JP5956849B2 - 光学式液中粒子検出装置及び液中粒子の検出方法 - Google Patents

Description

本発明は環境評価技術に関し、特に光学式液中粒子検出装置及び液中粒子の検出方法に関する。

バイオクリーンルーム等のクリーンルームにおいては、粒子検出装置を用いて、飛散している粒子が検出され、記録される（例えば、非特許文献１参照。）。粒子の検出結果から、クリーンルームの空調機器の劣化具合を把握可能である。また、クリーンルームで製造された製品に、参考資料として、クリーンルーム内の粒子の検出記録が添付されることもある。

光学式の粒子検出装置は、例えば、クリーンルーム中の気体を吸引し、吸引した気体に励起光を照射する。気体に粒子が含まれていると、励起光を照射された粒子は、蛍光あるいは自家蛍光（以下、「蛍光」及び「自家蛍光」をあわせて「蛍光」という。）を発する。粒子が発する蛍光の波長及び強度は、粒子の種類に依存する。したがって、粒子が発した蛍光の波長あるいは強度を観測することにより、クリーンルーム内を飛散している粒子の種類を特定することが可能である。また、光学式の粒子検出装置は、粒子に光を照射することによって生じた散乱光を解析することにより、粒子の濃度や大きさ等を特定することも可能である。

さらに、飲料メーカ、医薬品メーカ、及び浄水場等においては、光学式の粒子検出装置が、液体中に含まれる粒子を検出するために用いられることもある（例えば、特許文献１乃至３参照。）。

特開２００８−３９４０５号公報 特開２００６−２５０６８６号公報 特開２００２−２４３６２０号公報

長谷川倫男他，「気中微生物リアルタイム検出技術とその応用」，株式会社山武，azbil Technical Review 2009年12月号，p.2-7，2009年

液体雰囲気で微粒子を検出する粒子検出装置において、液体の屈折率が変化する場合がある。そこで、本発明は、液体の屈折率変化に対応可能な光学式液中粒子検出装置及び液中粒子の検出方法を提供することを目的の一つとする。

本発明の態様によれば、（ａ）検査光を発する光源と、（ｂ）検査光を平行光に変換する変換手段と、（ｃ）平行光に変換された検査光が透過する光源側透光性部材と、（ｄ）光源側透光性部材を透過した検査光を焦点に向けて反射する集光反射鏡と、（ｅ）光源側透光性部材及び集光反射鏡で囲まれ集光反射鏡の焦点を含む領域が、液体で充填されるよう構成された筐体と、（ｆ）集光反射鏡の焦点に粒子を含む流体を噴射する噴射機構と、（ｇ）流体に含まれる粒子が検査光で照射されることによって発生する散乱光又は蛍光を検出する光検出部と、を備える、光学式液中粒子検出装置が提供される。

また、本発明の態様によれば、（ａ）検査光を発することと、（ｂ）変換手段により検査光を平行光に変換することと、（ｃ）光源側透光性部材に平行光に変換された検査光を透過させて、光源側透光性部材及び光源側透光性部材に対向する集光反射鏡で囲まれた液体が充填されている領域に、検査光を入射させることと、（ｄ）集光反射鏡によって、検査光を、液体が充填されている領域内の焦点に向けて反射することと、（ｅ）集光反射鏡の焦点に粒子を含む流体を噴射することと、（ｆ）流体に含まれる粒子が検査光で照射されることによって発生した散乱光又は蛍光を検出することと、を含む、液中粒子の検出方法が提供される。

本発明によれば、液体の屈折率変化に対応可能な光学式液中粒子検出装置及び液中粒子の検出方法を提供可能である。

本発明の第１の実施の形態に係る光学式液中粒子検出装置の第１の模式図である。 本発明の第１の実施の形態に係る光学式液中粒子検出装置の第２の模式図である。 本発明の第１の実施の形態に係る光学式液中粒子検出装置における光源側透光性部材の固定方法を示す第１の模式図である。 本発明の第１の実施の形態に係る光学式液中粒子検出装置における光源側透光性部材の固定方法を示す第２の模式図である。 本発明の第１の実施の形態に係る光学式液中粒子検出装置における光源側透光性部材の固定方法を示す第３の模式図である。 本発明の第１の実施の形態に係る光学式液中粒子検出装置における光源側透光性部材の固定方法を示す第４の模式図である。 本発明の第２の実施の形態に係る光学式液中粒子検出装置の第１の模式図である。 本発明の第２の実施の形態に係る光学式液中粒子検出装置の第２の模式図である。

以下に本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号で表している。但し、図面は模式的なものである。したがって、具体的な寸法等は以下の説明を照らし合わせて判断するべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。

（第１の実施の形態）
第１の実施の形態に係る光学式粒子検出装置は、図１に示すように、検査光として励起光を発する光源１と、励起光を平行光に変換する変換手段２１と、平行光に変換された励起光が透過する光源側透光性部材１０と、光源側透光性部材１０を透過した励起光を焦点に向けて反射する集光反射鏡３１と、光源側透光性部材１０及び集光反射鏡３１で囲まれ集光反射鏡３１の焦点を含む領域が、液体で充填されるよう構成された筐体２と、集光反射鏡３１の焦点に粒子を含む流体を噴射する噴射機構３と、流体に含まれる粒子が励起光で照射されることによって発生する蛍光を検出する光検出部４と、を備える。ここで、粒子とは、微生物、無害あるいは有害な化学物質、ごみ、ちり、及び埃等のダスト等を含む。

光源１としては、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）が使用可能であるが、これに限定されない。光源１が発する励起光は、可視光であっても、紫外光であってもよい。励起光が可視光である場合、励起光の波長は、例えば４００乃至４１０ｎｍの範囲内であり、例えば４０５ｎｍである。励起光が紫外光である場合、励起光の波長は、例えば３１０乃至３８０ｎｍの範囲内であり、例えば３５５ｎｍである。光源１には、光源１が発する励起光の強度や波長を設定するコントローラや、光源１に電源電流を供給する電源装置が接続される。

変換手段２１は、例えば光源１に相対して配置されている。変換手段２１は、例えば拡散光あるいは放射光を平行光に変換可能な平行光レンズである。光源側透光性部材１０は、変換手段２１に対向して配置されている。また、光源側透光性部材１０は、平行光レンズである変換手段２１の光軸に対して垂直に配置された平板である。光源側透光性部材１０は、例えば光学レンズと同様の材料からなる。

集光反射鏡３１は、平行光レンズである変換手段２１の光軸上に配置されており、光源側透光性部材１０と相対している。集光反射鏡３１としては、放物面鏡、あるいは単一の曲率半径を有する球面鏡が使用可能である。また、図２に示すように、集光反射鏡３２として、軸外し放物面鏡あるいは軸外し球面鏡を使用してもよい。集光反射鏡３１、３２は、研磨されたガラスにアルミ（Ａｌ）や金（Ａｕ）等の金属をコーティングすることにより製造される。あるいは集光反射鏡３１、３２は、アルミ及びステンレス等の金属材料をダイヤモンド切削針等で機械加工することによって製造される。光源１から放射された励起光は、変換手段２１で平行光に変換され、集光反射鏡３１に入射する。集光反射鏡３１において励起光は反射され、集光反射鏡３１の焦点に集光される。

さらに、図１に示す光学式粒子検出装置は、光軸が集光反射鏡３１の焦点を通る検出側透光性部材１１を備える。集光反射鏡３１の焦点において、検出側透光性部材１１の光軸は、例えば変換手段２１の光軸と略直交する。検出側透光性部材１１は、例えば凹面レンズである。検出側透光性部材１１は、例えば光学レンズと同様の材料からなる。

筐体２は、光源側透光性部材１０、集光反射鏡３１、及び検出側透光性部材１１で囲まれ集光反射鏡３１の焦点を含む領域が、液体で充填されるよう構成されている。光源側透光性部材１０、集光反射鏡３１、及び検出側透光性部材１１は、それらで囲まれた領域を封止し、充填された液体が外側に漏れ出ることを防止する。具体的には、光源側透光性部材１０は、液体が変換手段２１側に漏れ出すことを防止する。また、検出側透光性部材１１は、液体が光検出部４側に漏れ出すことを防止する。

噴射機構３は、ポンプ等によって筐体２の外部から流体を吸引し、ノズル等を介して、吸引した流体を集光反射鏡３１の焦点に向けて噴射する。流体は、液体であっても、気体であってもよい。集光反射鏡３１の光軸に対して、噴射機構３から噴射される流体の進行方向は、例えば、略垂直に設定される。ここで、流体に粒子が含まれていると、励起光で照射された粒子が蛍光を発する。例えば、粒子が細菌を含む微生物等である場合、微生物に含まれるトリプトファン、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド、及びリボフラビン等が、励起光を照射されることによって蛍光を発する。

細菌の例としては、グラム陰性菌、グラム陽性菌、及びカビ胞子を含む真菌が挙げられる。グラム陰性菌の例としては、大腸菌が挙げられる。グラム陽性菌の例としては、表皮ブドウ球菌、枯草菌芽胞、マイクロコッカス、及びコリネバクテリウムが挙げられる。カビ胞子を含む真菌の例としては、アスペルギルスが挙げられる。集光反射鏡３１で集光された励起光を横切った気流は、排気機構によって筐体２の外部に排気される。

粒子が発した蛍光は、検出側透光性部材１１を透過する。さらに、筐体２内部には、集光反射鏡３１の焦点と光検出部４の間に、粒子が発した蛍光であって、検出側透光性部材１１を透過した蛍光を平行光にする検出系平行光レンズ４１、及び検出系平行光レンズ４１で平行光にされた蛍光を、光検出部４に向けて集光する検出系集光レンズ４３が配置されている。検出系平行光レンズ４１は、例えば、光軸が集光反射鏡３１の焦点を通るように配置される。検出系平行光レンズ４１と、検出系集光レンズ４３と、の間には、特定の蛍光のみを透過させる波長選択素子４２が配置されてもよい。波長選択素子４２としては、ロングパスフィルタのようなバンドパスフィルタが使用可能である。光検出部４としては、フォトダイオード及び光電子増倍管等が使用可能である。光検出部４には、例えば、検出した蛍光の強度を統計処理するコンピュータが接続される。

以上説明した第１の実施の形態に係る光学式粒子検出装置においては、集光反射鏡３１に入射した励起光は、色収差なしに、集光反射鏡３１の焦点に集光される。そのため、検出対象となる粒子に応じて励起光の波長を変えても、励起光の光源１以外の光学系を変更したり、粒子が含まれうる気流の流路を変更したりする必要がない。よって、低いコストで多数の種類の粒子を検出し、識別することが可能となる。

また、平行光レンズである変換手段２１、検出系平行光レンズ４１、及び検出系集光レンズ４３の少なくとも一つが、色消しレンズ（Ａｃｈｒｏｍａｔｉｃ ｌｅｎｓ）であってもよい。屈折率及び光の分散（アッベ数）が異なる２枚以上のレンズを組み合わせることにより、色消しレンズは構成される。例えば、クラウンガラスの凸レンズにフリントガラスの凹レンズを組み合わせて色消しレンズは構成される。平行光レンズである変換手段２１、検出系平行光レンズ４１、及び検出系集光レンズ４３の少なくとも一つを色消しレンズとすることにより、色収差のさらなる補正が可能となる。

さらに、第１の実施の形態に係る光学式粒子検出装置においては、筐体２、光源側透光性部材１０、集光反射鏡３１、及び検出側透光性部材１１で囲まれた領域を液体で充填することが可能である。そのため、液中に存在する微粒子を検出することも可能である。加えて、第１の実施の形態に係る光学式粒子検出装置においては、平行光に変換された励起光が平板である光源側透光性部材１０に入射する。そのため、内部に充填される液体の組成の変化、あるいは励起光の波長の変化により、液体の屈折率が変化しても、集光反射鏡３１で集光される励起光の集光点は変化しない。よって、第１の実施の形態に係る光学式粒子検出装置によれば、内部に充填される液体の組成を変化させたり、励起光の波長を変化させたりしても、光学系の調整が不要となる。

光源側透光性部材１０は、例えば図３に示すように、変換手段２１の光軸に対して垂直方向に分割可能な筐体２の分割位置に、オーリング（Ｏ−リング）のような弾性ガスケット３０を介して挟み込まれる。軸方向に力が加えられた弾性ガスケット３０は、筐体２の分割側面と、光源側透光性部材１０の側面と、に密着する。これにより、液体が充填される領域が封止される。また、図４に示すように、光源側透光性部材１０の両側に弾性ガスケット３０を配置してもよい。あるいは、図５に示すように、光源側透光性部材１０は、筐体２の分割位置に設けられた、光源側透光性部材１０の外径と略同一の外径を有する凹部に圧入されていてよい。さらに、図６に示すように、分割された筐体２の一方の側に圧入された光源側透光性部材１０を、弾性ガスケット３０を介して、分割された筐体２の他方の側にはめ込んでもよい。検出側透光性部材１１を筐体２に固定する方法も、同様である。

（第２の実施の形態）
第２の実施の形態に係る光学式粒子検出装置は、図７に示すように、変換手段２２に、軸外し放物面鏡あるいは軸外し球面鏡等の凹面鏡を用いる。励起光が紫外線である場合、変換手段２２にレンズを用いると、透過率が低いという問題がある。また、レンズが蛍光を発する場合もある。これに対し、変換手段２２に、軸外し放物面鏡あるいは軸外し球面鏡を用いると、レンズを用いる際に生じうる紫外線の透過率の低下や、レンズからの蛍光の発生という問題が生じない。

第２の実施の形態においても、集光反射鏡３１として、放物面鏡、あるいは単一の曲率半径を有する球面鏡が使用可能である。あるいは、図８に示すように、集光反射鏡３２として、軸外し放物面鏡あるいは軸外し球面鏡を使用してもよい。第２の実施の形態に係る光学式粒子検出装置のその他の構成要素は、第１の実施の形態と同様である。

（その他の実施の形態）
上記のように、本発明を実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす記述及び図面はこの発明を限定するものであると理解するべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施の形態及び運用技術が明らかになるはずである。例えば、第１及び第２の実施の形態では、検査光として励起光を粒子に照射し、蛍光を検出する例を示した。これに対し、検査光を粒子に照射して生じた散乱光を検出系平行光レンズ４１で平行光にし、散乱光由来の平行光を検出系集光レンズ４３で光検出部４に向けて集光してもよい。粒子による散乱光の強度は、粒子の粒径と相関する。したがって、光検出部４で散乱光由来の光の強度を検出することにより、検出対象の粒子の粒径を求めることが可能となる。このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を包含するということを理解すべきである。

１ 光源
２ 筐体
３ 噴射機構
４ 光検出部
１０ 光源側透光性部材
１１ 検出側透光性部材
２１、２２ 変換手段
３０ 弾性ガスケット
３１、３２ 集光反射鏡
４１ 検出系平行光レンズ
４２ 波長選択素子
４３ 検出系集光レンズ

Claims (14)

1. 検査光を発する光源と、
   前記検査光を平行光に変換する変換手段と、
   前記平行光に変換された検査光が透過する光源側透光性部材と、
   前記光源側透光性部材を透過した検査光を焦点に向けて反射する集光反射鏡と、
   前記集光反射鏡の焦点に粒子を含む流体を噴射する噴射機構と、
   前記流体に含まれる粒子が前記検査光で照射されることによって発生する散乱光又は蛍光を検出する光検出部と、
   前記光検出部と前記集光反射鏡の焦点の間に配置された凹面レンズである検出側透光性部材と、
   前記光源側透光性部材、前記集光反射鏡、及び前記検出側透光性部材で囲まれ前記集光反射鏡の焦点を含む領域が、液体で充填されるよう構成された筐体と、
   を備える、光学式液中粒子検出装置。
2. 前記光源側透光性部材が平板である、請求項１に記載の光学式液中粒子検出装置。
3. 前記集光反射鏡が放物面鏡である、請求項１又は２に記載の光学式液中粒子検出装置。
4. 前記検出側透光性部材と、前記光検出部と、の間に配置された色消しレンズを更に備える、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光学式液中粒子検出装置。
5. 前記変換手段が平行光レンズである、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光学式液中粒子検出装置。
6. 前記変換手段が凹面鏡である、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光学式液中粒子検出装置。
7. 前記凹面鏡が軸外し放物面鏡である、請求項６に記載の光学式液中粒子検出装置。
8. 検査光を発することと、
   変換手段により前記検査光を平行光に変換することと、
   光源側透光性部材に前記平行光に変換された検査光を透過させて、前記光源側透光性部材及び前記光源側透光性部材に対向する集光反射鏡で囲まれた液体が充填されている領域に、前記検査光を入射させることと、
   前記集光反射鏡によって、前記検査光を、前記液体が充填されている領域内の焦点に向けて反射することと、
   前記集光反射鏡の焦点に粒子を含む流体を噴射することと、
   凹面レンズである検出側透光性部材に前記流体に含まれる粒子が前記検査光で照射されることによって発生した散乱光又は蛍光を透過させることと、
   前記検出側透光性部材を透過した前記散乱光又は蛍光を検出することと、
   を含み、
   前記光源側透光性部材、前記集光反射鏡、及び前記検出側透光性部材の間に前記液体が充填されている、
   液中粒子の検出方法。
9. 前記光源側透光性部材が平板である、請求項８に記載の液中粒子の検出方法。
10. 前記集光反射鏡が放物面鏡である、請求項８又は９に記載の液中粒子の検出方法。
11. 前記散乱光又は蛍光を検出することが、前記散乱光又は蛍光を色消しレンズに入射させることを含む、請求項８乃至１０のいずれか１項に記載の液中粒子の検出方法。
12. 前記変換手段が平行光レンズである、請求項８乃至１１のいずれか１項に記載の液中粒子の検出方法。
13. 前記変換手段が凹面鏡である、請求項８乃至１１のいずれか１項に記載の液中粒子の検出方法。
14. 前記凹面鏡が軸外し放物面鏡である、請求項１３に記載の液中粒子の検出方法。

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