JP4467933B2 - 屈折計 - Google Patents

Description

この発明は、溶液中の糖度や濃度の測定に用いられる屈折計に関するものである。

液中の糖度や濃度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、境界面で反射した光を光電センサにより検出し、光電センサの出力信号より試料の屈折率（糖度、濃度）を測定する屈折計が知られている。

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。

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。
実公平３−２６４４３号公報

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。

この発明の屈折計は、試料との界面をなすプリズムの境界面に光源からの光を入射させ、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配置されたフィルター手段を有し、
前記フィルター手段は、光源からの光の波長を含む所定の波長域の光を選択的に透過させる波長フィルターを含む。

前記波長フィルターは、
光源からの光の波長より所定波長だけ長い波長から光電センサの検出波長の最大値までの波長域の光を選択的に遮断する第１のフィルターと、
光源からの光の波長より所定波長だけ短い波長から光電センサの検出波長の最小値までの波長域の光を選択的に遮断する第２のフィルターと、を含んでもよい。

前記フィルター手段は、直線偏光を選択的に通過させる偏光フィルターをさらに含むことが好ましい。

前記フィルター手段は、前記波長フィルター及び前記偏光フィルターを層状に張り合わせることにより一体的に形成され得る。

前記フィルター手段は、第１の面において前記プリズムに接着され、第２の面において前記光電センサに接着され得る。

前記フィルター手段は、減光フィルターを含んでもよい。

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１は本願発明による屈折計の実施形態を示す。

屈折計１０は、フレーム１２と、フレーム１２に設けられたサンプルステージ１４と、サンプルステージ１４の内側に固定されたプリズム１６と、を有する。プリズム１６は、サンプルステージ１４に形成された試料滴下窓部１５に滴下される試料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。

プリズム１６の入射面２０の側には、光源２４が配置される。光源２４は、好ましくは波長が概ね５８９ｎｍの光を出射するＬＥＤである。また、好ましくは、光源２４は高輝度ＬＥＤである。

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。

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光電センサ２８が配置される。

プリズム境界面１８と光電センサ２８の間には、フィルター手段３０が配置される。フィルター手段３０は、光源２４から光の波長を含む所定の波長域の光を選択的に透過させる波長フィルター３２、３４と、所定の偏光を選択的に透過する偏光フィルター３６と、光量を減少させる減光フィルター３８と、を含む。

波長フィルター３２、３４は、比較的短い波長帯の光のみを選択的に透過させる第１の波長フィルター３２と、比較的長い波長帯の光のみを選択的に透過させる第２の波長フィルター３４と、を有する。

第１波長フィルター３２は、光源からの光の波長より所定波長だけ長い波長から光電センサ２８の検出波長の最大値までの波長域の光を遮断する。好ましくは、第１波長フィルター３２は、概ね７００ｎｍ以上の近赤外域の光をカットして短波長側の光を透過する近赤外線カットフィルターまたは熱線カットフィルターである。具体的には、第１波長フィルター３２として、Ｓｃｈｏｔｔ社製のガラスフィルター（バンドパスフィルター）「ＢＧ４０」を使用することができる。

図２を参照すると、曲線Ｔａは、厚さ１．０ｍｍのフィルター「ＢＧ４０」を使用した第１波長フィルター３２の分光透過率を示す。図示のとおり、第１波長フィルター３２は、光源２４からの光の中心波長Ｌ＝５８９ｎｍを含む概ね３４０ｎｍ〜６００ｎｍの短波長領域において、７０％以上の光を透過する。

第２波長フィルター３４は、光源からの光の波長より所定波長だけ短い波長から光電センサ２８の検出波長の最小値までの波長域の光を遮断する。好ましくは、第２波長フィルター３４は、概ね５５０ｎｍ以下の可視域および紫外域の光をカットして長波長側の光を透過するフィルターである。具体的には、第２波長フィルター３４として、透過限界波長（透過率５％の吸収限界波長と透過率７２％の高透過限界波長との中点の波長）が５６０ｎｍであるシャープカットフィルター「Ｏ−５６」（ＪＩＳ Ｂ７１１３の記号は、ＳＯ５６）を使用することができる。

図２において、曲線Ｔｂは、厚さ１ｍｍの「Ｏ−５６」を使用した第２波長フィルター３４の分光透過率を示す。図示のとおり、第２波長フィルター３４は、光源２４からの光の中心波長Ｌ＝５８９ｎｍを含む概ね５７０ｎｍ以上の長波長領域において、７０％以上の光を透過する。

これらの第１波長フィルター３２及び第２波長フィルター３４を含むフィルター手段３０の分光透過率を、図２において曲線Ｔｃで示す。図示のとおり、フィルター手段３０は、概ね５７０ｎｍ〜６００ｎｍの波長域において７０％以上の光を透過する。

次に、偏光フィルター３６は、屈折率測定面Ａ内に透過軸を有するように配置され、屈折率測定面Ａに垂直な方向に振動するＳ偏光をブロックし、Ｐ偏光のみを選択的に通過させる。Ｐ偏光のみを透過させることにより、外部からの入射光の大部分をブロックすることができる。

減光（ＮＤ）フィルター３８は、光源２４の輝度に応じた減光率を有する。これにより光源２４からの光の光量を光電センサ２８の受光量が適正レベルとなるように低下させると同時に、外光の光量を低下させることができる。従って、光源２４の輝度が高く、減光フィルター３８の減光率が高い（透過率が低い）ほど、減光フィルター３８を透過して光電センサ２８に入射する光における外光の割合を低減することができる。

図１に示すように、フィルター手段３０は、波長フィルター３２、３４、偏光フィルター３６および減光フィルター３８を層状に張り合わせることによって、一体的に形成することが好ましい。また、フィルター手段３０の第１の面３０ａは、プリズム１６の出射面２２に接着され、第２の面３０ｂは前記光電センサ２８の受光面２８ａに接着されることが好ましい。これによりフィルター手段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。

図１の例では、フィルター手段３０の各フィルター３２、３４、３６、３８は、プリズム境界面１８からの反射光が、第１波長フィルター３２、偏光フィルター３６、第２波長フィルター３４、減光フィルター３８の順に透過するように配置されている。しかし、これらのフィルター３２、３４、３６、３８はどのような順番に配置されてもよい。

以下、図１を参照しながら、屈折計１０の作用を説明する。

試料滴下窓部１５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においては光電センサ２８側へ全反射する（図２参照）。

プリズム境界面１８で反射された光線Ｒｒはフィルター手段３０に入射する。フィルター手段３０により、光源２４の波長を含む所定の波長域（例えば５５０ｎｍ〜６００ｎｍ）にあり、かつ、屈折率測定面Ａに平行に振動するＰ偏光のみが光電センサ２８側へ透過する。また、フィルター手段３０を透過する光の光量は、光電センサ２８の受光量の適正範囲内になるように低減される。

光源２４からの反射光は概ね５８９ｎｍの波長を主成分とする。一方、外部からの入射光（外光）は赤外線から紫外線までの全域にわたる波長成分を含む。従って、フィルター手段３０によって５８９ｎｍ前後の波長を有する光のみを透過させることにより、外部からの入射光の大部分をブロックし、かつ、光源２４からの反射光の大部分を光電センサ２８へ入射させることができる。また、フィルター手段３０によってＰ偏光のみを透過させ、透過光量を低減することにより、光電センサ２８への入射光に占める外光成分をさらに少なくすることができる。

光電センサ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（図示せず）に入力され、光量分布曲線が得られる。この演算手段では、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。

まず、臨界角点（臨界角に相当する光電センサ上の位置）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数（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。

次に、この範囲内におけるｍ個のデータを用いて、

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。

最後に、この重心位置Ｐｃ’に定数Ｃを加算し、臨界角点Ｐｃ（＝Ｐｃ’＋Ｃ）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。

光量分布曲線が外光を多く含む場合、外光の時間的・空間的な変化に伴って、光量分布曲線及び一次微分曲線の透過領域側の形状が変化する。従って、重心位置Ｐｃ’が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。

一方、光量分布曲線が外光を含まない場合には、安定した重心位置Ｐｃ’を得ることが可能となる。

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。

また、外光が非常に強い場合でも、光電センサー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。

上記実施形態において、光電センサ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。

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。

１． 試料（Ｓ）との界面をなすプリズム（１６）の境界面（１８）に光源（２４）からの光を入射させ、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）であって、
前記プリズム境界面と前記光電センサの間に配置されたフィルター手段（３０）を有し、
前記フィルター手段は、光源からの光の波長（Ｌ）を含む所定の波長域の光を選択的に透過させる波長フィルター（３２、３４）を含む。

２． 前記波長フィルターは、
光源からの光の波長（Ｌ）より所定波長だけ長い波長から光電センサ（２８）の検出波長の最大値までの波長域の光を選択的に遮断する第１のフィルター（３２）と、
光源からの光の波長（Ｌ）より所定波長だけ短い波長から光電センサ（２８）の検出波長の最小値までの波長域の光を選択的に遮断する第２のフィルター（３４）と、を含む。

３． 前記フィルター手段（３０）は、直線偏光を選択的に通過させる偏光フィルター（３６）を含む。

４． 前記フィルター手段（３０）は、前記波長フィルター（３２、３４）及び前記偏光フィルター（３６）を層状に張り合わせることにより一体的に形成される。

５． 前記フィルター手段（３０）は、第１の面において前記プリズム（１６）に接着され、第２の面において前記光電センサ（２８）に接着される。

６． 前記フィルター手段（３０）は、減光フィルター（３８）を含む。

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、光電センサ２８とフィルター手段３０が離間して配置され、光電センサ２８とフィルター手段３０の間に対物レンズを設けてもよい。また、光源２４とプリズム１６が離間して配置され、光源２４とプリズム１６の間にコンデンサレンズを設けてもよい。臨界角点の算定を、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。

前記屈折計は、以下の効果を奏する。

（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。

（２）製造が容易である。

（３）製造コストが安い。

（４）測定が簡単かつ能率的に行える。

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は、図１の屈折計のフィルター手段の分光透過率を示す。

符号の説明

１０ 屈折計
１２ フレーム
１４ サンプルステージ
１５ 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
２８ 光電センサ
３０ フィルター手段
３２ 第１波長フィルター
３４ 第２波長フィルター
３６ 偏光フィルター
３８ 減光フィルター

Claims (3)

1. 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）に単一波長（Ｌ）の光を入射させるＬＥＤからなる光源（２４）と、
   前記プリズム境界面で反射された光を検出する光電センサ（２８）と、
   前記プリズム境界面と前記光電センサの間に配置されたフィルター手段（３０）と、
   を備え、
   前記フィルター手段が、前記光源の波長（Ｌ）を含む所定の波長域の光を選択的に透過させる波長フィルター（３２、３４）と、直線偏光を選択的に通過させる偏光フィルター（３６）と、を含み、
   前記波長フィルターが、
   光源からの光の波長（Ｌ）より所定波長だけ長い波長から光電センサ（２８）の検出波長の最大値までの波長域の光を選択的に遮断する第１のフィルター（３２）と、
   光源からの光の波長（Ｌ）より所定波長だけ短い波長から光電センサ（２８）の検出波長の最小値までの波長域の光を選択的に遮断する第２のフィルター（３４）と、を含み、
   前記フィルター手段（３０）が、前記第１のフィルター（３２）と前記第２のフィルター（３４）の間に前記偏光フィルター（３６）を層状に張り合わせることにより一体的に形成される、屈折計。
2. 前記フィルター手段（３０）が、第１の面において前記プリズム（１６）に接着され、第２の面において前記光電センサ（２８）に接着される請求項１に記載の屈折計。
3. 前記フィルター手段（３０）が、減光フィルター（３８）を含む請求項１又は２に記載の屈折計。

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