JP6749011B2 - 粒径測定システムおよび粒径測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、微粒子の粒径を測定する粒径測定システムおよび粒径測定方法に関するものである。

微粒子としては、物質の相に応じて固体微粒子、液体微粒子、気体微粒子がある。

固体微粒子は粉粒体と呼ばれるものであり、例えば砂、セメント、小麦粉、トナーや杉花粉などが挙げられる。

液体微粒子としては、霧吹きにより作られる霧、内燃機関におけるガソリンの噴霧・燃焼、セミドライ加工に用いられる油微粒子、塗装工程でのペイント吹き付け、雲の形成と気象予測などが挙げられる。

気体微粒子は、マイクロバブルやナノバブルと呼ばれている。

これらの微粒子は、機械工作、医薬品、半導体成長、内燃機関、環境分野などで重要な役割を果たしており、こうした微粒子の寸法を計測する微粒子粒径計測は重要な技術となっている。

また、大気中に浮遊している２．５μｍ以下の微粒子（ＰＭ２．５（Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｍａｔｔｅｒ ２．５）あるいは微小粒子状物質とも呼ばれる）は、肺の奥深くまで入り易く、呼吸系や循環器系への影響が懸念されている。

そのため、大気中に含まれる微粒子の粒径を簡便に測定して、微粒子が及ぼす人体への影響の予防対策などに活用したいという要望がある。

微粒子を検出したり、粒径を測定する装置は、種々提案されている（特許文献１等）。

特開平９−８９７５４号公報

しかしながら、上記従来技術に係る計測装置等は、工業向けや、研究機関向けのものが多く、大型でコストも嵩むという難点があった。

一方、粒子にレーザ光を照射した時の各粒径に特徴的な散乱がされる散乱光量とパターンを用いた粒子測定装置も開発されている。

ここで、レーザ光を粒子に照射した場合、粒径が比較的大きな場合は全周方向に散乱強度が強い傾向にある。特に前方の散乱光強度がより強く、粒径が小さくなるに従って、全体的に散乱光強度が弱くなり、前方散乱光強度も弱まる。そのため、粒径が比較的大きな粒子の場合には、粒子によって散乱された光のうち、前方散乱光を凸レンズで集光するとその焦点上に回折像を生じる。この回折光の明るさと大きさは、粒子の粒径によって決まるので、これらの散乱光情報を利用することにより比較的容易に粒径を得ることができる。

しかし、粒径が小さくなると、前方散乱光の強度が減少し、前方に設置した検出器では検出が困難となる。そのため、測定対象の微粒子を暗室に導き、側方散乱や後方散乱の微弱散乱光のパターンを高感度の光センサで測定する必要があり、測定装置が大型化し、コストも嵩むという問題があった。

本発明は上記の事情に鑑み、簡易且つ低コストで微粒子の粒径を測定することのできる粒径測定システムおよび粒径測定方法を提供することを目的としている。

前記課題を解決するため、請求項１に記載の発明に係る粒径測定システムは、被検体の微粒子の粒径を測定する粒径測定システムであって、コヒーレント光を出射する光源と、
微粒子を導入する前の前記コヒーレント光および導入された微粒子により前記コヒーレント光に生じた回折・散乱光を直接的に撮影する撮影手段と、前記撮影手段で撮影された前記コヒーレント光および回折・散乱光パターンの画像データを画像処理する画像処理手段と、前記画像処理手段による画像処理結果に基いて前記微粒子の粒径を算出する粒径算出手段とを備え、前記画像処理手段は、前記微粒子が無い場合と、有る場合の２以上の前記画像データの相関状態を解析する画像相関解析手段と、前記画像相関解析手段を適用した画像から前記微粒子による回折円を抽出した後、該回折円に含まれる全回折光の強度を積算して全回折光強度の総量を計測する全回折光強度計測手段と、を有し、前記粒径算出手段は、導入される前記微粒子の供給量が一定の条件において、全回折光強度の総量をｉ、微粒子半径をｒ、比例定数をｋとした場合に、次式 ｒ＝√（ｋ／ｉ） により前記微粒子の半径を算出すると共に、この半径に基いて粒径を算出することを特徴とする。

請求項３に係る発明は、請求項１または請求項２に記載の粒径測定システムについて、前記光源は半導体レーザで構成され、前記撮影手段はデジタルカメラが備える撮像素子で構成されることを特徴とする。

請求項４に記載の発明に係る粒径測定方法は、被検体の微粒子の粒径を測定する粒径測定方法であって、微粒子を導入する前のコヒーレント光および自然導入された微粒子によりコヒーレント光に生じた回折・散乱光を直接的に撮影する撮影過程と、撮影された前記コヒーレント光および回折・散乱光パターンの画像データを画像処理する画像処理過程と、
画像処理結果に基いて前記微粒子の粒径を算出する粒径算出過程と、を有し、前記画像処理過程は、前記微粒子が無い場合と、有る場合の２以上の前記画像データの相関状態を解析する画像相関解析過程と、前記画像相関解析過程を適用した画像から前記微粒子による回折円を抽出した後、該回折円に含まれる全回折光の強度を積算して全回折光強度の総量を計測する全回折光強度計測過程と、を有し、前記粒径算出過程は、導入される前記微粒子の供給量が一定の条件において、全回折光強度の総量をｉ、微粒子半径をｒ、比例定数をｋとした場合に、次式 ｒ＝√（ｋ／ｉ） により前記微粒子の半径を算出する処理を行うことを特徴とする。

本発明によれば、簡易且つ低コストで微粒子の粒径を測定することのできる粒径測定システムおよび粒径測定方法を提供することができる。

実施形態に係る粒径測定システムの概略構成を示すブロック図である。 実施形態に係る粒径測定システムの構成例を示す説明図である。 入射光と回折光の光強度分布（Ｓ（θ））^２との関係を示す説明図である。 微粒子により回折光が形成される状態を示す模式的説明図である。 回折光の角度分布のピークを示す表である。 全回折光強度を算出する式（３）である。 回折光の光強度と時間の関係を示すグラフである。 回折光の光強度と微粒子の半径の関係を示すグラフである。 粒径測定処理の処理手順を示すフローチャートである。 比例定数を設定するための粒径測定システムの概略構成を示すブロック図である。 比例定数を設定するための粒径測定システムに適用される画像処理手段の構成を示すブロック図である。 比例定数を設定するための粒径測定システムに適用される撮影手段の光学系における焦点距離ｆ、回折角θおよび円の半径ｈとの関係を示す説明図である。 微粒子が無い状態の画像と微粒子が有る状態の画像の差分を示す画像（ａ）およびそのＲＧＢの分布を示すグラフ（ｂ）である。 測定された回折円の半径ｈを示す画像である。 Ｈｏｕｇｈ変換により抽出された回折円と微粒子半径を示すモニタ画像である。 ２種類の回折円から求めた粒子半径を示すグラフである。

以下、本発明の一例としての実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。ここで、添付図面において同一の部材には同一の符号を付しており、また、重複した説明は省略されている。なお、ここでの説明は本発明が実施される最良の形態であることから、本発明は当該形態に限定されるものではない。

（本発明の概要）
本発明の実施の形態について述べる前に、本発明の概要について説明する。

本発明者等は、例えば、水微粒子の粒径を測定する際に適用されるレーザ回折微粒子計測法の改良について鋭意研究を進めた。

まず、微粒子粒径測定の原理である光の回折について簡単に説明する。

光の回折とは、光が大気中を伝搬する途中に障害物がある場合に、光が障害物の背後に回り込む現象のことを言う。障害物の寸法に対して光の波長が大きいほど、障害物の背後に回り込む角度が大きくなる。光の回折の効果により光が障害物である微粒子の背後に回り込む様子を観測することで、微粒子の粒径を求めることができる。

一般に、光と微粒子の関係する現象は、光の波長（λ）と微粒子粒径（２ｒ）の大小関係に応じて３通りに分かれる。

πｒ≫λの場合は、粒径が光の波長に比べ大きく光の回折が観測される。

２πｒ≒λの場合は、粒径と光の波長が同程度でミー散乱（Mie-Streuung）が観測される。

２πｒ≪λの場合は、粒径が光の波長に比べ小さくレイリー散乱（Rayleigh scattering）が観測される。

ここで、本発明者等は、３８０ｎｍ〜７８０ｎｍの可視光を用いて微粒子粒径計測の実験を行った。

微粒子粒径の測定原理が光の回折であるため、測定対象となる微粒子粒径（２ｒ）が光の波長（λ）に比べ著しく大きいときに測定可能となる。

即ち、原理的に測定可能な最少微粒子粒径は、使用する光の波長により影響されるが、凡そサブミクロン程度となる。

図３を参照して、入射光と回折光の光強度分布（Ｓ（θ））^２との関係について説明する。

図３の略中央に水滴（半径ｒ）があり、図上、左側から波長（λ）のレーザ光の平面波が入射している。縦の点線はレーザ光の波面を表しており、波の進行方向に対して垂直となっている。

進行してきたレーザ光の波の伝播は、水滴によって阻害されるため、水滴の背後には波面は生じないはずであるが、実際には、水滴の直近を通ったレーザ光の波が、光の回折現象により水滴の周囲から水滴の背後に回り込むという現象を生じる。

そのため、水滴の外周から水滴の背後に回り込んだ波同士の重ね合わせが引き起こされて、光強度の強弱が発生する。その結果として、レーザ光の進行方向以外の角度（θ）の方向にも光が進む。

図４に示すように、１つの微粒子３００の回折光は光同士の干渉現象により、レーザ光Ｌ１を対称軸として微粒子を中心に放射状に広がり、同心円の回折パターンを映し出され、このような同心円を回折光リングＲ１、Ｒ２…と呼称する。

光の回折角度（θ）は光の波長と粒径（２ｒ）によって決まり、粒径（２ｒ）が光の波長に対して大きいときに回折角度（θ）が小さくなり、一方、粒径（２ｒ）が小さい場合には回折角度（θ）が大きくなる。

ここで、レーザ光微粒子回折法による粒径測定法について簡単に説明する。

図３に示すように、図中左側から入射した波長（λ）のレーザ光が、図の略中央の水滴によって角度θ方向に回折されるときの回折光強度（Ｓ（θ））^２ は、式（１）のように表される
（Ｓ（θ））^２ ＝｛（２πｒ／λ）×（１＋Ｃｏｓθ／２）×（Ｊ_１（２πｒ／λ）Ｓｉｎθ）／Ｓｉｎθ｝ … 式（１）
なお、Ｊ_１は１次のベッセル関数である。

また、回折光強度は粒径（２ｒ）の４乗に比例することが分かっている。

微粒子が作る回折光リングの観測を行い、図４に示すように２個の回折光リングＲ１，Ｒ２が得られた場合を考える。回折光強度の二つのピークは、図４に示す２つの回折リングＲ１，Ｒ２に相当する。

この場合、微粒子の半径（ｒ）は、図５の表に示される各ピーク位置の座標と、各回折光リングの回折角に基いて、式（２）で求めることができる。

ｒ＝５．１３６λ／（２πＳｉｎθ_１）＝８．４１７λ／（２πＳｉｎθ_２） …式（２）
２個の回折光リングＲ１、Ｒ２は同一微粒子から生じているので、上記式によって得られた微粒子半径は、両者で一致していなければならないが、もし両者が一致していない場合には、微粒子粒径の正しい測定が行われていないことを意味する。

ここで、微粒子１個がレーザ光の進行方向へ発する回折光の総量ｉは、図６に示す式（３）で表される。

式（３）は、前出の式（１）において、レーザ光ビームを基準軸そしてビーム進行方向を角度０として、軸の周りの２πの積分と角度範囲δからπ／２までの領域にわたった積分の二重積分として求められ、ｘ＝２πｒ／λと置いて得られる。

式（３）において積分領域から角度範囲０からδまでの領域を除外した理由は、除外した領域ではレーザ光ビームと回折光が重畳することにより回折光強度のみを測定できないからである。

実際の実験では、式（２）を使って回折光の同定が正確にできるので、入射レーザ光が混入しないよう最少角度範囲δを推定することができる。

角度δの値は実験条件・装置によって異なるが、本発明者等が行った水微粒子の成長の観測実験では、角度δの値を約７度とした。

そして、本発明者等は、式（３）の定積分値のｘ依存性は定積分の下限δに依存するので注意が必要だが、水微粒子の成長の観測実験で使用したδの値を用いて光の回折が適用できる領域（ｘ＞１５）では、式（３）の定積分はｘの−２乗に比例し、回折光総量ｉは粒径に依存せず一定であるとの知見を得るに至った。

より具体的には、実験の結果、図７および図８に示すようなグラフを得た。

ここで、図７は、回折光の光強度と時間の関係を示すグラフ、図８は、回折光の光強度と微粒子の半径の関係を示すグラフである。

図７に示すグラフを参照すると分かるように、測定強度（Measured intensity）と理論値（Fitted intensity）の曲線は、少なくとも一部の領域で比較的一致している。特に、光強度が約４５〜約６５近辺（時間軸において、約１００秒〜１７５秒近辺）においてよく一致している。

また、図８に示すグラフを参照すると分かるように、測定強度（Measured intensity）と理論値（Fitted intensity）の曲線は、少なくとも一部の領域で比較的一致している。特に、光熙強度が約４５〜約６５近辺（半径について、約４．７５μｍ〜約５．７５μｍ近辺）においてよく一致している。

このような関係に基いて、本発明者は、導入される微粒子３００の供給量が一定の条件において、全回折光強度の総量をｉ、微粒子半径をｒ、比例定数をｋとした場合に、次式（式（４））
ｒ＝√（ｋ／ｉ） …式（４）
を導き出し、本発明に係る粒径測定システムＳ１および粒径測定方法を完成するに至った。

なお、比例定数ｋは、被検体の微粒子について、予め設定される。また、比例定数ｋの求め方については後述する。

（粒径測定システムの構成例）
図１および図２を参照して、実施の形態に係る粒径測定システムＳ１の構成例について説明する。

ここで、図１は、実施形態に係る粒径測定システムＳ１の概略構成を示すブロック図、図２は、粒径測定システムＳ１の構成例を示す説明図である。

図１に示すように、本実施形態に係る粒径測定システムＳ１は、コヒーレント光（レーザ光）を出射する半導体レーザ等で構成される光源２と、測定装置本体を構成するデジタルカメラＣとから構成されている。

デジタルカメラＣは、噴霧手段５００から微粒子Ａ１を導入する前のコヒーレント光Ｌ１および導入された微粒子Ａ１によりコヒーレント光に生じた回折・散乱光Ｌ２を直接的に撮影するＣＣＤやＣＭＯＳ等の撮像素子で構成される撮影手段４と、撮影手段４で撮影されたコヒーレント光Ｌ１、Ｌ２および回折・散乱光パターンの画像データを画像処理する画像処理手段５と、画像処理手段５による画像処理結果に基いて微粒子Ａ１の粒径を算出する粒径算出手段６とを備えている。

なお、画像処理手段５および粒径算出手段６は、通常の画像撮影に関する制御等を兼ねるマイクロコンピュータなどで構成される。

また、画像処理手段５は、微粒子が無い場合と、有る場合の２以上の画像データの相関状態を解析する画像相関解析手段５１と、全回折光の強度を積算して全回折光強度の総量を計測する全回折光強度計測手段５２とを有する。

画像相関解析手段５１および回折光強度計測手段５２は、所定のソフトウェア等で構成することができる。

そして、粒径算出手段６は、導入される微粒子Ａ１の供給量が一定の条件において、全回折光強度の総量をｉ、微粒子半径をｒ、比例定数をｋとした場合に、前出の式（４）
ｒ＝√（ｋ／ｉ）
により微粒子３００の半径ｒを算出すると共に、この半径ｒに基いて粒径を２ｒと算出するようになっている。

なお、被検体を導入する導入手段の一種として、微粒子Ａ１を噴霧する噴霧手段５００を省略し、自然的に被検体が導入されるようにしてもよい。

また、回折光の撮影状態や、粒径等の測定結果等を表示する液晶表示装置等で構成されるモニタ１１を備えており、リアルタイムで測定結果等を確認することができる。

図２に示す構成例では、基台２０に、光源２として半導体レーザを用いたレーザ光源を設置している。レーザ光源としては、例えば、波長６３３ｎｍ、出力３ｍＷ程度の赤色半導体レーザ素子を用いることができる。

噴霧手段５００としては、所定量の微粒子Ａ１を噴霧できるスプレー装置等を用いることができる。また、大気中に含まれる粒子の粒径を測定する場合には、噴霧手段５００に代えて、大気を導入する装置等を設けるようにしてもよい。

デジタルカメラＣとしては、例えば基台２０に固定されたミラーレス型のデジタル一眼カメラやコンパクト型デジカメなどを用いることができる。

本実施の形態に係る粒径測定システムＳ１によれば、比較的簡単な演算処理により、微粒子Ａ１の粒径を比較的短時間で精度良く測定することができる。

また、演算処理量を比較的少なくすることができるので、デジタルカメラＣが備えるマイクロコンピュータ等で微粒子Ａ１の粒径を求めることができ、可搬性を高めて、利便性を向上させることができる。したがって、微粒子Ａ１の粒径測定を要求される種々の現場で容易に行うことが可能となる。

また、デジタルカメラＣが備えるマイクロコンピュータのみで微粒子の粒径測定を完結することができるので、コストを低廉化することができる。

なお、図１に示す構成例では、デジタルカメラＣが備えるマイクロコンピュータ等で画像処理手段５、粒径算出手段６、画像相関解析手段５１および回折光強度計測手段５２で構成する場合を示したがこれには限定されず、より高速な処理を行いたい場合などには、デジタルカメラＣで取得したデータを処理可能なパーソナルコンピュータや専用の処理ボード等を外部装置として接続するようにしてもよい。

（比例定数の求め方）
比例定数ｋは、図１０〜図１６に示す粒径測定システムＳ１００を用いて決定される。

なお、粒径測定システムＳ１００に用いる機材の一部は、本実施の形態に係る粒径測定システムＳ１と兼用することができる。即ち、光源２および撮影手段としてのデジタルカメラＣは共通とすることができ、測定用のプログラム（ソフトウェア）を変更することで、粒径測定システムＳ１を粒径測定システムＳ１００として用いることができる。

図１０のブロック図を参照して、比例定数ｋを求めるための粒径測定システムＳ１００の概略構成について説明する。

粒径測定システムＳ１００は、被検体（例えば、水またはアルコール等）の微粒子の粒径を測定する粒径測定システムであり、コヒーレント光（レーザ光）Ｌ１を出射する光源（例えば、半導体レーザ）２と、光源２から出射されたコヒーレント光Ｌ１のビーム内に、被検体を導入する導入手段の一種として、微粒子Ａ１を噴霧する噴霧手段５００と、噴霧手段５００により微粒子Ａ１を噴霧する前のコヒーレント光Ｌ１および噴霧手段５００により噴霧された微粒子Ａ１によりコヒーレント光に生じた回折・散乱光Ｌ２を直接的に撮影する撮影手段の一種としてのデジタルカメラＣと、デジタルカメラＣで撮影されたコヒーレント光Ｌ１および回折・散乱光パターンの画像データを画像処理する画像処理手段２０５と、画像処理手段２０５による画像処理結果に基いて回折・散乱光パターンのピークを判定して微粒子Ａ１の粒径を算出する粒径算出手段２０６とを備える。

画像処理手段２０５および粒径算出手段２０６は、モニタ２１１などを備えたパーソナルコンピュータ２１０等で構成される。また、画像処理手段２０５および粒径算出手段２０６自体は、パーソナルコンピュータ２１０等にインストールされるソフトウェアで構成することができる。

図１０に示す画像処理手段２０５および粒径算出手段２０６を構成するパーソナルコンピュータ２１０としては、デスクトップ型、ノートブック型、タブレット型等を用いることができる。

デジタルカメラＣとパーソナルコンピュータ２１０との接続は、特には限定されないが、Ｗｉ−Ｆｉ等の無線あるいはＵＳＢケーブル等を介した有線で接続するようにできる。

図１１は、画像処理手段２０５の機能構成を示す機能ブロック図である。

図１１に示すように、画像処理手段２０５は、微粒子が無い場合と、有る場合の２以上の画像データの相関状態を解析する画像相関解析手段２５１と、２以上の画像データの明るさの閾値を算出する閾値算出手段２５２と、閾値に基いて画像データのエッジ部を抽出する画像エッジ抽出手段２５３と、画像エッジ抽出手段２５３で抽出された画像エッジに基いて、回折円を抽出する回折円抽出手段２５４と、回折円抽出手段２５４で抽出された回折円の半径を検出する円半径検出手段２５５と、円半径検出手段２５５で抽出された半径と、撮影手段（デジタルカメラ）Ｃが備える光学系の焦点距離と、に基いて回折角（θ）を算出する回折角算出手段２５６とを備える。

また、粒径算出手段２０６は、画像処理手段２０５が備える回折角算出手段２５６で算出された回折角（θ）に基いて微粒子の半径および粒径を算出する。

ここで、前出の図３に示すように、λは入射光（コヒーレント光Ｌ１）の波長であり、例えば半径ｒの水の微粒子によって入射光は回折される。そして、直進する回折光はθ＝０であり、直進方向からずれるに従って所定の角度θの回折光となって散乱される。これにより、照射面において図３に示すような光強度分布（Ｓ（θ））^２が現れ、デジタルカメラＣ等により所定の画像データを得ることができる。

また、図１２は、撮影手段（デジタルカメラ）４の光学系における焦点距離ｆ、回折角（θ）および円の半径ｈとの関係を示す説明図である。

図１２における焦点距離ｆ、回折角（θ）および円の半径ｈとの関係は、ｔａｎθ＝ｈ／ｆで表すことができる。

したがって、焦点距離ｆは予め決まっている（例えば、ｆ＝２２ｍｍ等）ので、画像データにおける回折円の半径ｈの値が分かれば、回折角（θ）を求めることができる。画像データにおける回折円の半径ｈは、撮影手段（デジタルカメラ）Ｃが備える画像素子（イメージセンサ）の画素の大きさから求めることができる。即ち、一画素の一辺の寸法が例えば０．０２２ｍｍである場合には、円の中心から円周までのピクセル数（Ｐｙ）が分かれば、ｈ＝０．０２２×Ｐｙで算出することができる。
一番内側の回折円の場合、粒子半径ｒは、ｒ＝（５．１３６／２π）λ×（１／Ｓｉｎθ）の関係にあることが分かっている。したがって、光源（例えば、半導体レーザ）２の波長は予め分かっているので、上述のようにして回折角（θ）を求めることにより、粒子半径ｒを算出することができる。

ここで、粒径測定システムＳ１００に適用されるイベント相関イメージング法について、簡単に説明する。
図１３（ａ）は、微粒子（水微粒子）が無い状態の画像Ｄ１（図示せず）と微粒子（水微粒子）が有る状態の画像Ｄ２（図示せず）の差分を示す画像Ｄ３、図１３（ｂ）はそのＲＧＢの分布を示すグラフである。即ち、水微粒子を含む回折像（画像Ｄ２）から水微粒子がない回折像（画像Ｄ１）を減算したイベント相関技術を採用した画像が図１４（ａ）に示す画像Ｄ３である。

この画像Ｄ３に基いて、回折円の選択を行う。即ち、図１３（ａ）に示す画像Ｄ３を０から２５５までの値をとるＲ（レッド），Ｇ（グレーン），Ｂ（ブルー）の三原色の数字の組で表すＲＧＢ表色系で表現し、選択すべきＲの最大値・最小値、Ｇの最大値・最小値、Ｂの最大値・最小値を指定し、回折円に重なるように調整する。

さらに、別の方法で、回折円の選択を行う。即ち、図１３（ａ）に示す画像Ｄ３をＨ（色相），Ｓ（彩度），Ｉ（明度）の３つの数字の組で表すＨＳＩ表色系で表現し、Ｈの最大値・最小値、Ｓの最大値・最小値、Ｉの最大値・最小値を指定し、回折円に重なるように調整する。

選択された部分Ｓを所定の色（例えば、赤色等）で表し、回折円と重なるように示した画像が図１４に示す画像Ｄ４である。なお、回折円の選択ができるように色を表す数値群の最大値・最小値を決定して得られた画像Ｄ４にＨｏｕｇｈ変換を施すとよい。

そして、図１４の画像Ｄ４で抽出された回折円について、その半径ｈから微粒子半径を求めた状態を図１５に示す。図１５は、Ｈｏｕｇｈ変換により抽出された回折円Ｌ５０と微粒子半径を示すパーソナルコンピュータ２１０のモニタ２１１上に表示される画像である。

図１５において円Ｌ５０は、半径６．５μｍの微粒子が作る回折円を表す。また、図１５に示す最少半径の円Ｌ５１と最大半径の円Ｌ５２は、回折円を検出するための基準であり、微粒子の回折円がこの２つの円Ｌ５１、Ｌ５２の間に入るように調整する。
なお、図１５における１Ｒａｄｉｕｓ：６．４９μｍは、円Ｌ５０が半径６．５μｍに相当することを示し、２Ｒａｄｉｕｓ：６．５５μｍは内側から２番目は回折円から計算される半径を示す。また、Ａｖｅｒａｇｅ Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ：２４．７０は円Ｌ５０上の光の強度が２４．７０（任意単位）であることを示す。

上述のようなイベント相関イメージング法を適用した粒径測定システムＳ１００による測定例について説明する。

例えば、約５００秒の微粒子映像（動画データ）に含まれる約１５０００コマの画像から円を抽出したところ、微粒子半径を安定して求めることができた。１５０００回の試行に対して、円を検出できないエラーの回数はゼロ回であり、微粒子半径を求める速度は１秒間に５回である。なお、毎秒３０回計測できる場合には、オンライン計測（リアルタイム計測）とすることができる。１５０００個の微粒子半径のデータのうち、水微粒子生成直後の不安定な時間帯および水微粒子が消失して再び不安定になる時間帯を除いた３００秒間の微粒子の成長の様子を図１６に示す。

なお、図１６は、２種類の回折円から求めた粒子半径Ｒ１１、Ｒ１２も示している。

図１６に示すように、水微粒子半径は指数関数的に成長していることが分かる。また、一番内側の回折円（第１ピーク）から求めた半径Ｒ１１（６．４９μｍ）と、内側から二番目の回折円（第２ピーク）から求めた半径Ｒ１２（６．５５μｍ）が大凡一致していることから、求められた半径ｈ（図１５参照）が正しいものであると推察される。

図１２に示すように、撮影手段（デジタルカメラ）Ｃの光学系における焦点距離ｆ、回折角（θ）および円の半径ｈとの関係は、ｔａｎθ＝ｈ／ｆで表すことができる。

光学系の焦点距離ｆは予め決まっている（例えば、ｆ＝２２ｍｍ等）ので、画像データにおける回折円の半径ｈの値が分かれば、回折角（θ）を求めることができる。

そして、上述の手法により、回折円の半径ｈを測定することができる。

即ち、画像データにおける回折円の半径ｈは、デジタルカメラＣのイメージセンサの画素の大きさから求めることができ、一画素の一辺の寸法が例えば０．０２２ｍｍである場合には、円の中心から円周までのピクセル数（Ｐｙ）により、ｈ＝０．０２２×Ｐｙと算出される。

ここで、粒子半径ｒ＝Ｓｉｎθ×波長の関係にあり、半導体レーザ２の波長は６３３ｎｍであるので、回折角（θ）が分かれば、粒子半径ｒ算出することができる。

また、一番内側の回折円の回折角をθ１とした場合に、粒子半径ｒは、
ｒ＝（５．１３６／２π）λ×（１／Ｓｉｎθ１） で求めることができる。

なお、上記式において、「５．１３６」は、回折強度を計算する１次のベッセル関数の２乗の最初のピークとなる時の引数値である。

また、二番目の回折円の回折角をθ２とした場合に、粒子半径ｒは、
ｒ＝（８．４１７／２π）λ×（１／Ｓｉｎθ２） で求めることができる。

なお、上記式において、「８．４１７」は、回折強度を計算する１次のベッセル関数の２乗の二番目のピークとなる時の引数値である。

同様にして、三番目以降の回折円の回折角を用いて、粒子半径ｒを求めることができる。

そして、粒径測定システムＳ１００を用いて、アルコール微粒子の粒径測定を試行したところ、粒径を約７．４μｍと測定することができた。また、水の微粒子については、約１３μｍと測定することができた。

そして、上述のようにして測定した粒子半径をｒ’、全回折光強度の総量ｉ’をとした場合に、比例定数ｋを次式（式（５））によって算出する。

ｋ＝ｉ’×ｒ’ ^２ …式（５）
なお、噴霧手段５００による微粒子供給量を変更した場合、レーザＬ１の光出力強度を変更した場合、カメラＣの光に対する感度を変更した場合、微粒子の噴霧位置からレンズまでの距離を変更した場合等には、再度、粒径測定システムＳ１００による測定を実施して、比例定数ｋを求めなおす必要がある。

このようにして算出した比例定数ｋを上述の式（４）に適用することにより、粒子半径ｒを従来に比して比較的高速に演算することができる。
特に、本実施の形態に係る粒径測定システムＳ１によれば、演算量を比較的少なく抑えることができるので演算処理が速く進められる。このため微粒子粒径の毎秒あたり算出回数・表示回数をデジタルカメラＣによる撮影画像のフレームレート３０ｆｐｓに追随させることができる。
したがって、粒径測定システムＳ１００のように、外部のパーソナルコンピュータ（ＰＣ）２１０等を用いることなく、デジタルカメラＣが備えるマイクロコンピュータ（ＣＰＵ等）によって、必要十分な速度で粒子半径ｒを演算することが可能となる。

（粒径測定処理について）
図９のフローチャートを参照して、本実施の形態に係る粒径測定システムＳ１で実施される粒子測定処理の処理手順について説明する。

この処理が開始されると、まずステップＳ１０でデジタルカメラＣの電源がオンされる。これにより、デジタルカメラＣは撮影可能な状態となると共に、各種処理を実行可能な状態となる。

次いで、ステップＳ１１でレーザ光源２の電源をオンする。これにより、コヒーレント光としてのレーザ光Ｌ１が出射される。なお、レーザ光源２から出射されたレーザ光Ｌ１が、デジタルカメラＣの撮影レンズに入射するように、レーザ光源２およびデジタルカメラＣ等の原点調整および光軸調整が行われている。

次に、ステップＳ１２では、デジタルカメラＣの撮影操作によって基準画像（微粒子が無い状態の画像）が撮影される。

ステップＳ１３では、この基準画像を所定のファイル形式で不揮発性メモリ等の記憶装置に格納する。

次いで、ステップＳ１４では、噴霧手段５００を操作して被検体（微粒子Ａ１）を噴霧する。なお、被検体としては、水やアルコールを用いたが、これに限定されず、種々の液体または液体に溶解させた物質を被検体とすることが可能である。また、大気中の微粒子の粒径を測定する場合には、噴霧手段５００による噴霧に代えて大気を導入するようにしてもよい。

次いで、ステップＳ１５では、上述した粒径測定システムＳ１００の手法によって比例定数ｋを算出してステップＳ１６に移行する。即ち、動作条件決定後に、上述のように粒径測定システムＳ１００に適用される手法によって全回折光強度の総量ｉと、粒径ｒの同時測定を１回行って、比例定数ｋを求める。

ステップＳ１６では、デジタルカメラＣの撮影操作によって、被検体の微粒子Ａ１によって回折、散乱された回折・散乱光Ｌ２をデジタルカメラＣによって撮影する。

なお、デジタルカメラＣによるフレームレートは、例えば３０ｆｐｓ程度である。

ステップＳ１７では、この回折・散乱光の画像を所定のファイル形式で不揮発性メモリ等の記憶装置に格納する。

ステップＳ１８では、撮影された画像データに基いて相関を解析する。

ステップＳ１９では、デジタルカメラＣの所定操作（例えば、回折光測定モードを選択するボタンの操作等）によって、全回折光の強度を積算して全回折光強度の総量ｉを計測する。

ステップＳ２０では、前出の式（４） ｒ＝√（ｋ／ｉ） により微粒子の半径ｒを算出し、ステップＳ２１では、この半径ｒに基いて粒径（粒子径）を２ｒとして算出する。

ステップＳ２２では、撮影した画像が終了したか否かを判定し、「Ｙｅｓ」の場合には処理を終了し、「Ｎｏ」の場合にはステップＳ１６に戻って、同様の処理を繰り返して行う。

このように、本発明に係る粒径測定方法を適用した粒径測定処理によれば、比較的簡単な処理過程により、微粒子の粒径を算出することができる。

また、演算処理量を比較的少なくすることができるので、デジタルカメラＣが備えるマイクロコンピュータ等によるプログラム処理で微粒子の粒径を求めることができ、微粒子の粒径測定に要するコストを低廉化することができる。

以上本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本明細書で開示された実施の形態はすべての点で例示であって開示された技術に限定されるものではないと考えるべきである。すなわち、本発明の技術的な範囲は、前記の実施の形態における説明に基づいて制限的に解釈されるものでなく、あくまでも特許請求の範囲の記載に従って解釈すべきであり、特許請求の範囲の記載技術と均等な技術および特許請求の範囲内でのすべての変更が含まれる。

例えば、通常暗所で行うパーティクル・カウンタなどに代えて、明るい所にレーザ光源２とデジタルカメラＣを設置し、フロントスキャッタリングで微粒子の粒径を測定することができる。

また、クリーンルームや火災時などを想定した実験空間に、レーザ光源２とデジタルカメラＣを設置し、ルーム内の微粒子の粒径を測定するようにしてもよい。

また、半導体クリーンルーム等で特定箇所にレーザ光源２とデジタルカメラＣを設置し、室内で発生したゴミなどの微粒子を検知、測定または微粒子分布を把握する用途等に利用することもできる。

Ｓ１…粒径測定システム
Ｃ…デジタルカメラ
２…光源（レーザ光源）
４…撮影手段
５…画像処理手段
６…粒径算出手段
１１…モニタ
５１…画像相関解析手段
５２…全回折光強度計測手段
５００…噴霧手段
Ａ１、３００…微粒子
Ｌ１、Ｌ２…コヒーレント光（レーザ光）

Claims (4)

1. 被検体の微粒子の粒径を測定する粒径測定システムであって、
   コヒーレント光を出射する光源と、
   微粒子を導入する前の前記コヒーレント光および導入された微粒子により前記コヒーレント光に生じた回折・散乱光を直接的に撮影する撮影手段と、
   前記撮影手段で撮影された前記コヒーレント光および回折・散乱光パターンの画像データを画像処理する画像処理手段と、
   前記画像処理手段による画像処理結果に基いて前記微粒子の粒径を算出する粒径算出手段と
   を備え、
   前記画像処理手段は、
   前記微粒子が無い場合と、有る場合の２以上の前記画像データの相関状態を解析する画像相関解析手段と、
   前記画像相関解析手段を適用した画像から前記微粒子による回折円を抽出した後、該回折円に含まれる全回折光の強度を積算して全回折光強度の総量を計測する全回折光強度計測手段と、
   を有し、
   前記粒径算出手段は、
   導入される前記微粒子の供給量が一定の条件において、全回折光強度の総量をｉ、微粒子半径をｒ、比例定数をｋとした場合に、次式
   ｒ＝√（ｋ／ｉ）
   により前記微粒子の半径を算出すると共に、この半径に基いて粒径を算出することを特徴とする粒径測定システム。
2. 前記比例定数ｋは、前記被検体の微粒子について、予め設定されることを特徴とする請求項１に記載の粒径測定システム。
3. 前記光源は半導体レーザで構成され、前記撮影手段はデジタルカメラが備える撮像素子で構成されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の粒径測定システム。
4. 被検体の微粒子の粒径を測定する粒径測定方法であって、
   微粒子を導入する前のコヒーレント光および自然導入された微粒子によりコヒーレント光に生じた回折・散乱光を直接的に撮影する撮影過程と、
   撮影された前記コヒーレント光および回折・散乱光パターンの画像データを画像処理する画像処理過程と、
   画像処理結果に基いて前記微粒子の粒径を算出する粒径算出過程と、
   を有し、
   前記画像処理過程は、
   前記微粒子が無い場合と、有る場合の２以上の前記画像データの相関状態を解析する画像相関解析過程と、
   前記画像相関解析過程を適用した画像から前記微粒子による回折円を抽出した後、該回折円に含まれる全回折光の強度を積算して全回折光強度の総量を計測する全回折光強度計測過程と、
   を有し、
   前記粒径算出過程は、
   導入される前記微粒子の供給量が一定の条件において、全回折光強度の総量をｉ、微粒子半径をｒ、比例定数をｋとした場合に、次式
   ｒ＝√（ｋ／ｉ）
   により前記微粒子の半径を算出する処理を行うことを特徴とする粒径測定方法。