JP2023117777A - 光学検出装置及び該光学検出装置を備えたシステム - Google Patents
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Abstract
Description
検出側ファイバオプティックプレートと、
短波長域の可視光を出射し、光軸が前記検出側ファイバオプティックプレートの光軸に対して略平行に配置された第1の光源と、
長波長域の可視光を出射し、光軸が前記検出側ファイバオプティックプレートの光軸に対して斜めに配置された第2の光源と、
を備え、
前記第2の光源の光軸と前記検出側ファイバオプティックプレートの光軸とがなす角度が、前記検出側ファイバオプティックプレートの最大受光角より大きくなっており、
植物の葉を一方の表皮面が前記検出側ファイバオプティックプレートの入射面に接するように配置し、前記第1の光源及び前記第2の光源からの出射光が前記葉の他方の表皮面に入射し、前記葉の中を透過して前記一方の表皮面から前記検出側ファイバオプティックプレートの入射面に到達する状態で、前記検出側ファイバオプティックプレートの出射面側から視認することにより、前記葉の葉緑体の分布状態を把握することを特徴とする光学検出装置である。
上記の光学検出装置と、
前記光学検出装置の前記検出側ファイバオプティックプレートの出射面に受光面が対向するように配置された画像センサと、
前記画像センサが取得した画像データを無線または有線で送信する送信手段と、
前記送信手段から送信された画像データを受信する少なくともサーバまたは携帯端末を含む制御手段と、
を備えたシステムである。
はじめに、図1を参照しながら、本発明の第1の実施形態に係る光学検出装置の説明を行う。本実施形態に係る光学検出装置2は、検出側ファイバオプティックプレート10と、第1の光源20と、第2の光源22と、光源側ファイバオプティックプレート30とを備える、
検出側ファイバオプティックプレート10の光軸(構成する光ファイバの光軸)は、図1で上下方向に伸びており、光軸に略直交する入射面10a及び出射面10bを有する。検出側ファイバオプティックプレート10の最大受光角αは、90度より小さく、約51度(開口値NA=0.43)となっている。つまり、検出側ファイバオプティックプレート10は、低開口ファイバオプティックプレート(LOW-NA FOP)である。
第1の光源20は、青色光(例えば、波長450以上485nm未満)を出射するLEDチップを備える。第1の光源20の光軸が、検出側ファイバオプティックプレート10の光軸に対して略平行になるように配置されている。
第2の光源22は、赤色光(例えば、波長625以上780nm未満)を出射するLEDチップを備える。第2の光源22の光軸が、検出側ファイバオプティックプレート10の光軸に対して斜めになるように配置されている。特に、第2の光源22の光軸と検出側ファイバオプティックプレート10の光軸とがなす角度θが、検出側ファイバオプティックプレートの最大受光角αより大きくなっている。つまり、本実施形態では、θ>α(=約51度)となっている。
光源側ファイバオプティックプレート30の光軸(構成する光ファイバの光軸)は、検出側ファイバオプティックプレート10の光軸と略平行となるように配置され、光軸が図1で上下方向に伸びている、また、光軸に略直交する入射面30a及び出射面30bを有する。光源側ファイバオプティックプレート30の最大受光角βは、90度となっている。つまり、光源側ファイバオプティックプレート30は、通常ファイバオプティックプレート(Normal FOP)である。
次に、上記のような構成の光学検出装置2を用いて、葉Lの葉緑体の分布状態を把握する方法を説明する。図1に示すように、植物の葉Lを一方の表皮面L2が検出側ファイバオプティックプレート10の入射面10aに接するように配置する。更に、検出側ファイバオプティックプレート10の入射面10aに一方の表皮面L2が接するように配置された葉Lの他方の表皮面L1に出射面30bが接するように、光源側ファイバオプティックプレート30を配置する。つまり、試料である葉Lを、検出側ファイバオプティックプレート10及び光源側ファイバオプティックプレート30で両側から挟み込むようにする。この状態で、第1の光源20及び第2の光源22から光を出射させ、使用者は、検出側ファイバオプティックプレート10の出射面10b側から光の当てられた葉Lを観察する(図1の白抜矢印参照)。ここでは、葉Lの一方の表皮面L2が葉の表面(緑色の面)であって、葉Lの他方の表皮面L1が葉の裏面である。ただし、これに限られるものはなく、葉の表裏が逆に配置された場合もあり得る。
植物が光合成を行うため、葉には、葉緑体が有するクロロフィル(葉緑素)やカロテノイドといった光合成色素が含まれる。葉緑体が有するクロロフィルは、最も主要な光合成色素であり、カロテノイドは、クロロフィルに次ぐ補助的な光合成色素である。例えば、植物がウイルスに感染すると、葉緑体の発達が悪くなってクロロフィルが減少し、十分な光合成ができなくなる。葉のクロロフィルが減少した領域は、緑色から黄色(場合によっては茶色)に変色し黄化が生じる。
上記のように、光源側ファイバオプティックプレート30により、光軸に対して斜めに入射した光に回転対称性を付与することができ、葉Lをムラなく照射することができる。
更に、葉の葉脈はあらゆる方向に延びているが、仮に斜めに進む光が1方向にしか進まない場合には、一方の表皮面L2側から葉Lを見たとき、葉脈により反射される角度により、葉緑体の分布状態とは関連せずに、光の光強度の強弱が生じる。これは、葉緑体の分布状態の把握を阻害する要因になる。しかし、光源側ファイバオプティックプレート30により付与されたた回転対称性により、上記の方向による影響をキャンセルすることができる。よって、回転対称性によるムラの防止効果も相まって、葉脈を鮮明に視認することができる。これにより、葉脈に対して葉緑体の欠損がどのように生じているか的確に把握することができる。葉脈と葉緑体の欠損の位置関係を考慮することで、植物がどのような病害に侵されているかの推測も容易になる。
上記のように葉Lの中を透過した青色光及び赤色光は、一方の表皮面L2から検出側ファイバオプティックプレート10の入射面10aに到達する。第1の光源20から出射された青色光は、クロロフィルが存在する健全な領域でも、カロテノイドの比率が高まる黄化した領域でも吸収されるが、一部の青色光はクロロフィルやカロテノイドを透過する。葉Lの中を透過した青色光は、入射面10aから検出側ファイバオプティックプレート10内に入射する。
次に、図2を参照しながら、本発明の第2の実施形態に係る光学検出装置の説明を行う。上記の第1の実施形態では、点光源である第1の光源20及び第2の光源22の出射光が、直接、光源側ファイバオプティックプレート30に入射するが、本実施形態では、点光源である第1の光源20の出射光が入射する第1のシリンドリカルレンズ40と、点光源である第2の光源22の出射光が入射する第2のシリンドリカルレンズ42とを備える。
第1の光源20の出射面に第1のシリンドリカルレンズ40の入射面が接続され、第1の光源20の光軸と第1のシリンドリカルレンズ40の光軸が略平行に配置されている。第2の光源22の出射面に第2のシリンドリカルレンズ42の入射面が接続され、第2の光源22の光軸と第2のシリンドリカルレンズ42の光軸が略平行に配置されている。
第1のシリンドリカルレンズ40の出射面40aから出射した青色光は、光源側ファイバオプティックプレート板60の入射面60aから光源側ファイバオプティックプレート板60内に入射し、光源側ファイバオプティックプレート板60内を進んで、光源側ファイバオプティックプレート板60の出射面60bから出射する。光源側ファイバオプティックプレート板60の出射面60bから出射した青色光は、検出側ファイバオプティックプレート10の光軸に略平行な方向から葉Lの他方の表皮面L1に入射する。
第2のシリンドリカルレンズ42の出射面42aから出射した赤色光は、光源側ファイバオプティックプレート板60の入射面60aから光源側ファイバオプティックプレート板60内に入射し、光源側ファイバオプティックプレート板60内を進む間に回転対称性が付与され、光源側ファイバオプティックプレート板60の出射面60bから出射する。光源側ファイバオプティックプレート板60の出射面60bから出射した赤色光は、検出側ファイバオプティックプレート10の入射面光軸に対して角度θをなす方向から葉Lの他方の表皮面L1に入射する。
次に、図3を参照しながら、本発明の第3の実施形態に係る光学検出装置の説明を行う。上記の第2の実施形態では、第1、第2の光源20、22及びシリンドリカルレンズ40、42の組み合わせで面光源として機能させているが、本実施形態に係る光学検出装置2では、ホロライトのような、面発光光源50、52を用いる点で異なる。
次に、図4を参照しながら、上記の第1の実施形態に係る光学検出装置を試作し、試作をした光学検出装置を用いて、葉の表皮面を視認した実施例の説明を行う。図4は、試作した光学検出装置を用いて視認した葉の一方の表皮面を示す図(写真)である。
図4の葉脈が存在する濃い灰色の領域が青色に見える領域であり、葉緑素が欠損した黒色の領域の周囲のやや薄い灰色の領域が赤色に見える領域である。
例えば、葉を日の光に透かすだけでは、黄化部分は観測できても、葉脈部分は透過光が強すぎて、サチレーションを起こしてしまい観測できない。しかし、本発明に係る光学検出装置を用いることにより、図4に示すように、黄化部分とともに網状の細い葉脈も描画されており、黄化部分の位置関係を容易に確実に把握することができる。
以上のように、図4に示すような実施例から、可視光域の両端に位置する青色光と赤色光とにより、目視だけでは識別が困難な黄化を容易に確実に識別することができることが実証された。
次に、図5Aから図5Cを参照しながら、上記の実施形態に係る光学検出装置の機械的な構造の概要を説明する。図5Aは、光学検出装置の外形の一例を示す斜視図であって、上側部及び下側部が閉じられた状態を示す図である。図5Bは、図5Aに示す光学検出装置において、上側部を一端に設けられた回転軸を中心に回転させて開閉を行う例を示す斜視図である。図5Cは、図5Aに示す光学検出装置において、上側部を下側部に対して上下に動かして開閉を行う例を示す斜視図である。
閉じた状態から上側部6を引き上げて開いて、葉Lを下側部4と上側部6との間に配置した後、上側部6を押し下げて閉じる。これにより、光源側ファイバオプティックプレート30、60、70と検出側ファイバオプティックプレート10との間に葉Lを挟み込んで配置できる。これにより、容易に葉Lの葉緑体の分布状態を把握することができる。
次に、画像センサを備えた光学検出装置を備えたシステムの説明を行う。図6は、画像センサが取り付けられた光学検出装置を備えたシステムの一例を模式的に示すブロック図である。
また、上記の通り、光源側ファイバオプティックプレート30、60、70を採用することでファイバオプティックプレートの回転対称性を付与できるので、透過光学系に、どのように葉Lを挿入しても得られる画像に変化がないという効果を与えることができる。また、透過型光学系を用いることにより、外部の光源条件がどのようなものであれ(晴れの日も雨の日も)、同じ画像が得られる。また、人に分かりやすい青と赤色の違いに変換することにより、熟練度の違いもなくなる。
また、それにとどまらず、地域を超えた環境変化(例えば温暖化など)や特定の地域における特定の病害のアラート、またはビッグデータの解析結果を農作業者にフィードバックして、今見ている葉の状態からその農作物がどのような病害に侵されているかの情報提案もできる。規模が広がれば、オルタナティブデータとして、政府、企業、団体、個人に広く利用される可能性がある。
これを実現するには、作業環境や作業人といった条件に左右されない画像データは、貴重な資産となり得るが、そのためには、上記のように、光源側ファイバオプティックプレート30、60、70により付与される回転対称性や、検出側ファイバオプティックプレート10によるS/N比の向上が重要になる。
4 下側部
6 上側部
8 脚部
10 検出側ファイバオプティックプレート
10a 入射面
10b 出射面
20 第1の光源
22 第2の光源
30 光源側ファイバオプティックプレート
30a 入射面
30b 出射面
40 第1のシリンドリカルレンズ
40a 出射面
42 第2のシリンドリカルレンズ
42a 出射面
50 第1の光源
50a 出射面
52 第2の光源
52a 出射面
60 光源側ファイバオプティックプレート
60a 入射面
60b 出射面
70 光源側ファイバオプティックプレート
70a 入射面
70b 出射面
80 画像センサ
100 システム
110 サーバ
120 携帯端末
L 葉
L1 他方の表皮面
L2 一方の表皮面
Claims (9)
- 検出側ファイバオプティックプレートと、
短波長域の可視光を出射し、光軸が前記検出側ファイバオプティックプレートの光軸に対して略平行に配置された第1の光源と、
長波長域の可視光を出射し、光軸が前記検出側ファイバオプティックプレートの光軸に対して斜めに配置された第2の光源と、
を備え、
前記第2の光源の光軸と前記検出側ファイバオプティックプレートの光軸とがなす角度が、前記検出側ファイバオプティックプレートの最大受光角より大きくなっており、
植物の葉を一方の表皮面が前記検出側ファイバオプティックプレートの入射面に接するように配置し、前記第1の光源及び前記第2の光源からの出射光が前記葉の他方の表皮面に入射し、前記葉の中を透過して前記一方の表皮面から前記検出側ファイバオプティックプレートの入射面に到達する状態で、前記検出側ファイバオプティックプレートの出射面側から視認することにより、前記葉の葉緑体の分布状態を把握することを特徴とする光学検出装置。 - 前記第1の光源が青色光を出射し、前記第2の光源が赤色光を出射することを特徴とする請求項1に記載の光学検出装置。
- 光軸が前記検出側ファイバオプティックプレートの光軸と略平行であり、前記検出側ファイバオプティックプレートの入射面に一方の表皮面が接するように配置された葉の他方の表皮面に出射面が接するように配置された光源側ファイバオプティックプレートを備え、
前記第2の光源の光軸と前記光源側ファイバオプティックプレートの光軸とがなす角度が、前記光源側ファイバオプティックプレートの最大受光角以内になっており、
前記第1の光源及び前記第2の光源の出射光が前記光源側ファイバオプティックプレートの入射面から前記光源側ファイバオプティックプレート内を進み、前記光源側ファイバオプティックプレートの出射面から前記葉の他方の表皮面に入射することを特徴とする請求項1または2に記載の光学検出装置。 - 前記第1の光源及び前記第2の光源が点光源であって、前記第1の光源及び前記第2の光源が出射光が、前記光源側ファイバオプティックプレートに入射することを特徴とする請求項3に記載の光学検出装置。
- 前記第1の光源及び前記第2の光源が点光源であって、
前記第1の光源の出射光が入射する前記第1の光源の光軸に略平行な光軸を有する第1のシリンドリカルレンズと、前記第2の光源の出射光が入射する前記第2の光源の光軸に略平行な光軸を有する第2のシリンドリカルレンズとを備え、前記第1のシリンドリカルレンズ及び前記第2のシリンドリカルレンズからの出射光が前記光源側ファイバオプティックプレートに入射することを特徴とする請求項3に記載の光学検出装置。 - 前記第1の光源及び前記第2の光源が面発光光源であって、前記第1の光源及び前記第2の光源が出射光が、前記光源側ファイバオプティックプレートに入射することを特徴とする請求項3に記載の光学検出装置。
- 請求項1から6の何れか1項に記載の光学検出装置と、
前記光学検出装置の前記検出側ファイバオプティックプレートの出射面に受光面が対向するように配置された画像センサと、
前記画像センサが取得した画像データを無線または有線で送信する送信手段と、
前記送信手段から送信された画像データを受信する少なくともサーバまたは携帯端末を含む制御手段と、
を備えたことを特徴とするシステム。 - 前記サーバにおいて、送信された画像データ及びに基づいて、前記葉の葉緑体の分布状態を解析することを特徴とする請求項7に記載のシステム。
- 前記サーバにおいて、送信された画像データまたは該画像データに基づく解析データを蓄積し、統計的分析データを生成することを特徴とする請求項7または8に記載のシステム。
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