JP2776823B2 - 光学検出装置 - Google Patents

光学検出装置

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JP2776823B2 JP63065704A JP6570488A JP2776823B2 JP 2776823 B2 JP2776823 B2 JP 2776823B2 JP 63065704 A JP63065704 A JP 63065704A JP 6570488 A JP6570488 A JP 6570488A JP 2776823 B2 JP2776823 B2 JP 2776823B2
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    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
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    • G01N15/10Investigating individual particles
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はある直線上を通過する試料の通過位置の検出
技術に係り、特に試料位置の測定に好適な光学検出装置
に関する。
〔従来の技術〕
従来の測光装置は、例えば特開昭60−196647号公報に
記載されているように、光ビームが試料面上の1点を照
射しており、試料面を透過した二次光が分光器に送られ
ていた。この時、試料面は振動制御を受けながら一定周
期で2次元的に振動し、試料面上での試料の位置検出
は、試料面の振動制御信号と同期したサンプリングパル
スにより分光器からの出力を1定時間積分することによ
り行っていた。
また、流れの中の粒子検出に対するフローサイムメー
タや光による粒子検出装置は、例えば特開昭61−270639
号公報,特開昭62−25236号公報,特開昭62−25237号公
報に記載されているように、フローセルを流れる流束の
中心に粒子を流下させ、流れの中の一点にレーザー光を
照射し、この散乱光を経時的に測定することにより粒子
の通路を検出していた。特に、特開昭61−270639号公報
では、0゜方向と90゜方向とに発した散乱光及び蛍光を
検出していた。この時、各装置では、受光手段に直接通
過したレーザー光線が入射しないように、遮蔽板を設置
するか、受光手段をレーザー光線の光軸から数度の傾斜
角をつけて設置していた。
〔発明が解決しようとする課題〕
上記従来技術の中で、測光装置では、測光位置決め手
段は、試料セルの振動に同期してサンプリングした分光
器の積分出力により判定するため、試料が試料セルと同
時に移動しなければならないという点についての配慮が
されておらず、流体中の試料に対する適用性の問題があ
った。
また、上記位置決め手段には、機械的振動が伴うた
め、移動速度及び移動距離には限界があるという点につ
いて配慮がなされておらず、幅広い領域にわたって精度
良く試料位置の検出を行うためには、長時間かかるとい
う問題点があった。
さらに、有限の幅を持つ光ビームの中を試料が通過す
るためには、光ビームの幅を試料の移動速度で割り算し
ただけの時間がかかるという点についての配慮がなされ
ておらず、位置分解能が制限されるという問題点があっ
た。
一方、フローサイムメータや光による粒子検出装置
は、一点を通過する試料の数とその性質を検出するため
の装置であるため、位置の変化に対する検出方法という
点が配慮されておらず、ある幅を持って泳れる流束中の
試料位置の検出には適さないという問題点があった。
本発明の課題は、機械的手段を用いることなく、精度
良く流体中の粒子位置を検出する技術を供することによ
り、上記に述べたような従来技術の問題点を解決するこ
とにある。
〔課題を解決するための手段〕
上記課題は、光源からの光を平行光線とする手段と、
レンズ及び試料の像位置に設置した1次元又は2次元の
画像素子から成る受光部とを設置し、試料により散乱さ
れた平行光線の散乱位置をレンズ及びその像位置に設置
した画像素子から成る受光部により検出することにより
達成される。
ここで、試料により散乱された平行光線の散乱強度分
布は、等方的もしくは前方散乱が最も強いことが予想さ
れるため、受光部の光軸を光源から試料面への光路の延
長線上に設置することが効果的である。
これと同時に、レンズを透過した光源からの直接光に
より試料からの散乱光が干渉されるのを防ぐために、直
接光成分が画像素子に入射しないようレンズの焦点位置
に遮蔽板を設置する。この時、散乱光の強度の低下を抑
制するため、遮蔽板は十分小さなものとする。
〔作用〕
試料面に投光された平行光線は、試料面上の平行光線
が横切る面内の任意の位置に分布する試料により散乱さ
れる。この時、散乱された平行光線は、試料の通過位
置,試料の濃度,試料の種類,形状及び種類の数によ
り、異なる散乱位置及び散乱強度を作り出す。それによ
り、試料が通過した位置で散乱した光は受光レンズによ
り集光され、画像素子上の対応する位置に結像するた
め、画像素子上での受光位置及び受光強度をデータ処理
回路において比較演算することにより、試料の通過位置
及び試料の濃度を検出することができる。
ここで、レンズ及び1次元又は2次元の画像素子から
なる受光部の光軸は、光源から試料面への光路の延長線
上に設置し、レンズの焦点位置に設置した微小な遮蔽板
が光源から試料面を透過した平行光線を遮断することに
より、試料からの前方散乱光のみを検出する。これによ
り、画像素子に到達する試料からの散乱光は、他の方向
に光軸を設置した場合の強度に比較し、同程度もしくは
それ以上の強度となる。
また、遮蔽板により直接光が画像素子に入射しないこ
とから、直接光が入射した画素からの電荷のしみ出しが
無くなり、受光感度を向上させることができる。
〔実施例〕
以下、図面を参照して本発明の一実施例について説明
する。
第1図において、レーザー発振器1とその光軸上にあ
るシリンドリカルレンズ2,シリンドリカルレンズ3から
成る光源に対し、試料面4をはさんだ光軸上に集光レン
ズ6及び1次元の画像素子9を設置する。この時、集光
レンズ6に隣接してしぼり5を設置すると同時に、光透
過性の材料で作った遮蔽板支持部8により支持された微
小な遮蔽板7を集光レンズ6の焦点位置に設置し、焦点
位置を中心に微調整ができるようにする。
第1図の中で、レーザー発振器1から出たレーザー光
線11は、シリンドリカルレンズ2により、扇形のレーザ
ー光線12となり広げられ、十分な幅に広がった位置で、
シリンドリカルレンズ3により幅を持った平行光線とな
る。こうして得られた平行レーザー光線13は、散乱位置
21で試料面4と交叉する。この時試料が無い位置に入射
した平行レーザー光線13は、平行状態を保ちながらしぼ
り5及び集光レンズ6に到達する。集光レンズ6では、
平行レーザー光線13は、焦点位置に向かう集光レーザー
光線14になり、遮蔽板7に到達し、光路を終了する。一
方、試料面4の面内を流れる試料A,試料B,…の位置に入
射した平行レーザー光線13の1部は、それぞれの試料に
より散乱を受けるため、試料Aからの散乱光201,試料B
からの散乱光202,…となり、しぼり5によりしぼられ、
集光レンズ6により集光され、画像素子9に到達する。
第2図には、受光部の光軸と試料面4が交叉する点を
試料Aが通過する場合の散乱光201の光路と、平板状の
平行レーザー光線13及び集光レーザ光線14の光路と、し
ぼり5,集光レンズ6,光透過性の材料で作った遮蔽板支持
部8により支持された遮蔽板7及び画像素子9の関係を
示した横断面図を示す。この時、光軸まわりの微小角方
向に散乱した散乱光及び散乱を受けなかった部分は集光
レンズ6により集光され、遮蔽板7により遮断され、光
路を終了する。このため、影領域301の方向に入射した
散乱光は画像素子9に到達できない。このため、遮蔽板
7はできるだけ小さくする必要がある。また、平行レー
ザー光線13が、完全に平行な場合には、集光レーザー光
線14は、集光レンズの焦点位置で無限小となるはずであ
る。このことから、遮蔽板は取付誤差及び加工精度の点
から許容できる最小の大きさとすることにより影領域30
1を小さくすることができる。このような影領域301は、
試料による光の散乱が散乱位置21のうちの受光部の光軸
と交叉する位置の近辺でのみ発生する。
ここで、各試料により散乱を受けた各散乱光は各試料
の濃度分布及び特性に応じた散乱パターンを生じるた
め、集光レンズ6により画像素子9に集光された散乱光
は試料の種類及び濃度分布に応じた強度分布を示す。第
3図には、試料の種類及び濃度分布の差異による画像素
子での強度分布を示す。
第3図において、効率曲線401は、しぼり5,集光レン
ズ6及び遮蔽板7と、試料により生じる散乱位置21上で
の光の散乱の発生位置との相対関係により変化する受光
効率を示す。また、受光強度分布501は、試料面上での
試料の中心位置を集光レンズにより結像させた画像素子
上の位置d0を中心として分布する。この時の画像素子上
の位置d0での受光強度をI0とした場合、受光強度がI0/2
となる画像素子上での位置d0からの距離を半値幅w0とす
る。これらの各パラメータは、試料の特性との間に以下
の関係を持つ。
d0∝試料の中心位置 I0∝(試料1個あたりの散乱強度) ×(試料の中心濃度) w0∝(試料の濃度分布) ここで、試料1個あたりの散乱強度は試料の特性を示
す量であり、注入した試料の種別があらかじめ分かって
いれば決定できる。このため、上記のパラメータd0,I0,
w0を測定することにより試料の濃度分布及び試料の位置
を決定することができる。この時、試料面4の上での濃
度分布が異なる場合の画像素子上の強度分布を受光強度
分布502,503を示す。
また、他の試料が存在する場合、試料からの散乱光
は、受光強度分布に反映する。この時、他の試料の散乱
光による受光強度分布504は、受光強度分布501とは別の
位置に中心を持ち、受光強度分布501に加算される。こ
の時、受光強度分布の重なりは、試料濃度分布の重なり
に等しい。この場合、データ処理部において、信号処理
を行うことにより、各試料でのI0,d0,w0,…を求めるこ
とができる。
さらに、試料が、試料面に垂直な方向に分布している
場合でも、しぼり5の半径を十分小さく取ることによ
り、散乱光201,散乱光202,…の焦点深度が深くなる。こ
れにより画像素子上での試料の像による受光強度分布50
1,502,503,504,…は、焦点の不一致による像の広がりが
無くなり、試料面4の上での幅方向の試料の濃度分布を
正確に受光強度分布に反映することができる。
以上のことから、I0,d0,w0,…等の情報により、試料
面上を流れる試料の中心位置,試料の中心濃度及び試料
の濃度分布をより精度良く推定することができる。
本実施例によれば、受光レンズの焦点付近に遮蔽板を
置くことにより、光源からの直接光による散乱光への干
渉を軽減することができ、微弱な散乱光を高精度に測定
できるという効果がある。また、受光レンズ前にしぼり
を設置することにより、焦点の不一致による像の広がり
が無なくなることから、測定精度を向上するという効果
がある。また、画像素子上での受光強度分布に対して信
号処理を行うことにより試料面上を流れる試料の位置及
び濃度分布を決定することから、データ処理を高効率化
するという効果がある。
次に、平行光線が試料面上の有限領域を照射する幅
で、試料面上を走査する場合の実施例を第4図に示す。
第4図における構成は、第1図における構成の中のシ
リンドリカルレンズ2,シリンドリカルレンズ3の組合せ
をスキャナ2Aに置き換えている。この時、スキャナー2A
から発した走査レーザー光線12Aは、試料面上の散乱位
置21上を走査する。この内、試料が無い位置に入射した
走査レーザー光線12Aは、しぼり5の位置に到達する。
ここで、しぼりの穴位置に入射した走査レーザー光線12
Aは、集光レンズ6に到達し、焦点位置に向かう集光レ
ーザー光線14Aになり、遮蔽板7に到達し、光路を終了
する。一方、試料面4の面内を流れる試料A,試料B,…の
位置に入射した走査レーザー光線12Aは、第1図の実施
例と同様に、散乱光201,散乱光202,…となり、しぼり5
によりしぼられ、集光レンズ6により画像素子9上に集
光される。
本実施例によれば、第1図に示す実施例に加えて、試
料面での平行光線の密度を高くすることができることか
ら、散乱確率のより小さな試料に対しても適応できると
いう効果がある。
また、第1図及び第4図では一次元的な試料の位置を
検出することを主体として記述した。
これらの実施例のうち、第1図においてシリンドリカ
ルレンズ2及びシリンドリカルレンズ3を通常のレンズ
2′を レンズ3′に、また、画像素子9を2次元の画
像素子9′に置き換えることにより、試料面4の上の2
次元的な試料の分布を検出することができる。同様のこ
とは、第4図において、スキャナ2Aのスキャン領域を試
料面上の2次元的な領域とし、画像素子9を2次元の画
像素子9′に置き換えることにより達成できる。
本実施例によれば、前述の効果に加えて、試料の分布
を2次元的に検出することができると共に、経時的に信
号処理することにより、試料の2次元的な運動を解析す
ることができるという効果がある。
また、光源としては、一般のランプ,発光ダイオード
等が使えるが、特に、発光源をレーザー発振器とするこ
とにより、平行光線を得るための光学的機構が簡略化さ
れると共に、同じ強度の光束を得るための電力が軽減さ
れる。さらに、ガスレーザー又は半導体レーザーとレン
ズ又は円柱レンズにより得られた平行光線は単色光であ
るため、受光部のレンズでの色収差を考慮する必要が無
くなることから、受光部の機構が簡略化されると共に受
光部全体の重量が軽減される。
もちろん、上記の実施例において光源をレーザー発振
器としたが、通常のランプ,発光ダイオード等を用い
た、任意の平行光線を発生する手段としても良い。
〔発明の効果〕
本発明によれば、機械的振動を行わず、電気的走査の
みで試料面全幅を走査できるので、高速処理を行えると
いう効果がある。
また、画像素子又は撮像管により散乱光を検出するこ
とから、画像素子又は撮像管の分解能までは、試料検出
の分解能を向上できるという効果がある。
さらに、平行光線を使用し、集光レンズ及び遮蔽板の
組合せにより散乱光を画像素子上に結像させることか
ら、受光強度分布が明瞭となり、この受光強度分布を正
確に測定することができる。このため、試料の中心位置
及び試料の濃度分布が簡単な演算で処理できるため、デ
ータ処理を高速化することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例による光学検出装置の光源,
試料面,集光レンズ,遮蔽板及び画像素子の相対位置を
示す概観図、第2図は第1図の装置の試料からの散乱光
と直接光の関係を示す横断面図、第3図はある程度の濃
度分布を持つ数種類の試料による画像素子上での受光強
度分布を示す図、第4図は第1図の装置における光源を
走査平行光線に置き換えた場合の概観図を示す。 1……レーザー発振器、 2,3……シリンドリカルレンズ、 4……試料面、5……しぼり、 6……集光レンズ、7……遮蔽板、 9,9′……画像素子、 A,B,C……試料A,B,C、 501,502,503,504……受光強度分布、 2A……スキャナ。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭50−122290(JP,A) 特開 昭61−288139(JP,A) 特開 昭61−270639(JP,A) 特開 昭62−254037(JP,A) 特開 昭62−25236(JP,A) 特開 昭62−25237(JP,A) 特開 昭59−166842(JP,A) 特開 昭60−115831(JP,A) 特開 昭48−60686(JP,A) 特開 昭56−31624(JP,A) 特公 平4−71456(JP,B2) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) G01N 21/17 G01N 15/14 G01B 11/00

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】光源1と、試料がある試料面4と、前記光
    源からの光を前記試料面に平行光線として投射するレン
    ズを含む第1の光学系と、散乱光を検出する一次元又は
    二次元の画像素子9と、前記試料面と前記画像素子との
    間に配置され、該試料面を通過した散乱光を該画像素子
    に集光するレンズを含む第2の光学系及び該第2の光学
    系と前記画像素子との間の前記光源から前記試料面への
    光路の延長線上に位置し、かつ該第2の光学系のレンズ
    の焦点位置に設置され、該試料面を透過した平行光線を
    遮蔽する遮蔽板と、前記画像素子による散乱光の受光位
    置及び受光強度から前記試料の通過位置及び試料の濃度
    を検出するデータ処理回路と、 からなり、前記第2の光学系及び前記遮蔽板の組み合わ
    せにより前記試料面の試料による散乱光を前記画像素子
    に結像し、該画像素子及び前記データ処理回路にて試料
    の通過位置を検出可能としてなる光学検出装置。
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KR102566703B1 (ko) * 2021-11-18 2023-08-16 이화여자대학교 산학협력단 동적 이미지 분석 기반의 미세플라스틱 측정 시스템

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