JP7828128B1 - 粒子観察システムおよびセルユニット - Google Patents

Abstract

分散液にレーザーを照射して散乱光による粒子を観察する粒子観察システムにおいて、種類の異なる複数の分散液を観察するような場合に連続して観察することに適した取り扱いの良いセルが求められる。そこで本願発明に係る粒子観察システムは、セルユニットと、レーザー光源と、撮像装置とを備え、セルユニットは、開口部を有して分散液を収容するセルと、開口部を覆う観察窓と、セルと観察窓を所定の位置に固定するホルダーとを備え、レーザー光源はセルユニットに向けてレーザー光を出力し、撮像装置は、レーザー光が分散液に入射している領域を撮像して撮像画像を生成する。

Description

本発明は、分散液を収容したセルユニットにレーザー光を照射して分散液中の粒子の散乱光を撮像した撮像画像により粒子を観察する粒子観察システムおよびそのセルユニットに関する。

分散液にレーザー光を照射して分散液中の粒子の散乱光を撮像した撮像画像を取得することにより粒子を観察できることが知られている。その撮像画像に基づいて分散液中の粒子濃度や粒子径を求めることも知られている。例えば、特許文献１には、ナノバブル水を入れた容器にレーザーを照射して撮像画像を取得し、輝度の平均値に基づいてナノバブル水の濃度を算出することが記載されている。また、例えば、特許文献２には、ブラウン運動による粒子の変位に基づいて粒子径を算出することが記載されている。

特開２０２３－０３０５７９号公報 特開２０２０－１０９４１９号公報

分散液を収めたセルや容器にレーザーを照射して観察する粒子観察システムにおいて、種類の異なる複数の分散液を連続して観察するような場合、連続して観察することに適した取り扱いの良いセルや容器が求められる。

また、分散液の温度と、セルや容器周辺の大気の温度に差異があると分散液に対流が生じ、撮像画像上で粒子のブラウン運動を捉えにくくなるといった問題がある。そこで、対流を生じさせたくない場合に対流を抑制できる粒子観察システムも求められている。

上記課題を解決するために、本願発明に係る粒子観察システムは、セルユニットと、レーザー光源と、撮像装置とを備え、セルユニットは、開口部を有して分散液を収容するセルと、開口部を覆う観察窓と、セルと観察窓を所定の位置に固定するホルダーとを備え、レーザー光源はセルユニットに向けてレーザー光を出力し、撮像装置は、レーザー光が分散液に入射している領域を撮像して撮像画像を生成する。

本願発明に係るセルユニットを用いることにより、セルの交換が容易になるため異なる分散液を連続して観察することができる。また、分散液を温度調整して対流の抑制を容易にする。

本願発明の実施形態に係る粒子観察システムを示す図である。 本願発明の実施形態に係るセルユニットを構成する各部材の外観図である。 本願発明の実施形態に係るホルダーにセルが組み込まれている様子を示す図である。 本願発明の実施形態に係るホルダーに観察窓が組み込まれている様子を示す図である。 本願発明の実施形態に係るホルダーを示す外観図である。 本願発明の実施形態に係るセルユニットの断面図である。 本願発明の実施形態に係る撮像範囲を説明するための図である。 分散液を撮像した撮像画像の一例を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。ただし、記載されている構成要素は例示であり、本発明の技術範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

＜第１の実施形態＞
図１は、第１の実施形態に係る粒子観察システム１００を示す図である。粒子観察システム１００は、レーザー光源１０と、セルユニット２０と、撮像装置３０と、画像処理装置４０と、表示装置５０とを備える。

図１に示すように、撮像装置３０は、観察対象である分散液を収納するセルユニット２０の観察窓２１０に向けられており、レーザー光１１の照射方向であるＸ方向に対し、垂直な方向（Ｚ方向）から撮像する。撮像装置３０の撮像範囲は、例えば、５［ｍｍ］×１．４［ｍｍ］のように設定できるが、これに限定されるものではない。撮像範囲は、撮像対象までの距離とレンズの焦点距離とセンサーサイズとを用いて求めることができる。

撮像装置３０は、テレセントリックレンズ等のレンズを備えるカメラ等の撮像装置であり、セルユニット２０にレーザー光１１が照射されている照射領域内に撮像範囲を設定して撮像する。撮像装置３０は、所定間隔で連続して撮像領域を撮像した撮像画像を生成する。撮像装置３０は、画像処理装置４０に接続されており、撮像した撮像画像を画像処理装置４０に送信することができる。図８は、撮像装置３０が撮像した撮像画像の一例を示す。図８に示すように、粒子からの散乱光が輝点として現れている。なお、図８は、粒径１００［ｎｍ］前後のウルトラファインバブル（ＵＦＢ）を含んだ純水を撮像したものである。

表示装置５０は、例えば液晶モニターであり、画像処理装置４０に接続されて撮像装置３０が撮像した撮像画像や、画像処理装置４０により処理された画像等を表示することができる。

レーザー光源１０は、分散液が入ったセルユニット２０に向けてレーザー光１１出力し、分散液に含まれる粒子やウルトラファインバブルからレイリー散乱光を発するような波長４０５［ｎｍ］の光を出力する半導体レーザーである。レーザー光１１の照射方向は、図１のように底面をＸＹ平面としてＸＹＺ方向を設定した場合に、Ｘ方向である。

撮像範囲を拡大するために、光路にレンズ等を追加してレーザー光１１をシート状にして照射範囲を拡げてもよい。例えば、ＧＲＩＮレンズやシリンドリカルレンズを用いることによりレーザー光１１をシート状にすることができる。ＧＲＩＮレンズを用いる場合は、第１のＧＲＩＮレンズで図１に示すＺ軸方向のレーザースポット径を縮小させ、第２のＧＲＩＮレンズでＹ軸方向のレーザースポット径を拡大させることでレーザー光１１をシート状にすることができる。なお、レーザー光１１をシート状にした後にアパーチャーを配置してレーザー強度の弱い部分をカットし、あるいは回折格子に透過させ、ビーム強度分布を均一に整形した後にセルユニット２０に入射するようにしてもよい。好適には、本発明に係る粒子観察システム１００において、Ｙ方向に照射範囲を拡げる。

セルユニット２０は、観察窓２１０、セル２２０、およびホルダー２３０とから構成される。ホルダー２３０に、分散液が満たされたセル２２０を組み込み、観察窓２１０でセル２２０を覆うようにする。図２は、セルユニット２０を構成する観察窓２１０、セル２２０、およびホルダー２３０の外観図である。

セル２２０は、石英ガラスや透明なプラスチック等からなり、観察対象となる分散液を収容するものである。例えば、３［ｍｍ］×３［ｍｍ］×５［ｍｍ］の立体形状を有し、上面に開口部を有する。厚さは０．７［ｍｍ］程度でよいが、これに限定されるものではない。セル２２０を石英ガラスにすることにより、アルカリ性の分散液を収容することができる。図３の外観図に示すように、セル２２０は、ホルダー２３０に組み込まれる。なお、図３において、セル２２０には斜線が付されている。

セル２２０の底面に、例えばプラチナまたは銅のような金属膜を蒸着させてもよい。膜厚５０～１００［ｎｍ］程度のこれら金属は、レーザー光１１の波長である４０５［ｎｍ］の波長の光に対する反射率が６０％以下であり、粒子の散乱光による底面での反射をある程度抑えつつ、ホルダー２３０を温度制御する場合に熱伝導性によりセル２２０内の分散液に対する温度制御の応答性を高めることができる。

観察窓２１０は、透明な石英ガラス等からなり、セル２２０の開口部を完全に覆うようにしてホルダー２３０の上面に取り付けられる（図４参照）。観察窓２１０は、セル２２０の横幅と縦幅よりも大きい、例えば５［ｍｍ］×５［ｍｍ］で厚みが０．７［ｍｍ］の平面形状である。図４に示すＸＹＺ方向は図１に示すＸＹＺ方向に対応しており、観察窓２１０の上面が撮像装置３０の撮像方向（－Ｚ方向）と垂直になっている。

セルユニット２０を用いて分散液内の粒子の観察を行う場合、まず、ホルダー２３０に分散液を満たしたセル２２０を組み込み（図３参照）、次に、セル２２０を覆うようにして観察窓２１０を組み込む（図４参照）。または、セル２２０を分散液で十分に満たし、当該分散液の表面張力により観察窓２１０をセル２２０の開口部に密着させて、これを一体にしてホルダー２３０に組み込んでもよい。

ホルダー２３０は、金属または樹脂からなり、図５に示すように、レーザー光入力部２３１と、レーザー光出力部２３２と、セル収納部２３３と、観察窓収納部２３４とを有する。レーザー光入力部２３１およびレーザー光出力部２３２は開口部であり、Ｘ方向に入力するレーザー光１１を通過させるために設けられた通過領域である。レーザー光入力部２３１およびレーザー光出力部２３２は、好ましくはレーザー光１１のスポットサイズよりもやや大きくすることにより、レーザー光１１以外の光がセル２２０に入射するのを防ぐことができる。

セル収納部２３３はホルダー２３０の内部に設けられた窪みであり、セル２２０と同サイズであり、セル２２０をホルダー２３０内に収納することができる。観察窓収納部２３４は、ホルダー２３０の上面に設けられた窪みであり、観察窓２１０と同サイズであり、セル２２０の上面の端で観察窓２１０と接しつつホルダー２３０の上面に取り付けられる。このように、ホルダー２３０は、観察窓２１０およびセル２２０を所定の位置に固定する。なお、セル収納部２３３と観察窓収納部２３４の角部分を面取りしてもよい。これにより、観察窓２１０をセル２２０で覆ったときに分散液があふれても面取り部分に分散液が流れ込み、観察窓２１０の浮き等を防止することができる。

図６は、図４に示す破線Ａで切断したときの断面図である。図６において、観察窓２１０およびセル２２０の断面が斜線で表わされている。またホルダー２３０も同様に断面が斜線で表わされている。レーザー光入力部２３１およびレーザー光出力部２３２はレーザー光１１の光路を確保するために形成された開放空間である。図６に示すように、撮像装置３０は、観察窓２１０の上方に設置されており、観察窓２１０を介してセル２２０内でレーザー光１１の照射範囲内に撮像範囲を設定して撮像する。撮像範囲は、レーザー光１１の照射範囲に少なくとも収まるようにする。この撮像範囲について図７を参照しつつ説明する。ここで図７は、図１に示すレーザー光１１がセルユニット２０内のセル２２０を通過しているときにレーザー光１１の照射範囲に撮像範囲７１０が設定されている様子を示したＸＹ平面による断面図となっている。

図７に示すように、撮像範囲７１０における、レーザー光１１の進行方向（図１のＸ方向）に垂直な方向（図１のＹ方向）の高さＭは、レーザー光１１の幅Ｌの１／２以下になるようにする。すなわち、Ｍ ≦ １／２×Ｌとなるようにする。また、撮像範囲７１０の中心がレーザー光軸７２０上にあるようにする。これはレーザー光の特性によりＹ方向の強度が光軸方向から離れるに従って減衰するため、このように設定しないと撮像画像において散乱光の輝度値に関し、端部と中心でばらつきが生じうるからである。なお、レーザー光軸７２０がセル２２０の中心を通るように設定することにより、セル２２０の中心近辺は対流の影響が少ないので仮に対流が生じていたとしてもその影響を軽減することができる。

ホルダー２３０には、ペルチェ素子等の温度制御可能な部材が接続される（不図示）。この温度制御部材が吸熱または発熱することにより、ホルダー２３０の温度が変化し、その熱的影響がホルダー２３０に接するセル２２０にも及ぶ。これにより、セル２２０内の分散液の温度も変化する。温度制御部材を制御して分散液の温度をホルダー２３０周辺と同等の温度に維持することにより、分散液内に対流が生じるのを抑制することができる。なお、あえて対流を生じさせる必要があるときは、分散液の温度をホルダー２３０周辺と異なる温度になるように制御すればよい。

画像処理装置４０は、例えばＰＣ（パーソナルコンピューター）であり、撮像装置３０から送られた撮像画像に対して各種画像処理や計算処理を実行し、分散液の個数濃度や分散液に含まれる粒子の粒子径を求めることができる。例えば、個数濃度であれば、撮像画像の全体に含まれる粒子の散乱光である輝点の数をカウントし、この輝点の数を、撮像画像から求まる分散液の体積で除算した値が分散液の個数濃度である。分散液の体積は、撮像装置３０の撮像範囲（例えば図７の撮像範囲７１０）が上述のように５［ｍｍ］×１．４［ｍｍ］に設定されており、撮像装置３０の被写界深度が４４［μｍ］であるとすれば、５［ｍｍ］×１．４［ｍｍ］×４４［μｍ］により０．３０８ｍｍ^３が撮像画像から求まる分散液の体積となる。

また、画像処理装置４０は、撮像画像に基づいて粒子径の算出を行うことができる。具体的には、複数の撮像画像に基づいて粒子の運動を連続的に捕捉し、粒子のブラウン運動からストークス・アインシュタインの式により粒子径を個々に算出することができる。

以上の説明のように、観察窓２１０とセル２２０は、レーザー光１１が通過するホルダー２３０に自在に取り付けられるため、ある分散液について観察した後に観察窓２１０とセル２２０をホルダー２３０から取り出して、別の分散液をセル２２０に満たして観察窓２１０とともにホルダー２３０にセットすればよく、連続した観察が可能となる。

また、ホルダー２３０を加熱または吸熱してセル２２０内の分散液について温度調整を行うことで対流を抑制することができる。

＜第２の実施形態＞
第２の実施形態に係る粒子観察システムは、図１に示す粒子観察システム１００と同じ構成であるが、セルユニット２０にいくつかの要素を追加したことが異なる。第２の実施形態では、大気の影響をより受けないようにして、分散液の温度をさらに一定に保つことができる。

追加の要素は、セルユニット２０を収容することができる金属等から構成される第２のホルダーと、第２のホルダーに取り付けられる第２の窓部材（３つ）と、真空引き装置である。セルユニット２０の構成は第１の実施形態と同じであり、分散液を収容するものである。第２のホルダーは例えば立体形状の容器であり、撮像用開口部と、２つのレーザー通過用開口部と、中空部とを有し、中空部にセルユニット２０を収容する。中空部はセルユニット２０よりもやや大きいサイズである。第２のホルダーの上面には撮像用開口部が設けられ、側面にレーザー通過用開口部と、その反対の面に別のレーザー通過用開口部が設けられる。

セルユニット２０を収容した後に開口部を第２の窓部材で覆う。第２の窓部材は、金属と２枚のガラスからなり、金属で２枚のガラスを固定しつつ、ガラス間が真空である複層構造となっている。撮像用開口部の上方（図１に示すＺ方向）には撮像装置３０が設置されており、第２の窓部材と、観察窓２１０を介してセル２２０の分散液を観察することができる。

２つのレーザー通過用開口部にも同様に第２の窓部材が取り付けられる。一方の第２の窓部材を介してレーザー光１１が入力し、セルユニット２０を通過して、もう一方の第２の窓部材を介してレーザー光１１が出力する。レーザー光１１がセルユニット２２０を通過しているときに分散液に照射されて撮像装置３０により粒子観察をすることができる。このように、セルユニット２０は、第２のホルダーの３つの開口部は第２の窓部材で覆われつつ中空部に収容されて第２のホルダーに包み込まれている。

真空引き装置は中空部を真空引きするものである。実際に観察するときは、セルユニット２０を第２のホルダーに組み込み、３つの第２の窓部材を第２のホルダーに組み込んだ後に中空部を真空引きする。中空部が真空になった後でセルユニット２０に接続されている温度制御部材を用いてセル２２０内の分散液の温度を所定の温度にすることができる。セルユニット２０の周辺が真空になっているため、セル２２０内の分散液に対する温度影響は温度制御部材からのみとすることで、対流を抑制することができる。粘度が高い分散液を観察する場合には分散液の温度を上げて粒子の運動をより大きくして観察しやすくしつつ、第２のホルダー外の温度影響を遮断することにより対流を抑制することもできるという効果が得られる。

１０ レーザー光源
２０ セルユニット
３０ 撮像装置
４０ 画像処理装置
５０ 表示装置
１００ 粒子観察システム
２１０ 観察窓
２２０ セル
２３０ ホルダー

Claims (10)

1. セルユニットと、前記セルユニットに向けてレーザー光を出力するレーザー光源と、撮像装置とを備え、
   前記セルユニットは、上部に開口部を有して分散液を収容するセルと、前記開口部を覆う観察窓と、前記セルと前記観察窓を所定の位置に固定するホルダーとを備え、
   前記ホルダーは、前記レーザー光を通過させるための２つの開放空間を備え、前記セルを収納したときに前記開口部以外の面と接し、
   前記撮像装置は、前記レーザー光が前記分散液に入射している領域を、前記観察窓を介して撮像して撮像画像を生成する、粒子観察システム。
2. 前記セルの底面には、前記レーザー光の波長に対する反射率が６０％以下の金属が形成されている、請求項１に記載の粒子観察システム。
3. 前記ホルダーに温度制御可能な部材が接続される、請求項１または２に記載の粒子観察システム。
4. 前記分散液の温度が前記セルユニット周辺の大気の温度と同一になるように制御され、前記分散液の対流を抑制する、請求項３に記載の粒子観察システム。
5. 前記撮像装置による垂直方向の撮像範囲は前記レーザー光の幅の１／２以下であり、前記撮像範囲の中心は前記レーザー光の光軸上にある、請求項１または２に記載の粒子観察システム。
6. 前記撮像画像に含まれる輝点の数を、前記撮像装置の撮像領域の面積に被写界深度を掛け合わせて求めた前記分散液の体積で除算することにより粒子濃度を計算する処理装置をさらに備える、請求項１または２に記載の粒子観察システム。
7. 前記セルユニットを包みこむ第２のホルダーをさらに備え、
   前記第２のホルダーは、前記レーザー光を前記分散液に入射可能な窓部材と、前記撮像装置による前記撮像を可能にする窓部材と、を備え、内部が真空になっている、請求項１または２に記載の粒子観察システム。
8. レーザー光を照射した分散液を撮像装置で撮像する粒子観察システムに用いるセルユニットであって、
   上部に開口部を有して分散液を収容するセルと、
   前記開口部を覆う観察窓と、
   前記セルおよび前記観察窓を所定の位置に固定するホルダーと、を備え、
   前記ホルダーは、前記レーザー光を通過させるための２つの開放空間を備え、前記セルを収納したときに前記開口部以外の面と接し、
   前記撮像装置は、前記レーザー光が前記分散液に入射している領域を、前記観察窓を介して撮像して撮像画像を生成する、
   セルユニット。
9. 前記セルの底面には、前記レーザー光の波長に対する反射率が６０％以下の金属が形成されている、請求項８に記載のセルユニット。
10. 前記ホルダーに温度制御可能な部材が接続される、請求項８または９に記載のセルユニット。