JPH0216433A - 光散乱式計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は光ビームを測定領域に向けて照射し測定領域を
通る微粒子からの散乱光に基づいてその粒径や速度を検
出する光散乱式計測装置に関するものである。

〔従来技術〕

従来光散乱式の計測装置として例えば特開昭５８−２０
１００５号等に示されているように、レーザ光源を集束
レンズを介して測定領域に照射し、測定領域から得られ
る散乱光に基づいて粒径や微粒子の速度を検出するよう
にした計測装置が知られている。このような計測装置は
例えば第８図に示すように、レーザ光源１から照射され
る光を集束レンズ２及び３に導いて平行な光ビームとし
て測定領域４に照射している。そして測定領域４を通過
する物体からの散乱光を集光レンズ５によって集光し、
フォトダイオード等の光電変換器６を用いて電気信号に
変換してその信号に基づき測定領域を通過する粒子の粒
径や速度を検出するようにしている。しかるにこのよう
な光散乱式計測装置では、レーザ光源１より照射される
光はその先軸から周辺方向に向かって第９図（ａ）に示
すようにガウス分布する光強度を有している。従ってこ
のような強度分布を有するレーザ光をそのまま集束レン
ズ２゜３で集束し測定領域に照射しても、光ビーム内で
は元のガウス分布強度がそのまま保存される。従って同
一の粒径についても光ビームを通過する位置によって散
乱光強度が変化することとなり、正確な粒径を測定する
ことができなかった。

そこで照射するレーザ光の強度分布を光軸から周辺方向
に向かってほぼ一定に保つようにするため、例えばレン
ズ３の後方にアパチャーを有するスリット７を配置して
光強度が低い周辺部分の光を遮光している。そうすれば
第９図（ｂ）に示すように、測定領域に照射する光の強
度は光ビームの範囲内ではほぼ一定のものとすることが
できる。

〔発明が解決しようとする課題〕

このような従来の光散乱式計測装置では、アパチャーを
有するスリットによってレーザ光源の光の周辺部を遮断
するようにしているため、その中心部の光だけを利用す
ることとなり、光の利用率が悪くなるという欠点がある
。一方微小な粒子の粒径を測定するためには測定領域に
照射する光強度を強くしなければならずレーザ光源の出
力を大きくする必要がある。従って小出力の半導体レー
ザ等が使い難く、気体レーザを用いた場合には装置が大
型化するという問題点があった。

本願の請求項１〜３の発明はこのような従来の光散乱式
計測装置の問題点に鑑みてなされたものであって、光源
の光の利用率を向上させ、照射した光ビームの強度分布
がその光径内ではほぼ一定になるようにすることを技術
的課題とする。

〔課題を解決するための手段〕

本願の請求項１の発明は測定領域に光を照射し該領域を
通過する微粒子からの散乱光を検出する光散乱式計測装
置であって、光軸の中心より周辺部に向けて所定の強度
分布を有する平行な光ビームを発生する光源と、光ビー
ムの光軸に垂直に配置され、一方の面を光軸の中心を含
む第１の平面内で光を集束させる第１の円筒レンズ部と
して形成すると共に、その裏面を該光軸を中心に含む所
定範囲を光軸に垂直な平面部として形成し、その両端を
該第１の平面と垂直な第２の平面内で光を内側に集束さ
せる第２．第３の円筒レンズ部とし、該第２．第３の円
筒レンズ部の焦点距離を該第１の円筒レンズ部の焦点距
離より短く形成した両面シリンドリカルレンズと、両面
シリンドリカルレンズの第１の円筒レンズ部の焦点位置
を測定領域とし、該測定領域を通過する微粒子からの散
乱光を集光する光学手段と、光学手段より得られる散乱
光を電気信号に変換する光電変換器と、光電変換器の出
力に基づいて信号処理を行う信号処理部と、を有するこ
とを特徴とするものである。

本願の請求項２の発明は測定領域に光を照射し該領域を
通過する微粒子からの散乱光を検出する光散乱式計測装
置であって、両面シリンドリカルレンズに代えて、光ビ
ームの光軸に垂直に配置され、一方の面を光軸の中心を
含む第１の平面内で光を集束させる第１の円筒レンズ部
として形成すると共に、その裏面を該光軸を中心に含む
所定範囲を光軸に垂直な平面部とし、その両端を該第１
の平面と垂直な第２の平面の内側に光を導き中央の平面
部と所定の傾きを有する平面として形成したシリンドリ
カルレンズを用い、８亥シリンドリカルレンズの第１の
円筒レンズ部の焦点位置を測定領域として構成したもの
である。

又本願の請求項３の発明は測定領域に光を照射し該領域
を通過する微粒子からの散乱光を検出する光散乱式計測
装置であって、両面シリンドリカルレンズに代えて、光
ビームの光軸に垂直に配置され、光軸の中心を含む第１
の平面内で光を集束させる第１の集束レンズと、該光軸
を中心に含む所定範囲を光軸に垂直な平面とし、その両
端を第１の平面と垂直な第２の平面内で光を集束させる
第２．第３の円筒レンズ部を有し、該第２．第３の円筒
レンズ部の焦点距離を該第１の集束レンズの焦点距離よ
り短く形成した第２の集束レンズと、を用い、第１の集
束レンズの焦点位置を測定領域として構成したものであ
る。

〔作用〕

このような特徴を有する本願の請求項１の発明によれば
、光源からの光は両面シリンドリカルレンズの前面の第
１の円筒レンズ部によって第１の平面内で集束され、偏
平な光径を有する光ビームに集束される。そして偏平な
光ビームの中心は両面シリンドリカルレンズの裏面の平
面部によってそのまま測定領域に照射され、その両端部
は裏面の第２．第３の円筒レンズ部によって集束される
。

従って光ビームの一部が重なりあうこととなり、所定の
位置では光強度がほぼ等しい平板状の領域を得ることが
できる。そしてこの領域を測定領域としこの部分に微粒
子を通過させ、微粒子の通過時に得られる散乱光を光学
手段により集光し、電気信号に変換して信号処理を行う
ようにしている。

又本願の請求項２の発明では、光源からの光をシリンド
リカルレンズの円筒レンズ部によって第１の平面内で集
束させ、その裏面に設けた光軸近傍の平面部では偏平な
光ビームをそのまま通過させその両端では光ビームを第
２の平面内で内向きに反射させるようにしている。この
場合にも光ビームの一部が重なりあうこととなり、所定
の位置では光強度がほぼ等しい平板状の領域を得ること
ができる。

又本願の請求項３の発明では、第１の円筒レンズ部と同
一の機能を有する第１の集束レンズと第２の平面内で両
端のみの光を集束させる円筒レンズ部を有する第２の集
束レンズとを分離して同一の機能を達成している。

〔実施例の説明〕

第１図は本発明の一実施例による光散乱式計測装置の光
学系部分を示す斜視図、第２図はその全体構成を示す図
である。これらの図においてレーザ光源１０はレーザ光
を発生する例えば半導体レーザであって、その強度分布
は第８図（ａｌに示すように光ビームの中実軸から周辺
に向けて徐々に低下する強度分布、例えばガウス分布の
分布強度を有している。レーザ光源１０に対向し、その
光ビームを所定の光径を持つ平行光とするコリメートレ
ンズ１１を配置する。本実施例ではレーザ光源１０とコ
リメートレンズ１１によって平行な光ビームを発生させ
る光源を構成している。さてコリメートレンズ１１の光
軸を２軸とし、ｚ軸に垂直なｘｙ平面に両面シリンドリ
カルレンズ１２を配置する。第３図（ａ）は両面シリン
ドリカルレンズ１２のｙ軸方向、第３図（ｂ）はそのＸ
軸方向から見た側面図である。両面シリンドリカルレン
ズ１２は第３図（ａｌに示すようにコリメートレンズ１
１に対向する面には側面が円弧状として示される第１の
円筒レンズ部１２ａが形成される。円筒レンズ部１２ａ
は光軸の中心を含む第１の平面であるＸ２平面内で光を
集束させるものであって、その焦点距離を１１とする。

又その裏面は第３図（ｂ）に示すようにｘｚ平面と垂直
な第２の平面であるｙｚ平面内で光軸であるｚ軸の中心
部を平面１２ｂとし、その両側には光を内向きに集束さ
せる曲面、例えば第２．第３の円筒レンズ部１２ｃ、１
２ｄを形成する。両面シリンドリカルレンズ１２の円筒
レンズ部１２ａは後述する測定領域までの距離を焦点距
離１１としており、円筒レンズ部１２ｃ、１２ｄは夫々
この約Ａの距離１２を焦点距離としている。

さて第２図に示すようにレーザ光源１０．　コリメート
レンズ１１及び両面シリンドリカルレンズ１２は光源室
１３内に収納されており、その測定領域にはダクト１４
を介してエアロゾルが導かれる。ダクト１４の一端は測
定すべきエアロゾルを吸引する開口部であって、その他
端はテーバ状に形成されたノズル１５として光ビーム１
６の測定領域１６ａに対向している。そしてノズル１５
の先端部に対向して測定領域１６ａを挟んでダクト１７
が設けられる。ダクト１７はノズル１５からの微粒子を
含むエアロゾルを測定領域１６Ｈに導くものであり、そ
の他端は流量計１８及びポンプ１９に連結されている。

ポンプ１９はダクト１７を介してエアロゾルを吸引する
ものであり、吸引したエアロゾルをフィルタ２０を介し
て外部に放出するようにしている。さて光ビーム１６の
測定領域１６ａに対向する位置には光ビームを反射させ
ないようにした光トラップ２１が設けられる。

そして光トラップ２１と光源室１３の間には夫々第４図
にＡ−Ａ線断面図を示すように、一対の回転楕円面を有
する凹面鏡２２及び２３が配置される。凹面鏡２２．２
３は第４図に示すように測定領域１６ａを共通な焦点と
し、他方の焦点を互いに凹面鏡２３．２２の中心部とす
る回転楕円面を有している。凹面鏡２２．２３は測定領
域１６ａで散乱された光を互いにその焦点位置に配置さ
れた光電変換器２４．２５に導く光学手段である。

光電変換器２４．２５の出力は信号処理部２６に与えら
れる。信号処理部２６はこれらの出力を増幅し加算する
と共に、散乱光の光強度に基づいて測定領域１６ａを通
過する微粒子の粒径を検出するものである。

次に本実施例の動作について第３図を参照しつつ説明す
る。レーザ光源１０から照射された光はコリメートレン
ズ１１によって平行光として両面シリンドリカルレンズ
１２に与えられる。両面シリンドリカルレンズ１２の前
面に形成された円筒レンズ部１２ａの焦点距離は１１で
あるので、第３図（ａ）に示すようにＸ２平面（第１の
平面）内では測定領域１６ａで集束される。そしてこの
レーザビーム１６はｙｚ平面（第２の平面）においては
第３図（ｂｌに示すように両面シリンドリカルレンズ１
２の平面部１２ｂの幅りの範囲内ではそのまま光トラッ
プ２１に導かれるが、レーザビーム１６の両端部は円筒
レンズ部１２ｃ、１２ｄによって集束される。ここで第
３図（ｂ）の左端には両面シリンドリカルレンズ１２に
加わる光強度分布を牙している。円筒レンズ部１２ｃ、
１２ｄの焦点距離は円筒レンズ部１２ａの焦点距離１１
の約２の１２であるので図示のように距離１２で焦点を
結び、測定領域１６ａでは平面部１２ｂをそのまま通過
する光ビームと重なりあうこととなる。従ってレーザ光
強度の中央部分の光強度分布とその両端の光強度分布が
重ね合わされた状態となり、第３図（ｂ）の右端に示す
ような強度分布が得られる。

ここで両面シリンドリカルレンズ１２の平面部の幅りと
両面シリンドリカルレンズ１２で照射される光ビームの
光強度がピーク値からＡの強度になるまでの径ｄとの比
（ｄ／Ｄ）を０．６〜１．４まで変化させたときの測定
領域１６ａで得られる強度分布を第５図に示す。この図
より知られるように平面部１２ｂの幅りと光径ｄが同一
か、光径ｄをやや大きくすることによって測定領域でほ
ぼ均一な矩形波状の強度分布を有する光ビームを得るこ
とができる。

さてこのうち光が重なる領域では第３図（ｂ）に示すよ
うにわずかに光の干渉によって強度のゆらぎが生じる。

しかし測定すべき微粒子の粒径がこのような強度の変動
幅より充分大きければ無視することができ、測定領域で
はほぼ同一の光強度を有するレーザビームとすることが
できる。こうすれば測定領域を微粒子が通過すればその
粒径に応じたレベルの散乱光が得られる。この場合レー
ザビームの中心のみならず周辺のどの領域を通過する場
合にも同一の光が照射されるため、同一の強度の散乱光
が得られることとなり、粒径を確実に検出することがで
きる。一方光ビーム１６の測定領域１６ａを外れた粒子
からは散乱光が得られない。

それ故レーザビームの光強度分布の平坦な中央部のみを
用いて周辺部をスリットにより遮光する必要がなくなり
、レーザビームの光の利用率が向上し小電力の半導体レ
ーザ等のレーザ光源を用いても充分な散乱光強度を得る
ことができる。

尚本実施例は両面シリンドリカルレンズ１２の前面を円
筒レンズ部１２ａとし、その裏面側の両端に円筒レンズ
部１２Ｃ，１２ｄを構成しているが、裏面のレンズ部を
平面状とすることもできる。

即ち第６図に示すようにシリンドリカルレンズ３０の前
面は第１実施例と同様に円筒レンズ３０ａを構成し、裏
面の周辺部をｙｚ平面で光を内向きに反射させるように
中央の平面部３０ｂを挟んで平面部３０Ｃ，３０ｄとし
て直線状に構成してもよい。この場合には第６図の右端
に示すように光の交差領域が大きくなるため光強度の変
動分が大きくなる。しかしこの場合にも測定すべき微粒
子の径がレーザビームの光の波長より充分大きく、この
ような変動分を無視できる場合には測定領域゛で同一の
光強度が得られるためレーザ光の利用率を向上すること
ができる。

又本実施例は平行なレーザビームを集束するために両面
シリンドリカルレンズを用いているが、第７図に示すよ
うにｘｚ平面上で光ビーム１６を測定領域１６ａで集束
する円筒状の第１の集束レンズ３１と、ｙｚ平面上で光
軸の中心部を平面としその両端部で光ビームを内向きに
集束する円筒レンズ部３２ｂ、３２ｃを持つ第２の集束
レンズ３２を夫々別個に構成し、それらを光軸上に配置
するようにしてもよい。

更に前述した第１実施例の円筒レンズ部１２Ｃ１１２ｄ
又は第２の集束レンズ３２の円筒レンズ部３２ｂ、３２
Ｃは、断面が円弧状に限らず両端のレーザ光を中心部に
集束させるため放物面等の種々の形状の曲面を用いて構
成することができる。

〔発明の効果〕

このように本願の請求項１〜３の発明によれば、平行な
レーザビームを第１の平面内で測定領域に集束するよう
にしており、第２の平面内ではその中心部はそのままレ
ーザビームを通過させ、その周辺部では通過させた平行
なレーザビームと一部を重なるようにして測定領域でほ
ぼ平坦な強度特性を有するようにしている。従ってスリ
ット板等を用いる必要がなく測定領域でほぼ同一の光強
度が得られるため、光の利用率を向上することができる
という効果が得られる。従って光強度の大きい光ビーム
を測定領域に照射することができ、微小な径の粒子につ
いても粒径、速度等を測定することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例による光散乱式計測装置の投
光部の主要部を示す図、第２図は本実施例による光散乱
式計測装置の全体構成を示す図、第３図＋ａ）及び第３
図（′ｂ）は本実施例の両面シリンドリカルレンズの異
なる方向から見た光の集束状態を示す図、第４図は光散
乱式計測装置のＡ−Ａ線断面図、第５図は両面シリンド
リカルレンズの平面部の幅りと光強度がＡに低下する幅
ｄとの比による測定領域での光強度の変化を示すグラフ
、第６図は本願の第２の実施例によるシリンドリカルレ
ンズの例を示す図、第７図は本願の第３の実施例による
第１．第２の集束レンズを示す図、第８図は従来の光散
乱式計測装置の一例を示す概略図、第９図（ａ）及び第
９図（ｂ）はその光源及び測定領域に照射するレーザ光
の半径方向の光強度変化を示すグラフである。 ２ａ、　　１２ｃ、　　１２ｄ、　　３０ａ、　　３２
ｂ、　　３２ｃ・−・・・・・円筒レンズ部　　１２　
ｂ、　　３０　ｂ、　　３０　ｃ。 ３０　ｄ　、　　３２　ａ−・−−−−平面部　　１６
−−−−光ビーム１６ａ・・−・−・測定領域　　１４
．１７−・−一−−−−ダクト２２．２３・−・・・−
凹面鏡　　２４．２５−・−・−光電変換器　　３０・
−・−シリンドリカルレンズ　　３１゜３２−−−−一
・・集束レンズ 特許出願人　　　日本科学工業株式会社代理人　弁理士
　岡本宜喜（他１名） １０−・−・−レーザ光源　　１１−−−−一・・コリ
メートレンズ　　１２−−−−−−一画面シリントリカ
ルレンズ　　１第１図 第２図 １０−−−−・−−−・−−−−−Ｌ−サ゛九：、！。 １１−−−−−−−−−・−・・・コリメートレンズ゛
１２−−−−・−−−−−−−−ｉ面シ１Ｊンドリカル
レンス゛１２ａ、１２ｃ、１２ｄ　−−−−−一巴悄し
ンカ舒１２ｄ−−−−−−−−−−−一平面部第 図 第 図 第 図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）測定領域に光を照射し該領域を通過する微粒子か
   らの散乱光を検出する光散乱式計測装置において、 光軸の中心より周辺部に向けて所定の強度分布を有する
   平行な光ビームを発生する光源と、前記光ビームの光軸
   に垂直に配置され、一方の面を光軸の中心を含む第１の
   平面内で光を集束させる第１の円筒レンズ部として形成
   すると共に、その裏面を該光軸を中心に含む所定範囲を
   光軸に垂直な平面部とし、その両端を該第１の平面と垂
   直な第２の平面内で光を内側に集束させる第２、第３の
   円筒レンズ部として形成し、該第２、第３の円筒レンズ
   部の焦点距離を該第１の円筒レンズ部の焦点距離より短
   く形成した両面シリンドリカルレンズと、 前記両面シリンドリカルレンズの第１の円筒レンズ部の
   焦点位置を測定領域とし、該測定領域を通過する微粒子
   からの散乱光を集光する光学手段と、 前記光学手段より得られる散乱光を電気信号に変換する
   光電変換器と、 前記光電変換器の出力に基づいて信号処理を行う信号処
   理部と、を有することを特徴とする光散乱式計測装置。
2. （２）測定領域に光を照射し該領域を通過する微粒子か
   らの散乱光を検出する光散乱式計測装置において、 光軸の中心より周辺部に向けて所定の強度分布を有する
   平行な光ビームを発生する光源と、前記光ビームの光軸
   に垂直に配置され、一方の面を光軸の中心を含む第１の
   平面内で光を集束させる第１の円筒レンズ部として形成
   すると共に、その裏面を該光軸を中心に含む所定範囲を
   光軸に垂直な平面部とし、その両端を該第１の平面と垂
   直な第２の平面の内側に光を導き中央の平面部と所定の
   傾きを有する平面として形成したシリンドリカルレンズ
   と、 前記シリンドリカルレンズの第１の円筒レンズ部の焦点
   位置を測定領域とし、該測定領域を通過する微粒子から
   の散乱光を集光する光学手段と、前記光学手段より得ら
   れる散乱光を電気信号に変換する光電変換器と、 前記光電変換器の出力に基づいて信号処理を行う信号処
   理部と、を有することを特徴とする光散乱式計測装置。
3. （３）測定領域に光を照射し該領域を通過する微粒子か
   らの散乱光を検出する光散乱式計測装置において、 光軸の中心より周辺部に向けて所定の強度分布を有する
   平行な光ビームを発生する光源と、前記光ビームの光軸
   に垂直に配置され、光軸の中心を含む第１の平面内で光
   を集束させる第１の集束レンズと、 該光軸を中心に含む所定範囲を光軸に垂直な平面とし、
   その両端を第１の平面と垂直な第２の平面内で光を集束
   させる第２、第３の円筒レンズ部を有し、該第２、第３
   の円筒レンズ部の焦点距離を該第１の集束レンズの焦点
   距離より短く形成した第２の集束レンズと、前記第１の
   集束レンズの焦点位置を測定領域とし、該測定領域を通
   過する微粒子からの散乱光を集光する光学手段と、 前記光学手段より得られる散乱光を電気信号に変換する
   光電変換器と、 前記光電変換器の出力に基づいて信号処理を行う信号処
   理部と、を有することを特徴とする光散乱式計測装置。