JP2012026746A - 多チャンネル測光測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ノイズのない多チャンネル測光装置を提供する。
【解決手段】異なる複数の周波数でそれぞれ駆動される複数の光源を含む光出射装置と、該光出射装置からの複数の光を検出する光検出器と、該光検出器からの出力を周波数領域毎に弁別する多チャンネル測光測定装置において、前記光源を駆動する異なる周波数の複数の信号を、単一の高調波成分を含む信号発生器により、一括生成することを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、多チャンネル測光測定装置に関し、例えば近赤外線を用いたシート（紙）の水分率や厚さ測定センサの検出部分に関するものである。

紙の製造工程において水分率の制御は重要であり、製造途中の紙の水分量をモニタする水分測定センサが必要とされている。
水分量の測定には、近赤外線による透過減衰率測定により、測定結果から多変数量解析し水分率を算出する方法がある。

具体的には、（１）水に大きな吸収を持つ1．94umの波長と、（２）紙の８０％を占めるセルロースに大きな吸収を持つ2．1umの波長、（３）これら両方に吸収を持たない1．7umの波長の透過減衰率から水分率を算出している。
光源は、ハロゲンランプが使用されることが多い。光源から出力された光を紙に透過させ、透過光を光源の帯域に感度を持つＩｎＧａＡｓフォトダイオードやＰｂＳセルで検出している。

図６（ａ）は従来の測光測定装置の一例を示すもので、上部センサヘッド１及び下部センサヘッド２がＯ型フレーム３に係合し矢印Ｘ方向に同期して往復駆動されている。上下ヘッド２,３の間には測定対象物（紙シート）４が非接触の状態で図示しない搬送手段により例えば奥の方から手前の方向に向かって搬送されている。そのため、測光測定装置の軌跡は紙シート上をジグザグに走査することとなる。

図６（ｂ）は上記上下ヘッド１，２の詳細を示すもので、この例では上部センサ１にハロゲンランプ５とフィルタホイール６が配置され、フィルタホイール６によりフィルタリングされた1．94um、2．1um、1．7umの３種類の波長の光が紙シート４を挟んで配置された一対の反射鏡８に入射する。
そして、一対の反射鏡で散乱した３種類の光は受光素子１０に入射する。入射した光は増幅器１２により増幅され、Ａ／Ｄ変換されてＣＰＵ１１により水分率が算出される。

近年、ＬＤやＬＥＤ等の半導体発光素子を光源として使用する方法が一部で用いられている（特表2008-539422「移動するシート製品中の選んだ成分を測定するセンサ及び方法」の図３参照）。LDやLEDはハロゲンランプに比べて、寿命が長いこと、消費電力に対して高効率発光であること、高い雑音除去を実現できるロックインアンプを使用する際に電気的変調が可能、という利点がある。

特に、電気変調が可能な点は、機械的変調方式を必要とするハロゲンランプ光源に比べて大きなアドバンテージを持っている。機械的な変調では、機械的に動く部分の磨耗による故障リスクが高くなることや、変調周波数測定のための機構が必要とされるので手間がかかること、高い周波数での変調が難しいことなどを欠点として持っている。一方、電気的変調では、磨耗による故障リスクはなく、ドライブする周波数により直接周波数が分かるので測定機構が必要ない。

図７は特表2008-539422に記載された他の従来技術の一例を示すもので、移動する紙シート中の水分を測定する水分センサシステムの概略図である。システムは、測定光源１６を変調し、且つその温度を制御する測定波長光源コントローラ４２と、基準光源１４を変調し、且つその温度を制御する基準波長光源コントローラ４０とを含んでいる。

電源４１は、コントローラ４０、４２と接続されており、光源１４、１６は光ファイバ２３、２４の一端に連結され他端は光学ヘッド２８と接続されている。
シート（紙）３０は、光３１を光学ヘッド２８からシート３０に向けることができるように、光学ヘッド２８に隣接して配置されている。

反射光３３の一部は、光学ヘッド２８により集められ、光学ヘッド２８からの光を検出器３４まで送り出す光ファイバ３２とも接続されている。この様な構成において、光ファイバ２３、２４は、光源ビームを搬送し、光ファイバ３２は、検出器ビームを搬送する。

システムは、増幅器３６と、基準波長ロックインアンプ２０と、測定波長ロックインアンプ１８とデータ信号分析のためのコンピュータ１９を含んでいる。増幅器３６は、検出器３４からの光誘導電流をロックインアンプ１８、２０への入力のため電圧信号に変換する。基準波長アンプ２０及び測定波長ロックインアンプ１８は、変調した信号を増幅し、それと同時に、その信号を直流レベルの信号に変換し且つ、形成される信号を低通過フィルタ（図示省略）に通すことにより変調されない背景雑音を抑制することで低レベルの変調信号を背景から排除する。

出力低通過フィルタは、変調周波数よりも１０倍低いカットオフ周波数を有している。低通過出力フィルタと変調周波数との間の周波数の差が大きければ大きい程、ロックイン検出の雑音性能は良好なものとなる。ロックインアンプ１８、２０の内部発振器からの波形は、光源１４、１６の変調光出力を変調するため光源コントローラ４２、４０の基準波形として使用される。

基準光源１４及び測定光源１６からの光は、共通の光ファイバ２３、２４を通して周波数分割多重化（ＦＤＭ）により伝送することによりマルチプレクサ及びデマルチプレクサとすることができる。ＦＤＭを実施するため、測定光源１４及び基準光源１６は、コントローラ４０、４２によりそれぞれ異なる周波数にて変調される。

多重化を実施することの１つの利点は、光源の各々が異なる周波数にて変調されるから、双方の波長を検出するため単一の検出器３４及び前置増幅器３６のみが必要とされる点である。

図７に示したセンサシステムは、シート（紙）３０で反射した光線を反射モードで検出しているが、シート３０を通過する光線を検出し得るようにシート３０の反対側部に配設された検出器２９を採用することにより透過モードとすることができる。その場合、検出器２９の光学素子は、光ファイバ３２と接続される。

この方法を用いれば、複数の半導体発光素子から出力される光を１つの検出器で測定することが可能になる。それは、それぞれの発光素子に異なる周波数変調を加えることができるからであり、信号側で周波数弁別することでそれぞれの信号を分離する。光源がハロゲンランプなどの白色光の場合では光学フィルター等を用いて波長分解しなければならない。このとき、各フィルターに検出器１個が必要となるため、コストアップ、光学系の複雑化に繋がっている。

特表２００８−５３９４２２号公報

ところで、複数の半導体発光素子から出力される光を１つの検出器で測定する場合、素子をドライブする周波数の選定が重要となる。測定信号は素子数に合わせて分割し、素子に入力した変調周波数を中心周波数とするバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）を通過させて信号を弁別している。ここで、各チャンネルが互いの周波数の信号を持ってしまっていると、雑音として測定されてしまう。測定信号は、測定の取り込み時間が有限なことからブロードな周波数を持っているため、互いにノイズとして検出してしまうことがある。

したがって本発明は、複数の測定信号を互いに混じりなく弁別するために、取り込んだ波形データの時間幅内で、それぞれの電気信号を直交関係にすることによりノイズのない多チャンネル測光装置を提供することを目的としている。

このような課題を解決するために、本発明のうち請求項１に記載の発明は、
異なる複数の周波数でそれぞれ駆動される複数の光源を含む光出射装置と、該光出射装置からの複数の光を検出する光検出器と、該光検出器からの出力を周波数領域毎に弁別する多チャンネル測光測定装置において、
前記光源を駆動する異なる周波数の複数の信号を、高調波成分を含む単一の信号発生器により、一括生成することを特徴とする。

請求項２においては、請求項１に記載の多チャンネル測光測定装置において、
前記光出射装置は、前記信号発生器と、該信号発生器で生成された複数の周波数のうちの所定の周波数のみを抽出する複数のバンドパスフィルタと、該バンドパスフィルタで抽出された周波数に基づいて前記複数の光源のそれぞれを駆動することを特徴とする。

請求項３においては、請求項１に記載の多チャンネル測光測定装置において、
前記複数の周波数を周波数領域毎に弁別する手段は、取り込まれるデータの時間ウィンドウ幅を、変調信号周波数の逆数の整数倍に一致させることにより、それぞれの変調信号が相互に直交性を持たせる機構を備えたことを特徴とする。

請求項４においては、請求項１又は請求項２に記載の多チャンネル測光測定装置において、
前記信号発生器は、矩形波発生器であり、前記異なる複数の周波数は、一定の周波数間隔を有する周波数コムとして一括生成することを特徴とする。

請求項５においては、請求項２に記載の多チャンネル測光測定装置において、
バンドパスフィルタは遮断特性のよいものを使用することを特徴とする。

以上説明したことから明らかなように本発明の請求項１〜５によれば、取り込んだ波形データの時間幅内で、それぞれの測定信号が直交関係になるため、複数の測定信号を互いに混じりなく弁別することができる。
また、複数の光源に対して同じ数だけ信号発生器を用意する必要がないので装置を簡素化することができコスト低減を図ることができる。

本発明の一実施例を示したブロック構成図である。 図１の装置の具体例を示す一部拡大である。 信号発生器の説明図である。 Ｓｔａｒｔトリガ及びＳｔｏｐトリガによりＳｉｇｎａｌインとして取り込まれるデータの関係を示す図である。 他の実施例を示すブロック構成図である。 従来例を示す要部構成図（ａ）及び上部、下部センサの詳細を示す要部構成図である。 他の従来例を示すブロック構成図である。

図１は本発明の実施例を示すブロック構成図である。図１において、５０は各々異なる周波数で変調される光源駆動装置と、この周波数発生器で発生した複数の周波数を選択し、その選択された周波数で駆動される複数の光源からなる光出射装置である。

この光出射装置５０は、信号発生器５１と、この信号発生器５１に接続された３個のバンドパスフィルタ（以下、ＢＰＦという）５２ａ、５２ｂ、５２ｃと、これらのＢＰＦ５２からの出力を増幅する光源駆動用アンプ５３及びＬＤ（レーザダイオード）やＬＥＤ（発光ダイオード）からなる光源５４ａ、５４ｂ、５４ｃで構成されている。

シート（紙）５５は光検出素子５６と光源５４の間に所定の間隔を隔てて配置されており、検出素子５６の出力は電流電圧変換器５７に入力されている。電流電圧変換器５７の出力はＡ／Ｄ変換器５８に入力され、その出力はロックインアンプ５９ａ、５９ｂ、５９ｃに入力されている。

また、Ａ／Ｄ変換器５８にはＢＰＦ５２ａ、５２ｂ、５２ｃの出力が参照信号として入力され、方形波生成器５１の出力も入力されている。ＢＰＦ５２ａ、５２ｂ、５２ｃの出力はロックインアンプ５９ａ、５９ｂ、５９ｃにも入力されている。

図２（ａ，ｂ）は信号発生器５１の１つの例であり、デューティ比５０％の矩形波出力をフーリエ変換して得られた周波数コムの関係を示す図である。単一の矩形波発生器では、矩形波の高調波を利用することにより、必要とされる複数の変調信号を、一定の周波数間隔を有する周波数コムとして一括生成することができる。

図３は出力される信号発生器５１からの信号を光源の数だけ分割し、この信号に含まれる周波数をＢＰＦ５２ａ、５２ｂ、５２ｃでそれぞれの周波数のみ（ここでは、図では３Khzの波長を印加して３Khz、9Khz、12Khzの周波数を得た例を示している）を抽出する。これによりそれぞれの光源は直交関係にある異なる周波数でドライブすることができる。

また、それぞれのＢＰＦに入力する高調波を含む信号は、直交性を保つため、同じ信号波発生器から出力されるものを使用しなければならない。そのため、単一の信号発生器からの出力をＢＰＦの数だけ分割する必要がある。高調波を含む信号をＢＰＦに通すことにより単一の周波数を抽出することができる。

ここで直交関係とは、内積がゼロになる関係を言う。式で表すと以下の通りである。

ロックインアンプでは、2つ以上の入力信号を掛算し、ある時間範囲について平均もしくは積算している。つまり、内積を取っていることとほぼ同義と言える。
ロックインアンプに入力する信号は、高調波を含む信号から特定の周波数のみを抽出した正弦波であるため、上記式は以下の様に記すことができる。ここで、n、ｍ、ｌは自然数である。

直交関係にある信号をロックインアンプに入力するとゼロが出力され、同じ周波数の信号同士では、単にその信号の平均もしくは積算が出力される。よって、これにより、抽出したい周波数の信号をロックインアンプに入力すれば、その周波数の信号のみを抽出することができることになる。

一方、直交でない２つの信号、つまり（2）式及び（3）式において、ｍとｌが整数でないときで、かつｍ≠ｌでとき、積分値は0〜1の間の値を取ることになる。積分時間範囲が長ければ0に近づいていくが、測定時間は有限のため、ある程度の値を持ってしまう。つまり、それぞれのLEDのドライブ周波数が互いに直交関係にない場合、雑音として検出してしまうことになる。

（1）式及び（2）式において、２つの信号の位相が揃っていなければ、出力は０にならないため、注意が必要である。つまり、位相調整の機構を具備する必要がある。もしくは、参照信号としてsin成分とcos成分両方を用いる２位相ロックインアンプを使用する方法がある。この場合、２つの信号の位相調節が必要なくなり効果的である。

本発明では、全チャンネルの信号を抽出するために、全チャンネル分のロックインアンプを用意する。それぞれのロックインアンプに、検出器からの信号と、それぞれ異なる周波数で各光源を変調した信号を参照信号としてそれぞれ入力する。これにより、検出信号が持つ各光源からの全て（もしくは1部分）の信号情報が、それぞれのロックインアンプを通過することで周波数弁別されて出力される。
なお、例えば紙に含まれる水分の検出に際しては、先に述べたように、1．94um、2．1um、1．7umの波長の光源からの信号毎に弁別する。

また、（1）式及び（2）式において、時間範囲の選択が重要になる。式（1）及び（2）から分かるように、積分範囲は0〜nπである。この期間でない場合、つまりnが自然数で無い場合は出力値が0にはならない。このとき、sin(mt)及びsin(lt)は直交関係とは言えない。

アナログデジタル変換器５８は、取り込み波形の時間幅を、方形波発生装置５１から発生される方形波の整数倍の周期に一致させる機能を持っている。これにより、それぞれの変調信号に対して相互に直交性を持たせることができる。
周波数の選択は、一般的に測定時間（時間分解能）を考慮して決定する。

図１に戻り、発光ダイオード５４ａ、５４ｂ、５４ｃから発せられた光は、被測定試料(紙)５５を透過して光検出素子５６に入射され、電気信号に変換される。その電気信号は、それぞれの変調周波数に対応する交流信号である。電気信号は、例えば、電流出力の場合に電流電圧変換器５７で電圧変換したり、アンプ等で増幅などの処理がなされた後、アナログデジタル変換器５８にてデジタル信号に変換される。

図４はＢＰＦからの参照信号とＳｔａｒｔトリガ及びＳｔｏｐトリガによりＳｉｇｎａｌインとして取り込まれるデータの関係を示すもので、2．1um（ｆ１）、1．94um（ｆ２）、1．7um（ｆ３）の信号が同時に取り込まれロックインアンプに送出される。
なお、スタートトリガとストップトリガのタイミングは例えば、信号発生器５１とＡＤＣ５８の間に分周期６０を配置し、例えばパルス100個毎にスタート／ストップトリガを発振させるようにする。

アナログデジタル変換器５８は、前述したとおり、時間を基準とした場合、取り込み波形の時間幅を、信号発生装置５１から出力される信号の整数倍の周期に一致させる機能を持ち、周波数を基準とした場合、取り込まれるデータの時間ウィンドウ幅を、変調信号周波数の逆数の整数倍に一致させる機能を持っている。
これにより、それぞれの変調信号に対して相互に直交性を持たせるができる。

デジタル信号処理装置５８において、複数の信号は周波数領域で弁別される。デジタル信号処理装置５８では、例えばロックイン検出を利用して信号を弁別する。それぞれのチャンネルについて、光源の駆動信号を参照信号とし、検出信号から同じ周波数の信号を検出する。それぞれの信号の周波数は直交関係にあるため、有限な測定時間であっても３つの信号は互いに混じることなく弁別され、高い信号雑音比が得られる。

なお、光源駆動用アンプ５３の前段において、信号発生器５１からの信号に含まれる、目的の周波数以外の周波数成分をバンドパスフィルタでそれぞれの周波数のみ抽出する際、互いに信号が混じらないよう、周波数特性のよいバンドパスフィルタを用いると効果的である。

また、アンプの高調波歪みが信号の相互干渉に影響してしまう。
即ち、高調波歪みの大きな例えば0．01%とすると、その信号の周波数の高調波が0．01%の大きさで出力されてしまうことになる。従って、例えばｆの周波数の信号の高調波は、２ｆ、３ｆ、４ｆと出力される。もしその周波数を他チャンネルで使用していた場合、雑音としてそのチャンネルに混ざることになる。ここでの歪みに関する数字は、どの程度の精度が必要とされるかによってきまる。よって、光源駆動用アンプ５３と電流電圧変換アンプ５７の高調波歪みは例えば0．0001％以下のものとすると効果的である。

図５は他の実施例を示すブロック構成図である。図１においてはデジタル信号処理としてロックイン検出を用いたが。例えば図５に示すように、ＡＤＣ５８の後段に離散フーリエ変換（FFT）装置６１を接続して周波数領域においてフィルタリングをしてもよい。

３つの信号はデータ時間幅の整数分の一の波長をもつため、離散フーリエ変換により信号の強度のエネルギーは、特定の項に集約される。フィルタリングはその特定の項を抜き出しその他をブロックする作業である。これによって３つの信号は互いに混じることなく弁別され、なおかつ高い信号雑音比が得られる。ロックインアンプに比べて信号処理が簡単になる。

なお、以上の説明は、本発明の説明および例示を目的として特定の好適な実施例を示したに過ぎない。
例えば本実施例においては、矩形波をデューティー比５０％としたが、周波数上で複数の特定の項に集約されるような波形であれば、矩形波のデューティー比は５０％でなくてもよい。また、矩形波でなくてもでもよい。例えば三角波、のこぎり波などであっても良い。

ロックインアンプで使用する参照信号は、矩形波から生成された特定周波数の信号を取らなくてもよい。例えば、矩形波から参照し、検出器側で同じ様に異なる周波数を持ってきてもよい。
従って本発明は、上記実施例に限定されることなく、その本質から逸脱しない範囲で更に多くの変更、変形を含むものである。

１ 上部センサヘッド
２ 下部センサヘッド
３ Ｏ型フレーム
４、３０ 測定対象物（紙）
５ ハロゲンランプ
６ フィルタホイール
７ チョッピング光
８ 反射鏡
９ 散乱光窓
１０ 受光素子
１１、１９ ＣＰＵ
１２、３６ 増幅器
１４ 基準光源
１６ 測定光源
１８、２０ ロックインアンプ
２２ カプラ
２３、２４、３２ 光ファイバ
２８，２９ 光学ヘッド
３１ 光
３２ 光ファイバ
３３ 反射光
３４ 検出器
４０ 基準波長光源コントローラ
４１ 電源
４２ 測定波長光源コントローラ
５０ 光出射装置
５１ 信号発生器
５２ ＢＰＦ(バンドパスフィルタ)
５３ 光源駆動用アンプ
５４ 光源(ＬＤ/ＬＥＤ)
５５ 被測定物（シート状の紙）
５６ 光検出素子
５７ 電流電圧変換器
５８ Ａ/Ｄ変換器
５９ ロックインアンプ
６０ 分周器
６１ 離散フーリエ変換（FFT）装置

Claims (5)

1. 異なる複数の周波数でそれぞれ駆動される複数の光源を含む光出射装置と、該光出射装置からの複数の光を検出する光検出器と、該光検出器からの出力を周波数領域毎に弁別する多チャンネル測光測定装置において、前記光源を駆動する異なる周波数の複数の信号を、単一の高調波成分を含む信号発生器により、一括生成することを特徴とする多チャンネル測光測定装置。
2. 前記光出射装置は、前記信号発生器と、該信号発生器で生成された複数の周波数のうちの所定の周波数のみを抽出する複数のバンドパスフィルタと、該バンドパスフィルタで抽出された周波数に基づいて前記複数の光源のそれぞれを駆動することを特徴とする請求項１に記載の多チャンネル測光測定装置。
3. 前記複数の周波数を周波数領域毎に弁別する手段は、取り込まれるデータの時間ウィンドウ幅を、変調信号周波数の逆数の整数倍に一致させることにより、それぞれの変調信号が相互に直交性を持たせる機構を備えたことを特徴とする請求項１、２いずれかに記載の多チャンネル測光測定装置。
4. 前記信号発生器は、矩形波発生器であり、前記異なる複数の周波数は、一定の周波数間隔を有する周波数コムとして一括生成することを特徴とする請求項１、２いずれかに記載の多チャンネル測光測定装置。
5. 前記バンドパスフィルタは遮断特性のよいものを使用することを特徴とする請求項２に記載の多チャンネル測光測定装置。