(57)【要約】【課題】汎用性が高い光学式成分センサを提供する。【解決手段】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検知光ＬＤ１を発する検知用光源２１と、成分による吸収波長を含まない参照光ＬＲ１を発する参照用光源２２と、検知用光源２１及び参照用光源２２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によって反射された反射検知光ＬＤ４を受光する、筐体１０内に収容された検知用受光素子３１と、対象物２によって反射された反射参照光ＬＲ４を受光する、筐体１０内に収容された参照用受光素子３２と、検知用受光素子３１から出力された反射検知光ＬＤ４に対応する検知信号と参照用受光素子３２から出力された反射参照光ＬＲ４に対応する参照信号とに基づいて、対象物２が含む成分を検知する信号処理回路７０と、検知用光源２１の発光と参照用光源２２の発光とを個別に制御する制御回路６０とを備える。【選択図】図２
2017161411.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検知光を発する第１光源と、
前記成分による吸収波長を含まない参照光を発する第２光源と、
前記第１光源及び前記第２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よって反射された前記検知光の少なくとも一部である反射検知光を受光する、前記筐体内に収容された第１受光素子と、
前記対象物によって反射された前記参照光の少なくとも一部である反射参照光を受光する、前記筐体内に収容された第２受光素子と、
前記第１受光素子から出力された前記反射検知光に対応する検知信号と前記第２受光素子から出力された前記反射参照光に対応する参照信号とに基づいて、前記対象物が含む前記成分を検知する信号処理回路と、
前記第１光源の発光と前記第２光源の発光とを個別に制御する制御回路とを備える
光学式成分センサ。
【請求項２】
さらに、
前記検知光の少なくとも一部及び前記参照光の少なくとも一部を、同軸かつ同スポットサイズで前記筐体から前記対象物に向けて出射する光学素子を備える
請求項１に記載の光学式成分センサ。
【請求項３】
前記第１受光素子は、さらに、前記参照光の一部である部分参照光を受光し、
前記第２受光素子は、さらに、前記検知光の一部である部分検知光を受光し、
前記信号処理回路は、基準検知光に対する前記部分検知光の差分に基づいて前記検知信号を補正し、かつ、基準参照光に対する前記部分参照光の差分に基づいて前記参照信号を補正し、補正後の前記検知信号及び補正後の前記参照信号に基づいて前記成分を検知する
請求項１又は２に記載の光学式成分センサ。
【請求項４】
前記制御回路は、前記第１光源及び前記第２光源を時間排他的に発光させる
請求項３に記載の光学式成分センサ。
【請求項５】
さらに、
前記第１光源が発する検知光を、前記筐体の外部に出射される出射検知光と、前記第２受光素子に入射する部分検知光とに分離し、かつ、前記第２光源が発する参照光を、前記筐体の外部に出射される出射参照光と、前記第１受光素子に入射する部分参照光とに分離する光分離部を備え、
前記反射検知光は、前記出射検知光が前記対象物によって反射された光の少なくとも一部であり、
前記反射参照光は、前記出射参照光が前記対象物によって反射された光の少なくとも一部である
請求項３又は４に記載の光学式成分センサ。
【請求項６】
前記光分離部は、
（ｉ）前記第１光源が発する検知光の前記第１受光素子に対する結合効率をＧｄ、前記第１光源が発する検知光の前記第２受光素子に対する結合効率をＧｄｒとしたとき、前記対象物による前記出射検知光の反射率をＲｄ、前記成分を検知するための最小検知分解能をＤＲｍｉｎとしたとき、前記第１光源が発する検知光に対する前記部分検知光を示す分離比率Ｍｄが、
（式Ａ）  Ｇｄ×Ｒｄ×ＤＲｍｉｎ＞Ｍｄ＞Ｒｄ×（Ｇｄ×ＤＲｍｉｎ−Ｇｄｒ）
を満たす条件で、前記第１光源が発する検知光を前記出射検知光と前記部分検知光とに分離し、
（ｉｉ）前記第２光源が発する参照光の前記第２受光素子に対する結合効率をＧｒ、前記第２光源が発する参照光の前記第１受光素子に対する結合効率をＧｒｄとしたとき、前記対象物による前記出射参照光の反射率をＲｒとしたとき、前記第２光源が発する参照光に対する前記部分参照光を示す分離比率Ｍｒが、
（式Ｂ）  Ｇｒ×Ｒｒ×ＤＲｍｉｎ＞Ｍｒ＞Ｒｒ×（Ｇｒ×ＤＲｍｉｎ−Ｇｒｄ）
を満たす条件で、前記第２光源が発する参照光を前記出射参照光と前記部分参照光とに分離する
請求項５に記載の光学式成分センサ。
【請求項７】
前記第１受光素子は、さらに、前記参照光の一部である部分参照光を受光し、
前記制御回路は、前記検知信号の信号レベルに基づいて、前記第１光源の発光期間と前記第２光源の発光期間とを部分的にオーバーラップさせる
請求項１又は２に記載の光学式成分センサ。
【請求項８】
前記制御回路は、
前記検知信号の信号レベルが所定の閾値より小さい場合に、前記第１光源の発光期間と前記第２光源の発光期間とが部分的にオーバーラップするように、前記第１光源と前記第２光源とを交互に繰り返し発光させ、
前記検知信号の信号レベルが前記閾値より大きい場合に、前記第１光源と前記第２光源とを時間排他的に交互に繰り返し発光させる
請求項７に記載の光学式成分センサ。
【請求項９】
前記信号処理回路は、前記検知信号の信号レベルが所定の閾値より小さい場合に、オーバーラップ期間における前記第１受光素子の出力信号と、前記第２光源のみが発光している期間における前記第１受光素子の出力信号との差分を、前記検知信号として生成する
請求項８に記載の光学式成分センサ。
【請求項１０】
さらに、
前記第１受光素子に入射する前記反射検知光の光路上に配置され、前記反射検知光を透過し、かつ、前記反射参照光を吸収する第１光学フィルタと、
前記第２受光素子に入射する前記反射参照光の光路上に配置され、前記反射参照光を透過し、かつ、前記反射検知光を吸収する第２光学フィルタとを備える
請求項１〜９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、検知光と参照光とを用いて所定の成分を検知する光学式成分センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
試料の成分分析を行う分析装置として、例えば、特許文献１に記載の分析装置が知られている。特許文献１に記載の分析装置は、反応管内の試料の光学的特性をもとに当該試料を分析する装置である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−４７５４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記従来の分析装置では、反応管内の試料を分析することができる一方で、反応管に入れられない対象物を分析することができずに、汎用性が低いという問題がある。
【０００５】
そこで、本発明は、汎用性が高い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】
上記目的を達成するため、本発明の一態様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検知光を発する第１光源と、前記成分による吸収波長を含まない参照光を発する第２光源と、前記第１光源及び前記第２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よって反射された前記検知光の少なくとも一部である反射検知光を受光する、前記筐体内に収容された第１受光素子と、前記対象物によって反射された前記参照光の少なくとも一部である反射参照光を受光する、前記筐体内に収容された第２受光素子と、前記第１受光素子から出力された前記反射検知光に対応する検知信号と前記第２受光素子から出力された前記反射参照光に対応する参照信号とに基づいて、前記対象物が含む前記成分を検知する信号処理回路と、前記第１光源の発光と前記第２光源の発光とを個別に制御する制御回路とを備える。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、汎用性が高い光学式成分センサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施の形態１に係る光学式成分センサの構成を示す模式図である。
【図２】実施の形態１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】実施の形態１に係る光学式成分センサの検知対象である水分の吸光スペクトルを示す図である。
【図４】実施の形態１に係る光学式成分センサの検知光及び参照光のスペクトルを示す図である。
【図５】実施の形態１に係る光学式成分センサの受光素子の感度特性を示す図である。
【図６】実施の形態１に係る光学式成分センサの動作を示すタイムチャートである。
【図７Ａ】実施の形態１に係る光学式成分センサの検知光の光路の一例を示す図である。
【図７Ｂ】実施の形態１に係る光学式成分センサの参照光の光路の一例を示す図である。
【図７Ｃ】実施の形態１に係る光学式成分センサの検知光の光路の一例を示す図である。
【図７Ｄ】実施の形態１に係る光学式成分センサの参照光の光路の一例を示す図である。
【図８】実施の形態２に係る光学式成分センサの動作を示すタイムチャートである。
【図９】実施の形態の変形例に係る光学式成分センサの構成を示す模式図である。
【図１０】実施の形態の変形例に係る光学フィルタの透過スペクトルを示す図である。
【図１１】実施の形態の変形例に係る光学式成分センサの検知光の光路の一例を示す図である。
【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。また、各図において、同じ構成部材については同じ符号を付している。
【００１１】
（実施の形態１）
［光学式センサ］
まず、実施の形態１に係る光学式成分センサの概要について、図１及び図２を用いて説明する。図１は、本実施の形態に係る光学式成分センサ１の構成を示す模式図である。図２は、本実施の形態に係る光学式成分センサ１の機能構成を示すブロック図である。
【００１２】
光学式成分センサ１は、波長の異なる２つの光（検知光及び参照光）を対象物２に照射して、対象物２による反射光（反射検知光及び反射参照光）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センサである。本実施の形態では、光学式成分センサ１は、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、特に限定されないが、例えば、衣類などである。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傷みの発生などを抑制することができる。
【００１４】
図１に示すように、光学式成分センサ１は、筐体１０と、検知用光源２１と、参照用光源２２と、検知用受光素子３１と、参照用受光素子３２と、光学素子４０と、検知用レンズ５１と、参照用レンズ５２とを備える。また、図２に示すように、光学式成分センサ１は、光分離部４１と、制御回路６０と、信号処理回路７０とを備える。
【００１５】
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。
【００１６】
［筐体］
筐体１０は、検知用光源２１及び参照用光源２２を収容する筐体である。図１に示すように、筐体１０には、さらに、検知用受光素子３１、参照用受光素子３２及び光学素子４０が収容されている。
【００１７】
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３１及び参照用受光素子３２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、検知光ＬＤ１及び参照光ＬＲ１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。
【００１８】
筐体１０の外壁には、開口が設けられ、当該開口に検知用レンズ５１及び参照用レンズ５２が取り付けられている。また、図示しないが、筐体１０の外壁には、検知用光源２１及び参照用光源２２が発した光を外部に出射するための開口が設けられている。
【００１９】
［検知用光源］
検知用光源２１は、所定の成分による吸収波長を含む検知光ＬＤ１を発する第１光源の一例である。具体的には、検知用光源２１は、水分による吸収波長をピーク波長として含む検知光ＬＤ１を発する分散光源である。
【００２０】
図３は、本実施の形態に係る光学式成分センサ１の検知対象である水分の吸収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の波長に吸収ピークを有する。
【００２１】
図４は、本実施の形態に係る光学式成分センサ１の検知光及び参照光のスペクトルを示す図である。図４に示すように、検知光ＬＤ１は、水分による吸収波長である１４５０ｎｍをピーク波長として含む赤外光である。
【００２２】
検知用光源２１は、例えば、図４の実線で示すスペクトルを有する赤外光を発する発光素子である。発光素子は、例えば、ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ）素子であるが、これに限らない。発光素子としては、半導体レーザ素子又は有機ＥＬ（Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）素子などを用いてもよい。
【００２３】
検知用光源２１は、図１に示すように、筐体１０内の所定の位置に固定されている。本実施の形態では、検知用光源２１は、光学素子４０を間に挟んで、参照用受光素子３２と向かい合うように配置されている。検知用光源２１が発した検知光ＬＤ１は、一部（出射検知光ＬＤ３）が光学素子４０によって反射されて筐体１０の外部に出射され、他の一部（部分検知光ＬＤ２）は光学素子４０を透過して参照用受光素子３２に入射する。詳細については、図７Ａを用いて後で説明する。
【００２４】
［参照用光源］
参照用光源２２は、所定の成分による吸収波長を含まない参照光ＬＲ１を発する第２光源の一例（分散光源）である。図４に示すように、参照光ＬＲ１は、水分による吸収波長である約１４５０ｎｍの波長を含まずに、例えば、当該吸収波長とは異なる約１３００ｎｍの波長をピーク波長として含んでいる。
【００２５】
なお、吸収波長を含まないとは、吸収波長を全く含まないことのみを意味する訳ではない。参照光ＬＲ１は、ピーク波長に比べて十分に小さい強度の吸収波長を含んでもよい。例えば、参照光ＬＲ１は、検知分解能より小さい強度の吸収波長を含んでもよい。
【００２６】
参照用光源２２は、例えば、図４の破線で示すスペクトルを有する赤外光を発する発光素子である。すなわち、参照用光源２２は、検知用光源２１が発する赤外光のピーク波長とは異なる波長をピーク波長として含む赤外光を発する。発光素子は、例えば、ＬＥＤ素子であるが、半導体レーザ素子又は有機ＥＬ素子などでもよい。
【００２７】
参照用光源２２は、図１に示すように、筐体１０内の所定の位置に固定されている。本実施の形態では、参照用光源２２は、光学素子４０を間に挟んで、検知用受光素子３１と向かい合うように配置されている。参照用光源２２が発した参照光ＬＲ１は、一部（出射参照光ＬＲ３）が光学素子４０によって反射されて筐体１０の外部に出射され、他の一部（部分参照光ＬＲ２）は光学素子４０を透過して検知用受光素子３１に入射する。詳細については、図７Ｂを用いて後で説明する。
【００２８】
［検知用受光素子］
検知用受光素子３１は、対象物２によって反射された検知光ＬＤ１の少なくとも一部である反射検知光ＬＤ４を受光する第１受光素子の一例である。検知用受光素子３１は、受光した反射検知光ＬＤ４を光電変換することで、反射検知光ＬＤ４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７０に出力される。
【００２９】
反射検知光ＬＤ４は、検知光ＬＤ１の一部である出射検知光ＬＤ３が対象物２によって反射された光である。反射検知光ＬＤ４のピーク波長は、検知光ＬＤ１のピーク波長（約１４５０ｎｍ）と同じである。
【００３０】
本実施の形態では、検知用受光素子３１は、さらに、参照光ＬＲ１の一部である部分参照光ＬＲ２を受光する。なお、部分参照光ＬＲ２のピーク波長は、参照光ＬＲ１のピーク波長（約１３００ｎｍ）と同じである。検知用受光素子３１は、受光した部分参照光ＬＲ２を光電変換することで、部分参照光ＬＲ２の受光量に応じた電気信号である部分参照信号を生成する。生成された部分参照信号は、信号処理回路７０に出力される。
【００３１】
図５は、本実施の形態に係る光学式成分センサ１の受光素子の感度特性を示す図である。本実施の形態では、図５に示す特性を有する受光素子を、検知用受光素子３１及び参照用受光素子３２の各々に用いる。
【００３２】
具体的には、図５に示すように、検知用受光素子３１の受光感度は、１０００ｎｍ〜１６００ｎｍの範囲の波長に対して正の相関を有する。なお、検知用受光素子３１の受光感度は、これに限定されず、例えば、各波長に対して略一定の感度でもよい。
【００３３】
このように、検知用受光素子３１は、検知光ＬＤ１及び参照光ＬＲ１の各々のピーク波長に対して十分に強い受光感度を有する。したがって、検知用受光素子３１は、反射検知光ＬＤ４及び部分参照光ＬＲ２を受光し、各々の受光量に応じた電気信号を生成することができる。
【００３４】
検知用受光素子３１は、筐体１０内に収容されている。例えば、検知用受光素子３１は、受光面が検知用レンズ５１の焦点に位置するように筐体１０内に固定されている。
【００３５】
検知用受光素子３１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３１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３１と参照用受光素子３２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。
【００３６】
［参照用受光素子］
参照用受光素子３２は、対象物２によって反射された参照光ＬＲ１の少なくとも一部である反射参照光ＬＲ４を受光する第２受光素子の一例である。参照用受光素子３２は、受光した反射参照光ＬＲ４を光電変換することで、反射参照光ＬＲ４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７０に出力される。
【００３７】
反射参照光ＬＲ４は、参照光ＬＲ１の一部である出射参照光ＬＲ３が対象物２によって反射された光である。反射参照光ＬＲ４のピーク波長は、参照光ＬＲ１のピーク波長（約１３００ｎｍ）と同じである。
【００３８】
本実施の形態では、参照用受光素子３２は、さらに、検知光ＬＤ１の一部である部分検知光ＬＤ２を受光する。なお、部分検知光ＬＤ２のピーク波長は、検知光ＬＤ１のピーク波長（約１４５０ｎｍ）と同じである。参照用受光素子３２は、受光した部分検知光ＬＤ２を光電変換することで、部分検知光ＬＤ２の受光量に応じた電気信号である部分検知信号を生成する。生成された部分検知信号は、信号処理回路７０に出力される。
【００３９】
参照用受光素子３２の受光感度は、図５に示す特性を有する。つまり、参照用受光素子３２は、検知光ＬＤ１及び参照光ＬＲ１の各々のピーク波長に対して十分に強い受光感度を有する。したがって、参照用受光素子３２は、反射参照光ＬＲ４及び部分検知光ＬＤ２を受光し、各々の受光量に応じた電気信号を生成することができる。
【００４０】
参照用受光素子３２は、筐体１０内に収容されている。例えば、参照用受光素子３２は、受光面が参照用レンズ５２の焦点に位置するように筐体１０内に固定されている。
【００４１】
参照用受光素子３２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３２は、フォトトランジスタ、又は、イメージセンサでもよい。
【００４２】
［光学素子］
光学素子４０は、検知光ＬＤ１の少なくとも一部及び参照光ＬＲ１の少なくとも一部を、同軸かつ同スポットサイズで筐体１０から対象物２に向けて出射する。光学素子４０は、例えば、凹状の反射面を有し、当該反射面によって検知光ＬＤ１の一部及び参照光ＬＲ１の一部を反射する。検知光ＬＤ１の一部及び参照光ＬＲ１の一部は、例えば、互いに同じ方向に同じ配光角で反射される。
【００４３】
光学素子４０によって反射された検知光ＬＤ１の一部及び参照光ＬＲ１の一部はそれぞれ、出射検知光ＬＤ３及び出射参照光ＬＲ３として、筐体１０の外部に位置する対象物２に向けて出射される。出射検知光ＬＤ３及び出射参照光ＬＲ３は、対象物２の同じ部分に同じスポットサイズで照射される。
【００４４】
光学素子４０は、図２に示す光分離部４１を有する。すなわち、光学素子４０は、検知光ＬＤ１及び参照光ＬＲ１を分離する機能を有する。
【００４５】
具体的には、光分離部４１は、検知光ＬＤ１を出射検知光ＬＤ３と部分検知光ＬＤ２とに分離する。出射検知光ＬＤ３は、検知光ＬＤ１の一部であって、筐体１０の外部に出射される光である。部分検知光ＬＤ２は、検知光ＬＤ１の一部であって、参照用受光素子３２に入射する光である。
【００４６】
さらに、光分離部４１は、参照光ＬＲ１を出射参照光ＬＲ３と部分参照光ＬＲ２とに分離する。出射参照光ＬＲ３は、参照光ＬＲ１の一部であって、筐体１０の外部に出射される光である。部分参照光ＬＲ２は、参照光ＬＲ１の一部であって、検知用受光素子３１に入射する光である。
【００４７】
光分離部４１による検知光ＬＤ１の分離比率Ｍｄ及び参照光ＬＲ１の分離比率Ｍｒは、検知対象の成分の検知分解能ＤＲｍｉｎに基づく所定の条件を満たすように予め設計されている。当該条件については、後で詳細に説明する。
【００４８】
光学素子４０は、例えば、ビームスプリッタ（ハーフミラー）であるが、これに限らない。光学素子４０は、例えば、スリットが設けられた鏡（凹面鏡）でもよい。スリットが光分離部４１に相当する。スリットの開口幅（開口径）を調整することで、分離比率Ｍｄ及びＭｒを所定の値にすることができる。
【００４９】
［検知用レンズ］
検知用レンズ５１は、対象物２によって反射された反射検知光ＬＤ４を検知用受光素子３１に集光するための集光レンズである。検知用レンズ５１は、例えば、焦点が検知用受光素子３１の受光面に位置するように筐体１０に固定されている。検知用レンズ５１は、例えば、樹脂製の凸レンズであるが、これに限らない。
【００５０】
［参照用レンズ］
参照用レンズ５２は、対象物２によって反射された反射参照光ＬＲ４を参照用受光素子３２に集光するための集光レンズである。参照用レンズ５２は、例えば、焦点が参照用受光素子３２の受光面に位置するように筐体１０に固定されている。参照用レンズ５２は、例えば、樹脂製の凸レンズであるが、これに限らない。
【００５１】
［制御回路］
制御回路６０は、検知用光源２１の発光と参照用光源２２の発光とを個別に制御する。具体的には、制御回路６０は、検知用光源２１の発光及び消灯と、参照用光源２２の発光及び消灯とを、独立して制御することができる。
【００５２】
図６は、本実施の形態に係る光学式成分センサ１の動作を示すタイムチャートである。具体的には、図６の（ａ）及び（ｃ）がそれぞれ、検知用光源２１及び参照用光源２２の光出力を示している。図６の（ｂ）及び（ｄ）はそれぞれ、検知用受光素子３１及び参照用受光素子３２の受光信号を示している。
【００５３】
本実施の形態では、図６の（ａ）及び（ｃ）に示すように、制御回路６０は、検知用光源２１及び参照用光源２２を時間排他的に発光させる。つまり、検知用光源２１の発光期間Ｔｄと参照用光源２２の発光期間Ｔｒとは、重複しない。
【００５４】
検知用光源２１の発光期間Ｔｄには、参照光ＬＲ１が出射されないので、検知用受光素子３１では反射検知光ＬＤ４が受光され、参照用受光素子３２では部分検知光ＬＤ２が受光される。参照用光源２２の発光期間Ｔｒには、検知光ＬＤ１が出射されないので、参照用受光素子３２では反射参照光ＬＲ４が受光され、検知用受光素子３１では部分参照光ＬＲ２が受光される。したがって、反射検知光ＬＤ４、部分検知光ＬＤ２、反射参照光ＬＲ４及び部分参照光ＬＲ２は、それぞれ独立して受光されるので、各光の受光量を正確に取得することができる。
【００５５】
より具体的には、制御回路６０は、検知用光源２１及び参照用光源２２を時間排他的に交互に繰り返し発光させる。例えば、制御回路６０は、所定の周波数（例えば、１ｋＨｚ）のパルス信号を検知用光源２１及び参照用光源２２に出力する。検知用光源２１に出力するパルス信号と、参照用光源２２に出力するパルス信号とは、各々のパルスが重複しないように同期されている。
【００５６】
例えば、検知用光源２１のパルス信号は、オンデューティ比が５０％以下のパルス信号である。参照用光源２２のパルス信号は、検知用光源２１のパルス信号の位相を１８０度ずらしたパルス信号である。これにより、検知用光源２１の発光期間Ｔｄと参照用光源２２の発光期間Ｔｒとを、同じ長さの期間とし、かつ、互いに重複しないようにすることができる。
【００５７】
制御回路６０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６０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検知用光源２１及び参照用光源２２に送信してもよい。
【００５８】
制御回路６０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６０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。
【００５９】
［信号処理回路］
信号処理回路７０は、検知用受光素子３１から出力された反射検知光ＬＤ４に対応する検知信号と、参照用受光素子３２から出力された反射参照光ＬＲ４に対応する参照信号とに基づいて、対象物２が含む成分を検知する。具体的には、信号処理回路７０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。
【００６０】
本実施の形態では、信号処理回路７０は、基準検知光に対する部分検知光ＬＤ２の差分に基づいて検知信号を補正し、かつ、基準参照光に対する部分参照光ＬＲ２の差分に基づいて参照信号を補正する。信号処理回路７０は、補正後の検知信号及び補正後の参照信号に基づいて成分を検知する。
【００６１】
基準検知光は、例えば、初期状態の部分検知光である。具体的には、基準検知光は、光学式成分センサ１の製造時（又は、工場出荷時）などの、検知用光源２１が劣化していないときの部分検知光である。したがって、基準検知光に対する部分検知光ＬＤ２の差分は、検知用光源２１の劣化による光量の減少、すなわち、初期状態からの変化に相当する。なお、基準検知光は、初期状態に限らず、検知用光源２１の劣化による光量の減少が検出できればよく、予め定められた信号でもよい。
【００６２】
基準参照光は、例えば、初期状態の部分参照光である。具体的には、基準参照光は、光学式成分センサ１の製造時などの、参照用光源２２が劣化していないときの部分参照光である。したがって、基準参照光に対する部分参照光ＬＲ２の差分は、参照用光源２２の劣化による光量の減少、すなわち、初期状態からの変化に相当する。なお、基準参照光は、初期状態に限らず、参照用光源２２の劣化による光量の減少が検出できればよく、予め定められた信号でもよい。
【００６３】
信号処理回路７０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７０は、無線通信などの通信機能を有し、検知用受光素子３１及び参照用受光素子３２からの出力信号を受信してもよい。
【００６４】
信号処理回路７０は、例えば、マイクロコントローラである。信号処理回路７０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。
【００６５】
［光路］
次に、本実施の形態に係る光学式成分センサ１が出射する検知光及び参照光の光路について、図７Ａ及び図７Ｂを用いて説明する。
【００６６】
図７Ａは、本実施の形態に係る光学式成分センサ１の検知光ＬＤ１の光路を示す図である。図７Ａに示すように、検知用光源２１が発した検知光ＬＤ１は、光学素子４０によって部分検知光ＬＤ２と出射検知光ＬＤ３とに分離される。具体的には、検知光ＬＤ１の一部は、光学素子４０を透過して、部分検知光ＬＤ２として参照用受光素子３２に入射する。
【００６７】
検知光ＬＤ１の他の一部は、光学素子４０によって反射され、出射検知光ＬＤ３として、筐体１０から外部に出射され、対象物２に向かって進行する。なお、筐体１０には出射検知光ＬＤ３を外部に出射させるための開口（図示せず）が設けられている。
【００６８】
出射検知光ＬＤ３は、対象物２によって反射される。このとき、対象物２が水分を含む場合、出射検知光ＬＤ３の一部は水分によって吸収される。水分量が多い程、吸収量が多くなるため、反射検知光ＬＤ４の光エネルギーが、水分量に応じて出射検知光ＬＤ３に比べて低くなる。反射検知光ＬＤ４は、検知用レンズ５１によって集光されて検知用受光素子３１に入射する。
【００６９】
なお、実際には、対象物２の反射率など水分以外の要因によっても、反射検知光ＬＤ４の光エネルギーは減衰するが、これは、反射参照光ＬＲ４についても同様である。本実施の形態では、反射検知光ＬＤ４と反射参照光ＬＲ４との光エネルギーの比を算出することで、水分以外の要因の影響をキャンセルすることができる。
【００７０】
図７Ｂは、本実施の形態に係る光学式成分センサ１の参照光ＬＲ１の光路を示す図である。図７Ｂに示すように、参照用光源２２が発した参照光ＬＲ１は、光学素子４０によって部分参照光ＬＲ２と出射参照光ＬＲ３とに分離される。具体的には、参照光ＬＲ１の一部は、光学素子４０を透過して、部分参照光ＬＲ２として検知用受光素子３１に入射する。
【００７１】
参照光ＬＲ１の他の一部は、光学素子４０によって反射され、出射参照光ＬＲ３として、筐体１０から外部に出射され、対象物２に向かって進行する。出射参照光ＬＲ３は、例えば、出射検知光ＬＤ３が通過する開口を通過する。
【００７２】
出射参照光ＬＲ３は、対象物２によって反射される。なお、出射参照光ＬＲ３と出射検知光ＬＤ３とは、同軸かつ同スポットサイズで筐体１０から出射される。このため、出射参照光ＬＲ３は、対象物２の出射検知光ＬＤ３が照射された部分と同じ部分に照射される。
【００７３】
出射参照光ＬＲ３は、水分に吸収される波長を含まないので、対象物２が水分を含むか否かに関わらず、ほとんど吸収されることなく反射される。したがって、反射参照光ＬＲ４の光エネルギーは、出射参照光ＬＲ３の光エネルギーと同じになる（なお、実際には、対象物２の反射率などによって反射参照光ＬＲ４の光エネルギーは減衰している）。反射参照光ＬＲ４は、参照用レンズ５２によって集光されて参照用受光素子３２に入射する。
【００７４】
なお、図７Ａに示す例では、出射検知光ＬＤ３が対象物２によって拡散反射した光のうち代表的な光路のみを反射検知光ＬＤ４として示しているが、反射検知光は参照用レンズ５２にも入射する。例えば、後述する図７Ｃでは、別の反射成分を反射検知光ＬＤ５として示している。
【００７５】
このため、反射検知光ＬＤ４が参照用受光素子３２に受光されないように、参照用レンズ５２の入射面側又は出射面側に、例えば、機械的に可動な遮蔽部材（図示せず）などが設けられている。あるいは、参照用レンズ５２の入射面側又は出射面側に、後述する変形例に示す光学フィルタが設けられていてもよい。同様に、反射参照光（図７Ｄの反射参照光ＬＲ５を参照）が検知用受光素子３１に受光されないように、検知用レンズ５１の入射面側又は出射面側に、例えば、機械的に可動な遮蔽部材又は光学フィルタが設けられていてもよい。
【００７６】
図６に示すように、検知光ＬＤ１が出射されている発光期間Ｔｄでは、検知用受光素子３１は、反射検知光ＬＤ４を受光するので、反射検知光ＬＤ４に応じた検知信号を信号処理回路７０に出力する。また、発光期間Ｔｄでは、参照用受光素子３２は、部分検知光ＬＤ２を受光するので、部分検知光ＬＤ２に応じた部分検知信号を信号処理回路７０に出力する。
【００７７】
部分検知光ＬＤ２は、検知光ＬＤ１の所定の割合の光であるため、検知用光源２１の劣化によって検知光ＬＤ１の出力が低下した場合には、部分検知光ＬＤ２に対応する部分検知信号の信号レベルＶｍｄが低下する。したがって、部分検知光ＬＤ２の光エネルギーを取得し、例えば初期状態からの変化を算出することで、検知用光源２１の劣化具合（光エネルギーの変化）を取得することができる。
【００７８】
同様に、参照光ＬＲ１が出射されている発光期間Ｔｒでは、参照用受光素子３２は、反射参照光ＬＲ４を受光するので、反射参照光ＬＲ４に応じた参照信号を信号処理回路７０に出力する。また、発光期間Ｔｒでは、検知用受光素子３１は、部分参照光ＬＲ２を受光するので、部分参照光ＬＲ２に応じた部分参照信号を信号処理回路７０に出力する。
【００７９】
部分参照光ＬＲ２は、参照光ＬＲ１の所定の割合の光であるため、参照用光源２２の劣化によって参照光ＬＲ１の出力が落ちた場合には、部分参照光ＬＲ２に対応する部分参照信号の信号レベルＶｍｒが低下する。したがって、部分参照光ＬＲ２の光エネルギーを取得し、例えば初期状態からの変化を算出することで、参照用光源２２の劣化具合（光エネルギーの変化）を取得することができる。
【００８０】
［信号処理（検知処理）］
続いて、信号処理回路７０による信号処理（成分の検知処理）について説明する。
【００８１】
本実施の形態では、信号処理回路７０は、反射検知光ＬＤ４の光エネルギーＰｄと反射参照光ＬＲ４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。
【００８２】
検知用受光素子３１に入射する反射検知光ＬＤ４の光エネルギーＰｄは、次の（式１）で表される。
【００８３】
（式１）  Ｐｄ＝Ｐｄ０×Ｇｄ×Ｒｄ×１０−Ａ×Ｃ×Ｄ
【００８４】
ここで、Ｐｄ０は、検知用光源２１が発した検知光ＬＤ１の光エネルギーである。Ｇｄは、検知用光源２１が発した検知光の検知用受光素子３１に対する結合効率（集光率）である。具体的には、Ｇｄは、検知光ＬＤ１のうち、光分離部４１によって分離され、かつ、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ＬＤ４）になる部分の割合に相当する。
【００８５】
Ｒｄは、対象物２による出射検知光ＬＤ３の反射率である。Ａは、成分（水分）による出射検知光ＬＤ３の吸光度である。Ｃは、対象物２に含まれる成分の体積濃度である。Ｄは、検知光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。
【００８６】
より具体的には、水分が均質に分散した対象物では、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。
【００８７】
したがって、Ａ×Ｃ×Ｄは、対象物２に含まれる成分量（水分量）に相当するので、（式１）に基づいて成分量を算出することができる。
【００８８】
同様に、参照用受光素子３２に入射する反射参照光ＬＲ４の光エネルギーＰｒは、次の（式２）で表される。
【００８９】
（式２）  Ｐｒ＝Ｐｒ０×Ｇｒ×Ｒｒ
【００９０】
ここで、Ｐｒ０は、参照用光源２２が発した参照光ＬＲ１の光エネルギーである。Ｇｒは、参照用光源２２が発した参照光の参照用受光素子３２に対する結合効率（集光率）である。具体的には、Ｇｒは、参照光ＬＲ１のうち、光分離部４１によって分離され、かつ、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ＬＲ４）になる部分の割合に相当する。Ｒｒは、対象物２による出射参照光ＬＲ３の反射率である。
【００９１】
本実施の形態では、出射検知光ＬＤ３と出射参照光ＬＲ３とは、同軸かつ同スポットサイズで照射されるため、検知光の結合効率Ｇｄ及び参照光の結合効率Ｇｒとは略等しくなる。また、本実施の形態では、出射検知光ＬＤ３と出射参照光ＬＲ３とは、ピーク波長が比較的に近いので、出射検知光ＬＤ３の反射率Ｒｄと参照光ＬＲ３の反射率Ｒｒとは略等しくなる。
【００９２】
したがって、（式１）と（式２）とにより、次の（式３）が導き出される。
【００９３】
（式３）  Ｐｄ／Ｐｒ＝（Ｐｄ０／Ｐｒ０）×１０−Ａ×Ｃ×Ｄ
【００９４】
信号処理回路７０は、検知信号に基づいて反射検知光ＬＤ４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ＬＲ４の光エネルギーＰｒを算出する。具体的には、図６の（ｂ）に示す検知信号の信号レベルＶｄが光エネルギーＰｄに相当し、図６の（ｄ）に示す参照信号の信号レベルＶｒが光エネルギーＰｒに相当する。
【００９５】
また、信号処理回路７０は、検知用光源２１及び参照用光源２２の各々の出射光の出力に基づいて、検知光ＬＤ１の光エネルギーＰｄ０と参照光ＬＲ１の光エネルギーＰｒ０とを取得する。光エネルギーＰｄ０及びＰｒ０は、例えば、検知用光源２１及び参照用光源２２の各々の初期出力として予め定められている。
【００９６】
したがって、信号処理回路７０は、（式３）に基づいて、対象物２の成分量（水分量）に相当するＡ×Ｃ×Ｄを算出することができる。
【００９７】
なお、検知用光源２１及び参照用光源２２は、経時劣化により出射光の光エネルギーが低下する。例えば、検知光ＬＤ１の光エネルギーが低下した場合には、反射検知光ＬＤ４の光エネルギーＰｄが低下するので、成分の検知結果が正しく得られない。
【００９８】
これに対して、本実施の形態では、信号処理回路７０は、基準検知光に対する部分検知光ＬＤ２の差分に基づいて検知信号を補正し、かつ、基準参照光に対する部分参照光ＬＲ２の差分に基づいて参照信号を補正する。つまり、上記（式３）は、補正後の光エネルギーＰｄ’及びＰｒ’を用いて、次の（式４）に置き換えられる。
【００９９】
（式４）  Ｐｄ’／Ｐｒ’＝（Ｐｄ０／Ｐｒ０）×１０−Ａ×Ｃ×Ｄ
【０１００】
具体的には、信号処理回路７０は、基準検知光に対する部分検知光ＬＤ２の差分に基づいた補正係数を算出し、検知信号に乗ずることで、光エネルギーＰｄを補正する。補正係数は、例えば、次の（式５）で示される。
【０１０１】
（式５）  補正係数＝Ｐｍｄ０／Ｐｍｄ
【０１０２】
Ｐｍｄ０は、初期状態の部分検知光ＬＤ２の光エネルギーである。Ｐｍｄ０は、検知用光源２１の初期出力として予め定められた光エネルギーＰｄ０に分離比率Ｍｄを乗じた値である。Ｐｍｄは、参照用受光素子３２によって受光された部分検知光ＬＤ２の光エネルギーである。具体的には、図６の（ｄ）に示す参照用受光素子３２の出力信号（部分検知信号）の信号レベルＶｍｄが光エネルギーＰｍｄに相当する。
【０１０３】
これにより、補正後の光エネルギーＰｄ’は、次の（式６）で表される。
【０１０４】
（式６）  Ｐｄ’＝Ｐｄ×Ｐｍｄ０／Ｐｍｄ
【０１０５】
同様に、信号処理回路７０は、基準参照光に対する部分参照光ＬＲ２の差分に基づいた補正係数を算出し、参照信号に乗ずることで、光エネルギーＰｒを補正する。補正係数は、例えば、次の（式７）で示される。
【０１０６】
（式７）  補正係数＝Ｐｍｒ０／Ｐｍｒ
【０１０７】
Ｐｍｒ０は、初期状態の部分参照光ＬＲ２の光エネルギーである。Ｐｍｒ０は、参照用光源２２の初期出力として予め定められた光エネルギーＰｒ０に分離比率Ｍｒを乗じた値である。Ｐｍｒは、検知用受光素子３１によって受光された部分参照光ＬＲ２の光エネルギーである。具体的には、図６の（ｂ）に示す検知用受光素子３１の出力信号（部分参照信号）の信号レベルＶｍｒが光エネルギーＰｍｒに相当する。
【０１０８】
これにより、補正後の光エネルギーＰｒ’は、次の（式８）で表される。
【０１０９】
（式８）  Ｐｒ’＝Ｐｒ×Ｐｍｒ０／Ｐｍｒ
【０１１０】
したがって、信号処理回路７０は、（式４）、（式６）及び（式８）と、反射検知光ＬＤ４の光エネルギーＰｄ及び部分参照光ＬＲ２の光エネルギーＰｍｒと、反射参照光ＬＲ４の光エネルギーＰｒ及び部分検知光ＬＤ２の光エネルギーＰｍｄとに基づいて、対象物２の成分量に相当するＡ×Ｃ×Ｄを算出することができる。
【０１１１】
［分離条件］
上述したように、図７Ａに示す例では、反射検知光ＬＤ４が検知用レンズ５１に入射する光路のみを示しているが、反射検知光は参照用レンズ５２にも入射する。このため、反射検知光が参照用受光素子３２に受光されないように、参照用レンズ５２の入射面側又は出射面側に、例えば、機械的に可動な遮蔽部材（図示せず）などが設けられている。あるいは、参照用レンズ５２の入射面側又は出射面側に、後述する変形例に示す光学フィルタが設けられていてもよい。同様に、反射参照光が検知用受光素子３１に受光されないように、検知用レンズ５１の入射面側又は出射面側に、例えば、機械的に可動な遮蔽部材又は光学フィルタが設けられていてもよい。この場合、種々の部品が追加され、コストアップにはなるが、モニターによる光源劣化の補正は容易である。
【０１１２】
一方、図７Ｃに示すように、検知用レンズ５１に入射する反射検知光ＬＤ４だけではなく、異なる方向の参照用レンズ５２にも入射する反射検知光ＬＤ５も存在する。上記の種々部品を追加しないで反射検知光ＬＤ５が参照用受光素子３２に入射する場合において、光源劣化を補正する方法を下記に示す。
【０１１３】
本実施の形態では、成分の検知分解能ＤＲは、（式９）で表される。
【０１１４】
（式９）  ＤＲ＝１−１０−Ａ×Ｃ×Ｄ
【０１１５】
このとき、成分を検知するために必要な最小検知分解能ＤＲｍｉｎは、１−１０−Ａ×Ｃ×Ｄの必要な検出すべき最小値となり、成分の吸光度Ａ、濃度Ｃ及び寄与厚みＤに関する対象物２の関係で決定される。
【０１１６】
ここで、光分離部４１によって検知光ＬＤ１より分離され、参照用受光素子３２に入射する部分検知光ＬＤ２の光エネルギーＰＤ２は、検知光ＬＤ１の分離比率Ｍｄを用いて、（式１０）で表される。
【０１１７】
（式１０）  ＰＤ２＝ＰＤ０×Ｍｄ
【０１１８】
また、参照用レンズ５２にも入射する反射検知光ＬＤ５による参照用受光素子３２に入射する光エネルギーＰＤｒは、（式１１）で表される。
【０１１９】
（式１１）  ＰＤｒ＝ＰＤ０×Ｇｄｒ×Ｒｄ×１０−Ａ×Ｃ×Ｄ
【０１２０】
なお、Ｇｄｒは、検知用光源２１が発した検知光の参照用受光素子３２に対する結合効率（集光率）である。具体的には、Ｇｄｒは、検知光ＬＤ１のうち、光分離部４１によって分離され、かつ、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ＬＤ５）になる部分の割合に相当する。つまり、Ｇｄｒは、図７Ｃに示すように、反射検知光ＬＤ５として参照用受光素子３２に入射する光エネルギーの検知光ＬＤ１に対する検知用の結合効率である。
【０１２１】
ここで、対象物２に含まれる成分による吸収減衰がないＰＤｒが最大となる場合をＰＤｒｍａｘとすると、（式１１）は（式１２）となる。
【０１２２】
（式１２）  ＰＤｒｍａｘ＝ＰＤ０×Ｇｄｒ×Ｒｄ
【０１２３】
これらのことから、最終的に検知光ＬＤ１に対して参照用受光素子３２に入射する光エネルギーの和は、ＰＤ２＋ＰＤｒとなる。
【０１２４】
ここで、参照用受光素子３２に入射する光エネルギーの下限値は、検知用受光素子３１に対する成分の必要検知分解能ＤＲｍｉｎが必要であることから、同種の参照用受光素子３２に入射する光エネルギーの和の最大値が、（式１３）で表される。
【０１２５】
（式１３）  ＰＤ２＋ＰＤｒｍａｘ＞ＰＤ０×Ｇｄ×Ｒｄ×ＤＲｍｉｎ
【０１２６】
（式１０）及び（式１１）を用いて（式１３）を展開することにより、（式１４）が導かれる。
【０１２７】
（式１４）  Ｍｄ＞Ｒｄ×（Ｇｄ×ＤＲｍｉｎ−Ｇｄｒ）
【０１２８】
一方、成分の必要検知分解能ＤＲｍｉｎを悪化させないためには、出射検知光ＬＤ３の光エネルギーを最大にする必要があり、部分検知光ＬＤ２の分離比率Ｍｄを極力小さくする必要がある。そのための関係式は、（式１５）で表される。
【０１２９】
（式１５）  ＰＤ０×Ｇｄ×Ｒｄ×ＤＲｍｉｎ＞ＰＤ０×Ｍｄ
【０１３０】
これらのことから、検知光ＬＤ１の分離比率Ｍｄは、（式１６）の関係を満たす。
【０１３１】
（式１６）  Ｇｄ×Ｒｄ×ＤＲｍｉｎ＞Ｍｄ＞Ｒｄ×（Ｇｄ×ＤＲｍｉｎ−Ｇｄｒ）
【０１３２】
また、参照光ＬＲ１については、検知光受光信号と参照光受光信号との比率を用いて成分量を推定することから、参照光ＬＲ１の分離比率Ｍｒについても同様の関係が求められる。具体的には、参照光ＬＲ１の分離比率Ｍｒは、（式１７）の関係を満たす。
【０１３３】
（式１７）  Ｇｒ×Ｒｒ×ＤＲｍｉｎ＞Ｍｒ＞Ｒｒ×（Ｇｒ×ＤＲｍｉｎ−Ｇｒｄ）
【０１３４】
ここで、Ｇｒｄは、参照用光源２２が発した参照光の検知用受光素子３１に対する結合効率（集光率）である。具体的には、Ｇｒｄは、参照光ＬＲ１のうち、光分離部４１によって分離され、かつ、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ＬＲ５）になる部分の割合に相当する。つまり、Ｇｒｄは、図７Ｄに示すように、反射参照光ＬＲ５として検知用受光素子３１に入射する光エネルギーの参照光ＬＲ１に対する検知用の結合効率である。
【０１３５】
以上のことから、本実施の形態に係る光分離部４１は、（式１６）及び（式１７）を満たす条件で、検知光ＬＤ１及び参照光ＬＲ１の各々の分離を行う。
【０１３６】
これにより、別途、機械的に可動な遮蔽部材及び光学フィルタなどを設ける必要が無く、軽量化、小型化及び低コスト化などが図れる。
【０１３７】
［効果など］
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検知光ＬＤ１を発する検知用光源２１と、成分による吸収波長を含まない参照光ＬＲ１を発する参照用光源２２と、検知用光源２１及び参照用光源２２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によって反射された検知光ＬＤ１の少なくとも一部である反射検知光ＬＤ４を受光する、筐体１０内に収容された検知用受光素子３１と、対象物２によって反射された参照光ＬＲ１の少なくとも一部である反射参照光ＬＲ４を受光する、筐体１０内に収容された参照用受光素子３２と、検知用受光素子３１から出力された反射検知光ＬＤ４に対応する検知信号と参照用受光素子３２から出力された反射参照光ＬＲ４に対応する参照信号とに基づいて、対象物２が含む成分を検知する信号処理回路７０と、検知用光源２１の発光と参照用光源２２の発光とを個別に制御する制御回路６０とを備える。
【０１３８】
これにより、光学式成分センサ１は、筐体１０の外部に位置している対象物２が含む成分を検知するので、様々な使用環境に適用可能である。このように、本実施の形態によれば、汎用性が高い光学式成分センサ１を提供することができる。
【０１３９】
また、例えば、光学式成分センサ１は、さらに、検知光ＬＤ１の少なくとも一部（出射検知光ＬＤ３）及び参照光ＬＲ１の少なくとも一部（出射参照光ＬＲ３）を、同軸かつ同スポットサイズで筐体１０から対象物２に向けて出射する光学素子４０を備える。
【０１４０】
このように、互いに波長が異なる出射検知光ＬＤ３及び出射参照光ＬＲ３が同軸かつ同スポットサイズで対象物２に照射されるので、光学式成分センサ１は、対象物２の形状又は大きさなどに制約を受けずに、対象物２が含む成分を検知することができる。これにより、光学式成分センサ１の汎用性をより高めることができる。例えば、対象物２は筐体１０から離れていてもよく、光学式成分センサ１は、非接触式の水分量センサとして利用される。
【０１４１】
また、例えば、検知用受光素子３１は、さらに、参照光ＬＲ１の一部である部分参照光ＬＲ２を受光し、参照用受光素子３２は、さらに、検知光ＬＤ１の一部である部分検知光ＬＤ２を受光し、信号処理回路７０は、基準検知光に対する部分検知光ＬＤ２の差分に基づいて検知信号を補正し、かつ、基準参照光に対する部分参照光ＬＲ２の差分に基づいて参照信号を補正し、補正後の検知信号及び補正後の参照信号に基づいて成分を検知する。
【０１４２】
基準検知光に対する部分検知光ＬＤ２の差分は、部分検知光ＬＤ２の光エネルギーの低下量に相当し、検知用光源２１の劣化量に相当する。したがって、本実施の形態に係る光学式成分センサ１は、検知用光源２１の劣化量に応じて検知信号を補正することができる。同様に、光学式成分センサ１は、参照用光源２２の劣化量に応じて参照信号を補正することができる。これにより、光学式成分センサ１は、劣化による光量の減少分が補正された検知信号及び参照信号に基づいて成分の検知を行うので、成分の検知精度を高めることができる。
【０１４３】
また、部分検知光ＬＤ２の受光には参照用受光素子３２を用い、部分参照光ＬＲ２の受光には検知用受光素子３１を用いるので、部分検知光ＬＤ２又は部分参照光ＬＲ２の受光用の新たな受光素子を別途必要としない。したがって、部品点数を削減することができるので、光学式成分センサ１の小型化及び低コスト化を実現することができる。
【０１４４】
また、例えば、制御回路６０は、検知用光源２１及び参照用光源２２を時間排他的に発光させる。
【０１４５】
これにより、検知用受光素子３１に反射検知光ＬＤ４が受光される際には、部分参照光ＬＲ２が受光されないので、出力信号から検知信号と部分参照信号とを分離しなくてよく、信号処理における処理量を削減することができる。参照用受光素子３２の場合についても同様である。したがって、処理量を削減することができ、信号処理にかかる消費電力を低減することができる。また、検知用光源２１及び参照用光源２２に電流が間欠的に供給されるので、消費電力を低減することができる。
【０１４６】
また、例えば、光学式成分センサ１は、さらに、検知用光源２１が発する検知光ＬＤ１を、筐体１０の外部に出射される出射検知光ＬＤ３と、参照用受光素子３２に入射する部分検知光ＬＤ２とに分離し、かつ、参照用光源２２が発する参照光ＬＲ１を、筐体１０の外部に出射される出射参照光ＬＲ３と、検知用受光素子３１に入射する部分参照光ＬＲ２とに分離する光分離部４１を備え、反射検知光ＬＤ４は、出射検知光ＬＤ３が対象物２によって反射された光であり、反射参照光ＬＲ４は、出射参照光ＬＲ３が対象物２によって反射された光である。
【０１４７】
また、例えば、光分離部４１は、（ｉ）検知光ＬＤ１の検知用受光素子３１に対する結合効率をＧｄ、検知光ＬＤ１の参照用受光素子３２に対する結合効率をＧｄｒとしたとき、対象物２による出射検知光ＬＤ３の反射率をＲｄ、成分を検知するための最小検知分解能をＤＲｍｉｎとしたとき、検知光ＬＤ１に対する部分検知光ＬＤ２を示す分離比率Ｍｄが、Ｇｄ×Ｒｄ×ＤＲｍｉｎ＞Ｍｄ＞Ｒｄ×（Ｇｄ×ＤＲｍｉｎ−Ｇｄｒ）を満たす条件で、検知用光源２１が発する検知光ＬＤ１を出射検知光ＬＤ３と部分検知光ＬＤ２とに分離し、（ｉｉ）参照光ＬＲ１の参照用受光素子３２に対する結合効率をＧｒ、参照光ＬＲ１の検知用受光素子３１に対する結合効率をＧｒｄとしたとき、対象物２による出射参照光ＬＲ３の反射率をＲｒとしたとき、参照光ＬＲ１に対する部分参照光ＬＲ２を示す分離比率Ｍｒが、Ｇｒ×Ｒｒ×ＤＲｍｉｎ＞Ｍｒ＞Ｒｒ×（Ｇｒ×ＤＲｍｉｎ−Ｇｒｄ）を満たす条件で、参照用光源２２が発する参照光ＬＲ１を出射参照光ＬＲ３と部分参照光ＬＲ２とに分離する。
【０１４８】
これにより、成分量の検知精度を損なうことなく、部分検知光ＬＤ２及び部分参照光ＬＲ２の受光により光源の劣化を補正することができる。
【０１４９】
また、例えば、検知用光源２１及び参照用光源２２は、互いに波長が異なる光を発する分散光源であるので、例えば、ハロゲンランプなどの非分散光源を備える場合に比べて、波長毎の光強度の変化の検出が不要となる。したがって、部品点数を削減することができるので、光学式成分センサ１の小型化及び低コスト化を実現することができる。
【０１５０】
（実施の形態２）
続いて、実施の形態２に係る光学式成分センサについて説明する。
【０１５１】
本実施の形態に係る光学式成分センサ１は、実施の形態１に係る光学式成分センサ１と比較して、構成は同じであり、制御回路６０による２つの光源の制御方法、及び、信号処理回路７０による信号処理方法が異なっている。以下では、実施の形態１と同じ構成及び動作については、説明を省略又は簡略化する。
【０１５２】
本実施の形態では、制御回路６０は、検知信号の信号レベルに基づいて、検知用光源２１の発光期間Ｔｄと参照用光源２２の発光期間Ｔｒとを部分的にオーバーラップさせる。具体的には、検知信号の信号レベルが所定の閾値Ｖｔｈより小さい場合に、制御回路６０は、検知用光源２１の発光期間Ｔｄと参照用光源２２の発光期間Ｔｒとが部分的にオーバーラップするように、検知用光源２１と参照用光源２２とを交互に繰り返し発光させる。検知信号の信号レベルが所定の閾値Ｖｔｈより大きい場合に、制御回路６０は、検知用光源２１と参照用光源２２とを時間排他的に交互に繰り返し発光させる。このように、制御回路６０は、検知信号の信号レベルに基づいてオーバーラップモードと時間排他モードとの切り替えを行う。
【０１５３】
なお、時間排他モードは、実施の形態１において図６で説明した動作である。
【０１５４】
なお、上述した通り、図７Ａに示す例では、反射検知光ＬＤ４が検知用レンズ５１に入射する光路のみを示しているが、反射検知光ＬＤ４は参照用レンズ５２にも入射する。このため、反射検知光ＬＤ４が参照用受光素子３２に受光されないように、参照用レンズ５２の入射面側又は出射面側に、例えば、機械的に可動な遮蔽部材（図示せず）などが設けられている。あるいは、参照用レンズ５２の入射面側又は出射面側に、後述する変形例に示す光学フィルタが設けられていてもよい。同様に、反射参照光ＬＲ４が検知用受光素子３１に受光されないように、検知用レンズ５１の入射面側又は出射面側に、例えば、機械的に可動な遮蔽部材又は光学フィルタが設けられていてもよい。
【０１５５】
図８は、本実施の形態に係る光学式成分センサ１の動作を示すタイムチャートである。具体的には、図８は、検知信号の信号レベルが閾値Ｖｔｈより小さい場合の制御回路６０の動作（すなわち、オーバーラップモード）を示している。
【０１５６】
図８の（ｂ）に示すように、検知用光源２１の発光期間Ｔｄと参照用光源２２の発光期間Ｔｒとのオーバーラップ期間Ｔｏが設けられている。オーバーラップ期間Ｔｏは、検知用光源２１の発光期間Ｔｄの開始後と終了前との両方に設けられているが、いずれか一方でもよい。オーバーラップ期間Ｔｏは、例えば、発光期間Ｔｄ（又は、発光期間Ｔｒ）の１０％〜２０％であるが、特に限定されない。
【０１５７】
検知用光源２１のみが発光している期間Ｔｄｏでは、検知用受光素子３１は、反射検知光ＬＤ４のみを受光する。つまり、期間Ｔｄｏにおいて検知用受光素子３１の出力信号は、反射検知光ＬＤ４に対応する検知信号である。
【０１５８】
本実施の形態では、図８の（ｂ）に示すように、検知信号の信号レベルＶｄが閾値Ｖｔｈより小さい。制御回路６０は、信号レベルＶｄが閾値Ｖｔｈより小さい場合に、オーバーラップモードを実行し、発光期間Ｔｄと発光期間Ｔｒとを重複させることで、オーバーラップ期間Ｔｏを設ける。
【０１５９】
閾値Ｖｔｈは、具体的には、信号処理回路７０の電源電圧を基準とした値である。例えば、閾値Ｖｔｈは、信号処理回路７０の電源電圧の２０％とすることができる。例えば、信号処理回路７０の電源電圧が３．３Ｖの場合、閾値Ｖｔｈは、０．６６Ｖ（＝３．３Ｖ×２０％）となる。
【０１６０】
オーバーラップ期間Ｔｏでは、検知用受光素子３１は、反射検知光ＬＤ４だけでなく、部分参照光ＬＲ２も受光する。このため、検知用受光素子３１の出力信号は、検知信号と部分参照信号との合成信号が出力される。
【０１６１】
信号処理回路７０は、オーバーラップモードでは、オーバーラップ期間Ｔｏにおける検知用受光素子３１の出力信号と、参照用光源２２のみが発光している期間Ｔｒｏにおける出力信号の差分を、検知信号として生成する。具体的には、信号処理回路７０は、オーバーラップ期間Ｔｏにおける出力信号の信号レベルＶｍｒ＋Ｖｄから、期間Ｔｒｏにおける出力信号（部分参照信号）の信号レベルＶｍｒを減算することで、検知信号の信号レベルＶｄを算出することができる。なお、図８の（ｂ）に示すように、期間Ｔｒｏでは、検知用受光素子３１は部分参照光ＬＲ２のみを受光するので、検知用受光素子３１の出力信号は、部分参照信号である。
【０１６２】
以上のように、本実施の形態に係る光学式成分センサ１では、例えば、検知用受光素子３１は、さらに、参照光ＬＲ１の一部である部分参照光ＬＲ２を受光し、制御回路６０は、検知信号の信号レベルに基づいて、検知用光源２１の発光期間Ｔｄと参照用光源２２の発光期間Ｔｒとを部分的にオーバーラップさせる。
【０１６３】
これにより、オーバーラップ期間Ｔｏでは、検知用受光素子３１からの出力信号は検知信号と部分参照信号とを合わせた信号になるので、ノイズ信号の影響を抑制することができる。つまり、検知用受光素子３１の出力信号のＳＮ比を改善することができる。したがって、対象物２が含む水分量が多く、微弱な検知信号しか得られない場合であっても成分を検知することができる。このように、本実施の形態によれば、成分の検知精度を高めることができる。このとき、微弱な信号を検知するための素子、又は、感度の高い受光素子などの高価な素子を利用しなくてもよいので、光学式成分センサ１を小型化又は低コスト化することができる。
【０１６４】
また、例えば、制御回路６０は、検知信号の信号レベルＶｄが所定の閾値Ｖｔｈより小さい場合に、検知用光源２１の発光期間Ｔｄと参照用光源２２の発光期間Ｔｒとが部分的にオーバーラップするように、検知用光源２１と参照用光源２２とを交互に繰り返し発光させ、検知信号の信号レベルＶｄが閾値Ｖｔｈより大きい場合に、検知用光源２１と参照用光源２２とを時間排他的に交互に繰り返し発光させる。
【０１６５】
これにより、オーバーラップモードと時間排他モードとを切り替えることができるので、成分の検知精度を高めることができ、かつ、消費電力を低減することができる。
【０１６６】
また、例えば、信号処理回路７０は、検知信号の信号レベルＶｄが所定の閾値Ｖｔｈより小さい場合に、オーバーラップ期間Ｔｏにおける検知用受光素子３１の出力信号と、参照用光源２２のみが発光している期間Ｔｒｏにおける検知用受光素子３１の出力信号との差分を、検知信号として生成する。
【０１６７】
これにより、オーバーラップ期間Ｔｏにおける検知用受光素子３１の出力信号から検知信号を生成することができるので、ノイズ信号の影響を抑制しつつ、成分を検知することができる。
【０１６８】
（変形例）
以下では、上述した実施の形態に係る光学式成分センサの変形例について図面を用いて説明する。
【０１６９】
図９は、本変形例に係る光学式成分センサ１００の構成を示す模式図である。図９に示すように、光学式成分センサ１００は、実施の形態１に係る光学式成分センサ１と比較して、新たに、検知用フィルタ８１と、参照用フィルタ８２とを備える。
【０１７０】
図１０は、本変形例に係る光学フィルタの透過スペクトルを示す図である。図１１は、本変形例に係る光学式成分センサ１００の検知光ＬＤ１の光路の一例を示す図である。
【０１７１】
検知用フィルタ８１は、検知用受光素子３１に入射する反射検知光ＬＤ４の光路上に配置され、反射検知光ＬＤ４を透過し、かつ、反射参照光ＬＲ５を吸収する第１光学フィルタの一例である。図１０に示すように、検知用フィルタ８１は、反射検知光ＬＤ４のピーク波長である１４５０ｎｍの光を透過し、反射参照光ＬＲ５のピーク波長である１３００ｎｍの光を吸収する。なお、検知用フィルタ８１は、１３００ｎｍの光の一部を透過してもよい。すなわち、検知用フィルタ８１は、反射検知光ＬＤ４の透過量よりも少ない透過量で反射参照光ＬＲ５を透過してもよい。
【０１７２】
参照用フィルタ８２は、参照用受光素子３２に入射する反射参照光ＬＲ４の光路上に配置され、反射参照光ＬＲ４を透過し、かつ、反射検知光ＬＤ５を吸収する第２光学フィルタの一例である。図１０に示すように、参照用フィルタ８２は、反射参照光ＬＲ４のピーク波長である１３００ｎｍの光を透過し、反射検知光ＬＤ５のピーク波長である１４５０ｎｍの光を吸収する。このため、図１１に示すように、反射検知光ＬＤ５は、参照用フィルタ８２によって吸収されて参照用受光素子３２には入射されない。
【０１７３】
なお、参照用フィルタ８２は、１４５０ｎｍの光の一部を透過してもよい。すなわち、参照用フィルタ８２は、反射参照光ＬＲ４の透過量よりも少ない透過量で反射検知光ＬＤ５を透過してもよい。
【０１７４】
本変形例では、検知用フィルタ８１及び参照用フィルタ８２を備えることで、検知用受光素子３１及び参照用受光素子３２の各々に入射する光のエネルギーが、実施の形態１と比べて異なる。具体的には、以下の通りである。
【０１７５】
検知用受光素子３１に入射する反射検知光ＬＤ４の光エネルギーＰｄは、次の（式１８）で表される。
【０１７６】
（式１８）  Ｐｄ＝Ｐｄ０×Ｇｄ×Ｒｄ×Ｔｄｄ×１０−Ａ×Ｃ×Ｄ
【０１７７】
ここで、Ｔｄｄは、検知用フィルタ８１による反射検知光ＬＤ４の透過率である。同様に、参照用受光素子３２に入射する反射検知光ＬＤ５の光エネルギーＰｄｒは、次の（式１９）で表される。
【０１７８】
（式１９）  Ｐｄｒ＝Ｐｄ０×Ｇｒ×Ｒｄ×Ｔｄｒ×１０−Ａ×Ｃ×Ｄ
【０１７９】
ここで、Ｔｄｒは、参照用フィルタ８２による反射検知光ＬＤ５の透過率である。
【０１８０】
検知光ＬＤ１が出射されている期間では、参照用受光素子３２には、部分検知光ＬＤ２も同時に入射するので、参照用受光素子３２が受光する光の総エネルギーＰは、次の（式２０）で表される。
【０１８１】
（式２０）  Ｐ＝Ｐｍｄ＋Ｐｄｒ
＝Ｐｄ０×（Ｍｄ＋Ｇｒ×Ｒｄ×Ｔｄｒ×１０−Ａ×Ｃ×Ｄ）
【０１８２】
したがって、参照用フィルタ８２の透過率Ｔｄｒが十分に小さい場合、（式２０）の右辺のＴｄｒを含む項を０とみなすことが可能となる。結果、実施の形態１と同様に、参照用受光素子３２からの出力信号を処理することができる。
【０１８３】
ここでは、反射検知光ＬＤ４及びＬＤ５について説明したが、反射参照光ＬＲ４及びＬＲ５についても同様である。参照光ＬＲ１が出射されている期間では、検知用受光素子３１には、部分参照光ＬＲ２と反射参照光ＬＲ４とが入射するので、検知用受光素子３１が受光する光の総エネルギーＰは、次の（式２１）で表される。
【０１８４】
（式２１）  Ｐ＝Ｐｒ０×（Ｍｒ＋Ｇｄ×Ｒｒ×Ｔｒｒ）
【０１８５】
なお、Ｔｒｒは、検知用フィルタ８１による反射参照光ＬＲ５の透過率である。
【０１８６】
以上のように、本変形例に係る光学式成分センサ１００では、さらに、検知用受光素子３１に入射する反射検知光ＬＤ４の光路上に配置され、反射検知光ＬＤ４を透過し、かつ、反射参照光ＬＲ５を吸収する検知用フィルタ８１と、参照用受光素子３２に入射する反射参照光ＬＲ４の光路上に配置され、反射参照光ＬＲ４を透過し、かつ、反射検知光ＬＤ５を吸収する参照用フィルタ８２とを備える。
【０１８７】
これにより、機械的な遮蔽部材を設けなくてもよく、光学式成分センサ１００を小型化することができる。
【０１８８】
（その他）
以上、本発明に係る光学式成分センサについて、上記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、上記の実施の形態に限定されるものではない。
【０１８９】
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に照射すればよい。また、光学式成分センサ１は、液体成分に限らず、例えば、二酸化炭素などの気体成分を検知してもよい。
【０１９０】
また、例えば、光学素子４０とは別の部材が検知光ＬＤ１及び参照光ＬＲ１の各々を分離してもよい。すなわち、光分離部４１は、光学素子４０とは異なる部材で構成されてもよい。
【０１９１】
また、例えば、上記の実施の形態では、出射検知光ＬＤ３及び出射参照光ＬＲ３が同軸かつ同スポットサイズで筐体１０から出射される例について示したが、これに限定されない。
【０１９２】
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】
【０１９３】
１、１００  光学式成分センサ
２  対象物
１０  筐体
２１  検知用光源（第１光源）
２２  参照用光源（第２光源）
３１  検知用受光素子（第１受光素子）
３２  参照用受光素子（第２受光素子）
４０  光学素子
４１  光分離部
６０  制御回路
７０  信号処理回路
８１  検知用フィルタ
８２  参照用フィルタ
ＬＤ１  検知光
ＬＤ２  部分検知光
ＬＤ３  出射検知光
ＬＤ４、ＬＤ５  反射検知光
ＬＲ１  参照光
ＬＲ２  部分参照光
ＬＲ３  出射参照光
ＬＲ４、ＬＲ５  反射参照光
【図１】
2017161411.tif 000003
【図２】
2017161411.tif 000004
【図３】
2017161411.tif 000005
【図４】
2017161411.tif 000006
【図５】
2017161411.tif 000007
【図６】
2017161411.tif 000008
【図７Ａ】
2017161411.tif 000009
【図７Ｂ】
2017161411.tif 000010
【図７Ｃ】
2017161411.tif 000011
【図７Ｄ】
2017161411.tif 000012
【図８】
2017161411.tif 000013
【図９】
2017161411.tif 000014
【図１０】
2017161411.tif 000015
【図１１】
2017161411.tif 000016