DE10350747B4

DE10350747B4 - Refraktometer

Info

Publication number: DE10350747B4
Application number: DE10350747A
Authority: DE
Inventors: Yoshinori Nakajima; Hideyuki Amamiya; Masaki Osawa; Kiminori Sekiguchi
Original assignee: Atago Co Ltd
Current assignee: Atago Co Ltd
Priority date: 2002-10-30
Filing date: 2003-10-30
Publication date: 2008-07-10
Anticipated expiration: 2023-10-31
Also published as: CN101545859A; US20040145731A1; TW200412427A; JP2004150923A; CN1896719A; DE10350747A1; CN1499190A; CN101545859B; TW200949231A; US7492447B2; CN1230671C; TWI335426B

Abstract

Refraktometer (10) zum Messen des Brechungsindex einer Probe, das aufweist:
ein Prisma (38), das eine Schnittstellenoberfläche hat, die die Probe berührt; eine Lichtquelle (46) zum Strahlen von Licht derart, dass Licht in das Prisma (38) durch eine Eintrittsfläche (42) des Prismas (38) eintritt und auf die Schnittstellenoberfläche (40) trifft;
einen fotoelektrischen Sensor (52) zum Messen der Lichtenergieverteilung von Licht, das an der Schnittstellenoberfläche (40) reflektiert wird und von dem Prisma (38) durch eine Austrittsfläche (44) des Prismas (38) eintritt, und
einen Schlitz (50), der zwischen der Lichtquelle (46) und der Eintrittsfläche (38) angeordnet ist und eine Breite von 0,3 mm bis 0,5 mm aufweist,
worin die Lichtquelle (46) und der fotoelektrische Sensor (52) an der Eintrittsfläche (42) bzw. der Austrittsfläche (44) des Prismas (38) angebracht sind.

Description

1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Refraktometer, das zur Messung der Zuckerkonzentration oder der Dichte in einer Lösung verwendet wird.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Refraktometer sind bestens bekannt, die zum Messen der Zuckerkonzentration oder der Zuckerdichte bzw. Dichte in einer Lösung verwendet werden, indem Licht auf die Grenzschnittsstellenfläche zwischen einer Probe und einem Prisma gelenkt wird und dann das Licht unter Verwendung eines fotoelektrischen Sensors detektiert wird, das von der Schnittstellenfläche reflektiert wird, und indem der Brechungsindex (Zuckerkonzentration oder Dichte) in der Probe aus dem Signal gemessen wird, das von dem fotoelektrischen Sensor ausgegeben wird. Messungen, die unter Verwendung eines Refraktometers ausgeführt werden, arbeiten auf dem Prinzip, dass der kritische Winkel des Auftreffens, bei dem Totalreflexion an der Schnittstelle eines Prismas und einer Probe auftritt, abhängig vom Brechungsindex der Probe ist.
Ein Refraktometer gemäß dem Stand der Technik, wie es in der geprüften Gebrauchsmusteranmeldungsveröffentlichung Nr. Hei 3-26443 offenbart ist, umfasst im Allgemeinen ein optisches System, wie es in 1 gezeigt ist. In anderen Worten ist zwischen einem Prisma 102 und einer Lichtquelle 104 eine Kondensorlinse 106 zum Fokussieren des Lichts von der Lichtquelle 104 eingebaut. Zudem ist eine Objektivlinse 110, die einen Strahl, der von dem Prisma 102 ausgegeben wird, auf den fotoelektrischen Sensor 108 fokussiert, zwischen dem Prisma 102 und dem fotoelektrischen Sensor 108 eingebaut, um eine Grenzposition erhalten zu können, die einen klaren Licht/Schatten-Kontrast hat.
Es gibt jedoch das Problem, dass diese optischen Systeme eine Vielzahl von optischen Elementen benötigen und dass deshalb hohe Produktionskosten entstehen. Zudem müssen die Elemente, die für den Aufbau verwendet werden, der die optischen Elemente enthält, separat bezüglich zueinander angeordnet werden und benötigen deshalb eine sehr genaue Positionierung, was weiter zu den hohen Produktionskosten beiträgt.
Normalerweise ist ein Refraktometer mit einer Probenstufe 114 aufgebaut, die die Schnittstellenoberfläche 112 umgibt, die die Schnittstelle zwischen dem Prisma 102 und einer Probe S bildet. Die Probenstufe 114 kommt in Kontakt mit einer Vielzahl von unterschiedlichen Probenmaterialien, die darauf angeordnet werden können, zum Beispiel mit Nahrungsmitteln, Chemikalien, Fetten und Ölen, hochmolekularen Verbindungen und Ähnlichem, und deshalb besteht sie aus einem Metall, z. B. rostfreiem Stahl, das hochwiderstandsfähig gegen Korrosion ist.
Nachdem eine Messung durchgeführt worden ist, muss die Schnittstellenoberfläche 112 und die Probenstufe 114, auf die die Probe S aufgetragen worden ist, vollständig rein abgewischt bzw. abgerieben werden, um sicherzustellen, dass keines der Materialien von der vorhergehenden Probe zurückbleibt und die nächste Messung verunreinigt. Es ist schwierig, das Probenmaterial, das auf die Probenstufe eines Refraktometers gemäß dem Stand der Technik aufgetragen worden ist, zu entfernen, wenn die gemessene Probe eine pastenähnliche bzw. klebstoffähnliche Substanz ist, z. B. stärkehaltiger Sirup oder Ähnliches. Das Wegwischen vorhergehenden Probenmaterials ist zeitaufwendig, was ein Problem der Reduzierung der Effizienz des Messbetriebs verursacht. Zudem, wenn das Abwischen zum Entfernen des Probenmaterials mehrmals wiederholt wird, ist die Probenstufe 114 leicht einer Abnutzung bzw. einem Abrieb ausgesetzt.
Ein Problem, das Refraktometer beeinflusst, die für die Messung von hochkorrosiven Probensubstanzen, z. B. von Batterieflüssigkeit oder Ähnlichem, verwendet werden, besteht darin, dass die Probenstufe 114 eine sehr kurze nutzbare Lebensdauer hat. Zudem, wenn eine Probe, z. B. ein Klebstoff oder Ähnliches, die stark an der Probenstufe 114 anhaftet, verwendet wird, kann es unmöglich sein, das Probenmaterial abzustreifen, wodurch weitere Messungen unmöglich werden.
Ein Refraktometer arbeitet aufgrund der Voraussetzung, dass nur reflektiertes Licht an der Schnittstellenoberfläche 112 in den fotoelektrischen Sensor 108 eintritt. Ein Refraktometer ist jedoch nicht darauf beschränkt, nur im Inneren bzw. im Haus verwendet zu werden. Wenn Messproben, z. B. ein Saftauszug von einer Frucht oder einem Gemüse oder ein Frostschutzmittel, das z. B. im Auto verwendet wird, gemessen werden, wird das Refraktometer oft im Freien verwendet. In diesen Situationen gehen äußere Lichtstrahlen, die in Raum und Zeit veränderlich sind, durch das Prisma 102 von der Richtung der Probe selbst und treten in den fotoelektrischen Sensor 108 ein. Ein weiteres Problem, das Refraktometer beeinträchtigt, ist somit, dass der Brechungsindex unter den Bedingungen im Freien nicht genau gemessen werden kann.
Um zu ermöglichen, dass der Brechungsindex genau gemessen werden kann, wenn man im Freien ist, kann der Benutzer seine Hand als eine Abdeckung oberhalb der Probe S verwenden oder die externen Lichtstrahlen unter Verwendung einer Abdeckung blockieren, aber eine Messung unter Verwendung einer Hand als Abdeckung oder eines Öffnens und Schließens einer Abdeckung ist mühsam und verhindert, dass Messungen effizient durchgeführt werden können.
Aus der US 5,548,393 ist ein Refraktometer bekannt, bei dem die Lichtquelle und der fotoelektrische Sensor an der Eintrittsfläche bzw. Austrittsfläche eines Prismas angebracht sind. Ein derartiger Refraktometer ist auch aus der FR 2 578 978 bekannt.
Aus der DE 199 10 301 A1 ist ein Refraktometer bekannt, der eine Schlitzblende umfasst.
Aus der EP 0 389 446 A2 ist ein Refraktometer mit einer Probenstufe bekannt.
Aus der EP 0 284 270 A2 ist ein Refraktometer mit einer Filtereinrichtung vor dem fotoelektrischen Sensor bekannt.
ÜBERBLICK ÜBER DIE ERFINDUNG
Um die zuvor erwähnten Probleme lösen zu können, die herkömmliche Refraktometer beeinflussen, ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Refraktometer bereitzustellen, das reduzierte Herstellungskosten hat.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Refraktometer bereitzustellen, das effizienter messen kann und das zum Messen aller Arten von Probensubstanzen verwendet werden kann.
Noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Refraktometer bereitzustellen, das genau und effizient den Brechungsindex auch unter den Verhältnissen im Freien messen kann.
Um die vorstehenden Aufgaben realisieren zu können, wird gemäß der Erfindung ein Refraktometer gemäß Anspruch 1, 4 und 16 bereitgestellt. Bevorzugte Ausführungsformen davon sind in deren jeweiligen Unteransprüchen angegeben.
Um das der Erfindung zugrunde liegende verfahrensmäßige Problem zu lösen wird ein Verfahren zum Messen des Brechungsindex gemäß Anspruch 18 bereitgestellt.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Diese und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile werden aus der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform klarer, die in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen gelesen wird, in denen:
1 eine Querschnittsansicht eines herkömmlichen Refraktometers ist;
2 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform eines Refraktometers gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
3 eine Querschnittsansicht ist, die die Hauptteile des Refraktometers zeigt, das in 2 gezeigt ist;
4 die Lichtdurchlassraten des Lichts zeigt, dem erlaubt wird, durch eine Filtereinrichtung des Refraktometers hindurchzugehen, das in 2 gezeigt ist;
5 ein Blockdiagramm ist, das schematisch die Hauptteile des Refraktometers zeigt, das in 2 gezeigt ist;
6 ein Flussdiagramm ist, das das Verfahren zum Messen des Brechungsindex zeigt, das von dem Refraktometer verwendet wird, das in 2 gezeigt ist;
7A und 7B Lichtenergieverteilungen zeigt, die unter Verwendung des Refraktometers von 2 gemessen werden; und
8 bis 10 weitere Ausführungsformen eines Refraktometers gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die Ausführungsformen dieser Erfindung werden nachfolgend mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. Gleiche oder ähnliche Bezugszeichen werden in den Zeichnungen verwendet, um gleiche oder ähnliche Teile wiederzugeben.
2 zeigt eine Ausführungsform eines Refraktometers gemäß der vorliegenden Erfindung. In dieser Zeichnung enthält ein Refraktometer 10 einen Rahmen 12, eine Probenstufe 14, auf der eine Probe angeordnet ist, einen Anzeigenteil 16 zum Anzeigen der Zuckerkonzentration oder der Dichte in einer Probe und einen Betriebsteil 18.
Der Rahmen 12 besteht normalerweise aus Kunststoffmaterial. Eine runde Öffnung 22 ist in den oberen Teil des Rahmens 12 eingebaut. Die Probenstufe 14 ist in dieser Öffnung 22 befestigt und darin gesichert. Die Probenstufe 14 umfasst eine Probenführungsfläche 24, die nach außen frei liegt, und eine rundförmige Öffnung 26, die ungefähr in der Mitte beziehungsweise im Zentrum der Probenführungsfläche 24 ausgebildet ist. Die Probenführungsfläche 24 umfasst eine flache Fläche 24a, die an den peripheren Rand der Öffnung 22 anstößt, und eine konische Fläche 24b, die sich nach innen diagonal nach unten von der flachen Fläche 24a in Richtung der Öffnung 26 erstreckt.
3 ist eine Querschnittsansicht der Probenstufe 14 des Refraktometers 10, das in 2 gezeigt ist.
Die Probenstufe 14 ist im Allgemeinen kreisscheibenförmig und umfasst einen dicken Mittenteil 28, der in der Öffnung 22 befestigt eingebettet ist, und einen dünnen Randteil 30, der sich von dem Mittenteil 28 radial zu der Außenseite der Scheibenform erstreckt. Die Probenstufe 14 ist um die Öffnung 22 durch eine Befestigungseinrichtung (nicht in der Zeichnung gezeigt), z. B. durch Schrauben oder Ähnliches, in dem Randteil 30 gesichert.
Die Probenstufe 14 enthält eine nicht-klebende Beschichtung (Plattieren) 34, die auf einer oberen Fläche 32 ausgebildet ist, die auch die Probenführungsfläche 24 enthält. Diese Beschichtung enthält Metall und feine Teilchen aus Fluorcarbonpolymer, das gleichmäßig in dem Metall verteilt ist. Genauer ist die Beschichtung 34 eine zusammengesetzte Beschichtung bzw. Verbundbeschichtung, die als Eutectoid ausgebildet ist, das Teilchen aus Fluorcarbonpolymer, die zusammen in Metall angeordnet sind, kombiniert. Es wird bevorzugt, dass die Dicke der Beschichtung 34 ungefähr 3 bis 5 μm beträgt.
Das Metall dieser Beschichtung 34 enthält hauptsächlich Nickel (Ni) und ist bevorzugt eine Nickelphosphorlegierung, die Nickel und Phosphor enthält. Das Fluorcarbonpolymer der Beschichtung 34 enthält PTFE (Polytetrafluorethylen). Es wird bevorzugt, dass die Beschichtung 34 20–26 Vol.-% Fluorcarbonpolymer enthält und dass die Fluorocarbonpolymerteilchen 0,2–0,3 μm im Durchmesser betragen.
Die Beschichtung 34 sollte unter Verwendung eines stromlosen Beschichtungsvorgangs ausgebildet werden, da dies eine Beschichtung von gleichmäßiger Dicke bzw. Stärke ermöglicht, die geeignet an dem Metallmaterial, z. B. rostfreiem Stahl oder Ähnlichem, der Probenstufe 14 haftet. Zudem kann eine härtere Beschichtung erhalten werden, indem Wärmebehandlungsprozesse nach dem stromlosen Plattiervorgang durchgeführt werden.
Eine Beschichtung 34, die so ausgebildet wird, hat die gleichen, nicht-klebenden, wasserabstoßenden, ölabstoßenden Eigenschaften und Abriebswiderstandsfähigkeitseigenschaft (einen niedrigen Grad der Reibung) wie das Fluorcarbonpolymer. Zudem hat diese Beschichtung die gleichen antikorrosiven Eigenschaften wie eine normale Beschichtung, die durch stromloses Nickelplattieren ausgebildet wird. Diese Beschichtung 34 bietet überlegene Eigenschaften im Vergleich zu rostfreiem Stahl oder Ähnlichem, der als Material für eine herkömmliche Probenstufe verwendet wird.
Ein Prisma 38 haftet an der unteren Fläche der Probenstufe 14, das dabei die Öffnung 26 zudeckt. Wie in 3 gezeigt ist, hat dieses Prisma 38 eine trapezoide Form, gesehen im Querschnitt, und umfasst eine Fläche 40 (untere Fläche), die zu der Außenseite der Öffnung 26 freiliegt, eine Seitenfläche (Eintrittsfläche) 42, in die Licht Ri von einer Lichtquelle 46 einstrahlt, und eine Seitenfläche 44 (Austrittsfläche), die reflektiertes Licht Rr nach unten lenkt. Die nach außen freiliegende Fläche funktioniert als Schnittstellenoberfläche 40, die die Schnittstelle mit einer Probe S bereitstellt.
Die Schnittstellenoberfläche 40 umfasst die Beschichtung 41, die das Fluorcarbonpolymer enthält. Es wird bevorzugt, dass diese Beschichtung 41 die gleichen nicht-klebenden und korrosiven Widerstandsfähigkeitseigenschaften wie die Beschichtung 34 hat. Der Nanoclear Coat, der von den Nikken Coating Industry Co., Ltd. hergestellt wird, die in 7-18-2 Arakawa, Arakawa-ku, Tokyo angesiedelt ist, ist zum Beispiel für diese Beschichtung 41 geeignet.
Da die nicht-klebende Beschichtung 34 auf der Probenstufe 14 dieses Refraktometers 10 angeordnet ist, ist es für die Probe S schwierig, dass sie an der Probenstufe 14 anhaftet bzw. anklebt. Ähnlich ist es auch für die Probe S schwierig, dass sie an der Schnittstellenoberfläche 40 anhaftet, da die nicht-klebende Beschichtung 41 an der Schnittstellenoberfläche 40 angeordnet ist. Dementsprechend kann die Probe S leicht von der Probenstufe 14 und der Schnittstellenoberfläche 40, nachdem die Messung eines Brechungsindex durchgeführt worden ist, entfernt werden. Dies reduziert die Zeit, die zum Wegwischen der Probe S erforderlich ist, wodurch die Effektivität der Brechungsindexmessung verbessert wird.
Die überragenden antikorrosiven Eigenschaften der Beschichtung 34 auf der Probenstufe 14 verlängert die nutzbare Lebensdauer der Probenstufe 14, auch wenn sie dafür verwendet wird, hochkorrosive Probenmaterialien, z. B. Batterieflüssigkeit oder Ähnliches, zu messen. Zudem ermöglichen die nicht-klebenden Eigenschaften der Beschichtung 34 der Probenstufe 14 und der Beschichtung 41 der Schnittstellenoberfläche 40, dass die Messungen des Brechungsindex der Proben von stark klebenden Substanzen, z. B. Klebstoff oder Ähnliches, durchgeführt werden können, die mit herkömmlichen Refraktometern nicht durchgeführt werden konnten.
Zudem stellen die wasserabstoßenden und ölabstoßenden Eigenschaften der Beschichtung 34 der Probenstufe 14 sicher, dass eine Probe S, die auf die Probenführungsfläche 24 der Probenstufe 14 tropft, nach unten auf die Schnittstellenoberfläche 40 abgestoßen wird und dort leicht gesammelt und darauf festgehalten werden kann. Dementsprechend, wenn eine Probe S, die gemessen werden soll, abtropft, ist es im Vergleich zu dem herkömmlichen Refraktometer nicht so notwendig, die Probe so genau zu positionieren, wodurch Brechungsindexmessungen leichter durchgeführt werden können.
Wiederum verhindern die überragenden Abriebswiderstandsfähigkeitseigenschaften der Beschichtung 34 der Probenstufe 14 und der Beschichtung 41 der Schnittstellenoberfläche 40, dass die Probenstufe 14 und die Schnittstellenoberfläche 40 Abtragungen erleidet, wenn Proben S wiederholt weggewischt werden. Die Fluorcarbonpolymerteilchen sind gleichmäßig innerhalb der Beschichtung 34 dispergiert, so dass, auch wenn die Beschichtung 34 einige kleine Abtragungen erfahren sollte, die vorstehend beschriebenen Eigenschaften beibehalten werden, bis die Beschichtung vollständig verbraucht ist.
Es wird bevorzugt, dass die Lichtquelle 46 eine LED (lichtemittierende Diode) ist, die Licht mit einer Wellenlänge von ungefähr 589 nm abstrahlt. Wiederum kann die Lichtquelle 46 eine LED mit hoher Intensität sein.
Nachfolgend wird die Ebene, die durch das Licht Ri, das von der Lichtquelle 46 in die Schnittstellenoberfläche 40 eintritt, und die Normallinie N der Schnittstellenoberfläche 40 (die Ebene parallel zur Seite von 3) definiert wird, als die Auftreffebene A bezeichnet.
Die Lichtquelle 46 umfasst eine lichtemittierende Fläche 46a, die flach ausgebildet ist, und diese flache, lichtemittierende Fläche 46a haftet an der Eintrittsfläche 42. Wenn eine kommerzielle, lichtemittierende Diode für die Lichtquelle 46 verwendet wird, kann die lichtemittierende Fläche 46a durch Schneiden durch die Oberseite, die aus einem transparenten Kunststoff hergestellt ist, und durch Polieren der Schnittfläche davon hergestellt werden. Die Lichtquelle 46, die direkt an das Prisma 38 anstößt, senkt den Lichtenergieverlust aufgrund der Reflexion an der Eintrittsfläche 42 des auftreffenden Lichts Ri ab.
Auf der Seite des Prismas 38, die die Austrittsfläche 44 hat, sind eine Filtereinrichtung 54 zum Auswählen der Polarisation und der Wellenlänge zum Beispiel des auftreffenden Lichts und ein fotoelektrischer Sensor 52 (ein fotoelektrischer Sensor) angeordnet, der einen Zeilensensor enthält, der eine Vielzahl von eindimensional angeordneten, lichtempfangenden Elementen, z. B. Fotodetektoren, hat.
Die Filtereinrichtung 54 enthält einen Wellenlängenfilter 56, 58, der selektiv die Transmission des Lichts mit einer Wellenlänge innerhalb eines vorgegebenen Bereichs einschließlich der Wellenlängen des Lichts der Lichtquelle 46 ermöglicht, einen Polarisierer 60, der selektiv die Transmission des Lichts einer vorgegebenen Polarisation ermöglicht, und einen Licht (Intensität) reduzierenden Filter 62, der die Lichtintensität reduziert.
Der Wellenlängenfilter 56, 58 umfasst weiterhin einen ersten Wellenlängenfilter 56, der selektiv die Transmission bzw. den Durchgang des Lichts einer vergleichsweise schmalen Wellenlängenzone zulässt, und einen zweiten Wellenlängenfilter 58, der selektiv die Transmission nur des Lichts einer vergleichsweisen großen Wellenlängenzone zulässt.
Der erste Wellenlängenfilter 56 blockt das Licht der Wellenlängen ab, die innerhalb des Bereichs von einer vordefinierten Wellenlänge länger als der Wellenlänge des Lichts von der Lichtquelle 46 bis zu einer maximalen Wellenlänge sind, wie sie durch den fotoelektrischen Sensor 52 detektiert werden. Zum Beispiel, wenn die Lichtquelle 46 eine LED mit der Mittenwellenlänge von 589 nm ist, ist der erste Wellenlängenfilter 56 ein Abschnittsfilter im nahen Infrarot oder ein Wärmestrahlungsabschnittsfilter, der die Transmission nur von kurzen Wellenlängen zulässt und Licht des nahen Infrarots von ungefähr 700 nm oder darüber herausschneidet. Genauer kann z. B. ein BG40-Glasfilter (ein Bandpassfilter), der von der Schott Corporation hergestellt wird, für diesen Wellenlängenfilter 56 verwendet werden.
In 4 zeigt die gekrümmte Linie Ta die Rate der Lichttransmission unter Verwendung eines BG40-Filters mit einer Dicke von 1,0 mm für einen ersten Wellenlängenfilter 56. Wie in der Zeichnung gezeigt ist, lässt der erste Wellenlängenfilter 56 eine Transmission von größer als 70% des Lichts eines kurzen Wellenlängenbereichs von ungefähr 340 nm bis 600 nm, einschließlich des Lichts der Mittenwellenlänge von 589 nm von der Lichtquelle 46 zu. Der Wellenlängenfilter 56 hat einen halben Maximalwert von ungefähr 640 nm.
Der zweite Wellenlängenfilter 58 blockt Licht der Wellenlängen ab, die innerhalb des Bereichs von einer vorgegebenen Wellenlänge kürzer als die Wellenlänge des Lichts von der Lichtquelle 46 bis zu einer minimalen Wellenlänge sind, wie durch den fotoelektrischen Sensor 52 detektiert wird. Zum Beispiel, wenn die Lichtquelle 46 eine LED mit einer Mittenwellenlänge von 589 nm ist, ist der zweite Wellenlängenfilter 58 ein Filter, der eine Transmission bzw. Durchgang nur von längeren Wellenlängen zulässt und den sichtbaren Wellenlängenbereich und das ultraviolette Licht von ungefähr 550 nm oder darunter herausschneidet. Genauer kann ein scharfer Begrenzungsfilter O-56 (JIS B7113 Bezug SO56) mit einer Transmissionsgrenzwellenlänge von 560 nm (Wellenlänge des mittleren Punktes der Absorptionsgrenzwellenlänge bei 5% Durchlässigkeit und einer hohen Transmissionswellenlänge bei 72% Durchlässigkeit) für diesen zweiten Wellenlängenfilter 58 verwendet werden.
In 4 zeigt die gekrümmte Linie Tb die Rate der Lichttransmission unter Verwendung eines O-56-Filters mit einer Dicke von 1,0 mm für einen zweiten Wellenlängenfilter 58. Wie in der Zeichnung gezeigt ist, lässt der zweite Wellenlängenfilter 58 die Transmission von größer als 70% des Lichts eines großen Wellenlängenbereichs von ungefähr 570 nm oder größer, einschließlich des Lichts der Mittenwellenlänge von 589 nm von der Lichtquelle 46 zu. Der Wellenlängenfilter 58 hat einen halben maximalen Wert von ungefähr 560 nm.
Die gekrümmte Linie Tc in 4 zeigt die Lichttransmissionsrate für die Kombination aus dem ersten Wellenlängenfilter 56 und dem zweiten Wellenlängenfilter 58. Wie in 4 gezeigt ist, ermöglicht die Kombination aus dem Wellenlängenfilter 56 und dem Wellenlängenfilter 58 eine Transmission von größer als 70% des Lichts eines Wellenlängenbereichs von ungefähr 570 nm bis 600 nm. Die Kombination aus dem Wellenlängenfilter 56 und dem Wellenlängenfilter 58 hat halbe Maximalwerte von ungefähr 560 nm und 640 nm.
Wiederum unter Bezugnahme auf 3 ist der Polarisierer 60 derart angeordnet, dass es eine Achse der Transmission in der Auftreffebene A derart gibt, dass S-polarisiertes Licht abgeblockt wird, das in einer Richtung rechtwinklig zu der Auftreffebene A oszilliert, und dass selektiv nur P-polarisiertes Licht hindurchgehen kann. Die Transmission von nur P-polarisiertem Licht ermöglicht, dass ein größerer Teil des ankommenden Lichts von externen Quellen abgeblockt wird.
Der Lichtreduzierfilter (ND) 62 reduziert das Verhältnis des Lichts in Antwort auf die Helligkeit des Lichts von der Lichtquelle 46. Da der Lichtreduktionsfilter 62 den Wert der Lichtintensität des Lichts, das von der Lichtquelle 46 abgestrahlt wird, auf einen Wert reduziert, der für die Lichtintensität, die von dem fotoelektrischen Sensor 52 empfangen wird, geeignet ist, reduziert der Filter 62 somit gleichzeitig die Lichtintensität der externen Lichtstrahlen. Dementsprechend ist die Rate der Lichtabnahme aufgrund des Betriebs des Lichtreduktionsfilters 62 in dem Maße hoch, in dem der Grad der Helligkeit des Lichts von der Lichtquelle 46 hoch ist (die Durchlässigkeitsrate ist niedrig), wodurch der Anteil der externen Lichtstrahlen in dem Licht, das durch den Lichtreduktionsfilter 62 hindurchgeht und in den fotoelektrischen Sensor 52 eintritt, reduziert wird.
Wie in 3 gezeigt ist, wird es bevorzugt, dass die Filtereinrichtung 54 einen einstückigen Körper bildet, in dem die Wellenlängenfilter 56 und 58, der Polarisierer 60 und der Lichtreduktionsfilter 62 miteinander laminiert sind. Zudem wird es bevorzugt, dass die erste Fläche 54a der Filtereinrichtung 54 an der Austrittsfläche 44 des Prismas 38 haftet bzw. angebracht ist und dass eine Lichtempfangsfläche 52a des fotoelektrischen Sensors 52 an der zweiten Fläche 54b der Filtereinrichtung 54 angeklebt ist. Dies ermöglicht, dass die Filtereinrichtung 54 und der fotoelektrische Sensor 52 leicht in Beziehung zu dem Prisma positioniert werden können, die daran gesichert sind. Da der fotoelektrische Sensor 52 an dem Prisma 38 über die Filtereinrichtung 54 haftet, wird der Verlust der Lichtenergie durch die Reflexion des reflektierten Lichts Rr an der Austrittsfläche 44 und der Lichtempfangsfläche 52a des fotoelektrischen Sensors 52 reduziert.
In diesem Beispiel ist jeder der Filter 56, 58, 60 und 62 der Filtereinrichtung 54 derart angeordnet, dass reflektiertes Licht von der Schnittstellenoberfläche 40 in Abfolge durch den ersten Wellenlängenfilter 56, den Polarisierer 60, den zweiten Wellenlängenfilter 58 und den Lichtreduktionsfilter 62 hindurchgeht, wobei jedoch selbstverständlich die Reihenfolge, in der diese Filter 56, 58, 60 und 62 angeordnet sind, ohne Folgen ist.
Das Weglassen einer Kondensorlinse zwischen der Lichtquelle 46 und dem Prisma 38 und das Weglassen einer Objektivlinse zwischen dem Prisma 38 und dem fotoelektrischen Sensor 52 in der vorstehenden Beschreibung ermöglicht eine Reduktion der Größe des Aufbaus des Refraktometers und eine Reduktion der Herstellungskosten.
Das Refraktometer 10 kann einfach aufgebaut werden, indem zuerst eine optische Systemeinheit hergestellt wird, die die Lichtquelle 46, das Prisma 38 und den fotoelektrischen Sensor 52 enthält, und dann die Einheit in dem Rahmen 12 installiert wird. Zudem, da die Positionierung der Lichtquelle 46, des fotoelektrischen Sensors 52 und des Prismas 38 vor dem Sichern des Prismas 38 in dem Rahmen 12 durchgeführt wird, kann das Refraktometer einfacher hergestellt werden als herkömmliche Refraktometer. Dies ist ein weiterer Faktor, der reduzierte Herstellungskosten ermöglicht.
Der Betrieb in dem Bereich des Prismas 38 des Refraktometers 10 wird nachfolgend mit Bezug auf 3 beschrieben.
Wenn eine Probe S auf die Schnittstellenoberfläche 40 tropft, leuchtet die Lichtquelle 46 auf und Licht Ri von der Lichtquelle 46 strahlt auf die Schnittstellenoberfläche 40. Bei einem Auftreffwinkel Φ kleiner als ein kritischer Auftreffwinkel Φc(n), der in Antwort auf den Brechungsindex n der Probe S bestimmt ist, geht ein größerer Teil der abgestrahlten Lichtstrahlen Ri auf der Seite, die die Probe S hat durch, während bei einem Auftreffwinkel Φ größer als dem kritischen Winkel Φc(n) die Lichtstrahlen Ri zu der Seite reflektiert werden, die den fotoelektrischen Sensor 52 hat.
Die Lichtstrahlen Rr, die an der Schnittstellenoberfläche 40 reflektiert werden, treten in die Filtereinrichtung 54 ein. Die Filtereinrichtung 54 arbeitet derart, dass nur P-polarisiertes Licht, das parallel zu der Auftreffebene A oszilliert und das zudem in einem vorgeschriebenen Wellenlängenbereich (zum Beispiel 550 nm–600 nm) einschließlich einer Wellenlänge der Lichtquelle 46 ist, zu der Seite durchgelassen wird, die den fotoelektrischen Sensor 52 hat. Zudem wird die Lichtintensität des Lichts, das durch die Filtereinrichtung 54 hindurch geht, in einem Umfang reduziert, der für die Lichtintensität geeignet wird, die durch den fotoelektrischen Sensor 52 empfangen wird.
Reflektiertes Licht von der Lichtquelle 46 weist primär eine Wellenlänge von ungefähr 589 nm auf, während ankommendes Licht von äußeren Quellen Wellenlängen des gesamten Spektrums von Infrarot bis Ultraviolett enthält. Dementsprechend wird, da aufgrund des Betriebs der Filtereinrichtung 54 nur Licht mit einer Wellenlänge von ungefähr 589 nm hindurchgehen kann, der größere Teil des ankommenden Lichts von externen Quellen abgeblockt und zudem kann der größere Teil des reflektierten Lichts von der Lichtquelle 46 zu dem fotoelektrischen Sensor 52 hindurchgehen. Der Filter 54 arbeitet wiederum derart, dass nur P-polarisiertes Licht hindurchgehen kann und, da die Lichtenergie des hindurchgehenden Lichts reduziert wird, kann das Verhältnis des externen Lichts zum Licht, das in den fotoelektrischen Sensor 52 eintritt, weiter reduziert werden. Dementsprechend können, auch wenn das externe Licht extrem stark ist, Messungen durchgeführt werden, ohne dass der dynamische Bereich des fotoelektrischen Sensors 52 überschritten wird.
Unter Verwendung des Refraktometers 10 des zuvor beschriebenen Aufbaus kann auf der Basis der Lichtenergieverteilungskurve, die durch den fotoelektrischen Sensor 52 gemessen wird, der kritische Winkelpunkt Pc (eine Position über dem fotoelektrischen Sensor entsprechend dem kritischen Winkel) entsprechend dem Brechungsindex (Zuckerkonzentration, Dichte) der Probe S gemäß dem nachfolgenden Verfahren berechnet werden.
Zuerst wird der Bereich der Lichtenergieverteilungskurve, die zum Berechnen des kritischen Winkelpunkts PC verwendet wird, bestimmt. Dies ist der Bereich der Adressen von einer vorgegebenen Anzahl (zum Beispiel von 30 Punkten) von Daten, die die Orte (Adressen) annähern, die die maximalen Differenzwerte für die Lichtenergieverteilungskurve wiedergeben. In Alternative, wenn es einen sehr begrenzten Bereich der Messungen des Brechungsindex durch das Refraktometer 10 gibt, kann ein Bereich von Adressen, die im Voraus bestimmt werden, mit Bezug auf den Bereich des Brechungsindex verwendet werden.
Als nächstes werden Daten von m Punkten des Bereichs verwendet und die baryzentrische Position bzw. Schwerpunktsposition Pc' wird durch den Ausdruck berechnet
In dem Ausdruck (1) zeigt Xi die Position (Adressen) jedes lichtempfangenden Elements und Ii zeigt die empfangene Lichtenergie (V) bei Xi an. Es ist verständlich aus der Anwendung des Ausdrucks (1), dass die baryzentrische Position Pc' die baryzentrische Position der ersten Differentialkurve (oder der Kurve der ersten Ableitung) der Lichtenergieverteilungskurve ist.
Schließlich wird eine Konstante C der baryzentrischen Position Pc' hinzugefügt und der kritische Winkelpunkt Pc (= Pc' + C) wird berechnet. Die Konstante C ist ein Wert, der im Vorhinein durch Experimente unter Verwendung eines Probenbrechungsindex bestimmt wird, der bereits bekannt ist.
Wenn die Lichtenergieverteilungskurve signifikant externes Licht enthält, ändert sich die Form der Lichtenergieverteilungskurve und der ersten Differentialkurve in dem Bereich des Lichtdurchgangs mit den Änderungen in Raum und Zeit des externen Lichts, was zu wesentlichen Schwankungen jeder Messung der baryzentrischen Position Pc' in Beziehung auf den tatsächlichen kritischen Winkelpunkt führt. Dementsprechend ist es nicht möglich, den kritischen Winkelpunkt Pc und den Brechungsindex genau zu erhalten.
Unter Verwendung dieser Ausführungsform eines Refraktometers gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Lichtenergieverteilungskurve erhalten, in der aufgrund des Betriebs der Filtereinrichtung 54 externes Licht im großen Umfang nicht enthalten ist, wodurch ermöglicht wird, dass eine stabile baryzentrische Position Pc' erhalten wird. Unter Verwendung des vorstehend beschriebenen Verfahrens kann demzufolge der kritische Winkelpunkt Pc' genau erhalten werden und der Brechungsindex kann genau gemessen werden.
Die Berechnung des kritischen Winkelpunkts Pc kann auch unter Verwendung eines zweiten Differentials der Lichtenergieverteilungskurve oder unter Verwendung sowohl eines ersten Differentials als auch eines zweiten Differentials durchgeführt werden.
5 ist ein Blockdiagramm, das schematisch den Brechungsindexdetektionsteil 48 des Refraktometers 10 zeigt. Wie in der Zeichnung gezeigt ist, umfasst der Brechungsindexdetektionsteil 48 einen Steuerabschnitt 64, der mit der Lichtquelle 46 und dem fotoelektrischen Sensor 52 verbunden ist, eine Anzeigeeinrichtung 16a, die mit dem Steuerabschnitt 64 verbunden ist, und auch einen Startschalter 18a und eine Spannungsversorgungsschaltung 66. Der Steuerabschnitt 64 umfasst einen Speicher 68 für die empfangene Lichtenergie, einen Toleranzwertspeicher 70, eine Lichtenergievergleichseinrichtung 72, eine Brechungsindexberechnungseinrichtung 74, einen Vergleichsergebnisspeicher 76, einen Speicher 78 für die berechneten Ergebnisse, eine Lichtquellensteuereinrichtung 80 und eine Anzeigebestimmungseinrichtung 82.
Der Speicher 68 für die empfangene Lichtenergie speichert Informationen der Lichtenergie, die von jedem der lichtempfangenden Elemente des fotoelektrischen Sensors 52 empfangen wird. Genauer wird die Lichtenergie, die als ein elektrisches Stromsignal von dem fotoelektrischen Sensor 52 ausgegeben wird, in ein digitales Signal nach der Wandlung in ein Spannungssignal gewandelt, was durch einen I-V-Wandler (nicht gezeigt in den Zeichnungen) oder Ähnliches durchgeführt wird, und dann in dem Speicher 68 für die empfangene Lichtenergie gespeichert.
Der Toleranzwertspeicher 70 speichert den Toleranzwert für ankommende Lichtenergie von externen Quellen (externes Licht). Dieser Toleranzwert wird aus Experimenten bestimmt, die sicherstellen, dass Fehler des Brechungsindex aufgrund der Effekte des externen Lichts in einem vorgegebenen Bereich sind.
Der Speicher 76 für Vergleichsergebnisse speichert einen Wert [N = 0] oder [N = 1], die angeben, ob Lichtenergie, die von externen Quellen eintritt, kleiner als der Toleranzwert ist oder nicht. [N = 0] gibt an, dass der Wert für die Lichtenergie, die von externen Quellen aus eintritt, größer als der Toleranzwert ist, und [N = 1] gibt an, dass dieser Wert kleiner als der Toleranzwert ist. Anfänglich wird der Wert von N gleich 0 gesetzt.
Wenn [N = 0] vergleicht die Lichtenergievergleichseinrichtung 72 die Lichtenergie, die in jedes lichtempfangende Element (jede Positionsadresse) des fotoelektrischen Sensors 52 eintritt, wie sie in dem Speicher 68 für empfangene Lichtenergie gespeichert ist, mit dem Toleranzwert, der in dem Toleranzwertspeicher 70 gespeichert ist. Wenn die Vergleichseinrichtung 72 für Lichtenergie bestimmt, dass diese Lichtenergie, die von externen Quellen aus eintritt, größer als der Toleranzwert ist, hält die Einrichtung 72 den Anfangswert [N = 0] in dem Speicher 76 für Vergleichsergebnisse aufrecht. Wenn die Lichtenergie, die von ex ternen Quellen aus eintritt, kleiner als der Toleranzwert ist, ändert die Vergleichseinrichtung 72 für Lichtenergie den Wert, der in den Speicher 76 für Vergleichsergebnisse gespeichert ist, auf [N = 1].
Die Lichtquellensteuereinrichtung 80 verursacht, dass die Lichtquelle 46 leuchtet, wenn der Wert, der in dem Speicher 76 für Vergleichsergebnisse gespeichert ist, auf [N = 1] geändert wird.
Wenn [N = 1] ist, verwendet die Brechungsindexberechnungseinrichtung 74 den Ausdruck (1) des vorstehend beschriebenen Verfahrens, um den kritischen Winkelpunkt Pc auf der Basis der Verteilung der Lichtenergie (der Lichtenergieverteilungskurve) zu berechnen, die in jedes der lichtempfangenden Elemente des fotoelektrischen Sensors 52 eintritt, wie in dem Speicher 68 für empfangene Lichtenergie gespeichert ist, und erhält aus dem kritischen Winkel Pc den Brechungsindex der Probe S und die Zuckerkonzentration oder Dichte.
Der Speicher 78 für die berechneten Ergebnisse speichert den Brechungsindex und die Zuckerkonzentration oder die Dichte, wie sie durch die Brechungsindexberechnungseinrichtung 74 berechnet wwerden.
Auf der Basis des Wertes N, der in dem Vergleichsergebnisspeicher 76 gespeichert ist, verursacht die Anzeigebestimmungseinrichtung 82, das die Anzeigeeinrichtung 16a "Außenlichtfehler" anzeigt, was anzeigt, dass Lichtenergie, die von externen Quellen (externes Licht) aus eintritt, zu groß ist, oder verursacht, dass die Anzeigeeinrichtung 16a die Dichte oder die Zuckerkonzentration anzeigt, wie sie in dem Speicher 78 für berechnete Ergebnisse gespeichert sind. Wenn der Wert in dem Vergleichsergebnisspeicher 76 [N = 0] ist, verursacht die Anzeigebestimmungseinrichtung 82, dass die Anzeigeeinrichtung 16a "Außenlichtfehler" anzeigt. Wenn der Wert in dem Vergleichsergebnisspeicher 76 gleich [N = 1] ist, verursacht die Anzeigebestimmungseinrichtung 82, dass die Anzeigeeinrichtung 16a die Dichte oder die Zuckerkonzentration anzeigt, wie sie in dem Speicher 78 für berechnete Ergebnisse gespeichert sind.
Die Anzeigeeinrichtung 16a ist zum Beispiel eine LCD (Flüssigkristallanzeige) vom segmentierten Anzeigetyp, die die Dichte oder den Zuckerinhalt anzeigt oder "Außenlichtfehler". Zusätzlich zeigt die Anzeigeeinrichtung 16a Fehler an, die zum Beispiel "Außerhalb des messbaren Bereiche", wenn die Dichte oder die Zuckerkonzentration den messbaren Bereich überschreitet, "Fehlermessung nicht möglich", wenn der kritische Winkel nicht detektiert werden kann, oder "Temperaturfehler" enthalten, wenn die Temperatur außerhalb des Bereichs ist, in dem Messungen durchgeführt werden können. Mittel zum Anzeigen von "Außenlichtfehler" können getrennt von den Mitteln zum Anzeigen der Zuckerkonzentration oder der Dichte oder den Mitteln zum Anzeigen der anderen Fehler vorgesehen sein.
Der Betrieb des Steuerteils 64 wird nachfolgend mit Bezug auf 5 und 6 beschrieben.
6 ist ein Flussdiagramm, das das Verfahren zum Messen des Brechungsindex unter Verwendung des Refraktometers 10 zeigt.
Beim Schritt S200 wird der Wert des Vergleichsergebnisspeichers 76 auf einen Initialwert [N = 0] gesetzt.
Beim Schritt S201 wird eine Probe S auf die Schnittstellenoberfläche 40 durch einen Benutzer gesetzt, der dann den Startschalter 18a drückt und die Spannungsversorgungsschaltung 66 auf EIN schaltet.
Beim Schritt S203 misst der fotoelektrische Sensor 52 die Lichtenergieverteilung und Informationen über die Lichtenergie, die in jedes der lichtempfangenden Elemente des fotoelektrischen Sensors 52 einfällt, werden in dem Speicher 68 für empfangene Lichtenergie gespeichert.
Beim Schritt S205 schreitet der Betrieb zum Schritt S207 fort, da der Vergleichsergebnisspeicher 76 [N = 0] ist.
Beim Schritt S207 vergleicht die Vergleichseinrichtung 72 für die Lichtenergie die Lichtenergie, die in jedes der lichtempfangenden Elemente des fotoelektrischen Sensors 52 einstrahlt, wie in dem Speicher 68 für die empfangene Lichtenergie gespeichert ist, mit dem Toleranzwert, der in dem Toleranzwertspeicher 70 gespeichert ist. Hier, da die Lichtquelle 46 nicht leuchtet, ist das einzige Licht, das auf jedes der lichtempfangenden Elemente fällt, Außenlicht von äußeren Quellen, das durch die Schnittstellenoberfläche 40 hindurchgeht.
Wenn beim Schritt S207 Lichtenergie, die auf jedes der lichtempfangenden Elemente trifft, größer als der Toleranzwert ist, hält die Vergleichseinrichtung 72 für Lichtenergie [N = 0] in dem Vergleichsergebnisspeicher 76 aufrecht und der Betrieb schreitet zum Schritt S209 fort.
Beim Schritt S209 verursacht die Anzeigebestimmungseinrichtung 82, dass die Anzeigeeinrichtung 16a "Außenlichtfehler" auf der Basis des Werts [N = 0] in dem Vergleichsergebnisspeicher 76 anzeigt und der Betrieb kehrt zum Schritt S201 zurück. Da "Außenlichtfehler" auf der Anzeigeeinrichtung 16a angezeigt wird, wird dem Nutzer mitgeteilt, dass der Brechungsindex nicht gemessen werden kann, da das externe Licht bzw. Außenlicht zu stark ist, und der Nutzer kann dann geeignete Schritte unternehmen, um das Außenlicht abzublocken, wie zum Beispiel das Abdecken der Schnittstellenoberfläche 40 per Hand.
Beim Schritt S201 drückt der Nutzer wieder den Startschalter 18a und beim Schritt S203 misst der fotoelektrische Sensor 52 die Lichtenergieverteilung und die gemessenen Ergebnisse werden in dem Speicher 68 für empfangene Lichtenergie gespeichert. Beim Schritt S205 arbeitet die Vergleichseinrichtung 72 für Lichtenergie auf der Basis des Werts [N = 0] in dem Vergleichsergebnisspeicher 76 und der Betrieb schreitet zum Schritt S207 fort.
Beim Schritt S207, wenn zum Beispiel der Nutzer die Schnittstellenoberfläche 40 per Hand derart abdeckt, dass die Lichtenergie, die von allen lichtempfangenden Elementen empfangen wird, kleiner als der Toleranzwert ist, ändert die Vergleichseinrichtung 72 für Lichtenergie den Wert in dem Vergleichsergebnisspeicher 76 auf [N = 1] beim Schritt S207 und der Betrieb schreitet zum Schritt S211 fort.
Beim Schritt S211 erregt die Lichtquellensteuereinheit 80 die Lichtquelle 46 bzw. bringt sie zum Leuchten auf der Basis des Werts [N = 1] in dem Vergleichsergebnisspeicher 76 und der Betrieb kehrt zum Schritt S203 zurück. Beim Schritt S203 wird die Lichtenergieverteilung durch den fotoelektrischen Sensor 52 wieder gemessen und das gemessene Ergebnis wird dann in dem Speicher 68 für gemessene Lichtenergie gespeichert und der Betrieb schreitet dann zum Schritt S205 fort.
Beim Schritt S205 arbeitet die Brechungsindexberechnungseinrichtung 74 auf der Basis von [N = 1] in dem Vergleichsergebnisspeicher 76 und der Betrieb schreitet zum Schritt S213 fort.
Beim Schritt S213 berechnet die Brechungsindexmesseinrichtung 74 den Brechungsindex und die Dichte oder die Zuckerkonzentration auf der Basis der Verteilung der Lichtenergie, die auf jedes der lichtempfangenden Elemente des fotoelektrischen Sensor 52 strahlt, wie in dem Speicher 68 für empfangene Lichtenergie gespeichert ist. Da beim Schritt S207 bestätigt worden ist, dass der Wert für die ankommende Lichtenergie von äußeren Quellen (äußeres Licht) kleiner als der Toleranzwert ist, ist deshalb Licht, das auf die lichtempfangenden Elemente strahlt, hauptsächlich Licht, das von der Lichtquelle 46 abgestrahlt wird und an der Schnittstellenoberfläche reflektiert wird. Dementsprechend kann der kritische Winkelpunkt Pc genau aus dieser Lichtenergieverteilung detektiert werden und die Dichte oder die Zuckerkonzentration kann genau berechnet werden. Der Brechungsindex und die Dichte oder Zuckerkonzentration, die dadurch erhalten werden, werden dann in dem Speicher 78 für berechnete Ergebnisse gespeichert.
Beim Schritt S215 verursacht die Anzeigebestimmungseinrichtung 82 auf der Basis des Werts [N = 1] in dem Vergleichsergebnisspeicher 76, dass die Anzeigeeinrichtung 16a die Dichte oder die Zuckerkonzentration anzeigt, wie sie in dem Speicher 78 für berechnete Ergebnisse gespeichert sind.
In dem vorstehend beschriebenen Verfahren zum Durchführen der Messungen schreitet der Betrieb, nachdem "Außenlichtfehler" beim Schritt S209 angezeigt wird, nicht zum Schritt S203 fort, bis der Startschalter 18a beim Schritt S201 eingeschaltet wird. Das System kann jedoch auch vom Schritt S209 direkt zum Schritt S203 fortschreiten. Bis es eine Bestätigung gibt, dass die ankommende Lichtenergie von äußeren Quellen kleiner als der Toleranzwert [N = 1] ist, kann der fotoelektrische Sensor 52 somit mit dem automatischen Wiederholen der Messungen fortfahren.
Als nächstes wird ein tatsächliches Beispiel der Messungen, die durchgeführt werden, mit Bezug auf 7A und 7B beschrieben.
7A und 7B zeigen eine Lichtenergieverteilung, die unter Verwendung des Refraktometers 10 gemessen wird. In 7A und 7B zeigt die Horizontalachse die Positionsadresse jedes lichtempfangenden Elements des fotoelektrischen Sensors 52 und die vertikale Achse zeigt die empfangene Lichtenergie (V) jedes lichtempfangenden Elements.
Die gepunkteten Linien in 7A und 7B zeigen die Lichtenergieverteilung, wie sie zuerst beim Schritt S203, der in 6 gezeigt ist, gemessen wird, wenn die Lichtquelle 46 nicht leuchtet. Anders ausgedrückt, zeigen die gepunkteten Linien die Verteilung der ankommenden Lichtenergie von externen Quellen. Die durchgezogenen Linien in 7A und 7B zeigen die Lichtenergieverteilung, die beim Schritt S203 gemessen wird, wenn die Lichtquelle 46 im Leuchtzustand ist. Der Toleranzwert für die ankommende Lichtenergie von äußeren Quellen ist hier auf 40 V gesetzt.
In dem Beispiel von 7A, wie durch die gepunktete Linie gezeigt ist, wurde beim Anfang der Messungen beim Schritt S207 bestimmt, dass die ankommende Lichtenergie von äußeren Quellen größer als der Toleranzwert ist, deshalb wird beim Schritt S209 "Außenlichtfehler" angezeigt.
Wie durch die durchgezogene Linie gezeigt wird, war es möglich, nachdem der Nutzer Schritte zum Abblocken der ankommenden Lichtstrahlen unternommen hat, die Messung des kritischen Winkels für die Totalreflexion aus der Lichtenergieverteilung durchzuführen, wie sie mit der Lichtquelle 46 in dem Leuchtzustand gemessen wird.
In dem Beispiel von 7B, wie durch die gepunktete Linie gezeigt ist, wurde am Anfang der Messungen beim Schritt S207 bestimmt, dass das ankommende Licht von externen Quellen kleiner als der Toleranzwert 40 V war. Dementsprechend wurde "Außenlichtfehler" nicht angezeigt und es war für den Nutzer nicht notwendig, irgendwelche Schritte zum Abblocken des externen Lichts zu unternehmen.
Wie durch die durchgezogene Linie gezeigt wird, enthält die Lichtenergieverteilung, die unter den Bedingungen gemessen wird, bei denen die Lichtquelle 46 in dem Leuchtzustand war und das externe Licht nicht abgeblockt worden ist, ankommendes Licht von externen Quellen. Da jedoch das ankommende Licht von externen Quellen kleiner als der Toleranz wert war, konnte der kritische Winkel der Totalreflexion auch vergleichsweise genau aus dieser Lichtenergieverteilung gemessen werden.
Dieses Refraktometer stellt die nachfolgenden Wirkungen bereit.

(1) Das Weglassen der Kondensorlinse und der Objektivlinse ermöglicht, dass die Herstellungskosten reduziert werden können.
(2) Das Positionieren der Lichtquelle, des fotoelektrischen Sensors und des Prismas wird vor dem Installieren des Prismas in dem Rahmen durchgeführt, was die Produktion des Refraktometers leicht macht und ermöglicht, dass die Produktionskosten reduziert werden.
(3) Der Verlust von Lichtenergie kann reduziert werden.
(4) Das Refraktometer selbst kann kleiner hergestellt werden.
(5) Eine Probe kann leicht von der Probenstufe und der Schnittstellenoberfläche entfernt werden.
(6) Die Zeit, die erforderlich ist, um eine Probe wegzuwischen, wird reduziert, wodurch die Effizienz der Messung des Brechungsindex verbessert wird.
(7) Der Brechungsindex kann von einer Probe gemessen werden, die eine hochkorrosive oder stark haftende Substanz ist.
(8) Die Probenstufe und die Schnittstellenoberfläche unterfallen nicht leicht einer Abtragung, wodurch die nutzbare Lebensdauer des Refraktometers verlängert wird.
(9) Eine Probe kann leicht und definiert auf der Schnittstellenoberfläche gehalten werden.
(10) Die Effekte des äußeren Lichts, auch an hellen Plätzen im Freien werden reduziert, was hochgenaue Brechungsindexmessungen auch im Freien ermöglicht.
(11) Die Brechungsindexmessungen können einfach und effizient durchgeführt werden.

Die vorstehende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfindung ist in jeder Hinsicht erläuternd und nicht beschränkend. Verschiedene andere Modifikationen sind für Fachleute offensichtlich und können von diesen leicht ausgeführt werden, ohne dass vom Bereich der Ansprüche und dem Prinzip der Erfindung abgewichen wird.
Zum Beispiel ist eine erste Ausführungsform der Erfindung hier mit Bezug auf ein Refraktometer vom Desktop-Typ beschrieben worden, die Erfindung dieser Anmeldung kann jedoch in einer Vielzahl von unterschiedlichen Refraktometern, zum Beispiel vom tragbaren Typ oder vom Abbe-Refraktometer oder Ähnlichem, verwendet werden.
Wie in 8 gezeigt wird, kann die Lichtquelle 46 an der Eintrittsfläche 42 in einer Konfiguration angeklebt sein, die einen Schlitz (oder ein Stiftloch) 50 hat, der oder das dazwischen angeordnet ist. In Alternative, wie in 9 gezeigt ist, kann die Lichtquelle 46 und die Eintrittsfläche 42 des Prismas mit Abstand bzw. entfernt mit einem Schlitz 50 dazwischen eingebaut angeordnet sein. Die Breite dieses Schlitzes 50 (oder der Durchmesser des Stiftlochs) kann zum Beispiel 0,3 bis 0,5 mm betragen. Dieser Schlitz 50 arbeitet derart, dass das Licht Ri von der Lichtquelle 46 auf das Prisma 38 in einem vergleichsweise kleinen Winkel der Diffusion θ gelenkt wird. Das Licht mit ausreichender Lichtenergie kann deshalb auf den gewünschten Bereich der Schnittstellenoberfläche gestrahlt werden, ohne dass der Einbau von optischen Elementen, zum Beispiel einer Kondensorlinse oder Ähnlichem, erforderlich ist, die in dem optischen Weg zwischen der Lichtquelle 46 und dem Prisma 38 ansonsten arbeiten. Zudem kann ohne den Einbau der optischen Elemente, zum Beispiel einer Kondensorlinse oder Ähnlichem, die in dem optischen Weg zwischen dem Prisma 38 und dem fotoelektrischen Sensor 52 arbeiten, das reflektierte Licht Rr mit ausreichender Lichtenergie in dem gewünschten Bereich des fotoelektrischen Sensors 52 empfangen werden. Dementsprechend können, da eine Objektivlinse und eine Kondensorlinse in dem Aufbau des Refraktometers der vorliegenden Erfindung weggelassen werden, die Herstellungskosten reduziert werden.
Wie in 10 gezeigt ist, können die vorstehend beschriebene Probenstufe 14, die Filtereinrichtung 54 und die Steuereinrichtung 64 in einem Refraktometer verwendet werden, das eine Kondensorlinse 49 und eine Objektivlinse 51 hat.
Anstelle des Verfahrens zum Berechnen des kritischen Winkelpunkts Pc, das vorstehend beschrieben wurde, kann auch eine Konfiguration verwendet werden, in der der kritische Winkelpunkt Pc auf der Basis der Lichtenergieverteilungskurve berechnet wird, die nach dem Subtrahieren der Lichtenergieverteilungskurve, die gemessen wird, wenn die Lichtquelle 46 nicht leuchtet, von der Lichtenergieverteilungskurve, die gemessen wird, wenn die Lichtquelle 46 leuchtet, erhalten wird. Dies entfernt den Einfluss von externem Licht in großem Umfang, wodurch vergleichsweise genaue Brechungsindexmessungen durchgeführt werden können, auch an einem extrem hellen Ort im Freien.
Experimentelles Beispiel
Um die Effekte der Beschichtung 34 des Refraktometers 10 gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zu verifizieren, wurde ein Refraktometer 10 für experimentelle Zwecke hergestellt und den Experimenten unterzogen, die dafür ausgelegt wurden, die Leistungsfähigkeit mit einem herkömmlichen Refraktometer vergleichen zu können.
Ein Refraktometer unter Verwendung einer Probenstufe, die aus SUS316 hergestellt wurde, wurde als ein Beispiel der Technologie des Standes der Technik verwendet. Für das experimentelle Beispiel wurde eine zusammengesetzte Beschichtung 34 über der externen Fläche der Probenstufe wie in dem herkömmlichen Refraktometer ausgebildet. Genauer wies die Zusammensetzung der Beschichtung 34 des experimentellen Beispiels Ni: 82–84 Gew.-%, P: 8–10 Gew.-%, PTFE: 20–26 Vol.-% auf. Der Durchmesser der PTFE-Teilchen, die in dieser Beschichtung 34 enthalten waren, betrug 0,2–0,3 μm.
Während des Vergleichsexperiments wurde jeder Typ von Probe auf eine Fläche 24b mit konischer Form einer Probenführungsfläche 24, die eine Schnittstellenoberfläche 40 umgab, getröpfelt und ein Vergleich wurde gemacht, wie gut jede dieser Proben nach unten über die Schnittstellenoberfläche 40 rutschte und wie leicht diese Proben weggewischt werden konnten. Die Proben, die verwendet wurden, enthielten Wasser, Zuckerlösung mit einer Konzentration von 10%, 30% und 50%, Milch, Tomatenketchup, Kondensmilch, Mayonnaise und schwarzen Honig. Ein Kimwipe-Tuch wurde verwendet, um die Probensubstanzen wegzuwischen.
Die Ergebnisse dieser Experimente sind wie folgt.
Die Art und Weise, in der die Probe nach unten rutschte:
Wenn Wasser als Probe verwendet wurde, die unter Verwendung des herkömmlichen Refraktometers zugeführt wurde, rutschte die Probe sehr gut nach unten auf die Schnittstellenoberfläche, jedoch, wenn 10% Zuckerlösung verwendet wurde, blieben Spritztropfen auf der konischen Fläche hängen. Die 30%igen und 50-%igen Zuckerlösungen und die Milchprobe rutschten nach unten mit einiger Schwierigkeit, während der Tomatenketchup, die Kondensmilch, die Mayonnaise und die schwarzen Honigproben große Schwierigkeit hatten, nach unten auf die Schnittstellenoberfläche zu rutschen.
Im Unterschied hierzu, wenn das Refraktometer 10, das für dieses Experiment hergestellt wurde, verwendet wurde, rutschten die Wasserprobe und die Zuckerlösungen mit Dichten von 10%, 30% und 50% alle sehr gut nach unten. Zudem rutschte die Milchprobe mit einiger Schwierigkeit nach unten, während der Tomatenketchup, die Kondensmilch, die Mayonnaise und die Schwarzhonigproben große Schwierigkeit hatten, nach unten auf die Schnittstellenoberfläche zu rutschen.
Leichtigkeit, mit der die Proben weggewischt werden konnten:
Unter Verwendung des herkömmlichen Refraktometers konnten die Wasserprobe und die 10-%ige Zuckerlösungsprobe leicht mit ein oder zwei Wischern weggewischt werden. Wenn jedoch die anderen Proben verwendet wurden, war es für Mengen der Probensubstanzen einfach, dass sie auch dann zurückblieben, wenn das Wegwischen mit hinzugefügtem Wasser durchgeführt wurde.
Im Unterschied hierzu konnten unter Verwendung des Refraktometers 10, das für dieses Experiment hergestellt wurde, das Wasser und die 10-%ige Zuckerlösungsprobe leicht mit ein oder zwei Wischern weggewischt werden, und wenn alle anderen Proben verwendet wurden, konnten diese leichter weggewischt werden, wenn Wasser hinzugefügt wurde, als sie unter Verwendung des herkömmlichen Refraktometers weggewischt werden konnten.

Claims

Refraktometer (10) zum Messen des Brechungsindex einer Probe, das aufweist: ein Prisma (38), das eine Schnittstellenoberfläche hat, die die Probe berührt; eine Lichtquelle (46) zum Strahlen von Licht derart, dass Licht in das Prisma (38) durch eine Eintrittsfläche (42) des Prismas (38) eintritt und auf die Schnittstellenoberfläche (40) trifft; einen fotoelektrischen Sensor (52) zum Messen der Lichtenergieverteilung von Licht, das an der Schnittstellenoberfläche (40) reflektiert wird und von dem Prisma (38) durch eine Austrittsfläche (44) des Prismas (38) eintritt, und einen Schlitz (50), der zwischen der Lichtquelle (46) und der Eintrittsfläche (38) angeordnet ist und eine Breite von 0,3 mm bis 0,5 mm aufweist, worin die Lichtquelle (46) und der fotoelektrische Sensor (52) an der Eintrittsfläche (42) bzw. der Austrittsfläche (44) des Prismas (38) angebracht sind.
Refraktometer gemäß Anspruch 1, worin die Lichtquelle (46) eine flache lichtemittierende Fläche (46a) enthält, wobei die flache lichtemittierende Fläche (46a) an die Eintrittsfläche (42) des Prismas (38) angeklebt ist.
Refraktometer gemäß Anspruch 1, worin der fotoelektrische Sensor (52) an die Austrittsfläche (44) des Prismas (38) angeklebt ist.
Refraktometer, das aufweist: ein Prisma (38), das eine Schnittstellenoberfläche (40) hat, die die Schnittstelle mit einer Probe bereitstellt; und eine Probenstufe (14), die derart ausgebildet ist, dass sie die Schnittstellenoberfläche (40) umgibt, wobei die Probenstufe (14) eine nicht-klebende Beschichtung (34) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Beschichtung (34) Metall und Teilchen aus Fluorcarbonpolymer enthält, die gleichmäßig darin verteilt sind.
Refraktometer gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluorcarbonpolymer Polytetrafluorethylen ist.
Refraktometer gemäß Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschichtungsmaterial 20–26 Vol.-% Fluorcarbonpolymer enthält.
Refraktometer gemäß einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der Teilchen des Fluorcarbonpolymers 0,2–0,3 μm beträgt.
Refraktometer gemäß einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schnittstellenoberfläche (40) eine Beschichtung (41) hat, die Fluorcarbonpolymer enthält.
Refraktometer nach Anspruch 4, ferner umfassend: einen Rahmen (12), der eine Öffnung (22) darin hat; wobei die Probestufe (14) in der Öffnung (22) angeordnet ist; eine Lichtquelle (46), die Licht auf die Schnittstellenoberfläche (40) strahlt; und einen Sensor (52) zum Empfangen von Licht von der Lichtquelle (46), das an der Schnittstellenoberfläche (40) reflektiert wird; wobei die Probestufe (14) eine Probenführungsfläche (24) aufweist, die an den Rand der Öffnung (22) anstößt und im Bereich ihres Zentrums die Schnittstellenoberfläche (40) umgibt; wobei die Probenführungsfläche (24) eine Beschichtung (34) aufweist, die Nickel und Teilchen aus Fluorcarbonpolymer enthält, die gleichmäßig darin verteilt sind, wobei das Fluorcarbonpolymer Polytetrafluorethylen ist, wobei die Beschichtung 20–26 Vol.-% Fluorcarbonpolymer enthält, wobei der Durchmesser der Teilchen des Fluorcarbonpolymers 0,2–0,3 μm beträgt und wobei die Beschichtung (34) unter Verwendung stromloser Plattierungsprozesse ausgebildet ist.
Refraktometer nach Anspruch 4, in dem das Licht von einer Lichtquelle (46) auf die Schnittstellenoberfläche (40) des Prismas (38) gestrahlt wird, wobei Licht, das an der Schnittstellenoberfläche (40) reflektiert wird, unter Verwendung eines fotoelektri schen Sensors (52) detektiert wird, um den Brechungsindex der Probe auf der Basis eines Signals zu messen, das von dem fotoelektrischen Sensor (52) ausgegeben wird, das aufweist: eine Filtereinrichtung (54), die zwischen der Schnittstellenoberfläche (40) und dem fotoelektrischen Sensor (52) angeordnet ist, worin die Filtereinrichtung (54) einen Wellenlängenfilter (56, 58) enthält, der selektiv die Transmission von Licht mit einer Wellenlänge innerhalb eines vorgegebenen Bereichs einschließlich der Wellenlängen des Lichts der Lichtquelle (46) zulässt.
Refraktometer gemäß Anspruch 10, worin der Wellenlängenfilter (56, 58) einen ersten Wellenlängenfilter (56) hat, der selektiv Licht der Wellenlängen abblockt, die innerhalb des Bereichs von einer Wellenlänge 50 nm größer als die Wellenlängen des Lichts von der Lichtquelle (46) bis zu maximalen Wellenlängen, wie durch den fotoelektrischen Sensor (52) detektiert, sind, und einen zweiten Wellenlängenfilter (58), der selektiv Licht der Wellenlängen abblockt, die innerhalb des Bereichs von einer Wellenlänge 30 nm kleiner als die Wellenlängen des Lichts von der Lichtquelle (46) bis hinunter zu minimalen Wellenlängen sind, wie durch den fotoelektrischen Sensor (52) detektiert wird.
Refraktometer gemäß Anspruch 10 oder 11, worin die Filtereinrichtung (54) einen Polarisierer (60) enthält, der selektiv die Transmission von linear polarisiertem Licht zulässt.
Refraktometer gemäß Anspruch 12, worin die Filtereinrichtung (54) einen integrierten bzw. einstückigen Körper ausbildet, der den Wellenlängenfilter (56, 58) und den Polarisierer (60) laminiert miteinander kombiniert.
Refraktometer gemäß einem der Ansprüche 10 bis 13, worin die Filtereinrichtung (54) an dem Prisma (38) durch eine erste Fläche (54a) angeklebt ist und worin der fotoelektrische Sensor (52) an einer zweiten Fläche (54b) der Filtereinrichtung (54) angeklebt ist.
Refraktometer gemäß einem der Ansprüche 10 bis 14, worin die Filtereinrichtung (54) einen Lichtreduktionsfilter enthält.
Refraktometer, das aufweist: ein Prisma (38), das eine Schnittstellenoberfläche (40) hat, die eine Schnittstelle mit einer Probe bereitstellt; eine Lichtquelle (46), die Licht auf die Schnittstellenoberfläche (40) strahlt; einen fotoelektrischen Sensor (52) zum Empfangen von Licht, das von der Schnittstellenoberfläche (40) reflektiert wird; eine Lichtenergievergleichseinrichtung (72) zum Vergleichen von Lichtenergie, die Lichtenergie, die durch den fotoelektrischen Sensor (52) gemessen wird, wenn die Lichtquelle (46) nicht leuchtet, mit einem Toleranzwert vergleicht, der im Voraus gesetzt wird; eine Anzeigeeinrichtung (16a) zum Anzeigen eines Fehlers, wenn der Wert für die Lichtenergie, die gemessen wird, wenn die Lichtquelle (46) nicht leuchtet, größer als der Toleranzwert ist; eine Lichtquellensteuereinrichtung (80) zum Leuchten lassen der Lichtquelle (46), wenn der Wert für die Lichtenergie, die gemessen wird, wenn die Lichtquelle (46) nicht leuchtet, kleiner als der Toleranzwert ist; und eine Brechungsindexberechnungseinrichtung (74) zum Berechnen des Brechungsindex aus der Lichtenergieverteilung, wie sie durch den fotoelektrischen Sensor (52) gemessen wird, wenn die Lichtquelle (46) in einem Leuchtzustand ist.
Refraktometer gemäß Anspruch 16, worin die Anzeigeeinrichtung (16a) den Brechungsindex anzeigt, wie er durch die Brechungsindexberechnungseinrichtung (74) detektiert wird.
Verfahren zum Messen des Brechungsindex unter Verwendung eines Refraktometers, das ein Prisma (38) mit einer Schnittstellenoberfläche (40), die eine Schnittstelle mit einer Probe bereitstellt, eine Lichtquelle (46), die Licht auf die Schnittstellenoberfläche (40) strahlt, und einen fotoelektrischen Sensor (52) zum Empfangen von Licht aufweist, das von der Schnittstellenoberfläche (40) reflektiert wird, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Messen der Lichtenergieverteilung unter Verwendung des fotoelektrischen Sensors (52), wenn die Lichtquelle (46) nicht leuchtet; Vergleichen der Lichtenergie, die gemessen wird, wenn die Lichtquelle nicht leuchtet, mit einem Toleranzwert, der im Voraus gesetzt wird; Anzeigen eines Fehlers, wenn der Wert für die Lichtenergie, die gemessen wird, wenn die Lichtquelle (46) nicht leuchtet, größer als der Toleranzwert ist; Leuchten lassen der Lichtquelle (46) und Messen der Lichtenergieverteilung unter Verwendung des fotoelektrischen Sensors (52), wenn die Lichtenergie, die gemessen wird, wenn die Lichtquelle (46) nicht leuchtet, kleiner als der Toleranzwert ist; und Berechnen des Brechungsindex aus der Lichtenergieverteilung, die gemessen wird, wenn die Lichtquelle (46) in einem Leuchtzustand ist.