WO2015104885A1 - 光強度検出装置および検出方法 - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a light intensity detection device that detects the light intensity of measurement light used for measuring the concentration of an object.
- Patent Document 1 Conventionally, optical sensors that sense an object using light have been used for various purposes.
- An example of such an optical sensor is disclosed in Patent Document 1 or 2.
- Patent Document 1 discloses a measurement method in a measurement apparatus using total reflection attenuation, which includes a measurement chip and a reference chip.
- a sensitivity difference between the measurement chip and the reference unit is calculated by a photodiode (detection unit) provided in each of the measurement chip and the reference chip.
- the specimen is added only to the measurement chip, the measurement result of the reference chip is calibrated using the sensitivity difference, and the measurement result of the measurement unit is corrected by the calibrated measurement result.
- the concentration of the subject (object) is measured by evaluating the change in total reflection attenuation.
- Patent Document 2 based on a light source that emits light of a predetermined wavelength, an optical element having a waveguide (core layer) having a photonic crystal structure in which optical characteristics change, and a change in light emitted from the optical element,
- a molecular detection device including a detection unit that detects adsorption of a specific molecule. The concentration of the specific molecule (object) adsorbed on the waveguide is measured by evaluating the change in the optical characteristics of the waveguide by the detection unit. Further, in this molecular detection device, when there are a plurality of waveguides, it is possible to perform the above measurement by eliminating any influence of environmental change by using any one of the waveguides as a reference.
- Japanese Patent Publication Japanese Patent Laid-Open No. 2003-130791 (published May 8, 2003)” Japanese Patent Publication “JP 2006-90914 A” (published April 6, 2006)
- the light intensity of the measurement light emitted from the light source does not change according to the concentration of the object.
- the metal film and dielectric block included in the measurement chip are affected by the object, and in the invention of Patent Document 2, the optical element.
- the present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to realize a light intensity detection device capable of accurately measuring the concentration of an object.
- a light intensity detection device includes: An object detection unit whose optical characteristics change according to the concentration of the object; A first light source that emits measurement light for measuring the concentration of the object; A first light detection unit for detecting the light intensity of the measurement light, which has changed along with a change in the optical characteristics of the target detection unit; A second light source that emits reference light for correcting the light intensity of the measurement light detected by the first light detection unit; A second light detection unit for detecting the light intensity of the reference light, The light intensity of the reference light emitted from the second light source is detected by the second light detection unit without being affected by the change in the optical characteristics, The first light source and the second light source are arranged in the same environment.
- a detection method includes: A measurement light emitting step in which the first light source emits measurement light for measuring the concentration of the object; and A measurement light detection step in which the first light detection unit detects the light intensity of the measurement light that has changed along with the change in the optical characteristics of the target detection unit whose optical characteristics change according to the concentration of the object; Reference light emitted from a second light source arranged in the same environment as the first light source is used as reference light for correcting the light intensity of the measurement light detected by the first light detection unit. An emission process; And a reference light detection step in which a second light detection unit detects the light intensity of the reference light without being affected by the change in the optical characteristics.
- the concentration of the object can be accurately measured by correcting the light intensity of the measurement light using the light intensity of the reference light.
- Embodiment 1 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to FIGS.
- FIG. 1 is a schematic diagram showing a schematic configuration of an optical sensor (light intensity detection device) 1.
- FIG. 2 is a block diagram showing a schematic configuration of the optical sensor 1.
- the optical sensor 1 detects a change in optical characteristics of a target detection unit 20 to which a target is supplied as a change in light intensity.
- the optical sensor 1 measures the density
- the optical sensor 1 mainly includes a detection light source (first light source) 10, a reference light source (second light source) 11, an object detection unit 20, a base 30, and a light detection unit 40 (first light detection unit, A second light detection unit), and a control arithmetic device 50.
- the basic structure of the optical sensor 1 is a detection light source 10, a reference light source 11, an object detection unit 20, and a light detection unit 40, and at least the light intensity of measurement light emitted from the detection light source 10, and It is sufficient that the light intensity of the reference light emitted from the reference light source 11 can be detected.
- the control arithmetic device 50 may be provided in a device different from the optical sensor 1.
- the detection light source 10 emits measurement light for measuring the concentration of an object to the light detection unit 40.
- the detection light source 10 includes an emission end 10 a that emits measurement light, and is arranged so that the emission end 10 a faces the light detection unit 40.
- the reference light source 11 emits reference light for correcting the light intensity of the measurement light obtained as a result of the measurement light emitted from the detection light source 10 being applied to the light detection unit 40 to the light detection unit 40. Is. That is, the reference light source 11 emits reference light for correcting the light intensity of the measurement light detected by the light detection unit 40.
- the reference light source 11 includes an emission end 11 a that emits reference light, and is arranged so that the emission end 11 a faces the light detection unit 40.
- the reference light source 11 does not emit light affected by the change in the optical characteristics of the object detection unit 20 in order to measure the concentration of the object, unlike the light source 10 for detection. For this reason, the target detection unit 20 is not disposed in the reference light source 11. In other words, the reference light emitted from the reference light source 11 is detected by the light detection unit 40 without being affected by the change in the optical characteristics of the target detection unit 20. Further, it can be said that the reference light source 11 is a light source different from the detection light source 10 that is affected by the change in the optical characteristics of the target detection unit 20.
- the reference light source 11 is disposed in the substantially same surrounding environment as the detection light source 10.
- the light source for detection 10 and the light source for reference 11 are arranged in an environment where the temperature, humidity, atmosphere (for example, in the air) and the like are substantially the same, and are in a positional relationship where the light detection unit 40 can be irradiated with light. That's fine.
- the reference light source 11 is arranged in substantially the same environment as the detection light source 10, and therefore reacts to changes in the surrounding environment of the reference light source 11 (changes in light intensity due to changes in the surrounding environment). It can be obtained as a reaction similar to the detection light source 10.
- the reference light source 11 is disposed in the vicinity of the detection light source 10 in order to easily realize the above arrangement.
- the reference light source 11 has substantially the same characteristics as the detection light source 10.
- the reference light source 11 a light source of the same type and model as the detection light source 10 is used.
- the reference light source 11 is preferably not only a light source of the same model as the detection light source 10 but also a light source of the same rod as the detection light source 10.
- the reference light source 11 emits light on the same principle as the detection light source 10 and has substantially the same time-varying characteristics.
- the time-varying characteristic refers to the output change of the emitted light with time when the setting condition such as the output value is constant.
- the detection light source 10 and the reference light source 11 are elements that generate measurement light and reference light when current is applied under the control of the control arithmetic unit 50, respectively.
- a semiconductor laser or a light emitting diode can be used as the detection light source 10 and the reference light source 11.
- measurement light or reference light with high output intensity can be emitted.
- the SN ratio Signal to Noise rate
- the light source 10 for detection uses the measurement light affected by the change in the optical characteristics in the target detection unit 20 (that is, the measurement light whose light intensity has changed due to the change in the optical characteristics of the target detection unit 20) as light.
- the light is emitted to the detection unit 40.
- the object detection unit 20 is a part that supplies or contacts a sample containing the object. In FIG. 1, it arrange
- the detection light source 10 may be configured to emit measurement light having a light intensity that has been changed by the influence of the change in optical characteristics in the target detection unit 20 (according to the change in the optical characteristics).
- the object detection unit 20 may be disposed on a part of the side wall of the light source 10 for use. Further, the object and the sample may be any of solid, liquid, and gas, respectively.
- the object detection unit 20 is configured to include a material whose optical characteristics change according to the concentration of the object by receiving the light generated in the detection light source 10.
- the object detection unit 20 is formed by depositing the material on the other end of the light source 10 for detection.
- the optical characteristics refer to optical properties such as refractive index (including real part and imaginary part), transmittance, reflectance, and absorptance.
- the object when the object is a redox gas, various oxide semiconductors that generate a redox reaction with the redox gas and whose optical characteristics change can be used as the material.
- the optical characteristics of the object detection unit 20 are temporarily changed by an intermediate that is generated when the catalyst material acts as a catalyst for the object. By detecting the light intensity resulting from this change, it is possible to confirm the presence of the object.
- the material may be a polymer material that expands by absorbing the organic solvent and changes its optical characteristics.
- the object detection unit 20 to which the object is supplied is disposed in the detection light source 10, but is not disposed in the reference light source 11. That is, the measurement light detected by the light detection unit 40 receives a change in the optical characteristics of the target detection unit 20, and the reference light detected by the light detection unit 40 changes the optical characteristics of the target detection unit 20.
- the object detection unit 20 is arranged so as not to receive it.
- the base 30 is a member that supports the detection light source 10 and the reference light source 11.
- the detection light source 10 and the reference light source 11 are arranged with respect to the plane of the base 30 so that the emission end portions 10 a and 11 a face the light detection unit 40, respectively. That is, the light source 10 for detection and the light source 11 for reference are arrange
- the light source 10 for detection and the light source 11 for reference are arranged in substantially the same environment, and these light sources are supported so that the light detection unit 40 can be irradiated with light. It only has to be.
- the base 30 has a flat shape, and the detection light source 10 and the reference light source 11 are not necessarily arranged on the same base, and the detection light source 10 and the reference light source 11 are provided by a rod-shaped support member. It may be supported. The detection light source 10 and the reference light source 11 may be supported by separate support members.
- the material of the base 30 is ceramic or resin. Thereby, the heat emitted from the detection light source 10 and the reference light source 11 can be radiated. That is, when the above material is used as the material of the base 30, the base 30 can function as a heat sink.
- the detection light source 10 and the reference light source 11 are semiconductor lasers, it is preferable that a ceramic base is generally used as the base 30. In this case, the light source 10 for detection and the light source 11 for reference are joined to the base 30 with Au-Sn solder.
- the light detection unit 40 receives the measurement light emitted from the detection light source 10 and the reference light emitted from the reference light source 11 and detects each of the light intensity of the measurement light and the light intensity of the reference light. It is.
- a photovoltaic element such as a photodiode or a phototransistor can be used as the light detection unit 40.
- the light detection unit 40 transmits an optical signal indicating the light intensity of the measurement light and the light intensity of the reference light to the control arithmetic device 50.
- the light detection unit 40 detects the light intensity of the measurement light emitted from the detection light source 10 and the light intensity of the reference light emitted from the reference light source 11. Is realized by the department. Not limited to this, the light intensity of the measurement light and the light intensity of the reference light may be detected by separate light detection units. That is, it can be said that the light detection unit 40 of the present embodiment has both functions of the first light detection unit 41 and the second light detection unit 42 of the third embodiment.
- the control arithmetic device 50 measures the concentration of the object based on the light intensity of the measurement light from the detection light source 10.
- the control arithmetic device 50 receives each of the optical signals described above, and corrects the light intensity of the measurement light from the detection light source 10 based on the light intensity of the reference light from the reference light source 11. The concentration of the object is measured based on the corrected light intensity. Further, the control arithmetic device 50 performs lighting control (control of the amount of current to be applied) to the detection light source 10 and the reference light source 11. A specific configuration will be described later.
- the optical sensor 1 includes a container 60 as shown in FIG.
- the container 60 is a member that can accommodate the sample in order to supply the sample including the object to the object detection unit 20.
- the container 60 has a supply port for supplying a sample therein, and in order to bring the sample into contact with the object detection unit 20, one of the object detection units 20 is provided inside the container 60. It is a sealed container in which a portion is fitted.
- the present invention is not limited to this configuration.
- a hole for supplying a sample to the target detection unit 20 is provided in the container 60 (for example, the bottom of the container 60), and the hole is opposed to the target detection unit 20. What is necessary is just the structure which can supply the sample to the object detection part 20, such as being provided. Moreover, you may use what opened the upper part instead of the supply port.
- the control arithmetic device 50 includes a control unit 51, a storage unit 52, and a display unit 53.
- the control unit 51 controls the control arithmetic device 50 in an integrated manner.
- the control unit 51 includes a light source control unit 511, a light intensity correction unit 512, a density calculation unit 513, and a display control unit 514.
- the light source controller 511 controls the lighting of the detection light source 10 and the reference light source 11.
- the light source control unit 511 controls the detection light source 10 and the reference light source 11 to turn on at different timings. Thereby, the light intensity of the measurement light and the light intensity of the reference light can be detected by the single light detection unit 40. A specific control method will be described later.
- the light intensity correction unit 512 receives an optical signal indicating the light intensity of the measurement light and the light intensity of the reference light from the light detection unit 40. Then, the light intensity of the measurement light is corrected based on the light intensity of the reference light. The light intensity correction unit 512 stores the corrected light intensity of the measurement light in the storage unit 52 and notifies the concentration calculation unit 513 to that effect.
- the concentration calculation unit 513 Upon receiving the notification from the light intensity correction unit 512, the concentration calculation unit 513 calculates the concentration of the object included in the target detection unit 20 based on the light intensity of the corrected measurement light. For example, the concentration calculation unit 513 calculates the concentration of the object by referring to a graph that is stored in advance in the storage unit 52 and indicates a correlation between the light intensity of the measurement light and the concentration of the object. In addition, the concentration calculation unit 513 may determine that there is no target in the target detection unit 20 when the concentration is zero. The concentration calculation unit 513 stores the calculated concentration of the target object as a measurement result in the storage unit 52 and notifies the display control unit 514 to that effect.
- the display control unit 514 receives the notification from the concentration calculation unit 513 and causes the display unit 53 to display the measurement result. At this time, the value of the light intensity of the corrected measurement light may be displayed as the measurement result.
- the storage unit 52 stores various control programs executed by the control unit 51, the light intensity value of the measurement light corrected by the light intensity correction unit 512, the concentration value of the object calculated by the concentration calculation unit 513, and the like. To do.
- the storage unit 52 is configured by a nonvolatile storage device such as a hard disk or a flash memory, for example.
- the display unit (presentation unit) 53 displays the concentration of the object, the corrected light intensity value of the measurement light, and the like as measurement results under the control of the display control unit 514.
- Examples of the display unit 53 include a printer or a display.
- FIG. 3A is a schematic cross-sectional view showing a specific configuration of the light source 10 for detection
- FIG. 3B is a schematic cross-sectional view showing a specific configuration of the light source 11 for reference.
- a Fabry-Perot type semiconductor laser (Fabry-Perot type resonator) is used as the detection light source 10 and the reference light source 11.
- This Fabry-Perot type semiconductor laser emits laser light from both ends thereof.
- the detection light source 10 includes a waveguide 13, a first mirror surface 14, and a second mirror surface 15.
- the waveguide 13 guides the generated laser light to the first mirror surface 14 and the second mirror surface 15 disposed at both ends of the detection light source 10, respectively.
- a current is applied (injected) to the waveguide 13
- photons are generated in the waveguide 13.
- This photon is repeatedly reflected by the first mirror surface 14 and the second mirror surface 15, and increases in a chain by reciprocating in the waveguide 13.
- the light wave namely, laser beam
- the first mirror surface 14 and the second mirror surface 15 are semi-transmissive to the laser beam, reflect the laser beam, and transmit the laser beam that has reached the resonance state. Therefore, the first mirror surface 14 emits the first laser beam 16 that has reached the resonance state, and the second mirror surface 15 emits the second laser beam 17 that has reached the resonance state.
- the object detection unit 20 is disposed in contact with the first mirror surface 14, and the light detection unit 40 is disposed to face the second mirror surface 15.
- the optical characteristic of the target detection unit 20 changes due to the presence of the target in the target detection unit 20
- the optical characteristic of the first mirror surface 14 changes due to the influence.
- the reflectance of the first mirror surface 14 changes.
- the change in the reflectance causes a change in the resonance state (resonance conditions such as the laser light oscillation threshold and differential efficiency), so the light intensity of the second laser light 17 changes.
- the light detector 40 detects the light intensity of the second laser light 17 transmitted through the second mirror surface 15 (that is, the measurement light), thereby detecting the change in the light intensity accompanying the change in the resonance state.
- the control arithmetic device 50 can measure the density
- the Fabry-Perot type semiconductor laser emits the measurement light whose light intensity has changed due to the change in the optical characteristics of the target detection unit 20 to the light detection unit 40.
- the light detection unit 40 detects a change in the light intensity of the measurement light caused by the change in the resonance condition. The amount of change in light intensity at this time is amplified by the effect of the optical gain in the Fabry-Perot resonator in the resonance state.
- the detection sensitivity of the light intensity of the measurement light is detected. Can be improved.
- the structure of the reference light source 11 is the same as that of the detection light source 10 except that the target detection unit 20 is not formed. That is, the reference light source 11 emits the first and second laser beams 16 and 17 that have reached the resonance state from the first and second mirror surfaces 14 and 15, respectively. Since the reference light source 11 does not change in the resonance state due to the influence of the object unlike the detection light source 10, the reference light source 11 is not affected by factors other than changes in the surrounding environment or aging, and has a constant light intensity. Laser beam 17 (that is, reference beam) is output.
- FIG. 4 is a flowchart showing the operation (detection method) of the optical sensor 1 according to this embodiment.
- the optical sensor 1 operates in a state where no object is present in the object detection unit 20, and lighting of the detection light source 10 and the reference light source 11 is controlled by the light source control unit 511. .
- measurement light is emitted from the detection light source 10 and reference light is emitted from the reference light source 11 (S1; measurement light emission step and reference light emission step).
- the sample in the container 60 is supplied to the target detection unit 20 so that the sample including the target object contacts the target detection unit 20 of the optical sensor 1 (S2).
- processing of S1 and S2 may be reversed or simultaneous.
- control of the supply port of the container 60 may be performed by the control unit 51 so that the sample supply to the target detection unit 20 may be controlled, or the control may be performed manually. Also good.
- the light detection unit 40 detects the light intensity of the measurement light from the detection light source 10 and the light intensity of the reference light from the reference light source 11, and outputs an optical signal indicating these light intensities to the light intensity correction unit.
- 512 (S3: measurement light detection step, reference light detection step).
- the light intensity correction unit 512 analyzes these optical signals, corrects the light intensity of the measurement light based on the light intensity of the reference light, and stores the corrected light intensity of the measurement light in the storage unit 52 (S4). .
- the light intensity of the measurement light changes not only due to the concentration of the object but also due to the surrounding environment of the detection light source 10 such as temperature. Therefore, the optical sensor 1 cannot determine whether the change is caused by the object or the change of the surrounding environment only by detecting the light intensity of the measurement light.
- the optical sensor 1 uses the light intensity of the reference light emitted from the reference light source 11 to the light detection unit 40 in order to obtain the light intensity of the measurement light that suppresses the influence of changes in the surrounding environment. Since the reference light source 11 is not affected by the optical characteristics of the object detection unit 20, the light intensity of the reference light emitted from the reference light source 11 does not change due to the object. Specifically, for example, the light intensity correction unit 512 subtracts the light intensity of the reference light that is not affected by any change in the target detection unit 20 from the light intensity of the measurement light. Thereby, the change in the light intensity of the measurement light generated due to the change in the surrounding environment can be eliminated, and the change in the light intensity of the measurement light generated by the object can be detected.
- the light intensity correction unit 512 may use the ratio between the light intensity of the measurement light and the light intensity of the reference light as the value of the corrected light intensity of the measurement light.
- the target detection unit 20 is formed (film formation) on the first mirror surface 14 of the detection light source 10, the target detection unit 20 is moved from the detection light source 10.
- the configuration cannot be removed.
- the calibration operation of removing the target detection unit 20 and preliminarily evaluating the state of the detection light source 10 cannot be performed, and it is impossible to correct the change in the light output caused by the deterioration of the detection light source 10. Is possible.
- the use of the reference light emitted from the reference light source 11 causes not only the change in the surrounding environment of the detection light source 10 but also the deterioration of the detection light source 10. Changes in the light intensity of the measurement light can also be corrected.
- the concentration calculation unit 513 calculates the concentration of the object included in the target detection unit 20 based on the light intensity of the measurement light after the correction (S4). ). Then, the display control unit 514 causes the display unit 53 to display the concentration of the object calculated by the concentration calculation unit 513 as a measurement result (S6). As the measurement result, the light intensity of the corrected measurement light may be displayed on the display unit 53.
- the measurement light and the reference light are emitted in S1, and the light intensity of the measurement light and the light intensity of the reference light are detected in S3.
- the operation flow is not limited thereto.
- an object is supplied to the object detection unit 20, (2) measurement light is emitted from the detection light source 10, and the light intensity of the measurement light is detected, (3) from the reference light source 11
- the reference light may be emitted and the light intensity of the reference light may be detected.
- the steps (2) and (3) may be reversed, or the steps (3), (1) and (2) may be performed in this order.
- FIG. 5 is a timing chart showing an example of lighting control by the light source control unit 511.
- the light intensity of the measurement light and the light intensity of the reference light are detected by the single light detection unit 40. Therefore, when the measurement light and the reference light are emitted from the detection light source 10 and the reference light source 11 at the same timing, the light detection unit 40 has the light intensity of the measurement light and the light intensity of the reference light at the same timing. Therefore, the total value of these light intensities will be detected. In this case, the light intensity correction unit 512 may not be able to determine whether the light intensity of the measurement light or the light intensity of the reference light. In order to avoid this phenomenon, the light source controller 511 performs lighting control of the detection light source 10 and the reference light source 11 as shown in FIG.
- the detection light source 10 is in the on state and the reference light source 11 is in the off state. Therefore, since the light applied to the light detection unit 40 in this section is the measurement light emitted from the detection light source 10, the light detection unit 40 detects the light intensity of the measurement light.
- the detection light source 10 is turned off, and the reference light source 11 is turned on. Therefore, since the light irradiated to the light detection unit 40 in this section is the reference light emitted from the reference light source 11, the light detection unit 40 detects the light intensity of the reference light.
- the light source control unit 511 notifies the light intensity correction unit 512 of light source information indicating a light source that is lit in accordance with the lighting switching timing.
- the light intensity correction unit 512 can grasp which light source is receiving the optical signal indicating the light intensity of the light emitted.
- the single light detection unit 40 can independently detect changes in the light intensity of the measurement light and the light intensity of the reference light in real time. .
- the light source control unit 511 preferably matches the lighting times in the respective sections of the detection light source 10 and the reference light source 11. In this case, since the cumulative lighting time of the detection light source 10 and the reference light source 11 can be made substantially the same, the detection light source 10 and the reference light source 11 are substantially the same in accordance with the use of the optical sensor 1. It will deteriorate. That is, the light source control unit 511 controls the accumulated lighting time so as to be substantially the same, so that the state of deterioration with time of the detection light source 10 and the reference light source 11 can be made substantially the same. Therefore, the correction of the light intensity of the measurement light by the light intensity correction unit 512 can also suppress the influence of the change in the light intensity of the measurement light generated due to the deterioration of the detection light source 10.
- the techniques of Patent Documents 1 and 2 include the target detection unit 20 whose optical characteristics change according to the concentration of the target, and the light intensity of the measurement light emitted from the light source 10 for detection has the optical characteristics. While the light detection unit 40 is detected by the influence of the change, the light intensity of the reference light emitted from the reference light source 11 is not detected by the light detection unit 40 without being affected by the change. That is, in these techniques, the light intensity of the measurement light emitted from the light source does not change according to the concentration of the object.
- the metal film and dielectric block included in the measurement chip are affected by the object, and in the invention of Patent Document 2, the optical element.
- the light source used in the techniques of Patent Documents 1 and 2 includes the optical sensor 1 according to the present embodiment. There is no difference between the detection light source 10 that emits measurement light affected by the optical characteristics of the detection unit 20 and the reference light source 11 that emits reference light that is not affected by the measurement light. Furthermore, in the present embodiment, the influence of the change in optical characteristics due to the object reaches the light source 10 for detection. However, in the techniques of Patent Documents 1 and 2, the light source is not affected by the object.
- a countermeasure for the short-term output fluctuation includes addition of a device for keeping the surrounding environment of the light source constant.
- a temperature adjustment element such as a Peltier element is added to the optical sensor, and temperature adjustment by the temperature adjustment element is always necessary.
- a halogen lamp or a light emitting diode is used as the light source, it is necessary to add a cooling / heating device such as a heat radiating fin or a fan to the optical sensor. In this case, the cooling / heating device constantly stabilizes the surrounding environment of the light source by performing constant cooling and sufficient warm-up before detecting the light intensity of the measurement light.
- the optical sensor 1 includes the object detection unit 20 whose optical characteristics change according to the concentration of the object, and detection light that emits measurement light for measuring the concentration of the object.
- the light source 10 includes a light detection unit 40 that detects the light intensity of the measurement light that has changed with the change in the optical characteristics of the target detection unit 20.
- the detection light source 10 that generates the measurement light for measuring the concentration of the object, and the measurement light generated by the detection light source 10 by changing the optical characteristics according to the concentration of the object.
- a target detection unit 20 that affects the light intensity, and a light detection unit 40 that detects the light intensity of the measurement light that has changed along with a change in the optical characteristics of the target detection unit 20 are provided.
- the reference light source 11 is provided in the same environment as the detection light source 10, and the measurement light is output using the reference light emitted from the reference light source 11 and not affected by the change in the optical characteristics of the target detection unit 20. Correct the light intensity. For this reason, in this embodiment, various measures for suppressing the short-term output fluctuation and the long-term output fluctuation (addition of a device for keeping the ambient environment of the light source constant and the reference signal before detecting the light intensity of the measurement light) Without performing acquisition), the light intensity of the measurement light can be corrected, and the concentration of the object can be measured with high accuracy.
- FIG. 6 is a schematic diagram showing a schematic configuration of the optical sensor 2.
- the optical sensor 2 includes a detection light source 10, a reference light source 11, a target detection unit 20, a simulated target detection unit 21, a base 30, a light detection unit 40, and a control arithmetic device 50.
- the present embodiment is different from the first embodiment in that the simulated object detection unit 21 is disposed in the reference light source 11.
- the simulated object detection unit 21 is a member having substantially the same optical characteristics as the object detection unit 20 in an environment where no object exists. In other words, the simulated object detection unit 21 is a member whose optical characteristics do not change depending on the object or whose change is smaller than that of the object detection unit 20.
- the material of the pseudo target detection unit 21 for example, a material that is not easily affected by changes in the surrounding environment, effects due to the supply of the target, such as a chemically stable oxide or nitride, can be used. .
- the pseudo target detection unit 21 is disposed at the other end of the reference light source 11 that is different from the end facing the light detection unit 40.
- the reference light source 11 is configured to emit the reference light that is affected by the change in the optical characteristics in the simulated object detection unit 21
- the simulated object detection unit 21 is provided on a part of the side wall of the reference light source 11, for example. It may be arranged.
- the simulated object detection unit 21 is disposed outside the container 60.
- the prevention member which prevents supply of a target object may be provided so that the circumference
- the reference light source 11 is not affected by the change in the optical characteristics of the target detection unit 20, but the reference light that is affected by the change in the optical characteristics in the pseudo target detection unit 21 The light is emitted to the detection unit 40.
- the object detection unit 20 is affected by, for example, the surrounding environment and its optical characteristics change, so the light intensity of the measurement light emitted from the object detection unit 20 is also high. Change.
- the reference light source 11 is affected by a change in optical characteristics in the target detection unit 20 in an environment where the target detection unit 20 has no target. Reference light having a light intensity closer to the light intensity of the measurement light can be emitted to the light detection unit 40.
- the resonance conditions of the detection light source 10 and the reference light source 11 are obtained in an environment where no object is present in the object detection unit 20. Can be substantially matched.
- the optical sensor 2 can more closely match the light intensity of the measurement light and the light intensity of the reference light in an environment where no object is present in the object detection unit 20, so that the light intensity of the measurement light is corrected. The accuracy can be further improved.
- FIG. 7 is a schematic diagram showing a schematic configuration of the optical sensor 3 according to the present embodiment.
- the optical sensor 3 includes a detection light source 10, a reference light source 11, a target detection unit 20, a base 30, a first light detection unit 41, a second light detection unit 42, and a control calculation.
- a device 50 is provided.
- This embodiment is different from the first and second embodiments in that a first light detection unit 41 and a second light detection unit 42 are provided instead of the light detection unit 40.
- the light intensity of the measurement light emitted from the detection light source 10 and the light intensity of the reference light emitted from the reference light source 11 are obtained by a single light detection unit 40. Detected.
- the light intensity of the measurement light and the light intensity of the reference light are detected by separate light detection units.
- the first light detection unit 41 is an element that receives the measurement light emitted from the detection light source 10 and detects the light intensity of the measurement light.
- the first light detection unit 41 is disposed so as to face the emission end portion 10 a of the detection light source 10, and transmits an optical signal indicating the detected light intensity of the measurement light to the control arithmetic device 50.
- the second light detection unit 42 is an element that receives the reference light emitted from the reference light source 11 and detects the light intensity of the reference light, and controls an optical signal indicating the detected light intensity of the reference light. It transmits to the arithmetic unit 50.
- the first light detection unit 41 is disposed so as to face the emission end 10 a of the detection light source 10.
- the first light detection unit 41 and the second light detection unit 42 can use photovoltaic elements such as photodiodes and phototransistors, similarly to the light detection unit 40.
- the light intensity of the measurement light and the light intensity of the reference light are detected by separate light detection units. Therefore, in this embodiment, even when the light source control unit 511 (see FIG. 2) controls the detection light source 10 and the reference light source 11 to always light, the light intensity of the measurement light and the light of the reference light are controlled. Intensities can be detected independently. That is, as in the first embodiment, in order to detect the light intensity of the measurement light and the light intensity of the reference light, the detection light source 10 and the reference light source 11 are turned on at different timings (pulse lighting shown in FIG. 5). It is not necessary to control.
- the lighting control of the light source control unit 511 can be simplified as compared with the case where the detection light source 10 and the reference light source 11 are pulse-lit.
- the light intensity of the measurement light and the light intensity of the reference light respectively emitted to the first light detection unit 41 and the second light detection unit 42 are higher when the light is always lighted than when the light is always lighted. Can be bigger. Therefore, the SN ratios of the measurement light and the reference light can be improved.
- the light source control unit 511 matches the lighting timing and the turn-off timing of the detection light source 10 and the reference light source 11. It is preferable to perform lighting control of the light source 10 for detection and the light source 11 for reference so that it may be made.
- the detection light source 10 and the reference light source 11 are almost the same in accordance with the use of the optical sensor 3. Deteriorating. That is, by controlling the cumulative lighting time so as to be substantially the same, the aging deterioration state of the detection light source 10 and the reference light source 11 can be made substantially the same. Therefore, as in the first embodiment, the influence of the change in the light intensity of the measurement light generated by the deterioration of the detection light source 10 can be suppressed.
- the lighting control for making the cumulative lighting time substantially the same is not limited to the above, and the lighting control of the detection light source 10 and the reference light source 11 may be alternately performed as shown in FIG. Good.
- FIG. 8 is a schematic diagram showing a schematic configuration of the optical sensor 4 according to the present embodiment.
- the optical sensor 4 includes a monolithic semiconductor laser 12, a target detection unit 20, a base 30, a light detection unit 40, and a control arithmetic device 50.
- the detection light source 10 and the reference light source 11 are not separate, but are realized by a single semiconductor laser (monolithic semiconductor laser 12) having these two functions. Different from ⁇ 3.
- FIG. 9 is a schematic diagram showing a schematic configuration of the monolithic semiconductor laser 12.
- the monolithic semiconductor laser 12 is configured by forming (manufacturing) a first semiconductor laser element 121 and a second semiconductor laser element 122 on a single chip 123.
- a monolithic semiconductor laser is generally used as a semiconductor laser for an optical disk recording / reproducing apparatus, for example.
- the first semiconductor laser element 121 and the second semiconductor laser element 122 are configured to be capable of independently emitting laser light, and include emission end portions 121a and 122a for emitting laser light, as shown in FIG. ing. Therefore, the first semiconductor laser element 121 and the second semiconductor laser element 122 are controlled by the light source control unit 511 (see FIG. 2) and function as independent light sources.
- the first semiconductor laser element 121 has the function of the detection light source 10
- the second semiconductor laser element 122 has the function of the reference light source 11.
- the emission end portion 121a is an end portion that emits measurement light
- the emission end portion 122a is an end portion that emits reference light.
- the second semiconductor laser element 122 functions as the reference light source 11 when the second semiconductor laser element 122 has the function of the detection light source 10.
- the first semiconductor laser element 121 and the second semiconductor laser element 122 are arranged such that the emission end portions 121a and 122a face the light detection unit 40, respectively.
- the target detection unit 20 is disposed at the other end portion of the first semiconductor laser element 121 that functions as the detection light source 10, which is different from the emission end portion 121 a.
- the first semiconductor laser element 121 and the second semiconductor laser element 122 have the same structure as a Fabry-Perot type semiconductor laser (see FIG. 3)
- the first mirror surface disposed at the other end portion The object detection unit 20 is disposed so as to face the 14.
- the target detection unit 20 is not arranged in the second semiconductor laser element 122 that functions as the reference light source 11.
- measurement light affected by the optical characteristics of the target detection unit 20 is emitted from the first semiconductor laser element 121 that functions as the light source 10 for detection, as in the first embodiment.
- reference light that is not affected by the optical characteristics of the target detection unit 20 is emitted from the second semiconductor laser element 122 that functions as the reference light source 11. These measurement light and reference light are detected by the light detection unit 40.
- the detection light source 10 and the reference light source 11 are realized by the monolithic semiconductor laser 12. That is, in the optical sensor 4, since the first semiconductor laser element 121 and the second semiconductor laser element 122 are arranged on the single chip 123, the peripheral environment of the second semiconductor laser element 122 (reference light source 11) Can be exactly matched with the surrounding environment of the first semiconductor laser element 121 (detection light source 10). As a result, the change in the light intensity of the measurement light and the light intensity of the reference light caused by changes in the surrounding environment can be made substantially the same, so the influence of the surrounding environment can be more reliably suppressed from the light intensity of the measurement light. can do. That is, the correction accuracy of the light intensity of the measurement light can be further improved.
- the second semiconductor laser element 122 functioning as the reference light source 11 may be configured to include the pseudo target detection unit 21 at the other end different from the emission end 122a.
- the light source of the same type or the same model is used as the detection light source 10 and the reference light source 11.
- the optical sensor of this embodiment may have any configuration of the optical sensors 1 to 4.
- different types of light sources indicate that light emission principles are different.
- a semiconductor laser is used as the detection light source 10 and a light emitting diode is used as the reference light source 11.
- different light source models refer to the case where the light emission principle is the same, but the structure, material, etc. are different.
- semiconductor lasers having different oscillation wavelengths of laser light are used as the detection light source 10 and the reference light source 11.
- a two-wavelength monolithic semiconductor laser for CD and DVD for example, laser light oscillation wavelengths: 660 nm and 780 nm
- This two-wavelength monolithic semiconductor laser is a light source that has been mass-produced for use in an optical disk recording / reproducing apparatus and has achieved cost reduction.
- the light intensity of the measurement light and the light intensity of the reference light show different light intensity changes with respect to changes in the surrounding environment. Therefore, when the light intensity of the measurement light is simply corrected using the light intensity of the reference light, there is a possibility that correction for erasing the change in the light intensity of the measurement light caused by the change in the surrounding environment may not be possible. .
- the light detection unit 40 detects in advance the change in the light intensity of the measurement light and the light intensity of the reference light that are generated due to a change in the surrounding environment. Keep it.
- the light intensity correction unit 512 estimates the surrounding environment of the detection light source 10 based on the change in the light intensity of the reference light. Specifically, the light intensity correction unit 512 stores the change in the light intensity of the measurement light and the change in the light intensity of the reference light in the storage unit 52 according to changes in the surrounding environment (for example, temperature).
- the light intensity of the measurement light corresponding to the light intensity of the reference light detected after the object is supplied to the object detection unit 20 is used for correction.
- the light intensity correction unit 512 corrects the light intensity of the measurement light detected after the object is supplied to the object detection unit 20 using the estimated reference light intensity.
- the detection light source 10 and the reference light source 11 are different from each other, the influence of the surrounding environment can be suppressed and the light intensity of the measurement light can be accurately corrected.
- FIG. 10 is a schematic diagram showing a schematic configuration of the optical sensor 5.
- the optical sensor 5 includes a detection light source 10, a reference light source 11, a target detection unit 20, a base 30, a light detection unit 40, and a control arithmetic device 50.
- the detection light source 10 and the reference light source 11 have been described.
- the present embodiment a specific configuration when light emitting diodes are used for the detection light source 10 and the reference light source 11 will be described.
- the object detection unit 20 is disposed between the light source for detection 10 and the light detection unit 40 (on the optical path of the measurement light).
- the measurement light emitted from the detection light source 10 is incident on the target detection unit 20 and is affected by the change in the optical characteristics of the target detection unit 20, so that the light intensity changes.
- the measurement light whose light intensity has changed enters the light detection unit 40, and the light intensity is detected by the light detection unit 40. That is, it can be said that the detection light source 10 emits the measurement light having the light intensity affected by the change in the optical characteristics (transmittance) in the target detection unit 20 to the light detection unit 40.
- the target detection unit 20 is not disposed between the reference light source 11 and the light detection unit 40 (on the optical path of the reference light).
- the reference light emitted from the reference light source 11 does not pass through the target detection unit 20 but directly enters the light detection unit 40, and the light intensity is detected by the light detection unit 40. That is, the reference light source 11 is configured to emit, to the light detection unit 40, reference light having a light intensity that is not affected by changes in optical characteristics (transmittance) in the target detection unit 20.
- the emission end 10 a of the detection light source 10 faces the target detection unit 20 (that is, the light detection unit 40), and the emission end 11 a of the reference light source 11 faces the light detection unit 40. Further, it is supported by the base 30.
- the detection light source 10 and the reference light source 11 are arranged so that the opposite side to the emission end portions 10 a and 11 a (light emitting diode substrate side) faces the plane of the base 30.
- the present invention is not limited to this, as in the first embodiment, so that the detection light source 10 and the reference light source 11 are arranged in substantially the same environment, and the light detection unit 40 can be irradiated with light. As long as the light source is supported.
- the base 30 it is preferable that a resin substrate is used as the base 30.
- the light source 10 for detection and the light source 11 for reference are joined to the base 30 with general solder (for example, Sn—Pb solder).
- the concentration of the object can be accurately measured.
- FIG. 11 is a schematic diagram showing a schematic configuration of the optical sensor 6.
- the optical sensor 6 includes a detection light source 10, a reference light source 11, a target detection unit 20, a simulated target detection unit 21, a base 30, a light detection unit 40, and a control arithmetic device 50.
- the detection light source 10 the case where semiconductor lasers are mainly used as the detection light source 10 and the reference light source 11 has been described.
- the present embodiment a specific configuration when light emitting diodes are used for the detection light source 10 and the reference light source 11 will be described.
- the positional relationship among the detection light source 10, the target detection unit 20, and the light detection unit 40 is the same as that of the sixth embodiment.
- the simulated object detection unit 21 is disposed between the reference light source 11 and the light detection unit 40 (on the optical path of the reference light).
- the optical sensor 6 has a target object in the target detection part 20. Since the light intensity of the measurement light and the light intensity of the reference light in an environment where no measurement is performed can be made more consistent, the correction accuracy of the light intensity of the measurement light can be further improved.
- the reference so that the front end surface of the reference light source 11 is included on a plane including the front end surface of the target detection unit 20 in FIG. 1 (surface opposite to the surface facing the detection light source 10).
- the light source 11 may be disposed on the base 30.
- the detection light source 10 may also be arranged on the base 30 so as to protrude from the front end surface of the base 30.
- the base 30 functions as a heat sink, if the detection light source 10 or the reference light source 11 is protruded from the front end surface of the base 30, the heat dissipation performance is reduced accordingly. Considering this point, these light sources are arranged on the base 30 so that the front surface of the detection light source 10 and the front surface of the reference light source 11 are included on a plane including the front surface of the base 30. It is preferable.
- the light-emitting diodes of Embodiments 5 and 6 may be used as the detection light source 10 and the reference light source 11 of Embodiment 3. That is, the first light detection unit 41 and the second light detection unit 42 are provided so as to be opposed to the emission end portions 10a and 11a of the detection light source 10 and the reference light source 11 respectively configured by light emitting diodes. It may be.
- control blocks of the control arithmetic device 50 are logic circuits (IC chips) or the like formed in an integrated circuit (IC chip) or the like. Hardware) or software using a CPU (Central Processing Unit).
- the control arithmetic unit 50 includes a CPU that executes instructions of a program that is software that realizes each function, and a ROM (Read Only Memory) in which the program and various data are recorded so as to be readable by the computer (or CPU).
- a storage device (these are referred to as “recording media”), a RAM (Random Access Memory) for expanding the program, and the like are provided.
- the objective of this invention is achieved when a computer (or CPU) reads the said program from the said recording medium and runs it.
- a “non-temporary tangible medium” such as a tape, a disk, a card, a semiconductor memory, a programmable logic circuit, or the like can be used.
- the program may be supplied to the computer via an arbitrary transmission medium (such as a communication network or a broadcast wave) that can transmit the program.
- a transmission medium such as a communication network or a broadcast wave
- the present invention can also be realized in the form of a data signal embedded in a carrier wave in which the program is embodied by electronic transmission.
- the light intensity detection device includes: An object detection unit (20) whose optical characteristics change according to the concentration of the object; A first light source (detection light source 10) that emits measurement light for measuring the concentration of the object; A first light detection unit (a light detection unit 40, a first light detection unit 41) that detects the light intensity of the measurement light, which has changed along with a change in the optical characteristics of the target detection unit; A second light source (reference light source 11) that emits reference light for correcting the light intensity of the measurement light detected by the first light detection unit; A second light detection unit (light detection unit 40, second light detection unit 42) for detecting the light intensity of the reference light, The light intensity of the reference light emitted from the second light source is detected by the second light detection unit without being affected by the change in the optical characteristics, The first light source and the second light source are arranged in the same environment.
- the detection method according to aspect 8 of the present invention includes: A measurement light emitting step (S1) in which the first light source (detection light source 10) emits measurement light for measuring the concentration of the object; and The light intensity of the measurement light, which has changed along with the change in the optical characteristics, of the target detection section whose optical characteristics change according to the concentration of the target object is expressed as a first light detection section (light detection section 40, first detection section).
- the reference light for correcting the light intensity of the measurement light detected by the first light detection unit is a second light source (reference light source 11) arranged in the same environment as the first light source.
- the light intensity of the measurement light emitted from the first light source changes as the optical characteristics of the target detection unit change.
- the first light detection unit detects the light intensity of the measurement light that has changed along with the change in the optical characteristics.
- concentration of a target object can be measured by detecting the change of the light intensity of measurement light.
- the change in the light intensity of the measurement light is caused not only by the change in the optical characteristics of the object detection unit according to the concentration of the object, but also by the change in the optical characteristics due to the change in the surrounding environment. Caused by. Therefore, when measuring the concentration of the object from the light intensity of the measurement light detected by the first light detection unit, if the influence of the change in the optical characteristics due to the change in the surrounding environment is not suppressed, the concentration of the object is accurate. It may not be possible to measure the correct value.
- the reference light for correcting the light intensity of the measurement light detected by the first light detection unit is emitted from the second light source, and the light intensity of the reference light is the second light intensity. It is detected by the light detection unit. Thereby, the light intensity of the measurement light can be corrected using the light intensity of the reference light.
- the light intensity of the reference light is not affected by the change in optical characteristics in the target detection unit.
- the first light source and the second light source are arranged in the same environment.
- the light intensity of the reference light can be used as the light intensity of the measurement light in an environment where the object is not present in the object detection unit, where the influence of changes in the surrounding environment is eliminated as much as possible. Therefore, by correcting the light intensity of the measurement light using the light intensity of the reference light, it is possible to suppress the influence of changes in the surrounding environment and obtain the light intensity of the measurement light according to the concentration of the object.
- the concentration of the object can be accurately measured.
- the light intensity detection device is the aspect 1, wherein It is preferable that the first light source emits, as the measurement light, light whose light intensity changes due to a change in optical characteristics of the target detection unit.
- the first light detection unit detects the light intensity of the measurement light emitted from the first light source and having the light intensity changed by the change in the optical characteristics of the target detection unit. Even in this configuration, the concentration of the object can be measured by correcting the light intensity of the measurement light using the light intensity of the reference light.
- the light intensity detection device is the aspect 1 or 2
- the first light source and the second light source are light sources that emit light on the same principle, It is preferable that the first light source and the second light source are controlled to be turned on so that the cumulative lighting times coincide with each other.
- the deterioration states of the first light source and the second light source according to the passage of time can be made substantially the same. Therefore, the change in the light intensity of the measurement light due to the deterioration of the first light source can be suppressed, and the light intensity of the measurement light according to the concentration of the object can be detected with high accuracy.
- the light intensity detection device is any one of Aspects 1 to 3,
- the second light source is preferably disposed so as to be close to the first light source.
- the first light source and the second light source can be easily arranged in the same surrounding environment.
- the light intensity detection device is any one of aspects 1 to 4,
- the first light source and the second light source are preferably realized by a monolithic semiconductor laser (12).
- the first light source and the second light source are arranged close to each other can be easily realized. Therefore, the first light source and the second light source can be reliably arranged in the same surrounding environment.
- the light intensity detection device is any one of Aspects 1 to 5,
- the first light detection unit and the second light detection unit are a single light detection unit (40),
- the first light source and the second light source are preferably controlled to be lighted at different timings.
- the single light detection unit detects the light intensity of the measurement light and the light intensity of the reference light at the same timing. In this case, it is impossible to determine whether the light intensity of the measurement light or the light intensity of the reference light, and the light intensity of the measurement light cannot be corrected using the light intensity of the reference light.
- the first light source and the second light source are controlled to be lighted at different timings, so that the above situation can be avoided. Therefore, even with a single light detection unit, the light intensity of the measurement light and the light intensity of the reference light can be detected independently. In addition, since it is not necessary to install a plurality of light detection units, an inexpensive optical sensor can be provided.
- the light intensity detection device is any one of aspects 1 to 6, A simulated object detection unit (21) having the same optical characteristics as the object detection unit in an environment where the object does not exist;
- the light intensity emitted from the second light source is preferably detected by the light detection unit under the influence of the optical characteristics of the pseudo target detection unit.
- the second light source emits the reference light having the light intensity influenced by the optical characteristics of the pseudo target detection unit having the same optical characteristics as the target detection unit in an environment where no target exists.
- the second light source may emit reference light having a light intensity closer to the light intensity of the measurement light that is affected by the change in the optical characteristics of the target detection unit in an environment where no target exists. it can.
- the light intensity detection device can correct the light intensity of the measurement light using the light intensity of the reference light, the correction accuracy can be improved.
- the light intensity detection device may be realized by a computer.
- the light intensity detection device is operated by causing the computer to operate as each unit included in the light intensity detection device.
- a light intensity correction control program for a light intensity detection apparatus realized by a computer and a computer-readable recording medium on which the light intensity correction control program is recorded also fall within the scope of the present invention.
- An optical sensor system (light intensity detection device) according to an aspect of the present invention includes a light source for detection, a target detection unit, and a light detection unit, and includes optical characteristics of the target detection unit generated by a detection target.
- An optical sensor system that detects the detection target by measuring an optical signal input to the light detection unit from the detection light source that changes to reflect a change, and is disposed in the vicinity of the detection light source And a reference light source placed in substantially the same surrounding environment, and the influence of the optical characteristic change in the target detection unit is input from the reference light source different from the detection light source to the light detection unit. The measurement result of the optical signal input from the detection light source to the light detection unit is corrected based on the optical signal.
- the detection light source and the reference light source are light sources having substantially the same time-varying characteristics, and the cumulative lighting time is approximately You may match.
- the light source for detection and the light source for reference are semiconductor lasers and are bonded on the same substrate. Also good.
- the optical sensor system according to one embodiment of the present invention may be a monolithic semiconductor laser in which the detection light source and the reference light source are manufactured on one chip in (C).
- the detection light source and the reference light source are turned on at different timings,
- the optical signal of the detection light source and the reference light source may be independently evaluated by the unit.
- An optical sensor system has optical characteristics substantially the same as those of the target detection unit in any of the above (A) to (E) in an environment where the detection target does not exist. Further, a pseudo target detection unit with little or no change in optical characteristics due to the detection target may be provided, and the optical characteristics of the pseudo target detection unit may be reflected in the optical signal input from the reference light source.
- a detection method in an optical sensor system wherein a change in optical characteristics in the target detection unit generated by a detection target using a light source for detection, a target detection unit, and a light detection unit Is a detection method for detecting the detection target by measuring an optical signal input to the light detection unit from the detection light source that changes to reflect, and is disposed in the vicinity of the detection light source.
- An optical signal that is input to the light detection unit from the reference light source that is different from the detection light source by using a reference light source that is placed in the same surrounding environment and that is different from the detection light source in the influence of the optical characteristic change in the target detection unit Based on the above, the measurement result of the optical signal input from the detection light source to the light detection unit is corrected.
- the present invention can be used in a measuring device or the like that measures the concentration of an object using light.
- Optical sensor (light intensity detector) 1 Optical sensor (light intensity detector) 2 Optical sensor (light intensity detector) 3 Optical sensor (light intensity detector) 4 Optical sensor (light intensity detector) 5 Optical sensor (light intensity detector) 6 Optical sensor (light intensity detector) 10
- Light source for detection first light source
- Light source for reference second light source
- Monolithic semiconductor laser first light source, second light source
- target detection unit 21 pseudo target detection unit
- light detection unit first light detection unit, second light detection unit
- 41 1st light detection part 41 1st light detection part 42 2nd light detection part 121 1st semiconductor laser element (1st light source, 2nd light source) 122 Second semiconductor laser element (second light source, first light source)
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Abstract
対象物の濃度を精度よく測定する。光学式センサ(1)は、測定光を出射する検出用光源(10)と、対象検出部(20)の光学特性の変化に伴い変化した、測定光の光強度を検出する光検出部(40)と、参照光を出射するリファレンス用光源(11)とを備える。参照光の光強度は、上記影響を受けることなく光検出部(40)によって検出され、上記2つの光源は、同一の環境下に配置されている。
Description
本発明は、対象物の濃度測定のために用いられる測定光の光強度を検出する光強度検出装置に関する。
従来から、光を利用して対象物をセンシングする光学式センサが、様々な用途で使用されている。このような光学式センサの一例が、特許文献1または2に開示されている。
特許文献1では、測定チップとリファレンスチップとを備えた、全反射減衰を利用した測定装置における測定方法が開示されている。この測定方法では、測定チップとリファレンスユニットとの間の感度差を、測定チップおよびリファレンスチップのそれぞれに備えらえたフォトダイオード(検出部)によって算出する。その後、測定チップのみに被検体を添加して、リファレンスチップの測定結果を上記感度差を用いて校正し、校正された測定結果により、測定ユニットの測定結果を補正する。この方法では、全反射減衰の変化を評価することで、被検体(対象物)の濃度を測定している。
また、特許文献2では、所定波長の光を発する光源と、光学特性が変化するフォトニック結晶構造の導波路(コア層)を有する光学素子と、光学素子から出射された光の変化に基づき、特定分子の吸着を検出する検出部とを備えている分子検出装置が開示されている。検出部により、導波路の光学特性の変化を評価することで、導波路に吸着した特定分子(対象物)の濃度を測定している。また、この分子検出装置では、導波路が複数存在する場合には、いずれか1つの導波路をリファレンス用として用いることにより、環境変化の影響等を排除した上記測定を行うことが可能である。
特許文献1および2に記載の発明は、対象物の濃度に応じて、光源が出射する測定光の光強度が変化するものではない。対象物による影響を受けるのは、特許文献1の発明では、測定チップが備える金属膜および誘電体ブロックであり、特許文献2の発明では、光学素子である。
したがって、特許文献1および2の発明では、このような光学特性の影響を受けた光源が発した光の強度を測定した結果を補正して、対象物の濃度の測定精度を向上させることは想定されていない。
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、対象物の濃度を精度よく測定することが可能な光強度検出装置を実現することである。
上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る光強度検出装置は、
対象物の濃度に応じて光学特性が変化する対象検出部と、
上記対象物の濃度を測定するための測定光を出射する第1の光源と、
上記対象検出部の光学特性の変化に伴い変化した、上記測定光の光強度を検出する第1の光検出部と、
上記第1の光検出部によって検出された上記測定光の光強度を補正するための参照光を出射する第2の光源と、
上記参照光の光強度を検出する第2の光検出部と、を備え、
上記第2の光源から出射された参照光の光強度は、上記光学特性の変化の影響を受けることなく上記第2の光検出部によって検出され、
上記第1の光源および上記第2の光源は、同一の環境下に配置されている構成である。
対象物の濃度に応じて光学特性が変化する対象検出部と、
上記対象物の濃度を測定するための測定光を出射する第1の光源と、
上記対象検出部の光学特性の変化に伴い変化した、上記測定光の光強度を検出する第1の光検出部と、
上記第1の光検出部によって検出された上記測定光の光強度を補正するための参照光を出射する第2の光源と、
上記参照光の光強度を検出する第2の光検出部と、を備え、
上記第2の光源から出射された参照光の光強度は、上記光学特性の変化の影響を受けることなく上記第2の光検出部によって検出され、
上記第1の光源および上記第2の光源は、同一の環境下に配置されている構成である。
さらに、上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る検出方法は、
対象物の濃度を測定するための測定光を、第1の光源が出射する測定光出射工程と、
上記対象物の濃度に応じて光学特性が変化する対象検出部の、該光学特性の変化に伴い変化した上記測定光の光強度を、第1の光検出部が検出する測定光検出工程と、
上記第1の光検出部によって検出された上記測定光の光強度を補正するための参照光を、上記第1の光源と同一の環境下に配置されている第2の光源が出射する参照光出射工程と、
上記光学特性の変化の影響を受けることなく、上記参照光の光強度を第2の光検出部が検出する参照光検出工程と、を含む方法である。
対象物の濃度を測定するための測定光を、第1の光源が出射する測定光出射工程と、
上記対象物の濃度に応じて光学特性が変化する対象検出部の、該光学特性の変化に伴い変化した上記測定光の光強度を、第1の光検出部が検出する測定光検出工程と、
上記第1の光検出部によって検出された上記測定光の光強度を補正するための参照光を、上記第1の光源と同一の環境下に配置されている第2の光源が出射する参照光出射工程と、
上記光学特性の変化の影響を受けることなく、上記参照光の光強度を第2の光検出部が検出する参照光検出工程と、を含む方法である。
本発明の一態様によれば、参照光の光強度を用いて測定光の光強度を補正することにより、対象物の濃度を精度よく測定することができる。
〔実施形態1〕
以下、本発明の実施の形態について、図1~図5を参照しながら、詳細に説明する。
以下、本発明の実施の形態について、図1~図5を参照しながら、詳細に説明する。
<光学式センサの構成>
図1は、光学式センサ(光強度検出装置)1の概略構成を示す模式図である。また、図2は、光学式センサ1の概略構成を示すブロック図である。図1に示すように、光学式センサ1は、対象物が供給される対象検出部20の光学特性の変化を、光強度の変化として検出するものである。また、光学式センサ1は、その光強度の変化を評価することにより、測定対象(検出対象)である対象物の濃度を測定する(対象物を評価する)ものである。光学式センサ1は、主として、検出用光源(第1の光源)10、リファレンス用光源(第2の光源)11、対象検出部20、土台30、光検出部40(第1の光検出部、第2の光検出部)、および制御演算装置50を備えている。なお、光学式センサ1の基本構造は、検出用光源10、リファレンス用光源11、対象検出部20および光検出部40であり、少なくとも、検出用光源10から出射された測定光の光強度、およびリファレンス用光源11から出射された参照光の光強度を検出できればよい。例えば、制御演算装置50は、光学式センサ1とは別の装置に備えられていてもよい。
図1は、光学式センサ(光強度検出装置)1の概略構成を示す模式図である。また、図2は、光学式センサ1の概略構成を示すブロック図である。図1に示すように、光学式センサ1は、対象物が供給される対象検出部20の光学特性の変化を、光強度の変化として検出するものである。また、光学式センサ1は、その光強度の変化を評価することにより、測定対象(検出対象)である対象物の濃度を測定する(対象物を評価する)ものである。光学式センサ1は、主として、検出用光源(第1の光源)10、リファレンス用光源(第2の光源)11、対象検出部20、土台30、光検出部40(第1の光検出部、第2の光検出部)、および制御演算装置50を備えている。なお、光学式センサ1の基本構造は、検出用光源10、リファレンス用光源11、対象検出部20および光検出部40であり、少なくとも、検出用光源10から出射された測定光の光強度、およびリファレンス用光源11から出射された参照光の光強度を検出できればよい。例えば、制御演算装置50は、光学式センサ1とは別の装置に備えられていてもよい。
検出用光源10は、対象物の濃度を測定するための測定光を、光検出部40に出射するものである。検出用光源10は、測定光を出射する出射端部10aを備え、当該出射端部10aが光検出部40に対向するように配置されている。
リファレンス用光源11は、検出用光源10から出射された測定光が光検出部40に照射された結果として得られる測定光の光強度を補正するための参照光を、光検出部40に出射するものである。すなわち、リファレンス用光源11は、光検出部40によって検出された測定光の光強度を補正するための参照光を出射するものである。リファレンス用光源11は、参照光を出射する出射端部11aを備え、当該出射端部11aが光検出部40に対向するように配置されている。
リファレンス用光源11は、検出用光源10のように、対象物の濃度を測定するために、対象検出部20の光学特性の変化の影響を受けた光を出射するものではない。このため、リファレンス用光源11には対象検出部20が配置されていない。換言すれば、リファレンス用光源11から出射された参照光は、対象検出部20における光学特性の変化の影響を受けることなく光検出部40によって検出される。また、リファレンス用光源11は、対象検出部20における光学特性の変化の影響を受ける検出用光源10とは異なる光源であるといえる。
リファレンス用光源11は、検出用光源10と略同一の周辺環境に配置されている。なお、検出用光源10およびリファレンス用光源11は、温度・湿度・雰囲気(例えば大気中)等が略同一である環境下に配置され、かつ、光検出部40に光を照射できる位置関係にあればよい。このように、リファレンス用光源11は、検出用光源10と略同一の環境下に配置されるので、リファレンス用光源11の周辺環境の変化に対する反応(周辺環境の変化に伴う光強度の変化)を、検出用光源10と同様の反応として得ることができる。なお、図1では、上記配置を容易に実現するために、リファレンス用光源11は、検出用光源10の近傍に配置されている。
リファレンス用光源11は、検出用光源10と略同一の特性を有している。本実施形態では、リファレンス用光源11としては、検出用光源10と同一種類、同一機種の光源が使用されている。特に、リファレンス用光源11としては、検出用光源10と同一機種の光源であるだけでなく、さらに検出用光源10と同一ロッドの光源が使用されることが好ましい。換言すれば、リファレンス用光源11は、検出用光源10と同一の原理で発光するものであり、略同一の経時変化特性を有している。これにより、検出用光源10およびリファレンス用光源11それぞれの点灯状態を制御するだけで、周辺環境の変化による影響が抑制された(好ましくは、当該影響が排除された)、測定光の光強度および参照光の光強度を検出することができる。なお、経時変化特性とは、出力値等の設定条件が一定の状態における、時間に伴う出射光の出力変化を指す。
また、検出用光源10およびリファレンス用光源11は、それぞれ制御演算装置50の制御を受けて電流が印加されることにより、測定光および参照光を発生する素子である。例えば、検出用光源10およびリファレンス用光源11として、半導体レーザまたは発光ダイオードを使用することができる。半導体レーザを用いた場合には、出力強度が高い測定光または参照光を出射できる。出力強度を高めることで、光検出部40によって検出される光量(シグナル)が上昇するため、SN比(Signal to Noise rate)を向上させることができる。
さらに、検出用光源10は、対象検出部20における光学特性の変化の影響を受けた測定光(すなわち、対象検出部20の光学特性が変化することにより光強度が変化した測定光)を、光検出部40に出射する。
対象検出部20は、対象物を含む試料を供給または接触させる部分である。図1では、検出用光源10の出射端部10aとは異なる他端部に配置されている。なお、検出用光源10が、対象検出部20における光学特性の変化の影響を受けて(当該光学特性の変化に伴い)変化した光強度を有する測定光を出射できる構成であればよく、例えば検出用光源10の側壁の一部に対象検出部20が配置されてもよい。また、対象物および試料は、それぞれ固体、液体、気体のいずれであってもよい。
対象検出部20は、検出用光源10において発生した光を受けることにより、対象物の濃度に応じて、その光学特性が変化する材料を含む構成である。本実施形態では、検出用光源10の上記他端部に上記材料が成膜されることにより、対象検出部20が形成されている。
ここで、光学特性とは、屈折率(実部、虚部を含む)、透過率、反射率、吸収率といった光学的性質のことを指している。例えば、対象物が酸化還元性ガスである場合、上記材料としては、酸化還元性ガスにより酸化還元反応を発生し、その光学特性が変化する種々の酸化物半導体を使用することができる。また、上記材料として触媒材料を適用すれば、当該触媒材料が対象物に対して触媒として働くときに生じる中間体によって対象検出部20の光学特性が一時的に変化する。この変化に起因した光強度を検出することにより、対象物の存在を確認することが可能である。また、対象物が有機溶剤である場合、上記材料としては、有機溶剤を吸収することで膨張し、その光学特性が変化する高分子材料であってもよい。
また、図1に示すように、対象物が供給される対象検出部20は、検出用光源10には配置されているが、リファレンス用光源11には配置されていない。すなわち、光検出部40によって検出される測定光が、対象検出部20の光学特性の変化を受け、かつ、光検出部40によって検出される参照光が、対象検出部20の光学特性の変化を受けないように、対象検出部20が配置されている。
土台30は、検出用光源10とリファレンス用光源11とを支持する部材である。図1では、検出用光源10およびリファレンス用光源11は、それぞれ出射端部10aおよび11aが光検出部40と対向するように、土台30が有する平面に対して配置されている。すなわち、検出用光源10およびリファレンス用光源11は、同一基体(基板)の土台30において、互いに近接するように配置されている。なお、上述のように、検出用光源10およびリファレンス用光源11が略同一の環境下に配置され、かつ、光検出部40に光を照射できる位置関係となるように、これらの光源が支持されていればよい。すなわち、土台30が平面を有する形状であって、検出用光源10およびリファレンス用光源11が同一基体に配置されている必要は必ずしもなく、棒状の支持部材によって検出用光源10およびリファレンス用光源11が支持されていてもよい。また、検出用光源10とリファレンス用光源11とが別々の支持部材によって支持されていてもよい。
土台30の材質は、セラミックスまたは樹脂等である。これにより、検出用光源10およびリファレンス用光源11から発せられた熱を放熱することができる。すなわち、土台30の材質として上記材質を用いた場合には、土台30をヒートシンクとして機能させることができる。検出用光源10およびリファレンス用光源11が半導体レーザである場合には、土台30としては、一般的にセラミックスの台座が使用されることが好ましい。この場合、検出用光源10およびリファレンス用光源11は、Au-Sn系のはんだにより土台30に接合される。
光検出部40は、検出用光源10から出射された測定光、およびリファレンス用光源11から出射された参照光を受けて、当該測定光の光強度および参照光の光強度のそれぞれを検出する素子である。例えば、光検出部40としては、フォトダイオードまたはフォトトランジスタなどの光起電力素子を使用することができる。光検出部40は、測定光の光強度および参照光の光強度を示す光信号を、制御演算装置50に送信する。
光学式センサ1では、光検出部40は、検出用光源10から出射された測定光の光強度と、リファレンス用光源11から出射された参照光の光強度とを検出する、単一の光検出部により実現されている。これに限らず、測定光の光強度および参照光の光強度を、それぞれ別の光検出部によって検出してもよい。すなわち、本実施形態の光検出部40は、実施形態3の第1の光検出部41および第2の光検出部42の両方の機能を有しているといえる。
制御演算装置50は、検出用光源10からの測定光の光強度に基づいて、対象物の濃度を測定するものである。特に本実施形態では、制御演算装置50は、上記の各光信号を受信し、リファレンス用光源11からの参照光の光強度に基づいて、検出用光源10からの測定光の光強度を補正し、その補正後の光強度に基づいて、対象物の濃度を測定するものである。また、制御演算装置50は、検出用光源10およびリファレンス用光源11に対して、その点灯制御(印加する電流量の制御)を行う。具体的な構成については後述する。
また、光学式センサ1は、図2に示すように、容器60を備えている。容器60は、対象物を含む試料を対象検出部20に供給するために、当該試料を収容可能な部材である。本実施形態では、容器60は、その内部に試料を供給するための供給口が有し、かつ、当該試料を対象検出部20に接触させるために、容器60の内部に対象検出部20の一部が嵌合された密閉式容器である。しかしこの構成に限らず、例えば、容器60(例えば容器60の底部)に、対象検出部20に試料を供給するための穴部が設けられ、その穴部が対象検出部20にと対向して設けられているなど、試料が対象検出部20に供給可能な構成であればよい。また、供給口の代わりに、その上部が開放されたものを使用してもよい。
<制御演算装置の構成>
次に、図2に基づいて、制御演算装置50の構成について説明する。制御演算装置50は、制御部51、記憶部52および表示部53を備えている。
次に、図2に基づいて、制御演算装置50の構成について説明する。制御演算装置50は、制御部51、記憶部52および表示部53を備えている。
制御部51は、制御演算装置50を統括的に制御するものである。制御部51は、光源制御部511、光強度補正部512、濃度算出部513および表示制御部514を備えている。
光源制御部511は、検出用光源10およびリファレンス用光源11それぞれの点灯制御を行う。本実施形態では、光源制御部511は、検出用光源10とリファレンス用光源11とが異なるタイミングで点灯するよう制御する。これにより、単一の光検出部40による測定光の光強度および参照光の光強度の検出が可能となる。具体的な制御方法については後述する。
光強度補正部512は、光検出部40から、測定光の光強度と、参照光の光強度とを示す光信号を受信する。そして、参照光の光強度に基づいて、測定光の光強度を補正するものである。光強度補正部512は、補正後の測定光の光強度を記憶部52に格納するとともに、その旨を濃度算出部513に通知する。
濃度算出部513は、光強度補正部512からの通知を受けて、上記補正後の測定光の光強度に基づいて、対象検出部20に含まれる対象物の濃度を算出する。濃度算出部513は、例えば、記憶部52に予め記憶された、測定光の光強度と対象物の濃度との相関を示すグラフを参照することにより、対象物の濃度を算出する。また、濃度算出部513は、濃度が0である場合に、対象検出部20に対象物が存在しないと判定してもよい。濃度算出部513は、算出した対象物の濃度を測定結果として記憶部52に格納するとともに、その旨を表示制御部514に通知する。
表示制御部514は、濃度算出部513からの通知を受けて、表示部53に上記測定結果を表示させるものである。このとき、測定結果として、補正後の測定光の光強度の値を表示させてもよい。
記憶部52は、制御部51が実行する各種の制御プログラム、および光強度補正部512で補正された測定光の光強度の値、濃度算出部513が算出した対象物の濃度の値等を記憶するものである。記憶部52は、例えば、ハードディスク、フラッシュメモリなどの不揮発性の記憶装置によって構成される。
表示部(提示部)53は、表示制御部514による制御により、対象物の濃度、補正後の測定光の光強度の値等を測定結果として表示するものである。表示部53としては、例えば、プリンタまたはディスプレイなどが挙げられる。
<検出用光源・リファレンス用光源の具体的構成>
次に、図3に基づいて、検出用光源10およびリファレンス用光源11の具体的構成の一例について説明する。図3の(a)は、検出用光源10の具体的構成を示す概略断面図であり、図3の(b)は、リファレンス用光源11の具体的構成を示す概略断面図である。
次に、図3に基づいて、検出用光源10およびリファレンス用光源11の具体的構成の一例について説明する。図3の(a)は、検出用光源10の具体的構成を示す概略断面図であり、図3の(b)は、リファレンス用光源11の具体的構成を示す概略断面図である。
本実施形態に係る光学式センサ1では、検出用光源10およびリファレンス用光源11としてファブリペロー型の半導体レーザ(ファブリペロー型共振器)が使用されている。このファブリペロー型の半導体レーザは、その両端からレーザ光を出射する。
図3の(a)に示すように、検出用光源10は、導波路13と、第1のミラー面14と、第2のミラー面15とを備えている。導波路13は、発生したレーザ光を、検出用光源10の両端に配置された、第1のミラー面14と第2のミラー面15とにそれぞれ導くものである。導波路13に電流が印加(注入)されると、導波路13内に光子が発生する。この光子は、第1のミラー面14と第2のミラー面15とによって繰り返し反射され、導波路13内を往復することより、連鎖的に増加する。これにより、光子が形成する光波(すなわち、レーザ光)は共振状態に至る。
第1のミラー面14および第2のミラー面15は、レーザ光に対して半透過性を有しており、レーザ光を反射するとともに、共振状態に至ったレーザ光を透過するものである。したがって、第1のミラー面14からは、共振状態に至った第1のレーザ光16が、第2のミラー面15からは、共振状態に至った第2のレーザ光17がそれぞれ出射される。
対象検出部20は、第1のミラー面14と接して配置されるとともに、光検出部40は、第2のミラー面15と対向するように配置される。例えば対象検出部20に対象物が存在することにより、対象検出部20の光学特性が変化した場合には、その影響を受けて、第1のミラー面14の光学特性が変化する。第1のミラー面14の光学特性が変化することにより、第1のミラー面14の反射率が変化する。そして、この反射率に変化が生じることにより、上記共振状態(レーザ光の発振閾値、微分効率などの共振条件)に変化が生じるため、第2のレーザ光17の光強度が変化する。光検出部40は、第2のミラー面15を透過した第2のレーザ光17(すなわち、測定光)の光強度を検出することにより、上記共振状態の変化に伴う光強度の変化を検出する。これにより、制御演算装置50は、対象検出部20の光学特性の変化の影響を受けた測定光の光強度の変化に基づいて、対象物の濃度を測定することができる。
このように、ファブリペロー型の半導体レーザは、対象検出部20の光学特性が変化することにより光強度が変化した測定光を、光検出部40に出射する。ファブリペロー型の半導体レーザを検出用光源10として用いた場合には、光検出部40は、上記共振条件の変化に起因した測定光の光強度の変化を検出する。このときの光強度変化量は、共振状態におけるファブリペロー型共振器内の光学利得の効果によって増幅されている。したがって、単純に対象検出部20にレーザ光が出射され、対象検出部20において当該レーザ光が反射したときの反射光の光強度の変化を検出する場合に比べ、測定光の光強度の検出感度を向上させることができる。
一方、図3の(b)に示すように、リファレンス用光源11の構造は、対象検出部20が形成されていない点を除けば、検出用光源10と同様である。すなわち、リファレンス用光源11は、共振状態に至った第1および第2のレーザ光16、17が、第1および第2のミラー面14、15からそれぞれ出射される。リファレンス用光源11は、検出用光源10のように対象物の影響による上記共振状態の変化が生じないため、周辺環境の変化または経年劣化以外の要因を受けず、一定の光強度を有する第2のレーザ光17(すなわち、参照光)を出力する。
<光学式センサにおける動作>
また、図4は、本実施形態に係る光学式センサ1の動作(検出方法)を示すフローチャートである。図4に示すように、まず、対象検出部20に対象物が存在しない状態で光学式センサ1が作動し、光源制御部511により、検出用光源10およびリファレンス用光源11の点灯が制御される。これにより、検出用光源10から測定光が、リファレンス用光源11から参照光が出射される(S1;測定光出射工程および参照光出射工程)。次に、光学式センサ1の対象検出部20に対して対象物を含む試料が接触するよう、容器60内の試料が対象検出部20に供給される(S2)。
また、図4は、本実施形態に係る光学式センサ1の動作(検出方法)を示すフローチャートである。図4に示すように、まず、対象検出部20に対象物が存在しない状態で光学式センサ1が作動し、光源制御部511により、検出用光源10およびリファレンス用光源11の点灯が制御される。これにより、検出用光源10から測定光が、リファレンス用光源11から参照光が出射される(S1;測定光出射工程および参照光出射工程)。次に、光学式センサ1の対象検出部20に対して対象物を含む試料が接触するよう、容器60内の試料が対象検出部20に供給される(S2)。
なお、S1およびS2の処理は、逆であってもよく、また同時であってもよい。また、例えば、制御部51によって、容器60が備える供給口の開閉制御が行われることにより、対象検出部20への試料供給の制御が行われてもよいし、当該制御が手動で行われてもよい。
そして、光検出部40は、検出用光源10からの測定光の光強度、およびリファレンス用光源11からの参照光の光強度をそれぞれ検出し、これらの光強度を示す光信号を光強度補正部512に送信する(S3:測定光検出工程、参照光検出工程)。光強度補正部512は、これらの光信号を解析し、参照光の光強度に基づいて測定光の光強度を補正し、補正後の測定光の光強度を記憶部52に記憶する(S4)。
ここで、測定光の光強度は、対象物の濃度のみならず、温度等の検出用光源10の周辺環境にも起因して変化する。そのため、光学式センサ1は、測定光の光強度を検出するだけでは、その変化が、対象物によって発生しているのか、周辺環境の変化によって発生しているのかを、判断できない。
そこで、光学式センサ1は、周辺環境の変化の影響を抑制した測定光の光強度を得るために、リファレンス用光源11から光検出部40に出射された参照光の光強度を利用する。リファレンス用光源11には対象検出部20の光学特性の影響を受けないので、リファレンス用光源11から出射された参照光の光強度は、対象物に起因して変化することがない。具体的には、光強度補正部512は、例えば、測定光の光強度から、対象検出部20のあらゆる変化の影響を受けない参照光の光強度を差し引く。これにより、周辺環境の変化によって発生している測定光の光強度の変化を消去し、対象物によって発生している測定光の光強度の変化を検出することができる。すなわち、周辺環境の影響を抑制し、対象物の濃度に応じた測定光の光強度(補正後の測定光の光強度)を得ることができる。なお、光強度補正部512は、測定光の光強度と参照光の光強度との比を、補正後の測定光の光強度の値としてもよい。
また、ファブリペロー型の半導体レーザを用いる場合、検出用光源10の第1のミラー面14上に対象検出部20が形成(成膜)されているため、検出用光源10から対象検出部20を取り除くことができない構成となる。この場合、対象検出部20を取り外して、検出用光源10の状態を予め評価しておくといった校正作業を実施できず、検出用光源10の劣化に起因する光出力の変化を補正することは不可能である。しかし、このような構成であっても、リファレンス用光源11から出射された参照光を用いることにより、検出用光源10の周辺環境の変化だけでなく、検出用光源10の劣化によって発生している測定光の光強度の変化をも補正することができる。
光強度補正部512による測定光の光強度の補正後、濃度算出部513は、当該補正後の測定光の光強度に基づいて、対象検出部20に含まれる対象物の濃度を算出する(S4)。そして、表示制御部514は、濃度算出部513が算出した対象物の濃度を測定結果として、表示部53に表示させる(S6)。なお、この測定結果として、上記補正後の測定光の光強度を表示部53に表示してもよい。
なお、上記動作フローでは、S1において測定光および参照光が出射され、S3において、当該測定光の光強度および当該参照光の光強度が検出されているが、この動作フローに限られない。例えば、(1)対象物が対象検出部20に供給され、(2)検出用光源10から測定光が出射され、当該測定光の光強度が検出された後に、(3)リファレンス用光源11から参照光が出射され、当該参照光の光強度が検出されてもよい。また、上記(2)および(3)の工程が逆であってもよいし、上記(3)、(1)および(2)の順であってもよい。
<光源制御部511による点灯制御>
次に、図5に基づいて、光源制御部511による点灯制御について説明する。図5は、光源制御部511による点灯制御の一例を示すタイミングチャートである。
次に、図5に基づいて、光源制御部511による点灯制御について説明する。図5は、光源制御部511による点灯制御の一例を示すタイミングチャートである。
本実施形態では、測定光の光強度および参照光の光強度を、単一の光検出部40により検出している。そのため、検出用光源10およびリファレンス用光源11からそれぞれ、同じタイミングで測定光および参照光が出射された場合には、光検出部40は、同じタイミングで測定光の光強度および参照光の光強度を検出することになるため、これらの光強度の合計値を検出することになってしまう。この場合、光強度補正部512は、測定光の光強度であるか、参照光の光強度であるのかを把握することができない可能性がある。この現象を回避するために、光源制御部511は、図5に示すように、検出用光源10およびリファレンス用光源11の点灯制御を行う。
図5に示すように、1つ目の区間では、検出用光源10は点灯状態であり、リファレンス用光源11は消灯状態である。したがって、この区間において光検出部40に照射された光は、検出用光源10から出射された測定光であるため、光検出部40は測定光の光強度を検出する。一方、次の区間では、検出用光源10は消灯状態であり、リファレンス用光源11は点灯状態である。したがって、この区間において光検出部40に照射された光は、リファレンス用光源11から出射された参照光であるため、光検出部40は参照光の光強度を検出する。また、光源制御部511は、この点灯の切替タイミングにあわせて、点灯している光源を示す光源情報を光強度補正部512に通知する。これにより、光強度補正部512は、いずれの光源から出射された光の光強度を示す光信号を受信しているのかを把握することができる。
光源制御部511の制御によってこのような動作が繰り返されることで、単一の光検出部40により、測定光の光強度および参照光の光強度の変化を、独立にリアルタイムで検出することができる。この構成を採用することにより、光検出部40を複数個設置する必要がないため、安価な光学式センサ1を提供することができる。
また、光源制御部511は、検出用光源10とリファレンス用光源11との各区間における点灯時間を一致させることが好ましい。この場合、検出用光源10とリファレンス用光源11との累積点灯時間を略同一とすることができるので、光学式センサ1の使用にあわせて、検出用光源10とリファレンス用光源11とがほぼ同様に劣化していく。すなわち、光源制御部511が上記累積点灯時間を略同一となるように制御することにより、検出用光源10とリファレンス用光源11との経年劣化の状態をほぼ同じにすることができる。そのため、光強度補正部512による測定光の光強度の補正により、検出用光源10の劣化によって発生している測定光の光強度の変化の影響も抑制することができる。
<本実施形態の光学式センサと従来技術との相違点>
特許文献1の技術では、測定チップとリファレンスチップとは同一のものであり、検出対象の試料が被検体を含むもの(測定チップ)か、溶媒のみのもの(リファレンスチップ)であるかが異なっているだけである。また、特許文献2の技術では、複数の光学素子が備える導波路の一部をリファレンス用として用いており、導波路それ自体の構成は、測定用とリファレンス用といった違いはない。
特許文献1の技術では、測定チップとリファレンスチップとは同一のものであり、検出対象の試料が被検体を含むもの(測定チップ)か、溶媒のみのもの(リファレンスチップ)であるかが異なっているだけである。また、特許文献2の技術では、複数の光学素子が備える導波路の一部をリファレンス用として用いており、導波路それ自体の構成は、測定用とリファレンス用といった違いはない。
このように、特許文献1および2の技術では、対象物の濃度に応じて光学特性が変化する対象検出部20を備え、検出用光源10から出射された測定光の光強度が当該光学特性の変化の影響を受けて光検出部40によって検出される一方、リファレンス用光源11から出射された参照光の光強度が当該影響を受けずに光検出部40によって検出されるという構成ではない。すなわち、これらの技術では、対象物の濃度に応じて、光源が出射する測定光の光強度が変化するものではない。対象物による影響を受けるのは、特許文献1の発明では、測定チップが備える金属膜および誘電体ブロックであり、特許文献2の発明では、光学素子である。
また、本実施形態の検出用光源10として、例えば半導体レーザが用いられた場合のように、特許文献1および2の技術で用いられる光源において、本実施形態に係る光学式センサ1が備える、対象検出部20の光学特性の影響を受けた測定光を出射する検出用光源10と、当該影響を受けない参照光を出射するリファレンス用光源11といった違いはない。さらに、本実施形態では、対象物による光学特性の変化の影響が検出用光源10に及ぶが、特許文献1および2の技術では、光源が対象物の影響を受けることはない。
また、一般に、光源の周辺環境の変化に起因する出力変動(短期的出力変動)、または光源の素子寿命または劣化に起因する出力変動(長期的出力変動)が生じる。すなわち、光源には、対象物の濃度に応じた光学特性の変化の影響以外の外部要因に起因する出力変動が生じる。そのため、一般に、その出力変動を抑制するための各種施策が実施される。
具体的には、上記短期的出力変動への対応策としては、光源の周辺環境を一定に保つための装置の追加が挙げられる。例えば、光源として半導体レーザを使用する場合、半導体レーザの温度を一定に保つために、ペルチェ素子等の温度調整素子を光学式センサに追加し、当該温度調整素子による温度調整が常に必要となる。また、光源としてハロゲンランプまたは発光ダイオードを使用する場合、放熱フィンまたはファン等の冷暖房装置を光学式センサに追加する必要がある。この場合、冷暖房装置が、常時一定の冷却と、測定光の光強度検出前の十分な暖機とを行うことによって、光源の周辺環境を定常化する。
しかしながら、上記の温度調整素子または冷暖房装置を光学式センサに追加した場合、(1)光学式センサが大型化し、高コスト化してしまう、(2)上記の装置を動作させるための電力を余分に消費してしまう、(3)暖機を行う場合には、暖機中は光学式センサを動作させることができない等の問題が生じる。
また、上記長期的出力変動への対応策としては、測定光の光強度検出前(すなわち、対象物の濃度測定)の校正作業によるリファレンスシグナルの取得が挙げられる。リファレンスシグナルを基準として、測定光の光強度を補正することにより、上記長期的出力変動の影響を抑制することができる。しかしながら、定期的な校正作業が必要になるため、校正作業中は光学式センサを使用できない。すなわち、メンテナンスフリーとすることができず、かつリアルタイムの測定光の光強度の検出を長期間実施できないという問題が生じる。
本実施形態では、上述のように、光学式センサ1は、対象物の濃度に応じて光学特性が変化する対象検出部20と、対象物の濃度を測定するための測定光を出射する検出用光源10と、対象検出部20の光学特性の変化に伴い変化した、測定光の光強度を検出する光検出部40と、を備えている。換言すれば、対象物の濃度を測定するための測定光を発生させる検出用光源10と、対象物の濃度に応じて光学特性が変化することにより、検出用光源10が発生させた測定光の光強度に影響を与える対象検出部20と、対象検出部20の光学特性の変化に伴い変化した測定光の光強度を検出する光検出部40と、を備えている。そして、検出用光源10と同一環境下にあるリファレンス用光源11を備え、リファレンス用光源11から出射された、対象検出部20の光学特性の変化の影響を受けない参照光を用いて、測定光の光強度を補正する。そのため、本実施形態では、上記短期的出力変動および長期的出力変動を抑制するための各種施策(光源の周辺環境を一定に保つための装置の追加や、測定光の光強度検出前のリファレンスシグナルの取得)を行うことなく、測定光の光強度を補正し、対象物の濃度を精度よく測定することができる。
〔実施形態2〕
本発明の他の実施形態について、図6に基づいて説明すれば、以下の通りである。なお、説明の便宜上、前記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を省略する。
本発明の他の実施形態について、図6に基づいて説明すれば、以下の通りである。なお、説明の便宜上、前記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を省略する。
図6は、光学式センサ2の概略構成を示す模式図である。光学式センサ2は、図6に示すように、検出用光源10、リファレンス用光源11、対象検出部20、擬似対象検出部21、土台30、光検出部40、および制御演算装置50を備えている。本実施形態は、リファレンス用光源11に擬似対象検出部21が配置されている点で実施形態1と異なる。
擬似対象検出部21は、対象物が存在しない環境における対象検出部20と略同一の光学特性を有する部材である。換言すれば、擬似対象検出部21は、対象物によってその光学特性が変化しないか、対象検出部20よりもその変化が少ない部材である。擬似対象検出部21の材料としては、例えば、化学的に安定な酸化物または窒化物など、周辺環境の変化の影響、対象物の供給に起因した影響等を受けにくい材料を使用することができる。
擬似対象検出部21は、図6では、リファレンス用光源11の、光検出部40と対向する端部とは異なる他端部に配置されている。なお、リファレンス用光源11が、擬似対象検出部21における光学特性の変化の影響を受けた参照光を出射できる構成であれば、例えばリファレンス用光源11の側壁の一部に擬似対象検出部21が配置されてもよい。
また、擬似対象検出部21は、容器60の外部に配置されていることが好ましい。この場合、対象物が擬似対象検出部21に供給されることを防止できるので、対象物の存在に起因した、擬似対象検出部21の光学特性の変化を確実に抑制することが可能となる。なお、上記配置に限らず、擬似対象検出部21の周囲を覆うように、対象物の供給を防止する防止部材が設けられていてもよい。
リファレンス用光源11は、実施形態1と同様、対象検出部20における光学特性の変化の影響を受けることはないが、擬似対象検出部21における光学特性の変化の影響を受けた参照光を、光検出部40に出射する。
対象検出部20に対象物が存在しない環境においても、対象検出部20は例えば周辺環境等の影響を受け、その光学特性が変化するので、対象検出部20から出射される測定光の光強度も変化する。光学式センサ2では、擬似対象検出部21を備えることにより、リファレンス用光源11は、対象検出部20に対象物が存在しない環境下における、対象検出部20における光学特性の変化の影響を受けた測定光の光強度に、より近い光強度を有する参照光を、光検出部40に出射することができる。特に、検出用光源10およびリファレンス用光源11が上述したファブリペロー型の半導体レーザの場合、対象検出部20に対象物が存在しない環境下では、検出用光源10およびリファレンス用光源11それぞれの共振条件をほぼ一致させることができる。このように、光学式センサ2は、対象検出部20に対象物が存在しない環境での測定光の光強度および参照光の光強度をより一致させることができるので、測定光の光強度の補正精度をさらに向上させることができる。
〔実施形態3〕
本発明の他の実施形態について、図7に基づいて説明すれば、以下の通りである。なお、説明の便宜上、前記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を省略する。
本発明の他の実施形態について、図7に基づいて説明すれば、以下の通りである。なお、説明の便宜上、前記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を省略する。
図7は、本実施形態に係る光学式センサ3の概略構成を示す模式図である。光学式センサ3は、図7に示すように、検出用光源10、リファレンス用光源11、対象検出部20、土台30、第1の光検出部41、第2の光検出部42、および制御演算装置50を備えている。本実施形態では、光検出部40の代わりに、第1の光検出部41および第2の光検出部42が備えられている点で、実施形態1および2とは異なる。
すなわち、実施形態1および実施形態2では、検出用光源10から出射された測定光の光強度と、リファレンス用光源11から出射された参照光の光強度とを、単一の光検出部40により検出している。一方、本実施形態は、測定光の光強度および参照光の光強度を、それぞれ別の光検出部によって検出している。
第1の光検出部41は、検出用光源10から出射された測定光を受けて、測定光の光強度を検出する素子である。第1の光検出部41は、検出用光源10の出射端部10aに対向するように配置されており、検出した測定光の光強度を示す光信号を制御演算装置50に送信する。一方、第2の光検出部42は、リファレンス用光源11から出射された参照光を受けて、参照光の光強度を検出する素子であり、検出した参照光の光強度を示す光信号を制御演算装置50に送信する。第1の光検出部41は、検出用光源10の出射端部10aに対向するように配置されている。また、第1の光検出部41および第2の光検出部42は、光検出部40と同様に、フォトダイオードおよびフォトトランジスタなどの光起電力素子を使用することができる。
このように、光学式センサ3では、測定光の光強度と参照光の光強度とをそれぞれ別の光検出部によって検出する。そのため、本実施形態では、光源制御部511(図2参照)が検出用光源10およびリファレンス用光源11を常時点灯させるように制御した場合であっても、測定光の光強度および参照光の光強度をそれぞれ独立に検出できる。すなわち、実施形態1のように、測定光の光強度および参照光の光強度を検出するために、検出用光源10およびリファレンス用光源11を、異なるタイミングで点灯(図5に示すパルス点灯)するように制御しなくてもよい。そのため、検出用光源10およびリファレンス用光源11をパルス点灯させる場合に比べて、光源制御部511の点灯制御を単純化することができる。また、パルス点灯させる場合に比べて、常時点灯させた場合のほうが、第1の光検出部41および第2の光検出部42にそれぞれ出射される測定光の光強度および参照光の光強度を大きくすることができる。そのため、測定光および参照光それぞれのSN比を向上させることができる。
また、本実施形態においては、検出用光源10とリファレンス用光源11とを常時点灯させない場合には、光源制御部511は、検出用光源10とリファレンス用光源11との点灯タイミングおよび消灯タイミングを一致させるように、検出用光源10およびリファレンス用光源11の点灯制御を行うことが好ましい。この場合、検出用光源10およびリファレンス用光源11の累積点灯時間を略同一にすることができるので、光学式センサ3の使用にあわせて、検出用光源10とリファレンス用光源11とがほぼ同様に劣化していく。すなわち、上記累積点灯時間を略同一となるように制御することにより、検出用光源10とリファレンス用光源11との経年劣化の状態をほぼ同じにすることができる。そのため、実施形態1と同様、検出用光源10の劣化によって発生している測定光の光強度の変化の影響も抑制することができる。
なお、累積点灯時間を略同一にするための点灯制御は、上記に限らず、図5に示すように、検出用光源10およびリファレンス用光源11の点灯制御が交互に行われる構成であってもよい。
〔実施形態4〕
本発明の他の実施形態について、図8および図9に基づいて説明すれば、以下の通りである。なお、説明の便宜上、前記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を省略する。
本発明の他の実施形態について、図8および図9に基づいて説明すれば、以下の通りである。なお、説明の便宜上、前記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を省略する。
図8は、本実施形態に係る光学式センサ4の概略構成を示す模式図である。光学式センサ4は、図8に示すように、モノリシック型半導体レーザ12、対象検出部20、土台30、光検出部40、および制御演算装置50を備えている。本実施形態では、検出用光源10およびリファレンス用光源11が別体ではなく、これら2つの機能を備えた単一の半導体レーザ(モノリシック型半導体レーザ12)により実現されている点で、実施形態1~3とは異なる。
モノリシック型半導体レーザ12の概略構成を示す模式図を図9に示す。図9に示すように、モノリシック型半導体レーザ12は、単一のチップ123上に、第1半導体レーザ素子121および第2半導体レーザ素子122が形成(作製)されることにより構成されている。モノリシック型半導体レーザは、例えば光ディスクの記録再生装置用の半導体レーザとして、一般的に使用されている。
第1半導体レーザ素子121および第2半導体レーザ素子122は、それぞれ独立にレーザ光を出射可能な構成となっており、図8に示すように、レーザ光を出射する出射端部121aおよび122aを備えている。そのため、第1半導体レーザ素子121および第2半導体レーザ素子122は、光源制御部511(図2参照)の制御を受け、独立した光源として機能する。
本実施形態では、第1半導体レーザ素子121が検出用光源10の機能を有し、第2半導体レーザ素子122がリファレンス用光源11の機能を有している。この場合、出射端部121aは測定光を出射する端部であり、出射端部122aは参照光を出射する端部である。なお、この構成に限らず、第2半導体レーザ素子122が検出用光源10の機能を有する場合には、第2半導体レーザ素子122がリファレンス用光源11として機能する。
図8に示すように、第1半導体レーザ素子121および第2半導体レーザ素子122は、出射端部121aおよび122aがそれぞれ光検出部40に対向するように配置されている。
また、検出用光源10として機能する第1半導体レーザ素子121の、出射端部121aとは異なる他端部に、対象検出部20が配置されている。第1半導体レーザ素子121および第2半導体レーザ素子122がファブリペロー型の半導体レーザ(図3参照)と同様の構造となっている場合には、上記他端部に配置された第1のミラー面14に対向するように、対象検出部20が配置されている。一方、リファレンス用光源11として機能する第2半導体レーザ素子122には、対象検出部20が配置されていない。
すなわち、本実施形態においても、実施形態1と同様、検出用光源10として機能する第1半導体レーザ素子121から、対象検出部20の光学特性の影響を受けた測定光が出射される。一方、リファレンス用光源11として機能する第2半導体レーザ素子122から、対象検出部20の光学特性の影響を受けていない参照光が出射される。そして、これらの測定光および参照光が光検出部40によって検出される。
このように、光学式センサ4では、モノリシック型半導体レーザ12によって検出用光源10およびリファレンス用光源11が実現されている。すなわち、光学式センサ4では、第1半導体レーザ素子121および第2半導体レーザ素子122が単一のチップ123上に配置されているため、第2半導体レーザ素子122(リファレンス用光源11)の周辺環境を、第1半導体レーザ素子121(検出用光源10)の周辺環境と厳密に一致させることが可能となる。これにより、周辺環境の変化に起因した、測定光の光強度と参照光の光強度との変化を略同一とすることができるので、測定光の光強度から周辺環境の影響をより確実に抑制することができる。すなわち、測定光の光強度の補正精度をより向上させることができる。
なお、実施形態2と同様、リファレンス用光源11として機能する第2半導体レーザ素子122の、出射端部122aとは異なる他端部に、擬似対象検出部21を備えた構成としてもよい。
〔実施形態5〕
本発明の他の実施形態について説明する。なお、説明の便宜上、前記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を省略する。
本発明の他の実施形態について説明する。なお、説明の便宜上、前記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を省略する。
実施形態1~4では、検出用光源10およびリファレンス用光源11として、同一種類または同一機種の光源を使用している。本実施形態では、検出用光源10およびリファレンス用光源11として、互いに異なる種類または機種の光源を使用する場合について説明する。なお、本実施形態の光学式センサとしては、光学式センサ1~4のいずれの構成であってもよい。
ここで、光源の種類が異なるとは、発光原理が異なることを指し、例えば、検出用光源10として半導体レーザを使用し、リファレンス用光源11として発光ダイオードを使用する場合が挙げられる。また、光源の機種が異なるとは、発光原理は同一であるが、その構造、材質等が異なる場合を指す。例えば、検出用光源10およびリファレンス用光源11として、レーザ光の発振波長が互いに異なる半導体レーザを使用した場合を指す。本実施形態では、例えば、CD、DVD用の2波長モノリシック型半導体レーザ(例えば、レーザ光の発振波長:660nmおよび780nm)を、上記異なる機種からなる検出用光源10およびリファレンス用光源11を有する光源として使用することが可能である。この2波長モノリシック型半導体レーザは、光ディスクの記録再生装置用として大量生産され、低コスト化が実現された光源である。
検出用光源10およびリファレンス用光源11の種類または機種が互いに異なる場合、測定光の光強度および参照光の光強度は、周辺環境の変化に対して異なる光強度の変化を示す。そのため、単純に参照光の光強度を用いて測定光の光強度を補正した場合には、周辺環境の変化によって発生している測定光の光強度の変化を消去する補正ができない可能性がある。
そこで、本実施形態では、対象検出部20に対象物が供給される前に、光検出部40は、周辺環境の変化によって発生する測定光の光強度および参照光の光強度の変化を予め検出しておく。光強度補正部512(図2参照)は、この参照光の光強度の変化に基づいて、検出用光源10の周辺環境を推測する。具体的には、光強度補正部512は、周辺環境(例えば温度)の変化に応じた、測定光の光強度の変化と参照光の光強度の変化とを記憶部52に記憶しておく。そして、記憶部52を参照することにより、対象検出部20に対象物が供給された後に検出された参照光の光強度に対応する測定光の光強度を、補正のために用いる参照光の光強度(推定参照光強度)として選択する。光強度補正部512は、この推定参照光強度を用いて、対象検出部20に対象物が供給された後に検出された測定光の光強度を補正する。
これにより、検出用光源10とリファレンス用光源11との種類または機種が互いに異なる場合であっても、周辺環境の影響を抑制して、精度よく測定光の光強度を補正することができる。
〔実施形態6〕
本発明の他の実施形態について、図10に基づいて説明すれば、以下の通りである。なお、説明の便宜上、前記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を省略する。
本発明の他の実施形態について、図10に基づいて説明すれば、以下の通りである。なお、説明の便宜上、前記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を省略する。
図10は、光学式センサ5の概略構成を示す模式図である。光学式センサ5は、図10に示すように、検出用光源10、リファレンス用光源11、対象検出部20、土台30、光検出部40、および制御演算装置50を備えている。実施形態1では、主として、検出用光源10およびリファレンス用光源11として半導体レーザを使用している場合について説明した。本実施形態では、検出用光源10およびリファレンス用光源11に発光ダイオードを使用している場合の具体的構成について説明する。
本実施形態において、対象検出部20は、検出用光源10と光検出部40との間(測定光の光路上)に配置されている。検出用光源10から出射された測定光は、対象検出部20に入射され、対象検出部20の光学特性の変化の影響を受けることにより、その光強度が変化する。その光強度が変化した測定光(対象検出部20を透過した測定光)は、光検出部40に入射し、その光強度が光検出部40によって検出される。すなわち、検出用光源10は、対象検出部20における光学特性(透過率)の変化の影響を受けた光強度を有する測定光を、光検出部40に出射する構成ともいえる。
一方、リファレンス用光源11と光検出部40との間(参照光の光路上)には、対象検出部20は配置されていない。リファレンス用光源11から出射された参照光は、対象検出部20を透過せず、直接、光検出部40に入射し、その光強度が光検出部40によって検出される。すなわち、リファレンス用光源11は、対象検出部20における光学特性(透過率)の変化の影響を受けていない光強度を有する参照光を、光検出部40に出射する構成となっている。
また、検出用光源10の出射端部10aが対象検出部20(すなわち、光検出部40)と対向するように、および、リファレンス用光源11の出射端部11aが光検出部40と対向するように、土台30に支持されている。図10では、検出用光源10およびリファレンス用光源11は、出射端部10aおよび11aと反対側(発光ダイオードの基板側)が、土台30が有する平面と対向するように配置されている。しかしこれに限らず、実施形態1と同様、検出用光源10およびリファレンス用光源11が略同一の環境下に配置され、かつ、光検出部40に光を照射できる位置関係となるように、これらの光源が支持されていればよい。
また、本実施形態では、土台30としては樹脂製の基板が使用されることが好ましい。この場合、検出用光源10およびリファレンス用光源11は、一般的なはんだ(例えばSn-Pb系のはんだ)により土台30に接合される。
以上の構成において、実施形態1における光学式センサ1と同様の動作を行うことにより、検出用光源10およびリファレンス用光源11に発光ダイオードを使用する場合であっても、参照光の光強度を用いて測定光の光強度を補正することにより、対象物の濃度を精度よく測定することができる。
〔実施形態7〕
本発明の他の実施形態について、図11に基づいて説明すれば、以下の通りである。なお、説明の便宜上、前記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を省略する。
本発明の他の実施形態について、図11に基づいて説明すれば、以下の通りである。なお、説明の便宜上、前記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を省略する。
図11は、光学式センサ6の概略構成を示す模式図である。光学式センサ6は、図11に示すように、検出用光源10、リファレンス用光源11、対象検出部20、擬似対象検出部21、土台30、光検出部40、および制御演算装置50を備えている。実施形態2では、主として、検出用光源10およびリファレンス用光源11として半導体レーザを使用している場合について説明した。本実施形態では、検出用光源10およびリファレンス用光源11に発光ダイオードを使用している場合の具体的構成について説明する。
検出用光源10、対象検出部20および光検出部40の位置関係は、実施形態6と同じである。一方、光学式センサ6では、リファレンス用光源11と光検出部40との間(参照光の光路上)に、擬似対象検出部21が配置されている。
これにより、検出用光源10およびリファレンス用光源11に発光ダイオードを使用する場合であっても、実施形態2の光学式センサ2と同様、光学式センサ6は、対象検出部20に対象物が存在しない環境での測定光の光強度および参照光の光強度をより一致させることができるので、測定光の光強度の補正精度をさらに向上させることができる。
〔変形例〕
実施形態1~5のように、検出用光源10およびリファレンス用光源11として半導体レーザを用いた場合には、対象物に液体が含まれている場合、対象検出部20とともにリファレンス用光源11の先端面(上記他端部)が上記液体に触れている必要がある。図1では、リファレンス用光源11の先端面と、土台30の先端面とが同一平面上に位置しているため、リファレンス用光源11の先端面が対象部の液体に触れるとき、土台30の先端面も当該液体に触れることになる。土台30の先端面が上記液体に触れる必要はないことを考慮すれば、リファレンス用光源11の先端面が土台30の先端面よりも突出していることが好ましい。
実施形態1~5のように、検出用光源10およびリファレンス用光源11として半導体レーザを用いた場合には、対象物に液体が含まれている場合、対象検出部20とともにリファレンス用光源11の先端面(上記他端部)が上記液体に触れている必要がある。図1では、リファレンス用光源11の先端面と、土台30の先端面とが同一平面上に位置しているため、リファレンス用光源11の先端面が対象部の液体に触れるとき、土台30の先端面も当該液体に触れることになる。土台30の先端面が上記液体に触れる必要はないことを考慮すれば、リファレンス用光源11の先端面が土台30の先端面よりも突出していることが好ましい。
この場合、図1における対象検出部20の先端面(検出用光源10と対向している表面と反対側の表面)を含む平面上に、リファレンス用光源11の先端面が含まれるように、リファレンス用光源11が土台30に配置されてもよい。また、検出用光源10についても、土台30の先端面から突出するように土台30に配置されていてもよい。
なお、土台30がヒートシンクとして機能させる場合、検出用光源10またはリファレンス用光源11を土台30の先端面から突出させると、その分放熱性が低下する。その点を考慮すれば、土台30の先端面を含む平面上に、検出用光源10の先端面およびリファレンス用光源11の先端面が含まれるように、これらの光源が土台30に配置されていることが好ましい。
また、実施形態3の検出用光源10およびリファレンス用光源11として、実施形態5および6の発光ダイオードを用いてもよい。すなわち、発光ダイオードでそれぞれ構成された検出用光源10およびリファレンス用光源11の出射端部10aおよび11aとそれぞれ対向するように、第1の光検出部41および第2の光検出部42が設けられていてもよい。
〔ソフトウェアによる実現例〕
制御演算装置50の制御ブロック(特に制御部51の光源制御部511、光強度補正部512、濃度算出部513および表示制御部514)は、集積回路(ICチップ)等に形成された論理回路(ハードウェア)によって実現してもよいし、CPU(Central Processing Unit)を用いてソフトウェアによって実現してもよい。
制御演算装置50の制御ブロック(特に制御部51の光源制御部511、光強度補正部512、濃度算出部513および表示制御部514)は、集積回路(ICチップ)等に形成された論理回路(ハードウェア)によって実現してもよいし、CPU(Central Processing Unit)を用いてソフトウェアによって実現してもよい。
後者の場合、制御演算装置50は、各機能を実現するソフトウェアであるプログラムの命令を実行するCPU、上記プログラムおよび各種データがコンピュータ(またはCPU)で読み取り可能に記録されたROM(Read Only Memory)または記憶装置(これらを「記録媒体」と称する)、上記プログラムを展開するRAM(Random Access Memory)などを備えている。そして、コンピュータ(またはCPU)が上記プログラムを上記記録媒体から読み取って実行することにより、本発明の目的が達成される。上記記録媒体としては、「一時的でない有形の媒体」、例えば、テープ、ディスク、カード、半導体メモリ、プログラマブルな論理回路などを用いることができる。また、上記プログラムは、該プログラムを伝送可能な任意の伝送媒体(通信ネットワークや放送波等)を介して上記コンピュータに供給されてもよい。なお、本発明は、上記プログラムが電子的な伝送によって具現化された、搬送波に埋め込まれたデータ信号の形態でも実現され得る。
〔まとめ〕
本発明の態様1に係る光強度検出装置(光学式センサ1~6)は、
対象物の濃度に応じて光学特性が変化する対象検出部(20)と、
上記対象物の濃度を測定するための測定光を出射する第1の光源(検出用光源10)と、
上記対象検出部の光学特性の変化に伴い変化した、上記測定光の光強度を検出する第1の光検出部(光検出部40、第1の光検出部41)と、
上記第1の光検出部によって検出された上記測定光の光強度を補正するための参照光を出射する第2の光源(リファレンス用光源11)と、
上記参照光の光強度を検出する第2の光検出部(光検出部40、第2の光検出部42)と、を備え、
上記第2の光源から出射された参照光の光強度は、上記光学特性の変化の影響を受けることなく上記第2の光検出部によって検出され、
上記第1の光源および上記第2の光源は、同一の環境下に配置されている。
本発明の態様1に係る光強度検出装置(光学式センサ1~6)は、
対象物の濃度に応じて光学特性が変化する対象検出部(20)と、
上記対象物の濃度を測定するための測定光を出射する第1の光源(検出用光源10)と、
上記対象検出部の光学特性の変化に伴い変化した、上記測定光の光強度を検出する第1の光検出部(光検出部40、第1の光検出部41)と、
上記第1の光検出部によって検出された上記測定光の光強度を補正するための参照光を出射する第2の光源(リファレンス用光源11)と、
上記参照光の光強度を検出する第2の光検出部(光検出部40、第2の光検出部42)と、を備え、
上記第2の光源から出射された参照光の光強度は、上記光学特性の変化の影響を受けることなく上記第2の光検出部によって検出され、
上記第1の光源および上記第2の光源は、同一の環境下に配置されている。
さらに、本発明の態様8に係る検出方法は、
対象物の濃度を測定するための測定光を、第1の光源(検出用光源10)が出射する測定光出射工程(S1)と、
上記対象物の濃度に応じて光学特性が変化する対象検出部の、該光学特性の変化に伴い変化した上記測定光の光強度を、第1の光検出部(光検出部40、第1の光検出部41)が検出する測定光検出工程(S3)と、
上記第1の光検出部によって検出された上記測定光の光強度を補正するための参照光を、上記第1の光源と同一の環境下に配置されている第2の光源(リファレンス用光源11)が出射する参照光出射工程(S1)と、
上記光学特性の変化の影響を受けることなく、上記参照光の光強度を第2の光検出部(光検出部40、第2の光検出部42)が検出する参照光検出工程(S3)と、を含む。
対象物の濃度を測定するための測定光を、第1の光源(検出用光源10)が出射する測定光出射工程(S1)と、
上記対象物の濃度に応じて光学特性が変化する対象検出部の、該光学特性の変化に伴い変化した上記測定光の光強度を、第1の光検出部(光検出部40、第1の光検出部41)が検出する測定光検出工程(S3)と、
上記第1の光検出部によって検出された上記測定光の光強度を補正するための参照光を、上記第1の光源と同一の環境下に配置されている第2の光源(リファレンス用光源11)が出射する参照光出射工程(S1)と、
上記光学特性の変化の影響を受けることなく、上記参照光の光強度を第2の光検出部(光検出部40、第2の光検出部42)が検出する参照光検出工程(S3)と、を含む。
上記の構成によれば、第1の光源から出射された測定光の光強度は、対象検出部の光学特性の変化に伴い変化する。その光学特性の変化に伴い変化した測定光の光強度を第1の光検出部が検出する。このように、測定光の光強度の変化を検出することにより、対象物の濃度を測定することができる。
ここで、一般に、測定光の光強度の変化は、対象物の濃度に応じた対象検出部の光学特性の変化に起因して生じるだけでなく、周辺環境の変化による当該光学特性の変化にも起因して生じる。したがって、第1の光検出部が検出した測定光の光強度から対象物の濃度を測定する場合に、上記周辺環境の変化による光学特性の変化の影響を抑制しないと、対象物の濃度として正確な値を測定できない可能性がある。
本発明の一態様によれば、第1の光検出部によって検出された測定光の光強度を補正するための参照光が第2の光源から出射され、当該参照光の光強度が第2の光検出部によって検出される。これにより、参照光の光強度を用いて測定光の光強度を補正することができる。
そして、上記参照光の光強度は、対象検出部における光学特性の変化の影響を受けることがない。また、第1の光源および第2の光源は、同一の環境下に配置されている。これにより、参照光の光強度を、周辺環境の変化の影響が可能な限り排除された、対象検出部に対象物が存在しない環境における測定光の光強度として用いることが可能となる。そのため、参照光の光強度を用いて測定光の光強度を補正することにより、周辺環境の変化の影響を抑制して、対象物の濃度に応じた測定光の光強度を求めることができる。
したがって、上記参照光の光強度を用いて測定光の光強度を補正することにより、対象物の濃度を精度よく測定することができる。
本発明の態様2に係る光強度検出装置は、態様1において、
上記第1の光源は、上記対象検出部の光学特性の変化により光強度が変化する光を、上記測定光として出射することが好ましい。
上記第1の光源は、上記対象検出部の光学特性の変化により光強度が変化する光を、上記測定光として出射することが好ましい。
上記の構成によれば、第1の光源から出射された、対象検出部の光学特性の変化により変化した光強度を有する測定光の光強度を、第1の光検出部で検出する。この構成であっても、参照光の光強度を用いて測定光の光強度を補正することによって、対象物の濃度を測定することができる。
さらに、本発明の態様3に係る光強度検出装置は、態様1または2において、
上記第1の光源および上記第2の光源は、同一の原理で発光する光源であり、
上記第1の光源および上記第2の光源は、累積点灯時間が一致するように点灯制御されることが好ましい。
上記第1の光源および上記第2の光源は、同一の原理で発光する光源であり、
上記第1の光源および上記第2の光源は、累積点灯時間が一致するように点灯制御されることが好ましい。
上記の構成によれば、第1の光源および第2の光源の時間の経過に応じた劣化状態を略同一にすることができる。それゆえ、第1の光源の劣化に起因した測定光の光強度の変化を抑制することができ、対象物の濃度に応じた測定光の光強度を精度よく検出することができる。
さらに、本発明の態様4に係る光強度検出装置は、態様1から3のいずれかにおいて、
上記第2の光源は、上記第1の光源と近接するように配置されていることが好ましい。
上記第2の光源は、上記第1の光源と近接するように配置されていることが好ましい。
上記の構成によれば、第1の光源および第2の光源を、同一の周辺環境下に容易に配置することができる。
さらに、本発明の態様5に係る光強度検出装置は、態様1から4のいずれかにおいて、
上記第1の光源および上記第2の光源は、モノリシック型半導体レーザ(12)により実現されていることが好ましい。
上記第1の光源および上記第2の光源は、モノリシック型半導体レーザ(12)により実現されていることが好ましい。
上記の構成によれば、第1の光源および第2の光源を近接して配置する構成を容易に実現できる。したがって、第1の光源および第2の光源を同一の周辺環境下に確実に配置することができる。
さらに、本発明の態様6に係る光強度検出装置は、態様1から5のいずれかにおいて、
上記第1の光検出部および上記第2の光検出部は、単一の光検出部(40)であり、
上記第1の光源および上記第2の光源は、異なるタイミングで点灯制御されることが好ましい。
上記第1の光検出部および上記第2の光検出部は、単一の光検出部(40)であり、
上記第1の光源および上記第2の光源は、異なるタイミングで点灯制御されることが好ましい。
一般に、第1の光源および第2の光源を同じタイミングで点灯した場合、単一の光検出部は、測定光の光強度および参照光の光強度を同じタイミングで検出するため、光強度検出装置において、測定光の光強度であるか、参照光の光強度であるのかを把握することができず、参照光の光強度を用いた測定光の光強度の補正ができなくなってしまう。
上記の構成によれば、第1の光源および第2の光源は、異なるタイミングで点灯制御されるので、上記のような事態を回避することができる。したがって、単一の光検出部であっても、測定光の光強度および参照光の光強度を独立に検出することができる。また、光検出部を複数個設置する必要がないので、安価な光学式センサを提供することができる。
さらに、本発明の態様7に係る光強度検出装置は、態様1から6のいずれかにおいて、
上記対象物が存在しない環境下における上記対象検出部と同一の光学特性を有する擬似対象検出部(21)を備え、
上記第2の光源から出射された光強度は、上記擬似対象検出部の光学特性の影響を受けて上記光検出部によって検出されることが好ましい。
上記対象物が存在しない環境下における上記対象検出部と同一の光学特性を有する擬似対象検出部(21)を備え、
上記第2の光源から出射された光強度は、上記擬似対象検出部の光学特性の影響を受けて上記光検出部によって検出されることが好ましい。
上記の構成によれば、第2の光源は、対象物が存在しない環境下における対象検出部と同一の光学特性を有する擬似対象検出部の光学特性の影響を受けた光強度を有する参照光を出射する。そのため、第2の光源は、対象物が存在しない環境下における、対象検出部における光学特性の変化の影響を受けた測定光の光強度に、より近い光強度を有する参照光を出射することができる。
したがって、光強度検出装置は、上記参照光の光強度を用いて測定光の光強度を補正することができるので、当該補正精度を向上させることができる。
さらに、本発明の各態様に係る光強度検出装置は、コンピュータによって実現してもよく、この場合には、コンピュータを上記光強度検出装置が備える各手段として動作させることにより上記光強度検出装置をコンピュータにて実現させる光強度検出装置の光強度補正制御プログラム、およびそれを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体も、本発明の範疇に入る。
〔本発明の別の表現〕
本発明は、以下のようにも表現できる。
本発明は、以下のようにも表現できる。
(A)本発明の一態様に係る光学式センサシステム(光強度検出装置)は、検出用光源、対象検出部、および光検出部を備え、検出対象によって発生する上記対象検出部における光学特性の変化を反映して変化する上記検出用光源から上記光検出部に入力される光信号を測定することで、上記検出対象を検出する光学式センサシステムであって、上記検出用光源の近傍に配置され、略同一の周辺環境下に置かれているリファレンス用光源をさらに備え、上記対象検出部における光学特性変化による影響が上記検出用光源とは異なる上記リファレンス用光源から上記光検出部に入力される光信号に基づいて、上記検出用光源から上記光検出部に入力される光信号の測定結果を補正する構成である。
(B)本発明の一態様に係る光学式センサシステムは、上記(A)において、上記検出用光源と上記リファレンス用光源がそれぞれ略同一の経時変化特性を持つ光源であり、累積点灯時間を略一致させてもよい。
(C)本発明の一態様に係る光学式センサシステムは、上記(A)または(B)において、上記検出用光源および上記リファレンス用光源が、半導体レーザであり、同一基体上に接合されていてもよい。
(D)本発明の一態様に係る光学式センサシステムは、上記(C)において、上記検出用光源と上記リファレンス用光源が一つのチップ上に作製されたモノリシック型半導体レーザであってもよい。
(E)本発明の一態様に係る光学式センサシステムは、上記(A)~(D)のいずれかにおいて、上記検出用光源と上記リファレンス用光源を異なるタイミングで点灯し、ひとつの上記光検出部によって、上記検出用光源と上記リファレンス用光源の光信号を独立に評価可能であってもよい。
(F)本発明の一態様に係る光学式センサシステムは、上記(A)~(E)のいずれかにおいて、上記検出対象が存在しない環境において、上記対象検出部と略同一の光学特性を持ち、上記検出対象による光学特性変化が少ない、もしくは無い擬似対象検出部を備え、上記リファレンス用光源から入力される光信号に、上記擬似対象検出部の光学特性を反映してもよい。
(G)本発明の一態様に係る光学式センサシステムにおける検出方法であって、検出用光源、対象検出部、および光検出部を用い、検出対象によって発生する上記対象検出部における光学特性の変化を反映して変化する上記検出用光源から上記光検出部に入力される光信号を測定することで、上記検出対象を検出する検出方法であって、上記検出用光源の近傍に配置され、略同一の周辺環境下に置かれているリファレンス用光源をさらに用い、上記対象検出部における光学特性変化による影響が上記検出用光源とは異なる上記リファレンス用光源から上記光検出部に入力される光信号に基づいて、上記検出用光源から上記光検出部に入力される光信号の測定結果を補正する方法である。
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。さらに、各実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を組み合わせることにより、新しい技術的特徴を形成することができる。
本発明は、光を利用した対象物の濃度測定を行う測定装置等に利用することができる。
1 光学式センサ(光強度検出装置)
2 光学式センサ(光強度検出装置)
3 光学式センサ(光強度検出装置)
4 光学式センサ(光強度検出装置)
5 光学式センサ(光強度検出装置)
6 光学式センサ(光強度検出装置)
10 検出用光源(第1の光源)
11 リファレンス用光源(第2の光源)
12 モノリシック型半導体レーザ(第1の光源、第2の光源)
20 対象検出部
21 擬似対象検出部
40 光検出部(第1の光検出部、第2の光検出部)
41 第1の光検出部
42 第2の光検出部
121 第1半導体レーザ素子(第1の光源、第2の光源)
122 第2半導体レーザ素子(第2の光源、第1の光源)
2 光学式センサ(光強度検出装置)
3 光学式センサ(光強度検出装置)
4 光学式センサ(光強度検出装置)
5 光学式センサ(光強度検出装置)
6 光学式センサ(光強度検出装置)
10 検出用光源(第1の光源)
11 リファレンス用光源(第2の光源)
12 モノリシック型半導体レーザ(第1の光源、第2の光源)
20 対象検出部
21 擬似対象検出部
40 光検出部(第1の光検出部、第2の光検出部)
41 第1の光検出部
42 第2の光検出部
121 第1半導体レーザ素子(第1の光源、第2の光源)
122 第2半導体レーザ素子(第2の光源、第1の光源)
Claims (8)
- 対象物の濃度に応じて光学特性が変化する対象検出部と、
上記対象物の濃度を測定するための測定光を出射する第1の光源と、
上記対象検出部の光学特性の変化に伴い変化した、上記測定光の光強度を検出する第1の光検出部と、
上記第1の光検出部によって検出された上記測定光の光強度を補正するための参照光を出射する第2の光源と、
上記参照光の光強度を検出する第2の光検出部と、を備え、
上記第2の光源から出射された参照光の光強度は、上記光学特性の変化の影響を受けることなく上記第2の光検出部によって検出され、
上記第1の光源および上記第2の光源は、同一の環境下に配置されていることを特徴とする光強度検出装置。 - 上記第1の光源は、上記対象検出部の光学特性の変化により光強度が変化する光を、上記測定光として出射することを特徴とする請求項1に記載の光強度検出装置。
- 上記第1の光源および上記第2の光源は、同一の原理で発光する光源であり、
上記第1の光源および上記第2の光源は、累積点灯時間が一致するように点灯制御されることを特徴とする請求項1または2に記載の光強度検出装置。 - 上記第2の光源は、上記第1の光源と近接するように配置されていることを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の光強度検出装置。
- 上記第1の光源および上記第2の光源は、モノリシック型半導体レーザにより実現されていることを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載の光強度検出装置。
- 上記第1の光検出部および上記第2の光検出部は、単一の光検出部であり、
上記第1の光源および上記第2の光源は、異なるタイミングで点灯制御されることを特徴とする請求項1から5のいずれか1項に記載の光強度検出装置。 - 上記対象物が存在しない環境下における上記対象検出部と同一の光学特性を有する擬似対象検出部を備え、
上記参照光の光強度は、上記擬似対象検出部の光学特性の影響を受けて上記光検出部によって検出されることを特徴とする請求項1から6のいずれか1項に記載の光強度検出装置。 - 対象物の濃度を測定するための測定光を、第1の光源が出射する測定光出射工程と、
上記対象物の濃度に応じて光学特性が変化する対象検出部の、該光学特性の変化に伴い変化した上記測定光の光強度を、第1の光検出部が検出する測定光検出工程と、
上記第1の光検出部によって検出された上記測定光の光強度を補正するための参照光を、上記第1の光源と同一の環境下に配置されている第2の光源が出射する参照光出射工程と、
上記光学特性の変化の影響を受けることなく、上記参照光の光強度を第2の光検出部が検出する参照光検出工程と、を含むことを特徴とする検出方法。
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