JP2022012984A - 光学測定装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】被測定液の状態を示すパラメータの測定精度が向上する光学測定装置を提供する。【解決手段】本開示に係る、被測定液の状態を示すパラメータを測定する光学測定装置１は、被測定液に対して照射光Ｌを照射する光源部２４と、被測定液に対して照射された照射光Ｌに基づく被測定光ＭＬを検出する受光部２５と、光源部２４と受光部２５との間の光路上に配置されている光学部品２６と、光学部品２６に形成されているヒーターとして機能し、光の透過性と電気伝導性とを有する熱源部２８と、を備える。【選択図】図４Ｂ

Description

本開示は、光学測定装置に関する。
従来、被測定液の状態を示す、濁度及び色度等のパラメータを光学的に測定する光学測定装置に関する技術が知られている。
例えば、特許文献１には、被測定液中の浮遊物質の濃度が低い領域から高い領域まで幅広く同一のセル長及び検出器配置で直線性を保ち正確に測定を行うことができる濁度計が開示されている。
特開２００６－３２９６２９号公報
従来の光学測定装置では、動作環境における温度と被測定液の温度との間の温度差によっては光学系を構成する光学部品において結露が発生し、光学部品の表面が曇る場合があった。光学部品の表面が曇ると、被測定液のパラメータとは無関係に光が減衰され、正確なパラメータの値を得ることが困難であった。したがって、被測定液の状態を示すパラメータの測定精度が低下していた。
本開示は、被測定液の状態を示すパラメータの測定精度が向上する光学測定装置を提供することを目的とする。
幾つかの実施形態に係る光学測定装置は、被測定液の状態を示すパラメータを測定する光学測定装置であって、前記被測定液に対して照射光を照射する光源部と、前記被測定液に対して照射された前記照射光に基づく被測定光を検出する受光部と、前記光源部と前記受光部との間の光路上に配置されている光学部品と、前記光学部品に形成されているヒーターとして機能し、光の透過性と電気伝導性とを有する熱源部と、を備える。
これにより、被測定液の状態を示すパラメータの測定精度が向上する。光学測定装置は、光学部品に形成されているヒーターとして機能し、光の透過性と電気伝導性とを有する熱源部を有することで、被測定液による光学部品の冷却を抑制可能である。これにより、光学測定装置は、光学部品における結露の発生及び光学部品の表面の曇りを抑制可能である。したがって、照射光及び被測定光を含む光が、結露及び曇りによって、被測定液の状態を示すパラメータとは無関係に減衰されることが抑制される。結果として、光学測定装置は、被測定液の状態を示すパラメータを正確に測定可能である。
一実施形態において、前記光学部品は、前記被測定液が流れる液槽の境界に配置されているガラスを含み、前記熱源部は、前記ガラスの表面に成膜されている膜を含んでもよい。これにより、光学測定装置は、被測定液が流れる液槽の境界に配置され、被測定液による冷却効果を最も受けやすいガラスに対して、結露の発生及び表面の曇りを抑制可能である。したがって、照射光が、被測定液に入射する直前で、被測定液の状態を示すパラメータとは無関係に減衰されることが抑制される。同様に、被測定光が、被測定液から出射した直後で、被測定液の状態を示すパラメータとは無関係に減衰されることが抑制される。
一実施形態において、前記ガラスは、凸字状に形成されていてもよい。これにより、光学測定装置は、ガラスへの汚れの付着を抑制可能である。例えば、ガラスが凸字状に形成され、液槽の内側で面一となっていることで、被測定液の滞留が抑制される。これにより、被測定液に含まれる汚れが留まりにくくなる。結果として、被測定液に含まれる汚れのガラスへの付着が抑制される。
一実施形態において、前記光学部品は、レンズを含み、前記熱源部は、前記レンズの表面に成膜されている膜を含んでもよい。これにより、光学測定装置は、レンズに対しても、結露の発生及び表面の曇りを抑制可能である。例えば、レンズは、被測定液が流れる液槽から離間していたとしても、液槽からの距離が小さければ、被測定液による冷却効果を受ける可能性もある。以上により、照射光が、光源部側に配置されているレンズにおいて、被測定液の状態を示すパラメータとは無関係に減衰されることが抑制される。同様に、受光部側にもレンズが配置されている場合、被測定光が当該レンズにおいて、被測定液の状態を示すパラメータとは無関係に減衰されることが抑制される。
一実施形態において、前記レンズは、前記被測定液が流れる液槽の境界に配置されていてもよい。光学測定装置は、このような場合であっても、レンズの表面に膜が成膜されていることで、ガラスに関する上記の効果と同様の効果を奏する。加えて、被測定液が流れる液槽の境界にレンズが配置されることで、光源部及び受光部内で付加的なレンズを配置する必要がなくなり、部品点数が低減する。
一実施形態において、前記膜は、ＩＴＯ膜を含んでもよい。これにより、光学測定装置は、光の透過性と電気伝導性とを有するヒーターとして、光学測定系において新しくＩＴＯ膜を利用することができる。ＩＴＯ膜は、従来、例えばスマートフォンのディスプレイ、自動車のフロントガラス、及び鉄道車両の窓ガラス等において人の視認性を高める目的で使用されていた。しかしながら、一実施形態に係る光学測定装置は、このような従来の目的とは異なり、光学測定系に配置され、光学的に高い設計精度が要求される光学部品にＩＴＯ膜を成膜して光学測定における測定精度を向上させることができる。
一実施形態において、前記光学部品は、前記光源部及び前記受光部の両側に配置され、前記熱源部は、前記光源部及び前記受光部の両側に配置されている前記光学部品のそれぞれに対して形成されていてもよい。これにより、光学測定装置は、光学部品のそれぞれに対して、被測定液による冷却を抑制可能である。すなわち、光学測定装置は、光学部品のそれぞれにおける結露の発生及び表面の曇りを抑制可能である。したがって、照射光及び被測定光を含む光が、結露及び曇りによって、被測定液の状態を示すパラメータとは無関係に減衰されることがより効果的に抑制される。結果として、光学測定装置は、被測定液の状態を示すパラメータをより正確に測定可能である。
一実施形態において、前記パラメータは、前記被測定液の濁度を含んでもよい。これにより、光学測定装置は、濁度計として被測定液の濁度を測定可能である。
一実施形態において、前記パラメータは、前記被測定液の色度を含んでもよい。これにより、光学測定装置は、色度計として被測定液の色度を測定可能である。
本開示によれば、被測定液の状態を示すパラメータの測定精度が向上する光学測定装置を提供可能である。
本開示の一実施形態に係る光学測定装置の外観を示す正面図である。 図１の光学測定装置の構成の一例を示すブロック図である。 図１の光学装置の断面の一例を示す模式図である。 図３の破線囲み部IVを拡大して模式的に示した正面図である。 図３の破線囲み部IVを拡大して模式的に示した側面図である。 図３の光源部側に位置するレンズを拡大して模式的に示した図４Ａに対応する正面図である。 図３の光源部側に位置するレンズを拡大して模式的に示した図４Ｂに対応する側面図である。 一実施形態に係る光学測定装置の第１変形例を示す図３に対応する模式図である。 一実施形態に係る光学測定装置の第２変形例を示す図３に対応する模式図である。 一実施形態に係る光学測定装置の第３変形例を示す図３に対応する模式図である。
光学測定装置の中でも例えば濁度計に関して、従来技術の背景及び問題点をより詳細に説明する。
濁度計によって測定される被測定液の濁りは、被測定液の中に存在する粒子、すなわち濁質の量によって決まる。濁質の量を測定するためのいくつかの方法が知られている。例えば、透過光・散乱光比較方式の濁度計においては、被測定液中の濁質による照射光の吸収及び散乱が利用されている。濁質を含む被測定液に照射光が照射されると、透過光は、粒子の吸収によって濁度が大きいほど弱まる。一方で、散乱光は、粒子の散乱によって濁度が大きいほど強まる。
透過光は、その光強度がランベルトベールの法則によって対数的に変化することから、高濁度において非常に弱くなる。したがって、透過光単独を用いて高濁度の被測定液を測定することは困難である。散乱光は、理論的には濁度に比例する一方で、実際の測定では高濁度の被測定液において吸収の影響を受ける。したがって、散乱光に関する検出信号強度が濁度に比例しない。そこで、透過光・散乱光比較方式の濁度計では、散乱光の検出信号強度を透過光の検出信号強度で除算した値が利用され、検出信号値と濁度値との間の単調増加関係が作り出されている。
従来の濁度計は、例えば、ランプ光源、集光レンズ、液槽、透過光を検出する透過光検出器、及び散乱光を検出する散乱光検出器を有する。ランプ光源から照射された白色光は集光レンズによって平行光となる。平行光となった白色光は、液槽に入射する。液槽の両端は透明ガラスにより仕切られている。例えば、一方向に液槽を流れる被測定液の濁質によって平行光の一部は散乱される。散乱光は、液槽の後段に配置された散乱光検出器によって検出される。散乱されずに透過した透過光は、同様に液槽の後段に配置された透過光検出器によって検出される。検出された透過光の検出信号強度と散乱光の検出信号強度とに基づいて演算回路等により以下の式１のとおりに計算することで、被測定液の濁度Ｎが求められる。
Figure 2022012984000002
ここで、ＩTは、被測定液を透過した透過光の検出信号強度、ＩSは、被測定液によって散乱された散乱光の検出信号強度を示す。ＩT（０）は、濁度０度の液を透過した透過光の検出信号強度、ＩS（０）は、濁度０度の液によって散乱された散乱光の検出信号強度を示す。ｃは、被測定液中の濁質、並びに検出部の形状及び特性により定まる定数である。Ｌは、測定対象となる液槽の光路長である。式１に示すとおり、比率ＩS／ＩTは、濁度Ｎに対して一次関数的に変化する。
従来の濁度計では、動作環境における温度と被測定液の温度との間の温度差によっては光学系を構成する光学部品において結露が発生し、光学部品の表面が曇る場合があった。光学部品の表面が曇ると、照射光、透過光、及び散乱光を含む光が被測定液の濁度とは無関係に減衰され、正確な濁度指示値を得ることが困難であった。したがって、被測定液の状態を示す濁度の測定精度が低下していた。
このような結露を抑制するための対策として、従来、いくつか方法が考えられていた。１つ目は、濁度計を構成する検出器等の内部に乾燥剤を入れる方法である。２つ目は、濁度計を構成する検出器等の内部に除湿装置を設置する方法である。３つ目は、光学部品の表面に対して乾燥空気を吹き付ける方法である。４つ目は、光学部品のホルダ等に対して巻き付けられた熱線ヒーターによって光学部品を間接的に温める方法である。
しかしながら、１つ目の方法では、乾燥剤の定期的な交換が必要になりメンテナンスコストが増大する。２つ目及び３つ目の方法では、結露対策のための装置による初期コストが増大する。加えて、検出器等の全体構成が複雑になり、有寿命部品の増加に伴うメンテナンス工数及び故障リスク等が増加する。
４つ目の方法では、光学部品上の温度ムラという問題がある。加えて、光学部品を間接的に温めていることから、熱線ヒーターからホルダ、ホルダから光学部品に熱が伝わる間に熱の損失が発生し、熱線ヒーターによる光学部品の発熱の効率が低下する。したがって、熱線ヒーターの出力を極端に上げる必要があり、熱線ヒーターの温度が大幅に上昇するという問題もある。熱線ヒーターの温度の大幅な上昇を回避しようとすると、濁度計は、結露の発生が少ない温度範囲での動作に限定される。これにより従来の濁度計の利便性が低下していた。
本開示は、濁度系と同様の光学測定装置でも生じる可能性がある。以上のような問題点を解決するために、本開示は、被測定液の状態を示すパラメータの測定精度が向上する光学測定装置を提供することを目的とする。加えて、本開示は、単純な構造でメンテナンスコスト及び初期コストが低減し、メンテナンス工数及び故障リスク等も低減する光学測定装置を提供することを目的とする。さらに、乾燥剤よりも長期的な結露抑制機能を有し、温度ムラ及びヒーターの温度の大幅な上昇を抑制可能な光学測定装置を提供することを目的とする。
以下では、添付図面を参照しながら本開示の一実施形態について主に説明する。図１は、本開示の一実施形態に係る光学測定装置１の外観を示す正面図である。
光学測定装置１は、被測定液の状態を示すパラメータを測定する。本明細書において、「被測定液の状態を示すパラメータ」は、例えば、被測定液の濁度及び色度等を含む。以下では、パラメータは濁度であり、光学測定装置１は濁度計であるとして説明する。しかしながら、これに限定されず、以下の説明は、パラメータが色度であり、光学測定装置１が色度計である場合にも同様に当てはまる。
一実施形態に係る光学測定装置１は、一例として透過光・散乱光比較方式の濁度計である。光学測定装置１は、被測定液の濁度を測定する。光学測定装置１は、大きな構成要素として、光学装置２と処理装置３とを有する。
光学装置２は、内部を通過する被測定液に対して照射光Ｌを照射し、照射光Ｌに基づく透過光Ｔ及び散乱光Ｓを検出する。光学装置２は、図１において下方から流れてくる被測定液が流入する被測定液入口２１と、被測定液入口２１から光学装置２の内部に流入した被測定液が外部へと流出する被測定液出口２２と、を有する。光学装置２は、本体部２３と、光源部２４と、受光部２５と、を有する。本体部２３の内部には、下方から上方へと流れる被測定液をガイドする後述の液槽２７が含まれる。本体部２３の液槽２７は、被測定液が流れる方向と交差する方向において、光源部２４及び受光部２５により挟まれる。液槽２７には、被測定液入口２１及び被測定液出口２２の他にも排水用のドレイン口が設けられてもよい。
処理装置３は、光学装置２と接続され、光学装置２によって検出された透過光Ｔ及び散乱光Ｓに基づく検出信号を光学装置２から取得する。処理装置３は、例えば、光学装置２から取得した検出信号に基づく被測定液の濁度の算出処理を実行したり、光学装置２の制御処理を実行したりする。
図２は、図１の光学測定装置１の構成の一例を示すブロック図である。図２を参照しながら、図１の光学測定装置１の構成について主に説明する。
光学測定装置１に含まれる光学装置２は、上述した光源部２４及び受光部２５に加えて、例えば図１の本体部２３の中に光学部品２６と、熱源部２８と、をさらに有する。
光源部２４は、本体部２３の内部の液槽２７を流れる被測定液に対して照射光Ｌを照射する。照射光Ｌの波長帯域は可視域及び近赤外域の少なくとも一方に含まれる。光源部２４は、照射光Ｌを照射可能な任意の光源を有する。例えば、光源部２４は、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）、及びＬＤ（Laser Diode）等を有する。本明細書において、「可視域」は、例えば、４００ｎｍ以上８００ｎｍ未満の光の波長領域を含む。本明細書において、「近赤外域」は、例えば、８００ｎｍ以上１１００ｎｍ以下の光の波長領域を含む。照射光Ｌは、例えば、８６０ｎｍ又は６６０ｎｍの単色の光であってもよいし、４００ｎｍ以上７００ｎｍ以下の広帯域の光であってもよい。
受光部２５は、被測定液に対して照射された照射光Ｌに基づく被測定光ＭＬを検出する。受光部２５は、被測定光ＭＬの検出信号として、検出電流又は検出電圧を出力する。出力される検出信号の強度は、受光部２５によって検出される被測定光ＭＬの光強度に対応する。光学測定装置１が透過光・散乱光比較方式である場合、被測定光ＭＬは、被測定液を透過した透過光Ｔと、被測定液によって散乱された散乱光Ｓと、を含む。これに対応して、受光部２５は、透過光検出部２５１と、散乱光検出部２５２と、を有する。
透過光検出部２５１は、光源部２４によって照射された照射光Ｌに基づく透過光Ｔを検出する。透過光検出部２５１は、このような透過光Ｔを検出可能な任意の光検出器を有する。例えば、透過光検出部２５１は、フォトダイオードを有する。透過光検出部２５１を構成するフォトダイオードの波長帯域は、透過光Ｔが有する光スペクトルの波長帯域を含む。
散乱光検出部２５２は、光源部２４によって照射された照射光Ｌに基づく散乱光Ｓを検出する。散乱光検出部２５２は、このような散乱光Ｓを検出可能な任意の光検出器を有する。例えば、散乱光検出部２５２は、フォトダイオードを有する。散乱光検出部２５２を構成するフォトダイオードの波長帯域は、散乱光Ｓが有する光スペクトルの波長帯域を含む。
光学部品２６は、光源部２４と受光部２５との間の光路上に配置されている。光学部品２６は、例えば、レンズ２６１と、ガラス２６２と、含む。レンズ２６１は、例えば、光源部２４から照射された照射光Ｌを被測定液への入射前に平行光にする集光レンズを含む。ガラス２６２は、例えば、被測定液が流れる液槽２７の境界に配置されている透明ガラスを含む。
熱源部２８は、光学部品２６に形成されているヒーターとして機能し、光の透過性と電気伝導性とを有する。例えば、熱源部２８は、光学部品２６の表面に成膜されている膜２８１を含む。例えば、膜２８１は、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）膜を含む。その他にも、熱源部２８は、膜２８１に電力を供給するための配線２８２及び電源等の他の電気回路部品を含む。
処理装置３は、制御部３１と、記憶部３２と、入力部３３と、出力部３４と、通信部３５と、を有する。
制御部３１は、１つ以上のプロセッサを含む。一実施形態において「プロセッサ」は、汎用のプロセッサ、又は特定の処理に特化した専用のプロセッサであるが、これらに限定されない。例えば、制御部３１は、光学測定装置１に関する処理を実行可能にするプロセッサを含む。制御部３１は、光学測定装置１を構成する各構成部に接続され、各構成部をはじめとして光学測定装置１全体を制御及び管理する。
例えば、制御部３１は、光源部２４に含まれるＬＥＤ光源の駆動電流を制御する。例えば、制御部３１は、受光部２５から出力される被測定光ＭＬの検出信号に基づいて被測定液の濁度を算出する。例えば、制御部３１は、膜２８１に電力を供給して、熱源部２８が光学部品２６に形成されているヒーターとして機能するように熱源部２８を制御する。
記憶部３２は、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）、ＳＳＤ（Solid State Drive）、ＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory）、ＲＯＭ（Read-Only Memory）、及びＲＡＭ（Random Access Memory）を含む任意の記憶モジュールを含む。記憶部３２は、例えば、主記憶装置、補助記憶装置、又はキャッシュメモリとして機能してもよい。記憶部３２は、光学測定装置１の動作を実現するために必要な任意の情報を記憶する。例えば、記憶部３２は、システムプログラム、アプリケーションプログラム、及び通信部３５によって受信された各種情報等を記憶してもよい。
記憶部３２は、光学測定装置１に内蔵されているものに限定されず、ＵＳＢ（Universal Serial Bus）等のデジタル入出力ポート等によって接続されている外付けのデータベース又は外付け型の記憶モジュールであってもよい。記憶部３２は、例えば、制御部３１によって算出された各種情報を記憶する。記憶部３２は、例えば、光学装置２から出力される、被測定光ＭＬの検出信号に基づく検出情報を記憶する。
入力部３３は、光学測定装置１のユーザによる入力操作を受け付けて、ユーザの操作に基づく入力情報を取得する１つ以上の入力インタフェースを含む。例えば、入力部３３は、物理キー、静電容量キー、出力部３４のディスプレイと一体的に設けられたタッチスクリーン、及び音声入力を受け付けるマイクロフォン等を含むが、これらに限定されない。
出力部３４は、ユーザに対して情報を出力する１つ以上の出力インタフェースを含む。例えば、出力部３４は、情報を画像で出力するディスプレイ、又は情報を音声で出力するスピーカ等であるが、これらに限定されない。出力部３４は、例えば、制御部３１によって算出された各種情報を光学測定装置１のユーザに対して表示する。出力部３４は、例えば、光学測定装置１の動作を実現する任意の情報をユーザが入力するために必要な設定画面をユーザに対して表示する。
通信部３５は、有線又は無線に基づく任意の通信プロトコルに対応した任意の通信インタフェースを含む。通信部３５は、制御部３１によって算出された各種情報を任意の外部装置に送信してもよい。通信部３５は、光学測定装置１の動作を実現するために必要な任意の情報を任意の外部装置から受信してもよい。例えば、通信部３５は、光学装置２を制御するための制御信号を任意の外部装置から受信してもよい。
図３は、図１の光学装置２の断面の一例を示す模式図である。図３を参照しながら、光学測定装置１の光学系に関する動作について主に説明する。
光源部２４によって照射された照射光Ｌは、レンズ２６１によって平行光となる。平行光となった照射光Ｌは、熱源部２８が表面に形成されているガラス２６２を透過して液槽２７に入射する。液槽２７の両端は透明ガラスとしてのガラス２６２により仕切られている。液槽２７では、例えば図３の下から上に向かって被測定液が流れている。液槽２７を挟んで光源部２４と反対側に、受光部２５が配置されている。
液槽２７内の被測定液を透過した透過光Ｔは、熱源部２８が表面に形成されているガラス２６２を透過して、例えば液槽２７を挟んで光源部２４と対向するように配置されている透過光検出部２５１で検出される。液槽２７中を流れる被測定液の濁質により散乱された散乱光Ｓのうち、平行光線である透過光Ｔに対して所定の角度が付された散乱光Ｓは、例えば透過光検出部２５１の上方及び下方に配置されている散乱光検出部２５２で検出される。散乱光検出部２５２を構成する光検出器の数は２つに限定されず、１つであってもよいし、３つ以上であってもよい。制御部３１は、受光部２５によって検出された透過光Ｔの検出信号強度ＩTと散乱光Ｓの検出信号強度ＩSとに基づいて、ＩS／ＩTのように比率演算することで濁度Ｎを算出する。
図４Ａは、図３の破線囲み部IVを拡大して模式的に示した正面図である。図４Ｂは、図３の破線囲み部IVを拡大して模式的に示した側面図である。図４Ａ及び４Ｂを参照しながら、ガラス２６２及び熱源部２８の構成及び機能について主に説明する。図４Ａ及び４Ｂを用いた以下の説明は、図３の受光部２５側にも同様に当てはまる。
図４Ｂに示すとおり、ガラス２６２は、被測定液が流れる液槽２７の境界に配置されている。ガラス２６２は、光学窓としても機能し、光源部２４によって照射された照射光Ｌを透過させる第１ガラス２６２ａと、液槽２７の境界のその他の部分を構成する第２ガラス２６２ｂと、を含む。図４Ｂにおいて、一例として第２ガラス２６２ｂが示されているが、液槽２７の境界のその他の部分は、第２ガラス２６２ｂに代えて樹脂又は金属によって構成されていてもよい。第１ガラス２６２ａと第２ガラス２６２ｂとは、ガスケット及びＯリング等を含むシール構造により被測定液が漏れないように取り付けられている。これに限定されず、第１ガラス２６２ａと第２ガラス２６２ｂとは、互いに溶着されてもよい。第１ガラス２６２ａは、図４Ｂに示すような側面視において、凸字状に形成されている。熱源部２８の膜２８１は、第１ガラス２６２ａの表面に成膜されている。例えば、膜２８１は、第１ガラス２６２ａの凸字の底面側に成膜されている。
膜２８１は、光源部２４から照射される照射光Ｌに対して光の透過性を有する。例えば、膜２８１の光の透過性は、膜２８１の膜厚が薄いほど大きくなる。例えば、膜２８１の膜厚が薄いほど、照射光Ｌの透過率は高くなる。逆に、膜２８１の膜厚が厚いほど、照射光Ｌの透過率は低くなる。
加えて、膜２８１は電気伝導性を有し、膜２８１に取り付けられている配線２８２から供給される電力によって発熱する。すなわち、膜２８１は、第１ガラス２６２ａに形成されているヒーターとして機能する。
例えば、第１ガラス２６２ａが低温の被測定液により冷却され、空気の温度が第１ガラス２６２ａ付近で低下することで、空気の飽和水蒸気量が低下する。このとき、第１ガラス２６２ａに対して何の処理も実行しないと、第１ガラス２６２ａにおいて結露が発生し、第１ガラス２６２ａの表面が曇る。したがって、制御部３１は、このような結露の発生を抑制するために、例えば常時、配線２８２を介して膜２８１に電力を供給するよう熱源部２８を制御する。
このとき、膜２８１における発熱量は、膜２８１の抵抗値に基づいて変化する。例えば、膜２８１における発熱量は、膜２８１における電圧が一定の場合、膜２８１の抵抗値が大きいほど小さくなる。すなわち、膜２８１における発熱量は、膜２８１における電圧が一定の場合、膜２８１の膜厚が薄いほど小さくなる。逆に、膜２８１における発熱量は、膜２８１における電圧が一定の場合、膜２８１の抵抗値が小さいほど大きくなる。すなわち、膜２８１における発熱量は、膜２８１における電圧が一定の場合、膜２８１の膜厚が厚いほど大きくなる。
膜２８１は、光の透過性及び電気伝導性に関する以上のような機能に起因して、所定の膜厚で成膜されている。本明細書において、「所定の膜厚」は、例えば、被測定液の状態を示すパラメータを測定するために必要とされる光の強度を維持可能な光の透過性を実現しつつ、かつ光学部品２６において結露の発生を抑制するために必要とされる発熱量を維持可能な電気伝導性を実現可能とする任意の膜厚を含む。すなわち、膜２８１の膜厚は、光の透過性と電気伝導性との間のバランスがとれる任意の最適値に決定される。
膜２８１が所定の膜厚で成膜されているとき、膜２８１を流れる電流が一定であれば、膜２８１における発熱量も一定になる。このとき、膜２８１における発熱量は、膜２８１を流れる電流の電流値に基づいて変化する。例えば、膜２８１における発熱量は、膜２８１を流れる電流の電流値が大きいほど大きくなる。逆に、膜２８１における発熱量は、膜２８１を流れる電流の電流値が小さいほど小さくなる。
したがって、制御部３１は、所定の電流値を有する電流が膜２８１を定常的に流れるように熱源部２８を制御する。本明細書において、「所定の電流値」は、例えば、膜２８１の発熱量が過度に大きくならず、かつ光学部品２６における結露の発生を十分に抑制可能な発熱量を維持できる任意の値を含む。
図３では、熱源部２８が形成されている光学部品２６は、光源部２４側及び受光部２５側に位置するガラス２６２を含むが、光学部品２６及び熱源部２８の構成及び機能に関する上記の説明は、光源部２４側又は受光部２５側に位置する他の光学部品２６に対しても同様に当てはまる。例えば、膜２８１は、図３のレンズ２６１の表面に成膜されていてもよい。例えば、膜２８１は、図３の光源部２４側及び受光部２５側のいずれか一方に位置するガラス２６２の表面にのみ成膜されていてもよい。すなわち、熱源部２８は、光源部２４及び受光部２５のいずれか一方側に配置されている光学部品２６のみに対して形成されていてもよい。
図４Ａ及び図４Ｂでは、被測定液が流れる液槽２７の境界に配置されている光学部品２６は、ガラス２６２であると説明したが、これに限定されない。例えば、被測定液が流れる液槽２７の境界であって、照射光Ｌの光路上に位置する部分に第１ガラス２６２ａに代えてレンズ２６１が配置されていてもよい。
図５Ａは、図３の光源部２４側に位置するレンズ２６１を拡大して模式的に示した図４Ａに対応する正面図である。図５Ｂは、図３の光源部２４側に位置するレンズ２６１を拡大して模式的に示した図４Ｂに対応する側面図である。図５Ａ及び５Ｂを参照しながら、レンズ２６１及び熱源部２８の構成及び機能について主に説明する。
図５Ｂに示すとおり、レンズ２６１は、被測定液が流れる液槽２７の境界に配置されていてもよい。図５Ｂにおいて、一例としてガラス２６２が示されているが、液槽２７の境界のその他の部分は、ガラス２６２に代えて樹脂又は金属によって構成されていてもよい。レンズ２６１とガラス２６２とは、ガスケット及びＯリング等を含むシール構造により被測定液が漏れないように取り付けられている。これに限定されず、レンズ２６１とガラス２６２とは、互いに溶着されてもよい。熱源部２８の膜２８１は、レンズ２６１の表面に成膜されている。例えば、膜２８１は、レンズ２６１の一対の光学面のうち、光源部２４側に露出している光学面に成膜されている。
図４Ａ及び図４Ｂを用いて説明した、光学部品２６及び熱源部２８の構成及び機能に関する上記の他の内容は、図５Ａ及び図５Ｂに示すレンズ２６１に対しても同様に当てはまる。したがって、上記の他の内容と同様の説明は、図５Ａ及び図５Ｂに関して省略する。
以上のような一実施形態に係る光学測定装置１によれば、被測定液の状態を示すパラメータの測定精度が向上する。光学測定装置１は、光学部品２６に形成されているヒーターとして機能し、光の透過性と電気伝導性とを有する熱源部２８を有することで、被測定液による光学部品２６の冷却を抑制可能である。これにより、光学測定装置１は、光学部品２６における結露の発生及び光学部品２６の表面の曇りを抑制可能である。したがって、照射光Ｌ、透過光Ｔ、及び散乱光Ｓを含む光が、結露及び曇りによって、被測定液の状態を示すパラメータとは無関係に減衰されることが抑制される。結果として、光学測定装置１は、被測定液の状態を示すパラメータを正確に測定可能である。
光学測定装置１では、ヒーターとして機能するように熱源部２８が光学部品２６に形成されていることで、従来技術のように乾燥剤及び除湿装置等を別途設置する必要がなく、単純な構造でメンテナンスコスト及び初期コストが低減する。光学測定装置１では、単純な構造に起因して、メンテナンス工数及び故障リスク等が低減する。例えば、光学測定装置１は、熱源部２８が光学部品２６に形成されているため、予期せぬ事態により故障したとしても、光学部品２６と共に熱源部２８を交換するだけで容易に故障から復帰することが可能である。
光学測定装置１では、例えば、熱線ヒーターを用いる従来技術と比較して、熱源部２８が直接的に光学部品２６を温めるので、光学部品２６上の温度ムラが抑制される。加えて、熱源部２８が光学部品２６を直接的に温めているので、熱源部２８の出力を極端に上げる必要がなく、十分に少ない消費電力で同様の発熱効果を得ることができる。したがって、光学測定装置１は、熱線ヒーターを用いる従来技術では得ることが困難であった発熱量であっても、極端に大きな電力を消費することなく熱源部２８を用いて達成可能である。すなわち、光学測定装置１は、ヒーターによる光学部品２６の発熱の効率を従来技術よりも高めて、被測定液による光学部品２６の冷却をより効果的に抑制可能である。結果として、光学測定装置１は、従来技術のように結露の発生が少ない温度範囲での動作に限定されることなく、その利便性を向上させることができる。
光学測定装置１は、熱源部２８がガラス２６２の表面に成膜されている膜２８１を含むことで、被測定液が流れる液槽２７の境界に配置され、被測定液による冷却効果を最も受けやすいガラス２６２に対して、結露の発生及び表面の曇りを抑制可能である。したがって、照射光Ｌが、被測定液に入射する直前で、被測定液の状態を示すパラメータとは無関係に減衰されることが抑制される。同様に、透過光Ｔ及び散乱光Ｓが、被測定液から出射した直後で、被測定液の状態を示すパラメータとは無関係に減衰されることが抑制される。
光学測定装置１は、ガラス２６２が凸字状に形成されていることで、ガラス２６２への汚れの付着を抑制可能である。例えば、図４Ｂに示すとおり、第１ガラス２６２ａが凸字状に形成され、第１ガラス２６２ａと第２ガラス２６２ｂとが液槽２７の内側で面一となっていることで、被測定液の滞留が抑制される。これにより、被測定液に含まれる汚れが留まりにくくなる。結果として、被測定液に含まれる汚れの第１ガラス２６２ａへの付着が抑制される。
光学測定装置１は、熱源部２８がレンズ２６１の表面に成膜されている膜２８１を含むことで、レンズ２６１に対しても、結露の発生及び表面の曇りを抑制可能である。例えば、レンズ２６１は、被測定液が流れる液槽２７から離間していたとしても、液槽２７からの距離が小さければ、被測定液による冷却効果を受ける可能性もある。以上により、照射光Ｌが、光源部２４側に配置されているレンズ２６１において、被測定液の状態を示すパラメータとは無関係に減衰されることが抑制される。同様に、受光部２５側にもレンズ２６１が配置されている場合、透過光Ｔ及び散乱光Ｓが当該レンズ２６１において、被測定液の状態を示すパラメータとは無関係に減衰されることが抑制される。
光学測定装置１は、被測定液が流れる液槽２７の境界にレンズ２６１が配置されている場合であっても、このようなレンズ２６１の表面に膜２８１が成膜されていることで、ガラス２６２に関する上記の効果と同様の効果を奏する。加えて、被測定液が流れる液槽２７の境界にレンズ２６１が配置されることで、光源部２４及び受光部２５内で付加的なレンズ２６１を配置する必要がなくなり、部品点数が低減する。
光学測定装置１は、膜２８１がＩＴＯ膜を含むことで、光の透過性と電気伝導性とを有するヒーターとして、光学測定系において新しくＩＴＯ膜を利用することができる。ＩＴＯ膜は、従来、例えばスマートフォンのディスプレイ、自動車のフロントガラス、及び鉄道車両の窓ガラス等において人の視認性を高める目的で使用されていた。しかしながら、一実施形態に係る光学測定装置１は、このような従来の目的とは異なり、光学測定系に配置され、光学的に高い設計精度が要求される光学部品２６にＩＴＯ膜を成膜して光学測定における測定精度を向上させることができる。
ＩＴＯ膜が成膜されている対象となる光学測定装置１の光学部品２６では、従来の成膜対象品と異なり、成膜の面積が非常に小さい。したがって、光学部品２６にＩＴＯ膜を成膜するときに、大きな成膜装置を用いる必要がない。一方で、所定の大きさの成膜装置を用いれば、１回の成膜工程で多数の光学部品２６にまとめてＩＴＯ膜を成膜することが可能である。したがって、光学部品２６に対するＩＴＯ膜の成膜工程を容易かつ効率的に行うことができる。
光学測定装置１は、光源部２４及び受光部２５の両側に配置されている光学部品２６のそれぞれに対して熱源部２８が形成されていることで、光学部品２６のそれぞれに対して、被測定液による冷却を抑制可能である。これにより、光学測定装置１は、光学部品２６のそれぞれにおける結露の発生及び表面の曇りを抑制可能である。したがって、照射光Ｌ、透過光Ｔ、及び散乱光Ｓを含む光が、結露及び曇りによって、被測定液の状態を示すパラメータとは無関係に減衰されることがより効果的に抑制される。結果として、光学測定装置１は、被測定液の状態を示すパラメータをより正確に測定可能である。
光学測定装置１は、被測定液の状態を示すパラメータが被測定液の濁度を含むことで、濁度計として被測定液の濁度を測定可能である。
光学測定装置１は、膜２８１が所定の膜厚で成膜されていることで、成膜による光の透過率の低下を必要最小限に抑えつつ、測定精度を維持するために必要となる光学部品２６における発熱量を十分に得ることができる。
本開示は、その精神又はその本質的な特徴から離れることなく、上述した実施形態以外の他の所定の形態で実現できることは当業者にとって明白である。したがって、先の記述は例示的であり、これに限定されない。開示の範囲は、先の記述によってではなく、付加した請求項によって定義される。あらゆる変更のうちその均等の範囲内にあるいくつかの変更は、その中に包含されるとする。
例えば、上述した各構成部の形状、配置、向き、及び個数等は、上記の説明及び図面における図示の内容に限定されない。各構成部の形状、配置、向き、及び個数等は、その機能を実現できるのであれば、任意に構成されてもよい。
上記では、光学測定装置１は、図３に示すような透過光・散乱光比較方式の濁度計であるとして説明したが、これに限定されない。図６は、一実施形態に係る光学測定装置１の第１変形例を示す図３に対応する模式図である。図６に示すように、光学測定装置１は、吸光度のみを用いて濁度を測定する透過光方式の濁度計であってもよい。このとき、熱源部２８は、例えば光源部２４側及び透過光検出部２５１側のそれぞれに位置する第１ガラス２６２ａに形成されていてもよい。その他の構成については、図３、図４Ａ、及び図４Ｂを用いて上述した説明と同様の内容が当てはまる。
図７は、一実施形態に係る光学測定装置１の第２変形例を示す図３に対応する模式図である。図７に示すように、光学測定装置１は、散乱光方式の濁度計であってもよい。被測定液は、紙面に直交する方向に沿って流れている。このとき、熱源部２８は、例えば光源部２４側に位置する第１ガラス２６２ａ及び散乱光検出部２５２側に位置する第１ガラス２６２ａの両方に形成されていてもよい。これにより、照射光Ｌ及び散乱光Ｓが、結露及び曇りによって、被測定液の状態を示すパラメータとは無関係に減衰されることが抑制される。これに代えて、熱源部２８は、例えば光源部２４側に位置するガラス２６２及び散乱光検出部２５２側に位置するガラス２６２のいずれか一方に形成されていてもよい。熱源部２８は、透過光Ｔが透過する第１ガラス２６２ａにも形成されていてもよい。なお、散乱光検出部２５２側に位置する光学部品２６は、ガラス２６２に代えてレンズ２６１であってもよい。その他の構成については、図３、図４Ａ、及び図４Ｂを用いて上述した説明と同様の内容が当てはまる。
図８は、一実施形態に係る光学測定装置１の第３変形例を示す図３に対応する模式図である。図８に示すように、光学測定装置１は、表面散乱光方式の濁度計であってもよい。このとき、例えば、図８の光源部２４側に位置するレンズ２６１及び散乱光検出部２５２側に位置するレンズ２６１は、動作環境における温度と被測定液の温度との間の関係性によっては、被測定液からの湯気によって曇る可能性がある。一実施形態に係る光学測定装置１は、このような場合であっても、光源部２４側に位置するレンズ２６１及び散乱光検出部２５２側に位置するレンズ２６１のそれぞれの表面に膜２８１が成膜されているので、レンズ２６１の表面の曇りを抑制して被測定液の状態を示すパラメータの測定精度を向上させることができる。
なお、第３変形例における熱源部２８は、第３変形例以外の実施形態に関する上記の説明と同様に、光源部２４側に位置するレンズ２６１及び散乱光検出部２５２側に位置するレンズ２６１のいずれか一方に形成されていてもよい。
上記実施形態では、光学部品２６の表面に膜２８１が成膜されていると説明したが、これに限定されない。熱源部２８は、光の透過性と電気伝導性とを有し、かつヒーターとして機能する任意の態様で光学部品２６に形成されていてもよい。例えば、熱源部２８の膜２８１に相当する構成が、光学部品２６の内部に埋め込まれた状態で一体的に形成されていてもよい。
上記実施形態では、光学部品２６は、レンズ２６１及びガラス２６２を含むと説明したが、これに限定されない。光学部品２６は、被測定液による冷却効果を受ける位置に配置されている任意の他の光学素子を含んでもよい。
上記実施形態では、ガラス２６２は、被測定液が流れる液槽２７の境界に配置されている透明ガラスを含むと説明したが、これに限定されない。ガラス２６２は、透明ガラスに代えて、任意の他のガラスを含んでもよい。ガラス２６２は、被測定液が流れる液槽２７の境界に配置されているものに限定されず、被測定液による冷却効果を受ける位置に配置されている任意の他のガラスを含んでもよい。
上記実施形態では、ガラス２６２は、凸字状に形成されていると説明したが、これに限定されない。ガラス２６２は、任意の形状で形成されていてもよく、例えば平板状に形成されていてもよい。例えば、液槽２７の境界が単一のガラス２６２によって構成されている場合、当該ガラス２６２の一部又は全体に膜２８１が成膜されていてもよい。
上記実施形態では、レンズ２６１は、光源部２４から照射された照射光Ｌを被測定液への入射前に平行光にする集光レンズを含むと説明したが、これに限定されない。レンズ２６１は、集光レンズに代えて、任意の屈折力を有する他のレンズを含んでもよい。レンズ２６１は、光源部２４側に配置されているものに限定されず、受光部２５側に配置され、透過光Ｔ及び散乱光Ｓの少なくとも一方に作用する任意の他のレンズを含んでもよい。
上記実施形態では、膜２８１はＩＴＯ膜を含むと説明したが、これに限定されない。膜２８１は、光の透過性と電気伝導性とを有し、光学部品２６においてヒーターとして機能するように形成可能な任意の膜を含んでもよい。
上記実施形態で説明したとおり、熱源部２８は、光源部２４及び受光部２５の両側に配置されている光学部品２６のそれぞれに対して形成されていてもよい。被測定液の状態を示すパラメータの測定精度が維持されるのであれば、一部の光学部品２６に対してのみ熱源部２８が形成されていてもよい。例えば、図４Ｂに示すような光源部２４側に配置されているガラス２６２に対してのみ、熱源部２８が形成されていてもよい。
上記実施形態では、制御部３１は、所定の電流値を有する電流が膜２８１を定常的に流れるように熱源部２８を制御すると説明したが、これに限定されない。例えば、光学測定装置１は、動作環境における温度及び湿度の少なくとも一方を測定するセンサ部をさらに有し、このようなセンサ部からの出力に基づいて、膜２８１に流す電流を制御してもよい。例えば、制御部３１は、動作環境における温度及び湿度に関する閾値を設定し、このような閾値との比較に基づいて、膜２８１に流す電流のオンオフ状態を制御してもよいし、電流の強度を制御してもよい。
上記実施形態では、処理装置３は、光学装置２と分離した別装置であると説明したが、これに限定されない。例えば、処理装置３は、小型化された状態で光学装置２に搭載されてもよい。すなわち、光学装置２と処理装置３とは、一体化されてもよい。
上記実施形態では、光学測定装置１が濁度計であると説明したが、これに限定されない。光学測定装置１は色度計であり、被測定液の状態を示すパラメータは被測定液の色度であってもよい。光学測定装置１は、被測定液の状態を示すパラメータが被測定液の色度を含むことで、色度計として被測定液の色度を測定可能である。
一般的に、ある濃度の被測定液を光が通過する場合、入射光量と透過光量との間には、t=Pt/P0=10-εClのような関係が成り立つ。ここで、ｔは透過率、Ｐ0は入射光量、Ｐtは透過光量、ｌは光軸方向の物質の距離、Ｃは物質濃度、εは吸光係数を示す。また、透過率ｔの対数を吸光度Ａと呼び、A=-logt=εClで表される。光軸方向の物質の距離ｌが一定であれば、吸光度Ａは物質の濃度Ｃ、すなわち色度に比例する。したがって、吸光度Ａを測定することで、被測定液の色度を求めることができる。
１ 光学測定装置
２ 光学装置
２１ 被測定液入口
２２ 被測定液出口
２３ 本体部
２４ 光源部
２５ 受光部
２５１ 透過光検出部
２５２ 散乱光検出部
２６ 光学部品
２６１ レンズ
２６２ ガラス
２６２ａ 第１ガラス
２６２ｂ 第２ガラス
２７ 液槽
２８ 熱源部
２８１ 膜
２８２ 配線
３ 処理装置
３１ 制御部
３２ 記憶部
３３ 入力部
３４ 出力部
３５ 通信部
Ｌ 照射光
ＭＬ 被測定光
Ｓ 散乱光
Ｔ 透過光

Claims (9)

  1. 被測定液の状態を示すパラメータを測定する光学測定装置であって、
    前記被測定液に対して照射光を照射する光源部と、
    前記被測定液に対して照射された前記照射光に基づく被測定光を検出する受光部と、
    前記光源部と前記受光部との間の光路上に配置されている光学部品と、
    前記光学部品に形成されているヒーターとして機能し、光の透過性と電気伝導性とを有する熱源部と、
    を備える、
    光学測定装置。
  2. 前記光学部品は、前記被測定液が流れる液槽の境界に配置されているガラスを含み、
    前記熱源部は、前記ガラスの表面に成膜されている膜を含む、
    請求項１に記載の光学測定装置。
  3. 前記ガラスは、凸字状に形成されている、
    請求項２に記載の光学測定装置。
  4. 前記光学部品は、レンズを含み、
    前記熱源部は、前記レンズの表面に成膜されている膜を含む、
    請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光学測定装置。
  5. 前記レンズは、前記被測定液が流れる液槽の境界に配置されている、
    請求項４に記載の光学測定装置。
  6. 前記膜は、ＩＴＯ膜を含む、
    請求項２乃至５のいずれか１項に記載の光学測定装置。
  7. 前記光学部品は、前記光源部及び前記受光部の両側に配置され、
    前記熱源部は、前記光源部及び前記受光部の両側に配置されている前記光学部品のそれぞれに対して形成されている、
    請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光学測定装置。
  8. 前記パラメータは、前記被測定液の濁度を含む、
    請求項１乃至７のいずれか１項に記載の光学測定装置。
  9. 前記パラメータは、前記被測定液の色度を含む、
    請求項１乃至８のいずれか１項に記載の光学測定装置。
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