(57)【要約】【課題】計測対象物の光学的特性を計測する光計測において、受光素子である半導体素子の温度特性に起因する出力利の誤差を抑制すること。【解決手段】光計測装置１では、光源１０からの出射光（計測光）は、光変調装置１２において変調制御信号に従ったパルス幅変調制御が行われてパルス光に変換され、更に、ビームスプリッタ１８によって透過光と分割光とに分割される。透過光は計測対象物２００に入射され、分割光は光変調用光検出器２０にて受光される。そして、変調制御信号がＨレベルの期間における光変調用光検出器２０の検出値の変化度合いｆの正負及び絶対値に応じて、変調制御信号のデューティ比が変更される。【選択図】図１
2013246037.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
計測光の光路中に配置した計測対象物を通過した通過光に基づいて、当該計測対象物の光学的性質を計測する光計測装置であって、
前記光路中の光を透過光と分割光とに分割する分割部と、
前記分割光を受光する光検出部と、
前記光検出部の検出値に基づいて、前記計測光のパルス幅変調制御を行う光変調制御部と、
を備えた光計測装置。
【請求項２】
計測光の光路中に配置した計測対象物を通過した通過光に基づいて、当該計測対象物の光学的性質を計測する光計測装置であって、
前記通過光を受光する光検出部と、
前記光検出部の検出値に基づいて、前記計測光のパルス幅変調制御を行う光変調制御部と、
を備えた光計測装置。
【請求項３】
前記光変調制御部は、前記検出値の変化度合に基づいて、デューティ比を変更するパルス幅変調制御を行う、
請求項１又は２に記載の光計測装置。
【請求項４】
前記光変調制御部は、前記検出値が増加傾向の場合にはデューティ比を小さく、減少傾向の場合にはデューティ比を大きくするパルス幅変調制御を行う、
請求項１〜３の何れか一項に記載の光計測装置。
【請求項５】
前記光変調制御部は、過去所定時間分の前記検出値に基づいてデューティ比を変更するパルス幅変調制御を行う、
請求項１〜４の何れか一項に記載の光計測装置。
【請求項６】
前記光変調制御部は、前記光計測装置が計測動作を開始して後の前記検出値が所定条件を満たした場合に前記パルス幅変調制御を開始する、
請求項１〜５の何れか一項に記載の光計測装置。
【請求項７】
前記通過光を受光する通過光受光部と、
前記パルス幅変調制御によって前記計測光が無い期間の前記通過光受光部の検出値を用いて、前記通過光受光部の検出値を補正し、前記計測対象物の光学的性質を判定する判定部と、
を更に備えた請求項１に記載の光計測装置。
【請求項８】
計測光の光路中に配置した計測対象物を通過した通過光に基づいて、当該計測対象物の光学的性質を計測する光計測装置における計測光制御方法であって、
前記光路中の光を分割した分割光、或いは、前記通過光を受光する光検出部の検出値に基づいて、前記計測光をパルス幅変調制御することを特徴とする計測光制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、計測対象物の光学的性質を計測する光計測装置等に関する。
【背景技術】
【０００２】
物質を透過した光を測定することで、その物質に直接触れることなく、物質の成分を知ることができる。例えば、旋光角を計測すると、物質の濃度が推定できる。旋光とは、例えばグルコースのような光学活性物質を直線偏光が通過すると、その偏光面が回転する性質のことである。この旋光性を利用した技術として、例えば特許文献１には、直線偏光がサンプルセルを通過した通過光を直交分離し、その直交分離された偏光成分それぞれを２つの受光素子で受光し、その両受光素子の出力レベルの差を用いて旋光角を測定する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開第９９／３０１３２号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述の技術では、受光素子として、光電変換によって光量に応じた電流を検出値として出力するフォトダイオード等の半導体素子が用いられるが、この半導体素子が有する温度特性に起因する測定精度の低下という問題がある。つまり、半導体素子には、温度が上昇すると、電気伝導性が増加して素子内を流れる電流が増加するという特性がある。これにより、物質に照射する計測光の強度が一定であっても、受光素子における受光時間が長いほど、温度上昇によって出力値が増加するため、計測誤差が大きくなる。特に、グルコースの旋光測定など、微量の計測光の変化を測定する光測定においては、許容できない誤差となる。
【０００５】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、計測対象物の光学的特性を計測する光計測において、受光素子である半導体素子の温度特性に起因する出力利の誤差を抑制することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するための第１の形態は、計測光の光路中に配置した計測対象物を通過した通過光に基づいて、当該計測対象物の光学的性質を計測する光計測装置であって、前記光路中の光を透過光と分割光とに分割する分割部と、前記分割光を受光する光検出部と、前記光検出部の検出値に基づいて、前記計測光のパルス幅変調制御を行う光変調制御部と、を備えた光計測装置である。
【０００７】
また、第２の形態は、計測光の光路中に配置した計測対象物を通過した通過光に基づいて、当該計測対象物の光学的性質を計測する光計測装置であって、前記通過光を受光する光検出部と、前記光検出部の検出値に基づいて、前記計測光のパルス幅変調制御を行う光変調制御部と、を備えた光計測装置である。
【０００８】
また、他の形態として、計測光の光路中に配置した計測対象物を通過した通過光に基づいて、当該計測対象物の光学的性質を計測する光計測装置における計測光制御方法であって、前記光路中の光を分割した分割光、或いは、前記通過光を受光する光検出部の検出値に基づいて、前記計測光をパルス幅変調制御することを特徴とする計測光制御方法を構成しても良い。
【０００９】
この第１の形態等によれば、計測光の光路中に配置した計測対象物を通過した通過光に基づいて当該計測対象物の光学的性質を計測する光計測装置において、光路中の光を分割した分割光、或いは、通過光を受光する光検出部の検出値に基づいて、計測光のパルス幅変調が行われる。計測光のパルス幅変調を行うことで、光検出部における受光が間欠的となるため、光検出部の受光による温度上昇を抑制し、半導体素子の温度特性による計測誤差を抑制することができる。また、パルス幅変調を光検出部の検出値に基づいて行うことで、光検出部の現在の温度に相当する値をフィードバックした適切なパルス幅変調を実現することができる。
【００１０】
また、第３の形態として、第１又は第２の形態の光計測装置であって、前記光変調制御部は、前記検出値の変化度合に基づいて、デューティ比を変更するパルス幅変調制御を行う、光計測装置を構成しても良い。
【００１１】
この第３の形態によれば、光検出部の検出値の変化度合いに基づいて、デューティ比を変更するパルス幅変調制御が行われる。デューティ比を変更することで、光検出部の受光時間を可変することができる。
【００１２】
また、第４の形態として、第１〜第３の何れかの形態の光計測装置であって、前記光変調制御部は、前記検出値が増加傾向の場合にはデューティ比を小さく、減少傾向の場合にはデューティ比を大きくするパルス幅変調制御を行う、光計測装置を構成しても良い。
【００１３】
この第４の形態によれば、検出値が増加傾向の場合にはデューティ比を小さくし、減少傾向の場合にはデューティ比を大きくするパルス幅変調が行われる。受光による光エネルギーの一部が熱に変換されることから、受光時間の増加に伴って光検出部の温度が上昇する。このため、光検出部の検出値が増加傾向の場合には、デューティ比を小さくする計測光のパルス幅変調を行うことで、受光時間を短くして温度上昇を抑制することができる。逆に、検出値が減少傾向の場合には、デューティ比を大きくするパルス幅変調を行うことで、受光時間を長くして温度低下を抑制することができる。このように、検出値が増加傾向であるか減少傾向であるかに応じて、デューティ比を小さく／大きくするパルス幅変調を行うことで、光受光部の温度変化を抑制して一定に保ち、温度特性による計測誤差を抑制することができる。
【００１４】
また、第５の形態として、第１〜第４の何れかの形態の光計測装置であって、前記光変調制御部は、過去所定時間分の前記検出値に基づいてデューティ比を変更するパルス幅変調制御を行う、光計測装置を構成しても良い。
【００１５】
この第５の形態によれば、過去所定時間分の検出値に基づいて、デューティ比を変更するパルス幅変調が行われる。
【００１６】
また、第６の形態として、第１〜第５の何れかの形態の光計測装置であって、前記光変調制御部は、前記光計測装置が計測動作を開始して後の前記検出値が所定条件を満たした場合に前記パルス幅変調制御を開始する、光計測装置を構成しても良い。
【００１７】
この第６の形態によれば、光計測装置が計測動作を開始して後、検出値が所定条件を満たした場合に、パルス幅変調制御が開始される。計測動作の開始直後は動作が不安定なために計測光に対するパルス幅変調制御を行わず、例えば、所定条件として、検出値が安定したとみなせる値に達した場合に、パルス幅変調制御を開始する。
【００１８】
また、第７の形態として、第１の形態の光計測装置であって、前記通過光を受光する通過光受光部と、前記パルス幅変調制御によって前記計測光が無い期間の前記通過光受光部の検出値を用いて、前記通過光受光部の検出値を補正し、前記計測対象物の光学的性質を判定する判定部と、を更に備えた光計測装置を構成しても良い。
【００１９】
この第７の形態によれば、パルス幅変調制御によって計測光が無い期間の、計測対象物を通過した通過光を受光する通過光受光部の検出値を用いて、当該通過光受光部の検出値を補正し、計測対象物の光学的性質が判定される。パルス幅変調によって計測値が無い期間では、通過光受光部の検出値は「ゼロ」となるはずである。このため、パルス幅変調によって計測値が無い期間の通過光受光部の検出値に基づいて、当該通過光受光部の検出値を補正することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】光計測装置の構成図。
【図２】制御装置の機能構成図。
【図３】光検出器の検出値の変化度合いの算出説明図。
【図４】光検出器の検出値の変化度合いの算出説明図。
【図５】光変調処理のフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。但し、本発明の適用可能な実施形態がこれに限定されるものではない。
【００２２】
［構成］
図１は、本実施形態における光計測装置１の構成図である。この光計測装置１は、計測対象物２００の光学的性質を計測する装置である。計測対象物２００は、光学活性物質を含有する固体や液体等の任意の試料とすることが可能である。光計測装置１は、この計測対象物２００を通過した通過光を受光して、当該計測対象物２００の光学的性質である旋光角を計測する。
【００２３】
図１に示すように、光計測装置１は、光源１０と、光変調装置１２と、コリメートレンズ１４と、偏光子１６と、ビームスプリッタ１８と、光変調用光検出器２０と、偏光ビームスプリッタ２２と、計測用光検出器２４，２６と、減算器２８，３０と、差動増幅器３２と、加算増幅器３４と、制御装置１００とを備えて構成され、ビームスプリッタ１８と偏光ビームスプリッタ２２との間に、計測対象物２００が置かれる。
【００２４】
光源１０は、計測光を生成し出力する。例えば、半導体レーザ（レーザダイオード）を有して構成され、所定波長（例えば、６５０ｎｍ）の位相の揃った光であるレーザ光を、ハーフミラーである端面から出射する。
【００２５】
光変調装置１２は、制御装置１００から入力される変調制御信号（パルス信号）に従って開閉が駆動されるシャッター機構を有して構成され、光源１０からの出射光に対するパルス幅変調を行ってパルス光に変換する。
【００２６】
コリメートレンズ１４は、光変調装置１２からの出射光を平行光に変換する。偏光子１６は、例えば、偏光プリズムなどの偏光用光学素子を有して構成され、コリメートレンズ１４から出射される平行光を直線偏光に変換する。
【００２７】
ビームスプリッタ１８は、コリメートレンズ１４から出射される直線偏光を、透過光と分割光とに分割する。
【００２８】
光変調用光検出器２０は、ビームスプリッタ１８からの出射光のうち、一方の分割光を受光する。例えば、フォトダイオード等の光検出器を有して構成され、光電変換によって受光した分割光の光量に比例した電流を検出値として出力する。
【００２９】
偏光ビームスプリッタ２２は、ビームスプリッタ１８からの出射光のうち、他方の透過光が計測対象物２００を通過した通過光を、互いに９０度異なる偏光成分に直交分離する。
【００３０】
計測用光検出器２４，２６は、それぞれ、偏光ビームスプリッタ２２によって直交分離された光を受光する。例えば、フォトダイオード等の光検出器を有して構成され、偏光ビームスプリッタ２２によって直交分離された互いに直交する偏光成分（Ｐ成分及びＳ成分）を検出し、光電変換を行うことで、受光した光量に比例した電流を検出値として出力する。なお、光変調用光検出器２０と、計測用光検出器２４，２６とは、同一規格の光検出器を用いて構成されることとする。
【００３１】
減算器２８，３０は、それぞれ、計測用光検出器２４，２６による検出値に対して、制御装置１００から入力される補正値を減算して出力する。差動増幅器３２は、減算器２８，３０それぞれからの出力値の差を増幅して出力する。加算増幅器３４は、減算器２８，３０それぞれからの出力値の和を増幅して出力する。
【００３２】
［制御装置］
図２は、制御装置１００の機能構成図である。図２によれば、制御装置１００は、機能的には、処理部１１０と、操作部１２２と、表示部１２４と、音出力部１２６と、通信部１２８と、記憶部１３０とを備えて構成される。
【００３３】
処理部１１０は、例えばＣＰＵ等の演算装置で実現され、記憶部１３０に記憶されたプログラムやデータ等の各種プログラムに従って、制御装置１００の各部を統括的に制御する。本実施形態では、処理部１１０は、旋光角算出部１１２と、光変調制御部１１４とを有している。
【００３４】
旋光角算出部１１２は、光変調制御部１１４によって生成される変調制御信号がＨレベルの期間における差動増幅器３２及び加算増幅器３４の出力値をもとに、計測対象物２００の旋光角を算出する。
【００３５】
光変調制御部１１４は、光変調用光検出器２０の検出値をもとに、光源１０から出射される計測光をパルス幅変調制御するための変調制御信号を生成する。具体的には、変調制御信号がＨレベルの期間（受光期間）Ｔ１における光変調用光検出器２０の検出値の変化（変動）に基づいて、変調制御信号のデューティ比を変更するフィードバック制御を行う。
【００３６】
図３は、変調制御信号と、光変調用光検出器２０の検出値との一例を示す波形図である。図３において、上に変調制御信号、下に光変調用光検出器２０の検出値を示している。
【００３７】
変調制御信号は、パルス信号であり、Ｈレベルの受光期間Ｔ１と、Ｌレベルの非受光期間Ｔ２とを、所定の周期Ｔで繰り返す。従って、変調制御信号のデューティ比は「Ｔ１／Ｔ２」となる。
【００３８】
受光期間Ｔ１において、光源１０からの出射光（計測光）は、光変調装置１２を通過して計測対象物２００に照射され、受光期間Ｔ２においては、光源１０からの出射光（計測光）は、光変調装置１２にて遮断されるため、光変調用光検出器２０及び計測用光検出器２４，２６では受光されない。
【００３９】
先ず、受光期間Ｔ１における光変調用光検出器２０の検出値を、所定の時間間隔Δｔ（＜Ｔ）で取り込む。次いで、これらのｍ個の検出値ｄ１〜ｄｍの平均値ｅを算出し、これを、１パルス分の検出平均値ｅとする。
【００４０】
続いて、図４に示すように、連続する複数のパルスそれぞれについて、同様に、検出平均値ｅを算出する。そして、これらの連続するｎパルス分の検出平均値ｅ１〜ｅｎの変化度合いｆを算出する。変化度合いｆの算出方法としては、例えば、検出平均値ｅ１〜ｅｎそれぞれに対する時間微分処理を行ったり、或いは、ｎ個の検出平均値に対する最小二乗法を行って回帰直線（近似直線）を算出し、この一次関数の傾きを変化度合いｆとする。
【００４１】
そして、この変化度合いｆの正負（符号）、及び、絶対値に応じて、変調制御信号のデューティ比を変更する。具体的には、変化度合いｆが、ゼロを中心とした所定範囲ならば、デューティ比の変更を行わない。一方、変化度合いが所定範囲外ならば、その正負及び絶対値に応じて、デューティ比を変更する。すなわち、変化度合いｆが正値ならば、温度が上昇しているとみなして、変化度合いｆの絶対値に応じた値だけ、デューティ比を小さくするように変更する。一方、変化度合いｆが負値ならば、温度が低下しているとみなして、変化度合いの絶対値に応じた値だけ、デューティ比を大きくするように変更する。
【００４２】
なお、変調制御信号の周期Ｔは一定とし、受光期間Ｔ１を可変することで、デューティ比を偏光する。また、デューティ比には下限値（受光期間Ｔ１の下限値ともいえる）が定められており、この下限値を下回らないように変更される。
【００４３】
このデューティ比の制御は、次の理由による。光源１０の出力が安定しているとき、光変調用光検出器２０が受光する分割光の光量は一定であるため、光変調用光検出器２０の検出値は一定となるはずである。つまり、光変調用光検出器２０の検出値の変動は、当該光検出器の温度変動に起因するとみなせる。半導体素子は温度が上昇すると電気伝導性が大きくなるため、光変調用光検出器２０の検出値が増加し、逆に、温度が低下すると電気伝導性が小さくなるため、検出値は減少する。このため、光変調用光検出器２０の検出値の変化度合いｆの正負、及び、絶対値に応じて、この変化度合いｆが「ゼロ」になるように変調制御信号のデューティ比を変更することで、温度変動による検出値の変動を抑制する。
【００４４】
光変調用光検出器２０と、計測用光検出器２４，２６とは、同一規格の光掲出器（フォトダイオード）で構成される。このため、両者は同一の特性を有するとみなし、光変調用光検出器２０の検出値に基づいて変調制御信号のデューティ比を変更することで、計測用光検出器２４，２６における、受光に起因する温度変動による検出値の変動を抑制することができる。
【００４５】
また、光変調制御部１１４は、変調制御信号がＬレベルである非受光期間Ｔ２における光変調用光検出器２０の検出値に応じて、計測用光検出器２４，２６の検出値に対する補正値を算出する。変調制御信号の非受光期間Ｔ２では、計測光は光変調装置１２によって遮断されて光変調用光検出器２０では受光されないが、フォトダイオード等の光検出器では、受光していない状態でも出力値はゼロとならない。この出力値は暗電流と呼ばれ、温度等によって変動する。つまり、受光期間Ｔ１における検出値にもこの暗電流は含まれており、旋光角の計測誤差の原因となっている。そこで、非受光期間Ｔ２における光変調用光検出器２０の検出値をもとに、暗電流に相当する補正値を決定し、これを減算器２８，３０に入力することで、計測用光検出器２４，２６の検出値を補正して計測誤差を抑制する。
【００４６】
操作部１２２は、例えばボタンスイッチやタッチパネル等の入力装置で実現され、なされた操作に応じた操作信号を処理部１１０に出力する。表示部１２４は、例えばＬＣＤ等の表示装置で実現され、処理部１１０から入力される表示信号に基づく各種表示を行う。音出力部１２６は、例えばスピーカ等の音出力装置で実現され、処理部１１０から入力される音信号に基づき、例えば動作確認用のビープ音などの各種音出力を行う。通信部１２８は、外部装置との間で有線通信又は無線通信を行うための通信装置であり、処理部１１０の制御のもと、外部装置との通信を行う。
【００４７】
記憶部１３０は、例えばＲＯＭやフラッシュＲＯＭ、ＲＡＭ、ハードディスク等の記憶装置で実現され、処理部１１０が制御装置１００と統括的に制御するためのシステムプログラムや、各種機能を実現するための各種プログラムやデータ等を記憶するとともに、処理部１１０の作業領域として用いられ、処理部１１０が各種プログラムに従って実行した演算結果等が一時的に格納される。本実施形態では、記憶部１３０には、光変調制御プログラム１３２と、検出値データ１３４と、検出平均値データ１３６と、デューディ比データ１３８と、補正値データ１４０とが記憶される。
【００４８】
［処理の流れ］
図５は、変調制御処理の流れを説明するフローチャートである。この処理は、光変調制御部１１４が、光変調制御プログラム１３２を実行することで実現される処理である。
【００４９】
先ず、光計測装置１の電源投入直後は、光源１０の出射光に対するパルス幅変調制御は行わず、変調制御信号としてＨレベルの信号を出力する。
【００５０】
そして、旋光角算出部１１２による旋光角の算出（計測動作）が開始され、光変調用光検出器２０の検出値が、この計測動作が安定したとみなす安定条件を満たす値となったならば（ステップＡ１：ＹＥＳ）、変調制御信号のデューティ比を「５０％」に初期設定して、光源１０の出射光に対するパルス変調制御を開始する。（ステップＡ３）。
【００５１】
次いで、変調制御信号がＨレベルの期間Ｔ１において（ステップＡ５：ＹＥＳ）、光変調用光検出器２０の検出値を、所定時間Δｔの間隔で取り込む（ステップＡ７）。
【００５２】
そして、変調制御信号がＬレベルに変化すると（ステップＡ９：ＹＥＳ）、今回のパルスを含む連続するｎパルス分の検出値の変化度合いｆを算出する（ステップＡ１１）。すなわち、取り込んだｍ個の検出値ｄ（ｄ１〜ｄｍ）の平均値ｅを算出し、次いで、今回のパルスを含む過去の連続するｎパルス分の検出平均値ｅ（ｅ１〜ｅｎ）の変化度合いを算出する。続いて、算出した変化度合いｆに応じて、変調制御信号のデューティ比を変更する（ステップＡ１３）。
【００５３】
また、光変調用光検出器２０の検出値を暗電流とみなして、補正値を設定・更新する（ステップＡ１５）。
【００５４】
その後、電源遮断等によって処理を終了するか否かを判断し、終了しないならば（ステップＡ１７：ＮＯ）、ステップＡ５に戻り、同様の処理を繰り返す。処理を終了するならば（ステップＡ１７：ＹＥＳ）、本処理を終了する。
【００５５】
［作用効果］
このように、本実施形態の光計測装置１では、変調制御信号に従って、光源１０からの出射光（計測光）に対するパルス幅変調制御が行われてパルス光に変換される。また、計測光をビームスプリッタ１８によって分割した分割光が光変調用光検出器２０にて受光され、変調制御信号がＨレベルの受光期間Ｔ１における、光変調用光検出器２０の検出値の変化度合いｆの正負、及び、絶対値に応じて、変調制御信号のデューティ比が変更される。これにより、計測光の受光による計測用光検出器２４，２６の温度上昇に起因する計測誤差を抑制することができる。
【００５６】
［変形例］
なお、本発明の適用可能な実施形態は、上述の実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能なのは勿論である。
【００５７】
（Ａ）
例えば、上述の実施形態では、光変調用光検出器２０の検出値を用いて、光源１０の出射光（計測光）に対するパルス幅変調を行うことにしたが、計測用光検出器２４，２６の検出値を用いることにしても良い。具体的には、計測用光検出器２４，２６どちらか一方の検出値、或いは、両方の検出値を用いて、同様に、検出値の変化度合いを算出し、変調制御信号のデューティ比を変更する。
【符号の説明】
【００５８】
１  光計測装置、１０  光源、１２  光変調装置、１４  コリメートレンズ、１６  偏光子、１８  ビームスプリッタ、２０  光変調用光検出器、２２  偏光ビームスプリッタ、２４，２６  計測用光検出器、２８，３０  減算器、３２  差動増幅器、３４  加算増幅器、１００  制御装置、１１０  処理部、１１２  旋光角算出部、１１４  光変調制御部、１２２  操作部、１２４  表示部、１２６  音出力部、１２８  通信部、１３０  記憶部、１３２  光変調制御プログラム、１３４  検出値データ、１３６  検出平均値データ、１３８  デューティ比データ、１４０  補正値データ、２００  計測対象物
【図１】
2013246037.tif 000003
【図２】
2013246037.tif 000004
【図３】
2013246037.tif 000005
【図４】
2013246037.tif 000006
【図５】
2013246037.tif 000007