JP4024656B2

JP4024656B2 - 屈折計

Info

Publication number: JP4024656B2
Application number: JP2002335736A
Authority: JP
Inventors: 吉則中島; 秀行雨宮
Original assignee: Atago Co Ltd
Current assignee: Atago Co Ltd
Priority date: 2002-11-19
Filing date: 2002-11-19
Publication date: 2007-12-19
Anticipated expiration: 2022-11-19
Also published as: JP2004170218A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、屈折計に関し、特に、溶液中の糖度や可溶性固形分の濃度等の測定に用いられる屈折計に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
液中の糖度や可溶性固形分の濃度等の測定に用いられる屈折計として、試料との界面に光源からの光を照射し、前記界面で反射した光を光電センサにより検出し、前記光電センサの出力信号より前記試料の屈折率を測定する屈折計が知られている（例えば、実用新案文献１（実公平３−２６４４３））。この屈折計の測定原理は、界面での幾何光学上の全反射の臨界角が試料の密度に依存することに由来する。
【０００３】
このような屈折計では、アッベの屈折計として、一般的には、試料と接して界面をなす面と、その面の両側に位置する入射面、出射面の少なくとも３面を有するプリズムと、ＬＥＤ等による点光源或いは微小な面光源を使用する。そして、光源より光を、コンデンサレンズによって集光してプリズムの入射面に入射し、プリズムの出射面より出射する光（反射光）を光電センサ（例えば、イメージセンサ（ラインセンサ））よる光電センサによって検出する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
一般に、上記屈折計において、光源からの光の強度分布は、屈折率測定面内で伝播方向によらず、均一であると仮定されている。
【０００５】
しかし、実際には、ＬＥＤ等の点光源（微小な面光源）からの光であっても、その強度分布は、光源の光軸中心位置で最も大きく、周辺に向かうほど小さくなり、多くの場合、例えばガウス形分布をなす。
【０００６】
この光強度分布は、光電センサによる反射光の検出に影響を与え、屈折率の測定精度の低下或いは誤測定を発生させる。
【０００７】
この発明の目的は、光源からの光の強度分布を均一化し、高精度に屈折率を計測することができる屈折計を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するために、この発明による屈折計は、光源と試料との間に、屈折率測定平面内における、前記光源からの光の強度分布を均一化する光強度均一化素子を有する。
【０００９】
前記光強度均一化素子は、前記プリズムの入射面と光源との間に設けるのが好ましい。
【００１０】
また前記光強度均一化素子は、スリット状開口（光透過部）を有する遮光要素を有し、前記開口は、スリット長手方向の中央位置でスリット幅が最も小さく、当該中央位置より遠ざかるに従ってスリット幅が大きい形状を有するのが好ましい。
【００１１】
この特徴を有する屈折計によれば、光源より試料との界面に照射される光量が、遮光要素の光透過部のスリット幅形状によって調整され、この光量調整によって光源の光強度分布を補償され、試料との界面に照射される光（光ビーム）の強度が一様になる。
【００１２】
好ましくは、遮光要素の開口のスリット幅形状は、光源固有の光強度分布に応じて最適形状に設定され、ＬＥＤ等による点光源（微小な面光源）の場合には、開口のスリット幅形状は、スリット幅方向の両側縁を相対向する円弧、好ましくは、同一半径の円弧で与えられ、中央位置より遠ざかるに従ってスリット幅が漸次大きい形状であればよい。
【００１３】
また、好ましくは、前記光源の発光面と前記遮光要素との間に、光源光の拡散を行う光拡散板が配置されている。
【００１４】
この発明による屈折計は、好ましくは、プリズムが設けられ、当該プリズムは前記試料と接して界面をなす面と、その面の両側に位置する入射面、出射面の少なくとも３面とを有し、前記光源からの光を、前記遮光要素を透して前記入射面に入射し、前記出射面より出射する光を前記光電センサによって検出する。
【００１５】
また、好ましくは、遮光要素と前記プリズムの入射面との間に、光源光の集光を行うコンデンサレンズが配置されている。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１はこの発明による屈折計の一つの実施形態を示している。
【００１７】
屈折計は、計器筐体の上面板１１に試料滴下窓部１２を開口形成されている。上面板１１の下底面にはプリズム１３が液密に接合されている。プリズム１３は、上下反転の台形状断面を有するブロック状のものであり、上面にて試料滴下窓部１２を液密シールドする。プリズム１３の上面は、試料滴下窓部１２に滴下された試料Ｓと直接に接するプリズム界面（プリズム１３と試料Ｓとの媒質境界面）１４をなす。
【００１８】
プリズム１３は、プリズム界面１４と、プリズム界面１４の図にて左右両側に位置する入射面１５と、出射面１６と、の少なくとも３面を有している。
【００１９】
プリズム１３の入射面１５の側には、光源１７、コンデンサレンズ１８が配置されている。プリズム１３の出射面１６の側には、対物レンズ１９、イメージセンサ２０が配置されている。
【００２０】
光源１７は透明樹脂モールドのＬＥＤによって構成されている。光源１７は、透明樹脂モールドを平らに研磨した発光面１７Ａを有することが出来る。この場合、発光面１７Ａはプリズム１３の入射面１５と平行である。
【００２１】
光源１７の発光面１７Ａとコンデンサレンズ１８との間には、ディフューザ３２と遮光部材２１とがこの順で配置されている。
【００２２】
ディフューザ（光拡散板）３２は、光源１７からの光強度を均一化する。
【００２３】
遮光部材２１は、光を透過しない材料により構成され、発光面１７Ａと平行な前面部２１Ａに、上下方向（ａ方向）に長いスリット状の開口（細長開口）等の如き光透過部２２を有する。なお、光軸をｃとし、屈折率測定が行われる方向ａ´（リニアセンサ２０の延伸方向）と共役な方向をａとする。また軸ａとｃとが属する面を屈折率測定面（図１の紙面に平行な平面）と称する。
【００２４】
前記開口２２は、図２に示すように、スリット長手方向ａの中央位置でスリット幅ｔ（軸ａ、ｃと直交する軸ｂの方向における長さ）が最も小さく、中央位置より遠ざかるに従ってスリット幅が大きくなる形状をなしている。
【００２５】
より詳細には、開口２２のスリット幅形状は、入射面１５への入射光の強度分布がａ方向において均一となるように、光源固有の光強度分布に応じて最適形状に設定される。例えば、ＬＥＤ等による点光源或いは微小な面光源の場合には、開口２２のスリット幅形状は、スリット幅方向（ｂ方向）の両側縁２２ａ、２２ｂが、相対向する同一半径Ｒ１、Ｒ２の円弧で与えられる。従って、ａ方向において中央位置から上下に遠ざかるに従って、スリット幅は漸次大きな値を有する。また、開口２２の両側縁２２ａ、２２ｂの半径Ｒ１、Ｒ２は、Ｒ１＝Ｒ２で、スリット最小幅ｔ０との比率Ｒａ／ｔ０は、２０程度であるのが好ましい。
【００２６】
なお、前記両端縁２２ａ、２２ｂは、円弧に限られず楕円形、双曲線、放物線等の一部からなる曲線であっても良い。
【００２７】
コンデンサレンズ１８は遮光部材２１とプリズム１３の入射面１５との間に配置されている。コンデンサレンズ１８は、遮光部材２１の開口２２を透過した光の集光を行う。
【００２８】
対物レンズ１９はプリズム１３の出射面１６とイメージセンサ２０との間に配置されている。対物レンズ１９はプリズム界面１４で反射してイメージセンサ２０に入射する反射光像を、イメージセンサ２０上へ集光する。
【００２９】
イメージセンサ２０は、遮光部材２１の開口２２のスリット長手方向ａと共役な方向ａ´に長いＣＣＤ等による複数ビットのラインセンサである。
【００３０】
イメージセンサ２０は、プリズム１３のプリズム界面１４で反射した反射光（反射光像）を入射し、各ビット毎に光／電気変換を行い、各ビット毎に、入射光量と相関する（或いは入射光量に応じた）電気信号を出力する。
【００３１】
以下、図１，３，４を参照して、この屈折計の作用を説明する。
【００３２】
光源１７の発光面１７Ａより出射された光は、拡散板３２で拡散され、遮光部材２１の開口２２で前記ａ方向において均一化される。
【００３３】
前記均一化された光は、コンデンサレンズ１８によって集光されて、プリズム入射面１５からプリズム界面１４へ、（前記屈折率測定平面とプリズム界面１４との交線に沿って伸びる）スリット状の光束として入射する。プリズム界面１４に入射する光束の入射角は、開口２２のスリット透過位置に応じて連続的に変化する。
【００３４】
光源１７よりプリズム界面１４に照射される光量は、遮光部材２１の開口２２のスリット幅形状によって均一化される。これにより、プリズム界面１４に入射するスリット状の光束の光強度は入射角に依らず一定となる。
【００３５】
図３に示すように、光源１７よりの入射光線Ｒｉは、プリズム界面１４において、入射角φに応じてプリズム１３と試料Ｓの屈折率により決まる全反射の臨界角φｃを境に、試料Ｓ中へ透過する透過光線Ｒｒの強度は零となり、プリズム１３の出射面１６の側に全反射する反射光線Ｒｍの強度は、入射光線Ｒｉの強度と等しくなる。ここに、既に述べたように、入射光線Ｒｉの強度は入射角に依らず一定とされているので、反射光線Ｒｍの強度も、反射角に依らず一定となる。
【００３６】
イメージセンサ２０は、プリズム界面１４よりの反射光を受光し、受光光量（反射光量）に応じた電気信号を各ビット毎に出力する。
【００３７】
図４は、試料Ｓの屈折率の違いに対応してイメージセンサ２０のビット数で表される全反射点が、ａ点、ｂ点、ｃ点と変化することを示している。ここにａ、ｂ、ｃの全反射点を有する試料の屈折率をｎａ、ｎｂ、ｎｃとすると、ｎａ＜ｎｂ＜ｎｃである。なお、ｄ点では、入力角が臨界角以下で、入射光が試料Ｓ中へ透過し、光がイメージセンサ２０に到達する強度は小さい。
【００３８】
これにより、イメージセンサ２０の各ビット毎の出力信号のディジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）等によるディジタル信号処理により、図４に示されているようなａ点、ｂ点やｃ点が決定され、これにより試料Ｓの屈折率が算出される。
【００３９】
ここに、光源１７よりプリズム界面１４に照射される光量は、遮光部材２１の開口２２のスリット幅形状によって屈折率測定平面内のａ方向において均一化され、プリズム界面１４に入射する入射光の光強度も界面１４に沿って一定とされる。従って、上述のようなイメージセンサ２０の出力信号のディジタル信号処理は、光源１７の光強度分布による不均一成分を含まない信号で行われる。
【００４０】
これにより、図４に例示されているように、光源１７の光強度分布による不均一性を除去した出力特性が得られ、試料の屈折率計測を高精度に行うことができる。
【００４１】
要するにこの実施形態の屈折計は、以下の特徴を有する。
【００４２】
１．試料とプリズム１３との界面１４に光源１７からの光を照射し、前記界面１４で反射した光を光電センサ２０により検出し、前記光電センサの出力信号より前記試料の屈折率を測定する屈折計において、
前記光源と試料との間に、屈折率測定平面内における、前記光源１７からの光の強度分布を均一化する光強度均一化素子２１，２２を有する。
【００４３】
２．前記光強度均一化素子２１，２２は、前記プリズム１３の入射面１５と光源１７との間に設けた、スリット状開口２２を有する遮光要素２１を有し、前記開口は、スリット長手方向ａの中央位置でスリット幅が最も小さく、当該中央位置より遠ざかるに従ってスリット幅が大きい形状を有する。
【００４４】
３．前記開口２２は、スリット幅方向の両側縁を相対向する円弧Ｒ１，Ｒ２で与えられ、中央位置より遠ざかるに従ってスリット幅が漸次大きい。
【００４５】
４．前記光源の発光面１７Ａと前記光強度均一化素子２１，２２との間に、光拡散板３２が配置されている。
【００４６】
５．前記開口２２のスリット幅方向の両側縁は相対向する同一半径の円弧で与えられ、スリット幅との比は２０程度である。
【００４７】
６．プリズム１３が設けられ、当該プリズム１３は前記試料と接して界面１４をなす面と、その面の両側に位置する入射面１３、出射面１６の少なくとも３面を有し、前記光源１７よりの光を、前記光強度均一化素子２１，２２を透して前記入射面１５に入射し、前記出射面１５より出射する光を前記光電センサ２０によって検出する。
【００４８】
７．前記光強度均一化素子２１，２２と前記プリズムの入射面１５との間にコンデンサレンズ１８が配置されている。
【００４９】
この発明は、上記実施形態に限定されるものでなく、種々の他の形態で実施することができる。
【００５０】
例えば、前記光源からの光の強度分布を均一化する光強度均一化素子は、上記実施形態では、上下方向（ａ方向）の中央において幅狭で且つ両端において幅広の形状を有するスリット開口２２を有する遮光部材から構成されたが、必ずしもこれに限られるものではなく、要するに光源からの光強度分布を補償し、均一化できるものであればよく、例えば、適宜のホログラム（ＨＯＥ）から構成することも出来る。
【００５１】
又、屈折率の測定は、光強度測定値の１次微分或いは２次微分を用いる方法あるいは、１次微分或いは２次微分の両方を用いる方法で行うことも出来る。
【００５２】
また、コンデンサレンズ１８および対物レンズ１９を省略することも出来る。この場合、前記面２１Ａを入射面１５へ接触させ、センサ２０を出射面１６へ接触させるのが望ましい。
【００５３】
【発明の効果】
以上の説明から理解される如く、この発明による屈折計によれば、光源からの光の強度分布が均一化され、屈折率計測を高精度に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明による屈折計の一つの実施形態の要部を断面図である。
【図２】この発明による一つの実施形態の屈折計で使用される遮光部材の開口のスリット幅形状を示す図である。
【図３】屈折計における入射光線の屈折、反射を示す説明図である。
【図４】屈折計におけるイメージセンサの各ビットの出力特性を示すグラフである。
【符号の説明】
１１上面板
１２試料滴下窓部
１３プリズム
１４プリズム界面
１５入射面
１６出射面
１７光源
１８コンデンサレンズ
１９対物レンズ
２０イメージセンサ
２１遮光部材
２２開口
３２光拡散板

Claims

試料とプリズムとの界面にＬＥＤからの光を照射し、前記界面で反射した光をラインセンサにより検出し、前記ラインセンサの出力信号より前記試料の屈折率を測定する屈折計において、
前記プリズムの入射面とＬＥＤとの間にスリット状開口を有する遮光要素を備え、
前記開口の長手方向軸が、前記ＬＥＤの光軸及び前記ラインセンサの長手方向軸によって規定される平面内にあり、
前記界面に照射される光が、前記平面において異なる入射角を有し、
前記開口のスリット幅が、前記開口の長手方向における中央位置で最も小さく、当該中央位置より遠ざかるに従って増大する、屈折計。
前記開口は、スリット幅方向の両側縁を相対向する円弧で規定される形状を有し、中央位置より遠ざかるに従ってスリット幅が徐々に大きくなる請求項１に記載の屈折計。
前記開口の両側縁を規定する２つの円弧が同一の半径を有し、前記スリット幅と前記半径の比が１：２０である請求項２に記載の屈折計。
前記ＬＥＤと前記遮光要素との間に、光拡散板が配置されている請求項１〜３の何れか１項に記載の屈折計。