專(zhuān)利名稱(chēng)：光學(xué)式濃度測(cè)定裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在紅外線光學(xué)系統(tǒng)中具備對(duì)照手段和試樣容器兩個(gè)容器，根據(jù)透過(guò)各容器的紅外線檢測(cè)光透過(guò)容器的光強(qiáng)之比計(jì)算試樣濃度的光學(xué)式濃度測(cè)定裝置，更詳細(xì)地說(shuō)，是涉及以一個(gè)準(zhǔn)直透鏡將來(lái)自光源的檢測(cè)光變成平行的檢測(cè)光，將該平行檢測(cè)光分割成兩束平行光束，使第1光束透過(guò)對(duì)照手段，而使第2光束透過(guò)試樣容器的雙光束光學(xué)系統(tǒng)型的光學(xué)式濃度測(cè)定裝置。
這種光學(xué)式濃度測(cè)定裝置向來(lái)有各種類(lèi)型。這些類(lèi)型的光學(xué)式濃度測(cè)定裝置按檢測(cè)光的光路或光束分類(lèi)，大致分為使用單光束光學(xué)系統(tǒng)的類(lèi)型和使用雙光束光學(xué)系統(tǒng)的類(lèi)型。前一種類(lèi)型是很久以來(lái)就很普及的類(lèi)型，容器處在從光源到受光器的一束光束中，在容器內(nèi)放入純水(基準(zhǔn)液體)，受光器預(yù)先檢測(cè)出透過(guò)純水的檢測(cè)光的透射光量，接著將容器內(nèi)的純水換成試樣，受光器檢測(cè)出透過(guò)試樣的檢測(cè)光的透射光量，從兩透射光量之比計(jì)算出試樣的濃度。
上述單光束光學(xué)系統(tǒng)型的裝置，使用單一的光路或光束，因此具有除容器內(nèi)的試樣濃度外，在對(duì)對(duì)照手段進(jìn)行測(cè)定時(shí)和對(duì)試樣容器進(jìn)行測(cè)定時(shí)光學(xué)上相同的優(yōu)點(diǎn)。但是，這種光學(xué)式測(cè)定裝置為了長(zhǎng)期保持同一性，必須定期進(jìn)行空白校正(0點(diǎn)校正)，問(wèn)題是校正時(shí)需要將試樣與純水交換，很費(fèi)事，因此檢測(cè)效率低。又由于需要用于進(jìn)行這些交換的裝置或結(jié)構(gòu)，因此還存在裝置的成本升高的問(wèn)題。而且在空白校正時(shí)將試樣換成純水之際，即使在容器內(nèi)殘留一點(diǎn)兒試樣，也會(huì)損害空白校正精度的可靠性。
在光束光學(xué)系統(tǒng)型的裝置中，有的裝置使用稱(chēng)為汽缸式可變長(zhǎng)度容器的容器(參看日本專(zhuān)利特開(kāi)平4-1556號(hào)公報(bào))。這種汽缸式可變長(zhǎng)度容器是可以改變活塞位置將放入試樣的汽缸空間厚度變成對(duì)照手段長(zhǎng)度與試樣容器長(zhǎng)度的容器。這種容器具有在進(jìn)行空白校正時(shí)不需要純水的優(yōu)點(diǎn)，但是高精度地長(zhǎng)時(shí)間使活塞的位置定位是極其困難的，沒(méi)有達(dá)到實(shí)用化的程度。
另一方面，雙光束光學(xué)系統(tǒng)型的裝置是為了消除單光束光學(xué)系統(tǒng)型裝置的上述缺點(diǎn)的裝置，不需要使用純水進(jìn)行空白校正。
這種雙光束光學(xué)系統(tǒng)型裝置之一，是將從一個(gè)光源發(fā)出的檢測(cè)光從開(kāi)頭就直接分為兩個(gè)光路或光束，在第1光束中放置對(duì)照手段，在第2光束中放置試樣容器，在兩容器中放入相同的試樣，在一個(gè)受光器上接收各容器的透射光(參看日本專(zhuān)利特開(kāi)平3-223654號(hào))。這種裝置的優(yōu)點(diǎn)是空白校正不需要純水和兩容器是固定的、沒(méi)有可動(dòng)部份。但是，即使光源是相同的，也由于從光源直接分出兩部份光(光束)，所以兩個(gè)分叉光路或分叉光束不能完全保證是相同性質(zhì)的。因此，每當(dāng)光源隨時(shí)間變化和光源本身變更之際，每次都要作出校正曲線。眾所周知，校正曲線的制作是費(fèi)時(shí)間費(fèi)勞動(dòng)力的吃力的工作。
因此，為了提高測(cè)定精度，絕對(duì)有必要確保在測(cè)定對(duì)照手段和測(cè)定試樣容器兩種測(cè)定中使用的光路或光束具有相同性質(zhì)。
作為被認(rèn)為部分解決了上述課題的雙光束光學(xué)系統(tǒng)型裝置的另一已有裝置的例子，可以舉出日本專(zhuān)利特開(kāi)平5-332933號(hào)公報(bào)所述的裝置。這種裝置的主要部分的略圖如

圖1所示。這種裝置具有包含1個(gè)紅外線光源O、取出光源O來(lái)的光的一部分的快門(mén)S、具有兩個(gè)針孔M1、M2的遮光板M、1個(gè)準(zhǔn)直透鏡L2、對(duì)照手段C1及試樣容器C2、1個(gè)干涉濾光片(未圖示)、1個(gè)成像透鏡(未圖示)以及1個(gè)受光器(未圖示)的光學(xué)系統(tǒng)。這種光學(xué)系統(tǒng)中，光源O發(fā)出的紅外線集中在其前方的快門(mén)S的開(kāi)口S1的區(qū)域。在圖中，開(kāi)口S1處于上方的位置。在圖中，通過(guò)該開(kāi)口S1的紅外光束再通過(guò)遮光板的第1針孔M1，該通過(guò)光束由準(zhǔn)直透鏡L2變成平行光束，通過(guò)對(duì)照手段C1。另一方面，快門(mén)開(kāi)口在到達(dá)未圖示的下方位置時(shí)，來(lái)自光源O的紅外線通過(guò)遮光板的第2針孔M2，該通過(guò)光束由準(zhǔn)直透鏡L2變成平行光束，透過(guò)試樣容器C2(這以后對(duì)透過(guò)的光線的處理的詳細(xì)說(shuō)明省略)。
在圖1所示的裝置至少使用相同的光學(xué)部件，將光源O向前方發(fā)射的1束光線分開(kāi)的平行光束作為對(duì)照手段的透射光和試樣容器的透射光使用，因此被認(rèn)為兩束分割開(kāi)的平行光束的等同性有相當(dāng)保證。但是，如果希望進(jìn)行超高精度的測(cè)定，則即使是這種裝置，兩束分開(kāi)的平行光束的等同性也是不充分的，下面依據(jù)圖1說(shuō)明其理由。
通常認(rèn)為，如果使用同一光源，則相對(duì)于光源的發(fā)光強(qiáng)度的變動(dòng)，兩束光束的發(fā)光強(qiáng)度的變動(dòng)也是相同的。但是，嚴(yán)格地說(shuō)，光源相對(duì)于光學(xué)系統(tǒng)的入射孔徑具有一定的面積，因此構(gòu)成該面積的各發(fā)光點(diǎn)發(fā)出來(lái)的光的強(qiáng)度等光學(xué)信息對(duì)于各發(fā)光點(diǎn)是不同的，不考慮這一點(diǎn)構(gòu)成光學(xué)系統(tǒng)，不能指望提高精度。
圖1所示的光源O包含作為發(fā)光體的燈絲O1。在圖1(Ⅰ)中，具有一定面積的該燈絲O1的中心O2與兩個(gè)針孔M1、M2的對(duì)稱(chēng)中心點(diǎn)一起處于光軸P上。在這一結(jié)構(gòu)中，從燈絲中心O2點(diǎn)發(fā)出的檢測(cè)光由遮光板針孔M1、M2集中，并且透過(guò)準(zhǔn)直透鏡L2，成為以光軸對(duì)稱(chēng)的分割開(kāi)的平行光束B(niǎo)1、B2。也就是說(shuō)，在存在容器C的測(cè)定空間，可以說(shuō)光束B(niǎo)1、B2是性質(zhì)相同的檢測(cè)光。另一方面，燈絲端部O3發(fā)出的檢測(cè)光用同樣的做法分割成平行光束D1、D2。由圖可知，光束D1、D2不以光軸對(duì)稱(chēng)而發(fā)生偏差。也就是說(shuō)，如果以只要遮光板一對(duì)針孔以光軸對(duì)稱(chēng)就夠了這樣的單純的想法配置，則2束分開(kāi)的平行光束D1、D2通過(guò)的測(cè)定空間即為容器C1、C2的不以光軸對(duì)稱(chēng)的區(qū)域。
另外還存在的問(wèn)題是由于在更換光源本身的情況下燈絲的位置變動(dòng)而發(fā)生的。圖1(Ⅱ)表示燈絲的位置離開(kāi)圖1(Ⅰ)的狀態(tài)而變動(dòng)的狀態(tài)。在圖1(Ⅱ)表示燈絲端部O4位于光軸中心的情況。在該情況下燈絲另一端的O3大大離開(kāi)光軸中心，因此，在遮光板針孔M1、M2集中的光束D1、D2也在測(cè)定空間更加偏離光軸。這樣一來(lái)，在極端情況下，也可能有透過(guò)試樣容器C2的光束中幾乎不包含燈絲端O3的光學(xué)信息的情況。
因此，在換光源時(shí)，由于兩光束的光學(xué)信息在質(zhì)的方面完全不同，基于更換光源前的光學(xué)信息校正的濃度與吸光度的關(guān)系不能使用，從而必須用更換過(guò)的新光源重新制作校正曲線。
現(xiàn)在有一個(gè)問(wèn)題是，用于這種分光裝置的干涉濾光片的透過(guò)特性存在區(qū)域不均勻。作為有選擇地使特定波長(zhǎng)透過(guò)的分光濾光片，由于干涉濾光片簡(jiǎn)便，所以一般情況下經(jīng)常得以使用，但是其分光光譜特性由于干涉濾光片的關(guān)系并不一定均勻。這是與多層蒸鍍膜的制造工藝有關(guān)的問(wèn)題，甚至是相同制造工藝做成的多個(gè)干涉濾光片的分光光譜特性，其峰值波長(zhǎng)和半光譜幅值也發(fā)生偏差。從而，甚至在1片濾光片內(nèi)部，嚴(yán)格地說(shuō)，也取決于通過(guò)濾光片的什么地方，其分光透射光譜并不一定一致。
已有的單光束光學(xué)系統(tǒng)由于是單光束，干涉濾光片的這樣的區(qū)域不均勻在試樣測(cè)定時(shí)和對(duì)照測(cè)定時(shí)是一樣，所以沒(méi)有發(fā)生過(guò)這樣的問(wèn)題，而在將光束分開(kāi)的情況下，在兩條光路上分光光譜有不同，就給測(cè)定結(jié)果帶來(lái)致命的誤差，因此，無(wú)論如何能使兩束光束中包含相同的這種分光光譜的區(qū)域不均勻是重要的課題。
因此，本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題在于，在這種光學(xué)濃度測(cè)定裝置中，即使在光源發(fā)生變動(dòng)的情況下也使的光軸為中心的測(cè)定空間均等地包含變動(dòng)的光學(xué)信息，確保檢測(cè)光性質(zhì)相同。
還有一個(gè)現(xiàn)在應(yīng)該解決的問(wèn)題是，即使在使用分光濾光片的干涉濾光片的分光透射光譜中存在區(qū)域不均勻的情況下，也使以光軸為中心的測(cè)定空間均等地包含該透射光譜的不均勻，確保檢測(cè)光有相同的性質(zhì)。
為了解決上述問(wèn)題，采用本發(fā)明可以提供具有下述結(jié)構(gòu)的光學(xué)式濃度測(cè)定裝置。
也就是說(shuō)，這種光學(xué)式濃度測(cè)定裝置具有下述基本結(jié)構(gòu)，即使從一個(gè)紅外光源發(fā)出的檢測(cè)光透射過(guò)干涉濾光片，選擇特定波長(zhǎng)，使所選擇波長(zhǎng)的檢測(cè)光有選擇地透射過(guò)對(duì)照手段及試樣容器，用受光器檢測(cè)該透射光，以此測(cè)定試樣容器內(nèi)的試樣的濃度。具有能使上述光源發(fā)出的檢測(cè)光由第1成像透鏡成像于上述濾光片上的結(jié)構(gòu)。而為了利用干涉濾光片選擇的特定波長(zhǎng)的檢測(cè)光光束成為平行光束，設(shè)有一個(gè)準(zhǔn)直透鏡。平行的檢測(cè)光束由遮光板分割成兩束平行光束在前方取出。遮光板通常是平板狀的，具有形成上述各分開(kāi)的平行光束的、以光軸對(duì)稱(chēng)的兩個(gè)并列的針孔。兩束分開(kāi)的平行光束用光學(xué)快門(mén)選擇，將所選擇的一束光束傳送到前面的容器。
上述對(duì)照手段放置在第1束分開(kāi)的平行光束的光路中，上述試樣容器放置于第2束分開(kāi)的平行光束的光路中。透過(guò)對(duì)照手段及試樣容器的各分開(kāi)的平行光束由一個(gè)第2成像透鏡成像于上述受光器上。
在本發(fā)明的上述結(jié)構(gòu)中，用光學(xué)快門(mén)有選擇地將兩束分開(kāi)的平行光束引導(dǎo)至受光器，根據(jù)對(duì)照手段透過(guò)的光量和試樣容器透過(guò)的光量計(jì)算試樣的濃度。
采用上述結(jié)構(gòu)，光源的光線由成像透鏡成像于分光濾光片上之后，入射到準(zhǔn)直透鏡上，由該準(zhǔn)直透鏡形成平行光。然后，在此之后經(jīng)準(zhǔn)直透鏡變?yōu)槠叫械臋z測(cè)光光束由遮光板分成兩束平行光束。因而，光源的光學(xué)信息，也就是從光源各發(fā)光點(diǎn)發(fā)射出的、且波長(zhǎng)經(jīng)選擇的光線通過(guò)準(zhǔn)直透鏡，均等地包含于各分開(kāi)的平行光束中。也就是可以在兩光束中包含同樣程度的光源發(fā)光點(diǎn)的變化信息及使用干涉濾色器的透射特性的區(qū)域不均勻，其結(jié)果是，對(duì)于一向不能進(jìn)行修正的光源的位置變動(dòng)，如果以測(cè)定試樣的單點(diǎn)校正對(duì)運(yùn)算公式進(jìn)行校正，僅此即可進(jìn)行高精度的測(cè)定，而省去每次更換光源都要重新制作校正曲線的麻煩。
又，由于兩光束的分光光譜一致，可以在對(duì)照光路與測(cè)定光路把光源光量變化等濃度之外的變動(dòng)因素完全取消。
在上述結(jié)構(gòu)中，上述對(duì)照手段通常以對(duì)照容器構(gòu)成。在這種情況下，上述對(duì)照容器與試樣容器與已有的容器一樣，作為分別獨(dú)立的容器，可在對(duì)照手段中放人純水，試樣容器中放人試樣，或者也可以在對(duì)照容器和試樣容器兩方都放入試樣。但是，最好是由有容器長(zhǎng)度不同并且互相連通的兩個(gè)腔室的一個(gè)容器室(cellhousing)構(gòu)成。以上述容器長(zhǎng)度短的腔室部分作為對(duì)照容器，另一方面將容器長(zhǎng)度長(zhǎng)的腔室部分作為試樣容器。在這種結(jié)構(gòu)中，試樣同時(shí)不加區(qū)分地裝入各腔室。對(duì)照手段的透光量與試樣容器的透光量由于其容器長(zhǎng)度不同而不同。
采用上述容器，只是將1個(gè)容器以兩個(gè)腔室區(qū)分為對(duì)照容器和試樣容器，而不是互相分離的獨(dú)立的容器，并且各容器處于兩分開(kāi)的近軸平行光束能透射的位置關(guān)系上，兩容器非常接近。而且，試樣同時(shí)注入各腔室內(nèi)，并且同時(shí)排出。因此可以保證兩腔室內(nèi)的試樣濃度完全相同。而且，如上所述容器是由一個(gè)構(gòu)件形成的容器桿成，在上述光學(xué)系統(tǒng)中，從光源到受光器的檢測(cè)光或2束分開(kāi)的平行光束透過(guò)同一光學(xué)構(gòu)件內(nèi)部，因此對(duì)照容器腔室內(nèi)與試樣容器腔室內(nèi)試樣的濃度以外的光學(xué)物質(zhì)的光吸收特性對(duì)于檢測(cè)的對(duì)照手段透射光和試樣容器透射光來(lái)說(shuō)實(shí)質(zhì)上是相同的，因此能得到高測(cè)定精度。
作為在上述一個(gè)容器中使容器長(zhǎng)度不同的做法，比較簡(jiǎn)單的是在相同厚度的容器室內(nèi)放入例如玻璃等折射率調(diào)整塊。也就是說(shuō)，在上述第1束分開(kāi)的平行光束透射過(guò)的第1部份中內(nèi)藏與試樣的折射率近似，而吸光特性與試樣不同的光折射率調(diào)整塊，以便縮短容器的長(zhǎng)度，使容器的第1部分比另一部分即第2部份縮短該光折射率調(diào)整塊的厚度。換句話說(shuō)，在上述容器室內(nèi)，由于存在上述光折射率調(diào)整塊，形成容器長(zhǎng)度變短的第1腔室和具有等于容器室厚度的容器長(zhǎng)度的第2腔室，以第1腔室的部分作為對(duì)照手段，另一方面以第2腔室部分作為上述試樣容器。采用這種結(jié)構(gòu)，通過(guò)容器的第1部分與第2部分的光(即對(duì)照手段的透射光與試樣容器的透射光)都實(shí)質(zhì)上同樣折射，經(jīng)過(guò)成像透鏡到達(dá)受光器，因此不容易發(fā)生由透鏡系統(tǒng)的像差引起的成像點(diǎn)偏離放大的問(wèn)題，將提高測(cè)定精度。
還有，對(duì)照手段也可以不用上述容器，而用折射率與純水相近、并且使試樣檢測(cè)波長(zhǎng)的光線透過(guò)的光學(xué)上穩(wěn)定的媒體，例如玻璃塊、特別是石英玻璃塊或周?chē)目諝獗旧順?gòu)成。
圖1是雙光束光學(xué)系統(tǒng)型的已有裝置的主要部分說(shuō)明圖。
圖2是表示本發(fā)明一實(shí)施形態(tài)的光學(xué)式濃度測(cè)定裝置的光學(xué)系統(tǒng)的說(shuō)明圖。
圖3是圖2所示裝置的動(dòng)作說(shuō)明圖。其中省略快門(mén)及準(zhǔn)直透鏡。
圖4是說(shuō)明光源來(lái)的光束的立體角的說(shuō)明圖。
圖5是遮光板及快門(mén)的正面圖。
圖6表示圖2裝置中使用的容器的變形例。
圖7(Ⅰ)、(Ⅱ)分別表示圖2裝置中使用的容器的其他變形例。
下面根據(jù)圖2～圖6對(duì)本發(fā)明的實(shí)施形態(tài)具體加以說(shuō)明。
圖2表示本發(fā)明一實(shí)施例的光學(xué)式濃度測(cè)定裝置的光學(xué)系統(tǒng)。在圖2中，O是紅外線光源。光源O發(fā)出的檢測(cè)光經(jīng)過(guò)檢測(cè)區(qū)域到達(dá)紅外線傳感器、即受光器R。以從光源O到受光器R的中心的連線為光軸依次配置光學(xué)透鏡L1、L2、L3，同時(shí)將其他光學(xué)構(gòu)件沿光軸配置。來(lái)自光源O的檢測(cè)光到達(dá)成像透鏡L1，由該透鏡成像于濾光片(干涉濾光片)F上。這種濾光片在旋轉(zhuǎn)板F2上具有規(guī)定片數(shù)的干涉濾光片本體F1。這一干涉濾光片主體F1根據(jù)應(yīng)檢測(cè)的試樣的成份只選擇透過(guò)、吸收的特定波長(zhǎng)，在旋轉(zhuǎn)板F2上設(shè)置具有與預(yù)定的幾種試樣相應(yīng)的吸光特性的數(shù)片。旋轉(zhuǎn)板F2能夠以旋轉(zhuǎn)軸F3為中心旋轉(zhuǎn)，使光源O由透鏡L1成像的焦點(diǎn)落在所選擇的濾光主體F1上。
透射過(guò)濾光片主體F1的檢測(cè)光再度擴(kuò)散，并到達(dá)準(zhǔn)直透鏡L2。準(zhǔn)直透鏡L2位于濾光片F(xiàn)的前方、焦距f的位置上。從而，入射到該透鏡L2的光束作為平行光束向前傳送。
在透鏡L2的近前配置遮光板M。遮光板的正面圖示于圖5。遮光板M在距離其中心(與光軸一致)在直徑方向上等距離的地方有一對(duì)針孔M1、M2。第1針孔M1形成對(duì)照光束用的光闌，第2針孔M2是形成試樣光束用的光闌。也就是說(shuō)，由準(zhǔn)直透鏡L2形成的、與該透鏡直徑對(duì)應(yīng)的平行光束由針孔M1、M2分割成兩束較小的分開(kāi)的平行光束。
在遮光板M的近前配置快門(mén)S。該快門(mén)的正面圖也示于圖5。該快門(mén)在相對(duì)于旋轉(zhuǎn)中心S3的直徑方向的兩側(cè)的非對(duì)稱(chēng)位置上具有第1、2開(kāi)口S1、S2。圖中表示遮光板的第1針孔M1與快門(mén)的第1開(kāi)口S1一致，而另一邊，遮光板的第2針孔M2被快門(mén)所遮蔽的狀態(tài)。在快門(mén)的第2開(kāi)口S2與遮光板的第2針孔M2一致時(shí)，第2針孔M2來(lái)的光束被傳送到前方，而另一邊的第1針孔M1被快門(mén)遮蔽。
在快門(mén)S的前方的測(cè)定區(qū)配置著容器C。該容器是1個(gè)容器室，對(duì)照容器C1和試樣容器C2成為一個(gè)整體。在其中心(與光軸一致)的一側(cè)形成對(duì)照容器C1，其另一側(cè)形成試樣容器C2。構(gòu)成各容器C1、C2的腔室互相連通，在兩腔室內(nèi)注入同一試樣(液體)。對(duì)照容器C1的容器長(zhǎng)度為b1，試樣容器C2的容器長(zhǎng)度為b2，后者采用比前者大得多的尺寸。通過(guò)遮光板的第1針孔M1的對(duì)照光束透射過(guò)對(duì)照容器C1，而另一方面通過(guò)第2針孔M2的試樣光束透射過(guò)試樣容器C2。
在容器C的前方配置上述成像透鏡L3，在其前方焦距f的位置上配置受光器R。因而作為平行光束的對(duì)照光束及試樣光束分別成像于受光器R上。
與圖1所示的已有例相比可以知道，本實(shí)施形態(tài)中，不是在用準(zhǔn)直透鏡L2形成平行光束之前分割成對(duì)照光束與試樣光束，而是在用準(zhǔn)直透鏡形成平行光束之后分割成對(duì)照光束與試樣光束，這一點(diǎn)為其最大特征。下面根據(jù)圖3及圖4對(duì)這種結(jié)構(gòu)的作用進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
在開(kāi)始說(shuō)明時(shí)，首先說(shuō)明根據(jù)朗伯·貝爾定律導(dǎo)出的檢測(cè)光與濃度的關(guān)系。該關(guān)系式如下式(1)、(2)、(2)所示。
Ib=I1×exp(-a×b1×c)×exp(-an×bn)×γ……(1)Is=I2×exp(-a×b2×c)×exp(-an×bn)×γ……(2)在上式中，I,I1,I2 …………………光源發(fā)出的光量Ib…………………………在透過(guò)對(duì)照手段之后受光器接受的光量Is…………………………在透過(guò)試樣容器之后受光器接受的光量a …………………………光吸收系數(shù)b …………………………容器長(zhǎng)度(容器厚度)c …………………………濃度an………光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)中的檢測(cè)成份以外的物質(zhì)的吸光系數(shù)(例如容器、濾光片和透鏡的材料的吸光系數(shù)，附著于其上的污垢的吸光系數(shù))bn…………………………光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)這的檢測(cè)成份以外的物質(zhì)的厚度γ…………………………檢測(cè)強(qiáng)度的變動(dòng)(受光器的靈敏度變化和光量變化)
借助于上式(1)、(2)，濃度c可以由下式求得。
C=-1n((Is/Ib)×(I1/I2))/(a×(b2-b1))……(3)圖4(Ⅰ)、(Ⅱ)表示從光源各點(diǎn)發(fā)出、射入遮光板M的針孔M1、M2的光束的立體角的變動(dòng)，也就是光線束(單位光線束)的變動(dòng)。(Ⅰ)、(Ⅱ)表示燈絲O1的一端O3處于光軸線上的狀態(tài)。(Ⅰ)是從燈絲O3端來(lái)的光束的立體角的圖解，(Ⅱ)是從燈絲O4端來(lái)的光束的立體角的圖解。還有，圖4與圖2及圖3相比，省略了成像透鏡L1、干涉濾光片F(xiàn)1及準(zhǔn)直透鏡L2。如(Ⅰ)所示，從光軸上的發(fā)光點(diǎn)O3發(fā)出的光束E1(向針孔M1入射的光束)與E2(向針孔M2入射的光束)的各立體角β1和β2相等。另一方面，如(Ⅱ)所示，從偏離光軸的發(fā)光點(diǎn)O4發(fā)出的光束E3和E4的各立體角β1與β2當(dāng)然不同。光源的燈絲可以認(rèn)為是這樣的位置不同的發(fā)光點(diǎn)的集合，因此，結(jié)局是，若慮圖2，則對(duì)照光束與試樣光束在光強(qiáng)度等方面嚴(yán)格說(shuō)來(lái)是不致的。也就是意味著上述I1與I2并不一定是一致的。
但是，采用本實(shí)施形態(tài)，首先使具有一定面積的光源O的檢測(cè)光成像于光學(xué)濾光片的干涉濾光片本體F1上，接著用準(zhǔn)直透鏡L2使來(lái)自干涉濾光片本體的擴(kuò)散光變成平行光，在其后將該平行光分割為兩平行光束，因此，從光源的各發(fā)光點(diǎn)發(fā)出的光透過(guò)干涉濾光片F(xiàn)1的同一點(diǎn)到達(dá)檢測(cè)空間。對(duì)此按照與圖1對(duì)應(yīng)的圖3再作詳細(xì)說(shuō)明。還有，圖3省略了成像透鏡L1、濾光片及快門(mén)，而實(shí)際上圖示的光源燈絲可以認(rèn)為是重疊在干涉濾光片上。圖3(Ⅰ)與圖1(Ⅰ)的情況一樣，具有一定面積的燈絲O2的中心與兩個(gè)針孔M1、M2的對(duì)稱(chēng)中心點(diǎn)一起處于光軸P上。在該結(jié)構(gòu)中，從燈絲中心O2的點(diǎn)上發(fā)出的檢測(cè)光(透射過(guò)干涉濾光片)由遮光板針孔M1、M2集中，并且透過(guò)準(zhǔn)直透鏡L2成為以光軸對(duì)稱(chēng)的分割開(kāi)的平行光束B(niǎo)1、B2。也就是說(shuō)，在有容器C的檢測(cè)空間，光束B(niǎo)1、B2可以說(shuō)是本質(zhì)上相同的檢測(cè)光。另一方面，從燈絲端部O3發(fā)出的檢測(cè)光同樣進(jìn)行分割形成分開(kāi)的平行光束D1、D2。然后，在這種情況下，與圖1(Ⅰ)的情況不同，光束D1、D2與光束B(niǎo)1、B2重疊，以光軸對(duì)稱(chēng)。也就是說(shuō)，光源上各發(fā)光點(diǎn)O2、O3發(fā)出的光均勻地包含于兩束分開(kāi)的平行光束中。還可以知道，同樣，由干涉濾光片透射位置的差而引起的分光特性的不同也平均地包含于兩束分開(kāi)的光束中。
還有，即使光源本身更換、燈絲位置變動(dòng)，可以說(shuō)也是相同的。與圖1(Ⅱ)對(duì)應(yīng)的圖3(Ⅱ)表示出燈絲位置從圖3(Ⅰ)的狀態(tài)變動(dòng)的狀態(tài)。圖3(Ⅱ)表示燈絲端部O4位于光軸中心的情況。在這種情況下，另一端的燈絲端部O3大大偏離光軸中心，而發(fā)光點(diǎn)O3、O4發(fā)出的光由準(zhǔn)直透鏡形成平行光，因此從發(fā)光點(diǎn)O4來(lái)的光束D1、D2分別與發(fā)光點(diǎn)O3來(lái)的光束B(niǎo)1、B2一致，與圖3(Ⅰ)的情況相同，各發(fā)光點(diǎn)O3、O4發(fā)出的光均勻地包含于兩束分開(kāi)的平行光束中。
這樣一來(lái)，若想像具有微小開(kāi)口的針孔的遮光板，對(duì)從光源各發(fā)光點(diǎn)發(fā)出的光束，定義單位光束ΔI，則其吸光量在各分開(kāi)的光路相對(duì)于濃度單義地決定。其吸光量無(wú)非是根據(jù)對(duì)于該光學(xué)結(jié)構(gòu)光源發(fā)出的光量I1、I2以單位光束ΔI的幾倍(幾束)到達(dá)受光器的結(jié)果進(jìn)行計(jì)算，因此，如果將該結(jié)果按每單位光束歸一化以求濃度，則光源發(fā)出的光量I1與I2不管最終如何變化，都可以從測(cè)定值單義地求出濃度。
下面對(duì)根據(jù)I1與I2的檢測(cè)值以相當(dāng)于單位光束ΔI的光量求濃度的具體操作加以說(shuō)明。
首先從使用這種光學(xué)式濃度測(cè)定裝置的最初時(shí)劃開(kāi)始進(jìn)行說(shuō)明，其最初當(dāng)然必須進(jìn)行空白校正。因而將濃度為零的純水放入檢測(cè)容器C(對(duì)照容器C1與試樣容器C2)，測(cè)定Ib0/Is0。測(cè)定者不能夠直接知道單位光束ΔI的透射強(qiáng)度。但是，可以認(rèn)為I1=單位光束ΔI×α、12=ΔI×β，因此如果I1/I2換算成單位光束，則得出I1=(α/β)I2。這樣一來(lái)，上述式(3)可以進(jìn)行如下變換。
c=-1n((Is/Ib)×(α/β))/(a×(b2-b1))……………(3′)這里，將c=0的Ib0、Is0的測(cè)定值代人(3′)，求K=α/β，以k為一定，可以作出含K的校正曲線。也就是說(shuō)，這是根據(jù)基準(zhǔn)單位光束ΔI的各光路透射量ΔI1、ΔI2分別乘以α、β的光量之比作出校正曲線，濃度根據(jù)透射光量I1與I2之比單義地決定。
下面考慮更換光源，因此兩條光路、即分開(kāi)的平行光束的透射光量分別變化的情況。這時(shí)新的透射光束I1′、I2′為I1′=α′×ΔI,I2′= β′×ΔI。在這種情況下，如果將檢測(cè)信號(hào)強(qiáng)度Ib′、Is′原封不動(dòng)地用于上述式(3′)，則其檢測(cè)值與實(shí)際值不同。即使是測(cè)定例如純水，濃度也不為0，而算出與此不同的濃度值。
I1與I1′其值不同的理由在于透射光束量不同，單位光束所受的吸光特性、亦即I1/α與I1′/α′的透射光量是相同的。因此，在這種狀態(tài)下重新測(cè)定純水的透射光量Ib0′、Is0′，代人上述式(1)、(2)、(3′)，即得出下式。
Ib0′=ΔI×α′×exp(-a×b1×c)×exp(-an×bn)×γ
其中c=0Is0′=ΔI×β′×exp(-a×b1×c)×exp(-an×bn)×γ其中c=0c=-1n((Is0′/Ib0′)×(α′/β′))/(a×(b2-b1))于是，從上式得出α′/β′如果把這種狀態(tài)下的k修正為K≡α′/β′，則在這里可以不重新制作校正曲線，而使用上次作出的包含K的校正曲線求濃度。也就是意味著，即使更換光源，也只要在該時(shí)刻進(jìn)行純水校正，就能夠做到對(duì)測(cè)定沒(méi)有影響。這可以克服已有的雙光束光學(xué)系統(tǒng)型測(cè)定裝置的重大缺陷。
下面再談及容器C。如上所述，采用本實(shí)施形態(tài)，使用在同一容器室內(nèi)裝入相同試樣的這種式樣的容器，因此被放入對(duì)照腔室和試樣腔室的試樣的濃度當(dāng)然是相同的。問(wèn)題是由于對(duì)照手段的容器長(zhǎng)度與試樣容器的容器長(zhǎng)度不同引起的光的折射率的不同而造成的、在受光器上的成像偏差。光路中的折射率的差成了光線的折射量的差，結(jié)果在受光器上光線到達(dá)的位置不同。在受光器的檢測(cè)靈敏度及其變化上，存在實(shí)際上不能無(wú)視的區(qū)域不均勻，這是一個(gè)影響測(cè)定精度的重要因素。但是，這一問(wèn)題的大半是通過(guò)將容器放在平行光路中而減輕，但是即使是這樣，這種偏差在本實(shí)施例中對(duì)于10毫米的容器長(zhǎng)度、檢測(cè)光的波長(zhǎng)為1.5微米的情況下也有0.2毫米左右。因此，實(shí)際上在對(duì)照光路與測(cè)定光路上聚焦于受光器上的光點(diǎn)的位置不同，在要求高精度的測(cè)定用途的情況下，不能滿足長(zhǎng)期性的對(duì)照精度。這是由于光學(xué)系統(tǒng)的透鏡O產(chǎn)生透射光的像差，嚴(yán)格地說(shuō)，在透過(guò)準(zhǔn)直透鏡L2的光線中包含有不平行成份。這種像差只要使用通用透鏡就是不可避免的現(xiàn)象。這里提供圖6所示的容器的變形例。
圖6(Ⅲ)是平面圖，與圖2的容器的畫(huà)法對(duì)應(yīng)。(Ⅰ)為其側(cè)面圖，(Ⅱ)為其正面圖。這種容器C，在容器室的上下具有試樣供給口C3和試樣排出口C4。在容器室內(nèi)插入具有與試樣(液)相同或近似的折射率的折射率調(diào)整塊A。也就是說(shuō)，對(duì)照容器C1的容器長(zhǎng)度為b1，試樣容器C2的容器長(zhǎng)度為b2，而容器室的厚度兩者相同，(容器長(zhǎng)度b2-容器長(zhǎng)度b1)就是調(diào)整塊A的厚度。從而，透過(guò)對(duì)照容器和透過(guò)試樣容器的光束在透射過(guò)容器時(shí)受到的光的折射都大致相同。
通常的液體試樣(例如半導(dǎo)體清洗液)幾乎都是水(光折射率為1.32)，因此與其相近的物質(zhì)可以選擇石英玻璃(光折射率為1.45)。又，作為另一例子，如果試樣是食用油(光折射率為1.52)，則使用BK7玻璃(光折射率1.51)是合適的。尤其是，這些調(diào)整塊的前提條件是，不具有與試樣濃度的測(cè)定對(duì)象成份相同的吸光特性。上述附加石英玻璃的情況下，先前實(shí)施例中的0.2毫米的成像偏差具體地說(shuō)減少到0.05毫米以下，實(shí)用上的問(wèn)題已經(jīng)解決。
還有，作為簡(jiǎn)便的容器結(jié)構(gòu)，可以采取圖7(Ⅰ)所示那樣的石英玻璃塊C′或是如圖7(Ⅱ)所示，也可以采用周?chē)諝獗旧鞢″，以代替上述對(duì)照手段(對(duì)照容器)C1。
權(quán)利要求
1．一種光學(xué)式濃度測(cè)定裝置，使從一個(gè)紅外線光源(O)發(fā)出的檢測(cè)光透射過(guò)干涉濾光片(F1)，選擇特定波長(zhǎng)，使所選擇波長(zhǎng)的檢測(cè)光有選擇地透射過(guò)對(duì)照手段(C1)及試樣容器(C2)，用一個(gè)受光器(R)檢測(cè)透射光，以此測(cè)定試樣容器內(nèi)的試樣濃度，其特征在于，具備使上述光源(O)發(fā)出的檢測(cè)光成像于上述干涉濾光片(F1)的第1成像透鏡(L1)、使利用干涉濾光片選擇的特定波長(zhǎng)的檢測(cè)光光束成為平行的檢測(cè)光的一個(gè)準(zhǔn)直透鏡(L2)、將平行的檢測(cè)光束分割成兩束分開(kāi)的平行光束取出的遮光板(M)、輪換使兩束分開(kāi)的平行光束中的某一束通過(guò)的光學(xué)快門(mén)(S)、放置于第1束分開(kāi)的平行光束的光路上的對(duì)照手段(C1)、放置于第2束分開(kāi)的平行光束的光路上的試樣容器(C2)，以及使透射過(guò)對(duì)照手段(C1)及試樣容器(C2)的各分開(kāi)的平行光束成像于受光器(R)上的一個(gè)第2成像透鏡(L3)。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)式濃度測(cè)定裝置，其特征在于，上述遮光板(M)是平板狀的，具有形成上述各分開(kāi)的平行光束的以光軸對(duì)稱(chēng)的2個(gè)并列的針孔(M1、M2)。
3．根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)式濃度測(cè)定裝置，其特征在于，所述對(duì)照手段(C1)與試樣容器(C2)由做成容器長(zhǎng)度不同而且互相連通的兩個(gè)腔室的1個(gè)容器室構(gòu)成，上述容器長(zhǎng)度短的第1腔室的部分作為對(duì)照手段(C1)，而另一方面以容器長(zhǎng)度長(zhǎng)的第2腔室(C2)的部份作為試樣容器。
4．根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)式濃度測(cè)定裝置，其特征在于，在相同厚度的一個(gè)容器室內(nèi)的一部份插入與試樣有相似的折射率而且與試樣有不同的吸光特性的光折射率調(diào)整塊(A)，在上述容器室內(nèi)，借助于插入上述光折射率調(diào)整塊(A)，形成容器長(zhǎng)度短的第1腔室和具有與容器室的厚度相等的容器長(zhǎng)度的第2腔室，以第1腔室的部份作為對(duì)照手段(C1)，而另一方面以第2腔室的部分作為所述試樣容器(C2)。
5．根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)式濃度測(cè)定裝置，其特征在于，所述對(duì)照手段是玻璃塊(C′)。
6．根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)式濃度測(cè)定裝置，其特征在于，所述對(duì)照手段是周?chē)目諝獗旧怼?br> 全文摘要
本發(fā)明涉及光學(xué)式濃度測(cè)定裝置。問(wèn)題在于要確保在光源變動(dòng)的情況下檢測(cè)光的性質(zhì)也相同,在以光軸為中心的測(cè)定空間均等地包含變動(dòng)的光學(xué)信息。解決辦法是,用準(zhǔn)直透鏡L1使在干涉濾光片F(xiàn)1上成像的光束成為平行光,用遮光板M將該平行光分割成兩束分開(kāi)的平行光束。該平行光束中均等地包含來(lái)自光源的光學(xué)信息。在第一束分開(kāi)的平行光束中放置對(duì)照手段C1,而在第2束分開(kāi)的平行光束中放置試樣容器C2。用成像透鏡L3使透過(guò)各容器的光成像于受光器R。
文檔編號(hào)G01N21/27GK1221876SQ9812382
公開(kāi)日1999年7月7日 申請(qǐng)日期1998年10月29日 優(yōu)先權(quán)日1997年10月29日
發(fā)明者東升 申請(qǐng)人:倉(cāng)敷紡績(jī)株式會(huì)社