(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-09-09
(45)【発行日】2024-09-18
(54)【発明の名称】光学式濃度測定装置
(51)【国際特許分類】
G01N 21/61 20060101AFI20240910BHJP
【ＦＩ】
G01N21/61
【請求項の数】
9
(21)【出願番号】P 2020155820
(22)【出願日】2020-09-16
(65)【公開番号】P2021056218
(43)【公開日】2021-04-08
【審査請求日】2023-08-31
(31)【優先権主張番号】P 2019180753
(32)【優先日】2019-09-30
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(73)【特許権者】
【識別番号】303046277
【氏名又は名称】旭化成エレクトロニクス株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100103850
【弁理士】
【氏名又は名称】田中 秀▲てつ▼
(74)【代理人】
【識別番号】100066980
【弁理士】
【氏名又は名称】森 哲也
(72)【発明者】
【氏名】一色 翔太
(72)【発明者】
【氏名】古屋 貴明
【審査官】小野寺 麻美子
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１７－０１５５６７（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１５／０４５４１１（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２０１８－０５９８９８（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１８／０１８０４７０（ＵＳ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０１Ｎ １／００ － Ｇ０１Ｎ １／４４
Ｇ０１Ｎ ２１／００ － Ｇ０１Ｎ ２１／６１
Ｇ０１Ｊ １／００ － Ｇ０１Ｊ ４／０４
Ｇ０１Ｊ ７／００ － Ｇ０１Ｊ １１／００
Ｈ０１Ｌ ３１／００ － Ｈ０１Ｌ ３１／０２
Ｈ０１Ｌ ３１／０８ － Ｈ０１Ｌ ３１／１０
Ｈ０１Ｌ ３１／１８
Ｈ１０Ｋ ３０／６０ － Ｈ１０Ｋ ３０／６５
Ｈ１０Ｋ ３９／３０
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
ＬＥＤ光源と、一様の感度を有する矩形の受光面を有し、受光した光の強度を表す単一の検出信号を出力する受光部と、
前記ＬＥＤ光源が発光した光を前記受光部に導く導光部と、
を備え、
前記矩形の受光面に照射された光の当該受光面における形状は矩形であり、
前記受光部から出力される前記検出信号に基づき、前記導光部により形成される光路に介在する測定対象物の濃度を測定する光学式濃度測定装置であって、
前記導光部は、前記矩形の受光面における前記光の面積が前記矩形の受光面の面積の１／２以下となるように、回折限界以上で導光する光学式濃度測定装置。
【請求項2】
前記導光部は、前記矩形の受光面における前記光の面積が前記矩形の受光面の面積の１／４以下となるように、前記回折限界以上で導光する請求項１に記載の光学式濃度測定装置。
【請求項3】
前記導光部は、前記矩形の受光面における前記光の面積が前記矩形の受光面の面積の１／６以下となるように、前記回折限界以上で導光する請求項１に記載の光学式濃度測定装置。
【請求項4】
ＬＥＤ光源と、一様の感度を有する矩形の受光面を有し、受光した光の強度を表す単一の検出信号を出力する受光部と、
前記ＬＥＤ光源が発光した光を前記受光部に導く導光部と、
を備え、
前記矩形の受光面に照射された光の当該受光面における形状は矩形であり、
前記受光部から出力される前記検出信号に基づき、前記導光部により形成される光路に介在する測定対象物の濃度を測定する光学式濃度測定装置であって、
前記導光部は、前記矩形の受光面における前記光の面積が前記矩形の受光面の面積の２倍以上４倍以下となるように、導光する光学式濃度測定装置。
【請求項5】
前記導光部は、前記矩形の受光面における前記光の面積が前記矩形の受光面の面積の３倍以下となるように導光する請求項４に記載の光学式濃度測定装置。
【請求項6】
前記導光部は、反射のみにより導光する請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の光学式濃度測定装置。
【請求項7】
前記ＬＥＤ光源の発光面の上部または前記受光部の受光面の上部に、予め設定した波長帯の光のみを透過する光学フィルタを有する請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の光学式濃度測定装置。
【請求項8】
前記ＬＥＤ光源及び前記受光部は、表面実装型の素子である請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の光学式濃度測定装置。
【請求項9】
前記受光部から出力される前記検出信号に基づき、前記導光部により形成される光路に介在する測定対象物の濃度を算出する演算部を備える請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の光学式濃度測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、光学式濃度測定装置に関する。
【背景技術】
【0002】
従来から、大気中の測定対象ガスの濃度測定を行うガス測定装置として、ガスの種類によって吸収される赤外線の波長が異なることを利用し、この吸収量を検出することによりそのガス濃度を測定する非分散赤外吸収型（Non-Dispersive Infrared）光学式濃度測定装置が知られている。
例えば、特許文献１に記載の光学式濃度測定装置は、ガスセルにおいて、発光部が発光した光を集光部と反射部とを経由して受光部に入射し、その際、測定対象ガスをガスセルに導入することにより、受光部の出力信号に応じて測定対象ガスの濃度を検出するようになっている。
例えば、特許文献１に記載の光学式濃度測定装置は、ガスセルにおいて、発光部が発光した光を集光部と反射部とを経由して受光部に入射し、その際、測定対象ガスをガスセルに導入することにより、受光部の出力信号に応じて測定対象ガスの濃度を検出するようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】特開２０１７－１５５６７号公報
【文献】特開平６－２１４８５号公報
【文献】特開２０１０－１２２６１４号公報
【非特許文献】
【0004】
【文献】古屋貴明、「室温動作量子型中赤外センサー・ＬＥＤを組み合わせた低消費電力ＣＯ２ガスセンサーによる空調の効率化」、第7回 ＪＡＣＩ／ＧＳＣシンポジウム、２０１８／６
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
ところで、光学式濃度測定装置は、小型且つ安価である一方、実使用環境下において、数ｐｐｍ～数百ｐｐｍの精度で出力が安定し続けることが要求される。高精度を実現するために、光学式濃度測定装置において重要な特性として、ＳＮＲ（signal-noise ratio）がある。また、実使用環境の温度、湿度が高い場合、若しくは車載センサとして用いられる等、振動にさらされることが多い環境下で使用される場合には、ＳＮＲのロバスト性が高い光学式濃度測定装置でないと、高精度を保つことが困難である。
【0006】
例えば、温度、湿度が高い環境下又は振動にさらされる環境下等といった劣悪な使用環境下において、高温、吸湿、振動等により導光部を支持する部材が変形すること、又は発光部、受光部が実装されている基板が膨張、収縮することによって、発光部、導光部、及び受光部の相対位置関係にずれ等が生じ、その結果、受光部に到達する光量が変化すると、ＳＮＲが出荷時の値から変化し、測定対象物の濃度測定結果に誤差が生じてしまう。高ＳＮＲ及びＳＮＲのロバスト性が高い光学式濃度測定装置の実現は、光学式濃度測定装置の精度を実使用環境下で保つ上で非常に重要である。
【0007】
光学式の受光装置において、精度向上を図る方法として、入射光のスポット径を受光素子の受光径に対する割合がある程度以上となるように規定することによって、受光素子の増幅率の低下による受光信号の歪みを抑制するようにした受光装置も提案されている（例えば、特許文献２及び特許文献３参照。）。しかしながら、これら受光装置は、入射光の単位面積当たりの光強度を小さくするためにスポット径が広くなるようにしたものであるため、例えば発光部、導光部及び受光部の相対位置関係のずれ量が大きいと受光量が低下し、やはりＳＮＲが低下するという問題がある。
【0008】
また、光学式濃度測定装置は、これまで光源としてランプが使用されてきたが、近年（２０１８年以降）、ＳＭＤ型（Surface Mount Device 表面実装型）の中赤外ＬＥＤ光源が開発・量産され、光源サイズがランプに比べて著しく小型で、光源形状が矩形の光源を使用するようになってきている（例えば、非特許文献１参照。）。これまでのランプではスポットサイズは受光素子サイズに比べて十分大きく、スポット形状は回転対称な形状で広がっていたが、ＬＥＤ光源を使うことにより、そのスポットサイズは受光部の受光面のサイズに対して同等もしくはそれ以下で、光源形状に合わせてスポット形状は矩形となり、スポットの矩形角部が受光面から外れることによって受光部のＳＮＲが低下するという問題がある。
【0009】
そこで、この発明は、上記従来の未解決の課題に着目してなされたものであり、ＳＮＲが高く且つＳＮＲの高いロバスト性を実現することの可能な光学式濃度測定装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【0010】
本発明の一実施形態に係る光学式濃度測定装置は、ＬＥＤ光源と、一様の感度を有する矩形の受光面を有し受光した光の強度を表す単一の検出信号を出力する受光部と、前記ＬＥＤ光源が発光した光を前記受光部に導く導光部と、を備え、前記矩形の受光面に照射された光の当該受光面における形状は矩形であり、前記受光部から出力される前記検出信号に基づき、前記導光部により形成される光路に介在する測定対象物の濃度を測定する光学式濃度測定装置であって、前記導光部は、前記矩形の受光面における前記光の面積が前記矩形の受光面の面積の１／２以下となるように、回折限界以上で導光することを特徴としている。
【0011】
また、本発明の他の実施形態に係る光学式濃度測定装置は、ＬＥＤ光源と、一様の感度を有する矩形の受光面を有し受光した光の強度を表す単一の検出信号を出力する受光部と、前記ＬＥＤ光源が発光した光を前記受光部に導く導光部と、を備え、前記矩形の受光面に照射された光の当該受光面における形状は矩形であり、前記受光部から出力される前記検出信号に基づき、前記導光部により形成される光路に介在する測定対象物の濃度を測定する光学式濃度測定装置であって、前記導光部は、前記矩形の受光面における前記光の面積が前記矩形の受光面の面積の２倍以上４倍以下となるように、導光することを特徴としている。
【発明の効果】
【0012】
本発明の一態様によれば、高いＳＮＲ及びＳＮＲの高いロバスト性を実現することができ、測定精度の低下を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【0013】
【図1】本発明に係る光学式濃度測定装置の一例を示す概略構成図である。
【図2】光学式濃度測定装置のその他の例である。
【図3】光学式濃度測定装置のその他の例である。
【図4】受光部の構成を説明するための説明図である。
【図5】受光面の感度を説明するための説明図である。
【図6】受光面とスポットとＳＮＲとの関係を説明するための説明図である。
【図13】受光面に照射したスポットの一例である。
【図14】（７）式により計算したスポットのｘ方向切断面における放射照度の一例である。
【発明を実施するための形態】
【0014】
次に、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係等は現実のものとは異なる。また、以下に示す実施形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された請求項が規定する技術的範囲内において、様々な変更を加えることができる。
【0015】
＜光学式濃度測定装置の構成＞
図１は、本発明の一実施形態に係る光学式濃度測定装置１の一例を示す概略構成図である。ここでは、測定対象物がガスである場合について説明するが、測定対象物は、ガス（気体）であってもよく、また、液体であってもよい。ＬＥＤ光源２１が発光する、２μｍ以上１０μｍ以下の波長帯の光を吸収する特性を有する気体または液体であれば適用することができる。
図１は、本発明の一実施形態に係る光学式濃度測定装置１の一例を示す概略構成図である。ここでは、測定対象物がガスである場合について説明するが、測定対象物は、ガス（気体）であってもよく、また、液体であってもよい。ＬＥＤ光源２１が発光する、２μｍ以上１０μｍ以下の波長帯の光を吸収する特性を有する気体または液体であれば適用することができる。
【0016】
光学式濃度測定装置１は、受発光装置１１と、受発光装置１１を収容する筐体１２と、を備える。受発光装置１１は、図１に示すように、直方体形状のＬＥＤ（light‐emitting diode）光源２１と、フォトダイオード等で構成される直方体形状の受光部２２と、ＬＥＤ光源２１及び受光部２２が実装された基板２３と、導光部２４及び導光部２５と、を備える。ＬＥＤ光源２１は、２μｍ以上１０μｍ以下の波長帯の光を発光する。
【0017】
導光部２４は、ＬＥＤ光源２１が発光した光を、受光部２２に向けて反射する。導光部２５は、ＬＥＤ光源２１から入射した光を集光するＬＥＤ光源２１用の集光部２５ａと、導光部２４で反射された光を集光する受光部２２用の集光部２５ｂと、を備える。
これら導光部２４及び２５は、反射面を有し、ＬＥＤ光源２１が発光した光を、反射のみによって受光部２２まで導光するようになっている。なお、図１に示す光学式濃度測定装置１では、導光部２４及び２５によって、反射のみで導光するようにしているが、レンズで集光する等、他の光学素子を用いてもよい。
これら導光部２４及び２５は、反射面を有し、ＬＥＤ光源２１が発光した光を、反射のみによって受光部２２まで導光するようになっている。なお、図１に示す光学式濃度測定装置１では、導光部２４及び２５によって、反射のみで導光するようにしているが、レンズで集光する等、他の光学素子を用いてもよい。
【0018】
光学式濃度測定装置１では、導光部２５を備えることによって、ＬＥＤ光源２１が発光したより多くの光を集光部２５ａで集光して導光部２４に向けて反射し、導光部２４が反射したより多くの光を集光部２５ｂで集光して受光部２２に入射するようになっている。
そして、筐体１２に設けられた図示しないガス導入口から測定対象ガスを筐体１２内に導入し、ＬＥＤ光源２１及び受光部２２と導光部２４及び２５とを結ぶ光路を通過させて図示しないガス排出口から測定対象ガスを筐体１２外に排出させると共に、駆動部１３によりＬＥＤ光源２１を駆動し、このときの受光部２２の出力信号に基づき、演算部１４により測定対象ガスの濃度を演算する。
そして、筐体１２に設けられた図示しないガス導入口から測定対象ガスを筐体１２内に導入し、ＬＥＤ光源２１及び受光部２２と導光部２４及び２５とを結ぶ光路を通過させて図示しないガス排出口から測定対象ガスを筐体１２外に排出させると共に、駆動部１３によりＬＥＤ光源２１を駆動し、このときの受光部２２の出力信号に基づき、演算部１４により測定対象ガスの濃度を演算する。
【0019】
受発光装置１１は、例えば、基板２３を筐体１２の底面に樹脂製の接着剤で固定し、導光部２４及び２５を、筐体１２の上面及び側面に樹脂製の接着剤で固定することで筐体１２に固定される。
なお、駆動部１３及び演算部１４は、筐体１２内に設けられていてもよく、配線等を介して筐体１２外に設けられていてもよい。
なお、駆動部１３及び演算部１４は、筐体１２内に設けられていてもよく、配線等を介して筐体１２外に設けられていてもよい。
【0020】
また、導光部２４、２５に代えて、複数の反射鏡を設け、反射鏡を組み合わせることによって、ＬＥＤ光源２１が発光した光を受光部２２まで導光する光路を形成してもよい。反射鏡、また、導光部２４、２５において、反射面として用いられる部分の材料は、金属、または多層膜誘電体であることが好ましい。
また、導光部２４、２５において、光が反射または透過する部分の材料は、反射率または透過率が９０％以上であることが好ましい。
また、導光部２４、２５において、光が反射または透過する部分の材料は、反射率または透過率が９０％以上であることが好ましい。
【0021】
図２は、光学式濃度測定装置１の変形例である。
本発明の一実施形態に係る光学式濃度測定装置１は、図２（ａ）に示すように、受光部２２の受光面の直上に光学フィルタ２２ａを備えていてもよい。つまり、測定対象ガスにより吸収される波長帯の光のみを透過するバンドパスフィルタ等の光学フィルタ２２ａを設け、測定対象ガスにより吸収される波長帯の光のみを受光部２２に入射するようにしてもよい。
本発明の一実施形態に係る光学式濃度測定装置１は、図２（ａ）に示すように、受光部２２の受光面の直上に光学フィルタ２２ａを備えていてもよい。つまり、測定対象ガスにより吸収される波長帯の光のみを透過するバンドパスフィルタ等の光学フィルタ２２ａを設け、測定対象ガスにより吸収される波長帯の光のみを受光部２２に入射するようにしてもよい。
【0022】
また、本発明の一実施形態に係る光学式濃度測定装置１は、受光部２２の受光面の直上ではなく、図２（ｂ）に示すように、ＬＥＤ光源２１の直上に光学フィルタ２１ａを備えていてもよい。つまり、測定対象ガスにより吸収される波長帯の光のみを透過するバンドパスフィルタ等の光学フィルタ２１ａを設け、測定対象ガスにより吸収される波長帯の光のみを導光部２４、２５に入射するようにしてもよい。なお、図２（ａ)、（ｂ）は、光学式濃度測定装置１の光学系のみを示したものであり、光学系を除く部分は、図１に示す光学式濃度測定装置１の構成と同様である。
また、グレーティングを導光部の一部として設け、測定対象ガスにより吸収される波長帯の光のみを導光するようにしてもよい。
また、グレーティングを導光部の一部として設け、測定対象ガスにより吸収される波長帯の光のみを導光するようにしてもよい。
【0023】
また、光学式濃度測定装置１は、図３に示すように、図２における導光部２５に代えて、ＬＥＤ光源２１と受光部２２との間に、導光部２６を設けてもよい。つまり、導光部２６の両側にＬＥＤ光源２１及び受光部２２を設けると共に、ＬＥＤ光源２１が発光した光を集光するレンズ２７を設け、導光部２６の反射面、ＬＥＤ光源２１の発光面、及び受光部２２の受光面を、導光部２４の反射面に向けて配置する。ＬＥＤ光源２１が発光した光を、レンズ２７で集光して導光部２４に入射し、導光部２４で反射して導光部２６に入射する。導光部２６は、入射した光を導光部２４に向けて反射し、導光部２４は、入射した光を受光部２２に向けて反射する。
なお、図３は、光学式濃度測定装置１の光学系のみを示したものであり、光学系を除く部分は、図１に示す光学式濃度測定装置１の構成と同様である。
なお、図３は、光学式濃度測定装置１の光学系のみを示したものであり、光学系を除く部分は、図１に示す光学式濃度測定装置１の構成と同様である。
【0024】
＜矩形の受光面の面積と矩形の受光面における光の面積との関係＞
次に、受光部２２の受光面の面積と、受光部２２の受光面に照射された光の受光面における光の面積との関係を説明する。なお、以下、受光面の面積をセンサ面積ともいう。また、受光部２２の受光面に照射される光をスポットといい、受光面に照射される光つまりスポットの面積をスポット面積ともいう。
次に、受光部２２の受光面の面積と、受光部２２の受光面に照射された光の受光面における光の面積との関係を説明する。なお、以下、受光面の面積をセンサ面積ともいう。また、受光部２２の受光面に照射される光をスポットといい、受光面に照射される光つまりスポットの面積をスポット面積ともいう。
【0025】
本実施形態に係る光学式濃度測定装置１では、受光部２２の受光面に照射された光の受光面における光の形状が、矩形となるように形成される。ここでいうスポットサイズとは、受光部２２の受光面に照射された矩形の光の大きさをいう。例えば、ＬＥＤ光源２１として、単位面積当たりの密度が大きくなるように配置し、複数のＬＥＤが形成する発光面が矩形となるように複数のＬＥＤを配置すること、または、ＬＥＤ光源２１と受光部２２との間の光路において、例えば、ＬＥＤ光源２１と集光部２５ａとの間、または受光部２２と集光部２５ｂとの間、または導光部２４と導光部２５との間等に、スポットサイズを規定するための視野角制限体（図示せず）を設けることにより、受光面に照射される光の受光面における形状を矩形にすればよい。
【0026】
また、受光部２２は、図４に示すように、複数のフォトダイオードＰＤが直列に接続されて形成され、複数のフォトダイオードＰＤは、これら複数のフォトダイオードＰＤ全体で矩形の受光面２２Ａを形成するように配置されている。そして、複数のフォトダイオードＰＤの出力の総和が、受光部２２の単一の検出信号として出力される。したがって、例えば、図４に示すように、受光面２２Ａにおけるスポットサイズが矩形領域Ｓ１であるときと、矩形領域Ｓ１と同一形状の領域である矩形領域Ｓ２であるときとでは、受光部２２の検出信号は同一となる。すなわち受光部２２は一様の感度を有する受光面２２Ａを有している。
【0027】
一様の感度を有する受光面２２Ａについて図５を参酌して説明する。一様の感度を有する受光面２２Ａとは、大きさの等しい各フォトダイオードが、各フォトダイオードの短辺ＰＤＬの７０％以下の間隔（ＰＤＳ１、ＰＤＳ２）で上下左右に整列されている、または、各フォトダイオードの外周を含む最小の凸多角形の面積２２Ｂが受光面２２Ａの面積の５０％以上を占めることを指す。
そして、設計思想では、受光面２２Ａに照射された矩形のスポットの中心と矩形の受光面２２Ａの中心とが重なり、且つ受光面２２Ａの各辺とスポットの各辺とが平行となるように、ＬＥＤ光源２１が発光した光を受光部２２に導光するようにしている。
そして、設計思想では、受光面２２Ａに照射された矩形のスポットの中心と矩形の受光面２２Ａの中心とが重なり、且つ受光面２２Ａの各辺とスポットの各辺とが平行となるように、ＬＥＤ光源２１が発光した光を受光部２２に導光するようにしている。
【0028】
スポットサイズは、受光部２２の受光面２２Ａが、一辺がＡ（μｍ）の矩形（以下、受光面サイズがＡ（μｍ）ともいう。）であるとき、一辺が、図６（ａ）に示す領域ＡＲ１及び領域ＡＲ２内の値となるように設定される。
図６において、（ａ）は、受光面サイズがＡ（μｍ）であるときの、スポットサイズの一辺とＳＮＲとの関係を示したものであり、横軸は、スポットサイズの一辺の長さ（μｍ）、縦軸はＳＮＲ（ａ．ｕ．）である。
図６において、（ａ）は、受光面サイズがＡ（μｍ）であるときの、スポットサイズの一辺とＳＮＲとの関係を示したものであり、横軸は、スポットサイズの一辺の長さ（μｍ）、縦軸はＳＮＲ（ａ．ｕ．）である。
【0029】
受光面サイズがＡ（μｍ）である場合、スポットサイズが受光面サイズ以下であるときには、ＳＮＲは略一定となる。つまり、受光部２２に向けて照射された光は全て受光面に入射されると予測され、受光量は一定となるため、ＳＮＲも一定となる。一方、スポットサイズが受光面サイズよりも大きくなると、受光部２２では、受光面に向けて照射される光全てを受光することができないため、受光量が減少し、これに伴いＳＮＲも低下する。スポットサイズが受光面サイズよりも大きくなるほど受光面に照射される光は、少なくなるため、スポットサイズの増加に伴いＳＮＲは低下する。なお、ＬＥＤ光源２１が発光する光の光量は一定である。
【0030】
図６（ａ）に示す特性を有する光学式濃度測定装置１において、スポットサイズは、受光面サイズであるＡ（μｍ）よりも小さいｂ１以下の領域ＡＲ１内の値、又は、受光面サイズであるＡ（μｍ）よりも大きいｂ２以上の領域ＡＲ２内の値に設定される。
図６（ｂ）は、領域ＡＲ１と、領域ＡＲ２とを、受光面の面積であるセンサ面積とスポットの面積であるスポット面積とで表した図であって、横軸はスポット面積（ｃｍ２）、縦軸はセンサ面積（ｃｍ２）である。
図６（ｂ）に示すように、領域ＡＲ１は特性線Ｌ１と特性線Ｌ２とで囲まれた領域に対応し、領域ＡＲ２は特性線Ｌ３と特性線Ｌ４とで囲まれた領域に対応する。
特性線Ｌ１～Ｌ４は以下のように決定される。
図６（ｂ）は、領域ＡＲ１と、領域ＡＲ２とを、受光面の面積であるセンサ面積とスポットの面積であるスポット面積とで表した図であって、横軸はスポット面積（ｃｍ２）、縦軸はセンサ面積（ｃｍ２）である。
図６（ｂ）に示すように、領域ＡＲ１は特性線Ｌ１と特性線Ｌ２とで囲まれた領域に対応し、領域ＡＲ２は特性線Ｌ３と特性線Ｌ４とで囲まれた領域に対応する。
特性線Ｌ１～Ｌ４は以下のように決定される。
【0031】
＜特性線Ｌ１＞
特性線Ｌ１は、スポットサイズが最小となるとき、すなわち、回折限界であるときを表す。つまり、スポットサイズが最小であれば、スポットがある程度ずれたとしてもスポットは受光面内に収まり、受光量は減少しないと予測される。したがって、所望のＳＮＲを確保することができ、また、高いロバスト性を確保することができる。以上から、スポットサイズ（スポットの一辺）をｂとすると、特性線Ｌ１、つまり最小のスポットサイズとなるときの「ｂ」の値は次式（１）で表される。式（１）中において、λは波長（２μｍ以上１０μｍ以下）、ＮＡは開口数である。
ｂ＝２×（０．６１×λ）／（ＮＡ） ……（１）
特性線Ｌ１は、スポットサイズが最小となるとき、すなわち、回折限界であるときを表す。つまり、スポットサイズが最小であれば、スポットがある程度ずれたとしてもスポットは受光面内に収まり、受光量は減少しないと予測される。したがって、所望のＳＮＲを確保することができ、また、高いロバスト性を確保することができる。以上から、スポットサイズ（スポットの一辺）をｂとすると、特性線Ｌ１、つまり最小のスポットサイズとなるときの「ｂ」の値は次式（１）で表される。式（１）中において、λは波長（２μｍ以上１０μｍ以下）、ＮＡは開口数である。
ｂ＝２×（０．６１×λ）／（ＮＡ） ……（１）
【0032】
＜特性線Ｌ２＞
特性線Ｌ２は、図７に示すように、受光面２２Ａに対し、スポットＳＰが回転した場合を想定したものであり、受光面２２Ａに対しスポットＳＰが回転しても、所望のＳＮＲを維持することのできる条件を示す。つまり、仮に受光面２２Ａに対しスポットＳＰが３６０度回転したとしても、受光面２２Ａに対しスポットＳＰが４５度回転したときに、スポットＳＰが受光面２２Ａ内に収まれば、受光量は変化しないと予測される。したがって、所望のＳＮＲを確保することができ、また、高いロバスト性を確保することができる。以上から、受光面２２Ａの一辺を２ａとすると、スポットサイズと受光面サイズとが、次式（２）を満足すればよい。
ｂ＝２１／２×ａ ……（２）
特性線Ｌ２は、図７に示すように、受光面２２Ａに対し、スポットＳＰが回転した場合を想定したものであり、受光面２２Ａに対しスポットＳＰが回転しても、所望のＳＮＲを維持することのできる条件を示す。つまり、仮に受光面２２Ａに対しスポットＳＰが３６０度回転したとしても、受光面２２Ａに対しスポットＳＰが４５度回転したときに、スポットＳＰが受光面２２Ａ内に収まれば、受光量は変化しないと予測される。したがって、所望のＳＮＲを確保することができ、また、高いロバスト性を確保することができる。以上から、受光面２２Ａの一辺を２ａとすると、スポットサイズと受光面サイズとが、次式（２）を満足すればよい。
ｂ＝２１／２×ａ ……（２）
【0033】
ここで、センサ面積は４ａ２と表され、スポット面積はｂ２と表される。
したがって、（２）式から、特性線Ｌ２は次式（３）で表すことができる。
スポット面積／センサ面積＝ｂ２／４ａ２＝１／２ ……（３）
また、図８に示すように、受光面２２Ａに対し、スポットＳＰが回転せずに上下左右にずれたとしても、（３）式を満足するように設定すれば、ある程度のずれが生じた場合でもスポットＳＰを受光面２２Ａ内に収めることができる。すなわち、所望のＳＮＲを確保することができると共に、比較的高いロバスト性を確保することができる。
したがって、（２）式から、特性線Ｌ２は次式（３）で表すことができる。
スポット面積／センサ面積＝ｂ２／４ａ２＝１／２ ……（３）
また、図８に示すように、受光面２２Ａに対し、スポットＳＰが回転せずに上下左右にずれたとしても、（３）式を満足するように設定すれば、ある程度のずれが生じた場合でもスポットＳＰを受光面２２Ａ内に収めることができる。すなわち、所望のＳＮＲを確保することができると共に、比較的高いロバスト性を確保することができる。
【0034】
＜特性線Ｌ３＞
特性線Ｌ３は、図９に示すように、受光面サイズよりもスポットサイズの方が大きい場合を想定したものであり、スポットＳＰが回転したとしても、所望のＳＮＲを維持することのできる条件を示す。つまり、仮に、受光面２２Ａに対してスポットＳＰが３６０度回転したとしても、受光面２２Ａに対し、スポットＳＰが４５度回転したときに、受光面２２Ａ全体がスポットＳＰ内に収まれば、受光量は変化しないと予測される。つまり、所望のＳＮＲを確保することができ、また、高いロバスト性を確保することができる。以上から、スポットサイズと受光面サイズとが次式（４）を満足すればよい。
ｂ＝２×２１／２×ａ ……（４）
特性線Ｌ３は、図９に示すように、受光面サイズよりもスポットサイズの方が大きい場合を想定したものであり、スポットＳＰが回転したとしても、所望のＳＮＲを維持することのできる条件を示す。つまり、仮に、受光面２２Ａに対してスポットＳＰが３６０度回転したとしても、受光面２２Ａに対し、スポットＳＰが４５度回転したときに、受光面２２Ａ全体がスポットＳＰ内に収まれば、受光量は変化しないと予測される。つまり、所望のＳＮＲを確保することができ、また、高いロバスト性を確保することができる。以上から、スポットサイズと受光面サイズとが次式（４）を満足すればよい。
ｂ＝２×２１／２×ａ ……（４）
【0035】
ここで、センサ面積は４ａ２と表され、スポット面積はｂ２と表される。
したがって、（４）式から、特性線Ｌ３は次式（５）で表すことができる。
スポット面積／センサ面積＝ｂ２／４ａ２＝２ ……（５）
また、図１０に示すように、受光面２２Ａに対し、スポットＳＰが回転せずに上下左右にずれたとしても、（５）式を満足するように設定すれば、ある程度のずれが生じた場合でも受光面２２Ａ全体をスポットＳＰ内に収めたままとすることができる。すなわち、所望のＳＮＲを確保することができると共に、比較的高いロバスト性を確保することができる。
したがって、（４）式から、特性線Ｌ３は次式（５）で表すことができる。
スポット面積／センサ面積＝ｂ２／４ａ２＝２ ……（５）
また、図１０に示すように、受光面２２Ａに対し、スポットＳＰが回転せずに上下左右にずれたとしても、（５）式を満足するように設定すれば、ある程度のずれが生じた場合でも受光面２２Ａ全体をスポットＳＰ内に収めたままとすることができる。すなわち、所望のＳＮＲを確保することができると共に、比較的高いロバスト性を確保することができる。
【0036】
＜特性線Ｌ４＞
特性線Ｌ４は、図１１に示すように、ＳＮＲが、（５）式で表される特性線Ｌ３のときのＳＮＲの半分になる条件を想定したものである。つまり、ＳＮＲが、特性線Ｌ３のときのＳＮＲの半分の値までをＳＮＲの取り得る許容範囲とすると、特性線Ｌ４は、ＳＮＲが特性線Ｌ３のときのＳＮＲの半分の値となるときの条件を示す。ＳＮＲが特性線Ｌ３のときのＳＮＲの半分ということは、受光量が半分になったことと同等である。そのため、スポットＳＰ全体の光量はスポットＳＰの大きさに関わらず一定であるため、図１１に示すように、スポット面積は、特性線Ｌ３を求めたときのスポット面積の２倍となり、受光面２２Ａ全体がスポットＳＰ内に収まった状態となる。
したがって、特性線Ｌ４は、（５）式から、次式（６）で表すことができる。
スポット面積／センサ面積＝４ ……（６）
特性線Ｌ４は、図１１に示すように、ＳＮＲが、（５）式で表される特性線Ｌ３のときのＳＮＲの半分になる条件を想定したものである。つまり、ＳＮＲが、特性線Ｌ３のときのＳＮＲの半分の値までをＳＮＲの取り得る許容範囲とすると、特性線Ｌ４は、ＳＮＲが特性線Ｌ３のときのＳＮＲの半分の値となるときの条件を示す。ＳＮＲが特性線Ｌ３のときのＳＮＲの半分ということは、受光量が半分になったことと同等である。そのため、スポットＳＰ全体の光量はスポットＳＰの大きさに関わらず一定であるため、図１１に示すように、スポット面積は、特性線Ｌ３を求めたときのスポット面積の２倍となり、受光面２２Ａ全体がスポットＳＰ内に収まった状態となる。
したがって、特性線Ｌ４は、（５）式から、次式（６）で表すことができる。
スポット面積／センサ面積＝４ ……（６）
【0037】
また、図１２に示すように、受光面２２Ａに対し、スポットＳＰが回転せずに上下左右にずれたとしても、（６）式を満足するように設定すれば、ある程度のずれが生じた場合でも、受光面２２Ａ全体がスポットＳＰ内に収まった状態とすることができると予測される。すなわち、所望のＳＮＲを確保することができると共に、比較的高いロバスト性を確保することができる。
【0038】
以上から、図６の領域ＡＲ１に対応する、「ＳＮＲが一定でありＳＮＲのロバスト性が比較的高い領域」、つまり、特性線Ｌ１とＬ２とで囲まれた領域は、受光面に光が照射されたスポットが形成されるスポットの回折限界以上であって、スポット面積／センサ面積が１／２以下であればよい。
領域ＡＲ１はスポットの総光量が一定であると、スポット面積を小さくすればするほど、ロバスト性が向上する。
そのため、領域ＡＲ１に対応する領域は、スポットの回折限界以上であり、スポット面積／センサ面積＝１／４以下であることが好ましく、スポットの回折限界以上であり、スポット面積／センサ面積＝１／６以下であることがさらに好ましい。
領域ＡＲ１はスポットの総光量が一定であると、スポット面積を小さくすればするほど、ロバスト性が向上する。
そのため、領域ＡＲ１に対応する領域は、スポットの回折限界以上であり、スポット面積／センサ面積＝１／４以下であることが好ましく、スポットの回折限界以上であり、スポット面積／センサ面積＝１／６以下であることがさらに好ましい。
【0039】
各条件は図６の特性線Ｌ２の状態からスポットの一辺の長さがそれぞれ１／２1/2倍、１／３1/2倍になり、よりＳＮＲのロバスト性が高いため好ましい。
また、図６の領域ＡＲ２に対応する、ＳＮＲのロバスト性は高いがＳＮＲが一定ではない領域、つまり、特性線Ｌ３とＬ４とで囲まれた領域は、スポット面積とセンサ面積とが、「スポット面積／センサ面積＝２以上４以下」であればよい。
領域ＡＲ２はスポットの総光量が一定であると、スポット面積を大きくするほど、ロバスト性は向上するが、受光部に入る光量は減少する。ＬＥＤ光源、受光部の光学性能が使用温度範囲の温度特性で劣化し、それによりＳＮＲが劣化することを考慮すると、図６（ｂ）において、領域ＡＲ２に対応する領域は、「スポット面積／センサ面積＝２以上３以下」であることがさらに好ましい。
また、図６の領域ＡＲ２に対応する、ＳＮＲのロバスト性は高いがＳＮＲが一定ではない領域、つまり、特性線Ｌ３とＬ４とで囲まれた領域は、スポット面積とセンサ面積とが、「スポット面積／センサ面積＝２以上４以下」であればよい。
領域ＡＲ２はスポットの総光量が一定であると、スポット面積を大きくするほど、ロバスト性は向上するが、受光部に入る光量は減少する。ＬＥＤ光源、受光部の光学性能が使用温度範囲の温度特性で劣化し、それによりＳＮＲが劣化することを考慮すると、図６（ｂ）において、領域ＡＲ２に対応する領域は、「スポット面積／センサ面積＝２以上３以下」であることがさらに好ましい。
【0040】
なお、特性線Ｌ１～Ｌ４は、受光面が略正方形であり、受光面に到達したスポットが略正方形であるとして、スポット面積とセンサ面積との条件を設定しているが受光面及びスポットは必ずしも正方形に限らず、矩形であればよい。受光面２２Ａ及びスポットＳＰが矩形の場合、つまりスポットＳＰが受光面２２Ａ内に収まるようにすることで、一定のＳＮＲを実現する場合には、受光面２２Ａの短辺を「ａ」、スポットＳＰの長辺を「ｂ」として、特性線Ｌ１及びＬ２を規定すればよい。逆に、受光面２２ＡがスポットＳＰ内に収まるようにすることで、ＳＮＲを比較的高い状態に維持する場合には、受光面２２Ａの長辺を「ａ」、スポットの短辺を「ｂ」として、特性線Ｌ３及びＬ４を規定すればよい。
【0041】
＜スポットサイズの定義＞
次に、スポットサイズの定義を説明する。
図１３（ａ）に示すように、矩形状の受光面２２Ａの中心を原点（ｘ０，ｙ０）とし、受光面２２Ａ上の各点の位置を、原点（ｘ０，ｙ０）とする（ｘ，ｙ）座標で表したとき、受光面２２Ａ上の各座標位置の放射照度は、次式（７）で近似することができる。なお、図１３（ａ）において、領域ｃ１は、受光面２２Ａに照射されたスポットを表し、領域ｃ２は、受光面２２Ａのスポットが照射されていない領域を表し、領域ｃ３は、受光面２２Ａの、スポットが照射された領域とスポットが照射されていない領域との境界の領域を表す。
次に、スポットサイズの定義を説明する。
図１３（ａ）に示すように、矩形状の受光面２２Ａの中心を原点（ｘ０，ｙ０）とし、受光面２２Ａ上の各点の位置を、原点（ｘ０，ｙ０）とする（ｘ，ｙ）座標で表したとき、受光面２２Ａ上の各座標位置の放射照度は、次式（７）で近似することができる。なお、図１３（ａ）において、領域ｃ１は、受光面２２Ａに照射されたスポットを表し、領域ｃ２は、受光面２２Ａのスポットが照射されていない領域を表し、領域ｃ３は、受光面２２Ａの、スポットが照射された領域とスポットが照射されていない領域との境界の領域を表す。
【0042】
【数1】
【0043】
図１３（ｂ）は、図１３（ａ）のｘ方向切断面における放射照度のシミュレーション値、図１３（ｃ）は、図１３（ａ）のｙ方向切断面における放射照度のシミュレーション値を示したものである。図１３（ｂ）において、横軸は図１３（ａ）のｘ方向切断面における、原点（ｘ０，ｙ０）からのｘ方向の距離（μｍ）を示し、縦軸は、放射照度（Ｗ／ｃｍ２）を示す。図１３（ｃ）において、横軸は、図１３（ａ）のｙ方向切断面における、原点（ｘ０，ｙ０）からのｙ方向の距離（μｍ）を示し、縦軸は、放射照度（Ｗ／ｃｍ２）を示す。
【0044】
図１３（ｂ）、（ｃ）に示す各座標位置における放射照度と（７）式から、（７）式中の各変数を求めることができる。例えば、図１３（ｂ）、（ｃ）に示すような放射照度のシミュレーション値と（７）式とから最小自乗法等を用いて各変数を求め、ｘ軸方向の半幅β及びｙ軸方向の半幅γとから、矩形のスポットＳＰのｘ軸方向の長さ及びｙ軸方向の長さを求めればよい。
【0045】
（７）式中の「α：エッジの急峻加減」は、例えば図１４に示すように、エッジが急峻に変化するか否かを規定する変数であり、エッジの急峻加減αが小さい方（図１４（ａ））が、エッジの急峻加減αが大きい方（図１４（ｂ））に比較して、エッジがより急峻に変化する。図１４（ａ）、（ｂ）において、横軸は、図１３（ｂ）の横軸に対応する原点（ｘ０，ｙ０）からのｘ方向の距離（μｍ）を示し、縦軸は、ｘ方向切断面における放射照度であるｆ（ｙ）を示す。
【0046】
＜効果＞
上述のように、本発明の一実施形態に係る光学式濃度測定装置１では、受光部２２の矩形状の受光面であるセンサ面積と矩形状のスポットであるスポット面積との比を規定し、受光面とスポットとの相対位置関係がずれた場合であっても、所望のＳＮＲを確保することができ、且つ、比較的高いロバスト性を確保することができると予測される比を設定している。そのため、仮に、温度、湿度などの環境の変化や振動等によって、受光面とスポットとの相対位置関係が、出荷時の状態からずれたとしても、所望のＳＮＲを維持することができる。また、受光面とスポットとの位置関係が、矩形の受光面の中心と矩形のスポットの中心とが一致し、且つ受光面の各辺とスポットの各辺とが平行であること、を設計思想とし、設計思想における位置関係とは異なる位置関係になってしまった場合を想定し、受光面に対しスポットが上下左右にずれたり、受光面に対してスポットが回転したりした場合であっても、比較的高いロバスト性を確保できるようにセンサ面積とスポット面積との比を決定している。そのため、ＳＮＲが低下することを抑制することができる。つまり、所望のＳＮＲを確保し、且つ比較的高いロバスト性を有する光学式濃度測定装置１を実現することができる。また、温度、湿度等の環境の変化だけでなく、振動等による受光面とスポットとの相対位置関係のずれ等が生じた場合でも、ＳＮＲの低下を抑制することができるため、光学式濃度測定装置を、車載センサ等に適用した場合でも、ＳＮＲの低下を抑制することができ、汎用性をより高めることができる。
また、このように比較的高いロバスト性を確保することができるため、製造時において組立誤差等が生じた場合であっても、所望のＳＮＲを実現することができる。
上述のように、本発明の一実施形態に係る光学式濃度測定装置１では、受光部２２の矩形状の受光面であるセンサ面積と矩形状のスポットであるスポット面積との比を規定し、受光面とスポットとの相対位置関係がずれた場合であっても、所望のＳＮＲを確保することができ、且つ、比較的高いロバスト性を確保することができると予測される比を設定している。そのため、仮に、温度、湿度などの環境の変化や振動等によって、受光面とスポットとの相対位置関係が、出荷時の状態からずれたとしても、所望のＳＮＲを維持することができる。また、受光面とスポットとの位置関係が、矩形の受光面の中心と矩形のスポットの中心とが一致し、且つ受光面の各辺とスポットの各辺とが平行であること、を設計思想とし、設計思想における位置関係とは異なる位置関係になってしまった場合を想定し、受光面に対しスポットが上下左右にずれたり、受光面に対してスポットが回転したりした場合であっても、比較的高いロバスト性を確保できるようにセンサ面積とスポット面積との比を決定している。そのため、ＳＮＲが低下することを抑制することができる。つまり、所望のＳＮＲを確保し、且つ比較的高いロバスト性を有する光学式濃度測定装置１を実現することができる。また、温度、湿度等の環境の変化だけでなく、振動等による受光面とスポットとの相対位置関係のずれ等が生じた場合でも、ＳＮＲの低下を抑制することができるため、光学式濃度測定装置を、車載センサ等に適用した場合でも、ＳＮＲの低下を抑制することができ、汎用性をより高めることができる。
また、このように比較的高いロバスト性を確保することができるため、製造時において組立誤差等が生じた場合であっても、所望のＳＮＲを実現することができる。
【0047】
また、特に、ＬＥＤ光源２１及び受光部２２がＳＭＤ型（Surface Mount Device 表面実装型）の素子である場合、基板に実装する際のハンダ量が挿入型(例えばメタルＣＡＮ)に比べ、比較的少なくてすみ、実装時の高さ方向の公差成分が小さい。高さ方向の理想の実装位置と実際の実装位置との誤差は、ＳＮＲに与える影響が比較的大きい。そのため上記実施形態に示すように、ＳＮＲの高いロバスト性を実現するには、挿入型(例えばメタルＣＡＮ)の素子ではなく、ＳＭＤ型の素子を実装することが望ましい。ＳＭＤ型の素子を選択することにより高さ方向の公差を抑え、ＳＮＲの変動を抑制することができる。ここで、高さというのは素子実装の接地面に対する厚み方向である
【0048】
以上、本発明の実施形態を説明したが、上記実施形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を特定するものでない。本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された請求項が規定する技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。
【符号の説明】
【0049】
１ 光学式濃度測定装置
１１ 受発光装置
１２ 筐体
２１ ＬＥＤ光源
２２ 受光部
２３ 基板
２４、２５、２６ 導光部
２５ａ、２５ｂ 集光部
２７ レンズ
１１ 受発光装置
１２ 筐体
２１ ＬＥＤ光源
２２ 受光部
２３ 基板
２４、２５、２６ 導光部
２５ａ、２５ｂ 集光部
２７ レンズ
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】