(57)【要約】【課題】小型、軽量、低コストであり、参照信号を用いることなく複数の信号を検出することが可能な信号検出装置及び光学特性測定装置を提供する。【解決手段】信号検出装置は、周波数が可変である基準信号を発振する基準発振器３４と、基準信号を分周して分周信号ＤＳ１１〜ＤＳ１３を出力する分周器３５と、分周信号ＤＳ１１と受光器３１からの受光信号とを乗算して検出信号Ｘ１を得るロックインアンプ３３ａと、分周信号ＤＳ１２と受光器３１からの受光信号とを乗算して位相の異なる検出信号Ｘ２，Ｙ２を得るロックインアンプ３３ｂと、分周信号ＤＳ１３と受光器３１からの受光信号とを乗算して検出信号Ｘ３を得るロックインアンプ３３ｃと、を備え、検出信号Ｙ２が零となるように、基準発振器３４を制御して基準信号の周波数を変えることにより、分周信号ＤＳ１１〜ＤＳ１３の周波数及び位相の少なくとも一方を変化させる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも第１周波数で変調された第１信号成分と第２周波数で変調された第２信号成分とが含まれる信号が入力される入力部と、
基準信号を用いて前記第１信号成分の検出に用いる第１参照信号と前記第２信号成分の検出に用いる第２参照信号とを生成し、前記第１参照信号を用いて前記入力部から入力される信号をロックイン検出して第１検出信号を得るとともに、前記第２参照信号を用いて前記入力部から入力される信号をロックイン検出して位相が異なる２つの第２検出信号を得て、前記第２検出信号の一方が零となるように前記第１参照信号及び前記第２参照信号の周波数及び位相の少なくとも一方を変化させる検出部と、
を備える信号検出装置。
【請求項２】
前記検出部は、周波数が可変である前記基準信号を発振する基準発振器と、
前記基準信号を分周して前記第１参照信号及び前記第２参照信号を出力する分周器と、
前記分周器から出力される前記第１参照信号と前記入力部に入力された信号とを乗算して前記第１検出信号を得る第１ロックインアンプと、
前記分周器から出力される前記第２参照信号と前記入力部に入力された信号とを乗算して前記第２検出信号を得る第２ロックインアンプと、
を備え、
前記基準発振器を制御して前記基準信号の周波数を変えることにより、前記第１参照信号及び前記第２参照信号の周波数及び位相の少なくとも一方を変化させる、
請求項１記載の信号検出装置。
【請求項３】
前記検出部は、周波数が可変である前記基準信号を発振する基準発振器と、
前記基準信号に同期して動作し、前記第２検出信号を得る２位相ロックインアンプと、
を備えており、
前記２位相ロックインアンプは、前記入力部に入力された信号をディジタル信号に変換するディジタル変換器と、
前記第２参照信号として用いる正弦波データ列及び余弦波データ列を記憶するメモリと、
前記正弦波データ列及び前記余弦波データ列の何れか一方を前記メモリから順に読み出し、前記ディジタル信号と乗算して前記第２検出信号の一方を出力する第１乗算器と、
前記正弦波データ列及び前記余弦波データ列の何れか他方を前記メモリから順に読み出し、前記ディジタル信号と乗算して前記第２検出信号の他方を出力する第２乗算器と、
前記第２検出信号の一方をアナログ信号に変換する第１アナログ変換器と、
前記第２検出信号の他方をアナログ信号に変換する第２アナログ変換器と、
を備え、
前記基準発振器を制御して前記基準信号の周波数を変え、前記２位相ロックインアンプの動作周波数を変えて前記メモリからの前記正弦波データ列及び前記余弦波データ列の読み出し速度を変えることによって、前記第２参照信号の周波数及び位相の少なくとも一方を変化させる、
請求項１記載の信号検出装置。
【請求項４】
前記検出部は、前記入力部に入力された信号をディジタル信号に変換するディジタル変換器と、
前記第１参照信号として用いる正弦波データ列又は余弦波データ列である第１データ列と、前記第２参照信号として用いる正弦波データ列及び余弦波データ列である第２データ列とを記憶する記憶部と、
前記第１データ列及び前記第２データ列を前記記憶部から順に読み出し、前記第１データ列と前記ディジタル信号との第１乗算、前記第２データ列をなす前記正弦波データ列と前記ディジタル信号との第２乗算、及び前記第２データ列をなす前記余弦波データ列と前記ディジタル信号との第３乗算を行い、前記第２乗算又は前記第３乗算の乗算結果に応じて前記記憶部からの読み出しアドレスを調整することにより、前記第１参照信号及び前記第２参照信号の周波数及び位相の少なくとも一方を変化させる処理部と、
を備える請求項１記載の信号検出装置。
【請求項５】
前記入力部は、少なくとも前記第１周波数で変調された第１波長の光と前記第２周波数で変調された第２波長の光とを受光して、前記第１信号成分及び前記第２信号成分が含まれる信号を出力する受光器を備える、請求項１から請求項４の何れか一項に記載の信号検出装置。
【請求項６】
測定対象物の光学特性を測定する光学特性測定装置において、
第１周波数で変調された第１波長の光と第２周波数で変調された第２波長の光とを前記測定対象物に照射する照明装置と、
前記測定対象物を透過した前記第１波長の光及び前記第２波長の光、又は、前記測定対象物で反射或いは散乱された前記第１波長の光及び前記第２波長の光を前記受光器で受光し、前記第１検出信号及び前記第２検出信号を得る請求項５記載の信号検出装置と、
を備える光学特性測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、信号検出装置及び光学特性測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
光学特性測定装置は、測定対象物に光を照射し、測定対象物を透過した光或いは測定対象物によって反射・散乱された光を受光することにより、測定対象物の光学特性（例えば、透過特性或いは反射特性）を測定する装置である。この光学特性測定装置は、測定対象物を破壊することなくその光学特性を測定することが可能であるため、様々な分野で用いられている。例えば、紙の製造分野においては、製品である紙に含まれる水分をオンラインで測定する水分計や、紙の重さをオンラインで測定する坪量計として用いられる。
【０００３】
上記の水分計は、例えば、波長が異なる複数の近赤外光を測定対象物の紙に照射し、紙を透過した近赤外光を受光してそれらの吸収率を求め、予め測定されている近赤外光の吸収率と紙の水分との関係等を参照して紙の水分を測定するものである。紙に照射される近赤外光としては、例えば水による吸収率が高い波長１．９４μｍの近赤外光、紙の主成分であるセルロースによる吸収率が高い波長２．１μｍの近赤外光、並びに水及びセルロースによる吸収率が共に低い波長１．７μｍの近赤外光が用いられる。
【０００４】
以下の特許文献１には、上述した複数の近赤外光を１つの受光器で受光して得られる複数の受光信号を互いに混じりなく弁別することで、ノイズの影響を防止した従来の光学特性測定装置が開示されている。具体的に、以下の特許文献１では、波長が異なる複数の近赤外光を互いに異なる周波数で変調し、１つの受光器で受光された受光信号を互いに異なる周波数（近赤外光の変調に用いた周波数と同じ周波数）でロックイン検出することで、複数の受光信号を互いに混じりなく弁別している。
【０００５】
また、以下の非特許文献１には、位相が異なる２つの信号（Ｘ，Ｙ）を出力可能に構成され、一方の信号（例えば、Ｙ）の出力が零になるように制御することで、参照信号を用いることなくロックイン検出が可能なロックインアップが開示されている。尚、以下の非特許文献１では、参照信号を用いることなくロックイン検出を行う動作モードを、仮想参照モード（Virtual Reference Mode）と呼んでいる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第５４２９４９４号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】“Model 7270 DSP Lock-in Amplifier Instruction Manual”，AMETEK ADVANCED MEASUREMENT TECHNOLOGY, INC
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、ロックイン検出は、一般的に、測定信号と参照信号とを乗算し、得られた信号の高周波数成分を除去することで特定の信号を検出する検出方法である。このため、ロックイン検出を行うためには、基本的に参照信号が必要となる。
【０００９】
上述した特許文献１では、近赤外光を射出する照明装置と、近赤外光を受光する受光装置とを電気的に接続し、照明装置に設けられた信号発生器（近赤外光を変調するための変調信号を発生する機器）で発生した信号を、受光装置に設けられたロックインアンプに参照信号として入力させるようにしている。しかしながら、このような構成では、照明装置から受光装置へ参照信号を受け渡すための電気的な接続手段（例えば、配線や通信装置）が必要になることから、装置の構成や設置が制限される要因になるという問題がある。
【００１０】
上述した非特許文献１では、参照信号を用いることなくロックイン検出を行うことが可能であることから、上述した特許文献１のような問題は生じないと考えられる。しかしながら、上述した非特許文献１では、位相が異なる２つの信号を出力可能なロックインアンプが１つの信号に対して１つ必要になる。このため、例えば上述した非特許文献１に開示されたロックインアンプを、上述した特許文献１のように複数の受光信号を検出する用途に用いる場合には、複数のロックインアンプが必要になり、装置の大型化、重量の増大、及びコストの増大を招いてしまうという問題がある。
【００１１】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、小型、軽量、低コストであり、参照信号を用いることなく複数の信号を検出することが可能な信号検出装置及び光学特性測定装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するために、本発明の信号検出装置は、少なくとも第１周波数で変調された第１信号成分と第２周波数で変調された第２信号成分とが含まれる信号が入力される入力部（３１、３２）と、基準信号を用いて前記第１信号成分の検出に用いる第１参照信号と前記第２信号成分の検出に用いる第２参照信号とを生成し、前記第１参照信号を用いて前記入力部から入力される信号をロックイン検出して第１検出信号（Ｘ１、Ｘ３）を得るとともに、前記第２参照信号を用いて前記入力部から入力される信号をロックイン検出して位相が異なる２つの第２検出信号（Ｘ２，Ｙ２）を得て、前記第２検出信号の一方が零となるように前記第１参照信号及び前記第２参照信号の周波数及び位相の少なくとも一方を変化させる検出部（３３ａ〜３３ｃ、３４、３５、４０、６１、６３、６４）と、を備える。
ここで、本発明の信号検出装置は、前記検出部が、周波数が可変である前記基準信号を発振する基準発振器（３４）と、前記基準信号を分周して前記第１参照信号及び前記第２参照信号を出力する分周器（３５）と、前記分周器から出力される前記第１参照信号と前記入力部に入力された信号とを乗算して前記第１検出信号を得る第１ロックインアンプ（３３ａ、３３ｃ）と、前記分周器から出力される前記第２参照信号と前記入力部に入力された信号とを乗算して前記第２検出信号を得る第２ロックインアンプ（３３ｂ）と、を備え、前記基準発振器を制御して前記基準信号の周波数を変えることにより、前記第１参照信号及び前記第２参照信号の周波数及び位相の少なくとも一方を変化させる。
或いは、本発明の信号検出装置は、前記検出部が、周波数が可変である前記基準信号を発振する基準発振器（３４）と、前記基準信号に同期して動作し、前記第２検出信号を得る２位相ロックインアンプ（４０）と、を備えており、前記２位相ロックインアンプが、前記入力部に入力された信号をディジタル信号に変換するディジタル変換器（４１）と、前記第２参照信号として用いる正弦波データ列及び余弦波データ列を記憶するメモリ（４２ａ，４２ｂ）と、前記正弦波データ列及び前記余弦波データ列の何れか一方を前記メモリから順に読み出し、前記ディジタル信号と乗算して前記第２検出信号の一方を出力する第１乗算器（４３ａ）と、前記正弦波データ列及び前記余弦波データ列の何れか他方を前記メモリから順に読み出し、前記ディジタル信号と乗算して前記第２検出信号の他方を出力する第２乗算器（４３ｂ）と、前記第２検出信号の一方をアナログ信号に変換する第１アナログ変換器（４５ａ）と、前記第２検出信号の他方をアナログ信号に変換する第２アナログ変換器（４５ｂ）と、を備え、前記基準発振器を制御して前記基準信号の周波数を変え、前記２位相ロックインアンプの動作周波数を変えて前記メモリからの前記正弦波データ列及び前記余弦波データ列の読み出し速度を変えることによって、前記第２参照信号の周波数及び位相の少なくとも一方を変化させる。
或いは、本発明の信号検出装置は、前記検出部が、前記入力部に入力された信号をディジタル信号に変換するディジタル変換器（６１）と、前記第１参照信号として用いる正弦波データ列又は余弦波データ列である第１データ列と、前記第２参照信号として用いる正弦波データ列及び余弦波データ列である第２データ列とを記憶する記憶部（６３）と、前記第１データ列及び前記第２データ列を前記記憶部から順に読み出し、前記第１データ列と前記ディジタル信号との第１乗算、前記第２データ列をなす前記正弦波データ列と前記ディジタル信号との第２乗算、及び前記第２データ列をなす前記余弦波データ列と前記ディジタル信号との第３乗算を行い、前記第２乗算又は前記第３乗算の乗算結果に応じて前記記憶部からの読み出しアドレスを調整することにより、前記第１参照信号及び前記第２参照信号の周波数及び位相の少なくとも一方を変化させる処理部（６４）と、を備える。
また、本発明の信号検出装置は、前記入力部が、少なくとも前記第１周波数で変調された第１波長の光と前記第２周波数で変調された第２波長の光とを受光して、前記第１信号成分及び前記第２信号成分が含まれる信号を出力する受光器（３１）を備える。
本発明の光学特性測定装置は、測定対象物（Ｐ）の光学特性を測定する光学特性測定装置（１）において、第１周波数で変調された第１波長の光と第２周波数で変調された第２波長の光とを前記測定対象物に照射する照明装置（２０）と、前記測定対象物を透過した前記第１波長の光及び前記第２波長の光、又は、前記測定対象物で反射或いは散乱された前記第１波長の光及び前記第２波長の光を前記受光器で受光し、前記第１検出信号及び前記第２検出信号を得る請求項５記載の信号検出装置（３０）と、を備える。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、基準信号を用いて第１信号成分の検出に用いる第１参照信号と第２信号成分の検出に用いる第２参照信号とを生成し、第１参照信号を用いて入力部から入力される信号をロックイン検出して第１検出信号を得るとともに、第２参照信号を用いて入力部から入力される信号をロックイン検出して位相が異なる２つの第２検出信号を得て、第２検出信号の一方が零となるように第１参照信号及び第２参照信号の周波数及び位相の少なくとも一方を変化させるようにしている。このため、小型、軽量、低コストであり、参照信号を用いることなく複数の信号を検出することが可能であるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の第１実施形態による光学特性測定装置としての水分計の概略構成を示す斜視図である。
【図２】本発明の第１実施形態による光学特性測定装置としての水分計の上ヘッド及び下ヘッド内に設けられる回路の要部構成を示すブロック図である。
【図３】本発明の第２実施形態において下ヘッドに設けられる２位相ロックインアンプの構成を示すブロック図である。
【図４】本発明の第２実施形態で用いられる余弦波データ列及び正弦波データ列を説明するための図である。
【図５】本発明の第２実施形態において下ヘッドに設けられる２位相ロックインアンプで行われる処理を示すフローチャートである。
【図６】本発明の第３実施形態による光学特性測定装置としての水分計の上ヘッド及び下ヘッド内に設けられる回路の要部構成を示すブロック図である。
【図７】本発明の第３実施形態で用いられるデータ列を説明するための図である。
【図８】本発明の第３実施形態において上ヘッドで行われる処理を示すフローチャートである。
【図９】本発明の第３実施形態において下ヘッドに設けられるＣＰＵで行われる処理を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図面を参照して本発明の実施形態による信号検出装置及び光学特性測定装置について詳細に説明する。尚、以下では、理解を容易にするために、光学特性測定装置が紙に含まれる水分を測定する水分計である場合を例に挙げて説明する。但し、光学特性測定装置が水分計に限定されるという趣旨ではなく、光学特性測定装置は、例えば紙の重さを測定する坪量計等のような測定対象物の光学特性を測定する任意の装置であって良い。
【００１６】
〔第１実施形態〕
図１は、本発明の第１実施形態による光学特性測定装置としての水分計の概略構成を示す斜視図である。図１に示す通り、水分計１は、フレーム１０、上ヘッド２０（照明装置）、及び下ヘッド３０（信号検出装置）を備えており、例えば製紙工場に設置された抄紙機に取り付けられ、抄紙機で製造された紙Ｐ（測定対象物）に含まれる水分の測定を行う。尚、以下の説明においては、図中に設定したＸＹＺ直交座標系を必要に応じて参照しつつ各部材の位置関係について説明する。図１に示すＸＹＺ直交座標系は、Ｘ軸が紙Ｐの搬送方向Ｄ１に沿う方向、Ｙ軸が紙Ｐの幅方向に沿う方向、Ｚ軸が鉛直方向に沿う方向にそれぞれ設定されている。
【００１７】
フレーム１０は、外径形状が長手方向と短手方向とを有する略四角環形状の部材であって、その開口部ＯＰ内において上ヘッド２０及び下ヘッド３０を長手方向に往復運動可能に支持する。具体的に、フレーム１０は、長手方向が紙Ｐの幅方向（Ｙ方向）に沿う方向に設定されるとともに短手方向が鉛直方向（Ｚ方向）に沿う方向に設定され、紙Ｐが開口部ＯＰの略中央を通過するように配置される。
【００１８】
つまり、フレーム１０は、搬送される紙Ｐの上方に上ヘッド２０が配置されるとともに、搬送される紙Ｐの下方に下ヘッド３０が配置されるように、紙Ｐに対する位置決めがなされている。尚、図１においては図示を省略しているが、フレーム１０は、上ヘッド２０を紙Ｐの上面に沿ってＹ方向に往復運動させる機構と、下ヘッド３０を紙Ｐの裏面に沿ってＹ方向に往復運動させる機構とを備える。これらの機構を同じように駆動すれば上ヘッド２０と下ヘッド３０とを同期させて往復運動させることができ、これらの機構を別々に駆動すれば上ヘッド２０と下ヘッド３０とを別個に移動させることができる。
【００１９】
上ヘッド２０は、上述の通り、紙Ｐの上面に沿って紙Ｐの幅方向に往復運動可能にフレーム１０に支持されており、紙Ｐの上面に向けて波長の異なる複数の赤外光（近赤外光）を照射する。具体的には、水による吸収率が高い波長λ１（例えば、１．９４μｍ）の近赤外光、紙の主成分であるセルロースによる吸収率が高い波長λ２（例えば、２．１μｍ）の近赤外光、並びに水及びセルロースによる吸収率が共に低い波長λ３（例えば、１．７μｍ）の近赤外光を紙Ｐの上面に照射する。
【００２０】
下ヘッド３０は、上述の通り、紙Ｐの裏面に沿って紙Ｐの幅方向に往復運動可能にフレーム１０に支持されており、紙Ｐを介した近赤外光を受光する。下ヘッド３０によって受光された近赤外光の検出結果に基づいて紙Ｐに含まれる水分が測定される。尚、搬送方向Ｄ１（Ｘ方向）に搬送される紙Ｐを挟んで上ヘッド２０と下ヘッド３０とを同期させて紙Ｐの幅方向（Ｙ方向）に往復運動させることにより、図１に示すジグザグ状の測定ラインＬ１に沿って紙Ｐに含まれる水分が測定されることになる。
【００２１】
図２は、本発明の第１実施形態による光学特性測定装置としての水分計の上ヘッド及び下ヘッド内に設けられる回路の要部構成を示すブロック図である。図２に示す通り、水分計１の上ヘッド２０内に設けられる回路は、基準発振器２１、分周器２２、バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）２３ａ〜２３ｃ、駆動アンプ（ＡＭＰ）２４ａ〜２４ｃ、及び発光器２５ａ〜２５ｃを備える。
【００２２】
基準発振器２１は、予め規定された周波数（例えば、１２［ＭＨｚ］）を有する正弦波の基準信号を発振する。分周器２２は、基準発振器２１から出力される基準信号を分周して、互いに異なる周波数を有する３つの分周信号ＤＳ１〜ＤＳ３を出力する。例えば、分周器２２は、周波数が４［ｋＨｚ］の分周信号ＤＳ１をバンドパスフィルタ２３ａに出力し、周波数が５［ｋＨｚ］の分周信号ＤＳ２をバンドパスフィルタ２３ｂに出力し、周波数が６［ｋＨｚ］の分周信号ＤＳ３をバンドパスフィルタ２３ｃに出力する。
【００２３】
バンドパスフィルタ２３ａ〜２３ｃは、分周器２２から出力される分周信号ＤＳ１〜ＤＳ３の各々に対してフィルタリングを行う。これらバンドパスフィルタ２３ａ〜２３ｃは、後述するロックインアンプ３３ａ〜３３ｃのＳＮ比（信号対雑音比）を向上させるために設けられる。例えば、バンドパスフィルタ２３ａの通過帯域は、中心周波数が４［ｋＨｚ］であって帯域幅が数〜数十［Ｈｚ］程度に設定されており、バンドパスフィルタ２３ｂの通過帯域は、中心周波数が５［ｋＨｚ］であって帯域幅が数〜数十［Ｈｚ］程度に設定されており、バンドパスフィルタ２３ｃの通過帯域は、中心周波数が６［ｋＨｚ］であって帯域幅が数〜数十［Ｈｚ］程度に設定されている。
【００２４】
従って、上記の設定がされている場合には、バンドパスフィルタ２３ａからは周波数が４［ｋＨｚ］の正弦波状の信号が出力され、バンドパスフィルタ２３ｂからは周波数が５［ｋＨｚ］の正弦波状の信号が出力され、バンドパスフィルタ２３ｃからは周波数が６［ｋＨｚ］の正弦波状の信号が出力さる。駆動アンプ２４ａ〜２４ｃはそれぞれ、バンドパスフィルタ２３ａ〜２３ｃから出力される信号を予め規定された増幅率で増幅し、発光器２５ａ〜２５ｃを駆動するための駆動信号を生成する。
【００２５】
発光器２５ａ〜２５ｃは、例えばＬＤ（Laser Diode）又はＬＥＤ（Light Emitting Diode）等を備えており、駆動アンプ２４ａ〜２４ｃで生成された駆動信号によってそれぞれ駆動されて紙Ｐに照射される近赤外光を射出する。具体的に、発光器２５ａは水による吸収率が高い波長λ１（例えば、１．９４μｍ）の近赤外光を射出し、発光器２５ｂはセルロースによる吸収率が高い波長λ２（例えば、２．１μｍ）の近赤外光を射出し、発光器２５ｃは水及びセルロースによる吸収率が共に低い波長λ３（例えば、１．７μｍ）の近赤外光を射出する。例示したＬＤやＬＥＤは、駆動電流と光出力との関係が非線形になる素子であり、数学的な正弦波とは違って負の光出力はないため、その光出力は、不図示のフィードバック手段やオフセット印加手段を用いて、sinθ＋１又はcosθ＋１に比例した出力とされる。
【００２６】
図２に示す通り、水分計１の下ヘッド３０内に設けられる回路は、受光器３１（入力部）、増幅器（ＡＭＰ）３２（入力部）、ロックインアンプ３３ａ〜３３ｃ（検出部）、基準発振器３４（検出部）、分周器３５（検出部）、及び演算部３６を備える。受光器３１は、例えばＰｂＳ素子、Ｇｅ素子、又はＩｎＧａＡｓ素子等の必要な波長帯域で感度のある受光素子を備えており、紙Ｐを介した（透過した）近赤外光を受光して受光信号を出力する。尚、受光器３１から出力される受光信号には、波長λ１の近赤外光を受光して得られる信号成分（第１信号成分）、波長λ２の近赤外光を受光して得られる信号成分（第２信号成分）、及び波長λ３の近赤外光を受光して得られる信号成分（第１信号成分）が含まれる。増幅器３２は、受光器３１から出力される受光信号を、予め規定された増幅率で増幅する。
【００２７】
ロックインアンプ３３ａ（第１ロックインアンプ）は、分周器３５から出力される分周信号ＤＳ１１を参照信号として増幅器３２で増幅された受光信号のロックイン検出を行い、受光信号に含まれる波長λ１の近赤外光の信号成分（正確には、波長λ１の近赤外光を受光して得られる信号成分）を検出する。ロックインアンプ３３ｂ（第２ロックインアンプ）は、分周器３５から出力される分周信号ＤＳ１２を参照信号として増幅器３２で増幅された受光信号のロックイン検出を行い、受光信号に含まれる波長λ２の近赤外光の信号成分（正確には、波長λ２の近赤外光を受光して得られる信号成分）を検出する。ロックインアンプ３３ｃ（第１ロックインアンプ）は、分周器３５から出力される分周信号ＤＳ１３を参照信号として増幅器３２で増幅された受光信号のロックイン検出を行い、受光信号に含まれる波長λ３の近赤外光の信号成分（正確には、波長λ３の近赤外光を受光して得られる信号成分）を検出する。
【００２８】
ロックインアンプ３３ａ，３３ｃは、上述したロックイン検出を行うことで、波長λ１，λ３の近赤外光の信号成分をそれぞれ検出し、その検出結果を示す検出信号Ｘ１，Ｘ３をそれぞれ出力する。これに対し、ロックインアンプ３３ｂは、上述したロックイン検出に加えて、分周信号ＤＳ１２の位相を９０°だけずらした信号を参照信号として増幅器３２で増幅された受光信号のロックイン検出を行う。これにより、ロックインアンプ３３ｂは、波長λ２の近赤外光の信号成分を検出し、その検出結果を示す２つの検出信号Ｘ２，Ｙ２を出力する。ここで、ロックインアンプ３３ｂから出力される検出信号Ｘ２，Ｙ２は、位相が９０°だけ異なる信号であるため、ロックインアンプ３３ｂは、所謂２位相ロックインアンプということができる。
【００２９】
このようなロックインアンプ３３ｂを備えるのは、参照信号を用いることなく（上ヘッド２０からの参照信号の供給を受けることなく）、受光信号に含まれる複数の信号成分を検出するためである。また、ロックインアンプ３３ａ〜３３ｃの全てを２位相ロックインアンプとせずに、ロックインアンプ３３ｂのみを２位相ロックインアンプとしたのは、大型化、重量の増大、及びコストの増大を極力防止するためである。
【００３０】
基準発振器３４は、基準発振器２１と同様に、所定の周波数（例えば、１２［ＭＨｚ］）を有する正弦波の基準信号を発振する。但し、基準発振器３４は、ロックインアンプ３３ｂから出力される検出信号Ｙ２に応じて基準信号の周波数を変える。具体的に、基準発振器３４は、ＶＣＸＯ（Voltage Controlled Xtal Oscillator：電圧制御水晶発振器）を備えており、ロックインアンプ３３ｂから出力される検出信号Ｙ２の値が零となるように、基準信号の周波数を可変する。このように、基準発振器３４から出力される基準信号の周波数を可変とするのは、基準発振器３４から出力される基準信号と基準発振器２１から出力される基準信号との周波数及び位相を一致させるためである。
【００３１】
分周器３５は、基準発振器３４から出力される基準信号を分周して、互いに異なる周波数を有する３つの分周信号ＤＳ１１（第１参照信号），ＤＳ１２（第２参照信号），ＤＳ１３（第１参照信号）を出力する。分周器３５は、上ヘッド２０内に設けられた分周器２２と同じ構成であり、上ヘッド２０内に設けられた基準発振器２１から出力される基準信号の周波数と同じ周波数の基準信号が基準発振器３４から出力された場合には、分周信号ＤＳ１〜ＤＳ３の周波数と同じ周波数の分周信号ＤＳ１１〜ＤＳ１３をそれぞれ出力する。つまり、分周器３５は、上記の場合には、周波数が４［ｋＨｚ］の分周信号ＤＳ１１を出力し、周波数が５［ｋＨｚ］の分周信号ＤＳ１２を出力し、周波数が６［ｋＨｚ］の分周信号ＤＳ１３を出力する。
【００３２】
演算部３６は、ロックインアンプ３３ａ〜３３ｃから出力される検出信号Ｘ１〜Ｘ３を用いて予め規定された演算を行い、紙Ｐに含まれる水分を求める。具体的に、演算部３６は、検出信号Ｘ１〜Ｘ３に基づいて波長λ１〜λ３の近赤外光の各々の吸光度を求め、得られた吸光度からランベルト・ベールの法則に基づいた演算を行って、セルロース重量水分率を求める。尚、演算部３６で求められた水分を示す情報は、例えば不図示の表示器に表示され、或いは外部に出力される。
【００３３】
次に、上記構成の水分計１の動作について説明する。水分計１の動作が開始されると、フレーム１０に設けられた不図示の機構によって上ヘッド２０と下ヘッド３０とが駆動され、上ヘッド２０及び下ヘッド３０は、紙Ｐの幅方向（Ｙ方向）に同期して往復運動する。上ヘッド２０及び下ヘッド３０の駆動が開始されると同時に、上ヘッド２０に設けられた発光器２５ａ〜２５ｃの駆動も開始される。
【００３４】
具体的には、基準発振器２１から出力された基準信号が分周器２２に入力されると、分周器２２からは互いに異なる周波数を有する３つの分周信号ＤＳ１〜ＤＳ３が出力される。例えば、分周器２２からは、周波数が４［ｋＨｚ］の分周信号ＤＳ１、周波数が５［ｋＨｚ］の分周信号ＤＳ２、及び周波数が６［ｋＨｚ］の分周信号ＤＳ３が出力される。これら分周信号ＤＳ１〜ＤＳ３は、バンドパスフィルタ２３ａ〜２３ｃにそれぞれ入力されてフィルタリングされる。
【００３５】
バンドパスフィルタ２３ａ〜２３ｃの各々から出力された信号は、駆動アンプ２４ａ〜２４ｃでそれぞれ増幅される。これにより発光器２５ａ〜２５ｃを駆動するための駆動信号が生成される。この駆動信号が発光器２５ａ〜２５ｃに入力されると、発光器２５ａ〜２５ｃが駆動される。すると、例えば、発光器２５ａからは４［ｋＨｚ］の周波数で強度変調された波長λ１（例えば、１．９４μｍ）の近赤外光が射出され、発光器２５ｂからは５［ｋＨｚ］の周波数で強度変調された波長λ２（例えば、２．１μｍ）の近赤外光が射出され、発光器２５ｃからは６［ｋＨｚ］の周波数で強度変調された波長λ３（例えば、１．７μｍ）の近赤外光が射出される。例示したＬＤやＬＥＤは、駆動電流と光出力との関係が非線形になる素子であり、数学的な正弦波とは違って負の光出力はないため、その光出力は、不図示のフィードバック手段やオフセット印加手段を用いて、sinθ＋１又はcosθ＋１に比例した出力とされる。
【００３６】
発光器２５ａ〜２５ｃから射出された近赤外光は、紙Ｐの上面に照射される。紙Ｐの上面に照射された近赤外光は、その一部が紙Ｐで反射・散乱・吸収され、残りが紙Ｐを透過する。紙Ｐを透過した近赤外光は下ヘッド３０に設けられた受光器３１で受光される。ここで、波長λ１の近赤外光は、紙Ｐを透過する際に紙Ｐに含まれる水によって吸収され、波長λ２の近赤外光は紙Ｐを透過する際に紙Ｐの主成分であるセルロースによって吸収される。これに対し、波長λ３の近赤外光は、紙Ｐを透過しても吸収が少ないが、散乱は波長λ１，λ２の近赤外光と同じように受ける。このため、波長λ１，λ２の近赤外光の強度は、波長λ３の近赤外光の強度に比べて小さくなる。
【００３７】
近赤外光が受光器３１で受光されると、受光器３１からは受光信号が出力される。この受光信号は、増幅器３２で増幅された後、ロックインアンプ３３ａ〜３３ｃに入力されてロックイン検出が行われる。具体的に、ロックインアンプ３３ａでは、増幅器３２で増幅された受光信号と分周器３５から出力される分周信号ＤＳ１１とを乗算し、得られた信号の高周波数成分を除去することで検出信号Ｘ１を得る処理が行われる。また、ロックインアンプ３３ｃでは、増幅器３２で増幅された受光信号と分周器３５から出力される分周信号ＤＳ１３とを乗算し、得られた信号の高周波数成分を除去することで検出信号Ｘ３を得る処理が行われる。
【００３８】
ロックインアンプ３３ｂでは、増幅器３２で増幅された受光信号と分周器３５から出力される分周信号ＤＳ１２とを乗算し、得られた信号の高周波数成分を除去することで検出信号Ｘ２を得る処理が行われる。加えて、ロックインアンプ３３ｂでは、増幅器３２で増幅された受光信号と分周信号ＤＳ１２の位相を９０°だけずらした信号とを乗算し、得られた信号の高周波数成分を除去することで検出信号Ｙ２を得る処理が行われる。
【００３９】
ロックインアンプ３３ｂから出力された検出信号Ｙ２は、基準発振器３４に入力される。基準発振器３４では、ロックインアンプ３３ｂから出力される検出信号Ｙ２の値が零となるように、基準信号の周波数を可変する制御が行われる。ここで、基準信号の周波数が変化すると、分周器３５から出力される分周信号ＤＳ１１〜ＤＳ１２の周波数も、基準信号の周波数の変化量に応じた分だけ変化する。これにより、ロックインアンプ３３ａ〜３３ｃの各々では、周波数が変化した分周信号ＤＳ１１〜ＤＳ１２を参照信号としてロックイン検出が行われる。
【００４０】
このような動作が繰り返され、ロックインアンプ３３ｂから出力される検出信号Ｙ２の値が零になると、基準発振器３４から出力される基準信号と基準発振器２１から出力される基準信号との周波数及び位相が一致する。すると、分周器３５から出力される分周信号ＤＳ１１〜ＤＳ１３の周波数及び位相は、分周器２２から出力される分周信号ＤＳ１〜ＤＳ３の周波数及び位相とそれぞれ一致する。
【００４１】
すると、ロックインアンプ３３ａでは、分周器２２から出力される分周信号ＤＳ１と周波数及び位相が一致した分周信号ＤＳ１１を参照信号としてロックイン検出が行われる。また、ロックインアンプ３３ｂでは、分周器２２から出力される分周信号ＤＳ２と周波数及び位相が一致した分周信号ＤＳ１２を参照信号としてロックイン検出が行われる。また、ロックインアンプ３３ｃでは、分周器２２から出力される分周信号ＤＳ３と周波数及び位相が一致した分周信号ＤＳ１３を参照信号としてロックイン検出が行われる。これにより、検出信号Ｘ１〜Ｘ３の変動が防止される。
【００４２】
ロックインアンプ３３ａ〜３３ｃから出力された検出信号Ｘ１〜Ｘ３は、演算部３６に入力される。そして、演算部３６では、入力された検出信号Ｘ１〜Ｘ３に基づいて波長λ１〜λ３の近赤外光の各々の吸光度を求める処理が行われ、得られた吸光度からランベルト・ベールの法則に基づいた演算を行って、セルロース重量水分率を求める処理が行われる。尚、演算部３６で求められた水分を示す情報は、例えば不図示の表示器に表示され、或いは外部に出力される。
【００４３】
以上の通り、本実施形態では、上ヘッド２０に設けられた基準発振器２１と同じ周波数の基準信号を出力可能な基準発振器３４、上ヘッド２０に設けられた分周器２２と同じ構成の分周器３５、及び２位相ロックインアンプとしてのロックインアンプ３３ｂを下ヘッド３０に設けている。そして、ロックインアンプ３３ｂから出力される検出信号Ｙ２が零となるように、基準発振器３４を制御して基準信号の周波数を変えることにより、ロックインアンプ３３ａ〜３３ｃで参照信号として用いられる分周信号ＤＳ１１〜ＤＳ１３の周波数を変化させるようにしている。
【００４４】
このため、上ヘッド２０から下ヘッド３０に参照信号を受け渡さなくとも、受光器３１から出力される受光信号に含まれる複数の信号成分（検出信号Ｘ１〜Ｘ３）を高い精度で検出することができる。また、ロックインアンプ３３ａ〜３３ｃの全てを２位相ロックインアンプとせずに、ロックインアンプ３３ｂのみを２位相ロックインアンプとしていることから、大型化、重量の増大、及びコストの増大を招くことはなく、小型、軽量、低コストの装置を実現することができる。
【００４５】
〔第２実施形態〕
次に、本発明の第２実施形態について詳細に説明する。本実施形態の光学特性測定装置としての水分計１は、下ヘッド３０に設けられるロックインアンプ３３ｂ（図２参照）を、図３に示すロックインアンプ４０に変えた構成である。図３は、本発明の第２実施形態において下ヘッドに設けられる２位相ロックインアンプの構成を示すブロック図である。尚、本実施形態では、図３に示す通り、基準発振器３４から出力される基準信号がロックインアンプ４０に直接入力されることから、分周器３５から出力される分周信号ＤＳ１２は用いられない。
【００４６】
図３に示す通り、ロックインアンプ４０（２位相ロックインアンプ）は、Ａ／Ｄ変換器４１（ディジタル変換器）、メモリ４２ａ，４２ｂ、乗算器４３ａ，４３ｂ（第１，第２乗算器）、加算器４４ａ，４４ｂ、及びＤ／Ａ変換器４５ａ，４５ｂ（第１，第２アナログ変換器）を備えており、基準発振器３４から出力される基準信号に同期して動作する。尚、本実施形態では、ディジタル信号の処理を行うロックインアンプ３３ｂを例に挙げて説明するが、アナログ信号の処理を行うものであっても良い。
【００４７】
Ａ／Ｄ変換器４１は、増幅器３２で増幅された受光信号をディジタル信号に変換する。具体的に、Ａ／Ｄ変換器４１は、基準発振器３４から出力される基準信号に同期して、増幅器３２で増幅された受光信号をサンプリングしてディジタル信号に変換する。尚、Ａ／Ｄ変換器４１のサンプリング周波数は、例えば２５６［ｋＨｚ］である。メモリ４２ａ，４２ｂは、ロックイン検出を行うために必要となる参照信号のデータ列を記憶する。具体的に、メモリ４２ａは余弦波データ列を記憶し、メモリ４２ｂは正弦波データ列を記憶する。
【００４８】
図４は、本発明の第２実施形態で用いられる余弦波データ列及び正弦波データ列を説明するための図である。図４に示す通り、余弦波データ列Ｍ（ｉ）は、余弦波の５周期を２５６分割し、各々の分割点における値（余弦）を分割点の順に並べた２５６個のデータからなるデータ列である。また、正弦波データ列Ｎ（ｉ）は、正弦波の５周期を２５６分割し、各々の分割点における値（正弦）を分割点の順に並べた２５６個のデータからなるデータ列である。余弦波データ列Ｍ（ｉ）は、メモリ４２ａのアドレス「０」から「２５５」まで順に格納されており。正弦波データ列Ｎ（ｉ）は、メモリ４２ｂのアドレス「０」から「２５５」までに順に格納されている。
【００４９】
ここで、５周期分の余弦波データ列Ｍ（ｉ）及び正弦波データ列Ｎ（ｉ）をメモリ４２ａ，４２ｂにそれぞれ格納するのは以下の理由による、つまり、第１実施形態で用いられていたロックインアンプ３３ｂは、周波数が５［ｋＨｚ］の分周信号ＤＳ１２を参照信号として用いて受光信号のロックイン検出を行い、受光信号に含まれる波長λ２の近赤外光の信号成分（正確には、５［ｋＨｚ］の周波数で強度変調された波長λ２の近赤外光を受光して得られる信号成分）を検出していた。ロックインアンプ４０においても、ロックインアンプ３３ｂで参照信号として用いられていた分周信号ＤＳ１２と同様の信号を得るために、５周期分の余弦波データ列Ｍ（ｉ）及び正弦波データ列Ｎ（ｉ）をメモリ４２ａ，４２ｂにそれぞれ格納している。
【００５０】
尚、図４では理解を容易にするために、余弦波データ列Ｍ（ｉ）が余弦の値そのものであり、正弦波データ列Ｎ（ｉ）が正弦の値そのものであるとしている。しかしながら、実際にはディジタル処理を容易にするために、余弦波データ列Ｍ（ｉ）及び正弦波データ列Ｎ（ｉ）はそれぞれ、余弦及び正弦の値に係数（例えば、６５５３５）を乗算した上で、オフセット（例えば、３２７６８）を加算して、１６ビットの正の整数値としたものを用いている。
【００５１】
乗算器４３ａは、Ａ／Ｄ変換器４１から順に出力されるディジタル信号と、メモリ４２ａから順に読み出した余弦波データとを順次乗算する。乗算器４３ｂは、Ａ／Ｄ変換器４１から順に出力されるディジタル信号と、メモリ４２ｂから順に読み出した正弦波データとを順次乗算する。尚、乗算器４３ａ，４３ｂの余弦波データ及び正弦波データの読み出し周波数は、例えば２５６［ｋＨｚ］である。
【００５２】
加算器４４ａは、乗算器４３ａで乗算された乗算結果を予め規定された数（例えば、２５６個）を単位として加算し、その平均値を求める処理を行う。加算器４４ｂは、乗算器４３ｂで乗算された乗算結果を予め規定された数（例えば、２５６個）を単位として加算し、その平均値を求める処理を行う。Ｄ／Ａ変換器４５ａ，４５ｂは、加算器４４ａ，４４ｂで算出された平均値をアナログ信号に変換する処理を行う。尚、ロックインアンプ４０の動作周波数は、上ヘッド２０内に設けられた基準発振器２１から出力される基準信号の周波数と同じ周波数の基準信号が基準発振器３４から出力される場合には、例えば２５６［ｋＨｚ］である。
【００５３】
次に、上記構成の水分計１の動作について説明する。尚、ロックインアンプ４０以外の動作は、基本的には第１実施形態と同様である。このため、以下では主にロックインアンプ４０の動作について説明する。水分計１の動作が開始されると、第１実施形態で説明した動作と同様の動作が行われ、発光器２５ａ〜２５ｃから射出された近赤外光が、紙Ｐの上面に照射される。
【００５４】
紙Ｐの上面に照射された近赤外光は、その一部が紙Ｐで反射・散乱・吸収され、残りが紙Ｐを透過する。紙Ｐを透過した近赤外光は下ヘッド３０に設けられた受光器３１で受光される。近赤外光が受光器３１で受光されると受光器３１からは受光信号が出力される。この受光信号は、増幅器３２で増幅された後、ロックインアンプ３３ａ，３３ｃ及びロックインアンプ４０に入力されてロックイン検出が行われる。
【００５５】
ロックインアンプ３３ａ，３３ｃでは、第１実施形態で説明した処理と同様の処理が行われ、検出信号Ｘ１，Ｘ３がそれぞれ得られる。これに対し、ロックインアンプ４０では、図５に示す処理が行われる。図５は、本発明の第２実施形態において下ヘッドに設けられる２位相ロックインアンプで行われる処理を示すフローチャートである。尚、図５に示すフローチャートの処理は、一定周期（例えば、１［ｍｓｅｃ］）で繰り返し行われる。
【００５６】
図５に示すフローチャートの処理が開始されると、まず初期化処理が行われる（ステップＳ１１）。具体的には、メモリ４２ａ，４２ｂから余弦波データ列Ｍ（ｉ）及び正弦波データ列Ｎ（ｉ）を読み出すために用いられるアドレスｉを初期化（値を「０」に設定）するとともに、加算器４４ａ，４４ｂを初期化（値を「０」に設定）してロックインアンプ４０の出力（検出信号Ｘ２，Ｙ２）を「０」に設定する処理が行われる。
【００５７】
次に、Ａ／Ｄ変換器４１の動作が開始され、受光信号（増幅器３２で増幅された受光信号）をサンプリングしてディジタル信号に変換する処理が行われる（ステップＳ１２）。尚、図５においては、ディジタル信号に変換された受光信号を「Ｄ」と表している。Ａ／Ｄ変換器４１でディジタル信号に変換された受光信号は、乗算器４３ａ，４３ｂに入力される。
【００５８】
そして、ディジタル信号に変換された受光信号とメモリ４２ａのアドレスｉに格納された余弦波データ列Ｍ（ｉ）とを乗算する処理が乗算器４３ａで行われ、ディジタル信号に変換された受光信号とメモリ４２ｂのアドレスｉに格納された正弦波データ列Ｎ（ｉ）とを乗算する処理が乗算器４３ｂで行われる。尚、図５においては、乗算器４３ａで行われる処理を「Ｄ×Ｍ（ｉ）」と表し、乗算器４３ｂで行われる処理を「Ｄ×Ｎ（ｉ）」と表している。乗算器４３ａの乗算結果は、加算器４４ａに出力されて前回の値（ここでは「０」）と加算する処理が行われ、乗算器４３ｂの乗算結果は、加算器４４ｂに出力されて前回の値（ここでは「０」）と加算する処理が行われる（ステップＳ１３）。
【００５９】
続いて、アドレスｉとアドレスの最大値を意味する値「２５５」との比較が行われる（ステップＳ１４）。アドレスｉが値「２５５」よりも小さい場合（ｉ＜２５５が成立する場合）には、アドレスｉをインクリメントする処理が行われ（ステップＳ１５）、受光信号（増幅器３２で増幅された受光信号）をサンプリングしてディジタル信号に変換する処理が再び行われる（ステップＳ１２）。尚、アドレスｉが値「２５５」よりも小さい間（ｉ＜２５５が成立する間）は、ステップＳ１２〜Ｓ１５の処理が繰り返し行われる。
【００６０】
これに対し、アドレスｉが値「２５５」に等しくなった場合（ｉ＝２５５が成立する場合）には、検出信号Ｘ２を平均化する処理が加算器４４ａで行われ、検出信号Ｙ２を平均化する処理が加算器４４ｂで行われる（ステップＳ１６）。この平均化処理が行われると、平均化された検出信号Ｘ２が加算器４４ａから出力されてＤ／Ａ変換器４５ａでアナログ信号に変換されるとともに、平均化された検出信号Ｙ２が加算器４４ｂから出力されてＤ／Ａ変換器４５ｂでアナログ信号に変換される（ステップＳ１７）。以上にて一連の処理が終了する。尚、前述の通り、図５に示すフローチャートの処理は、一定周期（例えば、１［ｍｓｅｃ］）で繰り返し行われる。
【００６１】
ロックインアンプ４０から出力されたアナログ信号の検出信号Ｙ２は、基準発振器３４に入力される。基準発振器３４では、ロックインアンプ４０から出力される検出信号Ｙ２の値が零となるように、基準信号の周波数を可変する制御が行われる。基準信号の周波数が変わるとロックインアンプ４０の動作速度が変化し、メモリ４２ａからの余弦波データ列Ｍ（ｉ）の読み出し速度、及びメモリ４２ｂからの正弦波データ列Ｎ（ｉ）の読み出し速度が変わる。これにより、ロックインアンプ４０で用いられる参照信号の周波数が変化する。尚、上記の制御が行われて基準信号の周波数が変化すると、図２に示す分周器３５から出力される分周信号ＤＳ１１，ＤＳ１３（ロックインアンプ３３ａ，３３ｃで用いられる参照信号）の周波数及び位相も変化する。
【００６２】
このような動作が繰り返され、ロックインアンプ４０から出力される検出信号Ｙ２の値が零になると、基準発振器３４から出力される基準信号と基準発振器２１から出力される基準信号との周波数及び位相が一致する。これにより、ロックインアンプ４０では、分周器２２から出力される分周信号ＤＳ２と周波数及び位相が一致する余弦波データ列Ｍ（ｉ）がメモリ４２ａから読み出され、分周信号ＤＳ２と周波数は一致するが位相が９０°だけずれている正弦波データ列Ｎ（ｉ）がメモリ４２ｂから読み出されることになる。これにより、ロックインアンプ４０では、分周器２２から出力される分周信号ＤＳ２と周波数及び位相が一致した参照信号（余弦波データ列Ｍ（ｉ））を用いてロックイン検出が行われることとなる。
【００６３】
尚、基準発振器３４から出力される基準信号と基準発振器２１から出力される基準信号との周波数及び位相が一致すると、分周器３５から出力される分周信号ＤＳ１１，ＤＳ１３の周波数及び位相は、分周器２２から出力される分周信号ＤＳ１，ＤＳ３の周波数及び位相とそれぞれ一致する。このため、ロックインアンプ３３ａでは、分周器２２から出力される分周信号ＤＳ１と周波数及び位相が一致した分周信号ＤＳ１１を参照信号としてロックイン検出が行われ、ロックインアンプ３３ｃでは、分周器２２から出力される分周信号ＤＳ３と周波数及び位相が一致した分周信号ＤＳ１３を参照信号としてロックイン検出が行われる。これにより、検出信号Ｘ１〜Ｘ３の変動が防止される。
【００６４】
以上の通り、本実施形態では、上ヘッド２０に設けられた基準発振器２１と同じ周波数の基準信号を出力可能な基準発振器３４、及び２位相ロックインアンプとしてのロックインアンプ４０を下ヘッド３０に設けている。そして、ロックインアンプ４０から出力される検出信号Ｙ２が零となるように、基準発振器３４を制御して基準信号の周波数を変えることにより、ロックインアンプ４０における余弦波データ列Ｍ（ｉ）及び正弦波データ列Ｎ（ｉ）の読み出し速度を変えて参照信号の周波数を変化させるようにしている。尚、ロックインアンプ３３ａ，３３ｃについては、参照信号として用いられる分周信号ＤＳ１１，ＤＳ１３の周波数を変化させるようにしている。
【００６５】
このため、上ヘッド２０から下ヘッド３０に参照信号を受け渡さなくとも、受光器３１から出力される受光信号に含まれる複数の信号成分（検出信号Ｘ１〜Ｘ３）を高い精度で検出することができる。また、本実施形態では、図２に示すロックインアンプ３３ｂをロックインアンプ４０に変えただけであるため、第１実施形態と同様に、大型化、重量の増大、及びコストの増大を招くことはなく、小型、軽量、低コストの装置を実現することができる。
【００６６】
〔第３実施形態〕
図６は、本発明の第３実施形態による光学特性測定装置としての水分計の上ヘッド及び下ヘッド内に設けられる回路の要部構成を示すブロック図である。尚、図６においては、図２に示した構成と同じ構成については同じ符号を付してある。本実施形態の水分計１は、上ヘッド及び下ヘッド内に設けられる回路をディジタル回路で構成したものである。
【００６７】
図６に示す通り、水分計１の上ヘッド２０内に設けられる回路は、基準発振器５１、メモリ５２、ＣＰＵ（中央処理装置）５３、及びＤ／Ａ変換器５４ａ〜５４ｃと、図２に示す駆動アンプ２４ａ〜２４ｃ及び発光器２５ａ〜２５ｃとを備える。基準発振器５１は、予め規定された周波数（例えば、１２［ＭＨｚ］）を有する矩形波の基準信号を発振する。メモリ５２は、発光器２５ａ〜２５ｃの各々から射出される近赤外光を強度変調するために必要となるデータ列を記憶する。
【００６８】
具体的に、メモリ５２は、３つのデータ列Ｌ（ｉ），Ｍ（ｉ），Ｐ（ｉ）を記憶する。データ列Ｌ（ｉ）は、発光器２５ａから射出される波長λ１の近赤外光を４［ｋＨｚ］の周波数で強度変調するために必要となるデータ列である。データ列Ｍ（ｉ）は、発光器２５ｂから射出される波長λ２の近赤外光を５［ｋＨｚ］の周波数で強度変調するために必要となるデータ列である。データ列Ｐ（ｉ）は、発光器２５ｃから射出される波長λ３の近赤外光を６［ｋＨｚ］の周波数で強度変調するために必要となるデータ列である。
【００６９】
図７は、本発明の第３実施形態で用いられるデータ列を説明するための図である。図７に示す通り、データ列Ｌ（ｉ）は、余弦波の４周期を２５６分割し、各々の分割点における値（余弦）を分割点の順に並べた２５６個のデータからなるデータ列である。データ列Ｍ（ｉ）は、図４に示す余弦波データ列Ｍ（ｉ）と同じデータ列であり、余弦波の５周期を２５６分割し、各々の分割点における値（余弦）を分割点の順に並べた２５６個のデータからなるデータ列である。データ列Ｐ（ｉ）は、余弦波の６周期を２５６分割し、各々の分割点における値（余弦）を分割点の順に並べた２５６個のデータからなるデータ列である。
【００７０】
ここで、余弦波の４周期分のデータ列Ｌ（ｉ）をメモリ５２に記憶するのは、波長λ１の近赤外光を４［ｋＨｚ］の周波数で強度変調するためである。また、余弦波の５周期分のデータ列Ｍ（ｉ）をメモリ５２に記憶するのは、波長λ２の近赤外光を５［ｋＨｚ］の周波数で強度変調するためである。また、余弦波の６周期分のデータ列Ｐ（ｉ）をメモリ５２に記憶するのは、波長λ３の近赤外光を６［ｋＨｚ］の周波数で強度変調するためである。
【００７１】
尚、図７では、図４と同様の理由で、データ列Ｌ（ｉ），Ｍ（ｉ），Ｐ（ｉ）が余弦の値そのものであり、データ列Ｎ（ｉ）が正弦の値そのものであるとしている。しかしながら、実際にはディジタル処理を容易にするために、データ列Ｌ（ｉ），Ｍ（ｉ），Ｎ（ｉ），Ｐ（ｉ）はそれぞれ、余弦或いは正弦の値に係数（例えば、６５５３５）を乗算した上で、オフセット（例えば、３２７６８）を加算して、１６ビットの正の整数値としたものを用いている。
【００７２】
ＣＰＵ５３は、基準発振器５１から出力される基準信号に同期して動作し、発光器２５ａ〜２５ｃの各々から射出される近赤外光を強度変調するための変調信号ＭＤ１〜ＭＤ３を出力する。具体的に、ＣＰＵ５３は、基準発振器５１から出力される基準信号に同期してメモリ５２からデータ列Ｌ（ｉ），Ｍ（ｉ），Ｐ（ｉ）を順次読み出し、読み出したデータ列Ｌ（ｉ），Ｍ（ｉ），Ｐ（ｉ）を、基準発振器５１から出力される基準信号に同期して変調信号ＭＤ１〜ＭＤ３としてＤ／Ａ変換器５４ａ〜５４ｃに順次出力する。尚、ＣＰＵ５３がメモリ５２からデータ列Ｌ（ｉ），Ｍ（ｉ），Ｐ（ｉ）を読み出す周波数、及びＣＰＵ５３が変調信号ＭＤ１〜ＭＤ３を出力する周期は、例えば２５６［ｋＨｚ］である。Ｄ／Ａ変換器５４ａ〜５４ｃは、ＣＰＵ５３から出力される変調信号ＭＤ１〜ＭＤ３をアナログ信号に変換して駆動アンプ２４ａ〜２４ｃにそれぞれ出力する。
【００７３】
図６に示す通り、水分計１の下ヘッド３０内に設けられる回路は、図２に示す受光器３１、増幅器３２、及び演算部３６と、Ａ／Ｄ変換器６１（ディジタル変換器）、基準発振器６２、メモリ６３（記憶部）、ＣＰＵ６４（処理部）、及びＤ／Ａ変換器６５ａ〜６５ｃとを備える。Ａ／Ｄ変換器６１は、増幅器３２で増幅された受光信号をディジタル信号に変換する。基準発振器６２は、基準発振器５１と同様に、所定の周波数（例えば、１２［ＭＨｚ］）を有する矩形波の基準信号を発振する。
【００７４】
メモリ６３は、ロックイン検出を行うために必要となる参照信号のデータ列を記憶する。具体的に、メモリ６３は、図７に示す４つのデータ列Ｌ（ｉ），Ｍ（ｉ），Ｎ（ｉ），Ｐ（ｉ）を記憶する。データ列Ｌ（ｉ），Ｍ（ｉ），Ｐ（ｉ）は、上ヘッド２０のメモリ５２に記憶されたデータ列Ｌ（ｉ），Ｍ（ｉ），Ｐ（ｉ）と同じものである。データ列Ｎ（ｉ）は、図４に示す正弦波データ列Ｎ（ｉ）と同じデータ列であり、正弦波の５周期を２５６分割し、各々の分割点における値（正弦）を分割点の順に並べた２５６個のデータからなるデータ列である。このデータ列Ｎ（ｉ）は、第２実施形態と同様に、ロックイン検出して検出信号Ｙ２を得るために用いられる。
【００７５】
ＣＰＵ６４は、基準発振器６２から出力される基準信号に同期して動作し、メモリ６３に記憶されたデータ列Ｌ（ｉ），Ｍ（ｉ），Ｎ（ｉ），Ｐ（ｉ）を用いて、Ａ／Ｄ変換器６１から出力される信号のロックイン検出を行う。具体的に、ＣＰＵ６４は、Ａ／Ｄ変換器６１から順に出力されるディジタル信号と、メモリ４２ａから順に読み出した４つのデータ列Ｌ（ｉ），Ｍ（ｉ），Ｎ（ｉ），Ｐ（ｉ）とを個別に乗算する。
【００７６】
また、ＣＰＵ６４は、各々の乗算結果を予め規定された数（例えば、２５６個）を単位として個別に加算し、その平均値を求める処理を行う。そして、ＣＰＵ６４は、データ列Ｌ（ｉ）を用いて得られた平均値をＤ／Ａ変換器６５ａに出力し、データ列Ｍ（ｉ）を用いて得られた平均値をＤ／Ａ変換器６５ｂに出力し、データ列Ｐ（ｉ）を用いて得られた平均値をＤ／Ａ変換器６５ｃに出力する。
【００７７】
また、ＣＰＵ６４は、データ列Ｎ（ｉ）を用いて得られた平均値（検出信号Ｙ２に相当する値）に応じて、メモリ６３の読み出しアドレスを調整する処理を行う。このような処理を行うのは、Ａ／Ｄ変換器６１から出力される信号のロックイン検出を行うために用いられている参照信号の周波数及び位相の少なくとも一方を変化させるためである。尚、ＣＰＵ６４がメモリ６３からデータ列Ｌ（ｉ），Ｍ（ｉ），Ｎ（ｉ），Ｐ（ｉ）を読み出す周波数、及びＣＰＵ６４が上述した平均値を出力する周波数は、例えば１［ｋＨｚ］である。Ｄ／Ａ変換器６５ａ〜６５ｃは、ＣＰＵ６４から出力される平均値をアナログ信号に変換する。
【００７８】
次に、上記構成の水分計１の動作について説明する。水分計１の動作が開始され、上ヘッド２０及び下ヘッド３０の駆動（紙Ｐの幅方向（Ｙ方向）への同期駆動）が開始されると、図８に示すフローチャートの処理が行われて上ヘッド２０に設けられた発光器２５ａ〜２５ｃの駆動も開始される。図８は、本発明の第３実施形態において上ヘッドで行われる処理を示すフローチャートである。尚、図８に示すフローチャートの処理は、一定周期（例えば、１／２５６［ｍｓｅｃ］）で繰り返し行われる。
【００７９】
図８に示すフローチャートの処理が開始されると、まず初期化処理が行われる（ステップＳ２１）。具体的には、メモリ５２からデータ列Ｌ（ｉ），Ｍ（ｉ），Ｐ（ｉ）を読み出すために用いられるアドレスｉを初期化（値を「０」に設定）する処理が行われる。初期化処理が終了すると、基準発振器５１から出力される基準信号に同期してメモリ５２からデータ列Ｌ（ｉ），Ｍ（ｉ），Ｐ（ｉ）を１つずつ読み出し、読み出したデータ列Ｌ（ｉ），Ｍ（ｉ），Ｐ（ｉ）を、基準発振器５１から出力される基準信号に同期して変調信号ＭＤ１〜ＭＤ３としてＤ／Ａ変換器５４ａ〜５４ｃにそれぞれ出力する処理がＣＰＵ５３によって行われる（ステップＳ２２）。
【００８０】
続いて、アドレスｉとアドレスの最大値を意味する値「２５５」との比較が行われる（ステップＳ２３）。アドレスｉが値「２５５」よりも小さい場合（ｉ＜２５５が成立する場合）には、アドレスｉをインクリメントする処理が行われ（ステップＳ２４）、メモリ５２からデータ列Ｌ（ｉ），Ｍ（ｉ），Ｐ（ｉ）を１つずつ読み出し、読み出したデータ列Ｌ（ｉ），Ｍ（ｉ），Ｐ（ｉ）をＤ／Ａ変換器５４ａ〜５４ｃにそれぞれ出力する処理がＣＰＵ５３によって再び行われる（ステップＳ２２）。
【００８１】
アドレスｉが値「２５５」よりも小さい間（ｉ＜２５５が成立する間）は、ステップＳ２２〜Ｓ２４の処理が繰り返し行われる。これに対し、アドレスｉが値「２５５」に等しくなった場合（ｉ＝２５５が成立する場合）には、図８に示す一連の処理が終了する。尚、前述の通り、図８に示すフローチャートの処理は、一定周期（例えば、１［ｍｓｅｃ］）で繰り返し行われる。
【００８２】
ＣＰＵ５３から出力された変調信号ＭＤ１〜ＭＤ３は、Ｄ／Ａ変換器５４ａ〜５４ｃにおいてそれぞれアナログ信号に変換された後に、駆動アンプ２４ａ〜２４ｃでそれぞれ増幅される。これにより発光器２５ａ〜２５ｃを駆動するための駆動信号が生成される。この駆動信号が発光器２５ａ〜２５ｃに入力されると、発光器２５ａ〜２５ｃが駆動される。すると、例えば、発光器２５ａからは４［ｋＨｚ］の周波数で強度変調された波長λ１（例えば、１．９４μｍ）の近赤外光が射出され、発光器２５ｂからは５［ｋＨｚ］の周波数で強度変調された波長λ２（例えば、２．１μｍ）の近赤外光が射出され、発光器２５ｃからは６［ｋＨｚ］の周波数で強度変調された波長λ３（例えば、１．７μｍ）の近赤外光が射出され、紙Ｐの上面に照射される。
【００８３】
紙Ｐの上面に照射された近赤外光は、その一部が紙Ｐで反射・散乱・吸収され、残りが紙Ｐを透過する。紙Ｐを透過した近赤外光は下ヘッド３０に設けられた受光器３１で受光される。近赤外光が受光器３１で受光されると受光器３１からは受光信号が出力される。この受光信号は、増幅器３２で増幅されて、Ａ／Ｄ変換器６１でディジタル信号に変換された後に、ＣＰＵ６４に入力され、図９に示す処理によりロックイン検出が行われる。
【００８４】
図９は、本発明の第３実施形態において下ヘッドに設けられるＣＰＵで行われる処理を示すフローチャートである。図９に示すフローチャートの処理が開始されると、まず、メモリ６３の読み出しアドレスの初期値Ｑを設定する処理が行われる（ステップＳ３１）。例えば、読み出しアドレスの初期値Ｑを「１２８」に設定する処理が行われる。
【００８５】
次に、初期化処理が行われる（ステップＳ３２）。具体的には、メモリ６３からデータ列Ｌ（ｉ），Ｍ（ｉ），Ｎ（ｉ），Ｐ（ｉ）を読み出すために用いられるアドレスｉにアドレスの初期値Ｑを設定するとともに、検出信号Ｘ１，Ｘ２，Ｙ２，Ｘ３を初期化（値を「０」に設定）する処理が行われる。次いで、Ａ／Ｄ変換器６１の動作が開始され、受光信号（増幅器３２で増幅された受光信号）をサンプリングしてディジタル信号に変換する処理が行われる（ステップＳ３３）。尚、図９においては、図５と同様に、ディジタル信号に変換された受光信号を「Ｄ」と表している。Ａ／Ｄ変換器６１でディジタル信号に変換された受光信号は、ＣＰＵ６４に入力される。
【００８６】
すると、ディジタル信号に変換された受光信号と、メモリ６３のアドレスｉに格納されたデータ列Ｌ（ｉ），Ｍ（ｉ），Ｎ（ｉ），Ｐ（ｉ）とをそれぞれ個別に乗算し、各々の乗算結果を前回の値（ここでは「０」）とそれぞれ個別に加算する処理がＣＰＵ６４で行われる（ステップＳ３４）。尚、図９においては、これらの処理を「Ｘ１＝Ｘ１＋Ｄ×Ｌ（ｉ）」，「Ｘ２＝Ｘ２＋Ｄ×Ｍ（ｉ）」，「Ｙ２＝Ｙ２＋Ｄ×Ｎ（ｉ）」，「Ｘ３＝Ｘ３＋Ｄ×Ｐ（ｉ）」とそれぞれ表している。
【００８７】
続いて、アドレスｉとアドレスの最大値を意味する値「２５５」との比較が行われる（ステップＳ３５）。アドレスｉが値「２５５」よりも小さい場合（ｉ＜２５５が成立する場合）には、アドレスｉをインクリメントする処理が行われ（ステップＳ３６）、受光信号（増幅器３２で増幅された受光信号）をサンプリングしてディジタル信号に変換する処理が再び行われる（ステップＳ３３）。尚、アドレスｉが値「２５５」よりも小さい間（ｉ＜２５５が成立する間）は、ステップＳ３３〜Ｓ３６の処理が繰り返し行われる。これに対し、アドレスｉが値「２５５」に等しくなった場合（ｉ＝２５５が成立する場合）には、検出信号Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３を個別に平均化し、Ｄ／Ａ変換器６５ａ〜６５ｃにそれぞれ出力する処理がＣＰＵ６４で行われる（ステップＳ３７）。
【００８８】
以上の処理が終了すると、検出信号Ｙ２の値と値「０」との比較が行われる（ステップＳ３８）。検出信号Ｙ２の値が値「０」よりも大きい場合（Ｙ２＞０が成立する場合）には、アドレスの初期値Ｑをデクリメントする処理が行われ（ステップＳ３９）、その後再び初期化処理が行われる（ステップＳ３２）。これに対し、検出信号Ｙ２の値が値「０」よりも小さい場合（Ｙ２＜０が成立する場合）には、アドレスの初期値Ｑをインクリメントする処理が行われ（ステップＳ４０）、その後再び初期化処理が行われる（ステップＳ３２）。尚、検出信号Ｙ２の値が値「０」である場合（Ｙ２＝０が成立する場合）には、アドレスの初期値Ｑを変えることなく再び初期化処理が行われる（ステップＳ３２）。尚、図９に示すステップＳ３２〜Ｓ３９の処理、一定周期（例えば、１［ｍｓｅｃ］）で繰り返し行われる。
【００８９】
このように、ＣＰＵ６４では、検出信号Ｙ２の値に応じて、メモリ６３の読み出しアドレスを調整する処理が行われる。この処理が行われることで、メモリ６３から読み出されるデータ列Ｌ（ｉ），Ｍ（ｉ），Ｎ（ｉ），Ｐ（ｉ）の位相が変化する。このような処理が繰り返されて検出信号Ｙ２の値が零になると、メモリ６３からＣＰＵ６４に読み出されるデータ列Ｌ（ｉ），Ｍ（ｉ），Ｐ（ｉ）と、メモリ５２からＣＰＵ５３に読み出されるデータ列Ｌ（ｉ），Ｍ（ｉ），Ｐ（ｉ）とがそれぞれ等しくなる。これにより、ＣＰＵ６４では、ＣＰＵ５３から出力される変調信号ＭＤ１〜ＭＤ３と周波数及び位相が一致した参照信号（データ列Ｌ（ｉ），Ｍ（ｉ），Ｐ（ｉ））を用いてロックイン検出が行われることとなる。これにより、検出信号Ｘ１〜Ｘ３の変動が防止される。
【００９０】
以上の通り、本実施形態では、上ヘッド２０において変調信号ＭＤ１〜ＭＤ３の生成に用いられるデータ列Ｌ（ｉ），Ｍ（ｉ），Ｐ（ｉ）と同じデータ列Ｌ（ｉ），Ｍ（ｉ），Ｐ（ｉ）を下ヘッド３０のメモリ６３に記憶するとともに、データ列Ｍ（ｉ）と位相が９０°だけ異なるデータ列Ｎ（ｉ）を下ヘッド３０のメモリ６３に記憶している。そして、データ列Ｎ（ｉ）を用いてロックイン検出される検出信号Ｙ２が零となるように、メモリ６３の読み出しアドレスを調整して参照信号の位相を変化させるようにしている。
【００９１】
このため、上ヘッド２０から下ヘッド３０に参照信号を受け渡さなくとも、受光器３１から出力される受光信号に含まれる複数の信号成分（検出信号Ｘ１〜Ｘ３）を高い精度で検出することができる。また、本実施形態では、ＣＰＵ６４によって２位相ロックインアンプの機能を実現しているため、大型化、重量の増大、及びコストの増大を招くことはなく、小型、軽量、低コストの装置を実現することができる。
【００９２】
図６中のメモリ５２，５３の内容を示す図７では、理解を容易にするために、ｉ＝０でデータ列Ｌ（ｉ），Ｍ（ｉ），Ｎ（ｉ），Ｐ（ｉ）の位相を同じにしている。このような位相関係にすると、発光器２５ａ〜２５ｃから出射される光出力のピークが重なり、受光器３１で受光する光量のピークが大きくなることが考えられる。これを防ぐために、データ列Ｌ（ｉ），Ｍ（ｉ），Ｎ（ｉ），Ｐ（ｉ）の位相は適当にずらしても良い。但し、データ列Ｍ（ｉ），Ｎ（ｉ）については９０度の位相ずれの関係を維持する必要がある。
【００９３】
以上、本発明の実施形態による信号検出装置及び光学特性測定装置について説明したが、本発明は上記実施形態に制限される訳ではなく、本発明の範囲内で自由に変更が可能である。例えば、上記第１〜第３実施形態における上ヘッド２０と下ヘッド３０との組み合わせは固定であるという訳でなく、自由に組み合わせを変えることが可能である。例えば、図２に示す上ヘッド２０と図６に示す下ヘッド３０とを組み合わせ、或いは、図２に示す下ヘッド３０と図６に示す上ヘッド２０とを組み合わせる、といった具合である。
【００９４】
また、上記実施形態で説明した光学特性測定装置としての水分計１は、紙Ｐの上面に上ヘッド２０を配置するとともに、紙Ｐの裏面に下ヘッド３０を配置し、紙Ｐを透過した光を受光して紙Ｐの光学特性を測定するものであった。しかしながら、上ヘッド２０及び下ヘッド３０に相当する構成を、紙Ｐの上面及び裏面の何れか一方に配置し、紙Ｐで反射・散乱された光を受光して紙Ｐの光学特性を測定するものであっても良い。また、上記実施形態では、受光信号に含まれる３つの信号成分を検出する例について説明したが、受光信号に含まれる信号成分は２以上であればよい。
【符号の説明】
【００９５】
１                水分計
２０              上ヘッド
３０              下ヘッド
３１              受光器
３２              増幅器
３３ａ〜３３ｃ    ロックインアンプ
３４              基準発振器
３５              分周器
４０              ロックインアンプ
４１              Ａ／Ｄ変換器
４２ａ，４２ｂ    メモリ
４３ａ，４３ｂ    乗算器
４５ａ，４５ｂ    Ｄ／Ａ変換器
６１              Ａ／Ｄ変換器
６３              メモリ
６４              ＣＰＵ
Ｐ                紙
Ｘ１〜Ｘ３        検出信号
Ｙ２              検出信号
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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