KR20170122847A - 선광도 및 굴절률 측정장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 측정대상물의 선광도 및 굴절률에 대응한 정보를 동일한 측정조건으로 동시에 측정할 수 있어 측정 조작이 간편하고, 또한 소형의 기기로서 구성하는 것이 용이한 선광도 및 굴절률 측정장치를 제공하는 것으로서,
측정대상물이 수용되는 시료실(1)과, 시료실(1) 내에 수용된 측정대상물의 선광도를 측정하는 선광도 측정부(2)와, 시료실(1) 내에 수용된 측정대상물의 굴절률에 대응한 정보를 측정하는 굴절률 측정부(3)를 구비한다. 선광도 측정부(2)는 분석대상광(9)을 편광 변조시켜 시료실(1)에 입사시키는 편광 변조부(11)와, 시료실(1)을 거친 분석대상광(5)의 광광도를 검출하는 강도 검출부(12)와, 선광도 연산부(13)를 갖고, 굴절률 측정부(3)는 시료실(1)의 바닥부를 이루는 프리즘(8)에 입사된 분석대상광(24)의 위치정보를 검출하는 위치검출부(25)와, 굴절률(농도) 연산부(13)를 갖는다.

Description

선광도 및 굴절률 측정장치{DEVICE FOR MEASURING OPTICAL ROTATION AND REFRACTIVE INDEX}
본 발명은 액체 혹은 고체의 선광도 및 굴절률을 동일 조건으로 측정할 수 있는 선광도 및 굴절률의 측정장치에 관한 것이다.
종래, 측정대상물의 굴절률을 측정하고, 측정된 굴절률로부터 농도(브릭스(Brix)값)로 환산하는 수법이 알려져 있다. 한편, 특허문헌 1, 특허문헌 2 및 비특허문헌 1에는 편광 소자를 회전시키는 등에 의해 측정대상물의 선광도를 측정하는 수법이 기재되어 있다.
그리고, 예를 들면, 전(全)가용성 고형분에 포함되는 자당량(蔗糖量)의 비율을 나타내는 순당율(純糖率)을 산출하려면, 굴절률로부터 구한 브릭스값과, 선광계에 의해 구한 선광도의 2개의 파라미터가 필요하다.
즉, 선광도와 브릭스값의 2값으로부터 제 3 파라미터를 구할 필요가 있다.
일본국 특개 2005-292028호 공보 일본국 특개 2009-085853호 공보
와카야마 도시타카(若山俊隆)，츠시마 히데키(津嶋秀樹)，나카지마 요시노리(中島吉則)，오오타니 유키토시(大谷幸利)，우메다 노리히로(梅田倫弘):"액정 선광계", 응용물리학회 강연예고집, 1137(2005).
그런데, 측정대상물의 굴절률과 선광도는 각각 전용의 측정기에 의해 측정된다. 그 때문에, 이들 2값으로부터 제 3 파라미터를 구하기 위해서는, 한쪽 측정기에서 얻어진 측정값을 다른쪽 측정기에 입력하는 등 하여 산출하지 않으면 안 되어 번잡하다.
또, 측정대상물을 동일한 측정 조건으로 한 채로 동시에 각각의 값을 측정할 수 없다.
또한, 선광도를 측정하는 종래의 선광계는 모터 등의 구동 기구를 이용하여 구성되어 있으므로 대형이고, 소형이며 간편하게 측정할 수 있는 기기로서 구성하는 것은 곤란하다.
그리하여, 본 발명은 상술한 실정을 감안하여 제안되는 것으로, 측정대상물의 선광도 및 굴절률을 동일한 측정 조건하에서 동시에 측정할 수 있어 측정 조작이 간편하고, 또한 소형의 기기로서 구성하는 것이 용이한 선광도 및 굴절률 측정장치를 제공하는 것을 목적으로 하는 것이다.
상술한 과제를 해결하고, 상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 관련된 선광도 및 굴절률 측정장치는 이하의 구성을 갖는 것이다.
[구성 1]
측정대상물이 수용되는 시료실과, 시료실 내에 수용된 측정대상물의 선광도를 측정하는 선광도 측정부와, 시료실 내에 수용된 측정대상물의 굴절률에 대응한 정보를 측정하는 굴절률 측정부를 구비하고, 시료실은, 일방측의 외부로부터 입사하는 분석대상광을, 수용하고 있는 측정대상물 내를 투과시키고, 해당 측정대상물을 투과한 분석대상광을 타방측의 외부로 출사시키도록 구성되어 있는 동시에, 측정대상물을 수용하는 공간의 벽부 또는 바닥부의 일부가, 프리즘의 한 개의 면에 의해 구성되어 있고, 선광도 측정부는, 분석대상광을 발하는 광원과, 이 분석대상광을 편광 변조시켜 시료실에 입사시키는 편광 변조부와, 시료실을 거친 분석대상광의 광강도를 검출하는 강도 검출부와, 이 강도 검출부에 의해 검출된 광강도 정보에 근거하여 분석대상광의 편광 특성 요소를 산출해 측정대상물의 선광도를 산출하는 선광도 연산부를 가지며, 굴절률 측정부는, 분석대상광을 발하여 시료실의 벽부 또는 바닥부의 일부를 이루는 프리즘에 입사시키는 광원과, 프리즘에 입사되어 시료실의 벽부 또는 바닥부의 일부를 이루는 프리즘의 한 개의 면을 거쳐 프리즘으로부터 출사하는 분석대상광의 위치정보를 검출하는 위치검출부와, 이 위치검출부에 의해 검출된 측정대상물의 굴절률에 대응한 위치정보에 근거하여 굴절률 또는 농도를 산출하는 굴절률(농도) 연산부를 갖는 것을 특징으로 하는 것이다.
[구성 2]
구성 1을 갖는 선광도 및 굴절률 측정장치에 있어서, 선광도 연산부에 의해 산출된 선광도와, 굴절률(농도) 연산부에 의해 산출된 굴절률 또는 농도에 근거하여 제 3 파라미터의 산출을 실시하는 것을 특징으로 하는 것이다.
[구성 3]
구성 2를 갖는 선광도 및 굴절률 측정장치에 있어서, 굴절률(농도) 연산부는 브릭스값을 산출하고, 제 3 파라미터는 측정대상물의 순당율인 것을 특징으로 하는 것이다.
본 발명에 관련된 선광도 및 굴절률 측정장치에 있어서는, 한 개의 시료실과, 선광도 측정부와, 굴절률 측정부를 가짐으로써, 동일 조건으로 동시에 2값의 측정을 실시할 수 있어 측정 시간의 단축을 도모할 수 있다. 즉, 선광도 및 굴절률에 대응한 정보를 동시에 측정함으로써, 한쪽의 파라미터를 다른 측정기에 입력하는 수고를 생략할 수 있다.
따라서, 본 발명에 관련된 선광도 및 굴절률 측정장치는, 예를 들면, 순당율과 같이 2개의 파라미터로부터 제 3 파라미터를 도출하는 경우에 있어서 유용하다.
또한, 본 발명에 관련된 선광도 및 굴절률 측정장치는 소형화가 가능하고, 간편하게 측정하는 것을 가능하게 한다.
즉, 종래의 선광도 측정장치는 편광 소자를 모터에 의해 회전시키거나, 또, 패러데이 셀이나 PEM 등의 대형이고 복잡한 편광 변조기를 이용한 것이기 때문에, 장치 전체가 대형화되어 현존하는 소형의 굴절률 측정장치와 일체의 장치로 하는 것은 곤란하다.　
이에 대해, 본 발명에 관련된 선광도 및 굴절률 측정장치에 있어서는, 편광 변조부로서 액정 소자를 이용하면, 모터 등의 구동부를 배제하여 소형화가 가능해진다. 액정 소자의 구동도 저전압이고 또한 저소비 전력이다. 이에 따라, 현존하는 소형의 굴절률 측정장치와 일체화하여 선광도 및 굴절률 측정장치로 하는 것이 가능해진다.
또, 액체 샘플의 선광도 측정에는, 종래, 광로 길이가 정해진 관측관이 사용되고 있다. 관측관을 사용하는 경우에는 관측관을 세트하는 기구가 필요하므로 장치의 소형화에는 제약이 발생한다. 또, 굴절률을 동시에 측정하고자 하는 경우에는 관측관에 굴절률 검출부를 부착할 필요가 있어 구조가 복잡화되어 버린다.
이에 대해, 본 발명에 관련된 선광도 및 굴절률 측정장치에 있어서는, 시료실의 구성을, 일방측의 외부로부터 입사하는 분석대상광을 타방측의 외부로 출사시키는 것으로 함으로써, 관측관의 사용을 필요로 하지 않고, 장치의 간소화, 소형화를 가능하게 하고 있다.
즉 본 발명은, 측정대상물의 선광도 및 굴절률에 대응한 정보를 동일한 측정 조건하에서 동시에 측정할 수 있어 측정 조작이 간편하고, 또한 소형의 기기로서 구성하는 것이 용이한 선광도 및 굴절률 측정장치를 제공할 수 있는 것이다.
도 1은 본 발명에 관련된 선광도 및 굴절률 측정장치의 구성을 나타내는 블록도이다.
[본 발명에 관련된 선광도 및 굴절률 측정장치의 구성의 개요]
도 1은 본 발명에 관련된 선광도 및 굴절률 측정장치의 구성을 나타내는 블록도이다.
본 발명에 관련된 선광도 및 굴절률 측정장치는, 도 1에 나타내는 바와 같이, 측정대상물(101)이 수용되는 시료실(1)과, 시료실(1) 내에 수용된 측정대상물(101)의 선광도를 측정하는 선광도 측정부(2)와, 시료실(1) 내에 수용된 측정대상물(101)의 굴절률에 대응한 정보를 측정하는 굴절률 측정부(3)를 구비하여 구성되어 있다.
시료실(1)은 측정대상물(101)을 직접 주입 가능하고, 일방측의 외부로부터 입사하는 분석대상광(4)을, 수용하고 있는 측정대상물(101) 내를 투과시키고, 해당 측정대상물(101)을 투과한 분석대상광(5)을 타방측의 외부로 출사시키도록 구성되어 있다. 즉, 이 시료실(1)의 일측부에는 입사창(6)이 형성되어 있다. 이 입사창(6)은 시료실(1)의 일측부의 개구부를 투명 재료에 의해 폐개(閉蓋)하여 구성되어 있다. 또, 시료실(1)의 타측부에는 출사창(7)이 형성되어 있다. 이 출사창(7)은 시료실(1)의 타측부의 개구부를 투명 재료에 의해 폐개하여 구성되어 있다. 이들 입사창(6) 및 출사창(7)을 이루는 투명 재료는, 투과하는 광속(光束)의 선광 상태를 변화시키지 않는 재료, 또는 투과하는 광속에 부여하는 선광 상태의 변화를 이미 알고 있는 재료에 의해 구성되어 있다.　
또, 시료실(1)은 측정대상물(101)을 수용하는 공간의 벽부 또는 바닥부의 일부가, 굴절률 측정부(3)를 구성하는 프리즘(8)의 한 개의 면(8a)에 의해 구성되어 있다. 이 실시 형태에 있어서는, 프리즘(8)의 한 개의 면(8a)은 시료실(1)의 측정대상물(101)을 수용하는 공간의 바닥부의 일부를 이루고 있다.
선광도 측정부(2)는 분석대상광(9)을 발하는 광원(10)과, 이 분석대상광(9)을 편광 변조시켜 시료실(1) 내에 입사창(6)으로부터 입사시키는 편광 변조부(11)를 갖는다. 광원(10)으로는, 예를 들면, 단색 발광의 LED를 이용할 수 있다. 이 광원(10)으로부터 발하여진 분석대상광(9)은 집광렌즈(14)에 의해 평행 광속이 이루어진다.
편광 변조부(11)는 소정의 편광 성분만을 투과시키는 편광자(15)와, 제 1 및 제 2 액정 소자(16, 17)를 포함한다. 액정 소자(16, 17)는 제어신호 발생부(18)에 의해 인가 전압이 제어된다. 또, 액정 소자(16, 17)의 온도가 온도 센서(19)에 의해 검출되어 온도 정보가 제어신호 발생부(18)로 보내진다. 제어신호 발생부(18)는 온도 센서(19)로부터 보내지는 온도 정보에 근거하여 액정 소자(16, 17)를 소정의 선광 상태로 제어한다. 또는, 액정 소자(16, 17)에 대한 인가 전압을 제어하지 않고, 액정 소자(16, 17)의 온도 센서(19)로부터 보내지는 온도 정보에 근거하여 선광도를 보정해 산출해도 된다.
선광도 측정부(2)는 시료실(1) 내를 거쳐 출사창(7)으로부터 출사되는 분석대상광(5)의 광강도를 검출하는 강도 검출부(12)를 갖는다. 이 선광도 및 굴절률 측정장치에 있어서, 출사창(7)으로부터 출사되는 분석대상광(5)의 광강도는 시료실(1) 내의 측정대상물(101)의 선광도에 따라 변화한다.
강도 검출부(12)는 검광자(20)와 수광 센서(포토 센서)(21)로 이루어진다. 출사창(7)으로부터 출사된 분석대상광(5)은 검광자(20)를 거쳐 수광 센서(21)에 의해 수광된다. 강도 검출부(12)에 의해 검출된 광강도 정보는 선광도 연산부(13)에 보내진다. 또, 시료실(1)의 온도가 온도 센서(22)에 의해 검출되어 온도 정보가 선광도 연산부(13)에 보내진다.
선광도 연산부(13)는 강도 검출부(12)로부터 보내진 광강도 정보 및 온도 센서(22)로부터 보내진 온도 정보에 근거하여 분석대상광(5)의 편광 특성 요소를 산출해 측정대상물(101)의 선광도를 산출한다. 선광도 연산부(13)에 있어서의 연산 결과는 기억부(23)에 의해 기억된다.
또한, 선광도 연산부(13)는, 후술하는 굴절률(농도) 연산부와 함께 한 개의 연산부(13)로서 구성되어 있다.
굴절률 측정부(3)는 분석대상광(24)을 발하고, 이 분석대상광(24)을 프리즘(8)에 입사시키는 광원(25)을 갖는다. 광원(25)은, 예를 들면 단색 발광의 LED로서, 점광원이며 확산광인 분석대상광(24)을 발한다.
프리즘(8)에 입사된 분석대상광(24)은 시료실(1)의 바닥부의 일부를 이루는 프리즘(8)의 한 개의 면(8a)에 입사되고, 이 면(8a)에 의해 내면 반사되어 프리즘(8)의 다른 면으로부터 출사된다. 프리즘(8)으로부터 출사하는 분석대상광(24)은 위치검출부(26)에 입사된다. 이 위치검출부(26)는, 예를 들면 CCD로서, 프리즘(8)의 한 개의 면(8a)에 의해 내면 반사된 분석대상광(24)의 출사 위치를 검출한다.
이 선광도 및 굴절률 측정장치에 있어서, 프리즘(8)의 한 개의 면(8a)에 의해 내면 반사된 분석대상광(24)의 출사 위치는 시료실(1) 내의 측정대상물(101)의 굴절률에 따라 변화한다. 프리즘(8)의 한 개의 면(8a)은 이 프리즘(8)과 측정대상물(101)과의 계면이므로, 측정대상물(101)의 굴절률에 의해 이 면(8a)에 있어서의 임계각이 정해지기 때문이다. 분석대상광(24)의 위치정보는 측정대상물(101)의 굴절률에 대응한 정보이다.
또한, 굴절률 측정부(3)에 있어서의 분석대상광으로는 평행 광속을 이용해도 된다. 이 경우에는, 측정대상물(101) 내를 투과하고, 프리즘(8)의 하나의 면(8a)(프리즘(8)과 측정대상물(101)과의 계면)을 투과하여, 프리즘(8)의 다른 면으로부터 출사된 분석대상광의 위치정보를 검출한다. 이와 같이 검출된 위치정보도 측정대상물(101)의 굴절률에 대응한 정보이다.
위치검출부(26)에 의해 검출된 위치정보는 굴절률(농도) 연산부(13)로 보내진다. 이 실시 형태에 있어서는, 굴절률(농도) 연산부(13)는 보내진 분석대상광(24)의 위치정보에 근거하여 측정대상물(101)의 브릭스값을 산출한다. 브릭스값의 산출은 분석대상광(24)의 위치정보로부터 직접 산출해도 되고, 위치정보로부터 측정대상물(101)의 굴절률을 산출하고, 이 굴절률로부터 브릭스값으로 환산해도 된다. 어느 산출 방법에 있어서도, 측정대상물(101)의 굴절률에 대응한 위치정보에 근거하여 브릭스값을 산출하고 있는 것이 된다.
또한, 브릭스값의 산출에 있어서는, 시료실(1)의 온도 센서(22)로부터 보내진 온도 정보(측정대상물(101)의 온도)에 근거하여 보정을 실시한다.
그리고, 이 선광도 및 굴절률 측정장치에 있어서는, 선광도 연산부(13)에 의해 산출된 선광도와, 굴절률(농도) 연산부(13)에 의해 산출된 브릭스값에 근거하여 제 3 파라미터의 산출을 실시할 수 있다. 이 제 3 파라미터란, 예를 들면 측정대상물(101)의 순당율이다.
[본 발명에 관련된 선광도 및 굴절률 측정장치의 구체적인 구성예]
선광도 측정부(2)의 광원(10)에는 발광 파장 590nm 부근의 단색 LED를 사용했다. φ0.4mm의 핀 홀을 통과시킨 분석대상광(9)을 초점거리 9mm의 양 볼록 렌즈(14)에 의해 평행 광속으로 하고, 편광자(15) 및 2장의 액정 셀(16, 17)로 구성된 편광 변조부(11)에 의해 편광 변조를 실시했다. 편광자(15)와 2장의 액정 셀(16, 17)의 방위는 각각 0°, 45°, 0°로 설정했다. 액정 셀(16, 17)은 신호발생부(18)로부터의 교류 전압에 의해 구동했다. 액정 셀(16, 17)에는 Δn0.2, 셀 갭 5.5㎛의 네마틱 액정을 사용했다.
편광 변조부(11)에 의해 편광 변조된 분석대상광(4)은 시료실(1) 내의 측정대상물(101)을 투과함으로써 선광한다. 시료실(1)의 좌우 측면에 입사창(6) 및 출사창(7)을 부착하고, 시료실(1) 내를 분석대상광(4)이 투과하도록 했다. 입사창(6) 및 출사창(7)을 이루는 투명 재료로는 BK-7을 채용했다. 또, 입사창(6)에서부터 출사창(7)까지의 거리는 20mm로 설정했다. 측정대상물(101)을 투과한 분석대상광(5)은 방위 90°로 한 검광자(20)를 투과하고, 수광 센서(21)에 의해 검출된다. 이 선광도 측정부(2)에 있어서의 선광도 측정 수법은 주지의 수법이므로 상세한 설명은 생략한다.
굴절률 측정부(3)의 광원(25)에도 발광 파장 590nm 부근의 단색 LED를 사용했다. 점광원으로서 출사한 분석대상광(24)은 프리즘(8) 내를 확산하여 시료실(1)의 측정대상물(101)을 수용하는 공간의 바닥부의 일부를 이루는 프리즘(8)의 한 개의 면(8a)에서 반사되고, 혹은, 투과한다. 반사된 분석대상광(24)은 프리즘(8)의 다른 면으로부터 출사되어 위치검출부(26)에 의해 위치정보가 검출된다. 위치검출부(26)에 의해 검출되는 위치정보는 프리즘(8)의 한 개의 면(8a)에서의 반사와 투과의 경계인 임계각에서 명암이 발생한 것에 의한 것으로, 측정대상물(101)의 굴절률에 대응한 정보이다. 위치검출부(26)에는 CCD 라인 센서를 사용했다. 또, 프리즘(8)을 이루는 재료로는 SF-2를 사용했다.
[본 발명에 관련된 선광도 및 굴절률 측정장치에 있어서의 순당율의 측정예]
순당율은 이하의 식으로 정의된다.
순당율〔%〕= (자당량/전가용성 고형분)×100
전가용성 고형분은 브릭스값〔%〕으로 표시된다.
자당량은 이하와 같은 정의에 따른다.
자당량=(26.016/100ml의 액체의 질량(밀도))×국제 당도
또한, 100ml의 액체의 질량은 ICUMSA의 SPS-4의 4항 (2)식으로 구하고 있다. 또, 국제 당도란, 26.000g/100ml의 자당 용액을 200mm의 관측관으로 측정했을 때의 선광도를 100°Z로 한 것이며, ICUMSA의 SPS-1의 3.2항에 정의되어 있다.(ICUMSA 일본부회：ICUMSA Methods Book, SPS-1(2005) pp.1-7. ICUMSA 일본부회：ICUMSA Methods Book, SPS-4(1994) pp.〔71〕1-〔71〕11.)
이러한 관계로부터, 측정된 선광도 및 브릭스값을 이용하여 순당율을 산출했다. 사카로오스 10%(w/w), 20%(w/w), 30%(w/w)의 3종류에 대해 측정한 결과를 이하의〔표 1〕에 나타낸다.
선광도〔°〕 브릭스값〔％〕 순당율〔％〕
사카로오스10％ 1.38 10.0 99
사카로오스20％ 2.88 20.0 100
사카로오스30％ 4.51 30.0 100
혼합물이 없기 때문에, 3 종류의 샘플 모두 순당율은 거의 100%가 되었다.
산업상 이용 가능성
본 발명은 액체 혹은 고체의 선광도 및 굴절률을 동일 조건으로 측정할 수 있는 선광도 및 굴절률 측정장치에 적용된다.
1: 시료실 2: 선광도 측정부
3: 굴절률 측정부 4, 5, 9, 24: 분석대상광
8: 프리즘 8a: 한 개의 면
10, 25: 광원 11: 편광 변조부
12: 강도 검출부 13: 선광도 연산부, 굴절률(농도) 연산부
26: 위치검출부 101: 측정대상물

Claims (3)

  1. 측정대상물이 수용되는 시료실과,
    제 1 분석대상광을 발하는 제 1 광원과, 이 제 1 분석대상광을 편광 변조시켜 상기 시료실의 일방측의 외부로부터 상기 시료실로 입사시키는 액정 소자로 이루어지는 편광 변조부와, 상기 시료실에 수용된 상기 측정대상물을 투과하여 상기 시료실의 타방측의 외부로 출사시킨 상기 제 1 분석대상광의 광강도를 검출하는 광강도 검출부를 갖는 제 1 광학계와, 이 광강도 검출부에 의해 검출된 상기 측정대상물의 선광도에 대응한 광강도 정보에 근거하여 상기 제 1 분석대상광의 편광 특성 요소를 산출해 상기 측정대상물의 선광도를 산출하는 선광도 연산부를 갖는 선광도 측정부와,
    제 2 분석대상광을 발하는 상기 제 1 광원과는 다른 제 2 광원과, 상기 제 2 분석대상광이 한 개의 면에 입사되어 다른 면으로부터 출사하도록 이루어진 프리즘과, 상기 프리즘으로부터 출사된 상기 제 2 분석대상광의 위치 정보를 검출하는 위치 검출부를 갖는 제 2 광학계와, 이 위치 검출부에 의해 검출된 상기 측정대상물의 굴절률에 대응한 위치 정보에 근거하여 굴절률을 산출하는 굴절률 연산부를 갖는 굴절률 측정부를 구비하고,
    상기 제 1 분석대상광을 평행 광속으로 하는 동시에 상기 제 2 분석대상광을 확산광으로 하고, 상기 프리즘의 상기 한 개의 면이 상기 측정대상물을 수용하는 상기 시료실의 공간의 벽부 또는 바닥부의 일부를 구성하는 동시에, 상기 제 2 분석대상광이 상기 프리즘의 상기 한 개의 면에서 내면 반사되어 상기 다른 면으로부터 출사하도록 구성된 것을 특징으로 하는 선광도 및 굴절률 측정 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 선광도 연산부에 의해 산출된 선광도와, 상기 굴절률 연산부에 의해 산출된 굴절률, 또는, 농도에 근거하여, 제 3 파라미터의 산출을 실시하는 것을 특징으로 하는 선광도 및 굴절률 측정 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 굴절률 연산부는, 브릭스값을 산출하고,
    상기 제 3 파라미터는, 상기 측정대상물의 순당율인 것을 특징으로 하는 선광도 및 굴절률 측정 장치.
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