(57)【要約】【課題】  野外でも、凹凸があったり、表面が傷みやすい計測対象に対しても、簡便かつ短時間に数多くの計測対象の光学計測を可能にする。【解決手段】  光学計測器１における計測光出射部１ｇの周囲には、噴射口３ａか設けられており、この噴射口３ａから成分が既知の気体を噴射することにより、計測光が通過する領域の外気をこの気体で置換するガス噴射装置３を設ける。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外気に開放された空間のうち、入射光の光路、反射光の光路の少なくとも一部を包含する空間に向けて成分が既知の気体を噴射し、この気体で前記空間内の外気を置換するガス噴射装置を備えた光学計測器。
【請求項２】
前記光学計測器の計測光出射部周辺に、前記気体を噴射する噴射口を備えていることを特徴とする請求項１に記載された光学計測器。
【請求項３】
前記光学計測器に、計測光の出射開始及び出射停止を行うためのスイッチを設け、前記スイッチに連動して、前記気体の噴射開始及び噴射停止を行うようにしたことを特徴とする請求項１または２に記載された光学計測器。
【請求項４】
前記気体の噴射時間を予め定めた時間、あるいは、分光計測器の計測結果に基づいて定めたことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載された光学計測器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、分光光度計、あるいはそれと同等の機能を備えたレーザー(特に波長可変レーザー)、カスケードレーザー、Swept Source(波長掃引光源)などの広い波長帯域をもつ光源に検出器を組み合わせた光学計測器に関し、特に野外で安定した計測を行う光学計測器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
分光光度計などの光学計測器を用いて計測を行う際には、対象の試料以外の影響を極力排除あるいは一定に維持する必要がある。例えば、果物の完熟度などを計測する際には、試料の測定波長に影響を及ぼす大気中の湿度や二酸化炭素濃度などにより、計測結果が変化し、精度の高い計測結果を得ることができない。
図１は、大気中で分光光度計を用いた場合の計測結果の一例を示すもので、赤外分光器から、2.5μｍから20μｍの範囲の測定波長を大気中において行った結果を示している。
図１から明らかなように、波長4.1−4.4μｍ付近の測定波長に対し強い吸収特性を有する二酸化炭素、2.0−2.9μｍ付近と5.0−7.7μｍ付近の測定波長に対し強い吸収特性を有する水蒸気が分光計測結果に大きな影響を及ぼしていることが分かる。
【０００３】
このように、大気中で分光計測を行うと、大気中に含まれる二酸化炭素や水蒸気等により大きな影響を受け、しかも、これらの濃度は分光計測を行う環境によって大きく変動することから、特に、指標となる波長がこれらの吸収特性と交錯する場合、計測精度の信頼性が大きく損なわれることになる。
そこで、特許文献１に開示されているように、試料室内に窒素ガスを導入し、内部が完全に窒素に入れ替わった状態にして、他のガス成分や湿度の変動による影響を排除している。
また、特許文献２や非特許文献１には、空気等が装置内に入らないよう、全反射プリズム(ＡＴＲプリズム)の試料設置面だけを外部に露出させた分光光度計が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−２０７８３８号公報
【特許文献２】特許第３８３０５７１号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】N.J.Harrick, “Internal Reflection Spectroscopy: theory and applications,”Interscience Publisher (1967)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、こうした分光光度計では、計測対象の試料を完全に封入できる空間を有する試料室が必要となり、分光光度計を大型化させる原因となっている。また、試料を試料室内にセットした後、試料室を閉じて窒素ガスに入れ替える必要があるため、数分から数時間の作業が必要となり、大きな負担を与えている。
さらに、例えば収穫前の果物の完熟度を分光光度計で計測する際には、野外で作業が行われており、しかも、果物表面に影響を与えることなく、簡便かつ短時間に数多くの果物の計測を行う必要があることから、試料室付き分光光度計を利用することは実質的に不可能である。
【０００７】
また、全反射プリズムを利用したものでは、試料と測定光の相互作用距離をプリズム面から光の一波長程度にする必要があるため、試料をプリズムに密着させなければならず、紙などのミクロでも凹凸のある試料、丸みのある試料、果実など傷みやすい試料等には利用することができない。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、分光光度計などの光学計測器により計測を行う際、光学計測器からの入射光の光路、計測対象からの反射光の光路の少なくとも一部を含む空間を予め成分が既知の気体で充填することにより、試料室を使用することなく、野外でも安定した高精度の計測を可能にするとともに、凹凸があったり、表面が傷みやすい計測対象に対しても、光学計測器に直接接触させることなく、簡便かつ短時間に数多くの計測を効率的に行えるようにすることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この課題を解決するため、本発明の光学計測器は、外気開放空間のうち、入射光の光路、反射光の光路の少なくとも一部を包含する空間に向けて、成分が既知の気体を噴射して、この気体で外気を置換するガス噴射装置を備えるようにした。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、入射光、反射光など、計測に用いる光が通過する光路を包含する空間が、成分が既知の気体で充填されているため、試料室を用いることなく野外での計測を可能にするとともに、環境に影響を受けることのない正確な計測結果を得ることが可能となる。しかも、試料に直接接触させる必要もないので、凹凸があったり、表面が傷みやすい計測対象であっても、簡便かつ短時間に、高精度の計測を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、大気中で分光光度計を用いた場合の計測結果の一例を示す図である。
【図２】図２は、分光光度計に適用した実施例を示す図である。
【図３】図３は、大気中で赤外分光器を用いて行った計測結果を、窒素ガス噴射の前後で比較した一例を示す図である。
【図４】図４は、窒素吹き付けにより除去された物質の吸光度スペクトルを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本実施例は、分光光度計に適用したものである。
分光分析は、発光・蛍光・吸収等の光を利用した解析に用いられるが、特に赤外分光では吸光度スペクトル解析が主となり、物質中に含まれる有機物を定量分析することなどに用いられる。例えば、イチゴを吸光度スペクトル解析する場合には、グルコース・フルクトースなどの糖の吸収やクエン酸などの酸の吸収により定量分析を行うものである。
【００１３】
分光光度計は、光源、分光器、分光プローブと、光源からの光を分光プローブに案内する光ファイバ、分光プローブから試料表面に向けて照射された光が試料表面で反射することにより生成される反射光を集光し、分光器に案内する入力用光ファイバとで構成されている。分光器は、試料表面からの反射光の強度をスペクトル解析することで、試料の糖度などを計測する。
【００１４】
具体的には、本実施例の光学計測器１は、図２に示すように、光源１ａ、分光器１ｂ、分光器プローブ本体１ｃ、光源１ａから試料２に照射される入射光を案内する光ファイバ１ｄ、試料２から反射される試料反射光を分光器１ｂに案内する光ファイバ１ｅなどから構成されている。分光器１ｂは、試料２に照射される入射光と、試料２からの反射光の強度をスペクトル解析し、試料分析を行う。
【００１５】
分光器プローブ本体１ｃには、その端部から下方に延びるグリップ部１ｆが設けられており、このグリップ部１ｆの内部に窒素が充填されたガスボンベ３が収容されている。
光源１ａからの光を試料２に向けて照射する計測光出射部１ｇの周囲には、ガスボンベ３に貯留された窒素ガスを試料２に向けて噴射する噴射口３ａが配設されている。
噴出口３ａは、例えば、光路を囲むように配置された円周状のスリットあるいは、光路に対し同軸円上に配設された複数の小孔などからなる。
【００１６】
なお、ガスボンベ３と分光器プローブ本体１ｃの先端に設けた噴出口３ａの間は、本体内の配管を介して連通しており、この配管には、噴出口３ａからの窒素ガス噴射をオンオフするバルブが設けられている。
また、分光プローブ器本体１ｃとグリップ部１ｆの境界部分にはトリガ１ｈが設けられており、このトリガ１ｈを引くことにより、光源１ａからの光照射、分光器１ｂの作動を開始し、トリガ１ｈを離すことにより、これらの作動を停止することができる。
このトリガ１ｈと、ガスボンベ３と噴出口３ａとを結ぶ配管に設けたバルブとは連動しており、分光分析を開始するためトリガ１ｈを引き始めると、光源１ｂからの光照射、分光器１ｂの作動開始に先だって、バルブを開放し、噴出口３ａから窒素噴出を開始させるようにしている。
【００１７】
分光器１ｂによる分光計測は、噴出口３ａから噴出した窒素により、入射光と反射光が通過する分光計測領域内の外気が一掃され、窒素でほぼ充填された状態で行う。窒素ガスの噴出量は、最小限、噴射口の径と、分光器プローブ本体１ｃと試料２間の光路長により規定される空間の体積を充填するものであればよい。
また、試料と分光器プローブ本体１ｃとの距離は噴出ガスの到達可能範囲であれば、近接位置から遠方まで適用可能である。噴出ガスの到達可能範囲より遠方に置かれた試料に対しても、入射光路あるいは反射光路の一部が窒素ガスで置換されることによって、ある程度の効果が得られる。
なお、大気中の二酸化炭素や水蒸気などの影響を最小限にするため、分光器プローブ本体１ｃの計測光照射部を試料２に可能な限り近接させることも考えられるが、たとえ分光プローブ本体１ｃが試料２に接着しているように見えても、試料２の表面に存在する凹凸によってわずかな隙間が存在し、窒素ガスの噴出によって、こうしたわずかな空間の大気を窒素で置換することが可能となる。
【００１８】
噴出した窒素が短時間で光路中に満たされるようにするためには、噴出口３ａは、距離に応じて遠方から近方をカバーできるように複数配置され、しかも、様々な方向に噴射するよう設定されていることが好ましい。また噴出口３ａのそれぞれで到達距離を変えるために、複数穴における穴径の違いや装置内部に圧力勾配が生じるようにしてもよいし、同時に行えるようになっていてもよい。
【００１９】
なお、噴出させるガスは、窒素に限らず、湿度や二酸化炭素濃度等が一定の大気を含め、成分が既知の気体であれば、基準試料を用いた計測結果に基づいて校正を行うことにより正確な計測値を求めることができる。対象となる試料や計測項目、求められる計測精度などに応じて最適なガスを選択すればよい。
また、こうした気体を噴出させるためには小型のガスボンベを用いるのが簡易かつ利便性が高いが、大型ボンベ、圧縮装置などを用いることも可能である。圧縮装置と各種ガス吸収材・エアフィルターとの組み合わせで周囲環境のガスを取り込みながらの永続的な利用も考えられる。
【００２０】
比較的長い時間の積算を必要とするなど、分光測定が短時間で終わらない場合には、気体噴出量を最小限に低減させることも考えられる。すなわち、気体の拡散等で失われていく量だけを補充すればよいため、一旦所望の気体置換が終了すれば、この状態を維持するのに必要な最小限の噴出量に低減させたり、間欠噴射するようにしてもよい。
【００２１】
図３は、大気中で赤外分光器を用いて行った計測結果を、窒素ガス噴射の前後で比較した一例を示している。また、図４は窒素吹き付けにより除去された物質の吸光度スペクトルを示している。
この例では、特に窒素ガスを噴射する以前の大気状態では、特に波数が2300〜2400cm-1の領域で変動がみられたが、窒素ガス噴射後は、この変動はほぼ消失し、安定した計測結果が得られた。これにより、特に大気中に含まれるＣＯ２が窒素ガスにより置換されることによって、環境によって濃度が変化するＣＯ２の影響をほぼ除去し得ることが確認できた。
【００２２】
なお、分光器は、赤外分光器に限らず種々の波長域の分光器においても同様に用いることが可能である。
また、多くの場合、入射光と反射光が通過する空間内の外気を予め成分が判明している気体で完全に入れ替える必要はなく、外気中に存在する除去すべき物質が一定量以下になればよい。このため、気体噴出時間・流量等によって制御したり、分光モニタリングによって一定量以下になったことを検出するなどで、気体噴出を停止あるいは低下させて、目的の試料測定を開始することが可能である。
【００２３】
測定試料を本体の外側に置く方法としては、ＡＴＲ法が提案されているが、ＡＴＲプリズムは光の相互作用領域が表面の極近傍に限られているため、試料に凹凸がある場合や、曲率等でＡＴＲプリズムに接触させることが困難な場合には測定が難しいものとなっていた。本発明では、測定プローブから離れたところに置かれた試料でも測定可能となるため、ＡＴＲプリズムを使用せずに試料測定できる。
【００２４】
なお、時間的な変化がゆるやかな環境においては、試料が分光器から離れていても測定できる場合がある。これは、試料と同じ位置に拡散反射板などの参照面をおいてリファレンス測定とし、試料測定の結果との比較を行うときである。リファレンス測定に妨害物質の影響が含まれているため、試料測定の結果から引くことが可能である。
ただし、この場合には毎回、参照面の設置とリファレンス測定と試料の距離を参照面に合わせる作業・治具などが必要となり、煩雑である。本発明により、このような場合でも大きく省力化が可能となる。
【００２５】
本発明が有効となる光学機器は、大気中の二酸化炭素や水分が問題となる分光法が適用される装置である。分光法には主に検出側で分光を行うものと、光源側で分光を行うものとがある。前者は従来からよく見られる分光器であり、後者は波長可変光源(広帯域光源と波長選択機器との組み合わせ、スーパーコンティニューム光源、波長掃引レーザー、量子カスケードレーザー、複数の単一波長光源を組み合わせたもの、等)を用いるものである。本発明は、これらいずれの分光法にも適用可能である。
【００２６】
さらに、たとえ光源が、一時的にパージされた分光装置への経路とほぼ同一の光路に中には置かれなくとも、検出経路を一時的なパージで安定化させるだけでも、本発明の効果は発揮される。
分光プローブの前側にプローブ直径と同じ円柱を配置して、フードを装着すれば、窒素の直進性、収束性が高まり、さらに、必要な噴出量を低減することができる。
【産業上の利用可能性】
【００２７】
以上説明したように本発明によれば、窒素ガス等で置換するための試料室を使用することなく、さらには、凹凸があったり、表面が傷みやすい計測対象に対しても、外気開放の状態で、しかも、計測対象に接触させることなく、短時間で高精度の計測が可能になるので、ＦＴ−ＩＲ糖度計などを野外で利用する場合など広く活用されることが期待できる。
【符号の説明】
【００２８】
１：光学計測器
１ａ：光源
１ｂ：分光器１
１ｃ：分光器プローブ本体
１ｆ：グリップ部
１ｇ：計測光出射部
１ｈ：トリガ
２：試料
３：ガスボンベ
３ａ：噴射口
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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