JP6605096B1

JP6605096B1 - 光学式液位測定装置

Info

Publication number: JP6605096B1
Application number: JP2018147047A
Authority: JP
Inventors: 明広山影; 雨非梅
Original assignee: 株式会社ライトショー・テクノロジー
Priority date: 2018-08-03
Filing date: 2018-08-03
Publication date: 2019-11-13
Anticipated expiration: 2038-08-03
Also published as: JP2020020761A

Abstract

【課題】液体の液位を測定する光学式液位測定装置の分野においては、測定時に液表面の状態の影響を受けにくく、消費電力が小さく、価格が低廉な装置の実現が期待されていた。【解決手段】半導体レーザと、半導体レーザが出力するレーザ光を、液体の液位変化方向に拡大してコリメートするコリメート光学系と、コリメート光学系を経由して入射するレーザ光のうち、境界面に接する媒質が空気の場合は全反射するが、境界面に接する媒質が液体の場合は液体側に透過させる液位検知面を有する角柱プリズムと、液位検知面で全反射したレーザ光の光量を計測するフォトセンサと、を有することを特徴とする光学式液位測定装置である。【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ光源と受光素子を用いて液位を測定する装置に関し、特に、少ない消費電力で液位を測定可能な光学式液位測定装置に関する。

近年、河川、湖沼、貯水池、用水路、水田、プール、養殖池、港湾等やタンク等の閉鎖空間など、さまざまな場所で液面のレベルを測定することが行われており、その目的も防災、水力発電、農業利用など多岐にわたっている。

液面のレベルを測定する装置としては、フロート式、電極式、圧力式等の方式の他に光学式の測定装置が知られているが、光学式の測定装置は他の方式と比較して、可動部が必要ない、液との電気接触が必要ない、等の長所があり、使用可能範囲が広い。

例えば、特許文献１には、赤外線レーザを発光させて水面に照射し、水面からの反射光を受光装置で受光し、発光から受光までの時間に基づいて水面までの距離を求める方式が開示されている。

また、特許文献２には、プリズムの長手方向に沿って複数の発光部と、各発光部に対応する複数の受光部とを配置した装置が開示されている。プリズムの傾斜面が空気と接触している場合には光は傾斜面で反射して受光素子に入射するが、プリズムの傾斜面が水と接触している場合には光が反射しないため受光素子に入射しない。複数の受光素子のうち、どの受光素子まで光が検出される（されない）かにより、どのレベルまで空気（水）が存在するかを測定するのである。

特開２００６−２５８５７９号公報特開２０１４−１００５５号公報

特許文献１に記載された装置では、水面からの反射光を用いて測距するが、波や浮遊物の存在など水の表面状態の影響を受けてエラーが発生しやすく、測定精度を上げるためにはデータの有効性を判定するなどの複雑なデータ処理が必要であった。

また、特許文献２に記載された装置では、水位測定が可能な深さを大きくしたり測定分解能を上げるには、発光部と受光部のペアをプリズムの長手方向に沿って多数設置する必要があり、消費電力が増大し、装置が高価になっていた。また、プリズムの頂角が破損しやすい形状であった。

そこで、測定時に液表面の状態の影響を受けにくく、消費電力が小さく、価格が低廉な光学式液位測定装置の実現が期待されていた。

本発明は、半導体レーザと、前記半導体レーザが出力するレーザ光を、液体の液位変化方向に拡大してコリメートするコリメート光学系と、前記コリメート光学系を経由して入射する前記レーザ光のうち、境界面に接する媒質が空気の場合は全反射するが、境界面に接する媒質が前記液体の場合は液体側に透過させる液位検知面を有する角柱プリズムと、前記液位検知面で全反射したレーザ光の光量を計測するフォトセンサと、を有し、前記半導体レーザのＰＮ接合面と平行な方向が、前記液位変化方向と平行になるように前記半導体レーザが配置されている、ことを特徴とする光学式液位測定装置である。

本発明によれば、測定時に液表面の状態の影響を受けにくく、消費電力が小さく、価格が低廉な光学式液位測定装置を提供することが可能である。

実施形態１の光学式液位測定装置の構成を示す模式的な上面図。（ａ）実施形態１の角柱４面プリズムへの入射光路を示す模式的な側面図。（ｂ）実施形態１のフォトセンサへの入射光路を示す模式的な側面図。実施形態１の角柱４面プリズムの形状を示す図。（ａ）半導体レーザの望ましい設置方向を示す図。（ｂ）半導体レーザの設置方向を示す図。（ａ）半導体レーザの出力光のファーフィールドパターンを示す図。（ｂ）液位とフォトセンサの受光量の関係を示すグラフ。（ａ）実施形態の光学式液位測定装置を貯水施設に設置した平面図。（ｂ）実施形態の光学式液位測定装置を貯水施設に設置した側面図。実施形態の光学式液位測定装置の電気系の機能ブロックを模式的に示すブロック図。角柱４面プリズムの変形例の形状を示す図。実施形態２の角柱４面プリズムへの入射光路を示す模式的な側面図。（ａ）実施形態３の光学式液位測定装置の構成を示す模式的な上面図。（ｂ）実施形態３の光学式液位測定装置の構成を示す模式的な側面図。実施形態４の光学式液位測定装置の構成を示す模式的な側面図。

以下に、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。
［実施形態１］
図１は、実施形態１の光学式液位測定装置の構成を説明するための模式的な上面図である。光源部として機能する半導体レーザ１１と、受光部として機能するフォトセンサ２１が、基板３１に実装されている。これらは一体のユニットとして、投受光部３２を構成している。５１は４面の光学面を備えた角柱プリズムである角柱４面プリズムであり、５１Ａはレーザ光の入出射面、５１Ｂと５１Ｃは全反射面、５１Ｄは液位検知面である。

図２（ａ）は、半導体レーザ１１から出射したレーザ光が角柱４面プリズム５１に至り、液位検知面５１Ｄにて全反射あるいは透過する際の光路を説明するための模式的な側面図である。
また、図２（ｂ）は、角柱４面プリズム５１の液位検知面５１Ｄにて反射されたレーザ光が、フォトセンサ２１に入射する光路を説明するための模式的な側面図である。
図１、図２（ａ）、図２（ｂ）においては、同一部品には同一の番号を付してあり、検出対象となる液体の高さが変化する液位変化方向は、図中のＹ軸方向である。

半導体レーザ１１から出射したレーザ光は、Ｘ軸方向にのみ曲率を有するシリンドリカルレンズ４１を通過することにより、図１に示すように上から見るとＺ軸方向と平行にコリメートされる。

シリンドリカルレンズ４１を通過したレーザ光は、Ｙ軸方向にのみ曲率を有するシリンドリカルレンズ４２を通過することにより、図２（ａ）に示すように横から見ると焦点ｆに集光する。焦点ｆから先に進むにつれＹ軸方向に光束が幅広になるように光学系を配置するが、これは液位変化方向の広い範囲をレーザ光で照射可能にして、液位の測定範囲を大きくするためである。

Ｙ軸方向に幅広に拡大したレーザ光は、Ｙ軸方向にのみ曲率を有する幅広シリンドリカルレンズ４５を通過することにより、Ｚ軸方向と平行にコリメートされる。図１および図２（ａ）から明らかなように、幅広シリンドリカルレンズ４５を通過したレーザ光は、ＸＺ平面とＹＺ平面の両方においてほぼＺ軸と平行な光線となり、角柱４面プリズム５１の入出射面５１Ａに入射する。

以上のように、シリンドリカルレンズ４１、シリンドリカルレンズ４２、および幅広シリンドリカルレンズ４５は、半導体レーザが出力するレーザ光を、液体の液位変化方向に拡大してコリメートするコリメート光学系を構成している。

角柱４面プリズム５１の入出射面５１ＡはＸＹ平面と平行に配置されているため、レーザ光は入出射面５１Ａに垂直に入射し、プリズム内を全反射面５１Ｂに向けて進行する。

ここで、全反射面５１Ｂについて説明する。良く知られているように、屈折率の大きな物質から屈折率が小さな物質に光が入射する際に、入射角がある角度より大きいと全反射が起きるが、この角度を臨界角と言う。臨界角をＩ、両物質の屈折率をｎ１、ｎ２とすれば、下記の関係が成り立つ。（ただし、ｎ１＞ｎ２とする。）
［数１］
Ｉ＝ａｒｃ・ｓｉｎ（ｎ２／ｎ１）

例えば、角柱４面プリズム５１の材料として屈折率ｎ１が１．５２であるガラスを用いたときには、境界面に接する媒質が空気（屈折率ｎ２_ａｉｒ＝１．００）であれば、臨界角Ｉ_ａｉｒは、４１．１４度となる。また、液位を計測する対象の液体が水（屈折率ｎ２_{ｗａｔｅｒ}＝１．３３）だとすれば、臨界角Ｉ_{ｗａｔｅｒ}は、６１．０５度となる。

そこで、本実施形態の場合は液位を計測する対象を水とし、全反射面５１Ｂに接する媒質が空気であっても水であってもレーザ光が全反射するように、全反射面５１Ｂの角度を設定する。具体的には、図１に示すように全反射面５１Ｂへのレーザ光の入射角度が６５度となるように角柱４面プリズム５１を設計した。勿論これは一例であって、液位計測対象が水の場合であっても必ずしも６５度でなくともよいし、測定対象となる液体が変われば、臨界角に応じて適宜角度を変更すればよい。

全反射面５１Ｂで反射したレーザ光は、プリズム内を液位検知面５１Ｄに向けて進行する。液位検知面５１Ｄは、接する媒質が空気ならばレーザ光を全反射させ、液位計測対象である液体ならばレーザ光を液体側に透過させる面である。液位検知面５１Ｄは、ＸＹ平面と平行になるように配置してあり、全反射面５１Ｂで反射したレーザ光は液位検知面５１Ｄに入射する。

前述したように、媒質が空気の場合の臨界角Ｉ_ａｉｒが４１．１４度で、媒質が水の場合の臨界角Ｉ_{ｗａｔｅｒ}が６１．０５度であるが、液位検知面５１Ｄは入射角が図１に示すように５０度になるよう設計されている。入射角が臨界角Ｉ_ａｉｒと臨界角Ｉ_{ｗａｔｅｒ}の中間値近傍に設計されているため、設計値に対して角柱４面プリズム５１の形状や配置に多少の誤差が生じたとしても、液位検知面５１Ｄと接する媒質が空気か水かに応じて、確実にレーザ光を全反射または透過させることができる。図中に点線で示すように、液位検知面５１Ｄのうち水と接している領域では、レーザ光は液位検知面５１Ｄを透過して水中を伝播する。逆に、空気と接している領域では、図中に実線で示すようにレーザ光は液位検知面５１Ｄで全反射し、全反射面５１Ｃに向けてプリズム内を進行する。したがって、液位が低いほど多くのレーザ光が液位検知面５１Ｄで全反射され、液位が高いほど全反射されるレーザ光は少なくなる。

全反射面５１ＣはＺ軸方向に対して全反射面５１Ｂと対称な形状なので、液位検知面５１Ｄで全反射されたレーザ光は、入射角度が６５度で全反射面５１Ｃに入射する。このため、全反射面５１Ｃにおいては、境界面に接する媒質が空気であっても水であってもレーザ光は全反射する。

尚、ここでは液位を計測する対象が屈折率１．３３の水である場合について説明したが、本発明の液位測定装置の計測対象は水には限らない。屈折率が水と異なる液体の液位を計測する場合には、当該液体の屈折率に応じて、全反射面５１Ｂと全反射面５１Ｃの角度を調整すればよい。すなわち、全反射面５１Ｂと全反射面５１Ｃにおいては境界面で接するのが空気でも当該液体でもレーザ光が全反射するように角度を調整する。なおかつ、液位検知面５１Ｄに入射する際のレーザ光の入射角が、空気の臨界角と当該液体の臨界角の間、望ましくは両者の中央付近になるように角度を調整すればよい。

また、角柱４面プリズム５１には、屈折率ｎ１が１．５２であるガラスを用いなければならないわけではなく、青板ガラス、光学ガラスＢＫ７等の各種ガラス（ｎｄ＝１．５１〜１．５２）や、成形が容易なプラスチック（ｎｄ＝１．４７〜１．５０）等を用いることができる。もちろん、異なる材料を用いた場合には、当該材料と空気あるいは液体の組合せにおける臨界角を参照して各面の角度を設定すればよい。

角柱４面プリズムの設計にあたっては、図３に示すように、コリメートされたレーザ光の光路をＺ軸方向とした時に、全反射面５１ＢがＺ軸方向となす角度θを決める必要がある。

全反射面５１Ｂに対するレーザ光の入射角ＩＢは、ＩＢ＝９０°−θとなるので、角柱４面プリズムの媒質と空気の臨界角をＩ_ａｉｒ、角柱４面プリズムの媒質と液体の臨界角をＩ_{ｌｉｑｕｉｄ}とすれば、下記の関係を満足する必要がある。
［数２］
９０°−θ＞Ｉ_ａｉｒ
［数３］
９０°−θ＞Ｉ_{ｌｉｑｕｉｄ}

また、全反射面５１Ｂで反射したレーザ光が液位検知面５１Ｄに入射する入射角ＩＤは、ＩＤ＝２×θとなるので、下記の関係を満足する必要がある。
［数４］
Ｉ_{ｌｉｑｕｉｄ}＞２×θ＞Ｉ_ａｉｒ

尚、角柱４面プリズムにおいて、光路からはずれている部分は、光学的に作用しない構造材料部分であるので、強度に問題が生じない限りは肉抜きや面取りなどをして軽量化や材料の節約を図ることができる。図８は、そうしたプリズムの一例であり、光路と干渉しない部分に、凹部５１Ｅや面取り部５１Ｆを設けている。この形態の場合は、５１Ａｉｎが入射面で、５１Ａｏｕｔが出射面となる。

図１および図２（ｂ）に戻り、全反射面５１Ｃで全反射したレーザ光は、入出射面５１Ａに垂直入射して透過し、幅広シリンドリカルレンズ４５に入射する。同図に示すように、幅広シリンドリカルレンズ４５によりレーザ光はＹＺ平面内で焦点ｆに向けて集光されるが、図１に示すように、ＸＺ面内では、レーザ光はＺ軸方向に対する平行性を維持している。

シリンドリカルレンズ４７およびシリンドリカルレンズ４６は、各々シリンドリカルレンズ４１およびシリンドリカルレンズ４２と同じ機能の集光特性を有するレンズである。これらのシリンドリカルレンズの作用により、液位検知面５１Ｄで全反射したレーザ光は、図１および図２（ｂ）に示すように、フォトセンサ２１の受光部に集光される。尚、シリンドリカルレンズ４７およびシリンドリカルレンズ４６は、フォトセンサ２１の受光部に集光できるものであればよく、必ずしもシリンドリカルレンズ４１およびシリンドリカルレンズ４２と同じパワーである必要はない。

フォトセンサ２１で受光するレーザ光の強度は、計測対象の液面が高いほど小さくなり、液面が低いほど大きくなる。液面の高さとフォトセンサ出力の関係を予めキャリブレートして制御部に記憶させておけば、フォトセンサ２１の出力に基づいてリアルタイムに液位を計測することができる。

フォトセンサ２１で受光するレーザ光の強度は液面の高さに応じて変化するが、液面の高さの変化に対する受光量変化のリニアリティを向上するための構成について、次に説明する。

本実施形態では、光源部に半導体レーザを用いているが、その理由は、ＬＥＤをはじめとするレーザ以外の非コヒーレント光源では発光部の面積が大きいために、コリメート光学系を工夫したとしても平行度の高い光線による幅広で均質な光束を得ることが困難だからである。また、レーザ光源の中でも半導体レーザは、発光部の面積が小さいのは勿論のこと、デバイスのサイズがコンパクトであるうえ消費電力も小さいことから、本発明の実施形態において特に好適に用いられる。

ところで、半導体レーザの出力光は、出射方向によって角度特性が異なることが知られている。一般的に、半導体レーザのＰＮ接合面に直交する方向と平行な方向では見かけ上の焦点位置が異なり、この２つの焦点間の距離を非点隔差と呼ぶこともある。
図５（ａ）に、半導体レーザからの出力光のファーフィールドパターンを例示するが、平行方向については、狭い角度範囲内に強度分布が均一のビームが出射するパターンであることがわかる。一方、直交方向については、広い角度範囲にわたり強度分布が山形になるパターンで出射することがわかる。

本実施形態の液位測定装置では、図１、図２（ａ）、図２（ｂ）で見たように、角柱４面プリズム５１に入射させる計測光をＺ軸方向に沿ってコリメートする必要がある。Ｚ軸方向に沿ってコリメートした光束は、Ｘ軸方向については幅を広くする必要はないが、液位変化方向であるＹ軸方向については広い計測範囲を確保するために光束の幅を広くする必要がある。

そこで、Ｘ軸方向にのみ曲率を有するシリンドリカルレンズとＹ軸方向にのみ曲率を有するシリンドリカルレンズを組合わせて用いることになるが、半導体レーザ１１の設置方法としては、図４（ａ）に示すように平行方向をＹ軸方向と平行にする配置と、図４（ｂ）に示すように平行方向をＸ軸方向と平行にする配置が検討され得る。

図４（ａ）の配置の場合は、図５（ａ）に示された平行方向の角度特性からわかるように、液位変化方向であるＹ軸方向に光束を広げれば、液位変化方向の全域に対して強度が均一で分布が少ない光束を形成することができる。このため、図５（ｂ）のグラフ１００に示すように、液面の高さ（液位）の変化に対して、フォトセンサ２１が受光するレーザ光の受光量（強度）の変化のリニアリティが高い。したがって、フォトセンサ２１の出力信号に基づいて液位を算出するのが容易で、しかも液位の変動範囲のどの高さでも誤差が小さい。

一方、図４（ｂ）の配置の場合は、図５（ａ）に示された直交方向の角度特性からわかるように、広がる角度が大きいので幅広にするには有利であるものの、液位変化方向であるＹ軸方向に沿って光強度に分布が発生し、特に液位の低い位置と高い位置を照射する光の強度が弱くなる。このため、図５（ｂ）のグラフ１０１に示すように、液面の高さ（液位）の変化に対して、フォトセンサ２１が受光するレーザ光の受光量（強度）の変化のリニアリティが低い。例えば、液位が低い位置あるいは高い位置にある場合には、液位が中央付近にある場合と比べて、液位の変化に対する感度が鈍くなっている。感度の不均一性を改善するために、図５（ａ）の直交方向のグラフの山の裾野部分の光をカットして、強度が大きな角度範囲の光だけを取出す方法も考えられるが、そうするとカットした光は有効に用いられないため、エネルギー利用効率が低下してしまうことになる。

そこで、望ましい実施形態として、図１、図２（ａ）、図２（ｂ）に示した装置では、半導体レーザ１１を図４（ａ）に示した方向に配置している。すなわち、半導体レーザ１１のＰＮ接合面と平行な方向が、液位変化方向と平行になるように配置している。そして、半導体レーザ１１の出力光は直交方向であるＸ軸方向の広がり角度が大きいので、Ｘ軸方向にのみ曲率を有するシリンドリカルレンズ４１を、Ｙ軸方向にのみ曲率を有するシリンドリカルレンズ４２よりも半導体レーザ１１に近い側に配置している。シリンドリカルレンズの配置をこの順にすることにより、これらのシリンドリカルレンズ（装置サイズ）をコンパクトにすることができる。

尚、４１、４２、４５、４６、４７の各シリンドリカルレンズは、ガラス材料の他にプラスチック材料で形成してもよく、断面が非球面形状であってもよい。結像収差等の精密な結像特性は問題にならない場合が多いので、場合によってはシリンドリカルレンズに替えて板状のフレネルレンズを用いて、装置をコンパクトにしてもよい。また、シリンドリカルレンズ４１とシリンドリカルレンズ４７、およびシリンドリカルレンズ４２とシリンドリカルレンズ４６を同一のプレートに形成してもよい。

次に、図６（ａ）の平面図と、図６（ｂ）の側面図は、本実施形態の光学式液位測定装置を、貯水池、水田、プール、養殖池等の貯水施設に設置した例を模式的に示した図である。模式図のため、詳細は省略しているが、貯水槽１０３には水１０４が貯留されており、槽の外縁に本実施形態の光学式液位測定装置１０２が設置されている。角柱４面プリズム５１は、貯水槽１０３で貯留可能な範囲の水位を計測できるよう、Ｙ軸方向に十分な長さを有している。半導体レーザ１１、フォトセンサ２１、基板３１をはじめとし、装置に実装されている電気系部品は、不図示の防水構造で保護されている。

図７は、実施形態の光学式液位測定装置の電気系の機能ブロックを模式的に示したブロック図である。本発明の光学式液位測定装置は、連続的な液位の変化を低消費電力で高精度に計測可能で、しかもフロートのような可動部品がないため耐久性に優れていることから、屋内、屋外を問わず種々の用途に用いることができる。しかも近年は、農業、養殖、発電、災害防止等のさまざまな分野で、遠隔地の液位をテレメータにて計測し、カレントデータを管理センターに送信することへの要請が強い。

そこで、図７に示すように、本実施形態の装置は、バッテリー駆動と通信を可能とするための機能ブロックを備えている。図中の１０５は制御部、１０６はソーラーパネル、１０７は蓄電池、１０８は通信部、１０９は温度センサである。

ソーラーパネル１０６は、メインあるいは予備の電源である。太陽光発電方式の電源を用いるのが環境負荷を低減するうえで望ましいが、設置場所や用途次第では風力発電、燃料電池、その他の発電方式の電源や、通常の給電線を備えてもよい。電源で発電された電気は蓄電池１０７により蓄えられるため、本実施形態の装置では連続的で安定した液位の観測が可能になる。

通信部１０８は、管理センターとの間でデータや指令の送受信を行うための通信装置で、無線通信あるいは有線通信によりインターネットに接続することができる。

制御部１０５は、光学式液位測定装置の各種動作を制御するためのコンピュータで、内部には、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏポート等を備えている。ＲＯＭには、光学式液位測定装置の基本動作プログラムが記憶されている。基本動作以外の各種動作を実行するためのプログラムは、基本動作プログラムと同様にＲＯＭに記憶させておいてもよいが、通信部１０８を介して外部からＲＡＭにロードしてもよい。あるいは、プログラムを記録したコンピュータにより読み取り可能な記録媒体を介して、ＲＡＭにロードしてもよい。

Ｉ／Ｏポートは、通信部１０８を介して外部機器やネットワークと接続され、例えば液位計測データを管理センターのコンピュータに連続的に送信したり、管理センターのコンピュータから計測のリクエストを受信したりすることができる。

制御部１０５は、温度センサ１０９を用いて半導体レーザ１１あるいはフォトセンサ２１の温度を計測し、半導体レーザ１１あるいはフォトセンサ２１の温度特性に基づいて液位の計測結果を補正して計測精度を高めることができる。また、制御部１０５は、温度センサ１０９を用いて計測対象である液や大気の温度を計測し、液位計測データとともに管理センターのコンピュータに送信することもできる。制御部１０５は、これらの計測データを管理センターのコンピュータに送信するだけでなく、自身のメモリあるいは外付けのメモリに記録することができる。

以上説明した本実施形態の光学式液位測定装置によれば、単一の半導体レーザと単一の受光素子を用いるため、低コストかつ低消費電力の装置を提供できる。しかも、単一の半導体レーザと単一の受光素子を用いているにもかかわらず、液位を離散的ではなく連続的に高いリニアリティで計測することが可能である。しかも特許文献１の装置のように、液表面にレーザ光を照射する方式ではないので、液表面の状態の影響を受けずに計測することができる。

［実施形態２］
図９を参照して、実施形態２の光学式液位測定装置について説明する。図９は、実施形態１の説明で用いた図２（ａ）に対応する模式的な側面図であり、実施形態１と共通する要素については同一の符号を付している。実施形態２に関する説明で実施形態１と共通する事項については、記載を省略する。

実施形態２は、投受光部３２と角柱４面プリズム５１の間に光軸回転ミラー６１を配置した点が、実施形態１と異なる。より詳しくは、焦点ｆと幅広シリンドリカルレンズ４５の間に、光軸回転ミラー６１を設けている。かかる光学系を採用することにより、装置のＺ軸方向の長さを短縮してコンパクトにすることができるため、槽やタンクの縁に本装置を装着する際のスペース利用効率が向上する。また、投受光部３２を角柱４面プリズムあるいは液体の最高液位よりも上部に配置することができるため、不測の事態で液体が装置内に浸入したとしても、半導体レーザ１１やフォトセンサ２１を実装した基板３１が液体に接触する可能性を小さくすることができる。

本実施形態においても、シリンドリカルレンズ４１、シリンドリカルレンズ４２、および幅広シリンドリカルレンズ４５は、半導体レーザが出力するレーザ光を、液体の液位変化方向に拡大してコリメートするコリメート光学系を構成している。

本実施形態の光学式液位測定装置によれば、単一の半導体レーザと単一の受光素子を用いるため、低コストかつ低消費電力の装置を提供できる。しかも、単一の半導体レーザと単一の受光素子を用いているにもかかわらず、液位を離散的ではなく連続的に高いリニアリティで計測することが可能である。しかも特許文献１の装置のように、液表面にレーザ光を照射する方式ではないので、液表面の状態の影響を受けずに計測することができる。

［実施形態３］
図１０（ａ）および図１０（ｂ）を参照して、実施形態３の光学式液位測定装置について説明する。図１０（ａ）は、実施形態１の説明で用いた図１に対応する模式的な上面図であり、図１０（ｂ）は模式的な側面図である。実施形態１と共通する要素については同一の符号を付している。実施形態３に関する説明で実施形態１と共通する事項については、記載を省略する。

本実施形態は、半導体レーザ１１の出力光が平行方向に振動方向を持つ直線波であることを利用して、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）で光路を分離する構成を採用することにより、装置のＸ方向の長さを実施形態１よりも短縮したものである。

図１０（ａ）および図１０（ｂ）に示すように、本実施形態では、半導体レーザ１１から出射したレーザ光が、シリンドリカルレンズ４１およびシリンドリカルレンズ４２によりＸＺ平面内でもＹＺ平面内でもＺ軸と平行になるようコリメートされた位置に、偏光ビームスプリッタであるＰＢＳ６４を配置している。この時、光源からの光は、ＰＢＳ６４の分離方向面に対して平行な振動方向になるようにする。すなわち、コリメートされたレーザ光は、ＰＢＳ６４にＰ波として入射する構成になっている。ＰＢＳ６４は、半導体レーザの出力波長のＰ波を透過しＳ波を反射する。尚、図では偏光ビームスプリッタとしてプリズム型を示したが、板型であっても差し支えない。

ＰＢＳ６４を透過した光は、１／４波長板６３を通過し、Ｙ軸方向にのみ曲率を有するシリンドリカルレンズ４３により焦点ｆに集光する。Ｙ軸方向は液位の変動方向であるため幅広に光束を作る必要があるため、実施形態１と同様に角柱４面プリズム近傍に焦点ｆから広がった光をコリメートするＹ軸方向にのみ曲率を持った幅広シリンドリカルレンズ４５を配置する。ただし、本実施形態の幅広シリンドリカルレンズ４５のＸ軸方向の幅は、図１と比較すれば明らかなように実施形態１の半分程度あればよい。この構成により、幅広シリンドリカルレンズ４５からの出射光は、ＸＺ平面内でもＹＺ平面内でも、ほぼＺ軸と平行光となる。

幅広シリンドリカルレンズ４５から出射したレーザ光は、角柱４面プリズム５２の入出射面５２Ａにほぼ垂直に入射する。本実施形態の角柱４面プリズム５２は、上面（Ｙ軸方向）から見たときに、実施形態１の角柱４面プリズム５１をＹＺ面に沿って半分に切ったような形状をしている。そして、半分に切ったときの切断面に相当する面には反射材が被覆され、反射面５２Ｃが構成されている。

角柱４面プリズム５２の入出射面５２Ａに入射した光は、全反射面５２Ｂで全反射する。全反射面５２Ｂは、実施形態１における全反射面５１Ｂと同様に、境界面に接する媒質が空気でも液体でも全反射する角度に設定されている。全反射面５２Ｂで全反射した光は、液位検知面５２Ｄに直接入射するか、あるいは反射面５２Ｃを経由してから液位検知面５２Ｄに入射する。いずれの経路で入射するとしても、入射角は臨界角Ｉ_ａｉｒよりも大きく、臨界角Ｉ_{ｗａｔｅｒ}よりも小さくなるため、液位検知面５２Ｄに接する媒質が空気ならばレーザ光を全反射し、接する媒質が液体ならばレーザ光を液に向けて透過させる。

液位検知面５２Ｄで全反射した光は、全反射面５２Ｂに直接入射するか、あるいは反射面５２Ｃを経由してから全反射面５２Ｂに入射する。そして、全反射面５２Ｂで反射された光は入出射面５２Ａを透過し、Ｚ軸マイナス方向に進む戻り光として幅広シリンドリカルレンズ４５に入射する。

戻り光は、幅広シリンドリカルレンズ４５によりＹＺ面内で焦点ｆに向かうように集光され、焦点ｆを通過した後にシリンドリカルレンズ４３によりＹＺ面内でＺ軸と平行にコリメートされる。尚、焦点ｆの近傍には、ノイズとなる有害光をカットするためのスリット６２を設けてもよい。コリメートされた光は、１／４波長板６３によりＳ波に変換され、ＰＢＳ６４で反射されてＹ軸マイナス方向に向けて光路が変更される。すなわち、戻り光の光路は、半導体レーザ１１から角柱４面プリズム５２に向かう往路の光路から分離される。

分離された光は、ミラー６５により投受光部３２に向けて反射され、Ｘ軸方向とＹ軸方向の両方向に集光作用をもつ集光レンズ４８により集光された後、フォトセンサ２１に入射する。

［実施形態４］
図１１を参照して、実施形態４の光学式液位測定装置について説明する。図１１は、実施形態３の説明で用いた図１０（ｂ）に対応する模式的な側面図であり、実施形態３と共通する要素については同一の符号を付している。実施形態４に関する説明で実施形態３と共通する事項については、記載を省略する。

実施形態４は、投受光部３２と角柱４面プリズム５２の間に光軸回転ミラー６１を配置した点が、実施形態３と異なる。より詳しくは、焦点ｆと幅広シリンドリカルレンズ４５の間に、光軸回転ミラー６１を設けている。かかる光学系を採用することにより、装置のＺ軸方向の長さを短縮してコンパクトにすることができるため、槽やタンクの縁に本装置を装着する際のスペース利用効率が向上する。また、投受光部３２や制御ブロック３３を液体あるいは角柱４面プリズム５２よりも上部に配置することができるため、不測の事態で液体が装置内に浸入したとしても、半導体レーザ１１やフォトセンサ２１を実装した基板３１や制御ブロックが液体に接触する可能性を小さくすることができる。

［その他の実施形態］
本発明の実施形態は、上述した実施形態１〜実施形態４に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で多くの変形が可能である。
例えば、レーザ光源と受光部は近接して配置できるため、上述の実施形態では単一の基板上に両者を実装したが、これに限らなくともよい。
また、光学式液位測定装置の設置は、図６に例示したような槽の外縁に設置する方法に限らず種々の設置形態が可能で、例えば槽中に支柱を立てて設置してもよいし、上方から吊下げて設置してもよい。

１１・・・半導体レーザ／２１・・・フォトセンサ／３１・・・基板／３２・・・投受光部／３３・・・制御ブロック／４１・・・シリンドリカルレンズ／４２・・・シリンドリカルレンズ／４３・・・シリンドリカルレンズ／４５・・・幅広シリンドリカルレンズ／４６・・・シリンドリカルレンズ／４７・・・シリンドリカルレンズ／４８・・・集光レンズ／５１・・・角柱４面プリズム／５１Ａ・・・入出射面／５１Ａｉｎ・・・入射面／５１Ａｏｕｔ・・・出射面／５１Ｂ・・・全反射面／５１Ｃ・・・全反射面／５１Ｄ・・・液位検知面／５１Ｅ・・・凹部／５１Ｆ・・・面取り部／５２・・・角柱４面プリズム／５２Ａ・・・入出射面／５２Ｂ・・・全反射面／５２Ｃ・・・反射面／５２Ｄ・・・液位検知面／６１・・・光軸回転ミラー／６２・・・スリット／６３・・・（１／４波長板）／６４・・・ＰＢＳ／６５・・・ミラー／１００・・・図４（ａ）の配置における受光量のグラフ／１０１・・・図４（ｂ）の配置における受光量のグラフ／１０２・・・光学式液位測定装置／１０３・・・貯水槽／１０４・・・水／１０５・・・制御部／１０６・・・ソーラーパネル／１０７・・・蓄電池／１０８・・・通信部／１０９・・・温度センサ

Claims

半導体レーザと、
前記半導体レーザが出力するレーザ光を、液体の液位変化方向に拡大してコリメートするコリメート光学系と、
前記コリメート光学系を経由して入射する前記レーザ光のうち、境界面に接する媒質が空気の場合は全反射するが、境界面に接する媒質が前記液体の場合は液体側に透過させる液位検知面を有する角柱プリズムと、
前記液位検知面で全反射したレーザ光の光量を計測するフォトセンサと、を有し、
前記半導体レーザのＰＮ接合面と平行な方向が、前記液位変化方向と平行になるように前記半導体レーザが配置されている、
ことを特徴とする光学式液位測定装置。
前記角柱プリズムは、
前記コリメート光学系によりコリメートされたレーザ光が入射する入射面と、
前記入射面から入射したレーザ光を、境界面に接する媒質が空気であっても前記液体であっても全反射する全反射面と、
前記全反射面で反射した前記レーザ光が入射する前記液位検知面と、
前記液位検知面で全反射したレーザ光を出射する出射面と、を有する、
ことを特徴とする請求項１に記載の光学式液位測定装置。
前記コリメート光学系でコリメートされたレーザ光の光軸と、前記全反射面とのなす角度をθとし、
前記レーザ光が前記角柱プリズムから空気に入射する場合の臨界角をＩ_ａｉｒとし、
前記レーザ光が前記角柱プリズムから前記液体に入射する場合の臨界角をＩ_{ｌｉｑｕｉｄ}としたとき、
９０°−θ＞Ｉ_ａｉｒ、且つ
９０°−θ＞Ｉ_{ｌｉｑｕｉｄ}、且つ
Ｉ_{ｌｉｑｕｉｄ}＞２×θ＞Ｉ_ａｉｒ、を満足する、
ことを特徴とする請求項２に記載の光学式液位測定装置。
前記コリメート光学系は、
前記半導体レーザが出力するレーザ光を、前記液位変化方向に集光するパワーを有するシリンドリカルレンズと、
前記シリンドリカルレンズの焦点を通過して前記液位変化方向に広がった前記レーザ光を前記液位変化方向と直交する方向にコリメートする幅広シリンドリカルレンズと、を有する、
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光学式液位測定装置。
前記液位検知面で全反射したレーザ光を、前記フォトセンサに集光するレンズを有する、
ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光学式液位測定装置。
前記コリメート光学系は、
前記半導体レーザから前記角柱プリズムに向かうレーザ光の光路と、前記角柱プリズムから前記フォトセンサに向かうレーザ光の光路を分離する偏光ビームスプリッタを有する、
ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光学式液位測定装置。
前記半導体レーザおよび前記フォトセンサと、前記角柱プリズムとの間には、前記レーザ光の光路を変更するミラーを有し、
前記半導体レーザおよび前記フォトセンサは、前記液位変化方向において前記角柱プリズムよりも上部に配置されている、
ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光学式液位測定装置。
さらに、液位の計測結果を通信する通信部を有する、
ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の光学式液位測定装置。