(57)【要約】  本発明に係る光学式成分センサ（１）は、所定の成分による吸収波長を含む出射光（ＬＲ１）を発する光源（２１）と、光源（２１）を収容する筐体（１０）と、筐体（１０）の外部に位置している対象物（２）に向けて出射する投光部（２２）と、対象物２によって反射された光を集光する受光レンズ（３１）と、受光レンズ（３１）が集光した光のうち第１波長帯の光を透過し、第２波長帯の光を反射する第１フィルタ（３２ａ）と、受光レンズ（３１）が集光した光のうち第１フィルタ（３２ａ）で反射された第２波長帯の光を透過する第２フィルタ（３２ｂ）と、筐体（１０）内に収容され、第１フィルタ（３２ａ）を透過した検知光を受光し、第１電気信号に変換する第１受光素子（３３ａ）と、筐体（１０）内に収容され、第１フィルタ（３２ａ）でさらに反射され、第２フィルタ（３２ｂ）を透過した参照光を受光し、第２電気信号に変換する第２受光素子（３３ｂ）と、を備える。
2018155290.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の成分による吸収波長を含む出射光を発する光源と、
前記光源を収容する筐体と、
前記筐体の外部に位置している対象物に向けて出射する投光部と、
前記対象物によって反射された光を集光する受光レンズと、
前記受光レンズが集光した光のうち第１波長帯の光を透過し、第２波長帯の光を反射する第１フィルタと、
前記受光レンズが集光した光のうち前記第２波長帯の光を透過する第２フィルタと、
前記筐体内に収容され、前記第１フィルタを透過した検知光を受光し、第１電気信号に変換する第１受光素子と、
前記筐体内に収容され、前記第２フィルタを透過した参照光を受光し、第２電気信号に変換する第２受光素子と、を備える
光学式成分センサ。
【請求項２】
ハーフミラーをさらに備え、
前記受光レンズが集光した光は、前記ハーフミラーへ入射し、
前記ハーフミラーを透過した光のうち前記第１波長帯の光は、前記第１フィルタを透過し第１受光素子へ受光され、
前記ハーフミラーを反射した光のうち前記第２波長帯の光は、前記第２フィルタを透過して前記第２受光素子へ受光される
請求項１に記載の光学式成分センサ。
【請求項３】
前記第１フィルタおよび前記第２フィルタを透過したそれぞれの光は、集光レンズにより集光されて前記第１受光素子および前記第２受光素子へ受光される
請求項１または２に記載の光学式成分センサ。
【請求項４】
前記成分は、水分である
請求項１〜３のいずれか１項に記載の光学式成分センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学式成分センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、遠距離にある検出物体を判別することができる光電センサが知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載された反射型光電センサは、波長の異なる２つの光を検出物体に照射する投光部と、２つの光のいずれか一方の光を反射する反射板と、検出物体又は反射板によって反射された光を受光する受光部とを備える。反射型光電センサによれば、受光部が出力する受光信号を処理することで、検出物体の有無などを知ることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平８−２５５５３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載された反射型光電センサでは、投光部は光軸を一致させた２つの発光素子を備え、２つの発光素子は、互いの出射面が逆方向になるように配置されている。２つの発光素子の一方が出射した光は、反射板によって反射されて投光レンズを通って外部に出射される。反射板の反射方向に発光素子が配置されており、反射板によって反射された光は、発光素子によって遮られて、外部に出射される光エネルギーが減少する。これにより、成分の対象物の検知精度が低下する。【０００５】
そこで、本発明は、外部に出射する光を増加し、安定して反射光を取得することができる光学式成分センサ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】
【０００６】
本発明に係る光学式成分センサは、所定の成分による吸収波長を含む出射光を発する光源と、前記光源を収容する筐体と、前記筐体の外部に位置している対象物に向けて出射する投光部と、前記対象物によって反射された光を集光する受光レンズと、前記受光レンズが集光した光のうち第１波長帯の光を透過し、第２波長帯の光を反射する第１フィルタと、前記受光レンズが集光した光のうち前記第２波長帯の光を透過する第２フィルタと、前記筐体内に収容され、前記第１フィルタを透過した検知光を受光し、第１電気信号に変換する第１受光素子と、前記筐体内に収容され、前記第２フィルタを透過した参照光を受光し、第２電気信号に変換する第２受光素子と、を備える。
【発明の効果】
【０００７】
本発明により、外部に出射する光を増加し、安定して反射光を取得する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、実施の形態に係る光学式成分センサの構成を示す概略構成図である。
【図２】図２は、実施の形態に係る光学式成分センサの機能構成を示すブロック図である。
【図３】図３は、水分と水蒸気との吸光スペクトルを示す図である。
【図４】図４は、実施の形態に係る投光光学モジュールの構成を示す概略構成図である。
【図５】図５は、実施の形態に係る光学式成分センサの変形例１の構成を示す概略構成図である。
【図６】図６は、実施の形態に係る受光光学系モジュールの変形例２の構成を示す概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下では、本発明の実施の形態に係る光学式成分センサについて、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、いずれも本発明の好ましい一具体例を示すものである。したがって、以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置及び接続形態、ステップ、ステップの順序などは、一例であり、本発明を限定する趣旨ではない。よって、以下の実施の形態における構成要素のうち、本発明の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。
【００１０】
また、各図は、模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。したがって、例えば、各図において縮尺などは必ずしも一致しない。また、各図において、実質的に同一の構成については同一の符号を付しており、重複する説明は省略又は簡略化する。
【００１１】
（実施の形態）
［概要］
まず、実施の形態に係る光学式成分センサ１の概要について説明する。
【００１２】
光学式成分センサ１は、１つの光（出射光ＬＲ１）を対象物２に照射して、対象物２による反射光ＬＲ２（反射検知光ＬＲ２１および反射参照光ＬＲ２２）を受光することで、対象物２に含まれる成分を検知する非接触式の光学式成分センサである。本実施の形態では、図１に示すように、光学式成分センサ１は、空間３を隔てて離れた位置に位置する対象物２に含まれる水分を検知する。
【００１３】
対象物２は、特に限定されない場合、衣類などである。衣類以外の対象物２としては、シーツ、枕カバーなどの寝具が挙げられる。例えば、光学式成分センサ１を衣類乾燥機などに取り付けることで、衣類の乾燥具合を確認することができる。これにより、乾燥のし過ぎによる衣類の痛みの発生などを抑制することができる。
【００１４】
空間３は、光学式成分センサ１と対象物２との間の空間（自由空間）であり、湿気（水蒸気）を含んでいる。空間３は、光学式成分センサ１の筐体１０の外部空間である。
【００１５】
図１に示すように、光学式成分センサ１は、筐体１０と、投光光学モジュール２０と、受光光学モジュール３０とを備える。投光光学モジュール２０は、光源２１及び投光レンズ２２を有している。また、受光光学モジュール３０は、受光レンズ３１、検知用バンドパスフィルタ３２ａ、参照用バンドパスフィルタ３２ｂ、検知用受光素子３３ａおよび参照用受光素子３３ｂを有している。
【００１６】
なお、以下本明細書において、投光レンズ２２を基準として、光源２１が光を照射する方向（図のＸ軸正方向）を「前方」、反対方向（図のＸ軸負方向）を「後方」とする。
【００１７】
また、図２に示すように、光学式成分センサ１は、制御回路４０と、信号処理回路５０とを備える。
【００１８】
以下では、光学式成分センサ１の各構成要素について詳細に説明する。
【００１９】
［筐体］
筐体１０は、光源２１を収容する筐体である。図１に示すように、筐体１０の内部には、さらに、受光レンズ３１、検知用バンドパスフィルタ３２ａ、参照用バンドパスフィルタ３２ｂ、検知用受光素子３３ａおよび参照用受光素子３３ｂが収容されている。
【００２０】
筐体１０は、遮光性の材料から形成されている。これにより、外光が筐体１０内に入射するのを抑制することができる。具体的には、筐体１０は、検知用受光素子３３ａ及び参照用受光素子３３ｂが受光する光に対して遮光性を有する。より具体的には、筐体１０は、反射光ＬＲ２（反射検知光ＬＲ２１および反射参照光ＬＲ２２）に対して遮光性を有し、例えば、樹脂材料又は金属材料から形成される。
【００２１】
また、筐体１０の外壁には、開口が設けられ、当該開口には投光レンズ２２および受光レンズ３１が取り付けられている。
【００２２】
［投光光学モジュール］
投光光学モジュール２０は、成分を検知するための光を照射する光学系であり、光源２１及び投光レンズ２２を有している。
【００２３】
［光源］
光源２１は、検知対象となる成分による吸収波長を含む出射光ＬＲ１を発する光源の一例である。具体的には、光源２１は、水による吸収が所定値よりも大きな第一波長帯を含む光と、水による吸収が所定値以下である第二波長帯を含む光とを出射光ＬＲ１として対象物２に向けて発する。
【００２４】
光源２１は、例えば、検知光をなす第一波長帯と参照光をなす第二波長帯とを含み、ピーク波長が第二波長帯側にある連続した光を発するＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ）光源である。具体的には、光源２１は、化合半導体からなるＬＥＤ光源である。
【００２５】
図３は、水分と水蒸気との吸光スペクトルを示す図である。図３に示すように、水分は、約１４５０ｎｍ及び約１９００ｎｍの波長に吸収ピークを有する。水蒸気は、水分の吸収ピークよりやや低い波長、具体的には約１３５０ｎｍ〜１４００ｎｍ及び約１８００ｎｍ〜１９００ｎｍの波長に吸収ピークを有する。
【００２６】
このため、検知光をなす第一波長帯としては、水の吸光度が高い波長帯を選択し、参照光をなす第二波長帯としては、第一波長帯よりも水の吸光度が小さい波長帯を選択する。そして、第二波長帯の平均波長は、第一波長体の平均波長よりも長くする。
【００２７】
図３では、水蒸気の吸光度は、約１３５０ｎｍ〜１４００ｎｍの波長にピーク（第一ピークＰ１）があり、約１８００ｎｍ〜１９００ｎｍの波長にピーク（第二ピークＰ２）がある場合を図示している。例えば、第一ピークＰ１を基準とした場合には、第一波長帯の中心波長を１４５０ｎｍとし、第二波長帯の中心波長を、第一ピークＰ１と第二ピークＰ２との間で、水蒸気の吸光度が所定値よりも小さい波長とする。具体的には、第二波長帯の中心波長は、第一波長帯の中心波長の１．２倍以内とすればよい。第二波長帯の中心波長は、１４５０ｎｍ×１．２≒１７４０ｎｍ以内とする。具体的には、第二波長帯の中心波長は、１７００ｎｍとする。
【００２８】
このように、光源２１が、第一波長帯と第二波長帯とを連続して含む光を照射するので、対象物２には、水による吸収が大きな第一波長帯を含む検知光と、水による吸収が第一波長帯よりも小さく、水蒸気による吸収もほとんどない第二波長帯を含む参照光が照射される。
【００２９】
光源２１は、筐体内において、光源２１の光軸上で投光レンズ２２と向かい合うように配置されている。
【００３０】
［投光レンズ］
投光レンズ２２は、光源２１が照射した出射光ＬＲ１を対象物２に向けて照射する投光部の一例である。
【００３１】
図１または図４に示すように、投光レンズ２２は、例えば、焦点が光源２１の光軸上に位置するように筐体１０に固定されている。
【００３２】
投光レンズ２２は、アクリル等の透明な合成樹脂からなり、出射する方向に向かって徐々に幅径を拡大する形状である略逆円錐台状に成型されている。投光レンズ２２におけるＸ軸負方向の端部には、光源２１が配置されている。投光レンズ２２は、光源２１からの出射光ＬＲ１を集光して一定強度の光の束として投光レンズ２２の前方に照射するものである。
【００３３】
投光レンズ２２の周壁２２１は、投光レンズ２２のＸ軸負方向の端部から前面２２２にかけて外側に少し膨らんだ曲面形状に成型されている。投光レンズ２２の出射面となる前面２２２は、平面部として形成されている。投光レンズ２２のＸ軸負方向の端部には、光源２１を囲むように凹部２２３が形成される。凹部２２３は、光源２１側に凸形状の底面２２３ａと、底面２２３ａを囲むように形成された側周面２２３ｂとを有する。側周面２２３ｂは、投光レンズ２２のＸ軸負方向の端部から前方に向かって穴径を徐々に狭くするテーパー形状に成型されている。これにより凹部２２３は先細りの略円柱形状となる。
【００３４】
なお、凹部２２３の穴径・高さ・テーパーは、光源２１の寸法、投光レンズ２２の材質に応じた屈折率や外形の寸法に応じて適宜設計されるものである。
【００３５】
光源２１から出射された光のうち凹部２２３の底面２２３ａに向かう光は、底面２２３ａの凸曲面に入射して収束されて投光レンズ２２内を直進し、投光レンズ２２の前面２２２を通って対象物２に向かって照射される。
【００３６】
また、光源２１から出射された光のうち凹部２２３の側周面２２３ｂに向かう光は、側周面２２３ｂに対し投光レンズ２２の屈折率に応じた全反射角以下で投光レンズ２２に入射する。側周面２２３ｂから投光レンズ２２内に入射した光は、投光レンズ２２の周壁２２１に対して全反射角以上で全反射され、投光レンズ２２を通って前面２２２から対象物２に向かって照射される。このとき、投光レンズ２２から出射された出射光ＬＲ１は、略平行光となって対象物２を照射される。
【００３７】
投光レンズ２２は、凹部２２３の底面２２３ａを凸形状とすることにより、凹部２２３の底面２２３ａを通る光はその凸形状面にてある程度収束して前面２２２から照射される。これにより、対象物２における水分量を検知したい検知対象領域ＲＡ１に多くの光量（すなわち、強度）を照射することができ、受光感度を上げることができる。
【００３８】
なお、投光レンズ２２の前面２２２を平面部としたが、外周部分のみ平面部であり、中心部は凸レンズ形状であってもよい。これにより、凹部２２３の底面２２３ａで収束した光が、前面２２２においても収束されて対象物２に照射されるので、より検知対象領域ＲＡ１に多くの光量を照射することができ、受光感度を上げることができる。
【００３９】
［受光光学モジュール］
図１及び図２に示すように、受光光学モジュール３０は、光源２１から出射された出射光ＬＲ１が対象物２で反射した光のうちの一部を受光して水分量の計測を行う光学系である。受光光学モジュール３０は、受光レンズ３１、検知用バンドパスフィルタ３２ａ、参照用バンドパスフィルタ３２ｂ、検知用受光素子３３ａおよび参照用受光素子３３ｂを備える。
【００４０】
［受光レンズ］
受光レンズ３１は、対象物２によって反射された反射光ＬＲ２（反射検知光ＬＲ２１および反射参照光ＬＲ２２）を検知用受光素子３３ａおよび参照用受光素子３３ｂに集光するための受光レンズの一例である。受光レンズ３１は、例えば、集光レンズである。受光レンズ３１は、検知用受光素子３３ａの光軸上に配置され、焦点が検知用受光素子３３ａの受光面よりも遠い位置となるように筐体１０に固定されている。受光レンズ３１は、本実施の形態では樹脂製の凸レンズであるが、これに限らない。
【００４１】
［検知用バンドパスフィルタ］
検知用バンドパスフィルタ３２ａは、受光レンズ３１が集光した反射光ＬＲ２のうち、反射検知光ＬＲ２１を透過し検知用受光素子３３ａに入射させ、反射検知光ＬＲ２１以外の波長帯の光を反射する第１フィルタの一例である。
【００４２】
本実施の形態では、図１に示すように、検知用バンドパスフィルタ３２ａは、受光レンズ３１と検知用受光素子３３ａとの間に設けられ、反射検知光ＬＲ２１の光軸上に位置し、受光レンズ３１に対して傾斜して配置される。このとき、反射参照光ＬＲ２２が検知用バンドパスフィルタ３２ａを反射して参照用受光素子３３ｂへ入射できるものであれば、検知用バンドパスフィルタ３２ａの傾斜の向きや角度は問わない。
【００４３】
この配置により、検知用バンドパスフィルタ３２ａは、反射検知光ＬＲ２１のピーク波長である光を透過し、反射検知光ＬＲ２１以外のピーク波長帯の光を反射させる。
【００４４】
検知用バンドパスフィルタ３２ａは、例えばＳｉＯ２などによって形成される屈折率の異なる誘電体膜が積層して設けられることで反射できる構成とする。
【００４５】
［参照用バンドパスフィルタ］
参照用バンドパスフィルタ３２ｂは、参照用受光素子３３ｂに入射する反射参照光ＬＲ２２の光路上に設けられた第２フィルタの一例である。
【００４６】
本実施の形態では、図１に示すように、参照用バンドパスフィルタ３２ｂは、検知用バンドパスフィルタ３２ａと参照用受光素子３３ｂとの間に設けられ、反射参照光ＬＲ２２の光軸に対して略垂直に配置されている。
【００４７】
なお、参照用バンドパスフィルタ３２ｂの設置角度は、検知用バンドパスフィルタ３２ａにて反射される光のうち反射参照光ＬＲ２２となるピーク波長帯が透過可能であるように参照用バンドパスフィルタ３２ｂが配置されるものであれば、適宜設計変更可能である。
【００４８】
参照用バンドパスフィルタ３２ｂは、反射参照光ＬＲ２２のみを透過し、かつ、反射検知光ＬＲ２１を吸収または反射する。このため、反射検知光ＬＲ２１は、参照用バンドパスフィルタ３２ｂによって吸収または反射されて参照用受光素子３３ｂにはほとんど到達しない。
【００４９】
［検知用受光素子］
検知用受光素子３３ａは、対象物２によって反射された光の少なくとも一部である反射光ＬＲ２のうち、検知用バンドパスフィルタ３２ａを透過した反射検知光ＬＲ２１を受光する第１受光素子の一例である。検知用受光素子３３ａは、受光した反射検知光ＬＲ２１を光電変換することで、反射検知光の受光量（すなわち、強度）に応じた電気信号である検知信号を生成する。生成された検知信号は、信号処理回路５０に出力される。
【００５０】
検知用受光素子３３ａは、反射検知光ＬＲ２１のピーク波長に対して十分に強い受光感度を有することが好ましい。したがって、検知用受光素子３３ａは、反射検知光ＬＲ２１を受光し、受光量に応じた電気信号（検知信号）を生成することができる。
【００５１】
検知用受光素子３３ａは、筐体１０内に収容されている。検知用受光素子３３ａは、受光レンズ３１の光軸上に配置され、光軸上において、図１に示すように、受光レンズ３１の焦点位置よりも受光レンズ３１側となるように配置される。すなわち、受光レンズ３１と検知用受光素子３３ａとの距離ｄ１、受光レンズ３１の焦点距離ｆ１とした場合、０＜ｄ１＜ｆ１を満たすようにそれぞれが配置される。
【００５２】
これにより、受光レンズ３１の表面で焦点を結ばず、所定の曲率半径を持った拡散光として反射光ＬＲ２（反射検知光ＬＲ２１および反射参照光ＬＲ２２）を取り込む領域ＲＡ２が形成される。拡散光の曲率半径が大きくなるほど、反射光ＬＲ２（反射検知光ＬＲ２１および反射参照光ＬＲ２２）を取り込む領域ＲＡ２が広くなり、反射光ＬＲ２（反射検知光ＬＲ２１および反射参照光ＬＲ２２）の取り込み率が大きくなる。すなわち、受光範囲を広くすることができる。
【００５３】
このとき、反射光ＬＲ２（反射検知光ＬＲ２１および反射参照光ＬＲ２２）を取り込む領域は、検知対象領域ＲＡ１の少なくとも一部と重なるように対象物２に照射されることが好ましい。
【００５４】
検知用受光素子３３ａは、例えば、フォトダイオードであるが、これに限定されない。例えば、検知用受光素子３３ａは、フォトトランジスタ、又は、イメージセンサでもよい。なお、検知用受光素子３３ａと参照用受光素子３３ｂとは、１つのイメージセンサの異なる領域を利用してもよい。
【００５５】
［参照用受光素子］
参照用受光素子３３ｂは、対象物２によって反射された光の少なくとも一部である反射光ＬＲ２のうち、検知用バンドパスフィルタ３２ａで反射し、参照用バンドパスフィルタ３２ｂを透過した反射参照光ＬＲ２２を受光する第２受光素子の一例である。参照用受光素子３３ｂは、受光した反射参照光ＬＲ２２を光電変換することで、反射参照光ＬＲ２２の受光量に応じた電気信号である参照信号を生成する。生成された参照信号は、信号処理回路５０に出力される。
【００５６】
反射参照光ＬＲ２２は、出射光ＬＲ１が対象物２によって反射された光である。反射参照光ＬＲ２２のピーク波長は、本実施の形態において約１５７０ｎｍとして計測する。
【００５７】
参照用受光素子３３ｂは、筐体１０内に収容されている。参照用受光素子３３ｂは、受光レンズ３１の光軸に対して略平行に配置されている。参照用受光素子３３ｂは、反射参照光ＬＲ２２の光軸上において、受光する光の焦点位置が受光面よりも参照用バンドパスフィルタ３２ｂ側となるように配置される。すなわち、受光レンズ３１と参照用受光素子３３ｂとの距離ｄ２、受光レンズ３１の焦点距離ｆ２とした場合、０＜ｄ２＜ｆ２を満たすようにそれぞれが配置される。
【００５８】
参照用受光素子３３ｂは、例えば、フォトダイオードであるが、これに限定されない。例えば、参照用受光素子３３ｂは、フォトトランジスタ、又は、イメージセンサでもよい。
【００５９】
［制御回路］
制御回路４０は、光源２１の出射光ＬＲ１を制御する。具体的には、制御回路４０は、光源２１の発光及び消灯を独立して制御することができる。
【００６０】
例えば、制御回路４０は、光源２１を発光させる。具体的には、制御回路４０は、光源２１をパルス波形で発光させる。例えば、制御回路４０は、所定の周波数（例えば、１ｋＨｚ）のパルス信号を光源２１に出力する。例えば、光源２１のオンデューティ比が５０％以下のパルス信号である。
【００６１】
図１には示していないが、制御回路４０は、筐体１０に収容されていてもよく、又は、筐体１０の外側面に取り付けられていてもよい。あるいは、制御回路４０は、無線通信などの通信機能を有し、制御用のパルス信号を光源２１に送信してもよい。
【００６２】
制御回路４０は、例えば、駆動回路及びマイクロコントローラで構成される。制御回路４０は、光源の制御プログラムが格納された不揮発性メモリ、プログラムを実行するための一時的な記憶領域である揮発性メモリ、入出力ポート、プログラムを実行するプロセッサなどを有する。
【００６３】
［信号処理回路］
信号処理回路５０は、検知用受光素子３３ａから出力された反射検知光ＬＲ２１に対応する検知信号と、参照用受光素子３３ｂから出力された反射参照光ＬＲ２２に対応する参照信号とに基づいて、対象物２が含む成分を算出する。具体的には、信号処理回路５０は、検知信号の電圧レベルと参照信号の電圧レベルとの比（エネルギー比）に基づいて、対象物２が含む水分量を検知する。具体的な水分量の検知（算出）方法については後で説明する。
【００６４】
信号処理回路５０は、筐体１０に収容されていてもよく、又は、筐体１０の外側面に取り付けられていてもよい。あるいは、信号処理回路５０は、無線通信などの通信機能を有し、検知用受光素子３３ａ及び参照用受光素子３３ｂからの出力信号を受信してもよい。
【００６５】
信号処理回路５０は、例えば、マイクロコントローラである。信号処理回路５０は、信号処理プログラムが格納された不揮発性メモリ、プログラムを実行するための一時的な記憶領域である揮発性メモリ、入出力ポート、プログラムを実行するプロセッサなどを有する。
【００６６】
［信号処理（検知処理）］
続いて、信号処理回路５０による信号処理（成分の算出処理）について説明する。
【００６７】
本実施の形態では、信号処理回路５０は、反射検知光ＬＲ２１の光エネルギーＰｄと反射参照光ＬＲ２２の光エネルギーＰｒとを比較することで、対象物２に含まれる成分量を検知する。なお、光エネルギーＰｄは、検知用受光素子３３ａから出力される検知信号の強度に対応し、光エネルギーＰｒは、参照用受光素子３３ｂから出力される参照信号の強度に対応する。
【００６８】
検知用受光素子３３ａに入射する反射検知光ＬＲ２１の光エネルギーＰｄは、次の（式１）で表される。
【００６９】
（式１）  Ｐｄ＝Ｐｄ０×Ｇｄ×Ｒｄ×Ｔｄ×Ａａ×Ｉｖｄ
【００７０】
ここで、Ｐｄ０は、光源２１が発した出射光ＬＲ１の光エネルギーである。Ｇｄは、光源２１が発した出射光ＬＲ１の検知用受光素子３３ａに対する結合効率（集光率）である。具体的には、Ｇｄは、出射光ＬＲ１のうち、対象物２で拡散反射される成分の一部（すなわち、反射検知光ＬＲ２１）になる部分の割合に相当する。
【００７１】
Ｒｄは、対象物２による出射光ＬＲ１の反射率である。Ｔｄは、検知用バンドパスフィルタ３２ａによる反射検知光ＬＲ２１の透過率である。Ｉｖｄは、検知用受光素子３３ａの反射検知光ＬＲ２１に対する受光感度である。
【００７２】
Ａａは、対象物２に含まれる成分（水分）による出射光ＬＲ１及び反射検知光ＬＲ２１の吸収率であり、次の（式２）で表される。
【００７３】
（式２）  Ａａｄ＝１０−α×Ｃ×Ｄ
【００７４】
ここで、αは、予め定められた吸光係数であり、具体的には、成分（水分）による出射光ＬＲ１及び反射検知光ＬＲ２１の吸光係数である。Ｃは、対象物２に含まれる成分（水分）の体積濃度である。Ｄは、出射光ＬＲ１及び反射検知光ＬＲ２１の吸収に寄与する成分の厚みの２倍である寄与厚みである。
【００７５】
より具体的には、水分が均質に分散した対象物２では、光が対象物２に入射し、内部で反射して対象物２から出射する場合において、Ｃは、対象物２の成分に含まれる体積濃度に相当する。また、Ｄは、内部で反射して対象物２から出射するまでの光路長に相当する。例えば、対象物２が繊維などの網目状の固形物、又は、スポンジなどの多孔性の固形物である場合、固形物の表面で光が反射されると仮定する。この場合、例えば、Ｃは、固形物を覆っている液相に含まれる水分の濃度である。また、Ｄは、固形物を覆っている液相の平均的な厚みとして換算される寄与厚みである。
【００７６】
したがって、α×Ｃ×Ｄは、対象物２に含まれる成分量（水分量）に相当する。
【００７７】
同様に、参照用受光素子３３ｂに入射する反射参照光ＬＲ２２の光エネルギーＰｒは、次の（式３）で表される。
【００７８】
（式３）  Ｐｒ＝Ｐｒ０×Ｇｒ×Ｒｒ×Ｔｒ×Ｉｖｒ
【００７９】
本実施の形態では、対象物２に含まれる成分（水分）による第一波長帯の検知光の吸収と、第二波長帯の参照光の吸収との差分から水分による吸収率Ａａｄを求めている。なお、反射参照光ＬＲ２２は、対象物２に含まれる成分によって実質的には吸収されないとみなすことができるので、（式１）と比較して分かるように、水分による吸収率Ａａに相当する光は（式３）には含まれていない。
【００８０】
（式３）において、Ｐｒ０は、光源２１が発した出射光ＬＲ１の光エネルギーである。Ｇｒは、光源２１が発した出射光ＬＲ１の参照用受光素子３３ｂに対する結合効率（集光率）である。具体的には、Ｇｒは、出射光ＬＲ１のうち、対象物２で拡散反射される成分の一部（すなわち、反射参照光ＬＲ２２）になる部分の割合に相当する。
【００８１】
Ｒｒは、対象物２による出射光ＬＲ１の反射率である。Ｔｒは、参照用バンドパスフィルタ３２ｂによる反射参照光ＬＲ２２の透過率である。Ｉｖｒは、参照用受光素子３３ｂの反射参照光ＬＲ２２に対する受光感度である。
【００８２】
本実施の形態では、検知用受光素子３３ａにおける出射光ＬＲ１と参照用受光素子３３ｂにおける出射光ＬＲ１とは同一の光であるため、結合効率Ｇｄと結合効率Ｇｒとは略等しくなる。また、ピーク波長も比較的に近いので、反射率Ｒｄと反射率Ｒｒとが略等しくなる。
【００８３】
したがって、（式１）と（式３）との比を取ることにより、次の（式４）が導き出される。
【００８４】
（式４）  Ｐｄ／Ｐｒ＝Ｚ×Ａａｄ
【００８５】
ここで、Ｚは、定数項であり、（式５）で示される。
【００８６】
（式５）  Ｚ＝（Ｐｄ０／Ｐｒ０）×（Ｔｄ／Ｔｒ）×（Ｉｖｄ／Ｉｖｒ）
【００８７】
光エネルギーＰｄ０及びＰｒ０はそれぞれ、光源２１の初期出力として予め定められている。また、反射検知光ＬＲ２１の透過率Ｔｄ及び反射参照光ＬＲ２２の透過率Ｔｒはそれぞれ、検知用バンドパスフィルタ３２ａ及び参照用バンドパスフィルタ３２ｂの透過特性により予め定められている。反射検知光ＬＲ２１の受光感度Ｉｖｄ及び反射参照光ＬＲ２２の受光感度Ｉｖｒはそれぞれ、検知用受光素子３３ａ及び参照用受光素子３３ｂの受光特性により予め定められている。したがって、（式５）で示されるＺは、定数とみなすことができる。
【００８８】
信号処理回路５０は、検知信号に基づいて反射検知光ＬＲ２１の光エネルギーＰｄを算出し、参照信号に基づいて反射参照光ＬＲ２２の光エネルギーＰｒを算出する。具体的には、検知信号の信号レベル（電圧レベル）が光エネルギーＰｄに相当し、参照信号の信号レベル（電圧レベル）が光エネルギーＰｒに相当する。
【００８９】
したがって、信号処理回路５０は、（式５）に基づいて、対象物２に含まれる水分の吸収率Ａａを算出することができる。これにより、信号処理回路５０は、（式２）に基づいて水分量を算出することができる。
【００９０】
［まとめ］
以上のように、本実施の形態に係る光学式成分センサ１は、所定の成分による吸収波長を含む出射光ＬＲ１を発する光源２１と、光源２１を収容する筐体１０と、筐体１０の外部に位置している対象物２に向けて出射する投光部（投光レンズ２２）と、対象物２によって反射された光を集光する受光レンズ３１と、受光レンズ３１が集光した光のうち第１波長帯の光を透過し、第２波長帯の光を反射する第１フィルタ（検知用バンドパスフィルタ３２ａ）と、受光レンズ３１が集光した光のうち第２波長帯の光を透過する第２フィルタ（参照用バンドパスフィルタ３２ｂ）と、筐体１０内に収容され、第１フィルタを透過した検知光を受光し、第１電気信号に変換する第１受光素子（検知用受光素子３３ａ）と、筐体１０内に収容され、第２フィルタを透過した参照光を受光し、第２電気信号に変換する第２受光素子（参照用受光素子３３ｂ）と、を備える。
【００９１】
これにより、２つの受光光学モジュールを用いる場合に比べて、受光する反射光の量を増加させることができ、また、反射光の量のばらつきを低減することができるので安定して受光することができる。さらに、受光レンズの劣化による波長変化の懸念を抑制することができ、成分を精度良く検知することができる。
【００９２】
また、成分は、水分であることが好ましい。
【００９３】
これにより、対象物２に含まれる水分を精度良く検出することができる。
【００９４】
（変形例１）
上記実施の形態において、光学式成分センサ１は、筐体１０内において、ハーフミラー３４をさらに有する構成であってもよい。なお、以降の説明において、上記実施の形態と同一の部分には、同一の符号を付してその説明を省略する場合がある。
【００９５】
具体的には、図５に示すように、ハーフミラー３４は、受光レンズ３１と検知用受光素子３３ａとの間に設けられ、反射検知光ＬＲ２１の光軸上に位置し、受光レンズ３１に対して傾斜して配置される。このとき、検知用バンドパスフィルタ３２ａは、反射光ＬＲ２および反射検知光ＬＲ２１の光軸上に、光軸に対して略垂直となるように配置される。
【００９６】
ハーフミラー３４は、対象物２が反射した反射光ＬＲ２を透過および反射することで反射検知光ＬＲ２１および反射参照光ＬＲ２２を出射する。具体的には、ハーフミラー３４は、入射する反射光ＬＲ２の一部をそのまま（進行方向を実質的に変えることなく）透過し、残りの光を鏡面反射させる。ハーフミラー３４は、例えば、入射する光を略１：１で反射及び透過する。すなわち、ハーフミラー３４は、入射する反射光ＬＲ２の光束の５０％の反射検知光ＬＲ２１と５０％の反射参照光ＬＲ２２とを出射および反射させる。その後、ハーフミラー３４を透過した光のうち、反射検知光ＬＲ２１のみ検知用バンドパスフィルタ３２ａを透過し、検知用受光素子３３ａへ導かれる。また、ハーフミラー３４を反射した光のうち、反射参照光ＬＲ２２のみ参照用バンドパスフィルタ３２ｂを透過し、参照用受光素子３３ｂへ導かれることにより成分の計測が行われる。
【００９７】
ハーフミラー３４は、例えば、金属薄膜又は誘電体多層膜などの反射性の薄膜が表面に形成された透光性の板材である。透光性の板材としては、例えば、透明なソーダガラスなどのガラス材料、又は、アクリル（ＰＭＭＡ）、ポリカーボネート（ＰＣ）などの透明樹脂材料を用いて形成されている。金属薄膜は、アルミニウムなどの金属材料を用いて、光透過性及び光反射性を有する程度に薄く形成された薄膜である。
【００９８】
これにより、反射光ＬＲ２を等分量で検知用受光素子３３ａと参照用受光素子３３ｂとに集光させることができるので、成分の検出を高精度に行うことができる。
【００９９】
（変形例２）
上記実施の形態において、光学式成分センサ１は、それぞれの受光素子とバンドパスフィルタとの間に集光レンズ３５ａ、３５ｂを有していてもよい。この場合、検知用バンドパスフィルタ３２ａおよび参照用バンドパスフィルタ３２ｂを透過した光は、それぞれ集光レンズ３５ａ、３５ｂによって集光されて検知用受光素子３３ａおよび参照用受光素子３３ｂで受光される。
【０１００】
具体的には、図６に示すように、検知用受光素子３３ａおよび参照用受光素子３３ｂは、それぞれ保持部３６ａ、３６ｂに保持される。保持部３６ａ、３６ｂの検知用バンドパスフィルタ３２ａ側および参照用バンドパスフィルタ３２ｂ側の面には、バンドパスフィルタ側に向かって凸形状となる集光レンズ３５ａ、３５ｂが配置される。検知用バンドパスフィルタ３２ａおよび参照用バンドパスフィルタ３２ｂを透過した光は、集光レンズ３５ａ、３５ｂへ入射し、集光レンズ３５ａ、３５ｂにて再度集光される。
【０１０１】
従って、集光レンズ３５ａ、３５ｂによって光の入射面が拡大し、集光できる光の量が多くなるので、より多くの光量で計測することができる。
【０１０２】
また、誘電体多層膜により構成されたバンドパスフィルタおよびハーフミラー３４が透過または反射した光は、入射角に依存して中心波長が変化しやすいため、高精度な計測が難しい。上記のように、集光レンズ３５ａ、３５ｂを設け、集光レンズ３５ａ、３５ｂの内部でさらに集光されることで、所望の波長帯のみを効率的に受光させることが可能である。
【０１０３】
集光レンズ３５ａ、３５ｂは、例えば透明樹脂材料で形成される。また、保持部３６ａ、３６ｂも集光レンズ３５ａ、３５ｂと同様の透明樹脂材料で形成されることで、集光レンズ３５ａ、３５ｂを入射した光の光路が屈折することなくそれぞれの受光素子に導かれる。
【０１０４】
（その他）
以上、本発明に係る光学式成分センサ１について、上記の実施の形態及びその変形例に基づいて説明したが、本発明は、上記の実施の形態及び変形例に限定されるものではない。
【０１０５】
例えば、投光レンズ２２は、光の入射する面を凸状曲面としたが、これに限るものではなく、平面状や凹状曲面であってもよい。水平方向の曲率を垂直方向よりも大きく変化させると、水平方向の変化により大きく対応できるので、画面の水平視野角を垂直視野角より大きくしたい場合、水平入射角が垂直入射角よりも大きい場合に特に有効となる。
【０１０６】
また、第１受光素子および第２受光素子は、それぞれ検知用受光素子、参照用受光素子としたが、検知用受光素子および参照用受光素子の配置は逆であってもかまわない。このとき、それに応じてバンドパスフィルタの配置も入れ替えられるものである。
【０１０７】
また、例えば、上記の実施の形態では、光学式成分センサ１は、対象物２に含まれる成分として水分を検知したが、これに限らない。例えば、光学式成分センサ１は、アルコール又は油分を検知してもよい。例えば、光学式成分センサ１は、検知対象となるアルコールによる吸収波長を含む検知光と、アルコールによる吸収波長を含まない参照光とを対象物２に照射すればよい。
【０１０８】
また、上記実施の形態に、変形例１及び変形例２が両方組み合わされて１つ形態として実施するものであってもよい。
【０１０９】
その他、各実施の形態に対して当業者が思いつく各種変形を施して得られる形態や、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で各実施の形態における構成要素及び機能を任意に組み合わせることで実現される形態も本発明に含まれる。
【符号の説明】
【０１１０】
１  光学式成分センサ
２  対象物
１０  筐体
２０  投光光学モジュール
２１  光源
２２  投光レンズ（投光部）
３０  受光光学モジュール
３１  受光レンズ
３２ａ  検知用バンドパスフィルタ（第１フィルタ）
３２ｂ  参照用バンドパスフィルタ（第２フィルタ）
３３ａ  検知用受光素子（第１受光素子）
３３ｂ  参照用受光素子（第２受光素子）
３４  ハーフミラー
４０  制御回路
５０  信号処理回路
【図１】
2018155290.tif 000003
【図２】
2018155290.tif 000004
【図３】
2018155290.tif 000005
【図４】
2018155290.tif 000006
【図５】
2018155290.tif 000007
【図６】
2018155290.tif 000008
【手続補正書】
【提出日】平成30年6月13日(2018.6.13)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の成分による吸収波長を含む出射光を発する光源と、
前記光源を収容する筐体と、
前記筐体の外部に位置している対象物に向けて出射する投光部と、
前記対象物によって反射された光を集光する受光レンズと、
前記受光レンズが集光した光のうち第１波長帯の光を透過し、第２波長帯の光を反射する第１フィルタと、
前記受光レンズが集光した光のうち前記第２波長帯の光を透過する第２フィルタと、
前記筐体内に収容され、前記第１フィルタを透過した検知光を受光し、第１電気信号に変換する第１受光素子と、
前記筐体内に収容され、前記第２フィルタを透過した参照光を受光し、第２電気信号に変換する第２受光素子と、を備え、
前記第１受光素子は、前記受光レンズの光軸上に配置され、当該受光レンズの焦点位置よりも前記受光レンズ側となるように配置されている
光学式成分センサ。
【請求項２】
ハーフミラーをさらに備え、
前記受光レンズが集光した光は、前記ハーフミラーへ入射し、
前記ハーフミラーを透過した光のうち前記第１波長帯の光は、前記第１フィルタを透過し第１受光素子へ受光され、
前記ハーフミラーを反射した光のうち前記第２波長帯の光は、前記第２フィルタを透過して前記第２受光素子へ受光される
請求項１に記載の光学式成分センサ。
【請求項３】
前記第１フィルタおよび前記第２フィルタを透過したそれぞれの光は、集光レンズにより集光されて前記第１受光素子および前記第２受光素子へ受光される
請求項１または２に記載の光学式成分センサ。
【請求項４】
前記成分は、水分である
請求項１〜３のいずれか１項に記載の光学式成分センサ。
【国際調査報告】
2018155290.tif 000009
2018155290.tif 000010
2018155290.tif 000011