JP6783461B2 - 光計測システムおよび光計測方法 - Google Patents
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Description
i)粒子を固定する支持体をどうするか。
ii)粒子を支持体とともに回転させたときに、どのようにして、集光点からずれないようにするか。
iii)粒子と支持体、さらにレンズを、一緒に光学的に解析するためにはどうするか。
iV)多数の粒子から一つの粒子を特定するにはどうすればよいか。
(1)粒子と集光位置の関係把握:
光散乱のシミュレーションと実験を比較するには、粒子とレンズによる集光位置との関係を把握する必要がある。
(2)3次元形状の計測:
基板の上に乗った粒子の粒径が10波長より小さい場合、散乱パターンだけから、当該粒子の形状を計測することは難しい。
(3)特定の粒子の同定:
多数の粒子から特定の粒子を同定し、しかも、その粒子の形状と吸収スペクトルを計測する方法がない。
(4)形状計測と吸収スペクトルの光軸合わせ:
従来のように、形状計測を行ったのちに、吸収スペクトルを別の光軸で計測すると、光軸合わせに多大な時間を要する。
(5)多数粒子のスペクトルの解析・分類:
一つ一つ帰属と分類をしていては膨大な時間がかかる。自動化する方法がない。
粒子の形状にあまり関わりなく、集光位置が粒子の手前にあるか、中にあるか判断できることが、実験およびシミュレーションから分かった。散乱光角度分布のコントラストおよび散乱強度は、集光位置が、入射光側から見て粒子の少し手前にあるときに最大になる。この結果、集光点の位置の計測と、散乱光角度分布の計測とを、同じレンズ・試料位置でできることが分かった。集光位置を決定できれば、シミュレーションで散乱光角度分布を計算し、実験データと対応させることで、粒子形状の情報が得られる。粒子の散乱光角度分布を観測して、そのコントラストおよび散乱強度を解析しながら、集光位置を精密に制御できるシステムを構築すればよい。
スリットとアイリス絞り等を用いて集光スポットの形状を変えると同時に、粒子への入射角度を変えることで、様々な角度から見た微粒子の断面情報を得ることができる。そして、この情報を統合することにより、微粒子の形状およびサイズを計測できることが分かった。したがって、特定の粒子に対し、所定の集光形状で様々な角度から光が照射されるように、制御するシステムを構築すればよい。
粒子への入射角度を45°変えると回転中心軸の精度が高くても、集光位置が10μm程度はずれてしまう。このはずれを補正するために、複数のマーカーを基準とすることで、集光位置を調整することができる。粒子への集光時に、マーカーを同時に観測できるように、一部の光を集光点から外せるシステムを構築すればよい。
[1]支持台に載置された微粒子に光を照射して、前記微粒子に関する情報を取得する光計測システムであって、レーザー光源と、前記レーザー光源を用いて前記微粒子に照射するレーザー光の集光スポットの形状を、線状となるように調整するレーザー光集光スポット形状調整手段と、前記レーザー光の集光スポットを、前記微粒子の位置に合うように調整するレーザー光集光スポット位置調整手段と、前記レーザー光の光軸と直交する軸を中心に、前記微粒子と前記集光スポットとを相対的に回転させて、前記微粒子に対する前記レーザー光の入射角度を調整するレーザー光入射角度調整手段と、前記微粒子から散乱される散乱光を利用して、前記微粒子の投影像を表示する微粒子投影像表示手段と、を備えていることを特徴とする光計測システム。
[2]さらに、前記レーザー光入射角度調整手段で調整された各入射角度で得られた前記微粒子の投影像の形状の情報を組み合わせて、前記微粒子の3次元形状を推定する微粒子形状推定手段を備えていることを特徴とする[1]に記載の光計測システム。
[3]さらに、白色光源と、前記白色光源を用いて微粒子に照射する白色光の集光スポットのサイズを、調整する白色光集光スポットサイズ調整手段と、前記白色光の集光スポットを、前記微粒子の位置に合うように調整する白色光集光スポット位置調整手段と、
前記微粒子から散乱される散乱光の強度の波長分布から、前記微粒子の吸収スペクトルを計測する微粒子吸収スペクトル計測手段と、を備えていることを特徴とする[1]または[2]のいずれかに記載の光計測システム。
[4]支持台に載置された微粒子に光を照射して、前記微粒子に関する情報を取得する光計測方法であって、レーザー光源を用いて前記微粒子に照射するレーザー光の集光スポットの形状を、線状となるように調整するレーザー光集光スポット形状調整ステップと、前記レーザー光の集光スポットを、前記微粒子の位置に合うように調整するレーザー光集光スポット位置調整ステップと、前記レーザー光の光軸と直交する軸を中心に前記微粒子と前記集光スポットとを相対的に回転させて、前記微粒子に対する前記レーザー光の入射角度を調整するレーザー光入射角度調整ステップと、前記微粒子から散乱される散乱光を利用して、前記微粒子の投影像を表示する微粒子投影像表示ステップと、を有していることを特徴とする光計測方法。
[5]前記レーザー光入射角度調整ステップで調整された各入射角度に対応して前記微粒子投影像表示ステップで表示される投影像の形状の情報を組み合わせて、前記微粒子の3次元形状・サイズを推定する微粒子形状・サイズ推定ステップを有することを特徴とする[4]に記載の光計測方法。
[6]前記微粒子の3次元形状・サイズを推定する前または推定した後に、白色光源を用いて前記微粒子に照射する白色光の集光スポットのサイズを、調整する白色光集光スポットサイズ調整ステップと、前記白色光の集光スポットが前記微粒子の位置に合うように調整する白色光集光スポット位置調整ステップと、前記微粒子から散乱される散乱光の強度の波長分布から、前記微粒子の吸収スペクトルを計測する微粒子吸収スペクトル計測ステップと、を有することを特徴とする[4]または[5]のいずれかに記載の光計測方法。
[7]前記集光素子と前記微粒子との距離、および、前記光軸と前記微粒子との距離を、レーザ光源の波長λに対して、0.0010λ以上100λ以下の範囲で調整することを特徴とする[4]〜[6]のいずれか一つに記載の光計測方法。
[8]前記微粒子の3次元形状・サイズと前記波長分布の情報から、前記波長分布の前記断面形状依存性を抽出し、前記波長分布に対して、前記3次元形状・サイズに依存しないものとなるように校正を行うことを特徴とする[6]または[7]のいずれかに記載の光計測方法。
[9]前記微粒子の吸収スペクトルを特定の波長範囲ごとに区切り、各波長範囲における前記吸収スペクトルのピークの有無を符号化したシグニチャファイルを作成し、既知の成分を有する微粒子の吸収スペクトルにおいて、得られているシグニチャファイルと照合することにより、前記微粒子の成分を同定することを特徴とする[6]〜[8]のいずれか一つに記載の光計測方法。
[10]前記微粒子の吸収スペクトルのピークの波長または波数を、前記シグニチャファイルと照合することにより、前記微粒子の成分を同定することを特徴とする[9]に記載の光計測方法。
本発明の一実施形態に係る光計測システム100の構成について、図1を用いて説明する。光計測システム100は、支持台101に載置された微粒子P(以下、単に粒子と呼ぶ場合がある)に光を照射して、微粒子Pに関する情報を取得するものである。なお、支持台101に対して、光圧を用いて微粒子Pを固定してもよい(非特許文献22)。支持台がスライドガラスの場合は、微粒子の位置は支持台の表面であるが、光圧を用いる場合は、光圧を与えるレーザー(YAGレーザー等)の集光点に微粒子が位置する。光計測システム100は、微粒子Pの支持台101と、レーザー光源102と、レーザー光集光スポット形状調整手段103と、レーザー光集光スポット位置調整手段104と、レーザー光入射角度調整手段105と、微粒子投影像表示手段106と、を備えている。
〔1〕瞳の径を大きくして最初の計測を行い、全体像を観察する。
〔2〕集光素子あるいは微粒子の配置可能な部品の位置を動かして、対象とする粒子に集光する。
〔3〕瞳を絞って、光が対象とする粒子だけに当たるようにする。
〔1〕から〔3〕までの手順を、対象とする粒子を変えた時、および、微粒子の配置可能な部品の向きを変えた時に、その都度行う。
光計測システム100を用いた光計測方法として、微粒子Pに関する情報を取得する方法について説明する。光計測方法は、主に、微粒子Pの形状・サイズを測定する次の第1〜第4ステップを有している。
まず、第1ステップ(レーザー光集光スポット形状調整ステップ)として、微粒子Pに照射するレーザー光L1の集光スポットの形状を、レーザー光集光スポット形状調整手段103(スリット)を用いて、線状となるように調整する。集光スポットは、スリットの開口の長い辺に対して、集光効果が大きくなる。その結果、集光スポットは長い長方形となり、その長辺は、スリットの開口の長辺と垂直になる。
w=mλ/{n0・sin(θm)} (1)
粒子が載置された基板101を入射光に対して垂直にした状態で、スリットを回転させることで、粒子の輪郭を得ることができる。
次に、第2ステップ(レーザー光集光スポット位置調整ステップ)として、レーザー光L1の集光スポットを、微粒子Pの位置に合うように調整する。
次に、第3ステップ(レーザー光入射角度調整ステップ)として、レーザー光L1の光軸(z軸)と直交する軸(x軸、y軸)を中心に、XYステージ107により、支持台101または光軸を回転させて、微粒子Pに対するレーザー光L1の入射角度θiを調整する。
次に、第4ステップ(微粒子投影像表示ステップ)として、微粒子Pから散乱される散乱光を利用して、微粒子Pの投影像を表示する。投影像を取得する方法としては、スクリーンに投影してそれを撮影する方法と、スクリーンに投影せずに直接CCD画像素子に投影する方法等がある。
まず、第6ステップ(白色光集光スポットサイズ調整ステップ)として、白色光源202から照射される白色光L2を、集光素子を経由させたのち、微粒子Pに集光する。具体的には、白色光L2を、ピンホールを通したのち、平行光として、アイリス絞り、スリット、レンズを通して、微粒子Pに集光する。ここで、白色光集光スポットサイズ調整手段203を用いて、微粒子Pに照射する白色光L2の集光スポットのサイズを、調整する。
次に、第7ステップ(白色光集光スポット位置調整ステップ)として、白色光L2の集光スポットが微粒子Pの位置に合うように調整する。
次に、第8ステップ(微粒子吸収スペクトル計測ステップ)として、スペクトルアナライザー(分光器)208を用いて、微粒子Pから散乱される散乱光の強度の波長分布から、微粒子Pの吸収スペクトルを計測する。
図1の光計測システム100を用いて、ローダミンB粉末の微粒子P1の形状・サイズを計測した(光学的測定試験1)。
図2の光計測システム200を用いて、ローダミンB粉末の微粒子Pの光吸収スペクトルを計測した(光学的測定試験2)。
Tobs=(Ibg + Tcal)/Ithrough (2)
Tcal=(Tobs − rate)Ithrough (3)
粒子径が、実際と異なる場合、シミュレーションがどのような結果を与えるか検討した。形状は円とし、粒子幅は実施例2の約半分の2.5μmとした。シミュレーションを行った結果、図29に示すようになり、補正曲線(等高線)の範囲が狭くなることから、粒子幅が計測結果の解釈に大きな影響を与えることが分かった。
レンズの焦点位置が、実際と異なる場合、シミュレーションがどのような結果を与えるか検討した。形状は円とし、粒子幅は5μmとした。粒子の光源側の側面とレンズの中心の距離fzは焦点距離が50μmであるのに対し、ここでは、fzが70μmであるとしてシミュレーションを行った。その結果、図30のグラフに示すようになり、補正曲線の範囲が広くなることから、焦点距離が計測結果の解釈に大きな影響を与えることが分かった。
微粒子P1について、実測と異なる形状・サイズとしてシミュレーションを行った。具体的には、図31に示すように、微粒子P1の幅wが2.5μm、高さhが2.5μmの三角形であるとしてシミュレーションを行い、計測した結果の補正を試みた。照射光の焦点の位置は、三角形の頂点に合わせた。シミュレーションの結果を図32のグラフに示すようになり、消光係数kについて、補正曲線の範囲が狭くなることから、粒子形状が計測結果の解釈に大きな影響を与えることが分かった。
光吸収スペクトルを計測した微粒子Pを自動的に分類するため、成分同定と成分の類似するもの同士を自動分類した。自動分類の方法について、以下に説明する。
多数の粒子の光吸収スペクトルを計測した後、自動的に成分帰属をすることで多数粒子の成分を区別できる。分類のために、まずピークの帰属を行う。図29は、計測結果を分類する一手順について説明する図である。図29に示すように、吸収スペクトルのピークが多数あるとき、一定間隔ごとに、ピークを区分けする。たとえば、波数1cm−1ごとに区分けするとき、160〜161cm−1が、一つの区切りとなる。1000〜3000cm−1を計測対象とすると、2000個の区分がある。この区分ごとにピークの有無と個数を判定し、スペクトルのデータベースと比較することで、成分の推定を行うことができる。赤外線に関するこのようなデータベースとしては、産業技術総合研究所が公開しているスペクトルデータベースが知られている。
図30は、計測結果を分類する他の手順について説明する図である。図30に示すように、粒子ごとに成分が異なり、3種類程度に分類できるとき、その種類が類似しているかどうかを判定する。粒子が類似しているかどうかの判別は、ピークの数で多次元空間を張り、その空間内での距離を計算して行う。模式的なイメージを図31に示した。距離の計算には、該当するピークの波数(または波長)を基準にとる。ある二つの粒子を持ってきたときに、それぞれ10個のピークがあり、そのユークリッド距離が個数の平方根(ここでは10の平方根)よりも小さければ同じ種類、異なれば別の種類と判断する。
図25に示すように粒子ごとに成分が異なり、成分が少しずつ異なるとき、ある成分がどの程度含まれているかで序列をつけることができる。この序列は、上記の自動分類2と同様に定義される距離を用いて行うことができる。ある二つの粒子のそれぞれが有する10個のピークについて、そのユークリッド距離が近いものから順番に並べる。最も距離が遠い二つを両端に置いて、その中間に順番に並べることにより、序列をつけることができる。
(1)光学測定方法、測長装置:
微粒子の3次元形状計測装置に適用すると、高速で精度の高い計測が可能となる。投影像でなく、光軸方向の分布を含めた重心で距離を出すことができる。
(2) 光吸収スペクトルの計測:
吸収スペクトルの定量的な計測においては、溶媒に溶かしたり、フィルム化したりという前処理が必要である。また、タンパク質の結晶のように、試料量がもともと少ない場合は、これらの前処理を行うことも難しい。微光散乱体から直接、光吸収スペクトルを得ることができれば、前処理の簡略化とともに、少ない試料量でも、定量的な計測が可能となる。
(3)多数の粒子の成分による自動分類:
計測した多数の微粒子の成分を自動的に分類し、粒子ごとの成分の分布を知ることができる。これにより、従来、時間的・労力的な制約からできなかった、粉末の粒子ごとの成分分析とそれによる少数成分の抽出や違いのわずかな異性体の検出などが可能になる。
101・・・支持台
102・・・レーザー光源
103・・・レーザー光集光スポット形状調整手段
103a・・・アイリス絞り
103b・・・レンズ
104・・・レーザー光集光スポット位置調整手段
104a・・・偏光ビームスプリッタ―
104b・・・対物レンズ
104c・・・ピンホール
104d・・・レンズ
104e・・・レンズ
105・・・レーザー光入射角度調整手段
106・・・微粒子投影像表示手段
107・・・XYステージ
200・・・光計測システム
201・・・支持台
202・・・白色光源
203・・・白色光集光スポットサイズ調整手段
204・・・白色光集光スポット位置調整手段
204a・・・対物レンズ
204b・・・ピンホール
204c・・・レンズ
204d・・・レンズ
204e・・・レンズ
205・・・微粒子吸収スペクトル計測手段
207a・・・XYステージ
207b・・・XYステージ
208・・・光計測装置
209・・・コンピュータ
210・・・光ファイバ
P・・・微粒子
P1・・・微粒子
P2・・・微粒子
L1・・・レーザー光
L2・・・白色光
Claims (10)
- 支持台に載置された微粒子に光を照射して、前記微粒子に関する情報を取得する光計測システムであって、
レーザー光源と、
前記レーザー光源を用いて前記微粒子に照射するレーザー光の集光スポットの形状を、線状となるように調整するレーザー光集光スポット形状調整手段と、
前記レーザー光の集光スポットを、前記微粒子の位置に合うように調整するレーザー光集光スポット位置調整手段と、
前記レーザー光の光軸と直交する軸を中心に、前記微粒子と前記集光スポットとを相対的に回転させて、前記微粒子に対する前記レーザー光の入射角度を調整するレーザー光入射角度調整手段と、
前記微粒子から散乱される散乱光を利用して、前記微粒子の投影像を表示する微粒子投影像表示手段と、を備えていることを特徴とする光計測システム。 - さらに、前記レーザー光入射角度調整手段で調整された各入射角度で得られた前記微粒子の投影像の形状の情報を組み合わせて、前記微粒子の3次元形状を推定する微粒子形状推定手段を備えていることを特徴とする請求項1に記載の光計測システム。
- さらに、白色光源と、
前記白色光源を用いて微粒子に照射する白色光の集光スポットのサイズを、調整する白色光集光スポットサイズ調整手段と、
前記白色光の集光スポットを、前記微粒子の位置に合うように調整する白色光集光スポット位置調整手段と、
前記微粒子から散乱される散乱光の強度の波長分布から、前記微粒子の吸収スペクトルを計測する微粒子吸収スペクトル計測手段と、を備えていることを特徴とする請求項1または2のいずれかに記載の光計測システム。 - 支持台に載置された微粒子に光を照射して、前記微粒子に関する情報を取得する光計測方法であって、
レーザー光源を用いて前記微粒子に照射するレーザー光の集光スポットの形状を、線状となるように調整するレーザー光集光スポット形状調整ステップと、
前記レーザー光の集光スポットを、前記微粒子の位置に合うように調整するレーザー光集光スポット位置調整ステップと、
前記レーザー光の光軸と直交する軸を中心に前記微粒子と前記集光スポットとを相対的に回転させて、前記微粒子に対する前記レーザー光の入射角度を調整するレーザー光入射角度調整ステップと、
前記微粒子から散乱される散乱光を利用して、前記微粒子の投影像を表示する微粒子投影像表示ステップと、を有していることを特徴とする光計測方法。 - 前記レーザー光入射角度調整ステップで調整された各入射角度に対応して前記微粒子投影像表示ステップで表示される投影像の形状の情報を組み合わせて、前記微粒子の3次元形状・サイズを推定する微粒子形状・サイズ推定ステップを有することを特徴とする請求項4に記載の光計測方法。
- 前記微粒子の3次元形状・サイズを推定する前または推定した後に、
白色光源を用いて前記微粒子に照射する白色光の集光スポットのサイズを、調整する白色光集光スポットサイズ調整ステップと、
前記白色光の集光スポットが前記微粒子の位置に合うように調整する白色光集光スポット位置調整ステップと、
前記微粒子から散乱される散乱光の強度の波長分布から、前記微粒子の吸収スペクトルを計測する微粒子吸収スペクトル計測ステップと、を有することを特徴とする請求項4または5のいずれかに記載の光計測方法。 - 前記集光素子と前記微粒子との距離、および、前記光軸と前記微粒子との距離を、レーザ光源の波長λに対して、0.0010λ以上100λ以下の範囲で調整することを特徴とする請求項4〜6のいずれか一項に記載の光計測方法。
- 前記微粒子の3次元形状・サイズと前記波長分布の情報から、前記波長分布の前記断面形状依存性を抽出し、
前記波長分布に対して、前記3次元形状・サイズに依存しないものとなるように校正を行うことを特徴とする請求項6または7のいずれかに記載の光計測方法。 - 前記微粒子の吸収スペクトルを特定の波長範囲ごとに区切り、各波長範囲における前記吸収スペクトルのピークの有無を符号化したシグニチャファイルを作成し、
既知の成分を有する微粒子の吸収スペクトルにおいて、得られているシグニチャファイルと照合することにより、前記微粒子の成分を同定することを特徴とする請求項6〜8のいずれか一項に記載の光計測方法。 - 前記微粒子の吸収スペクトルのピークの波長または波数を、前記シグニチャファイルと照合することにより、前記微粒子の成分を同定することを特徴とする請求項9に記載の光計測方法。
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