JP2005164560A - 暗視野式微粒子測定装置および暗視野式微粒子測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 可視光の波長より小さなサブミクロン微粒子のブラウン運動を可視化して、個々の粒子の位置および移動量を測定し、粒径及び粘性係数を計測できる暗視野式微粒子計測装置および暗視野式微粒子計測方法を提供すること。
【解決手段】 光源３からの光束をコレクタレンズ４にて集光し、これを円筒型の輪帯光を輪帯光学系５にて形成してコンデンサレンズ６にて微粒子を含む標本液体に集光する。コンデンサレンズ６の焦点距離より長い焦点距離を有する対物レンズ８にて標本体７からの散乱光を受光する。対物レンズ８からの像を投影光学系９にて増倍し、ＣＣＤセンサー１０にて受光する。得られた暗視野画像を、画像処理流速計１１にて計測し、粒子の数と位置および移動量を算出する。演算回路１２にてブラウン運動に関するアインシュタイン・ストークスの関係式に粒子の平均移動距離とＣＣＤセンサーのフィールド時間間隔を用いた拡散時間を代入して粒子径を算出し、表示装置１３にて表示する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、暗視野照明方法を用いて、液体中の微粒子からの散乱光による可視化画像を画像解析して、微粒子のブラウン運動による平均移動距離を計測することにより、微粒子の平均粒径、粒径分布、粒子数、粒子空間分布、粒子速度および液体の粘性係数を測定する暗視野式微粒子測定装置および暗視野式微粒子測定方法に関する。

従来、溶液中に分散している微粒子のブラウン運動を解析して粒子挙動や粒径分布を測定する微粒子測定法は、透過型光学顕微鏡や二次元イメージセンサーで微粒子像を撮影し粒子部分のエリアを数値化することにより粒子挙動や粒径分布を測定する画像処理法があり、また、試料にレーザー光を照射し生じた散乱光や干渉光を計測し解析することによって微粒子の粒径分布を測定するレーザー回折散乱法や動的光散乱法がある。

中でも動的光散乱法は、コヒーレントなレーザー光を用いて粒子のブラウン運動による揺らぎを測定することにより、サブミクロン以下の微粒子のブラウン運動の拡散係数を測定し粒径を求める方法が報告されている（例えば、特許文献１、特許文献２参照、特許文献３参照。）。

また、動的光散乱理論に基づく動画処理による微粒子の粒径計測方法が開示されている（例えば、非特許文献１参照。）。

なお、発明者は、本発明に関連する技術内容を開示している（例えば、非特許文献２参照、非特許文献３参照。）。
特開２００２−２２６４２号公報 （第３−４頁、第１図） 特開２００１−７６６３７号公報 （第２−４頁、第１図） 特開平７−７２０６６号公報 （第７−１８頁、第１図） 木村毅、他３名、"動的光散乱理論に基づく動画像処理によるサブミクロン粒子の粒径評価"、１９９３年、電気情報通信学会論文誌Ｖｏｌ．Ｊ７６−Ｄ−ＩＩ，Ｎｏ．９、ｐ．１９８７−１９９３ 松下潤一郎、他４名、"磁性流体中の非磁性微粒子のブラウン運動とクラスター形成"、平成１５年１１月１５日、日本機械学会 熱工学コンファレンス講演論文集、ｐ．４３１−４３２ 松下潤一郎、他４名、"強磁性ナノ微粒子のブラウン運動と粒径計測"、平成１５年５月２８日、日本伝熱学会 第４０回日本伝熱シンポジウム講演論文集、ｐ．８１５−８１６

しかしながら、従来の画像処理法では、透過光を用いて測定できる粒径が３００ｎｍ程度であり、３００ｎｍ未満の粒子径の粒子を画像化する事が困難であるという問題がある。

また、上述した従来の動的光散乱法では、レーザー光を用いることにより取り扱いが難しく、装置が複雑化し高価であるという問題がある。

また、不透明流体中の微粒子の粒径計測では透過光やレーザー光の散乱強度の減衰により測定が困難であり、高濃度の微粒子計測では多重散乱によるノイズが避けられず粒径分布の空間分布を計測しにくいという問題がある。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、
透明流体および不透明流体中の微粒子のブラウン運動を可視化して、粒子の数および移動量を測定し粒径を算出するとともに、粒子径分布の時間的空間的変化を確認できる、取り扱いが容易で廉価な暗視野式微粒子測定装置および暗視野式微粒子測定方法を提供することを目的とする。

また、本発明は、高濃度の微粒子計測が可能で、粒径分布の空間分布と、流体の粘性係数を計測できる暗視野式微粒子測定装置および暗視野式微粒子測定方法を提供することを目的とする。

本発明の暗視野式微粒子測定装置は、光源と、光源からの光束を集光するコレクタレンズと、コレクタレンズからの光束を円筒型の輪帯光に形成する輪帯光学系と、輪帯光学系からの光束を集光するコンデンサレンズと、コンデンサレンズの焦点に設置する標本と、コンデンサレンズの焦点距離より長い焦点距離を有する対物レンズと、対物レンズからの像を拡大する投影光学系と、投影レンズからの像を受光するＣＣＤセンサーと、ＣＣＤセンサーからの像を画像解析し微粒子の数および移動量を求める画像処理流速計と、画像処理流速計からの信号を解析し粒子の速度および粒径を求める演算回路と、画像処理流速計および演算回路から粒子挙動に関する統計量を出力する出力装置を有するものである。

また、本発明の暗視野式微粒子測定装置および暗視野式微粒子測定方法は，光源からの光束をコレクタレンズにて集光する工程と、コレクタレンズからの光束を輪帯光学系にて円筒型の輪帯光に形成する工程と、輪帯光の光束をコンデンサレンズの焦点に設置した標本に光を集光する工程と、コンデンサレンズの焦点距離より長い焦点距離を有する対物レンズで標本体からの散乱光を受光する工程と、対物レンズからの像を投影光学系にて拡大し投影する工程と、投影光学系からの像をＣＣＤセンサーにて受光する工程と、ＣＣＤセンサーからの像を画像処理流速計にて画像解析し微粒子の数および移動量を求める工程と、画像処理流速計からの微粒子の数および移動量を演算回路にて解析し粒子の速度および粒径を求める工程と、画像処理流速計および演算回路から粒子挙動に関する統計量を表示装置にて表示する工程を有するものである。

また、本発明の暗視野式微粒子測定装置および暗視野式微粒子測定方法は、第１発明または第２発明において、ブラウン運動に関する次のアインシュタイン・ストークスの関係式

で表される微粒子の平均移動距離に、画像処理流速計により画像解析された微粒子の移動量および拡散時間を用いて微粒子の直径ｄを算出することを特徴とするものである。

また、本発明の暗視野式微粒子測定装置および暗視野式微粒子測定方法は、粘性係数が未知の流体中に粒径が既知の微粒子を混入して画像解析する工程と、微粒子のブラウン運動を解析して流体の粘性係数を算出する工程を有するものである。

本発明は、以下に記載されるような効果を奏する。
請求項１記載の発明暗視野式微粒子測定装置および暗視野式微粒子測定方法によれば、暗視野画像の画像処理を有するので、比較的暗い画像でも周囲画像からの微粒子検知が容易に行うことができる。また、廉価なハロゲンランプなどの光源を利用でき、かつ光学部品を少なくできるので、広範囲な用途に好ましく使用することができる。

また、請求項２記載の発明暗視野式微粒子測定装置および暗視野式微粒子測定方法によれば、コントラストの高い暗視野画像より、粒径測定開始前に試料の調整状態をモニター画面により確認できる。また、粒径測定開始前に微粒子の濃度をモニターできるので、粒径測定開始前に濃度調整を行い、最適な分散状態および濃度での測定が可能である。また、測定に熟練を要しないので、本発明はマイクロ流動やナノ流動および微生物の流動解析を取り扱う次世代の研究に寄与する。

また、請求項３記載の発明暗視野式微粒子測定装置および暗視野式微粒子測定方法によれば、画像解析においてＣＣＤカメラのフィールド時間間隔を変化させることができるので、測定できる速度領域のダイナミッグレンジを変更できる。

また、請求項４記載の発明暗視野式微粒子測定装置および暗視野式微粒子測定方法によれば、粘性係数が未知の流体中に粒径が既知の微粒子を混入して測定することにより、流体の粘性係数を測定することができるので、コロイド流体などの比較的粘性係数が決定困難な流体の粘性係数が測定可能になる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について図面に基づいて説明する。
まず、暗視野式微粒子測定装置および暗視野式微粒子測定方法にかかる第１の発明を実施するための最良の形態について説明する。図１は、本発明の装置を説明するものである。

本発明は、廉価な光源を用いて、微粒子粒径が計測できる、暗視野式微粒子測定装置および暗視野式微粒子測定方法を提供するものであるが、この暗視野式微粒子測定装置は図１に示すように、処理部１と測定部２から成り立っている。

光源３より得られた光束は、コレクタレンズ４にて集光される。

コレクタレンズからの光束は、輪帯光学系５にて平行な輪帯光が形成される。

輪帯光学系５で形成された輪帯光はコンデンサレンズ６において焦点距離Ａにて集光する。コンデンサレンズ６の焦点に微粒子を含む標本体７を固定し、コンデンサレンズ５より集光された輪帯光はコンデンサレンズ６の焦点距離にて微粒子を含む標本体７を透過する。

コンデンサレンズ６の焦点距離より長い焦点距離を有する対物レンズ８にて、コンデンサレンズ６の焦点における標本体７中の微粒子からの散乱光の像を得る。

対物レンズ８からの像を投影光学系９で倍増してＣＣＤセンサー１０にて受光する。

ＣＣＤセンサー１０では標本体６中の微粒子からの散乱光をもとに、微粒子の存在確認を画像処理流速計１１にて行い、画像解析して微粒子の位置と移動量を計算する。

画像処理流速計１１からの微粒子の位置と移動量から演算回路１２に微粒子の数と速度および粒径を算出する。

画像処理流速計１１と演算回路１２で計算された微粒子の位置、移動量、速度および粒径が表示装置１１に表示される。

以上のことから、本発明を実施するための最良の形態によれば、
透明流体および不透明流体中の微粒子のブラウン運動を可視化して、個々の粒子の速度および速度分布を測定し、速度および速度分布から微粒子の粒径を計測するとともに、粒子径分布の時間的空間的変化を測定できるため、取り扱いが容易で廉価な暗視野式微粒子測定装置および暗視野式微粒子測定方法を提供することができる。

なお、本発明は上述の発明を実施するための最良の形態に限らず本発明の要旨を逸脱することなくその他種々の構成を採り得ることはもちろんである。

つぎに、暗視野式微粒子測定装置および暗視野式微粒子測定方法にかかる第２の発明を実施するための最良の形態について説明する。図２は、本発明の方法を説明するものである。

１により測定が開始されると、２に示すように、光源より光束を発振する。
３に示すようにコレクタレンズにて集光する。
４に示すように光源からの光を円筒型の輪帯光に形成する。
５に示すように輪帯光の光をコンデンサレンズにて集光する。
６に示すようにコンデンサレンズの焦点距離より長い焦点距離を有する対物レンズで標本体からの散乱光を受光する。
８に示すように対物レンズからの映像を接眼レンズにて標本を確認、調整し、ピントを合わせる。
９に示すように対物レンズからの光を投影レンズにて投影する。
１０に示すように投影レンズからの像をＣＣＤセンサーにて受光し、画像確認を行うとともに、粒子濃度が適切でない場合は７に戻る。
１１に示すようにＣＣＤセンサーからの画像を画像処理する。
１２に示すように画像解析結果から粒子数、位置、速度を算出する。
１３に示すように演算回路にて粒子径を算出する。
１４に示すように、粒子濃度、位置、速度、粒径等の統計データを画像表示する。
１５で終了する。

以上のことから、本発明を実施するための最良の形態によれば、
透明流体および不透明流体中の微粒子のブラウン運動を可視化して、個々の粒子の速度および速度分布を測定し、速度および速度分布から微粒子の粒径を計測するとともに、粒子径分布の時間的空間的変化を測定できるため、取り扱いが容易で廉価な暗視野式微粒子測定装置および暗視野式微粒子測定方法を提供することができる。また、測定開始前に微粒子の濃度をモニターできるので、測定開始前に濃度調整を行い、最適な分散状態および濃度での測定が可能な暗視野式微粒子測定装置および暗視野式微粒子測定方法を提供することができる。

なお、本発明は上述の発明を実施するための最良の形態に限らず本発明の要旨を逸脱することなくその他種々の構成を採り得ることはもちろんである。

つぎに、暗視野式微粒子測定装置および暗視野式微粒子測定方法にかかる第３の発明を実施するための最良の形態について説明する。図３は、本発明の方法を説明するものである。

１により測定が開始されると、２に示すように、光源より光を発振する。
３に示すようにコレクタレンズにて集光する。
４に示すように光源からの光を円筒型の輪帯光に形成する。
５に示すように輪帯光の光をコンデンサレンズにて集光する。
６に示すようにコンデンサレンズの焦点距離より長い焦点距離を有する対物レンズで標本体からの散乱光を受光する。
８に示すように対物レンズからの映像を接眼レンズにて標本を確認、調整し、ピントを合わせる。
９に示すように対物レンズからの光を投影レンズにて投影する。
１０に示すように投影レンズからの像をＣＣＤセンサーにて受光し、画像確認を行うとともに、粒子濃度が適切でない場合は７に戻る。
１１に示すようにＣＣＤセンサーからの画像を画像処理する。
１２に示すように画像解析結果から粒子数、位置、速度を算出する。
１３に示すように演算回路にてブラウン運動に関するアインシュタイン・ストークスの関係式に粒子の平均移動距離とＣＣＤカメラのフィールド時間間隔を用いた拡散時間を代入して粒子径を算出する。
１４に示すように、粒子濃度、位置、速度、粒径等の統計データを画像表示する。
１５で終了する。

以上のことから、発明を実施するための最良の形態によれば、
可視光の波長より小さなサブミクロン微粒子のブラウン運動を可視化して、個々の粒子の位置と移動量を測定しブラウン運動に関するアインシュタイン・ストークスの関係式に粒子の平均移動距離とＣＣＤカメラのフィールド時間間隔を用いた拡散時間を代入して粒子径を算出するので、効率の良い粒径計測ができる。

また、画像解析においてＣＣＤカメラのフィールド時間間隔を変化させることができるので、測定できる速度領域のダイナミックレンジを変更できる。

なお、本発明は上述の発明を実施するための最良の形態に限らず本発明の要旨を逸脱することなくその他種々の構成を採り得ることはもちろんである。

つぎに、暗視野式微粒子測定装置および暗視野式微粒子測定方法にかかる第４の発明を実施するための最良の形態について説明する。

１により測定が開始されると、２に示すように、光源より光を発振する。
３に示すようにコレクタレンズにて集光する。
４に示すように光源からの光を円筒型の輪帯光に形成する。
５に示すように輪帯光の光をコンデンサレンズにて集光する。
６に示すようにコンデンサレンズの焦点距離より長い焦点距離を有する対物レンズで標本体からの散乱光を受光する。このとき、標本体には粒径が既知の微粒子を混入しておく。
８に示すように対物レンズからの映像を接眼レンズにて標本を確認、調整し、ピントを合わせる。
９に示すように対物レンズからの光を投影レンズにて投影する。
１０に示すように投影レンズからの像をＣＣＤセンサーにて受光し、画像確認を行うとともに、粒子濃度が適切でない場合は７に戻る。
１１に示すようにＣＣＤセンサーからの画像を画像処理する。
１２に示すように画像解析結果から粒子数、位置、速度を算出する。
１３に示すように演算回路にてブラウン運動に関するアインシュタイン・ストークスの関係式に粒子の平均移動距離とＣＣＤカメラのフィールド時間間隔を用いた拡散時間および粒径を代入して粘性係数を算出する。
１４に示すように、粘性係数を画像表示する。
１５で終了する。

以上のことから、発明を実施するための最良の形態によれば、
粘性係数が未知の流体中に粒径が既知の微粒子を混入して測定することにより、流体の粘性係数を測定することができるので、コロイド流体などの比較的粘性係数が決定困難な流体の粘性係数を測定することができる。

なお、本発明は上述の発明を実施するための最良の形態に限らず本発明の要旨を逸脱することなくその他種々の構成を採り得ることはもちろんである。

つぎに、本発明にかかる実施例について具体的に説明する。ただし、本発明はこれら実施例に限定されるものではないことはもちろんである。

ここでは、水中の標準粒子の粒子挙動と粒子分布についての例を示す。

図５の測定部装置および図６の装置を用いた。標本体には，スライドグラス上に試料を微少量添加した。光源にはハロゲンランプを用い、輪帯光学系とコンデンサレンズとして、市販の油浸暗視野コンデンサレンズ（ＯＬＹＭＰＵＳ Ｕ−ＤＣＷ）を用いた。また、使用した光学顕微鏡は生物顕微鏡（ＯＬＹＭＰＵＳ ＢＸ５０）で対物レンズにはユニバーサルプラン・アポクロマート・レンズ（ＯＬＹＭＰＵＳ ＵＰｌａｎＡｐｏ１００×／１．３５ Ｏｉｌ Ｉｒｉｓ）を用いた。粒子からの散乱光のみを対物レンズを通して結像させ、コンデンサレンズとスライドグラスの間にはガラスと同屈折率のマッチングオイルを充填し、光学精度を高めている。顕微鏡画像は，鏡塔に設置したハイスピードモノクロＣＣＤカメラ（ＦＨＯＴＲＯＮ ＦＡＳＴＣＡＭ−Ｎｅｔ）から取り込まれ、一次メモリに記録されたビットマップ画像をパーソナルコンピュータを介して取り込み、画像処理流速計を用いて粒子画像解析を行い、微粒子の運動解析を行った。得られた微粒子の位置と速度より演算装置のパーソナルコンピュータにて粒径分布を計算した。得られた画像解析結果を図７に示した。また、画像解析結果から得られた粒径分布を図８に示した。結果は極めてコントラストの高い画像が得られおり、微粒子の粒径について極めて高い分解能のもとに計測が行われたことがわかる。

以上のことから、本実施の形態によれば、従来の装置に比べ高いコントラストの画像が得られるため、比較的暗い画像でも周囲画像からの微粒子検知が容易に行うことができ、効率的に粒径を測定できる。
また、コントラストの高い暗視野画像より、測定開始前に試料の調整状態をモニター画面により確認できる。
また、画像解析においてＣＣＤカメラのフィールド時間間隔を変化させることにより、測定できる速度領域のダイナミックレンジを変更できる。
また、粘性係数が未知の流体中に粒径が既知の微粒子を混入して測定することにより、流体の粘性係数を測定することができる。
また、廉価なハロゲンランプなどの光源を利用でき、かつ光学部品を少なくできるので、装置の簡素化ができ、経済的である。

上述では、粒子挙動を測定するのに一つのＣＣＤセンサーを用いて、暗視野式微粒子測定装置および暗視野式微粒子測定方法について説明したが、これに限定されない。たとえば、ＣＣＤセンサーを２本使用することにより、画像処理により三次元ベクトルとして効率的に計測を行うことができる。
また、測定部と処理部が分かれているので、測定部の遠隔操作が可能である。

測定する対象は、微粒子の熱挙動と粒径計測および粘度計測について述べてきたが、これらの微粒子計測に限定されず、原子炉の循環水や給水の水質調査、汚水施設や下水施設などの不純物濃度の測定、高分子材料・工業材料プロセスの微粒子流動場や食品加工プロセスに関するコロイド流れ場計測などにも適用できるばかりか、気液二相流やマイクロ流れやナノ流動の微粒子計測にも適応できる。

また、対象とする標本体は微粒子ばかりでなく、生きているバクテリヤや藻類などの微生物の挙動解析にも応用できる。

本発明の暗視野式微粒子測定装置の一実施例を示す概略構成の説明図である。 本発明の暗視野式微粒子測定方法の一実施例を示す説明図である。 本発明の暗視野式微粒子測定装置および暗視野式微粒子測定方法の一実施例の説明図である。 本発明の暗視野式微粒子測定装置および暗視野式微粒子測定方法の一実施例の説明図である。 本発明の暗視野式微粒子測定装置および暗視野式微粒子測定方法の一実施例の結果図である。 本発明の暗視野式微粒子測定装置および暗視野式微粒子測定方法の一実施例の結果図である。

符号の説明

１ 処理部
２ 測定部
３ 光源
４ コレクタレンズ
５ 輪帯光学系
６ コンデンサレンズ
７ 標本体
８ 対物レンズ
９ 投影光学系
１０ ＣＣＤセンサー
１１ 画像処理流速計
１２ 演算回路
１３ 表示装置

Claims (4)

1. 光源と、
   上記光源からの光束を集光するコレクタレンズと、
   上記コレクタレンズからの光束を円筒型の輪帯光に形成する輪帯光学系と、
   上記輪帯光学系からの光束を集光するコンデンサレンズと、
   上記コンデンサレンズの焦点に設置する標本と、
   上記コンデンサレンズの焦点距離より長い焦点距離を有する対物レンズと、
   上記対物レンズからの像を拡大する投影光学系と、
   上記投影レンズからの像を受光するＣＣＤセンサーと、
   上記ＣＣＤセンサーからの像を画像解析し微粒子の数および移動量を求める画像処理流速計と、
   上記画像処理流速計からの信号を解析し粒子の速度および粒径を求める演算回路と、
   上記画像処理流速計および演算回路から粒子挙動に関する統計量を出力する出力装置を有する暗視野式微粒子計測装置。
2. 光源からの光束をコレクタレンズにて集光する工程と、
   コレクタレンズからの光束を輪帯光学系にて円筒型の輪帯光に形成する工程と、
   輪帯光の光束をコンデンサレンズの焦点に設置した標本に光を集光する工程と、
   コンデンサレンズの焦点距離より長い焦点距離を有する対物レンズで標本体からの散乱光を受光する工程と、
   対物レンズからの像を投影光学系にて拡大し投影する工程と、
   投影光学系からの像をＣＣＤセンサーにて受光する工程と、
   ＣＣＤセンサーからの像を画像処理流速計にて画像解析し微粒子の数および移動量を求める工程と、
   画像処理流速計からの微粒子の数および移動量を演算回路にて解析し粒子の速度および粒径を求める工程と、
   画像処理流速計および演算回路から粒子挙動に関する統計量を表示装置にて表示する工程を有する暗視野式微粒子計測方法。
3. 請求項１または請求項２において
   ブラウン運動に関する次のアインシュタイン・ストークスの関係式、^＊＊
   

   

   を利用して、画像処理流速計により計測した微粒子の移動量と拡散時間を代入して微粒子の直径ｄを算出することを特徴とする暗視野式微粒子測定装置および暗視野式微粒子測定方法。
4. 請求項３において、
   粘性係数が未知の流体中に粒径が既知の微粒子を混入して画像解析する工程と、
   上記微粒子のブラウン運動を解析して流体の粘性係数を算出する工程を有する暗視野式微粒子測定装置および暗視野式微粒子測定方法。

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