JP3881960B2 - 携帯自動屈折計 - Google Patents

Description

本発明は、主に、物質の屈折率を測定する屈折計に関し、特に、手動操作が容易でコンパクトな設計の自動屈折計に関する。

屈折計では、高い屈折率を有するプリズムとサンプルとの間の境界面で、非平行化された光ビームを斜めに入射させ、その境界面と相互作用を行った後の光ビームの一部を観察することによって、全反射の臨界角の測定を行う。透過型屈折計の場合には、サンプルおよびプリズムを透過した光が観察され、反射型屈折計の場合には、それらの境界面で全反射した光が観察される。 いずれの場合も、検知視界に明るい領域が生じ、該明るい領域と隣接する暗い領域との間の境界線、すなわちシャドー・ラインの位置によって、サンプルの屈折率を幾何学的に推定することが可能となっている。

業界で使用されているシンプルな携帯屈折計では、視界の中にレチクルの目盛り（レチクルスケール）が置かれており、オペレーターは、接眼レンズを通してこのレチクルに対するシャドー・ラインの位置を確認し、レチクルの目盛りを読み取ることでサンプル中の固体の濃度をパーセンテージで知ることができる。 テスト・サンプルへの照明は、周囲の光から得ることができるが、米国特許第４，６５０，３２３号に示しているように、専用の光源をサンプル近傍に設けても良い。携帯屈折計は、現場における定期的な測定を可能とし、物質の品質確認の手段として有用である。液体物質の屈折率は、その物質内の成分濃度と関係があるので、携帯屈折計は、清涼飲料業界における砂糖濃度の確認や、工作機械業界における切削油剤中の潤滑性の濃度のチェックに広く利用されている。更に別の例として、米国特許第６，０３４，７６２号には、ブレーキオイルといった、作動液中の水分量を測定するために用いられる携帯屈折計が記述されている。携帯屈折計の測定結果は、シャドー・ラインの位置に対応するレチクルの目盛りを、オペレーターが判断するので、正確さ（正しい値にどの程度近いか）と併行精度（正確さそのものではなく、その再現性）は限られており、読み取りには人的な誤差が含まれてしまう。

より高い正確さと併行精度に対する要求から、レチクルの目盛りに対するシャドー・ラインの位置を、目視で決定するような当て推量には依存しない、自動屈折計の開発が求められている。 米国特許第４，６４０，６１６号（ＭＩＣＨＡＬＩＫ）および６，１７２，７４６号（Ｂｙｒｎｅ等）には、光検出素子あるいは「セル」のリニア・スキャン・アレイ（ＬＳＡ）が、サンプル／プリズム境界で相互作用した後の光を検知する自動屈折計が示されている。商用化された実装例では、リニア・スキャン・アレイは、直線上に配置された電荷結合素子（ＣＣＤ）セルを含み、このＣＣＤは電気的にスキャンされ、夫々のセルに入射した光の照射量に応じた大きさのパルス信号列を出力する。リニア・スキャン・アレイによって受け取られた光は、アレイを、照らされた領域とそれに隣接した暗い領域に分割して、アレイ上にシャドー・ラインを形成する。シャドー・ラインとリニア・スキャン・アレイとの交差位置に存在する特定のセル、あるいはシャドー・ラインで分断されるセルは、プリズムに接するサンプル物質の屈折率によって決定される。 光電セルからの出力をデジタル処理し、シャドー・ラインとリニア・スキャン・アレイとが交差するセル位置を求め、その位置から必要な屈折率や濃度を算出する。従来技術の自動屈折計は、それらに対応する携帯型より大きく、又より重い。そして、検知アレイの良好な信号対雑音比を得る為に、最初に検知アレイに達するのに十分な光量を有する光学手段を備えている。これらの装置では、光学要素の配置をコンパクトにするという点は、設計を制限する要件とはなっていない。

したがって、本発明の目的は、手持ちでの使用に適した小型軽量の自動屈折計を提供することである。

本発明の別の目的は、高度に正確で精密な測定を可能とする携帯自動屈折計を提供することである。

本発明の更に別の目的は、光源からの照明を最大限に利用することにより、光源のパワー消費を増やさずに、屈折計の光検出アレイで良好な信号対雑音比を得ることのできる携帯自動屈折計を提供することである。

本発明の更に別の目的は、屈折計の光検出アレイにおける、測定に影響するような偏差のない分布の照明を持った物理的にコンパクトな光学システムを備えた携帯自動屈折計を提供することである。

上記および他の目的を達成するために、本発明の携帯自動屈折計は、一般に複数の光電セルを有するリニア・スキャン・アレイと、このアレイに光を照射するための光学手段を備え、この光学手段に対して所定位置に置かれたサンプル物質の屈折率によって、光が照射されている前記アレイの特定の光電セルが決定し、光学手段は、前記アレイで反射された光を受け、この反射された光を再度アレイへ向かわせる。より詳細に述べれば、光学手段は、臨界角境界を画定するサンプル受け表面を持つプリズムと、サンプル／プリズム境界に傾めに非平行光を入射させる光源と、リニア・スキャン・アレイに近接し、それに対して鋭角で配置された反射面とを備えている。反射面は、２つの機能を実現するために配置されている。 第１の機能では、反射面は、サンプル／プリズム境界で内部反射された光を受け取り、その光をリニア・スキャン・アレイに向わせる。第２の機能では、反射面は、リニア・スキャン・アレイによって反射された少量の光を受け、再度アレイに向わせる。 好適な実施形態では、反射面は、その一部分では最初の光線を全く受けない程、十分に長く、アレイによって反射された２次の光は受けて再度アレイに返す。 また、好適な実施形態によれば、リニア・スキャン・アレイは、サンプル受け表面に対して平行または実質的に平行に配置され、サンプル表面は上向き、アレイは下向きとなり、ロー・プロファイル設計となっている。

この屈折計は、更に、信号処理回路とディスプレイを備え、リニア・スキャン・アレイからの出力を変換して、意味のある測定結果として表示する。

本発明の動作モードや特徴は、次の添付図面を参照して、後の発明の詳細な説明で、余すところなく説明される。

発明の詳細な記述
まず、図１を参照すれば、本発明の好適な実施形態による携帯自動的屈折計は、参照番号１０によって示されている。屈折計１０は、一般に、ハウジング１２と、ハウジング１２の前方部分に置かれた円錐台形のサンプルウエル１４と、較正制御ボタン１５と、読み取り制御ボタン１６、モード制御ボタン１７およびＬＣＤ表示パネル１８とからなっている。

更に、図２の断面図を参照する。ハウジング１２は、リニア・スキャン・アレイ２２がマウントされている主回路ボード２０と、リニア・スキャン・アレイ２２上に光を投影する後述の光学手段２４と、パワー源としてのバッテリー２６とからなっている。 ハウジング１２は、組み立ての目的で、上の部分１２Ａと底の部分１２Ｂとを有し、オペレーターの手に容易に収まるように、コンパクトなサイズに製造されている。

この好適な実施形態では、光学手段２４は、図３で示されるように、テストされるサンプル２８を受ける外部サンプル表面３０Ａを持った高屈折率プリズム３０を有する。また、図４（Ａ）および図４（Ｂ）を参照すれば、発光ダイオード３２と、この発光ダイオード３２の直ぐ下流に位置するディフューザ３４と、拡散光の通るピンホール孔３６が設けられたオクルダー３５と、更に、プリズム３０の光入射面３０Ｂに接合され、サンプル表面３０Ａの手前に焦点Ｆ_１を持つ第１のレンズ３８とを介して、非平行の光が、サンプル２８とプリズム３０との間の境界面に斜めに入射される。 焦点Ｆ_１から広がる光は、内側の全反射臨界角より大きな入射角を持った光線と、この臨界角より大きくない入射角を持った光線とを含んでおり、前者は、サンプル／プリズム境界で内部反射してリニア・スキャン・アレイ２２への進み、後者はサンプル２８で屈折してシステムから外へ出て行く。内側で反射した光は、プリズム３０の出口側の面３０Ｃおよびこの出口側の面へ接合された第２のレンズ４０を順次通過する。その後、光は、鏡４２の反射面４２Ａに当たって、リニア・スキャン・アレイ２２の方へ進行方向が変えられる。サンプル２８の屈折率が、プリズム／サンプル境界で内部の全反射の臨界角、すなわち、リニア・スキャン・アレイ２２上の明暗領域間のシャドー・ラインの位置を決定する変数となっていることは、当業者にとっては周知のことである。

これに限定されるわけではないが、図３に示されているように、１つの例では、プリズム３０は、屈折率ｎ_ｅ＝１．６０９９４のショット社のＳＫ２光学ガラスから製造され、そのサンプル表面３０Ａの長さは１８ｍｍ、サンプル表面３０Ａと光入射面３０Ｂとの角度は７０°、サンプル表面３０Ａと出口面３０Ｃとの角度も７０°である。また、この例では、ディフューザ３４は、直径５．５ｍｍ、厚さ１．５ｍｍ、ＮＯ．２５Ｔのサイズの研磨剤で処理した面を持つウィンドウ・グラスからなり、第１のレンズ３８は、凸面の曲率半径が２．３ｍｍ、全体の厚さが２ｍｍ、直径が３．８ｍｍであるショット社のＳＫ２光学ガラスの平凸レンズからなり、第２のレンズ４０は、凸面の曲率半径が１２ｍｍ、全体の厚さが２．５ｍｍ、直径が９ｍｍであるショット社のＳＫ２光学ガラスの平凸レンズからなり、また、鏡４２は、アニールされ、反射面４２Ａが研磨された長さ４４ｍｍのパイレックス（登録商標）である。 同様に、これに限定されるわけではないが、リニア・スキャン・アレイ２２を構成するリニア・イメージ・センサーは、好ましくは、３６４８個の光電セルを有する長さ約２９ｍｍの東芝製ＣＣＤであるＴＣＤ１３０４ＡＰである。 この例では、各間隔は、Ｓ_１＝３．３５ｍｍ、Ｓ_２＝９．２４ｍｍ、Ｓ_３＝２４．３６ｍｍおよびＳ_４＝１４．５４ｍｍとなっている。ここに記述した例において、プリズム３０のサンプル表面３０Ａとリニア・スキャン・アレイ２２のセルが略平行な面に配置され、鏡４２の反射面４２Ａとリニア・スキャン・アレイ２２の面とのなす角度が鋭角Ａ１である。このように、リニア・スキャン・アレイ２２を位置決めすることは、本発明の光学システムの高さ及び全長を小さくし、コンパクトな携帯屈折計を実現するために、望ましいものである。ここに記述した例において、角度Ａ１は１５°である。

平凸レンズ３８の平らな表面とプリズム３０の平らな光入射面３０Ｂとは、表面同士が接した状態で、光学接合剤によって固定され、同様に、平凸レンズ４０の平らな表面とプリズム３０の平らな出口面３０Ｃとは、表面同士が接した状態で、光学接合剤によって固定されていることに注意されたい。このような方法で、光学システムの中で、レンズ３８および４０を支持しレンズの位置を調整するような分離載置構造を取ることは避けられ、また、プリズム本体における温度変化は、これら接合レンズにおける温度変化ともなっている。

図４（Ａ）、図４（Ｂ）および図５から理解されるように、反射面４２Ａとリニア・スキャン・アレイ２２の面との角度を小さすると共に、両者を接近して配置することによって、アレイ上の照明分布を好ましいものとしている。特に、図４（Ａ）と図４（Ｂ）で放射状の破線によって示されているように、リニア・スキャン・アレイ２２に入射した光線の少量は、アレイで反射され、反射面４２Ａの方向に戻る。そして、この２次の光は、反射面４２Ａで反射され、リニア・スキャン・アレイ２２に戻るか、またはシステムから外へ出て行く。本発明の開発中に、図４（Ａ）で示されているように、比較的短い反射面４２Ａを持った鏡４２を使用したが、リニア・スキャン・アレイ２２の一部で、鏡が短い為に２次の光を受け取れず、照明強度の損失を招いた。図５の強度分布グラフでは、カーブＡが短い方の反射面が使用される場合を示しており、そこには強度が急激に落ちる箇所があることから、この問題が理解できる。この問題に対して、２次の光による信号対雑音比の改善の効果を利用するために、図４（Ｂ）で示されている反射面部４２Ａ’に表されているように反射面４２Ａを延長し、図４（Ａ）でシステムから外れていた光線を、再度リニア・スキャン・アレイ２２へ向かわせた。図５のカーブＢから分かるように、長い方の鏡では、強度分布曲線での強度低下の問題が解消している。反射面４２Ａの拡張部分４２Ａ’は、もっぱらアレイ２２の表面から反射された２次の光が当たって反射するためのものであり、レンズ４０から光を直接受け取るものではない。

自動屈折計の分野において良く知られているように、リニア・スキャン・アレイ２２のセルからのパルス信号は二値化され、そのデータはアレイの明るい領域と暗い領域の間のシャドー・ラインの位置を決定するアルゴリズムによって処理される。その後、リニア・スキャン・アレイ２２上のシャドー・ラインを横切る位置のセル番号は、幾何学的にサンプル物質２８の屈折率を計算するために使用される。たとえば、米国特許第４，６４０，６１６号、米国特許第５，６１７，２０１号、米国特許第６，１７２，７４６号、または、同じ所有者が２００１年２月２７日に出願した米国特許出願第０９／７９４，９９１号に記載されているような、様々なアルゴリズムを利用でき、この参照によって、これらの内容を本件出願の一部とする。

その性質上、強度分布曲線は、アレイの明暗境界を示す急激な変化を含むので、カーブＡに見られるような無関係な落ち込みを除去すれば、アルゴリズムを乱す可能性の有るデータの混入を防止することができる。これにより、２次の光の欠落に起因する落ち込みを、内部のプリズム／サンプル境界における全反射の臨界角を示す明暗境界の変わり目から区別する必要がなくなり、より単純なアルゴリズムの使用が可能となる。

この好適な実施形態では、内部に光源を持つ反射型屈折計に関して記述したが、本発明は、透過型屈折計や、周囲の光といった外部光源を利用するタイプの屈折計にも適用することができる。

図１は、本発明の好適な実施形態による携帯自動的屈折計の斜視図である。 図２は、図１の携帯自動的屈折計の断面図である。 図３は、この携帯自動的屈折計の光学システムを示す概略図である。 図４（Ａ）は、図３に対応して、参考サンプルとして空気を用い、この光学システムの検出アレイへ光を照射する短い鏡を用いた場合の、光の経路を示す光学概略図である。図４（Ｂ）は、図４（Ａ）に対応して、この光学システムの検出アレイへ光を照射する為に長い鏡を用いた場合の、光の経路を示す光学概略図である。 図５は、セルの番号の関数として、屈折計のリニア・スキャン・アレイをスキャンした時の光の強度を、リニア・スキャン・アレイからの２次の光を利用した場合と利用しなかった場合とを比較して示した図である。

Claims (16)

1. 夫々、対応する入射光の量に応じた大きさのパルスを出力する光電セルを、複数個備えたリニア・スキャン・アレイと、
   前記アレイへ光を照射し、所定位置に置かれたサンプル物質の屈折率によって、光が照射されている前記アレイの特定の光電セルが決定し、更に、前記アレイで反射された光を受け、この反射された光を再度前記アレイへ向かわせる光学手段と、
   前記リニア・スキャン・アレイに接続され、セルの出力パルスを受信し処理して、前記光学手段の所定位置に置かれたサンプル物質の屈折率を計算する信号処理手段と、
   前記信号処理手段に接続され、前記サンプル物質の屈折率に基づく結果を表示するディスプレイとからなる屈折計。
2. 前記光学手段は、前記アレイ近傍の反射面を有し、この反射面は、前記アレイによって反射された光のみを受ける端部を備えた請求項１に記載の屈折計。
3. 前記反射面は、前記アレイに対して約１５度の角度に配置されている請求項１に記載の屈折計。
4. 前記光学手段は、前記サンプル物質を載せる為のサンプル表面を持ったプリズムを含み、前記アレイは、前記サンプル表面と実質的に平行配置されている請求項１に記載の屈折計。
5. 光電セルのアレイと、このアレイへ光を照射する光学手段を備えた屈折計において、前記光学手段に対して所定位置に置かれたサンプル物質の屈折率によって、光が照射されている前記アレイの特定のセルが決定し、
   前記光学手段は、前記アレイで反射された光を受け、この反射された光を再度前記アレイへ向かわせるように、前記アレイに対して配置され、構成されていることを特徴とする屈折計。
6. 前記光学手段は、前記アレイ近傍の反射面を有し、この反射面は、前記アレイによって反射された光のみを受ける端部を備えたことを特徴とする請求項５に記載の屈折計。
7. 前記反射面は、前記アレイに対して約１５度の角度に配置されていることを特徴とする請求項５に記載の屈折計。
8. 前記光学手段は、前記サンプル物質を載せる為のサンプル表面を持ったプリズムを含み、前記アレイは、前記サンプル表面と実質的に平行配置されていることを特徴とする請求項５に記載の屈折計。
9. 前記サンプル物質は、前記光学手段のサンプル表面に対して所定の位置に置かれ、
   前記リニア・スキャン・アレイは、前記サンプル表面と実質的に平行配置されていることを特徴とする請求項１に記載の屈折計。
10. 夫々、対応する入射光の量に応じた大きさのパルスを出力する光電セルを、複数個備えたリニア・スキャン・アレイと、
    サンプル表面を持ったプリズムであって、このサンプル表面は、前記プリズムよりも小さな屈折率を持つサンプル物質を載せる為のものである前記プリズムと、
    非平行の光を、前記サンプル表面と前記サンプル物質との間の境界面に斜めに入射させる手段と、
    反射面であって、前記境界面から前記反射面を経て前記リニア・スキャン・アレイへ向かう主照射パスと、前記リニア・スキャン・アレイから前記反射面を経て再度前記リニア・スキャン・アレイへ向かう２次照射パスと、を画定する前記反射面と、
    前記リニア・スキャン・アレイに接続され、前記出力パルスを受信し処理して、前記サンプル物質の屈折率を計算する信号処理手段と、
    前記信号処理手段に接続され、前記サンプル物質の屈折率に基づく結果を表示するディスプレイとからなる屈折計。
11. 前記リニア・スキャン・アレイは、前記サンプル表面と実質的に平行配置されている請求項１０に記載の屈折計。
12. サンプルウエルを有するハウジングを具え、
    前記プリズムは、前記ハウジングに載置されたプリズムであって、前記サンプル表面は前記プリズムよりも小さな屈折率を持つサンプル物質を載せる為に、前記サンプルウエルを介して利用できる上向きに配置され、
    前記反射面は、前記ハウジング内に設けられ、前記境界面で相互作用した後の光を受ける反射面であり、
    前記リニア・スキャン・アレイは、前記ハウジング内に設けられ、前記反射面で反射した光を受け、夫々、対応する入射光に応じた大きさのパルスを出力する下向きの光電セルを複数備えたものであることを特徴とする請求項１０に記載の屈折計。
13. 前記プリズムは、テスト・サンプルを受けて臨界角境界を形成するサンプル表面を含んだプリズムであり、前記臨界角境界は、前記テスト・サンプル、光入射面および光出射面の間に位置し、光は前記光入射面を通過して前記臨界角境界に達すると共に、前記臨界角境界での相互作用の後、前記光出射面を通過し、
    前記光入射面に直接接合し、照明光を屈折させて、前記臨界角境界に斜めに入射させる非平行の光を生成するレンズを備えたことを特徴とする請求項１０に記載の屈折計。
14. 前記レンズは、光学接合剤によって、前記プリズムの前記光入射面へ接合された平面の表面を含んでいることを特徴とする請求項１３に記載の屈折計。
15. 前記出射面を通過する光を屈折させるために前記光出射面に直接接合された第２のレンズを更に備えたことを特徴とする請求項１３に記載の屈折計。
16. 前記第２のレンズは、光学接合剤によって、前記プリズムの前記光出射面へ接合された平面の表面を含んでいることを特徴とする請求項１５に記載の屈折計。

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