JP2016080430A - 光プローブ及び測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】懸濁液中の液体部分を対象とした分析を可能とする光プローブ及びこの光プローブを含む測定装置を提供する。
【解決手段】光プローブ２０を含む測定装置１では、光源１０からの近赤外光を出射する対象となる測定対象物Ｏが外部からフィルタ部２４によって区画された測定部２５に滞留しているものであることを特徴とする。そして、フィルタ部２４によって固形分が捕捉されて除去された測定対象物Ｏに対して近赤外光を照射することで得られる散乱光又は透過光に関して分析器３０において分析を行うことで、測定対象物が懸濁液であっても、液体部分の測定が好適に行われる。
【選択図】図２

Description

本発明は、光プローブ及びこの光プローブを含む測定装置に関する。

例えば懸濁液のような凝集物が含まれる液体試料に対して近赤外光を照射して、測定対象物における凝集物（懸濁物質）の近赤外光の反射率及び透過率を測定するための光プローブを備えた測定装置が知られている（例えば、特許文献１，２等）。

特開２０００−１２１５５７号公報 特開２０００−００９６３８号公報

しかしながら、分析の対象が懸濁液中の凝集物（懸濁物質）ではなく、懸濁液中の液体部分である場合、従来の測定装置では好適に測定することが困難であった。

本発明は上記を鑑みてなされたものであり、懸濁液中の液体部分を対象とした分析を可能とする光プローブ及びこの光プローブを含む測定装置の提供を目的とする。

本願発明は、
（１）測定対象物の液体部分が滞留可能な測定部と、
前記測定部に滞留する前記測定対象物に対して、光源からの近赤外光を導波して出射する照射部と、
前記照射部からの前記近赤外光の出射によって前記測定対象物から出射される透過光又は散乱光を入射して分析器まで導波する入射部と、
前記照射部及び前記入射部における前記測定部側の端部を収容する筺体部と、
前記測定部を外部から区画すると共に前記液体部分が通過可能なフィルタ部と、
を備える光プローブ、
である。

また、本願発明は、
（２）近赤外光を出射する光源と、
前記光源からの前記近赤外光を測定対象物に対して出射すると共に、前記近赤外光の出射によって前記測定対象物から出射される透過光又は散乱光を入射させる光プローブと、
前記光プローブに入射させた前記透過光又は前記散乱光を分析する分析器と、
を備える測定装置であって、
前記光プローブは、
前記測定対象物の液体部分が滞留可能な測定部と、
前記測定部に滞留する前記測定対象物に対して、前記光源からの前記近赤外光を導波して出射する照射部と、
前記照射部からの前記近赤外光の出射によって前記測定対象物から出射される前記透過光又は前記散乱光を入射させて前記分析器まで導波する入射部と、
前記照射部及び前記入射部における前記測定部側の端部を収容する筺体部と、
前記測定部を外部から区画すると共に前記液体部分が通過可能なフィルタ部と、
を備える測定装置、
である。

本発明によれば、懸濁液中の液体部分を対象とした分析を可能とする光プローブ及びこの光プローブを含む測定装置が提供される。

第１実施形態に係る光学測定装置の概要を説明する図である。 第１実施形態に係る光学測定装置の概略構成図である。 第１実施形態に係る光プローブの主要部の概略斜視図である。 第２実施形態に係る光学測定装置の概略構成図である。 第２実施形態に係る光プローブの主要部の概略斜視図である。 第３実施形態に係る光プローブの主要部の概略斜視図である。

［本願発明の実施形態の説明］
最初に本願発明の実施態様を列記して説明する。

本願発明の光プローブは、（１）測定対象物の液体部分が滞留可能な測定部と、前記測定部に滞留する前記測定対象物に対して、光源からの近赤外光を導波して出射する照射部と、前記照射部からの前記近赤外光の出射によって前記測定対象物から出射される透過光又は散乱光を入射して分析器まで導波する入射部と、前記照射部及び前記入射部における前記測定部側の端部を収容する筺体部と、前記測定部を外部から区画すると共に前記液体部分が通過可能なフィルタ部と、を備えることを特徴とする。

上記の光プローブによれば、近赤外光を出射する対象となる測定対象物が外部からフィルタ部によって区画された測定部に滞留しているものであり、フィルタ部によって固形分が捕捉されて除去された測定対象物に対して近赤外光を照射することで得られる散乱光又は透過光に関して分析を行うことで、測定対象物が懸濁液であっても、液体部分の測定が好適に行われる。

（２）前記入射部は石英ガラス光ファイバを含んで構成される態様とすることができる。

入射部が石英ガラス光ファイバを含んで構成される場合、近赤外光を導波させることによる損失を低減することができる。

（３）前記フィルタ部は、セラミクスを含む態様とすることができる。

セラミクスを含むフィルタ部を用いることで、液体の測定対象物に対して長時間浸漬した場合でも劣化を抑制することができる。

（４）前記フィルタ部は、直径１０μｍ以上の粒子を９０％以上捕捉可能である態様とすることができる。

（５）前記フィルタ部は、孔径が１μｍ以下である態様とすることができる。

本願発明の測定装置は、（６）近赤外光を出射する光源と、前記光源からの前記近赤外光を測定対象物に対して出射すると共に、前記近赤外光の出射によって前記測定対象物から出射される透過光又は散乱光を入射させる光プローブと、前記光プローブに入射させた前記透過光又は前記散乱光を分析する分析器と、を備える測定装置であって、前記光プローブは、前記測定対象物の液体部分が滞留可能な測定部と、前記測定部に滞留する前記測定対象物に対して、前記光源からの前記近赤外光を導波して出射する照射部と、前記照射部からの前記近赤外光の出射によって前記測定対象物から出射される前記透過光又は前記散乱光を入射させて前記分析器まで導波する入射部と、前記照射部及び前記入射部における前記測定部側の端部を収容する筺体部と、前記測定部を外部から区画すると共に前記液体部分が通過可能なフィルタ部と、を備えることを特徴とする。

上記の測定装置によれば、近赤外光を出射する対象となる測定対象物が外部からフィルタ部によって区画された測定部に滞留しているものであり、フィルタ部によって固形分が捕捉されて除去された測定対象物に対して近赤外光を照射することで得られる散乱光又は透過光に関して分析を行うことで、測定対象物が懸濁液であっても、液体部分の測定が好適に行われる。

（７）前記入射部は光ファイバを含んで構成され、前記分析器は、前記光ファイバを導波した前記透過光又は散乱光を波長に応じて分光する分光部と、１次元配列された複数の受光センサから構成され、前記分光部により分光された光を受光するセンサ部と、を備える態様とすることができる。１次元配列された受光センサから構成されるセンサ部を有することで、液体成分に係る測定をより高精度に行うことができる。

（８）前記入射部は光ファイバを含んで構成され、前記分析器は、前記光ファイバを導波した前記透過光又は散乱光を波長に応じて分光する分光部と、２次元配列された複数の受光センサから構成され、前記分光部により分光された光を受光するセンサ部と、を備える態様とすることもできる。この場合、１次元センサに比べて次元が１つ増えることにより、異なる位置の計測情報を取得することが可能となり、平均化を施すことにより実効的に測定範囲を拡大することにつながり、雑音を低減させ、測定精度を大幅に改善することが可能になる。

［本願発明の実施形態の詳細］
本発明に係る光プローブ及び測定装置の具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る測定装置の概略構成と主な使用方法を説明する図である。図１に示すように、測定装置１は、光源１０と、光プローブ２０と、分析器３０と、を含んで構成される。測定装置１による測定対象物Ｏは液体であり、特に凝集物等の懸濁物質が含まれる懸濁液に用いることができる。このような懸濁液としては、例えば、サトウキビ搾汁からエタノールを生成するプロセスにおける発酵液等が挙げられる。測定装置１は、測定対象物Ｏに含まれる懸濁物質ではなく、液体部分の分析を目的として用いられる。

光源１０は、液体の測定対象物に対して照射する近赤外光を出射する。本実施形態に係る測定装置１で用いられる近赤外光とは、７００ｎｍ〜２５００ｎｍの波長帯域の光を指す。光源１０は近赤外光を出射可能であれば特に限定されず、例えば、パルス光を出射するような構成であってもよい。

光プローブ２０は、コネクタ等により光源１０に対して接続され、光源１０からの近赤外光を導波して測定対象物の液体に対して近赤外光を出射すると共に、近赤外光を照射した測定対象物からの透過光又は散乱光を入射して分析器３０に導波する機能を有する。光プローブ２０は、図１に示すように、測定対象物Ｏ内にその先端を導入することで、測定が行われる。光プローブ２０内では、光ファイバによって光が導波されるが、その具体的な構成については後述する。

分析器３０は、光プローブ２０からの光を受光して測定を行う機能を有する。分析器３０は、光プローブ２０の光ファイバを導波した透過光又は散乱光を波長に応じて分光する分光部と、２次元配列された複数の受光センサから構成され、分光部により分光された光を受光するセンサ部と、を含んで構成される。

次に、測定装置１のうち、特に光プローブ２０及び分析器３０について、図２及び図３を参照しながら説明する。図２は、測定装置１の各部の構成を示す概略構成図である。また、図３は、光プローブ２０の先端部の構成を説明する斜視図である。

図２に示すように、光プローブ２０は、光源１０に対してその一方の端部２１ａが接続する第１光ファイバ２１（照射部）と、分析器３０に対してその一方の端部２２ａが接続する第２光ファイバ２２（入射部）と、第１光ファイバ２１の光源１０側とは逆側の端部２１ｂ及び第２光ファイバ２２の分析器３０側とは逆側の端部２２ｂが収容される筺体部２３を含んで構成される。第１光ファイバ２１及び第２光ファイバ２２は、筺体部２３側の端部では、略同一の方向に延び、筺体部２３は、２つの光ファイバの光軸方向に沿って延びる略円筒形状をなしている。第１光ファイバ２１及び第２光ファイバ２２は、石英ガラス光ファイバを含んだ構成とすることができる。この場合、光源１０から出射される近赤外光を導波させることによる損失を低減することができる。

また、第１光ファイバ２１の端部２１ｂは、フィルタ部２４によって外部から区画された測定部２５と対向している。また、第２光ファイバ２２の端部２２ｂは、レンズ２６を介して測定部２５と対向している。なお、レンズ２６は、第２光ファイバ２２へ好適に光を入射させるために設けられるものであり必須ではない。したがって、図３では、構成をより分かりやすくすべく図示を省略する。

図３に示すように、第１実施形態に係る光プローブ２０では、測定部２５は、略円筒状のフィルタ部２４によって外部から区画されている。フィルタ部２４は、貫通孔が複数配置されたものであるため、フィルタ部２４によって区画された測定部２５と、外部との間で液体部分Ａは移動可能とされる。ただし、外部の測定対象物に含まれる相応の大きさを有する固体は、フィルタ部２４によって捕捉されて、測定部２５内に侵入できない構成とされる。

フィルタ部２４は、例えばセラミクスを含む材料から構成される。セラミクスを含む材料をフィルタ部２４に用いることで、例えば、光プローブ２０を測定対象物Ｏ中に長時間浸した場合でも、フィルタ部２４が劣化することを防止することができる。（同様の理由から、筺体部２３についてもセラミクスを用いることができる。また、筺体部２３としては、ステンレスやアルミ、樹脂等の材料を用いてもよい。）あるいは、フィルタ部２４は、主に樹脂で構成される。主に樹脂で構成することで、安価な構成を実現できる。更に、ガンマ線や加熱処理などの滅菌処理に対して耐性のある樹脂を採用することにより、医薬などの分野においても活用することが可能となる。

フィルタ部２４は、直径１０μｍ以上の粒子を９０％以上捕捉可能である態様が好ましい。また、フィルタ部２４は、孔径が１μｍ以下であると、測定対象物に含まれる固体の大半を除去できるため、測定部２５において液体部分Ａの測定を好適に行うことができる。フィルタ部２４は浸透膜フィルタを含んで構成されていてもよい。この場合には、０．１μｍ以下の小さな異物又はクラスタ等の除去も可能となるため、より純粋な液体の計測が可能になる。

なお、フィルタ部２４の形状を維持するために、フィルタ部２４を挟んで筺体部２３とは逆側に先端部２７が設けられ、筺体部２３と先端部２７との間の一部を柱状の支持部材等によって支持する態様とすることができる。

また、フィルタ部２４は、筺体部２３及び先端部２７から取り外し可能（分離可能）とすることができる。この場合、例えば、非使用時にフィルタ部２４を取り外して洗浄することが可能となる。また、測定部２５に対して外部から直接アクセスできるように、フィルタ部２４の一部を開閉可能な構成とすることもできる。

分析器３０は、第２光ファイバ２２の端部２２ａから出射した光をコリメートするレンズ３１と、レンズ３１からの光を波長毎に分離する分光部３２と、分光部３２によって分光された光を受光する複数の受光センサが２次元に配列されたセンサ部３３とを含んで構成される。その他、調整用のレンズ等が設けられていてもよい。

このような測定装置１では、光源１０からの近赤外光は、光プローブ２０の第１光ファイバ２１内に端部２１ａから導入され、第１光ファイバ２１内を伝搬した後、端部２１ｂから測定部２５内に出射される。測定部２５内には、光プローブ２０の測定対象物Ｏのうちフィルタ部２４を通過可能な液体部分Ａが滞留するため、光源１０からの近赤外光は、測定部２５内の測定対象物Ｏ（液体部分Ａ）に対して照射される。

近赤外光の照射によって、測定部２５内の測定対象物（液体部分Ａ）から出射される散乱光は、レンズ２６を介して、第２光ファイバ２２の端部２２ｂに入射する。散乱光は、第２光ファイバ２２内を伝搬して、第２光ファイバ２２の端部から分析器３０に入射する。その後、レンズ３１でコリメートされた後に、分光部３２で波長分光され、分光された各成分の光が、センサ部３３を構成する互いに異なるセンサによって受光される。その後、センサ部３３において受光された波長毎の光の強度に基づいたスペクトル情報を取得することができる。

ここで、本実施形態に係る光プローブ２０では、測定部２５がフィルタ部２４によって外部から区画されている。したがって測定対象物Ｏが凝集物等を含む懸濁液の場合であっても、フィルタ部２４によって捕捉され、フィルタ部２４を通過可能な液体部分Ａが測定部２５に貯留する。したがって、測定部２５に対して近赤外光を照射して、測定部２５における測定対象物からの透過反射光又は散乱光を計測する構成とすることで、懸濁液中の液体部分を対象とした分析を好適に行うことができる。

なお、本実施形態に係る光プローブ２０は、１本の第２光ファイバ２２によって分析器３０に対して光を導波した後に分光部３２において分光してセンサ部３３で受光する構成としているが、第２光ファイバ２２として複数の光ファイバを用いて、それぞれの光ファイバからの出射光が分光部３２に並列に入射した後、センサの異なる位置に結合される構成であってもよい。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態に係る測定装置２について説明する。第２実施形態に係る測定装置２では、近赤外光を照射された測定対象物Ｏからの散乱光のみならず透過光についても分析器３０で受光及び分析が可能な構成を有することを特徴とする。図４に示すように、測定装置２は、光源１０と、光プローブ２０Ａと、分析器３０Ａと、を含んで構成される。

光プローブ２０Ａは筺体部２３に収容される光ファイバの本数が増加する。すなわち、光プローブ２０Ａは、光源１０からの近赤外光を導波して測定部２５に対して出射する第１光ファイバ２１は、第１実施形態の光プローブ２０と同様の機能を有する。また、光プローブ２０Ａは、第２光ファイバ２２に代えて、２本の光ファイバである第３光ファイバ２２０と第４光ファイバ２２１とを有する。

このうち、第３光ファイバ２２０は、第２光ファイバ２２と同様に、測定部２５の測定対象物Ｏからの散乱光を入射して導波し、分析器３０に対して出力する機能を有する。一方、第４光ファイバ２２１は、測定部２５の測定対象物Ｏからの透過光を入射して導波し、分析器３０に対して出力する機能を有する。このため、光プローブ２０Ａの形状も第１実施形態の光プローブ２０とは異なる。

図５に示すように、光プローブ２０Ａでは、測定部２５が光プローブ２０Ａの全周に沿ったものではなく、筺体部２３の一部を切り欠いたような構成とされる。そして、測定部２５と外部とを区画するフィルタ部２４も円筒状ではなく、筺体部２３の外径に沿って帯状に形成される。このような構成であっても、光プローブ２０と同様に、フィルタ部２４を介して測定対象物Ｏが移動可能であり、特に液体部分Ａが測定部２５に貯留可能である。

また、第４光ファイバ２２１の端部２２１ｂは、第１光ファイバ２１の端部２１ｂ、第３光ファイバ２２０の端部２２０ｂと略同一面に配置される。そして、測定部２５を透過した透過光が第４光ファイバ２２１の端部２２１ｂに対して入射するように、先端部２７には導波光学系が準備される。すなわち、測定部２５側の端面から、先端部２７に対して透過光を入射すると共に、反射用のミラー２９を２つ配置することで、先端部２７へ入射した透過光Ｌの進路を変更させて、測定部２５が形成されていない先端部２７に透過光Ｌを導波させた後に第４光ファイバ２２１の端部２２１ｂに対して透過光Ｌを入射させる構成としている。

このように、第２実施形態に係る光プローブ２０Ａでは、先端部２７は導波光学系として機能するから、先端部２７は、環境変化や振動等の外部要因などに起因する光軸ずれに対して強い特徴を有しており、例えばステンレスやアルミに加え、前記特徴を有する石英ガラス、樹脂等の材料で構成されることが好ましい。

なお、第３光ファイバ２２０及び第４光ファイバ２２１は、それぞれ分析器３０Ａに対して端部２２０ａ及び端部２２１ａが接続されて、第３光ファイバ２２０を導波した光及び第４光ファイバ２２１を導波した光が分析器３０Ａで検出される。分析器３０Ａでは、分析器３０の分光部３２に代えて、センサ部３３の前段に波長可変フィルタ３４が設けられている。このように分析器の構成も適宜変更することができる。

第２実施形態に係る測定装置２の光プローブ２０Ａでは、第３光ファイバ２２０が第２光ファイバ２２と同様に測定対象物Ｏからの拡散反射光を検出する構成としている。さらに、光プローブ２０Ａは、第４光ファイバ２２１及び先端部２７に形成された導波光学系によって、測定対象物Ｏからの透過光を検出する構成としている。したがって、測定対象物Ｏの液体部分Ａについてより高い精度で測定することができる。特に、フィルタ部２４の孔径が十分に小さくないために、測定部２５に滞留する測定対象物Ｏに微小な固体が含まれている場合であっても、透過光及び散乱光（拡散反射光）の両方に係る情報を分析器３０において取得する構成とすることで、固体に由来する拡散反射光の変化等をふまえた分析が可能となり、より高い精度での測定が可能となる。

なお、第２実施形態に係る光プローブ２０Ａの変形例として、第３光ファイバ２２０を備えない構成、すなわち、透過光のみを検出する構成とすることもできる。この場合でも、フィルタ部２４を通過して測定部２５に滞留する測定対象物Ｏに対して近赤外光を照射した場合の透過光を測定する構成とすることで、測定対象物Ｏのうち特に液体部分Ａに係る測定を好適に行うことができる。

（第３実施形態）
次に、第３実施形態に係る光プローブについて説明する。第３実施形態に係る光プローブでは、光源からの近赤外光を出射する光ファイバと、近赤外光を照射された測定対象物Ｏからの透過光を入射する光ファイバとが測定部を挟んで対向配置する構成を有する。

具体的には、図６に示すように、第３実施形態に係る光プローブ２０Ｂは光源１０と接続された第１光ファイバ２１と、分析器３０に接続されて、第１光ファイバ２１から出射されて測定対象物Ｏを透過した光を入射させる第２光ファイバ２２と、が測定部２５を挟んで対向配置されている。そして、測定部２５は、フィルタ部２４によって外部から区画された形状を有している。

このように、近赤外光を出射する側の光ファイバ（照射部）と透過光又は散乱光を入射する側の光ファイバ（入射部）との配置は、適宜変更することができる。また、筺体部の形状についても、測定部２５の形状等に応じて適宜変更することができる。

以上、本発明の実施形態に係る光プローブ及び測定装置について説明したが、本発明に係る光プローブ及び測定装置は上記実施形態に限定されず、種々の変更を行うことができる。

すなわち、本発明の実施形態に係る光プローブ及び測定装置では、近赤外光を出射する対象となる測定対象物が外部からフィルタ部によって区画された測定部に滞留しているものであることを特徴とする。そして、フィルタ部によって固形分が捕捉されて除去された測定対象物に対して近赤外光を照射することで得られる散乱光又は透過光に関して分析を行うことで、測定対象物が懸濁液であっても、液体部分の測定が好適に行われる。このような構成を有しているのであれば、筺体部、測定部及びフィルタ部等の形状は適宜変更することができる。

また、上記実施形態では、複数の受光センサが２次元に配列されたセンサ部３３について説明したが、複数の受光センサが１次元に配列されたセンサ部３３であってもよい。この場合でも、液体成分に係る測定をより高精度に行うことができる。

１，２…測定装置、１０…光源、２０，２０Ａ，２０Ｂ…光プローブ、３０，３０Ａ…分析器、２１…第１光ファイバ、２２…第２光ファイバ、２３…筺体部、２４…フィルタ部、２５…測定部。

Claims (8)

1. 測定対象物の液体部分が滞留可能な測定部と、
   前記測定部に滞留する前記測定対象物に対して、光源からの近赤外光を導波して出射する照射部と、
   前記照射部からの前記近赤外光の出射によって前記測定対象物から出射される透過光又は散乱光を入射して分析器まで導波する入射部と、
   前記照射部及び前記入射部における前記測定部側の端部を収容する筺体部と、
   前記測定部を外部から区画すると共に前記液体部分が通過可能なフィルタ部と、
   を備える光プローブ。
2. 前記入射部は石英ガラス光ファイバを含んで構成される請求項１記載の光プローブ。
3. 前記フィルタ部は、セラミクスを含む請求項１又は２に記載の光プローブ。
4. 前記フィルタ部は、直径１０μｍ以上の粒子を９０％以上捕捉可能である請求項１〜３のいずれか一項に記載の光プローブ。
5. 前記フィルタ部は、孔径が１μｍ以下である請求項１〜４のいずれか一項に記載の光プローブ。
6. 近赤外光を出射する光源と、
   前記光源からの前記近赤外光を測定対象物に対して出射すると共に、前記近赤外光の出射によって前記測定対象物から出射される透過光又は散乱光を入射させる光プローブと、
   前記光プローブに入射させた前記透過光又は前記散乱光を分析する分析器と、
   を備える測定装置であって、
   前記光プローブは、
   前記測定対象物の液体部分が滞留可能な測定部と、
   前記測定部に滞留する前記測定対象物に対して、前記光源からの前記近赤外光を導波して出射する照射部と、
   前記照射部からの前記近赤外光の出射によって前記測定対象物から出射される前記透過光又は前記散乱光を入射させて前記分析器まで導波する入射部と、
   前記照射部及び前記入射部における前記測定部側の端部を収容する筺体部と、
   前記測定部を外部から区画すると共に前記液体部分が通過可能なフィルタ部と、
   を備える測定装置。
7. 前記入射部は光ファイバを含んで構成され、
   前記分析器は、
   前記光ファイバを導波した前記透過光又は散乱光を波長に応じて分光する分光部と、
   １次元配列された複数の受光センサから構成され、前記分光部により分光された光を受光するセンサ部と、
   を備える請求項６記載の測定装置。
8. 前記入射部は光ファイバを含んで構成され、
   前記分析器は、
   前記光ファイバを導波した前記透過光又は散乱光を波長に応じて分光する分光部と、
   ２次元配列された複数の受光センサから構成され、前記分光部により分光された光を受光するセンサ部と、
   を備える請求項６記載の測定装置。
   

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