JP2005091063A - Refractometer - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、溶液中の糖度や濃度の測定に用いられる屈折計に関するものである。 The present invention relates to a refractometer used for measuring sugar content and concentration in a solution.
液中の糖度や濃度の測定に用いられる屈折計として、プリズムと試料との境界面に光を照射し、境界面で反射した光を光電センサにより検出し、光電センサの出力信号より試料の屈折率(糖度、濃度)を測定する屈折計が知られている。 As a refractometer used to measure sugar content and concentration in a liquid, light is irradiated to the boundary surface between the prism and the sample, and the light reflected by the boundary surface is detected by a photoelectric sensor. Refractometers that measure rate (sugar content, concentration) are known.
屈折計の測定原理は、プリズムと試料との境界面において全反射が起こる臨界角が試料の屈折率に依存することに由来する。従って、このような屈折計は、前記境界面における反射光のみが光電センサに入射することを前提とする。 The measurement principle of the refractometer is derived from the fact that the critical angle at which total reflection occurs at the interface between the prism and the sample depends on the refractive index of the sample. Therefore, such a refractometer assumes that only the reflected light at the boundary surface is incident on the photoelectric sensor.
しかし、屈折計を使用する場所は室内とは限らない。例えば、果物や野菜の搾汁や自動車用の不凍液を試料とする場合、戸外で測定を行う方が便利なことがある。この場合、時間的、空間的に変動する外光が、試料側からプリズムを透過し、内部光源からの反射光と共に光電センサに受光される。このため、戸外では屈折率を正確に測定することができないという問題があった。
本願発明の目的は、上記の問題点を解決するため、外光の影響を低減し、戸外においても精度良く屈折率を測定することができる屈折計を提供することである。 An object of the present invention is to provide a refractometer that can reduce the influence of external light and can accurately measure the refractive index even outdoors in order to solve the above problems.
この発明の屈折計は、試料との界面をなすプリズムの境界面に光源からの光を入射させ、前記プリズム境界面で反射された光を光電センサにより検出し、前記光電センサの出力信号から前記試料の屈折率を測定する屈折計であって、
前記プリズム境界面と前記光電センサの間に配置されたフィルター手段を有し、
前記フィルター手段は、光源からの光の波長を含む所定の波長域の光を選択的に透過させる波長フィルターを含む。
The refractometer according to the present invention causes light from a light source to enter a boundary surface of a prism that forms an interface with a sample, detects light reflected by the prism boundary surface by a photoelectric sensor, and outputs the light from the output signal of the photoelectric sensor. A refractometer for measuring the refractive index of a sample,
Filter means disposed between the prism boundary surface and the photoelectric sensor;
The filter means includes a wavelength filter that selectively transmits light in a predetermined wavelength range including the wavelength of light from the light source.
前記波長フィルターは、
光源からの光の波長より所定波長だけ長い波長から光電センサの検出波長の最大値までの波長域の光を選択的に遮断する第1のフィルターと、
光源からの光の波長より所定波長だけ短い波長から光電センサの検出波長の最小値までの波長域の光を選択的に遮断する第2のフィルターと、を含んでもよい。
The wavelength filter is
A first filter that selectively blocks light in a wavelength range from a wavelength longer than a wavelength of light from a light source by a predetermined wavelength to a maximum value of a detection wavelength of the photoelectric sensor;
And a second filter that selectively blocks light in a wavelength range from a wavelength shorter than a wavelength of light from the light source by a predetermined wavelength to a minimum value of the detection wavelength of the photoelectric sensor.
前記フィルター手段は、直線偏光を選択的に通過させる偏光フィルターをさらに含むことが好ましい。 Preferably, the filter means further includes a polarizing filter that selectively allows linearly polarized light to pass therethrough.
前記フィルター手段は、前記波長フィルター及び前記偏光フィルターを層状に張り合わせることにより一体的に形成され得る。 The filter means may be integrally formed by laminating the wavelength filter and the polarizing filter in layers.
前記フィルター手段は、第1の面において前記プリズムに接着され、第2の面において前記光電センサに接着され得る。 The filter means may be adhered to the prism on a first surface and adhered to the photoelectric sensor on a second surface.
前記フィルター手段は、減光フィルターを含んでもよい。 The filter means may include a neutral density filter.
したがって、本願発明によれば、外光の影響を低減し、戸外においても精度良く屈折率を測定することが可能な屈折計を提供することができる。 Therefore, according to this invention, the influence of external light can be reduced and the refractometer which can measure a refractive index accurately also outdoors can be provided.
図1は本願発明による屈折計の実施形態を示す。 FIG. 1 shows an embodiment of a refractometer according to the present invention.
屈折計10は、フレーム12と、フレーム12に設けられたサンプルステージ14と、サンプルステージ14の内側に固定されたプリズム16と、を有する。プリズム16は、サンプルステージ14に形成された試料滴下窓部15に滴下される試料Sとの界面をなすプリズム境界面18と、プリズム境界面18への光を入射する入射面20と、境界面18からの反射光を出射する出射面22と、を有する。
The
プリズム16の入射面20の側には、光源24が配置される。光源24は、好ましくは波長が概ね589nmの光を出射するLEDである。また、好ましくは、光源24は高輝度LEDである。
A
以下、光源24からプリズム境界面18へ入射する入射光線Riとプリズム境界面18の法線Nとで規定される平面(図1の紙面に平行な平面)を屈折率測定面Aと称する。
Hereinafter, a plane defined by the incident light Ri incident on the
プリズム16の出射面22の側には、例えば、複数の受光素子が一次元に配置されたラインセンサからなる光電センサ28が配置される。
For example, a
プリズム境界面18と光電センサ28の間には、フィルター手段30が配置される。フィルター手段30は、光源24から光の波長を含む所定の波長域の光を選択的に透過させる波長フィルター32、34と、所定の偏光を選択的に透過する偏光フィルター36と、光量を減少させる減光フィルター38と、を含む。
Filter means 30 is disposed between the
波長フィルター32、34は、比較的短い波長帯の光のみを選択的に透過させる第1の波長フィルター32と、比較的長い波長帯の光のみを選択的に透過させる第2の波長フィルター34と、を有する。
The
第1波長フィルター32は、光源からの光の波長より所定波長だけ長い波長から光電センサ28の検出波長の最大値までの波長域の光を遮断する。好ましくは、第1波長フィルター32は、概ね700nm以上の近赤外域の光をカットして短波長側の光を透過する近赤外線カットフィルターまたは熱線カットフィルターである。具体的には、第1波長フィルター32として、Schott社製のガラスフィルター(バンドパスフィルター)「BG40」を使用することができる。
The
図2を参照すると、曲線Taは、厚さ1.0mmのフィルター「BG40」を使用した第1波長フィルター32の分光透過率を示す。図示のとおり、第1波長フィルター32は、光源24からの光の中心波長L=589nmを含む概ね340nm〜600nmの短波長領域において、70%以上の光を透過する。
Referring to FIG. 2, a curve Ta indicates the spectral transmittance of the
第2波長フィルター34は、光源からの光の波長より所定波長だけ短い波長から光電センサ28の検出波長の最小値までの波長域の光を遮断する。好ましくは、第2波長フィルター34は、概ね550nm以下の可視域および紫外域の光をカットして長波長側の光を透過するフィルターである。具体的には、第2波長フィルター34として、透過限界波長(透過率5%の吸収限界波長と透過率72%の高透過限界波長との中点の波長)が560nmであるシャープカットフィルター「O−56」(JIS B7113の記号は、SO56)を使用することができる。
The
図2において、曲線Tbは、厚さ1mmの「O−56」を使用した第2波長フィルター34の分光透過率を示す。図示のとおり、第2波長フィルター34は、光源24からの光の中心波長L=589nmを含む概ね570nm以上の長波長領域において、70%以上の光を透過する。
In FIG. 2, a curve Tb shows the spectral transmittance of the
これらの第1波長フィルター32及び第2波長フィルター34を含むフィルター手段30の分光透過率を、図2において曲線Tcで示す。図示のとおり、フィルター手段30は、概ね570nm〜600nmの波長域において70%以上の光を透過する。
The spectral transmittance of the filter means 30 including the
次に、偏光フィルター36は、屈折率測定面A内に透過軸を有するように配置され、屈折率測定面Aに垂直な方向に振動するS偏光をブロックし、P偏光のみを選択的に通過させる。P偏光のみを透過させることにより、外部からの入射光の大部分をブロックすることができる。
Next, the polarizing
減光(ND)フィルター38は、光源24の輝度に応じた減光率を有する。これにより光源24からの光の光量を光電センサ28の受光量が適正レベルとなるように低下させると同時に、外光の光量を低下させることができる。従って、光源24の輝度が高く、減光フィルター38の減光率が高い(透過率が低い)ほど、減光フィルター38を透過して光電センサ28に入射する光における外光の割合を低減することができる。
The dimming (ND)
図1に示すように、フィルター手段30は、波長フィルター32、34、偏光フィルター36および減光フィルター38を層状に張り合わせることによって、一体的に形成することが好ましい。また、フィルター手段30の第1の面30aは、プリズム16の出射面22に接着され、第2の面30bは前記光電センサ28の受光面28aに接着されることが好ましい。これによりフィルター手段30をプリズム12に対して容易に位置決めし、固定することができる。
As shown in FIG. 1, it is preferable that the filter means 30 is integrally formed by laminating the
図1の例では、フィルター手段30の各フィルター32、34、36、38は、プリズム境界面18からの反射光が、第1波長フィルター32、偏光フィルター36、第2波長フィルター34、減光フィルター38の順に透過するように配置されている。しかし、これらのフィルター32、34、36、38はどのような順番に配置されてもよい。
In the example of FIG. 1, each of the
以下、図1を参照しながら、屈折計10の作用を説明する。
Hereinafter, the operation of the
試料滴下窓部15に試料Sが滴下され、測定開始のスイッチ(図示せず)が押されると、制御手段により光源24が点灯され、光源24からの光がコンデンサレンズ26を経てプリズム境界面18へ入射する。入射した光線Riは、試料Sの屈折率nに応じて定まる臨界角φc(n)より小さい入射角φにおいてはそのほとんどが試料S側へ透過し、臨界角φc(n)より大きい入射角φにおいては光電センサ28側へ全反射する(図2参照)。
When the sample S is dropped on the
プリズム境界面18で反射された光線Rrはフィルター手段30に入射する。フィルター手段30により、光源24の波長を含む所定の波長域(例えば550nm〜600nm)にあり、かつ、屈折率測定面Aに平行に振動するP偏光のみが光電センサ28側へ透過する。また、フィルター手段30を透過する光の光量は、光電センサ28の受光量の適正範囲内になるように低減される。
The light ray Rr reflected by the
光源24からの反射光は概ね589nmの波長を主成分とする。一方、外部からの入射光(外光)は赤外線から紫外線までの全域にわたる波長成分を含む。従って、フィルター手段30によって589nm前後の波長を有する光のみを透過させることにより、外部からの入射光の大部分をブロックし、かつ、光源24からの反射光の大部分を光電センサ28へ入射させることができる。また、フィルター手段30によってP偏光のみを透過させ、透過光量を低減することにより、光電センサ28への入射光に占める外光成分をさらに少なくすることができる。
The reflected light from the
光電センサ28の各受光素子から受光量に応じた電気信号が出力され、この出力が演算手段(図示せず)に入力され、光量分布曲線が得られる。この演算手段では、この光量分布曲線に基づいて臨界角φc(n)に対応する臨界角点Pcが算定され、試料Sの屈折率nが求められる。より詳細には、以下の方法で臨界角点Pcが計算される。
An electrical signal corresponding to the amount of received light is output from each light receiving element of the
まず、臨界角点(臨界角に相当する光電センサ上の位置)Pcの算定に用いる光量分布曲線の範囲を決定する。この範囲は、光量分布曲線の微分値が最大となる位置(アドレス)の前後における所定数(例えば、30個)のデータに対応するアドレス範囲とする。或いは、屈折計10の屈折率の測定範囲が非常に限られている場合には、その屈折率の範囲に応じて予め決められた範囲としてもよい。
First, the range of the light quantity distribution curve used for calculating the critical angle point (position on the photoelectric sensor corresponding to the critical angle) Pc is determined. This range is an address range corresponding to a predetermined number (for example, 30) of data before and after the position (address) at which the differential value of the light amount distribution curve is maximized. Or when the measurement range of the refractive index of the
次に、この範囲内におけるm個のデータを用いて、
により、重心位置Pc’を算定する。式(1)において、Xiは各受光素子の位置(アドレス)を表し、IiはXiにおける受光量(V)を表す。式1から理解されるように、重心位置Pc’は、光量分布曲線の一次微分曲線(或いは一次差分曲線)の重心位置である。
To calculate the center of gravity position Pc ′. In Formula (1), X i represents the position (address) of each light receiving element, and I i represents the amount of received light (V) at X i . As understood from Equation 1, the barycentric position Pc ′ is the barycentric position of the primary differential curve (or the primary difference curve) of the light amount distribution curve.
最後に、この重心位置Pc’に定数Cを加算し、臨界角点Pc(=Pc’+C)とする。定数Cは、屈折率が既知である試料を用いた実験により予め決定された値である。 Finally, a constant C is added to the barycentric position Pc ′ to obtain a critical angle point Pc (= Pc ′ + C). The constant C is a value determined in advance by an experiment using a sample whose refractive index is known.
光量分布曲線が外光を多く含む場合、外光の時間的・空間的な変化に伴って、光量分布曲線及び一次微分曲線の透過領域側の形状が変化する。従って、重心位置Pc’が真の臨界角点に対して測定ごとに大きく変動し、正しい屈折率が求められない。 When the light amount distribution curve includes a large amount of external light, the shape of the light amount distribution curve and the first derivative curve on the transmission region side changes with the temporal and spatial changes of the external light. Accordingly, the center of gravity position Pc 'varies greatly from measurement to measurement with respect to the true critical angle point, and a correct refractive index cannot be obtained.
一方、光量分布曲線が外光を含まない場合には、安定した重心位置Pc’を得ることが可能となる。 On the other hand, when the light amount distribution curve does not include outside light, it is possible to obtain a stable barycentric position Pc ′.
従って、本願発明による屈折計の一実施形態によれば、前述の方法によって臨界角点Pcをより正確に求めることができ、屈折率を精度良く測定することができる。 Therefore, according to one embodiment of the refractometer according to the present invention, the critical angle point Pc can be obtained more accurately by the above-described method, and the refractive index can be measured with high accuracy.
また、外光が非常に強い場合でも、光電センサー28のダイナミックレンジを越えることなく測定を行うことができる。
Even when the outside light is very strong, measurement can be performed without exceeding the dynamic range of the
上記実施形態において、光電センサ28が光源24の点灯時と消灯時に走査を行うように構成しても良い。この場合、点灯時の光量分布曲線と消灯時の光量分布曲線が検出され、演算手段はこれらの引き算により得られた光量分布曲線に基づいて臨界角点Pcを算定する。これにより外光の影響が概ね排除されるため、戸外などの非常に明るい場所においても、より精度良く屈折率nを測定することができる。
In the above embodiment, the
要するに、本願発明による屈折計の一実施形態は、以下の特徴を有する。 In short, an embodiment of the refractometer according to the present invention has the following characteristics.
1. 試料(S)との界面をなすプリズム(16)の境界面(18)に光源(24)からの光を入射させ、前記プリズム境界面で反射された光を光電センサ(28)により検出し、前記光電センサの出力信号から前記試料の屈折率を測定する屈折計(10)であって、
前記プリズム境界面と前記光電センサの間に配置されたフィルター手段(30)を有し、
前記フィルター手段は、光源からの光の波長(L)を含む所定の波長域の光を選択的に透過させる波長フィルター(32、34)を含む。
1. The light from the light source (24) is incident on the boundary surface (18) of the prism (16) that forms an interface with the sample (S), and the light reflected by the prism boundary surface is detected by the photoelectric sensor (28). A refractometer (10) for measuring a refractive index of the sample from an output signal of the photoelectric sensor,
Filter means (30) disposed between the prism interface and the photoelectric sensor;
The filter means includes wavelength filters (32, 34) that selectively transmit light in a predetermined wavelength range including the wavelength (L) of light from the light source.
2. 前記波長フィルターは、
光源からの光の波長(L)より所定波長だけ長い波長から光電センサ(28)の検出波長の最大値までの波長域の光を選択的に遮断する第1のフィルター(32)と、
光源からの光の波長(L)より所定波長だけ短い波長から光電センサ(28)の検出波長の最小値までの波長域の光を選択的に遮断する第2のフィルター(34)と、を含む。
2. The wavelength filter is
A first filter (32) that selectively blocks light in a wavelength range from a wavelength longer than a wavelength of light from a light source (L) by a predetermined wavelength to a maximum value of a detection wavelength of the photoelectric sensor (28);
A second filter (34) that selectively blocks light in a wavelength range from a wavelength shorter than a wavelength (L) of light from the light source by a predetermined wavelength to a minimum detection wavelength of the photoelectric sensor (28). .
3. 前記フィルター手段(30)は、直線偏光を選択的に通過させる偏光フィルター(36)を含む。 3. The filter means (30) includes a polarization filter (36) that selectively passes linearly polarized light.
4. 前記フィルター手段(30)は、前記波長フィルター(32、34)及び前記偏光フィルター(36)を層状に張り合わせることにより一体的に形成される。 4). The filter means (30) is integrally formed by laminating the wavelength filters (32, 34) and the polarizing filter (36) in layers.
5. 前記フィルター手段(30)は、第1の面において前記プリズム(16)に接着され、第2の面において前記光電センサ(28)に接着される。 5). The filter means (30) is bonded to the prism (16) on the first surface and is bonded to the photoelectric sensor (28) on the second surface.
6. 前記フィルター手段(30)は、減光フィルター(38)を含む。 6). The filter means (30) includes a neutral density filter (38).
尚、この発明は上記実施形態に限定されるものでなく、種々の他の形態で実施することができる。例えば、光電センサ28とフィルター手段30が離間して配置され、光電センサ28とフィルター手段30の間に対物レンズを設けてもよい。また、光源24とプリズム16が離間して配置され、光源24とプリズム16の間にコンデンサレンズを設けてもよい。臨界角点の算定を、光量分布曲線の2次微分、或いは、1次微分及び2次微分の両方を用いる方法で行うこともできる。
In addition, this invention is not limited to the said embodiment, It can implement with a various other form. For example, the
前記屈折計は、以下の効果を奏する。 The refractometer has the following effects.
(1)戸外などの明るい場所においても、外光の影響を低減し、高精度に屈折率を測定することができる。 (1) Even in bright places such as outdoors, the influence of outside light can be reduced and the refractive index can be measured with high accuracy.
(2)製造が容易である。 (2) Easy to manufacture.
(3)製造コストが安い。 (3) Manufacturing cost is low.
(4)測定が簡単かつ能率的に行える。 (4) Measurement can be performed easily and efficiently.
10 屈折計
12 フレーム
14 サンプルステージ
15 試料滴下窓部
16 プリズム
18 プリズム境界面
20 プリズム入射面
22 プリズム出射面
24 光源
28 光電センサ
30 フィルター手段
32 第1波長フィルター
34 第2波長フィルター
36 偏光フィルター
38 減光フィルター
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記プリズム境界面と前記光電センサの間に配置されたフィルター手段(30)を有し、
前記フィルター手段は、光源からの光の波長(L)を含む所定の波長域の光を選択的に透過させる波長フィルター(32、34)を含む屈折計。 The light from the light source (24) is incident on the boundary surface (18) of the prism (16) that forms an interface with the sample (S), and the light reflected by the prism boundary surface is detected by the photoelectric sensor (28). A refractometer (10) for measuring a refractive index of the sample from an output signal of the photoelectric sensor,
Filter means (30) disposed between the prism interface and the photoelectric sensor;
The filter means is a refractometer including wavelength filters (32, 34) that selectively transmit light in a predetermined wavelength range including a wavelength (L) of light from a light source.
光源からの光の波長(L)より所定波長だけ長い波長から光電センサ(28)の検出波長の最大値までの波長域の光を選択的に遮断する第1のフィルター(32)と、
光源からの光の波長(L)より所定波長だけ短い波長から光電センサ(28)の検出波長の最小値までの波長域の光を選択的に遮断する第2のフィルター(34)と、を含む請求項1に記載の屈折計。 The wavelength filter is
A first filter (32) for selectively blocking light in a wavelength range from a wavelength longer than a wavelength of light from a light source (L) by a predetermined wavelength to a maximum value of a detection wavelength of the photoelectric sensor (28);
A second filter (34) that selectively blocks light in a wavelength range from a wavelength shorter than a wavelength (L) of light from the light source by a predetermined wavelength to a minimum detection wavelength of the photoelectric sensor (28). The refractometer according to claim 1.
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