JP2013246023A - 光学式粒子検出装置及び粒子の検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】メンテナンスの容易な光学式粒子検出装置を提供する。
【解決手段】光を発する光源１と、光を伝搬する光ファイバ２と、光ファイバ２の端部から放出された光を集光する照射側集光レンズ１２と、照射側集光レンズ１２で集光された光に粒子を含む気流を横切らせる噴射機構３と、を備える、光学式粒子検出装置。ここで、粒子とは、微生物、無害又は有害な化学物質、ごみ、ちり、及び埃等のダスト等を含む。光ファイバ２は、例えばマルチモード光ファイバである。
【選択図】図１

Description

本発明は環境評価技術に関し、特に光学式粒子検出装置及び粒子の検出方法に関する。

バイオクリーンルーム等のクリーンルームにおいては、粒子検出装置を用いて、飛散している粒子が検出され、記録される（例えば、非特許文献１参照。）。光学式の粒子検出装置は、例えば、クリーンルーム中の気体を吸引し、吸引した気体に光を照射する。気体に粒子が含まれていると、粒子によって光が散乱されるため、気体に含まれる粒子の濃度や大きさ等を検出することが可能となる。

長谷川倫男他，「気中微生物リアルタイム検出技術とその応用」，株式会社山武，azbil Technical Review 2009年12月号，p.2-7，2009年

光学式の粒子検出装置においては、光を発する光源の寿命が、他の部品よりも短い傾向にある。そのため、光源を交換するメンテナンスが必要となる場合がある。しかし、光源を交換すると、レンズ等からなる光学系の複雑なメンテナンスも必要となる場合がある。そこで、本発明は、メンテナンスの容易な光学式粒子検出装置及び粒子の検出方法を提供することを目的の一つとする。

本発明の態様によれば、（ａ）光を発する光源と、（ｂ）光を伝搬する光ファイバと、（ｃ）光ファイバの端部から放出された光を集光する照射側集光レンズと、（ｄ）照射側集光レンズで集光された光に粒子を含む気流を横切らせる噴射機構と、を備える、光学式粒子検出装置が提供される。

また、本発明の態様によれば、（ａ）光源から光を発することと、（ｂ）光を光ファイバで伝搬することと、（ｃ）光ファイバの端部から放出された光を集光することと、（ｄ）集光された光に粒子を含む気流を横切らせることと、を含む、粒子の検出方法が提供される。

本発明によれば、メンテナンスの容易な光学式粒子検出装置及び粒子の検出方法を提供可能である。

本発明の実施の形態に係る光学式粒子検出装置の模式図である。 本発明の実施の形態に係る光源の上面図である。 本発明の実施の形態に係る光源の図２に示すＩＩＩ−ＩＩＩ方向から見た断面図である。 本発明の実施の形態に係る光源の像の撮像方法を示す模式図である。 本発明の実施の形態に係る光源の輝度分布を示すグラフである。 本発明の実施の形態に係る光ファイバによって光源から発せられた光のパターンが薄まることを示す模式図である。 本発明の実施の形態に係る粒子に照射される光の光量の分布を示す第１のグラフである。 本発明の実施の形態に係る粒子に照射される光の光量の分布を示す第２のグラフである。 本発明の実施の形態に係る粒子に照射される光の光量の分布を示す第３のグラフである。 本発明の実施の形態に係る粒子に照射される光の光量の分布を示す第４のグラフである。 本発明のその他の実施の形態に係る光学式粒子検出装置の模式図である。

以下に本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号で表している。但し、図面は模式的なものである。したがって、具体的な寸法等は以下の説明を照らし合わせて判断するべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。

実施の形態に係る光学式粒子検出装置は、図１に示すように、光を発する光源１と、光を伝搬する光ファイバ２と、光ファイバ２の出射端部から放出された光を集光する照射側集光レンズ１２と、照射側集光レンズ１２で集光された光に粒子を含む気流を横切らせる噴射機構３と、を備える。ここで、粒子とは、微生物、無害あるいは有害な化学物質、ごみ、ちり、及び埃等のダスト等を含む。

光源１は、光源装置２０に含まれている。光源装置２０は、光源１から発せられた光を光ファイバ２の入射端部に集光させる光源集光レンズ１０と、光源１及び光源集光レンズ１０を保持する筐体２１と、光ファイバ２を筐体２１に固定する光ファイバコネクタ２２と、をさらに備える。光ファイバコネクタ２２は、光ファイバ２の入射端部が挿入されるフェルールを有する。光ファイバ２の入射端部は、光源集光レンズ１０の焦点に位置する。これにより、光源１から発せられた光が光ファイバ２に入射する。

光源１としては、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）が使用可能である。光源１は、上面図である図２及びＩＩＩ−ＩＩＩ方向から見た断面図である図３に示すように、基板１０１、基板１０１上に配置されたｎ−窒化物半導体層１０２、ｎ−窒化物半導体層１０２上に配置された発光層１０３、発光層１０３上に配置されたｐ−窒化物半導体層１０４、及びｐ−窒化物半導体層１０４上に配置された透明電極１０５を備える。透明電極１０５上には、不透明なｐ側パッド電極１０７が配置されている。ｎ−窒化物半導体層１０２上には、ｎ側パッド電極１０６が配置されている。ｎ−窒化物半導体層１０２、ｐ−窒化物半導体層１０４、及び透明電極１０５は、保護膜１０８で覆われている。なお、光源１の構成は、これに限定されない。

光源１が発する光は、可視光であっても、紫外光であってもよい。光が可視光である場合、光の波長は、例えば４００乃至４１０ｎｍの範囲内であり、例えば４０５ｎｍである。光が紫外光である場合、光の波長は、例えば３１０乃至３８０ｎｍの範囲内であり、例えば３５５ｎｍである。

図１に示す照射側集光レンズ１２及び噴射機構３は、検出装置３０の筐体３１に含まれている。筐体３１には、光ファイバ２を固定する光ファイバコネクタ３２が設けられている。光ファイバコネクタ３２は、光ファイバ２の出射端部が挿入されるフェルールを有する。検出装置３０は、光ファイバ２の出射端部から放出された光を平行光にする照射側平行光レンズ１１をさらに備える。照射側集光レンズ１２は、照射側平行光レンズ１１で平行光にされた光を集光する。

噴射機構３は、ファン等によって筐体３１の外部から気体を吸引し、ノズル等を介して、吸引した気体を照射側集光レンズ１２の焦点に向けて噴射する。照射側集光レンズ１２で集光された光の進行方向に対して、噴射機構３から噴射される気流の進行方向は、例えば、略垂直に設定される。ここで、気流に粒子が含まれていると、粒子に当たった光が散乱し、散乱光が生じる。また、粒子が細菌を含む微生物等である場合、光を照射された微生物に含まれるトリプトファン、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド、及びリボフラビン等が、蛍光を発する。

細菌の例としては、グラム陰性菌、グラム陽性菌、及びカビ胞子を含む真菌が挙げられる。グラム陰性菌の例としては、大腸菌が挙げられる。グラム陽性菌の例としては、表皮ブドウ球菌、枯草菌芽胞、マイクロコッカス、及びコリネバクテリウムが挙げられる。カビ胞子を含む真菌の例としては、アスペルギルスが挙げられる。照射側集光レンズ１２で集光された光を横切った気流は、排気機構によって筐体３１の外部に排気される。

検出装置３０は、噴射機構３が噴射した気流を横切った光を平行光にする検出側平行光レンズ１３と、検出側平行光レンズ１３で平行光にされた光を集光する検出側集光レンズ１４と、をさらに備える。気流に含まれる粒子によって散乱光が生じた場合、散乱光も、検出側平行光レンズによって平行光にされ、その後、検出側集光レンズ１４で集光される。

検出側集光レンズ１４の焦点には、粒子によって散乱した光を検出する散乱光検出部１６が配置されている。散乱光検出部１６としては、フォトダイオード及び光電子増倍管等が使用可能である。粒子による散乱光の強度は、粒子の粒径と相関する。したがって、散乱光検出部１６で散乱光の強度を検出することにより、光学式粒子検出装置が配置された環境を飛散する粒子の粒径を求めることが可能となる。

検出装置３０の筐体３１内部には、例えば噴射機構３から噴射される気流と平行に、凹面ミラーである集光ミラー１５がさらに配置されている。集光ミラー１５は、気流に含まれる粒子が発した蛍光を集光する。集光ミラー１５の焦点には、蛍光を検出する蛍光検出部１７が配置されている。散乱光検出部１６が散乱光を検出した場合に、蛍光検出部１７が蛍光を検出しなかった場合、気流に含まれる粒子が非生物粒子であることが分かる。散乱光検出部１６が散乱光を検出し、かつ蛍光検出部１７が蛍光を検出した場合、気流に含まれる粒子が生物粒子であることが分かる。例えば、散乱光検出部１６及び蛍光検出部１７には、検出した光強度及び蛍光強度を統計処理するコンピュータが接続される。

ここで、図２及び図３に示した光源１の発光層１０３上に配置された不透明なｐ側パッド電極１０７は、光源１の輝度ムラの原因となる。例えば図４に示すように、光源１の像を、スクリーン４０に直接形成すると、図２及び図３に示したｐ側パッド電極１０７の像も形成される。そこで、図４に示す望遠レンズ４２を用いて、撮像カメラ４１内部の撮像素子に、スクリーン４０上の光パターンの像が形成されるよう調整し、スクリーン４０に形成された光源１の像を、撮像カメラ４１で撮像した。この際、光源１と、スクリーン４０と、の間の距離Ｄを、第１の距離、第１の距離より長い第２の距離、及び第２の距離より長い第３の距離と変化させた。その結果、撮像された光パターンの光強度は、図５に示すように、中心から対称的に分布していなかった。

図２及び図３に示したｐ側パッド電極１０７及びｐ側パッド電極１０７に接続されるボンディングワイヤの大きさ及び形状は、製品毎に異なる。また、同じ製品であっても、ロット毎に異なる場合がある。また、光源１の固定の仕方によって、ｐ側パッド電極１０７及びボンディングワイヤの方向が変わる場合もある。そのため、ｐ側パッド電極１０７及びボンディングワイヤの像を薄めることができない光学系を粒子検出装置に採用すると、メンテナンスで光源１を交換した際に、粒子に照射される光のムラに変化が生じ、粒子の検出結果にも変化が生じる場合がある。

これに対し、実施の形態に係る光学式粒子検出装置は、図１に示した光ファイバ２によって、ｐ側パッド電極１０７及びボンディングワイヤの像を薄めることが可能となる。すなわち、図６に示すように、光ファイバ２に入射した直後の光の断面におけるビームパターンは、ｐ側パッド電極１０７の像である影を含む。しかし、光ファイバ２内部を光が進行するにつれて、光ファイバ２のコアとクラッドの界面で光は反射を繰り返し、ビームパターンが様々な角度から重ね合わされ、ビームパターンに含まれるｐ側パッド電極１０７の像が薄れていく。そして、光ファイバ２の出射端部から放出される光のビームパターンは、光ファイバ２のコアの断面形状に応じてほぼ円形となる。また、光の断面における光量は、図７に示すように、ほぼ中心から対称的に分布するようになる。ここで、中心とは、例えば光学式粒子検出装置の光学系の光軸に一致する。中心から対称的な分布としては、図７に示すような正規分布や、図８に示すような矩形状の分布や、図９に示すような台形状の分布や、図１０に示すような半球状の分布が挙げられるが、これらに限定されない。

光ファイバ２としては、シングルモード光ファイバ及びマルチモード光ファイバのいずれもが使用可能である。シングルモード光ファイバと比較すると、マルチモード光ファイバはより効果的にビームパターンの断面における光量分布を中心から対称的にする傾向にある。また、光ファイバ２のコアの断面形状が軸対称であると、効果的にビームパターンの断面における光量分布を中心から対称的にする傾向にある。光ファイバ２のコア径は、粒子を含む気流が横切る領域の大きさに応じて、適宜設定される。

光ファイバ２の長さは任意であるが、短くなると出射ビームにｐ側パッド電極１０７の像が残る場合がある。したがって、光ファイバ２の長さは、光ファイバ２の出射端部から放出された光においてｐ側パッド電極１０７の像が薄まり消失するよう設定される。あるいは、光ファイバ２の長さは、光ファイバ２の端部から放出された光の断面における光量分布が、中心から対称的となるよう設定される。

上述したように、ｐ側パッド電極１０７の像を薄めることができない光学系を粒子検出装置に採用すると、メンテナンスで光源１を交換した際に、粒子に照射される光のムラに変化が生じ、粒子の検出結果にも変化が生じる場合がある。そのため、ｐ側パッド電極１０７の像を薄めることができない光学系を粒子検出装置に採用した場合、メンテナンスで光源１を交換した後にレンズ系を調整して、粒子の検出結果の変化を抑制する必要がある。しかし、レンズ系の調整は、専門的な知識と技量が必要とされ、容易ではない。

これに対し、実施の形態に係る光学式粒子検出装置においては、ｐ側パッド電極１０７の像が光ファイバ２によって薄められるため、メンテナンスで光源１を交換しても、粒子に照射される光の強度の面内分布の変化はほとんど生じない。そのため、光源１を交換しても、照射側平行光レンズ１１、照射側集光レンズ１２、検出側平行光レンズ１３、及び検出側集光レンズ１４を調整する手間を省くことが可能となる。

（その他の実施の形態）
上記のように、本発明を実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす記述及び図面はこの発明を限定するものであると理解するべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施の形態及び運用技術が明らかになるはずである。例えば、筐体への光ファイバの固定方法は任意であり、図１１に示すように、接着剤３３で光ファイバ２を筐体３１に固定してもよい。光ファイバ２の端面は、研磨されていてもよい。また、図１において、蛍光を集光する手段として凹面ミラーである集光ミラー１５を示したが、球面ミラーとレンズの組み合わせによって蛍光を集光してもよい。あるいは、楕円鏡を配置し、楕円鏡の第１焦点において光と気流とを横切らせ、第２焦点において蛍光を受光してもよい。この様に、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を包含するということを理解すべきである。

１ 光源
２ 光ファイバ
３ 噴射機構
１０ 光源集光レンズ
１１ 照射側平行光レンズ
１２ 照射側集光レンズ
１３ 検出側平行光レンズ
１４ 検出側集光レンズ
１５ 集光ミラー
１６ 散乱光検出部
１７ 蛍光検出部
２０ 光源装置
２１ 筐体
２２ 光ファイバコネクタ
３０ 検出装置
３１ 筐体
３２ 光ファイバコネクタ
３３ 接着剤
４０ スクリーン
４１ 撮像カメラ
４２ 望遠レンズ
１０１ 基板
１０２ ｎ−窒化物半導体層
１０３ 発光層
１０４ ｐ−窒化物半導体層
１０５ 透明電極
１０６ ｎ側パッド電極
１０７ ｐ側パッド電極
１０８ 保護膜

Claims (24)

1. 光を発する光源と、
   前記光を伝搬する光ファイバと、
   前記光ファイバの端部から放出された前記光を集光する照射側集光レンズと、
   前記照射側集光レンズで集光された光に粒子を含む気流を横切らせる噴射機構と、
   を備える、光学式粒子検出装置。
2. 前記光ファイバがマルチモード光ファイバである、請求項１に記載の光学式粒子検出装置。
3. 前記光ファイバの長さが、前記光ファイバの端部から放出された前記光の断面における光量が、中心から対称的に分布するよう設定されている、請求項１又は２に記載の光学式粒子検出装置。
4. 前記光ファイバの端部から放出された前記光の断面における光量が正規分布を示す、請求項３に記載の光学式粒子検出装置。
5. 前記光ファイバの端部から放出された前記光の断面における光量が矩形状の分布を示す、請求項３に記載の光学式粒子検出装置。
6. 前記光ファイバの端部から放出された前記光の断面における光量が台形状の分布を示す、請求項３に記載の光学式粒子検出装置。
7. 前記光源が発光ダイオードである、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光学式粒子検出装置。
8. 前記発光ダイオードが、発光層と、前記発光層上に配置されたパッド電極と、を備え、
   前記光ファイバの長さが、当該光ファイバの端部から放出された光において前記パッド電極の像が消失するよう設定されている、請求項７に記載の光学式粒子検出装置。
9. 前記粒子によって散乱した光を検出する散乱光検出部を更に備える、請求項１乃至８のいずれか１項に記載の光学式粒子検出装置。
10. 前記光を照射された前記粒子が発する蛍光を検出する蛍光検出部を更に備える、請求項１乃至９のいずれか１項に記載の光学式粒子検出装置。
11. 前記光ファイバと、前記照射側集光レンズと、の間に配置され、前記光ファイバの端部から放出された前記光を平行光にする照射側平行光レンズを更に備える、請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の光学式粒子検出装置。
12. 前記気流を横切った前記光を平行光にする検出側平行光レンズを更に備える、請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の光学式粒子検出装置。
13. 前記気流を横切った前記光を集光する検出側集光レンズを更に備える、請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の光学式粒子検出装置。
14. 光源から光を発することと、
    前記光を光ファイバで伝搬することと、
    前記光ファイバの端部から放出された前記光を集光することと、
    前記集光された光に粒子を含む気流を横切らせることと、
    を含む、粒子の検出方法。
15. 前記光ファイバがマルチモード光ファイバである、請求項１４に記載の粒子の検出方法。
16. 前記光ファイバの長さが、前記光ファイバの端部から放出された前記光の断面における光量が、中心から対称的に分布するよう設定されている、請求項１４又は１５に記載の粒子の検出方法。
17. 前記光ファイバの端部から放出された前記光の断面における光量が正規分布を示す、請求項１６に記載の光学式粒子検出方法。
18. 前記光ファイバの端部から放出された前記光の断面における光量が矩形状の分布を示す、請求項１６に記載の光学式粒子検出方法。
19. 前記光ファイバの端部から放出された前記光の断面における光量が台形状の分布を示す、請求項１６に記載の光学式粒子検出方法。
20. 前記光源が発光ダイオードである、請求項１４乃至１９のいずれか１項に記載の粒子の検出方法。
21. 前記発光ダイオードが、発光層と、前記発光層上に配置されたパッド電極と、を備え、
    前記光ファイバの長さが、当該光ファイバの端部から放出された光において前記パッド電極の像が消失するよう設定されている、請求項２０に記載の粒子の検出方法。
22. 前記粒子によって散乱した光を検出することを更に含む、請求項１４乃至２１のいずれか１項に記載の粒子の検出方法。
23. 前記光を照射された前記粒子が発する蛍光を検出することを更に含む、請求項１４乃至２２のいずれか１項に記載の粒子の検出方法。
24. 前記光ファイバの端部から放出された前記光を集光することの前に、
    前記光ファイバの端部から放出された前記光を平行光にすることを更に含む、
    請求項１４乃至２３のいずれか１項に記載の粒子の検出方法。