JP2005017210A - 非破壊分光測定器 - Google Patents
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Abstract
【課題】光の減衰を伴わずに測定対象に照射する非破壊分光測定器を提供する。
【解決手段】円周上に円周の中心に向けて配置された位置検出用発光手段１５５および異なる発光波長を有する複数の発光手段１５３と、円周の中心に位置し発光手段からの光を測定対象６０に向けて反射する鏡７１と、測定対象に照射し測定対象内部で拡散反射した光の強度を検出する反射光検出手段１７２とを有し、異なる波長の吸光度から測定対象の成分の大きさを測定する非破壊分光測定器において、前記鏡７１が、ステッピングモータによって駆動される回転体７３に取り付けられ、位置検出用発光手段１５５に近接して位置検出用受光素子１５６を設け、回転体７３のスリット７３１から回転体内部空間に導入された光が内部空間で乱反射してスリット７３１を経由して位置検出用受光素子１５６に到達したことを検出して回転体の原点を決定する。
【選択図】 図２
【解決手段】円周上に円周の中心に向けて配置された位置検出用発光手段１５５および異なる発光波長を有する複数の発光手段１５３と、円周の中心に位置し発光手段からの光を測定対象６０に向けて反射する鏡７１と、測定対象に照射し測定対象内部で拡散反射した光の強度を検出する反射光検出手段１７２とを有し、異なる波長の吸光度から測定対象の成分の大きさを測定する非破壊分光測定器において、前記鏡７１が、ステッピングモータによって駆動される回転体７３に取り付けられ、位置検出用発光手段１５５に近接して位置検出用受光素子１５６を設け、回転体７３のスリット７３１から回転体内部空間に導入された光が内部空間で乱反射してスリット７３１を経由して位置検出用受光素子１５６に到達したことを検出して回転体の原点を決定する。
【選択図】 図２
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、果実などにおける離散的な吸収スペクトルを測定して、非破壊で糖度などの成分を測定する近赤外分光技術を利用した非破壊分光測定器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、果実糖度の非破壊測定法として、近赤外線の吸収現象を利用した分光分析が広く使われている。この非破壊分光測定法は、ハロゲンランプを光源として使い、光ファイバなどで光を誘導し、果実の表面へ照射させ、その反射光や透過光を回折格子などで分光し、果実の連続的な吸収スペクトルを測定し、その内必要な波長の吸光度を取り出し、予め用意された関係式に代入することで、糖度を測定するのが一般的である。
【０００３】
また、本出願人は、小型化、低消費電力化により、圃場での持ち歩きを可能にした、ハンディ型果実成分非破壊測定器を提案した。これは、それ以前の方法に対して、ＬＤなどの狭い半値幅を持つ光源を複数用いることが特徴である。ハロゲンランプと違い、必要とする波長の光のみを発光することから、無駄な電力を消費しないという利点を有している。また、回折格子などの分光の仕組みが不要で、小型化に適している（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
従来、測定器の取り扱いにおける利便性の面から、小型化、低消費電力化が求められており、そのような考えから、光源にＬＥＤやＬＤなどの波長域の狭い光源を採用するハンディ型果実成分非破壊測定器が提案されているが、さらなる小型化や高精度の追求、外乱光への耐性の点で改善の余地が残されている。
【０００５】
光源にＬＥＤを使用した場合、発光波長の半値幅が少なくとも２０ｎｍ以上と広く、分光分析用の光源としては、精度の点で最適な光源とは言えなかった。
【０００６】
また、ＬＤは半値幅が２ｎｍ以下であるが、温度による波長変動が大きく、精密に波長変動を検出する必要があった。さらに、光ファイバの束により分岐した光の一部を、波長補正用のフィルターを透過させ、その透過量の変化によって波長の変動を検出する方法では、ＬＤ光が発光されてから果実に照射されるまでの経路において光の減衰が著しく、その結果外乱光に対する耐性が弱くなった。
【０００７】
このような問題点を解決するために、本出願人らは、平成１５年１月１６日付けで、光誘導手段を簡素化しかつブロック化することによって、小型化の追求や高精度の要求に対応し、外乱光への耐性を向上させたＬＥＤやＬＤを用いた非破壊分光測定器を提供することを目的とする非破壊分光測定器を出願している（特許文献２、参照）
【０００８】
【特許文献１】
特開２００２−１１６１４１号公報
【特許文献２】
特願２００３−００８５８８号
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上記特許文献２の出願にかかる発明は、図８および図９に示す構成を有している。すなわち、図８は前記非破壊分光測定器の全体構成を説明する概念図であり、図９は前記非破壊分光測定器の光学ユニットの構成を説明する模式的な断面図である。
【００１０】
前記非破壊分光測定器１は、光学ユニット１０と、演算回路部２０と、表示装置３０と、電源部４０と、遮光フード５０とを有して構成される。
【００１１】
光学ユニット１０は、測定対象６０に精度の高い波長の光を照射し、測定対象６０からの拡散反射光を受光する手段である。
【００１２】
演算回路部２０は、拡散反射光の強度と糖度などの成分との関係式である検量線が格納されており、測定対象６０からの反射光のデータを用いて検量線を参照して測定対象６０の糖度などの成分を演算し、表示装置３０や図示を省略したパソコンなどの外部装置へ出力する働きと、発光素子の強度を監視して発光素子の出力強度を制御するとともに、発光素子の温度を監視して発光素子の発光波長の変化を検出し、測定対象の温度を監視して前記演算結果に対して温度補正を行う回路である。発光素子の温度と測定対象の温度は、反射光のデータと共に検量線のパラメータとして用いることも可能である。さらに、演算回路部２０は、電圧制御回路を有している。
【００１３】
演算回路２０に格納される検量線は、外部から書き替えることも可能である。
【００１４】
表示装置３０は、例えばＬＣＤを用いて構成され、測定結果などのデータを表示する手段である。
【００１５】
電源部４０は、例えば乾電池などの電源を有しており、光学ユニット１０、演算回路部２０、表示装置３０へ電力を供給する手段であり、測定スイッチ４１を有している。
【００１６】
遮光フード５０は、測定対象６０からの反射光のみを受光素子へ到達させ、外光による測定誤差をなくすための遮光手段である。遮光フード５０は、測定対象６０に接したときに測定対象を傷つけず、かつ外乱光の侵入を阻止するように、柔軟な材料で蛇腹状に構成される。遮光フード５０の光学ユニット測定面側には、測定対象６０に接する緩衝兼遮光用クッション５１が設けられている。
【００１７】
図９に示すように、前記非破壊分光測定器１は、異なる発光波長を有する複数の発光素子１５と、測定対象６０に照射し測定対象内部で拡散反射した発光素子からの光の強度を検出する反射光検出素子１７２と、発光素子の光の強度を検出する発光強度検出素子１７１と、発光強度検出素子が検出した発光手段の発光強度をフィードバックして発光強度を制御する発光制御部２３と、発光素子の温度を検出する発光手段温度検出素子１６１と、測定対象の温度を検出する測定対象温度検出素子１６２と、測定対象毎の吸光度と発光手段の温度と測定対象の温度を共にパラメータとして作成した検量線（スペクトルデータ）２２と、反射光検出素子が検出した測定対象内部で拡散反射された各波長毎の反射光の強度と測定対象の温度を用いて検量線を参照して測定対象の成分を演算する成分演算部２１とを備え、発光素子の温度変化に依存して変化した発光波長毎の反射光の強度を用いて検量線を参照して測定対象の成分を演算する。
【００１８】
さらに、前記非破壊分光測定器１は、複数の発光素子１５を固定する第１の光案内ブロック１１と、発光素子からの光を案内する光案内通路１２１と発光手段温度検出素子１６１を有する第２の光案内ブロック１２と、光案内通路からの光を拡散する光拡散手段１８および光拡散手段からの拡散光を案内する光通路１３１および光通路の光を分岐した光を案内する分岐光通路１３２および光通路の途中に設けた光分岐用ガラス板１９１ならびに発光強度検出素子１７１とを有する第３の光案内ブロック１３と、光照射窓１４１を有し反射光検出素子１７２と測定対象温度検出素子１６２を保持する取付手段１４とからなる光学ユニット１０を備えている。
【００１９】
発光素子１５は、発光波長の半値幅が狭く温度による波長変動の小さな近赤外線発光ＬＥＤが用いられる。
【００２０】
このような構成を有する前記比破壊分光測定器１は、光誘導手段を簡素化しかつブロック化することによって、小型化の追求や高精度の要求に対応し、外乱光への耐性を向上させたＬＥＤやＬＤを用いた非破壊分光測定器を提供することができるが、光拡散手段１８を介して複数の発光素子１５からの光を拡散しているので、ここでの減衰が生じ、測定精度を向上する上での阻害要因となる恐れがある。
【００２１】
上記問題点に鑑み、本発明は、発光素子からの光の減衰を伴わずに測定対象に照射することができる非破壊分光測定器を提供することを目的とする。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、円周上に該円周の中心に向けて配置した異なる波長の複数の発光素子と、前記円周の中心に配置した回転ミラーと、前記回転ミラーの反射面の裏側に照射された１つの発光素子からの光を受光する受光素子とを備えて、回転ミラーの回転と発光素子の発光とが同期するように制御することで、光の減衰を最小限に抑え、精度向上を達成した。
【００２３】
【発明の実施の形態】
本発明にかかる非破壊分光測定器を果実成分測定器に適用した場合の構造を、図１〜図７を用いて説明する。図１は本発明にかかる非破壊分光測定器の全体構成を説明する概念図であり、図２は本発明にかかる非破壊分光測定器の機能構成を説明する機能構成図であり、図３は本発明にかかる非破壊分光測定器の光学ユニットの構成を説明する模式的な断面図（図中Ｄ−Ｄ側は垂直軸での断面，Ｅ−Ｅ側は水平軸での断面を示す）であり、図４は本発明にかかる光学ユニットを構成する光学ブロックの外形を示す図であり（Ａ）左側面図、（Ｂ）は正面図、（Ｃ）は右側面図、図５は図４の断面図であり、図６は取付板の正面図であり、図７は回転ミラー支持部材の形状を説明する図である。
【００２４】
図１に示すように、本発明にかかる非破壊分光測定器１は、光学ユニット１０と、演算制御部２０と、表示装置３０と、電源部４０と、遮光フード５０と、駆動ユニット８０とを有して構成される。
【００２５】
光学ユニット１０は、測定対象６０に精度の高い波長の光を照射し、測定対象６０からの拡散反射光を受光する手段である。
【００２６】
演算制御部２０は、拡散反射光の強度と糖度などの成分との関係式である検量線が格納されており、測定対象６０からの反射光のデータを用いて検量線（スペクトルデータ）を参照して測定対象６０の糖度などの成分を演算し、表示装置３０や図示を省略したパソコンなどの外部装置へ出力する働きと、発光素子の強度を監視して発光素子の出力強度を制御するとともに、発光素子の温度を監視して発光素子の発光波長の変化を検出し、測定対象の温度を監視して前記演算結果に対して温度補正を行う回路である。発光素子の温度と測定対象の温度は、反射光のデータと共に検量線のパラメータとして用いることも可能である。さらに、演算制御部２０は、電圧制御回路を有している。
【００２７】
演算制御部２０に格納される検量線は、外部から書き替えることも可能である。
【００２８】
表示装置３０は、例えばＬＣＤを用いて構成され、測定結果などのデータを表示する手段である。
【００２９】
電源部４０は、例えば乾電池などの電源を有しており、光学ユニット１０、演算制御部２０、表示装置３０、駆動ユニット８０へ電力を供給する手段であり、測定スイッチ４１を有している。
【００３０】
遮光フード５０は、測定対象６０からの反射光のみを受光素子へ到達させ、外光による測定誤差をなくすための遮光手段である。遮光フード５０は、測定対象６０に接したときに測定対象を傷つけず、かつ外乱光の侵入を阻止するように、柔軟な材料で蛇腹状に構成される。遮光フード５０の光学ユニット測定面側には、測定対象６０に接する緩衝兼遮光用クッション５１が設けられている。
【００３１】
図２、図３に示すように、非破壊分光測定器１は、円周上に配置され該円周の中心に向けて配置された異なる発光波長を有する複数、例えば５個の発光素子１５３と、測定対象６０に照射され測定対象内部で拡散反射した発光素子からの光の強度を検出する反射光検出素子１７２と、発光素子の光の強度を検出する発光強度検出素子１７１と、発光強度検出素子が検出した発光手段の発光強度をフィードバックして発光強度を制御する発光制御部２３と、発光素子の温度を検出する発光手段温度検出素子１６１と、測定対象の温度を検出する測定対象温度検出素子１６２と、測定対象毎の吸光度と発光手段の温度と測定対象の温度を共にパラメータとして作成した検量線２２と、反射光検出素子が検出した測定対象内部で拡散反射された各波長毎の反射光の強度と測定対象の温度を用いて検量線を参照して測定対象の成分を演算する成分演算部２１と、受光素子１５６で位置検出用発光素子１５５からの乱反射光を受光したことによって、駆動ユニットの原点を算出し以降の駆動ユニットの回転を制御する回転制御部２４とを備え、発光素子の温度変化に依存して変化した発光波長毎の反射光の強度を用いて検量線を参照して測定対象の成分を演算する。
【００３２】
さらに、本発明の非破壊分光測定器１は、複数の発光素子１５３を固定するとともに、発光素子からの光を案内する光通路１３１および光通路の光を分岐した光を案内する分岐光通路１３２および光通路の途中に設けた光分岐用ガラス板１９１ならびに発光強度検出素子１７１とを有する光学ブロック１３と、光照射窓１４１を有し反射光検出素子１７２と測定対象温度検出素子１６２を保持する取付板１４とからなる光学ユニット１０を備えている。
【００３３】
発光素子１５３は、発光波長の半値幅が狭く温度による波長変動の小さな近赤外線発光ＬＥＤであることが望ましい。
【００３４】
さらに、本発明の光学ブロック１３には、位置検出用発光素子１５５が発光素子取付穴１３７に、位置検出用受光素子１５６が受光素子取付穴１３８に、発光素子温度検出手段１６１が温度検出手段取付穴１３９に取り付けられている。位置検出用発光素子１５５と位置検出用受光素子１５６は、回転ミラー部７０の回転軸と同じ方向に互いに近接して並べられている。
【００３５】
さらに、光学ブロック１３の光通路１３１内には、駆動ユニット８０を構成するステッピングモータ８１の出力軸に固定された回転ミラー部７０が設けられている。回転ミラー部７０は、円筒状の回転ミラー支持部材７３と、該支持部材の先端に傾斜して取り付けられた鏡７１とを有している。回転ミラー支持部７３の長辺側にはスリット７３１が設けられている。
【００３６】
軸受８３を有するステッピングモータ８１は、取付板８５−１、８５−２によって光学ブロック１３に取り付けられている。
【００３７】
図４に、光学ブロック１３の外形を、図５にその断面を示す。図５（Ａ）は図４のＡ−Ａ線での、図５（Ｂ）は図４のＢ−Ｂ線での、図５（Ｃ）は図４のＣ−Ｃ線での断面図である。光学ブロック１３には、複数の発光素子１５３と位置検出用発光素子１５５が取りつけられる発光素子取付穴１３７が中心に位置する光通路１３１へ向けて穿たれている。
【００３８】
光学ユニット１０は、光学ブロック１３と、取付板１４と、位置検出用発光素子１５５と、位置検出用受光素子１５６と、複数の発光素子１５３と、サーミスタなどの温度検出素子１６１と、分岐光検出素子１７１と反射光検出素子１７２−１〜１７２−４と、光分岐用ガラス板１９１と、保護ガラス板１９２とを有して構成される。さらに、光学ユニット１０は、正面に光照射窓１４１と、サーモパイルなどの温度検出素子１６２を有している。
【００３９】
光学ブロック１３は、熱電導率の大きな金属例えばアルミニウムを用いて構成され、発光波長の異なる複数の発光素子１５３が固定され、複数の発光素子固定穴１３７を有している。発光素子固定穴１３７に発光波長の異なる例えばＬＥＤからなる発光素子１５３および位置検出用発光素子１５５が挿入固定されている。発光素子固定穴１３７の周壁と発光素子１５３との間には熱伝導性材料例えばシリコングリスを介在させて、両者の間の熱伝導を高めている。
【００４０】
また、光学ブロック１３の光通路１３１内には、回転ミラー部７０が挿入され、位置検出用発光素子１５５を除くそれぞれの発光素子１５３からの光を光分岐用ガラス板１９１へ導く。
【００４１】
さらに、光学ブロック１３は、光通路１３１と、光分岐通路１３２と、ガラス板保持溝１３４と、光検出素子保持穴１３５とを有している。光通路１３１は、発光素子から照射された光を、測定対象へ導く通路であり、途中に光の一部を分岐する光分岐通路１３２が設けられている。光分岐通路１３２は、発光素子からの光の一部を分岐した光を分岐光検出素子１７１へ導く通路であり、光通路１３１の光軸に直角に交差するように設けられており、一端が光通路１３１に開口し他端が光検出素子保持穴１３５に開口している。ガラス板保持溝１３４は、光通路１３１の途中に光軸に４５度で交差するように設けられており、光分岐用ガラス板１９１を保持する。光検出素子保持穴１３５は、分岐光検出素子１７１を絶縁材を介して保持する。
【００４２】
図６に示す取付板１４は、絶縁性の合成樹脂である例えばＰＥＥＫ材を用いて構成され、光照射窓１４１と、反射光検出素子１７２−１〜１７２−４を保持する光照射窓１４１の周囲に配置された複数の光検出素子保持穴１４２−１〜１４２−４と、測定対象検出用発光素子１５１を保持する測定対象検出用発光素子保持穴１４３と、測定対象温度検出素子１６２を保持する温度検出素子保持穴１４４とを有して構成され、光照射窓１４１には、保護ガラス板１９２が固定されている。
【００４３】
取付板１４に取り付けられた光照射窓１４１と、反射光検出素子１７２と、測定対象温度検出素子１６２と、測定対象検出用発光素子１５１は、測定対象へ向けて配置される。
【００４４】
光源を構成する発光素子１５３は、測定対象に半値幅の小さな精度の高い光を照射する素子であり、発光手段として働く、この実施例では異なる発光波長を有する５本のＬＥＤ１５３で構成され、光学ブロック１３に設けた回転ミラー部７０の鏡７１へＬＥＤの光が照射される角度で配置される。ＬＥＤ１５３は、例えば、発光のピーク波長が８１０、８４５、８７２、９０４、９１５ｎｍのいずれかであり、半値幅が４ｎｍ以下と狭い発光ダイオードである。さらに、この発光ダイオードは、温度による波長変動が０．２ｎｍ／℃以下であることが望ましい。
【００４５】
測定対象検出用発光素子１５１は、可視光線を発光するＬＥＤを用いて構成され、測定対象が遮光フード５０に接しているときのみ発光素子１５３の発光を許容して、使用者の安全を図る働きを有している。
【００４６】
発光素子温度検出素子１６１は、例えばサーミスタを用いて構成され、光源の温度を測定する素子であり、発光手段温度検出手段として働き、温度データをパラメータとして演算回路に取り込み、演算結果の波長の変化に起因する誤差を補正するのに用いる。
【００４７】
測定対象温度検出素子１６２は、例えばサーモパイルを用いて構成され、測定対象からの輻射熱を検出して測定対象の温度を検出する素子であり、測定対象温度検出手段として働き、測定対象の温度データをパラメータとして演算回路に取り込み、演算結果の測定対象の温度変化に起因する誤差を補正するのに用いる。
【００４８】
分岐光検出素子１７１は、例えばフォトダイオードを用いて構成され、発光強度検出手段として働き、光分岐用ガラス板１９１からの分岐光を受光して光源の出力強度に関するデータを得て、当該発光素子１５３の出力を制御する働きを有している。
【００４９】
反射光検出素子１７２は、例えばフォトダイオードを用いて構成され、反射光検出手段として働き、測定対象の内部で拡散反射されてきた光を受光する素子である。
【００５０】
光分岐用ガラス板１９１は、光分岐手段として働き、光案内通路１３１の途中に４５度の角度で設置され、ＬＥＤからの光の一部（８％程度）を反射分岐して、光通路１３１の側壁に設けた開口を経由して分岐項検出素子１７１に入射する。
【００５１】
測定対象６０は、例えば、りんご、なし、トマト等の果実であり、その糖度などの成分を測定することができる。また、かつおやマグロ等の魚肉を対象としその脂肪含有量を非破壊で測定することが可能である。さらに、人などの血液を採取することなく皮膚の外から糖度、コレステロールの値などの血中成分を測定することができる。
【００５２】
回転ミラー部７０の回転ミラー支持部材７３の構造を、図７を用いて説明する。図７において、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は底面図、（Ｃ）は背面図、（Ｄ）は右側面図、（Ｅ）は左側面図である。回転ミラー支持部材７３は、中心に貫通孔７３４を有する円筒の先端を斜め４５度に切り落とした形状に構成される。先端に形成された斜面には、鏡７１を固定支持するミラー支持面７３２が形成され、ミラー支持面７３２の上下両端にはミラー支持爪７３３が形成される。さらに、回転ミラー支持部材７３には、ミラー支持面７３２の裏側にスリット７３１が設けられている。
【００５３】
貫通穴７３４に図の左側からステッピングモータの回転軸８２が挿入され、ネジ穴７３５に挿入された３本のビスによって回転ミラー支持部材７３が固定される。
【００５４】
この構成を有する回転ミラー支持部材７３は、光学ブロック１３の光通路１３１に挿入され、鏡７１が発光素子１５３からの光を反射する位置に配置される。位置検出用発光素子１５５からの光は、スリット７３１から貫通穴７３４に導入され、鏡７１の裏面７２で反射され、貫通穴７３４の内面で乱反射してスリット７３１を通って位置検出用受光素子１５６へ到達する。このことによって、回転ミラー（鏡）７１の原点を決定することができる。回転ミラー７１の原点が決定すると、これに基づいて回転する鏡７１の位置を知ることができ、回転ミラー７１の表面がいずれかの発光素子１５３へ向いているときに、その発光素子１５３が発光するように制御して、鏡７１で反射された光が測定対象６０へ照射される。
【００５５】
次に、本発明にかかる非破壊分光測定器で、果実の糖度を測定する場合の動作手順を説明する。非破壊分光測定器１は、片手で持つことができ、もう一方の手で果実を接触部の遮光フード５０に軽く当て、把持部に設けた測定スイッチ４１を押すと、約１秒で糖度が算出され、表示装置３０に表示される。
【００５６】
測定スイッチ４１が押されると電源が入り、配置されたＬＥＤ１５３が順次発光する。発光した光は、光案内通路１３１へ入射して、鏡７１で反射して照射窓１４１から果実６０へ照射される。
【００５７】
光通路１３１の途中に配置された光分岐用ガラス板１９１によって、ＬＥＤの入射光のうち常に一定の割合（８％）の光が反射され、分岐光検出素子１７１により検出される。分岐光検出素子１７１で受光した光の強度がフィードバックされて、光通路１３１から測定対象６０に照射される光の強度が一定値になるようにＬＥＤ１５３の電流が制御される。
【００５８】
測定対象である果実に照射された光は、果実の内部で、拡散反射を繰り返し、その一部が、反射光検出素子１７２により検出される。ただし、光照射窓１４１から果実に照射された光のうち果実表面からの直接反射光は、保護用クッション５１によって遮光され、反射光検出素子１７２では検出されない。
【００５９】
反射光検出素子１７２によって検出された光の強度は、温度検出素子１６２が得た果実の温度データと、温度検出素子１６１が得たＬＥＤの温度データとともに、前もって用意された関係式に代入され、糖度が算出される。算出された糖度は表示装置３０に一定時間表示された後、電源が落ち、動作を完了する。
【００６０】
次に、本発明にかかる非破壊分光測定器において、反射光検出素子１７２の反射光強度検出データと温度検出素子１６１が得たＬＥＤの温度データと測定対象温度検出素子１６２が得た果実の温度データから糖度を算出する関係式について説明する。本発明にかかる非破壊分光測定器は、果実の糖度を非破壊で測定する。その方法は、透過力の比較的強い短波長領域の分光された近赤外線を果実に照射し、透過光量から吸光度を得て、その吸光度に対して果実の温度による補正を行った値から甘味に関連した指標を求めるものである。
【００６１】
反射光検出素子１７２によって得られた五つの波長（λ１〜λ５）における果実の吸光度を、それぞれＬ（λ１）、Ｌ（λ２）、Ｌ（λ３）、Ｌ（λ４）、Ｌ（λ５）とし、温度検出素子１６２が得た果実の温度データをＴ１、温度検出素子１６１が得たＬＥＤの温度データをＴ２とすると、果実の糖度Ｃは、一般に下記（１）式で表される。
【数１】
【００６２】
本測定器１においては、下記（２）式の関係式を用いた。
【数２】
【００６３】
ここで、Ｋ０、Ｋ１、Ｋ２、…、Ｋ７は比例定数を示す。
【００６４】
ただし、吸光度Ｌ（λｎ）は、果実の温度の変化や、ＬＥＤの温度変化による測定波長（λｎ）の変化によってわずかながら変化するが、以下に述べる方法でＫｎの最適値を求める場合、上記（２）式の右辺の最後の二つの項によって補正が可能である。
【００６５】
将来、測定を想定される果実については、少なくとも１００個以上の試料を関係式の作成用に用意し、吸光度Ｌ（λｎ）、試料の温度Ｔ１、ＬＥＤの温度Ｔ２、屈折糖度計による糖度Ｃなどのデータを測定した。その際、恒温槽を用いて試料の温度、ＬＥＤ（実際には本測定器本体）の温度を、それぞれ５℃から４０℃まで５℃おきに変化させ、試料温度とＬＥＤ温度のそれぞれの組み合わせにおけるデータを測定した。
【００６６】
このようにして得たデータをコンピュータにより統計的に処理し、線形重回帰分析の手法を用いて、Ｋｎの最適値を得た。この結果、５℃から４０℃の測定環境の下で、高精度の糖度の推定が可能となった。
【００６７】
本発明による非破壊分光測定器においては、試料の温度、ＬＥＤの温度を反映する値として、温度検出素子１６２で得たＴ１，温度検出素子１６１で得たＴ２を関係式のパラメータとして用いたが、試料の温度やＬＥＤの温度に相関の高い波長の吸光度などを関係式のパラメータとして換わりに用いることで、測定対象温度検出素子１６２や発光素子温度検出素子１６１を利用しないことも可能である。
【００６８】
以上の実施の形態では、発光素子１５３を５個用い、それぞれの発光波長のピーク波長が８１０、８４５、８７２、９０４、９１５ｎｍのいずれかであり、半値幅が４ｎｍ以下と狭い発光ダイオードであり、温度による波長変動が０．２ｎｍ／℃以下であるものを用いた例を説明したが、例えば室内のような温度変化の少ない環境で使用する場合などでは、発光波長のピーク値が８１０、８７２、９０４ｎｍの３個のＬＥＤとしても十分に精度の高い測定結果を得ることができる。
【００６９】
また、本発明によれば、発光素子の温度を監視して発光素子の発光強度を制御するようにしているので、温度変化が多少大きなＬＤを用いても十分実用に供し得る非破壊分光測定器を提供することができる。
【００７０】
光を照射して内部で拡散反射された光により測定対象の内部の糖度などの成分を測定するには、照射光が十分に内部に到達しそこで拡散反射された光の強度を検出する必要がある。そのためには、測定対象への光照射部と反射光受光部との距離を大きくする必要がある、しかしながら、光照射部と反射光受光部との距離を大きくすると、光の減衰が大きくなり精度が低下するという問題がある。上記の説明では、光の減衰に対処するために、１つの光照射部からの光を４つの受光部によって検出して精度を上げている。
【００７１】
しかしながら、測定対象によっては、５個の発光素子１５３と１個の位置検出用発光素子１５５と１個の回転ミラー部７０からなる１個の発光部と、１個の反射光検出素子１７２とから本発明の非破壊分光測定器を構成してもよい。さらに、スイカやメロンなどの外皮の厚い測定対象の場合には、１個の反射光検出素子１７２の周囲に、５個の発光素子１５３と１個の位置検出用発光素子１５５と１個の回転ミラー部７０からなる発光部を４個配置して、照射光の強度を高め、測定精度を上げることも可能である。この場合、取付板１４の光照射窓１４１と光検出素子保持穴１４２の配置を入替えればよい。
【００７２】
本発明では、複数の発光素子１５３からの光を鏡７１によって反射して測定対象６０に照射しているので、拡散板を用いた先行技術に比較して、発光素子の光を効率良く用いることができ、精度高く測定することができる。
【００７３】
【発明の効果】
本発明によれば、半値幅が狭く、温度に対して変動の小さな光源を使用すると、高精度の検量線の作成が可能になり、波長の変動を光源の温度を用いて補正でき、光学的経路を簡略化することができる。その結果、本発明によれば、小型で、電力消費が少なく、外乱光に強い、高精度の、圃場で使用可能な非破壊分光測定器を得ることができる。
【００７４】
さらに、本発明によれば発光素子を効率良く使用して、高い精度で非破壊分光測定を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態にかかる非破壊分光測定器の概念図。
【図２】本発明の実施の形態にかかる非破壊分光測定器の機能構成図。
【図３】本発明の実施の形態にかかる非破壊分光測定器の光学ユニットの構成の概要を説明する断面図。
【図４】光学ユニットの光学ブロックの外形を示す図。
【図５】光学ブロックの断面形状を示す図。
【図６】取付板の形状を示す図。
【図７】回転ミラー支持部材の形状を示す図。
【図８】先行技術の非破壊分光測定器の概念図。
【図９】先行技術の非破壊分光測定器の機能構成図。
【符号の説明】
１ 非破壊分光測定器
１０ 光学ユニット
１３ 光学ブロック
１３１ 光通路
１３２ 光分岐通路
１３４ ガラス板保持溝
１３５ 光検出素子保持穴
１３７ 発光素子固定用穴
１３８ 位置検出用発光素子固定用穴
１３９ 温度検出素子固定用穴
１４ 取付板
１４１ 光照射窓
１４２ 光検出素子保持穴
１４３ 測定対象検出用発光素子保持穴
１４４ 測定対象温度検出素子保持穴
１５１ 測定対象検出用発光素子
１５３ 発光素子
１５５ 位置検出用発光素子
１５６ 位置検出用受光素子
１６１ 発光素子温度検出素子
１６２ 測定対象温度検出素子
１７１ 分岐光検出素子
１７２ 反射光検出素子
１９１ 光分岐用ガラス板
１９２ 保護ガラス板
２０ 演算制御部
２１ 成分演算部
２２ 既知のスペクトルデータから得た検量線
２３ 発光制御部
２４ 回転制御部
３０ 表示装置
４０ 電源部
４１ 測定スイッチ
５０ 遮光フード
５１ 緩衝兼遮光用クッション
６０ 測定対象（果実）
７０ 回転ミラー部
７１ 鏡
７２ 裏面
７３ 回転ミラー支持部材
７３１ スリット
７３２ ミラー支持面
７３３ ミラー支持爪
７３４ 貫通穴
７３５ ネジ穴
８０ 駆動ユニット
８１ ステッピングモータ
８２ 回転軸
８３ 軸受
８５ 取付板
【発明の属する技術分野】
本発明は、果実などにおける離散的な吸収スペクトルを測定して、非破壊で糖度などの成分を測定する近赤外分光技術を利用した非破壊分光測定器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、果実糖度の非破壊測定法として、近赤外線の吸収現象を利用した分光分析が広く使われている。この非破壊分光測定法は、ハロゲンランプを光源として使い、光ファイバなどで光を誘導し、果実の表面へ照射させ、その反射光や透過光を回折格子などで分光し、果実の連続的な吸収スペクトルを測定し、その内必要な波長の吸光度を取り出し、予め用意された関係式に代入することで、糖度を測定するのが一般的である。
【０００３】
また、本出願人は、小型化、低消費電力化により、圃場での持ち歩きを可能にした、ハンディ型果実成分非破壊測定器を提案した。これは、それ以前の方法に対して、ＬＤなどの狭い半値幅を持つ光源を複数用いることが特徴である。ハロゲンランプと違い、必要とする波長の光のみを発光することから、無駄な電力を消費しないという利点を有している。また、回折格子などの分光の仕組みが不要で、小型化に適している（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
従来、測定器の取り扱いにおける利便性の面から、小型化、低消費電力化が求められており、そのような考えから、光源にＬＥＤやＬＤなどの波長域の狭い光源を採用するハンディ型果実成分非破壊測定器が提案されているが、さらなる小型化や高精度の追求、外乱光への耐性の点で改善の余地が残されている。
【０００５】
光源にＬＥＤを使用した場合、発光波長の半値幅が少なくとも２０ｎｍ以上と広く、分光分析用の光源としては、精度の点で最適な光源とは言えなかった。
【０００６】
また、ＬＤは半値幅が２ｎｍ以下であるが、温度による波長変動が大きく、精密に波長変動を検出する必要があった。さらに、光ファイバの束により分岐した光の一部を、波長補正用のフィルターを透過させ、その透過量の変化によって波長の変動を検出する方法では、ＬＤ光が発光されてから果実に照射されるまでの経路において光の減衰が著しく、その結果外乱光に対する耐性が弱くなった。
【０００７】
このような問題点を解決するために、本出願人らは、平成１５年１月１６日付けで、光誘導手段を簡素化しかつブロック化することによって、小型化の追求や高精度の要求に対応し、外乱光への耐性を向上させたＬＥＤやＬＤを用いた非破壊分光測定器を提供することを目的とする非破壊分光測定器を出願している（特許文献２、参照）
【０００８】
【特許文献１】
特開２００２−１１６１４１号公報
【特許文献２】
特願２００３−００８５８８号
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上記特許文献２の出願にかかる発明は、図８および図９に示す構成を有している。すなわち、図８は前記非破壊分光測定器の全体構成を説明する概念図であり、図９は前記非破壊分光測定器の光学ユニットの構成を説明する模式的な断面図である。
【００１０】
前記非破壊分光測定器１は、光学ユニット１０と、演算回路部２０と、表示装置３０と、電源部４０と、遮光フード５０とを有して構成される。
【００１１】
光学ユニット１０は、測定対象６０に精度の高い波長の光を照射し、測定対象６０からの拡散反射光を受光する手段である。
【００１２】
演算回路部２０は、拡散反射光の強度と糖度などの成分との関係式である検量線が格納されており、測定対象６０からの反射光のデータを用いて検量線を参照して測定対象６０の糖度などの成分を演算し、表示装置３０や図示を省略したパソコンなどの外部装置へ出力する働きと、発光素子の強度を監視して発光素子の出力強度を制御するとともに、発光素子の温度を監視して発光素子の発光波長の変化を検出し、測定対象の温度を監視して前記演算結果に対して温度補正を行う回路である。発光素子の温度と測定対象の温度は、反射光のデータと共に検量線のパラメータとして用いることも可能である。さらに、演算回路部２０は、電圧制御回路を有している。
【００１３】
演算回路２０に格納される検量線は、外部から書き替えることも可能である。
【００１４】
表示装置３０は、例えばＬＣＤを用いて構成され、測定結果などのデータを表示する手段である。
【００１５】
電源部４０は、例えば乾電池などの電源を有しており、光学ユニット１０、演算回路部２０、表示装置３０へ電力を供給する手段であり、測定スイッチ４１を有している。
【００１６】
遮光フード５０は、測定対象６０からの反射光のみを受光素子へ到達させ、外光による測定誤差をなくすための遮光手段である。遮光フード５０は、測定対象６０に接したときに測定対象を傷つけず、かつ外乱光の侵入を阻止するように、柔軟な材料で蛇腹状に構成される。遮光フード５０の光学ユニット測定面側には、測定対象６０に接する緩衝兼遮光用クッション５１が設けられている。
【００１７】
図９に示すように、前記非破壊分光測定器１は、異なる発光波長を有する複数の発光素子１５と、測定対象６０に照射し測定対象内部で拡散反射した発光素子からの光の強度を検出する反射光検出素子１７２と、発光素子の光の強度を検出する発光強度検出素子１７１と、発光強度検出素子が検出した発光手段の発光強度をフィードバックして発光強度を制御する発光制御部２３と、発光素子の温度を検出する発光手段温度検出素子１６１と、測定対象の温度を検出する測定対象温度検出素子１６２と、測定対象毎の吸光度と発光手段の温度と測定対象の温度を共にパラメータとして作成した検量線（スペクトルデータ）２２と、反射光検出素子が検出した測定対象内部で拡散反射された各波長毎の反射光の強度と測定対象の温度を用いて検量線を参照して測定対象の成分を演算する成分演算部２１とを備え、発光素子の温度変化に依存して変化した発光波長毎の反射光の強度を用いて検量線を参照して測定対象の成分を演算する。
【００１８】
さらに、前記非破壊分光測定器１は、複数の発光素子１５を固定する第１の光案内ブロック１１と、発光素子からの光を案内する光案内通路１２１と発光手段温度検出素子１６１を有する第２の光案内ブロック１２と、光案内通路からの光を拡散する光拡散手段１８および光拡散手段からの拡散光を案内する光通路１３１および光通路の光を分岐した光を案内する分岐光通路１３２および光通路の途中に設けた光分岐用ガラス板１９１ならびに発光強度検出素子１７１とを有する第３の光案内ブロック１３と、光照射窓１４１を有し反射光検出素子１７２と測定対象温度検出素子１６２を保持する取付手段１４とからなる光学ユニット１０を備えている。
【００１９】
発光素子１５は、発光波長の半値幅が狭く温度による波長変動の小さな近赤外線発光ＬＥＤが用いられる。
【００２０】
このような構成を有する前記比破壊分光測定器１は、光誘導手段を簡素化しかつブロック化することによって、小型化の追求や高精度の要求に対応し、外乱光への耐性を向上させたＬＥＤやＬＤを用いた非破壊分光測定器を提供することができるが、光拡散手段１８を介して複数の発光素子１５からの光を拡散しているので、ここでの減衰が生じ、測定精度を向上する上での阻害要因となる恐れがある。
【００２１】
上記問題点に鑑み、本発明は、発光素子からの光の減衰を伴わずに測定対象に照射することができる非破壊分光測定器を提供することを目的とする。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、円周上に該円周の中心に向けて配置した異なる波長の複数の発光素子と、前記円周の中心に配置した回転ミラーと、前記回転ミラーの反射面の裏側に照射された１つの発光素子からの光を受光する受光素子とを備えて、回転ミラーの回転と発光素子の発光とが同期するように制御することで、光の減衰を最小限に抑え、精度向上を達成した。
【００２３】
【発明の実施の形態】
本発明にかかる非破壊分光測定器を果実成分測定器に適用した場合の構造を、図１〜図７を用いて説明する。図１は本発明にかかる非破壊分光測定器の全体構成を説明する概念図であり、図２は本発明にかかる非破壊分光測定器の機能構成を説明する機能構成図であり、図３は本発明にかかる非破壊分光測定器の光学ユニットの構成を説明する模式的な断面図（図中Ｄ−Ｄ側は垂直軸での断面，Ｅ−Ｅ側は水平軸での断面を示す）であり、図４は本発明にかかる光学ユニットを構成する光学ブロックの外形を示す図であり（Ａ）左側面図、（Ｂ）は正面図、（Ｃ）は右側面図、図５は図４の断面図であり、図６は取付板の正面図であり、図７は回転ミラー支持部材の形状を説明する図である。
【００２４】
図１に示すように、本発明にかかる非破壊分光測定器１は、光学ユニット１０と、演算制御部２０と、表示装置３０と、電源部４０と、遮光フード５０と、駆動ユニット８０とを有して構成される。
【００２５】
光学ユニット１０は、測定対象６０に精度の高い波長の光を照射し、測定対象６０からの拡散反射光を受光する手段である。
【００２６】
演算制御部２０は、拡散反射光の強度と糖度などの成分との関係式である検量線が格納されており、測定対象６０からの反射光のデータを用いて検量線（スペクトルデータ）を参照して測定対象６０の糖度などの成分を演算し、表示装置３０や図示を省略したパソコンなどの外部装置へ出力する働きと、発光素子の強度を監視して発光素子の出力強度を制御するとともに、発光素子の温度を監視して発光素子の発光波長の変化を検出し、測定対象の温度を監視して前記演算結果に対して温度補正を行う回路である。発光素子の温度と測定対象の温度は、反射光のデータと共に検量線のパラメータとして用いることも可能である。さらに、演算制御部２０は、電圧制御回路を有している。
【００２７】
演算制御部２０に格納される検量線は、外部から書き替えることも可能である。
【００２８】
表示装置３０は、例えばＬＣＤを用いて構成され、測定結果などのデータを表示する手段である。
【００２９】
電源部４０は、例えば乾電池などの電源を有しており、光学ユニット１０、演算制御部２０、表示装置３０、駆動ユニット８０へ電力を供給する手段であり、測定スイッチ４１を有している。
【００３０】
遮光フード５０は、測定対象６０からの反射光のみを受光素子へ到達させ、外光による測定誤差をなくすための遮光手段である。遮光フード５０は、測定対象６０に接したときに測定対象を傷つけず、かつ外乱光の侵入を阻止するように、柔軟な材料で蛇腹状に構成される。遮光フード５０の光学ユニット測定面側には、測定対象６０に接する緩衝兼遮光用クッション５１が設けられている。
【００３１】
図２、図３に示すように、非破壊分光測定器１は、円周上に配置され該円周の中心に向けて配置された異なる発光波長を有する複数、例えば５個の発光素子１５３と、測定対象６０に照射され測定対象内部で拡散反射した発光素子からの光の強度を検出する反射光検出素子１７２と、発光素子の光の強度を検出する発光強度検出素子１７１と、発光強度検出素子が検出した発光手段の発光強度をフィードバックして発光強度を制御する発光制御部２３と、発光素子の温度を検出する発光手段温度検出素子１６１と、測定対象の温度を検出する測定対象温度検出素子１６２と、測定対象毎の吸光度と発光手段の温度と測定対象の温度を共にパラメータとして作成した検量線２２と、反射光検出素子が検出した測定対象内部で拡散反射された各波長毎の反射光の強度と測定対象の温度を用いて検量線を参照して測定対象の成分を演算する成分演算部２１と、受光素子１５６で位置検出用発光素子１５５からの乱反射光を受光したことによって、駆動ユニットの原点を算出し以降の駆動ユニットの回転を制御する回転制御部２４とを備え、発光素子の温度変化に依存して変化した発光波長毎の反射光の強度を用いて検量線を参照して測定対象の成分を演算する。
【００３２】
さらに、本発明の非破壊分光測定器１は、複数の発光素子１５３を固定するとともに、発光素子からの光を案内する光通路１３１および光通路の光を分岐した光を案内する分岐光通路１３２および光通路の途中に設けた光分岐用ガラス板１９１ならびに発光強度検出素子１７１とを有する光学ブロック１３と、光照射窓１４１を有し反射光検出素子１７２と測定対象温度検出素子１６２を保持する取付板１４とからなる光学ユニット１０を備えている。
【００３３】
発光素子１５３は、発光波長の半値幅が狭く温度による波長変動の小さな近赤外線発光ＬＥＤであることが望ましい。
【００３４】
さらに、本発明の光学ブロック１３には、位置検出用発光素子１５５が発光素子取付穴１３７に、位置検出用受光素子１５６が受光素子取付穴１３８に、発光素子温度検出手段１６１が温度検出手段取付穴１３９に取り付けられている。位置検出用発光素子１５５と位置検出用受光素子１５６は、回転ミラー部７０の回転軸と同じ方向に互いに近接して並べられている。
【００３５】
さらに、光学ブロック１３の光通路１３１内には、駆動ユニット８０を構成するステッピングモータ８１の出力軸に固定された回転ミラー部７０が設けられている。回転ミラー部７０は、円筒状の回転ミラー支持部材７３と、該支持部材の先端に傾斜して取り付けられた鏡７１とを有している。回転ミラー支持部７３の長辺側にはスリット７３１が設けられている。
【００３６】
軸受８３を有するステッピングモータ８１は、取付板８５−１、８５−２によって光学ブロック１３に取り付けられている。
【００３７】
図４に、光学ブロック１３の外形を、図５にその断面を示す。図５（Ａ）は図４のＡ−Ａ線での、図５（Ｂ）は図４のＢ−Ｂ線での、図５（Ｃ）は図４のＣ−Ｃ線での断面図である。光学ブロック１３には、複数の発光素子１５３と位置検出用発光素子１５５が取りつけられる発光素子取付穴１３７が中心に位置する光通路１３１へ向けて穿たれている。
【００３８】
光学ユニット１０は、光学ブロック１３と、取付板１４と、位置検出用発光素子１５５と、位置検出用受光素子１５６と、複数の発光素子１５３と、サーミスタなどの温度検出素子１６１と、分岐光検出素子１７１と反射光検出素子１７２−１〜１７２−４と、光分岐用ガラス板１９１と、保護ガラス板１９２とを有して構成される。さらに、光学ユニット１０は、正面に光照射窓１４１と、サーモパイルなどの温度検出素子１６２を有している。
【００３９】
光学ブロック１３は、熱電導率の大きな金属例えばアルミニウムを用いて構成され、発光波長の異なる複数の発光素子１５３が固定され、複数の発光素子固定穴１３７を有している。発光素子固定穴１３７に発光波長の異なる例えばＬＥＤからなる発光素子１５３および位置検出用発光素子１５５が挿入固定されている。発光素子固定穴１３７の周壁と発光素子１５３との間には熱伝導性材料例えばシリコングリスを介在させて、両者の間の熱伝導を高めている。
【００４０】
また、光学ブロック１３の光通路１３１内には、回転ミラー部７０が挿入され、位置検出用発光素子１５５を除くそれぞれの発光素子１５３からの光を光分岐用ガラス板１９１へ導く。
【００４１】
さらに、光学ブロック１３は、光通路１３１と、光分岐通路１３２と、ガラス板保持溝１３４と、光検出素子保持穴１３５とを有している。光通路１３１は、発光素子から照射された光を、測定対象へ導く通路であり、途中に光の一部を分岐する光分岐通路１３２が設けられている。光分岐通路１３２は、発光素子からの光の一部を分岐した光を分岐光検出素子１７１へ導く通路であり、光通路１３１の光軸に直角に交差するように設けられており、一端が光通路１３１に開口し他端が光検出素子保持穴１３５に開口している。ガラス板保持溝１３４は、光通路１３１の途中に光軸に４５度で交差するように設けられており、光分岐用ガラス板１９１を保持する。光検出素子保持穴１３５は、分岐光検出素子１７１を絶縁材を介して保持する。
【００４２】
図６に示す取付板１４は、絶縁性の合成樹脂である例えばＰＥＥＫ材を用いて構成され、光照射窓１４１と、反射光検出素子１７２−１〜１７２−４を保持する光照射窓１４１の周囲に配置された複数の光検出素子保持穴１４２−１〜１４２−４と、測定対象検出用発光素子１５１を保持する測定対象検出用発光素子保持穴１４３と、測定対象温度検出素子１６２を保持する温度検出素子保持穴１４４とを有して構成され、光照射窓１４１には、保護ガラス板１９２が固定されている。
【００４３】
取付板１４に取り付けられた光照射窓１４１と、反射光検出素子１７２と、測定対象温度検出素子１６２と、測定対象検出用発光素子１５１は、測定対象へ向けて配置される。
【００４４】
光源を構成する発光素子１５３は、測定対象に半値幅の小さな精度の高い光を照射する素子であり、発光手段として働く、この実施例では異なる発光波長を有する５本のＬＥＤ１５３で構成され、光学ブロック１３に設けた回転ミラー部７０の鏡７１へＬＥＤの光が照射される角度で配置される。ＬＥＤ１５３は、例えば、発光のピーク波長が８１０、８４５、８７２、９０４、９１５ｎｍのいずれかであり、半値幅が４ｎｍ以下と狭い発光ダイオードである。さらに、この発光ダイオードは、温度による波長変動が０．２ｎｍ／℃以下であることが望ましい。
【００４５】
測定対象検出用発光素子１５１は、可視光線を発光するＬＥＤを用いて構成され、測定対象が遮光フード５０に接しているときのみ発光素子１５３の発光を許容して、使用者の安全を図る働きを有している。
【００４６】
発光素子温度検出素子１６１は、例えばサーミスタを用いて構成され、光源の温度を測定する素子であり、発光手段温度検出手段として働き、温度データをパラメータとして演算回路に取り込み、演算結果の波長の変化に起因する誤差を補正するのに用いる。
【００４７】
測定対象温度検出素子１６２は、例えばサーモパイルを用いて構成され、測定対象からの輻射熱を検出して測定対象の温度を検出する素子であり、測定対象温度検出手段として働き、測定対象の温度データをパラメータとして演算回路に取り込み、演算結果の測定対象の温度変化に起因する誤差を補正するのに用いる。
【００４８】
分岐光検出素子１７１は、例えばフォトダイオードを用いて構成され、発光強度検出手段として働き、光分岐用ガラス板１９１からの分岐光を受光して光源の出力強度に関するデータを得て、当該発光素子１５３の出力を制御する働きを有している。
【００４９】
反射光検出素子１７２は、例えばフォトダイオードを用いて構成され、反射光検出手段として働き、測定対象の内部で拡散反射されてきた光を受光する素子である。
【００５０】
光分岐用ガラス板１９１は、光分岐手段として働き、光案内通路１３１の途中に４５度の角度で設置され、ＬＥＤからの光の一部（８％程度）を反射分岐して、光通路１３１の側壁に設けた開口を経由して分岐項検出素子１７１に入射する。
【００５１】
測定対象６０は、例えば、りんご、なし、トマト等の果実であり、その糖度などの成分を測定することができる。また、かつおやマグロ等の魚肉を対象としその脂肪含有量を非破壊で測定することが可能である。さらに、人などの血液を採取することなく皮膚の外から糖度、コレステロールの値などの血中成分を測定することができる。
【００５２】
回転ミラー部７０の回転ミラー支持部材７３の構造を、図７を用いて説明する。図７において、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は底面図、（Ｃ）は背面図、（Ｄ）は右側面図、（Ｅ）は左側面図である。回転ミラー支持部材７３は、中心に貫通孔７３４を有する円筒の先端を斜め４５度に切り落とした形状に構成される。先端に形成された斜面には、鏡７１を固定支持するミラー支持面７３２が形成され、ミラー支持面７３２の上下両端にはミラー支持爪７３３が形成される。さらに、回転ミラー支持部材７３には、ミラー支持面７３２の裏側にスリット７３１が設けられている。
【００５３】
貫通穴７３４に図の左側からステッピングモータの回転軸８２が挿入され、ネジ穴７３５に挿入された３本のビスによって回転ミラー支持部材７３が固定される。
【００５４】
この構成を有する回転ミラー支持部材７３は、光学ブロック１３の光通路１３１に挿入され、鏡７１が発光素子１５３からの光を反射する位置に配置される。位置検出用発光素子１５５からの光は、スリット７３１から貫通穴７３４に導入され、鏡７１の裏面７２で反射され、貫通穴７３４の内面で乱反射してスリット７３１を通って位置検出用受光素子１５６へ到達する。このことによって、回転ミラー（鏡）７１の原点を決定することができる。回転ミラー７１の原点が決定すると、これに基づいて回転する鏡７１の位置を知ることができ、回転ミラー７１の表面がいずれかの発光素子１５３へ向いているときに、その発光素子１５３が発光するように制御して、鏡７１で反射された光が測定対象６０へ照射される。
【００５５】
次に、本発明にかかる非破壊分光測定器で、果実の糖度を測定する場合の動作手順を説明する。非破壊分光測定器１は、片手で持つことができ、もう一方の手で果実を接触部の遮光フード５０に軽く当て、把持部に設けた測定スイッチ４１を押すと、約１秒で糖度が算出され、表示装置３０に表示される。
【００５６】
測定スイッチ４１が押されると電源が入り、配置されたＬＥＤ１５３が順次発光する。発光した光は、光案内通路１３１へ入射して、鏡７１で反射して照射窓１４１から果実６０へ照射される。
【００５７】
光通路１３１の途中に配置された光分岐用ガラス板１９１によって、ＬＥＤの入射光のうち常に一定の割合（８％）の光が反射され、分岐光検出素子１７１により検出される。分岐光検出素子１７１で受光した光の強度がフィードバックされて、光通路１３１から測定対象６０に照射される光の強度が一定値になるようにＬＥＤ１５３の電流が制御される。
【００５８】
測定対象である果実に照射された光は、果実の内部で、拡散反射を繰り返し、その一部が、反射光検出素子１７２により検出される。ただし、光照射窓１４１から果実に照射された光のうち果実表面からの直接反射光は、保護用クッション５１によって遮光され、反射光検出素子１７２では検出されない。
【００５９】
反射光検出素子１７２によって検出された光の強度は、温度検出素子１６２が得た果実の温度データと、温度検出素子１６１が得たＬＥＤの温度データとともに、前もって用意された関係式に代入され、糖度が算出される。算出された糖度は表示装置３０に一定時間表示された後、電源が落ち、動作を完了する。
【００６０】
次に、本発明にかかる非破壊分光測定器において、反射光検出素子１７２の反射光強度検出データと温度検出素子１６１が得たＬＥＤの温度データと測定対象温度検出素子１６２が得た果実の温度データから糖度を算出する関係式について説明する。本発明にかかる非破壊分光測定器は、果実の糖度を非破壊で測定する。その方法は、透過力の比較的強い短波長領域の分光された近赤外線を果実に照射し、透過光量から吸光度を得て、その吸光度に対して果実の温度による補正を行った値から甘味に関連した指標を求めるものである。
【００６１】
反射光検出素子１７２によって得られた五つの波長（λ１〜λ５）における果実の吸光度を、それぞれＬ（λ１）、Ｌ（λ２）、Ｌ（λ３）、Ｌ（λ４）、Ｌ（λ５）とし、温度検出素子１６２が得た果実の温度データをＴ１、温度検出素子１６１が得たＬＥＤの温度データをＴ２とすると、果実の糖度Ｃは、一般に下記（１）式で表される。
【数１】
本測定器１においては、下記（２）式の関係式を用いた。
【数２】
ここで、Ｋ０、Ｋ１、Ｋ２、…、Ｋ７は比例定数を示す。
【００６４】
ただし、吸光度Ｌ（λｎ）は、果実の温度の変化や、ＬＥＤの温度変化による測定波長（λｎ）の変化によってわずかながら変化するが、以下に述べる方法でＫｎの最適値を求める場合、上記（２）式の右辺の最後の二つの項によって補正が可能である。
【００６５】
将来、測定を想定される果実については、少なくとも１００個以上の試料を関係式の作成用に用意し、吸光度Ｌ（λｎ）、試料の温度Ｔ１、ＬＥＤの温度Ｔ２、屈折糖度計による糖度Ｃなどのデータを測定した。その際、恒温槽を用いて試料の温度、ＬＥＤ（実際には本測定器本体）の温度を、それぞれ５℃から４０℃まで５℃おきに変化させ、試料温度とＬＥＤ温度のそれぞれの組み合わせにおけるデータを測定した。
【００６６】
このようにして得たデータをコンピュータにより統計的に処理し、線形重回帰分析の手法を用いて、Ｋｎの最適値を得た。この結果、５℃から４０℃の測定環境の下で、高精度の糖度の推定が可能となった。
【００６７】
本発明による非破壊分光測定器においては、試料の温度、ＬＥＤの温度を反映する値として、温度検出素子１６２で得たＴ１，温度検出素子１６１で得たＴ２を関係式のパラメータとして用いたが、試料の温度やＬＥＤの温度に相関の高い波長の吸光度などを関係式のパラメータとして換わりに用いることで、測定対象温度検出素子１６２や発光素子温度検出素子１６１を利用しないことも可能である。
【００６８】
以上の実施の形態では、発光素子１５３を５個用い、それぞれの発光波長のピーク波長が８１０、８４５、８７２、９０４、９１５ｎｍのいずれかであり、半値幅が４ｎｍ以下と狭い発光ダイオードであり、温度による波長変動が０．２ｎｍ／℃以下であるものを用いた例を説明したが、例えば室内のような温度変化の少ない環境で使用する場合などでは、発光波長のピーク値が８１０、８７２、９０４ｎｍの３個のＬＥＤとしても十分に精度の高い測定結果を得ることができる。
【００６９】
また、本発明によれば、発光素子の温度を監視して発光素子の発光強度を制御するようにしているので、温度変化が多少大きなＬＤを用いても十分実用に供し得る非破壊分光測定器を提供することができる。
【００７０】
光を照射して内部で拡散反射された光により測定対象の内部の糖度などの成分を測定するには、照射光が十分に内部に到達しそこで拡散反射された光の強度を検出する必要がある。そのためには、測定対象への光照射部と反射光受光部との距離を大きくする必要がある、しかしながら、光照射部と反射光受光部との距離を大きくすると、光の減衰が大きくなり精度が低下するという問題がある。上記の説明では、光の減衰に対処するために、１つの光照射部からの光を４つの受光部によって検出して精度を上げている。
【００７１】
しかしながら、測定対象によっては、５個の発光素子１５３と１個の位置検出用発光素子１５５と１個の回転ミラー部７０からなる１個の発光部と、１個の反射光検出素子１７２とから本発明の非破壊分光測定器を構成してもよい。さらに、スイカやメロンなどの外皮の厚い測定対象の場合には、１個の反射光検出素子１７２の周囲に、５個の発光素子１５３と１個の位置検出用発光素子１５５と１個の回転ミラー部７０からなる発光部を４個配置して、照射光の強度を高め、測定精度を上げることも可能である。この場合、取付板１４の光照射窓１４１と光検出素子保持穴１４２の配置を入替えればよい。
【００７２】
本発明では、複数の発光素子１５３からの光を鏡７１によって反射して測定対象６０に照射しているので、拡散板を用いた先行技術に比較して、発光素子の光を効率良く用いることができ、精度高く測定することができる。
【００７３】
【発明の効果】
本発明によれば、半値幅が狭く、温度に対して変動の小さな光源を使用すると、高精度の検量線の作成が可能になり、波長の変動を光源の温度を用いて補正でき、光学的経路を簡略化することができる。その結果、本発明によれば、小型で、電力消費が少なく、外乱光に強い、高精度の、圃場で使用可能な非破壊分光測定器を得ることができる。
【００７４】
さらに、本発明によれば発光素子を効率良く使用して、高い精度で非破壊分光測定を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態にかかる非破壊分光測定器の概念図。
【図２】本発明の実施の形態にかかる非破壊分光測定器の機能構成図。
【図３】本発明の実施の形態にかかる非破壊分光測定器の光学ユニットの構成の概要を説明する断面図。
【図４】光学ユニットの光学ブロックの外形を示す図。
【図５】光学ブロックの断面形状を示す図。
【図６】取付板の形状を示す図。
【図７】回転ミラー支持部材の形状を示す図。
【図８】先行技術の非破壊分光測定器の概念図。
【図９】先行技術の非破壊分光測定器の機能構成図。
【符号の説明】
１ 非破壊分光測定器
１０ 光学ユニット
１３ 光学ブロック
１３１ 光通路
１３２ 光分岐通路
１３４ ガラス板保持溝
１３５ 光検出素子保持穴
１３７ 発光素子固定用穴
１３８ 位置検出用発光素子固定用穴
１３９ 温度検出素子固定用穴
１４ 取付板
１４１ 光照射窓
１４２ 光検出素子保持穴
１４３ 測定対象検出用発光素子保持穴
１４４ 測定対象温度検出素子保持穴
１５１ 測定対象検出用発光素子
１５３ 発光素子
１５５ 位置検出用発光素子
１５６ 位置検出用受光素子
１６１ 発光素子温度検出素子
１６２ 測定対象温度検出素子
１７１ 分岐光検出素子
１７２ 反射光検出素子
１９１ 光分岐用ガラス板
１９２ 保護ガラス板
２０ 演算制御部
２１ 成分演算部
２２ 既知のスペクトルデータから得た検量線
２３ 発光制御部
２４ 回転制御部
３０ 表示装置
４０ 電源部
４１ 測定スイッチ
５０ 遮光フード
５１ 緩衝兼遮光用クッション
６０ 測定対象（果実）
７０ 回転ミラー部
７１ 鏡
７２ 裏面
７３ 回転ミラー支持部材
７３１ スリット
７３２ ミラー支持面
７３３ ミラー支持爪
７３４ 貫通穴
７３５ ネジ穴
８０ 駆動ユニット
８１ ステッピングモータ
８２ 回転軸
８３ 軸受
８５ 取付板
【００１７】
図９に示すように、前記非破壊分光測定器１は、異なる発光波長を有する複数の測定対象照射用の発光素子１５と、測定対象６０に照射し測定対象内部で拡散反射した発光素子１５からの光の強度を検出する反射光検出素子１７２と、発光素子１５の光の強度を検出する発光強度検出素子１７１と、発光強度検出素子１７１が検出した発光素子１５の発光強度をフィードバックして発光強度を制御する発光制御部２３と、発光素子１５の温度を検出する発光素子温度検出素子１６１と、測定対象の温度を検出する測定対象温度検出素子１６２と、測定対象毎の吸光度と発光素子１５の温度と測定対象の温度を共にパラメータとして作成した検量線（スペクトルデータ）２２と、反射光検出素子１７２が検出した測定対象６０内部で拡散反射された各波長毎の反射光の強度と測定対象の温度を用いて検量線を参照して測定対象６０の成分を演算する成分演算部２１とを備え、発光素子１５の温度変化に依存して変化した発光波長毎の反射光の強度を用いて検量線を参照して測定対象の成分を演算する。
図９に示すように、前記非破壊分光測定器１は、異なる発光波長を有する複数の測定対象照射用の発光素子１５と、測定対象６０に照射し測定対象内部で拡散反射した発光素子１５からの光の強度を検出する反射光検出素子１７２と、発光素子１５の光の強度を検出する発光強度検出素子１７１と、発光強度検出素子１７１が検出した発光素子１５の発光強度をフィードバックして発光強度を制御する発光制御部２３と、発光素子１５の温度を検出する発光素子温度検出素子１６１と、測定対象の温度を検出する測定対象温度検出素子１６２と、測定対象毎の吸光度と発光素子１５の温度と測定対象の温度を共にパラメータとして作成した検量線（スペクトルデータ）２２と、反射光検出素子１７２が検出した測定対象６０内部で拡散反射された各波長毎の反射光の強度と測定対象の温度を用いて検量線を参照して測定対象６０の成分を演算する成分演算部２１とを備え、発光素子１５の温度変化に依存して変化した発光波長毎の反射光の強度を用いて検量線を参照して測定対象の成分を演算する。
【００１８】
さらに、前記非破壊分光測定器１は、複数の発光素子１５を固定する第１の光案内ブロック１１と、発光素子１５からの光を案内する光案内通路１２１と発光素子温度検出素子１６１を有する第２の光案内ブロック１２と、光案内通路からの光を拡散する光拡散手段１８および光拡散手段からの拡散光を案内する光通路１３１および光通路の光を分岐した光を案内する分岐光通路１３２および光通路の途中に設けた光分岐用ガラス板１９１ならびに発光強度検出素子１７１を有する第３の光案内ブロック１３と、光照射窓１４１を有し反射光検出素子１７２と測定対象温度検出素子１６２を保持する取付手段１４とからなる光学ユニット１０を備えている。
さらに、前記非破壊分光測定器１は、複数の発光素子１５を固定する第１の光案内ブロック１１と、発光素子１５からの光を案内する光案内通路１２１と発光素子温度検出素子１６１を有する第２の光案内ブロック１２と、光案内通路からの光を拡散する光拡散手段１８および光拡散手段からの拡散光を案内する光通路１３１および光通路の光を分岐した光を案内する分岐光通路１３２および光通路の途中に設けた光分岐用ガラス板１９１ならびに発光強度検出素子１７１を有する第３の光案内ブロック１３と、光照射窓１４１を有し反射光検出素子１７２と測定対象温度検出素子１６２を保持する取付手段１４とからなる光学ユニット１０を備えている。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、円周上に該円周の中心に向けて配置した異なる波長の複数の測定対象照射用発光素子と、前記円周の中心に配置した回転ミラーと、前記回転ミラーの反射面の裏側に照射された１つの位置検出用発光素子からの光を受光する位置検出用受光素子とを備えて、回転ミラーの回転と測定対象照射用発光素子の発光とが同期するように制御することで、光の減衰を最小限に抑え、精度向上を達成した。
【課題を解決するための手段】
本発明は、円周上に該円周の中心に向けて配置した異なる波長の複数の測定対象照射用発光素子と、前記円周の中心に配置した回転ミラーと、前記回転ミラーの反射面の裏側に照射された１つの位置検出用発光素子からの光を受光する位置検出用受光素子とを備えて、回転ミラーの回転と測定対象照射用発光素子の発光とが同期するように制御することで、光の減衰を最小限に抑え、精度向上を達成した。
【００２３】
【発明の実施の形態】
本発明にかかる非破壊分光測定器を果実成分測定器に適用した場合の構造を、図１〜図７を用いて説明する。図１は本発明にかかる非破壊分光測定器の全体構成を説明する概念図であり、図２は本発明にかかる非破壊分光測定器の機能構成を説明する機能構成図であり、図３は本発明にかかる非破壊分光測定器の光学ユニットの構成を説明する模式的な断面図（図中Ｄ−Ｄ側は垂直軸での断面，Ｅ−Ｅ側は水平軸での断面を示す）であり、図４は本発明にかかる光学ユニットを構成する光学ブロックの外形を示す図であり（Ａ）左端面図、（Ｂ）は側面図、（Ｃ）は右端面図、図５は図４の断面図であり、図６は取付板の正面図であり、図７は回転ミラー支持部材の形状を説明する図である。
【発明の実施の形態】
本発明にかかる非破壊分光測定器を果実成分測定器に適用した場合の構造を、図１〜図７を用いて説明する。図１は本発明にかかる非破壊分光測定器の全体構成を説明する概念図であり、図２は本発明にかかる非破壊分光測定器の機能構成を説明する機能構成図であり、図３は本発明にかかる非破壊分光測定器の光学ユニットの構成を説明する模式的な断面図（図中Ｄ−Ｄ側は垂直軸での断面，Ｅ−Ｅ側は水平軸での断面を示す）であり、図４は本発明にかかる光学ユニットを構成する光学ブロックの外形を示す図であり（Ａ）左端面図、（Ｂ）は側面図、（Ｃ）は右端面図、図５は図４の断面図であり、図６は取付板の正面図であり、図７は回転ミラー支持部材の形状を説明する図である。
【００３１】
図２、図３に示すように、非破壊分光測定器１は、円周上に配置され該円周の中心に向けて配置された異なる発光波長を有する複数、例えば５個の測定対象照射用発光素子１５３と、測定対象６０に照射され測定対象内部で拡散反射した発光素子１５３からの光の強度を検出する反射光検出素子１７２と、発光素子１５３の光の強度を検出する発光強度検出素子１７１と、発光強度検出素子１７１が検出した発光素子１５３の発光強度をフィードバックして発光強度を制御する発光制御部２３と、発光素子１５３の温度を検出する発光素子温度検出素子１６１と、測定対象の温度を検出する測定対象温度検出素子１６２と、測定対象毎の吸光度と発光素子１５３の温度と測定対象の温度を共にパラメータとして作成した検量線２２と、反射光検出素子１７２が検出した測定対象内部で拡散反射された各波長毎の反射光の強度と測定対象の温度を用いて検量線を参照して測定対象の成分を演算する成分演算部２１と、受光素子１５６で位置検出用発光素子１５５からの乱反射光を受光したことによって、駆動ユニットの原点を算出し以降の駆動ユニットの回転を制御する回転制御部２４とを備え、発光素子の温度変化に依存して変化した発光波長毎の反射光の強度を用いて検量線を参照して測定対象の成分を演算する。
図２、図３に示すように、非破壊分光測定器１は、円周上に配置され該円周の中心に向けて配置された異なる発光波長を有する複数、例えば５個の測定対象照射用発光素子１５３と、測定対象６０に照射され測定対象内部で拡散反射した発光素子１５３からの光の強度を検出する反射光検出素子１７２と、発光素子１５３の光の強度を検出する発光強度検出素子１７１と、発光強度検出素子１７１が検出した発光素子１５３の発光強度をフィードバックして発光強度を制御する発光制御部２３と、発光素子１５３の温度を検出する発光素子温度検出素子１６１と、測定対象の温度を検出する測定対象温度検出素子１６２と、測定対象毎の吸光度と発光素子１５３の温度と測定対象の温度を共にパラメータとして作成した検量線２２と、反射光検出素子１７２が検出した測定対象内部で拡散反射された各波長毎の反射光の強度と測定対象の温度を用いて検量線を参照して測定対象の成分を演算する成分演算部２１と、受光素子１５６で位置検出用発光素子１５５からの乱反射光を受光したことによって、駆動ユニットの原点を算出し以降の駆動ユニットの回転を制御する回転制御部２４とを備え、発光素子の温度変化に依存して変化した発光波長毎の反射光の強度を用いて検量線を参照して測定対象の成分を演算する。
【００３４】
さらに、本発明の光学ブロック１３には、位置検出用発光素子１５５が発光素子取付穴１３７に、位置検出用受光素子１５６が受光素子取付穴１３８に、発光素子温度検出素子１６１が温度検出素子取付穴１３９に取り付けられている。位置検出用発光素子１５５と位置検出用受光素子１５６は、回転ミラー部７０の回転軸と同じ方向に互いに近接して並べられている。
さらに、本発明の光学ブロック１３には、位置検出用発光素子１５５が発光素子取付穴１３７に、位置検出用受光素子１５６が受光素子取付穴１３８に、発光素子温度検出素子１６１が温度検出素子取付穴１３９に取り付けられている。位置検出用発光素子１５５と位置検出用受光素子１５６は、回転ミラー部７０の回転軸と同じ方向に互いに近接して並べられている。
【００５２】
回転ミラー部７０の回転ミラー支持部材７３の構造を、図７を用いて説明する。図７において、（Ａ）は上面図、（Ｂ）は側面図、（Ｃ）は底面図、（Ｄ）は右端面図、（Ｅ）は左端面図である。回転ミラー支持部材７３は、中心に貫通孔７３４を有する円筒の先端を斜め４５度に切り落とした形状に構成される。先端に形成された斜面には、鏡７１を固定支持するミラー支持面７３２が形成され、ミラー支持面７３２の上下両端にはミラー支持爪７３３が形成される。さらに、回転ミラー支持部材７３には、ミラー支持面７３２の裏側にスリット７３１が設けられている。
回転ミラー部７０の回転ミラー支持部材７３の構造を、図７を用いて説明する。図７において、（Ａ）は上面図、（Ｂ）は側面図、（Ｃ）は底面図、（Ｄ）は右端面図、（Ｅ）は左端面図である。回転ミラー支持部材７３は、中心に貫通孔７３４を有する円筒の先端を斜め４５度に切り落とした形状に構成される。先端に形成された斜面には、鏡７１を固定支持するミラー支持面７３２が形成され、ミラー支持面７３２の上下両端にはミラー支持爪７３３が形成される。さらに、回転ミラー支持部材７３には、ミラー支持面７３２の裏側にスリット７３１が設けられている。
【００５３】
貫通穴７３４に図の左側からステッピングモータの回転軸８２が挿入され、ネジ穴７３５に螺入された３本のビスによって回転ミラー支持部材７３が回転軸８２に固定される。
貫通穴７３４に図の左側からステッピングモータの回転軸８２が挿入され、ネジ穴７３５に螺入された３本のビスによって回転ミラー支持部材７３が回転軸８２に固定される。
【００５８】
測定対象である果実に照射された光は、果実の内部で、拡散反射を繰り返し、その一部が、反射光検出素子１７２により検出される。ただし、光照射窓１４１から果実に照射された光のうち果実表面からの直接反射光は、緩衝兼遮光用クッション５１によって遮光され、反射光検出素子１７２では検出されない。
測定対象である果実に照射された光は、果実の内部で、拡散反射を繰り返し、その一部が、反射光検出素子１７２により検出される。ただし、光照射窓１４１から果実に照射された光のうち果実表面からの直接反射光は、緩衝兼遮光用クッション５１によって遮光され、反射光検出素子１７２では検出されない。
Claims (2)
- 円周上に円周の中心に向けて配置された位置検出用発光手段および異なる発光波長を有する複数の発光手段と、円周の中心に位置し発光手段からの光を測定対象に向けて反射する鏡と、測定対象に照射し測定対象内部で拡散反射した発光手段からの光の強度を検出する反射光検出手段とを有し、異なる波長の吸光度から測定対象の成分の大きさを測定する非破壊分光測定器において、
前記鏡が、ステッピングモータによって駆動される回転体に取り付けられ、
回転体には発光手段からの光が入射する面と反対側にスリットを設け、
位置検出用発光手段に近接して位置検出用受光素子を設け、
回転体のスリットから回転体内部空間に導入された位置検出用発光素子からの光が内部空間で乱反射してスリットを経由して位置検出用受光素子に到達したことを検出して回転体の原点を決定し、異なる発光波長を有する複数の発光素子を順次発光させることを特徴とする非破壊分光測定器。 - 測定環境の温度や測定対象の温度について様々な条件下で測定したデータをもとに作成した検量線を用いて、使用時の温度に関する測定条件の違いによる誤差を軽減したことを特徴とする請求項１に記載の非破壊分光測定器。
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