JP2002516994A - 対象物検査用光学装置 - Google Patents

対象物検査用光学装置

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JP2002516994A JP2000551246A JP2000551246A JP2002516994A JP 2002516994 A JP2002516994 A JP 2002516994A JP 2000551246 A JP2000551246 A JP 2000551246A JP 2000551246 A JP2000551246 A JP 2000551246A JP 2002516994 A JP2002516994 A JP 2002516994A
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ソルモンド，コリン，ハーバート
グリーンシル，コリン，ビクター
ライト−ジヨンズ，ピーター
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エラン グループ リミテッド
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Abstract

(57)【要約】 本発明に係る対象物検査用光学装置は、近赤外放射線（ＮＩＲ）を有し、光ビームを検査中の対象物に向ける光源と、対象物から反射するか、又は対象物を通過する光を受光し、そこから光ビームを発散させるアパーチャーと、アパーチャーを通過した光ビームが発散して入射するように配置され、発散して入射した光ビームを平行にするコリメート手段と、コリメート手段からの平行にされた光ビームを波長成分に発散する手段と、波長成分のエネルギーレベルに比例する電気出力信号を発生する手段とを有することを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 （技術分野） 本発明は、対象物を検査するための光学装置に関し、限定的ではないが、特に
植物の中の炭水化物成分を検査する光学装置に関する。
【０００２】 （背景技術） いちごや他の植物のような対象物を光学的に検査する現在の方法は、対象物の
サンプルを採取し、実験室でサンプルを検査することを必要とする。
【０００３】 これらの方法は、検査装置を対象物があるもとの場所や畑で使用することがで
きないので不便である。また、これらは対象物からサンプルを採取しなければな
らないので有害でもある。
【０００４】 既存の検査用光学装置は、果実や植物全般の成分を確実に検査するのに充分な
高さの分解能も感度も持っていない。また、これら装置は、成分の相対濃度検査
に容易に適応させることもできない。
【０００５】 これらの装置は、皮下路を対象物に向けるために配置された光源と、対象物か
らの散乱光または反射光を検出するために配置された光検出器とを有する。検出
器は。光源からの光を妨げないように、光源の光路の外側に、対象物から同じ間
隔で配置する必要がある。
【０００６】 従来技術の検出器は、対象物の表面に反射して出る光及び、対象物内から散乱
する光を受ける。従って、検出器によって受光される光は、高度なノイズ信号を
含んでいる。
【０００７】 また従来技術による装置は、光源からの多量の光が対象物の目標範囲に届かな
いような、相対的に高出力の光源を必要としている。
【０００８】 本発明の目的は、一つ又はそれ以上の従来技術の欠点を、ある程度まで緩和
させること、又は低減させることである。
【０００９】 （発明の開示） 本発明は、一つの特徴においては、対象物を検査する光学装置にある。この光
学装置は、光ビームを検査中の対象物に向ける光源と、対象物から反射するか、
対象物内で散乱するか、又は対象物を通過する光を受光するため配置されたアパ
ーチャーと、前記アパーチャーを介してそこに入射する光ビームをコリメートす
るように配置されたコリメート手段とを有する。また装置は、コリメート手段か
らのコリメートされた光ビームを波長成分に発散させる手段と、波長成分のエネ
ルギーレベルに比例する電気出力信号を提供する手段とを有する。
【００１０】 好ましくは、アパーチャーが配置され、それから光ビームを発散させる。
【００１１】 好ましくは、装置は、さらに、出力信号を処理し、対象物の一つ又はそれ以上
の特性を表示するため、一つ又はそれ以上の表示信号を提供する手段を有する。
【００１２】 表示手段は、一つ又はそれ以上の表示信号を受信し、前記表示信号を適当な形
態で表示するように装備され得る。望ましくは、表示手段は、プリンター、ディ
スプレーモニター又はそれらの組み合わせである。
【００１３】 装置はインターフェイス手段を備えることができ、前記インターフェイス手段
には、一つ又はそれ以上の表示信号を記憶し、及び／又は一つ又はそれ以上の表
示信号をさらに処理するためにコンピュータが選択的に接続され得る。
【００１４】 典型的には、処理手段は、前記表示信号を対象物の特性の関連づけに適したデ
ータ相関装置を備えている。
【００１５】 データ相関装置は、一つの対象物に対する一組の相関データ、又は様々なタイ
プの対象物に対する複数組の相関データを持ち得る。
【００１６】 前記各特性は、対象物の任意の成分であり得る。前記成分は、例えば炭水化物
、澱粉、又は蔗糖、ぶどう糖、及び果糖等を含む糖分である。また、特性は対象
物の任意の生理学上の状態に関連するものでもよい。生理学上の状態は、植物の
発育状態、成熟状態等を含む。
【００１７】 望ましくは、前記各特性は、成長の生長力を表す特性、採取のための成熟度を
表す特性、又は植物の他の生理学上の状態である。
【００１８】 有利には、データ相関装置は、装置に取り外し可能に接続することができ、そ
れにより、検査中の特定の対象物に対する相関データを持つデータ相関装置を装
置に選択的に接続できるようになる。
【００１９】 利点として、データ相関装置は、ＰＭＣＩＡのようなプリント回路カードの形
態であり得る。
【００２０】 好ましくは、出力信号供給手段は、波長成分を検出するための検出手段を有す
る。
【００２１】 さらに好ましくは、装置は、検出手段上に波長成分の焦点を合わせるための焦
点調節手段を有する。
【００２２】 光源は、対象物上に光の環を作る照明器を具備し得る。照明器が、反射内面を
有する中空体と、一つまたはそれ以上のランプとを有し、ゆえに前記一つまたは
それ以上のランプは、そのランプからの光の部分の少なくとも幾分かが、反射面
により反射される。反射面は、反射面から反射される光が、対象物の範囲上で光
の環を形成するような形態をする。
【００２３】 好ましくは前記中空体が、実質的に円錐形あるいは卵の殻の半分の形している
。また中空体は、実質的に放物線状の断面をしている。
【００２４】 適切には、光の環は前記対象物からの散乱光を検出する光検出プローブの周囲
に、配置される。検出プローブは、適切には中空体の軸線に沿って配置され、配
置され、光源が前記軸線に対して直角に配置される
【００２５】 有利には、照明器が前記反射面から反射された光の下流に、囲い板を備える。
一形式では、囲い板が実質的に切頭円錐形または曲線形である。
【００２６】 囲い板は、前記光源及び（または）本体の前記内面からの光の部分を、対象物
の前記範囲に再び向ける反射内面を、部分的または全体的に有し得る。
【００２７】 囲い板は、光の環へ向けるように配置された後壁を有し得る。後壁は曲線状で
あり、Frensnelレンズのように形成されるかまたは、その様な形状をする。
【００２８】 囲い壁は可動固定され、囲い壁が容易に交換できる。囲い壁は、特定形状の対
象物に関した形態になり得る。従って照明器は、異なる対象物に関して囲い壁を
適切に選択することによって、異なる対象物に使用することができる。
【００２９】 また、好ましくは、装置は、対象物から反射した光ビーム又は対象物を通過し
た光ビームをアパーチャーに送るための光学的伝送手段を有する。伝送手段は、
１１゜の口径を持つ直径500μmの光ファイバーのような光ファイバーであり得る
。光ファイバーが、保護プローブ内に配置され得る。
【００３０】 アパーチャーは、コリメート手段の焦点距離の近くに位置決めされ得る。また
、アパーチャーは、適当な幅の一つ又は複数の平行なスリットを有する。前記幅
は、例えば10μmである。典型的には、一つ又は複数のスリットは垂直方向にさ
れる。
【００３１】 望ましくは、アパーチャーに対するコリメート手段の位置は、装置を所望の分
解能及び強度に容易に変えることができるように調節可能にされる。
【００３２】 適当には、コリメート手段は、コリメーティングレンズであり、典型的には、
色消しレンズである。
【００３３】 発散手段は、任意の適切な形状の一つ又はそれ以上のプリズムを有し得る。一
つ又はそれ以上のプリズムは、好ましくは、等辺形プリズムである。
【００３４】 焦点調節手段は、検出手段上に波長成分の焦点を合わせるための一つ又はそれ
以上の焦点レンズを有し得る。望ましくは、一つ又はそれ以上の焦点レンズは、
検出手段を横切るスペクトルの線形発散を得ることができるように構成される。
焦点レンズは、例えば、平凸レンズである。
【００３５】 好ましくは、検出手段は、波長成分の検出に応じて電気出力信号を発生する複
数の検出要素を有する。
【００３６】 より好ましくは、検出要素は、少なくとも2×2（4）検出要素のマトリックス
で配置される。典型的には、マトリックスは32×32（2048）又は64×64（4096）
の検出要素を持つ。
【００３７】 検出手段は有利には、電荷結合素子（ＣＣＤ）を持ち、検出要素は画像要素（
画素）の形態である。
【００３８】 光源は、任意に適切な公知の光源から選択され得る。好ましくは、光源は近赤
外放射（ＮＩＲ）である。
【００３９】 望ましくは、装置は、内部に装置の構成要素を配置するハウジング手段を有す
る。ハウジング手段は、実質的に遮光性である第一ハウジング手段を有し、第一
ハウジング部材の内部には、コリメート手段、発散手段及び電気信号発生手段が
設けられる。第一ハウジング部材は、外部の放射線及び光学表面からの反射光と
の干渉を低減させ、又は除去する。より望ましくは、アパーチャーは第一ハウジ
ング部材の内部に配置される。
【００４０】 より望ましくは、ハウジング手段は、装置を畑や現地で使用することができる
ように小型である。典型的には、ハウジング手段は、使用中、使用者が片手で装
置を持つことができるように構成される。選択的に、ハウジング手段は、手首の
ような使用者の身体の一部に装備できるように構成される。ハウジング手段は、
リストウォッチやピストルのように任意の適当な形状にすることができる。
【００４１】 ハウジング手段は、内部に光源が配置される第二ハウジング部材を備えること
ができ、第二ハウジング部材は、内部に対象物の少なくとも一部を挿入すること
ができる間隙を有する。有利には、第二ハウジング部材は、第一ハウジング部材
に取り外し可能に取り付けることができ、それにより、検査する対象物の種類に
適合した複数の第二ハウジング部材から第二ハウジング部材を選択できるように
なる。
【００４２】 装置に光伝送手段を設ける場合、光伝送手段は、好ましくは、第二ハウジング
部材に配置される。
【００４３】 有利には、第一ハウジング部材に表示装置が設けられる。また有利には、第一
ハウジング部材には、データ相関装置を取り外し可能に接続することができ、そ
れにより、様々な対象物に装置を使用することができるようになる。
【００４４】 一実施例では、第一ハウジング部材はピストルの本体の形状にされ、第二ハウ
ジング部材はピストルのタレットの形状にされる。
【００４５】 中空体の前記反射面は、以下のステップから成る方法により形成され得る。 （ａ）反射内面の一部分を選択する （ｂ）中空体内に配置された光源からの光線を、前記光線と同じ軸線の平面で光
の環に反射する、前記部分の方向を計算する （ｃ）前記一部分と同じ垂直平面にある別の部分に進み、ステップ（ｂ）に進む
（ｄ）前記部分が接合されてリングを形成できるまで、ステップ（ｃ）を繰り返
す （ｅ）リングが任意の範囲に延びるまで、前記リングに隣接する別のリングを形
成するため、ステップ（ａ）から（ｄ）を繰り返す
【００４６】 好ましくはステップ（ｃ）において進行方向は、一回転の半分を終了した時に
、逆転する。
【００４７】 各リングにおいて隣接した部分は、前記隣接部分を含む個々の平面の交差部で
、または交差部と前記隣接部分の一つとの間のほぼ中間で接合され得る。
【００４８】 （発明を実施するための最良の形態） 本発明及び実際的な効果が容易に理解できるように、以下に、限定しない実施
例を示す添付図面を参照して本発明を説明する。
【００４９】 始めに図１を参照すると、図１には本発明による光学装置１０が示されており
、この光学装置１０は、特性、この場合には畑１０４にある対象物（いちごの苗
）１０２の発育（生長）の状態、を検査するために作業者１００によって使用さ
れている。
【００５０】 この実施例における装置１０はピストル型である。装置１０は、（図２により
明瞭に示されている）スロット１０２を備え、このスロット１０２は、検査中の
いちごの苗１０２の葉を受ける。パームトップコンピュータによって例示された
表示手段１４が装置１０に接続され、この表示装置１４は、いちごの苗１０２の
特性スペクトルを表示する。
【００５１】 図２は、光学装置１０の別の実施例であり、この実施例では、装置１０はピス
トルの形状をしている。装置１０は、実質的に光を通さないピストル本体型第一
ハウジング部材１６と、タレット型第二ハウジング部材１８とで形成されたハウ
ジングを有する。第二ハウジング部材１８は第一ハウジング部材１６に取り外し
可能に取り付けられている。
【００５２】 第二ハウジング部材１８はスロット１２を備え、このスロット１２は検査すべ
き対象物の一部を受ける。スロット１２の一方の側部には、光源２８が配置され
ており（図３及び図４参照）、スロット１２の反対側の側部には、光ファイバー
の形態の光伝達部材２２が設けられている。
【００５３】 第一ハウジング部材１６はスリット２４を備え（図３及び図４参照）、このス
リット２４は、光ファイバー２２からの光を受けるように位置決めされている。
また、第一ハウジング部材１６は、ＰＭＣＩＡカードの形態の取り外し可能に接
続できるデータ相関装置２６を有する。カード２６は、一つ又はそれ以上の種類
の植物の相関データが記憶されるメモリーを持つ。表示手段１４は、本実施例に
おいてはＬＣＤスクリーンであり、検査中の対象物の一つ又はそれ以上の特性に
関する出力信号を表示するために設けられている。
【００５４】 取り外し可能なカード２６は容易に交換することができ、装置１０を種々な種
類の対象物に使用できるようにしている。一例として、装置１０をいちごの糖分
の検査に使用する場合には、いちごの糖分に対する相関データを持つカード２６
が選択され、第一ハウジング部材１６に挿入される。
【００５５】 図３は、本発明の一実施例による装置１０の概略を示す図である。この実施例
では、装置１０は分解能画定スリット２４を備え、このスリット２４は、光源２
８からの光ビームを受光するよう配置され、かつ、コリメーティングレンズ３０
の焦点距離の近くに位置決めされている。光ビームは、スリット２４に入り、発
散してコリメーティングレンズ３０に至り、レンズ３０によって並行光ビームに
される。発散装置の形態の発散手段３２が、並行ビームの軌道上に配置される。
偏光装置３２は、並行ビームを、その波長成分に分離する。本実施例では光検出
器である検出手段３４が、発散装置３２の下流に配置されており、この検出手段
３４は、波長成分を検出し、波長成分のエネルギレベルに比例する電気出力信号
を発生する。
【００５６】 焦点レンズの形態の焦点調節手段３６が、発散装置３２と検出手段３４との間
に配置され、別個の波長成分を検出手段３４のシャープな点、即ち、焦点調節し
た点にするようにしている。
【００５７】 他の表面で反射した光との干渉を最小限に抑えるため、遮光性第一ハウジング
部材１６が用いられる。
【００５８】 検出手段３４からの電気出力信号は、次いで、増幅器３８で増幅され、Ａ−Ｄ
変換器４０によってデジタル信号に変換される。処理手段（マイクロプロセッサ
ー）４２が、適切なプログラムの指示とデータ相関装置のデータとに従って、デ
ジタル信号を処理するために設けられている。処理された信号は表示手段（本実
施例ではＬＣＤモニター）１４上に表示される。
【００５９】 また、コンピュータ４４が、信号をダウンロードし、さらに信号を処理するた
めに処理手段４２に接続される。
【００６０】 図４は、装置１０の別の実施例を示している。この実施例では、装置１０が対
象物１０２を通してスリット２４に光を伝達するための光伝送手段（光ファイバ
ー）４６を備えている。光伝送手段４６は、１１゜の口径を持つ直径500μmの光
ファイバーである。スリット２４は、10μm幅の垂直並行スリットであり、コリ
メーティングレンズ３０の焦点距離の近くに配置される。コリメート手段３０と
して色消しレンズが用いられる。
【００６１】 本実施例では、発散手段３２は、高い分解能を供給する二等辺形プリズムであ
る。検出手段３４を横切るスペクトルの実質的に線形の発散を得るために二つの
平凸レンズが焦点調節手段３６として使用される。この場合、検出手段３４は、
2048画素を有する電荷結合素子（ＣＣＤ）と、14μmの間隔で14μm（h）×12μm
（w）の画素寸法のポリマーウィンドウである。スペクトルの集合に対する典型
的な積分時間は、10〜100msの範囲である。
【００６２】 Ocean Optic HG1の名前で販売されている市販の水銀−アルゴン放射源のよう
な較正源４８が、装置１０の較正のために光ファイバー４６に取り外し可能に接
続され得る。
【００６３】 本実施例における光源２８は、低脈動ＤＣ電源によって給電される90〜100wの
タングステンハロゲンバルブである。バルブは楕円形反射体の第一焦点に設けら
れる。
【００６４】 検査中の対象物１０２は、反射体の第二焦点の近くに位置決めされる。
【００６５】 試験では、図４に概略的に示す装置１０を用いて、水銀−アルゴン放射源のス
ペクトルを得る。試験結果を図５に示す。
【００６６】 市販の従来技術の分光計を使って同じ試験を繰り返した結果を図６に示す。
【００６７】 試験結果を比較すると、本発明による装置１０と従来技術による分光計の両方
が約400〜1025ｎｍの広い有効帯域幅を表示していることが注目される。しかし
、装置１０は分解能及び感度の項目で優秀な性能を示している。
【００６８】 同じ強さのスペクトルが、従来技術の装置に対しては50msで記録されているの
に対して、装置１０に対しては15msで記録されているので、装置１０が約三倍以
上の感度であることが分かる。装置１０の分解能は、同じ帯域幅を横切る696nm
の波長で約4nm（ＦＷＨＭ）から約9nm（ＦＷＨＭ）まで変化する。ＦＷＨＭは半
波高の全幅値を参照する。
【００６９】 図４に示す装置１０は様々な果実のＮＩＲ伝達スペクトルの検査に使用される
。図７は、未熟グリーンパパイヤ及び成熟グリーンパパイヤ（Canica papaya）
の60nmの厚さの部分の各ＮＩＲ伝達スペクトルを示している。この図は、ピーク
光伝達の波長が、未熟サンプルにおける755mmから完熟サンプルにおける730mmま
で、明確にシフトしていることを示している。
【００７０】 従って、装置１０は、未熟状態の間に食用状態まで熟す前に、グリーンパパイ
ヤを果実として採ることができる時期を決めるために使用することができる。
【００７１】 図８及び図９は、二つの異なるレイシの果実のサンプルのスペクトルを示して
いる。二つのスペクトル間の差は、サンプルのある特性を表示するために使用さ
れ得る。
【００７２】 図１０〜図１２は、装置１０による測定用の果実中の糖分の三つの成分の相関
データのグラフを示している。各点線及び実線は、スロープ及びバイアス補正を
表している。成分の較正のために得られたデータの概略を、以下の相関データテ
ーブルに示す。
【００７３】
【００７４】 相関データを得るために用いた分光計は、Zelta ZX100F 近赤外放射線（ＮＩ
Ｒ）分析器である。
【００７５】 成分１〜３の各々に対して、９つのサンプルをランダムに選択した。選択され
たサンプルに対応する識別符号は各テーブルに示されている。
【００７６】 目標値Ｙ(e)は、スロープ及びバイアスを補正した後の値である。
【００７７】 結果は以下に示す通りである。 成分 相関係数 標準誤差 １ ０．８６ １．８ ２ ０．７５ １．７ ３ ０．８８ ２．９
【００７８】 相関データによってサンプル内の成分の識別が可能になる。
【００７９】 サンプルの成分があるエネルギレベルを吸収するが、他のエネルギレベル（又
は波長成分）を通過させるので、サンプルを通過するエネルギレベル（又は波長
成分）と、サンプルを通過しないエネルギレベル（又は波長成分）を監視するこ
とによって、装置１０を成分の相対濃度を決めるために使用することができる。
【００８０】 どの数学的な解析手段も、利用することができる。本応用例には、偏最小二乗
法（ＰＬＳ）回帰解析（partial least squares regression analysis）または
、記載のような最小メッセージ長さ（ＭＭＬ）の単数及び複数因子分析（minimu
m message length single and multople factor analysis）が好ましい。
【００８１】 先ず図１３を参照すると、本発明の別の実施例による近赤外線（ＮＩＲ）光学
装置が示されている。この例における装置５０は、実質的に手持ち銃形のケーシ
ング５２を有している。本体５２には、光検出プローブ５４を実質的に照明器５
６の中心軸線に位置するように配置する。プローブ５４は、切頭形囲い板５８の
ちょうど内部から、鏡またはレンズ６０の直ぐ手前まで延びている。
【００８２】 示されているように、プローブ５４によって検出された光ビームは、鏡６０か
ら回折格子６２へ屈折する。格子６２は、光ビームを実質的に電荷結合素子（Ｃ
ＣＤ）のアレイと平行または、フォトダイオード６４に対し平行な向きにさせる
。
【００８３】 装置５０を作動させるトリガー６６は、ユーザーの指によって押すようになっ
ている。
【００８４】 装置の構成要素５０は、鋳造による堅固なアルミニウムまたはチタニウム、あ
るいは熱安定と機械強度のため機械加工された合金で作られたフレーム（図示せ
ず)に装着される。フレームは、この例ではプラスチック材料で作られたケーシ
ング５２に装着される。
【００８５】 図１４におけるカッタウェイ部分は、プローブ５４のサンプルファイバーと隣
接して配置された参照ファイバー６８を見せている。
【００８６】 図１５を参照すると、照明器５６がアパーチャーのある実質的に放物線状の中
空体７０を有し、そこにはランプ７４が配置されている。図１７でより明確に見
ることができるように、ランプ７４が、中心をはずれて、プローブ５４と参照フ
ァイバー６８から間隔をあけている。且つ本体７０は、その内部反射面７６が光
の環７８を、イチゴのような対象物９０上に照射するような形状をしている。対
象物が、どの植物、生物学的サンプル、化学的サンプルあるいは、無機質サンプ
ルであってもよい。
【００８７】 囲い板５８は、プローブ５４及びファイバー６８に延びる後壁８０を有してい
る。
【００８８】 囲い壁５８及び中空体７０は、適切な剛性プラスチック、例えばポリカーボネ
ートまたはアクリルによる単体として、一体型に形成され得る。しかし本例にお
いて、それらは別個に形成されており、囲い板５８が交換のために取り外すこと
ができる。囲い面５８及び本体７０の内面は、それらが高い反射性を有するよう
に、適切な金属被覆を施される。
【００８９】 囲い板５８は、ランプ７４及び本体７０の反射面７６からの光の屈折部分が、
環７８の領域を向くような形状をしている。これによって環状照明の強度を改善
する。
【００９０】 壁３６の後面、すなわちＮＩＲ用の入射面は、照明を環３４の領域に向けるFr
esnel lensである。Frensnel lensの代わりに、後面がその領域で照明をコリメ
ートするために、曲げられてもよい。
【００９１】 囲い板５８は、他に最も有利な点が多数あり、それは、 i）囲い板が、照明器５６を周囲の環境から保護し、プローブ５４の金属管鎧装
を銃を落とすことが考えられるような任意の取り扱いから保護すること、 ii）囲い板が少なくとも部分的に、測定される対象物を周囲光から幾分か遮光す
ること、 iii）囲い板が有利には、望ましくない対象物または別の材料などを分けるか、
任意の領域から動かして、銃を測定すべきサンプルに向けて押すこと、 iv）手に適した材料、すなわちシャツのすそまたはハンカチで、手早く拭いて、
きれいにできること、 v）囲い板が、交換可能であること、 vi）囲い板が、例えば非常に大きな果実（スイカなど）別の応用に対して、回転
させないで交換させることが可能なことである。 この例では、プローブ５４の好ましい結合を確実にすることに注意し、参照ファ
イバー６８がアパーチャー５０の中で終端する。
【００９２】 図１６は、大きな対象物９０のための囲い板５８及び照明器５６の実施例を示
している。示されているように、この場合におけるプローブ５４の検出端部は、
実質的に囲い板５８と同一面状にある。
【００９３】 照明器５６はプローブ５４の周囲に、ＮＩＲが高い、明るい光の環を作るよう
に配置されており、光のリングは図１０に示したようになる。領域ｂは、集中さ
れたＮＩＲ照明環であり、ａは（直接）照射されないように設計された領域であ
る。これによって、できるだけ図２０に示されたような、対象物９０内で散乱す
る光を、最大限にプローブ５４を通るようにする。
【００９４】 図２０に示されているように、サンプリングプローブファイバー５４に入るこ
とができる、入射環状照明７８が、“ｃ”で示された領域から（殆ど）散乱して
いることは明らかである。これによって、プローブ５４によって検出することに
より、隣接した表面の沿ってまたは、対象物または果実９０の皮を直接進行する
光のようなノイズ信号を、最小にする。
【００９５】 また、ファイバー支持プローブ５４が、皮下注射用“端部が平坦な”針に類似
しており、固定してファイバーに支持したままになるだけでなく、対象物または
果実表面の不規則性及び、“割れ目と空隙”により生じ、プローブに入る周囲光
及び表面散乱光に対する最も効果的な光シールドとして作用する。
【００９６】 参照プローブ６８は、照明光の一部を捕らえて、対象物または果実９０からの
どの反射光も最小にするように設計されている。照明のスペクトル特性を示す様
な光は、囲い板の近くの表面を反射して出ることによって、得られる。壁８０の
後面は、小さな領域では共面状であり、またはその後方散乱を助けるため、幾分
か粗い。囲い板５８は本質的に、剛性プラスチック部分であり、反射光が照明ラ
ンプまたは複数のランプの背後を考慮することによって及び、類似のファイバー
あるいは複数のファイバー取り込み手段によってサンプリングされ得る。
【００９７】 ファイバープローブ５４及び６８、そして特にサンプルプローブ５４は、本質
的に想像上“銃身”軸線と同軸である。
【００９８】 照明器５６の反射面７６は、環状の照明７８を工学的に作るように設計されて
いる。
【００９９】 環状の照明は、光をプローブ５４に入る前にテストされる対象物において、散
乱または発散するさせられる。この装置は、検出プローブの周囲の近くの明るい
光を防ぎ、それによって、検査されるサンプルの狭く薄い皮の範囲を、非常に短
い距離だけ、進む光の大部分が有する欠点を避ける。皮の相当小さな領域で且つ
小さな窪みのＮＩＲ特性は、任意に測定される特性の表示に信頼性がない。
【０１００】 図１８に示されたように、反射面７６は光線トレース方法を利用して形成され
ている。個々の光線は、（中心を外れた）照明ランプ７４の非常に小さなフィラ
メントから放射されていると考え、小さな回転角で、（アパーチャーの直ぐ近く
にあって、そのアパーチャーを参照プローブ６８及びサンプルファイバープロー
ブ５４が通過する）照明器５６の最後方部分の方向に、向けられている。反射を
単に低くすることによって、その表面７６の非常に小さな（本質的に四角形の)
部分１の角度が、それから計算され、考慮すべき光線に関して、反射部分が同じ
回転角で、環状リング７８の中心に向けられることができる。約半回転ほど小さ
く増加することによって、ランプから逐一ステップ的に光線を発することによっ
て、各光線は角度がついて、本質的に四角形となり、“平坦な”反射部の角度の
あるの小ピースが、光線を環状リング７８の中央の周囲における等間隔の“ドッ
ト”の方向に指向させる。三次元幾何学によって、リフレクタファセット面が、
縁部と縁部を接合する。
【０１０１】 一旦、一つのピースが計算されると、プログラムが続行して、表面上で必要な
反射角を計算し、隣接光線を正確に方向付けさせる。適切な角度の点において新
しい表面２を選択し、別の近くの部分３に関して上記のステップを繰り返すと、
それによって、それら接合縁部における二つの平坦要素の交差線を計算すること
ができる
【０１０２】 各経路で、半分の回転が終了すると、二つの“ファセット”リフレクタリング
は、接合して、計算をチェックする。
【０１０３】 反射面７６の一つのファセットリングが、計算されると、別の隣接するファセ
ットリングが、似たように計算されて、その内縁部が、以前に計算されたリフレ
クタリングの外縁部に合わせるようにする。
【０１０４】 そしてこの方法では、一連の“同軸”ファセットリフレクタ“リング”を、リ
ングにおける反射面の軸線の周囲で、計算しつづけることができ、各リングが、
ファオバープローブのアパーチャーから銃の反射面の前方における最外縁部へ、
ますます離れていく。
【０１０５】 これらファセットセグメントを、滑らかな連続した複合曲面にすることができ
、その様にすると、各オリジナルのファセットの中心及び、その位置における反
射角が、新しい滑らかな表面上の点でも同じままになることは明らかである。こ
れによって、基本的なレフレクタの形状に形成することができ、そのような設計
プロセスは、任意の数のランプを、各々任意の位置に配置させることができる。
【０１０６】 以上、本発明の実施例を説明したが、これに対する多くの変形及び改良は、こ
こで説明される発明の範囲及び概念から外れることなく当業者には明らかである
。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明による光学装置の一実施例を示しており、本図では装置は畑でいちごを
検査するために作業者によって使用されている。
【図２】 本発明による光学装置のピストル型の実施例を示している。
【図３】 本発明による装置の構成要素を示す概略図である。
【図４】 本発明による装置の構成要素を示す別の図である。
【図５】 本発明による光学装置によって得られる典型的なスペクトルを示している。
【図６】 従来技術の光学装置によって得られる典型的なスペクトルを示している。
【図７】 本発明による光学装置によって得られる成熟グリーンポーポーサンプルと未熟
グリーンポーポーサンプルのスペクトルの比較を示している。
【図８】 本発明による光学装置によって得られるレイシの果実のサンプルのスペクトル
を示している。
【図９】 本発明による光学装置によって得られるレイシの果実の別のサンプルのスペク
トルを示している。
【図１０】 植物の中の糖成分の測定データのグラフを示している。
【図１１】 植物の中の糖成分の測定データのグラフを示している。
【図１２】 植物の中の糖成分の測定データのグラフを示している。
【図１３】 本発明による光学装置の手持ち銃形の実施例の側面図である。
【図１４】 図１３に示された装置の背面図である。
【図１５】 本発明による照明器の実施例の概略図。
【図１６】 本発明による照明器の別の実施例の概略図。
【図１７】 図１６に示された照明器の背面図。
【図１８】 照明器の反射面を形成する部分を計算するステップを示した図形。
【図１９】 本発明の照明器により作られた光の典型的な環を示している。
【図２０】 果実の表面上の環状光の照明と果実内からの散乱光を検出するため配置された
検出器を示した概略図形。
【手続補正書】特許協力条約第３４条補正の翻訳文提出書
【提出日】平成１２年３月３１日（２０００．３．３１）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正内容】
【特許請求の範囲】
【発明の詳細な説明】
【０００１】 （技術分野） 本発明は、対象物を検査するための光学装置に関し、限定的ではないが、特に
植物の中の炭水化物成分を検査する光学装置に関する。
【０００２】 （技術背景） いちごや他の植物のような対象物を光学的に検査する現在の方法は、対象物の
サンプルを採取し、実験室でサンプルを検査することを必要とする。
【０００３】 これらの方法は、検査装置を対象物があるもとの場所や畑で使用することがで
きないので不便である。また、これらは対象物からサンプルを採取しなければな
らないので有害でもある。
【０００４】 既存の検査用光学装置は、果実や植物全般の成分を確実に検査するのに充分な
高さの分解能も感度も持っていない。また、これら装置は、成分の相対濃度検査
に容易に適応させることもできない。
【０００５】 これらの装置は、皮下路を対象物に向けるために配置された光源と、対象物か
らの散乱光または反射光を検出するために配置された光検出器とを有する。検出
器は。光源からの光を妨げないように、光源の光路の外側に、対象物から同じ間
隔で配置する必要がある。
【０００６】 従来技術の検出器は、対象物の表面に反射して出る光及び、対象物内から散乱
する光を受ける。従って、検出器によって受光される光は、高度なノイズ信号を
含んでいる。
【０００７】 また従来技術による装置は、光源からの多量の光が対象物の目標範囲に届かな
いような、相対的に高出力の光源を必要としている。
【０００８】 本発明の目的は、一つ又はそれ以上の従来技術の欠点を、ある程度まで緩和
させること、又は低減させることである。
【０００９】 （発明の開示） 本発明は、一つの特徴においては、対象物を検査する光学装置にある。この光
学装置は、光ビームを検査中の対象物に向ける光源と、対象物から反射するか、
対象物内で散乱するか、又は対象物を通過する光を受光するため配置されたアパ
ーチャーと、前記アパーチャーを介してそこに入射する光ビームをコリメートす
るように配置されたコリメート手段とを有する。また装置は、コリメート手段か
らのコリメートされた光ビームを波長成分に発散させる手段と、波長成分のエネ
ルギーレベルに比例する電気出力信号を提供する手段とを有する。
【００１０】 好ましくは、アパーチャーが配置され、それから光ビームを発散させる。
【００１１】 好ましくは、装置は、さらに、出力信号を処理し、対象物の一つ又はそれ以上
の特性を表示するため、一つ又はそれ以上の表示信号を提供する手段を有する。
【００１２】 表示手段は、一つ又はそれ以上の表示信号を受信し、前記表示信号を適当な形
態で表示するように装備され得る。望ましくは、表示手段は、プリンター、ディ
スプレーモニター又はそれらの組み合わせである。
【００１３】 装置はインターフェイス手段を備えることができ、前記インターフェイス手段
には、一つ又はそれ以上の表示信号を記憶し、及び／又は一つ又はそれ以上の表
示信号をさらに処理するためにコンピュータが選択的に接続され得る。
【００１４】 典型的には、処理手段は、前記表示信号を対象物の特性の関連づけに適したデ
ータ相関装置を備えている。
【００１５】 データ相関装置は、一つの対象物に対する一組の相関データ、又は様々なタイ
プの対象物に対する複数組の相関データを持ち得る。
【００１６】 前記各特性は、対象物の任意の成分であり得る。前記成分は、例えば炭水化物
、澱粉、又は蔗糖、ぶどう糖、及び果糖等を含む糖分である。また、特性は対象
物の任意の生理学上の状態に関連するものでもよい。生理学上の状態は、植物の
発育状態、成熟状態等を含む。
【００１７】 望ましくは、前記各特性は、成長の生長力を表す特性、採取のための成熟度を
表す特性、又は植物の他の生理学上の状態である。
【００１８】 有利には、データ相関装置は、装置に取り外し可能に接続することができ、そ
れにより、検査中の特定の対象物に対する相関データを持つデータ相関装置を装
置に選択的に接続できるようになる。
【００１９】 利点として、データ相関装置は、ＰＭＣＩＡのようなプリント回路カードの形
態であり得る。
【００２０】 好ましくは、出力信号供給手段は、波長成分を検出するための検出手段を有す
る。
【００２１】 さらに好ましくは、装置は、検出手段上に波長成分の焦点を合わせるための焦
点調節手段を有する。
【００２２】 光源は、対象物上に光の環を作る照明器を具備し得る。照明器が、反射内面を
有する中空体と、一つまたはそれ以上のランプとを有し、ゆえに前記一つまたは
それ以上のランプは、そのランプからの光の部分の少なくとも幾分かが、反射面
により反射される。反射面は、反射面から反射される光が、対象物の範囲上で光
の環を形成するような形態をする。
【００２３】 好ましくは前記中空体が、実質的に円錐形あるいは卵の殻の半分の形している
。また中空体は、実質的に放物線状の断面をしている。
【００２４】 適切には、光の環は前記対象物からの散乱光を検出する光検出プローブの周囲
に、配置される。検出プローブは、適切には中空体の軸線に沿って配置され、配
置され、光源が前記軸線に対して直角に配置される
【００２５】 有利には、照明器が前記反射面から反射された光の下流に、囲い板を備える。
一形式では、囲い板が実質的に切頭円錐形または曲線形である。
【００２６】 囲い板は、前記光源及び（または）本体の前記内面からの光の部分を、対象物
の前記範囲に再び向ける反射内面を、部分的または全体的に有し得る。
【００２７】 囲い板は、光の環へ向けるように配置された後壁を有し得る。後壁は曲線状で
あり、Frensnelレンズのように形成されるかまたは、その様な形状をする。
【００２８】 囲い壁は可動固定され、囲い壁が容易に交換できる。囲い壁は、特定形状の対
象物に関した形態になり得る。従って照明器は、異なる対象物に関して囲い壁を
適切に選択することによって、異なる対象物に使用することができる。
【００２９】 また、好ましくは、装置は、対象物から反射した光ビーム又は対象物を通過し
た光ビームをアパーチャーに送るための光学的伝送手段を有する。伝送手段は、
１１゜の口径を持つ直径500μmの光ファイバーのような光ファイバーであり得る
。光ファイバーが、保護プローブ内に配置され得る。
【００３０】 アパーチャーは、コリメート手段の焦点距離の近くに位置決めされ得る。また
、アパーチャーは、適当な幅の一つ又は複数の平行なスリットを有する。前記幅
は、例えば10μmである。典型的には、一つ又は複数のスリットは垂直方向にさ
れる。
【００３１】 望ましくは、アパーチャーに対するコリメート手段の位置は、装置を所望の分
解能及び強度に容易に変えることができるように調節可能にされる。
【００３２】 適当には、コリメート手段は、コリメーティングレンズであり、典型的には、
色消しレンズである。
【００３３】 発散手段は、任意の適切な形状の一つ又はそれ以上のプリズムを有し得る。一
つ又はそれ以上のプリズムは、好ましくは、等辺形プリズムである。
【００３４】 焦点調節手段は、検出手段上に波長成分の焦点を合わせるための一つ又はそれ
以上の焦点レンズを有し得る。望ましくは、一つ又はそれ以上の焦点レンズは、
検出手段を横切るスペクトルの線形発散を得ることができるように構成される。
焦点レンズは、例えば、平凸レンズである。
【００３５】 好ましくは、検出手段は、波長成分の検出に応じて電気出力信号を発生する複
数の検出要素を有する。
【００３６】 より好ましくは、検出要素は、少なくとも2×2（4）検出要素のマトリックス
で配置される。典型的には、マトリックスは32×32（2048）又は64×64（4096）
の検出要素を持つ。
【００３７】 検出手段は有利には、電荷結合素子（ＣＣＤ）を持ち、検出要素は画像要素（
画素）の形態である。
【００３８】 光源は、任意に適切な公知の光源から選択され得る。好ましくは、光源は近赤
外放射（ＮＩＲ）である。
【００３９】 望ましくは、装置は、内部に装置の構成要素を配置するハウジング手段を有す
る。ハウジング手段は、実質的に遮光性である第一ハウジング手段を有し、第一
ハウジング部材の内部には、コリメート手段、発散手段及び電気信号発生手段が
設けられる。第一ハウジング部材は、外部の放射線及び光学表面からの反射光と
の干渉を低減させ、又は除去する。より望ましくは、アパーチャーは第一ハウジ
ング部材の内部に配置される。
【００４０】 より望ましくは、ハウジング手段は、装置を畑や現地で使用することができる
ように小型である。典型的には、ハウジング手段は、使用中、使用者が片手で装
置を持つことができるように構成される。選択的に、ハウジング手段は、手首の
ような使用者の身体の一部に装備できるように構成される。ハウジング手段は、
リストウォッチやピストルのように任意の適当な形状にすることができる。
【００４１】 ハウジング手段は、内部に光源が配置される第二ハウジング部材を備えること
ができ、第二ハウジング部材は、内部に対象物の少なくとも一部を挿入すること
ができる間隙を有する。有利には、第二ハウジング部材は、第一ハウジング部材
に取り外し可能に取り付けることができ、それにより、検査する対象物の種類に
適合した複数の第二ハウジング部材から第二ハウジング部材を選択できるように
なる。
【００４２】 装置に光伝送手段を設ける場合、光伝送手段は、好ましくは、第二ハウジング
部材に配置される。
【００４３】 有利には、第一ハウジング部材に表示装置が設けられる。また有利には、第一
ハウジング部材には、データ相関装置を取り外し可能に接続することができ、そ
れにより、様々な対象物に装置を使用することができるようになる。
【００４４】 一実施例では、第一ハウジング部材はピストルの本体の形状にされ、第二ハウ
ジング部材はピストルのタレットの形状にされる。
【００４５】 中空体の前記反射面は、以下のステップから成る方法により形成され得る。 （ａ）反射内面の一部分を選択する （ｂ）中空体内に配置された光源からの光線を、前記光線と同じ軸線の平面で光
の環に反射する、前記部分の方向を計算する （ｃ）前記一部分と同じ垂直平面にある別の部分に進み、ステップ（ｂ）に進む
（ｄ）前記部分が接合されてリングを形成できるまで、ステップ（ｃ）を繰り返
す （ｅ）リングが任意の範囲に延びるまで、前記リングに隣接する別のリングを形
成するため、ステップ（ａ）から（ｄ）を繰り返す
【００４６】 好ましくはステップ（ｃ）において進行方向は、一回転の半分を終了した時に
、逆転する。
【００４７】 各リングにおいて隣接した部分は、前記隣接部分を含む個々の平面の交差部で
、または交差部と前記隣接部分の一つとの間のほぼ中間で接合され得る。
【００４８】 （発明を実施するための最良の形態） 本発明及び実際的な効果が容易に理解できるように、以下に、限定しない実施
例を示す添付図面を参照して本発明を説明する。
【００４９】 始めに図１を参照すると、図１には本発明による光学装置１０が示されており
、この光学装置１０は、特性、この場合には畑１０４にある対象物（いちごの苗
）１０２の発育（生長）の状態、を検査するために作業者１００によって使用さ
れている。
【００５０】 この実施例における装置１０はピストル型である。装置１０は、（図２により
明瞭に示されている）スロット１０２を備え、このスロット１０２は、検査中の
いちごの苗１０２の葉を受ける。パームトップコンピュータによって例示された
表示手段１４が装置１０に接続され、この表示装置１４は、いちごの苗１０２の
特性スペクトルを表示する。
【００５１】 図２は、光学装置１０の別の実施例であり、この実施例では、装置１０はピス
トルの形状をしている。装置１０は、実質的に光を通さないピストル本体型第一
ハウジング部材１６と、タレット型第二ハウジング部材１８とで形成されたハウ
ジングを有する。第二ハウジング部材１８は第一ハウジング部材１６に取り外し
可能に取り付けられている。
【００５２】 第二ハウジング部材１８はスロット１２を備え、このスロット１２は検査すべ
き対象物の一部を受ける。スロット１２の一方の側部には、光源２８が配置され
ており（図３及び図４参照）、スロット１２の反対側の側部には、光ファイバー
の形態の光伝達部材２２が設けられている。
【００５３】 第一ハウジング部材１６はスリット２４を備え（図３及び図４参照）、このス
リット２４は、光ファイバー２２からの光を受けるように位置決めされている。
また、第一ハウジング部材１６は、ＰＭＣＩＡカードの形態の取り外し可能に接
続できるデータ相関装置２６を有する。カード２６は、一つ又はそれ以上の種類
の植物の相関データが記憶されるメモリーを持つ。表示手段１４は、本実施例に
おいてはＬＣＤスクリーンであり、検査中の対象物の一つ又はそれ以上の特性に
関する出力信号を表示するために設けられている。
【００５４】 取り外し可能なカード２６は容易に交換することができ、装置１０を種々な種
類の対象物に使用できるようにしている。一例として、装置１０をいちごの糖分
の検査に使用する場合には、いちごの糖分に対する相関データを持つカード２６
が選択され、第一ハウジング部材１６に挿入される。
【００５５】 図３は、本発明の一実施例による装置１０の概略を示す図である。この実施例
では、装置１０は分解能画定スリット２４を備え、このスリット２４は、光源２
８からの光ビームを受光するよう配置され、かつ、コリメーティングレンズ３０
の焦点距離の近くに位置決めされている。光ビームは、スリット２４に入り、発
散してコリメーティングレンズ３０に至り、レンズ３０によって並行光ビームに
される。発散装置の形態の発散手段３２が、並行ビームの軌道上に配置される。
偏光装置３２は、並行ビームを、その波長成分に分離する。本実施例では光検出
器である検出手段３４が、発散装置３２の下流に配置されており、この検出手段
３４は、波長成分を検出し、波長成分のエネルギレベルに比例する電気出力信号
を発生する。
【００５６】 焦点レンズの形態の焦点調節手段３６が、発散装置３２と検出手段３４との間
に配置され、別個の波長成分を検出手段３４のシャープな点、即ち、焦点調節し
た点にするようにしている。
【００５７】 他の表面で反射した光との干渉を最小限に抑えるため、遮光性第一ハウジング
部材１６が用いられる。
【００５８】 検出手段３４からの電気出力信号は、次いで、増幅器３８で増幅され、Ａ−Ｄ
変換器４０によってデジタル信号に変換される。処理手段（マイクロプロセッサ
ー）４２が、適切なプログラムの指示とデータ相関装置のデータとに従って、デ
ジタル信号を処理するために設けられている。処理された信号は表示手段（本実
施例ではＬＣＤモニター）１４上に表示される。
【００５９】 また、コンピュータ４４が、信号をダウンロードし、さらに信号を処理するた
めに処理手段４２に接続される。
【００６０】 図４は、装置１０の別の実施例を示している。この実施例では、装置１０が対
象物１０２を通してスリット２４に光を伝達するための光伝送手段（光ファイバ
ー）４６を備えている。光伝送手段４６は、１１゜の口径を持つ直径500μmの光
ファイバーである。スリット２４は、10μm幅の垂直並行スリットであり、コリ
メーティングレンズ３０の焦点距離の近くに配置される。コリメート手段３０と
して色消しレンズが用いられる。
【００６１】 本実施例では、発散手段３２は、高い分解能を供給する二等辺形プリズムであ
る。検出手段３４を横切るスペクトルの実質的に線形の発散を得るために二つの
平凸レンズが焦点調節手段３６として使用される。この場合、検出手段３４は、
2048画素を有する電荷結合素子（ＣＣＤ）と、14μmの間隔で14μm（h）×12μm
（w）の画素寸法のポリマーウィンドウである。スペクトルの集合に対する典型
的な積分時間は、10〜100msの範囲である。
【００６２】 Ocean Optic HG1の名前で販売されている市販の水銀−アルゴン放射源のよう
な較正源４８が、装置１０の較正のために光ファイバー４６に取り外し可能に接
続され得る。
【００６３】 本実施例における光源２８は、低脈動ＤＣ電源によって給電される90〜100wの
タングステンハロゲンバルブである。バルブは楕円形反射体の第一焦点に設けら
れる。
【００６４】 検査中の対象物１０２は、反射体の第二焦点の近くに位置決めされる。
【００６５】 試験では、図４に概略的に示す装置１０を用いて、水銀−アルゴン放射源のス
ペクトルを得る。試験結果を図５に示す。
【００６６】 市販の従来技術の分光計を使って同じ試験を繰り返した結果を図６に示す。
【００６７】 試験結果を比較すると、本発明による装置１０と従来技術による分光計の両方
が約400〜1025ｎｍの広い有効帯域幅を表示していることが注目される。しかし
、装置１０は分解能及び感度の項目で優秀な性能を示している。
【００６８】 同じ強さのスペクトルが、従来技術の装置に対しては50msで記録されているの
に対して、装置１０に対しては15msで記録されているので、装置１０が約三倍以
上の感度であることが分かる。装置１０の分解能は、同じ帯域幅を横切る696nm
の波長で約4nm（ＦＷＨＭ）から約9nm（ＦＷＨＭ）まで変化する。ＦＷＨＭは半
波高の全幅値を参照する。
【００６９】 図４に示す装置１０は様々な果実のＮＩＲ伝達スペクトルの検査に使用される
。図７は、未熟グリーンパパイヤ及び成熟グリーンパパイヤ（Canica papaya）
の60nmの厚さの部分の各ＮＩＲ伝達スペクトルを示している。この図は、ピーク
光伝達の波長が、未熟サンプルにおける755mmから完熟サンプルにおける730mmま
で、明確にシフトしていることを示している。
【００７０】 従って、装置１０は、未熟状態の間に食用状態まで熟す前に、グリーンパパイ
ヤを果実として採ることができる時期を決めるために使用することができる。
【００７１】 図８及び図９は、二つの異なるレイシの果実のサンプルのスペクトルを示して
いる。二つのスペクトル間の差は、サンプルのある特性を表示するために使用さ
れ得る。
【００７２】 図１０〜図１２は、装置１０による測定用の果実中の糖分の三つの成分の相関
データのグラフを示している。各点線及び実線は、スロープ及びバイアス補正を
表している。成分の較正のために得られたデータの概略を、以下の相関データテ
ーブルに示す。
【００７３】
【００７４】 相関データを得るために用いた分光計は、Zelta ZX100F 近赤外放射線（ＮＩ
Ｒ）分析器である。
【００７５】 成分１〜３の各々に対して、９つのサンプルをランダムに選択した。選択され
たサンプルに対応する識別符号は各テーブルに示されている。
【００７６】 目標値Ｙ(e)は、スロープ及びバイアスを補正した後の値である。
【００７７】 結果は以下に示す通りである。 成分 相関係数 標準誤差 １ ０．８６ １．８ ２ ０．７５ １．７ ３ ０．８８ ２．９
【００７８】 相関データによってサンプル内の成分の識別が可能になる。
【００７９】 サンプルの成分があるエネルギレベルを吸収するが、他のエネルギレベル（又
は波長成分）を通過させるので、サンプルを通過するエネルギレベル（又は波長
成分）と、サンプルを通過しないエネルギレベル（又は波長成分）を監視するこ
とによって、装置１０を成分の相対濃度を決めるために使用することができる。
【００８０】 どの数学的な解析手段も、利用することができる。本応用例には、偏最小二乗
法（ＰＬＳ）回帰解析（partial least squares regression analysis）または
、記載のような最小メッセージ長さ（ＭＭＬ）の単数及び複数因子分析（minimu
m message length single and multople factor analysis）が好ましい。
【００８１】 先ず図１３を参照すると、本発明の別の実施例による近赤外線（ＮＩＲ）光学
装置が示されている。この例における装置５０は、実質的に手持ち銃形のケーシ
ング５２を有している。本体５２には、光検出プローブ５４を実質的に照明器５
６の中心軸線に位置するように配置する。プローブ５４は、切頭形囲い板５８の
ちょうど内部から、鏡またはレンズ６０の直ぐ手前まで延びている。
【００８２】 示されているように、プローブ５４によって検出された光ビームは、鏡６０か
ら回折格子６２へ屈折する。格子６２は、光ビームを実質的に電荷結合素子（Ｃ
ＣＤ）のアレイと平行または、フォトダイオード６４に対し平行な向きにさせる
。
【００８３】 装置５０を作動させるトリガー６６は、ユーザーの指によって押すようになっ
ている。
【００８４】 装置の構成要素５０は、鋳造による堅固なアルミニウムまたはチタニウム、あ
るいは熱安定と機械強度のため機械加工された合金で作られたフレーム（図示せ
ず)に装着される。フレームは、この例ではプラスチック材料で作られたケーシ
ング５２に装着される。
【００８５】 図１４におけるカッタウェイ部分は、プローブ５４のサンプルファイバーと隣
接して配置された参照ファイバー６８を見せている。
【００８６】 図１５を参照すると、照明器５６がアパーチャーのある実質的に放物線状の中
空体７０を有し、そこにはランプ７４が配置されている。図１７でより明確に見
ることができるように、ランプ７４が、中心をはずれて、プローブ５４と参照フ
ァイバー６８から間隔をあけている。且つ本体７０は、その内部反射面７６が光
の環７８を、イチゴのような対象物９０上に照射するような形状をしている。対
象物が、どの植物、生物学的サンプル、化学的サンプルあるいは、無機質サンプ
ルであってもよい。
【００８７】 囲い板５８は、プローブ５４及びファイバー６８に延びる後壁８０を有してい
る。
【００８８】 囲い壁５８及び中空体７０は、適切な剛性プラスチック、例えばポリカーボネ
ートまたはアクリルによる単体として、一体型に形成され得る。しかし本例にお
いて、それらは別個に形成されており、囲い板５８が交換のために取り外すこと
ができる。囲い面５８及び本体７０の内面は、それらが高い反射性を有するよう
に、適切な金属被覆を施される。
【００８９】 囲い板５８は、ランプ７４及び本体７０の反射面７６からの光の屈折部分が、
環７８の領域を向くような形状をしている。これによって環状照明の強度を改善
する。
【００９０】 壁３６の後面、すなわちＮＩＲ用の入射面は、照明を環３４の領域に向けるFr
esnel lensである。Frensnel lensの代わりに、後面がその領域で照明をコリメ
ートするために、曲げられてもよい。
【００９１】 囲い板５８は、他に最も有利な点が多数あり、それは、 i）囲い板が、照明器５６を周囲の環境から保護し、プローブ５４の金属管鎧装
を銃を落とすことが考えられるような任意の取り扱いから保護すること、 ii）囲い板が少なくとも部分的に、測定される対象物を周囲光から幾分か遮光す
ること、 iii）囲い板が有利には、望ましくない対象物または別の材料などを分けるか、
任意の領域から動かして、銃を測定すべきサンプルに向けて押すこと、 iv）手に適した材料、すなわちシャツのすそまたはハンカチで、手早く拭いて、
きれいにできること、 v）囲い板が、交換可能であること、 vi）囲い板が、例えば非常に大きな果実（スイカなど）別の応用に対して、回転
させないで交換させることが可能なことである。 この例では、プローブ５４の好ましい結合を確実にすることに注意し、参照ファ
イバー６８がアパーチャー５０の中で終端する。
【００９２】 図１６は、大きな対象物９０のための囲い板５８及び照明器５６の実施例を示
している。示されているように、この場合におけるプローブ５４の検出端部は、
実質的に囲い板５８と同一面状にある。
【００９３】 照明器５６はプローブ５４の周囲に、ＮＩＲが高い、明るい光の環を作るよう
に配置されており、光のリングは図１０に示したようになる。領域ｂは、集中さ
れたＮＩＲ照明環であり、ａは（直接）照射されないように設計された領域であ
る。これによって、できるだけ図２０に示されたような、対象物９０内で散乱す
る光を、最大限にプローブ５４を通るようにする。
【００９４】 図２０に示されているように、サンプリングプローブファイバー５４に入るこ
とができる、入射環状照明７８が、“ｃ”で示された領域から（殆ど）散乱して
いることは明らかである。これによって、プローブ５４によって検出することに
より、隣接した表面の沿ってまたは、対象物または果実９０の皮を直接進行する
光のようなノイズ信号を、最小にする。
【００９５】 また、ファイバー支持プローブ５４が、皮下注射用“端部が平坦な”針に類似
しており、固定してファイバーに支持したままになるだけでなく、対象物または
果実表面の不規則性及び、“割れ目と空隙”により生じ、プローブに入る周囲光
及び表面散乱光に対する最も効果的な光シールドとして作用する。
【００９６】 参照プローブ６８は、照明光の一部を捕らえて、対象物または果実９０からの
どの反射光も最小にするように設計されている。照明のスペクトル特性を示す様
な光は、囲い板の近くの表面を反射して出ることによって、得られる。壁８０の
後面は、小さな領域では共面状であり、またはその後方散乱を助けるため、幾分
か粗い。囲い板５８は本質的に、剛性プラスチック部分であり、反射光は照明ラ
ンプまたは複数のランプの背後を考慮することによって及び、類似のファイバー
あるいは複数のファイバー取り込み手段によってサンプリングされ得る。
【００９７】 ファイバープローブ５４及び６８、そして特にサンプルプローブ５４は、本質
的に想像上“銃身”軸線と同軸である。
【００９８】 照明器５６の反射面７６は、環状の照明７８を工学的に作るように設計されて
いる。
【００９９】 環状の照明は、光をプローブ５４に入る前にテストされる対象物において、散
乱または発散するさせられる。この装置は、検出プローブの周囲の近くの明るい
光を防ぎ、それによって、検査されるサンプルの狭く薄い皮の範囲を、非常に短
い距離だけ、進む光の大部分が有する欠点を避ける。皮の相当小さな領域で且つ
小さな窪みのＮＩＲ特性は、任意に測定される特性の表示に信頼性がない。
【０１００】 図１８に示されたように、反射面７６は光線トレース方法を利用して形成され
ている。個々の光線は、（中心を外れた）照明ランプ７４の非常に小さなフィラ
メントから放射されていると考え、小さな回転角で、（アパーチャーの直ぐ近く
にあって、そのアパーチャーを参照プローブ６８及びサンプルファイバープロー
ブ５４が通過する）照明器５６の最後方部分の方向に、向けられている。反射を
単に低くすることによって、その表面７６の非常に小さな（本質的に四角形の)
部分１の角度が、それから計算され、考慮すべき光線に関して、反射部分が同じ
回転角で、環状リング７８の中心に向けられることができる。約半回転ほど小さ
く増加することによって、ランプから逐一ステップ的に光線を発することによっ
て、各光線は角度がついて、本質的に四角形となり、“平坦な”反射部の小ピー
スが、光線を環状リング７８の中央の周囲における等間隔の“ドット”の方向に
指向させる。三次元幾何学によって、リフレクタファセット面が、縁部と縁部を
接合する。
【０１０１】 一旦、一つのピースが計算されると、プログラムが続行して、表面上で必要な
反射角を計算し、隣接光線を正確に方向付けさせる。適切な角度の点において新
しい表面２を選択し、別の近くの部分３に関して上記のステップを繰り返すと、
それによって、それら接合縁部における二つの平坦要素の交差線を計算すること
ができる
【０１０２】 各経路で、半分の回転が終了すると、二つの“ファセット”リフレクタリング
は、接合して、計算をチェックする。
【０１０３】 反射面７６の一つのファセットリングが、計算されると、別の隣接するファセ
ットリングが、似たように計算されて、その内縁部が、以前に計算されたリフレ
クタリングの外縁部に合わせるようにする。
【０１０４】 そしてこの方法では、一連の“同軸”ファセットリフレクタ“リング”を、リ
ングにおける反射面の軸線の周囲で、計算しつづけることができ、各リングが、
ファオバープローブのアパーチャーから銃の反射面の前方における最外縁部へ、
ますます離れていく。
【０１０５】 これらファセットセグメントを、滑らかな連続した複合曲面にすることができ
、その様にすると、各オリジナルのファセットの中心及び、その位置における反
射角が、新しい滑らかな表面上の点でも同じままになることは明らかである。こ
れによって、基本的なレフレクタの形状に形成することができ、そのような設計
プロセスは、任意の数のランプを、各々任意の位置に配置させることができる。
【０１０６】 以上、本発明の実施例を説明したが、これに対する多くの変形及び改良は、こ
こで説明される発明の範囲及び概念から外れることなく当業者には明らかである
。
【手続補正書】特許協力条約第３４条補正の翻訳文提出書
【提出日】平成１２年４月１４日（２０００．４．１４）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正内容】
【０００９】 （発明の開示） 本発明は、一つの特徴においては、対象物を検査する光学装置にある。この光
学装置は、光ビームを検査中の対象物に向ける光源と、対象物から反射するか、
対象物内で散乱するか、又は対象物を通過する光を受光するため配置されたアパ
ーチャーと、前記アパーチャーを介してそこに入射する光ビームをコリメートす
るように配置されたコリメート手段とを有する。また装置は、コリメート手段か
らのコリメートされた光ビームを波長成分に発散させる手段と、波長成分のエネ
ルギーレベルに比例する電気出力信号を提供する手段とを有する。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正内容】
【００１０】 好ましくは、アパーチャーが配置され、それから光ビームを発散させる。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正内容】
【００１１】 好ましくは、装置は、さらに、出力信号を処理し、対象物の一つ又はそれ以上
の特性を表示するため、一つ又はそれ以上の表示信号を提供する手段を有する。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】変更
【補正内容】
【００１２】 表示手段は、一つ又はそれ以上の表示信号を受信し、前記表示信号を適当な形
態で表示するように装備され得る。望ましくは、表示手段は、プリンター、ディ
スプレーモニター又はそれらの組み合わせである。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１３
【補正方法】変更
【補正内容】
【００１３】 装置はインターフェイス手段を備えることができ、前記インターフェイス手段
には、一つ又はそれ以上の表示信号を記憶し、及び／又は一つ又はそれ以上の表
示信号をさらに処理するためにコンピュータが選択的に接続され得る。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１４
【補正方法】変更
【補正内容】
【００１４】 典型的には、処理手段は、前記表示信号を対象物の特性の関連づけに適したデ
ータ相関装置を備えている。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１５
【補正方法】変更
【補正内容】
【００１５】 データ相関装置は、一つの対象物に対する一組の相関データ、又は様々なタイ
プの対象物に対する複数組の相関データを持ち得る。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１６
【補正方法】変更
【補正内容】
【００１６】 前記各特性は、対象物の任意の成分であり得る。前記成分は、例えば炭水化物
、澱粉、又は蔗糖、ぶどう糖、及び果糖等を含む糖分である。また、特性は対象
物の任意の生理学上の状態に関連するものでもよい。生理学上の状態は、植物の
発育状態、成熟状態等を含む。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，Ｅ Ａ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ， ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，Ｇ Ｈ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ， ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，Ｍ Ｘ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ， ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ (72)発明者 ライト−ジヨンズ，ピーター オーストラリア連邦共和国 ビクトリア 3345，ゴードン，ガスカーズ レーン，ロ ット ８ Ｆターム(参考） 2G059 AA01 BB11 CC13 EE01 EE02 EE12 GG00 HH01 HH02 HH06 JJ01 JJ11 JJ12 JJ17 KK01 KK04 LL04 MM03 MM09 MM10 NN01 PP04

Claims (30)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 近赤外放射線（ＮＩＲ）を有し、光ビームを検査中の対象物に
    向ける光源と、 対象物から反射するか、対象物内で散乱するか、又は対象物を通過する光を受
    光し、そこから光ビームを発散させるアパーチャーと、 アパーチャーを通過した光ビームが入射するように配置され、発散して入射し
    た光ビームをコリメートする手段と、 コリメート手段からのコリメートされた光ビームを波長成分に発散する手段と
    、 波長成分のエネルギーレベルに比例する電気出力信号を発生する手段と を有することを特徴とする対象物検査用光学装置。
  2. 【請求項２】 さらに、出力信号を処理し、対象物の一つ又はそれ以上の特性
    を、それぞれ表す一つ又はそれ以上の表示信号を提供する手段を有することを特
    徴とする請求項１に記載の装置。
  3. 【請求項３】 表示手段が、一つ又はそれ以上の表示信号を受信し、前記一つ
    又はそれ以上の表示信号を適当な形態で表示することを特徴とする請求項２に記
    載の装置。
  4. 【請求項４】 さらに、インターフェイス手段を備え、 該インターフェイス手段に、一つ又はそれ以上の表示信号を記憶し、及び／又
    は一つ又はそれ以上の表示信号をさらに処理するコンピュータを選択的に接続可
    能にしたことを特徴とする請求項２又は３に記載の装置。
  5. 【請求項５】 前記処理手段が、前記一つ又はそれ以上の表示信号を対象物の
    特性に関連づけるデータ相関装置を備えていることを特徴とする請求項２に記載
    の装置。
  6. 【請求項６】 前記データ相関装置が、一種類の対象物に対する一組の相関デ
    ータ、又は様々なタイプの対象物に対する複数組の相関データを有することを特
    徴とする請求項５に記載の装置。
  7. 【請求項７】 前記各特性が対象物の成分に関連し、 前記成分が、炭水化物、澱粉、又は蔗糖、ぶどう糖、及び果糖等を含むことを
    特徴とする請求項２に記載の装置。
  8. 【請求項８】 前記各特性が、対象物の生理学上の状態に関連し、 前記生理学上の状態が、植物の発育状態、成熟状態等を含むことを特徴とする
    請求項２に記載の装置。
  9. 【請求項９】 前記各特性が、成長の生長力を表す特性、採取のための成熟度
    を表す特性、又は植物の他の生理学上の状態であることを特徴とする請求項２に
    記載の装置。
  10. 【請求項１０】 前記データ相関装置を、装置に取り外し可能に接続すること
    ができるように構成し、検査中の特定の対象物に対する相関データを持つデータ
    相関装置を装置に選択的に接続できるようにした ことを特徴とする請求項５に記載の装置。
  11. 【請求項１１】 前記データ相関装置が、ＰＭＣＩＡを含むプリント回路カー
    ド内に収容されていることを特徴とする請求項５に記載の装置。
  12. 【請求項１２】 出力信号供給手段が、波長成分を検出するための検出手段を
    有することを特徴とする請求項１に記載の装置。
  13. 【請求項１３】 検出手段上に波長成分の焦点を合わせるための焦点調節手段
    と、 対象物から反射した光ビーム又は対象物を通過した光ビームをアパーチャーに
    送るための光学的伝送手段とをさらに備え、 前記伝送手段が、１１゜の口径を持つ直径500μmの光ファイバーを有すること
    を特徴とする請求項１２に記載の装置。
  14. 【請求項１４】 前記アパーチャーを、コリメート手段の焦点距離の近くに位
    置決めし、かつ、前記アパーチャーが適当な幅の一つ又は複数の平行なスリット
    を備え、 アパーチャーに対するコリメート手段の位置を調節可能にし、装置の所望の分
    解能及び強度を調節できるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の装置。
  15. 【請求項１５】 前記コリメート手段がコリメーティング色消しレンズであり
    、 前記発散手段が、等辺形プリズムを含む任意の適当な形状の一つ又はそれ以上
    のプリズムから成ることを特徴とする請求項１に記載の装置。
  16. 【請求項１６】 焦点調節手段が、検出手段上に波長成分の焦点を合わせるた
    めの一つ又はそれ以上の焦点レンズを有し、 前記一つ又はそれ以上の焦点レンズが、検出手段を横切るスペクトルの線形発
    散を得ることができるように構成されていることを特徴とする請求項１３に記載
    の装置。
  17. 【請求項１７】 前記検出手段が、２×２（４）検出要素のマトリックスで配
    置された複数の検出要素を備え、波長成分の検出に応じて電気出力信号を発生す
    る ことを特徴とする請求項１２に記載の装置。
  18. 【請求項１８】 装置を畑や現地で使用することができるように小型の形態の
    ハウジング手段を有することを特徴とする請求項１に記載の装置。
  19. 【請求項１９】 前記ハウジング手段が、使用中、使用者が片手で装置を操作
    することができるか又は手首のような使用者の身体の一部に装備できるように構
    成されていることを特徴とする請求項１８に記載の装置。
  20. 【請求項２０】 前記ハウジング手段が、実質的に遮光性である第１ハウジン
    グ部材と内部に光源が配置された第２ハウジング部材とを備え、 第１ハウジング部材の内部に、アパーチャー、コリメート手段、発散手段及び
    電気信号発生手段を配置し、 前記第１ハウジング部材を、外部の放射線及び光学表面からの反射光との干渉
    を低減させ、又は除去するように構成し、 前記第２ハウジング部材に、内部に検査のための対象物の少なくとも一部を挿
    入することができる間隙を設け、かつ、 前記第２ハウジング部材を、第１ハウジング部材に固定的に、又は取り外し可
    能に接続できるように構成したことを特徴とする請求項１８又は１９に記載の装
    置。
  21. 【請求項２１】 光源が、対象物上に光の環を作る照明器を具備し、照明器が
    、反射内面を有する中空体と、一つまたはそれ以上のランプとを有し、ゆえに前
    記一つまたはそれ以上のランプは、そのランプからの光の部分の少なくとも幾分
    かが、反射面により反射される。反射面は、反射面から反射される光が、対象物
    の範囲上で光の環を形成するような形態をすることを特徴とする請求項１に記載
    の装置。
  22. 【請求項２２】 中空体が、実質的に円錐形あるいは卵の殻の半分の形してい
    ることを特徴とする請求項２１に記載の装置。
  23. 【請求項２３】 光の環が、前記対象物からの散乱光を検出する光検出プロー
    ブの周囲に、配置されることを特徴とする請求項２１に記載の装置。
  24. 【請求項２４】 検出プローブが、中空体の軸線に沿って配置され、光源が前
    記軸線に対して直角に配置されることを特徴とする請求項２３に記載の装置。
  25. 【請求項２５】 照明器が前記反射面から反射された光の下流に、囲い板を備
    えることを特徴とする請求項２１に記載の装置。
  26. 【請求項２６】 囲い板が、前記光源及び（または）本体の前記内面からの光
    の部分を、対象物の前記範囲に再び向ける反射内面を、部分的または全体的に有
    することを特徴とする請求項２５に記載の装置。
  27. 【請求項２７】 囲い板は、光の環へ向けるように配置された後壁を有するこ
    とを特徴とする請求項２５に記載の装置。
  28. 【請求項２８】 囲い壁が可動に固定され且つ、囲い壁が容易に交換できるこ
    とを特徴とする請求項２５に記載の装置。
  29. 【請求項２９】 検出プローブが、保護プローブ内に配置された光ファイバー
    を具備することを特徴とする請求項２３に記載の装置。
  30. 【請求項３０】 参照プローブが、前記検出プローブと実質的に並行に配置さ
    れていることを特徴とする請求項２３に記載の装置。
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