JP6726687B2 - Particle analyzer and particle analysis method - Google Patents

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Description

本発明は、粒子の挙動に基づいて、分散媒中の粒子状態を分析する粒子分析装置に関するものである。 The present invention relates to a particle analyzer that analyzes the state of particles in a dispersion medium based on the behavior of particles.

分散媒中に分散する各粒子の物理的な動き、つまり挙動から、分散媒中での粒子の状態(例えば、粒子径分布、粒子数濃度、凝集状態等)を分析する粒子分析装置が知られている。
例えば、特許文献1には、その段落0004等に、NTA(ナノ粒子トラッキング解析法)を用いた粒子の分析方法が記載されている。
A particle analyzer is known that analyzes the state of particles in a dispersion medium (for example, particle size distribution, particle number concentration, agglomeration state, etc.) from the physical movement of each particle dispersed in the dispersion medium, that is, the behavior. ing.
For example, Patent Document 1 describes a particle analysis method using NTA (nanoparticle tracking analysis method) in paragraph 0004 and the like.

このNTAとは、例えばレーザ光を照射された分散媒中の粒子からの散乱光をカメラによって捕らえることにより、ブラウン運動などの各粒子の挙動を取得し、その挙動から前記粒子状態を算出する手法である。 The NTA is, for example, a method of capturing scattered light from particles in a dispersion medium irradiated with laser light by a camera to acquire the behavior of each particle such as Brownian motion and calculating the particle state from the behavior. Is.

この従来手法では、焦点(ピント)の固定された通常の2次元カメラが用いられており、粒子の奥行き方向(z方向)の挙動を検出できないので、それに起因する分析誤差等が生じることを避けられない。
具体的には、以下のような不具合が生じ得る。
(1)3次元的に動いている粒子を2次元の動画から解析するため、奥行き方向(z方向)の動きが無視されてしまい、挙動解析の精度が悪い。
In this conventional method, a normal two-dimensional camera with a fixed focus is used, and the behavior of particles in the depth direction (z direction) cannot be detected. I can't.
Specifically, the following problems may occur.
(1) Since particles that move three-dimensionally are analyzed from a two-dimensional moving image, the movement in the depth direction (z direction) is ignored, and the accuracy of behavior analysis is poor.

(2)焦点の合っている観測領域から外れた粒子は測定できなくなる。したがって、観測領域から外れるまでの極めて限られた短時間でしか、1つの粒子を観測できない。かといって、焦点深度程度に薄いセルを用いると、粘度の高い試料などを用いることができないといった不具合が発生する。 (2) Particles outside the focused observation area cannot be measured. Therefore, one particle can be observed only within a very limited short time until it deviates from the observation region. On the other hand, if a cell with a depth as thin as the depth of focus is used, a problem that a sample with high viscosity cannot be used occurs.

(3)部分的にしか粒子が測定できないので、個数計測に大きな誤差が含まれる。また焦点深度×カメラ画角中の照明が当たっている粒子のみが観測可能であり、測定可能な濃度範囲が狭い。 (3) Since the particles can be measured only partially, a large error is included in the number measurement. Also, only particles illuminated by the depth of focus × camera angle of view can be observed, and the measurable concentration range is narrow.

特表2014−521967号公報Special table 2014-521967 gazette

本発明は、かかる不具合に鑑みてなされたものであって、分散媒中の粒子の挙動をより正確に測定し、それに基づいて、分散媒中の粒子状態を精度よく分析できるようにするとともに、長時間の粒子挙動の観測を可能ならしめることをその主たる所期課題としたものである。 The present invention has been made in view of such a problem, more accurately measures the behavior of the particles in the dispersion medium, based on which, while enabling the particle state in the dispersion medium can be accurately analyzed, The main objective is to enable observation of particle behavior for a long time.

すなわち、本発明に係る粒子分析装置は、分散媒中の粒子の挙動に基づいて、該粒子の分散媒中での状態を分析するものであって、分散媒中の粒子の位置に関する3次元情報を時系列で逐次取得する3次元情報取得デバイスと、前記3次元情報取得デバイスで得られた3次元情報の時系列データに基づいて、粒子の3次元挙動を特定し、該挙動から粒子の分散媒中での状態を分析する粒子状態分析デバイスとを備えることを特徴とするものである。
なお、前記「粒子の位置に関する3次元情報」とは、粒子の3次元位置情報の他、粒子の3次元速度ベクトルや加速度ベクトルも含むものとする。
That is, the particle analyzer according to the present invention analyzes the state of the particles in the dispersion medium based on the behavior of the particles in the dispersion medium, and three-dimensional information on the position of the particles in the dispersion medium. Three-dimensional information acquisition device for sequentially acquiring the three-dimensional information, and based on time-series data of the three-dimensional information obtained by the three-dimensional information acquisition device, three-dimensional behavior of particles is specified, and the dispersion of particles from the behavior A particle state analysis device for analyzing a state in a medium is provided.
The “three-dimensional information regarding the position of the particle” includes three-dimensional position information of the particle, as well as three-dimensional velocity vector and acceleration vector of the particle.

かかる構成によれば、粒子の3次元挙動から粒子状態を分析するようにしているので、従来のように2次元での粒子の挙動に基づいて粒子状態を分析するものに比べ、その精度を飛躍的に向上させることができる。 According to such a configuration, the particle state is analyzed from the three-dimensional behavior of the particle, so that the accuracy is greatly improved as compared with the conventional method that analyzes the particle state based on the two-dimensional behavior of the particle. Can be improved.

また、個々の粒子に対して、長時間かつ3次元すべての情報を得ることができるので、きわめて部分的にしか観測できなかった従来の2次元手法に比べ、種々の粒子挙動がわかるようになり、その結果、観測領域のほぼ全数の個数観測が可能である。また広い範囲を同時に観測しているために、特に薄い濃度に対して有効と期待できる。さらには、2次元の動画からは決して解析できない異方的な動きをしている粒子(らせん運動など)の解析の場合では3次元の観測が有効となる。また、3次元的に観測可能であるため、縦軸方向でブラウン運動観測、横軸方向で電気泳動観測、など同時計測が可能かつ高精度での測定も可能になる。
具体的な一例としては、粒子の挙動がブラウン運動であり、粒子の状態が粒子径分布を挙げることができる。
In addition, since it is possible to obtain all three-dimensional information for individual particles over a long period of time, it becomes possible to understand various particle behaviors as compared with the conventional two-dimensional method that can be observed only partially. As a result, it is possible to observe almost the entire number of observation areas. In addition, since a wide range is observed at the same time, it can be expected to be effective especially for low concentrations. Furthermore, three-dimensional observation is effective in the case of analysis of particles (spiral motion, etc.) that have anisotropic motion that can never be analyzed from a two-dimensional moving image. Further, since it is possible to observe three-dimensionally, simultaneous measurement such as Brownian motion observation in the vertical axis direction and electrophoretic observation in the horizontal axis direction and high-precision measurement are possible.
As a specific example, the behavior of particles is Brownian motion, and the state of particles is a particle size distribution.

同時並行的に複数の粒子状態を分析することも可能である。その一例としては、電場を形成する電場形成手段をさらに具備し、その電場内に分散媒及び粒子が配置されるように構成したものにおいて、前記粒子状態分析デバイスが、前記電場によって生じる粒子の挙動たる電気泳動に基づいて、該粒子のゼータ電位を測定するとともに、前記電場による電位変化方向と異なる方向成分から特定される粒子の挙動たるブラウン運動に基づいて、粒子径を測定するものを挙げることができる。 It is also possible to analyze multiple particle states in parallel. As an example thereof, further comprising an electric field forming means for forming an electric field, wherein the dispersion medium and the particles are arranged in the electric field, the particle state analysis device, the behavior of particles generated by the electric field Based on barrel electrophoresis, the zeta potential of the particles is measured, and the particle diameter is measured based on Brownian motion, which is the behavior of the particles specified from the direction component different from the potential change direction due to the electric field. You can

前記3次元情報の取得を高速化し、粒子の挙動を高い時間分解能で観測できるようにして、粒子状態の精度の高い分析を可能ならしめるには、3次元情報取得デバイスが、焦点距離の異なる複数の2次元カメラを具備したものであり、前記分散媒中の粒子を、各2次元カメラで同時に撮影した2次元画像を統合して前記3次元情報を取得するものであることが好ましい。 In order to speed up the acquisition of the three-dimensional information and to observe the behavior of particles with high time resolution so that the particle state can be analyzed with high accuracy, a three-dimensional information acquisition device is required to have a plurality of different focal lengths. It is preferable that the three-dimensional information is obtained by integrating the two-dimensional images of the particles in the dispersion medium simultaneously captured by the two-dimensional cameras.

このように構成した本発明によれば、粒子の3次元位置情報から粒子状態を分析するようにしているので、従来に比べ、粒子の挙動をより正確に特定することができ、それに基づいて、分散媒中の粒子状態をより精度よく、かつ長時間に亘って分析できるようになる。 According to the present invention configured as described above, since the particle state is analyzed from the three-dimensional position information of the particle, it is possible to more accurately specify the behavior of the particle as compared with the conventional method, and based on that, It becomes possible to analyze the particle state in the dispersion medium more accurately and for a long time.

本発明の第1実施形態における粒子分析装置を模式的に示す全体図。1 is an overall view schematically showing a particle analyzer according to a first embodiment of the present invention. 同実施形態における粒子分析装置の粒子撮影方法を説明するための模式図。The schematic diagram for demonstrating the particle imaging method of the particle analyzer in the same embodiment. 同実施形態における粒子径分布を3Dグラフィックで表示した一例を示す表示画像図。The display image figure which shows an example which displayed the particle diameter distribution in the same embodiment by 3D graphic. 本発明の第2実施形態における粒子分析装置を模式的に示す全体図。The whole figure which shows typically the particle|grain analyzer in 2nd Embodiment of this invention. 本発明の他の実施形態における粒子分析装置の電場付与構造を示す模式図。The schematic diagram which shows the electric field provision structure of the particle analyzer in other embodiment of this invention. 同実施形態におけるゼータ電位分布図の表示画面の一例を示す表示画像図。The display image figure which shows an example of the display screen of the zeta potential distribution diagram in the same embodiment. 本発明のさらに他の実施形態における粒子分析装置の粒子撮影方法を説明するための模式図。The schematic diagram for demonstrating the particle|grain imaging method of the particle analysis apparatus in other embodiment of this invention.

100・・・粒子分析装置
3・・・3次元情報取得デバイス
4・・・粒子状態分析デバイス
100... Particle analysis device 3... Three-dimensional information acquisition device 4... Particle state analysis device

以下に本発明の実施形態に係る粒子分析装置について図面を参照して説明する。
<第1実施形態>
本実施形態に係る粒子分析装置100は、図1に示すように、以下の構成要素を備えたものである。
(1)分散媒中に測定対象となる粒子Sを分散させた試料を収容するセル1。
(2)セルを介して前記試料にレーザ光Rを照射する光源装置2。
(3)粒子Sに前記レーザ光Rが照射されて発生する二次光(例えば散乱光、反射光、透過光など)を検出して、分散媒中の各粒子Sの3次元での位置を示す3次元情報を時系列で逐次取得する3次元情報取得デバイス3。
(4)前記3次元情報取得デバイス3で得られた3次元情報の時系列データに基づいて、粒子Sの挙動を特定し、該挙動に基づいて、粒子Sの分散媒中での状態を分析する粒子状態分析デバイス4。
A particle analyzer according to an embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.
<First Embodiment>
As shown in FIG. 1, the particle analyzer 100 according to this embodiment includes the following components.
(1) A cell 1 containing a sample in which particles S to be measured are dispersed in a dispersion medium.
(2) A light source device 2 for irradiating the sample with laser light R via a cell.
(3) The secondary light (for example, scattered light, reflected light, transmitted light, etc.) generated by irradiating the particles S with the laser light R is detected to determine the three-dimensional position of each particle S in the dispersion medium. A three-dimensional information acquisition device 3 that sequentially acquires the three-dimensional information shown in time series.
(4) The behavior of the particles S is specified based on the time-series data of the three-dimensional information obtained by the three-dimensional information acquisition device 3, and the state of the particles S in the dispersion medium is analyzed based on the behavior. Particle state analysis device 4.

各構成要素を説明する。
前記セル1は、図1に示すように、試料に収容されたガラス、石英、又は、樹脂等で形成された透明なものである。図示例におけるセル1は、直方体乃至立方体状のものであるが、例えば円筒状のもの等、他の形状であってよい。
Each component will be described.
As shown in FIG. 1, the cell 1 is a transparent cell formed of glass, quartz, resin or the like contained in a sample. The cell 1 in the illustrated example has a rectangular parallelepiped shape or a cubic shape, but may have another shape such as a cylindrical shape.

前記光源装置2は、前述したようにレーザ光Rを射出するレーザ発振器(図示しない)と、該レーザ発振器から射出されたレーザ光Rを、所定径の平行光にして出力するレンズ光学系(図示しない)とを具備したものである。この光源装置Rから出力されたレーザ光Rは、前記セル1の一面に照射される。なお、試料に照射する光は、必ずしもレーザ光Rでなくともよい。LED光やハロゲンランプからの光などでもよいし、完全に平行でなくともよい。 The light source device 2 includes a laser oscillator (not shown) that emits the laser light R as described above, and a lens optical system that outputs the laser light R emitted from the laser oscillator as parallel light having a predetermined diameter (shown in the figure). Not)). The laser light R output from the light source device R is applied to one surface of the cell 1. The light with which the sample is irradiated is not necessarily the laser light R. It may be LED light, light from a halogen lamp, or the like, or may not be completely parallel.

3次元情報取得デバイス3は、例えば2次元カメラ(図示しない)と画像処理装置(図示しない)とを具備したものである。2次元カメラは、CCDやCMOS等で構成された2次元エリアセンサ(図示しない)と、該2次元エリアセンサ上に画像を結像させるカメラ光学系(図示しない)と、2次元エリアセンサやカメラ光学系を制御して撮影動作をさせる撮影制御機構(図示しない)とを具備したものである。 The three-dimensional information acquisition device 3 includes, for example, a two-dimensional camera (not shown) and an image processing device (not shown). The two-dimensional camera is a two-dimensional area sensor (not shown) composed of CCD or CMOS, a camera optical system (not shown) for forming an image on the two-dimensional area sensor, and a two-dimensional area sensor or camera. An image pickup control mechanism (not shown) for controlling an optical system to perform an image pickup operation is provided.

この2次元カメラは、レーザ光Rの光軸方向(以下、x方向ともいう。)とは異なる方向、具体的には例えばレーザ光Rの光軸とは垂直な方向(以下、z方向ともいう)からセル1内の試料を撮影するように配置されている。この2次元カメラは、前記撮影制御機構の指令によって、所定の1撮影サイクルで複数毎の2次元画像データを短時間間隔で、連続的に一挙に撮影する。各2次元画像データは、焦点位置(ピント)を一定距離ずらしながら撮影することによって生成したものである。 This two-dimensional camera is in a direction different from the optical axis direction of the laser light R (hereinafter, also referred to as x direction), specifically, for example, a direction perpendicular to the optical axis of the laser light R (hereinafter, also referred to as z direction). ) To image the sample in cell 1. This two-dimensional camera continuously captures a plurality of two-dimensional image data at a short time interval in a predetermined one image capturing cycle in response to a command from the image capturing control mechanism. Each two-dimensional image data is generated by capturing an image while shifting the focal position (focus) by a certain distance.

この実施形態では、図2に示すように、前記各焦点位置がセル1内に設定してあり、各2次元画像データが、セル1内の試料におけるz方向だけがそれぞれ異なるxy面Pの撮影画像を示すものとなるように構成してある。この1撮影サイクルで得られる複数の2次元画像データを統合することによって、セル1内の3次元画像データを生成することができる。 In this embodiment, as shown in FIG. 2, each of the focus positions is set in the cell 1, and each two-dimensional image data is taken in the xy plane P of the sample in the cell 1 which is different only in the z direction. It is configured to show an image. The three-dimensional image data in the cell 1 can be generated by integrating a plurality of two-dimensional image data obtained in this one photographing cycle.

画像処理装置は、CPUやメモリ、通信ポートなどのデジタル電気回路の他、アナログ増幅器やバッファなどのアナログ電気回路、及びそれらを繋ぐADC、DACなどを具備した情報処理装置であり、前記メモリに記憶させた所定のプログラムにしたがってCPUやその周辺機器が協動することによって、各2次元画像データに所定の処理を施すものである。 The image processing apparatus is an information processing apparatus including a digital electric circuit such as a CPU, a memory, and a communication port, an analog electric circuit such as an analog amplifier and a buffer, and an ADC and a DAC that connect them, and is stored in the memory. The CPU and its peripherals cooperate with each other in accordance with the specified program to perform a predetermined process on each two-dimensional image data.

具体的にその機能を説明する。
前記各2次元画像データには、レーザ光Rが各粒子Sに当たって散乱した光がそれぞれ撮影されている。1つの画像データに着目すれば、その画像データには、その焦点距離でのxy面Pに存在する各粒子Sからの二次光が撮影されて、それらが光強度密度の高い輝点として表されている。一方、この画像データには、当該xy面P以外の別の各xy面Pに存在する粒子Sからの散乱光も、ピンボケした状態、すなわち光強度密度の低いぼんやりしたバックグラウンドノイズとして撮影されている。
The function will be specifically described.
In each of the two-dimensional image data, the light scattered by the laser light R striking each particle S is photographed. Focusing on one image data, secondary light from each particle S existing on the xy plane P at that focal length is photographed in the image data, and the secondary light is represented as a bright spot having a high light intensity density. Has been done. On the other hand, in this image data, the scattered light from the particles S existing on each xy plane P other than the xy plane P is also captured as an out-of-focus state, that is, as dim background noise with low light intensity density. There is.

前記画像処理装置は、各2次元画像データから、前記バックグラウンドノイズを除去し、対応するxy面Pに存在する粒子Sからの散乱光だけを抽出して輝点として表し、各粒子Sの当該xy面Pでの位置を特定可能な2次元画像データに変換する。 The image processing apparatus removes the background noise from each of the two-dimensional image data, extracts only the scattered light from the particles S existing on the corresponding xy plane P, and displays the scattered light as a bright spot. The two-dimensional image data whose position on the xy plane P can be specified is converted.

なお、xy面Pに存在する粒子Sとは、厳密にそのxy面だけに存在する粒子Sだけではなく、図2に示すようにその前又は後の微小一定幅、すなわちz方向に微小一定幅の領域にある粒子Sのことである。前記カメラ光学系には、ある程度の焦点深度があるため、ピントの合う領域は、z方向にもある程度の厚みを有するからである。 Note that the particles S existing on the xy plane P are not limited to the particles S existing strictly only on the xy plane, and as shown in FIG. 2, a minute constant width before or after the particle S, that is, a minute constant width in the z direction. The particles S in the region of. This is because the camera optical system has a certain depth of focus, and therefore the focused region also has a certain thickness in the z direction.

前記1撮影サイクルで得られた複数の2次元画像データは、前述したように、前記画像処理装置によってノイズ除去され、このノイズ除去された各2次元画像データが、z方向に並べて統合されることによって、その1撮影サイクル時での3次元画像データとされる。この3次元画像データにおける輝点、すなわち粒子Sの位置は、2次元データにおけるxy座標とその2次元画像データのz座標から把握できるから、該3次元画像データが、セル1内の各粒子Sの3次元での位置を示す3次元情報となる。 As described above, the plurality of two-dimensional image data obtained in the one photographing cycle are noise-removed by the image processing device, and the two noise-removed two-dimensional image data are arranged side by side in the z direction and integrated. Thus, the three-dimensional image data in one photographing cycle is obtained. The bright spot in the three-dimensional image data, that is, the position of the particle S can be grasped from the xy coordinates in the two-dimensional data and the z coordinate of the two-dimensional image data. 3D information indicating the position in 3D.

しかして、この2次元カメラは、前記撮影サイクルを一定時間間隔で所定回数繰り返すように設定されており、各撮影サイクルで逐次得られた3次元画像データは、その撮影時刻と紐付けられて、画像処理装置から、逐次、あるいは撮影終了後、一斉に出力される。なお、撮影時刻は、3次元画像データごとに付帯されていてもよいし、より厳密に、各2次元画像データごとに付帯されていてもよい。 Then, the two-dimensional camera is set to repeat the photographing cycle a predetermined number of times at a constant time interval, and the three-dimensional image data sequentially obtained in each photographing cycle is associated with the photographing time, It is output from the image processing device either sequentially or all at once after the end of shooting. The shooting time may be attached to each three-dimensional image data, or more strictly, to each two-dimensional image data.

前記粒子状態分析デバイス4は、CPU、メモリ、通信ポートなどを備えた情報処理装置であり、そのメモリにしたがって前記CPUやその周辺機器が協動することによって、セル1内の粒子Sの挙動を特定し、該挙動から粒子Sの分散媒中での状態を分析する機能を発揮する。
具体的に説明する。
The particle state analysis device 4 is an information processing device including a CPU, a memory, a communication port, and the like, and the behavior of the particles S in the cell 1 is determined by the cooperation of the CPU and its peripheral devices according to the memory. It has a function of identifying and analyzing the state of the particles S in the dispersion medium from the behavior.
This will be specifically described.

この粒子状態分析デバイス4は、前記画像処理装置から撮影時刻が付帯されて送信されてくる一連の3次元画像データを受信する。これら一連の3次元画像データが、セル1内粒子Sの3次元位置を示す3次元情報の時系列データであり、いわば3次元動画データである。 The particle state analysis device 4 receives a series of three-dimensional image data transmitted from the image processing apparatus with a photographing time. The series of three-dimensional image data is time-series data of three-dimensional information indicating the three-dimensional position of the particle S in the cell 1, that is, three-dimensional moving image data.

そして、この一連の3次元画像データから、各粒子Sの挙動、すなわち、各粒子Sの移動方向、移動速度及び移動向きを特定する。具体的には、ある時刻での3次元画像データと、次の時刻での3次元画像データとを比較し、各粒子Sを示す輝点の位置の変化から、前述した、各粒子Sの挙動を特定する。 Then, the behavior of each particle S, that is, the moving direction, moving speed, and moving direction of each particle S is specified from this series of three-dimensional image data. Specifically, the three-dimensional image data at a certain time is compared with the three-dimensional image data at the next time, and from the change in the position of the bright spot indicating each particle S, the behavior of each particle S described above is determined. Specify.

このとき、初めの3次元画像データでの粒子Sが、次の時刻での3次元画像データのどの粒子Sに該当するかを特定する必要がある。そのために、この粒子状態分析デバイス4は、例えば以下のようにして画像データ間での同一の粒子Sを特定する。 At this time, it is necessary to specify which particle S in the three-dimensional image data at the next time the particle S in the first three-dimensional image data corresponds to. Therefore, the particle state analysis device 4 identifies the same particle S between image data as described below, for example.

説明のため、1つの粒子Sに着目する。初めの3次元画像データに現れた粒子Sは、その移動速度に限界があるため、次の3次元画像データにおいて、初めの位置から前記限界移動速度で規定される所定半径(の球)内に存在する。 For explanation, one particle S is focused. Since the particle S appearing in the first three-dimensional image data has a limit in its moving speed, in the next three-dimensional image data, the particle S falls within a predetermined radius (sphere) defined by the limit moving speed from the first position. Exists.

したがって、この粒子状態分析デバイス4は、次の3次元画像データにおいて、前記所定半径内に存在する粒子Sを、まず検索する。これが1つしかなければ、その粒子Sが、初めの3次元画像データに現れた粒子Sと同一のものであると特定する。 Therefore, the particle state analysis device 4 first searches for particles S existing within the predetermined radius in the next three-dimensional image data. If there is only one, it is specified that the particle S is the same as the particle S that appeared in the initial three-dimensional image data.

一方、次の3次元画像データにおいて、前記所定半径内に複数の粒子Sが存在した場合は、その他の条件を満たす粒子S、例えば、初めの3次元画像データに現れた粒子Sの輝度に最も近い輝度を有する粒子Sを、初めの3次元画像データに現れた粒子Sと同一の粒子Sであると特定する。 On the other hand, in the next three-dimensional image data, when a plurality of particles S exist within the predetermined radius, the brightness of the particle S satisfying other conditions, for example, the brightness of the particle S appearing in the first three-dimensional image data is the highest. The particles S having similar brightness are specified as the particles S that are the same as the particles S that appeared in the initial three-dimensional image data.

このようにして、粒子状態分析デバイス4は、各3次元画像データに現れる各粒子Sの対応関係を明らかにしたうえで、同一の粒子Sの位置の差分から各粒子Sの挙動を特定する。
次に、粒子状態分析デバイス4は、前記各粒子Sの挙動から、粒子Sの分散媒中での状態を分析する。
In this way, the particle state analysis device 4 clarifies the correspondence relationship between the respective particles S appearing in the respective three-dimensional image data, and then specifies the behavior of each particle S from the difference in the position of the same particle S.
Next, the particle state analysis device 4 analyzes the state of the particles S in the dispersion medium from the behavior of each of the particles S.

ここでの粒子Sの状態とは、例えば、ここでは粒子径分布である。前記挙動は、例えばブラウン運動を示すものであるため、このブラウン運動から各粒子Sの粒子径を算出して試料の粒子径分布を算出するようにしている。 The state of the particles S here is, for example, a particle size distribution here. Since the above-mentioned behavior shows, for example, Brownian motion, the particle size of each particle S is calculated from this Brownian motion to calculate the particle size distribution of the sample.

さらにこの実施形態での粒子状態分析デバイス4は、このようにして算出した粒子径分布を、従来のような横軸が粒子径、縦軸が粒子数といった分布グラフで表示する他、図3に示すような3次元マップでディスプレイ41(図1に示す。)に表示する。この3次元マップは、ビュー方向を変えることが可能に構成してある。 Furthermore, the particle state analysis device 4 in this embodiment displays the particle size distribution calculated in this way in a distribution graph in which the horizontal axis represents the particle diameter and the vertical axis represents the number of particles, as shown in FIG. A three-dimensional map as shown is displayed on the display 41 (shown in FIG. 1). This three-dimensional map is constructed so that the view direction can be changed.

この図3の表示例では、複数の粒子径域を設定しておき、各粒子Sがどの粒子径域に属するかを決定した後、各粒子Sを、3次元位置グラフの対応する座標に、粒子径域ごとに表示態様を変えて(例えば色や形状の異なる点状シンボルとして)表示するようにしてある。 In the display example of FIG. 3, after setting a plurality of particle diameter ranges and determining to which particle diameter range each particle S belongs, each particle S is displayed at the corresponding coordinates of the three-dimensional position graph. The display mode is changed for each particle size range (for example, as dot symbols having different colors and shapes).

しかして、このような構成であれば、粒子Sの3次元位置情報から粒子状態を分析するので、従来の2D手法と比べ、粒子Sの挙動をより正確に特定することができ、それに基づいて、例えば分散媒中の粒子径分布をより精度よく測定できるようになる。 With such a configuration, since the particle state is analyzed from the three-dimensional position information of the particle S, it is possible to more accurately specify the behavior of the particle S as compared with the conventional 2D method. For example, the particle size distribution in the dispersion medium can be measured more accurately.

また、前記図3のような表示ができるように構成してあるので、例えば大きい粒子Sが沈んでいる傾向にあるとか、ある範囲の粒子径を有する粒子Sが集合する傾向にあるとかいった解析が直感的にできるようになり、従来では見出せなかった種々の傾向が明らかになって、粒子径分布の解析に新たな可能性を切り開くものとなり得る。 Further, since the display as shown in FIG. 3 is made possible, for example, large particles S tend to be sunk, or particles S having a particle diameter within a certain range tend to aggregate. Analysis became intuitive and various tendencies that could not be found in the past were clarified, which could open up new possibilities for analysis of particle size distribution.

<第2実施形態>
本発明による3方向成分の粒子挙動測定は、前記第1実施形態のように、1つの粒子状態(例えば粒子径)に着目した場合、従来の2方向成分による粒子挙動測定に比べ、精度が飛躍的に向上できるとか、長時間の連続測定が可能になるとかいった効果を奏し得る。
<Second Embodiment>
In the particle behavior measurement of the three-way component according to the present invention, when focusing on one particle state (for example, particle diameter) as in the first embodiment, the accuracy is significantly higher than that of the conventional particle behavior measurement using the two-way component. It is possible to achieve such effects as the improvement in performance and the continuous measurement for a long time.

一方、見方を変えれば、本発明は、従来の2方向成分での粒子挙動測定に比べ、1方向成分だけ多くの情報を得ることができるものであるともいえる。したがって、増加した1方向成分によって、粒子の別の状態を同時に測定することが可能になる。その一例がこの第2実施形態である。 On the other hand, from a different point of view, it can be said that the present invention can obtain a large amount of information for the one-way component as compared with the conventional particle behavior measurement using the two-way component. Thus, the increased one-way component allows the different states of the particle to be measured simultaneously. An example of this is the second embodiment.

この第2実施形態では、ゼータ電位をも測定できるようにしてある。ゼータ電位は、周知のように、試料を電場中に置いたときの粒子Sの移動速度(電気泳動速度)から算出されるものである。 In the second embodiment, the zeta potential can also be measured. As is well known, the zeta potential is calculated from the moving speed (electrophoretic speed) of the particles S when the sample is placed in an electric field.

ここでは、前記セル1の外側に挟むようにy軸方向に離間させて設けた一対の電極板5を設けて、これら電極板5に交流又は直流電圧を印加し、試料に対してy軸方向に電位差が生じる電場を与えるようにしてある。 Here, a pair of electrode plates 5 are provided spaced apart in the y-axis direction so as to be sandwiched on the outside of the cell 1, and an AC or DC voltage is applied to these electrode plates 5 so that the y-axis direction is applied to the sample. An electric field that creates a potential difference is applied to.

なお、3次元情報取得デバイス3のカメラは、電極板5によって撮影が阻害されないように電極板5間からセル1を撮影するように配置してある。具体的には、カメラの光軸方向(撮影光軸)Cが電極板5の面方向とは垂直となるようにしてある。
その他の物理的な構成は、前記第1実施形態と同じである。
The camera of the three-dimensional information acquisition device 3 is arranged so that the cell 1 is photographed between the electrode plates 5 so that the electrode plates 5 do not interfere with the photographing. Specifically, the optical axis direction (shooting optical axis) C of the camera is set to be perpendicular to the surface direction of the electrode plate 5.
Other physical configurations are the same as those in the first embodiment.

ただし、この実施形態では、前記粒子状態分析デバイス4の機能として、粒子Sのゼータ電位測定とブラウン運動の解析に基づく粒子径の測定とを同時並行して行える機能を付加している。 However, in this embodiment, as a function of the particle state analysis device 4, a function of simultaneously measuring the zeta potential of the particle S and measuring the particle diameter based on the analysis of Brownian motion is added.

すなわち、ゼータ電位の測定のために、粒子Sのy軸方向成分の挙動を抽出して、これからゼータ電位を算出する一方、粒子Sのx軸方向成分及びz軸方向成分の挙動からブラウン運動を解析して、粒子径を算出するようにしている。 That is, in order to measure the zeta potential, the behavior of the y-axis direction component of the particle S is extracted and the zeta potential is calculated from this, while the Brownian motion is calculated from the behavior of the x-axis direction component and the z-axis direction component of the particle S. Analysis is performed to calculate the particle size.

ゼータ電位を2種類同時測定することも可能である。例えば、前記実施形態同様、y軸方向に離間させて設けた一対の第1電極板5に加え、z軸方向に離間させて設けた一対の第2電極板6を具備させ、y軸方向に加え、z軸方向にも電位差が生じる電場を与えるようにする。 It is also possible to simultaneously measure two types of zeta potentials. For example, as in the above-described embodiment, in addition to the pair of first electrode plates 5 that are spaced apart in the y-axis direction, a pair of second electrode plates 6 that are spaced apart in the z-axis direction are provided, and in the y-axis direction. In addition, an electric field that causes a potential difference is also applied in the z-axis direction.

このとき、y軸方向には、低周波乃至直流の電圧を印加し、z軸方向には高周波交流電圧を印加する。そして、粒子Sのy方向成分の挙動とz軸方向成分の挙動とを分離して分析する。このようにすれば、粒子Sのy方向成分の挙動からゼータ電位の分布を測定することができ、粒子Sのz方向成分の挙動からは、ゼータ電位の平均値(又は絶対値)を測定することが、並行してできるようになる。その2つの測定結果のディスプレイでの表示例を図6に示す。なお、撮影は、例えば第2電極板6に貫通孔を空けるなどして、その貫通孔を介して行えばよい。 At this time, a low-frequency or direct-current voltage is applied in the y-axis direction, and a high-frequency AC voltage is applied in the z-axis direction. Then, the behavior of the y-direction component and the behavior of the z-axis direction component of the particle S are separated and analyzed. In this way, the zeta potential distribution can be measured from the behavior of the y-direction component of the particle S, and the average value (or absolute value) of the zeta potential can be measured from the behavior of the z-direction component of the particle S. Things can be done in parallel. FIG. 6 shows a display example of the two measurement results on the display. It should be noted that the photographing may be performed through the through hole, for example, by forming a through hole in the second electrode plate 6.

<その他の実施形態>
なお、本発明は前記実施形態に限られない。
粒子Sの挙動の3次元動画化による3D観測ができるので、長時間に亘る粒子S挙動の追跡が可能になる。したがって、例えば、前述した粒子Sのブラウン運動のみならず、セル1内での粒子Sの沈降や浮上、あるいは温度による対流移動などの挙動をも観測する機能を付加することが可能である。
<Other embodiments>
The present invention is not limited to the above embodiment.
Since the 3D observation of the behavior of the particle S by three-dimensional animation can be performed, the behavior of the particle S can be tracked for a long time. Therefore, for example, it is possible to add a function of observing not only the Brownian motion of the particle S described above but also the behavior of the particle S such as settling or floating in the cell 1 or convection movement due to temperature.

また、2つの粒子Sが接近乃至衝突したときの挙動をも3次元計測によって正確に観測可能である。これを粒子分析デバイスに解析させて、粒子間の斥力や引力(これが粒子状態である)を算出するようにしてもよい。これに基づいて粒子の相互作用の解析等が可能になる。これは、ゼータ電位を生じないような粒子にも適用できる。 Moreover, the behavior when the two particles S approach or collide can also be accurately observed by three-dimensional measurement. This may be analyzed by a particle analysis device to calculate repulsive force or attractive force between particles (this is a particle state). Based on this, it becomes possible to analyze the interaction of particles. This also applies to particles that do not produce a zeta potential.

また、試料としてゲルを用いてよい。このようなものであれば、ゲル内に分散する粒子Sの3次元挙動を観測し、その振動状態から各粒子Sの架橋の腕の長さ(これが粒子状態である)を精度よく算出することができる。また、このことにより、ゲルに加わっているせん断力(いわゆる「ずり」)や、その位置などを特定することも可能である。 Also, a gel may be used as the sample. In such a case, the three-dimensional behavior of the particles S dispersed in the gel is observed, and the length of the cross-linking arm of each particle S (this is the particle state) is calculated accurately from the vibration state. You can Further, this makes it possible to specify the shearing force (so-called “sliding”) applied to the gel, its position, and the like.

また、電場のみならず、他の外場(磁場、重力場、遠心力による場など)による粒子Sの挙動を測定するようにしてもよいし、これを種々の形式でマップ化し、視覚的に理解しやすいようにすればより好ましい。 Further, not only the electric field but also the behavior of the particle S due to other external fields (magnetic field, gravitational field, field due to centrifugal force, etc.) may be measured, and this may be mapped in various formats and visually. It is more preferable if it is easy to understand.

3次元画像データは、1つの2次元カメラで、焦点距離をずらせながらシーケンシャルに複数毎の2次元画像データを撮影し、それらを統合して生成していたが、図7に示すように、焦点位置の異なる複数台の2次元カメラ3で並列に一挙に撮影して2次元画像データを取得し、これらを統合して生成してもかまわない。各2次元カメラ3は、物理的に完全に独立している必要はなく、例えば1つの筐体に収容されて、制御機構やシャッタなど、その構成や機能の一部を共有するものでも構わない。また、この場合であれば、z方向に焦点位置の異なる複数台の2次元カメラで動画を撮影し、それらを同期統合して3次元動画を生成してもよい。
その他、本発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。
The three-dimensional image data was generated by sequentially photographing a plurality of two-dimensional image data with a single two-dimensional camera while shifting the focal length and integrating them, but as shown in FIG. It is also possible to capture two-dimensional image data by capturing images in parallel at once by a plurality of two-dimensional cameras 3 having different positions, and to integrate and generate these. The two-dimensional cameras 3 do not need to be physically completely independent, and may be housed in, for example, one housing and share a part of the configuration or function such as a control mechanism and a shutter. .. Further, in this case, a plurality of two-dimensional cameras having different focal positions in the z direction may be used to shoot moving images, and these may be synchronously integrated to generate a three-dimensional moving image.
Besides, it goes without saying that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.

本発明に係る粒子分析装置であれば、粒子の3次元位置情報から粒子状態を分析するようにしているので、従来に比べ、粒子の挙動をより正確に特定することができ、それに基づいて、分散媒中の粒子状態をより精度よく、かつ長時間に亘って分析できるようになる。 With the particle analysis device according to the present invention, since the particle state is analyzed from the three-dimensional position information of the particle, it is possible to more accurately specify the behavior of the particle as compared with the related art, and based on that, It becomes possible to analyze the particle state in the dispersion medium more accurately and for a long time.

Claims (5)

分散媒中において焦点位置を撮影光軸に沿ってずらして、それぞれ異なる面を撮像した複数の2次元画像データを生成し、各2次元画像データに含まれる焦点位置の異なる面に存在する粒子からの散乱光をバックグラウンドノイズとして除去し、前記バックグラウンドノイズが除去された各2次元画像データを統合して分散媒中の複数の粒子の位置に関する3次元情報を、時系列で逐次取得する3次元情報取得デバイスと、
前記3次元情報取得デバイスで得られた3次元情報の時系列データに基づいて、各時刻での3次元情報間において複数の粒子についてそれぞれ同一であるものを特定するとともに、特定された各粒子の3次元挙動をそれぞれ特定し、該挙動から粒子の分散媒中での状態を分析する粒子状態分析デバイスとを備えることを特徴とする粒子分析装置。
By shifting the focus position in the dispersion medium along the imaging optical axis, a plurality of two-dimensional image data is generated by imaging different surfaces, and the particles included in the respective two-dimensional image data are present on the surfaces having different focus positions. The scattered light of is removed as background noise, and the two-dimensional image data from which the background noise is removed are integrated to sequentially obtain three-dimensional information regarding the positions of a plurality of particles in the dispersion medium in time series. A dimensional information acquisition device,
Based on the time-series data of the three-dimensional information obtained by the three-dimensional information acquisition device, the same particle is identified among a plurality of particles among the three-dimensional information at each time, and A particle state analysis device, comprising: a particle state analysis device that identifies each three-dimensional behavior and analyzes the state of particles in a dispersion medium from the behavior.
粒子の挙動がブラウン運動であり、粒子の状態が粒子径分布である請求項1記載の粒子分析装置。 The particle analyzer according to claim 1, wherein the behavior of the particles is Brownian motion, and the state of the particles is a particle size distribution. 電場を形成する電場形成手段をさらに具備し、その電場内に分散媒及び粒子が配置されるように構成したものであって、
前記粒子状態分析デバイスが、前記電場によって生じる粒子の挙動たる電気泳動に基づいて、該粒子のゼータ電位を測定するとともに、前記電場による電位変化方向と異なる方向成分から特定される粒子の挙動たるブラウン運動に基づいて、粒子径を測定するものであることを特徴とする請求項1記載の粒子分析装置。
An electric field forming means for forming an electric field is further provided, and the dispersion medium and the particles are arranged in the electric field.
The particle state analysis device measures the zeta potential of the particle based on electrophoresis, which is the behavior of the particle generated by the electric field, and is a brown that is the behavior of the particle specified from a direction component different from the potential change direction by the electric field. The particle analyzer according to claim 1, wherein the particle size is measured based on movement.
前記3次元情報取得デバイスが、焦点距離の異なる複数の2次元カメラを具備したものであり、前記分散媒中の粒子を、各2次元カメラで同時に撮影した2次元画像を統合して前記3次元情報を取得するものであることを特徴とする請求項1記載の粒子分析装置。 The three-dimensional information acquisition device includes a plurality of two-dimensional cameras having different focal lengths, and the three-dimensional images are obtained by integrating the two-dimensional images obtained by simultaneously capturing the particles in the dispersion medium with each two-dimensional camera. The particle analyzer according to claim 1, which acquires information. 分散媒中の複数の粒子の位置に関する3次元情報を時系列で逐次取得する3次元情報取得デバイスを利用した粒子分析方法であり、
前記3次元情報取得デバイスで分散媒中において焦点位置を撮影光軸に沿ってずらして、それぞれ異なる面を撮像した複数の2次元画像データを生成し、各2次元画像データに含まれる焦点位置の異なる面に存在する粒子からの散乱光をバックグラウンドノイズとして除去し、前記バックグラウンドノイズが除去された各2次元画像データを統合して得られた3次元情報の時系列データに基づいて、各時刻での3次元情報間において複数の粒子についてそれぞれ同一であるものを特定するとともに、特定された各粒子の3次元挙動をそれぞれ特定し、該挙動から粒子の分散媒中での状態を分析することを特徴とする粒子分析方法。
A particle analysis method using a three-dimensional information acquisition device that sequentially acquires three-dimensional information regarding the positions of a plurality of particles in a dispersion medium in a time series,
The three-dimensional information acquisition device shifts the focal position in the dispersion medium along the photographing optical axis to generate a plurality of two-dimensional image data obtained by imaging different surfaces. Based on time series data of three-dimensional information obtained by removing scattered light from particles existing on different surfaces as background noise and integrating the two-dimensional image data from which the background noise has been removed , A plurality of particles that are the same among the three-dimensional information at time are specified, the three-dimensional behavior of each specified particle is specified, and the state of the particles in the dispersion medium is analyzed from the behavior. A particle analysis method characterized by the above.
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