JP3248910B2 - 粒子特性の分析 - Google Patents
粒子特性の分析Info
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- G01N21/47—Scattering, i.e. diffuse reflection
- G01N2021/4704—Angular selective
- G01N2021/4711—Multiangle measurement
- G01N2021/4714—Continuous plural angles
Description
【発明の詳細な説明】 形状および寸法によって粒子を測定できることは多く
のグループの人々にとって重要である。食品産業界およ
び化学工業界は品質管理の点から関心を持っている。生
物学者は細胞の特徴づけと、細胞における変化および細
胞間の違いの観察に興味を持っている。環境科学者は空
気中に含まれる粒子と、それらの粒子が空気の性質およ
び健康に及ぼす影響とに興味を持っている。ここに示し
たものは全てを網羅したものでは決してなく、正確で確
実な測定手法を開発し、問題の性質を理論的に解明しよ
うとする試みの背景となっている推進力を示すためだけ
のものである。
のグループの人々にとって重要である。食品産業界およ
び化学工業界は品質管理の点から関心を持っている。生
物学者は細胞の特徴づけと、細胞における変化および細
胞間の違いの観察に興味を持っている。環境科学者は空
気中に含まれる粒子と、それらの粒子が空気の性質およ
び健康に及ぼす影響とに興味を持っている。ここに示し
たものは全てを網羅したものでは決してなく、正確で確
実な測定手法を開発し、問題の性質を理論的に解明しよ
うとする試みの背景となっている推進力を示すためだけ
のものである。
商業的に利用可能な粒子測定システムにおいて使用さ
れる主な光学的散乱法は現在２種類である。第１の方法
は流体中での粒子の静的な挙動および動的な挙動を測定
することによって、粒子の寸法を計ろうとするものであ
る。それらのシステムは沈殿速度、ジェット気流中での
加速度、またはブラウン運動を一般に測定する。第２の
方法は、照明されている粒子から散乱された光、または
特定のいくつかの角度における、あるいは大きな立体角
度範囲にわたる粒子の集団を測定することによって粒子
寸法を測定しようとするものである。画像分析システム
は別にして、市販の計器はいずれも形状によって粒子を
特徴づけることができず、等価球の直径を割り当てるこ
とによって非球状粒子の寸法を計っているが、この直径
は使用される測定法に依存する。更に悪いことに、ある
測定器は標準形状の非球状粒子で試験すると不正確にな
ることが知られているので、任意の形状の粒子の測定は
ある程度注意して取り扱わなければならない。
れる主な光学的散乱法は現在２種類である。第１の方法
は流体中での粒子の静的な挙動および動的な挙動を測定
することによって、粒子の寸法を計ろうとするものであ
る。それらのシステムは沈殿速度、ジェット気流中での
加速度、またはブラウン運動を一般に測定する。第２の
方法は、照明されている粒子から散乱された光、または
特定のいくつかの角度における、あるいは大きな立体角
度範囲にわたる粒子の集団を測定することによって粒子
寸法を測定しようとするものである。画像分析システム
は別にして、市販の計器はいずれも形状によって粒子を
特徴づけることができず、等価球の直径を割り当てるこ
とによって非球状粒子の寸法を計っているが、この直径
は使用される測定法に依存する。更に悪いことに、ある
測定器は標準形状の非球状粒子で試験すると不正確にな
ることが知られているので、任意の形状の粒子の測定は
ある程度注意して取り扱わなければならない。
形状を分類しようとする計器は画像分析に基づいてい
る。画像分析は少数の粒子の画像を撮影すること、およ
び複雑な画像処理を行うことを要する。粒子標本の形が
画像処理に適当な形であるように粒子標本を予め準備せ
ねばならない、すなわち、個々の粒子を最少の重なり合
いで見ることができるように粒子標本を処理せねばなら
ない。したがって、その結果を利用できるようになるま
でにかなりの時間遅れが存在することになる。この方法
は、分析をかなり迅速に行うために高速コンピュータも
必要とする。他の計器のいくつかは測定値を利用できる
ようになるまでに時間がかかり、これが重要であるかど
うかは用途次第である。たとえば、粉末を一括試験する
ことは必ずしも重要ではないが、石綿繊維または微小有
機体に対して作業環境を監視するときにはそれは潜在的
には重要である。
る。画像分析は少数の粒子の画像を撮影すること、およ
び複雑な画像処理を行うことを要する。粒子標本の形が
画像処理に適当な形であるように粒子標本を予め準備せ
ねばならない、すなわち、個々の粒子を最少の重なり合
いで見ることができるように粒子標本を処理せねばなら
ない。したがって、その結果を利用できるようになるま
でにかなりの時間遅れが存在することになる。この方法
は、分析をかなり迅速に行うために高速コンピュータも
必要とする。他の計器のいくつかは測定値を利用できる
ようになるまでに時間がかかり、これが重要であるかど
うかは用途次第である。たとえば、粉末を一括試験する
ことは必ずしも重要ではないが、石綿繊維または微小有
機体に対して作業環境を監視するときにはそれは潜在的
には重要である。
Powder and Bulk Engineering 1991,2月号、42ペ
ージ所載の論文「Particle Size Analysers Product
Roundup」で明らかにされているように、粒子寸法を
計ることができる、レーザに基づくいくつかの市販の計
器を利用できる。また、粒子の寸法測定の種々の面を研
究するために、その他の研究用計器が組み立てられてい
る。たとえば、Particle and Particle Systems Ch
aracterisation、1990,第７巻、221ページ所載の、R.Ra
gucci、A.Cavaliere、P.Massoliの論文「Drop Sizing
by Laser Light Scattering Exploiting Intens
ity Angular Oscillation in the Mie Regime」
に記載されているように、散乱光の輝度振動を用いて粒
子寸法を計るための計器が開発されている。ほとんどの
計器は粒子の全体的効果を分析する。前に述べたよう
に、それらの計器は球面状粒子を仮定しており、非球面
性を示すものはなんら与えない。
ージ所載の論文「Particle Size Analysers Product
Roundup」で明らかにされているように、粒子寸法を
計ることができる、レーザに基づくいくつかの市販の計
器を利用できる。また、粒子の寸法測定の種々の面を研
究するために、その他の研究用計器が組み立てられてい
る。たとえば、Particle and Particle Systems Ch
aracterisation、1990,第７巻、221ページ所載の、R.Ra
gucci、A.Cavaliere、P.Massoliの論文「Drop Sizing
by Laser Light Scattering Exploiting Intens
ity Angular Oscillation in the Mie Regime」
に記載されているように、散乱光の輝度振動を用いて粒
子寸法を計るための計器が開発されている。ほとんどの
計器は粒子の全体的効果を分析する。前に述べたよう
に、それらの計器は球面状粒子を仮定しており、非球面
性を示すものはなんら与えない。
Particle and Particle Systems Characterisati
on、1989,第６巻、144ページ所載の論文「Light Scatt
ering Instrument to Discriminate and Size Fi
bres Part 2:Experimental System」に報告されてい
る研究は、繊維状物質を識別し、寸法を計るために設計
された計器を使用することを報告している。この研究に
おいては、下記の構成に類似する層状空気流システムを
用いて、粒子がレーザビーム中を一列になって通る。前
向きの散乱光がレンズによって集められ、偏光ビームス
プリッタ中を通る。次いで、光電子増倍管を用いて２つ
の直交する偏光中の光の強さが記録される。結果は、偏
光された球状粒子に近い粒子の直径が約1.5ミクロンよ
り大きければ、偏光された輝度の比をとることによって
それらの粒子を遷移状物質から識別できることを示して
いる。
on、1989,第６巻、144ページ所載の論文「Light Scatt
ering Instrument to Discriminate and Size Fi
bres Part 2:Experimental System」に報告されてい
る研究は、繊維状物質を識別し、寸法を計るために設計
された計器を使用することを報告している。この研究に
おいては、下記の構成に類似する層状空気流システムを
用いて、粒子がレーザビーム中を一列になって通る。前
向きの散乱光がレンズによって集められ、偏光ビームス
プリッタ中を通る。次いで、光電子増倍管を用いて２つ
の直交する偏光中の光の強さが記録される。結果は、偏
光された球状粒子に近い粒子の直径が約1.5ミクロンよ
り大きければ、偏光された輝度の比をとることによって
それらの粒子を遷移状物質から識別できることを示して
いる。
粒子寸法を計るために開発された計器は、Proceeding
s−SPIE International Society for Optical Eng
ineering Vol 952、1988、454ページ所載の、D.M.Liv
esleyの論文、「Strengths and limitations of th
e phase Doppler technique for simultaneous m
easurements of particle velocity and size」に
記載のレーザ・ドプラー速度計技術を用いており、これ
は球に近い粒子を繊維状粒子から区別する能力も示して
いる。この技術は粒子による光線の屈折に基づいている
ので、５ミクロンより大きい粒子に限定される。この計
器は２つのコヒーレント・レーザ・ビームを使用する。
それらのレーザ・ビームは相互に干渉して、散乱容積中
に一連の縞を生ずる。それらの縞の間隔はレーザの波長
およびビーム間の角度に依存する。３つの光電子増倍管
が種々の前方散乱角度で用いられる。それらの光電子増
倍管は全体として粒子の速さ、粒子寸法、および非真球
度の指示を行う。速さは粒子が１つの縞から次の縞へ移
動するために要する時間から得られる。寸法は２つの検
出器からの信号の位相差から得られる。その位相差は速
さおよび粒子表面の膨らみ率の関数である。粒子が縞を
横切るときに屈折される光線の掃引速度は、粒子が小さ
いほど大きい。第３の検出器によって位相差を測定で
き、粒子が球でない場合に２つの測定された位相におけ
る差が見られる。
s−SPIE International Society for Optical Eng
ineering Vol 952、1988、454ページ所載の、D.M.Liv
esleyの論文、「Strengths and limitations of th
e phase Doppler technique for simultaneous m
easurements of particle velocity and size」に
記載のレーザ・ドプラー速度計技術を用いており、これ
は球に近い粒子を繊維状粒子から区別する能力も示して
いる。この技術は粒子による光線の屈折に基づいている
ので、５ミクロンより大きい粒子に限定される。この計
器は２つのコヒーレント・レーザ・ビームを使用する。
それらのレーザ・ビームは相互に干渉して、散乱容積中
に一連の縞を生ずる。それらの縞の間隔はレーザの波長
およびビーム間の角度に依存する。３つの光電子増倍管
が種々の前方散乱角度で用いられる。それらの光電子増
倍管は全体として粒子の速さ、粒子寸法、および非真球
度の指示を行う。速さは粒子が１つの縞から次の縞へ移
動するために要する時間から得られる。寸法は２つの検
出器からの信号の位相差から得られる。その位相差は速
さおよび粒子表面の膨らみ率の関数である。粒子が縞を
横切るときに屈折される光線の掃引速度は、粒子が小さ
いほど大きい。第３の検出器によって位相差を測定で
き、粒子が球でない場合に２つの測定された位相におけ
る差が見られる。
本発明者等は、粒子寸法はもちろん粒子形状を決定す
る能力をも持つ、空気に含まれている粒子の分類器（AP
C）を、Atomospheric Environment、Vol 25A No.3/
4、1991、645ページ所載の、P.H.Kaye、N.A.Eyles、I.
K.Ludlow、およびJ.M.Clarkの論文「An instrument f
or the classification of airborne particles
on the basis of size,shape,and count frequen
cy」ならびに出願EP−Ａ−0316171号およびEP−Ａ−031
6172号に開示した。それは添付図面の第１図に示されて
おり、以下に詳しく説明する。このシステムは１秒間に
最大10,000個の粒子についての情報を集めることがで
き、したがって、準実時間で動作できる、しかし、検出
器の数が少ないため形状情報は厳しく制限され、それを
使って異なる種類の非球状粒子、たとえば、繊維と小板
を明白に区別できる可能性はほとんどない。粒子がビー
ム中を通るときの粒子の軌道と向きの不確定性も存在
し、散乱に対するそれらの不確定性の影響を僅かに３つ
の検出器で決定し考慮することは困難である。
る能力をも持つ、空気に含まれている粒子の分類器（AP
C）を、Atomospheric Environment、Vol 25A No.3/
4、1991、645ページ所載の、P.H.Kaye、N.A.Eyles、I.
K.Ludlow、およびJ.M.Clarkの論文「An instrument f
or the classification of airborne particles
on the basis of size,shape,and count frequen
cy」ならびに出願EP−Ａ−0316171号およびEP−Ａ−031
6172号に開示した。それは添付図面の第１図に示されて
おり、以下に詳しく説明する。このシステムは１秒間に
最大10,000個の粒子についての情報を集めることがで
き、したがって、準実時間で動作できる、しかし、検出
器の数が少ないため形状情報は厳しく制限され、それを
使って異なる種類の非球状粒子、たとえば、繊維と小板
を明白に区別できる可能性はほとんどない。粒子がビー
ム中を通るときの粒子の軌道と向きの不確定性も存在
し、散乱に対するそれらの不確定性の影響を僅かに３つ
の検出器で決定し考慮することは困難である。
US−Ａ−4606636号は、粒子を運ぶ流れが透明な毛細
管内部を非発散二次曲面反射器の軸線に沿って運ばれる
ような装置を記載している。光ビームが反射器の焦点に
おいて管と交差し、反射されない散乱光が遮断され、反
射された散乱光が感光セルまたは光学走査器で受けられ
る。光学走査器は処理装置へ信号を供給する。
管内部を非発散二次曲面反射器の軸線に沿って運ばれる
ような装置を記載している。光ビームが反射器の焦点に
おいて管と交差し、反射されない散乱光が遮断され、反
射された散乱光が感光セルまたは光学走査器で受けられ
る。光学走査器は処理装置へ信号を供給する。
二次曲面反射器を用いるそれらの従来装置は全て、反
射器の焦点で光ビームが粒子に入射するという仮定に基
づいて動作する。実際には、これは本当ではない。実際
には流れは常に有限の厚さを有し、それによって運ばれ
る粒子は常に反射器の焦点と交差するわけでもない。こ
の結果として、光路が変化することになり、そうする
と、光線は記録される前に非単調になる（すなわち、低
い角度で散乱され、反射された光線はより高い角度で散
乱された光線と交差する）。単調光線と非単調光線から
の画像は完全に異なる。
射器の焦点で光ビームが粒子に入射するという仮定に基
づいて動作する。実際には、これは本当ではない。実際
には流れは常に有限の厚さを有し、それによって運ばれ
る粒子は常に反射器の焦点と交差するわけでもない。こ
の結果として、光路が変化することになり、そうする
と、光線は記録される前に非単調になる（すなわち、低
い角度で散乱され、反射された光線はより高い角度で散
乱された光線と交差する）。単調光線と非単調光線から
の画像は完全に異なる。
したがって、実時間形分析法はまだ利用できず、非球
状粒子に対する研究活動はほとんど行われていない。
状粒子に対する研究活動はほとんど行われていない。
本発明によれば、エーロゾルまたはその他の粒子懸濁
液から個々の粒子特性を分析する装置は、後部チャンバ
へ導くオリフィスを内部に有する楕円反射器を有する光
学系を含む散乱チャンバと、 平行光ビームを反射器の主軸線に沿って送るようにさ
れた単色光源と、 粒子を含む有限厚さのガス流を光ビームを通って反射器
のほぼ主焦点に送る手段と、 粒子の流れが光ビームと交差する領域の周囲の少なくと
も３πの立体角からの散乱された光を集めるように構成
された光学系と、 粒子の流れ中の粒子から散乱され、光学系によって集
められる光から像を形成するように配置された多数のセ
ンサからなる二次元アレイを有する検出器と、 画像のパラメータをメモリに記憶されているパラメー
タと比較して、粒子の性質を決定するようにされたデー
タ・プロセッサとを含み、 レコーダが、反射器の第２の焦点の背後に位置決めさ
れた結像スクリーンと結合されており、粒子によって占
められる有限厚さの気体流のどのような部分もそれが光
ビームを通過するときに粒子によって散乱されると共に
光学系によってスクリーン上に結像される光線は、結像
スクリーン上に記録される画像がガス流中の粒子の位置
とほぼ無関係であるように粒子からの光線の散乱角に関
して単調に順序付けられていることを特徴とする。
液から個々の粒子特性を分析する装置は、後部チャンバ
へ導くオリフィスを内部に有する楕円反射器を有する光
学系を含む散乱チャンバと、 平行光ビームを反射器の主軸線に沿って送るようにさ
れた単色光源と、 粒子を含む有限厚さのガス流を光ビームを通って反射器
のほぼ主焦点に送る手段と、 粒子の流れが光ビームと交差する領域の周囲の少なくと
も３πの立体角からの散乱された光を集めるように構成
された光学系と、 粒子の流れ中の粒子から散乱され、光学系によって集
められる光から像を形成するように配置された多数のセ
ンサからなる二次元アレイを有する検出器と、 画像のパラメータをメモリに記憶されているパラメー
タと比較して、粒子の性質を決定するようにされたデー
タ・プロセッサとを含み、 レコーダが、反射器の第２の焦点の背後に位置決めさ
れた結像スクリーンと結合されており、粒子によって占
められる有限厚さの気体流のどのような部分もそれが光
ビームを通過するときに粒子によって散乱されると共に
光学系によってスクリーン上に結像される光線は、結像
スクリーン上に記録される画像がガス流中の粒子の位置
とほぼ無関係であるように粒子からの光線の散乱角に関
して単調に順序付けられていることを特徴とする。
検出器は電荷結合素子（ccd）ビデオレコーダである
ことが好ましい。
ことが好ましい。
画像形成スクリーンはイメージ増倍管またはカメラの
画像スクリーンとすることができる。
画像スクリーンとすることができる。
この装置は、光学系によって集められなかった散乱光
を検出することによって、光ビーム中の粒子の存在を判
定し、粒子に関連する画像を記録するために検出器をト
リガするためのセンサ手段を持つことができる、トリガ
手段を含むと有利なことがある。センサ手段は光電子増
倍管を備えることもできる。その光電子増倍管の上に散
乱光線が集束される。その散乱光線は光学系中のオリフ
ィスを通って、後部チャンバに達する。
を検出することによって、光ビーム中の粒子の存在を判
定し、粒子に関連する画像を記録するために検出器をト
リガするためのセンサ手段を持つことができる、トリガ
手段を含むと有利なことがある。センサ手段は光電子増
倍管を備えることもできる。その光電子増倍管の上に散
乱光線が集束される。その散乱光線は光学系中のオリフ
ィスを通って、後部チャンバに達する。
光電子増倍管を含む計器では、光電子増倍管および検
出器の位置を変更するため、さらには光電子増倍管を別
の検出器と交換するために光電子増倍管を設けることも
できる。
出器の位置を変更するため、さらには光電子増倍管を別
の検出器と交換するために光電子増倍管を設けることも
できる。
トリガ手段は、検出器手段から入力を受け、出力を検
出器へ供給する制御器を含むこともでき、かつビーム中
の１個の粒子にのみ作用するようにできる。
出器へ供給する制御器を含むこともでき、かつビーム中
の１個の粒子にのみ作用するようにできる。
比較されるパラメータは画像全体、画像の一部、また
は回折または干渉の最大及び最小の解像に関するもので
もよい。
は回折または干渉の最大及び最小の解像に関するもので
もよい。
本発明の別の態様によれば、エーロゾルまたはその他
の粒子懸濁液から個々の粒子特性を分析する方法は、粒
子を含む有限厚さのガス流を散乱チャンバを通って送る
段階を含み、 散乱チャンバが、後部チャンバへ導くオリフィスを内
部に有する楕円反射器を有する光学系と、 平行光ビームを反射器の主軸線に沿って送るようにさ
れた単色光源と、 ガスの流れを光ビームを通って反射器のほぼ主焦点に
送る手段とを含み、 光学系が、粒子流が光ビームを横切る領域の周囲の少
なくとも３πの立体角から散乱された光を集めるように
構成され、 散乱チャンバが、粒子の流れ中の粒子から散乱され
て、光学系によって集められる光から像を形成するよう
に配置された多数のセンサからなる二次元アレイを有す
るccdビデオレコーダと結合され、 ビデオレコーダが情報をデータ・プロセッサへ送り、
そのデータ・プロセッサが画像のパラメータをメモリに
記憶されているパラメータと比較して、粒子の性質を判
定し、 レコーダが、反射器の第２の焦点の背後に位置決めさ
れた結像スクリーンと結合されており、粒子によって占
められる有限厚さの気体流のどのような部分もそれが光
ビームを通過するときに、粒子によって散乱されると共
に光学系によってスクリーン上に結像される光線は、結
像スクリーンの上に記録される画像がガス流中の粒子の
位置とほぼ無関係であるように粒子からの光線の散乱角
に関して単調に順序付けられていることを特徴とする。
の粒子懸濁液から個々の粒子特性を分析する方法は、粒
子を含む有限厚さのガス流を散乱チャンバを通って送る
段階を含み、 散乱チャンバが、後部チャンバへ導くオリフィスを内
部に有する楕円反射器を有する光学系と、 平行光ビームを反射器の主軸線に沿って送るようにさ
れた単色光源と、 ガスの流れを光ビームを通って反射器のほぼ主焦点に
送る手段とを含み、 光学系が、粒子流が光ビームを横切る領域の周囲の少
なくとも３πの立体角から散乱された光を集めるように
構成され、 散乱チャンバが、粒子の流れ中の粒子から散乱され
て、光学系によって集められる光から像を形成するよう
に配置された多数のセンサからなる二次元アレイを有す
るccdビデオレコーダと結合され、 ビデオレコーダが情報をデータ・プロセッサへ送り、
そのデータ・プロセッサが画像のパラメータをメモリに
記憶されているパラメータと比較して、粒子の性質を判
定し、 レコーダが、反射器の第２の焦点の背後に位置決めさ
れた結像スクリーンと結合されており、粒子によって占
められる有限厚さの気体流のどのような部分もそれが光
ビームを通過するときに、粒子によって散乱されると共
に光学系によってスクリーン上に結像される光線は、結
像スクリーンの上に記録される画像がガス流中の粒子の
位置とほぼ無関係であるように粒子からの光線の散乱角
に関して単調に順序付けられていることを特徴とする。
本発明の好ましい実施例は、粒子を５つの広範な形状
分類、すなわち、球、液滴、繊維、小板、および「塊」
（すなわち、３つの次元の全てにおいて匹敵する寸法の
粒子）の１つに分類できること、および縦横比が異なる
粒子の間で識別できることを意図するものである。
分類、すなわち、球、液滴、繊維、小板、および「塊」
（すなわち、３つの次元の全てにおいて匹敵する寸法の
粒子）の１つに分類できること、および縦横比が異なる
粒子の間で識別できることを意図するものである。
この明細書においては、「散乱輪郭」という用語は、
粒子の周囲の三次元散乱された光の強さの分布を意味す
るものとする。散乱輪郭は所定の形、所定の向き、およ
び与えられた波長の光に対する誘電体構造の粒子に対し
て特有のものである。
粒子の周囲の三次元散乱された光の強さの分布を意味す
るものとする。散乱輪郭は所定の形、所定の向き、およ
び与えられた波長の光に対する誘電体構造の粒子に対し
て特有のものである。
本発明をより良く理解できるようにするために、ここ
で添付図面を参照して実施例を詳細に説明する。添付図
面において、 既に参照した、第1a図は従来の粒子分析器の立面図で
ある。
で添付図面を参照して実施例を詳細に説明する。添付図
面において、 既に参照した、第1a図は従来の粒子分析器の立面図で
ある。
第1b図は対応する平面図である。
第２図は本発明の散乱チャンバを示す断面図である。
第３図は本発明のシステムの線図である。
第４図は試料入口アセンブリの断面図である。
第５図から第８図は散乱チャンバ中の光の透過を示す
光線図である。
光線図である。
第９図は１ミクロンのポリスチレン球から散乱された
光の30゜と140゜との間で集められた画像を示す。
光の30゜と140゜との間で集められた画像を示す。
第10図は水滴から散乱された光の30゜と140゜との間
で集められた画像を示す。
で集められた画像を示す。
第11図は空気中に浮いている任意の粒子から散乱され
た光の５゜と30゜との間で集められた画像を示す。
た光の５゜と30゜との間で集められた画像を示す。
第1a図と第1b図に示されている、EP Ａ 0316172号
に記載されているような従来技術の装置は、レーザ10、
例えばヘリウム・ネオン・レーザを有する。このレーザ
はビーム11をビーム拡大器12と、アイリス絞り13と、円
筒レンズ14とを通って散乱チャンバ15へ直角に投射す
る。散乱チャンバ15においては、ビーム11は鏡16によっ
て反射され、主チャンバ15の内部に位置する第１の楕円
反射器17の軸線に沿って進み、後部チャンバ20の内部の
第２の楕円反射器19の軸線に沿ってオリフィス18を通
り、ビーム・ダンプ21を通って進む。散乱チャンバ15の
後部には、コリメータレンズ22と、３本の光電子増倍管
23を含む集光システムとが設けられる。後部チャンバ20
の内部の第２の楕円反射器19焦点には光電子増倍管レン
ズ25へ導く放射線コレクタ24が設けられる。気体試料を
第１の楕円反射器17の焦点を通って送ることができるよ
うに、試料入口管26及び試料出口管27が散乱チャンバ15
内部に設けられる。
に記載されているような従来技術の装置は、レーザ10、
例えばヘリウム・ネオン・レーザを有する。このレーザ
はビーム11をビーム拡大器12と、アイリス絞り13と、円
筒レンズ14とを通って散乱チャンバ15へ直角に投射す
る。散乱チャンバ15においては、ビーム11は鏡16によっ
て反射され、主チャンバ15の内部に位置する第１の楕円
反射器17の軸線に沿って進み、後部チャンバ20の内部の
第２の楕円反射器19の軸線に沿ってオリフィス18を通
り、ビーム・ダンプ21を通って進む。散乱チャンバ15の
後部には、コリメータレンズ22と、３本の光電子増倍管
23を含む集光システムとが設けられる。後部チャンバ20
の内部の第２の楕円反射器19焦点には光電子増倍管レン
ズ25へ導く放射線コレクタ24が設けられる。気体試料を
第１の楕円反射器17の焦点を通って送ることができるよ
うに、試料入口管26及び試料出口管27が散乱チャンバ15
内部に設けられる。
使用時には、試料がポンプ28によって管26、27を通っ
て吸い出され、その試料中の粒子がビーム11によって照
明されるようにする。粒子によって十分な角度だけ屈折
された光は第１の楕円反射器17によって反射され、コリ
メータレンズ22を透過して光電子増倍管23へ進む。より
小さい角度で反射された光はオリフィス18を通って後部
チャンバ20へ進み、そこでそれらの光は第２の楕円反射
機19によって放射線コレクタ24へ反射され、それから光
電子増倍管25へ進む。反射されなかった光はビームダン
プ21によって捨てる。
て吸い出され、その試料中の粒子がビーム11によって照
明されるようにする。粒子によって十分な角度だけ屈折
された光は第１の楕円反射器17によって反射され、コリ
メータレンズ22を透過して光電子増倍管23へ進む。より
小さい角度で反射された光はオリフィス18を通って後部
チャンバ20へ進み、そこでそれらの光は第２の楕円反射
機19によって放射線コレクタ24へ反射され、それから光
電子増倍管25へ進む。反射されなかった光はビームダン
プ21によって捨てる。
光電子増倍管の出力はデジタル化してから、専用電子
装置を用いて記録し、コンピュータを用いて、たとえ
ば、EP−Ａ−0316171号に記載されているように、デー
タまたは既知の形状との比較により分析する。
装置を用いて記録し、コンピュータを用いて、たとえ
ば、EP−Ａ−0316171号に記載されているように、デー
タまたは既知の形状との比較により分析する。
第１図を参照して説明した計器はかなり有望なので、
第２図、第３図および第８図に示されている新しい計器
は、同じ楕円反射器集光器と、同じ種類の粒子供給シス
テムを保持する。本発明はその動作がある部品の特定の
位置決めと、較正とに依存するので、実際の実験計器に
ついて本発明を説明することにする。
第２図、第３図および第８図に示されている新しい計器
は、同じ楕円反射器集光器と、同じ種類の粒子供給シス
テムを保持する。本発明はその動作がある部品の特定の
位置決めと、較正とに依存するので、実際の実験計器に
ついて本発明を説明することにする。
本発明の計器（第２図）では、第１図に示されている
レーザ・システムに類似するレーザ・システムによって
供給されるレーザ・ビーム11は、最初囲い板30の内部に
含まれ、散乱チャンバ15内の楕円反射器17の軸線に沿っ
て、オリフィス18を通って、反射層を付着されたプリズ
ム63の形のビーム・ダンプへ向けて送られる。プリズム
63は前方散乱レンズ・アセンブリ31のレンズへ接着さ
れ、つや消しの黒い表面64へ光を送る。レンズ・アセン
ブリ31は、散乱光を後部チャンバ20内の光電子増倍管25
に集束させるようになっている。レーザは、電源とコリ
メータ光学系が一体になっている、LasermaxモデルLAS
−200−670−10ダイオード・モジュールであった。この
レーザのパワー出力は670nmの波長で10mWである。出力
は平面偏光されて、TEM00モードで動作する。横断面は4
mm×1mmである。このモジュールを留めねじによってハ
ウジング内部に装着した。こうすることによってモジュ
ールをチャンバと整列させることができた。ビームはそ
れを円偏光させる４分の１波長板と、アイリス絞りと、
円筒レンズとを通って散乱チャンバ15に入る。したがっ
て、楕円反射器17の主焦点60におけるビーム11はほぼ楕
円形で、その寸法は幅3mm、奥行き120ミクロンであっ
た。円筒レンズの焦点距離の誤差を見込んで、レーザ・
ハウジングをマウントの内側へ動かすことができる。楕
円反射器17はその集光能力に基づいて選択した。楕円反
射器17は主焦点60と、98.6mmだけ隔てられた第２の焦点
61とを有し、主焦点60を囲む球面の84％の上記立体角の
集まり（立体角４πの3.3π）を有していた。ポンプ、
たとえば、出力を調整できる羽根型ポンプに連結されて
いる試料入口管26と試料出口管27が、楕円反射器17の主
焦点において光ビーム11を横切る試料の流れを供給する
ために配置される。この光学的配置は、試料中の粒子に
よって散乱され、かつ少なくとも３πの立体角を囲む楕
円反射器17によって反射された光が、光学窓32と、反射
器17の第２の焦点に位置する絞り33とを通るようなもの
である。光学窓32は反射器17の主焦点と第２の焦点の間
の距離を長くし、絞り33は背景散乱の量を減少させる。
反射された光は絞り33から一対の平凸レンズ34を通っ
て、ビデオカメラ36の近くに位置するイメージ増倍管35
へ進む。カメラは、110880（385×288）個の素子のアレ
イを有する典型的な電荷結合素子（ccd）ビデオカメラ
であった。添付図面の第５図ないし第８図を参照して以
下に述べるように、イメージ増倍管（または代わりの任
意のスクリーン）のシステム内部における位置は重要で
ある。
レーザ・システムに類似するレーザ・システムによって
供給されるレーザ・ビーム11は、最初囲い板30の内部に
含まれ、散乱チャンバ15内の楕円反射器17の軸線に沿っ
て、オリフィス18を通って、反射層を付着されたプリズ
ム63の形のビーム・ダンプへ向けて送られる。プリズム
63は前方散乱レンズ・アセンブリ31のレンズへ接着さ
れ、つや消しの黒い表面64へ光を送る。レンズ・アセン
ブリ31は、散乱光を後部チャンバ20内の光電子増倍管25
に集束させるようになっている。レーザは、電源とコリ
メータ光学系が一体になっている、LasermaxモデルLAS
−200−670−10ダイオード・モジュールであった。この
レーザのパワー出力は670nmの波長で10mWである。出力
は平面偏光されて、TEM00モードで動作する。横断面は4
mm×1mmである。このモジュールを留めねじによってハ
ウジング内部に装着した。こうすることによってモジュ
ールをチャンバと整列させることができた。ビームはそ
れを円偏光させる４分の１波長板と、アイリス絞りと、
円筒レンズとを通って散乱チャンバ15に入る。したがっ
て、楕円反射器17の主焦点60におけるビーム11はほぼ楕
円形で、その寸法は幅3mm、奥行き120ミクロンであっ
た。円筒レンズの焦点距離の誤差を見込んで、レーザ・
ハウジングをマウントの内側へ動かすことができる。楕
円反射器17はその集光能力に基づいて選択した。楕円反
射器17は主焦点60と、98.6mmだけ隔てられた第２の焦点
61とを有し、主焦点60を囲む球面の84％の上記立体角の
集まり（立体角４πの3.3π）を有していた。ポンプ、
たとえば、出力を調整できる羽根型ポンプに連結されて
いる試料入口管26と試料出口管27が、楕円反射器17の主
焦点において光ビーム11を横切る試料の流れを供給する
ために配置される。この光学的配置は、試料中の粒子に
よって散乱され、かつ少なくとも３πの立体角を囲む楕
円反射器17によって反射された光が、光学窓32と、反射
器17の第２の焦点に位置する絞り33とを通るようなもの
である。光学窓32は反射器17の主焦点と第２の焦点の間
の距離を長くし、絞り33は背景散乱の量を減少させる。
反射された光は絞り33から一対の平凸レンズ34を通っ
て、ビデオカメラ36の近くに位置するイメージ増倍管35
へ進む。カメラは、110880（385×288）個の素子のアレ
イを有する典型的な電荷結合素子（ccd）ビデオカメラ
であった。添付図面の第５図ないし第８図を参照して以
下に述べるように、イメージ増倍管（または代わりの任
意のスクリーン）のシステム内部における位置は重要で
ある。
本発明の記録装置、分析装置および表示装置は第３図
を見ると最も良くわかる。コンピュータ37が、とくに、
カメラ36から入力を受けるフレーム・グラッバ38と、光
電子増倍管25から入力を受けて、カメラ36へ出力を供給
するカメラ制御器39とを含む。フレーム・グラッバ38は
256×256の画素アレイを持つ市販のボードであって、画
像の後処理用の市販ソフトで利用できた。コンピュータ
は通常の記憶機能および計算機能を持ち、画像モニタ40
とコンピュータ・モニタ41へ出力を供給する。
を見ると最も良くわかる。コンピュータ37が、とくに、
カメラ36から入力を受けるフレーム・グラッバ38と、光
電子増倍管25から入力を受けて、カメラ36へ出力を供給
するカメラ制御器39とを含む。フレーム・グラッバ38は
256×256の画素アレイを持つ市販のボードであって、画
像の後処理用の市販ソフトで利用できた。コンピュータ
は通常の記憶機能および計算機能を持ち、画像モニタ40
とコンピュータ・モニタ41へ出力を供給する。
試料入口管26を含む試料入口アセンブリ（第４図）
は、シースエアチャンバ50から出るチューブ26を有す
る。シースエアチャンバへは濾過した空気をシースエア
入口51を通じて供給できる。試料チャンバ53から出た試
料空気管52が入口管26の内部にその入口管と同軸に配置
される。試料空気管は管26の細くなっていく部分54の近
くで終端する。細くなっていく部分54に対する終端部の
正確な位置決めは調整ねじ55によって調整でき、散乱チ
ャンバ15の内部への試料入口管の延長は調整ねじ55によ
って調整できる。
は、シースエアチャンバ50から出るチューブ26を有す
る。シースエアチャンバへは濾過した空気をシースエア
入口51を通じて供給できる。試料チャンバ53から出た試
料空気管52が入口管26の内部にその入口管と同軸に配置
される。試料空気管は管26の細くなっていく部分54の近
くで終端する。細くなっていく部分54に対する終端部の
正確な位置決めは調整ねじ55によって調整でき、散乱チ
ャンバ15の内部への試料入口管の延長は調整ねじ55によ
って調整できる。
使用時には、較正中に濾過されたきれいなシースエア
が空気入口51と、シースエアチャンバ50を通って試料入
口管26へ供給され、既知の種類の粒子を含む試料空気が
試料チャンバ53から試料空気管52へ供給される。ポンプ
28が動作すると、濾過されたきれいなエアのシースによ
って囲まれた試料空気が試料入口管26からレーザ・ビー
ム11を横切って試料出口管27へ吸い込まれる。試料空気
は（2.5〜６）l/mでチャンバを通って吸い込まれて、直
径が1mmの柱状の層を成す空気流を管の間の間隙に生ず
る。このようにして粒子は、楕円反射器の主焦点60の0.
5mm以内のレーザ・ビーム11を一列で通る。レーザ・ビ
ーム11は楕円反射器のほぼ主焦点60で試料空気中の粒子
へ入射し、その結果光は散乱される。散乱されて、楕円
反射器17に入射した光は反射されて光学窓32と、絞り33
と、レンズ34を通ってイメージ増倍管35に入射する。散
乱されて反射器17に入射しなかった光はオリフィス18と
前方散乱レンズ31を通り、そこで光電子増倍管25に集束
される。散乱されなかった光は捨てられる。
が空気入口51と、シースエアチャンバ50を通って試料入
口管26へ供給され、既知の種類の粒子を含む試料空気が
試料チャンバ53から試料空気管52へ供給される。ポンプ
28が動作すると、濾過されたきれいなエアのシースによ
って囲まれた試料空気が試料入口管26からレーザ・ビー
ム11を横切って試料出口管27へ吸い込まれる。試料空気
は（2.5〜６）l/mでチャンバを通って吸い込まれて、直
径が1mmの柱状の層を成す空気流を管の間の間隙に生ず
る。このようにして粒子は、楕円反射器の主焦点60の0.
5mm以内のレーザ・ビーム11を一列で通る。レーザ・ビ
ーム11は楕円反射器のほぼ主焦点60で試料空気中の粒子
へ入射し、その結果光は散乱される。散乱されて、楕円
反射器17に入射した光は反射されて光学窓32と、絞り33
と、レンズ34を通ってイメージ増倍管35に入射する。散
乱されて反射器17に入射しなかった光はオリフィス18と
前方散乱レンズ31を通り、そこで光電子増倍管25に集束
される。散乱されなかった光は捨てられる。
光電子増倍管25は信号をカメラ制御器39へ供給する。
このカメラ制御器はその信号を監視する。所定のレベル
に達すると、信号がカメラ36へ送られてそのカメラにパ
ターンをイメージ増倍管35に結ばせ、この信号をフレー
ム・グラッバ38へ送り、そこでその画像はコンピュータ
37に記録される。粒子の種類を示し、および（関連する
ならば）粒子の整列を示す、画像を画像モニタ40で見る
ことができる。
このカメラ制御器はその信号を監視する。所定のレベル
に達すると、信号がカメラ36へ送られてそのカメラにパ
ターンをイメージ増倍管35に結ばせ、この信号をフレー
ム・グラッバ38へ送り、そこでその画像はコンピュータ
37に記録される。粒子の種類を示し、および（関連する
ならば）粒子の整列を示す、画像を画像モニタ40で見る
ことができる。
実際には、試料空気流は有限の厚さを持つことが判る
であろう。したがって、レーザ・ビーム11が反射器17に
入射するときは、粒子は反射器17の主焦点60と常には交
差しないであろう。これが第５図から第８図に示されて
いる。第５図には、特定の楕円反射器17と、特定の光学
窓32と、特定の絞り33と、特定のレンズ34とに対する完
全な光学系の光線図が示されている。寸法は、反射器の
第２の焦点における原点から測定したmmで表され、光線
図は５゜刻みで散乱角度30゜〜140゜に対応する。
であろう。したがって、レーザ・ビーム11が反射器17に
入射するときは、粒子は反射器17の主焦点60と常には交
差しないであろう。これが第５図から第８図に示されて
いる。第５図には、特定の楕円反射器17と、特定の光学
窓32と、特定の絞り33と、特定のレンズ34とに対する完
全な光学系の光線図が示されている。寸法は、反射器の
第２の焦点における原点から測定したmmで表され、光線
図は５゜刻みで散乱角度30゜〜140゜に対応する。
第６図は第５図の光線図の、原点から＋44mmの位置に
示されているイメージ増倍管35の領域における詳細を示
すものである。この位置においては光線は単調である
（すなわち、低い角度で散乱され、かつ反射された光線
が、より高い角度で散乱された光線とは交差しない）こ
とがわかるであろう。
示されているイメージ増倍管35の領域における詳細を示
すものである。この位置においては光線は単調である
（すなわち、低い角度で散乱され、かつ反射された光線
が、より高い角度で散乱された光線とは交差しない）こ
とがわかるであろう。
第７図および第８図は、それぞれ反射器17の主焦点60
の0.5mm前方（反射器17の頂点の方向に）と、0.5mm後方
においてビーム11と交差する粒子の光線図を示す。44mm
位置のすぐ左および右では光線は非単調になり、44mm位
置においては単調であることがわかるであろう。光線が
単調のままである間に、所与の粒子によって提供される
画像は、主焦点60に対する粒子の交差位置がどのような
ものであってもほぼ同一のままであり（いくらかの歪み
以外は）、したがって、その画像のメモリと首尾よく比
較できる。しかし光線がひとたび単調でなくなると、画
像は完全に変化して比較できないであろう。したがっ
て、粒子がレーザ・ビーム11と交差する位置がどこであ
っても、光線が単調である位置にイメージ増倍管35、ま
たはその他の画像スクリーンを置くことが重要である。
画像の完全な複写が失われる位置を決定するためにイメ
ージ増倍管35を移動させている間に、粒子流をこの計器
内部で移動させることによって、イメージ増倍管35の最
適な位置を試行錯誤によって決定できる。あるいは、非
常に細い試料ジェットを供給する移動可能な試料入口管
26を用いて、主焦点60から既知の距離を通る粒子の作用
を試験することができる。全ての粒子が反射器17のほぼ
正確に主焦点60でレーザ・ビーム11と交差するように非
常に細い試料ジェットを用いると、動作が非常に遅くて
実際的な価値のない計器が得られることがわかるであろ
う。商用のために較正されたここで説明している計器で
は、試料ジェットの幅は約1mmが典型的なものである。
の0.5mm前方（反射器17の頂点の方向に）と、0.5mm後方
においてビーム11と交差する粒子の光線図を示す。44mm
位置のすぐ左および右では光線は非単調になり、44mm位
置においては単調であることがわかるであろう。光線が
単調のままである間に、所与の粒子によって提供される
画像は、主焦点60に対する粒子の交差位置がどのような
ものであってもほぼ同一のままであり（いくらかの歪み
以外は）、したがって、その画像のメモリと首尾よく比
較できる。しかし光線がひとたび単調でなくなると、画
像は完全に変化して比較できないであろう。したがっ
て、粒子がレーザ・ビーム11と交差する位置がどこであ
っても、光線が単調である位置にイメージ増倍管35、ま
たはその他の画像スクリーンを置くことが重要である。
画像の完全な複写が失われる位置を決定するためにイメ
ージ増倍管35を移動させている間に、粒子流をこの計器
内部で移動させることによって、イメージ増倍管35の最
適な位置を試行錯誤によって決定できる。あるいは、非
常に細い試料ジェットを供給する移動可能な試料入口管
26を用いて、主焦点60から既知の距離を通る粒子の作用
を試験することができる。全ての粒子が反射器17のほぼ
正確に主焦点60でレーザ・ビーム11と交差するように非
常に細い試料ジェットを用いると、動作が非常に遅くて
実際的な価値のない計器が得られることがわかるであろ
う。商用のために較正されたここで説明している計器で
は、試料ジェットの幅は約1mmが典型的なものである。
実際には、２個またはそれ以上の粒子が一緒に非常に
接近してレーザ・ビーム11と交差することが時にあるの
で、対策を講じなければ両方の粒子からの散乱光が結像
されることがわかるであろう。これは、カメラ制御器39
が光電子増倍管25から入力を受ける時間を検出し、この
時間が長すぎたならば（１個以上の粒子の存在を示
す）、カメラ動作のトリガを中止することによって避け
ることができる。
接近してレーザ・ビーム11と交差することが時にあるの
で、対策を講じなければ両方の粒子からの散乱光が結像
されることがわかるであろう。これは、カメラ制御器39
が光電子増倍管25から入力を受ける時間を検出し、この
時間が長すぎたならば（１個以上の粒子の存在を示
す）、カメラ動作のトリガを中止することによって避け
ることができる。
イメージ増倍管35の位置とカメラ制御器のタイミング
がセットされていると、寸法、形および成分が既知であ
る一連の粒子をそれに通らせ、後で比較するために画像
その他のパラメータ（回折または干渉の最大または最
小、あるいは、画像の部分の詳細）をライブラリに記憶
することによって計器を較正できる。１台の計器が較正
されると、類似の構造の計器は類似の結果をもたらすで
あろうこと、およびその較正が同様の構成のそのような
計器に適当であることがもちろん予測できる。
がセットされていると、寸法、形および成分が既知であ
る一連の粒子をそれに通らせ、後で比較するために画像
その他のパラメータ（回折または干渉の最大または最
小、あるいは、画像の部分の詳細）をライブラリに記憶
することによって計器を較正できる。１台の計器が較正
されると、類似の構造の計器は類似の結果をもたらすで
あろうこと、およびその較正が同様の構成のそのような
計器に適当であることがもちろん予測できる。
ハードディスクに画像を記録するときは、ディスクの
速さ限界などの要因によって画像獲得速度が制限され、
上記システムでは１秒間当り約２画像であろう。
速さ限界などの要因によって画像獲得速度が制限され、
上記システムでは１秒間当り約２画像であろう。
上記計器では、粒子から28゜と141゜の間で散乱され
た光は楕円反射器17によって集められた（すなわち、散
乱光は、粒子流がビーム11と交差する領域を中心として
少なくとも３πの立体角から集められた）。反射器17は
円筒形ホルダ中に装着されていた。反射器17を正確に位
置決めするためにホルダを動かすことができる。そうす
ることが必要な理由は、反射器の光学的寸法および機械
的寸法が指定されているが、それらの寸法の間の関係は
与えられていないからである。粒子から５゜と28゜との
間で散乱された光は一対の平凸レンズ31へ送られる。
た光は楕円反射器17によって集められた（すなわち、散
乱光は、粒子流がビーム11と交差する領域を中心として
少なくとも３πの立体角から集められた）。反射器17は
円筒形ホルダ中に装着されていた。反射器17を正確に位
置決めするためにホルダを動かすことができる。そうす
ることが必要な理由は、反射器の光学的寸法および機械
的寸法が指定されているが、それらの寸法の間の関係は
与えられていないからである。粒子から５゜と28゜との
間で散乱された光は一対の平凸レンズ31へ送られる。
第１図の計器の性能と比較して、本発明は空間分解能
を大幅に向上させた。イメージ増倍管へ結合された電荷
結合素子（ccd）ビデオカメラを使用することによっ
て、４つの利点が得られる。
を大幅に向上させた。イメージ増倍管へ結合された電荷
結合素子（ccd）ビデオカメラを使用することによっ
て、４つの利点が得られる。
1.3つの検出器を110880（385×288）素子のccdアレイで
置き換えることによって分解能が向上する。
置き換えることによって分解能が向上する。
2.アレイが一体のシリコンで製造されているので、光入
力対出力の変換効率がアレイ全体にわたってほぼ一定で
ある。
力対出力の変換効率がアレイ全体にわたってほぼ一定で
ある。
3.イメージ増倍管の構造のために、その光利得もその開
口部全体にわたってほぼ一定である。
口部全体にわたってほぼ一定である。
4.ビデオカメラ手段を使用することは、画像を標準的な
コンピュータ・フレーム・グラッバ・ボードの上で捕え
られることができることを意味し、したがって、写真フ
ィルムを用いるスチールカメラよりも迅速に処理および
記録できる。
コンピュータ・フレーム・グラッバ・ボードの上で捕え
られることができることを意味し、したがって、写真フ
ィルムを用いるスチールカメラよりも迅速に処理および
記録できる。
１個の粒子がレーザ・ビーム中を横切る間にその粒子
から散乱される光子の数が少ないので、本発明のこの例
においてはイメージ増倍管を必要とする。粒子がビーム
を横切る時間は、流量に応じて約（２〜５）マイクロ秒
である。計器中と同様、焦点を合せた10mWのヘリウム・
ネオン・レーザを使用する場合、その時間中に、粒子の
寸法に応じて、通常は数千個の光子が散乱される。散乱
される光子の数は、対象とする寸法範囲（約１〜10ミク
ロン）内の粒子寸法の４乗にほぼ依存するので、かなり
変動する。カメラ36は非同期トリガ機能を持つ。この非
同期トリガ機能によってこのカメラをスチールカメラに
使用できる。この非同期トリガ機能が必要であるのは、
粒子がビーム11中に存在する時間中に散乱光を捕らえる
ことができるようにするためである。
から散乱される光子の数が少ないので、本発明のこの例
においてはイメージ増倍管を必要とする。粒子がビーム
を横切る時間は、流量に応じて約（２〜５）マイクロ秒
である。計器中と同様、焦点を合せた10mWのヘリウム・
ネオン・レーザを使用する場合、その時間中に、粒子の
寸法に応じて、通常は数千個の光子が散乱される。散乱
される光子の数は、対象とする寸法範囲（約１〜10ミク
ロン）内の粒子寸法の４乗にほぼ依存するので、かなり
変動する。カメラ36は非同期トリガ機能を持つ。この非
同期トリガ機能によってこのカメラをスチールカメラに
使用できる。この非同期トリガ機能が必要であるのは、
粒子がビーム11中に存在する時間中に散乱光を捕らえる
ことができるようにするためである。
元の計器の１秒間当り10,000個の粒子というデータ転
送速度とは対照的に、カメラ36が出力できる画像の最大
数は１秒間当り25である、すなわち毎秒25個の粒子につ
いてのデータを記録できる。しかしこれは欠点ではな
い。というのは、この例の計器は種々の形の粒子からの
散乱輪郭の基礎研究に用いられるからである。カメラ36
によって提供される高い空間分解能によって、やはり本
発明を実施する、粒子操作速読が一層高い実時間計器に
使用するのに最適な検出器構造を決定できる。そのよう
な最適にされた検出器構造は、より高い粒子分析速度が
可能になるように、カメラCCDアレイより少ない、たと
えば32×32個の素子を容易に持つことができる。構造は
対称的である必要はなく、粒子の特定の形の分析に適す
るように最適にできる。この例は、最適な形状特徴づけ
のために幾何学的に配置された特注の多素子光ダイオー
ド・アレイを含む。
送速度とは対照的に、カメラ36が出力できる画像の最大
数は１秒間当り25である、すなわち毎秒25個の粒子につ
いてのデータを記録できる。しかしこれは欠点ではな
い。というのは、この例の計器は種々の形の粒子からの
散乱輪郭の基礎研究に用いられるからである。カメラ36
によって提供される高い空間分解能によって、やはり本
発明を実施する、粒子操作速読が一層高い実時間計器に
使用するのに最適な検出器構造を決定できる。そのよう
な最適にされた検出器構造は、より高い粒子分析速度が
可能になるように、カメラCCDアレイより少ない、たと
えば32×32個の素子を容易に持つことができる。構造は
対称的である必要はなく、粒子の特定の形の分析に適す
るように最適にできる。この例は、最適な形状特徴づけ
のために幾何学的に配置された特注の多素子光ダイオー
ド・アレイを含む。
とくに興味のある１つの粒子寸法範囲（１〜10ミクロ
ン）では、散乱される光全体の大きな割合が30゜までの
角度範囲で散乱される。この光は楕円反射器17中の孔18
を通るので、カメラ36によって集められない。この角度
範囲で散乱された光は、粒子の形を決定するのに重要な
可能性があるので、必要があればこの角度範囲を研究で
きるように計器を設計することが好ましい。
ン）では、散乱される光全体の大きな割合が30゜までの
角度範囲で散乱される。この光は楕円反射器17中の孔18
を通るので、カメラ36によって集められない。この角度
範囲で散乱された光は、粒子の形を決定するのに重要な
可能性があるので、必要があればこの角度範囲を研究で
きるように計器を設計することが好ましい。
オリフィス18を通る光は光電子増倍管25によって通常
集められる。この光電子増倍管はカメラ36をトリガする
ためのパルスを発生する。カメラ36と光電子増倍管25の
ハウジングを交換できるように散乱チャンバ15が設計さ
れている場合は、その構造によってカメラ36は範囲５゜
〜30゜または範囲30゜〜140゜のいずれかの散乱を記録
できるようにされる。
集められる。この光電子増倍管はカメラ36をトリガする
ためのパルスを発生する。カメラ36と光電子増倍管25の
ハウジングを交換できるように散乱チャンバ15が設計さ
れている場合は、その構造によってカメラ36は範囲５゜
〜30゜または範囲30゜〜140゜のいずれかの散乱を記録
できるようにされる。
繊維から記録された以前の結果が、入口管26と出口管
27との間の間隙を粒子が横切るときの粒子の間に向きの
違いが存在し得ることを示している。これを一層完全に
研究するため、管の終りとレーザ・ビームの間の距離を
変更できるように、入口管26と出口管27との間の距離を
調整可能にした。このシステムの空気力学的集束作用を
研究できるように、同心清浄空気管26の内部の粒子供給
管52の深さを調整可能にした。
27との間の間隙を粒子が横切るときの粒子の間に向きの
違いが存在し得ることを示している。これを一層完全に
研究するため、管の終りとレーザ・ビームの間の距離を
変更できるように、入口管26と出口管27との間の距離を
調整可能にした。このシステムの空気力学的集束作用を
研究できるように、同心清浄空気管26の内部の粒子供給
管52の深さを調整可能にした。
元の計器では、清浄空気濾過器は計器の一体部分であ
った。これは、全空気流のみをモニタできることを意味
する。第２図の新しい例では、清浄な空気流量を、全体
はもちろん、個別にも監視できるので、粒子を含む空気
と清浄な空気との比を監視して調整できる。
った。これは、全空気流のみをモニタできることを意味
する。第２図の新しい例では、清浄な空気流量を、全体
はもちろん、個別にも監視できるので、粒子を含む空気
と清浄な空気との比を監視して調整できる。
カメラ制御器39は通常は特別に製作されたボードであ
って、フレームの入手および記録をキーボードから制御
可能にするマイクロコンピュータ付きのシステム中で動
作する。コンピュータ37は、画像の後処理が必要であれ
ば、それを行う。
って、フレームの入手および記録をキーボードから制御
可能にするマイクロコンピュータ付きのシステム中で動
作する。コンピュータ37は、画像の後処理が必要であれ
ば、それを行う。
光学系は専用光線図作成コンピュータ・プログラム・
パッケージの助けで設計されたので、様々な位置で散乱
容積を通る粒子の作用を決定できる。これが必要である
理由は、楕円反射器17が画像を散乱角の非線形表現にさ
せ、これが粒子位置の関数だからである。設計パラメー
タは、 1.収集される総立体角はできるだけ大きくすべきであ
る。
パッケージの助けで設計されたので、様々な位置で散乱
容積を通る粒子の作用を決定できる。これが必要である
理由は、楕円反射器17が画像を散乱角の非線形表現にさ
せ、これが粒子位置の関数だからである。設計パラメー
タは、 1.収集される総立体角はできるだけ大きくすべきであ
る。
2.散乱容積内部の粒子位置の変化に対処できるようにシ
ステムを設計すべきである。
ステムを設計すべきである。
3.カメラのフェイスプレートへ投射される画像の直径を
カメラのアパーチャに等しくすべきである。
カメラのアパーチャに等しくすべきである。
第１の基準は、楕円反射器または放物線反射器で光を
集めることによって最も良く満たされる。基準２及び３
は、モデル化により、集光レンズ34の構造によって満た
されることが判明した。適当な解決策として第５図に示
されているものに到達するまでに、いくつかの種類のレ
ンズ構成を光線図作成ソフトウエアでモデル化した。
集めることによって最も良く満たされる。基準２及び３
は、モデル化により、集光レンズ34の構造によって満た
されることが判明した。適当な解決策として第５図に示
されているものに到達するまでに、いくつかの種類のレ
ンズ構成を光線図作成ソフトウエアでモデル化した。
フレーム・グラッバ・ボード38を参照して、これは、
種々の形状および種々の寸法の既知粒子に対応する捕ら
えたビデオ・フレーム回折の最大の空間分布を分類し、
次いで試験粒子におけるそれらの特性を識別するための
エキスパート・システムをそれのソフトウエアに含むこ
とが好ましい。分析は、関連する特徴が既知であるよう
ないくつかの粒子のおのおのについての画像最大の空間
的配置の特徴を記録し、次いでそれらの特徴を用いて試
験粒子の分析のための所定の基準を設定することを含む
ことができる。
種々の形状および種々の寸法の既知粒子に対応する捕ら
えたビデオ・フレーム回折の最大の空間分布を分類し、
次いで試験粒子におけるそれらの特性を識別するための
エキスパート・システムをそれのソフトウエアに含むこ
とが好ましい。分析は、関連する特徴が既知であるよう
ないくつかの粒子のおのおのについての画像最大の空間
的配置の特徴を記録し、次いでそれらの特徴を用いて試
験粒子の分析のための所定の基準を設定することを含む
ことができる。
カメラ制御器39はカメラ36のトリガおよびフレーム・
グラッバ38を制御するように新たに設計される。このカ
メラ制御器は次のような４つの主な機能を有する。
グラッバ38を制御するように新たに設計される。このカ
メラ制御器は次のような４つの主な機能を有する。
1.トリガ発生。ボードは光電子増倍管の出力を用いて、
イメージ増倍管35用のトリガパルスと、ビデオカメラ37
用のトリガパルスとの２個のトリガパルスを発生する。
イメージ増倍管35は粒子が散乱容積中にある時間中にタ
ーンオンされ、電子シャッタとして作動する。カメラ・
トリガパルスは持続時間が3msであって、イメージ増倍
管からトリガが除去された後でスタートする。このタイ
ミング構成は、素子の間のccd過剰（よごれ）を減少す
ることによって、画質を向上させることが判明してい
る。イメージ増倍管の蛍光体を持続させることによって
データが失われないようにする。トリガパルスはキーボ
ードから無効にされる。
イメージ増倍管35用のトリガパルスと、ビデオカメラ37
用のトリガパルスとの２個のトリガパルスを発生する。
イメージ増倍管35は粒子が散乱容積中にある時間中にタ
ーンオンされ、電子シャッタとして作動する。カメラ・
トリガパルスは持続時間が3msであって、イメージ増倍
管からトリガが除去された後でスタートする。このタイ
ミング構成は、素子の間のccd過剰（よごれ）を減少す
ることによって、画質を向上させることが判明してい
る。イメージ増倍管の蛍光体を持続させることによって
データが失われないようにする。トリガパルスはキーボ
ードから無効にされる。
2.ノイズ・フロア設定。それ以下ではカメラ36をトリガ
できないようなレベルをキーボードからセットできる。
これはカメラが光電子増倍管からのノイズによって誤っ
てトリガされることを阻止する。
できないようなレベルをキーボードからセットできる。
これはカメラが光電子増倍管からのノイズによって誤っ
てトリガされることを阻止する。
3.飛翔時間検査。ボードは、粒子がレーザ・ビーム中に
ある時間の長さを125nsの分解能で記録するカウンタを
含む。これはキーボードから読み出すことができ、また
はプログラムによって読み出すことができ、真正な単一
粒子と、散乱容積の外側でビーム中に浮動する粒子、ま
たはビームを相互に追従して通る２個以上の粒子とを識
別するために用いられる。２個以上の粒子が互いに横に
ならんでビームを通るかどうかを検出することは、カメ
ラによって発生された画像からこれが明らかでなけれ
ば、可能ではない。
ある時間の長さを125nsの分解能で記録するカウンタを
含む。これはキーボードから読み出すことができ、また
はプログラムによって読み出すことができ、真正な単一
粒子と、散乱容積の外側でビーム中に浮動する粒子、ま
たはビームを相互に追従して通る２個以上の粒子とを識
別するために用いられる。２個以上の粒子が互いに横に
ならんでビームを通るかどうかを検出することは、カメ
ラによって発生された画像からこれが明らかでなけれ
ば、可能ではない。
4.割込み発生。カメラがいつ画像を出力しようとしてい
るかを合図するデジタル出力をカメラは有する。これ
は、ビデオ・フレームの開始および終了の時に割り込み
を発生するためにボードによって用いられる。次いで、
フレームを捕らえるために、ソフトウエア割り込みルー
チンがフレーム・グラッバ・ボードを設定する。
るかを合図するデジタル出力をカメラは有する。これ
は、ビデオ・フレームの開始および終了の時に割り込み
を発生するためにボードによって用いられる。次いで、
フレームを捕らえるために、ソフトウエア割り込みルー
チンがフレーム・グラッバ・ボードを設定する。
第９図、第10図および第11図は本発明によって得たい
くつかの画像を示す。レーザは直線偏光された出力を生
ずるので、散乱輪郭は種々の散乱平面で異なる。その理
由は、任意の平面における散乱輪郭が、入射ビームの偏
光の平行成分と垂直成分とに依存するからである。それ
らは各平面ごとに異なる。ポリスチレン球、水滴および
研究室の空気からの画像を捕らえた。それらの画像は粒
子の荒い性質を示し、とくに大きい散乱角において粒子
が荒い。その理由は粒子がビーム中にある間に少数の光
子が散乱されるからである。画像の各粒子はイメージ増
倍管のフェイスプレートへ入射する個々の光子に対応す
る。
くつかの画像を示す。レーザは直線偏光された出力を生
ずるので、散乱輪郭は種々の散乱平面で異なる。その理
由は、任意の平面における散乱輪郭が、入射ビームの偏
光の平行成分と垂直成分とに依存するからである。それ
らは各平面ごとに異なる。ポリスチレン球、水滴および
研究室の空気からの画像を捕らえた。それらの画像は粒
子の荒い性質を示し、とくに大きい散乱角において粒子
が荒い。その理由は粒子がビーム中にある間に少数の光
子が散乱されるからである。画像の各粒子はイメージ増
倍管のフェイスプレートへ入射する個々の光子に対応す
る。
画像は、中央陰影領域を中心とする約30゜から、パタ
ーン限界の縁部を中心とする約141゜までの空間散乱輪
郭を示す。中央陰影領域は楕円反射器中の孔によって生
じ、その寸法は、光線図作成パッケージによって予測さ
れるように、散乱容積中の粒子の位置に依存して変化す
る。散乱角度限界における不確定性は、システムがまだ
粒子位置の変化を考慮に入れるように構成されていない
からであり、粒子位置の変化、とくに小さい散乱角にお
ける粒子位置の変化にこの計器は非常に敏感であること
が知られている。
ーン限界の縁部を中心とする約141゜までの空間散乱輪
郭を示す。中央陰影領域は楕円反射器中の孔によって生
じ、その寸法は、光線図作成パッケージによって予測さ
れるように、散乱容積中の粒子の位置に依存して変化す
る。散乱角度限界における不確定性は、システムがまだ
粒子位置の変化を考慮に入れるように構成されていない
からであり、粒子位置の変化、とくに小さい散乱角にお
ける粒子位置の変化にこの計器は非常に敏感であること
が知られている。
別の陰影領域が入り口管26および出口管27によって生
じる。ほとんど円形の部分が、楕円反射器17に到達する
前の光を遮断する管26、27の端部によって形成される。
狭い部分が、反射器17によって反射された後の光を遮断
する管26、27の側面によって形成される。90゜散乱角は
円周が円形陰影領域の中心を遮断するような円である。
じる。ほとんど円形の部分が、楕円反射器17に到達する
前の光を遮断する管26、27の端部によって形成される。
狭い部分が、反射器17によって反射された後の光を遮断
する管26、27の側面によって形成される。90゜散乱角は
円周が円形陰影領域の中心を遮断するような円である。
第９図は直径が１ミクロンのポリスチレン・ラテック
ス球からの結果を示す。散乱最大の同心環および散乱最
小の同心環を見ることができる。それらの環は球からの
散乱の理論に一致する。
ス球からの結果を示す。散乱最大の同心環および散乱最
小の同心環を見ることができる。それらの環は球からの
散乱の理論に一致する。
画像と理論的な予測との間に良い定性的一致が存在す
る。とくに、水平面内で約70゜の角度で生ずる最小が垂
直平面内では消失することがわかる。これは理論的な予
測に一致する。最大と最小が生ずる散乱角も良い一致で
ある。
る。とくに、水平面内で約70゜の角度で生ずる最小が垂
直平面内では消失することがわかる。これは理論的な予
測に一致する。最大と最小が生ずる散乱角も良い一致で
ある。
直径が2.95ミクロンと4.3ミクロンである球でのシミ
ュレーションも同様な相関で行ったが、縞の高い周期性
と実験データの非直線性が、この段階における定量的な
比較を一層複雑にする。
ュレーションも同様な相関で行ったが、縞の高い周期性
と実験データの非直線性が、この段階における定量的な
比較を一層複雑にする。
第10図は水噴霧によって発生した水滴からの散乱が30
゜と140゜との間である、典型的な結果を示す。噴霧に
よって広い滴寸法分布を生ずるから、散乱輪郭を生ずる
個々の小さい滴の寸法は知られない。直径が２ミクロン
から2.5ミクロンである球状水滴からの散乱輪郭のシミ
ュレーションを行った。このシミュレーションによっ
て、ポリスチレン球の場合よりも比較的多くの光が90゜
〜140゜の角度範囲で散乱されることが示されている。
これも実験データで観察できる。
゜と140゜との間である、典型的な結果を示す。噴霧に
よって広い滴寸法分布を生ずるから、散乱輪郭を生ずる
個々の小さい滴の寸法は知られない。直径が２ミクロン
から2.5ミクロンである球状水滴からの散乱輪郭のシミ
ュレーションを行った。このシミュレーションによっ
て、ポリスチレン球の場合よりも比較的多くの光が90゜
〜140゜の角度範囲で散乱されることが示されている。
これも実験データで観察できる。
５゜から30゜までの小さい散乱角データを捕らえるよ
うに位置決めされているカメラ36では、ビーム11の強さ
を低下させるために22％透過広帯域中性フィルタをレー
ザ10の出力側に取り付けた。そうする理由は、もしこの
フィルタがなければ、散乱光の量がccdアレイを飽和さ
れるようなものになって、発生された寸法範囲の小さい
滴に対して画像が通常は完全に白になるからである。
うに位置決めされているカメラ36では、ビーム11の強さ
を低下させるために22％透過広帯域中性フィルタをレー
ザ10の出力側に取り付けた。そうする理由は、もしこの
フィルタがなければ、散乱光の量がccdアレイを飽和さ
れるようなものになって、発生された寸法範囲の小さい
滴に対して画像が通常は完全に白になるからである。
第11図は、研究室内の雰囲気に対して入り口を開放し
た状態で計器を動作させたときに得た画像を示す。
た状態で計器を動作させたときに得た画像を示す。
要約すれば、この計器は、とくに、寸法範囲がおよそ
（１〜10）ミクロンである粒子による回折の最大と最小
を分解する性能を有する。下限は散乱される光子の数に
よって支配される。その数は、この寸法の粒子の場合に
は、粒子の直径の４乗に比例してほぼ変化し、したがっ
て、対象とする寸法範囲においては数桁もの大きさだけ
変化する。より強力なレーザを用いて下限を小さくでき
るが、そうするとより大きい粒子の場合にカメラ飽和の
問題をひき起こす。上限は、散乱の最大と最小の数およ
び近さによって定められ、より高い解像力のccdアレイ
と、設計し直した計器光学装置を持つカメラを用いて高
くできる。
（１〜10）ミクロンである粒子による回折の最大と最小
を分解する性能を有する。下限は散乱される光子の数に
よって支配される。その数は、この寸法の粒子の場合に
は、粒子の直径の４乗に比例してほぼ変化し、したがっ
て、対象とする寸法範囲においては数桁もの大きさだけ
変化する。より強力なレーザを用いて下限を小さくでき
るが、そうするとより大きい粒子の場合にカメラ飽和の
問題をひき起こす。上限は、散乱の最大と最小の数およ
び近さによって定められ、より高い解像力のccdアレイ
と、設計し直した計器光学装置を持つカメラを用いて高
くできる。
楕円反射器17の性質が約70゜より小さい散乱角をccd
アレイ上の比較的小さい領域に圧縮させるので、より大
きい角度において散乱情報が失われるという犠牲を払っ
て、この領域を拡張するためにレンズ系を設計し直すこ
とによって、その領域の綿密な検査を容易にできる。こ
の計器はそのような変更を容易に行うことができる。
アレイ上の比較的小さい領域に圧縮させるので、より大
きい角度において散乱情報が失われるという犠牲を払っ
て、この領域を拡張するためにレンズ系を設計し直すこ
とによって、その領域の綿密な検査を容易にできる。こ
の計器はそのような変更を容易に行うことができる。
大きい立体角度にわたって光を集めるために、どのよ
うな中間集光レンズも用いること無しに（それに対して
は、それらのレンズによって導入される位置感度を修正
するために変換を行うことが必要であろう）、カメラの
結像面に像を結び、欄内の粒子の位置にほとんど敏感で
ないレンズ系34を組み合わせて、反射器17を使用するこ
とで、この計器は、小さい角度でも個々の粒子から散乱
された光に、大きい歪みなしに、像を結ばせることに成
功する。
うな中間集光レンズも用いること無しに（それに対して
は、それらのレンズによって導入される位置感度を修正
するために変換を行うことが必要であろう）、カメラの
結像面に像を結び、欄内の粒子の位置にほとんど敏感で
ないレンズ系34を組み合わせて、反射器17を使用するこ
とで、この計器は、小さい角度でも個々の粒子から散乱
された光に、大きい歪みなしに、像を結ばせることに成
功する。
この計器は、とくに、小さい散乱角において、散乱容
積における粒子の位置の変化の影響を依然として受ける
ことはもちろんである。回折の最大及び最小が生ずるよ
うな角度を計算する場合には、そのように影響を受ける
ことは欠点であるが、中心陰影領域の寸法を観察するこ
とによってこれを考慮に入れることが可能である。しか
し、とくに、小さい散乱角では、計算にある程度の不確
定性が常に存在するであろう。
積における粒子の位置の変化の影響を依然として受ける
ことはもちろんである。回折の最大及び最小が生ずるよ
うな角度を計算する場合には、そのように影響を受ける
ことは欠点であるが、中心陰影領域の寸法を観察するこ
とによってこれを考慮に入れることが可能である。しか
し、とくに、小さい散乱角では、計算にある程度の不確
定性が常に存在するであろう。
粒子が入り口管26と出口管27の間で空気流を横切ると
きに、粒子の向きを決定するための装置を利用すること
もできる。２本の管をレーザ・ビーム11に関連して移動
できる。そうすると間隙を横切る空気流の種々の位置へ
散乱容積を移動させることを実効的に可能にする。種々
の長さの空気流を調べることができるように管の間の距
離も変更でき、計器の残りの部分から電気的に分離され
ている出口管に電圧を印加することによって、特性フィ
ールドの整列効果の調査を行うことができる。
きに、粒子の向きを決定するための装置を利用すること
もできる。２本の管をレーザ・ビーム11に関連して移動
できる。そうすると間隙を横切る空気流の種々の位置へ
散乱容積を移動させることを実効的に可能にする。種々
の長さの空気流を調べることができるように管の間の距
離も変更でき、計器の残りの部分から電気的に分離され
ている出口管に電圧を印加することによって、特性フィ
ールドの整列効果の調査を行うことができる。
完全な空気流を横切って１個の粒子の軌跡を描くこと
は可能ではないが、空気流中の特定の任意の位置におけ
る粒子の任意の好適な向きが存在するかどうか判定する
ことが可能であり、もしそうであるならば、粒子が流れ
と共に動くにつれてこの向きが変化するかどうかを判定
することが可能である。
は可能ではないが、空気流中の特定の任意の位置におけ
る粒子の任意の好適な向きが存在するかどうか判定する
ことが可能であり、もしそうであるならば、粒子が流れ
と共に動くにつれてこの向きが変化するかどうかを判定
することが可能である。
空気力学の研究から、ほとんど一定の向きを確保する
粒子供給システムを設計することが可能でなければなら
ない。これは、形を識別できる実際的な計器における要
求であるように見える。というのは、検出器の数を第２
図の研究計器におけるよりもはるかに少なくでき、向き
が変化すると不正確な形の結果をほとんど確実に生ずる
からである。
粒子供給システムを設計することが可能でなければなら
ない。これは、形を識別できる実際的な計器における要
求であるように見える。というのは、検出器の数を第２
図の研究計器におけるよりもはるかに少なくでき、向き
が変化すると不正確な形の結果をほとんど確実に生ずる
からである。
この装置は、液滴が空気流を横切る際のそれの変形を
調べるためにも使用できる。どのような変形も検出でき
るならば、中実の球と液滴を区別することが可能かもし
れない。
調べるためにも使用できる。どのような変形も検出でき
るならば、中実の球と液滴を区別することが可能かもし
れない。
寸法が既知である小さい滴はエーロゾル発生器を用い
て発生され、種々の粘性の液体で実験を行って小さい滴
が入り口管と出口管の間の間隙を横切るにつれて散乱輪
郭を記録する。
て発生され、種々の粘性の液体で実験を行って小さい滴
が入り口管と出口管の間の間隙を横切るにつれて散乱輪
郭を記録する。
それから、間隙を横切る空気流中の剪断力による小さ
い滴のどのような伸びまたはゆるみが存在するかどうか
を判定する。それは非球状散乱輪郭を生じさせる。水滴
からすでに得られている散乱輪郭から、変形に起因する
どのような非球状散乱輪郭も小さいことが予測され、検
出はコンピュータによる分析をほとんど確実に要求す
る。散乱輪郭がひとたび得られると、適切なアルゴリズ
ムが変形を検出するであろう。
い滴のどのような伸びまたはゆるみが存在するかどうか
を判定する。それは非球状散乱輪郭を生じさせる。水滴
からすでに得られている散乱輪郭から、変形に起因する
どのような非球状散乱輪郭も小さいことが予測され、検
出はコンピュータによる分析をほとんど確実に要求す
る。散乱輪郭がひとたび得られると、適切なアルゴリズ
ムが変形を検出するであろう。
粒子供給管システムの空気力学の理論的なモデル化も
使用でき、実験結果と比較できる。それから、小さい滴
を中実球および非球状粒子から識別できるように、最適
供給システムを決定することが可能でなければならな
い。
使用でき、実験結果と比較できる。それから、小さい滴
を中実球および非球状粒子から識別できるように、最適
供給システムを決定することが可能でなければならな
い。
空気またはその他の気体中のエーロゾルをこれまでは
装置に用いてきたが、チャンバおよび光学装置を少し改
造することによって、コロイド懸濁液のような流体また
は液体媒体中に支持されている粒子の特性を検出するた
めに装置を使用できる。光学部品および電気部品の詳細
な設計はもちろん異ならせることができる。たとえば、
32×32画素のように少ないccdアレイも可能であり、ア
レイは任意の一定な形または任意の不定な形にできる。
装置に用いてきたが、チャンバおよび光学装置を少し改
造することによって、コロイド懸濁液のような流体また
は液体媒体中に支持されている粒子の特性を検出するた
めに装置を使用できる。光学部品および電気部品の詳細
な設計はもちろん異ならせることができる。たとえば、
32×32画素のように少ないccdアレイも可能であり、ア
レイは任意の一定な形または任意の不定な形にできる。
散乱された放射線の大きな部分を受けるように通常位
置決めされたカメラ36を有し、カメラトリガ装置の部分
として光電子増倍管25を用いるものとして上記計器を説
明したが、代わりにそれらの位置を逆にして、実際にそ
れらの位置に両方に位置させること、および両方からの
情報を使用することが可能である。これはある形のトリ
ガ装置を必要とする。そのトリガ装置は、たとえば、光
電子増倍管25とすることができる。その光電子増倍管へ
散乱光のいくらかの部分が転換される。
置決めされたカメラ36を有し、カメラトリガ装置の部分
として光電子増倍管25を用いるものとして上記計器を説
明したが、代わりにそれらの位置を逆にして、実際にそ
れらの位置に両方に位置させること、および両方からの
情報を使用することが可能である。これはある形のトリ
ガ装置を必要とする。そのトリガ装置は、たとえば、光
電子増倍管25とすることができる。その光電子増倍管へ
散乱光のいくらかの部分が転換される。
イメージ増倍管34は必ずしも常に必要とはしないこ
と、および画像が結ばれる結像スクリーンを、たとえ
ば、カメラ36のそれにできることもわかるであろう。
と、および画像が結ばれる結像スクリーンを、たとえ
ば、カメラ36のそれにできることもわかるであろう。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ヒースト，エドウイン イギリス国、エイチ・ピー・１・３・エ ル・ワイ、ハートフオードシヤー、ヘメ ル・ヘンプステイード、プランテーシヨ ン・ウオーク・13 (56)参考文献 特表 平３−500815（ＪＰ，Ａ) 特表 平３−500816（ＪＰ，Ａ) 米国特許4606636（ＵＳ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01N 15/14
Claims (16)
- 【請求項１】後部チャンバ（20）へ導くオリフィス（1
8）を内部に有する楕円反射器（17）を有する光学系（1
7,32,33,34）を含む散乱チャンバ（15）と、 平行光ビーム（11）を楕円反射器（17）の主軸線に沿っ
て送るようにされた単色光源（10）と、 粒子を含む有限厚さのガス流を光ビーム（11）を通って
楕円反射器（17）のほぼ主焦点（60）に送る手段（26,2
7）と、 粒子の流れが光ビーム（11）と交差する領域の周囲の少
なくとも３πの立体角からの散乱された光を集めるよう
に構成された光学系（17,32,33,34）と、 粒子の流れ中の粒子から散乱され、光学系（17,32,33,3
4）によって集められる光から像を形成するように配置
された多数のセンサからなる二次元アレイを有する検出
器（36）と、 画像のパラメータをメモリに記憶されているパラメータ
と比較して、粒子の性質を決定するようにされたデータ
・プロセッサ（37）とを含む、エーロゾルまたはその他
の粒子懸濁液から個々の粒子特性を分析する装置におい
て、 検出器（36）が、楕円反射器（17）の第２の焦点（61）
の背後に配置された結像スクリーン（35）と結合されて
おり、結像スクリーン（35）上に記録される画像をガス
流中の粒子の位置とほぼ無関係とするために、気体流が
光ビーム（11）を通過するときに粒子によって占められ
る気体流の有限厚さのどのような部分でも、粒子によっ
て低い散乱角度で散乱され光学系（17,32,33,34）によ
って結像される光線が、高い散乱角度で散乱され光学系
（17,32,33,34）によって結像される光線とは交差しな
いように、結像スクリーン（35）が楕円反射器（17）の
第２の焦点（61）の背後で位置決めされていることを特
徴とする、エーロゾルまたはその他の粒子懸濁液から個
々の粒子特性を分析する装置。 - 【請求項２】検出器（36）が電荷結合素子（ccd）ビデ
オカメラであることを特徴とする請求の範囲第１項に記
載の装置。 - 【請求項３】結像スクリーン（35）がイメージ増倍管で
あることを特徴とする請求の範囲第１項から第２項のい
ずれか一項に記載の装置。 - 【請求項４】画像を記録するように検出器（36）をトリ
ガするためのトリガ手段（25、39）を含むことを特徴と
する請求の範囲第１項から第３項のいずれか一項に記載
の装置。 - 【請求項５】トリガ手段（25、39）が、光学系（17、3
2、33、34）によって集められなかった散乱光を検出す
ることによって、光ビーム（11）中に粒子が存在するこ
とを判定するためのセンサ手段（25）を含むことを特徴
とする請求の範囲第４項に記載の装置。 - 【請求項６】センサ手段が光電子増倍管（25）を備え、
この光電子増倍管に、光学系（17、32、33、34）のオリ
フィス（18）を通って散乱チャンバ（15）の背後の後部
チャンバ（20）中へ通る散乱光が集束されることを特徴
とする請求の範囲第５項に記載の装置。 - 【請求項７】トリガ手段（25、39）が、検出器（36）へ
の出力を有する制御器（39）を含むことを特徴とする請
求の範囲第４項から第６項のいずれか一項に記載の装
置。 - 【請求項８】単一の粒子がビーム（11）中に存在する時
だけ、トリガ手段（25、39）が検出器（36）をトリガす
るための手段を含むことを特徴とする請求の範囲第４項
から第７項のいずれか一項に記載の装置。 - 【請求項９】後部チャンバ（20）が、光学系（17、32、
33、34）によって集められず、散乱光を記録するための
第２のビデオカメラを含むことを特徴とする請求の範囲
第１項に記載の装置。 - 【請求項１０】比較されるパラメータが全体の画像に関
連することを特徴とする請求の範囲第１項から第９項の
いずれか一項に記載の装置。 - 【請求項１１】比較されるパラメータが画像の部分に関
連することを特徴とする請求の範囲第１項から第９項の
いずれか一項に記載の装置。 - 【請求項１２】比較されるパラメータが、回折の最大お
よび最小または干渉の最大および最小に関連することを
特徴とする請求の範囲第１項から第９項のいずれか一項
に記載の装置。 - 【請求項１３】多数のセンサがほぼ32×32画素の構成で
アレイ状に配列されることを特徴とする請求の範囲第１
項から第12項のいずれか一項に記載の装置。 - 【請求項１４】多数のセンサが予測される画像にしたが
った形でアレイ状に配列されることを特徴とする請求の
範囲第１項から第13項のいずれか一項に記載の装置。 - 【請求項１５】粒子を含む有限厚さのガス流を散乱チャ
ンバ（15）を通って送る段階を含み、 散乱チャンバ（15）が，後部チャンバ（20）へ導くオリ
フィス（18）を内部に有し、かつ主焦点（60）と第２の
焦点（61）を有する楕円反射器（17）を有する光学系
（17,32,33,34）と、 平行光ビーム（11）を楕円反射器（17）の主軸線に沿っ
て送るようにされた単色光源（10）と、 ガスの流れを光ビーム（11）を通って楕円反射器（17）
のほぼ主焦点（60）に送る手段（26、27）とを含み、 光学系（17,32,33,34）が、粒子流が光ビーム（11）を
横切る領域の範囲の少なくとも３πの立体角から散乱さ
れた光を集めるように構成され、 散乱チャンバ（15）が、粒子の流れ中の粒子から散乱さ
れて、光学系（17,32,33,34）によって集められる光か
ら像を形成するように配置された多数のセンサからなる
二次元アレイを有する検出器（36）と結合され、 検出器（36）が情報をデータ・プロセッサ（37）へ送
り、そのデータ・プロセッサ（37）が画像のパラメータ
をメモリに記憶されているパラメータと比較して、粒子
の性質を判定する、エーロゾルまたはその他の粒子懸濁
液から個々の粒子特性を分析する方法において、 検出器（36）が、楕円反射器（17）の第２の焦点（61）
の背後に配置された結像スクリーン（35）と結合されて
おり、結像スクリーン（35）上に記録される画像をガス
流中の粒子の位置とほぼ無関係とするために、気体流が
光ビーム（11）を通過するときに粒子によって占められ
る気体流の有限厚さのどのような部分でも、粒子によっ
て低い散乱角度で散乱され光学系（17,32,33,34）によ
って結像される光線が、高い散乱角度で散乱され光学系
（17,32,33,34）によって結像される光線とは交差しな
いように、結像スクリーン（35）が楕円反射器（17）の
第２の焦点（61）の背後で位置決めされていることを特
徴とする、エーロゾルまたはその他の粒子懸濁液から個
々の粒子特性を分析する方法。 - 【請求項１６】検出器（36）が画像を記録するために、
センサ手段（25）を含むトリガシステムによってトリガ
され、光学系（17、32、33、34）によって集められなか
った散乱光を検出することを特徴とする請求の範囲第15
項に記載の方法。
Applications Claiming Priority (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| GB9203799.3 | 1992-02-21 | ||
| GB9203799A GB2264556A (en) | 1992-02-21 | 1992-02-21 | Diffraction analysis of particle size, shape and orientation |
| GB939300527A GB9300527D0 (en) | 1992-02-21 | 1993-01-13 | Analysis of particle characteristics |
| GB9300527.0 | 1993-01-13 | ||
| PCT/GB1993/000337 WO1993017322A1 (en) | 1992-02-21 | 1993-02-18 | Analysis of particle characteristics |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07504497A JPH07504497A (ja) | 1995-05-18 |
| JP3248910B2 true JP3248910B2 (ja) | 2002-01-21 |
Family
ID=26300364
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP51462593A Expired - Fee Related JP3248910B2 (ja) | 1992-02-21 | 1993-02-18 | 粒子特性の分析 |
Country Status (7)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5471299A (ja) |
| EP (1) | EP0627073A1 (ja) |
| JP (1) | JP3248910B2 (ja) |
| AU (1) | AU3508993A (ja) |
| CA (1) | CA2130343C (ja) |
| GB (1) | GB2278679B (ja) |
| WO (1) | WO1993017322A1 (ja) |
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|---|---|---|---|---|
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