JP3471634B2 - 粒径分布測定装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、半導体レーザか
らのレーザ光を集光レンズを介して分散している粒子群
に照射し、そのとき生じる回折／散乱光を検出器によっ
て検出し、この検出によって得られる散乱光強度信号に
基づいて粒子群の粒径分布を測定する粒径分布測定装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】上記粒径分布測定装置においては、近
年、装置の小型コンパクト化を図る観点から、レーザ光
源として半導体レーザが用いられるようになってきてい
る。半導体レーザは、Ｈｅ−Ｎｅレーザ管に比べて小型
でコンパクトであり、また、規格品が安価に市販されて
おり、入手が容易であるところから、比較的簡易な粒径
分布測定装置におけるレーザ光源として用いるのに好適
である。

【０００３】しかしながら、前記半導体レーザを粒径分
布測定装置の光源として用いる場合、Ｈｅ−Ｎｅレーザ
光と異なり、レーザ光が発散性であるところから、集光
レンズを用いて平行光または収斂した光とする必要があ
る。また、市販の半導体レーザから出力されるレーザ光
は、かなり光量が多く、検出器の感度の直線性を考慮し
た場合、その光量を減ずる必要がある。したがって、半
導体レーザを光源として用いた従来の粒径分布測定装置
においては、その光源を、図４に示すように構成してい
た。

【０００４】すなわち、図４（Ａ）に示すように、半導
体レーザ４０のレーザ光出力側に集光レンズ４１を設け
て、発散性のレーザ光を平行光４２にするとともに、半
導体レーザ４０に対する駆動電圧を電圧調整器５１で調
整し、定格電圧より低い電圧を供給して、光源光量を少
なくしていた。

【０００５】また、前記光源光量を少なくする代わり
に、図４（Ｂ）に示すように、集光レンズ４１の後段に
減光フィルタ４４を設けて減光したり、同図（Ｃ）に示
すように、集光レンズ４１の後段にハーフミラーなどの
ビームスプリッタ４５を設けて余分の光を余所に向けた
り、さらには、同図（Ｄ）に示すように、集光レンズ４
１の後段に反射率の低いミラー４６を設け、必要量だけ
所定方向に反射させるなどの手法がある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記図
４（Ａ）に示される手法は、電気的手段によってレーザ
光が所定の光量となるように調整するものであるが、こ
のようにした場合、レーザの発振が不安定となり、波長
成分が多数現れる不具合がある。また、同図（Ｂ）〜
（Ｄ）に示される手法は、いずれも別の光学素子４４〜
４６を設けたものであるが、これらの場合、別の光学素
子４４〜４６を設ける分だけ、光源４０まわりの構成が
複雑になるとともに、コストアップになるといった問題
点がある。

【０００７】この発明は、上述の事柄に留意してなされ
たもので、その目的は、半導体レーザからのレーザ光を
簡単な構成で減光して、所望の光量のレーザ光を粒子群
に確実かつ安定よく照射することができ、また、光源周
辺の構成がシンプルな粒径分布測定装置を提供すること
である。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、この発明では、半導体レーザからのレーザ光を集光
レンズを介して分散している粒子群に照射し、そのとき
生じる回折／散乱光のうち、小さい角度で回折／散乱し
た光及び大きい角度で回折／散乱した光をそれぞれ各散
乱角ごとにそれぞれ受光してそれらの光強度を検出器に
よって個別に検出し、これら個別に検出された散乱光強
度信号に基づいて粒子群の粒径分布を測定する装置にお
いて、前記半導体レーザから発せられるレーザ光の光束
周辺部を前記集光レンズを保持するレンズホルダまたは
このレンズホルダに連ねて設けられた遮光部材によりカ
ットして所望の光量に減光し、この減光されたレーザ光
をその出力側に取付けられた集光レンズを経て平行光と
なるようにして、又は収斂して前記粒子群に照射するよ
うに構成している（請求項１，２）。

【０００９】上記粒径分布測定装置においては、半導体
レーザから発せられるレーザ光の光束周辺部が集光レン
ズを保持するレンズホルダまたはこのレンズホルダに連
ねて設けられた遮光部材によってカットされて所望の光
量に減光された後、集光レンズを通過して平行光にし
て、又は収斂して照射されるように構成しているので、
従来とは異なり、半導体レーザに対する供給電圧は、定
格電圧またはこれに近い電圧でよく、したがって、レー
ザの発振を安定して行えるとともに、回折／散乱光の光
強度を検出する検出器の感度の直線性を損なうことな
く、所定の粒径分布測定を行え、また、減光フィルタな
ど他の光学素子を別途設ける必要がないので、光源周辺
の構成がシンプルとなり、コストダウンが図れる。

【００１０】そして、前記レンズホルダは筒状としても
よい（請求項３）。

【００１１】

【発明の実施の形態】図１および図２は、この発明の第
１の実施の形態を示すものである。まず、図１はこの実
施の形態における粒径分布測定装置の構成を概略的に示
すもので、この図において、１は適宜の分散媒に測定対
象の粒子群を分散させた試料液２を収容する透明な容器
よりなるセルである。

【００１２】３は前記セル１の一方の側（後方側）に設
けられる半導体レーザである。この半導体レーザ３とし
ては、市販のものを用いられる。４は半導体レーザ３と
セル１との間に設けられる集光レンズで、図においては
単一のレンズで表しているが、複数の凸レンズや凹レン
ズなどを適宜組み合わせてなるもので、半導体レーザ３
からのレーザ光５ａを、適宜収斂された光（以下、集光
レーザ光という）５にするものである。この集光レンズ
４は、図２に拡大して示すように、レンズホルダ６に取
り付けられている。そして、このレンズホルダ６には、
前記半導体レーザ３も取り付けられている。以下、半導
体レーザ３および集光レンズ４の配置関係について、図
２を参照しながら説明する。

【００１３】すなわち、図２に示すように、前記レンズ
ホルダ６は、一端に底部６Ａを有し、他端に開口部６Ｂ
を有する有底円筒状であり、その底部６Ａに形成された
６ａには半導体レーザ３がその光出射側を開口部６Ｂに
向けて取り付けられている。そして、レンズホルダ６の
開口部６Ｂには、筒部を密封するようにして集光レンズ
４が光軸を合わせた状態で取り付けられている。このレ
ンズホルダ６は、例えば黒アルマイト処理を施したアル
ミニウムよりなり、半導体レーザ３を発したレーザ光束
の一部、この実施の形態においては、周辺部をカットす
るように構成してある。

【００１４】すなわち、前記図２において、符号ａは半
導体レーザ３を発する本来のレーザ光束、符号ｂはレン
ズホルダ６によってカット（減光）されたレーザ光、ｃ
はレンズホルダ６によってカットされずに集光レンズ４
を通過して出光されるレーザ光束であり、このレーザ光
束ｃが、セル１方向に集光レーザ５として照射されるの
である。なお、レンズホルダ６の内面は、乱反射など無
用な迷光が生じないように反射率が低くなるように加工
しておくのが好ましい。

【００１５】再び、図１において、７はセル１の他の側
（前方側）に設けられるリングディテクタで、セル１を
通過した集光レーザ光５が焦点を結ぶ位置に配置されて
いる。このリングディテクタ７は、集光レンズ４の光軸
を中心として互いに半径の異なるリング状または半リン
グ状の受光面をもつフォトセンサを複数個同心状に配列
したもので、セル１内の粒子によって回折または散乱し
た集光レーザ光５のうち比較的小さい角度で散乱／回折
した光を各散乱角ごとにそれぞれ受光して、それらの光
強度を測定するものであり、各フォトセンサの出力は、
それぞれに対応して設けられるプリアンプ（図示してい
ない）を介して後述するマルチプレクサに入力される。

【００１６】また、セル１の近傍には、セル１内の粒子
によって回折または散乱した集光レーザ光５のうち比較
的大きい角度で散乱／回折した集光レーザ光５のうち比
較的大きい角度で散乱／回折した光を、各散乱角ごとに
個別に検出する広角散乱光用光検出群８が設けられてい
る。この広角散乱光用光検出群８は、リングディテクタ
７と異なる角度で設けられる複数のフォトセンサ９〜１
４からなり、それぞれの配設角度に応じて、セル１内の
粒子による所定角度を超える所定角度の散乱光を検出す
ることができ、フォトセンサ９〜１２が前方散乱光を、
フォトセンサ１３が側方散乱光を、フォトセンサ１４が
後方散乱光をそれぞれ検出する。これらのフォトセンサ
９〜１４の出力は、それぞれに対応して設けられるプリ
アンプ（図示していない）を介して後述するマルチプレ
クサに入力される。

【００１７】そして、１５はプリアンプをそれぞれ経た
リングディテクタ７およびフォトセンサ９〜１４の出力
を順次取り込み、ＡＤ変換器１６に順次送出するマルチ
プレクサ、１７はＡＤ変換器１６の出力が入力される演
算処理装置としてのコンピュータである。このコンピュ
ータ１７は、ディジタル信号に変換されたリングディテ
クタ７およびフォトセンサ９〜１４の出力（光強度に関
するディジタルデータ）を、フラウンホーファ回折理論
やミー散乱理論に基づいて処理し、粒子群における粒径
分布を求めるプログラムが格納されている。１８は演算
結果などを表示するカラーディスプレイである。

【００１８】上述のように構成された粒径分布測定装置
においては、セル１に試料液２を収容した状態で、半導
体レーザ３からレーザ光５ａを発すると、このレーザ光
５ａは、その周辺部が集光レンズ４を保持するレンズホ
ルダ６の周壁によってカットされ、所望の光量のレーザ
光に減光されて集光レンズ４を通過する。この減光され
たレーザ光は、集光レンズ４において収斂され、集光レ
ーザ光５となってセル１内の試料液２を照射する。そし
て、この集光レーザ光５は、セル１中の粒子によって回
折または散乱する。その回折光または散乱光のうち、比
較的散乱角の小さいものはリングディテクタ７上に結像
されるが、この場合、外周側に配置されるフォトセンサ
が、散乱角のより大きい光を受光し、内周側のフォトセ
ンサが散乱角のより小さい光を受光する。したがって、
外周側のフォトセンサの検出する光強度は粒子径のより
小さい粒子の量を反映しており、内周側のフォトセンサ
の検出する光強度は粒子径のより大きい試料粒子の量を
反映していることになる。これらの各フォトセンサが検
出した光強度はアナログ電気信号に変換され、さらにプ
リアンプを経てマルチプレクサ１５に入力される。

【００１９】一方、前記粒子によって回折または散乱し
た集光レーザ光５のうち、比較的散乱角の大きいもの
は、広角散乱光用光検出群８によって検出され、その光
強度分布が測定される。この場合、前方散乱光用フォト
センサ９〜１２、側方散乱光用フォトセンサ１３、後方
散乱光用フォトセンサ１４の順に、粒径の大きい粒子か
らの散乱光を強く検出する。これらの各フォトセンサ９
〜１４が検出した光強度はアナログ電気信号に変換さ
れ、さらにプリアンプを経てマルチプレクサ１５に入力
される。

【００２０】前記マルチプレクサ１５においては、リン
グディテクタ６およびフォトセンサ９〜１４からの測定
データ、つまりアナログ電気信号が所定の順序で順次取
り込まれる。そして、マルチプレクサ１５によって取り
込まれたアナログ電気信号は直列信号にされて、ＡＤ変
換器１６で順次ディジタル信号に変換され、さらに、コ
ンピュータ１７に入力される。

【００２１】前記コンピュータ１７においては、リング
ディテクタ７およびフォトセンサ９〜１４によってそれ
ぞれ得られた各散乱角ごとの光強度データを、フラウン
ホーファ回折理論やミー散乱理論に基づいて処理する。

【００２２】このように、上記粒径分布測定装置におい
ては、半導体レーザ３から発せられた広がりのあるレー
ザ光束の周辺部を、集光レンズ４を保持するレンズホル
ダ６によって巧みにカットして減光し、所望の光量のレ
ーザ光としてセル１に照射することができる。したがっ
て、検出器の感度の直線性をなんら損なうことなく、所
定の粒径分布測定を行うことができる。

【００２３】そして、上記実施の形態においては、集光
レンズ４を保持するレンズホルダ６が半導体レーザ３か
らのレーザ光の光量を減ずるものであり、従来のよう
に、減光フィルタなど他の光学素子を設ける必要がない
から、光源まわりの構成がシンプルになり、それだけ、
コストダウンが図れる。また、光源としての半導体レー
ザ３に対しては、本来印加すべき電圧をそのまま供給す
ればよく、したがって、レーザの発振を安定して行え
る。

【００２４】そして、上記実施の形態においては、レン
ズホルダ６を円筒状としているので、その製作が容易で
あるといった利点もある。

【００２５】なお、レンズホルダ６における寸法Ｐを適
宜変更することにより、種々の出力の半導体レーザ３に
対応できることはいうまでもない。

【００２６】また、レンズホルダ６の断面形状は円形に
限られるものではなく、楕円形など他の幾何学形状であ
ってもよい。また、レーザ光束においてカットされる部
分は、必ずしも左右対象や上下対象でなくてもよい。

【００２７】図３は、この発明の第２の実施の形態を示
すもので、この図において、１９はレンズホルダで、ほ
ぼＬ字状で、一方の垂直部１９Ａに半導体レーザ３が取
り付けられ、その前方側の垂直部１９Ｂに集光レンズ４
が光軸を合わせた状態で取り付けられている。そして、
この実施の形態においては、集光レンズ４への入光側周
囲に遮光部材２０が設けられており、半導体レーザ３か
ら発せられたレーザ光５ａの周辺部がカットされるよう
にしてある。この実施の形態における動作は、上記第１
の実施の形態のそれと同じであるので、その詳細な説明
は省略する。

【００２８】なお、上記実施の形態において、遮光部材
２０をレンズホルダ１９と一体に形成してあってもよ
い。

【００２９】この発明は、上述の実施の形態に限られる
ものではなく、例えば、上述の各実施の形態において
は、集光レンズ４を経たレーザ光が収斂されるものであ
ったが、これに代えて、集光レンズ４を経たレーザ光が
平行光となるようにしてもよい。その場合、セル１とリ
ングディテクタ７との間に、セル１を透過してきたレー
ザ光がリングディテクタ７上に焦点を結ばせる集光レン
ズを設ける必要がある。

【００３０】なお、上述の実施の形態においては、セル
１に試料液２を収容するものであったが、セル１の形態
はこれに限られるものではなく、所謂フローセルであっ
てもよい。また、測定対象は、液体中の粒子のみなら
ず、気体中に分散した粉体や粒子、固体中の粉体や粒体
などであってもよい。

【００３１】

【発明の効果】この発明においては、半導体レーザから
発せられるレーザ光の光束周辺部が集光レンズを保持す
るレンズホルダまたはこのレンズホルダに連ねて設けら
れた遮光部材によってカットされて所望の光量に減光さ
れるように構成しているので、光源として市販の半導体
レーザを用いても、この半導体レーザから発せられるレ
ーザ光を所望の光量に減光（光量調整）することができ
る。したがって、半導体レーザに対しては、所定の定格
電圧よりも低い電圧を供給するのではなく、所定の定格
電圧またはこれに近い電圧を供給すればよいので、安定
したレーザ発振が得られ、所望の粒径分布測定を確実に
行うことができる。また、減光フィルタなど他の光学素
子を別途設ける必要がないので、光源周辺の構成がシン
プルとなり、コストダウンが図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の粒径分布測定装置の一例を概略的に
示す図である。

【図２】前記粒径分布測定装置における半導体レーザお
よび集光レンズの配置構造を拡大して示す図である。

【図３】前記半導体レーザおよび集光レンズの配置構造
の他の形態を示す図である。

【図４】従来技術を説明するための図である。

【符号の説明】

３…半導体レーザ、４…集光レンズ、５ａ…レーザ光、
６…レンズホルダ、７，８…検出器、２０…遮光部材。

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平５−235484（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−122614（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−23377（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−281062（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01N 15/02 H01S 3/00 H01S 5/00

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体レーザからのレーザ光を集光レン
   ズを介して分散している粒子群に照射し、そのとき生じ
   る回折／散乱光のうち、小さい角度で回折／散乱した光
   及び大きい角度で回折／散乱した光をそれぞれ各散乱角
   ごとにそれぞれ受光してそれらの光強度を検出器によっ
   て個別に検出し、これら個別に検出された散乱光強度信
   号に基づいて粒子群の粒径分布を測定する装置におい
   て、前記半導体レーザから発せられるレーザ光の光束周
   辺部を前記集光レンズを保持するレンズホルダまたはこ
   のレンズホルダに連ねて設けられた遮光部材によりカッ
   トして所望の光量に減光し、この減光されたレーザ光を
   その出力側に取付けられた集光レンズを経て平行光とな
   るようにして前記粒子群に照射するように構成したこと
   を特徴とする粒径分布測定装置。
2. 【請求項２】 半導体レーザからのレーザ光を集光レン
   ズを介して分散している粒子群に照射し、そのとき生じ
   る回折／散乱光のうち、小さい角度で回折／散乱した光
   及び大きい角度で回折／散乱した光をそれぞれ各散乱角
   ごとにそれぞれ受光してそれらの光強度を検出器によっ
   て個別に検出し、これら個別に検出された散乱光強度信
   号に基づいて粒子群の粒径分布を測定する装置におい
   て、前記半導体レーザから発せられるレーザ光の光束周
   辺部を前記集光レンズを保持するレンズホルダまたはこ
   のレンズホルダに連ねて設けられた遮光部材によりカッ
   トして所望の光量に減光し、この減光されたレーザ光を
   その出力側に取付けられた集光レンズを経て収斂して前
   記粒子群に照射するように構成したことを特徴とする粒
   径分布測定装置。
3. 【請求項３】 レンズホルダが筒状である請求項１又は
   ２記載の粒径分布測定装置。