JP4094972B2

JP4094972B2 - 屈折計

Info

Publication number: JP4094972B2
Application number: JP2003063233A
Authority: JP
Inventors: 吉則中島; 秀行雨宮; 康彦天笠; 君則関口
Original assignee: Atago Co Ltd
Current assignee: Atago Co Ltd
Priority date: 2003-03-10
Filing date: 2003-03-10
Publication date: 2008-06-04
Anticipated expiration: 2023-03-10
Also published as: JP2004271360A

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、プリズムと試料との境界面に光を照射し、前記境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（濃度）を測定する屈折計が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
屈折計の測定原理は、プリズムと試料との境界面において全反射が起こる臨界角が試料の屈折率に依存することに由来する。従って、このような屈折計は、前記境界面における反射光のみが光電センサに入射することを前提とする。
【０００４】
しかし、屈折計を使用する場所は室内とは限らない。例えば、果物や野菜の搾汁や自動車用の不凍液を試料とする場合、戸外で測定を行う方が便利なことがある。この場合、時間的、空間的に変動する外光が、試料側からプリズムを透過し、内部光源からの反射光と共に光電センサに受光される。このため、戸外では屈折率を正確に測定することができないという問題があった。
【０００５】
【特許文献１】
実公平３−２６４４３号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本願発明の目的は、上記の問題点を解決するため、外光の影響を低減し、戸外においても精度良く屈折率を測定することができる屈折計を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題は、臨界角検出用センサの前にＰ偏光をブロックする偏光板を設けた屈折計により達成される。
【０００８】
または、試料との界面をなすプリズムの境界面に光を入射させ、前記プリズム境界面で反射され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から前記試料の屈折率を測定する屈折計であって、
前記プリズム境界面と前記光電センサの間に偏光板を有し、
前記偏光板は前記プリズムの境界面の法線と該境界面に対する入射光で規定される測定面に直交する方向に振動する直線偏光のみを選択的に通過させる屈折計により達成される。
【０００９】
前記偏光板の第１の面は、前記プリズムの出射面に密着して接合されることが好ましい。
【００１０】
前記偏光板の第２の面は、前記光電センサの受面に密着して接合されることが好ましい。
【００１１】
また、前記屈折計は、前記光源及び光電センサを制御し、前記光電センサに光源の点灯時の光量分布曲線及び消灯時の光量分布曲線を検出させる制御手段と、
前記点灯時光量分布曲線と消灯時光量分布曲線の差の光量分布曲線に基づいて前記試料の屈折率を演算する演算手段と、
を有することが好ましい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１は本願発明による屈折計の実施形態を示す。
【００１３】
屈折計１０は、フレーム１２に設けられた試料滴下窓部１４の内側に固定されたプリズム１６を有する。プリズム１６は、試料滴下窓部１４に滴下された試料Ｓとの界面をなすプリズム境界面１８と、プリズム境界面１８への光を入射する入射面２０と、境界面１８からの反射光を出射する出射面２２と、を有する。
【００１４】
プリズム１６の入射面２０の側には、光源（ＬＥＤ等）２４が配置される。光源２４と入射面２０との間には、光源２４からの光をプリズム境界面１８上に集光するコンデンサレンズ２６が配置される。
【００１５】
以下、光源２４からプリズム境界面１８へ入射する入射光線Ｒｉとプリズム境界面１８の法線Ｎとで規定される平面（図１の紙面に平行な平面）を屈折率測定面Ａと称する。
【００１６】
プリズム１６の出射面２２の側には、例えば、複数の受光素子が一次元に配置されたラインセンサからなるイメージセンサ２８が配置される。
【００１７】
プリズム境界面１８とイメージセンサ２８の間には、偏光板３０が配置される。より詳細には、偏光板３０は、屈折率測定面Ａに直交する方向（ｘ方向）に透過軸を有するように配置される。従って、偏光板３０は、屈折率測定面Ａに直交する方向に振動するＳ偏光のみを選択的に通過させる。
【００１８】
図示のように、偏光板３０の第１面３０ａは、プリズム出射面２２上に接合されるのが好ましい。これにより、偏光板３０をプリズム１２に対して容易に位置決めし、固定することができる。
【００１９】
偏光板３０とイメージセンサ２８との間には、偏光板３０を通過したＳ偏光をイメージセンサ２８上へ集光する対物レンズ３２が配置される。
【００２０】
対物レンズ３２を省略し、偏光板３０の第２面３０ｂとイメージセンサ２８の受光面２８ａとを接合してもよい。この場合、偏光板３０およびイメージセンサ２８のプリズム１２に対する位置決め、固定をより容易に行うことができる。
【００２１】
光源２４及びイメージセンサ２８には、光源２４の点灯及び消灯、及び、イメージセンサ２８の走査を制御するための制御手段（図示せず）が接続される。
【００２２】
また、イメージセンサ２８には、光量分布曲線から試料Ｓの臨界角φｃ（ｎ）及び屈折率ｎを演算する演算手段（図示せず）が接続される。
【００２３】
以下、図１〜３を参照しながら、屈折計１０の作用を説明する。
【００２４】
試料滴下窓部１４に試料Ｓが滴下され、測定開始のスイッチ（図示せず）が押されると、制御手段により光源２４が点灯され、光源２４からの光がコンデンサレンズ２６を経てプリズム境界面１８へ入射する。入射した光線Ｒｉは、試料Ｓの屈折率ｎに応じて定まる臨界角φｃ（ｎ）より小さい入射角φにおいてはそのほとんどが試料Ｓ側へ透過し、臨界角φｃ（ｎ）より大きい入射角φにおいてはイメージセンサ２８側へ全反射する（図２参照）。
【００２５】
なお、プリズム境界面１８で反射された光線Ｒｒは偏光板３０に入射し、屈折率測定面Ａに垂直に振動するＳ偏光Ｒｓのみがイメージセンサ２８側へ透過する。
【００２６】
ところで既に述べたように、戸外では、試料Ｓ側からプリズム境界面１８に外光が入射する。
【００２７】
図３は、試料Ｓ側からプリズム境界面１８に入射する外光の透過率を示す。図示のとおり、イメージセンサ２８に入射して屈折率の測定に悪影響を及ぼす入射角６０°から９０°の範囲では、Ｐ偏光ｒｐの強度が大きく、Ｓ偏光ｒｓの強度は比較的小さい。
【００２８】
したがって、プリズム境界面１８（図１）を透過した外光は、大きな強度を有するＰ偏光ｒｐが偏光板３０により遮断またはブロックされ、小さな強度を有するＳ偏光のみが当該偏光板３０を透過する。
【００２９】
イメージセンサ２８の各受光素子から受光量に応じた電気信号が出力され、この出力が演算手段に入力され、光量分布曲線が得られる。演算手段ではまた、この光量分布曲線に基づいて臨界角φｃ（ｎ）に対応する臨界角点Ｐｃが算定され、試料Ｓの屈折率ｎが求められる。より詳細には、以下の方法で臨界角点Ｐｃが計算される。
【００３０】
まず、臨界角点（臨界角に相当するイメージセンサ上の位置）Ｐｃの算定に用いる光量分布曲線の範囲を決定する。この範囲は、光量分布曲線の微分値が最大となる位置（アドレス）の前後における所定個（例えば、３０個）のデータに対応するアドレス範囲とする。或いは、屈折計１０の屈折率の測定範囲が非常に限られている場合には、その屈折率の範囲に応じて予め決められた範囲としてもよい。
【００３１】
次に、この範囲内におけるｍ個のデータを用いて、
【数１】

により、重心位置Ｐｃ’を算定する。式１において、Ｘ_ｉは各受光素子の位置（アドレス）を表し、Ｉ_ｉはＸ_ｉにおける受光量（Ｖ）を表す。式１から理解されるように、重心位置Ｐｃ’は、光量分布曲線の一次微分曲線（或いは一次差分曲線）の重心位置である。
【００３２】
最後に、この重心位置Ｐｃ’に定数Ｃを加算し、臨界角点Ｐｃとする。定数Ｃは、屈折率が既知である試料を用いた実験により予め決定された値である。
【００３３】
図４（ａ）は、本願発明による屈折計の一実施形態によって、強い外光がある場所で検出した光量分布曲線Ｉ_ａを示す。図４（ｂ）は、前記偏光板を備えていない従来の屈折計によって、同じ場所で検出した光量分布曲線Ｉ_ｂを示す。図４（ａ）、（ｂ）は、さらに、それぞれの光量分布曲線Ｉ_ａ、Ｉ_ｂに対して得られた、臨界角点Ｐｃの算定範囲における微分曲線Ｉ'_ａ、Ｉ'_ｂ、及び、重心位置Ｐ_ｃ'_ａ、Ｐ_ｃ'_ｂを示す。
【００３４】
図４（ｂ）に示すように、光量分布曲線Ｉ_ｂは、小さい入射角φに対応する領域（図の左側の領域（以下「透過領域」と称する））において、外光の影響を受けている。より詳細には、同じ試料に対して暗い場所で検出した光量分布曲線（図２参照）と比較すると、透過領域の光量分布曲線Ｉ_ｂは光量が大きく、右下がりの形状を有する。すなわち、微分曲線Ｉ'_ｂは、透過領域側においてマイナスの値を示す曲線となる。したがって、重心位置Ｐ_ｃ'_ｂは図示の位置となる。
【００３５】
外光は時間的、空間的に変化するため、図４（ｂ）の光量分布曲線Ｉ_ｂ及び微分曲線Ｉ'_ｂは、外光の変化に伴って透過領域側の形状が変化する。したがって、重心位置Ｐ_ｃ'_ｂは、真の臨界角点に対して測定ごとに大きく変動し、正しい屈折率が求められない。
【００３６】
一方、図４（ａ）の光量分布曲線Ｉ_ａは、同じ試料に対して暗い場所で検出した光量分布曲線（図２参照）と同様の形状を有し、外光が時間的、空間的に変化してもその影響を受けない。したがって安定した重心位置Ｐ_ｃ'_ａを得ることが可能となる。
【００３７】
従って、本願発明による屈折計の一実施形態によれば、前述の方法によって臨界角点Ｐｃをより正確に求めることができ、屈折率を精度良く測定することができる。
【００３８】
また、外光が非常に強い場合でも、偏光板３０により外光のＰ偏光がブロックされるため、イメージセンサー２８のダイナミックレンジを越えることなく、測定を行うことができる。
【００３９】
上記実施形態において、制御手段により、イメージセンサ２８が光源２４の点灯時と消灯時に走査を行うように構成しても良い。この場合、点灯時の光量分布曲線と消灯時の光量分布曲線が検出され、演算手段はこれらの引き算により得られた光量分布曲線に基づいて臨界角点Ｐｃを算定する。これにより外光の影響が概ね排除されるため、戸外などの非常に明るい場所においても、より精度良く屈折率ｎを測定することができる。
【００４０】
要するに、本願発明による屈折計の一実施形態は、以下の特徴を有する。
【００４１】
１．臨界角検出用センサ２８の前にＰ偏光をブロックする偏光板３０を設けてある。
【００４２】
２．試料Ｓとの界面をなすプリズム１６の境界面１８に光を入射させ、前記プリズム境界面で反射された光を光電センサ２８により検出し、前記光電センサの出力信号から前記試料の屈折率を測定する屈折計１０において、
前記プリズム境界面と前記光電センサの間に偏光板３０を有し、
前記偏光板は前記プリズムの境界面に対する入射光で規定される測定面に直交する方向に振動する直線偏光のみを選択的に通過させる。
【００４３】
３．前記偏光板の第１の面３０ａは、前記プリズムの出射面２２に密着して接合される。
【００４４】
４．前記偏光板の第２の面３０ｂは、前記光電センサの受光面２８ａに密着して接合される。
【００４５】
５．前記光源２４及び光電センサ２８を制御し、前記光電センサに光源の点灯時の光量分布曲線及び消灯時の光量分布曲線を検出させる制御手段と、
前記点灯時光量分布曲線と消灯時光量分布曲線の差の光量分布曲線に基づいて前記試料の屈折率を演算する演算手段と、
を有する。
【００４６】
尚、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。例えば、コンデンサレンズを省略し、光源がプリズム入射面に接着された構成とすることもできる。また、臨界角点の算定は、光量分布曲線の２次微分、或いは、１次微分及び２次微分の両方を用いる方法で行うこともできる。また、偏光フィルターとＬＥＤ発光長のバンドパスフィルターを合わせて組み込むことで、より外光に強い屈折計となる。
【００４７】
前記屈折計は、以下の効果を奏する。
【００４８】
（１）戸外などの明るい場所においても、外光の影響を低減し、高精度に屈折率を測定することができる。
【００４９】
（２）製造が容易である。
【００５０】
（３）製造コストが安い。
【００５１】
（４）測定が簡単かつ能率的に行える。
【００５２】
【発明の効果】
したがって、本願発明によれば、外光の影響を低減し、戸外においても精度良く屈折率を測定することが可能な屈折計を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本願発明による屈折計の実施形態の要部を示す断面図である。
【図２】図２は、理論光量分布曲線を示す図である。
【図３】図３は、プリズム境界面からセンサ側へに入射する外光の透過率を示す図である。
【図４】図４（ａ）は、本願発明による屈折計の一実施形態によって、強い外光がある場所で検出した光量分布曲線を示す。図４（ｂ）は、前記偏光板を備えていない従来の屈折計によって、同じ場所で検出した光量分布曲線を示す。
【符号の説明】
１０屈折計
１２フレーム
１４試料滴下窓部
１６プリズム
１８プリズム境界面
２０プリズム入射面
２２プリズム出射面
２４光源
２６コンデンサレンズ
２８イメージセンサ
３０偏光板
３２対物レンズ

Claims

試料（Ｓ）との界面をなす境界面（１８）を有するプリズム（１６）と、
前記プリズムの境界面（１８）に光を入射させる光源（２４）と、
前記プリズムの境界面（１８）で反射された光を検出する光電センサ（２８）と、
前記プリズムの境界面と前記光電センサの間に配置され、外光のＰ偏光をブロックする偏光板（３０）と、
を備える屈折計。
前記偏光板の第１の面（３０ａ）が、前記プリズムの出射面（２２）に密着して接合される請求項１に記載の屈折計。
前記偏光板の第２の面（３０ｂ）が、前記光電センサの受光面（２８ａ）に密着して接合される請求項１又は２に記載の屈折計。
光源（２４）及び光電センサ（２８）を制御し、前記光電センサに光源の点灯時の光量分布曲線及び消灯時の光量分布曲線を検出させる制御手段と、
前記点灯時光量分布曲線と消灯時光量分布曲線の差の光量分布曲線に基づいて前記試料の屈折率を演算する演算手段と、
を有する請求項１〜３のいずれか１項に記載の屈折計。