JP2009098033A - 果菜類の糖度測定装置及び糖度測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成によって果菜類の糖度を非接触かつ非破壊で高精度に測定することができる装置とそれを用いた糖度測定方法を提供する。
【解決手段】果菜類の糖度測定装置１ａは、筺体２の載置部２ａに置いた略球形の果菜類１３に対して、放射口３ａを果菜中心Ｐに向けて筺体２の壁面内部に埋設される発光部３を用いて近赤外光ａ１を照射し、発光部３とで果菜中心Ｐを挟む位置の２箇所に設置される光センサ４，４によって果菜類１３の内部で散乱した透過近赤外光ａ２の光強度を検出し、その検出結果に基づいて果菜類１３の糖度を算出する構成となっている。
【選択図】図１

Description

本発明は、ミカン、桃、イチゴなどの果実あるいはトマトなどの野菜の糖度を測定する装置に係り、特に、簡単な構成でありながら糖度を非接触かつ非破壊で高精度に測定し、等級類別することができる果菜類の糖度測定装置とそれを用いた糖度測定方法に関する。

果実や野菜（以下、果菜類という。）の糖度を測定する際に、近赤外光などを照射してその反射光や透過光に基づいて糖度を測定する方法が知られている。このような方法によれば、果菜類の形状を変化させないため、商品価値が低下するおそれがない。また、測定に要する時間が短いことから、全数検査に適している。そのため、果菜類の一部を切り取って糖度を測定する従来の方法に代わるものとして、近年、このように非破壊で糖度を測定する方法の研究や開発が盛んに行われており、それに関して既にいくつかの発明や考案が開示されている。

例えば、特許文献１には、「糖度計」という名称で、果実に照射した光の偏光面が糖度の影響によって旋光する現象を利用して果実の糖度を測定する装置に関する発明が開示されている。
特許文献１に開示された発明は、果実を透過した光の旋光角を測定する旋光角測定部と、果実の直径を測定する実長測定部を備えており、果実の旋光角及び直径の測定値に基づいて糖度を推定するという構成になっている。
このような糖度計によれば、収穫前の着果状態において果実の糖度を推定することが可能である。従って、糖度が不十分な場合には収穫を遅らせるなどして糖度の増加を待つことができる。

次に、特許文献２には、「果実の糖酸度非破壊計測法および装置」という名称で、近赤外光の透過・散乱を利用してミカンの糖度と酸度を簡便、かつ正確に計測する方法に関する発明が本願の出願人らによって開示されている。
特許文献２に開示された発明は、波長の異なる４種類の近赤外光をミカンに照射し、各波長の光強度を測定するとともに、そのうちの任意の２波長を選んでそれぞれ組にし、この２組について各々光強度比を求めるというものである。
このような方法によれば、予め糖度及び酸度が既知のミカンについて前述の２組の光強度比を求めておき、これらのデータと、糖度及び酸度が未知のミカンについて求めた光強度比のデータとを対比することで、糖度及び酸度が算出される。従って、複雑な計算をせずとも、果実の糖度及び酸度を迅速に一括で計測することができる。

さらに、特許文献３には、「果実糖度測定方法及び果実糖度計」という名称で、受光器の測定レンジを広く設定せずとも、厚皮の果実の糖度を簡単な構成で測定することができる果実糖度計に関する発明が開示されている。
特許文献３に開示された発明は、果実の周囲に放射状に配置した複数の白色光源と複数のレーザ光源を用いて、メロン等の厚皮の果実に白色光を照射すると共に果実を透過し難く、かつ測定に必要な波長のレーザ光を照射し、果実内で散乱した透過光のスペクトルを波長毎に変換して得られた電気信号に基づいて果実の糖度を演算処理するものである。
このような構造の装置においては、果実を透過し難く、かつ測定に必要な波長の光がレーザ光源からの光によって補われるという作用を有する。また、果実の周囲に放射状に配置された照明系によって光が果実に八方から照射されるため、果実の大きさや位置による測定誤差が低減されるという作用を有する。これにより、測定精度を向上させることができる。

特開２００４−３２５１４４号公報 特開２００２−２２６５７号公報 特開平１１−４４６３８号公報

しかしながら、上述の従来技術である特許文献１に開示された発明においては、装置の測定精度が果実を透過した光の旋光角が糖度の違いによって変化する割合（１万分の１乃至１０万分の１以下のオーダー）に依存する。従って、測定精度を高めるには果実を透過した光の旋光角を高い精度で検出しなければならず、装置の構造が複雑化し、製造コストが高くなるという課題があった。

特許文献２に開示された発明では、糖度及び酸度に応じて近赤外光が果実に吸収される比率が変化するという原理を利用しており、その測定精度は糖度や酸度の影響を受けて近赤外光の吸収比率が変化する割合（１万分の１乃至１０万分の１以下のオーダー）に依存している。従って、特許文献２に開示された発明においては、近赤外光の強度を高精度で検出できる分光器や測定電子回路を装置に組み込む必要がある。

特許文献３に開示された発明では、果実の周囲に複数の白色光源とレーザ光源を配置する必要があるため、装置が大型化し、構造が複雑化するという課題があった。

本発明はかかる従来の事情に対処してなされたものであり、簡単な構成によって果菜類の糖度を非接触かつ非破壊で高精度に測定することができる装置とそれを用いた糖度測定方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１記載の発明である果菜類の糖度測定装置は、略球形の果菜類に近赤外光を照射する発光部と、この発光部とで果菜類の中心（以下、果菜中心という。）を挟む位置に設置されて果菜類の内部で散乱した後に果菜類を透過した近赤外光の光強度を検出する光センサと、近赤外光が放射される発光部の放射口と果菜中心とを通る光軸に沿った光強度の勾配と果菜類の糖度との関係式を記憶するメモリ部と、光センサによる検出結果から光軸に沿った光強度の勾配を求めるとともにメモリ部に記憶されている関係式に基づいて果菜類の糖度を算出する演算部とを備え、発光部は放射口を果菜中心に向けて設置されることを特徴とするものである。
このような構造の果菜類の糖度測定装置においては、発光部の放射口から放射された近赤外光が光軸に沿って果菜類の内部を進行し、果菜中心に達するという作用を有する。また、メモリ部は、測定対象物と同一種類の果菜類について予め求めておいた透過近赤外光の光強度の光軸方向の勾配と屈折率との関係式及び果菜類の屈折率と糖度との関係式を記憶し、演算部はこれらの関係式に基づいて光センサの検出結果から果菜類の屈折率及び糖度を算出するという作用を有する。

また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の果菜類の糖度測定装置において、光センサは光軸に沿って所望の間隔をあけて少なくとも２箇所以上設置されることを特徴とするものである。
このような構造の果菜類の糖度測定装置においては、果菜類を透過した近赤外光の光強度の光軸方向に沿った勾配が請求項１記載の発明の場合よりもさらに容易に算出されるという作用を有する。

請求項３記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の果菜類の糖度測定装置において、光センサは、発光部とで果菜中心を挟む位置に設置される代わりに、発光部と果菜中心の中間位置に設置されることを特徴とするものである。
このような構造の果菜類の糖度測定装置においては、発光部の放射口から放射され光軸に沿って果菜類の内部を進行し、果菜中心の近傍で後方に向かって散乱した後、果菜類から出射される透過近赤外光が光センサによって検出され、この検出結果から演算部が果菜類の屈折率及び糖度を算出するという作用を有する。

請求項４記載の発明である果菜類の糖度測定方法は、略球形の果菜類に近赤外光を照射する工程と、果菜中心の前方に出射される近赤外光の光強度を検出する工程と、果菜類に対する近赤外光の入射点と果菜中心を通る光軸に沿った光強度の勾配を算出する工程と、算出された光軸に沿った光強度の勾配に基づいて果菜類の糖度を算出する工程とを備えることを特徴とするものである。
このような果菜類の糖度測定方法においては、予め測定対象物と同一種類の複数の果菜類について透過近赤外光の光強度の光軸に沿った勾配と屈折率との関係及び屈折率と糖度との関係を求めておくことにより、透過近赤外光の光強度の測定結果から測定対象物の糖度が算出されるという作用を有する。

請求項５記載の発明は、請求項４記載の果菜類の糖度測定方法において、果菜中心の前方に出射される近赤外光の光強度を検出する工程に代えて、果菜中心の後方に出射される近赤外光の光強度を検出する工程を備えることを特徴とするものである。
このような果菜類の糖度測定方法によれば、果菜類を透過した近赤外光を果菜中心の前方で検出するよりも後方で検出する方が有利な場合であっても請求項４記載の発明と同様の作用を有する。

以上説明したように、本発明の請求項１記載の果菜類の糖度測定装置においては、従来技術のような複雑な回路を用いることなく、近赤外光の光強度を高精度に検出することが可能である。また、果菜類の内部で散乱した近赤外光の光強度を光軸方向についてのみ測定すれば良いため、近赤外光の検出手段を簡単な構造とすることができる。従って、装置の小型化及び軽量化が可能である。これにより、持ち運びが容易になる。また、製造コストを安くすることが可能である。

本発明の請求項２記載の果菜類の糖度測定装置においては、果菜類の内部で散乱した近赤外光の光強度の検出手段を請求項１記載の発明の場合よりもさらに簡単な構造とすることが可能である。

本発明の請求項３記載の果菜類の糖度測定装置においては、果菜中心が発光部と光センサの間に位置するように果菜類をセットする必要がないため、請求項１又は請求項２に記載の発明よりも小型化することが可能である。

本発明の請求項４記載の果菜類の糖度測定方法によれば、果菜類の糖度を高い精度で容易に算出することが可能である。

本発明の請求項５記載の果菜類の糖度測定方法によれば、請求項４記載の発明の場合よりも、さらに大きなサイズの果菜類について糖度の測定を行うことができる。

本発明の最良の実施の形態に係る果菜類の糖度測定装置とそれを用いた糖度測定方法の実施例について図１乃至図７を用いて説明する。

本実施例における果菜類の糖度測定装置について図１乃至図３を用いて説明する（特に請求項１及び請求項２に対応）。
図１（ａ）は本発明の実施の形態に係る果菜類の糖度測定装置の実施例１の光学系の構成を示す平面図であり、（ｂ）は同図(ａ)のＡ方向矢視図である。
図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、本実施例の果菜類の糖度測定装置１ａは、略直方体の筺体２の一角を切り欠いて形成した載置部２ａに、例えばミカンなどの略球形の果菜類１３を置いた後、発光部３から近赤外光を照射して、その内部で散乱させるとともに、果菜類１３を透過した近赤外光（以下、特に透過近赤外光という。）の光強度を表皮１３ｂの近傍において光センサ４によって検出し、その検出結果に基づいて果菜類１３の糖度を算出するものである。
発光部３は９００ｎｍ〜１．３μｍの波長の近赤外光を放射可能な近赤外光ダイオードレーザであり、放射口３ａを果菜中心Ｐに向けて筺体２の壁面内部に埋設されている。光センサ４，４は検出した近赤外光の光強度に比例した大きさの電気信号を発生するように構成されており、発光部３とで果菜中心Ｐを挟む位置であって載置部２ａの下方に透過近赤外光の入射口４ｂを上方に向けた状態で埋設されている。そして、その中心軸４ａ，４ａは果菜類１３の中心軸１３ａと平行をなし、発光部３の放射口３ａ及び果菜中心Ｐを通る直線（以下、光軸３ｂという。）と交差している。なお、本願において、発光部３と光センサ４，４で果菜中心Ｐを挟むとは、発光部３から果菜中心Ｐを結ぶ直線上に光センサ４，４が存在するという場合のみを表現するのではなく、発光部３から果菜中心Ｐを結ぶ直線を、右向きの座標（右に進むにつれて座標値が大きくなる座標）を与える軸として考えるならば、光センサ４，４が図１（ｂ）において果菜中心Ｐよりも右側に存在し、光センサ４，４の座標値が、果菜中心Ｐの座標値よりも大きいことをも意味するものである。
また、光センサ４，４及び中心軸３ａは同一平面を形成しており、光センサ４，４と光軸３ｂとの交点の間の距離はＬとなっている。すなわち、光センサ４，４は、発光部３から放射された近赤外光の進行方向に見て果菜中心Ｐの前側下方に、光軸３ｂに沿って距離Ｌの間隔をあけて設置されている。さらに、筺体２の底面の４隅にはゴム製の脚部５がそれぞれ取り付けられている。
このような構造の果菜類の糖度測定装置１ａにおいては、発光部３の放射口３ａから放射された近赤外光は光軸３ｂに沿って進行し、果菜中心Ｐに達するという作用を有する。また、２つの光センサ４，４は、果菜中心Ｐの近傍において前方に向かって散乱した後、果菜類１３を透過した透過近赤外光について光軸３ｂ上で距離Ｌを隔てた２点における光強度を検出するという作用を有する。これにより、光軸３ｂの方向について光強度の勾配が容易に算出される。なお、発光部３及び光センサ４，４は筺体２に埋設されているため、発光部３から照射された近赤外光が光センサ４，４によって直接検出されるというおそれがない。

図２は実施例１の果菜類の糖度測定装置のシステム構成を示すブロック図である。なお、図１に示した構成要素については、同一の符号を付してその説明を省略する。
図２に示すように、発光部３は制御部６に接続されており、制御部６から送られた指令信号ｂ１を受け取ると、果菜類１３に対して近赤外光ａ１を照射する。果菜類１３に照射された近赤外光ａ１はその内部で散乱した後、透過近赤外光ａ２として光センサ４，４によって検出される。制御部６に接続された光センサ４，４は制御部６から送られる指令信号ｂ２に従って作動し、検出した透過近赤外光ａ２の光強度に比例した大きさの電気信号ｃ１，ｃ２を発生する。そして、電気信号ｃ１，ｃ２は増幅器７によって増幅された後、透過近赤外光ａ２の光強度を示すデータ信号ｄ１，ｄ２として演算部８に送られる。このように、光センサ４，４と増幅器７は透過近赤外光ａ２の光強度を検出する検出部９を構成している。
制御部６には入力部１２が接続されている。入力部１２は測定対象となる果菜類１３の種類、大きさ、重さ、透過近赤外光ａ２の光強度の勾配と果菜類１３の屈折率との関係式及び果菜類１３の屈折率と糖度との関係式などのデータを入力するためのものである。なお、これらのデータは制御部６を経由してメモリ部１０に送られた後、データ信号ｄ４，ｄ５として記憶される。
制御部６に接続された演算部８は制御部６からの指令信号ｂ３に従って、透過近赤外光ａ２の光強度のデータ信号ｄ１，ｄ２から光軸３ｂの方向について光強度の勾配を算出する。さらに、演算部８は、制御部６を経由してメモリ部１０から送られたデータ信号ｄ４，ｄ５に基づいて前述の光強度の勾配の測定結果から果菜類１３の屈折率及び糖度を算出する。このようにして、演算部８で算出された糖度のデータ信号ｄ３は制御部６を経由してメモリ部１０及び表示部１１にそれぞれ送られる。そして、メモリ部１０は制御部６からの指令信号ｂ４に従って果菜類１３の糖度のデータ信号ｄ３を記憶し、表示部１１は制御部６から送られる指令信号ｂ５に従って果菜類１３の糖度のデータ信号ｄ３を表示する。

以上説明したように、本実施例の果菜類の糖度測定装置１ａにおいては、２つの光センサ４によって透過近赤外光ａ２の光強度を検出する構成となっていることから、近赤外光を検出するために複雑な回路を必要とする従来の装置に比べて構造が簡単である。従って、装置の小型化及び軽量化が可能である。これにより、持ち運びが容易になる。また、安価に製造することができる。さらに、本実施例の果菜類の糖度測定装置１ａにおいては、透過近赤外光ａ２の光強度を光軸３ｂに沿った２点において検出し、その勾配を求めるように構成されていることから、糖度の影響を受けて変化する近赤外光の吸収比率の割合を求める従来の装置に比べて格段に高い精度で果菜類の糖度を算出することが可能である。

なお、本願発明の果菜類の糖度測定装置は本実施例に示すものに限定されるものではない。例えば、光センサ４の設置個数は２個に限らず、適宜変更可能である。すなわち、光軸３ｂに沿って３個以上設置しても良い。また、１個の光センサ４を光軸３ｂに沿って移動可能に設置した構造とすることもできる。さらに、果菜類１３に照射する光線は近赤外光ａ１に限らず、白色光であっても良い。また、光センサ４の代わりにＣＣＤカメラと画像処理手段を設置し、近赤外光ａ１が照射された果菜類１３の画像をＣＣＤカメラで取り込むとともに画像処理を行って、透過近赤外光ａ２の光強度の光軸３ｂに沿った勾配を求める構成とすることもできる。さらに、本願発明の果菜類の糖度測定装置によって測定可能な果菜類１３はミカンに限定されるものではない。すなわち、略球形をなすものであれば良く、例えば、トマトやリンゴや桃やスイカ等であっても良い。また、光センサ４，４は果菜類１３の中心軸１３ａと必ずしも平行でなくとも良く、また、光センサ４，４の中心軸４ａ，４ａも互いに平行でなくとも良い。ただし、その場合には、光センサ４，４のそれぞれの中心軸４ａ，４ａと果菜類１３の中心軸１３ａは同一平面上に存在することが望ましい。なお、光センサ４の中心軸４ａと果菜類１３の中心軸１３ａが同一平面上に存在する場合であっても、それらが平行でない場合には、後述する光センサ４によって検出される透過近赤外光ａ２の光強度を表す式に、光センサ４の中心軸４ａと果菜類１３の中心軸１３ａとのなす角度を含める必要があるため、測定誤差が大きくなったり、上記の式の近似精度が低下したりするおそれがある。

次に、本実施例の糖度測定装置１ａを用いて果菜類の糖度を測定する方法について説明する（特に、請求項４に対応）。まず、図３を用いて略球形の果菜類の内部を透過する光線の光強度について説明する。
図３（ａ）は略球形の果菜類１３に照射された光線が果菜中心Ｐの近傍において前方に向かって散乱する様子を示した模式図であり、（ｂ）は光軸３ｂに沿った果菜中心Ｐからの距離と光センサ４による光強度の検出値との関係を示す図である。なお、図１又は図２に示した構成要素については、同一の符号を付してその説明を省略する。
図３（ａ）に示すように、半径ａの略球形をなす果菜類１３に対して発光部３から照射された光線が入射点Ｓから散乱点Ａに達した後、前方に向かって散乱し、さらに出射点Ｂにおいて屈折する場合を考える。なお、散乱点Ａは光軸３ｂ上で果菜中心Ｐと入射点Ｓの間に位置しており、また、出射点Ｂから果菜類１３の外部に出射される光線の光強度は光センサ４によって検出されるものとする。
いま、果菜類１３の内部を進行する光線について光軸３ｂ方向の減衰定数をλとし、入射点Ｓにおける光線の光強度をＩ_０とおくと、減衰しながら散乱点Ａに達した光線の光強度Ｉ_ｘは光軸３ｂに沿った入射点Ｓからの距離ｘを用いて次のように表される。

さらに、散乱点Ａにおいて光軸３ｂと角度θをなすように散乱した後、減衰しながら出射点Ｂに達した光線の光強度Ｉ_ψは次式で表される。

なお、出射点Ｂに達した光線の大部分が果菜中心Ｐ点において散乱したものであると仮定すると、散乱点Ａから出射点Ｂまでの距離は半径ａと等しくなるため、式（２）は次のように表される。

ここで、空気に対する果菜類１３の屈折率をｎとおくと、出射点Ｂにおける入射角ψと透過角φとの間には次の関係が成り立つ。

そして、図３（ａ）に示される三角形ＰＡＢに着目すると、ｓｉｎψとｓｉｎθと間には次の関係が成り立つことがわかる。

さらに、出射点Ｂから出射される光線は、光センサ４の中心軸４ａと角度（φ＋β）をなすことから、光センサ４によって検出される上記光線の光強度Ｉは次式のように表される。

なお、光センサ４の中心軸４ａが出射点Ｂにおける法線１４ａとなす角度βは、｛π／２−（θ＋ψ）｝と表せることから、次式が成り立つ。

式（７）及び三角関数の加法定理を用いると、式（６）は次のように表される。

さらに、光センサ４によって検出される光線が主として果菜中心Ｐ付近の散乱光であると仮定すると、入射角ψが０となることから、式（８）は次のように表される。

また、ｙがａcosθと表されること及び三角関数の加法定理を用いると、式（９）は次のように表される。

ここで、出射点Ｂから出射される光線が法線１４ａと略平行をなすものと仮定すると、透過角φは０となり、cosφは１となる。また、出射点Ｂから出射される光線のほぼ全てが果菜中心Ｐにおける散乱光であると仮定すると、角度θは定数となり、式（１０）で表される光強度Ｉは変数ｘの関数となる。式（１０）について、このような近似を行うとともに、（ａ−Δ）＜ｘ＜（ａ＋Δ）と表される果菜中心Ｐの近傍において、散乱光の積分値を求めると、光センサ４によって検出される光線の光強度Ｉは次のように表される。

図３（ｂ）に示すように、式（１１）は上に凸の二次曲線となる。既に述べたように、式（１１）を導出するに際して、光センサ４によって検出される光線が主として果菜中心Ｐ付近の散乱光であると仮定し、入射角ψを０として扱っていることから、ｙの値が小さくなるにつれて式（１１）による光強度Ｉについての近似の精度が低下する。また、極大点１６の近傍ではｙに対する光強度Ｉの変化率が小さいため、測定誤差の影響を受け易い。従って、本実施例においては、図３（ｂ）に実線で示すように、ｙの増加に伴って光強度Ｉが単調減少する領域１５ａに対してのみ式（１１）を適用する。なお、領域１５ａにおいて式（１１）は次のような１次式で近似される。

図１を用いて既に説明したように、本実施例の果菜類１３の糖度測定装置１ａによれば、光センサ４，４によって光軸３ｂの方向に距離Ｌだけ離れた２点における透過近赤外光ａ２の光強度Ｉを検出することができる。いま、２つの光センサ４，４のｙの値を果菜中心Ｐに近い側からそれぞれＬ_１及びＬ_２（＝Ｌ_１＋Ｌ）とし、光センサ４，４による透過近赤外光ａ２の光強度Ｉの検出値をそれぞれＩ_１及びＩ_２とおくと、式（１２）より光強度Ｉ_１及び光強度Ｉ_２は、それぞれ次のように表される。なお、糖度とは本来、ショ糖液１００グラム中に含まれるショ糖のグラム数を意味するものであるが、本願明細書においては糖度を屈折式糖度計の読み取り値の意味で用いるものとする。

さらに、式（１３）から式（１４）を引き、両辺をＬで割ると、次式を得る。

式（１５）の左辺は光センサ４によって検出される透過近赤外光ａ２の光強度Ｉの光軸３ｂ方向の勾配を示している。また、式（１５）の右辺のＫ_２は、測定対象である果菜類１３の直径の関数である。従って、直径が等しく屈折率ｎが異なる同一種類の複数の果菜類１３について予め透過近赤外光ａ２の光強度Ｉを測定して、その勾配と屈折率ｎとの関係を求めておけば、これと同一種類の果菜類１３について屈折率ｎが未知の場合であっても透過近赤外光ａ２の光強度Ｉの測定値に基づいて屈折率ｎを算出することができる。

なお、果菜類１３の屈折率ｎは糖度の増加に伴って増加する傾向にあり、特に、果菜類１３が商品価値を有するために必要な糖度の範囲においては、果菜類１３の屈折率ｎは糖度にほぼ比例することが知られている。従って、糖度をＤ_ｓとおくと、屈折率ｎは以下のように表される。

そして、式（１６）を式（１５）に代入し、２Ｋ_３Ｋ_３をＫ_４とおくと、次式を得る。

本実施例の果菜類の糖度測定方法によれば、測定対象物と同一サイズで同一種類の果菜類１３について式（１７）の定数Ｋ_４の値を予め求めておき、さらに測定対象物の内部で散乱した透過近赤外光ａ２の光強度を光軸３ｂに沿った２点について検出して、その勾配を求めることで糖度Ｄ_ｓが容易に算出される。なお、光軸３ｂに沿った２点における透過近赤外光ａ２の光強度の勾配は、糖度の影響を受けて変化する近赤外光の吸収比率の割合に比べて格段に高い精度で検出することが可能である。従って、本実施例の糖度測定方法によれば、果菜類の糖度を従来方法に比べて高い精度で求めることができる。

実施例２の果菜類の糖度測定装置について図４を用いて説明する（特に請求項３に対応）。
図４（ａ）は本発明の実施の形態に係る果菜類の糖度測定装置の実施例２の光学系の構成を示す平面図であり、（ｂ）は同図(ａ)のＢ方向矢視図である。
図４（ａ）及び（ｂ）に示すように、本実施例の糖度測定装置１ｂは実施例１の糖度測定装置１ａにおいて、光センサ４，４を発光部３とで果菜中心Ｐを挟む位置に設置する代わりに発光部３と果菜中心Ｐの中間位置であって載置部２ａの下方に設置したことを特徴とする。また、先の場合と同様に、発光部３と果菜中心Ｐで光センサ４，４を挟むとは、発光部３から果菜中心Ｐを結ぶ直線上に光センサ４，４が存在するという場合のみを表現するのではなく、発光部３から果菜中心Ｐを結ぶ直線を、右向きの座標（右に進むにつれて座標値が大きくなる座標）を与える軸として考えるならば、光センサ４，４が図４（ｂ）において果菜中心Ｐよりも左側に存在し、光センサ４，４の座標値が、果菜中心Ｐの座標値よりも小さいことをも意味するものである。
すなわち、光センサ４，４は、発光部３から放射された近赤外光ａ１の進行方向に見て果菜中心Ｐの後側下方に、光軸３ｂに沿って距離Ｌの間隔をあけて設置されている。なお、上述の「中間位置」は中央の意味ではなく、発光部３と果菜中心Ｐとの間を意味している。従って、光センサ４，４が発光部３又は果菜中心Ｐのいずれか一方の近傍に設置される場合も含まれる。
このような構造の果菜類の糖度測定装置１ｂにおいては、発光部３の放射口３ａから放射され、光軸３ｂに沿って進行して果菜中心Ｐの近傍において後方に向かって散乱した透過近赤外光ａ２について光軸３ｂ上で距離Ｌを隔てた２点における光強度が、２つの光センサ４，４によって検出されるという作用を有する。すなわち、本実施例の果菜類の糖度測定装置１ｂにおいては、果菜類１３の内部で散乱した後、果菜中心Ｐよりも後方の表皮１３ｂから外部へと出射される透過近赤外光ａ２について、光強度の勾配が容易に算出されるという作用を有する。なお、実施例１の糖度測定装置１ａでは、果菜類１３を載置部２ａにセットした際に、果菜中心Ｐが光センサ４と発光部３との間になければならないが、本実施例の糖度測定装置１ｂにおいては、果菜中心Ｐが発光部３と光センサ４の間にある必要はない。従って、本実施例の糖度測定装置１ｂでは、実施例１の糖度測定装置１ａよりも小型化することが可能である。

次に、本実施例の糖度測定装置１ｂを用いて果菜類の糖度を測定する方法について説明する（特に、請求項５に対応）。まず、図５を用いて略球形の果菜類の内部を透過する光線の光強度について説明する。
図５（ａ）は略球形の果菜類１３に照射された光線が果菜中心Ｐの近傍において後方に向かって散乱する様子を示した模式図であり、（ｂ）は光軸３ｂに沿った果菜中心Ｐからの距離と光センサ４による光強度の検出値との関係を示す図である。なお、図１乃至図４に示した構成要素については、同一の符号を付してその説明を省略する。
図５（ａ）に示すように、半径ａの略球形をなす果菜類１３に対して発光部３から照射された光線が入射点Ｓから散乱点Ａに達した後、後方に向かって散乱し、さらに出射点Ｂにおいて屈折した場合、果菜類１３の内部を進行する光線の光軸３ｂ方向の減衰定数をλとし、入射点Ｓにおける光線の光強度をＩ_０とし、光軸３ｂに沿った入射点Ｓからの距離をｘとおくと、減衰しながら散乱点Ａに達した光線の光強度Ｉ_ｘは図３（ａ）の場合と同様に式（１）で表される。なお、散乱点Ａは光軸３ｂ上で果菜中心Ｐと入射点Ｓの間に位置しており、出射点Ｂから果菜類１３の外部に出射される光線の光強度は光センサ４によって検出されるものとする。

そして、散乱点Ａにおいて光軸３ｂと角度θをなすように散乱した後、減衰しながら出射点Ｂに達した光線の光強度Ｉ_ψは図３（ａ）の場合と同様に式（２）で表される。また、出射点Ｂに達した光線の大部分が果菜中心Ｐ点において散乱したものであると仮定すると、散乱点Ａから出射点Ｂまでの距離は半径ａと等しくなるため、式（２）は式（３）のように変形することができる。さらに、空気に対する果菜類１３の屈折率をｎとおくと、出射点Ｂにおける入射角ψと透過角φとの関係は図３（ａ）の場合と同様に式（４）で表される。

ここで、図５（ａ）より、ｓｉｎψとｓｉｎθと間には図３（ａ）の場合と同様に式（５）で表される関係が成り立つ。また、出射点Ｂから出射される光線は、光センサ４の中心軸４ａと角度（φ−β）をなすことから、光センサ４によって検出される上記光線の光強度Ｉは次のように表される。

さらに、光センサ４の中心軸４ａが出射点Ｂにおける法線１４ａとなす角度βは、｛π／２−（θ−ψ）｝と表せるため、次式が成り立つ。

式（１９）及び三角関数の加法定理を用いると、式（１８）は次のように表される。

そして、光センサ４によって検出される光線が主として果菜中心Ｐ付近の散乱光であると仮定すると、入射角ψは０となるため、式（２０）は次のように表される。

また、ｙがａcosθにほぼ等しいとするとともに三角関数の加法定理を用いると、式（２１）は次のように変形される。

ここで、出射点Ｂから出射される光線が法線１４ｂと略平行をなすものと仮定すると、透過角φは０となり、cosφは１となる。また、出射点Ｂから出射される光線のほぼ全てが果菜中心Ｐにおける散乱光であると仮定すると、角度θは定数となり、式（２２）で表される光強度Ｉは変数ｘの関数となる。式（２２）について、このような近似を行うとともに、（ａ−Δ）＜ｘ＜（ａ＋Δ）と表される果菜中心Ｐの近傍において、散乱光の積分値を求めると、光センサ４によって検出される光線の光強度Ｉは次のように表される。

図５（ｂ）に示すように、式（２３）は下に凸の二次曲線となる。図３（ａ）の場合と同様に、式（２３）を導出するに際して、光センサ４によって検出される光線が主として果菜中心Ｐ付近の散乱光であると仮定し、入射角ψを０として扱っている。従って、ｙの値が小さい領域では、式（２３）による光強度Ｉについての近似精度が良好でない。従って、本実施例においては、図５（ｂ）に実線で示すように、ｙの増加に伴って光強度Ｉが単調増加する領域１５ｂに対してのみ式（２３）を適用する。なお、領域１５ｂにおいて式（２３）は次のような１次式で近似される。

図４（ａ）及び（ｂ）に示した光センサ４，４のｙの値を果菜中心Ｐに近い側からそれぞれＬ_１及びＬ_２（＝Ｌ_１＋Ｌ）とし、光センサ４，４による透過近赤外光ａ２の光強度Ｉの検出値をそれぞれＩ_１及びＩ_２とおくと、式（２４）より光強度Ｉ_１及び光強度Ｉ_２は、それぞれ次のように表される。

さらに、式（２５）から式（２６）を引き、両辺をＬで割ると、次式を得る。

そして、式（１６）を式（２７）に代入し、２Ｋ_３Ｋ_３をＫ_４とおくと、式（１７）に対応する式として次の式（２８）を得る。

本実施例の果菜類の糖度測定方法においても、測定対象と同一サイズで同一種類の果菜類１３について式（２８）の定数Ｋ_４の値を予め求めておき、さらに測定対象物の内部で散乱した透過近赤外光ａ２の光強度を光軸３ｂに沿った２点について検出して、その勾配を求めることで糖度Ｄ_ｓが容易に算出される。そして、本実施例の糖度測定方法においても、実施例１の場合と同様に果菜類の糖度を従来方法に比べて高い精度で求めることが可能である。

図６はトマトの内部で後方散乱した透過近赤外光ａ２の光強度を光軸３ｂに沿って測定した結果である。横軸は光軸３ｂに沿ったトマトの中心から光センサ４までの距離を表し、縦軸は光センサ４で検出された透過近赤外光ａ２の光強度を表している。縦軸の光強度は相対的な値であるため、無次元となっている。また、この図は図５（ｂ）に対応している。なお、トマトのサンプル数は３で、糖度はそれぞれ３．７、４．１及び４．７であり、直径はすべて等しく、ほぼ５０ｍｍである。
図６に示すように、トマトの中心からの距離が１９．５３ｍｍ及び２４．５ｍｍである２点（Ｌ_１，Ｌ_２）の間においては、光センサ４によって検出される透過近赤外光ａ２の光強度がほぼ単調増加している。すなわち、この部分は図５（ｂ）に示した領域１５ｂに対応している。

Ｌ_１，Ｌ_２において光センサ４によって検出された透過近赤外光ａ２の光強度Ｉ_１，Ｉ_２と、それから算出した（Ｉ_２−Ｉ_１）／Ｌの値を表１に示す。また、図７は（Ｉ_２−Ｉ_１）／Ｌと糖度Ｄ_ｓの関係を示した図である。

表１及び図７から、（Ｉ_２−Ｉ_１）／Ｌと糖度Ｄ_ｓは比例関係にあり、（Ｉ_２−Ｉ_１）／Ｌと糖度Ｄ_ｓの関係が式（２８）で表されることがわかる。この場合、直径が５０ｍｍ程度のトマトについては、本実施例の糖度測定装置１ｂを用いて（Ｉ_２−Ｉ_１）／Ｌの値を求めることで、図７から容易に糖度Ｄ_ｓの値を読み取ることができる。そして、他の大きさのトマトについても、図７と同様のデータを予めとっておくことにより、（Ｉ_２−Ｉ_１）／Ｌの測定値から糖度Ｄ_ｓを容易に求めることができる。もちろん、糖度測定装置１ｂの代わりに、実施例１の糖度測定装置１ａを用いても良い。また、測定対象物は略球形で近赤外光を透過可能なものであれば、トマトに限らず、他の果菜類であっても良い。

以上説明したように、請求項１乃至請求項５に記載された発明は、略球形で近赤外光を透過可能な果菜類について適用可能である。

（ａ）は本発明の実施の形態に係る果菜類の糖度測定装置の実施例１の光学系の構成を示す平面図であり、（ｂ）は同図(ａ)のＡ方向矢視図である。 実施例１の果菜類の糖度測定装置のシステム構成を示すブロック図である。 （ａ）は略球形の果菜類に照射された光線が果菜中心の近傍において前方に向かって散乱する様子を示した模式図であり、（ｂ）は光軸に沿った果菜中心からの距離と光センサによる光強度の検出値との関係を示す図である。 （ａ）は本発明の実施の形態に係る果菜類の糖度測定装置の実施例２の光学系の構成を示す平面図であり、（ｂ）は同図(ａ)のＢ方向矢視図である。 （ａ）は略球形の果菜類に照射された光線が果菜中心の近傍において後方に向かって散乱する様子を示した模式図であり、（ｂ）は光軸に沿った果菜中心からの距離と光センサによる光強度の検出値との関係を示す図である。 トマトの内部で後方散乱した透過近赤外光の光強度を光軸に沿って測定した結果である。 （Ｉ_２−Ｉ_１）／Ｌと糖度Ｄ_ｓの関係を示した図である。

符号の説明

１ａ，１ｂ…糖度測定装置 ２…筺体 ２ａ…載置部 ３…発光部 ３ａ…放射口 ３ｂ…光軸 ４…光センサ ４ａ…中心軸 ４ｂ…入射口 ５…脚部 ６…制御部 ７…増幅器 ８…演算部 ９…検出部 １０…メモリ部 １１…表示部 １２…入力部 １３…果菜類 １３ａ…中心軸 １３ｂ…表皮 １４ａ，１４ｂ…法線 １５ａ，１５ｂ…領域 １６…極大点 ａ１…近赤外光 ａ２…透過近赤外光 ｂ１〜ｂ５…指令信号 ｃ１，ｃ２…電気信号 ｄ１〜ｄ５…データ信号 Ａ…散乱点 Ｂ…出射点 Ｐ…果菜中心 Ｓ…入射点

Claims (5)

1. 略球形の果菜類に近赤外光を照射する発光部と、この発光部とで前記果菜類の中心（以下、果菜中心という。）を挟む位置に設置されて前記果菜類の内部で散乱した後に前記果菜類を透過した前記近赤外光の光強度を検出する光センサと、前記近赤外光が放射される前記発光部の放射口と前記果菜中心とを通る光軸に沿った前記光強度の勾配と前記果菜類の糖度との関係式を記憶するメモリ部と、前記光センサによる検出結果から前記光軸に沿った前記光強度の勾配を求めるとともに前記メモリ部に記憶されている前記関係式に基づいて前記果菜類の糖度を算出する演算部とを備え、前記発光部は前記放射口を前記果菜中心に向けて設置されることを特徴とする果菜類の糖度測定装置。
2. 前記光センサは前記光軸に沿って所望の間隔をあけて少なくとも２箇所以上設置されることを特徴とする請求項１記載の果菜類の糖度測定装置。
3. 前記光センサは、前記発光部とで前記果菜中心を挟む位置に設置される代わりに、前記発光部と前記果菜中心の中間位置に設置されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の果菜類の糖度測定装置。
4. 略球形の果菜類に近赤外光を照射する工程と、果菜中心の前方に出射される前記近赤外光の光強度を検出する工程と、前記果菜類に対する前記近赤外光の入射点と前記果菜中心を通る光軸に沿った前記光強度の勾配を算出する工程と、算出された前記光軸に沿った前記光強度の勾配に基づいて前記果菜類の糖度を算出する工程とを備えることを特徴とする果菜類の糖度測定方法。
5. 前記果菜中心の前方に出射される前記近赤外光の光強度を検出する工程に代えて、前記果菜中心の後方に出射される前記近赤外光の光強度を検出する工程を備えることを特徴とする請求項４記載の果菜類の糖度測定方法。