JP7205276B2 - 分析装置 - Google Patents

Description

本発明は、分析装置に関する。

気体中に含まれる粒子の分析装置が知られている。分析装置は、レーザ光の照射領域を粒子が通過した時に発生する散乱光および白熱光の一方または両方を検出する。分析装置は、検出結果に基づいて、粒子の数、大きさ、および質量濃度等を分析する（例えば、特許文献１参照）。ブラックカーボン粒子については、レーザ光の照射領域を通過する時に、炭素が昇華して粒子が縮小または消滅することに起因して、散乱光が時間によって変化する。したがって、分割された検出素子によって得られた検出信号の情報から、散乱光の信号を補正する技術が提案されている（非特許文献１）。

分析精度を高めるためには、粒子が、レーザ光の照射領域の中心を通過することが望ましい。例えば、特許文献２に示される装置は、２重ノズル構造を用いてガイドエア（シースエア）を用いて粒子の流路を絞る、流路を限定することによって、粒子がレーザ光の照射領域の中心付近を通過する。しかしながら、２重ノズル構造を用いても絞り込める粒子流路の幅には限界がある。レーザ光の光強度は照射領域内で一様ではなく、中心が周辺より高い。したがって、粒子がレーザ光の照射領域を通過する位置が粒子ごとに異なる場合には、粒子ごとにレーザ光の照射領域を通過する場合に経験するレーザ光強度が異なる。この結果、測定精度が影響を受ける。
［先行技術文献］
［特許文献］
［特許文献１］ 特開２０１２－８８１７８号公報
［特許文献２］ 特開２０１２－１８９４８３号公報
［非特許文献］
［非特許文献１］ Gao et al., Journal of Aerosol Science, 41:2, 125-135頁, 2007年

分析装置は、レーザ光の照射領域を通過する位置が粒子ごとに異なることの影響を軽減することができることが望ましい。

本発明の第１の態様においては、分析装置を提供する。分析装置は、粒子がレーザ光を散乱することによって生じた散乱光に基づいて、粒子を分析してよい。分析装置は、散乱光を検出する第１検出部を備えてよい。分析装置は、第２検出部を備えてよい。第２検出部は、検出領域が設けられてよい。検出領域は、散乱光によるスポット像が受光面において予め定められた距離を移動することを検出してよい。分析装置は、算出部を有してよい。算出部は、第１検出部による検出結果と第２検出部による検出結果とから、レーザ光の照射領域内を粒子が通過した距離を算出してよい。

算出部は、第１算出部および第２算出部を備えてよい。第１算出部は、第１検出部による検出結果から、レーザ光の照射領域内を粒子が通過するのに要した時間を算出してよい。第２算出部は、第２検出部による検出結果から、粒子の速度を算出してよい。算出部は、照射領域内を粒子が通過するのに要した時間と、粒子の速度とから、レーザ光の照射領域内を粒子が通過した距離を算出してよい。

検出領域は、第１検出部よりも粒子の進行方向における幅が狭くてよい。

検出領域は、光を電気信号に変換する光電変換領域であってよい。検出領域は、光を電気信号に変換する２つの光電変換領域に挟まれた不感帯であってよい。第２検出部は、光を電気信号に変換する複数の光電変換領域と複数の不感帯とを含んでいてよい。複数の光電変換領域と複数の不感帯とが一つずつ交互に配置されてよい。複数の不感帯は、粒子の進行方向における幅が互いに異なる複数の不感帯を含んでよい。検出領域は、光を電気信号に変換する２つの光電変換領域に挟まれている他の光電変換領域であってよい。

分析装置は、差分演算部を含んでよい。差分演算部は、２つの光電変換領域における検出結果の差分をとってよい。算出部は、第１検出部による検出結果と、差分の結果とから、レーザ光の照射領域内を粒子が通過した距離を算出してよい。

分析装置は、補正部を更に備えてよい。補正部は、照射領域内を粒子が通過した距離に基づいて、粒子の分析結果を補正してよい。

補正部は、散乱光の検出結果を補正してよい。補正部は、散乱光に基づいて算出される粒子の粒径を補正してよい。補正部は、照射領域内を粒子が通過した距離に基づいて、レーザ光の照射領域内の予め定められた領域を通った粒子を選別してよい。補正部は、粒子を選別することによって、粒子の分析結果を補正してよい。

分析装置は、白熱光検出部を更に備えてよい。白熱光検出部は、レーザ光によって加熱された粒子が放射する光を検出してよい。分析装置は、第２補正部を更に備えてよい。第２補正部は、照射領域内を粒子が通過した距離に基づいて、白熱光検出部による検出結果を補正してよい。

検出領域は、第１方向に沿って延びる第１検出領域と、第１方向と交わる第２方向に沿って延びる第２検出領域とを含んでよい。第２算出部は、第２検出部における第１検出領域および第２検出領域における検出結果から、粒子の速度の第１方向成分および第２方向成分を算出してよい。

なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。

本発明の一実施形態における分析装置１００の概略的な構成を示す図である。 第１検出部３０および第２検出部４０の構成の一例を示す図である。 第１検出部３０によって得られる第１検出信号の一例を説明する図である。 第２検出部４０によって得られる第２検出信号の一例を説明する図である。 第２検出信号に基づいて粒子の速度を計算する方法を示す図である。 粒子の速度と、照射領域内の粒子の通過時間とからレーザ通過距離を計算する方法を示す図である。 レーザ光１２の照射領域と粒子１の流路の例を示す図である。 レーザ光の照射領域の中心からのシフト量Δｓを計算する方法を示す図である。 本実施形態の分析装置の処理内容の一例を示すフローチャートである。 ブラックカーボン粒子の散乱光の推定の一例を示す図である。 レーザ光の照射領域の中心からのシフト量Δｓを算出する方法の一例を示すフローチャートである。 分析結果を補正する処理の一例を示すフローチャートである。 分析結果を補正する処理の他の例を示すフローチャートである。 分析結果を補正する処理の他の例を示すフローチャートである。 分析結果を補正する処理の他の例を示すフローチャートである。 第２検出部４０の第１変形例を示す図である。 第２検出部４０の第２変形例を示す図である。 第２検出部４０の第３変形例を示す図である。 第２検出部４０の第４変形例を示す図である。

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

本明細書では、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸の直交座標軸を用いて技術的事項を説明する場合がある。本明細書では、レーザ光の照射方向をＸ軸とし、粒子の流路の中心軸方向をＹ軸方向とする。Ｘ軸およびＹ軸に垂直な方向をＺ軸方向とする。

図１は、本発明の一実施形態における分析装置１００の概略的な構成を示す図である。分析装置１００は、気体中に含まれる粒子１がレーザ光１２を散乱することによって生じた散乱光１３に基づいて、粒子１を分析する。また、分析装置１００は、レーザ光によって加熱された粒子１が放射する光である白熱光１４に基づいて、粒子１を分析してよい。分析装置１００は、粒子１の数、粒径、および質量濃度等を検出してよい。

粒子１は、気体中の微粒子であってよい。気体中の微粒子はエアロゾルと呼ばれる。粒子１の粒径は、１μｍ以上１００μｍ以下であってよく、より具体的には５μｍ以上１００μｍ以下であってよい。粒子の平均粒径が１０μｍ程度であってよい。

粒子１は、ブラックカーボン（煤）であってよい。ディーゼルエンジンの排気ガス、石炭の燃焼、森林火災、薪等の燃料やバイオマス燃料の燃焼等、炭素を主成分とする燃料が不完全燃焼した際に発生するブラックカーボン（煤）の計測は、燃焼効率の指標として重要である。

ブラックカーボンは光をよく吸収し加熱される性質がある。したがって、レーザキャビティやパルスレーザ等の強力なレーザ光１２がブラックカーボンに照射されると、ブラックカーボンは、瞬間的に加熱されて気化する。加熱されたブラックカーボンは、黒体放射により白熱光１４を発生する。この白熱光１４を検出することで、ブラックカーボンの粒子数と粒子１の大きさを知ることができる。このブラックカーボンの白熱光を検出する方法は、レーザ誘起白熱法（ＬＩＩ法）と呼ばれる。

ＬＩＩ法で使用するレーザ光１２の波長は、近赤外領域の波長である。例えば、レーザ光１２を発生させるレーザ照射部１０として、波長１０６４ｎｍのレーザ光１２を発生するＹＡＧレーザが使用される。但し、レーザ照射部１０は、ＹＡＧレーザに限定されるものでなく、例えば、レーザ照射部１０として、Ｎｄ：ＹＶＯ４レーザが使用される。

分析装置１００は、レーザ照射部１０、導入部２０、第１検出部３０、第２検出部４０、および白熱光検出部５０を備える。レーザ照射部１０は、分析装置１００内に導入された粒子１を含む試料気体にレーザ光１２を照射する。本例では、レーザ光１２のビームは、Ｘ軸方向に沿って延びている。

レーザ照射部１０は、分析装置１００内に導入された粒子１を含むサンプルエアにレーザ光１２を照射する。レーザ照射部１０は、Ｎｄ：ＹＶＯ４レーザを用いた光源を含んでよい。また、光源と反対側の端部には、レーザ共振器を構成するためのミラー１１が設けられてよい。レーザ光１２の波長は、例えば、１０６４ｎｍである。

導入部２０は、レーザ光１２に、測定対象である粒子１を含む気体を導入する。導入部２０は、粒子１を搬送するためのノズルを含んでよい。導入部２０において、導入される粒子１の粒径を選択するための分級装置が設けられていてもよい。図１においては、紙面と平行なＺ軸方向に気体通路を延長しているが、紙面と直交するＹ軸方向に延長することが好ましい。すなわち、流路の中心軸方向２１は、Ｙ軸方向であることが望ましい。これは、白熱光及び散乱光の光路と導入部２０との干渉を避けるためである。この場合、粒子１は、Ｙ軸方向に沿った気流に含まれてレーザ光１２の照射領域を通過する。

ＬＩＩ法では、主に可視光の波長範囲の白熱光を測定することでブラックカーボン粒子を選択的に測定できる。一方、可視光波長帯の光をフィルタで除去することによって、粒子１が通過した際に生じる散乱光を受光することもできる。散乱光はすべての粒子１から発生するため、通過した粒子全量の測定が可能である。

また、ミー（Ｍｉｅ）散乱理論により散乱光応答を厳密に計算できることから、粒子１の大きさのほかに、形状等の様々な粒子１の情報を取得することができる。なお、ブラックカーボン粒子については、レーザ光１２の照射領域を通過するときに、炭素が昇華して粒子１が縮小または消滅することに起因して、散乱光が時間によって変化する。したがって、散乱光の信号を補正することによって、ブラックカーボン粒子の散乱光に基づく分析も可能である。

ＬＩＩ法では、すべてのブラックカーボンを含む粒子１を検出するためには、原理的にレーザ光１２の幅より狭い領域に粒子１を収束させ通過させる必要がある。レーザ光１２のビーム径を、ピーク強度値から１／ｅ^２に落ちたときの強度での幅で定義すると、例えば、ビーム径の１／２以下の範囲に粒子１を収束させて通過させることが望ましい。

粒子１の数、粒径、および質量濃度等を精度良く測定するためには、粒子１の流路の中心軸とレーザ光１２の光軸中心が一点で交わることが望ましい。白熱光および散乱光に基づいて、粒子１の数、粒径、および質量濃度等を測定するためには、理想的には、粒子１ごとにレーザ光１２の照射領域を通過するまでに経験するレーザ光強度が一定であることが望ましい。しかしながら、レーザ光１２の光強度は照射領域内で一様ではなく、中心が周辺より高い。したがって、粒子１がレーザ光の照射領域を通過する位置が粒子１ごとに異なることによって、粒子１ごとにレーザ光の照射領域を通過するまでに経験するレーザ光強度が異なる。

粒子１の流路の中心軸とレーザ光１２の光軸中心が一点で交わる系では、流路の中心軸を通る粒子１は、最大強度の散乱光および白熱光を生じ、流路の中心軸からずれた位置を粒子１が通過する場合には、ずれる方向によらず、粒子１が流路の中心軸を通る場合に比べて散乱光および白熱光の光強度が減少する。一方、粒子１の流路の中心軸とレーザ光１２の光軸中心が一点で交わらない場合には、流路の中心軸からずれた位置を粒子１が通過する場合には、ずれる方向によって、粒子１が流路の中心軸を通る場合に比べて散乱光および白熱光の光強度が増加する場合と減少する場合が存在する。したがって、粒子１の流路の中心軸とレーザ光１２の光軸中心が一点で交わる系と比べて、粒子１の数、粒径、および質量濃度等を精度が低下する。

粒子１の粒径が１μｍ以上になって質量が増えると、周囲の気体から受ける粘性影響が低下するため、粒子１が気流に沿わない。したがって、粒子１の粒径が１μｍ以上、特に５μｍ以上の場合に、粒子１の流路の収束性が低下する。本実施形態の分析装置１００によれば、粒径が１μｍ以上１００μｍ以下、特に、粒径が５μｍ以上１００μｍ以下の粒子１において、粒子１の流路の収束性が低下した場合にも、分析精度が低下すること抑制する。

第１検出部３０は、散乱光１３を検出する。複数の第１検出部３０が設けられていてもよい。第２検出部４０は、散乱光によるスポット像が受光面において予め定められた距離を移動することを検出する。第２検出部４０の詳細については後述する。白熱光検出部５０は、レーザ光１２によって加熱された粒子１が放射する光を検出する。第１検出部３０および第２検出部４０は、それぞれ散乱光の波長に対して検出感度を持つアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）を含んでよい。白熱光検出部５０は、可視光、たとえば６３０ｎｍ以上８００ｎｍ以下の波長の光に対して検出感度を持つフォトダイオードまたはフォトトランジスタ等の受光素子を含んでよい。

第１検出部３０および第２検出部４０のそれぞれの入射面とレーザ光１２との間には、集光レンズ２２および対物レンズ２３およびフィルタ２４が設けられてよい。フィルタ２４は、集光レンズ２２および対物レンズ２３の間に設けられてよい。フィルタ２４は、例えば、可視光の波長範囲の白熱光を遮断し、近赤外領域の波長範囲の散乱光を透過させる。

白熱光検出部５０の入射面とレーザ光１２との間には、集光レンズ２５および対物レンズ２６およびフィルタ２７が設けられてよい。フィルタ２７は、集光レンズ２５および対物レンズ２６の間に設けられてよい。フィルタ２７は、可視光の波長範囲の白熱光を透過し、近赤外領域の波長範囲の散乱光を遮断してよい。

分析装置１００は、算出部６０および補正部７０を備える。算出部６０および補正部７０は、処理部８０の一部の機能として構成されていてもよい。処理部８０は、コンピュータであってよい。算出部６０は、第１検出部３０、第２検出部４０、および白熱光検出部５０からの検出結果を取得する。算出部６０は、第１検出部３０による検出結果と第２検出部４０による検出結果とから、レーザ光１２の照射領域内を粒子１が通過した距離を算出する。

算出部６０は、第１算出部６２および第２算出部６４を備えてよい。第１算出部６２は、第１検出部３０による検出結果を取得する。第１算出部６２は、第１検出部３０による検出結果からレーザ光１２の照射領域内を粒子１が通過するのに要した時間を算出する。第２算出部６４は、第２検出部４０による検出結果から粒子１の速度を算出する。算出部６０は、レーザ光１２の照射領域内を粒子１が通過するのに要した時間と、粒子１の速度とから、レーザ光１２の照射領域内を粒子１が通過した距離を算出する。

補正部７０は、レーザ光１２の照射領域内を粒子１が通過した距離に基づいて、粒子１の分析結果を補正する。なお、補正部７０は、第１補正部７２および第２補正部７４を含んでよい。第１補正部７２は、散乱光に基づく分析結果を補正する。第２補正部７４は、白熱光に基づく分析結果を補正する。

図２は、第１検出部３０および第２検出部４０の構成の一例を示す図である。第２検出部４０は、２つの光電変換領域４１および光電変換領域４２と、不感帯４３を有する。不感帯４３は、２つの光電変換領域４１および光電変換領域４２に挟まれた不感帯である。光電変換領域４１、４２は、光を電気信号に変換する。光電変換領域４１、４２は、アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）部分であってよい。換言すれば、第２検出部４０は、２つ以上の領域に分割されたＡＰＤ素子であってよい。一方、不感帯４３は、光を電気信号に変換しない。一例において、第２検出部４０は、少なくとも２つ以上に分割された光電変換領域４１、４２を持つ受光素子である。受光素子としては、例えばExcelitas社製 C30927EH-01である。

本例では、不感帯４３が、散乱光による粒子１のスポット像２が受光面において予め定められた距離を移動することを検出する検出領域である。光電変換領域４１、不感帯４３、および光電変換領域４２は、この並び順でＹ軸方向に配置されてよい。不感帯４３は、粒子１の進行方向と交差する。粒子１の進行方向であるＹ軸方向における不感帯４３の幅Δｄは、Ｙ軸方向における第１検出部３０の幅Ｌより狭い。また、幅Δｄは、１０μｍ以上３００μｍであってよく、１００μｍ以上３００μｍであってよい。

分析装置１００は、差分演算部５１を含む。差分演算部５１は、２つの光電変換領域における検出結果の差分を算出する。本例では、光電変換領域４１における検出結果と光電変換領域４２における検出結果との差分を算出する。差分演算部５１は、ＩＶ変換部５２、５３、非反転増幅回路５４、反転増幅回路５５、および加算回路５６を備えてよい。ＩＶ変換部５２は、一方の光電変換領域４１が受光した散乱光１３の光強度に応じた電流を電圧に変換する。ＩＶ変換部５３は、他方の光電変換領域４２が受光した散乱光１３の光強度に応じた電流を電圧に変換する。

非反転増幅回路５４は、ＩＶ変換部５２およびＩＶ変換部５３の出力の一方を反転しない。反転増幅回路５５は、ＩＶ変換部５２およびＩＶ変換部５３の出力の他方を反転する。加算回路５６は、非反転増幅回路５４と反転増幅回路５５との出力を加算する。これによって、差分演算部５１は、２つの光電変換領域４１、４２における検出結果の差分を算出する。算出された差分は、第１算出部６２に出力される。ＩＶ変換部５２およびＩＶ変換部５３の出力の一方を反転させた上で加えることによってコモンモードノイズをキャンセルすることができる。

一方、第１検出部３０の検出結果は、ＩＶ変換部３１および増幅回路３３を介して、第１算出部６２に出力されてよい。算出部６０は、第１検出部３０による検出結果と、差分演算部５１による差分結果とから、レーザ光１２の照射領域内を粒子１が通過した距離を算出してよい。

図３は、第１検出部３０によって得られる第１検出信号の一例を説明する図である。図４は、第２検出部４０によって得られる第２検出信号の一例を説明する図である。図３および図４においては、対物レンズ２３およびフィルタ２４は省略している。レーザ光１２の光強度は照射領域内で一様ではなく、中心から周辺に向かって、第１領域１２ａ、第２領域１２ｂ、および第３領域１２ｃとなるにしたがって光強度が弱くなる。第３領域１２ｃの外縁が、レーザ光１２の１／ｅ^２ビーム径を示している。そして、１／ｅ^２ビーム径の範囲を照射領域としてよい。

粒子１がレーザ光１２の照射領域内に存在すると、粒子１によって散乱光１３が生じる。散乱光１３は、集光レンズ２２によって集光されて第１検出部３０の受光面３４上にスポット像２を結ぶ。そして、スポット像２は、粒子１の進行方向とは逆方向に受光面３４で移動する。第１検出部３０による検出結果は、第１検出信号３６として出力される。第１検出信号３６は、時刻における第１検出部３０の出力値に対応する。第１検出信号３６、たとえば、アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）によって光電変換されて得られたＡＰＤ信号である。なお、第１検出信号３６は、ＩＶ変換部３１および増幅回路３３を介して得られた信号であってもよい。第１検出信号３６は、ガウス関数に似た曲線を示す。

一方、散乱光１３は、集光レンズ２２によって集光されて第２検出部４０の受光面４４上に粒子１に対応するスポット像２を結ぶ。スポット像２は、粒子１の進行方向とは逆方向に受光面４４で移動する。散乱光の受光面４４におけるスポット像２は、粒子１のレーザ光１２照射領域内通過に伴い、分割された光電変換領域４１、４２をまたいで移動する。第２検出部４０による検出結果は、第２検出信号４６として出力される。なお、第２検出信号４６は、上述したとおり、２つの光電変換領域４１、４２における検出結果の差分であってよい。光電変換領域４１からの出力を負とし、光電変換領域４２からの出力を正として結合することで、差分を算出してよい。第２検出信号４６は、分割されたアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）によって光電変換されて得られた分割ＡＰＤ信号とも呼ばれる。

図５は、検出信号に基づいて粒子１の速度を計算する方法を示す。光電変換領域４１からの出力を正とし、光電変換領域４２からの出力を負として結合することで第２検出信号４６が得られる。粒子１の進行方向であるＹ軸方向における不感帯４３の幅Δｄが存在することに起因して、第２検出信号４６は、ゼロ点を有する。仮に受光面４４に対し粒子１の散乱光が拡大縮小なく、同じ大きさで結像する光学系であれば、光電変換領域４１と光電変換領域４２の間が不感帯４３（間隙）で分割されているとすると、その第２検出信号４６は、スポット図２が間隙Δｄを通過する時点で正負が反転する。

また、第２算出部６４は、粒子１が不感帯４３を通過するのに要する時間をΔｔ_ｄｅｖとすると、式１ Ｖ_ａｘｉｓ＝Δｄ／Δｔ_ｄｅｖを計算することによって、粒子１の流路の軸方向の速度成分Ｖ_ａｘｉｓを算出する。Δｔ_ｄｅｖは、第２検出信号４６から取得される。具体的には、第２算出部６４は、第２検出信号４６における負のピークの時刻と正のピークの時刻との間の時間に基づいてΔｔ_ｄｅｖを取得する。一例において、第２算出部６４は、第２検出信号４６における負のピークの時刻と正のピークの時刻との間の時間に定数ｋを乗じてΔｔ_ｄｅｖを算出してよい。定数ｋは、実験または理論的に予め定められる。例えば、ｋ＝１として、第２算出部６４は、第２検出信号４６における負のピークの時刻と正のピークの時刻との間の時間をΔｔ_ｄｅｖとする。

図６は、粒子１の速度と、照射領域内の粒子１の通過時間とからレーザ通過距離を計算する方法を示す図である。第１算出部６２は、第１検出部３０による検出結果から、レーザ光１２の照射領域内を粒子１が通過するのに要した時間Δｔ_Ｎｏｒｍを算出する。具体的には、第１検出信号３６の時間幅Δｔ_Ｎｏｒｍが、レーザ光１２の照射領域を通過するのに要する時間に対応する。したがって、第１算出部６２は、第１検出部３０による検出結果が予め定められた閾値以上の値を示す期間を時間幅Δｔ_Ｎｏｒｍとして算出してよい。閾値は、例えば、ピーク値の１／ｅ^２となる値であってよい。

算出部６０は、照射領域内を粒子１が通過するのに要した時間Δｔ_Ｎｏｒｍと、粒子１の速度Ｖ_ａｘｉｓとから、レーザ光１２の照射領域内を粒子１が通過した距離ｄ_{Ｌａｓｅｒ}を算出する。算出部６０は、例えば、時間Δｔ_ＮｏｒｍにＶ_ａｘｉｓを乗じて距離ｄ_{Ｌａｓｅｒ}を算出する。

図７は、レーザ光１２の照射領域と粒子１の流路の例を示す図である。流路２８は、粒子１の流路の中心の領域２８ａを通過する粒子１の割合が周辺部を通過する粒子１の割合より多い。しかしながら、粒子１の流路２８を完全に限定することは困難である。したがって、粒子１ごとに通過位置が異なる場合がある。粒子１が通過する位置がレーザ光１２の中心に近いほど、レーザ光１２の照射領域内を粒子１が通過した距離ｄ_{Ｌａｓｅｒ}が長くなる。換言すれば、粒子１が通過する位置がレーザ光１２の中心を通過した場合には、距離ｄ_{Ｌａｓｅｒ}はレーザ光１２のビーム径と等しくなる。一方で距離ｄ_{Ｌａｓｅｒ}がレーザ光１２のビーム径より小さい場合は、粒子１が通過する位置がレーザ光１２の中心から外れた経路を通過したことを示している。

図７に示される場合では、ｄ_{Ｌａｓｅｒ}１がｄ_{Ｌａｓｅｒ}２より長くなる。したがって、レーザ光１２の照射領域内を粒子１が通過した距離ｄ_{Ｌａｓｅｒ}を用いて、レーザ光の照射領域の中心と粒子１の通過経路との間の距離を計算することができる。

図８は、レーザ光１２の照射領域の中心からのシフト量Δｓを計算する方法を示す図である。換言すれば、シフト量Δｓは、レーザ光２のビーム中心からのシフト量である。シフト量Δｓは、レーザ光１２の照射領域の中心と粒子の通過経路との間の距離を意味する。レーザ光１２のビーム径Ｄ_{Ｌａｓｅｒ}は、レーザ光１２の特性によって定まる。算出部６０は、レーザ光１２のビーム径Ｄ_{Ｌａｓｅｒ}と_、上記の距離ｄ_{Ｌａｓｅｒ}とを用いて、シフト量Δｓを以下の式によって算出する。

粒子１が経験したビーム強度の履歴は、ビーム中心からのシフト量Δｓと、レーザ光の照射領域における光強度分布（レーザビームプロファイル）とから計算することができる。レーザ光の照射領域における光強度分布は、撮像素子が組み込まれたビームプロファイラ（不図示）を用いて測定される。たとえば、レーザ共振器を構成するミラー１１の裏側にビームプロファイラを設置される。そして、ビームプロファイラは、レーザ共振器の外に漏れる漏れ光から、レーザ光の照射領域における光強度分布光強度分布を観測する。その場合は共振器中心付近の強度を推定する必要がある。共振器中心付近の強度はエルミート・ガウシアンモード（Hemite-Gaussianモード）等から計算可能である。

補正部７０は、レーザ光１２の照射領域内を粒子１が通過した距離に基づいて、粒子１の分析結果を補正する。具体的には、補正部７１は、上述のように、レーザ光１２の照射領域内を粒子１が通過した距離ｄ_{Ｌａｓｅｒ}を用いて、シフト量Δsを算出してよい。シフト量Δsと、別途に取得した照射領域における光強度分布とから粒子１が経験したビーム強度の履歴を算出する。補正部７０は、算出されたビーム強度の履歴をもとに、シフト量Δｓの位置を粒子１が通った場合とレーザ光１２の光軸の中心部分を通った場合との強度比から粒子１の分析結果を補正する。したがって、精度の高い粒径の検出や、ブラックカーボン量の算出が可能となる。

補正部７０は、上記の強度比等から粒子１の分析結果を補正してよい。但し、補正部７０は、このような処理を実行するものに限定されない。補正部７０は、レーザ光１２の照射領域内を粒子１が通過した距離ｄ_{Ｌａｓｅｒ}を用いて粒子１の分析結果を補正するものであればよい。

図９は、本実施形態の分析装置の処理内容の一例を示すフローチャートである。第１検出部３０は、散乱光１３を受光する。第１検出部３０は、散乱光１３を電気信号に光電変換する。これによって第１検出信号３６が得られる（ステップＳ１０１）。第２検出部４０は、散乱光１３を電気信号に光電変換する（ステップＳ１０２）。第２検出部４０に設けられた不感帯４３は、散乱光によるスポット像が受光面４４において予め定められた距離を移動することを検出する。白熱光検出部５０は、レーザ光１２によって加熱された粒子１が放射する白熱光１４を受光する（ステップＳ１０３）。白熱光検出部５０は、白熱光１４を電気信号に光電変換する。なお、ステップＳ１０１からステップＳ１０３の処理は、並行して実行されてよい。

第２算出部６４は、第２検出部４０による検出結果から、粒子１の速度を算出する（ステップＳ１０４）。処理部８０は、粒子１がブラックカーボン粒子１か否かを判断する（ステップＳ１０５）。白熱光検出部５０が白熱光１４を検出した場合には、処理部８０は、粒子１がブラックカーボン粒子であると判断してよい。粒子１がブラックカーボン粒子である場合には（ステップＳ１０５：ＹＥＳ）、粒子１がレーザ光１２の照射領域を通過するときに、炭素が昇華して粒子１が縮小または消滅する。したがって、処理部８０は、ブラックカーボン粒子の散乱光を推定してよい（ステップＳ１０６）。

図１０は、ブラックカーボン粒子の散乱光の推定の一例を示す図である。粒子１がブラックカーボンである場合の散乱光検出信号３７は、不感帯４３に起因するノッチ部３９ａ、３９ｂを含む。このノッチ部３９ａ、３９ｂの時刻は、粒子１の位置の情報を与える。例えば、ノッチ部３９ａ、３９ｂの時刻と、別途算出された粒子の速度とに基づいて、粒子１の位置が定まる。処理部８０は、初期の立ち上がり部分３８と、ノッチ部３９ａ、３９ｂから得られる粒子１の位置の情報を用いて、ガウス曲線にフィッティングすることによってブラックカーボン粒子の散乱光を推定してよい。

図９において、処理部８０は、レーザ光の照射領域の中心からのシフト量Δｓを算出する（ステップＳ１０７）。処理部８０は、粒子１が経験したビーム強度の履歴を算出する（ステップＳ１０８）。補正部７０は、レーザ光１２の照射領域内を粒子１が通過した距離に基づいて、粒子１の分析結果を補正する（ステップＳ１０９）。具体的には、補正部７０は、シフト量Δｓに基づいて算出された、粒子１が経験したビーム強度の履歴に基づいて、分析結果を補正してよい。

図１１は、レーザ光１２の照射領域の中心からのシフト量Δｓを算出する方法の一例を示すフローチャートである。第１算出部６２は、粒子１がレーザ光１２の照射領域を通過するのに要した時間Δｔ_Ｎｏｒｍを第１検出信号３６から算出する（ステップＳ２０１）。

算出部６０は、照射領域内を粒子１が通過するのに要した時間Δｔ_Ｎｏｒｍと、粒子１の速度Ｖ_ａｘｉｓとから、レーザ光１２の照射領域内を粒子１が通過した距離ｄ_{Ｌａｓｅｒ}を算出する（ステップＳ２０２）。算出部６０は、例えば、時間Δｔ_ＮｏｒｍにＶ_ａｘｉｓを乗じて距離ｄ_{Ｌａｓｅｒ}を算出する。算出部６０は、レーザ光１２のビーム径Ｄ_{Ｌａｓｅｒ}と_、上記の距離ｄ_{Ｌａｓｅｒ}とを用いて、シフト量Δｓを算出してよい。

図１２は、分析結果を補正する処理の一例を示すフローチャートである。図１２に示される例では、処理部８０は、第１検出部３０が検出した散乱光の検出結果に基づいて粒子の粒径を算出する。第１補正部７２は、散乱光１３の検出結果に基づいて算出される粒子１の粒径を補正する。第１補正部７２は、シフト量Δｓを用いてよい。シフト量Δｓと別途に取得した照射領域における光強度分布とから粒子１が経験したビーム強度の履歴を算出する。第１補正部７２は、ビーム強度の履歴をもとに、シフト量Δｓの位置を粒子１が通った場合とレーザ光１２の光軸の中心部分を通った場合との強度比から、粒径を補正してよい。第１補正部７２は、強度比と粒径の補正量との関係を示すテーブルを有してよい。第１補正部７２は、テーブルを参照して、粒径を補正してよい。

図１３は、分析結果を補正する処理の他の例を示すフローチャートである。第１補正部７２は、散乱光１３の検出結果を補正する（ステップＳ４０１）。特に、第１補正部７２は、算出されたビーム強度の履歴をもとに、シフト量Δｓの位置を粒子１が通った場合とレーザ光１２の光軸の中心部分を通った場合との強度比から、実際の第１検出信号３６を補正する。一例において、第１補正部７２は、粒子１がレーザ光１２の光軸中心を通った場合の第１検出信号３６を取得する。処理部８０は、補正された第１検出信号３６に基づいて粒子１の粒径を算出する。

図１４は、分析結果を補正する処理の他の例を示すフローチャートである。第１補正部７２は、レーザ光１２の照射領域内を粒子１が通過した距離ｄ_{Ｌａｓｅｒ}に基づいて、レーザ光１２の照射領域内の予め定められた領域を通った粒子１を選別する（ステップＳ５０１）。例えば、第１補正部７２は、レーザ光１２の照射領域の中心付近の領域を通った粒子１を選別する。具体的には、第１補正部７２は、距離ｄ_{Ｌａｓｅｒ}が予め定められた長さ以上の場合における粒子１を選別する。あるいは、算出部６０は、距離ｄ_{Ｌａｓｅｒ}に基づいてシフト量Δｓを算出する。第１補正部７２は、Δｓが予め定められた値以下の場合における粒子１を選別する。

第１補正部７２は、予め定められた領域を通った粒子１として選別された粒子１について分析してよい（ステップＳ５０２）。第１補正部７２は、除外された粒子１については分析の対象としないでよい。これにより分析結果に生じる誤差を軽減することができる。このように選別することによって、大きな誤差を含む検出結果について除去して、結果として、粒子１の分析結果を補正するといえる。

図１５は、分析結果を補正する処理の他の例を示すフローチャートである。第２補正部７４は、レーザ光１２の照射領域内を粒子１が通過した距離ｄ_{Ｌａｓｅｒ}に基づいて、白熱光検出部による検出結果を補正する（ステップＳ６０１）。第２補正部７４は、距離ｄ_{Ｌａｓｅｒ}を用いて算出されたビーム強度の履歴をもとに、シフト量Δｓの位置を粒子１が通った場合とレーザ光１２の光軸の中心部分を通った場合との強度比から白熱光検出部による検出結果を補正する。

粒子１が、例えばブラックカーボン粒子である場合、レーザ光１２によって加熱された粒子１は、黒体放射により白熱光１４を発生する。しかしながら、レーザ光１２の光軸中心が周辺部よりも光強度が高いので、レーザ光の照射領域の中心からのシフト量Δｓが大きくなるにつれて、粒子１が加熱される温度が低くなり、白熱光１４の受光強度が弱くなる。したがって、実際よりも粒子１の大きさを小さく算出してしまう場合がある。

したがって、第２補正部７４は、白熱光検出部による検出結果の強度を距離ｄ_{Ｌａｓｅｒ}またはシフト量Δｓに基づいて補正してよい。処理部８０は、補正後の検出結果に基づいて、ブラックカーボン粒子の粒子数と粒子径を検出してよい。第２補正部７４は、予めシフト量Δｓと粒子径の補正量との関係をテーブルとして記憶してよい。第２補正部７４は、テーブルを参照してシフト量Δｓに対応する粒子径の補正量を算出してよい。さらに、第２補正部７４は、距離ｄ_{Ｌａｓｅｒ}に基づいて、レーザ光１２の照射領域内の予め定められた領域を通った粒子１を選別してよい。そして、選別された粒子１について粒子径等を算出するようにしてもよい。

以上により、推定したビーム強度を元に、粒子１が経験したビーム強度の履歴の算出が可能となり、粒子流路の中心軸とレーザ光軸中心が一致していない場合、および粒子１の検出領域における収束性が悪化している場合においても、ビーム強度の履歴をもとに、中心部分を通った場合との強度比から補正が可能となるため、精度の高い粒径の検出や、ブラックカーボン量の算出が可能となる。

上述した例では、２つの光電変換領域４１および光電変換領域４２に挟まれた不感帯４３を検出領域として用いる場合を説明した。しかしながら、本実施形態の分析装置１００は、この場合に限られない。第２検出部４０は、散乱光１６によるスポット像が受光面において予め定められた距離を移動することを検出する検出領域を有するものであればよい。

図１６は、第２検出部４０の第１変形例を示す図である。本例においては、第２検出部４０は、散乱光１６によるスポット像が受光面において予め定められた距離を移動することを検出する検出領域として、光電変換領域４７が設けられる。光電変換領域４７は、散乱光を電気信号に変換する。粒子１の進行方向であるＹ軸方向における光電変換領域４７の幅Δｄは、Ｙ軸方向における第１検出部３０の幅Ｌより狭い。また、幅Δｄは、１０μｍ以上３００μｍであってよく、１００μｍ以上３００μｍであってよい。

図１７は、第２検出部４０の第２変形例を示す図である。本例において、第２検出部４０は、光を電気信号に変換する複数の光電変換領域４８ａ、４８ｂ、４８ｃ、４８ｄと複数の不感帯４９ａ、４９ｂ、４９ｃとを含んでいる。複数の光電変換領域４８ａ、４８ｂ、４８ｃ、４８ｄと複数の不感帯４９ａ、４９ｂ、４９ｃとが一つずつ交互に配置されている。なお、図１７においても、図２に示される差分演算部５１が複数設けられてよい。具体的には、複数の差分演算部５１は、それぞれ隣接する２つの光電変換領域４８ａ、４８ｂの間、２つの光電変換領域４８ｂ、４８ｃの間、光電変換領域４８ｃ、４８ｄの間における検出結果の差分を算出する。

そして、それぞれ２つの光電変換領域４８ａ、４８ｂの間、２つの光電変換領域４８ｂ、４８ｃの間、２つの光電変換領域４８ｃ、４８ｄの間にそれぞれ挟まれる不感帯４９ａ、４９ｂ、４９ｃが、検出領域として機能する。第２算出部６４は、複数の検出領域の夫々の検出結果を用いて、粒子１の速度を算出してよい。一例において、各検出領域による検出結果から、それぞれ粒子１の速度を算出し、算出された複数の速度を平均した速度を粒子１の速度としてもよい。これにより測定精度が向上する。

複数の不感帯４９ａ、４９ｂ、４９ｃは、粒子１の進行方向における幅が互いに異なる複数の不感帯であってよい。例えば、不感帯４９ａ、４９ｂ、４９ｃの幅は、それぞれΔｄ１、Δｄ２、およびΔｄ３であってよい。Δｄ１＜Δｄ２＜Δｄ３であってよい。このような構成によれば、Δｄ１、Δｄ２、およびΔｄ３の幅の違いに応じて、図５に示した負のピークと正のピークの組が三組得られ、各組における負ピークと正のピーク間の時間間隔が互いに異なる。したがって、それぞれの第２検出信号４６から、レーザ光１２の照射領域中の粒子１の位置の情報を取得することができる。

図１８は、第２検出部４０の第３変形例を示す図である。図１８に示される例は、図２に示される例における不感帯４３に代えて、他の光電変換領域４５を設けたものである。他の光電変換領域４５は、２つの光電変換領域４１および光電変換領域４２に挟まれている。他の光電変換領域４５は、２つの光電変換領域４１および光電変換領域４２とは光電変換特性が異なってもよく、光電変換特性が同じであってもよい。

２つの光電変換領域４１および光電変換領域４２と差分演算部５１との接続は、図２に示される場合と同様である。２つの光電変換領域４１および光電変換領域４２の出力の一方を反転させた上で加えることによってコモンモードノイズをキャンセルすることができる。一方、光電変換領域４５による検出結果からも図１６に示される場合と同様に、粒子１の速度を算出することができる。複数の方法で粒子１の速度を算出することができるので、精度を高めることができる。

図１９は、第２検出部４０の第４変形例を示す図である。本例では、第１方向に沿って延びる第１検出領域と、第２方向に沿って延びる第２検出領域とを含んでいる。本例では、四分割された光電変換領域４１ａ、４１ｂ、４２ａ、４２ｂが設けられる。光電変換領域４１ａ、４１ｂの組と、４２ａ、４２ｂの組とをＹ軸方向に区画する不感帯４３ａが設けられる。一方、光電変換領域４１ａ、４２ａと、４１ｂ、４２ｂとをＸ軸方向に区画する不感帯４３ｂが設けられる。

本例では、不感帯４３ａが第１検出領域であり、不感帯４３ｂが第２検出領域である。第２算出部６４は、第２検出部４０における第１検出領域（本例では不感帯４３ａ）および第２検出領域（本例では不感帯４３ｂ）における検出結果から、粒子１の速度の第１方向成分（Ｙ軸方向成分）および第２方向成分（Ｘ方向成分）を算出する。

本例では、粒子１の流路の中心軸方向２１がＹ軸方向である。第１検出領域である不感帯４３ａによって、光電変換領域４１ａ、４１ｂの組と、光電変換領域４２ａ、４２ｂの組とが粒子１の流路の中心軸方向２１に区画される。光電変換領域４１ａ、４１ｂの組と、光電変換領域４２ａ、４２ｂの組とは、出力の極性が逆となるように一方の組が反転されてよい。一方、光電変換領域４１ａと４１ｂは同じ極性になるように接続され、光電変換領域４２ａと４２ｂは同じ極性になるように接続されてよい。このような構成によって、粒子１の流路の軸方向の速度成分Ｖ_ａｘｉｓを算出する上で有利となる。

また、四分割された光電変換領域４１ａ、４２ａと、４１ｂ、４２ｂにおいて、光電変換領域４１ａが＋の極性（非反転）に、光電変換領域４２ａが－の極性（反転）に、光電変換領域４２ｂが＋の極性（非反転）に、光電変換領域４１ａが－の極性（反転）になるようにしてもよい。この場合、光電変換領域４１ａと光電変換領域４２ａとの間の出力結果の差分、光電変換領域４２ａと光電変換領域４２ｂとの間の出力結果の差分、光電変換領域４２ｂと光電変換領域４１ｂとの間の出力結果の差分、および光電変換領域４１ｂと光電変換領域４１ａとの間の出力結果の差分が各差分演算部５１によって算出される。

本例の場合、粒子１の速度の第１方向成分（Ｙ軸方向成分）および第２方向成分（Ｘ方向成分）を取得することができるので、図１９のように、粒子１が流路の中心軸方向２１（Ｙ軸方向）に対して傾きをもってレーザ光１２の照射領域内を通過する場合であっても、レーザ光１２の照射領域内を粒子１が通過した距離ｄ_{Ｌａｓｅｒ}を正確に算出することができる。したがって、レーザ光の照射領域の中心からのシフト量Δｓについても正確に算出することができる。その結果、補正部７０は、粒子１の分析結果をより正確に補正することが可能となる。

以上より明らかなように、分析装置１００によれば、粒子流路の中心軸とレーザ光軸中心の不一致の場合、または粒子１の検出領域における収束性が低下した場合においても、その影響を除去または減少させることが可能になる。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更又は改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。たとえば、ビーム中心からのシフト量を元に、処理部８０は、レーザ光１２の光軸調整を行ってもよい。その様な変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。また、白熱光を用いない散乱光によって粒子を分析する分析装置にも本発明を利用することができる。

特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順序で実施することが必須であることを意味するものではない。

１・・粒子、１０・・レーザ照射部、１１・・ミラー、１２・・レーザ光、１３・・散乱光、１４・・白熱光、１６・・散乱光、２０・・導入部、２１・・流路の中心軸方向、２２・・集光レンズ、２３・・対物レンズ、２４・・フィルタ、２５・・集光レンズ、２６・・対物レンズ、２７・・フィルタ、２８・・流路、３０・・第１検出部、３１・・ＩＶ変換部、３３・・増幅回路、３４・・受光面、３６・・第１検出信号、３７・・散乱光検出信号、３８・・部分、３９・・ノッチ部、４０・・第２検出部、４１・・光電変換領域、４２・・光電変換領域、４３・・不感帯、４４・・受光面、４５・・光電変換領域、４６・・第２検出信号、４７・・光電変換領域、４８・・光電変換領域、４９・・不感帯、５０・・白熱光検出部、５１・・差分演算部、５２・・ＩＶ変換部、５３・・ＩＶ変換部、５４・・非反転増幅回路、５５・・反転増幅回路、５６・・加算回路、６０・・算出部、６２・・第１算出部、６４・・第２算出部、７０・・補正部、７１・・補正部、７２・・第１補正部、７４・・第２補正部、８０・・処理部、１００・・分析装置

Claims (15)

1. 粒子がレーザ光を散乱することによって生じた散乱光に基づいて、前記粒子を分析する分析装置であって、
   前記散乱光を検出する第１検出部と、
   前記散乱光によるスポット像が受光面において予め定められた距離を移動することを検出する検出領域が設けられた第２検出部と、
   前記第１検出部による検出結果と前記第２検出部による検出結果とから、前記レーザ光の照射領域内を前記粒子が通過した距離を算出する算出部と、
   を備える、分析装置。
2. 前記算出部は、
   前記第１検出部による検出結果から、前記レーザ光の前記照射領域内を前記粒子が通過するのに要した時間を算出する第１算出部と、
   前記第２検出部による検出結果から、前記粒子の速度を算出する第２算出部と、を含み、
   前記算出部は、前記照射領域内を前記粒子が通過するのに要した時間と、前記粒子の前記速度とから、前記レーザ光の前記照射領域内を前記粒子が通過した距離を算出する、請求項１に記載の分析装置。
3. 前記検出領域は、前記第１検出部よりも前記粒子の進行方向における幅が狭い、請求項２に記載の分析装置。
4. 前記検出領域は、光を電気信号に変換する光電変換領域である、請求項２または３に記載の分析装置。
5. 前記検出領域は、光を電気信号に変換する２つの光電変換領域に挟まれた不感帯である、請求項２または３に記載の分析装置。
6. 前記第２検出部は、光を電気信号に変換する複数の光電変換領域と複数の不感帯とを含んでおり、
   複数の光電変換領域と複数の不感帯とが一つずつ交互に配置されている、請求項５に記載の分析装置。
7. 前記複数の不感帯は、前記粒子の進行方向における幅が互いに異なる複数の不感帯を含む、請求項６に記載の分析装置。
8. 前記検出領域は、光を電気信号に変換する２つの光電変換領域に挟まれた他の光電変換領域である、請求項２または３に記載の分析装置。
9. 分析装置は、前記２つの光電変換領域における検出結果の差分をとる差分演算部を含み、
   前記算出部は、前記第１検出部による検出結果と、前記差分の結果とから、前記レーザ光の照射領域内を前記粒子が通過した距離を算出する、
   請求項５から８の何れか一項に記載の分析装置。
10. 前記照射領域内を前記粒子が通過した距離に基づいて、前記粒子の分析結果を補正する補正部を更に備える、請求項１から９の何れか一項に記載の分析装置。
11. 前記補正部は、前記散乱光の検出結果を補正する、請求項１０に記載の分析装置。
12. 前記補正部は、前記散乱光の検出結果に基づいて算出される前記粒子の粒径を補正する、請求項１０に記載の分析装置。
13. 前記補正部は、前記照射領域内を前記粒子が通過した距離に基づいて、前記レーザ光の前記照射領域内の予め定められた領域を通った粒子を選別することによって、前記粒子の分析結果を補正する、請求項１０に記載の分析装置。
14. レーザ光によって加熱された粒子が放射する光を検出する白熱光検出部と、
    前記照射領域内を前記粒子が通過した距離に基づいて、前記白熱光検出部による検出結果を補正する第２補正部と、を更に備える、
    請求項１から１３の何れか一項に記載の分析装置。
15. 前記検出領域は、第１方向に沿って延びる第１検出領域と、第１方向と交わる第２方向に沿って延びる第２検出領域とを含み、
    前記第２算出部は、前記第２検出部における前記第１検出領域および前記第２検出領域における検出結果から、前記粒子の速度の第１方向成分および第２方向成分を算出する、請求項２に記載の分析装置。

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