(57)【要約】光源から放射される低いエネルギー密度の光を高いエネルギー密度の光に変換して微小な粒子を検出する光散乱式粒子検出器を提供する。流体中に含まれる粒子に光Ｌｂを照射して生じる散乱光Ｌｓを受光することにより粒子を検出する光散乱式粒子検出器において、光Ｌｂは発光ダイオード１１から放射される波長がλの光Ｌａが非線形光学結晶１３を透過したことによって波長がλ／２になった光であり、この波長がλ／２の光Ｌｂが粒子検出領域８を挟んで対向する非線形光学結晶１３に形成した反射膜１３ｄと反射鏡１４の間を往復するようにした。
2004025279.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体中に含まれる粒子に光を照射して生じる散乱光を受光して粒子を検出する光散乱式粒子検出器において、前記光は光源から放射する光が非線形光学結晶により波長が変換された光であることを特徴とする光散乱式粒子検出器。
【請求項２】
前記光が粒子検出領域を挟んで対向する前記非線形光学結晶の反射膜とミラーの間、またはミラーとミラーの間を往復する請求の範囲第１項記載の光散乱式粒子検出器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】  本発明は、粒子検出領域に検出対象となる流体を導き、粒子に照射した光により生じる散乱光を受光して流体に含まれる粒子を検出する光散乱式粒子検出器に関する。
【背景技術】  従来、流体中に存在する微小な粒子を検出する場合には、光エネルギー密度の高いレーザ光が共振する領域に流体を流し、レーザ光を粒子に照射することによって微小な粒子を検出可能にしている。代表例としては、第６図に示すように、半導体レーザ励起型固体レーザを用いた光散乱式粒子検出器が知られている（例えば、米国特許第５，６４２，１９３号、同第５，９０３，１９３号参照）。
従来の光散乱式粒子検出器では、半導体レーザ１００が放射する励起用レーザ光Ｌｅを集光レンズ系１０１で固体レーザ媒質１０２に集光させて固体レーザ媒質１０２からレーザ光Ｌａを放射させ、更にレーザ光Ｌａの波長を短くするため非線形光学結晶１０３を透過させた後にレーザ光Ｌａを流体に照射させている。なお、１０４は反射鏡、１０５は矢印Ａ方向に流れる流体の流路、１０６，１０７，１０８は半導体レーザ１００の温度を制御するための温度制御回路を備えたレーザ駆動回路、ペルチェ素子、ヒートシンク、１０９は粒子検出領域、１１０は受光部である。
しかし、従来の光散乱式粒子検出器においては、半導体レーザ１００が放射する励起用レーザ光Ｌｅの波長λを固体レーザ媒質１０２が最もエネルギーをよく吸収する波長（例えば、８１０ｎｍ）に制御しなければならない。
そこで、励起用レーザ光Ｌｅの波長λを制御するため、半導体レーザ１００の温度を制御している。このための温度制御回路１０６、ペルチェ素子１０７、ヒートシンク１０８などを必要とし、半導体レーザ１００の温度を制御するための構成要素が比較的大きなものとなるという問題がある。
本発明は、従来の技術が有するこのような問題点に鑑みてなされたものでありその目的とするところは、光源から放射される低いエネルギー密度の光を高いエネルギー密度の光に変換して微小な粒子を検出する光散乱式粒子検出器を提供しようとするものである。
【発明の開示】
上記課題を解決すべく請求の範囲第１項に係る発明は、流体中に含まれる粒子に光を照射して生じる散乱光を受光して粒子を検出する光散乱式粒子検出器において、前記光は光源から放射する光が非線形光学結晶により波長が変換された光であるとした。
請求の範囲第２項に係る発明は、請求の範囲第１項記載の光散乱式粒子検出器において、前記光が粒子検出領域を挟んで対向する前記非線形光学結晶の反射膜とミラーの間、またはミラーとミラーの間を往復するようにした。
【図面の簡単な説明】  第１図は、本発明の第１の実施の形態に係る光散乱式粒子検出器の概略構成図である。
第２図は、本発明の第２の実施の形態に係る光散乱式粒子検出器の概略構成図である。
第３図は、本発明の第３の実施の形態に係る光散乱式粒子検出器の概略構成図である。
第４図は、本発明の第４の実施の形態に係る光散乱式粒子検出器の概略構成図である。
第５図は、本発明の第５の実施の形態に係る光散乱式粒子検出器の概略構成図である。
第６図は、従来の光散乱式粒子検出器の概略構成図である。
【発明を実施するための最良の形態】  以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。ここで、第１図は本発明の第１の実施の形態に係る光散乱式粒子検出器の概略構成図、第２図は同じく第２の実施の形態に係る光散乱式粒子検出器の概略構成図、第３図は同じく第３の実施の形態に係る光散乱式粒子検出器の概略構成図、第４図は同じく第４の実施の形態に係る光散乱式粒子検出器の概略構成図、第５図は同じく第５の実施の形態に係る光散乱式粒子検出器の概略構成図である。
本発明の第１の実施の形態に係る光散乱式粒子検出器は、第１図に示すように、光Ｌｂを発生する光発生器１と、検出対象となる流体により形成される流路２と、散乱光Ｌｓを受光する受光部３を備えている。
光発生器１は、光源として波長がλの光Ｌａを放射する発光ダイオード（ＬＥＤ）１１と、ＬＥＤ１１が放射した光Ｌａを集光する集光レンズ系１２と、集光レンズ系１２で集光した波長がλの光Ｌａを受けて第２次高調波（波長がλ／２の光Ｌｂ）を出射する非線形光学結晶１３と、非線形光学結晶１３と流路２を挟んで対向して設置され、非線形光学結晶１３が出射する波長がλ／２の光Ｌｂを反射して非線形光学結晶１３に戻す反射鏡１４からなる。
なお、非線形光学結晶１３は、第２次高調波（波長がλ／２の光Ｌｂ）の他に、基本波（波長がλの光Ｌａ）、第３次高調波（波長がλ／３の光）、第４次高調波（波長がλ／４の光）などの高調波も出射するが、ここでは第２次高調波を用いる場合について説明する。
非線形光学結晶１３の集光レンズ系１２側の端面１３ａには、ＬＥＤ１１が放射した光Ｌａを通す反射防止膜１３ｃおよび非線形光学結晶１３が出射する第２次高調波（波長がλ／２の光Ｌｂ）のみを反射して基本波（波長がλの光Ｌａ）及び第２次高調波（波長がλ／２の光Ｌｂ）以外の高調波を透過させる反射膜１３ｄが形成されている。
また、非線形光学結晶１３の反射鏡１４側の端面１３ｂには、非線形光学結晶１３が出射する波長がλ／２の光Ｌｂに対する反射防止膜１３ｅが形成されている。反射鏡１４は、全ての光を反射するので、非線形光学結晶１３と反射鏡１４の間を往復する光は、第２次高調波（波長がλ／２の光Ｌｂ）のみになる。
流路２は、検出対象となる流体をアウトレット６の下流に接続した吸引ポンプ（不図示）が吸引することにより、流体が矢印Ａ方向にインレット７からアウトレット６に流れて形成される。光Ｌｂと流路２が直交して交差する箇所が粒子検出領域８となる。
受光部３は、粒子検出領域８で生じる散乱光Ｌｓを集光する集光レンズと、集光した散乱光Ｌｓを光電変換するフォトダイオードなどを備え、流体に粒子が含まれている場合に粒子検出領域８において粒子に照射された光Ｌｂによる散乱光Ｌｓを受光し、散乱光Ｌｓの強度に応じた電気信号を出力する。
以上のように構成した第１の実施の形態に係る光散乱式粒子検出器の動作について説明する。
ＬＥＤ１１が放射した波長がλの光Ｌａは、集光レンズ系１２で集光されて非線形光学結晶１３に入射する。非線形光学結晶１３に入射した波長がλの光Ｌａは、非線形光学結晶１３から出射すると波長がλ／２の光Ｌｂとなる。
非線形光学結晶１３から出射した波長がλ／２の光Ｌｂは、反射鏡１４で反射して非線形光学結晶１３に戻り、非線形光学結晶１３の端面１３ａに形成した反射膜１３ｄで反射する。波長がλ／２の光Ｌｂは、反射膜１３ｄと反射鏡１４との間を往復することになる。
従って、光Ｌｂは反射膜１３ｄと反射鏡１４の間に形成される領域に閉じ込められ、ＬＥＤ１１が放射する光Ｌａよりも高いエネルギー密度を得ることになる。
更に、粒子検出領域８を形成する光Ｌｂの波長（λ／２）は、ＬＥＤ１１が放射する光Ｌａの波長（λ）の半分なので、光Ｌｂによる散乱光の強度は光Ｌａによる散乱光の強度より高くなる。粒子による散乱光Ｌｓの強度は、粒子に照射した光Ｌｂの波長（λ／２）の４乗に反比例するからである。
次に、本発明の第２の実施の形態に係る光散乱式粒子検出器は、第２図に示すように、光Ｌｂを発生する光発生器２１と、検出対象となる流体により形成される流路２と、散乱光Ｌｓを受光する受光部３を備えている。
光発生器２１は、光源として波長がλの光Ｌａを放射する発光ダイオード（ＬＥＤ）１１と、ＬＥＤ１１が放射した光Ｌａを集光する集光レンズ系１２と、集光レンズ系１２で集光した光Ｌａを透過するダイクロイックミラー２２と、ダイクロイックミラー２２を透過した波長がλの光Ｌａを受けて第２次高調波（波長がλ／２の光Ｌｂ）を出射する非線形光学結晶２３と、非線形光学結晶２３と流路２を挟んで対向して設置され、非線形光学結晶２３が出射する波長がλ／２の光Ｌｂを反射してダイクロイックミラー２２に戻す反射鏡１４からなる。
なお、非線形光学結晶２３は、第２次高調波（波長がλ／２の光Ｌｂ）の他に、基本波（波長がλの光Ｌａ）、第３次高調波（波長がλ／３の光）、第４次高調波（波長がλ／４の光）などの高調波も出射するが、ここでは第２次高調波を用いる場合について説明する。
ダイクロイックミラー２２は、基本波（波長がλの光Ｌａ）及び第２次高調波（波長がλ／２の光Ｌｂ）以外の高調波を透過させ、第２次高調波（波長がλ／２の光Ｌｂ）のみを選択して反射させる。反射鏡１４は、全ての光を反射するので、ダイクロイックミラー２２と反射鏡１４の間を往復する光は、第２次高調波（波長がλ／２の光Ｌｂ）のみになる。
なお、流路２、受光部３など第１図に示す符号と同一の構成要素については、第１の実施の形態と同一なので説明を省略する。
以上のように構成した第２の実施の形態に係る光散乱式粒子検出器の動作について説明する。
ＬＥＤ１１が放射した波長がλの光Ｌａは、集光レンズ系１２で集光されてダイクロイックミラー２２を透過する。ダイクロイックミラー２２を透過した光Ｌａは、非線形光学結晶２３に入射する。非線形光学結晶２３に入射した波長がλの光Ｌａは、非線形光学結晶２３から出射すると波長がλ／２の光Ｌｂとなる。
非線形光学結晶２３から出射した波長がλ／２の光Ｌｂは、反射鏡１４で反射して非線形光学結晶２３に戻り、非線形光学結晶２３を透過してダイクロイックミラー２２で反射する。波長がλ／２の光Ｌｂは、ダイクロイックミラー２２と反射鏡１４との間を往復することになる。
従って、光Ｌｂはダイクロイックミラー２２と反射鏡１４の間に形成される領域に閉じ込められ、ＬＥＤ１１が放射する光Ｌａよりも高いエネルギー密度を得ることになる。
更に、粒子検出領域８を形成する光Ｌｂの波長は、ＬＥＤ１１が放射する光Ｌａの波長の半分なので、光Ｌａによる散乱光より散乱光の強度は高くなる。粒子による散乱光Ｌｓの強度は、粒子に照射した光Ｌｂの波長（λ／２）の４乗に反比例するからである。
次に、本発明の第３の実施の形態に係る光散乱式粒子検出器は、第３図に示すように、光Ｌｂを発生する光発生器３１と、検出対象となる流体により形成される流路２と、散乱光Ｌｓを受光する受光部３を備えている。
光発生器３１は、光源として波長がλの光Ｌａを放射する発光ダイオード（ＬＥＤ）１１と、ＬＥＤ１１が放射した光Ｌａを集光する集光レンズ系１２と、集光レンズ系１２で集光した光Ｌａを透過するダイクロイックミラー２２と、ダイクロイックミラー２２を透過した波長がλの光Ｌａを受けて第２次高調波（波長がλ／２の光Ｌｂ）を出射する非線形光学結晶３３からなる。
なお、非線形光学結晶３３は、第２次高調波（波長がλ／２の光Ｌｂ）の他に、基本波（波長がλの光Ｌａ）、第３次高調波（波長がλ／３の光）、第４次高調波（波長がλ／４の光）などの高調波も出射するが、ここでは第２次高調波を用いる場合について説明する。
非線形光学結晶３３のダイクロイックミラー２２側とは反対の端面３３ａには、非線形光学結晶３３を透過して波長がλ／２になった光Ｌｂ（第２次高調波）のみを反射して基本波（波長がλの光Ｌａ）及び第２次高調波（波長がλ／２の光Ｌｂ）以外の高調波を透過させる反射膜３３ｂが形成されている。
なお、流路２、受光部３、ダイクロイックミラー２２など第１図又は第２図に示す符号と同一の構成要素については、第１又は第２の実施の形態と同一なので説明を省略する。
以上のように構成した第３の実施の形態に係る光散乱式粒子検出器の動作について説明する。
ＬＥＤ１１が放射した波長がλの光Ｌａは、集光レンズ系１２で集光されてダイクロイックミラー２２を透過する。ダイクロイックミラー２２を透過した光Ｌａは、非線形光学結晶３３に入射する。非線形光学結晶３３に入射した波長がλの光Ｌａは、非線形光学結晶３３を透過すると波長がλ／２の光Ｌｂとなる。
非線形光学結晶２３を透過して波長がλ／２になった光Ｌｂは、非線形光学結晶３３の端面３３ａに形成した反射膜３３ｂで反射して再び非線形光学結晶３３を透過してダイクロイックミラー２２で反射する。波長がλ／２の光Ｌｂは、ダイクロイックミラー２２と非線形光学結晶３３の反射膜３３ｂとの間を往復することになる。
従って、光Ｌｂはダイクロイックミラー２２と反射膜３３ｂの間に形成される領域に閉じ込められ、ＬＥＤ１１が放射する光Ｌａよりも高いエネルギー密度を得ることになる。
更に、粒子検出領域８を形成する光Ｌｂの波長は、ＬＥＤ１１が放射する光Ｌａの波長の半分なので、光Ｌａによる散乱光より散乱光の強度は高くなる。粒子による散乱光Ｌｓの強度は、粒子に照射した光Ｌｂの波長（λ／２）の４乗に反比例するからである。
次に、本発明の第４の実施の形態に係る光散乱式粒子検出器は、第４図に示すように、光Ｌｂを発生する光発生器４１と、検出対象となる流体により形成される流路２と、散乱光Ｌｓを受光する受光部３を備えている。
光発生器４１は、光源として波長がλの光Ｌａを放射する発光ダイオード（ＬＥＤ）１１と、ＬＥＤ１１が放射した光Ｌａを集光する集光レンズ系１２と、集光レンズ系１２で集光した光Ｌａを透過するダイクロイックミラー４２と、ダイクロイックミラー４２を透過した波長がλの光Ｌａを受けて第２次高調波（波長がλ／２の光Ｌｂ）を出射する非線形光学結晶４３と、非線形光学結晶４３を出射した光Ｌｂを反射させて再びダイクロイックミラー４２に戻す２個の反射鏡４４，４５からなる。
なお、非線形光学結晶４３は、第２次高調波（波長がλ／２の光Ｌｂ）の他に、基本波（波長がλの光Ｌａ）、第３次高調波（波長がλ／３の光）、第４次高調波（波長がλ／４の光）などの高調波も出射するが、ここでは第２次高調波を用いる場合について説明する。
ダイクロイックミラー４２は、基本波（波長がλの光Ｌａ）及び第２次高調波（波長がλ／２の光Ｌｂ）以外の高調波を透過させ、第２次高調波（波長がλ／２の光Ｌｂ）のみを選択して反射させる。反射鏡４４，４５は、全ての光を反射するので、ダイクロイックミラー４２と反射鏡４４，４５を反射する光は、第２次高調波（波長がλ／２の光Ｌｂ）のみになる。
なお、流路２、受光部３など第１図に示す符号と同一の構成要素については、第１の実施の形態と同一なので説明を省略する。
以上のように構成した第４の実施の形態に係る光散乱式粒子検出器の動作について説明する。
ＬＥＤ１１が放射した波長がλの光Ｌａは、集光レンズ系１２で集光されてダイクロイックミラー４２を透過する。ダイクロイックミラー４２を透過した光Ｌａは、非線形光学結晶４３に入射する。非線形光学結晶４３に入射した波長がλの光Ｌａは、非線形光学結晶４３から出射すると波長がλ／２の光Ｌｂとなる。
非線形光学結晶４３を透過して波長がλ／２になった光Ｌｂは、反射鏡４４で反射し、更に反射鏡４５で反射して再びダイクロイックミラー４２で反射する。波長がλ／２の光Ｌｂは、ダイクロイックミラー４２、非線形光学結晶４３、反射鏡４４、反射鏡４５の順で回ることになる。
従って、光Ｌｂはダイクロイックミラー４２と反射鏡４４と反射鏡４５で形成される領域に閉じ込められ、ＬＥＤ１１が放射する光Ｌａよりも高いエネルギー密度を得ることになる。
更に、粒子検出領域８を形成する光Ｌｂの波長は、ＬＥＤ１１が放射する光Ｌａの波長の半分なので、光Ｌａによる散乱光より散乱光の強度は高くなる。粒子による散乱光Ｌｓの強度は、粒子に照射した光Ｌｂの波長（λ／２）の４乗に反比例するからである。
次に、本発明の第５の実施の形態に係る光散乱式粒子検出器は、第５図に示すように、光Ｌｂを発生する光発生器５１と、検出対象となる液体を流すフローセル５２と、散乱光Ｌｓを受光する受光部３を備えている。
光発生器５１は、光源として波長がλの光Ｌａを放射する発光ダイオード（ＬＥＤ）１１と、ＬＥＤ１１が放射した光Ｌａを集光する集光レンズ系１２と、集光レンズ系１２で集光した波長がλの光Ｌａを受けて第２次高調波（波長がλ／２の光Ｌｂ）を出射する非線形光学結晶５３と、非線形光学結晶５３とフローセル５２を挟んで対向して設置され、非線形光学結晶５３が出射する波長がλ／２の光Ｌｂを反射して非線形光学結晶５３に戻す反射鏡５４からなる。
なお、非線形光学結晶５３は、第２次高調波（波長がλ／２の光Ｌｂ）の他に、基本波（波長がλの光Ｌａ）、第３次高調波（波長がλ／３の光）、第４次高調波（波長がλ／４の光）などの高調波も出射するが、ここでは第２次高調波を用いる場合について説明する。
非線形光学結晶５３の集光レンズ系１２側の端面５３ａには、ＬＥＤ１１が放射した光Ｌａを通す反射防止膜５３ｃおよび非線形光学結晶５３が出射する第２次高調波（波長がλ／２の光Ｌｂ）のみを反射して基本波（波長がλの光Ｌａ）及び第２次高調波（波長がλ／２の光Ｌｂ）以外の高調波を透過させる反射膜５３ｄが形成されている。
また、非線形光学結晶５３の反射鏡５４側の端面５３ｂには、非線形光学結晶５３が出射する波長がλ／２の光Ｌｂに対する反射防止膜５３ｅが形成されている。反射鏡５４は、全ての光を反射するので、非線形光学結晶５３と反射鏡５４の間を往復する光は、第２次高調波（波長がλ／２の光Ｌｂ）のみになる。
フローセル５２は断面が矩形の管状部材で、検出対象となる流体をアウトレットの下流に接続した吸引ポンプが吸引することにより、液体を紙面垂直方向にインレットからアウトレットに流すように形成されている。そして、光Ｌｂと液体が交差する箇所が粒子検出領域８となる。非線形光学結晶５３と反射鏡５４は、対向するようにフローセル５２の外壁部５２ａに接着されている。
なお、受光部３など第１図に示す符号と同一の構成要素については、第１の実施の形態と同一なので説明を省略する。
以上のように構成した第５の実施の形態に係る光散乱式粒子検出器の動作について説明する。
ＬＥＤ１１が放射した波長がλの光Ｌａは、集光レンズ系１２で集光されて非線形光学結晶５３に入射する。非線形光学結晶５３に入射した波長がλの光Ｌａは、非線形光学結晶５３から出射すると波長がλ／２の光Ｌｂとなる。
非線形光学結晶５３から出射した波長がλ／２の光Ｌｂは、フローセル５２を透過して反射鏡５４で反射し、再びフローセル５２を透過して非線形光学結晶５３に戻り、非線形光学結晶５３の反射膜５３ｄで反射する。波長がλ／２の光Ｌｂは、反射膜５３ｄと反射鏡５４との間を往復することになる。
従って、光Ｌｂは反射膜５３ｄと反射鏡５４との間に形成される領域に閉じ込められ、ＬＥＤ１１が放射する光Ｌａよりも高いエネルギー密度を得ることになる。
更に、粒子検出領域８を形成する光Ｌｂの波長は、ＬＥＤ１１が放射する光Ｌａの波長の半分なので、光Ｌａによる散乱光より散乱光の強度は高くなる。粒子による散乱光Ｌｓの強度は、粒子に照射した光Ｌｂの波長（λ／２）の４乗に反比例するからである。
以上の通り、本発明の実施の形態では、光源としてＬＥＤ１１を用いたが、ＬＥＤ１１の他にランプや半導体レーザなども用いることができる。
また、上述の通り非線形光学結晶１３，２３，３３，４３，５３は、波長がλの光Ｌａを受けて第２高調波（波長がλ／２の光Ｌｂ）の他に、基本波（波長がλの光Ｌａ）、第３次高調波（波長がλ／３の光）、第４次高調波（波長がλ／４の光）などの高調波を出射するが、本発明の実施の形態では、第２高調波（波長λ／２）を用いる場合について説明した。第３次（波長λ／３）、第４次（波長λ／４）あるいは更に高次の高調波を用いることにより同様な効果を奏することが考えられるが、変換効率について考慮することが必要である。
本発明の実施の形態では、光源としてＬＥＤ１１を用いたので、固体レーザのようなレーザ媒質を必要としないため、機構的アライメントなどの調整作業を必要としない。
また、光源として半導体レーザを用いたとしても、固体レーザのようなレーザ媒質を必要としないため、半導体レーザが放射するレーザ光の波長をレーザ媒質にとって最適なものに制御するための半導体レーザの温度制御を必要としない。従って、半導体レーザの駆動回路が簡素化し、粒子検出器の小型化・バッテリー駆動型の実現が図られる。
更に、光源の波長よりも短い波長の光を粒子に照射するので、光源の光を直接粒子に照射した場合よりも散乱光の強度が大きい。上述のように、粒子による散乱光の強度は、粒子に照射した光の波長の４乗に反比例するからである。
【産業上の利用可能性】  以上説明したように請求の範囲第１項に係る発明によれば、光源の波長よりも短い波長の光を粒子に照射するので、光源の光を直接粒子に照射した場合よりも散乱光の強度を大きくすることができる。
請求の範囲第２項に係る発明によれば、光は非線形光学結晶に形成した反射膜とミラーの間に形成される領域、またはミラーとミラーの間に形成される領域に閉じ込められ、光源が放射する光よりも高いエネルギー密度を得ることができる。
【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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【図６】
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【手続補正書】
【提出日】平成15年2月17日(2003.2.17)
【手続補正００１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】流体中に含まれる粒子に光を照射して生じる散乱光を受光して粒子を検出する光散乱式粒子検出器において、前記光は発光ダイオード又は半導体レーザから放射する光が非線形光学結晶により波長が変換された光であることを特徴とする光散乱式粒子検出器。
【請求項２】前記光が粒子検出領域を挟んで対向する前記非線形光学結晶の反射膜とミラーの間、またはミラーとミラーの間を往復する請求の範囲第１項記載の光散乱式粒子検出器。




【国際調査報告】
2004025279.tif 000009
2004025279.tif 000010