JP2017032418A - 光学測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】分析が必要な現場、特に、屋外のような環境（発展途上国等）においても簡便に被測定物質の濃度分析が可能なコンパクト且つ安価な光学測定装置を提供する。【解決手段】試料溶液を収容する角型光学セル１と、角型光学セルの上部を突出させるように収容する光学セル固定具２と、カメラを内蔵するタブレット端末３と、タブレット端末にインストールされ且つタブレット端末のOS上で作動する濃度測定用のアプリケーションソフトから構成される。上記アプリケーションソフトは、キャリブレーションモードと計測モードがあり、キャリブレーションモードとは、複数の異なる既知濃度の試料溶液からそれぞれのRGB信号を取得し、検量線を作成するモードであり、計測モードとは、未知の濃度の試料溶液のRGB信号を取得し、そのRGB値を基に検量線データを使うことで被測定物質の濃度を算出するモードである。【選択図】図１

Description

本発明は、持ち運び可能な小型且つ安価な光学測定装置に関するものであり、特に、測定対象となる物質を採取する現場（オンサイト）で迅速に分析結果を得ることができる光学測定装置に関するものである。

近年、フッ化物イオン等の環境汚染物質濃度を屋外の採取現場において迅速に測定することが国内外、特に発展途上国で求められている。一般的には、測定対象となる物質（被測定物質）が含まれた溶液中に試薬を添加し、試料溶液の色の濃淡を比較して被測定物質の濃度を測定する比色法が用いられているが、測定者の色覚の強弱による誤差が含まれることから、測定結果の信頼性に問題があった。

また、上記問題を解決するためにポータブル型の測定機器が開発されているが、複雑な光学系と高価な部品から構成されることから、導入コストがかかるうえ、測定試料が多数ある場合には、測定時間が膨大となる問題があった。

これに対して、近年、急速に個人所有率が高まっている携帯電話、スマートフォン並びにタブレット端末等の携帯デバイスの内蔵デジタルカメラを利用して被測定物質の濃度測定を行う装置が提案されている（特許文献１、特許文献２参照）。

特開２００８−２８６５２２号公報 特開２０１４−１６３８１８号公報

特許文献１には、セル内の試料溶液を通過して出射されたLED光を、携帯電話の内蔵デジタルカメラにより撮影し、無線通信回線を介して解析手段に画像データを送信した後、解析手段によりセル内の試料溶液に含まれる被測定物質の濃度を算出する比色計について開示されている。これにより、画像データを基に解析を行うことからより一層正確な測定結果が得られると共に、複数の測定地点で取得される画像データを容易且つ迅速に解析手段に集約して分析することができるとされている。

しかしながら、測定場所と解析場所が異なることから、作業者が測定現場で分析データを直ぐに確認することが困難であると共に、被測定物質によって光源の波長を変更する必要があるため複数色のLEDが必要となり、持ち運ぶ際のコンパクトさに問題があった。

また、特許文献２には、タブレット端末のディスプレイを光源とし、そのディスプレイ上に微量の試薬を反応させるマイクロチップを載置し、マイクロチップ内での反応をタブレット端末内蔵のデジタルカメラで検出し、そのデータをタブレット端末自体で演算処理した後、その結果をタブレット端末のディスプレイ上に表示するという分析方法及び装置が開示されている。これにより、分析装置を１台に集約させコンパクト化を図ることができるので、分析現場にて短時間且つ高精度に分析を行うことができるとされている。

しかしながら、微量の試薬の反応を高精度に制御することから、マイクロチップ内の流路に試薬を送り込むポンプが必要となりマイクロチップ自体が高価となるため、風雨にさらされる屋外での分析には不向きであり、高額となると発展途上国への波及は特に難しいことが予想される。

そこで、本発明は上記事情に鑑みなされたものであり、分析が必要な現場、特に、屋外のような環境（発展途上国等）においても簡便に被測定物質の濃度分析が可能なコンパクト且つ安価な光学測定装置を提供することを目的とする。

本発明は、カメラと該カメラによって撮影される画像を表示するディスプレイを有するモバイル端末を用い、被測定物質の濃度が既知の試料と未知の試料との色の濃淡を比較することで該被測定物質の濃度を測定する光学測定装置であって、前記試料を収容する試料容器と、前記試料容器を保持し、試料容器の底面又は側面をカメラレンズの前側に配置する保持具と、前記カメラによって前記既知の試料又は前記未知の試料を撮影しながら試料の色情報を抽出する抽出手段と、該色情報から前記既知の試料の濃度情報を演算する演算手段と、該濃度情報と前記抽出手段によって抽出された被測定物質を含む試料の色情報とを比較し被測定物質の濃度を算出する比較手段とを備えた解析手段と、を備えることを特徴とする。

上記光学測定装置に用いるモバイル端末とは、例えばスマートフォン、タブレット、ノートパソコン等の携帯可能で且つカメラを有するものが挙げられる。
本発明の測定方法としては、試料の色の濃淡を比較し濃度を測定する方法であれば特に問わず、例えば、蛍光測定や吸光度測定、散乱光測定、光度滴定、化学発光、生物発光等の光学測定が挙げられる。
上記試料容器の形状は、一般的に使用されているセルと同様の角柱形状でも、円筒形状でもよく、試料容器の一部（底面又は側面）又は全体が透明な材質からできていることが望ましい。
上記保持具の形状は試料容器を保持できるものであれば特に問うものではなく、試料容器を完全に収容する形状でもよいし、試料容器の下方部の一部を収容する形状でもよい。また、材質についても特に問わないが、遮光できる素材が望ましい。
上記解析手段は、タブレット端末のOS上で起動するアプリケーションソフトであることが望ましく、ソフトの入手方法はインターネット上で購入する方法等が想定される。また、解析手段によって得られた被測定物質の濃度は、解析後直ぐにディスプレイ上に表示されることが望ましい。
上記抽出手段が抽出する色情報とはRGBやYUV420が挙げられ、抽出方法としてはタブレット端末のカメラにて静止画や動画を撮影した後、その画像データをもとに抽出しても良いが、カメラモードを立ち上げた状態（プレビューモード）で抽出を行うことが望ましい。

上記保持具には、試料容器に光を照射するための光源を備えることを特徴とする。
光源は、様々な光学測定に対応可能とするために可視光や紫外光を発するLEDや小型ランプ等が挙げられる。また、光源の取付け位置は、例えば、カメラレンズと直交する位置や対向する位置が挙げられる。さらに、光源の取付け方法は、試料容器と共に保持具内に完全に収容してもよいし、保持具の一部に着脱可能に固定してもよい。

また、上記保持具をモバイル端末のディスプレイ上に載置し、試料容器の底面がカメラレンズの真上に配置されることを特徴とする。
試料容器の底面とカメラレンズとの距離は、密着していても離れていてもよいが、カメラのピントの都合上、底面とカメラレンズとの間には空間が形成されることが望ましい。

さらに、上記保持具は試料容器の底面又は側面をカメラレンズの前側に配置するものであれば形状及び材質は問わないが、モバイル端末に着脱可能に固定するための固定部材を備えていることを特徴とする。
固定部材とは、着脱可能に固定できるものであれば特に問うものではなく、両面テープや滑り止め部材、面ファスナー、クリップの様に開閉自在に挟持できるものや、タブレット端末のカメラレンズ付近の一部に嵌め合せる断面コの字状をしたもの等が挙げられる。

本発明の光学測定装置によれば、タブレット端末のカメラを用いて被測定物質の濃度を測定することから、複雑な光学系が不要となりコンパクト且つ安価な装置を提供することが可能となる。特に、既に保有しているタブレット端末を利用すれば、更なる低コスト化を図ることが可能となり、様々な測定現場、特に発展途上国においても導入しやすい装置となる。
また、タブレット端末に解析手段をインストールしておけば、測定装置と解析手段を一体化させることが可能となり、装置のコンパクト化が実現される。それにより、持ち運びが容易となりオンサイト分析に適した装置の提供が可能となる。特にスマートフォンやタブレットにおいては屋内外を問わずどこでも使用することから、手軽且つ容易にオンサイト分析が可能となる。

また、保持具に光源を備えることで、蛍光測定や吸光度測定、散乱光測定、光度滴定等の光源を必要とする様々な測定方法にも対応することが可能となる。

また、タブレット端末のディスプレイ上に保持具を載置し、カメラレンズの真上に試料容器の底面を配置させることで、市販の角型セルを利用することが可能となり、装置の取り扱いが容易になると共に低コスト化を図ることができる。さらに、カメラレンズの位置を見ながら保持具を配置することが可能となり、測定するための最適位置に常に保持具を配置することができる。

最後に、保持具に固定部材を備えることで、カメラレンズと試料容器の位置がずれることを防止することが可能となり、繰返し測定する際の再現性を維持することができる。

以下、本発明の実施形態について詳細に説明するが、本発明は、以下の実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の目的の範囲内において、適宜変更を加えて実施することができる。

＜第１実施例＞
図１に本発明の第１実施例を示す。第１実施例の光学測定装置は、室内照明又は太陽光を利用し比色法により濃度測定を行うもので、測定対象はフッ素である。発色試薬であるランタンアリザリンコンプレクソン(商標名:アルフッソン)の粉末を試料に添加して発色させて測定する。
第１実施例の光学測定装置は、フッ化物イオンと上記試薬を含む試料溶液を収容する角型光学セル（試料容器）１と、角型光学セルの上部を突出させるように収容する光学セル固定具（保持具）２と、カメラを内蔵するタブレット端末３と、タブレット端末にインストールされ且つタブレット端末のOS上で起動する濃度測定用のアプリケーションソフト（解析手段）４から構成される。

上記角型光学セル１は市販品のものを使用し、上面は試料溶液を注入するために開口しており、透明の樹脂素材から成形されている。

上記光学セル固定具２は弾力性と柔軟性を有し、軽量で且つ遮光性の高い黒色の素材（例えばエチレン−酢酸ビニル共重合樹脂等）から直方体状に成形され、上面の中央部には内部に角型光学セルを挿入するための角穴５が下方に向かって設けられている。また、光学セル固定具２の下部には、角型光学セル１の底面から試料溶液の色をカメラレンズ６で撮影するための撮影用穴７が設けられている。撮影用穴７は角穴５の真下に貫通するように設けられ、且つ断面形状が段差状となるように角穴５よりも小さく形成されている。これにより段差がストッパーの役割を果たし、角型光学セル１の底面とカメラレンズ６との間に空間８を設けることが可能となり、カメラレンズ６のピントのズレを解消することができる。

上記光学セル固定具２の高さは、角型光学セル１が倒れないように保持することができれば特に問うものではないが、角型光学セル１の取り出しを容易にし、且つ遮光性を高めると共に、光学セル固定具２のコンパクト化を実現するためにも、角型光学セル１の上部が突出するような角穴５の深さを形成可能な高さにすることが望ましい。

また、上記光学セル固定具２の底面には、繰返し使用しても粘着性を維持することが可能な両面テープ（固定部材）９を貼り付け、光学セル固定具２をディスプレイ１０上に着脱可能に固定している。このような両面テープ９を用いることで、撮影用穴７とカメラレンズ６の位置の微調整を繰り返し行うことが可能になるほか、特に屋外で測定する際には、測定操作中に意図せざる傾斜等により、光学セル固定具２がタブレット端末３から外れることを確実に防止することが可能となる。

上記タブレット端末３は、カメラを有するAndroid OSを搭載した機種を用い、特に屋外の測定においては測定場所の位置情報が必要となることから、GPS機能を搭載しているタブレット端末３を採用している。OSやGPS機能については特に限定するものではなく、カメラを有していればOSの種類やGPSの搭載の有無は問うものではない。

上記濃度測定用のアプリケーションソフト４は、図２に示すアプリケーションソフトの起動画面のようにキャリブレーションモード４ａと計測モード4ｂがあり、両モード4ａ、４ｂともタブレット端末３のカメラを用いて試料溶液の色のRGB値を測定することでフッ化物イオンの濃度分析を行うものである。試料溶液は赤色を呈していることから、RGB値のR値から濃度を測定する。試料溶液のRGB値を測定するには、タブレット端末３のカメラを起動した状態のまま、つまりプレビューモードにて行う。

上記キャリブレーションモード４ａとは、複数の異なる既知濃度のフッ化物イオンを含む試料溶液からそれぞれのRGB信号を取得（抽出手段）し、最小二乗法を用いて取得した複数の試料溶液のR値から検量線となる近似曲線を作成（演算手段）するモードである。作成された検量線のデータは、測定日時や位置情報（測定場所）と共にタブレット端末３のメモリに保存される。

上記計測モード４ｂとは、未知の濃度のフッ化物イオンを含む試料溶液のRGB信号を取得（抽出手段）し、そのR値を基にキャリブレーションモード４ａで得た検量線データを使うことでフッ化物イオンの濃度を算出（比較手段）するモードである。算出後、濃度データは直ぐにディスプレイ１０上に表示される。また、算出した濃度データは、測定日時や位置情報（測定場所）、RGB値と共にタブレット端末３のメモリに保存される。

図３に示した本発明のアプリケーションソフト４の操作手順及び測定手順をもとに、測定方法について説明する。
まず、アプリケーションソフト４を起動させる前に、濃度の異なる３種類の標準溶液（濃度Aの試料１、濃度Bの試料２、濃度Cの試料３）と測定する試料溶液（未知濃度）を角型光学セル１にそれぞれ注入しておく。その後、試料１を収容した角型光学セル１を光学セル固定具２の角穴５に挿入し固定させておく。

次に、アプリケーションソフト４を立ち上げ、起動画面からキャリブレーションモード４ａを選択する。モード選択により、濃度選択画面が表示されるので、試料１の濃度Aを選択するか、又は濃度Aのデータを入力する（ア）。濃度を選択すると、カメラのプレビュー画面と共に測定画面が立ち上がるので、プレビュー画面を目視で確認しながら光学セル固定具２の撮影用穴７から試料１を収容した角型光学セル１の底面がカメラレンズ６の真上にくるように配置する（イ）。プレビュー画面で試料１の色を目視で確認した後、測定画面の測定ボタンを押して測定を開始する（ウ）。測定が終了するとRGB値が測定画面に表示され、次の試料の測定が可能となる（エ）。このように、試料２及び試料３についても（ア）〜（エ）の操作を繰り返しながらRGB値を測定する。試料２及び試料３の測定においては、既に光学セル固定具２の撮影用穴７がカメラレンズ６の真上に配置されていることから、（イ）の作業を省き、角型光学セル１の取り替えのみでよい。３種類の試料のRGB値を測定後、検量線が算出され測定画面に表示される。算出された検量線のデータは日時と位置情報と共に保存される。また、必要であれば試料の濃度レンジに合わせて複数の検量線データを保存することができる（オ）。

次に、未知の濃度の試料溶液を角型光学セル１に注入した後、アプリケーションソフト４の起動画面に戻り、計測モード４ｂを選択する（カ）。モード選択により、検量線の選択画面が表示されるので、上記キャリブレーションモード４ａで保存した検量線データを選択する。複数の検量線データが保存されている場合は、今回の測定試料に適した検量線データを選択する（キ）。検量線データの選択により、カメラのプレビュー画面と共に測定画面が立ち上がるので、測定ボタンを押して測定を開始する（ク）。RGB値の測定が終了しRGB値と検量線データから濃度が算出されると、濃度データが測定画面に表示される（ケ）。算出された濃度データは、RGB値と日時、位置情報と共に保存される（コ）。測定試料が複数ある場合は、（カ）〜（ク）の操作を繰り返し行うことで測定が可能となる。

図４に第１実施例の測定モード４ｂによる内蔵カメラの撮影画像（カメラにより角型光学セル１の底面を撮影したもの）をフッ化物イオン濃度の低い順に並べて示す。この図では白黒画像のため分かりにくいが、フッ化物イオンの濃度が高くなるにつれて色が濃くなっていることが確認できる。本来のカラー画像であれば、見かけ上はフッ化物イオン濃度が低い場合は赤色を呈し、濃度が高くなるにつれて紫色を呈するようになっている。このことから、本発明の光学測定装置においてRGB値による濃度測定は可能であることが示された。

また、図５に第１実施例の測定モードのRGB値によるフッ素濃度の測定結果を示す。フッ化物イオン濃度が低ければR値が高く、濃度が高ければR値が低いことが明らかであり、図４と同様に、本発明の光学測定装置において濃度測定を行うことは有効であることが示された。

＜第２実施例＞
図６に本発明の第２実施例を示す。第２実施例の光学測定装置は、LED光源を利用し比色法により濃度測定を行うもので、測定対象はフッ素である。光源を利用することで、測定の感度や安定性の向上を図ることができる。
第２実施例の光学測定装置は、角型光学セル（試料容器）１と、フッ化物イオンに光を照射するためのLED（光源）１１と、第１実施例と同様の角型光学セル１の上部を突出させるように収容する光学セル固定具（保持具）２と、第１実施例と同様のカメラを内蔵するタブレット端末３と、第１実施例と同様のタブレット端末３にインストールされ且つタブレット端末のOS上で起動する濃度測定用のアプリケーションソフト４から構成される。

角型光学セル１は、開口部に開口部を覆う形状又は開口部に嵌め込む形状の蓋１２が設けられていることを除き、第１実施例と同様の形態をしている。蓋１２の中心位置には、光源の光を導入するための導入穴１３が上面から下方に向かって貫通するように設けられている。
光源であるLED１１は、内蔵カメラのレンズ６と対向する位置に配置するため、角型光学セル１の蓋１２の導入穴１３内にLED１１の発光部の一部が嵌め込まれている。

＜第３実施例＞
図７に本発明の第３実施例を示す。第３実施例の光学測定装置は、LED等の光源を使用し蛍光消光現象により濃度測定を行うもので、測定対象はフッ素である。試料溶液は、ジルコニウム／フラボノール／EDTA溶液2mLとフッ化物イオン水溶液0.1mLを加えたものである。
第３実施例の光学測定装置は、第１実施例と同様の角型光学セル１と、フッ化物イオンに光を照射し励起発光させるためのLED１１（又は小型UVランプ）と、角型光学セル１を固定し且つ光源を取付けるための固定用補助具（保持具）１４と、第１実施例と同様のカメラを内蔵するタブレット端末３と、第１実施例と同様のタブレット端末３にインストールされ且つタブレット端末のOS上で起動する濃度測定用のアプリケーションソフト４から構成される。

上記LED１１は光源としては最良であるが、測定波長の適合性等により、ボタン電池を内蔵する小型UVランプを採用しても特に問題はない。

上記固定用補助具１４は、角型光学セル１とLED１１（又は小型UVランプ）を載置する平板状のベース板１５と、ベース板１５上に角型光学セル１を起立させるためのガイド板１６とから構成される。ベース板１５の角型光学セル１が配置される箇所には、角型光学セル１内での励起発光による光をタブレット端末３の内臓カメラで検出するための検出穴１７が設けてある。また、ガイド板１５の側面には、LED１１（又は小型UVランプ）の光を角型光学セル１内に導入するための導入穴１３が設けられており、導入穴１３と検出穴１７は直交する位置に配置されている。第３実施例の場合、遮光し測定精度を向上させるためにも、固定用補助具１４全体又は角型光学セル１部分のみを上方から覆うようなカバー（図示なし）を設けることが望ましい。

上記カメラを内蔵するタブレット端末３は第１実施例と同様の機種を用いる。また、アプリケーションソフト４も第１実施例とほぼ同様の測定を実施するソフトであるが（図２、図３参照）、試料溶液が青色に発光することから、RGB信号を取得し検量線データや濃度データを算出する場合にはB値を用いることが第１実施例とは異なる点となる。

図８に第２実施例の測定モードによる内蔵カメラの撮影画像（カメラにより角型光学セルの底面を撮影したもの）をフッ化物イオン濃度の低い順に並べて示す。この図からフッ化物イオン濃度が高くなるにつれて青色に発行する強度が弱まっていることから、本発明の光学測定装置において濃度測定が可能であることを示している。

また、図９に第１実施例の測定モードのRGB値によるフッ素濃度の測定結果を示す。フッ化物イオン濃度が高くなるにつれてB値及びG値が低くなることが明らかであり、図８と同様に本発明の光学測定装置において濃度測定が可能であることを示している。

本発明の第１実施例を示す概略図である。 本発明の濃度測定用アプリケーションソフトの起動画面を示すディスプレイの正面図である。 本発明の濃度測定用アプリケーションソフトの測定手順を示すフローチャート図である。 本発明の第１実施例における測定時の内臓カメラ撮影画像を示す図である。 本発明の第１実施例の測定結果を示すグラフである。 本発明の第２実施例を示す概略図である。 本発明の第３実施例を示す概略図である。 本発明の第３実施例における測定時の内臓カメラ撮影画像を示す図である。 本発明の第３実施例の測定結果を示すグラフである。

１ 角型光学セル
２ 光学セル固定具
３ タブレット端末
４ アプリケーションソフト
４ａ キャリブレーションモード
４ｂ 計測モード
５ 角穴
６ カメラレンズ
７ 撮影用穴
８ 空間
９ 両面テープ
１０ ディスプレイ
１１ ＬＥＤ
１２ 蓋
１３ 導入穴
１４ 固定用補助具
１５ ベース板
１６ ガイド板
１７ 検出穴

Claims (4)

1. カメラと該カメラによって撮影される画像を表示するディスプレイを有するモバイル端末を用い、被測定物質の濃度が既知の試料と未知の試料との色の濃淡を比較することで該被測定物質の濃度を測定する光学測定装置であって、
   前記試料を収容する試料容器と、
   前記試料容器を保持し、試料容器の底面又は側面をカメラレンズの前側に配置する保持具と、
   前記カメラによって前記既知の試料又は前記未知の試料を撮影しながら試料の色情報を抽出する抽出手段と、該色情報から前記既知の試料の濃度情報を演算する演算手段と、該濃度情報と前記抽出手段によって抽出された被測定物質を含む試料の色情報とを比較し被測定物質の濃度を算出する比較手段とを備えた解析手段と、
   を備えることを特徴とする光学測定装置。
2. 前記保持具には前記試料容器に光を照射するための光源を備えることを特徴とする請求項１記載の光学測定装置。
3. 前記保持具を前記モバイル端末のディスプレイ上に載置し、前記試料容器の底面がカメラレンズの真上に配置されることを特徴とする請求項１又は２記載の光学測定装置。
4. 前記保持具には、モバイル端末に着脱可能に固定するための固定部材を備えていることを特徴とする請求項１、２又は３記載の光学測定装置。