粒子観察装置
【課題】移動する粒子を容易に観察可能な粒子観察装置を提供する。
【解決手段】粒子観察装置１は、粒子９１にレーザ光Ｌｂを照射する光照射部３と、光照射部３からのレーザ光Ｌｂが照射された粒子９１を撮像する撮像部５と、撮像部５により撮像された粒子９１の画像を解析する画像解析装置６と、粒子９１を移動させるための粒子移動部４と、画像解析装置６によって解析された画像解析情報に基づいて、粒子移動部４を制御する粒子移動制御部３７とを備える。
【解決手段】粒子観察装置１は、粒子９１にレーザ光Ｌｂを照射する光照射部３と、光照射部３からのレーザ光Ｌｂが照射された粒子９１を撮像する撮像部５と、撮像部５により撮像された粒子９１の画像を解析する画像解析装置６と、粒子９１を移動させるための粒子移動部４と、画像解析装置６によって解析された画像解析情報に基づいて、粒子移動部４を制御する粒子移動制御部３７とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、移動する粒子を観察するための粒子観察装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、流体の中で微細な粒子（例えば、１μｍ以下の粒子）を観察するための粒子観察装置及び方法が知られている。非特許文献１には、光源からの光を観察対象の粒子に照射して、粒子により散乱された光によって粒子の暗視野を観察する方法が開示されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】木倉宏成 他１名、「マイクロスケール微粒子流動計測−暗視野法を用いた強磁性ナノ微粒子の粒径計測と挙動解析」、日本機械学会誌、２００８．２、Ｖｏｌ．１１１、Ｎｏ．１０７１、ｐ１４−１７
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、非特許文献１の技術では、流体中の粒子が移動して、視野から外れてしまうために観察することが難しいといった課題がある。
【０００５】
本発明は、上述した課題を解決するために創案されたものであり、移動する粒子を容易に観察可能な粒子観察装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、粒子に光を照射する光照射手段と、前記光照射手段からの光が照射された前記粒子を撮像する撮像手段と、前記撮像手段により撮像された粒子の画像を解析する画像解析手段と、前記粒子を移動させるための粒子移動手段と、前記画像解析手段によって解析された画像解析情報に基づいて、前記粒子移動手段を制御する粒子移動制御手段とを備えることを特徴とする。
【０００７】
また、請求項２に記載の発明は、前記粒子は、強磁性体を含み、前記粒子移動手段は、電流によって磁力線を発生させる磁力線発生手段を有し、前記粒子移動制御手段は、前記磁力線発生手段を制御することによって、前記粒子の移動を制御することを特徴とする。
【０００８】
また、請求項３に記載の発明は、前記粒子移動手段は、超伝導電磁石を更に有することを特徴とする。
【０００９】
また、請求項４に記載の発明は、前記粒子移動手段は、前記磁力線発生手段の磁力を補助するための永久磁石を更に有することを特徴とする。
【００１０】
また、請求項５に記載の発明は、前記粒子は、導電性材料を含み、前記粒子移動手段は、電圧によって電場を発生させる電場発生手段を有し、前記粒子移動制御手段は、前記電場発生手段を制御することによって、前記粒子の移動を制御することを特徴とする。
【００１１】
また、請求項６に記載の発明は、前記粒子移動手段は、レーザ光によって近接場光を発生させる近接場光発生手段を有し、前記粒子移動制御手段は、前記近接場光を制御することによって、前記粒子の移動を制御することを特徴とする。
【００１２】
また、請求項７に記載の発明は、前記光照射手段は、前記粒子を照射するためのレーザ光を出射するレーザ装置を有することを特徴とする。
【００１３】
また、請求項８に記載の発明は、前記光照射手段は、前記レーザ光を広げるビームエキスパンダを更に有することを特徴とする。
【００１４】
また、請求項９に記載の発明は、前記レーザ装置は、レーザ光をパルス発振することを特徴とする。
【００１５】
また、請求項１０に記載の発明は、前記レーザ装置は、直線偏光のレーザ光を出射することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、粒子の画像を解析することによって得られる画像解析情報に基づいて、粒子を移動させるための粒子移動手段を粒子移動制御手段が制御する。これにより、本発明は、粒子を撮像可能な領域に移動させつつ、撮像することができる。この結果、本発明は、移動する粒子を容易に観察できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】第１実施形態による粒子観察装置の全体構成図である。
【図２】観察セルの観察部近傍の右側面図である。
【図３】コイルから発生する磁力線を説明するための図である。
【図４】別のコイルから発生する磁力線を説明するための図である。
【図５】コイルに供給する電流を説明する図である。
【図６】第２実施形態による粒子観察装置の全体構成図である。
【図７】第３実施形態による粒子移動部の概略図である。
【図８】第４実施形態による粒子観察装置の全体構成図である。
【図９】第５実施形態による粒子観察装置の全体構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
＜第１実施形態＞
以下、図面を参照して、本発明による第１実施形態を説明する。図１は、第１実施形態による粒子観察装置の全体構成図である。図２は、観察セルの観察部近傍の右側面図である。図３は、コイルから発生する磁力線を説明するための図である。図４は、別のコイルから発生する磁力線を説明するための図である。図５は、コイルに供給する電流を説明する図である。尚、図１における点線で囲んだ観察部近傍の図は、正面図である。以下の説明において、図１の矢印で示す上下左右を、点線枠内の上下左右方向とする。また、図１の紙面表方向を、点線枠内の前方とする（図２参照）。
【００１９】
第１実施形態による粒子観察装置１は、液体（流体）中の強磁性体の粒子９１を観察するためのものである。粒子９１の直径は、約１μｍ以下とする。図１及び図２に示すように、粒子観察装置１は、観察セル２と、光照射部３と、粒子移動部４と、撮像部５と、画像解析装置６と、制御装置７とを備えている。
【００２０】
観察セル２は、観察対象の粒子９１とともに、液体９２を流すためのものである。観察セル２は、光を透過可能な樹脂またはガラスからなる。図２に示すように、観察セル２は、流入部１１と、観察部１２と、流出部１３とを有する。流入部１１、観察部１２、及び、流出部１３は、一体的に構成されている。流入部１１、観察部１２、及び、流出部１３には、液体の流路が一連に形成されている。粒子９１を含む液体９２は、流入部１１、観察部１２、流出部１３へと流れる。観察部１２は、正面視にて、長方形状に形成されている。
【００２１】
光照射部３は、観察セル２の観察部１２の粒子９１にシート状のレーザ光Ｌｂを照射するものである。光照射部３は、レーザ装置１５と、ビームエキスパンダ１６と、反射部材１７と、受光素子１８とを備えている。尚、レーザ光はシート状ではなく線状のままでもよい。
【００２２】
レーザ装置１５は、粒子９１を照射するためのレーザ光Ｌａを出射するためのものである。レーザ装置１５は、約５３２ｎｍの波長のレーザ光（緑色光）Ｌａを照射するＹＡＧレーザからなる。レーザ装置１５は、直線偏光のレーザ光Ｌａをパルス発振する。尚、レーザ装置１５は、円偏光のレーザ光を発振するものでもよく、レーザ光を連続発振するものでもよい。
【００２３】
ビームエキスパンダ１６は、線状のレーザ光Ｌａを一方向に広げるためのものである。これにより、レーザ光Ｌａは、左右方向に一定の幅を有するシート状のレーザ光Ｌｂとなって観察部１２を照射する。
【００２４】
反射部材１７は、右方向に進行するレーザ光Ｌｂを観察部１２が配置された下方へと反射するものである。
【００２５】
受光素子１８は、観察部１２を透過したレーザ光Ｌｂを受光して検出信号を制御装置７へと出力するためのものである。制御装置７は、この検出信号に基づいて、レーザ光Ｌｂのずれを検出して、レーザ装置１５の方向を調整する。
【００２６】
粒子移動部４は、磁場によって強磁性体の粒子９１を停止または運動させるものである。粒子移動部４は、４組のコイル２１、２２、２３、２４及びコイル電源２５、２６、２７、２８を備えている。
【００２７】
４個のコイル２１〜２４は、それぞれ観察セル２の観察部１２の上左下右の４方向に配置されている。コイル２１〜２４は、電流が供給されると、観察部１２へと磁力線９３を発生させる。具体的には、図３に示すように、コイル２１は、上下方向の磁力線９３を発生させる。これにより、コイル２１に吸引される方向（上向き）の磁力が、強磁性体の粒子９１に作用する。また、図４に示すように、コイル２２は、左右方向の磁力線９３を発生させる。これにより、コイル２２に吸引される方向（左向き）の磁力が強磁性体の粒子９１に作用する。
【００２８】
４個のコイル電源２５〜２８は、それぞれ異なるコイル２１〜２４に接続されている。コイル電源２５〜２８は、図５に示すパルス波形（正弦波）の電流をコイル２１〜２４に供給する。尚、電流の波形は任意波形、あるいは直流電流でもよい。ここでは、説明を簡便にするためにパルス波形（正弦波）を用いる。
【００２９】
撮像部５は、レーザ光Ｌｂが照射された粒子９１を撮像するためのものである。撮像部５は、高速撮像可能なＣＭＯＳカメラからなる。図２に示すように、撮像部５は、観察部１２の中央部の前方に配置されている。尚、図１における撮像部５の位置は便宜上記載しているのであって、実際の位置とは異なる。撮像部５は、シート状のレーザ光Ｌｂが粒子９１によってレイリー散乱された光によって観察部１２の粒子９１の暗視野像を撮像する。撮像部５は、パルス発振されるレーザ光Ｌｂと同期して粒子９１を撮像する。即ち、撮像部５は、所定の時間間隔（以下、撮像間隔）ＴＩで粒子９１を撮像する。撮像部５は、撮像した粒子９１の画像データを画像解析装置６へと出力する。
【００３０】
画像解析装置６は、撮像部５によって撮像されて入力された粒子９１の画像データの解析をするとともに、粒子９１の画像を表示する。画像解析装置６は、画像を表示する表示部３１と、画像解析部３２とを備えている。
【００３１】
表示部３１は、液晶表示装置等からなる。
【００３２】
画像解析部３２は、ＣＰＵ(central processing unit)等の演算部（図示略）と、ＲＡＭ（random access memory）、ＲＯＭ（read only memory）及びＨＤＤ（hard disk drive）等の記憶部（図示略）を有する。画像解析部３２は、撮像部５から入力された画像データを解析することによって、粒子９１の位置座標ＰＰ、変位ＰＤ、速度ＰＶ、加速度ＰＡを算出する。位置座標ＰＰ、変位ＰＤ、速度ＰＶ、加速度ＰＡが画像解析情報である。具体的には、画像解析部３２は、撮像部５から入力された画像データから粒子９１の位置座標ＰＰを特定する。尚、画像解析部３２は、広がりのある粒子９１の重心を算出して、二値化することにより粒子９１の位置座標ＰＰを特定する。この後、撮像間隔ＴＩ毎に入力される画像データによって粒子９１の位置座標ＰＰを特定して、位置座標ＰＰの変位ＰＤを算出する。次に、変位ＰＤと撮像間隔ＴＩから粒子９１の速度ＰＶを算出する。そして、速度ＰＶと撮像間隔ＴＩから粒子９１の加速度ＰＡを算出する。画像解析部３２は、算出した粒子９１の位置座標ＰＰ、変位ＰＤ、速度ＰＶ、加速度ＰＡを制御装置７へと出力する。
【００３３】
制御装置７は、粒子観察装置１の制御全般を司るものである。制御装置７は、ＣＰＵ(central processing unit)等の演算部（図示略）と、ＲＡＭ（random access memory）、ＲＯＭ（read only memory）及びＨＤＤ（hard disk drive）等の記憶部（図示略）を有する。制御装置７は、入力部３５と、光制御部３６と、粒子移動制御部３７と、撮像制御部３８とを備える。尚、各部３５〜３８は、プログラム等のソフトウエアによって構成してもよく、回路等のハードウエアによって構成してもよく、それらの組み合わせであってもよい。
【００３４】
入力部３５は、ユーザが種々の指示を入力するためのものである。入力部３５は、キーボードやマウスを有する。入力部３５は、ユーザから入力された指示を光制御部３６及び粒子移動制御部３７へと入力する。
【００３５】
光制御部３６は、光照射部３を制御するためのものである。光制御部３６は、指示信号をレーザ装置１５へと出力する。これにより、レーザ装置１５は、撮像間隔ＴＩでレーザ光Ｌａを出射する。また、初期設定時には、光制御部３６には、受光素子１８からの検出信号が入力される。この検出信号に基づいて、光制御部３６は、レーザ光Ｌｂのずれを算出して、レーザ装置１５を制御してレーザ光Ｌｂの出射方向を調整する。尚、光制御部３６がレーザ光Ｌｂのずれを表示可能に構成して、レーザ装置１５の出射方向は、ユーザが設定するようにしてもよい。
【００３６】
粒子移動制御部３７は、粒子９１の移動を制御する。粒子移動制御部３７には、画像解析部３２から粒子９１の位置座標ＰＰ、変位ＰＤ、速度ＰＶ、加速度ＰＡが入力される。粒子移動制御部３７は、これらの粒子９１の位置座標ＰＰ、変位ＰＤ、速度ＰＶ、加速度ＰＡに基づいて、４組のコイル２１〜２４及びコイル電源２５〜２８を制御する。これにより、粒子９１の移動が制御される。
【００３７】
撮像制御部３８は、撮像部５を制御するためのものである。撮像制御部３８は、光照射部３のレーザ装置１５から発振される周期に同期して、撮像部５に撮像信号を出力する。
【００３８】
（粒子観察装置の動作及び粒子観察方法）
次に、上述した粒子観察装置の動作及び粒子観察方法を説明する。
【００３９】
まず、強磁性体の粒子９１を含む液体９２が、流入部１１、観察部１２、流出部１３の順に観察セル２に流される。この状態で、ユーザが、制御装置７の入力部３５を介して開始を選択すると、制御装置７の光制御部３６が指示信号を光照射部３のレーザ装置１５へと出力する。これにより、レーザ装置１５は、レーザ光Ｌａをパルス発振する。レーザ光Ｌａは、ビームエキスパンダ１６によって一方向に広げられて、シート状のレーザ光Ｌｂとなる。この後、レーザ光Ｌｂは、反射部材１７によって反射されて、観察セル２の観察部１２へと進行する。この結果、シート状のレーザ光Ｌｂが、観察部１２の中央部を明るく照らす。ここで、レーザ光Ｌｂが観察部１２の所望の領域からずれている場合、受光素子１８から光制御部３６へ入力された検出信号に基づいて、光制御部３６がレーザ装置１５の位置を調整する。これにより、レーザ光Ｌｂが、観察部１２の所望の領域を照らす。
【００４０】
次に、観察部１２内の粒子９１が、観察部１２の中央部の正面に配置された撮像部５によって撮像される。ここで、撮像部５は、粒子９１によってレイリー散乱されたレーザ光Ｌｂによって粒子９１の暗視野像を撮像する。この撮像動作が、レーザ光Ｌｂのパルス間隔と同じ撮像間隔ＴＩ毎に実行される。次に、撮像部５は、撮像した画像データを画像解析装置６の画像解析部３２へと出力する。
【００４１】
次に、画像解析装置６では、表示部３１に撮像した粒子９１の画像を表示するとともに、画像解析部３２が画像データを解析する。具体的には、画像解析部３２は、各画増データから粒子９１の位置座標ＰＰを算出する。次に、画像解析部３２は、算出した複数の位置座標ＰＰから粒子９１の変位を算出する。画像解析部３２は、変位ＰＤと撮像間隔ＴＩとから粒子９１の速度ＰＶを算出する。更に、画像解析部３２は、速度ＰＶと撮像間隔ＴＩとから粒子９１の加速度ＰＡを算出する。この後、画像解析部３２は、算出した位置座標ＰＰ、変位ＰＤ、速度ＰＶ、加速度ＰＡを制御装置７の粒子移動制御部３７へと出力する。
【００４２】
次に、制御装置７の粒子移動制御部３７は、画像解析部３２から入力された粒子９１の位置座標ＰＰ、変位ＰＤ、速度ＰＶ、加速度ＰＡに基づいて、コイル電源２５〜２８を介して、コイル２１〜２４を制御する。具体的には、最初、粒子９１は、液体９２とともに、上から下へと観察部１２の内部を移動している。即ち、粒子９１は、下向きの速度を有するので、粒子移動制御部３７は、コイル電源２５を介して、コイル２１に図５に示す正弦波形の電流を供給する。これにより、図３に示すように、磁力線９３がコイル２１から発生して、上向の磁力が粒子９１に作用する。この結果、粒子９１の下向きの速度が減速される。ここで、粒子移動制御部３７は、電流と減速された加速度とを関連付けて記憶することによって、次回以降にコイル２１に供給する電流の大きさを制御する。この後、粒子移動制御部３７は、この動作を繰り返すことによって、粒子９１の上下方向の速度を「０」にする。同様に、粒子９１が右方向の速度を有する場合は、コイル電源２６を介して、コイル２２に図５に示すパルス波形の電流を供給することによって、粒子９１の速度を制御する。これにより、粒子移動制御部３７は、観察部１２の所望の位置に粒子９１を停止させる。
【００４３】
尚、粒子９１を停止させることを前提に、粒子移動制御部３７の動作を説明したが、粒子９１を回転させるように制御してもよい。具体的には、粒子移動制御部３７は、コイル２１に図５に示す電流を供給した後、所定間隔を開けて、コイル２２に電流を供給する。この後、粒子移動制御部３７は、更に所定間隔を開けて、コイル２３に電流を流した後、コイル２４に電流を流す。このように、粒子移動制御部３７が、コイル２１、２２、２３、２４の順に電流を供給して、繰り返すことによって、粒子９１を観察部１２の略中心で回転させることができる。更に、粒子移動制御部３７は、電流の大きさを変えることによって回転運動の大きさを制御して、電流を供給する時間間隔を変えることによって回転速度を制御する。
【００４４】
また、ユーザが、入力部３５によって、粒子９１の運動パターンを入力可能に構成してもよい。ここでいう運動パターンは、上述した停止、回転運動の他に、直線運動等も含む。
【００４５】
この後、ユーザが入力部３５によって終了指示を入力すると、粒子移動制御部３７は上述した処理を終了する。
【００４６】
（第１実施形態による効果）
次に、上述した第１実施形態による効果について説明する。
【００４７】
第１実施形態による粒子観察装置１では、画像解析部３２が画像データから粒子９１の位置座標ＰＰ、変位ＰＤ、速度ＰＶ、加速度ＰＡを算出して、粒子移動制御部３７へと出力する。これにより、粒子移動制御部３７は、粒子９１の位置座標ＰＰ、変位ＰＤ、速度ＰＶ、加速度ＰＡに基づいて、コイル２１〜２４を制御している。このため、粒子移動制御部３７は、粒子９１の運動に対応させて粒子９１を制御できるので、粒子９１を所望の場所に停止でき、または、回転運動等の運動をさせることができる。この結果、ユーザは、容易に粒子９１を観察できる。更に、粒子観察装置１は、粒子９１の運動を制御することによって、粒子９１を撮像領域に維持できるので、同じ粒子９１を長時間観察することができる。
【００４８】
また、粒子観察装置１では、光照射部３がレーザ光Ｌａを広げるビームエキスパンダ１６を有するので、レーザ光Ｌｂは観察部１２の広い領域を明るくすることができる。この結果、撮像部５は、容易に粒子９１を撮像することができる。更に、粒子９１が移動していても、レーザ光Ｌｂの照射領域から離脱しにくいので、一度、撮像した粒子９１が撮像部５の撮像領域から外れることを抑制できる。
【００４９】
また、粒子観察装置１では、光照射部３のレーザ装置１５がレーザ光Ｌａをパルス発振している。そして、撮像制御部３８は、撮像部５の撮像間隔ＴＩとレーザ光Ｌａとを同期させることができる。これにより、粒子観察装置１は、不要なレーザ光Ｌｂによる液体９２及び粒子９１の加熱を抑制できる。
【００５０】
＜第２実施形態＞
次に、上述した実施形態の一部を変更した第２実施形態について説明する。図６は、第２実施形態による粒子観察装置の全体構成図である。尚、上述した実施形態と同様の構成には、同じ符号を付けて説明を省略する。
【００５１】
図６に示すように、第２実施形態による粒子観察装置１Ａの粒子移動部４Ａは、粒子９１の移動を制御するための超伝導電磁石４１と、超伝導電磁石４１に電流を供給するためのコイル電源４２とを備えている。
【００５２】
超伝導電磁石４１は、超伝導コイル４３と、冷却部４４とを備えている。超伝導コイル４３の巻線は、超伝導材料からなる。観察部１２は、超伝導コイル４３の中空部４３ａに配置されている。これにより、超伝導コイル４３の磁場は、観察部１２の内部を上下方向に貫く。冷却部４４は、超伝導コイル４３を冷却するためのものである。冷却部４４の内部には、冷却用の液体ヘリウム、気体のヘリウム、あるいは液体ナトリウム等が貯留されている。
【００５３】
第２実施形態では、観察部１２が中空部４３ａに配置されているため、撮像部５を観察部１２の正面に配置することができない。そこで、第２実施形態の撮像部５Ａは、観察部１２を透過したレーザ光Ｌｂを撮像部５へと反射するための反射部１９ａ、１９ｂを備えている。撮像部５は、反射部１９ａ、１９ｂによって反射されたレーザ光Ｌｂによって粒子９１の暗視野像を撮像している。
【００５４】
第２実施形態では、超伝導電磁石４１によって粒子９１の上下方向の移動を制御している。これにより、第２実施形態は、より強い磁力によって強磁性体のみならず、弱磁性体や反磁性体の粒子９１を制御することができる。
【００５５】
＜第３実施形態＞
次に、上述した実施形態の粒子移動部を変更した第３実施形態について説明する。図７は、第３実施形態による粒子移動部の概略図である。尚、上述した実施形態と同様の構成には、同じ符号を付けて説明を省略する。
【００５６】
第３実施形態による粒子移動部４Ｂは、４個の永久磁石４５、４６、４７、４８を備えている。
【００５７】
４個の永久磁石４５〜４８は、コイル２１〜２４の磁力を補助するためのものである。４個の永久磁石４５〜４８は、４個のコイル２１〜２４の外側に配置されている。ここで、永久磁石４５〜４８は、回転可能に構成されている。これにより、永久磁石４５〜４８は、コイル２１〜２４の磁力を補強しない場合は、回転される。この結果、永久磁石４５〜４８の磁力線は、必要な場合のみ観察部１２へと作用させることができる。
【００５８】
第３実施形態では、永久磁石４５〜４８によって、コイル２１〜２４の磁力を補強しているので、省電力化を実現することができる。
【００５９】
＜第４実施形態＞
次に、上述した実施形態の粒子移動部を変更した第４実施形態について説明する。図８は、第４実施形態による粒子観察装置の全体構成図である。尚、上述した実施形態と同様の構成には、同じ符号を付けて説明を省略する。
【００６０】
第４実施形態の粒子観察装置１Ｃの粒子移動部４Ｃは、帯電された導電性材料からなる粒子９１の移動を電場によって制御しつつ、観察するためのものである。
【００６１】
粒子観察装置１Ｃの粒子移動部４Ｃは、観察部１２の四方に配置された電極５１、５２、５３、５４と、電極電源５５、５６とを備えている。電極電源５５は、電極５１に正負の電圧を印加する。電極５３は、接地されて、グランド電位となっている。電極電源５６は、電極５２に正負の電圧を印加する。電極５４は、接地されて、グランド電位となっている。
【００６２】
第４実施形態では、粒子移動制御部３７が、電極電源５５を介して、電極５１に電圧を印加することによって、電極５１と電極５３との間に上下方向の電場を発生させる。これにより、粒子移動制御部３７は、粒子９１の上下方向の移動を制御する。更に、粒子移動制御部３７は、電極５１の電圧の正負を制御することにより、上方向または下方向の何れかに粒子９１の移動を制御する。また、粒子移動制御部３７は、電極電源５６を介して、電極５２に電圧を印加することによって、電極５２と電極５４との間に左右方向の電場を発生させる。これにより、粒子移動制御部３７は、粒子９１の左右方向の移動を制御する。更に、粒子移動制御部３７は、電極５２の電圧の正負を制御することにより、左方向または右方向の何れかに粒子９１の移動を制御する。
【００６３】
第４実施形態による粒子観察装置１Ｃは、電場によって導電性の粒子９１の移動を制御することができる。これにより、粒子観察装置１Ｃは、導電性の粒子９１の移動を制御しつつ、観察することができる。更に、粒子観察装置１Ｃは、粒子移動制御部３７によって電極５１（５２）に印加する電圧の正負を制御することにより、粒子９１の移動を上方向または下方向（左方向または右方向）の何れかに制御できる。これにより、粒子観察装置１Ｃは、電極電源５５（５６）の数を減らして、構成の簡略化を実現できる。
【００６４】
＜第５実施形態＞
次に、上述した第４実施形態の一部を変更した第５実施形態について説明する。図９は、第５実施形態による粒子観察装置の全体構成図である。尚、上述した実施形態と同様の構成には、同じ符号を付けて説明を省略する。
【００６５】
第５実施形態による粒子観察装置１Ｄの粒子移動部４Ｄは、レーザ光により近接場光を発生させて粒子９１の運動の一部を制御する近接場光発生部６０を更に備えている。近接場光発生部６０は、レーザ装置６１と、光ファイバ６２と、接続部材６３と、光ファイバ６４とを備えている。なお、光ファイバによる導光は偏光成分を乱す要因になるため、光ファイバを使わずに直接粒子にレーザ光を照射してもよい。
【００６６】
レーザ装置６１は、観察対象の粒子９１の直径よりも波長の大きいレーザ光を照射するものである。レーザ装置６１は、粒子移動制御部３７と指示信号を入力可能に接続されている。
【００６７】
光ファイバ６２は、レーザ装置６１から照射されたレーザ光を接続部材６３まで導光させる。光ファイバ６２は、レーザ装置６１と観察部１２の側面の一部との間に配置されている。
【００６８】
接続部材６３は、光ファイバ６２と光ファイバ６４とを接続するものである。接続部材６３は、観察部１２の側面に取り付けられている。接続部材６３には、光ファイバ６２の一端と光ファイバ６４の一端とが接続されている。
【００６９】
光ファイバ６４は、光ファイバ６２によって導光したレーザ光を観察部１２の中心部へと導光させるものである。
【００７０】
第５実施形態による粒子観察装置１Ｄでは、まず、粒子移動制御部３７が、電極５１〜５４によって粒子９１を光ファイバ６４の他端部の近傍に停止させる。この後、粒子移動制御部３７は、レーザ装置６１に指示信号を入力する。レーザ装置６１は、レーザ光を照射する。レーザ光は、光ファイバ６２、接続部材６３、光ファイバ６４を順に導光して、光ファイバ６４の他端から出射される。レーザ光が、その波長よりも小さい直径（１μｍ以下）の粒子９１に照射されると、レーザ光は、粒子９１の周りに近接場光を生じさせる。ここで、近接場光は、粒子９１の外周から粒子９１の直径程度の領域まで広がる。複数の粒子９１が、この近接場光の領域内にあると、粒子９１と粒子９１との間に静電的（あるいは熱的）な相互作用力が発生する。これにより、粒子移動制御部３７は、粒子９１の位置を徴小領域で制御することができる。この状態で、撮像部５は、粒子９１を撮像する。ここで、撮像部５は、光照射部３から照射されたレーザ光Ｌｂと、光ファイバ６４から出射されたレーザ光の散乱光によって粒子９１を撮像することになる。
【００７１】
尚、近接場光は、照射するレーザ光の偏光によって相互作用力の向きや大きさを制御することができる。具体的には、レーザ光が直線偏光の場合、直線偏光の向きを偏光子や波長板によって変えることによって、近接場光の向きを変えることができる。レーザ光を直線偏光と円偏光とで切り替えてもよい。また、レーザ光の出力を変えることによって、近接場光の大きさを変えることができる。
【００７２】
以上、実施形態を用いて本発明を詳細に説明したが、本発明は本明細書中に説明した実施形態に限定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載及び特許請求の範囲の記載と均等の範囲により決定されるものである。以下、上記実施形態を一部変更した変更形態について説明する。
【００７３】
上述した実施形態の構成の形状、材質、数値、配置等は適宜変更可能である。また、上述した実施形態を組み合わせてもよい。
【００７４】
上述した実施形態では、観察部を照射する光源としてレーザ装置を適用したが、白色光源等の他の光源を採用してもよい。
【００７５】
上述した実施形態では、光照射部にレンズを設けなかったが、複数のレンズによって光を集光させて観察部に照射するように構成してもよい。また、レンズ以外の光学的構成を光照射部に設けてもよい。
【００７６】
上述した実施形態では、１個の撮像部により粒子を撮像したが、複数の撮像部によって異なる方向から粒子を撮像してもよい。これにより、粒子の３次元的な運動を観察できる。
【００７７】
上述した実施形態では、観察対象の粒子の直径を１μｍ以下としたが、１μｍ以上の粒子観察用の装置に本発明を適用してもよい。この場合、粒子によるレーザ光の散乱は、粒子径と使用するレーザ光の波長との関係でレイリー散乱ではなく、ミー散乱等になる場合もある。
【００７８】
上述した実施形態では、強磁性体または導電性材料からなる粒子を観察対象としたが、強磁性体または導電性材料を含む粒子を観察対象としてもよい。
【００７９】
上述した実施形態では、コイル等を磁力線発生手段として適用したが、Ｃ型磁石、超伝導磁石等の他の磁力線発生手段を適用してもよい。
【符号の説明】
【００８０】
１、１Ａ、１Ｃ、１Ｄ 粒子観察装置
２ 観察セル
３ 光照射部（光照射手段）
４、４Ａ、４Ｂ、４Ｃ、４Ｄ 粒子移動部（粒子移動手段）
５、５Ａ 撮像部
６ 画像解析装置
７ 制御装置
１１ 流入部
１２ 観察部
１３ 流出部
１５ レーザ装置
１６ ビームエキスパンダ
１７ 反射部材
１８ 受光素子
１９ａ、１９ｂ 反射部
２１〜２４ コイル（磁力線発生手段）
２５〜２８ コイル電源
３１ 表示部
３２ 画像解析部（画像解析手段）
３５ 入力部
３６ 光制御部
３７ 粒子移動制御部（粒子移動制御手段）
３８ 撮像制御部
４１ 超伝導電磁石
４２ コイル電源
４３ 超伝導コイル
４３ａ 中空部
４４ 冷却部
４５ 永久磁石
５１〜５４ 電極（電場発生手段）
５５、５６ 電極電源
６０ 近接場光発生部
６１ レーザ装置
６２ 光ファイバ
６３ 接続部材
６４ 光ファイバ
９１ 粒子
９２ 液体
９３ 磁力線
Ｌａ、Ｌｂ レーザ光
ＰＰ 位置座標
ＰＤ 変位
ＰＶ 速度
ＰＡ 加速度
ＴＩ 撮像間隔
【技術分野】
【０００１】
本発明は、移動する粒子を観察するための粒子観察装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、流体の中で微細な粒子（例えば、１μｍ以下の粒子）を観察するための粒子観察装置及び方法が知られている。非特許文献１には、光源からの光を観察対象の粒子に照射して、粒子により散乱された光によって粒子の暗視野を観察する方法が開示されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】木倉宏成 他１名、「マイクロスケール微粒子流動計測−暗視野法を用いた強磁性ナノ微粒子の粒径計測と挙動解析」、日本機械学会誌、２００８．２、Ｖｏｌ．１１１、Ｎｏ．１０７１、ｐ１４−１７
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、非特許文献１の技術では、流体中の粒子が移動して、視野から外れてしまうために観察することが難しいといった課題がある。
【０００５】
本発明は、上述した課題を解決するために創案されたものであり、移動する粒子を容易に観察可能な粒子観察装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、粒子に光を照射する光照射手段と、前記光照射手段からの光が照射された前記粒子を撮像する撮像手段と、前記撮像手段により撮像された粒子の画像を解析する画像解析手段と、前記粒子を移動させるための粒子移動手段と、前記画像解析手段によって解析された画像解析情報に基づいて、前記粒子移動手段を制御する粒子移動制御手段とを備えることを特徴とする。
【０００７】
また、請求項２に記載の発明は、前記粒子は、強磁性体を含み、前記粒子移動手段は、電流によって磁力線を発生させる磁力線発生手段を有し、前記粒子移動制御手段は、前記磁力線発生手段を制御することによって、前記粒子の移動を制御することを特徴とする。
【０００８】
また、請求項３に記載の発明は、前記粒子移動手段は、超伝導電磁石を更に有することを特徴とする。
【０００９】
また、請求項４に記載の発明は、前記粒子移動手段は、前記磁力線発生手段の磁力を補助するための永久磁石を更に有することを特徴とする。
【００１０】
また、請求項５に記載の発明は、前記粒子は、導電性材料を含み、前記粒子移動手段は、電圧によって電場を発生させる電場発生手段を有し、前記粒子移動制御手段は、前記電場発生手段を制御することによって、前記粒子の移動を制御することを特徴とする。
【００１１】
また、請求項６に記載の発明は、前記粒子移動手段は、レーザ光によって近接場光を発生させる近接場光発生手段を有し、前記粒子移動制御手段は、前記近接場光を制御することによって、前記粒子の移動を制御することを特徴とする。
【００１２】
また、請求項７に記載の発明は、前記光照射手段は、前記粒子を照射するためのレーザ光を出射するレーザ装置を有することを特徴とする。
【００１３】
また、請求項８に記載の発明は、前記光照射手段は、前記レーザ光を広げるビームエキスパンダを更に有することを特徴とする。
【００１４】
また、請求項９に記載の発明は、前記レーザ装置は、レーザ光をパルス発振することを特徴とする。
【００１５】
また、請求項１０に記載の発明は、前記レーザ装置は、直線偏光のレーザ光を出射することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、粒子の画像を解析することによって得られる画像解析情報に基づいて、粒子を移動させるための粒子移動手段を粒子移動制御手段が制御する。これにより、本発明は、粒子を撮像可能な領域に移動させつつ、撮像することができる。この結果、本発明は、移動する粒子を容易に観察できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】第１実施形態による粒子観察装置の全体構成図である。
【図２】観察セルの観察部近傍の右側面図である。
【図３】コイルから発生する磁力線を説明するための図である。
【図４】別のコイルから発生する磁力線を説明するための図である。
【図５】コイルに供給する電流を説明する図である。
【図６】第２実施形態による粒子観察装置の全体構成図である。
【図７】第３実施形態による粒子移動部の概略図である。
【図８】第４実施形態による粒子観察装置の全体構成図である。
【図９】第５実施形態による粒子観察装置の全体構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
＜第１実施形態＞
以下、図面を参照して、本発明による第１実施形態を説明する。図１は、第１実施形態による粒子観察装置の全体構成図である。図２は、観察セルの観察部近傍の右側面図である。図３は、コイルから発生する磁力線を説明するための図である。図４は、別のコイルから発生する磁力線を説明するための図である。図５は、コイルに供給する電流を説明する図である。尚、図１における点線で囲んだ観察部近傍の図は、正面図である。以下の説明において、図１の矢印で示す上下左右を、点線枠内の上下左右方向とする。また、図１の紙面表方向を、点線枠内の前方とする（図２参照）。
【００１９】
第１実施形態による粒子観察装置１は、液体（流体）中の強磁性体の粒子９１を観察するためのものである。粒子９１の直径は、約１μｍ以下とする。図１及び図２に示すように、粒子観察装置１は、観察セル２と、光照射部３と、粒子移動部４と、撮像部５と、画像解析装置６と、制御装置７とを備えている。
【００２０】
観察セル２は、観察対象の粒子９１とともに、液体９２を流すためのものである。観察セル２は、光を透過可能な樹脂またはガラスからなる。図２に示すように、観察セル２は、流入部１１と、観察部１２と、流出部１３とを有する。流入部１１、観察部１２、及び、流出部１３は、一体的に構成されている。流入部１１、観察部１２、及び、流出部１３には、液体の流路が一連に形成されている。粒子９１を含む液体９２は、流入部１１、観察部１２、流出部１３へと流れる。観察部１２は、正面視にて、長方形状に形成されている。
【００２１】
光照射部３は、観察セル２の観察部１２の粒子９１にシート状のレーザ光Ｌｂを照射するものである。光照射部３は、レーザ装置１５と、ビームエキスパンダ１６と、反射部材１７と、受光素子１８とを備えている。尚、レーザ光はシート状ではなく線状のままでもよい。
【００２２】
レーザ装置１５は、粒子９１を照射するためのレーザ光Ｌａを出射するためのものである。レーザ装置１５は、約５３２ｎｍの波長のレーザ光（緑色光）Ｌａを照射するＹＡＧレーザからなる。レーザ装置１５は、直線偏光のレーザ光Ｌａをパルス発振する。尚、レーザ装置１５は、円偏光のレーザ光を発振するものでもよく、レーザ光を連続発振するものでもよい。
【００２３】
ビームエキスパンダ１６は、線状のレーザ光Ｌａを一方向に広げるためのものである。これにより、レーザ光Ｌａは、左右方向に一定の幅を有するシート状のレーザ光Ｌｂとなって観察部１２を照射する。
【００２４】
反射部材１７は、右方向に進行するレーザ光Ｌｂを観察部１２が配置された下方へと反射するものである。
【００２５】
受光素子１８は、観察部１２を透過したレーザ光Ｌｂを受光して検出信号を制御装置７へと出力するためのものである。制御装置７は、この検出信号に基づいて、レーザ光Ｌｂのずれを検出して、レーザ装置１５の方向を調整する。
【００２６】
粒子移動部４は、磁場によって強磁性体の粒子９１を停止または運動させるものである。粒子移動部４は、４組のコイル２１、２２、２３、２４及びコイル電源２５、２６、２７、２８を備えている。
【００２７】
４個のコイル２１〜２４は、それぞれ観察セル２の観察部１２の上左下右の４方向に配置されている。コイル２１〜２４は、電流が供給されると、観察部１２へと磁力線９３を発生させる。具体的には、図３に示すように、コイル２１は、上下方向の磁力線９３を発生させる。これにより、コイル２１に吸引される方向（上向き）の磁力が、強磁性体の粒子９１に作用する。また、図４に示すように、コイル２２は、左右方向の磁力線９３を発生させる。これにより、コイル２２に吸引される方向（左向き）の磁力が強磁性体の粒子９１に作用する。
【００２８】
４個のコイル電源２５〜２８は、それぞれ異なるコイル２１〜２４に接続されている。コイル電源２５〜２８は、図５に示すパルス波形（正弦波）の電流をコイル２１〜２４に供給する。尚、電流の波形は任意波形、あるいは直流電流でもよい。ここでは、説明を簡便にするためにパルス波形（正弦波）を用いる。
【００２９】
撮像部５は、レーザ光Ｌｂが照射された粒子９１を撮像するためのものである。撮像部５は、高速撮像可能なＣＭＯＳカメラからなる。図２に示すように、撮像部５は、観察部１２の中央部の前方に配置されている。尚、図１における撮像部５の位置は便宜上記載しているのであって、実際の位置とは異なる。撮像部５は、シート状のレーザ光Ｌｂが粒子９１によってレイリー散乱された光によって観察部１２の粒子９１の暗視野像を撮像する。撮像部５は、パルス発振されるレーザ光Ｌｂと同期して粒子９１を撮像する。即ち、撮像部５は、所定の時間間隔（以下、撮像間隔）ＴＩで粒子９１を撮像する。撮像部５は、撮像した粒子９１の画像データを画像解析装置６へと出力する。
【００３０】
画像解析装置６は、撮像部５によって撮像されて入力された粒子９１の画像データの解析をするとともに、粒子９１の画像を表示する。画像解析装置６は、画像を表示する表示部３１と、画像解析部３２とを備えている。
【００３１】
表示部３１は、液晶表示装置等からなる。
【００３２】
画像解析部３２は、ＣＰＵ(central processing unit)等の演算部（図示略）と、ＲＡＭ（random access memory）、ＲＯＭ（read only memory）及びＨＤＤ（hard disk drive）等の記憶部（図示略）を有する。画像解析部３２は、撮像部５から入力された画像データを解析することによって、粒子９１の位置座標ＰＰ、変位ＰＤ、速度ＰＶ、加速度ＰＡを算出する。位置座標ＰＰ、変位ＰＤ、速度ＰＶ、加速度ＰＡが画像解析情報である。具体的には、画像解析部３２は、撮像部５から入力された画像データから粒子９１の位置座標ＰＰを特定する。尚、画像解析部３２は、広がりのある粒子９１の重心を算出して、二値化することにより粒子９１の位置座標ＰＰを特定する。この後、撮像間隔ＴＩ毎に入力される画像データによって粒子９１の位置座標ＰＰを特定して、位置座標ＰＰの変位ＰＤを算出する。次に、変位ＰＤと撮像間隔ＴＩから粒子９１の速度ＰＶを算出する。そして、速度ＰＶと撮像間隔ＴＩから粒子９１の加速度ＰＡを算出する。画像解析部３２は、算出した粒子９１の位置座標ＰＰ、変位ＰＤ、速度ＰＶ、加速度ＰＡを制御装置７へと出力する。
【００３３】
制御装置７は、粒子観察装置１の制御全般を司るものである。制御装置７は、ＣＰＵ(central processing unit)等の演算部（図示略）と、ＲＡＭ（random access memory）、ＲＯＭ（read only memory）及びＨＤＤ（hard disk drive）等の記憶部（図示略）を有する。制御装置７は、入力部３５と、光制御部３６と、粒子移動制御部３７と、撮像制御部３８とを備える。尚、各部３５〜３８は、プログラム等のソフトウエアによって構成してもよく、回路等のハードウエアによって構成してもよく、それらの組み合わせであってもよい。
【００３４】
入力部３５は、ユーザが種々の指示を入力するためのものである。入力部３５は、キーボードやマウスを有する。入力部３５は、ユーザから入力された指示を光制御部３６及び粒子移動制御部３７へと入力する。
【００３５】
光制御部３６は、光照射部３を制御するためのものである。光制御部３６は、指示信号をレーザ装置１５へと出力する。これにより、レーザ装置１５は、撮像間隔ＴＩでレーザ光Ｌａを出射する。また、初期設定時には、光制御部３６には、受光素子１８からの検出信号が入力される。この検出信号に基づいて、光制御部３６は、レーザ光Ｌｂのずれを算出して、レーザ装置１５を制御してレーザ光Ｌｂの出射方向を調整する。尚、光制御部３６がレーザ光Ｌｂのずれを表示可能に構成して、レーザ装置１５の出射方向は、ユーザが設定するようにしてもよい。
【００３６】
粒子移動制御部３７は、粒子９１の移動を制御する。粒子移動制御部３７には、画像解析部３２から粒子９１の位置座標ＰＰ、変位ＰＤ、速度ＰＶ、加速度ＰＡが入力される。粒子移動制御部３７は、これらの粒子９１の位置座標ＰＰ、変位ＰＤ、速度ＰＶ、加速度ＰＡに基づいて、４組のコイル２１〜２４及びコイル電源２５〜２８を制御する。これにより、粒子９１の移動が制御される。
【００３７】
撮像制御部３８は、撮像部５を制御するためのものである。撮像制御部３８は、光照射部３のレーザ装置１５から発振される周期に同期して、撮像部５に撮像信号を出力する。
【００３８】
（粒子観察装置の動作及び粒子観察方法）
次に、上述した粒子観察装置の動作及び粒子観察方法を説明する。
【００３９】
まず、強磁性体の粒子９１を含む液体９２が、流入部１１、観察部１２、流出部１３の順に観察セル２に流される。この状態で、ユーザが、制御装置７の入力部３５を介して開始を選択すると、制御装置７の光制御部３６が指示信号を光照射部３のレーザ装置１５へと出力する。これにより、レーザ装置１５は、レーザ光Ｌａをパルス発振する。レーザ光Ｌａは、ビームエキスパンダ１６によって一方向に広げられて、シート状のレーザ光Ｌｂとなる。この後、レーザ光Ｌｂは、反射部材１７によって反射されて、観察セル２の観察部１２へと進行する。この結果、シート状のレーザ光Ｌｂが、観察部１２の中央部を明るく照らす。ここで、レーザ光Ｌｂが観察部１２の所望の領域からずれている場合、受光素子１８から光制御部３６へ入力された検出信号に基づいて、光制御部３６がレーザ装置１５の位置を調整する。これにより、レーザ光Ｌｂが、観察部１２の所望の領域を照らす。
【００４０】
次に、観察部１２内の粒子９１が、観察部１２の中央部の正面に配置された撮像部５によって撮像される。ここで、撮像部５は、粒子９１によってレイリー散乱されたレーザ光Ｌｂによって粒子９１の暗視野像を撮像する。この撮像動作が、レーザ光Ｌｂのパルス間隔と同じ撮像間隔ＴＩ毎に実行される。次に、撮像部５は、撮像した画像データを画像解析装置６の画像解析部３２へと出力する。
【００４１】
次に、画像解析装置６では、表示部３１に撮像した粒子９１の画像を表示するとともに、画像解析部３２が画像データを解析する。具体的には、画像解析部３２は、各画増データから粒子９１の位置座標ＰＰを算出する。次に、画像解析部３２は、算出した複数の位置座標ＰＰから粒子９１の変位を算出する。画像解析部３２は、変位ＰＤと撮像間隔ＴＩとから粒子９１の速度ＰＶを算出する。更に、画像解析部３２は、速度ＰＶと撮像間隔ＴＩとから粒子９１の加速度ＰＡを算出する。この後、画像解析部３２は、算出した位置座標ＰＰ、変位ＰＤ、速度ＰＶ、加速度ＰＡを制御装置７の粒子移動制御部３７へと出力する。
【００４２】
次に、制御装置７の粒子移動制御部３７は、画像解析部３２から入力された粒子９１の位置座標ＰＰ、変位ＰＤ、速度ＰＶ、加速度ＰＡに基づいて、コイル電源２５〜２８を介して、コイル２１〜２４を制御する。具体的には、最初、粒子９１は、液体９２とともに、上から下へと観察部１２の内部を移動している。即ち、粒子９１は、下向きの速度を有するので、粒子移動制御部３７は、コイル電源２５を介して、コイル２１に図５に示す正弦波形の電流を供給する。これにより、図３に示すように、磁力線９３がコイル２１から発生して、上向の磁力が粒子９１に作用する。この結果、粒子９１の下向きの速度が減速される。ここで、粒子移動制御部３７は、電流と減速された加速度とを関連付けて記憶することによって、次回以降にコイル２１に供給する電流の大きさを制御する。この後、粒子移動制御部３７は、この動作を繰り返すことによって、粒子９１の上下方向の速度を「０」にする。同様に、粒子９１が右方向の速度を有する場合は、コイル電源２６を介して、コイル２２に図５に示すパルス波形の電流を供給することによって、粒子９１の速度を制御する。これにより、粒子移動制御部３７は、観察部１２の所望の位置に粒子９１を停止させる。
【００４３】
尚、粒子９１を停止させることを前提に、粒子移動制御部３７の動作を説明したが、粒子９１を回転させるように制御してもよい。具体的には、粒子移動制御部３７は、コイル２１に図５に示す電流を供給した後、所定間隔を開けて、コイル２２に電流を供給する。この後、粒子移動制御部３７は、更に所定間隔を開けて、コイル２３に電流を流した後、コイル２４に電流を流す。このように、粒子移動制御部３７が、コイル２１、２２、２３、２４の順に電流を供給して、繰り返すことによって、粒子９１を観察部１２の略中心で回転させることができる。更に、粒子移動制御部３７は、電流の大きさを変えることによって回転運動の大きさを制御して、電流を供給する時間間隔を変えることによって回転速度を制御する。
【００４４】
また、ユーザが、入力部３５によって、粒子９１の運動パターンを入力可能に構成してもよい。ここでいう運動パターンは、上述した停止、回転運動の他に、直線運動等も含む。
【００４５】
この後、ユーザが入力部３５によって終了指示を入力すると、粒子移動制御部３７は上述した処理を終了する。
【００４６】
（第１実施形態による効果）
次に、上述した第１実施形態による効果について説明する。
【００４７】
第１実施形態による粒子観察装置１では、画像解析部３２が画像データから粒子９１の位置座標ＰＰ、変位ＰＤ、速度ＰＶ、加速度ＰＡを算出して、粒子移動制御部３７へと出力する。これにより、粒子移動制御部３７は、粒子９１の位置座標ＰＰ、変位ＰＤ、速度ＰＶ、加速度ＰＡに基づいて、コイル２１〜２４を制御している。このため、粒子移動制御部３７は、粒子９１の運動に対応させて粒子９１を制御できるので、粒子９１を所望の場所に停止でき、または、回転運動等の運動をさせることができる。この結果、ユーザは、容易に粒子９１を観察できる。更に、粒子観察装置１は、粒子９１の運動を制御することによって、粒子９１を撮像領域に維持できるので、同じ粒子９１を長時間観察することができる。
【００４８】
また、粒子観察装置１では、光照射部３がレーザ光Ｌａを広げるビームエキスパンダ１６を有するので、レーザ光Ｌｂは観察部１２の広い領域を明るくすることができる。この結果、撮像部５は、容易に粒子９１を撮像することができる。更に、粒子９１が移動していても、レーザ光Ｌｂの照射領域から離脱しにくいので、一度、撮像した粒子９１が撮像部５の撮像領域から外れることを抑制できる。
【００４９】
また、粒子観察装置１では、光照射部３のレーザ装置１５がレーザ光Ｌａをパルス発振している。そして、撮像制御部３８は、撮像部５の撮像間隔ＴＩとレーザ光Ｌａとを同期させることができる。これにより、粒子観察装置１は、不要なレーザ光Ｌｂによる液体９２及び粒子９１の加熱を抑制できる。
【００５０】
＜第２実施形態＞
次に、上述した実施形態の一部を変更した第２実施形態について説明する。図６は、第２実施形態による粒子観察装置の全体構成図である。尚、上述した実施形態と同様の構成には、同じ符号を付けて説明を省略する。
【００５１】
図６に示すように、第２実施形態による粒子観察装置１Ａの粒子移動部４Ａは、粒子９１の移動を制御するための超伝導電磁石４１と、超伝導電磁石４１に電流を供給するためのコイル電源４２とを備えている。
【００５２】
超伝導電磁石４１は、超伝導コイル４３と、冷却部４４とを備えている。超伝導コイル４３の巻線は、超伝導材料からなる。観察部１２は、超伝導コイル４３の中空部４３ａに配置されている。これにより、超伝導コイル４３の磁場は、観察部１２の内部を上下方向に貫く。冷却部４４は、超伝導コイル４３を冷却するためのものである。冷却部４４の内部には、冷却用の液体ヘリウム、気体のヘリウム、あるいは液体ナトリウム等が貯留されている。
【００５３】
第２実施形態では、観察部１２が中空部４３ａに配置されているため、撮像部５を観察部１２の正面に配置することができない。そこで、第２実施形態の撮像部５Ａは、観察部１２を透過したレーザ光Ｌｂを撮像部５へと反射するための反射部１９ａ、１９ｂを備えている。撮像部５は、反射部１９ａ、１９ｂによって反射されたレーザ光Ｌｂによって粒子９１の暗視野像を撮像している。
【００５４】
第２実施形態では、超伝導電磁石４１によって粒子９１の上下方向の移動を制御している。これにより、第２実施形態は、より強い磁力によって強磁性体のみならず、弱磁性体や反磁性体の粒子９１を制御することができる。
【００５５】
＜第３実施形態＞
次に、上述した実施形態の粒子移動部を変更した第３実施形態について説明する。図７は、第３実施形態による粒子移動部の概略図である。尚、上述した実施形態と同様の構成には、同じ符号を付けて説明を省略する。
【００５６】
第３実施形態による粒子移動部４Ｂは、４個の永久磁石４５、４６、４７、４８を備えている。
【００５７】
４個の永久磁石４５〜４８は、コイル２１〜２４の磁力を補助するためのものである。４個の永久磁石４５〜４８は、４個のコイル２１〜２４の外側に配置されている。ここで、永久磁石４５〜４８は、回転可能に構成されている。これにより、永久磁石４５〜４８は、コイル２１〜２４の磁力を補強しない場合は、回転される。この結果、永久磁石４５〜４８の磁力線は、必要な場合のみ観察部１２へと作用させることができる。
【００５８】
第３実施形態では、永久磁石４５〜４８によって、コイル２１〜２４の磁力を補強しているので、省電力化を実現することができる。
【００５９】
＜第４実施形態＞
次に、上述した実施形態の粒子移動部を変更した第４実施形態について説明する。図８は、第４実施形態による粒子観察装置の全体構成図である。尚、上述した実施形態と同様の構成には、同じ符号を付けて説明を省略する。
【００６０】
第４実施形態の粒子観察装置１Ｃの粒子移動部４Ｃは、帯電された導電性材料からなる粒子９１の移動を電場によって制御しつつ、観察するためのものである。
【００６１】
粒子観察装置１Ｃの粒子移動部４Ｃは、観察部１２の四方に配置された電極５１、５２、５３、５４と、電極電源５５、５６とを備えている。電極電源５５は、電極５１に正負の電圧を印加する。電極５３は、接地されて、グランド電位となっている。電極電源５６は、電極５２に正負の電圧を印加する。電極５４は、接地されて、グランド電位となっている。
【００６２】
第４実施形態では、粒子移動制御部３７が、電極電源５５を介して、電極５１に電圧を印加することによって、電極５１と電極５３との間に上下方向の電場を発生させる。これにより、粒子移動制御部３７は、粒子９１の上下方向の移動を制御する。更に、粒子移動制御部３７は、電極５１の電圧の正負を制御することにより、上方向または下方向の何れかに粒子９１の移動を制御する。また、粒子移動制御部３７は、電極電源５６を介して、電極５２に電圧を印加することによって、電極５２と電極５４との間に左右方向の電場を発生させる。これにより、粒子移動制御部３７は、粒子９１の左右方向の移動を制御する。更に、粒子移動制御部３７は、電極５２の電圧の正負を制御することにより、左方向または右方向の何れかに粒子９１の移動を制御する。
【００６３】
第４実施形態による粒子観察装置１Ｃは、電場によって導電性の粒子９１の移動を制御することができる。これにより、粒子観察装置１Ｃは、導電性の粒子９１の移動を制御しつつ、観察することができる。更に、粒子観察装置１Ｃは、粒子移動制御部３７によって電極５１（５２）に印加する電圧の正負を制御することにより、粒子９１の移動を上方向または下方向（左方向または右方向）の何れかに制御できる。これにより、粒子観察装置１Ｃは、電極電源５５（５６）の数を減らして、構成の簡略化を実現できる。
【００６４】
＜第５実施形態＞
次に、上述した第４実施形態の一部を変更した第５実施形態について説明する。図９は、第５実施形態による粒子観察装置の全体構成図である。尚、上述した実施形態と同様の構成には、同じ符号を付けて説明を省略する。
【００６５】
第５実施形態による粒子観察装置１Ｄの粒子移動部４Ｄは、レーザ光により近接場光を発生させて粒子９１の運動の一部を制御する近接場光発生部６０を更に備えている。近接場光発生部６０は、レーザ装置６１と、光ファイバ６２と、接続部材６３と、光ファイバ６４とを備えている。なお、光ファイバによる導光は偏光成分を乱す要因になるため、光ファイバを使わずに直接粒子にレーザ光を照射してもよい。
【００６６】
レーザ装置６１は、観察対象の粒子９１の直径よりも波長の大きいレーザ光を照射するものである。レーザ装置６１は、粒子移動制御部３７と指示信号を入力可能に接続されている。
【００６７】
光ファイバ６２は、レーザ装置６１から照射されたレーザ光を接続部材６３まで導光させる。光ファイバ６２は、レーザ装置６１と観察部１２の側面の一部との間に配置されている。
【００６８】
接続部材６３は、光ファイバ６２と光ファイバ６４とを接続するものである。接続部材６３は、観察部１２の側面に取り付けられている。接続部材６３には、光ファイバ６２の一端と光ファイバ６４の一端とが接続されている。
【００６９】
光ファイバ６４は、光ファイバ６２によって導光したレーザ光を観察部１２の中心部へと導光させるものである。
【００７０】
第５実施形態による粒子観察装置１Ｄでは、まず、粒子移動制御部３７が、電極５１〜５４によって粒子９１を光ファイバ６４の他端部の近傍に停止させる。この後、粒子移動制御部３７は、レーザ装置６１に指示信号を入力する。レーザ装置６１は、レーザ光を照射する。レーザ光は、光ファイバ６２、接続部材６３、光ファイバ６４を順に導光して、光ファイバ６４の他端から出射される。レーザ光が、その波長よりも小さい直径（１μｍ以下）の粒子９１に照射されると、レーザ光は、粒子９１の周りに近接場光を生じさせる。ここで、近接場光は、粒子９１の外周から粒子９１の直径程度の領域まで広がる。複数の粒子９１が、この近接場光の領域内にあると、粒子９１と粒子９１との間に静電的（あるいは熱的）な相互作用力が発生する。これにより、粒子移動制御部３７は、粒子９１の位置を徴小領域で制御することができる。この状態で、撮像部５は、粒子９１を撮像する。ここで、撮像部５は、光照射部３から照射されたレーザ光Ｌｂと、光ファイバ６４から出射されたレーザ光の散乱光によって粒子９１を撮像することになる。
【００７１】
尚、近接場光は、照射するレーザ光の偏光によって相互作用力の向きや大きさを制御することができる。具体的には、レーザ光が直線偏光の場合、直線偏光の向きを偏光子や波長板によって変えることによって、近接場光の向きを変えることができる。レーザ光を直線偏光と円偏光とで切り替えてもよい。また、レーザ光の出力を変えることによって、近接場光の大きさを変えることができる。
【００７２】
以上、実施形態を用いて本発明を詳細に説明したが、本発明は本明細書中に説明した実施形態に限定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載及び特許請求の範囲の記載と均等の範囲により決定されるものである。以下、上記実施形態を一部変更した変更形態について説明する。
【００７３】
上述した実施形態の構成の形状、材質、数値、配置等は適宜変更可能である。また、上述した実施形態を組み合わせてもよい。
【００７４】
上述した実施形態では、観察部を照射する光源としてレーザ装置を適用したが、白色光源等の他の光源を採用してもよい。
【００７５】
上述した実施形態では、光照射部にレンズを設けなかったが、複数のレンズによって光を集光させて観察部に照射するように構成してもよい。また、レンズ以外の光学的構成を光照射部に設けてもよい。
【００７６】
上述した実施形態では、１個の撮像部により粒子を撮像したが、複数の撮像部によって異なる方向から粒子を撮像してもよい。これにより、粒子の３次元的な運動を観察できる。
【００７７】
上述した実施形態では、観察対象の粒子の直径を１μｍ以下としたが、１μｍ以上の粒子観察用の装置に本発明を適用してもよい。この場合、粒子によるレーザ光の散乱は、粒子径と使用するレーザ光の波長との関係でレイリー散乱ではなく、ミー散乱等になる場合もある。
【００７８】
上述した実施形態では、強磁性体または導電性材料からなる粒子を観察対象としたが、強磁性体または導電性材料を含む粒子を観察対象としてもよい。
【００７９】
上述した実施形態では、コイル等を磁力線発生手段として適用したが、Ｃ型磁石、超伝導磁石等の他の磁力線発生手段を適用してもよい。
【符号の説明】
【００８０】
１、１Ａ、１Ｃ、１Ｄ 粒子観察装置
２ 観察セル
３ 光照射部（光照射手段）
４、４Ａ、４Ｂ、４Ｃ、４Ｄ 粒子移動部（粒子移動手段）
５、５Ａ 撮像部
６ 画像解析装置
７ 制御装置
１１ 流入部
１２ 観察部
１３ 流出部
１５ レーザ装置
１６ ビームエキスパンダ
１７ 反射部材
１８ 受光素子
１９ａ、１９ｂ 反射部
２１〜２４ コイル（磁力線発生手段）
２５〜２８ コイル電源
３１ 表示部
３２ 画像解析部（画像解析手段）
３５ 入力部
３６ 光制御部
３７ 粒子移動制御部（粒子移動制御手段）
３８ 撮像制御部
４１ 超伝導電磁石
４２ コイル電源
４３ 超伝導コイル
４３ａ 中空部
４４ 冷却部
４５ 永久磁石
５１〜５４ 電極（電場発生手段）
５５、５６ 電極電源
６０ 近接場光発生部
６１ レーザ装置
６２ 光ファイバ
６３ 接続部材
６４ 光ファイバ
９１ 粒子
９２ 液体
９３ 磁力線
Ｌａ、Ｌｂ レーザ光
ＰＰ 位置座標
ＰＤ 変位
ＰＶ 速度
ＰＡ 加速度
ＴＩ 撮像間隔
【特許請求の範囲】
【請求項１】
粒子に光を照射する光照射手段と、
前記光照射手段からの光が照射された前記粒子を撮像する撮像手段と、
前記撮像手段により撮像された粒子の画像を解析する画像解析手段と、
前記粒子を移動させるための粒子移動手段と、
前記画像解析手段によって解析された画像解析情報に基づいて、前記粒子移動手段を制御する粒子移動制御手段とを備えることを特徴とする粒子観察装置。
【請求項２】
前記粒子は、強磁性体を含み、
前記粒子移動手段は、電流によって磁力線を発生させる磁力線発生手段を有し、
前記粒子移動制御手段は、前記磁力線発生手段を制御することによって、前記粒子の移動を制御することを特徴とする請求項１に記載の粒子観察装置。
【請求項３】
前記粒子移動手段は、超伝導電磁石を更に有することを特徴とする請求項２に記載の粒子観察装置。
【請求項４】
前記粒子移動手段は、前記磁力線発生手段の磁力を補助するための永久磁石を更に有することを特徴とする請求項２に記載の粒子観察装置。
【請求項５】
前記粒子は、導電性材料を含み、
前記粒子移動手段は、電圧によって電場を発生させる電場発生手段を有し、
前記粒子移動制御手段は、前記電場発生手段を制御することによって、前記粒子の移動を制御することを特徴とする請求項１に記載の粒子観察装置。
【請求項６】
前記粒子移動手段は、レーザ光によって近接場光を発生させる近接場光発生手段を有し、
前記粒子移動制御手段は、前記近接場光を制御することによって、前記粒子の移動を制御することを特徴とする請求項５に記載の粒子観察装置。
【請求項７】
前記光照射手段は、前記粒子を照射するためのレーザ光を出射するレーザ装置を有することを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の粒子観察装置。
【請求項８】
前記光照射手段は、前記レーザ光を広げるビームエキスパンダを更に有することを特徴とする請求項７に記載の粒子観察装置。
【請求項９】
前記レーザ装置は、レーザ光をパルス発振することを特徴とする請求項７または請求項８のいずれか１項に記載の粒子観察装置。
【請求項１０】
前記レーザ装置は、直線偏光のレーザ光を出射することを特徴とする請求項７〜請求項９のいずれか１項に記載の粒子観察装置。
【請求項１】
粒子に光を照射する光照射手段と、
前記光照射手段からの光が照射された前記粒子を撮像する撮像手段と、
前記撮像手段により撮像された粒子の画像を解析する画像解析手段と、
前記粒子を移動させるための粒子移動手段と、
前記画像解析手段によって解析された画像解析情報に基づいて、前記粒子移動手段を制御する粒子移動制御手段とを備えることを特徴とする粒子観察装置。
【請求項２】
前記粒子は、強磁性体を含み、
前記粒子移動手段は、電流によって磁力線を発生させる磁力線発生手段を有し、
前記粒子移動制御手段は、前記磁力線発生手段を制御することによって、前記粒子の移動を制御することを特徴とする請求項１に記載の粒子観察装置。
【請求項３】
前記粒子移動手段は、超伝導電磁石を更に有することを特徴とする請求項２に記載の粒子観察装置。
【請求項４】
前記粒子移動手段は、前記磁力線発生手段の磁力を補助するための永久磁石を更に有することを特徴とする請求項２に記載の粒子観察装置。
【請求項５】
前記粒子は、導電性材料を含み、
前記粒子移動手段は、電圧によって電場を発生させる電場発生手段を有し、
前記粒子移動制御手段は、前記電場発生手段を制御することによって、前記粒子の移動を制御することを特徴とする請求項１に記載の粒子観察装置。
【請求項６】
前記粒子移動手段は、レーザ光によって近接場光を発生させる近接場光発生手段を有し、
前記粒子移動制御手段は、前記近接場光を制御することによって、前記粒子の移動を制御することを特徴とする請求項５に記載の粒子観察装置。
【請求項７】
前記光照射手段は、前記粒子を照射するためのレーザ光を出射するレーザ装置を有することを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の粒子観察装置。
【請求項８】
前記光照射手段は、前記レーザ光を広げるビームエキスパンダを更に有することを特徴とする請求項７に記載の粒子観察装置。
【請求項９】
前記レーザ装置は、レーザ光をパルス発振することを特徴とする請求項７または請求項８のいずれか１項に記載の粒子観察装置。
【請求項１０】
前記レーザ装置は、直線偏光のレーザ光を出射することを特徴とする請求項７〜請求項９のいずれか１項に記載の粒子観察装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１１−１４５０９４（Ｐ２０１１−１４５０９４Ａ）
【公開日】平成２３年７月２８日（２０１１．７．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−４０２９（Ｐ２０１０−４０２９）
【出願日】平成２２年１月１２日（２０１０．１．１２）
【出願人】（０００００００９９）株式会社ＩＨＩ (5,014)
【公開日】平成２３年７月２８日（２０１１．７．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１月１２日（２０１０．１．１２）
【出願人】（０００００００９９）株式会社ＩＨＩ (5,014)
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