(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を照射する光源（１０）と，
粒子を含む粒子群が流通する流路（２０）と，
前記流路（２０）内の粒子を光の集光位置に誘導する粒子誘導手段（３０）と，
前記光源（１０）が照射した光の光軸上に配置され，前記流路（２０）内の粒子群に含まれる粒子の存在によって生じる前方散乱光の強度を検出する検出器（４０）と，
前記検出器（４０）が検出した前方散乱光の強度に基づいて，前記粒子群に含まれる粒子の粒径を算出する算出手段（５０）を含み，
前記粒子誘導手段（３０）は，前記光源（１０）と前記流路（２０）の間に配置され，前記光源（１０）が照射した光を集光し，前記流路（２０）内に集光点を形成するレンズ（３０）であり，
前記流路（２０）内の粒子群に含まれる粒子の存在によって生じる前方散乱光の強度を検出する前に，前記検出器（４０）は，前記光源（１０）からの入射光が前記粒子群の存在しない前記流路（２０）内を透過した透過光の強度を検出し，
前記算出手段（５０）は，前記検出器（４０）が検出した透過光の強度に基づいて，前記前方散乱光の強度と前記透過光の強度の強度比を算出する
粒径測定装置。
【請求項２】
さらに，
前記流路（２０）と前記検出器（４０）の間に配置され，記流路（２０）内の粒子群に含まれる粒子の存在によって生じる前方散乱光を集光し，前記検出器（４０）に照射する集光系（６０）を有する
請求項１に記載の粒径測定装置。
【請求項３】
前記レンズによって前記流路（２０）内に形成された集光点の幅は，１μｍ以上１００μｍ以下である
請求項１に記載の粒径測定装置。
【請求項４】
さらに，
前記光源（１０）と前記レンズ（３０）の間に，前記光源（１０）から照射された光の光径を広狭させる光径変更手段を有する
請求項１に記載の粒径測定装置。
【請求項５】
前記算出手段（５０）は，さらに，前記算出した粒子の粒径に基づいて，前記粒子の質量を算出する
請求項１に記載の粒径測定装置。
【請求項６】
前記算出手段（５０）は，さらに，前記算出した粒子の粒径及び質量に基づいて，前記粒子の密度を算出する
請求項５に記載の粒径測定装置。
【請求項７】
レンズ（３０）によって，光源（１０）からの光を集光して，粒子群が流通する流路（２０）内に集光点を形成し，前記流路（２０）内の粒子を光源の集光位置に誘導する工程と，
前記光源（１０）が照射した光の光軸上に配置され検出器（４０）によって，前記流路（２０）内の粒子群に含まれる粒子の存在によって生じる前方散乱光の強度を検出する工程と，
算出手段（５０）によって，前記検出器（４０）が検出した前方散乱光の強度に基づいて，前記粒子群に含まれる粒子の粒径を算出する工程を含み，
前記流路（２０）内の粒子群に含まれる粒子の存在によって生じる前方散乱光の強度を検出する前に，前記検出器（４０）によって，前記光源（１０）からの入射光が前記粒子群の存在しない前記流路（２０）内を透過した透過光の強度を検出する工程と，
前記算出手段（５０）によって，前記検出器（４０）が検出した透過光の強度に基づいて，前記前方散乱光の強度と前記透過光の強度の強度比を算出する工程を，さらに含む
粒径測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は，前方散乱法によって流路内の粒子の粒径を計測する装置及びその方法に関する。本発明は，特に，レーザビームを集光することによって発生する放射圧を利用した粒径計測装置及び粒径計測方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から，排煙に含まれる化合物粒子や自然環境で発生する粒子の飛散状況をモニタリングする技術が存在する。
【０００３】
しかしながら，粒径をモニタリングする技術は，実時間性に乏しいものであった。また，近年では，マイクロサイズやナノサイズの環境化学物質のモニタリング技術では，実時間計測ができる技術が存在しない。特に，小型で安価な測定技術が求められている。
【０００４】
また，例えば，特開２０００−１４６８１２号公報（特許文献１）には，レーザ光を分散している粒子群に照射し，レーザ光の照射によって生じた回折／散乱光を検出し，検出した回折／散乱光強度信号に基づいて粒子群の粒径分布を測定する粒径測定装置が開示されている。このような，従来の粒径測定装置では，光源の光軸上に光強度検出器を設置することとすると，分散している粒子群に散乱されず直接入射する光の強度が強くなりすぎるため，正確に粒径を測定することができない。従って，従来の粒径測定装置では，散乱光の特定角度方向の成分のみを検出することとしていた。
【０００５】
しかしながら，従来の粒径測定装置のように散乱光の特定角度方向の成分のみを検出し，ミー散乱理論で計算することとすると，粒径に依存する散乱強度パターンが，角度依存性を直接的に反映する結果となる。図５は，ミー散乱理論で計算された散乱強度パターンを示している。このように，散乱強度パターンに角度依存性が直接的に反映されることは，粒径測定が不正確となる要因となっていた。すなわち，従来の粒径測定装置では，粒径を一意に正確に計測することが困難であった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０００−１４６８１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
そこで，本発明は，光源が照射する光の光軸上に検出器を設置し，粒子群に含まれる粒子により生じた前方散乱光を検出することによってその粒径を計測することを目的とする。そのために，本発明は，光源からの光が粒子によって散乱されずに直接入射する光の光量を極力減少させつつ，粒径を一意に正確に計測することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は，基本的には，集光レーザビームで発生する放射圧を用いて，粒子群に含まれる粒子をビーム集光位置に誘導し，粒子によって散乱されない直接透過光を極力減少させることにより，最大の前方散乱強度を測定し粒径を一意に計測できるという知見に基づく。すなわち，本発明に係る粒径測定装置及び粒径測定方法は，入射光による光放射圧を利用して，粒子を集光位置に強制的に移動させ，前方散乱光を検出する。
【０００９】
本発明の第1の側面は，光源１０，流路２０，粒子誘導手段３０，検出器４０，及び算出手段５０を有する粒径測定装置である。
光源１０は，流路２０に対して光を照射する。
流路２０内は，粒径測定の対象である粒子群が流通している。
粒子誘導手段３０は，流路２０内の粒子を光の集光位置に誘導する手段である。この粒子誘導手段３０としては，光源１０と流路２０の間に配置され，光源１０が照射した光を流路２０内に集光するレンズが用いられる。すなわち，レンズは，光の放射圧を利用して，流路２０内の粒子を光の集光位置に誘導する。
検出器４０は，光源１０が照射した光の光軸上に１つだけ配置される。そして，流路２０内の粒子群に含まれる粒子の存在によって生じる前方散乱光の強度を検出する。
算出手段５０は，検出器４０が検出した前方散乱光の強度に基づいて，粒子の粒径を求める。
【００１０】
本発明は，レンズ３０によって流路２０内に光を集光するため，光放射圧（つまり，勾配力と散乱力）を利用して，流路内の粒子をビーム集光位置に誘導できる。このようにして，本発明は，粒子をビーム集光位置に誘導することができるため，粒子によって散乱されない入射光の光量を極力減少させることができる。従って，前方散乱光の強度を検出する検出器４０を，光源１０から照射される照射光の光軸上に配置できる。
【００１１】
このように，本発明は，光の放射圧を利用することによって，流路２０内の粒子を最大散乱強度が発生する最適な位置（つまり，ビーム集光位置）に誘導することができる。従って，従来のように，粒子がビーム集光位置を通過するように，物理的な構造によって流路を限定したり，流路内に気流を発生させたり必要がないため，装置の構造を簡易なものとすることができる。
【００１２】
また，本発明は，検出器４０を光源１０から照射される光の光軸上に配置可能であるため，従来は達成し得なかった様々な効果を奏する。例えば，流路２０内に粒子が存在しない場合には，光源１０から照射された光の全光量が検出器４０に入射するため，予め検出器４０のダイナミックレンジを設定できる。また，流路２０内に粒子が流通し，光の散乱が発生すると，検出器４０に直接入射していた光は散乱光として全空間にわたって散乱されるため，前方の散乱強度が散乱量に応じて減少することを粒径計測に利用できる。
【００１３】
本発明の第1の側面は，さらに，流路２０と検出器４０の間に配置され，流路２０内の粒子群に含まれる粒子の存在によって生じる前方散乱光を検出器４０に集光するための集光系６０を有する。
【００１４】
本発明の第１の側面は，さらに，光源１０とレンズ３０の間に配置され，光源１０から照射された光の光径を広狭させる光径変更手段を有する。
【００１５】
すなわち，本発明の第１の側面においては，光源１０とレンズ３０の間に，開口径が可変の開口板を設置する。この開口部の形状は円形となっている。このように，開口径を変化させることによって光源１０から照射された光の光径を広狭させる。これにより，流路２０内に形成される集光点の径を制御することができる。従って，本粒径測定装置が測定可能な粒子の粒径の範囲を変えることができる。
【００１６】
また，算出手段５０は，粒子の粒径と併せて，粒子の質量を算出することが好ましい。粒子の質量は，ビーム内の位置に応じた粒子にかかる散乱力の変化によって，ビーム内での粒子の速度が変化することに鑑みれば，算出された粒子の粒径に基づいて，粒子にかかる散乱力をも算出することができる。
【００１７】
また，算出手段５０は，粒子の粒径及び粒子の質量と併せて，粒子の質量を算出することが好ましい。粒子が球形であると仮定した場合，粒子の粒径から粒子の体積を求め，体積と質量に基づいて粒子の密度を求めることができる。
【００１８】
本発明の第２の側面は，粒径測定方法に関する。粒径測定方法は，レンズ３０によって，光源１０からの光を集光して粒子群が流通する流路２０内に集光点を形成し流路２０内の粒子を光の集光位置に誘導する工程と，光源１０が照射した光の光軸上に配置され検出器４０によって流路２０内の粒子群に含まれる粒子の存在によって生じる前方散乱光の強度を検出する工程と，算出手段５０によって，検出器４０が検出した前方散乱光の強度に基づいて粒子の粒径を算出する工程を含む。
【００１９】
本発明の第２の側面においては，流路２０内の粒子群に含まれる粒子の存在によって生じる回折光および前方散乱光の強度を検出する前に，検出器４０によって光源１０からの入射光が粒子群の存在しない流路２０内を透過した透過光の強度を検出する工程と，算出手段５０によって検出器４０が検出した粒子が存在しないときの透過光の強度と粒子が存在するときの前方散乱光の強度の強度比を算出する工程を含む。
【００２０】
一般的な散乱計測においては，光の透過強度と散乱強度の強度比を測定し，理論式と実測値を比較して粒径を決定する。たとえば，媒質が溶液であるような場合に溶媒に依って光の吸収がある場合には，その吸収も考慮することが必要である。そこで，本発明は，まず粒子の存在しない溶媒を透過した透過光の強度を検出しておき，検出した透過光の強度に基づいて入射光の強度との強度比を求める。これにより，媒質がいなかるものであっても散乱光とともに入射光の強度を検出することができる。従って，強度比の測定を，１つの光源と１つの検出器だけで実現できる。
【発明の効果】
【００２１】
上記のように，本発明は，光源が照射する光の光軸上に検出器を設置し，粒子によって生じた前方散乱光を検出することにより粒径計測ができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】図１は，本発明に係る粒径計測装置の構成を示す図である
【図２】図２は，本発明に係る方法の実験装置の構成を示す図である。
【図３】図３は，本発明に係る方法理論値と実験値を比較したグラフを示す図である。
【図４】図４は，集光レーザビームによる粒子の捕捉と散乱の様子を示した図である。
【図５】図５は，ミー散乱理論で計算された散乱強度パターンを示す図である。
【００２３】
以下，図面を用いて，本発明を実施するための形態について説明する。ただし，本発明は，以下の実施の形態に限定されるものではなく，当業者にとって自明な範囲で適宜修正したものを含む。
【００２４】
図１は，本発明に係る粒径測定装置の構成を示している。図１に示すように，光源１０（レーザ）は，粒子誘導手段３０（レンズ）に対して光（レーザビーム）を照射する。また，レンズ３０は，集光した光によって流路２０内で焦点Ｆを形成する。集光系６０は，レンズ３０を介した光を検出器４０に照射する。検出器４０は，粒子群に含まれる粒子の存在によって生じる前方散乱光の強度を検出する。算出手段５０は，検出した前方散乱光の強度に基づいて粒子の粒径を算出する。
【００２５】
このとき，検出器４０は，光源１０が照射した光軸Ｌ上に配置されている。また，レンズ３０，流路２０，及び集光系６０も，光源１０が照射した光軸Ｌ上に配置されている。
【００２６】
光源１０は，レーザ光源である。たとえば，市販の半導体レーザを用いることとしてもよい。光源１０の光の進行方向には，流路２０が設置されている。流路２０は，測定対象である粒子群が通過する透明な容器である。また，レンズ３０は，光源１０と流路２０の間に設けられた集光レンズである。図１において，レンズ３０は，一のレンズにより表しているが，複数の凸レンズや凹レンズを組み合わせた光学系であってもよい。レンズ３０は，光源１０からの光を適宜収斂させ，流路２０内において集光点Ｆを形成する。
【００２７】
流路２０内において集光点Ｆが形成された場合，流路２０内の粒子は，光の放射圧によって光軸Ｌ上に誘導されて，ビーム集光位置へ移動される。集光点Ｆを形成する位置は，流路２０の中心であることが好ましいが，流路２０内であればビーム集光位置に粒子が誘導されるため，流路２０内に集光点Ｆが形成されていればよい。ビーム集光位置の粒子は，最大の散乱強度でビーム光を散乱する。ビームウエストの幅は，例えば，１μｍ〜１００μｍ，５μｍ〜８０μｍ，１０μｍ〜７０μｍである。
【００２８】
また，光源１０とレンズ３０の間に，光源１０から照射された光の光径を広狭させる光径変更手段を有することとしてもよい。光径変更手段は，開口径が可変の開口板である。開口板の開口部の形状は円形となっている。光径変更手段は，例えば，アルミや銅，真鍮のような金属が用いられる。光径変更手段の開口径は，例えば，１ｍｍ〜５０ｍｍ，１ｍｍ〜１０ｍｍ，１０ｍｍ〜３０ｍｍの開口径を有する。このように，開口径を変化させることによって光源１０から照射された光の光径を広狭させる。これにより，流路２０内に形成される集光点の径を制御することができる。従って，本粒径測定装置が測定可能な粒子の粒径の範囲を変えることができる。
【００２９】
集光系６０は，流路２０と検出器４０の間に設けられた集光レンズである。集光系は，単一のレンズであってもよいし，複数の凸レンズや凹レンズを組み合わせた光学系であってもよい。集光系６０は，流路２０内の粒子によって散乱された光を適宜収斂させ，検出器４０に照射する。
【００３０】
検出器４０は，光源１０から照射される光の光軸Ｌ上に配置される。検出器４０は，流路２０に粒子群が存在しない場合には，光源１０からの直接光が入射し，流路２０に粒子群が存在する場合には，粒子によって散乱された光が入射する。光検出器４０は，具体的には，光電変換素子を含み，光電変換素子は集光系６０によって集光された光を電気信号に変換して算出手段に伝達する。光電変換素子は，流路２０内の粒子の存在による散乱量に応じた前方の散乱強度の変化を検出することができる。この前方散乱強度は，粒子の粒径に応じて変化するため，光電変換素子の出力信号から粒子の粒径を計測することができる。この光電変換素子としては，一のフォトダイオードを用いることができる。
【００３１】
算出手段５０は，検出器４０により検出された前方散乱光の光強度に基づいて，流路２０内の粒子群に含まれる粒子の粒径を算出するコンピュータである。このコンピュータは，光源１０の光軸Ｌ上に設置した検出器４０で検出した前方散乱光の光強度の情報を用いて，粒子の粒径を算出する。
【００３２】
具体的に，算出手段５０は，光強度のデータを一般化ローレンツ・ミー（ＧＬＭ）理論に基づいて処理する。ＧＬＭ理論は，単色集光レーザビームを均一媒質内にある１つの球体に入射させるときに発生する散乱場を表す。ＧＬＭ理論に従うと，散乱平面内において入射光軸からの散乱角をθとした場合，散乱平面に垂直な偏光方向の散乱光強度関数ｉ１（θ）と，散乱平面に平行な偏光方向の散乱光強度関数ｉ２（θ）は，それぞれ以下の式によって求められる。
【００３３】
【数１】
0005662742.tif 000002
【００３４】
このように，算出手段５０は，上記ＧＬＭ理論に基づいて，散乱強度の粒径依存性を数値計算することにより，粒子の粒径を算出する。
【００３５】
また，算出手段５０は，散乱強度の計測によって得られた粒径に基づいて，粒子の質量を求めることとしてもよい。すなわち，ビーム内の位置に応じた粒子にかかる散乱力の変化によって，ビーム内での粒子の速度が変化することに鑑みれば，算出された粒子の粒径に基づいて，粒子にかかる散乱力をも算出することができる。この散乱力と周囲媒質の粘度を考慮すると，以下の方程式によって，粒子の質量を得ることができる。
【００３６】
【数２】
0005662742.tif 000003
【００３７】
また，算出手段５０は，上記計算によって算出した粒子の粒径及び質量に基づいて，粒子の密度を求めることとしてもよい。つまり，粒子が球形であると仮定した場合，粒径から粒子の体積を求め，体積と質量に基づいて粒子の密度を求めることができる。
【００３８】
また，算出手段５０は，検出器４０が検出した粒子群が存在しない流路２０内を透過した透過光の強度および粒子による前方散乱光の強度に基づいて，入射光と前方散乱光の強度比を算出する。
【実施例１】
【００３９】
以下，本発明に係る粒体測定方法の実施例について説明する。図２は，粒体測定方法の実験系を示している。本実験系では，光源１０にλ＝５１４．５ｎｍのＡｒイオンレーザを用いた。光源１０によって照射されたレーザ光は，レンズ３０ａを介して平行光となり，レンズ３０ｂによって集光され，流路２０内で集光点を形成した。このとき，集光ビームの集光点の径は５μｍであった。なお，レンズ３０ａとレンズ３０ｂの間には偏光子８０を介在させた。また，本実験系では，集光ビームによる光放射圧を利用して，流路２０内を流通している粒子を焦点位置に強制的に移動させ，粒子の前方散乱光を検出する。また，本実験系においては，図２に示すように，ビーム軸に垂直な方向にカメラ７０を設置し，入射光による散乱体の焦光位置への移動とその位置での散乱の様子をモニタリングした。
【００４０】
図３に，異なる５つの粒径サンプルによる実測値と，ＧＬＭ散乱理論による理論値との比較を示す。図３に示すように，実測値が理論値に近似しており，実験値は理論値に対して非常に良い一致を得ることができた。さらに，図３は，焦点径が５μｍのビーム系では，１μｍから４μｍまでの範囲の粒径に対して，値が一意に定まるものであることを示している。
【００４１】
また，図４は，カメラ７０によって撮影された集光レーザビームによる粒子の移動と散乱の様子を示している。図４に示すように，レーザビームＬにおける集光位置Ｗの近傍に粒子Ｐが移動させられ，強く光を散乱している様子がわかる。このように，本発明に係る粒径測定方法を用いることにより，非常に限定された領域への粒子の移動を可能にし，最大強度の前方散乱光を発生させることができた。
【図１】
0005662742.tif 000004
【図２】
0005662742.tif 000005
【図３】
0005662742.tif 000006
【図４】
0005662742.tif 000007
【図５】
0005662742.tif 000008