KR101981517B1 - 파티클 카운터 - Google Patents

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KR101981517B1
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마사키 신무라
토모노부 마츠다
유키 야마카와
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리온 가부시키가이샤
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Abstract

파티클 카운터는 산란광과 참조광의 간섭광을 수광 소자로 수광하여, 상기 간섭광에 대응하는 검출 신호를 생성하는 검출부와, 상기 검출부에 의해 생성된 상기 검출 신호에 대해, 상기 간섭광의 강도 변화에 따른 주파수 성분을 통과시키는 필터 처리를 행하는 필터와, 상기 필터 처리 전의 상기 검출 신호의 피크 레벨과 상기 필터 처리 후의 상기 검출 신호의 피크 레벨로부터, 상기 검출 신호가 상기 입자에 의한 것인지 여부를 판정하는 판정부와, 상기 판정부에 의해, 상기 검출 신호가 상기 입자에 의한 것으로 판정된 경우에는, 상기 필터 처리 후의 상기 검출 신호에 기초하는 상기 입자의 계수를 행하는 계수부를 구비한다.

Description

파티클 카운터{PARTICLE COUNTER}
본 개시는 파티클 카운터에 관한 것이다.
약액 및 물 등의 액체 혹은 공기 등의 기체인 유체 중의 입자를 측정하는 장치로서, 파티클 카운터가 있다. 어떤 파티클 카운터에서는, 광원으로부터의 광을 조사광과 참조광으로 분리하고, 조사광을 입자를 포함하는 유체에 조사한다. 그리고, 조사광에 의한 입자의 산란광과 참조광을 간섭시켜, 그 간섭광에 기초하여, 입경별로 입자를 계수하고 있다(예를 들면, 일본 특허 제5859154호 공보 참조).
상술한 바와 같은 파티클 카운터에 있어서, 간섭광 강도를 높게 하기 위해서는, 입자의 산란광 강도가 낮기 때문에, 참조광 강도가 높아지게 된다. 참조광 강도가 높아지면, 수광 소자는 많은 광량을 수광하게 된다. 이 때문에, 수광 소자의 광전 변환에서의 쇼트 노이즈가 커진다. 이 노이즈는 정확한 입자 계측의 장해가 된다.
또한, 간섭광에 대응하는 검출 신호를 검출하는 검출부에 있어서, 전기적 요인으로 스파이크 노이즈가 검출 신호와 중첩되는 경우도 있다. 이 경우, 필터 처리에 의해, 노이즈 레벨을 낮게 할 수 있다. 그러나, 스파이크 노이즈의 강도에 따라서는, 이 노이즈에 기인하는 위계수가 발생된다.
또한, 산란광에 기초하여 입자를 계측하는 광산란법의 경우, 광원 및 수광 소자에 기인하는 노이즈가 입자의 검출 신호와 유사한 형상을 갖고 있음과 함께, 광범위한 주파수 성분을 포함한다. 이 때문에, 필터 처리에 의해, 노이즈를 분별하는 것은 곤란하고, 이러한 노이즈에 기인하는 위계수가 발생된다.
본 개시에 있어서의 하나의 목적은 노이즈에 기인하는 위계수를 저감시킴으로써, 정밀도 높게, 입경별로 입자를 계수할 수 있는 파티클 카운터를 얻는 것에 있다.
본 개시의 일 양태에 따른 파티클 카운터는 광을 출사하는 광원과, 2개의 광을 공간적으로 중첩하는 광중첩부와, 상기 광원으로부터의 광을 분기함으로써 얻어지는 복수의 광 중 1개의 광에 의해, 유로 내를 흐르는 유체를 조사함으로써 검출 영역을 형성하는 조사 광학계와, 상기 검출 영역 내의 상기 유체에 포함되는 입자로부터의 산란광 중, 상기 조사 광학계의 광축과는 상이한 방향의 산란광을 상기 광중첩부에 입사시키는 검출 광학계와, 상기 복수의 광 중, 다른 1개의 광을 참조광으로서 상기 광중첩부에 입사시키는 참조 광학계와, 상기 광중첩부에 의해 얻어지는 상기 산란광과 상기 참조광과의 간섭광을 수광 소자로 수광하고, 상기 간섭광에 대응하는 검출 신호를 생성하는 검출부와, 상기 검출부에 의해 생성된 상기 검출 신호에 대해, 상기 간섭광의 강도 변화에 따른 주파수 성분을 통과시키는 필터 처리를 행하는 필터와, 상기 필터 처리 전의 상기 검출 신호의 피크 레벨과 상기 필터 처리 후의 상기 검출 신호의 피크 레벨로부터, 소정의 산출식에 기초하여, 상기 검출 신호가 상기 입자에 의한 것인지 여부를 판정하는 판정부와, 상기 판정부에 의해, 상기 검출 신호가 상기 입자에 의한 것으로 판정된 경우에는, 상기 필터 처리 후의 상기 검출 신호에 기초하는 상기 입자의 계수를 행하고, 상기 판정부에 의해, 상기 검출 신호가 상기 입자에 의한 것으로 판정되지 않은 경우에는, 상기 필터 처리 후의 상기 검출 신호에 기초하는 상기 입자의 계수를 행하지 않는 계수부를 구비한다. 그리고, 상술한 소정의 산출식은, 상기 필터 처리 전의 검출 신호의 피크 레벨(Vp1)로부터, 상기 필터 처리 후의 검출 신호의 피크 레벨(Vp2)에 대한 감쇠율을 구하는 식 (Vp1-Vp2)/Vp1이다.
본 개시에 있어서의 상기 양태에 의하면, 노이즈에 기인하는 위계수를 저감시킴으로써, 정밀도 높게, 입경별로 입자를 계수할 수 있는 파티클 카운터가 얻어진다.
도 1은 본 개시의 실시형태 1에 따른 파티클 카운터의 구성을 나타내는 블럭도이다.
도 2는 도 1에 있어서의 플로우 셀의 일 예를 나타내는 사시도이다.
도 3은 도 1에 있어서의 플로우 셀, 검출 광학계 및 빔 스플리터의 배치를 설명하는 도면이다.
도 4는 도 1에 있어서의 빔 스플리터에 있어서의 광의 분기에 대해서 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 도 1에 있어서의 검출부에 의해 얻어지는 검출 신호에 대해서 설명하는 타이밍 차트이다.
도 6은 도 1에 있어서의 판정부에 의한 피크 레벨의 검출에 대해서 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 입자에 의한 검출 신호의, 필터 처리 전의 파형 및 필터 처리 후의 파형의 예를 나타낸다.
도 8은 스파이크 노이즈에 의한 검출 신호의, 필터 처리 전의 파형 및 필터 처리 후의 파형의 예를 나타낸다.
이하의 상세한 설명에서는, 개시된 실시형태의 전반적인 이해를 제공하기 위해 많은 세부사항이 구체적으로 설명된다. 그러나, 이들 구체적인 세부사항이 없이도 하나 이상의 실시형태가 실시될 수 있음은 명백하다. 다른 예에서는 도면을 단순화하기 위해 주지의 구조와 장치를 모식적으로 나타낸다.
이하, 도면에 기초하여 본 개시의 실시형태를 설명한다.
(실시형태 1)
도 1은 본 개시의 실시형태 1에 따른 파티클 카운터의 구성을 나타내는 블럭도이다. 도 1에 나타내는 파티클 카운터는 광원(1), 플로우 셀(2), 광학계(3), 검출부(4), 필터(5), 판정부(6) 및 계수부(7)를 구비한다.
광원(1)은 소정의 파장의 광(여기에서는, 레이저광)을 출사하는 광원이다. 이 실시형태에서는, 광원(1)은 싱글 모드로, 고간섭성 광을 출사한다. 예를 들면, 광원(1)으로서는 파장 532㎚에서 출력 500㎽ 정도의 레이저 광원이 사용된다.
플로우 셀(2)은 계수 대상의 입자를 포함하는 유체의 유로를 형성하고 있다. 한편, 이 실시형태에서는, 계수 대상의 입자를 포함하는 유체는 액체이다.
도 2는 도 1에 있어서의 플로우 셀(2)의 일 예를 나타내는 사시도이다. 도 2에 나타내는 바와 같이, 플로우 셀(2)은 L형으로 굴곡되어 있다. 플로우 셀(2)은 굴곡된 유로(2a)를 형성하는 투명한 관 형상의 부재이다. 한편, 계수 대상의 입자를 포함하는 유체가 이소프로필알코올, 불화수소산 용액, 혹은 아세톤 등의 약액인 경우, 플로우 셀(2)은 예를 들면, 사파이어제로 된다.
플로우 셀(2)에서는, 광원(1)으로부터의 광을 분기함으로써 얻어지는 광 중 1개의 광에 의해, 유로(2a) 내를 흐르는 유체를 조사함으로써, 검출 영역이 형성된다.
광학계(3)는 빔 스플리터(11), 조사 광학계(12), 검출 광학계(13), 감쇠기(14), 미러(15), 빔 익스팬더(16), 빔 스플리터(17) 및 집광부(18a, 18b)를 구비한다.
빔 스플리터(11)는 광원(1)으로부터의 광을 2개의 광으로 분기한다. 빔 스플리터(11)에 의해 분기된 광 중 1개(이하, 측정광이라고 한다)는 조사 광학계(12)에 입사된다. 또한, 빔 스플리터(11)에 의해 분기된 광 중 다른 광(이하, 참조광이라고 한다)은 감쇠기(14)에 입사된다. 예를 들면, 빔 스플리터(11)는 소정의 불균등한 비율(예를 들면, 90:10)로, 광원(1)으로부터의 광을 분기한다. 측정광의 강도는 참조광의 강도보다 크다.
조사 광학계(12)는 플로우 셀(2)의 유로(2a)에 있어서의, 유체의 진행 방향(도 2에 있어서의 X 방향)과는 상이한 방향(여기에서는, 수직인 방향, 즉, 도 2에 있어서의 Z 방향)으로부터, 측정광에 의해, 유로(2a) 내를 흐르는 유체를 조사한다. 한편, 조사 광학계(12)는 예를 들면, 일본 공개특허공보 2003-270120호에 기재되어 있는 렌즈군을 이용하여, 에너지 밀도가 높아지도록, 레이저광을 정형하고 있다.
검출 광학계(13)는 상술한 측정광의 조사에 의한, 유로(2a) 내의 입자로부터의 산란광을 빔 스플리터(17)의 소정의 입사면에 입사시킨다. 예를 들면, 검출 광학계(13)에는 집광 렌즈, 혹은, 배경광을 차폐하기 위한 핀홀, 및, 그 전후에 각각 배치된 집광 렌즈를 갖는 광학계가 사용된다.
이 실시형태에서는, 검출 광학계(13)의 광축과는 상이한 방향으로부터, 측정광이 유로(2a)에 입사되고 있다. 이 때문에, 측방 산란의 산란광이 검출 광학계(13)에 의해, 빔 스플리터(17)에 입사된다.
도 3은 도 1에 있어서의 플로우 셀(2), 검출 광학계(13) 및 빔 스플리터(17)의 배치를 설명하는 도면이다. 구체적으로는, 도 3에 나타내는 바와 같이, 검출 광학계(13)는 유로(2a) 내의 입자 및 유체가 발하는 산란광 중, 검출 영역에서의, 유체(즉, 입자)의 진행 방향을 따라 발하는 산란광을 빔 스플리터(17)에 입사시킨다.
이 실시형태에서는, 도 3에 나타내는 바와 같이, 유체(즉, 입자)의 진행 방향(X 방향)과, 검출 광학계(13)의 광축은 동일한 방향으로 되어 있다. 검출 영역의 중심으로부터, 소정의 입체각 내의 산란광이 빔 스플리터(17)에 입사한다.
이와 같이, 유로(2a) 내의 입자가 발하는 산란광 중, 검출 영역에서의, 유체의 진행 방향(X 방향)을 따라 발하는 측방 산란광이 검출된다. 이에 의해, 검출 영역 내에서의 입자의 이동에 수반하는, 그 입자와 빔 스플리터(17)의 거리인 광로 길이의 변화가 입자의 산란광을 다른 방향(X 방향 이외)으로 검출하는 경우보다 커진다. 이 점에 대해서는 후술한다.
한편, 빔 스플리터(11)에 의해 분기된 참조광은 감쇠기(14)에 입사된다.
감쇠기(14)는 광의 강도를 소정의 비율로 감쇠시킨다. 감쇠기(14)에는, 예를 들면 ND(Neutral Density) 필터가 사용된다. 미러(15)는 감쇠기(14)로부터 출사되는 참조광을 반사하여, 빔 익스팬더(16)에 입사시킨다. 예를 들면, 빔 스플리터(11) 및 감쇠기(14)에 의해, 참조광의 강도는 광원(1)로부터 출사되는 광의 강도의 1만 분의 1 정도로 된다. 한편, 빔 스플리터(17)에 입사되는 참조광의 강도는 계수 대상의 입자의 입경 및 산란광 강도 등에 따라 설정된다. 이 참조광의 강도를 실현하도록, 감쇠기(14)의 감쇠율 등이 설정된다.
빔 익스팬더(16)는 참조광의 빔 직경을 소정의 직경으로 확대한다. 빔 익스팬더(16)는 빔 직경이 확대된 참조광을 대략 평행광으로서 빔 스플리터(17)의 소정의 입사면(산란광의 입사면과는 다른 입사면)에 입사시킨다.
이 실시형태에서는, 검출 광학계(13), 미러(15) 및 빔 익스팬더(16)는 빔 스플리터(17)에 있어서, 입자의 산란광의 파면 형상과, 참조광의 파면 형상이 대략 일치하도록 설정된다. 이 실시형태에서는, 검출 광학계(13) 및 빔 익스팬더(16)는 산란광 및 참조광을 각각 대략 평행광으로 출사한다. 여기서, 산란광 및 참조광의 파면 형상은 곡면이어도 된다.
또한, 검출 광학계(13), 미러(15) 및 빔 익스팬더(16)는 빔 스플리터(17)에 있어서, 편광각이 일치하도록 설정된다.
이와 같이, 이 실시형태에서는, 간섭의 정도를 보다 높이기 위해서, 참조광의 광로에, 참조광의 강도, 편광각 및 파면 형상을 제어하는 감쇠기(14), 미러(15) 및 빔 익스팬더(16) 등이 설치되어 있다.
빔 스플리터(17)는 입사한 산란광과 입사한 참조광을 공간적으로 중첩하여, 서로 강화 또는 약화시키도록 간섭시킨다. 이 실시형태에서는, 빔 스플리터(17)는 빔 스플리터(11)와는 별도로 형성되어 있다. 빔 스플리터(17)에서는, 검출 영역에서의 입자의 이동에 수반하는 광로 길이의 변화에 따라, 산란광과 참조광의 위상차가 변화한다. 또한, 빔 스플리터(17) 자체를 투과 또는 반사하는 광에 의해, 후술하는 바와 같이, 간섭광의 강도가 변화한다. 상술한 바와 같이, 검출 영역에서의 유체의 진행 방향을 따라 발하는 측방 산란광이 검출된다. 이에 의해, 다른 방향으로 발하는 광을 검출하는 경우에 비해, 검출 영역 내에서의 입자의 이동에 수반하는 산란광의 광로 길이가 크고 또한 빠르게 변화한다. 이 때문에, 간섭광의 강도 변화의 속도도 높아진다. 따라서, 검출 영역에서의, 유체(즉, 입자)의 진행 방향에 있어서의 속도에 따른 주기(즉, 주파수)로, 간섭광의 강도가 변화한다. 한편, 입자에 의한 산란광이 입사하고 있지 않는 기간에 있어서는, 빔 스플리터(17)로부터, 유체에 의한 산란광의 투과 성분과 참조광의 반사 성분이 간섭하여 출사되고, 또한, 유체에 의한 산란광의 반사 성분과 참조광의 투과 성분이 간섭하여 출사된다. 이 경우, 유체의 분자는 극소이며, 또한, 매우 다수이기 때문에, 이들의 산란광은 랜덤이며, 이들의 간섭광의 변화는 입자에 의한 변화에 비해 작다.
집광부(18a)는 빔 스플리터(17)의 1개의 출사면으로부터 출사되는 광을 집광하여, 수광 소자(21a)에 입사시킨다. 집광부(18b)는 빔 스플리터(17)의 다른 출사면으로부터 출사되는 광을 집광하여, 수광 소자(21b)에 입사시킨다. 집광부(18a, 18b)에는, 예를 들면 집광 렌즈가 사용된다.
도 4는 도 1에 있어서의 빔 스플리터(17)에 있어서의, 광의 분기에 대해서 설명하기 위한 도면이다. 도 4에 나타내는 바와 같이, 빔 스플리터(17)에서는, 산란광 S의 반사 성분(S1)의 광축과 참조광 R의 투과 성분(R2)의 광축이 일치하면서, 산란광 S의 투과 성분(S2)의 광축과 참조광 R의 반사 성분(R1)의 광축이 일치하도록, 산란광 S 및 참조광 R이 입사하고 있다. 따라서, 빔 스플리터(17)로부터, 산란광 S의 반사 성분(S1)과 참조광 R의 투과 성분(R2)에 의한 제1 간섭광과, 산란광 S의 투과 성분(S2)과 참조광 R의 반사 성분(R1)에 의한 제2 간섭광이 출사된다. 이 제1 간섭광과 제2 간섭광이란, 각각, 집광부(18a, 18b)를 개재하여, 검출부(4)의 수광 소자(21a, 21b)에 입사된다.
한편, 빔 스플리터(17)의 광분기면에 대해, 산란광 S 및 참조광 R은 각각 대략 45도로 입사하고 있다. 투과 성분(S2, R2)은 각각, 산란광 S 및 참조광 R과 동일한 위상을 갖는다. 반사 성분(S1, R1)의 위상은 산란광 S 및 참조광 R에 대해, 각각 90도 늦어진다. 이 때문에, 제1 간섭광의 강도 변화와 제2 간섭광의 강도 변화는, 후술하는 바와 같이, 서로 역상이 된다.
또한, 빔 스플리터(17)에 있어서의, 투과 성분과 반사 성분과의 비율은 50:50인 것이 바람직하다. 한편, 이 비율은, 60:40 등으로 불균등해도 된다. 빔 스플리터(17)에 있어서의 투과 성분과 반사 성분과의 비율이 불균등한 경우, 그 비율에 따라, 전기 신호(V1)에 있어서의 참조광의 투과 성분과 전기 신호(V2)에 있어서의 참조광의 반사 성분이 동일해지도록, 증폭기(22a, 22b)의 게인이 설정된다.
한편, 빔 댐퍼(19)는 플로우 셀(2)을 통과한 광을 흡수한다. 이에 의해, 플로우 셀(2)을 통과한 광의 난반사 및 누설 등에 의한 광학계(3)에 대한 영향을 억제할 수 있다.
검출부(4)는 빔 스플리터(17)로부터의 간섭광을 수광 소자(21a, 21b)의 각각에 의해 수광한다. 검출부(4)는 이들 간섭광의 차분에 대응하는 검출 신호(Vo)를 생성한다. 이 실시형태에서는, 도 1에 나타내는 바와 같이, 검출부(4)는 수광 소자(21a, 21b), 증폭기(22a, 22b) 및 차분 연산부(23)를 구비한다.
수광 소자(21a, 21b)는 포트 다이오드 및 포트 트랜지스터 등의 포트 디텍터로서, 각각, 입사광에 대응하는 전기 신호를 출력한다. 증폭기(22a, 22b)는 수광 소자(21a, 21b)로부터 출력되는 전기 신호를 소정의 게인으로 증폭한다. 차분 연산부(23)는 수광 소자(21a)에 의해 얻어지는 제1 간섭광에 대응하는 전기 신호(V1)와, 수광 소자(21b)에 의해 얻어지는 제2 간섭광에 대응하는 전기 신호(V2)와의 차분을 연산하여, 이 차분을 검출 신호(Vo)로서 출력한다.
한편, 입자에 의한 산란광 성분을 포함하지 않는 상태(유체에 의한 산란광 성분과 참조광 성분)에 있어서, 전기 신호(V1)의 전압과 전기 신호(V2)의 전압이 동일해지도록, 증폭기(22a, 22b)의 게인이 조정되어 있다. 그 대신에, 증폭기(22a, 22b) 중 1개만을 형성하여, 상술한 양자가 동일하게 되도록, 그 증폭기의 게인이 조정되어도 된다. 또한, 수광 소자(21a)의 전기 신호의 전압과 수광 소자(21b)의 전기 신호의 전압이 동일한 경우에는, 증폭기(22a, 22b)를 형성하지 않아도 된다.
도 5는 도 1에 있어서의 검출부(4)에 의해 얻어지는 검출 신호에 대해 설명하는 타이밍 차트이다.
어떤 입자가 검출 영역을 시각(T1)으로부터 시각(T2)까지의 기간으로 통과할 때, 그 기간에 있어서, 입자에 의한 산란광이 발생한다. 그리고, 검출 영역 내에 있어서의 입자의 진행 방향(X 방향)에 대한 이동에 따라, 입자로부터 빔 스플리터(17)의 광분기면까지의 광로 길이가 변화한다. 이에 의해, 입자에 의한 산란광과 참조광의 위상차가 변화하고, 간섭광의 강도(진폭)는 서로 강화 또는 약화시키며 변화한다.
따라서, 도 5에 나타내는 바와 같이, 전기 신호(V1)는 입자가 없는 상태의 전압(V1o)을 기준으로서, 입자가 검출 영역을 통과하는 기간에 있어서는, 간섭의 정도에 따라, 기준에 대해 플러스 마이너스로 변동한다. 동일하게, 전기 신호(V2)는 입자가 없는 상태의 전압(V2o)을 기준으로서, 입자가 검출 영역을 통과하는 기간에 있어서는, 간섭의 정도에 따라, 기준에 대해 플러스 마이너스로 변동한다. 단, 그 기간에 있어서의 전기 신호(V1, V2)의 교류 성분은 서로 역상이 된다.
증폭기(22a, 22b)로부터 출력되는 전기 신호(V1, V2)의 기준 전압(V1o, V2o)은 서로 동일하게 되어 있다. 이 때문에, 차분 연산부(23)에 의해 얻어지는 검출 신호(Vo)는 도 5에 나타내는 바와 같이, 입자가 검출 영역을 통과하는 기간에 있어서는, 전기 신호(V1, V2)의 각각에 있어서의 간섭에 기인하는 교류 성분보다 큰(약 2배의) 진폭을 갖는 교류 성분을 갖고 있다. 그 기간 이외에 있어서는, 검출 신호(Vo)는 대략 제로의 전압을 갖는다.
한편, 본 실시형태에서는, 검출 영역에서의 유체의 진행 방향(X 방향)을 따라 발하는 산란광이 검출된다. 이에 의해, 입자가 검출 영역을 통과할 때, 광로 길이의 변화가 커진다. 입자가 시각(T1)으로부터 시각(T2)까지의 기간에서 통과할 때에는, 입자의 이동 거리가 입자와 빔 스플리터(17)의 광분기면 사이의 광로 길이의 변화가 된다. 이 때문에, 입자의 산란광을 다른 방향(X 방향 이외)으로 검출하는 것보다, 간섭의 변화의 횟수가 증가한다(즉, 간섭광의 강도 변화의 속도가 커지고, 간섭광의 위상 회전이 많아진다). 이는 시각(T1)으로부터 시각(T2)까지의 기간에 있어서, 수광 소자(21a, 21b)로부터 출력되는 전기 신호의 파동의 수가 증가함을 의미한다. 이 때문에, 신호가 검출되기 쉬워지는 점에서, S/N비가 향상된다. 단, 산란광을 검출할 수 있다면, 산란광의 검출 방향은 한정되지 않는다.
한편, 유체의 매질인 액체로부터의 산란광(배경광)은 검출 영역의 전역에서 발생한다. 또한, 상이한 위치로부터의 배경광도 존재한다. 그러나, 이 배경광은 차분 연산에 의해 없어진다. 이 때문에, 검출 신호(Vo)에 있어서, 입자로부터의 산란광의 간섭에 기인하는 교류 성분에 비해, 배경광의 간섭에 기인하는 교류 성분은 작아진다.
이 실시형태에서는, 계수 대상의 입자의 입경은 광원(1)으로부터 출사되는 광의 파장보다 작다. 이 때문에, 레일리 산란에 의한 산란광의 강도는 입경의 6제곱에 비례한다. 이에 비해, 이 산란광과 참조광의 간섭광 강도는 입경과 간섭광의 강도(I)의 관계식(I∝Er·ED1(D1/D0)3)으로부터, 입경의 3제곱에 비례한다. 따라서, 산란광을 직접 검출하는 것보다도, 간섭광을 검출하는 쪽이 입경을 작게 했을 경우의, 광의 강도의 감소가 적다. 여기서, D0, D1는 입경이며, Er는 참조광의 전기장 강도이고, ED1는 입자(D1)로부터의 산란광의 전기장 강도이다.
또한, 산란광과 참조광의 간섭광 강도의, 최대값와 최저값의 차(산란광과 참조광의 위상차가 0일 때와, 이 위상차가 180도일 때의, 간섭광 강도의 차)는 참조광의 전기장 강도(Er)와 산란광의 전기장 강도(Es)의 곱에 비례한다. 따라서, 산란광 및 참조광의 강도를 높게 함으로써, 충분히 강한 간섭광이 얻어진다. 그 결과, 충분히 큰 진폭의 검출 신호가 얻어진다. 참조광의 강도는 검출부(4), 필터(5) 및 계수부(7)의 다이나믹 레인지에 따라, 검출 신호를 양호하게 처리 가능한 값이 된다.
예를 들면, 입경 20㎚인 입자의 산란광 강도 Is가 7.0×10-6㎼인 경우, 이 산란광 강도(Is)를 단위 면적당의 산란광 강도(I)로 변환하고, 광강도와 전기장 강도의 관계식(I＝0.5·c·ε·Es2)으로부터 산란광의 전기장 강도(Es)를 구하면, 약 5.8×10-3V/m가 된다. 한편, 참조광 강도(Ir)가 1.2㎼이라고 하면, 참조광의 전기장 강도(Er)는 약 2.4V/m가 된다. 그리고, 산란광과 참조광이 파면 전역에서 간섭하면, 상술한 간섭광 강도의 차(2·c·ε·Es·Er·단위 면적)는 산란광 강도의 약 1600배인, 약 1.2×10-2㎼가 되어, 입경 70㎚인 입자의 산란광 강도와 동등한 레벨로 증폭된다. 여기서, c는 광속(m/s)이며, ε는 공기의 유전율(F/m)이다.
필터(5)는 검출부(4)에 의해 생성된 검출 신호(Vo)에 대해, 상술한 간섭광의 강도 변화에 따른 주파수 성분을 통과시키는 필터 처리를 행한다. 이 실시형태에서는, 필터(5)는 간섭광의 강도 변화에 따른 대략 단일 주파수 성분 이외의 주파수 성분을 감쇠시키는 밴드 패스 필터이다. 이 밴드 패스 필터에는, 유로(2a) 내의 유체 속도(즉, 입자의 이동 속도)에 대응하는 주파수 성분(즉, 간섭광의 강도 변화에 따른 주파수 성분)을 통과시키고, 유체의 진행 속도에 대응하는 주파수 성분 이외의 주파수 성분을 감쇠시키도록, 통과 대역이 설정된다. 이에 의해, 검출 신호(Vo)에 있어서의 노이즈 성분이 감쇠되어, 검출 신호(Vo)의 S/N비가 보다 높아진다. 여기서, 통과 대역 주파수는 입자의 이동 속도 및 측정광의 파장(즉, 광원(1)의 파장) 등으로부터 미리 특정된다. 또한, 노이즈의 주파수가 간섭광의 강도 변화에 따른 주파수보다 높은 경우에는, 로우 패스 필터가 사용되어도 된다. 노이즈의 주파수가 간섭광의 강도 변화에 따른 주파수보다 낮은 경우에는, 하이 패스 필터가 사용되어도 된다.
판정부(6)는 필터 처리 전의 검출 신호(Vo)의 피크 레벨(Vp1)과, 필터 처리 후의 검출 신호(Vo1)의 피크 레벨(Vp2)로부터, 소정의 산출식에 기초하여, 검출 신호(Vo)가 입자에 의한 것인지 여부를 판정한다. 예를 들면, 소정의 산출식은 감쇠율을 구하는 식 (Vp1-Vp2)/Vp1이 된다.
도 6은 도 1에 있어서의 판정부(6)에 의한 피크 레벨의 검출에 대해서 설명하기 위한 도면이다. 도 6에 나타내는 바와 같이, 판정부(6)은 검출 신호가 소정의 역치(계수 역치)를 초과한 시점(Ts)으로부터, 피크 측정 기간을 개시한다. 판정부(6)는 계수 역치를 초과하는 검출 신호가 소정 길이의 무검출 기간에서 검출되지 않은 시점(Te)에서, 피크 측정 기간을 종료한다. 판정부(6)는 피크 측정 기간에 있어서의 검출 신호의 최대치를, 피크 측정 기간의 피크 레벨로서 검출한다. 도 6에서는, 필터 처리 후의 검출 신호(Vo1)의 피크 레벨(Vp2)의 검출을 나타내고 있다. 필터 처리 전의 검출 신호(Vo)의 피크 레벨(Vp1)도, 동일하게 검출된다. 한편, 필터 처리 전의 역치는 필터 후의 계수 역치와는 상이한 값이 되는 경우가 있다.
또한, 계수부(7)는 판정부(6)에 의해, 검출 신호(Vo)가 입자에 의한 것으로 판정된 경우에는, 필터 처리 후의 검출 신호(Vo1)에 기초하는 입자의 계수를 행한다. 한편, 계수부(7)는 판정부(6)에 의해, 검출 신호가 입자에 의한 것으로 판정되지 않은 경우에는, 필터 처리 후의 검출 신호(Vo1)에 기초하는 입자의 계수를 행하지 않는다. 예를 들면, 감쇠율이 (Vp1-Vp2)/Vp1로서 계산되는 경우, 판정부(6)는 상술한 감쇠율이 감쇠율 역치(예를 들면, 50%) 이하인 경우에는, 검출 신호(Vo)가 입자에 의한 것으로 판정한다. 한편, 판정부(6)는 상술한 감쇠율이 감쇠율 역치보다 큰 경우에는, 검출 신호(Vo)가 노이즈 등에 의한 것으로 판정, 검출 신호(Vo)가 입자에 의한 것이라고는 판정하지 않는다.
이 실시형태에서는, 판정부(6)는 계수 역치를 초과하는 필터 처리 후의 검출 신호(Vo1)에 대해, 감쇠율 역치와 상술한 감쇠율을 비교한다. 판정부(6)는 비교 결과에 기초하여, 검출 신호(Vo)가 입자에 의한 것인지 여부를 판정한다. 또한, 계수부(7)는 필터 처리 후의 검출 신호(Vo1)에 기초하여, 후술하는 바와 같이, 입자의 계수를 행한다. 그리고, 감쇠율 역치 및 계수 역치의 한쪽은 감쇠율 역치 및 계수 역치의 다른 한쪽에 따라 설정된다. 예를 들면, 감쇠율이 (Vp1-Vp2)/Vp1로서 계산되는 경우, 감쇠율 역치가 낮은 만큼, 계수 역치가 낮게 설정될 수 있다.
한편, 입자의 계수를 행하는 경우, 예를 들면, 계수부(7)는 검출 신호(Vo1)에 있어서의, 상술한 기간에 걸쳐 연속하는 교류 성분(즉, 간섭광의 강도 변화에 따른 주파수 성분)을 검출하면, 그 진폭과 입경별로 정해진 소정의 역치를 비교한다. 계수부(7)는 입경별로 구별하여 1개의 입자를 카운트한다.
도 7은 입자에 의한 검출 신호의, 필터 처리 전의 파형 및 필터 처리 후의 파형의 예를 나타낸다. 도 8은 스파이크 노이즈에 의한 검출 신호의, 필터 처리 전의 파형 및 필터 처리 후의 파형의 예를 나타낸다.
예를 들면, 도 7에 나타내는 바와 같이, 검출 신호가 입자에 의한 것인 경우, 필터 처리 전의 검출 신호(Vo)는 대략 단일 주파수를 저주파수로 진폭 변조한 것과 같은 파형을 나타낸다. 그리고, 검출 신호가 입자에 의한 것인 경우, 검출 신호(Vo) 중, 필터(5)를 통과하는 성분이 많기 때문에, 필터 처리 후의 검출 신호(Vo1)의 감쇠율은 낮아진다(즉, 필터 처리 후의 검출 신호(Vo1)의 피크 레벨은 비교적 높아진다).
한편, 예를 들면, 도 8에 나타내는 바와 같이, 검출 신호가 스파이크 노이즈에 의한 것인 경우, 필터 처리 전의 검출 신호(Vo)는 광범위한 주파수 성분을 갖는다. 이 때문에, 검출 신호(Vo) 중, 필터(5)를 통과하는 성분이 적기 때문에, 필터 처리 후의 검출 신호(Vo1)의 감쇠율은 높아진다(즉, 필터 처리 후의 검출 신호(Vo1)의 피크 레벨은 비교적 낮아진다).
따라서, 상술한 감쇠율에 의해, 입자에 의한 검출 신호와 노이즈에 의한 검출 신호를 분별할 수 있다.
다음으로, 실시형태 1에 따른 파티클 카운터의 동작에 대해서 설명한다.
광원(1)은 레이저광을 출사한다. 빔 스플리터(11)는 그 레이저광을 측정광과 참조광으로 분기한다. 참조광은 감쇠기(14)에 의해 감쇠된 후, 미러(15) 및 빔 익스팬더(16)를 거쳐, 대략 평행광으로서 빔 스플리터(17)에 입사된다.
한편, 측정광은 조사 광학계(12)에 의해, 플로우 셀(2) 내의 검출 영역에 입사된다. 입자가 검출 영역을 통과하면, 입자가 검출 영역을 통과하고 있는 기간에 있어서, 입자로부터의 산란광이 발생한다. 검출 광학계(13)는 플로우 셀(2)의 유로(2a) 내의 유체의 진행 방향(X 방향)을 따라 출사되는 산란광을, 대략 평행광으로서 빔 스플리터(17)에 입사시킨다.
이와 같이, 입자가 검출 영역을 통과하고 있는 기간에 있어서는, 빔 스플리터(17)에 참조광과 입자로부터의 산란광이 입사된다. 양자의 간섭광이 빔 스플리터(17)로부터 출사된다.
입자가 검출 영역을 통과하고 있는 기간에, 빔 스플리터(17)로부터 출사되는 간섭광은 수광 소자(21a, 21b)의 각각에 의해 수광된다. 간섭광의 강도에 대응하는 전기 신호가 검출 신호(Vo)로서 검출부(4)로부터 출력된다. 특히, 실시형태 1에서는, 서로 역상이 되는, 상술한 제1 간섭광 및 제2 간섭광의 차분에 기초하는 검출 신호(Vo)가 생성된다. 이 때문에, 전기 신호(V1, V2)의 약 2배의 진폭을 갖는 교류 성분을 갖는 검출 신호(Vo)가 얻어진다.
필터 5는 검출 신호에 대해, 상술한 간섭광의 강도 변화에 따른 주파수 성분을 통과시키는 필터 처리를 행한다.
그리고, 판정부(6)는 필터 처리 전의 검출 신호(Vo)의 피크 레벨(Vp1)로부터, 필터 처리 후의 검출 신호(Vo1)의 피크 레벨(Vp2)에 대한 감쇠율에 기초하여, 검출 신호가 입자에 의한 것인지 여부를 판정한다. 판정부(6)에 의해, 검출 신호가 입자에 의한 것으로 판정되었을 경우에는, 계수부(7)는 필터 처리 후의 검출 신호(Vo1)에 기초하는 입자의 계수를 행한다. 한편, 판정부(6)에 의해, 검출 신호(Vo)가 입자에 의한 것으로 판정되지 않은 경우에는, 계수부(7)는 필터 처리 후의 검출 신호(Vo1)에 기초하는 입자의 계수를 행하지 않는다.
이상과 같이, 상기 실시형태에 따른 파티클 카운터에 의하면, 조사 광학계(12)는 광원(1)으로부터의 광을 분기함으로써 얻어지는 복수의 광 중 1개의 광에 의해, 유체가 흐르는 방향과는 상이한 방향으로부터, 유로(2a) 내의 유체를 조사함으로써 검출 영역을 형성한다. 검출 광학계(13)는 검출 영역 내의 유체에 포함되는 입자로부터의 산란광 중, 조사 광학계(12)의 광축과는 상이한 방향의 산란광을 빔 스플리터(17)에 입사시킨다. 한편, 빔 익스팬더(16)는 그 복수의 광 중, 다른 광을 참조광으로서 빔 스플리터(17)에 입사시킨다. 검출부(4)는 빔 스플리터(17)에 의해 얻어지는, 산란광과 참조광과의 간섭광을 수광 소자로 수광하여, 그 간섭광에 대응하는 검출 신호를 생성한다. 필터(5)는 검출부(4)에 의해 생성된 검출 신호에 대해, 간섭광의 강도 변화에 따른 주파수 성분을 통과시키는 필터 처리를 행한다. 판정부(6)는 필터 처리 전의 검출 신호의 피크 레벨과, 필터 처리 후의 검출 신호의 피크 레벨로부터, 소정의 산출식에 기초하여, 검출 신호가 입자에 의한 것인지 여부를 판정한다. 계수부(7)는 판정부(6)에 의해, 검출 신호가 입자에 의한 것으로 판정된 경우에는, 필터 처리 후의 검출 신호에 기초하는 입자의 계수를 행한다. 한편, 계수부(7)는 판정부(6)에 의해, 검출 신호가 입자에 의한 것으로 판정되지 않은 경우에는, 필터 처리 후의 검출 신호에 기초하는 입자의 계수를 행하지 않는다.
상기의 실시형태에 따른 파티클 카운터에 의하면, 판정부(6)에 의해, 입자에 의한 검출 신호와 노이즈에 의한 검출 신호가 분별된다. 따라서, 이 파티클 카운터는 노이즈에 기인하는 위계수를 저감함으로써, 정밀도 높게, 입경별로 입자를 계수할 수 있다.
(실시형태 2)
실시형태 1에서는, 입자로부터의 산란광과 참조광의 간섭광으로서, 제1 간섭광 및 제2 간섭광이 수광되어, 양자의 전기 신호(V1, V2)의 차분이 검출 신호(Vo)로 되어 있다. 실시형태 2에서는, 그 대신에, 제1 간섭광 및 제2 간섭광 중 어느 한쪽의 전기 신호를 검출 신호(Vo)로 한다. 이와 같이 해도, 검출 신호(Vo)에는, 입자로부터의 산란광과 참조광의 간섭광에 기인하는 교류 성분이 포함된다. 이 때문에, 동일하게 입자를 카운트할 수 있다. 이 경우, 수광 소자는 1개 있으면 된다.
또한, 실시형태 2에 따른 파티클 카운터의 그 밖의 구성은 실시형태 1의 것과 동일하므로, 그 설명을 생략한다.
한편, 상술한 실시형태에 대한, 다양한 변경 및 수정은 당업자에게 있어서는 명백하다. 이러한 변경 및 수정은 본 개시의 주제의 취지 및 범위에서 벗어나지 않으면서, 의도된 이점을 약화시키지 않도록 행해져도 된다. 즉, 이러한 변경 및 수정은 청구의 범위에 포함되는 것이 의도되어 있다.
예를 들면, 상기 실시형태 1, 2에서는, 참조광의 광로에 빔 익스팬더(16)가 형성되어 있다. 그 대신에, 혹은 추가적으로, 빔 스플리터(11)의 전단에 빔 익스팬더가 형성되어도 된다. 또한, 상기 실시형태 1, 2에서는, 도 1에 나타내는 바와 같이, 1개의 미러(15)가 사용되고 있다. 그 대신에, 3개의 미러를 사용하여 광로의 방향을 삼차원적으로 조정해도 된다. 또한, 상기 실시형태 1, 2에서는, 입자로부터의 산란광과 참조광을 중첩시키기 위해, 빔 스플리터(17)가 사용되고 있다. 그 대신에, 편광 프리즘이 사용되어도 된다.
또한, 상기 실시형태 1, 2에 있어서, 광원(1)은 싱글 모드로, 고간섭성 레이저광을 출사하는 광원이다. 그 대신에, 멀티 모드로, 비교적 저간섭성 레이저광을 출사하는 광원이 사용되어도 된다. 단, 검출 영역의 어느 위치에서도, 입자로부터의 산란광과 참조광의 간섭이 일어나는 에너지 분포의 광원을 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 광원(1)은 레이저광을 출사하는 광원으로 한정되지 않으며, 레이저광 이외의, 예를 들어 LED광을 출사하도록 구성되어 있어도 된다. 광원(1)은 참조광측과 입자 산란광측의 광로 길이 차이가, 광원(1)으로부터 출사되는 광의 간섭성 길이 이내가 되는 광을 출사하도록 구성되어 있으면 된다.
또한, 상기 실시형태 1, 2에서는, 필터(5) 및 계수부(7)는 아날로그 회로여도 되고, 디지털 회로여도 된다. 필터(5) 및 계수부(7)가 디지털 회로인 경우에는, 필터(5)의 전단에서 검출 신호(Vo)에 대한 아날로그-디지털 변환이 행해진다.
또한, 상기 실시형태 1, 2에서는, 도 1에 나타내는 바와 같이, 광의 분기와 광의 중첩이 상이한 빔 스플리터(11, 17)에서 행해지는, 이른바 마하젠더형 간섭 광학계가 채용되어 있다. 그 대신에, 마이켈슨형, 혹은, 그 밖의 간섭 광학계가 채용되어도 된다.
또한, 상기 실시형태 1, 2에 따른 파티클 카운터는 액중 파티클 카운터이다. 상기 실시형태 1, 2에 따른 파티클 카운터는 기중 파티클 카운터에 적용되어도 된다.
본 개시의 실시형태는 파티클 카운터에 적용 가능하다.
한편, 상술한 상세한 설명은 예시 및 설명의 목적으로 제시된 것이다. 상기 개시 범위에서 다양한 변형과 변화가 가능하다. 상기 개시된 구체적인 형태로 본 발명을 망라하거나 제한하는 것은 아니다. 본 발명은 구조적인 특징 및/또는 방법적인 행위에 대한 용어로 기재되어 있지만, 첨부된 청구범위에 따른 본 발명은 상술한 구체적인 특징 또는 행위로 전혀 제한되지 않는 것으로 이해된다. 오히려, 상술한 구체적인 특징 또는 행위는 상기 첨부된 청구범위를 실시하기 위한 예시로서 개시되어 있다.
1 : 광원
4 : 검출부
5 : 필터
6 : 판정부
7 : 계수부
11 : 빔 스플리터(광분기부의 일 예)
12 : 조사 광학계
13 : 검출 광학계
16 : 빔 익스팬더(참조 광학계의 일 예)
17 : 빔 스플리터(광중첩부의 일 예)
21a, 21b : 수광 소자

Claims (3)

  1. 광을 출사하는 광원과,
    2개의 광을 공간적으로 중첩하는 광중첩부와,
    상기 광원으로부터의 광을 분기함으로써 얻어지는 복수의 광 중 1개의 광에 의해, 유로 내를 흐르는 유체를 조사함으로써 검출 영역을 형성하는 조사 광학계와,
    상기 검출 영역 내의 상기 유체에 포함되는 입자로부터의 산란광 중, 상기 조사 광학계의 광축과는 상이한 방향의 산란광을 상기 광중첩부에 입사시키는 검출 광학계와,
    상기 복수의 광 중, 다른 1개의 광을 참조광으로서 상기 광중첩부에 입사시키는 참조 광학계와,
    상기 광중첩부에 의해 얻어지는 상기 산란광과 상기 참조광의 간섭광을 수광 소자로 수광하여, 상기 간섭광에 대응하는 검출 신호를 생성하는 검출부와,
    상기 검출부에 의해 생성된 상기 검출 신호에 대해, 상기 간섭광의 강도 변화에 따른 주파수 성분을 통과시키는 필터 처리를 행하는 필터와,
    상기 필터 처리 전의 상기 검출 신호의 피크 레벨과 상기 필터 처리 후의 상기 검출 신호의 피크 레벨로부터, 소정의 산출식에 기초하여, 상기 검출 신호가 상기 입자에 의한 것인지 여부를 판정하는 판정부와,
    상기 판정부에 의해, 상기 검출 신호가 상기 입자에 의한 것으로 판정된 경우에는, 상기 필터 처리 후의 상기 검출 신호에 기초하는 상기 입자의 계수를 행하고, 상기 판정부에 의해, 상기 검출 신호가 상기 입자에 의한 것으로 판정되지 않은 경우에는, 상기 필터 처리 후의 상기 검출 신호에 기초하는 상기 입자의 계수를 행하지 않는 계수부를 구비하고,
    상기 소정의 산출식은, 상기 필터 처리 전의 상기 검출 신호의 피크 레벨(Vp1)로부터, 상기 필터 처리 후의 상기 검출 신호의 피크 레벨(Vp2)에 대한 감쇠율을 구하는 식 (Vp1-Vp2)/Vp1이고,
    상기 판정부는 감쇠율 역치와 상기 감쇠율을 비교한 결과에 기초하여, 상기 검출 신호가 상기 입자에 의한 것인지 여부를 판정하고,
    상기 계수부는 계수 역치와, 상기 필터 처리 후의 상기 검출 신호를 비교한 결과에 기초하여, 상기 입자의 계수를 행하며,
    상기 감쇠율 역치 및 상기 계수 역치의 한쪽은 상기 감쇠율 역치 및 상기 계수 역치의 다른 한쪽에 따라 설정되는 파티클 카운터.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 필터는 상기 간섭광의 강도 변화에 따른 주파수 성분 이외의 주파수 성분을 감쇠시키는 밴드 패스 필터인 파티클 카운터.
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