JP2012185186A

JP2012185186A - 透過率測定装置

Info

Publication number: JP2012185186A
Application number: JP2012148524A
Authority: JP
Inventors: Yoko Maruo; 容子丸尾; Takashi Miwa; 貴志三輪; Jiro Nakamura; 二朗中村
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2012-07-02
Filing date: 2012-07-02
Publication date: 2012-09-27

Abstract

【課題】光路分割用の光学部品を用いずに透過率を測定できる透過率測定装置を提供する。
【解決手段】透過率測定装置は、ＬＥＤランプからなる光源１と、この光源１から出力されるメインローブ光の光軸上に配置されて光強度を検出する第１の検出部２と、ＬＥＤランプ２から出力されるサイドローブ光の光軸上に配置されて光強度を検出する第２の検出部３と、第１の検出部２および第２の検出部３による検出結果に基づいて光源１と第１の検出部２との間に配置された試料Ｓの光透過率を算出する算出部４とを備えている。このような透過率算出装置では、光源１のサイドローブ光をリファレンス光として用いて透過率を算出する。これにより、従来用いていたハーフミラー等の光路分割用の光学部品を用いずに透過率を算出することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、試料の透過率を測定する透過率測定装置に関するものである。

従来より、半導体や固体電解質を用いたり、電気化学反応を利用したりするものなど、各種状態を検出するセンサが実用化されている。このようなセンサの中でも、光学的な強度やスペクトルの変化を利用して試料の透過率を測定する光学センサは、小型で、安価であり、かつ、高精度の測定を簡易に行うことができるので、各種光学測定器に組み込まれている。

図６に従来の透過率算出装置を示す。この透過率算出装置は、光源１と、光源１から出力される光の光軸上に配置されて光強度を検出する第１の検出部２と、光源１と第１の検出部２の間の光軸上に配置され、光を分岐するハーフミラー１０と、このハーフミラー１０により分岐された光の光軸上に配置されて光強度を検出する第２の検出部３と、第１の検出部２および第２の検出部３による検出結果に基づいて、ハーフミラー１０と第１の検出部２との間に配置された試料Ｓの光透過率を算出する算出部４とを備えている。

この透過率算出装置では、光源１から試料に対して光を照射し、試料を透過させる光（以下、透過光という）と、試料を透過させない光（以下、リファレンス光という）とを比較することにより、試料の透過率を測定している。その光源としては、近年、小型で安価な発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）ランプがよく用いられている。このＬＥＤランプとしては、高輝度のものが望ましいが、市販の高輝度ＬＥＤランプは、指向特性図において指向角０度を中心とする狭い範囲内に光の大部分（以下、メインローブ光という）が射出するように設計されている（例えば、非特許文献１参照。）。このため、高輝度ＬＥＤランプを用いた場合には、ハーフミラー１０などの光束を分割できる部品を光路の途中に組み込んで、メインローブ光を透過光とリファレンス光とに分割する必要がある。

ローム株式会社、［平成２１年３月２３日検索］、インターネット、<http://www.rohm.co.jp/products/opto_device/led/led_lamp/sla560bd2t/>

しかしながら、ハーフミラー等の光学部品を用いて光路分割すると、その光学部品を用いた分だけ装置のサイズが大きくなり、ひいては高コストとなってしまう。

そこで、本願発明は、光路分割用の光学部品を用いずに透過率を測定できる透過率測定装置を提供することを目的とする。

上述したような課題を解決するために、本発明に係る透過率測定装置は、第１の方向に出射されるメインローブ光および第１の方向と異なる第２の方向に出射されるサイドローブ光を出力するＬＥＤランプと、このＬＥＤランプから出力されるメインローブ光のうち、試料を透過した透過光の光強度を検出する第１の検出手段と、ＬＥＤランプから出力されるサイドローブ光の光強度を検出する第２の検出手段と、第１の光検出手段および第２の光検出手段による検出結果に基づいて試料の透過率を算出する算出手段とを備えたことを特徴とするものである。

本発明によれば、少なくとも２つの方向に光を出射するＬＥＤランプから出射される光のうち、第２の方向に出射される光をリファレンス光として用いることにより、従来用いていたハーフミラー等の光路分割用の光学部品を用いずに透過率を算出することができる。

図１は、本発明の実施の形態に係る透過率算出装置の構成を模式的に示す図である。図２は、仕様書におけるＬＥＤランプの出射分布を示す図である。図３は、実際に測定したＬＥＤランプの出射分布を示す図である。図４は、本発明の実施の形態に係る透過率算出装置における透過光およびリファレンス光と温度との関係を示す図である。図５は、従来の透過率算出装置における透過光およびリファレンス光と温度との関係を示す図である。図６は、回動機構の構成を模式的に示す図である。図７は、従来の透過率算出装置の構成を示す図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。

図１に示すように、本実施の形態に係る透過率測定装置は、光源１と、この光源１から出力されるメインローブ光の光軸上に配置されて光強度を検出する第１の検出部２と、ＬＥＤランプ２から出力されるサイドローブ光の光軸上に配置されて光強度を検出する第２の検出部３と、第１の検出部２および第２の検出部３による検出結果に基づいて光源１と第１の検出部２との間に配置された試料Ｓの光透過率を算出する算出部４とを備えている。なお、本実施の形態において、図７を参照して説明した従来の透過率算出装置と同等の構成要素については、同じ名称および符号を付して以下の説明を行う。

光源１は、例えば、ＲＯＨＭ社製の高輝度ＬＥＤランプ、豊田合成社製のＬＥＤランプ、スタンレー社製の高輝度ＬＥＤランプ、日亜化学社製の高輝度ＬＥＤランプなど、市販の高輝度ＬＥＤランプから構成されている。例えば、スタンレー社製の高輝度ＬＥＤランプの仕様書には、図２に示すような指向角０度を中心に集光されている光の射出分布が記載されている。
さらに、その高輝度ＬＥＤランプの光の射出分布を測定したところ、図３に符号ａで示すように、指向角０度（第１の方向）に向かって出射されている光束からなるメインローブ光とともに、指向角がほぼ７０〜８０度（第２の方向）の光であって仕様書には開示されていない光束（以下、サイドローブ光という）が出力されていることがわかった。このサイドローブ光は、同一の発光デバイス（ＬＥＤランプ）から出射されているので、温度特性がメインローブ光と同等であり、強度も安定している。本実施の形態では、次のようにして、リファレンス光としてサイドローブ光を用いることにより試料Ｓの透過率を算出する。

第１の検出部２は、フォトダイオードなど光強度を検出する公知の検出装置とＡ／Ｄ変換器から構成されている。この第１の検出部２は、光源１から出力されたメインローブ光のうち試料Ｓを透過してきた成分（透過光）を受光し、この受光強度に比例した電気信号を生成し、これをＡ／Ｄ変換した第１の信号Ｌ１を算出部４に送出する。

第２の検出部３は、第１の検出部２と同様、フォトダイオードなど光強度を検出する公知の検出装置とＡ／Ｄ変換器から構成されている。この第２の検出部３は、光源１のサイドローブ光を受光し、この受光強度に比例した電気信号を生成し、これをＡ／Ｄ変換した第２の信号Ｌ２を算出部４に送出する。

算出部４は、第１の信号と第２の信号とに基づいて試料Ｓの透過率を算出する公知のメモリと演算器から構成される。具体的には、試料Ｓを配置しないときのメインローブ光の光強度Ｌｍおよびサイドローブ光の光強度Ｌｓの比ｅ（＝Ｌｍ／Ｌｓ）を予めメモリに記憶しておき、試料の透過率測定に際して、透過光強度に対応する第１の検出部２からの第１の信号Ｌ１と、第２の検出部３からの第２の信号Ｌ２とから、試料Ｓの透過率（Ｌ１／Ｌｍ）を算出する。ここで、Ｌｍは、上記比ｅを変形することにより、ｅ・Ｌｓに置き換えることができる。また、第２の信号Ｌ２は、サイドローブ光に対応するので、サイドローブ光の光強度Ｌｓと等しい。したがって、試料Ｓの透過率（Ｌ１／Ｌｍ）は、下式（１）から算出することができる。

Ｌ１／Ｌｍ＝Ｌ１／（ｅ・Ｌｓ）＝Ｌ１／（ｅ・Ｌ２）・・・（１）

次に、透過光とリファレンス光の温度変化に対する安定性について、図４，図５を参照して説明する。ここで、図４は、図１に示す本実施の形態に係る透過率算出装置による透過光およびリファレンス光と温度との関係、図５は、図７に示す従来の透過率算出装置による透過光およびリファレンス光と温度との関係を示す図である。なお、図４，図５に示す検出結果は、光源１にローム社製高輝度ＬＥＤランプＳＬＩ−５８０、試料Ｓにガラス素子を用いた場合のものである。

図４，図５からわかるように、透過光とリファレンス光の光強度は、温度により変化するが、同一のＬＥＤランプから出射されているので、同じ温度におけるそれらの比は一定である。すなわち、本実施の形態の透過率算出装置により検出された透過光とリファレンス光の比と、従来の透過率算出装置により検出された透過光とリファレンス光の比とは、同じ温度において一定である。このように、本実施の形態のようにサイドローブ光をリファレンス光として用いた場合であっても、従来のようにハーフミラーを用いた場合と同様、透過光とリファレンス光の比が温度に依存することなく一定であるので、サイドローブ光をリファレンス光として試料Ｓの透過率を算出しても、ＬＥＤランプの温度特性の影響を受けずに、正確な透過率を算出することができる。これにより、ハーフミラーを用いたときと比べて、小型かつ安価で、精度も遜色ない透過率算出装置を実現することができる。

以上説明したように、本実施の形態によれば、ＬＥＤランプからなる光源１のサイドローブ光をリファレンス光として用いることにより、従来用いていたハーフミラー等の光路分割用の光学部品を用いずに透過率を算出することができる。

なお、光源１として、スタンレー社製「ＦＡ５３６６Ｘ」、豊田合成社製「Ｅ１Ｌ５１−ＴＣ２Ａ７−０５」、日亜化学社製「ＮＳＰＧ５００Ｓ」を用いた場合も、図４，図５に示したのと同等の結果を得ることができる。

また、二次元的な発光層を有するＬＥＤの構造に由来して、図３に示すように、サイドローブ光は特定の２方向に出射する。この出射方向は光源１の出射端面の形状等に応じて決定されるが、通常、光源１は、サイドローブ光の出射方向を勘案して設計されないので、サイドローブ光の出射方向は、製品によってばらつく可能性がある。このため、経年劣化等でＬＥＤ光源を交換したり、製造工程で光源１を透過光測定装置内に取り付けたりする際に、サイドローブ光の出射方向と第２の検出部３との位置関係を調整するのが困難な場合がある。

そこで、図６に示すように、光源１をメインローブ光の光軸回りに回動させる回動機構５をさらに設けるようにしてもよい。この回動機構５は、互いに略平行な一対の面を有し、一方の面に光源１を保持し他方の面に軸線が光源１のメインローブ光の光軸と一致する円柱状の凸部５１ａが形成された保持部５１と、凸部５１ａに対応する凹部５２ａを有し、この凹部５２ａにより凸部５１ａを把持することにより保持部５１を上記軸線回りに回動可能に支持する支持部５２と、一端が支持部５２に取り付けられ他端が透過率算出装置の所定の箇所に取り付けられる取り付け部５３とから構成される。このような回動機構５は、保持部５１の周面を、光源１のメインローブ光の光軸回りに回動させることにより、光源１をその光軸回りに回動させることができる。

このような、回動機構５を設けることにより、光源１をメインローブ光の光軸回りに回動させることができるので、サイドローブ光の出射方向と第２の検出部３との位置関係の調整を容易に行うことができる。

また、本実施の形態において、光源１から出射される複数のサイドローブ光のうち１つをリファレンス光として用いる場合、他のサイドローブ光が第２の検出部３により検出されないように、第２の検出部３の周囲に他のサイドローブ光が第２の検出部３に入射されるのを防ぐマスクを設けるようにしてもよい。これにより、他のサイドローブ光が透過率算出装置内で乱反射等をして第２の検出部３に入射し、検出結果にノイズが含まれるのを防ぐことができる。なお、マスクを設けることにより１のサイドローブ光が部分的に遮光される可能性があるが、この場合には、初期動作時にメインローブ光とサイドローブ光の強度比を補正するようにすればよい。

なお、光源１から出力される光の波長は、試料Ｓによって吸収されるものであればよい。

本発明は、ＬＥＤランプを用いて透過率を測定する各種装置に適用することができる。

１…ＬＥＤランプ、２…第１の検出部、３…第２の検出部、４…算出部、５…回動機構、１０…ハーフミラー、５１…保持部、５１ａ…凸部、５２…支持部、５２ａ…凹部、５３…取り付け部。

Claims

第１の方向に出射されるメインローブ光および前記第１の方向と異なる第２の方向に出射されるサイドローブ光を出力するＬＥＤランプと、
このＬＥＤランプから出力される前記メインローブ光のうち、試料を透過した透過光の光強度を検出する第１の検出手段と、
前記ＬＥＤランプから出力される前記サイドローブ光の光強度を検出する第２の検出手段と、
前記第１の光検出手段および前記第２の光検出手段による検出結果に基づいて前記試料の透過率を算出する算出手段と
を備えたことを特徴とする透過率測定装置。