JP2529966B2 - 粒径測定装置 - Google Patents
粒径測定装置Info
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- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
- G01N15/02—Investigating particle size or size distribution
- G01N15/0205—Investigating particle size or size distribution by optical means
-
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- G01N15/14—Optical investigation techniques, e.g. flow cytometry
-
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Description
【発明の詳細な説明】 [発明の目的] (産業上の利用分野) この発明は微小粒子の粒径を光学的に測定する粒径測
定装置に関する。
定装置に関する。
(従来の技術) 微小粒子の粒径を測定する方法として、従来より被測
定粒子による光の散乱を利用する方法がある。その一つ
として、フォトカウント法と呼ばれる方法が実用化され
ている。この方法を用いた粒径測定装置の具体例として
は、例えばA.EderhofがJ.Mech,Eng.Sci.(1976)に発表
した“Determination of Droplet Sizes and Wetness F
raction in Two−phase−flows Using a Light−scatte
ring Technic."に記載された装置がある。また、特開昭
53−13625号公報,特開昭56−58638号公報,および特開
昭56−145330号公報等にも同様の装置が記載されてい
る。
定粒子による光の散乱を利用する方法がある。その一つ
として、フォトカウント法と呼ばれる方法が実用化され
ている。この方法を用いた粒径測定装置の具体例として
は、例えばA.EderhofがJ.Mech,Eng.Sci.(1976)に発表
した“Determination of Droplet Sizes and Wetness F
raction in Two−phase−flows Using a Light−scatte
ring Technic."に記載された装置がある。また、特開昭
53−13625号公報,特開昭56−58638号公報,および特開
昭56−145330号公報等にも同様の装置が記載されてい
る。
第5図はA.Ederhofが用いた装置の構成を示したもの
である。これは遠隔測定を可能としたもので、光源1,光
ファイバ3,スリット15,レンズ5からなる照射光学系
と、レンズ7,プリズム16,スリット8,光ファイバ9から
なる受光光学系が、両光学系の光軸のなす角度が90゜と
なるように配置される。レンズ5によりスリット15の像
をP点に作り、またレンズ7によりスリット8の像を同
じくP点に作ると、これらの像の大きさで規定される第
6図に示すような測定視野が形成される。この測定視野
内を粒子が通過すると、その粒子により光が散乱され、
この散乱光が受光光学系の光ファイバ9を介して光検出
器としての光電子増倍管10に導かれて電気信号に変換さ
れる。この電気信号は第7図に示すようなパルス状であ
り、散乱光パルスと呼ばれる。
である。これは遠隔測定を可能としたもので、光源1,光
ファイバ3,スリット15,レンズ5からなる照射光学系
と、レンズ7,プリズム16,スリット8,光ファイバ9から
なる受光光学系が、両光学系の光軸のなす角度が90゜と
なるように配置される。レンズ5によりスリット15の像
をP点に作り、またレンズ7によりスリット8の像を同
じくP点に作ると、これらの像の大きさで規定される第
6図に示すような測定視野が形成される。この測定視野
内を粒子が通過すると、その粒子により光が散乱され、
この散乱光が受光光学系の光ファイバ9を介して光検出
器としての光電子増倍管10に導かれて電気信号に変換さ
れる。この電気信号は第7図に示すようなパルス状であ
り、散乱光パルスと呼ばれる。
光電子増倍管10の出力に得られる散乱光パルスの高さ
(振幅)、すなわち90゜方向の散乱光強度は、Mie理論
またはFraunhofer回折理論により計算することができ
る。第8図は測定視野内を通過する被測定粒子と散乱光
パルス高さとの関係を示したものである。この関係を用
いて散乱光パルス高さが粒径へと変換される。第5図で
は波高分析器17により散乱光パルス高さ分布、すなわち
散乱光パルス高さがIからI+ΔIであるパルスの数
を、測定すべきパルス高さにわたって計測したものが求
められ、この計測値から第8図の関係を用いて粒径が求
められてオシロスコープ18により表示される。
(振幅)、すなわち90゜方向の散乱光強度は、Mie理論
またはFraunhofer回折理論により計算することができ
る。第8図は測定視野内を通過する被測定粒子と散乱光
パルス高さとの関係を示したものである。この関係を用
いて散乱光パルス高さが粒径へと変換される。第5図で
は波高分析器17により散乱光パルス高さ分布、すなわち
散乱光パルス高さがIからI+ΔIであるパルスの数
を、測定すべきパルス高さにわたって計測したものが求
められ、この計測値から第8図の関係を用いて粒径が求
められてオシロスコープ18により表示される。
この方法においては、光ファイバからの出射光を測定
視野への照射光として用いると、照射ビームの強度分布
が正規分布をしているため、測定視野内の照射光強度を
一様にすることが難しい。従って、被測定粒子の通過位
置により散乱光パルス高さが変化し、粒径の測定に誤差
が生じる。
視野への照射光として用いると、照射ビームの強度分布
が正規分布をしているため、測定視野内の照射光強度を
一様にすることが難しい。従って、被測定粒子の通過位
置により散乱光パルス高さが変化し、粒径の測定に誤差
が生じる。
この問題を回避するためには、被測定粒子を非常に細
いパイプで測定視野に導き、測定視野内の照射光強度が
比較的一様な領域のみを被測定粒子が通過するようにす
ればよいが、こうすると単位時間当りに測定できる粒子
の数が減り、粒径分布を求めるのに時間がかかるという
問題が発生する。
いパイプで測定視野に導き、測定視野内の照射光強度が
比較的一様な領域のみを被測定粒子が通過するようにす
ればよいが、こうすると単位時間当りに測定できる粒子
の数が減り、粒径分布を求めるのに時間がかかるという
問題が発生する。
(発明が解決しようとする問題点) このように従来の粒径測定装置では測定視野内での被
測定粒子の通過位置により測定誤差が生じ、通過位置を
制限すると測定に時間がかかるという問題があった。
測定粒子の通過位置により測定誤差が生じ、通過位置を
制限すると測定に時間がかかるという問題があった。
本発明は測定視野内の照射光強度を一様化する手段を
備えることにより、粒径を正確に測定でき、しかも短時
間で粒径分布を求めることができる粒径測定装置を提供
することを目的とする。
備えることにより、粒径を正確に測定でき、しかも短時
間で粒径分布を求めることができる粒径測定装置を提供
することを目的とする。
[発明の構成] (問題点を解決するための手段) 本発明は上記目的を達成するため、光源から出た光を
第1の光ファイバ、第1の光学レンズを順次介して測定
視野に導く照射光学系と、前記測定視野内を通過する被
測定粒子による散乱光を第2の光学レンズ、第2の光フ
ァイバを順次介して導く受光光学系と、この受光光学系
を介して導かれた散乱光を光検出器で電気信号に変換し
て散乱光パルスを生成する手段と、この手段で生成され
た散乱光パルスの高さから前記被測定粒子の粒径を求め
る手段とを備えた粒径測定装置において、前記照射光学
系における第1の光ファイバと前記第1の光学レンズと
の間に設けられて前記測定視野への照射光の強度分布を
一様化する角型導波路を具備してなることを特徴として
いる。
第1の光ファイバ、第1の光学レンズを順次介して測定
視野に導く照射光学系と、前記測定視野内を通過する被
測定粒子による散乱光を第2の光学レンズ、第2の光フ
ァイバを順次介して導く受光光学系と、この受光光学系
を介して導かれた散乱光を光検出器で電気信号に変換し
て散乱光パルスを生成する手段と、この手段で生成され
た散乱光パルスの高さから前記被測定粒子の粒径を求め
る手段とを備えた粒径測定装置において、前記照射光学
系における第1の光ファイバと前記第1の光学レンズと
の間に設けられて前記測定視野への照射光の強度分布を
一様化する角型導波路を具備してなることを特徴として
いる。
(作用) 測定視野内での照射光は、照射光学系に設けられた角
形導波路の作用により断面が角型になると同時に、その
強度分布が正規分布から比較的平坦な分布へと変化す
る。従って、測定視野内で被測定粒子の通過位置が変化
しても、散乱光パルス高さの変化は少なく、それだけ精
度の高い粒径測定が可能となる。すなわち、遠隔測定を
行うために、照射光学系に光ファイバを介在させたと
き、光ファイバの存在によって起こる照射光強度分布の
不均一問題を解消でき、精度の高い粒径測定が可能とな
る。
形導波路の作用により断面が角型になると同時に、その
強度分布が正規分布から比較的平坦な分布へと変化す
る。従って、測定視野内で被測定粒子の通過位置が変化
しても、散乱光パルス高さの変化は少なく、それだけ精
度の高い粒径測定が可能となる。すなわち、遠隔測定を
行うために、照射光学系に光ファイバを介在させたと
き、光ファイバの存在によって起こる照射光強度分布の
不均一問題を解消でき、精度の高い粒径測定が可能とな
る。
また、測定視野内で被測定粒子の通過位置を狭く制限
する必要がなくなり、太いパイプを用いて単位時間内に
より多くの被測定粒子を測定視野に供給できる。これに
より粒径分布が短時間で求められる。
する必要がなくなり、太いパイプを用いて単位時間内に
より多くの被測定粒子を測定視野に供給できる。これに
より粒径分布が短時間で求められる。
(実施例) 以下、本発明の実施例を説明する。第1図は本発明の
一実施例に係る粒径測定装置の構成図である。
一実施例に係る粒径測定装置の構成図である。
第1図において、光源1は例えばレーザ光源、キセノ
ンランプ、ハロゲンランプ、LED等であり、この光源1
からの光はレンズ2を介して光ファイバ3に入射され、
光ファイバ3により測定位置近傍まで導かれた後、角型
導波路4に入射される。角型導波路4を出た光は、レン
ズ5およびプリズム6を介してP点に導かれる。この場
合、角型導波路4の出口の像がP点に結像されるように
レンズ5およびプリズム6が配置される。以上の光源1,
レンズ2,光ファイバ3,角型導波路4,プリズム6により照
射光学系が構成される。
ンランプ、ハロゲンランプ、LED等であり、この光源1
からの光はレンズ2を介して光ファイバ3に入射され、
光ファイバ3により測定位置近傍まで導かれた後、角型
導波路4に入射される。角型導波路4を出た光は、レン
ズ5およびプリズム6を介してP点に導かれる。この場
合、角型導波路4の出口の像がP点に結像されるように
レンズ5およびプリズム6が配置される。以上の光源1,
レンズ2,光ファイバ3,角型導波路4,プリズム6により照
射光学系が構成される。
一方、受光光学系においては、P点の像がレンズ7お
よびスリット8を介して光ファイバ9に入射される。こ
の場合、スリット8の像がP点にできるようにレンズ7
が配置される。こうして第2図に示すように、角型導波
路4の出口断面の像とスリット8の像とで規定される測
定視野がP点のまわりに形成される。
よびスリット8を介して光ファイバ9に入射される。こ
の場合、スリット8の像がP点にできるようにレンズ7
が配置される。こうして第2図に示すように、角型導波
路4の出口断面の像とスリット8の像とで規定される測
定視野がP点のまわりに形成される。
この測定視野内を通過する被測定粒子による散乱光
は、レンズ7,スリット8および光ファイバ9を介して光
電子増倍管のような光検出器10に導かれ、電気信号(電
流)に変換されて第6図に示すような散乱光パルスとな
る。この散乱光パルスは増幅器11により電流−電圧変換
され、且つ増幅された後、波形記憶装置12に入力され
る。波形記憶装置12は入力された散乱光パルスをA/D変
換した後ディジタルメモリに記憶する装置であり、その
メモリに記憶された散乱光パルス波形は演算装置13に読
出される。
は、レンズ7,スリット8および光ファイバ9を介して光
電子増倍管のような光検出器10に導かれ、電気信号(電
流)に変換されて第6図に示すような散乱光パルスとな
る。この散乱光パルスは増幅器11により電流−電圧変換
され、且つ増幅された後、波形記憶装置12に入力され
る。波形記憶装置12は入力された散乱光パルスをA/D変
換した後ディジタルメモリに記憶する装置であり、その
メモリに記憶された散乱光パルス波形は演算装置13に読
出される。
演算装置13は第8図に示した散乱光パルス高さ(振
幅)と被測定粒子の粒径との関係を利用して、その散乱
光パルス高さから粒径を求める。また、散乱光パルスの
パルス幅は被測定粒子の速度に対応する。そこで、演算
装置13では多数の被測定粒子についての粒径および速度
を計測し、それらから粒径分布および速度分布を求めて
表示装置14に出力する。
幅)と被測定粒子の粒径との関係を利用して、その散乱
光パルス高さから粒径を求める。また、散乱光パルスの
パルス幅は被測定粒子の速度に対応する。そこで、演算
装置13では多数の被測定粒子についての粒径および速度
を計測し、それらから粒径分布および速度分布を求めて
表示装置14に出力する。
ここで、角型導波路4は例えば第3図に示すような透
明ガラスにより作られた角柱からなり、ガラス表面での
全反射を利用して光ファイバ3から入射した光ビームを
断面角型形状とし、且つその強度分布を一様化する。す
なわち、透明ガラスの角柱からなる角型導波路4に光ビ
ームが入射すると、角型導波路4の端面の中心部に入射
した光はそのままレンズ5を通して撮像視野の中心部に
到達するが、端面の周辺部に入射した光は全反射された
後、レンズ5を通して撮像視野の周辺部に到達する。こ
れにより撮像視野内での照射光の強度分布は、第3図に
示したように周辺部での強度が高くなって一様化する。
明ガラスにより作られた角柱からなり、ガラス表面での
全反射を利用して光ファイバ3から入射した光ビームを
断面角型形状とし、且つその強度分布を一様化する。す
なわち、透明ガラスの角柱からなる角型導波路4に光ビ
ームが入射すると、角型導波路4の端面の中心部に入射
した光はそのままレンズ5を通して撮像視野の中心部に
到達するが、端面の周辺部に入射した光は全反射された
後、レンズ5を通して撮像視野の周辺部に到達する。こ
れにより撮像視野内での照射光の強度分布は、第3図に
示したように周辺部での強度が高くなって一様化する。
従って、被測定粒子が撮像視野内の中心部を通過する
際も、周辺部を通過する際にも散乱光パルス高さはほぼ
等しくなり、散乱光パルス高さに基づく粒径測定の精度
が向上する。また、被測定粒子の通過位置による散乱光
パルスのパルス幅の変化も少なくなるため、このパルス
幅に基づく速度測定の精度も向上する。さらに、測定視
野内全域を測定のために有効に用いられるので、単位時
間内に多数の被測定粒子を供給することができ、短時間
で多数の被測定粒子について測定を行なうことにより粒
径分布や速度分布を求めることが可能となる。
際も、周辺部を通過する際にも散乱光パルス高さはほぼ
等しくなり、散乱光パルス高さに基づく粒径測定の精度
が向上する。また、被測定粒子の通過位置による散乱光
パルスのパルス幅の変化も少なくなるため、このパルス
幅に基づく速度測定の精度も向上する。さらに、測定視
野内全域を測定のために有効に用いられるので、単位時
間内に多数の被測定粒子を供給することができ、短時間
で多数の被測定粒子について測定を行なうことにより粒
径分布や速度分布を求めることが可能となる。
なお、照射光学系の光源1としてはスペックルのない
キセノンランプ、ハロゲンランプ、LEDが適している。
光源1にレーザ光源を用いる場合、スペックルによる強
度むらが問題となるが、例えば第3図に示すように角型
導波路4の端面にすりガラスのような光散乱部材21を挿
入することで、この問題は緩和される。光散乱部材の挿
入位置は照射光学系のどの位置でもよく、またすりガラ
スを設ける代わりに、角型導波路4の端面の研磨状態を
すりガラス状に仕上げてもよい。
キセノンランプ、ハロゲンランプ、LEDが適している。
光源1にレーザ光源を用いる場合、スペックルによる強
度むらが問題となるが、例えば第3図に示すように角型
導波路4の端面にすりガラスのような光散乱部材21を挿
入することで、この問題は緩和される。光散乱部材の挿
入位置は照射光学系のどの位置でもよく、またすりガラ
スを設ける代わりに、角型導波路4の端面の研磨状態を
すりガラス状に仕上げてもよい。
本発明は上記実施例に限定されず、種々変形して実施
が可能である。例えば角型導波路4としては第4図に示
すように中心部を角柱状の空洞22とし、この空洞22の周
面にミラー23を設けるか、光反射膜を形成したものでも
よい。
が可能である。例えば角型導波路4としては第4図に示
すように中心部を角柱状の空洞22とし、この空洞22の周
面にミラー23を設けるか、光反射膜を形成したものでも
よい。
また、第1図では90゜散乱光を利用して測定を行なう
構成となっているが、これに限定されない。例えば散乱
角をより小さくすると、散乱光パルス高さを大きくで
き、測定のS/Nを上げることができる。逆に散乱角を90
゜より大きくし、後方散乱光を測定するようにすると、
測定系を小さくできる。要するに用途や設置位置等に応
じて最適な散乱角を選べばよい。
構成となっているが、これに限定されない。例えば散乱
角をより小さくすると、散乱光パルス高さを大きくで
き、測定のS/Nを上げることができる。逆に散乱角を90
゜より大きくし、後方散乱光を測定するようにすると、
測定系を小さくできる。要するに用途や設置位置等に応
じて最適な散乱角を選べばよい。
また、上記実施例では被測定粒子の粒径に加え、速度
も測定するようにしたが、粒径のみを測定する装置にも
本発明を適用できることはいうまでもない。粒径のみを
測定する場合、波形記憶装置12および演算装置13に代え
て波高分析器を用いることもできる。
も測定するようにしたが、粒径のみを測定する装置にも
本発明を適用できることはいうまでもない。粒径のみを
測定する場合、波形記憶装置12および演算装置13に代え
て波高分析器を用いることもできる。
[発明の効果] 本発明によれば、光源から出た光を光ファイバ、光学
レンズを順次介して測定視野に導く照射光学系の上記光
ファイバと上記レンズとの間に角型導波路を設け、この
角型導波路で照射光の断面形状を角型にすると同時に、
その強度分布を一様化しているので、光ファイバを使っ
ての粒径の遠隔測定精度を大幅に向上でき、また短時間
で粒径分布を求めることができる。
レンズを順次介して測定視野に導く照射光学系の上記光
ファイバと上記レンズとの間に角型導波路を設け、この
角型導波路で照射光の断面形状を角型にすると同時に、
その強度分布を一様化しているので、光ファイバを使っ
ての粒径の遠隔測定精度を大幅に向上でき、また短時間
で粒径分布を求めることができる。
第1図は本発明の一実施例に係る粒径測定装置の構成
図、第2図は同実施例における測定視野を模式的に示す
図、第3図および第4図は本発明で使用される角型導波
路の具体例を示す図、第5図は従来の粒径測定装置の構
成図、第6図は第5図の装置における測定視野を模式的
に示す図、第7図は散乱光パルスの形状を示す図、第8
図は散乱光パルス高さと被測定粒子の粒径との関係を示
す図である。 1……光源、2……レンズ、3……光ファイバ、4……
角型導波路、5……レンズ、6……プリズム、7……レ
ンズ、8……スリット、9……光ファイバ、10……光検
出器、11……増幅器、12……波形記憶装置、13……演算
装置、14……表示装置、21……光散乱部材(すりガラ
ス)、22……空洞、23……ミラー。
図、第2図は同実施例における測定視野を模式的に示す
図、第3図および第4図は本発明で使用される角型導波
路の具体例を示す図、第5図は従来の粒径測定装置の構
成図、第6図は第5図の装置における測定視野を模式的
に示す図、第7図は散乱光パルスの形状を示す図、第8
図は散乱光パルス高さと被測定粒子の粒径との関係を示
す図である。 1……光源、2……レンズ、3……光ファイバ、4……
角型導波路、5……レンズ、6……プリズム、7……レ
ンズ、8……スリット、9……光ファイバ、10……光検
出器、11……増幅器、12……波形記憶装置、13……演算
装置、14……表示装置、21……光散乱部材(すりガラ
ス)、22……空洞、23……ミラー。
Claims (2)
- 【請求項1】光源から出た光を第1の光ファイバ、第1
の光学レンズを順次介して測定視野に導く照射光学系
と、前記測定視野内を通過する被測定粒子による散乱光
を第2の光学レンズ、第2の光ファイバを順次介して導
く受光光学系と、この受光光学系を介して導かれた散乱
光を光検出器で電気信号に変換して散乱光パルスを生成
する手段と、この手段で生成された散乱光パルスの高さ
から前記被測定粒子の粒径を求める手段とを備えた粒径
測定装置において、 前記照射光学系における第1の光ファイバと前記第1の
光学レンズとの間に設けられて前記測定視野への照射光
の強度分布を一様化する角型導波路を具備してなること
を特徴とする粒径測定装置。 - 【請求項2】前記光源は、キセノンランプ、ハロゲンラ
ンプ、LEDの中から選ばれたいずれかであることを特徴
とする特許請求の範囲第1項記載の粒径測定装置。
Priority Applications (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP62074847A JP2529966B2 (ja) | 1987-03-28 | 1987-03-28 | 粒径測定装置 |
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