JP7420551B2 - 粒子測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、粒子測定装置に関する。

従来、試料中に浮遊する粒子の大きさを求める１つの手法として、ＦＰＴ（flow particle tracking）法が知られている。ＦＰＴ法は、試料に光を照射して粒子からの散乱光を検出することで粒子の動きを追跡し、拡散による移動量から幾何寸法に近い粒子の大きさを測定する手法であり、ＦＰＴ法を用いた装置（以下、「ＦＰＴ装置」と称する。）として、拡散による粒子の運動を試料の流れによる粒子の輸送運動から分離して粒径を測定するものが知られている（例えば、特許文献１を参照。）。

国際公開第２０１６／１５９１３１号

上述したＦＰＴ装置においては、粒子が検出領域を通過する間にその動きを所定時間おきに撮像して各時点における粒子の位置を特定し、各時間内の移動距離を求めて平均２乗変位を算出し、これに基づいて粒径を測定する（以下、このような粒径を「拡散係数相当径」と称する。）。ここで、照射光がガウシアンビームであると、検出領域における粒子通過方向（媒体の流れ方向）の長さが一定でなくなる。その場合には、粒子が検出領域のどの位置を通過するかによって撮像可能な回数に差異が生じる。すなわち、粒子の通過位置に応じて粒径の測定精度にばらつきが生じ、結果として、ＦＰＴ装置の粒径分解能は低くなる。ＦＰＴ装置においては、粒子の拡散係数相当径と散乱光強度とを同時に特定することで粒子の屈折率を求めることができるが、拡散係数相当径と散乱光強度の測定値のばらつきが相乗して、求まる屈折率の精度にも影響を及ぼす。また、光散乱式の粒子測定装置においては、検出された光の強度に基づいて粒径が求められる（以下、このような粒径を「光散乱相当径」と称する。）ことから、照射光のエネルギー密度が検出領域において一様でない場合には、やはり測定装置の粒径分解能は低くなる。

また、仮に検出領域を小さく設定すれば、検出領域における光エネルギー密度を高めることができ、粒子の検出感度を向上させることが可能となると考えられる。しかしながら、この場合には試料の実効的な流量が減少し、測定装置の性能にも影響するため、検出領域を小さくすることは好ましくない。

そこで、本発明は、粒径分解能を向上させる技術の提供を課題とする。

上記の課題を解決するため、本発明は以下の粒子測定装置を採用する。なお、以下の括弧書中の文言はあくまで例示であり、本発明はこれに限定されるものではない。

すなわち、本発明の粒子測定装置は、粒子に照射する光をその焦点位置における断面が略帯状の形状をなすフラットトップビームに整形する回折光学素子を備えている。より具体的には、試料の流路が内部に形成されたフローセルと、照射光を出射する光源と、光の照射により流路の所定区間内に形成される検出領域を通過する試料に含まれる粒子からの散乱光を、所定区間を試料の流れ方向に仮想的に延長させた位置から検出する検出手段と、散乱光に基づいて粒子の粒径を解析する解析手段とをさらに備え、回折光学素子は、照射光を整形して所定区間を流れる試料に照射する。

光線をフラットトップに整形する手法として、シリンドリカルレンズや非球面レンズ等の組み合わせが知られている。これらの手法は、光線の一部分だけがフラットトップ状になる、高度な調整が必要になる等、実用するには課題が多い。これに対し、回折光学素子は、高効率で容易にフラットトップ形状とすることができる点で優位性がある。

上記の態様の粒子測定装置は回折光学素子を備えており、この粒子測定装置においては、回折光学素子により照射光はその焦点位置における断面が略帯状（細長い矩形状）の形状のフラットトップビームに整形され、焦点深度方向にシート状となる。そして、このように整形された照射光が照射されることで粒子の検出領域が形成される。したがって、この態様によれば、照射光をシート形状にすることで、検出領域における照射光のエネルギー密度を高くすることができ粒子検出感度の向上が図れる。また、広範囲に浮遊する粒子からの散乱光を捉えることができ検出流量の増加が見込まれる。さらに、フラットトップビームを用いることで、粒径分解能（粒径の解析精度）を向上させることが可能となる。

また、上記の粒子測定装置において、光源が出射した照射光を回折光学素子の要求を満たす径及び開き角に調整して回折光学素子に入射させる調整手段をさらに備えている。

この態様の粒子測定装置においては、光源が出射した照射光を調整手段（ビームエキスパンダ）が回折光学素子の要求を満たす形状（径及び開き角）になるよう調整する。したがって、この態様によれば、回折光学素子には最適な形状に調整された照射光が入射するため、回折光学素子による照射光の整形をより精度よく実現させることができる。

好ましくは、上記のいずれかの粒子測定装置において、回折光学素子は、照射光の焦点深度方向における光エネルギー密度のばらつきが所定範囲内であるフラットトップビームに整形する。

この態様の粒子測定装置によれば、検出領域のいずれの地点においても光強度は略均一となるため、同一の粒径を有する粒子が検出領域のどの地点を通過するとしても、その粒子からの散乱光を略同一の強度で検出することができ、粒径分解能の向上に寄与することが可能となる。

より好ましくは、上記のいずれかの粒子測定装置において、回折光学素子による照射光の整形の過程で生じた高次回折光を除去する除去手段をさらに備えている。また、除去手段は、間隔をあけて配置された形状の異なる複数のスリットにより、回折光学素子により整形された照射光を通過させつつ高次回折光を段階的に除去する。

この態様の粒子測定装置においては、除去手段（スリット板）が回折光学素子による照射光の整形の過程で生じた高次回折光を除去しつつ整形された照射光を通過させて焦点に向かわせる。したがって、この態様によれば、測定に必要な光は確保されるのに対して測定の邪魔になる迷光は除去されるため、ノイズを低減させることができる。

さらに好ましくは、上記のいずれかの粒子測定装置において、検出手段は、粒子からの散乱光を所定のフレームレートで撮像し、解析手段は、個々のフレーム画像に撮像された散乱光に基づく粒子の輝点位置から流れ方向に対し垂直な面における粒子の移動量を算出し、移動量に基づいて粒子の拡散係数相当の粒径を解析する。

この態様の粒子測定装置においては、粒子からの散乱光が検出手段（撮像器）により撮像され、個々のフレーム画像に撮像された散乱光に基づいて、試料の流れ方向（Ｙ方向）対し垂直な面（ＸＺ平面）における粒子の移動量が算出され、算出された移動量に基づいて粒子の粒径、すなわち拡散係数相当径が解析される。つまり、この態様の粒子測定装置は、ＦＰＴ装置である。

この態様によれば、検出領域を形成する照射光がフラットトップ形状に整形されていることから検出領域のいずれの地点においても光強度は略均一であるため、粒子がどの位置をＹ方向に通過するとしても、粒子の動きを略同一のフレーム数にわたって撮像して一定の回数で追跡することができ、拡散係数相当径の粒径分解能を向上させることが可能となる。

或いは、上記のいずれかの粒子測定装置において、検出手段は、散乱光を受光して強度に応じた大きさの信号を出力し、解析手段は、信号に基づいて粒子の光散乱相当の粒径を解析する。

この態様の粒子測定装置においては、粒子からの散乱光が検出手段（例えば、受光素子）により受光されてその強度に応じた信号が出力され、信号に基づいて粒子の粒径、すなわち光散乱相当径が解析される。つまり、この態様の粒子測定装置は、光散乱式の粒子計数器である。

この態様によれば、検出領域を形成する照射光がフラットトップ形状に整形されていることから検出領域のいずれの地点においても照射光の強度は略均一であるため、同一の粒径を有する粒子からの散乱光の強度を粒子の通過位置に関わらず均一化させることができ、光散乱相当径の粒径分解能を向上させることが可能となる。さらに、光散乱相当径と拡散係数相当径から粒子の屈折率を算出する際の屈折率分解能を向上させることができる。

以上のように、本発明によれば、粒径分解能を向上させることができる。

一実施形態における粒子測定装置の構成を示すブロック図である。 一実施形態における検出ユニットの構成を簡略的に示す図である。 一実施形態における照射光学系の構成を簡略的に示す図である。 一実施形態におけるスリットの形状を示す図である。 照射光の焦点位置におけるビーム形状及びその強度分布を示す図である。 一実施形態における検出ユニットの構成を簡略的に示す垂直断面図（図２中のVI－VI切断線に沿う断面図）である。 焦点位置におけるビーム形状による作用について実施形態と比較例とを対比させて説明する図である。 フラットトップに整形された光の強度に関するシミュレーション結果を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施形態は好ましい例示であり、本発明はこの例示に限定されるものではない。

〔粒子測定装置の構成〕
図１は、一実施形態における粒子測定装置１の構成を示すブロック図である。ここでは一例として、粒子測定装置１がＦＰＴ装置である場合の構成を説明する。

図１に示されるように、粒子測定装置１は、大きくみると検出ユニット２及び制御演算ユニット３からなる。このうち、検出ユニット２は、試料流体に光を照射し、試料流体中を浮遊する粒子と照射光との相互作用により生じる散乱光を検出することに関わる機器群である。また、制御演算ユニット３は、検出ユニット２を構成する各機器の制御、及び、検出ユニット２により検出された散乱光に基づき個々の粒子の移動量を特定して粒径を解析することに関わる機能群である。

〔検出ユニットの構成〕
先ず、検出ユニット２の構成について説明する。

検出ユニット２は、例えば、光源１０、照射光学系２０、フローセル３０、集光光学系４０、撮像器５０等で構成されている。光源１０は、例えば半導体レーザダイオードであり、シングルモード（ＴＥＭ_００モード）の円形レーザを照射光として出射する。照射光学系２０は、光源１０が出射した照射光を所定の形状に整形してフローセル３０の内部に集光する。なお、照射光学系２０の具体的な構成については、別の図面を参照しながら詳しく後述する。

フローセル３０は、石英やサファイア等の透明な材料からなり、その内部に試料流体が流し込まれる流路が形成されている。フローセル３０に照射光が入射すると、流路内に検出領域が形成される。集光光学系４０は、例えば光学レンズであり、検出領域を通過する粒子からの散乱光を撮像器５０に集光する。撮像器５０は、例えばＣＣＤ（charge-coupled device）やＣＭＯＳ（complementary metal-oxide semiconductor）等のイメージセンサを備えたカメラであり、集光光学系４０によりイメージセンサの受光面に集光された散乱光を撮像する。

図２は、一実施形態における検出ユニット２の構成を簡略的に示す図である。

図２中（Ａ）：フローセル３０の斜視図である。フローセル３０はＬ字状の形状をなしており、その内部には、第１開口３１からＹ方向に延びる第１区間３２と、第２開口３３からＺ方向に延びる第２区間３４とが各端部において連通したＬ字形の流路が形成されている。試料流体は、第１開口３１から第１区間３２に流し込まれ、第２区間３４を経て第２開口３３から外部へ排出される。なお、フローセル３０の形状は、Ｌ字状に屈曲した部位を有する形状であればよく、Ｌ字形に代えて、例えばコの字形やクランク形を採用してもよい。

図２中（Ｂ）：検出ユニット２の構成、特に各構成間の位置関係を簡略的に示す平面図である。照射光学系２０は、第１区間３２における試料流体の流れ方向（Ｙ方向）に対して垂直な方向（Ｘ方向）から、整形された照射光Ｌ_Ｉをフローセル３０に入射させる。また、集光光学系４０及び撮像器５０は、第１区間３２における試料流体の流れに対向する位置、すなわち第１区間３２を試料流体の流れ方向に仮想的に延長させた位置に配置され、検出領域Ｍを通過した粒子からの散乱光Ｌ_Ｓを集光して撮像する。これらの構成により、個々の粒子のＸＺ平面における動き（拡散運動）が観測される。なお、散乱光Ｌ_Ｓの撮像については、別の図面を用いてさらに後述する。

図３は、一実施形態における照射光学系２０の構成を簡略的に示す図である。図３においては、発明の理解を容易とするために、各構成間の距離や照射光Ｌ_Ｉのビーム径の変化、焦点の大きさ等を誇張して示しており、これらは実際のスケール比とは一致しない。

照射光学系２０は、例えば、ビームエキスパンダ２１、回折光学素子２２、第１スリット板２３、第２スリット板２４、第３スリット板２５等で構成されている。ビームエキスパンダ２１は、複数枚の光学レンズからなり、光源１０が出射したシングルモードの照射光Ｌ_Ｉを、その開き角をビームエキスパンダ２１で調整しながら回折光学素子２２の要求を満たす形状（大きさ）にする。例えば、本実施形態の回折光学素子２２に対しては、ビームエキスパンダ２１は、拡大して径を合わせ、平行光にして回折光学素子２２の適切な位置に入射させる。つまり、ビームエキスパンダ２１は、照射光Ｌ_Ｉを回折光学素子２２に最適な形状に調整する。なお、図３においては、一例として２枚の光学レンズからなるガリレオ式のビームエキスパンダを図示しているが、ガリレオ式に代えてケプラー式のビームエキスパンダを採用してもよく、また、光学レンズの枚数は２枚に限定されない。

回折光学素子２２は、入射した照射光Ｌ_Ｉのビーム形状を整形する。具体的には、回折光学素子２２は、シングルモードのガウス分布に近似した強度分布を有する照射光Ｌ_Ｉ（ガウシアンビーム）を均一な強度分布を有するフラットトップ（トップハット）ビームに整形しつつ、焦点付近におけるビームの形状が焦点深度方向にシート状となるように整形する。ここで、「シート状」とは、平面と多少の厚みを有する立体形状であり、その厚み方向に切断した断面形状が細長い矩形状（ライン状、略帯状）をなす形状のことである。

本実施形態における回折光学素子２２は、例えば、焦点位置における断面の長辺（Ｚ方向の長さ）を２ｍｍとし、短辺（Ｙ方向の長さ）を２０μｍとした、長辺が短辺の１００倍の長さを有する細長い矩形状のフラットトップビームに照射光Ｌ_Ｉを整形する。また、照射光Ｌ_Ｉの焦点位置からの焦点深度方向の距離±１ｍｍ（Ｘ方向の長さ２ｍｍ）を検出領域とする場合には、その範囲でのデフォーカスによる光エネルギー密度のばらつきを所定範囲、例えば±２０％以内に制御する回折光学素子の設計が必要となる。本実施形態の回折光学素子２２は、そのように設計されているため、光エネルギー密度のばらつきが許容範囲内であるシート形状の検出領域を形成することができる。なお、本実施形態においては、回折光学素子２２として住友電気工業社製のＤＯＥビームシェイパを用いた。また、焦点位置におけるビームの断面形状（以下、「ビーム形状」と略称する。）及びその強度プロファイルについては、別の図面を用いてさらに後述する。

ところで、ガウシアンビームをフラットトップに整形するには、複数のレンズを用いて実現することも可能である。しかしながら、球面レンズ（ｆθレンズやシリンドリカルレンズ等も含む）を用いる場合には、複数枚のレンズを複雑に組み合わせて構成する必要がある上に、十分なフラットトップを得ることが困難である。また、非球面レンズを用いる場合には、レンズに入射する光線の角度やビーム形状がフラットトップ形状に大きく影響することから、高度な調整及び構造の安定性が求められる。これに対し、本実施形態においては回折光学素子２２を用いるため、簡易な構成でフラットトップへの整形を行うことができる。

回折光学素子２２と焦点との間には、例えば３枚の各スリット板２３，２４，２５が配置されている。これらのスリット板は、照射光Ｌ_Ｉが回折光学素子２２を通過することにより生じる高次回折光を除去するためのものである。高次回折光は迷光となり、測定におけるノイズとなるため、除去する必要がある。主光線と高次回折光の分離状態に応じて、複数のスリット板を適切な位置に配置する。例えば、開き角が大きい高次回折光を除去するには、回折光学素子２２の近傍に配置すれば小さなスリットで十分だが、回折光学素子２２から離れるに従って大きなスリットが必要になる。また、開き角が小さな高次回折光を除去するには、回折光学素子２２の近傍に配置するならば主光線との分離が十分でないため除去が困難であるが、回折光学素子２２から離れるに従って十分に分離するので除去が容易になる。回折光学素子２２から焦点に向かう照射光Ｌ_Ｉのビーム形状は位置により異なるが、各位置におけるビーム形状はシミュレーションにより予め算出されており、各スリット板の中央部には、それぞれが配置される位置における照射光Ｌ_Ｉのビーム形状よりもやや大きい形状のスリットが形成されている。

図４は、一実施形態におけるスリットの形状を示す図である。このうち、（Ａ）は第１スリット板２３に形成された第１スリット２３ａの形状、（Ｂ）は第２スリット板２４に形成された第２スリット２４ａの形状、（Ｃ）は第３スリット板２５に形成された第３スリット２５ａの形状を示している。

例えば、各スリット板には、ビーム形状よりもやや大きく同心の矩形状のスリットが形成される。また、３枚のスリット板を比較すると、最も上流側に配置される第１スリット板２３には、最も大きいスリット２３ａが形成されており、最も下流側に配置される第３スリット板２５には、最も小さいスリット２５ａが形成されており、中間部に配置される第２スリット板２４には、スリット２３ａより小さくスリット２５ａより大きいスリット２４ａが形成されている。

回折光学素子２２において照射光Ｌ_Ｉのビーム形状が整形される過程では、回折格子の構造により高次回折光が生じる。そのため、回折光学素子２２からは、整形された照射光Ｌ_Ｉが焦点に向かって出射するのに加え、高次回折光が放射状に発散していき点状の光となって現れる。

回折光学素子２２を通過した光が第１スリット板２３に到達すると、回折光学素子２２から大きな角度で発散した高次回折光が第１遮蔽面２３ｂにより遮蔽される一方、残りの光、すなわち整形後の照射光Ｌ_Ｉ及び遮蔽されなかった高次回折光は第１スリット２３ａを通過する。また、第１スリット２３ａを通過した光が第２スリット板２４に到達すると、回折光学素子２２から中程度の角度で発散した高次回折光が第２遮蔽面２４ｂにより遮蔽される一方、残りの光は第２スリット２４ａを通過する。さらに、第２スリット２４ａを通過した光が第３スリット板２５に到達すると、回折光学素子２２から小さな角度で発散した高次回折光が第３遮蔽面２５ｂにより遮蔽される一方、残りの光は第３スリット２５ａを通過する。

このように複数のスリット板を配置することで、回折光学素子２２から発散した高次回折光を複数の遮蔽面によって段階的に遮蔽しつつも、整形された照射光Ｌ_Ｉは複数のスリットを確実に通過させて焦点に到達させ、所望の検出領域を形成することができる。したがって、測定に必要な光は確実に確保しながら、測定の邪魔になる迷光を効果的に除去し（低減させ）てノイズを低減させることができ、測定におけるノイズの影響を最小限に抑制し、粒径の検出感度を向上させることが可能となる。

なお、図３に示した各スリット板の相対位置や図４に示した各スリットの形状は、一例として挙げたものであり、上記の例に限定されない。また、配置するスリット板の枚数についても、状況に応じて適宜変更が可能である。

図５は、回折光学素子２２により整形された照射光Ｌ_Ｉの焦点位置におけるビーム形状及びその強度分布を示す図である。

図５中（Ａ）：焦点位置における照射光Ｌ_Ｉのビーム形状を捉えた写真を、ビーム形状の中心を原点としてＹ軸及びＺ軸上に重ねて示している。この図に示されるように、照射光Ｌ_Ｉは、焦点位置においてＺ方向に細長い矩形状（ライン状、略帯状）のビーム形状をなしている。

図５中（Ｂ）：図５中（Ａ）に示されたビームのＹ軸に重なる位置における強度分布を示すグラフである。このグラフから、Ｙ方向においては、原点を中心とした±１０μｍの範囲（中心部の２０μｍ）では光の強度が概ね１．０で均一であり、－３０～－１０μｍ及び＋１０～３０μｍの範囲（中心部の外側の約２０μｍ）で光の強度が概ね１．０から０．０まで急降下していることが分かる。

図５中（Ｃ）：図５中（Ａ）に示されたビームのＺ軸に重なる位置における強度分布を示すグラフである。このグラフから、Ｚ方向においては、原点を中心とした±１０００μｍの範囲（中心部の２ｍｍ）では光の強度が概ね１．０で均一であり、－１２００～－１０００μｍ及び＋１０００～１２００μｍの範囲（中心部の外側の約０．２ｍｍ）で光の強度が概ね１．０から０．０まで急降下していることが分かる。

これらのグラフから、整形された照射光Ｌ_Ｉの焦点位置における強度は、Ｙ方向の長さ２０μｍ×Ｚ方向の長さ２ｍｍの範囲内で概ね均一であることが分かる。

照射光Ｌ_Ｉの焦点位置は、フローセル３０の流路内（より具体的には、第１区間３２内）に設定されており、照射光Ｌ_Ｉがフローセル３０に入射すると、焦点位置に検出領域が形成される。回折光学素子２２により照射光Ｌ_Ｉをシート形状のフラットトップビームに整形することで、検出領域における光エネルギー密度を高くすることができる。これにより、広範囲に浮遊するサブミクロンオーダの粒子からの散乱光を観測することが可能となる。

図６は、一実施形態における検出ユニット２の構成を簡略的に示す垂直断面図（図２中のVI－VI切断線に沿う断面図）である。なお、集光光学系４０及び撮像器５０については、断面の図示を省略している。

上述したように、整形された照射光Ｌ_Ｉは、Ｘ方向からフローセル３０に入射して第１区間３２に検出領域Ｍを形成する。検出領域Ｍの形状は、長辺をＺ方向とし、短辺をＹ方向として、長辺と略同等の奥行（デフォーカス範囲）をＸ方向に有したシート状のものとなる。

検出領域Ｍと集光光学系４０との間に位置するフローセル３０の内壁には、凹状の形状をなし検出領域Ｍの中心からの距離が概ねその曲率半径となる凹面部３５が形成されている。検出領域Ｍを通過した粒子Ｐから生じた散乱光Ｌ_Ｓがフローセル３０の内壁に入射する際には、試料流体の屈折率とフローセル３０の屈折率との差異から光の屈折が生じうるが、凹面部３５により、フローセル３０の内壁に入射する散乱光Ｌ_Ｓの屈折を抑制することができる。

フローセル３０に対する集光光学系４０及び撮像器５０の位置は、集光光学系４０の光軸を基準に決定されており、各構成は、集光光学系４０の光軸が検出領域Ｍの中心、凹面部３５の中心、撮像器５０が備えるイメージセンサの受光面の中心を通過する位置にそれぞれ配置されている。撮像器５０は、ＸＺ平面に対向しており、検出領域Ｍで生じた散乱光の動き、すなわち検出領域Ｍを通過する個々の粒子Ｐの拡散運動を観測し、所定のフレームレートで動画として撮像する。

このように、試料の流れに対向する位置に散乱光の検出系（集光光学系４０及び撮像器５０）を配置することで、試料の実効流量を減らすことなく散乱光の動き（粒子Ｐの拡散運動）を観測することが可能となる。

〔制御演算ユニットの構成：図１参照〕
続いて、制御演算ユニット３の構成について説明する。

制御演算ユニット３は、例えば、制御部６０、画像取得部７０、画像解析部８０、粒径解析部９０、出力部１００等で構成されている。制御部６０は、検出ユニット２における各機器の動作や、制御演算ユニット３において実行される一連の処理を制御する。制御部６０は、例えば、光源１０による照射光の出射、フローセル３０に流し込む試料の流速（単位時間当たりの流量）、撮像器５０による動画の撮像を制御する。なお、試料の流速については、マスフローコントローラ等の流量制御機器を設け、これを用いて制御してもよい。

画像取得部７０は、撮像器５０により所定のフレームレートで撮像された動画からフレーム毎の静止画（フレーム画像）を取得する。画像解析部８０は、連続するフレームのフレーム画像に捉えられた個々の粒子を関連付けた上でその軌跡を特定し、フレーム画像毎にブラウン運動による２次元方向（Ｘ方向及びＺ方向）の移動量を特定する。

粒径解析部９０は、画像解析部８０により解析された個々の粒子の移動量に基づいて、個々の粒子の粒径（拡散係数相当径）を解析し、粒径毎の個数濃度を算出する。なお、粒径の具体的な解析方法は、平均２乗変位と試料の粘度、温度から拡散係数を求め、ストークス・アインシュタインの式に従って粒径を算出する、例えば特許６５４９７４７号公報に記載されているものと同様であるため、ここでは説明を省略する。

出力部１００は、粒径解析部９０による解析の結果を出力する。出力部１００は、画面への表示、プリンタへの出力、或いはネットワークを介した他のデバイスへの送信等、様々な態様により解析結果を出力することが可能である。

なお、図１に図示した制御演算ユニット３の構成は、あくまで主要なものであり、構成はこれらに限定されない。例えば、画像解析部７０により特定された粒子の軌跡の各測定点の平均輝度値や最大輝度値等から粒子の散乱光強度相当値を特定する散乱光強度特定部を設け、さらに、粒径解析部９０により解析された拡散係数相当径及び散乱光強度特定部により特定された散乱光強度相当値に基づいて、粒子毎にその特性を解析する特性解析部を設けてもよい。特性解析部は、例えば、粒径が既知であり概ね単一の粒径と見なせる試料粒子、例えばポリスチレンラテックス粒子等を用いて予め求められた既知の粒径及び既知の屈折率に対する相対的な散乱光強度の関係に基づいて、粒子の屈折率を特定したり、粒子と気泡との区別を行ったりする。その他、記憶部を設けて解析結果等を記憶させてもよい。

また、動画のフレームレート及び試料の流速は、撮像された動画から個々の粒子につき所定枚数のフレーム画像を取得できるように制御される。例えば、検出領域ＭのＹ方向の長さが２０μｍであり、３０ｆｐｓで（すなわち１秒間に３０回）撮像される動画から１０枚のフレーム画像を取得するためには、試料の流速は６０μｍ／秒に設定されることとなる。

〔ビーム形状の比較〕
図７は、焦点位置における照射光のビーム形状による作用について実施形態と比較例とを対比させて説明する図である。図７においては、光の強度分布が染色の濃淡で示されており、強度がより高い領域はより濃く染色されており、強度がより低い領域はより淡く染色されている。

なお、発明の理解を促進するために、ビームの形状（長辺と短辺の比率等）や濃淡の度合いは誇張して表現されており、実際のものとは一致しない。また、比較のために、実施形態及び比較例のいずれにおいても、動画のフレームレート、試料の流速は同一であると仮定し、試料流体の流れに運搬されてＹ方向に進む個々の粒子ＰのＸＺ平面における動きが所定のフレームレートで撮像されるものとする。

図７中（Ａ）：実施形態におけるビーム形状及びその強度分布を示している。上述したように、実施形態においては、検出領域Ｍは、長辺をＺ方向とし短辺をＹ方向として、長辺と略同等の長さのデフォーカス範囲がＸ方向に確保されたシート形状のフラットトップビームにより形成される。

すなわち、実施形態においては、焦点位置における検出領域Ｍのいずれの地点においても光強度は略均一であるため、粒子Ｐが検出領域ＭにおけるＺ方向の略中心の位置ｚ１をＹ方向に進む場合でも、検出領域ＭにおけるＺ方向の端部付近の位置ｚ２をＹ方向に進む場合でも、所定の時間（所定のフレーム数）にわたって粒子Ｐの動きを撮像することができる。したがって、実施形態によれば、粒子ＰのＸＺ平面における拡散運動の追跡回数（取得されるフレーム画像の枚数）を、粒子Ｐの通過位置に関わらず一定にすることができ、これにより拡散係数相当径の粒径分解能を向上させることができる。また、粒子が通過する位置による屈折率の測定誤差を低減させることができる。

図７中（Ｂ）：比較例におけるビーム形状及びその強度分布を示している。比較例においては、断面が楕円形状のガウシアンビームにより検出領域Ｍ´が形成されるものとする。また、ここでは比較のために、検出領域Ｍ´の形状は実施形態における検出領域Ｍの形状と同一であると仮定し、図７中（Ａ）における検出領域Ｍと同じ大きさの矩形をガウシアンビームに中心を合わせて重ねた領域を検出領域Ｍ´として示している。周知のように、ガウシアンビームにおける強度分布はガウス分布に近似しており、光強度は中心部で高く周辺部で低くなる。

すなわち、比較例においては、検出領域Ｍ´内の光強度は均一でないため、粒子ＰのＸＺ平面における拡散運動の追跡回数（取得されるフレーム画像の枚数）は、必然的に粒子Ｐの通過位置に応じて相違することとなる。例えば、検出領域Ｍ´におけるＺ方向の略中心の位置ｚ１´とＺ方向の端部付近の位置ｚ２´とを比較すると、全体として位置ｚ１´の方が位置ｚ２´よりも光強度が高い。したがって、粒子Ｐが位置ｚ１´をＹ方向に進む場合には、所定の時間（所定のフレーム数）にわたって粒子Ｐの動きを撮像することができても、粒子Ｐが位置ｚ２´をＹ方向に進む場合には、位置ｚ１´をＹ方向に進む場合よりも撮像することができる時間が短く（フレーム数が少なく）なる。このように、比較例においては、粒子Ｐの通過位置によって粒子ＰのＸＺ平面における拡散運動の追跡回数（取得されるフレーム画像の枚数）にばらつきが生じることから、拡散係数相当径の粒径分解能は、自ずと低くなる。

このように、上述した実施形態によれば、比較例による場合と比較して、拡散係数相当径の粒径分解能（粒径の測定精度）を向上させることができる。

〔フラットトップビームの強度分布〕
図８は、フラットトップビームに整形された光の強度に関するシミュレーション結果を示す図である。図８のグラフにおいて、線Ｇは、ガウシアンビームの強度分布（ガウス分布）を表している。また、線Ｆ_１及び線Ｆ_２は、いずれも線Ｇに示されるガウシアンビームを所定のビーム幅を有するフラットトップビームに整形した場合のシミュレーション上の強度分布を表している。

線Ｆ_１：ガウシアンビームをその中心強度の１／ｅ^２（＝０．１３５）となる径のビーム幅を有するフラットトップビームに整形した場合の強度分布を表している。このフラットトップビームにおいては、光の強度がガウス分布のピークの約６３％の大きさで均一になる。ガウシアンビームを用いて測定する場合には、ビームの中心と外周付近とで同径の粒子からの散乱光に対する検出信号の大きさに約７．４倍（＝１／０．１３５）のばらつきが生じることとなる。これに対し、線Ｆ_１の強度分布を有するフラットトップビームを用いて同径の粒子を測定する場合には、光の強度がガウス分布のピークの約６３％にはなるものの、この点さえ許容すれば、どの位置においても同径の粒子からの散乱光に対する検出信号の大きさを同等にすることができる。

また、粒子が検出領域を通過する時間、すなわち粒子を所定の光散乱強度で観測可能な時間を、粒子の通過位置に関わらず同等にすることができる。また、ＸＺ平面における粒子の拡散運動を観測する上で、ガウス分布の中心強度の１／ｅ^２の領域の約２倍の領域において（相対強度約０．６３において、線Ｆ_１に示されるフラットトップビームの相対径２（－１～１）に対し、線Ｇに示されるガウシアンビームの相対径１（－０．５～０．５））、追跡回数のばらつきを抑制することができる。

線Ｆ_２：ガウシアンビームをその中心強度の０．５となる径のビーム幅を有するフラットトップビームに整形した場合の強度分布を表している。このフラットトップビームにおいては、光の強度がガウス分布のピークの約１０５％（約１．０５倍）の大きさで均一になる。つまり、このフラットトップビームを用いて測定する場合には、ガウシアンビームを用いて測定する場合よりも高い光散乱強度を得ることができる。

なお、上記の各シミュレーション値は、ガウシアンビームの成分がロスなく全てフラットトップに整形されると仮定した場合におけるものである。実際には、ガウシアンビームの多少の成分が高次回折光となって除去されるため、その差分だけ数値は低くなると考えられる。いずれにせよ、上記のシミュレーション結果に影響を与えるものではない。

〔本発明の優位性〕
以上のように、上述した実施形態によれば、以下のような効果が得られる。

（１）回折光学素子２２により照射光が検出領域においてシート形状をなすフラットトップビームに整形されるため、広範囲に浮遊するサブミクロンオーダの粒子からの散乱光を観測可能とする光エネルギー密度と実効流量を確保することができる。

（２）長辺をＺ方向、短辺をＹ方向とし、長辺と略同等の長さのデフォーカス範囲がＸ方向に確保されたシート形状のフラットトップビームにより検出領域を形成することで、検出領域のいずれの地点においても光強度は略均一となるため、粒子がＺ方向におけるどの位置をＹ方向に通過するかに関わらず、粒子のＸＺ平面における動きを略同一の時間（略同一のフレーム数）にわたって撮像し、一定の回数（取得されるフレーム画像の枚数）で追跡することができ、これにより拡散係数相当径の粒径分解能を向上させることができる。

（３）回折光学素子２２を用いて照射光がフラットトップに整形されるため、他の光学系（例えば、光学レンズ）を用いる場合と比較して、照射光学系２０を簡易な構成とすることができる。

（４）光源１０と回折光学素子２２との間にビームエキスパンダ２１が設けられているため、光源１０が出射した照射光の開き角を調整しながら回折光学素子２２の要求を満たす形状に調整することができ、照射光を回折光学素子２２に対し最適な形状で入射させることができる。

（５）回折光学素子２２と照射光の焦点との間に異なる複数のスリット板２３～２５が配置されているため、回折光学素子２２から発散した高次回折光を複数の遮蔽面２３ｂ～２５ｂによって段階的に遮蔽しつつ、回折光学素子２２により整形された照射光は複数のスリット２３ａ～２５ａを確実に通過させて焦点に到達させることで、測定に必要な光は確保しつつ、測定の邪魔になる迷光を効果的に除去してノイズを低減させることができる。

本発明は、上述した実施形態に制約されることなく、種々に変形して実施することが可能である。

上述した実施形態においては、照射光の焦点位置におけるビーム形状を、Ｙ方向の長さを２０μｍとし、Ｚ方向の長さを２ｍｍとしているが、あくまで一例として挙げたものであり、この長さに限定されない。撮像器５０の性能に応じて、適宜設定すればよい。

上述した実施形態においては、整形された照射光Ｌ_ＩをＸ方向から第１区間３２に入射させているが、これに代えて、Ｚ方向から第１区間３２に入射させてもよい。その場合には、長辺をＸ方向とし短辺をＹ方向としてデフォーカス範囲がＺ方向に確保されたシート形状のフラットトップビームにより検出領域が形成されることとなる。

上述した実施形態においては、粒子測定装置１がＦＰＴ装置である場合の構成例を説明しているが、粒子測定装置１はＦＰＴ装置に限定されず、流体に含まれる粒子から放出される散乱光の強度に基づいて粒子数の計数や粒径の特定を行う光散乱式の粒子計数器であってもよい。その場合には、撮像器５０に代えて受光素子等からなる受光器を設け、さらに画像解析部８０に代えて受光器から出力された受光信号を解析する信号解析部を設ければよい。このような構成により、照射光の強度が均一なシート形状の検出領域が形成されるため、同一の粒径を有する粒子からの散乱光の強度を粒子の通過位置に関わらず均一化させることができ、光散乱相当径の粒径分解能を向上させることが可能となる。

その他、粒子測定装置１の各構成部品の例として挙げた材料や数値等はあくまで例示であり、本発明の実施に際して適宜に変形が可能であることは言うまでもない。

１ 粒子測定装置
２ 検出ユニット
３ 制御演算ユニット
１０ 光源
２０ 照射光学系
２１ ビームエキスパンダ （調整手段）
２２ 回折光学素子
２３ 第１スリット板 （除去手段）
２４ 第２スリット板 （除去手段）
２５ 第３スリット板 （除去手段）
３０ フローセル
４０ 集光光学系
５０ 撮像器 （検出手段）
６０ 制御部
７０ 画像取得部
８０ 画像解析部 （解析手段）
９０ 粒子解析部 （解析手段）

Claims (7)

1. 試料の流路が内部に形成されたフローセルと、
   照射光を出射する光源と、
   前記照射光をその焦点位置における断面が略帯状の形状をなすフラットトップビームに整形する回折光学素子と、
   整形された前記照射光の照射により前記流路の所定区間内に形成される検出領域を通過する前記試料に含まれる粒子からの散乱光を、前記所定区間を前記試料の流れ方向に仮想的に延長させた位置から検出する検出手段と、
   前記散乱光に基づいて前記粒子の粒径を解析する解析手段と
   を備えた粒子測定装置。
2. 請求項１に記載の粒子測定装置において、
   前記光源が出射した照射光を前記回折光学素子の要求を満たす径及び開き角に調整して前記回折光学素子に入射させる調整手段をさらに備えた粒子測定装置。
3. 請求項１又は２のいずれかに記載の粒子測定装置において、
   前記回折光学素子は、
   前記照射光の焦点深度方向における光エネルギー密度のばらつきが所定範囲内であるフラットトップビームに整形することを特徴とする粒子測定装置。
4. 請求項１から３のいずれかに記載の粒子測定装置において、
   前記回折光学素子による前記照射光の整形の過程で生じた高次回折光を除去する除去手段をさらに備えた粒子測定装置。
5. 請求項４に記載の粒子測定装置において、
   前記除去手段は、
   間隔をあけて配置された形状の異なる複数のスリットにより、前記回折光学素子により整形された前記照射光を通過させつつ前記高次回折光を段階的に除去することを特徴とする粒子測定装置。
6. 請求項１から５のいずれかに記載の粒子測定装置において、
   前記検出手段は、
   前記散乱光を所定のフレームレートで撮像し、
   前記解析手段は、
   個々のフレーム画像に撮像された前記散乱光に基づく前記粒子の輝点位置から前記流れ方向に対し垂直な面における前記粒子の移動量を算出し、前記移動量に基づいて前記粒子の拡散係数相当の粒径を解析することを特徴とする粒子測定装置。
7. 請求項１から５のいずれかに記載の粒子測定装置において、
   前記検出手段は、
   前記散乱光を受光して強度に応じた大きさの信号を出力し、
   前記解析手段は、
   前記信号に基づいて前記粒子の光散乱相当の粒径を解析することを特徴とする粒子測定装置。

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