JP4214933B2 - Liquid viscosity measuring device and viscosity measuring method - Google Patents
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Description
本発明は、レーザを用いて液体の粘度を測定する技術に関する。本発明では、レーザを用いて粒子をトラップ(捕捉)し、トラップした粒子を液体に対して相対移動させることによって液体の粘度を測定する。 The present invention relates to a technique for measuring the viscosity of a liquid using a laser. In the present invention, particles are trapped using a laser, and the viscosity of the liquid is measured by moving the trapped particles relative to the liquid.
レーザを用いて液体の粘度を測定する技術が開発されている。この技術によると、他の粘度測定方法に比べて、微小領域(局所)の粘度を測定することが可能となる。
非特許文献1に、レーザトラッピング法を用いた粘度測定方法が開示されている。この方法では、液体中に浮遊している粒子に集光レーザを照射して粒子をレーザの集光位置にトラップし、粒子を集光位置にトラップした状態で液体とレーザ集光位置を相対的に移動させる。粒子には集光レーザによるトラップ力と、液体の粘性に起因する抵抗力が作用する。粘性抵抗力がレーザトラップ力を上回ったときに、粒子は集光位置から離脱する。集光位置から離脱した時に粒子に作用していたレーザトラップ力から粘性抵抗力が測定でき、その粘性抵抗力に粒子の相対速度や粒子の半径を加味することによって、液体の粘度を求めることができる。レーザトラップ力は、レーザの出力や粒子の屈折率や粒子の半径等によって決まり、粒子が同じであればレーザの出力で決定される。
A technique for measuring the viscosity of a liquid using a laser has been developed. According to this technique, it is possible to measure the viscosity in a minute region (local) as compared with other viscosity measuring methods.
Non-Patent Document 1 discloses a viscosity measurement method using a laser trapping method. In this method, a particle that is floating in the liquid is irradiated with a condensing laser, the particle is trapped at the condensing position of the laser, and the liquid and the laser converging position are relative to each other with the particle trapped at the condensing position. Move to. The particles are subjected to a trapping force caused by a focused laser and a resistance force due to the viscosity of the liquid. When the viscous resistance exceeds the laser trapping force, the particles leave the focusing position. Viscosity resistance force can be measured from the laser trapping force acting on the particles when they are removed from the focusing position, and the viscosity of the liquid can be obtained by adding the relative velocity of the particles and the particle radius to the viscosity resistance force. it can. The laser trapping force is determined by the output of the laser, the refractive index of the particle, the radius of the particle, etc. If the particles are the same, it is determined by the output of the laser.
レーザの集光位置にトラップされていた粒子を集光位置から離脱させるにはいくつかの手法が存在する。一つの方法では、レーザでトラップされている粒子の液体に対する相対速度vを一定に維持しながら、レーザの出力を徐々に低下させてレーザトラップ力を低下させていく。この方法では、レーザの集光位置から粒子が離脱した時のレーザトラップ力(レーザ出力から判明する)を計測する。他の一つの方法では、レーザ出力を一定に維持することによってレーザトラップ力を一定に維持しながら、レーザでトラップされている粒子の液体に対する相対速度vを増速していく。この方法では、レーザの集光位置から粒子が離脱した時の相対速度vを計測する。 There are several methods for removing particles trapped at the laser focusing position from the focusing position. In one method, the laser trapping force is reduced by gradually decreasing the laser output while maintaining the relative velocity v of the particles trapped by the laser with respect to the liquid constant. In this method, a laser trap force (identified from a laser output) when particles are detached from a laser condensing position is measured. In another method, the relative velocity v of the particles trapped by the laser to the liquid is increased while maintaining the laser trapping force constant by maintaining the laser output constant. In this method, the relative velocity v when the particles are detached from the laser focusing position is measured.
レーザトラッピング法では、ストークスの法則に基づいて液体の粘度を求める。ストークスの法則によると、粘度ηの液体中を半径Rの粒子が相対速度vで動くとき、その粒子に作用する粘性抵抗力Fは、式(1)で与えられる。
F=6πηRv ・・・(1)
レーザトラッピング法では、レーザの集光位置から粒子が離脱した時に、レーザトラップ力に等しい大きさの粘性抵抗力Fが作用したとする。
式(1)から粘度ηについての式(2)が導かれる。
η=(1/6πR)(F/v) ・・・(2)
式2に、粒子の半径Rと、レーザの集光位置から粒子が離脱した時のレーザトラップ力Fと、レーザの集光位置から粒子が離脱した時の相対速度vを代入すると、液体の粘度ηを求めることができる。
In the laser trapping method, the viscosity of the liquid is obtained based on Stokes' law. According to Stokes' law, when a particle having a radius R moves in a liquid having a viscosity η at a relative speed v, the viscous resistance force F acting on the particle is given by equation (1).
F = 6πηRv (1)
In the laser trapping method, it is assumed that a viscous resistance force F having a magnitude equal to the laser trapping force is applied when particles are detached from the laser condensing position.
Equation (2) for viscosity η is derived from equation (1).
η = (1 / 6πR) (F / v) (2)
Substituting into equation 2 the particle radius R, the laser trapping force F when the particle is released from the laser focusing position, and the relative velocity v when the particle is released from the laser focusing position, the viscosity of the liquid η can be obtained.
本発明者らの研究によって、レーザトラッピング法で粘度を測定したときの測定結果がばらつく場合があることが見出された。その原因を探求した結果、以下の事象がわかってきた。
レーザを用いて液体の粘度を測定する技術では、レーザ集光位置を液体に対して相対移動させるに先立って、レーザ集光位置と液体中に浮遊している粒子の位置を一致させ、レーザ集光位置に粒子をトラップしておく必要がある。従来技術では、液体上方に設置された光学顕微鏡を用いて、レーザ集光位置と粒子の存在位置を一致させていた。
According to the study by the present inventors, it has been found that the measurement results when the viscosity is measured by the laser trapping method may vary. As a result of exploring the cause, the following events have been found.
In the technique of measuring the viscosity of a liquid using a laser, before moving the laser focusing position relative to the liquid, the laser focusing position and the position of particles floating in the liquid are matched to each other. It is necessary to trap the particles at the light position. In the prior art, an optical microscope installed above the liquid is used to match the laser focusing position with the particle existence position.
液体上方に設置された光学顕微鏡を用いた位置調整技術によると、液面に平行な面内で観測しながら、レーザ集光位置と粒子の存在位置を一致させることができる。しかしながら、液体の深さ方向では、レーザ集光位置と粒子の存在位置が一致することが保証されない。
レーザトラップ力は、液面に平行な面内のみならず、液体の深さ方向にも作用する。即ち、レーザトラップ力は、3次元の任意の方向において、粒子を集光位置に維持しようとする。
液体の粘度が低ければ、液体の深さ方向でレーザ集光位置と粒子の存在位置が厳密には一致しなくても、概ね合ってさえいれば、液体の深さ方向に作用するレーザトラップ力によって粒子は液体の深さ方向に移動し、液体の深さ方向でも集光位置と粒子位置が一致する。液体の厚みが薄ければ、液体の深さ方向におけるレーザ集光位置と粒子の存在位置は概ね合っていることから、液体の深さ方向でレーザ集光位置と粒子の存在位置が厳密には一致しないことが問題とされることはなかった。
According to the position adjustment technique using the optical microscope installed above the liquid, it is possible to make the laser converging position coincide with the particle existing position while observing in a plane parallel to the liquid surface. However, in the depth direction of the liquid, it is not guaranteed that the laser condensing position and the particle existing position coincide.
The laser trapping force acts not only in the plane parallel to the liquid surface but also in the liquid depth direction. That is, the laser trapping force tries to maintain the particles at the condensing position in any three-dimensional direction.
If the viscosity of the liquid is low, the laser trapping force acting in the depth direction of the liquid will be sufficient if the laser focusing position and the particle location in the depth direction of the liquid do not match exactly, As a result, the particles move in the depth direction of the liquid, and the condensing position and the particle position also coincide in the depth direction of the liquid. If the thickness of the liquid is thin, the laser converging position in the depth direction of the liquid and the presence position of the particles are almost the same. Inconsistencies were never a problem.
しかしながら、液体の粘度が高い場合、液体の深さ方向に作用するレーザトラップ力では液体の深さ方向に粒子を移動させることができず、液体の深さ方向では集光位置と粒子位置が一致しないままに、レーザトラッピング法による測定を完了してしまうことがあり、これが原因となって測定結果がばらつくことがわかってきた。レーザトラップ力は、レーザ集光位置を中心にして3次元的に分布している。レーザの集光位置と粒子の存在位置を、液面に平行な面内のみならず液体の深さ方向でも一致させておかないと、同じレーザ出力でも同じレーザトラップ力にならない。レーザトラッピング法ではレーザ出力でレーザトラップ力が決定されるとすることから、同じレーザ出力でも同じレーザトラップ力にならなければ、測定結果はばらついてしまう。 However, when the viscosity of the liquid is high, the laser trapping force acting in the depth direction of the liquid cannot move the particles in the depth direction of the liquid, and the condensing position and the particle position coincide in the depth direction of the liquid. In some cases, the measurement by the laser trapping method may be completed without doing so, and it has been found that the measurement results vary due to this. The laser trapping force is distributed three-dimensionally with the laser focusing position as the center. Unless the laser condensing position and the particle existence position are matched not only in the plane parallel to the liquid surface but also in the depth direction of the liquid, the same laser trapping force cannot be obtained even with the same laser output. Since the laser trapping force is determined by the laser output in the laser trapping method, the measurement results vary if the same laser output does not result in the same laser trapping force.
本発明は、上記の研究によって判明した問題点に対処するものであり、同じレーザ出力でも同じレーザトラップ力にならないという問題を解消することによって測定結果のばらつきを抑制するものである。 The present invention addresses the problems found by the above research and suppresses variations in measurement results by solving the problem that the same laser trapping force does not occur even with the same laser output.
本発明は、液体中に浮遊している粒子に集光レーザを照射し、粒子を集光位置にトラップ(捕捉)し、トラップした粒子を液体に対して相対移動させることによって液体の粘度を測定する装置に具現化される。
本発明の粘度測定装置は、粒子に照射する集光レーザを発生させる第1光学系と、液体中に浮遊している粒子の3次元空間内での存在位置を検出可能な第2光学系と、第1光学系が発生する集光レーザの3次元空間内での集光位置と、第2光学系で検出された粒子の3次元空間内での存在位置を一致させる位置調整手段と、第1光学系が発生する集光レーザの集光位置を液体に対して相対移動させる手段とを有している。
第1光学系が発生する集光レーザの3次元空間内での集光位置と、第2光学系で検出された粒子の3次元空間内での存在位置を一致させる位置調整手段は、液体全体を変位させて粒子の存在位置を変化させるものであってもよく、集光レーザの集光位置を変化させるものであってもよい。即ち、位置調整手段は、集光レーザの集光位置又は粒子の存在位置の少なくとも一方を3軸方向に移動させることが可能であることを特徴とする。また、この位置調整手段は、集光レーザの集光位置を液体に対して相対移動させる手段を流用するものであってもよい。
The present invention irradiates particles floating in a liquid with a focused laser, traps the particles at the focused position, and measures the viscosity of the liquid by moving the trapped particles relative to the liquid. Embodied in a device.
The viscosity measuring apparatus of the present invention includes a first optical system for generating a focused laser for irradiating the particles, and a second optical system capable of detecting the presence position in 3-dimensional space of the particles suspended in the liquid A position adjusting means for matching a condensing position of the condensing laser generated by the first optical system in the three-dimensional space with an existing position of the particles detected by the second optical system in the three-dimensional space; And a means for moving the focusing position of the focusing laser generated by one optical system relative to the liquid.
The position adjusting means for matching the condensing position of the condensing laser generated by the first optical system in the three-dimensional space and the position of the particles detected by the second optical system in the three-dimensional space is the entire liquid May be used to change the position where the particles are present, or may be used to change the focusing position of the focusing laser. That is, the position adjusting means is characterized in that at least one of the condensing position of the condensing laser and the presence position of the particles can be moved in three axial directions. Further, this position adjusting means may be a means for diverting the focusing position of the focusing laser relative to the liquid.
上記の粘度測定装置によると、第2光学系を用いることによって液体中に浮遊している粒子の存在位置を3次元的に(液面に平行な面内のみならず液体の深さ方向をも含めて)正確に検出することができる。そのために粒子の存在位置とレーザの集光位置を3次元的に(液面に平行な面内のみならず液体の深さ方向をも含めて)一致させることができる。したがって、レーザ出力とレーザトラップ力の関係が安定し、同じレーザ出力でも同じレーザトラップ力にならないという問題が解決される。上記の粘度測定装置によると、液体の粘度が高い場合でも測定結果がばらつかず、液体の真の粘度を正確に測定することができる。
この発明は、粒子の存在位置とレーザの集光位置を液体の深さ方向にも一致させただけのもののように理解されるかもしれないが、従来の技術では、液体の深さ方向に作用するレーザトラップ力によって液体の深さでは粒子の存在位置とレーザの集光位置を精密に一致させる必要はないと考えられていた事情が存在するなかで創作されたものであり、粒子の存在位置とレーザの集光位置を液体の深さ方向にも一致させただけのものであると評価することはできないものである。
According to the above-described viscosity measuring apparatus, by using the second optical system, the position of the particles suspended in the liquid can be measured three-dimensionally (not only in the plane parallel to the liquid surface but also in the depth direction of the liquid). (Including) can be detected accurately. Therefore, it is possible to three-dimensionally match the particle existence position and the laser focusing position (including not only in the plane parallel to the liquid surface but also in the liquid depth direction). Therefore, the relationship between the laser output and the laser trapping force is stabilized, and the problem that the same laser trapping force is not obtained even with the same laser output is solved. According to the above viscosity measuring apparatus, even when the viscosity of the liquid is high, the measurement result does not vary, and the true viscosity of the liquid can be accurately measured.
Although the present invention may be understood to be the one in which the position where the particles are present and the focused position of the laser are also coincided with each other in the depth direction of the liquid, the conventional technique works in the depth direction of the liquid. It was created in the presence of circumstances where it was thought that it was not necessary to precisely match the position of the particle and the focused position of the laser at the liquid depth due to the laser trapping force. It is impossible to evaluate that the laser condensing position is also made coincident with the depth direction of the liquid.
第2光学系は、平行光発生装置と、平行光を焦点に集光するとともに焦点からの放射光を平行光に変換する対物レンズと、平行光を焦点に集光する収束レンズと、収束レンズの焦点に配置されたピンホールと、ピンホールを通過した光を検出する検出器を有していることが好ましい。 The second optical system includes a parallel light generator, an objective lens that condenses the parallel light at the focal point and converts radiation light from the focal point into parallel light, a converging lens that condenses the parallel light at the focal point, and a converging lens It is preferable to have a pinhole arranged at the focal point of and a detector for detecting light that has passed through the pinhole.
上記の第2光学系は、いわゆる共焦点系の光学系であり、対物レンズの焦点に粒子が存在するときの検出光強度と、対物レンズの焦点に粒子が存在しないときの検出光強度が敏感に変化する。対物レンズの光軸上に粒子が存在しても、深さ方向で対物レンズの焦点から粒子がずれているときの検出光強度と、深さ方向でも対物レンズの焦点に粒子が存在しているときの検出光強度が敏感に変化する。これによって、深さ方向において、対物レンズの焦点に粒子が存在しているか否かを正確に検出することができる。
深さ方向にでも対物レンズの焦点に粒子が存在していることがわかれば、粒子トラップ用レーザの集光深さを、第2光学系の対物レンズの焦点深さに一致させればよい。
光検出器によって粒子の存在の有無を検出する場合、粒子による反射、吸収、散乱現象のいずれを利用してもよい。粒子を蛍光材料で染色しておけば、ルミネセンスを利用することもできる。
The second optical system is a so-called confocal optical system, and the detection light intensity when particles are present at the focus of the objective lens and the detection light intensity when particles are not present at the focus of the objective lens are sensitive. To change. Even if particles are present on the optical axis of the objective lens, the detected light intensity when the particles are deviated from the focal point of the objective lens in the depth direction, and particles are present at the focal point of the objective lens even in the depth direction. The detected light intensity changes sensitively. This makes it possible to accurately detect whether or not particles are present at the focal point of the objective lens in the depth direction.
If it is found that particles are present at the focal point of the objective lens even in the depth direction, the focal depth of the particle trapping laser may be made to coincide with the focal depth of the objective lens of the second optical system.
When the presence / absence of particles is detected by a photodetector, any of reflection, absorption, and scattering phenomenon by particles may be used. If the particles are stained with a fluorescent material, luminescence can be used.
第1光学系の平行レーザ発生装置と対物レンズが、第2光学系の平行光発生装置と対物レンズを兼用する構成を採用することもできる。あるいは、兼用しない構成を採用することもできる。
兼用する構成を採用すれば、装置構成が単純化されるのみならず、第2光学系を利用して対物レンズの焦点位置に粒子が存在していることが確認されれば、当然にトラップ用のレーザ集光位置に粒子が存在していることになり、操作性も改善される。
兼用しない構成を採用すれば、トラップ用のレーザ光と、粒子位置検出用の平行光を分けることができる。トラップ用のレーザ光は、トラップ力を確保するために大出力であることが要求され、長時間照射すると液体の温度が上昇して粘度が変化することもありえる。粒子位置検出用の平行光は、小出力であってもよく、長時間照射しても液体の温度を上昇させないために粘度を変化させない。粒子位置検出段階では小出力の光を利用し、粘度検出段階で大出力のレーザを短時間照射して粘度を検出することができる。
A configuration in which the parallel laser generator and objective lens of the first optical system also serve as the parallel light generator and objective lens of the second optical system may be employed. Or the structure which is not combined can also be employ | adopted.
If the dual-use configuration is adopted, not only the device configuration is simplified, but if it is confirmed that particles are present at the focal position of the objective lens using the second optical system, it is naturally used for trapping. Thus, the particles are present at the laser focusing position, and the operability is also improved.
If a configuration that does not serve as both is employed, the trapping laser beam and the parallel beam for particle position detection can be separated. The trapping laser light is required to have a high output in order to secure a trapping force, and when irradiated for a long time, the temperature of the liquid may increase and the viscosity may change. The collimated light for particle position detection may have a small output and does not change the viscosity in order not to raise the temperature of the liquid even when irradiated for a long time. In the particle position detection stage, small output light is used, and in the viscosity detection stage, a high output laser is irradiated for a short time to detect the viscosity.
第2光学系は、少なくとも2個の光検出器を備えており、各光検出器が粒子の存在部位を異なる方向から観測することによって粒子の3次元空間内での存在位置を検出するものであることが好ましい。 The second optical system includes at least two photodetectors, and each photodetector detects the position of the particle in a three-dimensional space by observing the particle existence site from different directions. Preferably there is.
複数の方向から粒子の存在部位を観測すれば、3次元空間内での粒子存在位置を知ることができる。光検出器は、視野内の光強度分布を計測できる、例えばCCDカメラ等であってもよい。あるいは、狭い視野内の合計光強度を計測できる、例えばホトトランジスタ等であってもよい。後者の場合、2以上の光検出器の視野中心線が、トラップ用レーザ光の集光位置で交差する関係に位置しておけば、2以上の光検出器の双方が粒子の存在を検出する位置関係に調整することによって、トラップ用レーザ光の3次元空間内での集光位置と3次元空間内での粒子存在位置を一致させることができる。
光検出器によって粒子の存在の有無を検出する場合、粒子による反射、吸収、散乱現象のいずれを利用してもよい。粒子を蛍光材料で染色しておけば、ルミネセンスを利用することもできる。
By observing the particle location from a plurality of directions, it is possible to know the particle location in the three-dimensional space. The photodetector may be a CCD camera or the like that can measure the light intensity distribution in the field of view. Alternatively, for example, a phototransistor or the like that can measure the total light intensity within a narrow visual field may be used. In the latter case, if the center line of the field of view of two or more photodetectors is positioned so as to intersect at the condensing position of the trapping laser beam, both of the two or more photodetectors detect the presence of particles. By adjusting the positional relationship, the condensing position of the trapping laser light in the three-dimensional space and the particle existence position in the three-dimensional space can be matched.
When the presence / absence of particles is detected by a photodetector, any of reflection, absorption, and scattering phenomenon by particles may be used. If the particles are stained with a fluorescent material, luminescence can be used.
本発明者らは、レーザトラッピング現象を利用して粘度を測定する場合には、液体中を浮遊している粒子の3次元空間内での位置と、トラップ用レーザの3次元空間内での集光位置を、正確に一致させることの重要性を初めて認識した。
本発明は、粘度を正確に測定する方法にも具現化することができる。本発明で創作された方法は、液体中に浮遊している粒子に集光レーザを照射して粒子を集光位置にトラップ(捕捉)し、集光位置を液体に対して相対移動させることによって集光位置にトラップされた粒子を液体に対して相対移動させることによって液体の粘度を測定する方法であり、集光位置を液体に対して相対移動させるに先立って、集光レーザの3次元空間内での集光位置と粒子の3次元空間内での存在位置を一致させる工程を実施することを特徴とする。その工程では、レーザの集光位置又は粒子の存在位置の少なくとも一方を3軸方向に移動させることが可能な位置調整手段を利用することを特徴とする。
When measuring the viscosity using the laser trapping phenomenon, the present inventors have determined the position of the particles floating in the liquid in the three-dimensional space and the concentration of the trapping laser in the three-dimensional space. We recognized for the first time the importance of precisely matching the light position.
The present invention can also be embodied in a method for accurately measuring viscosity. The method created in the present invention is to irradiate particles floating in a liquid with a focused laser, trap the particles at the focused position, and move the focused position relative to the liquid. This is a method of measuring the viscosity of the liquid by moving the particles trapped at the condensing position relative to the liquid, and prior to moving the condensing position relative to the liquid, the three-dimensional space of the condensing laser And a step of matching the position where the light is focused and the position where the particles are present in the three-dimensional space. In this step, a position adjusting means capable of moving at least one of the laser condensing position and the particle existing position in the three-axis directions is used.
集光位置を液体に対して相対移動させるに先立って、3次元空間内での集光位置と3次元空間内での粒子存在位置を一致させる工程を実施すると、測定結果の再現性が大幅に向上する。液体の真の粘度(とくに高粘度な液体の粘度)を正確に測定することが可能となる。 Prior to the relative movement of the condensing position with respect to the liquid, if the step of matching the condensing position in the three-dimensional space with the particle existence position in the three-dimensional space is performed, the reproducibility of the measurement result is greatly increased. improves. It becomes possible to accurately measure the true viscosity of a liquid (particularly the viscosity of a highly viscous liquid).
本発明によると、測定対象である液体の真の粘度を正確に測定することが可能となる。 According to the present invention, it is possible to accurately measure the true viscosity of a liquid to be measured.
最初に本発明の主要な特徴を列記する。
(実施形態1)
測定対象の液体は、塗料や高分子材料等の各種の液体である。なかでも高粘度な液体に対して本発明は特に有効である。液体の形態は特に限定されず、薄膜や積層膜を有するものや、2種類以上の相から成る分散系であってもよい。微小体積しかもたない各膜や各相毎に粘度を計測することが可能である。
(実施形態2)
測定対象の液体の温度を変化させる手段を有する。任意の温度で粘度を測定することができる。
(実施形態3)
粒子は、沈殿することなく液体中で浮遊するものであればよい。沈殿を防ぐために粒子の表面に処理を施してもよい。粘度の計測のために液体に粒子を添加してもよいが、予め液体中に含まれている粒子を用いることもできる。
(実施形態4)
粒子自体が照射レーザに対して所定の波長の光(蛍光など)を発する物質であったり、あるいは粒子の表面にそのような物質を結合させておいてもよい。共焦点系での検出精度が向上するために、液体中に浮遊している粒子の位置を精度よく検出することができる。
(実施形態5)
粒子の形状は特に限定されないが、球形であることが好ましい。球形の粒子の場合は前記式(1)が成立するので、計測が容易で計測精度が高くなる。粒子の径は、計測対象の液体のかたまりの3次元寸法より十分小さいことが要求される。十分小さい場合に前記式(1)が成立するためである。粒子径の分布は、できるだけ小さい範囲にとどまることが好ましい。粘度の算出には粒子径が不可欠であり、分布範囲が十分小さいと、平均粒子径を粘度計算上の粒子径として用いることができ、粘度の測定の都度粒子径を計測する必要がないのに対し、分布範囲が大きいと、粘度測定の都度粒子径を計測しなければならないためである。
(実施形態6)
レーザでトラップする粒子は、レーザに対して透明であることが望ましい。粒子の材料としては、吸収、散乱、反射が小さいもので、屈折率が液体よりも大きいことが望ましいため、液体との関係で選択する必要がある。
(実施形態7)
液体中の粒子の濃度は、レーザを照射してトラップする粒子を探すのに必要以上の時間がかからない範囲でできるだけ低いことが好ましい。濃度が高いと液体の粘度に対する粒子の濃度の影響が無視できなくなるためである。
(実施形態8)
レーザトラッピング法に用いるレーザ発生装置は、レーザ光源と集光光学系を有する。(実施形態9)
レーザ光源には、固体レーザ、気体レーザ、半導体レーザ等、各種のレーザを用いることができる。レーザの波長は、液体および粒子に及ぼす影響が無いものが望ましく、具体的には、液体および粒子による吸収等ができる限り小さいことが望ましい。レーザは強度勾配を持つガウシアンビームを用いることが好ましい。レーザのパワーは、液体および粒子に悪影響を及ぼさない範囲でできる限り大きいことが望ましい。レーザが粒子をトラップする力の大きさは、レーザパワーに比例し、トラップ力が大きいほど高精度の測定が可能となるためである。また、レーザのパワーは可変であることが望ましい。
(実施形態10)
集光光学系は、レーザ光源からのレーザを測定対象の液体内に焦点を結ぶように集光する。
(実施形態11)
集光光学系と液体との距離は短い方が好ましい。集光位置のスポット径は焦点距離に比例するため、距離が短い方がスポット径が小さく、集光位置でのパワー密度が高くなってトラップ力が大きくなるためである。また、本発明によると、スポット径が小さく、パワー密度が高くなっている集光位置に対して浮遊している粒子の位置を3次元で一致させることができるために特に有効であると言える。
(実施形態12)
集光位置と液体の相対移動装置は、集光位置を移動させてトラップした粒子に液体の粘性抵抗力を作用させるものでもよいし、液体を移動させてトラップした粒子に粘性抵抗力を作用させるものでもよい。前者ではガルバノミラーを用いることができ、後者ではピエゾ素子等の微動手段を用いることができる。後者が簡単かつ低コストで製作できるので好ましい。
(実施形態13)
相対移動装置は、トラップした粒子、あるいは液体を、等速直線運動させるものが好ましい。粘度の算出に前記式(1)のストークスの法則を用いるためである。前記式(1)の粘性抵抗力に比べて慣性力が無視できる場合は、等加速度直線運動、等速円運動、単振動をさせるものでもよい。運動の方向は限定されないが、粘度の算出を容易とするために、レーザの入射面と直行する2次元の面内とすることが好ましい。
(実施形態14)
粒子計測装置として、顕微鏡、ビデオカメラ、画像解析装置等を用いることができる。粒子計測装置が自動計測を行う場合は、光検出器を有し、レーザと、レーザが照射された粒子との相互作用光を光検出器で検出することが好ましい。レーザとは異なる光源からの光と、レーザが照射された粒子との相互作用光を検出してもよい。光検出器として、例えば、フォトダイオード等の半導体光検出器や光電子増倍管等を用いることができる。小さな光検出器を用いることで粘度測定装置全体の小型化を図れるだけでなく、簡単かつ低コストとなる。他に、静電気容量式運動計等の電気的装置、粒子を磁性体粒子にして磁気センサを用いる磁気的装置、超音波運動計等の音波的装置等を用いてもよい。
(実施形態15)
粒子による反射、吸収、散乱、蛍光等の相互作用による光(反射光、透過光、散乱光、蛍光等)は粒子に光が照射されていると生じるが、照射されなくなると生じなくなる。したがって、光検出器を有する粒子計測装置によって粒子がレーザ集光位置にとどまっているか否かによって運動を検出する場合は、粒子による相互作用光の有無を検出することによって運動を検出することができる。
(実施形態16)
液体の真の粘度を正確に測定するために、液体の上層、中層、下層などのさまざまな箇所において浮遊している粒子の粘度を測定し、その平均値を測定値とするのが好ましい。あるいは、支持されている液体の中心(表面近傍は、例えば液体支持体に接触しているなど、外部からの影響が測定値に重層すると考えられる)に浮遊している粒子により粘度を測定するのが好ましい。
First, the main features of the present invention are listed.
(Embodiment 1)
The liquids to be measured are various liquids such as paints and polymer materials. In particular, the present invention is particularly effective for a highly viscous liquid. The form of the liquid is not particularly limited, and it may be a thin film or a laminated film, or a dispersion system composed of two or more phases. Viscosity can be measured for each film or each phase having only a minute volume.
(Embodiment 2)
Means for changing the temperature of the liquid to be measured. Viscosity can be measured at any temperature.
(Embodiment 3)
The particles may be any particles that float in the liquid without sedimentation. In order to prevent precipitation, the surface of the particles may be treated. Particles may be added to the liquid for viscosity measurement, but particles previously contained in the liquid can also be used.
(Embodiment 4)
The particles themselves may be a substance that emits light of a predetermined wavelength (fluorescence or the like) to the irradiation laser, or such a substance may be bound to the surface of the particles. Since the detection accuracy in the confocal system is improved, the position of the particles floating in the liquid can be detected with high accuracy.
(Embodiment 5)
The shape of the particles is not particularly limited, but is preferably spherical. In the case of spherical particles, the above equation (1) is established, so that measurement is easy and measurement accuracy is high. The particle diameter is required to be sufficiently smaller than the three-dimensional dimension of the liquid mass to be measured. This is because the formula (1) is established when the value is sufficiently small. The particle size distribution is preferably as small as possible. The particle size is indispensable for calculating the viscosity. If the distribution range is sufficiently small, the average particle size can be used as the particle size for viscosity calculation, and it is not necessary to measure the particle size every time the viscosity is measured. On the other hand, if the distribution range is large, the particle diameter must be measured every time the viscosity is measured.
(Embodiment 6)
The particles trapped by the laser are preferably transparent to the laser. The material of the particles is small in absorption, scattering, and reflection, and preferably has a refractive index higher than that of the liquid.
(Embodiment 7)
The concentration of particles in the liquid is preferably as low as possible within a range that does not take more time than necessary to find the particles to be trapped by irradiation with the laser. This is because if the concentration is high, the influence of the concentration of the particles on the viscosity of the liquid cannot be ignored.
(Embodiment 8)
A laser generator used for the laser trapping method has a laser light source and a condensing optical system. (Embodiment 9)
As the laser light source, various lasers such as a solid-state laser, a gas laser, and a semiconductor laser can be used. The wavelength of the laser is desirably one that does not affect the liquid and particles, and specifically, it is desirable that the absorption by the liquid and particles be as small as possible. The laser preferably uses a Gaussian beam having an intensity gradient. It is desirable that the laser power be as large as possible without adversely affecting the liquid and particles. This is because the magnitude of the force with which the laser traps particles is proportional to the laser power, and the higher the trapping force, the higher the accuracy of measurement. The laser power is preferably variable.
(Embodiment 10)
The condensing optical system condenses the laser from the laser light source so as to focus on the liquid to be measured.
(Embodiment 11)
The distance between the condensing optical system and the liquid is preferably short. This is because the spot diameter at the condensing position is proportional to the focal length, so that the shorter the distance, the smaller the spot diameter, the higher the power density at the condensing position and the greater the trapping force. In addition, according to the present invention, it can be said that it is particularly effective because the position of the floating particles can be matched in three dimensions with respect to the condensing position where the spot diameter is small and the power density is high.
Embodiment 12
The relative movement device of the condensing position and the liquid may be one that applies the viscous resistance force of the liquid to the trapped particles by moving the condensing position, or applies the viscous resistance force to the trapped particles by moving the liquid. It may be a thing. In the former case, a galvanometer mirror can be used, and in the latter case, fine movement means such as a piezo element can be used. The latter is preferable because it can be manufactured easily and at low cost.
(Embodiment 13)
The relative movement device is preferably a device that linearly moves trapped particles or liquid at a constant speed. This is because Stokes' law of the formula (1) is used for calculating the viscosity. When the inertial force is negligible compared with the viscous resistance force of the above formula (1), a constant acceleration linear motion, a constant velocity circular motion, or a simple vibration may be used. The direction of motion is not limited, but it is preferable to be in a two-dimensional plane perpendicular to the incident surface of the laser in order to easily calculate the viscosity.
(Embodiment 14)
As the particle measuring device, a microscope, a video camera, an image analysis device, or the like can be used. When the particle measuring apparatus performs automatic measurement, it is preferable to have a photodetector and detect the interaction light between the laser and the particles irradiated with the laser with the photodetector. You may detect the interaction light with the light from the light source different from a laser, and the particle | grains with which the laser was irradiated. As the photodetector, for example, a semiconductor photodetector such as a photodiode, a photomultiplier tube, or the like can be used. By using a small photodetector, not only can the size of the entire viscosity measuring apparatus be reduced, but also the cost can be simplified and reduced. In addition, an electrical device such as an electrostatic capacity type motion meter, a magnetic device using particles as magnetic particles and using a magnetic sensor, a sound device such as an ultrasonic motion meter, or the like may be used.
(Embodiment 15)
Light (reflection light, transmitted light, scattered light, fluorescence, etc.) due to the interaction of reflection, absorption, scattering, fluorescence, and the like by the particles is generated when the particles are irradiated with light, but is not generated when the particles are not irradiated. Therefore, in the case where the motion is detected based on whether or not the particles remain at the laser focusing position by the particle measuring device having the photodetector, the motion can be detected by detecting the presence or absence of the interaction light due to the particles. .
(Embodiment 16)
In order to accurately measure the true viscosity of the liquid, it is preferable to measure the viscosity of particles floating in various places such as the upper layer, middle layer, and lower layer of the liquid, and use the average value as the measured value. Alternatively, the viscosity is measured by particles suspended at the center of the liquid being supported (the surface vicinity is in contact with the liquid support, for example, and external influences are thought to overlay the measured values). Is preferred.
図面を参照して以下に各実施例を詳細に説明する。
(第1実施例) 図1に、第1実施例の粘度測定装置の概略構成図を示す。
図示22はガラス板であり、そのガラス板22に測定対象である液体24が塗布されている。この液体24中に、粒径分布が非常に小さい球状シリカが添加されて浮遊している。
Embodiments will be described in detail below with reference to the drawings.
First Example FIG. 1 shows a schematic configuration diagram of a viscosity measuring apparatus according to a first example.
22 is a glass plate, and a liquid 24 to be measured is applied to the glass plate 22. In this liquid 24, spherical silica having a very small particle size distribution is added and floated.
トラップ用レーザ発生装置32と、第1ガルバノミラー34と、集光レンズ36等によって集光光学系(第1光学系)が形成されている。
第1ガルバノミラー34は、集光位置を光軸(この例の場合は紙面上下方向)に垂直な面内(液面に平行な面)を2次元で移動可能としている。さらに、集光レンズ36は、図示しない調整マウントなどによって、光軸に沿って(液体24の深さ方向に沿って)移動可能に構成されており、これにより、トラップ用レーザ発生装置32からのレーザの集光位置は、液体24中を3次元で移動可能となっている。
トラップ用レーザ発生装置32からの平行レーザは、集光レンズ36によって液体24中に集光されて、浮遊している粒子26をトラップすることができる。
A condensing optical system (first optical system) is formed by the
The
The parallel laser from the
一方、位置検出用レーザ発生装置42と、ハーフミラー43と、第2ガルバノミラー44と、対物レンズ45と、収束レンズ46と、共焦点ピンホール47と、光検出器48等によって共焦点光学系(第2光学系)が形成されている。
対物レンズ45は、位置検出用レーザ発生装置42からの平行レーザを液体24中の焦点に集光するとともに、その焦点からの放射光を平行光に変換する。収束レンズ46は、平行光を共焦点ピンホール47に焦点する。光検出器48は、共焦点ピンホール47を通過した光を検出することができる。
第2ガルバノミラー44は、対物レンズ45による焦点を光軸に垂直な面内(液面に平行な面)を2次元で移動可能としている。さらに、対物レンズ45は、図示しない調整マウントによって、光軸に沿って(液体の深さ方向に沿って)移動可能に構成されており、これにより、位置検出用レーザ発生装置42からの平行レーザの焦点は、液体24中を3次元で移動可能となっている。
On the other hand, a confocal optical system includes a position
The
The
位置検出用レーザ発生装置42からの平行レーザは、ハーフミラー43と、第2ガルバノミラー44と、対物レンズ45を介して液体24中に焦点を結ぶ。この焦点を3次元で走査することで、液体24中に浮遊している粒子26に焦点が合わされる。この焦点に存在する粒子26からの反射光は、対物レンズ45と、ガルバノミラー44による入射光路を戻り、ハーフミラー43を透過して、収束レンズ46を介して共焦点ピンホール47に結像される。共焦点ピンホール47を用いることで、液体24中の焦点にある粒子26の反射光のみからの光強度を光検出器48によって検出することができる。これにより、液体24中に浮遊している粒子26の位置を3次元で検出することが可能である。
The parallel laser from the position
第1実施例による粘度の測定方法について説明する。測定に先だって、図2に例示する検量線を得ておく。
検量線を得るためには、レーザを用いない既存の方法によって粘度が既知の液体に対して、半径が既知の粒子を浮遊させ、レーザによってその粒子を集光位置にトラップする。その状態で、集光位置を液体24に対して変位させ、トラップ粒子に作用する粘性抵抗力によって粒子を集光位置にトラップしておくことができなくなったときの、液体24に対する集光位置の移動速度と、粒子をトラップしていたレーザの出力を検出する。レーザの出力を変化させ、移動速度を変化させ、粘度を異にする各種の液体に対して粒子をトラップしておくことができなくなったときの「粘度と、移動速度と、レーザ出力」の関係を整理しておくことによって、図2の検量線を得ることができる。
The viscosity measuring method according to the first embodiment will be described. Prior to the measurement, a calibration curve illustrated in FIG. 2 is obtained.
In order to obtain a calibration curve, particles having a known radius are suspended in a liquid having a known viscosity by an existing method that does not use a laser, and the particles are trapped at a condensing position by a laser. In this state, the condensing position with respect to the liquid 24 when the condensing position is displaced with respect to the liquid 24 and the particles cannot be trapped in the condensing position due to the viscous resistance acting on the trapped particles. The moving speed and the output of the laser trapping the particles are detected. Relationship between "viscosity, moving speed, and laser output" when it becomes impossible to trap particles for various liquids with different viscosities by changing the laser output, changing the moving speed By arranging the above, the calibration curve of FIG. 2 can be obtained.
検量線を得ておいてから、粘度が未知の液体の粘度測定処理を開始する。
まず、共焦点光学系を用いて液体支持体22に塗布されている液体24中を、3次元で焦点を走査して浮遊している粒子26の位置を検出する。なお、この段階では、集光光学系のトラップ用レーザ発生装置32は動作していない。
次に、この検出された粒子26の3次元の位置は、コンピュータ52に伝達され、コンピュータ52はその粒子26の3次元の位置に対応して、集光光学系の第1ガルバノミラー34と集光レンズ36の位置を調整し、トラップ用レーザ発生装置32からのレーザの集光位置を検出された粒子26の位置と一致させる。これにより、浮遊している粒子26の位置と、レーザの集光位置が3次元で一致させることができる。この結果、レーザ出力に対応した一定のトラップ力を粒子26に作用させることができる。
After obtaining a calibration curve, the viscosity measurement process for a liquid whose viscosity is unknown is started.
First, the position of the suspended
Next, the detected three-dimensional position of the
トラップ用レーザ発生装置32からのレーザ出力を一定の状態で、集光光学系の第1ガルバノミラー34によってトラップ粒子26を液体24に対して等速直線移動させる。このとき、トラップ粒子26の移動に追従して共焦点光学系の焦点も移動させる。これは、コンピュータ52を用いて第1ガルバノミラー34と第2ガルバノミラー44を同期して制御させればよい。すると、トラップされている粒子26に液体24からの粘性抵抗力が作用する。粘性抵抗力は、粒子26を集光位置にトラップしておくことを打ち破ろうとする。レーザ出力を一定のままで、移動速度を増加させていくと、ある移動速度に達した時にトラップ粒子26がレーザの集光位置から離脱する。トラップ粒子26が集光位置から離脱すると、共焦点光学系の光検出器48で検出される光強度が低下する。この光強度が低下した瞬間が即ち、レーザのトラップ力と粘性抵抗力が釣合った状態である。この時のレーザ出力と粒子26の移動速度から、予め得ておいた検量線を用いて液体24の粘度を算出することができる。
With the laser output from the
上記の実施例によると、浮遊している粒子26の位置と、トラップ用レーザ発生装置32からのレーザの集光位置を3次元で一致させることができるために、液体の真の粘度を正確に測定することができる。また、粘度測定の再現性を向上させることができる。
上記の実施例の共焦点光学系によると、第2ガルバノミラー44と対物レンズ45を用いることで、液体24中の焦点を3次元で走査可能としており、極めて短時間で粒子26の位置を検出することができる。
また、浮遊している粒子26の位置を検出するまでは、小出力な位置検出用レーザ発生装置42のみを使用し、粘度検出段階で大出力のレーザを短時間だけ照射して粘度の測定を実施することができる。液体24の温度が上昇するなどの問題を回避することができる。
According to the above embodiment, since the position of the floating
According to the confocal optical system of the above-described embodiment, the
Until the position of the suspended
なお、第1実施例の変形例として、以下の手法によっても液体の粘度を測定することができる。
(1)トラップ粒子26の移動速度を一定のままでレーザ出力を低下させ、レーザの集光位置からトラップ粒子26が離脱する瞬間を検出してもよい。
(2)集光光学系の第1ガルバノミラー34を用いて、トラップ粒子26を光軸に垂直な面内で円を描くように変位させ、そのトラップ粒子26に液体からの粘性抵抗力を作用させてもよい。この場合も、円運動の周期を一定のままでレーザ出力を低下させるか、またはレーザ出力が一定のままで円運動の周期を減少させる手法によりトラップ粒子26が集光位置から離脱する瞬間を検出することができる。
(3)位置検出用レーザ発生装置42は、レーザの発生装置である必要はなく、平行光を発生できるものであればよい。例えばランプ等の光源からの光を、ピンホールを通して平行光に変換させる装置を用いてもよい。
(4)トラップ粒子26が集光位置から離脱する瞬間を、顕微鏡を用いて目視で検出してもよい。この構成によると、共焦点光学系を用いて浮遊している粒子の位置を検出した後は、その位置検出用レーザ発生装置42からのレーザの照射を停止することができる。位置検出用レーザ発生装置42からのレーザ自体によって粒子にトラップ力が作用していまう影響や、位置検出用レーザ発生装置42からのレーザによって液体の温度が上昇してしまうなどの影響を無くすことができる。
(5)トラップ粒子26が集光位置から離脱する瞬間を、ビデオカメラを用いた画像解析によって検出してもよい。(4)と同様の効果とともに、粘度測定が自動化されるために手間がかからず好適である。
(6)浮遊している粒子に、レーザを照射してその光圧により粒子を移動させることで粘度を測定してもよい。この場合、共焦点光学系により浮遊している粒子の位置を検出した後に、その粒子に対して集光光学系からレーザを照射する。粒子はそのレーザ出力に対応した光圧を受けて移動する。設置したビデオカメラを用いて、この粒子の移動を撮影記録する。この撮影記録をコンピュータで画像解析することで、粒子の移動速度を計測することができる。これにより、液体の粘度を測定することができる。この例によると、レーザで粒子をトラップする場合に比して、レーザの照射時間が短時間でよく、液体の温度上昇などを抑制することができる。
なお、レーザの光圧で測定する場合も、測定に先だって、粘度が既知の液体に浮遊している粒子に対してレーザの光圧を印加して、「粘度と、移動速度と、レーザ出力」の関係の検量線を得ておく必要がある。
As a modification of the first embodiment, the viscosity of the liquid can also be measured by the following method.
(1) The moment when the
(2) Using the
(3) The position
(4) The moment when the trapped
(5) The moment when the trapped
(6) The viscosity may be measured by irradiating a suspended particle with a laser and moving the particle by its light pressure. In this case, after the position of the floating particle is detected by the confocal optical system, the particle is irradiated with a laser from the condensing optical system. The particles move by receiving a light pressure corresponding to the laser output. Using the installed video camera, this particle movement is recorded and recorded. The moving speed of the particles can be measured by analyzing the image of this photographing record with a computer. Thereby, the viscosity of the liquid can be measured. According to this example, as compared with the case where particles are trapped with a laser, the laser irradiation time is short, and an increase in the temperature of the liquid can be suppressed.
Even when measuring with the laser light pressure, prior to the measurement, the laser light pressure is applied to particles suspended in a liquid of known viscosity, and the "viscosity, moving speed, and laser output" It is necessary to obtain a calibration curve for the relationship.
(第2実施例)
図3に、第2実施例の粘度測定装置の概略構成図を示す。
図示122がガラス板122であり、そのガラス板122に粘度が1Pa・sである高分子溶液124が塗布されている。この高分子溶液124中を、粒径分布が非常に小さい半径1μmの球状ホウ珪酸シリカからなる粒子126が、10-3wt%程度添加されて浮遊している。高分子溶液124はガラス板122上に膜厚が50μmとなるように塗布されている。
ガラス板122はピエゾステージ125(125X、125Y、125Z)に載置されている。このピエゾステージ125は、3軸方向(X、Y、Z方向)に変位可能に構成されたピエゾ素子を有している。このピエゾステージ125は、液面に平行な面をX−Y平面とし、液体124の深さ方向をZ軸として、その3軸方向(X、Y、Z方向)に移動可能である。このピエゾステージ125の3軸方向の移動とともに、ガラス板122も3軸方向に移動可能となっている。
(Second embodiment)
In FIG. 3, the schematic block diagram of the viscosity measuring apparatus of 2nd Example is shown.
122 is a
The
レーザ発生装置142は、波長が532nmのYAGレーザであり、このレーザ発生装置142から発生される平行レーザは、ハーフミラー143で反射して、集光レンズ145を介して高分子溶液124中の一点に集光される。この集光位置に粒子126が存在すると、その粒子126は集光位置にトラップされるとともに、その粒子126からの反射光が、集光レンズ145を介してハーフミラー143を透過し、さらに収束レンズ146によって共焦点ピンホール147に結像される。共焦点ピンホール147を用いることで、集光位置にある粒子126の反射光のみからの光強度をフォトダイオード148によって検出することができる。本実施例では、レーザトラップ用のレーザと、粒子の位置検出用のレーザが兼用して用いられており、一つのレーザ発生装置142のみが設けられている。また、レーザ発生装置142と、ハーフミラー143と、集光レンズ145と、収束レンズ146と、共焦点ピンホール147は、図示しない架台などによってその位置が固定されている。したがって、本実施例では、レーザの集光位置も固定されている。
The
次に、第2実施例による粘度を測定方法について説明する。予め図2に示したような検量線を得ておく。
まず、ピエゾステージ125を3軸方向に移動させた。すると、レーザの集光位置に粒子126が侵入してきたために、フォトダイオード148で検出される光強度が大きくなった。この光強度が大きくなる箇所でピエゾステージ125の移動を停止した。これにより、レーザの集光位置と、高分子溶液124中を浮遊している粒子126の位置とを3次元で一致させるとともに、その粒子126をレーザによってトラップすることができた。
次に、レーザの出力を一定のままで、液面の水平な面内(X−Y平面)においてピエゾステージ125の移動速度を5μmから1μmずつ増加させると、移動速度が9μmの時にフォトダイオード148で検出される光強度が低下した。これにより、移動速度が9μmの時に、集光位置からトラップ粒子126が離脱したことが判明した。予め得ておいた検量線から、この液体の粘度は1Pa・sであることが算出され、液体の真の粘度を正確に測定できたことが確認された。
なお、同様の測定を5回繰返したところ、いずれも粘度は1Pa・sと測定され、再現性の良さも確認された。
Next, a method for measuring the viscosity according to the second embodiment will be described. A calibration curve as shown in FIG. 2 is obtained in advance.
First, the piezo stage 125 was moved in three axis directions. Then, since the
Next, if the moving speed of the piezo stage 125 is increased from 5 μm to 1 μm in the horizontal plane (XY plane) with the laser output kept constant, the
When the same measurement was repeated 5 times, the viscosity was measured as 1 Pa · s, and good reproducibility was confirmed.
(比較例)
次に、第2実施例の比較例を検討した。本比較例では、第2実施例の共焦点光学系を用いないで、液体の上方に設置した光学顕微鏡のみで位置調整を行った。したがって、液面に平行な面内(X−Y平面)での位置は調整されているが、液体の深さ方向(Z軸方向)の位置調整は保証されていない。なお、集光位置からの粒子の離脱はCCDカメラによって検出した。
レーザの出力を一定のままで、液面に平行な面内(X−Y平面)においてピエゾステージ125の移動速度を5μmから1μmずつ増加させると、移動速度が7μmの時にレーザの集光位置からトラップ粒子126が離脱するのがCCDカメラによって観測された。予め得ておいた検量線から、この液体の粘度は1.3Pa・sであることが算出され、液体の真の粘度(1Pa・s)からは外れてしまった。
また、同様の測定を5回繰返したところ、粘度は1.3Pa・s、0.9Pa・s、1.0Pa・s、1.8Pa・s、0.6Pa・sと測定された。測定値には最大で3倍もの誤差が生じており、この結果から、この種の粘度測定の技術において、レーザの集光位置と粒子の位置を一致させることが極めて重要であることが判明した。
(Comparative example)
Next, a comparative example of the second embodiment was examined. In this comparative example, the position adjustment was performed only with the optical microscope installed above the liquid without using the confocal optical system of the second example. Therefore, although the position in the plane parallel to the liquid surface (XY plane) is adjusted, position adjustment in the depth direction (Z-axis direction) of the liquid is not guaranteed. Note that the detachment of particles from the condensing position was detected by a CCD camera.
When the moving speed of the piezo stage 125 is increased by 5 μm to 1 μm in a plane parallel to the liquid surface (XY plane) while the laser output is kept constant, the laser focusing position is increased when the moving speed is 7 μm. It was observed with a CCD camera that the trapped
When the same measurement was repeated 5 times, the viscosity was measured as 1.3 Pa · s, 0.9 Pa · s, 1.0 Pa · s, 1.8 Pa · s, and 0.6 Pa · s. The measured value has an error of up to 3 times. From this result, it was found that it is very important to make the laser focusing position and the particle position coincide in this kind of viscosity measurement technique. .
(第3実施例)
図4に、第3実施例の粘度測定装置の概略構成図を示す。
図示222はガラス板222(あるいは光を透過するプラスチックなどであってもよい)であり、そのガラス板222に粘度が0.5Pa・sである塗料224が塗布されている。この塗料224中を、粒径分布が非常に小さい半径0.5μmの球状ポリスチレンからなる粒子226が、10-3wt%程度添加されて浮遊している。塗料224はガラス板222上に膜厚が100μmとなるように塗布されている。
ガラス板222の一端はステージ228に固定されており、このステージ228はコンピュータ制御により3軸方向(液面に平行な面がX−Y平面であり、液の深さ方向がZ軸方向である)に移動可能となっている。これによりステージ228の3軸方向の移動とともに、ガラス板222も3軸方向に移動可能となっている。
(Third embodiment)
In FIG. 4, the schematic block diagram of the viscosity measuring apparatus of 3rd Example is shown.
One end of the
トラップ用レーザ発生装置232は、波長が1064nmのYAGレーザであり、このレーザ発生装置232から発生される平行レーザは、ハーフミラー234で反射して、集光レンズ236を介して塗料224中の一点に集光される。この集光位置に粒子226が存在すると、その粒子226は集光位置にトラップされる。
The trapping
図示272はハロゲンランプ272であり、このハロゲンランプ272からの光の光路のうち、粒子226を透過した透過光の光路が破線で示されている。
一つの透過光の光路は、集光レンズ236とハーフミラー234を透過するとともに、収束レンズ274を介してフォトダイオード276によってその光強度が検出される。他方の光路は、CCDカメラ278によって検出される。つまり、異なる方向から光を検出することが可能になっている。
また、トラップ用レーザ発生装置232と、ハーフミラー234と、集光レンズ236と、収束レンズ274は、図示しない架台などによってその位置が固定されており、集光レンズ236によって集光されるレーザの光軸は、液面に対して垂直方向に固定されている。
In the figure,
The optical path of one transmitted light is transmitted through the
The positions of the
次に、第3実施例による粘度を測定方法について説明する。予め図2に示したような検量線を得ておく。
まず、ステージ228をコンピュータ制御によって3軸方向に移動させて、フォトダイオード276で検出される光強度が大きくなる箇所で停止するようにプログラムした。この時点では、レーザの集光位置と浮遊している粒子226の位置関係は、液面に平行な面内(X−Y平面)では一致している。しかしながら、そのZ軸方向(光軸方向)には一致していないことがCCDカメラ278によって確認された。そこで、ステージ228をZ軸方向に沿って移動させ、レーザの集光位置と、浮遊している粒子226の位置を3次元で一致させた。
本実施例によると、この位置調整の段階までは、レーザを用いないで、ハロゲンランプ272を用いて実施することができるために、塗料224の温度上昇を抑制できるとともに、高価なレーザの使用を控えることができるため、レーザの使用耐久期間の長期化にも好適である。
Next, a method for measuring the viscosity according to the third embodiment will be described. A calibration curve as shown in FIG. 2 is obtained in advance.
First, the
According to the present embodiment, until the position adjustment stage can be performed using the
次に、トラップ用レーザ発生装置232からレーザを照射して、粒子226をトラップした。
ステージ228を用いて、液面に平行な面内(X−Y平面)においてガラス板222を1μmの等速直線運動させた。この状態でレーザ出力を1秒毎に最大値から1%ずつ減少させると、47%まで減少した時にフォトダイオード276で検出される光強度が低下した。これにより、このレーザ出力の時に、集光位置からトラップ粒子226が離脱したことが判明した。なお、フォトダイオード276で検出する光強度はハロゲンランプ272の光を検出しているので、レーザ出力の低下に伴なう光強度の低下と誤認するはことなく、トラップ粒子226の離脱を正確に検出することができる。予め得ておいた検量線から、この液体の粘度は0.5Pa・sであることが算出され、真の粘度を正確に測定できたことが確認された。
なお、同様の測定を5回繰返したところ、いずれも粘度は0.5Pa・sと測定され、再現性の良さも確認された。
Next, laser was irradiated from the
Using the
When the same measurement was repeated 5 times, the viscosity was measured as 0.5 Pa · s, and the reproducibility was confirmed.
上記の実施例では、集光レーザの集光位置に粒子をトラップし、トラップされた粒子を液体に対して相対移動させることによって液体の粘度を測定する場合を説明した。
それに対し、粒子に対して集光レーザを照射し、光圧で粒子を液体に対して相対移動させることによって液体の粘度を測定することもできる。この場合にも、集光レーザの3次元空間内での集光位置と、粒子の3次元空間内での存在位置を一致させることが有用であり、一致した状態で集光レーザを照射することによって測定結果の再現性が大幅に向上する。
In the above-described embodiment, the case is described in which the viscosity of the liquid is measured by trapping the particles at the focusing position of the focusing laser and moving the trapped particles relative to the liquid.
On the other hand, the viscosity of the liquid can also be measured by irradiating the particle with a focused laser and moving the particle relative to the liquid with light pressure. Also in this case, it is useful to match the focused position of the focused laser beam in the three-dimensional space with the existing position of the particles in the three-dimensional space. This greatly improves the reproducibility of measurement results.
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
Specific examples of the present invention have been described in detail above, but these are merely examples and do not limit the scope of the claims. The technology described in the claims includes various modifications and changes of the specific examples illustrated above.
The technical elements described in this specification or the drawings exhibit technical usefulness alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. In addition, the technology exemplified in this specification or the drawings can achieve a plurality of objects at the same time, and has technical usefulness by achieving one of the objects.
22:液体支持体
24:測定試料
32:トラップ用レーザ発生装置(第1レーザ発生装置の一例)
42:位置検出用レーザ発生装置(第2レーザ発生装置の一例)
22: Liquid support 24: Measurement sample 32: Trapping laser generator (an example of a first laser generator)
42: Position detection laser generator (an example of a second laser generator)
Claims (5)
粒子に照射する集光レーザを発生させる第1光学系と、
液体中に浮遊している粒子の3次元空間内での存在位置を検出可能な第2光学系と、
第1光学系が発生する集光レーザの3次元空間内での集光位置と、第2光学系で検出された粒子の3次元空間内での存在位置を一致させる位置調整手段と、
第1光学系が発生する集光レーザの集光位置を液体に対して相対移動させる手段と、
を有しており、
前記位置調整手段は、前記集光位置又は前記存在位置の少なくとも一方を3軸方向に移動させることが可能であることを特徴とする粘度測定装置。 It is a device that measures the viscosity of a liquid by irradiating a focused laser on particles floating in the liquid, capturing the particles at the focused position, and moving the captured particles relative to the liquid,
A first optical system that generates a focused laser that irradiates the particles;
A second optical system capable of detecting the presence position in 3-dimensional space of particles suspended in a liquid,
And the condensing position in 3-dimensional space of the condensing laser first optical system occurs, a position adjusting means for matching the present position in the three-dimensional space of the detected particles in the second optical system,
Means for moving the focusing position of the focusing laser generated by the first optical system relative to the liquid;
A has,
The viscosity measuring apparatus characterized in that the position adjusting means is capable of moving at least one of the condensing position or the existing position in three axial directions .
集光位置を液体に対して相対移動させるに先立って、集光レーザの3次元空間内での集光位置と粒子の3次元空間内での存在位置を一致させる工程を備えており、
前記工程では、前記集光位置又は前記存在位置の少なくとも一方を3軸方向に移動させることが可能な位置調整手段を利用することを特徴とする液体の粘度測定方法。 The particles suspended in the liquid are irradiated with a condensing laser to capture the particles at the condensing position, and the particles captured at the condensing position are moved relative to the liquid by moving the condensing position relative to the liquid. It is a method of measuring the viscosity of the liquid by relative movement,
Prior to the relative movement of the condensing position with respect to the liquid, the step of matching the condensing position of the condensing laser in the three-dimensional space with the position of the particles in the three-dimensional space ,
In the step, a liquid viscosity measuring method using a position adjusting means capable of moving at least one of the light condensing position or the existence position in three axial directions .
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