JPH03148047A - 光透過率測定装置の測定レンジ拡大方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は光学的測定装置により光透過率を測定するに際
し、その測定レンジの拡大方法に関するものである。

［従来の技術］ 従来の光透過率測定装置は、例えば特公平１−２２５７
６号公報に記載されるものが知られており、第２図はそ
の概略構成を示すブロック図である。

光透過率測定装置は投光器１と受光器５とから構成され
る。投光器１内には、タングステンランプ、発光ダイオ
ードあるいはレーザダイオード等からなる光源２が設け
られており、この光源２から発光した光は投光レンズ３
を介して空間に出射され、投光器１と受光器５との間に
介在する媒体４で減衰を受け、受光器５の受光レンズ６
を介して光電変換素子７に集光する。

以下の説明上、光電変換素子７で電気信号に変換された
出力電圧をＥとする。

第３図（ａ）は従来の光透過率測定装置のさらに具体的
構成を示したブロック図である。１対の投受光器］０．
２０が対向配置され、それぞれの投受光器内には、光源
ｌ】、２Ｊ、干渉フィルタ１２．２２、投光レンズ１３
．２３が配置されている。

また、光源１１からの光をＰ偏向成分の光１７とＳ偏向
成分の光１８とに直交分離する偏向ビ１１スプリッタ１
４、および光源２】からの光をＩ）偏向成分の光２７と
Ｓ偏向成分の光２８とに直交分離する偏向ビームスプリ
ッタ２４も各々の投受光器内に配置されている。

さらに、直交して入射する光２７と光１８とを同一の光
路１９へ導びく集光器］５および直交入射する光１７と
光２８とを同一の光路２９へ導びく集光器２５、さらに
光電変換素子１６および２６が設けられている。

第３図（ｂ）は光源１１および２１の発光周期を示した
図で、図に示すように光源１１と２１とが交互に点灯す
るように制御されている。まず時刻１．では光源１１が
発光し、干渉フィルタ１２によって一定の波長に制限さ
れ、さらに投光レンズ１３によって集光されたのち偏向
ビームスプリッタ１４に入光する。

なお光源１１および２１が単色光を発光する光源である
場合には、干渉フィルタ１２および２２は不要となる。

ここで光源１１がランダム偏光または円偏光の偏光特性
を持っていれば、Ｐ偏光成分の光とＳ偏光成分の光の光
量比はほぼ１対］となる。Ｓ偏光成分の光１８は集光器
１５に入光し、光路１９を経て光電変換素子］６に入り
、電気信号に変換されて出力される。この時の出力電圧
をＥｌとする。

他方Ｐ偏光成分の光１７は媒体３０に放射され、減衰を
受けて投受光器２０内の集光器２５に入光し、光路２９
を経て光電変換素子２６に入り電気信号に変換されて出
力される。この時の出力型３ 圧をＥ２とする。

ついで、第３図（ｂ）に示すように時刻ｔ２では投受光
器２０の光源２１が発光する９光源２１からの光は図中
に点線で示すように、光源１１からの光と対称な光路を
たどり、光電変＃ｌ！素子２Ｇおよび１６で電気信号に
変換されて出力される。

それぞれの出力電圧をＥｓ、Ｅ４とする。以後。

時刻ｔ、　　、ｔ、’・・・・・・のように継続的に繰
り返し発光する。

第２図に示すような構成例において、投光器ｌと受光器
５との間に存在する媒体４の透過率は。

τ　（τ≦１）とする。媒体４が存在せず（τ＝１）ま
たレンズ３および６の汚れがない場合（ｄａ＝ｄ６　＝
１）の出力電圧はＥである、投光器１と受光器５との間
に透過率τの媒体４が存在し、レンズ３および６の汚れ
が存在しない場合（ｄ３＝ｄ、＝１）、出力電圧Ｅ’　
＝Ｅ・τとなり以下に示す（１）式から透過率τが測定
される。

Ｅ’　　／Ｅ＝τ　　　　　　　　・・・・・・　（１
）４− レンズ３および６に汚れが存在する場合（ｄ３、ｃＬ　
＜１）その出力電圧はＥ’　＝Ｅ・τ・ｄ３・ｄ、とな
り、以下の（２）式が得られる。

Ｅ’　／Ｅ＝τ・ｄ３　・ｄ６・・・（２）そこで（３
）式に示すように（１）式と（２）式との差が誤差とな
る。

τ−τ・ｄ３　・ｄ６＝（１−ｄ、・ｄ、）　τ・・・
・・　（３） 第３図（ａ）に示す測定装置において、投受光器１０と
投受光器２０との間に存在する媒体３０の透過率をτ　
（τ〈１）とし、偏光ビームスプリッタ１４および２４
、集光器１５および２５の媒体３０に対向している面の
汚れをそれぞれｄ１４、ｄ２４およびｄ１６、ｄ２ｓと
する。まず投受光器１０と投受光器２０との間に媒体３
０が存在せず（τ＝１）、また偏光ビームスプリンタ１
４および２４、集光器１５および２５の面に汚れが存在
しない場合（ｄ　１４＝　ｄ　ｘ４＝　ｄ　＋ｓ＝　ｄ
　ｚｓ＝　１　）　、出力電圧Ｅ　＋　”　Ｅ　ｘ　＝
　Ｅ　３　＝　Ｅ　４となるように設定すると、以下の
（４）式が得られる。

（５）式を用いて以下の（６）式の演算を行なＥ２　・
Ｅ　４　　／　Ｅ　Ｉ　　・Ｅ、＝１　　・・・　（４
）なお、ここで出力電圧を等しくなるように設定するた
めには、後述する図示しない増幅器の利得を調整するこ
とにより実現できる。

即ち、（４）式は透過率が１．　Ｏ０％であることを示
している。

次に投受光器】０と投受光器２０との間に透過率τの媒
体３０が存在し、また偏光ビームスプリッタ】４および
２４．集光器１５および２５の汚れがしない場合（ｄ　
１４＝　ｄ　１１４＝　ｄ　＋ｓ＝　ｄ　ｗｓ＝　１　
）、電圧出力Ｅ、およびＥ３は、投受光器内部の光路を
経て得られた出力であり、媒体３０の減衰を受けていな
いから、それぞれの出力電圧Ｅ。

Ｅ２　　＋Ｅ！′およびＥ、′は、以下の（５）式％式
％ （５） うことにより、透過率τを得る。

ｔＥ２　′　・　Ｅ４　　’　　／Ｅｘ　　’　　・　
Ｅ３　′　＝で　　・・・　（６）さらに偏光ビームス
プリッタ１４および２４゜集光器１５および２５に汚れ
が存在する場合（ｄ１４．ｄ２４、ｄ　ｒｓ、　ｄ　ｚ
ｂ＜　１　）には出力電圧は以下の（７）式で表わされ
る。

Ｅｌ′＝Ｅ、・ｄ１４・ｄ１５ Ｅ２′＝Ｅ２・ｄ１４・ｄＺ＆・τ　・・・（７）Ｅ３
’＝Ｅ３　・ｄ２４・ｄｏ Ｅ４　’　＝Ｅ４　・ｄ２４・ｄｉ５・τついで（７）
式を用いて以下の（８）式の演算を行い透過率τを得る
。

（８）式は（６）式と同じ結果を示しており、これは透
過率τの測定において偏光ビームスプリッタや集光器に
汚れが存在してもその影響を受けないことを示している
。

７− ［発明が解決しようとする課題］ しかし以上説明した従来の測定方法では、高濃度の媒体
を測定する場合透過光が微小とになり。

出力電圧は低レベルとなる。そこで装置の分解能を高め
なければならない。これを実現するためには、Ｓ／Ｎ比
を損ねる事無くダイナミックレンジを低レベル領域へ拡
大する必要があるが、それには技術的な困難が伴い設計
上の限界も存在するという問題がある。

また媒体が高濃度になれば当然汚れも増加するため、第
２図に示すような従来の構成では測定が困難となる。

そこで本発明は低レベル領域でのダイナミックレンジを
拡大し、高濃度の媒体であっても誤差無く透過率の測定
を行うことの出来る光透過率測定装置の測定レンジ拡大
方法を提供することを目的とする。

［課題を解決するための手段］ 本発明は、光源からの光をＰ偏光成分とＳ偏向成分とに
直交分離して出射する偏向ビームスプリ８ ツタと、自己の光源からのＳ偏向成分と対向する相手の
投光器からの直交して入射するＰ偏向成分とを光電変換
素子へ導びく同一の光路上に集光する集光器とを具備し
てなる１対の投受光器を対向配置し、前記光源から前記
偏向スプリッタに至る光路又は前記集光器から前記光電
変換素子に至る光路に１／Ｎ減衰フィルタを挿入および
取除き可能に配置し、まず、この１／Ｎ減衰フィルタを
挿入した状態で互いの投受光器の出力値が初期設定値と
なるよう前記光源の光量調整を行ない、ついで、前記１
／Ｎ減衰フィルタを取除いて１対の投受光器間に存在す
る媒体に照射する光量をＮ倍に増倍し拡大レンジにより
前記媒体の光透過率の測定を行なうようにしたものであ
る。

［作用］ 本発明では、１７Ｎ減衰フィルタを挿入して出力値を初
期設定値に合わせ、ついでこの減衰フィルタを除去した
のち媒体に照射される光をＮ倍にして透過率の測定を行
う。したがって透過率の測定範囲が高濃度領域において
拡大され、かつ拡大率だけ測定光量を増加させるため、
ＳｌＮ比に変化がない。

［実施例］ 以下本発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する
。

第１回は、本発明の詳細な説明するための光透過型測定
装置のブロック構成図を示したものである。

第３図（ａ）に示す構成部分と同一部分には同一符号を
付しその詳細構成は説明を省略する。

本実施例の場合には第３図（ａ）に示す構成に１７Ｎ減
衰フィルタ３１および４１．ズームレンズ３２および４
２が付加されている。さらに光源の即動回路３３および
４３、受光増幅器３５および４５が付加される。なお１
／Ｎ減衰フィルタ３１および４１は自由に光路に挿入ま
たは取り除くことが出来る構成となっている。

次に拡大レンジを形成する方法について説明する。この
際、媒体は存在せず（τ＝１）、またレンズの汚れも存
在しないものとする（　ｄ　１４＝　ｄ　１１４＝　ｄ
　Ｉｓ＝　ｄ　２ｇ＝　１　）　　。

さらに１７Ｎ減衰フィルタ３１および４１は取り除いた
場合について考える。なお図中に新たに追加されている
ズームレンズ３２および４２は、後述するように投光ビ
ーム径を可変するために用いられるもので、第３図ｔこ
示す投光レンズ１３および２３と等価に設定すれば（４
）式の条件を満足する。また偏光子３４および４４も後
述する目的のために設けたものであるが、この設定中は
取り除いて考える。この状態で出力電圧Ｅ、、Ｅ２Ｅ３
及びＥ４を設定する。これを初期設定値とする。

次に投受光器１０の１７Ｎ減衰フィルタ３１を光路に挿
入する。そして１／Ｎ減衰フィルタ３１によって光１７
の光量が１／Ｎに減少しているため出力電圧Ｅ、を初期
設定値になるように光源１」からの光景を増加させる。

このようにすれば、光１７に出射される光量は変わらな
い。なお光源１】からの光量を増加させる方法について
は後述する。

１１− このようにして光景設定を行った後、１／Ｎ減衰フィル
タ３１を光路から取り除けば光１７の光量はＮ倍となる
。ただし、光路１ｑの光量もＮ倍となっているから出力
電圧Ｅｌは１／Ｎ減衰フィルタ３１を除去したのち初期
設定値に設定する。

その結果（９）式が得られる。

Ｅｒ　’　＝Ｅ＋ Ｅ、’＝Ｎ−Ｅ、　　　　　　・・・（９）投受光器２
０側についても１．／Ｎ減衰フィルタ４１を光路に挿入
および除去することにより、同様な手順で光２７の光量
調整を行い（１０）式を得る。

Ｅｓ””Ｅ。

Ｅ４　’　　＝Ｎ−Ｅ４　　　　　　・・・　（１０）
以上の結果（４）式は（１１）式となる。

、Ｅ、′　・　Ｅ４　’／Ｅ＋’　　・　Ｔ’：、　　
’　　＝Ｎ　　・・・　（１１）このような設定を行っ
た後、透過率τ（τ≦１）の媒体３０の測定を行う。た
だし、（９）式のＥｘ’の最大値をＥ２、（１０）式の
Ｅ４’の１２ 最大値をＥ、に限定する。その結果（１２）式が得られ
る。

Ｅ、’　＝Ｅ。

Ｅ２’　＝Ｎ　”　Ｅｘ　　・τ／Ｎ＝Ｅ、　　・τ　
・・・（１２）Ｅ、’　＝Ｅ３ Ｅ、’＝Ｎ−Ｅ、　　・τ／Ｎ＝Ｅ４　　・τ以」二の
結果から下記の（１３）式を得る。

Ｅ、ｌ　　・Ｅ４　’　／Ｅ＋　’　　・Ｅ３′＝τ　
・・・（１３）ここで（１３）式は（８）式と同じであ
るが。

媒体３０の透過率τ／Ｎかでとして測定されるところが
異なっている。すなわち測定範囲の最大値が１／Ｎとな
り、高濃度領域に限定されるが、真の透過率で／Ｎが見
掛上でとして測定されるためＮ倍に拡大される。しかも
光１７および１８の光量はＮ倍となっているためＳ／Ｎ
比が低下することはない。

次に、前述した説明中にあった光１７および２７の光量
の増加方法について説明する。

第４図は第１の方法を説明するための図で、ズームレン
ズ３２または４２によりこれを行う場合を示している。

第４図（１１）のレンズ５０の焦点距離５１をｆ、とし
、光源１１または２１によって形成される２次光源５２
の直径を１１とする。

この２次光源５２が相手側の受光面に投映されるが、こ
の投映面５３の光ビームは直径ＬＩの円とする。

ここで投映面５３は第１図の実施例に対応して考えれば
集光器１５または２５の表面の位置に形成されなければ
ならない。２次光源５２からレンズ５０までの距離をａ
ｌ、レンズ５０から投映面５３までの距離をｂｌとする
と、（１４）式と、（］５）式とが得られる。

］、　／　ａ　＋　＋　１　／　ｂ　ｘ　”　１　／　
ｆ　＋　　　　”’　（１，４）Ｌ＋　＝ｂ＋　　・］
＋＋／ａ＋　　　　　＋＋　（１，５）レンズ等の光減
衰を無視すれば２次光源５２の全光量をＱとし、投映面
５３の単位面積当たりの光量を９１として（１５）式の
関係から（１６）式を得る。

ｑ　＋　＝　Ｑ／　Ｌ　＋ ＝（ａ１／ｂ、・Ｊ、）２　・Ｑ　・・・（１６）第４
図（ｂ）の場合には焦点距離６１がｆ、となるレンズ６
０を使用している。２次光源６２は第４図（、）の例と
同様のものを用いる。すなわち直径１２　＝　１．　＋
　、全光量Ｑとなる。投光レンズ６０から投映面６３ま
での距離ｂ２は装置の運用上の必要性から定まるため、
投光レンズ５０から投光面５３までのｉ踵す、ｌ　と同
じでなければならない。その時の投映面６３における光
ビームの直径をＬ２とする。また２次光源６２からレン
ズ６０までの距離を８２とすると、（１７）式と（１８
）式とが得られる。

１　／　ａ　２　＋１　／　ｂ　＋　＝　１　／　ｆ　
２　　−　（１７）Ｌｘ　”ｂ＋　　’　１＋　／ａｘ
　　　　　・”　（１８）ここで投映面６３の単位面積
当りの光量を９２とすると（１８）式を用いて（１９）
式を得る。

ｑｔ＝Ｑ／Ｌ２ ＝＜ａｔ　／ｂ＋　　・］−＋＋）　２・Ｑ　　・＝　
（１，９）投映面６３と５３の単位面積当りの光量比は
（１９）式と（１６）式との比により求まる。

’Ｊｘ　／（１１＝　（ａ２／ａ＋　）　２−　（２０
）　５− すなわちａ２＞ａ、であるからｑｚ　＞　ｑ＋となる。

ここで受光面積は一定であるから、第４図（ｂ）の例で
は（ａ）の例と比較して有効光量が増加していることに
なる。なお光１８または２８は極めて短距離であり、ビ
ーム径に関係なく全光量が光電変換器１６または２６に
入光する。

次に光源の光量を増加させて光路の光量を増加させる第
２の方法を説明する。

第５図は光源として用いられる発光ダイオードの駆動回
路の代表的な構成例を示したもので、制御人カフ１によ
って発光ダイオード７２をオン・オフ制御する。発光ダ
イオード７２は駆動電流によって光量が変化するため、
この駆動電流を可変するために可変抵抗器ＶＲ７３を設
けてあり、この設定により発光光量を増加させる。

この場合、光１７および２７と同時に光１８および２８
の光量も増加する。そこで光路１９および２９に前述し
た偏光子３４および４４を挿入する。光路１９には光１
８と光２７からの光とが時間差をもって進入する。光１
８はＳ偏光の偏光時　６− 性を持ち、また光２７がＰ偏光の偏光特性を持つから、
偏光子３４を回転して光１８と光２７との比が偏光子３
４を通過した後、１：Ｎとなるように調整を行う。光２
９に挿入した偏光子４４についても同様の操作を行い光
２８と光１７との光の比を１：Ｎに調整する。

さらに他の光量増大方法は、光１８と光２７に時間差が
あることを利用してそれぞれの増幅器３５の利得をにＮ
にする方法である。

第６図はこのような目的に用いられる増幅器のする増幅
器４５はタイミング信号８０のＴ１およびＴ２によって
制御されている。このタイミング信号８０は第３図（ｂ
）に示す光源１１および２１の発光タイミングと一致し
ている。すなわち時刻し、ではタイミング信号８０のＴ
、がアナログスイッチ６４および７２をオンする。

この時投受光器１０の１／Ｎフィルタ３１が光路に挿入
されているとする。すると光１７の信号は増幅器４５の
入カフ０に入っているため、可変抵抗器７１を初期設定
のまま不変として前述した光源１１の光量調整を行い、
出カフ５の出力電圧をＥ２とする。

次に１／Ｎ減衰フィルタ３１を光路より除去する。する
と出カフ５の出力電圧はＥ２’　＝ＮＥ。

どなる。ついで１／Ｎフィルタ３１を光路より取り除い
た状態で増幅器３５の入力に入っている光路１８からの
信号を、出力信号６５によりその出力電圧がＥ＋どなる
ように可変抵抗器６３で調整する。時刻Ｌ２ではタイミ
ング信号８０のＴ２がアナログスイッチ６２および７４
をオンにする。

まず投受光器２０の１／Ｎ減哀フィルタ４１を挿入した
状態で光源２１の光量を調整して増幅器３５の出力電圧
をＥ４とし、その後光路より１７Ｎ減衰フィルタ４１を
除去する。すると出力電圧はＥ４　’　＝ＮＥ４となる
。さらに光路２８の信号を受けている増幅器４５の出力
電圧がＥ、となるように可変抵抗器７３を調整する。

なお以上の実施例においては光源１１または２１と偏光
ビームスプリッタ１４または２４との間に１／Ｎ減衰フ
ィルタ３Ｊをおよび４１を挿入した。しかし集光器］５
または２５と光電変換素子１６または２６との間に挿入
するようにしても殆ど同様な手順によりＮ倍の拡大レン
ジを形成することが出来る。

［発明の効果Ｊ 以上実施例に基づいて詳細に説明したように、本発明に
よれば例えば１０倍の拡大レンジにするために、媒体に
照射する測定光の光量を１０倍とするように拡大レンジ
の拡大率だけ測定光量を増加させ、しかも出力電圧の範
囲（ダイナミックレンジ）は不変とした。したがって透
過率の測定範囲が高濃度領域において拡大されるが、Ｓ
／Ｎ比に変化がなく高濃度領域における測定精度が拡大
レンジの拡大率だけ向上するという効果が期待できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を説明するための光透過率測
定装置の概略構成を示すブロック図、第１９− ２図は従来の光透過率測定方法を説明するためのブロッ
ク図、第３図（８）は従来のさらに詳細な測定装置の構
成を示すブロック図、第３図（ｂ）は第３図（ａ）に示
す装置に用いられる光源の駆動タイミングを表すタイミ
ングチャート、第４図は本発明による光路の光量を増加
させるための一方法を説明するための図、第５図は光源
の光景を増大させるための増幅器の構成を示す回路図、
第６図は光路の光量を増加させるために増ｖｉｉｍの利
得を調整するために用いられる増幅器の回路構成を示す
回路図である。 ２　〇− １０，２０・・・・・・投受光器、１１．２１・・・・
・・光源、１５．２５・・・・・・集光器、１６．２６
・・・・・・光電変換素子、３０・・・・・・媒体、３
１，４１・・・・・・１／Ｎ減衰フィルタ、３２．４２
・・・・・ズームレンズ、３３．４３・・・・・・光源
の駆動回路、３４．４４・・・・・・偏光子５３５．４
５・・・・・・受光増幅器。 ≧−妙四≧モ４ 免≧Ｙ快ｐ（ぐミ穐 製対毫　　べ暫Ｎ 丘

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 光源からの光をＰ偏光成分とＳ偏向成分とに直交分離し
   て出射する偏向ビームスプリッタと、自己の光源からの
   Ｓ偏向成分と対向する相手の投光器からの直交して入射
   するＰ偏向成分とを光電変換素子へ導びく同一の光路上
   に集光する集光器とを具備してなる１対の投受光器を対
   向配置し、前記光源から前記偏向スプリッタに至る光路
   又は前記集光器から前記光電変換素子に至る光路に１／
   Ｎ（Ｎは正の数）減衰フィルタを挿入および取除き可能
   に配置し、 まず、この１／Ｎ減衰フィルタを挿入した状態で互いの
   投受光器の出力値が初期設定値となるよう前記光源の光
   量調整を行ない、 ついで、前記１／Ｎ減衰フィルタを取除いて１対の投受
   光器間に存在する媒体に照射する光量をＮ倍に増倍し拡
   大レンジにより前記媒体の光透過率の測定を行なうこと
   を特徴とする光透過率測定装置の測定レンジ拡大方法。