JP2012211818A - 光学測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】外部からのノイズによる影響をなくし、正常に測定対象成分の検出やその濃度の測定を行う。
【解決手段】センサ部３と変換器（計器本体）４とは光ファイバ２ａ〜２ｄにより接続され、センサ部３は、第１の光を試料に照射し、その反射光、透過光、散乱光または蛍光を受光して電気信号に変換する光学系３１と、第２の光を電力に変換する光電力変換部３２と、電気信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄコンバータ３４と、デジタル信号に基づいて、第３の光を変調する変調器３６とを備え、変換器（計器本体）４は、電力を供給する電源部４１と、電力の供給を受けて光を発光し、光ファイバ２ａ〜２ｄに出力する発光部４２ａ〜４２ｃと、変調された光を受光し、電気信号に変換する受光部４３と、電気信号に基づいて、測定結果を出力する出力部４４とを備えた。
【選択図】図１

Description

この発明は、光学測定系により試料に含まれる測定対象成分の検出やその濃度の測定を行う光学測定装置において、センサ部と計器本体とを離して設置する光学測定装置に関するものである。

光学測定装置の一例として、従来から、浄水場や河川、湖沼等の水面に存在する油膜を検知する油膜検知装置が知られている（例えば特許文献１参照）。この油膜検知装置は、電気ケーブルを介して接続されたセンサ部および変換器（計器本体）を有している。
センサ部では、変換器から電気ケーブルを介して出力された駆動電流や制御信号に応じて、所定の検査領域（試料の水面）にレーザ光を照射する。そして検査領域から、このレーザ光に対する反射光を受光して電気信号に変換し、電気ケーブルを介して変換器に出力している。そして変換器では、この電気信号を演算処理し、油膜検知を行って、その結果をディスプレイに表示したり、外部装置に伝送したりしている。また、変換器は入力部を備え、演算処理や外部出力についての各種設定等の入力や変更をすることができるようになっている。このような油膜検知装置では、水面の高さが変動した場合でも反射光を受光できるように、センサ部は検査領域（水面）の上方に設置されている。

また、光学測定装置の別の例として、海洋、河川・湖沼、ダム、井戸水・地下水、都市下水、工場下水、農業用水、養殖場等の水質を分析するための水質分析装置が知られている（例えば特許文献２参照）。この水質分析装置は、電気ケーブルを介して接続されたセンサ部および計器本体を有している。センサ部は、水中に浸漬され、光源から試料液体に対して光を射出した状態で、透過光と散乱光の光強度の測定を行い、試料液体の濁度を測定し、電気ケーブルを介して、計器本体に出力している。計器本体は表示部を備え、測定結果を表示することができるようになっている。また、計器本体はキー操作部を備え、各種設定等の入力や変更をすることができるようになっている。

特開２０１０−１５６５８８号公報 特開２０１０−０６０３９２号公報

上述したように、従来の油膜検知装置では、センサ部は検査領域である水面の上方に設置する必要がある。一方、変換器（計器本体）は、作業員がディスプレイの表示を確認したり、入力部の操作をしたりする機会が多いため、センサ部とは離れた地上に設置することが好ましい。そこで、センサ部と変換器とを離して設置し、センサ部と変換器とを電気ケーブルを介して接続して信号の入出力を行っている。
また、上述したような従来の水質分析装置では、センサ部を水中に浸漬するため、センサ部と計器本体とは、長い電気ケーブルを介して接続する必要がある。
そのため、これらのような光学測定装置では、電気ケーブルが長くなり、外部からのノイズの影響を受けやすくなるという課題があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、光学測定装置のセンサ部と計器本体とを離して設置する場合にも、外部からのノイズによる影響をなくし、正常に測定対象成分の検出やその濃度の測定を行うことができる光学測定装置を提供することを目的としている。

この発明に係る光学測定装置は、試料に光を照射し、当該試料からの反射光、透過光、散乱光または蛍光を検出するセンサ部と、センサ部による検出信号に基づく試料の測定結果を出力する計器本体とが離間して設置され、センサ部と計器本体とは光ファイバにより接続され、センサ部は、光ファイバから出力された第１の光を試料に照射し、当該試料からの反射光、透過光、散乱光または蛍光を受光して電気信号に変換する光学系と、光ファイバから出力された第２の光を電力に変換する光電力変換部と、光学系により変換された電気信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄコンバータと、Ａ／Ｄコンバータにより変換されたデジタル信号に基づいて、光ファイバから出力された第３の光を変調する変調器とを備え、計器本体は、電力を供給する電源部と、電源部からの電力の供給を受けて光を発光し、光ファイバに出力する発光部と、変調器により変調された光を光ファイバを介して受光し、電気信号に変換する受光部と、受光部により変換された電気信号に基づいて、測定結果を出力する出力部とを備えたものである。

この発明によれば、上記のように構成したので、外部からのノイズによる影響をなくし、正常に光学測定を行うことができる。

この発明の実施の形態１に係る油膜検知装置の構成を示す図である。 この発明の実施の形態１における変調器の構成を示す図である。 この発明の実施の形態１における変調器の別の構成を示す図である。 この発明の実施の形態１に係る油膜検知装置の動作を示すフローチャートである。 この発明の実施の形態２におけるセンサ部と計器本体との分岐ファイバを用いた接続例を示す図である。 この発明の実施の形態２におけるセンサ部と計器本体との分岐ファイバを用いた別の接続例を示す図である。

以下、この発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
実施の形態１．
なお以下では、光学測定装置の一例として、検査領域（浄水場や河川、湖沼等の試料の水面）上に存在する油膜を検知する油膜検知装置１を用いて説明を行う。
この油膜検知装置１は、図１に示すように、光ファイバ２ａ〜２ｄを介して接続されたセンサ部３および変換器（計器本体）４から構成されている。なお、センサ部３は、水面の高さが変動した場合でも反射光を受光できるように、検査領域の上方に設置されるが、変換器（計器本体）４は、作業員の操作等が必要となる機会が多いため、センサ部３とは離れた地上に設置されている。

センサ部３は、検査領域に設置され、この検査領域にレーザ光を照射してその反射光を検出するものである。このセンサ部３は、光学系３１、光電力変換部３２、アンプ３３、Ａ／Ｄコンバータ３４、ＣＰＵ３５および変調器３６から構成されている。

光学系３１は、レーザ光を検査領域に照射し、この検査領域からの反射光を受光して電気信号に変換するものである。この光学系３１は、レンズ３１１、ＬＣＤシャッタ３１２、反射鏡３１３およびＰＤ（フォトダイオード）３１４から構成されている。
レンズ３１１は、変換器（計器本体）４の後述するＬＤ（レーザダイオード）４２ａから光ファイバ２ａを介して出力された連続点灯光を集光するものである。
ＬＣＤシャッタ３１２は、レンズ３１１により集光された連続点灯光を、ＣＰＵ３５による制御に応じたタイミングで遮断し、所定のパルス点灯光に変換するものである。このＬＣＤシャッタ３１２により変換されたパルス点灯光は検査領域に照射される。

反射鏡３１３は、照射されたパルス点灯光に対する検査領域からの反射光を集光し、ＰＤ３１４側に反射するものである。
ＰＤ３１４は、反射鏡３１３により反射された反射光を受光し、電気信号に変換するものである。

光電力変換部３２は、変換器（計器本体）４の後述するＬＤ４２ｂから光ファイバ２ｂを介して出力された連続点灯光を電力に変換するものである。この変換された電力は、センサ部３全体の動力源としてセンサ部３の各部に供給される。なお、センサ部３は１０μＡ程度の微弱な電流で動作可能である。
アンプ３３は、ＰＤ３１４により変換された電気信号を増幅するものである。
Ａ／Ｄコンバータ３４は、ＣＰＵ３５による制御に従い、アンプ３３により増幅された電気信号をデジタル信号に変換するものである。

ＣＰＵ３５は、ＬＣＤシャッタ３１２およびＡ／Ｄコンバータ３４の動作を制御するものである。また、ＣＰＵ３５は、センサ部３で検出した検出領域からの反射光の受光量を変換器（計器本体）４に通知するため、Ａ／Ｄコンバータ３４により変換されたデジタル信号に基づいて、変調器３６の動作を制御する。

変調器３６は、ＣＰＵ３５による制御に従い、変換器（計器本体）４の後述するＬＤ４２ｃから光ファイバ２ｃを介して出力された連続点灯光を変調するものである。この変調器３６は、例えば図２に示すように、ＬＣＤシャッタ３６１を有し、ＬＤ４２ｃからの連続点灯光を伝達する光ファイバ２ｃと、変調器３６により変調された光を変換器（計器本体）４の後述するＰＤ４３に伝達する光ファイバ２ｄとをＬＣＤシャッタ３６１を介して軸を合わせて対向させている。そして、ＬＣＤシャッタ３６１が、光ファイバ２ｃからの連続点灯光を、ＣＰＵ３５による制御に応じたタイミングで遮断することで、反射光の受光量を示す変調光を生成する。
また、図３に示すように、ＬＣＤシャッタ３６１を通過した光を散乱または反射する板部材３６２をさらに設けて、光ファイバ２ｄを板部材３６２からの光を受光可能な位置に配置するようにしてもよい。これにより、光ファイバ２ｃ，２ｄの軸合わせを行う必要がなくなる。なお図３では、光ファイバ２ｄをＬＣＤシャッタ３６１を介して板部材３６２と対向させているが、板部材３６２と直接対向させてもよい。

変換器（計器本体）４は、センサ部３に光源用、電力用および変調用の光を供給し、センサ部３からの変調光に基づいて油膜検知を行うものである。この変換器（計器本体）４は、電源部４１、ＬＤ（発光部）４２ａ〜４２ｃ、ＰＤ（受光部）４３、ＣＰＵ４４および出力部４５から構成されている。

電源部４１は、変換器（計器本体）４の各部に電力を供給するものである。
ＬＤ４２ａは、電源部４１からの電力の供給を受けて光源用の連続点灯光（第１の光）を発光し、光ファイバ２ａを介してレンズ３１１に出力するものである。ＬＤ４２ｂは、電源部４１からの電力の供給を受けて電力用の連続点灯光（第２の光）を発光し、光ファイバ２ｂを介して光電力変換部３２に出力するものである。ＬＤ４２ｃは、電源部４１からの電力の供給を受けて変調用の連続点灯光（第３の光）を発光し、光ファイバ２ｃを介して変調器３６に出力するものである。なおＬＤ４２ｂ，４２ｃの代わりに、ＬＥＤやハロゲンランプを用いてもよい。

ＰＤ４３は、変調器３６による変調光を光ファイバ２ｄを介して受光し、電気信号に変換するものである。
ＣＰＵ４４は、ＰＤ４３により変換された電気信号を演算処理し、油膜検知を行うものである。
出力部４５は、ＣＰＵ４４による測定結果をディスプレイ（不図示）に表示したり、外部装置（不図示）に伝送するものである。

次に、上記のように構成された油膜検知装置１の動作について説明する。
油膜検知装置１の動作では、図４に示すように、まず、変換器（計器本体）４が、センサ部３に対して光源用の連続点灯光（第１の光）を出力する（ステップＳＴ１）。すなわち、まず、電源部４１が、ＬＤ４２ａに対して所定の電力を出力する。次に、ＬＤ４２ａが、この電力の供給を受けて連続点灯光を発光し、光ファイバ２ａを介してセンサ部３のレンズ３１１に出力する。

次いで、変換器（計器本体）４が、センサ部３に対して電力用の連続点灯光（第２の光）を出力する（ステップＳＴ２）。すなわち、まず、電源部４１が、ＬＤ４２ｂに対して所定の電力を出力する。次に、ＬＤ４２ｂが、この電力の供給を受けて連続点灯光を発光し、光ファイバ２ｂを介してセンサ部３の光電力変換部３２に出力する。光電力変換部３２は、ＬＤ４２ｂから光ファイバ２ｂを介して出力された連続点灯光を電力に変換し、センサ部３の各部に供給する。

次いで、センサ部３が、検査領域（試料の水面）にレーザ光を照射する（ステップＳＴ３）。すなわち、まず、レンズ３１１が、ＬＤ４２ａから光ファイバ２ａを介して出力された連続点灯光を集光する。次に、ＬＣＤシャッタ３１２が、この連続点灯光を、ＣＰＵ３５による制御に応じたタイミングで遮断し、所定のパルス点灯光に変換する。このＬＣＤシャッタ３１２により変換されたパルス点灯光は検査領域に照射される。

次いで、センサ部３が、検査領域からの反射光を受光する（ステップＳＴ４）。すなわち、まず、反射鏡３１３が、照射されたパルス点灯光に対する検査領域からの反射光を集光してＰＤ３１４側に反射する。次に、ＰＤ３１４が、この反射光を受光し、電気信号に変換する。

次いで、センサ部３が、電気信号をデジタル信号に変換する（ステップＳＴ５）。すなわち、アンプ３３が、ＰＤ３１４により変換された電気信号を増幅する。次に、Ａ／Ｄコンバータ３４が、ＣＰＵ３５による制御に従い、増幅された電気信号をデジタル信号に変換する。

次いで、変換器（計器本体）４が、センサ部３に対して変調用の連続点灯光（第３の光）を出力する（ステップＳＴ６）。すなわち、まず、電源部４１が、ＬＤ４２ｃに対して所定の電力を出力する。次に、ＬＤ４２ｃが、この電力の供給を受けて連続点灯光を発光し、光ファイバ２ｃを介してセンサ部３の変調器３６に出力する。

次いで、センサ部３が、デジタル信号に基づいて、変調光を生成・出力する（ステップＳＴ７）。すなわち、ＣＰＵ３５が、Ａ／Ｄコンバータ３４により変換されたデジタル信号に基づいて、変調器３６の動作を制御し、変調器３６のＬＣＤシャッタ３６１が、ＬＤ４２ｃから光ファイバ２ｃを介して出力された連続点灯光を、この制御に応じたタイミングで遮断することで、センサ部３で検出した検査領域からの反射光の受光量を示す変調光を生成する。その後、この変調光は光ファイバ２ｄを介して変換器（計器本体）４に出力される。

次いで、変換器（計器本体）４が、変調光を受光し、電気信号に変換する（ステップＳＴ８）。すなわち、ＰＤ４３が、センサ部３の変調器３６による変調光を光ファイバ２ｄを介して受光し、電気信号に変換する。

次いで、変換器（計器本体）４が、変換した電気信号に基づいて油膜検知を行う（ステップＳＴ９）。すなわち、ＣＰＵ４４が、ＰＤ４３により変換された電気信号を演算処理し、油膜検知を行う。ここで、検査領域（試料の水面）上に油膜が存在する場合には、反射光の受光量が、油膜が存在しない場合の２倍程度となる。そのため、この検査領域からの反射光の受光量を監視することで、この検査領域上に油膜が存在しているかを検知することができる。このＣＰＵ４４による測定結果は出力部４５により外部に出力（ディスプレイへの表示や外部装置への伝送等）される。
なお上記の油膜検知装置１の動作では、ステップごとに区切って説明を行っているが、動作中では、電源部４１は各ＬＤ４２ａ〜４２ｃに対して所定の電力を出力し続け、各ＬＤ４２ａ〜４２ｃはこの電力の供給を受けて連続点灯光を発光し続けている。

以上のように、この実施の形態１によれば、センサ部３と変換器（計器本体）４とを光ファイバ２ａ〜２ｄを用いて接続するように構成したので、センサ部３と変換器（計器本体）４とを離して設置する場合であっても、外部からのノイズによる影響をなくすことができ、正常に油膜検知を行うことができる。

なお、実施の形態１に係る油膜検知装置１では、ＬＤ４２ａから光源用の連続点灯光をレンズ３１１に出力し、この連続点灯光をＬＣＤシャッタ３１２で所定のパルス点灯光に変換する場合について示したが、ＬＤ４２ａから所定のパルス点灯光をレンズ３１１に出力するようにしてもよい。これによりＬＣＤシャッタ３１２が不要となる。なおこの場合には、パルス点灯光の点灯タイミングと反射光を取り込むタイミングとを同期させるため、変換器（計器本体）４のＣＰＵ４４からセンサ部３のＣＰＵ３５に同期信号を出力する必要があり、光ファイバおよびＬＤをもう１組設ける必要がある。
また、ＰＤ３１４により変換された電気信号がある程度大きい場合には、アンプ３３を設ける必要はない。さらに、変換器（計器本体）４のＣＰＵ４４が担う演算処理機能等を、センサ３のＣＰＵ３５が備えることもできる。この場合、変換器（計器本体）４からＣＰＵ４４を省くことも可能である。

実施の形態２．
実施の形態１に係る油膜検知装置１では、光ファイバ２ａ〜２ｃを用いて、センサ部３に対する光源用、電力用および変調用の連続点灯光をそれぞれ個別に伝送するように構成したが、これに限るものではなく、例えば図５，６に示すように、多分岐光ファイバを用いてもよい。これにより、ＬＤの個数を削減することができる。なお図５，６では、油膜検知装置１のうち、光ファイバに接続される構成要素のみを抽出して示している。
図５は、３分岐光ファイバ２ｅを用いて、１つのＬＤ４２ｄからの連続点灯光を光源用、電力用および変調用の光にそれぞれ分岐するように構成したものである。
また、図６は、２分岐光ファイバ２ｆを用いて、１つのＬＤ４２ｅからの連続点灯光を電力用および変調用の光にそれぞれ分岐するように構成したものである。なお、光源用の連続点灯光については個別に伝送を行っている。

なお、実施の形態１，２では、光学測定装置の一例として油膜検知装置１を用いて説明を行ったが、これに限るものではなく、その他の光学測定装置、例えば、検査領域（海洋、河川・湖沼、ダム、井戸水・地下水、都市下水、工場下水、農業用水、養殖場等）の水質を分析するための水質分析装置にも同様に適用可能である。また、試料に光を照射して、その試料からの反射光を検出して光学測定を行う光学測定装置に限らず、試料からの透過光、散乱光または蛍光などを検出して光学測定を行う光学測定装置にも同様に適用可能である。すなわち、センサ部と計器本体とを離して設置する光学測定装置に対して、センサ部と計器本体とを光ファイバを用いて接続することで、外部からのノイズによる影響をなくすことができ、正常に測定対象成分の検出やその濃度の測定を行うことができる。

なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。

１ 油膜検知装置、２ａ〜２ｆ 光ファイバ、３ センサ部、４ 変換器（計器本体）、３１ 光学系、３２ 光電力変換部、３３ アンプ、３４ Ａ／Ｄコンバータ、３５ ＣＰＵ、３６ 変調器、４１ 電源部、４２ａ〜４２ｃ ＬＤ（発光部）、４３ ＰＤ（受光部）、４４ ＣＰＵ、４５ 出力部、３１１ レンズ、３１２ ＬＣＤシャッタ、３１３ 反射鏡、３１４ ＰＤ、３６１ ＬＣＤシャッタ、３６２ 板部材。

Claims (5)

1. 試料に光を照射し、当該試料からの反射光、透過光、散乱光または蛍光を検出するセンサ部と、前記センサ部による検出信号に基づく試料の測定結果を出力する計器本体とが離間して設置される光学測定装置において、
   前記センサ部と前記計器本体とは光ファイバにより接続され、
   前記センサ部は、
   前記光ファイバから出力された第１の光を前記試料に照射し、当該試料からの反射光、透過光、散乱光または蛍光を受光して電気信号に変換する光学系と、
   前記光ファイバから出力された第２の光を電力に変換する光電力変換部と、
   前記光学系により変換された電気信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄコンバータと、
   前記Ａ／Ｄコンバータにより変換されたデジタル信号に基づいて、前記光ファイバから出力された第３の光を変調する変調器とを備え、
   前記計器本体は、
   電力を供給する電源部と、
   前記電源部からの電力の供給を受けて光を発光し、前記光ファイバに出力する発光部と、
   前記変調器により変調された光を前記光ファイバを介して受光し、電気信号に変換する受光部と、
   前記受光部により変換された電気信号に基づいて、測定結果を出力する出力部とを備えた
   ことを特徴とする光学測定装置。
2. 前記変調器は、前記デジタル信号に基づくタイミングで前記第３の光を遮断するシャッタを有し、
   前記第３の光を伝達する光ファイバと変調した光を前記受光部に伝達する光ファイバとを前記シャッタを介して軸を合わせて対向させた
   ことを特徴とする請求項１記載の光学測定装置。
3. 前記変調器は、前記デジタル信号に基づくタイミングで前記第３の光を遮断するシャッタと、前記シャッタを通過した光を反射または散乱させる板部材とを有し、
   変調した光を前記受光部に伝達する光ファイバを、前記板部材からの光を受光可能な位置に配置した
   ことを特徴とする請求項１記載の光学測定装置。
4. 前記発光部および前記光ファイバは、前記光学系、前記光電力変換部および前記変調器に対してそれぞれ個別に設けられる
   ことを特徴とする請求項１から請求項３のうちのいずれか１項記載の光学測定装置。
5. 前記光ファイバは、前記発光部により発光された光を複数に分岐する
   ことを特徴とする請求項１から請求項３のうちのいずれか１項記載の光学測定装置。

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