JP5438198B1 - 光散乱式粒子計数器 - Google Patents

Abstract

【課題】 ＳＮ比を向上させることができる光散乱式粒子計数器を提供する。
【解決手段】 試料流体にレーザ光Ｌａを照射して粒子検出領域１３を形成し、この粒子検出領域１３を通過する粒子による散乱光Ｌｓを多分割受光素子２３で受光して前記粒子を検出する光散乱式粒子計数器において、粒子検出領域１３における位置に応じて多分割受光素子２３を構成する各受光素子の有効な受光面積を設定する。多分割受光素子２３を構成する各受光素子の有効な受光面積の設定は、多分割受光素子２３に光を遮蔽する遮蔽部材２４を設け、この遮蔽部材２４の形状により、多分割受光素子２３の中心部に対して端部の受光素子の有効な受光面積を小さく設定する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、粒子検出領域を通過する粒子による散乱光を多分割受光素子で受光して前記粒子を検出する光散乱式粒子計数器に関する。

光散乱式粒子計数器において、試料流体にレーザ光を照射して生じる試料流体に含まれる粒子の散乱光とは別に、試料流体自体による散乱光などがあり、これがノイズの一因となる。測定対象となる粒子による散乱光を受光した際の受光素子からの出力信号は、受光素子の面積に依らないのに対し、試料流体の散乱光を受光した際の受光素子からの出力信号は受光素子の受光面積が大きいほど大きくなり、その面積にほぼ比例している。等面積の受光素子からなる多分割受光素子であれば、粒子検出領域におけるレーザ光のエネルギ密度が同じであれば、各受光素子が受けるノイズ量はほぼ同じ値となる。

特許文献１には、受光手段を複数の受光素子で構成し、これらの受光素子の出力を加算処理して、ＳＮ比を向上させる技術が記載されている。

また、特許文献２には、粒子検出領域からの光とは異なる方向からの外来光を低減するために、スリットを用いて、その外来光を遮蔽して、ＳＮ比を向上させる技術が記載されている。

特許第３８１８８６７号公報 特開２００７−７１７９４号公報

しかし、特許文献１に記載の技術においては、多分割受光素子を用いているが、各受光素子の受光面積は同一であるため、背景光などによる各受光素子で生じるノイズはほぼ同一である。そして、粒子検出領域内での光の照射強度は、粒子検出領域の中心部に比べて端部付近では弱くなる傾向にあるため、端部付近を通過する粒子の散乱光も中心部を通過する粒子の散乱光に比べて弱くなる傾向にある。従って、同径の粒子による散乱光の強度が粒子検出領域の中心部に比べ端部付近では低下してしまう（例えば、約半分）ことになり、多分割受光素子の中心部に比べて、端部付近のＳＮ比が低下してしまうので、検出感度も低下してしまう。

また、特許文献２に記載の技術においては、スリットは外来光を遮蔽するための手段であり、粒子検出領域における試料液体自体による散乱光に起因するノイズについて考慮されていない。

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、ＳＮ比を向上させることができる光散乱式粒子計数器を提供しようとするものである。

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を多分割受光素子で受光して前記粒子を検出する光散乱式粒子計数器において、その散乱光は受光素子の受光面積内に収まって、前記粒子検出領域におけるレーザ光の光強度分布の位置に応じて前記多分割受光素子を構成する各受光素子の有効な受光面積を設定するものである。

また、前記多分割受光素子を構成する中心部の受光素子の受光面積に対して、端部の受光素子の有効な受光面積を小さく設定するものである。

前記多分割受光素子に光を遮蔽する遮蔽部材を設け、この遮蔽部材の形状により、前記多分割受光素子の中心部に対して端部の受光素子の有効な受光面積を小さく設定することができる。

前記多分割受光素子の分割位置により、各受光素子の受光面積を設定することができる。

本発明によれば、多分割受光素子の中心部の受光素子の受光面積に対して、端部付近の受光素子の有効な受光面積を小さくすることにより、端部付近の受光素子で生じる背景光によるノイズを低減し、ＳＮ比を向上させることができるので、従来に比べ、粒子の検出感度が向上する。

本発明に係る光散乱式粒子計数器の概要構成図 粒子検出領域の概要図 本発明に係る光散乱式粒子計数器の第１実施の形態の説明図で、（ａ）は多分割受光素子の平面図、（ｂ）は遮蔽板の平面図、（ｃ）は他の遮蔽板の平面図、（ｄ）は多分割受光素子に遮蔽板を設けた状態の平面図、（ｅ）は多分割受光素子に他の遮蔽板を設けた状態の平面図 従来の多分割受光素子の平面図で、（ａ）は１行×５列、（ｂ）は２行×５列、（ｃ）は５行×５列 本発明に係る光散乱式粒子計数器の第２実施の形態に用いる多分割受光素子の平面図 本発明に係る光散乱式粒子計数器の第３実施の形態に用いる多分割受光素子の平面図

本発明に係る光散乱式粒子計数器は、図１に示すように、レーザ光Ｌａを用いて試料液体中の粒子を検出する粒子検出部１と、粒子検出部１の出力信号を処理し、検出結果として粒径と粒数を表示する処理出力部２からなる。

粒子検出部１は、フローセル１１などにより形成される試料液体を流す流路１２と、流路１２にレーザ光Ｌａを照射して粒子検出領域１３を形成するレーザ光源１４と、照射光成形用レンズ１５と、粒子検出領域１３を通過する粒子が発する散乱光Ｌｓを集光する集光レンズ１７と、集光レンズ１７が集光した光を光の強さに応じた電圧に変換する１行×５列の多分割受光素子１８などを備えている。

１行×５列の多分割受光素子１８を構成する５個の受光素子ＰＤ１，ＰＤ２，ＰＤ３，ＰＤ４，ＰＤ５は、夫々の受光面が粒子検出領域１３の各領域に対応するように設置されている。

処理出力部２は、５個の受光素子ＰＤ１，ＰＤ２，ＰＤ３，ＰＤ４，ＰＤ５の出力信号のうち高周波ノイズ成分を減衰させる５個のローパスフィルタＦ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４，Ｆ５と、ローパスフィルタＦ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４，Ｆ５の出力信号が所定の閾値を超えた場合に、粒子として波高値を検出する５個の波高値検出部Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３，Ｈ４，Ｈ５を備えている。

更に、処理出力部２は、波高値検出部Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３，Ｈ４，Ｈ５が検出した波高値に応じた粒径区分毎に粒子数をカウントする５個の計数処理部Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４，Ｄ５と、計数処理部Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４，Ｄ５が処理した各受光素子ＰＤ１，ＰＤ２，ＰＤ３，ＰＤ４，ＰＤ５の算出結果を加算し、粒径と粒数をまとめる加算処理部２１と、加算処理部２１の処理結果の粒径と粒数を表示する出力部２２を備えている。

粒子検出領域１３では、レーザ光源１４が発するレーザ光Ｌａは、図２に示すように、照射光成形用レンズ１５によりビームが絞られている。そして、レーザ光Ｌａの光強度がガウス分布をしており、粒子検出領域１３の中心部Ｃに比べて上下方向の端部Ｅａ，Ｅｂ付近では光強度が弱くなっている。

また、照射光成形用レンズ１５の焦点深度により、粒子検出領域１３の中心部Ｃで集光しているのに比べて左右方向の端部Ｅｃ，Ｅｄ付近ではレーザ光Ｌａが広がりエネルギー密度が小さくなるので光強度が弱くなっている。

図２に示す粒子検出領域１３の上下方向の端部Ｅａ，Ｅｂ付近を粒子が通過すると、光強度は粒子検出領域１３の中心部Ｃに比べて端部Ｅａ，Ｅｂ付近は弱いので、粒子の散乱光Ｌｓも粒子検出領域１３の中心部Ｃを通る粒子に比べ、粒子検出領域１３の端部Ｅａ，Ｅｂ付近を通る粒子では弱くなってしまう。

図２に示す粒子検出領域１３の左右方向の端部Ｅｃ，Ｅｄ付近を粒子が通過すると、光強度は粒子検出領域１３の中心部（照射光成形用レンズの焦点）に比べて端部Ｅｃ，Ｅｄ付近は弱いので、粒子の散乱光Ｌｓも粒子検出領域１３の中心部Ｃを通る粒子に比べ、粒子検出領域１３の端部Ｅａ，Ｅｂ付近を通る粒子では弱くなってしまう。

このように、レーザ光Ｌａの照射強度は、粒子検出領域１３の中心部Ｃに比べて端部Ｅａ，Ｅｂ，Ｅｃ，Ｅｄに近づくほど弱くなるため、端部Ｅａ，Ｅｂ，Ｅｃ，Ｅｄ付近を通る粒子の散乱光Ｌｓも弱くなる。また、試料液体の散乱光などによる背景光も同様な傾向にあるが、粒子の散乱光Ｌｓと比べるとその影響は十分に小さい。

よって、粒子検出領域１３の上下方向と左右方向ともに、粒子検出領域１３の中心部Ｃに比べて、粒子検出領域１３の端部Ｅａ，Ｅｂ，Ｅｃ，Ｅｄ付近ではＳＮ比が低下する傾向にある。この傾向は、粒子検出領域１３の中心部Ｃから離れるほど顕著に現れる。

本発明に係る光散乱式粒子計数器の第１実施の形態は、多分割受光素子として、図３（ａ）に示す２行×７列の多分割受光素子２３を用いる場合、２行×７列の多分割受光素子２０を構成する各受光素子の端部で受光される背景光の光を遮蔽するために、図３（ｂ）に示す遮蔽板２４を設ける。遮蔽部分（遮蔽面積）の形状は限定されるものではなく、図３（ｃ）に示す遮蔽板２５でもよい。

遮蔽板２４，２５は、多分割受光素子２３の中心部から左右及び上下方向の端部に向かって所定の割合で遮蔽面積を大きくするように形成することもできるし、多分割受光素子２３の受光素子ごとに、予め受光する背景光の状態を確認することで、受光素子ごとにその背景光の状態に遮蔽部分の形状を合わせることもできる。遮蔽板２４，２５は、効果的に背景光の光を遮蔽するために、図３（ｄ），（ｅ）に示すように、多分割受光素子２３の受光面に接するように配設する。

多分割受光素子２３への遮蔽板２４，２５の固定は、多分割受光素子２３の受光面の周囲と遮蔽板２４，２５の周囲を直接接着する。または、位置決め部材（不図示）を設け、多分割受光素子２３及び遮蔽板２４，２５を位置決め部材に位置決めして固定することもできる。位置決め及び固定方法は様々であり限定するものではない。

このように、遮蔽板２４，２５を多分割受光素子２３に設けることにより、多分割受光素子２３を構成する中心部の受光素子の受光面積に対して、左右及び上下方向の端部付近の受光素子の有効な受光面積を小さくすることができ、左右及び上下方向の端部付近の受光素子で生じる背景光によるノイズを低減することができる。粒子による散乱光Ｌｓは、遮蔽板２４，２５に遮られなかった場合は受光面積内に結像するので、ＳＮ比を向上させることができ、検出感度も向上する。この場合、遮蔽板２４，２５により粒子検出領域１３の形状が変わることになる。

多分割受光素子としては、２行×７列の多分割受光素子２３の他に、図４に示すように、１行×５列の多分割受光素子１８、２行×５列の多分割受光素子２６、５行×５列の多分割受光素子２７などがあるが、遮蔽板２４，２５を用いる場合にこれらの多分割受光素子１８，２３，２６，２７に限定されない。

本発明に係る光散乱式粒子計数器の第２実施の形態は、図５に示すように、多分割受光素子として、中心部の受光素子３０ａの受光面積に対して、左右方向の受光素子３０ｂ，３０ｃの受光面積を狭くなるように分割した２行×５列の多分割受光素子３０を用いる。

このように、中心部の受光素子３０ａの受光面積に対して、左右方向の受光素子３０ｂ，３０ｃの受光面積を狭くした２行×５列の多分割受光素子３０を用いることにより、左右方向の端部付近の受光素子３０ｂ，３０ｃで生じる背景光によるノイズを低減することができる。粒子による散乱光Ｌｓは、受光面積内に収まるので、ＳＮ比を向上させることができ、検出感度も向上する。受光素子３０ａで受光される粒子による散乱光Ｌｓは、背景光に比べて十分に大きいので、受光面積が大きくなっても問題ない。

本発明に係る光散乱式粒子計数器の第３実施の形態は、図６に示すように、光電変換器１８として、中心部の受光素子３１ａの受光面積に対して、左右及び上下方向の受光素子の受光面積を端部に行くほど狭くした５行×５列の多分割受光素子３１を用いる。

このように、中心部の受光素子３１ａの受光面積に対して、左右及び上下方向の受光素子の受光面積を中心部から離れるに従って狭くした５行×５列の多分割受光素子３１を用いることにより、左右及び上下方向の端部付近の受光素子で生じる背景光によるノイズを低減することができる。粒子による散乱光Ｌｓは、受光面積内に収まるので、ＳＮ比を向上させることができ、検出感度も向上する。受光素子３１ａで受光される粒子による散乱光Ｌｓは、背景光に比べて十分に大きいので、受光面積が大きくなっても問題ない。

本発明の実施の形態では、試料流体を液体として説明したが、気体であっても同様に応用できる。

本発明によれば、多分割受光素子の中心部の受光素子の受光面積に対して、端部付近の受光素子の有効な受光面積を小さくすることにより、端部付近の受光素子で生じる背景光によるノイズを低減し、ＳＮ比を向上させることができるので、従来に比べ、粒子の検出感度が向上する光散乱式粒子計数器を提供することができる。

１…粒子検出部、２…処理出力部、１１…フローセル、１２…流路、１３…粒子検出領域、１４…レーザ光源、１５…照射光成形用レンズ、１７…集光レンズ、１８，２３，２６，２７，３０，３１…多分割受光素子、２１…加算処理部、２２…出力部、２４，２５…遮蔽板、３０ａ，３１ａ…中心部の受光素子、Ｃ…中心部、Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４，Ｄ５…計数処理部、Ｅａ，Ｅｂ，Ｅｃ，Ｅｄ…端部、Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４，Ｆ５…ローパスフィルタ、Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３，Ｈ４，Ｈ５…波高値検出部、Ｌａ…レーザ光（光ビーム）、Ｌｓ…散乱光、ＰＤ１，ＰＤ２，ＰＤ３，ＰＤ４，ＰＤ５…受光素子。

Claims (1)

1. 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を多分割受光素子で受光して前記粒子を検出する光散乱式粒子計数器において、その散乱光は受光素子の受光面積内に収まって、前記多分割受光素子に光を遮蔽する遮蔽部材を設け、この遮蔽部材の形状により、前記粒子検出領域におけるレーザ光の光強度分布の位置に応じて前記多分割受光素子を構成する中心部の受光素子の受光面積に対して、端部の受光素子の有効な受光面積を徐々に小さく設定することを特徴とする光散乱式粒子計数器。

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