JP2019020259A - 赤外線反射光測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】多波長域と帯域幅を任意に選択できる赤外線反射光測定装置を提供する。【解決手段】赤外線反射光測定装置は、主に以下を含む。第一集光レンズの一側は外向きに延びて外側として仕切り、該第一集光レンズ該外側と反対の別一側は外向きに延びて内側として仕切る。ハロゲン電球は、該第一集光レンズの内側に設置する。複数の第二集光レンズのサイズは該第一集光レンズより小さく、該第一集光レンズの内側と該ハロゲン電球の間に分布する。赤外線ライト集光レンズ組は、そのうちの一第二集光レンズと該ハロゲン電球の間に設置する。複数の第三集光レンズ組は、残りの第二集光レンズの外側に設置する。複数の分光フィルターは、該各第三集光レンズ組の外側にそれぞれ位置する。複数のフォトダイオードは、該各分光フィルターの外側にそれぞれ位置し、該各分光フィルターとしっかり合わさる。【選択図】図３

Description

本発明は、赤外線設備に関し、特に赤外線反射光測定装置に係わる。

近年、異なる個別分子を利用し、異なる波長のスペクトルに対し、異なる吸收反射比率の特徴を有し、それによってスペクトルを判読し、更にコンピュータ分析ソフトを運用して被計測物体のある種の化学成分比率を計算することができる。

それにより、農作物、果物、食品等の糖度もしくは酸度測定、更にはある種の毒性物質の含有量が安全か否かというのは、各種の分光学によって開発販売した検出器製品がある。これらはすべて赤外線スペクトルの吸收反射原理によって近い検査数値を取得する。従来の果物糖度の検査は、果汁を取り出さなければならず、血糖の測定ならば人に針を刺し血液を抜かなければならない。しかし、これらの侵入式方式は、果物を破壊し、人には針を刺すことで、傷つけたり、心理的な恐怖心を産んだりする。そのため、更なる発展のため、医療技術検査の上で、例として、人の血中濃度、血糖値の高低等非侵入式の検査方法の論文が多く書かれている。その正確性及び信頼性は臨床実驗上、ＦＤＡ認證の標準に達していないが、変わらずに今も家庭看護において、快適で安全な長期監視サポートとして地位を獲得しており、破壊及び痛みを避けている。

可視光の波長４００〜７５０ＮＭは、果物等農作物の表皮を通過しにくく、人の皮膚表層も同じく通過しにくい。図１に示すとおり、光波を利用した非侵入式検査は、更に長波の近赤外線ＮＩＲ（７５０〜１７００ＮＭ）、更には短波赤外線ＳＷＩＲ（１７００〜２５００ＮＭ）を使用しなければならない。つまり、理論上、波長が長くなればなるほど、果物の果肉内もしくは真皮層下の血管組識等に浸透しやすくなる。そのため、大部分の市場に出ている非破壞性検出器はこの波長を運用することによって、各種物質分子のスペクトル反射を検査する。その他、図２に示すとおり、よく見かける異なる物質もしくは化学結合には異なる吸收スペクトルがあり、それを用いて成分を判断する。

現在、採用の発光ダイオード（ＬＥＤ）で赤外線光源の非破壞性検出器にとって、その帯域幅は幾つかの規格内だけに限定され、等距離の波長域もしくは幅広、幅狭の帯域幅に対しては、適する発光ダイオードを探すのは非常に困難である。

解決しようとする問題点として、公知の非破壊性検出器は、発光ダイオードを採用しており、それは赤外線の光源であるが、その帯域幅は、幾つかの規格内に限定され、等距離でなければならない波長域、もしくは幅広、幅狭の帯域幅に対して、適合する発光ダイオードを探す問題は非常に困難である点である。

赤外線反射光測定装置は、主に以下を含む。第一集光レンズの一側は外向きに延びて外側として仕切り、該第一集光レンズ該外側と反対の別一側は外向きに延びて内側として仕切る。ハロゲン電球は、該第一集光レンズの内側に設置する。複数の第二集光レンズのサイズは該第一集光レンズより小さく、該第一集光レンズの内側と該ハロゲン電球の間に分布する。赤外線ライト集光レンズ組は、そのうちの一第二集光レンズと該ハロゲン電球の間に設置する。複数の第三集光レンズ組は、残りの第二集光レンズの外側に設置する。複数の分光フィルターは、該各第三集光レンズ組の外側にそれぞれ位置する。複数のフォトダイオードは、該各分光フィルターの外側にそれぞれ位置し、該各分光フィルターとしっかり合わさることを最も主要な特徴とする。

本発明の赤外線反射光測定装置は、多波長域と帯域幅を任意に選択できるという利点がある。

可視光と近赤外線光の透光効果の指示図である。 異なる物質もしくは化学結合に異なる吸收スペクトルがある指示図である。 本発明の配置指示図である。 本発明の局部部品配置指示図である。 本発明の局部部品配置指示図である。 本発明の局部部品配置指示図である。 本発明の局部部品配置指示図である。 本発明の局部部品配置指示図である。 本発明の光度と波長の曲線図である。 異なる基材で製作したフォトダイオードが異なるの波長域に対して異なる反響感度がある指示図である。 個別装置を出荷前に先ずゼロ点に較正した指示図である。 個別装置が製造公差によって引き起こす差異性が消えた指示図である。

主に第一集光レンズの一側は外向きに延びて外側として仕切り、該第一集光レンズ該外側と反対の別一側は外向きに延びて内側として仕切る。ハロゲン電球は、該第一集光レンズの内側に設置する。複数の第二集光レンズのサイズは該第一集光レンズより小さく、該第一集光レンズの内側と該ハロゲン電球の間に分布する。赤外線ライト集光レンズ組は、そのうちの一第二集光レンズと該ハロゲン電球の間に設置する。複数の第三集光レンズ組は、残りの第二集光レンズの外側に設置する。複数の分光フィルターは、該各第三集光レンズ組の外側にそれぞれ位置する。複数のフォトダイオードは、該各分光フィルターの外側にそれぞれ位置し、該各分光フィルターとしっかり合わさる赤外線反射光測定装置を提供することを本発明の主な目的とする。

本発明の特徴とその特徴を更に理解するため、以下に良好な実施例を挙げ、図式と共に以下に説明する。

図３から図８に示すとおり、本発明の良好な実施例が提供する赤外線反射光測定装置１００は、主に第一集光レンズ１０、ハロゲン電球２０、複数の第二集光レンズ３０、赤外線ライト集光レンズ組４０、複数の第三集光レンズ組５０、複数の分光フィルター６０、複数のフォトダイオード７０、コントローラ８１、一ディスプレイ８２及びパワーサプライ８３を含む。そのうち、

図３に示すとおり、該第一集光レンズ１０は、一側が外向きに延びて外側として仕切り、該第一集光レンズ１０の該外側相反する別一側が外向きに延びて内側として仕切る。

図３に示すとおり、該ハロゲン電球２０は、該第一集光レンズ１０の内側に設置する。

図３に示すとおり、該複数の第二集光レンズ３０は、そのサイズが該第一集光レンズ１０より小さく、それは該第一集光レンズ１０の内側と該ハロゲン電球２０の間に分布する。

図３に示すとおり、該赤外線ライト集光レンズ組４０は、第二集光レンズ３０と該ハロゲン電球２０の間に設置する。

図３に示すとおり、該複数の第三集光レンズ組５０は残りの第二集光レンズ３０の外側に設置する。

図３に示すとおり、該複数の分光フィルター６０は、それぞれ該各第三集光レンズ組５０の外側に位置する。

図３に示すとおり、該複数のフォトダイオード７０は、それぞれ該各分光フィルター６０の外側に位置し、更に該各分光フィルター６０としっかり合わさる。

図３に示すとおり、該コントローラ８１は、電力増幅器（ＡＭＰ）８１１、アナログデジタル変換器（ＡＤＣ）８１２とマイクロコントローラユニット（ＭＣＵ）８１３を整合して構成する。該コントローラ８１は、該複数のフォトダイオード７０と電気連接する。

図３に示すとおり、該ディスプレイ８２は、液晶ディスプレイであり、該コントローラ８１と電気連接する。

図３に示すとおり、該パワーサプライ８３は、リチウム電池であり、該コントローラ８１、ディスプレイ８２及び該ハロゲン電球２０と電気連接し、作動時必要な電力を供給する。

上述は即ち、本発明の良好な実施例が提供する赤外線反射光測定装置１００の各部品及びその組立方式の紹介であり、続いて、その使用特徴を以下に説明する。

先ず、図３に示すとおり、測定対象物品９１を該第一集光レンズ１０の外側の適する位置に置き、該ハロゲン電球２０は赤外線を発する。その紅外線は外向きに発射し、同時に赤外線ライト集光レンズ組４０を通過する。赤外線は赤外線ライト集光レンズ組４０を通過した後、赤外線は更に第三集光レンズ組５０、第二集光レンズ３０及び第一集光レンズ１０を通過し、通り抜けた赤外線を該測定対象物品９１上に照射する。該測定対象物品９１は赤外線照射後の拡散反射光によって内側向きに該第一集光レンズ１０を経て集まって一筋の平行光を形成し、それが各第二集光レンズ３０上に再度配分され、次に該第三集光レンズ組５０を経て反射光をフォトダイオード７０上にフォーカスし、異なる波長の反射光の特性識別を達成する。

続いて、フォトダイオード７０は、受け取った光エネルギーが発した微小電流を該電力増幅器８１１とアナログデジタル変換器８１２を経て電圧値をマイクロコントローラユニット８１３へ伝送して数値演算を行う。続いて事前のシュミレーションプログラムによって総合して得た数値結果、例として糖度、酸度、もしくはある種の化学物質の成分比例をディスプレイ８２上に表示して特定機能検出器の効果を達成する。

その他、フォトダイオード７０の価格は非常に高く、特に波長域が比較的長いＩｎＧａＡｓ単位の面積の価格は更に高いため、使用は３ＭＭのフォトダイオード７０より小さい。更に本発明の第二集光レンズ３０が必要な数は、必要な波長域＋１と同じであり、数が同じの第三集光レンズ組５０は、反射光を更に小さい面積上でフォーカスするオプトエレクトロニクス設計として使用し、光エネルギー密度をできるだけ高め、電球のワット数を減らし、省電の要求を達成する。

次に図４−１から図４−５に示すとおり、本発明では各種異なる波長域数Ｐ１；Ｐ２；Ｐ３…＋赤外線ライト集光レンズ組（ＩＲ）４０によって投射に必要な数個の第二集光レンズ３０及び第三集光レンズ５０を採用し、該第三集光レンズ５０（位置方向に違いがあるため、本図では未提示）は該第二集光レンズ３０の相対位置に配置し、空間、重量及びコスト節約のため、該第一集光レンズ１０は円形、楕円形もしくは長方形等、例として図４−１の第一集光レンズ１０は円形、中には１個の赤外線ライト集光レンズ組（ＩＲ）４０、２個第二集光レンズ３０を設置する。そのうち、該第二集光レンズ３０と第三集光レンズ５０は小円形である。図４−２の第一集光レンズ１０は円形であり、中には１個の赤外線ライト集光レンズ組（ＩＲ）４０、６個の第二集光レンズ３０を設置する。図４−３の第一集光レンズ１０は円形であり、中には１個の赤外線ライト集光レンズ組（ＩＲ）４０、４個の第二集光レンズ３０を設置する。図４−４の第一集光レンズ１０は楕円形であり、中には１個の赤外線ライト集光レンズ組（ＩＲ）４０、３個の第二集光レンズ３０を設置する。図４−５の第一集光レンズ１０は長方形であり、中には１個の赤外線ライト集光レンズ組（ＩＲ）４０、５個の第二集光レンズ３０を設置する。その他、図４−１から４−５に示すのは、各第二集光レンズ３０である。

該第一集光レンズ１０、第二集光レンズ３０及び第三集光レンズ組５０は、赤外線反射光を受けて集中した後、次に該分光フィルター６０を通じ、選定した数個の波長と帯域幅、例として９００＋／−３０ＮＭ等を濾過し、更にしっかりと合わせたフォトダイオード７０上に照射することで、分光光度計もしくはスペクトロメーターのように異なる波長の反射光特性を同じ機能として識別できる。

赤外線の光源は、伝統的な白熱タングステン電球の他に、更に現代では発光ダイオードＬＥＤがあるが、それぞれ長所短所がある。本発明の設計ではハロゲン電球（または石英電球とも呼ぶ）を使用する。なぜなら、この種の電球は非常に幅広の近赤外線ＮＩＲスペクトルがあり、特に３０００度Ｋのフィラメント温度の下、スペクトルの最も光が高いのは１０００ＮＭ附近（図５参照）であり、且つそのスペクトルは連続性であり、数個の適する波長域を自由に選定することができる。これらの長所は発光ダイオードに欠けている点であり、発光ダイオードは通常数個の規格内、例として７４０、７８０、８５０、９４０、１０３０ＮＭに限定され、且つ帯域幅が大きいのは、＋／−３０ＮＭだけである。仮に設計上、波長域を同距離にする必要があるか、もしくは帯域幅を広くする、狭くする必要がある場合、ちょうど適した発光ダイオードを見つけるのは非常に困難である。

ハロゲン電球を使用するその他の長所として、すべての波長域はすべて同一集中点のフィラメントから発し、更に電圧、電流が不安定な動きがあるか否かに関わらず、各波長域はすべて同時に強くなったり、弱くなったりする。ただそのうちの一個の波長域を捉えて参考値とするだけで、受信した数値を整え直し、電源が弱くなったり、もしくは儀器が古くなったから正確な数値が得られないことはなく、多数個の異なる位置のＩＲ ＬＥＤを使用する時、各個異なる方向からの発光点が測定対象物品上の小さい範囲に集中するのは非常に困難であり、且つ使用年数に従って、各個のＩＲ ＬＥＤの強度変化も同時にならない。そのため、得たすべての数値を測るのは益々不正確になるので、ハロゲン電球を使用するのがよい。

しかしながら、ハロゲン電球を使用するエネルギー効率は劣るが、本発明が提供する光学設計により、赤外線光源は表皮層が物質内面に進入することによって、拡散反射した光は、本発明の第一集光レンズ、第二集光レンズ及び第三集光レンズ組によってフォトダイオード上にフォーカスする。しかし、異なる基材（ＳＵＢＳＴＲＡＴＥ）で製作したＰＨＯＴＯＤＩＯＤＥ（フォトダイオード）は、異なる波長域に対して異なる反響感度（ＳＥＮＳＩＴＩＶＩＴＹ）を有する。図６に示すとおり、ＳＩＬＩＣＯＮ（シリコンチップ）は３００〜１１００ＮＭであり、ＩｎＧａＡｓ（インジウムガリウム砒素）は８００〜１７００ＮＭである。

赤外線（ＩＲ）反射光をフォトダイオード上にフォーカスし、次にオプトエレクトロニクス効果を経て電圧数値に転換する。この原理の運用は、スペクトロメーター（ＳＰＥＣＴＲＯＭＥＴＥＲ）連続スペクトルの特定吸收線（ＡＢＳＯＲＰＴＩＯＮ ＬＩＮＥＳ）の分析、もしくは本発明の簡略化の赤外線反射光測定装置を問わない。幾つかの特定波長域及び特定の帯域幅で分析した対象の化学成分を選ぶだけでよく、その基本運用方法は同じである。但し、スペクトロメーターの構造は複雜で、価格が高く、且つ幅広の連続波長スペクトル図を分析し、膨大なデータベースで比較しなければならないので、携帯でき、手の届く価格のマイクロ装置として量産することができない。このことから、本発明は特殊なオプトエレクトロニクスを使って結合し、現在の大部分の製品より安くなり、且つ性能は更に安定した実用的な手持式持ちリング装置、もしくはスペクトルを強化して波長域を選ぶ卓上型となる。更に、コンベアベルトがモデルを選ぶＩＲ設備となる。但し、優れたオプトエレクトロニクスシステムを除き、有効で正確な数値分析モデルと簡潔な演算プログラムができなければならず、それでやっとマイクロＩＣチップ上に複製して量産できる。本発明は、またこの数学演算モジュールを論述する。なぜなら、量産製造時、大量のオプトエレクトロニクス部品が必要であるからで、たとえ規格番号が同じ部品であっても固定範囲の公差がある。仮に光通信の処理が個別装置に対して較正しても、その量産時の複雑度は高く、且つソフトウエア組み込みの時間が掛かるので、可浮動の変数と固定比率連動の変数を考慮しなければならず、このようにして正規化相互相関（ＮＯＲＭＡＬＩＺＥＤ ＣＲＯＳＳ ＣＯＲＲＥＬＡＴＩＯＮ）のバーチャル方式を用いて均一化の目的を達成する。

簡略化の例として、図７に示すとおり、シリコンチップを使用したフォトダイオード（ＳＩ−ＰＨＯＴＯＤＩＯＤＥ）において三波長域８００；９００；１０００＋／−２０ＮＭを選ぶ。そのオプトエレクトロニクス変換の電圧は、それぞれＶａ；Ｖｂ；Ｖｃである。各装置は同様の一片強度零反射片（銅アルミ合金表面サンドブラスト（Ｃｕ／Ａｌ ＲＯＵＧＨ ＳＵＲＦＡＣＥ）を使用し、拡散反射のバーチャルにも三個の電圧値Ｖａ０；Ｖｂ０；Ｖｃ０を取得する。公差を製造することから、それぞれの電圧帰零値は僅かに差異があり、固定しない。但し、測定対象物品の反射光が転換した電圧値を受信するため、ある種の化学結合は一定の吸收反映を有するので、Ｖａ／Ｖａ０；Ｖｂ／Ｖｂ０；Ｖｃ／Ｖｃ０のこれらの値は、異なる装置に対して一致しなければならず、拠ってこれらのこの値は、プログラムの変数を入力することで信頼でき安定する。

図８に示すとおり、測定するリンゴ（ＡＰＰＬＥ）の糖度がＢＲＩＸ％の時、個別装置の製造の公差が引き起こす差異性を消去するため、変数値Ｖ１＝Ｖａ／Ｖａ０；Ｖ２＝Ｖｂ／Ｖｂ０；Ｖ３＝Ｖｃ／Ｖｃ０を入力することで、それがＮＯＲＭＡＬＩＺＥ正規化したプログラムになる。

以上のとおり、本発明が提供するのは良好な実施例に過ぎず、本発明の請求範囲を制限するものではなく、当領域に習熟する者が実施する本発明に基づく均等な変化はすべて本発明の請求範囲に含むものとする。

１００ 赤外線反射光測定装置
１０ 第一集光レンズ
２０ ハロゲン電球
３０ 第二集光レンズ
４０ 赤外線ライト集光レンズ組
５０ 第三集光レンズ組
６０ 分光フィルター
７０ フォトダイオード
８１ コントローラ
８１１ 電力増幅器
８１２ アナログデジタル変換器
８１３ マイクロコントローラユニット
８２ ディスプレイ
８３ パワーサプライ
９１ 測定対象物品

Claims (2)

1. 赤外線反射光測定装置において、そのうち、
   一側は外向きに延びて外側として仕切り、該外側と反対の別一側は外向きに延びて内側として仕切る第一集光レンズと、
   該第一集光レンズの内側に設置するハロゲン電球と、
   そのサイズは該第一集光レンズより小さく、該第一集光レンズの内側と該ハロゲン電球の間に分布する複数の第二集光レンズと、
   そのうちの一第二集光レンズと該ハロゲン電球の間に設置する赤外線ライト集光レンズ組と、
   残りの第二集光レンズの外側に設置する複数の第三集光レンズ組と、
   該各第三集光レンズ組の外側にそれぞれ位置する複数の分光フィルターと、
   該各分光フィルターの外側にそれぞれ位置し、該各分光フィルターとしっかり合わさる複数のフォトダイオードと、
   該複数のフォトダイオードと電気連接し、演算を行うコントローラと
   液晶ディスプレイであり、該コントローラと電気連接し、該コントローラ運算後の数値を表示するディスプレイと、
   該コントローラ、ディスプレイ及び該ハロゲン電球と電気連接し、作動時必要な電力を供給するパワーサプライを含むことを特徴とする赤外線反射光測定装置。
2. 前記コントローラは、電力増幅器、アナログデジタル変換器をマイクロコントローラユニットと整合して構成することを特徴とする請求項１記載の赤外線反射光測定装置。