(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料流体に光ビームを照射して粒子検出領域を形成し、この粒子検出領域を通過する粒子による散乱光のみを受光手段で受光して前記粒子を検出する光散乱式粒子検出器において、前記受光手段を複数の光電素子で形成し、これら複数の光電素子の出力を加算処理する加算処理手段を設け、前記粒子検出領域と前記複数の光電素子との間に集光レンズを配置し、この集光レンズの口径を前記粒子検出領域に比べて十分に大きく形成すると共に前記粒子検出領域を前記集光レンズの焦点に位置させ、前記粒子による散乱光のみを前記集光レンズによって集光してほぼ平行な光線束にし、この光線束を前記複数の光電素子に同時に入射させることを特徴とする光散乱式粒子検出器。
【請求項２】
試料流体に光ビームを照射して粒子検出領域を形成し、この粒子検出領域を通過する粒子による散乱光のみを受光手段で受光して前記粒子を検出する光散乱式粒子検出器において、前記受光手段を複数の光電素子で形成し、これら複数の光電素子の出力を加算処理する加算処理手段を設け、前記粒子検出領域を挟んで前記複数の光電素子と対向する位置に凹面鏡を配置し、この凹面鏡の口径を前記粒子検出領域に比べて十分に大きく形成すると共に前記粒子検出領域を前記凹面鏡の焦点に位置させ、前記粒子による散乱光のみを前記凹面鏡によって集光してほぼ平行な光線束にし、この光線束を前記複数の光電素子に同時に入射させることを特徴とする光散乱式粒子検出器。
【請求項３】
請求項１又は２記載の光散乱式粒子検出器において、前記複数の光電素子は直線状又は平面状に配列されていることを特徴とする光散乱式粒子検出器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、粒子検出領域を通過する粒子による散乱光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関する。
【０００２】
【従来の技術】
光散乱式粒子検出器において、散乱光を受光した光電素子が出力する電気信号のＳ／Ｎ比（信号対雑音比）は、光電素子のショットノイズの大きさに影響される。また、ショットノイズの大きさは、光電素子への入射光量に比例する。
従って、背景光（背景分子散乱光）が大きい場合には、光電素子のショットノイズが大きくなり、Ｓ／Ｎ比が低下してしまう。
【０００３】
ここでいう背景光とは、測定対象とする粒子が含まれている媒質（例えば、空気や液体などの流体）を構成する分子による散乱光や流体を流すためのフローセルの壁面による散乱光などをいう。例えば、空気分子は、大気圧下では１ｍｌ当り２．７×１０19個存在する。これらによる散乱光の総和は、０．１μｍ粒子１個による散乱光よりも大きくなる。
従って、粒子を検出する領域が広いほど１個の粒子を検出することが困難になる。一方、半導体用クリーンルームなどは、そのクリーン度が向上しており、粒子の個数濃度は低く、より小さい粒子の管理が必要とされている。
【０００４】
このような問題を解決しようとした光散乱式粒子検出器として、特許２７８６１８７号公報に記載された粒子寸法検出装置が知られている。
この粒子寸法検出装置は、図５に示すように、受光手段として光電素子１００を直線状に複数配列した受光アレイ１０１を用い、集光レンズ１０２で粒子検出領域Ｄを通過する粒子による散乱光Ｌｓを何れかの光電素子１００に結像させると共に、受光アレイ１０１を形成する光電素子１００の個数分だけ散乱光Ｌｓを結像した光電素子１００に入射する背景光を減少させ、散乱光Ｌｓを結像した光電素子１００のＳ／Ｎ比の低下を抑えようとしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図５に示す粒子寸法検出装置においては、光電素子１００の個数分だけ散乱光Ｌｓを結像した光電素子１００に入射する背景光を減少させることができるものの以下のような問題点がある。
（１）限られた大きさの受光面積の中で光電素子１００の個数を増やすと、Ｓ／Ｎ比が向上するが、光電素子１００を直線状に配列する一次元配列の場合には個数の増加に限界がある。
また、光電素子間のギャップＧの幅は小さいほど望ましいが実際にはギャップＧの幅に限界があるため、限られた大きさの受光面積の中で光電素子１００の個数を増やすと、受光面積に占めるギャップＧの割合が大きくなり正確な測定が困難になる。例えば、図６に示すように、光電素子１００間に存在するギャップＧに、粒子による散乱光Ｌｓが像Ｐ１として結像する場合があり、粒子を検出できない。
【０００６】
（２）集光レンズ１０２に僅かでも収差があると、図６に示すように、ギャップＧを跨って隣接する光電素子１００に粒子による散乱光Ｌｓが像Ｐ２として結像することも起こり得る。この場合、単一の粒子が２つの粒子として、或いは小さな一つの粒子として検出されてしまう可能性がある。
【０００７】
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、Ｓ／Ｎ比を向上させた光散乱式粒子検出器を提供しようとするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決すべく請求項１に係る発明は、試料流体に光ビームを照射して粒子検出領域を形成し、この粒子検出領域を通過する粒子による散乱光のみを受光手段で受光して前記粒子を検出する光散乱式粒子検出器において、前記受光手段を複数の光電素子で形成し、これら複数の光電素子の出力を加算処理する加算処理手段を設け、前記粒子検出領域と前記複数の光電素子との間に集光レンズを配置し、この集光レンズの口径を前記粒子検出領域に比べて十分に大きく形成すると共に前記粒子検出領域を前記集光レンズの焦点に位置させ、前記粒子による散乱光のみを前記集光レンズによって集光してほぼ平行な光線束にし、この光線束を前記複数の光電素子に同時に入射させるものである。
【００１０】
請求項２に係る発明は、試料流体に光ビームを照射して粒子検出領域を形成し、この粒子検出領域を通過する粒子による散乱光のみを受光手段で受光して前記粒子を検出する光散乱式粒子検出器において、前記受光手段を複数の光電素子で形成し、これら複数の光電素子の出力を加算処理する加算処理手段を設け、前記粒子検出領域を挟んで前記複数の光電素子と対向する位置に凹面鏡を配置し、この凹面鏡の口径を前記粒子検出領域に比べて十分に大きく形成すると共に前記粒子検出領域を前記凹面鏡の焦点に位置させ、前記粒子による散乱光のみを前記凹面鏡によって集光してほぼ平行な光線束にし、この光線束を前記複数の光電素子に同時に入射させるものである。
【００１１】
請求項３に係る発明は、請求項１又は２記載の光散乱式粒子検出器において、前記複数の光電素子は直線状又は平面状に配列されているものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
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、図１は本発明に係る光散乱式粒子検出器の第１の実施の形態の構成図、図２は本発明の概念説明図、図３は第１の実施の形態で視野絞りを設けた場合の構成図、図４は本発明に係る光散乱式粒子検出器の第２の実施の形態の構成図である。
【００１３】
本発明に係る光散乱式粒子検出器の第１の実施の形態は、図１に示すように、レーザ光Ｌａを出射する光源としてのレーザ発振器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。
【００１４】
流路２は、検出対象となる粒子を含む流体をアウトレット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、流体がインレットからアウトレットに流れることで形成される。レーザ光Ｌａと流路２が交差する箇所が粒子検出領域Ｄとなる。なお、フローセル中に流体を流すことによっても流路２を形成することができる。
【００１５】
受光部３は、粒子検出領域Ｄで生じる散乱光Ｌｓを集光する集光レンズ４と、集光レンズ４が集光した散乱光Ｌｓを光電変換する受光アレイ５と、受光アレイ５の出力を加算する加算器６などを備えている。
【００１６】
集光レンズ４は、粒子検出領域Ｄに比べて口径が十分に大きく形成され、焦点に粒子検出領域Ｄが位置するように配置されている。
従って、粒子検出領域Ｄにおける粒子による散乱光Ｌｓは集光レンズ４によって集光され、ほぼ平行な光線束にされて受光アレイ５に入射することになる。
【００１７】
受光アレイ５は、図２に示すように、ｎ個の光電素子Ｐｄ１〜Ｐｄｎを平面状に配列して円形状に形成したもので、光電素子Ｐｄ１〜Ｐｄｎが粒子検出領域Ｄにおいて粒子に照射されたレーザ光Ｌａによって生じる散乱光Ｌｓを集光レンズ４を介して受光し、光電変換して散乱光Ｌｓの強度に応じた電気信号（電圧）を出力する。この時、受光アレイ５は、集光レンズ４よって散乱光Ｌｓをｎ個の光電素子Ｐｄ１〜Ｐｄｎの受光面全体で受光する。
【００１８】
加算器６は、散乱光Ｌｓを受光した各光電素子Ｐｄ１〜Ｐｄｎが出力する電圧を加算し、出力する。
光電素子Ｐｄ１〜Ｐｄｎの出力電圧は、散乱光Ｌｓに基づく電圧と、ノイズに基づく電圧からなる。散乱光Ｌｓに基づく光電素子Ｐｄ１〜Ｐｄｎの出力電圧を、夫々Ｅs1，Ｅs2，…Ｅsnとし、ノイズに基づく光電素子Ｐｄ１〜Ｐｄｎの出力電圧を、夫々Ｅn1，Ｅn2，…Ｅnnとすると、加算器６の出力電圧Ｅは、次に示す式（１）で表される。
【００１９】
Ｅ＝（Ｅs1＋Ｅs2＋…＋Ｅsn）＋（Ｅn12＋Ｅn22＋…＋Ｅnn2）1/2  （１）
【００２０】
式（１）において、散乱光Ｌｓに基づく電圧Ｅs1，Ｅs2，…Ｅsnに関する項は単に加算され、これに対しノイズに基づく電圧Ｅn1，Ｅn2，…Ｅnnに関する項は平方して加算した値の平方根となっている。
この理由は、散乱光Ｌｓに基づく電圧Ｅs1，Ｅs2，…Ｅsnは、時間的に同期しており、一方ノイズに基づく電圧Ｅn1，Ｅn2，…Ｅnnには、時間的同期性がないことによる。
【００２１】
また、加算器６の出力電圧ＥのＳ／Ｎ比は、次に示す式（２）で表される。
【００２２】
Ｓ／Ｎ＝（Ｅs1＋Ｅs2＋…＋Ｅsn）／（Ｅn12＋Ｅn22＋…＋Ｅnn2）1/2  （２）
【００２３】
仮りに、散乱光Ｌｓに基づく電圧Ｅs1，Ｅs2，…Ｅsnが夫々１（Ｖ）で、ノイズに基づく電圧Ｅn1，Ｅn2，…Ｅnnも夫々１（Ｖ）であるとすると、Ｓ／Ｎ比は次に示す式（３）で表される。
【００２４】
Ｓ／Ｎ＝ｎ／ｎ1/2＝ｎ1/2    （３）
【００２５】
式（３）は、光電素子の個数ｎが増えれば増えるほど、光散乱式粒子検出器のＳ／Ｎ比が高くなることを示している。
【００２６】
以上説明したように、第１の実施の形態によれば、粒子検出領域Ｄで生じる散乱光Ｌｓを、集光レンズ４によってｎ個の光電素子Ｐｄ１〜Ｐｄｎからなる受光アレイ５の受光面全体に集光させ、各光電素子Ｐｄ１〜Ｐｄｎの出力電圧を加算器６で加算するので、光電素子１００間に存在するギャップＧの影響を受けることなく、高いＳ／Ｎ比が得られる。従って、この光散乱式粒子検出器を、粒子計数装置や粒径分布測定装置などに適用すれば、高精度の装置を実現できる。
【００２７】
また、図３に示すように、粒子検出領域Ｄ以外からの背景光が受光アレイ５に入射するのを規制するため、集光レンズ４と受光アレイ５の間にスリット（視野絞り）７と集光レンズ８を配置することもできる。
【００２８】
次に、本発明に係る光散乱式粒子検出器の第２の実施の形態は、図４に示すように、レーザ光Ｌａを出射する光源としてのレーザ発振器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１３を備えている。
【００２９】
受光部１３は、粒子検出領域Ｄで生じる散乱光Ｌｓを集光する凹面鏡１４と、凹面鏡１４が集光した散乱光Ｌｓを光電変換する受光アレイ５と、受光アレイ５の出力を加算する加算器６などを備えている。なお、図１に示す符号と同一符号の要素は、同一要素なので説明は省略する。
【００３０】
凹面鏡１４は、粒子検出領域Ｄに比べて口径を十分に大きく回転放物面状に形成され、焦点に粒子検出領域Ｄが位置するように配置されている。
従って、粒子検出領域Ｄは凹面鏡１４と受光アレイ５の間に位置し、粒子検出領域Ｄにおける粒子による散乱光Ｌｓは凹面鏡１４によって集光され、ほぼ平行な光線束にされて受光アレイ５に入射することになる。
【００３１】
受光アレイ５は、散乱光Ｌｓを光電変換し、その強度に応じた電気信号（電圧）を出力する。この時、受光アレイ５は、凹面鏡１４よって散乱光Ｌｓを受光面全体で受光する。
加算器６は、散乱光Ｌｓを受光した各光電素子Ｐｄ１〜Ｐｄｎが出力する電圧を加算し、出力する。その他の信号処理は、第１の実施の形態と同様である。
【００３２】
以上説明したように、第２の実施の形態によれば、粒子検出領域Ｄで生じる散乱光Ｌｓを、凹面鏡１４によってｎ個の光電素子Ｐｄ１〜Ｐｄｎからなる受光アレイ５の受光面全体に集光させ、各光電素子Ｐｄ１〜Ｐｄｎの出力電圧を加算器６で加算するので、光電素子１００間に存在するギャップＧの影響を受けることなく、高いＳ／Ｎ比が得られる。従って、この光散乱式粒子検出器を、粒子計数装置や粒径分布測定装置などに適用すれば、高精度の装置を実現できる。
【００３３】
なお、上述の実施の形態では、光電素子Ｐｄ１〜Ｐｄｎを平面状に配列（二次元配列）して円形にした受光アレイ５を用いた場合について説明したが、光電素子を直線状に配列（一元配列）したものを用いてもよい。但し、平面状に配列して円形にした受光アレイ５の方が、直線状に配列した受光アレイ５よりも光電素子の個数を増やせるので、Ｓ／Ｎ比を高くすることができる。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように請求項１に係る発明によれば、散乱光のみを複数の光電素子で同時に受光して光電変換し、これら複数の光電素子の出力を加算処理するので、光電素子間に存在するギャップの影響を受けることなく、Ｓ／Ｎ比の向上が図れる。
また、集光レンズの焦点に粒子検出領域を位置させ、散乱光のみを集光レンズによりほぼ平行な光線束にして複数の光電素子の全体に同時に入射させると共に、これら複数の光電素子の出力を加算処理するので、Ｓ／Ｎ比の向上が図れる。
【００３６】
請求項２に係る発明によれば、散乱光のみを複数の光電素子で同時に受光して光電変換し、これら複数の光電素子の出力を加算処理するので、光電素子間に存在するギャップの影響を受けることなく、Ｓ／Ｎ比の向上が図れる。
また、凹面鏡の焦点に粒子検出領域を位置させ、散乱光のみを凹面鏡によりほぼ平行な光線束にして複数の光電素子の全体に同時に入射させると共に、これら複数の光電素子の出力を加算処理するので、Ｓ／Ｎ比の向上が図れる。
【００３７】
請求項３に係る発明によれば、散乱光を直線状又は平面状に配列された複数の光電素子に入射させて光電変換すると共に、これら複数の光電素子の出力を加算処理するので、Ｓ／Ｎ比の向上が図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る光散乱式粒子検出器の第１の実施の形態の構成図
【図２】本発明の概念説明図
【図３】第１の実施の形態で視野絞りを設けた場合の構成図
【図４】本発明に係る光散乱式粒子検出器の第２の実施の形態の構成図
【図５】従来の光散乱式粒子検出器の構成図
【図６】従来の光散乱式粒子検出器における受光状態を示す受光アレイの正面図
【符号の説明】
１…レーザ発振器、２…流路、３，１３…受光部、４…集光レンズ、５…受光アレイ、６…加算器、１４…凹面鏡、Ｄ…粒子検出領域、Ｌａ…レーザ光、Ｌｓ…散乱光、Ｐｄ１〜Ｐｄｎ…光電素子。
【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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