のレンズの間には、粒子が流れる「透光性流路」が設けられているが、この透光性流路は、透光性を有する管であってもよいし、透光性樹脂に穴を開けて形成される流路であってもよいし、半円筒形状の溝が形成された平面を有するレンズ２枚の溝同士を貼り合わせて形成される流路であってもよいし、如何なるものであってもよい。

さらに、反射部材は、一対のレンズのうちの光源と反対側のレンズの平面部に「設けられている」が、その態様の如何は問わない。例えば、レンズの平面部に反射部材を後付けしてもよいし、レンズの平面部に反射部材を一体的に形成してもよい。

（２） 前記一対のレンズは、一対の同一のシリンダーレンズであり、前記測定領域を介してシリンダー面同士が対向するように配置されていることを特徴とする（１）記載の光散乱式粒子計数装置。

本発明によれば、測定領域を介してシリンダー面（円筒面）同士が対向するように、一対の同一のシリンダーレンズが配置されていることとしたので、異種の部品点数を減らして製造コスト削減に寄与しつつ、測定領域における照射光量を約２倍にし、ひいては光散乱式粒子計数装置の感度を高めることができる。

また、一対の「同一の」シリンダーレンズを用いることで、一対のレンズのうちの光源と反対側のレンズにおいて、凸の曲面部で行われる光束整形の精度をより高めることができ（一対のレンズのうちの光源側のレンズからレーザ光が射出する直前の形状（平行光束）に、より正確に戻すことができ）、ひいては光損失を低減することができる。

（３） 前記光源と、前記一対のレンズのうちの前記光源側のレンズとの間には、偏光板及び１／４波長板が介在していることを特徴とする（１）又は（２）記載の光散乱式粒子計数装置。

本発明によれば、光源と、一対のレンズのうちの光源側のレンズとの間に、偏光板及び１／４波長板を介在させることとしたので、反射部材によって反射されるレーザ光が光源にまで戻ってくるのを防ぐことができ、ひいては光源の破損を防止することができる。詳細に説明すると、光源から出射されたレーザ光のうち、特定の方向に振動面をもった光だけが偏光板を通過し、１／４波長板によって、偏光板を通過した直線偏光に１／４波長の位相差を生じさせる。その後、光源側のレンズ，測定領域，光源とは反対側のレンズ（反射部材），測定領域，光源側のレンズを経て戻ってきたレーザ光は、１／４波長板によって、更に１／４波長の位相差が生じることになる。その結果、偏光板には、最初に通過した直線偏光と直交する方向に振動面をもったレーザ光が戻ってくることから、戻ってきたレーザ光は、偏光板により遮光され、光源にまで戻ってくるのを防ぐことができ、ひいては光源の破損を防止することができる。

（４） 光源からのレーザ光を測定領域に照射し、当該測定領域に存在する粒子が発生する散乱光に基づいて粒子を計数する光散乱式粒子計数装置において、

前記散乱光を検出する受光素子と、反射光を前記受光素子の受光面に集光させる第１のミラー面を有する第１のレンズと、前記第１のレンズと対向する位置に設けられた第２のレンズと、前記第１のレンズと前記第２のレンズとの間に形成され、前記粒子が流れる透光性流路と、を備え、前記散乱光は、前記受光素子の受光面に直接入射されるとともに、前記第１のミラー面での反射を経て前記受光素子の受光面に入射されることを特徴とする光散乱式粒子計数装置。

本発明によれば、レーザ光が照射される測定領域を有する光散乱式粒子計数装置に、散乱光を検出する受光素子と、反射光を受光素子の受光面に集光させる第１のミラー面を有する第１のレンズと、その第１のレンズと対向する位置に設けられた第２のレンズと、第１のレンズと第２のレンズとの間に形成され粒子が流れる透光性流路と、を設け、散乱光が受光素子の受光面に入射されるに当たって、直接入射されるとともに、第１のミラー面での反射を経て入射されることとしたので、受光素子の受光面に直接入射される散乱光以外の光を検出することができる。

従って、例えば高感度受光素子を用いずに、一般的な受光素子を用いた場合であっても、高いＮＡを実現することができ、ひいては製造コストを抑えながら光散乱式粒子計数装置の感度を高めることができる。

ここで、「第１のレンズ」又は「第２のレンズ」とは、屈折力のあるもの、又は光を曲げる効果のある光学素子をいい、例えば、透光性樹脂レンズや透光性ガラスレンズなどが挙げられる。また、透光性を有する容器に水などの液体を入れてレンズ機能をもたせたものであっても構わない。また、「第１のミラー面」は、例えば第１のレンズにミラーコートを施すことによって形成される。「第１のミラー面」としては、例えば楕円ミラーが挙げられるが、その他、反射光を受光素子の受光面に集光させることが可能なミラー面であれば、如何なるものであっても構わない。

（５） 前記第１のミラー面は、前記測定領域を介して前記受光素子と反対側に配置されていることを特徴とする（４）記載の光散乱式粒子計数装置。

本発明によれば、上述した第１のミラー面は、測定領域を介して受光素子と反対側に配置されていることとしたので、受光素子の受光面とは反対側に向かって進む散乱光を、第１のミラー面で反射させ、受光素子の受光面へと導くことができる。従って、少ない反射回数（１回）で、高いＮＡを実現することができ、ひいては製造コストを抑えながら光散乱式粒子計数装置の感度を高めることができる。

一般的に、ミラー面における反射率は１より小さく（例えば０．７）、反射する度に光エネルギーが熱エネルギーに変わってしまうことから、複数回の反射を繰り返すと光量が減少してしまう。しかし、本発明によれば、少ない反射回数（１回）で散乱光を受光素子の受光面へと導くことができるので、光量の減少を最大限に防ぎながら、光散乱式粒子計数装置の感度を高めることができる。

（６） 前記受光素子の受光面近傍であって、かつ、前記第２のレンズの一部の面には、反射光を前記測定領域に集光させる第２のミラー面が配置されていることを特徴とする（５）記載の光散乱式計数装置。

本発明によれば、上述した受光素子の受光面近傍であって、第２のレンズの一部の面には、反射光を測定領域に集光させる第２のミラー面が配置されていることとしたので、受光素子の方向へは向かっているものの、受光素子の受光面から外れた散乱光を一旦測定領域に戻すことができる。そして、測定領域に戻ってきた光は、上述した第１のミラー面において反射し、受光素子の受光面へと導くことができる。

従って、第１のミラー面のみの場合と比べて、更に高いＮＡを実現することができ、ひいては製造コストを抑えながら光散乱式粒子計数装置の感度を高めることができる。

ここで、「第２のミラー面」としては、例えば球面ミラーが挙げられるが、その他、反射光を測定領域に集光させることが可能なミラー面であれば、如何なるものであっても構わない。

（７） 光源からのレーザ光を測定領域に照射し、当該測定領域に存在する粒子が発生する散乱光に基づいて粒子を計数する光散乱式粒子計数装置において、前記散乱光を検出する受光素子と、前記測定領域を含み、かつ、前記受光素子の受光面と平行な面に、前記測定領域を介して配置された一対のレンズを複数セット備え、前記一対のレンズは、それぞれ前記測定領域側に凸又は凹の曲面部が形成され、前記測定領域とは反対側に平面部が形成されており、前記一対のレンズの間には前記粒子が流れる透光性流路が設けられ、前記一対のレンズのうちの前記光源と反対側のレンズの前記平面部には、レーザ光を反射する反射部材が設けられていることを特徴とする光散乱式粒子計数装置。

本発明によれば、光散乱式粒子計数装置に、散乱光を検出する受光素子と、測定領域を含み、かつ、受光素子の受光面と平行な面に、測定領域を介して配置された一対のレンズを複数セットと、を設け、一対のレンズは、測定領域側に凸又は凹の曲面部が形成されるとともに、測定領域とは反対側に平面部が形成されている。そして、これら一対のレンズの間には粒子が流れる透光性流路が設けられ、一対のレンズのうちの光源と反対側のレンズにおける平面部には、レーザ光を反射する反射部材が設けられていることとしたので、一対のレンズが１セットの場合と比べて、光量を複数倍に増加させることができ、ひいては光散乱式粒子計数装置の感度を更に高めることができる。

以上説明したように、本発明によれば、測定領域における照射光量を約２倍にしたり、一般的な受光素子を用いた場合であっても高いＮＡを実現したりすることができ、ひいては光散乱式粒子計数装置の感度を高めることができる。また、高価・大型な光源や受光素子を用いなくても感度を高めることができるので、製造コストが嵩んだり、光散乱式粒子計数装置自体が大型化してしまったりする弊害を防ぐことができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係る光散乱式粒子計数装置１の機械構造を示す斜視図である。

図１において、光散乱式粒子計数装置１は、レーザ光１２を出射する光源１１と、レーザ光１２を、透光性流路１３内を流れる試料流体（例えば水など）に集光させる投光レンズ系１４と、試料流体中の粒子にレーザ光１２が当たって発生する散乱光１５を集光する第１のレンズ１６ａ及び第２のレンズ１６ｂと、集光した散乱光１５を検出する光検出器１７と、を有している。そして、光検出器１７から得られる電圧パルスの回数を解析することによって、粒子の数を測定できるようになっている。なお、試料流体の入口及び出口には、チューブ１３ａ及びチューブ１３ｂが設けられているが、これらは透光性流路１３の一部を構成する。また、チューブ１３ａ及びチューブ１３ｂの基端は、Ｏリング等によってシールされている。

まず、光散乱式粒子計数装置１の照射光系について詳述する。光源１１はレーザダイオードであり、レーザダイオードから出射されるレーザ光１２は、投光レンズ系１４を透過して試料流体に照射される。投光レンズ系１４は、コリメータレンズ１８と、偏光板１９と、λ／４板（１／４波長板）２０と、シリンダーレンズ２１（一対の同一のシリンダーレンズ２１ａ及びシリンダーレンズ２１ｂ）と、から構成されている。

コリメータレンズ１８は、光源１１から出射されたレーザ光１２を平行光（平行光束）にするものであり、偏光板１９は、レーザ光１２のうちある特定の方向に振動面をもった光だけを通過させる（レーザ光１２を偏光させる）ものである。

λ／４板２０は、偏光板１９を通過した直線偏光にλ／４の位相差を生じさせる機能をもったものであり、結果的に直線偏光を円偏光に変換する機能をもっている。より具体的には、直線偏光の振動方向がλ／４板２０の光軸方向に対して＋４５度となった状態で、直線偏光がλ／４板２０に入射すると、射出光線は右回りの円偏光となる。一方で、直線偏光の振動方向がλ／４板２０の光軸方向に対して−４５度となった状態で、直線偏光がλ／４板２０に入射すると、射出光線は左回りの円偏光となる。

シリンダーレンズ２１ａは、レーザ光１２が入射する側に平面部が形成され、レーザ光１２が射出する側に凸の曲面部（シリンダー面）が形成されている。すなわち、試料流体が流通される透光性流路１３にレーザ光が照射される領域（測定領域）とは反対側に平面部が形成され、測定領域側に凸の曲面部が形成されている。従って、シリンダーレンズ２１ａを透過したレーザ光１２は、試料流体が流通する方向に次第に圧縮され、試料流体が流通される透光性流路１３を横切る際には（集光点付近で）帯状（扁平光束）になる。これにより、レーザ光１２のエネルギー密度（照射光強度）を高め、光散乱式粒子計数装置１の感度を高めることができるようになっている。

ここで、従来の光散乱式粒子計数装置１００（図６（ａ）参照）では、上述したように、投光レンズ１０３の下流側にビームポケット１１１を配置して、粒子に当たらなかったレーザ光１０２をトラップしていた。しかし、本実施形態に係る光散乱式粒子計数装置１では、一対の同一のシリンダーレンズ２１ａ及びシリンダーレンズ２１ｂを用いて、粒子に当たらなかったレーザ光１０２の有効活用を行っている。図２（ａ）を用いて詳細に説明する。

図２（ａ）は、図１に示す光散乱式粒子計数装置１の概略側面図である。なお、説明の便宜上、図２（ａ）では第１のレンズ１６ａ及び第２のレンズ１６ｂ、光検出器１７を省略している。また、図２（ａ）は、図１中のＸ方向からみたときの概略側面図である。

図２（ａ）において、光源１１，コリメータレンズ１８，偏光板１９，λ／４板２０，シリンダーレンズ２１ａの各要素については、上述のとおりである。シリンダーレンズ２１ｂは、レーザ光１２が入射する側に凸の曲面部（シリンダー面）が形成され、その反対側に平面部が形成されている。すなわち、試料流体が流通される透光性流路１３にレーザ光が照射される領域（測定領域）とは反対側に平面部が形成され、測定領域側に凸の曲面部（シリンダー面）が形成されている。このようにして、一対の同一のシリンダーレンズ２１ａ及びシリンダーレンズ２１ｂは、測定領域を介して配置されている。

また、シリンダーレンズ２１ｂの平面部には、レーザ光１２を反射するミラーコート２２（図２（ａ）中の太線で示す）が施されている。なお、本実施形態では、レーザ光１２を反射する反射部材としてミラーコート２２を採用したが、例えば、プリズムを平面部に設けてもよいし、反射シートを平面部に貼付してもよい。また、ミラーコート２２にあっては、シルバーミラーコート，ゴールドミラーコート，ブルーミラーコート，或いはピンクミラーコートなど、如何なる種類のミラーコートを用いても構わない。

シリンダーレンズ２１ａから射出したレーザ光１２は、集光点において扁平光束になった後、再び拡張して、シリンダーレンズ２１ａから射出した直後のビームスポットと同様の形状で、シリンダーレンズ２１ｂに入射される。シリンダーレンズ２１ｂのシリンダー面を透過したレーザ光１２は、シリンダーレンズ２１ａから射出する直前のレーザ光１２の形状（平行光束）に戻る。その後、平行光（平行光束）となったレーザ光１２は、ミラーコート２２で反射した後、再びシリンダーレンズ２１ｂのシリンダー面から射出される。このとき、境界面による散乱光はほとんど生じない（反射部材に当たったレーザ光のほとんどは、適切に戻ってくる）。

このように、シリンダーレンズ２１ｂのシリンダー面によって光束の整形を行うとともに、平面部に施されたミラーコート２２によってレーザ光１２の折り返しを行うことによって、ミラーコート２２に当たったレーザ光１２のほとんどを再び集光点へと導くことができ、ひいては境界面による散乱光を減らして光損失を低減することができる。

シリンダーレンズ２１ｂのシリンダー面から射出され、円偏光に変換されたレーザ光１２は、集光点で扁平光束になった後、再び拡張して、シリンダーレンズ２１ａのシリンダー面に入射される。そして、シリンダーレンズ２１ａのシリンダー面によって平行光（平行光束）となったレーザ光１２は、λ／４板２０を透過したとき、１／４波長の位相差が生じる。

ここで、このレーザ光１２は、最初に光源１１から集光点に向かう際にもλ／４板２０を通過していることから、結果的に、最初に光源１１から集光点に向かう際の直線偏光と直交する方向に振動面をもった光となる。従って、このレーザ光１２は、λ／４板２０を透過した後、偏光板１９において遮光される。このようにして、ミラーコート２２で反射したレーザ光１２が光源１１にまで戻ってくるのを防いでいる。

なお、本実施形態では、照射光系を図２（ａ）に示す構成としたが、例えば、図２（ｂ）に示す構成としても構わない。すなわち、シリンダーレンズ２１ｂの代わりに、反射部材２１ｂ'を用いてもよい。反射部材２１ｂ'は、一旦集光点で扁平な帯状の扁平光束になり、その後、集光点から遠ざかるにつれて拡張していくレーザ光を反射し、再び光源側のレンズと同一集光点で扁平な帯状の扁平光束にするような性質をもっている。

次に、光散乱式粒子計数装置１の集光系について詳述する。図１に示すように、集光系は、散乱光１５を集光する第１のレンズ１６ａ及び第２のレンズ１６ｂと、第１のレンズ１６ａと第２のレンズ１６ｂとの間に形成され、試料流体が流れる透光性流路１３と、集光した散乱光１５を検出する光検出器１７と、から構成される。図１において、第１のレンズ１６ａは、反射光を光検出器１７の受光面１７ａに集光させる第１のミラー面１６ａ'を有するものであって（図３参照）、測定領域を介して光検出器１７と反対側に配置されている。第２のレンズ１６ｂは、反射光を測定領域に集光させるものであって、光検出器１７の受光面１７ａの近傍に配置されている。具体的には、光検出器１７の受光面１７ａと同形の穴が開いた第２のミラー面１６ｂ'が、その穴と受光面１７ａの周囲とが接するようにして固着されている。第１のレンズ１６ａ及び第２のレンズ１６ｂによって、散乱光１５を光検出器１７の受光面１７ａに集光する様子については後述する（図３参照）。

光検出器１７は、測定領域に向き合っており、光軸をレーザ光１２の光軸と直交させた状態で配置している。光検出器１７は、受光素子の一例であって、例えばプリアンプ付きＳｉＰＩＮフォトダイオードを使用することができる。これにより、感度及びＳＮ比を向上させることができる。

図３は、図１に示す光散乱式粒子計数装置１において、散乱光１５を光検出器１７の受光面１７ａに集光する様子について説明するための説明図である。なお、説明の便宜上、図３では光源１１や投光レンズ系１４などを省略している。また、図３は、図１中のＹ方向からみたときの概略側面図である。

まず、図３（ａ）に示すように、レーザ光１２が集光点において試料流体に当たって発生する散乱光１５の一部１５ａは、光検出器１７の受光面１７ａに直接入射される。

次に、図３（ｂ）に示すように、レーザ光１２が集光点において試料流体に当たって発生する散乱光１５の一部１５ｂは、光検出器１７とは反対側に向かって生じるが、この散乱光１５ｂは、第１のレンズ１６ａにおける第１のミラー面１６ａ'（ミラーコートが施されることによって形成された楕円ミラー面）で反射して、光検出器１７の受光面１７ａに集光・入射される。このように、散乱光１５ｂは、光検出器１７の受光面１７ａに入射するまでに、第１のミラー面１６ａ'での反射を１回経ることになる。

次に、図３（ｃ）に示すように、レーザ光１２が集光点において試料流体に当たって発生する散乱光１５の一部１５ｃは、光検出器１７の方向へは向かっているものの、光検出器１７の受光面１７ａから外れた方向に生じるが、この散乱光１５ｃは、第２のレンズ１６ｂにおける第２のミラー面１６ｂ'（ミラーコートが施されることによって形成された球面ミラー面）で反射して、再び集光点（測定領域）に戻される。その後、集光点を通過して、図３（ｂ）を用いて説明したように第１のミラー面１６ａ'で反射して、光検出器１７の受光面１７ａに集光・入射される。このように、散乱光１５ｃは、光検出器１７の受光面１７ａに入射するまでに、第２のミラー面１６ｂ'での反射を１回経て、第１のミラー面１６ａ'での反射を１回経ることになる（合計２回の反射を経る）。

図３（ｄ）は、図３（ａ）〜図３（ｃ）に示す散乱光１５の光路を合成した様子を示している。図３（ｄ）によれば、光検出器１７の受光面１７ａに直接入射される散乱光１５ａ（図３（ａ）参照）以外の光を効果的に検出することができるのが分かる。

以上説明したように、本実施形態に係る光散乱式粒子計数装置１の照射光系によれば、往復するレーザ光１２によって試料流体中の粒子を照射することができるので（図２参照）、測定領域における照射光量を約２倍にすることができ、ひいては光散乱式粒子計数装置１の感度を高めることができる。

また、一対のシリンダーレンズ２１ａ及びシリンダーレンズ２１ｂは、レーザ光１２が照射される測定領域（或いは集光点）を介してシリンダー面が対向するように配置されており、かつ、シリンダーレンズ２１ｂの平面部にミラーコート２２を施しているので、光束の整形とレーザ光１２の折り返しを同時に実現することができ、境界面による散乱光を減らして光損失を低減しつつ、光散乱式粒子計数装置１の感度を高めることができる。

特に、本実施形態に係る光散乱式粒子計数装置１では、シリンダーレンズ２１ａ及びシリンダーレンズ２１ｂは同一のものとしている。これにより、異種の部品点数を減らして製造コスト削減に寄与することができる。

また、シリンダーレンズ２１ａと光源１１との間には、偏光板１９及びλ／４板２０を介在させているので、ミラーコート２２によって反射されるレーザ光１２が光源１１にまで戻ってくるのを防ぐことができ、ひいては光源１１の破損を防止することができる。

一方、本実施形態に係る光散乱式粒子計数装置１の集光系によれば、第１のレンズ１６ａにおける第１のミラー面１６ａ'及び第２のレンズ１６ｂにおける第２のミラー面１６ｂ'によって、光検出器１７の受光面１７ａに直接入射される散乱光１５ａ以外の光を検出することができるので（図３参照）、一般的に安価な光検出器１７を用いた場合であっても、高いＮＡを実現することができ、ひいては製造コストを抑えながら光散乱式粒子計数装置１の感度を高めることができる。

より具体的に説明すると、光検出器１７から遠ざかる散乱光１５ｂを第１のミラー面１６ａ'により反射させ、光検出器１７の受光面１７ａに集光することによって、ＮＡ０．９５を達成することができる（図３（ｂ）参照）。これは、従来と比べて約１．６倍の高ＮＡである。また、光検出器１７へは向かっているが、直接光検出器１７の受光面１７ａに入射しない散乱光１５ｃを第２のミラー面１６ｂ'により反射させ、更に第１のミラー面１６ａ'により反射させ、光検出器１７の受光面１７ａに集光することによって、ＮＡ０．９５を達成することができる（図３（ｃ）参照）。これは、従来と比べて約１．６倍の高ＮＡである。そして、図３（ｂ）及び図３（ｃ）に示す散乱光１５の合成光が光検出器１７の受光面１７ａに入射されることを考えると（図３（ｄ）参照）、従来と比べて約３．２倍の高ＮＡであり、単位面積あたり約１０倍の光量となる。これにより、最小可測粒径は０．３μｍよりも小さいものまで検出することができるようになっている。

また、光検出器１７の受光面１７ａに入射される散乱光１５の反射回数は、多くても２回であり、光エネルギーが熱エネルギーに変わってしまうことによる光量減少を最大限に防ぎながら、光散乱式粒子計数装置１の感度を高めることができる。

図４は、一対のシリンダーレンズ２１ａ及びシリンダーレンズ２１ｂを複数セット備えた光散乱式粒子計数装置１Ａの機械構成を示す図である。特に、光散乱式粒子計数装置１Ａの概略平面図を示している。なお、図４において、光検出器１７や第２のレンズ１６ｂは、測定領域（集光点）よりも紙面手前にあり、第１のレンズ１６ａは、測定領域よりも紙面奥にある。

図４において、光散乱式粒子計数装置１Ａには、測定領域（或いは集光点）を含み、かつ、光検出器１７の受光面１７ａと凡そ平行な面に、測定領域を介して配置された一対のシリンダーレンズ２１ａ及びシリンダーレンズ２１ｂを３セットと、が設けられている。

また、これら３セットのレンズと、試料流体が流通する透光性流路１３とは、それぞれが約４５度又は約９０度のずれ角度をもつように配置されている（図４参照）。従って、試料流体中の粒子に対して、様々な角度からレーザ光１２を照射することによって、散乱光１５が発生している時間を長くすることができる。その結果、散乱光１５を光検出器１７で電気的に検出する際に、より効果的に検出することが可能となり、ひいては光散乱式粒子計数装置１Ａの感度を高めることができる。また、１セットのレンズからなる光散乱式粒子計数装置と比べて、光量を約３倍に増加させることができ、ひいては光散乱式粒子計数装置１Ａの感度を更に高めることができる。

［変形例］
図５は、本発明の他の実施の形態に係る光散乱式粒子計数装置１Ｂ，１Ｃにおいて、散乱光１５を光検出器１７の受光面１７ａに集光する様子について説明するための説明図である。なお、図５では、集光系についてのみ着目し、照射光系については省略している。また、透光性流路１３についても省略しているが、試料流体は、紙面の上方から下方へと流れる。

図５（ａ）に示す光散乱式粒子計数装置１Ｂの集光系は、楕円ミラー１６ｄとパラボラミラー（放物面ミラー）１６ｃ，１６ｅ，１６ｅ'とを組み合わせたものである。試料流体中の粒子から発せられる散乱光１５のうち、光検出器１７から遠ざかるものについては、例えば図中の矢印のような光路で受光面１７ａに入射する。すなわち、パラボラミラー１６ｅ'→パラボラミラー１６ｅ→パラボラミラー１６ｅ'→パラボラミラー１６ｅ→パラボラミラー１６ｅ'→パラボラミラー１６ｃ→楕円ミラー１６ｄの各ミラーで反射した後、受光面１７ａに入射する（図中の矢印参照）。

このように、楕円ミラー１６ｄとパラボラミラー１６ｃ，１６ｅ，１６ｅ'とを組み合わせることによっても、光検出器１７から遠ざかる散乱光１５を効果的に集光して、光散乱式粒子計数装置１Ｂの感度を高めることができることが分かる。

一方、図５（ｂ）に示す光散乱式粒子計数装置１Ｃの集光系は、平面透過部１６ｇ，１６ｇ'と楕円ミラー１６ｆと球面ミラー１６ｈとを組み合わせたものである。試料流体中の粒子から発せられる散乱光１５のうち、光検出器１７から遠ざかるものについては、例えば図中の矢印のような光路で受光面１７ａに入射する。すなわち、平面透過部１６ｇ'で屈折→球面ミラー１６ｈで反射→平面透過部１６ｇ'で屈折→平面透過部１６ｇで屈折→楕円ミラー１６ｆ→平面透過部１６ｇで反射、の各部で屈折や反射を繰り返した後、受光面１７ａに入射する（図中の矢印参照）。

このように、平面透過部１６ｇ，１６ｇ'と楕円ミラー１６ｆと球面ミラー１６ｈとを組み合わせることによっても、光検出器１７から遠ざかる散乱光１５を効果的に集光して、光散乱式粒子計数装置１Ｃの感度を高めることができることが分かる。さらに、光散乱式粒子計数装置１Ｂと比較して、反射回数が少ないので（図５（ａ）では７回、図５（ｂ）では３回）、光エネルギーが熱エネルギーに変わってしまうことによる光量減少を最大限に防ぎながら、光散乱式粒子計数装置１Ｃの感度を高めることができる。

本発明に係る光散乱式粒子計数装置は、測定領域における照射光量を約２倍にしたり、一般的な受光素子を用いた場合であっても高いＮＡを実現したりして、感度を高めることが可能なものとして有用である。

本発明の実施の形態に係る光散乱式粒子計数装置の機械構造を示す斜視図である。 図１に示す光散乱式粒子計数装置の概略側面図である。 図１に示す光散乱式粒子計数装置において、散乱光を光検出器の受光面に集光する様子について説明するための説明図である。 一対のシリンダーレンズ及びシリンダーレンズを複数セット備えた光散乱式粒子計数装置の機械構成を示す図である。 本発明の他の実施の形態に係る光散乱式粒子計数装置において、散乱光を光検出器の受光面に集光する様子について説明するための説明図である。 従来の光散乱式粒子計数装置を示す図である。

符号の説明

１ 光散乱式粒子計数装置
１１ 光源
１２ レーザ光
１３ 透光性流路
１４ 投光レンズ系
１５ 散乱光
１６ａ 球面ミラー
１６ｂ 楕円ミラー
１７ 光検出器
１８ コリメータレンズ
１９ 偏光板
２０ λ／４板
２１ａ，２１ｂ シリンダーレンズ
２２ ミラーコート

Claims (7)

1. 光源からのレーザ光を測定領域に照射し、当該測定領域に存在する粒子が発生する散乱光に基づいて粒子を計数する光散乱式粒子計数装置において、
   前記測定領域を介して配置された一対のレンズを備え、
   前記一対のレンズは、それぞれ前記測定領域側に凸又は凹の曲面部が形成され、前記測定領域とは反対側に平面部が形成されており、
   前記一対のレンズの間には前記粒子が流れる透光性流路が設けられ、
   前記一対のレンズのうちの前記光源と反対側のレンズの前記平面部には、レーザ光を反射する反射部材が設けられていることを特徴とする光散乱式粒子計数装置。
2. 前記一対のレンズは、一対の同一のシリンダーレンズであり、前記測定領域を介してシリンダー面同士が対向するように配置されてい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。
3. 前記光源と、前記一対のレンズのうちの前記光源側のレンズとの間には、偏光板及び１／４波長板が介在していることを特徴とする請求項１又は２記載の光散乱式粒子計数装置。
4. 光源からのレーザ光を測定領域に照射し、当該測定領域に存在する粒子が発生する散乱光に基づいて粒子を計数する光散乱式粒子計数装置において、
   前記散乱光を検出する受光素子と、
   反射光を前記受光素子の受光面に集光させる第１のミラー面を有する第１のレンズと、
   前記第１のレンズと対向する位置に設けられた第２のレンズと、
   前記第１のレンズと前記第２のレンズとの間に形成され、前記粒子が流れる透光性流路と、を備え、
   前記散乱光は、前記受光素子の受光面に直接入射されるとともに、前記第１のミラー面での反射を経て前記受光素子の受光面に入射されることを特徴とする光散乱式粒子計数装置。
5. 前記第１のミラー面は、前記測定領域を介して前記受光素子と反対側に配置されていることを特徴とする請求項４記載の光散乱式粒子計数装置。
6. 前記受光素子の受光面近傍であって、かつ、前記第２のレンズの一部の面には、反射光を前記測定領域に集光させる第２のミラー面が配置されていることを特徴とする請求項５記載の光散乱式計数装置。
7. 光源からのレーザ光を測定領域に照射し、当該測定領域に存在する粒子が発生する散乱光に基づいて粒子を計数する光散乱式粒子計数装置において、
   前記散乱光を検出する受光素子と、
   前記測定領域を含み、かつ、前記受光素子の受光面と平行な面に、前記測定領域を介して配置された一対のレンズを複数セット備え、
   前記一対のレンズは、それぞれ前記測定領域側に凸又は凹の曲面部が形成され、前記測定領域とは反対側に平面部が形成されており、
   前記一対のレンズの間には前記粒子が流れる透光性流路が設けられ、
   前記一対のレンズのうちの前記光源と反対側のレンズの前記平面部には、レーザ光を反射する反射部材が設けられていることを特徴とする光散乱式粒子計数装置。

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