(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
可干渉多波長光が混合されたレーザ光束を、平行走査して広いレーザ光照射領域をつくり、そのレーザ光照射領域内に被検査流体を流し、その流体の測定視野中の粒子の光散乱や光回折パターンから粒子の複数の形状や寸法の識別を、また、光熱偏向分光から組成別粒子のサイズと存在位置の計測を同時に行うことを特徴とする微粒子測定方法。
【請求項２】
前記レーザ光束はレーザスポット径が数１００μｍ以下の微細で光強度の強いレーザ光束であることを特徴とする請求項１に記載の微粒子測定方法。
【請求項３】
前記粒子の光散乱や回折パターンは多重マッチトフィルタによって計測することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の微粒子測定方法。
【請求項４】
前記粒子の光熱偏向分光は位置傾斜強度フィルタによって計測することを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の微粒子測定方法。
【請求項５】
コヒーレントなポンプ光とプローブ光のレーザ光を同軸で混合して光レール上に射出されるレーザ光束と、このレーザ光束を平行走査する走査手段と、前記走査手段の後方に配置される被測定流体と、被測定流体を透過した光束を吸収する遮光板と、前記被測定流体の粒子の光熱偏向分光から粒子の組成別粒子のサイズと存在位置の計測を行う位置傾斜強度フィルタとを備えてなることを特徴とする微粒子測定装置。
【請求項６】
コヒーレントなポンプ光とプローブ光のレーザ光を同軸で混合して光レール上に射出されるレーザ光束と、このレーザ光束を平行走査する走査手段と、前記走査手段の後方に配置される被測定流体と、被測定流体を透過した光束を吸収する遮光板と、前記被測定流体の粒子からの光散乱や光回折パターンと被測定流体中の粒子の光熱偏向分光とを分離するハーフミラーと、被測定流体中の粒子の光散乱や光回折パターンから粒子の複数の形状や寸法を識別する多重マッチトフィルタと、被測定流体中の粒子の光熱偏向分光から粒子サイズと存在位置の計測を行う位置傾斜強度フィルタとを備えてなることを特徴とする微粒子測定装置。
【請求項７】
コヒーレントなポンプ光とプローブ光のレーザ光を同軸で混合して光レール上に射出されるレーザ光束と、このレーザ光束を平行走査する走査手段と、前記走査手段の後方に配置される被測定流体と、被測定流体を透過した光束を吸収する遮光板と、前記被測定流体の粒子からの光散乱や光回折パターンと被測定流体中の粒子の光熱偏向分光とを分離するハーフミラーと、被測定流体中の粒子の光散乱や光回折パターンから粒子の複数の形状や寸法を識別する多重マッチトフィルタと、被測定流体中の粒子の光熱偏向分光から粒子サイズと存在位置の計測を行う位置傾斜強度フィルタと、前記多重マッチトフィルタ上に前焦点がある凸レンズ１４と、前記傾斜光強度フィルタ上に前焦点のある凸レンズ１５と、前記多重マッチトフィルタ上に前焦点がある凸レンズ１４に隣接して前側に配置した変形回折格子フィルタ３４と、前記傾斜光強度フィルタ１３上に前焦点のある凸レンズ１５に隣接して前側に配置した変形回折格子フィルタ３５とを備え、さらに各凸レンズ１４、１５の後焦点面に撮像装置を設けたことを特徴とする微粒子測定装置。
【請求項８】
前記ハーフミラーは特定波長だけを透過または反射するダイクロイックミラーであることを特徴とする請求項６または請求項７に記載の微粒子測定装置。
【請求項９】
前記走査手段はガルバノミラー、シリコンマイクロ光スキャナーまたはポリゴンミラーであることを特徴とする請求項６〜請求項８のいずれかに記載の微粒子測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は大容量の流体（媒質）中に混在する、サイズが数ミクロン（μｍ）からサブミクロン（μｍ）あるいはサイズが数十ナノメートル（ｎｍ）以下の微量の微粒子の検出に好適な微粒子測定方法およびその装置に関するものであり、特に可干渉多波長光が混合された通常に射出される細いレーザ光束を、またはレーザスポット径が数１００μｍ以下の微細で光強度の強い光束を、平行走査して広いレーザ光照射領域をつくり、粒子による光散乱の検出部とあわせて広い測定視界を形成し、これを利用して微粒子の複数の形状や寸法の識別、組成毎の粒子サイズ、さらには各形状・寸法粒子ごとの存在位置の計測を、同時に瞬時に行うことができる微粒子測定方法およびその装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、微細粒子などの形状、サイズ等を観察する手法として顕微鏡観察が良く知られている。例えば、数リットルの水道中に数個混在するサイズが数μｍのクリプトスポリジウム原虫などを検出するために、従来は多量の水道水をフィルタで濾して異物を捕らえ、これらの異物に着色して顕微鏡観察しながら原虫を検出していた。しかし、顕微鏡などを用いて人間の眼で粒子の形状・サイズを検出する方法は長時間識別が困難であり、ひとの習熟度によっては客観的識別が困難であり、測定に膨大な時間と労力を要した。
【０００３】
また、光散乱等の粒子径測定法で原虫や生体細胞を検出しようとする場合には、通常、Ｍ１Ｅ散乱粒子カウント法で（数百μｍ）3 程度の微細な測定体積中に入る細胞粒子などの散乱光強度から粒子径を推定しているが、このような通常の光散乱法では粒子の形状の識別ができない。
【０００４】
さらに、本発明者らが開発してきた粒子の形状識別法である多重マッチトフィルタ法では測定視界が小さく、空間で三次元的に広く分布する微細な被測定粒子をその測定視界に導くために測定器自体を動かすか、粒子を微細な測定視界に吸引せねばならず測定に多くの時間が必要である。
【０００５】
また極微細粒子の組成別サイズ測定法である２光束光熱偏向分光法ではレーザ光をレンズで絞って測定視界としているため、その微細な測定視界中の粒子しか測定できず、更に粒子サイズ識別のための偏向位置検出をフーリエ変換面で行えば簡便に偏向位置が測定されるということがわからず、プローブ光偏向位置測定に光検出の適切な方法が無く、複雑な光電測定システムを用いなければならず粒子サイズ測定が困難であるという欠点があった。
【０００６】
このようなことから、生体細胞などの微粒子の組成別サイズや形状を従来の方法で測定するためには小さな視野で微弱な光散乱強度の検出や、粒子画像処理法が行われなければならず、大容量媒体中に存在する微量の微粒子の形状、サイズ、組成の１項目ごとの測定にも膨大な測定時間と労力を要し、実際上では組成ごとの粒子のサイズや形状の大視野識別はほとんど不可能であった。
【０００７】
一方、近年においてｎｍオーダの生体細胞や薬剤粒子などの組成別粒子サイズの測定は極微小視界での測定法の開発研究が始まったばかりである。特に、水道水の源流中にクリプトスポリジウム原虫などが存在するか否かを大量の水の中から迅速に検出する技術、大気中に懸濁する杉花粉などの粒子を大量の空気中から非接触で迅速に測定する技術、掃除機で吸引した空気中に入ったアレルゲン粒子としての家ダニの非接触迅速自動測定技術など、大量の媒質中に存在する数μｍ程度以上の形状・サイズ別粒子群の非接触迅速測定は，従来の技術では解決が不可能であり、社会的に緊急にその技術の開発が望まれている。また、高度医療技術として薬剤や遺伝子を細胞のレセプタに運ぶ数ｎｍから数百ｎｍのリポゾームの測定や，抗体や薬剤の細胞レセプタとの相互作用の観測などを可能にする技術開発が医学、薬学、生物学などで学術的にも社会的にも緊急に必要とされている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記のような緊急な医学的・社会的な問題を解決するためになされたものであり、その特徴は可干渉多波長光が混合された通常に射出される細いレーザ光束を、またはレーザスポット径が数１００μｍ以下の微細で光強度の強い光束を、平行走査して広いレーザ光照射領域をつくり、粒子による光散乱の検出部とあわせて広い測定視界を形成し、測定視野中の微粒子の光散乱や光回折パターンから粒子の複数の形状や寸法の識別を、また光熱偏向分光から組成ごとの粒子サイズおよび各形状・寸法粒子ごとの存在位置の計測を、同時に瞬時に行うものである。
【０００９】
粒子形状と粒子径寸法の同時識別は粒子による光回折パターンの形状と拡がりから識別することができる。粒子群の形状・サイズの識別は具体的には一枚のホログラムである多重マッチトフィルタを用いた多重マッチトフィルタ法で行われる。多重マッチトフィルタは識別したい粒子群の形状・サイズを持つ複数の参照粒子群からの光回折パターンを一枚のホログラムに搭載したものである。従来の多重マッチトフィルタ法では通常のあるいは拡大した１本のレーザの平行光束中の凸レンズの前焦点面に入った粒子が識別されるが、その測定視野は必ずしも広くない。本発明では被測定粒子がレンズの前焦点面に限らず測定容器内の焦点面を外れた何処にあっても平行走査の照射レーザ光中にあれば、粒子形状・粒子サイズが測定できる。その理由は粒子からの光回折パターンはフーリエ変換レンズの後焦点面では同一形状・同一サイズの粒子が何処にあっても全く同じ形状・同じ拡がりをするからフーリエ変換レンズの後焦点面に多重マッチトフィルタを設置すれば、マッチトフィルタの後に設置した像形成レンズの後焦点面の点対称の位置に識別自己相関光が出現することを利用すればよい。なお、被測定粒子が測定容器内の焦点面の前または後にあれば、自己相関光の出現位置（焦点位置）はＦａ３の前または後となる。
【００１０】
また、粒子組成ごとの粒子サイズおよび各形状・寸法粒子ごとの存在位置の計測は、光強度は弱いが光強度の時間的変動がなく一定の強さであるプローブ光と強くて粒子に共鳴吸収され易いポンプ光を光軸を合わせて照射すればポンプ光は粒子に共鳴吸収されて粒子は熱せられ、同軸で粒子に照射されていたプローブ光が熱による屈折率変化で粒子サイズに応じて曲げられる。この光熱偏向分光法を用いることで、粒子からの光熱偏向を凸レンズの後焦点面でその拡がりを自動的に検出するか、または光強度変換して、偏向角から粒子径サイズ、存在位置の自動測定を可能にする。
【００１１】
本発明は上述の二つの方法を同時に三次元的に大視野で行う手段を提供するものである。即ち、コヒーレントなポンプ光とプローブ光の可干渉多波長光（少なくとも２波長レーザ光）を同軸で混合し平行走査して意図的に大視野を作り被識別粒子に照射するという大視野測定法を行う。レーザ光を平行照射する理由は光束の扇型走査等を行うと、光束走査領域が重なったり走査しない領域ができたり、また扇型走査は空間での光線の時間的存在密度が異なり、同種同一径粒子であっても散乱光の単位時間当たりの強度が空間によって異なり、それらによって正確な粒子測定が困難になるためである。さらに平行走査する理由は受光光学系の構成を容易にするためである。
【００１２】
なお、照射レーザ光は走査光の代わりにシート状平行光などの強い拡大平行光束を用いてもよい。さらに発明は、大視野中での粒子群を同時に識別するために、形状・サイズは広い測定視野中での粒子による光散乱や光回折パターンを、また組成別粒子サイズはポンプ光の組み合わせによる広い視野を有する独自の受光光学系により１点に集めて、それを１枚の多重マッチトフィルタまたは位置傾斜光強度フィルタで識別しＣＣＤアレイセンサで同時実時間で判別する。
【００１３】
粒子形状の識別を主眼とするときには、被識別粒子は剪断流路を流れて姿勢制御する方法をとってもよい。即ち、透明ガラス流路の上下幅を狭く上下を平行平面ガラスで構成して水平に広い流路をつくり下から流れに対して垂直に一次元走査されるレーザ光（または拡大平行レーザ光束）を照射して流れる媒質中に存在する微粒子が必ず走査レーザ光束を横切るようにする。流路は平行平面ガラスで流れる媒質に剪断力をかけ媒質中の流路の姿勢制御を行うようになっている。走査レーザ光束中を姿勢制御された粒子が通過する時ポンプ光に光回折パターンが現れる。そのポンプ光の光回折パターンを流路中心を前焦点として設置された開口の大きな凸レンズで構成されるフーリエ変換光学系で受ければ、凸レンズの後焦点面にそれぞれの流路からのポンプ光の光回折パターンが凸レンズの光軸中心を中心として重なって現れる。これを１枚の多重マッチトフィルタで識別すれば粒子群のサイズや形状が実時間で自己相関光の輝点としてそれぞれの粒子形状識別領域に粒子存在位置と点対称に現れる。これらの相関光群をイメージインテンシファイア付き高速度ＣＣＤカメラで撮りこみディスプレイ上に表示すればそれぞれの形状・サイズ毎の粒子の存在位置がｉｎ−ｓｉｔｅに測定される。なお、高速度ＣＣＤカメラからの信号をデジタル処理して各形状・サイズの粒子がどこに存在するかをコンピュータ画面上に表示することもできる。なお、フーリエ変換光学系の前に短焦点のレンズアレイまたは短焦点の凸レンズと比較的焦点の長い凸レンズを組み合わせたリレーレンズ系を置いてもよい。
【００１４】
被測定粒子がｎｍオーダで非常に小さいときには、光回折パターンを識別に使えないから、粒子の組成別サイズ識別に多光束光熱偏向分光法を用いる。粒子の測定容器は比較的広くて深い透明ガラス製であってもよい。可干渉性の多波長同軸レーザ光を容器中に平行走査し、走査光を前方光散乱測定光学システムと同じ光学系で観測する。走査平行光束中に微粒子が入ったときポンプ光は共鳴吸収され光熱効果によりプローブ光は偏向を受ける。プローブ光のその偏向を凸レンズで構成するフーリエ変換光学系で集光し、凸レンズの後焦点面に設置された位置傾斜光強度フィルタを通してさらに凸レンズで集光すれば最後尾凸レンズの後焦点面に粒子のサイズに比例した光度で粒子位置と点対称の位置に識別信号光の光点が現れる。なお、粒子サイズ識別には、粒子の大きさに対応して光軸の外側に偏向するプローブ光を、光軸より外側に行くに従って光透過度が高くなるように設定された位置傾斜光強度フィルタを信号光のフーリエ変換面に設置する。それは、粒子が測定視界のどこにあっても同サイズの粒子からの偏向光はフーリエ変換面では必ず同じ位置を通るという理由による。位置傾斜光強度フィルタを通った偏向光はさらにフーリエ変換面を前焦点とする凸レンズで集光されてレンズの後焦点面に被測定粒子があった位置と点対称の位置に粒子像がサイズに比例した光強度で現れる。このようにして本発明は、組成毎の粒子のサイズと位置を同時に識別することができるという独創的なシステムを構築している。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
このため、本発明が採用した課題解決手段は、
可干渉多波長光が混合されたレーザ光束を、平行走査して広いレーザ光照射領域をつくり、そのレーザ光照射領域内に被検査流体を流し、その流体の測定視野中の粒子の光散乱や光回折パターンから粒子の複数の形状や寸法の識別を、また、光熱偏向分光から組成別粒子のサイズと存在位置の計測を同時に行うことを特徴とする微粒子測定方法である。
また、前記レーザ光束はレーザスポット径が数１００μｍ以下の微細で光強度の強いレーザ光束であることを特徴とする微粒子測定方法である。
また、前記粒子の光散乱や回折パターンは多重マッチトフィルタによって計測することを特徴とする微粒子測定方法である。
また、前記粒子の光熱偏向分光は位置傾斜強度フィルタによって計測することを特徴とする微粒子測定方法である。
また、コヒーレントなポンプ光とプローブ光のレーザ光を同軸で混合して光レール上に射出されるレーザ光束と、このレーザ光束を平行走査する走査手段と、前記走査手段の後方に配置される被測定流体と、被測定流体を透過した光束を吸収する遮光板と、前記被測定流体の粒子の光熱偏向分光から粒子の組成別粒子のサイズと存在位置の計測を行う位置傾斜強度フィルタとを備えてなることを特徴とする微粒子測定装置である。
また、コヒーレントなポンプ光とプローブ光のレーザ光を同軸で混合して光レール上に射出されるレーザ光束と、このレーザ光束を平行走査する走査手段と、前記走査手段の後方に配置される被測定流体と、被測定流体を透過した光束を吸収する遮光板と、前記被測定流体の粒子からの光散乱や光回折パターンと被測定流体中の粒子の光熱偏向分光とを分離するハーフミラーと、被測定流体中の粒子の光散乱や光回折パターンから粒子の複数の形状や寸法を識別する多重マッチトフィルタと、被測定流体中の粒子の光熱偏向分光から粒子サイズと存在位置の計測を行う位置傾斜強度フィルタとを備えてなることを特徴とする微粒子測定装置である。
また、コヒーレントなポンプ光とプローブ光のレーザ光を同軸で混合して光レール上に射出されるレーザ光束と、このレーザ光束を平行走査する走査手段と、前記走査手段の後方に配置される被測定流体と、被測定流体を透過した光束を吸収する遮光板と、前記被測定流体の粒子からの光散乱や光回折パターンと被測定流体中の粒子の光熱偏向分光とを分離するハーフミラーと、被測定流体中の粒子の光散乱や光回折パターンから粒子の複数の形状や寸法を識別する多重マッチトフィルタと、被測定流体中の粒子の光熱偏向分光から粒子サイズと存在位置の計測を行う位置傾斜強度フィルタと、前記多重マッチトフィルタ上に前焦点がある凸レンズと、前記傾斜光強度フィルタ上に前焦点のある凸レンズと、前記多重マッチトフィルタ上に前焦点がある凸レンズに隣接して前側に配置した変形回折格子フィルタと、前記傾斜光強度フィルタ上に前焦点のある凸レンズに隣接して前側に配置した変形回折格子フィルタとを備え、さらに各凸レンズの後焦点面に撮像装置を設けたことを特徴とする微粒子測定装置である。
また、前記ハーフミラーは特定波長だけを透過または反射するダイクロイックミラーであることを特徴とする微粒子測定装置である。
また、前記走査手段はガルバノミラー、シリコンマイクロ光スキャナーまたはポリゴンミラーであることを特徴とする微粒子測定装置である。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して本発明の実施形態について説明すると、図１は粒子の組成、形状、粒度、空間分布、挙動などの計測を行う第１実施形態に係る微粒子測定装置の光学系構成図である。
【００１７】
図において、１は一本の光学レール、２は光学台上に載せられたポンプ光源、３は光学台上にのせられたプローブ光源３であり、ポンプ光源２およびプローブ光源３からは強いシングルモードのレーザ光が射出される。また光学レール上には光走査用ミラー（例えばガルバノミラー）５、凸レンズ６が、さらに、凸レンズ６の後方には被測定流体が流れる流路７、平行光束を吸収する遮光板８が配置される。遮光板８の後方にはプローブ光とポンプ光とを分離するハーフミラー９が配置されており、さらにハーフミラー９の透過光軸上には、流路７内に前焦点Ｆ１を持ち、後焦点がＦａ２である凸レンズ１０が配置される。そして前記凸レンズ１０の後焦点Ｆａ２位置に、粒子の形状・サイズを識別する多重マッチトフィルタ１２が配置され、さらにハーフミラー９の反射光軸上には凸レンズ１１、粒子サイズに対応した偏向角に比例した光強度を抽出する傾斜光強度フィルタ１３、凸レンズ１５が配置される。なお、多重マッチトフィルタ１２は光導電プラスチックホログラム（ＰＰＨ）自動現像装置の感光面を凸レンズ１０の後焦点面に置いて、参照光と流路中の被識別粒子測定位置に置いた参照形状粒子からでる光散乱や光回折パターンとで作成されるホログラムとすることができ、このときホログラム作成用の参照光はハーフミラー１６、ミラー２４、２５、凸レンズ１７、ミラー１８、凸レンズ１９、ミラー２０等を用いて作成された拡大平行光として照射されるようにする。また、凸レンズ１４、１５の後焦点Ｆａ３、Ｆｂ3 面を中心に出現する被識別信号光群はそれぞれＣＣＤカメラ等で取り込まれ、データ処理・表示器上に測定結果が表示することができる。
【００１８】
以上の構成からなる微粒子測定装置の作動を説明すると、光学台に載せられたそれぞれのレーザ２、３から射出される強いシングルモードのポンプ光とプローブ光はハーフミラー１６やミラー２１、２２、２３を用いて光軸を合わせて混合された１本のレーザ光線となり、焦点距離の比較的長い凸レンズ４を通ってガルバノミラー５に照射される。ガルバノミラー５で反射されたレーザ光線は凸レンズ６を通って、扇形に広がらず平行で被識別物体よりも大きく、凸レンズ４と凸レンズ６の焦点距離の比によって決定される直径を持った強い光束として一次元的に平行に走査される。
なお、凸レンズ４の後焦点面および凸レンズ６の前焦点はいずれも光走査ミラー５上にある。
【００１９】
走査光束は鉛直に流れる（図面の紙面に対して垂直方向へ流れる）流路７の側面から流れに直交する断面で２次元的に照射される。即ち、流路７に流れ方向と垂直に走査される。流路７は平行平面ガラスで形作られており、流路７は、幅広くとってもよく、また、左右の幅を狭くしたせん断流路であってもよい。左右の幅を狭くするのは流体中に懸濁している粒子がせん断流中を流れて姿勢制御されるように作られるためである。なお走査光束は、流れに直交方向とある角度を持たせることもできる。この角度は流路中を流路方向に長い被識別物体が通過するとき、これによる光回折パターンの拡がりが流路と直交する方向に伸びるから、光回折パターンが後述する遮光板８に妨げられないような配慮による。走査される一次元平行光束は流路７のガラス側壁を通り反対側面ガラス壁を通り抜けて遮光板８で吸収される。
【００２０】
平行平板ガラスで形作られた流路を流れる粒子が走査平行光束中に入ると、粒子によって光回折パターンまたは光熱偏向光が生ずる。
即ちサブミクロン以上のサイズの粒子からは光回折パターンが観測され、サブミクロン以下の極微細粒子ではポンプ光が粒子の共鳴吸収光である場合にはプローブ光が光熱偏向を受ける。その光回折パターンまたは光熱偏向光はハーフミラー９を通り、流路を横切る走査光の流路中心部を前焦点として設置された凸レンズ１０または凸レンズ１１あるいはその両方によって集光される。
【００２１】
具体的にはハーフミラー９を特定波長だけ反射するダイクロイックミラーとして構成し、これによって粒子からの散乱光または光熱偏向分光光のうち、プローブ光分を反射させ、ポンプ光分を透過させてそれぞれの波長光を凸レンズ１０または凸レンズ１１によってポンプ光の回折光とプローブ光の偏向光または回折光とをそれぞれレンズの後焦点面Ｆａ２、Ｆｂ２に投射する。組成が同じで形状とサイズが同じ粒子は図２に示すように測定視野中のどこにあっても、それぞれの焦点面Ｆａ２、Ｆｂ２上では回折光は同じ形状や拡がり角で同じ位置に、光熱偏向光は同じ偏向角で同じ位置に、それぞれの光軸を中心に現れる。このことから、Ｆａ２面上に多重マッチトフィルタ１２を、Ｆｂ２面上に傾斜光強度フィルタ１３を、設置すれば、回折光は多重マッチトフィルタによって識別され、識別信号である相関光が凸レンズ１４によって集光されて粒子の形状・サイズの識別領域毎に現れる。なお、図２中で測定容器内の焦点面Ｆ１の前または後に入った被測定粒子による自己相関光の出現位置（焦点位置）はＦａ３の前または後になる。また、光熱偏向分光は傾斜光強度フィルタを通って、粒子サイズに対応した偏向角に比例した光強度が得られ、それが凸レンズ１５で集光され、後焦点面を中心に粒子サイズに比例した強度の光点が粒子位置と点対称に現れる。なお、凸レンズ１４、１５の前焦点はそれぞれＦａ２、Ｆｂ２上にある。従って、自己相関光輝点の出現位置によって粒子の形状・サイズ毎の位置がわかり、偏向光像の強さと位置によって組成別の粒子サイズが分かれる。
【００２２】
なお、多重マッチトフィルタは光導電プラスチックホログラム（ＰＰＨ）自動現像装置の感光面を凸レンズ１０の後焦点面に置いて、参照光と流路中の被識別粒子測定位置に置いた参照形状粒子からでる光散乱や光回折パターンとで作成されるホログラムであってもよい。このときホログラム作成用の参照光はハーフミラー１６、凸レンズ１７、ミラー１８、凸レンズ１９、ミラー２０等を用いて作成された拡大平行光を図のように照射してもよい。また、レンズ１４、１５の後焦点Ｆａ３、Ｆｂ3 面を中心に出現する被識別信号光群はそれぞれＣＣＤカメラ等で取り込まれ、データ処理・表示器上に測定結果が表示される。
【００２３】
また光軸中心に小さな遮光膜を置き、零次光を遮光すれば走査平行光束と凸レンズとで形成される測定視界に入った粒子による光散乱や光回折パターンまたは光熱偏向光はより明瞭に観測される。粒子からの情報光がそれぞれの光フィルタに当たれば、粒子形状と粒度の情報や特定の組成を持つ粒子サイズごとの情報は実時間で自動的に並列識別され，指定された形状・組成・粒度ごとの識別番号が自己相関光と偏向信号光としてそれぞれの識別領域ごとに現れる。それらの信号光を見ればいつどんな形状，粒度の粒子がまた、特定の組成を持つ粒子がサイズごとにどこを通過したかが実時間で測定される。
【００２４】
つづいて、本発明の他の実施形態を説明すると、図３は第２実施形態、図４は第３実施形態の光学系の構成図であり、第２実施形態は、第１実施形態中の光回折パターンから粒子の複数の形状や寸法を識別する測定方法および装置を、また第３実施形態は第１実施形態中の光熱偏向分光から粒子サイズと存在位置の計測を行う方法および装置を夫々独立させた光学系としたものであり、図中、第１実施形態と同じ部材には同一符号を使用する。
【００２５】
第２実施形態では、光学台に載せられたそれぞれのレーザ２、３から射出される強いシングルモードのポンプ光とプローブ光は第１実施形態と同様に１本のレーザ光線となり、焦点距離の比較的長い凸レンズ４を通って光走査ミラー（ガルバノミラー）５に照射される。ガルバノミラー５で反射されたレーザ光線は凸レンズ６を通って、凸レンズ４と凸レンズ６の焦点距離の比によって決定される直径を持った強い光束として一次元的に平行に走査される。走査光束は鉛直に流れる流路７の側面から流れに直交する断面で２次元的に照射され、流路７のガラス側壁を通り反対側面ガラス壁を通り抜けて遮光板８で吸収される。
【００２６】
また、平行平板ガラスで形作られた流路を流れる粒子が走査平行光束中に入ると、粒子によって光回折パターンが生ずる。この光回折パターンを流路を横切る走査光の流路中心部を前焦点として設置された凸レンズ１０によって集光し後焦点面Ｆａ２に投射する。このＦａ２面上に多重マッチトフィルタ１２を設置すれば、多重マッチトフィルタに照射された回折光によって生じた相関光が粒子の形状・サイズの識別領域毎に現れ、これにより光散乱や光回折パターンから粒子の複数の形状や寸法の識別することができる。
【００２７】
第３実施形態では、レーザ２、３から射出される強いシングルモードのポンプ光とプローブ光は１本のレーザ光線となり、光走査ミラー（ガルバノミラー）５に照射される。ガルバノミラー５で反射されたレーザ光線は凸レンズ６を通って、凸レンズ４と凸レンズ６の焦点距離の比によって決定される直径を持った強い光束として一次元的に平行に走査される。走査光束は鉛直に流れる流路７の側面から流れに直交する断面で２次元的に照射され、流路７のガラス側壁を通り反対側面ガラス壁を通り抜けて遮光板８で吸収される。
【００２８】
平行平板ガラスで形作られた流路を流れる粒子が走査平行光束中に入ると、粒子によって光回折パターンまたは光熱偏向光が生ずる。
サブミクロン以下の極微細粒子ではポンプ光が粒子の共鳴吸収光である場合にはプローブ光が光熱偏向を受ける。その光熱偏向光を流路を横切る走査光の流路中心部を前焦点として設置された凸レンズ１０によって集光し、後焦点面Ｆｂ２に投射する。Ｆｂ２面上に傾斜光強度フィルタ１３を設置すると光熱偏向分光は傾斜光強度フィルタ１３を通って、粒子サイズに対応した偏向角に比例した光強度となり、それが凸レンズ１５で集光され、同レンズ１５の後焦点面を中心に粒子サイズに比例した強度の光点が粒子位置と点対称に後焦点Ｆｂ3 面上あるいはその前後面上に出現する。その被識別信号光群をそれぞれＣＣＤカメラ等で取り込み、データ処理することで表示器上に測定結果が表示される。
【００２９】
また、識別結果を表示する相関信号光群の三次元位置の測定は、走査ミラーで行うかまたは光収束の前後位置を横方向にずらす機能を持つ変形回折格子フィルタによって行う。この例（第４実施形態）を図５に示す。図５において、符号３４、３５は凸レンズ１４、１５に隣接して前側に配置した変形回折格子フィルタであり、他の構成は第１実施形態と同様である。
この光学系では、識別信号光の焦点深度方向のずれは凸レンズ１４または凸レンズ１５の前に隣接して設置した変形回折格子フィルタによって相関光スポットあるいは光熱偏向光は走査光方向と垂直方向にずれてＦａ３、Ｆｂ３面上に焦点を結ぶように設定されている。従って、同一径粒子を大視野測定領域で測定した場合に粒子検出信号光の位置は、照射光走査方向の位置の違いはＦａ３、またはＦｂ３面の光軸中心に照射光走査方向に粒子位置と点対称にずれ、焦点深度方向の粒子位置の違いは光照射方向と直交方向の位置のずれとして現れ、こうして識別結果を表示する相関信号光群の三次元位置の測定を行うことができる。
【００３０】
以上本発明に係わる実施形態では、測定視野中の微粒子の光散乱や光回折パターンから粒子の複数の形状や寸法の識別方法と、多光束光熱偏向分光から組成ごとの粒子サイズおよび各形状・寸法粒子ごとの存在位置の計測を行う識別方法とを同時または別々に測定する形態について説明したが、図１に示す光散乱や光回折パターン光学系Ｆａ２、多光束光熱偏向分光識別光学系Ｆｂ２の位置を入れ替えることも可能である。
なお、上記各実施形態では、光走査ミラーに向けて照射されるレーザ光は２波長光のものについて説明してあるが、このレーザ光は可干渉多波長光とすることもでき、多波長とすることにより、被識別粒子の限界を広げることが可能である。
また、本発明はその精神または主要な特徴から逸脱することなく、他のいかなる形でも実施できる。そのため、前述の実施形態はあらゆる点で単なる例示にすぎず限定的に解釈してはならない。
【００３１】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明によれば、微小粒子の空間分布やその粒子群の挙動を二次元的大視野で定量測定することができ、二次元的視野を走査することにより三次元的大視野で粒子群の空間分布や挙動の定量測定ができる。
また、粒子の形状測定、形状・サイズごとの空間分布・数密度の測定、粒子の形状・粒度ごとの挙動の測定あるいは粒子の組成ごとの粒度の測定ができる。
さらに、それぞれの粒子の屈折率に無関係に粒子の形状・サイズの正確な測定ができる。
具体的には、たとえば水道水の源流中にクリプトスポリジウム原虫などが存在するか否かを大量の水の中から迅速に検出したり、大気中に懸濁する杉花粉などの粒子を大量の空気中から非接触で迅速に測定したり、掃除機で吸引した空気中に入ったアレルゲン粒子としての家ダニを非接触で迅速に測定することができる。このように本発明は緊急な医学的・社会的な問題解決のために有効であり、産業技術としても需要が多く、広く活用でき、本発明の波及効果は非常に大である等々の優れた効果を奏することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る粒子の組成、形状、粒度、空間分布、挙動などの計測を行う微粒子測定装置の光学系構成図である。
【図２】同じで形状とサイズが同じ粒子は測定視野中のどこにあっても、それぞれの焦点面Ｆａ２、Ｆｂ２上では回折光は同じ形状や拡がり角で同じ位置に、光熱偏向光は同じ偏向角で同じ位置に、それぞれの光軸を中心に現れることを説明する図である。
【図３】第２実施形態の光学系の構成図である。
【図４】第３実施形態の光学系の構成図である。
【図５】第４実施形態の光学系の構成図である。
【符号の説明】
１                光学レール
２                ポンプ光源
３                プローブ光源
４                凸レンズ
５                ガルバノミラー
６                凸レンズ
７                流路
８                遮光板
９                ハーフミラー
１０                凸レンズ
１１                凸レンズ
１２                多重マッチトフィルタ
１３                傾斜光強度フィルタ
１４                凸レンズ
１５                凸レンズ
１６                ハーフミラー
１７                凸レンズ
１８                ミラー
１９                凸レンズ
２０                ミラー
３４、３５          変形回折格子フィルタ
【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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