JP2017190957A

JP2017190957A - 光学測定装置

Info

Publication number: JP2017190957A
Application number: JP2016078932A
Authority: JP
Inventors: 鈴木　俊美; Toshimi Suzuki; 俊美鈴木; 山田　英一郎; Eiichiro Yamada; 英一郎山田
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2016-04-11
Filing date: 2016-04-11
Publication date: 2017-10-19

Abstract

【課題】測定台の影響を受けることなく測定対象物に係る測定を精度よく行う。【解決手段】光学測定装置１は、ＸＹ平面に延在する平坦面を有し、位置（０，０，０）に測定対象物３を載置できる測定台２と、位置（ｄ，０，ｈ２）から測定光を出射し、前記位置（０，０，０）を含む測定台２に対して、測定光Ｌ１を照射する光源部１０と、前記測定台に載置された測定対象物からの拡散反射光Ｌ２を受光する受光素子Ｃと、位置（０，０，ｈ１）に設けられ、前記受光素子に達する前記拡散反射光を規制する手段とを含む受光部２０と、を備え、光源部１０からの測定光Ｌ１の測定台２への入射角αが以下の数式（１）；ｔａｎα＞ｄ／（ｈ１＋ｈ２） …（１）を満たす。【選択図】図１

Description

本発明は、光学測定装置に関する。

測定対象物に対して測定光を照射することで、測定対象物からの反射光を受光部で受光し、測定対象物に係る測定を行う光学測定装置が知られている。例えば、特許文献１では、近赤外光を用いて、ベルトコンベアによって搬送されるプラスチック混在物の中から透明プラスチックを分別する方法が示されている。

特開２０１３−２３８５２４号公報

本発明は、測定対象物に係る測定を精度よく行うことが可能な光学測定装置を提供することを目的とする。

本願発明は、
（１）ＸＹ平面に延在する平坦面を有し、位置（０，０，０）に測定対象物を載置できる測定台と、
位置（ｄ，０，ｈ_２）から測定光を出射し、前記位置（０，０，０）を含む前記測定台に対して、測定光を照射する光源部と、
前記測定台に載置された測定対象物からの拡散反射光を受光する受光素子と、位置（０，０，ｈ_１）に設けられ、前記受光素子に達する前記拡散反射光を規制する手段とを含む受光部と、
を備える光学測定装置であって、
前記光源部からの前記測定光の測定台への入射角αが数式（１）；
ｔａｎα＞ｄ／（ｈ_１＋ｈ_２） …（１）
を満たす光学測定装置、
である。

本発明によれば、測定台の影響を受けることなく測定対象物に係る測定を精度よく行うことが可能な光学測定装置が提供される。

本発明の実施形態に係る光学測定装置の概略構成を説明する図である。光源と受光部との関係について説明する図である。測定台の変更によるスペクトルの変化を説明する図である。

［本願発明の実施形態の説明］
最初に本願発明の実施態様を列記して説明する。

本願の光学測定装置は、（１）ＸＹ平面に延在する平坦面を有し、位置（０，０，０）に測定対象物を載置できる測定台と、位置（ｄ，０，ｈ_２）から測定光を出射し、前記位置（０，０，０）を含む前記測定台に対して、測定光を照射する光源部と、前記測定台に載置された測定対象物からの拡散反射光を受光する受光素子と、位置（０，０，ｈ_１）に設けられ、前記受光素子に達する前記拡散反射光を規制する手段とを含む受光部と、を備える光学測定装置であって、前記光源部からの前記測定光の測定台への入射角αが数式（１）；
ｔａｎα＞ｄ／（ｈ_１＋ｈ_２） …（１）
を満たす。

上記の光学測定装置によれば、光源部と測定台とが上記の位置関係で配置されることにより、光源部からの測定光の測定台での正反射光が受光部へ入射することを防ぐことができる。すなわち、測定台の影響を受けることなく測定対象物に係る測定を精度よく行うことが可能となる。

（２）また、本願発明は上述の（１）に記載の光学測定装置において、測定台は、表面の着色材としてカーボンブラックを含むことができる。

測定台は、表面の着色材としてカーボンブラックを含むことにより、測定台の表面における正反射光の強度の抑制を好適に行うことができる。

［本願発明の実施形態の詳細］
本発明に係る光学測定装置の具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

図１は、本発明の実施形態に係る光学測定装置１の概略構成を説明する図である。図１に示される光学測定装置１は、測定台２上に載置されて、所定の方向に搬送される測定対象物３を撮像する装置である。このような光学測定装置１は、例えば、測定対象物３の検査等に用いられる。光学測定装置１の測定対象物３は特に限定されない。

光学測定装置１は、近赤外光である測定光を搬送手段により搬送される測定対象物３に対して照射することにより得られる拡散反射光を測定し、その拡散反射光の強度又はスペクトル形状等に基づいて測定対象物３の光学測定を行う。光学測定装置１は、測定対象物３を載置する測定台２、光源部１０、受光部２０、及び、分析部３０を備える。なお、以下の実施形態では光学測定に近赤外光を使用する場合について説明するが、他の波長範囲の光を測定に用いてもよい。

本実施形態で説明する光学測定装置１では、測定台２が、例えばコンベア、シューター、リフト等の搬送手段により搬送され、測定台２に載置された測定対象物３が搬送方向（図１における矢印Ｐ方向）に移動するとする。なお、受光部２０は、搬送方向（矢印Ｐ方向）に対して垂直な方向に視野領域を有して撮像を行う。すなわち、受光部２０がラインセンサである場合について説明する。

光源部１０は、測定台２上の測定対象物３が配置される領域に対して近赤外光を照射する。光源部１０が照射する測定光の波長範囲は、測定対象物３によって適宜選択される。測定光としては、具体的には、波長範囲が８００ｎｍ〜２５００ｎｍの近赤外光が好適に用いられ、特に１０００ｎｍ〜２３００ｎｍの光が好適に用いられる。光源部１０は、ハロゲンランプからなる光源を含むことができるが、特に限定されない。また、近赤外光とは異なる波長帯域の光を測定に用いてもよい。

光源部１０からの測定光Ｌ１は、測定対象物３を載置する測定台２の表面の一部の領域へ向けて照射される。測定台２の表面のうち、光源部１０からの測定光Ｌ１が到達する領域は平坦面とされている。なお、測定台２の表面は、カーボンブラックを着色材として含むことが好ましい。この点については後述する。

受光部２０は、光源部１０から照射される近赤外光が測定対象物３において拡散反射された拡散反射光Ｌ２をレンズ２１から入射して、カメラ２２において受光することで、測定対象物３の撮像を行う。カメラ２２は、ライン状又は２次元に配置された受光素子により構成される受光面による受光により発生する電荷をＡ／Ｄ変換器によってデジタル変換し、波長領域ごとに光強度の分布を示すデジタル情報を生成する。生成されたデジタル情報は、受光部２０から分析部３０へ送られる。受光部２０がラインセンサである場合、カメラ２２は、測定台２上において搬送方向（矢印Ｐ方向）に対して垂直な方向に延びるライン状の視野領域からの光を受光面にて受光する。なお、受光面の前段にはレンズ、スリット等で構成され、受光素子へ入射する光を特定の方向からのみに規制する手段が設けられている。

受光部２０は、ハイパースペクトル画像を取得するハイパースペクトルセンサであってもよい。ハイパースペクトル画像とは、一画素がＮ個の波長データにより構成されている画像であり、画素毎にそれぞれ複数の波長に対応した反射強度データからなるスペクトル情報が含まれている。すなわち、ハイパースペクトル画像は、画像を構成する画素毎に、それぞれ複数波長の強度データを持つという特徴から、画像としての二次元的要素と、スペクトルデータとしての要素をあわせ持った三次元的構成のデータである。なお、本実施形態では、ハイパースペクトル画像とは、１画素あたり少なくとも５つの波長帯域における強度データを保有している画素によって構成された画像のことをいう。

なお、受光部２０は、光源部１０からの測定光Ｌ１が測定対象物３の表面で正反射した場合の正反射光ではなく、拡散反射光を撮像可能な位置に配置することが好ましい。測定対象物３の表面における正反射光は、光量（強度）は多いが測定対象物の情報は少ないため、測定対象物３に係る情報を正確に検出することが困難である。したがって、拡散反射光Ｌ２のみを検出可能な位置に受光部２０を配置することが好ましい。

分析部３０は、受光部２０から送られる測定スペクトルの情報を受け取り、演算処理等を行う。分析部３０により、吸収スペクトルの導出、測定スペクトルの２階微分スペクトルの導出、吸収スペクトルの２階微分スペクトルの導出等を行う構成としてもよい。また、測定対象物３に係る評価を行うための統計処理等が分析部３０において行われる構成としてもよい。また、受光部２０がハイパースペクトルセンサを有するハイパースペクトルカメラである場合、各画素に係るスペクトルの情報が分析部３０に対して送られるので、分析部３０においてこれらのスペクトル情報についての演算を行う構成とすることができる。

分析部３０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、主記憶装置であるＲＡＭ（Random Access Memory）やＲＯＭ（Read Only Memory）、受光部２０等の他の機器との間の通信を行う通信モジュール、並びにハードディスク等の補助記憶装置等のハードウェアを備えるコンピュータとして構成される。そして、これらの構成要素が動作することにより、分析部３０としての機能が発揮される。

ここで、光源部１０がラインセンサに対応しシリンドリカルレンズ等の補正用光学系を備えている場合、光源部１０による照射領域は、測定台２上において搬送方向（矢印Ｐ方向）に対して垂直な方向に延びるライン状に延びる領域を照射領域とすることができる。しかし、図１に示すように、十分な補正がなされていない場合には、照射領域は幅広い領域となる。

このような場合、光源部１０から出力された測定光Ｌ１の一部は、測定台２上の測定対象物３に入射するが、他の光は測定台２を照射することになる。測定対象物３に入射した光は測定対象物３の表面から拡散反射光として拡散して出射される。そして、その一部が、拡散反射光Ｌ２として受光部２０に入射する。また、図１に示す構成の場合、測定台２における正反射光Ｌ３も受光部２０に入射する可能性がある。特に測定対象物３が小さい場合には、測定台２を照射する光の割合が増加するため、測定台２における正反射光Ｌ３が受光部２０に入射する可能性が高くなる。

受光部２０を測定台２の真上に配置すると、測定台２における正反射光Ｌ３が受光部２０に入射する可能性を低くすることができる。しかしながら、光源部１０の広がり角の関係によっては、正反射光Ｌ３が受光部２０に入射する可能性が考えられる。

そこで、本実施形態に係る光学測定装置１では、光源部１０の光源と受光部２０のスリットのように受光素子へ入射する光を規制する手段とが所定の位置関係を満たすように光源部１０と受光部２０との配置を規定することを特徴とする。

具体的な位置関係について、図２を参照しながら説明する。図２では、ＸＹＺ軸を設定し、測定台２の表面がＸＹ平面（Ｚ＝０）に設けられているとする。そして、受光部の受光素子へ入射する光を規制する手段が（０，０，ｈ_１）の位置に設けられて、光源部１０の光源Ｓが（ｄ，０，ｈ_２）の位置に設けられると仮定し、光源Ｓから出射される光Ｌ４が測定台２で正反射して受光素子Ｃに到達する条件について検討する。受光素子Ｃへ入射する光を規制する手段は、スリットやレンズであり、測定対象物３に最も近い光学素子の位置を（０，０，ｈ_１）とする。

光源Ｓからの光Ｌ１の測定台２への入射角をαとすると、光源Ｓを−Ｚ側に投影した点Ｓ’（ｄ，０，−ｈ_２）を利用して以下の数式（１）を導くことができる。
ｔａｎα＝ｄ／（ｈ_１＋ｈ_２） …（１）

ここで、光源Ｓからの光Ｌ１は、広がり角に応じて、測定台２への入射角に幅が生じる。ここでは、入射角がα_ｍｉｎ〜α_ｍａｘであるとする。この場合、入射角が最小の場合αｍｉｎの光が受光部２０の受光素子Ｃに到達しなければ、それよりも入射角が大きくなる光も受光部２０の受光素子Ｃに到達しない。

したがって、光源Ｓからの全ての光が測定台２で正反射して受光部２０へ向かわない条件としては、以下の数式（２）となる。
ｔａｎα_ｍｉｎ＞ｄ／（ｈ_１＋ｈ_２） …（２）

つまり、光源Ｓの広がり角を考慮した上で、光源Ｓからの全ての光の測定台２への入射角が以下の数式（３）の関係を満たせば、光Ｌ４が測定台２で正反射して受光部２０の受光素子Ｃに到達することを防ぐことができる。
ｔａｎα＞ｄ／（ｈ_１＋ｈ_２） …（３）

つまり、本実施形態に係る光学測定装置１では、光源部１０からの測定光Ｌ１が（ｄ、０、ｈ_２）から出射され、受光部２０において受光素子へ入射する光を規制する手段が（０，０，ｈ_１）に設けられていると仮定した場合に、光源部１０からの測定光Ｌ１の測定台２への入射角αが上記の数式（３）を満たしていることで、測定台２での正反射光が受光部２０へ入射することを防ぐことができる。すなわち、測定台２の影響を受けることなく測定対象物に係る測定を精度よく行うことが可能となる。

加えて、光源部１０と受光部２０との位置関係を上記の関係にすることで、測定台２での正反射光が直接受光部２０に到達しない配置にした場合であっても、測定台２で正反射光以外の光が受光部２０において受光され、測定結果に影響を与える可能性がある。そのため、本実施形態に係る光学測定装置１では、測定台２の表面は、着色材としてカーボンブラックを含み、測定台２の表面を黒色とすることができる。これにより、測定台２における正反射光自体を抑制することができる。

この点について、図３を参照しながら説明する。図３は、測定対象物３として白カップ（サンプルＡ）及び透明カップ（サンプルＢ）を準備し、測定台２としてコンベアのベルトを用い、ベルトの色を白色にした場合と黒色とした場合のそれぞれについて、光源部１０から波長１０００ｎｍ〜２２００ｎｍの近赤外光を照射して、受光部２０において反射スペクトルを測定したものである。また、ベルトの色を変更した場合のスペクトルの差分を求めて、併せて示した。なお、図３に示すスペクトルを取得した際には、光源部１０から出射される近赤外光がベルトで正反射して受光部２０に入射しないように、光源部１０と受光部２０とを配置した。

図３に示すように、２種類のサンプルのいずれにおいても、ベルトの色を変更することで反射スペクトルに変化が生じることが確認された。具体的には、反射率が最大３％上昇することが確認された。また、スペクトルの差分を求めた結果によれば、ベルトの色を変更すると、全ての波長帯域で一律に反射率が増加するわけではなく、波長域によって反射率の増加する割合が異なることが確認された。これは、測定台２の色の変更によって、測定対象物３の反射スペクトルの形状が変更される可能性を示すものである。したがって、上記実施形態で示すように、測定台２の表面を黒色とすることで、光源部１０から出射された光が測定台２において正反射すること自体を抑制することができ、測定台の影響を受けることなく測定対象物３に係る測定を精度よく行うことが可能となる。

なお、測定対象物３が食品である場合は衛生上等の判断で測定台２を黒色とすることができない場合がある。このような場合であっても、表面の着色材としてカーボンブラックを含むことで、測定台２表面での正反射光の強度を抑制することができる。測定台２の表面において、カーボンブラックが１％以上である場合、正反射光の強度の抑制を好適に行うことができる。

以上、本発明の実施形態について説明してきたが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。

例えば、上記実施形態では、１つの光源部１０が設けられる場合にについて説明したが、光源部１０の数は複数であってもよい。その場合には、複数の光源部１０のそれぞれが上記の関係を満たすように配置されることによって正反射光を抑制することが可能となる。

また、本発明は、例えば光源部１０が点光源等である場合にも適用ができる。また、受光部２０についてもラインセンサである必要はない。例えば、光源部１０が点光源である場合にも、受光部２０における各受光素子と点光源との位置関係が上記の関係を満たしていればよい。すなわち、光源と、受光部における受光素子へ入射する光を規制する手段と、の位置関係を都度検討すればよい。

１…光学測定装置、２…測定台、３…測定対象物、１０…光源部、２０…受光部、３０…分析部。

加えて、光源部１０と受光部２０との位置関係を上記の関係にすることで、測定台２での正反射光が直接受光部２０に到達しない配置にした場合であっても、測定台２で反射された正反射光以外の光が受光部２０において受光され、測定結果に影響を与える可能性がある。そのため、本実施形態に係る光学測定装置１では、測定台２の表面は、着色材としてカーボンブラックを含み、測定台２の表面を黒色とすることができる。これにより、測定台２における正反射光自体を抑制することができる。

Claims

ＸＹ平面に延在する平坦面を有し、位置（０，０，０）に測定対象物を載置できる測定台と、
位置（ｄ，０，ｈ_２）から測定光を出射し、前記位置（０，０，０）を含む前記測定台に対して、測定光を照射する光源部と、
前記測定台に載置された測定対象物からの拡散反射光を受光する受光素子と、位置（０，０，ｈ_１）に設けられ、前記受光素子に達する前記拡散反射光を規制する手段とを含む受光部と、
を備える光学測定装置であって、
前記光源部からの前記測定光の測定台への入射角αが数式（１）；
ｔａｎα＞ｄ／（ｈ_１＋ｈ_２） …（１）
を満たす光学測定装置。
前記測定台は、表面の着色材としてカーボンブラックを含む請求項１に記載の光学測定装置。