JP2005030859A - 光干渉式流体特性測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】干渉縞の位相変化の履歴に頼ることなく、その時点での干渉縞の位相自体から干渉縞の次数を特定して干渉縞の総変移量を検出すること。
【解決手段】被検ガスが流入する測定セル１と、標準ガスが封入された標準セル２，３とを併設し、測定セル１と標準セル２、３とに異なる波長の光を照射する光源１０、１１と、測定セル１と標準セル２、３とを通過した光を検出するラインイメージセンサ１６と、ラインイメージセンサ１６の信号に基づいてフーリエ解析により各波長の干渉縞の位相差から次数を検出し、少なくとも一方の波長による干渉縞の次数を特定した総変移量を検出する測定回路２０とを備えるようにした。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被測定流体と標準流体との光の屈折率の相異を干渉縞の変位として検出し、この変位に基づいて被測定流体の濃度等の特性を測定する装置、より詳細には２種類の流体間の光の屈折率の相違による干渉縞の移動量を検出する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
２種類の流体間の光の屈折率の相違による干渉縞の移動量を検出して流体の特性を測定する装置における、干渉縞の移動を検出する技術には、特許文献１に見られるように１サンプリング周期の期間中に、干渉縞の位相変化が±πを越えないように構成された測定セル、及びこれに併設されたリファレンスセルと、各セルを通過した光ビームにより生じる干渉縞の像を受けるイメージセンサと、イメージセンサからの干渉縞信号に含まれる基本波成分の位相θを算出するフーリエ解析手段と、フーリエ解析手段で算出された位相θが、１サンプリング周期中に測定セルの流体特性による位相変化が±πを超えない物理的制約を満足するか否かを判断し、満足する場合には位相θを位相変化量として、また満足しない場合には２πを加減算した値を位相変化量として出力する手段とを備え、測定セルの流体特性を積極的に利用してフーリエ解析手段からの位相の矛盾を排除するものが提案されている。
【特許文献１】特開２０００−２９２３５１号公報
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、測定中の干渉縞の移動を追尾しつつ干渉縞の次数をカウントするため、測定セル内の流体の屈折率が急激に変化した場合、つまり測定セルに流入する流体の圧力や濃度が急激に変化した場合には、イメージセンサの検出速度が干渉縞の移動に対応できず、次数のカウントにミスが生じ、検出誤差が生じるという問題がある。
このような問題を解消するため、測定セルへの流体の流入速度を制限して、濃度や圧力の急激な変動を防止することが行われているが、測定装置としての応答速度が低下するという新たな問題が生じる。
本発明はこのような問題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは干渉縞の位相変化の履歴に頼ることなく、その時点での干渉縞の位相自体から干渉縞の次数を特定して干渉縞の総変移量を検出することができる光干渉式流体特性測定装置を提供することである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
このような問題を解消するために本発明においては、被検ガスが流入する測定セルと、標準ガスが封入された標準セルとを併設し、前記測定セルと標準セルとに異なる波長の光を照射する光源と、前記測定セルと標準セルとを通過した光を検出するラインイメージセンサと、前記ラインイメージセンサの信号に基づいてフーリエ解析により前記各波長の干渉縞の位相差から次数を検出し、少なくとも一方の波長による干渉縞の次数を特定した総変移量を検出する手段とを備えるようにした。
【０００５】
【作用】
請求項１の発明によれば、急激な濃度変化や圧力変化が発生しても、次数を読み誤ることなく、干渉縞の総変移量を求めることができる。
請求項２の発明によれば、干渉縞のコントラストの変化を利用して、特定できる次数の範囲を拡大して、測定可能な総変移量の範囲を広げて、流体特性の急激な変化にも対応することができる。
【０００６】
【実施例】
そこで以下に本発明の詳細を図示した実施例に基づいて説明する。
図１は、本発明の一実施例を示すものであって、測定セル１と、測定セル１の両側に標準セル２、３とを備え、測定セル１の流入口Ｈ１には図示しないサンプリングポンプの吐出口が、また流出口Ｈ２には図示しない電磁弁が接続されている。
なお、サンプリングポンプは、外力により容積を膨張収縮するダイヤフラムと、排気口、吸気口にそれぞれ逆止弁を設けたダイヤフラム型ポンプとして構成するのが望ましい。
一方、標準セル２、３は、その流体流入口、流出口Ｈ３、Ｈ４、Ｈ５、Ｈ６が図示しない流路により連通関係となるように接続されて、１つの標準ガス源からの同一の標準ガスの供給を受けている。なお、図中符号４、５は、チャンバの光透過窓を形成するガラス板を示す。
【０００７】
これら各チャンバ１、２、３の一側にはビームスプリッタをなす平行平面鏡７が、また他側にはこれらセル１、２、３の光路領域をカバーできるサイズのメインプリズム８が配置されている。
【０００８】
１０、１１は、相互の波長が相違する光源で、後述する測定回路２０からの信号により交互に点灯され、一方の光源１０は中心波長λ１（６６０ｎｍ）の発光ダイオードが、また他方の光源１１は中心波長λ２（６１２ｎｍ）の発光ダイオードが使用されていて、これら光源１０、１１からの光はハーフミラー１２を介して平行平面鏡７の一側寄りの所定位置Ｐ０を照射する。
【０００９】
光源１０を点灯し、また他方の光源１１を消灯した場合には、光源１０からの波長λ１の光は、ハーフミラー１２を透過してビームＬ０となり、平行平面鏡７により２本のビームＬ１、Ｌ２に分割され、一方のビームＬ１は測定セル１の一側寄りの光路を通って、メインプリズム８に入射し、再び測定セル１の他側寄りの光路を通るビームＬ３となって平行平面鏡７に入射する。
【００１０】
他方のビームＬ２は、一方の標準セル２を通過してプリズム８に入射し、他方の標準セル３からビームＬ４として出射し、平行平面鏡７に入射し、測定セル１から出射したビームＬ３の照射点と同一点Ｐ１で重なって、光Ｌ５として平面鏡１３に入射する。平面鏡１３から出射した光Ｌ６は、凸レンズ１４、凹レンズ１５を通過してＣＣＤなどからなるラインイメージセンサ１６に干渉縞の像を形成する。
【００１１】
また光源１０を消灯し、光源１１を点灯した場合には、光源１１からの波長λ２の光は、ハーフミラー１２で反射して光Ｌ０となり、その後は前述の光源１０の光と同様の経路を通ってラインイメージセンサ１６に干渉縞の像を形成する。
【００１２】
ここで、ラインイメージセンサ１６は、図２に示したようにその受光面のサイズが、一方の光源、この実施例では光源１０からの光による干渉縞（以下、「干渉縞λ１」という）のｎ周期分を受光できるように調整されている。したがって、ラインイメージセンサ１６は、他方の光源の波長λ２の干渉縞（以下、「干渉縞λ２」という）をｎ×（λ１／λ２）周期分だけ受光することになる。
【００１３】
再び図１に戻って、符号２０は測定回路で、ラインイメージセンサ１６からの信号を受けて、干渉縞の位相差に基づいて少なくとも一方の光源からの光による干渉縞の変移量を検出するように構成されている。
【００１４】
すなわち、図３に示したようにラインイメージセンサ１６からの信号に基づいてフーリエ解析を行い位相差を検出するフーリエ解析手段２１と、位相差から一方の波長の光の次数を検出する次数検出手段２２と、ラインイメージセンサ１６からの信号に基づいてコントラストを検出するコントラスト判定するコントラスト判定手段２３と、次数検出手段２２とコントラスト判定手段２３との信号に基づいて総変位量を検出する総変位量検出手段２３と、タイミング信号発生手段２５からの信号により光源１０、１１を交互に点灯する点灯手段２６とから構成されている。
【００１５】
次に測定回路２０による次数の検出方法について説明する。
なお、以下の説明に使用する各記号は、
θλ１ 干渉縞λ１の次数を含まない位相（−π〜π）
θλ２ 干渉縞λ２の次数を含まない位相（−π〜π）
δλ１ フーリエ解析処理によってθλ１を求めたときに加わる誤差
δλ２ フーリエ解析処理によってθλ２を求めたときに加わる誤差
ｍ 干渉縞λ１の移動した縞の本数（次数）
Θλ１ 干渉縞λ１の総変移量。次数を含む位相であり、Θλ１＝θλ＋２ｍπの関係が成り立つ。
Θλ２ 干渉縞λ２の総変移量。次数を含む位相。
をそれぞれ表す。
【００１６】
測定セル１と標準セル２，３とに収容されている流体の屈折率の差分がゼロの状態であるから、測定セル１内の流体の特性が変化し、屈折率に差が生じて、干渉縞λ１がΘλ１分移動したとする。
このとき、干渉縞λ２はΘλ１とは若干異なるが、Θλ１とΘλ２との間には、次式の関係が成り立つ。
【数１】

【００１７】
したがって、総変移量Θλ２と総変移量Θλ１との差は
【数２】

（なお、ｋは、光源波長λ１とλ２で決まる定数であり、実験によって求めることができる値である。）
となる。
【００１８】
このことは、総変移量Θλ１と総変移量Θλ２をそれぞれを直接測定することができなくても、差分（Θλ２−Θλ１）を求めることができれば、総変移量Θλ１、総変移量Θλ２が得られることを意味する。
【００１９】
そして、この（ Θλ２−Θλ１）の変化幅を−π〜π、０〜２πのように全体で２πになる範囲に限定すれば、干渉縞λ１，干渉縞λ２のフーリエ解析による位相解θλ１、θλ２の差に置き換えることができ、式３から総変移量Θλ１を得ることができる。
【数３】

ただし、左辺の分子の部分が、限定した変化幅にから外れた場合は、限定した幅に収まるよう、左辺の分子部に２πを加算又は減算するものとする。
【００２０】
しかし実際のフーリエ解析による位相解には、誤差が含まれているため、式３をそのまま使うことは適当ではない。
この誤差の主な要因は、
▲１▼干渉縞のコントラスト低下、
▲２▼イメージセンサを構成する受光素子の受光感度のバラツキ、
▲３▼イメージセンサで取り込まれる干渉縞の両端での不連続性
などに起因する。
▲３▼のイメージセンサで取り込まれる干渉縞の両端での不連続性の影響は、干渉縞の画像データに窓関数を乗じることで効果的に抑えることができる。
【００２１】
これに対して▲１▼及び▲２▼の影響は無視することができない。もし誤差ｈ１、ｈ２の含まれた位相解の差をｋで乗じると、これらの誤差の影響を大きくしてしまうことになる。
【００２２】
【数４】

そこで本実施例では、式４は干渉縞λ１の次数ｍを求める手段としてのみ用いている。
すなわち、ｍ、Θλ１、θλ１の間には、
【数５】

が成り立つから、式５の関係を式４の関係を代入すると、
【数６】

の関係が成り立つから、その両辺から、干渉縞λ１の位相をフーリエ解析で求めた値（Θλ１＋Θλ２）を引いて、さらに両辺を２πで割ると、次式が得られる。
【数７】

ここで、
【数８】

が成り立つので、式７を整数化すれば、目的とする次数ｍを得ることができる。
【数９】

【００２３】
最終的には式９で求めた次数ｍと、干渉縞λ１のフーリエ解析で求められる位相解（Θλ１＋δλ１）を使って、
【数１０】

なる関係を得る。
【００２４】
式１０の総変移量にもδλ１が誤差として含まれるものの、式４で求めた解の誤差分（δλ１ーδλ２）／ｋよりも大幅、例えばλ１＝６６０ｎｍ、λ２＝６１２ｎｍの場合、ｋ≒０．０７８となるので、略１／１０程度に小さくなる。
【００２５】
このように、位相差を検出するだけで次数を検出できるため、干渉縞の次数を順次カウントする必要が無く、流体特性が急激に変動しても確実に検出することができる。
【００２６】
ところで、上述の実施例では、次数ｍが特定できる範囲は、位相差または（Θλ２− Θλ１）の変化幅が０〜２πのように全体で２πになる範囲であるため、高速応答が可能であるとしても、測定レンジが大きく変動した場合には、つまり（Θλ２− Θλ１）＝Ｘの時と、（Θλ２− Θλ１）＝Ｘ＋２πの時との区別をすることはできない。
【００２７】
このため、光源１０，１１として発光ダイオードのような比較的波長が短く、かつ波長領域がブロードな光源を用いると、干渉縞が移動した時に干渉縞のコントラストＣが変化するから、このコントラストの変化を検出すれば、（Θλ２− Θλ１）＝Ｘの時と、（Θλ２− Θλ１）＝Ｘ＋２πの区別をすることが可能になる。
【００２８】
すなわち、図４における（ａ）は、干渉縞の総変位量（Θλ１）を正規化して示すもので、位相差が２π変化するごとに０乃至１の範囲で変化する。これに対してコントラストＣ、正確には正規化したコントラストＣ／Ｃ０（Ｃ０は、測定セルと標準セルとに同一の流体を収容した場合のコントラストを表す）は、（ｂ）に示したように干渉縞の変位量と相関関係を有していて、変位量が大きくなる程、低下する。
【００２９】
したがって、一方の干渉縞λ１のコントラストＣと、式９から求めた総変位量Θλ１を用いて、次式の計算を行い、
【数１１】

Ｘが同値以上であれば、（Θλ２− Θλ１）は０〜２πの範囲であると判断し、闇値以下であれば、（Θλ２− Θλ１）は２π〜４πの範囲であると判断することができる。
【００３０】
ところで、上述のそれぞれの演算は、マイクロコンピュータにより図５に示した工程で実行することも可能である。
すなわち、演算開始当初に光源１０、１１の一方を点灯して波長λ１（６６０ｎｍ）の光を照射し（ステップ イ）、干渉縞の情報を取得する（ステップ ロ）。この情報に基づいてフーリエ解析により位相を計算し（ステップ ハ）、波長λ１の位相を決定する（ステップ ニ）。
【００３１】
次いで他方の光源１１を点灯して波長λ２（６１２ｎｍ）の光を照射し（ステップ ホ）、干渉縞の情報を取得する（ステップ へ）。この情報に基づいてフーリエ解析により位相を計算し（ステップ ト）、波長λ１の位相を決定する（ステップ チ）。
このようにして異なる波長の光の干渉縞の位相が判明した時点で、位相差を計算し（ステップ リ）、また次数を計算し、位相差から総変位量を算出したり、また前述したように次数を考慮して総変位量を算出する（ステップ ル）。このように次数をも考慮して総変位量を算出することにより、式１０により示したように誤差を大幅に減少させることができる。
なお、演算が開始された以後は、非点灯の光源の波長の干渉縞のデータは、記憶手段に格納しておくことにより、交互の照射で演算が可能となる。
【００３２】
【発明の効果】
以上、説明したように発明においては、急激な濃度変化や圧力変化が発生しても、次数を読み誤ることなく、干渉縞の総変移量を求めることができ、また干渉縞のコントラストの変化を検出することにより、測定可能な総変移量の範囲を広げことができ、大きなダイナミックレンジを確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示す構成図である。
【図２】図（イ）、（ロ）は、それぞれ波長λ１とλ２の光による干渉縞をラインイメージセンサで受けた時の状態を模式的に示す図である。
【図３】同上測定回路の一実施例を示すブロック図である。
【図４】図（ａ）乃至（ｃ）は、それぞれ干渉縞の移動量とコントラストとの関係を正規化した状態で示す線図、及び次数を次数を検出する原理を示す線図である。
【図５】本発明の動作をマイクロコンピュータで実現する場合の一実施例を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１ 測定セル
２、３ 標準セル
７ 平行平面鏡
８ プリズム
８ メインプリズム
１０、１１ 光源
１１ 光源
１２ ハーフミラー
１３ 平面反射鏡
１４ 凸レンズ
１５ 凹レンズ
１６ ラインイメージセンサ
２０ 測定回路

Claims (2)

1. 被検ガスが流入する測定セルと、標準ガスが封入された標準セルとを併設し、前記測定セルと標準セルとに異なる波長の光を照射する光源と、前記測定セルと標準セルとを通過した光を検出するラインイメージセンサと、
   前記ラインイメージセンサの信号に基づいてフーリエ解析により前記各波長の干渉縞の位相差から次数を検出し、少なくとも一方の波長による干渉縞の次数を特定した総変移量を検出する手段とを備えた光干渉式流体特性測定装置。
2. 前記一方の波長の干渉縞のコントラストを検出する手段を備え、前記コントラストに基づいて特定できる次数の範囲を拡大する請求項１に記載の光干渉式流体特性測定装置。

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