JP2016006397A - 動的光散乱測定装置及び動的光散乱測定方法 - Google Patents

動的光散乱測定装置及び動的光散乱測定方法 Download PDF

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Abstract

【課題】振動等の外乱の影響を受け難く参照光と試料光との光路差調整を不要とした動的光散乱測定装置等を提供すること。
【解決手段】動的光散乱測定装置1は、低コヒーレンス光源10からの光を、粒子42を含む試料40に照射する照射部と、試料40に照射される光の光路上に配置された参照面からの反射光と参照面を透過した試料40からの散乱光を分光して、反射光と散乱光との干渉光のスペクトル強度を取得するスペクトル強度取得部と、取得したスペクトル強度に基づいて試料40の動的光散乱を測定する測定部とを含む。
【選択図】図1

Description

本発明は、動的光散乱測定装置及び動的光散乱測定方法に関する。
特許文献1には、低コヒーレンス光源とマイケルソン型干渉計とを用いた動的光散乱測定装置において、参照光と散乱光との干渉光のスペクトル強度を取得し、取得したスペクトル強度に基づき動的光散乱測定を行うことで、参照ミラー(参照面)の走査を不要とした測定装置が開示されている。
国際公開第2013/077137号
しかしながら、従来の動的光散乱測定装置では、参照光と試料光(試料からの散乱光)とをそれぞれ独立の光路に伝搬させる(参照光と試料光が異なる2つの光路を伝搬する)ため、振動等の外乱の影響を受け易く、また、参照光と試料光との光路差調整を必要とするといった問題があった。
本発明は、以上のような課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、振動等の外乱の影響を受け難く参照光と試料光との光路差調整を不要とした動的光散乱測定装置及び動的光散乱測定方法を提供することにある。
(1)本発明は、低コヒーレンス光源からの光を、粒子を含む試料に照射する照射部と、前記試料に照射される光の光路上に配置された参照面からの反射光と前記参照面を透過した前記試料からの散乱光を分光して、前記反射光と前記散乱光との干渉光のスペクトル強度を取得するスペクトル強度取得部と、取得した前記スペクトル強度に基づいて前記試料の動的光散乱を測定する測定部とを含む動的光散乱測定装置に関する。
また本発明は、低コヒーレンス光源からの光を、粒子を含む試料に照射する照射手順と、前記試料に照射される光の光路上に配置された参照面からの反射光と前記参照面を透過した前記試料からの散乱光を分光して、前記反射光と前記散乱光との干渉光のスペクトル強度を取得するスペクトル強度取得手順と、取得した前記スペクトル強度に基づいて前記試料の動的光散乱を測定する測定手順とを含む動的光散乱測定方法に関する。
本発明によれば、試料に照射される光(低コヒーレンス光源からの光)の光路上に参照面を配置し、当該参照面からの反射光と当該参照面を透過した試料からの散乱光を分光して、反射光と散乱光との干渉光のスペクトル強度を取得するように構成することで、参照光(参照面からの反射光)と試料光(試料からの散乱光)とを同一光路に伝搬させることになるため、振動等の外乱の影響を受け難くするとともに、参照光と試料光との光路差調整を不要とすることができる。
(2)また本発明に係る動的光散乱測定装置及び動的光散乱測定方法では、前記照射部は(前記照射手順では)、前記低コヒーレンス光源からの光を、前記試料を収容する透明容器の壁面を介して前記試料に照射し、前記参照面を、前記透明容器の壁面としてもよい
ここで、透明容器の壁面とは、透明容器の外壁面であってもよいし、透明容器の内壁面であってもよい。
本発明によれば、低コヒーレンス光源からの光を、試料を収容する透明容器の壁面を介して試料に照射して固液界面近傍における試料の動的特性を測定する際に、透明容器の壁面を参照面とすることで、参照光(参照面からの反射光)と試料光(試料からの散乱光)とを同一光路に伝搬させることになるため、振動等の外乱の影響を受け難くするとともに、参照光と試料光との光路差調整を不要とすることができる。
(3)また本発明に係る動的光散乱測定装置及び動的光散乱測定方法では、前記照射部は(前記照射手順では)、前記低コヒーレンス光源からの光を、前記試料の気液界面を介して前記試料に照射し、前記参照面を、空気と前記試料の気液界面としてもよい。
本発明によれば、低コヒーレンス光源からの光を、試料の気液界面(試料の液面)を介して試料に照射して気液界面近傍における試料の動的特性を測定する際に、試料の気液界面を参照面とすることで、参照光(参照面からの反射光)と試料光(試料からの散乱光)とを同一光路に伝搬させることになるため、振動等の外乱の影響を受け難くするとともに、参照光と試料光との光路差調整を不要とすることができる。
(4)また本発明に係る動的光散乱測定装置及び動的光散乱測定方法では、前記参照面を、前記低コヒーレンス光源からの光が伝搬する光伝搬部材の出射側の端部に設けてもよい。
本発明によれば、低コヒーレンス光源からの光が伝搬する光伝搬部材の出射側の端部に参照面を設けることで、参照光(参照面からの反射光)と試料光(試料からの散乱光)とを同一光路に伝搬させることになるため、振動等の外乱の影響を受け難くするとともに、参照光と試料光との光路差調整を不要とすることができる。
第1の実施の形態の動的光散乱測定装置の構成の一例を示す図である。 図1における参照光と試料光を示す模式図である。 動的光散乱測定の流れを示すフローチャートである。 図4(A)は、スペクトル強度の時間変動を示す画像の一例を示す図であり、図4(B)は、図4(A)に示す画像の中心部を拡大した画像である。 図5(A)は、図4(A)に示す画像の横軸方向の1ラインに相当するスペクトル強度を示す図であり、図5(B)は、図4(B)に示す画像の横軸方向の1ラインに相当する中心波長付近のスペクトル強度を示す図である。 ある時点でのスペクトル強度を逆フーリエ変換して得られた散乱点の位置毎の強度を示す図である。 ある散乱点の位置での強度の時間変動を示す図である。 ある散乱点の位置での強度の時間変動をフーリエ変換して得られたパワースペクトルを示す図である。 ある散乱点の位置でのパワースペクトルを逆フーリエ変換して得られた自己相関関数を示す図である。 第2の実施の形態に係る動的光散乱測定装置の構成を示す模式図である。 図10における参照光と試料光を示す模式図である。 第3の実施の形態に係る動的光散乱測定装置の構成を示す模式図である。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
(第1の実施の形態)
図1は、第1の実施の形態に係る動的光散乱測定装置の構成を示す模式図である。
動的光散乱測定装置1は、低コヒーレンス光源10と、光サーキュレータ20と、照射部として機能する対物レンズ30と、スペクトル強度取得部として機能する回折格子62及び光検出器70と、測定部として機能する演算処理部80とを含む。
ここでは、低コヒーレンス光源10として、SLD(Super Luminescent Diode)を用いる。なお、低コヒーレンス光源10として、他の低コヒーレンス光源や、白色LED等の極短コヒーレンス光源を用いてもよい。
光サーキュレータ20は、光ファイバ22が接続される第1ポートと、光ファイバ24が接続される第2ポートと、光ファイバ26が接続される第3ポートとを有する3ポートの光サーキュレータであり、第1ポートに入力した光を第2ポートに出力し、第2ポートに入力した光を第3ポートに出力する。
対物レンズ30としては、例えば倍率10倍、開口数0.25の有限遠対物レンズを用いて、結像点の焦点深度内に、試料セル50の外壁面から測定対象範囲の試料40までが含まれるようにする。試料セル50は、入射する光に対して透明な材料で形成された透明容器であり、粒子42を含む試料40を収容する。試料セル50として、例えばガラス製や透明樹脂製の一般的な角型セルを用いることができる。
回折格子62、凹面ミラー60、64及び光検出器70は、分光器として機能する。ここでは、分光器の構成をツェルニターナー型としているが、他の構成としてもよい。光検出器70は、複数の受光素子が一列に並んだラインセンサカメラで構成される。
低コヒーレンス光源10からの光は、光ファイバ22を通って光サーキュレータ20に入射する。光サーキュレータ20に入射された光は、光ファイバ24を通って、対物レンズ30により、試料セル50の壁面(透明壁)を介して試料40に照射される。
図2は、図1における参照光と試料光を示す模式図である。低コヒーレンス光源10からの光(入射光Lin)が試料セル50の壁面を介して試料40に照射されると、試料40中の粒子42から散乱光Lsc(後方散乱光)が発生する。また、入射光Linの一部は、試料セル50の外壁面52で反射する。第1の実施の形態では、この外壁面52からの反射光を参照光Lreとする。すなわち、第1の実施の形態では、試料40に照射される光の光路上に位置する外壁面52を参照面として用いている。なお、入射光Linの一部は、試料セル50の内壁面54(試料セル50と試料40との界面)でも反射する。ここで、試料40からの散乱光Lscと内壁面54からの反射光とを合わせて試料光Lsaとし、また説明の便宜上、内壁面54からの反射光を基準光Lbaと呼称する。
再び図1の説明に戻ると、参照光Lre(参照面(外壁面52)からの反射光)と試料光Lsa(散乱光Lsc及び基準光Lba)は、対物レンズ30、光ファイバ24を通って光サーキュレータ20に入射される。
光サーキュレータ20に入射された参照光Lreと試料光Lsaは、光ファイバ26を通って凹面ミラー60で反射され、回折格子62で分光される。分光された参照光Lreと試料光Lsaは、凹面ミラー64で反射され、光検出器70に入射され、干渉して干渉
光として検出される。光検出器70は、この干渉光のスペクトル強度を検出する。光検出器70で検出された検出信号(干渉光のスペクトル強度)は、演算処理部80に出力される。
演算処理部80(コンピュータ)は、光検出器70で検出された干渉光のスペクトル強度に基づき、試料40の動的光散乱を測定する演算を行う。具体的には、演算処理部80は、検出されたスペクトル強度に基づき試料40における散乱点の位置毎の強度を求め、前記散乱点の位置毎の強度の時間変動に基づき前記散乱点の位置毎のパワースペクトルを求め、求めたパワースペクトルに基づき前記散乱点の位置毎の自己相関関数を求め、求めた自己相関関数を解析して試料40の動的特性(例えば、試料40中の粒径分布)を測定する。
なお、図中zは、試料セル50の外壁面52から試料40中の粒子42中心(散乱点)までの距離を示し、図中sは、試料セル50の内壁面54から散乱点までの距離を示す。
第1の実施の形態に係る動的光散乱測定装置では、低コヒーレンス光源10からの光を、試料セル50の壁面を介して試料40に照射して、固液界面近傍における試料40の動的特性を測定する際に、試料セル50の壁面(外壁面52)を参照面とし、当該参照面で反射した参照光Lreと当該参照面を透過した試料光Lsa(試料40からの散乱光Lsc)を分光して、参照光Lreと試料光Lsaとの干渉光のスペクトル強度を取得するように構成されている。従って、参照光Lreと試料光Lsaとが同一光路を伝搬することになるため、振動等の外乱の影響を受け難くするとともに、参照光Lreと試料光Lsaとの光路差調整を不要とすることができる。
なお、試料セル50の外壁面52を参照面とすることに代えて、試料セル50の内壁面54を参照面として用いて、内壁面54からの反射光を参照光とするように構成してもよい。この場合には、基準光は参照光と同一となる。
図3は、本実施形態における動的光散乱測定の流れを示すフローチャートである。まず、演算処理部80は、光検出器70で検出されたスペクトル強度の時間変動を画像として取得する(ステップS10)。ここでは、スペクトル強度の時間変動を示す画像を複数回(例えば、16回)取得してもよい。
図4(A)は、スペクトル強度の時間変動を示す画像の一例を示す図である。ここでは、試料40として、ポリスチレン製角セルに収容したポリスチレンラテックス粒子の懸濁液(粒子半径:230nm、体積濃度:10%)を使用した。また、低コヒーレンス光源10として、中心波長827nm、半値全幅18nmのSLDを使用した。また、光検出器70として、ピクセル数2048のラインセンサカメラを使用し、5kHzのフレームレートで連続測定を行って画像を取得した。なお、フレームレートは、測定する粒子のサイズ(ブラウン運動の拡散速度)に応じて変更する。
図4(A)に示す画像において、横軸方向(2048ピクセル分)はスペクトルの波長を示し、画像の明暗はスペクトル強度の高低を示し、縦軸方向(4096ピクセル分)は時間を示す。図4(B)は、図4(A)に示す画像の中心部(中心波長付近)を拡大した画像である。
また、図5(A)は、図4(A)に示す画像の横軸方向の1ラインに相当するスペクトル強度を示す図であり、図5(B)は、図4(B)に示す画像の横軸方向の1ラインに相当する中心波長付近のスペクトル強度を示す図である。図5において、横軸は波長(単位
:nm)を示し、縦軸は強度(任意単位)を示す。図4、図5を、参照光Lreと基準光Lbaによって発現する干渉縞を確認することができる。また、この干渉縞には、試料40から発生する散乱光Lscの揺らぎ成分も含まれている。
次に、演算処理部80は、時間変動する各スペクトル強度(図4(A)に示す画像の横軸方向の各ラインに相当)のそれぞれを逆フーリエ変換して(ステップS12)、試料40中の散乱点の位置(すなわち、内壁面54から散乱点までの距離s)毎の強度の時間変動を取得する(ステップS14)。
図6は、ある時点でのスペクトル強度を逆フーリエ変換して得られた散乱点の位置毎の強度を示す図である。図6において、横軸は外壁面52から試料方向への距離z(単位:μm)を示し、縦軸は強度(任意単位)を示す。図中Pで示すピークPは、参照光Lreと基準光Lbaとの干渉光のピークであり、このピークPの位置(すなわち、距離s=0の位置)より深い位置(距離s>0の位置)に、参照光Lreと散乱光Lscとの干渉信号が発現する。このような散乱点の位置(距離s)毎の強度を、各スペクトル強度について求めることで、散乱点の位置毎の強度の時間変動を取得することができる。図7は、ある散乱点の位置(ここでは、距離s=20μm)での強度の時間変動を示す図である。図7において、横軸は時間(単位:秒)を示し、縦軸は強度(任意単位)を示す。
次に、演算処理部80は、試料40中の散乱点の位置毎の強度の時間変動をそれぞれフーリエ変換して、散乱点の位置毎のパワースペクトルを取得する(ステップS16)。
図8は、ある散乱点の位置での強度の時間変動をフーリエ変換して得られたパワースペクトルを示す図である。図8において、横軸は周波数(単位:Hz)を示し、縦軸は強度(任意単位、対数表示)を示す。ここでは、ステップS10においてスペクトル強度の時間変動を示す画像を16回取得し、16回分の散乱点の位置毎の強度の時間変動信号を処理して得た、ある散乱点の位置でのパワースペクトルの統計平均を示す。
次に、演算処理部80は、散乱点の位置毎のパワースペクトルをそれぞれ逆フーリエ変換して、散乱点の位置毎の自己相関関数を取得する(ステップS18)。
図9は、ある散乱点の位置でのパワースペクトルを逆フーリエ変換して得られた自己相関関数を示す図である。図9において、横軸は時間(単位:秒)を示し、縦軸は相関値(対数表示)を示す。
次に、演算処理部80は、散乱点の位置毎の自己相関関数に対して、動的光散乱法で用いられる従来の解析法(CONTIN法やキュムラント法、ヒストグラム法など)を適用して試料40中の粒径分布(散乱点の位置毎の粒径)を算出する(ステップS20)。
(第2の実施の形態)
図10は、第2の実施の形態に係る動的光散乱測定装置の構成を示す模式図である。図10において、図1の構成と同様の構成については同一の符号を付し、その説明を適宜省略する。
図10に示す動的光散乱測定装置1では、低コヒーレンス光源10からの光は、光ファイバ22、光サーキュレータ20、光ファイバ24を通って対物レンズ30により、試料セル50の上部開口から、試料40の気液界面44(気体雰囲気(空気)と試料40との界面、試料40の液面)に対して垂直に照射される。試料セル50は、対物レンズ30の結像点の焦点深度内に気液界面44から測定対象範囲の試料40までが含まれるように配置される。なお、図10において、距離s(散乱点の位置)は、気液界面44から散乱点
までの距離を示す。
図11は、図10における参照光と試料光を示す模式図である。低コヒーレンス光源10からの光(入射光Lin)が気液界面44を介して試料40に照射されると、試料40中の粒子42から散乱光Lsc(後方散乱光)が発生する。また、入射光Linの一部は、気液界面44で反射する。第2の実施の形態では、この気液界面44からの反射光を参照光Lreとする。すなわち、第2の実施の形態では、試料40に照射される光の光路上に位置する気液界面44を参照面として用いている。この場合には、第1の実施の形態と異なり、基準光は参照光Lreと同一となる。参照光Lre(参照面(気液界面44)からの反射光)と試料光Lsa(散乱光Lsc)は、対物レンズ30、光ファイバ24を通って光サーキュレータ20に入射される。以降の光学系及び動的光散乱測定の手法は、第1の実施の形態と同様である。
第2の実施の形態に係る動的光散乱測定装置では、低コヒーレンス光源10からの光を、気液界面44を介して試料40に照射して、気液界面44近傍における試料40の動的特性を測定する際に、気液界面44を参照面とし、当該参照面で反射した参照光Lreと当該参照面を透過した試料光Lsa(試料40からの散乱光Lsc)を分光して、参照光Lreと試料光Lsaとの干渉光のスペクトル強度を取得するように構成されている。従って、第1の実施の形態と同様に、参照光Lreと試料光Lsaとが同一光路を伝搬することになるため、振動等の外乱の影響を受け難くするとともに、参照光Lreと試料光Lsaとの光路差調整を不要とすることができる。
(第3の実施の形態)
図12は、第3の実施の形態に係る動的光散乱測定装置の構成を示す模式図である。図12において、図1の構成と同様の構成については同一の符号を付し、その説明を適宜省略する。
図12に示す動的光散乱測定装置1では、光ファイバ24の試料40側の端部には、グリンレンズ32(グレーデッドインデックス型レンズ)が接続されている。グリンレンズ32は、半径方向に屈折率分布を持つ両端が平面の円筒状のレンズである。また、グリンレンズ32の出射側の端面(光伝搬部材の出射側の端部の一例)には、金属蒸着膜等のハーフミラー34が形成されている。なお、図12において、距離zは、グリンレンズ32の出射側の端面(ハーフミラー34)から試料40中の粒子42中心(散乱点)までの距離を示す。
低コヒーレンス光源10からの光は、光ファイバ22、光サーキュレータ20、光ファイバ24を通って、グリンレンズ32により試料40に照射される。また、低コヒーレンス光源10からの光の一部は、グリンレンズ32の出射側の端面に設けられたハーフミラー34で反射する。第3の実施の形態では、このハーフミラー34からの反射光を参照光Lreとする。すなわち、第3の実施の形態では、試料40に照射される光の光路上に位置するハーフミラー34を参照面として用いている。参照光(参照面(ハーフミラー34)からの反射光)と試料光(試料40からの散乱光)は、グリンレンズ32、光ファイバ24を通って光サーキュレータ20に入射される。以降の光学系及び動的光散乱測定の手法は、第1の実施の形態と同様である。なお、図12に示す例では、低コヒーレンス光源10からの光を試料セル50の壁面を介して試料40に照射するように構成しているが、低コヒーレンス光源10からの光を試料セル50の開口から気液界面を介して試料40に照射するように構成してもよい。また、グリンレンズ32の出射側の端面(ハーフミラー34)が試料40に接触した状態で、低コヒーレンス光源10からの光を試料40に照射するように構成してもよい。
第3の実施の形態に係る動的光散乱測定装置では、低コヒーレンス光源10からの光が伝搬する光伝搬部材の出射側の端部に参照面(ハーフミラー34)を設け、当該参照面で反射した参照光と当該参照面を透過した試料光(試料40からの散乱光)を分光して、参照光と試料光との干渉光のスペクトル強度を取得するように構成されている。従って、第1の実施の形態と同様に、参照光と試料光とが同一光路を伝搬することになるため、振動等の外乱の影響を受け難くするとともに、参照光と試料光との光路差調整を不要とすることができる。
なお、本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。本発明は、実施の形態で説明した構成と実質的に同一の構成(例えば、機能、方法及び結果が同一の構成、あるいは目的及び効果が同一の構成)を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。
例えば、上記実施形態では、回折格子を用いて参照光と散乱光を分光する場合について説明したが、プリズム等を用いて参照光と散乱光を分光するように構成してもよい。
1 動的光散乱測定装置、10 低コヒーレンス光源、20 光サーキュレータ、22,24,26 光ファイバ、30 対物レンズ、32 グリンレンズ、34 ハーフミラー、40 試料、42 粒子、44 気液界面、50 試料セル(透明容器)、52 外壁面、54 内壁面、60 凹面ミラー、62 回折格子、64 凹面ミラー、70 光検出器、80 演算処理部

Claims (8)

  1. 低コヒーレンス光源からの光を、粒子を含む試料に照射する照射部と、
    前記試料に照射される光の光路上に配置された参照面からの反射光と前記参照面を透過した前記試料からの散乱光を分光して、前記反射光と前記散乱光との干渉光のスペクトル強度を取得するスペクトル強度取得部と、
    取得した前記スペクトル強度に基づいて前記試料の動的光散乱を測定する測定部とを含む、動的光散乱測定装置。
  2. 請求項1において、
    前記照射部は、前記低コヒーレンス光源からの光を、前記試料を収容する透明容器の壁面を介して前記試料に照射し、
    前記参照面は、前記透明容器の壁面である、動的光散乱測定装置。
  3. 請求項1において、
    前記照射部は、前記低コヒーレンス光源からの光を、前記試料の気液界面を介して前記試料に照射し、
    前記参照面は、前記試料の気液界面である、動的光散乱測定装置。
  4. 請求項1において、
    前記参照面を、前記低コヒーレンス光源からの光が伝搬する光伝搬部材の出射側の端部に設けた、動的光散乱測定装置。
  5. 低コヒーレンス光源からの光を、粒子を含む試料に照射する照射手順と、
    前記試料に照射される光の光路上に配置された参照面からの反射光と前記参照面を透過した前記試料からの散乱光を分光して、前記反射光と前記散乱光との干渉光のスペクトル強度を取得するスペクトル強度取得手順と、
    取得した前記スペクトル強度に基づいて前記試料の動的光散乱を測定する測定手順とを含む、動的光散乱測定方法。
  6. 請求項5において、
    前記照射手順では、前記低コヒーレンス光源からの光を、前記試料を収容する透明容器の壁面を介して前記試料に照射し、
    前記参照面は、前記透明容器の壁面である、動的光散乱測定方法。
  7. 請求項5において、
    前記照射手順では、前記低コヒーレンス光源からの光を、前記試料の気液界面を介して前記試料に照射し、
    前記参照面は、前記試料の気液界面である、動的光散乱測定方法。
  8. 請求項5において、
    前記参照面を、前記低コヒーレンス光源からの光が伝搬する光伝搬部材の出射側の端部に設けた、動的光散乱測定方法。
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