JP2626009B2 - Particle size distribution analyzer - Google Patents

Particle size distribution analyzer

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Description

【発明の詳細な説明】 <産業上の利用分野> 本発明は、分散飛翔状態の粒子に光を照射することに
よって生じる回折現象もしくは散乱現象を利用した、光
回折/散乱法に基づく粒度分布測定装置に関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION <Industrial Application Field> The present invention relates to a particle size distribution measurement based on a light diffraction / scattering method utilizing a diffraction phenomenon or a scattering phenomenon caused by irradiating light to particles in a dispersed and flying state. Related to the device.

<従来の技術> 粒子による光の回折ないしは散乱現象を利用した粒度
分布測定装置では、回折光ないしは散乱光の強度分布
(回折角ないしは散乱角と光強度の関係)を測定し、こ
れにフラウンホーファ回折ないしはミー散乱の理論に基
づく演算処理を施すことによって、試料の粒度分布を算
出する。
<Prior art> A particle size distribution measuring apparatus utilizing the diffraction or scattering phenomenon of light by particles measures the intensity distribution of diffracted light or scattered light (the relationship between the diffraction angle or the scattering angle and the light intensity) and calculates the Fraunhofer diffraction. Alternatively, the particle size distribution of the sample is calculated by performing arithmetic processing based on the theory of Mie scattering.

ところで、この種の装置では、回折光の測定を行う関
係上、照射光としては一般にレーザ光が使用されてい
る。そして、通常はレーザ光を平行光にして試料粒子に
照射し、回折/散乱されたレーザ光をフーリエ変換レン
ズで集光し、その焦点面上にリングデテクタと称される
リング状のフォトセンサアレイを設けて、その強度分布
を測定している。
By the way, in this type of apparatus, laser light is generally used as irradiation light because of measurement of diffracted light. Normally, the laser light is collimated to irradiate the sample particles, the diffracted / scattered laser light is condensed by a Fourier transform lens, and a ring-shaped photosensor array called a ring detector is formed on the focal plane. And the intensity distribution is measured.

<発明が解決しようとする課題> このような構成によると、その測定下限の粒子径は使
用するレーザ光の波長の制約を受け、また、その制約下
において測定下限をできるだけ小径側にするためには大
きな散乱角の光まで測定する必要がある。ここで、リン
グデテクタのサイズは、半導体ウェハが約4インチであ
る関係上、この寸法によって制約されるので、大きな散
乱角の光を受光するためにはフーリエ変換レンズの焦点
距離を短くする必要がある。そして、この焦点距離を短
くすると、今度は小さな散乱角(回折角)の光を測定す
ることが困難となり、測定粒子径の上限が制約される。
<Problem to be Solved by the Invention> According to such a configuration, the particle size of the lower limit of measurement is restricted by the wavelength of the laser beam to be used, and in order to make the lower limit of measurement as small as possible under the restriction. Needs to measure even light with a large scattering angle. Here, the size of the ring detector is limited by this dimension because the semiconductor wafer is about 4 inches, so that it is necessary to shorten the focal length of the Fourier transform lens in order to receive light with a large scattering angle. is there. When the focal length is reduced, it becomes difficult to measure light having a small scattering angle (diffraction angle), and the upper limit of the measured particle diameter is restricted.

フーリエ変換レンズに伴う制約から逃れるために、従
来、逆フーリエ光学系と称される光学系を使用すること
もある。逆フーリエ光学系では、レーザ光を集光レンズ
で集光し、その集光レンズの焦点面上にリングデテクタ
を配置するとともに、このデテクタと集光レンズの間に
被測定粒子を置く。このような光学系を用いることによ
り、その測定下限は小径側に移行されるものの、レーザ
光の波長の制約により、せいぜい0.1μm程度の粒径が
下限となり、この場合の上限は80μm程度となる。
Conventionally, an optical system referred to as an inverse Fourier optical system may be used in order to escape the restrictions associated with the Fourier transform lens. In the inverse Fourier optical system, laser light is condensed by a condenser lens, a ring detector is arranged on the focal plane of the condenser lens, and particles to be measured are placed between the detector and the condenser lens. By using such an optical system, the lower limit of measurement is shifted to the smaller diameter side, but due to the restriction of the wavelength of the laser beam, the particle size of about 0.1 μm is the lower limit, and the upper limit in this case is about 80 μm. .

測定範囲を拡大することを目的として、焦点距離の異
なる複数のフーリエ変換レンズを選択自在に設け、それ
に伴ってリングデテクタをその光軸に沿って移動させ
る、いわゆる複数レンジ化を行った装置も実用化されて
いるが、可動部分を設ける必要があるために、その光軸
調整が困難となり、また、波長の制約に基づく測定下限
は依然として残る。
For the purpose of expanding the measurement range, multiple Fourier transform lenses with different focal lengths are selectably provided, and the ring detector is moved along the optical axis with it. However, since it is necessary to provide a movable portion, it is difficult to adjust the optical axis, and the lower limit of measurement based on the wavelength restriction still remains.

この発明の目的は、複雑な光学系を用いることなく、
かつ、可動部分を特に設けることなく、1レンジでの測
定範囲を拡大し、また、測定下限を上記の粒径0.1μm
よりも下げることにある。
An object of the present invention is to use a complicated optical system without using
Moreover, the measurement range in one range is expanded without providing any movable part, and the measurement lower limit is set to the above particle size of 0.1 μm.
To lower than.

<課題を解決するための手段> 上記の目的を達成するための構成を、実施例に対応す
る図面を参照しつつ説明すると、本発明では、媒体中に
分散された試料粒子が流される1個のフローセル1に、
レーザ光学系2からの平行レーザ光Lと、干渉フィルタ
35を含む単一波長光学系3からの単一波長Mとを照射す
るよう構成する。
<Means for Solving the Problems> A configuration for achieving the above-described object will be described with reference to the drawings corresponding to the embodiments. In the present invention, one piece through which sample particles dispersed in a medium are flowed is described. In the flow cell 1 of
Parallel laser light L from laser optical system 2 and interference filter
Irradiation with a single wavelength M from the single wavelength optical system 3 including 35 is performed.

フローセル1内の粒子により回折もしくは散乱された
レーザ光は、従来と同様にフーリエ変換レンズ4を介し
てリング状フォトセンサアレイ(リングデテクタ)5で
受光してその強度分布を測定する。また、フローセル1
内の粒子で散乱された単一波長光は、フローセル1に対
して互いに異なる散乱角位置に配設された複数のフォト
センサ6a,6b…で受光してその各強度を測定する。そし
て、この複数のフォトセンサ6a,6b…による測定データ
を、リング状フォトセンサアレイ5による測定データと
ともに粒度分布算出用データとして用いる。
The laser light diffracted or scattered by the particles in the flow cell 1 is received by a ring-shaped photosensor array (ring detector) 5 via a Fourier transform lens 4 and its intensity distribution is measured as in the related art. Flow cell 1
The single-wavelength light scattered by the particles inside is received by a plurality of photosensors 6a, 6b,... Disposed at different scattering angle positions with respect to the flow cell 1, and the respective intensities are measured. The measurement data obtained by the plurality of photosensors 6a, 6b,... Is used together with the measurement data obtained by the ring-shaped photosensor array 5 as particle size distribution calculation data.

<作用> 粒径の測定下限は、前記したように使用する光の波長
で制約されるが、単一波長光Mの波長をレーザ光Lの波
長よりも短くすることにより、従来のレーザ光を用いた
測定下限よりも小径の粒径測定が可能となる。
<Operation> Although the measurement lower limit of the particle size is restricted by the wavelength of the light used as described above, by making the wavelength of the single-wavelength light M shorter than the wavelength of the laser light L, the conventional laser light can be reduced. The measurement of the particle diameter smaller than the used lower limit of measurement becomes possible.

一方、レーザ光Lを用いた回折/散乱光の測定範囲
は、リング状フォトセンサアレイ5のサイズ上の制約に
より決まってしまうが、単一波長光Mを用いた散乱光
を、複数のフォトセンサ6a,6b…による複数の散乱角で
測定することによって小径側の測定ができるので、フー
リエ変換レンズ4の焦点距離を測定上限値を主眼におい
て選定しておくことにより、全体としての測定範囲を拡
大できる。
On the other hand, the measurement range of the diffraction / scattered light using the laser light L is determined by the size limitation of the ring-shaped photosensor array 5. Since measurement on the small diameter side can be performed by measuring at a plurality of scattering angles by 6a, 6b, etc., the focal length of the Fourier transform lens 4 can be expanded by selecting the upper limit of the measurement based on the main objective. it can.

<実施例> 図面は本発明実施例の測定光学系の構成を示す斜視図
である。
<Embodiment> The drawings are perspective views showing the configuration of a measuring optical system according to an embodiment of the present invention.

フローセル1内には、媒体中に分散された試料粒子が
流れる。このフローセル1の上部は、通常のレーザ光回
折/散乱法に基づく測定光学系による測定に使用され、
下部は、単一波長を用いた測定光学系による測定に使用
される。
In the flow cell 1, sample particles dispersed in a medium flow. The upper part of the flow cell 1 is used for measurement by a measurement optical system based on a normal laser light diffraction / scattering method,
The lower part is used for measurement by a measurement optical system using a single wavelength.

すなわち、フローセル1の上部には、レーザダイオー
ド21とコリメータレンズ22からなるレーザ光学系2から
の平行レーザ光Lが照射され、そのレーザ光Lの試料粒
子による回折/散乱光は、フローセル1の後方に置かれ
たフーリエ変換レンズ4により、リングデテクタ5上に
集光され、ここで回折/散乱像を結ぶ。
That is, the upper part of the flow cell 1 is irradiated with the parallel laser light L from the laser optical system 2 composed of the laser diode 21 and the collimator lens 22, and the diffraction / scattered light of the laser light L by the sample particles is reflected behind the flow cell 1. Is focused on the ring detector 5 by the Fourier transform lens 4 placed at the point, and forms a diffraction / scattered image here.

また、フローセル1の下部には、重水素ランプ等の紫
外線光源31、球面ミラー32、スリット33、レンズ34、お
よび干渉フィルタ35からなる単一波長光学系3からの単
一波長光Mが、レーザ光Lと直交する方向から照射され
る。この単一波長光学系3において、紫外光源31からの
紫外光は球面ミラー32でスリット33に集光される。この
スリット像は、レンズ34で集光され、フローセル1とレ
ンズ34間に配設された干渉フィルタ35によって、フロー
セル1内には例えば350nmの波長の単一波長光のみが導
かれる。
A single-wavelength light M from a single-wavelength optical system 3 including an ultraviolet light source 31, such as a deuterium lamp, a spherical mirror 32, a slit 33, a lens 34, and an interference filter 35, is provided below the flow cell 1. Light is emitted from a direction orthogonal to the light L. In the single-wavelength optical system 3, the ultraviolet light from the ultraviolet light source 31 is focused on the slit 33 by the spherical mirror 32. The slit image is condensed by the lens 34, and only a single wavelength light having a wavelength of, for example, 350 nm is guided into the flow cell 1 by the interference filter 35 disposed between the flow cell 1 and the lens 34.

そして、この単一波長光Mの照射光軸に直交して測光
スリット7が配設されており、その外側には、紫外域で
感度のある複数のフォトダイオード6a,6b…がそれぞれ
互いに異なる散乱角位置で配設されている。この各フォ
トダイオード6a,6b…により、単一波長光Mの試料粒子
による散乱光のうち、比較的大散乱角のものが複数の散
乱角において測光される。
A photometric slit 7 is disposed orthogonally to the irradiation optical axis of the single-wavelength light M, and a plurality of photodiodes 6a, 6b,... It is arranged at a corner position. By the photodiodes 6a, 6b, among the scattered light of the single-wavelength light M by the sample particles, those having a relatively large scattering angle are measured at a plurality of scattering angles.

以上の構成において、リングデテクタ5の各センサ出
力は、従来と同様にそれぞれ増幅器によって増幅された
後にA−D変換器でデジタル化され、粒度分布算出用デ
ータとしてコンピュータに採り込まれるが、単一波長光
Mの散乱光を測定するフォトダイオード6a,6b…の出力
も同様に粒度分布算出用データとしてコンピュータに採
り込まれる。このとき、干渉フィルタ35を用いた光学系
では光量が相当小さくなり、従って散乱光の強さも極め
て小さくなる。そこで、フォトダイオード6a,6b…に接
続する増幅器の増幅率を上げる必要があるが、S/Nやド
リフト等が問題となる。この問題は以下の対象によって
解消できる。
In the above configuration, each sensor output of the ring detector 5 is amplified by an amplifier and digitized by an A / D converter as in the related art, and is taken into a computer as particle size distribution calculation data. The outputs of the photodiodes 6a, 6b,... For measuring the scattered light of the wavelength light M are similarly taken into the computer as data for calculating the particle size distribution. At this time, the amount of light in the optical system using the interference filter 35 is considerably small, and therefore, the intensity of the scattered light is extremely small. Therefore, it is necessary to increase the amplification factor of the amplifier connected to the photodiodes 6a, 6b,..., But the S / N, drift and the like become problems. This problem can be solved by the following objects.

S/Nは、各フォトセンサ6a,6b…の出力をプリアンプを
介して積分器に導いたり、あるいは適当なフィルタを介
在させる等の対策によって改善できる。また、ドリフト
は、紫外光源31の駆動回路を安定化したり、各フォトセ
ンサ6a,6b…の増幅器を温度補償することにより軽減で
きる。
The S / N can be improved by taking measures such as guiding the outputs of the photosensors 6a, 6b,... To an integrator via a preamplifier, or interposing an appropriate filter. The drift can be reduced by stabilizing the drive circuit of the ultraviolet light source 31 or by compensating the temperature of the amplifiers of the photosensors 6a, 6b,.

以上の本発明実施例において、フーリエ変換レンズ4
の焦点距離を、使用するレーザ光の波長に鑑みて適当に
選定したとき、レーザ光学系2を用いたリングデテクタ
5による回折/散乱光の測定では、その粒径測定範囲は
例えば3μm〜200μm程度となる。
In the above embodiment of the present invention, the Fourier transform lens 4
When the focal length is appropriately selected in consideration of the wavelength of the laser light to be used, in the measurement of diffraction / scattered light by the ring detector 5 using the laser optical system 2, the particle size measurement range is, for example, about 3 μm to 200 μm. Becomes

一方、単一波長光源3を用いたフォトダイオード6a,6
b…による散乱光の測定では、その波長を350nmとする
と、粒径測定範囲は0.05μm〜2μm程度が可能とな
る。
On the other hand, photodiodes 6a, 6
In the measurement of scattered light by b ..., if the wavelength is 350 nm, the particle size measurement range can be about 0.05 μm to 2 μm.

従って、1個のフローセル1を用いた1レンジの測定
により、全体として0.05μm〜200μmの粒径範囲の測
定が可能となる。
Therefore, measurement of one range using one flow cell 1 makes it possible to measure a particle size range of 0.05 μm to 200 μm as a whole.

なお、フォトダイオード6a,6b…は実施例図面におい
て5個配設しているが、より多く、例えば10数個設ける
ことが測定点の増加となって好ましい。
Although five photodiodes 6a, 6b,... Are provided in the embodiment drawing, it is preferable to provide more photodiodes 6a, 6b, for example, more than ten, because the number of measurement points increases.

また、干渉フィルタ35を複数種用意してこれを選択可
能とすることにより、単一波長光Mの波長を可変すれ
ば、同様により多数のデータが得られることになり、測
定精度が向上する。
In addition, by preparing a plurality of types of interference filters 35 and making them selectable, if the wavelength of the single wavelength light M is changed, a large number of data can be obtained in the same manner, and the measurement accuracy is improved.

<発明の効果> 以上説明したように、本発明によれば、1個のフロー
セルに平行レーザ光とともに単一波長光を照射し、各光
の散乱光(もしくは回折光)の強度分布を測定し、双方
のデータを用いて粒度分布を算出するよう構成したか
ら、特に複雑な光学系や可動部分を設けることなく、同
一セルを用いた1レンジでの測定により、例えば0.05μ
m〜200μm程度の広い粒径測定範囲が得られる。
<Effects of the Invention> As described above, according to the present invention, one flow cell is irradiated with single-wavelength light together with parallel laser light, and the intensity distribution of scattered light (or diffracted light) of each light is measured. Since the particle size distribution is calculated using both data, the measurement is performed in one range using the same cell, for example, 0.05 μm, without providing a complicated optical system and a movable part.
A wide particle size measurement range of about m to 200 μm is obtained.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

図面は本発明実施例の測定光学系の構成を示す斜視図で
ある。 1……フローセル 2……レーザ光学系 21……レーザダイオード 22……コリメータレンズ 3……単一波長光学系 31……紫外光源 32……球面ミラー 33……スリット 34……レンズ 35……干渉フィルタ 4……フーリエ変換レンズ 5……リングデテクタ 6a,6b…6e……フォトダイオード 7……測光スリット
The drawing is a perspective view showing the configuration of the measuring optical system according to the embodiment of the present invention. DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Flow cell 2 ... Laser optical system 21 ... Laser diode 22 ... Collimator lens 3 ... Single wavelength optical system 31 ... Ultraviolet light source 32 ... Spherical mirror 33 ... Slit 34 ... Lens 35 ... Interference Filter 4 Fourier transform lens 5 Ring detector 6a, 6b 6e Photodiode 7 Photometric slit

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】分散飛翔状態の試料粒子に光を照射するこ
とによって生ずる回折光もしくは散乱光の強度分布か
ら、フラウンホーファ回折もしくはミー散乱理論に基づ
いて試料粒子の粒度分布を求める装置において、媒体中
に分散された試料粒子が流される1個のフローセルと、
そのフローセルに平行レーザ光を照射するレーザ光学系
と、上記フローセルに干渉フィルタで作成される単一波
長光を照射する単一波長光学系と、上記フローセル内の
試料粒子により回折もしくは散乱されたレーザ光をフー
リエ変換レンズを介して受光し、その強度分布を測定す
るリング状フォトセンサアレイと、上記フローセルに対
して互いに異なる散乱角位置に配設され、それぞれこの
フローセル内の試料粒子によって散乱された単一波長光
を受光してその強度を測定する複数のフォトセンサを備
え、上記リング状フォトセンサアレイおよび複数のフォ
トセンサによる測定データを粒度分布算出用データとし
て用いることを特徴とする粒度分布測定装置。
An apparatus for obtaining a particle size distribution of sample particles based on Fraunhofer diffraction or Mie scattering theory from an intensity distribution of diffracted light or scattered light generated by irradiating the sample particles in a dispersed and flying state with light. One flow cell through which the sample particles dispersed in
A laser optical system that irradiates the flow cell with parallel laser light, a single wavelength optical system that irradiates the flow cell with a single wavelength light created by an interference filter, and a laser that is diffracted or scattered by the sample particles in the flow cell. Light is received via a Fourier transform lens, and a ring-shaped photosensor array for measuring the intensity distribution is disposed at different scattering angle positions with respect to the flow cell, and each is scattered by sample particles in the flow cell. Particle size distribution measurement comprising a plurality of photosensors for receiving light of a single wavelength and measuring the intensity thereof, and using data measured by the ring-shaped photosensor array and the plurality of photosensors as data for calculating a particle size distribution. apparatus.
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