光センサ装置
【課題】呼気中のアルコール濃度を測定する場合に、水蒸気濃度による影響を補正し、高精度にアルコール濃度を測定すること。
【解決手段】光源１０の光は、偏光ビームスプリッタ１３によってｐ偏光は透過し、ｓ偏光は反射されて２つに分割される。ｐ偏光は光センサ素子１１によって反射され、偏光ビームスプリッタ１３によって反射されて出力光１として光検出器１５に出力される。ｓ偏光は１／４波長板１４を通して光センサ素子１２に反射され、再び１／４波長板１４を透過し、偏光ビームスプリッタ１３を透過して出力光２として光検出器１５に出力される。光センサ素子１１はアルコール濃度および水蒸気濃度に感応して反射率が変化し、光センサ素子１２は水蒸気濃度に感応して反射率が変化する。出力光１の光強度は光センサ素子１１の反射率減少に対して増加し、出力光２の光強度は光センサ１２の反射率減少に対して減少する。
【解決手段】光源１０の光は、偏光ビームスプリッタ１３によってｐ偏光は透過し、ｓ偏光は反射されて２つに分割される。ｐ偏光は光センサ素子１１によって反射され、偏光ビームスプリッタ１３によって反射されて出力光１として光検出器１５に出力される。ｓ偏光は１／４波長板１４を通して光センサ素子１２に反射され、再び１／４波長板１４を透過し、偏光ビームスプリッタ１３を透過して出力光２として光検出器１５に出力される。光センサ素子１１はアルコール濃度および水蒸気濃度に感応して反射率が変化し、光センサ素子１２は水蒸気濃度に感応して反射率が変化する。出力光１の光強度は光センサ素子１１の反射率減少に対して増加し、出力光２の光強度は光センサ１２の反射率減少に対して減少する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、対象物に光を照射し、その反射率の変化によって対象物の物性、たとえば濃度、密度、屈折率、温度などを測定する光センサ装置に関する。特に、呼気中のアルコール濃度を測定する光センサ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、偏光ビームスプリッタによって分割した直線偏光を光ディスク等の反射体に反射させる際に、１／４波長板を通して円偏光にしてから反射体に反射させ、その反射光を再度１／４波長板に通すことで、偏光ビームスプリッタによる分割時とは直交する直線偏光にし、その直線偏光を偏光ビームスプリッタを介して検出する方法が知られている（たとえば特許文献１、２）。この方法によれば、効率的な光ピックアップ装置などを構成することができる。
【０００３】
また、光学式のアルコールセンサ素子として、たとえば特許文献３がある。特許文献３のセンサ素子は、高分子電解質累積膜と表面プラズモン共鳴を用い、その高分子電解質累積膜がアルコールに晒されたときの光学的応答の違いからアルコール濃度を検出するものである。
【０００４】
また、呼気中のアルコール濃度を測定する際に、センサ素子がアルコールと水蒸気の両方に感応する場合において、水蒸気による影響を補正する方法が特許文献４に示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−１２０５９２
【特許文献２】特開２００１−２２９５６９
【特許文献３】特開２０１０−１９７１８１
【特許文献４】特開２０１０−２２３６２６
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
光学式のアルコールセンサ素子を特許文献４に適用することが考えられる。しかし、特許文献４では、アルコール濃度を算出する算出部と湿度を算出する算出部の２つの手段と、補正処理を行う処理部が必要となり、装置の大型化やコストが増大してしまう。
【０００７】
そこで本発明の目的は、対象物に光を照射し、その反射率の変化から対象物の物性を測定する光センサ装置において、妨害要素の存在下で測定する場合に、その妨害要素による影響を補正し、高精度に測定物の物性を測定することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
第１の発明は、対象物の物性を、光の反射率の変化によって測定する光センサ装置において、対象物の物性と妨害要素とに反応して反射率が変化する第１光センサ素子と、妨害要素に反応して反射率が変化し、対象物の物性に対しては反応しない第２光センサ素子と、光源と、光源からの光を透過・反射させて２つの偏光成分に分割し、それぞれを第１光センサ素子および第２光センサ素子によって反射させ、２つの反射光のうち、透過させて分割した方を反射させ、反射させて分割した方を透過させて、２つの反射光を合波し出力する偏光ビームスプリッタと、偏光ビームスプリッタにより合波された光の光強度を検出する光検出器と、を有し、第１光センサと第２光センサのうち一方の反射光は、反射率の減少に対して偏光ビームスプリッタから出力される光強度が減少し、他方の反射光は、反射率の減少に対して偏光ビームスプリッタから出力される光強度が増加するように、第１光センサ素子または第２光センサ素子に反射率の偏光依存性を持たせ、あるいは第１光センサ素子または第２光センサ素子と偏光ビームスプリッタとの間に複屈折素子を配置する、ことを特徴とする光センサ装置である。
【０００９】
本発明において対象物の物性とは、反射率の変化から測定可能な物性であればよく、濃度、密度、温度、屈折率などである。対象物は、気体、液体、固体など、どのような状態であってもよい。たとえば、呼気中のアルコール濃度や、液体の屈折率などが本発明における対象物の物性である。
【００１０】
阻害要素は、対象物の物性測定に影響する任意の要素である。たとえば、光センサ素子に対して反射特性の変化を及ぼす対象物以外の物質や、第１、２光センサ素子の温度などが挙げられる。
【００１１】
第１光センサ素子は対象物の物性と妨害要素に応じて反射率が変化し、第２光センサ素子は妨害要素に応じて光の反射率が変化するものであれば任意である。第１、２光センサ素子の反射率は必ずしも偏光依存性を必要としない。たとえば、アルコールと水に感応する第１光センサ素子、および水に感応する第２光センサ素子として、金属膜上に高分子電解質累積膜を形成した素子を用いることができる。高分子電解質累積膜は、異なる材料の高分子電解質膜（たとえばポリアニオンとポリカチオン）を交互に累積させた膜である。高分子電解質累積膜にアルコールが吸着することで厚さが変化し、これに応じて反射率が変化する。高分子電解質累積膜を使用することは、製造の容易さや低コストであることに利点がある。しかし、高分子電解質累積膜はアルコールのみに反応するよう作製することが困難であり、通常は水にも反応する。また、水のみに反応しアルコールには反応しないような高分子電解質累積膜を作製することは容易である。そこで本発明を用いれば、光センサ素子として高分子電解質累積膜を利用する場合であっても水による影響分を補正してアルコール濃度を精度よく測定できる。また、金属膜として光源の波長以下の間隔でストライプ状の凹凸が設けられたものを用いれば、偏光方向による反射率の依存性を容易に設計することができ、測定精度の向上を図ることができる。また、そのような凹凸を設けた金属膜は、液体の屈折率を測定する第１、第２センサ素子として用いることができる。金属膜に液体が接触した際、屈折率に応じて反射特性が変化するためである。また、阻害要素として第１、２光センサ素子の温度を想定する場合、第２光センサ素子には、たとえば金属ミラーを用いることができる。
【００１２】
第１光センサ素子と第２光センサ素子のうち一方の反射光は、反射率の減少に対して偏光ビームスプリッタから出力される光強度が減少し、他方の反射光は、反射率の減少に対して偏光ビームスプリッタから出力される光強度が増加する、ように構成する場合において、第１、第２光センサ素子の双方が、反射率の減少に対して偏光ビームスプリッタから出力される光強度が増加または減少するような素子である場合には、第１光センサ素子と第２光センサ素子の一方と、偏光ビームスプリッタとの間に、１／４波長板などの複屈折素子を配置すればよい。
【００１３】
光源には、発光ダイオード、半導体レーザー、などを用いることができる。
【００１４】
光検出器には、フォトダイオード、フォトトランジスタ、ＣＣＤ、ＣＭＯＳ、光電子増倍管などを用いることができる。
【００１５】
第２の発明は、第１の発明において、対象物の物性は、呼気中のアルコール濃度であり、妨害要素は、呼気中の水蒸気濃度であり、第１光センサ素子は、光源の波長以下の間隔でストライプ状の凹凸が設けられた金属膜と、金属膜上に形成され、アルコールおよび水に反応して厚さの変化する第１の高分子電解質累積膜と、を有し、第２光センサ素子は、金属膜と、金属膜上に形成され、水に反応して厚さの変化する第２の高分子電解質累積膜と、を有し、第１光センサ素子と第２光センサ素子の一方と、偏光ビームスプリッタとの間に、複屈折素子を有する、ことを特徴とする光センサ装置である。
【００１６】
第３の発明は、第１の発明において、対象物の物性は、液体の屈折率であり、妨害要素は、第１光センサ素子および第２光センサ素子の温度であり、第１光センサ素子および第２光センサ素子は、光源の波長以下の間隔でストライプ状の凹凸が設けられた金属膜であり、第１光センサ素子と第２光センサ素子の一方と、偏光ビームスプリッタとの間に、複屈折素子を有する、ことを特徴とする光センサ装置である。
【００１７】
第４の発明は、第１の発明において、対象物の物性は、呼気中のアルコール濃度であり、妨害要素は、第１光センサ素子および第２光センサ素子の温度であり、第１光センサ素子は、光源の波長以下の間隔でストライプ状の凹凸が設けられた金属膜と、金属膜上に形成され、アルコールおよび水に反応して厚さの変化する高分子電解質累積膜と、を有し、第２光センサ素子は、金属ミラーであり、第２光センサ素子と、偏光ビームスプリッタとの間に、複屈折素子を有する、ことを特徴とする光センサ装置である。
【００１８】
第５の発明は、第２の発明から第４の発明において、複屈折素子は、１／４波長板であることを特徴とする光センサ装置である。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、対象物の物性測定を阻害する要因が存在する環境下であっても、阻害要素による影響を補正して高精度に対象物の物性を測定することができる。また、本発明の光センサ装置は小型で低コストに製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】実施例１の光センサ装置の構成を示した図。
【図２】光センサ素子１１、１２の構成を示した図。
【図３】金属ナノスリット素子１０２の反射率の波長依存性を示したグラフ。
【図４】反射率の波長依存性のシフトを説明する図。
【図５】ある波長における反射率の変化を説明する図。
【図６】光センサ素子１１、１２による光の反射前後での光の状態の違いを示した図。
【図７】出力光１、２の光強度と反射率変化方向の反射率との関係を示したグラフ。
【図８】出力光２の光強度と反射率変化方向の反射率との関係を示したグラフ。
【図９】実施例２の光センサ装置の構成を示した図。
【図１０】光センサ素子２１、２２の構成を示した図。
【図１１】実施例３の光センサ装置の構成を示した図。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の具体的な実施例について図を参照に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。
【実施例１】
【００２２】
図１は、実施例１の光センサ装置の構成を示した図である。光センサ装置は、光源１０と、光センサ素子１１、１２と、偏光ビームスプリッタ１３と、１／４波長板１４と、光検出器１５と、濃度算出部１６と、によって構成されている。この実施例１の光センサ装置は、本発明において対象物の物性をアルコール濃度とし、阻害要素を水の存在とする場合である。
【００２３】
光源１０はＬＥＤであり、光源１０から出力される光は、偏光ビームスプリッタ１３に出力させる。光源１０にはＬＥＤの他にレーザダイオードなどを用いることができる。光源１０の光の波長は、近赤外光域から可視光域の間で光センサ素子１１、１２の特性に合わせて選択する。
【００２４】
偏光ビームスプリッタ１３は、２つのプリズムを接着し、その接着面に誘電体多層膜を形成したキューブ型である。ガラス基板に誘電体多層膜を形成して偏光依存性を持たせた板状の構造のものであってもよい。この偏光ビームスプリッタ１３によって、光源１０からの光は、ｓ偏光は放射方向に対して９０°の方向に反射され、ｐ偏光は透過されて２つに分割される。
【００２５】
光センサ素子１１は、偏光ビームスプリッタ１３によって分割された光のうち、ｐ偏光の放射方向に配置され、光センサ素子１２は、ｓ偏光の放射方向に配置されている。光センサ素子１１、１２は、図２のように、表面にストライプ形状の凹凸が施された樹脂板１００上に、そのストライプ形状に沿って金属膜１０１が形成されてなる金属ナノスリット素子１０２と、金属ナノスリット素子１０２上に形成されたガス感応膜１０３と、によって構成されている。ストライプの幅、間隔は、光源１０の出力する光の波長以下である。金属膜１０１の材料は、たとえばＡｌ、Ａｇなどである。ガス感応膜１０３の材料は、たとえば、高分子電解質累積膜などである。
【００２６】
高分子電解質累積膜は、異なる材料の高分子電解質膜（たとえばポリアニオンとポリカチオン）を交互に累積させた膜である。高分子電解質累積膜は、金属ナノスリット素子１０２表面をポリアニオン溶液とポリカチオン溶液に交互に浸して積層することで作製することができ、大型の装置を用いることなく、容易かつ低コストに製造することができる。また、１分子層単位で積層することができるため、厚さを高精度に制御することが可能である。他にもスピンコートなどにより製造することもできる。ポリアニオンは、スルホン酸、硫酸、カルボン酸など負の電荷を帯びる官能基を有するものであり、たとえば、poly[1-[4-(3-carboxy-4-hydroxyphenylazo)benzenesulfonamido]-1,2-ethanediyl,sodium salt] や、poly(4-vinylphenol) 、などを用いることができる。また、ポリカチオンは、４級アンモニウム基、アミノ基など正の電荷を帯びる官能基を有するものであり、たとえば、Poly(diallyldimethylammonium chloride)や、poly(4-vinylpyridine) 、などを用いることができる。光センサ素子１１には、アルコールと水とに感応して膜厚が変化するガス感応膜１０３を用い、光センサ素子１２には、水に感応して膜厚が変化し、アルコールには感応しないガス感応膜１０３を用いる。このような光センサ素子１１と光センサ素子１２の感応性の違いは、高分子電解質累積膜を構成する高分子電解質膜の材料、厚さ、累積数などによって生じさせることができる。
【００２７】
金属ナノスリット素子１０２は、たとえば、樹脂板１００表面に金型でストライプ形状の凹凸を設け、金属を斜め蒸着させることで作製することができる。金属膜にストライプ状にスリットを設けることで金属ナノスリット素子１０２を構成することもできる。
【００２８】
このような金属ナノスリット素子１０２は、樹脂板１００に垂直に光を照射した場合、金属ナノスリット素子１０２のストライプ方向に平行な偏光に対しては、波長に依存せず一定の反射率となり、ストライプ方向に垂直な偏光に対しては、波長によって反射率が異なる（図３参照）。図３のように、ストライプ方向に垂直な偏光については、ある波長λａまでは低い反射率でほぼ一定であるが、波長λａを越えて波長λｂあたりまでは反射率は増加し、波長λｂを越えると高い反射率でほぼ一定となる。一方、ストライプ方向に平行な偏光に対しては、波長によらず一定の反射率であり、ストライプ方向に垂直な偏光の反射率よりも高い反射率である。この反射特性の波長依存性は、ストライプの幅、間隔、深さや、金属膜１０１の材料などによって設計可能である。
【００２９】
そして、金属ナノスリット素子１０２上にガス感応膜１０３を形成すると、ガス感応膜１０３の厚さに応じて図３に示したストライプ方向に垂直な偏光の反射率の波長依存性が変化する（図４参照）。ガス感応膜１０３にアルコールや水が吸着すると、ガス感応膜１０３の厚さが変化するため、図４に示したように反射率の波長依存性がシフトする。ガス感応膜１０３の厚さの変化量は、アルコール濃度や水蒸気濃度に依存する。この波長依存性のシフトは、ある波長λ１で比較すると反射率が変化しているということであり、その反射率の変化量は、アルコール濃度や水蒸気濃度に依存する（図５参照）。したがって、光センサ素子１１はガス感応膜１０３に接触するアルコール濃度および水蒸気濃度に応じて、金属ナノスリット素子１０２のストライプ方向に垂直な偏光の反射率が所定量変化する。また、光センサ素子１２は水蒸気濃度に応じて、金属ナノスリット素子１０２のストライプ方向に垂直な偏光の反射率が所定量変化する。アルコール濃度あるいは水蒸気濃度に対する感度を向上させるために、光源１０の波長λは、濃度変化に対する反射率の変化の大きいλａ〜λｂの範囲が望ましく、そのような反射率の波長依存性となるよう金属ナノスリット素子１０２を設計するのがよい。以下、金属ナノスリット素子１０２のストライプ方向に垂直な方向を、光センサ素子１１、１２の反射率変化方向、ストライプ方向に平行な方向を反射率一定方向と呼ぶこととする。
【００３０】
図６は、光センサ素子１１、１２で光を反射させる前後の光の状態を示した図である。図６（ａ）のように、反射させる前の光はｐ偏光とし、ｘｙ平面においてｘ軸方向をｐ偏光の方向とする。また、光センサ素子１１、１２の反射率変化方向は、ｘ軸に対してθｐの角度を有しているとする。このような状態の光を光センサ素子１１、１２によって反射させた後の光の状態が、図６（ｂ）である。図３〜５のグラフに示したように、反射率変化方向の反射率は、反射率一定方向の反射率よりも小さい。その結果、図６（ｂ）のように、光センサ素子１１、１２による反射光は、ｐ偏光である入射光に対して偏光方向が傾くこととなり、ｓ偏光の成分を有することがわかる。このｓ偏光成分の光強度は、反射率変化方向の反射率が減少すれば増加し、逆に反射率変化方向の反射率が増加すれば減少する。また、ｓ偏光成分の光強度はθｐにも依存しており、具体的にはｓｉｎ（２＊θｐ）の二乗に比例している。
【００３１】
１／４波長板１４は、偏光ビームスプリッタ１３と光センサ素子１２との間に配置されている。１／４波長板１４としてフィルム状のものを用い、これを偏光ビームスプリッタ１３や光センサ素子１２に直接張り付けて使用してもよい。１／４波長板１４は、その進相軸がｓ偏光に対して４５°を成すように配置されている。
【００３２】
光検出器１５は、偏光ビームスプリッタ１３を挟んで光センサ素子１２と対向するよう配置されている。光検出器１５はフォトダイオードであり、偏光ビームスプリッタ１３によって合波された光を受光し、光強度に応じた電気信号を出力する。光検出器１５としてフォトダイオード以外にも、フォトトランジスタ、ＣＣＤ、ＣＭＯＳなどを用いてもよい。
【００３３】
濃度算出部１６は光検出器１５に接続されており、光検出器１５によって検出した光強度と基準値となる光強度との差を算出し、その差からアルコール濃度を算出する。
【００３４】
次に、実施例１の光センサ装置を用い、呼気中のアルコール濃度を測定する場合について説明する。
【００３５】
偏光ビームスプリッタ１３によって分割されたｐ偏光は、光センサ素子１１によって反射され、さらに偏光ビームスプリッタ１３に反射されて出力される。ここでその出力される出力光１の光強度は、上述の光センサ素子１１の反射特性により、反射率変化方向での反射率の減少に対して出力光１の光強度が増加する関係となる（図７参照）。また、上述のように、この反射率変化方向における反射率は、アルコール濃度および水蒸気濃度に依存して変化する。
【００３６】
一方、偏光ビームスプリッタ１３によって分割されたｓ偏光は、１／４波長板１４を透過した後、光センサ素子１２によって反射され、再度１／４波長板１４を透過した後、偏光ビームスプリッタ１３を透過して出力される。この出力光２は、上述の光センサ素子１２の反射特性と、光センサ素子１２と偏光ビームスプリッタとの間に１／４波長板１４を配置しており、光センサ素子１２には円偏光が照射されることになるため、反射率変化方向での反射率の減少に対して出力光２の光強度が減少する関係となる（図７参照）。また、上述のように、反射率変化方向での反射率は、水蒸気濃度に依存して変化し、アルコール濃度には依存しない。
【００３７】
光検出器１５では、上記の出力光１と出力光２が合波されて光強度が検出される。そして、基準となる光強度から検出された光強度への減少量を濃度算出部１６において求める。基準となる光強度は、たとえばアルコール濃度および水蒸気濃度が０の環境下で光検出器１５により測定した光強度である。この減少量は、図７に示すように、出力光１の光強度の増加量と出力光２の光強度の減少量とを合わせた量であり、出力光１の光強度の増加量はアルコール濃度および水蒸気濃度の増減によるもの、出力光２の光強度の減少量は水蒸気濃度の増減のみによるものである。したがって、検出された光強度と光強度の基準値との差を求めることで、水蒸気濃度の影響が補正されたアルコール濃度を算出することができ、高精度に呼気中のアルコール濃度を測定することができる。
【００３８】
なお、光センサ素子１１と光センサ素子１２とで、必ずしも水蒸気濃度による反射率変化方向での反射率の変化が等しくなるとは限らない。そこで、光センサ素子１１、１２の特性に合わせて、出力光１、２の光強度の反射率変化方向での反射率に対する特性を変化させ、適切な補正を行うことができる。具体的には、光センサ素子１１、１２や１／４波長板１４の角度を回転させて変更することで特性を変化させることができる。図８は、光センサ素子１２の角度を０°、１５°、３０°、４５°と変化させた場合における、出力光２の光強度の反射率変化方向での反射率に対する特性を示した図である。光センサ素子１２の角度を変えることで、光センサ素子１２の金属ナノスリット素子１０２のストライプ方向と、ｓ偏光との成す角度が変化するため、図８のように、出力光２の光強度の反射率特性を変化させることができる。
【００３９】
以上のように、実施例１の光センサ装置によると、測定を阻害する水が存在する呼気中のアルコール濃度であっても、水の影響を補正して精度よくアルコール濃度を測定することができる。また、実施例１の光センサ装置は光検出器１５を１つのみ備える構成であるため、光センサ装置の小型化、低コスト化を図ることができる。
【００４０】
なお、実施例１の光センサ装置では、１／４波長板１４は偏光ビームスプリッタ１３と光センサ素子１２との間に配置したが、偏光ビームスプリッタ１３と光センサ素子１１との間に配置してもよい。また、実施例１の光センサ装置において、光センサ素子１１と光センサ素子１２の位置を逆にしてもよい。ようするに、出力光１、２の一方は、第１光センサ１１あるいは第２光センサ１２の反射率の減少に対して光強度が減少し、他方は、反射率の減少に対して光強度が増加するように、光センサ装置を構成すればよい。具体的には、光センサ素子１１、１２の少なくとも一方に反射率の偏光依存性を持たせたり、光センサ素子１１、１２の少なくとも一方と偏光ビームスプリッタ１３との間に、１／４波長板などの複屈折素子を配置することで、このような構成とすることができる。
【実施例２】
【００４１】
実施例２の光センサ装置は、図９に示すように、実施例１の光センサ装置において、光センサ素子１１、１２を、光センサ素子２１、２２に替えた構成である。光センサ素子２１、２２は、図１０に示すように、光センサ素子１１、１２からガス感応膜１０３を除いて金属ナノスリット素子１０２のみとした構成である。金属ナノスリット素子１０２は、前述のように、表面にストライプ形状の凹凸が施された樹脂板１００上に、そのストライプ形状に沿って金属膜１０１が形成されたものである。
【００４２】
金属ナノスリット素子１０２である光センサ素子２１、２２に液体が接触すると、液体の屈折率に応じて反射率変化方向（金属ナノスリット素子１０２のストライプ方向に直交する方向）の反射率が変化する。ここで、光センサ素子２１、２２の反射率変化方向における反射特性が、以下のような特性となるよう金属ナノスリット素子１０２のストライプの幅、間隔、深さや、金属膜１０１の材料などを設計する。光センサ素子２１は、液体の屈折率変化に対して敏感に反応して反射率変化方向の反射率が大きく変化する特性とする。また、光センサ素子２２は、液体の屈折率変化に対して反応しない特性とする。また、光センサ素子２１、２２の反射率変化方向の反射率は、共に、光センサ素子２１、２２自体の温度によって変化する。
【００４３】
このような構成とすれば、光センサ素子２１によって反射され、偏光ビームスプリッタ１３によって反射されて光検出器１５側に出力される出力光１の光強度は、反射率変化方向の反射率減少に対して増加する。また、１／４波長板１４を通して光センサ素子２２によって反射され、再び１／４波長板１４を透過し、さらに偏光ビームスプリッタ１３を透過した出力光２の光強度は、反射率変化方向の反射率減少に対して減少する。
【００４４】
基準となる光強度から光検出器１５において検出された光強度への減少量を濃度算出部１６において求めると、その減少量は、出力光１の光強度の増加量と出力光２の光強度の減少量とを合わせた量であり、出力光１の光強度の増加量は液体の屈折率および光センサ素子２１の温度の変動によるもの、出力光２の光強度の減少量は光センサ素子２２の温度の変動のみによるものである。
【００４５】
したがって、検出された光強度と光強度の基準値との差を求めることで、光センサ素子２１、２２の温度の影響が補正された液体の屈折率を算出することができ、高精度に液体の屈折率を測定することができる。
【００４６】
以上のように、実施例２の光センサ装置によると、光センサ素子２１、２２自体の温度による影響を補正して精度よく液体の屈折率を測定することができる。この高精度な液体の屈折率の測定は、たとえば自動車等の液体燃料の品質の検査などに応用することができる。
【００４７】
なお、光センサ素子２２として、金属ナノスリット素子１０２に替えて金属ミラーを用いてもよい。金属ミラーの反射率は温度に依存するため、出力光２の光強度を反射率減少に対して減少させることができるので、実施例２のように光センサ素子自体の温度による影響を補正して液体の屈折率を測定することができる。
【実施例３】
【００４８】
実施例３の光センサ装置は、図１１に示すように、実施例１の光センサ装置において、光センサ素子１２を光センサ素子３２に替えた構成であり、光センサ素子３２は金属ミラーである。金属ミラーはガラス等の基板上にＡｇやＡｌなどの高反射な金属を蒸着させたものである。
【００４９】
金属ミラーである光センサ素子３２は、温度が上昇すると反射率が減少し、その反射率には偏光依存性がない。そのため、１／４波長板１４を通して光センサ素子３２によって反射され、再び１／４波長板１４を透過し、さらに偏光ビームスプリッタ１３を透過した出力光２の光強度は、温度変化による反射率減少に対して減少する。
【００５０】
基準となる光強度から光検出器１５において検出された光強度への減少量を濃度算出部１６において求めると、その減少量は、出力光１の光強度の増加量と出力光２の光強度の減少量とを合わせた量である。出力光１の光強度の増加量は、実施例１の場合のような水蒸気濃度による影響を無視すれば、アルコール濃度および光センサ素子１１の温度の変動によるものである。また、出力光２の光強度の減少量は光センサ素子３２の温度の変動によるものである。
【００５１】
したがって、検出された光強度と光強度の基準値との差を求めることで、光センサ素子１１、３２の温度の影響が補正されたアルコール濃度を算出することができ、高精度にアルコール濃度を測定することができる。
【００５２】
なお、実施例１、３の光センサ装置は呼気中のアルコール濃度を測定するのに用いる装置であり、実施例２の光センサ装置は液体の屈折率を測定するのに用いる装置であったが、本発明はこれに限るものではなく、反射率に依存した対象物の物性を測定する装置として広く活用することができる。たとえば、対象物の温度を測定する用途にも本発明の光センサ装置を用いることができる。また、実施例１では阻害要素として水蒸気濃度を想定し、実施例２、３では光センサ素子の温度を想定したが、阻害要素はこれらに限るものではなく、対象物の物性測定に影響を及ぼすあらゆる要素であってよい。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
本発明の光センサ装置は、呼気中のアルコール濃度の測定装置や、自動車燃料の品質測定装置などに利用することができる。
【符号の説明】
【００５４】
１０：光源
１１、１２、２１、２２、３２：光センサ素子
１３：偏光ビームスプリッタ
１４：１／４波長板
１５：光検出器
１６：濃度算出部
１００：樹脂板
１０１：金属膜
１０２：金属ナノスリット素子
１０３：ガス感応膜
【技術分野】
【０００１】
本発明は、対象物に光を照射し、その反射率の変化によって対象物の物性、たとえば濃度、密度、屈折率、温度などを測定する光センサ装置に関する。特に、呼気中のアルコール濃度を測定する光センサ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、偏光ビームスプリッタによって分割した直線偏光を光ディスク等の反射体に反射させる際に、１／４波長板を通して円偏光にしてから反射体に反射させ、その反射光を再度１／４波長板に通すことで、偏光ビームスプリッタによる分割時とは直交する直線偏光にし、その直線偏光を偏光ビームスプリッタを介して検出する方法が知られている（たとえば特許文献１、２）。この方法によれば、効率的な光ピックアップ装置などを構成することができる。
【０００３】
また、光学式のアルコールセンサ素子として、たとえば特許文献３がある。特許文献３のセンサ素子は、高分子電解質累積膜と表面プラズモン共鳴を用い、その高分子電解質累積膜がアルコールに晒されたときの光学的応答の違いからアルコール濃度を検出するものである。
【０００４】
また、呼気中のアルコール濃度を測定する際に、センサ素子がアルコールと水蒸気の両方に感応する場合において、水蒸気による影響を補正する方法が特許文献４に示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−１２０５９２
【特許文献２】特開２００１−２２９５６９
【特許文献３】特開２０１０−１９７１８１
【特許文献４】特開２０１０−２２３６２６
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
光学式のアルコールセンサ素子を特許文献４に適用することが考えられる。しかし、特許文献４では、アルコール濃度を算出する算出部と湿度を算出する算出部の２つの手段と、補正処理を行う処理部が必要となり、装置の大型化やコストが増大してしまう。
【０００７】
そこで本発明の目的は、対象物に光を照射し、その反射率の変化から対象物の物性を測定する光センサ装置において、妨害要素の存在下で測定する場合に、その妨害要素による影響を補正し、高精度に測定物の物性を測定することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
第１の発明は、対象物の物性を、光の反射率の変化によって測定する光センサ装置において、対象物の物性と妨害要素とに反応して反射率が変化する第１光センサ素子と、妨害要素に反応して反射率が変化し、対象物の物性に対しては反応しない第２光センサ素子と、光源と、光源からの光を透過・反射させて２つの偏光成分に分割し、それぞれを第１光センサ素子および第２光センサ素子によって反射させ、２つの反射光のうち、透過させて分割した方を反射させ、反射させて分割した方を透過させて、２つの反射光を合波し出力する偏光ビームスプリッタと、偏光ビームスプリッタにより合波された光の光強度を検出する光検出器と、を有し、第１光センサと第２光センサのうち一方の反射光は、反射率の減少に対して偏光ビームスプリッタから出力される光強度が減少し、他方の反射光は、反射率の減少に対して偏光ビームスプリッタから出力される光強度が増加するように、第１光センサ素子または第２光センサ素子に反射率の偏光依存性を持たせ、あるいは第１光センサ素子または第２光センサ素子と偏光ビームスプリッタとの間に複屈折素子を配置する、ことを特徴とする光センサ装置である。
【０００９】
本発明において対象物の物性とは、反射率の変化から測定可能な物性であればよく、濃度、密度、温度、屈折率などである。対象物は、気体、液体、固体など、どのような状態であってもよい。たとえば、呼気中のアルコール濃度や、液体の屈折率などが本発明における対象物の物性である。
【００１０】
阻害要素は、対象物の物性測定に影響する任意の要素である。たとえば、光センサ素子に対して反射特性の変化を及ぼす対象物以外の物質や、第１、２光センサ素子の温度などが挙げられる。
【００１１】
第１光センサ素子は対象物の物性と妨害要素に応じて反射率が変化し、第２光センサ素子は妨害要素に応じて光の反射率が変化するものであれば任意である。第１、２光センサ素子の反射率は必ずしも偏光依存性を必要としない。たとえば、アルコールと水に感応する第１光センサ素子、および水に感応する第２光センサ素子として、金属膜上に高分子電解質累積膜を形成した素子を用いることができる。高分子電解質累積膜は、異なる材料の高分子電解質膜（たとえばポリアニオンとポリカチオン）を交互に累積させた膜である。高分子電解質累積膜にアルコールが吸着することで厚さが変化し、これに応じて反射率が変化する。高分子電解質累積膜を使用することは、製造の容易さや低コストであることに利点がある。しかし、高分子電解質累積膜はアルコールのみに反応するよう作製することが困難であり、通常は水にも反応する。また、水のみに反応しアルコールには反応しないような高分子電解質累積膜を作製することは容易である。そこで本発明を用いれば、光センサ素子として高分子電解質累積膜を利用する場合であっても水による影響分を補正してアルコール濃度を精度よく測定できる。また、金属膜として光源の波長以下の間隔でストライプ状の凹凸が設けられたものを用いれば、偏光方向による反射率の依存性を容易に設計することができ、測定精度の向上を図ることができる。また、そのような凹凸を設けた金属膜は、液体の屈折率を測定する第１、第２センサ素子として用いることができる。金属膜に液体が接触した際、屈折率に応じて反射特性が変化するためである。また、阻害要素として第１、２光センサ素子の温度を想定する場合、第２光センサ素子には、たとえば金属ミラーを用いることができる。
【００１２】
第１光センサ素子と第２光センサ素子のうち一方の反射光は、反射率の減少に対して偏光ビームスプリッタから出力される光強度が減少し、他方の反射光は、反射率の減少に対して偏光ビームスプリッタから出力される光強度が増加する、ように構成する場合において、第１、第２光センサ素子の双方が、反射率の減少に対して偏光ビームスプリッタから出力される光強度が増加または減少するような素子である場合には、第１光センサ素子と第２光センサ素子の一方と、偏光ビームスプリッタとの間に、１／４波長板などの複屈折素子を配置すればよい。
【００１３】
光源には、発光ダイオード、半導体レーザー、などを用いることができる。
【００１４】
光検出器には、フォトダイオード、フォトトランジスタ、ＣＣＤ、ＣＭＯＳ、光電子増倍管などを用いることができる。
【００１５】
第２の発明は、第１の発明において、対象物の物性は、呼気中のアルコール濃度であり、妨害要素は、呼気中の水蒸気濃度であり、第１光センサ素子は、光源の波長以下の間隔でストライプ状の凹凸が設けられた金属膜と、金属膜上に形成され、アルコールおよび水に反応して厚さの変化する第１の高分子電解質累積膜と、を有し、第２光センサ素子は、金属膜と、金属膜上に形成され、水に反応して厚さの変化する第２の高分子電解質累積膜と、を有し、第１光センサ素子と第２光センサ素子の一方と、偏光ビームスプリッタとの間に、複屈折素子を有する、ことを特徴とする光センサ装置である。
【００１６】
第３の発明は、第１の発明において、対象物の物性は、液体の屈折率であり、妨害要素は、第１光センサ素子および第２光センサ素子の温度であり、第１光センサ素子および第２光センサ素子は、光源の波長以下の間隔でストライプ状の凹凸が設けられた金属膜であり、第１光センサ素子と第２光センサ素子の一方と、偏光ビームスプリッタとの間に、複屈折素子を有する、ことを特徴とする光センサ装置である。
【００１７】
第４の発明は、第１の発明において、対象物の物性は、呼気中のアルコール濃度であり、妨害要素は、第１光センサ素子および第２光センサ素子の温度であり、第１光センサ素子は、光源の波長以下の間隔でストライプ状の凹凸が設けられた金属膜と、金属膜上に形成され、アルコールおよび水に反応して厚さの変化する高分子電解質累積膜と、を有し、第２光センサ素子は、金属ミラーであり、第２光センサ素子と、偏光ビームスプリッタとの間に、複屈折素子を有する、ことを特徴とする光センサ装置である。
【００１８】
第５の発明は、第２の発明から第４の発明において、複屈折素子は、１／４波長板であることを特徴とする光センサ装置である。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、対象物の物性測定を阻害する要因が存在する環境下であっても、阻害要素による影響を補正して高精度に対象物の物性を測定することができる。また、本発明の光センサ装置は小型で低コストに製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】実施例１の光センサ装置の構成を示した図。
【図２】光センサ素子１１、１２の構成を示した図。
【図３】金属ナノスリット素子１０２の反射率の波長依存性を示したグラフ。
【図４】反射率の波長依存性のシフトを説明する図。
【図５】ある波長における反射率の変化を説明する図。
【図６】光センサ素子１１、１２による光の反射前後での光の状態の違いを示した図。
【図７】出力光１、２の光強度と反射率変化方向の反射率との関係を示したグラフ。
【図８】出力光２の光強度と反射率変化方向の反射率との関係を示したグラフ。
【図９】実施例２の光センサ装置の構成を示した図。
【図１０】光センサ素子２１、２２の構成を示した図。
【図１１】実施例３の光センサ装置の構成を示した図。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の具体的な実施例について図を参照に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。
【実施例１】
【００２２】
図１は、実施例１の光センサ装置の構成を示した図である。光センサ装置は、光源１０と、光センサ素子１１、１２と、偏光ビームスプリッタ１３と、１／４波長板１４と、光検出器１５と、濃度算出部１６と、によって構成されている。この実施例１の光センサ装置は、本発明において対象物の物性をアルコール濃度とし、阻害要素を水の存在とする場合である。
【００２３】
光源１０はＬＥＤであり、光源１０から出力される光は、偏光ビームスプリッタ１３に出力させる。光源１０にはＬＥＤの他にレーザダイオードなどを用いることができる。光源１０の光の波長は、近赤外光域から可視光域の間で光センサ素子１１、１２の特性に合わせて選択する。
【００２４】
偏光ビームスプリッタ１３は、２つのプリズムを接着し、その接着面に誘電体多層膜を形成したキューブ型である。ガラス基板に誘電体多層膜を形成して偏光依存性を持たせた板状の構造のものであってもよい。この偏光ビームスプリッタ１３によって、光源１０からの光は、ｓ偏光は放射方向に対して９０°の方向に反射され、ｐ偏光は透過されて２つに分割される。
【００２５】
光センサ素子１１は、偏光ビームスプリッタ１３によって分割された光のうち、ｐ偏光の放射方向に配置され、光センサ素子１２は、ｓ偏光の放射方向に配置されている。光センサ素子１１、１２は、図２のように、表面にストライプ形状の凹凸が施された樹脂板１００上に、そのストライプ形状に沿って金属膜１０１が形成されてなる金属ナノスリット素子１０２と、金属ナノスリット素子１０２上に形成されたガス感応膜１０３と、によって構成されている。ストライプの幅、間隔は、光源１０の出力する光の波長以下である。金属膜１０１の材料は、たとえばＡｌ、Ａｇなどである。ガス感応膜１０３の材料は、たとえば、高分子電解質累積膜などである。
【００２６】
高分子電解質累積膜は、異なる材料の高分子電解質膜（たとえばポリアニオンとポリカチオン）を交互に累積させた膜である。高分子電解質累積膜は、金属ナノスリット素子１０２表面をポリアニオン溶液とポリカチオン溶液に交互に浸して積層することで作製することができ、大型の装置を用いることなく、容易かつ低コストに製造することができる。また、１分子層単位で積層することができるため、厚さを高精度に制御することが可能である。他にもスピンコートなどにより製造することもできる。ポリアニオンは、スルホン酸、硫酸、カルボン酸など負の電荷を帯びる官能基を有するものであり、たとえば、poly[1-[4-(3-carboxy-4-hydroxyphenylazo)benzenesulfonamido]-1,2-ethanediyl,sodium salt] や、poly(4-vinylphenol) 、などを用いることができる。また、ポリカチオンは、４級アンモニウム基、アミノ基など正の電荷を帯びる官能基を有するものであり、たとえば、Poly(diallyldimethylammonium chloride)や、poly(4-vinylpyridine) 、などを用いることができる。光センサ素子１１には、アルコールと水とに感応して膜厚が変化するガス感応膜１０３を用い、光センサ素子１２には、水に感応して膜厚が変化し、アルコールには感応しないガス感応膜１０３を用いる。このような光センサ素子１１と光センサ素子１２の感応性の違いは、高分子電解質累積膜を構成する高分子電解質膜の材料、厚さ、累積数などによって生じさせることができる。
【００２７】
金属ナノスリット素子１０２は、たとえば、樹脂板１００表面に金型でストライプ形状の凹凸を設け、金属を斜め蒸着させることで作製することができる。金属膜にストライプ状にスリットを設けることで金属ナノスリット素子１０２を構成することもできる。
【００２８】
このような金属ナノスリット素子１０２は、樹脂板１００に垂直に光を照射した場合、金属ナノスリット素子１０２のストライプ方向に平行な偏光に対しては、波長に依存せず一定の反射率となり、ストライプ方向に垂直な偏光に対しては、波長によって反射率が異なる（図３参照）。図３のように、ストライプ方向に垂直な偏光については、ある波長λａまでは低い反射率でほぼ一定であるが、波長λａを越えて波長λｂあたりまでは反射率は増加し、波長λｂを越えると高い反射率でほぼ一定となる。一方、ストライプ方向に平行な偏光に対しては、波長によらず一定の反射率であり、ストライプ方向に垂直な偏光の反射率よりも高い反射率である。この反射特性の波長依存性は、ストライプの幅、間隔、深さや、金属膜１０１の材料などによって設計可能である。
【００２９】
そして、金属ナノスリット素子１０２上にガス感応膜１０３を形成すると、ガス感応膜１０３の厚さに応じて図３に示したストライプ方向に垂直な偏光の反射率の波長依存性が変化する（図４参照）。ガス感応膜１０３にアルコールや水が吸着すると、ガス感応膜１０３の厚さが変化するため、図４に示したように反射率の波長依存性がシフトする。ガス感応膜１０３の厚さの変化量は、アルコール濃度や水蒸気濃度に依存する。この波長依存性のシフトは、ある波長λ１で比較すると反射率が変化しているということであり、その反射率の変化量は、アルコール濃度や水蒸気濃度に依存する（図５参照）。したがって、光センサ素子１１はガス感応膜１０３に接触するアルコール濃度および水蒸気濃度に応じて、金属ナノスリット素子１０２のストライプ方向に垂直な偏光の反射率が所定量変化する。また、光センサ素子１２は水蒸気濃度に応じて、金属ナノスリット素子１０２のストライプ方向に垂直な偏光の反射率が所定量変化する。アルコール濃度あるいは水蒸気濃度に対する感度を向上させるために、光源１０の波長λは、濃度変化に対する反射率の変化の大きいλａ〜λｂの範囲が望ましく、そのような反射率の波長依存性となるよう金属ナノスリット素子１０２を設計するのがよい。以下、金属ナノスリット素子１０２のストライプ方向に垂直な方向を、光センサ素子１１、１２の反射率変化方向、ストライプ方向に平行な方向を反射率一定方向と呼ぶこととする。
【００３０】
図６は、光センサ素子１１、１２で光を反射させる前後の光の状態を示した図である。図６（ａ）のように、反射させる前の光はｐ偏光とし、ｘｙ平面においてｘ軸方向をｐ偏光の方向とする。また、光センサ素子１１、１２の反射率変化方向は、ｘ軸に対してθｐの角度を有しているとする。このような状態の光を光センサ素子１１、１２によって反射させた後の光の状態が、図６（ｂ）である。図３〜５のグラフに示したように、反射率変化方向の反射率は、反射率一定方向の反射率よりも小さい。その結果、図６（ｂ）のように、光センサ素子１１、１２による反射光は、ｐ偏光である入射光に対して偏光方向が傾くこととなり、ｓ偏光の成分を有することがわかる。このｓ偏光成分の光強度は、反射率変化方向の反射率が減少すれば増加し、逆に反射率変化方向の反射率が増加すれば減少する。また、ｓ偏光成分の光強度はθｐにも依存しており、具体的にはｓｉｎ（２＊θｐ）の二乗に比例している。
【００３１】
１／４波長板１４は、偏光ビームスプリッタ１３と光センサ素子１２との間に配置されている。１／４波長板１４としてフィルム状のものを用い、これを偏光ビームスプリッタ１３や光センサ素子１２に直接張り付けて使用してもよい。１／４波長板１４は、その進相軸がｓ偏光に対して４５°を成すように配置されている。
【００３２】
光検出器１５は、偏光ビームスプリッタ１３を挟んで光センサ素子１２と対向するよう配置されている。光検出器１５はフォトダイオードであり、偏光ビームスプリッタ１３によって合波された光を受光し、光強度に応じた電気信号を出力する。光検出器１５としてフォトダイオード以外にも、フォトトランジスタ、ＣＣＤ、ＣＭＯＳなどを用いてもよい。
【００３３】
濃度算出部１６は光検出器１５に接続されており、光検出器１５によって検出した光強度と基準値となる光強度との差を算出し、その差からアルコール濃度を算出する。
【００３４】
次に、実施例１の光センサ装置を用い、呼気中のアルコール濃度を測定する場合について説明する。
【００３５】
偏光ビームスプリッタ１３によって分割されたｐ偏光は、光センサ素子１１によって反射され、さらに偏光ビームスプリッタ１３に反射されて出力される。ここでその出力される出力光１の光強度は、上述の光センサ素子１１の反射特性により、反射率変化方向での反射率の減少に対して出力光１の光強度が増加する関係となる（図７参照）。また、上述のように、この反射率変化方向における反射率は、アルコール濃度および水蒸気濃度に依存して変化する。
【００３６】
一方、偏光ビームスプリッタ１３によって分割されたｓ偏光は、１／４波長板１４を透過した後、光センサ素子１２によって反射され、再度１／４波長板１４を透過した後、偏光ビームスプリッタ１３を透過して出力される。この出力光２は、上述の光センサ素子１２の反射特性と、光センサ素子１２と偏光ビームスプリッタとの間に１／４波長板１４を配置しており、光センサ素子１２には円偏光が照射されることになるため、反射率変化方向での反射率の減少に対して出力光２の光強度が減少する関係となる（図７参照）。また、上述のように、反射率変化方向での反射率は、水蒸気濃度に依存して変化し、アルコール濃度には依存しない。
【００３７】
光検出器１５では、上記の出力光１と出力光２が合波されて光強度が検出される。そして、基準となる光強度から検出された光強度への減少量を濃度算出部１６において求める。基準となる光強度は、たとえばアルコール濃度および水蒸気濃度が０の環境下で光検出器１５により測定した光強度である。この減少量は、図７に示すように、出力光１の光強度の増加量と出力光２の光強度の減少量とを合わせた量であり、出力光１の光強度の増加量はアルコール濃度および水蒸気濃度の増減によるもの、出力光２の光強度の減少量は水蒸気濃度の増減のみによるものである。したがって、検出された光強度と光強度の基準値との差を求めることで、水蒸気濃度の影響が補正されたアルコール濃度を算出することができ、高精度に呼気中のアルコール濃度を測定することができる。
【００３８】
なお、光センサ素子１１と光センサ素子１２とで、必ずしも水蒸気濃度による反射率変化方向での反射率の変化が等しくなるとは限らない。そこで、光センサ素子１１、１２の特性に合わせて、出力光１、２の光強度の反射率変化方向での反射率に対する特性を変化させ、適切な補正を行うことができる。具体的には、光センサ素子１１、１２や１／４波長板１４の角度を回転させて変更することで特性を変化させることができる。図８は、光センサ素子１２の角度を０°、１５°、３０°、４５°と変化させた場合における、出力光２の光強度の反射率変化方向での反射率に対する特性を示した図である。光センサ素子１２の角度を変えることで、光センサ素子１２の金属ナノスリット素子１０２のストライプ方向と、ｓ偏光との成す角度が変化するため、図８のように、出力光２の光強度の反射率特性を変化させることができる。
【００３９】
以上のように、実施例１の光センサ装置によると、測定を阻害する水が存在する呼気中のアルコール濃度であっても、水の影響を補正して精度よくアルコール濃度を測定することができる。また、実施例１の光センサ装置は光検出器１５を１つのみ備える構成であるため、光センサ装置の小型化、低コスト化を図ることができる。
【００４０】
なお、実施例１の光センサ装置では、１／４波長板１４は偏光ビームスプリッタ１３と光センサ素子１２との間に配置したが、偏光ビームスプリッタ１３と光センサ素子１１との間に配置してもよい。また、実施例１の光センサ装置において、光センサ素子１１と光センサ素子１２の位置を逆にしてもよい。ようするに、出力光１、２の一方は、第１光センサ１１あるいは第２光センサ１２の反射率の減少に対して光強度が減少し、他方は、反射率の減少に対して光強度が増加するように、光センサ装置を構成すればよい。具体的には、光センサ素子１１、１２の少なくとも一方に反射率の偏光依存性を持たせたり、光センサ素子１１、１２の少なくとも一方と偏光ビームスプリッタ１３との間に、１／４波長板などの複屈折素子を配置することで、このような構成とすることができる。
【実施例２】
【００４１】
実施例２の光センサ装置は、図９に示すように、実施例１の光センサ装置において、光センサ素子１１、１２を、光センサ素子２１、２２に替えた構成である。光センサ素子２１、２２は、図１０に示すように、光センサ素子１１、１２からガス感応膜１０３を除いて金属ナノスリット素子１０２のみとした構成である。金属ナノスリット素子１０２は、前述のように、表面にストライプ形状の凹凸が施された樹脂板１００上に、そのストライプ形状に沿って金属膜１０１が形成されたものである。
【００４２】
金属ナノスリット素子１０２である光センサ素子２１、２２に液体が接触すると、液体の屈折率に応じて反射率変化方向（金属ナノスリット素子１０２のストライプ方向に直交する方向）の反射率が変化する。ここで、光センサ素子２１、２２の反射率変化方向における反射特性が、以下のような特性となるよう金属ナノスリット素子１０２のストライプの幅、間隔、深さや、金属膜１０１の材料などを設計する。光センサ素子２１は、液体の屈折率変化に対して敏感に反応して反射率変化方向の反射率が大きく変化する特性とする。また、光センサ素子２２は、液体の屈折率変化に対して反応しない特性とする。また、光センサ素子２１、２２の反射率変化方向の反射率は、共に、光センサ素子２１、２２自体の温度によって変化する。
【００４３】
このような構成とすれば、光センサ素子２１によって反射され、偏光ビームスプリッタ１３によって反射されて光検出器１５側に出力される出力光１の光強度は、反射率変化方向の反射率減少に対して増加する。また、１／４波長板１４を通して光センサ素子２２によって反射され、再び１／４波長板１４を透過し、さらに偏光ビームスプリッタ１３を透過した出力光２の光強度は、反射率変化方向の反射率減少に対して減少する。
【００４４】
基準となる光強度から光検出器１５において検出された光強度への減少量を濃度算出部１６において求めると、その減少量は、出力光１の光強度の増加量と出力光２の光強度の減少量とを合わせた量であり、出力光１の光強度の増加量は液体の屈折率および光センサ素子２１の温度の変動によるもの、出力光２の光強度の減少量は光センサ素子２２の温度の変動のみによるものである。
【００４５】
したがって、検出された光強度と光強度の基準値との差を求めることで、光センサ素子２１、２２の温度の影響が補正された液体の屈折率を算出することができ、高精度に液体の屈折率を測定することができる。
【００４６】
以上のように、実施例２の光センサ装置によると、光センサ素子２１、２２自体の温度による影響を補正して精度よく液体の屈折率を測定することができる。この高精度な液体の屈折率の測定は、たとえば自動車等の液体燃料の品質の検査などに応用することができる。
【００４７】
なお、光センサ素子２２として、金属ナノスリット素子１０２に替えて金属ミラーを用いてもよい。金属ミラーの反射率は温度に依存するため、出力光２の光強度を反射率減少に対して減少させることができるので、実施例２のように光センサ素子自体の温度による影響を補正して液体の屈折率を測定することができる。
【実施例３】
【００４８】
実施例３の光センサ装置は、図１１に示すように、実施例１の光センサ装置において、光センサ素子１２を光センサ素子３２に替えた構成であり、光センサ素子３２は金属ミラーである。金属ミラーはガラス等の基板上にＡｇやＡｌなどの高反射な金属を蒸着させたものである。
【００４９】
金属ミラーである光センサ素子３２は、温度が上昇すると反射率が減少し、その反射率には偏光依存性がない。そのため、１／４波長板１４を通して光センサ素子３２によって反射され、再び１／４波長板１４を透過し、さらに偏光ビームスプリッタ１３を透過した出力光２の光強度は、温度変化による反射率減少に対して減少する。
【００５０】
基準となる光強度から光検出器１５において検出された光強度への減少量を濃度算出部１６において求めると、その減少量は、出力光１の光強度の増加量と出力光２の光強度の減少量とを合わせた量である。出力光１の光強度の増加量は、実施例１の場合のような水蒸気濃度による影響を無視すれば、アルコール濃度および光センサ素子１１の温度の変動によるものである。また、出力光２の光強度の減少量は光センサ素子３２の温度の変動によるものである。
【００５１】
したがって、検出された光強度と光強度の基準値との差を求めることで、光センサ素子１１、３２の温度の影響が補正されたアルコール濃度を算出することができ、高精度にアルコール濃度を測定することができる。
【００５２】
なお、実施例１、３の光センサ装置は呼気中のアルコール濃度を測定するのに用いる装置であり、実施例２の光センサ装置は液体の屈折率を測定するのに用いる装置であったが、本発明はこれに限るものではなく、反射率に依存した対象物の物性を測定する装置として広く活用することができる。たとえば、対象物の温度を測定する用途にも本発明の光センサ装置を用いることができる。また、実施例１では阻害要素として水蒸気濃度を想定し、実施例２、３では光センサ素子の温度を想定したが、阻害要素はこれらに限るものではなく、対象物の物性測定に影響を及ぼすあらゆる要素であってよい。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
本発明の光センサ装置は、呼気中のアルコール濃度の測定装置や、自動車燃料の品質測定装置などに利用することができる。
【符号の説明】
【００５４】
１０：光源
１１、１２、２１、２２、３２：光センサ素子
１３：偏光ビームスプリッタ
１４：１／４波長板
１５：光検出器
１６：濃度算出部
１００：樹脂板
１０１：金属膜
１０２：金属ナノスリット素子
１０３：ガス感応膜
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象物の物性を、光の反射率の変化によって測定する光センサ装置において、
対象物の物性と妨害要素とに反応して反射率が変化する第１光センサ素子と、
妨害要素に反応して反射率が変化し、対象物の物性に対しては反応しない第２光センサ素子と、
光源と、
前記光源からの光を透過・反射させて２つの偏光成分に分割し、それぞれを前記第１光センサ素子および前記第２光センサ素子によって反射させ、２つの反射光のうち、透過させて分割した方を反射させ、反射させて分割した方を透過させて、２つの反射光を合波し出力する偏光ビームスプリッタと、
前記偏光ビームスプリッタにより合波された光の光強度を検出する光検出器と、
を有し、
前記第１光センサと前記第２光センサのうち一方の反射光は、反射率の減少に対して前記偏光ビームスプリッタから出力される光強度が減少し、他方の反射光は、反射率の減少に対して前記偏光ビームスプリッタから出力される光強度が増加するように、前記第１光センサ素子または前記第２光センサ素子に反射率の偏光依存性を持たせ、あるいは前記第１光センサ素子または第２光センサ素子と前記偏光ビームスプリッタとの間に複屈折素子を配置する、
ことを特徴とする光センサ装置。
【請求項２】
前記対象物の物性は、呼気中のアルコール濃度であり、
前記妨害要素は、呼気中の水蒸気濃度であり、
前記第１光センサ素子は、前記光源の波長以下の間隔でストライプ状の凹凸が設けられた金属膜と、前記金属膜上に形成され、アルコールおよび水に反応して厚さの変化する第１の高分子電解質累積膜と、を有し、
前記第２光センサ素子は、前記金属膜と、前記金属膜上に形成され、水に反応して厚さの変化する第２の高分子電解質累積膜と、を有し、
前記第１光センサ素子と前記第２光センサ素子の一方と、前記偏光ビームスプリッタとの間に、複屈折素子を有する、
ことを特徴とする請求項１に記載の光センサ装置。
【請求項３】
前記対象物の物性は、液体の屈折率であり、
前記妨害要素は、前記第１光センサ素子および前記第２光センサ素子の温度であり、
前記第１光センサ素子および前記第２光センサ素子は、前記光源の波長以下の間隔でストライプ状の凹凸が設けられた金属膜であり、
前記第１光センサ素子と前記第２光センサ素子の一方と、前記偏光ビームスプリッタとの間に、複屈折素子を有する、
ことを特徴とする請求項１に記載の光センサ装置。
【請求項４】
前記対象物の物性は、呼気中のアルコール濃度であり、
前記妨害要素は、前記第１光センサ素子および前記第２光センサ素子の温度であり、
前記第１光センサ素子は、前記光源の波長以下の間隔でストライプ状の凹凸が設けられた金属膜と、前記金属膜上に形成され、アルコールおよび水に反応して厚さの変化する高分子電解質累積膜と、を有し、
前記第２光センサ素子は、金属ミラーであり、
前記第２光センサ素子と、前記偏光ビームスプリッタとの間に、複屈折素子を有する、
ことを特徴とする請求項１に記載の光センサ装置。
【請求項５】
前記複屈折素子は、１／４波長板である、ことを特徴とする請求項２ないし請求項４のいずれか１項に記載の光センサ装置。
【請求項１】
対象物の物性を、光の反射率の変化によって測定する光センサ装置において、
対象物の物性と妨害要素とに反応して反射率が変化する第１光センサ素子と、
妨害要素に反応して反射率が変化し、対象物の物性に対しては反応しない第２光センサ素子と、
光源と、
前記光源からの光を透過・反射させて２つの偏光成分に分割し、それぞれを前記第１光センサ素子および前記第２光センサ素子によって反射させ、２つの反射光のうち、透過させて分割した方を反射させ、反射させて分割した方を透過させて、２つの反射光を合波し出力する偏光ビームスプリッタと、
前記偏光ビームスプリッタにより合波された光の光強度を検出する光検出器と、
を有し、
前記第１光センサと前記第２光センサのうち一方の反射光は、反射率の減少に対して前記偏光ビームスプリッタから出力される光強度が減少し、他方の反射光は、反射率の減少に対して前記偏光ビームスプリッタから出力される光強度が増加するように、前記第１光センサ素子または前記第２光センサ素子に反射率の偏光依存性を持たせ、あるいは前記第１光センサ素子または第２光センサ素子と前記偏光ビームスプリッタとの間に複屈折素子を配置する、
ことを特徴とする光センサ装置。
【請求項２】
前記対象物の物性は、呼気中のアルコール濃度であり、
前記妨害要素は、呼気中の水蒸気濃度であり、
前記第１光センサ素子は、前記光源の波長以下の間隔でストライプ状の凹凸が設けられた金属膜と、前記金属膜上に形成され、アルコールおよび水に反応して厚さの変化する第１の高分子電解質累積膜と、を有し、
前記第２光センサ素子は、前記金属膜と、前記金属膜上に形成され、水に反応して厚さの変化する第２の高分子電解質累積膜と、を有し、
前記第１光センサ素子と前記第２光センサ素子の一方と、前記偏光ビームスプリッタとの間に、複屈折素子を有する、
ことを特徴とする請求項１に記載の光センサ装置。
【請求項３】
前記対象物の物性は、液体の屈折率であり、
前記妨害要素は、前記第１光センサ素子および前記第２光センサ素子の温度であり、
前記第１光センサ素子および前記第２光センサ素子は、前記光源の波長以下の間隔でストライプ状の凹凸が設けられた金属膜であり、
前記第１光センサ素子と前記第２光センサ素子の一方と、前記偏光ビームスプリッタとの間に、複屈折素子を有する、
ことを特徴とする請求項１に記載の光センサ装置。
【請求項４】
前記対象物の物性は、呼気中のアルコール濃度であり、
前記妨害要素は、前記第１光センサ素子および前記第２光センサ素子の温度であり、
前記第１光センサ素子は、前記光源の波長以下の間隔でストライプ状の凹凸が設けられた金属膜と、前記金属膜上に形成され、アルコールおよび水に反応して厚さの変化する高分子電解質累積膜と、を有し、
前記第２光センサ素子は、金属ミラーであり、
前記第２光センサ素子と、前記偏光ビームスプリッタとの間に、複屈折素子を有する、
ことを特徴とする請求項１に記載の光センサ装置。
【請求項５】
前記複屈折素子は、１／４波長板である、ことを特徴とする請求項２ないし請求項４のいずれか１項に記載の光センサ装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１２−１２２７５５（Ｐ２０１２−１２２７５５Ａ）
【公開日】平成２４年６月２８日（２０１２．６．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２７１５２９（Ｐ２０１０−２７１５２９）
【出願日】平成２２年１２月６日（２０１０．１２．６）
【出願人】（０００００３６０９）株式会社豊田中央研究所 (4,200)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年６月２８日（２０１２．６．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月６日（２０１０．１２．６）
【出願人】（０００００３６０９）株式会社豊田中央研究所 (4,200)
【Ｆターム（参考）】
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