JP2012145498A - 分光測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】測定対象からの光を精度良く検出する。
【解決手段】ＬＥＤ取付孔１２は、ＬＥＤの放射面ＳＦよりも空間部１４側に多少突出しており、フード１２Ｆを構成している。フード１２Ｆは、ＬＥＤからの光がＰＤに直接入射することを防止する。また、フード１２Ｆは、ＬＥＤの光が散乱して測定対象Ｓに導かれることを防止する。また、複数のＬＥＤから変調周波数の異なる光を測定対象Ｓに同時に照射し、ＰＤの検出した光を変調周波数別に分離し、各ＬＥＤによる測定対象からの光を分離する。
【選択図】図１

Description

本発明は、測定対象に光を照射して、測定対象からの光の強度を測定する分光測定装置に関するものである。

特許文献１には、波長の異なる複数のＬＥＤに葉及び標準白色板を照射させ、葉の分光特性を求め、得られた分光特性Ａ^ｔ１〜Ａ^ｔｎから多変量解析により葉の水ポテンシャル値Ψ^ｔを測定し、基準日に得られた水ポテンシャル値Ψ^０と比較し、葉の水ストレスを評価する技術が開示されている。

特許文献２には、透明プラスチックに波長の異なる複数の光を照射し、反射光又は透過光を検出し、透明プラスチックを評価する技術が開示されている。

特開２００９−１０９３６３号公報 特開２００６−２５０７６５号公報

しかしながら、特許文献１，２の技術は、いずれも光源から照射される光の拡散を抑制する措置が全く採られていない。したがって、光源からの光が、直接、受光素子に入射する、或いは、光源からの光が周囲の物質により散乱反射されて受光素子に入射する虞があり、受光素子が精度良く測定対象からの光を受光することができないという問題がある。

また、特許文献１の技術では、波長の異なる複数の光が時分割で照射されているため、測定時間が長時間に及び、測定中に測定対象の状態が変化する等のノイズに弱いという問題があった。

本発明の目的は、測定対象からの光を精度良く検出することができる分光測定装置を提供することである。

（１）本発明による分光測定装置は、測定対象を照射する光源と、前記測定対象からの光を受光し、前記測定対象からの光の強度を検出する検出部と、前記光源の近傍に設けられ、前記光源からの光が前記検出部に直接入射することを防止する遮光部とを備える。

この構成によれば、光源からの光が検出部に直接入射することを防止する遮光部を、光源の近傍に設けたため、測定対象からの光を精度良く検出することができる。

（２）前記光源は、ピーク波長の異なる複数のＬＥＤであり、各ＬＥＤからの光を異なる変調周波数で変調し、変調した光を時間を重複させて前記測定対象に照射する点灯制御部を更に備えることが好ましい。

この構成によれば、各ＬＥＤから異なる周波数で周波数変調された光が測定対象に対して時間を重複して照射されるため、検出部が受光した光を変調周波数別に分離することで、各ＬＥＤによる測定対象からの光の強度を個別に取得することができる。そのため、測定時間を短縮することができる。また、各ＬＥＤが、測定対象を時間を重ねて照射することによって、各ＬＥＤを時間をずらして個別に点灯させた場合に比べ、測定対象の状態の違いによる測定誤差を少なくすることができ、各ＬＥＤによる測定対象からの光を正確に測定することができる。

（３）各ＬＥＤは、前記測定対象の同一位置に光を照射するように配置され、前記点灯制御部は、各ＬＥＤからの光を前記測定対象に同時に照射することが好ましい。

この構成によれば、各ＬＥＤは測定対象の同一位置に光を照射するため、各ＬＥＤによる測定対象の照射条件を同じにし、測定精度を高めることができる。また、各ＬＥＤは同時に光を照射しているため、ＰＤが検出した光をＬＥＤ毎に分離する処理を簡便化することができる。

（４）前記検出部は、前記測定対象面に対して直交する鉛直方向に光軸が配置され、前記測定対象からの反射光を受光し、前記光源は、前記鉛直方向に交差し、かつ、中心光の正反射光以外の光が前記検出部に入射するように配置されていることが好ましい。

この構成によれば、光源の中心光の正反射光が検出部に入射することが防止されているため、検出部が検出する光が測定対象の拡散特性に大きく依存することを防止することができる。

（５）前記光源は、前記測定対象への光の照射スポットの直径が、前記測定対象までの光軸の距離よりも長いことが好ましい。

この構成によれば、測定対象への入射角が広範囲に及ぶ光を検出部に受光させることができる。その結果、測定対象の拡散特性に依存することなく測定対象からの光を測定することができる。

（６）前記光源は、前記測定対象までの光軸の距離が、前記検出部の光軸の前記測定対象までの距離よりも短いことが好ましい。

この構成によれば、光源及び測定対象間の光軸の距離が、検出部及び測定対象間の光軸の距離よりも短いため、測定対象への入射角が広範囲に及ぶ光を検出部に受光させることができる。その結果、測定対象の拡散特性に依存することなく測定対象からの光を測定することができる。

（７）前記検出部は、前記測定対象の表面に対して直交する鉛直方向に光軸が配置された第１検出部と、前記鉛直方向と交差する方向に光軸が配置された第２検出部とを備えることが好ましい。

この構成によれば、光軸方向が異なる２つの検出部を設けたため、両検出部による光の検出結果から、一方の検出部が検出した光の強度を、他方の検出部が検出した光の強度を用いて、測定対象の拡散特性に依存しないように補正することができる。そのため、測定結果が、測定対象が持つ拡散特性に依存することを防止することができる。

（８）前記第２検出部は、前記光源の中心光の正反射方向に光軸が配置されていることが好ましい。

この構成によれば、光源の中心光の正反射方向に第２検出部が配置されているため、拡散特性が大きく表れる第２検出部の測定結果を用いて、拡散特性が除去されるように、第１検出部が検出した光の強度を補正することができる。

（９）前記光源部は、ピーク波長が同一の複数のＬＥＤにより構成され、前記複数のＬＥＤのうち、いずれか１又は複数のＬＥＤを任意に選択して点灯させる点灯制御部を更に備えることが好ましい。

この構成によれば、反射強度の低い測定対象を測定する際はＬＥＤの点灯数を増大させることで、測定精度を高めることができる。

（１０）前記分光測定装置は、反射型の測定装置であり、前記測定対象の透過光の前記検出部への反射を抑制する反射抑制部を更に備えることが好ましい。

この構成によれば、測定対象の透過光が検出部で受光されることを防止することができ、測定精度を高めることができる。

（１１）前記光源及び前記検出部を含むセンサヘッドが内蔵された第１本体部と、前記第１本体部と前記測定対象を挟持する第２本体部とを備え、前記反射抑制部は、前記第２本体部に開閉可能に設けられた蓋体であることが好ましい。

この構成によれば、反射抑制部を開閉可能な蓋体で構成したため、ユーザは試料載置面に測定対象が正しく載置されているか否かを確認することができる。

（１２）前記測定対象は、緑葉であり、前記検出部により検出された光の強度を基に、前記緑葉のレッドエッジの分光特性を算出する分光特性算出部を更に備えることが好ましい。

この構成によれば、緑葉のレッドエッジの分光特性を精度良く測定する分光測定装置を提供することができる。

（１３）前記分光測定装置は、前記レッドエッジの分光特性の変化を算出することが好ましい。

この構成によれば、緑葉のレッドエッジの分光特性の変化を精度良く測定する分光測定装置を提供することができる。

本発明によれば、測定対象からの光を精度良く検出することができる。

本発明の実施の形態１による分光測定装置のセンサヘッドの構造を示した図である。 （Ａ）は本発明の実施の形態２による分光測定装置の下面図であり、（Ｂ）は上面図である。 本発明の実施の形態２による分光測定装置のブロック図である。 本発明の実施の形態２によるＬＥＤ１〜ＬＥＤ３の点灯パターンを示すタイミングチャートである。 実施の形態３の分光測定装置のセンサヘッドの構成図である。 本発明の実施の形態４における分光測定装置の全体構成図である。 本発明の実施の形態５における分光測定装置の全体構成図である。

（実施の形態１）
実施の形態１による分光測定装置は、反射型であり、ＬＥＤの放射光を測定対象Ｓで反射し、ＰＤに導く構成を持つ。図１は、本発明の実施の形態１による分光測定装置のセンサヘッド１０の構造を示した図である。

センサヘッド１０は、ＬＥＤ（光源の一例）、ＰＤ（検出部の一例）、ＬＥＤ取付孔１２、ＰＤ取付孔１３、及び空間部１４を備えている。ＬＥＤ取付孔１２は、センサヘッド１０の上面１５から中心線ＣＬに対して所定角度（例えば３５度）傾斜したほぼ円筒状の孔であり、先端部にＬＥＤが取り付けられる。中心線ＣＬは、ＰＤの受光面の中心を通り、かつ、ＰＤの受光面と直交する鉛直方向を向く直線である。また、ＬＥＤ取付孔１２は、先端がＬＥＤの放射面ＳＦよりも空間部１４側に多少突出しており、フード１２Ｆを構成している。

フード１２Ｆ（遮光部の一例）は、ＬＥＤからの光がＰＤに直接入射することを防止する。また、フード１２Ｆは、ＬＥＤの光が散乱して測定対象Ｓに導かれることを防止する。ＬＥＤ取付孔１２は、空間部１４と連通し、ＬＥＤからの光を測定対象Ｓに導く。

ＬＥＤは、光軸が中心線ＣＬに対して所定角度、例えば３５度傾斜した位置に配置され、測定対象Ｓに例えばピーク波長が７３５ｍｍ、半値幅が３０ｎｍの発光強度分布を持つ光を照射する。ＰＤは、例えば、フォトダイオードにより構成され、中心線ＣＬに光軸が位置するように配置されている。

つまり、ＬＥＤを斜め方向に配置し、ＰＤを鉛直方向に配置することで、ＬＥＤの中心光ＬＣ１の正反射光ＬＣ１´がＰＤに入射することを防止することができる。測定対象Ｓが鏡のような光沢を持つ物質の場合、ＰＤに入射する光のうち正反射光ＬＣ１´の強度が支配的となり、特定の角度で急峻なピークが現れる拡散特性を持つ。

一方、測定対象Ｓが紙のように光を散乱させる物質である場合、拡散特性は特定の角度に依存せず、角度に対してなだらかな拡散特性を持つ。よって、正反射光ＬＣ１´をＰＤに入射させると、測定結果が測定対象Ｓの拡散特性に大きく依存してしまう。そこで、本実施の形態では、ＬＥＤを中心線ＣＬに対して３５度で配置し、正反射光ＬＣ１´がＰＤに入射することを防止し、測定結果が測定対象Ｓの拡散特性に依存することを防止している。なお、ＬＥＤの中心線ＣＬに対する角度として採用される３５度は一例にすぎず、正反射光ＬＣ１´がＰＤに入射しないような角度であれば、どのような角度でＬＥＤを配置してもよい。

また、本実施の形態では、ＬＥＤから測定対象Ｓまでの光軸の距離Ｌ１は、例えば８ｍｍである。また、ＰＤから測定対象Ｓまでの光軸の距離Ｌ２は、例えば１１ｍｍである。つまり、距離Ｌ１が距離Ｌ２よりも短くなるように、ＬＥＤ及びＰＤが配置されている。

これにより、測定結果が測定対象Ｓの拡散特性に依存することへの更なる抑制が図られている。つまり、距離Ｌ１が距離Ｌ２より短くなると、ＬＥＤの測定対象Ｓへの照射スポットの直径Ｌ３と距離Ｌ１とにより規定されるＬＥＤの放射角が増大する。そのため、測定対象Ｓへの入射角が広範囲に及ぶ光をＰＤに受光させることができる。

一方、距離Ｌ１が距離Ｌ２より長くなると、ＬＥＤの放射角が減少するため、測定対象Ｓへの入射角が広範囲に及ぶ光をＰＤに受光させることができなくなる。よって、距離Ｌ１が距離Ｌ２よりも短くなるように、ＬＥＤ及びＰＤを配置することで、ＰＤに測定対象Ｓへの入射角が広範囲に及ぶ光を受光させることができ、測定結果が測定対象Ｓの拡散特性に依存することを抑制することができる。

ＰＤ取付孔１３は、センサヘッド１０の上面１５から中心線ＣＬに沿って下方向に向けて穿設されたほぼ円筒状の孔であり、先端に位置する段差部１３１においてＰＤが取り付けられる。また、ＰＤ取付孔１３の先端は空間部１４と連通している。

空間部１４は、センサヘッド１０の下面１１から中心線ＣＬに沿って上方向に向けて穿設されたほぼ円筒状の孔であり、ＬＥＤの光を測定対象Ｓに導き、かつ、測定対象Ｓの反射光をＰＤに導く。

センサヘッド１０の下面１１は平面状になっており、平面状の試料載置面３１とで測定対象Ｓを挟持する。センサヘッド１０の下面１１の中央は測定窓Ｗが形成されている。

試料載置面３１には、底面が平面上の凹部３３が形成されている。凹部３３の底面には、反射抑制部３２が配置されている。つまり、測定対象Ｓの裏面には、測定対象Ｓと少し隙間をあけて反射抑制部３２が配置されている。反射抑制部３２は、光を吸収する色（例えば黒色）を持つ平板状の部材により構成されている。測定対象Ｓの裏面に反射抑制部３２を設けることで、測定対象Ｓの透過光が反射抑制部３２により吸収され、透過光が乱反射してＰＤに導かれることが防止される。これにより、測定精度を高めることができる。

次に、本実施の形態の分光測定装置の動作について説明する。図示しない制御部４０（図３参照）により所定の強度でＬＥＤが発光され、測定対象Ｓの反射光がＰＤに入射する。ＰＤは反射光を受光すると、反射光の反射強度を示す検出信号を制御部４０に出力する。制御部４０は検出信号から測定対象Ｓの相対的な反射強度を算出する。ここで、相対的な反射強度を算出する際に使用される基準値としては、例えば、白色完全拡散板を基準反射板として用いたときの基準反射板の反射強度を採用することができる。

本分光測定装置で、フード１２Ｆによって、ＬＥＤからの光がＰＤに直接入射することが防止されているため、反射抑制部３２によって測定対象Ｓの照射スポットからの反射光以外の反射光がＰＤに入射することを抑制し、ノイズとなる光がＰＤに入射することを抑制することができる。

また、測定対象Ｓに対してＰＤを鉛直、ＬＥＤを斜めに配置しているので、正反射光ＬＣ１´をＰＤに入射させず、中心光ＬＣ１の周囲の光（図に一点鎖線で示す）の正反射光をＰＤに入射させることができる。

これにより、ＰＤは、測定対象Ｓへの入射角が様々な光を受光することができ、ＰＤが検出する反射強度が測定対象Ｓの拡散特性に影響されることを抑制することができる。これにより、異なる拡散特性を持つ測定対象Ｓを測定した場合であっても、ＰＤが検出する反射強度が測定対象Ｓの拡散特性に依存することを抑制することができる。なお、異なる拡散特性としては、例えば半値幅が３０度以上の大きな拡散特性を持つ測定対象Ｓにおいて異なる拡散特性を想定している。

更に、ＬＥＤから測定対象Ｓまでの距離Ｌ１は、ＬＥＤの測定対象Ｓへの照射スポットの直径Ｌ３（一辺）よりも小さい。そのため、拡散特性の異なる測定対象Ｓであっても、拡散特性に依存することなく測定対象Ｓの反射強度を正確に測定することができる。

更に、ＰＤよりも近い位置にＬＥＤが配置されているため、測定対象Ｓへの入射角が広範囲に及ぶ光をＰＤに受光させることができ、測定対象Ｓの拡散特性の影響を更に小さくすることができる。また、ＬＥＤがＰＤよりも測定対象Ｓに近いため、ＰＤに入射する反射光の減衰を抑制することができ、Ｓ／Ｎ比を高めることができる。

また、反射抑制部３２を配したので、測定対象Ｓの透過光が、ＰＤに検出されることを抑制し、測定対象Ｓの反射光のみをＰＤに検出させることができ、測定対象Ｓの表面状態を正確に測定することができる。

なお、反射抑制部３２として、黒色の平板状の部材を採用したが、これに限定されず、例えば、入射光を大きく散乱させることができる拡散板や、反射光を回折によりＰＤに向けないように回折させる回折部材などを採用してもよい。また、反射抑制部３２と測定対象Ｓとに隙間を設けているため、測定対象Ｓと反射抑制部３２との反射位置がずれて、反射抑制部３２からの反射光がＰＤに入射し難くされている。

本分光測定装置は、特に、緑葉の反射強度を測定するうえで有用である。緑葉はレッドエッジと呼ばれる分光特性を持つため、７３５ｎｍ付近の反射強度にてレッドエッジを推定することができる。

レッドエッジは線形特性を持つため、例えば、７３５ｎｍ付近において、波長の異なる反射強度を数点測定し、測定結果を直線近似することでレッドエッジの分光特性を求める。そして、分光特性の例えば傾きの変化を分光特性の変化として推定すればよい。

また、みかん等の柑橘系の植物においては、水分ストレスをコントロールすることによって甘味を増すことができ、レッドエッジが水分ストレスにより短波長側にシフトすることが知られている。つまり、本分光測定装置において、レッドエッジの分光特性を測定し、この分光特性が、過去に測定した分光特性に対して短波長側へどれだけシフトしたかを求め、水分ストレスを測定する。そして、測定した水分ストレスから灌水量を調節し、柑橘系の植物の甘味をコントロールすることができる。

なお、レッドエッジの短波長側へのシフト量は最大で２０ｎｍであり１ｎｍ程度の分解能でシフト量を知る必要がある。そのため、この種の分光測定装置は高価なものを用いる必要があった。しかしながら、本分光測定装置では、光源としてＬＥＤを用いたため、安価な分光測定装置を提供することができる。また、本分光測定装置を電池駆動にして屋外に持ち出して使用すれば、柑橘系の葉を伐採せずに測定することもできる。

（実施の形態２）
実施の形態２の分光測定装置は、ＬＥＤを複数設け、測定対象Ｓに同時に光を照射する点を特徴とする。図２（Ａ）は本発明の実施の形態２による分光測定装置の下面図であり、（Ｂ）は上面図である。なお、本実施の形態において実施の形態１と同じものは同一の符号を付して説明を省略する。また、本実施の形態の分光測定装置の側面図は実施の形態１と同じであるため、図１を用いる。

図２（Ａ）に示すように、測定窓Ｗは下面１１から見ると円形である。測定窓Ｗのほぼ中心には、ＰＤ取付孔１３の開口部１３２が位置している。そして、開口部１３２は、測定対象Ｓの反射光をＰＤの受光面に導く。

本実施の形態では、ＬＥＤはＬＥＤ１〜ＬＥＤ３の３個とする。そのため、ＬＥＤ取付孔１２はＬＥＤ１〜ＬＥＤ３に対応して、３個のＬＥＤ取付孔１２１〜１２３が存在する。

ＬＥＤ１〜ＬＥＤ３は、下面１１から見ると、中心線ＣＬを中心として、一定の直径を持つ円周上に等間隔で配置されている。ＬＥＤ取付孔１２１〜１２３は、下面１１から見ると、中心線ＣＬを中心として、一定の半径を持ち、かつ、ＬＥＤ１〜ＬＥＤ３が配置されている円周よりも直径の小さな円周上に等間隔で設けられている。そして、ＬＥＤ取付孔１２１〜１２３は、それぞれ、ＬＥＤ１〜ＬＥＤ３の放射光を測定対象Ｓに導く。

ＬＥＤ１〜ＬＥＤ３の開口部は、上面１５から見ると、中心線ＣＬを中心として、一定の半径を持つ円周上に等間隔で配置されている。ＰＤは、上面１５から見ると上面１５の中心よりもやや右側に配置されている。

なお、図２（Ａ）、（Ｂ）では、ＬＥＤの個数は３個としたが、本発明はこれに限定されず、２個であってもよいし、４，５，６個以上の所定個数であってもよい。また、図１では、ＰＤの個数は１個としたが、本発明はこれに限定されず、複数個にしてもよく、この場合、各ＬＥＤに１個ずつＰＤを対応させてもよい。

ＬＥＤ１〜ＬＥＤ３は、各光軸が測定対象Ｓにおいて同一位置に位置し、かつ、中心線ＣＬから一定の角度（例えば３５度）となるように配置されている。本実施の形態では、ＬＥＤ２はピーク波長が７３５ｎｍであり、実施の形態１と同じである。ＬＥＤ１、ＬＥＤ３は実施の形態１とはピーク波長が異なり、ＬＥＤ１が７１０ｎｍ、ＬＥＤ３が７５０ｎｍである。ＬＥＤ１〜ＬＥＤ３は、測定対象Ｓへの光の照射スポットが同一であり、照射スポットの中心は測定対象Ｓの中心に位置する。つまり、ＬＥＤ１〜ＬＥＤ３は鉛直方向に配置されたＰＤに対して等価に配置されているので、各ＬＥＤの配置による測定バラツキは極めて小さい。

また、本実施の形態では、ＬＥＤ１〜ＬＥＤ３は時間を重複させ、異なる変調周波数で変調された光を測定対象Ｓに照射する。これにより、ＰＤが受光した光を変調周波数別に分離することで、ＬＥＤ１〜ＬＥＤ３の反射光を分離し、各ＬＥＤの反射強度を個別に取得することができる。そのため、測定時間を短縮することができる。また、ＬＥＤ１〜ＬＥＤ３が測定対象Ｓを同時に照射することによって、ＬＥＤ１〜ＬＥＤ３を時間をずらして個別に点灯した場合に比べ、測定対象Ｓの状態の違いによる測定誤差を少なくすることができ、ＬＥＤ１〜ＬＥＤ３のそれぞれの反射光を正確に測定することができる。

図３は、本発明の実施の形態２による分光測定装置のブロック図である。分光測定装置は、ＬＥＤ１〜ＬＥＤ３、制御部４０、及びＰＤを備えている。制御部４０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭを備えるマイクロコンピュータ、或いは専用のハードウェア回路により構成され、分光測定装置の全体制御を司る。本実施の形態では、制御部４０は、点灯制御部４１、分光特性算出部４２を備えている。

点灯制御部４１は、ＬＥＤ１〜ＬＥＤ３からの光を異なる変調周波数で変調し、変調した光を時間を重複させて測定対象Ｓに照射する。

図４は、本発明の実施の形態２によるＬＥＤ１〜ＬＥＤ３の点灯パターンを示すタイミングチャートである。点灯制御部４１は、デューティー比が５０％、周期Ｔ１でＬＥＤ１を点灯、消灯させる。これにより、ＬＥＤ１の光は変調周波数Ｆ１で変調される。また、点灯制御部４１は、デューティー比が５０％、周期Ｔ２でＬＥＤ１を点灯、消灯させる。これにより、ＬＥＤ１の光は変調周波数Ｆ２で変調される。ここで、周期Ｔ２は、Ｔ２＝Ｔ１／２である。よって、変調周波数Ｆ２は、Ｆ２＝２・Ｆ１となる。また、点灯制御部４１は、デューティー比が５０％、周期Ｔ３でＬＥＤ１を点灯、消灯させる。これにより、ＬＥＤ１の光は変調周波数Ｆ３で変調される。ここで、周期Ｔ３は、Ｔ３＝Ｔ２／２である。よって、変調周波数Ｆ３は、Ｆ３＝２・Ｆ２となる。

分光特性算出部４２は、ＰＤが検出した反射光の変調周波数を分析し、ＬＥＤ１〜ＬＥＤ３の反射光を分離し、各ＬＥＤの反射強度を求める。具体的には、分光特性算出部４２は、周期Ｔ１において、ＬＥＤ１が点灯している前半期間Ａ−１の反射光の積算値からＬＥＤ１が消灯している後半期間Ａ−２の反射光の積算値を差し引く。

これにより、ＬＥＤ２が点灯している前半期間Ｂ−１１の反射光の積算値と、前半期間Ｂ−２２の反射光の積算値とが相殺される。また、ＬＥＤ３が点灯している前半期間Ｃ−１１，Ｃ−１２，Ｃ−１３，Ｃ−１４の反射光の積算値が相殺される。これにより、前半期間Ａ−１のＬＥＤ１の反射光の積算値が得られる。そして、分光特性算出部４２は、前半期間Ａ−１のＬＥＤ１の反射光の積算値をＴ１／２で割る。これにより、ＬＥＤ１の反射強度が得られる。

また、分光特性算出部４２は、周期Ｔ２において、ＬＥＤ２が点灯している前半期間Ｂ−１１の反射光の積算値からＬＥＤ２が消灯している後半期間Ｂ−２１の反射光の積算値を差し引く。

これにより、ＬＥＤ１が点灯している前半期間Ａ−１の前半１／２の期間のＬＥＤ１の反射光の積算値と、前半期間Ａ−１の後半１／２の期間のＬＥＤ１の反射光の積算値とが相殺される。また、ＬＥＤ３が点灯している前半期間Ｃ−１１，Ｃ−１２の反射光の積算値が相殺される。これにより、前半期間Ｂ−１１のＬＥＤ２の反射光の積算値が得られる。そして、分光特性算出部４２は、前半期間Ｂ−１１のＬＥＤ２の反射光の積算値をＴ２／２で割る。これにより、ＬＥＤ２の反射強度が得られる。

また、分光特性算出部４２は、周期Ｔ３において、ＬＥＤ３が点灯している前半期間Ｃ−１１の反射光の積算値からＬＥＤ３が消灯している後半期間Ｃ−２１の反射光の積算値を差し引く。

これにより、ＬＥＤ１が点灯している前半期間Ａ−１の前半１／４の期間のＬＥＤ１の反射光の積算値と、次の前半１／４の期間のＬＥＤ１の反射光の積算値とが相殺される。また、ＬＥＤ２が点灯している前半期間Ｂ−１１の前半１／２の期間のＬＥＤ２の反射光の積算値と、前半期間Ｂ−１１の後半１／２の期間のＬＥＤ２の反射光の積算値とが相殺される。これにより、前半期間Ｃ−１１のＬＥＤ３の反射光の積算値が得られる。そして、分光特性算出部４２は、前半期間Ｃ−１１のＬＥＤ３の反射光の積算値をＴ３／２で割る。これにより、ＬＥＤ３の反射強度が得られる。

なお、分光特性算出部４２のこの処理は一例であり、フーリエ変換等を用いて、ＬＥＤ１〜ＬＥＤ３の反射光を分離してもよい。

また、分光特性算出部４２は、ＬＥＤ１〜ＬＥＤ３の反射強度を、基準反射強度で割り、反射強度の相対値を求める。そして、得られた反射強度の相対値を例えば線形補間することで、測定対象Ｓのレッドエッジの分光特性を求める。そして、分光特性算出部４２は、分光特性の傾きと、ある基準日において求めた測定対象Ｓのレッドエッジの分光特性の傾きとを比較し、レッドエッジの分光特性の変化を検出する。

このように、本分光測定装置では、ＬＥＤ１〜ＬＥＤ３を測定対象Ｓに同時に照射しているため、測定時間の短縮及び測定精度の向上を図ることができる。

また、ＬＥＤ１〜ＬＥＤ３の測定対象Ｓへの照射スポットが同一であるため、測定対象Ｓの状態や載置位置による測定誤差を少なくすることができる。

また、本分光測定装置では、緑葉のレッドエッジを複数波長で推定することができるため、分光特性の測定精度を向上させることができる。また、本分光測定装置を用いて柑橘系だけでなく様々な緑葉の分光特性を測定してもよい。

また、本実施の形態では、ＬＥＤ１〜ＬＥＤ３を同じ波長にしてもよい。同じ波長のＬＥＤを複数照射することによって、反射率の低い測定対象Ｓでも分光特性を測定することができる。

また、ＰＤが検出する検出信号の強度に応じて、ＬＥＤ発光数を選択するようにしてもよい。具体的には、波長の同じＬＥＤを例えば５個設け、ＰＤの検出信号の強度が低い場合は、低くなるにつれてＬＥＤの点灯数を４個、５個というように増大させ、ＰＤの検出信号の強度が高い場合は、高くなるにつれてＬＥＤの点灯数を２個、１個というように減少させればよい。これにより、測定可能な反射強度が拡がるので、汎用性の高い分光測定装置を提供することができる。

また、ＬＥＤ２の波長を５６８ｎｍ、ＬＥＤ１の波長を６８０ｎｍとして、ＬＥＤ１の反射強度に対するＬＥＤ２の反射強度の相対値によりトマトのリコピンの量を判別することができる。つまり、本分光測定装置によれば、レッドエッジのみならず、他の植物にも適用可能であり汎用性の高い分光測定装置を提供することができる。また、ＬＥＤの波長を変えて、塗装や衣服、その他表面を有する物の相対的な反射強度の測定に本分光測定装置を適用してもよい。

また、本実施の形態では、ＬＥＤ１〜ＬＥＤ３を中心線ＣＬに対して３５度で配置して、ＬＥＤ１〜ＬＥＤ３をＰＤに対して等価な位置に配置したが、基準反射板に対する相対的な反射率を測定する場合は、照射距離や照射範囲で測定誤差に影響の無い範囲にて多少配置を変更してもよい。この場合、例えば、放射特性の異なるレンズ付きＬＥＤを混在させてもよい。

また、図４では、ＬＥＤ１〜ＬＥＤ３を同期させ、ＬＥＤ１〜ＬＥＤ３を同時に点灯していたが、これに限定されず、位相をずらしてＬＥＤ１〜ＬＥＤ３の点灯時間が重複するようにＬＥＤ１〜ＬＥＤ３を点灯させてもよい。また、図４では、ＬＥＤ１〜ＬＥＤ３の点灯パターンを点灯、消灯の２値的なものとしたが、これに限定されず、例えば、サイン波やコサイン波等の波形を採用してもよい。

（実施の形態３）
実施の形態３の分光測定装置は、ＰＤをＰＤ１，ＰＤ２の２個のＰＤにより構成し、カバーガラス１６を設けたことを特徴としている。なお、本実施の形態において、実施の形態１、２と同一のものは、同一の符号を付して説明を省く。図５は、実施の形態３の分光測定装置のセンサヘッド１０の構成図である。ＰＤ１は、図１のＰＤと同じである。なお、本実施の形態では、ＬＥＤの個数を実施の形態２と同様、複数個としてもよいし、実施の形態１と同様、１個としてもよい。

ＰＤ２は光軸が正反射光ＬＣ１´の方向に向けて配置されている。つまり、ＰＤ２は測定対象Ｓの鉛直方向から３５度傾斜した方向に配置されている。測定対象Ｓとして正反射方向に偏った拡散特性を持つ物質を採用した場合、ＰＤ１が検出する反射強度を、ＰＤ２が検出した反射強度に基づいて補正することで、測定対象Ｓの正確な反射強度を測定することができる。

なお、ＰＤ２は、正反射光ＬＣ１´の方向に配置しなくても、拡散特性に基づく反射強度の補正は可能である。しかしながら、ＬＥＤの正反射光ＬＣ１´において、測定対象Ｓの拡散特性が最も顕著に現れるため、正反射光ＬＣ１´の方向にＰＤ２を配置することが好ましい。

ＰＤ取付孔１３は、ＰＤ１，ＰＤ２を取り付けることができるように、実施の形態１に比べてサイズが大きくされている。段差部１３１は、ＰＤ１が取り付けられている。傾斜部１３３は、ＰＤ２の光軸が中心線ＣＬに対して３５度となるように段差部１３１に対して傾斜して設けられている。そして、傾斜部１３３は、ＰＤ２が取り付けられ、空間部１４と連通しており、測定対象Ｓの正反射光ＬＣ１´をＰＤ２へと導く。

空間部１４は、ＰＤ２側が傾斜部１３３に向けて円筒形状を持ち、ＰＤ２に照射スポットの反射光以外の光が侵入することを防止している。

また、図５の例では、ＰＤ１，ＰＤ２は、共に測定対象Ｓまでの距離がＬ２であり等しい。これにより、ＰＤ１，ＰＤ２との測定条件を同じにすることができる。

カバーガラス１６は、ＬＥＤの照射スポットよりも大きな面積を持つ透明なガラスにより構成され、測定窓Ｗを封止するように、センサヘッド１０の下面１１に配置されている。カバーガラス１６を設けることで、測定対象Ｓに付着する汚れが空間部１４に侵入し、ＬＥＤやＰＤに付着することを防止することができる。

なお、カバーガラス１６があると、正反射光ＬＣ１´はより大きくなるが、ＰＤ２により検出された反射強度を用いて、ＰＤ１が検出する反射強度を補正することで、カバーガラス１６がＰＤ１の測定結果に与える影響も補正することができる。

なお、ＰＤ１が検出する反射強度の補正は以下のように行えばよい。図３に示す分光特性算出部４２は、ＰＤ２が検出した反射強度とＰＤ１が検出した反射強度との差を求める。そして、分光特性算出部４２は、求めた差が大きくなるにつれて、ＰＤ１が検出した反射強度に加えるオフセットを大きくし、ＰＤ１が検出した反射強度を補正すればよい。この場合、分光特性算出部４２は、ＰＤ１の反射強度及びＰＤ２の反射強度の差と、ＰＤ１の反射強度に加えるオフセットとの関係を予め定めた関数やＬＵＴを用いて、オフセットの値を定めればよい。或いは、分光特性算出部４２は、ＰＤ１の反射強度とＰＤ２の反射強度との差が規定値以上の場合、ＰＤ１の反射強度にオフセットを加え、規定値未満の場合、ＰＤ１の反射強度にオフセットを加えないようにしてもよい。

また、ＰＤ２により、測定異常を検出することもできる。例えば、測定対象Ｓの表面に肥料や水分などの異物が付着すると、反射強度を正確に測定することができず、異物を除去する必要がある。ここで、正反射光ＬＣ１´において、異物の影響が顕著に現れる。そのため、ＰＤ２により検出された反射強度に基づいて、測定異常が発生しているか否かを検出することができる。

この場合、分光特性算出部４２は、ＰＤ１の反射強度とＰＤ２の反射強度との差、又はＰＤ２の反射強度が規定値以上の場合、測定対象Ｓに異物が付着していると判定し、ユーザに異物の除去を促すようにすればよい。

また、ＬＥＤの放射光が直接受光できる位置にＰＤ２を配置し、受光した直接光の強度を点灯制御部４１にフィードバックし、ＬＥＤをＡＰＣ制御してもよい。これにより、ＬＥＤの光の強度をより安定させることができる。また、ＬＥＤの温度を検出するサーミスタを設け、点灯制御部４１にＬＥＤの放射光の強度を補正させることで、ＬＥＤの温度特性を考慮して、ＬＥＤから一定の強度の光を放射させるようにしてもよい。

（実施の形態４）
実施の形態４は、反射抑制部３２を開閉可能にしたことを特徴としている。図６は、本発明の実施の形態４における分光測定装置の全体構成図であり、（Ａ）は測定対象Ｓを挟持する前の全体構成図であり、（Ｂ）は測定対象Ｓを挟持した後の全体構成図である。

分光測定装置は、センサヘッド１０、本体部２０（第１本体部の一例）、本体部３０（第２本体部の一例）、制御部４０、回転軸５０、及び固定台６０を備えている。センサヘッド１０は、図１、図２、図５で示したセンサヘッド１０であり、本体部２０の先端側に設けられている。

また、本体部２０は、平板形状を持ち、センサヘッド１０の他、制御部４０を内蔵している。本体部３０は、基端側に回転軸５０が取り付けられ、平面状の試料載置面３１を持ち、回転軸５０を中心として、紙面において時計回り、又は反時計回りの方向に回転可能に取り付けられている。

そして、本体部３０は、測定時においては、図６（Ｂ）に示すように、本体部２０とで測定対象Ｓを挟持する。制御部４０は、図３に示す制御部４０である。回転軸５０は、固定台６０に対して紙面と直交する方向に取り付けられ、本体部３０を軸支する。固定台６０は、本体部２０の基端側において、上側に向けて立設して取り付けられている。

反射抑制部３２は、本体部３０において、ヒンジ３２１により紙面において時計回り、又は反時計回りの方向に回転可能に取り付けられた蓋体である。したがって、測定対象Ｓを本体部２０，３０で挟持した後、反射抑制部３２を反時計回りの方向に回転させて反射抑制部３２を開けると、測定窓Ｗから測定対象Ｓが露出する。これにより、ユーザは測定窓Ｗの直下に測定対象Ｓが正しく位置決めされているか否かを確認することができる。なお、実施の形態４の反射抑制部３２を開放可能とする構成は、実施の形態１〜３のいずれに適用してもよい。

（実施の形態５）
実施の形態５の分光測定装置は、透過型としたことを特徴としている。図７は、本発明の実施の形態５における分光測定装置の全体構成図である。図７のセンサヘッド１０としては、例えば実施の形態２のセンサヘッド１０が採用され、複数のＬＥＤ１〜ＬＥＤ３が測定対象Ｓを照射する。また、ＬＥＤ１〜ＬＥＤ３は、それぞれ異なる変調周波数で変調されて発光する。

本実施の形態では、センサヘッド１０は、本体部３０の先端に設けられている。ＰＤはセンサヘッド１０ではなく、本体部２０の上面に設けられている。そして、ＰＤはＬＥＤ１〜ＬＥＤ３が測定対象Ｓを照射したときの透過光を受光する。バッテリ７０は、本体部２０において、ＰＤの下側に設けられている。そして、バッテリ７０は、ＬＥＤ１〜ＬＥＤ３やＰＤに電力を供給する。

本実施の形態において、ブロック図は図３と同じである。したがって、分光特性算出部４２は、実施の形態２と同様、ＰＤが検出した透過光を、実施の形態２と同一の手法を用いてＬＥＤ１〜ＬＥＤ３の透過光に分離し、線形近似により測定対象Ｓの分光特性を算出する。

このように、透過型に分光測定装置においても、ＬＥＤ１〜ＬＥＤ３に測定対象Ｓを同時に照射させるため、実施の形態２と同じ効果を得ることができる。なお、実施の形態１，３の分光測定装置においても透過型を採用してもよい。実施の形態１，３を透過型として場合、反射抑制部３２は不要となる。

Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３ 変調周波数
ＬＣ１´ 正反射光
ＬＣ１ 中心光
Ｓ 測定対象
Ｗ 測定窓
１，２，３ ＬＥＤ
１０ センサヘッド
１２ ＬＥＤ取付孔
１３ ＰＤ取付孔
１４ 空間部
１５ 上面
１６ カバーガラス
２０，３０ 本体部
３１ 試料載置面
３２ 反射抑制部
４０ 制御部
４１ 点灯制御部
４２ 分光特性算出部
１２１ フード

Claims (13)

1. 測定対象を照射する光源と、
   前記測定対象からの光を受光し、前記測定対象からの光の強度を検出する検出部と、
   前記光源の近傍に設けられ、前記光源からの光が前記検出部に直接入射することを防止する遮光部とを備える分光測定装置。
2. 前記光源は、ピーク波長の異なる複数のＬＥＤであり、
   各ＬＥＤからの光を異なる変調周波数で変調し、変調した光を時間を重複させて前記測定対象に照射する点灯制御部を更に備える請求項１記載の分光測定装置。
3. 各ＬＥＤは、前記測定対象の同一位置に光を照射するように配置され、
   前記点灯制御部は、各ＬＥＤからの光を前記測定対象に同時に照射する請求項２記載の分光測定装置。
4. 前記検出部は、前記測定対象面に対して直交する鉛直方向に光軸が配置され、前記測定対象からの反射光を受光し、
   前記光源は、前記鉛直方向に交差し、かつ、中心光の正反射光以外の光が前記検出部に入射するように配置されている請求項１記載の分光測定装置。
5. 前記光源は、前記測定対象への光の照射スポットの直径が、前記測定対象までの光軸の距離よりも長い請求項４記載の分光測定装置。
6. 前記光源は、前記測定対象までの光軸の距離が、前記検出部の光軸の前記測定対象までの距離よりも短い請求項５記載の分光測定装置。
7. 前記検出部は、前記測定対象の表面に対して直交する鉛直方向に光軸が配置された第１検出部と、前記鉛直方向と交差する方向に光軸が配置された第２検出部とを備える請求項１〜６のいずれかに記載の分光測定装置。
8. 前記第２検出部は、前記光源の中心光の正反射方向に光軸が配置されている請求項７記載の分光測定装置。
9. 前記光源部は、ピーク波長が同一の複数のＬＥＤにより構成され、
   前記複数のＬＥＤのうち、いずれか１又は複数のＬＥＤを任意に選択して点灯させる点灯制御部を更に備える請求項１記載の分光測定装置。
10. 前記分光測定装置は、反射型の測定装置であり、
    前記測定対象の透過光の前記検出部への反射を抑制する反射抑制部を更に備える請求項１〜９のいずれかに記載の分光測定装置。
11. 前記光源及び前記検出部を含むセンサヘッドが内蔵された第１本体部と、
    前記第１本体部と前記測定対象を挟持する第２本体部とを備え、
    前記反射抑制部は、前記第２本体部に開閉可能に設けられた蓋体である請求項１０記載の分光測定装置。
12. 前記測定対象は、緑葉であり、
    前記検出部により検出された光の強度を基に、前記緑葉のレッドエッジの分光特性を算出する分光特性算出部を更に備える請求項１〜１１のいずれかに記載の分光測定装置。
13. 前記分光測定装置は、前記レッドエッジの分光特性の変化を算出する請求項１２記載の分光測定装置。

Images