JP4455730B2 - 多走査ビーム反射率を用いる粒子評価のための方法および装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、円形経路に沿った光学走査のための装置および方法に関する。特に、１または複数の光ビームを１つのビーム・スポットに集束させ、この共通のビーム・スポットを円形経路に沿って走査させ、このビーム・スポットから後方散乱された光を１または複数の検出器で受光する装置および方法に関する。本発明の応用は、流体媒体中に浮遊される粒子の数と大きさとを分析する方法を含む。
【０００２】
【従来の技術、および発明が解決しようとする課題】
米国特許第４，８７１，２５１号に開示された技術は、流体媒体中に浮遊される粒子の数および大きさを分析するための走査装置の利用を好結果で示している。前記特許に提示された装置を用いて、流体媒体中の個々の粒子から後方散乱された光の存続時間を測定することによって、広範囲の濃度にわたって約１μｍと１０００μｍとの間の大きさの粒子の特性を述べることができる。しかしながら、この特許された装置の実際の使用において、異なる波長の光の同時の照明および後方散乱光の分光の分析が、装置の利用を大いに高めることが見いだされた。
【０００３】
現状の技術水準を決める機器は２種類の群に分けられる。その１つめの光学機器群は、流体媒体中の粒子の総体の化学的分析に関連する（ラマン分光計、近赤外分光計およびその他）。一般に、これらの機器は個々の粒子の分析は不可能であり、個々の粒子の数や大きさを測定できない。２つめの機器群は、光の前方散乱（レーザ回折粒径分析計）によって、または粒子の総体もしくは個々の粒子からの後方散乱光の総量の測定によって、流体媒体中の粒子の大きさおよび／または数を分析する。個々の粒子の化学組成と大きさと数とを同時に測定することは、この群の機器では行えない。本発明は、この制限を克服することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段、および発明の効果】
本発明は、同じ走査スポットに集束される１または複数の独立した照明および受光ビームの使用を可能にする回転走査光学部品のための新規な構造を開示する。この走査スポットは、走査光学部品の回転の軸線と直角な平面上の円形走査経路に沿って走査する。米国特許第４，８７１，２５１号に開示されたことに基づく現装置に優って本発明の新規な構造が有する利点に加え、多くの他の光学走査装置は本発明の構造から恩恵を蒙ることができる。
【０００５】
本発明は、流体媒体中に浮遊される個々の粒子の数と大きさと化学組成とを同時に分析するための装置の構造を可能にする。本発明は、集束レンズの光軸線と平行に集束レンズに入射したすべての光線または光ビームは、集束レンズの光軸線上で集束レンズの焦点に集束されるという事実に基づいている。
【０００６】
本装置の基本的な形において、第１の視準された光ビームは、走査光学部品によって焦点面に集束される。このビームと平行な第２の視準された受光ビームは、同じ光学部品によって同じ焦点スポットへと集束される。２つの視準されたビームは、走査光学部品の光軸線と平行である。走査光学部品は、単一の集束レンズであるか、または入射光を集束させる複数の光学要素を含むものとすることができる。実際の集束レンズまたはレンズ系の使用において、入射光を単一の点に集束させることは不可能である。その代わり、集束ビームがくびれを形成し、最小くびれ直径は集束光学部品の回折限界によって決定される（ボルン、ウォルフ、「光学の原理」）。走査光学部品を通った後の照明および受光ビームの交差部は、測定体積を形成する。この測定体積の大きさは２つの集束ビームのビームくびれの大きさと交差角とによって決定される。
【０００７】
測定体積に入った対象物は第１のビームの光によって照明され、光はあらゆる方向に散乱される。光の一部は第２のビームの径内に入射し検出器へ向けられる。対象物が測定体積外の照明ビームに入った場合、何の光も検出器によって受光されない。
【０００８】
【発明の実施の形態】
走査レンズが該走査レンズの光軸線と平行な軸線の回りに回転されるとき、測定体積は前記回転の軸線と直角な走査平面上の円形経路に沿って走査する。この円形走査経路の半径は走査レンズの光軸線と回転の軸線との間の距離に等しい。走査レンズの角度的位置と無関係に、２つのビームは交差によって測定体積を常に形成する。交差角は円形走査経路に沿ってわずかに変化する。
【０００９】
流体媒体中に浮遊される粒子を分析するために設計された好適な実施例において、２つの視準されたビームを形成する光学部品と走査レンズとはエンクロージャ内に配され、ビームは光学窓を通って流体媒体に入射する。窓の位置は、走査レンズの焦点面がエンクロージャ外の流体媒体中に位置するように選択される。
【００１０】
走査レンズが一定の角速度で回転するとき、測定体積は円形走査経路に沿って一定の接線速度で流体媒体中を走査する。流体媒体中の粒子は無作為な位置で走査経路に入る。測定体積の大きさは、分析される粒子の大きさより小さいものとなされるべきである。流体媒体中に浮遊される粒子が走査経路に入ると、測定体積はその粒子の表面を走査する。走査される粒子の大きさより非常に大きい走査円の直径であるので、粒子１つを走査する経路はほとんど直線である。この経路の長さは、走査測定体積によって粒子が照明される位置に依存し、ほとんどゼロと粒子の表面上の２点間の最長直線距離との間の値である。粒子を走査する経路は弦（chord）と呼ばれる。測定体積が粒子表面を走査する間、粒子から後方散乱された光は受光光学部品に入射し検出器へ案内され、検出器信号は電子的手段により記録される。粒子に対する走査測定体積の相対的速度が既知であれば、走査される弦の長さは、後方散乱光の信号の測定された存続時間を相対的速度に乗じることによって決められる。この作業に好適な電子装置の例は、参考文献として本願に編入した米国特許第４，８７１，２５１号に開示されている。
【００１１】
本装置の応用により、照明ビームは異なる光波長を有するものとすることができる。また、異なる照明または受光の径を導く異なるビーム直径とすることができる。
【００１２】
【実施例】
本発明の理解を深めるために、本発明の原理はただ１つの照明および１つの受光の光線束または光ビームを用いる一実施例によって開示される。また、流体中に浮遊される粒子の数と大きさとを分析するために好適な実施例についても開示される。複数の照明および受光のビームを含む複雑な実施例はその後に記載される。
【００１３】
図１および図２は、レンズ２と該レンズの光軸線ａとを簡略的に示している。第１の光線束１は、光軸線ａと平行であり、光軸線ａ上で焦点スポット３に集束される。第２の光線束４は、同じく光軸線ａと平行であり、光線束１とは異なる位置でレンズに入射するが、同じ焦点スポット３に集束される。平行な光線束が追加される場合、それらはすべて同じ焦点スポットに集束される。図２に示されるように、レンズ２が光軸線ａと平行かつ一直線上にない機械的軸線ｂの回りに回転される場合、すべての光線束は同様に１つの共通の焦点スポット３に集束される。しかしながら、レンズ２を軸線ｂの回りに回転させることによって、焦点スポット３の位置は変化する。焦点スポットは回転の軸線ｂと直角な走査平面上の円形経路ｃに沿って走査する。２が照明光線束である場合、焦点スポットに位置された対象物は光をあらゆる方向に散乱させる。散乱光の一部は、レンズ２によって収集され受光光線束４に視準される。レンズ２は軸線ｂの回りに回転されるので、焦点スポット３は円形走査経路ｃに位置された対象物を走査する。焦点スポットが対象物の１つに当たるときはいつも、光は受光光線束４へ後方散乱される。明らかに、この概念は複数の照明および受光の光線束または光ビームをレンズ２の性質に依存して同じ走査スポットに集束させるという概念に発展する。
【００１４】
図３は、本発明の好適な実施例を示している。光源５好ましくはレーザ・ダイオードからの光は光ファイバ６に送出される。その光は、光を視準照明ビーム１に形成する光学部品７へ案内される。この光ビームは、走査レンズ２によってレンズ２の光軸線ａ上で焦点スポットに集束される。第２の視準光学部品８はビーム４を形成し、レンズ２によって同じく光軸線ａ上で焦点スポットに集束される。ビーム１と４とは交差し、図３ａに拡大して示された測定体積３を形成する。測定体積３に入る粒子は光をあらゆる方向に散乱させる。ビーム４によって形成された径内に入射する後方散乱光は、光学部品８によって受光され、ファイバ９内へと連結される。ファイバ９は、受光した散乱光を光学的信号を電気的信号に変換する検出器１０に案内する。電気的信号は検出器用電子装置１１によって処理される。
【００１５】
図３はまた、視準光学部品７および８として勾配屈折率レンズを示している。他の視準レンズが配されることも可能である。走査レンズ２は、図を容易にするため単純な平凸レンズとして示されている。小さな焦点スポット・サイズそれ故小さな測定体積を達成するため、球面のより正確なレンズ設計を用いることが必要である。可能なこととして、最良形状レンズまたは色消しレンズまたは非球面レンズまたは多元素光学部品を含む。
【００１６】
最後に、図３に示す走査レンズ２は機械的軸線ｂの回りに回転されなければならない。図４は、機械的軸線ｂおよび光軸線ａの可能な位置を示している。走査レンズ２は、回転するレンズとしての重量を減じるため、および、より容易に回転部分の均衡をとるため、より大きなレンズ１２から切り取られる。
【００１７】
図５は、試験用のハウジング１３内に取り付けられた、図３に示す光学部品を示している。ビーム１および４は、試験用の光学窓１４を通り、試験装置の外の流体媒体内に入射する。モータ１５は、走査レンズ２を回転させるためシャフト１６を駆動する。米国特許第４，８７１，２５１号による装置を用いて、光学窓１４の表面に関する測定体積３の正確な位置を調節できることは有益であることが見いだされた。それゆえ、図５は、固定された窓に対してハウジング内で光学部品が動くことを可能にする滑動基部１７上に配された光学部品を示している。
【００１８】
図６ａおよび６ｂは、図３に示された光学部品の三次元な図を示している。円ｃは走査経路を示している。図６ａにおいて、走査レンズ２の可能な回転位置の１つが示されている。走査レンズを軸ｂの回りに約２７０度回転させると、走査レンズ２は図６ｂに示される位置となる。そして照明ビーム１は走査経路ｃの他の部分に集束する。受光光学部品８はこのスポットを観察する。走査レンズ２が軸ｂの回りに連続的に回転されるとき、ビーム１と４との交差部は走査経路１７上のすべての点にわたって走査する。
【００１９】
前記の基本的設計の拡張において、さらに照明および／または受光の光学部品が追加されることが可能である。光軸線ａと平行で走査レンズを通って入射する各視準されたビームは光軸線ａ上で集束され、集束ビームのくびれの一部は他のビームによって形成されたビームくびれと重なる。これらのビームの２つの重なりの各組は特定の測定体積を形成する。走査レンズに対する正確な設計を行うことによって、すべての測定体積は重なることができる。照明ビームが少なくとも２つの異なる波長の光を用いる場合、走査光学部品はすべての測定体積が重なることを保証するように設計された色消しレンズまたは高度色消しレンズであるべきである。複数の異なる照明波長を用いる配置のための可能な応用は、流体媒体中に浮遊される粒子の数と大きさとを分析することはもちろん、分光情報を入手して媒体中の粒子の異種の化学組成についての結論を引き出すことである。受光検出器が分光計である場合、個々の走査された粒子からの分光情報は１つの受光光学部品を通して入手可能または複数の受光光学部品が用いられることが可能で、各光学部品は光を波長フィルタを通して分離検出器に案内する。他に可能なこととして同時の単一粒子ラマン分光法または単一粒子の蛍光分光分析を含む。
【００２０】
回転走査光学部品の他の応用は、共通の回転プリズムまたはミラーが用いられるものを含む。そのような系に関して開示された本発明の利点は、ミラーまたはプリズムの走査器の走査経路が常に円筒表面上にあるので、焦点スポットは平坦な平面上の経路に沿って走査することである。特に、平面窓に隣接する対象物が走査される場合、開示された回転光学走査器は好適である。さらに他の応用は、表面粗さの分析である。干渉計を用いることによって、走査器に用いられる波長の数画分の大きさでの表面粗さが分析可能である。図７は、干渉計装置の例を示している。十分にコヒーレントな光源１９からの視準された光１８は、ビームスプリッタ２０を通って案内され、光ファイバ６に連結される。走査光学部品の配置は、図３に示されているようになっている。走査平面に位置された粗い対象物から後方散乱された光は、収集され、受光の光ファイバ９に連結される。受光された光は、光ファイバ９から送出され、レンズ２１によってビーム２２へ視準される。ビーム２２はビームスプリッタ１９を通って照明ビーム１８の反射部分と干渉する。照明ビーム１８と受光ビーム２２との位相の相対関係に依存して、走査器が回転して測定体積が粗い表面を走査するとき検出器２３は強度の変化する光を受光する。強度変化は、走査される対象物の表面粗さに関する情報を含む。
【００２１】
工業上の適用範囲 本発明は、試料中の粒子の数と粒子の大きさと粒子の化学組成とを含む分析のような静的または動的な流体媒体中に浮遊される粒子の分析の分野における有用性を見いだせる。
【図面の簡単な説明】
【図１】２つのビームを共通の焦点スポットに集束させる本発明に係る集束レンズの斜視図。
【図２】図１のレンズを機械的軸線の回りに回転させたときの斜視図。
【図３】本発明の好適な実施例の断面図で、照明および受光の光学系を示しており、走査レンズは、この２つの光学系に対応するビームを共通の焦点スポットに集束させる。３ａは、図３の焦点スポットの拡大図である。
【図４】走査レンズをより大きなレンズから中心が異なるように切り取る可能な方法を示す図。
【図５】エンクロージャ内に取り付けられた図３の好適な実施例の断面図。
【図６ａ】図３に示す好適な実施例の斜視図。
【図６ｂ】機械的軸線の回りに走査レンズを回転した後の図６に示す好適な実施例の斜視図。
【図７】受光光学系の部分としての干渉計装置の簡略図。
【符号の説明】
１、４ 光線束
２ 走査レンズ
３ 焦点スポット
５ 光源
６、９ 光ファイバ
７、８ 視準光学部品
１０ 検出器
１３ ハウジング
１４ 光学窓
１５ モータ
１６ シャフト
１７ 滑動基部

Claims (16)

1. 実質的に円形な経路に沿って光学走査する光学走査装置であって、
   前記光学走査装置は、機械的基部を有するとともに、
   前記装置の機械的軸線（b）と平行な少なくとも１つの視準された照明ビーム（1）を形成するよう前記機械的基部に配された少なくとも１つの光源および光学系（6, 7）と、
   前記少なくとも１つの視準された照明ビームを走査スポット（3）に集束させるよう前記機械的基部に回転可能に取り付けられた走査光学部品（2）と、
   前記回転の軸線が前記機械的軸線と同軸であり、前記走査光学部品（2）が、前記走査光学部品（2）の回転時に前記走査スポット（3）が前記機械的軸線（b）と直角な走査平面上の円形走査経路に沿って走査するよう、前記機械的軸線（b）と平行かつ非同軸な光軸線（a）を有していることと、
   前記走査スポット（3）に置かれた対象物から後方散乱された光を前記走査光学部品（2）を介して受光するよう前記機械的基部に配されるとともに、前記後方散乱光を受光し該受光した光の特性に比例する信号を発生する配された検出器（10, 11）に作動可能に連結された少なくとも１つの受光光学系（8, 9）と、
   から成る光学走査装置において、
   前記受光光学系（8, 9）は、前記装置の前記機械的軸線（b）と平行であり、かつ、前記照明ビーム（1）の光軸線と一直線上にない光軸線を有することを特徴とする光学走査装置。
2. 前記走査光学部品（2）は、既知の角速度でモータ（15）によって前記機械的軸線（b）を中心として回転する、請求項１に記載の装置。
3. 前記走査光学部品（2）は、１またはそれ以上の集束光学要素を含む、請求項１又は２に記載の装置。
4. 前記少なくとも１つの受光光学系（8, 9）は、１またはそれ以上の波長の光を選択的に受光する光学フィルタを含む、請求項１に記載の装置。
5. 前記走査光学部品（2）は、原光学要素をその中心から外れて切り取られた集束光学要素から成る、請求項１に記載の装置。
6. 前記少なくとも１つの光源（5）、前記光学系（6, 7）、前記走査光学部品（2）および前記少なくとも１つの受光光学系（8, 9）を囲むハウジング（13）と、前記走査経路（c）が前記ハウジング（12）の外部の平面上に位置させる光学窓（14）と、を更に含む、請求項１に記載の装置。
7. 前記光学窓（14）は、前記走査経路（c）の平面と共通な面上にある、請求項６に記載の装置。
8. 前記光学窓（14）と前記走査経路（c）の平面との間の距離は調整可能である、請求項６に記載の装置。
9. 前記装置の前記機械的軸線（b）と平行な、個々に視準された複数の照明ビーム（1）を形成するため、複数個の前記光源（5）および前記光学系（6, 7）が前記機械的基部に配されており、
   前記走査光学部品（2）は、前記集束された照明ビーム（1）の個々を１つの共通の走査スポット（3）に集束させるよう前記機械的基部に回転可能に取り付けられており、
   前記受光光学系（8, 9）は、前記走査スポット（3）に位置する前記対象物からの前記後方散乱光を前記走査光学部品（2）を介して受光するため前記機械的基部に複数個設けられており、各受光光学系（8, 9）は、前記装置の前記機械的軸線（b）と平行でありかつ前記照明ビームの前記光軸線と一直線上にない光軸線を有するとともに、前記後方散乱光を受光してこの受光した光の特性に比例した信号を発生する前記検出器（10, 11）に作動可能に連結されている、請求項１乃至９のいずれか１項に記載の装置。
10. 前記角速度は一定である、請求項９に記載の装置。
11. 前記集束光学要素の１つは非球面レンズである、請求項９に記載の装置。
12. 前記複数の光源（5）の少なくとも１つは単一波長の光を放出する、請求項９に記載の装置。
13. 面積または体積を走査するための方法であって、
    ａ）少なくとも１つの視準された照明ビーム（1）を機械的基部によって形成される機械的軸線（b）と平行に形成するよう少なくとも１つの光源（5）および光学系（6, 7）を前記機械的基部に取り付けること、
    ｂ）各視準された照明ビーム（1）を１つの共通の走査スポット（3）に集束させるよう前記機械的基部に回転可能に走査光学部品（2）を取り付けること、
    ｃ）前記走査スポット（3）に位置する対象物から後方散乱された光を前記走査光学部品（2）を介して受光するよう少なくとも１つの受光光学系（8, 9）を前記機械的基部に取り付けること、を含み、
    前記回転の軸線は前記機械的軸線（b）と同軸であり、前記走査光学部品（2）は、前記走査光学部品（2）が回転されるとき前記共通の走査スポット（3）が前記機械的軸線（b）と直角な走査平面上の円形走査経路（c）に沿って走査するよう前記機械的軸線（b）と平行かつ非同軸な光軸線（a）を有し、
    前記受光光学系（8, 9）は、前記後方散乱光を受光し該受光した光の特性に比例する信号を発生するように配された検出器（10, 11）に作動可能に連結されている、走査方法において、
    前記少なくとも１つの受光光学系（8, 9）は、その光軸線が前記装置の前記機械的軸線（b）と平行となり、かつ、前記照明ビーム（1）の光軸線と一直線とならないように取り付けられていることを特徴とする走査方法。
14. 前記走査光学部品（2）に作動可能に連結されたモータ（15）によって前記走査光学部品（2）を回転させることを含む請求項１３に記載の方法。
15. 前記走査光学部品（2）は、最良形状レンズと、色消しレンズと、非球面レンズと、多元素光学部品と、で構成される群より選択される、請求項１３に記載の方法。
16. 前記照明ビームは複数の波長を用い、前記検出器（10, 11）は分光計である、請求項１３に記載の方法。

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