JP2008157962A - 屈折計 - Google Patents

Abstract

【課題】 製造コストの低減された屈折計を提供する。
【解決手段】 屈折計（１）は、サンプル（２０）と接する界面（２Ａ）を有するプリズム（２）と、プリズムの入射面（２Ｂ）から前記界面に向かって光を入射する光源（４、２４）と、前記界面で反射されて前記プリズムの出射面（２Ｃ）から出射する光を受光するイメージセンサー（６）と、を有し、前記光源と前記イメージセンサーの間の光路上には、光学素子として前記プリズムのみを備える。好ましくは、前記光源と前記プリズム入射面の間にスリット（５）が配置されている。前記光源（２４）は、平らに加工された発光面（２６）を有し、前記発光面は、前記プリズム入射面に前記スリットを介在して接着されていることが好ましい。前記イメージセンサーは、前記プリズムの出射面に接着されていることが好ましい。前記光源は、ＬＥＤであることが好ましい。
【選択図】 図１

Description

本発明は、屈折計に関し、特に溶液中の糖度、可溶性固形分の濃度等を測定するポータブルタイプの屈折計に関するものである。

従来より、ポータブルタイプの屈折計は、一般的に図８に示すような光学系を備えていた。すなわち、プリズム８２と光源８４の間には、光源からの光量損失を少なくするために入射光を集光するコンデンサーレンズ８３が設けられていた。また、プリズム８２とイメージセンサー８６の間には、明確な明暗の境界位置を得るために出射光をイメージセンサー上８６に集光する対物レンズ８５が設けられていた。

しかしながら、このような光学系は、複数の光学素子を使用しており、光学素子を含む各構成部材の配置には正確な位置決めが要求されるため、製造コストが高くなるという問題があった。また、各構成部材を、支持部材により互いに離間して配置しなければならず、このことも製造コストが高くなる原因の一つであった。

本願発明の目的は、上記の問題点を解決するための、製造コストが低減された屈折計を提供することである。

上記課題は、サンプルの屈折率を測定するための屈折計であって、
前記サンプルと接する界面を有するプリズムと、
前記プリズムの入射面から前記界面に向かって光を入射する光源と、
前記界面で反射されて前記プリズムの出射面から出射する光を受光するイメージセンサーと、を有し、
前記光源と前記イメージセンサーの間の光路上には、光学素子として前記プリズムのみを備える屈折計により達成される。

好ましくは、前記光源と前記プリズム入射面の間にスリットが配置されている。

また、前記光源は、平らに加工された発光面を有し、
前記発光面は、前記プリズム入射面に前記スリットを介在して接着されていることが好ましい。

前記イメージセンサーは、前記プリズムの出射面に接着されていることが好ましい。

前記光源は、ＬＥＤ（発光ダイオード）であることが好ましい。

したがって、本願発明によれば、製造コストが低減された屈折計を提供することができる。

以下、図１乃至図７を参照しながら、本願発明による屈折計の実施形態を詳細に説明する。

図１は、本願発明による屈折計の第１の実施形態を光軸に沿って切断した断面図である。図２は、図１の屈折計のブロックダイヤグラムである。

図１において、１はデジタル表示を採用した糖度又は濃度を計測するための屈折計本体である。屈折計１は、本実施例に於いては後述する如く光全反射方式を採用してある。

２はサンプル滴下窓部３に位置せしめたプリズムである。プリズム２は、光源４から発せされた光がスリット５を通過した後プリズム２の基底面である処のプリズム界面２Ａ（プリズム２とサンプル溶液２０との境界面）に入射すべく成してある。図示のとおり、光源４からの入射光線ｒOはプリズム界面２Ａに於いて、サンプル溶液２０とプリズム２の屈折率で決定される全反射の臨界角によって、サンプル溶液中を進行する屈折光ｒAとプリズム２側への反射光ｒBとに分かれる。

６はプリズム界面２Ａに対して光反射側に設置したイメージセンサーである。

従って、反射光ｒBの方だけがイメージセンサー６上に照射される。イメージセンサー６は、この反射光ｒBの光信号を電気信号に変換すべく成してある。

図２において、７は比較回路である。比較回路７は、前記イメージセンサー６によって変換された電気信号ＳＡを一度、増幅回路８によって一定レベルの電気信号ＳＡ′に増幅させてから該比較回路７へ入力すべく成してある。

９はピークホールド回路である。ピークホールド回路９は、前記増幅回路８に入力された同一信号ＳＡが或る所定のレベル値にアッチネートされて入力され、ピークホールドされるべく成してある。

更に、ピークホールド回路９は、ピークホールドされた信号ＰＨを前記比較回路７に入力する。ここで前記増幅回路８によって一定レベルに増幅せしめられた元の電気信号ＳＡ′とピークホールド回路９によってアッチネートされたピークホールド信号ＰＨとが比較され、元の電気信号ＳＡ′がピークホールド信号ＰＨのレベルを超えた時を全反射点即ち臨界点としてその信号ＳをＣＰＵ回路１０へ伝えるようにしてある。

換言すれば、ピークホールド回路９を採用して２サイクルの計測で１回目の信号をホールドし、２回目の信号と比較することによって、イメージセンサー６上に生じる各ビットの光景の境界位置を特定せしめることになる（図４）。

図３には、サンプル溶液の屈折率の変化に対応するａ点、ｂ点、ｃ点（屈折率ａ＜ｂ＜ｃ）と夫々イメージセンサー６上の全反射点の移動が表示されている。

例えばｄ点なるものは、光がサンプル溶液中へ屈折するため光がイメージセンサー６上に到達していないことを示すものとなる。

再び図２に戻って、１０Ａは実質的にはプリズム２の温度を計測する温度センサーである。温度センサ１０Ａで計測された温度変化ΔＴは、先ず抵抗電圧変換回路１１によって抵抗変化ΔＲＴから電圧変化ΔＶＴに変換され、電圧周波数変換回路１２によってデジタル信号ＤＳに変換され、更に前記ＣＰＵ回路１０へ伝えられるようにしてある。

このＣＰＵ回路１０に於いては、前記イメージセンサー６のビット数から糖度に変換するプログラムと、前記電圧周波数変換回路１２によるデジタル信号ＤＳを糖度の温度補正に変換するプログラムと、が設定されている。これらのプログラムによる変換の結果は、砂糖の重量パーセント即ちＢｒｉｘ％でもって表示器１３へ伝えられるようにしてある。

１４はサンプル滴下窓部３へ水を滴下した際にその水のビット位置をＣＰＵ回路１０内へ保持するための零スイッチである。サンプルの滴下以後、次に零スイッチ１４が押されるまでそのビット位置が保持され続けることにより、本装置の較成が行われるようにしてある。Ｑはスタートスイッチであり、後述する定電圧回路１５と電気回路部Ｒに通電し、光源４を点灯すべく成してある。

１５は定電圧回路であり、各回路部への電圧を供給するものである。又、定電圧回路１５は、測定が終了した際には表示器１３とＣＰＵ回路１０だけに電圧が供給され、更に一定時間経過するとＣＰＵ回路１０だけにその電圧が供給するようにしてある。

前記ＣＰＵ回路１０は微少電流によって駆動すべく成してあるため、前述した如き較成に於いて零スイッチ１４を押さないかぎり水のビット位置（セット値）を乾電池１８が消耗するまで保持することとなる。１７はＡＣアダプター端子である。

上記の技術的手段は下記の如く作用する。

先ず試料であるサンプル溶液２０をサンプル滴下窓部３上へ滴下しスタートスイッチＱを押し光源４を点灯する。

この時、光源４から発した入射光線ｒOは、スリット５により絞られた後プリズム２を通って、プリズム界面２Ａに於いてサンプル溶液２０とプリズム２の屈折率で定まる全反射の臨界角によってサンプル２０中に進入する屈折光ｒAと反射光ｒBに分離される。

次いでプリズム界面２Ａで反射された反射光ｒBはイメージセンサー６上に照射されそこで光信号である反射光ｒが電気信号ＳＡに変換される。

電気信号ＳＡは増幅回路６によって一定レベルの電気信号ＳＡ′に増幅され比較回路７に入る。

更に増幅回路８からの同一電気信号ＳＡが或るレベル値にアッチネートされてピークホールド回路８へ入力される。そこでピークホールド信号ＰＨは前記電気信号ＳＡ′と共に比較回路７に入る。

然る際、元の増幅された電気信号ＳＡ′とアッチネートされたピークホールド信号ＳＨとが比較され元の電気信号ＳＡ′がピークホールド信号ＰＨの敷居値レベルを越えた時を全反射点即ち臨界点としてＣＰＵ回路１０へ伝達される。

このイメージセンサー６上の全反射点の移動即ちサンプル溶液２０の屈折率の変化は図３に示すようになる。又、温度センサー１０Ａはプリズム２の温度を計測しその温度変化ΔＴは抵抗変化ΔＲＴに変えられ抵抗電圧変換回路１１により電圧変化ΔＶＴに変換され更に電圧周波数変換回路１２によってデジタル信号ＤＳに変換された後、ＣＰＵ回路１０へ伝達される。このＣＰＵ回路１０にはイメージセンサー６のビット数から糖度に変換するプログラムと前記電圧周波数変換回路１２によるデジタル信号ＤＳを温度補正するプログラムが設定されておりそれによって温度補正された糖液１００ｇ中の砂糖の重量を示す糖度値を重量パーセント即ちＢｒｉｘ％でもって表示器１３へ伝えることになる。

図５は、図１に示された屈折計の第１実施形態の光学系を示す。図示のとおり、プリズム２は、滴下されたサンプル２０との境界面を含むプリズム界面２Ａと、光ｒＯが入射するプリズム入射面２Ｂと、プリズム界面２Ａで反射された光ｒＢが出射するプリズム出射面２Ｃと、を有する。

プリズム入射面２Ｂの近傍には、光源４が配置される。光源４は、プリズム入射面２Ｂに向かって発光する。光源４は、比較的光量が大きい光源であり、好ましくはＬＥＤ（発光ダイオード)である。光源４とプリズム入射面２Ｂとの間には、スリット（又はピンホール）５が設けられている。光源４からの光ｒＯは、スリット５によって比較的小さな拡散角度θに絞られ、プリズム２内に入射する。このスリットの幅（又はピンホールの径）は、例えば０．３〜０．５ｍｍである。これにより、光源４とプリズム２の間の光路上にコンデンサーレンズなどの光学素子を設けることなく、プリズム界面２Ａの所望の範囲に、十分な光量の光を照射することができる。従って、コンデンサーレンズを省略することにより、製造コストを削減することができる。

プリズム出射面２Ｃの近傍には、イメージセンサー６が設けられている。プリズム出射面２Ｃにおいて、反射光ｒＢは入射光ｒＯと同様に比較的小さな拡散角度θで出射する。これにより、プリズム２とイメージセンサー６の間の光路上に、対物レンズなどの光学素子を設けることなく、イメージセンサーの所望の範囲において、十分な光量の反射光ｒＢを受光することができる。従って、対物レンズが省略されることにより、製造コストを削減することができる。

図６は、本願発明による屈折計の第２の実施形態の光学系を示す。第２の実施形態が第１の実施形態と異なる点は、以下の通りである。

図示のとおり、光源２４は、平らに加工された発光面２６Ａを有する。光源２４は、好ましくは透明樹脂モールドのＬＥＤ（発光ダイオード）である。図７に示すように、光源２４は、透明樹脂２６の頂部を切断され、切断された面が平らな発光面２６Ａになるように研磨される。発光面２６Ａは、発光ダイオードチップ２８から１〜２ｍｍ離れた位置に加工することができる。

図６に示すように、発光面２６Ａは、スリット（又はピンホール）５を介在してプリズム入射面２Ｂに接着される。より詳細には、スリット５がプリズム入射面２Ｂに接着され、そのスリット５の開口部５Ａに発光面２６Ａが接着される。

これにより、入射光ｒＯがプリズム入射面２Ｂにおいて反射することによる光量の損失を低減することができる。

プリズム出射面２Ｃには、イメージセンサー６が接着される。より詳細には、イメージセンサー６は、受光素子２８の表面を覆うカバーガラス３０を有し、カバーガラス３０の表面３０Ａが、プリズム出射面２Ｃに接着される。これにより、反射光ｒＢがプリズム出射面２Ｃ及びイメージセンサー６の表面３０Ａにおいて反射することによる光量の損失を低減することができる。

第２の実施形態の屈折計は、予め図６の光学系のユニットを製造しておき、このユニットをフレームに取り付けることにより、容易に製造される。特に、光源２４及びイメージセンサー６のプリズム２に対する位置決めは、光学系ユニットの製造段階で、すなわちプリズム２がフレームに固定される前に行われるため、従来に比べて容易であり、製造コストを低減することができる。また、光源２４及びイメージセンサー６をプリズム２と離間して配置する従来の屈折計に比べて、装置を小型化することができる。

以上の説明から明らかなように、本願発明は以下の特徴を有する。

（１）サンプルの屈折率を測定するための屈折計が、
前記サンプルと接する界面を有するプリズムと、
前記プリズムの入射面から前記界面に向かって光を入射する光源と、
前記界面で反射されて前記プリズムの出射面から出射する光を受光するイメージセンサーと、を有し、
前記光源と前記イメージセンサーの間の光路上には、光学素子として前記プリズムのみを備える。

（２）前記光源と前記プリズム入射面の間にスリットが配置されている。

（３）前記光源は、平らに加工された発光面を有し、
前記発光面は、前記プリズム入射面に前記スリットを介在して接着されている。

（４）前記イメージセンサーは、前記プリズムの出射面に接着されている。

（５）前記光源は、ＬＥＤ（発光ダイオード）である。

また、前記屈折計は、以下の効果を奏する。

（１）コンデンサーレンズ及び対物レンズを含まないことにより、製造コストを低減することができる。

（２）位置決めが容易となり、製造コストを低減することができる。

（３）光量の損失を低減することができる。

（４）装置を小型化することができる。

図１は、本願発明による屈折計の第１の実施形態の各構成配置を示す縦断側面図である。 図２は、図１の屈折計のブロックダイヤグラムである。 図３は、縦軸各ビットの光量、横軸にイメージセンサーのビット数を採ったイメージセンサー上の全反射点の移動を示したグラフである。 図４は、同じくＣＰＵ回路へ伝える時の臨界点を表わしたグラフである。 図５は、図１の屈折計の光学系を示す図である。 図６は、本願発明による屈折計の第２の実施形態の光学系を示す図である。 図７は、図６の光学系におけるＬＥＤの側面図である。 図８は、従来の屈折計の断面図である。

符号の説明

１ 屈折計
２ プリズム
２Ａ プリズム界面
２Ｂ プリズム入射面
２Ｃ プリズム出射面
３ サンプル滴下窓部
４ 光源
５ スリット
６ イメージセンサー
９ ピークホールド回路
１０ ＣＰＵ回路
１０Ａ 温度センサー １３ 表示器
１５ 定電圧回路
１７ ＡＣアダプター端子
２０ サンプル溶液
２４ 光源
２６ 発光面
２８ 受光素子
３０ カバーガラス

Claims (5)

1. サンプルの屈折率を測定するための屈折計であって、
   前記サンプルと接する界面を有するプリズムと、
   前記プリズムの入射面から前記界面に向かって光を入射する光源と、
   前記界面で反射されて前記プリズムの出射面から出射する光を受光するイメージセンサーと、を有し、
   前記光源と前記イメージセンサーの間の光路上には、光学素子として前記プリズムのみを備える屈折計。
2. 前記光源と前記プリズム入射面の間にスリットが配置されている請求項１に記載の屈折計。
3. 前記光源は、平らに加工された発光面を有し、
   前記発光面は、前記プリズム入射面に前記スリットを介在して接着されている請求項２に記載の屈折計。
4. 前記イメージセンサーは、前記プリズムの出射面に接着されている請求項３に記載の屈折計。
5. 前記光源は、ＬＥＤである請求項４に記載の屈折計。

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