JPS6329233A - 粒子測定装置 - 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】 ［＃楽土の利用分野］ 本発明は粒子測定方法及び装置、さらに詳しくは流体液
中にレーザ光を照射し、液中に浮遊する微粒子からの散
乱光を検出して粒径や粒子数等、粒子の特性を測定する
粒子測定方法及び装置に関するものである。

［従来の技術］ 従来より、測定領域内に光を入用させ、その透過光量や
散乱特性を測定することにより同領域内における粒子の
粒径、数等の特性を測定する技術が知られている。

例えば、純水中の不純物粒子の測定にも、この技術が用
いられているが、純水中の微粒子は径が小さく、またま
ばらにしか存在しないため、測定には困難が伴なう。そ
のため、従来から微粒子からの散乱強度を増加させるた
めにレーザ光源等からの入射光束を小さな領域に集光さ
せ、高輝度の測定領域を設け、この領域を通過する粒子
からの散乱光を受光する方法が用いられている。

粒子にレーザ光を照射し、その粒子からの散乱光を解析
する粒子計測器においては、粒子を通過させる測定部分
をいかに設定するかが重要である。

特に粒子検出領域を構成する入射レーザ光束の形状、粒
子の通過方向及び粒子からの散乱光を受光する部分に設
けたマスクの設定方法は、検出する粒子の散乱光から粒
径を求める場合の粒径分解能に直接依存するため、種々
の工夫がなされている。

［発明が解決しようとする問題点］ 従来、測定対象粒子は０．２ｇｍまでと比較的大きいの
で、粒子からの散乱光は強く、純水中の粒子の３１測で
あっても純水からの散乱光等からなる背景光との区別を
するために、レーザ光束の集光度を七げる必要がなく、
そのために粒子検出領域を構成する光束の有効径を半値
全幅に設定するマスクのサイズを小さくする必要がない
。

しかし、　０．１Ｂｍ以ドの粒子を背景光と区別して検
出するためには、レーザ光束をｌ　ＯＡＬｍ程度に集光
させて粒子検出領域を形成し、検出領域の光軸方向の長
さも同程度に制限することによって、背景光強度を抑え
ることが必要になる。これを実現するには、散乱光を捉
える受光レンズの結像位置に１０　ｇｍ程度のスリット
開口をもつマスクを設置することになるが、このような
微小な開［Ｊをもつマスクを振動や温度変動のある環境
において恒常的に最適位置に保持し続けることは、機械
的精度をｌ−げたとしても容易ではない。特に、オンラ
インの常１１＋ｊ計測システムとして考えた場合：こは
、１１々の周囲雰囲気温ｒｇの変化や、内蔵しているレ
ーザ光源等の発熱源による熱的歪や振動によって、散乱
光の結像位置がマスク面トを動くことが考えられる。

従って本発明の［１的は、温度変化や゛振動などの外乱
の作用がある場合でもマスク位置を最適位置に設定し、
安定した散乱光測定を行うことが可能な粒子測定方法及
び装置を提供することである。

［問題点を解決するためのＬ段］ 本発明は１−述した問題点を解決するために、受光レン
ズの結像面内に開口を構成するスリットを備えたマスク
の位置を、スリットを介して光電検出窓から出力される
散乱光中の背景光の強度信号が最大となるように移動制
御する構成を採用した。

［作　用コ このような構成では、レーザ光束の集光点に形成した粒
子検出領域の検出範囲を設定する受光レンズの結像面一
ヒのマスクを自動的に制御して、マスクが集光点のレー
ザ光束の半値全幅を検出領域として捉えるように調整で
き、散乱光受光系にあるマスクの位置を常に自動的に最
適位置に設定できる。

［実施例］ 以下、図面に示す実施例に従い本発明の詳細な説明する
。

第１図において符号１０で示すものは四角柱状の測定セ
ルであり、この測定セル１０に微粒子２３を含んだ純水
等の試料液２２を流入させる流入管１２、並びに試料液
２２を測定セル１０内から排出させる流出管１３が設け
られている。レーザ光源（図示せず）から楕円形の入射
レーザ光束２１を発生させ、その集光点２１ａをレーザ
光軸に重直に粒子が通過するように矢印Ａで示す−様な
流れを形成する。この−様な流れは、流入管１２から１
１１定セル１０に流れ込む流速を安定させることによっ
て実現できる。

この流れに乗って集光点２１ａを通過する微粒子からの
散乱光２４は、受光レンズ２５でマスク２６上に結像さ
れ、スリット２６ａによって制限された散乱光が光電検
出器２７に達して測定が行われる。後述するように、マ
スクを移動させるためにアクチュエータ２８が設けられ
る。

通常、レーザ光束はガウス型の光強１■分布を有してお
り、本発明で用いる楕円光束２１においても同様である
。すなわち、第２図に図示したように、光束の強度２１
′は中心から外れるにしたがって減衰する。例えば、図
中の大円を光強度が中心強度の１／ｅ２になる位置とす
ると、小円は中心強度の展になる位置となるような強度
変化をする。いま、この小円の径を半値全幅と呼ぶ。

このような光束では、粒子の検出領域３５を制限しなけ
れば、光束の強度が弱い裾野を通過する粒子をも検出す
る可能性が出てきて、粒子の粒径分解能が悪くなる。

そこで、Ａ方向からみた半値全幅Ｅに光束の視野を限定
するために、第１図、第２図に示すような光学配置をと
っている。また、粒子検出領域３５を粒子を通過させる
方向は、通過方向に垂直な面内の断面積が大きくなるよ
うに、すなわち第１図、第２図でＡ方向に設定する。

第２図において、光軸調整が適正に行われた場合には、
スリット２６ａによって設定される粒子検出領域３５は
、図中の斜線部の範囲となり、視野幅Ｅは楕円光束２１
の中心に位置することになる。

このように、調整したマスクとレーザ光束との位置関係
が外力の作用で崩れた場合には、以下に説明する制御系
によりアクチュエータ２８を駆動して、ずれを回復させ
る。

光電検出器２７から出力される散乱光に対応した光電パ
ルスは、サンプリングユニット２９により単位サンプリ
ング時間ごとに積算され、各サンプリングごとの計数値
が時系列データとなって、時系列データ書込みユニット
３２を介してマイクロコンピュータ（ＣＰＵ）３０の時
系列データ用メモリ３３に記憶される。この記憶された
データは、用いる光電検出器が微弱光の検出に適する光
子計数用光電子増倍管である場合には、光子の検出過程
の確率法則に基づくゆらぎをもつ。このため、マスク２
６が受けた平均光強度を求めるために、メモリ内のデー
タに対して移動平均処理を行って、駆動回路３１の制御
データとする。」１記マイクロコンピュータ３０には、
プログラムを格納したメモリ（ＲＯＭ）並びにデータを
処理するワークエリア用メモリ（ＲＡＭ）３４が接続さ
れる。

次に、このように構成された装置の動作を、第４図〜第
６図のフローチャートを用いて説明する。

第１図において、楕円レーザ光束２１を集光点２１ａに
集光させ、第２図に図示したような粒子検出領域３５を
形成し、微粒子２３を含む試料液２２をＡ方向に流す。

レーザ光により微粒子２３から散乱された散乱光２４が
、受光レンズ２５、スリット２６ａを介して光電検出器
２７により受光される。充電検出器２７から出力される
散乱光に対応した光束パルスは、サンプリングユニット
２９を介して単位サンプリング時間ことに積算され、上
述したように時系列データメモリ３３に記憶される。こ
の場合、マスク２６か受けた平均光強度を求めるために
、移動平均処理を行う。この方法が第４図に図示されて
いる。ステンプＳ１〜Ｓ３において、メモリ番地ｎをイ
ンクリメントし、メモリ３３からｎｉ目のデータからに
個のデータを転送してに個のデータを取り込み、これに
対して平均操作を行う。このモ均操作したデータをステ
ップＳ５において、再びメモリ３３のｎ番目のデータの
ところに戻す。データの総数なＭとしてｎ　＞　Ｍ　−
ｋ　＋　１になるまでこれを繰り返しくステップＳ６）
、時系列データの移動平均処理をする。

このような粒子計測中、入射レーザ光中２１の光軸とス
リット２６ａの中心が共に受光レンズ２５の光軸と交差
する位置に調整されていても、温度の変化や光源の発熱
、または振動などの外力によってこの調整がずれてしま
うことかある。ここで、第３図（ａ）は調整があってい
る状態を示し、同図（ｂ）は調整がずれてしまった状態
を示したものである。同図（ｂ）のように、調整がずれ
てしまうと、スリット２６で制限される視野幅Ｅはレー
ザ光束の中心よりずれて粒子検出領域はＤの部分となり
、レーザ光束の裾野の光密度の低い部分を使用すること
となり、粒子からの散乱光強度が弱くなって小さな粒子
を検出したと誤認されることになる。また、検出限界の
粒子径も大きくなり、検出能力が低ドする。

ここで、ずれの検知に用いる粒子測定領域からの散乱光
は、純水中の水分子−などからの粒子検出領域の体積に
比例する連続的な成分が適しており、時々粒子検出領域
を通過する微粒子からの散乱光は強いパルス状の信号と
なるために、ずれの検知信号としては適さない。しかし
、超純水中の粒子測定の場合のように、存在する粒子が
まばらである例では、粒子の散乱光をも含んだ時系列デ
ータの平均計数値を制り１データとしても良い。

そこで、マスク２６をアクチュエータ２８により移動さ
せては、そのマスク位置での背景光の強度出力とその位
置をメモリに記憶しておき、背景光の出力が最大となる
マスク位置を見い出し、その位置へマスクを移動させる
。このマスク位置の自動調整動作を一定時間間隔で行う
ことにより、常にマスクのスリットの位置によって制限
される粒子検出領域３５がレーザ光束の中心と一致する
状態を保つことができる。これにより、粒径分解能及び
粒子検出能力を一定水準に保つことが可能になる。

この方法を実現する制御の流れが、第５図及び第６図に
図示されている。

まず、第５図に図示したような方法で背景光データの抽
出を行う。ステップＴＩでそれぞれ初期（／ｉを設定し
、ステップＴ２．Ｔ３においてｎをインクリメントし、
メモリ３３のｎ番地のデータを読み、その値をＬとする
。このデータ値りと背景光を抽出するしきい値Ｌ２をマ
イクロコンピュータ３０内のコンパレータ３０ａにおい
て比較する（ステップＴ４）、Ｌ２より小さなデータな
背景光とし、ステップＴ５において背景光データ数Ｐ、
並びに背景光データ値の総和Ｓを求める。これをｎ　＞
　Ｍ　−ｋ　＋　１となるまで繰り返しくステップＴ６
）、ステップＴ７で計数値の平均値丁−３／Ｐを求める
。

続いて、第６図に図示したようなアルゴリズムに基づき
、マスク自動補正を行う。

まず、ステップＲ１においてマスク２６の基準位置Ｘを
初期化しくＸ＝Ｏ）、マスク２６の位置番号（最大値Ｍ
）ｍを初期化する（ｍ＝ｏ）。続いて、ステップＲ２に
おいて駆動回路３１を介し、アクチュエータ２８を駆動
することによりマスク位置を移動させる。マスクの移動
ステップをΔＸとすると、マスク位置ＸはＸ＝Δｘ＊ｍ
となる。次に、ステップＲ３においてマスクＸにおける
背景光の平均計数値を求める。これは、第４図、第５図
に図示した流れの中で求められ、Ｌ　＝　Ｓ／Ｐを求め
ることになり、この値がステップＲ４，Ｒ１３において
ｍ番目のメモリに格納される。この処理は、マスク位置
が最大値Ｍになるまで行われる（ステップＲ５）。

マスク位置が最大値Ｍ以上になるとｄに移動し、マスク
最適位置Ｐを求める制御を行う。ステップＲ６において
、最適位置Ｐ、マスク位置番号ｍ、並びに定数Ｌ３をそ
れぞれＯに設定する。

マスク位置ｍをインクリメントしくステップＲ７）、ス
テップＲ８において背景光メモリを介し、ｍ番目の背景
光の平均計数値１を読む。続いてステップＲ９において
、マイクロコピュータのコンパレータ３０ｂにより、王
の値とＬ３の値を比較する。Ｌ３により大きい場合には
、最適位置と判断され、ステップＲＩＯにおいてＬ３＝
Ｌ　。

Ｐ＝ｍとし、一方、Ｌ３より小さい場合にはステップＲ
１１に移り、マスク位置が最大値Ｍになるまで以上の工
程を繰り返す。マスク位置が最大値に達した場合には、
ステップＲ１２においてアクチュエータ２８を作動し、
Ｘ＝Δｘ＊Ｐで決まる位置にマスク２６を移動させる。

この位置では、散乱光中の背景光の強度が最大となって
おリ、第３図（ａ）に図示した、調整された状態になっ
ている。

上記で問題としたレーザ光束の光軸ずれは、第２図にＦ
として示している深度方向や（紙面に垂直な）照射レー
ザの光軸方向においても予想されるが、スリットによっ
て決まる深度方向の広がりが大きいことと、レーザ光束
の集光点近傍の光束径変化が急激ではないことのために
、視野幅方向のずれに比べて寛容に取り扱うことができ
る。

従って、ずれ補正方向は視野幅方向に限ってのみ論じた
。

また上述した実施例において、アクチュエータ２８は必
ずしもマスク２６に取り付ける必要はなく、受光レンズ
２５あるいは照射光学系や光源部に設けても目的は達成
できる。この場合には、照射光の像が結像面内でマスク
のスリット方向と直角な方向に移動するようにアクチュ
エータを設ければよい。

［効　果］ 以上説明したように、本発明によれば、粒子検出頭域を
通過する粒子の粒径分解能を高める目的で設置している
、散乱光受光系にあるマスクの位置を常に最適位置に設
定でき、温度変化や振動等外乱があった場合でも、安定
した散乱光測定が可能になる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明装置の概略構成を示す斜視図、第２図は
粒子測定方法を示す構成図、第３図（ａ）はマスクが最
適位置にあるときの状態を示す説明図、第３図（ｂ）は
最適位置からずれた場合の説明図、第４図は時系列デー
タの移動平均処理を示す流れ図、第５図は背景光データ
の抽出を示す流れ図、第６図はマスク位置の自動補正ア
ルゴリズムの流れを示す流れ図である。 １０・・・測定セル　　　２１・・・レーザ光束２３・
・・微粒子　　　　２４・・・散乱光２５・・・受光レ
ンズ　　２６・・・マスク２７・・・光電検出器　　２
８・・・アクチュエータ３５・・・粒子検出領域

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）流体液中の粒子検出領域にレーザ光を照射し、液中
   粒子からのレーザ散乱光を受光レンズを介して光電検出
   器で受光し、光電検出器からの出力信号を処理して粒子
   特性を測定する粒子測定方法において、 前記受光レンズの結像面内に開口を構成するスリットを
   備えたマスクを配置し、 スリットを介した受光により光電検出器から出力される
   散乱光中の背景光の強度信号が最大となるようにマスク
   位置を制御することを特徴とする粒子測定方法。 ２）流体中の粒子検出領域にレーザ光を照射し、液中粒
   子からのレーザ散乱光を受光レンズを介して光電検出器
   で受光し、光電検出器からの出力信号を処理して粒子特
   性を測定する粒子測定装置において、 前記受光レンズの結像面内に開口を構成するスリットを
   備えたマスクと、 前記スリットとほぼ直角な方向にマスクを駆動する駆動
   手段と、 前記駆動手段によりマスクを順次移動させ、各マスク位
   置において光電検出器から出力される散乱光中の背景光
   の強度出力と、そのマスク位置を格納する格納手段と、 前記強度出力が最大となるマスク位置を見い出し、前記
   駆動手段を介してそのマスク位置へマスクを移動させる
   手段とからなることを特徴とする粒子測定装置。