JP2010078469A - 粒子物性測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光検出手段が単一の構成でありながらも測定精度を担保でき、しかも光学素子の数を可及的に減少させてコストアップの抑制や調整箇所の低減を図ることが可能な粒子物性測定装置を提供する。
【解決手段】
照射光学系機構２として入射側偏光子２４及び入射側１／４波長板２５を有するとともに、受光光学系機構３としてセル４を中心に複数の角度位置に回転可能な出射側１／４波長板３３及び出射側偏光子３４を有する粒子物性測定装置１において、光路上に変更状態を変化さセル４ことのない減光手段２３を設け、各測定位置での検出光強度が光検出手段３１の測定レンジ内に収まるように、減光手段２３による減光率を制御するようにした。
【選択図】図１

Description

この発明は、セル中に分散させた粒子（又は粒子群）のアスペクト比や凝集度などの粒子形状あるいは粒子径分布等に係る物性を測定することができる粒子物性測定装置に関するものである。

近時、多様な形状を有する微小粒子に対する産業界の需要が高まり、微小粒子の粒径や形状など物性を詳細に計測することへの市場のニーズが高まっている。

例えば、特許文献１には、偏光を利用した散乱光測定によって微小粒子に係る特定の物性を測定するものが提案されている。

この特許文献１記載の装置は、セル中に分散させた粒子に対して偏光させた光を照射し、その散乱光の偏光を受光側で検出することによって、粒子の形状を測定するものである。この装置によれば、光源からセルに至るまでの光路上に、図１に示すように、凸レンズ１３、偏光子３２、１/２波長板３３、１/４波長板３４の順で光学素子が配設されているとともに、受光素子の前には、１/２波長板３５、偏光子３６、凸レンズ１７の順に光学素子が配設されている。

ところで、散乱光測定では、異なる角度で散乱する複数の散乱光の強度を検出するために複数の受光素子を設けるが、この特許文献１では、受光光学系機構がセルを中心に回転可能な構成になっており、単一の受光素子で角度の異なる散乱光強度を検出できるようにしてある。
ＵＳ６，７２１，０５１

しかしながら、この種の粒子物性測定装置では、散乱光の角度と偏光方向によって、非常に強い散乱光から非常に弱い散乱光まで、極めて強度レンジの広い散乱光が発生し得るため、特許文献１のような単一の受光素子構成ではその強度レンジをカバーできない場合がある。また、特許文献１記載の装置は、偏光等に係る光学素子が多く用いられているため、コストアップの要因となる上に、透過率の低下や迷光の発生、或いは調整箇所の増加等、不測の不具合が多く生じ得る。

そこで本発明は、受光素子（光検出手段）が単一の構成でありながらも測定精度を担保でき、しかも光学素子の数を可及的に減少させてコストアップの抑制や迷光、調整箇所の低減等を図ることが可能な粒子物性測定装置を提供すべく図ったものである。

すなわち本発明に係る粒子物性測定装置は、分散媒中に微小な粒子を分散させた試料を収容する透明セルと、光源、並びにこの光源から射出された一次光が前記セルに至るまでの光路上に順に設けられた入射側偏光子及び入射側１／４波長板を有する照射光学系機構と、受光した光の強度を検出する光検出手段、並びに前記セル中の粒子で散乱した二次光が前記光強度検出手段に至るまでの光路上に順に設けられた出射側１／４波長板及び出射側偏光子を有し、前記セルを中心に回転可能に支持された受光光学系機構と、前記一次光又は二次光を偏光状態を変化させることなくかつ減衰率を変更可能に減光する減光手段と、前記受光光学系機構を複数の回転角度位置に制御するとともに、各回転角度位置において前記出射側偏光子の偏光角度を複数の角度に制御する角度制御部と、前記各回転角度位置での各偏光角度それぞれにおける検出光強度が前記光検出手段の測定レンジ内に収まるように、前記減光手段による減光率を制御する減光率制御部と、前記各回転角度位置での各偏光角度それぞれにおける減光率及び減光後における検出光強度に基づいて前記粒子の物性を算出する物性算出部とを具備していることを特徴とする。

このようなものであれば、低濃度や微小粒子でも測定可能なように、低光強度を検出できる感度の高い光検出手段を用いながらも、強い光に対しては、当該光検出手段に適した光強度となるように減光手段による適切な減光を行うことができるため、単一の光検出手段を用いて広いレンジに亘る精度の高い物性測定を行うことができる。また、偏光を制御する光学素子は入射側、出射側ともに１／４λ板と偏光子の２つだけであり、しかも測定のために回転するのは出射側の偏光子、入射側、出射側の１／４λ板だけであることから、調整箇所を可及的に低減して操作性や測定精度を向上させることができる。さらに透過率の低下や迷光発生を未然に防止することも可能となる。

測定可能な具体的物性としては、粒子のアスペクト比や凝集度などの粒子形状に係る物性値を挙げることができる。

減光手段は、減光率を無段階連続的に変えうるものでも構わないが、実際には複数段階に減光率を変更可能であればよい。そのためには、前記減光手段が、それぞれ異なる減光率の複数のＮＤフィルタと、これらＮＤフィルタのいずれかを前記一次光又は二次光の光路上に選択的に挿入するフィルタ変更機構とを具備したものであることが好ましい。

具体的なフィルタ変更機構としては、周縁部に複数のＮＤフィルタを並び設けた回転保持板を具備し、回転保持板を回転させることによって、いずれかのＮＤフィルタが前記一次光又は二次光の光路上に位置するように構成したものを挙げることができる。

透過光強度をも前記受光光学系機構で測定できるようにして、光学系機構の簡単化を図るには、前記受光光学系機構を、セルを透過する一次光の延長線上に配置可能にして、セルを透過した透過光の強度を、前記光検出手段によって測定できるようにしたものが望ましい。

本発明によれば、粒子の形状測定に用いる照射光学系機構及び受光光学系機構をそのまま用いて、粒子径分布を測定することもできる。その場合、受光光学系機構の角度位置を変えて複数の角度における散乱光（二次光）の強度分布を測定することで、粒子径分布を算出する静的粒子径分布測定方法を適用することもできるし、前記光検出手段で検出された光強度の揺らぎに基づいて粒子径分布を算出する動的粒子径分布測定方法を適用することもできる。動的粒子径分布測定方法であれば、基本的には受光光学系機構の角度位置を変える必要はないうえ、検出した二次光のフォトン数の時系列変化から自己相関を求める光子相関法を用いて粒子径分布を測定するようにすれば、参照光学系も不要となることから、無理なく粒子径分布を測定することができるようになる。

動的粒子径分布測定方法を適用する場合、濃度が変化しても測定精度を担保できるようにするには、前記試料における粒子濃度に応じて前記受光光学系機構の回転角度位置を変更するように構成しておけば、なおよい。

このような構成の本発明によれば、光強度の検出時に減光手段による適切な減光を行うことによって、単一の光検出手段でありながらも広いレンジに亘る精度の高い物性測定を行うことができる。また、必要となる光学素子が少ないことから、透過率の低下や迷光発生などを防止できるうえ、測定のために回転駆動する光学素子も出射側の偏光子だけで済むことから、調整箇所を可及的に低減して操作性や測定精度を向上させることができるようになる。

以下、本発明の一実施形態を図面を参照して説明する。

本実施形態に係る粒子物性測定装置は、分散媒中に分散させた微小粒子に偏光させた光を照射し、その散乱光における強度の角度分布や偏光の保存度を計測することによって、粒子の縦横比、凝集度等の形状に係る物性を測定するものである。
図１に、この粒子物性測定装置１の全体概要を模式図にして示す。同図中、符号２は、試料を収容した透明セル４に一次光であるレーザ光Ｌ１を照射する照射光学系機構であり、符号３は、微小粒子Ｓからの二次光、すなわち散乱光Ｌ２を受光する受光光学系機構である。

セル４は、図２に示すように、内部に分散媒中に微小粒子Ｓを分散させた試料を収容することができる、例えば中空円柱状をなすものである。なお、この実施形態ではこのセル４を一定温度に保つことのできる温度調整機構（図示しない）を設けている。

照射光学系機構２は、光源たる半導体レーザ２１と、この半導体レーザ２１から射出されたレーザ光Ｌ１を通過させてセル４に導く複数の光学素子からなる。しかしてこの実施形態では、前記光学素子として、凸レンズ２２、減光手段２３、偏光子２４（以下、入射側偏光子２４とも言う）、１／４波長板２５（以下、入射側１／４波長板２５とも言う）、凸レンズ２６を、半導体レーザ２１から見てこの順で並び設けている。

前記減光手段２３は、図２に示すように、減光率の異なる複数枚のＮＤフィルタ２３１と、該ＮＤフィルタ２３１を保持するフィルタ変更機構２３２とから構成してある。ＮＤフィルタ２３１は、偏光状態を変化させることなく光を減衰させる板状のものである。フィルタ変更機構２３２は、前記複数のＮＤフィルタ２３１を周縁部に保持する回転保持板２３２ａと、この回転保持板２３２ａを回転駆動する図示しないモータとからなるものである。そして、前記回転保持板２３２ａをその中心周りに回転させることによって、いずれかのＮＤフィルタ２３１がレーザ光Ｌ１の光路上に位置するように設定してある。

また、この照射光学系機構２には、光路を曲げるための複数の反射ミラー２７が偏光子よりも半導体レーザ２１側に設けてある。これは、反射ミラー２７が光の偏光方向を変化させるからであり、偏光方向が確定した後、つまり、入射側偏光子２４からセル４に至るまでのレーザ光Ｌ１の光路上には、反射ミラー２７などの偏光方向を変化させうる部材は設けないようにしている。

一方、受光光学系機構３は、図１、図２に示すように、受光した光の強度を検出する光検出手段３１と、微小粒子Ｓで散乱した二次光である散乱光Ｌ２を、セル４から前記光検出手段３１に導く複数の光学素子とからなるものであり、この実施形態では前記光学素子として、凸レンズ３２、１／４波長板３３（以下、出射側１／４波長板３３とも言う）、偏光子３４（以下、出射側偏光子３４とも言う）、凸レンズ３５を、セル４から見てこの順で並び設けている。前記光検出手段３１は、受光した光のフォトン数（あるいはフォトン数に比例した電圧値等のフォトン数関連値）を出力するタイプのものである。前記出射側偏光子３４は、光軸を中心に図示しないモータ等によって回転可能に構成してあり、１／４波長板を通過した散乱光Ｌ２の異なる偏光方向成分を複数抽出できるようにしてある。

また、この受光光学系機構３は、セル４を中心に回転可能な構造にしてある。具体的には、前記光検出手段３１や各光学素子を基板３６によって一体的に支持させ、この基板３６を、図示しない支軸や円弧状レールからなる回転支持機構によって、セル４を中心に回転可能に支持させている。

図１における符号５は、前記受光光学系機構３の回転角度位置や、出射側偏光子３４の光軸周りの回転角度、すなわち偏光角度を制御するとともに、光検出手段３１による検出光強度に基づいて形状の解析等を行う情報処理装置である。この情報処理装置５は、ＣＰＵやメモリ、Ａ／Ｄコンバータ等を具備したものであり、前記メモリに記憶させたプログラムに従ってＣＰＵやその周辺機器を協働させることによって、後述する角度制御部５１、減光率制御部５２、物性算出部５３、粒子径分布算出部５４等としての機能を発揮するように構成している。

次に、この粒子物性測定装置１の動作を、図３のフローチャートを参照しながら、前記情報処理装置５における各部の動作説明を兼ねて詳述する。

まず最初は、この情報処理装置５により、ダーク測定が行われる（ステップＳ１）。ダーク測定とは無光状態での光検出器による光強度検出値を取得することである。ここでは、前記回転保持板２３２ａを駆動してＮＤフィルタ２３１の無い領域をレーザ光Ｌ１の光路上に位置づけることにより、この回転保持板２３２ａを遮光板として機能させる。そして、この状態で、光検出手段３１からの信号を受信して、無光状態での光強度検出値を取得する。なお、この実施形態では、一定ゲート時間内にカウントされるフォトン数を計測することによって光強度を検出するようにしている。

次に、オペレータによる分散媒セットを確認した後（ステップＳ２）、情報処理装置５は、ブランク測定を行う（ステップＳ３〜Ｓ８）。ブランク測定とは、粒子が存在しない分散媒だけの状態で、光検出器による光強度検出値を取得することである。ここでは、受光光学系機構３を複数の角度位置（例えば１０°〜１６２°まで４°刻み）に設定するとともに、各角度位置において、それぞれ出射側偏光子３４を複数の角度（例えば１５°刻みで６角度。なお、予め定めた基準角度を０°とする。この基準角度は、半導体レーザ２１の元来の偏光角度とほぼ合致させてある。）に設定し、それら各角度でのブランク測定を行う。つまり、受光光学系機構３及び出射側偏光子３４の段階的な回転によって、複数角度の散乱光における複数の偏光成分の光強度をそれぞれ測定する。また、前記受光光学系機構３は、図１に示すように、照射光学系機構２と正対してレーザ光Ｌ１の光軸と重なる位置、つまり受光光学系機構３がセル４を透過したレーザ光Ｌ１を測定できる位置（この角度位置を０°とする）まで回転できるようにしてあり、ブランク測定では、受光光学系機構３の角度位置を０°にすることで、透過光強度をも測定する。なお、これら各光強度の測定においては、前述したように、一定ゲート時間内にカウントされるフォトン数を計測するが、そのフォトン数が光検出手段３１の測定レンジを超えて飽和していると判断された場合には、前記回転保持板２３２ａを回転させて、フォトン数が光検出手段３１の測定レンジ内に収まるように、より減光率の高いＮＤフィルタ２３１をレーザ光Ｌ１の光路上に位置づける。

次に、本測定が行われる。すなわち、オペレータ等が、粒子を分散させた試料をセル４に入れ、スタートのボタンを押す等すると（ステップＳ１０）、情報処理装置５はレーザをＯＮする（ステップＳ１１）とともに、検出光強度が光検出手段３１の測定レンジ内に収まるように、前記回転保持板２３２ａを回転させて、ＮＤフィルタ２３１のいずれかをレーザ光Ｌ１の光路上に位置づける（ステップＳ１２）。そして偏光子を基準角度に設定するとともに前記受光光学系機構３を０°の角度位置に設定する（ステップＳ１３、Ｓ１４）。そして、そのときの透過率を以下の式に基づいて算出する（ステップＳ１５）。
透過率＝（１／ＮＤフィルタ２３１の減光率）×試料での検出光強度／ブランクでの検出光強度

この透過率から、測定可能濃度を超えた濃度であると判断した場合（ステップＳ１６）には、濃度が高すぎる旨を表示出力し、オペレータに濃度調整を促す。

一方、測定可能濃度であると判断した場合（ステップＳ１６）には、ブランク測定と同様に、受光光学系機構３及び出射側偏光子３４の段階的な回転によって、複数角度の散乱光における複数の偏光成分の光強度を、適宜減光率を制御調整しながらそれぞれ測定する（角度制御部５１及び減光率制御部５２としての機能、ステップＳ１７〜Ｓ２１）。

そして、レーザ２１をオフするなど各部を初期状態に戻す（ステップＳ２２、Ｓ２３）とともに、受光光学系機構３の各回転角度位置及び出射側偏光子３４の各偏光角度でそれぞれ測定されたブランク測定での検出光強度及び粒子による検出光強度、各測定での減光率等に基づいて、粒子の形状、特に縦横比（アスペクト比乃至凝集度）に係る分布を算出する（物性算出部５３としての機能、ステップＳ２４）。

加えて本実施形態では、同一の光学系機構を用いて動的光散乱法による粒子径分布をも測定できるように構成してある。粒子径分布の算出は前記情報処理装置５が行う（粒子径分布算出部５４としての機能）。ここでは、光子相関法、すなわち受光したフォトン数の時系列データから自己相関データを生成し、当該自己相関データに基づいて所定の演算処理を行うことにより前記粒子群の粒径分布を算出するようにしている。

なお、粒子径（粒子径分布）を測定する際の散乱光の好適な位置（角度）は試料の濃度によって変わることから、アスペクト比及び／又は凝集度を測定する際に算出された試料の光透過率に従い、透過率が高い（試料の濃度が低い）ときはレーザ光Ｌ１と直交する光路、つまり９０°の散乱光を受光し、透過率が低い（試料の濃度が高い）ときは、それよりも後方、つまり９０°を超えた角度の散乱光を受光するように、情報処理装置５が受光光学系機構３の角度位置を制御する。

しかして、このように構成した粒子物性測定装置１によれば、光学系の簡単化によってコスト低減を促進でき、また透過率の低下や迷光の発生を抑制することができる。

また、フォトンをカウントすることから測定感度が向上するので、微量、微小粒子の測定精度を向上させることができる。一方、測定感度が向上する分、高い強度の光を検出できず、測定レンジが小さくなりがちであるが、ＮＤフィルタによって、減光することで広い測定レンジを確保できる。

さらに、セルを温度調整できるので、生体物質やポリマーなど、温度によって大きさや形状が変化する粒子を、安定して測定することができる。

また、例えば１００ｎｍ以下の粒子のように散乱光の角度分布では粒子径測定が難しい粒子でも、動的光散乱法によって粒子径を測定することができ、しかもその測定に前記形状測定と共通の光学系機構を用いることができる。

なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。
例えば、減光手段は一次光及び二次光の光路上であれば、どの部位に挿入しても構わない。
その他、本発明はその趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。

本発明の一実施形態に係る粒子物性測定装置の概要を示す模式的全体図。 同実施形態における減光手段を特に示す模式的斜視図。 同実施形態における粒子物性測定装置の動作を示すフローチャート。

符号の説明

１・・・粒子物性測定装置
Ｌ１・・・一次光（レーザ光）
Ｌ２・・・散乱光（散乱光）
２・・・照射光学系機構
２１・・・光源（半導体レーザ）
２３・・・減光手段
２３１・・・ＮＤフィルタ
２３２・・・フィルタ変更機構
２３２ａ・・・回転保持板
２４・・・入射側偏光子
２５・・・入射側１／４波長板
３・・・受光光学系機構
３１・・・光検出手段
３３・・・出射側１／４波長板
３４・・・出射側偏光子
４・・・セル
５１・・・角度制御部
５２・・・減光率制御部
５３・・・物性算出部
５４・・・粒子径分布算出部

Claims (7)

1. 分散媒中に微小な粒子を分散させた試料を収容する透明セルと、
   光源、並びにこの光源から射出された一次光が前記セルに至るまでの光路上に順に設けられた入射側偏光子及び入射側１／４波長板を有する照射光学系機構と、
   受光した光の強度を検出する光検出手段、並びに前記セル中の粒子で散乱した二次光が前記光強度検出手段に至るまでの光路上に順に設けられた出射側１／４波長板及び出射側偏光子を有し、前記セルを中心に回転可能に支持された受光光学系機構と、
   前記一次光又は二次光を偏光状態を変化させることなくかつ減衰率を変更可能に減光する減光手段と、
   前記受光光学系機構を複数の回転角度位置に制御するとともに、各回転角度位置において前記出射側偏光子の偏光角度を複数の角度に制御する角度制御部と、
   前記各回転角度位置での各偏光角度それぞれにおける検出光強度が前記光検出手段の測定レンジ内に収まるように、前記減光手段による減光率を制御する減光率制御部と、
   前記各回転角度位置での各偏光角度それぞれにおける減光率及び減光後における検出光強度に基づいて前記粒子の物性を算出する物性算出部とを具備していることを特徴とする粒子物性測定装置。
2. 前記物性算出部が、粒子のアスペクト比や凝集度などの粒子形状に係る物性値を算出するものである請求項１記載の粒子物性測定装置。
3. 前記減光手段が、それぞれ異なる減光率の複数のＮＤフィルタと、これらＮＤフィルタのいずれかを前記一次光又は二次光の光路上に選択的に挿入するフィルタ変更機構とを具備したものである請求項１記載の粒子物性測定装置。
4. 前記フィルタ変更機構が、周縁部に複数のＮＤフィルタを並び設けた回転保持板を具備したものであり、回転保持板を回転させることによって、いずれかのＮＤフィルタが前記一次光又は二次光の光路上に位置するように構成してある請求項２記載の粒子物性測定装置。
5. 前記受光光学系機構を、セルを透過する一次光の延長線上に配置可能にして、セルを透過した透過光の強度を前記光検出手段によって測定できるように構成している請求項１乃至４いずれか記載の粒子物性測定装置。
6. 前記光検出手段で検出された光強度の揺らぎに基づいて粒子径分布を算出する粒子径分布算出部をさらに具備している請求項１乃至５いずれか記載の粒子物性測定装置。
7. 前記角度制御部が、粒子径分布算出部による粒子径分布測定時に、前記試料における粒子濃度に応じて前記受光光学系機構の回転角度位置を変更する請求項６記載の粒子物性測定装置。