JPH056138B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 産業上の利用分野 本発明は糖度、塩分濃度等の各種被検液の濃度
を簡易な光学的、電気的手段により表示せしめる
様にした被検液の濃度測定方法および測定器に関
するものである。

従来の技術 従来かかる濃度測定器としては、被検液の濃度
に依存する屈折率の変化、或いは濃度に依存する
被検液とガラス界面での臨界角の変化を利用した
ものとして以下のものが見受けられる。

液の透過光線による臨界角を境にした明暗の
像を接眼レンズおよび目盛板によつて読み取る
様にしたもの。

上記のものと同じ像をイメージセンサによつ
て読み取り、デジタル表示をする様にしたも
の。

液とプリズムの界面をビームによつて走査
し、その反射光強度から臨界角を測定し、デジ
タル表示する様にしたもの（特公開昭53−1582
号公報）。

上記のものは、共に液を透過した光線を用
いての検出であるため、不透明な液の濃度の測定
には対応出来ない欠点を有していた。

又、のものは試料とコーテイング面を有する
基礎プリズムとを接触せしめて界面を形成し、該
界面をダブルビームの平行光線で連続的に角度を
変えながら走査し、試料と基礎プリズムとの界面
により臨界角度位置を光電的に捕捉すると共にコ
ーテイング面よりの反射光をも光電的に捕捉し、
これら両光電信号を臨界角コンパレータに入力す
る様にしたデジタル式自動屈折計に関し、かかる
屈折計によれば反射光を用いるため、の如く
液の透明度は全く問題にならないが、平行光線を
照射するコリメータの角度を変化させながら臨界
角位置を走査せしめるため、コリメータに対する
機械的可動部が必要となり、よつて計器自体の小
型化が難しく携帯用には適さず、又僅かな臨界角
の変化を捉えるためには非常に高度なコリメータ
の駆動精度を要求され、且つコリメータの角度を
細かく読み取る装置を必要とするため、計器自体
が非常に高価なものとならざるを得なかつた。

発明が解決しようとする問題点 本発明は、不透明な被検液の測定を可能にし、
且つ高精度を要求される機械的駆動部をなくし、
全て静的状態で測定可能ならしめることにより、
高精度な測定結果を期待出来る被検液の測定方法
を提供すると共に、携帯に便利な小型且つ安価な
測定器を提供せんとするものである。

〔発明の構成〕

問題点を解決するための手段 本発明はかかる点に鑑み、一つの拡散面と二つ
の磨き面を有するプリズムを設け、拡散面を光源
に対する入射面、一方の磨き面を入射光に対する
反射面、他方の磨き面を出射面と成し、反射面上
に載置された被検液に対し拡散面よりあらゆる方
向の光を含む拡散光を照射し、反射面と被検液と
の界面より反射した反射光を出射面より出射する
と共に、この出射光をレンズを通して多数の光電
変換素子を配列して成るイメージセンサ上に結像
させ、界面における臨界角の変化に対応するイメ
ージセンサの角光電変換素子の出力信号変化を演
算処理し、更に被検液の温度に対する温度補正回
路からの信号を各光電変換素子の出力信号変化に
加えて補正して被検液の濃度を表示する様にした
被検液の濃度測定方法および測定器を提供して上
記欠点を解消せんとしたものである。

作 用 本発明は上記構成により、光源から発せられた
光線はプリズムの拡散面である入射面を照射し、
ここで拡散された光線はプリズム内部を通つて被
検液との界面を構成する反射面に達し、この界面
において反射され、反射光は出射面より出射して
レンズに入射され、レンズはこの光線を多数の光
電変換素子を配列して成るイメージセンサ上に結
像させる。

反射光はあらゆる角度の光線を含む、その強度
は被検液とプリズムの界面における全反射の臨界
角を境に変化し、この結果イメージセンサ上には
明暗が結像され、この明暗の像の境界位置をイメ
ージセンサの各光電変換素子の出力列から電気的
に検知処理することにより被検液の濃度が求めら
れ、その値がデジタル表示される。

測定原理は反射光強度の臨界角付近での変化を
観測し、屈折率若しくは濃度を知るものである。

臨界角θ_Tはプリズムの屈折率をn_P、被検液の屈
折率をn_xとすると、 sinθ_T＝n_X／n_P で表される。

ここでn_Xは被検液の濃度に依存し、被検液の濃
度をχとすると、n_x＝ｆ（χ）の関数式となる。

例えばχに蔗糖濃度（糖度）をとれば、ｆ（ｘ）
は国際砂糖分析標準化委員会の1966年コペンハー
ゲン会議で示された４次式となる。

従つて何らかの方法でθ_Tを測定することによつ
て、被検液の濃度χを測定することが出来る。

実施例 以下本発明の一実施例を図面に基づいて説明す
ると、 １は測定器本体であり、該測定器本体１はケー
ス２に内装された光学的な測定部３、電気的な回
路構成部４、測定結果の表示部５より構成せしめ
ている。

６は測定部３におけるプリズムであり、該プリ
ズム６は一つの拡散面７と二つの磨き面８，９を
有し拡散面７を入射面１０、一方の磨き面８を反
射面１１、他方の磨き面９を出射面１２と成すと
共に、反射面１１の被検液１３の載置面１４と成
し、かかるプリズム６をケース２の上面に開口さ
れた窓部１５に反射面１１を対応せしめる様にし
てケース２内部に設けた支持枠１６を介して固定
せしめている。

又、入射面１０の対向位置にはLEDより成る
光源１７を配置せしめて支持枠１６の筒部１８に
固定支持せしめ、光源１７により入射面１０であ
る拡散面７を照射して反射面１１に対して拡散面
光源を照射せしめる様に成している。

又、出射面１２の対向位置には照射光の屈折方
向に対応して縦方向に多数の光電変換素子１９，
１９ａ…を配列せしめて成るイメージセンサ２０
を配置せしめて支持枠１６の筒部２１に固定支持
せしめ、かかるイメージセンサ２０と出射面１２
との間には照射光をイメージセンサ２０上に結像
せしめるレンズ２２を介在位置せしめている。

尚、プリズム６の角度を決定するには、拡散面
７からの光線が直接出射面１２から出て結像範囲
の角度でレンズ２２に達しないこと、第３図に図
示する様に拡散面７から出射面１２へ直接当たる
角度θaの最小値がプリズム６と空気の界面にお
ける臨界角（約41.2°）よりも大であること、或
いは出射面１２から直接出た光線のレンズ２２を
通しての結像位置がイメージセンサ２０上の測定
範囲外であることが必要であり、かかる条件を満
足する角度としては例えばＡ＝19°、Ｂ＝49°、Ｃ
＝112°程度となる。

２３はケース２に内装せしめた電気回路部であ
り、イメージセンサ２０からの出力を電気的に計
算処理してケース２の上面に設けたデジタル式の
表示器２４に濃度表示せしめる様に成している。

２５は被検液１３の載置面１４に配置せしめて
温度センサであり、該温度センサ２５の出力を電
気回路部２３に導入して被検液１３の温度による
測定値の温度補正を行わしめる様に成している。

２６は載置面１４の上部を被覆する蓋体であ
り、被検液１３の外側から被検液１３を透過して
プリズム６内の外乱光が入るのを防止するための
ものである。

次に濃度測定方法について説明すると、先ず光
源１７によつて拡散面７が照射されると、照射光
は拡散面７で拡散してあらゆる方向の光となつて
反射面１１に達し、該反射面１１で入射光は入射
角と等しい角度に反射し、出射面１２よりプリズ
ム６を出る。

従つて出射面１２における照射光も種々の角度
の光線を含んでいる。

今、プリズム６を出射する光のうち、反射面１
１に対して特定の角度θをなして反射した光線
（θで入射した光の反射光）だけを考えると、こ
の反射光は角度θと界面における全反射の臨界角
θ_Tに従つて第４図、第５図に図示する様にその強
度が定まり、従つて出射面１２を出射する光は反
射角θに応じた強度をもつて平行光線束の集まり
と言うことができる。

そして上記の如くプリズム６を出射した光線
は、第６図に図示する様にレンズ２２に対して入
射し、入射光のうちレンズ２２の軸とある角度α
をなして入射した平行光線束は、レンズ２２から
その焦点距離ｆ離れたイメージセンサ２０の面上
で軸からの距離ｙ＝ｆ・tanαの点に像を結ぶ。

入射する光は種々のαの値をもつ平行光線束の
集まりであるから、上記イメージセンサ２０の面
上に連続した像を結ぶが、光線の強度はαの値に
よつて異なり、第８図に図示する様な強度分布を
もつ明暗の像が出来る事になり、イメージセンサ
２０の個々の光電変換素子１９，１９ａ…を照射
する光強度に応じた電圧が出力される。

従つて、個々の光電変換素子１９，１９ａ…の
位置は反射光の角度に対応している。

そして光電変換素子１９，１９ａ…の出力を端
のものから順に読み出すと、第９図に図示する様
な電圧の時間系列となる。

この系列信号の包絡線は第１０図の状態とな
り、包絡線は破線や実線で示される様に、被検液
１３の濃度に従つて変化する。

次に電気回路部２３においては、第１１図に図
示する様な回路構成より成り、読み出しタイミン
グ回路２７はイメージセンサ２０に対して駆動パ
ルスを出力し、このタイミングに従つてイメージ
センサ２０より出力された電圧をアンプ２８によ
つて増幅せしめる様に成している。

尚、この時イメージセンサ２０の読み出し方向
は第６図の上から右下方向、即ち第９図における
右から左方向とする。

イメージセンサ２０の出力の界面における臨界
角以下の角度に対応する光電変換素子１９，１９
ａ…の出力（明部）は均一であり、この出力より
僅かに下がつた電圧値を基準電圧として、この電
圧よりも電圧が下回つた時のイメージセンサ２０
上の位置を臨界角とする。

そして第１０図に図示する様に、希望とする測
定範囲における臨界角の変化をθ_T1からθ_T2の範囲
とすると、イメージセンサ２０の出力の包絡線は
図の破線から実線の範囲で変化する。

従つて、例えばθ_Oに対応する光電変換素子１
９，１９ａ…の電圧は被検液１３の濃度に拘らず
常に全反射光量に対応して一定である。

そこで、先ず読み出しタイミング回路２７の出
力に従つてこのθ_Oに対応する電圧を基準電圧発生
回路２９でホールドし、これよりも僅かに下がつ
て電圧を基準電圧としてコンパレータ３０の一つ
の入力に対して出力する（第９図の１点鎖線）。

続いて順次イメージセンサ２０の出力を読み出
して行き、コンパレータ３０にて基準電圧と比較
し、イメージセンサ２０の出力が基準電圧よりも
下がつた時点でコンパレータ３０からの信号が出
力され、これを受けてセンサ出力濃度変換回路３
１は読み出しタイミング回路２７からイメージセ
ンサ２０上の位置に対応するタイミングパルスカ
ウント等を読み出し、これより明暗境界位置が検
知され、この位置情報から適当な演算回路によつ
て被検液１３の屈曲率或いは濃度が求められる。

上記の如く、被検液１３に対して入射光を照射
して被検液１３の反射面で臨界角に応じて反射
し、イメージセンサ２０で出力を検出し、濃度を
測定しているが、仮に入射面１０を拡散面７とせ
ず、磨き面とした場合には、光源の指向特性、
光源自体のケースの歪み等により入射光の照射
強度の不均一が、そのままイメージセンサ２０の
出力と不均一として、例えば第１２図に示す様な
出力曲線（実線は全反射時、破線は被検液１３の
測定時）となる。

そこで、全反射時の出力を基準として基準電圧
を設定し、かかる基準電圧と比較して明暗境界位
置を検知して濃度を測定しているために、全反射
時の出力、基準電圧が決定しないと測定出来ず、
従つて全反射時の出力が入射光の種類により一定
でない（波形、両端低下）上記の場合には明暗境
界位置を検知出来ず、濃度の測定も不可能であ
る。

次に、入射光の照射強度を不均一とする上記２
つの原因について述べると、光源の指向特性と
は、光源からの照射方向に対してその中心部での
強度よりも、少しでも角度が付けば強度は低下
し、角度が大きくなるほど低下度も大きくなり、
従つて光源が面積を有する面光源（平面、凸面
等）であつても、照射強度は不均一となり、第１
２図に示す出力曲線において、この原因により照
射強度は両端が下がり、出力が低下するのであ
り、又光源自体のケースの歪みとは、光源を収
納するケース（本願では筒部１８）が一般的に樹
脂等で製造され、肉眼で見えないケースの歪み、
例えば真円でなく平面的に部分が存在したり、凹
凸が存在する様な場合には当然照射強度は不均一
となり、第１２図に示す出力曲線において、この
原因により班様の波形となるのである。

そこで、これらの原因により入射光の焼死や強
度が不均一となることにより、濃度測定が不可能
となることを防止、且つ装置を安価に提供すべ
く、LED（発行ダイオード）やランプの様な安価
な光源を用いるために、本願では入射面１０への
入射光の到達時までは特に工夫はせず、単に入射
面１０を拡散面７として、拡散面７で散乱させて
入射光にあらゆる方向の光を含む様にして、入射
光の照射強度を均一化し、その結果光源の指向
特性による両端低下は多少残るが測定には影響な
く、又光源自体のケースの歪みによる班様の波
形は完全に解消し、全反射時の出力を均一化して
測定結果に信頼性を持たせるのである。

又、被検液１３の濃度と屈曲率の対応は温度に
よつて変化するため、これを補正する必要があ
る。

例えば蔗糖溶液の場合、前記標準化委員会によ
つて示された４次式は20°におけるものであり、
実施例におけるセンサ出力濃度変換回路３１の出
力情報も20℃における屈曲率対応によつて演算さ
れた結果である。

尚、零点もまた組立時に20℃純水によつて調整
されており、従つて20℃以外の測定では適当な補
正を行う必要がある。

この補正に関しても同標準化委員会から温度補
正表が示されており、これによる補正値は温度お
よび被検液１３に依存して定められ、補正値ｙ
は、 ｙ＝aχ_U＋bχ＋ｃ と近似する。

（ｙ≡補正値、χ≡温度、ａ，ｂ，ｃは濃度に
対応して定まる係数） 従つて、先ず補正前の濃度からａ，ｂ，ｃを決
定し、この係数と測定時の温度から補正値が求め
られ、これによつて濃度を補正することが出来
る。

ただし、補正誤差をある程度許容するならば
ａ，ｂ，ｃを濃度値から厳密に算出する必要はな
く、ａ，ｂ，ｃの各値の一つまたは複数の代表値
にて演算してもかまわない。

実施例の場合プリズム６に接し、被検液１３に
近接する位置に配置された温度センサ２５の出力
から温度測定回路３２によつて温度が測定され、
この温度情報およびセンサ出力濃度変換回路３１
からの濃度情報は温度補正回路３３に導入され、
ここで前記の温度補正演算を施した後、補正され
た濃度情報は表示回路３４に出力され、該表示回
路３４はこの濃度情報に基づいて表示器２４を駆
動し、該表示器２４に濃度が表示される。

又、電源回路３５は各回路部に電力を供給する
ものであり、電池を使用することも可能である。

尚、第１１図のブロツク図の破線で囲つた部分
をCPUによつて構成し、各演算および制御をソ
フトウエアで行うことも可能である。

〔発明の効果〕

要するに本発明は、一つの拡散面７と二つの磨
き面８，９を有するプリズム６を設け、拡散面７
を光源に対する入射面１０、一方の磨き面８を入
射光に対する反射面１１、他方の磨き面９を出射
面１２と成し、反射面１１上に載置された被検液
１３に対し拡散面７よりあらゆる方向の光を含む
拡散光を照射し、反射面１１と被検液１３との界
面より反射した反射光を出射面１２より出射する
と共に、この出射光をレンズ２２を通して多数の
光電変換素子１９，１９ａ…を配列して成るイメ
ージセンサ２０上に結像させ、界面における臨界
角の変化に対応するイメージセンサの各光電変換
素子１９，１９ａ…の出力信号変化を演算処理
し、更に被検液１３の温度に対する温度補正回路
３３からの信号を各光電変換素子１９，１９ａ…
の出力信号変化に加えて補正して被検液１３の温
度を表示する様にしたので、反射面１１上に被検
液１３を載置するのみで、被検液１３の濃度に関
連する界面での臨界角変化に対応して、その臨界
角を各光電変換素子１９，１９ａ…の出力変化に
より検知して被検液１３の濃度を測定することが
出来、反射光を利用するため、不透明な被検液１
３の測定も可能であり、又高精度を要求される機
械的駆動部を要しないため、全て静的状態での測
定が可能となることにより、高精度な測定結果を
期待出来るのである。

又、入射面１０を拡散面７とし、拡散面７にお
いて入射光を拡散させてあらゆる方向の光を含む
様にしたので、光源の指向特性、光源自体の
ケースの歪み等による入射光の照射強度の不均一
を排除して、全反射時の出力を均等化させて高精
度の測定結果を可能とし、又あらゆる方向の光を
得るために、入射面１０を拡散面７とするだけで
良いために、光源１７と該光源１７を収納する筒
部１８に一般的なものの使用が出来、装置を安価
にすることが出来るのである。

又、他一方の発明である被検液の濃度測定器に
おいては、機械的可動部を要しないため、機器を
小型化して安価な携帯用としての使用に供するこ
とが出来ると共に、携帯用として持ち運んでの用
途においても機構部の安定化、即ち測定値の確実
さを得ることが出来る等その実用的効果甚だ大な
るものである。

【図面の簡単な説明】

図は本発明の一実施例を示すものにして、第１
図は本発明に係る被検液の濃度測定器の断面図、
第２図、第３図はプリズムに対する照射光の状態
を示す図、第４図は界面における反射状態を示す
図、第５図は入射角と光電変換素子の出力との関
係を示す図、第６図はイメージセンサに対する出
射光の照射状態を示す図、第７図はイメージセン
サの正面図、第８図は光電変換素子の配置と出射
光の強度との関係を示す図、第９図は光電変換素
子の位置と出力電圧との関係を示す図、第１０図
は入射角と出力電圧との関係を示す図、第１１図
は電気回路部のブロツク図、第１２図は入射面を
拡散面とせず磨き面とした場合の臨界角と出力と
の関係を示す図である。 ６……プリズム、７……拡散面、８，９……磨
き面、１０……入射面、１１……反射面、１２…
…出射面、１３……被検液、１９，１９ａ……光
電変換素子、２０……イメージセンサ、２２……
レンズ、３３……温度補正回路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 一つの拡散面と二つの磨き面を有するプリズ
   ムを設け、拡散面を光源に対する入射面、一方の
   磨き面を入射光に対する反射面、他方の磨き面を
   出射面と成し、反射面上に載置された被検液に対
   して拡散面よりあらゆる方向の光を含む拡散光を
   照射し、反射面と被検液との界面より反射した反
   射光を出射面より出射すると共に、この出射光を
   レンズを通して多数の光電変換素子を配列して成
   るイメージセンサ上に結像させ、界面における臨
   界角の変化に対応するイメージセンサの各光電変
   換素子の出力信号変化を演算処理し、更に被検液
   の温度に対する温度補正回路からの信号を各光電
   変換素子の出力信号変化に加えて補正して被検液
   の濃度を表示する様にしたことを特徴とする被検
   液の濃度測定方法。 ２ 一つの拡散面と二つの磨き面を有するプリズ
   ムを設け、拡散面を入射面、一方の磨き面を反射
   面、他方の磨き面を出射面と成し、かかるプリズ
   ムを被検液が載置される反射面に対応して開口さ
   れた窓部を有するケース内に取付け、該ケース内
   において拡散面の対向位置には光源を配置し、出
   射面の対向位置には出射光の光強度を感知する多
   数の光電変換素子を配列したイメージセンサを配
   置し、該イメージセンサと出射面との間には出射
   光をイメージセンサ上に結像するレンズを介在位
   置させ、イメージセンサを各光電変換素子の出力
   信号を濃度表示に変換する電気回路部に連繋し、
   又反射面上には被検液の温度を測定する温度セン
   サを配置すると共に該温度センサの出力を電気回
   路部の温度補正回路に連繋したことを特徴とする
   被検液の濃度測定器。