JP2005241746A

JP2005241746A - 導光装置及びこれを用いた成分測定装置

Info

Publication number: JP2005241746A
Application number: JP2004048165A
Authority: JP
Inventors: Masaru Chinen; 勝知念
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2004-02-24
Filing date: 2004-02-24
Publication date: 2005-09-08

Abstract

【課題】小型で簡素な構成の導光装置を提供すること。
【解決手段】光ファイバ３で光を導いて遠隔地で利用する導光装置において、基板４と、上記基板の表面に並べて設けられ、互いに異なる波長の光を出射する複数のＬＥＤ５ａ〜５ｄと、上記基板の表面に上記ＬＥＤを覆うように設けられ、上記ＬＥＤから出射した光をコリメートするモールドレンズ７と、上記モールドレンズによりコリメートされた光を集光して上記光ファイバに導く集光レンズ２とを具備する。
【選択図】図１

Description

本発明は、チップに搭載された複数のＬＥＤから出射する各波長の光を合成して光ファイバへ導いて利用する導光装置及びこれを用いた成分測定装置に関する。

光源から出射した光を光ファイバで導いて遠隔地で利用する導光技術が知られている。この導光技術は、果実などの糖度を測定する糖度計や混合物中に含まれる対象成分の濃度を測定する濃度計などにも利用されている。

従来の導光装置では、光源としてハロゲンランプ等のランプを使用している（例えば、特許文献１参照。）。ランプから出射した光は、集光レンズにより光ファイバに導入され、遠隔地の利用現場まで導かれる。

この導光装置を糖度計や濃度計に使用する場合、光ファイバで導かれた光を果実や混合物に照射し、その透過光や反射光の光量を測定することで、果実の糖度や混合物中の対象成分の濃度を測定する。このとき、複数の波長の光を照射して、その透過光や反射光の光量情報を組み合わせると、様々なバリエーションの測定を行うことができる。
Ｈ．Ｈｅｕｓｍａｎｎ，Ｊ．Ｋｏｌｚｅｒ，ａｎｄＧ．Ｍｉｔｉｃ，“ＣｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎｏｆＦｅｍａｌｅＢｒｅａｓｔＩｎＶｉｖｏｂｙＴｉｍｅＲｅｓｏｌｖｅｄａｎｄＳｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｉｃＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓｉｎＮｅａｒＩｎｆｒａｒｅｄＳｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ，”Ｊ，Ｂｉｏｍｅｄ．Ｏｐｔ．，Ｖｏｌ．１，ｎｏ．４，１９９６，ｐｐ４２５−４３４．

ところで、ハロゲンランプ等のランプは様々な波長の光を出射するため、所望の波長の光だけが欲しい場合、光源と光ファイバの間にフィルタを配置する必要があり、装置の大型化や複雑化を招いていた。

また、ランプから出射する光は拡径しながら進行するため、この光を効率良く光ファイバに導くためには、光源と光ファイバの間にコリメート用のレンズを配置する必要があり、これによっても装置の大型化や複雑化を招いていた。

しかも、コリメート用のレンズは、光の断面寸法に合ったものを選ぶ必要があり、上述のような拡径しながら進行する光では、レンズの配置次第でレンズ径が大型化し、装置のさらなる大型化を招いていた。

本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、小型で簡素な構成の導光装置及びこれを用いた成分測定装置を提供することにある。

上記課題を解決し目的を達成するために、本発明の導光装置及びこれを用いた成分測定装置は次のように構成されている。

（１）光ファイバで光を導く導光装置において、基板と、上記基板の表面に並べて設けられ、互いに異なる波長の光を出射する複数のＬＥＤと、上記基板の表面に上記ＬＥＤを覆うように設けられ、上記ＬＥＤから出射した光をコリメートするレンズと、上記レンズによりコリメートされた光を集光して上記光ファイバに導く集光レンズとを具備することを特徴とする。

（２）光ファイバで光を導く導光装置において、基板と、上記基板の表面に並べて設けられ、互いに異なる波長の光を出射する複数のＬＥＤと、上記基板の表面と上記光ファイバの一端との間に上記ＬＥＤを覆うように充填され、上記ＬＥＤから出射した光を上記光ファイバに導くモールド部材とを具備することを特徴とする。

（３）（２）に記載された導光装置において、上記複数のＬＥＤと上記光ファイバの軸心線との相対位置は、上記光ファイバに入射する各波長の光の強度が略等しくなるよう調整されていることを特徴とする。

（４）光ファイバで導かれた光を測定対象物に照射し、上記測定対象物が含有する対象成分を測定する成分測定装置において、基板と、上記基板の表面に並べて設けられ、互いに異なる波長の光を出射する複数のＬＥＤと、上記基板の表面に上記ＬＥＤを覆うように設けられ、上記ＬＥＤから出射した光をコリメートするレンズと、上記レンズによりコリメートされた光を集光して上記光ファイバに導く集光レンズと、上記測定対象物を透過した光あるいは上記測定対象物内で反射した光の光量を検出する検出手段と、上記検出手段により検出された光量に基づいて上記測定対象物が含有する対象成分を測定する測定手段とを具備することを特徴とする。

（５）光ファイバで導かれた光を測定対象物に照射し、上記測定対象物が含有する対象成分を測定する成分測定装置において、基板と、上記基板の表面に並べて設けられ、互いに異なる波長の光を出射する複数のＬＥＤと、上記基板の表面と上記ファイバの一端との間に上記ＬＥＤを覆うように充填され、上記ＬＥＤから出射した光を上記光ファイバに導くモールド部材と、上記測定対象物を透過した光あるいは上記測定対象物内で反射した光の光量を検出する検出手段と、上記検出手段により検出された光量に基づいて上記測定対象物が含有する対象成分を測定する測定手段とを具備することを特徴とする。

（６）（５）に記載された成分測定装置であって、上記複数のＬＥＤと上記光ファイバの軸心線との相対位置は、上記光ファイバに入射する各波長の光の強度が略等しくなるよう調整されていることを特徴とする。

本発明によれば、導光装置や成分測定装置の構成を小型かつ簡素にすることができる。

以下、図面を参照しながら本発明を実施するための最良の形態を説明する。

まず、図１を用いて本発明の第１の実施の形態を説明する。

図１は本発明の第１の実施の形態に係る導光装置を示す構成図、図２は同実施の形態に係る発光チップをモールドレンズを省略して示す構成図である。

図１に示すように、この導光装置は、主に発光チップ１と集光レンズ２と光ファイバ３から構成されている。

発光チップ１は円板状の基板４を有しており、その表面には複数、本実施の形態では４つのＬＥＤ５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄが設けられ、裏面には５本の端子６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ、６ｅが設けられている。

図２に示すように、ＬＥＤ５ａ〜５ｄは、基板４の軸心線Ｏを中心としてマトリクス状に並べられており、各端子６ａ〜６ｅに電流を流すことで、それぞれ異なる波長λ１〜λ４で発光するようになっている。なお、５本の端子６ａ〜６ｅのうち、１本はアノード共通端子であり、残りの４本は各ＬＥＤ５ａ〜５ｄのカソード端子である。

また、基板４の表面には、モールドレンズ７（レンズ）がＬＥＤ５ａ〜５ｄを覆うように設けられている。このモールドレンズ７は、その表面形状が略球面となるよう形成されており、ＬＥＤ５ａ〜５ｄから出射した光をコリメートする機能を有している。モールドレンズ７の素材としては、石英や樹脂等が用いられる。

集光レンズ２は、ＬＥＤ５ａ〜５ｄと対向するように配置されており、モールドレンズ７でコリメートされた光を集光し、光ファイバ３の基端３ａに導く機能を有している。

光ファイバ３は、その基端３ａが集光レンズ２と対向するように配置されており、集光レンズ２により集光された光を導入し、遠隔地に配置された先端まで導光する機能を有している。

次に、上記構成の導光装置を使用する際の作用について説明する。

まず端子６ａ〜６ｅに電流を流してＬＥＤ５ａ〜５ｄを発光させる。各ＬＥＤ５ａ〜５ｄから出射した光は、モールドレンズ７によりコリメートされた後、集光レンズ２に入射する。集光レンズ２に入射した各光は、そのレンズ作用により集光されて光ファイバ３の基端３ａに入射し、ファイバ内を進行して遠隔地に配置された光ファイバ３の先端まで導かれる。

上記構成の導光装置によれば、光ファイバ３に導入する光の光源としてＬＥＤ５ａ〜５ｄを用い、各ＬＥＤ５ａ〜５ｄからそれぞれ決まった波長の光を出射している。しかも、端子６ａ〜６ｅに電流を供給することで、ＬＥＤ５ａ〜５ｄを独立に発光できるようになっている。そのため、発光チップ１と光ファイバ３の間に、波長を選択するためのフィルタ等を配置する必要がないから、装置の構成を小型化、簡素化することができる。

また、基板４の表面にＬＥＤ５ａ〜５ｄを覆うようにモールドレンズ７を設けることで、各ＬＥＤ５ａ〜５ｄから出射した光をコリメートしている。そのため、コリメート用のレンズ、すなわちモールドレンズ７を基板４に近い位置に配置できるとともに、コリメート用のレンズの外径を小さくすることができるから、装置の構成を小型化することができる。

次に、図３〜図５を用いて本発明の第２の実施の形態を説明する。なお、上記実施の形態と同様の構成については、同様の符号を付してその説明を省略する。

図３は本発明の第２の実施の形態に係る導光装置を示す構成図、図４は同実施の形態に係る発光チップをモールドレンズを省略して示す構成図である。

図３に示すように、本実施の形態では、基板４の表面と光ファイバ３の基端３ａとの間に、ＬＥＤ５ａ〜５ｄを覆うようにモールドガラス２１（モールド部材）を充填することで、ＬＥＤ５ａ〜５ｄから出射した各光がモールドガラス２１の内面で反射しながら光ファイバ３に導かれるようにしている。なお、モールドガラス２１の材料としては、光ファイバ３のコアと略等しい屈折率を有する素材が用いられる。

これにより、集光レンズ２やモールドレンズ７を省略することができ、さらに発光チップ１と光ファイバ３の距離を小さくすることができるから、装置の構成を小型化、簡素化することができる。

しかも、モールドガラス２１の材料として、光ファイバ３のコアと略等しい屈折率の素材を用いているため、モールドガラス２１と光ファイバ３との境界面における反射率を低下することができるから、光の入射効率をさらに向上させることができる。

なお、モールドガラス２１の形状としては、特に限定されるものではないが、ＬＥＤ５ａ〜５ｄから出射した各光がモールドガラス２１の内面で全反射して、効率良く光ファイバ３に導かれるような形状にする必要がある。

また、図４に示すように、ＬＥＤ５ａ〜５ｄと光ファイバ３との相対位置を、発光強度の低いＬＥＤから順に光ファイバ３の軸心線Ｇに近くなるように調整することで、光ファイバ３に入射する各光の強度を均一化している。なお、本実施の形態において発行強度は、ＬＥＤ５ａ＞ＬＥＤ５ｂ＞ＬＥＤ５ｃ＞ＬＥＤ５ｄの順に大きくしている。

これにより、光ファイバの先端が配置される遠隔地において、各光を均一な強度で利用することができる。

次に、図５を用いて上記構成の導光装置を製作する様子を説明する。

図５は同実施の形態に係る導光装置を製作する様子を示す概略図である。

図５に示すように、まず発光チップ１、光ファイバ３、モールドガラス２１、及び金型２２を用意する。なお、この金型２２は、光ファイバ３を挿入保持する管状の挿入部２２ａと、挿入部２２ａの一端に設けられた拡径部２２ｂとを有している。

金型２２の挿入部２２ａに光ファイバ３を挿入したら、その長手方向に対する位置を調整し、拡径部２２ｂ内に溶融したモールドガラス２１を充填する。そして、モールドガラス２１と光ファイバ３の基端３ａが接着したら、ＬＥＤ５ａ〜５ｄと光ファイバ３との相対位置を矢印で示すように調整しながら、基板４の表面にモールドガラス２１を押し付け、基板４の表面とモールドガラス２１とを接着固定する。これによって、基板４の表面と光ファイバ３の基端３ａとの間はモールドガラス２１により充填される。

次に、図６を用いて本発明の第３の実施の形態を説明する。なお、上記実施の形態と同様の構成については、同様の符号を付してその説明を省略する。

図６は本発明の第３の実施の形態に係る糖度測定装置を示す構成図である。

図６に示すように、本実施の形態では、第２の実施の形態で述べた導光装置に反射光検出部３１（検出手段）と濃度測定部３３（測定手段）を付け加えることにより、果実Ｆ（測定対象物）の糖度を測定する糖度測定装置（成分測定装置）としたものである。

反射光検出部３１は、複数の反射光検出素子３２を備えている。これら反射光検出素子３２は、遠隔地に配置される光ファイバ３の先端３ｂを取り囲むように設けられており、光ファイバ３から出射され、果実Ｆ中に含まれるフルクトース（対象成分）で反射した光の光量を検出する機能を有している。

濃度測定部３３は反射光検出素子３２に接続されており、各反射光検出素子３２が検出した光量情報を受け、この光量情報に基づいて果実Ｆ中に含まれるフルクトースの濃度を測定する機能を有している。

なお、上記実施の形態では、測定対象物として果実Ｆを用いているが、これに限定されるものではなく、例えばセラミックを用いれば、セラミック中にドープした金属の濃度を測定することも可能である。

次に、図７を用いて本発明の第４の実施の形態を説明する。なお、上記実施の形態と同様の構成については、同様の符号を付してその説明を省略する。

図７は本発明の第４の実施の形態に係る糖度測定装置を示す構成図である。

図７に示すように、本実施の形態では、第３の実施の形態で使用した反射光検出部３１の代わりに、果実Ｆを透過した光の光量を検出する透過光検出部４１（検出手段）を用いている。このように、果実Ｆを透過した光の光量を検出することによっても、果実Ｆ中に含まれるフルクトースの濃度を測定することが可能である。

なお、本発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。

具体的に言えば、上記第３、第４の実施の形態では、第２の実施の形態に係る導光装置を糖度測定装置に適用した例のみ説明したが、第１の実施の形態に係る導光装置を糖度測定装置に適用してもよい。

また、本発明の導光装置は、糖度測定装置だけでなく、測定対象物中の対象成分や、対象成分の物理量を測定する様々な装置に適用することができる。

本発明の第１の実施の形態に係る導光装置を示す構成図。同実施の形態に係る発光チップをモールドレンズを省略して示す構成図。本発明の第２の実施の形態に係る導光装置を示す構成図。同実施の形態に係る発光チップをモールドレンズを省略して示す構成図。同実施の形態に係る導光装置を製作する様子を示す概略図。本発明の第３の実施の形態に係る糖度測定装置を示す構成図。本発明の第４の実施の形態に係る糖度測定装置を示す構成図。

符号の説明

２…集光レンズ、３…光ファイバ、４…基板、５ａ〜５ｄ…ＬＥＤ、７…モールドレンズ（レンズ）、２１…モールドガラス（モールド部材）、３１…反射光検出部（検出手段）、３３…濃度測定部（測定手段）、４１…透過光検出部（検出手段）、λ１〜λ４…波長、Ｆ…果実（測定対象物）。

Claims

光ファイバで光を導く導光装置において、
基板と、
上記基板の表面に並べて設けられ、互いに異なる波長の光を出射する複数のＬＥＤと、
上記基板の表面に上記ＬＥＤを覆うように設けられ、上記ＬＥＤから出射した光をコリメートするレンズと、
上記レンズによりコリメートされた光を集光して上記光ファイバに導く集光レンズと、
を具備することを特徴とする導光装置。
光ファイバで光を導く導光装置において、
基板と、
上記基板の表面に並べて設けられ、互いに異なる波長の光を出射する複数のＬＥＤと、
上記基板の表面と上記光ファイバの一端との間に上記ＬＥＤを覆うように充填され、上記ＬＥＤから出射した光を上記光ファイバに導くモールド部材と、
を具備することを特徴とする導光装置。
上記複数のＬＥＤと上記光ファイバの軸心線との相対位置は、上記光ファイバに入射する各波長の光の強度が略等しくなるよう調整されていることを特徴とする請求項２記載の導光装置。
光ファイバで導かれた光を測定対象物に照射し、上記測定対象物が含有する対象成分を測定する成分測定装置において、
基板と、
上記基板の表面に並べて設けられ、互いに異なる波長の光を出射する複数のＬＥＤと、
上記基板の表面に上記ＬＥＤを覆うように設けられ、上記ＬＥＤから出射した光をコリメートするレンズと、
上記レンズによりコリメートされた光を集光して上記光ファイバに導く集光レンズと、
上記測定対象物を透過した光あるいは上記測定対象物内で反射した光の光量を検出する検出手段と、
上記検出手段により検出された光量に基づいて上記測定対象物が含有する対象成分を測定する測定手段と、
を具備することを特徴とする成分測定装置。
光ファイバで導かれた光を測定対象物に照射し、上記測定対象物が含有する対象成分を測定する成分測定装置において、
基板と、
上記基板の表面に並べて設けられ、互いに異なる波長の光を出射する複数のＬＥＤと、
上記基板の表面と上記ファイバの一端との間に上記ＬＥＤを覆うように充填され、上記ＬＥＤから出射した光を上記光ファイバに導くモールド部材と、
上記測定対象物を透過した光あるいは上記測定対象物内で反射した光の光量を検出する検出手段と、
上記検出手段により検出された光量に基づいて上記測定対象物が含有する対象成分を測定する測定手段と、
を具備することを特徴とする成分測定装置。
上記複数のＬＥＤと上記光ファイバの軸心線との相対位置は、上記光ファイバに入射する各波長の光の強度が略等しくなるよう調整されていることを特徴とする請求項５記載の成分測定装置。