JP2018534562A - 光源一体型レンズアセンブリ及びこれを含む分光分析装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、果物、飲料、食品などの物体の中の有機化合物成分や内部品質を非破壊方式で測定する分光分析装置に関し、より詳しくは、非破壊測定技術の一分野でやる近赤外線（ＮＩＲ：ｎｅａｒ ｉｎｆｒａ−ｒｅｄ）分光分析（ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｉｃ ａｎａｌｙｓｉｓ）技術を適用し、構成要素がコンパクトな構造で結合し、測定誤差を減らして正確度を高めたコンパクトな構造を有する分光分析装置に関する。本発明に係るコンパクトな構造を有する分光分析装置は、測定物体の測定部位を外部と遮断されるように覆う外部遮光部材と、前記測定物体の測定部位に光を照射する光源部材と、前記測定物体の測定部位で反射及び拡散され、入射される光を収集する受光レンズと、前記受光レンズを介して収集され、入射される光を波長別に分離して検出する分光器と、を備え、前記受光レンズの中央部には安着ホールが形成され、前記光源部材は前記安着ホールに安着して配置され、前記受光レンズと分光器は前記光源部材の光軸線上に配列されることを特徴とする。

Description

本発明は、果物、飲料、食品などの物体の中の有機化合物成分や内部品質を非破壊方式で測定する分光分析装置に関し、より詳しくは、非破壊測定技術の一分野でやる近赤外線（ＮＩＲ：ｎｅａｒ ｉｎｆｒａ−ｒｅｄ）分光分析（ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｉｃ ａｎａｌｙｓｉｓ）技術を適用し、構成要素がコンパクトな構造で結合し、測定誤差を減らして正確度を高めたコンパクトな構造を有する分光分析装置に関する。

一般に、近赤外線分光分析装置は、物質の内部に光を照射する手段である広帯域波長（ｂｒｏａｄｂａｎｄ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ）の発光部材と、物質の内部から出力される光を収集する受光部と、収集された光の吸収波長スペクトラム（ａｂｓｏｒｂａｎｃｅ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｓｐｅｃｔｒｕｍ）を検出する分光器（ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ）を含んで構成される。

このような近赤外線分光分析装置は、獲得した吸収波長スペクトラムと成分との相関関係（ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ）を回帰分析（ｒｅｇｒｅｓｓｉｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ）と適切な数前処理（ｍａｔｈ ｐｒｅｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）及び補正（ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ）式を用いた検量モデル式（ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｅｑｕａｔｉｏｎ）で作成し、物質を破壊せず、前処理をしなくても物質の内部の物理的及び化学的性質を非破壊的に測定することができる。

近赤外線分光分析装置の一例として果物の糖度測定器がある。

果物の糖度などの内部品質は、品種別または収穫時期や栽培環境と栽培技術の差によって個体別に差が大きいのみならず、同一の果樹に成る果物の間にも差が出てくる。従って、栽培段階または収穫前後で果物の実時間糖度測定に基づいての栽培技術の投入と収穫適期判定による果物品質向上の手段として、非破壊糖度測定器が必須に要求されると言える。

果物の糖度を測定する分光分析装置に関する従来技術として、韓国公開特許公報第１０−２００４−００１５５７号に「ハンドタイプの内部品質検査装置」が開示されている。

韓国公開特許公報第１０−２００４−００１５５７号に記載の「ハンドタイプの内部品質検査装置」は、発光部から検査対象に照射されて拡散反射される光を光ファイバーで収集して分光器に転送する。

韓国公開特許公報第１０−２００４−００１５５７号に記載の「ハンドタイプの内部品質検査装置」は、数多い光ファイバーを分光器の入力スリットに平行に配置しないといけないので、相対的に広い空間を確保する必要があり、確保された空間に光ファイバーを配置する作業が容易ではなく、光ファイバーに拡散反射される光を収集（集光）することが難しいという問題があった。

果物の糖度を測定する分光分析装置に関する従来技術として、本発明の出願人も韓国特許公報第１０−１３９７１５８号に「みかん用携帯非破壊糖度測定器」を提案した。

韓国特許公報第１０−１３９７１５８号に記載の「みかん用携帯非破壊糖度測定器」は、光を照射する発光部と拡散反射される光を収集する受光部を横に平行に配置している。

韓国特許公報第１０−１３９７１５８号に記載の「みかん用携帯非破壊糖度測定器」のように発光部と受光部を横に平行に配置する構造では、発光部と受光部の間の距離が遠くなると測定結果が測定物体の大きさと形状に大きく影響され、距離が近いと光の測定物体への浸透深さが浅くて光の干渉が発生する恐れがあり、測定する糖度に誤差が大きくなり得る。そして、発光部と受光部が横に並んで配置される構造なので、発光部と受光部それぞれの設置空間を確保する必要があり、分光分析装置の体積が増加する。

本発明は、上記のような従来技術に係る分光分析装置の問題を解決するためになされたものであり、携帯しながら使用しやすく、構成要素がコンパクトな結合構造を有するので小型化でき、測定物体の大きさと形状による影響を最小化し、光の浸透深さは深くしながら受光効率を上げ、測定信頼度の高いコンパクトな構造を有する分光分析装置を提供することを目的とする。

上記のような目的を達成すべく、本発明に係るコンパクトな構造を有する分光分析装置は、

測定物体の測定部位を外部と遮断されるように覆う外部遮光部材と、

前記測定物体の測定部位に光を照射する光源部材と、

前記測定物体の測定部位で反射及び拡散されて入射する光を収集する受光レンズと、

前記受光レンズを介して収集され、入射する光を波長別に分離して検出する分光器と、を備え、

前記受光レンズの中央部には安着ホールが形成され、前記光源部材は前記安着ホールに安着して配置され、前記受光レンズと分光器は前記光源部材の光軸線上に配列されることを特徴とする。

そして、内面に前記光源部材が密着して結合し、外面は前記受光レンズの安着ホールの内壁に密着して結合し、前方は前記受光レンズの前面に突出する内部遮光ゴムをさらに備えることを特徴とし、

前記外部遮光部材は、測定物体に密着するようにゴム材質ででき、折ることが可能な折部が形成されることを特徴とする。

上記のように構成される本発明は、発光部である光源部材と受光部である受光レンズが重なって同位置に配置される構造なので、これらが占める体積を最小化することで分光分析装置をより小型化でき、光源部材の光軸線上に受光レンズと分光器が配列されるので、測定物体の大きさと形状の差による影響が少なく、光の浸透深さを深くて広くすることができ、内部遮光ゴムで発光部と受光部間の光の干渉を最小化することで、分光測定の精密度を向上させたコンパクトな構造を有する分光分析装置で、産業発展に大いに有用な発明である。

本発明に係る分光分析装置の概略的なブロック図である。

本発明の一例に係る分光分析装置で果物の糖度を測定する状態図である。

本発明に係る分光分析装置の内部構造図である。

本発明に係る分光分析装置の主要部を図示した分解斜視図である。

本発明に係る分光器の断面図である。

本発明の一例に係る分光器の出力信号である分光波長スペクトラムを示すグラフである。

本発明に係る光源部材の断面図である。

１：測定物体 １０：ヘッド部

１１：受光レンズ １１１：安着ホール

１３：内部遮光ゴム １４：ヘッドケース

１４１：前方ケース １４２：フック突起

１４３：組立溝 １４５：後方ケース

１４６：フック溝 １４７：透過孔

１５：外部遮光部材 １５１：折部

１５３：組立突起 １６：回路基板

１６１：透過ホール ２０：分光器

２１：入力スリット ２２：凸レンズ

２３：回折格子 ２４：シリコン基板

２５：イメージセンサー ２６：ガラス回路基板

２７：リードフレーム ２８：分光器本体

２０ａ：薄膜光フィルター ２０ｂ：有効入射角

３０：コントローラ ４０：本体ケース

５０：光軸線 ６０：光源部材

６１：ミニ電球 ６２：ランプ本体

６３：ランプ電源端子

以下、添付図面を参照し、本発明に係る分光分析装置を詳しく説明する。

本発明に係る分光分析装置をより具体的に説明する前に、

本発明は様々な変更を加えることができ、様々な形態を有することが可能なので、幾つかの具現例（態様、ａｓｐｅｃｔ）（または実施例）を詳細に説明する。しかし、これは本発明を特定の開示形態に対して限定しようとすることではなく、本発明の思想及び技術範囲に含まれる全ての変更、均等物ないし代替物を含むことと理解されるべきである。

各図面で同一の参照符号、特に１０の位及び１の位の数字または１０の位、１の位及びアルファベット同一である参照符号は同一または類似な機能を有する部材を表し、特に明記しない限り、図面の各参照符号が示す部材はこのような基準に準ずる部材として把握すればよい。

さらに、各図面での構成要素は理解の便宜などを考慮し、大きさや厚さを誇張して大きく（厚く）または小さく（薄く）表現するか、または単純化して表現しているが、これによって本発明の権利範囲が制限的に解釈されてはいけない。

本明細書で用いた用語はただ特定の具現例（態様、ａｓｐｅｃｔ）（または実施例）を説明するために用いられたもので、本発明を限定しようとする意図ではない。単数の表現は文脈上明確に異なる意味を示さない限り、複数の表現を含む。本出願で、「〜を含む」または「〜でなる」などの用語は明細書上に記載された特徴、数字、段階、動作、構成要素、部品またはこれらを組み合わせたものが存在することを指定しようとするものであり、一つまたはそれ以上の他の特徴や数字、段階、動作、構成要素、部品またはこれらの組合せの存在または付加の可能性を予め排除しないものとして理解されるべきである。

異なるように定義しない限り、技術的または科学的な用語を含め、ここで用いられる全ての用語は本発明が属する技術分野で通常の知識を有するものによって一般的に理解されるのと同一の意味を有する。一般的に用いられる辞典に定義されているような用語は関連技術の文脈上有する意味と一致する意味を有するものとして解釈されるべきであり、本出願で明確に定義しない限り、理想的にまたは過度に形式的な意味として解釈されない。

図１を参照して本発明に係る分光分析装置１００の概略的なブロック構造を説明する。

分光分析装置１００は、本体ケース４０、本体ケース４０の前方に配置されるヘッド部１０、ヘッド部１０と所定の距離を維持して本体ケース４０の後方に内蔵されて配置される分光器２０、及びコントローラ３０を備える。

ヘッド部１０は、測定物体１の表面に安定的に密着し、測定物体１の大きさと曲率による影響を最小化するように設計され、小型のために発光部と受光部がコンパクトな構造で結合し、測定精密度を高めるための構造を有するなど、本発明に係る技術のコアーになるパーツである。

コントローラ３０は、様々な電子部品が配置される印刷回路基板で、主要機能と動作を簡略に説明すると、次のとおりである。光源駆動部は回路基板１６を介して光源部材６０に発光のための電源を供給し、光検出部は分光器２０から出力されるアナログ電気信号をデジタルデータに変換して収集し、外部通信部は光検出部で獲得したスペクトラムデータを外部のコンピューターやスマートフォンなどにＵＳＢまたはブルートゥースで転送し、電源部はバッテリー充電とコントローラ３０に電源を供給する。コントローラ３０は付加的に電源駆動、スイッチ及び表示ランプの点滅などの機能を行うことができる。

図２は、本発明の一例に係る分光分析装置で果物の糖度を測定する状態図である。

本発明に係る分光分析装置１００は、一方の手で果物を持ち、他方の手で分光分析装置１００の本体ケース４０を持ち、ヘッド部１０の外部遮光部材１５が果物の表皮に密着するように維持し、指で本体ケース４０のスイッチを押すと測定が行われる。この際、測定中にも果物との密着状態を持続できるように効果音や表示ランプを用いることができる。

以下では、図３及び４を参照してヘッド部１０を詳しく説明する。

ヘッド部１０には、外部遮光部材１５、ヘッドケース１４、内部遮光ゴム１３、受光レンズ１１、光源部材６０、回路基板１６が含まれる。

発光部としての光源部材６０は、分光分析のための近赤外線光を発光して前方の測定物体の表面（即ち、外部遮光部材が覆う測定部位）に照射し、受光部としての受光レンズ１１は、光源部材６０から照射された光が測定物体の内部に浸透して拡散反射によって出力される光を収集し、分光器２０に転送する。

ここで、本発明は、光源部材６０と受光レンズ１１の設置空間を別途用意しないで、これら（１１、６０）の設置空間が共有されるように、即ち、同一の空間に設置されるようにし、これらが占める空間を最小化している。

設置空間を最小化するため、そして受光レンズ１１が光源部材６０の光軸線上に配置されるように、受光レンズ１１の中央部には安着ホール１１１が形成され、光源部材６０は安着ホール１１１に安着して配置される。

内部遮光ゴム１３は、弾性を有するゴム材質ででき、内面に光源部材６０を密着して結合し、外面は安着ホール１１１の内壁に密着して結合することで、外部から衝撃が加えられても光源部材６０が揺れることなく安着ホール１１１の中心に固定されるようにする。

内部遮光ゴム１３は、光源部材６０と受光レンズ１１を一定の間隔で離隔させ、光源部材６０から測定物体１に照射された光が測定物体の表面や薄い浸透深さで拡散反射されて受光レンズ１１に入射することを遮断する。

内部遮光ゴム１３は、前方が受光レンズ１１の前面に突出し、弾性のゴム材質でできているので、測定物体１の大きさや曲率が異なっても測定物体１の表面に密着し、発光領域と受光領域を隔離遮断する。

外部遮光部材１５は、本体ケース４０の前方に備えられて測定物体１の測定部位を覆い、内側には発光部材６０と受光レンズ１１などが配置され、これらと外部とを遮断する。即ち、外部の自然光や散乱光などが外部遮光部材１５の内側に流入されて受光レンズ１１に浸透しないようにする。

外部遮光部材１５は、測定物体１の様々な大きさと曲率に対応できるようにゴム材質ででき、折ることが可能な折部１５１が形成される。

回路基板１６には、光源部材６０が接続され、コントローラ３０の光源駆動部が供給する電源を光源部材６０に印加する。

回路基板１６には、受光レンズ１１が収集して出力する光が分光器２０に入射されるように透過ホール１６１が形成される。

ヘッドケース１４は、互いに組み立てられる前方ケース１４１と後方ケース１４５で構成され、内部には光源部材６０、受光レンズ１１、及び内部遮光ゴム１３の組立体が配置され、前方ケース１４１の前方には外部遮光部材１５が結合し、後方ケース１４５の後方には回路基板１６が配置される。

前方ケース１４１と後方ケース１４５にはフック式で互いに組み立てられるフック突起１４２とフック溝１４６が形成され、前方ケース１４１には外部遮光部材１５の後方内面に突出された組立突起１６３が結合する組立溝１４３が形成され、後方ケース１４５の後面には回路基板１６の透過ホール１６１のように受光レンズ１１が収集して出力する光が分光器２０に入射できるようにする透過孔が形成される。

図５ａ及び５ｂを参照して分光器２０を具体的に説明する。

分光器２０は、分光器本体２８の内側に光軸線５０と直線を成すように配置される入力スリット２１、入力スリット２１が形成されたシリコン基板２４上に設けられるイメージセンサー２５、シリコン基板２４の下部面に結合し、電気回路パターンが形成された透明なガラス回路基板２６、ガラス回路基板２６の下部に配置され、その外側表面に回折格子２３が形成された凸レンズ２２、ガラス回路基板２６に電気的に接続されるリードフレーム２７を含む。

分光器２０の一つの側に形成する薄膜光フィルター２０ａは、一実施例として、測定物体１の測定要因と相関度の高い波長帯域の透過率を増加させる。これによって、信号対雑音比が向上するので、測定の精密度と正確度が向上する。さらに、不必要な波長帯域を遮断するので、分光器２０内部での散乱光を抑制する効果も奏する。

分光器２０は、ヘッド部１０に配置される受光レンズ１１の焦点距離に分光ヘッド部２０の入力スリット２１が位置するように本体ケース４０に固定される。この際、受光レンズ１１の直径と焦点距離は、分光器２０に配置される入力スリット２１の有効入射角（開口数：ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ａｐｅｒｔｕｒｅ）２０ｂによって決定される。従って、分光器２０と受光レンズ１１、及び光源部材６０は光軸線５０上に直線状に配列される。

本発明に係る分光器２０の構成によって、測定物体１から拡散反射された光は受光レンズ１１を介して集光（ｆｏｃｕｓｉｎｇ）され、薄膜光フィルター２０ａを透過して有効入射角２０ｂ内にあるビーム（ｂｅａｍ）のみが入力スリット３３を通過し、制限された大きさで拡散された光は凸レンズ２２の表面の回折格子２３によって各波長別に分離され、イメージセンサー２５の各ピクセル（ｐｉｘｅｌ）で光電流に変換され、リードフレーム２７を介してコントローラ部４０の光検出部で図５ｂに示す一実施例としての分光スペクトラムデータが生成される。

図６を参照すると、光源部材６０は、アルミニウム材質の円筒形のランプ本体６２の中心部にミニ電球６１をセメントやエポキシなどの硬化剤で固定して構成する。ミニ電球６１のフィラメントは発光された光が測定物体１側に集光されるようにランプ本体６２の楕円形反射面の頂点に位置するように設計される。

このように構成される本発明に係る分光分析装置１００の動作構造を簡略に説明する。

本発明に係る分光分析装置１００は、ヘッド部１０に固定される光源部材６０と受光レンズ１１、及び分光器２０を小型化でき、分光分析装置１００の全体形状をポケットタイプにし、測定物体１の表面に接触することだけで簡単に操作することができる。

本発明に係る分光分析装置１００は、発光部と受光部が一体化されたヘッド部と超小型分光器を含む構成で、装置の小型化、軽量化、省電力化、及び低価格を実現可能である。

さらに、本発明の構成を介して移動と携帯が可能な分光分析装置を実現することができ、これは外観のみでは内部品質、成分などの判定が不可能な果物、飲料、食品などの内部品質を、対象物を破壊することなく検査することができるコンパクトでポケットタイプの分光分析装置である。

以上で、本発明の説明に当たって添付した図面を参照して特定の形状と構造を有するコンパクトな構造を有する分光分析装置に関して説明したが、本発明は、当業者によって様々な変形及び変更が可能であり、このような変形及び変更は本発明の権利範囲に含まれるものと解釈されるべきである。

本発明は、光源一体型レンズアセンブリ及びこれを含む分光分析装置に関する。

上記のような目的を達成すべく、本発明の少なくとも一つの実施例においては、測定対 象物に光を照射するための光源と、前記光源から照射された光が前記測定対象物から拡散 及び反射された拡散反射光を受光するための受光レンズと、前記受光レンズの中央部に形 成され、内部に前記光源が配置される安着ホールと、内側面が前記光源に密着し、外側面 が前記安着ホールの内壁に密着し、前面は前記受光レンズの表面から前記測定対象物に向 かう方向に突出する内部遮光部材と、を備え、前記光源の光軸と前記受光レンズの焦点が 同一線上に位置する、光源一体型レンズアセンブリを提供する。

本発明の少なくとも一つの実施例において、前記内部遮光部材は、前記光源を前記安着 ホールの中心に固定する固定部材の機能を有する。

本発明の少なくとも一つの実施例において、光源一体型レンズアセンブリは、前記受光 レンズの外側部を取り囲み、前面は前記測定対象物に向かう方向に突出する外部遮光部材 をさらに含む。

本発明の少なくとも一つの実施例において、前記受光レンズの外側部を取り囲み、前面 は前記測定対象物に向かう方向に突出する外部遮光部材をさらに含む。

本発明の少なくとも一つの実施例において、前記外部遮光部材は、前記内部遮光部材よ り前記受光レンズの表面から前記測定対象物に向かう方向にもっと突出し、折ることが可 能な折部を含む。

本発明の少なくとも一つの実施例においては、本体ケースと、前記本体ケースの前面に 装着されるヘッド部と、前記本体ケースの内部に配置される分光器と、を備え、前記ヘッ ド部は、本発明の少なくとも一つの実施例に係る光源一体型レンズアセンブリを備え、前 記分光器の光軸が前記光源の光軸及び前記受光レンズの焦点と同一線上に位置する、分光 分析装置を提供する。

本発明の少なくとも一つの実施例において、分光分析装置は、前記光源を駆動するため の光源駆動部と、前記分光器から出力される光を検出するための光検出部と、前記光検出 部の出力を外部機器に転送するための外部通信部と、を含むコントローラをさらに備える 。

本発明の少なくとも一つの実施例において、分光分析装置は、前記分光器の入力スリッ トの前方に薄膜光フィルターをさらに備える。

外部遮光部材１５は、本体ケース４０の前方に備えられて測定物体１の測定部位を覆い、内側には光源部材６０と受光レンズ１１などが配置され、これらと外部とを遮断する。即ち、外部の自然光や散乱光などが外部遮光部材１５の内側に流入されて受光レンズ１１に浸透しないようにする。

分光器２０は、ヘッド部１０に配置される受光レンズ１１の焦点距離に分光器２０の入力スリット２１が位置するように本体ケース４０に固定される。この際、受光レンズ１１の直径と焦点距離は、分光器２０に配置される入力スリット２１の有効入射角（開口数：ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ａｐｅｒｔｕｒｅ）２０ｂによって決定される。従って、分光器２０と受光レンズ１１、及び光源部材６０は光軸線５０上に直線状に配列される。

本発明に係る分光器２０の構成によって、測定物体１から拡散反射された光は受光レンズ１１を介して集光（ｆｏｃｕｓｉｎｇ）され、薄膜光フィルター２０ａを透過して有効入射角２０ｂ内にあるビーム（ｂｅａｍ）のみが入力スリット２１を通過し、制限された大きさで拡散された光は凸レンズ２２の表面の回折格子２３によって各波長別に分離され、イメージセンサー２５の各ピクセル（ｐｉｘｅｌ）で光電流に変換され、リードフレーム２７を介してコントローラ３０の光検出部で図５ｂに示す一実施例としての分光スペクトラムデータが生成される。

Claims (3)

1. 測定物体の測定部位を外部と遮断されるように覆う外部遮光部材と、
   前記測定物体の測定部位に光を照射する光源部材と、
   前記測定物体の測定部位で反射及び拡散され、入射される光を収集する受光レンズと、
   前記受光レンズを介して収集され、入射される光を波長別に分離して検出する分光器と、
   を備え、
   前記受光レンズの中央部には安着ホールが形成され、前記光源部材は前記安着ホールに安着して配置され、前記受光レンズと分光器は前記光源部材の光軸線上に配列されることを特徴とする、
   コンパクトな構造を有する分光分析装置。
2. 内面に前記光源部材が密着して結合し、外面は前記受光レンズの安着ホールの内壁に密着して結合し、前方は前記受光レンズの前面に突出する内部遮光ゴムをさらに備えることを特徴とする、
   請求項１に記載のコンパクトな構造を有する分光分析装置。
3. 前記外部遮光部材は、測定物体に密着するようにゴム材質ででき、折ることが可能な折部が形成されることを特徴とする、
   請求項１または２に記載のコンパクトな構造を有する分光分析装置。