JP2014016176A - 測光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小型化に適した構造の簡単な分光光度計などに使用される測光装置を提供する。
【解決手段】光源から出た光を集光して被測定物の表面に当て該表面を反射した反射光をセンサに導いて被測定物表面のスペクトル反射率を測定する。光源から出た光を集光するためのレンズを光源から出た光の光路上に配置し、該レンズに反射光を通す空洞を設ける。被測定物の表面を反射した反射光はレンズの空洞を通って光センサに到達し、光センサの検出信号に基づき被測定物表面のスペクトル反射率が測定される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光源から照射された光を被測定物表面に集光し被測定物表面から反射した反射光を受光部で検出する光度計や測色計などに使用される測光装置に関する。

回路基板にＬＥＤからなる光源を取り付け、光源から出た光を、本体カバーに形成した反射面を有する円錐面で本体カバーの開口部の下方に集光させて、被測定物の表面に当て、該被測定物の表面を反射した反射光をレンズ系を通してスペクトルセンサに導き、このスペクトルセンサによって被測定物表面のスペクトル反射率を測定する分光光度計が従来知られている（例えば特許文献１参照）。

特表２０１０−５２３９８４号公報

光源から出た光を分光光度計本体カバーの円錐面で被測定物の表面に集光させる構成は、本体カバーに集光のための円錐面を鏡面に加工をして形成する必要がある。そのため本体カバーの傾斜している円錐面で焦点距離を短くするのに限界があり、ＬＥＤの配置される大きさに影響される部分も大きいため本体カバーが大型となってしまう問題点がある。
本発明の主たる目的は、光源から照射された光を被測定物表面に集光し被測定物表面から反射した反射光を受光部で検出する光度計や測色計などに使用される測光装置において、光源から出た光をレンズによって集光し、焦点距離を短くできるようにして発光部から測定物までの距離を小さくすることにより上記問題点を解決することである。
また、本発明の他の目的は、被測定物の測定表面がせまい場所であっても、容易に反射光の検出を行うことができる分光光度計などに使用される測光装置を提供することである。

上記目的を達成するため、本発明は、光源から出た光を集光して被測定物の表面に当て該表面を反射した反射光を光センサに導いて反射光を検出する測光装置であって、前記光源から出た光を集光するためのレンズを前記光源から出た光の光路上に配置し、該レンズに反射光を通す空洞を設け、前記被測定物の表面を反射した反射光が前記空洞を通って前記光センサに到達するようにしたことを特徴とする。
また本発明は、前記光センサの検出した信号を前記被測定物の表面の色を表すデータに変換し出力する電子回路を設け、測色器として機能させたことを特徴とする。
また本発明は、前記光センサの検出した信号によって前記被測定物の表面のスペクトル反射率を測定する電子回路を設け、分光光度計として機能させたことを特徴とする。
また本発明は、前記光源と前記レンズとの間に光照射光路用の導光体を配置し、前記レンズの空洞と前記光センサとの間に光反射光路用の導光体を配置し、前記光照射光路用の導光体を通った光が前記レンズに照射され、該レンズを通過し、被測定物に当たった光の反射光がレンズの空洞を通って前記光反射光路用の導光体に入るようにしたことを特徴とする。
また本発明は、前記光源を複数個設け、該各光源を前記レンズの直上で円周に沿って配置し、各光源から出た光が前記レンズによって集光されるようにしたことを特徴とする。
また本発明は、前記各光源は異なった波長帯域を有していることを特徴とする。
また本発明は、前記光源を複数個設け、各光源は異なった波長帯域を有し、前記光センサが複数の光検出回路からなることを特徴とする。
また本発明は、前記光源を複数個設け、該各光源を前記レンズの直上で円周に沿って等間隔に配置し、各光源から出た光が前記レンズによって集光されるようにしたことを特徴とする。
また本発明は、光照射光路用の導光体と光反射光路用の導光体が光ファイバーからなることを特徴とする。
また本発明は、前記光源と前記センサと前記レンズとを本体カバーに内蔵し、該本体カバーの開口部から前記レンズを通った光が被測定物に照射され、前記開口部から前記被測定物から反射した光が前記本体カバー内に入るようにしたことを特徴とする。
また本発明は、前記光源と前記センサとを本体カバーに内蔵し、前記本体カバーとは別体の先端カバーに前記空洞付きレンズを配置し、前記本体カバーと先端カバーとを前記光照射光路用導光体と光反射光路用導光体とで連結し、前記光照射光路用の導光体を通った光が前記レンズに照射され、前記レンズの空洞を通った反射光が前記光反射光路用の導光体を通って前記光センサに導かれるようにしたことを特徴とする。
また本発明は、前記レンズは、フレネルレンズであることを特徴とするものである。

本発明は、空洞を有するレンズによって光源から出た光を集光させるため、光の焦点距離を短くすることができ、装置の光源から測定物までの距離を小さくすることが可能となる。
また、反射光はレンズの空洞を通るので、レンズによる光の減衰を防止することができ、直接センサでの受光ができる。また、導光体によって光源の光をレンズに導くようにすれば装置本体に設けたＬＥＤや受光部の直径に比べ、導光体の集合による直径分だけの大きさで構成できるので、装置先端部分での径を小さくすることができ、そこに小径の穴あきレンズを使用することで、先端の径を小さくする事と導光体から測定物までの距離を小さくすることができるので、光の減衰が少なくレンズの径を小さくでき、せまい場所での反射光の検出が可能となる測光装置を作成することができる。

本発明に係る測光装置の断面説明図である。 レンズの平面図である。 測光装置の回路基板の底面説明図である。 本発明の他の実施形態を示す断面説明図である。

以下に本発明の測光装置を分光光度計として構成した実施形態について添付した図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明にかかる測光装置を測色器での用途にて使用している分光光度計２の内部構造の説明図である。
ＣＰＵ、メモリ、入出力インターフェイス、ドライバ、受信回路などの回路が形成された回路基板４に発光ダイオード（ＬＥＤ）からなる光源６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ，６ｅ，６ｆ，６ｇ，６ｈが複数個、図３に示すように円周上に等間隔で配列して取り付けられている。

複数個の光源６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ，６ｅ，６ｆ，６ｇ，６ｈは、カバー８の内部に下向きに被測定物１０に向けて突出して配置され、各光源６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ，６ｅ，６ｆ，６ｇ，６ｈの下側には、中心に空洞１２ａが形成された集光用のレンズ１２が配置されている。各光源６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ，６ｅ，６ｆ，６ｇ，６ｈの下端はレンズ１２に接触もしくは適切な距離をもって対向配置されている。各光源６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ，６ｅ，６ｆ，６ｇ，６ｈの下端はレンズ１２の空洞１２ａを中心とする同心円線上に等間隔で配置されている。レンズ１２は、回路基板４に取り付けられた筒状の遮光仕切体１４の外周部に保持されている。レンズ１２は本実施形態ではフレネルレンズを用いている。なお、フレネルレンズは必要に応じてどちらの面を光源側に設置しても良い。

光源６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ，６ｅ，６ｆ，６ｇ，６ｈの光を遮蔽するための遮光仕切体１４の内部には、被測定物１０の表面から反射しカバー８のチャンバー内に入ってくる光を方向決めして集束するように設計されている光路幾何学形状変換器を構成する、フィルタ１６を備えたジオメトリーコンバータ１８が配置されている。また、遮光仕切体１４の内部には、ジオメトリーコンバータ１８の上方に、光センサ２２、エタロン２４、フェースプレート２６から構成される検出部２０が配置され、回路基板４の回路部の受信回路に電気的に接続している。検出部２０は回路基板４に取り付けられ、ジオメトリーコンバータ１８は遮光仕切体１４に保持されている。ジオメトリーコンバータ１８及び検出部２０は遮光仕切体１４により光源の光の横からの影響を受けないように構成されている。

ジオメトリーコンバータ１８を通過した光は、検出部２０の表面積と一致する細い線になる。検出部２０は、多色又は「白色」光を、それを構成しているスペクトルに変換する「デジタルプリズム」の役目を果たしており、スペクトルには３５０ｎｍから７５０ｎｍの間の波長の可視スペクトル（ＶＩＳ）白色光、７５０ｎｍから１５００ｎｍの間の波長の近赤外（ＮＩＲ）光、１５００ｎｍ波長より上の遠赤外線（ＩＲ）、及び３５０ｎｍ波長より下の紫外（ＵＶ）光が含まれる。検出部２０を構成する組立体には、次の３大副構成要素が組み込まれている。

１つは感光性を有するフォトダイオードの光検出器アレイからなる光センサ２２であって関心対象の波長領域と一致していて、直線状のアレイ、又は光検出器サイトの行が長軸を成し列が短軸を成す略矩形のグループに配列された複数の光検出器サイトで構成されている。光センサ２２はフォトダイオード以外に光トランジスタ、又は他の類似のその様な光検出回路からなるセンサで構成しても良い。２つ目は、合成干渉被覆層の厚さが縁と縁の間で変化し、楔に似た形状が光検出器アレイの長軸に沿ってサブミクロンの規模で形成されように塗布された多数の帯域通過フィルター被覆層で形成されているエタロン２４である。

エタロン２４は、各通過帯域の中心波長は被覆厚さの関数なので、フィルタの所与の点を通して伝送されるピーク波長は、フィルタ被覆楔の方向即ちセンサの長軸方向に略直線状に変化する。３つ目は５ミクロンから１００ミクロン規模の直径で、中心から中心までの間隔が同じで低い開口数の、光学的に透明なプラスチック又はガラス製の光ファイバー要素のアレイを、或る割合の壁外吸収性（ＥＭＡ）材料と組み合わせて備えているか、又は、ＥＭＡ型材料のような光吸収性材料の同様のモノリシックプレートであって、直径が５から１００ミクロン規模で、中心から中心までの間隔が同じである穴又は毛細管のアレイが吸光プレートにエッチング、穿光、又は別のやり方で切られている、プレートを備えている、コリメート用フェースプレート２６である。

コリメート用フェースプレート２６において、光ファイバーか毛細管か何れのアレイ設計であろうと、フェースプレート２６の目的は、干渉フィルター被覆に入射する光をコリメートして、被覆面に対して２０度より大きい入射角度の光を拒絶し、半角２０度以下の一連の円錐が重なり合って、その重なり面積が光検出器のアレイに重ね置かれている被覆層の全区域に概ね均一な照射レベルを提供するのに十分な形で出現するようにすることである。

上記した構成において、光源６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ，６ｅ，６ｆ，６ｇ，６ｈからの光はレンズ１２を通過し、個々で矢印Ａの方向に集光され、カバー８の開口部を出て、被測定物１０の表面に当たる。被測定物１０の表面に当たり、それにより矢印Ｂの方向に生じた反射光はジオメリーコンバータ１８を通過し、検出部２０に入光して、反射光が光センサ２２により検出され、被測定物１０の表面のスペクトル反射率が検出される。光センサ２２の検出信号は回路基板４に設けられた色測定回路により反射光の色を数量的に表す色測定数値データに変換され、本実施形態の分光光度計が測色器として使用される。

次に、本発明の他の実施形態を図４を参照して詳細に説明する。
回路基板４に発光ダイオードからなる光源６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ，６ｅ，６ｆ，６ｇ，６ｈが複数個、図３に示すように円周上に、等間隔で配列して取り付けられている。複数個の光源６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ，６ｅ，６ｆ，６ｇ，６ｈは、カバー２８内のチャンバーに照射方向を下向きにして回路基板４の下面から突出して配置されている。各光源６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ，６ｅ，６ｆ，６ｇ，６ｈの下側には屈曲自在で柔軟性のある細長状の光照射光路用導光体３０が配置され、各導光体３０は、カバー２８の底壁に形成された孔３２から外部に導かれている。

光照射光路用各導光体３０は、カバー２８に保持され、各導光体３０の一端部は、対応する光源６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ，６ｅ，６ｆ，６ｇ，６ｈにそれぞれに接触もしくは適切な距離をもって対向配置されている。回路基板４にはその下面に下方向に突出して筒状の遮光仕切体１４が設けられ、該遮光仕切体１４の内部には、被測定物１０から反射された光の光路上に位置してフィルタ１６を備えたジオメトリーコンバータ１８と、検出部２０とが配置され、検出部２０は回路基板４に設けられた対応する受信回路に電気的に接続している。

検出部２０は回路基板４に取り付けられ、ジオメトリーコンバータ１８は遮光仕切体１４に保持されている。ジオメトリーコンバータ１８の下方には、光反射光路用導光体３４の一端が配置され、該導光体３４はカバー２８に保持されカバー２８の底壁に形成された孔３２から外部に導かれている。カバー２８から外部に所定長さ導かれた光照射光路用の導光体３０と光反射光路用の導光体３４の各先端は先端カバー３６の上部壁に形成された孔を通じて、下部が開放された先端カバー３６の内部に導かれ、各導光体３０，３４は、先端カバー３６に保持されている。各導光体３０，３４は図では説明の便宜のため分離して記載されているが、実際の製品では複数の導光体が纏められコードの形態に被覆されており、自由に屈曲が可能な状態になっている。

先端カバー３６の内部には中心に空洞３８ａが形成された集光用のレンズ３８が配置され、該レンズ３８は先端カバー３６に保持されている。レンズ３８は本実施形態ではフレネルレンズを用いている。レンズ３８の平面形状は、図２に示すレンズ１２の平面形状と同一である。光照射光路用の導光体３０の各先端は、レンズ３８の空洞３８ａを中心とする同心円線上に等間隔で対向配置され、光反射光路用の導光体３４の先端は、レンズ３８の空洞部３８ａの直上に配置されている。光照射光路用の導光体３０の先端はレンズ１２に接触している。なお適切な距離をもって対向配置しても良い。

上記した構成において、光源６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ，６ｅ，６ｆ，６ｇ，６ｈからの光は導光体３０及びレンズ３８を通過し、ここで矢印Ａの方向に集光され、先端カバー３６の下部開口部を出て被測定物１０の表面に当たる。被測定物１０の表面に当たり矢印Ｂの方向に生じた反射光は、導光体３４の中を通って、ジオメトリーコンバータ１８の下に導かれ導光体３４の上端を出る。導光体３４を出た反射光は、ジオメトリーコンバータ１８を通過し、ここで集束され、検出部２０に入光し、被測定物の表面のスペクトル反射率が検出される。尚、図では記載していないが、導光体３０，３４の境界に仕切を設けて導光体３４に反射光だけが入るようにしても良い。

本実施形態では、分光光度計２の本体側カバー２８とは別体の先端カバー３６内にレンズ３８を配置し、このレンズ３８に光源６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ，６ｅ，６ｆ，６ｇ，６ｈの光を導光体３０を介して導き、レンズ３８を通過した光を被測定物１０に当て、反射光を導光体３４を介して、本体側カバー２８内に導くようにしたので、装置本体に設けたＬＥＤや検出部（受光部）の直径に比べ、導光体の集合による直径分だけの大きさで構成できるので、装置先端部分での径を小さくすることができ、そこに小径の穴あきレンズを使用することで、先端の径を小さくする事と導光体から測定物までの距離を小さくすることができるので、光の減衰が少なく装置先端の作業部の小型化が可能となる。そのため小型化した先端カバー３６を任意のせまい場所に移動させることができ特殊なせまい場所の反射光の検出ができ、測色が可能となる。

上記実施形態において、光源は、アレイ状に配列された複数のＬＥＤを備えており、各ＬＥＤは該ＬＥＤの出力強度を変化させるために個別に調整可能に通電されるように構成され、各ＬＥＤはパルス幅変調信号により、個別に調整可能に通電される。
また、各ＬＥＤは、異なる中心波長を有する所定のスペクトル帯域幅を有しており、全ＬＥＤのスペクトル帯域幅は、組み合わされると白色光を作り出す。この白色光は、色測定の目的で被測定物を照射するのに使用する。様々なＬＥＤを光源として使用する分光光度計は、光源のＬＥＤの内の少なくとも１つを紫外線放射を発する形式とすることで、印刷用媒体及び着色剤のような他の材料内の蛍光の状態を検査するのに使用することができる。
また、波長域の違う複数のＬＥＤは個々に選択され、波長域の違う組み合わせにすれば測定する目的に応じた解析に使用できる。
本発明は光源の光を被測定物の表面に集光して照射し、その反射光を検出して適当な電子回路でそれを測定する光度計、照度計、測色計等の測光装置に用いることが可能であり、実施形態として説明した上記分光光度計に特に限定されるものではない。

２ 分光光度計
４ 回路基板
６ａ 光源
６ｂ 光源
６ｃ 光源
６ｄ 光源
６ｅ 光源
６ｆ 光源
６ｇ 光源
６ｈ 光源
８ カバー
１０ 被測定物
１２ａ 空洞
１４ 遮光仕切体
１６ フィルタ
１８ ジオメトリーコンバータ
２０ 検出部
２２ 光センサ
２４ エタロン
２６ フェースプレート
２８ カバー
３０ 導光体
３２ 孔
３４ 導光体
３６ 先端カバー
３８ａ 空洞
３８ レンズ

Claims (12)

1. 光源から出た光を集光して被測定物の表面に当て該表面を反射した反射光を光センサに導いて反射光を検出する測光装置であって、前記光源から出た光を集光するためのレンズを前記光源から出た光の光路上に配置し、該レンズに反射光を通す空洞を設け、前記被測定物の表面を反射した反射光が前記空洞を通って前記光センサに到達するようにしたことを特徴とする測光装置。
2. 前記光センサの検出した信号を前記被測定物の表面の色を表すデータに変換し出力する電子回路を設け、測色器として機能させたことを特徴とする請求項１に記載の測光装置。
3. 前記光センサの検出した信号によって前記被測定物の表面のスペクトル反射率を測定する電子回路を設け、分光光度計として機能させたことを特徴とする請求項１に記載の測光装置。
4. 前記光源と前記レンズとの間に光照射光路用の導光体を配置し、前記レンズの空洞と前記光センサとの間に光反射光路用の導光体を配置し、前記光照射光路用の導光体を通った光が前記レンズに照射され、該レンズを通過し、被測定物に当たった光の反射光がレンズの空洞を通って前記光反射光路用の導光体に入るようにしたことを特徴とする請求項１に記載の測光装置。
5. 前記光源を複数個設け、該各光源を前記レンズの直上で円周に沿って配置し、各光源から出た光が前記レンズによって集光されるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の測光装置。
6. 前記各光源は異なった波長帯域を有していることを特徴とする請求項５に記載の測光装置。
7. 前記光源を複数個設け、各光源は異なった波長帯域を有し、前記光センサが複数の光検出回路からなることを特徴とする請求項１に記載の測光装置。
8. 前記光源を複数個設け、該各光源を前記レンズの直上で円周に沿って等間隔に配置し、各光源から出た光が前記レンズによって集光されるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の測光装置。
9. 光照射光路用の導光体と光反射光路用の導光体が光ファイバーからなることを特徴とする請求項４に記載の測光装置。
10. 前記光源と前記センサと前記レンズとを本体カバーに内蔵し、該本体カバーの開口部から前記レンズを通った光が被測定物に照射され、前記開口部から前記被測定物から反射した光が前記本体カバー内に入るようにしたことを特徴とする請求項１に記載の測光装置。
11. 前記光源と前記センサとを本体カバーに内蔵し、前記本体カバーとは別体の先端カバーに前記空洞付きレンズを配置し、前記本体カバーと先端カバーとを前記光照射光路用導光体と光反射光路用導光体とで連結し、前記光照射光路用の導光体を通った光が前記レンズに照射され、前記レンズの空洞を通った反射光が前記光反射光路用の導光体を通って前記光センサに導かれるようにしたことを特徴とする請求項４に記載の測光装置。
12. 前記レンズは、フレネルレンズであることを特徴とする請求項１に記載の測光装置。

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