JP3818867B2 - 光散乱式粒子検出器 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、粒子検出領域を通過する粒子による散乱光を受光することにより粒子を検出する光散乱式粒子検出器に関する。
【0002】
【従来の技術】
光散乱式粒子検出器において、散乱光を受光した光電素子が出力する電気信号のS/N比(信号対雑音比)は、光電素子のショットノイズの大きさに影響される。また、ショットノイズの大きさは、光電素子への入射光量に比例する。
従って、背景光(背景分子散乱光)が大きい場合には、光電素子のショットノイズが大きくなり、S/N比が低下してしまう。
【0003】
ここでいう背景光とは、測定対象とする粒子が含まれている媒質(例えば、空気や液体などの流体)を構成する分子による散乱光や流体を流すためのフローセルの壁面による散乱光などをいう。例えば、空気分子は、大気圧下では1ml当り2.7×1019個存在する。これらによる散乱光の総和は、0.1μm粒子1個による散乱光よりも大きくなる。
従って、粒子を検出する領域が広いほど1個の粒子を検出することが困難になる。一方、半導体用クリーンルームなどは、そのクリーン度が向上しており、粒子の個数濃度は低く、より小さい粒子の管理が必要とされている。
【0004】
このような問題を解決しようとした光散乱式粒子検出器として、特許2786187号公報に記載された粒子寸法検出装置が知られている。
この粒子寸法検出装置は、図5に示すように、受光手段として光電素子100を直線状に複数配列した受光アレイ101を用い、集光レンズ102で粒子検出領域Dを通過する粒子による散乱光Lsを何れかの光電素子100に結像させると共に、受光アレイ101を形成する光電素子100の個数分だけ散乱光Lsを結像した光電素子100に入射する背景光を減少させ、散乱光Lsを結像した光電素子100のS/N比の低下を抑えようとしている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図5に示す粒子寸法検出装置においては、光電素子100の個数分だけ散乱光Lsを結像した光電素子100に入射する背景光を減少させることができるものの以下のような問題点がある。
(1)限られた大きさの受光面積の中で光電素子100の個数を増やすと、S/N比が向上するが、光電素子100を直線状に配列する一次元配列の場合には個数の増加に限界がある。
また、光電素子間のギャップGの幅は小さいほど望ましいが実際にはギャップGの幅に限界があるため、限られた大きさの受光面積の中で光電素子100の個数を増やすと、受光面積に占めるギャップGの割合が大きくなり正確な測定が困難になる。例えば、図6に示すように、光電素子100間に存在するギャップGに、粒子による散乱光Lsが像P1として結像する場合があり、粒子を検出できない。
【0006】
(2)集光レンズ102に僅かでも収差があると、図6に示すように、ギャップGを跨って隣接する光電素子100に粒子による散乱光Lsが像P2として結像することも起こり得る。この場合、単一の粒子が2つの粒子として、或いは小さな一つの粒子として検出されてしまう可能性がある。
【0007】
本発明は、従来の技術が有するこのような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、S/N比を向上させた光散乱式粒子検出器を提供しようとするものである。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決すべく請求項1に係る発明は、試料流体に光ビームを照射して粒子検出領域を形成し、この粒子検出領域を通過する粒子による散乱光のみを受光手段で受光して前記粒子を検出する光散乱式粒子検出器において、前記受光手段を複数の光電素子で形成し、これら複数の光電素子の出力を加算処理する加算処理手段を設け、前記粒子検出領域と前記複数の光電素子との間に集光レンズを配置し、この集光レンズの口径を前記粒子検出領域に比べて十分に大きく形成すると共に前記粒子検出領域を前記集光レンズの焦点に位置させ、前記粒子による散乱光のみを前記集光レンズによって集光してほぼ平行な光線束にし、この光線束を前記複数の光電素子に同時に入射させるものである。
【0010】
請求項2に係る発明は、試料流体に光ビームを照射して粒子検出領域を形成し、この粒子検出領域を通過する粒子による散乱光のみを受光手段で受光して前記粒子を検出する光散乱式粒子検出器において、前記受光手段を複数の光電素子で形成し、これら複数の光電素子の出力を加算処理する加算処理手段を設け、前記粒子検出領域を挟んで前記複数の光電素子と対向する位置に凹面鏡を配置し、この凹面鏡の口径を前記粒子検出領域に比べて十分に大きく形成すると共に前記粒子検出領域を前記凹面鏡の焦点に位置させ、前記粒子による散乱光のみを前記凹面鏡によって集光してほぼ平行な光線束にし、この光線束を前記複数の光電素子に同時に入射させるものである。
【0011】
請求項3に係る発明は、請求項1又は2記載の光散乱式粒子検出器において、前記複数の光電素子は直線状又は平面状に配列されているものである。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。ここで、図1は本発明に係る光散乱式粒子検出器の第1の実施の形態の構成図、図2は本発明の概念説明図、図3は第1の実施の形態で視野絞りを設けた場合の構成図、図4は本発明に係る光散乱式粒子検出器の第2の実施の形態の構成図である。
【0013】
本発明に係る光散乱式粒子検出器の第1の実施の形態は、図1に示すように、レーザ光Laを出射する光源としてのレーザ発振器1と、検出対象となる流体により形成される流路2と、散乱光Lsを受光する受光部3を備えている。
【0014】
流路2は、検出対象となる粒子を含む流体をアウトレットの下流に接続した吸引ポンプ(不図示)が吸引することにより、流体がインレットからアウトレットに流れることで形成される。レーザ光Laと流路2が交差する箇所が粒子検出領域Dとなる。なお、フローセル中に流体を流すことによっても流路2を形成することができる。
【0015】
受光部3は、粒子検出領域Dで生じる散乱光Lsを集光する集光レンズ4と、集光レンズ4が集光した散乱光Lsを光電変換する受光アレイ5と、受光アレイ5の出力を加算する加算器6などを備えている。
【0016】
集光レンズ4は、粒子検出領域Dに比べて口径が十分に大きく形成され、焦点に粒子検出領域Dが位置するように配置されている。
従って、粒子検出領域Dにおける粒子による散乱光Lsは集光レンズ4によって集光され、ほぼ平行な光線束にされて受光アレイ5に入射することになる。
【0017】
受光アレイ5は、図2に示すように、n個の光電素子Pd1〜Pdnを平面状に配列して円形状に形成したもので、光電素子Pd1〜Pdnが粒子検出領域Dにおいて粒子に照射されたレーザ光Laによって生じる散乱光Lsを集光レンズ4を介して受光し、光電変換して散乱光Lsの強度に応じた電気信号(電圧)を出力する。この時、受光アレイ5は、集光レンズ4よって散乱光Lsをn個の光電素子Pd1〜Pdnの受光面全体で受光する。
【0018】
加算器6は、散乱光Lsを受光した各光電素子Pd1〜Pdnが出力する電圧を加算し、出力する。
光電素子Pd1〜Pdnの出力電圧は、散乱光Lsに基づく電圧と、ノイズに基づく電圧からなる。散乱光Lsに基づく光電素子Pd1〜Pdnの出力電圧を、夫々Es1,Es2,…Esnとし、ノイズに基づく光電素子Pd1〜Pdnの出力電圧を、夫々En1,En2,…Ennとすると、加算器6の出力電圧Eは、次に示す式(1)で表される。
【0019】
E=(Es1+Es2+…+Esn)+(En12+En22+…+Enn2)1/2 (1)
【0020】
式(1)において、散乱光Lsに基づく電圧Es1,Es2,…Esnに関する項は単に加算され、これに対しノイズに基づく電圧En1,En2,…Ennに関する項は平方して加算した値の平方根となっている。
この理由は、散乱光Lsに基づく電圧Es1,Es2,…Esnは、時間的に同期しており、一方ノイズに基づく電圧En1,En2,…Ennには、時間的同期性がないことによる。
【0021】
また、加算器6の出力電圧EのS/N比は、次に示す式(2)で表される。
【0022】
S/N=(Es1+Es2+…+Esn)/(En12+En22+…+Enn2)1/2 (2)
【0023】
仮りに、散乱光Lsに基づく電圧Es1,Es2,…Esnが夫々1(V)で、ノイズに基づく電圧En1,En2,…Ennも夫々1(V)であるとすると、S/N比は次に示す式(3)で表される。
【0024】
S/N=n/n1/2=n1/2 (3)
【0025】
式(3)は、光電素子の個数nが増えれば増えるほど、光散乱式粒子検出器のS/N比が高くなることを示している。
【0026】
以上説明したように、第1の実施の形態によれば、粒子検出領域Dで生じる散乱光Lsを、集光レンズ4によってn個の光電素子Pd1〜Pdnからなる受光アレイ5の受光面全体に集光させ、各光電素子Pd1〜Pdnの出力電圧を加算器6で加算するので、光電素子100間に存在するギャップGの影響を受けることなく、高いS/N比が得られる。従って、この光散乱式粒子検出器を、粒子計数装置や粒径分布測定装置などに適用すれば、高精度の装置を実現できる。
【0027】
また、図3に示すように、粒子検出領域D以外からの背景光が受光アレイ5に入射するのを規制するため、集光レンズ4と受光アレイ5の間にスリット(視野絞り)7と集光レンズ8を配置することもできる。
【0028】
次に、本発明に係る光散乱式粒子検出器の第2の実施の形態は、図4に示すように、レーザ光Laを出射する光源としてのレーザ発振器1と、検出対象となる流体により形成される流路2と、散乱光Lsを受光する受光部13を備えている。
【0029】
受光部13は、粒子検出領域Dで生じる散乱光Lsを集光する凹面鏡14と、凹面鏡14が集光した散乱光Lsを光電変換する受光アレイ5と、受光アレイ5の出力を加算する加算器6などを備えている。なお、図1に示す符号と同一符号の要素は、同一要素なので説明は省略する。
【0030】
凹面鏡14は、粒子検出領域Dに比べて口径を十分に大きく回転放物面状に形成され、焦点に粒子検出領域Dが位置するように配置されている。
従って、粒子検出領域Dは凹面鏡14と受光アレイ5の間に位置し、粒子検出領域Dにおける粒子による散乱光Lsは凹面鏡14によって集光され、ほぼ平行な光線束にされて受光アレイ5に入射することになる。
【0031】
受光アレイ5は、散乱光Lsを光電変換し、その強度に応じた電気信号(電圧)を出力する。この時、受光アレイ5は、凹面鏡14よって散乱光Lsを受光面全体で受光する。
加算器6は、散乱光Lsを受光した各光電素子Pd1〜Pdnが出力する電圧を加算し、出力する。その他の信号処理は、第1の実施の形態と同様である。
【0032】
以上説明したように、第2の実施の形態によれば、粒子検出領域Dで生じる散乱光Lsを、凹面鏡14によってn個の光電素子Pd1〜Pdnからなる受光アレイ5の受光面全体に集光させ、各光電素子Pd1〜Pdnの出力電圧を加算器6で加算するので、光電素子100間に存在するギャップGの影響を受けることなく、高いS/N比が得られる。従って、この光散乱式粒子検出器を、粒子計数装置や粒径分布測定装置などに適用すれば、高精度の装置を実現できる。
【0033】
なお、上述の実施の形態では、光電素子Pd1〜Pdnを平面状に配列(二次元配列)して円形にした受光アレイ5を用いた場合について説明したが、光電素子を直線状に配列(一元配列)したものを用いてもよい。但し、平面状に配列して円形にした受光アレイ5の方が、直線状に配列した受光アレイ5よりも光電素子の個数を増やせるので、S/N比を高くすることができる。
【0034】
【発明の効果】
以上説明したように請求項1に係る発明によれば、散乱光のみを複数の光電素子で同時に受光して光電変換し、これら複数の光電素子の出力を加算処理するので、光電素子間に存在するギャップの影響を受けることなく、S/N比の向上が図れる。
また、集光レンズの焦点に粒子検出領域を位置させ、散乱光のみを集光レンズによりほぼ平行な光線束にして複数の光電素子の全体に同時に入射させると共に、これら複数の光電素子の出力を加算処理するので、S/N比の向上が図れる。
【0036】
請求項2に係る発明によれば、散乱光のみを複数の光電素子で同時に受光して光電変換し、これら複数の光電素子の出力を加算処理するので、光電素子間に存在するギャップの影響を受けることなく、S/N比の向上が図れる。
また、凹面鏡の焦点に粒子検出領域を位置させ、散乱光のみを凹面鏡によりほぼ平行な光線束にして複数の光電素子の全体に同時に入射させると共に、これら複数の光電素子の出力を加算処理するので、S/N比の向上が図れる。
【0037】
請求項3に係る発明によれば、散乱光を直線状又は平面状に配列された複数の光電素子に入射させて光電変換すると共に、これら複数の光電素子の出力を加算処理するので、S/N比の向上が図れる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る光散乱式粒子検出器の第1の実施の形態の構成図
【図2】本発明の概念説明図
【図3】第1の実施の形態で視野絞りを設けた場合の構成図
【図4】本発明に係る光散乱式粒子検出器の第2の実施の形態の構成図
【図5】従来の光散乱式粒子検出器の構成図
【図6】従来の光散乱式粒子検出器における受光状態を示す受光アレイの正面図
【符号の説明】
1…レーザ発振器、2…流路、3,13…受光部、4…集光レンズ、5…受光アレイ、6…加算器、14…凹面鏡、D…粒子検出領域、La…レーザ光、Ls…散乱光、Pd1〜Pdn…光電素子。
Claims (3)
- 試料流体に光ビームを照射して粒子検出領域を形成し、この粒子検出領域を通過する粒子による散乱光のみを受光手段で受光して前記粒子を検出する光散乱式粒子検出器において、前記受光手段を複数の光電素子で形成し、これら複数の光電素子の出力を加算処理する加算処理手段を設け、前記粒子検出領域と前記複数の光電素子との間に集光レンズを配置し、この集光レンズの口径を前記粒子検出領域に比べて十分に大きく形成すると共に前記粒子検出領域を前記集光レンズの焦点に位置させ、前記粒子による散乱光のみを前記集光レンズによって集光してほぼ平行な光線束にし、この光線束を前記複数の光電素子に同時に入射させることを特徴とする光散乱式粒子検出器。
- 試料流体に光ビームを照射して粒子検出領域を形成し、この粒子検出領域を通過する粒子による散乱光のみを受光手段で受光して前記粒子を検出する光散乱式粒子検出器において、前記受光手段を複数の光電素子で形成し、これら複数の光電素子の出力を加算処理する加算処理手段を設け、前記粒子検出領域を挟んで前記複数の光電素子と対向する位置に凹面鏡を配置し、この凹面鏡の口径を前記粒子検出領域に比べて十分に大きく形成すると共に前記粒子検出領域を前記凹面鏡の焦点に位置させ、前記粒子による散乱光のみを前記凹面鏡によって集光してほぼ平行な光線束にし、この光線束を前記複数の光電素子に同時に入射させることを特徴とする光散乱式粒子検出器。
- 請求項1又は2記載の光散乱式粒子検出器において、前記複数の光電素子は直線状又は平面状に配列されていることを特徴とする光散乱式粒子検出器。
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