JPH04545B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、微粒子を含む測定液体中をレーザ光
を透過させ、その際発生する前記微粒子によるレ
ーザ光の散乱光から該微粒子の個数や大きさに関
する情報を得るようにした液体用の微粒子検出装
置、特に大きさの小さい微粒子の検出を容易に行
うことができる装置構成に関する。

〔従来の技術〕

液体中の微粒子による散乱光を検出して該微粒
子に関する情報を得ようとする微粒子検出装置に
おいては、散乱光の強度を強くして該散乱光の検
出を容易にするために従来レーザ光を前記液体に
投射することがよく行われており、第４図はこの
ようなレーザ光を用いるようにした従来の微粒子
検出装置の構成を説明する斜視図である。第４図
において、１は直方体状に形成されたフローセ
ル、A₁−A₂，B₁−B₂，C₁−C₂はフローセル１の
三個の直交軸のそれぞれに一致するようにした空
間軸で、この場合軸A₁−A₂は鉛直方向に配置さ
れ、フローセル１は、微粒子を含む測定液体２が
軸A₁−A₂に沿つてＰ矢印方向に該フローセル１
内を貫流するように構成されている。測定液体２
を流動させる機構は図示されていない。３はその
軸が軸B₁−B₂に一致するようにしてフローセル
１に投射された断面円形のレーザビームで、レー
ザビーム３は横モードが単一である単一モードの
レーザ光である。該レーザ光の光源は図示されて
いない。フローセル１の側壁１ａ，１ａはレーザ
ビーム３を透過させうるように構成されている。
測定液体２もレーザビーム２を透過させうる液体
である。４はその軸が軸C₁−C₂に一致するよう
にしてフローセル１外に配置された円形の集光レ
ンズで、該レンズ４はフローセル１内で発生し
た、測定液体２中の微粒子にもとづくレーザビー
ム３の散乱光を集光する機能を有している。５は
集光レンズ４によつて集光された前記散乱光を受
光して光電交換する光電変換器で、５ａは光電変
換器５から出力される電気信号である。

集光レンズ４と光電変換器５との間には、集光
レンズ４による結像位置に、その軸が軸C₁−C₂
に一致するようにされた円板状の開口部材６が設
けられ、該部材６には円形の貫通孔６ａが軸C₁
−C₂と同軸になるように設けられている。集光
レンズ４によつて集光された前記散乱光の一部が
通つて光電変換器５に入射される。７は集光レン
ズ４と開口部材６と光電変換器５とからなる受光
部で、８は受光部７によつて形成された散乱光検
出可能領域である。領域８は軸C₁−C₂と同軸の
軸を有する紡錘状で、該領域８の中心は三軸A₁
−A₂，B₁−B₂，C₁−C₂の交点Ｏに一致してお
り、またこの領域８から出射された光のみが集光
レンズ４によつて集光されて光電変換器５に入射
させられる可能性がある。すなわち領域８は、測
定液体２中の微粒子によるレーザビーム３の散乱
光のうち該領域８で発生した散乱光のみが受光部
７によつて検出可能となつている領域であつて、
領域８で発生してもレンズ４で集光されない散乱
光は、もちろん受光部７によつても検出されな
い。領域８は換言すれば受光部７の立体的な視野
領域である。

〔発明が解決しようとする課題〕

第４図においては受光部７が上述のように構成
されているので、領域８で一個の散乱光が発生し
てこの散乱光が光電変換器５に入射され、かつ該
散乱光の発生源である微粒子が測定液体２に搬送
されて領域８を通過すると、電気信号５ａはパル
ス状となる。故に信号５ａを形成するパルスの個
数と大きさとによつて領域８を通過する前記微粒
子の個数と大きさとを検出することができるが、
領域８におけるレーザビーム３の強度分布にばら
つきがあると、受光部７で検出される散乱光の状
態が領域８における微粒子の状態に対応しなくな
るので電気信号５ａには検出誤差が発生する。す
なわち第５図はこのような検出誤差を発生する一
原因の説明図で、第５図Ａは第４図において領域
８近傍を軸A₁−A₂と軸C₁−C₂とで形成される面
で切断した場合の図形に対応する図形である。第
５図Ａにおける９は第４図の領域８に対応する散
乱光検出可能領域で、この場合第４図のレーザビ
ーム３に対応するようにして、軸が交点Ｏを通る
ように円形断面を有する単一横モードのレーザビ
ーム１０が配設され、レーザビーム１０は領域９
を貫通するように構成されている。１１ａ，１１
ｂは測定液体２と共に図の紙面上を領域９を横切
るようにして上向きに移動する、該測定液体２に
含まれた、同じ大きさを有する球形の二個の微粒
子である。レーザビーム１０は単一横モードであ
るから軸C₁−C₂上におけるレーザビーム１０の
強度分布は第５図Ｂに示したように吊鐘状になつ
ている。したがつてこのような強度分布を有する
レーザビーム１０を第５図Ａに図示したように配
設した領域９を、上述のようにして微粒子１１
ａ，１１ｂが横切ると、これら微粒子が領域９を
横切る経路によつてはレーザビーム１０による散
乱光が発生しない場合が生じ、あるいは同じ大き
さの微粒子１１ａ，１１ｂに対してそれぞれ強度
の異なる散乱光が発生する場合が生じる。故にこ
のような散乱光検出可能領域９から出射される散
乱光を検出して測定液体２中の微粒子の状態を測
定しようとすると、前者の場合微粒子の個数に対
する測定誤差を生じ、後者の場合微粒子の大きさ
に関する測定誤差を生じるという問題があり、こ
のため第４図の微粒子検出装置においては要部が
第６図に示したように構成されている。

第６図Ａ，Ｂはそれぞれ第５図Ａ，Ｂに対応す
る説明図で、第６図におけるP₀はレーザビーム
３の強度分布のピーク値、P₁はピーク値P₀より
も光強度がｋだけ弱いビーム３の強度である。
P₁は、レーザビームの強度がP₀とP₁との間にあ
る限り、第４図に示した電気信号５ａに許容誤差
以上の検出誤差を生じることのないレーザ光の強
度で、第６図においては領域８の右端および左端
は、レーザビーム３の強度がP₁になる軸C₁−C₂
上の２点D₁，D₂のそれぞれに一致させられてい
る。第６図においてはビーム３と領域８とが上述
のように配置されているので、領域８はレーザビ
ーム３の強度分布がほぼ一様になつている該レー
ザビームの部分に配置されていることになり、こ
の場合前述した所から明らかなように、領域８は
測定液体２内に配置されている。したがつてこの
ように各部が構成された第４図の微粒子検出装置
においては、領域８に存在するレーザ光の強度分
布の不均一にもとづいて検出誤差が発生するとい
うことはないが、一方以下に説明するような問題
がある。

すなわち、今、第４図の検出装置において検出
可能な微粒子の大きさを小さくしようとした場
合、微粒子の大きさが小さくなつても散乱光量が
少なくならないようにするためにレーザビーム３
の光強度を強くする必要があるが、このためレー
ザビーム３を絞つて光強度の強化を図ろうとする
と、第６図で示した、光強度がP₁以上であるレ
ーザ光領域も狭くなるので、これに応じて散乱光
検出可能領域８もおのずから狭くせざるを得ず、
領域８を狭くするために開口部材６の貫通孔６ａ
を小さくすると該貫通孔６ａを通過する散乱光量
が減少するので、光電変換器５に入射する散乱光
量はレーザビーム３の光強度を強くした割には増
加しないことになる。すなわち第４図に示した従
来の微粒子検出装置には、レーザビーム３を絞つ
て該ビームの強度を強くしても、微粒子の標準試
料として用いられているポリスチレン球の径で
0.3〜0.5〔μｍ〕とされている従来の検出可能最
小粒径よりも小さい微粒子を検出することができ
ないという問題がある。換言すれば従来の微粒子
検出装置には大出力のレーザ発生器を用いないと
従来以上に小さい微粒子を検出することができな
いという問題がある。

本発明は、上述したような従来の微粒子検出装
置における問題を解消して、従来以上に大きさの
小さい微粒子の検出を容易に行うことができる、
レーザ光を用いた散乱光検出式の液体用微粒子検
出装置を提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、本発明において
は、レーザ光発生器とこのレーザ光発生器からの
レーザを集束する集束レンズとを備え、レーザ光
を測定液体に照射するレーザ出射部と、レーザ光
の光軸と測定液体の流れの方向とで形成される面
にほぼ垂直に配置された集光レンズと開口部材と
光電変換器とを備え、レーザ光が測定液体に含ま
れる微粒子により散乱されて生じた側方散乱光を
集光レンズで集光し、この集光された側方散乱光
の一部を開口部材の貫通孔を通過させて、光電変
換器で受光して電気信号に変換する受光部と、か
らなり、電気信号に基づいて微粒子の検出を行う
液体用微粒子検出装置において、レーザ光発生器
を複数の横モードを発生するマルチモードレーザ
光発生器とし、且つ開口部材の貫通孔を、マルチ
モードレーザ光の強度分布がほぼ均一な部分から
の微粒子による散乱光のみが通過する大きさを有
するものとした。

〔作用〕

レーザ光をマルチモードレーザ光とすることに
より、レーザ光の強度分布がほぼ均一な部分が、
単一モードレーザ光に比べて拡大され、大出力レ
ーザを用いなくても従来以上に小粒径の微粒子検
出をより正確に行えることになり、このレーザ光
強度分布がほぼ均一な部分の拡大に応じて、開口
部材も貫通孔径の大きなものでよいことになる。

〔実施例〕

第１図は本発明の一実施例の構成図で、第１図
においては第４図におけるものと同一の機能を有
する部分には同一の符号が付してある。第１図に
おいて、１６は横モードが多モードになつている
レーザ光１６ａを発生する内部鏡式のレーザ光発
生器で、１７は発生器１６から出射されたレーザ
光１６ａを集束して、フローセル１に投射される
レーザビーム３にする集束レンズである。この場
合、測定液体２は紙面に垂直な方向にフローセル
１を貫流するように構成されている。２３はレー
ザ光発生器１６と集束レンズ１７とからなるレー
ザ光出射部である。レンズ１７によつて交点Ｏに
集束されたレーザビーム３はフローセル１を透過
して該フローセル外に出射させられるが、１８
は、このようにしてフローセル１から出てきた出
射レーザ光が、反射によつてレーザ光発生器１６
に戻つて該発生器におけるレーザ発振が停止する
ことのないように、前記出射レーザ光を吸収する
ビームストツパであつて、１９は図示の各部から
なる微粒子検出装置である。微粒子検出装置１９
においては、レーザ光の光軸B₁−B₂と測定液体
２の流れの方向とのなす面にほぼ垂直に、レーザ
光３の集束領域（ビームウエテト）の中心即ち交
点Ｏを通る軸C₁−C₂上に、集光レンズ４、この
集光レンズ４が交点Ｏを中心とする領域の像を結
像する結像位置に開口部材６が、それぞれ軸C₁
−C₂を光軸として配置され、開口部材６の後段
には、レーザ光３が測定液体２に含まれる微粒子
により散乱され、集光レンズ４によつて集光さ
れ、開口部材６の貫通孔６ａを通過してきた側方
散乱光の一部を受光して、電気信号を出力する光
電変換器５が配置されており、集光レンズ４、開
口部材６及び光電変換器５により、側方散乱光を
受光する受光部７が構成されている。かかる受光
部７の構成においては、レーザ光３の光路上の交
点Ｏを含むどのような範囲からの散乱光が光電変
換器５に導かれるかは、主として開口部材６の貫
通孔６ａの大きさにより決定される。このよう
な、そこからの散乱光が光電変換器５に導かれる
領域が散乱光検出可能領域８であつて、散乱光検
出可能領域８の中心は交点Ｏと一致し、散乱光検
出可能領域８とレーザービーム３の強度分布との
位置関係は第２図に示したようになつている。

すなわち第２図Ａ，Ｂはそれぞれ第６図Ａ，Ｂ
に対応する説明図で、第２図において２１はレー
ザビーム３の軸C₁−C₂上の強度分布特性線、P₀₁
は特性線２１上の最大値、P₁₁は強度値P₀₁よりも
ｋだけ弱い強度値である。この場合特性線２１上
の強度がP₁₁になる、軸C₁−C₂上の点が、第６図
に示した点D₁，D₂に一致するように、第１図に
おけるレーザ光発生器１６、集束レンズ１７が構
成され、散乱光検出領域８も第６図における領域
８と同じ形状、同じ寸法であるように形成されて
いる。１₁は二点D₁，D₂間の距離、L₁はレーザビ
ーム３の直径である。２２は、第１図の集束レン
ズ１７を別のレンズとしてレーア光１６ａの集束
度合いを弱め、換言すればレーザビーム３の直径
を大きくしてレーザビーム３ａとし、軸C₁−C₂
上のビーム３ａの強度分布の最大値が第６図に示
したピーク値P₀に等しくなるようにした時の、
レーザビーム３ａの軸C₁−C₂上の強度分布特性
線で、L₂はこのレーザビーム３ａの直径、l₂は特
性線２２上の光強度がP₁になる、軸C₁−C₂上の
二点間の距離である。特性線２２は特性線２１を
有するレーザビーム３の集束度合いを弱めて得ら
れた特性線であるからP₀＜P₀₁であり、l₁＜l₂であ
り、L₁＜L₂である。第２図においては各図形が
上述のようにして得られたものであつて、この場
合、L₂も第６図におけるレーザビーム３の直径
Ｌに等しくなつているように関係要部が構成され
ているが、ビーム３ａは多モードレーザ光である
から、長さl₂はレーザビーム３が単一モードレー
ザ光となつている第６図の場合の対応する長さｌ
よりも1.5〜２倍程度長くなつている。故にレー
ザビーム３ａを絞つて、光強度分布がほぼ一様に
なつている部分の長さがl₂から領域８の大きさに
ほぼ等しい長さl₁にまで短くなるようにすると、
光強度分布の最大値がP₀よりも大きいP₀₁となる
わけで、第２図の特性線２１はこのようにして特
性線２２から得られたものと考えてもよいもので
ある。

上述した所から明らかなように、第１図におい
ては領域８がレーザビーム３の光強度分布がほぼ
一様になつている該ビーム３の部分内に配置さ
れ、しかもこの部分の光強度は第４図において領
域８が存在する部分の光強度よりも強くなつてお
り、かつ第１図の領域８と第４図の領域８とは同
じ形状、大きさを有している。故に第１図に示し
た微粒子検出装置１９によれば、第４図に示した
検出装置によるよりも小さい大きさの微粒子の検
出が、大出力のレーザ光発生器を用いることなく
行えることが明らかである。第３図は第１図の微
粒子検出装置１９を用いて行つた一実験結果説明
図で、この実験は、標準微粒子として直径0.11
〔μｍ〕のポリスチレン球を用い、これを水に混
じて得た試料液体について行つたものである。図
の縦軸は第１図の電気信号５ａにもとづいて得ら
れたパルスの計数値で、logは常用対数を示して
いる。第３図において、低試料粒子濃度領域に見
られる実験結果の飽和状態は、試料水作成中に空
気中の塵埃等が混入することによつて生じた試料
粒子濃度の不正確さにもとづくもので、高試料粒
子濃度に見られる飽和傾向は、散乱光検出可能領
域８に同時に複数個の微粒子が存在する確率が高
くなつたために生じたものである。後者の飽和傾
向は第４図に示した従来の微粒子検出装置にも同
様に発生する現象である。第３図から、第１図の
検出装置１９によれば0.11〔μｍ〕程度までの大
きさの微粒子検出が行えることが明らかである。
なおこの実験においては、交点Ｏにおけるレーザ
ビーム３の直径は50〔μｍ〕、領域８の体積は２×
10^-6〔cm³〕、フローセル１における試料水の流路断
面積は0.16〔cm²〕であつた。

上述の実施例においては開口部材６の貫通孔６
ａは円形としたが、本発明は該貫通孔がスリツト
や他の形状であつてもよいものであり、また上述
の実施例においては受光部７の軸がレーザビーム
３の光軸に直交するものとしたが、本発明では両
軸の交角は90゜以外であつても差し支えないもの
である。さらにまた第１図においてはレーザビー
ム３が測定液体２中をすべて透過するようにした
が、本発明は、逆に、測定液体を柱状に形成して
このように形成された測定液体がレーザビーム中
を貫通するようにしてもよいものであり、さらに
本発明においては、後者の場合、散乱光検出可能
領域が、レーザ光の強度分布がほぼ一様になつて
いる該レーザ光の部分に配置されていさえすれ
ば、前記領域のすべてが測定液体で満されるよう
になつていなくても差し支えないものである。な
お本発明がフローセル１の上述した形状や三軸
A₁−A₂，B₁−B₂，C₁−C₂の上述した空間的方向
に限定されるものでないことは説明するまでもな
く明らかである。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明においては、レー
ザ光発光器とこのレーザ光発生器からのレーザを
集束する集束レンズとを備え、レーザ光を測定液
体に照射するレーザ出射部と、レーザ光の光軸と
測定液体の流れの方向とで形成される面にほぼ垂
直に配置された集光レンズと開口部材と光電変換
器とを備え、レーザ光が測定液体に含まれる微粒
子により散乱されて生じた側方散乱光を集光レン
ズで集光し、この集光された側方散乱光の一部を
開口部材の貫通孔を通過させて、光電変換器で受
光して電気信号に変換する受光部と、からなり、
電気信号に基づいて微粒子の検出を行う液体用微
粒子検出装置において、レーザ光発生器を複数の
横モードを発生するマルチモードレーザ光発生器
とし、且つ開口部材の貫通孔を、マルチモードレ
ーザ光の強度分布がほぼ均一な部分からの微粒子
による散乱光のみが通過する大きさを有するもの
としたので、測定液体に投射するレーザ光を絞つ
てレーザ光強度を強くしても、レーザ光が多モー
ドであるため、レーザ光強度分布の一様な空間的
範囲が単一モードレーザ光の場合程に狭くなら
ず、結局、大出力のレーザ光発生器を用いなくて
も、従来以上に小粒径の微粒子の検出が可能にな
るという効果がある。また、レーザ光強度分布の
一様な空間的範囲が拡大されることから、単一モ
ードレーザ光を用いる場合に比べて、開口部材の
貫通孔の加工が楽になるという副次的効果もあ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の構成図、第２図は
第１図における要部の説明図で、同図Ａは要受配
置図、同図Ｂはレーザ光強度分布図である。第３
図は実験結果説明図、第４図は従来の微粒子検出
装置の構成説明図、第５図は従来技術説明図で同
図Ａは要部配置図、同図Ｂはレーザ光強度分布図
である。第６図は第４図における要部の説明図
で、同図Ａは要部配置図、同図Ｂはレーザ光強度
分布図である。 ２……測定液体、５ａ……電気信号、７……受
光部、８，９……散乱光検出可能領域、１１ａ，
１１ｂ……微粒子、１６……レーザ光発生器、１
６ａ……レーザ光、１９……微粒子検出装置、２
３……レーザ光出射部。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ レーザ光発生器とこのレーザ光発生器からの
   レーザを集束する集束レンズとを備え、前記レー
   ザ光を測定液体に照射するレーザ出射部と、 前記レーザ光の光軸と前記測定液体の流れの方
   向とで形成される面にほぼ垂直に配置された集光
   レンズと開口部材と光電変換器とを備え、前記レ
   ーザ光が測定液体に含まれる微粒子により散乱さ
   れて生じた側方散乱光を前記集光レンズで集光
   し、この集光された側方散乱光の一部を前記開口
   部材の貫通孔を通過させて、前記光電変換器で受
   光して電気信号に変換する受光部と、 からなり、前記電気信号に基づいて前記微粒子の
   検出を行う液体用微粒子検出装置において、 前記レーザ光発生器は複数の横モードを発生す
   るマルチモードレーザ光発生器であり、 開口部材の前記貫通孔は、前記マルチモードレ
   ーザ光の強度分布がほぼ均一な部分からの前記微
   粒子による散乱光のみが通過する大きさを有する
   ものである、 ことを特徴とする液体用微粒子検出装置。