JP4372369B2

JP4372369B2 - 光子相関計

Info

Publication number: JP4372369B2
Application number: JP2001101086A
Authority: JP
Inventors: 和典筒井; 基信赤木; 靖座主; 且廣森澤
Original assignee: Otsuka Electronics Co Ltd
Current assignee: Otsuka Electronics Co Ltd
Priority date: 2001-03-30
Filing date: 2001-03-30
Publication date: 2009-11-25
Anticipated expiration: 2021-03-30
Also published as: EP1300660A4; CN1460176A; EP1300660A1; JP2002296118A; WO2002082028A1; TWI227321B; EP1300660B1; KR100522340B1; US6885448B2; KR20030007747A; US20030133110A1; DE60234801D1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、流体中の粒子に、レーザ光などの位相の揃った光を照射し、粒子から散乱される散乱光（以下「ホトン」という）の時間分布を測定する光子相関計に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光子相関計は、ホトンの時間分布を定量的かつ統計的に処理するために、サンプリングゲートが開く時間（以下「サンプリング時間」という）内に検出器に入射するホトン数と、それから時間τだけ離れた時刻のサンプリング時間内に検出器に入射するホトン数とをカウントし、自己相関関数を算出している。
図５は、ホトン数をカウントする方法を示す図であり、横軸に時間ｔをとっている。サンプリング時間はｔsで示している。ある時刻ｔのサンプリング時間内で検出したホトン数をＮ(t)、時刻ｔ＋τのサンプリング時間内で検出したホトン数をＮ(t+τ)で表している。自己相関関数Ｇ(τ)は、Ｎ(t)とＮ(t+τ)との積をとり、時間ｔで積分することにより、求めることができる。前記相関時間τは、一般には、数マイクロ秒から数十ミリ秒と、非常に広い範囲にわたっている。
【０００３】
このような自己相関演算をするのに、従来、ハードウェアを利用した光子相関計と、ソフトウェアを利用した光子相関計のいずれかが用いられている。
ハードウェアを利用した光子相関計は、前記ホトン数をカウントする機構と、そのカウントされたホトン数に基づいて自己相関演算するための累積乗算機（シフトレジスタ等で実現される）とを備えており、高速かつリアルタイムで相関演算が実行できるという特徴をもっている。
【０００４】
一方、ソフトウェアを利用した光子相関計は、サンプリングされたホトン数をメモリに書き込み、プログラムに従ってそのメモリに書き込まれたカウントデータを読み出して演算処理するので、サンプリング時間や、演算処理方法を柔軟に設定・変更することができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
前記ハードウェアを利用した光子相関計では、サンプリング時間ｔs、とりたい相関時間τの範囲、その中での相関時間τをずらせる間隔、規格化の方法といった自己相関演算の各種パラメータは、あらかじめ固定されたものであり、特定範囲の相関時間の分解能を上げるなどといった柔軟なデータ処理ができないという問題がある。また、突発的に検出される試料中のゴミによる散乱光のデータ除去もできない。
【０００６】
また、ソフトウェアを利用した光子相関計では、処理時間が、ハードウェアを利用した光子相関計よりも遅く、長い相関時間を得るために大量のホトンデータを取り込んだ場合、データ処理に時間がかかり、その間ホトン測定を中断してしまうので、データの取得効率が悪いという問題がある。
そこで、本発明は、ハードウェアの処理の高速性と、ソフトウェア処理の柔軟性とを併せ持つ光子相関計を実現することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の光子相関計は、ホトンの供給端子に対して並列に設けられ、複数のホトン入力を採取する基本的なサンプル時間が、各サンプルゲートごとに異なる複数のサンプリングゲート(11a-11e)と、複数のサンプリングゲート(11a-11e)に対応してそれぞれ設けられ、ホトン数に相当するデータを蓄積するための複数のメモリ(12a-12e)と、相関時間に応じて、前記複数のメモリ(12a-12e)の中からデータを読み出すべきメモリ(12a-12e)を選定し、当該選定されたメモリ(12a-12e)に蓄積されたデータを読み出して、ソフトウェアによる相関演算処理を行うための演算処理制御部(21a-21e)とを備え、前記メモリ(12a-12e)とは別の、ホトン数データを格納する複数の外部メモリ(22a-22e)とを備え、前記メモリ(12a-12e)からのデータの読み出しと、前記メモリ(12a-12e)へのデータの書き込みとが並行して行われるものであり、前記演算処理制御部(21a-21e)は、前記外部メモリ(22a-22e)を利用してソフトウェアによる相関演算処理を行うものである。前記サンプリングゲート(11a-11e)が、各ゲートを開くタイミングは、ランダムでなく、互いに同期がとられているものとする（括弧内の符号は対応する部材に付けられた図面の参照符号である）。
【０００８】
前記の構成によれば、サンプリングゲートとメモリとのハードウェアからなる機構により、データの高速書き込み、リアルタイムの読出しが行える。そして、それと並行して、ソフトウェアによる相関演算処理を行うことができるので、多様な演算方法を行うことができる。
また、測定中に、測定と並行してソフトウェアによる相関演算処理を行っているので、試料中のゴミなどによるデータ異常を見つけることが容易にでき、異常データの除去が簡単にできる。
【０００９】
また、前記外部メモリを利用することにより、相当数のホトン数データを格納できるので、相関演算処理の相関時間が長くなっても、相関演算をすることが可能となる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、添付図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、光子相関計８を含む測定システムの全体構成図である。レーザ装置１から照射されるコヒーレントな光は、レンズ２で絞られ、入射用光ファイバ４に入射される。入射用光ファイバ４の先は光散乱測定プローブ３に結合されている。光散乱測定プローブ３は、試料液体ｈを満たしたセル５に挿入され、光散乱測定プローブ３の先端からレーザ光が試料に照射される。
【００１１】
試料内の散乱体積Ｖからの散乱光は、光散乱測定プローブ３に設置された散乱光測定用光ファイバ６に入射され、フォトマルチプライヤ等の受光素子７に入り、受光素子７においてホトンの時系列データが測定される。そして、光子相関計８において、そのデータの自己相関係数が計算される。９は、、粒子サイズ等や、流体中の粒子の拡散係数等を求めるホストコンピュータである。またホストコンピュータ９は、測定システム全体の制御を行う。
【００１２】
なお、前記入射用光ファイバ４及び散乱光測定用光ファイバ６は、シングルモード光ファイバであることが、光のコヒーレンスを保つ上から、好ましい。
前記光子相関計８は、ホトン数をカウントする機能１０及び自己相関計算を行う機能２０を備えている。ホトン数をカウントする機能１０は、ゲート回路、メモリ等のハードウェアで構成される。自己相関計算を行う機能２はプログラムＲＯＭ等の記録媒体に記録されたプログラムを、内蔵コンピュータ（このコンピュータを、以下「ＤＳＰ(Digital Signal Processor)」という）が実行することにより実現される。
【００１３】
図２は、ホトン数をカウントする機能１０を実現するゲート、メモリ等のハードウェアの構成図である。受光素子７から出力されるホトンデータ（例えばホトン数に対応したパルス状の電圧で表される）は、複数のゲート回路１１ａ〜１１ｅに入力される。各ゲート回路１１ａ〜１１ｅは、それぞれ異なった時間で、同期を取りながらゲートを開く。図２では、ゲートを開く時間が１μsecのゲート回路１１ａ、２μsecのゲート回路１１ｂ、４μsecのゲート回路１１ｃ、８μsecのゲート回路１１ｄ、１６μsecのゲート回路１１ｅ、の５つのゲート回路を備えている。
【００１４】
各ゲート回路１１ａ〜１１ｅの出力は、ホトン数を記憶するＳＲＡＭなどの高速のメモリ１２ａ〜１２ｅに与えられる。メモリ１２ａは、１μsecのゲート回路１１ａに対応して、ホトン数のデータを記憶する４つのエリアを持っている。メモリ１２ａは、ホトン数のデータをこれら４つのエリアに順次記憶していく。４つのエリアが一杯になる前に、後述するようにデータは順次読み出されていくので、メモリ１２ａは、一連のホトン数のデータを続いて記憶していくことができる。
【００１５】
メモリ１２ｂは、２μsecのゲート回路１１ｂに対応して、ホトン数のデータを記憶する２つのエリアを持っている。メモリ１２ｂは、ホトン数のデータをこれら２つのエリアに順次記憶していく。２つのエリアが一杯になる前に、後述するようにデータは順次読み出されていくので、メモリ１２ｂは、一連のホトン数のデータを続いて記憶していくことができる。
メモリ１２ｃは、４μsecのゲート回路１１ｃに対応して、ホトン数のデータを記憶する２つのエリアを持っている。メモリ１２ｄは、８μsecのゲート回路１１ｄに対応して、ホトン数のデータを記憶する２つのエリアを持っている。メモリ１２ｅは、１６μsecのゲート回路１１ｅに対応して、ホトン数のデータを記憶する２つのエリアを持っている。これらのエリアの使用方法は、メモリ１２ｂに関連して前述した方法と同様である。
【００１６】
このように、時間間隔１μsec〜１６μsecの異なる時系列データを収集するようにしたのは、相関計算する時の相関時間τに応じて、最適な時間間隔の時系列データを選択したいからである。
例えば、時間間隔が１μsecのデータですべての計算をまかなおうとすれば、相関時間τが長くなればなるほど、データ数が膨大になり、データ処理時間が増大する。時間間隔の異なる時系列データを適宜選択して用いれば、このようなデータ処理時間の増大を避けることができる。
【００１７】
例えば、相関時間τが１−２０μsecの相関計算のためには、時間間隔１μsecの時系列データが最適である。相関時間τが２０−８０μsecの相関計算のためには、時間間隔２μsecの時系列データを用いる、相関時間τが４８０−９６０μsec以上の相関計算には、時間間隔１６μsecの時系列データを用いるなどである。相関時間τがもっと長くなれば、時間間隔１６μsecの時系列データを間引いて用いる。ただし、上にあげた数字は一例であり、実際には、試料や散乱光量に応じて、最適な関係が決定される。
【００１８】
また、読出回路１３ａ〜１３ｅが設けられていて、読出回路１３ａは、メモリ１２ａに記憶されたホトン数のデータを、ホトン数のデータの書き込みより一定時間（非常に短い時間；例えば１μsecの数分の１）遅れて、順次又は交互に、読み出していく。読出回路１３ｂ〜１３ｅも同様に、データの書き込みより一定時間（例えば１μsecの数分の１）遅れて、それぞれ交互に、読み出していく。以上のハードウェアの構成により、読出回路１３ａから、１μsecごとのホトン数のデータが、ほぼリアルタイムに出力されることになる。読出回路１３ｂからは、２μsecごとのホトン数のデータがほぼリアルタイムに出力され、読出回路１３ｃからは、４μsecごとのホトン数のデータがほぼリアルタイムに出力され、読出回路１３ｄからは、８μsecごとのホトン数のデータがほぼリアルタイムに出力され、読出回路１３ｅからは、１６μsecごとのホトン数のデータがほぼリアルタイムに出力されることになる。
【００１９】
図３は、ＤＳＰが自己相関計算を行う機能２０を説明するためのブロック図である。各読出回路１３ａ〜１３ｅのホトン数のデータは、それぞれ相関計算部２１ａ〜２１ｅに与えられる。そして、相関計算部２１ａ〜２１ｅで、ホトン数のデータを外部メモリ（ＤＲＡＭ，ＳＲＡＭなどの高速メモリで構成される）２２ａ〜２２ｅに記憶し、この外部メモリ２２ａ〜２２ｅに記憶されたデータを用いて相関計算が行われる。その結果は、規格化部２３に与えられ、ここにおいて、規格化演算が行われる。
【００２０】
図４は、相関計算部２１ａ〜２１ｅにおいて行う相関計算の手順を説明するためのフローチャートである。フローチャートに沿って説明すると、まず、ＤＳＰは読み出す外部メモリ２２ａ〜２２ｅを特定することによりデータの種類（何μsecゲートを通して収集されたデータか）を特定し、計算方法（例えば相関時間τをいくらにとるか、積分範囲（データ数）をどれだけとるか等）を判断する(ステップＳ１)。この特定や判断は、ＤＳＰがホストコンピュータ９からの指令に従って行う。
【００２１】
そして、外部メモリ２２ａ〜２２ｅが読み出し可能な状態にあるか（すなわち、必要な数のデータが蓄積されているか）を判断し（ステップＳ２）、読み出し可能な状態になれば、データを読出し、相関計算を行う（ステップＳ３）。
この相関計算方法を説明する。以下では、離散的な扱いをするので、記号、添え字等を今まで用いたものから変更する。データ数をＭ，サンプリング時点をｊ(M=1,2,…,M)で表し、相関時間をｋで表す。サンプリング時点ｊのホトン数をｎ_jで表す。
【００２２】
自己相関関数Ｇ_kは
Ｇ_k＝（１／Ｍ）Σｎ_jｎ_j-k（ｊは１からＭまで）（１）
で計算される。
相関計算が完了すれば、カウンタを１増やし（ステップＳ４）、カウンタが規定値になったかどうか判定する（ステップＳ５）。この規定値は、時間をずらせながら相関計算したい回数に相当する。
【００２３】
規定値に達すれば、自己相関関数を規格化する（ステップＳ６）。規格化された自己相関関数をｇ_kで表す。ｇ_kは次の形で表される。
ｇ_k＝Ｇ_k／Ｓ₀ ² (standard normalization) （２）
または
ｇ_k＝Ｇ_k／Ｓ₀Ｓ_k (symmetric normalization) （３）
となる。ここで、Ｓ_k＝Σｎ_j（ｊは１−ｋからＭ−ｋまで）は平均光量である。
【００２４】
以上のようにして、求められた自己相関関数のデータは、ホストコンピュータ９に送られ、ここで、公知のプログラムに従って、粒子の粒径分布、拡散係数等が計算される。
以上で、本発明の実施の形態を説明したが、本発明の実施は、前記の形態に限定されるものではない。例えば、図２の実施形態では、メモリ１２ａは４個のメモリから構成され、メモリ１２ｂ〜１２ｅはそれぞれ２個のメモリから構成されていたが、メモリの個数は、前記数字に限られるものではない。その他本発明の範囲内で種々の変更を施すことが可能である。
【００２５】
【発明の効果】
以上のように本発明の光子相関計によれば、サンプリングゲートとメモリとのハードウェアからなる機構により、データの高速書き込み、リアルタイムの読出しが行え、それと並行して、ソフトウェアによる相関演算処理を行うので、かつ多様な条件の下での、粒子の大きさや、流体中の粒子の拡散係数を、高速に処理することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光子相関計８を含む測定システムの全体構成図である。
【図２】ホトン数をカウントする機能１０を実現するゲート、メモリ等のハードウェアの構成図である。
【図３】ＤＳＰが自己相関計算を行う機能２０を説明するためのブロック図である。
【図４】相関計算部２１ａ〜２１ｅにおいて行う相関計算の手順を説明するためのフローチャートである。
【図５】ホトンをカウントする方法を説明するための図である。
【符号の説明】
８光子相関計
９ホストコンピュータ
１０ホトン数をカウントする機能
１１ａ〜１１ｅゲート回路
１２ａ〜１２ｅメモリ
１３ａ〜１３ｅ読出回路
２０自己相関計算を行う機能
２１ａ〜２１ｅ相関計算部
２２ａ〜２２ｅ外部メモリ
２３規格化部

Claims

ホトンの供給端子に対して並列に設けられ、複数のホトン入力を採取する基本的なサンプル時間が、各サンプルゲートごとに異なる複数のサンプリングゲートと、
複数のサンプリングゲートに対応してそれぞれ設けられ、ホトン数に相当するデータを蓄積する複数のメモリと、
相関時間に応じて、前記複数のメモリの中からデータを読み出すべきメモリを選定し、当該選定されたメモリに蓄積されたデータを読み出して、ソフトウェアによる相関演算処理を行うための演算処理制御部と、
前記メモリとは別の、読み出された所定期間にわたるホトン数データを格納する複数の外部メモリとを備え、
前記メモリからのデータの読み出しと、前記メモリへのデータの書き込みとが並行して行われるものであり、
前記演算処理制御部は、前記外部メモリを利用してソフトウェアによる相関演算処理を行うものであることを特徴とする光子相関計。