JP2012021922A - 品質測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】食品等の光の吸収が弱い測定対象物や薄い（光路長の短い）測定対象物の内部品質の測定を高精度に行うことができ、オンライン測定にも対応できる品質測定装置を提供する。
【解決手段】投光手段３が測定対象物Ｗに対して平行光又は平行に近い光を照射するものであり、受光手段４を投光手段３に対向する位置から照射光Ｌ１の光軸と直交する方向へオフセット距離Ｇだけ平行移動させた位置に配置し、このように配置された受光手段４が測定対象物Ｗ内を拡散透過した光Ｌ２を受光可能なように支持手段２にスリット６を形成するとともに、測定対象物Ｗを透過した光が支持手段表面５で反射しないように測定対象物Ｗと支持手段２との間に無反射材７を介在させた。
【選択図】図１

Description

本発明は、食品等の測定対象物の品質を測定する品質測定装置に関わり、更に詳しくは、前記測定対象物の内部品質の測定に好適な品質測定装置に関するものである。

食品の品質測定装置として、近赤外光を出力する光源と、この光源から食品に近赤外光を照射して得られる拡散反射光の拡散反射スペクトルを測定する検出部と、この検出部において測定された食品の拡散反射スペクトルの形状と、この拡散反射スペクトルを解析することにより得られる吸収スペクトルの形状とに基づいて食品の品質を評価する処理部とを有し、食品に近赤外光を照射して得られる拡散反射光を測定した結果に基づいて食品の品質を評価する反射光式品質測定装置がある（例えば、特許文献１及び特許文献２参照。）。
また、青果物の品質測定装置として、光源から被測定物に照射した光の透過光を回折格子で分光し、必要とする波長の分光をラインセンサにより測定し、該測定値を信号処理・制御装置により演算処理及び波形分析するとともに検量線を用いて演算処理する透過光式品質測定装置がある（例えば、特許文献３及び特許文献４参照。）。

特開２００９−１６８７４７号公報 特開２００９−１６８７４８号公報 特開平６−２１３８０４号公報 特開平７−２２９８４０号公報

上記反射光式品質測定装置では、光源から近赤外光を測定対象物に照射した際に、その表面から内部に進入した後に近赤外光が反射するものであるが、拡散反射光が到達できうる範囲内に測定したい内部品質の品質情報がない、あるいはごく少量しか含まれない場合には十分な測定精度が得られない。例えば、拡散反射光が到達しうる食品表層部と、到達できない食品深層部で水分に差があるような食品の一個体全体の水分量を求める場合においては、十分な測定精度が得られない場合がある。
その上、食品の多くは、その表面が均一でなく、大小様々な凸凹がある場合が多く、拡散反射により得られるスペクトルは、表面状態により正反射光と拡散反射光の比率が変動し、その受光強度が変動する。また、反射係数が凸凹の粒度と波長の関係により異なるため、スペクトル形状が変動し測定時に誤差要因となり、十分な精度が得られない場合がある。

その上さらに、このような状況から、一般的に拡散反射式の測定装置においては、複数回測定を行い、Ｓ／Ｎ比を向上させた上で品質測定を行うことが一般的であり、粉体等の一個体に分かれていない連続体である食品の測定は可能であったが、一個体ごとに分かれた食品の個体別の品質をオンラインで高速に計測することは困難であった。

また、上記透過光式品質測定装置を、拡散係数が低く、光の吸収が弱い測定対象物や、薄い（光路長の短い）測定対象物の内部品質の測定に用いると、吸収強度信号（透過光信号とリファレンス光信号との差）が小さく、受光回路からのノイズとの比率（Ｓ／Ｎ比）が悪化するため、測定精度が低下する。

そこで、本発明が前述の状況に鑑み、解決しようとするところは、拡散係数が低く、光の吸収が弱い食品等の測定対象物の内部品質の測定を高精度に行うことができ、オンライン測定にも対応できる品質測定装置を提供する点にある。

本発明に係る品質測定装置は、前記課題解決のために、測定対象物を支持する支持手段、前記測定対象物に光を照射する投光手段、前記測定対象物からの透過光を受光する受光手段及び前記透過光を分光分析する分光分析手段を備えた、前記測定対象物の内部品質を測定する品質測定装置であって、前記受光手段を前記投光手段に対向する位置から前記照射光の光軸と直交する方向へオフセット距離だけ平行移動させた位置に配置し、このように配置された前記受光手段が前記測定対象物内を拡散透過した光を受光可能なように前記支持手段にスリット又は開口を形成してなることを特徴とする。

このような構成によれば、受光手段を投光手段に対向する位置から投光手段による照射光の光軸と直交する方向へオフセット距離だけ平行移動させた位置に配置して光学的に光路長を伸ばしており、吸収信号のレベル（吸収信号強度）はランベルト・ベールの法則により光路長に対して指数関数的に増加するため、包装、外乱光及び電気的ノイズ等が測定精度に及ぼす影響を小さくすることができる。
よって、測定対象物が透明度の高いもの（光の吸収が弱いもの）や厚みの薄いもの（光路長の短いもの）であっても高速にＳ／Ｎ比のよい分光データを取得することができるため、測定対象物の内部品質の測定を高精度に行うことができるとともに、測定対象物の供給コンベアに直接接続して品質測定を行うオンライン測定にも対応することができる。
その上、前記オフセット距離だけ平行移動させた位置に配置された受光手段が測定対象物内を拡散透過した光を受光するため、測定対象物の一部の品質ではなく、光路が含まれる部分全体の内部品質を測定することができる。

ここで、前記投光手段が前記測定対象物に対して平行光又は平行に近い光を照射するものであると好ましい。
このような構成によれば、投光手段が測定対象物に対して平行光又は平行に近い光を照射するものであることから、測定対象物の厚みや上下方向の位置変動に関係なく照射面積が略一定となり、照射部から受光手段までの距離を略一定にすることができるため、測定対象物ごとの光路長の変動を小さくすることができる。

また、前記測定対象物を透過した光が前記支持手段表面で反射しないように前記測定対象物と前記支持手段との間に無反射材を介在させてなると好ましい。
このような構成によれば、測定対象物を透過した光が支持手段表面で反射しないように測定対象物と支持手段との間に無反射材を介在させていることから、測定対象物を透過した光が支持手段表面で反射し、測定対象物内へ進入して拡散する影響をなくすことができる。

さらに、前記照射光の一部を前記受光手段へ導入する反射手段を備え、前記測定対象物がない状態で前記受光手段が受光した光をリファレンス光としてなると好ましい。
このような構成によれば、測定対象物がない状態で反射手段により反射された光を受光手段に受光させてリファレンス光とすることができることから、オンライン測定時にリファレンス測定を自動的に行うことができるため、測定対象物の測定前に行うリファレンス測定作業を不要にすることができる。

さらにまた、前記投光手段及び受光手段の少なくともどちらかの位置を前記照射光の光軸と直交する方向へ移動可能にする位置変更手段を備え、前記測定対象物に合わせて前記オフセット距離を変更してなると好ましい。
このような構成によれば、位置変更手段により前記オフセット距離を変更することができることから、測定対象物に合わせてＳ／Ｎ比をより大きくするために行う上記オフセット距離の調整作業を容易に行うことができる。

以上のように、本発明に係る品質測定装置によれば、受光手段を投光手段に対向する位置から投光手段による照射光の光軸と直交する方向へオフセット距離だけ平行移動させた位置に配置して光学的に光路長を伸ばして透過光式品質測定装置を構成していることにより、測定対象物が透明度の高いもの（光の吸収が弱いもの）や厚みの薄いもの（光路長の短いもの）であっても高速にＳ／Ｎ比のよい分光データを取得することができるため、前記測定対象物の内部品質の測定を高精度に行うことができるとともにオンライン測定にも対応することができるという顕著な効果を奏する。

本発明の実施の形態に係る品質測定装置を示す部分断面概略説明図である。 オフセット距離の変化に基づく吸収信号のレベルの変化の例を示す図である。

次に本発明の実施の形態を添付図面に基づき詳細に説明するが、本発明は、添付図面に示された形態に限定されず特許請求の範囲に記載の要件を満たす実施形態の全てを含むものである。
本発明に係る品質測定装置における測定対象物は、菓子類、乳製品、パン類、麺類、調味料、冷凍食品、練り製品、魚介類、肉類、漬物及び発酵食品等の食品の他、肥料、ペットフード及び土壌等の食品以外であってもよく、さらに、医薬品やプラスチック製品等であってもよい。そして、本発明に係る品質測定装置は、その構成上、特に透明度の高いもの（光の吸収が弱いもの）や厚みの薄いもの（光路長の短いもの）の内部品質測定に適している。

図１の概略説明図に示すように、例えば厚みの薄い食品である測定対象物Ｗの内部品質を測定する品質測定装置１は、測定対象物Ｗを支持する支持手段２、測定対象物Ｗに光Ｌ１を照射する投光手段３、測定対象物Ｗからの拡散透過光Ｌ２を受光する受光手段４及び拡散透過光Ｌ２を分光分析する図示しない分光分析手段等を備えており、図示しないカバー等の遮光手段により外光の侵入を防いでいる。
また、分光分析手段は、例えば、受光手段４により受光した測定対象物Ｗからの拡散透過光Ｌ２を分光処理する分光器、必要とする波長の分光を測定するラインセンサ、該測定値を演算処理及び波形分析するとともに検量線を用いて演算処理する信号処理・制御装置等からなる。

測定対象物Ｗを支持する支持手段２は、受光手段４の上側で搬送方向（図１における紙面垂直方向）前後に延びるスリット６が形成された無端状の搬送ベルト２Ａ，２Ｂであり、搬送方向前後のプーリに掛け渡され、これらプーリの一方に連結されたモータを一定速度で回転することにより、無端状の搬送ベルト２Ａ，２Ｂの上側部分が一定速度で搬送方向へ移動するため、搬送ベルト２Ａ，２Ｂ上に載置された測定対象物Ｗが搬送方向へ一定速度で搬送される。
なお、このような測定対象物Ｗを搬送しながらオンライン測定を行う構成ではなく、支持手段２を移動しないものとしてもよく、その場合には、搬送ベルト２Ａ，２Ｂ間のスリット６ではなく、受光手段４の上側には開口が形成される。

投光手段３は、例えばハロゲンランプである光源８からの光を測定対象物Ｗに照射するものであり、光源８からの光は凸レンズ９を通され、照射光Ｌ１は平行光又は平行に近い光となっている。なお、凸レンズ９に代えてフレネルレンズ等を用いてもよい。
ここで、平行に近い光として集光光を用いる場合には、集光距離を測定対象物Ｗよりも十分遠くにすればよく、同様の考え方により平行に近い光として拡散光を用いてもよい。
なお、測定対象物Ｗの厚みが略一定である場合には、照射光Ｌ１は、平行光又は平行に近い光でなくてもよい。
また、受光手段４は、投光手段４に対向する位置から照射光Ｌ１の光軸と直交する方向へオフセット距離Ｄだけ平行移動させた位置に配置され、このように配置された受光手段４が測定対象物Ｗ内を拡散透過した光Ｌ２を受光可能なように、支持手段２（搬送ベルト２Ａ，２Ｂ）には上記スリット６が形成されている。
なお、投光手段３及び受光手段４は、これらの位置に投光用光ファイバー及び受光用光ファイバーのみをそれぞれ配設し、これらの光ファイバーにより光を伝送するようにしてもよく、投光手段３及び受光手段４にはこのような光ファイバーを用いる構成も含まれる。

さらに、支持手段表面５には、測定対象物Ｗが載置される部分に無反射材７が貼着されており、すなわち測定対象物Ｗと支持手段２との間には無反射材７が介在しているため、測定対象物Ｗを透過した光は支持手段表面５で反射しない。
ここで、無反射材７は、例えば近赤外吸収シート又は植毛紙等を支持手段表面５に貼付等により取り付けて形成してもよいし、支持手段表面５自体を例えばテフロン（登録商標）のような近赤外領域にて吸収が少ない材質にして形成してもよい。

さらにまた、投光手段３は、光源８からの光の一部を受光手段４へ導入する例えばビームスプリッタ又は反射板である反射手段１０を備えているため、測定対象物Ｗがない状態で受光手段４が受光した光Ｒをリファレンス光とすることができる。
なお、反射手段１０を備えない構成においては、測定対象物Ｗと同等の透過率を有する物質で、測定波長域（近赤外領域）に吸収がほとんどないもの、一般的にはセラミックス、合成樹脂（例えばテフロン（登録商標）等）又は酸化チタン等を用い、これらを用いて測定対象物Ｗを測定する前に測定しておいた光をリファレンス光とすることができる。

また、図１中の矢印Ａに示すように、投光手段３の位置は、図示しない位置変更手段により照射光Ｌ１の光軸と直交する方へ変更することができ、測定対象物Ｗに合わせてオフセット距離Ｄを変更することができる。
なお、位置変更手段により受光手段４の位置を前記光軸と直交する方向へ変更してもよいし、位置変更手段により投光手段３及び受光手段４の両方の位置を前記光軸と直交する方向へ変更可能に構成してもよい。

ここで、オフセット距離Ｄの設定方法について説明する。
図１に示すようにオフセット距離Ｄは測定対象物Ｗの幅よりも小さい距離にする必要があるとともに、図２に示すようにオフセット距離Ｄを大きくすると吸収信号のレベル（吸収信号強度）は大きくなるが、オフセット距離Ｄを大きくし過ぎるとセンサノイズが増大する。
したがって、測定対象物Ｗの基準サンプルに対して、前記基準サンプルの幅よりも小さい範囲で、位置変更手段によりオフセット距離Ｄを変化させながら前記基準サンプルからの拡散透過光Ｌ２を受光手段４により受光し、前記基準サンプルの吸収信号のレベルが大きく、かつ、センサノイズが少ない位置、すなわち吸収信号のＳ／Ｎ比が大きくなる位置をオフセット距離Ｄとして設定すればよい。

以上のような品質測定装置１の構成によれば、受光手段４を投光手段３に対向する位置から照射光Ｌ１の光軸と直交する方向へオフセット距離Ｄだけ平行移動させた位置に配置して光学的に光路長を伸ばしており、吸収信号のレベル（吸収信号強度）はランベルト・ベールの法則により光路長に対して指数関数的に増加するため、包装、外乱光及び電気的ノイズ等が測定精度に及ぼす影響を小さくすることができる。
よって、測定対象物Ｗが透明度の高いもの（光の吸収が弱いもの）や厚みの薄いもの（光路長の短いもの）であっても高速にＳ／Ｎ比のよい分光データを取得することができるため、測定対象物Ｗの内部品質の測定を高精度に行うことができ、例えば、０．５ｍｍから２０ｍｍ程度の厚みの比較的薄い測定対象物Ｗの内部品質を透過光測定により精度よく測定することが可能となるとともに、測定対象物Ｗの供給コンベアに直接接続して品質測定を行うオンライン測定にも対応することができる。
その上、オフセット距離Ｄだけ平行移動させた位置に配置された受光手段４が測定対象物Ｗ内を拡散透過した光Ｌ２を受光するため、測定対象物Ｗの一部の品質ではなく、光路が含まれる部分全体の内部品質を測定することができる。

また、投光手段３が測定対象物Ｗに対して平行光又は平行に近い光を照射するものであることから、測定対象物Ｗの厚みや上下方向の位置変動に関係なく照射面積が略一定となり、照射部から受光手段４までの距離を略一定にすることができるため、測定対象物Ｗごとの光路長の変動を小さくすることができる。
さらに、測定対象物Ｗを透過した光が支持手段表面５で反射しないように測定対象物Ｗと支持手段２との間に無反射材７を介在させていることから、測定対象物Ｗを透過した光が支持手段表面５で反射し、測定対象物Ｗ内へ進入して拡散する影響をなくすことができる。

さらにまた、照射光Ｌ１の一部を受光手段４へ導入する反射手段１０を備え、測定対象物Ｗがない状態で受光手段４が受光した光Ｒをリファレンス光とする構成によれば、オンライン測定時にリファレンス測定を自動的に行うことができるため、測定対象物Ｗの測定前に行うリファレンス測定作業を不要にすることができる。
また、投光手段３及び受光手段４の少なくともどちらかの位置を照射光Ｌ１の光軸と直交する方向へ移動可能にする位置変更手段を備え、測定対象物Ｗに合わせてオフセット距離Ｄを変更する構成によれば、位置変更手段によりオフセット距離Ｄを変更することができることから、測定対象物Ｗに合わせてＳ／Ｎ比をより大きくするために行うオフセット距離の調整作業を容易に行うことができる。

以上の説明においては、光源８（投光手段３）が単数である場合を示したが、複数の光源８（投光手段３）を配置する構成としてもよく、このような構成によれば、測定対象物に対して、より広範囲の内部品質を測定することができる。
例えば、図１において、厚みの薄い測定対象物Ｗの搬送方向（図１における紙面垂直方向）に向かって左右端部に２個の光源８（投光手段３）を配置し、前記搬送方向に向かって左右方向の中央に受光手段４を配置するように構成することができ、このような構成によれば、測定対象物Ｗの略全体の内部品質の測定をすることができる。
なお、３個以上の光源８（投光手段３）を配置するようにしてもよい。

Ａ 位置変更手段による投光手段の移動方向
Ｄ オフセット距離
Ｌ１ 照射光
Ｌ２ 透過光
Ｒ リファレンス光
Ｗ 測定対象物
１ 品質測定装置
２ 支持手段
２Ａ，２Ｂ 搬送ベルト
３ 投光手段
４ 受光手段
５ 支持手段表面
６ スリット
７ 無反射材
８ 光源
９ 凸レンズ
１０ 反射手段

Claims (5)

1. 測定対象物を支持する支持手段、前記測定対象物に光を照射する投光手段、前記測定対象物からの透過光を受光する受光手段及び前記透過光を分光分析する分光分析手段を備えた、前記測定対象物の内部品質を測定する品質測定装置であって、
   前記受光手段を前記投光手段に対向する位置から前記照射光の光軸と直交する方向へオフセット距離だけ平行移動させた位置に配置し、このように配置された前記受光手段が前記測定対象物内を拡散透過した光を受光可能なように前記支持手段にスリット又は開口を形成してなることを特徴とする品質測定装置。
2. 前記投光手段が前記測定対象物に対して平行光又は平行に近い光を照射するものである請求項１記載の品質測定装置。
3. 前記測定対象物を透過した光が前記支持手段表面で反射しないように前記測定対象物と前記支持手段との間に無反射材を介在させてなる請求項１記載の品質測定装置。
4. 前記照射光の一部を前記受光手段へ導入する反射手段を備え、前記測定対象物がない状態で前記受光手段が受光した光をリファレンス光としてなる請求項１又は２記載の品質測定装置。
5. 前記投光手段及び受光手段の少なくともどちらかの位置を前記照射光の光軸と直交する方向へ移動可能にする位置変更手段を備え、前記測定対象物に合わせて前記オフセット距離を変更してなる請求項１又は２記載の品質測定装置。
   

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