JP3689278B2

JP3689278B2 - 粒子径分布測定装置および粒子径分布測定方法

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Publication number: JP3689278B2
Application number: JP26618299A
Authority: JP
Inventors: 哲司山口
Original assignee: Horiba Ltd
Current assignee: Horiba Ltd
Priority date: 1999-05-19
Filing date: 1999-09-20
Publication date: 2005-08-31
Anticipated expiration: 2019-09-20
Also published as: JP2001033376A; US7087885B1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ光による動的光散乱を利用した粒子径分布測定装置および粒子径分布測定方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、測定対象試料の溶媒中に分散する粒子の粒子径分布を測定する粒子径分布測定装置が提案されている。すなわち、この粒子径分布測定装置は、測定対象試料に対して特定波長のレーザ光を照射し、粒子に当たって散乱した散乱光を検出器に入射させる。このとき、ブラウン運動する粒子に照射したレーザ光のドップラーシフトにより生じる散乱光の干渉光を検出して、この拡散光の検出信号をフーリエ変換して周波数解析することにより、測定した光強度の周波数特性を求めることができる。ついで、この光強度の周波数特性から粒子径分布の測定を行うことが提案されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上述の粒子径分布測定装置では、レーザ発光部として例えば波長が６５０ｎｍのレーザ光を照射するものを使用していたが、これでは、ある種の測定対象試料には有効であっても、その他の測定対象試料には散乱強度が弱くなって不利益となることがあった。すなわち、例えば、測定対象試料の溶媒に色（波長６５０ｎｍの場合は赤色）が付いている場合には、この溶媒によってレーザ光の吸収が生じるため、十分の強度の拡散光を得ることができなかった。このために、従来の粒子径分布測定装置による測定精度は測定対象試料の色に依存することが多かった。
【０００４】
これに加えて、粒子の大きさ等による光の散乱強度は一様ではなく、光の波長に依存する独特の散乱強度を有する。図６はＭｉｅ散乱理論によって求められた粒子による光の散乱強度を示す図であり、一例として波長６５０ｎｍのレーザ光の１８０°の位置における拡散強度を表わしている。図６に示すように、波長６５０ｎｍのレーザ光を用いた場合、粒子径が約３００ｎｍ，約１１００ｎｍの大きさの粒子に対する散乱強度は非常に弱くなる。このために、弱くなった散乱光を用いて粒子径を求めるときに、精度に限界が生じることは避けられなかった。
【０００５】
本発明は、上述の事柄を考慮に入れてなされたものであって、その目的とするところは、測定対象試料の色やＭｉｅ散乱によって特徴付けられる粒子径による散乱光の減少を補って、より高精度の粒子径分布を求めることができる粒子径分布測定装置および粒子径分布測定方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の粒子径分布測定装置は、測定対象試料にレーザ光を照射して、生じる動的な散乱光を電気的な検出信号に変換し、この検出信号を逆演算して試料に含まれる粒子の粒子径分布を算出する粒子径分布測定装置において、試料に応じて照射するレーザ光の波長を変更可能とするレーザ発光部と、測定対象試料からの散乱光強度が最大となる波長のレーザ光を選択手段によって選択し、このレーザ光を照射したときの試料からの散乱光を用いて、試料に含まれるブラウン運動する粒子の粒子径分布を動的光散乱法に基づいて第１種フレドホルム積分方程式によって解析する粒子径分布解析部とを有することを特徴としている。なお、ここでいう逆演算とは、周波数特性と応答関数と粒子径分布の関係式である第１種フレドホルム積分方程式から粒子径分布を求めることをいうのであって、コンボリューション積分から粒子径分布を求めるデコンボリューションとは異なるものである。
【０００７】
したがって、測定対象試料の色や測定しようとする粒子径の大きさに応じて照射するレーザ光の波長を変更することで、測定する散乱光強度の大きい波長のレーザ光源を選択することができ、目的とする粒子径分布の測定をより高精度に測定することができる。前記レーザ光の波長としては、可視領域の色を持つ測定対象試料に対して、例えば、青色、緑色、赤色の光を発光するものであってもよい。また、可視光すべてを吸収する黒色の測定対象試料に対しては、近赤外光のレーザを発光してもよい。
【０００８】
なお、本出願人は１９９８年１０月３０日付けで、「粒度分布解析方法」（特願平１０−３０９９７８号：以下、先願の発明という）を出願しており、測定時の諸条件に合わせた理論式を用いて粒子径分布を解析する新たな解析方法を提案している。そして、本発明のように照射するレーザ光の波長を変更した場合にも、前記先願の発明において提案した解析を行うことにより、粒子径分布の解析精度を落とすことなく測定可能である。
【０００９】
前記レーザ発光部がそれぞれ波長の異なるレーザ光を出力する複数のレーザ発光部である場合には、各レーザ発光部の構成が簡素になるので、製造コストを引き下げることができる。また、レーザ光の照射や散乱光の受光は波長毎に分けて行ってもよく、同時に行ってもよい。さらに、前記各レーザ発光部からのレーザ光を試料に対して異なる角度で照射する光学系を設けることにより、複数のレーザ発光部の光をそれぞれの光学系を用いて、測定対象試料に照射して粒子径分布を測定することができる。
【００１０】
前記複数のレーザ発光部からのレーザ光を測定対象試料に択一的に照射する場合は、前記レーザ発光部からのレーザ光を選択的に試料に照射する遮蔽板を設けてもよい。あるいは、前記レーザ発光部からのレーザ光を選択的に試料に照射する反射鏡を設けてもよい。または、前記レーザ発光部を移動してレーザ光を選択的に試料に照射してもよい。
【００１１】
本発明の粒子径分布測定方法は、測定対象試料にレーザ光を照射して、生じる動的な散乱光を電気的な検出信号に変換し、この検出信号を逆演算して試料に含まれる粒子の粒子径分布を算出する測定方法であって、試料に応じて照射するレーザ光の波長を変更して、測定対象試料からの散乱光強度が最大となる波長のレーザ光を照射したときにおける試料からの散乱光を用いて、試料に含まれるブラウン運動する粒子の粒子径分布を動的光散乱法に基づいて第１種フレドホルム積分方程式によって解析することを特徴としている。
【００１２】
また、前記レーザ光の波長を異ならせるために、それぞれ異なる波長のレーザ光を照射する複数のレーザ発光部を用いてもよい。さらに、この場合、前記各レーザ発光部ごとにそれぞれ設けた光学系によって、前記各レーザ発光部からのレーザ光を試料に対して異なる角度で照射してもよい。
【００１３】
そして、前記レーザ発光部からのレーザ光を択一的に試料に照射する方法として、前記レーザ発光部からのレーザ光を遮蔽板によって選択的に試料に照射してもよい。あるいは、前記レーザ発光部からのレーザ光を反射鏡によって選択的に試料に照射してもよい。または、前記レーザ発光部を移動してレーザ光を選択的に試料に照射してもよい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１，２は本発明の第１実施例である粒子径分布測定装置１の要部を示す図である。図１，２において、２は測定対象試料（以下、サンプル）であり、例えば、測定対象となる粒子２ａと、溶媒２ｂと、これら２ａ，２ｂを収容するセル２ｃとからなる。
【００１５】
３はこのサンプル２に照射するレーザ光Ｌの波長を変更可能とするレーザ発光部であり、本例ではそれぞれ赤色、緑色、青色、近赤外のレーザ光Ｌを出射するレーザダイオード３ａ〜３ｄと、これらのレーザダイオード３ａ〜３ｄを取り付けた共通の基板２ｅとを有している。４はこれらのレーザダイオード３ａ〜３ｄからのレーザ光Ｌを選択的に透過する遮蔽板（以下、シャッタ）、５は前記レーザ光Ｌを透過する孔５ａを有する反射鏡、６は前記孔５ａを透過したレーザ光Ｌをサンプル２に照射すると共に、サンプル２によって散乱した散乱光Ｌｓを平行光にするレンズである。
【００１６】
また、図２に図示する７は反射鏡５によって反射された散乱光Ｌｓを各レーザダイオード３ａ〜３ｄに対応する４つの検出器８に集光させるレンズである。上述した光学系を有する粒子径分布測定装置１によれば、シャッタ４を両矢印Ａに示す方向に摺動することにより、それぞれ異なる波長を有するレーザ光Ｌをサンプル２に入射させて、その散乱光Ｌｓの強度を検出器８によって測定することができる。１ａはこれらの検出器８からの検出信号を逆演算して粒子径分布を解析する粒子径分布解析部である。
【００１７】
このとき、サンプル２の溶媒２ｂの色や、Ｍｉｅ散乱に依存する散乱光Ｌｓの減少などの影響に依存する散乱光Ｌｓの強度は、照射するレーザ光Ｌの波長によって異なる。したがって、本例の粒子径分布測定装置１は前記シャッタ４を順次切り換えることにより、前記検出器８によって測定する散乱光Ｌｓの強度を順次比較する。
【００１８】
そして、粒子径分布測定装置１は最も強い散乱光Ｌｓを得ることができる波長のレーザ光Ｌを照射するレーザダイオードを選択し、そのレーザダイオードからのレーザ光Ｌのみを透過するようにシャッタ４を制御する。また、選択したレーザダイオードが出射するレーザ光Ｌの波長を、粒子径分布の演算に必要なデータとして、測定時の各種条件と共に、逆演算のための応答関数を作成するために用いられる。
【００１９】
なお、この逆演算の方法については、本出願人が先願の発明に開示している方法によって行うことができる。したがって、レーザ光Ｌの波長を変更しても、これに合わせた逆演算をすることにより、高精度の演算を行うことができる。
【００２０】
また、本例の粒子径分布測定装置１によれば、最も強い散乱光Ｌｓを測定できる波長を選択してサンプル２に照射するので、サンプル２自体の色に依存するレーザ光Ｌの吸収や、Ｍｉｅ散乱理論によって明らかにされている散乱強度分布の谷間の影響を抑えることができる。つまり、可及的に高精度の粒子径分布を測定することができる。
【００２１】
なお、上述の例では、赤色、緑色、青色、近赤外半導体レーザダイオード３ａ〜３ｄを一列に配列した基板３ｅによって波長を変更可能とするレーザ発光部３を構成しているが、本発明は、波長を変更可能とするレーザ発光部３の構成を限定するものではない。例えば、波長を変更できる範囲を４段階ではなく、５段階以上に変更可能としてもよい、また、機能的に十分である場合には、３段階以下に変更可能としてもよい。
【００２２】
さらには、本例ではレーザダイオード３ａ〜３ｄを一つの基板３ｅに配列することにより、レーザダイオード３ａ〜３ｄの発光制御回路を共通化し、回路の簡素化を行っているが、各レーザダイオード３ａ〜３ｄごとにその制御回路を形成してもよいことは言うまでもない。加えて、レーザ発光部３にヘリウムネオンレーザを含めたり、複数の波長のレーザを発光可能である一つの色素レーザを用いてもよい。
【００２３】
また、上述の例では各レーザダイオード３ａ〜３ｄから生じたレーザ光Ｌを別々の検出器８によって測定しているので、前記シャッタ４を取り除いて、同時に各波長のレーザ光Ｌによる散乱光Ｌｓを測定するようにしてもよい。この場合、粒子径分布の測定に必要な時間を短くしたり、各波長のレーザ光Ｌによる散乱光Ｌｓを総合的に判断した粒子径分布の解析を行うことも可能となる。
【００２４】
なお、本発明はシャッタ４，反射鏡５，レンズ６，７および検出器などの光学系の構成も上述したものに限定するものではない。
【００２５】
すなわち、図３に示すように、シャッタ４が孔４ａ，４ｂを有しており、モータ４ｃによって回動されることにより透過するレーザ光Ｌを選択可能とするものとしてもよい。また、反射鏡５が各レーザダイオード３ａ〜３ｄに合わせて形成されたスリット５ｂを有するように構成されたものであってもよい。さらに、各レーザダイオード３ａ〜３ｄからのレーザ光Ｌをサンプル２に照射するレンズ６’は大口径レンズを用いることにより、レンズ６’を一つにすることができる。
【００２６】
また、図２に示しているように、散乱光Ｌｓを受けるレンズ７’も大口径レンズにすることにより、レンズ７’および検出器８’を一つにすることが可能である。すなわち、粒子径分布測定装置１の構成を簡素にすることができる。
【００２７】
図４は、照射するレーザ光Ｌの波長を変更可能とするレーザ発光部３’の部分の別の例を示す図である。図４において、９ａ，９ｂは反射鏡であり、レーザダイオード３ａ〜３ｄからのレーザ光Ｌをサンプル２に選択的に照射させるものである。すなわち、例えば反射鏡９ａを固定し、反射鏡９ｂを両矢印Ｂに示すように摺動することにより、レーザダイオード３ａ〜３ｄのうち一つを選択してサンプル２に照射することができる。
【００２８】
また、前記反射鏡９ｂを固定して、両矢印Ｃに示すように、レーザダイオード３ａ〜３ｄを基板３ｅごと摺動することにより、いずれか一つのレーザダイオードからのレーザ光Ｌをサンプル２に照射することができる。なお、このレーザダイオード３ａ〜３ｄを移動させる方法は摺動に限られるものではなく、矢印Ｄに示すように回動してもよいことは言うまでもない。
【００２９】
図５は光学系１０の別の例を示している。本例では、各レーザ発光部３ａ〜３ａからのレーザ光Ｌをサンプル２に対して異なる角度で照射する光学系１０を有している。すなわち、各レーザ発光部３ａ〜３ｄに対応する複数のシャッタ１１ａ〜１１ｄ、反射鏡１２ａ〜１２ｄ、反射鏡１３ａ〜１３ｂ、レンズ１４ａ〜１４ｄ，１５ａ〜１５ｄおよび検出器１６ａ〜１６ｄを有している。
【００３０】
なお、本例の場合、サンプル２に対して照射されるレーザ光Ｌの照射位置を変えることにより、シャッタ１４ａ〜１４ｄを取り除いて、波長の異なるレーザ光Ｌを複数同時に照射することが可能となる。
【００３１】
また、上述した図１〜５に示した、レーザ発光部３，３’、シャッタ４，１１ａ〜１１ｄ，反射鏡５，１３ａ〜１３ｄ，レンズ６，６’，７，７’，１４ａ〜１４ｄ，１５ａ〜１５ｄ、および、反射鏡９ａ，９ｂ，１２ａ〜１２ｄの構成は、レーザ光Ｌを用いる動的光散乱を用いた粒子径分布測定装置１において、波長の異なる数種類のレーザ発光部３ａ〜３ｅを組み込み、着色サンプル２に吸収されることのない波長のレーザ光Ｌを入射し、精度のよい解析を可能とする強度の拡散光Ｌｓを検出するための具体的な構成を例示しているに過ぎない。したがって、上述した説明の組み合わせに限られるものではなく、任意に組み合わせて、同様の効果が得られることは言うまでもない。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、測定対象試料の色や測定しようとする粒子径の大きさに応じて照射するレーザ光の波長を変更することにより、測定対象試料が特定波長のレーザ光を吸収するものであったとしても、測定する散乱光の強度を増すことができる。つまり、粒子径分布測定装置の測定精度を向上することができる。
【００３３】
前記レーザ発光部がそれぞれ波長の異なるレーザ光を出力する複数のレーザ発光部である場合には、各レーザ発光部の構成が簡素になるので、製造コストを引き下げることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例である粒子径分布測定装置の測定装置を示す図である。
【図２】前記粒子径分布測定装置を別の角度から見た図である。
【図３】前記粒子径分布測定装置の変形例を示す図である。
【図４】前記粒子径分布測定装置のレーザ発光部の変形例を示す図である。
【図５】粒子径分布測定装置の光学系の変形例を示す図である。
【図６】Ｍｉｅ拡散理論による散乱光強度の分布を示す図である。
【符号の説明】
１…粒子径分布測定装置、１ａ…粒子径分布解析部、２…測定対象試料、２ａ…粒子、３，３ａ〜３ｄ…レーザ発光部、４…遮蔽板、５…反射鏡、８，８’…検出器、１０…光学系、Ｌ…レーザ光、Ｌｓ…散乱光。

Claims

測定対象試料にレーザ光を照射して、生じる動的な散乱光を電気的な検出信号に変換し、この検出信号を逆演算して試料に含まれる粒子の粒子径分布を算出する粒子径分布測定装置において、試料に応じて照射するレーザ光の波長を変更可能とするレーザ発光部と、測定対象試料からの散乱光強度が最大となる波長のレーザ光を選択手段によって選択し、このレーザ光を照射したときの試料からの散乱光を用いて、試料に含まれるブラウン運動する粒子の粒子径分布を動的光散乱法に基づいて第１種フレドホルム積分方程式によって解析する粒子径分布解析部とを有することを特徴とする粒子径分布測定装置。
前記レーザ発光部がそれぞれ波長の異なるレーザ光を出力する複数のレーザ発光部である請求項１に記載の粒子径分布測定装置。
前記各レーザ発光部からのレーザ光を試料に対して異なる角度で照射する光学系を有する請求項２に記載の粒子径分布測定装置。
前記レーザ発光部からのレーザ光を選択的に試料に照射する遮蔽板を有する請求項２または３に記載の粒子径分布測定装置。
前記レーザ発光部からのレーザ光を選択的に試料に照射する反射鏡を有する請求項２または３に記載の粒子径分布測定装置。
前記レーザ発光部が移動してレーザ光を選択的に試料に照射するように構成した請求項２または３に記載の粒子径分布測定装置。
測定対象試料にレーザ光を照射して、生じる動的な散乱光を電気的な検出信号に変換し、この検出信号を逆演算して試料に含まれる粒子の粒子径分布を算出する測定方法であって、試料に応じて照射するレーザ光の波長を変更して、測定対象試料からの散乱光強度が最大となる波長のレーザ光を照射したときにおける試料からの散乱光を用いて、試料に含まれるブラウン運動する粒子の粒子径分布を動的光散乱法に基づいて第１種フレドホルム積分方程式によって解析することを特徴とする粒子径分布測定方法。
前記レーザ光の波長を異ならせるために、それぞれ異なる波長のレーザ光を照射する複数のレーザ発光部を用いる請求項７に記載の粒子径分布測定方法。
前記各レーザ発光部ごとにそれぞれ設けた光学系によって、前記各レーザ発光部からのレーザ光を試料に対して異なる角度で照射する請求項８に記載の粒子径分布測定方法。
前記レーザ発光部からのレーザ光を遮蔽板によって選択的に試料に照射する請求項７または８に記載の粒子径分布測定方法。
前記レーザ発光部からのレーザ光を反射鏡によって選択的に試料に照射する請求項７または８に記載の粒子径分布測定方法。
前記レーザ発光部を移動してレーザ光を選択的に試料に照射する請求項７または８に記載の粒子径分布測定方法。