JPS6016567B2 - 光学的測定装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、光源から被測定対象を経て受光手段に入射す
る光量により被測定対象の性質を調べる光学的測定装置
に関する。

このような光学的測定装置としてよく知られているもの
に光学的濃度計がある。

光学的濃度計においては測定出力を情報として表示する
に際し、対数変換の過程を必要とし、そのための対数変
換手段をはじめとする構成が複雑になっていた。このよ
うな装置としては例えば、昭和４８王実用新案公告第１
１３４７号公報が知られている。この装置は、時間の経
過に対し基準電位から指数関数的に減衰する電位を発生
する手段を設け、この電位と受光量の積分値を示す電位
とが一致するまでの時間を計測するという対数変換手段
を有している。本発明の目的は対数変≠逸機能を有する
光学的測定装置を簡単な構成で提供することにある。以
下図示の実施例に従って本発明を詳細に説明する。第１
図は濃度計として構成された本発明の一実施例の原理を
示すブロック図であり、１はキセノンフラッシュチュー
ブ等の瞬間光発光光源である。メインスイッチＳを閉じ
ると、高圧電源回路２によりコンデンサＣが充電される
。このコンデンサＣの電荷は、トリガー回路３からのト
リガー信号によりフラッシュチューブーを通じて放電し
、これにより測定装置の光源光となる瞬間光がフラッシ
ュチューブーから発光される。以上により光源装置が構
成される。４は被測定対象であり、フラッシュチューブ
から、被測定対象４を透過した光はＳＢＣ等の応答の速
い受光素子５に入射する。

受光素子５により入射光量に応じて発生させられる電流
は、電流−電圧変換回路６により入射光量変化に比例し
て変化する電圧信号に変換される。７はクロックパルス
発生回路であり、これによって発生させられるクロック
パルスは、トリガー回路３からのトリガー信号に同期し
て計数回路８により計数され始める。

なお計算回路８は、プリセット及び加算減算切換計数可
能なものである。９はあらかじめ設定される任意の基準
電圧を発生する基準電圧発生回路であり、比較回路１０
は、９からの基準電圧と６からの電圧信号とを比較し、
電圧信号が基準電圧のレベルよりも減衰したとき、計数
回路８によるクロックパルスの計数を停止させる。

１１は計数値の表示器、１２は計数回路のリセット又は
ブリセットを行う手段である。

次に上記実施例の動作を説明する。

測定にあたっては、まず被測定対象４がフラッシュチュ
ーフーと受光素子５との間の測定回路内に置かれていな
い状態で、フラッシュチュ−ブーを発光させる。第２図
ａはフラッシュチューブ発光のトリガー信号のタイミン
グを示す。これに同期して、第２図ｄに示すように計数
回路８はクロツクパルスの計数を開始する。なおこのと
き計数回路は加算的に計数を行う。第２図ｂは、６から
の信号電圧Ｖ２と、９からの基準電圧Ｖｃとの関係を示
している。信号電圧Ｖ２はフラッシュチューブーからの
発光量の時間的変化すなわち受光素子５の受光量の時間
的変化に比例して変化するもので、フラッシュチューブ
ーのトリガー後上昇し、ピークに達した後時間の経過に
伴って減衰していく。第２図ｃは比較回路の出力を示す
もので、信号電圧Ｖ２が基準電圧ｙｃよりも高い間、出
力が功ｗになっている。第２図ｄより明らかなように、
計数回路８によるクロックパルスの計数は、比較回路１
０の出力かＬｏｗからＨｉ亀に反転して立ち上るタイミ
ングりこより制御されて停止させられる。以上により、
被測定物を置かない状態での測定、すなわち参照光によ
る測定が終了し、計数回路には第２図ｄに示す時間中に
対応するパルス数が計数保次に被測定対象４を第１図の
ように測定光路内に置き、上記と同様にしてフラッシュ
チュ−ブ１を発光させて本測定を行う。第２図ｂより明
らかなように、この場合の６からの信号電圧の時間的変
化は、受光素子５の受光量が被測定対象の透過率に応じ
減少しているのでＶ，に示すような状態になる。フラッ
シュチューブーのトリガーに同期して計数回路は第２図
ｄに示すようにクロックパルスの計数を開始するが、こ
の場合は、減算的に計数が行われる。

従って参照光測定の際に計数保持されていたパルス数は
パルスカウントに伴って減算されていく。第２図ｃ′に
示す比較回路の出力は、今度はタイミングりこおいてＬ
ｏｗからＨｉ軌に立上がるので、第２図ｄ′‘こ示すよ
うにこの時点でパルスカウントは停止され、この結果、
計数回路８には第２図ｅに示すような時間中ｔ，〜ｔ２
に対応するパルス数が残存保示されることになる。この
パルス数が測定情報として表示器１１により表示される
。なお、参照光測定の結果は高圧電源回路２の電圧が安
定していてフラッシュチューブーの発光量が発光のたび
に同じであるかぎり変わらないので、一度測定を行って
その値がわかれば、その値をリセット・プリセット手段
１２により計数回路にプリセットすれば、参照光の測定
手順に換えることができ、ただちに本測定を行うことが
できる。

また、第２図ｄ及び川こおける時間中に対応するパルス
数がそれぞれわかれば、ｔ２〜し間の時間中に対応する
パルス数が引き算により容易に求めうるから、計数回路
８はかならずしもプリセット及び加算減算可能なもので
ある必要はなく、単純な計数回路とし、参照光測定及び
本測定の結果を用いて後から計算してもよい。

さらに、パルスカウントの開始時点は再現性があるかぎ
り任意の時点にとってよいことは上記から明らかである
。

次に本発明により対数変換を伴った測定が行われること
を理論的に説明する。

第３図はキセノンフラッシュチューブの発光量の時間変
化を実測した結果を示すグラフであり、１２‘ま受光素
子に発光光量をそのまま入射させた場合の受光量、１，
は受光素子の前に透過率Ｔの被測定対象を置いた場合の
受光量を示す。第４図は、縦藤に受光量の自然対数をと
って第３図を書き直したものであり、発光量の減衰区間
中に直線部分があることがわかる。換言すれば、第３図
の発光特性において、発光量の減衰区間中の大部分にわ
たり、時間の経過に対して指数関数的に発光量が減衰し
ている区間があることが実証される。いま、第３図にお
いて、発光量の減衰が指数関数的になっている区間内の
任意の時点ｔｏにおける受光量をそれぞれｌｏ，，ｌｏ
２とすると、それ以後の受光量１，，１２の時関変化は
以下のように書き表わすことができる。

１，ニ１０１．ｅ‐（ｔ‐ｔ。

）／７ ｛１）１２＝１０２・ｅ一
（ｔ−ｔ。）／丁 ‘２〕ただし７は
時定数である。また参照光測定と本測定とにおいて高圧
電源回路２の電圧が等しいとすれば、発光量も等しいか
ら、ＬＩニＴ，１雌 脚の関
係が成立する。

一方、第３図におけるｌｃはあらかじめ設定される充分
低い低意の基準受光量レベルを示す。１，，１２が発光
光量の減衰によりそれぞれｔ，，上２において上記基準
受光量レベルｌｃになるとすると、｛１｝、‘２）式よ
りＩＣ＝１０１・ｅ一（上・一上。

）／７ （４｝・Ｃニ１０２・ｅ−（
上２‐ｔ。）／丁 （５）の関係が成り
立つ。【４｝、｛５〕式より毒−卓三定壬また＝ｅ−（
ｔ２−ｔ・）／丁 ■すなわち、Ｌ〜ら間の時間中
は以下のように表わせる。

け，＝「・ｌｎ号＝−７・ｌｏｇ農・亨 ＝−ｌｏｇ母‐．壱ｅ 【７１ ｛７｝式において、時定数丁は、第１図におけるコンデ
ンサ（Ｃ）の容量及びフラッシュチューブーの種類によ
り定まる定数であり、かつｌｏ群定数であるから、（ら
−ｔ，）はｌｏ，／１斑の常用対数に比例する値である
ことがわかる。

すなわち、本発明によれば、ｔ，〜ｔ２間の時間中を測
定することにより参照光量ら２に対する測定光量ｌｏ，
の比が対数変換された値に比例する量が直接的に得られ
ることがわかる。ところで、光学的に濃度を測定する場
合、濃度Ｄは透過率Ｔとの関係で次のように、定義され
る。

Ｄゴ崎１ｔ８｝ 【３１、■式を考慮して‘７）式を書き換えると、ら−
ｔ・＝Ｄ・壱 【９）となり、（【２一ｔ，）
の測定により濃度Ｄに比例する値が直接的に求まること
がわかる。

上記の議論は受光量１に関して行ったが、第１図におけ
る電流−電圧変換回路６は、受光量変化に比例して出力
信号電圧が変化するものであるから、第２図ｂにおける
信号電圧Ｖ，，Ｖ２及び基準電圧Ｖｃをそれぞれ第３図
における受光量１，，１２及び基準受光量レベルｌｃに
読み換えれば、第１図実施例により濃度Ｄに比例した値
が求まることが理解される。

さらに、第１図実施例では情報はパルス数で表示される
ので、クロックパルスの周期を｛９｝式における比例定
数７／ｌｏ繋に対応して調整すれば、パルス数を濃度Ｄ
に直接対応せしめることができ、表示のための演算回路
を特に必要とはしない構成となる。第５図は本発明の他
の実施例であり、参照光測定と本測定とを同時に行うも
のである。

第１図実施例と基本的に同じ構成要素については同一番
号を付す。また、光源部については第１図と同様である
ので図示を省略する。第５図から明らかなように、本実
施例は第１図実施例で説明した受光素子５、電流−電圧
変換回路６、比較回路１０と同様の構成をもう一組有す
るものである。すなわち、１３は第２の受光素子、１４
は第２の電流−電圧変換回路、１５は第２の比較回路で
ある。なお、基準電圧発生回路９は、比較回路１０，１
５で共用されており、また電流−電圧変換回路１０，１
５の出力電圧のゲインを相対的に適切に設定するため、
それぞれゲイン調節手段１６，１７が設けられている。
１８，１９はそれぞれ受光素子５，１３の前に置かれる
フィルターで、フィルター１８は第６図に示す入，の波
長の光を透過し、一方フィルター１９は入２の波長の光
を透過する。

第６図のＣ，，Ｃ２，Ｃ３はそれぞれ異つた濃度の被測
定対象について透過率一波長特性を示すものである。第
６図から明らかなように、波長＾２の光の透過率は、被
測定対象の濃度にかかわらず常に一定であるから、受光
素子１３の受光量変化のしかたも被測定対象には左右さ
れない。すなわち受光素子１３は形式的には被測定対象
を透過した光を受光しているが内容的には測定における
参照光を受光していることになる。第７図ｂのＶ２に電
粒−電圧変換回路１４の出力信号電圧変化を示す。一方
第６図を考慮すれば明らかなように波長入，の光を受光
している受光素子５の受光量変化のしかたは被測定対象
によって異ってくる。この受光素子５に接続された電流
−電圧変換回路６の出力信号電圧変化を第７図ｂのＶ，
に示す。第７図ｃ，ｃ′から、明らかなように比較回路
１５の出力はりこおいてＬｏｗからＨｉ軌になり、一方
比較回路１０ではｔ，において出力が立ち上がる。ここ
で注意すべきことは、本実施例の場合Ｖ，とＶｃとの比
較及びＶ２とＶｃとの比較が同時進行で並行して行われ
ていることである。従って比較回路１０の出力の立ち上
がりでクロックパルスの計数を開始させ、比較回路１５
の出力の立ち上がりで計数を停止させれば計数されたパ
ルス数はそのままら〜ｔ２間の時間中に対応したものと
なる。なお、上記実施例の変形としては、フラッシュチ
ューブ、被測定対象、２つの受光素子等の配置関係が許
せば、フィルター１８，１９を用いて受光波長を選択す
ることをせず、受光素子５のみに被測定対象を透過した
光が入射し、受光素子１３についてはフラッシュチュ−
ブの光が直藤入射するように構成することもできる。第
５図実施例の特徴としては、参照光と測定光を一回の同
じ発光で測定するため、フラッシュチューブ発光用の高
圧電源電圧に変変動があって発光毎に発光量が変化する
としても常にｌｏ，＝Ｔ・ち２の関係が満足され、濃度
Ｄの測定にはさしつかえない点があげられる。

第８図は光源装置の変形例を示すものである。

本発明では、発光量の減衰に関する時定数７が大きいほ
どｔ，，ｔ２等のタイミング決定の精度が上り測定誤差
が小さくなるが、第８図はこの目的のために、フラッシ
ュチューブーと直列に、このフラッシュチューブと同程
度の抵抗値（１０程度）を有する抵抗Ｒを挿入し、時定
数↑を大きくしたものである。なお本発明は、光源光が
被測定対象からの反射を得て受光素子に至るタイプの測
定装置にも適用可能であることは言うまでもない。

以上から明らかなように、本発明は、フラッシュチュー
ブの発光量の減衰のしかたを検討し、減衰区間の中に指
数関数的変化の区間があることに着目して、受光量があ
らかじめ設定されたレベルにまで減衰する時点と基準時
点との間の時間を計測することにより対数変換を伴った
測定を行うことを特徴とするものである。

従って受光量の積分回路や、対数変換回路が不要であり
、きわめて簡単な構成で対数変換を伴った測定を行い得
る測定装置を提供できる。また、光源としてフラッシュ
チューブ等の瞬間光発光光源を用いているため、光源及
びその電源装置を小型化できる上、十分な光量を得るこ
とができるため、ハンディタイプの測定装置としても有
用である。

さらに、本発明では、受光量の積分値ではなく発光光量
の減衰に応じて刻々変化する瞬時値を利用して測定を行
うため、次のような注目すべき効果を生ずる。

すなわち、本発明の受光装置は光量変化範囲のすべてを
カバーするものである必要はなく、例えば第９図に示す
ように、受光量ｌｓ以上では受光装置が飽和して出力が
追随しないような関係であってもｔ，，らの決定にはさ
しつかえがない。このことを逆に見れば、受光装置の動
作範囲に比較して光源の発光量が非常に大きいような構
成が可能であることを意味し、測定に必要な指数関数的
光量減衰区間のみを有効に受光装置の動作範囲に対応さ
せて、預り光のダイナミックレンジをきわめて大きくす
ることが可能となる。これに対し、単に光源をフラッシ
ュ光とするのみで情報としては総受光量、すなわち積分
値を利用し、その後対数変換を行うような構成では、第
９図のような関係の場合、測定にあたっては一点鎖線１
３で示すよりも強い光を用いることができない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の１実施例ブロック図、第２図はその動
作説明図、第３図、第４図は本発明の原理を説明するグ
ラフ、第５図は本発明の他の実施例ブロック図、第６図
は被測定対象の透過率一波長特性を示すグラフ、第７図
は第５図実施例の動作説明図、第８図は本発明の光源装
置の変形例を示す回路図、第９図は本発明の効果の一つ
を説明するグラフである。 １・・・・・・フラッシュチューブ、５・・・・・・第
１の受光素子、１３・・・・・・第２の受光素子、６，
１４・・・・・・電流−電圧変換回路、９…・・・基準
電圧発生回路、Ｉ０，１５・・・・・・比較回路、７・
・・・・・クロックパルス発生回路、８・・・・・・計
数回路。 第１図 第２図 第３図 第４図 第５図 第６図 第７図 第８図 第９図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 発光量の減衰が時間の経過に対し指数関数的になる
   区間を有する瞬間光発光光源と、被測定対象を経た前記
   光源の光を受光する第１の受光手段とを有し、基準時点
   と前記第１の受光手段の出力があらかじめ設定されたレ
   ベルに達する時点との間の時間を計測することにより、
   対数変換を伴った測定を行うことを特徴とする光学的測
   定装置。 ２ 上記基準時点は、測定装置の動作と関連してあらか
   じめ設定されていることを特徴とする特許請求の範囲第
   １項記載の光学的測定装置。 ３ 上記基準時点として、参照光を受光する際における
   上記第１の受光手段の出力が上記あらかじめ設定された
   レベルに達する時点が用いられていることを特徴とする
   特許請求の範囲第１項記載の光学的測定装置。 ４ 参照光を受光する第２の受光手段がさらに設けられ
   ているとともに、上記基準時点として、前記第２の受光
   手段の出力があらかじめ設定されたレベルに達する時点
   が用いられていることを特徴とする特許請求の範囲第１
   項記載の光学的測定装置。 ５ クロツクパルス発生器とそのパルスをカウントする
   計数回路がさらに設けられており、上記計数回路におい
   て上記第１の受光手段の出力が上記あらかじめ設定され
   たレベルに達する時点と上記基準時点との間の時間に対
   応して計数されたパルス数を測定情報とすることを特徴
   とする特許請求の範囲第３項又は第４項記載の光学的測
   定装置。