(57)【要約】  【課題】可視化空間内において、ムラがなく高いレベルで均一な光強度を保つことが可能であるとともに、可視化空間内に遮断物が存在する場合であっても微粒子を確実に可視化できるようにする。  【解決手段】レーザー光発振器２と、周方向に配設された固定反射ミラー３，３…により実質的に周囲が包囲された可視化空間４と、前記レーザー発振器２より投射されるレーザー光を反射により前記可視化空間４内へ入射させるポリゴンミラー６とから構成され、前記ポリゴンミラー６を作動させてレーザー光を前記可視化空間４内へ連続的に入射角を変化させつつ入射させ、かつ前記可視化空間内に入射されたレーザー光が前記可視化空間内において固定反射ミラー３，３…により多重反射を繰り返すことにより、前記可視化空間内に存在する微粒子を可視化する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
周方向に配設された固定反射ミラーにより実質的に周囲が包囲された可視化空間を形成し、レーザー光発振器から照射されたレーザー光を可動反射ミラーにより前記可視化空間内へ連続的に入射角を変化させつつ入射させ、かつ前記可視化空間内に入射されたレーザー光が可視化空間内において前記固定反射ミラーにより多重反射を繰り返すことにより、可視化空間内に存在する微粒子を可視化することを特徴とするレーザー光による微粒子の可視化方法。
【請求項２】
レーザー光発振器と、周方向に配設された固定反射ミラーにより実質的に周囲が包囲された可視化空間と、前記レーザー発振器より投射されるレーザー光を反射により前記可視化空間内へ入射させる可動反射ミラーとから構成され、前記可動反射ミラーを作動させてレーザー光を前記可視化空間内へ連続的に入射角を変化させつつ入射させ、かつ前記可視化空間内に入射されたレーザー光が可視化空間内において前記固定反射ミラーにより多重反射を繰り返すことにより、可視化空間内に存在する微粒子を可視化することを特徴とするレーザー光による微粒子の可視化装置。
【請求項３】
前記可動反射ミラーはポリゴンミラーとされ、このポリゴンミラーの回転により、レーザー光の可視化空間内への入射角を連続的に変化させるようにしてある請求項２記載のレーザー光による微粒子の可視化装置。
【請求項４】
前記可動反射ミラーは振動ミラーとされ、この振動ミラーの揺動により、レーザー光の可視化空間内への入射角を連続的に変化させるようにしてある請求項２記載のレーザー光による微粒子の可視化装置。
【請求項５】
前記可視化空間は、２対平行で配置された４面の固定反射ミラーにより実質的に周囲が包囲される請求項２〜４いずれかに記載のレーザー光による微粒子の可視化装置。
【請求項６】
前記可視化空間は、多角形状に配設された５面以上の固定反射ミラーにより実質的に周囲が包囲される請求項２〜４いずれかに記載のレーザー光による微粒子の可視化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空中に浮遊する各種微粒子をレーザー光により可視化するための方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特に半導体産業の分野では、クリーンルーム内の空気中に存在する微粒子が諸々のトラブルの原因となっている。また、日常の身の回りにおいても、自動車や工場などから日々膨大な量の様々な物質の微粒子が大気中に排出されており、これらの微粒子が人体の健康に悪影響を及ぼしている。
【０００３】
これらのことから、近年、空気中に浮遊する微粒子の管理の必要性が認識されるようになりつつあり、その方法としてレーザー光をシート化して微粒子を可視化する方法が種々提案されている。
【０００４】
例えば、下記特許文献１には、図３(A)に示されるように、レーザー光２０をシリンドリカルレンズと呼ばれる半円柱レンズ２２に通すことにより扇状のシート光２１に変換する方法が開示されている。また、図３(B)に示されるように、レーザー光２０を、振動ミラー又はガルバノミラー２３と呼ばれる、所定の角度範囲で振動するミラーによりレーザー光をシート光２１に変換する方法も知られている。また、下記特許文献２では、図３(C)に示されるように、レーザー光２０を正多角柱形状のポリゴンミラー２４に照射し、これを回転させて光の膜を形成することによりシート化する方法が開示されている。
【０００５】
しかしながら、前記特許文献１に記載される方法の場合には、１本のレーザー光を扇状のシート光に拡散させているため、投影距離に逆比例してエネルギーが減衰し、同じ大きさの微粒子が浮遊している場合であってもその浮遊場所によっては可視化した微粒子の見え方、すなわち検出の感度に違いが生じて好ましくないなどの問題があった。
【０００６】
また、前記特許文献２に記載される方法の場合には、１本のレーザー光を光学的に走査（または回転）させて扇状のシート光を形成しているため、シート角度を大きく取ることが可能となるが、求めるシート角度に応じて角数の異なる正多角形のミラーが必要となる問題があるとともに、シート角度を大きく取ると、ミラーから離れるに連れて極端に光強度が低下するなどの問題があった。また、シート光の個々の位置で時間の同時性がなくなるため、観察対象の微粒子の動きがシート光と垂直方向の動きを持つ場合に、レーザー光の位相によっては検出できない微粒子（レーザー光に当たらずにレーザー光を散乱しないで通過する微粒子）が存在するといった問題があった。
【０００７】
上述の問題点に鑑み、下記特許文献３では、図４に示されるように、光源３０、ビームエクスパンダ３１、ガイドミラー３２、多重反射ミラー３３Ａ、３３Ｂビームトラップ３４、アナログ微分カメラ３５、表示装置３６を含んで構成され、光源３０から出力されたレーザー光がビームエクスパンダ３１、ガイドミラー３２を介して多重反射ミラー３３Ａ、３３Ｂ間で多重反射させることによりシート光を形成する方法が開示されている。
【特許文献１】特開昭６１−２９７２９号公報
【特許文献２】特開平４−３０７３４６号公報
【特許文献３】特開平１１−１５３５３５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記特許文献３によれば、離間して平行配置された多重反射ミラー間において反射を繰り返すことによりレーザー光がシート化されるため、ミラーの反射率が高ければ光強度の減衰が少なく、入射したレーザー光の光強度に近いシート光が得られるようになると記載されている。
【０００９】
しかしながら、上記特許文献３による多重反射によるシート化方法であっても下記のような問題があった。
(1)レーザー光の断面強度分布がガウス分布であり、このガウス分布を持ったビーム断面がそのまま多重反射を繰り返すため、シートの光強度は縞状となってしまう。
(2)レーザー光は完全な平行光ではなく、距離を進むにつれ広がりを見せ光強度が減衰するため、平行ミラー入射点付近と平行ミラーの放出付近ではシートの光強度が異なる。これを解決するため同文献ではエキスパンドレンズを用いているようにしているが、このエキスパンドレンズはビームをある１点に絞る役割をするものであり、レーザービームを限りなく平行にすることは難しく、シートの光強度分布を均一にすることはやはり困難である。
(3)１本のレーザー光を１方向に多重反射させるため可視化空間内にレーザー光の遮断物が存在する場合、レーザー光が前記遮断物で遮断されてしまうため、それ以降はシート光が形成されなくなってしまう。
(4)粒子の形状は球形とは限らないため、ある一方向からの光の照射では、粒子の向きによっては散乱光を得難い場合がある。
(5)平行ミラーから抜け出したレーザー光をビームトラップにて捕捉するレーザー光の終端処理が必要となる。
【００１０】
そこで本発明の主たる課題は、可視化空間内において、ムラがなく高いレベルで均一な光強度を保つことが可能であるとともに、可視化空間内に遮断物が存在する場合であっても微粒子を確実に可視化できる等の利点を有するレーザー光による可視化方法および装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記課題を解決するために請求項１に係る本発明として、周方向に配設された固定反射ミラーにより実質的に周囲が包囲された可視化空間を形成し、レーザー光発振器から照射されたレーザー光を可動反射ミラーにより前記可視化空間内へ連続的に入射角を変化させつつ入射させ、かつ前記可視化空間内に入射されたレーザー光が可視化空間内において前記固定反射ミラーにより多重反射を繰り返すことにより、可視化空間内に存在する微粒子を可視化することを特徴とするレーザー光による微粒子の可視化方法が提供される。
【００１２】
請求項２に係る本発明として、レーザー光発振器と、周方向に配設された固定反射ミラーにより実質的に周囲が包囲された可視化空間と、前記レーザー発振器より投射されるレーザー光を反射により前記可視化空間内へ入射させる可動反射ミラーとから構成され、前記可動反射ミラーを作動させてレーザー光を前記可視化空間内へ連続的に入射角を変化させつつ入射させ、かつ前記可視化空間内に入射されたレーザー光が可視化空間内において前記固定反射ミラーにより多重反射を繰り返すことにより、可視化空間内に存在する微粒子を可視化することを特徴とするレーザー光による微粒子の可視化装置が提供される。
【００１３】
上記請求項１、２記載の発明によれば、可動反射ミラーにより、固定反射ミラーにより周囲が包囲された可視化空間内へ連続的に入射角を変化させつつレーザー光を入射させ、レーザー光が前記可視化空間内において前記固定反射ミラーにより多重反射を繰り返すことにより、前記可視化空間内に存在する微粒子を可視化するようにした。したがって、可動反射ミラーのスキャンによるシート形成により、ガウス分布を持ったビーム断面の光強度分布が均一化されるとともに、固定反射ミラーにより周囲が囲まれた可視化空間内においては、レーザー光があらゆる方向への多重反射を繰り返すようになるため、可視化空間内はほぼ均一な光強度を保つことが可能となる。
【００１４】
また、可動反射ミラーにより常にレーザー光の方向が変化し、かつ可視化空間内でもレーザー光は多重反射によりあらゆる方向に変化しているため、可視化空間内に遮断物が存在する場合でもレーザー光が遮断されることがない。この事は、遮断物が存在する可視化モデルに対して非常に有効な方法となる。
【００１５】
さらに、可視化空間内で常にレーザー光の方向が変化しているため、球形とは限らない粒子に対しても、その向きに拘わらず散乱光を得られるようになる。
【００１６】
また、可視化空間内でレーザー光は減衰するまで多重反射を繰り返すため、レーザー光の終端処理を必要としなくなる。
【００１７】
次いで、請求項３に係る本発明として、前記可動反射ミラーはポリゴンミラーとされ、このポリゴンミラーの回転により、レーザー光の可視化空間内への入射角を連続的に変化させるようにしてある請求項２記載のレーザー光による微粒子の可視化装置が提供される。
【００１８】
請求項４に係る本発明として、前記可動反射ミラーは振動ミラーとされ、この振動ミラーの揺動により、レーザー光の可視化空間内への入射角を連続的に変化させるようにしてある請求項２記載のレーザー光による微粒子の可視化装置が提供される。
【００１９】
請求項５に係る本発明として、前記可視化空間は、２対平行で配置された４面の固定反射ミラーにより実質的に周囲が包囲される請求項２〜４いずれかに記載のレーザー光による微粒子の可視化装置が提供される。
【００２０】
請求項６に係る本発明として、前記可視化空間は、多角形状に配設された５面以上の固定反射ミラーにより実質的に周囲が包囲される請求項２〜４いずれかに記載のレーザー光による微粒子の可視化装置が提供される。
【発明の効果】
【００２１】
以上詳説のとおり本発明によれば、可視化空間内において、ムラがなく高いレベルで均一な光強度を保つことが可能になるとともに、可視化空間内に遮断物が存在する場合であっても微粒子を確実に可視化できるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳述する。図１は本発明の第１形態例に係る微粒子の可視化装置１Ａの正面図である。
【００２３】
前記可視化装置１Ａは、図１に示されるように、レーザー光発振器２と、２対平行で配置された４面の固定反射ミラー３，３…により実質的に周囲が包囲され、略矩形状の可視化空間４と、前記レーザー光発振器２より投射されるレーザー光５を反射により前記可視化空間４内へ入射させるポリゴンミラー６とから構成されている。
【００２４】
前記レーザー光発振器２は、可視化レーザーとして使用される各種のレーザー光を使用することができるが、それらの中でもアルゴンレーザー光が好適とされる。アルゴンレーザー光は、５００ｎｍ近傍に複数の波長成分を有している。具体的には、４８８ｎｍと５１４ｎｍに波長成分の大きなピークを有する。それ以外には４５７．９ｎｍ、４６５．８ｎｍ、４７６／４７２．７ｎｍ、４９６．５ｎｍ、５０１ｎｍに小さなピークを有する。特に、アルゴンレーザ発振器から出力されるレーザー光は、エネルギー密度が高いため、微粒子によって生じた散乱光の強度も大きく、撮影の感度を高めることができる。
【００２５】
前記可視化空間４は、図示例では２対平行で配置された４面の固定反射ミラー３，３…により矩形状の可視化空間を形成したが、本発明に係る可視化空間４は、周方向に配設された固定反射ミラーにより実質的に周囲が包囲された空間となっておれば良く、固定反射ミラー３，３…の配置態様については特に限定はない。たとえば、図２に示される第２形態例のように、可視化空間４を六角形状の空間としても良いし、或いはそれ以上の多角形状の空間としてもよい。また、前記固定反射ミラー３は平面ミラーが入手の容易さから望ましいが、曲面ミラーを使用することでもよい。可視化空間はレーザー光の入射口４ａ以外の部位が完全に周方向に封鎖されていることが望ましいが、図１に示されるように、レーザー発振器２からポリゴンミラー６に至るレーザー光通路を確保するために一部（４ｂ）が開放されていてもよい。すなわち、本効果に係る多重反射に影響を及ぼさない程度であれば若干の開口が形成されていてもよい。
【００２６】
前記固定反射ミラー３としては、各種ミラーが存在するが、高屈折率と低屈折率の誘導体薄膜を交互に数層から数十層重ねた反射膜を有する誘導体多層膜ミラーを用いるのが望ましい。この種のミラーは、誘導体を利用しているため、分光反射率を自由に選定でき、特定の波長の光に対して１００％に近い反射率を持たせることができる。図５は、本実施形態で使用した誘導体多層膜ミラー３の反射特性を示す図である。同図において、横軸は反射光の波長を、縦軸は反射損失をそれぞれ示している。同図に示すように、誘電体多層膜ミラー３は、約４５０ｎｍ〜５４０ｎｍの波長領域の光に対する反射損失がほとんどなく、全反射に近い状態で入射光を反射することができる。上述したように、光源としてのアルゴンレーザーから出力されるレーザー光の波長は、約４５０ｎｍ〜５２０ｎｍの範囲に含まれており、誘電体多層膜ミラー３によってほぼ全反射させることができる。したがって、誘電体多層膜ミラー３間を多重反射させた場合であっても、レーザー光の減衰の程度を最小限に抑えることができる。
【００２７】
前記固定反射ミラー３の組立ては、例えば図１に示されるように、四枚の枠板７Ａ〜７Ｄにより略方形状の外枠７を構成し、これら各枠板７，７…の内面側に固定ボルト８，８により各固定反射ミラー３，３…を固定配置することにより実質的に周囲が包囲された可視化空間を形成するようにする。また、外枠７の外側であってその隣接位置にレーザー光発振器２を配置するとともに、外枠７の他方側下部の隅部に固定反射ミラー３，３によって封鎖されていない開口４ａを設けるとともに、この開口部４ａに隣接した外側にポリゴンミラー６を配設するようにする。前記固定反射ミラー３，３…によって包囲された可視化空間４には、前記レーザー光発振器２からポリゴンミラー６に至るレーザー光５の通路を確保するための開口４ｂが形成され、前記レーザー発振器２から照射されたレーザー光が前記開口４ｂを通りポリゴンミラー６に投射され、このポリゴンミラー６によりレーザー光５を反射させて可視化空間４内へ入射させるようにする。
【００２８】
前記ポリゴンミラー６は、正多角形状の、図示の例では正六角形のミラーであり、モーター等の駆動力により回転するようになっている。したがって、前記レーザー発振器２より投射されたレーザー光５は、ポリゴンミラー６の回転により連続的に入射角を変化させつつ可視化空間４内に入射され、可視化空間４内においては前記固定反射ミラー３、３…により、複雑にかつ一定の方向性を持たずあらゆる方向への多重反射が繰り返されることとなる。これにより、可視化空間４内はほぼ均一な光強度となり、可視化空間４内に存在する微粒子が顕著に可視化されるようになる。
【００２９】
なお、図示しないが前記可視化空間４を撮影する場合には、カメラ等の撮影手段と、ビデオデッキ等の映像記録装置を別途配設するようにする。この撮影手段としては、通常の撮影カメラを使用できることはもちろんであるが、アナログ微分カメラを使用すればより好適となる。撮影手段から出力される信号を微分する微分処理手段をさらに備えることにより、微粒子によって散乱される周波数成分の高い映像信号が微分強調されるため、可視化の感度をさらに上げることができる。また、上述した撮影手段はアバランシェ増倍動作型撮像管とすることが好ましい。アバランシェ増倍動作型撮像管は、アバランシェ効果によってゲインが高くダイナミックレンジが広いため、微細で輝度変化の少ない被写体の撮影に適しており、高感度で微粒子の可視化を行うことができる。特に、上述した微分処理手段と組み合わせることにより、出力振幅の飽和がなくなって撮像管のダイナミックレンジを１００％利用することが可能となり、微粒子の可視化に有利なＳ／Ｎ特性が得られるようになる。
【００３０】
〔他の形態例〕
(1)上記形態例では固定反射ミラー３として反射率の高い誘導体多層膜ミラーを用いた。この誘導体多層膜ミラーを用いることが理想的ではあるが、本可視化装置の場合は、一次的にポリゴンミラー６によるスキャンによりシート形成が行われるとともに、可視化空間内で減衰するまでレーザー光の反射が繰り返されるため、通常の鏡を用いてもある一定の高いレベルまで光強度を均一にすることが可能である。
(2)上記形態例では、矩形または六角形状の可視化空間４としたが、空間形状には何ら限定がない。従って、多角形状の他、円形若しくは曲面部分を含む空間形状としてよい。但し、本可視化装置では可視化空間内であらゆる方向の多重反射を繰り返すようにすることが最大の特徴点であるため、いびつな空間形状は避ける方が望ましい。
(3)上記形態例では、ポリゴンミラー６によりレーザー光５の可視化空間４への入射角を連続的に変更させているが、前記ポリゴンミラー６に代えて他の可動反射ミラー、例えば図３(B)に示される振動ミラー２３を使用することもできる。
(4)上記形態例ではポリゴンミラー６は可視化空間４の外部に配置したが、可視化空間４の内部に配置するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】第１形態例に係る可視化装置１Ａの正面図である。
【図２】第２形態例に係る可視化装置１Ｂの正面図である。
【図３】従来の微粒子の可視化方法を示す図である。
【図４】特許文献３に係る可視化装置のシステム構成図である。
【図５】誘導体多層ミラー３の反射特性を示す図である。
【符号の説明】
【００３２】
１Ａ・１Ｂ…微粒子の可視化装置、２…レーザー光発振器、３…固定反射ミラー、４…可視化空間、５…レーザー光、６…ポリゴンミラー、１２…シート光
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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