精密な材料分析は、製薬や食品産業から建築材料、バイオテクノロジー、環境科学に至るまで、多くの産業で重要な役割を果たしている。品質保証や材料の挙動予測のためにも、粒子の精確な特性評価は欠かすことができない。開発研究所や材料研究機関、試験施設は、さまざまな課題に直面している。粒子は粉末、液体、錠剤、砂、マイクロプラスチック、顔料など、形状や性質がさまざまであり、この多岐にわたる特性を分析するため、研究施設は精度、効率、実用性のバランスを適切に取る必要がある。粒子サイズ分布のわずかな偏差（マイクロメートルやナノメートルの範囲）でも、材料特性に大きな影響を与える可能性があるため、精度と再現性は特に重要だ。それと同時に、生産環境における高い処理能力に対応するため、測定品質を損なうことなく、多数のサンプルを迅速に分析する必要がある。

「Litesizer DIA シリーズを使用すると、粒子画像を直接分析することで、粒子のサイズと形状を簡単かつ正確に評価することができる。シリーズで最も高性能な Litesizer DIA 700 は、0.5 マイクロメートルから 16 ミリメートルまでの粒子サイズを測定できる」とMoitzi 博士は強調する。測定中に数千から数百万の粒子を数秒で可視化することができる。高いフレームレートと高速なデータ伝送のおかげで、短い測定時間で驚異的な数の粒子を画像化し、リアルタイムで分析することが可能となっている。

100万の粒子で1％未満の誤差

「まず、代表となるサンプルを準備する。このサンプルは粉末、顆粒、懸濁液、さらには細胞などの生物学的製剤など、さまざまな材料で構成される。原則として、1%未満の誤差を達成するには、100万個以上の粒子が必要で、サンプルは、3つの交換可能な分散ユニットの1つを使用して投入される。これにより、乾燥粉末と分散液の両方を測定できる」とMoitzi博士は説明する。

サンプルはチェンバーに入れられ、そこで連続的に移動または分散されます。粒子を運動させ続けるには、振動、気流、流体の循環など、さまざまなメカニズムを使用できる。画像フィールド内を最高 30 m/s の速度で移動する粒子は、ストロボのように照射される。モーションブラーを避けるため、照明パルスは100 ナノ秒未満に抑えられている。拡大倍率は3つのレンズを自動的に切り替えることで調整可能である。

高速処理への挑戦

「大量のデータをリアルタイムで処理する必要がある」と、Christian Moitzi 氏はこのシステムの重要な要件を述べている。IDS peak SDK を用いて統合された 10GigE Vision 高速カメラは、必要とされる高いフレームレートで画像シーケンスを記録し、高速で移動する粒子の観察を可能にする。速度に加え、インターフェースとセンサーもカメラモデルの選択において重要な要素だ。Sony IMX255 グローバルシャッター CMOS センサーを内蔵した uEye Warp10 は、高解像度、高フレームレート、ノイズのない画像再現など、厳しい要件をすべて満たしている。読み出しノイズと暗電流は、センサー市場全体でも最小レベル。5.10 MP（2472 x 2064 ピクセル）の解像度と220 fpsのフレームレートを備えたこのカメラは、高速性が求められるアプリケーションに特に適している。高解像度により、細部まで鮮明に捉えることができる。

「1GigEカメラと比較して、uEye Warp10は最大10倍の伝送帯域幅を実現している。高解像度と高ダイナミッ
クレンジの組み合わせにより、GV-7090WPは超高速でパワフルなオールラウンダーとして活躍する」と、IDSの2Dカメラ プロダクトオーナー、Marcus Rembold氏は使用されたカメラモデルについて説明する。GenICam準拠の堅牢なuEye Warp10カメラは、ギガビットイーサネットベースのネットワークで画像情報をほぼ遅延なく転送できる。そのため、物体をモーションブラーなしで詳細に記録、分析する必要があるこのような検査タスクにおいて、その真価を発揮する。

高度な画像解析アルゴリズム

「カメラで撮影した画像は PC に転送され、そこでセグメント化され、個々の粒子のさまざまなサイズや形状のパラメータが計算される」と、Christian Moitzi 氏は画像処理の次のステップについて話す。「DIA の本質は、撮影した画像の解析にある。高度な画像解析アルゴリズムとソフトウェアを使用して、画像を処理し、粒子に関する関連情報を抽出する。ユーザーはほぼリアルタイムで、平均化された粒径分布関数を結果として受け取る。ただし、個々の粒子を分析し、全体から特殊な性質を持つ粒子の画像をフィルタリングするオプションもある」

建材業界の例

分析されたパラメータは、材料サンプルの特性や挙動に関する詳細な情報を提供する。これらは密度、流動性、弾道特性などのバルク材料の特性で、建材業界などの分野に有用な情報だ。「セメントの品質は、粒子のサイズと形状に大きく左右され、表面、圧縮強度、硬化時間に影響を与えます」とChristian Moitzi氏は指摘する。粒子が細かすぎると最終製品が放熱的に硬化し、粒子が大きすぎると完全に水和しばい。セメントの流動性と水要求量は、規則的な（球状）粒子と不規則な粒子間で大きく異なる。これらの要因は、ひび割れ、収縮、または多孔性を引き起こし、セメントの品質、耐久性、機械的特性に重大な影響を及ぼす可能性がある。

今後の展望

超高速、超高解像度の 10 GigE 産業用カメラを搭載した Litesizer DIA 700 などの動的画像解析装置への
投資は、長期的に見れば大きな成果をもたらします。高速画像処理とリアルタイムの正確な分析により、プ
ロセスシーケンスが最適化され、より優れたデータに基づいて生産上の意思決定を行うことができます。よ
り精密な粒子特性評価により、プロセス制御の向上と材料使用の最適化が実現します。例えば、より正確な
計量や不良ロットの削減などが可能になります。この高速カメラ技術と高速画像処理の可用性は、レーザー
回折法などの従来の方法に比べ、動的画像解析を特に魅力的で将来性のある代替手段として位置付けます。