JPH0650885A - 光電比色計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】光源光量の経時変化の補正ができ、複数波長の
測定が可能であるが、可動部はなく単純でかつ安価な構
成の高精度な光学系を備えた光電比色計を提供するこ
と。 【構成】光源光に収束を加えるためシリンドリカルレン
ズ２１を設ける。シリンドリカルレンズ２１を透過する
光束は、該レンズ２１の円筒の軸に垂直な方向（図１
Ａ）では収束され、平行な方向（図１Ｂ）では収束され
ず、ほぼ平行光となり測定セル５０へ与えられる。測定
セル５０には実質的に一様と考えられる被測定物質Ｓが
収容されている。被測定物質Ｓを透過した上方の光束３
０および下方の光束４０は、それぞれ、干渉フィルタ一
体型シリコンフォトダイオード１４，１５で検出され
る。両ダイオード１４，１５は互いに異なる特定波長域
に感度を有する。よって、両ダイオード１４，１５の検
出出力を演算することにより、光源光量の経時変化の影
響のない規格化吸光度を算出でき、被測定物質Ｓの中の
目的物質含量や濃度を測定できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は光電比色計に関する。
さらに詳しくは、化学計測、分析機器、自動測定器等に
利用され、被測定物質中の特定物質の含量や濃度を測定
するために用いられる光電比色計に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】光電比色計の歴史は長く、種々の優れた
光学系が工夫され、利用されてきた。しかし、光源光量
の経時変化の補正、光学系の単純さ、価格、組立ての容
易さ等の観点から見れば、まだ光電比色計には改良すべ
き問題が残されている。従来開発されてきた各種光学系
を備える光電比色計について、まず簡単に説明をする。

【０００３】図２は、光学フィルタ式１波長、１光路系
の光電比色計の水平面内の模式図である。この光電比色
計では、光源１から照射される光は入射側光学系２で収
束される。収束された光束３は測定セル５内に収容され
た被測定物質Ｓを透過する。その際に、被測定物質Ｓの
性質や濃度によって透過する光束のスペクトル等が変化
する。透過した光束は光学フィルタ７にて分光されて光
電素子１２へ与えられ、電気信号に変換される。そして
この電気信号は増幅器１６で増幅される仕組みである。

【０００４】この光電比色計の有する光学系は、単純で
安価ではあるが、光源１の光量が経時的に変化すること
に対する補正が不可能である。それゆえ、精度が要求さ
れる計測にはこの光電比色計は不向きであり、使用でき
ないという欠点がある。そこで、高精度な光電比色計と
して開発されたのが図３または図４に示す２光路系の光
電比色計である。

【０００５】図３または図４は、水平面内の光電比色計
の模式図を示しており、光電比色計の光学系は、いずれ
も、２光路系としたため、光源１の光量の経時変化は補
正されていて、高精度な測定が可能であるが、２光路系
を実現するためのチョッパ１０が必要となっている。ま
た、２光路を水平面内に展開しているため、被測定物質
Ｓを収容するための測定セル５と、基準物質Ｒを収容す
るための対照セル６という２つの光学セルが必要であ
り、さらに、対照セル６に光束４を導くために少なくと
も２つの反射鏡２５，２６を用いた反射鏡光学系を組む
必要がある。

【０００６】さらに、分光素子として、図３の光電比色
計では２枚の光学フィルタ７，８（通常は干渉フィルタ
である）が使用されており、図４の光電比色計では回折
格子９が使用されている。これらの分光素子、すなわち
光学フィルタや回折格子はいずれも部品が高価である。
また、それぞれの分光素子を固定するための部品類も必
要であり、構成が複雑になる。

【０００７】このため、図３または図４の２光路系の光
電比色計では、光路系を構成する部品点数が多く、機構
が複雑で高価になるという欠点があった。また、チョッ
パ１０という可動部材を備えているため、この可動部材
１０が必然的に内蔵している振動源のために、測定結果
に表われるノイズレベルが或る水準から低下しないとい
う問題もあった。

【０００８】さらに、図３または図４の光電比色計にお
いて、反射鏡２６を設けずに、対照セル６内を透過して
きた光束４を検出する光電素子を設けた装置もあるが、
その場合には、２つの光電素子を使用することになり、
光電素子間の感度合わせが必要であり、さらに複雑な構
成になってしまう。図５は、従来のさらに他の構成の光
電比色計を示す水平面内の模式図である。図５の光電比
色計は、測定セル５を透過した光束を検出する光電変換
素子としてダイオードアレイ１３を備えた構成になって
いる。かかる構成の光電比色計は、通常、スペクトルの
時間変化を追跡する目的で、高速液体クロマトグラフィ
の検出器などとして使用されるものである。この光電比
色計は、構成自体が複雑で高価であるばかりでなく、ダ
イオードアレイ１３の動作を制御するためおよびその検
出信号の処理を行うための信号読出装置１８が必要であ
る。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】この発明は、以上の従
来技術に鑑みてなされたものであり、光源光量の経時変
化の補正ができ、複数波長の測定が可能であるが、可動
部はなく単純でかつ安価な構成の高精度な光学系を備え
た光電比色計を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
被測定物質に入射する光束を、基準軸に垂直な方向の面
内では収束させ、基準軸に平行な方向の面内では収束さ
せない入射側光学系手段と、上記基準軸に平行な方向の
面内に、基準軸に平行に配置されていて、被測定物質を
透過した光束を検出する複数の受光手段と、複数の受光
手段の出力信号を演算して被測定物質中の特定物質の含
量または濃度等を算出する演算手段と、を含むことを特
徴とする光電比色計である。

【００１１】請求項２記載の発明は、請求項１記載の光
電比色計において、入射側光学系手段と複数個の受光手
段との間には、基準軸に平行な方向の面内に、基準軸に
平行な方向に長手の実質的に一様と考えられる被測定物
質を収容するための測定セルが配置されていることを特
徴とするものである。請求項３記載の発明は、請求項１
または２記載の光電比色計において、上記入射側光学系
手段は、アナモルフィック系光学系を含むことを特徴と
するものである。

【００１２】請求項４記載の発明は、請求項３記載の光
電比色計において、上記入射側光学系手段は、基準軸方
向に円筒の軸が延びる円筒面を有するシリンドリカルレ
ンズを含むことを特徴とするものである。請求項５記載
の発明は、請求項３記載の光電比色計において、上記入
射側光学系手段は、基準軸方向に円筒の軸が延びる円筒
面を有する凹面鏡を含むことを特徴とするものである。

【００１３】請求項６記載の発明は、請求項１ないし５
のいずれかに記載の光電比色計において、受光手段は、
非分散分光素子と一体化されていることを特徴とするも
のである。

【００１４】

【作用】請求項１ないし５記載の発明によれば、入射側
光学系手段は、光束を基準軸に垂直な方向の面内では収
束させ、基準軸に平行な方向の面内では収束させないの
で、基準軸に平行な方向の面内においては、光束は平行
に進む。よって、この基準軸に平行な面内において、光
束を複数個の光路に展開させることができる。また、光
束を複数個の光路に展開させる際、従来必要であったチ
ョッパ、反射鏡、ハーフミラー等を用いずに行える。

【００１５】さらに、被測定物質を収容するための測定
セルを長手にし、測定セルの長手方向を基準軸に平行な
方向に配置することにより、複数の光路に展開された光
束が測定セルを透過する。そして、測定セルを透過した
複数の光路に対応して、光束を検出するための複数個の
受光手段を基準軸に平行な方向に配列し、複数個の受光
手段を互いに異なる波長領域にのみ感度を有するものに
する。こうすることにより、複数光路、複数波長測光式
の非常に簡単な光電比色計を構成できる。

【００１６】複数の受光手段の受光出力を、たとえば対
数変換することにより吸光度を得ることができ、さら
に、測定波長および対照波長の吸光度差を演算すること
により、光源光量の変動影響を除いた規格化吸光度を得
ることができる。また、使用すべき複数個の特定波長
は、測定対象物質の光学的特徴により同一波長、異なる
波長のいずれでも適切に選定することができる。

【００１７】さらに請求項６記載の発明によれば、受光
手段が干渉フィルタ、色フィルタなどと一体化されたも
のを用いることにより、光学系をより単純化することが
でき、取付部品を不要にできるとともに、調整作業をな
くすことができる。

【００１８】

【実施例】以下、図面を参照しながらこの発明の一実施
例につき説明をする。図１は、この発明の一実施例にか
かる光電比色計の模式図である。特に、図１Ａは光電比
色計を平面的に見た状態の水平面内における模式図であ
り、図１Ｂは光電比色計を側面側から見た状態における
鉛直面内の模式図である。

【００１９】図１Ａおよび図１Ｂを参照して説明する
と、光源１から照射される光には入射側光学系２０にお
いて所定の収束が加えられる。この実施例では、入射側
光学系２０は、シリンドリカルレンズ（より具体的には
平凸シリンドリカルレンズ（平凸円柱レンズ））２１お
よび焦点距離の長い凸レンズ２２を含む構成になってい
る。シリンドリカルレンズ２１は、図１Ａに示すよう
に、光源１からの光が入射する面は平面で、光が出射す
る面は平面形状が凸円弧状をした円筒面になっている。
それゆえ、入射側光学系２０を透過する光束は、シリン
ドリカルレンズ２１の円筒の軸に垂直な方向、つまり図
１Ａに示す水平面内では収束される。

【００２０】一方、シリンドリカルレンズ２１の円筒の
軸に平行な方向、すなわち図１Ｂに示す鉛直面内におい
ては、シリンドリカルレンズ２１は入射光を収束しな
い。また、焦点距離の長い凸レンズ２２は、発散光をほ
ぼ平行に整えるための補助的手段として機能する。それ
ゆえ、入射側光学系２０を透過する光束は鉛直面内では
ほぼ平行光となり測定セル５０へ与えられる。

【００２１】このように、測定セル５０に入射する光束
を、水平面内においては収束される光束とし、鉛直面内
においてはほぼ平行光としたことが、この実施例におけ
る特徴の１つである。測定セル５０に入射する光束を上
述のような光束にするための入射側光学系２０として
は、上述の平凸シリンドリカルレンズ２１および焦点距
離の長い凸レンズ２２からなる構成以外の構成であって
もよい。たとえば、円筒面を含む凹面鏡を用いて入射側
光電系２０を構成してもよい。このように、レンズまた
は反射鏡が円筒面を含む光学系であるアナモルフィック
系光学系を用いて構成し、光学系を通る光束の円筒の軸
に垂直な方向の収束角を所定の収束角にし、軸に平行な
方向には光束が収束しないように入射側光学系２０を構
成すればよい。

【００２２】また上述の入射側光学系２０には、発散光
をほぼ平行に整えるため、換言すれば光量利用効率を高
めるために焦点距離の長い凸レンズ２２を設けたが、こ
のような補助的手段としての焦点距離の長い凸レンズ２
２等は、必要に応じて併用すればよく、必ずしも必須の
要素ではない。次に、測定セル５０は、図１Ｂに示すよ
うに、鉛直面内において上下に長手の形状をしている。
この上下に長手の測定セル５０内に実質的に一様と考え
られる被測定物質Ｓが収容される。それゆえ測定セル５
０に収容された被測定物質Ｓの相対的に上方を光束３０
が透過し、相対的に下方を光束４０が透過する。これら
光束３０および４０は、上述したように、鉛直面内では
平行な光束であるが、水平面内では収束する光束であ
る。

【００２３】この光学系における測定セル５０の下流側
には、図１Ｂに示すように、鉛直面内において上下に配
置された２つの受光素子１４，１５が備えられている。
受光素子１４，１５は、互いに異なる特定波長域に感度
を有する受光素子であり、たとえば、干渉フィルタ一体
型シリコンフォトダイオードが用いられている。この実
施例では、上段のフォトダイオード１４は、中心波長が
たとえば３４０ｎｍの感度波長を有し、また、下段のフ
ォトダイオード１５は中心波長がたとえば７００ｎｍの
感度波長を有するものが用いられている。

【００２４】なお、干渉フィルタ一体型シリコンフォト
ダイオード１４，１５は、上下を反対にして、上段のフ
ォトダイオード１４を７００ｎｍの中心感度波長のも
の、シリコンフォトダイオード１５を３４０ｎｍの中心
感度波長のものとしてもよい。具体的な実施例を試作し
た結果、上述のように上段と下段のフォトダイオード１
４，１５を入れ換えても光量に依存する光電流質量は実
質的に変化はなかった。

【００２５】上述の受光素子１４，１５では、干渉フィ
ルタ一体型のフォトダイオードを使用したので、別個に
干渉フィルタを光学系中に配置する必要がなく、光学系
の単純化が図れ、また調整作業をしなくてもよいという
利点がある。受光素子１４，１５としては、上述の干渉
フィルタ一体型シリコンフォトダイオードに代えて、色
フィルタ等と一体化されたフォトダイオードを用いても
よい。また、干渉フィルタ等が一体化されていない他の
受光素子を用いてもよい。

【００２６】受光素子１４，１５の具体例としては、た
とえば浜松フォトニクス株式会社製の単一波長用シリコ
ンフォトダイオードＳ２６８４や、三洋電機株式会社製
のアモルファス光センサＡＭ−３３０３ＳＣを用いるこ
とができる。上述の受光素子１４，１５でそれぞれ光電
変換された出力電圧は、それぞれ、増幅器１６，１７で
増幅され、たとえば被測定物質として測定セル内に水を
充填した際の出力電圧を約９Ｖに整えられる。そして、
増幅器１６，１７の出力電圧は、データ演算装置１９に
与えられて所定の演算が加えられる。

【００２７】データ演算装置１９には、アナログ信号を
ディジタル信号に変換するためのＡ／Ｄ変換機能が内蔵
されているとともに、マイクロコンピュータが内蔵され
ている。また、表示器も備えられている。データ演算装
置１９では、ディジタル化されたデータを対数変換して
吸光度に直し、さらにたとえば３４０ｎｍの吸光度と７
００ｎｍの吸光度との差を算出して、７００ｎｍの吸光
度で３４０ｎｍの吸光度を補正し、規格化吸光度として
算出し表示する。

【００２８】またこの規格化吸光度と標準試料中の目的
物質濃度が直線関係になり、直読可能な出力を表示でき
る機能も備えさせ得る。

【００２９】

【発明の効果】この発明によれば、光源光量の経時変化
の補正ができ、複数波長の測定が可能な光電比色計を提
供することができる。しかも、この発明による光電比色
計は、可動部がなく単純でかつ安価な構成の高精度な光
学系を備えた光電比色計とすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例にかかる光電比色計の模式
図であり、特に、Ａは光電比色計を平面的に見た状態の
水平面内における模式図、Ｂは光電比色計を側面側から
見た状態における鉛直線内の模式図である。

【図２】従来の光学フィルタ式１波長、１光路系の光電
比色計の水平面内の模式図である。

【図３】従来の２光路系の光電比色計の水平面内の模式
図である。

【図４】従来の２光路系の光電比色計の他の構成例を表
わす水平面内の模式図である。

【図５】従来のさらに他の構成の光電比色計を示す水平
面内の模式図である。

【符号の説明】

１ 光源 ２，２０ 入射側光学系 ３，４，３０，４０ 光束 ５，５０ 測定セル ７，８ 光学フィルタ ９ 回折格子 １０ チョッパ １１ ハーフミラー １４，１５ 光学フィルタ一体型受光素子 １６，１７ 増幅器 １９ データ演算装置 ２１ シリンドリカルレンズ ２２ 焦点距離の長い凸レンズ

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】被測定物質に入射する光束を、基準軸に垂
   直な方向の面内では収束させ、基準軸に平行な方向の面
   内では収束させない入射側光学系手段と、 上記基準軸に平行な方向の面内に、基準軸に平行に配置
   されていて、被測定物質を透過した光束を検出する複数
   の受光手段と、 複数の受光手段の出力信号を演算して被測定物質中の特
   定物質の含量または濃度等を算出する演算手段と、を含
   むことを特徴とする光電比色計。
2. 【請求項２】請求項１記載の光電比色計において、 入射側光学系手段と複数個の受光手段との間には、基準
   軸に平行な方向の面内に、基準軸に平行な方向に長手の
   実質的に一様と考えられる被測定物質を収容するための
   測定セルが配置されていることを特徴とするものであ
   る。
3. 【請求項３】請求項１または２記載の光電比色計におい
   て、 上記入射側光学系手段は、アナモルフィック系光学系を
   含むことを特徴とするものである。
4. 【請求項４】請求項３記載の光電比色計において、 上記入射側光学系手段は、基準軸方向に円筒の軸が延び
   る円筒面を有するシリンドリカルレンズを含むことを特
   徴とするものである。
5. 【請求項５】請求項３記載の光電比色計において、 上記入射側光学系手段は、基準軸方向に円筒の軸が延び
   る円筒面を有する凹面鏡を含むことを特徴とするもので
   ある。
6. 【請求項６】請求項１ないし５のいずれかに記載の光電
   比色計において、受光手段は、非分散分光素子と一体化
   されていることを特徴とするものである。