JP5086958B2 - 粒子物性測定装置 - Google Patents

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粒子の形状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レーザ光などの偏光させた一次光を照射し、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。

特にこの特許文献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。このような構成であれば、部品点数の削減を促進できるとともに、受光素子での器差がそもそも発生しないという利点がある。

ところで、セルの中央で一次光が照射する光束と受光側の検出角度の光束との交わりの部分が散乱体積と呼ばれる部分で、この散乱体積に相当する径のピンホールを検出器前に配置して散乱光のみを受光することが、この種の粒子物性装置では行われている。これは、高いＳ／Ｎ比での測定を可能とするためである。

前述の特許文献１を例に挙げれば、受光素子の前に、ピンホール１９、１/２波長板３５、偏光子３６、凸レンズ１７、ピンホール３１の順に光学素子が配設されている。

ところで、通常の散乱光測定では、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。このような構成であれば、部品点数の削減を促進できるとともに、受光素子での器差がそもそも発生しないという利点がある。
ＵＳ６，７２１，０５１

しかしながら、受光光学系機構を回転可能とするには、実際にはレールや回転板などの機械的な機構支持部品が必要となり、多少はあるにせよ、受光光学系機構そのものが機械的な誤差の影響を受けざるを得ない。

そのために、受光系光学系機構を回転させて測定したときに、各測定角度位置において、ピンホールに対する二次光の光束の位置がそれぞれ異なってしまい、各測定角度位置での検出光量がばらつくという問題点がある。

そこで本発明は、単一の受光素子（光検出手段）を回転させて測定する構成でありながらも、各測定角度位置での光量ばらつきを抑えることができ、Ｓ／Ｎ比を高く保って測定精度を担保できる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、前記受光光学系機構をセルを中心に回転させて複数の測定角度位置に制御するとともに、各測定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、前記各測定角度位置での検出光強度の補正パラメータをそれぞれ記憶している補正パラメータ記憶部と、前記各測定角度位置での各偏光角度それぞれにおける検出光強度である試料検出光強度及び前記補正パラメータに基づいて前記粒子の形状に係る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、各測定角度位置ごとに補正パラメータをそれぞれ定めていることから、各測定角度位置の機械的な誤差による光量ばらつき等を前記各補正パラメータを用いてそれぞれ修正することができるため、粒子の形状に係る物性を精度良く測定することができる。また、特に複雑な機構を必要とせず、簡単な構成での実現が可能となる。

補正パラメータとしては、無粒子状態にしたセルに一次光を照射して、前記各測定角度位置で取得した検出光強度を用いればよい。このようなものであれば、試料測定の都度、補正パラメータを更新するようにして、経時変化等にも対応できるようにすることも容易にできる。

一方、ピンホールに対する二次光の光束の位置ずれを可及的に小さくして各測定角度位置での検出光量のばらつきをそもそも抑制するには、受光光学系機構において、その回転面と垂直な方向に延びるスリットを光検出手段の前方に設けておけばよい。前述した各測定角度位置での実際の機械的なずれは、受光光学系機構の回転面と垂直な方向に現れることから、上述したスリットであれば機械的なずれによっても確実に散乱光を通過させることができるからである。

単一の光検出手段を用いながらも広いレンジに亘って粒子の物性を精度よく測定できるようにするには、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光量を変更可能に減光する減光手段と、前記各測定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をさらに具備しているものが望ましい。

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。

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。

このような構成の本発明によれば、各測定角度位置ごとに補正パラメータをそれぞれ定めていることから、各測定角度位置の機械的な誤差による光量ばらつき等を前記各補正パラメータを用いてそれぞれ修正することができるため、粒子の形状に係る物性を精度良く測定することができる。また、特に複雑な機構を必要とせず、簡単な構成での実現が可能となる。

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、分散媒中に微小粒子Ｓを分散させた試料を内部に収容することができる、例えば中空円柱体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、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。

この実施形態での前記光学素子は、セル４から見てこの順で並び設けた凸レンズ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、スリット３７である。

前記光検出手段３１は、受光した光のフォトン数を出力するタイプのものであり、例えば光電子倍増管をここでは用いている。

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３３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。

前記スリット３７は、当該受光光学系機構３の回転面と垂直に延びる帯状のものであり、このスリット３７の幅は、前述した散乱体積に相当する寸法に設定してある。また、その長さは幅寸法よりも大きく、機械的な誤差等によって生じる散乱光の位置ずれを吸収して散乱光がスリット３７をほぼ通過できる最小限の寸法に設定してある。

図１における符号５は、前記受光光学系機構３の測定角度位置や、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、試料と分散媒は同じであるが粒子が存在しないサンプルをセル４に収容し、その状態で、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。このブランク測定での各検出光強度が、後述する試料測定での検出光強度を補正するための補正パラメータである。このブランク測定による検出光強度はメモリに設定した補正パラメータ記憶部５５に格納される。

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（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、試料測定が行われる。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、ブランク測定時と同様、光検出手段の測定レンジ内となるように、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の各測定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、試料測定時における検出光強度、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）。

ここで、ブランク測定における検出光強度に基づいて、試料測定時における検出光強度を補正する演算の一例につき述べておく。本来は全て同じ値が見込まれるべきブランク測定での各検出光強度にばらつきがある場合、その要因は受光光学系機構３の回転によるスリット３７と散乱光との各測定角度位置ごとのずれに起因すると考えられる。したがって、ブランク測定での各検出光強度のうちから最大値を抽出しておき、その最大値に対するブランク測定での各検出光強度の比率を、試料測定時において対応する検出光強度に対して乗算することで補正する。

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が、散乱光をＤＣ値で測定するなど、その他の方法でも構わない。

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、各測定角度位置における各偏光角度ごとに補正のためのブランク測定を行い、その測定結果から各測定角度位置での機械的な誤差による光量ばらつき等をそれぞれ修正するようにしているため、単一の光検出手段３１であっても、粒子の形状に係る物性を精度良く測定することができる。

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、この点からも精度良い測定に寄与し得る。

加えて、単一の光検出手段３１で測定できることから、コスト削減にも資するうえ、前記形状測定と光学的ハードウェアを共用しながら、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るという大変顕著な効果をも奏する。

さらに、セル４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。

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、前記実施形態では、各測定角度位置における各偏光角度ごとに補正のためのブランク測定を行ったが、偏光角度ごとにブランク測定はせずに、各測定角度位置だけブランク測定するようにしてもよい。
また、試料測定の都度ブランク測定をする必要はなく、同種の試料あるいは分散媒であれば、予めブランク測定したデータを補正パラメータ記憶部に登録しておき、その補正パラメータ記憶部に登録された値を用いて試料測定時の各検出光強度を補正するようにしても良い。

さらに、補正の演算手法は他にも考えられるのはもちろんである。
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・・・二次光（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
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
５５・・・補正パラメータ記憶部

Claims (5)

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、
   前記受光光学系機構をセルを中心に回転させて複数の測定角度位置に制御するとともに、各測定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、
   前記各測定角度位置において、前記出射側偏光子の偏光角度を複数の角度としたときの検出光強度の補正パラメータをそれぞれ記憶している補正パラメータ記憶部と、
   前記各測定角度位置での各偏光角度それぞれにおける検出光強度である試料検出光強度及び前記補正パラメータに基づいて前記粒子の形状に係る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. 無粒子状態にしたセルに一次光を照射して、前記各測定角度位置において、前記出射側偏光子の偏光角度を複数の角度としたときの検出光強度をそれぞれ取得するとともに、該検出光強度を前記補正パラメータとして用いるようにしている請求項１記載の粒子物性測定装置。
3. 前記受光光学系機構が、光検出手段の前方に配置したスリットをさらに具備し、該スリットを通過した二次光を前記光検出手段によって受光するように構成したものであって、前記スリットが、当該受光光学系機構の回転面と垂直な方向に延びるものである請求項１又は２記載の粒子物性測定装置。
4. 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光量を変更可能に減光する減光手段と、
   前記各測定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をさらに具備している請求項１乃至３いずれか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。